JPH0413905A - レーザ測長器の干渉縞計数回路 - 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】 ［産業上の利用分舟］ この発明は、レーザ測長器の干渉縞計数回路に関し、詳
しくは、９０度位相差のある２つの干渉縞の測定信号を
得て、干渉縞の数をカウントすることで測長するレーザ
測長器において、測長対象である移動体などが往復運動
を繰り返したときにその移動方向の判定が確実にでき、
干渉縞カウントについて誤動作が生じ難いようなレーザ
測長器の干渉縞計数回路に関する。

［従来の技術］ ９０度位相差の２つの干渉縞の測定信号を得るレーザ測
長器としては、固定鏡と移動体に設置された移動鏡上に
半導体レーザを当ててこれらからの反射光のビームを干
渉させ、その干渉縞のビームをビームスプリッタで、例
えば、０度、９０度。

１８０度の波として分離し、ホトセンザ等で干渉縞電気
信号として取出して相互に減算器等に加えて処理するこ
とで、例えば、９０度の位相差を持つ２つの測定信号を
得てこれに基づき干渉縞数をカウントしている。なお、
この測定方法は、公知のトワイマル・グリーン型干渉計
による変位測定法である。

これら２つの位相差の測定信号は、第７図に示すように
、従来、レーザ干渉計２０に内蔵された減算器等からそ
れぞれＫ　ｓ　ｉ　ｎθとＫ　ｃｏｓθの２つの測定信
号として検出される。計数回路２１は、これらそれぞれ
の信号をその入力端子１５．１６に受ける。入力端子１
５．１８は、ゼロクロスワンショット回路ｌＬ１２のそ
れぞれの入力に接続されていて、各測定信号のゼロクロ
ス点がそれぞれゼロクロスワンショット回路１１．１２
において検出され、ここでゼロクロス検出パルスが発生
する。それぞれのゼロクロス検出パルスは、アップ／ダ
ウン分別回路１３に加えられて、ここで、測定信号のゼ
ロクロスパルスの発生順序が判定されることで干渉縞を
カウントするカウンタ１４に対してカウントアツプ信号
ＵＰあるいはカウントダウン信号ＤＷが発生する。これ
らのカウント信号をカウンタ１４が受けることで干渉縞
の数がカウントされ、カウンタ１４のカウントデータ（
カウント値）がＣＰＵ（図示せず）に読取られてそれが
レーザ波長との関係で処理されることで測定値が算出さ
れる。

［解決しようとする課題］ 第８図は、前記の場合の９０度位相の相違する測定信壮
とゼロクロス検出パルスとの関係を示すものであって、
測定対象となる移動体が往復移動した場合には、同図（
ａ）のＫｓｊｎｏの測定信号にみるように、ゼロクロス
点付近で微少な振動を伴うことがある。同図（ｂ）は、
このときのＫｓｊｎｏについてのゼロクロス検出パルス
であり、同図（ｃ）は、Ｋｃｏｓθのゼロクロス検出パ
ルスである。なお、（ａ）において、Ｋｓｊｎｏの測定
信号のピーク付近が収出のような形状をしている箇所が
あるが、これは、移動体の移動方向が反転したときのも
のである。その結果、同図（ｄ）に示すように、この点
でカウンタ１４は、アップカウント（ＵＰ）からダウン
カウント（ＤＯＷＮ）に変わる。

このタイミングチャートの（ｂ）で分かるように、測定
信号のゼロクロス点付近で移動体が往復運動をするとき
にはＫｓｊｎｏやＫｃｏｓθの波形が不安定になり、（
ｂ）の例のように１（ｓｉｎ　□の測定波形のゼロクロ
ス点付近での波形の乱れにより、ゼロクロス検出パルス
が多く発生してＫ　ｃｏｓｅ側との位相関係が明確でな
くなることがある。このような場合には、アップ／ダウ
ン分別回路１３においてアップ方向かダウン方向かに判
定誤りを生じ、カウンタ１４の計数値に誤りが発生し易
い欠点がある。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決するも
のであって、正確な干渉縞カウントができるレーザ測長
器の干渉縞計数回路を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するためのこの発明のレーザ測長
器の干渉縞計数回路の構成は、レーザ測長器の干渉計を
介して得られる干渉縞のπ／ｎ位相差の測定信号ｎ個（
ただしｎは２以上の整数）を所定の基準値によりそれぞ
れｎ個のコンパレータで比較して、ｎ個の測定信号のう
ちのある測定信号のπの位相の期間を単位としてこの期
間においてそれぞれの比較結果値を各測定信号の位相差
の間に位置する所定の位相ごとに順次サンプリングし、
サンプリングして得られるｎ×ｎ個の比較値のデータの
データパターンに応じて干渉縞情報をカウントするカウ
ンタのカウントアツプ信号及びカウントダウン信号のい
ずれかを発生させるものである。

［作用コ このように、測定信号をコンパレータで比較してコンパ
レータの比較結果をある測定信号のπ期間の間において
各測定信号の位相差に応じて決定される回数だけサンプ
リングし、その集積データに基づき移動体の前進状態や
後退状態の判定をするようにしているので、判定がサン
プリング時点のデータのみにより決定される。

その結果、この判定により発生する干渉縞カウンタのカ
ウントアツプ信号あるいはカウントダウン信号は、ゼロ
クロス点に影響されないことになり、測定波形の一部が
ゼロクロスしたり、ゼロクロス点付近で乱れてもそれが
サンプリング点と重ならない限り、結果データに影響を
与えることがない。しかも、サンプリング点を各測定信
号の位相差の中央付近に設定すれば、よりノイズに強く
、正確な干渉縞数のカウントができ、測定精度を向にさ
せることができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。

第１図は、この発明を適用したレーザ測長器のト渉縞計
数回路の一実施例のブロック図であり、第２図及び第３
図は、移動体が干渉計に対して前進している場合と後退
している場合のコンパレータの動作と記憶されるデータ
との関係を示す説明図、第４図は、その各回路動作を説
明するためのタイミングチャート、第５図は、移動体が
前進状態か後退状態かを示すデータを発生するＲＯＭの
記憶内容の説明図、第６図（ａ）は、位相差を４５度と
した場合の測定波形の説明図、第６図（ｂ）は、その干
渉縞計数回路のうちの干渉計からコンパレータまでの回
路を示す説明図である。

第１図において、１，２は、それぞれ入力端子１５．１
８に接続されたコンパレータであり、コンパレータ１が
Ｋｓｉｎｅ側の測定信号を受け、コンパレータ２がＫ　
ｃｏｓｅ側の測定信号を受ける。

なお、これらコンパレータの比較基準値は、ここでは、
ゼロクロス点に対応して接地レベルとなっている。各コ
ンパレータ１，２の出力は、それぞれＤタイプフリップ
フロップｌ−Ｆ／Ｆ）３゜４に入力される。

Ｄ−Ｆ／Ｆ３，４には、タイミングパルス発生回路７か
らクロックＣＫＩ　　（第４図（ｄ）参照）が供給され
、このクロックＣＫｌに応じてコンパレータ１，２の比
較結果値がサンプリングされてＤ−Ｆ／Ｆ３．４に記憶
される。この場合のサンプリングタイミングは、測定信
号１７のπ期間をｒｉ−位としてぞれぞれ各サンプリン
グが各測定信号の位相差の間に位置する位相タイミング
ごとに設定されている。また、それぞれの位相タイミン
グ位置は、できるだけ中央位置がよく、この例では、第
４図（ａ）に示すように、Ｋｓｉｎｅ側の測定信号１７
を基準とすると、そのπの位相期間において、π／４（
＝４５度）の位相位置付近と３／４・π（＝１３５度）
の位相位置付近に設定されている。なお、タイミング発
生回路７は、ここでは、Ｋｓ１ｎθ側を基準とする関係
からコンパレータ１の出力の立−ヒがりに同期させて前
記の位相になるようなりロックＣＫＩ　を発生し、また
、後述する他の各クロック信号もコンパレータ１の出力
に同期させて発生する。なお、基準とする測定信号はＫ
ｓｊｎＯ側に限定されない。ある１つの測定信号であれ
ばよい。

１）−Ｆ／Ｆ３，４のそれぞれのＱ出力は、それぞれＤ
−Ｆ／Ｆ５，６に入力され、このＤ−Ｆ／Ｆ５，６がタ
イミングパルス発生回路７のクロックＣＫ２　　（第４
図（ｅ）参照）によりＩ）　−Ｆ　／　Ｆ３．４の出力
を記憶し、このことで１つ前のコンパレータ１，２の比
較結果のサンプリング値を記憶する。そのため、クロッ
クＣＫ２は、クロックＣＫｌより少し手前で発生し、ま
ず、Ｄ−Ｆ／Ｆ５．６がＤ−Ｆ／Ｆ３，４のデータを記
憶した後に、Ｉ）−Ｆ／Ｆ３，４が新しいコンパレート
結果データをクロックＣＫＩ　に応じて記憶する。

すなわち、第４図（ｂ）に示すように、Ｄ−Ｆ／Ｆ３，
４が３／４・π位相付近の位相タイミングでコンパレー
タ１，２のサンプリングデータを記憶してたときに、Ｄ
−Ｆ／Ｆ５，６は、その１つ前のコンパレータ１，２の
サンプリング位相であるπ／４位相付近の位相タイミン
グでサンプリングデータを記憶する。

これらＤ−Ｆ／Ｆ３，４，５．６の各Ｑ出力は、ＲＯＭ
８に加えられる。ＲＯＭ８は、第５図に示すように、こ
れらのＱ出力で指定されるそれぞれのアドレスにデータ
Ｄｏ、Ｉ）＋　を記憶する。その結果、ＲＯＭ８がこれ
ら４つのＱ出力（Ａｏ”Ａ３）によりアクセスされてア
クセスされたアドレスのデータＩ）ｏ　＋　Ｄｔをカウ
ント信号発生回路９に送出する。

ここで、各Ｑ出力の値をＲＯＭ８のアドレスの桁位置に
対応させてＡＯ＋　Ａｌ　＋　Ａ２　＋　Ａ３とすると
、これらのビット値により決定される各アドレスとそこ
に記憶されるデータＩ）Ｄ、ＤＩ　との関係は、第５図
のようになっていて、データＤ□＋ＤＩ　の２ビツトの
データは、それぞれカウンタ１４のカウントアツプ信号
（Ｄｌ）とカウントダウン信号（Ｄｏ）に対応している
。これらは、移動体の前進状態をｒ）■＝“１“、後退
状態をＤｏ　＝゛°１′により表す判定結果データとな
っている。

カウント信号発生回路９は、タイミングパルス発生回路
７からクロックＣＫ３　　（第４図（ｆ）参！１．ｆｌ
　）をイネーブル信号として受け、このクロックのタイ
ミングでＲＯＭ８からの出力Ｄｏ、Ｉ）、の２ビツトの
データに応じてＤｏＩ）ｌが“０１”のときには移動体
が前進状態にあるとしてカウントアツプ信号ＵＰをカウ
ンタ１４に加え、Ｉ）ｏＤｌが“１０′のときには移動
体が後退状態にあるとしてカウントダウン信号１）Ｗを
カウンタ１４に加える。なお、クロックＣＫ３　　（第
４図（ｆ）参照）は、クロックＣＫ１より少し遅れたク
ロックであって、Ｄ−Ｆ／Ｆ３，４，５．６の各Ｑ出力
が安定した後のタイミングで発生する。

カウンタ１４は、タイミングパルス発生回路７からの、
イネーブル信号Ｅ（第４図（ｇ）参照）の信号を受け、
この信号が出力中にカウントアツプ信号ＵＰあるいはカ
ウントダウン信号ＤＷによりその値がカウントされる。

そして、同図（ｈ）かこのときカウンタ１４がアップカ
ウントしているか、ダウンカウントシているかを示す。

次にその動作について説明すると、第２図（ａ）にｔＪ
＜す１７，１８は、干渉計２０から得られる測定信号で
あって、それぞれ位相が９０度相違するト渉縞の信号で
ある。ここで、測定信号１８は、測定信号１７より９０
度遅れている。そして、移動体が前進状態のときには、
このような関係が維持されている。なお、ＴＨは、コン
パレータ１゜２のスレッシュホールドであって、ここで
は接地電位になっている。

測定信号１７を受けるコンパレータ１の出力は、同図（
ｂ　）のようになり、測定信号１８を受けるコンパレー
タ２の出力は、同図（Ｃ）のようになる。すなわち、こ
れらの各コンパレータは、測定信号がスレッシュホール
ドＴＨを越えているときにＨＩＧＨ１ノベル（以ドＨ“
）の出力を発生し、スレッシュホールドＴＨを以下のと
きにはＬＯＷレベル（以下１１１．“）の出力となる。

これら′Ｈ”“Ｌ′′をデータの“１”、“Ｏ“′に対
応させたのが（ｂ）、（ｃ）に示す“ｌ　ｌ　ＩＩ、”
０゛′である。

この各コンパレータ出力を第４図の（ｄ）に示すクロッ
クＣＫＩ　のタイミングでＤ−Ｆ／Ｆ３゜４か受けると
、前記のＩＩ　Ｑ　Ｔ＋、“１”の値がそれぞれのＤ−
Ｆ／Ｆ３，４に記憶される。そして、Ｉ）−Ｆ／Ｆ５，
６が第４図の（ｄ）に示すクロックＣＫ２により１つ前
に記憶されたＤ−Ｆ／Ｆ３゜４の値をそれぞれ記憶する
と、これらＤ−Ｆ／Ｆ３、４．５．６のＱ出力の値、言
い換えれば、ＡＯ”Ａ３の値は、第２図の（Ｃ）に示す
ように、“１１１０’”、“０１１１”０００１”、“
１Ｏ００”の繰り返しパターンとなる。

一方、移動体が後退状態のときには、測定信号１８が測
定信号１７より９０度早くなっている。

そこで、第３図（ａ）〜（ｄ）に示すような関係になり
、（ｄ）に示すように、“１０１１”、“６００１０”
０１００”、“１１０１′′の繰り返しパターンが得ら
れる。

これらパターンは、測定信号の関係が重なる関係にない
ので、前進状態と後退状態では同じものが発生しない。

そこで、これらパターンをアドレスとしてＲＯＭ８のそ
のアドレスに移動体が前進状態にあるか、後退状態にあ
るかを示すデータを記憶する。このデータが第５図に示
すデータＤＯ。

Ｄｌ　である。

このように測定信号１７のπ期間（正の半サイクルと負
の半サイクルのそれぞれの期間）を単位として各π期間
における位相差の間の所定の位相タイミング（この実施
例ではπ／４と３／４・π）ごとにサンプリングしたコ
ンパレータ１，２の結果値に応じてＲＯＭ８をアクセス
し、移動体の前進、後退の状態信号を発生させる。そし
て、これに応じてカウンタ１４に対するカウントアツプ
信号ＵＰ及びカウントダウン信号ＤＷを発生させる。

このようにすれば、これら信号は、タイミング発生回路
７のクロックＣＫｌのサンプリングのタイミングとその
ときの測定信号１７．１８の状態とにより決定されるこ
とになる。したがって、サンプリングのタイミング位置
以外で測定信号がゼロクロスしようと否とに係わらず、
カウンタ１４に対するカウント信号は安定した状態で発
生する。

このように９０度（＝π／２）の位相差のある測定信号
を用いた場合には、干渉計２０のレーザ光の波長λに対
して信号処理での分解能は、λ／８となる。

そして、第６図（ａ）に示すように、測定信号を４５度
（＝π／４）の位相差で４つ受けて処理する場合には、
第６図（ｂ）に示すように、４位相信号発生回路２２に
より９０度（＝π／２）の位相差の測定信号（Ｋｓｉｎ
θ、　）（ｃｏｓ　）から４５度（＝π／４）の位相差
の信号を４本生成する。

また、ここでは、さらに、分解能を上げるために４５度
位相差のこれら４木の信号を４ｎ（ｎ≧１の整数）相信
号発生回路２３に入力してその整数分の１の位相差の信
号を発生する。このようにして得た各位相差の信号を計
数回路２４のそれぞれの位相差に対応する各コンパレー
タＬ１ａ＋・・、２に送出する。このとき、４ｎ（ｎ≧
１の整数）相信号発生回路２３のｎを１とするか、４位
相信号発生回路２２の信号をそのままコンパレータに入
力すれば、その分解能は、λ／１６となる。このような
場合には、各位相の測定信号を受けるコンパレータを４
個とする。このときのサンプリングする回数が４回（＝
π÷π／４）となるので、４個のデータを記憶するレジ
スタが４段設けられ、これら４×４のデータがアドレス
値となる。また、４ｎ　（ｎ≧１の整数）相信号発生回
路２３のｎを２以上の整数を選択するこきによりその分
解能をλ／１６ｎとすることができる。

このように、測定信号をπ／ｎ位相差のものとすること
で、その分解能は、λ／４ｎとすることが可能である。

以上説明してきたが、実施例では、ＲＯＭを用いて移動
体の前進状態や後退状態の信号を発生するようにしてい
るが、これは、アドレスとデータとの関係が固定されれ
ば、ＲＡＭ等のメモリであってもよい。また、レジスタ
の各データ値が示す各測定信号の位相関係を示す状態デ
ータに応じて前進、後退の信号を発生するようなデータ
変換を行う回路であれば、メモリに限定されない。

［発明の効果］ 以−１ユの説明から理解できるように、この発明にあっ
ては、測定信号・をコンパレータで比較してコンパレー
タの比較結果をある測定信号のπ期間の間において各測
定信号の位相差に応じて決定される回数だけサンプリン
グし、その集積データに基づき移動体の前進状態や後退
状態の判定をするようにしているので、判定がサンプリ
ング時点のデータのみにより決定される。

その結果、この判定により発生する干渉縞カウンタのカ
ウントアツプ信号あるいはカウントダウン信号は、ゼロ
クロス点に影響されないことになり、測定波形の一部が
ゼロクロスしたり、ゼロクロス点付近で乱れてもそれが
サンプリング点と重ならない限り、結果データに影響を
与えることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用したレーザ測長器のト渉縞計
数回路の一実施例のブロック図、第２図及び第３図は、
移動体が干渉計に対して前進している場合と後退してい
る場合のコンパレータの動作と記憶されるデータとの関
係を示す説明図、第４図は、その各回路動作を説明する
ためのタイミングチャート、第５図は、移動体が前進状
態か後退状態かを示すデータを発生するＲＯＭの記憶内
容の説明図、第６図（ａ）は、位相差を４５度とした場
合の測定波形の説明図、第６図（ｂ）は、その干渉縞計
数回路のうちの干渉計からコンパレータまでの回路を示
す説明図、第７図は、従来のレーザ測長器の干渉縞計数
回路のブロック図、第８図は、そのカウント動作のタイ
ミングチャートである。 ■、２・・・コンパレータ、３，４，５．Ｅ３・・・Ｄ
タイプフリップフロップ（Ｄ−Ｆ／Ｆ）、７・・・タイ
ミングパルス発生回路、８・・・ＲＯＭ１９・・・カウ
ント信号発生回路、１４・・・カウンタ、１７．１８・
・・測定信号、２０・・・干渉計。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ測長器の干渉計を介して得られる干渉縞の
   π／ｎ位相差の測定信号ｎ個（ただしｎは２以上の整数
   ）を所定の基準値によりそれぞれｎ個のコンパレータで
   比較して、前記ｎ個の測定信号のうちのある測定信号の
   πの位相の期間を単位としてこの期間においてそれぞれ
   の比較結果値を各測定信号の位相差の間に位置する所定
   の位相ごとに順次サンプリングし、サンプリングして得
   られるｎ×ｎ個の比較値のデータのデータパターンに応
   じて干渉縞情報をカウントするカウンタのカウントアッ
   プ信号及びカウントダウン信号のいずれかを発生させる
   ことを特徴とするレーザ測長器の干渉縞計数回路。
2. （２）レーザ測長器の干渉計を介して得られる干渉縞の
   第１の測定信号とこの測定信号に対してπ／ｎ（ただし
   、ｎは、２以上の整数）だけ順次位相の相違する干渉縞
   の第２から第ｎのまでの測定信号とをそれぞれ受ける所
   定の閾値を有する第１から第ｎまでのコンパレータと、
   これら第１から第ｎまでのそれぞれのコンパレータの出
   力を“０”、“１”のデータとして第１の測定信号のπ
   位相の範囲を単位としてこの範囲において第１から第ｎ
   までの各測定信号の位相差の間に位置する所定の位相ご
   とに順次サンプリングし、それぞれ位相差の間における
   ｎ個の前記コンパレータの出力のデータを前記のサンプ
   リングに応じてｎ×ｎ個記憶する第１のメモリと、干渉
   縞の数をカウントするカウンタと、第１のメモリから前
   記ｎ×ｎ個のデータをアドレスとして受け、前記ｎ×ｎ
   個のデータの内容に応じてこの内容が示すアドレス位置
   に前記カウンタをカウントアップするためのデータ及び
   カウントダウンするためのデータのいずれかを記憶する
   第２のメモリとを備え、第２のメモリから読出されるデ
   ータに基づき前記カウンタに対してカウントアップ信号
   及びカウントダウン信号のいずれかを送出することを特
   徴とするレーザ測長器の干渉縞計数回路。
3. （３）ｎは２であり、ｎ個のコンパレータはπ／２だけ
   位相のずれた測定信号を受ける第１及び第２のコンパレ
   ータであり、第１のメモリは、第１及び第２のコンパレ
   ータの出力をそれぞれ受ける第１のレジスタと、第１の
   レジスタの１つ前のサンプリングデータを記憶する第２
   のレジスタからなり、第２のメモリはＲＯＭであること
   を特徴とする請求項２記載のレーザ測長器の干渉縞計数
   回路。