JPS6279301A - 距離の変化測定方法及び装置 - 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】 本発明は、参照点と物体表面との間の距離の変化を測定
する方法に関し、本法では大体において単色光源から発
せられる光は、物体の表面から反射されまた干渉計にお
いて礪知のパスをもちかつ同じ光源からの参照ビームと
組み合わされまた感光手段によって電気信号へ変換され
、電気信号がこの信号の曲線の一次導関数の連続処理手
段から成るディジタル信号処理手段で出力信号へ変換さ
れ、この出力信号が上記距離の変化を表わしている。さ
らに本発明は、本法を実施する装置に関する。

公知の方法では感光手段によって発生される電気信号は
、下記の公式によって表わされ、すなわち ここにＡ及びＢは定数でありまたＬは発せられる光のパ
スと参照ビームのパスとの間の光学距離の差であり、５
（ｉ）は、時間の関数として表わされる上記距離の変化
を表わしている。この式から物体の移動は、若干のリザ
ーブをもつディジタル処理手段の助けをかりて移動の範
囲の尺度になるＵの明確な変化をもたらすことが理解さ
れる。しかしながら、重要な問題は、ｃｏｓ（Ｓ（ｔ）
　）　＝ｃｏｓ（−５（ｔ）　）であり、これは、信号
の電圧が変化の符号に関する情報を示さないことを意味
する。１９８０年ベルリンＶＤＥ出版刊行のゲー、ラウ
エル著、Ａｂｓｏｌｕｔｅ　Ｋａｌｉｂｒｉｅｒｕｎｇ
　ｖｏｎＢｅｓｃｈｌｅｕｎｉｇｕｎｇｓａｕｆｎｅｈ
ｍｅｒ　−ＶｅｒｇｌｅｉｃｈｓｎａｒｍａＣｎ。

Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔ　　ｄｅｒＡｋｕＳｔｉｋ−Ｔ
）ＡＧＡ　　　１　９　８　０　　、　ｉユンヘン、８
１１〜８１４頁により開示される方法では、お互に対し
て偏光されかつ９０°だけ変位される２つの測定ビーム
をつくるこトラ示唆し、それらの測定ビームが２つの′
に気信号を発生するため参照ビームとオーバラップされ
かつウォラストンプリズムによって空間的に分離され、
２つの電気信号のうち１方がこれまで通りｃｏｓ（Ｓ（
ｔ））を表わす一方、他方が５ｉｎ（Ｓ（ｔ））を表わ
している。それから２つの信号のディジタル処理は、５
（ｔ）が２つの信号の間の商に対する逆正切に比例する
から、移動の寸法及び方向の双方に関して距離の変化を
十分計算できるようにすることができる。この方法の欠
陥は、使用される干渉計がむしろ複雑でありかつ多数の
高価な成分を含むことである。別の欠陥は、物体の表面
が２つの偏光のビームを異って反射する場合、測定誤差
を発生することである。通常これは、距離を測定する表
面に対して鏡を固着することを意味し、また、従ってこ
の公知の方法が非破壊的測定に適さない。同様な構造は
、英国特許第２．１３／、１１７号及び米国特許第４゜
４８Ｇ、？ｊ４号で開示される。

別の公知の方法では測定の符号は、参照ビームの光の変
調によって決定される。しかしながら、この方法は、変
調周波数によって制限される限定測定分野をもっている
。広い分野を得るために高い変調周波数を使用しなけれ
ばならないが、しかし実際上十分高い周波数を使用する
場合、変調を行なうのに使用される成分の熱散逸のため
に困難が発生する。

本発明の目的は、偏光或は光周波数を変調する必要なく
かつ光の干渉に基づく測定から生じる固有の限定は別と
して測定分野の限定を含む復雑な諸段階なしに距離変化
の方向測定方法を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、発せられる光のへ波長に
対応する値をもつ参照ビームのパスの長さのほぼ瞬間的
変更、ディジタル信号処理手段が上記信号に対する平均
値に関して符号の変化を起したかどうかを確定するに適
されており、瞬間的変更が参照ビームのパスの長さの増
加であるならば、瞬間的変更後電気信号が正或は負であ
る場合、同じ或は反対の符号が距離の記録される変更へ
適用されておりまた瞬間的変更が参照ビームのパスの長
さの減少であるならば、符号が反対に適用されることＫ
よって達成される。

参照ビームのパスの長さの瞬間的変更により位相変更が
得られ、今やその干渉信号が下記のようにされている。

即ち、 ｃｏｓ（５（ｔ）　−ｒ／２　）　＝ｓｉｎ（Ｓ（ｔ）
　）この変更がほぼ瞬間的であるから、２つのほぼ対応
する角度関数値および距離の変化の符号の決定の基礎が
得られ、上記変更によって干渉信号を発生する。ほぼ瞬
間的なる用語は、ディジタル信号処理手段に対する標本
化周波数に関連して解釈すべきものである。２つの信号
が実際上パスを変更する手段に対して得られる反応時間
に対応する信号変換手段の多数のクロックパルスによっ
て分離されている。しかしながら、計算は信号処理の正
弦値に基礎が置かれないまた、従って、２つの記録の同
時性に対する要求は、符号の変更を確定できるように全
く厳密である。

本発明による方法は、符号を確定する極めて簡単な方法
を提供しかつ各種の型式の干渉計と関連して有用である
。この方法は、測定方法の融通性を増加しまた例えば表
面あらさ或は振動をｆｆ１ｌ＋定する把握器具、負荷支
持構造体、例えば、橋梁、家屋或は機関の変形の記録に
対する実時間測定装ｆを含む測定装置に対してこの方法
を使用させる。

この方法の好ましい実施例によると、距離の変化が遅く
、時間の期間が確証され、また距離の変化が小さい時間
の期間においてパスの変更が実施される。それによって
、この方法は、余弦及び正弦値が同時でなくて、電気及
び機械成分に対する反応時間によって分離されるという
事実に対して敏感である。

さらに本発明は、特許請求の範囲第１項に記載の方法を
実施して参照点と物体の表面との間の距離の変化を測定
する装置に関する。この装置は、物体に向って細い光の
ビームを指向させるに適するほぼ単色光源から成りまた
反射面からの１回以上の反射から成るパスで分割ビーム
を分岐する手段、光の強さに従って電気信号を提供する
に適する感光手段で物体表面から反射される光を受け入
れかつこの光を参照ビームからの光と組み合わする手段
、及び′電気信号の曲線の実際の傾斜の記録及び上記距
離の変化を表わす出力へこの信号を変換する手段から成
るディジタル信号処理手段から成る。

本発明による装置の特徴とするところは下記にあり。即
ち反射表置は、発せられる光の１／３波長に等しくなる
ほぼ瞬間的変位を行なうことができる手段上で設けられ
ており、及びディジタル信号処理手段が感光手段からの
信号の符号の可能な変更を確証、また変位が参照ビーム
のパスを増加するならば、電気信号が変位後正或（−Ｊ
負である場合、信号曲線の傾斜と同じ或は反対符号を記
録される変更へ割当てするよう瞬間的に可能である。

マイケルソン干渉計として構成される本装置は、若干の
成分から成る一ｈよ、しかし高速度すらから成る広い測
定分野内で大きい精度を有する測定を行なうことができ
る。これは、特に信号変臭が少なくかつ簡単な関数から
成る事実及び標本化及び信号処理がマイクロプロセッサ
或は対応する処理説備で単独クロックパルス内に行なわ
れるという事実のためである。測定距離の変化速度に対
する上方限界は、光の波長及びクロック周波数及び余弦
関数の偏角の変化が互いに続く２つの標本化の間でπを
上回らないという条件によって決定される。この速度は
、参照ビームの光の変調に基づく装置に対する速度より
大きい。

本発明による装置の好ましい実施例によれば、移動可能
手段１は、圧電気結晶上の表面であり、この結晶が制ｆ
卸可能なり／Ｃ源と接続される。

電圧が瞬間的に変化する場合、結晶の変形が電圧の変化
に従ってその寸法を変更し、結晶及び電圧の変化は、反
射表面の変位が正確ｊｃ周波長となり、それによって参
照ビームに対するパスの長さが１／３波長だけ変更させ
るようにされている。

これに関連して述べて置くべきことに、マイケルソン干
渉計では、圧電気結晶上で＠照ビームに対する反射表面
の１つを置くことである（例えば米国特許明細再編４．
１７１．１５９号参照）。

開示される装置では、圧電気結晶は、 Ｃ０８（，５（ｔ））及び５ｉｎ（Ｓ（ｔ））に対応す
る多数の測定を得るために、正方形状をもつＡ　／　Ｃ
によって制御され、試験される物体が比較的低い既知の
周波数で振動されている。公知の装置の汎用目的は、本
発明による装置の目的と異なっている。

以下添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明による方法は、干渉計の使用に基礎が置かれ、こ
の干渉計が光源から物体、試験される物体の表面に向っ
て細いビームの光、および感光手段に対してパスが既知
である参照ビームを発する。物体の表面から反射される
光は、参照ビームと干渉させるようにもたらされ、また
干渉信号が感光手段によって記録される。この型式の干
渉計の実施例は、第１図で概略的に示されている。この
干渉計は、例えば半導体レーザにしてもよい光源１から
成る。光源１から細いビームの光が発せられ、このビー
ムは、レンズ５を介して距離の変化渣が試験される物体
４の表面に対して指向される。この光のビームは、レン
ズ３を通って物体の表面で合焦される。レーザとレンズ
との間のビームのパスで、このビームは、このビームと
４５℃の角度をなす部分的に透明鏡として構成されろい
わゆるビームスプリッタ５を１１遇する。それによって
参照ビーム６は、９０°の角度をなしてこの光ビームか
ら分割され、参照ビーム６が同じパスに省って反射面７
から反射されるが、しかし反対方向でちる。このパスに
おいてレンズ８′は、参照ビーム全合焦するため存在１
．でもよい。反射ビームは、ビームスプリッタ５に衝突
し、絞り９の開口、レンズ１０を通過ｊ〜て、列えば、
ホトダイオードのような感光手段１１の表面で合焦され
る。物体４に達する光の部分は、レンズ３をＪｈって反
射されかつビームスプリッタ５；て達し、このスプリッ
タが開口９及びレンズ１０を介１−で反射される光の部
分を感光手段１１１’Ｃ対して反射する。参照ビームの
光と物体４から反射される光との間で干渉が発生し、感
光手段Ｖこよってこの干渉を感知する。もし、例えば物
体り二調和憑動Ｓ（ｔ、）で移動しつつあるならば、感
光手段からの出力・ｊ／：１．、第２図で示さルる形状
のような形状をもっている。この曲線は、ｃｏｓ（Ｓ（
ｔ））の関数であシ、またこの曲線から物体の移動・・
よ、従来のディジタル処理および計算によってａｒｃｃ
ｏｓ（Ｓ（ｔ））に対応する第５図で示される曲線へ変
換することができ、この曲線から物体の移動ｓ（ｔ、）
が第４図で示されるように引き出すことができる。しか
しながら、説明される装置は、Ｓ（ｔ、）の曲、線が実
線の曲線であるか或は破線の曲線であるかを決定できな
い、それは、下記の事実によって説明できる。即ち ゲ ｃａｓ（３（ｔ）＝ｃｏｓ（−３（Ｊり　）感光手段１
１からの出力から、その曲線が第２図で示される曲線で
あるか或は横座標に関して逆にされる曲線であるかどう
かけ、決定することができない。

本発明による方法の助けをかりて、その曲線が上図で示
される曲線か或は逆にされる曲線であるかどうかを決定
することができる。本発明による方法は従って参照ビー
ムのパスの長さは、光源から発せられる光の１／３波長
に等しい畦で瞬間的に変更される。感光手段からの出力
Ｖは、ここにＡ及びＢは定数で、ちりまたＬは、発せら
れる光及び参照ビームの間の長さの差であり、また ｃｎｓ（Ｖ−π／２）＝ｑｉｒ＞Ｖ。

参照ビームの長さの変更の後の出力ｔＪは下記に対応す
る、即ち Ｕ　：＝　　Ａ−）−ＢＳｉｎ（４ｒ／λ（ｔ、＋５（
ｔ））。

第５ａ、５ｂ及び５ｃ図では、感光手段からの出力から
の曲線の語例が示される。％　５　ａ図は、物体の調和
振動からの出力に対応する曲線を示している。ｄｇ　Ｓ
　ｂ図では、２つの曲、腺、先づ参照ビームのパスの長
さを示す曲、腺５１　、次に感光手段からの出力を示す
曲線５２が示される。パスの長さの変更と同時に出力に
おいても変更が起る。この変更は、信号の位相変位π／
２に対応し、それによってこの信号が特定の勇間におい
てほぼ５ｉｎ（ｓｔ）に比例する。第５ｃ図ではパスの
長さの変更は、別の点でなされ（第５ａ図が第２図と同
じであるから、その点は撮動運動の外の端位置へ対応す
る）、へ＆光手段からの出力に対応する曲、線５４に関
し参照ビームに対するパスの長さの変更で成る変化が見
られる。

後者の場合で１゛マその出力！、、す、その符号に変更
する。本発明ケこよるとことしらの事実は、”物体つ移
１山つ方向を決定するため、換言すれば測定される距離
の実際の振動の符号で決定するため使用されろ。一般に
この符号を決定するため、感光手段からの出力の曲線の
傾偶の連続記録を行なう必要があり、記録さ冗る距離の
変化・・二Ｆ、変更り：パスＤ長さの増加に対応するな
らば、出力信号が変更後それぞれ同じ戊は反対で、ろる
場合、同じ或は反対符号を割り当てられ、変更がパスの
長さの減少に対応するならば、符号の割当が反対となる
。

第１図で示される装置で、パスの変位°ま、圧電気結晶
１２上に鏡７を取りつけること、或は電（夕の一つの表
面を研磨しかつなるべく反射コーチングを備えることに
よって行なわれる。圧電気結晶を介する電圧の変化によ
ってこの結晶は、その形状を変更しかつ結晶の寸法及び
に圧の変更の適当な選択によって、反射表面は、１／３
波長で参照ビームのパスを増加或は減少させるために、
１／３波長正確に変位さすてもよい。

出力の処理及び変換は、第６図のブロック図に対応する
処理手段で行ってもよい。図示される変換及び処理手段
は、一般に従来技術ケこ基づいておりかつこのブロック
図１１、合成信号の符号を決定するため感光手段からの
ル気信号の符号の変更がどのように使用されるかの例示
！′こ過ぎ・ｔい。）１ａ光手段からのアナログ出力信
号は、制御信号に従って入力信号の極性を変更できるか
或は極性を変更しないで伝達で八る変良器６１に対する
入力として使用されろ。１じ正さルる入力は、アナログ
最小／最犬検出器６２へ伝達されまたＡ／１〕変臭器６
３へ伝達される。ディジタル出力は、メモリ回路６４へ
供給され、この回路がＡ／Ｄ変換器６５からの各信号に
対して入力の逆余弦に対応する出力を提供する。この信
号は、加算／減算回路へ指向され、この回路では上記信
号が最小／最大検出器６２から受信さ九る信号に従って
電流の和ｔ（加算或は和から減算される。この検出器１
寸、アナログ入力をＩ感知Ｉしかつこの入力の曲線の傾
斜の符号に左右される出力を堤供する。この符号は、メ
モリ回路６４を介して回路６５へ指向される基本標本が
′？！Ｌ流和に加算或はこの和から減算されるべきかど
うかを決定する。本発明によると、そのディジタル信号
は、指示器６６に対しても指向さ九、この指示器が参照
ビームのパスの変更を賦活しかつ同時て符号検出器６７
へ信号を指向し、この検出器に対し感光手段からのアナ
ログ入力も供給される。符号の変更が発生したか或はし
なかったかの記録に応じて、変換器６１に対して信号を
指向しそのため賦活される変更が参照ビームのパスの長
さの増加或は減少であったかどつかに従って信号の極性
を変更或は保持させるようにする。指示器６６の別の目
的は、参照ビームのパスの長さの変更を賦活する適当な
点を決定するためである。最も適当な点は、ディジタル
信号の変動が小さい場合である。これらの長は、物体と
干渉計との間の距離の小さい変動に対応する。指示器６
６は、信号の実際値が１つ或はそれ以上の前の値と比咬
され、またパスの長さの変更を賦活或は賦活化を可能に
するディジタル比較器として構成してもよい。

変更に対する点のこの選択によって＠を移動する手段の
実際性能に対する要求は、減少される。

なぜならばこの移動が物体の実際移動、すなわち５（ｉ
）の変更と瞬間的に比較する必要しかないからである。

上述の信号処理回路が、例えば、使用されるマイクロプ
ロセッサのクロック周波数に対応してもよい高い標本化
周波数を使用させることを注意すべきである。他の成分
は、同じ周波数を使用することができまた標本化周波数
を減少しない。高い標本化周波数は、干渉計及び信号変
換回路から成る装置に対して有利である。なぜならば距
離を変更する最大速度が標本化周波数に比例するからで
ある。パスの長さの変更のために、アナログ入力に対す
る位相変位が発生するが、しかしこの誤差は、実際上測
定の精度へ影響を及ぼさない。鏡の変位に対（−て使用
される時間に対応する多数のクロック同期に対する鏡の
移動している開信号処理を中断することがでへ、これ汀
、物体の移動が遅くなる期間で変位を行なう場合、電気
出力信号の極性変更が起ったかどうかの決定（Ｃｒ？け
るいかなる有意の不碓定性金導入しない。

【図面の簡単な説明】

第１図ｑ士、本発明！（よる装置で使用されろマイケル
ソン干渉計の概略図、６４２図は、感光手段からの′電
気信号に対する曲線、第５図は、第２図による曲線に対
する逆余弦の曲線、第４図は、第３図による曲線に縞づ
いた距離の変動を示す曲線、第５ａ、５ｂ及び５ｃ図は
、参照ビームのパスの長さ一５Ｅ変更されかつさらに圧
゛、Ｉｆ気結晶に対する対応電圧を示す場合、電気信号
での影響を証明する曲線、第６図は、本発明による装置
の信号変換手段の実施例に対するブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ほぼ単色光源から発せられる光が物体の表面から反
   射されまた既知のパスをもちかつ同じ光源から発せられ
   る参照ビームと組み合わされまた感光手段によつて電気
   信号へ変換され、この電気信号がこの信号の曲線の一次
   導関数の連続処理手段から成るディジタル信号処理手段
   で出力信号へ変換され、この出力信号が距離の変化を表
   わす、参照点と物体の表面との間の距離の変化測定方法
   において、発せられる光の１／４波長に等しい値で参照
   ビームのパスの長さのほぼ瞬間的変更から成り、ディジ
   タル信号処理手段が上記信号に対する平均値に関して符
   号の変化が発生するかどうかを確証するように適してお
   り、瞬間的変更が参照ビームのパスの長さの増加である
   ならば、電気信号が瞬間的変更後正或は負である場合、
   同じ或は反対の符号が距離の記録される変更へ適用され
   また瞬間的変更が参照ビームのパスの減少であるならば
   、符号が反対に適用されることを特徴とする方法。 ２　距離の変化が小さい時間の期間が確証され、パスの
   変化がこの時間の期間内に行なわれることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３　信号処理手段の信号の処理が参照ビームのパスの光
   学長の瞬間的変更後変化しないでいることを特徴とする
   、特許請求の範囲第１或は第２項記載の方法。 ４　信号処理が感光手段からの実際信号に対応する逆余
   弦値を得ることから成ることを特徴とする特許請求の範
   囲第１ないし第３項の１項記載の方法。 ５　物体に向つて細いビームの光を指向させるに適する
   ほぼ単色光源から成りまた反射表面からの１つ以上の反
   射から成るパスで分割ビームを分岐する手段、光の強度
   に従つて電気信号を発生するに適する感光手段で物体表
   面から反射される光を受け入れかつ参照ビームからの光
   と上記光を組み合わせる手段、及び電気信号の曲線の実
   際傾斜を監視しかつ距離の変化を表わす出力へ電気信号
   を変換する手段から成るディジタル変換手段から成る特
   許請求の範囲第１項記載の方法を実施する参照点と物体
   表面との間の距離の変化測定装置において、反射表面が
   発せられる光の１／３波長に等しいほぼ瞬間的変位を行
   なうことができる手段上で設けられており、またディジ
   タル信号処理手段が感光手段からの信号の符号の可能な
   変化を確証させ、変位が参照ビームのパスを増加するな
   らば、電気信号が変位後正或は負である場合記録される
   変更に対して信号曲線の傾斜と同じ或は反対符号を割当
   てをさせるよう同時にでき、変位が参照ビームのパスを
   減少するならば反対になされることを特徴とする装置。 ６　変位手段が制御可能なＤ／Ｃ源と接続される圧電気
   結晶上の表面であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の装置。 ７　信号処理回路が互いに後続する標本値或は対応する
   ディジタル値の間の差を記録させ、またこの差の低い値
   の記録で圧電気結晶に対するＤ／Ｃ出力の変更を開始さ
   せるに適するディジタルコンパレータであることを特徴
   とする特許請求の範囲第５或は第６項に記載の装置。