JP2004212270A - ヘテロダイン干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも製造コストが安価で、高速移動体の変位や速度を計測することができるヘテロダイン干渉計を提供する。
【解決手段】静磁場の積極的な印加を受ける環境を免れた環境下において相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有するレーザ光を出射するレーザ光源１０１を備えた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に周波数の異なる２つの光それぞれに異なる光路を辿らせた後、再びこれらを重ね合わせて干渉光を生成するヘテロダイン干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定体の変位や速度を精密に計測する計測器の１つとして、周波数の異なる２つの光のうち、一方の光に測定対象である被測定体に向かう光路を辿らせ、その被測定体で反射させた後、この光と、この光とは異なる光路を辿らせたもう一方の光とを重ね合わせて干渉光を生成するヘテロダイン干渉計が知られている。ここで、ヘテロダイン干渉計において、被測定体に向かいその被測定体で反射する光路を辿る光を物体光、物体光とは異なる光路を辿る光を参照光と呼称する。
【０００３】
ここで、ヘテロダイン干渉計において周波数の異なる２つの光を得るための技術として、強い静磁場を印加して共振器内部に異方性をもたせることにより周波数が相互に異なる２つの偏光成分を同時に発振させるゼーマンレーザを利用し、このゼーマンレーザから出射されたレーザ光を、偏光成分ごとに分離することにより周波数の異なる２本のビームを得る技術と、レーザ光源から発せられるレーザ光を２分割し、２分割されたレーザ光のうちの一方のレーザ光の周波数を周波数シフタを用いて変化させることにより周波数の異なる２本のビームを得る技術が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
有限会社ユニオプト、“光ヘテロダイン干渉法”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１３年５月１０日、有限会社ユニオプト、［平成１４年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｉｏｐｔ．ｃｏｍ／ｈｔｍ／ｅｘｐｌａｉｎ／ｈｅｔｅｒｏ．ｈｔｍ＞
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヘテロダイン干渉計には、被測定体の移動速度が、ある速度を超えると、その被測定体の速度やその変位方向などを計測できなくなるという、速度上限がある。この速度上限は、ヘテロダイン干渉計における物体光と参照光との周波数差が広がれば広がるほど、それに比例して上昇する。
【０００６】
非特許文献１に示されているヘテロダイン干渉計のうち、ゼーマンレーザを利用したヘテロダイン干渉計では、このゼーマンレーザから出射されたレーザ光を、これら２本の縦発振モードそれぞれからなる２つのレーザ光に分離しこれら２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を物体光、もう一方のレーザ光を参照光として利用する。ここで、このヘテロダイン干渉計における物体光と参照光の周波数差は２ＭＨｚ程度であり、この周波数差から求められる、このヘテロダイン干渉計における上記の速度上限はおよそ０．６ｍ／ｓになる。一方、近年、ヘテロダイン干渉計が測定対象としている被測定体には、例えばリニアモータステージのような、およそ３ｍ／ｓ程度で移動する高速移動体もある。つまり、ゼーマンレーザを利用したヘテロダイン干渉計では、このような高速移動体に対する計測ができないという問題がある。
【０００７】
一方、非特許文献１に示されているヘテロダイン干渉計のうち、周波数シフタを利用するヘテロダイン干渉計では、周波数シフタにより、比較的、周波数差の大きな物体光と参照光を得ることができるので、近年では、この周波数シフタを利用するヘテロダイン干渉計が主流となっている。ところが、この周波数シフタは非常に高価であるため、このようなヘテロダイン干渉計は製造コストが高いという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、従来よりも製造コストが安価で、高速移動体の変位や速度を計測することができるヘテロダイン干渉計を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のヘテロダイン干渉計は、静磁場の積極的な印加を受ける環境を免れた環境下において相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有するレーザ光を出射するレーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を、測定対象である被測定体が配置される被測定体配置部を経由する光路を辿る、前記２本の縦発振モードのうちの１本の縦発振モードからなる第１のレーザ光と、上記被測定体配置部を経由する光路とは異なる光路を辿る、上記２本の縦発振モードのうちの上記１本の縦発振モードとは異なる他の１本の縦発振モードからなる第２のレーザ光とに分離する分離部と、上記第２のレーザ光と上記被測定体配置部を経由した後の第１のレーザ光とを重畳させて干渉光を生成する重畳部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源が出射するレーザ光は、互いの発振周波数が約７２０ＭＨｚ異なる２本の縦発振モードを有することが知られている。ヘテロダイン干渉計においては、物体光と参照光の周波数の差と同じ周波数の信号を扱う。従って、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源が出射するレーザ光を、このレーザ光が有する２本の縦発振モード毎に分離し、一方を物体光、もう一方を参照光として用いるならば、約７２０ＭＨｚの周波数をもった信号を処理する回路が必要となる。かつては、このような高周波の信号を処理する回路の実現が困難であり、また実現できたとしてもコスト的に非常に高価なものとなってしまうため、上記のＨｅ−Ｎｅレーザ光源などをヘテロダイン干渉計の光源として利用することは思いもよらないことであり、また、そのためにゼーマンレーザのように、互いの発振周波数が約２ＭＨｚ程度わずかに異なる２本の縦発振モードを有するレーザ光を出射する光源が、ヘテロダイン干渉計のために開発されたのである。
【００１１】
しかし、近年では回路技術が発達し、上記のような高周波の信号を処理する回路が実現されるようになっている。本発明は、このような回路技術の発達を背景にしてなされたものである。
【００１２】
本発明のヘテロダイン干渉計は、相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有するレーザ光を、２本の縦発振モードのうちの１本の縦発振モードからなる第１のレーザ光と、上記２本の縦発振モードのうちの上記１本の縦発振モードとは異なる他の１本の縦発振モードからなる第２のレーザ光とに分離して利用するものである。従って、本発明のヘテロダイン干渉計は、相互に周波数の異なる２つの光を得るために、従来のヘテロダイン干渉計において必要であった高価な周波数シフタを必要としない。つまり、本発明のヘテロダイン干渉計は、従来に比べて製造コストが安価である。
【００１３】
また、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源を、本発明のヘテロダイン干渉計のレーザ光源として利用するならば、このヘテロダイン干渉計における前述の速度上限はおよそ２２５ｍ／ｓになる。つまり、本発明のヘテロダイン干渉計によれば、例えば前述のリニアモータステージのように３ｍ／ｓ程度で移動する高速移動体はもとより、さらに高速で移動する移動体に対しても、その変位や速度を計測することができる。
【００１４】
ここで、本発明のヘテロダイン干渉計は、上記レーザ光源から出射されたレーザ光を構成する２本の縦発振モードのそれぞれのパワーの比が所定の値に保たれるように上記レーザ光源の温度を制御する波長制御部を備えたものであることが好ましい。
【００１５】
このようにすると、上記の２本の縦発振モードのそれぞれのパワーどうしの比が安定する。このようにレーザ光源の発振状態を安定させることにより、ヘテロダイン干渉計の計測精度を向上させることができる。
【００１６】
また、上記のレーザ光源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源であってもよい。
【００１７】
前述のしたように、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源をレーザ光源としたヘテロダイン干渉計では、速度上限である約２２５ｍ／ｓまでの高速移動体の変位や速度を計測することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明のヘテロダイン干渉計の一実施形態を示す図である。
【００２０】
図１に示すヘテロダイン干渉計１００では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０２により、２つに分割される。ここで、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から出射されたレーザ光は相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有している。しかし、このビームスプリッタ１０２では、レーザ光は縦発振モードに関わらず強度的に２分割される。また、分割後の２つのレーザ光のうち、ビームスプリッタ１０２で反射されたレーザ光Ｌが波長制御部１０３入射される。詳細は図３にて後述するが、この入射されたレーザ光Ｌに基づいて、波長制御部１０３はＨｅ−Ｎｅレーザ光源１０１の発振状態を安定させる。
【００２１】
ここで、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から出射されるレーザ光が有する２本の縦発振モードは、前述のように相互に発振周波数が異なるとともに、その偏光方向も異なる。これらの縦発振モードについては図２にて後述する。
【００２２】
ビームスプリッタ１０２を透過したレーザ光が有する２本の縦発振モードは上記のようにその偏光方向が異なるため、このレーザ光は、第１偏光ビームスプリッタ１０４により、上記の２本の縦発振モードのうちの１本の縦発振モードからなる物体光と、上記の２本の縦発振モードのうちの、物体光とは異なる縦発振モードからなる参照光とに分離される。第１偏光ビームスプリッタ１０４を透過した物体光は、第２偏光ビームスプリッタ１０５を透過した後、波長板１０６により偏光方向が４５°回転する。波長板１０６を透過した物体光は、被測定体１０７で反射された後、再び波長板１０６により偏光方向が４５°回転する。この物体光は、波長板１０６を１往復することにより、波長板１０６を往復する前と比べると偏光方向が９０°回転しているため、今度は第２偏光ビームスプリッタ１０５で反射される。第２偏光ビームスプリッタ１０５で反射された物体光は、ミラー１０８で反射され、第１偏光ビームスプリッタ１０４で反射された参照光とビームスプリッタ１０９で重畳されて干渉光が生成される。
【００２３】
ビームスプリッタ１０９で生成された干渉光は受光器１１０で受光される。受光器１１０は、干渉光のパワーを電気信号に変換する。このようにして、被測定体１０７の変位に同期した信号が得られる。
【００２４】
図２は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１が出射するレーザ光が有する２本の縦発振モードを示す図である。
【００２５】
図２には、４００ＴＨｚ（テラヘルツ）の近傍にある２本の縦発振モードＭｓ，Ｍｐが示されている。これら２本の縦発振モードのうち、１本の縦発振モードＭｓはＳ偏光であり、もう１本の縦発振モードＭｐはＰ偏光である。さらに、これら２本の縦発振モードの発振周波数の差は、約７２０ＭＨｚである。
【００２６】
次に、図１に戻り、ヘテロダイン干渉計において計測可能な、被測定体の移動速度の上限について説明する。
【００２７】
被測定体１０７を静止させた状態では、物体光と参照光の周波数差、すなわちＨｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から出射されたレーザ光が有している２本の縦発振モードの発振周波数の差に相当する周波数（７２０ＭＨｚ）を有するビート信号が受光器１１０で得られる。
【００２８】
ここで、被測定体１０７が、図１に示す矢印Ａの方向に振動する状態にあるとき、ヘテロダイン干渉計１００が、被測定体１０７の移動方向を識別できる、被測定体１０７の移動速度の上限Ｖｌｉｍｉｔは、２本の縦発振モードの発振周波数の差をΔｆ、被測定体１０７の矢印Ａ方向への移動速度をＶ、参照光の波長をλとすると、以下の式で算出される。
【００２９】
Ｖｌｉｍｉｔ＝λ・Δｆ／２
ここで図２に示すＨｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から出射されたレーザ光が有する２本の縦発振モードの発振周波数の差は約７２０ＭＨｚ、参照光の波長は約０．６μｍであるので、上記の速度上限Ｖｌｉｍｉｔは、約２２５ｍ／ｓとなる。この値は、例えば、前述したリニアモータステージの移動速度（約３ｍ／ｓ）などに比べて遙かに大きい。したがって、本実施形態のヘテロダイン干渉計１００によれば、リニアモータステージはもとより、さらに高速で移動する高速移動体の変位や速度を計測できる。
【００３０】
図３は、図１に示す波長制御部のブロック図である。
【００３１】
図１に示すヘテロダイン干渉計１００において、ビームスプリッタ１０２で反射されたレーザ光Ｌが、波長制御部１０３に入射される。このレーザ光Ｌは、図２に示す２本の縦発振モードを有する。前述したように、これら２本の縦発振モードは相互に発振周波数が異なるとともに、偏光方向が異なる。
【００３２】
波長制御部１０３に入射されたレーザ光Ｌは、偏光ビームスプリッタ１０３ａによってＳ偏光のレーザ光ＬｓとＰ偏光のレーザ光Ｌｐに分離される。分離後、Ｓ偏光のレーザ光ＬｓはＳ偏光用受光器１０３ｂで受光され、このＳ偏光用受光器１０３ｂからＳ偏光のレーザ光Ｌｓの強度を示す強度信号Ｖｓが出力される。同様に、Ｐ偏光のレーザ光ＬｐはＰ偏光用受光器１０３ｃで受光され、Ｐ偏光用受光器１０３ｃからＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度を示す強度信号Ｖｐが出力される。これらの強度信号のうち、Ｐ偏光のレーザ光Ｌｐの強度を示す強度信号Ｖｐは増幅器１０３ｆを経由して、Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度を示す強度信号Ｖｓはそのまま、比較演算器１０３ｄに入力される。
【００３３】
ここで、Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度とＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度との比を所定の値に保つように、上記の増幅器１０３ｆの増幅率は設定されている。Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度を示す強度信号Ｖｓと、増幅器１０３ｆによって増幅されたＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度を示す強度信号Ｖｐ２は、Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度とＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度との比が上記の所定の値に保たれている場合には、同値となる。Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度あるいはＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度が変動し、両者の比がこの所定の値からずれてしまっている場合には、Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度を示す強度信号Ｖｓと、増幅器１０３ｆによって増幅されたＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度を示す強度信号Ｖｐ２とのどちらかが大きくなり、これらの大小関係に応じた信号Ｓが、比較演算器１０３ｄからＨｅ−Ｎｅレーザ光源１０１（図１参照）の温度を制御しているヒータ１０３ｅに出力される。ヒータ１０３ｅは、図示しない制御回路を備えており、この制御回路が比較演算器１０３ｄから供給される信号Ｓに応じてヒータ１０３ｅの温度を制御する。このヒータ１０３ｅにより、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１の温度が制御され、Ｓ偏光のレーザ光Ｌｓの強度とＰ偏光のレーザ光Ｌｐの強度の比が、上記の所定の値に戻される。
【００３４】
図１に示す本実施形態のヘテロダイン干渉計１００では、このようにして波長制御部１０３によって、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１の温度を制御することにより図２に示す２本の縦発振モードのそれぞれのパワーの比を所定の値に安定させている。２本の縦発振モードのそれぞれのパワーの比は、ヘテロダイン干渉計１００の計測精度に大きな影響を与えるため、本実施形態のヘテロダイン干渉計１００では、この比を安定させることにより計測精度を向上させている。
【００３５】
なお、本実施形態では、レーザ光源にＨｅ−Ｎｅレーザ光源を用いたヘテロダイン干渉計について説明したが、レーザ光源はこれに限るものではなく、静磁場の積極的な印加を受ける環境を免れた環境下において相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有するレーザ光を出射するレーザ光源であればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のヘテロダイン干渉計によれば、従来よりも製造コストが安価で、高速移動体の変位や速度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘテロダイン干渉計の一実施形態を示す図である。
【図２】Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源が出射するレーザ光が有する２本の縦発振モードを示す図である。
【図３】図１に示す波長制御部のブロック図である。
【符号の説明】
１００ ヘテロダイン干渉計
１０１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源
１０２ ビームスプリッタ
１０３ 波長制御部
１０３ａ 偏光ビームスプリッタ
１０３ｂ Ｓ偏光用受光器
１０３ｃ Ｐ偏光用受光器
１０３ｄ 比較演算器
１０３ｅ ヒータ
１０３ｆ 増幅器
１０４ 第１偏光ビームスプリッタ
１０５ 第２偏光ビームスプリッタ
１０６ 波長板
１０７ 被測定体
１０８ ミラー
１０９ ビームスプリッタ
１１０ 受光器

Claims (3)

1. 静磁場の積極的な印加を受ける環境を免れた環境下において相互に異なる発振周波数の２本の縦発振モードを有するレーザ光を出射するレーザ光源と、
   該レーザ光源から出射されたレーザ光を、測定対象である被測定体が配置される被測定体配置部を経由する光路を辿る、前記２本の縦発振モードのうちの１本の縦発振モードからなる第１のレーザ光と、前記被測定体配置部を経由する光路とは異なる光路を辿る、前記２本の縦発振モードのうちの前記１本の縦発振モードとは異なる他の１本の縦発振モードからなる第２のレーザ光とに分離する分離部と、
   前記第２のレーザ光と前記被測定体配置部を経由した後の第１のレーザ光とを重畳させて干渉光を生成する重畳部とを備えたことを特徴とするヘテロダイン干渉計。
2. 前記レーザ光源から出射されたレーザ光を構成する２本の縦発振モードのそれぞれのパワーの比が所定の値に保たれるように前記レーザ光源の温度を制御する波長制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載のヘテロダイン干渉計。
3. 前記レーザ光源が、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源であることを特徴とする請求項１又は２記載のヘテロダイン干渉計。

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