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JPH03285102A - Absolute length measurement method and absolute length measurement device using FM heterodyne method - Google Patents

Absolute length measurement method and absolute length measurement device using FM heterodyne method

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JPH03285102A
JPH03285102AJP2086435AJP8643590AJPH03285102AJP H03285102 AJPH03285102 AJP H03285102AJP 2086435 AJP2086435 AJP 2086435AJP 8643590 AJP8643590 AJP 8643590AJP H03285102 AJPH03285102 AJP H03285102A
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Toshitsugu Ueda
敏嗣 植田
Eiji Ogita
英治 荻田
Katsumi Isozaki
磯崎 克己
Yoshihiko Tachikawa
義彦 立川
Katsuya Ikezawa
克哉 池澤
Hideo Hirukawa
英男 蛭川
Bunkan Kin
文煥 金
Shinji Komiya
伸二 小宮
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

Translated fromJapanese

(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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

Translated fromJapanese

【発明の詳細な説明】(産業上の利用分野)本発明は物体までの絶対距離を測定するアブソリュート
測長方法およびアブソリュート測長器に関し、特に、F
Mヘテロダイン測長法を使用したアブソリュー;・測長
方法ならびに、アブソリュート測長器に関する。
Detailed Description of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to an absolute length measuring method and an absolute length measuring device for measuring the absolute distance to an object, and particularly relates to an absolute length measuring device for measuring an absolute distance to an object.
Absolute using M-heterodyne length measurement method: -Relates to a length measurement method and an absolute length measurement device.

(従来の技術)近年、サブナノメートルの精度を要求される電子部品や
製造装置の要求か高まり、この産業界の要請に応しるべ
く、距離計測や形状計測に用いられる干渉計の分野で、
高精度な干渉縞計測技術の研究開発が活発化している。
(Prior art) In recent years, the demand for electronic components and manufacturing equipment that requires sub-nanometer precision has increased, and in order to meet this industrial demand, in the field of interferometers used for distance measurement and shape measurement,
Research and development of high-precision interference fringe measurement technology is gaining momentum.

現在実用化されている、レーザ変位計に代表されるイン
クリメンタル式の測長器(すなわち、干渉縞の数を積算
する方式の測長器)の構成の一例を第9図に示す。
FIG. 9 shows an example of the configuration of an incremental length measuring device (that is, a length measuring device that integrates the number of interference fringes), which is currently in practical use and is typified by a laser displacement meter.

このレーザ変位計は、レーザ光源40からレーザー光を
出射し、被測定対象物体43に変位し6を与え、この光
路差に起因する干渉縞をフォトダイオード44で検出し
、その数(M)を計数し、演算回路45により所定の演
算を行って、相対的に距離り、を検出するものである。
This laser displacement meter emits a laser beam from a laser light source 40 to give a displacement of 6 to an object to be measured 43, detects interference fringes caused by this optical path difference with a photodiode 44, and calculates the number (M) of the interference fringes. The calculation circuit 45 performs a predetermined calculation to detect the relative distance.

また、絶対距離を測定する測長法として、FMヘテロダ
イン計測法があり、最近、光源として半導体レーザを使
用し、注入電流を変化させることによりレーザ光をFM
変調しく中心波長830n■)、ヘテロダイン検波によ
り得られたビート信号の位相偏位を測定することにより
、粗面散乱体に対して約5001の絶対距離を約50μ
mの精度で測定でき、かつ相対距離を約10n■の高精
度で測定可能な測長器についての報告がなされている(
 vOFS4−8[半導体レーザによる距離の高分解能
FMヘテロダイン測定法」、小林、日中、伊藤、大高、
福井大学工学部 January 12−1!l、 1
987. Japan 5ociety or App
lied physics)。
In addition, there is the FM heterodyne measurement method as a length measurement method for measuring absolute distance.
By measuring the phase deviation of the beat signal obtained by modulating the center wavelength of 830n) and heterodyne detection, the absolute distance of about 5001 to the rough scatterer can be calculated by about 50μ.
There has been a report on a length measuring device that can measure with an accuracy of m and a relative distance with a high accuracy of about 10 n.
vOFS4-8 [High-resolution FM heterodyne measurement method of distance using semiconductor laser], Kobayashi, Naka, Ito, Otaka,
Fukui University Faculty of Engineering January 12-1! l, 1
987. Japan 5ociety or App
led physics).

(発明が解決しようとする課題)上述した従来の技術のうち、レーザ変位計等のインクリ
メンタル式のものは、変位を与えなければ距離が測定で
きず、高精度のレール等が必要となる。また、第10図
のように物体の形状測定等において、例えば、主面アか
ら主面イへと測定物を移動させた場合には、段差の部分
において信号が瞬時的に失われ、それだけで測定が不能
となってしまう。光路が遮られて信号を失った場合も同
様である。
(Problems to be Solved by the Invention) Among the conventional techniques described above, incremental type ones such as a laser displacement meter cannot measure distance unless displacement is applied, and a highly accurate rail or the like is required. In addition, when measuring the shape of an object as shown in Figure 10, for example, when moving the object to be measured from main surface A to main surface B, the signal is momentarily lost at the step part, which causes Measurement becomes impossible. The same applies when the optical path is blocked and the signal is lost.

また、従来のFMヘテロダイン測長器では、第11図の
上側の図に示すように、相対距離はレーザ光の波長レベ
ル(ナノメータオーダー)の測定が可能であるが、絶対
距離については50μm程度が限界であり、相対距離の
測定と比較して精度がかなり低い。
Furthermore, with the conventional FM heterodyne length measuring instrument, as shown in the upper part of Figure 11, relative distances can be measured at the wavelength level of laser light (nanometer order), but absolute distances can be measured at about 50 μm. It is limited and has much lower accuracy compared to relative distance measurements.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり
、その目的は、アブソリュート測長の精度を光源の波長
以下の精度、すなわち、lonm程度まで飛躍的に向上
させることにある。
The present invention has been made in view of these problems, and its purpose is to dramatically improve the accuracy of absolute length measurement to less than the wavelength of the light source, that is, to the order of lonm.

(課題を解決するための手段)本発明のアブソリュート測長方法は、レーザ光源と、特
定の周波数域において光吸収のピークを有する光吸収用
セルと、被測定対象である物体からの反射光と参照光と
の干渉位相を測定する第1の干渉計と、第1の長さ基準
および該第1の長さ基準より短い第2の長さ基準のそれ
ぞれを光路差とする第2および第3の干渉計とを用意し
、まず、FM変調された前記レーザ光を前記物体に向け
て照射し、前記第1および第2の干渉計がら得られる干
渉次数を測定し、次に、前記光吸収用セルの吸収ピーク
の周波数に前記レーザ光源の周波数を固定し、この状態
で前記第1.第2および第3の干渉計のそれぞれにより
干渉位相を測定し、FM変調期間において前記第1およ
び第2の干渉計により測定された干渉次数と、前記吸収
ピークの周波数における前記レーザ光源の波長と、前記
第1の長さ基準とを用いて下記第1式より干渉次数Nを
求め、N−整数((Lm、、、・N、)/ (λ5..・NN
L)1・・・・・・・・・(1)周波数安定化期間において前記第2および第3の干渉計
(30,21,22,27,2g 、23,24,25
.26)のそれぞれにより測定された干渉位相(θNL
+  θSL)を用いて、下記第2式より空気の絶対屈
折率nab、を求め、n mho −n 。+ [NX + ((θNL−θ
o)/2π} ・ (λgss / L le□)] 
 ・・・・・・・・・(2)但し、noおよびθoは、
絶対空気屈折率部(32)を校正した時の空気の屈折率
の値と第2の干渉計から得られる位相の初期値であり、
Nxは第3の干渉計から得られる位相信号θSLより決
定した第2の干渉計の干渉次数であり、次に、前記干渉次数N、空気の絶対屈折率n1b1.第
1の干渉計により測定された干渉位相(θm)、前記吸
収ピークの周波数における前記レーザ光源(1)の波長
(λ□、)を下記第3式に代入し、L□−(N+ (θ□/2π})(λgm+ / n 
ab8)                  ・・・
・・・・・・(3)これにより、前記物体(6)までの
絶対距離(Lm、)を求めることを特徴とする。
(Means for Solving the Problems) The absolute length measurement method of the present invention includes a laser light source, a light absorption cell having a light absorption peak in a specific frequency range, and a light reflected from an object to be measured. a first interferometer that measures the interference phase with the reference light, and second and third interferometers that use a first length reference and a second length reference shorter than the first length reference as optical path differences, respectively. an interferometer is prepared, first, the FM modulated laser beam is irradiated toward the object, the interference order obtained from the first and second interferometers is measured, and then the light absorption The frequency of the laser light source is fixed to the frequency of the absorption peak of the first cell. The interference phase is measured by each of the second and third interferometers, and the interference order measured by the first and second interferometers during the FM modulation period and the wavelength of the laser light source at the frequency of the absorption peak are determined. , the interference order N is determined from the first equation below using the first length standard, and N - integer ((Lm,,,・N,)/(λ5...・NN
L) 1... (1) During the frequency stabilization period, the second and third interferometers (30, 21, 22, 27, 2g, 23, 24, 25
.. 26), the interference phase (θNL
+ θSL), the absolute refractive index nab of air is determined from the second equation below, and n mho −n is obtained. + [NX + ((θNL-θ
o)/2π} ・(λgss/L le□)]
・・・・・・・・・(2) However, no and θo are
These are the value of the refractive index of air when the absolute air refractive index section (32) is calibrated and the initial value of the phase obtained from the second interferometer,
Nx is the interference order of the second interferometer determined from the phase signal θSL obtained from the third interferometer, and next, the interference order N, the absolute refractive index of air n1b1 . Substituting the interference phase (θm) measured by the first interferometer and the wavelength (λ□, ) of the laser light source (1) at the frequency of the absorption peak into the third equation below, L□−(N+ (θ □/2π})(λgm+/n
ab8)...
(3) This is characterized in that the absolute distance (Lm, ) to the object (6) is determined.

また、本発明のアブソリュート測長器は、出力光の周波
数を所定範囲で連続的に変化させることができる光源と
、該光源の周波数安定化手段と、前記物体からの反射光
と参照光との干渉位相を測定する干渉位相測定手段と、
第1の長さ基準と該第1の長さ基準より短い第2の長さ
基準を具備し、該第1の長さ基準を光路差として得られ
る干渉位相と、第2の長さ基準を光路差として得られる
干渉位相とをそれぞれ測定する、基準長さを用いた干渉
位相測定手段と、前記干渉位相測定手段および基準長さ
を用いた干渉位相測定手段から得られる干渉位相測定信
号を入力とし、位相偏位を利用して前記絶対距離を算出
する演算部とを有し、前記周波数安定化手段は、特定の
周波数域において光吸収のピークを有し、前記光源の出
力光を人力とする光吸収用セルと、該光吸収用セルを通
過した光の強度を測定する光センサと、該光センサの出
力の低下により前記光源の出力光の周波数が前記光吸収
用セルの吸収ピークの周波数に達したことを検出し、制
御信号を前記光源に帰還させる手段とを具備し、周波数
を連続的に変化させている前記光源の周波数が前記吸収
ピークの周波数と一致すると、該光源の周波数を吸収ピ
ークの周波数に固定するようになっていることを特徴と
する。
Further, the absolute length measuring device of the present invention includes a light source capable of continuously changing the frequency of output light within a predetermined range, a frequency stabilizing means for the light source, and a means for adjusting the frequency of the reflected light from the object and the reference light. an interference phase measuring means for measuring an interference phase;
A first length reference and a second length reference shorter than the first length reference are provided, and an interference phase obtained by using the first length reference as an optical path difference and a second length reference are provided. An interference phase measurement means using a reference length that measures the interference phase obtained as an optical path difference, and an interference phase measurement signal obtained from the interference phase measurement means and the interference phase measurement means using the reference length are input. and an arithmetic unit that calculates the absolute distance using phase deviation, and the frequency stabilizing means has a peak of light absorption in a specific frequency range, and the frequency stabilizing means has a peak of light absorption in a specific frequency range, and the frequency stabilizing means has a peak of light absorption in a specific frequency range, and the output light of the light source is controlled manually. a light absorption cell that measures the intensity of light that has passed through the light absorption cell; and a light sensor that measures the intensity of the light that has passed through the light absorption cell; means for detecting that the frequency has been reached and returning a control signal to the light source, and when the frequency of the light source whose frequency is continuously changed matches the frequency of the absorption peak, the frequency of the light source is fixed at the absorption peak frequency.

(作用)DBRレーザ等の注入電流を変化させて発振周波数を広
い範囲に渡り連続的に変化させ、周波数がRb(ルビジ
ュウム)等のガスセルの光吸収ピ一りの周波数になると
、負帰還をかけて発振周波数をその吸収ピーク周波数に
固定し、安定化させる。
(Function) The oscillation frequency is continuously changed over a wide range by changing the injection current of a DBR laser, etc. When the frequency reaches the same frequency as the light absorption peak of a gas cell such as Rb (rubidium), negative feedback is applied. to fix the oscillation frequency at its absorption peak frequency and stabilize it.

FM変調期間には絶対モードの測定を行い、安定化期間
には相対モードの測定を行う。すなわち、第11図の下
側の図に示すように、絶対モードでの測定精度を相対モ
ードのレベルまで高め、相対モードの測定と合体させる
Absolute mode measurement is performed during the FM modulation period, and relative mode measurement is performed during the stabilization period. That is, as shown in the lower diagram of FIG. 11, the measurement accuracy in the absolute mode is increased to the level of the relative mode, and is combined with the measurement in the relative mode.

測長は、マイケルソンの干渉計等と、第1および第2の
基準長さを利用した干渉計とにより行う。
The length measurement is performed using a Michelson interferometer or the like and an interferometer that uses the first and second reference lengths.

レーザ光の広範囲に渡る連続的なFM変調と、Rb等の
ガスセルによる波長の安定化ならびに波長の絶対値の保
障と、高精度の基準長さ(基準ギャップ)の採用により
、干渉次数Nを高精度に特定でき、これによって絶対モ
ードによる測定精度を光源の波長レベルにまで向上でき
、さらに、FM変調期間に連続する相対モードによる測
定と2種類の基準長さの採用によって、空気の絶対屈折
率n*b*h干渉位相θmを高精度に測定でき、結果的
に、アブソリュート測長のレベルを相対測長のレベル、
すなわち、光源の波長以下(10nmオーダ)のレベル
にまで高めることが可能となる。
The interference order N is increased by continuous FM modulation of the laser beam over a wide range, stabilization of the wavelength by a gas cell such as Rb, guarantee of the absolute value of the wavelength, and adoption of a highly accurate reference length (reference gap). This improves the measurement precision of the absolute mode to the level of the wavelength of the light source.Furthermore, by using the continuous relative mode during the FM modulation period and using two types of reference lengths, the absolute refractive index of the air can be determined. The n*b*h interference phase θm can be measured with high precision, and as a result, the level of absolute length measurement can be changed to the level of relative length measurement,
In other words, it becomes possible to increase the wavelength to a level that is below the wavelength of the light source (on the order of 10 nm).

(実施例)次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
(Example) Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施例1第1図は本発明のアブソリュート測長器の一実施例の構
成を示す図である。
Embodiment 1 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of an absolute length measuring device of the present invention.

本実施例のアブソリュート測長器35は、測長用光源1
と、この光源1の駆動電流を連続的に変化させるための
電流スィーパ(低出力インピーダンスのアンプを利用し
た可変電流源回路) 1Bと、光源1の出力光強度を一
定に保つための定電流源I8と、FMモードと周波数安
定化モードとを切換えるスイッチI7と、光学系2. 
3.4.10と、周波数安定化部31と、干渉位相測定
部3oと、空気の絶対屈折率補正部32と、位相測定部
33と、制御処理部34とを有している。
The absolute length measuring device 35 of this embodiment has a length measuring light source 1.
1B, a current sweeper (variable current source circuit using a low output impedance amplifier) for continuously changing the driving current of light source 1, and a constant current source for keeping the output light intensity of light source 1 constant. I8, a switch I7 for switching between FM mode and frequency stabilization mode, and optical system 2.
3.4.10, a frequency stabilization section 31, an interference phase measurement section 3o, an air absolute refractive index correction section 32, a phase measurement section 33, and a control processing section 34.

以下、各部の構成と機能を説明する。The configuration and functions of each part will be explained below.

測長月光源1光源1としてDBR半導体レーザを使用している。DB
R半導体レーザは、出力光強度を決定する活性領域と周
波数を制御するDBR領域とを具備し、注入電流I6は
定電流源I8て一定に保たれ、周波数制御電流ICはス
ィーパ16の吸込み量の変化にしたがって所定範囲に渡
7て連続的に変化する。これによってFM変調がなされ
る。
Length measurement moon light source 1 A DBR semiconductor laser is used as the light source 1. DB
The R semiconductor laser includes an active region that determines the output light intensity and a DBR region that controls the frequency.The injection current I6 is kept constant by a constant current source I8, and the frequency control current IC is controlled by the amount of absorption by the sweeper 16. It changes continuously over a predetermined range 7 according to the change. This performs FM modulation.

周波数安定化部31DBR半導体レーザ1から出射された光はコリメータレ
ンズ2で平行光とされ、アイソレータ3およびハーフミ
ラ−4を経てハーフミラ−1oて分割され、さらにハー
フミラ−11で再分割される。
Frequency Stabilizer 31 The light emitted from the DBR semiconductor laser 1 is made into parallel light by a collimator lens 2, passed through an isolator 3 and a half mirror 4, divided by a half mirror 1o, and further divided by a half mirror 11.

分割された光の一方はリファレンス用フォトダイオード
(光センサ)12により検波され、他方の光はRh(ル
ビジュウム)ガスセル13を通過後に透過光モニタ用フ
ォトダイオード(光センサ)14て検波される。フォト
ダイオード12.14の検出出力の差を比較器15bで
検出し、この結果は制御処理部34に送られる。光源1
の出力光の周波数が、ガスセル13の吸収ピークの周波
数となって吸収が生じ、フォトダイオード14の出力が
急激に低下すると、制御処理部34はこれを検出し、ス
イッチエフをアンプL5a側に切換え、アンプ15aの
出力をDBR半導体レーザ1に帰還させる。これにより
、周波数(位相)の負帰還ループが構成され、レーザ光
の周波数はガスセル13の吸収ピークの周波数に固定(
安定化)される。
One of the divided lights is detected by a reference photodiode (light sensor) 12, and the other light is detected by a transmitted light monitor photodiode (light sensor) 14 after passing through a Rh (rubidium) gas cell 13. A comparator 15b detects the difference between the detection outputs of the photodiodes 12 and 14, and the result is sent to the control processing section 34. light source 1
When the frequency of the output light becomes the frequency of the absorption peak of the gas cell 13 and absorption occurs, and the output of the photodiode 14 suddenly decreases, the control processing unit 34 detects this and switches the switch F to the amplifier L5a side. , the output of the amplifier 15a is fed back to the DBR semiconductor laser 1. This constitutes a frequency (phase) negative feedback loop, and the frequency of the laser beam is fixed at the absorption peak frequency of the gas cell 13 (
stabilized).

干渉位相測定部30マイケルソンの干渉計から構成されており、ハーフミラ
−4を透過した光は、さらにハーフミラ−7で分割され
、分割光は反射ミラー5と被測定対象(反射ミラー)7
でそれぞれ反射され、フォトダイオード8上で合波され
、干渉位相が得られる。
Interference phase measuring section 30 Consists of a Michelson interferometer, the light transmitted through the half mirror 4 is further divided by the half mirror 7, and the divided light is sent to the reflecting mirror 5 and the object to be measured (reflecting mirror) 7.
, and are multiplexed on the photodiode 8 to obtain an interference phase.

絶対屈折率測定部32ハーフミラ−IOで分割された他方の光は、ハーフミラ
−19で再び分割され、ハーフミラ−21と反射ミラー
22により、長い長さ基準L1゜。1と短い長さ基準L
 mb。1.(それぞれ、基準ギャップ27.26によ
り提供される)に導かれ、それぞれの長さに対応した干
渉信号をフォトダイオード28および25で得る。基準
ギャップ27.26は熱膨張係数の小さいスーパーイン
バーやゼロデユア−等の材料で構成されている。
Absolute refractive index measuring section 32 The other light split by the half mirror IO is split again by the half mirror 19, and is measured by the half mirror 21 and the reflecting mirror 22 to a long length reference L1°. 1 and short length standard L
mb. 1. (provided by reference gaps 27, 26, respectively), and interference signals corresponding to their respective lengths are obtained at photodiodes 28 and 25. The reference gaps 27 and 26 are made of a material with a small coefficient of thermal expansion, such as Super Invar or Zerodure.

信号処理部位相測定部33は、3つのフォトダイオード8゜28.
25からの検出出力を受けてそれぞれの位相を求め、制
御処理部84は位相偏位より、測長器35のレーザ光出
射端部から被測定対象である物体6までの距離り、を求
め、出力(例えば、デイスプレィ機器に表示)する。
The signal processing part phase measuring section 33 includes three photodiodes 8°28.
25, the control processing unit 84 calculates the distance from the laser beam emitting end of the length measuring device 35 to the object 6 to be measured from the phase deviation. Output (for example, display on a display device).

動作第2図は本実施例の動作フローと、これに対応する構成
部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す図
である。この図では、理解を容易とするために上部、中
部、下部をそれぞれレーザ光源部、測定部、演算部にわ
け、かつ、中央より左部をFM変調期間、右部をガスセ
ルの周波数に安定化した期間に分け、表形式で記載して
いる。
Operation FIG. 2 is a diagram collectively showing the operation flow of this embodiment, the state of the corresponding components, and the calculation process of physical quantities. In this figure, for ease of understanding, the upper, middle, and lower parts are divided into the laser light source section, measurement section, and calculation section, respectively, and the left part from the center is the FM modulation period, and the right part is stabilized at the gas cell frequency. It is divided into periods and listed in table format.

また、第3図には時間(1)に対する各部の波形が示さ
れている。
Further, FIG. 3 shows waveforms of various parts with respect to time (1).

まず、時tAtl−t2(期間Ta)にはDBR半導体
レーザ1の出力光は連続的にFM変調されており(ステ
ップ50)、第3図の最上部の図のように周波数fは直
線的に増加していく。この期間において、マイケルソン
の干渉計30と、長い基準長さLl。n、(基準ギャッ
プ27)を基準とした干渉計のそれぞれ(すなわち、フ
ォトダイオード828)から干渉位相が測定され、これ
により干渉次数N、とNNLとが特定される(ステップ
51)。本実施例では、第3図の上から3番目および第
4番目の図のように、Nff1とNNLとはそれぞ゛れ
、348および3.5である。
First, at time tAtl-t2 (period Ta), the output light of the DBR semiconductor laser 1 is continuously FM modulated (step 50), and the frequency f is linearly modulated as shown in the top diagram of FIG. It will increase. During this period, the Michelson interferometer 30 and the long reference length Ll. The interference phase is measured from each of the interferometers (that is, the photodiode 828) using n, (reference gap 27) as a reference, and thereby the interference orders N and NNL are specified (step 51). In this embodiment, as shown in the third and fourth figures from the top of FIG. 3, Nff1 and NNL are 348 and 3.5, respectively.

時刻t2にDBR半導体レーザ1の出力光の周波数がR
bガスセルの吸収ピークの周波数と一致し、第3図の上
から2番目の図に示されるようにフォトダイオード14
の出力が急激に低下すると、スイッチ17が切替わり、
周波数がこの吸収ピークの周波数に安定化される(ステ
ップ52)。この安定化期間は時刻t3まで続き(期間
Tb)、時刻t3に1回のサイクルが終了する。この安
定化期間に、フォトダイオード8.28.25のそれぞ
れにより、干渉位相θm、θ90.θ9.が求められる
(ステップ53)。
At time t2, the frequency of the output light of the DBR semiconductor laser 1 becomes R.
b coincides with the absorption peak frequency of the gas cell, and as shown in the second diagram from the top of FIG. 3, the photodiode 14
When the output of the switch 17 suddenly decreases, the switch 17 switches.
The frequency is stabilized to the frequency of this absorption peak (step 52). This stabilization period continues until time t3 (period Tb), and one cycle ends at time t3. During this stabilization period, the interference phases θm, θ90. θ9. is determined (step 53).

この場合の干渉位相θm等は第4図に示すように、フォ
トダイオードの出力信号のエンベロープを求め、全体の
振幅すと、この振幅の中心位置からの変位量aを求め、
CO3−’ (a/b)を計算することにより算出され
る。なお、短い長さ基準を光路差とした干渉位相θN、
より、後述する空気の絶対屈折率n、6.を特定する際
に必要となる干渉次数Nxか求められる。
In this case, the interference phase θm, etc., as shown in Figure 4, is obtained by finding the envelope of the output signal of the photodiode, calculating the overall amplitude, and finding the displacement a of this amplitude from the center position.
It is calculated by calculating CO3-' (a/b). In addition, the interference phase θN with the short length reference as the optical path difference,
Therefore, the absolute refractive index n of air, which will be described later, is 6. The interference order Nx required for specifying is determined.

次に、制御処理部34は下記式による演算を行い、絶対
距離L□を測定する。まず、下記第1式より干渉次数N
を求め(ステップ54)、N−整数((Ll。□・Nff1)/ (λ1□ ・N
NL) !・・・・・・・・・(1)次に、干渉位相春〒千〇礼、θ3.を用いて、下記第2
式より空気の絶対屈折率n、1.を求める(ステップ5
5)。
Next, the control processing unit 34 calculates the following formula to measure the absolute distance L□. First, from the first equation below, the interference order N
(Step 54), N-integer ((Ll.□・Nff1)/(λ1□・N
NL)!・・・・・・・・・(1) Next, the interference phase spring 〒1000, θ3. Using the following 2nd
From the formula, the absolute refractive index of air is n, 1. (Step 5)
5).

n sba  −n 。+  [NX +  ((θN
L−θo)/2π}  (λ1゜、/L1゜、、、) 
]    ・・・・・・・・・(2)但し、noおよび
θoは、絶対空気屈折率部(32)を校正した時の空気
の屈折率の値と第2の干渉計から得られる位相の初期値
であり、NXは第3の干渉計から得られる位相信号θS
Lより決定した第2の干渉計の干渉次数である。このと
き、干渉次数N、は、高精度ゆえに複数の干渉縞が現れ
る、長い長さ基準L +6nMを使用した干渉計単独で
は特定できないが、精度の低い、短い長さ基準L ah
。、1を利用した干渉計の測定結果を重ねることにより
、決定することができる(第5図)。
nsba-n. + [NX + ((θN
L-θo)/2π} (λ1゜, /L1゜,,,)
] ・・・・・・・・・(2) However, no and θo are the value of the refractive index of air when the absolute air refractive index section (32) is calibrated and the phase obtained from the second interferometer. is the initial value, and NX is the phase signal θS obtained from the third interferometer.
This is the interference order of the second interferometer determined from L. At this time, the interference order N, cannot be determined by an interferometer alone using the long length standard L +6nM, where multiple interference fringes appear due to its high accuracy, but the short length standard L ah, which has low accuracy.
. , 1 can be determined by overlapping the measurement results of interferometers using 1 (FIG. 5).

次に、ステップ54で求めた干渉次数N、ステップ55
で求めた空気の絶対屈折率n。、、干渉計30により測
定された干渉位相θo、前記吸収ピークの周波数におけ
る前記レーザ光源1の波長λ1.。
Next, the interference order N obtained in step 54, step 55
The absolute refractive index of air, n. ,, the interference phase θo measured by the interferometer 30, the wavelength λ1 of the laser light source 1 at the frequency of the absorption peak. .

(既知)を下記第3式に代入し、L、−(N+ (θm/2π}) ・(λg@@ / 
n @11、)               ・・・
・・・・・・(3)これにより、前記物体(6)までの
絶対距離り、を求める(ステップ56)。
(known) into the third equation below, L, -(N+ (θm/2π}) ・(λg@@ /
n @11,) ・・・
(3) From this, the absolute distance to the object (6) is determined (step 56).

第3式において、干渉次数N、ならびにθヨ/2πより
決まる端数位相εの精度が極めて高いために、絶対距離
り、、をナノメータのオーダーで高精度に測定できる。
In the third equation, since the precision of the interference order N and the fractional phase ε determined by θ y /2π is extremely high, the absolute distance , can be measured with high precision on the order of nanometers.

実施例2第6図は本発明の第2の実施例の構成を示す図、第7図
はその動作を説明するための時間に対する各部の波形を
示す図である。
Embodiment 2 FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram showing waveforms of various parts with respect to time to explain its operation.

本実施例は、第1の実施例のスイッチ17を除去し、周
波数を吸収ピークの周波数に安定化させる機構をなくし
たものである。その代わりに、フォトダイオード14の
検出出力を直接に位相測定部33に入力し、スィーパI
Bで周波数掃引しながら、時刻t3およびt5に得られ
る吸収ピークをトリガーとして端数位相θm等を測定す
る。本実施例によれば、周波数安定化機構をなくした分
だけ、構成が簡素化でき、複雑なシーケンスが不要とな
り、さらに高速測定が可能となるという効果がある。
In this embodiment, the switch 17 of the first embodiment is removed, and the mechanism for stabilizing the frequency at the absorption peak frequency is eliminated. Instead, the detection output of the photodiode 14 is directly input to the phase measuring section 33, and the sweeper I
While sweeping the frequency at B, the fractional phase θm and the like are measured using the absorption peaks obtained at times t3 and t5 as triggers. According to this embodiment, since the frequency stabilization mechanism is eliminated, the configuration can be simplified, a complicated sequence is unnecessary, and high-speed measurement is possible.

実施例3本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、種々
変形が可能である。
Embodiment 3 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.

例えば、周波数可変光源としてはDBRレーザの他、色
素レーザやTiドープのサファイヤレーザ等の波長が連
続的に可変のレーザを使用してもよい。また、FM変調
回路を付加し、電圧駆動タイプのレーザを外部変調して
もよい。
For example, as the frequency variable light source, in addition to a DBR laser, a laser whose wavelength is continuously variable, such as a dye laser or a Ti-doped sapphire laser, may be used. Furthermore, an FM modulation circuit may be added to externally modulate the voltage-driven laser.

また、測定対象物体6の面を鏡面とする必要は必ずしも
なく、直前にレンズを設置し、粗面での計測や形状計測
をしてもよい。
Further, the surface of the object 6 to be measured does not necessarily have to be a mirror surface, and a lens may be installed just in front of the object 6 to perform measurement or shape measurement on a rough surface.

また、FM測長により干渉次数Nを決定する方式として
、長い長さ基準と干渉位相の比をとるのではなく、第8
図に示すように、ガスの複数の吸収線を利用してトリガ
ー信号を得、この2本の吸収線のタイミング間のレーザ
の周波数変移ΔFを測定してもよい。
In addition, as a method for determining the interference order N by FM length measurement, instead of taking the ratio of the long length reference and the interference phase,
As shown in the figure, a trigger signal may be obtained using a plurality of absorption lines of the gas, and the frequency shift ΔF of the laser between the timings of these two absorption lines may be measured.

(発明の効果)以上説明したように本発明は、ガスセルを用いた波長の
安定化と絶対値の保障、少なくとも2種類の高精度の基
準ギャップ(基準長さ)の採用、ならびにFM変調波に
よる絶対モードによる測定とそれに続く周波数を固定し
ての相対モードでの測定システムの採用、ならびに空気
の絶対屈折率の測定(屈折率の補正)により、下記の効
果が得られる。
(Effects of the Invention) As explained above, the present invention stabilizes the wavelength using a gas cell and guarantees the absolute value, employs at least two types of highly accurate reference gaps (reference lengths), and uses FM modulated waves. By adopting an absolute mode measurement followed by a relative mode measurement system with a fixed frequency, and by measuring the absolute refractive index of air (refractive index correction), the following effects can be obtained.

(1)従来不可能であった、使用する光源の波長以下の
レベルの絶対距離の測定が可能となる。
(1) It becomes possible to measure absolute distances at a level below the wavelength of the light source used, which was previously impossible.

(2)しかも、lOnmオーダーのレベルまでの測定が
可能であり、アブソリュート測長のレベルを相対測長の
レベルと同程度とすることが可能となる。
(2) Moreover, it is possible to measure up to a level on the order of 1 Onm, and it is possible to make the level of absolute length measurement comparable to the level of relative length measurement.

(3)これにより、例えば、極めて高精度な形状測定器
の提供か可能となり、今後、サブナノメートルの精度を
要求される電子部品や製造装置分野の産業界の要請に応
え、各種の機器への適用、応用が期待される。
(3) This makes it possible, for example, to provide extremely high-precision shape measuring instruments, which will meet the demands of the electronic parts and manufacturing equipment industries that require sub-nanometer precision in the future. Applications and application are expected.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のアブソリュート測長器の第1の実施例
の構成を示す図、第2図は本実施例の動作フローと、これに対応する構成
部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す図
(この図では、理解を容易とするために上部、中部、下
部をそれぞれレーザ光源部。測定部、演算部にわけ、かつ、中央より左部をFM変調
期間、右部をガスセルの周波数に安定化した期間に分け
、表形式で記載している)、第3図は第1図の時間に対
する各部の波形を示す図、第4図は端数位相(θm等)の算出方法を説明するため
の図、第5図は空気の絶対屈折率(nabs)の算出方法(こ
のときに必要となる干渉次数nxの求める方法を含む)
を説明するための図、第6図は本発明のアブソリュート測長器の第2の実施例
の構成を示す図、第7図は第6図の各部の時間に対する波形を示す図、第8図は本発明の他の変形例を説明するための図、第9図は従来例(インクリメンタル式の変位計)の構成
を示す図、第1O図は第9図の従来例の問題点を示す図、第11図
は他の従来例(絶対距離の測長器)と本発明のアブソリ
ュート測長器との性能の比較を示す図である。1・・・DBR半導体レーザ2・・・コリメータレンズ3・・・アイソレーション  4・・・ハーフミラ−5
・・・反射ミラー(CC)6・・・被測定対象物体(反射ミラー(CC))7・・
・ハーフミラ−8・・・フォトダイオード(光センサ)1(1,11・
・・ハーフミラ−12・・・フォトダイオード13・・・Rb(ルビジュウム)ガスセル14・・・フ
ォトダイオード15a・・・アンプ15b・・・比較器(差動アンプ)16・・・電流スィーパ−17・・・スイッチ19、2
1.24・・・ハーフミラ−20、22,23・・・反射ミラー26、27・・・基準ギャップ25、28・・・フォトダイオード30・・・干渉位相測定部32・・・絶対屈折率測定部34・・・制御処理部35・・・アブソリュート測長器36・・・吸収測定部Ll。、1・・・長い長さ基準り、、。、・・・短い長さ基準31・・・周波数安定化部33・・・位相測定部第4図t2tコ第5図
Fig. 1 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the absolute length measuring device of the present invention, and Fig. 2 summarizes the operation flow of this embodiment, the appearance of the corresponding components, and the calculation process of physical quantities. (In this figure, for ease of understanding, the upper, middle, and lower parts are the laser light source section. The measurement section and the calculation section are divided into the FM modulation period and the right section, respectively. Figure 3 shows the waveforms of each part versus time in Figure 1. Figure 4 explains how to calculate the fractional phase (θm, etc.). Figure 5 shows the method for calculating the absolute refractive index (nabs) of air (including the method for calculating the interference order nx, which is necessary at this time).
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the absolute length measuring device of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing waveforms of each part of FIG. 6 versus time. FIG. 8 is a diagram for explaining another modification of the present invention, FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a conventional example (incremental displacement meter), and FIG. 1O is a diagram showing problems in the conventional example of FIG. 9. , FIG. 11 is a diagram showing a comparison of performance between another conventional example (absolute distance measuring device) and the absolute length measuring device of the present invention. 1... DBR semiconductor laser 2... Collimator lens 3... Isolation 4... Half mirror 5
... Reflection mirror (CC) 6 ... Object to be measured (reflection mirror (CC)) 7 ...
・Half mirror 8... Photodiode (light sensor) 1 (1, 11・
...Half mirror 12...Photodiode 13...Rb (rubidium) gas cell 14...Photodiode 15a...Amplifier 15b...Comparator (differential amplifier) 16...Current sweeper 17. ...Switch 19, 2
1.24...Half mirror 20, 22, 23...Reflection mirror 26, 27...Reference gap 25, 28...Photodiode 30...Interference phase measuring section 32...Absolute refractive index measurement Section 34... Control processing section 35... Absolute length measuring device 36... Absorption measuring section Ll. , 1...Long length standard,,. ...Short length reference 31...Frequency stabilization section 33...Phase measurement section Fig. 4 t2t Fig. 5

Claims (1)

Translated fromJapanese
【特許請求の範囲】(1)レーザ光源(1)と、特定の周波数域において光
吸収のピークを有する光吸収用セル(13)と、被測定対象である物体(6)からの反射光
と参照光との干渉位相を測定する第1の干渉計(30)
と、第1の長さ基準(L_l_o_n_g)および該第
1の長さ基準より短い第2の長さ基準(L_s_h_o
_r_t)のそれぞれを光路差とする第2および第3の
干渉計(21、22、27、28、23、24、25、
26)とを用意し、まず、FM変調された前記レーザ光(1)を前記物体(6)に向けて照射し、前記第1および第2
の干渉計(30、21、22、27、28)から得られ
る干渉次数(N_m、N_N_L)を測定し、次に、前
記光吸収用セル(13)の吸収ピークの周波数に前記レ
ーザ光源(1)の周波数を固定し、この状態で前記第1
、第2および第3の干渉計(30、21、22、27、
28、23、24、25、26)のそれぞれにより干渉
位相(θ_m、θ_N_L、θ_S_L)を測定し、FM変調期間において前記第1および第2の干渉計(30、21、22、27、28)により測定
された干渉次数(N_m、N_N_L)と、前記吸収ピ
ークの周波数における前記レーザ光源(1)の波長(λ
_g_a_s)と、前記第1の長さ基準(L_l_o_
n_g)とを用いて下記第1式より干渉次数Nを求め、N=整数{(L_l_o_n_g−・N_m)/(λ_
g_a_s・N_N_L)}………(1)周波数安定化期間において前記第2および第3の干渉計(30、21、22、27、28、23、
24、25、26)のそれぞれにより測定された干渉位
相(θ_N_L、θ_S_L)を用いて、下記第2式よ
り空気の絶対屈折率n_a_b_sを求め、n_a_b_s=n_o+[N_x+{(θ_N_L−
θ_o)/2π}・(λ_g_a_s/L_l_o_n
_g)]………(2)但し、n_oおよびθ_oは、絶
対空気屈折率部(32)を校正した時の空気の屈折率の
値と第2の干渉計から得られる位相の初期値であり、N
_xは第3の干渉計から得られる位相信号θ_S_Lよ
り決定した第2の干渉計の干渉次数であり、次に、前記干渉次数N、空気の絶対屈折率n_a_b_s、第1の干渉計により測定された干渉位
相(θ_m)、前記吸収ピークの周波数における前記レ
ーザ光源(1)の波長(λ_g_a_s)を下記第3式
に代入し、L_m={N+(θ_m/2π)}・(λ_g_a_s
/n_a_b_s、)………(3)これにより、前記物体(6)までの絶対距離(L_m)を求めることを特徴とするFMヘテロダイ
ン法を用いたアブソリュート測長方法。(2)光の干渉縞の干渉次数を特定する機能を有し、こ
れにより物体(6)までの絶対距離(L_m)を測定できるアブソリュート測長器であって
、出力光の周波数を所定範囲で連続的に変化させることができる光源(1)と、該光源(1)の周波数安定化手段(31)と、前記物体
からの反射光と参照光との干渉位相を測定する干渉位相測定手段(30)と、第1の長さ
基準(L_l_o_n_g)と該第1の長さ基準より短
い第2の長さ基準(L_s_h_o_r_t)を具備し
、該第1の長さ基準(L_l_o_n_g)を光路差と
して得られる干渉位相と、第2の長さ基準(L_s_h
_o_r_t)を光路差として得られる干渉位相とをそ
れぞれ測定する、基準長さを用いた干渉位相測定手段(
32)と、前記干渉位相測定手段(22)および基準長さを用いた
干渉位相測定手段(32)から得られる干渉位相測定信
号を入力とし、位相偏位を利用して前記絶対距離(L_
m)を算出する演算部(33、34)とを有し、前記周波数安定化手段(31)は、特定の周波数域において光吸収のピークを有し、前記光源(1)の出力光を入力とする光吸収用セ
ル(13)と、該光吸収用セル(13)を通過した光の強度を測定する
光センサ(14)と、該光センサ(14)の出力の低下により前記光源(1)
の出力光の周波数が前記光吸収用セル(13)の吸収ピ
ークの周波数に達したことを検出し、制御信号を前記光
源(1)に帰還させる手段(15a、15b、17)と
を具備し、周波数を連続的に変化させている前記光源(
1)の周波数が前記吸収ピークの周波数と一致すると、
該光源(1)の周波数を吸収ピークの周波数に固定する
ようになっているアブソリュート測長器。
[Claims] (1) A laser light source (1), a light absorption cell (13) having a light absorption peak in a specific frequency range, and a light reflected from an object (6) to be measured. A first interferometer (30) that measures the interference phase with the reference light
and a first length criterion (L_l_o_n_g) and a second length criterion (L_s_h_o
second and third interferometers (21, 22, 27, 28, 23, 24, 25,
26), first, the FM modulated laser beam (1) is irradiated toward the object (6), and the first and second
The interference orders (N_m, N_N_L) obtained from the interferometers (30, 21, 22, 27, 28) are measured, and then the laser light source (1) is placed at the absorption peak frequency of the light absorption cell (13). ) is fixed, and in this state the first
, second and third interferometers (30, 21, 22, 27,
The interference phase (θ_m, θ_N_L, θ_S_L) is measured by each of the first and second interferometers (30, 21, 22, 27, 28) during the FM modulation period. The interference orders (N_m, N_N_L) measured by and the wavelength (λ) of the laser light source (1) at the frequency of the absorption peak
_g_a_s) and the first length reference (L_l_o_
Find the interference order N from the first equation below using
g_a_s・N_N_L)}……(1) The second and third interferometers (30, 21, 22, 27, 28, 23,
Using the interference phases (θ_N_L, θ_S_L) measured by each of 24, 25, 26), the absolute refractive index n_a_b_s of air is determined from the second equation below, and n_a_b_s=n_o+[N_x+{(θ_N_L−
θ_o)/2π}・(λ_g_a_s/L_l_o_n
_g)]……(2) However, n_o and θ_o are the value of the refractive index of air when the absolute air refractive index unit (32) is calibrated and the initial value of the phase obtained from the second interferometer. , N
_x is the interference order of the second interferometer determined from the phase signal θ_S_L obtained from the third interferometer, and next, the interference order N, the absolute refractive index of air n_a_b_s, and the interference order determined by the first interferometer are: Substituting the interference phase (θ_m) and the wavelength (λ_g_a_s) of the laser light source (1) at the frequency of the absorption peak into the third equation below, L_m={N+(θ_m/2π)}・(λ_g_a_s
/n_a_b_s, )......(3) An absolute length measurement method using the FM heterodyne method, characterized in that the absolute distance (L_m) to the object (6) is thereby determined. (2) An absolute length measuring device that has the function of specifying the interference order of the interference fringes of light and can thereby measure the absolute distance (L_m) to the object (6), which measures the frequency of the output light within a predetermined range. A light source (1) that can be changed continuously; a frequency stabilizing means (31) for the light source (1); and an interference phase measuring means (31) for measuring the interference phase between the reflected light from the object and the reference light. 30), a first length reference (L_l_o_n_g) and a second length reference (L_s_h_o_r_t) shorter than the first length reference, and the first length reference (L_l_o_n_g) is used as an optical path difference. The obtained interference phase and the second length criterion (L_s_h
Interference phase measuring means (
32), and the interference phase measurement signal obtained from the interference phase measurement means (22) and the interference phase measurement means (32) using the reference length is input, and the absolute distance (L_
m), and the frequency stabilizing means (31) has a peak of light absorption in a specific frequency range and inputs the output light of the light source (1). A light absorption cell (13) that measures the intensity of the light that has passed through the light absorption cell (13); A light sensor (14) that measures the intensity of light that has passed through the light absorption cell (13); )
means (15a, 15b, 17) for detecting that the frequency of the output light of the light absorption cell (13) has reached the absorption peak frequency of the light absorption cell (13) and for feeding back a control signal to the light source (1). , the light source whose frequency is continuously changing (
When the frequency of 1) matches the frequency of the absorption peak,
An absolute length measuring device configured to fix the frequency of the light source (1) to the frequency of the absorption peak.
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