JPH1062115A - レーザ干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】新規な構成にて屈折率や距離の測定を行うこと
ができるレーザ干渉計を提供する。 【解決手段】タイミングコントローラ１２は基準電圧発
生器１０を制御して２種類の基準電圧を繰り返し出力さ
せ、加算器１１はファンクションジェネレータ９からの
ノコギリ波信号と基準電圧とを加算して駆動信号を出力
する。レーザダイオード１は駆動信号にて動作し、レー
ザ光が第２のロッドレンズ６の平滑なる照射面６ａから
媒質中のミラー８に向けて照射される。第２のロッドレ
ンズ６の照射面６ａでの反射光とミラー８に反射したレ
ーザ光とが干渉し、この干渉後のレーザ光がフォトディ
テクタ１５にて電気信号に変換され、位相検出器１９，
メモリ１４，ＥＣＵ１３によりフォトディテクタ１５に
よる電気信号から駆動信号による信号位相差が算出さ
れ、位相差から媒質の屈折率ｎが求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はレーザ干渉計に係
り、屈折率測定装置や距離測定装置として用いられるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開昭５２−４２５７号公報に開
示されているように、２つ以上の異なる間隔の反射面に
よる干渉信号の違いにより、屈折率を検出する屈折率測
定装置がある。

【０００３】しかしながら、異なる光路で干渉を測定す
るため、測定位置毎の温度分布による誤差が大きくなり
測定精度を低下させるという問題がある。このための一
手段として、特公平６−８７０４２号公報に開示されて
いるように、１光路内の基準面に段差を付けることによ
り解決する方法もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この場合、
精度よく製作された段差（基準間隔）が必要となる。そ
こで、この発明の目的は、新規な構成にて屈折率や距離
の測定を行うことができるレーザ干渉計を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】少なくとも一部に一定の
傾きを有する波形で、周期的に変化する異なるレベルを
もつレーザ光を媒質に通過させて反射体に照射する場
合、照射時の照射面による反射光（光周波数ν１）と反
射体からの反射光（光周波数ν２）との干渉現象により
うなり（ビート）を生じる。このうなりの周波数ｆｂ
（ν１−ν２）は、干渉発生時の２つの光の周波数の差
周波数であるため、干渉波の初期位相のみにより決定さ
れ、２つの位相の差Δφと屈折率ｎと距離Ｌとの間に次
の関係が成り立つ。ただし、ｃは光速。

【０００６】

【数１】 よって、Δφを測定することにより、距離Ｌが既知であ
る場合には屈折率ｎを、又、屈折率ｎが既知である場合
には距離Ｌを算出できる。

【０００７】この原理を利用して、請求項１に記載の構
成を採ると、レーザ発光素子においては少なくとも一部
に一定の傾きを有する波形に対し異なるレベルに周期的
に変化させた駆動信号を入力して発光動作し、このレー
ザ光はレンズ体の平滑なる照射面から媒質中の反射体に
向けて照射される。すると、レンズ体の照射面での反射
光と反射体に反射したレーザ光とが干渉し、この干渉後
のレーザ光が検出器にて電気信号に変換される。さら
に、位相差算出手段において、検出器による電気信号か
ら異なるレベルに周期的に変化させた駆動信号による信
号位相差が算出され、演算手段において位相差算出手段
による位相差からレンズ体の照射面と反射体の反射面と
の距離またはこの光路内の媒質の屈折率が求められる。
このようにして距離または媒質の屈折率が測定される。

【０００８】このとき、前記レーザ発光素子の駆動信号
を生成する際に、請求項２に記載のように、基準電圧制
御手段にて基準電圧発生器を制御して２種類の基準電圧
を発生させるとともに、加算器にてこの基準電圧と信号
源のノコギリ波信号とを加算して加算信号をレーザ発光
素子の駆動信号として出力することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に従って説明する。本実施の形態は、本発明のレーザ
干渉計を屈折率測定装置に具体化したものであり、図１
にはその全体構成図を示す。

【００１０】本装置は、液体の屈折率を測定する屈折率
測定装置であり、第２のロッドレンズ６とミラー８の間
に試料液体が介在することにより、その間の光路長が変
化することを利用（光路長の測定に２つ以上の基本波長
を発生させるへテロダイン干渉を利用）したものであ
り、透明物質の屈折率が測定できる。

【００１１】以下、詳細に説明する。屈折率測定装置に
はレーザ発光素子としてのレーザダイオード１が設けら
れている。レーザダイオード１にはコリメータレンズ２
とハーフミラー３を介して第１のロッドレンズ４が光学
的に接続されている。そして、レーザダイオード１の発
するレーザ光がコリメータレンズ２及びハーフミラー３
を通して第１のロッドレンズ４に送られる。

【００１２】第１のロッドレンズ４には光ファイバ５を
介してレンズ体としての第２のロッドレンズ６が接続さ
れ、レーザダイオード１の発するレーザ光が光ファイバ
５を通して第２のロッドレンズ６に送られる。

【００１３】第２のロッドレンズ６は保持治具７に固定
されている。保持治具７は試料媒質中に配置されてお
り、保持治具７には第２のロッドレンズ６に対向するよ
うに反射体としてのミラー８が取り付けられている。つ
まり、媒質としての試料液体の中に、保持治具７により
一定に保たれた距離Ｌを隔てて第２のロッドレンズ６と
ミラー８とが対向配置されている。そして、第２のロッ
ドレンズ６からレーザ光がミラー８に向かって照射され
る。

【００１４】このように、コリメータレンズ２とハーフ
ミラー３と第１のロッドレンズ４と光ファイバ５と第２
のロッドレンズ６と保持治具７とミラー８とから、フィ
ゾー型干渉系が構成されている。尚、フィゾー型干渉系
の他にも、一般的な干渉系、例えばマイケルソン型の干
渉系でもよい。

【００１５】一方、電気系統として、信号源としてのフ
ァンクションジェネレータ９が設けられるとともに基準
電圧発生器１０が設けられている。ファンクションジェ
ネレータ９はノコギリ波信号を生成する。又、基準電圧
発生器１０は所定電位の基準電圧を発生するものであ
り、外部信号により２つの基準電圧ｅｌ，ｅ２を切り替
えることができるようになっている。加算器１１にはフ
ァンクションジェネレータ９と基準電圧発生器１０とが
接続され、加算器１１はファンクションジェネレータ９
からのノコギリ波信号と基準電圧発生器１０からの基準
電圧とを加算して加算信号をレーザダイオード１に対し
駆動信号として出力する。

【００１６】基準電圧制御手段としてのタイミングコン
トローラ１２は基準電圧発生器１０と接続され、所定の
タイミングにて基準電圧発生器１０における基準電圧を
変更させる。演算手段としての電子制御ユニット（以
下、ＥＣＵという）１３にはメモリ１４が接続されると
ともにタイミングコントローラ１２が接続されている。
ＥＣＵ１３はメモリ１４およびタイミングコントローラ
１２を制御する。

【００１７】ここで、前述の光学系において第２のロッ
ドレンズ６にはミラー８からの反射光が入力され、光フ
ァイバ５、第１のロッドレンズ４を通してハーフミラー
３に入力される。ハーフミラー３には検出器としてのフ
ォトディテクタ１５が光学的に接続され、ハーフミラー
３にて分離された反射光が電気信号に変換される。フォ
トディテクタ１５にはアンプ１６およびバンドパスフィ
ルタ１７を介してゼロクロス回路１８が接続されてい
る。バンドパスフィルタ１７の設定周波数は、うなり周
波数ｆｂと同じであり、うなり周波数はファンクション
ジェネレータ９によるノコギリ波の傾きの調整によりノ
コギリ波の波長（Δτ）の整数分の一（＝Δτ／ｎ）と
なっている。ゼロクロス回路１８は交流信号を入力し、
その入力信号値と基準電圧（ゼロボルト）とを比較し
て、入力信号値が基準電圧よりも大きく符号が正の場合
にはハイレベルとし、入力信号値が基準電圧よりも小さ
く符号が負の場合にはロウレベルの信号に変換する。

【００１８】ゼロクロス回路１８には位相検出器１９が
接続され、位相検出器１９はゼロクロス回路１８からの
信号における基準となるタイミングから立ち上がりエッ
ジまでの時間を測定する。位相検出器１９はメモリ１４
と接続され、メモリ１４に位相検出器１９による測定結
果（測定時間）が記憶される。

【００１９】本実施の形態においては、位相検出器１９
とメモリ１４とＥＣＵ１３とにより位相差算出手段を構
成している。次に、このように構成した屈折率測定装置
の作用を説明する。

【００２０】ファンクションジェネレータ９にて生成さ
れるノコギリ波信号は、図２の（ａ）に示すように一定
の波長Δτと振幅ｅを持つ。ここで、波長Δτは本実施
の形態では１００ｍｓｅｃであるが、１００ｍｓｅｃ以
下でもよい。ＥＣＵ１３はタイミングコントローラ１２
を制御して基準電圧発生器１０の基準電圧を図２の
（ａ）に示すｅ１とｅ２との２種類として２つの基準電
圧ｅｌ，ｅ２を切り替える。即ち、図２の（ａ）におい
てｔ１のタイミングからｔ２のタイミングまでの期間
（ノコギリ波の１周期）はｅ２とし、ｔ２のタイミング
からｔ３のタイミングまでの期間（ノコギリ波の１周
期）はｅ１とする。以下、ノコギリ波の１周期毎に基準
電圧ｅ２，ｅ１が切り替えられる。

【００２１】加算器１１において、ファンクションジェ
ネレータ９の出力するノコギリ波信号と、基準電圧発生
器１０の出力する定電圧信号（電圧ｅ１，ｅ２）とが加
算され、加算信号がレーザダイオード１に送られる。つ
まり、レーザダイオード１に対して、図２の（ａ）に示
す駆動信号（電圧）が印加される。

【００２２】ノコギリ波状に電圧が印加されたレーザダ
イオード１からはノコギリ波状に変調されたレーザ光が
発生する。このレーザ光がコリメータレンズ２、ハーフ
ミラー３、第１のロッドレンズ４、光ファイバ５を通
り、第２のロッドレンズ６から、ミラー８に照射され
る。この時、第２のロッドレンズ６における平滑なる照
射面６ａにより、照射光の一部が反射する。この反射光
（以降、参照光と呼ぶ）とミラー８からの反射光（以
降、物体光と呼ぶ）との間には、図２の（ｂ）に示す微
小な時間差ｔが存在する。即ち、第２のロッドレンズ６
の照射面６ａで反射された一部の光と、ミラー８にて反
射された光には、その光路差により時間差ｔが発生す
る。そのため、この参照光と物体光とが干渉（ヘテロダ
イン干渉）して、図２の（ｃ）に示すうなり（ビート）
を生じる。

【００２３】このうなりの周波数ｆｂは、干渉発生時の
物体光と反射光の光の周波数の差周波数であるため、測
定中に光路長の変化がない場合、ノコギリ波の傾きのみ
に依存する。よって、基準電圧発生器１０による基準電
圧の変化に依存しない。基準電圧の変化は、光の基本周
期数に対し影響するため、干渉信号の初期位相のみに依
存する。

【００２４】つまり、図３の基準電圧の変化による初期
位相の変化を示す図において、図３の（ａ）に示すよう
に、基準電圧ｅ１の場合には、 Ｌ＝λ１・ｋ１＋ΔＬ１＝λ１（ｋ１＋Δφ１／２π） ただし、λ１は波長（λ１＝ｃ／ν１、ただし、ｃ：光
速、ν１：基準電圧ｅ１時の光の周波数） Δφ１は基準電圧ｅ１時の初期位相となる。又、図３の
（ｂ）に示すように、基準電圧ｅ２の場合には、 Ｌ＝λ２・ｋ２＋ΔＬ２＝λ２（ｋ２＋Δφ２／２π） ただし、λ２は波長（λ２＝ｃ／ν２、ただし、ｃ：光
速、ν２：基準電圧ｅ２時の光の周波数） Δφ２は基準電圧ｅ２時の初期位相となる。

【００２５】いま２つの基準電圧ｅ１，ｅ２により光の
周波数が図２の（ｂ）にようにν１，ν２と変化する
と、距離Ｌで固定された光路（照射面６ａと反射面８ａ
との間）において発生する位相φ１，φ２は、

【００２６】

【数２】 ただし、ｃは光速、ｎは屈折率となる。

【００２７】ここで、ｋｌ，ｋ２を実際に実測すること
はできないが、予め基準電圧ｅｌ，ｅ２の差が調整され
ており、ｋｌとｋ２を等しくしている。よって、２つの
位相の差Δφは、次のように表される。

【００２８】

【数３】 さらに（１）式を変形すると、屈折率ｎは次のように表
される。

【００２９】

【数４】 よって、位相差Δφを算出することで屈折率ｎが算出さ
れる。この際、初期位相φ１及びφ２を計測する必要が
あり、この初期位相φ１，φ２は信号の切り替わる瞬間
に発生するため計測は困難であるが、うなり周波数が同
一であるため、図２の（ｃ）に示す波形がゼロを超えて
立ち上がるまでの時間を測定することで、それぞれの位
相を求め、その位相差を計算により算出することができ
る。

【００３０】つまり、図１において、図２の（ａ）に示
す駆動波形にてレーザダイオード１により発生した干渉
波が、第２のロッドレンズ６、光ファイバ５、第１のロ
ッドレンズ４、ハーフミラー３を経由してフォトディテ
クタ１５に送られ、フォトディテクタ１５により電気信
号に変換され、この電気信号はアンプ１６、バンドパス
フィルタ１７を用いて、図２の（ｃ）に示すＡＣ成分の
みが取り出される。そして、ゼロクロス回路１８におい
て、図２の（ｄ）に示すようにゼロボルトを基準として
デジタル信号となる。さらに、図１の位相検出器１９に
おいて図２の（ｄ）のデジタル信号に対し信号切り替え
タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３から初めて立ち上がるまで
の時間ｔｌ，ｔ２がそれぞれ測定される。この計測時間
ｔｌ，ｔ２はメモリ１４に転送される。そして、ＥＣＵ
１３において、（３）式により位相に変換され、これを
元に、前述の（２）式により屈折率ｎの絶対値が算出さ
れる。 Δφ＝φ１−φ２≒２π・ｆｂ（ｔ１−ｔ２） ・・・（３） この屈折率の算出結果は、図示しない表示装置にて表示
される。このように、距離Ｌが既知の場合は、光路長か
ら測定区間での媒質の屈折率ｎを算出することができ、
これにより濃度計等の用途に用いることができる。

【００３１】このように、光路長の測定に２つ以上の基
本波長を発生させるへテロダイン干渉を利用することに
より、光路にて光路長の絶対値の測定を可能とし、又、
信号周波数と振動等のノイズ成分を容易に除去できる。

【００３２】このように本実施の形態の屈折率測定装置
（レーザ干渉計）は、下記の特徴を有する。 （イ）レーザダイオード１においてノコギリ波を異なる
レベルに周期的に変化させた駆動信号により発光動作さ
せ、このレーザ光を第２のロッドレンズ６の平滑なる照
射面６ａから媒質中のミラー８に向けて照射させ、第２
のロッドレンズ６の照射面６ａでの反射光とミラー８に
反射したレーザ光とを干渉させて、この干渉後のレーザ
光をフォトディテクタ１５にて電気信号に変換して、位
相検出器１９，メモリ１４，ＥＣＵ１３において、フォ
トディテクタ１５による電気信号から、異なるレベルに
周期的に変化させた駆動信号による信号位相差を算出し
て位相差から媒質の屈折率ｎを求めるようにした。

【００３３】このようにして、基準電圧発生器（直流電
圧源）１０の電圧を切り替えることにより発生するへテ
ロダイン干渉によるビート信号の位相の変化量を測定す
ることで、単一光路にて屈折率を得ることができる。そ
の結果、特開昭５２−４２５７号公報での装置に比べ、
１本の光路しか使用していないので光学系内部での温度
分布による誤差の影響を受けることもなく測定精度は高
いものとなる。又、特公平６−８７０４２号公報での装
置に比べ、精度よく製作された段差（基準間隔）を作る
必要はなく、２種類の基準電圧のレベルを精度よく作れ
ばよいので、高精度化を図ることができる。

【００３４】これまで述べた形態の他にも下記のように
実施してもよい。これまでの説明においては、屈折率測
定装置に具体化した場合について述べたが、距離測定装
置として用いてもよい。つまり、屈折率ｎが既知の媒質
中では、図１と同一の光学系及び電気系にて、計測ソフ
トの変更のみで、測定空間の絶対距離Ｌの測定が可能で
ある。その変換式を式（２）’に示す。

【００３５】

【数５】 さらに、この距離測定装置とした場合、図４のサンプル
（反射体）３０の表面に形成された段差での距離Ｌ１，
Ｌ２を測定し、その差（＝Ｌ１−Ｌ２）により段差を求
めることができる。この際、絶対距離から段差量を測定
するため、従来の干渉法を用いた場合に比べ段差が光の
波長を越える場合においても従来の干渉法のように１波
長の何倍であるかを測定すべく干渉信号変化に追従する
ためのレーザ光を照射する必要がなく短時間に測定で
き、レーザ発光素子等の寿命を長くすることができる。
又、図４のように垂直に切り立った部位の光の波長を越
える部位も測定することができる。

【００３６】又、これまでの説明ではノコギリ波を用い
たが、ノコギリ波の代わりに三角波を用いてもよく、要
は少なくとも一部に一定の傾きを有する波形であればよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 屈折率測定装置の構成図。

【図２】 計測方法を説明するための波形図。

【図３】 基準電圧の変化による初期位相の変化を示す
説明図。

【図４】 距離測定装置の概略図。

【符号の説明】

１…レーザ発光素子としてのレーザダイオード、６…レ
ンズ体としての第２のロッドレンズ、６ａ…照射面、８
…反射体としてのミラー、９…信号源としてのファンシ
ョンジェネレータ、１０…基準電圧発生器、１１…加算
器、１２…基準電圧源制御手段としてのタイミングコン
トローラ、１３…位相差算出手段を構成するＥＣＵ（演
算手段）、１４…位相差算出手段を構成するメモリ、１
５…検出器としてのフォトディテクタ、１９…位相差算
出手段を構成する位相検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 豊和 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 杉本 雅裕 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 横山 敦子 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一部に一定の傾きを有する波
   形に対し異なるレベルに周期的に変化させた駆動信号を
   入力して、この駆動信号により発光動作するレーザ発光
   素子と、 前記レーザ発光素子の発するレーザ光を平滑なる照射面
   から媒質中の反射体に向けて照射するレンズ体と、 前記レンズ体の照射面での反射光と前記反射体に反射し
   たレーザ光との干渉後のレーザ光を入力して電気信号に
   変換する検出器と、 前記検出器による電気信号から、異なるレベルに周期的
   に変化させた駆動信号による信号位相差を算出する位相
   差算出手段と、 前記位相差算出手段による位相差からレンズ体と反射体
   との距離または媒質の屈折率を求める演算手段とを備え
   たことを特徴とするレーザ干渉計。
2. 【請求項２】 ２種類の基準電圧を発生させる基準電圧
   発生器と、 前記基準電圧発生器を制御して前記２種類の基準電圧を
   繰り返し出力させる基準電圧制御手段と、 ノコギリ波信号を発生させる信号源と、 前記基準電圧とノコギリ波信号とを加算して加算信号を
   前記レーザ発光素子の駆動信号として出力する加算器と
   を備えた請求項１に記載のレーザ干渉計。