JPH01304303A - 測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はレーザ光の干渉を利用して、波長を羊位とした
高精度、高分解能の測長を行うことか出来るとともに、
アブソリュートな測長出力を得ることの出来る測長器に
関するものである。

〈従来の技術〉 アブソリュートな測長出力を得ることが出来る測長器と
して本出願人は特願昭６１−４７８７１号を提案してい
る。この提案はマイケルソンの干渉光学系を利用した測
長器において、波長の異なる２つの光を偏波面を直交さ
せた上で重畳し、前記干渉光学系に入射させる重畳手段
と、前記干渉光学系を介して戻ってきた光を前記偏波面
の向きに応じて分離する分光手段により分離された光を
受け、それぞれの光における位相遅れ量を測定するよう
にしたものである。

第４図はその測長器の構成を示すものである。

図において１．２は例えは波長かλ１．λ２の２つの光
を出射するレーザ光源である。これ等の光源からの波長
は検めて安定した状態とされ１図では省略するが、その
波長安定化の為の装置としてエタロンなどが用いられて
いる。５は光の偏波面を９０°回転させるλ／２板、Ｍ
Ｒはミラー、ＰＢＳｌ　、ＰＢＳ２は偏波面の向きに応
じて光を透過または反射する偏光ビームスプリッタ、Ｊ
（ＭＲはハーフミラ−、ＡＯＭは光の位相遅れ量をヘテ
ロタイン検波するなめに基準側の光を変調する音響光学
変調器（以下、ＡＯＭと略記する）、６はＡＯＭを一定
周波数ｆｂで駆動する変調信号源。

ＰＤｌ　、ＰＤ２はフォトデテクタ、ＣＣ１，ＣＣ２は
反射鏡、３はフォトデテクタＰＤ１．ＰＩ）２に含まれ
る位相遅れ量を検出する位相差検出装置２４は測定に使
用された先の波長とそのときの位相遅れ量の関係から反
射鏡ＣＣ１までの距離を求める演算装置である。反射鏡
ＣＣ１は測長動作に）１卜して移動する測長側の反射鏡
であり１反射鏡ｃｃ２は一定の距離に固定された基準側
の反射鏡である。図に示すように偏光ビームスプリッタ
Ｐ　Ｂ　Ｓｌはλ／２板５とともに、波長の異なる２つ
の光を直交さぜな上で重畳する重畳手段を構成しており
４重畳した光は反射８ｊｌＣＣ１、ＣＣ２等よりなる干
渉光学系に入射する。また、偏光ビームスプリッタＰＢ
Ｓ２は干渉光学系を介して得られた干渉光を偏光面の向
きに応じて分離する分光手段であり１分光した光はフォ
トデテクタＰＤ１　、ＰＤ２に入射している。フォトデ
テクタＰＤＰ、ＰＤ２の出力は位相差検出装置３にそれ
ぞれ入力されている。ずなわちレーザ光源１から出射し
た波長λ１の光は干渉光学系を介した後、フォトデテク
タＰＤＩに入射し、レーザ光源２から出射された波長λ
２の光は、干渉光学系を介した後フォトデテクタＰＤ２
に入射することになる。

従って、上記のように構成された測長器においては、波
長の異なる２つの光が互いに干渉することなく、それぞ
れのフォ１へデテクタＰＤＩ、ＰＤ２に入射するので、
異なる波長（λ１．λ２）の光に対して、それぞれ独立
の測定系が構成されていると考えることが出来る。また
、それぞれの測定系におりる動作はここでは省略するか
位相差検−３〜 出装置３からは各波長の光における位相遅れ量の差に応
じた信号か出力される。

上記構成の測長器においては２つの波長（λ１゜λ２）
の光に対する位相遅れ量の測定を同一条件で行うことが
できる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上記のような測長器においては。

レーザ光源の波長を基準として測長しているなめ。

測長精度を上げるためには異なった波長を極めて安定し
た状態で出射する必要がある。その波長安定化の為の装
置としてエタロンなどの特別な装置か必要であり、また
、エタロンを用いる場合は空気の屈折率や気圧の変動に
よる影響も考慮する必要かあるという問題があった。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みて成されたもので
、測定に使用する波長の安定度に依存することなく測定
距離を求める様にし、波長安定化の為の特別な装置が不
要な測長器を実現することを目自勺とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記問題点を解決するための本発明の構成は。

波長の異なる２つの光の偏波面を直交させて重畳する光
重前手段と、この光重前手段により重畳された光を２方
向に分岐する第１の光分岐手段と。

この光分岐手段により分岐した一方の光を長さの異なる
既知の複数の光路で反射する第１の反射手段と、前記分
岐した他方の光を反射する第２の反射手段と、これら第
１．第２の反射手段からの反射光を前記第１の光分岐手
段を介して受光し前記偏波面の向きに応じて分岐する第
２の光分岐手段と、前記第２の光分岐手段からの光のそ
れぞれを受光する複数の受光素子と、これら受光素子か
らの信号に基づいてそれぞれの光路を経た光の位相差を
検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段からの
信号に基づいて前記第２の反射手段までの距離を演算す
る演算装置を具伽したことを特徴とするものである。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。

図において、ＬＤｌ　、ＬＬ）２はλ１．λ２の波長の
宜なる光を、′１４射するごレーザ光源である。しかし
。

この光源は波ｊ（安定化の為のエラ１コンなとＩｊ：　
ｆｌｉｆｉえていない６５ａ、５ｂはレー→）゛の直方
に配置されな１／２λ板て、それぞれのレーザの偏波面
を直交さぜな状態で光重前手段である偏光ビーノ＼スプ
リッタＰ　Ｂ　Ｓ　１に入射さぜ重畳さぜる。このＰｒ
３Ｓ１からの出射光はビームエキスパンダ２０に入射し
て所定の大きさに拡大された後、第１の光分岐手段であ
るハーフミラ−１−Ｉ　Ｍ　Ｆｊ　１に入射する。

このＩ−ｒ　Ｍ　Ｒ１を透過した光ｉ、ｌヘデ冒タイン
検波川り用　Ａ　ＯＭを経て第１の光分岐手段から１−
７２の１車＾１「の位置に配置された第２の反ＩＡ＝１
手段である一ｉ＋Ｊ動ミラー２２に入射して再びＡ　Ｏ
Ｍを経てＨＭ’　ｌ’（、１に入射し、その反射光が第
２の光分岐手段である［〕ＢＳ２に入射するく可動ミラ
ー２２までのｄ［ｉ離１−。

２が測定対象である）。

Ｐ　Ｂ　８２に入射した光は偏波面に１１６　シて２方
向に分岐され１反射した光はアレイ状に配置されノ、：
受光索子Ｉ’Ｄ１１〜１）Ｄ１５に入射し、透過した光
は同じくアレイ状に配置された受光索子ＰＩ）２１〜．
ＰＩ）２５に入射する。

一方第１の分岐手段ＨＭ　Ｒ１で反射した光はｌ（ＭＲ
，１から既知の距呵であるＩ−、１の位置に配置され、
精密に加工された複数の既知の段差（Δ１１〉Δ！２〉
Δ１３〉八！４）を有するＭＲ１１〜ＭＴ（１５からな
る第１の反射手段（固定ミラー）２１で反射して）−Ｉ
　Ｍ　Ｒ１を透過しな光がＰＢＳ２に入射して２方向に
分岐する。

受光素子ＰＤＩＩ〜Ｐ　Ｄ　１５および１〕丁）２１〜
ＰＤ２５は第１の反射手段２１て段差毎に反射した光を
別々に受光する。即ち、Δ１１の段差を有するＭ　Ｒ１
５からの反射光はＰＩ）１１およびＰＤ２１に入射し。

Δ１２の段差を有するＭＲ１４からの反射光はＰ　Ｉ）
１２およびＰＤ２２に、ＭＲ１３からの反射光はＰＤ１
３およびＰＤ２３に、ＭＲ１４からの反射光はＰＤ１４
およびＰＩ）２４に、ＭＲ１５からの反射光はＰＤ１５
およびＰＤ２５に入射する。

これら受光素子からの電気信号は第１．第２の切替スイ
ッチ３０ａ、、３０ｂて切苔えられて位相差検出手段３
．演算装置４に送出される。

上記構成において、　ＰＩ）１５．　ＰＤ２５に入射す
る光の位相’！’　１５　　＋φ２５は次式により表す
ことが出来る。

φＩ　５　＝　（２π／λ１）　ｌ−ｏ　　　　　　　
　・・（１）φ２！３−（２π／λ２）Ｉ７゜　　　　
　　　・・・（２）Ｌｏ　　；　Ｌ２　　Ｉ−１＝・＜
　１−＋は既知）λ１．λ２　；各レーザの波長 （ＩＬ（２）式より位相差ψを求めるとφ１−２π（１
／λ１−１／λ２）Ｉ−０−（２π／△）１．、、ｏ・
・・（３）となる。

Ａ：λ１．λ２の合成波長（最小公債波長）同様にＩ）
Ｄｌｌ、　ＰＤ２１に入射する光の位相差ψ２は ψ２　＝　２　ｙｒ　（］−／λ１−１／λ２）ｌ−０
＋Δ１１−　　（２π　／　△　）ｌ−ｏ　　　−ト　
ム　！　、　　　　・・・　（４）となる。

（３）式と（４）式から ψ、／ψ２　＝　Ｌｏ　／　１．−ｏ＋Δ（！　＋　＝
　（１＋　　−（５）となり、このαが測定信号として
検出される。

＝　　８　− （５）式においてΔ１１は既知であるから演算装置によ
り Ｉ−ｏ−（α＋／１．−α）Δｌ　１□−（６）を演算
し、　Ｌ２　＝　Ｌｏ　　ｌ−，２を演算することによ
り可動ミラーまでの距１１ｉ１［１，、２を求めること
が出来る。

（６）式が成立する為には Δ≧Ｌｏ　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）の
条件が必要があるか、ここでは上記条件になるようにあ
らかじめ調移しであるものとする。

しかしながら、（６）式により演算した値は測長器とし
ての誤差を有している。

従って、０式のみては分解能が充分でないのてレーザか
らの波長λ１．λ２を適当に変化させてへセΔ１１　（
１旦し、△〉Δ１１）　・・・（８）の条件を満たずよ
うに調整する。

波長λ１．λ２を変化さぜな状態でＰＤ、！３　。

Ｐ　Ｄ　２５およびＰＤ＋　２　、ＰＤ２２からの信号
に基づいて、前述と同様に差と、比をとると。

α２−Δｌ−１／　（１，、−Ｔ　＋Δ１２）　　　　
・・・（９）−１〇　− α２　：測定値 ΔＬ１　；誤差範囲を絞り込んだ距離 ΔＬ１−α２／（１−α２）・Δ１２　・・・０Φとな
る。この値と（６）式により求めた値の分解能以下を切
捨てた値を加えることにより、より正確な値を求めるこ
とが出来る。この（１０）式の値も誤差を有しているも
のであるから、その分解能以下を切捨てて波長λ１．λ
２を変化させて更に絞り込んだ合成波長を作成する。即
ち１ ＡセΔ１２　（但し、Ａ＞Δ１２）　　・・・（１１）
の条件を満たすように調整し、同様にＰＤ、、。

ＰＤ２５およびＰＤ＋　３　、ＰＤ２３がらの信号に基
づいて。

α３＝Δｌ−２／　（Ｌ　２＋Δ１３）　　・・・（１
２）α３　；測定値 ΔＩ、２；誤差範囲を更に絞り込んだ距離を求め ΔＬ２＝α３／（１−α３）・Δ１３・・・（１３）を
得る。これをミラーの段差の数に応じて繰返すことによ
りより真値に近い測定距離ＬｄはＬｄ＝ＬＯ＋Δ　Ｌ　
＋ 十ΔＬ２＋ΔＬ３・・・＋λ／２π・Φλ・・・（１４
）となる。

Φλ；ヘテロダイン変調による項 ヘテロタイン変調を行い上記の測定を行うと。

変調信号を参照信号として位相測定が出来るので。

ある測長距離を考えたとき、固定側のミラーの組み合わ
せにより精密な測定が可能となる。

（１４）式のΦλはヘテロタイン変調による項であるが
、これより前の項は波長に関係なく基準側のミラーの段
差（光路差）の安定性に依存する。従って波長的内挿に
入る前までは、空気屈折率の変化や気圧の変化等を考慮
にいれる必要がなく、安定な測定が可能である。

第２図は他の実施例を示す構成図で、第１図と同様のも
のには同一符号を付しである。この例にお゛いてはＰＢ
Ｓ、からの出射光かＨＭＲｌを透過し、または反射した
後光を拡大する。即ち１反射した光は第１の反射手段に
入射する前にビームエキスパンタ２５で拡大され、透過
した光は第２の反射手段２　Ｙ＜キューブコーナ）で反
射してＡＯＭで周波数変調され、さらにビームエキスパ
ンタ２６で拡大されてＨＭＲ１で反射し、偏光ビームス
プリッタＰＢＳ２に入射してその光の偏波面に応じてフ
ォトデテクタＰＩ）＋＋〜ＰＤ、　４およびＰＤ２．〜
ＰＤ２４に達する！ この様な構成によれは第１．第２の反射手段で反射した
光（戻り光）かＬＤ、、ＬＤ２側に達することがないの
でレーザの出力波長を安定させることか出来る。２７．
２８は位相補償板である。

第３図はさらに他の実施例を示す構成図である。

第１図と同様のものには同一記号を付しである。

この例においては第１の反射手段をハーフミラ−ＨＭ’
　Ｒ２とミラーＭＲ２〜ＭＲ８およびキューブコーナＣ
Ｃ１を用いて２種類の基準光路を構成し。

第２の反射手段をＩ」ＭＲ３，ミラーＭＲ９およびキュ
ーブコーナＣＣ２を用いて構成し、受光素子の数もそれ
ぞれ２個配置されている。５０ａ、５０ｂはハーフミラ
−とミラーを支持する支持部材である。

上記構成によれば基準光路の調整が可能である。

なお、この例では基準光路の数を２種類とし受光素子の
数も２個としたが必要に応じて増加することが出来る。

〈発明の効果〉 以上、実施例とともに具体的に説明したように本発明に
よれば、波長の異なる２つの光の偏波面を直交させて重
畳する光重受手段と、この光重受手段により重畳された
光を２方向に分岐する第１の光分岐手段と、この光分岐
手段により分岐した一方の光を長さの異なる既知の複数
の光路で反射する第１の反射手段と、前記分岐した他方
の光を反射する第２の反射手段と、これら第１．第２の
反射手段からの反射光を前記第１の光分岐手段を介して
受光し前記偏波面の向きに応じて分岐する第２の光分岐
手段と、前記第２の光分岐手段からの光のそれぞれを受
光する複数の受光素子と、これら受光素子からの信号に
基づいてそれぞれの光路を経た光の位相差を検出する位
相差検出手段と。

この位相差検出手段からの信号に基づいて測定対象まで
の距離を演算する演算装置を具備したのでレーザの波長
を厳しく管理する必要のない測長器を実現することか出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測長器の一実施例ご示ず構成図、第２
図、第３図は他の実施例を示す構成図。 第４図は本出願人がずでに稈案した測長器の一実施例を
示す構成図である。 １．２・・・レーザ光源、３・・・位相差検出装置１４
・・・演算装置、５ａ、５ｂ・・・λ／２板、ＨＭＲ１
〜ＨＭＲ３・・・ハーフミラ−、ＡＯＭ・・・音響光学
変調器、ＰＢＳ＋　、ＰＢＳ２・・・偏光ビームスプリ
ッタ。 ＰＤ１〜ＰＤ５・・・受光素子、２０，２５．２６・・
・ビームエキスパンダ、２１・・・第１の反射手段、２
−１５　＝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 波長の異なる２つの光の偏波面を直交させて重畳する光
   重畳手段と、この光重畳手段により重畳された光を２方
   向に分岐する第１の光分岐手段と、この光分岐手段によ
   り分岐した一方の光を長さの異なる既知の複数の光路で
   反射する第１の反射手段と、前記分岐した他方の光を反
   射する第２の反射手段と、これら第１、第２の反射手段
   からの反射光を前記第１の光分岐手段を介して受光し、
   前記偏波面の向きに応じて分岐する第２の光分岐手段と
   、前記第２の光分岐手段からの光のそれぞれを受光する
   複数の受光素子と、これら受光素子からの信号に基づい
   てそれぞれの光路を経た光の位相差を検出する位相差検
   出手段と、この位相差検出手段からの信号に基づいて前
   記第２の反射手段までの距離を演算する演算装置を具備
   したことを特徴とする測長器。