JPS63201504A - 光学式物理量測定装置 - 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〕 この発明は、光学式物理量測定装置に関し、さらに詳し
くいうと、ファプリペロー干渉計とサーボ制御手段を併
用して振動加速度、微小変位のような物理量を測定する
ための光学式物理量測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第１１図は本出願人の先の出願（特顕昭６０−２３５０
３３号）になる従来のこの種の光学式物理量測定装置を
示し、光源８からのコヒーレントな測定光９が到来する
側とは反対側に反射面を有する第１の半透明鏡４ａと、
この第１の半透明鏡４ａと反射面が互いに対向している
第２の半透明鏡４ｂと、第１．第２の半透明鏡ａａ。

４ｂを測定光９が透過可能であるように装着し電気信号
の印加によって測定光９の光軸方向に変位する位置変更
手段５．６と、測定光９の第１、第２の半透明鏡４ａ、
４ｂによる干渉光を検出して電気信号に変換する光電変
換手段１２とが、ケーシング１に設定されている。光電
変換手段１２の出力の基準信号に対する偏差を検出し、
この偏差が零になるように位置変更手段５ｔｉ’を動作
させるサーボ制御回路は、プリアンプ２０、比較器２１
、移相回路２２および駆動アンプ２３からなっている。

位置変更手段５をなす可動コイルの端子１５の一方には
負荷抵抗ＲＬ　　が接続、接地されており、この接続点
から出力端子２５が引出されている。

以上の構成により、測定光９は半透明鏡４ａ。

４ｂを経て直線的に光電変換手段１２に入射する。この
とき、ケーシング１に矢印Ｘ方向の微小変位や加速度な
ど物理量の変化が生じると、第１．第２の半透明鏡４ａ
　、４ｂ間の間隔に変化があられれ、光電変換手段１２
で受ける干渉光強度が変化する。この変化信号に対応し
てサーボ制御回路を動作させ、半透明鏡４ａ　、　４ｂ
が互いに中立位置になるように位置変更手段５゜６を駆
動し、そのときの出力端子２５における出力から目的と
する物理量を求めるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のような従来の光学式物理量測定装置では、１対の
半透明鏡の平行が崩れると測定精度が著しく低下するが
、測定中における上記平行の維持、経時変化に伴う上記
平行の維持が困難であるという問題点があった。また、
製造に際して、１対の半透明鏡を平行に組立てる作業が
繁雑であり、さらには測定に際して測定者が１対の半透
明鏡を平行にセットする点で、装置の取扱いが難しいと
いう問題点があった。

これに対して、上記の平行維持だけに留意すれば、予め
１対の半透明鏡を平行状態に固定的に組立てれば足りる
とも考えられるが、そうすると、今度は半透明鏡開の間
隔が固定的で不変となり、所定の作用が得られないこと
になる。

この発明は以上の問題点を解消するためになされたもの
で、１対の半透明鏡の平行維持が容易で、高精度に測定
することができる光学式物理量測定装置を得ることを目
的とするものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

この発明に係る光学式物理量測定装置は、互いに固定的
に平行な１対の半透明鏡部分を有する鏡部材をケーシン
グに揺動可能に支持し、半透明鏡部分によって生じる透
過あるいは反射干渉光を検出する光電変換手段と、鏡部
材の揺動時にこれを抑制する抑制手段とを備えている。

〔作　用〕

この発明においては、１対の半透明鏡部分を透過する測
定光の光路長が、鏡部材の揺動に伴って変化し、干渉光
強度が変化するのを検出するのであるが、１対の半透明
鏡自身が変位するので両者間の間隔が変化するように構
成する要がなく、予め１対の半透明鏡部分を平行に組立
ててお（ことができ、一度セットすれば平行が崩れるこ
とがない。

なお、１対の半透明鏡部分は、互いに平行であることが
理想的であるが、両者間で光干渉が発生すればよいので
あるから、必ずしも厳密に平行である必要はない。した
がって、ここに「平行」とは、厳密な平行のみを意味す
るものではない。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示し、ここでは測定光の
透過干渉により振動加速度を検出する場合を例として説
明する。同図において、変位（傾き）検出手段２のベー
ス２ａが支持要素３によりケーシング１に弾性支持され
ている。

変位検出手段２は、ベース２ａに取付けられ互いに平行
な１対の半透明鏡部分４ａ　、４ｂからなる鏡部材４、
ベース２ａに同軸的に取付けられた可動コイル５からな
っている。６は可動コイル５を駆動するための磁界を形
成する磁界形成要素である。磁界形成要素６は、永久磁
石６ａ、ヨーク６ｂ、６ｃからなり、エアギャップ６ｇ
に可動コイル５が介在している。コリメーションレンズ
１０は光源１８からの測定光９を平行光ビームとして光
電変換手段１２に入射させる。ｖＳ　　は光電変換手段
１２で得られる干渉電気信号、■ｏ　　は端子２４に加
える基準電圧を示し、比較器２１は■。とｖ８との差分
ΔＶを出力する。

ケーシング１には、透過干渉光を形成し、これを検出す
るすべての構成要素が装着されているが、装置を固定す
べき測定場所によってはこれらを単一のケーシングに装
着しなくてよい場合、または装着することができない場
合がある。

ケーシング１の材料も適宜に選択することかでさる。

光源８としては、レーザダイオード、ガスレーザなど各
種のものが考えられる。

鏡部材４は、測定光９に関して可動コイル５よりも下手
に配置されている。１対の半透明鏡部分４ａ、４１）は
一定の距離を保って互いに平行に配置されており、１枚
のガラスの両面を平行に研磨して金属を蒸着させて形成
したり、あるいは２枚の半透明鏡をベース２ａに平行に
固定して形成するなどが考えられる。

ベース２ａは板バネでなる支持要素６でケーシング１に
揺動可能に支持されているが、支持要素３は板バネ以外
のものでもよい。

その他、第１１図と同一符号は同一部分を示している。

次に動作について詳述する。

ケーシング１に外部から振動が加わると、変位検出手段
２は揺動し、これに伴って鏡部材４が初期設定姿勢に対
して傾（ことになる。この発明は鏡部材４の上記の傾き
に基（鋼部材４での測定光９の光路長の変化（ファプリ
ペロー干渉計の見かけ上の厚みの変化）による干渉強度
の変化を利用するもので、この点をさらに説明する。

第２図において、Ｘ方向の振動加速度αがケーシング１
に加わると、変位検出手段２は、その質量ｍと支持要素
３のバネ定数ｋによって、角度θ＝ｍα／にの傾きを生
じる。この傾きによる光学的な位相差δは、光の波長を
ノ、媒質の屈折率をｎ、半透明鏡部分４ａ、４ｂ間の間
隔を１とすると、 となり、干渉強度Ｉｆ１次式によって変化する。

ただし、Ｒは半透明鏡部分４ａ、４ｂの反射率である。

第６図は角度θに対する干渉強度Ｉの変化を示している
。同図には半透明鏡部分４ａ、４ｂの反射率の程度に応
じた志木の曲線が描かれており、（ａ）は反射率が小さ
い場合、（ｂ）は反射率が約０．２５の場合、（ｃ）は
反射率が大きい場合である。

図かられかるように、反射率が太き（なるに従い工の強
度変化、すなわち、干渉の明暗が大きくなる０また、角
度θの変化によって工はいずれも周期的に変化する。

第１図に戻り、可動コイル５と磁界形成要素６とで、変
位検出手段２の位置を変更制御（傾きを抑制制御）する
抑制手段を形成している。

なお、ヨーク６ｂはフランジ状をなし、その円筒状部分
には測定光９０通路となる貫通孔６ｄが形成されており
、光源８からの測定光９は、レンズ１０、貫通孔６ｄ、
可動コイル５の中空′部分、半透明鏡部分４ａ、４ｂを
経て、はぼ直線的に光電変換手段１２に到達する。

プリアンプ２０と比較器２１の接続厘序は逆でもよく、
場合によっては１つの回路構成としてもよい。移相回路
２２は、比較器２１の出力信号ΔＶを電気的に微分する
ことにより干渉電気信号の位相を変移させ、変位検出手
段２の傾き振動を適度に減衰させるように作用する。駆
動アンプ２Ｓは位相変移した偏差信号ΔＶを電流増幅し
て可動コイル１５を駆動する。

なお、移相回路２２や駆動アンプ２３は場合によっては
省略することができ、たとえば、可動コイル５の電流感
度が大きかったり、前段回路の出力電流が大きい場合な
どには、駆動アンプ２３を省略することができる。

サーボ制御回路は、変位検出手段２で生じる干渉信号が
増幅、比較され、かつ、微分されたのち、その電流が可
動コイル５を流れて変位検出手段２の傾きを補正して干
渉強度を変化させるフィードバックループを形成してい
る。このフィードバック系では、可動コイル５および磁
界形成要素６からなる傾き制御手段の単体での電圧また
は電流に対する傾き感度を考慮し、補正量よりも十分大
きい帰還電圧を印加する必要があり、そのためにはプリ
アンプ２０を含む増幅系のゲインを十分大きくする必要
がある。

なお、磁界発生要素６がケーシングＩＫ固定され、可動
コイル５が可動となっているが、これを逆にしてもよい
。あるいは一体化した磁界形成要素６の電磁コイルなケ
ーシング１に固定し、変位検出手段２側に磁性材料を設
けておき、。

磁界形成要素６と電磁コイルおよび変位検出手段２との
間に電磁気的な力を作用させる構成とすることも考えら
れる。

次に測定手順および作用は、まず、各要素が組込まれた
ケーシング１を被測定体（図示しない）に固定する。電
気回路部分はケーシング１に組込んでもよいし、別個に
してもよい。

比較器２１の端子２４に、第４図に示す干渉の中点に対
応する基準電圧■ｏ　　を印加する。したがって、被測
定体が静止または等速運動をしているときは、加速度が
零であり、変位検出手段２の傾きが干渉の中点に対応し
ていれば、比較器２１の偏差出力信号Δ■は、ΔＴ＝（
ｌである。このため、可動コイル５には電流が流れず。

変位検出手段？、したがって鏡部材４は制御手段によっ
て駆動させることはない。しかし、一般には、このよう
な状態でも変位検出手段２は干渉の中点に対応する傾き
になっておらず、第４図に示すように、干渉計の傾きＡ
、Ｂ、Ｏに干渉強度Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ　　が対応する関
係ＶＣする。

傾きＤと干渉強度Ｉｄは干渉の中点に対応する関係を示
している。

以上のことから、プリアンプ２０の出力電圧ｖ８　　は
基準電圧■。と異なり、比較器２１は相応の出力電圧Δ
Ｖを出力し、移相回路２２および駆動アンプ２５を介し
て可動コイル５が励磁され、変位検出手段２、したがっ
て鏡部材４の傾きが変化する。このように傾きが移動す
る方向は、可動コイル５０巻き方向、磁界形成要素６、
制御手段の回路などの極性によって決まる。

しかし、いずれの方向に鏡部材４の傾きが移動しても、
鏡部材４の傾きが干渉の中点に近づ（につれて基憩電圧
■　とプリアンプ出力電圧ｖ８との差が小さくなり、Δ
Ｖが零に近づき、可動コイル５へ流れる電流も零に近づ
いて鏡部材４は静止する。

可動コイル５、磁界形成要素６、電気回路などの極性が
それぞれ一定の場合、鏡部材４の静止する位置は、それ
ぞれ第５図のＡ／　、　Ｂ／　、　Ｃ／にあり、このと
きの干渉強度Ｉａ’　、Ｉｂ’　、Ｉｃ’は、厳密には
、干渉の中点に対応する干渉強度Ｉｄとは等しくな−く
、最初の中点からのずれの量と、このずれを補正するた
めに流れる電流による力とが平衡する点である。この平
衡点を決定するファクタは、支持要素乙のバネ定数とサ
ーボ動作量であり、す〒ボ動作のゲインを前述したよう
に十分太き（することにより、ｒａ’　、Ｉｂ’　。

ＩＣ’　　をほぼ干渉の中点におけると等しくすること
ができる。この平衡点での比較器２１の出力信号は、極
めて小さく、零に近い値であるが、駆動アンプ２３によ
って増幅されるため、変位検出手段２の傾きを補正する
のに必要な電流を可動コイル５に流すことができる。

以上σ）ように、電気的なサーボ動作によって干渉の中
点に対応するように変位検出手段２の傾きを定めた状態
で加速度を検出する場合について以下に考察する。

加速度によって変位検出手段２に傾き変化が生じ、鏡部
材４の傾きが変化すると、光の干渉強度も変化する。変
位検出手段２の傾き変化は連続的であり、しかも微視的
に見ると徐々に変化しているので、前述した加速度のな
い場合のサーボ動作と同様に、干渉信号ｖ８　　と基準
電圧ｖｏ　　との差分ΔＶによって発生する電流が可動
コイル５に流れ、鏡部材４を常に干渉の中点に対応する
傾きに固定することができろ。厳密には、干渉の中点に
対応する傾きかられずかにずれた傾きで、鏡部材４は加
速度に対応して傾（。

この場合も前述したと同様に、比較器２１の出力信号は
極めて小さいが、加速度に対応した値であり、駆動アン
プ２６によって増幅されて可動コイル５を駆動し、加速
度を測定するのに十分である。

ところで、サーボ受振器〔鏡部材４を含むサーボ系の駆
動対象〕では、支持要素３のバネ定数なｋ、変位検出手
段２の質量をｍ、傾き変更手段の電流に対する傾き感度
を、Ｓ、傾き検出およびサーボ量をＭ、第１図のＸ方向
の加速度をαとして、鏡部材４の傾きθを、 で表わすことができる。この（１）式から、変位検出手
段２の質量ｍ、支持要素３のバネ定数ｋが一定のとき、
サーボ量Ｍまたは感度Ｓを大きくすることにより、サー
ボ受振器の傾きθをいくらでも小さくできることがわか
る。すなわち、サーボ量Ｍが零の場合の傾きθ。は、サ
ーボが動作することにより小さくなる。また、これに応
じて光干渉の変化する領域が直線性の良好なごく狭い範
囲に制限されて傾きと干渉の対応が得られ、干渉信号■
８　から鏡部材４の傾きを検出することが可能となる。

なお、（１）式においてｌ（＜＜ＭＸＳの場合には、傾
きθは、 ０＝−ｍ−・α　　　　　　１・（２）となり、傾きθ
とサーボ量Ｍおよび加速度αとは直線的な関係となる。

また、出力端子２５の出力電圧ｅは、 と表わされているため、サーボ量Ｍの増減によって傾き
θおよび出力電圧ｅを、光干渉の特性を考慮しつつ、目
的に応じて制御することが可能である。

次に、鏡部材４を含むファブリペロ−の光学系の傾き状
態によっては、第６図に示すように、鏡部材４の１対の
半透明鏡部分ａａ　、４ｂによる反射光３０がレーザ光
源８へ戻り、光フィードバックが生じてレーザ発振が不
安定となり、大きなノイズ光を生じる場合がある。その
ため、他の実施例として第７図に示すように、反射光３
０の戻る光路に偏光子３１および１／４波長板３２を配
置し、反射光３０を光源８０手前で遮断するようにする
。これにより、光源８からの測定光９はこれらの光学素
子を透過するが、半透明鏡部分４ａ、４ｂによる反射光
３０は１７４波長板５２ｖｃよって偏光面が回転され、
偏光子３１を通過できない。したがって、レーザ光源８
への光フィードバックはほとんどな（なる。

第奮図はさらに他の実施例を示し、第７図の実施例同様
に半透明鏡部分４ａ　、４ｂからの反射光３０を阻止す
ることを目的とするもので、ファプリペロー半透明鏡部
分４ａ、４ｂが、どのような振動状態におかれても、測
定光９の光軸に対して直角でない角度に傾斜して設定さ
れている。これにより反射光５０は光源８へ戻ることは
ない。反射光６０は光吸収体３３で吸収するようにする
。かかる構成にすれば、１／４波長板や偏光子などの高
価な光学素子を用いずに目的が達成される。光吸収体３
５の材質や形状は、光学的条件を考慮して決定すべきも
のであるが、たとえば、ベルベットコート（商品名）を
用いることができる。また、半透明鏡部分４・ａ　、　
４　ｂの傾斜角度範囲は、検出感度および反射光の帰還
率などを考慮して適宜決定される。

なお、反射光３０が光源８に戻らなければよいのである
から、光吸収体３３は必ずしも設ける必要はな（、反射
が無視できるケーシング１の内面によって吸収させても
よい。

第９図は、レーザ光のパワー変動やレーザ光に含まれる
ノイズを抑制するようにした別の実施例を示す。

前述のように、プリアンプ２０の出力に含まれるレーザ
光源のパワー変動とノイズ成分は、振動変位による干渉
成分と区別できず、比較器２１はパワー変動などのノイ
ズ成分を干渉の変化として処理する。したがって、比較
器２１は、基準電圧■。とパワー変動ノイズ成分との差
を出力し、通常の加速度検出と同様のサーボ動作を実行
する。これを近似式で示せば、プリアンプ２０の出力信
号は、入力光パワーなＥとして、干渉強度工、を表わす
関係、 ■を二Ｅ（１＋Ｒｃｏｓδ”）　　　　−−−（４）に
等しく、レーザパワーＥに近い値の電圧■。

が基準電圧端子２４に加えられる結果、比較器２１の出
力Ｅｄ　は。

Ｅｄ＝　Ｂ　　ＶＯ＋　Ｅ　ＲＣＯ８δ　　−−−（５
）となり、Ｖ−Ｖ。なるノイズ成分を含んでいるっこの
ノイズ成分のうちパワー変動は、パワー制御によって制
御することができても、その他のノイズ成分を少な（す
ることは困難であり、微小加速度の測定に支障を来すお
それがある。この実施例ではかかる問題を解消する。

すなわち、第１図の実施例における電気回路に加えて、
レーザ光源８の光パワーの変動を電源回路４１で検出し
て基準電圧ｖｏ　　を与えるゲイン調整回路４２を備え
ている。

一般Ｋ、半導体などのレーザ光源は、外因てよるパワー
変動が大きいため、電源に光パワー制御回路を備えてい
る。いま、レーザ光源８が半導体レーザの場合、レーザ
ケース内部にパワー制御用のホトダイオードが組込まれ
ており、レーザ光の光パワーを検出して電源回路４１を
制御し、光パワーを一定に保つようにしている。

この場合、ホトダイオードの出力にはレーザ光源のノイ
ズも含まれており、また、ホトダイオード自身で発生す
るノイズもわずかに含まれている。

以上において、ホトダイオードの出力に、ホトダイオー
ドによって決まる定数なａとして、レーザ光パワー制御
回路しており、ａＥと表わすことができる。したがって
、ホトダイオードの出力を、ゲインが１／ａのゲイン調
整回路４１に通すことにより出力電圧Ｅが得られ、比較
器２１の端子２４０入力を基準電圧■。とすることがで
き、比較器２１の出力Ｅｄ　　は、Ｅ６　＝Ｅ　（＋　
＋Ｒｃｏｓδ）−Ｅ＝ＥＲｃＯｓδ・・（６）となり、
（５）式で表わされる（ＥＶｏ）のノイズ成分は表われ
ない。

なお、以上の各実施例では、鏡部材４は、測定光９に関
して可動コイル５よりも下手に配置したが、鏡部材４を
可動コイル５の上手に配置してもよい。

また、以上の各実施例では、１対の半透明鏡部分４ａ、
４ｂの透過光による干渉を検出しているが、半透明鏡部
分４ａ、４ｂの反射光でも干渉は生じているので、これ
を検出してもよい。

第１０図はかかる反射光による干渉を検出するようにし
た、さらに別の実施例を示し、光源８と鏡部材４との間
に、半透明鏡４Ｃを測定光９０光軸に対しほぼ４５°傾
けて配置する。

以上の構成により、反射光による干渉光を測定光９の光
軸からはずし、測定光９の伝播を妨げることなく、光軸
に対してほぼ直角方向に配置した光電変換手段１２ヤ受
光１〜で干渉光を検出することができる。

なお、かような反射形干渉の場合には、鏡部材４の半透
明鏡部分４ａ、４ｂのうち光源８から遠い方の半透明鏡
部分４ｂは必ずしも光を透過する必要はない。したがっ
て、反射率と透過率との割合において反射率の割合を著
しく大としてもよ（、すなわち、実質的な全反射鏡とし
て機能するものでもよい。このようにすると、干渉の明
暗の比率が大きくなるため、検出感度を高（することが
でき、好都合である。

また、以上の実施例では、変位検出手段２の傾きを変更
、制御するのに可動コイル５、磁界発生要素６等でなる
電磁的手段によっているが、これに代えて圧電素子の変
位を利用してもよい。

すなわち、支持要素３をなす板バネに圧電素子を貼着し
、圧電素子への印加電圧を制御して変位検出手段２の傾
きを変更、制御する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、互いに平
行な１対の半透明鏡部分が一定に支持された鏡部材を揺
動可能に配置したことにより、ファプリペロー干渉計の
１対の半透明鏡の平行度を常に安定に維持することがで
き、取扱いが容易で、測定精度を向上することができる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図はこの発明の一実施例を示し、第１図は
電気回路結線を付記した側断面図、第２図は動作を説明
するための一部側断面図、第３図、第４図および第５図
はそれぞれ鏡部材の傾き角度−干渉強度特性線図、第６
図は動作説明のための一部側面図である。 第７図および第８図はそれぞれ他の実施例の一部側面図
、第９図は別の実施例の電気回路結線を付記した側断面
図、第１０図はさらに別の実施例の要部側断面図である
。 第１１図は従来の光学式物理量測定装置の電気回路結線
を付記した側断面図である。 形成要素、−一・光源、９・・測定光、１．・・・光電
変換手段。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 第２図 Ｘ 第４図 第５図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からのコヒーレントな測定光が入射される互
   いに平行な１対の半透明鏡部分からなり、ケーシングに
   揺動可能に支持されている鏡部材と、 前記鏡部材によつて生じる透過干渉光およ び反射干渉光のいずれかを検出する光電変換手段と、 前記鏡部材の揺動を抑制する抑制手段と、 前記光電変換手段の出力電気信号と予め設 定した基準電気信号との偏差が零になるように、前記抑
   制手段を駆動する制御回路と、 を備えてなる光学式物理量測定装置。
2. （２）１対の半透明鏡部分のうち光源から遠い方を、反
   射率と透過率との割合において前記反射率の割合の大き
   い実質的な全反射鏡とした特許請求の範囲第１項記載の
   光学式物理量測定装置。