特許 7551534 インターポレータを備えたレーザー干渉測長器及びインターポレート方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-06

(45)【発行日】2024-09-17

(54)【発明の名称】インターポレータを備えたレーザー干渉測長器及びインターポレート方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20220101AFI20240909BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021027221

(22)【出願日】2021-02-24

(65)【公開番号】P2022128800

(43)【公開日】2022-09-05

【審査請求日】2023-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100163533

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 義信

(72)【発明者】

【氏名】高久 正和

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２８８１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５７１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１２２９６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ９／０２ー ９／０２９

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なる２相信号である二光波間の干渉信号をインターポレータに入力して、位相と比例関係にある被測定対象の変位を求めるレーザー干渉測長器において、
前記２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、該絶対値回路の出力電圧の位相をφだけ回転させて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成された前記インターポレータと、
前記インターポレータの出力をグレイコードとして２進数に変換するロジック回路と、
を備えたことを特徴とするレーザー干渉測長器。

【請求項2】

前記絶対値回路と、前記φ（位相）回転回路と、を多段に使用したことを特徴とする請求項１に記載のレーザー干渉測長器。

【請求項3】

前記インターポレータは、
前記２相信号のＡ相とＢ相とが電圧信号Ａ１、Ｂ１として前記インターポレータへそれぞれ入力され、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換し、前記ロジック回路のビットＧ０、Ｇ１に入力する第１ブロックと、
ｎを２以上の整数として、第ｎ―１ブロックから出力されるＡｎ―１、Ｂｎ―１の電圧信号が入力され、前記電圧信号のそれぞれに対応する前記絶対値回路を通して、前記φ（位相）回転回路であるπ／２^ｎ回転回路に入力し、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換して前記ロジック回路のビットＧｎに入力する第ｎブロックと、
を備え、得られた前記ビットＧ０、Ｇ１、……Ｇｎはｎ＋１ビットのグレイコードを構成することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー干渉測長器。

【請求項4】

前記インターポレータは、少なくとも８ビットのグレイコードを出力することを特徴とする請求項３に記載のレーザー干渉測長器。

【請求項5】

周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なる２相信号をインターポレータへ入力して内挿分割するインターポレート方法であって、
前記２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、該絶対値回路の出力電圧の位相をφだけ回転させて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成し、前記φ（位相）回転回路の出力をグレイコードとして２進数に変換することを特徴とするインターポレート方法。

【請求項6】

前記絶対値回路と、前記φ（位相）回転回路と、を多段に使用したことを特徴とする請求項５に記載のインターポレート方法。

【請求項7】

前記インターポレータは、
前記２相信号のＡ相とＢ相とが電圧信号Ａ１、Ｂ１として前記インターポレータへそれぞれ入力され、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換し、ロジック回路のビットＧ０、Ｇ１に入力する第１ブロックと、
ｎを２以上の整数として、第ｎ―１ブロックから出力されるＡｎ―１、Ｂｎ―１の電圧信号が入力され、前記電圧信号のそれぞれに対応する前記絶対値回路を通して、前記φ（位相）回転回路であるπ／２^ｎ回転回路に入力し、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換して前記ロジック回路のビットＧｎに入力する第ｎブロックと、
を備え、得られた前記ビットＧ０、Ｇ１、……Ｇｎをｎ＋１ビットのグレイコードとすることを特徴とする請求項５又は６に記載のインターポレート方法。

【請求項8】

前記インターポレータは、少なくとも８ビットのグレイコードを出力することを特徴とする請求項７に記載のインターポレート方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光を用いて被測定物の変位を測定するレーザー干渉測長器に係り、特に、インターポレータを備えたレーザー干渉測長器及びインターポレート方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なる２相信号である二光波間の干渉信号をインターポレータ（内挿分割器）に入力して、位相と比例関係にある被測定対象の変位を高分解で求めるホモダイン型レーザー干渉測長器が知られている。そして、通常、インターポレータは、２相信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、二つのデジタル信号で作られるリサージュ内の角度を数値計算、あるいは角度データルックアップテーブルを用いて角度データを高分解で算出することが知られている。また、特許文献１、２は、アナログ信号をデジタルサンプリングしたデジタル信号の内挿分割処理を行うインターポレータについて記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－３３３１５６号公報

【文献】特開２００５－１３６９１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

Ａ／Ｄ変換器で構成したインターポレータを用いた場合、レーザー干渉測長器の限界応答速度は、インターポレータを構成するＡ／Ｄ変換器の処理速度により決定される。原理的には、インターポレータに入力されるリサージュ信号の周波数が、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートの半分を超えると、インターポレータは位相の変化を判別できなくなる。そして、１周期以上で干渉信号が変化した場合、何周期変化したかの情報は、保持できない。

【0005】

実用的には、リサージュ信号の周波数が、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートに対して１／４程度を超えた場合に、位相判別エラーを出力する機構を設ける必要がある。そのため、限界応答速度を向上させるためには、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを速くせざるを得ない。しかし、サンプリングレートの速いＡ／Ｄ変換器は、非常に高価である。

【0006】

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートの向上に頼ることなく、限界応答速度を向上させる。そして、応答速度に対する測定値の継続性及び信頼性を保つレーザー干渉測長器及びインターポレート方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明は、周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なる２相信号である二光波間の干渉信号をインターポレータに入力して、位相と比例関係にある変位を求めるレーザー干渉測長器において、前記２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、該絶対値回路の出力電圧の位相をφだけ回転させて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成した前記インターポレータと、前記インターポレータの出力をグレイコードとして２進数に変換するロジック回路と、を備えたものである。

【0008】

また、上記のレーザー干渉測長器において、前記絶対値回路と、前記φ（位相）回転回路と、を多段に使用したことが望ましい。

【0009】

さらに、上記のレーザー干渉測長器において、前記インターポレータは、前記２相信号のＡ相とＢ相とが電圧信号Ａ１、Ｂ１として前記インターポレータへそれぞれ入力され、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換し、前記ロジック回路のビットＧ０、Ｇ１に入力する第１ブロックと、ｎを２以上の整数として、第ｎ―１ブロックから出力されるＡｎ―１、Ｂｎ―１の電圧信号が入力され、前記絶対値回路１０―ｎ２、１０―ｎ３を通して、前記φ（位相）回転回路であるπ／２^ｎ回転回路１０―ｎ１に入力し、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換して前記ロジック回路のビットＧｎに入力する第ｎブロックと、を備え、得られた前記ビットＧ０、Ｇ１、……Ｇｎはｎ＋１ビットのグレイコードを構成することが望ましい。

【0010】

さらに、上記のレーザー干渉測長器において、前記インターポレータは、少なくとも８ビットのグレイコードを出力することが望ましい。

【0011】

上記目的を達成するため、本発明は、周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なる２相信号をインターポレータへ入力して内挿分割するインターポレート方法であって、前記２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、該絶対値回路の出力電圧の位相をφだけ回転させて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成し、前記φ（位相）回転回路の出力をグレイコードとして２進数に変換する。

【0012】

また、上記のインターポレート方法であって、前記絶対値回路と、前記φ（位相）回転回路と、を多段に使用したことが望ましい。

【0013】

また、上記のインターポレート方法であって、前記インターポレータは、前記２相信号のＡ相とＢ相とが電圧信号Ａ１、Ｂ１として前記インターポレータへそれぞれ入力され、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換し、ロジック回路のビットＧ０、Ｇ１に入力する第１ブロックと、ｎを２以上の整数として、第ｎ―１ブロックから出力されるＡｎ―１、Ｂｎ―１の電圧信号が入力され、前記絶対値回路１０―ｎ２、１０―ｎ３を通して、前記φ（位相）回転回路であるπ／２^ｎ回転回路１０―ｎ１に入力し、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換して前記ロジック回路のビットＧｎに入力する第ｎブロックと、を備え、得られた前記ビットＧ０、Ｇ１、……Ｇｎをｎ＋１ビットのグレイコードとすることが望ましい。

【0014】

また、上記のインターポレート方法であって、前記インターポレータは、少なくとも８ビットのグレイコードを出力することが望ましい。

【発明の効果】

【0015】

本発明は、インターポレータを２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、絶対値回路の出力電圧の位相を回転させて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成する。そして、インターポレータの出力をグレイコードとし、グレイコード２進数に変換する。これにより、Ａ／Ｄ変換器の処理速度に依存することなく、レーザー干渉測長器の限界応答速度を向上させ、かつ、応答速度に対する測定値の継続性及び信頼性を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明による一実施形態に係るレーザー干渉測長器の主要部のブロック図

【図2】一実施形態によるインターポレータからマイコン等へ変位データとして取り込むまでの概略ブロック図

【図3】グレイコードと２進数との関係を示す表（４ビットの場合）

【図4】一実施形態によるインターポレータを示す回路図

【図5】一実施形態による絶対値回路の例を示す回路図

【図6】一実施形態によるπ／２^ｎ回転回路の例を示す回路図

【図7】一実施形態による図５の絶対値回路と図６のφ回転回路とを一つに纏めた回路図

【図8】実施例と比較例との応答性を示した表

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、レーザー干渉測長器の主要部のブロック図であり、光学系からインターポレータまでを示している。

【0018】

干渉計３０の光学系の動作を説明する。レーザー光源５０は、紙面に垂直な偏光成分を持つ縦偏光（Ｐ偏光）レーザー光が出射されている。１／４波長板３１は、非等方性結晶でできおり、結晶軸（異方軸）は、紙面に対して４５°傾いている様に配置されている。レーザー光源５０からのレーザー光は、１／４波長板３１を通過すると円偏光のレーザー光が出力される。すなわち、縦偏光と横偏光の合成のレーザー光が出力される。

【0019】

合成のレーザー光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２により、横偏光が直進し、縦偏光は９０°曲げられる。そして、直進した横偏光は、干渉計３０を抜け出し、被測定対象６０に設置されたミラー６１に反射し、矢視のように干渉計３０に戻ってくる。戻ってきた横偏光と、偏光ビームスプリッタ３２で９０°曲げられた縦偏光は、ビームスプリッタ３３で合成される。

【0020】

合成された光は、偏光や合成の状態を維持しながらビームスプリッタ３４で半分に分けられ、一方は直接に偏光板３５に、他方は、ミラー３６、１／４波長板３７を通って偏光板３８に至る。１／４波長板３７の速軸は紙面に対して垂直となるように配置されている。１／４波長板３７を通った合成波のうち、横偏光のみが９０°位相の遅れたレーザー光となる。

【0021】

偏光板３５と偏光板３８の透過軸は、紙面に対して４５°傾けて配置されている。したがって、偏光板３５に入る合成波は、何の位相ずれも生じていないので、縦偏光と横偏光の和が出力される。偏光板３８に入る合成波は、横偏光のみが９０°位相が遅れた光なので、縦偏光と９０°ずれた横偏光の和が出力される。フォトデテクタ４０、３９は、光の強度に比例した電圧が出力されるので、フォトデテクタ４０は、縦偏光と横偏光の和の強度の電圧を出力する。フォトデテクタ３９は、縦偏光と９０°位相が遅れた横偏光の和の強度の電圧を出力する。

【0022】

フォトデテクタ４０の出力は、縦偏光と横偏光の光路差が波長の整数倍と一致するときに強度が増し、その中間で強度が低下する。すなわち、フォトデテクタ４０は、光路差に対してｃｏｓ関数の関係にある電圧を出力する。フォトデテクタ３９の出力は、縦偏光と横偏光の光路差にレーザー光波長の１／４を加えた距離が、波長の整数倍と一致するときに強度が増し、その中間で強度が低下する。すなわち、光路差に対してｓｉｎ関数の関係にある電圧を出力する。

【0023】

フォトデテクタ４０の出力であるＡ相は、フォトデテクタ３９の出力であるＢ相との位相が９０°ずれた正弦波の関係にある信号である。したがって、被測定対象６０の移動方向の判別を行うことができ、移動距離（変位）は、位相が９０°（π／２）ずれたＡ相とＢ相の信号を整形してレーザー光波長の１／４分割で認識できる。

【0024】

また、光を干渉させて得られるＡ相とＢ相の信号は、完全に正弦波であることから、インターポレータ（内挿分割器）に入力して、その位相と比例関係にある被測定対象６０の変位をさらに高分解で求めることができる。この検出原理は、温度・気圧・空気の乱れから生じる光路の変化をキャンセルし、繰返し精度が高く安定した測長システムを実現できる。

【0025】

図２は、インターポレータ１０からマイコン等へ変位データとして取り込むまでの概略ブロック図である。インターポレータ１０は、周波数が等しい同周期の互いに９０°位相の異なるＡ相とＢ相の２相信号である二光波間の干渉信号が入力される。本実施形態によるインターポレータ１０は、Ａ／Ｄ変換器を用いない。そして、インターポレータ１０は、２相信号の絶対値電圧を出力する絶対値回路と、その絶対値回路の出力電圧の位相をφだけさせて出力するφ（位相）回転回路と、をオペアンプで構成される。

【0026】

さらに、インターポレータ１０は、絶対値回路とφ（位相）回転回路とをブロックとして多段に使用してＡ相とＢ相との２相信号を分割する。そして、インターポレータ１０の出力は、ロジック回路１１にグレイコード（Ｇｒａｙ ｃｏｄｅ）化して入力され、マイコン等に入力できる２進数（バイナリコード）に変換される。

【0027】

図３は、グレイコードと２進数との関係を示す表である。グレイコードは、２進数の表現で、隣り合う値でビットの変化が１ビットしかない。例えば、４桁の２進数（バイナリコード）で考えると、１０進数の「７」から「８」に変化する場合、２進数では「０１１１」から「１０００」となり、４桁すべてのビットが０から１又は、１から０へと変化する。

【0028】

この「７」から「８」に変化する場合、異なるビット間の回路遅延の差により、最悪「１１１１」又は「００００」の値として読み込む可能性がある。グレイコードの場合は、隣り合う数値で、ビットの変化が１ビットしかないので、異なるビット間の遅延の差という問題は、本質的に発生しない。

【0029】

図４は、本実施形態によるインターポレータ１０を示す回路図である。２相信号のＡ相とＢ相は、インターポレータ１０のＡ１、Ｂ１へそれぞれ入力される。Ａ１に入力される信号をＶＡ、Ｂ１に入力される信号をＶＢとすると、位相θと入力電圧の関係は、Ｖ０を定数として、
ＶＡ＝Ｖ０・ｃｏｓθ
ＶＢ＝Ｖ０・ｓｉｎθ
と表せる。

【0030】

図４の第１ブロック１０―１は、インターポレータ１０のＡ１、Ｂ１への入力電圧のゼロクロスをとる。ゼロクロスは、ゼロ電圧と大小比較した結果をデジタル値に変換したものであり、図４では全てのゼロクロス回路において、入力電圧が０より大きい場合にＬｏ（０）を出力し、０より小さい場合Ｈｉ（１）を出力するように符号を反転している。また、その結果は、ロジック回路１１の上位ビットＧ０、Ｇ１に入力する。

【0031】

図４の第２ブロック１０―２は、Ａ１、Ｂ１への入力電圧に対し、絶対値の電圧を出力する絶対値回路１０―２２、１０―２３を介して、入力電圧の位相をπ／４回転させた電圧を出力するφ（π／４）回転回路１０―２１が配置されている。ここで、π／４＝φとして、φ回転回路は、出力Ｘ'、Ｙ'が入力Ｘ、Ｙに対して、
Ｘ'＝ｃｏｓφ・Ｘ－ｓｉｎφ・Ｙ
Ｙ'＝ｓｉｎφ・Ｘ＋ｃｏｓφ・Ｙ
となる回路である。なお、φ（π／４）回転回路１０―２１のＸ、Ｙは、Ａ１、Ｂ１への入力信号を絶対値回路１０―２２、１０―２３をそれぞれ通過したものが入力される。そして、φ（π／４）回転回路１０―２１の出力Ｘ'の電圧が０より大きい場合にＬｏ（０）を出力し、０より小さい場合Ｈｉ（１）を出力するようにして、ロジック回路１１のＧ１の下位ビットＧ２に入力する。

【0032】

絶対値回路１０―２２の出力を横軸、絶対値回路１０―２３の出力を縦軸にとって変位に対する変化をみると、１周期の間に、位相０からπ／２の間を２往復することになる。よって、φ（π／４）回転回路１０―２１の出力Ａ２を横軸、Ｂ２を縦軸にとって変位に対する変化をみると、位相π／４から３π／４の間を２往復することになる。よって、このＡ２のゼロクロスは、最初の位相π／４までに相当する変位ではＬｏ、その後π／２に相当する変位ごとに、ＨｉとＬｏを繰り返し、最後のπ／４に相当する変位でＬｏとなる。これは、３ビットのグレイコードの最下位ビットを表す。

【0033】

図４の第１ブロック、第２ブロックの構成により、出力されるＧ０、Ｇ１、Ｇ２は、１周期３６０°を８等分した３ビットのグレイコードとなる。３ビットのグレイコードは、それぞれの状態が位相情報と結びついている。また、このグレイコードにより、被測定対象６０の変位により、このグレイコードが１周期以上した場合、それをカウントすれば何周期分の変位が発生したが分かる

【0034】

これにより、オペアンプのスルーレート相当で変化する干渉信号がインターポレータ１０へ入力されても、インターポレータ１０は、１周期以上に相当する変位に追随することができる。

【0035】

図４の第３ブロック１０―３以降、第４ブロック１０―４……、第ｎブロック１０―ｎは、第２ブロックを多段に使用した構成することにより、１ビットずつグレイコードを増やしていく。例えば、第３ブロック１０―３は、第２ブロックから出力されるＡ２、Ｂ２の電圧信号が入力され、それぞれ絶対値回路１０―３２、１０―３３を通して、絶対値を取る。そして、その信号の組み合わせ信号は、φ（π／８）回転回路１０―３１に入力されて、位相がπ／８回転される。さらに、インターポレータ１０は、φ（π／８）回転回路１０―３１の出力Ｘ'の電圧が０より大きい場合にＬｏ（０）を出力し、０より小さい場合Ｈｉ（１）を出力し、ロジック回路１１のＧ２の下位ビットＧ３に入力する。

【0036】

ｎを２以上の整数として、第ｎブロック１０―ｎは、第ｎ―１ブロックから出力されるＡｎ―１、Ｂｎ―１の電圧信号が入力され、絶対値回路１０―ｎ２、１０―ｎ３を通して、それぞれ絶対値を取る。そして、その信号は、φ（π／２^ｎ）回転回路１０―ｎ１に入力されて、位相がπ／２^ｎ回転される。さらに、その信号は、ゼロ電圧と大小比較されて、結果は、デジタル値に変換される。例えば、インターポレータ１０は、φ（π／２^ｎ）回転回路１０―ｎ１の出力Ｘ'の電圧が０より大きい場合にＬｏ（０）を出力し、０より小さい場合Ｈｉ（１）を出力し、ロジック回路１１のビットＧｎに入力する。

【0037】

ここで第ｎ―１ブロックの出力Ａｎー１を横軸、Ｂｎ―１を縦軸にとって変位に対する変化をみると、１周期の間に、位相π／２－π／２^ｎ-1からπ／２＋π／２^ｎ-1の間を２^ｎ-2往復すると考えられる。このとき、絶対値回路１０―ｎ２の出力を横軸、１０―ｎ３の出力を縦軸にとって変位に対する変化をみると、１周期の間に、位相π／２－π／２^ｎ-1からπ／２の間を２^ｎ-1往復すると考えられる。よって、φ（π／２^ｎ）回転回路１０―ｎ１の出力Ａｎを横軸、Ｂｎを縦軸にとって変位に対する変化をみると、位相π／２－π／２^ｎからπ／２＋π／２^ｎの間を２^ｎ-1往復すると考えられる。よって、このＡｎのゼロクロスは、最初の位相π／２^ｎまでに相当する変位ではＬｏ、その後π／２^ｎ-1に相当する変位ごとに、ＨｉとＬｏを繰り返し、最後のπ／２^ｎに相当する変位でＬｏとなる。これは、ｎビットのグレイコードの最下位ビットを表す。

【0038】

得られたビットＧ０、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３……Ｇｎは、ｎ＋１ビットのグレイコードを構成する。このグレイコードは、３６０°を２^ｎ＋１等分に内挿分割（インターポレート）したことになる。また、本実施の形態は、構成されたグレイコードが１周期以上した場合、それをカウントするので、さらなる上位カウントと内挿分割とを有効に両立させることができる。なお、インターポレータ１０は、少なくとも８ビットのグレイコードを出力することが望ましい。当該ビットおよびそれより上位のビット全ての排他的論理和をとることにより、グレイコードからバイナリコードへ変換することができる。

【0039】

図５は、絶対値回路１０―ｎ２、１０―ｎ３の例を示す回路図であり、２つの汎用オペアンプと少数のディスクリート素子(２つのスイッチングダイオード、負帰還の倍率を決める少数の抵抗素子)のみで構成される。図６は、φ（π／２^ｎ）回転回路１０―ｎ１の例を示す回路図である。

【0040】

φ回転回路は、単なる定数倍と加減算を実現すれば良く、２つの汎用オペアンプと少数のディスクリート素子のみで構成できる。図７は、図５の絶対値回路１０―ｎ２、１０―ｎ３と図６のφ回転回路とを一つに纏めた回路図例を示すもので実質的に同じものである。なお、図５、６、７の回路には、その動作を安定させるために素子を追加してもよい。

【0041】

従来のようにＡ／Ｄ変換器で構成したインターポレータ１０は、被測定対象６０の移動速度が速く、入力される信号の周波数がＡ／Ｄ変換器のサンプリングレートの半分を超えると、位相の変化を判別できなくなり、それにより示される位置情報は信頼できないものとなる。特に何周期変化したかの情報は保持できなくなり、それ以降の正確な測定が継続できない。

【0042】

一方、図４の実施形態では、入力される信号の周波数が、オペアンプや周辺のディスクリート素子の動作速度を上まらない限り、位置の情報を失わずに測定を継続することができる。特に、何周期変化したかの情報を維持するには、上位２ビットのみが入力信号に追随していればよい。つまり、応答速度に対する測定値の継続性及び信頼性を保つことができる。図４の回路図における動作速度上のボトルネックは、従来がＡ／Ｄ変換器であるのに対してオペアンプとなる。

【0043】

オペアンプは、１０００Ｖ／μｓを超えるスルーレートのものが安価に入手可能である。例えば、オペアンプは、３０００Ｖ／μｓのスルーレートであっても安価に入手可能である。なお、３０００Ｖ/μｓのスルーレートは、応答周波数で約３ＧＨｚに相当する。それに対して、Ａ／Ｄ変換器は、サンプリングレートが１ＧＨｚのものは非常に高価格である。したがって、図４で示した実施形態によれば、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを向上させるよりも、はるかに安価に応答速度の向上を達成することができる。

【0044】

また、本実施形態は、高速にＡ／Ｄ変換器を動作させるための周辺制御回路が不要である。そして、ロジック回路１１の動作速度は、オペアンプに比べても遥かに速くかつ安価であり、事実上コスト上昇なしに、エラー判別回路も設けることが可能である。

【0045】

図８は、実施例と比較例との応答性を示した表である。実施例を比較例と対比して説明する。比較例は、従来品のＡ／Ｄ変換器で構成したインターポレータであり、レーザー干渉測長器に用いられるフォトデテクタ４０、３９（図１参照）の限界応答速度が５００ＭＨｚ、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートは４０ＭＨｚである。

【0046】

したがって、レーザー干渉測長器の限界応答速度は、インターポレータを構成するＡ／Ｄ変換器の処理速度により決定される。例えば、１周期３１６．４ｎｍ＝６３２．８ｎｍ（レーザー光波長）／２（往復のため経路２倍）のうちに最低４点のサンプリングが必要とすると、３１６．４ｎｍ×（４０ＭＨｚ÷４）＝３１６４ｍｍ／ｓとなる。これにより、比較例における限界応答速度（応答性）の仕様は、１０００ｍｍ／ｓとしている。

【0047】

実施例は、レーザー干渉測長器に用いられるフォトデテクタ４０、３９（図１参照）を受光応答性の高いアバランシェフォトダイオードとしている。その限界応答速度は、４ＧＨｚであり、一方、オペアンプのスルーレートは、３０００Ｖ／μｓであり、約３ＧＨｚに相当する。１周期以上のミスカウントを起こさない上位ビットの限界応答速度（何周期変化したかを示す上位ビット）は、３倍マージンをとって１ＧＨｚとしても、３１６．４ｎｍ×１ＧＨｚ＝３１６４００ｍｍ／ｓとなる。

【0048】

したがって、比較例に比べて何周期変化したかを示す上位ビットの限界応答速度は、３００倍程度に向上したことになる。また、実施例において８ビットのグレイコードを出力する場合、最下位ビットの限界応答速度は、９１０４８ｍｍ／ｓとなる。したがって、この場合でも実施例の限界応答速度は、比較例に比べて、９０倍程度に向上したことになる。

【符号の説明】

【0049】

１０…インターポレータ
１０―１…第１ブロック
１０―２…第２ブロック
１０―２１…φ（π／４）回転回路、１０―２２、１０－２３…絶対値回路
１０―３…第３ブロック
１０―３１…φ（π／８）回転回路、１０―３２、１０－３３…絶対値回路
１０―４…第４ブロック
１０―ｎ…第ｎブロック
１０―ｎ１…φ（π／２^ｎ）回転回路、１０―ｎ２、１０－ｎ３…絶対値回路
１１…ロジック回路
３０…干渉計
３１、３７…１／４波長板
３２…偏光ビームスプリッタ
３３、３４…ビームスプリッタ
３５、３８…偏光板
３６、６１…ミラー
３９、４０…フォトデテクタ
５０…レーザー光源
６０…被測定対象
Ｇ０、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇｎ…ビット
Ｘ、Ｙ…入力
Ｘ'、Ｙ'…出力
θ…位相

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】