JP2015528575A

JP2015528575A - 高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定方法及びシステム

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Publication number: JP2015528575A
Application number: JP2015531420A
Authority: JP
Inventors: ジュビンタン; ペンチェンフ; ジャオフェイディアオ
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2015-09-28
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN102853771A; WO2014043984A1; JP6082466B2; US20150043004A1; US9587927B2; DE112012003271T5; CN102853771B

Abstract

高速高解像度のヘテロダイン干渉方法およびシステムが提供される。空間的に分離され周波数が僅かに異なる２つのビームが用いられ、反対のドップラーシフトを有する２つの測定信号が生成される。スイッチング回路は、対象の移動方向と速度に応じて変位測定のための２つの測定信号の一方を選択する。高速高解像度のヘテロダイン干渉システムは、周波数安定化レーザー１と、偏光ビームスプリッタ（２）と、直角プリズム（６）と、参照リフレクタ（７）と、１／４波長板（４）と、平面ミラー（５）と、測定リフレクタ（３）と、第１のフォトダイオード（８）と、第２のフォトダイオード（９）と、第１の位相計（１０）と、第２の位相計（１１）と、スイッチング回路（１２）と、測定回路（１３）とを含む。本発明では、測定は、熱変動に鈍感であり、周期的な非線形性は、空間的に分離された２つのビームを用いて実質的に除去され、干渉計の測定可能な目標速度は、もはやレーザー光源のビート周波数によって制限されない。【選択図】図１

Description

本発明は、低ビート周波数のレーザー光源を用いて高速対象物の測定に用いることが可能な、高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定方法及びそのシステムに関する。

ヘテロダイン干渉計は、測定範囲が大きく、ＳＮ比が高く、測定精度が高いことから、多くの精密機械及び校正サービスにおいて広く使用されている。最近は様々な用途において、競争力のある製造スループットを持つ小型装置を製造するため、高解像度、高速、高精度の測定が必要とされている。その結果、産業の要求を満たすために、ヘテロダイン干渉計の性能が向上している。

光学エイリアシング（周波数と偏波の混合効果）に起因する周期的な非直線性は、ヘテロダイン干渉計の精度と分解能を制限する。多くの研究が周期的な誤差を減らすために行われているものの、従来のヘテロダイン干渉計では光学エイリアシングを排除することはできず、高解像度かつ高精度の変位測定の実現を困難にしている。

T. L. SchmitzとJ. F. Beckwithは、音響光学変調器をビームスプリッタとするヘテロダイン干渉計を提案した（非特許文献１）。測定ビームと参照ビームは空間的に分離され、これにより光学エイリアシングを減少することができる。従って、周期的な非線形性が低減され、精度と解像度も向上する。しかし、その構成は特別かつ複雑であり、変位の測定に広く応用できない。

K i-Nam Joo、Jonathan D. Ellisらは、測定ビームと参照ビームを空間的に分離した単純なヘテロダイン干渉計を提案した（非特許文献２）。この干渉計は、光学エイリアシングを排除することができる。周期的な非線形性も排除され精度が向上する。その構成は単純であり、精密生産工学に応用することができる。しかし、その測定速度は、光源のビート周波数によって制限される。

結論として、上記の既存の方法および装置は、高解像度、高速、高精度測定には適していない。

Acousto-optic displacement-measuring interferometer: a new heterodyne interferometer with angstrom level periodic error. Journal of Modern Optics 49, pages 2105-2114 Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors. Optics Letters, Vol.34, No.3, February 1, 2009

本発明の１つの目的は、高解像度、高速、高精度測定に適した、高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉方法及びシステムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、
（ａ）偏光方向が水平方向に対して４５°の角度をなす直線偏光であって、異なる周波
数ｆ_１、ｆ_２を有する２本の互いに平行なレーザービームを出力するステップと、
（ｂ）前記２本のレーザービームの一部をフォトダイオードで検出し、検出結果が、周波数がｆ_ｂ（ｆ_ｂ＝ｆ_１−ｆ_２）である参照信号に変換されるステップと、
（ｃ）前記２本のレーザービームの他の一部を、偏光ビームスプリッタによって参照ビームと測定ビームとに分割するステップと、
（ｄ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の参照ビームを、それぞれ参照プリズムリフレクタを介して参照リフレクタに向かわせ、前記参照リフレクタ及び前記参照プリズムリフレクタにより前記偏光ビームスプリッタに向けて反射させるステップと、
（ｅ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の測定ビームを、それぞれ１／４波長板を介して平面ミラーに向かわせ、前記平面ミラーで反射させて前記１／４波長板を介して前記偏光ビームスプリッタに向かわせ、前記偏光ビームスプリッタで反射させて測定リフレクタに向かわせ、前記測定リフレクタで反射させて再び前記偏光ビームスプリッタに向かわせ、前記偏光ビームスプリッタで反射させて前記１／４波長板を通過させ、前記平面ミラーで反射させて更に前記１／４波長板を通過させ、前記偏光ビームスプリッタを通過させるステップと、
（ｆ）周波数がｆ_１である前記測定ビームと周波数がｆ_２である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ＋Δｆである第１の測定信号Ｉ_ｍ１が生成され、周波数がｆ_２である前記測定ビームと周波数がｆ_１である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ−Δｆである第２の測定信号Ｉ_ｍ２が生成されるように、前記参照リフレクタと前記測定リフレクタとを調節するステップと、
（ｇ）前記２つの測定信号を２つのフォトダイオードで検出し、検出結果を、前記第１の測定信号Ｉ_ｍ１を処理する第１の位相計と、前記第２の測定信号Ｉ_ｍ２を処理する第２の位相計へ送るステップと、
（ｈ）前記平面ミラーの移動方向及び移動速度に基づいて、スイッチング回路により前記第１の位相計と第２の位相計との間で選択するステップと、
（ｉ）選択された位相計の出力に基づいて、測定対象物の変位を算出するステップとを含む、高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉方法が提供される。

本発明に係るヘテロダイン干渉方法では、前記平面ミラーが第１のプリセット速度Ｖ_１を超える速度で前記偏光ビームスプリッタに近づく場合に前記第１の位相計が選択され、前記平面ミラーが第２のプリセット速度Ｖ_２を超える速度で前記偏光ビームスプリッタから遠ざかる場合に前記第２の位相計が選択されてもよい。

本発明に係るヘテロダイン干渉方法では、前記２本のレーザービームは、１つのレーザー光源から出力されてもよい。

本発明の第２の態様によれば、前記ヘテロダイン干渉測定システムの光源として設けられる周波数安定化レーザーと、周波数安定化レーザーからのレーザービームを分割する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより反射された前記レーザービームを反射する直角プリズムと、前記直角プリズムからの前記レーザービームを反射する参照リフレクタと、前記偏光ビームスプリッタにより伝搬された前記レーザービームの偏光状態を変化させる１／４波長板と、前記１／４波長板からの前記レーザービームを反射する平面ミラーと、前記直角プリズムに対して前記偏光ビームスプリッタの反対方向に配置され、前記偏光ビームスプリッタによって反射された前記レーザービームを反射する測定リフレクタと、前記ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの１つを検出する第１のフォトダイオードと、前記ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの他の１つを検出する第２のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードからの測定信号と前記周波数安定化レーザーからの参照信号とを測定する第１の位相計と、前記第２のフォトダイオードからの測定信号と前記周波数安定化レーザーからの参照信号とを測定する第２の位相計と、前記第１の位相計又は前記第２の位相計からの信号を選択的に出力するスイッチング
回路と、前記スイッチング回路からの信号を処理する測定回路とを含む、高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉システムが提供される。

本発明に係るヘテロダイン干渉システムでは、前記参照リフレクタはレトロリフレクタであり、前記測定リフレクタは直角プリズムであってもよい。

本発明に係るヘテロダイン干渉システムでは、前記参照リフレクタは直角プリズムであり、前記測定リフレクタはレトロリフレクタであってもよい。

本発明に係るヘテロダイン干渉システムでは、前記参照リフレクタは２つのレトロリフレクタから構成され、前記測定リフレクタは１つのレトロリフレクタであってもよい。

本発明に係るヘテロダイン干渉システムでは、前記参照リフレクタは１つのレトロリフレクタであり、前記測定リフレクタは２つのレトロリフレクタから構成されてもよい。

本発明に係るヘテロダイン干渉システムでは、前記直角プリズムの辺長は、前記偏光ビームスプリッタの辺長と等しくてもよい。

（１）本発明のヘテロダイン干渉方法及びシステムでは、測定ビームと参照ビームが空間的に分離しているため、光学エイリアシングを排除することができ、その結果、周期的な非線形性を排除することができる。

（２）本発明のヘテロダイン干渉方法及びシステムでは、２つの測定信号は、同一の対象の移動に対して、反対のドップラーシフトを有している。対象の移動方向に基づいて２つの測定信号のうちの１つが選択的に使用されるため、ドップラーシフトは選択された信号のビート周波数を常に増加させる。その結果、干渉計は、ビート周波数の低いレーザー光源を用いて高速の対象を測定することができる。

（３）本発明のヘテロダイン干渉方法及びシステムでは、測定回路は一般のクロック信号を利用して高解像度測定を行うことができ、その結果、測定回路を簡素化して且つ低コストの部品で容易に実現することができる。

本実施形態の高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉システムの構成を示す図である。

図１に示すように、高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定システムは、ヘテロダイン干渉測定システムの光源として設けられる周波数安定化レーザー１と、周波数安定化レーザー１からのレーザービームを分割する偏光ビームスプリッタ２と、偏光ビームスプリッタ２により反射されたレーザービームを反射する直角プリズム６と、直角プリズム６からのレーザービームを反射する参照リフレクタ７（レトロリフレクタ）と、偏光ビームスプリッタ２により伝搬されたレーザービームの偏光状態を変化させる１／４波長板４と、１／４波長板４からの前記レーザービームを反射する平面ミラー５と、直角プリズム６に対して偏光ビームスプリッタ２の反対方向に配置され、偏光ビームスプリッタ２によって反射されたレーザービームを反射する測定リフレクタ３と、ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの１つを検出する第１のフォトダイオード８と、ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの他の１つを検出する第２のフォトダイオード９と、第１のフォトダイオード８からの測定信号と周波数安定化レーザー１からの参照信号とを測定する第１の
位相計１０と、第２のフォトダイオード９からの測定信号と周波数安定化レーザー１からの参照信号とを測定する第２の位相計１１と、第１の位相計１０又は第２の位相計１１からの信号を選択的に出力するスイッチング回路１２と、スイッチング回路１２からの信号を処理する測定回路１３とを含む。

高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定方法は、
（ａ）偏光方向が水平方向に対して４５°の角度をなす直線偏光であって、異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する２本の互いに平行なレーザービームを出力するステップと、
（ｂ）前記２本のレーザービームの一部をフォトダイオードで検出し、検出結果が、周波数がｆ_ｂ（ｆ_ｂ＝ｆ_１−ｆ_２）である参照信号に変換されるステップと、
（ｃ）前記２本のレーザービームの他の一部を、偏光ビームスプリッタ２によって参照ビームと測定ビームとに分割するステップと、
（ｄ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の参照ビームを、それぞれ参照プリズムリフレクタ（直角プリズム６）を介して参照リフレクタ７に向かわせ、参照リフレクタ７及び参照プリズムリフレクタにより偏光ビームスプリッタ２に向けて反射させるステップと、
（ｅ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の測定ビームを、それぞれ１／４波長板４を介して平面ミラー５に向かわせ、平面ミラー５で反射させて１／４波長板４を介して偏光ビームスプリッタ２に向かわせ、偏光ビームスプリッタ２で反射させて測定リフレクタ３に向かわせ、測定リフレクタ３で反射させて再び偏光ビームスプリッタ２に向かわせ、偏光ビームスプリッタ２で反射させて１／４波長板４を通過させ、平面ミラー５で反射させて更に１／４波長板４を通過させ、偏光ビームスプリッタ２を通過させるステップと、
（ｆ）周波数がｆ_１である前記測定ビームと周波数がｆ_２である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ＋Δｆである第１の測定信号Ｉ_ｍ１が生成され、周波数がｆ_２である前記測定ビームと周波数がｆ_１である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ−Δｆである第２の測定信号Ｉ_ｍ２が生成されるように、参照リフレクタ７と測定リフレクタ３とを調節するステップと、
（ｇ）前記２つの測定信号Ｉ_ｍ１、Ｉ_ｍ２を２つのフォトダイオード８、９で検出し、検出結果を、第１の測定信号Ｉ_ｍ１を処理する第１の位相計１０と、第２の測定信号Ｉ_ｍ２を処理する第２の位相計１１へ送るステップと、
（ｈ）平面ミラー５の移動方向及び移動速度に基づいて、スイッチング回路１２により第１の位相計１０と第２の位相計１１との間で選択する（スイッチング回路１２は、平面ミラー５がプリセット値Ｖ_１を超える速度で偏光ビームスプリッタ２から遠ざかる場合に第２の位相計１１を選択し、平面ミラー５がプリセット値Ｖ_２を超える速度で偏光ビームスプリッタに近づく場合に第１の位相計１０を選択する。２つの位相計１０、１１の検出範囲は重複し、スイッチング回路１２は、スイッチングチャタリング現象を防止するために、共通の検出範囲では動作しない。）ステップと、
（ｉ）選択された位相計の出力に基づいて測定対象物の変位を算出するステップとを含む。

１周波数安定化レーザー、２偏光ビームスプリッタ、３測定リフレクタ、４１／４波長板、５平面ミラー、６直角プリズム（参照プリズムリフレクタ）、７参照リフレクタ、８第１のフォトダイオード、９第２のフォトダイオード、１０第１の位相計、１１第２の位相計、１２スイッチング回路、１３測定回路

Claims

高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定方法であって、
（ａ）偏光方向が水平方向に対して４５°の角度をなす直線偏光であって、異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する２本の互いに平行なレーザービームを出力するステップと、
（ｂ）前記２本のレーザービームの一部をフォトダイオードで検出し、検出結果が、周波数がｆ_ｂ（ｆ_ｂ＝ｆ_１−ｆ_２）である参照信号に変換されるステップと、
（ｃ）前記２本のレーザービームの他の一部を、偏光ビームスプリッタによって参照ビームと測定ビームとに分割するステップと、
（ｄ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の参照ビームを、それぞれ参照プリズムリフレクタを介して参照リフレクタに向かわせ、前記参照リフレクタ及び前記参照プリズムリフレクタにより前記偏光ビームスプリッタに向けて反射させるステップと、
（ｅ）異なる周波数ｆ_１、ｆ_２を有する前記２本の測定ビームを、それぞれ１／４波長板を介して平面ミラーに向かわせ、前記平面ミラーで反射させて前記１／４波長板を介して前記偏光ビームスプリッタに向かわせ、前記偏光ビームスプリッタで反射させて測定リフレクタに向かわせ、前記測定リフレクタで反射させて再び前記偏光ビームスプリッタに向かわせ、前記偏光ビームスプリッタで反射させて前記１／４波長板を通過させ、前記平面ミラーで反射させて更に前記１／４波長板を通過させ、前記偏光ビームスプリッタを通過させるステップと、
（ｆ）周波数がｆ_１である前記測定ビームと周波数がｆ_２である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ＋Δｆである第１の測定信号Ｉ_ｍ１が生成され、周波数がｆ_２である前記測定ビームと周波数がｆ_１である前記参照ビームが干渉することで周波数がｆ_ｂ−Δｆである第２の測定信号Ｉ_ｍ２が生成されるように、前記参照リフレクタと前記測定リフレクタとを調節するステップと、
（ｇ）前記２つの測定信号を２つのフォトダイオードで検出し、検出結果を、前記第１の測定信号Ｉ_ｍ１を処理する第１の位相計と、前記第２の測定信号Ｉ_ｍ２を処理する第２の位相計へ送るステップと、
（ｈ）前記平面ミラーの移動方向及び移動速度に基づいて、スイッチング回路により前記第１の位相計と第２の位相計との間で選択するステップと、
（ｉ）選択された位相計の出力に基づいて、測定対象物の変位を算出するステップとを含む、ヘテロダイン干渉測定方法。
請求項１において、
前記平面ミラーが第１のプリセット速度Ｖ_１を超える速度で前記偏光ビームスプリッタに近づく場合に前記第１の位相計が選択され、前記平面ミラーが第２のプリセット速度Ｖ_２を超える速度で前記偏光ビームスプリッタから遠ざかる場合に前記第２の位相計が選択される、ヘテロダイン干渉測定方法。
請求項１において、
前記２本のレーザービームは、１つのレーザー光源から出力される、ヘテロダイン干渉測定方法。
高速且つ高解像度のヘテロダイン干渉測定システムであって、
前記ヘテロダイン干渉測定システムの光源として設けられる周波数安定化レーザー（１）と、
前記周波数安定化レーザー（１）からのレーザービームを分割する偏光ビームスプリッタ（２）と、
前記偏光ビームスプリッタ（２）により反射された前記レーザービームを反射する直角プリズム（６）と、
前記直角プリズム（６）からの前記レーザービームを反射する参照リフレクタ（７）と
、
前記偏光ビームスプリッタ（２）により伝搬された前記レーザービームの偏光状態を変化させる１／４波長板（４）と、
前記１／４波長板（４）からの前記レーザービームを反射する平面ミラー（５）と、
前記直角プリズム（６）に対して前記偏光ビームスプリッタ（２）の反対方向に配置され、前記偏光ビームスプリッタ（２）によって反射された前記レーザービームを反射する測定リフレクタ（３）と、
前記ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの１つを検出する第１のフォトダイオード（８）と、
前記ヘテロダイン干渉測定システムの測定ビームの他の１つを検出する第２のフォトダイオード（９）と、
前記第１のフォトダイオード（８）からの測定信号と前記周波数安定化レーザー（１）からの参照信号とを測定する第１の位相計（１０）と、
前記第２のフォトダイオード（９）からの測定信号と前記周波数安定化レーザー（１）からの参照信号とを測定する第２の位相計（１１）と、
前記第１の位相計（１０）又は前記第２の位相計（１１）からの信号を選択的に出力するスイッチング回路（１２）と、
前記スイッチング回路（１２）からの信号を処理する測定回路（１３）とを含む、ヘテロダイン干渉測定システム。
請求項４において、
前記参照リフレクタ（７）はレトロリフレクタであり、前記測定リフレクタ（３）は直角プリズムである、ヘテロダイン干渉測定システム。
請求項４において、
前記参照リフレクタ（７）は直角プリズムであり、前記測定リフレクタ（３）はレトロリフレクタである、ヘテロダイン干渉測定システム。
請求項４において、
前記参照リフレクタ（７）は２つのレトロリフレクタから構成され、前記測定リフレクタ（３）は１つのレトロリフレクタである、ヘテロダイン干渉測定システム。
請求項４において、
前記参照リフレクタ（７）は１つのレトロリフレクタであり、前記測定リフレクタ（３）は２つのレトロリフレクタから構成される、ヘテロダイン干渉測定システム。
請求項４において、
前記直角プリズム（６）の辺長は、前記偏光ビームスプリッタ（２）の辺長と等しい、ヘテロダイン干渉測定システム。