JPH02238306A - 微小変位測定装置 - 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、光の干渉現象を利用して物体の変位を計測す
る微小変位測定装置に関する。

従来の技術 従来、光の干渉現象を利用して物体（以下、被測定物と
呼ぶ）の微小変位を測定する方法としては、ごく一般的
な方法として、物体の変位に伴って生じる干渉縞の移動
本数のカウントを行うことにより測定する方法があり、
この場合、その検出精度は干渉縞１本程度、すなわち、
波長程度の精度が限界である。また、この他に、ヘテロ
ダイン干渉計を用いた測艮干渉機なるものがあり、この
場合、変位の測定範囲は広いがその検出精度を出すため
に、特種な光源（２周波レーザ）やかなり複雑な計算処
理系を必要とするため装置自体がかなり高価なものとな
る。

発明が解決しようとする課題 近年、例えば電歪素子の変位測定にみられるように、微
小変位、特に、光の波長λの１００分の１程度の変位を
かなりの高精度で測定する必要性が増々要求されてきて
いる。その超高精度の微小変位測定方法の一つに、フリ
ンジスキャンニング法があり、この方法は、干渉計を構
成するミラーにλ／５０〜λ／１００程度の精度でλ程
度の変位を与える必要があり、この精度により干渉計自
体の測定精度が決まり、この変位発生に電歪素子が用い
られている。しかし、この場合、電歪素子をλ／１００
でコントロールするために、実測前に予め電歪素子への
印加電圧と変位との関係を求め調整しておく必要があり
非常に面倒である。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、光源からの出射光の光路上にビームスプリッタを配設
し、前記出射光が前記ビームスプリッタを通過した光路
上に被測定物を配設し、この被測定物に入射する光の光
軸と一定の角度をなして前記被測定物にミラーを取付け
、前記出射光が前記ビームスプリッタを通過する光のう
ち前記被測定物に通じる光路と直交する方向の光路上に
基準ミラーを配設し、前記ミラーと前記基準ミラーとに
よりそれぞれ反射された光が前記ビームスプリッタを介
して合成された干渉パターンの光からなる光路上に光検
知器を配設し、この光検知器により検出された信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を設け、このＡ／Ｄ
変換器により変換されたデジタル信号をもとに前記干渉
パターンの変化を求め各干渉パターン毎に位相シフトを
計算し変位量を求めるデジタル信号処理部を有する微小
変位量測定手段を設け、前記被測定物を駆動し光路方向
に変位させる駆動用電源を設けた。

また、デジタル信号処理部は、フーリエ変換法を用いた
演算アルゴリズムにより位相シフトを計算するようにし
た。

作用 従って、駆動用電源により被測定物を駆動させることに
よりその被測定物は光軸方向に変位し、この変位をミラ
ーにより反射された光の干渉パターンの変化としてとら
え、微小変位量測定手段のデジタル信号処理部によりそ
れら干渉パターンの変化を求め、各干渉パターン毎に位
相シフトを計算することにより被測定物の変位量を知る
ことができる。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、微小変位測定装置の全体構成を第１図及び第２図
に基づいて説明する。

光源１から出射された出射光の光路上にはビームスプリ
ッタ２が配置されており、このビームスブリッタ２を透
過した光の光路ａ上には被測定物３が設けられている。

この被測定物３には入射する光の光軸に対して一定角度
をなした状態でミラー４が取付けられている。この場合
、そのミラー４は、前記被測定物３に入射する光の光軸
と直交する方向に対して角度θをなした状態となって取
付けられている。また、前記出射光のうちビームスプリ
ッタ２により反射された光の光路ｂ上には基準ミラー５
が設けられている。さらに、前記ミラー４及び前記基準
ミラー５によりそれぞれ反射され，前記ビームスプリッ
タ２を介して、合成された干渉パターンＫの光からなる
光路Ｃ上には、光検知器としての一次元光電検出器６が
配設されている。この一次元光電検出器６はＡ／Ｄ変換
器７と接続され、このＡ／Ｄ変換器７は微小変位量測定
手段としてのコンピュータ回路８に接続されている。こ
のコンピュータ回路８は図示しないデジタル信号処理部
を有しており、このデジタル信号処理部は、干渉パター
ンＫの変化を求め、各干渉パターンＫ毎に位相シフトを
計算して前記被測定物３の変位量を求める演算アルゴリ
ズムの機能を備えている。また、前記コンピュータ回路
８は、駆動用電源としてのプログラマブル電源９と接続
されており、このプログラマブル電源９は前記被測定物
と接続され、その被測定物３を光路ａ方向に変位させる
ことができるようになっている。

このような構成において、まず、この装置全体の流れに
ついて説明する。光源１から出射された光は、ビームス
プリッタ２により透過又は反射され、その透過光は被測
定物３に取付けられたミラー４により反射された後再び
ビームスブリッタ２の位置に戻り、一方、ビームスプリ
ッタ２により反射された光は、基準ミラー５により反射
された後再びビームスプリッタ２の位置に戻る。これに
より、ミラー４、基準ミラー５によりそれぞれ反射され
ビームスプリッタ２を通過することにより合成され干渉
パターンＫとなった光は、一次元光電検出器６に検出さ
れる。この検出された信号はＡ／Ｄ変換器７によりデジ
タル信号に変換された後、コンピュータ回路８に送られ
る。このコンピュータ回路８では、デジタル信号処理部
によって、被測定物３の光路ａ方向への変位に伴って生
じる干渉パターンＫの変化をサンプリングし、各干渉パ
ターン毎に位相シフトを計算し、これにより、その位相
シフトの値から被測定物３の変位量を求めている（詳細
な説明は後述する）。その後、このようにして求められ
た変位量はプログラマブル電源９に送られ、プログラマ
ブル電源９はその変位量をもとに被測定物３の駆動制御
を行う。

次に、本発明の主要部をなすコンピュータ回路８のデジ
タル信号処理部のもつ演算アルゴリズムの機能について
説明する。今、被測定物３が光路ａ方向に沿って距離Ｑ
だけ変位したものとする。

この時、観測面となる一次元光電検出器６における干渉
パターンＫの強度分布（パワースペクトル）■は、 ■（Ｘ，ｙ）＝ａ（Ｘ，ｙ） 十ｂ（ｘ，　ｙ）ｃｏｓ（２ｙｒ／λ）−［ｆ，ｘ＋φ
（ｘ，　ｙ）＋２Ｑ］・・・（１） となる。

ここで、ａ（ｘ，ｙ）はバックグランドのノイズ、ｂ（
ｘ，ｙ）はコントラストのムラ、φ（ｘ．ｙ）はミラー
４の面精度に起因する誤差を示す。

今、簡単のために（１）式を一次元で考えると、Ｉ（ｘ
）＝ａ（ｘ）＋　　ｂ（ｘ）・ｃｏｓｋ（ｆ，ｘ＋ｄ）
・・・（２） となる。

ただし、ｄ；φ（ｘ）＋２Ｑ （ｄ：位相シフト） ｋ＝２π／λ （λ：波長） とする。

（２）式は一般にｋｆ，を基本波として、Ｘに関するフ
ーリエ展開の形で表わすと、 ・・・　（３） ただし、Ｃｒ，Ｓｒはｒ次のフーリエ係数とする。

ここで、（２）式を変形すると、 Ｉ（ｘ）　＝　ａ（ｘ）　＋ｂ（ｘ）・ｃｏｓｋｄ−ｃ
ｏｓｋｆ，ｘ＋　ｂ（ｘ）・ｓｉｎｋｄ−ｓｉｎｋｆ，
ｘ　　　−（４）となる。

（３）、（４）式を比較すると、Ｉ（ｘ）のｋｆ，に同
期して変化する成分のフーリエ係数、すなわち、（３）
式よりｒ＝＝１のとき、Ｃ，．Ｓ，は、（：：，＝ｂ（
ｘ）−ｃｏｓｋｄ　　　　−＝　（５）Ｓ，＝　ｂ（ｘ
）・ｓｉｎｋ　ｄ　　　　−　（６）どすることができ
る。

ところで、今、（２）式に注目すると、ａ（Ｘ）は照明
ムラなどｆ．に比べ低周波な成分を示すものであり、ｂ
（ｘ）はスペックル（ｓｐｅａｋｌｅ）などｆ．に比べ
高周波な成分を示すものであり、これらの振幅は共にｆ
０成分（ミラー４を角度θだけ傾けたことにより発生し
た干渉縞）に比べ十分小さなものとなる。そこで、これ
らのことを考慮すると、Ｉ（ｘ）のパワースペクトルは
ｆ．付近に鋭いピークをもち、しかも、このｆ．は他の
成分から十分区別して見分けることができる。この様子
を波形で示すと、第３図ないし第５図に示すようになる
。なお、これら波形の見方は，第３図を例にとると、被
測定物３の変位がＱの時に位相シフトが（２π／λ）・
２Ｑ　となった場合における、干渉パターンＫは第３図
（ａ）のようになり、サンプリング信号は第３図（ｂ）
のようになり、フーリ工変換されたパワースペクトルは
第３図（Ｃ）に示すようになる。

この場合、ｆ．のビーク位置でのＩ（ｘ）のブーリエ変
換の実数部、虚数部は、それぞれ、（５）、（６）式の
Ｃ．、Ｓ１に相当し、 Ｃ，＝Ｒｅ　［Ｉａ（ｆ’，）］　　　　・＝　（７）
Ｓ，＝Ｉｍ　［Ｉａ（ｆ，）］　　　　−　（８）とな
る。

ただし、Ｉａは、Ｉ（ｘ）のフーリエ変換後のピーク位
置での値を示す。また、Ｒｅ．Ｉｍはそれぞれ実数部、
虚数部をとる演算子を示す。

従って、位相シフトｄは、 ｄ＝（１／ｋ）Ｊａｎ−’［Ｓ，／Ｃ，］　　　＝（９
）で表わせる。

例えば、今、ミラー４がＱ　ＩＪ＜　Ｑ　，　まで変位
した時にｄ．　＝　ｄ　，　　とし、ミラー４がＱがΩ
，まで変位した時に（１＝ｄ，とすると， ΔＱ　＝（ｄ，−　ｄ，）／　２　　　　　　・・・（
１０）となり、これより微小変位ΔＱを求めることがで
きる。

上述したような演算アルゴリズムの機能を備えたデジタ
ル信号処理部を有するコンピュータ回路８を設けたこと
により、干渉パターンＫの変化をミラー４に傾きθを与
えた光路ａ方向に一次元的にサンプリングを行うことに
よって求め、これにより得られたサンプリング信号をも
とに一次元のフーリエ変換を行い、各干渉パターン毎に
位相シフトを計算することによって被測定物３の変位量
を求めることが可能となる。

発明の効果 本発明は、被測定物の光軸方向への変位をミラーにより
反射された光の干渉パターンの変化としてとらえ、微小
変位量測定手段のデジタル信号処理部によりそれら干渉
パターンの変化を求め、各干渉パターン毎に位相シフト
を計算して被測定物の変位量を求めるようにしたので、
従来のように微小変位を測定するための特別な光学系を
必要どせず安価な装置を得ることができ、しかも、従来
のように干渉パターンの照明ムラやスペックル等のノイ
ズの影響を受けるようなこともないものである。また、
デジタル信号処理部は、その演算アルゴリズムにフリー
リエ変換法を用いたことにより、読取精度をλ／１００
　（λは一波長）程度にまで向上させることができ高精
度な微小変位測定ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図はその
光検知器に干渉パターンが検出される様子を示す斜視図
、第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）は被測定物の変位がαの時
に位相シフトが（２π／λ＞２Ｑとなった場合における
干渉パターン、サンプリング信号、！｛ワースベクトル
のそれぞれの波形を示す波形図、第４図（ａ）（ｂ）（
ｃ）は被測定物の変位がＱ十Ｑ，の時に位相シフトが（
２π／λ）２（Ｑ＋α，）となった場合における干渉パ
ターン、サンプリング信号、パワースペクトルのそれぞ
れの波形を示す波形図、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は被
測定物の変位がＱ＋Ｑ，の時に位相シフトが（２π／λ
）２（Ｑ＋Ｑ，）となった場合における干渉パターン、
サンプリング信号、パワースペクトルのそれぞれの波形
を示す波形図である。 ■・・・光源、２・・・ビームスプリッタ、３・・・被
測定物、４・・・ミラー　５・・・基準ミラー　６・・
・光検知器、７・・・Ａ／Ｄ変換器、８・・・微小変位
量測定手段、９・・・駆動用電源 一毛 図 ３Ｚ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と、この光源からの出射光の光路上に配設され
   たビームスプリッタと、前記出射光が前記ビームスプリ
   ッタを通過した光路上に配設された被測定物と、この被
   測定物に入射する光の光軸と一定の角度をなして前記被
   測定物に取付けられたミラーと、前記出射光が前記ビー
   ムスプリッタを通過する光のうち前記被測定物に通じる
   光路と直交する方向の光路上に配設された基準ミラーと
   、前記ミラーと前記基準ミラーとによりそれぞれ反射さ
   れた光が前記ビームスプリッタを介して合成された干渉
   パターンの光からなる光路上に配設された光検知器と、
   この光検知器に接続されその検出された信号をデジタル
   信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器に接
   続されその変換されたデジタル信号をもとに前記干渉パ
   ターンの変化を求め各干渉パターン毎に位相シフトを計
   算し変位量を求めるデジタル信号処理部を有する微小変
   位量測定手段と、この微小変位量測定手段と接続され前
   記被測定物を駆動し光路方向に変位させる駆動用電源と
   よりなることを特徴とする微小変位測定装置。 ２、デジタル信号処理部は、フーリエ変換法を用いた演
   算アルゴリズムにより位相シフトを計算することを特徴
   とする請求項１記載の微小変位測定装置。