(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に監視用ホトダイオードを備え、測定用のレーザ光をその前面から放射し、前記測定用のレーザ光またはその一部によって照射され、同一光路上に離れて順次配置された、半透明な第１の外部反射物体および前記第１の外部反射物体を透過した光が照射される第２の外部反射物体からそれぞれ生成された第１の戻り光および第２の戻り光を受光して発振し、この発振情報をその内部後方に設置された前記監視用ホトダイオードに供給するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前方発光面に面して配置され、前記レーザダイオードから出力された光ビームを整列させ平行光を得るためのレンズと、
前記レーザダイオードから前記レンズを介して得られた平行光の一部を反射して対象物体の距離・変位の測定に必要な位相基準の情報を含む前記第１の戻り光を形成するための前記第１の外部反射物体である参照反射器と、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第１の光の伝達空間によって形成され距離・変位情報の参照情報を生成する第１の外部共振器と、
前記参照反射器を通過した光が照射する前記第２の外部反射物体である対象物体と前記レーザダイオードとの間の第２の光伝達空間によって形成され距離・変位情報を生成する第２の外部共振器と、
前記レーザダイオードから対象物体までの距離・変位情報を有する前記第２の戻り光を形成するための前記対象物体と、
前記レーザダイオードに直流電流および変調電流を流して発光を得るためのレーザダイオード駆動装置と、
前記ホトダイオードに接続され、前記ホトダイオードに入力された前記レーザダイオードの発振情報にそれぞれ含まれる前記距離・変位の情報および前記位相基準の情報を解析して前記対象物体の前記距離・変位を求めるための位相演算装置と、
から構成した二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項２】
請求項１記載の二重外部共振器つきレーザダイオード距離・変位計において、
前記二重外部共振器は、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第１の光の伝達空間によって形成される第１の外部共振器と、
前記対象物体と前記レーザダイオードとの間の第２の光伝達空間によって形成される第２の外部共振器とを具備し、かつ、
前記第１の外部共振器と前記第２の外部共振器とは一部に共通の空間を有して同一光路上に形成され、環境条件の変化に起因する誤差を補償することができるように構成したことを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項３】
請求項１記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器は、
前記レーザダイオードと前記レーザダイオードのレーザ光ビームを照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に沿って、前記レーザダイオードと前記対象物体との間に配置され、かつ、
前記対象物体に十分なレーザ光ビームが照射されるようにその波長において透過率が設定されたものであることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項４】
請求項１記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに鋸歯波形電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な  情報を与えるための鋸歯波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段と、から構成したことを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項５】
請求項１記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体に起因する第１および第２の共振信号を前記同一ホトダイオードにより検出し、共通なトリガタイミングによってそれぞれの信号の初期位相が取得されることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項６】
請求項１に記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体からの共振信号を電子回路によって分離し、それぞれの位相を検出し、演算処理し、かつ位相検出にロックイン位相検出法、信号の時間遅れと信号の周期から位相を求めるパルス計数法を用いることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【請求項７】
請求項１記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに任意の変調電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための変調波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段とから構成した二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードの戻り光を利用した距離・変位計に関する。さらに詳しく言えば、二重外部共振器により測定誤差を補正したレーザダイオード式距離・変位計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザが実用化されて以来、レーザ干渉計は距離や変位の測定に使用され、位置測定やアライメント用などに広く使用されてきた。この形のマイクロ位置センサはロボットセンシング、機械の制御、寸法伸縮の計測・監視、表面形状計測などに広く利用されてきた。
【０００３】
最近、サブミクロン（１μｍ以下）の変位を測定するための周波数変調式レーザダイオード干渉計に属するさまざまな技術が提案されている。
例えば、ジー・ビーハイム（G. Beheim ) およびケー・フリッツシ(K. Fritsch)によるレーザダイオードを使用した遠隔変位計測法がエレクトロニクス  レター(Electronics Letters)誌、２１巻（１９８５年）、９３〜９４ページに記載されている。久保田(T.Kubota)、奈良(M. Nara) および吉野(T. Yoshino)により、変位と距離を測定するための干渉計がオプチックレター(Optics Letter) 誌、１２巻（１９８７年）、３１０〜３１２ページに記載され、加藤, 菊池, 山口およびオゾノ(J. Kato, N. Kikuchi, I. Yamaguchi and S. Ozono)によりレーザダイオードを使用した光帰還形変位センサとその性能改善について、メジャメント  サイエンス  アンド  テクノロジー(Measurement Science & Technology)誌、６巻（１９９５）、４５〜５２ページに記載されている。
さらに、最近では、内山(T. Uchiyama) および来(G. Lai)により、レーザダイオードの位相センサを使用し、光学的に捕獲された粒子の変位を測定する方法が提案され、アイイーイーイー  アプリケーション  ソサイエティ (IEEE Industry Application Society)の１９９８年度年次大会（１９９８年）で発表され、同論文誌１６８６〜１６８９ページに記載されている。
【０００４】
一般に、レーザダイオードを光源として使用した干渉計は構成が極めて単純であり、小形軽量にまとめることができる。これらの干渉計法においては、レーザダイオードの注入電流に光パワーも変調されている。さらに、これらの干渉計法の測定精度はレーザダイオードの発光周波数のフラクチュエーション（飄動）によっても影響されている。
レーザダイオードの温度変動を１／５００°Ｋ（=2×10-3  °Ｋ）に保たないと周波数の変動により、外部共振器の長さを約１０ｃｍと仮定しても、測定精度を１／２０波長に保つことは実際上極めて困難であると試算されている。
【０００５】
一方、周波数変調を行う方式のレーザダイオード形干渉計は、共振のピーク値の数を計数する方式、あるいは干渉信号の共振周波数を見出す方式によって距離を測定するものが提案されている。前者に属する方式を２例挙げることができる。一つは、篠原，吉田，池田，西出および角（S. Shinohara, H. Yoshida, H. Ikeda, K. Nishide, and M. Sumi)によって提案されている。
この方法は測定距離に広いダイナミックレンジがあり、簡易な構造で比較的高精度が得られているとしてアイイーイーイー  トランスアクション  アンド  メジャメント(IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement) 誌、４１巻（１９９２年）、４０〜４４ページに記載されている。
他のひとつは菊田, 岩田, 永田(H. Kikuta, K. Iwata, and R. Nagata)によって提案されている。これはレーザダイオードの出力光の波長偏移を使って距離を測定するもので、アプライド  オプチック (Applied Optics) 誌、２５巻（１９８６年）、２９７６〜２９８０ページに記載されている。
【０００６】
一方、後者に属する方式は一例を挙げることができる。これは小林(T. Kobayashi)によって提案されたものであり、ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  オプチック(Japanese Journal of Optics)誌、１７巻（１９８８年）、２７９〜２８４ページに記載されている。
【０００７】
距離の絶対値を測定する方法は菊田, 岩田, 永田( H. Kikuta, K. Iwata, andNagata)によって、アプライド  オプチック(Applied Optics)誌、２５巻（１９８６年）、２９７６〜２９８０ページに提案された。すなわち、この方法では二つの干渉計を組み合わせたもので、一方の干渉計は参照用、他は目的とする距離を測定するものである。この方法による距離計測法とＦＦＴ（FastFourierTransform,高速フーリェ変換）とを組み合わせれば、多重反射をする目的物体に応用することが可能であり、共振周波数の測定精度を向上できる。この組み合わせ法は末松(M.Suematsu)および武田(M.Takeda)によって、アプライドオプチック(AppliedOptics)誌、３０巻（１９９１年）、４０４６〜４０５５ページに記載され、公表されている。
【０００８】
このように、参照用干渉計を使用すれば、レーザ電流とレーザ周波数変調との関係における不確定性を避けることができる利点がある。しかし、センサシステムとしては構成が複雑になるという欠点がある。
【０００９】
一方、蜂屋氏および藤原氏による特開平０９−２５７４１５号には、移動または振動している被測定物に対して、三角波状に周波数変調されたレーザ光ビーム、ならびにこのレーザ光により位相の遅れたレーザ光ビームを照射し、ビート光を検出して、位置および変位を測定する方法が提案されている。また、金子氏、梅村氏、および越本氏による特開平０９−０７２７１１号（公開１９９７年３月１８日）にはレーザダイオードとホトダイオードを一体化してピエゾ素子に装着し、観測面に対してピエゾ素子をホトダイオード出力の最低値を中心に揺動させ、ホトダイオード出力の積分値により揺動中心を前記最低値に制御させ、変位を検出する装置が提案されている。
【００１０】
さらに、渡辺氏による特開平０９−０３３２１４号には変調されたレーザダイオード出力の光を対象とするミラーによって反射させて外部共振器を構成し、この外部共振器で得られた干渉信号を利用して測定する方法が提案されている。また西川氏および大野氏による特開平０６−１２９８１２号（公開１９９４年５月１３日）には、ヘテロダイン干渉計を利用してレーザダイオードの発振波長やビート周波数のゆらぎによる誤差を補正した測長器が提案されている。
上述の特許公開公報では干渉計の手法を採用しているので、精度は目的とする対象に対して得られるが、複雑な構成である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述の文献および特許公開公報によって、公知の距離および変位の測定方式では、いずれも一対のレーザ光ビームの位相差を干渉計法により対象物体から求め、この位相差に相当する距離および変位を検出していた。しかし、干渉計の構成が大型になるとともに複雑になり、作業性が劣る上、調整や保守に手間がかかるという欠点があった。さらに、上記各種の方法には次のような欠点がある。
干渉計法により位相差を求めるのに採用されている変調では、変調周波数が光波長の該当周波数に比べて著しく低いため、測定中にパラメータが変化する可能性があり、この変化がサブミクロンオーダの距離の計測に誤差をもたらす。
干渉計において二つのレーザビームを使用するので、光路を構成するハードウェアのパラメータ変化により、測定誤差を生ずる。特に、測定中の微小部分の温度変化や経路変化などの環境変化により、位相差が生じて距離の誤差が生ずる。
【００１２】
前記二つのレーザビームの経路が異なるので、見かけ上１本のレーザダイオードの出力光を二つに分けたとしても、数百サイクル〜数千サイクルだけ位相の異なる二つの波を干渉させるため、レーザダイオード内での状態変化に起因する波長変化が誤差となって測定系に入ってくる。
本発明の基本的な目的は、前述の干渉計法にもとづく一般的な欠点、並びにサブミクロンの精密計測を行う場合の特定の欠点を除去することができる、距離・変位計を提供することにある。
本発明のさらに詳細な目的は、１本のレーザダイオードを利用して、その出射光を対象物体に当てると同時に、その光路の途中に半透明ミラーを置いて反射光を得ることにより、オンラインで戻り光をレーザダイオードに内蔵のホトダイオードに入射することにより上記測定系の一般的欠点を除去し、ＦＦＴ法により対象物体位置とミラー位置とを特定することによって、測定系に存在するサブミクロンオーダの誤差を除去することで、前述した特定の欠点を除去することができる二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計は、基本的には、
内部に監視用ホトダイオードを備え、測定用のレーザ光をその前面から放射し、前記測定用のレーザ光またはその一部によって照射され、同一光路上に離れて順次配置された、半透明な第１の外部反射物体および前記第１の外部反射物体を透過した光が照射される第２の外部反射物体からそれぞれ生成された第１の戻り光および第２の戻り光を受光して発振し、この発振情報をその内部後方に設置された前記監視用ホトダイオードに供給するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前方発光面に面して配置され、前記レーザダイオードから出力された光ビームを整列させ平行光を得るためのレンズと、
前記レーザダイオードから前記レンズを介して得られた平行光の一部を反射して対象物体の距離・変位の測定に必要な位相基準の情報を含む前記第１の戻り光を形成するための前記第１の外部反射物体である参照反射器と、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第１の光の伝達空間によって形成され距離・変位情報の参照情報を生成する第１の外部共振器と、
前記参照反射器を通過した光が照射する前記第２の外部反射物体である対象物体と前記レーザダイオードとの間の第２の光伝達空間によって形成され距離・変位情報を生成する第２の外部共振器と、
前記レーザダイオードから対象物体までの距離・変位情報を有する前記第２の戻り光を形成するための前記対象物体と、
前記レーザダイオードに直流電流および変調電流を流して発光を得るためのレーザダイオード駆動装置と、
前記ホトダイオードに接続され、前記ホトダイオードに入力された前記レーザダイオードの発振情報にそれぞれ含まれる前記距離・変位の情報および前記位相基準の情報を解析して前記対象物体の前記距離・変位を求めるための位相演算装置と、
から構成されている。
【００１４】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記二重外部共振器は、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第１の光の伝達空間によって形成される第１の外部共振器と、
前記対象物体と前記レーザダイオードとの間の第２の光伝達空間によって形成される第２の外部共振器と
を具備し、かつ、
前記第１の外部共振器と前記第２の外部共振器とは一部に共通の空間を有して同一光路上に形成され、環境条件の変化に起因する誤差を補償することができるように構成することができる。
【００１５】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記参照反射器は、
前記レーザダイオードと前記レーザダイオードのレーザ光ビームを照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に沿って、前記レーザダイオードと前記対象物体との間に配置され、かつ、
前記対象物体に十分なレーザ光ビームが照射されるようにその波長において透過率が設定されたものとすることができる。
【００１６】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに鋸歯波形電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための鋸歯波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段と、から構成することができる。
【００１７】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体に起因する第１および第２の共振信号を前記同一ホトダイオードにより検出し、共通なトリガタイミングによってそれぞれの信号の初期位相が取得されるように構成することができる。
【００１８】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体からの共振信号を電子回路によって分離し、それぞれの位相を検出し、演算処理し、かつ位相検出にロックイン位相検出法、信号の時間遅れと信号の周期から位相を求めるパルス計数法を用いることができるように構成することができる。
【００１９】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに任意の変調電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための変調波発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段とから構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計の基本的な構成を示すブロック図である。ホトダイオード２はレーザダイオード３に内蔵され、本来、レーザダイオード３の出力光を監視して帰還制御するためのものであるが、本発明ではレーザ内の自己混合によって発振された２つの発振出力を外部に取り出すものである。レーザダイオード３の投射経路に配置されている光学系５として非球面レンズが用いられ、レーザダイオード３から出力されたレーザ光をコリメートして平行光線にする役目を有するとともに、参照反射器６および測定の対象である対象物体７からの戻り光をコリメートしてレーザダイオード３にフィードバックする割合を調節するためのものである。信号演算装置１は、ホトダイオード２の出力によって戻り光による共振信号を解析し、対象物体７の位置およびその変位を演算するための電子回路あるいは特有のアルゴリズムを含むコンピュータ装置から構成されている。
【００２１】
レーザダイオード駆動装置４はレーザダイオード３に注入電流を与えるためのもので、直流電流と変調信号電流とをレーザダイオード３に与えることができるように構成されている。対象物体７は参照反射器６の後ろに置かれ、その反射光の一部をレーザダイオード３に戻すことができるように調整されている。また、参照反射器６からの戻り光もレーザダイオード３に入射される。レーザダイオードに戻ってきた戻り光とレーザ発振光とによりレーザ共振器内で自己混合が行なわれるが、参照反射器６からの反射光と、対象物体７からの反射光とがレーザダイオード３に入射されると、二重の外部共振器が形成され、それらによって二つの周波数の発振が生ずる。これらの光信号はレーザダイオード３に一体化して集積されたホトダイオード２によって受光される。したがって、これらの発振情報は同時に検出され、Ａ／Ｄ変換器を通ってパーソナルコンピュータによって構成された信号演算装置１に入力される。前記のレーザ共振器信号に変位と距離の情報が含まれている。
【００２２】
前記構成の装置は二重外部共振器を備えるものである。レーザダイオード３内に実装されたホトダイオード２によって、レーザダイオード３の光出力は監視される。この光出力は４つの反射器から成る複合共振器によって決定される。レーザダイオード３の内部共振器はレーザダイオード内の２つの側壁間に形成され、そのモード周波数間の間隔はレーザダイオードの実効長およびレーザを形成する半導体材料の実効屈折率によって決定される。外部共振器の一つはレーザ外部の参照反射器６と、レーザダイオード３の側壁との間に形成される。さらに他の一つは対象物体７と前記側壁との間に形成される。それぞれの外部共振器に対応するモード周波数間隔は共振器の実効長によって決定される。この実効長はレーザダイオード内部に形成される共振器領域の実効長に比べ、通常、はるかに大きい。
【００２３】
外部共振器によって決定されるモード周波数のモード番号が内部共振器によるものの整数倍であるという条件の下では、外部共振器あるいは対象物体からの帰還光ビームの位相は内部共振器によって決定される光ビームの位相と一致するので、外部構造体との間にレーザ共振が得られる。反射器および対象物体からの帰還量がともに小さい場合には、干渉は相互に独立であると考えられる。レーザダイオードの注入電流が外部入力波によって変調されている場合、レーザダイオードの光周波数も外部入力波と同様の形の変調を受ける。電流−周波数の変調が直線関係にある部分を用いることにより、外部共振器による正帰還および負帰還が電流変調に対して周期的に発生する。
【００２４】
このレーザ発振周波数は、速度とレーザダイオードから反射器および対象物体までの距離とによって決定され、時間とともに周期的に変化するものである。
図２に外部共振器による共振信号をアナログ回路によって処理する状態を波形とともに示す。
参照反射器６と対象物体７とは、レーザダイオード３からの距離が異なっているので参照反射器６によって構成される共振器と対象物体７によって形成される共振器とは異なった共振周波数を有している。
【００２５】
図２に示す注入電流（信号Ａ）は光周波数を変化させるだけではなく、レーザダイオードの全出力光パワーを変化させる。外部共振器による共振信号は、光強度変調に重畳され信号（Ｃ）のようになり、この電流は信号が増幅できる範囲を制限する。したがって、増幅の前にこの光強度変調を除去するため、差分回路により変調信号による引き算が行われる（信号Ｄ）。この処理によって、信号をさらにディジタル化したり、処理したりすることができるようになっている。
信号（Ａ）の立ち上がりと同期したパルス信号（Ｂ）は、タイミングを取るためのトリガとして用いる。
【００２６】
共振周波数は外部共振器の長さに比例する。対象物体の距離Ｌ2 が参照反射器の距離Ｌ1 の関数として次のように与えられる。
Ｌ2 ＝Ｌ1 （ｆ2 ／ｆ1 ）                  （１）
前記共振周波数は対象物体の距離Ｌ2 を決定するために使用される。ここでｆ1 、ｆ2 はそれぞれ参照反射器６を含む共振器および対象物体７を含む共振器の共振周波数であり、信号のパワースペクトラムによって検出される。
前記（１）式において、対象物体の距離Ｌ2 を決定するための唯一のパラメータは、参照反射器の距離Ｌ1 であり、距離Ｌ1 を予め校正することができる。したがって、光周波数の変調比対注入電流およびその浮動（変動）は、かかるシステムでは重要ではない。位相情報も共振信号に含まれている。もし、参照反射器と対象物体の距離が変化しないならば、これらの共振は変調信号電流のタイミング（図２の信号Ｂ）に正確に一致して発生する。共振のピークは信号の位相成分を表すものであり、対象物体の位置とともに移動する。信号の共振周期は一波長の光路長に相当するものである。対象物体の共振周波数に相当する信号位相をロックイン検出すれば、共振信号の位相からは対象物体までの距離を、光の波長よりもはるかに短い長さの感度で検出することができる。
【００２７】
しかしながら、レーザダイオードの動作温度変化や注入電流変化に起因して、光周波数にはノイズとドリフトとが存在する。参照反射器の導入で、位相測定におけるこれらの誤差を減らすことができる。さらに、参照反射器と対象物体による共振信号が同一トリガを使用するため、トリガによる誤差も軽減できる。参照反射器の共振器および対象物体の共振器には同一の光源を使っているので、光周波数の浮動は同一であると考えられる。共振器が長くなればなるほど、位相誤差は大きくなる。もし参照反射器が固く固定されていれば、位相変動は純粋にレーザダイオードの周波数変動によるものであり、対象物体の位相補償を行うため、対象物体距離の参照反射器に対する比の分だけこの周波数変動は帰還される。
すなわち、
φ2'= φ2 −φ1 ｆ2 ／ｆ1                 （２）
が得られる。ここで、φ2 ，φ2'はそれぞれ補償前と補償後の共振信号の位相であり、φ1 は参照反射器の共振信号の位相である。
【００２８】
図２は図１に示した装置の各部の信号を示す説明図である。二重外部共振器の共振信号は、図２に示すようにアナログ処理回路によって前処理される。
すなわち、レーザダイオード駆動装置４の出力は、直流バイアス電流と周期的に変化する鋸歯波形変調信号（Ａ）とがレーザダイオード３に印加される。
ホトダイオード２によって検出された光強度信号は、鋸歯光強度信号上に重畳された二重共振信号（Ｃ）であり、光信号から電流信号に変換されたものである。電流変調波を参照して光強度の鋸歯変化分を除去する前に、前記信号電流は電圧信号に変換される。
【００２９】
図３は、得られた電圧信号を時間の関数として表したものである。得られた信号は共振情報を含むので、鋸歯波形の立ち上がりに同期したトリガパルスをスタート同期信号として、この信号はＡ／Ｄ変換器によりディジタル化される。トリガパルスの尖頭位置は干渉信号の位相計算の基準となるため、トリガパルスのタイミングは変位・距離測定における位相の計算に重要である。共振周波数と初期位相を求めるのにフーリエ変換手法を使用して、測定データが解析される。共振周波数はパワースペクトラムから容易に取り出すことができる。参照反射器６と対象物体７に相当する一対の共振周波数を読み取れば、対象物体７の距離は前述の第（１）式によって計算することができる。
【００３０】
図４に、図２に示した（Ｄ）の周波数をフーリエ変換して得られたパワースペクトラムを示す。半導体レーザの注入電流は高速に変調できるので、ここでのサンプリング周波数は、使用するＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数によって決まる。
位相測定には一対の共振周波数におけるフーリエ変換成分を使用するが、この原理はロックインでの位相検出法と同様である。すなわち、一対の共振周波数フーリエ変換での係数を計算して、その実部と虚部から信号の位相を算出する。
【００３１】
図５は、フーリエ変換による位相計算法で求められた誤差位相信号と、参照反射器による誤差位相信号の除去を示している。図５（ａ）の部分は、参照反射器６のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの誤差位相信号、図５（ｂ）の部分は、対象物体７のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの位相誤差信号である。
【００３２】
図６は、参照反射器６の位相誤差を参照して求めた対象物体７の位相誤差であり、信号演算装置１において処理を行った後の値を示したものである。
図６では、位相誤差が図５（ａ），（ｂ）の部分のいずれのものよりも小さくなっていることがわかる。前記の位相測定は時間の関数として行われるので、一対の共振周波数に相当する一対の位相の値が、１回の信号取得と１回のフーリエ解析とによって得られる。したがって、参照反射器６と対象物体７との間の相対変位は、両者の共振器間の位相変化によって与えられる。参照反射器６までの距離が変化しないと仮定すれば、レーザダイオード３の光周波数変動による測定誤差は、前述の第（２）式にしたがって、減少させられる。
【００３３】
図７は、図１に示した基本構成をさらに具体化した本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、対象物体７としてＰＺＴに固定したミラーを使用し、ＰＺＴの特性を評価するように構成されている。前述した信号演算装置１に相当する部分は、コンピュータ１１と、Ａ／Ｄ変換器１２と、引き算回路を構成する差動増幅器１３から構成されている。レーザダイオード駆動装置４は、ドライバと鋸歯波形発生部１４とから成り立つ。
ケーブルを使用することにより、レーザダイオード３と信号演算装置１とを切り離して設置することができる。
レーザダイオード３と、ホトダイオード２と、参照反射器６とによりセンサ部が構成され、センサ部はこれらの要素部品を一体化してまとめたものである。
このようなセンサシステムはコンパクト化を考慮して組み立てたものであり、小形軽量に組み立てることができる。したがって、対象物体７とセンサ部とを一体化して、コンパクトに測定系を構成できる特徴がある。
【００３４】
図８は図７に示した装置のミラーの動作の測定例を示すグラフである。この例は、ピエゾ振動子ＰＺＴを周波数０．２Ｈｚの三角波駆動電圧で駆動したとき、得られたミラーの変位（振動）を示す。図７の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計で測定して得られたものである。
【００３５】
次に、本測定器において信号演算装置１の作用を調べるため、測定した位相の浮動を図９に示す。図９において、（ａ）は参照反射器６からの反射戻り光によって決定される初期位相、（ｂ）は対象物体７からの反射戻り光によって決定される初期位相、（ｃ）は対象物体７からの戻り光の位相の浮動から参照反射器６からの戻り光の位相の浮動を引き算して得られた結果をそれぞれ表すデータである。これらのデータから、参照反射器６の存在によって測定系の安定性が向上していることがわかる。ＰＺＴをナノメータの微小変位させている時には、その動きのヒステリシス特性は無視できる。しかし、大きな範囲にわたって変位させている時には、ヒステリシス特性は顕著となる。
図１０は、図７で示すシステムによって計測された印加電圧に対する圧電素子の伸縮を示すもので、ヒステリシス特性が計測されている。
【００３６】
図１１は、図１に示す基本構成を具体化した本発明の第２の実施形態を示したものである。
図１１において、図７に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。図７との相違点は、非球面レンズ５と参照反射器６との間が空間ではなく、光ファイバ２０で接続されている点である。レンズ５と参照反射器６との間が空間で供給されている場合には、レンズ５の光軸と参照反射器６の光軸とが合致するように空間配置する必要があるため両者の位置が固定されている。しかし、光ファイバ２０により両者間が接続されている場合には、光ファイバ２０の可撓性を利用しているため、位置はフレキシブルに移動し得る。
参照反射器は、ファイバ端面あるいはレンズ端面を使用することができる。
【００３７】
図１２は、本発明による装置の第３の実施形態を部分的に示したものである。図１２において、図７に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。図７との相違点は、対物レンズ２１を参照反射器６と被測定面である対象物体７との間に挿入してあり、被測定面は光軸に垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向に機械的にスキャンする構造を有している。Ｘ，Ｙ両方向のスキャンは、コンピュータ制御下でステッピングモータあるいは圧電素子搭載ステージにより行われるものである。本実施形態では、対物レンズ２１の挿入と、ＸおよびＹ軸のスキャンとによって、対象物体の位置を特定しながら観察を続けることにより、対象物体７の三次元形状を良好に観察できるという特徴がある。
【００３８】
図１３は、本発明による第４の実施形態を部分的に示したものである。図１３において、図７に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。
レーザダイオード駆動装置４に備えられた変調信号（鋸歯波形）の振幅は光ファイバ２０−ｉの長さに応じて変化する。また、２２は光スイッチ、２０−１〜２０−ｎはｎ本の光ファイバであり、光スイッチの接点位置に応じて光ファイバ２０−１〜２０−ｎの一端に装着された参照反射器であり、光ビームを対象物体７に平行に入射させるための距離を変えることにより、異なった参照距離を設定できるので、測定可能距離を変えられる特徴がある。
【００３９】
以上詳しく説明した実施形態について本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計は、参照反射器を測定系に付加して参照共振器を形成し、これによってレーザダイオードの光周波数漂動に起因する測定誤差を補正できるため、従来、かかる方式では不可能であった絶対距離および数ナノメータの変位を安定に測定できる。しかも測定系にレーザ共振器を含んでいるため、１ｍｍ以下の精度で数メータの距離まで安定に測定できる。また、参照反射器によって構成される参照共振器の使用により位相誤差を減ずることができる。
これによって、このレーザダイオード式距離・変位計を各種の用途に適用させることができ、ロボットセンサ、機械加工制御、伸縮の監視、および表面粗さ計測などに使用できると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計の基本的な実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の実施形態の概略動作を説明するための主要回路部と波形図である。
【図３】引き算回路の出力電圧信号を時間の関数として表したグラフである。
【図４】図２に示した（Ｄ）の周波数をフーリエ変換して得られたパワースペクトラムを示す。
【図５】フーリエ変換による位相計算法で求められた誤差位相信号と、参照反射器による誤差位相信号の除去を示し、同図（ａ）の部分は、参照反射器のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの誤差位相信号、同図（ｂ）の部分は対象物体のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの位相誤差信号である。
【図６】図６は、参照反射器の位相誤差を参照して求めた対象物体の位相誤差を示すグラフである。
【図７】図１で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図８】図７の実施形態において、ＰＺＴでミラーを変位させたときの変位の測定出力のグラフである。
【図９】本測定器において信号演算装置の作用を調べるため測定した位相の浮動を示す図であって、同図の（ａ）は参照反射器６からの反射戻り光によって決定される初期位相、（ｂ）は対象物体からの反射戻り光によって決定される初期位相、（ｃ）は対象物体７からの戻り光の位相の浮動から参照反射器６からの戻り光の位相の浮動を、引き算して得られた結果をそれぞれ表すグラフである。
【図１０】図７で示すシステムによって計測された印加電圧に対する圧電素子の伸縮を示すもので、ヒステリシス特性が計測されている。
【図１１】図１で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】図１で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図１で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第４の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  信号演算装置
２  ホトダイオード
３  レーザダイオード
４  レーザダイオード駆動装置
５  レンズ（非球面レンズ）
６  参照反射器
７  対象物体
１１  コンピュータ（ＰＣ）
１２  Ａ／Ｄ変換器
１３  差動増幅器
１４  鋸歯波形発生部
２０  光ファイバ
２１  対物レンズ
２２  光スイッチ
【図１】
0004545882.tif 000002
【図２】
0004545882.tif 000003
【図３】
0004545882.tif 000004
【図４】
0004545882.tif 000005
【図５】
0004545882.tif 000006
【図６】
0004545882.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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