JPH03154801A - アブソリュート測長器の干渉信号処理方法 - 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、波長（周波数）可変光源を用いてアブソリュ
ートな測長を行う場合の干渉縞数の計数方法の改善に関
するものである。

〈従来の技術〉 従来、波長（周波数）可変光源を用いてアブソリュート
な測長を行う場合に、光源としては、ファブリベロータ
イプのレーザダイオードを用いて、駆動電流を変動させ
た時のモードホップ間における連続した波長の変動を使
用してきた。この方法では、駆動電流の変化に対しての
波長の変化はリニアである。これに対して近年開発の進
められている波長可変レーザダイオード（以下、単に波
長可変ＬＤという）を使用すると、周波数（波長）の変
化量を１０倍から１００倍にも大きくとれるので、測長
精度を向上させることができるという利点を持っている
。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら上記従来技術に示す波長可変ＬＤを用いて
アブソリュートな測長を行う場合、波長変化用の電流（
以下、単に同調電流という）の変化に対する波長の変化
が、第９図に示すようにリニアでないため、干渉縞数の
計数時、干渉縞の周期間隔が波長に応じて変化するので
、時間軸上り端数部の時間から端数を測定しようとする
と誤差が発生してしまい、絶対長を高精度に求めること
ができないという課題があった。

本発明は、上記従来技術の課題を踏まえてなされたもの
であり、波長の変化が時間に対してリニアでない波長（
周波数）可変光源を用いて高精度な絶対長を求めること
ができるアブソリュート測長器の干渉信号処理方法を提
供することを目的としたものである。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本発明の構成は、波長可変光
源あるいは周波数可変光源を用いたマイケルソン形の干
渉計を利用したアブソリュート測長器において、前記光
源の周波数を連続かつ単調に変化させた時に発生した干
渉信号の包絡線を求めて、周波数の異なる２点での干渉
信号の値と、その時点での上下の包絡線の間隔との比か
ら得られる干渉縞数の端数部と、干渉信号の極大値又は
極小値の個数から得られる干渉縞数の整数部を加算して
全干渉縞数を求めることにより、前記マイケルソン形の
干渉計の両反射鏡間の光路長差を求めるようにしたこと
を特徴とするものである。

く作用〉 本発明によると、波長（周波数）可変光源の波長が時間
に対して直線的に変化しなくても精度良く干渉信号の位
相変化積分値を求めることができるので、高精度な絶対
測長を行うことができる。

〈実施例〉 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は波長可変ＬＤを用いたアブソリュート測長器の
一実施例を示す構成図である。

第１図において、１は波長可変ＬＤであり、駆動電流回
路２からの定電流を波長可変ＬＤＩの活性域に、又、同
調電流回路３からのノコギリ波状の同調＠流を波長可変
ＬＤＩの回折格子部にそれぞれ流すことにより、連続し
て変化する波長を繰返し発生することができる。４はペ
ルチェ素子であり、波長可変ＬＤＩを加熱または冷却す
ることができる。５は温度検出端であり、波長可変ＬＤ
１の温度を測定し、温度調節計６を介してペルチェ素子
４へフィードバックして、波長可変ＬＤＩの温度を一定
に保つようにしている。７はコリメータレンズであり、
波長可変ＬＤＩの出射光がコリメートされ平行光とされ
る。８はアイソレータであり、後述の干渉計からの反射
光が波長可変ＬＤ１に戻って、発振が不安定になるのを
防いでいる。アイソレータ８を通った光は、ハーフミラ
−９で２つに分岐される０反射光は、エタロン１０に導
かれる。波長可変ＬＤ１の波長が変化した場合に、エタ
ロン１０の光路長で定まる特定の波長毎に光がエタロン
１０を透過するので、その透過光を集光レンズ１１で集
光して、光検出器１２で検出し、アン１１３で電気信号
に変換する。一方、ハーフミラ−９の透過光は、ハーフ
ミラ−１４で更に２つに分岐される０反射光は、光学系
内でその位置を固定した直角プリズム１５で反射させて
干渉計の参照光となる。ハーフミラ−１４の透過光は、
位置の測定対象である直角プリズム１６で反射させて干
渉計の被験光となる。直角プリズム１５．１６からの反
射光は、ハーフミラ−１４で合波されて干渉信号となり
、集光レンズ１７で集光して、光検出器１８で検出し、
アンプ１９で電気信号に変換される。

ここで、第２図は第１図の装置から得られる電気信号を
示している。（イ）図は同調電流回路３から波長可変Ｌ
ＤＩに流す同調＄流と同じ変化をする電圧信号であり、
ノコギリ波状を呈している。

（ロ）図はアンプ１３で得られるエタロン透過光信号で
ある。エタロンは自身の光路長で決まる一定ノＦ　Ｓ　
Ｒ（、Ｆｒｅｅ　５ｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎ（＋１１１
　）毎の光の波長（あるいは周波数）に対して透過率が
高くなり、図中、下に伸びなピークの間隔がその波長（
あるいは周波数）を示しているヵただし、図では装置の
回路の特性上、マイナス側が透過光の存在を表している
。（ハ）図はアンプ１９で得られる干渉計の出力信号で
ある。ただし４図では装置の回路の特性上、マイナス側
が干渉信号の出ていることを示している。なお、干渉信
号−の振幅は、同調電流回路３の同調電流によって変化
する出射パワーの変化と波長可変ＬＤＩのスペクトル線
幅の変化によって、又、干渉信号の周波数は波長可変Ｌ
　Ｄｌの波長の変化か直線状でないなめにそれぞれ変調
される。又、（ロ）図及び（ハ）図において波が密にな
っている部分は、（イ）図に示すノコギリ波で零レベル
に戻すのを短時間で行っているなめであり、この部分は
信号処理には使用されない。

このような構成において、第３図に示す信号処理のアル
ゴリズムを用いて、以下に、本発明の干渉信号処理方法
を順次説明する。

（１）第２図（イ）に示す同調電流と同じ変化をする電
圧信号において、同調電流回路３の同調電流が或値とな
る点（図中、Ｔ点）をデータ読込開始のトリガに用いて
、アンプ１３及び１９からそれぞれエタロン透過光信号
と干渉信号を一定時間毎にＮ個取り込み、Ａ／Ｄ変換し
て数値データとして保持する。

（２）第２図（ロ）に示すエタロン透過光信号において
、同調電流に対する波長可変ＬＤＩの周波数特性から予
めわかっている周波数可変範囲をエタロンのＦＳＲで除
算した商ｋに１を加えた個数（この実施例では、０．１
．２、・・・・・・、ｋ）の極小点（Ｍｅ　、　ＲＬ＋
　、Ｍ２　、””、Ｍｂ）の時刻（Ｎ個のデータ中の何
個目か）を求める。

（３）第２図（ハ）に示す干渉信号において、エタロン
透過光信号の極小点Ｍ０→Ｍｋの時刻の間にある極大点
Ｐ０→Ｐ１の時刻と極小点ｖ０→Ｖ亀の時刻を求める。

（４）極大点Ｐ０→Ｐ１の時刻とその時刻に対する干渉
信号の値を用いて最小自乗法により、極大点を結ぶ線形
近似式を求めて包絡線を得る。なお、線形近似式の次数
は極大点の個数によって決定する。ただし、波長可変Ｌ
ＤＩの周波数特性から上限を決めておく。

時刻ｔにおける線形近似式の値（ｌを ’！　＝　Ｐ　（ｔ）　　　　　・・・■と示す、（第
４図参照） （５）上記（４）項と同様に極小点ｖｏ−＋ＶｍＩの時
刻において、極小点を結ぶ線形近似式を包絡線を得る。

時刻ｔにおける線形近似式の値を ：！／　＝　Ｖ　（ｔ）　　　　　・・・■と示す、（
第４図参照） （６）干渉信号の値が極大点Ｐ、より時間的に前であり
、前記０式及び０式から得られる仮想的な零レベル Ｖ＝Ｚ（ｔ）＝　（Ｐ（ｔ）　＋１ｔ））／２−・・■
と極大点Ｐ０と最も近くで交わる点を２０とする。

（第４図参照）この時、エタロン透過光信号の最初の極
小点Ｍ６の時刻から点Ｚｏの時刻までの干渉信号の位相
変化θｐｒｅは、極小点Ｍ０の時刻をｔＨＯ１時刻ｔ時
刻０における干渉信号の値をｇ　（ｔｏｏ）とすると、
極大点Ｐｏが極小点Ｖｏより時間的に前にある場合は、
第５図（イ）に示すように、θｏｒｅ　（ｒａｄｌ　＝
−ｓｉｎ　”［（ｇ　（ｔｏｏ）　−Ｚ　（ｔｏｏ））
／　（Ｐ　（ｔＨＯ）　−Ｚ　（１８０））］　・・・
■又、極小点ｖｏが極大点Ｐｏより時間的に前にある場
合は、第５図（ロ）に示すように、θｐｒｅ　［ｒａｄ
ｌ　＝　ｙｒ　＋ｓｉｎ　−１（（ｇ　（ｔＨＯ）　−
Ｚ　（ｔＨＯ））／’　（Ｐ　（ｔｏｏ）　−Ｚ　（ｔ
Ｈｏ））］・・・■でそれぞれ表すことができる。ただ
し、ｓｉｎ　−１で得られるθの値は、−π／２≦θ≦
π／２の範囲となる。

（７）干渉信号の値が極大点Ｐ１より時間的に後ろであ
って、極大点Ｐ１と最も近くで”！ｌ　＝　ｇ　（ｔ）
の傾きが正の状態で、前記０式及び０式から得られる仮
想的な零レベル（前記■式）と交わる点を７１＋１とす
る。（第６図参照）この時、エタロン透過光信号のに番
目の極小点Ｍｋの時刻から点Ｚ１＋＋の時刻までの干渉
信号の位相変化θｐ。

Ｓｌは、極小点Ｍｋの時刻をｔＨｋ、時刻ｔＨｋにおけ
る干渉信号の値をｇ　（ｔＨｋ）とすると、極大点Ｐ１
が極小点Ｖ、より時間的に前にある場合は、第７図（イ
）に示すように、 θｐｏｓｔ　［ｒａｄｌ＝ｓｉｎ　”［（ｇ　（ｔＨｋ
）　−Ｚ　（ｔＨｋ））／　（Ｐ　（ｔＨｋ）　−Ｚ　
（ｔＨｋ））］・・・■又、極小点Ｖ、が極大点Ｐ１よ
り時間的に前にある場合は、第７図（ロ）に示すように
、θｔ）Ｏｓｔ　［ｒａｄ］＝　−ｙｒ　−ｓｉｎ　−
’［（ｇ　（ｔＨｋ）−Ｚ　（ｔＨｋ））／　（Ｐ　（
ｔＨｋ）　−Ｚ　（ｔＨｋ））］・・・■でそれぞれ表
すことができる。

（８）極大点ＭｏからＭｋの時刻の間における干渉信号
の位相変化の積分値θａｌｌを求める。上記（６）項及
び（７）項で求めた位相変化θｐｒｅとθｐｏｓｔは、
点ｚ０と点Ｚ１＋、をそれぞれ基準にした場合の位相の
端数分であるから、位相変化の積分値θａｌｌは、次式
で求められる。

θａｌｌ　［ｒａｄｌ ＝２ｘＸ（ｌ＋１）＋θｐｒｅ十θｏｏｓｔ・・・■（
９）上記（８）項で求めた位相変化の積分値θａｌｌか
ら干渉計の絶対長（光路長差）ΔＬを求める。ΔＬは次
式で求められる。

ΔＬ＝ｃＸθａｌｌ／４πＸΔｖ　Ｘ　ｋ　Ｘ　Ｎａ１
ｒ　ｍ■なだし、Ｃ：真空中での光速 Δν：エタロンのＦＳＲ（周波数） Ｎａｉｒ　：空気屈折率 である。

以上が本発明に係わるアブソリュート測長器の干渉信号
処理方法であるが、ここで、第８図に測長結果の具体例
を示す。

エタロンのＦＳＲ（Δν）を５０Ｈ１、周波数可変範囲
をエタロンのＦＳＲで除算した商（ｋ）を８とすると、
干渉縞の１周期は、 ΔＬ＝３Ｘ１０”Ｘ２π ／（４πＸ５Ｘ１０９Ｘ８Ｘ１．０００３）＝３．７５
ｍ となる、第８図（イ）より直線性誤差（基準長１０１ｆ
ｌ＋と６０ｆｆｌＩＩの２点を結んだ直線からの測定値
の誤差）は、（ロ）図より３０μｍであるので、干渉縞
端数部の計数精度は、 ０．０３／３．７５＝０．００８＝１／１２５したがっ
て、干渉縞の１周期を１／１２５の精度で読み取れてい
ることになる。

なお、波長（周波数）可変光源を使用したアブソリュー
ト測長器の構成は、第１図の構成に限るものではなく、
波長（周波数）可変光源の出射光をエタロン及び干渉計
に導く構成とされたものであれば良く、又、一定の周波
数または波長間隔で信号を発生する装置はエタロンに限
るものではなく、ガスの吸収セル等を用いても良い、更
に、第１図において、ハーフミラ−１４と直角プリズム
１５の間に１７８波長板を、ハーフミラ−１４と集光レ
ンズ１７との間に偏光ビームスプリッタを配置させ、偏
光ビームスプリッタの透過光と反射光の間の位相を９０
゛ずらして両信号を測定することにより、干渉縞端数測
定時のアークサイン計算誤差を減少させることもできる
。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本発明に
よれば、波長（周波数）可変光源の波長が時間に対して
直線的に変化しなくても精度良く干渉信号の位相変化積
分値を求めることができるので、絶対長を高精度に求め
ることができる。又、包絡線による振幅を求めてから位
相を計算しているので、出射パワーが波長と共に変化し
ても包絡線による計算で補正することができる。更に、
光路長差が短いと干渉信号の干渉縞数が少なく、周波数
としては低くなるため、装置の回路上は交流結合をする
ことが難しくなるが、本発明の包絡線による方法によれ
ば、直流結合でも良く周波数が低くてもさしつかえない
、又、精密な測長では、特定の周波数における位相から
波長的内挿によって測長を行うが、本発明ではエタロン
透過光信号の極小点Ｍ、又はＭｋでの位相の計算値をそ
のまま使用することができる等の利点を轡つアブソリ、
：Ｌ−ト測長器の干渉信号処理方法を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は波長可変ＬＤを用いたアブソリュート測長器の
一実施例を示す構成図、第２図は第１図の装置から得ら
れる電気信号を示す図、第３図は本発明に係わるアブソ
リュート測長器の干渉信号処理方法を説明するための信
号処理のアルゴリズム、第４図及び第６図は第１図の装
置から得られる干渉信号の極大点Ｐｏ→Ｐ１及び極小点
Ｖｏ→Ｖ１１１を結ぶ線形近似式（包絡線）を示す図、
第５図及び第７図はエタロン透過光信号の極小点Ｍ０及
びＭｋにおける位相を求める説明のための図、第８０は
本発明による測長結果の具体例を示す図、第９図は波長
可変ＬＤにおける同調電流と波長及び出射パワーの関係
を示す図である。 １・・・波長可変レーザダイオード、２・・・駆動電流
回路、３・・・同調電流回路、４・・・ベルチェ素子、
５・・・温度検出端、６・・・温度調節計、７・・・コ
リメータレンズ、８・・・アイソレータ、９．１４・・
・ハーフミラ−１０・・・エタロン、１１．１７・・・
集光レンズ、１２．１８・・・光検出器、１３．１９・
・・アンプ、１５．１６・・・直角プリズム。 第 ３ 図 第 図 第 図 Ｃイ） Ｃ口） 第 図 第 図 θｐｒｅ 第 ？ 図 圏訓電テ丸 Ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 波長可変光源あるいは周波数可変光源を用いたマイケル
   ソン形の干渉計を利用したアブソリュート測長器におい
   て、前記光源の周波数を連続かつ単調に変化させた時に
   発生した干渉信号の包絡線を求めて、周波数の異なる２
   点での干渉信号の値と、その時点での上下の包絡線の間
   隔との比から得られる干渉縞数の端数部と、干渉信号の
   極大値又は極小値の個数から得られる干渉縞数の整数部
   を加算して全干渉縞数を求めることにより、前記マイケ
   ルソン形の干渉計の両反射鏡間の光路長差を求めるよう
   にしたことを特徴とするアブソリュート測長器の干渉信
   号処理方法。