JPS62170801A - 標準変位発生装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、標準変位発生装置に係り、基準となる既知の
大きさの模擬変位による標準変位を高精度に発生し、特
に高精度化されたレーザ干渉測長器の較正手段として好
適な標準変位発生装置に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に、測長器の較正を行う場合、よシ高精度な測長器
等によって較正する方法、または圧電素子等により既知
の変位量を精密に発生させることによって較正する方法
、さらにバビネソレイユ補償板等によって光学的に光路
長を変化させて較正する方法などが考えられる。

しかし、特開昭５８−１８６００５号公報に記載されて
いるような最上級の精度を有するレーザ干渉測長器を較
正しようとする場合には、いうまでもなく他の測長器に
よる較正は不可能であり、後者２者のような方法に頼ら
ざるをえない。

従来の較正方法の一例を第６図を参照して説明する。

第６図は、レーザ干渉測長器の従来の較正手段の一例を
示す構成図で、この基本構成は公知のマイケルソン形干
渉計であシ、前記公知例（特開昭５８−１８６００５号
公報）と同じものである。

第６図に示すように、直線偏光を発するレーザ光源に係
るレーザ発振器１からのレーザビームは、偏光ビームス
プリッタ９で、互いに偏光面が直交する２直線偏光であ
る参照光と信号光とに分割され、参照光は１／４波長板
１０の反射面１３で反射して再び偏光ビームスプリッタ
９を経て偏光板８に至る。一方、信号光は圧電素子１２
で支持されたミラー１１で反射して再び偏光ビームスプ
リンタ９を経て偏光板８に至る。

参照光と信号光とは偏光面が直交しているので、偏光板
８以前では干渉しないが、偏光板８の透過軸をその偏光
面に対して４５°にしであるので、両光の透過軸方向成
分同志が干渉して光検出器５に入射する。ミラー１１が
レーザ波長λの１／４だけ変位するごとに干渉光は明暗
のピークからピークまで変化するので、これを信号処理
回路６で処理することによりミラー１１の変位を求める
ように構成されている。

従来は、圧電素子１２に基準となる既知の電圧を印加し
て既知の変位をミラー１１に与えるようにしておき、レ
ーザ干渉測長器の信号処理回路６からの出力と対比する
ことによって較正を行っていた。

しかし、圧電素子１２によって精密に変位を与えるとは
いえ、圧電素子１２のヒステリシスなどのためにその動
作精度には限界がある。また、参照光と信号光との非共
通部分では、温度、圧力。

湿度などの環境の変化に起因して空気の屈折率が変化し
、測定誤差が生じる問題があった。

従来の較正方法の他の例を第７図に示す。

第７図は、レーザ干渉測長器の従来の較正手段の他の例
を示す構成図で、図中、第６図と同一符号のものは同等
部分であるから、その説明を省略する。

第７図に示す例は、１／４波長板１０と固定反射鏡１１
′の間にバビネソレイユ補償板１４を挿入し、光学的に
信号光の光路長を変化させる方法であるが、この場合も
やはり参照光と信号光との非共通光路が存在するため、
周囲の環境の変化に対して不安定であシ精度的に不十分
であった。

したがって、波長安定化レーザを用いた超高精度の測長
器の校正には、上記の測定誤差を除去して、より高精度
な変位を安定に発生させる装置が必要である。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、基準となる既知の大きさの模擬変位を非
常に高い精度で光学的に発生し、環境の変化にともなう
空気の屈折率変化の影響による誤差を排除できて、高精
度化されたレーザ干渉測長器の較正に対応しうる標準変
位発生装置の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る標準変位発生装置の構成は、レーザビーム
の互いに偏光面が直交する２直線偏光をそれぞれ参照光
、信号光とするレーザ干渉測長器における前記２直線偏
光共通光路中に、電気光学効果を有する部材と、この部
材に電圧を印加する装置およびその電圧を測定する手段
とを備え、前＝ｔｋ学効果を有する部材への印加電圧に
より参照光、信号光間の位相差を変化させて標準変位を
発生させるようにしたものである。

以下に、本発明を開発した考え方を述べる。

ある既知の大きさの変位を標準変位として高精度に発生
させるには、まず、圧電素子で実際にレーザ光の光路長
を変化させるような機械的な方法が考えられる。しかし
、この方法では、温度、圧力、湿度など周囲の環境の変
化による影響、圧電素子のヒステリシスや応答性などの
要因により精度的には限界があった。

そこで、視点を変えて、機械的な可動部分を持たず、非
機械的に模擬変位を与えること、つまり基準となる変位
に相当する光学的位相差を与えて、それを標準変位とみ
なすことを考えた。

すなわち、レーザビームの互いに偏光面が直交する２つ
の直線偏光をそれぞれ参照光、信号光として利用するレ
ーザ干渉測長器において、被測定物（測定対象物）が変
位することによって信号光の光路長が変化し、２つの直
線偏光（参照光、信号光）の相対的な位相がずれること
を明暗の干渉縞により観測することで変位を知ろうとす
るものである。

したがって、変位を与えるということは、参照光と信号
光との位相関係を変化させることにほかならない。

そこで、電気光学効果を有する部材、例えば、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯａ）を利用して直交する２つの直
線偏光の位相差を光学的に安定、かつ高精度に変化させ
、見かけ上あたかも高精度な既知変位が起こったような
状態、すなわち模擬変位を得ようとするものである。

ここで用いられる電気光学結晶は、異方性結晶であり、
あるひとつの結晶軸に沿って直線偏光を、その偏光面が
他の２つの結晶軸に対して、例えば４５°になるように
入射して使用する。このとき、あるひとつの結晶軸方向
に電圧を印加することにより、入射した直線偏光の各２
つの結晶軸方向成分の位相差を変化させることができる
ような結晶であり、どの結晶軸に沿って光を入射したり
電圧を印加したシするかは結晶の種類によって異なる。

この結晶は単結晶でありヒステリシスが無いため、印加
した電圧に対して、発生する２つの直線偏光の位相差は
非常に直線性が良く、印加した電圧を知れば、発生した
位相差、すなわち、模擬変位を正確に知ることができる
。

また、温度に対する安定性については、レーザビームの
光路方向に対して同じ長さの結晶を直列的に２本並べ、
レーザビームを中心として２つの結晶の軸を９０°回転
させて使用することにより完全に特性の温度補償がなさ
れ、温度に対してもその特性は非常に安定である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないし第５図を参照し
て説明する。

まず、第１図は本発明の一実施例に係る標準変位発生装
置をレーザ干渉測長器の較正に用いる例を示す構成図で
ある。

第１図において、１は、レーザ光源となるレーザ発振器
、３は、レーザビーム光路中に配設した電気光学効果を
有する部材に係る電気光学結晶１５は、レーザ干渉測長
器の光検出器、６は、レーザ干渉測長器の信号処理回路
、７は、電気光学結晶３に電圧を印加する装置に係る結
晶駆動用電源で、この結晶駆動用電源７には、特如図示
しないが、前記の電気光学結晶３に印加される電圧を測
定する手段が付属されている。８は、本図の紙面に対し
て４５°の方向に透過軸をもった偏光板である。

レーザ発振器１を出たレーザビーム２は、紙面に対して
４５°方向に偏光面を持つ直線偏光であシ、電気光学結
晶３に入射する。電気光学結晶３は異方性の結晶であり
、入射した直線偏光のうち紙面に垂直な偏光面を持つ成
分と、水平な偏光面を持つ成分に対して屈折率がわずか
に異なシ、また、この度合いは、結晶駆動用電源７によ
る印加電圧に比例して変化する。

したがって互いに偏光面が直交するこの２つの直線偏光
成分は、電気光学結晶３入射前のレーザビーム２では位
相が揃っているが、電気光学結晶３通過後のレーザビー
ム４では印加電圧に比例した位相のずれ（位相差）が発
生する。

このレーザビーム４は、紙面に対して４５°の方向に透
過軸をもった偏光板８を通過することによってその透過
軸方向成分同志が干渉し、レーザ干渉測長器の光検出器
５で光電変換される。

電気光学結晶３による位相のずれがπ（変位に換算する
とレーザ波長λの１／４）発生するごとに干渉光は明か
ら暗、または暗から明に変化するので、光検出器５から
の干渉信号を信号処理回路６で処理することにより、電
気光学結晶３に印加された電圧によって発生した２つの
直線偏光（参照光、信号光）間の位相差、すなわち模擬
変位の量を出力する。

そこで前もって、電気光学結晶３に印加される電圧と、
その印加電圧によって発生する２つの直線偏光間の位相
差、すなわち模擬変位との関係を知っておけば、印加し
た電圧から与えた模擬変位の量が知られ、基準となる模
擬変位の設定された標準変位と、較正すべきレーザ干渉
測長器の信号処理回路６からの出力とを比較して較正を
行うものである。

このようにして、レーザ発振器１、光検出器５および信
号処理回路７等からなるレーザ干渉測長器を、本実施例
の標準変位発生装置で較正することができる。

本実施例によれば、基準となる既知の模擬変位による標
準変位を非常に高精度に安定に発生させることが可能と
なり、高精度化されたレーザ干渉測長器の較正に対応で
きる。

第６図に示した従来の装置で、圧電素子によって動的変
位を与えるもので問題となった、空気の屈折率変化の影
響による誤差も完全に排除できる。

したがって、本実施例の装置は、周囲の環境の変化に対
して非常に安定である。

まだ、可動部分が無く、光学的に模擬変位を発生させる
ため、従来問題であった圧電素子の特性、例えばヒステ
リシス、応答性、劣化などによる誤差が無くなる。

これらの誤差要因が無くなることから、精度的に１〜２
桁以上向上する効果がある。

次に、本発明の他の実施例を第２図を参照して説明する
。

第２図は、本発明の他の実施例に係る標準変位発生装置
をレーザ干渉測長器の較正に用いる例を示す構成図で、
図中、第１図および第６図と同一符号のものはそれら各
図の例と同等部分であるから、その説明を省略する。

第２図の実施例は、先に第６図で説明した従来例にもつ
とも近い本発明の実施例であり、第６図で示した被測定
物のミラー１１を、１／４波長板１０に密着して設けた
ミラー１１Ａに替えて２直線偏光の非共通光路を無くし
、標準変位発生装置をレーザビーム光路中に配設した構
成のものである。

レーザ発振器１から出たレーザビーム２は、先の実施例
と同様、電気光学結晶３および結晶駆動用電源７からな
る標準変位発生装置を通過することにより、レーザビー
ム４においては紙面に垂直および水平な２つの直線偏光
（参照光、信号光）間の位相がずれている。

これら２つの直線偏光は、偏光ビームスプリッタ９によ
り２分割され、反射光（参照光）は１／４波長板１０の
反射面１３で反射して再び偏光ビームスプリッタ９に戻
り、今度は透過されて偏光板８に至る。

一方、透過光は、本来なら第６図のように信号光として
１／４波長板１０を透過したのち被測定物のミラーに向
うものであるが、本例では１／４波長板１０に密着して
いるミラー１１Ａで直ちに反射して再び偏光ビームスプ
リッタ９に戻シ、今度は反射されて偏光板８に至る。

偏光板８は、透過軸が紙面に対して４５°に設定されて
おり、これを透過する成分同志が干渉して光検出器５で
検出され、信号処理回路６から模擬変位の測定量として
出力される。

第２図の実施例によれば、先に第１図の実施例で説明し
たと同様の効果が期待される。

次に、本発明のさらに他の実施例を第３図ないし第５図
を参照して説明する。

第３図は、本発明のさらに他の実施例に係る標準変位発
生装置をレーザ干渉測長器の較正に用いる例を示す構成
図、第４図は、第３図の結晶駆動用電源部の回路図、第
５図は、第３図の装置の出力特性図である。

第３図の実施例の光学系の構成は、第１図に示すものと
全く同一であシ、異なるところは、第１図の実施例にお
ける結晶駆動用電源７が、第３図の実施例ではカウンタ
・エネイブル信号を出力できる結晶駆動用電源１５に変
わった点である。

この結晶駆動用電源１５の詳細を第４図を参照して説明
する。

第４図において、１６は交流電源、１７はアナログスイ
ッチ、ｉｓはコンデンサ、１９１ｄ、コンデンサ１８が
チャージされ、ポイント２５の電位が上昇するとき、そ
の電圧を増幅して電気光学結晶３に印加するための増幅
器、２ｏは電圧計、２１は、余インド２５の電圧をあら
かじめ設定した参照電圧Ｖ　ｒ　ｅ　ｆと比較するため
のコンパレータである。

２２は、印加電圧があらかじめ設定した参照電圧Ｖ　ｒ
　ａ　ｆになるとカウンタ・エネイブル信号を発信する
モノマルチバイブレータである。このモノマルチバイブ
レータ２２のカウンタ・エネイブル信号は、信号処理回
路６に送信され、レーザ干渉測長器に対して測定を一時
停止せしめるとともに、ディレィライン２４を経てアナ
ログスイッチ１７に送信され印加電圧をリセットするだ
めの信号である。

このように構成された結晶１駆動用電源１５の作用を第
４図を参照して説明する。

第４図において、初期状態では、アナログスイッチ１７
はＯＮ状態であるため、定電流源１６からアナログスイ
ッチ１７を経てコンテナ１８がチャージされ、ポイント
２５の電位は時間に比例して上昇し、この電圧が増幅器
１９で増幅されて電気光学結晶３に印加される。

ポイント２５の電圧は、電圧計２０でモニタされている
。

また、ポイント２５の電圧は、コンパレータ２１により
参照電圧■１゜、と比較され、あらかじめ設定しである
参照電圧Ｖ　ｒ　ｅ　ｆに達した瞬間にコンパレータ２
１の出力は低から高に立ち上り、さらにモノマルチバイ
ブレータ２２ばこの立ち上りを検知して有限のパルス幅
のカウンタ・エネイブル信号を発生する。

このカウンタ・エネイブル信号は、レーザ干渉測長器の
信号処理回路６中の変位量カウンタ（図示せず）に導か
れ、このパルス幅の時間だけ測定に関わるカウンタの動
作を停止させる。これと同時に、このカウンタ・エネイ
ブル信号は、ディレィライン２４を経ることにより数μ
鴬程度の時間遅れを受けたのち、アナログスイッチ１７
の切替信号となり、パルス幅の時間だけアナログスイッ
チ１７をＯＦＦに切り換える働きをする。アナログスイ
ッチがＯＦＦの間にコンデンサ１８に蓄積されていた電
荷は放電され、ポイント２５の電位は再び初期状態のゼ
ロまで落ちることになるが、モノマルチパイプレーク２
２のパルス幅を適当に調整しておけば、この電圧降下の
間はレーザ干渉測長器のカウンタの動作が停止している
ことになり、レーザ干渉測長器側としては電圧が下る間
の光の位相差の逆戻シ現象を観測しないことになる。

アナログスイッチ１７の切替信号が通過し終えると、ア
ナログスイッチ１７は再びＯＮとなシ、以下前述の各動
作が繰り返されることになる。

この繰り返し回数は、カウンタ２３によってカウントさ
れる。

第３図に示す電気光学結晶３で発生する垂直および水平
な２つの直線偏光間で発生する位相差が。

例えばちょうど２π（模擬変位としてはλ／２）になる
ときのポイント２５の電圧を、コンパレータ２１の参照
電圧Ｖ　ｒ　ｓ　ｆとして設定しておけば、模擬変位λ
／２ごとに印加電圧のリセットを行いうることになり、
その結果、大きな模擬変位を標、準変位として発生させ
ることが可能となる。

次に、その様子を第５図を参照して説明する。

第５図の縦軸はレーザビームの垂直および水平な２つの
直線偏光間で発生する位相差、横軸は時間をとっている
。図中の実線は、電気光学結晶３で実際に発生する位相
差であシ、破線はレーザ干渉測長器側が観測する位相差
である。

図に示すように、はじめは時間に比例して電気光学結晶
３で発生する位相差（実線）を、そのままレーザ干渉測
長器がカウントするため、実線と破線とは同じ軌跡をた
どる。

位相差が２πになった瞬間に、カウンタ・エネイブル信
号が発生するだめ、レーザ干渉測長器側はカウントを停
止し観測する位相差（破線）は横這いとなる。この横這
いの状態は、パルス幅ｔ０の間持続され、この間はレー
ザ干渉測長器は盲目の状態となる。

電気光学結晶３の方は、遅れ時間１．だけ経たのち印加
電圧が降下して位相差がゼロに戻る。

なお、この遅れは、確実にカウンタが停止してから位相
差を戻すという意味で設けられている。

レーザ干渉測長器が盲目の状態の間に、このように電気
光学結晶３で実際に発生している位相差がゼロに戻るだ
めに、レーザ干渉測長器側で観測する位相差は破線で示
すように２πのままであり、再びレーザ干渉測長器のカ
ウンタが動作を開始したときには実線、破線で示す各位
相差の関、係は図のようになる。

このような動作の繰シ返しが起こって、電気光学結晶３
での位相差を第５図中のＡ点まで変化させたとすると、
レーザ干渉測長器が観測するＢ点での位相差φは次のよ
うに表わされる。

ただしＮ　　：　カウンタ２３のカウント数■　　：Ａ
点での電圧計２０の読み Ｖ　ｒｓｆ　　：　コンパレータ２１の参照電圧したが
って、実際のレーザ干渉測長器の変位出力と、（１）式
を変位に換算したものの比較によって、長大変位につい
ての較正が可能となる。

第３図の実施例によれば、先の第１図の実施例で述べた
と全く同様の効果が期待されるほか、長大変位について
の較正が可能になるという特有の効果がもたらされる。

なお、カウンタ・エネイブル信号を出力できる結晶駆動
用電源１５の適用は、第１図に示す光学系に限らず第２
図に示す光学系に対しても適用できることはいうまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、基準となる既知の大きさ
の模擬変位を非常に高い精度で光学的に発生し、環境の
変化にともなう空気の屈折率変化の影響による誤差を排
除できて、高精度化されたレーザ干渉測長器の較正に対
応しうる標準変位発生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、本発明の一実施例に係る標準変位発生装置を
レーザ干渉測長器の較正に用いる例を示す構成図、第２
図は、本発明の他の実施例に係る標準変位発生装置をレ
ーザ干渉測長器の較正に用いる例を示す構成図、第３図
は、本発明のさらに他の実施例に係る標準変位発生装置
をレーザ干渉測長器の較正に用”いる例を示す構成図、
第４図は、第３図の結晶駆動用電源部の回路図、第５図
は、第３図の装置の出力特性図、第６図は、レーザ干渉
測長器の従来の較正手段の一例を示す構成図、第７図は
、レーザ干渉測長器の従来の較正手段の他の例を示す構
成図である。 １・・・Ｌ／−４発振器、　　２．　４・・・レーザビ
ーム、３・・・電気光学結晶、５・・−光検出器、６・
・・信号処理回路、７．１５・・・結晶駆動用電源、８
・・・偏光板、９・・・偏光ビームスプリッタ、２２・
・・モノマルチパイブレ（２Ｌ） 第１　目 ＄Ｚ目 茅　５　囚 −ｔ−匣吟用 廖１　　乙　　　固

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビームの互いに偏光面が直交する２直線偏光
   をそれぞれ参照光、信号光とするレーザ干渉測長器にお
   ける前記２直線偏光共通光路中に、電気光学効果を有す
   る部材と、この部材に電圧を印加する装置およびその電
   圧を測定する手段とを備え、前記電気光学効果を有する
   部材への印加電圧により参照光、信号光間の位相差を変
   化させて標準変位を発生させるように構成したことを特
   徴とする標準変位発生装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、電圧を
   印加する装置は、印加電圧があらかじめ設定した電圧に
   なるとレーザ干渉測長器に対して測定を一時停止せしめ
   る信号を発信するとともに当該印加電圧をリセットする
   手段を備えたものである標準変位発生装置。