JPS62240801A - 光路長差測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ヘテロダイン検波法を利用した光応用計測
装置に関し、光路長差測定装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、光の性質を利用して高精度、非接触の計測を行な
う光応用計測が注目されているが、その場合、光干渉縞
の位相情報の測定分解能を高め、かつこれを自動測定す
るために光ヘテロダイン検波法が多く利用されている。

この光へテロダイン検波法は、ラジオのへテロダイン受
信と同様、検出したい信号に局部発振出力信号を混合し
、中間波信号（ビート信号）を発生して信号処理を行な
う方法である。電気通信では、局部発振出力信号を得る
ために、完全に独立した発振器を使用するのであるが、
光波干渉測定の場合には、中間波信号の周波数にゆらぎ
が生じない程度に安定した独立の発振器を製作すること
が困難である。そのため、検出したい光信号に対し一定
の周波数差を有するレーザ光を作成し、これを参照用の
光路を通して受信端に送って局部発振出力信号として用
いる。

このような光ヘテロダイン検波法を用いて、光路長差と
して示される被測定物の変位量を測定しようとする場合
、例えば第５図に示すような構成が考えられる。

同図において、例えばＨｅ−Ｎｅガスレーザ１（波長λ
＝６３２．８ｎｍｓ光周波数ｆｏ＝４７４．１Ｘ１０６
ＭＨｚ）から出射された、紙面上光軸に対して４５・０
の方位を有する直線偏光からなる光ビーム２は、光周波
数シフタ３において、ｐ偏光とＳ偏光とに分離され、そ
れぞれ水晶発振器４（発根周波数ｆ＋　　）から増１は
器５を介して送出される電気信号により駆動される第１
の音響光学素子および水晶発振器６（発ｗｔ間波数ｆｚ
）から増幅器１を介して送出される電気信号により駆動
される第２の音響光学素子によって周波数シフトされた
後、再び同一光路上に合成されて出射される。

この光周波数がｆｏ”ｆ＋のｐ偏光と光周波数がｆｏ”
ｆｚの８偏光とからなる出射光ビーム８は、無偏光ビー
ムスプリッタ９で２分割される。

このうち、反射光ビーム１０は、方位角４５°の偏光ビ
ームスプリッタ１１においてｐ偏光成分とＳ偏光成分と
が合成された光ビーム１２となり、光検出器１３におい
て電気信号ｉｏに変換される。

他方、透過光ビーム１４は、方位角０°の偏光ビームス
プリッタ１５においてＳ偏光の反射光ビーム１６とｐ偏
光の透過光ビーム１Ｔとに分離される。このうち反射光
ビーム１６は、１／４波長板１８によシ円偏光ビーム１
９となり、反射鏡２０で反射された後再び１／４波長板
１Ｂを透過し、ｐ偏光ビーム２１となってその″１１偏
光ビームスプリッタ１５を透過する。これに対し、透過
光ビーム１７は、１／４波長板２２により円偏光２３と
なり、反射鏡２４で反射された後再び１／４波長板２２
を透過し、Ｓ偏光ビーム２５となシ、偏光ビームスプリ
ッタ１５において反射される。

偏光ビームスプリッタ１５を透過したｐ偏光ビーム２６
と偏光ビームスグリツタ１５で上記ｐ偏光ビーム２６と
同一光路上に反射された（図ではわかりやすくするため
ずらして示した）Ｓ偏光ビーム２Ｔとは、方位角４５°
の偏光ビームスプリッタ２８においてｐ偏光成分とＳ偏
光成分とが合成された光ビーム２９となり、光検出器３
０において電気信号ｉ＋に変換される。

同様に反射鏡２５を光路上で・ΔＬだけ移動させ、Ｓ偏
光ビーム２γ側の光路長を２・ΔＬだけ長くした場合に
ついて電気信号ｉｌ′を求める。位相検出器３１におい
てｉｏを基準としてｉｌ　と　１１Ｌとを比較すること
により、上記変位に相当する位相変化δが得られる。こ
れから、さらに演算器３２２・ΔＬ においてδ＝２π・−ニーよシ変位ΔＬを求め、その値
を表示器３３に表示する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した構成では、光周波数シフタ３の出射光
ビーム８を測定用光と基準用光とに二分するため、無偏
光ビームスプリッタ９が必要になるとともに、偏光ビー
ムスプリッタ１５をはじめとする測定側の光学系の他に
、基準信号を得るたケ偏光ビームスプリッタ１１や光検
出器１３　（増幅器を含む）を必要とする。このため、
最適な信号を得るだめの光軸の調節作業が面倒であった
。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明は、同一の基準用発振器から得られる第１および
第２の電気信号でそれぞれ駆動される２つの音響光学素
子を備え、同一のレーザ光から第１および第２の電気信
号の周波数差だけ光周波数の異なる２つの直線偏光を得
てこれを同一光路上に出射する光周波数シフタと、この
光周波数シフタの出力光を構成する２つの直線偏光に光
路長差を与える手段と、この光信号を電気信号に変換す
る光電変換手段と、上記基準用発振器から第１および第
２の電気信号の周波数差に相当する周波数の第３の電気
信号を出力する手段と、この第３の電気信号を基準とし
て光電変換手段の出力信号の位相変化を検出する手段と
を設けたものである。

〔作　用〕

基準側は光信号を用いず、はじめから電気信号のま１で
、測定用光を光電変換して得られる電気信号の位相変化
が検出される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。

第５図に示しだ従来例と異なる点は、水晶振動子（共振
周波数ＩＭＨｚ）　　を内蔵した基準発振器４１（発振
周波数ＬＯｋＨｚ）に対し、Ｎ分周器を内蔵する第１の
ＰＬＬ回路４２Ａ（分局比Ｎ＝８０００）および増幅器
４２Ｃならびに第２のＰＬＬ回路４２Ｂ（分局比Ｎ＝７
０００〜７９９０）　および増幅器４２Ｄからなる駆動
回路４２を備え、その出力によって直交偏波形光周波数
シフタ３の各音響光学素子３０１．３０２　を駆動する
ことと、第５図の無偏光ビームスプリッタ９、偏光ビー
ムスプリッタ１１および光検出器１３を無くし、代りに
第３０ＰＬＬ回路４３（分局比Ｎ＝１０〜１０００　）
を用いている点である。

なお、第１ないし第３のＰＬＬ回路は、いずれも第２図
に示すような構成を有する。同図において、１０１　は
発振器４１の出力を第１人力とする位相比較器、１０２
はａ−パスフィルタ、１０３はローパスフィルタの出力
を制御信号とし、定常状態では上記第１入力の周波数と
後述する分周器１０４の分局比との積の周波数を出力す
る電圧制御発振器、１０４はこの電圧制御発掘器１０３
　の出力をｌ／Ｎ　の分局比に従って分周して位相比較
器１０１　の第２人力とする分周器である。入力周波数
をｆ　ＩＮ、出力周波数をｆ。Ｕアとすると、ｆＯＵＴ
　”Ｎ’　ｆｌＮ　という関係がある。

上部構成において、第１のＰＬＬ回路４２Ａの分周器の
分周比を８０００　とすれば、その出力は、ｆ＋＝８０
ＭＨｚの信号になる。この信号は、増幅器４２Ｃにより
増幅されて、光周波数シフタ３の一方の音響光学素子３
０１　　を駆動する。同様に第２のＰらＬ回路４２Ｂの
分周器の分局比を７９００とすれば、その出力はｆｚ＝
７９ＭＨｚの信号となる。この信号は、増幅器４２Ｄに
より増幅されて、音響光学素子３０２を駆動する。なお
、第２のＰＬＬ回路４２Ｂにおいては、分局比が前述し
たように７０００〜７９９０　の範囲で可変であり、出
力周波数を７０．０〜７９．９　ＭＨｚ　　の範囲で０
．１　ＭＨｚ間隔で任意に設定できるものとなっている
。また、音響光学素子３０１．３０２　は、テルライト
ガラス（ＨＯＹＡ■製ＡＯＴ−５）　　からなる音響光
学媒体の側面に、ＬｉＮｂＯ３の３６００Ｙ板（圧電板
）の両生表面に励損電極を付着形成したトランスジュー
サを配置したものである。

ここで、前述したと同様のＨｅ−Ｎｅガスレーザ１（λ
＝　６３２．８ｎｍ　、　ｆｏ　＝　４７４．１　Ｘ　
１０６ＭＨｚ）から出射された元ビーム２（紙面上光軸
に対して４５°の方位を有する直線偏光）を光周波数シ
フタ３に入射させる。

光周波数シフタ３において、光ビーム２は、偏光ビーム
スプリッタ３０３　によりｐ偏光の透過光ビーム３０７
　　とＳ偏光の反射光ビーム３０８とに分離され、前者
は音響光学素子３０１　に、後者は反射鏡３０４を介し
て音響光学素子３０２にそれぞれ入射する。音響光学素
子３０１，３０２は、それぞれ８０ＭＨｚ、７９ＭＨｚ
で駆動されていることから、出力としてｆｏ　＋　８０
ＭＨｚ　の１次回折光３０９　およびｆｏ＋７９ＭＨｚ
　の１次回折光３１０が得られ、前者は直接に、また後
者は反射鏡３０５を介して偏光ビームスプリッタ３０６
に入射し、そこで同一光路上に合成されて出射される。

この出射光ビーム８は、第４図に示したものと全く同様
に偏光ビームスプリッタ１５．１／４波長板１８，２２
、反射鏡２０．２４および偏光ビームスプリッタ２８か
らなる光学系を経て光検出器３０に入射する。このとき
、Ｓ偏光ビーム２７の電界成分Ｅｘｌおよびｐ偏光ビー
ム２６の電界成分ｇｙｔ　は次のように表わされ、 Ｆ、ｘｌ　＝　Ａｘｔ　ａｘ（２π（ｆｏ”ｆ＋）ｔ＋
φ１１・・・（１）Ｅｙ＋　＝　Ａｙｘ　ｃｏｓ（２π
（ｆｏ”ｆｚ）ｔ＋φ２）・・・（２）ＡＸＩ　ＨＡ７
１　：振幅 φ１　、φ２　：位相 光検出器３０の出力として次のような電気信号が得られ
る。

ｌｔ　−Ａｘｔ　　＋　Ａｙｌ　　＋　２Ａｘｓ　Ａｙ
ｔ　ｃｏｓ　（２πΔｆｔ＋Δφ）・１（３） Δｆ”ｆｚｆ＋ Δφ＝φ２−φ１ ここで前述したと同様に反射鏡２４を移動させてＳ偏光
ビーム２７側の光路長を２・ΔＬ　だけ長２・Δし くすると、その位相がδ＝２π・−アーだけ変化し、（
１）式の電界成分ＥＸ１は（４）式の電界成分ｇＸ％の
ようになる。

ｇｚ、’＝　Ａｘｌ　ｃｏｓ　（２π（ｆｏ＋ｆ＋）ｔ
＋（φ１＋δ月・・・（４） これにより、光検出器３０からは（５）式で示されるよ
うな電気信号ｉＩ′が得られる。

ｉ＋’　＝　ＡＸ＋２＋Ａｙ、２　＋　２ＡｘｌＡ）’
＋ｃｏ！＋（２πΔｆｔ＋（Δφ−δ〕） ・・・（５） 一方、第３のＰＬＬ回路４３の分周比を１００とすれば
、その出力としてＩＭＨｚ　の電気信号ｉｏ′が得られ
る。なお、第３のＰＬＬ回路４３においては、分局比が
前述したように１０〜１０００の範囲で可変であり、出
力周波数は０．１〜ＩＯＭＨｚの範囲で０．１　ＭＨｚ
間隔で任意に設定できるものとなっているが、ここでは
分局比を第１および第２のＰＬＬ回路の分局比の差とし
、ｆｚ　　ｆ＋に相当する周波数の出力信号を得る。

この電気信号ｉｏ′は次のように表わされる。

ｉ（１’　＝　Ａｃｏｓ　（２πΔｆｔ）　　　　　　
　・・・（６）Ａ：振幅 Δｆ　：　ＩＭＨｚ そこで、位相検出器３１においてこのｉｏ′　を基準と
してｉ＋と　ｔ　、ｌ　とを比較することによシ、位相
変化δが測定でき、その結果から演算器３２において変
位ΔＬが求められる。

ＰＬＬ回路４２Ａ、４２Ｂ、４３はいずれも学−の水晶
振動子を用いた基準発振器４１から入力信号を得ている
ため、光ビーム２９のビート周波数および基準信号の周
波数安定度を、上記水晶振動子の安定度と同等にするこ
とができる。

なお、上述した実施例においてｐ偏光ビーム２６と８偏
光ビーム２γとを合成して得られる光ビーム２９のビー
ト周波数をＩＭＨｚ　　としだが、これはこの値に限定
されるものではない。例えば、第１のＰＬＬ回路４２Ａ
における分周比８０００はそのままで、第２のＰＬＬ回
路４２Ａの分局比を７０００とすることにより、ビート
周波数をｌＯＭＨｚとすることができる。この場合、第
３のＰＬＬ回路４３における分間比はｔｏｏｏ　　とす
ることはいうまでもない。

第３図は本発明の他の実施例を示す構成図である。本実
施例では、第１図に示した偏光ビームスプリッタ１５．
１／４波長板１８．２２　および反射鏡２０．２４から
なる光学系は用いず、代りに２つの直交直線偏光間で光
路差が生ずるような複屈折物質５１を配置している。複
屈折物質５１は、例えば水晶、方解石などからなシ、そ
の複屈折の主軸方向が直交偏波形光周波数シフタ３の谷
側波方向にそれぞれ一致するように、つ葦り、８偏波方
向を異常光線（または常光線〕の主軸方向に、ｐ偏波方
向を常光線（または異常光線）の主軸方向にそれぞれ一
致させて配置する。

例えばＳ偏波方向を異常光線、ｐ偏波方向を常光線の主
軸方向にそれぞれ一致させた場合に、異常光線屈折率を
ｎｅ、常光線屈折率をｎ。とじて、複屈折物質５１の光
、の進行方向の寸法（厚さ）をｄとすれば、出射光ビー
ム８を構成するＳ偏光ビームおよびｐ偏光ビームの複屈
折物質５１内での光路長はそれぞれｎ、ｄ　と　ｎ。ｄ
　となシ、その光路長差ｔはｄ　（ｎｅ−ｎｏ）　　と
なる。これはま２π た、位相差に換算するとδ＝　了ｘｔ　となる。

複屈折物質５１の出射光ビーム５２を構成するＳ偏光ビ
ームとｐ偏光ビームとは偏光ビームスグリツタ２８にお
いて合成された光ビーム２９となシ、光検出器３０にお
いて電気信号１２に変換される。位相検出器３１におい
て電気信号ｔ　ｏ＋との位相差δを検出することにより
、光路長差ｔが求められ、さらにｎｅとｎ。とが既知で
あれば厚さｄが、また厚さが既知であればｎ　ｅ　　ｎ
　ｏの値が求められる。

なお、同一のレーザ光から光周波数の異なる２つの直線
偏光を合成した光ビームを得るための構成は、上述した
実施例に限定されるものではない。

第４図に、他の構成例を示す。

同図において、Ｋｒイオンイオンガスレーザ１人（波長
λｏ＝６４７、ｔｎｍ、光周波数ｆｏ＝４６３．６Ｘ］
０６ＭＨｚ）　　から紙面に対して垂直な電界成分を有
する直線偏光（Ｓ偏光〕として出射されたレーザ光２Ａ
は、分離機能を有する半透過鏡３１１を通して透過光ビ
ーム３１２（ｓ偏光〕　と反射光ビーム３１３　（ｓ偏
光〕　とに分離される。このうち透過光ビーム３１２は
上述した実施例と同様に駆動回路４２からの電気信号で
駆動される第１の音響光学素子３１４に入射する。そし
て回折光ビーム３１５（Ｓ偏光）がこの音響光学素子３
１４から出射され、反射鏡３１６にて反射され、さらに
光ビームの進行方向のまわりに４５°回転させて配置さ
れた、偏光変換機能を有する１／２波長板３１７　を通
して、紙面に平行な電界成分を有する直線偏光（ｐ偏光
）の透過光ビーム３１８　となって、偏光結合機能を有
する偏光ビームスグリツタ３１９　を透過する。

他方、反射光ビーム３１３は、同じく駆動回路４２から
の電気信号で駆動される第２の音響光学素子３２０に入
射する。そして回折光ビーム３２１（Ｓ偏光）がこの第
２音響光学素子３２０から出射して、反射鏡３２２にて
反射され、前述した偏光ビームスプリッタ３１９　で反
射される。

この結果、本実施「りにおいても、偏光ビームスプリッ
タ３１９の出射光ビーム８Ａとして一定の光周波数差（
本例５　ＭＨｚ　）　　を有するｐ偏光と３偏光とが互
いに直交して同一光路上で合成された光ビームが得られ
る。

ここで、本実施例においては、第１の音響光学素子３１
４のブラック角調整のための回転中心から反射鏡３１６
の回転中心までの距離Ｌ１と、この反射鏡３１６の回転
中心から偏光ビームスプリッタ３１９の回転中心までの
距離Ｌ２との合計値（ＬＩ”Ｌ２）を、第２の音響光学
素子３２０のブラック角調整のための回転中心から反射
鏡の回転中心までの距離Ｌ３と、この反射鏡３２２の回
転中心から偏光ビームスプリッタ３１９の回転中心まで
の距離Ｌ４との合計値（Ｌ３”Ｌ４）　　に実質的に等
しく定めている。このため、第１および第２の音響光学
素子の各中心周波数を変化させて、出射光ビーム８Ａの
方向を一次元的に変化させた場合に３いても、その変化
の前後においてそれぞれの出射光ビームの同一光路上で
の合成および一定の光周波数差を保持することができる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、基準側の光学系
が不要となり、光軸合せ等の面倒な作業が不要となる。

また、基準用の電気信号および各音響光学素子を駆動す
るそれぞれ異なった周波数の電気信号は、同一の基準発
信器から形成されるため、高い安定度が維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はその
うちのＰＬＬ回路の構成を示すブロック図、第３図およ
び第４図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す構成図、
第５図は従来例を示す構成図である。 １．１Ａ　・・・・レーザ、３，３Ａ−ｍ−・光周波数
シフタ、１５．２８・・・・偏光ヒームスグリツタ、１
８．２２・・嗜・１／４　波長板、２０．２４・・・・
反射鏡、３０・・・・光検出器、３１・・・・位相検出
器、３２・・・・演算器、４１・・・・基準発振器、４
２・・・・駆動回路、４３・・・−ＰＬＬ回路、５１・
・・・複屈折物質、３０１．３０２，３１４．３２０　
　・・・・音響光学素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基準用発振器と、この基準用発振器の出力信号から所定
   の周波数差を有する第１および第２の電気信号を出力す
   る駆動回路と、レーザ光を分離して得られる２本の直線
   偏光を入射しかつそれぞれ第１および第２の電気信号に
   より駆動される第１および第２の音響光学素子を有し光
   周波数の異なる２つの直線偏光を合成して出射する光周
   波数シフタと、この光周波数シフタの出力光を構成する
   ２つの直線偏光間に光路長差を与える手段と、これら２
   つの直線偏光からなる光信号を電気信号に変換する光電
   変換手段と、基準用発振器の出力信号から第１および第
   ２の電気信号の差の周波数を有する第３の電気信号を出
   力する手段と、第３の電気信号を基準として光電変換手
   段の出力信号から光路長差に対応する位相変化を検出す
   る手段と検出された位相変化を算出する手段とを備えた
   ことを特徴とする光路長差測定装置。