(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモード半導体レーザー光源と、該マルチモード半導体レーザー光源が発する光束を２つの光束に分割し一方の光束をリファレンスミラーに照射し他方の光束を移動体に照射する第一の光束分割手段と、前記リファレンスミラーからの反射光束と前記移動体からの反射光束とを合波して得られる干渉光束を複数の光束に分割する第二の光束分割手段と、前記第二の光束分割手段によって分割されたそれぞれの光束を受光する受光手段とを有する干渉計であって、
前記干渉光束光路中に設けられ、前記合波して得られる干渉光束のうち特定波長の光束のみを抽出し前記受光素子に導光するためのバンドパスフィルターと、
前記マルチモード半導体レーザー光源からの光束を前記第一の光束分割手段へ導光するマルチモードファイバーと、を有する干渉装置。
【請求項２】
スーパールミネッセンスダイオードと、該スーパールミネッセンスダイオードが発する光束を２つの光束に分割し一方の光束をリファレンスミラーに照射し他方の光束を移動体に照射する第一の光束分割手段と、前記リファレンスミラーからの反射光束と前記移動体からの反射光束とを合波して得られる干渉光束を複数の光束に分割する第二の光束分割手段と、前記第二の光束分割手段によって分割されたそれぞれの光束を受光する受光手段とを有する干渉計であって、
前記干渉光束光路中に設けられ、前記合波して得られる干渉光束のうち特定波長の光束のみを抽出し前記受光素子に導光するためのバンドパスフィルターを有する干渉装置。
【請求項３】
前記マルチモード半導体レーザー光源に光源温度調節手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の干渉装置。
【請求項４】
前記光源温度調節手段はペルチェ素子であることを特徴とする請求項３記載の干渉装置。
【請求項５】
前記バンドパスフィルターは、前記第二の光束分割手段から前記受光手段までの光路中に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触にて物体の位置変動を検出する干渉測長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に従来式の光源に半導体レーザーを使用した干渉計の概略図を示す。半導体レーザー１ａから射出されたレーザー光束２０はコリメーターレンズ２ａで平行光とされ偏光ビームスプリッター４に入射し測定光２０ａと２０ｂに分割される。光束２０ａは１／４λ板５ｂを透過し集光レンズ６で集光光束とされ被測定物７で集光される。一方偏光ビームスプリッター４で反射された光束２０ｂは参照光として１／４λ板５ａを透過しリファレンスミラー８で反射される。それぞれ被測定物７、リファレンスミラー８で反射された光束は再び１／４λ板を透過し今度リファレンス光は透過し、測定光は反射し合波光束２１となって１／４λ板５ｃに入射する。光束２１は測定光の帰り光の偏光情報のみ変調されているので１／４λ板５ｃを透過した光束は回転する直線偏光となる。その後光束は非偏光ビームスプリッター１０に入射し光束２２、２３に分割される。その後それぞれ互いに４５度光学軸を傾けた偏光板１１ａ、１１ｂを光束が通過することにより、図６に示すごとく互いに９０度位相の異なる正弦波信号（以後Ａ相信号、Ｂ相信号と呼ぶ）がセンサー１２ａ、１２ｂで検出されることになる。被測定物の変位によって光束２１の偏光方向が回転するので被測定物の変位に応じてλ／２で一周期のサイン信号が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例に示したような干渉を用いた変位計は例えば機械加工で製作した回転する軸等を測定する。散乱部分にレーザー光を照射すると反射光に様々な位相の光束が混在することに起因するスペックルパターンが生じる。スペックルパターンは光の粒状パターンであるがスペックルパターンとリファレンス光を干渉させた場合スペックルそれぞれの干渉信号はランダムな位相を持つためセンサー上の干渉光信号は平均化され、いわゆるドロップアウトという状態になる。センサーからのＡ相Ｂ相正弦波信号は、Ａ相信号、Ｂ相信号をカウンターでカウントしたカウント値とＡ相Ｂ相の位相情報で変位に計算される。つまりドロップアウト時には変位情報計算に必要なカウンター値が更新されないので信号復活時に、被検物体がカウンター作動距離以上の変位をすると、その分は誤差となる。回転体では毎週同一部分でドロップアウトが生じ、また軸の挙動は回転に同期した軸ぶれが大部分を占めるためドロップアウト時に軸はほぼ同じ様な挙動を示す。よって毎週ドロップアウト時の誤差は累積され無限にずれていく。上記示したように回転体の測定では誤差が無限に累積していくという問題を抱えていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての干渉計は、マルチモード半導体レーザー光源と、該マルチモード半導体レーザー光源が発する光束を２つの光束に分割し一方の光束をリファレンスミラーに照射し他方の光束を移動体に照射する第一の光束分割手段と、前記リファレンスミラーからの反射光束と前記移動体からの反射光束とを合波して得られる干渉光束を複数の光束に分割する第二の光束分割手段と、前記第二の光束分割手段によって分割されたそれぞれの光束を受光する受光手段とを有する干渉計であって、前記干渉光束光路中に設けられ、前記合波して得られる干渉光束のうち特定波長の光束のみを抽出し前記受光素子に導光するためのバンドパスフィルターと、前記マルチモード半導体レーザー光源からの光束を前記第一の光束分割手段へ導光するマルチモードファイバーと、を有する。
また、本発明の別の一側面としての干渉計は、スーパールミネッセンスダイオードと、該スーパールミネッセンスダイオードが発する光束を２つの光束に分割し一方の光束をリファレンスミラーに照射し他方の光束を移動体に照射する第一の光束分割手段と、前記リファレンスミラーからの反射光束と前記移動体からの反射光束とを合波して得られる干渉光束を複数の光束に分割する第二の光束分割手段と、前記第二の光束分割手段によって分割されたそれぞれの光束を受光する受光手段とを有する干渉計であって、前記干渉光束光路中に設けられ、前記合波して得られる干渉光束のうち特定波長の光束のみを抽出し前記受光素子に導光するためのバンドパスフィルターを有する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例に係る半導体レーザーを使った小型干渉計の概略構成である。図中、従来例と同様の部材には同じ符番を付してある。
【０００６】
中心波長λのマルチモード半導体レーザー１ａから射出されたレーザー光束２０ａはレンズ２ａで集光光束となりマルチモードファイバー３０に導かれ、マルチモードファイバー３０を通過した後、レンズ２ｂに入射する。光束２０ａはレンズ２ｂにより平行光束となり、偏光ビームスプリッター３ｂでＰ波とＳ波に分離され、一方の光束は参照光束２１となり１／４λ波長板５ａを透過して反射ミラー４で反射される。一方、偏光ビームスプリッター３ｂを透過した光束は測定光束２２として１／４λ波長板５ｂを透過して集光レンズ６で集光光束となり被検物体７に照射される。このとき測定光２２は被検物体の反射面７に集光するようにしてある。反射面７で反射された光束２２は反射後再びもとの光路を通りビームスプリッター３ｂにより反射される。一方参照光束２１は反射後もとの光路を通り今度はビームスプリッター３ｂを透過し測定光と合波され光束２３となる。光束２３はその後、非偏光ビームスプリッター８に入射し反射光は光束２４、透過光は光束２５となる。
【０００７】
このとき光束２２の集光点を参照光束２１が反射される反射面６と波動光学的な等光路長になるように集光レンズ６のパワーを設定しておけば、低コヒーレンシー光源を利用した干渉計として最大の効果を発揮する。つまり波面で考えると、干渉信号が最大のコントラストの位置で、被検物体の反射面７からの反射光と、リファレンス光としての反射面４からの戻り光は両方とも平行光として合波されるため、のちに構成する光電センサーでは最大の信号が得られる。
【０００８】
光束２４はλ１の波長のみを透過するバンドパスフィルター１３ａを透過することで、λ１の情報のみを抽出する。波長λ１の光束は１／４λ板９ａを透過することで直線偏光となり、偏光情報は被検物体７の変位に基づいて偏光方向が回転する。回転する直線偏光の光束２４はその非偏光ビームスプリッター１０ａで分割され、透過光は偏光板１１ａ、反射光は偏光板１１ｂを透過することにより光の明暗信号となりそれぞれ光電センサー１２ａ、１２ｂで受光されてその出力信号は被検物体の移動に伴い１／２λ１移動に対して１周期のサイン波の電気信号となる。波長板１２ａ、１２ｂはそれぞれ偏光軸が４５度傾いて設置してあり光電センサー１２ａ、１２ｂからのサイン信号は９０度位相の異なる信号（以後Ａ相、Ｂ相となる。一方非偏光ビームスプリッター８を透過した光束２５はλ２の波長のみを透過するバンドパスフィルター１３ｂを透過することでλ２の情報のみを抽出する。以後１／４λ板１３ｂを透過し、光束２４と同様に非偏光ビームスプリッター１０ｂで２分割された後、偏光板１１ｃ、１１ｄをそれぞれ透過し光電センサー１２ｃ、１２ｄに入射する。この場合、電気信号は被検物体の移動に伴い１／２λ２移動に対して１周期のサイン波の電気信号となる。やはり１１ｃ、１１ｄは偏光軸を互いに４５度傾けて設置してあるので、やはりＡ相、Ｂ相の９０度位相の異なるサイン信号となる。ここで図３において抽出するλ１及びλ２に関する説明を行う。
【０００９】
光源１ａはマルチモード半導体レーザーであるので波長スペクトルは細いスペクトル線の集合体としてλを中心として約３ｎｍの幅を持つ。この光源光として分散効果を持つマルチモードファイバーを通すことで輝線スペクトルの集合体であるマルチモードレーザーのスペクトルを図３のごとくガウシアン分布のなだらかなスペクトルに変換している。この光束の干渉光を透過スペクトルλ１のフィルター１３ａを通すことで波長λ１の干渉情報のみ抽出して光束２４としている。光束２５は透過スペクトルλ２のフィルター１３ｂで波長λ２の干渉情報のみ抽出している。マルチモードレーザーを光源とする光束がマルチモードファイバーを透過することでスペクトルを分散させてなまらせた光束を得ることができる。そして、バンドパスフィルターを介して特定の輝線スペクトルを抽出するとシングルモードレーザーに近い特性光束が得られることは知られているが、本実施例でも同様の特定波長抽出方法を使用することで、干渉計としての干渉距離を格段に伸ばすことに成功している。しかも、その光源はマルチモードレーザーであるのでモードホップによるノイズの影響も受けないで安定した測定を可能にしている。
【００１０】
たとえば２０μｍの軸ぶれをしているφ４ｍｍの軸で０．５ｍｍ幅の傷や面欠陥があるものを測定する場合、０．５ｍｍ幅の傷で信号ドロップアウトを生じたときに、外周の１／２５の部分で信号が欠落することになる。これはドロップアウト時に約２μｍ変位する可能性を意味する。つまり４μｍの測定範囲で２波長λ１λ２から得られるサイン信号の位相が同じ状態にならない信号を出力すれば、ドロップアウトを生じても、ドロップアウトから回復した時点で再び正しい値で測定が開始できることになる。
【００１１】
つまり、本発明の変位計では幅４μｍの範囲でλ１、λ２の波長を持つ光より得られるサイン信号の位相が重ならないようにλ１、λ２を設定すれば、すなわち
λ１×｛λ１÷（λ２−λ１）｝／２≧４μｍであれば高精度回転軸測定を容易に可能とする。本発明の実施例ではマルチモードレーザー光のスペクトル幅の中から２波長を抽出するため近接した２波長を抽出することができる。
【００１２】
具体的にはλ１＝６４９ｎｍ、λ２＝６５１ｎｍとするとセンサー１２ａ、１２ｂからの出力は６４９／２＝３２４．５ｎｍの正弦波信号が出力される。センサー１２ｃ、１２ｄからの出力は６５１／２＝３２５．５ｎｍとなる。両サイン信号の位相が同じ状態になるのは約±１０５μｍ先であるので上記式を十分満たし、ドロップアウト後信号が復活しても、正しい位置信号を出力できることがわかる。
【００１３】
さらに、光源をペルチェ素子等で温度調整すれば、安定した波長λ１、λ２が得られる干渉信号が同一レベルに保つことができる。さらに光電センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの信号レベルをモニターし、バンドパスフィルター１３ａ、１３ｂの透過光量が等しくなるようにペルチェ素子にフィードバックをすればさらに安定した波長λ１、λ２を得て干渉信号を同一レベルに安定させることできる。
【００１４】
また、光源はＳＬＥＤ（スーパールミネッセンスダイオード）でも同様の効果が得られる。
【００１５】
また、干渉膜フィルターはファイバーグレーティングを利用したフィルターでも同様の効果が得られる。分波に関しては本実施例では非偏光ビームスプリッターおよびバンドパスフィルターで波長を抽出しているが、これを周知なＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅ  Ｇｕｉｄｅ）を利用しても同様にλ１λ２の波長の光を抽出することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明が提案する干渉計は、光源に低コヒーレンシー光源を使用し、光束を光透過部材内にて２つの光束に分割し、一方の光束（測定光束）を光学ヘッドに固設したリファレンスミラーにて照射させ、他方の光束を移動あるいは変位する測定対象物に照射させ、それぞれの反射光束を前記透過部材内にて合波させて干渉光束を得て特定の波長光のみが透過する波長選択フィルターで特定波長光を抽出し受光素子で検出するという構成を採用する。この構成を採用によって光源にマルチモード半導体レーザーを採用することができるため、所謂モードホップによるノイズの影響を受けない光源手段が採用でき、且つ測定面上の傷等によるドロップアウトが生じても信号復活時に正しい位置出力をすることが可能な干渉計を実現できる。また、波長選択フィルターを介して特定の輝線スペクトルを抽出することでシングルモードレーザーに近い特性の計測光束が得られ、かつ、干渉計としての干渉距離を格段に伸ばすことができる。さらに光源を温調することにより複数波長が常に同一レベルで出力することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態例の干渉計の概略図
【図２】本発明による実施形態例の干渉計の出力信号を示す概略図
【図３】本発明による実施形態例の干渉計に使用された光源の発光波長スペクトル説明図
【図４】本発明による実施形態例の干渉計に使用されたバンドパスフィルターの透過特性図
【図５】従来の干渉計の概略図
【図６】従来の干渉計の出力信号を示す概略図
【符号の説明】
１ａ  半導体レーザー
２ａ、２ｂ  コリメーターレンズ
３ｂ、４  偏光ビームスプリッター
５ａ、５ｂ、５ｃ、９ａ、９ｂ  １／４λ板
６  集光レンズ
７  被測定物
８、１０、１０ａ、１０ｂ  非偏光ビームスプリッター
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  偏光板
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  光電センサー
２０ａ、２０ｂ、２０、２１、２２、２３、２４、２５  光束
３０  マルチモードファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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