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JP4501000B2 - Laser interference displacement measuring method and laser interference displacement measuring apparatus - Google Patents

Laser interference displacement measuring method and laser interference displacement measuring apparatus Download PDF

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JP4501000B2 JP2004290013A JP2004290013A JP4501000B2 JP 4501000 B2 JP4501000 B2 JP 4501000B2 JP 2004290013 A JP2004290013 A JP 2004290013A JP 2004290013 A JP2004290013 A JP 2004290013A JP 4501000 B2 JP4501000 B2 JP 4501000B2
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修己 佐々木
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Description

本発明は、例えば精密加工機や精密測定器において、工作物,切削器具,測定対象物などの変位位置を精密に設定するのに用いられるレーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置に関する。   The present invention relates to a laser interference displacement measuring method and a laser interference displacement measuring apparatus used to precisely set a displacement position of a workpiece, a cutting tool, a measurement object, etc., for example, in a precision processing machine or a precision measuring instrument.

一般に、この種の干渉計は、光源からの光を分割させて被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、被対象物表面からの物体光と参照面からの参照光を合成して干渉させる干渉光学系と、この干渉光学系の検出面で得られる干渉光を電気信号に変換する光電変換手段とを備え、2つの光波の位相差または光路長の差を光の強度に変換することで、光の波長を単位とした超精密測定を実現している。特に、被対象物に対しては非接触での測定が可能になることから、精密加工機や精密測定器などを扱う加工現場では、有効な測定手段として利用されている。   In general, this type of interferometer divides the light from the light source and reflects it to the surface of the object and the reference surface respectively, and then combines the object light from the surface of the object and the reference light from the reference surface. Interference optical system for causing interference and a photoelectric conversion means for converting the interference light obtained on the detection surface of the interference optical system into an electric signal, and converting the phase difference or optical path length difference between the two light waves into light intensity As a result, ultra-precise measurement in units of light wavelength has been realized. In particular, since non-contact measurement can be performed on an object, it is used as an effective measurement means in a processing site where a precision processing machine or a precision measuring instrument is used.

こうした干渉計による変位測定装置として、例えば特許文献1には、単一波長を有する光源として半導体レーザを用いた干渉光学系を用意し、被対象物の表面がλ/2(λは半導体レーザの発振波長)だけ変位する毎に、光電変換手段で得られる干渉信号の強弱が1周期変化するのを利用して、被対象物の変位を微細に測定するものが開示されている。
特開平4−169817号公報
As such a displacement measuring device using an interferometer, for example, in Patent Document 1, an interference optical system using a semiconductor laser as a light source having a single wavelength is prepared, and the surface of an object is λ / 2 (λ is a semiconductor laser). There is disclosed a technique for minutely measuring the displacement of an object by utilizing the fact that the intensity of an interference signal obtained by a photoelectric conversion means changes by one period each time it is displaced by (oscillation wavelength).
JP-A-4-169817

上述の変位測定装置では、特許文献1のように干渉光学系において単一の波長だけを用いるよりも、レーザ光の波長を連続的に変化させ、被対象物の変位を干渉光による位相のずれとして捕えた方が、より正確な変位の測定を行なうことが可能である。そこで従来は、半導体レーザの注入電流i(t)として図7に示すような鋸波状の変調電流を入力し、当該半導体レーザの発振周波数を変調して干渉信号を得るものが知られていた。   In the above-described displacement measuring apparatus, rather than using only a single wavelength in the interference optical system as in Patent Document 1, the wavelength of the laser light is continuously changed, and the displacement of the object is shifted by the phase due to the interference light. It is possible to measure the displacement more accurately when captured as. Therefore, conventionally, a sawtooth modulation current as shown in FIG. 7 is inputted as the injection current i (t) of the semiconductor laser, and an interference signal is obtained by modulating the oscillation frequency of the semiconductor laser.

ところが、半導体レーザに入力する変調電流の周波数fcが高くなり、図7に示す注入電流i(t)の周期Tcが4μSec(fc=250kHz)程度になると、鋸波の急激な立下りの部分において、変調に対応した干渉信号が得られなくなり、より高速な変位の測定ができないという問題を有していた。   However, when the frequency fc of the modulation current input to the semiconductor laser is increased and the cycle Tc of the injection current i (t) shown in FIG. 7 is about 4 μSec (fc = 250 kHz), at the portion where the sawtooth wave suddenly falls. The interference signal corresponding to the modulation cannot be obtained, and there is a problem that the displacement cannot be measured at a higher speed.

そこで本発明は上記問題点に鑑み、従来よりも高速に、被対象物の変位を正確に測定することができるレーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置を提供することをその目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a laser interference displacement measuring method and a laser interference displacement measuring apparatus capable of accurately measuring the displacement of an object at a higher speed than before.

請求項1におけるレーザ干渉変位測定方法は、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力し、波長を時間的に変化させながら当該レーザ光源から光を発生させる第1の工程と、前記光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る第2の工程と、前記干渉光を電気的な干渉信号に変換する第3の工程と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の1周期に対し一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する第4の工程と、を含むことを特徴としている。 The laser interference displacement measuring method according to claim 1 includes a first step of inputting an injection current modulated in a sine wave form into a laser light source, and generating light from the laser light source while changing the wavelength with time, and A second step of obtaining interference light by combining the object light from the surface of the object and the reference light from the reference surface after being divided and reflected on the surface and the reference surface of the object; and Based on the third step of converting the interference light into an electrical interference signal, and the sinusoidal modulation frequency as a reference , the interference signal is sampled and acquired at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency . And a fourth step of measuring the displacement of the object by processing each signal.

この場合、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力することで、レーザ光源から発生する光の波長も正弦波状に変化する。当該レーザ光源からの光は、被対象物の表面と参照面に各々反射して干渉し、この干渉光が電気的な干渉信号に変換されるが、レーザ光源に入力する注入電流は、急激な立上がりや立下りのない正弦波状の変化を繰り返すため、注入電流の変調周波数が例えば1.5MHz程度にまで高くなっても、干渉信号を正しくサンプリング取得することができる。そのため、正弦波状の変調周波数を基準として、被対象物の変位する時間よりも短く、変調周波数の1周期に対し一定の間隔で干渉信号をサンプリング取得すれば、当該サンプリング取得した複数の干渉信号の演算処理により、被対象物の変位を正しく測定することができる。 In this case, the wavelength of light generated from the laser light source also changes to a sine wave by inputting an injection current modulated in a sine wave form into the laser light source. Light from the laser light source reflects and interferes with the surface of the object and the reference surface, respectively, and this interference light is converted into an electrical interference signal, but the injection current input to the laser light source is abrupt. Since the sinusoidal change without rising or falling is repeated, the interference signal can be correctly sampled and acquired even when the modulation frequency of the injected current is increased to, for example, about 1.5 MHz. Therefore, based on the sinusoidal modulation frequency, rather shorter than the time for displacement of the object, if the sampling get an interference signal at regular intervals to one period of the modulation frequency, the sampling obtained plurality of interference signals With this calculation process, the displacement of the object can be measured correctly.

そして、このような作用効果は、レーザ光源からの光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る干渉光学系と、前記干渉光学系により得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する第1の光電変換手段と、前記レーザ光源に正弦波状に変調した注入電流を与え、波長が時間的に変化する光を前記レーザ光源から発生させる変調電流生成手段と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の一周期に対し一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する信号処理手段と、を備えた請求項5のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。 Such an effect is obtained by dividing the light from the laser light source and reflecting the light on the surface of the object and the reference surface, respectively, and then the object light from the surface of the object and the reference light from the reference surface. An interference optical system that obtains interference light by combining the above, first photoelectric conversion means for converting the interference light obtained by the interference optical system into an electrical interference signal, and an injection current that is modulated into a sinusoidal shape in the laser light source And a modulation current generating means for generating a light whose wavelength changes with time from the laser light source, and sampling the interference signal at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency with the sine wave modulation frequency as a reference The laser interference displacement measuring apparatus according to claim 5, further comprising: a signal processing unit that acquires and samples and acquires each sampled and acquired signal to measure the displacement of the object.

請求項2におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第5の工程と、前記第3の工程における干渉信号を前記検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る第6の工程と、をさらに含み、前記第4の工程は、前記第6の工程で得た時間的な光強度変化を除去した干渉信号をサンプリング取得することを特徴としている。   The laser interference displacement measuring method according to claim 2, wherein the fifth step of converting the light intensity change of the laser light source into an electrical detection signal, and the interference signal in the third step are divided by the detection signal, And a sixth step of obtaining an interference signal from which a change in optical light intensity is removed, wherein the fourth step samples the interference signal from which the temporal change in light intensity obtained in the sixth step is removed. It is characterized by acquisition.

正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力すると、レーザ光源からの光の波長だけでなく強度も時間と共に変化する。そこで、このレーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換し、別の干渉光から得られた干渉信号を当該検出信号で除算して、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得るようにすれば、被対象物の変位測定にとって不必要なレーザ光源の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。   When an injection current modulated into a sine wave is input to the laser light source, not only the wavelength of light from the laser light source but also the intensity changes with time. Therefore, the change in the light intensity of this laser light source is converted into an electrical detection signal, the interference signal obtained from another interference light is divided by the detection signal, and the interference signal from which the temporal light intensity change has been removed is obtained. If it obtains, the influence of the light intensity change of the laser light source unnecessary for the displacement measurement of the object can be effectively eliminated.

そして、このような作用効果は、前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第2の光電変換手段と、前記第1の光電変換手段で得た干渉信号を前記第2の光電変換手段で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る割算器と、をさらに備えた請求項6のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。   Such an effect is achieved by the second photoelectric conversion means for converting the light intensity change of the laser light source into an electrical detection signal, and the interference signal obtained by the first photoelectric conversion means as the second photoelectric conversion means. The laser interference displacement measuring apparatus according to claim 6, further comprising a divider that divides the detection signal obtained by the photoelectric conversion means and obtains an interference signal from which temporal light intensity change is removed.

請求項3におけるレーザ干渉変位測定方法は、記第4の工程で、前記干渉信号に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、当該干渉信号の値をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値から、前記干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、前記注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成すると共に、前記サンプリング取得した各信号から前記干渉信号の相を求め、前記被対象物の変位を測定することを特徴としている。 The laser interferometric displacement measuring method in claim 3, before Symbol fourth step, the one of intervals of 8 minutes to 1 cycle of the modulation frequency contained in the interference signal, the value of the interference signal respectively sampled acquisition From these values, a feedback signal for variably controlling the amplitude of the injection current is generated so that the modulation amplitude included in the interference signal is constant, and the level of the interference signal is calculated from each sampled and acquired signal. seeking phase, it is characterized by measuring the displacement of the subject matter.

この場合、注入電流は電流基準値を中心として正弦波状に変調され、レーザ光源の波長も、時間と共に正弦波状に変化する。ここで時間的な光強度変化を除去した干渉信号の値を、当該干渉信号に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、具体的には正弦波状変調の角周波数と時間が、それぞれω とtであるときに、cosωtの値が0,1/2,1,−1/2の時点でそれぞれS,S,S,Sとして取得すれば、簡単な演算処理によって、参照面から被対象物の表面までの離に関連した位相を求め、被対象物の変位を測定することが可能になる。また、サンプリングされた干渉信号の各値から、干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成することもできる。 In this case, the injection current is modulated sinusoidally around the current reference value, the wave length of the laser light sources, varies sinusoidally with time. Here the value of the temporal change in light intensity interference signal removal of the, at one interval of 8 minutes to 1 cycle of the modulation frequency contained in the interference signal, and the angular frequency of the specific A sinusoidal modulation time, when it is omega C and t, respectively, cos .omega C value of t is 0, 1 / 2,1, if acquired as S 0, S 1, S 2 , S 3 respectively at the time of -1 / 2 , by a simple operation processing, obtains the position phase related to distance to the surface of the object from the reference plane, it is possible to measure the displacement of the object. Further, a feedback signal for variably controlling the amplitude of the injected current can be generated from each value of the sampled interference signal so that the modulation amplitude included in the interference signal is constant.

そして、このような作用効果は、前記干渉信号に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、当該干渉信号の値をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値から、前記干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、前記注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成すると共に、前記サンプリング取得した各信号から前記干渉信号の相を求め、前記被対象物の変位を測定する信号処理手段を備えた請求項7のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。 Then, such an effect is obtained by sampling and acquiring the value of the interference signal at an interval of 1/8 with respect to one period of the modulation frequency included in the interference signal. as modulation amplitude contained is constant, and generates a feedback signal for variably controlling the amplitude of the injection current, obtains the position phase of the interference signal from the signal the sampling acquisition, displacement of the subject matter It can also be realized by the laser interference displacement measuring apparatus according to claim 7 provided with a signal processing means for measuring.

請求項4におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記第4の工程で、前記変調振幅の値がπとなるようにフィードバック制御を行なう第7の工程をさらに含んだことを特徴としている。 A laser interference displacement measuring method according to a fourth aspect of the invention is characterized in that the fourth step further includes a seventh step of performing feedback control so that the value of the modulation amplitude becomes π .

この場合、前記干渉信号の値S,S,S,Sに加えて、cosωtが−1のときの干渉信号の値Sを取得し、(S−S)/(S−S)の値が0になるように正弦波状変調の振幅の量をフィードバック制御すれば、変調振幅は相を求めるのに必要な条件である一定値(=π)となって、正確に被対象物の変位を測定することが可能になる。 In this case, in addition to the interference signal values S 0 , S 1 , S 2 , S 3 , the interference signal value S 4 when cosω C t is −1 is acquired, and (S 4 −S 2 ) / if the feedback control of the amount of the amplitude of the sinusoidal modulation so that the value of (S 3 -S 1) is 0, the modulation amplitude is a constant value is a necessary condition for obtaining the position phase and (= [pi) Thus, it becomes possible to accurately measure the displacement of the object.

そして、このような作用効果は、前記変調振幅の値がπとなるようにフィードバック制御を行なう信号処理手段を備えた請求項8のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。 Such an effect can also be realized by the laser interference displacement measuring apparatus according to claim 8 provided with signal processing means for performing feedback control so that the value of the modulation amplitude becomes π .

請求項1のレーザ干渉変位測定方法及び請求項5のレーザ干渉変位測定装置によれば、注入電流の変調周波数が高くなっても、干渉信号を正しくサンプリング取得することが可能になり、従来よりも高速に被対象物の変位を正確に測定することができる。   According to the laser interference displacement measuring method of claim 1 and the laser interference displacement measuring apparatus of claim 5, it is possible to correctly sample and acquire the interference signal even when the modulation frequency of the injection current is high, which is higher than in the prior art. The displacement of the object can be accurately measured at high speed.

請求項2のレーザ干渉変位測定方法及び請求項6のレーザ干渉変位測定装置によれば、被対象物の変位測定にとって不必要なレーザ光源の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。   According to the laser interference displacement measuring method of claim 2 and the laser interference displacement measuring apparatus of claim 6, it is possible to effectively eliminate the influence of the light intensity change of the laser light source that is unnecessary for the displacement measurement of the object. it can.

請求項3のレーザ干渉変位測定方法及び請求項7のレーザ干渉変位測定装置によれば、簡単な演算処理によって定数A,Bを消去して、距離Pに関連した位相αを求め、被対象物の変位を測定することが可能になる。さらに、サンプリングされた干渉信号の各値から、干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成することができる。 According to the laser interference displacement measuring method of claim 3 and the laser interference displacement measuring apparatus of claim 7, the constants A and B are eliminated by a simple arithmetic processing to obtain the phase α related to the distance P, and the object It becomes possible to measure the displacement. Furthermore, a feedback signal that variably controls the amplitude of the injected current can be generated from each value of the sampled interference signal so that the modulation amplitude included in the interference signal is constant.

請求項4のレーザ干渉変位測定方法及び請求項8のレーザ干渉変位測定装置によれば、変調振幅Zが位相αを求めるのに必要な条件であるZ=πの一定値となるため、正確に被対象物の変位を測定することが可能になる。   According to the laser interference displacement measuring method of claim 4 and the laser interference displacement measuring apparatus of claim 8, since the modulation amplitude Z becomes a constant value of Z = π which is a condition necessary for obtaining the phase α, It becomes possible to measure the displacement of the object.

以下、本発明に係るレーザ干渉計を利用した変位測定方法および変位測定装置の好ましい実施例について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。装置の全体構成を示す図1において、1はフィゾー型の干渉光学系を構成するレーザ干渉計であり、このレーザ干渉計1は、レーザ光源である半導体レーザ10と、半導体レーザ10からの出射光を集光するレンズ21と、光路を形成するファイバ31〜34およびファイバカプラ35と、ファイバ32の先端に連結され、被対象物Oの表面に対向して配置されるセルフォックレンズ22と、をそれぞれ備えている。前記ファイバ31〜34は、いずれもその基端が光の分離・結合機能を有するファイバカプラ35に連結され、ファイバ31の先端が前記レンズ21に対向配置される一方で、ファイバ33,34の先端には光電変換手段であるフォトダイオード41,42がそれぞれ連結される。なお、この実施例では光路中に光ファイバ31〜34を配設することにより、セルフォックレンズ22やフォトダイオード41,42などを自由な位置に配置できる柔軟な干渉光学系を構成しているが、ファイバ31〜34を用いない干渉光学系であってもよい。   Hereinafter, preferred embodiments of a displacement measuring method and a displacement measuring apparatus using a laser interferometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1 showing the overall configuration of the apparatus, reference numeral 1 denotes a laser interferometer that constitutes a Fizeau interference optical system. The laser interferometer 1 includes a semiconductor laser 10 that is a laser light source, and light emitted from the semiconductor laser 10. A lens 21 that collects light, a fiber 31 to 34 and a fiber coupler 35 that form an optical path, and a SELFOC lens 22 that is connected to the tip of the fiber 32 and is disposed to face the surface of the object O. Each has. Each of the fibers 31 to 34 has a base end connected to a fiber coupler 35 having a function of separating and coupling light, and the tip of the fiber 31 is disposed opposite to the lens 21, while the tips of the fibers 33 and 34 Are connected to photodiodes 41 and 42 which are photoelectric conversion means. In this embodiment, the optical fibers 31 to 34 are arranged in the optical path to constitute a flexible interference optical system in which the SELFOC lens 22 and the photodiodes 41 and 42 can be arranged at arbitrary positions. Alternatively, an interference optical system that does not use the fibers 31 to 34 may be used.

本実施例におけるレーザ干渉計1は、半導体レーザ10からの出射光がレンズ21によりファイバ31の端面に集光され、当該ファイバ31を通してファイバカプラ35によりファイバ32,33へとそれぞれ分配される。ここで、ファイバ32を伝わるは参照面となるファイバ32の出射端面で一部が反射し、参照光となる。また、ファイバ32およびセルフォックレンズ22を通過した光は平行光となって被対象物Oの表面を照射し、この被対象物Oの表面からの反射光が物体光としてセルフォックレンズ22に戻る。ファイバ32,ファイバカプラ35およびファイバ34は、前記物体光と参照光との共通する伝送路となり、ファイバ34の端面に配置されたフォトダイオード41の検出面上に、これらの物体光および参照光が干渉するようになっている。一方、前記ファイバカプラ35による分配されたファイバ33の通過光は、別なフォトダイオード42の検出面上に達するようになっている。 In the laser interferometer 1 in this embodiment, the light emitted from the semiconductor laser 10 is condensed on the end face of the fiber 31 by the lens 21 and distributed to the fibers 32 and 33 by the fiber coupler 35 through the fiber 31. Here, the light traveling through the fiber 32 is reflected part by the outgoing end face of the fiber 32 as the ginseng Thermen, the reference light. The light that has passed through the fiber 32 and the Selfoc lens 22 becomes parallel light and irradiates the surface of the object O, and the reflected light from the surface of the object O returns to the Selfoc lens 22 as object light. . The fiber 32, the fiber coupler 35, and the fiber 34 serve as a common transmission path for the object light and the reference light. On the detection surface of the photodiode 41 arranged on the end face of the fiber 34, the object light and the reference light are transmitted. It is supposed to interfere. On the other hand, the light passing through the fiber 33 distributed by the fiber coupler 35 reaches the detection surface of another photodiode 42 .

前記フォトダイオード41は、前記物体光と参照光との干渉光を検出面に取り込み、干渉信号S(t)を得る第1の光電変換手段に相当する。また別のフォトダイオード42は、ファイバカプラ35により分配された半導体レーザ10からの出射光の一部を検出面に取り込み、半導体レーザ10の時間的な光強度変化I(t)を表す検出信号を得る第2の光電変換手段に相当する。これらのフォトダイオード41,42で検出された各電気信号は、何れも後述する割算器43にそれぞれ入力される。   The photodiode 41 corresponds to first photoelectric conversion means that captures interference light between the object light and reference light on a detection surface and obtains an interference signal S (t). Further, another photodiode 42 captures a part of the light emitted from the semiconductor laser 10 distributed by the fiber coupler 35 into the detection surface, and generates a detection signal indicating a temporal light intensity change I (t) of the semiconductor laser 10. This corresponds to the obtained second photoelectric conversion means. Each electric signal detected by the photodiodes 41 and 42 is input to a divider 43 described later.

51は、フォトダイオード41,42からの各検出結果に基づいて、半導体レーザ10の注入電流i(t)を制御するフィードバック制御装置である。このフィードバック制御装置51は、前記フォトダイオード41により検出される干渉信号S(t)を、時間的な光強度変化I(t)を表す検出信号で除算することにより、時間的な光強度変化I(t)の影響を除去した干渉信号SD(t)を出力する割算器43と、割算器43から出力される干渉信号SD(t)の位相αを求め、ファイバ32の出射端面と被対象物Oの表面との間の距離Pの変化、すなわち被対象物Oの変位量を算出すると共に、前記干渉信号SD(t)に含まれる変調振幅Zの変化を検出し、その変化に応じたフィードバック信号SFを生成する信号処理器44と、半導体レーザ10の発振波長が正弦波状に変化するような注入電流i(t)を生成し、かつ前記フィードバック信号SFにより、距離Pの変化に対して干渉信号SD(t)の変調振幅Zが一定に保たれるように、半導体レーザ10の注入電流i(t)の振幅aをフィードバック制御するフィードバック制御器45と、により構成される。 Reference numeral 51 denotes a feedback control device that controls the injection current i (t) of the semiconductor laser 10 based on the detection results from the photodiodes 41 and 42. This feedback control device 51 divides the interference signal S (t) detected by the photodiode 41 by a detection signal representing the temporal light intensity change I (t), thereby obtaining a temporal light intensity change I. The divider 43 that outputs the interference signal S D (t) from which the influence of (t) has been removed, and the phase α of the interference signal S D (t) output from the divider 43 are obtained, and the output end face of the fiber 32 A change in the distance P between the object and the surface of the object O, that is, a displacement amount of the object O, and a change in the modulation amplitude Z included in the interference signal S D (t) is detected. a signal processor 44 which generates a feedback signal SF in response to the change, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 generates the injection current i (t) that varies sinusoidally, and by the feedback signal S F, the distance P modulation amplitude Z of the interference signal S D (t) is kept constant with respect to changes As such, a feedback controller 45 for feedback control of the amplitude a of the injection current i of the semiconductor laser 10 (t), the constructed.

なお、上記構成の変位測定装置において、レーザ干渉計1は、半導体レーザ10からの出射光と、被対象物Oの表面からの反射光との干渉光をフォトダイオード41で検出する一方で、前記半導体レーザ10の光強度変化を別なフォトダイオード42で検出できるあらゆる干渉光学系に適用できる。また、ここでの光電変換素子は、時間変化する光強度を短時間で測定できればよいので、フォトダイオード41,42のような追従性のよい単独の光電変換素子を用いるのが好ましい。   In the displacement measuring apparatus configured as described above, the laser interferometer 1 detects the interference light between the light emitted from the semiconductor laser 10 and the reflected light from the surface of the object O by the photodiode 41, while The present invention can be applied to any interference optical system in which a change in light intensity of the semiconductor laser 10 can be detected by another photodiode 42. Further, the photoelectric conversion element here is preferably a single photoelectric conversion element having good follow-up properties such as the photodiodes 41 and 42, as long as the light intensity changing with time can be measured in a short time.

次に、上記構成についてその動作原理を説明する。先ず、半導体レーザ10の発振波長を角周波数ωで正弦波状に変調するために、フィードバック制御器45は半導体レーザ10に対し次の数のような注入電流i(t)を印加する。 Next, the operation principle of the above configuration will be described. First, in order to modulate the sinusoidal oscillation wavelength of the semiconductor laser 10 at the angular frequency omega c, feedback controller 45 applies an injection current i (t) as shown in the following Equation 1 to the semiconductor laser 10.

Figure 0004501000
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上式において、Iは電流基準値、aは振幅、tは時間であり、半導体レーザ10への注入電流i(t)は、時間tにより上限値I+aと下限値I−aの範囲で正弦波状に変化する。また、変調効率をβとすると、前記注入電流i(t)が与えられた半導体レーザ10の波長λ(t)は、次の数のように表され、これも時間tにより上限値λ+βaと下限値λ−βaの範囲で正弦波状に変化する。一例として、注入電流i(t)を80±1mA変化させた場合の、半導体レーザ10の波長λ(t)(ひいては位相)のシフト量は0.02nm程度である。 In the above equation, I 0 is the current reference value, a is the amplitude, and t is the time, and the injection current i (t) to the semiconductor laser 10 has an upper limit value I 0 + a and a lower limit value I 0 -a depending on the time t. Changes sinusoidally in the range. Further, when the modulation efficiency is β, the wavelength λ (t) of the semiconductor laser 10 to which the injection current i (t) is given is expressed as the following equation 2 , which is also the upper limit value λ 0 depending on the time t. It changes in a sine wave form within the range of + βa and the lower limit value λ 0 −βa. As an example, when the injection current i (t) is changed by 80 ± 1 mA, the shift amount of the wavelength λ (t) (and thus the phase) of the semiconductor laser 10 is about 0.02 nm.

Figure 0004501000
Figure 0004501000

上記数において、λは中心波長である。半導体レーザ10は上式のように、波長λ(t)すなわち発振周波数が時間的に変化するが、その光出力強度にも時間的変化が生じている。この時間的な光強度の変化は被対象物Oの変位測定にとって邪魔になるので、後段のフィードバック制御装置51に設けられた割算器43で除去する。 In Equation 2 , λ 0 is the center wavelength. In the semiconductor laser 10, the wavelength λ (t), that is, the oscillation frequency changes with time as in the above equation, but the optical output intensity also changes with time. Since this temporal change in light intensity is an obstacle to the displacement measurement of the object O, it is removed by the divider 43 provided in the feedback control device 51 in the subsequent stage.

前記レーザ干渉計1において、注入電流i(t)が与えられた半導体レーザ10からレーザ光が出射されると、この出射光がレンズ21によりファイバ31の端面に集光され、ファイバカプラ35の内部でファイバ32,33にそれぞれ分配される。ファイバ33を通過する光は、そのままフォトダイオード42の検出面に達し、半導体レーザ10の時間的な光強度変化I(t)を示す検出信号に変換される。一方、ファイバ32を伝わる光は、ファイバ32の出射端面で一部が反射して参照光となるが、残りの光はファイバ32およびセルフォックレンズ22を通過し、平行光となって被対象物Oの表面に到達する。この被対象物Oの表面で反射した光は、物体光として参照光と共にセルフォックレンズ22からファイバ32を逆戻りし、ファイバ34を通過してフォトダイオード41の検出面上で干渉する。フォトダイオード41は、この干渉光を干渉信号S(t)に変換して出力する。 In the laser interferometer 1, when laser light is emitted from the semiconductor laser 10 to which the injection current i (t) is given, the emitted light is condensed on the end face of the fiber 31 by the lens 21, and the inside of the fiber coupler 35. Is distributed to the fibers 32 and 33, respectively. The light passing through the fiber 33 reaches the detection surface of the photodiode 42 as it is, and is converted into a detection signal indicating a temporal light intensity change I (t) of the semiconductor laser 10. On the other hand, the light that Tsutawa Fiber 32, becomes a part of the reference reflected light at the exit end face of the fiber 32, the remaining light passes through fiber 32 and SELFOC lens 22, the target is parallel light It reaches the surface of the object O. The light reflected from the surface of the object O returns to the fiber 32 from the Selfoc lens 22 together with the reference light as object light, passes through the fiber 34, and interferes on the detection surface of the photodiode 41. The photodiode 41 converts this interference light into an interference signal S (t) and outputs it.

フィードバック制御装置51を構成する信号処理器44は、セルフォックレンズ22から被対象物Oの表面に至る距離Pの変化を、フォトダイオード41で検出した干渉信号S(t)から測定する。但し、干渉信号S(t)の振幅には半導体レーザ10の時間的な光強度変化I(t)の影響を受けているため、信号処理器44における測定の前段階として、割算器43により干渉信号S(t)を時間的な光強度変化I(t)で除算し、時間的な光強度変化I(t)の影響を除去した干渉信号SD(t)を得る。この干渉信号SD(t)は、次の数で表わせる。 The signal processor 44 constituting the feedback control device 51 measures a change in the distance P from the selfoc lens 22 to the surface of the object O from the interference signal S (t) detected by the photodiode 41. However, since the amplitude of the interference signal S (t) is affected by the temporal light intensity change I (t) of the semiconductor laser 10, the divider 43 serves as a pre-measurement step in the signal processor 44. The interference signal S (t) is divided by the temporal light intensity change I (t) to obtain an interference signal S D (t) from which the influence of the temporal light intensity change I (t) is removed. This interference signal S D (t) can be expressed by the following equation ( 3 ).

Figure 0004501000
Figure 0004501000

なお、上式においてAおよびBは定数である。また、Zは変調振幅、αは従来の位相であり、それぞれ次の数のように表わせる。 In the above formula, A and B are constants. Z is a modulation amplitude, and α is a conventional phase, which can be expressed as the following equation ( 4 ).

Figure 0004501000
Figure 0004501000

図2は、前記数における変調周波数成分Zcosωtの信号をグラフで示したもので、当該Zcosωtの値はZ〜−Zの範囲を正弦波状に変化する。ここでのフィードバック制御装置51は、変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔(ωt=π/4毎)で、干渉信号SD(t)をサンプリング取得するのが好ましい。具体的には、図2に示すように、cosωt=0における干渉信号の値Sと、cosωt=1/2における干渉信号の値Sと、cosωt=1における干渉信号の値Sと、cosωt=−1/2における干渉信号の値Sと、cosωt=−1における干渉信号の値Sを各々検出する。このとき、干渉信号S〜Sの値は、次のようになる。 FIG. 2 is a graph showing the signal of the modulation frequency component Zcosω C t in Equation 3 , and the value of Zcosω C t changes in the range of Z to −Z in a sine wave shape. The feedback control device 51 here preferably samples and acquires the interference signal S D (t) at an interval of 1/8 (for each ω C t = π / 4) with respect to one period of the modulation frequency. More specifically, as shown in FIG. 2, the value S 0 of the interference signal in cosω C t = 0, the value S 1 of the interference signal in cosω C t = 1/2, the interference signal at cosω C t = 1 Value S 2 , an interference signal value S 3 at cosω C t = −1 / 2, and an interference signal value S 4 at cosω C t = −1 are detected. At this time, the values of the interference signals S 0 to S 4 are as follows.

Figure 0004501000
Figure 0004501000

ここで、Z=πのときには、S=S−S=2Bcosαとなり、S=S−S=2Bsinαとなるので、SとSの各値から定数Bを消去して位相αを求め、上記数の位相αと距離Pの関係から、被対象物Oの変位を測定することができる。また、前記変調振幅Zは、数4に示すように距離Pによって変化するため、距離Pが変化しても変調振幅Zの値が一定となるように(好ましくはZ=πとなって、信号処理器44により位相αが正確に求められるように)、信号処理器44は前記サンプリングされた干渉信号SD(t)の各値から、半導体レーザ10に対する注入電流i(t)の振幅aを可変制御するフィードバック信号Sを生成する。 Here, when Z = [pi is, S C = S 0 -S 2 = 2Bcosα next, since the S S = S 3 -S 1 = 2Bsinα, to clear the constant B from each value of S C and S S The phase α is obtained, and the displacement of the object O can be measured from the relationship between the phase α and the distance P in Equation 4 above. Further, since the modulation amplitude Z changes with the distance P as shown in Equation 4, even if the distance P changes, the value of the modulation amplitude Z becomes constant (preferably Z = π, The signal processor 44 calculates the amplitude a of the injection current i (t) to the semiconductor laser 10 from each value of the sampled interference signal S D (t) so that the phase α is accurately obtained by the processor 44). generating a feedback signal S F to variably control.

このフィードバック信号Sの生成手順は次のようになる。まず、サンプリングで検出した干渉信号の値S〜Sを利用して、S=S−Sと、SSZ=S−Sの各値を算出する。SおよびSSZの各値は、上記数から次のように導き出せる。 Procedure for generating the feedback signal S F is as follows. First, each value of S Z = S 4 -S 2 and S SZ = S 3 -S 1 is calculated using interference signal values S 1 to S 4 detected by sampling. Each value of S Z and S SZ can be derived from Equation 5 as follows.

Figure 0004501000
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次に、SSZ≠0であれば、Sの値をSSZの値で除算したフィードバック信号Sを得る。すなわち、フィードバック信号Sは次の数式のようになる。 Then, if S SZ ≠ 0, to obtain a feedback signal S F which is obtained by dividing the value of S Z by the value of S SZ. That is, the feedback signal SF is represented by the following formula.

Figure 0004501000
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したがって、フィードバック信号S=0となるように、半導体レーザ10の注入電流i(t)をフィードバック制御すれば、距離Pの変化に拘らずZ=πの関係が保たれて、前記SとSの各値から位相αを正しく算出することが可能になる。 Therefore, if feedback control is performed on the injection current i (t) of the semiconductor laser 10 so that the feedback signal S F = 0, the relationship of Z = π is maintained regardless of the change in the distance P, and the above S C and It becomes possible to correctly calculate the phase α from each value of S S.

上記位相αの算出を可能にするフィードバック制御装置51の一例を、図3に示す。同図において、好ましい構成の信号処理器44は、変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で干渉信号SD(t)をサンプリング取得するサンプリング手段61と、このサンプリング手段61で取得した干渉信号の各値S〜Sから位相αを求め、被対象物Oの変位量を算出する変位量算出手段62と、距離Pが変化しても変調振幅Zの値が一定となるように、半導体レーザ10に対する注入電流i(t)の振幅aを調整する注入電流調整手段63と、を備えている。 An example of the feedback control device 51 that enables calculation of the phase α is shown in FIG. In the figure, a signal processor 44 having a preferable configuration is obtained by sampling means 61 for sampling and acquiring the interference signal S D (t) at an interval of 1/8 with respect to one period of the modulation frequency, and acquired by this sampling means 61. The amount α of the interference signal is obtained from the values S 0 to S 3 of the interference signal, the displacement amount calculating means 62 for calculating the displacement amount of the object O, and the value of the modulation amplitude Z become constant even if the distance P changes. Furthermore, an injection current adjusting means 63 for adjusting the amplitude a of the injection current i (t) for the semiconductor laser 10 is provided.

より具体的には、サンプリング手段61は、半導体レーザ10の波長λ(t)を正弦波状に変調させる際のcosωtの値が0,1/2,1,−1/2,−1の時点(例えば、変調周波数の位相が0,π/4,π/2,3π/4,πの時点)で、干渉信号SD(t)の値をそれぞれ、S,S,S,S,Sとしてサンプリング取得するものである。また、変位量算出手段62は、前記SおよびSの各値から、S(=S−S)の値を算出する第1の減算手段65と、SおよびSの各値から、S(=S−S)の値を算出する第2の減算手段66と、SとSの各値から定数Bを消去して位相αを求め、上記数4の位相αと距離Pの関係から、被対象物Oの変位を算出する変位量演算手段67とを備えている。さらに、注入電流調整手段63は、前記SおよびSの各値から、S(=S−S)の値を算出する第3の減算手段68と、SおよびSの各値から、SSZ(=S−S)の値を算出する第4の減算手段69と、SSZが0でない時に、フィードバック信号S(=S/SSZ)の値を算出する割算手段70と、この割算手段70で得たフィードバック信号Sの値が0になるように、最適な振幅aの値を算出する振幅量演算手段71とを備えている。なお、第2の減算手段66と第4の減算手段69は同じ値(S−S)を算出するものであるため、共通の減算手段で構成してもよい。また、変位量演算手段67で得た被対象物Oの変位量は、表示手段,印刷手段または報知手段などに任意の形態で出力される。 More specifically, the sampling means 61 has values of cosω C t of 0, 1/2, 1, −1/2, −1 when modulating the wavelength λ (t) of the semiconductor laser 10 into a sine wave. At the time (for example, when the phase of the modulation frequency is 0, π / 4, π / 2, 3π / 4, π), the value of the interference signal S D (t) is set to S 0 , S 1 , S 2 , Sampling is acquired as S 3 and S 4 . Further, the displacement amount calculating means 62 includes a first subtracting means 65 for calculating a value of S C (= S 0 −S 2 ) from each value of S 0 and S 2 , and each of S 1 and S 3 . from the value, and second subtraction means 66 for calculating a value of S S (= S 3 -S 1 ), obtains a phase α to clear the constant B from each value of S C and S S, in Formula 4 Displacement amount calculating means 67 for calculating the displacement of the object O from the relationship between the phase α and the distance P is provided. Further, the injection current adjusting means 63 includes a third subtracting means 68 for calculating the value of S Z (= S 4 −S 2 ) from each value of S 2 and S 4 , and each of S 1 and S 3 . The value of the feedback signal S F (= S Z / S SZ ) is calculated when the fourth subtraction means 69 for calculating the value of S SZ (= S 3 −S 1 ) from the value and S SZ is not 0. a division unit 70, so that the value of the feedback signal S F obtained in this division means 70 becomes zero, and a vibrating amount calculating means 71 for calculating an optimal value of the amplitude a. Since the second subtracting means 66 and the fourth subtracting means 69 calculate the same value (S 3 -S 1 ), they may be constituted by a common subtracting means. Further, the displacement amount of the object O obtained by the displacement amount calculation means 67 is output in an arbitrary form to a display means, a printing means, a notification means or the like.

次に、本実施例の変位測定装置を利用した実験結果の一例を提示する。なお、実験では被対象物Oを擬似的に変位させるために、PZTなどの圧電素子を被対象物Oに取り付けた。また、使用した半導体レーザ10の中心波長λは690nm,光出力は25mWであった。ファイバ32の出射端面と被対象物Oの表面との間の距離Pを25mmにまで近づけた場合に、Z=πの関係が保たれる正弦波位相変調の周波数が、f=ω/2πの上限値となる。現在の実験では、上限変調周波数f=1.5MHz程度である。位相αの値は、前記サンプリングした干渉信号の値S〜Sを利用して求められるので、測定時間は上限変調周波数fの3/8周期(0.25μSec)、すなわち周波数に換算すると、(8/3)×f=4MHzとなり、従来よりも遥かに短い時間で、被対象物Oの変位を正しく測定できることになる。 Next, an example of an experimental result using the displacement measuring apparatus of the present embodiment is presented. In the experiment, a piezoelectric element such as PZT was attached to the object O in order to displace the object O in a pseudo manner. The semiconductor laser 10 used had a center wavelength λ 0 of 690 nm and an optical output of 25 mW. When the distance P between the exit end face of the fiber 32 and the surface of the object O is reduced to 25 mm, the frequency of sinusoidal phase modulation that maintains the relationship of Z = π is f c = ω C / The upper limit is 2π. In the current experiment, the upper limit modulation frequency f c is about 1.5 MHz. The value of the phase α is so determined by using the values S 0 to S 3 of the sampled interfering signals, 3/8 period of the measurement time limit modulation frequency f c (0.25μSec), namely in terms of frequency, (8/3) × f c = 4 MHz, and the displacement of the object O can be measured correctly in a much shorter time than conventional.

前記距離Pが50mmのときに、Z=πとなる干渉信号SD(t)が得られるように、注入電流i(t)の振幅aを調整し、そのときフィードバック信号S=0になることを確認した。また、距離Pを40mm〜60mmの範囲で変化させたときに、フィードバック制御によりフィードバック信号S=0が保たれることも確認した。 When the distance P is 50 mm, the amplitude a of the injection current i (t) is adjusted so that an interference signal S D (t) where Z = π is obtained, and at that time, the feedback signal S F = 0. It was confirmed. It was also confirmed that the feedback signal S F = 0 was maintained by feedback control when the distance P was changed in the range of 40 mm to 60 mm.

実験では、被対象物Oに取り付けた圧電素子に対し、0〜VまでV/8ずつ段階的に電圧を加えてゆき、距離Pにλ/16毎の変化を与え、位相αを0〜2πの範囲で測定した。図4〜図6は、距離Pが40mm,50mm,60mmのときの位相αの測定結果をそれぞれ示している。図中、破線は理論値で、プロット付きの実線が実験値である。実験値と理論値との差異から測定精度を求めた結果、距離P=50mmの場合は±10nm,距離P=40mmの場合は±18nm,距離P=60mmの場合は±20nmであった。 In the experiment, to a piezoelectric element attached to the object O, Yuki added stepwise voltage by V M / 8 to 0 to V M, given a change in each lambda 0/16 at a distance P, and the phase α It measured in the range of 0-2π. 4 to 6 show measurement results of the phase α when the distance P is 40 mm, 50 mm, and 60 mm, respectively. In the figure, the broken line is the theoretical value, and the solid line with the plot is the experimental value. As a result of obtaining the measurement accuracy from the difference between the experimental value and the theoretical value, it was ± 10 nm when the distance P = 50 mm, ± 18 nm when the distance P = 40 mm, and ± 20 nm when the distance P = 60 mm.

実際は、1.5MHzの高い変調周波数と、変調振幅Zを一定とするフィードバック制御を行なうことにより、距離Pが20mm〜100mmの位置にある被対象物Oの変位を、0.25μSecの短い測定時間で、10nmの高い精度で測定することが可能になる。   Actually, by performing feedback control with a high modulation frequency of 1.5 MHz and a constant modulation amplitude Z, the displacement of the object O at a position where the distance P is 20 mm to 100 mm can be measured in a short measurement time of 0.25 μSec. It becomes possible to measure with high accuracy of 10 nm.

以上のように、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、正弦波状に変調した注入電流i(t)をレーザ光源10に入力し、波長λ(t)を時間的に変化させながら当該レーザ光源10から光(コヒーレンス光)を発生させる第1の工程と、前記光を分割して被対象物Oの表面と参照面であるファイバ32の出射端面に各々反射させた後、被対象物Oの表面からの物体光とファイバ32の出射端面からの参照光とを合成して、干渉光を得る第2の工程と、前記干渉光を電気的な干渉信号S(t)に変換する第3の工程と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の1周期に対し前記第3の工程で得た干渉信号S(t)を一定間隔でサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して被対象物Oの変位を測定する第4の工程と、を含んでいる。 As described above, in the laser interference displacement measuring method in this embodiment, the injection current i (t) modulated in a sine wave shape is input to the laser light source 10, and the laser light source is changed while the wavelength λ (t) is changed with time. A first step of generating light (coherence light) from 10, and the light is divided and reflected by the surface of the object O and the exit end face of the fiber 32, which is the reference surface, A second step of combining the object light from the surface and the reference light from the emission end face of the fiber 32 to obtain interference light, and a third step of converting the interference light into an electrical interference signal S (t) With reference to the step and the sinusoidal modulation frequency, the interference signal S (t) obtained in the third step is sampled and acquired at regular intervals for one period of the modulation frequency, and the sampled and acquired signal is calculated. A fourth step of processing and measuring the displacement of the object O; It contains.

またこの方法を実現するために、本実施例では、レーザ光源10からの光を分割して被対象物Oの表面とファイバ32の出射端面に各々反射させた後、被対象物Oの表面からの物体光とファイバ32の出射端面からの参照光とを合成して、干渉光を得る干渉光学系としてのレーザ干渉計1と、レーザ干渉計1により得られる干渉光を電気的な干渉信号S(t)に変換する第1の光電変換手段としてのフォトダイオード41と、レーザ光源10に正弦波状に変調した注入電流i(t)を与え、波長λ(t)が時間的に変化する光をレーザ光源10から発生させる変調電流生成手段としてのフィードバック制御器45と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の1周期に対し一定間隔で前記干渉信号S(t)をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して被対象物Oの変位を測定する信号処理手段としての信号処理器44と、を備えたレーザ干渉変位測定装置を提供している。 In order to realize this method, in the present embodiment, the light from the laser light source 10 is divided and reflected on the surface of the object O and the emission end face of the fiber 32, and then from the surface of the object O. The object light and the reference light from the output end face of the fiber 32 are combined to produce a laser interferometer 1 as an interference optical system for obtaining interference light, and the interference light obtained by the laser interferometer 1 is converted into an electrical interference signal S. A photodiode 41 as a first photoelectric conversion means for converting into (t) and an injection current i (t) modulated in a sine wave form are given to the laser light source 10 and light whose wavelength λ (t) varies with time is applied. The interference signal S (t) is sampled and acquired at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency with reference to the feedback controller 45 as a modulation current generating means generated from the laser light source 10 and the sine wave modulation frequency. Get this sampling, Signals and processing has provided a signal processor 44 as a signal processing means for measuring the displacement of the object O, and the laser interferometric displacement measuring device provided with a.

上記方法及び装置によれば、正弦波状に変調した注入電流i(t)をレーザ光源10に入力することで、レーザ光源10から発生する光の波長λ(t)も正弦波状に変化したものとなる。レーザ光源10からの光は、被対象物Oの表面とファイバ32の出射端面に各々反射して干渉し、この干渉光がフォトダイオード41によって電気的な干渉信号S(t)に変換されるが、レーザ光源10に入力する注入電流i(t)は、急激な立上がりや立下りのない正弦波状の変化を繰り返すため、注入電流i(t)の変調周波数が例えば1.5MHz程度にまで高くなっても、干渉信号S(t)を正しくサンプリング取得することができる。そのため、正弦波状の変調周波数を基準として、被対象物Oの変位する時間よりも短く、変調周波数の1周期に対し一定の間隔で干渉信号S(t)をサンプリング取得すれば、このサンプリング取得した複数の干渉信号S(t)の演算処理により、被対象物Oの変位を正しく測定できる。 According to the above method and apparatus, when the injection current i (t) modulated in a sine wave is input to the laser light source 10, the wavelength λ (t) of the light generated from the laser light source 10 is also changed to a sine wave. Become. The light from the laser light source 10 is reflected and interferes with the surface of the object O and the output end face of the fiber 32, and this interference light is converted into an electrical interference signal S (t) by the photodiode 41. Since the injection current i (t) input to the laser light source 10 repeats a sinusoidal change without a sudden rise or fall, the modulation frequency of the injection current i (t) increases to, for example, about 1.5 MHz. Also, the interference signal S (t) can be correctly sampled and acquired. Therefore, based on the sinusoidal modulation frequency, rather shorter than the time for displacement of the object O, if sampling obtain an interference signal S (t) at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency, the sampling acquisition The displacement of the object O can be correctly measured by the arithmetic processing of the plurality of interference signals S (t).

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、レーザ光源10の光強度変化I(t)を電気的な検出信号に変換する第5の工程と、前記第3の工程における干渉信号S(t)を第5の行程で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化I(t)を除去した干渉信号SD(t)を得る第6の工程と、をさらに含み、前記第4の工程は、第6の工程で得た時間的な光強度変化I(t)を除去した干渉信号SD(t)をサンプリング取得することを特徴としている。 Further, the laser interference displacement measuring method in the present embodiment includes the fifth step of converting the light intensity change I (t) of the laser light source 10 into an electrical detection signal and the interference signal S (t in the third step. ) By the detection signal obtained in the fifth step to obtain an interference signal S D (t) from which the temporal light intensity change I (t) has been removed, and the fourth step, This step is characterized in that the interference signal S D (t) obtained by removing the temporal light intensity change I (t) obtained in the sixth step is sampled and acquired.

同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、レーザ光源10の光強度変化I(t)を電気的な検出信号に変換する第2の光電変換手段としてのフォトダイオード42と、フォトダイオード41で得た干渉信号S(t)をフォトダイオード42で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化I(t)を除去した干渉信号SD(t)を得る割算手段としての割算器43と、をさらに備えている。 Similarly, the laser interference displacement measuring apparatus according to the present embodiment includes a photodiode 42 as a second photoelectric conversion unit that converts a light intensity change I (t) of the laser light source 10 into an electrical detection signal, and a photodiode 41. Dividing the interference signal S (t) obtained in step 2 by the detection signal obtained by the photodiode 42, the division as a dividing means for obtaining the interference signal S D (t) from which the temporal light intensity change I (t) has been removed. And an arithmetic unit 43.

この場合、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源10に入力すると、レーザ光源10からの光の波長λ(t)だけでなく強度も時間と共に変化する。そこで、このレーザ光源10の光強度変化I(t)をフォトダイオード42で電気的な検出信号に変換し、別のフォトダイオード41にて干渉光から得られた干渉信号を当該検出信号で除算して、時間的な光強度変化I(t)を除去した干渉信号SD(t)を得るようにすれば、被対象物Oの変位測定にとって不必要なレーザ光源10の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。 In this case, when an injection current modulated in a sine wave shape is input to the laser light source 10, not only the wavelength λ (t) of the light from the laser light source 10 but also the intensity changes with time. Therefore, the light intensity change I (t) of the laser light source 10 is converted into an electrical detection signal by the photodiode 42, and the interference signal obtained from the interference light by another photodiode 41 is divided by the detection signal. Thus, if the interference signal S D (t) from which the temporal light intensity change I (t) is removed is obtained, the influence of the light intensity change of the laser light source 10 which is unnecessary for the displacement measurement of the object O is eliminated. Can be effectively eliminated.

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、注入電流i(t)が前記数のように表され、レーザ光源10の波長λ(t)が前記数のように表され、時間的な光強度変化を除去した干渉信号SD(t)が数のように表されるときに、前記第4の工程で、前記cosωtが0,1/2,1,−1/2のときの干渉信号SD(t)の値S,S,S,Sをそれぞれサンプリング取得し、これらの各値S,S,S,Sから干渉信号S D (t)に含まれる変調振幅Zが一定となるように、前記注入電流i(t)の振幅aを可変制御するフィードバック信号S を生成すると共に、に含まれる定数A,Bを消去して、距離Pに関連した位相αを求め、被対象物Oの変位を測定することを特徴としている。 Further, in the laser interference displacement measuring method in the present embodiment, the injection current i (t) is expressed by the above equation 1 , the wavelength λ (t) of the laser light source 10 is expressed by the above equation 2 , and the time a when the interference signal light intensity change to remove S D where (t) is expressed as in equation 3, in the fourth step, the cos .omega C t is 0, 1 / 2,1, -1 / 2 the value S 0 of the interference signal S D (t) when the, S 1, S 2, S 3 were respectively sampled acquisition, each of these values S 0, S 1, S 2, interference from S 3 signal S D ( included as modulation amplitude Z is constant in t), the amplitude a of the injection current i (t) to generate a feedback signal S F to variably control, to erase the constants a, B contained in the equation (3) Thus, the phase α related to the distance P is obtained, and the displacement of the object O is measured.

同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、前記cosωtが0,1/2,1,−1/2のときの干渉信号SD(t)の値S,S,S,Sをそれぞれサンプリング取得し、これらの各値S,S,S,Sから干渉信号S D (t)に含まれる変調振幅Zが一定となるように、前記注入電流i(t)の振幅aを可変制御するフィードバック信号S を生成すると共に、前記定数A,Bを消去して前記位相αを求め、被対象物Oの変位を測定するような信号処理器44を備えている。 Similarly, in the laser interference displacement measuring apparatus in the present embodiment, the values S 0 , S 1 , S of the interference signal S D (t) when cosω C t is 0, 1/2, 1, −1/2. 2, S 3 were respectively sampled acquisition, as modulation amplitude Z is constant included from each of these values S 0, S 1, S 2, S 3 to the interference signal S D (t), the injection current i the amplitude a of the (t) to generate a feedback signal S F to variably control, the constant a, and erases the B seeking the phase alpha, a signal processor 44 so as to measure the displacement of the object O I have.

この場合、注入電流i(t)は電流基準値Iを中心として正弦波状に変調され、レーザ光源の波長λ(t)も、λを中心波長として時間と共に正弦波状に変化する。ここで時間的な光強度変化を除去した干渉信号SD(t)の値を、当該干渉信号SD(t)に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、具体的にはcosωtの値が0,1/2,1,−1/2の時点でそれぞれS,S,S,Sとして取得すれば、簡単な演算処理によって定数A,Bを消去して、参照面から被対象物Oの表面までの距離Pに関連した位相αを求め、被対象物Oの変位を測定することが可能になる。また、サンプリングされた干渉信号S D (t)の各値から、干渉信号S D (t)に含まれる変調振幅Zが一定となるように、注入電流i(t)の振幅aを可変制御するフィードバック信号S を生成することもできる。 In this case, the injection current i (t) is modulated in a sine wave shape with the current reference value I 0 as the center, and the wavelength λ (t) of the laser light source also changes in a sine wave shape with time with the λ 0 as the center wavelength. Here interference signal S D to remove the temporal light intensity changing the value of (t), in 1 interval of 8 minutes to 1 cycle of the modulation frequency contained in the interference signal S D (t), specifically Is obtained as S 0 , S 1 , S 2 , and S 3 when cosω C t is 0, 1/2, 1, and −1/2, respectively, and constants A and B can be obtained by simple arithmetic processing. The phase α related to the distance P from the reference surface to the surface of the object O is obtained, and the displacement of the object O can be measured. Further, the respective values of the sampled interference signal S D (t), as modulation amplitude Z contained in the interference signal S D (t) is constant, variably controls the amplitude a of the injection current i (t) it is also possible to generate a feedback signal S F.

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記第4の工程で、前記cosωtが−1のときの干渉信号SD(t)の値Sをさらにサンプリング取得すると共に、(S−S)/(S−S)の値が0になるように前記振幅aを調整することによって、常にZ=πとするフィードバック制御を行なう第7の工程をさらに含んだことを特徴としている Further, in the laser interference displacement measuring method in this embodiment, in the fourth step, the value S 4 of the interference signal S D (t) when the cosω C t is −1 is further sampled and acquired (S by the value of 4 -S 2) / (S 3 -S 1) is adjusted the amplitude a to be 0, always be further comprised seventh step of performing feedback control of the Z = [pi It is a feature .

同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、前記cosωtが−1のときの干渉信号SD(t)の値Sをさらにサンプリング取得すると共に、(S−S)/(S−S)の値が0になるように前記振幅aを調整することによって、常にZ=πとするフィードバック制御を行なうような信号処理器44を備えている。 Similarly, the laser interference displacement measuring apparatus in the present embodiment further samples and acquires the value S 4 of the interference signal S D (t) when the cos ω C t is −1, and (S 4 −S 2 ) / There is provided a signal processor 44 that always performs feedback control such that Z = π by adjusting the amplitude a so that the value of (S 3 -S 1 ) becomes zero.

この場合、前記干渉信号SD(t)の値S,S,S,Sに加えて、cosωtが−1のときの干渉信号SD(t)の値Sを取得し、フィードバック信号S=(S−S)/(S−S)の値が0になるように、注入電流i(t)の振幅aの量をフィードバック制御すれば、変調振幅Zは位相αを求めるのに必要な条件である一定値(=π)となって、正確に被対象物Oの変位を測定することが可能になる。 In this case, in addition to the value S 0, S 1, S 2, S 3 of the interference signal S D (t), cosω C t is acquired interference signal S value S 4 of the D (t) when the -1 If the amount of the amplitude a of the injection current i (t) is feedback-controlled so that the value of the feedback signal SF = (S 4 -S 2 ) / (S 3 -S 1 ) becomes 0, the modulation amplitude Z becomes a constant value (= π), which is a condition necessary for obtaining the phase α, and the displacement of the object O can be accurately measured.

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば注入電流i(t)を変化させることにより、その発振波長λ(t)が変化するものならば、半導体レーザ10以外の各種光源を利用することができる。また、割算器43としての機能を、信号処理器44に含ませてもよい。   In addition, this invention is not limited to said each Example, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, various light sources other than the semiconductor laser 10 can be used as long as the oscillation wavelength λ (t) is changed by changing the injection current i (t). Further, the function as the divider 43 may be included in the signal processor 44.

本発明の好ましい一実施例におけるレーザ干渉変位測定装置の全体構成を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the whole structure of the laser interference displacement measuring apparatus in one preferable Example of this invention. 同上、位相変調信号の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time change of a phase modulation signal same as the above. 同上、信号処理器の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of a signal processor same as the above. 同上、距離P=40mmのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the phase α when the distance P = 40 mm. 同上、距離P=50mmのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the phase α when the distance P = 50 mm. 同上、距離P=60mmのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the phase α when the distance P = 60 mm. 従来例を示す半導体レーザに対する変調信号の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the modulation signal with respect to the semiconductor laser which shows a prior art example.

1 レーザ干渉計(干渉光学系)
10 レーザ光源
41 フォトダイオード(第1の光電変換手段)
42 フォトダイオード(第2の光電変換手段)
43 割算器(割算手段)
44 信号処理器(信号処理手段)
45 フィードバック制御器(変調電流生成手段)
O 被対象物
1 Laser interferometer (interference optical system)
10 Laser light source
41 Photodiode (first photoelectric conversion means)
42 Photodiode (second photoelectric conversion means)
43 Divider (Division means)
44 Signal processor (Signal processing means)
45 Feedback controller (Modulation current generator)
O Object

Claims (8)

正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力し、波長を時間的に変化させながら当該レーザ光源から光を発生させる第1の工程と、
前記光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る第2の工程と、
前記干渉光を電気的な干渉信号に変換する第3の工程と、
前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の1周期に対し一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する第4の工程と、を含むことを特徴とするレーザ干渉変位測定方法。
A first step of inputting a sinusoidally modulated injection current to a laser light source and generating light from the laser light source while changing the wavelength with time;
A second step of obtaining interference light by dividing the light and reflecting the light on the surface of the object and the reference surface, and then combining the object light from the surface of the object and the reference light from the reference surface When,
A third step of converting the interference light into an electrical interference signal;
Using the sinusoidal modulation frequency as a reference , the interference signal is sampled and acquired at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency, and each sampled and acquired signal is arithmetically processed to measure the displacement of the object. And a step of measuring a laser interference displacement.
前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第5の工程と、
前記第3の工程における干渉信号を前記検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る第6の工程と、をさらに含み、
前記第4の工程は、前記第6の工程で得た時間的な光強度変化を除去した干渉信号をサンプリング取得することを特徴とするレーザ干渉変位測定方法。
A fifth step of converting the light intensity change of the laser light source into an electrical detection signal;
A sixth step of dividing the interference signal in the third step by the detection signal to obtain an interference signal from which the temporal light intensity change is removed, and
In the fourth step, the interference signal obtained by sampling the interference signal from which the temporal change in light intensity obtained in the sixth step is sampled and acquired.
記第4の工程で、前記干渉信号に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、当該干渉信号の値をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値から、前記干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、前記注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成すると共に、前記サンプリング取得した各信号から前記干渉信号の相を求め、前記被対象物の変位を測定することを特徴とする請求項2記載のレーザ干渉変位測定方法。 Before Symbol fourth step, at 1/8 of the interval for one period of the modulation frequency contained in the interference signal, the value of the interference signal, respectively sampled acquired from each of these values, the interfering signal as modulation amplitude includes a constant, the amplitude of the injection current to generate a feedback signal for variably controlling obtains a position phase of the interference signal from the signal the sampling acquisition, a displacement of the subject matter 3. The laser interference displacement measuring method according to claim 2, wherein measurement is performed. 前記第4の工程で、前記変調振幅の値がπとなるようにフィードバック制御を行なう第7の工程をさらに含むことを特徴とする請求項3記載のレーザ干渉変位測定方法。 4. The laser interference displacement measuring method according to claim 3, further comprising a seventh step of performing feedback control so that the value of the modulation amplitude becomes π in the fourth step. レーザ光源からの光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る干渉光学系と、
前記干渉光学系により得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する第1の光電変換手段と、
前記レーザ光源に正弦波状に変調した注入電流を与え、波長が時間的に変化する光を前記レーザ光源から発生させる変調電流生成手段と、
前記正弦波状の変調周波数を基準として、当該変調周波数の1周期に対し一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する信号処理手段と、を備えたことを特徴とするレーザ干渉変位測定装置。
Interference to obtain interference light by dividing light from the laser light source and reflecting it to the surface of the object and the reference surface respectively, and then combining the object light from the object surface and the reference light from the reference surface Optical system,
First photoelectric conversion means for converting interference light obtained by the interference optical system into an electrical interference signal;
A modulation current generating means for applying a sinusoidally modulated injection current to the laser light source, and generating a light whose wavelength changes with time from the laser light source;
A signal for measuring the displacement of the object by sampling and acquiring the interference signal at regular intervals with respect to one period of the modulation frequency with the sinusoidal modulation frequency as a reference , and calculating and processing each sampled and acquired signal And a laser interference displacement measuring apparatus.
前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第2の光電変換手段と、
前記第1の光電変換手段で得た干渉信号を前記第2の光電変換手段で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る割算手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項5記載のレーザ干渉変位測定装置。
Second photoelectric conversion means for converting a light intensity change of the laser light source into an electrical detection signal;
Dividing means for dividing the interference signal obtained by the first photoelectric conversion means by the detection signal obtained by the second photoelectric conversion means to obtain an interference signal from which temporal light intensity change has been removed, further comprising 6. The laser interference displacement measuring apparatus according to claim 5, wherein
前記信号処理手段は、前記干渉信号に含まれる変調周波数の1周期に対し8分の1の間隔で、当該干渉信号の値をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値から、前記干渉信号に含まれる変調振幅が一定となるように、前記注入電流の振幅を可変制御するフィードバック信号を生成すると共に、前記サンプリング取得した各信号から前記干渉信号の相を求め、前記被対象物の変位を測定するものであることを特徴とする請求項6記載のレーザ干渉変位測定装置。 The signal processing means samples and acquires the value of the interference signal at an interval of 1/8 with respect to one period of the modulation frequency included in the interference signal, and is included in the interference signal from each of these values. as the modulation amplitude is constant, the amplitude of the injection current to generate a feedback signal for variably controlling obtains a position phase of the interference signal from the signal the sampling acquisition, measures the displacement of the subject matter The laser interference displacement measuring apparatus according to claim 6, wherein the apparatus is a laser interference displacement measuring apparatus. 前記信号処理手段は、前記変調振幅の値がπとなるようにフィードバック制御を行なうものであることを特徴とする請求項7記載のレーザ干渉変位測定装置。 8. The laser interference displacement measuring apparatus according to claim 7, wherein the signal processing means performs feedback control so that the value of the modulation amplitude becomes π .
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