JPH03255903A - 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、周波数（波長）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。

〈従来の技術〉 従来、周波数（波長）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ペロ−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周波数（波長）の
変動を使用してきた。

この方法では、駆動を流の変化に対しての周波数（波長
）の変化はリニアであり、絶対距離は光源周波数（波長
）を連続かつ単調に変化させ、その時の干渉信号の位相
変化量から求めることができる。これに対して、近年開
発の進められている周波数可変レーザダイオード（以下
、単に周波数可変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周波数可変ＬＤを用い
てアブソリュートな測長を行う場合、周波数変化用の電
流（以下、単に同調電流という）の変化に対する周波数
（波長）の変化が、第８図中■に示すようにリニアでな
いため、干渉信号の位相の変化もリニアではなく、又、
同調電流の変化に対して出射パワーも変化するため（第
８図中■）、干渉信号の振幅も一定ではない、したがっ
て、干渉縞数の計数時、干渉縞の周期間隔が周波数に応
じて変化するので、時間軸上で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、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ＦＩＩｉまえてなされ
たものであり、周波数の変化が時間に対してリニアでな
い周波数（波長）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じたものである。

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干渉信号処理方法は
、周波数可変光源あるいは波長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、前記光源の周波数あるいは波長を連続かつ重態に
変化させた時に発生した干渉信号の上下の包絡線を求め
て、この上下の包路線の中央値から前記干渉信号の零レ
ベルを求め、この零レベルと前記干渉信号との交点から
干渉信号の零クロス点を求めて、この干渉信号の零クロ
ス点の個数から得られる干渉縞数の整数部と、前記干渉
信号の端数部近傍で近似的に作成した時間−位相曲線か
ら求めたい時刻の位相として得られる干渉縞数の端数部
と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、位相変化量の端数を近似した時間−位
相曲線から求めるようにしており、周波数（波長）可変
光源の周波数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量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図は本発明のアブソリュート測長器の干渉信号処理
方法を実施するための周波数可変ＬＤ（又は波長可変Ｌ
Ｄ、以下周波数可変ＬＤで説明する）を用いたアブソリ
ュート測長器の装置構成図である。

第１図において、１は周波数可変ＬＤであり、駆動電流
回路２からの定を流を周波数可変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電流を周波
数可変ＬＤＩの回折格子部にそれぞれ流すことにより、
連続して変化する周波数を繰返し発生することができる
。４はベルチェ素子であり、周波数可変ＬＤＩを加熱又
は冷却することができる。５は温度検出端であり、周波
数可変ＬＤＩの温度を測定し、温度調節計６を介してベ
ルチェ素子４へフィードバックして、周波数可変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、周波数可変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周波数可変ＬＤＩ
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９反射光はエタロン１０に導かれる。周波数可変Ｌ
ＤＩの周波数が変化した場合に、エタロン１０の光路長
で定まる特定の周波数毎に光がエタロン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、アンプ１３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からの参照光及び被験光はハー
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で検出され、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から周波数可変
ＬＤＩに流す同調電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のＦ　Ｓ　Ｒ（Ｆｒｅｅ　５ｐｅｃ
ｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ　）毎の光の周波数に対して透過
率が高くなり、図中、下に伸びたピークの間隔がその周
波数を示している。

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（ｇ（ｔ））である、ただし、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
と周波数可変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周波数可変ＬＤＩの周波数の変
化が直線状でないた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ためであり、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フロ
ーチャートを用いて、以下に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の同調電流が成畝とな
る点く図中、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
（第２図ｃ口））と干渉信号（第２図（ハ））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
、同調電流に対する周波数可変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．・旧・・、ｋ）の極小点（Ｍｏ　、　Ｍｌ　、
　Ｍ２　、−−、　Ｍｋ　）の時刻（Ｎａのｆ−９中）
何個目カ、ｔ　（Ｎｏ　）、　ｔ　（Ｈ＋）、　ｔ　（
８２）、・・・・・・、ｔ（Ｎｋ））を求める。

（３）第２図（ハ）に示す干渉信号において、極大点Ｐ
０〜Ｐ１の時刻と極小点ｖｏ〜Ｖ１１の時刻を求める。

（４）［！火点ＰＯ〜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、周波数可
変ＬＤＩ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を ｙ　＝　Ｐ　（ｔ）　　　　・・・■ と示す、（第４図参照） （５）上記（４）項と同様に極小点ｖｏ〜Ｖ。

の時刻において、極小点を結ぶ線形近似式を求めて包絡
線を得る。

時刻ｔにおける線形近似式の値を ｙ　＝　Ｖ　（ｔ）　　　　・・・■ と示す、（第４図参照） （６）上記０式及び０式から得られる上下の包絡線の中
央値から干渉信号の仮想的な零レベルｙ＝Ｚ（ｔ）＝　
（Ｐ（ｔ）　十’１ｔ））／２−・・■を求める０次に
、干渉信号（ｇ（ｔ））と零レベル（Ｚ（ｔ））の交わ
る零クロス点ｚｏ〜ｚ１を求める。（第４図参照） （７）エタロン透過光信号の最初の極小点ＭＯの時刻ｔ
　（Ｎｏ　）を含む干渉信号中の半波長（第５図（イ）
）について、時間−位相曲線を作成する。

或時刻での位相θは、上下の包絡線の差より求めた振幅
＋　（Ｐ（ｔ）　−Ｖａｔ）　）　／２　）と干渉信号
（（ｇ（ｔ）　−Ｚ（ｔ）　）　）の比から逆三角関数
により求めることができるため、任意の時刻（１ｔ）に
対する位相（θ、）を数点求めることにより、この（時
刻ｔｊ＋位相θＬ）を結ぶ近似式が時間−位相（０°〜
１８０°）曲線となる（第５図（ロ））、このようにし
て求めた時間−位相曲線から時刻ｔ（Ｎｏ）での端数θ
ａを求める。

（８）エタロン透過光信号のに番目の極小点Ｍｋの時刻
ｔ　（Ｈｈ　）を含む干渉信号中の半波長（第６図（イ
））について、時間−位相曲線を作成する。この時間−
位相（０°〜１８０°）曲線は上記（７）項と同様に求
めることができ（第６図（ロ））、時刻ｔ（Ｈｉ）での
端数θｂを求める。

（９）位相変化量の整数部θＮを求める。整数部θＮは
、時刻ｔ（Ｎｏ）から時刻ｔ　（Ｈｋ）の間に含まれる
零クロス点の個数Ｎから、 θＮ＝　（Ｎ−１）Ｘπ　　　・・・■で求められる。

（１０）位相の全変化量θａｌｌを求める。位相の全変
化量θａｌｌは、時ｎ　ｔ　（Ｎｏ　）での端数θユと
時刻ｔ　（Ｈｉ　）での端数θｂと位相変化量の整数部
θＮとを加算して、 θａｌｌ　＝　（π−θａ）±θＮ十θｂ　・・・■か
ら求められる。

（１１）上記（１０）項で求めた位相の全変化量θａｌ
ｌから干渉計の絶対長く光路長差）ΔＬを求める。絶対
長ΔＬは次式で求められる。

ΔＬ＝６Ｘθａｌｌ／（４ｚｘΔνＸｋＸＮａｉｒ）・
・・■ ただし、 Ｃ：真空中での光速 Δν：エタロンのＦＳＲ（周波数） Ｎａｉｒ　：空気の屈折率 である。

以上が本発明に係わる周波数可変光源を使用したアブソ
リュート測長器の干渉信号処理方法であるが、ここで、
第７図に本発明による測長結果の具体例を示す。

第７図は基準長を変位させて求めた測長結果の基準長か
らのずれ及びばらつきを示しており、位相変化量の端数
を近似した時間−位相曲線から求めたものである。なお
、エタロンのＦＳＲ（Δν）を５ＧＨｚ、周波数可変範
囲をエタロンのＦＳＲ（Δν）で除算した商（ｋ）を６
としたので、干渉縞の１周期は、前記０式より、 ΔＬ＝３Ｘ１０”　Ｘ２π ／（４πｘ５Ｘ　１０”　ｘ６ｘ１．ｏｏ０３）５．０
０閣 となる。又、第７図より直線性誤差は１９μｍであるの
で、干渉縞端数部の計数精度は、０．０１９１５．００
＝０．００３８＝約１／２６０したがって、干渉縞の１
周期５噛を約１／２６０の精度で読み取れていることに
なる。

なお、周波数（波長）可変光源を使用したアブソリュー
ト測長器の装置構成は、第１図の装置構成に限るもので
はなく、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、更に一定の周波数又は波長
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。

又、既知の光ＦＩ？Ｉ長差を有する光学干渉系と測長用
光学干渉系を具備し、両干渉系とも同一の周波数（波長
）可変光源を利用する構成とされたアブソリュート測長
器において、本発明の干渉信号処理方法を用いても良く
、この場合は、両干渉系の干渉縞数の比は既知の光路長
差と求めたい測長距離の比に等しくなるため、求めたい
測長距離を干渉縞数の比と既知の光路長差のみから求め
られる。

したがって、光源周波数の掃引幅を測定する必要がなく
なる。

〈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、位相変化量の端数を近似した時間−位相曲線か
ら求めるようにしており、周波数（波長）可変光源の周
波数（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量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。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
ワーが周波数（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。更に干渉信号中の端数部を
含む半波長のみを数値データとして保持すれば良いため
、干渉信号全体を保持する場合に比較して必要とするメ
モリ量を少なくすることができる０以上の利点を持つ周
波数（波長）の変化が時間に対してリニアでない周波数
（波長）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実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアブソリュート測長器の干渉信号処理
方法を実施するための周波数可変ＬＤを用いたアブソリ
ュート測長器の装置構成図、第２図は第１図装置から得
られる電気信号を示す図、第３図は本発明のアブソリュ
ート測長器の干渉信号処理方法を示す信号処理のフロー
チャート、第４図は第１図の装置から得られる干渉信号
の値を用いて求めた線形近似式（包絡線）、零レベル及
び零クロス点を示す図、第５図及び第６図は極小点Ｍ０
及びＭｋにおける半波長及び時開−位相曲線を示す図、
第７図は本発明による測長結果の具体例を示す図、第８
図は周波数可変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・・・周波数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−１１０・・・エタロン、１１．１７・
・・集光レンズ、１２．１８・・・光検出器、１３．１
９・・・アンプ、１５．１６・・・直角プリズム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周波数可変光源あるいは波長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、前記光源の周波数あるいは波長を連続かつ単調に変
   化させた時に発生した干渉信号の上下の包絡線を求めて
   、この上下の包絡線の中央値から前記干渉信号の零レベ
   ルを求め、この零レベルと前記干渉信号との交点から干
   渉信号の零クロス点を求めて、この干渉信号の零クロス
   点の個数から得られる干渉縞数の整数部と、前記干渉信
   号の端数部近傍で近似的に作成した時間−位相曲線から
   求めたい時刻の位相として得られる干渉縞数の端数部と
   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。