JPS62215803A

JPS62215803A - 測長器

Info

Publication number: JPS62215803A
Application number: JP61060190A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Ueda; 敏嗣植田; Eiji Ogita; 英治荻田; Katsumi Isozaki; 克巳磯崎; Katsuya Ikezawa; 克哉池澤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-03-18
Filing date: 1986-03-18
Publication date: 1987-09-22

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、レーザ光の干渉を利用しで、波路を単位とし
た高精度、高分解能の副長を行なうことができるととも
に、アブソリュートな測長出力をｉ））ることのできる
測長器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、光の干渉を利用した高精度の測長器は、インクリ
メンタル形と呼ばれるもので、測定対象面の移動量（干
渉縞の変位）に応じて得られるパルス１β号を積算カウ
ントして、この測定対象面の変位を求めるようにしたも
のである。このため、測長動作中に電源が遮断されると
、再度電源が投入されても、それまでの測定量がリセッ
トされてしまい、その後の測定量が全く無意味なものに
なってしまう。

このような問題点を解決するために、本願出願人はすで
に、特聞昭６０−２７７３８０号として、アブソリュー
トな測長出力を得ることのできる測長器を提案している
。これは、マイケルソンの干渉光学系を利用した測長器
において、少なくとも２つ以上の波長の異なる光を切り
換えて、測定対象までの距陣に応じた光の位相遅れ量を
順次測定するとともに、これらの波長と位相遅れ量との
関係から前記測定対象までの距離を求めるようにしたも
のである。

第３図はこの測長器の構成を示すものである。

図において、１は波長の異なるｍｌのコヒーレントな光
を選択的に発生するレーザ光源、ＨＭＲＩはハーフミラ
−１ＡＯＭ１は光の位相遅れ量をヘテロダイン検出する
ために基準側の光を変調する音響光学変調器（以下、Ａ
Ｏ変調器と略記する）、２はＡＯ変調器ＡＯＭＩを一定
周波数ｆｂで駆動する変調信号源、ＰＤＩはフォトディ
テクタ、ＣＣＩ、ＣＣ２はキューブコーナ、３はフォト
ディテクタＰＤ１の出力に含まれる位相遅れ呈を検出す
る位相検出回路、４は測定に使用された光の波長とその
時の位相遅れ量との関係から、キューブコーナＣＣ１ま
での距離を求める演算回路である。レーザ光源ｌは例え
ば一定波長の光源と波長を任意の量だけシフトさせる波
長シフタとにより構成され、任意の波長の光を開成発生
する。また、キューブコーナＣＣＩは測長動作に応じて
移動する副長側のキューブコーナてあり、キューブコー
ナＣＣ２は一定の距離に固定された八べへ０１のキュー
ブコーナである。

このように構成された測長器において、レーザ光ＦＡＩ
から出射された光の角周波数をω、その振幅Ｖｏを、Ｖｏｗ　　５ｉｎｏＪｔ　　　　　　　　　　　　　　
　　（１）とし、ＡＯ変ｉ１１器ＡＯＩ’ｌｌにおける
変調角周波数をωｂ　　（＝２ｆｆｂ）とすると、ＡＯ
ｆ調器ＡＯＭＩにより変調された光の１次回折光の振幅
ｖ１はＶｌｗ　５ｉｎ（ｃａ＋　＋　ωｂ）ｔ　　　　
　　　　　　（２）となる。また、キューブコーナＣＣ
Ｉを介してもどってきた光の振幅ｖ２はＶ２＝　５ｉｎ（（４１ｔ＋６）〔３〕となる。なお、
小は基準側および測長側の各光路における光路長の差に
対応して発生する位相遅れ量である。

フォトディテクタＰＤｌ上では、上記の（２）　、　（
３）式に示されるような２つの光が重畳されるので、入
ｆ１．ｌ　する光の振幅はＶｌ＋Ｖ２−ｓｉｎ（ｃａ＋　＋　ωｂ）ｔ　＋５ｉｎ
（Ｐｔ　＋　ｄ＋）＝　２５ｉｎ（ｃａ＋　ｔ　　＋　
　（（ＩＩ　ｂｔ＋　ｈ　）／２）・　ｃｏｓ（（ωｂ
ｔ　−ｃｂ　）／２）　　　　　　　（４）のように、
ｖｌ　、　ｖ２の和となる。ここで、フォトディテクタ
ＰＤＩの出力は入射する光の振幅の２乗に比例するので
、理論的には（Ｖｌ＋Ｖ２）”＝４ｓｉｎ”（ωｔ＋　（ωｂｔ＋ｄ
＋）／２）−ｃｏｓ”　（（ωｂｅ−ｃｂ　）／２）　
　　　（５）となるが、フォトディテクタＰＤ１は光の
周波数には応答できず、平均値を示すようになるので、
その出力ＶｐはＶｐ＝　１　＋　ｃｏｓ（ωｂｔ　−ｄ））　　　　　
　　　　（６）となる。

したがって、ＡＯ変変調ＡＯＭ１における変調角周波数
ωｂがわかっていれば、フォトディテクタＰＤ１の出力
Ｖｐの伯から位相遅れ量６を算出することができる。

さて、マイケルソンの干渉光学系を使用すると、上記の
ようにして、距離に応じて変化する位相遅れｆｆ１ｃｌ
＋を測定することが可能であるが、この位相遅れ−ｈ１
　、ｆ、の萌は（２ｗＮ＋＃）　　：　Ｎは自然数と等価であるので、位相遅れｉｉの大きさからただちに
キューブコーナＣＣ１までの距離を特定することはでき
ない。

そこで、図の測長器においては、測定に使用する波長を
変化させ、各波長に対応した位相遅れ最小を順次測定す
るとともに、これらの測定結果を連立方程式として解く
ことにより、測定対象（キューブコーナｃｃｌ　）まで
の距離を求めるようにしている。

いま、ハーフミラ−ＨＭＲＩからキューブコーナＣＣ２
までの距離をｄｌ、ハーフミラ−ＨＭＲＩからキューブ
コーナＣＣ１までの距離をｄ２とすると、これらの各光
路長の差は２ｄｌ−２ｄ２−２ｄとなる。したがって、測定に使用する光の波長をλ１．
λ２．λ３．λ４（λ１くλ２くλ３く＾４）とし、こ
の時に得られる位相遅れ量をａ　１．　ｊ　２．　！　
３゜ｄ）４　　（，６１〜ｄ＋４は０〜２τ）とすると
、各測定結果からは次のような式が成立する。

□　　　２ｄ＝ｎｌ　　λｌ　＋λ１ｄ＋１／２ｗ　　
　　　　　（７）２ｄ＝ｎ２　　Ａ２　＋λ２　　ｄ）
２／２ｆ　　　　　　（８）２ｄ−ｎ３　　Ａ３　＋λ
３＋ｆ＋３／２ｗ　　　　　　　（９）２ｄ−ｎ４　　
Ａ４　＋λ４ｄ）４／２ｆ　　　　　　（１Φη１〜ｎ
４は自然数、また、これらの関係式の中から、上記（７）　、　（８
）式を使用してｄを求めると、ｄ　＝　Ａ　１２（ｎｌ　−ｎ２）＋Ａ１２（Φ１／λ１−Φ２／λ２）　　　（１１）Ａ
１　Ａ２ Φ１りλ１ｔｂ１／２ｆ、Φ２−＝＝λ２ｄ、２／２ダ
となる。ここで、Ａ１２は２つの波長λ１．λ２におけ
る最小公債波長であり、このＡ１２の値を測定範囲と等
しく、またはそれより大きく選ぶようにすると、上記（
１１）式におけるＡ　１２（ｎｌ　−ｎ２）の項の値を
特定することができ、これらの波長λ１．λ２に対応し
た位相遅れ量ｍ１．ｃｂ２から距１ｉ１ｄを一義的に算
出することができる。すなわち、測定範囲が最小公債波
長Ａ１２より狭ければ、この時の位相遅れ績小は常に０
〜２ｆの間にあるので、距＋１　ｄと位相遅れ量６とが
一対一に対１．シすることになり、位相遅れ量６からた
だちに距ｆｉｄを特定することができる。例えば、測定
範囲を０〜１０００ｍｍとした場合、最小公債波長Ａ１
２が１０００ｍｍとなるように波長λ１．λ２の大きさ
を選択すれば、ＩＩ′ｉＩ記（１１）式におけるＡ　１
２（ｎｌ　−ｎ２）の項は０となり、位相遅れ量６１．
６２から距ａｄを一義的に算出することができる。

次に、上記のような波長λ１．λ２の組合せにより、測
定（ｌａｄ、、が得られ、この時の測定精度（測定誤差
）から、測定出力ｄ　＋ｍにおける真値の範囲がｄ、、
ｆｆ１ｉｎ＜　ｄ　、＜　ｄ、、ｍａｘのように求めら
れたとすると、次回の波長の組合せ（Ａ１６Ａ３）は、
貫偵の範囲ｄ、　、ｍｉｎ〜ｄ、、ｍａｘを測定範囲（
最小公債波長）とするように選ばれる。したがって、測
定範囲が狭く絞り込まれ、より高分解能な測定が可能と
なる。

このように、上記の関係を利用して、波長の組合せ（最
小公債波長）を選択し、測定範囲を順次絞り込んで行け
ば、任意の測定範囲にわたってアブソリュートな測定結
果を得ることができるとともに、測定の分解能を波長単
位にまで高めることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のような測長器では、光の波長を順
次切り換え、この時の位相遅れ量を測定するとともに、
この測定データを使用して測定対象までの距離を算出す
るようにしているので、干渉光学系中の空気にゆらぎや
屈折率の変化などがあった場合には、各波長の光に対す
る測定条件が測定の都度変化してしまい、距離の算出が
著しく困難になってしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、アブ
ソリュートな測定出力を得ることができるとともに、空
気のゆらぎなどの影響を受け難い測長器を簡単な構成に
より実現することを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の測長器は、マイケルソンの干渉光学系を利用し
少なくとも２つ以上の波長の異なる光を使用して測定対
象までの距離に応じた光の位相遅れ量をそれぞれ測定す
るとともにこれらの波長と位相遅れ量との関係から前記
測定対象までの距離を求めるようにした測長器において
、干渉面上に干渉縞を形成する干渉光学系と、波長の異
なる２つの光をｌｎＪ記干渉光学系に入射させるレーザ
光源と、前記干渉光学系を介してもどってきた光をその
波長に応じて分離する分光手段と、この分光手段により
分離された光を受け干渉縞の位置からそれぞれの光にお
ける位相遅れ量を測定する位相測定手段とを具ｆｉｌｌ
ｌするようにしたものである。

〔作　用〕

このように、干渉光学系の干渉面上に干渉縞を形成させ
るようにすると、ＡＯ変変調などを使用することなく、
干渉縞の位置から光の位相遅れ量を検出することができ
る。また、干渉光学系を介してもどってきた光を、波長
の違いを利用して分離すると、異なる波長の光を別々の
測定手段で受けることができ、２つの波長に対する測定
を同時に行なうことができる。このため、同時に得られ
た測定データを利用して距離の算出を行なうようにすれ
ば、ゆらぎなどの影響を等しく受けた測定データ間で演
算を行なうことができるので、■値に近い（ｄｊを得る
ことができ、空気のゆらぎなどの影ｒｙを受け！ｌい測
長器を簡単な構成により実現することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の測長器の一実施例を示す構成図である
。図において、前記第３図と同様のものは同一符号を付
して示す、１１は例えば波長がλｌ。

λ２なる２つの光を同時に出射するレーザ光源、５は入
射する光の波長に応じてその回新角が変化する回折格子
、６は光の波面を僅かに傾けるためのくさび状の光学素
子、ＰＤ＾１　、　ＰＤＡ２はフォトダイオードアレイ
である。また、キューブコーナＣＣ１゜ＣＣ２などより
なる干渉光学系はその干渉面上に千８縞を形成するよう
に構成されたもので、キューブコーナＣＣＩから帰って
くる光の波面と、キューブコーナＣＣ２から帰ってくる
光の波面とが僅かに傾くように、光学素子６が配置され
ている。

図に示されるように、レーザ光′ｆＡｌｌから出射され
た２波Ｊ７ｃ　（＾１．λ２）の光は、同時に干渉光学
系に入射しでいる。また、回折格子５は干渉光学系を介
して得られた干渉光をその波長に応じて分離する分光手
段であり、回折格子５により分離された光はそれぞれフ
ォトダイオードアレイＰＤＡＩ　。

ＰＤＡ２に入射している。例えば、図示の如く、レーザ
光′１ｎｌｌから出射された波長λ１の光は、干渉光学
系を介した後、フォトダイオードアレイＰＤＡＩに入射
し、波長λ２の光は、干渉光学系を介した後、フォトダ
イオードアレイＰＤＡ２に入射する。さらに、フォトダ
イオードアレイＦＯＡＬ　、　ＰＤＡ２の出力は位相検
出回路３よりなる位相測定手段にそれぞれ与えられてい
る。

したがって、光の位相遅れ量に応じて変化する干渉縞の
位置（動き）はフォトダイオードアレイＦＯＡＬ　、　
ＰＤＡ２により検出され、位相検出回路３からは、各波
長の光における位相遅れ量の差に応じた信号が得られる
。一般に、フォトダイオードアレイＰＤＡＩ　、　ＰＤ
八へにおし）では、これを４１ａ成するフォトダイオー
ド素子を一定速度で走査し、得られた交流信号の位相を
測定することにより、ＡＯ変、ＪＩＩ器などを使用する
ことなく、光の位相遅れ量に応じた干渉縞の位置（動、
！ｒ）を容易に検出することができる。

また、上記のように構成された測長器においては、回折
格子５の機きにより、波長の異なる２つの光が互に干渉
することなく、それぞれのフォトダイオードアレイＰＤ
ＡＩ　、　ＰＤＡ２に入射するので、異なる波長（λ１
．＾２）の光に対して、それぞれ独立の測定系が構成さ
れていると考えることができる。

このため、本発明の測長器では、２つの波長＾１、λ２
の光に対する位相遅れ量の測定を同一条件の中で同時に
行なうことができる。ここで、同時に測定した位相遅れ
量は、空気のゆらぎなどの影響を等しく受けていること
になるので、この測定データを利用して距離の算出を行
なえば、ゆらぎなどの影゛−５を受けながらも、真個に
近い測定出力を（ｉＩることができる。また、同じ波長
の組合せによる測定を多数回繰り返し、得られた測定出
力を平均するように処理すれば、ゆらぎなどの影響を除
去して、高精度の測定を行なうことが可能となる。

さらに、前記した第３図の装匠と同様に、波長の組み合
せを変えれば、測定範囲を絞り込み、アブソリュートで
高分解能な測定出力を得ることができる。

第２図は本発明の測長器の池の実施例を示す構成図であ
る。

第２図に示す測長器は、レーザ光ｆＡ１２から出射され
た波長λ１の光を、ＡＯ変澗器ＡＯＭ２を使用して波長
のｙ４なる２つの光（λ１６λ３）に変換するとともに
、レーザ光源１３からは波長λ２の光を出射し、遮光板
７により波長の組合せを変更するようにしたものである
。すなわち、ＡＯ変調器ＡＯＭ２の０次および１吹の回
折光を利用すれば、波長の異なる光を容易に得ることが
できる。また、遮光板７の位置を切り換えると、波長λ
３の光の代りにレーザ光源１３から出射された波長λ２
の光をハーフミラ−８ＭＲ２に入射させることができ、
ｆｆ［ｔする波長の組合せを容易に変更することができ
る。

８はＡＯ変変調ＡＯＭ２を一定周波数で駆動する変調信
号源、９はＡＯ変調器ＡＯＭ２の回折光を平行光線に戻
すためのレンズ、ＭＨＩはミラー、ＨＭＲ３はハーフミ
ラ−である。

なお、上記の説明においては、干渉光学系を介してもど
ってきた光をその波長に応じて分離する分光手段として
、回折格子５を例示したが、分光手段の）１０成はこれ
に限られるものではなく、同様な特性を有するものであ
れば、分光手段として利用可能である。また、−波長の
レーザ光ｒＡ１２とＡＯ変、ＩＪｌ器ＡＯＭ２とにより
２つの異なる波長（λ１．λ３）の光を発生する場合を
例示したが、波長の異なる複数の光を発生する手段はこ
れに限られるものではない。また、測定に使用する波長
の数は、目的とする分解能に応じて決められるものであ
り。

３つあるいは４つに限られるものではない。さらに、２
つの光の波面を僅かに傾ける手段も、キューブコーナＣ
Ｃ２とくさび状の光学素子６とに限らず、例えば２枚の
ミラーを用いるなど、各種方法が考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の測長器では、マイケルソ
ンの干渉光学系を利用し少なくとも２つ以上の波長の異
なる光を使用して１１１１１定対象までの距離に応じた
光の位相遅れはをそれぞれ測定するとともにこれらの波
長と位相遅れ母との関係から前記測定対象までの距離を
求めるようにした測長器において、干渉面上に干渉縞を
形成する干渉光学系と、波長の異なる２つの光をＩｌｉ
前記干渉光学系に入射させるレーザ光源と、前記干渉光
学系を介してもどってきた光をその波長に応じて分離す
る分光手段と、この分光手段により分離された光を受け
干渉縞の位置からそれぞれの光における位相遅れ量を測
定する位相測定手段とを具備するようにしているので、
２つの波長に対する測定を同時に行なうことができ、常
に同時に得られた測定データを利用して距離の算出を行
なうようにすれば、アブソリュートな測定出力を得るこ
とができるとともに、空気のゆらぎなどの影響を受け難
い測長器を簡単な構成により実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の測長器の一実施例を示す
構成図、第３図は本願出願人がすでに提案した測長器の
一例を示す構成図である。１　、１１．１２．１３・・・レーザ光源、２，８・・
・変調信号源、３・・・位相検出回路、４・・・演算回
路、５・・・回折格子、６・・・光学素子、７・・・遮
光板、９　・・・レンズ、ＨＭＲＩ〜ＨＭＲ３・・・ハ
ーフミラ−１ＡＯＭｌ　、　ＡＯＭ２・・・ＡＯ変澗器
、　ＣＣＩ　、　ＣＣ２・・・キューブコーナ、ＰＤ八
へ、ＰＤ八へ・・・フォトダイオードアレイ、ＭＨＩ　
　・・・ミラー。代　　理　　人　　　弁理士　　　小　　沢　　信　　
助　　：第１図Ｃ２

Claims

【特許請求の範囲】

マイケルソンの干渉光学系を利用し少なくとも２つ以上
の波長の異なる光を使用して測定対象までの距離に応じ
た光の位相遅れ量をそれぞれ測定するとともにこれらの
波長と位相遅れ量との関係から前記測定対象までの距離
を求めるようにした測長器において、干渉面上に干渉縞
を形成する干渉光学系と、波長の異なる２つの光を前記
干渉光学系に入射させるレーザ光源と、前記干渉光学系
を介してもどってきた光をその波長に応じて分離する分
光手段と、この分光手段により分離された光を受け干渉
縞の位置からそれぞれの光における位相遅れ量を測定す
る位相測定手段とを具備してなる測長器。