JPH048724B2

JPH048724B2 -

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Publication number: JPH048724B2
Application number: JP61043288A
Authority: JP
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1986-02-28
Publication date: 1992-02-18
Also published as: US4729654A; JPS62201301A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、移動物体の距離又は長さを正確に
測定するレーザー干渉測長機に関し、特に簡易な
構成で移動物体の距離又は長さを正確に測定する
ことができるようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来のレーザー干渉測長機としては、例えば
「レーザーとその応用＜増補版＞」1982年６月10
日産報出版株式会社発行、第146頁〜149頁に記載
されているものがある。

この従来例は、所謂マイケルソン干渉計をレー
ザー干渉測長機に応用したものであり、その図
２．２に示されているように、レーザー装置と、
逆望遠鏡系と、ビームスプリツター、２つの固定
鏡、光電管、フリンジカウンタからなる干渉系
と、移動物体に固定された可動鏡とを有する。そ
して、レーザーから出射される光ビームを逆望遠
鏡を通して干渉計に入射し、ビームスプリツタを
介して可動鏡に向かいこの可動鏡で反射された反
射光がビームスプリツタ近傍に配置された固定鏡
で反射され、この反射光が可動鏡で再度反射され
てビームスプリツタに戻り、これから光電管に入
射され、ここで別途固定鏡で反射された反射光と
一緒になり、両者で干渉を生じ、フリンジカウン
タで明るい縞の数を計数することにより、移動物
体の距離を計数する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来のレーザー干渉測長機
にあつては、使用部品点数が多く構成が複雑とな
ると共に、これらの使用部品の精度を高める必要
があるので高価となり、しかも各使用部品の光軸
合わせ、光路調整に高度の熟練技術を必要とし、
さらに、干渉縞を明暗の一次元信号として検出す
る方法ではＳ／Ｎ比が小さくなり、そのうえ干渉
光の計測過程が複雑である等の問題点があつた。

そこで、この発明は、上記従来例の問題点に着
目してなされたものであり、簡単な構成で高精度
の測長を行うことができると共に、光軸合わせ等
を容易に行うことが可能であり、干渉光の計測過
程も簡易化することができるレーザー干渉測長機
を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明は、略平
行な光ビームを出射する端面が半透鏡であるレー
ザー装置と、該レーザー装置の光ビームの光軸と
光軸を略一致させ且つ一端に入射した光ビームの
焦点となる他端に半透鏡を形成した光学レンズと
を相対移動可能に配置し、且つ前記光学レンズの
出射端に生じる干渉縞を光電変換手段と、該光電
変換手段の検出信号に基づき干渉縞の通過本数及
び移動方向を検出して前記レーザー装置と光学レ
ンズとの相対距離を検出する相対距離検出手段と
を備えていることを特徴としている。

〔作用〕

この発明においては、出射端面が半透鏡とされ
たレーザー装置から出射される略平行な光ビーム
を、出射端側に半透鏡を形成し且つ入射した光ビ
ームの焦点が出射端となるようにした光学レンズ
に入射することにより、その半透鏡で光ビームの
一部が反射されてレーザー装置の出射端に戻り、
ここで、再度反射されて光学レンズに入射される
ことにより、この反射光とレーザー装置からの直
接入射光との間で干渉させ、光学レンズの出射側
に干渉縞を生成させる。この干渉縞の明暗を光電
変換手段で電気的信号に変換し、この変換信号を
相対距離検出手段に供給することにより、この干
渉縞の明暗の移動方向及び通過本数を測定してレ
ーザー装置と光学レンズとの間の相対距離の増加
又は減少の判別を含む相対移動距離の測定を行
う。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図であ
る。

図中、１は固定部に水平に配置されたレーザー
装置であつて、例えばHe−Neレーザーで構成さ
れ、このHe−Neレーザーは、外部鏡形に構成さ
れ、レーザー管２のブルースター窓３ａ，３ｂに
対向して、光共振器を構成する全反射鏡４ａと反
射率99％の半透鏡４ｂとが配設され、半透鏡４ｂ
から単一波長の平行な光ビーム５を出射する。

一方、レーザー装置１から出射される光ビーム
５に対向する位置に光ビーム５に沿つて移動可能
な被距離測定移動体６が配設され、この移動体６
に光軸を光ビームの光軸と略一致させて屈折率分
布型レンズ７が取付けられている。この屈折率分
布型レンズ７は、第２図ａ及びｂに示すように、
光学用ガラスロツドの屈折率をイオン拡散によつ
て中心軸から離れる程、屈折率の値を小さくする
ようにしたもので、その屈折率はレンズの半径方
向をＸ軸とし、屈折率分布定数をＡとすると次式
で表すことができる。

ｎ（ｘ）＝n₀（１−1/2A_x ²） ……(1) そして、屈折率分布型のレンズ７のレーザー装
置１側の入射端７ａとは反対側の出射端７ｂに例
えば金を蒸着して半透鏡８が形成されている。こ
こで、屈折率分布型レンズ７の長さは、入射端７
ａに入射されるレーザー光の焦点が出射端となる
ように選定されている。

また、移動体６の屈折率分布型レンズ７の半透
鏡８に対向する位置に光電変換手段１０が配設さ
れている。この光電変換手段１０の一例は、第３
図に示すように、多数の光フアイバー１１をその
一端が屈折率分布型レンズ７の光軸と直交する受
光面Ｒを形成するように同心円状に束ねたバンド
ルフアイバー１２と、それらの同心円を構成する
各光フアイバー１１の他端が束ねられて対向され
たフオトダイオード等の複数の光電変換素子１３
とで構成され、これら光電変換素子１３から受光
面に照射された光線の同心円状の面信号を点信号
とし、これを干渉縞検出信号として出力する。

光電変換手段１０から出力される干渉縞検出信
号は、Ａ／Ｄ変換器１５を介して処理装置１６に
供給される。この処理装置１６は、各光電変換素
子１３の検出信号を夫々パルス信号形成回路１７
に供給して、このパルス信号形成回路１７で所定
周期で走査することにより、パルス信号に変換
し、その90度の位相差（1/4ピツチ）を有する２
周期分のパルス信号を方向判別回路１８に供給し
て、移動方向に応じた加算パルス信号及び減算パ
ルス信号を形成し、これら加算及び減算パルス信
号を逓倍回路１９で４逓倍してからアツプダウン
カウンタ２０に供給する。したがつて、カウンタ
２０のカウント値によつてレーザー装置１と移動
体６との間の相対距離を検出することができる。

次に、上記実施例の動作について説明する。レ
ーザー装置１からレーザー光が出力されているも
のとすると、このレーザー光が移動体６に載置さ
れた屈折率分布型レンズ７の入射端７ａに入射さ
れる。この屈折率分布型レンズ７に入射されたレ
ーザー光は、第４図に示す如く、出射端７ｂ位置
で収束し、そのうち約50％が半透鏡８によつて反
射されてレーザー装置１側に戻り、その出射端面
で約99％が反射されて再度屈折率分布型レンズ７
に入射する。したがつて、屈折率分布型レンズ７
に直接入射されるレーザー装置１からの直接光
と、その反射光とではレーザー装置１の出射端と
屈折率分布型レンズ７の半透鏡８との光学距離の
２倍の光路差を生じ、両者が干渉することにな
る。この干渉により、屈折率分布型レンズ７の出
射側に第４図に示すように、鮮明な同心円状の干
渉縞９を生じる（なお、第４図においては暗部を
ハツチングで示している）。このように、同心円
状の干渉縞を生じる理由は、レーザー装置１の出
射端となる半透鏡４ｂの外側端面が僅かに球面状
となつていることにより、この半透鏡４ｂで反射
される反射光が球面波になることに起因するもの
であると考えられる。

そして、この干渉縞９が光電変換手段１０の受
光面Ｒに投影されるので、これがバンドルフアイ
バー１２を通じて光電変換素子１３に点情報とし
て伝達され、この光電変換素子１３から受光面Ｒ
の半径方向の各点の明暗に応じた第５図ａに示す
干渉縞検出信号がＡ／Ｄ変換器１５を介して処理
装置１６に入力される。

したがつて、処理装置１６のパルス信号形成回
路１７で所定周期で走査することにより、第５図
ｂに示す如く受光面Ｒの半径方向の光強度分布を
表す波形信号を得、その90度の位相差を有する２
周期分の波形信号を必要に応じて波形整形して
夫々方向判別回路１８に供給することにより、干
渉縞９の移動方向を判別する。この場合の判別
は、干渉縞９の移動方向が第５図ａに示す如く受
光面Ｒの中心位置から外側に移動する場合には、
レーザー装置１と移動体６との距離が減少するも
のとして、その干渉縞９の移動に応じて減算パル
ス信号を出力し、逆に干渉縞９の移動方向が受光
面Ｒの外周部から中心位置に向かつて移動する場
合には、レーザー装置１と移動体６との距離が増
加するものとして、その干渉縞９の移動に応じた
加算パルス信号を出力する。また、干渉縞９が移
動せず、波形信号の変化がない場合には、レーザ
ー装置１と移動体６との移動距離が変化しないも
のとして、減算パルス信号及び加算パルス信号の
何れも出力しない。

そして、方向判別回路１８から出力される減算
パルス信号及び加算パルス信号を逓倍回路１９に
供給して４逓倍し、これら逓倍信号をアツプダウ
ンカウンタ２０に供給することにより、そのカウ
ント値がレーザー装置１と移動体６との間の相対
距離に対応したものとなり、これを適当な表示装
置に出力することにより、デイジタル表示するこ
とができる。

このとき、干渉縞９の明暗は、レーザー装置１
と移動体６との距離がHe−Neレーザー光線（波
長0.6328μｍ）の1/2波長分即ち0.3164μｍ変化す
る毎に反転するので、これを逓倍回路１７で４逓
倍することにより、1/8波長即ち0.0791μｍの分解
能を得ることができる。

上記実施例のように、光学レンズとして屈折率
分布型レンズ７を使用したことにより、レーザー
装置１から出射されるレーザー光５の光軸とレン
ズ７の中心軸との間に多少の位置ずれ又は角度ず
れが生じても屈折率分布型レンズ７は収束性を有
するので、干渉縞９の発生に大きな影響を与える
ことがなく、屈折率分布型レンズ７の取付精度を
高精度にする必要はない。また、上記実施例のよ
うに、光電変換手段１０として、光フアイバー１
１を同心円状に配置したバンドルフアイバー１２
と、その同心円上の光フアイバー１１の他端を束
ねて夫々光電変換素子１３に対向させることによ
り、受光面Ｒに生じる干渉縞９の面情報を中心位
置から半径方向の点情報として得ることができ、
処理装置１６での計測処理を容易に行うことがで
きると共に、レーザー光と屈折率分布型レンズ７
との光軸合わせを容易に行うことができる利点が
ある。すなわち、バンドルフアイバ１２の受光面
Ｒの直径方向の一列と、これに直交する他の一列
とを夫々光電変換素子に接続し、これらの光強度
の分布を計測することにより、中心に対して対称
分布となるように屈折率分布型レンズ７をセツト
することにより、通常のレーザー干渉計と比較し
て光軸合わせをより簡単に行うことができる。

なお、上記実施例においては、レーザー装置１
を固定部に、屈折率分布型レンズ７、光電変換手
段１０及び処理装置１６を移動体６に配置する場
合について説明したが、これに限定されるもので
はなく、これらの配置関係を逆関係にすることも
でき、また、両者を夫々移動体上に配置すること
により、両移動体の相対移動距離を計測すること
ができる。

また、上記実施例においては、光学レンズとし
て屈折率分布型レンズ７を適用した場合について
説明したが、これに限定されるものではなく、２
つの球面レンズを組合わせて一方の球面レンズに
入射されるレーザー光を他方の球面レンズの出射
側端に収束させるようにし、その出射端に半透鏡
を形成するようにしてもよく、要はレーザー光の
焦点が出射端となるようにすればよいものであ
る。

さらに、上記実施例においては、レーザー装置
１の出射端面が僅かに球面状となつており、同心
円状の干渉縞９を生じさせるようにした場合につ
いて説明したが、これに限定されるものではな
く、縦縞又は横縞の干渉縞を生じさせた場合にも
この発明を適用し得ること勿論である。

また、光電検出手段１０としては、バンドルフ
アイバー１２及び光電変換素子１３を使用する場
合に限らず、光電セル、イメージセンサ等の光電
変換手段を適用することができ、特にイメージセ
ンサを適用した場合には、その出力をパターン認
識することにより、移動体の蛇行や傾斜の程度を
検出することも可能となる利点がある。

さらに、レーザー装置１としては、He−Neレ
ーザーに限定されるものではなく、周波数安定性
があるもの又は周波数安定性がなくてもその周波
数変動を補償するように構成されたレーザーであ
れば、他の気体レーザー、固体レーザー、半導体
レーザーを使用することができ、特に半導体レー
ザーを使用する場合には、全体の構成をより小型
化することができる。

またさらに、上記実施例においては、処理装置
として電子回路を適用した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、マイクロコ
ンピユータを適用することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、レー
ザー装置と、これから出射されるレーザー光の焦
点位置に半透鏡を形成した光学レンズと、その出
射端に対向して配置した光電変換手段と、この光
電変換手段からの干渉縞検出信号を処理してレー
ザー装置と光学レンズとの間の相対移動距離を検
出する相対移動距離検出手段とを設けるだけの極
めて簡易な構成で、高精度の測長機能を得ること
ができ、しかも使用する部品点数が少ないので、
小型軽量化することができ、各部品の光軸合わせ
等の調整も容易であり、そのうえ干渉縞を２次元
情報として検出するため、Ｓ／Ｎ比を大きくとる
ことができ、さらに光学レンズによつて直接光と
反射光とが同一光路を通るコモンパス干渉である
ため外乱の影響が少ない等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第
２図ａ及びｂは夫々この発明に適用し得る屈折率
分布型レンズの斜視図及びその屈折率分布状態を
示す図、第３図はこの発明に適用し得る処理装置
の一例を示すブロツク図、第４図はこの発明の動
作の説明に供する説明図、第５図はこの発明の動
作の説明に供する信号波形図である。図中、１はレーザー装置、４ｂは半透鏡、５は
光ビーム、６は被距離測定移動体、７は屈折率分
布型レンズ、８は半透鏡、９は干渉縞、１０は光
電変換手段、１２はバンドルフアイバー、１３は
光電変換素子、１６は処理装置、１７はパルス信
号形成回路、１８は方向判別回路、１９は逓倍回
路、２０はアツプダウンカウンタである。

Claims

【特許請求の範囲】１略平行な光ビームを出射する端面が半透鏡で
あるレーザー装置と、該レーザー装置の光ビーム
の光軸と光軸を略一致させ且つ一端に入射した光
ビームの焦点となる他端に半透鏡を形成した光学
レンズとを相対移動可能に配置し、且つ前記光学
レンズの出射端に生じる干渉縞を光電変換手段
と、該光電変換手段の検出信号に基づき干渉縞の
通過本数及び移動方向を検出して前記レーザー装
置と光学レンズとの相対距離を検出する相対距離
検出手段とを備えていることを特徴とするレーザ
ー干渉測長機。２前記光学レンズが屈折率分布型レンズである
特許請求の範囲第１項記載のレーザー干渉測長
機。