JPS63131005A - レ−ザ測長装置 - 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、２周波のレーザを用いて変位量又は距離を精
密に測定するレーザ測長装置に関する。

〔従来の技術〕

レーザを用いた変位量又は距離を精密に測定する方法と
しては、被測定物の移動に伴って発生するドツプラー信
号から変位を求める方法と、基準信号に対する位相変化
から変位を求める方法とがある。

第２図は、ドツプラー効果を利用した従来の測長装置を
示すブロック図である。

測長装置のレーザヘッド１から直交した２周波のレーザ
光ｌが出射される。このレーザ光ｌは、ビームスプリッ
タ２で光成分す及び光成分すに二分される。一方の光成
分シは、レシーバ５に直接導かれて光電変換され、次式
（１）に従った電気信号を得る。

Ｖ−Ａｓｉｎ　（２ｆｆ（ｆ＋−ｆｚ）ｔｌ　　・・・
ｉｌｌただし、ｆｌ及びｆ２は、それぞれ２周波レーザ
の周波数を示し、Ａは振幅を示す。

他方、ビームスプリッタ２を通過した２周波レーザ光の
光成分らは干渉計３に至り、その一部が干渉計３と反射
鏡４との間を往復する。この往復した光成分りが残りの
光成分りとミキシングされるため、反射鏡４の移動速度
Ｕに対応したドツプラー効果が生じる。このドツプラー
効果に起因する信号をΔｆとするとき、レシーバ６によ
り次式（２）で示される電気信号が得られる。

Ｖ＝Ｂｓｉｎ　［２ｙｔ　　（（ｆｌ−ｆｔ）＋Δｆｌ
　ｔｌ　　・・−（２）ただし、Δｆは２１１Ｆ、／ｃ
、　　Ｃは光速、ｔは時間。

Ｂは振幅である。

そして、変位演算回路７において、上記式（１）及び（
２）の電気信号の零クロス点の個数を計数し差分を取る
ことによって、変位量ｄ＋（＝ｕｔ）が求められる。こ
こで、差分の個数をＮ１波長をλ１とするとき、変位量
ｄ１は次式（３）で表される。

ｄｌ−λ１・Ｎ／４　　　　　　　　　・・・・・（３
）式（３）からも判るように、変位１　ｄ＋は、波長λ
。

の整数倍で表される。したがって、この方式によるとき
広い測定範囲及び周波数差（ｆｌ−ｆり以内での比較的
速い被測定物の移動速度びまでの測定は可能である。し
かし、式（３）に示すように、２波長以下の高精度の測
定を行うことはできない。

他方、第３図は、位相変化から変位を求める従来の測長
装置の機能を示したブロック図である。

この測長装置におけるレーザヘッドからレシーバまでの
光学系は、第２図の装置と同じであるので、同等の部材
等については同一の符番で指示し、その説明を省略した
。この測長装置のレシーバ６の出力は、変位ｄの関数と
して（２）式を変形して表せば次式（４）になる。

Ｖ−Ｃｓｉｎ（２π（ｆｌ　　ｆｚ）ｔ＋４πｄ／λｌ
）　　−・・＋４まただし、Ｃは振幅である。

位相検出回路８では、式（１）及び（４）で表される電
気信号から位相差＆を求める。このとき、変位量ｄ１と
位相差＆との関係は、次式（５）で表される。

ｄ、−λ、・ｅｔ／４ｒｔ　　　　　　　・・−−・（
５１ここで、位相検出範囲は０〜２πであるため、式（
５）は、第４図において破線として示したような変位量
λ、／２毎の繰り返し信号となり、Ｏから２πに移行す
るとき等において位相差が急激に変化する。この位相差
の急激な変化をウェイト回路９により検知し、λｄ２相
当のウェイト加減算を行い出力する。そして、加算演算
回路ｌＯにおいて、位相検出回路８からの出力＆とウェ
イト回路９からの出力Ｍ（整数）とを次式（６）に従っ
て加算し、変位出力ｄコを得る。

ｄ、−λ１・（ｅｔ＋Ｍ）／４π　　　　　　・・・・
（６）この方法によるとき、式（５）及び式（６）で示
すように、数度の位相分解能で１／１００λ１程度の高
分解能で測定することが可能となる。しかし、特にウェ
イト回路９での判断等のために、遅延時間が生じる。そ
こで、測定サンプリング時間内にπ以上の急激な変位を
行うと、ウェイト回路９における加減算の判断を誤る恐
れがあり、測定不能になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、ドツプラー信号から変位を求める方法にお
いては、広い測定範囲で且つ速い移動速度においても計
測可能であるが、基本的には分解能としてＡ波長と精度
が悪い。他方、基準信号に対する位相変化から変位を求
める方法によるときは、高分解能の測定が可能であるが
、サンプリング時間内に位相でπ以上の変化があるとき
方向判別が不能となり、したがって速い速度で広い測定
範囲を移動する被測定物の変位又は測長を行なうことが
困難であり、応答性が悪いという欠点があった。

本発明は、前述の２様の測長装置の特徴を生かしながら
、それらの欠点を補うように組合せることによって、広
い測定範囲で且つ高精度な測定を可能とし、且つ高速で
移動している被測定物に対しても追従可能なレーザ測長
装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明のレー
ザ測長装置は、その目的を達成するために、直交した２
周波のレーザを出力するレーザ光源と、このレーザ光に
よって基準ビート信号を発生させる光学系と、被測定物
の移動に伴って発生するドツプラー信号が重畳された測
定ビート信号を得る光学系と、前記ドツプラー信号から
被測定物の移動速度を検出する回路と、変位量を演算出
力する第１の変位演算回路と、前記基準ビート信号と被
測定ビート信号との位相差を検出し変位量を求める第２
の変位演算回路と、第１及び第２の変位演算回路出力を
加算する第３の変位演算回路と、前記移動速度検出回路
からの出力と予め設定された上限速度閾値とを比較する
比較回路と、前記出力が前記閾値以上酸いは以下の場合
に応じて第１或いは第３の変位演算回路からの出力を選
択出力する出力選択回路とを備えていることを特徴とす
る。

すなわち、本発明においては、Ａ波長以上の計測をドツ
プラー法により、〃波長以下の計測を位相差法により行
っている。そして、被測定物の移動速度を検出し、この
検出値に基づいて出力精度を切り替えることにより広い
測定範囲にわたって高精度の測定が行われる。また、こ
のような切り替えにより、高速応答性も優れたものとな
る。

（実施例〕 以下、実施例により本発明の特徴を具体的に説明する。

第１図は、本実施例の装置の機能を表したブロック図で
ある。なお、同図において、第２図及び第３図に示した
部材等に対応するものは同一の符番で指示し、その説明
を省略した。

レーザヘッド１から出射された直交２周波のレーザ光Ｐ
は、ビームスブリフタ２によって光成分１１及び光成分
！ｔに分岐される。そのうち、一方の光成分ＡＩは、直
接レシーバ５に導かれ光電変換され、前述＋１１式で示
される電気信号を得る。

他方、ビームスプリンタ２を通過した２周波レーザ光の
光成分１２は、干渉計３で分離される。

そのうち、周波数ｒ、をもつ一方の光成分ｌ！１は、反
射鏡４と干渉計３との間を往復し、周波数ｆ２をもつ残
りの光成分とミキシングされる。次いで、このミキシン
グされた光成分ｌ！ｂがレシーバ６によって光電変換さ
れ、前述（２）式又は（４）式で示される電気信号が得
られる。このようにして得られた電気信号は、レシーバ
６から第１の変位演算回路７ａ、位相検出回路８及び速
度検出回路１１に入力される。

第１の変位演算回路７ａにおいては、更にレシーバ５か
らの電気信号も人力している。これらレシーバ５．６か
ら送られて来たそれぞれの電気信号の零クロス点の個数
を計数し、その累積差により前述（３）式で示される変
位信号を演算し、第３の変位演算回路７ｃ及び出力選択
回路１２に出力する。

速度検出回路１１においては、同様にレシーバ５及び６
からの電気信号を受け、単位時間当たりの各々の零りロ
ス点個数の差を検出することによって速度信号Ｖ、を検
出し、この速度信号Ｖ、を速度判定回路１３に出力する
。

速度判定回路１３においては、速度検出回路１１から送
られて来た速度信号Ｖ、を予め設定されている速度間（
ＩＩ！ｖ０と比較する。そして、速度信号■３が速度閾
値ｖ０以上であれば信号Ｈを、速度信号Ｖ、が速度閾値
Ｖゆ以下であれば信号りを出力選択回路１２に出力する
。

位相検出回路８は、レシーバ５．６からの電気信号を受
け、レシーバ５の電気信号（正弦波）に対するレシーバ
６の電気信号の位相差θ８を検出する。このとき、位相
差の検出範囲は０〜２πとしている。また、この位相検
出回路８においては、リセット信号入力時の位相差信号
θ、を保持しており、次式（７）で示す位相差信号θが
出力される。

第２の変位演算回路７ｂは、この位相差信号θを受け、
次式（８）に従って０からλ１／２までの微小変位量ｄ
、を演算出力する。

ｄ、＝λ、・θ／（４π）　　　　　　　・・・・（８
）第３の変位演算回路７ｃにおいては、第１の変位演算
回路７ａ及び第２の変位演算回路７ｂの出力を受けて加
算し、次式〇〇で示す変位信号ｄ、を出力する。

ｄ、”ｄ、＋ｄ、−λ（Ｎ／２十〇／２π）／２　・・
・（９）そして、出力選択回路１２において、速度判定
回路１３の出力信号を制御信号として、第１の変位演算
回路７ａ又は第３の変位演算回路７ｃからの出力のいず
れを最終出力とするかを選択する。

すなわち、被測定物の移動速度びが速いときには、位相
差に基づいて微小変位を検出する必要がない、そこで、
このようなときには、ドツプラー信号のみを使用して計
測した第１の変位演算回路７ａからの出力を最終出力と
して送り出す。その結果、位相検知の遅れ等によって０
から２πの移り際等における最大〃波長の誤操作を起こ
すおそれがない、また、移動速度Ｖ、が速度閾値ｖ０以
内となり、位相検出系の遅れが問題を生じることな（、
且つ微小変位信号出力が必要な場合には、第３の変位演
算回路７ｃからの出力を最終出力として送り出す。これ
により、高精度の測定が可能となる。

なお、リセット信号は、前述したように位相検出回路８
における初期位相を検出設定すると共に、第１の変位演
算回路７ａ及び第３の変位演算回路７ｃからの出力をク
リアする。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明のレーザ測長装置におい
ては、被測定物の移動速度に応じいずれの方式を採用す
るかを判断している。すなわち、早い移動速度のときに
はドツプラー法による計測値を、遅いときにはドツプラ
ー法による計測値に位相差法による計測値を演算加算し
た出力を最終出力として切り換え出力している。これに
より、広い測定範囲にわたって高速移動時での測定がで
き、且つ位置決め等の低速移動時においては高分解能で
の計測が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例のレーザ測長装置の機能を説明
するためのブロック図である。他方、第２図及び第３図
はそれぞれ従来のドツプラー効果及び位相差を利用した
測長装置の機能を説明するブロック図であり、第４図は
第３図の装置における出力の変動を表したグラフである
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、直交した２周波のレーザを出力するレーザ光源と、
   このレーザ光によって基準ビート信号を発生させる光学
   系と、被測定物の移動に伴って発生するドップラー信号
   が重畳された測定ビート信号を得る光学系と、前記ドッ
   プラー信号から被測定物の移動速度を検出する回路と、
   変位量を演算出力する第１の変位演算回路と、前記基準
   ビート信号と被測定ビート信号との位相差を検出し変位
   量を求める第２の変位演算回路と、第１及び第２の変位
   演算回路出力を加算する第３の変位演算回路と、前記移
   動速度検出回路からの出力と予め設定された上限速度閾
   値とを比較する比較回路と、前記出力が前記閾値以上或
   いは以下の場合に応じて第１或いは第３の変位演算回路
   からの出力を選択出力する出力選択回路とを備えている
   ことを特徴とするレーザ測長装置。