JPH07229713A - 変位測定方法及びそれを用いた変位測定装置 - Google Patents
変位測定方法及びそれを用いた変位測定装置Info
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- JPH07229713A JPH07229713A JP2445194A JP2445194A JPH07229713A JP H07229713 A JPH07229713 A JP H07229713A JP 2445194 A JP2445194 A JP 2445194A JP 2445194 A JP2445194 A JP 2445194A JP H07229713 A JPH07229713 A JP H07229713A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 単一のマイケルソン型干渉系を用いて、正確
且つ高速に変位測定が行なえ、また装置を簡素化し且つ
安価に得られるようにした変位測定方法及びそれを用い
た装置を提供すること。 【構成】 光導波路基板３には３ｄＢカプラ５と位相変
調基板２０が形成されている。レーザダイオード１の光
は２分割され反射鏡８からは参照光が、また被測定物１
３からは測定光が夫々３ｄＢカプラ５へ戻って干渉す
る。干渉光は、ＤＡコンバータ２１，アナログスイッチ
２２，発振器２３によって時分割されており、光検出用
ダイオード１５で電気信号に変換される。コンパレータ
１８の信号は発振器２３に同期され二つのサンプル・ホ
ールド回路２４とインバータ２５により信号Ｌ′とＲ′
に分離され、フリンジ計測される。
且つ高速に変位測定が行なえ、また装置を簡素化し且つ
安価に得られるようにした変位測定方法及びそれを用い
た装置を提供すること。 【構成】 光導波路基板３には３ｄＢカプラ５と位相変
調基板２０が形成されている。レーザダイオード１の光
は２分割され反射鏡８からは参照光が、また被測定物１
３からは測定光が夫々３ｄＢカプラ５へ戻って干渉す
る。干渉光は、ＤＡコンバータ２１，アナログスイッチ
２２，発振器２３によって時分割されており、光検出用
ダイオード１５で電気信号に変換される。コンパレータ
１８の信号は発振器２３に同期され二つのサンプル・ホ
ールド回路２４とインバータ２５により信号Ｌ′とＲ′
に分離され、フリンジ計測される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学的干渉による被測
定物の微小部分の変位測定方法及びそれを用いた変位測
定装置に関する。
定物の微小部分の変位測定方法及びそれを用いた変位測
定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ、エレクトロニクス、マイクロコ
ンピュータ、センサ素子等の発達に伴い、可干渉性に優
れるレーザ光を用いて光学的干渉により被測定物の表面
の微小部分の変位を測定する方法が普及している。この
方法による測定は、非接触で行うことができ且つ高精度
であるため、例えば結晶ウエハ、光学部品、Ｘ線用ミラ
ー等の表面粗さの測定に利用されている。
ンピュータ、センサ素子等の発達に伴い、可干渉性に優
れるレーザ光を用いて光学的干渉により被測定物の表面
の微小部分の変位を測定する方法が普及している。この
方法による測定は、非接触で行うことができ且つ高精度
であるため、例えば結晶ウエハ、光学部品、Ｘ線用ミラ
ー等の表面粗さの測定に利用されている。
【０００３】このような光学的干渉による変位測定方法
の一つとして、二組のマイケルソン型干渉系を組み合わ
せ、測定光と、π／２の位相差を持つ二つの参照光とを
干渉させ、変位の方向と量とを測定する方法が知られて
いる。その方法を図７によって説明する。レーザダイオ
ード１から発光されたレーザ光は、偏波保持型光ファイ
バ２を介して光導波路基板３に導かれ、光導波路のＹ分
岐４及び３ｄＢカプラ５，６で分割される。３ｄＢカプ
ラで分割された一方の光は、位相変調器７を通り、光導
波路基板３の端面に設けられた反射鏡８で反射され、参
照光として３ｄＢカプラ５へ戻ってくる。他方、３ｄＢ
カプラで分割された一方の光は、反射鏡９で反射され、
参照光として３ｄＢカプラ６へ戻ってくる。このように
して３ｄＢカプラ５，６へ戻ってきた二つの参照光は、
πの位相差を持っている。
の一つとして、二組のマイケルソン型干渉系を組み合わ
せ、測定光と、π／２の位相差を持つ二つの参照光とを
干渉させ、変位の方向と量とを測定する方法が知られて
いる。その方法を図７によって説明する。レーザダイオ
ード１から発光されたレーザ光は、偏波保持型光ファイ
バ２を介して光導波路基板３に導かれ、光導波路のＹ分
岐４及び３ｄＢカプラ５，６で分割される。３ｄＢカプ
ラで分割された一方の光は、位相変調器７を通り、光導
波路基板３の端面に設けられた反射鏡８で反射され、参
照光として３ｄＢカプラ５へ戻ってくる。他方、３ｄＢ
カプラで分割された一方の光は、反射鏡９で反射され、
参照光として３ｄＢカプラ６へ戻ってくる。このように
して３ｄＢカプラ５，６へ戻ってきた二つの参照光は、
πの位相差を持っている。
【０００４】他方、３ｄＢカプラ５，６で夫々分割され
たもう一方の光はＹ分岐１０で一緒になり、位相変調器
１１を通って光導波路基板３の端面から出射される。こ
の出射光は回折により広がってしまうのでレンズ１２に
より平行光とされる。この平行光は被測定物１３の表面
で反射され、逆の光路を辿って光導波路基板３に導か
れ、Ｙ分岐１０を介して３ｄＢカプラ５，６に戻ってく
る。３ｄＢカプラ５は、反射鏡８から反射してきた参照
光と被測定物から反射してきた測定光とを干渉させ、そ
の干渉光はマルチモード光ファイバ１４を介して光検出
用ダイオード１５に導かれる。他方、３ｄＢカプラ６
は、反射鏡９から反射してきたもう一つの参照光と被測
定物から反射してきた測定光とを干渉させ、その干渉光
はマルチモードファイバ１６を介して光検出用ダイオー
ド１７に導かれる。
たもう一方の光はＹ分岐１０で一緒になり、位相変調器
１１を通って光導波路基板３の端面から出射される。こ
の出射光は回折により広がってしまうのでレンズ１２に
より平行光とされる。この平行光は被測定物１３の表面
で反射され、逆の光路を辿って光導波路基板３に導か
れ、Ｙ分岐１０を介して３ｄＢカプラ５，６に戻ってく
る。３ｄＢカプラ５は、反射鏡８から反射してきた参照
光と被測定物から反射してきた測定光とを干渉させ、そ
の干渉光はマルチモード光ファイバ１４を介して光検出
用ダイオード１５に導かれる。他方、３ｄＢカプラ６
は、反射鏡９から反射してきたもう一つの参照光と被測
定物から反射してきた測定光とを干渉させ、その干渉光
はマルチモードファイバ１６を介して光検出用ダイオー
ド１７に導かれる。
【０００５】光検出用ダイオード１５，１７に導かれた
光は夫々電気信号に変換され、コンパレータ１８，１９
を介して信号Ｌ，Ｒを出力する。尚、二つの参照光の強
度が完全に同じに得られることは不可能なため、コンパ
レータ１８，１９には比較用参照電圧ＶREF1，ＶREF2が
印加されている。そして、このようにして得られた信号
Ｌと信号Ｒの位相関係から変位の方向を、信号Ｌ又は信
号Ｒのパルス数（フリンジ計測）から距離を求めるよう
にしている。
光は夫々電気信号に変換され、コンパレータ１８，１９
を介して信号Ｌ，Ｒを出力する。尚、二つの参照光の強
度が完全に同じに得られることは不可能なため、コンパ
レータ１８，１９には比較用参照電圧ＶREF1，ＶREF2が
印加されている。そして、このようにして得られた信号
Ｌと信号Ｒの位相関係から変位の方向を、信号Ｌ又は信
号Ｒのパルス数（フリンジ計測）から距離を求めるよう
にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】然るに、二組のマイケ
ルソン型干渉系を組み合わせた上記の従来例において
は、装置の構造が複雑となり、その組立や調整が困難で
あって、製造コストが高くなるという問題点がある。
又、二つの参照光は、光導波路基板３に入射したレーザ
光が、光導波路のＹ分岐４や３ｄＢカプラ５，６で分割
され、反射鏡８，９で反射されることにより得られるの
で、それらの強度を完全に同じにすることが不可能であ
る。そのため、コンパレータ１８，１９と夫々の比較用
参照電圧ＶREF1，ＶREF2を用意しなければならず、又、
これらの電圧値が適切でないと干渉させる二つの光の位
相関係に乱れが生じ、測定速度（被測定物との相対的な
移動速度）を低下させざるを得ないという問題点があ
る。
ルソン型干渉系を組み合わせた上記の従来例において
は、装置の構造が複雑となり、その組立や調整が困難で
あって、製造コストが高くなるという問題点がある。
又、二つの参照光は、光導波路基板３に入射したレーザ
光が、光導波路のＹ分岐４や３ｄＢカプラ５，６で分割
され、反射鏡８，９で反射されることにより得られるの
で、それらの強度を完全に同じにすることが不可能であ
る。そのため、コンパレータ１８，１９と夫々の比較用
参照電圧ＶREF1，ＶREF2を用意しなければならず、又、
これらの電圧値が適切でないと干渉させる二つの光の位
相関係に乱れが生じ、測定速度（被測定物との相対的な
移動速度）を低下させざるを得ないという問題点があ
る。
【０００７】更に、測定光と二つの参照光との間に光路
差のみで各π／２の位相差を持たせようとすると、基板
の加工に１００ｎｍ以下の精度が要求され極めて製作が
困難である。又、参照光の位相変調器７を、誘電体膜や
金属膜を装荷して光導波路上に形成し、熱的に調節する
ようにしたとしても誘電体膜や金属膜に経時変化が生じ
安定的に機能させることが難しいという問題点がある。
又、従来のような位相変調の加え方では、光検出器の出
力をＡＤコンバータで読み取り、数値演算処理して位相
解析をしなければならず、ＡＤコンバータでの読み取り
に数μｓ、コンピュータによる解析に数１００μｓ以上
が必要となる。従って、速く変化する被測定物の変位に
は追随できず、また数値演算処理のための素子，回路が
必要となり、装置が高価になるという問題点がある。
差のみで各π／２の位相差を持たせようとすると、基板
の加工に１００ｎｍ以下の精度が要求され極めて製作が
困難である。又、参照光の位相変調器７を、誘電体膜や
金属膜を装荷して光導波路上に形成し、熱的に調節する
ようにしたとしても誘電体膜や金属膜に経時変化が生じ
安定的に機能させることが難しいという問題点がある。
又、従来のような位相変調の加え方では、光検出器の出
力をＡＤコンバータで読み取り、数値演算処理して位相
解析をしなければならず、ＡＤコンバータでの読み取り
に数μｓ、コンピュータによる解析に数１００μｓ以上
が必要となる。従って、速く変化する被測定物の変位に
は追随できず、また数値演算処理のための素子，回路が
必要となり、装置が高価になるという問題点がある。
【０００８】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、光導波路
型干渉系によりレーザ光を参照光と測定光に分割し、ま
た参照光に被測定物から反射してきた測定光を干渉さ
せ、その干渉光により被測定物の変位を測定するに際
し、一つのマイケルソン型干渉系により計測を正確且つ
高速に行なえ、また装置を簡素化でき且つ安価に得られ
るようにした変位測定方法及びそれを用いた変位測定装
置を提供することである。
されたものであり、その目的とするところは、光導波路
型干渉系によりレーザ光を参照光と測定光に分割し、ま
た参照光に被測定物から反射してきた測定光を干渉さ
せ、その干渉光により被測定物の変位を測定するに際
し、一つのマイケルソン型干渉系により計測を正確且つ
高速に行なえ、また装置を簡素化でき且つ安価に得られ
るようにした変位測定方法及びそれを用いた変位測定装
置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の変位測定方法は、同一光源のレーザ光を
測定光と参照光とに分割して該測定光を被測定物に照射
し、該被測定物から反射され該参照光との光路差の変化
によって位相変化の生じた該測定光を該参照光と干渉さ
せ、得られた干渉光をフリンジ計測して該被測定物の表
面の微小変位と移動方向を測定する方法において、該参
照光と該測定光との干渉系を１系統とし、該参照光と該
測定光の何れか一方或いは両方に時分割の位相変調を加
え、得られた干渉光を時分割にてフリンジ計測するよう
にする。又、好ましくは、前記位相変調が、（ｍπ）ｒ
ａｄと（π／２）×（２ｎ＋１）ｒａｄの時分割位相変
化を付加するための位相変調であるようにする。但し、
ｍ及びｎは何れも整数とする。又、好ましくは、前記位
相変調が、 の時分割位相変化を付加するための位相変調であるよう
にする。但し、ｍは整数とし、ａは４以上のべき乗値と
する。
めに、本発明の変位測定方法は、同一光源のレーザ光を
測定光と参照光とに分割して該測定光を被測定物に照射
し、該被測定物から反射され該参照光との光路差の変化
によって位相変化の生じた該測定光を該参照光と干渉さ
せ、得られた干渉光をフリンジ計測して該被測定物の表
面の微小変位と移動方向を測定する方法において、該参
照光と該測定光との干渉系を１系統とし、該参照光と該
測定光の何れか一方或いは両方に時分割の位相変調を加
え、得られた干渉光を時分割にてフリンジ計測するよう
にする。又、好ましくは、前記位相変調が、（ｍπ）ｒ
ａｄと（π／２）×（２ｎ＋１）ｒａｄの時分割位相変
化を付加するための位相変調であるようにする。但し、
ｍ及びｎは何れも整数とする。又、好ましくは、前記位
相変調が、 の時分割位相変化を付加するための位相変調であるよう
にする。但し、ｍは整数とし、ａは４以上のべき乗値と
する。
【００１０】又、上記の目的を達成するために、本発明
の変位測定装置は、レーザ光の光源と、光導波路型干渉
系と、位相変調器とから構成され、該レーザ光を該干渉
系の光導波路に導き該干渉系で参照光と測定光とに分割
し、該参照光を反射鏡に、該測定光を被測定物に夫々照
射し、該参照光の反射光と該測定光の反射光とを該干渉
系で干渉させ、得られた干渉光を検出して該被測定物の
表面の微小変位を測定する変位測定装置において、該参
照光と該測定光の何れか一方或いは両方に該位相変調器
を介して時分割の位相変調を加える変調電圧作成手段
と、該干渉光を時分割にてフリンジ計測するための処理
・計測手段とを備えている。又、好ましくは、前記光導
波路型干渉系を、ニオブ酸リウチム（LiNbO3）結晶基板
又はタンタル酸リウチム（LiTaO3）結晶基板で構成す
る。更に、好ましくは、前記光導波路型干渉系における
光導波路をプロトン交換光導波路で構成する。
の変位測定装置は、レーザ光の光源と、光導波路型干渉
系と、位相変調器とから構成され、該レーザ光を該干渉
系の光導波路に導き該干渉系で参照光と測定光とに分割
し、該参照光を反射鏡に、該測定光を被測定物に夫々照
射し、該参照光の反射光と該測定光の反射光とを該干渉
系で干渉させ、得られた干渉光を検出して該被測定物の
表面の微小変位を測定する変位測定装置において、該参
照光と該測定光の何れか一方或いは両方に該位相変調器
を介して時分割の位相変調を加える変調電圧作成手段
と、該干渉光を時分割にてフリンジ計測するための処理
・計測手段とを備えている。又、好ましくは、前記光導
波路型干渉系を、ニオブ酸リウチム（LiNbO3）結晶基板
又はタンタル酸リウチム（LiTaO3）結晶基板で構成す
る。更に、好ましくは、前記光導波路型干渉系における
光導波路をプロトン交換光導波路で構成する。
【００１１】
【作用】レーザダイオードから発せられたレーザ光は、
偏波保持型光ファイバを通って光導波路基板に導かれ３
ｄＢカプラによって２分割される。一方の光は光導波路
基板の端面に形成された反射鏡で反射され参照光として
３ｄＢカプラへ戻ってくる。他方の光は光導波路基板か
ら出射されレンズにより平行光にされ被測定物に照射さ
れる。被測定物に反射された光は逆の経路を辿り測定光
として３ｄＢカプラへ戻ってくる。
偏波保持型光ファイバを通って光導波路基板に導かれ３
ｄＢカプラによって２分割される。一方の光は光導波路
基板の端面に形成された反射鏡で反射され参照光として
３ｄＢカプラへ戻ってくる。他方の光は光導波路基板か
ら出射されレンズにより平行光にされ被測定物に照射さ
れる。被測定物に反射された光は逆の経路を辿り測定光
として３ｄＢカプラへ戻ってくる。
【００１２】二つの反射光は、３ｄＢカプラへ戻るに際
し、光導波路基板に形成された位相変調器により、３ｄ
Ｂカプラにおける位相変化が０ｒａｄとπ／２ｒａｄと
なるように調整される。この調整は、所定の矩形波電圧
を、ＤＡコンバータがアナログスイッチを介して、発振
器に同期させて加えることによって行われる。位相変調
器には参照光側と測定光側とで逆向きの電界がかかり、
所定の電圧が加わると電気光学的効果により一方の光導
波路の屈折率は上昇し、他方は減少する。この屈折率の
変化により光路長が変化し、夫々の光が３ｄＢカプラに
到達するときの位相差が変化する。
し、光導波路基板に形成された位相変調器により、３ｄ
Ｂカプラにおける位相変化が０ｒａｄとπ／２ｒａｄと
なるように調整される。この調整は、所定の矩形波電圧
を、ＤＡコンバータがアナログスイッチを介して、発振
器に同期させて加えることによって行われる。位相変調
器には参照光側と測定光側とで逆向きの電界がかかり、
所定の電圧が加わると電気光学的効果により一方の光導
波路の屈折率は上昇し、他方は減少する。この屈折率の
変化により光路長が変化し、夫々の光が３ｄＢカプラに
到達するときの位相差が変化する。
【００１３】このようにして３ｄＢカプラで干渉された
干渉光は光導波路基板から出射され、マルチモード光フ
ァイバを通って光検出用ダイオードに受光され、電気信
号に変換される。この電気信号は、コンパレータで２値
化され、前記発振器に同期しながら複数のサンプル・ホ
ールド回路に分離される。そして、これらの複数の回路
の出力信号の位相関係から変位の方向を、また夫々のパ
ルス数（フリンジ計測）から距離を、アップダウンカウ
ンタ等を用いることによって求める。従って、本発明に
おいては、単一のマイケルソン型干渉系と簡単な制御回
路によって、正確且つ高速に変位測定をすることが可能
となる。
干渉光は光導波路基板から出射され、マルチモード光フ
ァイバを通って光検出用ダイオードに受光され、電気信
号に変換される。この電気信号は、コンパレータで２値
化され、前記発振器に同期しながら複数のサンプル・ホ
ールド回路に分離される。そして、これらの複数の回路
の出力信号の位相関係から変位の方向を、また夫々のパ
ルス数（フリンジ計測）から距離を、アップダウンカウ
ンタ等を用いることによって求める。従って、本発明に
おいては、単一のマイケルソン型干渉系と簡単な制御回
路によって、正確且つ高速に変位測定をすることが可能
となる。
【００１４】
【実施例】第１実施例 本発明の第１実施例を図１乃至図３を用いて説明する。
尚、図面に用いている符号は、図７に示した従来例と実
質的に同じ構成部品、素子等については同一の符号を付
けてある。本実施例においては、レーザダイオード１か
ら発光されるレーザ光は、波長が８３０ｎｍである。偏
波保持型光ファイバ２及びマルチモード光ファイバ１４
と、光導波路基板３との間には、無反射コーティングが
施されている。光導波路基板３はＸカットのニオブ酸リ
チウム（LiNbO3）基板を用いており、Ｙ方向伝播のプロ
トン交換導波路で３ｄＢカプラ５と位相変調器２０を作
成している。往復する光にπ／２の位相差を生じさせる
ための電圧は、本実施例の場合１．０Ｖであった。位相
変調器２０には参照光側と測定光側とで逆向きの電界が
かかるようになされている。参照光の光導波路端面に設
けられた反射鏡８はアルミニウム蒸着により形成されて
いる。又、測定光の光導波路端面には無反射コーティン
グが施されている。
尚、図面に用いている符号は、図７に示した従来例と実
質的に同じ構成部品、素子等については同一の符号を付
けてある。本実施例においては、レーザダイオード１か
ら発光されるレーザ光は、波長が８３０ｎｍである。偏
波保持型光ファイバ２及びマルチモード光ファイバ１４
と、光導波路基板３との間には、無反射コーティングが
施されている。光導波路基板３はＸカットのニオブ酸リ
チウム（LiNbO3）基板を用いており、Ｙ方向伝播のプロ
トン交換導波路で３ｄＢカプラ５と位相変調器２０を作
成している。往復する光にπ／２の位相差を生じさせる
ための電圧は、本実施例の場合１．０Ｖであった。位相
変調器２０には参照光側と測定光側とで逆向きの電界が
かかるようになされている。参照光の光導波路端面に設
けられた反射鏡８はアルミニウム蒸着により形成されて
いる。又、測定光の光導波路端面には無反射コーティン
グが施されている。
【００１５】発振器２３は周波数２ＭＨｚの矩形波発振
器である。この発振器２３の出力は、位相変調器２０の
電圧調整用のアナログスイッチ２２と、二つのサンプル
・ホールド回路２４に接続されている。この二つのサン
プル・ホールド回路２４はインバータ２５によりサンプ
ルのタイミングが１／２周期異なるようになされてお
り、位相変調器２０にＤＡコンバータ２１の出力が加わ
ったときの干渉出力と、０Ｖが加わったときの干渉出力
を夫々保持するようになされている。又、ＤＡコンバー
タ２１は、位相変調器２０に電圧が０Ｖかかっていると
きに、反射して戻ってきた参照光と測定光との位相差を
ＰＯとすると、その位相差がＰＯ＋π／２となるように
位相変調電圧を出力させている。
器である。この発振器２３の出力は、位相変調器２０の
電圧調整用のアナログスイッチ２２と、二つのサンプル
・ホールド回路２４に接続されている。この二つのサン
プル・ホールド回路２４はインバータ２５によりサンプ
ルのタイミングが１／２周期異なるようになされてお
り、位相変調器２０にＤＡコンバータ２１の出力が加わ
ったときの干渉出力と、０Ｖが加わったときの干渉出力
を夫々保持するようになされている。又、ＤＡコンバー
タ２１は、位相変調器２０に電圧が０Ｖかかっていると
きに、反射して戻ってきた参照光と測定光との位相差を
ＰＯとすると、その位相差がＰＯ＋π／２となるように
位相変調電圧を出力させている。
【００１６】本実施例においては、参照光と測定光が３
ｄＢカプラ５へ戻るに際し、位相変調器２０により位相
差がπ／２となるように調整されるが、その制御方法と
しては、発振器２３に同期させて、アナログスイッチ２
２を介してＤＡコンバータ２１によって行われる。この
ＤＡコンバータ２１は、固体差によって、π／２の位相
差を生じさせる電圧がばらついたとしてもそれに対応で
きるようにするために、また温度によってその電圧が変
化したとしてもそれをダイナミックに調整できるように
するために用いられている。他方、光検出用ダイオード
１５で電気信号に変換された出力信号は、図２に示した
ように距離が時間と共に減少した後増加する場合、時分
割法による出力信号イのようになる。この出力信号イの
Ｌ成分とＲ成分の分離処理方法は、発振器２３で発生し
た変調クロックに同期させながら、インバータ２５によ
り１／２周期異なるようにして二つのサンプル・ホール
ド回路２４に別々にサンプル・ホールドし、夫々信号
Ｌ′と信号Ｒ′とを出力するようにする。この信号Ｌ′
とＲ′は従来法による出力信号ＬとＲに対し最大でも変
調クロックの半クロック分ずれるだけで、本質的には同
じ信号が得られる。そして、この信号Ｌ′とＲ′の位相
関係から変位の方向が、また信号Ｌ′又はＲ′のパルス
数（フリンジ計測）から距離を求めることができる。本
実施例においては、図３に示したようなアップダウンカ
ウンタ２６が用いられ、移動方向を検知しながら０．１
ｍ／ｓの移動速度で変位を測定することができた。
ｄＢカプラ５へ戻るに際し、位相変調器２０により位相
差がπ／２となるように調整されるが、その制御方法と
しては、発振器２３に同期させて、アナログスイッチ２
２を介してＤＡコンバータ２１によって行われる。この
ＤＡコンバータ２１は、固体差によって、π／２の位相
差を生じさせる電圧がばらついたとしてもそれに対応で
きるようにするために、また温度によってその電圧が変
化したとしてもそれをダイナミックに調整できるように
するために用いられている。他方、光検出用ダイオード
１５で電気信号に変換された出力信号は、図２に示した
ように距離が時間と共に減少した後増加する場合、時分
割法による出力信号イのようになる。この出力信号イの
Ｌ成分とＲ成分の分離処理方法は、発振器２３で発生し
た変調クロックに同期させながら、インバータ２５によ
り１／２周期異なるようにして二つのサンプル・ホール
ド回路２４に別々にサンプル・ホールドし、夫々信号
Ｌ′と信号Ｒ′とを出力するようにする。この信号Ｌ′
とＲ′は従来法による出力信号ＬとＲに対し最大でも変
調クロックの半クロック分ずれるだけで、本質的には同
じ信号が得られる。そして、この信号Ｌ′とＲ′の位相
関係から変位の方向が、また信号Ｌ′又はＲ′のパルス
数（フリンジ計測）から距離を求めることができる。本
実施例においては、図３に示したようなアップダウンカ
ウンタ２６が用いられ、移動方向を検知しながら０．１
ｍ／ｓの移動速度で変位を測定することができた。
【００１７】尚、本実施例においては光導波路干渉系を
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）の結晶基板で構成する場合
を説明したが、タンタル酸リウチム（LiTaO3）の結晶基
板で構成しても差支えなく、これらの結晶基板で構成す
ると、電気光学効果を利用した位相変調器が基板上に集
積化でき、装置を小型化、軽量化することができる。
又、駆動電圧を数ボルトにすることができるので、入手
容易で安価なアナログＩＣを利用できる。このように電
気光学効果を利用した位相変調器は、例えばニオブ酸リ
ウチムにおいて２０ＧＨｚ以上に応答するものが実現さ
れており、時分割処理を行なっても十分に高速な作動を
させることができる。更に、光導波路型干渉系をプロト
ン交換光導波路で構成すると、光導波路全体が偏光子の
機能を有し、別途偏光子を設ける必要がなくなる。
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）の結晶基板で構成する場合
を説明したが、タンタル酸リウチム（LiTaO3）の結晶基
板で構成しても差支えなく、これらの結晶基板で構成す
ると、電気光学効果を利用した位相変調器が基板上に集
積化でき、装置を小型化、軽量化することができる。
又、駆動電圧を数ボルトにすることができるので、入手
容易で安価なアナログＩＣを利用できる。このように電
気光学効果を利用した位相変調器は、例えばニオブ酸リ
ウチムにおいて２０ＧＨｚ以上に応答するものが実現さ
れており、時分割処理を行なっても十分に高速な作動を
させることができる。更に、光導波路型干渉系をプロト
ン交換光導波路で構成すると、光導波路全体が偏光子の
機能を有し、別途偏光子を設ける必要がなくなる。
【００１８】第２実施例 本発明の第２実施例を図４乃至図６により説明する。本
実施例は第１実施例の場合より分解能を上げるようにし
た場合の例であり、第１実施例が出力信号を２個出力す
るのに対して本実施例では８個出力するようにしてい
る。本実施例の説明に用いられている符号は第１実施例
の場合と同じ素子には同じ符号を用いている。図４にお
いてアナログスイッチ２２は図１の位相変調器２０に接
続されており、コンパレータ１８は図１の光検出用ダイ
オード１５に接続されている。発振器２３の信号はカウ
ンタ２７、デマルチプレクサ２８により４分割され、そ
れらに同期してＤＡコンバータ２１がアナログスイッチ
２２を介して位相変調器２０に矩形波電圧を印加するよ
うになされている。コンパレータ１８の信号は四つのサ
ンプル・ホールド回路２４とインバータ２５により、図
５に示すような８個の出力信号Ａ〜Ｈに分離される。そ
してこれらの信号は、例えば図６に示すようなアップダ
ウンカウンタ２６と加算器２９で構成された計数回路に
よりフリンジ計測がなされる。
実施例は第１実施例の場合より分解能を上げるようにし
た場合の例であり、第１実施例が出力信号を２個出力す
るのに対して本実施例では８個出力するようにしてい
る。本実施例の説明に用いられている符号は第１実施例
の場合と同じ素子には同じ符号を用いている。図４にお
いてアナログスイッチ２２は図１の位相変調器２０に接
続されており、コンパレータ１８は図１の光検出用ダイ
オード１５に接続されている。発振器２３の信号はカウ
ンタ２７、デマルチプレクサ２８により４分割され、そ
れらに同期してＤＡコンバータ２１がアナログスイッチ
２２を介して位相変調器２０に矩形波電圧を印加するよ
うになされている。コンパレータ１８の信号は四つのサ
ンプル・ホールド回路２４とインバータ２５により、図
５に示すような８個の出力信号Ａ〜Ｈに分離される。そ
してこれらの信号は、例えば図６に示すようなアップダ
ウンカウンタ２６と加算器２９で構成された計数回路に
よりフリンジ計測がなされる。
【００１９】このように変位分解能の高い測定を行うに
は、ｍを整数、ａを４以上のべき乗値、ｎを０〜（ａ／
２−１）の整数とした場合、Σ｛（２ｎπ／ａ）＋（２
ｍπ）｝ｒａｄに相当する時分割の位相変調を行なえば
よい。上記の本実施例は、ｍ＝０、ａ＝８の場合の変調
電圧作成回路と、光検出用ダイオード１８からの信号処
理回路例であるが、これは、π／４ｒａｄごとの変位を
検出できるので、第１実施例の場合と同様に測定すると
変位量の２倍が光路変化となり、光源の波長をλとする
と、λ／｛２×（２π／（π／４）｝＝λ／１６の分解
能が得られる。これは第１実施例に示した回路の２倍の
分解能である。このようにａの値を更に大きくすること
により、分解能を更に上げることが可能となる。
は、ｍを整数、ａを４以上のべき乗値、ｎを０〜（ａ／
２−１）の整数とした場合、Σ｛（２ｎπ／ａ）＋（２
ｍπ）｝ｒａｄに相当する時分割の位相変調を行なえば
よい。上記の本実施例は、ｍ＝０、ａ＝８の場合の変調
電圧作成回路と、光検出用ダイオード１８からの信号処
理回路例であるが、これは、π／４ｒａｄごとの変位を
検出できるので、第１実施例の場合と同様に測定すると
変位量の２倍が光路変化となり、光源の波長をλとする
と、λ／｛２×（２π／（π／４）｝＝λ／１６の分解
能が得られる。これは第１実施例に示した回路の２倍の
分解能である。このようにａの値を更に大きくすること
により、分解能を更に上げることが可能となる。
【００２０】
【発明の効果】上記のように、本発明によれば、参照光
に時分割でπ／２の位相変調を加えるようにすることに
より、単一のマイケルソン型干渉系で二つ分の干渉系の
働きをさせることが可能となり、干渉系の構成が簡単に
なるほか高速且つ高精度に変位測定が可能となる。又、
位相変調電圧を所定の関係で変えることにより、分解能
を容易に上げることが可能となる。
に時分割でπ／２の位相変調を加えるようにすることに
より、単一のマイケルソン型干渉系で二つ分の干渉系の
働きをさせることが可能となり、干渉系の構成が簡単に
なるほか高速且つ高精度に変位測定が可能となる。又、
位相変調電圧を所定の関係で変えることにより、分解能
を容易に上げることが可能となる。
【図１】本発明の第１実施例の構成を示す説明図であ
る。
る。
【図２】第１実施例において発生する信号と従来法によ
る信号とを示すタイムチャートである。
る信号とを示すタイムチャートである。
【図３】第１実施例における計数回路図である。
【図４】本発明の第２実施例の回路図である。
【図５】図４の回路から出力される信号のタイムチャー
トである。
トである。
【図６】第２実施例に用いられる計数回路図である。
【図７】従来例を示す説明図である。
１ レーザダイオード ２ 偏波保持型光ファイバ ３ 光導波路基板 ５，６ ３ｄＢカプラ ７，１１，２０ 位相変調器 ８，９ 反射鏡 １３ 被測定物 １４，１６ マルチモード光ファイバ １５，１７ 光検出用ダイオード １８，１９ コンパレータ ２１ ＤＡコンバータ ２２ アナログスイッチ ２３ 発振器 ２４ サンプル・ホールド回路 ２５ インバータ ２６ アップダウンカウンタ ２７ カウンタ ２８ デマルチプレクサ ２９ 加算器
Claims (9)
- 【請求項１】 同一光源のレーザ光を測定光と参照光と
に分割して該測定光を被測定物に照射し、該被測定物か
ら反射され該参照光との光路差の変化によって位相変化
の生じた該測定光を該参照光と干渉させ、得られた干渉
光をフリンジ計測して該被測定物の表面の微小変位と移
動方向を測定する方法において、該参照光と該測定光と
の干渉系を１系統とし、該参照光と該測定光の何れか一
方或いは両方に時分割の位相変調を加え、得られた干渉
光を時分割にてフリンジ計測することを特徴とした変位
測定方法。 - 【請求項２】 前記位相変調が、（ｍπ）ｒａｄと（π
／２）×（２ｎ＋１）ｒａｄの時分割位相変化を付加す
るための位相変調であることを特徴とする請求項１に記
載の変位測定方法。但し、ｍ及びｎは整数。 - 【請求項３】 前記位相変調が、 の時分割位相変化を付加するための位相変調であること
を特徴とする請求項１に記載の変位測定方法。但し、ｍ
は整数。ａは４以上の２のべき乗値。 - 【請求項４】 レーザ光の光源と、光導波路型干渉系
と、位相変調器とから構成され、該レーザ光を該干渉系
の光導波路に導き該干渉系で参照光と測定光とに分割
し、該参照光を反射鏡に、該測定光を被測定物に夫々照
射し、該参照光の反射光と該測定光の反射光とを該干渉
系で干渉させ、得られた干渉光を検出して該被測定物の
表面の微小変位を測定する変位測定装置において、該参
照光と該測定光の何れか一方或いは両方に該位相変調器
を介して時分割の位相変調を加える変調電圧作成手段
と、該干渉光を時分割にてフリンジ計測するための処理
・計測手段とを備えていることを特徴とする変位測定装
置。 - 【請求項５】 前記変調電圧作成手段が少なくともＤＡ
コンバータ，アナログスイッチ，発振器から構成されて
おり、前記処理・計測手段が少なくとも該発振器に同期
して作動する複数のサンプル・ホールド回路とアップダ
ウンカウンタから構成されていることを特徴とする請求
項４に記載の変位測定装置。 - 【請求項６】 前記位相変調が、（ｍπ）ｒａｄと（π
／２）×（２ｎ＋１）ｒａｄの時分割位相変化を付加す
るための位相変調であることを特徴とする請求項４に記
載の変位測定装置。但し、ｍ及びｎは整数。 - 【請求項７】 前記位相変調が、 の時分割位相変化を付加するための位相変調であること
を特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。但し、ｍ
は整数。ａは４以上の２のべき乗値。 - 【請求項８】 前記光導波路型干渉系を、ニオブ酸リウ
チム（LiNbO3）結晶基板又はタンタル酸リウチム（LiTa
O3）結晶基板で構成したことを特徴とする請求項４乃至
７の何れかに記載の変位測定装置。 - 【請求項９】 前記光導波路型干渉系における光導波路
を、プロトン交換光導波路で構成したことを特徴とする
請求項４乃至８の何れかに記載の変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2445194A JPH07229713A (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 変位測定方法及びそれを用いた変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2445194A JPH07229713A (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 変位測定方法及びそれを用いた変位測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07229713A true JPH07229713A (ja) | 1995-08-29 |
Family
ID=12138529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2445194A Pending JPH07229713A (ja) | 1994-02-22 | 1994-02-22 | 変位測定方法及びそれを用いた変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07229713A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018009896A (ja) * | 2016-07-14 | 2018-01-18 | 白山工業株式会社 | 光ファイバセンサ |
| KR101866691B1 (ko) * | 2017-04-20 | 2018-06-12 | 한국과학기술원 | 펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템 |
| JP2018521319A (ja) * | 2015-06-30 | 2018-08-02 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | 位置測定システム及びリソグラフィ装置 |
-
1994
- 1994-02-22 JP JP2445194A patent/JPH07229713A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018521319A (ja) * | 2015-06-30 | 2018-08-02 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | 位置測定システム及びリソグラフィ装置 |
| US10331045B2 (en) | 2015-06-30 | 2019-06-25 | Asml Netherlands B.V. | Position measurement system and lithographic apparatus |
| JP2018009896A (ja) * | 2016-07-14 | 2018-01-18 | 白山工業株式会社 | 光ファイバセンサ |
| KR101866691B1 (ko) * | 2017-04-20 | 2018-06-12 | 한국과학기술원 | 펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템 |
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