JPH04169817A - 光学式変位計 - 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】 〔概　　要〕 本発明は光の干渉現象を利用して被検面の変位を測定す
る光学式変位計に関する。従来測定精度を向上させる目
的で、光源から出射される光の波長の安定化を図り、温
度制御及び出力制御が行われてきたが、その制御方法に
は不確実性が存在していた。

本発明においては、従来例に対して波長変動制御用干渉
手段を設け、現在光源より出射されているレーザ光の波
長変動分を直接取り出し、現実に出射されている光の強
度信号に基づく規格化信号により光源への注入電流制御
を行い、光源の出力制御を行う。ゆえに、温度及び温度
以外の波長変動要因を全て含んだ状態での制御が可能と
なり、波長の安定性が向上し測定精度も高まる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光の干渉現象を利用して被検面の変位を測定
する光学式変位計に関し、特にＸ−Ｙステージなどの比
較的大きな変位を高分解能で計測する必要のある分野に
利用される。

〔従来の技術〕

光の干渉現象を利用した変位計の測定精度を向上させる
目的で、光源から出射される光の波長の安定化を図り、
第６図に示すような構成のフィゾー型干渉計を変位検出
手段に用いた光学式変位計が知られていた。

同図に示すように、半導体レーザ１から出射されたレー
ザ光はレンズ８で平行光とされハーフミラ−１１を透過
し、その一部が参照面１３で反射され、他の一部が参照
面１３を透過して被検面１４で反射される。このように
して、参照面１３と被検面１４で反射された各々のレー
ザ光は、ハーフミラ−１１で９０°屈折され、同一の径
路をたどって干渉し、その干渉信号が光検出素子１５で
検出され信号処理回路１７へ送られ光強度信号ＩＣ１Ｉ
ｄが得られる。該光強度信号■。、Ｉａは干渉信号の強
弱に応じ、被検面１４がλ／２（λは半導体レーザの発
振波長）だけ変位する毎に１周期変化することから（第
３図参照）、例えば信号処理回路１７で出力信号の周期
数をカウントし、このカウント数ｎをλ／２に乗するこ
と等の処理を行うことにより、被検面１４の変位ΔＸを
測定することができる。また、変位方向の判別をする場
合には、例えば参照面１３に段差１３’ｐを設けること
で、互いに９０°の位相差を持つ２つの光束Ｌｃ。

Ｌ、を作成し、これらをそれぞれ光検出素子１５ｃ、１
’５ｄで受光し、信号処理回路１７で光強度信号ＩＣ，
Ｉａとして得る。すると、第４図に示すように２つの光
強度信号■。、Ｉｄは互いに９０゜の位相差を持ち、し
かも変位ΔＸの方向に応して信号の遅れ、進みの関係が
決定されるので、この関係から方向判別ができる。そし
て、変位量の結果は表示器２１で表示される。

このように、被検面１４の変位ΔＸを測定するためには
レーザ光の波長λが基準となる。ところが、半導体レー
ザ１に温度変化が生じると、それに伴って発振波長λも
変化する（第５図参照）。

該発振波長が変化すると、その変化分が測定誤差となっ
てしまう。そこで、半導体レーザ１の温度が常に一定と
なるようにフィードバック制御を行うことで発振波長の
安定化を図っている。即ち、半導体レーザ１の温度をサ
ーミスタ等の温度検出素子２で検出し、この検出信号に
基づき演算回路３ａで温度の変動分を算出し、その温度
変動分を補償するため駆動回路３ｂを作動させ温度アク
チュエータであるペルチェ素子４に流れる電流を操作し
て冷却あるいは加熱を行い、温度検出素子２及びペルチ
ェ素子４を備える半導体レーザ装置５内の半導体レーザ
１のパッケージの温度を一定に制御しようとするのであ
る。

また、半導体レーザ１は温度一定とされていても、温度
以外の要因により出力が変動されることがあり、該半導
体レーザｌの出力強度が変動すると発振波長も変化する
から、その変化分により測定誤差が出てくる。そこで、
半導体レーザ１の出力が常に一定となるように、半導体
レーザ１に組み込まれているフォトダイオード等から成
る光検出素子６によりレーザ光の光強度を検出し、その
検出信号に基づき負帰還回路７により、半導体レーザ１
への注入電流のフィードバック制御を行い、半導体レー
ザ１の出力を常に一定としようとするものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の光学式変位計では、発振波長を一定に保つた
めに半導体レーザＩのパッケージの温度制御及び半導体
レーザ１の波長制御を実施しているが、温度制御の場合
、パッケージ温度一定即ちレーザ光の波長一定の前捉の
もとに行われるのであるが、レーザの温度そのものでは
ないから、波長一定とするには不確実さが残る。また、
半導体レーザ１の温度制御にはタイムラグが生じ、その
上温度制御により温度一定とされても、半導体レーザ１
の出力の変動を補償するためのフィードバック制御とし
て注入電流を操作すると、その操作でレーザ光の発振波
長が変化してしまい、負帰還回路７によるフィードバッ
ク制御それ自体も波長変動要因となり、発振波長が安定
化せず測定精度も向上しないという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、光源の温度変化だ
けでなく温度変化以外の要因に起因するレーザ光の発振
波長変動の影響を除去することによって、発振波長の安
定化及び測定精度の向上を実現することができる光学式
変位計を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光学式変位計は、可干渉性及び単一波長を有す
る光源と、該光源の波長変動を直接測定するための波長
変動制御用干渉手段と、該波長変動制御用干渉手段と、
参照面と被検面からの反射干渉光を得るだめの変位検出
用干渉手段とから、光強度信号を検出し、該検出した光
強度信号の規格化及び該光強度信号に基づき上記被検面
の変位を算出する演算処理手段と、該演算処理手段で規
格化された光強度信号に基づき、上記光源への注入電流
を制御する注入電流制御手段とを備えて構成される。

〔作　　　用〕

本発明では、波長変動制御用干渉手段により、現在光源
より出射されているレーザ光の波長変動分が直接取り出
され、また波長変動制御用干渉手段と変位検出用干渉手
段とから、現実に出射されている光の強度信号に基づく
規格化信号が演算処理手段によって算出されて、該規格
化信号を用いて注入電流制御手段により半導体レーザの
波長を一定とするよう注入電流の制御が行われる。また
、該規格化信号を用いて変位の検出及び変位方向の判別
がなされる。

ゆえに、温度及び温度以外の波長変動要因を全て含んだ
状態での制御が可能となるから、波長の安定性をより向
上させることができる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、上記従来例と同一部材
には同一符号を付して図面を参照しながら説明する。

第１図は、本発明の一実施例の構成図であり、フィゾー
型干渉計を用いて構成している。

同図において、１は可干渉性、単一波長且つ位相の揃っ
たコヒーレントな光を出射する半導体レーザであり、サ
ーミスタ等の温度検出素子２により温度が測定され、そ
の検出信号に基づき演算回路３ａで温度変動分が算出さ
れて、その温度の変動分を補償するよう駆動回路３ｂが
作動されることにより、温度アクチュエータであるペル
チェ素子４に流れる電流が調整され、冷却又は加熱操作
が施され、半導体レーザ１のパッケージ温度が一定に制
御される。上記半導体レーザｌ、温度検出素子２．ペル
チェ素子４は半導体レーザ装置５内に設けられる。この
構成２作用は従来例と同様である。

８は入射される光を平行光として出射するレンズ、９は
入射する光を一部透過し残りを９０°屈折させる第１の
ハーフミラ−１１０はフィゾー型干渉計の参照面と被検
面の間隔を固定した構成の波長変動制御用干渉手段であ
り、全反射鏡部１０′ａと半透過鏡部１０′ｂから成る
第１の面１０′と、全反射鏡に形成された第２の面ＩＯ
“とを有し、該第１の面１０′と第２の面ｌＯ″との間
隔は予め所定の寸法ｄに固定される。

１２は第１のハーフミラ−９から透過してきた光を透過
し後述の変位検出用干渉手段１３で反射され同一径路を
たどる反射光を９０°屈折させ干渉させる第２のハーフ
ミラ−１１３は透過し再入射される光の一部に９０°の
位相差を与えるための段差１３′ｐが設けられて厚さの
異なる部分１３’　ｃ及び１３′ｄが形成された半透過
鏡である参照面１３′と、全反射鏡とされた被検面１３
＃とを有する変位検出用干渉手段であり、フィゾー型干
渉計の変位検出部と同様な構成である。

１６は１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの４つの素子よ
り成る光検出素子であり、素子１６ａは第１のハーフミ
ラ−９で９０°屈折されて参照面１０′ａで全反射され
た光束り、を受光し、素子１６ｂは第１のハーフミラ−
９で９０°屈折され、参照面１０′　ｂと被検面１０″
で反射されて同一径路を進み、波面合成された光束り、
を受光し、１６ｃは参照面１３′Ｃと被検面１３″で反
射されて同一径路を進み、波面合成され第２のハーフミ
ラ−１２で９０°屈折される光束Ｌｃを受光し、１６ｄ
は参照面１３′ｄと被検面１３＃で反射されて同一径路
を進み波面合成され第２のハーフミラ−１２で９０°屈
折される光束Ｌ４を受光し、各々の素子１６ａ、１６ｂ
、１６ｃ、１６ｄで検出された各々の検出信号は後述の
演算処理手段１８に出力される。ここで光束Ｌ□は何ら
干渉も受けないからレーザ光から出射される光束そのま
まであり、また光束ＬＣ（！：Ｌｄは段差１３′Ｐが設
けられ厚さの異なる参照面の部位１３’　ｃ、１３’ｄ
を各々通過させられるので、９０°の位相差を有してい
る。

１８は光検出素子１６で検出された信号が入力される演
算処理手段で、該検出信号から対応する光強度信号り、
Ｉｂ、Ｉ。、Ｉｄを算出する信号処理回路１８ａと該光
強度信号の規格化即ち１．／１．。

Ｉｅ／　１．、Ｉ、／　■、の割算と、また該規格化信
号の１つである１、／Ｉ□から波長変動制御用干渉計１
０の参照面１０′と被検面１０″との固定された間隔ｄ
から、現在出射されているレーザ光の波長変動を算出す
ると共に規格化信号Ｉｅ／Ｌ、Ｉ＋／Ｌから変位検出及
び方向判別を行う信号演算回路１８ｂを備えている。

２０は上記演算処理手段１８で算出される規格化信号１
ｈ／Ｉ−から求められる半導体レーザ１の波長変動分に
基づき、半導体レーザ１への注入電流を制御することに
より、レーザ光の波長を安定させるための注入電流制御
回路である。

２１は上記演算処理手段１８で算出される、被検面１３
″の変位量及びその方向を表示するための表示器である
。

次に、本発明の上記構成に基づく作用を説明する。

半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、レンズ８で
平行光とされ、第１のハーフミラ−９により一部は９０
°屈折され波長変動制御用干渉手段１０に導かれる。参
照面１０′と被検面１０″で反射される光束り、とり、
は各々光検出素子の素子１６ａ、１６ｂで受光され、そ
の検出信号は信号処理回路１８ａで処理され光強度信号
１１゜■、が得られる。ここで、光強度信号１１は光束
Ｌ１は何の干渉も受けないから、現在光源から出射され
ている光の強度そのものである。第１のハーフミラ−９
を通過した光は、第２のハーフミラ−１２を通過し変位
検出用干渉手段１３に導かれる。参照面１３′と被検面
１３″で反射されて第２のハーフミラ−１２により９０
’ｆｆ折され同一径路を進み、波面合成される光束Ｌｃ
、Ｌａは各々光検出素子の素子１６ｃ、１６ｄで受光さ
れ、その検出信号は信号処理回路１８ａで処理され、光
強度信号■。、Ｉａが得られる。光束Ｌｃ、Ｌａは上記
のように９０’の位相差を有するから、光強度信号■。

とＩ、は９０°の位相差を有する。このようにして得ら
れた上記４つの光強度信号１．乃至Ｉ、から信号演算回
路１８ｂで規格化された信号Ｉｂ／　Ｔ、、ＩＣ／　Ｉ
、、Ｉａ／　Ｔ、の算出及び該規格化信号に基づき現在
半導体レーザ１が出射しているレーザ光の波長の変動分
算出、被検面１３″の変位ΔＸ及び変位方向の判別がな
され、変位△Ｘ及び変位方向は表示器２１で表示される
。

本発明では、従来例の光学式変位計に対して波長変動制
御用干渉手段１０を設け、半導体レーザ１の波長変動を
直接モニタし、該直接モニタした波長変動分に応じて半
導体レーザ１への注入電流を制御することにより、出射
されるレーザ光の波長を一定とするのである。

半導体レーザ１から出射されるレーザ光の波長が一定で
あれば、規格化された信号１ｂ／１．は一定となる。ま
た、温度−その他の要因によりレーザ光の波長が変化す
ると、規格化された信号Ｉ。

／　１．も変化する。そこで、規格化された信号Ｔ。

／１．が一定となるように半導体レーザ１への注入電流
を、注入電流制御手段２０により制御してやれば、レー
ザ光の波長は安定することになる。

ここで、波長安定化の精度を上げるためには、間隔ｄを
ｄの変化によるＩｂ／Ｉ−の傾きが最大となる位置に設
定する出よい。つまり第２図に示すように、傾きが最小
となる点Ｍと傾きが最大となる点Ｎとを比較すると、同
じ波長変動＠Ｉｌに対してＩｂ／１．の変化がＮ点で大
きい。故にＮ点において波長変動に対する感度が高く、
この点を選べばよい。

本発明において、光強度信号Ｉｂを■１で規格化するの
は、半導体レーザ１の注入電流を変化さセると、レーザ
より出射される光強度信号■、が変化する。従って、光
強度信号１ｂの成分である光強度信号１．が変化するこ
とにより、光強度信号Ｉｈも変動することになり、光強
度信号１ｈだけでは波長変動にのみ係わる影響を取り出
せないからである。

同様にして変位検出用干渉手段１３からの光強度信号■
。、Ｉｄ４：）１．で規格化し、規格化信号ＩＣ／Ｍ、
及びＩｄ／１．を用いて変位算出及び変位方向の判別を
演算処理手段１８で行う。当該変位方向の判別及び変位
方向の判別は従来例と同様であるので、説明を省略する
。

一方、温度検出素子２．演算回路３ａ、駆動回路３ｂ及
びペルチェ素子４の構成１作用は従来例と同様であり説
明を省略する。これらで構成される温度制御手段により
半導体レーザ１のパッケージ温度の温度制御を行う。

本実施例は上記のように構成して、測長の基準となるレ
ーザ光の波長安定化のために、一方で温度制御手段によ
り、半導体レーザ１のパッケージの温度を一定とする大
まかな”制御を行い、他方で波長変動制御用干渉手段１
０により現在光源より出射されているレーザ光の波長の
変動分を直接モニタして、現実に出射されている光の強
度信号に基づく規格化された即ち変動に対する補正が盛
り込まれた信号を用い、注入電流制御手段２０により半
導体レーザ１の波長を一定とする“細かな”制御を行う
ようにしたから、温度及び温度以外の波長変動要因を全
て含んだ状態での制御が可能となる。従って波長の安定
性をより向上させることができる。

なお、本発明では可干渉性を有する光源として、半導体
レーザ以外の各種レーザ光源を採用することも可能であ
る。また、上記実施例で用いた光学系は基本的な構成で
あって、更にその他の光学系を追加、交換することも可
能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光源から出射される光の波長変動を現
実に出射されている光から直接取得し、現実に出射され
ている光から得られた光強度信号に基づく規格化信号に
より光源の波長の制御を行うから、波長変動要因を全て
含んだ状態での制御が可能となり、波長の安定性をより
一層向上させることができる。また温度制御に加え、上
記波長変動要因をも考慮された規格化信号による注入電
流制御もなされるから、制御のタイムラグを減らす事が
できる。従って、変位測定時の測定精度アップを図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図は本発明の波長変動制御用干渉手段の感度を説明
する図、 第３図は被検面を変位させたときの光検出器の出力信号
を示す図、 第４図は被検面を変位させたときの光検出器の位相差が
与えられた２つの出力信号を示す図、第５図は半導体レ
ーザの温度−発振波長特性の一例を示す図、 第６図は従来の光学式変位計の構成図である。 ■・・・半導体レーザ、 １０・・・波長変動制御用干渉手段、 １３・・・変位検出用干渉手段、 １８・・・演算処理手段、 ２０・・・注入電流制御手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可干渉性及び単一波長を有する光源と、 該光源の波長変動を直接測定するための波長変動制御用
   干渉手段と、 該波長変動制御用干渉手段と、参照面と被検面からの反
   射干渉光を得るための変位検出用干渉手段とから、光強
   度信号を検出し、該検出した光強度信号の規格化及び該
   光強度信号に基づき上記被検面の変位を算出する演算処
   理手段と、 該演算処理手段で規格化された光強度信号に基づき、上
   記光源への注入電流を制御する注入電流制御手段とを備
   えて、 上記光源より出射される光の波長変動制御を行うことを
   特徴とする光学式変位計。