JPH09113217A - 光ヘテロダイン式変位量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 基準時間間隔より細かい位相を検出する手段
と取り扱い容易な小型のプローブを提供し、参照信号の
周波数を上げ、被測定物体の変位の高精度測定を可能に
し、微小振幅で高振動数で変動する物体の運動を解析す
る。 【解決手段】 参照光と測定光の両ビート信号のゼロク
ロス点の時刻を求めて電気的にメモリに蓄積し、蓄積さ
れたゼロクロス時刻に基づいて変位量を測定する。この
とき、水晶発振子のクロック周波数の時間間隔に基づい
てサンプリング信号を発生し、サンプリング信号発生時
におけるビート信号強度に対応した比例配分によりゼロ
クロス時点を決めることが好ましい。光干渉計部とプロ
ーブを偏波保持光ファイバーとマルチモード光ファイバ
ーで連結し、プローブと電気信号処理部分とをマルチモ
ード光ファイバーで連結して、プローブ部を小型にし離
隔して設置できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物体の変位
を非接触で高精度に測定する変位量測定装置に係り、特
に微小振幅で高振動数で変動する物体の運動を解析する
ことができる光ヘテロダイン検波法を用いた変位量測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、精密研磨面の検査や物体の微少変
位の測定あるいは位置決めなどに必要な微少な距離を光
を用いて非接触で測定する装置が種々開発されてきた。
例えば、光波干渉法、フリンジスキャン法、三角測量
法、ホログラム干渉法、ドップラー速度計測法、スペッ
クル像移動計測法、光ヘテロダイン法などが知られてい
る。

【０００３】光波干渉法とホログラム干渉法は、被測定
面の変位や凹凸を反映した反射光と基準面で反射した光
を干渉させて、干渉像の変化から被測定物の変位量や移
動量を求めるものである。フリンジスキャン法は、被測
定物が光軸方向に微少移動することにより生ずる干渉縞
をカウントすることにより非測定物の動きを測定するも
のである。これらの方法は干渉による縞状の光量変化を
利用するから、光路長の変化が使用するレーザ光の半波
長以上の分解能を得ることは難しい。半波長以上の分解
能を得るためには、参照面を圧電材料、例えばＰＺＴな
ど、を使って振動させるなど特別の工夫が必要とされ
る。三角測量法は、照射光に対する被測定面の関係が変
化するために反射光の光軸が平行移動するのをＣＣＤな
どのリニアセンサあるいはポジションセンサで捉えて被
測定面の変位を得る方法で、ＣＣＤなどのピクセルの大
きさが測定精度を決める。ドップラー速度計測法は、被
測定物が移動すると反射光の周波数がドップラー効果に
より僅かにシフトすることに基づいて、周波数を測定し
て移動量を求めるものである。高速で変動する物体の計
測に用いられる。スペックル像移動計測法は、被測定面
にある程度の粗さがあるときにその表面からの反射光が
スペックルを形成し、その表面が移動するとスペックル
も変化することからスペックルの変化量より移動量を測
定するもので、表面が滑らかでない場合に有効な方法で
ある。

【０００４】光ヘテロダイン干渉法は、２つの偏光の間
に周波数偏移を与えて、両光波を干渉させたビート信号
で作る参照信号と、一方の偏光を被測定面に他方を基準
面に入射させ２つの反射光を干渉させたビート信号で作
る測定信号との間の位相のずれを求め、そのずれより被
測定面の変位量を求める方法である。光ヘテロダイン干
渉法による計測は扱う信号が低周波であり、かつ検出す
る位相差が距離と比例関係にあるという利点を有してい
ることから、特に極微少な変位量を測定するのに適して
いる。光ヘテロダイン法による変位量測定装置は普通、
２偏光の分岐・合波を行う光干渉計部と、ビート信号を
検出する系と、それらの信号の位相差を求める回路と、
その位相差に基づいて変位量を算出する信号処理回路と
からなる。この光干渉計部は光学的精度を確保するため
一体に形成される。また、従来の信号処理方法は、参照
信号の周波数をＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路
により逓倍し、その逓倍された周波数が作る基準時間間
隔を単位としてカウンタで計数することで位相差を計測
し結果を表示していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ヘテロダイン法による
変位量測定では、参照信号のビート周波数が高いほど被
測定物が高速で移動するのを検出でき、また参照信号を
逓倍して計数に用いる基準周波数が位相測定の分解能を
決めるが、従来のヘテロダイン法による変位量測定装置
は、参照信号を例えば６４倍など、逓倍した後の周波数
の信号が電子回路の処理可能周波数内でなければならな
いという条件から、参照信号のビート周波数もまた逓倍
数も十分大きくすることができず、測定精度に制約があ
った。また、干渉計として多数の光学的素子を必要とし
光学系配置の精度要求が高いためプローブの構造は大型
になり堅牢さを要し、被測定物や測定時の姿勢等に制約
があった。

【０００６】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたもので、基準時間間隔より細かい位相を検出する
手段を提供することにより、参照信号の周波数を上げて
高精度測定を可能にし、高速な変動を計測できるように
した変位量測定装置を提供する。また、光干渉計部を光
ファイバーを介在させることにより分割して被測定物に
対向するプローブ部分を小型に形成し、測定時の取り扱
いが容易な変位量測定装置を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の変位量測定装置は、参照光と測定光の両ビ
ート信号の位相差により微小変位量を測定する光ヘテロ
ダイン検出法において、参照光と測定光の両ビート信号
のゼロクロス点の時刻を求めて電気的にメモリに蓄積
し、蓄積されたゼロクロス時刻に基づいて変位量を測定
することを特徴とする。また、水晶発振子のクロック周
波数の時間間隔に基づいてサンプリング信号を発生し、
ビート信号光がゼロクロスした直前と直後のサンプリン
グ信号発生時におけるビート信号強度に対応した比例配
分によりゼロクロス時点を決めるようにすることが好ま
しい。なお、水晶発振子のクロック周波数の代わりに参
照光のビート周波数を基準にしてサンプリング信号を発
生するようにしてもよい。

【０００８】さらに、本発明の第２の変位量測定装置
は、光干渉計部とプローブを備え、光干渉計部とプロー
ブを偏波保持光ファイバーとマルチモード光ファイバー
で連結し、光干渉計部の出射光を偏波保持光ファイバー
を介してプローブに伝達して被測定物へ出射し、被測定
物からの反射光をプローブを介してマルチモード光ファ
イバーに導き、マルチモード光ファイバーからの出射光
と干渉部内部で作られた基準光とを干渉させて測定光と
することを特徴とする。

【０００９】また、本発明の変位量測定装置は、参照光
と測定光の両ビート信号の位相差により微小変位量を測
定する光ヘテロダイン検出法を用いる装置であって、レ
ーザ発振器と、偏光ビームスプリッターと、所定の変調
周波数で変調される少なくとも１個の音響光学素子と、
２本の偏波保持光ファイバーと、１／４波長板を備え、
レーザ発振器からの出射光を偏光ビームスプリッターで
Ｐ波とＳ波に分割した後、少なくともいずれかの光波を
音響光学素子を透過させてＰ波とＳ波が相対的に異なる
光周波数を有するようにし、各々偏波保持光ファイバー
に入射させ、該偏波保持光ファイバーから出射するＰ波
を分割し一方を１／４波長板透過後、被測定面に照射さ
せて反射してくる反射光を１／４波長板を透過させ、こ
の光波を偏波保持光ファイバーから出射するＳ波と干渉
させ測定信号を得る一方、反射光でないＰ波とＳ波を干
渉させ参照信号を得ることを特徴とするものであってよ
い。さらに、参照信号と測定信号を独立に一定周期の信
号でデジタル評価し、各々の位相を求め、その位相をメ
モリに独立に蓄積した後、位相差を求めて変位量を算出
する信号処理回路を備えることが好ましい。また、参照
信号と測定信号を独立に一定周期の信号でデジタル評価
し、各々の位相を求めて後、位相差を算出してその位相
差をメモリに蓄積した後、変位量を算出する信号処理回
路であってもよい。

【００１０】本発明の変位量測定装置によれば、参照光
と測定光の両ビート信号のゼロクロス点の時刻を求めて
電気的にメモリに蓄積し、蓄積されたゼロクロス時刻に
基づいて変位量を測定するため、計時の分解能はパルス
間隔に関わらず原理的には無限小になり、またパルスを
カウントする必要が無くビート信号の周波数を高くする
ことできるから、従来法が信号周期を参照光と連動した
所定時間間隔のパルス数で評価するのと比較して、高い
精度と高速な変動検出性能を有するものとなる。また、
水晶発振子のクロック周波数の時間間隔に基づいてサン
プリング信号を発生し、ビート信号光がゼロクロスした
直前と直後のサンプリング信号発生時におけるビート信
号強度に対応した比例配分によりゼロクロス時点を決め
るようにすることにより、ビート信号の周波数と独立し
た安定な周期信号を用いて、極めて少ない情報から簡単
な演算で変位量を算出することができ、記憶容量と演算
能力を節約することができる。なお、水晶発振子のクロ
ック周波数の代わりに参照光のビート周波数を基準にし
てサンプリング信号を発生するようにすれば、従来装置
に用いられていた要素を活用して装置を組み上げること
ができる利点がある。

【００１１】さらに、光干渉計部とプローブを偏波保持
光ファイバーとマルチモード光ファイバーで連結したこ
とを特徴とする変位量測定装置は、プローブ部分には僅
かな光学系のみが搭載されており、また光ファイバーが
柔軟であるため、プローブが極めて小型に形成され、ま
た光干渉計部から離隔して自由な位置・姿勢で設置する
ことができ利便性が向上する。また、２本の偏波保持光
ファイバーを備え、レーザ発振器からの出射光をＰ波と
Ｓ波に分割して相対的に異なる光周波数を有するように
した後、各々偏波保持光ファイバーに入射させ、該偏波
保持光ファイバーから出射するＰ波とＳ波をプローブ部
で処理して測定光と参照光を得るようにしたものは、被
測定物に対向して設置するプローブ部で測定光と共に参
照光の生成をするようにしたため、干渉させる光同士の
光路の環境差が少なく、良質な信号を得ることができ
る。また、測定光と参照光をそれぞれマルチモード光フ
ァイバーで遠隔の光検出器に伝達するようにすれば、プ
ローブ部の構造はさらに簡単になり重量も小さくなるば
かりか、信号が環境中の電磁ノイズに影響を受けにくく
なる。さらに、参照信号と測定信号を独立に一定周期の
信号でデジタル評価し、各々の位相を求め、その位相を
メモリに独立に蓄積した後、位相差を求めて変位量を算
出する信号処理回路は記憶容量も演算能力も高度なもの
である必要が無く、装置全体を経済的に構成することが
できる。また、参照信号と測定信号を独立に一定周期の
信号でデジタル評価し、各々の位相を求めて後、位相差
を算出してその位相差をメモリに蓄積した後、変位量を
算出する信号処理回路も、装置全体を経済的に構成する
ことに貢献する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の変位量測定装置は、参照
光と測定光の両ビート信号の位相差により微小変位量を
測定する光ヘテロダイン検出法を用いるもので、参照光
と測定光の両ビート信号のゼロクロス点の時刻を求めて
電気的にメモリに蓄積し、蓄積されたゼロクロス時刻に
基づいて変位量を測定する。このため、参照信号と測定
信号共に一定のサンプリング時間毎にアナログデジタル
変換してその値をメモリに収納し、その後メモリに記憶
された参照信号と測定信号の値からそれぞれのゼロクロ
ス点の時刻を補間して求め、両者の差から変位量を算出
するようにすることができる。また、参照信号と測定信
号共に一定のサンプリング時間毎にアナログデジタル変
換してその差をメモリに収納し、その後メモリに記憶さ
れた参照信号と測定信号の差から位相差を求め変位量を
算出することも可能である。また、光回路を分割してそ
の間を偏波保持光ファイバーあるいはマルチモード光フ
ァイバーで連絡するように構成することにより、被測定
物の近くに設置するプローブ部分の構成要素を少なく
し、軽量化と取り扱い容易性を向上させる。以下、実施
例について図面を参照して説明する。

【００１３】

【実施例１】図１は、本発明の変位量測定装置の第１実
施例を示すブロック図である。図中、１は測定対象とな
る被測定面、２は安定化ＮｅＨｅレーザ発振器、３は光
干渉計部、４はプローブ、５は増幅器、６はインジケー
タ、７は信号処理回路、８はディスプレーである。ま
た、１１はシングルモード光ファイバー、１２は偏波保
持光ファイバー、１３はマルチモード光ファイバーであ
る。安定化ＮｅＨｅレーザ発振器２から発射された光周
波数ｆ₀のコヒーレントなレーザ光は、シングルモード
光ファイバー１１内を伝搬して、光干渉計部３に入射す
る。光干渉計部３は、第１偏光ビームスプリッター２
１、第１音響光学変調器（ＡＯＭ）２２、第１無偏光ビ
ームスプリッター２３、第１反射鏡２４、第２音響光学
変調器２５、第２無偏光ビームスプリッター２６、第２
反射鏡２７、第３無偏光ビームスプリッター２８、偏光
板２９、第１光検出器３０、第３反射鏡３１、第４無偏
光ビームスプリッター３２、第２光検出器３３を備えて
いる。

【００１４】光干渉計部３に入射したレーザ光は第１偏
光ビームスプリッター２１で互いに直交するＰ波とＳ波
のふたつの偏波成分に分離される。第１偏光ビームスプ
リッター２１を直進するＰ波は微小な変調周波数ｆ₁の
周波数変調を施すように制御された第１音響光学変調器
２２を通過する間に周波数（ｆ₀＋ｆ₁）の偏光になる。
この偏光は第１無偏光ビームスプリッター２３で垂直方
向に屈折する成分と直進する成分に分離する。屈折成分
は第３無偏光ビームスプリッター２８に入射し、直進成
分は偏波保持光ファイバー１２に入射しプローブ４に伝
搬される。

【００１５】第１偏光ビームスプリッター２１で屈折し
たＳ波は第１反射鏡２４で反射して第１音響光学変調器
２２と平行に配設された第２音響光学変調器（ＡＯＭ）
２５を通過し周波数（ｆ₀＋ｆ₂）の偏光になって、第２
無偏光ビームスプリッター２６で反射して第２反射鏡２
７を経由して第３無偏光ビームスプリッター２８に進む
成分と直進して第３反射鏡３１に進みここで反射して第
４無偏光ビームスプリッター３２に入射する成分とに分
かれる。第３無偏光ビームスプリッター２８にそれぞれ
入射するＰ波とＳ波は偏光板２９を介して干渉すると、
両波の光路長差に基づいて決まる位相を有する周波数
（ｆ₁−ｆ₂）＝ｆ_Bのビート光となる。このビート光
は、第１光検出器３０に受光され、アバランシェフォト
ダイオード（ＡＰＤ）により電気信号に変換されて増幅
器５に供給される。

【００１６】第１無偏光ビームスプリッター２３で直進
して偏波保持光ファイバー１２に入射した周波数（ｆ₀
＋ｆ₁）のＰ波偏光成分は位相を保持したままプローブ
４に伝搬される。プローブ４は第２偏光ビームスプリッ
ター３４、１／４波長板３５、第４反射鏡３６を備えて
いる。プローブ４に入射したＰ波偏光成分は第２偏光ビ
ームスプリッター３４を直進し１／４波長板３５を透過
して円偏光光となり、被測定物１に投射されてそこで反
射し、一部がプローブ４に戻ってくる。光線はプローブ
４と被測定物１の間を往復する光線はその光路長に対応
するだけの位相変化を生ずる。プローブ４に戻ってきた
光は、再び１／４波長板３５を透過しＰ波に変換し、第
２偏光ビームスプリッター３４で垂直に屈折して第４反
射鏡３６で再度屈折し、マルチモード光ファイバー１３
に入射する。マルチモード光ファイバー１３は移相して
位相分布も緩んだ光の光量をできるだけ損なわないよう
にして測定光を光干渉計部３に伝搬する。プローブ４と
光干渉計部３の間は柔軟な光ファイバーを介して連結さ
れているため、プローブ４の取り付け位置や姿勢は自由
に選択することができる。また被測定物に対向するよう
に据えられる部分はプローブ４の部分だけであるから、
従来プローブ部分まで一体に形成されていた検出端と比
較すると格段に小型軽量で自由なプローブが得られ、取
り扱いも容易になる。

【００１７】マルチモード光ファイバー１３を経由して
戻ってきた測定光は第４無偏光ビームスプリッター３２
で、第３反射鏡３１で反射して入射する周波数（ｆ₀＋
ｆ₂）のＳ波成分と干渉して周波数ｆ_Bのビート光にな
る。第２光検出器３３はこのビート光を受光しアバラン
シェフォトダイオードにより電気信号に変換し測定信号
として増幅器５に供給する。測定信号は第１偏光ビーム
スプリッター２１で分割されて以来ふたつの偏光が辿っ
た光学的な光路差を反映する位相を有し、測定装置内の
固定的な光路以外にプローブ４と被測定面１間の往復光
路に係る情報が含まれる。しかし、測定信号自体を観測
しても基準位相が定まらないためこれら情報を取り出す
ことはできない。そこで、位相の基準とするため同じ周
波数を有する参照信号を用いて測定信号との位相差をと
ることにより、被測定面との距離変化を知ることを可能
とする。

【００１８】増幅器５は、参照信号と測定信号をそれぞ
れ十分な信号水準まで増幅し、信号処理回路７に供給す
ると共に、インジケータ６に表示して操作者が計測状態
を監視できるようにする。信号処理回路７は各信号の位
相検出と演算処理をして、位相差に基づき被測定面の変
位量を求めて、変位量を表示するＬＣＤ駆動出力、アナ
ログ出力、デジタル出力、プリンタ出力、ＧＰＩＢ適合
出力などとして出力する。ディスプレー８はＬＣＤ表示
器を備え、信号処理回路７で算出された被測定面の変位
量を操作者が容易に理解し判断できる形態で表示する。

【００１９】図２は、信号処理回路７の内部構成を詳細
に示すブロック図である。図中、７１はクロック信号発
生回路、７２はサンプリング信号発生回路、７３は第１
の位相検出回路、７４は第１のメモリ、７５は第２の位
相検出回路、７６は第２のメモリ、７７は位相差検出回
路、７８は変動量算出回路である。クロック信号発生回
路７１は水晶発振子の安定した振動に基づいてメモリな
ど各回路の動きを制御するクロック信号を発生する。サ
ンプリング信号発生回路７２はクロック信号を受けて加
工し、参照信号等のビート波形を適当数に分けてサンプ
リングできるような一定間隔のパルス信号列を発生す
る。このパルス信号列をサンプリング時間信号とする。

【００２０】第１位相検出回路７３は、増幅器５で増幅
された参照信号を取り込んで、サンプリング時間信号に
より決められたタイミングで参照信号をサンプリングし
てデジタル信号に変換し、第１メモリ７４に収納する。
第２位相検出回路７５は、増幅器５で増幅された測定信
号を取り込んで、サンプリング時間信号に従ったサンプ
リングをしてデジタル信号に変換し、第２メモリ７６に
収納する。位相差検出回路７７は、第１メモリ７４と第
２メモリ７６に格納された各値から信号がゼロクロスし
た時刻を算出して両者を比較することにより、参照信号
と測定信号の位相差を検出する。変動量算出回路７８
は、位相差検出回路７７が検出した位相差から被測定物
の変位量を算出して、変位量を表示するＬＣＤ駆動出力
など各種信号を出力する

【００２１】図３は、基準信号と測定信号の間の位相差
を求める方法について説明する図である。図中、上段の
波形は参照信号のもので、強度はビート周波数ｆ_Bで時
間的に変化し、時間変化の位相は干渉した２つの光の位
相差と同じである。また、下段の波形は被測定物が一定
速度で動く場合の測定信号である。参照信号は、時刻ｔ
₀を始点として１周期毎にｄｔ₀ずつ時間経過し、測定信
号は時刻ｔ₁を起点としてｄｔ₁ずつ増加する。両者の差
（ｄｔ₀−ｄｔ₁）が位相差Δψに相当し被測定物の変位
量ΔＬに比例する。

【００２２】すなわち、 Δψ＝２π（ｄｔ₀−ｄｔ₁）／ｄｔ₀ また、光がΔＬを往復することから波長をλとして、 Δψ＝４πΔＬ／λ となるから、 ΔＬ＝２π（ｄｔ₀−ｄｔ₁）／ｄｔ₀×λ／４π ＝（ｄｔ₀−ｄｔ₁）／ｄｔ₀×λ／２ で被測定物の変位量が求まる。従って両者のゼロクロス
点が正確に検出できれば、両者の位相差を簡単に求める
ことができて、被測定物の変位量も算出できる。

【００２３】従来は、このような測定は参照光の周波数
を基準にこれを逓倍したパルスを生成させて、ゼロクロ
スする間に存在するパルスを計数して求めるので、逓倍
数が分解能を左右していた。また、逓倍数が決まってい
る場合は、参照光の周波数を上げれば電気回路の処理速
度が不足することになるので、高速な変動をする被測定
物には適用することができなかった。本発明における位
相検出方法は、波形を一定時間毎にサンプリングしてデ
ジタル値に変換し、一旦メモリに収納してから記憶され
たデータに基づいて、補間法でゼロクロス点を算定す
る。このため、分解能がパルス間隔で規制されることが
なく検出精度が向上する。また、ビート周波数と計数パ
ルスを関連づけることがないので、必要に応じた周波数
偏移量を選択することができ、高速度で変動する対象の
測定も可能である。

【００２４】図４は、本発明における波形処理の方法を
説明する図面である。上段のグラフはビート信号であ
り、下段の波形はクロック信号から生成されるサンプリ
ング信号である。サンプリング信号の立ち上がり毎にビ
ート信号をサンプルしてアナログデジタル変換しメモリ
に収納する。図では１０番目のサンプリング時刻では負
の値であったものが、１１番目では正の値に変化した。
従ってサンプリング時刻１０と１１の間にゼロクロス点
があることが分かる。ここで、ビート信号は本来正弦波
であるが、サンプリング間隔ΔＳが小さいのでこの間を
直線近似して、ゼロクロス時刻を補間法により求める。

【００２５】図５は、ゼロクロス時刻を求める補間法に
ついて説明する図面である。図中、ゼロクロス時刻をＳ
₀とし、ゼロクロスする直前のサンプリング時刻をＳと
する。ゼロクロスした直後のサンプリング時刻はＳ＋Δ
Ｓとなる。サンプリング時刻Ｓにおける波形値をＡと
し、サンプリング時刻Ｓ＋ΔＳにおける波形値をＢとす
れば、ゼロクロス時刻をＳ₀は下の数式で表現できる。 Ｓ₀＝Ｓ＋（Ａ／（Ａ＋Ｂ））ΔＳ こうして求めた参照信号と測定信号のゼロクロス時刻Ｓ
₀から両者の位相差を求める。この方法では、ゼロクロ
スする前後のデータ以外は不必要であるから、メモリに
記憶するデータもゼロクロス付近のものに限っても良
い。そうすることは、記憶容量と演算能力の節約となる
ため、好ましい。なお、参照信号等は正弦波であって直
線近似が成立しうる範囲が大きいので、ゼロクロスを検
出するためのゼロのレベルは厳密に振幅の中央値である
必要はなく、処理回路は簡単なもので十分である。な
お、上記説明ではサンプリング信号を水晶発振子の周波
数に基づいて生成させるものとしたが、回路の節約のた
め従来と同じように参照信号の周波数を基準としてもよ
い。本発明の装置では、計時方法としてパルス間隔の補
間を用いるため、検出精度はサンプリングのタイミング
によらないからである。

【００２６】図６は、図２に示したと別の態様の信号処
理回路７の内部構成を詳細に示すブロック図である。図
６の信号処理回路が図２のものと違うところは、位相検
出回路でサンプルした波形を一旦メモリに記憶して、記
憶した値から位相差を検出する代わりに、位相検出する
と同時にその間の位相の差を検出して位相差自体ををメ
モリに記憶し、記憶した位相差から変動量を算出する点
である。図６中、８１は位相差検出回路、８２はメモリ
である。他の要素は図２と機能を等しくするので、同じ
参照番号を使用して説明を省略した。クロック信号発生
回路７１は各回路の動きを制御するクロック信号を発生
する。サンプリング信号発生回路７２はクロック信号か
ら、参照信号等のビート波形をサンプリングするサンプ
リング時間信号を発生する。第１位相検出回路７３は、
増幅器５から取り込む参照信号をサンプリングしてデジ
タル信号に変換し、第２位相検出回路７５は、測定信号
をサンプリングしてデジタル信号に変換する。位相差検
出回路８１はデジタル化された参照信号と測定信号の位
相差を検出してその結果をメモリ８２に収納する。変動
量算出回路７８は、メモリ８２から取得した位相差デー
タから被測定物の変位量を算出して、変位量を表示する
信号を出力する。この信号処理回路によれば、回路要素
が少なく、より経済的に測定装置を構成することができ
る。

【００２７】

【実施例２】図７は、本発明の変位量測定装置の第２の
実施例を示すブロック図である。第２実施例が第１実施
例と大きく違うところは、光干渉計部のうちコヒーレン
ト光を分割して周波数偏移を与える部分から後を物理的
に分離してプローブ部分に一体化し、かつ光検出器をプ
ローブ内に収めず増幅回路に付属させたところにある。
こうして、参照ビート光と測定ビート光を生成する部分
を一体とし、両者を可能な限り同じ環境下に置くことに
より環境の差により発生するノイズを抑制すると共に、
プローブ部分を軽量小型化して取り扱いをより容易にし
ようとしたものである。また、測定装置本体とプローブ
間の信号伝達を光に限ることは電磁的ノイズの影響を受
けにくくする効果もある。

【００２８】このため、第１実施例の光干渉計部３とプ
ローブ４は、本実施例では光回路９とプローブ１０に代
替されている。光回路９とプローブ１０の間は偏波保持
光ファイバー１４と１５で連絡されており、プローブ１
０と増幅回路５に付属する光検出器３０と３３の間はマ
ルチモード光ファイバー１６と１７で連絡されている。
従って第２実施例のプローブ１０は他の部分と分離して
いて、被測定物に対応して自由に位置や姿勢を選択する
ことが可能になる。また、プローブ内の光学系は多少複
雑になったが、光検出器を搭載しないため十分小型で軽
量なプローブとすることができる。なお、第１実施例の
光干渉計部３の一部とプローブ４とが一体化したため、
測定ビーム光を生成する光学回路が若干簡単化してい
る。第４無偏光ビームスプリッター３２の後ろに偏光板
５３を挿入して干渉が検出しやすくしてある。第２偏光
ビームスプリッター３４には第１の１／４波長板３５が
密着させられると共に第２の１／４波長板５１と反射板
５２が密着させられている。また、それぞれの光ファイ
バーの両端部分にはコリメートレンズ４１から４８が用
いられている。

【００２９】以下、第２実施例について図７を参照して
説明する。なお、図７では、図１と機能を等しくする部
分について同じ参照番号を使用して説明を省略した。安
定化ＮｅＨｅレーザ発振器２から発射された光周波数ｆ
₀のコヒーレントなレーザ光は光回路９に入射する。光
回路９に入射したレーザ光は第１偏光ビームスプリッタ
ー２１でＰ波とＳ波の偏波成分に分離される。第１偏光
ビームスプリッター２１を直進するＰ波は第１音響光学
変調器２２を通過する間に周波数（ｆ₀＋ｆ₁）の偏光に
なる。このＰ波偏光は集束レンズ４１で第２の偏波保持
光ファイバー１４のコアに集光されて、偏波方向を変え
ないようにしてプローブ１０に伝達される。第１偏光ビ
ームスプリッター２１で屈折したＳ波は第１反射鏡２４
で反射して第２音響光学変調器２５を通過し周波数（ｆ
₀＋ｆ₂）の偏光になって、集束レンズ４２で第３の偏波
保持光ファイバー１５のコアに集光されプローブ１０に
伝達される。第２偏波保持光ファイバー１４と第３偏波
保持光ファイバー１５は細くて柔軟なため、プローブ１
０の位置姿勢は光回路９に制約を受けない。

【００３０】プローブ１０に入射したＰ波とＳ波は、そ
れぞれコリメートレンズ４３と４４で平行光に戻され
る。周波数（ｆ₀＋ｆ₁）のＰ波は第１無偏光ビームスプ
リッター２３で垂直方向に屈折する成分と直進する成分
に分離し、屈折成分は第３無偏光ビームスプリッター２
８に入射し、直進成分は第２偏光ビームスプリッター３
４に入射する。周波数（ｆ₀＋ｆ₂）のＳ波は第２無偏光
ビームスプリッター２６で反射して第２反射鏡２７を経
由して第３無偏光ビームスプリッター２８に進む成分と
直進して第４無偏光ビームスプリッター３２に入射する
成分とに分かれる。第３無偏光ビームスプリッター２８
にそれぞれ入射するＰ波とＳ波は偏光板２９を介して干
渉し、両波の光路長差に基づいて決まる位相を有する周
波数ｆ_B＝（ｆ₁−ｆ₂）の参照用のビート光となる。こ
のビート光は、集束レンズ４５で集光され第２のマルチ
モード光ファイバー１６を伝搬して他端から放射され、
コリメートレンズ４７で平行光になって第１光検出器３
２に入射し、ここで光電変換して参照信号になる。

【００３１】第２偏光ビームスプリッター３４に入射し
た周波数（ｆ₀＋ｆ₁）のＰ波成分は、直進して第２偏光
ビームスプリッター３４に付設された第１の１／４波長
板３５を透過し、被測定物１に投射される。被測定物１
で反射してプローブ１０に戻ってきた光は、再び第１の
１／４波長板３５を透過し結局Ｓ波に変換し、第２偏光
ビームスプリッター３４で垂直に上方に屈折する。ここ
で屈折したＳ波は、第２偏光ビームスプリッター３４に
付設されている第２の１／４波長板５１を透過し、反射
板５２で反射して再度第２の１／４波長板５１を透過
し、再びＰ波になるため、今度は第２偏光ビームスプリ
ッター３４を下方に直進して第４無偏光ビームスプリッ
ター３２に入射する。第４無偏光ビームスプリッター３
２で、第２無偏光ビームスプリッター２６から入射する
周波数（ｆ₀＋ｆ₂）のＳ波と合波し、偏光板５３を透過
して、プローブ１０と被測定物１間の距離変化を含む光
路長差に基づく位相を有する周波数ｆ_Bの測定用のビー
ト光となる。この測定ビート光は、集束レンズ４６と第
３マルチモード光ファイバー１７とコリメートレンズ４
８を経由して第２光検出器３３に入射し、ここで光電変
換して測定信号になる。増幅器５以降の電気的な回路部
分は第１実施例におけるものと差はない。増幅器５は、
参照信号と測定信号を増幅し、信号処理回路７に供給す
る。信号処理回路７は各信号の位相検出と演算処理をし
て、位相差に基づき被測定面の変位量を求めて、変位量
出力信号を出力する。

【００３２】上で説明したとおり、プローブ１０と光回
路９とは第２偏波保持光ファイバー１４と第３偏波保持
光ファイバー１５を介して、プローブ１０と光検出器３
２、３３以降の電気回路とは第２マルチモード光ファイ
バー１６と第３マルチモード光ファイバー１７を介して
連結されている。このように、プローブ１０は測定装置
の他の部分と柔軟な光ファイバーで繋がっているだけな
ので、装置の他の部分からは遠くに離して自由な姿勢で
設置することができる。

【００３３】上記ふたつの実施例において、被測定面に
照射するコヒーレントな光ビームを１個の安定化レーザ
発振器の出力から分割して得ているが、信号処理上、適
当な基準ビート信号を仲介としているため、それぞれが
周波数の近い可干渉性を有するコヒーレントな光線であ
ればよく、同じ発振器からの光に限られるわけではな
い。また、レーザ光を分割したＰ波とＳ波の両方を周波
数偏移させているが、両波が干渉してビート信号を発生
するためには両者に僅かな光周波数差があればよいか
ら、いずれか一方だけを周波数偏移させるのであっても
良いことは勿論である。なお説明を容易にするため、光
回路を構成する光素子を具体的に配列しているが、本発
明は記載された配列例に限られず、本発明の構成を満た
す種々の変形が可能なことはいうまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の変位量測定
装置により、基準時間間隔に制約されないで、正確な位
相差を検出するため、参照信号の周波数を上げて高精度
測定を可能にし、高速な変動を計測できるようになっ
た。また、光干渉計部を光ファイバーを介在させること
により分割したため、被測定物に対向するプローブ部分
を小型・軽量に形成し、かつ検出装置本体から分離して
設置することが可能になり、測定時の取り扱いが容易に
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位量測定装置の第１実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の変位量測定装置に用いる信号処理回路
の内部構成を詳細に示すブロック図である。

【図３】本発明における基準信号と測定信号の間の位相
差を求める方法について説明する図である。

【図４】本発明における波形処理の方法を説明する図面
である。

【図５】本発明におけるゼロクロス時刻を求める補間法
について説明する図面である。

【図６】本発明に用いる別の態様の信号処理回路の内部
構成を詳細に示すブロック図である。

【図７】本発明の変位量測定装置の第２実施例を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】 １ 被測定面 ２ 安定化ＮｅＨｅレーザ発振器 ３ 光干渉計部 ４、１０ プローブ ５ 増幅器 ６ インジケータ ７ 信号処理回路 ８ ディスプレー ９ 光回路 １１ シングルモード光ファイバー １２、１４、１５ 偏波保持光ファイバー １３、１６、１７ マルチモード光ファイバー ２１、３４、 偏光ビームスプリッター ２２、２５ 音響光学変調器 ２３、２６、２８、３２ 無偏光ビームスプリッター ２４、２７、３１、３６ 反射鏡 ２９、５３ 偏光板 ３０、３３ 光検出器 ３５、５１ １／４波長板 ４１から４８ コリメートレンズ ５２ 反射板 ７１ クロック信号発生回路 ７２ サンプリング信号発生回路 ７３、７５ 位相検出回路 ７４、７６、８２ メモリ ７７、８１ 位相差検出回路 ７８ 変動量算出回路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 参照光と測定光の両ビート信号の位相差
   により微小変位量を測定する光ヘテロダイン検出法を用
   いる変位量検出装置において、 参照光と測定光の両ビート信号のゼロクロス点の時刻を
   求めて、電気的にメモリに蓄積して、蓄積されたゼロク
   ロス時刻に基づいて変位量を測定することを特徴とする
   変位量検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の変位量検出装置におい
   て、 水晶発振子のクロック周波数の時間間隔に基づいてサン
   プリング信号を発生し、 ビート信号光がゼロクロスした直前と直後のサンプリン
   グ信号発生時におけるビート信号強度に対応した比例配
   分によりゼロクロス時点を決める変位量検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の変位量検出装置におい
   て、 水晶発振子のクロック周波数の代わりに参照光のビート
   周波数を基準にしてサンプリング信号を発生する変位量
   検出装置。
4. 【請求項４】 参照光と測定光の両ビート信号の位相差
   により微小変位量を測定する光ヘテロダイン検出法を用
   いる変位量検出装置において、 光干渉計部とプローブを備え、 該光干渉計部とプローブを偏波保持光ファイバーとマル
   チモード光ファイバーで連結し、 該光干渉計部の出射光を偏波保持光ファイバーを介して
   プローブに伝達して被測定物へ出射し、 該被測定物からの反射光をプローブを介してマルチモー
   ド光ファイバーに導き、 該マルチモード光ファイバー
   からの出射光と干渉部内部で作られた基準光とを干渉さ
   せて測定光とする変位量検出装置。
5. 【請求項５】 参照光と測定光の両ビート信号の位相差
   により微小変位量を測定する光ヘテロダイン検出法を用
   いる変位量検出装置であって、 レーザ発振器と、偏光ビームスプリッターと、所定の変
   調周波数で変調される少なくとも１個の音響光学素子
   と、２本の偏波保持光ファイバーと、１／４波長板を備
   え、 レーザ発振器からの出射光を偏光ビームスプリッターで
   Ｐ波とＳ波に分割した後、少なくともいずれかの光波を
   音響光学素子を透過させてＰ波とＳ波が相対的に異なる
   光周波数を有するようにし、各々偏波保持光ファイバー
   に入射させ、該偏波保持光ファイバーから出射するＰ波
   を分割し一方を１／４波長板透過後、被測定面に照射さ
   せて反射してくる反射光を１／４波長板を透過させ、こ
   の光波を偏波保持光ファイバーから出射するＳ波と干渉
   させ測定光を得る一方、反射光でないＰ波とＳ波を干渉
   させ参照光を得る変位量検出装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の変位量検出装置であっ
   て、 さらに、２本のマルチモード光ファイバーと、２個の光
   検出器を有する信号処理部を備え、マルチモード光ファ
   イバーがそれぞれ測定光と参照光を各光検出器に伝達す
   ることを特徴とする変位量検出装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載の変位量検出装置におい
   て、 参照信号と測定信号を独立に一定周期の信号でデジタル
   評価し、各々の位相を求め、その位相をメモリに独立に
   蓄積した後、位相差を求めて変位量を算出する信号処理
   回路を備える変位量検出装置。
8. 【請求項８】 請求項１記載の変位量検出装置におい
   て、 参照信号と測定信号を独立に一定周期の信号でデジタル
   評価し、各々の位相を求めて後、位相差を算出してその
   位相差をメモリに蓄積した後、変位量を算出する信号処
   理回路を備える変位量検出装置。