JPH09269206A - レーザ測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】干渉信号の直流成分を積分器を用いて測定し補
正することにより交流成分のみの信号に変換し、干渉縞
の計数を行えるようにした、簡単な光学系構成のレーザ
測長器を実現する。 【解決手段】１／４周期の位相差を持ち、移動可能な反
射手段の移動方向によって互いの位相の進み遅れ関係が
反転する２つの干渉信号を出力する干渉計と、それを検
出する２組の光電変換素子と、検出された干渉信号をロ
ーパスフィルタを通して高周波成分を取り除き、アナロ
グ・デジタル変換した後、一定数の干渉信号の周期間に
おける最大値と最小値の平均値を測定してデジタル・ア
ナログ変換して前記の各光電変換素子で検出された干渉
信号との差を演算することによって前記の各光電変換素
子で検出された干渉信号の直流成分を除去して安定な干
渉縞計数を行うように構成した２組の信号処理回路を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイケルソン干渉計の
出力信号から干渉縞を観測して光路差を求める装置に使
用されるレーザ測長器に関し、詳しくはそのレーザ測長
器において得られる干渉信号から直流成分を除去するた
めの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光干渉法を用いたレーザ測長器では、
信号の直流成分を除去するため光学的に３相信号を作り
これを電気回路で処理する方式が提案されている。例え
ば、特公昭６０−２４４０４号（公表番号：昭和５５−
５０００３９号）「干渉計システム」に、その直流成分
除去方式の一例が開示されている。

【０００３】図３に上記特許に記載のマイケルソン干渉
計を用いた干渉計の一実施例を示す。図において、レー
ザ光源１から出射した光（既に偏光されていて直線偏光
であるとする）はビームスプリッタ２で分割され、透過
光はコーナーキューブ３によって折り返され、反射光は
コーナーキューブ５によって折り返され、ビームスプリ
ッタ２上で合波される。ただし、反射光は１／８波長板
を２回通過して円偏光となってビームスプリッタ２に達
する。

【０００４】ビームスプリッタ２上で合波された光は偏
光ビームスプリッタ６により直交する２個の偏光成分Ｐ
およびＳに分割され、ＰおよびＳ成分の光はそれぞれ光
電変換素子であるフォトディテクタ７，８で検出され
る。また、コーナーキューブ３によって折り返され、ビ
ームスプリッタ２を透過した光は、平面偏光器６を通っ
てフォトディテクタ１０で検出される。フォトディテク
タ７と８で検出されるインターフェログラムは９０゜の
位相差であり、またフォトディテクタ８と１０で検出さ
れるインターフェログラムは１８０゜の位相差である。

【０００５】これらのフォトディテクタの出力から直流
成分を除去して干渉縞を計数する回路の一例を図４に示
す。各フォトディテクタ１０，８，７の出力（直流成分
と交流成分を含む）はそれぞれ増幅器２１，２２，２３
で増幅される。増幅器２１，２３は差動増幅器２４に接
続され、増幅器２２，２３は差動増幅器２５に接続され
ている。差動増幅器はそれぞれ二乗器２６，２７を介し
て加算器２８に接続され、加算器２８の出力は平方根器
２９を介して２個の比率増幅器３０，３１のそれぞれの
一方の入力に接続されている。平方根器２９の出力は位
相差９０゜の入力信号のピーク振幅に比例する信号であ
る。

【０００６】比率増幅器３０，３１の他方の入力には差
動増幅器２４，２５の出力がそれぞれ加えられ、２つの
比率増幅器３０，３１からは位相差９０゜で干渉計内の
光路差の関数として定振幅で正弦曲線的に変化する２つ
の出力信号が得られる。縞計数ユニット３２はこの２つ
の信号から光路差に対応する干渉縞を計数する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような干渉計システムでは、干渉光を３分割して受光す
るため光学系が複雑になり、また各信号間の精密なバラ
ンス調整が必要であるという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、このような点に鑑み、干
渉信号の直流成分を、一定の変位ごとに干渉信号の最大
・最小値の中間値を測定し補正することによって除去
し、交流成分のみに変換し、干渉縞の計数を行えるよう
にした、簡単な構成のレーザ測長器を実現しようとする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、レーザ光源と、このレーザ光源か
らの光を分割すると共に再び合波するためのハーフミラ
ーと、固定配置され前記分割された一方の光を反射する
一方の反射手段と、移動可能に配置され前記分割された
他方の光を反射する他方の反射手段と、前記２つの反射
手段による光路差の変化に応じて輝度が変化し、互いに
１／４周期の位相差を持ち、前記移動可能な反射手段の
移動方向によって互いの位相の進み遅れ関係が反転する
２つの干渉信号を出力する干渉計と、前記２つの干渉信
号を検出する２組の光電変換素子と、前記各光電変換素
子で検出された干渉信号をローパスフィルタを通して高
周波成分を取り除き、アナログ・デジタル変換した後、
一定数の干渉信号の周期間における最大値と最小値の平
均値を測定してデジタル・アナログ変換し、このデジタ
ル・アナログ変換された信号と前記各光電変換素子で検
出された干渉信号との差を演算することによって前記各
光電変換素子で検出された干渉信号の直流成分を除去す
る２組の信号処理回路と、この２組の信号処理回路の各
出力信号を所定の値と比較してパルス信号に変換する２
組のコンパレータと、この２組のコンパレータが出力す
る両パルス信号の位相関係から、前記移動可能な反射手
段の移動方向を判別する演算手段と、この演算手段によ
って得られた移動方向によって前記パルス信号の数を加
算ないしは減算するアップダウンカウンタと、このアッ
プダウンカウンタの積算値に前記レーザ光の波長値を掛
けて前記移動可能な反射手段の移動量に変換する移動量
演算手段を具備したことを特徴とする。

【００１０】

【作用】光路長差に応じて周期的に変化し、光路長の伸
縮すなわち反射手段の移動方向によって進み遅れ関係が
逆転する１／４周期位相のずれた２つの干渉光強度が光
電変換素子で検出される。各光電変換素子の出力には直
流成分と交流成分が含まれている。干渉縞の計数は、前
記光電変換素子の出力が一定値を越えた状態を計数する
ので、直流成分が変動すると正確な計数ができなくな
る。一般に反射手段までの距離が遠くなるにつれて直流
成分および交流成分の値は小さくなる。干渉縞計数を確
実に行うためには、干渉信号から直流成分を除去し、交
流成分のみとして出力が正または負の状態を計数するこ
とが望ましい。

【００１１】信号処理回路では、各干渉信号に対して上
記直流成分除去の処理を行う。まず、電源投入時または
リッセト動作時に、レーザ光源の波長を変化させて１縞
以上変化する干渉信号を発生させる。その間、干渉信号
をデジタル変換し最大値と最小値を求め、それらの平均
値を計算してラッチに記憶し、ラッチの値をアナログ変
換することで、初期状態における直流成分の値を出力す
る。この値を前記干渉信号から差動増幅器で引くことに
よって直流成分を除去する。

【００１２】上記初期動作を行った後、レーザの波長を
一定値に安定させる。以後、反射手段の移動に伴って発
生する各干渉信号に対して、上記処理で得られた各交流
信号を所定の値と比較してパルス信号に変換し、両パル
ス信号の位相関係から反射手段の移動方向を判別して、
方向によりパルス信号の数をアップダウンカウンタで積
算する。積算値にレーザの波長を掛けることによって変
位量が得られる。

【００１３】干渉信号の直流成分は前記の方法で、パル
スの積算値が所定量変化する間測定を続け、所定量変化
した時点でラッチの値を更新し直流成分の変化に対応す
る。こうすることで反射手段が移動して直流成分の値が
変化しても常にその時点での直流成分を除去して交流成
分のみの干渉信号を得て、正確な干渉縞の計数を行うこ
とができる。また直流成分の値はデジタル値として記憶
されているので反射手段が長時間にわたって移動しなく
ても一定値に保たれる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係るレーザ測長器の一実施例
を示す構成図である。なお、図３と同等部分には同一符
号を付し、その部分の説明は省略する。

【００１５】図において、１０はレーザ光源１の波長を
所定の値に設定する波長値設定回路である。１１はスイ
ッチ、１２は交流信号発生器である。スイッチ１１をオ
ンにすることにより交流信号発生器１２の出力が波長値
設定回路１０の出力に加算され、レーザ光源１の波長を
交流信号発生器１２によって変調させることができる。

【００１６】４０は光電変換素子８の出力を受ける信号
処理回路、５０は光電変換素子７の出力を受ける信号処
理回路である。なお、両者は同一構成の回路であるた
め、以下では信号処理回路４０について説明し、信号処
理回路５０についての説明は省略する。

【００１７】信号処理回路４０において、４１は光電変
換素子８の出力電流を電圧信号に変換する電流電圧変換
器である。４２はローパスフィルタであり、電流電圧変
換器４１の出力の高周波成分を平滑化する。４３はアナ
ログ・デジタル変換器（以下Ａ／Ｄ変換器という）でロ
ーパスフィルタ４２の出力をデジタル変換する。４４は
レベル検出回路であり、ディレイ回路６７のパルス出力
でリセットされる間のＡ／Ｄ変換器４３の出力の最大値
と最小値の平均値をデジタル値で出力する。

【００１８】４５はラッチ回路であり、レベル検出回路
４４の出力をアップダウンカウンタ６６の桁上がりまた
は桁下がり信号によってラッチする。４６はデジタル・
アナログ変換器（以下Ｄ／Ａ変換器という）であり、ラ
ッチ回路４５の出力の値をアナログ信号に変換する。４
７は差動増幅器で、電流電圧変換器４１の信号からＤ／
Ａ変換器４６の出力を差し引いた電圧を出力する。

【００１９】６１はコンパレータであり、差動増幅器４
７の出力値と所定の電圧との比較を行い、前者の値が大
きければＨＩＧＨレベル（以下Ｈレベルという）の、後
者の値が大きければＬＯＷレベル（以下Ｌレベルとい
う）のデジタル信号を出力する。６３は移動方向判別手
段で、コンパレータ６１と６２の出力のどちらのＨレベ
ルが先に立ち上がるかという位相関係から反射手段５の
移動方向を判定する。

【００２０】６４はアップダウンカウンタで、コンパレ
ータ６１の出力におけるＬレベルからＨレベルへの立ち
上がりの数を、移動方向判別手段６３の出力によって加
算または減算する。６５は掛算器でアップダウンカウン
タ６４の出力にレーザ光源１の波長値を掛けて反射手段
５の移動量を出力する。

【００２１】６６はアップダウンカウンタであり、その
動作はアップダウンカウンタ６４と同じである。ただし
カウント値が所定の数に達するとラッチ回路４５と５５
およびディレイ回路６７にパルス信号を出力し、自身
（アップダウンカウンタ６６）のカウント値をリッセト
する。ディレイ回路６７は、アップダウンカウンタ６６
が所定の数に達したことを示す信号を発した後、一定の
遅れをもってレベル検出回路４４にパルスを出力し、レ
ベル検出回路４４をリッセトする。

【００２２】図２にレベル検出回路４４の構成を示す。
同図において、１０１と１０３はバイナリコンパレー
タ、１０２と１０４はラッチ回路である。ラッチ回路１
０２はディレイ回路６７の出力パルスによって最小値に
リセットされる。バイナリコンパレータ１０１は、Ａ／
Ｄ変換器４３の出力とラッチ回路１０２の出力を大小比
較して前者が大きい場合にはラッチ回路１０２にラッチ
命令に相当するパルスを出力する。

【００２３】ラッチ回路１０４はディレイ回路６７の出
力パルスによって最大値にプリセットされる。バイナリ
コンパレータ１０３は、Ａ／Ｄ変換器４３の出力とラッ
チ回路１０４の出力を大小比較して前者が小さい場合に
はラッチ回路１０３にラッチ命令に相当するパルスを出
力する。

【００２４】１０５は加算器であり、ラッチ回路１０２
および１０４の出力（いずれもパラレルのデジタル信
号）を加算する。加算値のうち、桁上がりのデジタル値
を最上位ビットとし、最下位ビットを除いた出力値を用
いることによってラッチ回路１０２および１０４の出力
の平均値を得る。この値をラッチ回路４５で更にラッチ
する。

【００２５】このような構成における動作を次に説明す
る。レーザ光源１から出射された直線偏光のレーザ光は
ハーフミラー２で分割され、反射光は固定コーナーキュ
ーブ３によって折り返され、透過光は可動コーナーキュ
ーブによって折り返され、ハーフミラー２（図３ではビ
ームスプリッタ）上で合波される。ただし、透過光は１
／８波長板４を２回通過して円偏光となってハーフミラ
ー２に達する。

【００２６】ハーフミラー２上で合波された光の一部は
更に偏光ビームスプリッタ６で直交する偏光成分に分割
され、それぞれの強度変化をフォトダイオード８で検出
する。ここで得られる両信号は交流成分と直流成分から
成るが、干渉縞の計数を行うためには直流成分を除去す
る必要がある。

【００２７】信号処理回路４０においては、光電変換素
子８で得られた信号を電流電圧変換器４１で電気信号に
変換した後、ローパスフィルタ４２で高周波成分を平滑
化しＡ／Ｄ変換器４３でデジタル変換してから、レベル
検出回路４４で反射手段５が一定の変位をする間の干渉
信号の最大値と最小値の平均値を求める。この値をラッ
チ回路４５でラッチした後、Ｄ／Ａ変換器４６でアナロ
グ信号とし、差動増幅器４７で、直流成分を含んだ電流
電圧変換器４１の出力信号電圧からの差を得ることによ
り干渉信号を交流成分のみとする。

【００２８】信号処理回路５０でも、光電変換素子７で
得られた信号に対して上記と同様の処理を行い交流成分
のみの干渉信号を得る。コンパレータ６１および６２は
差動増幅器４７および５７の出力値と所定の電圧との比
較を行いデジタル信号を出力する。両デジタル信号の位
相関係から移動方向判別手段６３では、反射手段５の移
動方向を判定し、アップダウンカウンタ６４でコンパレ
ータ６１および６２の出力を加算ないしは減算する。

【００２９】最後に掛算器６５でアップダウンカウンタ
６４の出力にレーザ光源１の波長を掛けて反射手段５の
移動量を求める。なおレベル検出回路４４および５４の
データ更新は、アップダウンカウンタ６６でカウント値
が所定の数に達した際に行う。更に初期状態において
は、レーザ光源１の波長を交流信号発生器１２によって
変調させて干渉信号を発生させ、直流成分を測定し初期
値とする。

【００３０】なお、本発明の以上の説明は、説明および
例示を目的として好適な実施例を示したに過ぎない。し
たがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、
変形をなし得る。例えば、コーナーキューブはこれに限
るものではなく、レーザ光を反射する鏡であってもよ
く、これを総称してここでは反射手段と呼ぶ。また、ハ
ーフミラーとしてはビームスプリッタを用いてもよく、
本発明の特許請求の範囲におけるハーフミラーはビーム
スプリッタも包含するものである。またレベル検出回路
４４，５４はマイクロコンピュータを使用しても実現可
能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果がある。直流成分を含んだ干渉信号をローパ
スフィルタを通した後にデジタル化して最大最小の平均
値から直流成分を求めている。そのため、干渉信号の周
波数がデジタル化するＡ／Ｄ変換回路の応答より早い場
合にはローパスフィルタ通過後に干渉信号は一定の直流
になり、レベル検出回路ではこの直流値を最大、最小と
して再び同じ値である平均値を出力すればよい。また干
渉信号の周波数がローパスフィルタの帯域よりも低い場
合には、Ａ／Ｄ変換回路でデジタル化した最大、最小値
から平均値として直流成分を得ることができる。これは
反射手段が長時間動かない場合でも、アナログ回路の保
持回路に比べて確実に直流成分を測定できるという効果
がある。また、Ａ／Ｄ変換器の前にローパスフィルタを
設けているため、干渉信号にインパルス状のノイズが混
入していてもローパスフィルタで減衰されるため誤差に
なりにくい。更にまた直流成分の更新を、時間ではなく
アップダウンカウンタの出力によって行っているので、
反射手段の速度にかかわらず一定の変位をするたびにレ
ベルが変わり、なめらかな交流成分を得ることができる
（一定時間毎に更新をすると、反射手段が高速で移動し
た際、次の更新までに直流成分が大きく変化し、交流信
号に段差が生じてしまう）。更に本発明によれば、直流
成分検出のために光学系を付加する必要がなく、光学系
を簡単かつ小型にでき、更に信号のバランス調整も簡単
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ測長器の一実施例を示す構
成図

【図２】レベル検出回路の詳細を示す一実施例図

【図３】従来の、マイケルソン干渉計を用いた干渉計の
一例を示す構成図

【図４】図３の干渉計システムに使用する干渉縞計数回
路の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ ハーフミラー ３ 固定コーナーキューブ ４ １／８波長板 ５ 可動コーナーキューブ ６ 偏光ビームスプリッタ ７，８ フォトダイオード １０ 波長設定回路 １１ スイッチ １２ 交流信号発生器 ４０，５０ 信号処理回路 ４１，５１ 電流電圧変換器 ４２，５２ ローパスフィルタ ４３，５３ アナログ・デジタル変換器 ４４，５４ レベル検出器 ４５，５５ ラッチ回路 ４６，５６ デジタル・アナログ変換器 ４７，５７ 差動増幅器 ６１，６２ コンパレータ ６３ 移動方向判別手段 ６４，６６ アップダウンカウンタ ６５ 掛算器 ６７ ディレイ回路 １０１，１０３ バイナリコンパレータ １０２，１０４ ラッチ回路 １０５ 加算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源と、このレーザ光源からの光を
   分割すると共に再び合波するためのハーフミラーと、固
   定配置され前記分割された一方の光を反射する一方の反
   射手段と、移動可能に配置され前記分割された他方の光
   を反射する他方の反射手段と、前記２つの反射手段によ
   る光路差の変化に応じて輝度が変化し、互いに１／４周
   期の位相差を持ち、前記移動可能な反射手段の移動方向
   によって互いの位相の進み遅れ関係が反転する２つの干
   渉信号を出力する干渉計と、 前記２つの干渉信号を検出する２組の光電変換素子と、 前記各光電変換素子で検出された干渉信号をローパスフ
   ィルタを通して高周波成分を取り除き、アナログ・デジ
   タル変換した後、一定数の干渉信号の周期間における最
   大値と最小値の平均値を測定してデジタル・アナログ変
   換し、このデジタル・アナログ変換された信号と前記各
   光電変換素子で検出された干渉信号との差を演算するこ
   とによって前記各光電変換素子で検出された干渉信号の
   直流成分を除去する２組の信号処理回路と、 この２組の信号処理回路の各出力信号を所定の値と比較
   してパルス信号に変換する２組のコンパレータと、 この２組のコンパレータが出力する両パルス信号の位相
   関係から、前記移動可能な反射手段の移動方向を判別す
   る演算手段と、 この演算手段によって得られた移動方向によって前記パ
   ルス信号の数を加算ないしは減算するアップダウンカウ
   ンタと、 このアップダウンカウンタの積算値に前記レーザ光の波
   長値を掛けて前記移動可能な反射手段の移動量に変換す
   る移動量演算手段を具備したことを特徴とするレーザ測
   長器
2. 【請求項２】前記移動可能な反射手段が測長範囲内で停
   止している状態で、 前記レーザ光源の波長を変化させ各干渉信号強度を一定
   の周期以上変化させるレーザ光源の駆動回路を具備した
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ測長器。