JPH07120211A - Interference length measuring instrument - Google Patents
Interference length measuring instrumentInfo
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- JPH07120211A JPH07120211A JP5267411A JP26741193A JPH07120211A JP H07120211 A JPH07120211 A JP H07120211A JP 5267411 A JP5267411 A JP 5267411A JP 26741193 A JP26741193 A JP 26741193A JP H07120211 A JPH07120211 A JP H07120211A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を物体光と参
照光とに分離した後に物体光の被測定物体による後方散
乱光と規定の光路を通過した参照光とを干渉させ、異な
る波長のレーザ光について検出した干渉強度に基づいて
被測定物体までの距離を測定するようにした干渉測長器
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention separates laser light into object light and reference light, and then makes the backscattered light of the object light by the object to be measured interfere with the reference light that has passed through a prescribed optical path, thereby providing different wavelengths. The present invention relates to an interferometer, which measures the distance to an object to be measured based on the interference intensity detected for the laser light.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、半導体レーザをレーザ光源と
して用いるとともに、送出されるレーザ光の波長を時間
とともに変化させ、レーザ光を物体光と参照光とに分離
した後に物体光の被測定物体による後方散乱光と規定の
光路を通過した参照光とを干渉させることによって、異
なる波長での干渉強度に基づいて被測定物体までの距離
を測定する干渉測長器が提案されている。この種の干渉
測長技術は、ＦＭヘテロダイン測長法と称されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor laser is used as a laser light source, the wavelength of a laser beam to be transmitted is changed with time, and the laser beam is separated into an object beam and a reference beam. An interference length measuring device has been proposed which measures the distance to the object to be measured based on the interference intensity at different wavelengths by causing the backscattered light and the reference light that has passed through the specified optical path to interfere with each other. This type of interferometric length measurement technique is called an FM heterodyne length measurement method.
【０００３】この種の技術は、たとえば図１１に示すよ
うなマイケルソン型の干渉測長器に適用されている。こ
の干渉測長器では、単一モード発振動作の半導体レーザ
をレーザ光源１として用い、レーザ光源１から送出され
たレーザ光を半透鏡よりなるビームスプリッタ４ａで物
体光と参照光に分離した後に、物体光の被測定物体Ｓで
の後方散乱光と参照光の参照鏡６での反射光とをビーム
スプリッタ４ａの上で干渉させ、この干渉強度の変化を
受光素子２で観測するのである。レーザ光源１とビーム
スプリッタ４ａとの間にはコリメートレンズ７および戻
り光を防止するアイソレータ８が配置される。また、レ
ーザ光源１の出力波長は温度依存性があるから、ペルチ
ェ素子１３と温度コントローラ１４とによってレーザ光
源１が一定温度に保たれるように温度制御を行なってい
る。This kind of technique is applied to, for example, a Michelson type interferometer as shown in FIG. In this interferometer, a semiconductor laser operating in a single mode is used as the laser light source 1, and the laser light emitted from the laser light source 1 is separated into an object light and a reference light by a beam splitter 4a composed of a semitransparent mirror. The backscattered light of the object light on the measured object S and the reflected light of the reference light on the reference mirror 6 are caused to interfere on the beam splitter 4a, and the change in the interference intensity is observed by the light receiving element 2. A collimator lens 7 and an isolator 8 for preventing return light are arranged between the laser light source 1 and the beam splitter 4a. Since the output wavelength of the laser light source 1 has temperature dependency, the Peltier element 13 and the temperature controller 14 perform temperature control so that the laser light source 1 is maintained at a constant temperature.
【０００４】ところで、レーザ光源１として用いる半導
体レーザは、注入電流を変化させることによって出力光
の波長が変化することが知られている。すなわち、電流
変化量をΔｉ、波長の微小変化幅をΔλとすると、次の
関係式が成立する。 −ｃΔλ／λ0 2 ＝κΔｉ ただし、ｃは光速、κは周波数変調係数である。レーザ
光源１への注入電流は、波長制御手段としての発振器１
１およびレーザドライバ１２によって鋸歯状波形に変化
するように制御されており、したがって、レーザ光源１
から送出されるレーザ光の波長は、電流波形の１周期内
では図１２に示すように時間とともに変化することにな
る。By the way, it is known that the wavelength of the output light of the semiconductor laser used as the laser light source 1 changes by changing the injection current. That is, when the current change amount is Δi and the minute wavelength change width is Δλ, the following relational expression holds. -CΔλ / λ 0 2 = κΔi where c is the speed of light and κ is the frequency modulation coefficient. The injection current to the laser light source 1 is generated by the oscillator 1 as the wavelength control means.
1 and the laser driver 12 are controlled so as to change into a sawtooth waveform.
The wavelength of the laser light emitted from the laser beam changes with time within one cycle of the current waveform as shown in FIG.
【０００５】一方、レーザ光の複素振幅Ｅ1 は、光の振
幅をＥ、周波数の変化分Δνを∫Ｆ（ｔ）dtとすれば、
次式のようになる。 Ｅ1 ＝Ｅ exp〔ｊ２π｛νｔ＋∫Ｆ（ｔ）dt｝〕 ただし、ｊは複素単位である。したがって、物体光と参
照光とに光路差Ｌがあるときに、この光路差を時間差τ
（＝Ｌ／ｃ）を用いて表すものとすれば、物体光の複素
振幅Ｅ2 は次式のようになる。 Ｅ2 ＝Ｅ exp〔ｊ２π｛ν（ｔ−τ）＋∫Ｆ（ｔ−τ）
dt｝〕 参照光と物体光とを干渉させることは、Ｅ1 とＥ2 との
光を干渉させることに相当するから、干渉強度Ｉは次式
で表されることになる。 Ｉ＝｜Ｅ1 ＋Ｅ2 ｜2 ＝Ｅ1 2 ＋Ｅ2 2 ＝２Ｅ1 Ｅ2 cos〔２π｛∫Ｆ（ｔ）dt−∫Ｆ（ｔ−τ）dt＋ντ｝〕 ここで、Ｆ（ｔ）の時間τでの変化を無視すれば、 Ｆ（ｔ）−Ｆ（ｔ−τ）＝τ dＦ（ｔ）／dt と近似できるから、干渉強度Ｉは次式で表される。 Ｉ＝２Ｅ1 Ｅ2 cos〔２π｛τＦ（ｔ）＋ντ｝〕 すなわち、干渉強度Ｉは、τＦ（ｔ）の周期で変化する
ことになり、この変化がビート信号として観測されるこ
とになる。On the other hand, regarding the complex amplitude E 1 of the laser light, if the light amplitude is E and the frequency change Δν is ∫F (t) dt,
It becomes like the following formula. E 1 = E exp [j2π {νt + ∫F (t) dt}] where j is a complex unit. Therefore, when there is an optical path difference L between the object light and the reference light, this optical path difference is calculated as the time difference τ.
If it is expressed using (= L / c), the complex amplitude E 2 of the object light is given by the following equation. E 2 = E exp [j2π {ν (t−τ) + ∫F (t−τ)
dt}] Since the interference of the reference light and the object light corresponds to the interference of the lights of E 1 and E 2 , the interference intensity I is represented by the following equation. I = | E 1 + E 2 | 2 = E 1 2 + E 2 2 = 2E 1 E 2 cos [2π {∫F (t) dt−∫F (t−τ) dt + ντ}] where F (t) Ignoring the change at time τ, it can be approximated as F (t) −F (t−τ) = τ dF (t) / dt, so the interference intensity I is expressed by the following equation. I = 2E 1 E 2 cos [2π {τF (t) + ντ}] That is, the interference intensity I changes in the cycle of τF (t), and this change is observed as a beat signal.
【０００６】ここで、波長λを一定部分λ0 と変化幅Δ
λとに分離すれば、次の関係が得られる。 λ0 ＋Δλ＝ｃ／｛ν＋Ｆ（ｔ）｝ ＝ｃ／ν｛１−Ｆ（ｔ）／ν｝ ∴ Ｆ（ｔ）＝−Δλｃ／λ2 この関係を、上で求めた干渉強度Ｉの式に代入すれば、 Ｉ＝２Ｅ1 Ｅ2 cos｛２π（−τΔλｃ／λ2 ＋ντ）｝ ＝２Ｅ1 Ｅ2 cos｛２π（−ΔλＬ／λ2 ＋Ｌ／λ）｝ が得られるから、結局、干渉強度Ｉの変化は、２Ｅ1 Ｅ
2 ＝Ａと置くことによって、次式で表されることにな
る。 Ｉ＝Ａ cos｛２π（ＬΔλ／λ2 ＋Ｌ／λ）｝ 上式で明らかなように、レーザ光源１への注入電流を周
期的に変化させて波長を変化させ（変化幅がΔλ）、受
光素子２で受光強度Ｉの変化を検出すれば、物体光の参
照光に対する光路差Ｌを求めることができるのである。
ここで、レーザ光源１への注入電流を変化させれば発光
強度も変化するから、受光素子２の出力は増幅回路２１
で増幅された後に、バンドパスフィルタ２２によって雑
音が除去されるとともに注入電流の変化による発光強度
の変化分が除去される。すなわち、バンドパスフィルタ
２２の出力は図１３のような略一定振幅の波形になる。Here, the wavelength λ is changed to a constant portion λ 0 and a change width Δ
If separated into λ, the following relationship is obtained. λ 0 + Δλ = c / {ν + F (t)} = c / ν {1-F (t) / ν} ∴F (t) = − Δλc / λ 2 This relation is obtained by the formula of the interference intensity I obtained above. Substituting into, I = 2E 1 E 2 cos {2π (−τΔλc / λ 2 + ντ)} = 2E 1 E 2 cos {2π (−ΔλL / λ 2 + L / λ)} is obtained. The change in intensity I is 2E 1 E
By setting 2 = A, it can be expressed by the following equation. I = A cos {2π (LΔλ / λ 2 + L / λ)} As is clear from the above equation, the injection current to the laser light source 1 is periodically changed to change the wavelength (the change width is Δλ) to receive light. By detecting the change in the received light intensity I with the element 2, the optical path difference L of the object light with respect to the reference light can be obtained.
Here, if the injection current to the laser light source 1 is changed, the light emission intensity is also changed. Therefore, the output of the light receiving element 2 is output from the amplifier circuit 21.
After being amplified by, the noise is removed by the bandpass filter 22 and the change in emission intensity due to the change in injection current is removed. That is, the output of the bandpass filter 22 has a waveform with a substantially constant amplitude as shown in FIG.
【０００７】上式に基づいて実際に光路差Ｌを演算する
には、異なる時刻でのビート信号の位相差を求めればよ
い。たとえば、波長の掃引を開始したときのビート信号
の位相をφ1 、掃引を終了したときのビート信号の位相
をφ2 とすれば、位相差Δφは、 Δφ＝φ2 −φ1 ＝２π（ＬΔλ／λ2 ＋Ｌ／λ）−２πＬ／λ ＝２πＬΔλ／λ2 （１） であるから、位相計測器２３によって位相差Δφを計測
すれば、マイクロコンピュータよりなる演算処理部２４
では次式によって光路差Ｌを求めることができるのであ
る。 Ｌ＝（Δφ／２π）・λ2 ／Δλ （２） ここで、参照光の光路の長さは既知であるから、光路差
Ｌがわかれば被測定物体Ｓまでの距離を求めることがで
きる。In order to actually calculate the optical path difference L based on the above equation, the phase difference between the beat signals at different times may be obtained. For example, if the phase of the beat signal at the start of the wavelength sweep is φ 1 and the phase of the beat signal at the end of the sweep is φ 2 , the phase difference Δφ is Δφ = φ 2 −φ 1 = 2π ( LΔλ / λ 2 + L / λ) -2πL / λ = 2πLΔλ / λ 2 (1) Therefore, if the phase difference Δφ is measured by the phase measuring device 23, the arithmetic processing unit 24 including a microcomputer 24
Then, the optical path difference L can be obtained by the following equation. L = (Δφ / 2π) · λ 2 / Δλ (2) Here, since the optical path length of the reference light is known, the distance to the measured object S can be obtained if the optical path difference L is known.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上記技術では、レーザ
光の波長を変化させている期間には光路差Ｌが変化しな
いという条件が必要であって、光路差Ｌがわずかに変化
しても測定誤差が大きくなるという問題を有している。
すなわち、ビート信号の位相φ1 を求める時点と位相φ
2 を求める時点とで光路差ＬがδＬだけ変化したとす
る。この場合、位相差Δφは（１）式によって次のよう
になる。 Δφ′＝φ2 −φ1 ＝２π｛（Ｌ＋δＬ）Δλ／λ2 ＋（Ｌ＋δＬ）／λ｝−２πＬ／λ ＝２πＬΔλ／λ2 ＋２πδＬ（Δλ／λ2 ＋１／λ） ＝Δφ＋２πδＬ（Δλ／λ2 ＋１／λ） ここにおいて、市販されている半導体レーザでは波長λ
は７８０ｎｍ程度、波長の変化幅Δλは０．１ｎｍ程度
であるから、Δλ／λ2 ≪１／λであり、上式は次のよ
うに近似することができる。 Δφ′≒Δφ＋２πδＬ／λ 結局、波長の掃引中に光路差ＬがδＬだけ変化したとき
に計測される光路差Ｌ′は、（２）式によって、 Ｌ′＝（Δφ′／２π）・λ2 ／Δλ ＝（Δφ／２π）・λ2 ／Δλ＋δＬλ／Δλ となり、光路差Ｌに変化が生じない場合に比較してδＬ
λ／Δλだけの誤差が生じることになる。In the above technique, the condition that the optical path difference L does not change during the period of changing the wavelength of the laser light is required, and even if the optical path difference L slightly changes, measurement is performed. There is a problem that the error becomes large.
That is, when the phase φ 1 of the beat signal is obtained and the phase φ
It is assumed that the optical path difference L changes by δL at the time when 2 is obtained. In this case, the phase difference Δφ is as follows according to the equation (1). Δφ '= φ 2 -φ 1 = 2π {(L + δL) Δλ / λ 2 + (L + δL) / λ} -2πL / λ = 2πLΔλ / λ 2 + 2πδL (Δλ / λ 2 + 1 / λ) = Δφ + 2πδL (Δλ / λ 2 + 1 / λ) Here, in the commercially available semiconductor laser, the wavelength λ
Is about 780 nm and the wavelength variation width Δλ is about 0.1 nm, so Δλ / λ 2 << 1 / λ, and the above equation can be approximated as follows. Δφ′≈Δφ + 2πδL / λ After all, the optical path difference L ′ measured when the optical path difference L changes by δL during the wavelength sweep is calculated by the equation (2) as L ′ = (Δφ ′ / 2π) · λ 2 / Δλ = (Δφ / 2π) · λ 2 / Δλ + δLλ / Δλ, which is δL compared to the case where the optical path difference L does not change.
An error of λ / Δλ will occur.
【０００９】いま、波長λを７８０ｎｍ、掃引により変
化する波長の変化幅Δλを０．１ｎｍとし、波長の掃引
時における光路差の変化分δＬが波長と同じ７８０ｎｍ
であったとすると、光路差の測定誤差δＬλ／Δλは、 ７８０×１０-9×７８０×１０-9／０．１×１０-9 ＝７．８2 ×１０-4 ＝６．０８〔ｍｍ〕 すなわち、光路差が７８０ｎｍ変化すると、光路差に対
して７８００倍の誤差が生じることになり、光路差のわ
ずかな変化も計測値に大きな影響を与えることがわか
る。このような光路差の変化は、外部振動や気流の変化
などによって生じるものであって必然的に生じるから、
光路差の変化による誤差を除去できるような構成が要望
されている。Now, assuming that the wavelength λ is 780 nm and the change width Δλ of the wavelength that changes by sweeping is 0.1 nm, the change amount δL of the optical path difference at the time of sweeping the wavelength is 780 nm which is the same as the wavelength.
Then, the measurement error δLλ / Δλ of the optical path difference is 780 × 10 −9 × 780 × 10 −9 /0.1×10 −9 = 7.8 2 × 10 −4 = 6.08 [mm] That is, when the optical path difference changes by 780 nm, an error of 7800 times the optical path difference occurs, and it can be seen that even a slight change in the optical path difference has a great influence on the measured value. Such a change in the optical path difference is caused by an external vibration or a change in the air flow, and inevitably occurs.
There is a demand for a configuration capable of removing an error due to a change in optical path difference.
【００１０】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、レーザ光の波長を変化させている期間に光路
差が変化しても測定誤差が生じないようにした干渉測長
器を提供しようとするものである。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide an interferometer with which no measurement error occurs even if the optical path difference changes during the period of changing the wavelength of laser light. It is the one we are trying to provide.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、互いに分離可能なレーザ光をそ
れぞれ送出する一対のレーザ光源と、各レーザ光源から
送出されるレーザ光の波長をそれぞれ変化させる波長制
御手段と、両レーザ光源から送出されたレーザ光が同じ
光路を通るように光路を合わせる光混合器と、光混合器
を通過して一つの光路上を伝達される２種のレーザ光を
それぞれ物体光と参照光とに分離するとともに物体光の
被測定物体での後方散乱光と規定の光路を通過した参照
光とを干渉させる光分配混合器と、光分配混合器での干
渉強度の変化を各レーザ光ごとに分離する光分配器と、
光分配器により分離された各レーザ光ごとの干渉強度の
変化に基づいて各レーザ光ごとに物体光の参照光に対す
る位相差を求めるとともに、両位相差に基づいて被測定
物体までの距離を演算する演算処理部とを備えることを
特徴とする。In order to achieve the above-mentioned object, the invention of claim 1 comprises a pair of laser light sources which respectively emit laser beams separable from each other, and a laser beam which is emitted from each laser light source. A wavelength control means for changing the wavelength, an optical mixer for aligning the optical paths so that the laser beams emitted from both laser light sources pass through the same optical path, and a light mixer which passes through the optical mixer and is transmitted on one optical path 2 A light distribution mixer that separates each type of laser light into an object light and a reference light, and that interferes with the backscattered light of the object light on the measured object and the reference light that has passed through the specified optical path, and a light distribution mixer. An optical distributor that separates the change in the interference intensity for each laser beam,
The phase difference of the object beam with respect to the reference beam is calculated for each laser beam based on the change in the interference intensity of each laser beam separated by the optical distributor, and the distance to the measured object is calculated based on the phase difference. And an arithmetic processing unit for performing the operation.
【００１２】請求項２の発明では、請求項１において、
各レーザ光源は互いに波長の異なるレーザ光を送出し、
光分配器は入射光を波長ごとに分離して出射することを
特徴とする。請求項３の発明では、請求項１において、
各レーザ光源は同波長で偏光方向の異なるレーザ光を送
出し、光分配器は入射光を偏光方向に応じて分離して出
射することを特徴とする。According to the invention of claim 2, in claim 1,
Each laser light source emits laser light with a different wavelength from each other,
The light distributor is characterized in that incident light is separated for each wavelength and emitted. According to the invention of claim 3, in claim 1,
Each of the laser light sources sends out laser light having the same wavelength and different polarization directions, and the light distributor separates the incident light according to the polarization direction and emits it.
【００１３】請求項４の発明では、請求項１において、
波長制御手段は各レーザ光源から送出されるレーザ光の
波長の変化方向を逆方向に設定することを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項１において、各レーザ光源
は互いに波長の異なるレーザ光を送出し、波長制御手段
は各レーザ光源から送出されるレーザ光の波長の変化方
向を逆方向に設定し、光分配器は入射光を波長ごとに分
離して出射することを特徴とする。According to the invention of claim 4, in claim 1,
The wavelength control means sets the changing direction of the wavelength of the laser light emitted from each laser light source to the opposite direction.
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the laser light sources send out laser lights having different wavelengths from each other, and the wavelength control means sets the changing directions of the wavelengths of the laser lights sent from the laser light sources to the opposite directions. The light distributor is characterized in that incident light is separated for each wavelength and emitted.
【００１４】請求項６の発明では、請求項１において、
各レーザ光源は同波長で偏光方向の異なるレーザ光を送
出し、波長制御手段は各レーザ光源から送出されるレー
ザ光の波長の変化方向を逆方向に設定し、光分配器は入
射光を偏光方向に応じて分離して出射することを特徴と
する。According to the invention of claim 6, in claim 1,
Each laser light source emits laser light of the same wavelength but different polarization direction, the wavelength control means sets the changing direction of the wavelength of the laser light emitted from each laser light source to the opposite direction, and the light distributor polarizes the incident light. It is characterized in that the light is separated and emitted according to the direction.
【００１５】[0015]
【作用】請求項１の構成によれば、同じ被測定物体に対
して２種類のレーザ光を用いてそれぞれ物体光と参照光
との位相差を求め、２つの位相差に基づいて物体光と参
照光との光路差を求めるのであって、波長を変化させる
途中で光路差に変化が生じた場合でも光路差の変化分に
よる誤差を除去して精度よく光路差を求めることができ
るのである。すなわち、被測定物体までの距離の測定誤
差を低減できるのである。しかも、波長をオープン制御
で変化させることができるから、フィードバックループ
などのループ系を含む構成に比較して被測定物体までの
距離を高速に演算することが可能になるのである。According to the structure of claim 1, the phase difference between the object light and the reference light is obtained by using two types of laser light for the same object to be measured, and the object light and the reference light are detected based on the two phase differences. Since the optical path difference with respect to the reference light is obtained, even if the optical path difference changes during the wavelength change, the error due to the change in the optical path difference can be removed and the optical path difference can be obtained accurately. That is, the measurement error of the distance to the measured object can be reduced. Moreover, since the wavelength can be changed by open control, the distance to the object to be measured can be calculated at a higher speed than in the configuration including a loop system such as a feedback loop.
【００１６】請求項２の構成では、レーザ光の波長に応
じて２種類のレーザ光を分離するから、波長選択性を有
する光学素子を用いることができ、この種の光学素子は
入手が容易であるから、比較的安価に提供できることに
なる。請求項３の構成では、レーザ光の波長は同波長と
し、偏光方向を利用して２種類のレーザ光を分離するか
ら、光学素子の入手が容易であって比較的安価に提供で
きるとともに、光学系に用いる光学素子とくにレンズの
波長に依存した収差の影響を回避することができ（コー
ティングも容易になる）、測定精度が向上するのであ
る。In the structure of claim 2, since two types of laser light are separated according to the wavelength of the laser light, an optical element having wavelength selectivity can be used, and this type of optical element is easily available. Therefore, it can be provided at a relatively low cost. In the structure of claim 3, the wavelengths of the laser beams are the same, and the two types of laser beams are separated by utilizing the polarization direction. Therefore, the optical element can be easily obtained and can be provided at a relatively low cost. The influence of aberrations depending on the wavelength of the optical element used in the system, especially the lens can be avoided (the coating becomes easy), and the measurement accuracy is improved.
【００１７】請求項４の構成では、２種のレーザ光の波
長の変化方向を逆方向としていることによって、同方向
に変化させた場合よりも誤差分を一層小さくすることが
可能になる。請求項５および請求項６の構成は望ましい
実施態様であって、請求項２と請求項３もしくは請求項
２と請求項４を組み合わせた構成とすることで、誤差分
の少ない高精度の測定が可能になるのである。In the structure of claim 4, since the changing directions of the wavelengths of the two kinds of laser light are opposite directions, the error can be further reduced as compared with the case of changing in the same direction. The configurations of claims 5 and 6 are desirable embodiments, and by combining the configurations of claim 2 and claim 3 or claim 2 and claim 4, high-accuracy measurement with less error can be performed. It will be possible.
【００１８】[0018]
（基本構成）図１に本発明の基本構成を示す。図より明
らかなように、従来構成との主な相違点は、レーザ光源
１ａ，１ｂを一対設けるとともに、各レーザ光源１ａ，
１ｂから送出されたレーザ光ごとに干渉強度を測定する
受光素子２ａ，２ｂを設けた点にある。各レーザ光源１
ａ，１ｂから送出されたレーザ光は、光混合器３によっ
て同じ光路を通るように光路が調節され、従来構成のビ
ームスプリッタと同様の機能を有した光分配混合器４を
通して物体光と参照光とに分離される。物体光は被測定
物体Ｓに照射されて散乱し、参照光は参照鏡６によって
反射される。被測定物体Ｓでの後方散乱光と参照鏡６で
反射された参照光とは光分配混合器４に戻って干渉し、
干渉した光は光分配器５によって各レーザ光に対応する
成分ごとに分離される。このようにして分離された光の
干渉強度を対応する各受光素子２ａ，２ｂで検出するの
である。(Basic Structure) FIG. 1 shows the basic structure of the present invention. As is apparent from the figure, the main difference from the conventional configuration is that a pair of laser light sources 1a and 1b are provided and that each laser light source 1a, 1b
The point is that the light receiving elements 2a and 2b for measuring the interference intensity for each laser beam transmitted from the laser beam 1b are provided. Each laser light source 1
The optical paths of the laser beams emitted from a and 1b are adjusted by the optical mixer 3 so as to pass through the same optical path, and the object light and the reference light are passed through the optical distributor / mixer 4 having the same function as the beam splitter of the conventional configuration. And separated. The object light is applied to the object S to be measured and scattered, and the reference light is reflected by the reference mirror 6. The backscattered light at the measured object S and the reference light reflected by the reference mirror 6 return to the light distribution mixer 4 and interfere with each other,
The interfered light is separated by the light distributor 5 into each component corresponding to each laser light. The interference intensity of the light thus separated is detected by the corresponding light receiving elements 2a and 2b.
【００１９】各レーザ光源１ａ，１ｂは半導体レーザよ
りなり、それぞれ独立した発振器１１ａ，１１ｂおよび
レーザドライバ１２ａ，１２ｂによって注入電流が鋸歯
状波形になるように供給されて図２に示すように出力波
長が掃引されている。ここで、半導体レーザでは注入電
流の変化量が大きいとモードホップを生じて波長の変化
が不連続になるから、モードホップが生じずに波長が連
続的に変化する範囲で注入電流を調節する。Each of the laser light sources 1a and 1b is composed of a semiconductor laser and is supplied by an independent oscillator 11a and 11b and a laser driver 12a and 12b so that the injection current has a sawtooth waveform, and the output wavelength is as shown in FIG. Is being swept. Here, in the semiconductor laser, when the amount of change in the injection current is large, mode hops occur and the change in wavelength becomes discontinuous. Therefore, the injection current is adjusted within a range in which the wavelength continuously changes without mode hops.
【００２０】各受光素子２ａ，２ｂで検出された干渉強
度に対応する図３のようなビート信号はそれぞれ増幅回
路２１ａ，２１ｂによって増幅され、位相計測器２３
ａ，２３ｂではビート信号の位相が求められる。ビート
信号の位相が求まれば、マイクロコンピュータよりなる
演算処理部２４において光路差が求められ、この光路差
に基づいて被測定物体Ｓまでの距離が求められるのであ
る。The beat signals as shown in FIG. 3 corresponding to the interference intensities detected by the light receiving elements 2a and 2b are amplified by the amplifier circuits 21a and 21b, respectively, and the phase measuring device 23
In a and 23b, the phase of the beat signal is obtained. When the phase of the beat signal is obtained, the optical processing unit 24 including the microcomputer obtains the optical path difference, and the distance to the measured object S is obtained based on the optical path difference.
【００２１】以下に被測定物体Ｓまでの距離を求める手
順について説明する。いま、両レーザ光源１ａ，１ｂか
ら送出されるレーザ光の波長を異ならせて被測定物体Ｓ
までの距離を求めるものとし、波長の掃引中に光路差が
ＬからＬ＋δＬに変化したものとすると、各波長λ1 ，
λ2 のレーザ光に対するビート信号の位相差Δφ1 ，Δ
φ2 は、（１）式によって次式で表される。 Δφ1 ＝２πＬΔλ1 ／λ1 2 ＋２πδＬ（Δλ1 ／λ
1 2 ＋１／λ1 ） Δφ2 ＝２πＬΔλ2 ／λ2 2 ＋２πδＬ（Δλ2 ／λ
2 2 ＋１／λ2 ） ここに、Δλ1 ，Δλ2 は各波長λ1 ，λ2 のレーザ光
についての掃引による波長の変化幅である。ここで、Δ
λ／λ2 ≪１／λの関係を用いれば、次式の関係が得ら
れる。 Δφ1 ＝２π（ＬΔλ1 ／λ1 2 ＋δＬ／λ1 ） Δφ2 ＝２π（ＬΔλ2 ／λ2 2 ＋δＬ／λ2 ） したがって、両式から光路差Ｌと光路差の変化分δＬと
を求めることができる。すなわち、下式の関係になる。 Ｌ＝λ1 λ2 （λ1 Δφ1 −λ2 Δφ2 ）／Ｄ （３） δＬ＝（δφ1 λ1 2 δλ2 −δφ2 λ2 2 δλ1 ）／Ｄ （４） ただし、Ｄ＝２π（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ）である。The procedure for obtaining the distance to the object S to be measured will be described below. Now, the wavelength of the laser light emitted from both laser light sources 1a and 1b is made different, and the measured object S
If the optical path difference changes from L to L + δL during the wavelength sweep, each wavelength λ 1 ,
Phase difference of beat signal with respect to λ 2 laser light Δφ 1 , Δ
φ 2 is expressed by the following equation by the equation (1). Δφ 1 = 2πLΔλ 1 / λ 1 2 + 2πδL (Δλ 1 / λ
1 2 + 1 / λ 1) Δφ 2 = 2πLΔλ 2 / λ 2 2 + 2πδL (Δλ 2 / λ
2 2 + 1 / λ 2 ) where Δλ 1 and Δλ 2 are the wavelength change widths due to the sweeping of the laser lights of the respective wavelengths λ 1 and λ 2 . Where Δ
Using the relationship of λ / λ 2 << 1 / λ, the relationship of the following equation is obtained. Δφ 1 = 2π (LΔλ 1 / λ 1 2 + δL / λ 1 ) Δφ 2 = 2π (LΔλ 2 / λ 2 2 + δL / λ 2 ) Therefore, the optical path difference L and the change amount δL of the optical path difference are obtained from both equations. be able to. That is, the following relationship is established. L = λ 1 λ 2 (λ 1 Δφ 1 −λ 2 Δφ 2 ) / D (3) δL = (δφ 1 λ 1 2 δλ 2 −δφ 2 λ 2 2 δλ 1 ) / D (4) However, D = 2π (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 ).
【００２２】以上のような演算を演算処理部２４で行な
えば、波長の掃引中に光路差に変化が生じても光路差の
変化分δＬを除去して光路差Ｌを求めることができるか
ら、被測定物体Ｓまでの距離を誤差なく正確に求めるこ
とができるのである。 （実施例１）本実施例では、基本構成における光混合器
３としてハーフミラー３ａを用いており、ハーフミラー
３ａは各レーザ光源１ａ，１ｂからのレーザ光をそれぞ
れコリメートするコリメータレンズ７ａ，７ｂと、戻り
光を防止するアイソレータ８との間に配置される。各レ
ーザ光源１ａ，１ｂには互いに異なる波長のレーザ光を
送出するものが用いられている。ここで、両レーザ光源
１ａ，１ｂから送出されたレーザ光の光路がハーフミラ
ー３ａを通過した後に一致するように、レーザ光源１
ａ，１ｂ、コリメータレンズ７ａ，７ｂ、ハーフミラー
３ａの位置が調節される。また、レーザ光源１ａ，１ｂ
は、温度変化によって出力波長が変化しないようにペル
チェ素子１３ａ，１３ｂと温度コントローラ１４ａ，１
４ｂとによって一定温度に保たれている。If the arithmetic processing unit 24 performs the above-described calculation, the optical path difference L can be obtained by removing the change amount δL of the optical path difference even if the optical path difference changes during the wavelength sweep. The distance to the measured object S can be accurately obtained without error. (Embodiment 1) In this embodiment, a half mirror 3a is used as the light mixer 3 in the basic configuration, and the half mirror 3a includes collimator lenses 7a and 7b for collimating the laser light from the laser light sources 1a and 1b, respectively. , Is disposed between the isolator 8 and the returning light. As each of the laser light sources 1a and 1b, one that emits laser light of a different wavelength is used. Here, the laser light source 1 is so arranged that the optical paths of the laser light emitted from the two laser light sources 1a and 1b match after passing through the half mirror 3a.
The positions of a, 1b, collimator lenses 7a, 7b, and half mirror 3a are adjusted. Also, the laser light sources 1a and 1b
Is a Peltier element 13a, 13b and a temperature controller 14a, 1 so that the output wavelength does not change due to temperature change.
The temperature is kept constant by 4b.
【００２３】一方、光分配混合器４にはハーフミラーよ
りなるビームスプリッタ４ａを用いており、ビームスプ
リッタ４ａで分離された物体光は対物レンズ９を通して
被測定物体Ｓに照射される。また、光分配器５には波長
選択特性を有したダイクロイックミラー５ａが用いられ
ている。すなわち、ダイクロイックミラー５ａでは，レ
ーザ光源１ａから送出された波長の光は透過させ、レー
ザ光源１ｂから送出された波長の光は反射する。このよ
うにして波長ごとに分離されたレーザ光が対応する受光
素子２ａ，２ｂに入射するのである。受光素子２ａ，２
ｂから出力されるビート信号は、増幅回路２１ａ，２１
ｂで増幅された後に、バンドパスフィルタ２２ａ，２２
ｂによって発光強度の変化が除去され、さらに位相検出
器２３ａ，２３ｂによって位相差が求められるのであ
る。この位相差に基づいて上記（３）式によって光路差
Ｌを求めることができ、結果的に光路差Ｌの変化を除去
して被測定物体Ｓまでの距離を求めることができるので
ある。他の構成、動作は基本構成と同様である。On the other hand, a beam splitter 4a consisting of a half mirror is used for the light distributor / mixer 4, and the object light separated by the beam splitter 4a is applied to the object S to be measured through the objective lens 9. Further, the light distributor 5 uses a dichroic mirror 5a having a wavelength selection characteristic. That is, the dichroic mirror 5a transmits the light of the wavelength emitted from the laser light source 1a and reflects the light of the wavelength emitted from the laser light source 1b. In this way, the laser light separated for each wavelength is incident on the corresponding light receiving elements 2a and 2b. Light receiving element 2a, 2
The beat signal output from b is the amplifier circuits 21a and 21a.
After being amplified by b, the bandpass filters 22a, 22
The change in emission intensity is removed by b, and the phase difference is obtained by the phase detectors 23a and 23b. Based on this phase difference, the optical path difference L can be obtained by the above equation (3), and consequently the change in the optical path difference L can be removed and the distance to the measured object S can be obtained. Other configurations and operations are the same as the basic configuration.
【００２４】（実施例２）本実施例では、図５に示すよ
うに、光混合器３、光分配混合器４として、２本の光フ
ァイバの中間部を直接結合させた光分岐結合器３ｂ，４
ｂを用いている。この光分岐結合器３ｂ，４ｂは各光フ
ァイバに対応した４個の分岐端を有している。しかる
に、各レーザ光源１ａ，１ｂから送出されたレーザ光
は、対応するコリメータレンズ７ａ，７ｂおよびアイソ
レータ８ａ，８ｂをそれぞれ通過した後に、光分岐結合
器３ｂの２つの分岐端に入射し、光分岐結合器３ａの内
部で両レーザ光が混合される。光分岐結合器３ｂの残り
の２つの分岐端のうちの１つは光分岐結合器４ｂの分岐
端に結合される。光分岐結合器４ｂの残りの３つの分岐
端は、それぞれ物体光の投受光用、参照光の投受光用、
干渉した光の出射用に用いられる。光分岐結合器４ｂで
得られた干渉後の光はレンズ１０を通して平行光線束と
なりダイクロイックミラー５ａに入射し、実施例１と同
様にしてビート信号の位相差に基づいた光路差の演算が
行なわれる。他の構成、動作は実施例１と同様である。(Embodiment 2) In this embodiment, as shown in FIG. 5, as an optical mixer 3 and an optical distributor / mixer 4, an optical branching / coupling device 3b in which the intermediate portions of two optical fibers are directly connected. , 4
b is used. The optical branch couplers 3b and 4b have four branch ends corresponding to the respective optical fibers. However, the laser light emitted from each of the laser light sources 1a and 1b passes through the corresponding collimator lenses 7a and 7b and the isolators 8a and 8b, respectively, and then enters the two branch ends of the light branching / coupling device 3b to split the light. Both laser lights are mixed inside the coupler 3a. One of the remaining two branching ends of the optical branching / coupling device 3b is coupled to the branching end of the optical branching / coupling device 4b. The remaining three branch ends of the optical branching / coupling unit 4b are respectively for projecting / receiving the object light, for projecting / receiving the reference light,
Used for emitting interfering light. The light after interference obtained by the optical branching / coupling unit 4b becomes a bundle of parallel rays through the lens 10 and enters the dichroic mirror 5a, and the optical path difference is calculated based on the phase difference of the beat signal in the same manner as in the first embodiment. . Other configurations and operations are similar to those of the first embodiment.
【００２５】（実施例３）本実施例は、図６に示すよう
に、実施例１のダイクロイックミラー５ａに代えて回折
格子５ｂを光分配器５に用いたものである。すなわち、
回折角が波長に応じて異なるという回折格子５ｂの性質
を利用しているのであって、ダイクロイックミラー５ａ
と同様にレーザ光の波長ごとにビート信号を分離するこ
とができるのである。他の構成、動作は実施例１と同様
である。(Embodiment 3) In this embodiment, as shown in FIG. 6, a diffraction grating 5b is used in the light distributor 5 in place of the dichroic mirror 5a of Embodiment 1. That is,
The dichroic mirror 5a utilizes the property of the diffraction grating 5b that the diffraction angle varies depending on the wavelength.
Similarly to the above, the beat signal can be separated for each wavelength of the laser light. Other configurations and operations are similar to those of the first embodiment.
【００２６】（実施例４）本実施例は、図７に示すよう
に、実施例１のダイクロイックミラー５ａに代えて光分
配器５として、ハーフミラーよりなるビームスプリッタ
５ｅと、波長による選択透過性を有した干渉フィルタ５
ｃ，５ｄとを組み合わせて用いたものである。すなわ
ち、ビート信号をビームスプリッタ５ｅによって２方向
に分岐させた後に、干渉フィルタ５ｃ，５ｄを透過させ
ることによって各レーザ光に対応したビート信号のみが
対応する受光素子２ａ，２ｂに入射するようにしている
のである。他の構成、動作は実施例１と同様である。(Embodiment 4) In this embodiment, as shown in FIG. 7, a beam splitter 5e formed of a half mirror, a light splitter 5 in place of the dichroic mirror 5a of the first embodiment, and a selective transmission property according to wavelength are used. Interference filter 5 having
c, 5d are used in combination. That is, after splitting the beat signal into two directions by the beam splitter 5e, only the beat signal corresponding to each laser beam is incident on the corresponding light receiving element 2a, 2b by passing through the interference filters 5c, 5d. Is there. Other configurations and operations are similar to those of the first embodiment.
【００２７】上述した実施例１、３、４は、光分配器５
としての光学系の具体例を示すものであって、波長選択
性を有しかつ各波長ごとに異なる経路に分岐できるよう
な光学系であれば、実施例２に示した光分岐結合器に回
折格子や干渉フィルタを組み合わせたものなど他の構成
を用いてもよい。 （実施例５）上述した各実施例では、異なる波長の２種
類のレーザ光を用いていたが、本実施例では同じ波長の
レーザ光を用いることができるように構成してある。す
なわち、レーザ光の偏光方向を利用することによって各
受光素子２ａ，２ｂへの入射光を分離するようにしてい
る。したがって、図８に示すように、基本構成は実施例
１と同様であって光分配器５としては偏光方向によって
光を分離する偏光ビームスプリッタ５ｆを用いた点が相
違している。また、本実施例では２種類のレーザ光の波
長が等しいから、（３）、（４）式で示した光路差Ｌお
よび光路差の変化分δＬを求める式の分母Ｄが０になら
ないように、レーザ光の波長を掃引する際の波長の変化
幅Δλ1 ，Δλ2 は各レーザ光源１ａ，１ｂごとに異な
らせている。各レーザ光源１ａ，１ｂは最終的に偏光ビ
ームスプリッタ５ｆによって分離可能となるように偏光
方向が設定されている。また、本実施例では偏光方向が
保存されるように偏光保存ファイバー等の光学素子を用
いることが必要である。In the first, third and fourth embodiments described above, the optical distributor 5 is used.
2 shows a specific example of the optical system as described above, and an optical system having wavelength selectivity and capable of branching into different paths for each wavelength is diffracted by the optical branching coupler shown in the second embodiment. Other configurations such as a combination of gratings and interference filters may be used. (Embodiment 5) In each of the embodiments described above, two kinds of laser light having different wavelengths were used, but in this embodiment, laser light of the same wavelength can be used. That is, the incident light to each of the light receiving elements 2a and 2b is separated by utilizing the polarization direction of the laser light. Therefore, as shown in FIG. 8, the basic configuration is the same as that of the first embodiment except that a polarization beam splitter 5f that separates light according to the polarization direction is used as the light distributor 5. Further, in the present embodiment, the wavelengths of the two types of laser light are the same, so that the denominator D of the equation for obtaining the optical path difference L and the change amount δL of the optical path difference shown in the equations (3) and (4) should not be 0. The wavelength change widths Δλ 1 and Δλ 2 when the wavelength of the laser light is swept are different for each laser light source 1a and 1b. The polarization directions of the laser light sources 1a and 1b are set so that they can be finally separated by the polarization beam splitter 5f. Further, in this embodiment, it is necessary to use an optical element such as a polarization-preserving fiber so that the polarization direction is preserved.
【００２８】上記構成によって、各レーザ光源１ａ，１
ｂから送出されたレーザ光は各偏光方向ごとに干渉する
のであって、干渉後に偏光ビームスプリッタ５ｆによっ
て分離することができるのである。他の構成は実施例１
と同様である。 （実施例６）本実施例では、図９に示すように、実施例
５の構成における偏光ビームスプリッタ５ｆに代えて、
通常のビームスプリッタ５ｅと偏光フィルタ５ｇ，５ｈ
とによって偏光方向ごとに受光素子２ａ，２ｂへの入射
光を分離している。すなわち、ビームスプリッタ５ｅに
よって光を２方向に分離した後に、偏光フィルタ５ｇ，
５ｈによって対応する光のみを選択的に透過させるので
ある。他の構成は実施例５と同様である。With the above configuration, each laser light source 1a, 1
The laser beam sent from b interferes with each polarization direction, and can be separated by the polarization beam splitter 5f after the interference. The other configuration is the first embodiment.
Is the same as. (Embodiment 6) In this embodiment, as shown in FIG. 9, instead of the polarization beam splitter 5f in the configuration of Embodiment 5,
Ordinary beam splitter 5e and polarization filters 5g and 5h
The incident light to the light receiving elements 2a and 2b is separated by the and by the polarization directions. That is, after the light is split into two directions by the beam splitter 5e, the polarization filter 5g,
Only the corresponding light is selectively transmitted by 5h. Other configurations are similar to those of the fifth embodiment.
【００２９】（実施例７）本実施例は、各レーザ光源１
ａ，１ｂから送出するレーザ光の波長を掃引する際に、
変化方向を逆方向に設定したものである。すなわち、レ
ーザ光の一方は時間経過とともに波長が増大し、他方は
波長が減少するように設定するのである。このような設
定をした場合の（３）、（４）式で示した光路差Ｌおよ
び光路差の変化分δＬの数式における分母Ｄ（＝２π
（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ））について考察すると、波
長λ1 ，λ2 は正の値であり波長の変化幅Δλ1 ，Δλ
2 は異符号であるから、分母が０になることがなく、し
かも波長を同方向に掃引した場合に比較して分母の絶対
値が大きくなる。分母が大きくなれば、位相差Δφ1 ，
Δφ2 に含まれる測定誤差を大きな値で除算することに
なり、結果的に誤差分を減少させて測定精度を向上させ
ることになる。ここに、各レーザ光源１ａ，１ｂから送
出されるレーザ光の波長は同じでも異なっていてもよ
い。また、本実施例における光学系については、上述し
た各実施例のいずれのものでも採用することができる。(Embodiment 7) In this embodiment, each laser light source 1
When sweeping the wavelength of the laser light sent from a and 1b,
The change direction is set to the opposite direction. That is, the wavelength of one of the laser beams is set to increase with the passage of time, and the wavelength of the other is set to decrease. The denominator D (= 2π in the formula of the optical path difference L and the change amount δL of the optical path difference shown in the equations (3) and (4) when such a setting is made.
Considering (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 )), the wavelengths λ 1 and λ 2 are positive values and the wavelength change widths Δλ 1 and Δλ
Since 2 has a different sign, the denominator never becomes 0, and the absolute value of the denominator becomes larger than that when the wavelength is swept in the same direction. If the denominator increases, the phase difference Δφ 1 ,
The measurement error included in Δφ 2 is divided by a large value, and as a result, the error amount is reduced and the measurement accuracy is improved. Here, the wavelengths of the laser light emitted from the laser light sources 1a and 1b may be the same or different. Further, as the optical system in this embodiment, any of the above-mentioned respective embodiments can be adopted.
【００３０】本実施例の構成について、各レーザ光源１
ａ，１ｂから送出されるレーザ光の波長を、λ1 ＝７８
７．１８ｎｍ、λ2 ＝８３５．５５ｎｍ、波長の変化分
をΔλ1 ＝０．１０５１ｎｍ、Δλ2 ＝−０．１３６７
ｎｍとし、また被測定物体Ｓを振幅０．９μｍ、周波数
１００Ｈｚで正弦波状に振動させた場合について、結果
を図１０に示す。図１０において白抜きの三角形および
正方形で表した計測値は従来構成によるものであり、黒
塗りの菱形で表した計測値は本実施例によるものであ
る。この図より明らかなように、本実施例の構成では波
長変化途中の被測定物体Ｓまでの光路差の変化による誤
差が大幅に低減されるのである。Regarding the constitution of this embodiment, each laser light source 1
The wavelength of the laser light transmitted from a and 1b is λ 1 = 78
7.18 nm, λ 2 = 835.55 nm, change in wavelength is Δλ 1 = 0.1051 nm, Δλ 2 = −0.1367
FIG. 10 shows the result when the object S to be measured was oscillated in a sine wave with an amplitude of 0.9 μm and a frequency of 100 Hz. In FIG. 10, the measured values represented by white triangles and squares are based on the conventional configuration, and the measured values represented by black diamonds are according to the present embodiment. As is apparent from this figure, in the configuration of the present embodiment, the error due to the change in the optical path difference to the object S to be measured during the wavelength change is greatly reduced.
【００３１】[0031]
【発明の効果】請求項１の発明は、同じ被測定物体に対
して２種類のレーザ光を用いてそれぞれ物体光と参照光
との位相差を求め、２つの位相差に基づいて物体光と参
照光との光路差を求めるのであって、波長を変化させる
途中で光路差に変化が生じた場合でも光路差の変化分に
よる誤差を除去して精度よく光路差を求めることができ
るという効果を奏する。すなわち、被測定物体までの距
離の測定誤差を低減できるのである。しかも、波長をオ
ープン制御で変化させることができるから、フィードバ
ックループなどのループ系を含む構成に比較して被測定
物体までの距離を高速に演算することが可能になるとい
う利点がある。According to the first aspect of the invention, the phase difference between the object light and the reference light is obtained by using two kinds of laser light for the same object to be measured, and the object light and the reference light are detected based on the two phase differences. Since the optical path difference from the reference light is obtained, even if the optical path difference changes during the wavelength change, the effect of being able to accurately obtain the optical path difference by removing the error due to the change in the optical path difference is provided. Play. That is, the measurement error of the distance to the measured object can be reduced. Moreover, since the wavelength can be changed by open control, there is an advantage that the distance to the object to be measured can be calculated at a high speed, as compared with a configuration including a loop system such as a feedback loop.
【００３２】請求項２の発明は、レーザ光の波長に応じ
て２種類のレーザ光を分離するので、波長選択性を有す
る光学素子を用いることができ、この種の光学素子は入
手が容易であって比較的安価に提供できるという利点が
ある。請求項３の発明は、レーザ光の波長は同波長と
し、偏光方向を利用して２種類のレーザ光を分離するの
で、光学素子の入手が容易であって比較的安価に提供で
きるとともに、光学系に用いる光学素子とくにレンズの
波長に依存した収差の影響を回避することができ測定精
度が向上するという効果がある。According to the invention of claim 2, since two kinds of laser light are separated according to the wavelength of the laser light, an optical element having wavelength selectivity can be used, and this kind of optical element is easily available. There is an advantage that it can be provided at a relatively low cost. According to the invention of claim 3, the wavelengths of the laser beams are the same, and the two types of laser beams are separated by utilizing the polarization direction. Therefore, the optical element is easily available and can be provided at a relatively low cost. There is an effect that the influence of aberrations depending on the wavelength of the optical element used in the system, especially the lens can be avoided and the measurement accuracy is improved.
【００３３】請求項４の発明は、２種のレーザ光の波長
の変化方向を逆方向としているので、同方向に変化させ
た場合よりも誤差分を一層小さくすることが可能になる
という利点がある。請求項５および請求項６の発明は、
望ましい実施態様であり、請求項２と請求項３もしくは
請求項２と請求項４を組み合わせた構成とすることで、
誤差分の少ない高精度の測定が可能になるという利点が
ある。According to the invention of claim 4, since the changing directions of the wavelengths of the two kinds of laser light are opposite directions, there is an advantage that the error amount can be further reduced as compared with the case of changing in the same direction. is there. The inventions of claims 5 and 6 are
It is a preferable embodiment, and by adopting a configuration in which claim 2 and claim 3 or claim 2 and claim 4 are combined,
There is an advantage that high-accuracy measurement with a small amount of error becomes possible.
【図１】基本構成を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a basic configuration.
【図２】基本構成でのレーザ光の波長変化の例を示す動
作説明図である。FIG. 2 is an operation explanatory diagram showing an example of a wavelength change of laser light in the basic configuration.
【図３】基本構成でのビート信号の例を示す動作説明図
である。FIG. 3 is an operation explanatory diagram showing an example of a beat signal in the basic configuration.
【図４】実施例１を示す概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment.
【図５】実施例２を示す概略構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment.
【図６】実施例３を示す概略構成図である。FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment.
【図７】実施例４を示す概略構成図である。FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment.
【図８】実施例５を示す概略構成図である。FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a fifth embodiment.
【図９】実施例６を示す概略構成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a sixth embodiment.
【図１０】実施例７による測定結果を示す動作説明図で
ある。FIG. 10 is an operation explanatory diagram showing measurement results according to the seventh embodiment.
【図１１】従来例を示す概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a conventional example.
【図１２】従来例でのレーザ光の波長変化の例を示す動
作説明図である。FIG. 12 is an operation explanatory diagram showing an example of a wavelength change of laser light in a conventional example.
【図１３】従来例でのビート信号の例を示す動作説明図
である。FIG. 13 is an operation explanatory diagram showing an example of a beat signal in a conventional example.
【符号の説明】 １ａ レーザ光源 １ｂ レーザ光源 ２ａ 受光素子 ２ｂ 受光素子 ３ 光混合器 ４ 光分配混合器 ５ 光分配器 ６ 参照鏡 １１ 発振器 １２ レーザドライバ ２１ 増幅回路 ２３ 位相計測器 ２４ 演算処理部 Ｓ 被測定物体[Explanation of reference numerals] 1a laser light source 1b laser light source 2a light receiving element 2b light receiving element 3 optical mixer 4 optical distribution mixer 5 optical distributor 6 reference mirror 11 oscillator 12 laser driver 21 amplification circuit 23 phase measuring device 24 arithmetic processing unit S Object to be measured
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【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成７年１月９日[Submission date] January 9, 1995
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【特許請求の範囲】[Claims]
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１４[Correction target item name] 0014
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１４】請求項６の発明では、請求項１において、
各レーザ光源は同波長で偏光方向の異なるレーザ光を送
出し、波長制御手段は各レーザ光源から送出されるレー
ザ光の波長の変化方向を逆方向に設定し、光分配器は入
射光を偏光方向に応じて分離して出射することを特徴と
する。請求項７の発明では、請求項２において、各レー
ザ光源の波長をλ1 ，λ2 からλ1 ＋Δλ1 ，λ2 ＋Δ
λ2 に掃引するときに、物体光と参照光との光路差がＬ
からＬ＋δＬに変化することにより各波長のレーザ光ご
とに位相差Δφ1 ，Δφ2 が生じたとものとして、次式
の関係を仮定し、 Δφ1 ＝２πＬΔλ1 ／λ1 2 ＋２πδＬ（Δλ1 ／λ
1 2 ＋１／λ1 ） Δφ2 ＝２πＬΔλ2 ／λ2 2 ＋２πδＬ（Δλ2 ／λ
2 2 ＋１／λ2 ） 両式にΔλ／λ2 ≪１／λの関係を適用することにより
次式で近似し、 Δφ1 ＝２π（ＬΔλ1 ／λ1 2 ＋δＬ／λ1 ） Δφ2 ＝２π（ＬΔλ2 ／λ2 2 ＋δＬ／λ2 ） さらに、両式から光路差Ｌとその変化分δＬとを次式の
ように求め、 Ｌ＝λ1 λ2 （λ1 Δφ1 −λ2 Δφ2 ）／Ｄ δＬ＝（Δφ1 λ1 2 Δλ2 −Δφ2 λ2 2 Δλ1 ）／
Ｄ （ただし、Ｄ＝２π（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ）） 演算処理部は両上式を演算して光路差とその変化分とを
求めることを特徴とする。 According to the invention of claim 6, in claim 1,
Each laser light source emits laser light of the same wavelength but different polarization direction, the wavelength control means sets the changing direction of the wavelength of the laser light emitted from each laser light source to the opposite direction, and the light distributor polarizes the incident light. It is characterized in that the light is separated and emitted according to the direction. According to a seventh aspect of the invention, in each of the second aspect,
The wavelength of the light source is λ 1 , λ 2 to λ 1 + Δλ 1 , λ 2 + Δ
When sweeping to λ 2 , the optical path difference between the object light and the reference light is L
From L + δL to laser light of each wavelength
Assuming that phase differences Δφ 1 and Δφ 2 occur in and,
Assuming relationship, Δφ 1 = 2πLΔλ 1 / λ 1 2 + 2πδL (Δλ 1 / λ
1 2 + 1 / λ 1) Δφ 2 = 2πLΔλ 2 / λ 2 2 + 2πδL (Δλ 2 / λ
2 2 + 1 / λ 2 ) By applying the relation of Δλ / λ 2 << 1 / λ to both equations,
It is approximated by the following formula: Δφ 1 = 2π (LΔλ 1 / λ 1 2 + δL / λ 1 ) Δφ 2 = 2π (LΔλ 2 / λ 2 2 + δL / λ 2 ) Further, from both formulas, the optical path difference L and its variation δL and
Asked, L = λ 1 λ 2 ( λ 1 Δφ 1 -λ 2 Δφ 2) / D δL = (Δφ 1 λ 1 2 Δλ 2 -Δφ 2 λ 2 2 Δλ 1) /
D (however, D = 2π (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 )) The arithmetic processing unit calculates the above equations to calculate the optical path difference and its change amount.
Characterized by seeking.
【手続補正３】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１７[Correction target item name] 0017
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１７】請求項４の構成では、２種のレーザ光の波
長の変化方向を逆方向としていることによって、同方向
に変化させた場合よりも誤差分を一層小さくすることが
可能になる。請求項５および請求項６の構成は望ましい
実施態様であって、請求項２と請求項３もしくは請求項
２と請求項４を組み合わせた構成とすることで、誤差分
の少ない高精度の測定が可能になるのである。請求項７
の構成では、各レーザ光源の波長をλ1 ，λ2 からλ1
＋Δλ1 ，λ 2 ＋Δλ2 に掃引したときの各波長のレー
ザ光ごとの位相差がΔφ1 ，Δφ2 であると、演算処理
部が Ｌ＝λ1 λ2 （λ1 Δφ1 −λ2 Δφ2 ）／Ｄ δＬ＝（Δφ1 λ1 2 Δλ2 −Δφ2 λ2 2 Δλ1 ）／
Ｄ （ただし、Ｄ＝２π（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ）） の関係式に基づいて光路差およびその変化分を求めるか
ら、波長の掃引中に光路差が変動してもその変動を除去
して光路差を求めることができ、しかもどの程度の変動
が生じているかも知ることができるのである。 In the structure of claim 4, two types of laser light waves are used.
By changing the direction of length change in the opposite direction,
Error can be made smaller than when changing to
It will be possible. The configurations of claims 5 and 6 are desirable
It is an embodiment, and claims 2 and 3 or claim
By combining the configuration of 2 and claim 4,
This enables highly accurate measurement with less energy consumption.Claim 7
In the above configuration, the wavelength of each laser light source is changed from λ 1 , λ 2 to λ 1
+ Δλ1, Λ 2+ Δλ2For each wavelength when swept to
If the phase difference for each light is Δφ 1 , Δφ 2 ,
Department L = λ 1 λ 2 (λ 1 Δφ 1 −λ 2 Δφ 2 ) / D δL = (Δφ 1 λ 1 2 Δλ 2 −Δφ 2 λ 2 2 Δλ 1 ) /
D (However, D = 2π (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 )) The optical path difference and its change based on the relational expression of
Eliminates fluctuations in optical path difference during wavelength sweep
Optical path difference can be calculated, and how much fluctuation
You can also know if a problem has occurred.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２１[Correction target item name] 0021
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００２１】以下に被測定物体Ｓまでの距離を求める手
順について説明する。いま、両レーザ光源１ａ，１ｂか
ら送出されるレーザ光の波長を異ならせて被測定物体Ｓ
までの距離を求めるものとし、波長の掃引中に光路差が
ＬからＬ＋δＬに変化したものとすると、各波長λ1 ，
λ2 のレーザ光に対するビート信号の位相差Δφ1 ，Δ
φ2 は、（１）式によって次式で表される。 Δφ1 ＝２πＬΔλ1 ／λ1 2 ＋２πδＬ（Δλ1 ／λ
1 2 ＋１／λ1 ） Δφ2 ＝２πＬΔλ2 ／λ2 2 ＋２πδＬ（Δλ2 ／λ
2 2 ＋１／λ2 ） ここに、Δλ1 ，Δλ2 は各波長λ1 ，λ2 のレーザ光
についての掃引による波長の変化幅である。ここで、Δ
λ／λ2 ≪１／λの関係を用いれば、次式の関係が得ら
れる。 Δφ1 ＝２π（ＬΔλ1 ／λ1 2 ＋δＬ／λ1 ） Δφ2 ＝２π（ＬΔλ2 ／λ2 2 ＋δＬ／λ2 ） したがって、両式から光路差Ｌと光路差の変化分δＬと
を求めることができる。すなわち、下式の関係になる。 Ｌ＝λ1 λ2 （λ1 Δφ1 −λ2 Δφ2 ）／Ｄ （３） δＬ＝（Δφ1 λ1 2 Δλ2 −Δφ2 λ2 2 Δλ1 ）／Ｄ （４） ただし、Ｄ＝２π（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ）である。The procedure for obtaining the distance to the object S to be measured will be described below. Now, the wavelength of the laser light emitted from both laser light sources 1a and 1b is made different, and the measured object S
If the optical path difference changes from L to L + δL during the wavelength sweep, each wavelength λ 1 ,
Phase difference of beat signal with respect to λ 2 laser light Δφ 1 , Δ
φ 2 is expressed by the following equation by the equation (1). Δφ 1 = 2πLΔλ 1 / λ 1 2 + 2πδL (Δλ 1 / λ
1 2 + 1 / λ 1) Δφ 2 = 2πLΔλ 2 / λ 2 2 + 2πδL (Δλ 2 / λ
2 2 + 1 / λ 2 ) where Δλ 1 and Δλ 2 are the wavelength change widths due to the sweeping of the laser lights of the respective wavelengths λ 1 and λ 2 . Where Δ
Using the relationship of λ / λ 2 << 1 / λ, the relationship of the following equation is obtained. Δφ 1 = 2π (LΔλ 1 / λ 1 2 + δL / λ 1 ) Δφ 2 = 2π (LΔλ 2 / λ 2 2 + δL / λ 2 ) Therefore, the optical path difference L and the change amount δL of the optical path difference are obtained from both equations. be able to. That is, the following relationship is established. L = λ 1 λ 2 (λ 1 Δφ 1 −λ 2 Δφ 2 ) / D (3) δL = ( Δφ 1 λ 1 2 Δλ 2 −Δφ 2 λ 2 2 Δλ 1 ) / D (4) However, D = 2π (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 ).
【手続補正５】[Procedure Amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００３３[Correction target item name] 0033
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００３３】請求項４の発明は、２種のレーザ光の波長
の変化方向を逆方向としているので、同方向に変化させ
た場合よりも誤差分を一層小さくすることが可能になる
という利点がある。請求項５および請求項６の発明は、
望ましい実施態様であり、請求項２と請求項３もしくは
請求項２と請求項４を組み合わせた構成とすることで、
誤差分の少ない高精度の測定が可能になるという利点が
ある。請求項７の発明は、各レーザ光源の波長をλ1 ，
λ2 からλ1 ＋Δλ1 ，λ2＋Δλ2 に掃引したときの
各波長のレーザ光ごとの位相差がΔφ1 ，Δφ2 である
と、演算処理部が Ｌ＝λ1 λ2 （λ1 Δφ1 −λ2 Δφ2 ）／Ｄ δＬ＝（Δφ1 λ1 2 Δλ2 −Δφ2 λ2 2 Δλ1 ）／
Ｄ （ただし、Ｄ＝２π（λ2 Δλ1 −λ1 Δλ2 ）） の関係式に基づいて光路差およびその変化分を求めるか
ら、波長の掃引中に光路差が変動してもその変動を除去
して光路差を求めることができるという利点があり、し
かもどの程度の変動が生じているかも知ることができる
という利点がある。 According to the invention of claim 4, since the changing directions of the wavelengths of the two kinds of laser light are opposite directions, there is an advantage that the error amount can be further reduced as compared with the case of changing in the same direction. is there. The inventions of claims 5 and 6 are
It is a preferable embodiment, and by adopting a configuration in which claim 2 and claim 3 or claim 2 and claim 4 are combined,
There is an advantage that high-accuracy measurement with a small amount of error becomes possible. According to the invention of claim 7, the wavelength of each laser light source is λ 1 ,
When sweeping from λ 2 to λ 1 + Δλ 1 , λ 2 + Δλ 2
The phase difference for each wavelength laser light is Δφ 1 , Δφ 2
And L = λ 1 λ 2 (λ 1 Δφ 1 −λ 2 Δφ 2 ) / D δL = (Δφ 1 λ 1 2 Δλ 2 −Δφ 2 λ 2 2 Δλ 1 ) /
Is the optical path difference and its variation calculated based on the relational expression of D (where D = 2π (λ 2 Δλ 1 −λ 1 Δλ 2 )) ?
Eliminates fluctuations in optical path difference during wavelength sweep
Has the advantage that the optical path difference can be obtained by
You can also know how much fluctuation is occurring
There is an advantage.
Claims (6)
出する一対のレーザ光源と、各レーザ光源から送出され
るレーザ光の波長をそれぞれ変化させる波長制御手段
と、両レーザ光源から送出されたレーザ光が同じ光路を
通るように光路を合わせる光混合器と、光混合器を通過
して一つの光路上を伝達される２種のレーザ光をそれぞ
れ物体光と参照光とに分離するとともに物体光の被測定
物体での後方散乱光と規定の光路を通過した参照光とを
干渉させる光分配混合器と、光分配混合器での干渉強度
の変化を各レーザ光ごとに分離する光分配器と、光分配
器により分離された各レーザ光ごとの干渉強度の変化に
基づいて各レーザ光ごとに物体光の参照光に対する位相
差を求めるとともに、両位相差に基づいて被測定物体ま
での距離を演算する演算処理部とを備えることを特徴と
する干渉測長器。1. A pair of laser light sources which respectively emit laser beams which can be separated from each other, a wavelength control means which respectively changes the wavelengths of the laser beams emitted from the respective laser light sources, and laser beams which are emitted from both laser light sources. And the two types of laser light that pass through the optical mixer and are transmitted on one optical path are separated into an object light and a reference light, respectively. An optical distribution mixer that interferes with the backscattered light at the measured object and the reference light that has passed through the specified optical path, and an optical distributor that separates the change in the interference intensity at the optical distribution mixer for each laser light, The phase difference of the object beam with respect to the reference beam is calculated for each laser beam based on the change in the interference intensity of each laser beam separated by the optical distributor, and the distance to the measured object is calculated based on the phase difference. Performance An interferometer length measuring instrument comprising: an arithmetic processing unit.
ザ光を送出し、光分配器は入射光を波長ごとに分離して
出射することを特徴とする請求項１記載の干渉測長器。2. The interferometer according to claim 1, wherein the laser light sources send out laser lights having different wavelengths from each other, and the light distributor separates the incident light for each wavelength and emits it.
るレーザ光を送出し、光分配器は入射光を偏光方向に応
じて分離して出射することを特徴とする請求項１記載の
干渉測長器。3. The interference according to claim 1, wherein each laser light source emits laser light having the same wavelength and different polarization direction, and the light distributor separates and outputs the incident light according to the polarization direction. Length measuring device.
れるレーザ光の波長の変化方向を逆方向に設定すること
を特徴とする請求項１記載の干渉測長器。4. The interferometer according to claim 1, wherein the wavelength control means sets the changing direction of the wavelength of the laser light emitted from each laser light source to the opposite direction.
ザ光を送出し、波長制御手段は各レーザ光源から送出さ
れるレーザ光の波長の変化方向を逆方向に設定し、光分
配器は入射光を波長ごとに分離して出射することを特徴
とする請求項１記載の干渉測長器。5. The laser light sources send out laser lights having different wavelengths, the wavelength control means sets the changing directions of the wavelengths of the laser lights sent out from the laser light sources in opposite directions, and the light distributor distributes the incident light. The interferometer as claimed in claim 1, wherein the interferometer is separated for each wavelength and emitted.
るレーザ光を送出し、波長制御手段は各レーザ光源から
送出されるレーザ光の波長の変化方向を逆方向に設定
し、光分配器は入射光を偏光方向に応じて分離して出射
することを特徴とする請求項１記載の干渉測長器。6. Each laser light source sends out laser light of the same wavelength and different polarization direction, and the wavelength control means sets the changing direction of the wavelength of the laser light sent out from each laser light source to the opposite direction, and an optical distributor. The interferometer according to claim 1, wherein the incident light is separated and emitted according to the polarization direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26741193A JP3400503B2 (en) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | Interferometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26741193A JP3400503B2 (en) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | Interferometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07120211A true JPH07120211A (en) | 1995-05-12 |
| JP3400503B2 JP3400503B2 (en) | 2003-04-28 |
Family
ID=17444479
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26741193A Expired - Fee Related JP3400503B2 (en) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | Interferometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3400503B2 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004501368A (en) * | 2000-06-21 | 2004-01-15 | ヨー ウント エルンスト リンク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト | Measuring device for detecting sample size |
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| EP2589923A1 (en) | 2011-11-01 | 2013-05-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Counter chirped frequency-scan interferometer with multiple laser sources |
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| KR102101743B1 (en) * | 2019-10-14 | 2020-04-20 | 국방과학연구소 | Multi wavelength spacing modulated light source and optical interference shape measuring device using same |
-
1993
- 1993-10-26 JP JP26741193A patent/JP3400503B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3400503B2 (en) | 2003-04-28 |
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