JPH0749922B2 - 光計測装置 - Google Patents
光計測装置Info
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- JPH0749922B2 JPH0749922B2 JP19592487A JP19592487A JPH0749922B2 JP H0749922 B2 JPH0749922 B2 JP H0749922B2 JP 19592487 A JP19592487 A JP 19592487A JP 19592487 A JP19592487 A JP 19592487A JP H0749922 B2 JPH0749922 B2 JP H0749922B2
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- Japan
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- lens
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- beam splitter
- reflected light
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光計測装置に関するものであり、特にレーザ光
を利用して、物体までの距離や変位、表面形状及び振動
振幅を計測する光計測装置及びその計測方法に関するも
のである。
を利用して、物体までの距離や変位、表面形状及び振動
振幅を計測する光計測装置及びその計測方法に関するも
のである。
従来の技術 従来、レーザ光のコヒーレンス特性を利用して、物体の
距離や形状を高精度にかつ非接触で計測する光計測装置
として、ヘテロダイン干渉法が用いられている。第４図
は、このような従来の外部変調器を用いたヘテロダイン
干渉計測装置の構成を示すものである。
距離や形状を高精度にかつ非接触で計測する光計測装置
として、ヘテロダイン干渉法が用いられている。第４図
は、このような従来の外部変調器を用いたヘテロダイン
干渉計測装置の構成を示すものである。
第４図において、１はレーザであり、41は光音響変調
器、３はビームスプリッタ、４は反射ミラー、5,5′は
レンズ、６は光検出器、７は被計測物体、９は変調用周
波数発振器、42は位相シフター、10はアンプ、12,12′
は位相検波器、13,13′はＡ−Ｄ変換器、14は信号処理
用コンピュータ、43は表示器である。
器、３はビームスプリッタ、４は反射ミラー、5,5′は
レンズ、６は光検出器、７は被計測物体、９は変調用周
波数発振器、42は位相シフター、10はアンプ、12,12′
は位相検波器、13,13′はＡ−Ｄ変換器、14は信号処理
用コンピュータ、43は表示器である。
次に、上記した従来のヘテロダイン干渉法の動作を説明
する。レーザ１は固定した周波数０のレーザ光を発振
し、変調周波数ｍをもつ光音響変調器41を通過するこ
とによってレーザ光は０及び＝０＋ｍの２つの
レーザ光に分離する。周波数０のレーザ光はレンズ５
を通り、被計測物体７に照射される。被計測物体７から
の反射光はレンズ５で平行光となり、ビームスプリッタ
３で一部反射されて、に周波数変移し反射ミラー４で
反射されたレーザ光と重畳され、レンズ５′を通って光
検出器６上に集光される。光検出器６では、周波数０
との光波により２つの差周波数ｍのビート信号が発
生し、この成分はアンプ10で増幅され、位相検波器12,1
2′に入力される。一方、位相検波器12には、参照信号
として変調用周波数発振器９からの周波数ｍの成分
が、12′には位相シフトー42で90゜位相が進むかまたは
遅れた成分が夫々入力される。これによって、次式に表
わすように、位相検波器12からはビート信号のsin成分I
sが、12′からはcos成分Icが取出される。
する。レーザ１は固定した周波数０のレーザ光を発振
し、変調周波数ｍをもつ光音響変調器41を通過するこ
とによってレーザ光は０及び＝０＋ｍの２つの
レーザ光に分離する。周波数０のレーザ光はレンズ５
を通り、被計測物体７に照射される。被計測物体７から
の反射光はレンズ５で平行光となり、ビームスプリッタ
３で一部反射されて、に周波数変移し反射ミラー４で
反射されたレーザ光と重畳され、レンズ５′を通って光
検出器６上に集光される。光検出器６では、周波数０
との光波により２つの差周波数ｍのビート信号が発
生し、この成分はアンプ10で増幅され、位相検波器12,1
2′に入力される。一方、位相検波器12には、参照信号
として変調用周波数発振器９からの周波数ｍの成分
が、12′には位相シフトー42で90゜位相が進むかまたは
遅れた成分が夫々入力される。これによって、次式に表
わすように、位相検波器12からはビート信号のsin成分I
sが、12′からはcos成分Icが取出される。
Is＝Assinφ （１） Ic＝Accosφ （２） ここで、As,Acは各成分の振幅、φはビート信号の位相
で次式で与えられる。
で次式で与えられる。
φ＝４πΔl/λ０ （３） （３）式において、λ０はレーザ光の波長（λ０＝c/
0,cは光速）、Δｌは被計測物体７の光路長ｌと参照光
路長l0の差である Δｌ＝ｌ−l0 （４） 位相検波器12,12′からの出力IsとIcをＡ−Ｄ変換器13,
13′を通してデジタル化し、信号処理用コンピュータ13
に入力して両者の比をとることにより、次式の関係から
位相φを求めることができる。
0,cは光速）、Δｌは被計測物体７の光路長ｌと参照光
路長l0の差である Δｌ＝ｌ−l0 （４） 位相検波器12,12′からの出力IsとIcをＡ−Ｄ変換器13,
13′を通してデジタル化し、信号処理用コンピュータ13
に入力して両者の比をとることにより、次式の関係から
位相φを求めることができる。
φ＝tan-1（AcIs/AsIc） （５） 従って、（３），（４）式より被計測物体の距離ｌが求
められ表示器43に表示される。
められ表示器43に表示される。
このようにIsとIcの比を求める方法は、他の計測方法に
比べて、物体表面の反射率などの変化によりビート信号
の振幅As,Acが変動してもφの値、すなわち距離ｌが高
精度で求められることが特長である。
比べて、物体表面の反射率などの変化によりビート信号
の振幅As,Acが変動してもφの値、すなわち距離ｌが高
精度で求められることが特長である。
発明が解決しようとする問題点 以上述べたような従来のヘテロダイン干渉計測装置の構
成では、ビート信号の位相φが振幅と独立に求められる
ものではあるが、光音響変調器や位相シフターが必要で
あり、装置構成が複雑となり、また周波数の安定なHe−
Neなどのガスレーザが必要となり、全体として大型の装
置構成になるという問題があった。
成では、ビート信号の位相φが振幅と独立に求められる
ものではあるが、光音響変調器や位相シフターが必要で
あり、装置構成が複雑となり、また周波数の安定なHe−
Neなどのガスレーザが必要となり、全体として大型の装
置構成になるという問題があった。
本発明はこのような問題点を解決するもので、小型のレ
ーザを用いかつ簡易な装置構成で、距離や物体形状を測
定する新規のヘテロダイン光計測装置を提供することを
目的とするものである。
ーザを用いかつ簡易な装置構成で、距離や物体形状を測
定する新規のヘテロダイン光計測装置を提供することを
目的とするものである。
問題点を解決するための手段 この問題点を解決するために本発明の光計測装置は、半
導体レーザ、前記半導体レーザの出力をFM変調する変調
用RF発振器、変調されたレーザ光を平行ビームとする第
１のレンズ、前記平行ビームを通過させ戻り光を遮断す
るアイソレータ、前記アイソレータからの光を分割する
ビームスプリッタ、前記ビームスプリッタを通った光を
被測定物体上に焦光しその反射光を平行ビームとする第
２のレンズ、前記ビームスプリッタからの反射光を反射
して参照光とする反射ミラー、前記ビームスプリッタを
通して重畳された反射光と参照光を集光する第３のレン
ズ、前記第３のレンズからの集光を受けそのビート信号
を発生する光検出器、増幅器を介して前記光検出器に接
続された一対の位相検波器、前記変調用RF発振器からの
信号の２次及び３次の高調波信号を発生し前記一対の位
相検波器に夫々印加する２次及び３次高調波発生器、前
記位相検波器からの検波出力を夫々デジタル変換する一
対のＡ−Ｄ変換器、及び前記一対のＡ−Ｄ変換器からの
デジタル信号を処理する処理手段より成ることを特徴と
するものである。
導体レーザ、前記半導体レーザの出力をFM変調する変調
用RF発振器、変調されたレーザ光を平行ビームとする第
１のレンズ、前記平行ビームを通過させ戻り光を遮断す
るアイソレータ、前記アイソレータからの光を分割する
ビームスプリッタ、前記ビームスプリッタを通った光を
被測定物体上に焦光しその反射光を平行ビームとする第
２のレンズ、前記ビームスプリッタからの反射光を反射
して参照光とする反射ミラー、前記ビームスプリッタを
通して重畳された反射光と参照光を集光する第３のレン
ズ、前記第３のレンズからの集光を受けそのビート信号
を発生する光検出器、増幅器を介して前記光検出器に接
続された一対の位相検波器、前記変調用RF発振器からの
信号の２次及び３次の高調波信号を発生し前記一対の位
相検波器に夫々印加する２次及び３次高調波発生器、前
記位相検波器からの検波出力を夫々デジタル変換する一
対のＡ−Ｄ変換器、及び前記一対のＡ−Ｄ変換器からの
デジタル信号を処理する処理手段より成ることを特徴と
するものである。
作用 以上の構成により、半導体レーザのFM変調を利用する本
発明の装置は、従来の装置に比べ極めて構成が簡略化さ
れ、かつ小型化が実現されることとなる。
発明の装置は、従来の装置に比べ極めて構成が簡略化さ
れ、かつ小型化が実現されることとなる。
すなわち、本発明の光計測装置は、光源に小型の半導体
レーザを用い、駆動電流の変化により直接的に高調波で
周波数変調を加えることにより、ビート波に前述の
（１），（２）式と同様のsin成分及びcos成分を発生さ
せるものである。以下に、第３図を参照して、この計測
原理について説明する。
レーザを用い、駆動電流の変化により直接的に高調波で
周波数変調を加えることにより、ビート波に前述の
（１），（２）式と同様のsin成分及びcos成分を発生さ
せるものである。以下に、第３図を参照して、この計測
原理について説明する。
第３図は、本発明の光計測装置の動作原理を示す基本構
成図である。第３図において、第４図に示した構成と同
じものは同じ符号をつけている。半導体レーザ１を励起
するために、直流電源８から直流電流を加え、同時に変
調用RF発振器９からの周波数ｍの高周波電流が重畳さ
れる。この時半導体レーザ１の発振周波数は周波数変調
が加えられ次式で表わされる。
成図である。第３図において、第４図に示した構成と同
じものは同じ符号をつけている。半導体レーザ１を励起
するために、直流電源８から直流電流を加え、同時に変
調用RF発振器９からの周波数ｍの高周波電流が重畳さ
れる。この時半導体レーザ１の発振周波数は周波数変調
が加えられ次式で表わされる。
＝０＋Δsin2πmt （６） ここで、ΔはFM振幅、０は中心周波数である。この
レーザ出力光をビームスプリッタ３で分割し、反射光は
反射ミラー４で反射され、参照光となる。一方、透過光
は被測定物体７上にレンズ５で集光される。その反射光
はレンズ５とビームスプリッタ３を通り、参照光と重畳
されて光検出器６に入射する。光検出器６では、両者の
光による、次式で表わされるビート信号電流が発生す
る。
レーザ出力光をビームスプリッタ３で分割し、反射光は
反射ミラー４で反射され、参照光となる。一方、透過光
は被測定物体７上にレンズ５で集光される。その反射光
はレンズ５とビームスプリッタ３を通り、参照光と重畳
されて光検出器６に入射する。光検出器６では、両者の
光による、次式で表わされるビート信号電流が発生す
る。
Ｉ＝I0cos｛４πΔｌ（０＋Δsin2πmt）/c｝
（７） ここでI0は電流振幅である。
（７） ここでI0は電流振幅である。
（７）式をフーリエ変換すると、変調周波数ｍの高調
波成分の和として表わされ、その偶数次及び奇数次成分
の電流は夫々次式で表わされる。
波成分の和として表わされ、その偶数次及び奇数次成分
の電流は夫々次式で表わされる。
I2n＝a2ncos（４π０Δl/c）・cos（4nπmt）
（８） I2n+1 ＝a2n+1sin(４π０Δl/c)・sin｛(2n＋１)２πmt｝
（９） ここで、a2n,a2n+1は定数、ｎは整数である。
（８） I2n+1 ＝a2n+1sin(４π０Δl/c)・sin｛(2n＋１)２πmt｝
（９） ここで、a2n,a2n+1は定数、ｎは整数である。
前述の（３）式及び上記（８），（９）式から、偶数次
（異相）及び奇数次（同相）高調波の振幅A2n,A2n+1は
夫々次のようになる。
（異相）及び奇数次（同相）高調波の振幅A2n,A2n+1は
夫々次のようになる。
A2n＝a2ncosφ （10） A2n+1＝a2n+1sinφ （11） この検出器出力をスペクトル分析器31に入れて高調波の
振幅を求め、次の関係式から位相φが求まる。
振幅を求め、次の関係式から位相φが求まる。
φ＝tan-1｛A2n+1・a2n/A2n・a2n+1 （12） これにより、前述の従来例の場合と同様に、（３），
（４）式から被計測物体７までの距離ｌを求めることが
できる。
（４）式から被計測物体７までの距離ｌを求めることが
できる。
なお、本発明の計測装置では、上記構成のスペクトル分
析器31を用いないで、簡易に、かつ自動的に実時間の計
測を可能としている。
析器31を用いないで、簡易に、かつ自動的に実時間の計
測を可能としている。
実施例 以下、本発明の光計測装置の実施例を、図面を参照して
説明する。
説明する。
第１図は本発明の一実施例による光計測装置の構成を示
すもので、第３図，第４図に示した構成と同様のものに
は同じ符号をつけてある。なお、２は戻り光遮断のため
のアイソレータ、11,11′は２次及び３次の高調波発生
器である。
すもので、第３図，第４図に示した構成と同様のものに
は同じ符号をつけてある。なお、２は戻り光遮断のため
のアイソレータ、11,11′は２次及び３次の高調波発生
器である。
次に動作について説明する。まず、半導体レーザ１の駆
動のため、直流電源８から電流を印加し、同時に変調用
RF発振器９からの周波数ｍの電流を重畳して、レーザ
出力にFM変調を加える。レーザ光はレンズ５で平行ビー
ムとなり、アイソレータ２とビームスプリッタ３を通
り、レンズ５′で焦光されて被計測物体７の表面に照射
される。レーザ光の一部はビームスプリッタ３で分割さ
れ、反射ミラー４で反射され参照光となる。被計測物体
７の反射光、または粗面物体の場合には散乱光は、レン
ズ５′で平行となり、ビームスプリッタ３を通り、参照
光と重畳されレンズ５″により光検出器６上に集光され
る。なお、アイソレータ２により半導体レーザ１側への
戻り光は遮断されている。光検出器６で発生したビート
信号は増幅器10で増幅され、位相検波器12,12′に入
る。一方、位相検波器12には周波数２ｍの参照信号
が、12′には周波数３ｍの参照信号が夫々加えられて
いるため、12の出力からは上記（10）式のA2成分が、1
2′の出力からは（11）式のA3成分が取出される。これ
らの出力をＡ−Ｄ変換器13,13′でデジタル化して信号
処理用コンピュータ14に入れて処理を行ない、前述の
（12）式の関係から位相φが求められる。この位相φの
値及び既知の０とl0の値より距離ｌが決定される。
動のため、直流電源８から電流を印加し、同時に変調用
RF発振器９からの周波数ｍの電流を重畳して、レーザ
出力にFM変調を加える。レーザ光はレンズ５で平行ビー
ムとなり、アイソレータ２とビームスプリッタ３を通
り、レンズ５′で焦光されて被計測物体７の表面に照射
される。レーザ光の一部はビームスプリッタ３で分割さ
れ、反射ミラー４で反射され参照光となる。被計測物体
７の反射光、または粗面物体の場合には散乱光は、レン
ズ５′で平行となり、ビームスプリッタ３を通り、参照
光と重畳されレンズ５″により光検出器６上に集光され
る。なお、アイソレータ２により半導体レーザ１側への
戻り光は遮断されている。光検出器６で発生したビート
信号は増幅器10で増幅され、位相検波器12,12′に入
る。一方、位相検波器12には周波数２ｍの参照信号
が、12′には周波数３ｍの参照信号が夫々加えられて
いるため、12の出力からは上記（10）式のA2成分が、1
2′の出力からは（11）式のA3成分が取出される。これ
らの出力をＡ−Ｄ変換器13,13′でデジタル化して信号
処理用コンピュータ14に入れて処理を行ない、前述の
（12）式の関係から位相φが求められる。この位相φの
値及び既知の０とl0の値より距離ｌが決定される。
本計測装置では、たとえば波長λ０＝800nmの半導体レ
ーザを用いた場合、粗面物体に対してもビート信号の成
分A2,A3が高い信号対雑音比で求められるため、たとえ
ば一例として、位相検波器での位相検波誤差Δφ＝1/10
0〔rad〕では距離測定精度として約0.7nmと極めて高精
度の特性が得られる。
ーザを用いた場合、粗面物体に対してもビート信号の成
分A2,A3が高い信号対雑音比で求められるため、たとえ
ば一例として、位相検波器での位相検波誤差Δφ＝1/10
0〔rad〕では距離測定精度として約0.7nmと極めて高精
度の特性が得られる。
また、半導体レーザは一般に変調周波数ｍは数100MHz
と速い応答が可能である。このため、ｍの値をこれら
の高周波領域に設定することにより、距離変化がほぼ
ｍに近い周波数まで測定可能となり、極めて高速で移動
する物体の距離や振動変位の計測が可能となる。
と速い応答が可能である。このため、ｍの値をこれら
の高周波領域に設定することにより、距離変化がほぼ
ｍに近い周波数まで測定可能となり、極めて高速で移動
する物体の距離や振動変位の計測が可能となる。
第２図は本発明の光計測装置の他の実施例で、被測定物
体７の表面形状を測定する場合の構成図を示す。15は物
体７をＸ及びＹ軸方向に移動させるための駆動装置であ
り、その移動量を変換器16でデジタル化してコンピュー
タ14に入力する。これらの値と、上記の方法で測定した
Ｚ方向の距離とにより、物体７の表面の微細な凹凸形状
や平面度などの３次元分布を求めることができる。
体７の表面形状を測定する場合の構成図を示す。15は物
体７をＸ及びＹ軸方向に移動させるための駆動装置であ
り、その移動量を変換器16でデジタル化してコンピュー
タ14に入力する。これらの値と、上記の方法で測定した
Ｚ方向の距離とにより、物体７の表面の微細な凹凸形状
や平面度などの３次元分布を求めることができる。
発明の効果 以上のように本発明によれば、従来のように光音響変調
器や位相シフターを用いることなく、さらにスペクトル
分析器を用いることなく、ヘテロダイン干渉計測装置が
実現できるため、極めて小型で簡易な装置構成となる。
また、半導体レーザの変調周波数を高周波に設定するこ
とにより、距離や振動変位を高周波で極めて高速に計測
することが可能となるという効果も得られる。
器や位相シフターを用いることなく、さらにスペクトル
分析器を用いることなく、ヘテロダイン干渉計測装置が
実現できるため、極めて小型で簡易な装置構成となる。
また、半導体レーザの変調周波数を高周波に設定するこ
とにより、距離や振動変位を高周波で極めて高速に計測
することが可能となるという効果も得られる。
第１図は本発明の一実施例による光計測装置の構成を示
す図、第２図は本発明の光計測装置を物体表面形状の測
定に応用した他の実施例の構成を示す図、第３図は本発
明の光計測装置の動作原理を説明するための構成図、第
４図は従来の光音響変調器を用いたヘテロダイン干渉計
測装置の構成を示す図である。 １……半導体レーザ、２……アイソレータ、３……ビー
ムスプリッタ、４……反射ミラー、5,5′,5″……レン
ズ、６……光検出器、７……被計測物体、８……直流電
源、９……変調用RF発振器、10……増幅器、11,11′…
…高調波発生器、12,12′……位相検出器、13,13′……
Ａ−Ｄ変換器、14……信号処理手段、15……駆動装置、
16……変換器、31……スペクトル分析器、41……光音響
変換器、42……位相シフター、43……表示器。
す図、第２図は本発明の光計測装置を物体表面形状の測
定に応用した他の実施例の構成を示す図、第３図は本発
明の光計測装置の動作原理を説明するための構成図、第
４図は従来の光音響変調器を用いたヘテロダイン干渉計
測装置の構成を示す図である。 １……半導体レーザ、２……アイソレータ、３……ビー
ムスプリッタ、４……反射ミラー、5,5′,5″……レン
ズ、６……光検出器、７……被計測物体、８……直流電
源、９……変調用RF発振器、10……増幅器、11,11′…
…高調波発生器、12,12′……位相検出器、13,13′……
Ａ−Ｄ変換器、14……信号処理手段、15……駆動装置、
16……変換器、31……スペクトル分析器、41……光音響
変換器、42……位相シフター、43……表示器。
Claims (2)
- 【請求項１】半導体レーザ、該半導体レーザの出力をFM
変調する変調用RF発振器、変調されたレーザ光を平行ビ
ームとする第１のレンズ、平行ビームを通過させ戻り光
を遮断するアイソレータ、該アイソレータからの光を分
割するビームスプリッタ、該ビームスプリッタを通過し
た光を被計測物体上に焦光しその反射光を平行ビームと
する第２のレンズ、該ビームスプリッタからの反射光を
反射する反射ミラー、該ビームスプリッタを通過して重
畳された該被計測物体からの反射光と該反射ミラーから
の参照光を集光する第３のレンズ、該第３のレンズから
の集光を受け反射光と参照光のビート信号を発生する光
検出器、増幅器を介して該光検出器に接続された一対の
位相検波器、該変調用RF発振器の信号の２次及び３次の
高調波信号を発生し夫々該位相検波器に印加する２次及
び３次高調波発生器、該位相検波器の検波出力をデジタ
ル変換する一対のＡ−Ｄ変換器、及び該Ａ−Ｄ変換器の
デジタル信号を処理する処理手段より成ることを特徴と
する光計測装置。 - 【請求項２】被計測物体をＸ軸及びＹ軸方向に移動させ
る駆動装置及びその移動量をデジタル信号に変換して該
処理手段に印加する変換器を具備し、該Ａ−Ｄ変換器か
らのＺ軸方向の距離信号と合わせて処理して該被計測物
体の表面形状を測定することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の光計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19592487A JPH0749922B2 (ja) | 1987-08-05 | 1987-08-05 | 光計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19592487A JPH0749922B2 (ja) | 1987-08-05 | 1987-08-05 | 光計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6439505A JPS6439505A (en) | 1989-02-09 |
| JPH0749922B2 true JPH0749922B2 (ja) | 1995-05-31 |
Family
ID=16349246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19592487A Expired - Lifetime JPH0749922B2 (ja) | 1987-08-05 | 1987-08-05 | 光計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0749922B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4501000B2 (ja) * | 2004-10-01 | 2010-07-14 | 国立大学法人 新潟大学 | レーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置 |
| EP2045572B1 (de) * | 2007-10-04 | 2012-03-14 | Attocube Systems AG | Vorrichtung zur Positionserfassung |
| JP4856051B2 (ja) * | 2007-12-03 | 2012-01-18 | 日本電信電話株式会社 | 成分濃度測定装置 |
| JP5433846B2 (ja) * | 2008-04-07 | 2014-03-05 | 株式会社ミツトヨ | レーザ干渉測長装置及びレーザ干渉測長方法 |
| JP5582990B2 (ja) * | 2010-12-08 | 2014-09-03 | キヤノン株式会社 | 測定装置 |
| EP2806246B1 (en) * | 2013-05-24 | 2019-11-20 | Attocube Systems AG | Dual laser interferometer |
-
1987
- 1987-08-05 JP JP19592487A patent/JPH0749922B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6439505A (en) | 1989-02-09 |
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