JPH06323810A - Multiprobe displacement measuring apparatus - Google Patents

Multiprobe displacement measuring apparatus

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JPH06323810A
JPH06323810A JP5112767A JP11276793A JPH06323810A JP H06323810 A JPH06323810 A JP H06323810A JP 5112767 A JP5112767 A JP 5112767A JP 11276793 A JP11276793 A JP 11276793A JP H06323810 A JPH06323810 A JP H06323810A
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frequency
optical fiber
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optical
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Tourai Tou
東雷 唐
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Abstract

PURPOSE:To allow simultaneous measurement of displacement for two measuring surfaces using an inexpensive and easily adjustable apparatus by distributing a laser light emitted from a semiconductor laser to two probes and then processing the returning interference lights individually. CONSTITUTION:The oscillation frequency of a semiconductor laser 12 is subjected to continuous modulation with a triangular modulation current Sa and distributed through an optical switch 26 to two probes 27A, 27B. The light (reference light) reflected on the end faces of the probes 27A, 27B has a frequency different from that of the light (object light) reflected on the measuring faces of objects 28A, 28B thus causing heterodyne interference. An interference signal is introduced through the optical switch 26 to a photodiode 30 in order to detect a signal Sc. The signal Sc is then subjected to time sharing at a multiplexer 32 to produce signals Se1, Se2, and BPFs 34A, 34B extract specific frequencies Sf1, Sf2 thus producing pulse signals Sg1, Sg2. The frequency differences between the signals Sg1, Sg2 and a pulse signal Sb' generated based on the modulation period of laser light are accumulated 44A, 44B thus measuring the moving distances of the objects 28A, 28B.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はマルチプローブ変位測定
装置に係り、特に駆動電流によって発振周波数を線形的
に変調可能な半導体レーザを利用して測定物の変位を高
精度に測定することができるヘテロダイン干渉式のマル
チプローブ変位測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-probe displacement measuring device, and more particularly, it is possible to measure displacement of an object to be measured with high accuracy by using a semiconductor laser whose oscillation frequency can be linearly modulated by a driving current. The present invention relates to a heterodyne interferometric multi-probe displacement measuring device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、周波数変調型のヘテロダイン干渉
式変位測定装置は公知であり、例えば特開昭63−10
1702号公報に記載されている。即ち、この測定装置
は、半導体レーザに加える駆動電流を三角波状に周期的
の変化させ、半導体レーザの発振周波数と発光強度を変
調する。そして、このレーザ光をビームスプリッタで参
照光と物体光(測定物に照射される光)とに分割し、ビ
ームスプリッタの出射面から物体光を測定面に出射し、
その反射光を再び出射面から入射させて前記参照光と重
畳させる。測定面で反射して戻ってきた物体光と参照光
との間には、出射面から測定面までの距離に対応した時
間遅れがあり、両者の周波数は異なる。そのため、参照
光と物体光とで、ヘテロダイン干渉が生じ、そのビート
周波数は出射面から測定面までの距離に対応する。従っ
て、このビート周波数を計数することにより測定物の変
位を測定するようにしている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a frequency modulation type heterodyne interferometric displacement measuring device has been known, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-10.
1702 gazette. That is, this measuring device periodically changes the drive current applied to the semiconductor laser in a triangular wave shape to modulate the oscillation frequency and the emission intensity of the semiconductor laser. Then, this laser light is split into a reference light and an object light (light that is irradiated on the object to be measured) by a beam splitter, and the object light is emitted from the emission surface of the beam splitter to the measurement surface,
The reflected light is made incident again from the emission surface and is superimposed on the reference light. There is a time delay corresponding to the distance from the emission surface to the measurement surface between the object light and the reference light reflected by the measurement surface and returned, and their frequencies are different. Therefore, heterodyne interference occurs between the reference light and the object light, and the beat frequency thereof corresponds to the distance from the emission surface to the measurement surface. Therefore, the displacement of the measurement object is measured by counting the beat frequency.

【0003】しかしながら、上記従来のヘテロダイン干
渉式変位測定装置は、レーザ光の光路に光ファイバを使
用していないため、環境の影響を受けやすく、またビー
ムスプリッタやミラー等により装置が大型化するという
問題がある。更に、測定物が静止した状態で測定するた
め、移動中の測定物の変位をリアルタイムで測定するこ
とができない。
However, since the above-mentioned conventional heterodyne interferometric displacement measuring device does not use an optical fiber in the optical path of the laser beam, it is easily affected by the environment and the size of the device becomes large due to the beam splitter, the mirror and the like. There's a problem. Further, since the measurement object is measured in a stationary state, the displacement of the moving measurement object cannot be measured in real time.

【0004】これに対し、本出願人は、最近、コモンパ
スを光路としたフィゾー型の干渉計における光路のほと
んどを光ファイバ及び光ファイバカプラによって構成
し、測定環境の影響を受けにくいコンパクトな装置と
し、また、測定面の移動によるドップラ周波数偏移を利
用して、移動中の測定物の変位をリアルタイムで測定す
ることができる周波数変調光ファイバ変位測定装置を提
案した(特願平4−211430号明細書、特願平4−
296057号明細書参照)。
On the other hand, the applicant of the present invention has recently constructed a Fizeau-type interferometer using a common path as an optical path for most of the optical path by using an optical fiber and an optical fiber coupler to provide a compact device which is hardly affected by the measurement environment. In addition, we proposed a frequency modulation optical fiber displacement measuring device capable of measuring the displacement of a moving object in real time by utilizing the Doppler frequency shift due to the movement of the measurement surface (Japanese Patent Application No. 4-2114330). Description, Japanese Patent Application No. 4-
296057).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記変位測
定装置の場合には、2つの測定面の変位を同時に測定す
ることができなかった。本発明はこのような事情に鑑み
てなされたもので、1台の装置で同時に2つの測定面の
変位を測定することができるとともに、2台の装置に比
べてコストダウン及び調整が容易なマルチプローブ変位
測定装置を提供することを目的とする。
By the way, in the case of the above displacement measuring device, the displacements of the two measuring surfaces cannot be measured at the same time. The present invention has been made in view of such circumstances, and a multi-device capable of simultaneously measuring the displacements of two measurement surfaces with one device and having a cost reduction and adjustment easier than the two devices. An object is to provide a probe displacement measuring device.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、半導体レーザと、該半導体レーザに所定の
周期Ts (周波数fs )の三角波変調電流を入力する三
角波発生手段と、光学スイッチと、光電変換素子と、前
記半導体レーザから発振されたレーザ光を前記光スイッ
チに導くとともに、該光スイッチを介して戻ってくる光
を前記光電変換素子に導く光学手段と、前記光スイッチ
を介して交互にレーザ光が加えられる第1及び第2の光
ファイバと、前記第1の光ファイバの先端に配設され、
光の一部を出射端面で反射させるとともに残りは透過さ
せ平行光又は集光して第1の測定面を照射させる第1の
プローブと、前記第2の光ファイバの先端に配設され、
光の一部を出射端面で反射させるとともに残りは透過さ
せ平行光又は集光して第2の測定面を照射させる第2の
プローブと、前記光電変換素子からの信号を入力し、該
入力信号を第1及び第2の出力端子に交互に切り換えて
出力するマルチプレクサと、前記光スイッチ及びマルチ
プレクサをそれぞれ前記三角波変調電流の漸増する期間
及び漸減する期間毎に前記光スイッチ及びマルチプレク
サを切り換える切換制御手段と、前記マルチプレクサの
第1及び第2の出力端子の出力信号からそれぞれ前記三
角波の周波数fs のn倍の周波数nfs を中心周波数と
する所定のバンド幅の周波数成分を取り出す第1及び第
2のバンドパスフィルタと、前記第1及び第2のバンド
パスフィルタの出力波形の周波数をそれぞれm倍にした
周波数のパルス信号を出力する第1及び第2のパルス出
力手段と、前記三角波発生手段から出力される三角波変
調電流の周期Ts に同期して、前記周波数nfsと同一
周波数をm倍にした周波数のパルス信号を出力する第3
のパルス出力手段と、前記第1及び第3のパルス出力手
段からそれぞれ出力されるパルス信号における前記第1
のレンズと第1の測定面との相対移動に伴って発生する
周波数の差を積算する第1のカウンタと、前記第2及び
第3のパルス出力手段からそれぞれ出力されるパルス信
号における前記第2のレンズと第2の測定面との相対移
動に伴って発生する周波数の差を積算する第2のカウン
タと、を備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention comprises a semiconductor laser and a triangular wave generating means for inputting a triangular wave modulation current having a predetermined period T s (frequency f s ) to the semiconductor laser, An optical switch, a photoelectric conversion element, optical means for guiding laser light oscillated from the semiconductor laser to the optical switch, and guiding light returning via the optical switch to the photoelectric conversion element, and the optical switch. First and second optical fibers to which laser light is alternately applied via, and a distal end of the first optical fiber,
A first probe for reflecting a part of the light on the emission end face and transmitting the rest for parallel light or focusing to irradiate the first measurement surface, and the second probe is disposed at the tip of the second optical fiber,
A second probe for reflecting a part of the light on the emission end face and transmitting the rest for transmitting parallel light or condensing the second measurement surface and a signal from the photoelectric conversion element are input, and the input signal is input. And a switching control means for switching the optical switch and the multiplexer for each of the gradually increasing period and the gradually decreasing period of the triangular wave modulation current, respectively. And first and second frequency components having a predetermined bandwidth centered at a frequency nf s that is n times the frequency f s of the triangular wave, respectively, from the output signals of the first and second output terminals of the multiplexer. And a pulse signal having a frequency obtained by multiplying the frequencies of the output waveforms of the first and second bandpass filters by m times, respectively. And a pulse signal of a frequency obtained by multiplying the same frequency as the frequency nf s by m times in synchronization with the cycle T s of the triangular wave modulation current output from the triangular wave generating means. Output the third
Pulse output means and the first of the pulse signals output from the first and third pulse output means, respectively.
First counter for integrating the difference in frequency generated by the relative movement of the lens and the first measurement surface, and the second counter in the pulse signals respectively output from the second and third pulse output means. And a second counter that integrates a difference in frequency generated due to relative movement between the lens and the second measurement surface.

【0007】[0007]

【作用】本発明によれば、半導体レーザの発振周波数を
三角波変調電流によって連続変調し、半導体レーザから
発振されたレーザ光を光スイッチを介して交互に第1及
び第2のプローブに振り分ける。第1及び第2のプロー
ブから光スイッチを介して戻ってくる干渉光を光電変換
素子で電気信号に変換し、この電気信号をマルチプレク
サを介して第1のプローブ側の干渉信号と、第2のプロ
ーブ側の干渉信号に分けて処理する。これにより、1台
の装置で、2つの測定面の変位を同時に測定することが
でき、2台の装置に比べて大幅にコストダウンを図るこ
とができる。また、半導体レーザの波長の較正が1回で
済み、更に2箇所での測定性能を同じにすることができ
る。
According to the present invention, the oscillation frequency of the semiconductor laser is continuously modulated by the triangular wave modulation current, and the laser light emitted from the semiconductor laser is alternately distributed to the first and second probes via the optical switch. The interference light returning from the first and second probes via the optical switch is converted into an electric signal by the photoelectric conversion element, and this electric signal is passed through the multiplexer to the interference signal on the first probe side and the second signal. The interference signal on the probe side is processed separately. As a result, the displacement of two measurement surfaces can be simultaneously measured with one device, and the cost can be significantly reduced as compared with the two devices. Further, the wavelength of the semiconductor laser needs to be calibrated only once, and the measurement performance at the two locations can be made the same.

【0008】[0008]

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係るマルチプ
ローブ変位測定装置の好ましい実施例を詳述する。図1
は本発明に係るマルチプローブ変位測定装置の一実施例
を示すブロック図であり、図2(A)〜(H)は、三角
波変調電流を用いた場合のそれぞれ図1の各部から出力
される信号波形図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of a multiprobe displacement measuring device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Figure 1
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of a multi-probe displacement measuring device according to the present invention, and FIGS. 2 (A) to 2 (H) show signals output from the respective parts of FIG. 1 when a triangular wave modulation current is used. It is a waveform diagram.

【0009】図1に示すように、このマルチプローブ変
位測定装置は、主として三角波発生器10、半導体レー
ザ12、コリメータレンズ14、対物レンズ16、光フ
ァイバカプラ18、光ファイバ21〜25、光スイッチ
26、プローブ27A、プローブ27B、ホトダイオー
ド30、マルチプレクサ32、バンドパスフィルタ34
A、34B、波形整形器36、38A、38B、周波数
逓倍回路40、42A、42B、ゲート回路43A、4
3B及びアップダウンカウンタ44A、44Bから構成
されている。
As shown in FIG. 1, this multi-probe displacement measuring apparatus mainly includes a triangular wave generator 10, a semiconductor laser 12, a collimator lens 14, an objective lens 16, an optical fiber coupler 18, optical fibers 21 to 25, and an optical switch 26. , Probe 27A, probe 27B, photodiode 30, multiplexer 32, bandpass filter 34
A, 34B, waveform shapers 36, 38A, 38B, frequency multiplication circuits 40, 42A, 42B, gate circuits 43A, 4
3B and up / down counters 44A and 44B.

【0010】三角波発生器10は周期TS (周波数
s 、角周波数ωs )の三角波変調電流Sa(図2
(A))を半導体レーザ12及び波形整形器36に出力
する。波形整形器36は三角波発生器10から入力する
三角波変調電流Saを矩形波の信号Sb(図2(B))
に変換し、この信号Sbを光スイッチ26、マルチプレ
クサ32及び周波数逓倍回路40に出力する。尚、この
信号Sbは、三角波変調電流Saが漸増する期間はハイ
レベルとなり、漸減する期間はローレベルとなる信号で
ある。
The triangular wave generator 10 has a triangular wave modulation current Sa (FIG. 2) having a period T S (frequency f s , angular frequency ω s ).
(A)) is output to the semiconductor laser 12 and the waveform shaper 36. The waveform shaper 36 converts the triangular wave modulation current Sa input from the triangular wave generator 10 into a rectangular wave signal Sb (FIG. 2 (B)).
And outputs the signal Sb to the optical switch 26, the multiplexer 32, and the frequency multiplication circuit 40. The signal Sb is at a high level while the triangular wave modulation current Sa is gradually increasing, and is at a low level when the triangular wave modulating current Sa is gradually decreasing.

【0011】半導体レーザ12は入力する三角波変調電
流Saによって発振周波数と発光強度が変調される。
尚、半導体レーザ12には加熱及び/又は冷却素子13
Aと温度センサ13Bが設けられており、温度コントロ
ーラ13は温度センサ13Bによって検出される温度が
一定値になるように加熱及び/又は冷却素子13Aを制
御する。これにより、半導体レーザ12の温度変化によ
る波長変化を抑え、測定精度を上げている。
The oscillation frequency and the emission intensity of the semiconductor laser 12 are modulated by the input triangular wave modulation current Sa.
The semiconductor laser 12 has a heating and / or cooling element 13
A and a temperature sensor 13B are provided, and the temperature controller 13 controls the heating and / or cooling element 13A so that the temperature detected by the temperature sensor 13B becomes a constant value. Thereby, the wavelength change due to the temperature change of the semiconductor laser 12 is suppressed and the measurement accuracy is improved.

【0012】前記半導体レーザ12から出力される変調
されたレーザ光は、コリメータレンズ14及び対物レン
ズ16を介して光ファイバ21の先端に集光される。光
ファイバ21に入射されたレーザ光は、光ファイバカプ
ラ18及び光ファイバ22を介して光スイッチ26に導
かれる。光スイッチ26は、光ファイバ22に対して光
ファイバ23及び24のうちのいずれか一方を光学的に
接続するもので、波形整形器36からの信号Sbに応じ
て交互に切り換えを行う。即ち、信号Sbがハイレベル
のときには光ファイバ22と23とを接続し、信号Sb
がローレベルのときには光ファイバ22と24とを接続
する。
The modulated laser light output from the semiconductor laser 12 is focused on the tip of the optical fiber 21 via the collimator lens 14 and the objective lens 16. The laser light incident on the optical fiber 21 is guided to the optical switch 26 via the optical fiber coupler 18 and the optical fiber 22. The optical switch 26 optically connects either one of the optical fibers 23 and 24 to the optical fiber 22 and switches alternately according to the signal Sb from the waveform shaper 36. That is, when the signal Sb is at high level, the optical fibers 22 and 23 are connected to each other, and the signal Sb
Is low, the optical fibers 22 and 24 are connected.

【0013】光ファイバ23及び24の先端には、それ
ぞれプローブ27A及び27Bが設けられている。これ
らのプローブ27A及び27Bは、光の一部を出射端面
で反射させるとともに残りは透過させ平行光又は集光し
て測定面を照射させるもので、例えばセルフォックレン
ズによって構成されている。
Probes 27A and 27B are provided at the tips of the optical fibers 23 and 24, respectively. These probes 27A and 27B are for reflecting a part of the light on the emission end face and transmitting the rest for parallel light or focusing to irradiate the measurement surface, and are configured by, for example, a SELFOC lens.

【0014】さて、プローブ27Aの端面反射光(参照
光)と、プローブ27Aから出射され測定対象28Aの
測定面で反射されて再びプローブ27Aに入射した測定
面反射光(物体光)との間には、プローブ27Aの出射
端面と測定対象28Aの測定面との距離D1 に対応した
時間遅れがあり、両者の周波数は異なる。そのため、参
照光と物体光とで、ヘテロダイン干渉が生じる。
Now, between the end face reflected light (reference light) of the probe 27A and the measurement face reflected light (object light) which is emitted from the probe 27A and reflected by the measurement face of the object 28A to be measured and then incident on the probe 27A again. Has a time delay corresponding to the distance D 1 between the emission end surface of the probe 27A and the measurement surface of the measurement object 28A, and the frequencies of the two are different. Therefore, heterodyne interference occurs between the reference light and the object light.

【0015】同様に、プローブ27Bの参照光と、プロ
ーブ27Bから出射され測定対象28Bの測定面で反射
されて再びプローブ27Bに入射した物体光との間に
は、プローブ27Bの出射端面と測定対象28Bの測定
面との距離D2 に対応した時間遅れがあり、ヘテロダイ
ン干渉が生じる。プローブ27A及び27Bから光ファ
イバ23及び24を介して戻ってくる各干渉信号は、光
スイッチ26、光ファイバ22、光ファイバカプラ18
及び光ファイバ25を介して導かれ、光ファイバ25の
先端に設置されたホトダイオード30により検出され
る。図2(C)は、ホトダイオード30によって検出さ
れた信号Scの波形例を示す。
Similarly, between the reference light of the probe 27B and the object light emitted from the probe 27B, reflected by the measurement surface of the measurement object 28B and incident on the probe 27B again, the emission end surface of the probe 27B and the measurement object are measured. There is a time delay corresponding to the distance D 2 from the measurement surface of 28B, and heterodyne interference occurs. The interference signals returned from the probes 27A and 27B via the optical fibers 23 and 24 are the optical switch 26, the optical fiber 22, and the optical fiber coupler 18.
And is guided through the optical fiber 25 and detected by a photodiode 30 installed at the tip of the optical fiber 25. FIG. 2C shows a waveform example of the signal Sc detected by the photodiode 30.

【0016】このホトダイオード30からの信号Scは
マルチプレクサ32に加えられる。マルチプレクサ32
には波形整形器36から信号Sbが加えられており、マ
ルチプレクサ32は、この信号Sbによって光スイッチ
26での切換えに同期して信号Scを時分割し、プロー
ブ27Aからの干渉光に対応する信号Se1 (図2
(D))をバンドパスフィルタ34Aに出力し、プロー
ブ27Bからの干渉光に対応する信号Se2 (図2
(E))をバンドパスフィルタ34Bに出力する。
The signal Sc from the photodiode 30 is applied to the multiplexer 32. Multiplexer 32
Is added with a signal Sb from a waveform shaper 36, and the multiplexer 32 time-divides the signal Sc by this signal Sb in synchronization with the switching by the optical switch 26, and a signal corresponding to the interference light from the probe 27A. Se 1 (Fig. 2
(D)) is output to the bandpass filter 34A, and the signal Se 2 (FIG. 2) corresponding to the interference light from the probe 27B is output.
(E)) is output to the bandpass filter 34B.

【0017】バンドパスフィルタ34A及び34Bは、
それぞれ入力信号Se1 及びSe1からfs の成分を取
り出し、その取り出した信号Sf1 及びSf2 (図2
(F)、(G)))を波形整形器38A及び38Bに出
力する。波形整形器38A及び38Bは、それぞれ入力
信号Sf1 及びSf2 を矩形波の信号Sg1 及びSg2
(図2(H)、(I))に変換し、周波数逓倍回路42
A及び42Bはそれぞれ信号Sg1 及びSg2 の周波数
が予め設定された倍率になるように逓倍し、その逓倍し
た信号(パルス信号)Sg1 ′及びSg2 ′をゲート回
路43A及び43Bの入力G1 に出力する(図2(K)
〜(M)参照)。
The bandpass filters 34A and 34B are
The components of f s are extracted from the input signals Se 1 and Se 1, respectively, and the extracted signals Sf 1 and Sf 2 (see FIG.
(F), (G))) to the waveform shapers 38A and 38B. The waveform shapers 38A and 38B convert the input signals Sf 1 and Sf 2 into rectangular wave signals Sg 1 and Sg 2 respectively.
(FIG. 2 (H), (I)), and the frequency multiplication circuit 42
A and 42B respectively multiply the frequencies of the signals Sg 1 and Sg 2 so as to have a preset multiplication factor, and the multiplied signals (pulse signals) Sg 1 ′ and Sg 2 ′ are input to the gate circuits 43A and 43B. Output to 1 (Figure 2 (K)
~ (M)).

【0018】一方、ゲート回路43A及び43Bの入力
2 には、波形整形器36からの信号Sbを周波数逓倍
回路40を介して前記周波数逓倍回路42A及び43B
と同じ倍率で逓倍された信号(パルス信号)Sb′(図
2(J))が加えられている。ゲート回路43Aは、入
力G1 のパルス信号Sg1 ′と入力G2 のパルス信号S
b′の周波数差による新しいパルス信号を作り、アップ
ダウンカウンタ44Aのアップ入力U又はダウン入力D
に出力する。従って、アップダウンカウンタ44Aはパ
ルス信号Sb′とパルス信号Sg1 ′との周波数の差を
積算することになる。同様に、ゲート回路43Bは、入
力G1 のパルス信号Sg2 ′と入力G2のパルス信号S
b′の周波数差による新しいパルス信号を作り、アップ
ダウンカウンタ44Aのアップ入力U又はダウン入力D
に出力する。従って、アップダウンカウンタ44Bはパ
ルス信号Sb′とパルス信号Sg2 ′との周波数の差を
積算することになる。
On the other hand, to the input G 2 of the gate circuits 43A and 43B, the signal Sb from the waveform shaper 36 is passed through the frequency multiplication circuit 40 to the frequency multiplication circuits 42A and 43B.
A signal (pulse signal) Sb '(FIG. 2 (J)) multiplied by the same magnification as is added. The gate circuit 43A is input and the pulse signal Sg 1 'of the input G 1 G 2 pulse signal S
A new pulse signal is generated according to the frequency difference of b ', and the up input U or the down input D of the up / down counter 44A is generated.
Output to. Accordingly, the up-down counter 44A will be integrating the difference frequency between the 'pulse signal Sg 1 and' pulse signal Sb. Similarly, the gate circuit 43B is input and the pulse signal Sg 2 'inputs G 1 G 2 pulse signal S
A new pulse signal is generated according to the frequency difference of b ', and the up input U or the down input D of the up / down counter 44A is generated.
Output to. Accordingly, the up-down counter 44B will be integrating the difference between the frequency of 'a pulse signal Sg 2' pulse signal Sb and.

【0019】ところで、測定対象28Aが停止している
場合には、周波数逓倍回路42Aから出力されるパルス
信号Sg1 ′の周波数は、周波数逓倍回路40から出力
される基準のパルス信号Sb′の周波数と一致し、アッ
プダウンカウンタ44Aのカウント値は変動しないが、
測定対象28Aが移動すると、ドップラ周波数偏移によ
り波形整形器38Aから出力される信号Sg1 (周波数
逓倍回路42Aから出力されるパルス信号Sg1 ′)の
周波数は変動する。即ち、測定対象28Aがプローブ2
7Aから遠ざかる方向に移動すると、パルス信号S
1 ′の周波数は大きくなり(図2(K)参照)、測定
対象28Aがプローブ27Aに近づく方向に移動する
と、パルス信号Sg1 ′の周波数は小さくなる(図2
(L)参照)。
By the way, when the measurement object 28A is stopped, the frequency of the pulse signal Sg 1 'output from the frequency multiplication circuit 42A is the frequency of the reference pulse signal Sb' output from the frequency multiplication circuit 40. And the count value of the up / down counter 44A does not change,
When the measurement object 28A moves, the frequency of the signal Sg 1 output from the waveform shaper 38A (the pulse signal Sg 1 ′ output from the frequency multiplication circuit 42A) changes due to the Doppler frequency shift. That is, the measurement target 28A is the probe 2
When moving in the direction away from 7A, pulse signal S
The frequency of g 1 ′ increases (see FIG. 2 (K)), and when the measurement object 28A moves toward the probe 27A, the frequency of the pulse signal Sg 1 ′ decreases (FIG. 2).
(See (L)).

【0020】従って、パルス信号Sb′とパルス信号S
1 ′のパルス数の差は、測定対象28Aの移動速度及
び移動方向に対応し、そのパルス数の差の積算値は測定
対象28Aの移動量に対応する。これにより、測定対象
28Aを或る位置から他の位置に移動させたときのアッ
プダウンカウンタ44Aのカウント値の増減量に基づい
て測定対象28Aの移動距離を測定することができる。
Therefore, the pulse signal Sb 'and the pulse signal S
The difference in the number of pulses g 1 ′ corresponds to the moving speed and the moving direction of the measuring object 28A, and the integrated value of the difference in the number of pulses corresponds to the moving amount of the measuring object 28A. Accordingly, the moving distance of the measurement target 28A can be measured based on the increase / decrease amount of the count value of the up / down counter 44A when the measurement target 28A is moved from a certain position to another position.

【0021】同様に、測定対象28Bの移動距離も測定
することができるが、測定対象28Bがプローブ27B
から遠ざかる方向に移動すると、パルス信号Sg2 ′の
周波数は小さくなり(図2(M)参照)、測定対象28
Bがプローブ27Bに近づく方向に移動すると、パルス
信号Sg2 ′の周波数は大きくなり、上記パルス信号S
1 ′の場合と逆になる。従って、プローブ27A及び
27Bの特性(アップダウンカウンタの変化方向)を同
一にするため、ゲート回路43A、43Bからのパルス
信号を入力するアップダウンカウンタ44A、44Bの
アップ入力U、ダウン入力Dは互いに逆になっている。
Similarly, the moving distance of the measuring object 28B can be measured, but the measuring object 28B is the probe 27B.
The frequency of the pulse signal Sg 2 ′ decreases as it moves away from the measurement target 28 (see FIG. 2 (M)).
When B moves toward the probe 27B, the frequency of the pulse signal Sg 2 ′ increases, and the pulse signal Sg 2 ′ increases.
The opposite is true for g 1 ′. Therefore, in order to make the characteristics of the probes 27A and 27B (the changing direction of the up / down counter) the same, the up input U and the down input D of the up / down counters 44A and 44B to which the pulse signals from the gate circuits 43A and 43B are input are the same. It is the opposite.

【0022】次に、上記各部における信号を数式で表す
と、以下のようになる。マルチプレクサ32によって分
離された各信号Se1(t)及びSe2(t)は、次式、 Se1(t)=A・cos(ωb1t +φb1) …(1) (0≦t<TS /2) Se2(t)=A・cos(ωb2t −φb2) …(2) (TS /2≦t<TS ) となる。ここで、式(1)、(2)中の上記ビート信号
の角周波数ωb1、ωb2と位相φb1、φb2は、それぞれ次
式、 ωb1=4(Δω/TS )・τ1 =4(Δω/TS )・2π(2D1 /C) …(3) ωb2=4(Δω/TS )・τ2 =4(Δω/TS )・2π(2D2 /C) …(4) φb1=2π(2D1 /λ0 ) …(5) φb2=2π(2D2 /λ0 ) …(6) となる。式(3)〜(6)中で、Δωは図3に示すよう
に角周波数変調幅であり、τ1 はプローブ27Aの参照
光と物体光との時間遅れであり、τ2 はプローブ27B
の参照光と物体光との時間遅れであり、ω0 及びλ0
バイアス電流i0で駆動時の半導体レーザ12の角周波
数及び波長である。
Next, the signals in each of the above parts are expressed by the following equations. The signals Se 1 (t) and Se 2 (t) separated by the multiplexer 32 are expressed by the following equation: Se 1 (t) = A · cos (ω b1 t + φ b1 ) ... (1) (0 ≦ t <T S / 2) Se 2 (t) = A · cos (ω b2 t −φ b2 ) ... (2) (T S / 2 ≦ t <T S ). Here, the angular frequencies ω b1 and ω b2 and the phases φ b1 and φ b2 of the beat signal in the equations (1) and (2) are respectively expressed by the following equation: ω b1 = 4 (Δω / T S ) · τ 1 = 4 (Δω / T S ) · 2π (2D 1 / C) (3) ω b2 = 4 (Δω / T S ) · τ 2 = 4 (Δω / T S ) / 2π (2D 2 / C) (4) φ b1 = 2π (2D 1 / λ 0 ) ... (5) φ b2 = 2π (2D 2 / λ 0 ) ... (6) In Expressions (3) to (6), Δω is the angular frequency modulation width as shown in FIG. 3, τ 1 is the time delay between the reference light of the probe 27A and the object light, and τ 2 is the probe 27B.
Is the time delay between the reference light and the object light, and ω 0 and λ 0 are the angular frequency and wavelength of the semiconductor laser 12 when driven by the bias current i 0 .

【0023】また、バンドパスフィルタ34A及び34
Bから出力される信号Sf1(t)及びSf2(t)は、 Sf1(t) =B・cos(ωSt +φb1) …(7) Sf2(t) =B・cos(ωSt −φb2) …(8) となる。
The bandpass filters 34A and 34A are also provided.
Signal Sf 1 output from the B (t) and Sf 2 (t) is, Sf 1 (t) = B · cos (ω S t + φ b1) ... (7) Sf 2 (t) = B · cos (ω S t −φ b2 ) ... (8)

【0024】式(7)、(8)からも明らかなように位
相φb2と位相φb1の符号は逆になる。また、Sf1(t)、
Sf2(t)の位相変化Δφb1、Δφb2を測定すれば、測定
面の変位ΔD1 、ΔD2 が求められる。尚、本実施例で
は、ホトダイオード30の出力信号をマルチプレクサ3
2によって2つの信号Se1 及びSe2 に振り分けるよ
うにしたが、これに限らず、光ファイバ25に別途光ス
イッチを設け、干渉光の段階で2つの干渉光に振り分
け、このようにして振り分けた各干渉光をそれぞれ2つ
のホトダイオードで光電変換するようにしてもよい。
As is clear from the equations (7) and (8), the signs of the phase φ b2 and the phase φ b1 are opposite. In addition, Sf 1 (t),
By measuring the phase changes Δφ b1 and Δφ b2 of Sf 2 (t), the displacements ΔD 1 and ΔD 2 of the measurement surface can be obtained. In this embodiment, the output signal of the photodiode 30 is supplied to the multiplexer 3
The two signals Se 1 and Se 2 are distributed according to 2 , but the present invention is not limited to this, and an optical switch is separately provided in the optical fiber 25, and it is distributed to two interference lights at the stage of the interference light, and thus distributed. Each interference light may be photoelectrically converted by two photodiodes.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るマルチ
プローブ変位測定装置によれば、1台の装置で同時に2
つの測定面の変位を測定することができるとともに、2
台の装置に比べて大幅にコストダウンを図ることができ
る。また、半導体レーザの波長の較正が1回で済み、調
整が容易になる利点がある。
As described above, according to the multi-probe displacement measuring device according to the present invention, one device can simultaneously perform two measurements.
It is possible to measure the displacement of one measuring surface and 2
The cost can be significantly reduced compared to a single device. Further, there is an advantage that the wavelength of the semiconductor laser needs to be calibrated only once, and the adjustment becomes easy.

【0026】更に、レーザ光の光路のほとんどを光ファ
イバ及び光ファイバカプラによって構成したため、測定
環境の影響を受け難く大きな変位を高精度、高分解能で
測定することができ、かつ装置をコンパクトにすること
ができる。また、測定面の移動によるドップラ周波数偏
移を利用しているため、移動中の測定物の変位をリアル
タイムで測定することができる。
Furthermore, since most of the optical path of the laser beam is composed of the optical fiber and the optical fiber coupler, it is possible to measure a large displacement with high accuracy and high resolution, which is hardly affected by the measurement environment, and to make the apparatus compact. be able to. Moreover, since the Doppler frequency shift due to the movement of the measurement surface is used, the displacement of the moving object can be measured in real time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は本発明に係るマルチプローブ変位測定装
置の一実施例を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a multi-probe displacement measuring device according to the present invention.

【図2】図2(A)〜(M)は三角波の変調電流を用い
た場合のそれぞれ図1の各部から出力される信号波形図
である。
2A to 2M are signal waveform diagrams output from the respective units of FIG. 1 when a triangular wave modulation current is used.

【図3】図3は三角波の変調電流を用いた場合の物体光
と参照光の発振角周波数と発光強度変化を示す波形図で
ある。
FIG. 3 is a waveform diagram showing oscillation angular frequencies and changes in emission intensity of object light and reference light when a triangular wave modulation current is used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…三角波発生器 12…半導体レーザ 13…温度コントローラ 13A…加熱及び/又は冷却素子 13B…温度センサ 14…コリメータレンズ 16…対物レンズ 18…光ファイバカプラ 21、22、23、24、25…光ファイバ 27A、27B…プローブ 28A、28B…測定対象 30…ホトダイオード 34A、34B…バンドパスフィルタ 36、38A、38B…波形整形器 40、42A、42B…周波数逓倍回路 43A、43B…ゲート回路 44A、44B…アップダウンカウンタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Triangular wave generator 12 ... Semiconductor laser 13 ... Temperature controller 13A ... Heating and / or cooling element 13B ... Temperature sensor 14 ... Collimator lens 16 ... Objective lens 18 ... Optical fiber coupler 21, 22, 23, 24, 25 ... Optical fiber 27A, 27B ... Probes 28A, 28B ... Measurement object 30 ... Photodiodes 34A, 34B ... Bandpass filters 36, 38A, 38B ... Waveform shapers 40, 42A, 42B ... Frequency multiplication circuits 43A, 43B ... Gate circuits 44A, 44B ... Up Down counter

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体レーザと、 該半導体レーザに所定の周期Ts (周波数fs )の三角
波変調電流を入力する三角波発生手段と、 光学スイッチと、 光電変換素子と、 前記半導体レーザから発振されたレーザ光を前記光スイ
ッチに導くとともに、該光スイッチを介して戻ってくる
光を前記光電変換素子に導く光学手段と、 前記光スイッチを介して交互にレーザ光が加えられる第
1及び第2の光ファイバと、 前記第1の光ファイバの先端に配設され、光の一部を出
射端面で反射させるとともに残りは透過させ平行光又は
集光して第1の測定面を照射させる第1のプローブと、 前記第2の光ファイバの先端に配設され、光の一部を出
射端面で反射させるとともに残りは透過させ平行光又は
集光して第2の測定面を照射させる第2のプローブと、
前記光電変換素子からの信号を入力し、該入力信号を第
1及び第2の出力端子に交互に切り換えて出力するマル
チプレクサと、 前記光スイッチ及びマルチプレクサをそれぞれ前記三角
波変調電流の漸増する期間及び漸減する期間毎に前記光
スイッチ及びマルチプレクサを切り換える切換制御手段
と、 前記マルチプレクサの第1及び第2の出力端子の出力信
号からそれぞれ前記三角波の周波数fs のn倍の周波数
nfs を中心周波数とする所定のバンド幅の周波数成分
を取り出す第1及び第2のバンドパスフィルタと、 前記第1及び第2のバンドパスフィルタの出力波形の周
波数をそれぞれm倍にした周波数のパルス信号を出力す
る第1及び第2のパルス出力手段と、 前記三角波発生手段から出力される三角波変調電流の周
期Ts に同期して、前記周波数nfs と同一周波数をm
倍にした周波数のパルス信号を出力する第3のパルス出
力手段と、 前記第1及び第3のパルス出力手段からそれぞれ出力さ
れるパルス信号における前記第1のレンズと第1の測定
面との相対移動に伴って発生する周波数の差を積算する
第1のカウンタと、 前記第2及び第3のパルス出力手段からそれぞれ出力さ
れるパルス信号における前記第2のレンズと第2の測定
面との相対移動に伴って発生する周波数の差を積算する
第2のカウンタと、 を備えたことを特徴とするマルチプローブ変位測定装
置。
1. A semiconductor laser, a triangular wave generating means for inputting a triangular wave modulation current having a predetermined period T s (frequency f s ) to the semiconductor laser, an optical switch, a photoelectric conversion element, and the semiconductor laser oscillated from the semiconductor laser. Optical means for guiding the laser light to the optical switch and for guiding the light returning through the optical switch to the photoelectric conversion element; and first and second laser light which is alternately applied via the optical switch. An optical fiber and a first optical fiber, which is disposed at the tip of the first optical fiber and reflects a part of the light on the emission end face and transmits the rest of the light through parallel light or converging light to illuminate the first measurement surface. And a second optical fiber, which is disposed at the tip of the second optical fiber and reflects a part of the light on the emission end face and transmits the rest of the parallel light or condenses the second measurement surface. With probe
A multiplexer for inputting a signal from the photoelectric conversion element and alternately switching the input signal to a first output terminal and a second output terminal for output, and an optical switch and a multiplexer for gradually increasing and gradually decreasing the triangular wave modulation current, respectively. Switching control means for switching the optical switch and the multiplexer for each period of time, and a frequency nf s that is n times the frequency f s of the triangular wave from the output signals of the first and second output terminals of the multiplexer as the center frequency. First and second bandpass filters for extracting frequency components of a predetermined bandwidth, and first for outputting a pulse signal having a frequency obtained by multiplying the frequencies of the output waveforms of the first and second bandpass filters by m times, respectively. And second pulse output means, and in synchronization with the cycle T s of the triangular wave modulation current output from the triangular wave generating means, The same frequency as the frequency nf s is set to m
Third pulse output means for outputting a pulse signal having a doubled frequency, and the relative relationship between the first lens and the first measurement surface in the pulse signals respectively output from the first and third pulse output means. A first counter that integrates a difference in frequency generated by movement, and a relative relationship between the second lens and the second measurement surface in pulse signals output from the second and third pulse output means, respectively. A multi-probe displacement measuring device, comprising: a second counter that integrates a frequency difference generated by movement.
【請求項2】 前記光学手段は、第3、第4及び第5の
光ファイバと、光ファイバカプラとから成り、前記半導
体レーザから発振されたレーザ光を前記第1の光ファイ
バ、光ファイバカプラ及び第4の光ファイバを介して前
記光スイッチに導き、前記光スイッチを介して戻ってく
る光を前記第4の光ファイバ、光ファイバカプラ及び第
5の光ファイバを介して前記光電変換素子に導く請求項
1のマルチプローブ変位測定装置。
2. The optical means comprises third, fourth and fifth optical fibers and an optical fiber coupler, and the laser light oscillated from the semiconductor laser is supplied to the first optical fiber and the optical fiber coupler. And the light returning to the optical switch via the fourth optical fiber and the optical switch to the photoelectric conversion element via the fourth optical fiber, the optical fiber coupler and the fifth optical fiber. The multi-probe displacement measuring device according to claim 1, which is derived.
【請求項3】 前記光電変換素子及びマルチプレクサの
代わりに、前記第1及び第2のバンドパスフィルタに信
号を出力する第1及び第2の光電変換素子と、前記第5
の光ファイバからの光を前記光スイッチと同期して交互
に前記第1及び第2の光電変換素子に出力する第2の光
スイッチと、を設けたことを特徴とする請求項2のマル
チプローブ変位測定装置。
3. The first and second photoelectric conversion elements which output signals to the first and second bandpass filters, instead of the photoelectric conversion elements and the multiplexer, and the fifth photoelectric conversion element.
The second optical switch for alternately outputting the light from the optical fiber of claim 1 to the first and second photoelectric conversion elements in synchronism with the optical switch, and the multi-probe according to claim 2. Displacement measuring device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009524064A (en) * 2006-01-23 2009-06-25 ザイゴ コーポレーション Interferometer system for monitoring objects
JP2015194410A (en) * 2014-03-31 2015-11-05 株式会社東京精密 Device and method for measuring three-dimensional coordinates, and calibration apparatus
JP2019522211A (en) * 2016-07-28 2019-08-08 ストローブ, インク.Strobe, Inc. Distributed lidar system
JP2020165667A (en) * 2019-03-28 2020-10-08 株式会社東京精密 Shape measuring apparatus and control method thereof

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