JPH0137682B2 - - Google Patents

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JPH0137682B2
JPH0137682B2 JP54085114A JP8511479A JPH0137682B2 JP H0137682 B2 JPH0137682 B2 JP H0137682B2 JP 54085114 A JP54085114 A JP 54085114A JP 8511479 A JP8511479 A JP 8511479A JP H0137682 B2 JPH0137682 B2 JP H0137682B2
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JP
Japan
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interferometer
optical path
measuring
distance
measurement
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JP54085114A
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Eru Fuaarando Kurea
Efu Fuosutaa Uinsento
Eichi Gureisu Uiriamu
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Original Assignee
Farrand Industries Inc
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Publication date
Application filed by Farrand Industries Inc filed Critical Farrand Industries Inc
Publication of JPS5546190A publication Critical patent/JPS5546190A/ja
Publication of JPH0137682B2 publication Critical patent/JPH0137682B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02007Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/15Cat eye, i.e. reflection always parallel to incoming beam
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/60Reference interferometer, i.e. additional interferometer not interacting with object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70Using polarization in the interferometer

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Paper (AREA)
  • External Artificial Organs (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は位置および距離の干渉計測装置に係
り、特に装顕の周囲の温度、気圧、湿度およびそ
の他の要因の変化によつて生じる測定誤差の補正
のための手段を有する位置および距離の干渉計測
装置に関する。位置を測定することのできる干渉
計は当該技術分野で広く知られている。本発明は
干渉計に対して一般に適用できるものであるが、
最近の技術における一つの代表的な形式の干渉計
がバーグレ(Bagley)等により米国特許第
3458259号(1969年7月26日付刊行)に記載され
ており、この形式の干渉計が以下に説明する本発
明の特定の具体例に関して示される。
前記のように距離測定干渉計は周囲環境の作
用、特に気圧、温度および湿度の変化に影響され
る。このような因子は距離を測定するために干渉
計によつて用いられる光ビームの波長を変化させ
る傾向がある。
従来、環境誤差の補正は気圧、温度および湿度
のための夫々のセンサの使用と、長さの可変な干
渉測定径路の補正のための測定手段の使用とによ
つて可能であつた。しかしセンサの信頼度が低い
こと、誤差およびそれらの適用時の誤差のために
この方法は完全には満足すべきものではなかつ
た。
本発明の固定された長さの光路に及ぼされる前
記の影響を直接測定し可変長径路の対応する誤差
の修正のために前記測定結果を適用することによ
りこの問題を解決する。
本発明の別の目的は予め定められた固定された
長さの径路中における干渉計の光波長の値を示す
信号を生成し、そしてこの信号を可変長の測定路
における干渉計の波長の指示値を補正するために
適用することによつて距離測定用の干渉計を自動
的に補正することにある。
本発明の特色は干渉計の周囲環境による誤差を
示す固定された長さの干渉測定径路から信号を発
生させこの信号を可変長の干渉測定径路の対応す
る誤差の補正に用い、さらに干渉計の材料の温度
変化によつて固定された長さの光路の長さに生じ
る変化による誤差を示す信号を生成し、この信号
を可変長の測定径路の材料に及ぼす温度の影響に
対応する誤差を補正するために用いることにあ
る。
以下の特定の具体例についての記載においてさ
らに詳細に説明するように、バーグレ等により米
国特許第3458259号中に記載された干渉計測方式
は第1のレーザ光ビームの一部および光周波数の
異なる第2のレーザ光ビームの一部を光電装置に
よつて混合し計数可能な中間周波数を有する電気
的な基準信号を生成する形式のものである。
第1のレーザ光ビームの他の部分は干渉計の固
定された光路を通過し第2のレーザ光ビームの他
の部分は干渉計の可変長光路を通過する。前記第
1、第2のレーザ光ビームのこれらの他の部分は
別の光電装置により混合されて光路の可変長が変
化しない間は、基準信号と同一の計数可能な中間
周波数を有する電気的な情報信号を生成する。
可変長光路の光路長が変化して可変長光路の長
さの変化が示される間可逆カウンタが基準信号お
よび情報信号の間の周波数の差を積分する。
本発明は固定長の干渉計において、雰囲気によ
る波長の変化が測定のための可変長径路の干渉計
で用いられる反射器を移動させる場合と同じ効果
を生じるという発見に基づいている。
バーグレの方式においてはこのようにして生成
されるドツプラ周波数の変化が結果として速度お
よび位置の変化を生じる。
本発明においては、これらの誤差が固定長径路
中で測定されると、それらは可変長測定径路の誤
差の補正のために自動的に適用される。
この補正は測定時の波長の真空中における光の
理想波長に対する百分比を形成する可逆カウンタ
(便宜的に波長乗算カウンタという)を用いるこ
とによつて行なわれる。
以下に測定開始時に用いられる手順の段階を示
す。
(1) 可変長測定径路を一定の長さにセツトする。
(2) 誤差を含む測定径路の長さを記録する。
(3) 誤差がなくなるまで波長カウンタを手動調整
する。
(4) 固定長光路の誤差を連続的に加えて可変測定
路の長さを補正する。
(5) この誤差の適用がサーボによつて行なわれる
と誤差は連続的に補正される。
固定長の径路の誤差のこの測定は外気的な誤差
および固定長光路の長さを変化させる温度変化に
よる誤差の双方を含む。この長さはゲージブロツ
クによつて20℃について基準化され、測定がその
他の温度についてなされる時でも、固定長径路が
鋼材に設けられかつ可変長径路が鋼材に設けられ
ていてゲージブロツクが鋼材であれば、測定は20
℃で行なわれると常に正確なものとなる。これは
その他の任意に選択される金属についても同様で
ある。
要約すれば、本発明はバーグレ等の装置に記載
された前記の可変長光路に加えて、第2の固定さ
れた所定の干渉計光路を、電気的手段と共に用い
て、固定された所定の光路の指示された距離を、
可変長光路の指示された距離と比較し、それにし
たがつてこの指示された可変距離を前記の指示さ
れた固定された所定の径路に影響を及ぼす周囲環
境の総合的な影響を一つの操作上に利用し、可変
長光路の指示された測定値を補正するようになさ
れている。
さらに説明すれば本発明は、測定用および監視
用の光ビームを発する手段を有する距離測定用の
干渉計測装置を周囲環境の変化の影響を受ける媒
質中で補正する方法において、(a)前記測定用の光
ビームを第1の干渉計および第1の反射器の間の
光路距離を測定および表示するため、関連した手
段を有する該第1の干渉計を通して該第1の干渉
計からある可変距離に設けられた第1の反射器に
対して送り、(b)前記監視用の光ビームを第2の反
射器からある固定された所定の距離に設けられか
つ第2の干渉計および該第2の反射器の光路距離
を測定および表示するため、関連した手段を有す
る該第2の干渉計を通して送り、(c)周囲環境の変
化に基づいて前記第2の干渉計によつて示された
監視光路距離における正負いずれかの方向を含む
変化をある時間にわたつて測定し、そして(d)前記
第1の干渉計により示される測定光路距離に前記
の固定された所定の距離を分子としかつ前記の固
定された所定の距離と前記第2の干渉計によつて
示され観測された測定光路の変化との和を分母と
する補正係数を乗算する段階を含むことを特徴と
する前記干渉計測装置の誤差を補正する方法を提
供する。
本発明はさらに、測定用および監視用の光ビー
ムを発する手段を有する干渉計測装置において、
次の特徴を有する;(a)前記測定用の光ビームを第
1の干渉計を通してこの干渉計からある可変距離
に設けられた第1の反射器に対して送る該第1の
干渉計と、(b)前記第1の干渉計および前記第1の
反射器の間の測定光路距離の測定および表示のた
めに前記第1の干渉計に結合された第1の測定手
段と、(c)前記監視用の光ビームを第2の干渉計を
通してこの干渉計からある固定された所定の距離
に設けられた第2の反射器に対して送る該第2の
干渉計と、(d)前記第2の干渉計および前記第2の
反射器の監視光路距離の測定および表示のために
前記第2の干渉計に結合された第2の測定手段
と、(e)前記装置の周囲環境の変動によつて生起さ
せ前記第2の測定手段によつて測定される監視光
路距離の変化をある変化を時間にわたつて累算す
るための手段と、(f)波長乗算器を有し、前記の示
された測定光路距離に対して前記固定された所定
の距離を前記固定された所定の距離と前記監視光
路距離の変化との和によつて除算したものに相応
する補正係数を該波長乗算器により乗算すること
によつて前記の示された測定光路距離を補正する
ために前記累算手段に応答しかつ前記第1の測定
手段に接続された補正手段を有する。
第1図は前記バーグレ等の米国特許第3458259
号に記載および図示された構成部分を用いかつ二
つの光路すなわち可変径路に沿う光路距離を測定
するための測定路および規準的に固定された所定
径路に沿う光路距離を測定するための監視路を有
する干渉計装置の概要図を示す。
さらに説明すると、2周波数単一モードレーザ
100は周波数f1を有する第1成分102および
この第1周波数f1からたとえば500kHzの計数可能
な中間周波数だけ異なる周波数f2を有する第2成
分104を含む光ビームを生成する。この2周波
数単一モードレーザ100はプラズマ管中におい
て互いに対向し全ての偏光波を直接増幅できるよ
うにプラズマ管の軸に対して垂直に取付けられた
互いに隔てられた内部ミラーを有しかつ右側およ
び左側に円偏光される異なつた周波数の光成分1
02および104を生じるようにプラズマ管に沿
つて重ね合わされた磁場を有するプラズマ管レー
ザからなる。この平行な重なり合う光ビーム10
2および104の通過する光路中にはこれらビー
ムは混合して各ビームに同様な偏光成分を与える
ための混合偏光路106が設けられている。これ
らの同じ様に偏光された成分はたとえば自乗法則
検波特性を有する光電検知器108で混合されて
光ビーム102および104の間の光学的周波数
の差である500kHzの周波数fRを有する電気的基準
信号を生成する。
円偏光光ビーム102および104が通過する
別の光路中には光ビーム102の右施円偏光を直
線的な水平偏光に変化させ、光ビーム104の左
施円偏光を直線的に垂直偏光に変化させるように
1/4波長板110が設けられている。この光路中
にはまた光ビームの一部をビーム分割器112を
通して第2のビーム分割器116に送りかつ光ビ
ームの第2の部分を後述するようにしてこのビー
ム分割器116に対して90゜の角度で設けられた
別のビーム分割器152に送るようにビーム分割
器112が取付けられている。
測定用干渉計128のビーム分割器116は光
学的に平坦なガラス板116の背面において平行
で重なり合う光ビーム102及び104の径路中
に形成された50%反射ミラー117を含み、この
ガラス板は平行な前面および背面を有しかつこれ
ら光ビーム102および104に直角に交さする
基準面に対して45゜の角度をなしている。
各光ビーム102および104の反射部分が通
過する第1の干渉光路中にはこれら反射部分10
2aおよび104aを第2の干渉光路の第1の部
分に対して平行な第1の干渉光路に沿つてこの測
定用干渉計の光路128の部分に取付けられた水
平偏光路フイルタ120に対して反射させるため
に100%反射ミラー118がビーム分割器116
の前面に取付けられている。水平偏光路フイルタ
120は光ビーム104の入射偏光104aの垂
直偏光を吸収し光ビーム102の入射ビーム10
2aの水平偏光を通過させる。
第1の干渉光路中にはまた、水平偏光の光ビー
ム102の通過した部分102aを、ビーム偏光
器116に対して第1の光路に沿つて反射するた
めに反射器124が設けられている。
測定用干渉計128の第2の干渉光路の第1の
部分には光ビーム102の入射部分102bの水
平偏光に吸収し光ビーム104の入射部分104
bの垂直偏光をこれも第2の干渉光路中に設けら
れた再帰反射器126に対して通過させるために
垂直偏光路フイルタ122が設けられている。前
記再帰反射器126は測定用干渉計128の第2
の光路の光学的長さが変化するように一般に12
7で示すような並進運動のために設けられてい
る。再帰反射器126は光ビーム104の通過し
た部分104bの垂直偏光を第2の干渉光路の互
いに隔てられた平行な第2の部分に沿つて反射器
124の後側に反射させ、これはさらに第2の干
渉光路に沿つてビーム分割器116に戻される。
第1および第2の干渉光路に沿つてビーム分割
器116へ反射された光ビーム部分102aおよ
び104bはビーム分割器116によつて混合偏
光器129に対して平行でかつ重なり合う関係で
部分的に透過および反射される。混合偏光器12
9は平行で重なり合うこれら光ビーム部分102
aおよび104bを混合してこれら部分の夫々に
対して同様な偏光成分を与える。これらの同じ様
に偏光された成分は光電検知器130で混合され
て再帰反射器126が移動しない時だけ基準信号
(光電検知器108の出力)の周波数fR(500kHz)
に等しい周波数fCを有する電気的な比較信号を生
成する。
基準光電検知器108の出力109および測定
用光電検知器130の出力は基準信号の周波数fR
の正方向の計数および再帰反射器126の移動中
の比較信号の測定周波数fCの負方向の計数のため
に可逆的な1メガヘルツカウンタ136に直接、
接続されて第1の干渉計光路に対する第2の干渉
光路の位相の変化、したがつてこの第2の光路に
おける光路長の変化を光波長の単位で連続的に示
すようになされている。しかし、長さの測定のた
めこの干渉計測装置の分解能は周波数逓倍器13
2を光電検知器130の出力と可逆カウンタ13
6のカウントダウン入力との間に接続しかつ別の
周波数逓倍器134を基準信号fRと可逆カウンタ
136のカウントアツプ入力との間に接続するこ
とによつて著しく改善される。これら周波数逓倍
器132および134は比較信号および基準信号
の周波数を分数比P/Q(Pは整数でありQはよ
り小さな整数である)によつて乗算する。したが
つて、1/4波長の干渉計128を用いた場合には、
第2の干渉路における光路のQ/4Pだけの光波
長の変化により再帰反射器126の移動中に基準
信号の周波数fRに対して比較信号の周波数fCに1
サイクル(すなわち毎秒1ヘルツ)の単位変化が
生じる。
1/4光波板110から生じビーム分割器112
から90゜の角度で反射される102および104
の光ビームの部分は監視用干渉計164に対して
送られ、この干渉計は監視用干渉計164の再帰
反射器162が並進運動のためには設けられてお
らず監視用干渉計の他の部分に対して所定の距離
で固定されているというただ一つの大きな違いの
他は前記測定用干渉計とほとんど同一である。
すなわち、反射器152および154を有する
ビーム分割器150に入る光ビーム102および
104の部分はビーム分割器116とその反射器
117および118についてすでに述べたのと全
く同じ態様で動作する。水平および垂直偏光路フ
イルタ156および158はそれぞれ前記フイル
タ120および122に等しい。再帰反射器16
2は再帰反射器126と同じものであるが、重ね
て説明すれば再帰反射器162は移動させること
ができず監視用干渉計164の他の光学的部分に
対して固定された所定の光路距離で設けられてい
る。
ビーム分割器150に対して反射される光ビー
ムの部分はその一部が平行な重なり合う関係で混
合偏光路166に反射され、この混合偏光路はこ
れら各部分を混合してそれらに同じ様な偏光成分
を与える。これらの同じ様に偏光された成分は光
電検知器168で混合されて周波数fMの電気的監
視信号を生じ、この信号は監視用干渉計の環境が
変化して逆行反射器162と監視用干渉計164
の他の構成部分との間の見掛け上の光路距離が変
化したときだけ基準信号fRと異なるものとなる。
前記のように、空気温度、圧力および湿度のよう
な要因は全て光の波長で測定した干渉計の光路距
離を変化させる傾向がある。
光電検知器168の電気出力は周波数逓倍器1
70そして次いで可逆カウンタ172の負入力に
送られる。ライン109の基準電気信号fRは別の
同様な周波数逓倍器174にそして次いで可逆カ
ウンタ172の正入力に接続される。各可逆カウ
ンタ136および172にはパルスまたはサムス
イツチ入力178および180があり、カウンタ
136および172はこれらによつて任意の所望
の計数状態にセツトされる。
第1図においてはそれぞれ同一の光源を有する
2つの干渉計が示されている。測定用干渉計12
8はこの干渉計の再帰反射器126の移動中に常
にカウンタ136の出力138に電気信号を生じ
る電気的構成部分と共に示されている。同様にし
て、同一の光源によつて励起される監視用干渉計
164が環境条件の変化によつて、監視用干渉計
164の固定された光路中の光波長の実効的な数
が変化するときに常にカウンタ172の出力17
6に電気信号を発生させる電気的構成成分と共に
示されている。
第2図は第1図の干渉計の構成部分に接続され
て監視用干渉計164により検知された環境要因
にしたがつて測定用干渉計128により指示され
る測定値を補正する電子装置の概要図を示す。第
2図中においては、その一方の入力に測定用干渉
計128に接続されたカウンタ136の出力13
8を有するその機能を後述する電子的乗算器21
0が示されている。この乗算器210の出力は測
定用干渉器128の最終的な補正出力を表示する
視覚表示器220に接続されている。
監視用干渉計のカウンタ172からの出力信号
176は別の電子的乗算器230の一方の入力に
接続されており、この乗算器230の出力Cは比
較器240の第1の入力に伝送される。乗算器2
30の出力Cはまた出力が比較器240の他方の
入力に送られるレジスタ242にも接続されてい
る。比較器240は二つの出力C>RおよびC<
Rを有している。
第2図中にはそれらの全ての接点を「セツト」
位置で示す4極双投スイツチ244a〜dが示さ
れており、このスイツチ244a〜dの他の位置
は「ラン」として示されている。
たとえば8秒毎に1パルス出力を出すパルス発
生器246が二つの「AND」ゲート248およ
び250に接続されており、これらゲートの出力
はそれぞれ可逆カウンタ252の負および正入力
に供給されている。この可逆カウンタ252の状
態は波長乗算器として知られているものであつて
乗算器210および230の他方の入力に移送さ
れる。可逆カウンタ252はスイツチ244dが
第2図に示すように「セツト」位置にある時は所
望の計数にプリセツトすることができる。
「AND」ゲート248はスイツチ244bが「ラ
ン」位置にある時に信号C>Rによつてゲートさ
れ、同様にして「AND」ゲート250はスイツ
チ244cが「ラン」位置にある時に信号C<R
によつて開放される。動作の「ラン」状態中にお
いてはレジスタ242が乗算器230の出力Cに
よりスイツチ244aからの負荷信号により瞬時
的に負荷される。
動作について説明すると、この干渉計測装置は
まず監視用干渉計164の再帰反射器162が干
渉計のその他の構成部分からたとえば5インチ
(12.70cm)のゲージブロツクにより正確な一定の
距離にあるように調整される。この既知の固定さ
れた監視路の状態が入力180によつて可逆カウ
ンタ172にプリセツトされる。この基準的に固
定された径路の測定長の変化は環境条件の変化に
よるものになる。カウンタ172の出力は乗算器
230で乗算されて信号Cを生じる。
正確な初期環境要因は次のようにして定められ
る。スイツチ244a〜dが「セツト」位置にセ
ツトされそれによつて電子装置のフイードバツク
ループがゲート248および250への入力の遮
断および可逆カウンタのプリセツト可能化によつ
て開放される。測定用干渉計128の再帰反射器
126がたとえば10インチ(25.4cm)のゲージブ
ロツクによつて正確にある距離だけ移動され、カ
ウンタ136および252は表示器220がこの
再帰反射器126の移動距離に正確に対応するま
で入力138および253の信号によつて変化さ
せられる。周囲環境補正要因は存在する条件に関
してこのようにして正確なものとなる。
スイツチ244a〜dが「ラン」位置に入れら
れると、カウンタ252のプリセツト入力253
が不作動となり電子装置のフイードバツクループ
はC>RおよびC<Rの信号をそれぞれパルスゲ
ート248および250に接続することによつて
閉じられ、信号Cがレジスタ242に加えられ
る。この動作は周囲条件の変化が信号176を発
生するにつれて、周囲条件の補正係数を周期的に
増加あるいは減少させ、従つて信号出力Cは、そ
の信号Cがその信号Rに等しくなる迄、変化す
る。この周囲条件の補正係数(カウンタ252の
出力)は乗算器210に伝送され、表示器220
が周囲条件の変化に対して連続的に更新されこれ
に対応してこの補覚的な表示器220によつて表
示される。
【図面の簡単な説明】
第1図はバーグレの米国特許第3458259号に示
されたものと同様な可変長の光路ならびに所定の
固定された長さの光路を有する干渉計測装置の具
体例の概要を示す図、第2図は第1図に示す干渉
計測装置と共に使用される電子装置の概要を示す
図である。 128……測定用干渉計、132,134……
乗算器、136……測定用カウンタ、164……
監視用干渉計、172……監視用カウンタ、17
0,174……周波数逓倍器、210,230…
…乗算器、240……比較器、246……パルス
発生器、248,250……ANDゲート、25
2……波長乗算器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 測定用および監視用の光ビームを発する手段
    を有する干渉計測装置において、(a)前記測定用の
    光ビームを第1の干渉計を通してこの干渉計から
    ある可変距離に設けられた第1の反射器に対して
    送る該第1の干渉計と、(b)前記第1の干渉計およ
    び前記第1の反射器の間の測定光路距離の測定お
    よび表示のために前記第1の干渉計に結合された
    第1の測定手段と、(c)前記監視用の光ビームを第
    2の干渉計を通してこの干渉計からある固定され
    た所定の距離に設けられた第2の反射器に対して
    送る該第2の干渉計と、(d)前記第2の干渉計およ
    び前記第2の反射器の間の監視光路距離の測定お
    よび表示のために前記第2の干渉計に結合された
    第2の測定手段と、(e)前記装置の周囲環境の変動
    によつて生起され前記第2の測定手段によつて測
    定される監視光路距離の変化をある時間にわたつ
    て累算するための手段と、(f)波長乗算器を有し、
    前記の示された測定光路距離に対して前記固定さ
    れた所定の距離を前記固定された所定の距離と前
    記監視光路距離の変化との和によつて除算したも
    のに相応する補正係数を該波長乗算器により乗算
    することよつて前記の示された測定光路距離を補
    正するために前記累算手段に応答しかつ前記第1
    の測定手段に接続された補正手段を有する前記干
    渉計測装置。
JP8511479A 1978-09-28 1979-07-06 Method of and apparatus for measuring interference Granted JPS5546190A (en)

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