JPH0219701A - 光干渉測定装置 - 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］ 本発明は光干渉測定装置、特に半導体レーザを光源とし
て得られる干渉縞を観測して測長を行なう光干渉測定装
置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体レーザ（以下ＬＤという）は、ガスレーザなどに
比べて装置の構成が簡単安価かつ小型軽量であり、光通
信、音響用、ないし映像用光ディスクなどの光源として
広く用いられている。また、光学干渉計用の光源への応
用も最近では盛んに研究されている。

特に、２つの反射部材への光路長を干渉縞の観測を介し
て測定する干渉測長装置では、半導体レーザ素子の注入
電流あるいは素子温度に依存する発振波長特性を利用す
るものが知られている。

この種の装置では、半導体レーザの発振光を一定の光路
差を有する干渉計に入射して干渉縞を形成し、注入電流
または素子温度を制御して波長走査を行ない、これにと
もなう干渉縞の時間変化信号（以下縞変化信号という）
を検出し、この信号の位相変化量、あるいは周波数から
干渉計の光路差を求める方法である。

［発明が解決しようとする課題〕 上記のような従来構造で得られる正弦波状の精麦化信号
の周期の数は少なすぎ、フリンジカウンティング法など
を用いる場合充分な測定精度を得るのが困難であった。

また、上記構成において、波長走査は半導体レーザ素子
への注入電流を変化させることにより行なうが、注入電
流の変化により発振波長と共に出力光強度も変わってし
まうため、検出される精麦化信号は干渉縞の変化に関す
る情報を含むとともに光源の出力光の強度情報を含むも
のとなる。

たとえば、第５図に示すように半導体レーザ素子の注入
電流ｉを周期Ｔの３角波状に変化させた場合、干渉縞形
成面の１点において受光素子により光強度変化として得
られる精麦化信号は第６図のようになる。このように信
号の直流オフセット分が変化している場合には、一定の
ゼロレベルを想定できないから、ゼロ交叉法での周波数
測定は不可能である。また、直流オフセット分の除去の
ために電気的なフィルタを用いることも考えられるが、
その場合には信号位相のずれが生じたり、被測定信号の
周波数に合わせてフィルタのカットオフ周波数をたえず
調整しなければならないという問題があり、実用的でな
い。

本発明の課題は以上の問題を解決し、半導体レーザ素子
を用いる干渉測長において波長走査にともなう光強度の
影響を補正し、また、位相変化測定をゼロ公文法による
周波数測定で行ない正確に測長を行なえるようにするこ
とである。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、本発明においては、半導
体レーザ素子が発生するレーザ光を複数の光反射手段に
照射し、これらの反射手段からの反射光を干渉させ干渉
縞を形成し、半導体レーザ素子の注入電流を周期的に変
化させてレーザ光の波長走査を行ない、レーザ光の波長
変化にともなう前記干渉縞の時間変化する干渉縞強度変
化信号の周波数を測定し、この周波数に基づき前記反射
手段間の光路差を測定する光干渉測定装置において、前
記レーザ光の光束の一部を分割する手段と、この分割手
段により分割された光束の強度の時間変化を測定する手
段と、この測定手段により得られた光強度変化信号によ
り前記干渉縞強度変化信号を除算する手段と、この除算
手段の出力信号の周波数をゼロ交叉間隔検出を介して測
定し測定された周波数に基づき前記光路差を演算する制
御手段を設けた構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、光路差演算の際、半導体レーザ素
子の波長走査にともなう光強度変化の影響を前記の除算
処理により補正できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明を採用した干渉測定装置の構成をボして
いる。

第１図において、レーザ光源は単一縦モード発振のＬＤ
素子３で、ＡＴＭ　（温度調節回路）２で温度制御を受
ける。ＡＴＭ２はＬＤ素子３の温度を所望の一定値に制
御する。制御温度値はコンピュータ１８により決定され
る。

また、ＬＤ素子３の駆動電流は、ＬＤ駆動回路１により
制御され、この駆動電流の変化によりＬＤ素子３の発振
波長を調節する。ＬＤ素子３は注入電流の変化によって
導波路の屈折率が変化して発振波長が変化する。

ＬＤ素子３から出射される発散光はコーメートルンズ４
で平行にされビームスプリッタ５に入射され、２つの光
に分けられる。

ビームスプリッタ５によって反射される光は光量調節フ
ィルタ６を介して受光素子７で受光し、可変利得増幅器
８で信号を増幅してレーザ光源の光強度変化信号９を得
る。この光強度変化信号９は除算回路１７に入力される
。

一方、ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は干渉計
１９内に導かれる。ここでは、干渉計１９としてマイケ
ルソン型の干渉計を例示する。

干渉計１９に入射したレーザ光はビームスプリッタ１０
で２つの光束に分けられる。２つの光束はそれぞれ固定
鏡１１と可動鏡１２によって光路差をつけて反射され、
ビームスプリッタ１０によって再び１つになって干渉し
、入射方向と直交した方向に出射される。

干渉計を出射したレーザ光を光量調節フィルタ１３に通
して受光素子１４で受光し、増幅器１５で信号を増幅し
て、固定鏡１１、可動鏡１２の所定の光路長に応じて形
成される干渉縞の強度変化信号（精麦化信号）１６を得
る。

このようにして得られた２つの信号を除算回路１７に入
力し、精麦化信号１６を光強度変化信号９で割り、その
出力をコンピュータ１８に取り入れて信号の解析を行う
。

除算回路１７はアナログ回路から、コンピュータ１８は
マイクロプロセッサ、メモリなどからなるコンピュータ
システムにより構成される。

次に以上の構成における動作につき詳細に説明する。ま
ず、干渉計１９側の測長につき説明する。

波長λ０のレーザ光を干渉計１９に入射して得られる固
定鏡１１からの反射光と可動鏡１２からの反射光は、光
路差をＬとするとそれぞれ次式で表される。

但しＡ、Ｂは定数、φ。は初期位相 これら２つの反射光を干渉させて得られる干渉縞は、次
式で表される。

第２図に、（３）式より縦軸に１１横軸にＬをとって表
したグラフを示す。

例えば、ここでＬを０から４λ。まで変化させると、４
周期分の干渉縞が得られる。これは、Ｎ、＝Ｌ／λ。；
４λ０／λｏ＝４で示される。

ここで、第３図に波長がλ１　＝２λ。になった場合の
グラフを示す。この場合には、Ｌを０から４λ０まで変
化させても２周期分の干渉縞の変化しか得られない。こ
れは、Ｎ、＝Ｌ／λ１＝２λ１／λ１＝２で示される。

第２図、第３図より明らかなように、今Ｌ−４λ。で一
定にしておき、レーザ光の波長をλ０からλ１まで変化
させた時、干渉縞はｎ＝Ｎ、−Ｎ、＝２で２周期分変化
する。この縞の変化分ｎは波長の変化分と光路差に依存
しているので、縞の変化分と波長の変化分を求めること
で光路差を求めることができる。これらの関係は、次式
で与えられる。

本発明では、可変波長のコヒーレント光源として単一縦
モード発振の半導体レーザを用いている。単一縦モード
発振の半導体レーザの典型的な注入電流−発振波長特性
は第４図のようなものである。直線的な波長可変範囲は
モードホップによって制限されるが、モードホップから
モードホップのあいだの区間では、注入電流と発振波長
とは直線関係にある。以下に示す処理では、好ましくは
この直線部分を使用するものとする。

第５図に、半導体レーザに注入する注入電流の波形を示
す。注入電流を一定の割合で変化させて、一定の割合で
波長の走査を行う。半導体レーザの波長変化率をＫ（ｎ
ｒｎ／ｍＡ）とし、注入電流が１０の時の発振波長をλ
。とすると、１０−１０＋Δｉの時λ。→λ。＋にΔｉ
となる。

これを（４）式に代入すると、次式が得られる。

次式が得られる。

・・・　（５） さらに、λ。＞＞ＫΔｉなので、近似することによって
次式が得られる。

但しに、　、Ｋ、は定数 これらからできる干渉縞の強度は、次式のようになる。

（５）式または（６）式から、ｎ、に、Δ１１λ。を測
定することによって光路りを求めることができる。

しかしながら、前記のようにＬＤ素子３は注入電流を変
化させると発振波長とともに出力光強度も変化する。こ
の補正を行なうため、符号５〜９．１７で示される補正
系が設けられている。

ここで、注入電流による半導体レーザ光の出力光強度変
化をＴ（ｉ）　　発振波長の変化をλ（ｉ）とおき、（
１）、（２）式を書き換えるとλ（ｊ、） （９）式を７２（ｉ）で割ることによって次式が得られ
る。

これより、干渉縞の強度変化である精麦化信号１６を光
源の出力光強度９で割ると、精麦化信号１６から光源出
力光強度変化の影響を取り除くことができることがわか
る。

ここで、精麦化信号１６と出力光強度変化イ言号９の波
形をそれぞれ第６図、第７図に示す。

また、割算回路１７によって精麦化信号１６（第６図）
を出力光強度変化信号９（第７図）で除算すると、出力
信号波形は第８図に示すようになる。

第８図から明らかなように、精麦化信号のエンベロープ
の変化は多少残るが、三角波状のバイアス変化は大幅に
取り除くことができるので、ゼロ交叉法を用いても周波
数の解析が可能になる。

ここで、第８図の補正後の信号周波数の解析方法につい
て第９図のフローチャート図を参照して説明する。第９
図の手順はコンピュータ１８で行なわれる処理手順を示
したものである。

第９図のスーテップＳ１では、除算回路１７の出力に得
られる補正後の信号（第８図）をＡ／Ｄ変換を介してメ
モリなどに取り込む。

次に、ステップＳ２ではゼロレベルに対応する適当なし
きい値を設定し、ステップＳ３においてメモリ中のサン
プリングデータとしきい値を比較し、信号が交叉するゼ
ロ交叉点を検出し、それぞれ隣り合うゼロ交叉点との時
間間隔（ゼロ点間隔）を求める。この際、注入電流の折
返点やモードホッピングなどによって不連続点が生じて
いるところは、該当するゼロ点間隔のデータを切り捨て
る。

その後、ステップＳ４において残りのデータからゼロ点
間隔の平均を出し、注入電流の三角波変化の１周期にお
ける代表値とし、さらにステップＳ５でステップＳ４で
得られた周期値から信号周波数ｆｓを逆算する。ここで
、注入電流の三角波変化の周波数をｆｄとすると、（５
）、（６）式における干渉縞の変化の周期の数ｎは ｎ　＝　ｆ　ｓ　／　２　ｆ　ｄ　　　　−（１２）で
表されるので、ステップＳ６においてこの周期数ｎを求
める。

次にステップＳ子において、上記周期数ｎを（６）式に
代入する演算をコンピュータ１８で行なうことにより光
路差りを求めることができる（λ。およびＫについては
あらかじめ測定した定数を用いる）。得られた光路差は
、順次メモリなどに格納する。

上記処理は注入電流変化の１周期を単位として繰り返さ
れる。

ステップＳ８では、注入電流変化の周期１゛の所定数倍
に相当する時間が経過したか、あるいはこれに相当する
数のデータを処理したかどうかを判定する。すなわち、
所定周期数だけ注入電流変化を繰り返した場合には、ス
テップＳ９に移行しこれまでに得られた光路差の平均値
をとってこの平均値を最終的な測定値と１２で出力する
。

以上に示したように、レーザ光束を分割し測定法で干渉
縞変化信号の周波数を測定し、この周波数値に基づき測
長演算を行なうことができる。

従って、波長走査の際の光強度の影響を除去でき、干渉
計の測定精度を向上できる。特に上記実施例ではアナロ
グ回路により除算を行なうのでリアルタイムで高速な処
理が可能である。

またゼロ交叉法を利用できるため、高速フーリエ交換な
どを用いる方法に比して処理システムのバー　トウエア
／ソフトウェア構成が簡単であり、コストダウンあるい
は装置の小型軽量化が可能Ｔあるとともに処理時間も短
くて済む。

なお、以上では最後に光路差の平均をとる方、メジ、を
示したが、ＰＩ】定の経通時間ｔパ対して光路差Ｌ、７
７・データを１周期ずつプロットして、２物体間で；７
．　、’ｌ（路差の時間変化を測定することもてとる。

なお、１周期中のゼロ点間隔を求める際にまず最初にゼ
ロ点間隔の平均値を求め、この平均値に対して所定の誤
差範囲を越えるゼロ点間隔のデータを削除し、改めて残
ったデータで平均をとり、この改めて求めた平均値を用
いてデータの削除を再び行う、というプロセスを繰り返
し、削除すべきデータがなくなった時点でのΔＰ均値を
とってバラツキを少なくすることもできる。

さらに、第１図に示すビームスプリッタ５．１ｏにはキ
ューブ・ビームスプリッタ、ウェッジ付ハーフミラ−な
どを用いる。特にフィゾー干渉計などにおいてはビーム
スプリッタ１０に偏光ビームスプリッタを用いてもよく
、その場合には各反射鏡との間にλ／４板を挿入する。

光源側への戻り光がなくなり、ＬＤ素子３の発振波長が
安定化され、正確な測定が可能である。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、半導体レー
ザ素子が発生するレーザ光を複数の光反射手段に照射し
、これらの反射手段からの反射光を干渉させ干渉縞を形
成し、半導体レーザ素子の注入電流を周期的に変化させ
てレーザ光の波長走査を行ない、レーザ光の波長変化に
ともなう前記干渉縞の時間変化する干渉縞強度変化信号
の周波数を測定し、この周波数に基づき前記反射手段間
の光路差を測定する光干渉測定装置において、前記レー
ザ光の光束の一部を分割する手段と、この分割手段によ
り分割された光束の強度の時間変化を測定する手段と、
この測定手段により得られた光強度変化信号により前記
干渉縞強度変化信号を除算する手段と、この除算手段の
出力信号の周波数をゼロ交叉間隔検出を介して測定し測
定された周波数に基づき前記光路差を演算する制御手段
を設けた構成を採用しているので、光路差演算の際、半
導体レーザ素子の波長走査にともなう光強度変化の影響
を前記の除算処理により補正でき、正確な測定が可能に
なる。特に、光路中の大気のゆらぎや、装置の光学系の
不要な干渉縞、あるいは半導体レーザ素子の温度条件な
どによる鳩麦化信号の光強度変化分も除去できるため、
測定精度は大きく向上される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した光干渉測定装置のブロック図
、第２図、第３図は第１図の装置において得られる干渉
縞の特性を示した波形図、第４図はＬＤ素子の注入電流
に依存する波長特性を示した線図、第５図はＬＤ素子の
注入電流波形を示した波形図、第６図は鳩麦化信号の波
形図、第７図はＬＤ素子の注入電流に応じた光強度変化
を示した波形図、第８図は鳩麦化信号を光強度変化で除
して得た補正後の波形図、第９図は第８図の信号の周波
数解析処理を示したフローチャート図である。 １・・・ＬＤ駆動回路　　２・・・ＡＴＭ３・・・ＬＤ
素子４−・・コリメートレンズ５・・・ビームスプリッ
タ ６・・・光量調節フィルタ ７・・・受光素子　　　　８・・・可変利得増幅器９・
・・光強度変化信号 １０・・・ビームスプリッタ １１・・・固定鏡　　　　１２・・・可動鏡１３・・・
光量調節フィルタ １４・・・受光素子 １５・・・増幅器　　　　１６・・・鳩麦化信号１７・
・・除算回路　　　１８・・・コンピュータ１９・・・
干渉計 第２図 ＬＤ術号の兼＆竹不主の揉吃 第４図 〉 〉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザ素子が発生するレーザ光を複数の光反
   射手段に照射し、これらの反射手段からの反射光を干渉
   させ干渉縞を形成し、半導体レーザ素子の注入電流を周
   期的に変化させてレーザ光の波長走査を行ない、レーザ
   光の波長変化にともなう前記干渉縞の時間変化する干渉
   縞強度変化信号の周波数を測定し、この周波数に基づき
   前記反射手段間の光路差を測定する光干渉測定装置にお
   いて、前記レーザ光の光束の一部を分割する手段と、こ
   の分割手段により分割された光束の強度の時間変化を測
   定する手段と、この測定手段により得られた光強度変化
   信号により前記干渉縞強度変化信号を除算する手段と、
   この除算手段の出力信号の周波数をゼロ交叉間隔検出を
   介して測定し測定された周波数に基づき前記光路差を演
   算する制御手段を設けたことを特徴とする光干渉測定装
   置。 ２）前記光路差を所定測定サイクルごとに測定し、光路
   差データを１周期づつプロットして前記反射手段間の光
   路差の時間変化を測定するようにしたことを特徴とする
   光干渉測定装置。