JPH09119810A - レーザ測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直流成分の強度を直接測定することによって高
周波回路の一部を低周波回路に置き換え、回路構成が簡
単で安価なレーザ測長器を実現する。 【解決手段】ハーフミラーと、固定および移動可能に配
置された反射手段備え、光路差に応じた干渉信号を出力
するマイケルソン干渉計と、干渉信号の一部を直線偏光
子を介して検出し、移動可能な反射手段で折り返された
円偏光のうち干渉に寄与する部分の強度に比例した信号
を得る受光手段と、干渉信号を分割する偏光ビームスプ
リッタと、この分割された光をそれぞれ検出する２組の
光電変換素子と、この２組の光電変換素子の出力から直
流成分の除去された交流成分のみの干渉信号を得る第１
の信号処理手段と、この２つの干渉信号をもとに移動可
能な反射手段の変位量を求める第２の信号処理手段を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイケルソン干渉計の
出力信号から干渉縞を観測して光路差を求める装置に使
用されるレーザ測長器に関し、特に偏光干渉法を用いた
レーザ測長器における信号の直流成分の除去方式の改善
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光干渉法を用いたレーザ測長器では、
信号の直流成分を除去するため光学的に３相信号を作り
これを電気回路で処理する方式が提案されている。例え
ば、特公昭６０−２４４０４号（公表番号：昭和５５−
５０００３９号）「干渉計システム」に、その直流成分
除去方式の一例が開示されている。

【０００３】図３に上記特許に記載のマイケルソン干渉
計を用いた干渉計の一実施例を示す。図において、レー
ザ光源１から出射した光（既に偏光されていて直線偏光
であるとする）はビームスプリッタ２で分割され、透過
光はコーナーキューブ３によって折り返され、反射光は
コーナーキューブ５によって折り返され、ビームスプリ
ッタ２上で合波される。ただし、反射光は１／８波長板
を２回通過して円偏光となってビームスプリッタ２に達
する。

【０００４】ビームスプリッタ２上で合波された光は偏
光ビームスプリッタ６により直交する２個の偏光成分Ｐ
およびＳに分割され、ＰおよびＳ成分の光はそれぞれフ
ォトディテクタ７，８で検出される。また、コーナーキ
ューブ３によって折り返され、ビームスプリッタ２を透
過した光は、平面偏光器９を通ってフォトディテクタ１
０で検出される。フォトディテクタ７と８で検出される
インターフェログラムは９０゜の位相差であり、またフ
ォトディテクタ８と１０で検出されるインターフェログ
ラムは１８０゜の位相差である。

【０００５】これらのフォトディテクタの出力から直流
成分を除去して干渉縞を計数する回路の一例を図４に示
す。各フォトディテクタ１０，８，７の出力（直流成分
と交流成分を含む）はそれぞれ増幅器２１，２２，２３
で増幅される。増幅器２１，２３は差動増幅器２４に接
続され、増幅器２２，２３は差動増幅器２５に接続され
ている。差動増幅器はそれぞれ二乗器２６，２７を介し
て加算器２８に接続され、加算器２８の出力は平方根器
２９を介して２個の比率増幅器３０，３１のそれぞれの
一方の入力に接続されている。平方根器２９の出力は位
相差９０゜の入力信号のピーク振幅に比例する信号であ
る。

【０００６】比率増幅器３０，３１の他方の入力には差
動増幅器２４，２５の出力がそれぞれ加えられ、２つの
比率増幅器３０，３１からは位相差９０゜で干渉計内の
光路差の関数として定振幅で正弦曲線的に変化する２つ
の出力信号が得られる。縞計数ユニット３２はこの２つ
の信号から光路差に対応する干渉縞を計数する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような干
渉計システムでは、数ＭＨｚの周波数帯域を持つフォト
ディテクタや、高周波の増幅器、演算回路が必要であ
り、また増幅器は３回路分必要である。更に、直流成分
除去後の信号強度を正規化する際に二乗回路や平方根回
路が必要であり、回路構成が複雑で高価にもなるという
問題があった。

【０００８】本発明の目的は、このような点に鑑み、直
流成分の強度を直接測定することによって高周波回路の
一部を低周波回路に置き換え、回路構成が簡単で安価な
レーザ測長器を実現しようとするものである。本発明の
他の目的は、二乗回路や平方根回路を必要とすることな
く直流成分除去後の信号強度を正規化することのでき
る、回路構成が簡単で安価なレーザ測長器を実現しよう
とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、レーザ光を分割すると共に再び合
波するためのハーフミラーと、固定配置された一方の反
射手段と、移動可能に配置された他方の反射手段と、こ
の他方の反射手段と前記ハーフミラーとの間に配置され
た１／８波長板を備え、２つの反射手段による光路差に
応じた干渉信号を出力するマイケルソン干渉計と、前記
干渉信号の一部を直線偏光子を介して検出し、前記移動
可能な他方の反射手段で折り返された円偏光のうち干渉
に寄与する部分の強度に比例した信号を得る受光手段
と、前記干渉信号を直交する偏光成分に分割する偏光ビ
ームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで分割さ
れた光をそれぞれ検出する２組の光電変換素子と、この
２組の光電変換素子の出力から前記受光手段で得られた
円偏光の信号強度をそれぞれ差し引くと共に、前記受光
手段で得られた円偏光の信号強度に基づく信号でそれぞ
れ除算し、直流成分の除去された交流成分のみの干渉信
号を得る第１の信号処理手段と、この第１の信号処理手
段により得られた２つの干渉信号を所定の値と比較して
パルス信号に変換し、このパルス信号の位相関係から前
記移動可能な反射手段の移動方向を判別し、この判別結
果に基づいて前記パルス信号を加算あるいは減算し、こ
の加算あるいは減算した計数値に前記レーザ光源の波長
を掛け前記移動可能な反射手段の変位量を求める第２の
信号処理手段を備えたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】受光手段では、干渉信号の一部を直線偏光子を
通して受光し、可動コーナーキューブで折り返された円
偏光のうち干渉に寄与する部分の強度に比例した信号を
得る。この信号には可動コーナーキューブの変位による
干渉信号の強度変化は含まれない。なお、この信号は干
渉信号の直流および交流成分に比例する。

【００１１】一方ハーフミラー上で合波された光の一部
は偏光ビームスプリッタで直交する偏光成分に分割さ
れ、それぞれの強度が２つのフォトダイオードで検出さ
れる。第１の信号処理手段において、２つのフォトダイ
オードによる検出信号から、前記受光手段で得た信号に
一定の比率を掛けた値を引く。これにより、干渉信号の
直流成分の除去された交流成分のみの２つの信号を得る
ことができる。更に、前記２つの信号を、前記受光手段
で得た円偏光の信号強度で除算することにより、干渉信
号の交流成分の振幅を正規化することができ、干渉縞内
での位相内内挿を正確に行うことができる。

【００１２】第２の信号処理手段において、この２つの
信号の位相関係から可動コーナーキューブの移動方向を
判別し、干渉信号に応じたパルスをアップカウントまた
はダウンカウントし、そのカウント量に波長値を掛けて
可動ヒーナーキューブの変位量を求めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係るレーザ測長器の一実施例
を示す構成図、図２は第２の信号処理手段５０の一例を
示す構成図である。なお、図３と同等部分には同一符号
を付し、その部分の説明は省略する。

【００１４】図１において、４１，４２はフォトダイオ
ード８，７（図３ではフォトディテクタ）の出力信号を
増幅する増幅器であり、各出力は差動増幅器４４，４５
の一方の入力にそれぞれ接続される。差動増幅器４４，
４５の他方の入力には増幅器４３を介したフォトダイオ
ード１０の出力が加えられる。なお、ここではフォトダ
イオード７，８を光電変換素子と呼び、直線偏光子９と
フォトダイオード１０でなる部分を受光手段とも呼ぶ。

【００１５】差動増幅器４４，４５の出力は割算器４
７，４８のそれぞれの一方の入力に導かれ、他方増幅器
４６を介した増幅器４３の出力は割算器４７，４８の他
方の入力に加えられる。割算器４７，４８は差動増幅器
４４，４５の出力をフォトダイオード１０の検出信号に
関連した信号で割る処理を行う。なお、増幅器４１〜４
６および割算器４７，４８からなる部分を信号処理手段
と呼ぶ。

【００１６】第２の信号処理手段５０は割算器４７，４
８の出力を受けて可動コーナーキューブ５の変位量を求
める回路であり、図２に示すように比較器５１，５２、
移動方向判別回路５３、アップダウンカウンタ５４、掛
算器５５より構成される。比較器５１，５２はそれぞれ
割算器４７，４８の出力を所定の値と比較してパルス信
号に変換する。移動方向判別回路５３は比較器５１，５
２の出力パルスの位相関係から可動コーナーキューブ５
の移動方向を判別する。アップダウンカウンタ５４は移
動方向判別回路５３の出力に応じて比較器５１の出力パ
ルスを加算あるいは減算する。掛算器５５はアップダウ
ンカウンタ５４の計数値とレーザ光源１の波長の掛け算
を行い、可動コーナーキューブ５の変位量を求める。

【００１７】このような構成における動作を次に説明す
る。レーザ光源１から出射された直線偏光のレーザ光は
ハーフミラー２（図３ではビームスプリッタ）で分割さ
れ、反射光は固定コーナーキューブ３によって折り返さ
れ、透過光は可動コーナーキューブ５によって折り返さ
れ、ハーフミラー２上で合波される。ただし、透過光は
１／８波長板４を２回通過して円偏光となってハーフミ
ラー２に達する。なお、コーナーキューブは鏡などに置
き換えることもでき、これら代替品も含めてここでは反
射手段と呼ぶ。

【００１８】合波された光の一部は直線偏光子９を通し
てフォトダイオード１０で強度が測定される。なお、フ
ォトダイオード１０の入射開口径は固定コーナーキュー
ブ３で折り返されるビーム径と同一にしてある。また、
偏光子９の方位は、固定コーナーキューブ３で折り返さ
れる直線偏光の方位と直交させ、消光状態に調整してお
く。これによりフォトダイオード１０で測定される強度
は、可動コーナーキューブ５で折り返された円偏光のう
ち、固定コーナーキューブ３で折り返された直線偏光の
方位と直交する成分のみとなる。したがって、測定され
た強度は、可動コーナーキューブ５の変位による干渉信
号の強度変化を含まず、単に可動コーナーキューブ５で
折り返された円偏光のうち干渉に寄与する部分の強度に
のみ比例した値となる。この値は干渉信号の直流成分お
よび交流成分と比例する。

【００１９】他方、ハーフミラー２上で合波された光の
一部は更に偏光ビームスプリッタ６で直交する偏光成分
に分割され、それぞれの強度をフォトダイオード７，８
で検出する。フォトダイオード８，７で検出した信号は
増幅器４１および４２でそれぞれ増幅され、続いて差動
増幅器４４と４５において、増幅器４３の値（フォトダ
イオード１０で検出された円偏光の信号強度に一定の比
率を掛けた値）をそれぞれ引くことによって、干渉信号
の直流成分が除去された交流成分のみの信号を得ること
ができる。

【００２０】更に割算器４７，４８において、この交流
成分を、フォトダイオード１０で検出された円偏光の信
号強度（増幅器４３および４６で増幅された信号）で割
ることによって、交流成分の振幅を正規化する。これに
より干渉縞内での位相内内挿を正確に行われる。

【００２１】割算器４７，４８の２つの干渉信号の交流
成分は第２の信号処理手段５０の比較器５１，５２に導
かれ、所定の値と比較してパルス信号に変換される。比
較器５１の出力をアップダウンカウンタ５４で計数し、
掛算器５５でその計数値と波長の値を掛け合わせて可動
コーナーキューブ５の変位量を求める。なお、アップダ
ウンカウンタ５４で比較器５１の出力を計数するとき、
可動コーナーキューブ５の移動方向に応じて加算または
減算する必要があり、移動方向判別回路５３では比較器
５１と５２の出力パルスの位相関係より移動方向を検出
している。

【００２２】なお、図３に示す従来の干渉システムにお
けるフォトディテクタ１０は、 可動コーナーキューブ５の移動速度／（レーザの波長／
２） 相当の高周波信号に応答できる必要があったが、本発明
のフォトダイオード１０は、可動コーナーキューブ５で
折り返された円偏光の強度のみ検出するものであり、可
動コーナーキューブ５の移動の周波数程度の低周波のも
のでよい。また増幅器４３および４６も従って低周波回
路でよい。更に、本発明の回路は各回路素子とも従来の
干渉システムに比べて簡単な構成のもので済み、安価に
構成できる。

【００２３】なお、以上の説明は特定の好適な実施例を
示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸
脱することなく多くの変更、変形をなし得ることは当業
者に明らかである。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、干
渉しない光の強度を測定して干渉信号の直流成分を求め
ることによって交流成分のみの干渉信号を得て、ゼロク
ロス点の計数を安定に行うことができる。また、回路的
にも一部を低周波回路とすることにより安価に構成でき
る。更に、従来のような二乗回路や平方根回路は必要と
せず、割算器のみによって干渉信号の交流成分の振幅を
正規化して位相内内挿ができるので回路を安価に構成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ測長器の一実施例を示す構
成図

【図２】第２の信号処理手段の詳細を示す構成図

【図３】従来の干渉計システムにおける干渉計の一例を
示す構成図

【図４】図３の干渉計システムに使用する干渉縞計数回
路の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ ハーフミラー ３，５ コーナーキューブ ４ １／８波長板 ６ 偏光ビームスプリッタ ７，８，１０ フォトダイオード ９ 直線偏光子 ４１，４２，４３，４６ 増幅器 ４４，４５ 差動増幅器 ４７，４８ 割算器 ５０ 第２の信号処理手段 ５１，５２ 比較器 ５３ 移動方向判別回路 ５４ アップダウンカウンタ ５５ 掛算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源からの直線偏光の光を分割する
   と共に再び合波するためのハーフミラーと、固定配置さ
   れ前記分割された一方の光を反射する一方の反射手段
   と、移動可能に配置され前記分割された他方の光を反射
   する他方の反射手段と、この他方の反射手段と前記ハー
   フミラーとの間に配置された１／８波長板を備え、２つ
   の反射手段による光路差に応じた干渉信号を出力するマ
   イケルソン干渉計と、 前記ハーフミラーで合波されて出力される干渉信号の一
   部を直線偏光子を介して検出し、前記移動可動な他方の
   反射手段で折り返された円偏光のうち干渉に寄与する部
   分の強度に比例した信号を得る受光手段と、 前記ハーフミラーで合波されて出力される干渉信号を直
   交する偏光成分に分割する偏光ビームスプリッタと、 この偏光ビームスプリッタで分割された光をそれぞれ検
   出する２組の光電変換素子と、 この２組の光電変換素子の出力から前記受光手段で得ら
   れた円偏光の信号強度をそれぞれ差し引くと共に、前記
   受光手段で得られた円偏光の信号強度に基づく信号でそ
   れぞれ除算し、直流成分の除去された交流成分のみの干
   渉信号を得る第１の信号処理手段と、 この第１の信号処理手段により得られた２つの干渉信号
   を所定の値と比較してパルス信号に変換し、このパルス
   信号の位相関係から前記移動可能な反射手段の移動方向
   を判別し、この判別結果に基づいて前記パルス信号を加
   算あるいは減算し、この加算あるいは減算した計数値に
   前記レーザ光源の波長を掛け前記移動可能な反射手段の
   変位量を求める第２の信号処理手段を備えたことを特徴
   とするレーザ測長器。