JPH07198328A

JPH07198328A - 位置測定装置

Info

Publication number: JPH07198328A
Application number: JP5355224A
Authority: JP
Inventors: Isao Minegishi; 功峯岸; Hiroyuki Kawashima; 浩幸川島; Susumu Saito; 晋斎藤
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1993-12-29
Publication date: 1995-08-01
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JP3285270B2; US5600442A

Abstract

(57)【要約】【目的】単一の光源を利用して、アライメント制
御を不要にし、安定して正確なアブソリュート測定がで
きる位置測定装置を提供すること。【構成】モードホップを生じるようにレーザ光源
を発光させる発光部と、上記レーザ光源からの光束を、
被測定物が配置される測定光路と、反射鏡が配置される
基準光路とに向けて射出し、それぞれの光路からの反射
光束を合成して干渉させる干渉光学系と、上記干渉光学
系によって干渉された干渉光を受光する受光部と、受光
部からの出力信号の内、上記発光部によるモードホップ
前の干渉信号と、モードホップ後の干渉信号とに基づき
測定物の位置を求める位置測定部を備えた位置測定装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、アブソリュート的な位
置測定装置に関し、さらに言えば、本発明は、三次元測
定器の光プローブなどのような位置測定装置に関するも
のである。

【従来の技術】従来、互いに充分に離れた２つの波長の
光を用いてアブソリュート測長を行う装置は、本出願人
による特願平５−１９２１６号等種々提案されている
が、いずれも互いに充分に離れた２つの波長の光を波長
の異なる複数のレーザ光源を設けて得るものであった。

【発明が解決しようとする課題】しかし、複数のレーザ
光源を利用すると、それらを独立した形で安定化させる
のが非常に困難であった。複数のレーザ光源のアライメ
ント制御が必要であり、正確な制御をより困難にしてい
た。本発明の目的は、単一の光源を利用して、アライメ
ント制御を不要にし、安定して正確なアブソリュート測
定ができる位置測定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】本発明は、モードホップ
を生じるようにレーザ光源を発光させる発光部と、上記
レーザ光源からの光束を、被測定物が配置される測定光
路と、反射鏡が配置される基準光路とに向けて射出し、
それぞれの光路からの反射光束を合成して干渉させる干
渉光学系と、上記干渉光学系によって干渉された干渉光
を受光する受光部と、受光部からの出力信号の内、上記
発光部によるモードホップ前の干渉信号と、モードホッ
プ後の干渉信号とに基づき測定物の位置を求める位置測
定部とを備えたことを特徴とする位置測定装置を要旨と
している。

【実施例】本発明は、フリンジ型のサンプリング方式
（後述の第１実施例）と、ノンフリンジ型の連続データ
採集方式（後述の第２実施例）として実施できる。ま
ず、第１実施例（サンプリング方式）においては、発光
部の点灯形態がパルス変調である。レーザ光源は、パル
ス点灯とし、ペルチェ素子の温度安定化制御を行い、モ
ードホップを生じさせる。レーザ光の波長変化は必ずし
も時間に対して線形である必要はない。干渉光学系は、
測定干渉光学系が測定面と可動ミラーからの干渉を利用
し、基準干渉光学系が固定ミラーと可動ミラーからの干
渉を利用する。光路長変化部についていえば、フリンジ
スキャンは、モードホップ前後のレーザ光源の光束の波
長分以上変化させる。干渉信号のピークとボトムレベル
が検出でき、測定対象位置での干渉信号の位相を求める
ことができる。上記発光部のパルス点灯の周波数ｆ_Ｐは
光路長変化部の変化周波数ｆ_Ｌよりも大である。次に、
第２実施例（連続データ採集方式）は、モードホップの
前後における波長変化が時間に対して線形であることを
前提としている。発光部の点灯形態は連続点灯である。
波長変化手段における変化のさせ方について説明する
と、レーザ光源は、連続点灯である。ペルチェ素子の制
御で、半導体レーザを温度変化させ、モードホップを生
起させる。なお、モードホップの前後における波長変化
を時間に対して線形とするため、温度変化と波長変化が
リニアであれば、温度変化を一定にする。また、ノンリ
ニアであれば、波長変化がリニアになるように温度をノ
ンリニア制御する。以下、本発明の第１実施例と第２実
施例を各別に詳述する。第１実施例シングルモードの半導体レーザの波長は、駆動電流、チ
ップ温度の関係によりモードホップを起こすが、その際
の波長変化量はでたらめな値をとるわけではなく、ある
一定の関係を示す。半導体レーザの発振波長λは、半導
体レーザのチップの共振器長をＬ、屈折率をｎとしたと
きに、次の式１のような関係がある。

【数１】このときの共振器長Ｌは、発振波長λに対して非常に長
く、波長のわずかに異なる多数の波長が共振可能である
が、その中の利得が最大になる波長が選択されてレーザ
発振を起こしている。そして半導体レーザの温度が変化
すると最大利得の波長が変わり、モード次数ｑが１だけ
変化したときの波長変化量Δλの間隔で波長が飛び移る
ことになる。したがって、モードホップを起こしたとき
の発振波長の取り得る値はとびとびの値になる。また、
モードホップを起こさない範囲では、温度により実質的
な共振器長２ｎＬが変化するため、温度変化に比例した
波長変化が生じている。そこで、本発明は、このモード
ホップを起こしたときの波長変化量がある一定な値を取
ることに注目したものであり、温度変化をさせてモード
ホップを起こさせたときの、モードホップ前の波長とモ
ードホップ後の波長で合成波長を構成し、測定を行う。
しかし、このモードホップは瞬時に生じるわけではな
く、両モードが同時発振する状態を経由して、一方のモ
ードから他のモードに移行する。この点を解決するため
に、半導体レーザの温度を変化させ、モードホップによ
る波長の不定期間を実質的な測定期間に対して無視でき
るものとする。また、ケース温度を一定に保ち、半導体
レーザの注入電流を変化させると、半導体レーザの発振
波長が変化するが、このときもケース温度と注入電流と
の関係からモードホップを起こす事が知られている。し
たがって、注入電流を制御することにより、温度を変化
させたときと同様の効果がえられる。本発明をサンプリ
ング方式に適用した実施例について説明する。図１は光
学系の構成図を示す。半導体レーザ１から出射された光
束は、コリメータレンズ２により平行光とされ、アイソ
レータ３に入射する。アイソレータ３は、光源が反射光
により影響を受けるのを防ぐ。アイソレータ３から出射
された光束は、第１ビームスプリッタ４により、第２ビ
ームスプリッタ５に向かう光束Ａ１と、偏光ビームスプ
リッタ６に向かう光束Ａ２にわけられる。光束Ａ１は、
第２ビームスプリッタ５を透過し、平行平面板７に入射
する。平行平面板７の表面での反射光と裏面での反射光
が、第２ビームスプリッタ５で反射合成され、集光レン
ズ８により集光され第１受光部９上で干渉する。光束Ａ
２は、偏光ビームスプリッタ６により、第３ビームスプ
リッタ１０に向かうｓ偏光成分である光束Ｂ１と、第４
ビームスプリッタ１１に向かうｐ偏光成分である光束Ｂ
２とにわけられる。光束Ｂ１は、第３ビームスプリッタ
１０により、固定ミラー１２に向かう光束と、偏光ビー
ムスプリッタ１３に向かう光束とにわけられる。このと
き、偏光ビームスプリッタ１３に向かう光束は、ｓ偏光
成分であるため、偏光ビームスプリッタ１３により反射
され、集光レンズ１４によって可動ミラー１５上に集光
される。可動ミラー１５上に集光された光束は元の光路
を逆行して、第３ビームスプリッタ１０により固定ミラ
ー１２による反射光と合成され、集光レンズ１６により
集光され第２受光部１７上で干渉する。他方、光束Ｂ２
は、第４ビームスプリッタ１１により対物レンズ１８に
向かう光束と、偏光ビームスプリッタ１３に向かう光束
とにわけられるが、このときの光束はｐ偏光であるた
め、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、集光レンズ１
４により可動ミラー１５上に集光される。このときの反
射光も元の光路を逆行して第４ビームスプリッタ１１を
透過し、対物レンズ１８により集光された測定面１９か
らの反射光と干渉する。干渉光は、集光レンズ２０、ピ
ンホール２１、レンズ２２を経由し、集光レンズ２３に
より第３受光部２４上で干渉する。測定系の構成と測定
原理について説明する。図２は制御系のブロック図を示
し、図３，図４，図５は信号波形を示す。光源の半導体
レーザ１は、パワー制御回路１００によりパルス駆動さ
れ、そのパワーが一定に保たれる。このときの制御は、
半導体レーザ１に内蔵されたモニター用のフォトダイオ
ードに受光される光量をサンプルホールドし、点灯期間
のパワーが一定に保たれるようにその駆動電流にフィー
ドバックされる。また、半導体レーザ１は、ペルチェ素
子１０１により温度を制御可能な構成になっていて、温
度制御回路１０２により温度コントロールされる。半導
体レーザ１は、駆動電流とチップ温度によりその発振波
長が変化するが、パルス駆動される際の半導体レーザ１
の波長は、図３の波形ｃのようになる。これは波形ａの
ようにパルス駆動される際の駆動電流のＯＮ−ＯＦＦに
起因する、波形ｂのチップ温度の変化によって生じてい
る。この時、半導体レーザ１のケース温度を波形ｂ１の
ように直線的に上昇させていくと、発振波長が変化する
が、ある温度になると、半導体レーザ１がモードホップ
を起こし、波長変化に非線形な部分Ｘが生じる。この部
分Ｘを使用する。第１受光部９からは、平行平面板７の
両面からの反射光の干渉信号（波形ｄ）が観測される。
この信号を利用し、モードホップ検出回路１０３でモー
ドホップ時の温度を検出し、それを温度制御回路１０２
にフィードバックさせる。これは波形ｄの信号を微分す
るなどして、常に点灯時間ｔの一定位置、例えば中央に
非線形な部分Ｘがくるように（つまり温度がＴ_Ｘになる
ように）制御してやればよい。また、モードホップ検出
回路１０３は、部分Ｘにおける波形ｄの位相変化量を検
出し、モードホップにおける発振波長の変化量を検出す
る検出器としての機能を持つ。波形信号ｄは、Ａ／Ｄ変
換器１０４を介してメモリー部１０５に記憶される。こ
れは波形ｄの位相変化の関係から発振波長の変化量を計
算できるからである。第２受光部１７においては、固定
ミラー１２からの反射光と可動ミラー１５からの反射光
が干渉して受光される。可動ミラー１５は光軸方向に所
定範囲で移動できる構成とし、例えばピエゾ素子などで
保持され移動する構成とする。第３ビームスプリッタ１
０から固定ミラー１２までの光学的距離ｘと、第３ビー
ムスプリッタ１０から可動ミラー１５の移動中心までの
光学的距離ｓ（＝ａ＋ｂ）を等しい状態にする。図４を
参照して、可動ミラー１５と波形の関係について説明す
る。信号Ｗ１は、可動ミラー１５を保持して移動するた
めのピエゾ素子（図示せず）に加える電圧の波形であ
る。３０°位の傾斜部分（行き工程）は手前から奥の方
へ移動する工程に相当し、その後に真下に落ちている部
分（帰りの工程）は、奥の方から手前に急激に移動する
工程に相当する。可動ミラー１５を図４の波形Ｗ１のよ
うに行きと帰りをくり返して鋸歯状に移動させると、波
形Ｗ２のような干渉信号が得られる。このときの干渉信
号の位相φは、発振波長をλとすると、次の式２であら
わされる。

【数２】したがって、可動ミラー１５の移動につれてｘとｓの光
路長差が変化し、２（ｘ−ｓ）が波長λの整数倍のとき
には強めあい、半波長λ／２の奇数倍の時には弱めあう
ため、正弦波状の信号が得られる。そのため、ｘ＝ｓに
なる波形Ｗ２の時間ｔ_０には必ず光は強めあい、光の波
長に関係なく正弦波の山になる。そして光路長差２（ｘ
−ｓ）が大きくなるにつれ、明暗を繰り返すことにな
る。今、半導体レーザ１をパルス駆動し、その点灯期間
内の中央でモードホップを起こさせた場合を考える。パ
ルス駆動の周波数ｆ_Ｐは、可動ミラー１５の移動によっ
て得られる正弦波信号の周波数ｆ_Ｌに対して十分に早く
しておけば、つながった正弦波の波形として観測され
る。このときは、点灯期間の前半部分と後半部分で２つ
の違う波長が現れる。点灯期間の前半部分の波長をλ１
とし、後半部分をλ２とすると、点灯期間の前半部分で
は波長λ１に対する波形が、後半部分では波長λ２に対
する波形が、２波形あらわれる事になる。しかし、これ
らの波形は光路長差２（ｘ−ｓ）が０になる可動ミラー
１５の移動中心位置ｔ_０で完全にその位相が重なり、距
離が離れるに従い波長差分づつ位相がずれることにな
る。そして波長λ１とλ２の波長差は、モードホップに
より生じる波長変化量であるから、波長λ１に対して十
分に小さく、通常７８０ｎｍの半導体レーザでは１ｎｍ
程度の変化量になる。このため、第２受光部１７からの
信号波形Ｗ２は、拡大すると、波形Ｗ２′に示すように
点灯期間の前半部分と後半部分ではほぼ同じ位相及び同
周期の正弦波が重なって現れ、あたかも１波形のように
観測される。第３受光部２４からは、可動ミラー１５か
らの反射光と測定面１９からの反射光が干渉した信号が
得られる。このときも第２受光部１７と同様な正弦波状
の信号が得られる。しかし、第４ビームスプリッタ１１
から測定面１９までの光学的距離ｚは未知である。この
ｚが測定したい距離である。第４ビームスプリッタ１１
から可動ミラー１５の移動中心までの光学的距離をｙと
すると、ｚ＝ｙのときは、第３受光部２４から得られる
信号は、第２受光部１７から得られる信号波形Ｗ２′と
同じになるが、ｚ＝ｙでないときは、波形Ｗ３のように
なる。これは、点灯期間の前半部分の波長をλ１、後半
部分の波長をλ２とすると、波長λ１に対する波形Ｗ３
のａと、波長λ２に対する波形Ｗ３のｂとが、波形Ｗ３
の円内を時間軸について拡大した波形Ｗ３′のように時
分割であらわされるためである。波形Ｗ３のａは、波長
λ１の光が光路長左差（ｚ−ｙ）付近で干渉した場合の
信号であり、波形Ｗ３のｂは、波長λ２の光が光路長差
２（ｚ−ｙ）付近で干渉した場合の信号である。このと
きの干渉信号の位相を式であらわすと、次の式３および
式４となる。

【数３】

【数４】式３と式４の差を取ると、つぎの式５が得られる。

【数５】したがって、２つの干渉信号の位相の差は、波長λ１と
波長λ２で得られる合成波長Λと光路長差２（ｚ−ｙ）
の関数になる。したがって、合成波長Λを既知とすれ
ば、波形Ｗ３のａと波形Ｗ３のｂの位相の差を測定する
ことにより、光路長差２（ｚ−ｙ）を求めることができ
る。ここで一般的に、ピエゾ素子による可動ミラー１５
の移動位置は、変動する恐れがあるため、第２受光部１
７の信号波形により固定ミラー１２に対する可動ミラー
１５の位置を測定し、第３受光部２４の信号波形により
可動ミラー１５に対する測定面１９の位置を別々にかつ
同時に測定し、両者の差を取ることによって測定面１９
までの距離を正確に測定することが好ましい。このよう
な原理にもとづき、第２受光部１７と第３受光部２４か
らの信号は、波形整形回路１０６に入力され、Ａ／Ｄ変
換器１０７を介してメモリー部１０５に記録され、制御
部１０８により波形解析されて、両信号の位相の差が算
出され、測定面までの絶対的な距離が測定される。前述
のように、モードホップ検出回路１０３は、モードホッ
プ時の温度を検出するほか、モードホップにおける発振
波長の変化量の検出器としての機能を持ち、合成波長の
検出手段となる。この事について図５を用いて説明す
る、半導体レーザ１は、波形Ｙ１に示すように、パルス
駆動されることにより、その温度が変化するが、半導体
レーザ１の温度変化が直線的に行われたとすると、点灯
期間内の中央でモードホップを起こさせた場合の波長変
化は波形Ｙ２のようになる。このとき半導体レーザ１の
温度が変化することにより得られる波長変化量をΔλ、
平行平面板７の光学的長さをＬ、平行平面板７の表面で
の反射光量をＩ_１、裏面からの反射光量をＩ_２とする
と、干渉信号の光量Ｉは、次の式６で表される。

【数６】したがって、干渉信号の位相δは、平行平面板７の光学
的長さＬに比例し、発振波長の波長変化量Δλにともな
い、正弦波状に変化する事になる。ここで温度変化中の
時刻ｔ_ａで、半導体レーザ１がモードホップを起こす
と、発振波長が急激に変化することになり、波形Ｙ３の
時刻ｔ_ａに示すように、位相が不連続な状態ができる。
このときに、半導体レーザ１の発振波長がλ１からλ２
に変わったとすると、時刻ｔ_ａの前後での位相は、次の
式７，８であらわされる。

【数７】

【数８】両者の差を取ると、

【数９】となり、平行平面板７の光学的長さＬは既知であるか
ら、時刻ｔ_ａの前後での位相の差を求めることにより、
合成波長Λを求めることができる。以上の原理により、
半導体レーザ１のモードホップによる波長変化量を、合
成波長として求めることができる。また、半導体レーザ
１の温度変化が直線的に行われるものとしているが、実
際にはパルス駆動されているために直線的にはならな
い。しかし、半導体レーザ１の順方向電圧をモニターす
るなどして温度変化特性を測定し、補正する事が可能で
ある。モードホップ前後での半導体レーザの光の波長が
既知であれば、これにより合成波長Λを知ることがで
き、平行平面板７が形成する干渉計を必要としない。第２実施例第２実施例として連続データ採集方式について説明す
る。図６は光学系の構成図を示す。半導体レーザ５０か
ら出射された光束は、コリメータレンズ５１により平行
光とされ、アイソレータ５２に入射する。アイソレータ
５２は、光源が反射光により影響を受けるのを防ぐ。ア
イソレータ５２を通過した光束は、第１ビームスプリッ
タ５３により、第２ビームスプリッタ５４に向かう光束
Ａと第３ビームスプリッタ５５に向かう光束Ｂに分けら
れる。光束Ａは第２ビームスプリッタ５４を透過し平行
平面板５６に導かれる。平行平面板５６の表面で反射さ
れた光束と、裏面で反射された光束とが第２ビームスプ
リッタ５４により反射合成され、集光レンズ５７により
第１受光部５８上に集光され干渉する。光束Ｂは、第３
ビームスプリッタ５５によりリファレンスミラー５９に
向かう光束と測定面６０に向かう光束とに分けられる。
リファレンスミラー５９および測定面６０で反射された
光束は第３ビームスプリッタ５５により合成され、集光
レンズ６１により第２受光部６２上に集光され干渉す
る。次は、測定原理と処理方法について説明する。図７
は処理系のブロック図、図８は処理波形を示す。半導体
レーザ５０は、第１実施例と同様に、光出力と温度につ
いて独立に制御できる構成になっている。第２実施例で
は、光の出力を一定に保ち温度を変化させる方法をとる
が、温度を一定に保ち駆動電流を変化させても同様の効
果を得る事が可能である。パワー制御回路２００は、半
導体レーザ５０に内蔵されたフォトダイオードによりそ
の光出力をモニターし、光の出力を一定に保つ。温度制
御回路２０２は、ペルチェ素子２０１により半導体レー
ザ５０の温度を任意の値に制御可能である。第１受光部
５８から得られる信号は、平行平面板５６の表面と裏面
での反射光が干渉した信号であり、内部干渉計としての
平行平面板５６の光路差Ｌ_Ａにより生じる信号である。
また、第２受光部６２から得られる信号は、装置内部の
リファレンスミラー５９と測定面６０での反射光が干渉
した信号であり、測定干渉計としての光路差Ｌ_Ｂにより
生じる。今、半導体レーザ５０の温度を図８の波形Ｘ１
のように直線的に変化させると、半導体レーザ５０の発
振波長λは波形Ｘ２のように変化する。モードホップの
起こらない間の波長変化量Δλと温度変化量ΔＴの関係
は、次の式１０のようになる。

【数１０】このときのｐは半導体レーザ５０の固有の定数になる。
そして温度がＴ_Ｍになったときにモードホップを起こし
たとすると、波形Ｘ２のｔ_Ｍの位置に示すようにその発
振波長は非線形に変化する。そのため、前述の第１実施
例の波長変化量の検出方法のところで説明したように、
第１受光部５８からは図８の波形Ｘ３が得られ、第２受
光部６２からは波形Ｘ４が得られる。これは半導体レー
ザ５０の発振波長が温度によって波形Ｘ２のように変化
したために生じる。モードホップを起こす前の期間での
検出開始時点（波長λ１）の干渉信号における位相δ１
と検出終了時点（波長λ１＋Δλ）での位相δ２とを、
波長λ１、波長変化量をΔλ、光路長差をＬ′で示し、
位相差δ＝δ１−δ２を求めると、次の式１１のように
なる。

【数１１】したがって、干渉信号の位相差δは、波長変化量Δλと
光路長差Ｌ′との関数になる。また、波形Ｘ３とＸ４
は、同一の光であるため、その波長変化量は等しい。こ
のため、両干渉信号の周期Ｔは、次の式１２となる。

【数１２】平行平面板５６の光学的長さをＬ_Ａとし、測定干渉計の
光路長差をＬ_Ｂとすると、波形Ｘ３の周期Ｔ_３と、波形
Ｘ４の周期Ｔ_４は、それぞれ式１３と式１４になる。

【数１３】

【数１４】両周期の比は

【数１５】と表される。周期の比は光路長差の比に反比例すること
が分かる。したがって、平行平面板５６の光学的長さＬ
_Ａを既知とすれば、これらの両干渉信号Ｔ_３，Ｔ_４の周
期の比から測定干渉計の光路長差Ｌ_Ｂを検出することが
できる。しかし、このときの干渉信号の周期を高精度に
検出することは困難であり、測定精度の向上には不向き
なため、この原理を大まかな粗測定に使用し、モードホ
ップによる波長変化を精測定に利用すると、より高い精
度を得ることが可能となる。次は、この事について説明
する。モードホップを起こしたとき、つまり時刻ｔ_Ｍに
は、干渉信号の位相に不連続な部分ができる。さらに、
モードホップ前の波長をλ_Ａとし、後の波長をλ_Ｂとす
ると、それぞれの位相Ψ_Ａ，Ψ_Ｂはつぎの式１６，１７
のように表される。

【数１６】

【数１７】また、位相差（Ψ_Ａ−Ψ_Ｂ）は、次の式１８のようにな
る。

【数１８】このときのΛＭは、λ_Ａ，λ_Ｂにより得られる合成波長
である。したがって波形Ｘ３によりその位相差を検出
し、平行平面板５６の光学的長さＬ_Ａを既知とすれば、
合成波長Λ_Ｍを算出する事ができ、波形Ｘ４の位相差か
ら測定干渉計の光路長差Ｌ_Ｂを算出する事ができる。以
上の原理に基づき、第１受光部５８と第２受光部６２か
らの信号は、波形整形回路２０３により整形され、Ａ／
Ｄ変換器２０４を介してメモリー部２０５に記憶され
る。また波形整形回路２０３は、モードホップの検出機
能を持ち、モードホップ検出回路としての役目を果た
す。つまり、半導体レーザ５０の温度を変化させなが
ら、両受光器５８，６２から得られる干渉信号をＡ／Ｄ
変換して、連続してメモリー部２０４に記憶していき、
波形整形回路２０３がモードホップを検出した後、一定
期間までその波形データを記憶して行く。このようにし
てメモリー部２０４の記憶された波形データを、制御部
２０５により解析し、そのモードホップ前での干渉信号
の位相とモードホップ後の位相を検出し、これらの位相
の差から測定面６０までの距離を測定することが可能に
なる。また、このときモードホップ中の不定期間があっ
たとしても、数学的にその位相を計算により求めること
ができるので、それによって測定にあまり影響が生じる
事はない。

【発明の効果】請求項１〜７に記載の発明によれば、単
一の光源を使用して、同一光源におけるモードホップ前
後の２つの波長の光束の干渉信号に基づいてアプソリュ
ート測定ができる。モードホップ前後の光束を利用する
ので、ある程度離れた波長の光束による干渉信号を利用
でき、高精度の測定が可能となる。とくに請求項２，
３，６に記載のサンプリング方式のもの（第１実施例）
によれば、波長変化がリニアでないレーザ素子でも所定
の波長における信号で測定ができる効果が得られる。よ
り高い精度が確保可能である。また、とくに請求項４，
６，７に記載のノンフリンジ型連続データ採集方式のも
の（第２実施例）によれば、フリンジスキャンが不要で
あり、短時間で測定が可能となり、全体的に単純な構成
であっても所望の測定を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるサンプリング方式の
光学系の構成図。

【図２】図１の光学系のための制御系を示すブロック
図。

【図３】図１の光学系においてパルス駆動する際の種々
の信号波形を示す。

【図４】図１の光学系における可動ミラーと信号波形の
関係を示す。

【図５】図１の光学系におけるモードホップ検出回路と
信号波形の関係を示す。

【図６】本発明の第２実施例による連続データ採集方式
の光学系の構成図。

【図７】図６の光学系における処理系のブロック図。

【図８】図６の光学系における処理波形を示す。

【符号の説明】

１半導体レーザ２コリメータレンズ３アイソレータ４第１ビームスプリッタ５第２ビームスプリッタ６偏光ビームスプリッタ７平行平面板８集光レンズ９第１受光部１０第３ビームスプリッタ１１第４ビームスプリッタ１２固定ミラー１３偏光ビームスプリッタ１４集光レンズ１５可動ミラー１６集光レンズ１７第２受光部１８対物レンズ１９参照面２０集光レンズ２１ピンホール２２レンズ２３集光レンズ２４第３受光部５０半導体レーザ５１コリメータレンズ５２アイソレータ５３第１ビームスプリッタ５４第２ビームスプリッタ５５第３ビームスプリッタ５６平行平面板５７集光レンズ５８第１受光部５９リファレンスミラー６０測定面６１集光レンズ６２第２受光部Ａ１光束Ａ２光束Ｂ１光束Ｂ２光束

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】波形Ｗ３のａは、波長λ１の光が光路長差
（ｚ−ｙ）付近で干渉した場合の信号であり、波形Ｗ３
のｂは、波長λ２の光が光路長差２（ｚ−ｙ）付近で干
渉した場合の信号である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５４】このような原理にもとづき、第２受光部１
７と第３受光部２４からの信号は、波形整形回路１０６
に入力され、点灯期間の前半部分と後半部分をそれぞれ
サンプリングし、波長λ１の波形と、波長λ２の信号が
別々にＡ／Ｄ変換器１０７により変換される。それぞれ
の波長の信号はメモリー部１０５に記録され、制御部１
０８により波形解析されて、両信号の位相の差が算出さ
れ、測定面までの絶対的な距離が測定される。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５５】前述のように、モードホップ検出回路１０
３は、モードホップ時の温度を検出するほか、モードホ
ップにおける発振波長の変化量の検出器としての機能を
持ち、合成波長の検出手段となる。この事について図５
を用いて説明すると、半導体レーザ１は、波形Ｙ１に示
すように、パルス駆動されることにより、その温度が変
化するが、半導体レーザ１の温度変化が直線的に行われ
たとすると、点灯期間内の中央でモードホップを起こさ
せた場合の波長変化は波形Ｙ２のようになる。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６３】また半導体レーザ１の温度変化が直線的に
行なわれるものとしているが、実際にはパルス駆動され
ているために直線的にはならない。しかし、時刻ｔの前
後で、データをサンプリングするタイミングにおける位
相差が測定できればいいため、第１受光部９から得られ
る干渉信号を波長変化の検出手段として取り込み、デー
タをサンプリングする時点での干渉信号の位相差を計算
により求める事により半導体レーザ１の波長変化の非直
線性による影響を除去できる。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モードホップを生じるようにレーザ光源
を発光させる発光部と、上記レーザ光源からの光束を、被測定物が配置される測
定光路と、反射鏡が配置される基準光路とに向けて射出
し、それぞれの光路からの反射光束を合成して干渉させ
る干渉光学系と、上記干渉光学系によって干渉された干渉光を受光する受
光部と、受光部からの出力信号の内、上記発光部によるモードホ
ップ前の干渉信号と、モードホップ後の干渉信号とに基
づき測定物の位置を求める位置測定部と、を備えたことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】被測定物又は基準光路に配置される反射
鏡までの光路長を少なくともモードホップ前後のレーザ
光源の光束の波長分以上変化させる光路長変化部を備え
ていて、上記位置測定部は、該光路長変化部によって光
路長を変化させている間に、上記発光部によるモードホ
ップ前の干渉信号と、モードホップ後の干渉信号とをそ
れぞれサンプリングし、そのサンプリングした２つのサ
ンプリング信号の位相差に基づき測定物の位置を求める
構成になっていることを特徴とする請求項１に記載の位
置測定装置。
【請求項３】上記発光部は、レーザ光源部に矩形の注
入電流を注入することによりパルス点灯させるように構
成され、そのパルス点灯の周波数（ｆ_Ｐ）は、光路長変
化部の変化周波数（ｆ_Ｌ）よりも高く設定されているこ
とを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項４】モードホップ前と後の所定期間の間、レ
ーザ光源が発する光束の波長を変化させる波長変化手段
を設けたことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装
置。
【請求項５】上記波長変化手段は、レーザ光源の温度
を変化させる温度変化部又ははレーザ光源への注入電流
を変化させる注入電流変化部で構成されていることを特
徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項６】請求項１，２又は４に記載の位置測定装
置において、上記発光部が、レーザ光源を発光させた際にモードホップを生じたかど
うかを検出するモードホップ検出部と、このモードホップ検出部がモードホップを検出したとき
のレーザ光源の温度（モードホップ温度）を検出する温
度検出部と、パルス駆動の間に該温度検出部が検出したモードホップ
温度を含むようにレーザ光源の温度を制御する温度制御
部と、を備えていることを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】請求項１又は４に記載の位置測定装置に
おいて、上記位置測定部が、受光部からの出力信号の内、モード
ホップ前の干渉信号と、モードホップ後の干渉信号との
位相差を求める位相差検出部と、この位相差と、モードホップ前のレーザ光源の波長（λ
１）及びモードホップ後のレーザ光源の波長（λ２）で
得られる合成波長（Λ）とから被測定物の位置を求める
位置算出部と、を備えていることを特徴とする位置測定装置。