JPS60198402A - 可干渉光による変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は可干渉光による変位検出装置に係り、特にコ
ヒーレントａレーザ光を使用したマイケルソン干渉法を
利用した変位検出装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来のこの種の変位検出装置は例えば第１図に測定物体
に取付けた鏡３で反射される。この反射光は更にビーム
スプリッタ２で反射されて検出器５に到達する。

一方、レーザ光源１の光の一部はビームスプリッタ２で
反射されて固定鏡４で反射された後ビームスプリッタ２
を透過して検出器５に到達する。

こうして、検出器５に到達する２種の光は互いに干渉し
、光の強度変化を生ずるので、物体の変位や振動を検出
することができる。

ここで、物体の変位をｌ、光の振幅強度を１、をδとす
れば、干渉光の強度Ｅは、 Ｅ＝２Ｉ２（ｉ＋ｃｏｆ４ｋ（２１十δ））で表わされ
る。

従って、干渉光強度Ｅは変位ｌの大きさに応じてｌｌｌ
と４Ｉ２の間の値をとる周期関数となり、そのまた、物
体が振動数ｆ、振幅ｌ。で振動する場合、変位ｌ及び干
渉光強度Ｅはそれぞれ、 １１　＝　ｌ（、ｓｉｎ　２ｙｒｆｔ Ｅ＝２Ｉ２（］＋ｃｏｓｋ（２１ｏｓｉｎ２ｙｒｆｔ＋
δ））となる。この各々の波形はそれぞれ第２図（ａ）
、（ｂｌに示す様である（ただし、第２図（ｂ）でｌ。

−１，５λ、δ−〇）。

この様な変位検出装置によれば、物体の振動数が既知の
場合は一周期中の明暗の数を数えることにより変位を検
知することができるが、振動数が未知である場合また振
動数が一定していない場合には、事実上変位を検出する
ことはできない。また、この方法では干渉の明暗を数え
るものであり、振幅の分解能は３／２である。

この様な干渉法の欠点を解決するため第３図に示す様な
光へテロダイン法が知られている。このだけシフトさせ
振動数ω、として干渉させるものである。

この場合、干渉光強度Ｅは、 Δ Ｅ＝　２Ｉ２（１＋ｃｏｓ　（卑ωｔ−ｋ（２ｄ＋δ）
）〕となり、一般的な周波数変調と同じであるため、差
振動数４ωの周辺で検出信号を検波することにより、元
の物体振動を検出することができる。

この光ヘテロダイン法は、元の振動波形がそのままの状
態で再現されるため、振幅分解能の制限もなく、状態が
不安定な未知の振動に対しても有効である。

きくする必要がある。振動数【ωが小さい場合には歪が
発生し、また直線性が劣化する。また、振動数シフタは
高価であり装置全体を割高にしてしまう。更に、振動数
シックによる光強度の損失も＝３− 大きく測定精度に影響を与える。

（発明の目的〕 この発明は、以上の従来技術の欠点を除去しようとして
成されたものであり、安価で測定精度の高い可干渉光に
よる変位検出装置を提供するこ吉を目的とする。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、この発明によれば、１波長板
によって直線偏光レーザ光を、直交する各成分の位相＼
が号ずれた円偏光に変え、この円に分離して干渉させる
ことにより１位相が１異なつだ２つの干渉光をそれぞれ
検出器で検出し、この検出信号を電気処理して物体の変
位又は振動を検出するようにする。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面に従ってこの発明の詳細な説明する。同
、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとす
る。

４− 第４図はこの発明の実施例を示す。

同図によれば、直線偏光のレーザ光源４ｏ、２つのビー
ムスプリッタ４１．４２、被測定物体に取付けま た鐘４３、固定鏡４４．７波長板４５、ビームスプリッ
タ４６．２つのポラライザ４７．４８、及び検出器４９
．５０を具えている。もっとも、ビームスプリッタ４６
、ポラライザ４７．４８の換りに、偏光ビームスプリッ
タを使用しても良いのは勿論である。

レーザ光源４０の光は、一方でビームスプリッタ４１．
４２を透過して被測定物体の表面に取付けた鏡４３で反
射され、更にビームスプリッタ４２で偏向されて物体光
となる。他方、ビームスプリッタ４１で反射された光源
４０の光は固定鏡４４で偏向された後、１波長板４５を
通過してレファレンス光となる。

ここで、ビームスプリッタ４２を経た物体光は直線偏光
しているが、レファレンス光は１波長板４５によって円
偏光している。これらの物体光及びレファレンス光はビ
ームスジ９ツタ４６で各々２つの検出器４９．５０方向
に分割される。分割された光の各偏光成分は偏光面が互
いに直交する２つのボラ６− ライザ４７．４８によって分離され、各成分ごとに２ワ ρ検出器４９．５０で干渉する。

ここで、偏光面がｘ、ｙ軸に対して４５°傾き、２軸方
向に伝播する直線偏光Ｅｘ、Ｅ、は、Ｅｘ＝■ｘＣＯ５
（ω（ｔ、−ｚ／ｃ）ＩＥ、　＝　Ｉｙｃｏｓ　（（Ｉ
Ｊ　（ｔ　−ｚｌｃ月で表わされる。

従って、物体光は〒波長板を通過しないため偏光状態は
変わらないが、物体の変位によって光路長の変化が生ず
る。この変位を２　（１）とした場合、物体光Ｂｘｓ　
、　Ｅｙｓは、 Ｅｘｓ＝　ｌＸ５ｃｏｓ　（ω（ｔ−ｚ／ｃ）　−ｋ４
（ｔ）　）Ｅｙｓ−＝Ｉｙｓｃｏｓ（ω（ｔ　ｚ／ｃ）
　ｋＡ（ｔ））で表わされる。

レファレンス光ＤＸｒ　Ｎ　Ｅｙｅは、光学軸が偏光面
に対して４５°傾いて置かれた〒波長板を通過するため
各成分に上位相差が生じ円偏光になり、ＥＸｒ＝　Ｉｘ
ｒｃｏｓ　（ω（ｔ！−ｚ／ｃ）　−−’−にδ〕Ｅｙ
、　＝　Ｉｙｒｃｏｓ　（ω（ｔ　−ｚ／ｃ　）−ｋδ
〕と表わされる。

以上の様な物体光とレファレンス光の各偏光成分は偏光
ビームスプリッタ４６で分離されるが、各検出器４９．
５０での各成分間の干渉強度Ｅｘ、Ｅ、は、Ｅｘ−（Ｅ
ｘｓ十Ｅｘｒ）２ ＝　Ｉｘ’３　＋　Ｉ％ｙ　２　Ｉｘ３Ｉｘｒｓｉｎ　
（２ｋＡ　（ｔ）　＋　ｋδ）Ｅｙ−（Ｅｙｓ＋Ｅｙｒ
）２ ＝　Ｒ３，＋Ｉ苧、＋２ＩｙｓＩｙｒｃｏｓ（２に４ｔ
）　十にδ）差が生じ、Ｘ成分及びＸ成分の変動成分は
それぞれｓｉｎ　（２に、ｉ？（ｔ）＋にδ）、ｃｏｓ
　（２ｋ　１（ｔ）　十にδ）となる。このため、検出
器４９．５０の出力電流Ｌ１、Ｒ２は光電変換効率をＲ
１、Ｒ２として、 Ｌｌ−α＋　（■ｘｓ＋　■Ｘｒ　２　ＩＸＳ　Ｉｙｒ
　Ｓｌｎ　２に７　（１））ｉ２＝　％　（Ｉ、：　十
１．Ｂ＋２Ｉｙ、Ｉｙ、　ＣＯ５２ｋｌ！（ｔｌ：］で
表わされる。

この電流′Ｌｌ　、’２を電気的に処理して変位／（ｔ
）を得るための回路構成が第５図である。

同図によれば、光検出器４９．５０に引続いて電流電圧
変換回路５］、ａ　、　５１１）、バッファアンプ５２
ａ１５２ｂ１微分回路５３ａ、５３ｂ、乗算回路５４ａ
　、５４．ｂ、加算回路５５、及び積分回路５６を具え
ている。

すなわち、前述の光電流ｉ、、′Ｌ２は電流電圧変換回
路５１ａ、５１．ｂによりＲ１、Ｒ２に依存した電圧Ｖ
３、■に変換した後、コンデンサＣ及び抵抗Ｒによって
光電流ｚ１、Ｒ２の直流光成分子、、＋Ｉ％、及びＴＶ
、＋座をカットする。

変換された電圧■１、■２は、 ｖ１ツα＋　ＲＩ、しｓｉｎ　（２ｋＡ！（ｔ）＋　ｋ
δ〕■２−２α２　Ｒ２Ｉｙｇ　Ｉｙｒｃｏｓ　（２ｋ
　１（ｔ）＋　ｋδ）となる。ここで、抵抗Ｒ２、Ｒ２
は光学条件や光電気変換効率に原因する二つの信号の変
動成分の振幅が等しくなる様に調整するものである。こ
の結果、電圧Ｖ１、ｖ２は、 Ｖ、　＝　−１ｓｉｎ　（２ｋｌ（ｔ）　＋　ｋδ）Ｖ
２＝　Ｉ　ｃｏｓ　（２ｋＡ　（ｔ）　十にδ）となる
。ただし、Ｉ＝２αｌ　ＲＩ　Ｉｘｓ　’ｘｒ　＝　２
α２Ｒ１２Ｉ、、、Ｉ、。

である。

この電圧ｖ１、■２はそれぞれ微分回路５３ａ　、　５
３　ｂで微分されそれぞれ ＝−２ｋＶ、、−７ ＝　２ｋＶμ便 ｄｔ が出力信号となる。

この出力信号Δ、ｊは乗算回路５４．　ａ、５４ｂｄｉ
　ｄｔ でそれぞれ電圧ｖ２、■１と掛は合わされて、■２×戊
＝　−２ｋＶ２７− ｄｔ Ｖｌ　ｘ　」−２ｋ　Ｖｌ　ａ　。

１ 各乗算回路５４ａ、５４ｂの出力は加算回路５５で絶対
値で加算され、Ｖ、’　＋Ｖ２’−Ｖ２として、Ｖ、　
Ｘ登十■２□代ら−−２ｋＶ２−’辿ｄｔ　ｄｔ を得る。

この加算回路５５の出力信号を積分回路５６で積分する
と出力信号りは、 Ｌ　＝　ｆ　２ｋＶ””　ｄｔ　＝　２ｋｖ２ｚ　（ｔ
ｌｔ となり、変位ｌ　（ｔ）に対応した信号が得られる。

例えば、変位１　（ｔ）が周期的振動で１（ｔ）−ｌ。

ｓｉｎ■ｔ）である場合（ｌｏは振幅、ωは角振動数）
特にｌ。−１５λである場合、第５図の各部における信
号波形は第６図■〜■に示す様である。第５図中の符号
■〜■は第６図の符号に対応している。

また、一定周期的振動の場合には、１１　＝　１ｏｓｉ
ｎ（ωｔ）より得られる一周期ＩＡＪ中に含まれる干渉
強度変化の明暗数を数えることにより、振幅４をレーザ
光波長の分解能で精度良く測定することかできる。例え
ば、−周期中の干渉強度変化の明暗数がｎの場合、振幅
ｌ。は、 ｌｏ＝　− となり、λ−０，６３２８μｍのＨｅ−Ｎｅ　レーザ光
源の場合振幅ｌ。は、４　＝　０．０７９１．　ｎμｍ
となる。同、振幅の検出は実際には、検出信号と干渉信
号の２つの振動数の比を電気的なカウンタで演算するこ
吉によってｎを得、これより変位振幅ｌ。をめる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の様に構成することにより、近似的に
振動変位をめるので々く電気処理により測定精度の高い
安価な可干渉光による変位検出装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の構成図、第２図は第１図の装置の動
作を説明する波形図、第３図は他の従来装置の構成図、
第４図はこの発明の実施例の要部構成図、第５図はこの
発明の実施例の他の要部の系統図、第６図はこの発明の
実施例の動作波形図である。 「４０・・光源、４１．４２．４３・・・第１の光形成
手段、４５・・・１波長板、４．１．４４．４５・・・
第２の光形成手段、４６．４７．４８　、４９．５０・
・・干渉光検出手段、５１〜５６・・・演算処理回路。 」 特許出願人 りオン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直線偏光を生ずる光源吉、この光源の光を被測定物体で
   反射させて物体光を形成する第１の光彩成手段と、前記
   光源の光をＴ波長板で円偏光としてレファレンス光を形
   成する第２の光彩成手段と、前記第１及び第２の光彩成
   手段の物体光及びレファレンス光をそれぞれ位相が７だ
   け異なった偏光成分に分割して各偏光成分毎に干渉を生
   じさせ電気的に検出する様にした干渉光検出手段と、こ
   の干渉光検出手段の出力電流に基づいて前記被測定物体
   の変位に対応する出力信号を得る演算処理回路とを具え
   て成る可干渉光による変位検出装置。