JP2023120693A - レーザー干渉計 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023120693000001
【課題】対象物の計測結果における外乱の影響を抑制することができ、かつ、小型化が図られたレーザー干渉計を提供すること。
【解決手段】第１レーザー光を射出するレーザー光源と、振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光、および、前記第２レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、を備えることを特徴とするレーザー干渉計。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー干渉計に関するものである。
特許文献１には、物体の振動速度を測定する装置として、レーザー振動計が開示されている。このレーザー振動計では、被測定物にレーザー光を照射し、ドップラーシフトを受けた散乱レーザー光に基づいて、被測定物の振動速度を計測する。
特許文献１に記載のレーザー振動計は、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）を備えている。音響光学変調器は、供給される超音波周波数を変えることでレーザー光の周波数をシフトさせる。レーザー振動計では、周波数をシフトさせたレーザー光を、参照光として用いる。そして、被測定物に由来する散乱レーザー光と、音響光学変調器に由来する参照光と、を重ね合わせてビート周波数を取り出す。このようにして取り出されたビート周波数から被測定物の振動速度を非接触で求めることができる。
一方、レーザー振動計が設置される建物や設備の振動は、被測定物の振動速度を計測する際の外乱となり、計測精度を低下させる。
そこで、特許文献２には、非接触型振動計に接触型振動計を取り付け、構造物の振動を同時測定する構造物の振動特性の同定方法が提案されている。この方法では、非接触型振動計で測定された時系列振動データから求めた周波数特性をＳＬ（ｆ）とし、接触型振動計で測定された時系列振動データから求めた周波数特性をＳＳ（ｆ）とするとき、ＳＬ（ｆ）－ＳＳ（ｆ）＝ＳＭ（ｆ）の演算を行う。演算によって求められた周波数特性ＳＭ（ｆ）は、非接触型振動計における振動の影響が取り除かれたものである。したがって、この演算により、構造物の振動を正しく計測することができる。
特開２００７－２８５８９８号公報 特開２００４－１８４３７７号公報
しかしながら、特許文献２に記載の方法では、非接触型振動計に接触型振動計を取り付ける必要があるため、レーザー振動計の大型化が避けられない。このため、対象物の計測結果において外乱の影響を低減するという機能を持たせつつ、小型化が図られたレーザー振動計の実現が課題となっている。
本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光、および、前記第２レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
を備えることを特徴とする。
本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
前記第２レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号、および、前記変調信号、を含む第３レーザー光、ならびに、前記第１レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
を備えることを特徴とする。
本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて、前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光を変調し、前記サンプル信号および変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
前記サンプル信号および前記変調信号を含む前記第２レーザー光、ならびに、前記第１レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
を備えることを特徴とする。
第１実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。 図１に示すセンサーヘッド部を示す概略構成図である。 図２の光変調器を示す斜視図である。 様々な種類の水晶振動子について、各種特性を比較した表である。 パッケージ構造を有する光変調器を示す断面図である。 一段インバーター発振回路の構成を示す回路図である。 振動素子のＬＣＲ等価回路の例である。 図１の補正回路による補正処理の概念を示す図である。 第２実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。 図９の光変調器を示す平面図である。 図９の補正回路による補正処理の概念を示す図である。 第３実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。 図１２の光変調器を示す断面図である。 図１３に示す光変調器の分解平面図である。 図１３に示す光変調器の分解平面図である。 図１３に示す光変調器の分解平面図である。 第１変形例に係る光学系を示す概略構成図である。 第２変形例に係る光学系を示す概略構成図である。 第３変形例に係る光学系を示す概略構成図である。 第４変形例に係る光学系を示す概略構成図である。
以下、本発明のレーザー干渉計を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図１は、第１実施形態に係るレーザー干渉計１を示す機能ブロック図である。
図１に示すレーザー干渉計１は、光学系５０、電流電圧変換器５３１および発振回路５４を備えるセンサーヘッド部５１と、光学系５０からの光検出信号が入力される復調回路５２と、補正回路５６と、を有する。レーザー干渉計１は、動いている対象物１４にレーザー光を照射し、反射した光を検出、解析する。これにより、対象物１４の変位や速度を計測する。
１．１．センサーヘッド部
図２は、図１に示すセンサーヘッド部５１を示す概略構成図である。なお、図２では、互いに直交する３つの軸として、ａ軸、ｂ軸およびｃ軸を設定し、矢印で示している。矢印の先端側を「プラス」とし、矢印の基端側を「マイナス」とする。また、例えば、ａ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「ａ軸方向」という。ｂ軸方向およびｃ軸方向もそれぞれ同様である。
１．１．１．光学系
光学系５０は、図２に示すように、レーザー光源２と、コリメートレンズ３と、光分割器４と、１／２波長板６と、１／４波長板７と、１／４波長板８と、検光子９と、受光素子１０と、周波数シフター型の光変調器１２と、反射素子１５と、を備える。
レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。受光素子１０は、受けた光を電気信号に変換する。光変調器１２は、振動素子３０を備えており、出射光Ｌ１の周波数を変化させ、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。対象物１４に入射した出射光Ｌ１は、対象物１４に由来するドップラー信号であるサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）として反射する。
光分割器４とレーザー光源２とを結ぶ光路を、光路１８とする。光分割器４と光変調器１２とを結ぶ光路を、光路２０とする。光分割器４と対象物１４とを結ぶ光路を、光路２２とする。光分割器４と受光素子１０とを結ぶ光路を、光路２４とする。なお、本明細書の「光路」は、光学部品同士の間に設定された、光が進行する経路を指している。
光路１８上には、光分割器４側から１／２波長板６およびコリメートレンズ３がこの順で配置されている。光路２０上には、光分割器４側から１／４波長板８および反射素子１５が配置されている。光路２２上には、１／４波長板７が配置されている。光路２４上には、検光子９が配置されている。
レーザー光源２から射出された出射光Ｌ１は、光路１８を経て、光分割器４で２つに分割される。分割された出射光Ｌ１の一方である第１分割光Ｌ１ａは、光路２０を経て、光変調器１２に入射する。図２の例では、第１分割光Ｌ１ａの入射光軸、すなわち光変調器１２に入射する光路２０は、ａ軸と平行である。また、分割された出射光Ｌ１の他方である第２分割光Ｌ１ｂは、光路２２を経て、対象物１４に入射する。図２の例では、第２分割光Ｌ１ｂの入射光軸、すなわち光路２２は、ａ軸と平行である。光変調器１２で周波数が変調されて生成された参照光Ｌ２は、光路２０および光路２４を経て、受光素子１０に入射する。対象物１４での反射により生成された物体光Ｌ３は、光路２２および光路２４を経て、受光素子１０に入射する。
以下、光学系５０の各部についてさらに説明する。
１．１．１．１．レーザー光源
レーザー光源２は、可干渉性を有する出射光Ｌ１を射出するレーザー光源である。レーザー光源２には、線幅がＭＨｚ帯以下の光源が好ましく用いられる。具体的には、Ｈｅ－Ｎｅレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed FeedBack - Laser Diode：分布帰還型レーザーダイオード）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber Bragg Grating付き Laser Diode：ファイバーブラッググレーティング付きレーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザーダイオード）、ＦＰ－ＬＤ（Fabry-Perot Laser Diode：ファブリーペロー型半導体レーザーダイオード）のような半導体レーザー素子等が挙げられる。
レーザー光源２は、特に半導体レーザー素子であるのが好ましい。これにより、レーザー光源２を特に小型化することが可能になる。このため、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。特に、レーザー干渉計１のうち、光学系５０が収容されるセンサーヘッド部５１の小型化および軽量化が図られるため、センサーヘッド部５１の設置自由度といった、レーザー干渉計１の操作性を高められる点で有用である。
１．１．１．２．コリメートレンズ
コリメートレンズ３は、レーザー光源２と光分割器４との間に配置される光学素子であり、一例として非球面レンズが挙げられる。コリメートレンズ３は、レーザー光源２から射出された出射光Ｌ１を平行化する。なお、レーザー光源２から射出される出射光Ｌ１が十分に平行化されている場合、例えばＨｅ－Ｎｅレーザーのようなガスレーザーをレーザー光源２として用いた場合には、コリメートレンズ３が省略されていてもよい。
一方、レーザー光源２が半導体レーザー素子である場合には、レーザー干渉計１は、レーザー光源２と光分割器４との間に配置されているコリメートレンズ３を備えるのが好ましい。これにより、半導体レーザー素子から射出される出射光Ｌ１を平行化することができる。その結果、出射光Ｌ１がコリメート光になるため、出射光Ｌ１を受光する各種光学部品の大型化を抑制することができ、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。
コリメート光となった出射光Ｌ１は、１／２波長板６を通過することにより、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比が例えば５０：５０である直線偏光に変換され、光分割器４に入射する。
１．１．１．３．光分割器
光分割器４は、レーザー光源２と光変調器１２との間、および、レーザー光源２と対象物１４との間に配置される偏光ビームスプリッターである。光分割器４は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる機能を有する。この機能により、光分割器４は、出射光Ｌ１を、光分割器４での反射光である第１分割光Ｌ１ａ、および、光分割器４の透過光である第２分割光Ｌ１ｂ、に分割する。
光分割器４で反射したＳ偏光である第１分割光Ｌ１ａは、１／４波長板８で円偏光に変換され、光変調器１２に入射する。光変調器１２に入射した第１分割光Ｌ１ａは、ｆｍ［Ｈｚ］の周波数シフトを受け、参照光Ｌ２として反射する。したがって、参照光Ｌ２は、周波数ｆｍ［Ｈｚ］の変調信号を含む。参照光Ｌ２は、再び１／４波長板８を透過するときＰ偏光に変換される。参照光Ｌ２のＰ偏光は、光分割器４および検光子９を透過して受光素子１０に入射する。
光分割器４を透過したＰ偏光である第２分割光Ｌ１ｂは、１／４波長板７で円偏光に変換され、動いている状態の対象物１４に入射する。対象物１４に入射した第２分割光Ｌ１ｂは、ｆｄ［Ｈｚ］のドップラーシフトを受け、物体光Ｌ３として反射する。したがって、物体光Ｌ３は、周波数ｆｄ［Ｈｚ］のサンプル信号を含む。物体光Ｌ３は、再び１／４波長板７を透過するときＳ偏光に変換される。物体光Ｌ３のＳ偏光は、光分割器４で反射され、検光子９を透過して受光素子１０に入射する。
前述したように、出射光Ｌ１は可干渉性を有しているため、参照光Ｌ２および物体光Ｌ３は、干渉光として受光素子１０に入射する。
なお、偏光ビームスプリッターに代えて無偏光ビームスプリッターを用いるようにしてもよい。この場合、１／２波長板６、１／４波長板７および１／４波長板８等が不要となるため、部品点数の削減によるレーザー干渉計１の小型化を図ることができる。また、ビームスプリッター以外の光分割器を用いるようにしてもよい。
１．１．１．４．検光子
互いに直交するＳ偏光およびＰ偏光は、互いに独立しているので、単純に重ね合わせただけでは干渉によるうなりが現れない。そこで、Ｓ偏光とＰ偏光を重ね合わせた光波を、Ｓ偏光およびＰ偏光の双方に対して４５°傾けた検光子９に通す。検光子９を用いることにより、互いに共通した成分同士の光を透過させ、干渉を生じさせることができる。その結果、検光子９では、参照光Ｌ２と物体光Ｌ３とが干渉し、｜ｆｍ－ｆｄ｜［Ｈｚ］の周波数を持つ干渉光が生成される。
１．１．１．５．受光素子
干渉光が受光素子１０に入射すると、受光素子１０は、干渉光の強度に応じた光電流（受光信号）を出力する。この受光信号から後述する方法でサンプル信号を復調することにより、最終的に、対象物１４の動き、すなわち変位や速度を求めることができる。受光素子１０としては、例えばフォトダイオード等が挙げられる。なお、受光素子１０で受光するのは、参照光Ｌ２および物体光Ｌ３を含む光であればよく、これらの干渉光のみに限定されない。また、本明細書における「受光信号からサンプル信号を復調する」には、光電流（受光信号）から変換された様々な信号からサンプル信号を復調することを含む。
１．１．１．６．光変調器
図３は、図２の光変調器１２を示す斜視図である。なお、図３では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定し、矢印で示している。矢印の先端側を「プラス」とし、矢印の基端側を「マイナス」とする。また、例えば、Ｘ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「Ｘ軸方向」という。Ｙ軸方向およびＺ軸方向もそれぞれ同様である。
１．１．１．６．１．振動素子
図３に示す光変調器１２は、基部３０２および腕部３０３、３０４を有する基板構造体３０１と、可動部３０５と、くびれ部３０６と、錘３０７と、振動素子３０と、を備えている。
腕部３０３、３０４は、それぞれ、先端部がＹ軸マイナス側、基端部がＹ軸プラス側になるように、Ｙ軸方向に延在している。可動部３０５は、Ｘ軸方向における腕部３０３と腕部３０４との間に配置され、くびれ部３０６を介して基部３０２に接続されている。可動部３０５は、くびれ部３０６を支点としたカンチレバーである。
図３に示す振動素子３０は、一例として、双音叉型水晶振動子である。振動素子３０は、Ｙ軸方向に延在し、Ｚ軸方向から見た平面視で、くびれ部３０６を跨いで配置されている。振動素子３０のＹ軸マイナス側の端部は、可動部３０５に取り付けられ、Ｙ軸プラス側の端部は、基部３０２に取り付けられている。
振動素子３０は、図３に示す２本の振動梁部３１１、３１２を含む水晶片と、図示しない電極と、光反射面３１３と、を有している。水晶片は、例えば水晶Ｚ板を加工して作製される。電極は、水晶片の表面に設けられている。電極に交流電圧を印加すると、振動梁部３１１、３１２が互いに離間と接近を繰り返すように撓む。これにより、振動梁部３１１、３１２がＸ軸方向に屈曲振動する。
光反射面３１３は、振動梁部３１１のＸ－Ｙ面と平行な面に設けられ、出射光Ｌ１を反射する機能を有する。なお、光反射面３１３は、この面に設けられた図示しない電極の表面であってもよいし、電極とは別に設けられた光反射膜の表面であってもよい。
錘３０７は、例えばステンレス鋼や銅等の金属材料で構成される。錘３０７は、接合部３０８を介して可動部３０５に取り付けられている。これにより、錘３０７は、可動部３０５とともにＺ軸方向に変位する。また、腕部３０３、３０４は、錘３０７の過度な変位を抑制する。
振動梁部３１１、３１２がＸ軸方向に屈曲振動すると、光反射面３１３もＸ軸方向に振動する。このようなＸ軸方向の屈曲振動を、ここでは面内振動という。
一方、振動梁部３１１、３１２に面内振動を生じさせると、それと同時に、光反射面３１３をＺ軸方向に振動させるＺ逆相スプリアス振動が励振される。Ｚ逆相スプリアス振動は、面外振動の一例である。
このような面外振動は、エネルギー的に面内振動と結合することにより励振される。通常、面内振動に結合する面外振動は、避けられたり、抑圧されたりするが、本実施形態では、これを積極的に励振させることで、光反射面３１３を出射光Ｌ１の周波数に相互作用させる。面外振動を面内振動に結合させるためには、振動素子３０の形状や図示しない電極の配置等を調整すればよい。例えば、振動梁部３１１、３１２の断面形状を、長方形から平行四辺形にすることで、面外振動が励振されやすくなる。
このような面外振動が生じている状態で、光反射面３１３に出射光Ｌ１を入射させると、光反射面３１３の振動と出射光Ｌ１の周波数との間で相互作用が生じる。これにより、出射光Ｌ１の周波数変調を行う光変調器１２を実現することができる。その結果、出射光Ｌ１から参照光Ｌ２を生成することができる。
なお、面外振動のモードには、様々なモードがある。振動素子３０で用いられる面外振動は、Ｚ逆相スプリアス振動に限定されず、いかなるモードの振動であってもよい。
振動素子３０のＹ軸方向の長さは、例えば、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下程度とされる。振動素子３０のＺ軸方向の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
なお、振動素子３０が備える水晶片の形状は、図３に示すような双音叉型に限定されず、いかなる形状であってもよい。また、振動素子３０は、屈曲振動以外の振動モードを有する振動素子であってもよい。
図１および図２に示す発振回路５４から図３に示す振動素子３０に駆動信号Ｓｄを供給する（交流電圧を印加する）と、前述したように振動素子３０が発振する。振動素子３０の発振に必要な電力（駆動パワー）は、特に限定されないが、０．１μＷ～１００ｍＷ程度と小さい。このため、発振回路５４から出力した駆動信号Ｓｄを増幅することなく、振動素子３０を発振させるために用いることができる。
また、従来の光変調器である音響光学変調器（ＡＯＭ）や電気光学変調器（ＥＯＭ）では、光変調器の温度を維持する構造が必要な場合もあるため、体積を小さくすることが難しかった。また、これらの光変調器は、消費電力が大きいため、レーザー干渉計の小型化および省電力化が困難であるという課題を有していた。これに対し、本実施形態では、振動素子３０の体積が非常に小さく、発振に要する電力も小さいため、レーザー干渉計１の小型化および省電力化が容易である。
一方、振動素子３０は、出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、加速度センサーとしての機能も有する。
振動梁部３１１、３１２がＸ軸方向に屈曲振動している状態で、例えばＺ軸方向に加速度が印加されると、錘３０７には慣性力が作用する。この慣性力に伴って、可動部３０５がＺ軸方向に変位すると、振動梁部３１１、３１２において応力が変化する。応力が変化すると、変化前に比べて振動素子３０の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出することにより、慣性力を検出し、加速度を求めることができる。これにより、振動素子３０を加速度センサーとして機能させることができる。
後述する補正回路５６は、振動素子３０を信号源として動作する発振回路５４から出力される基準信号Ｓｓの周波数値を逐次読み取る。そして、周波数値の変化から振動素子３０の共振周波数の変化を検出し、その変化量から慣性力および加速度を求める。補正回路５６は、振動素子３０に作用する力に基づいて受光信号を補正する。なお、本明細書において「振動素子３０に作用する力に基づく」とは、例えば、振動素子３０に作用する力から物理量を求め、その物理量に基づくことを含む。また、本明細書において「受光信号を補正する」とは、受光素子１０から出力される受光信号（光電流）、または、受光信号から変換される様々な信号を補正することをいう。
このような補正を行うことにより、レーザー干渉計１に外乱としての加速度が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
なお、レーザー干渉計１に加わる加速度のうち、対象物１４に入射する出射光Ｌ１の入射光軸と平行な方向の加速度は、対象物１４の計測結果に大きく影響する。このため、検出される加速度の方向が、対象物１４に対する出射光Ｌ１の入射光軸と平行となるように、振動素子３０を配置するのが好ましい。これにより、対象物１４の計測精度に影響を及ぼす加速度を、より的確に検出することができる。その結果、対象物１４の計測精度をより高めることができる。
レーザー干渉計１に加速度が加わる状況としては、例えば、レーザー干渉計１が置かれた部屋や建物に振動が加わる状況が挙げられる。振動が加わると、レーザー干渉計１に加わる加速度が時間とともに変化する。このとき、振動素子３０の振動にも変化が生じることから、この変化に基づいて、加速度の時間変化を求めることができる。
図３に示す振動素子３０の場合、加速度検出軸Ａ１は、Ｚ軸と平行である。また、対象物１４に入射する出射光Ｌ１の入射光軸は、図２のａ軸と平行である。したがって、図３に示す振動素子３０を備える光変調器１２は、図３のＺ軸（加速度検出軸Ａ１）と、図２のａ軸と、が好ましくは平行になるように設置されていればよい。
なお、振動素子３０は、双音叉型水晶振動子に限定されず、例えば、音叉型水晶振動子、水晶ＡＴ振動子、縦水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子のような各種水晶振動子であってもよい。
図４は、様々な種類の水晶振動子について、各種特性を比較した表である。なお、図４に示す特性値は、一例であり、これに限定されない。
図４に示すように、応力感度、ダイナミックレンジ等の特性を比較すると、他の水晶振動子に比べて、双音叉型水晶振動子が良好であることがわかる。応力感度は、振動素子３０に作用する力を検出するときの感度である。また、ダイナミックレンジは、検出可能な力の範囲である。これらが良好であれば、加速度センサーとしての性能に優れる振動素子３０を実現することができる。したがって、振動素子３０は、特に双音叉型水晶振動子であるのが好ましい。
また、振動素子３０は、水晶振動子に限定されず、シリコン振動子であってもよいし、セラミック振動子であってもよい。水晶振動子、シリコン振動子およびセラミック振動子は、その他の振動子、例えばピエゾ素子等とは異なり、共振現象を利用した振動子であるため、Ｑ値が高く、固有振動数の安定化を容易に図ることができる。本明細書では、このように、高いＱ値に基づく共振現象を利用した振動子のことを「自励発振振動子」という。振動素子３０として自励発振振動子を用いることにより、変調信号の安定化を図ることができ、かつ、振動素子３０を信号源として動作する発振回路５４は、より高精度の基準信号Ｓｓを出力することが可能になる。しかも、変調信号および基準信号Ｓｓは、いずれも復調回路５２でリアルタイムに処理される。このため、双方の信号が外乱を受けても、互いに相殺または低減され、処理結果に影響を与えにくい。よって、対象物１４に由来するサンプル信号を高いＳ／Ｎ比（信号対雑音比）で復調することができ、対象物１４の速度や変位をより高精度に計測し得るレーザー干渉計１を実現することができる。
また、振動素子３０として自励発振振動子を用いることにより、加速度センサーや後述する角速度センサー（ジャイロセンサー）、気圧センサー等の各種センサーとしての性能も高めることができる。その結果、補正回路５６における補正処理の精度を高めることができ、最終的に対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
シリコン振動子は、単結晶シリコン基板からＭＥＭＳ技術を用いて製造される単結晶シリコン片と、圧電膜と、を備える振動子である。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。単結晶シリコン片の形状としては、例えば、２脚音叉型、３脚音叉型等の片持ち梁形状、両持ち梁形状等が挙げられる。シリコン振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。
セラミック振動子は、圧電セラミックスを焼き固めて製造される圧電セラミック片と、電極と、を備える振動子である。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）等が挙げられる。セラミック振動子の発振周波数は、例えば数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚ程度である。
１．１．１．６．２．パッケージ構造
光変調器１２は、パッケージ構造を有していてもよい。図５は、パッケージ構造を有する光変調器１２を示す断面図である。パッケージ構造とは、図５に示す容器７０（筐体）内に振動素子３０を気密封止した構造を指す。
図５に示す光変調器１２は、内部空間としての収容部を有する容器７０と、容器７０に収容されている振動素子３０と、発振回路５４の一部を構成する回路素子４５と、を備えている。
容器７０は、図５に示すように、容器本体７２とリッド７４とを備える。このうち、容器本体７２は、その内部に設けられた凹部７２０と、凹部７２０の底面に載置されている段部７２１と、を有している。容器本体７２は、例えば、セラミックス材料、樹脂材料等で構成されている。また、容器本体７２は、内面に設けられた図示しない内部端子、外面に設けられた外部端子７６、内部端子と外部端子７６とを接続する図示しない配線等を備えている。
また、容器本体７２の開口部は、シールリングや低融点ガラス等の封止部材７３を介して、リッド７４で塞がれている。さらに、振動素子３０からＺ軸と平行な直線を引いたとき、その直線と交差するリッド７４の一部には、出射光Ｌ１や参照光Ｌ２が透過する透過窓が設けられている。これにより、図３に示す光反射面３１３に出射光Ｌ１を入射させることができ、また、生成された参照光Ｌ２を容器本体７２の外部に出射させることができる。
容器７０の収容部は、気密封止されているのが好ましい。これにより、収容部を減圧した状態で維持したり、各種ガスを充填した状態で維持したりすることができる。収容部を減圧することにより、振動素子３０の面外振動における空気抵抗を低減することができる。このため、収容部に収容された振動素子３０の振動効率を高め、光反射面３１３の変位をより大きくすることができる。また、振動素子３０の発振の安定化を図ることもできる。その結果、変調信号のＳ／Ｎ比をより高めることができ、最終的に、サンプル信号をより高いＳ／Ｎ比で復調することができる。また、各種ガスを充填することにより、例えば、振動素子３０の劣化等を抑制することができる。
減圧された収容部の圧力は、大気圧未満であれば、特に限定されないが、１００Ｐａ以下であるのが好ましい。一方、減圧状態を良好に維持することを考慮すれば、下限値を１０Ｐａ程度に設定してもよい。
なお、容器７０を設けることや容器７０を気密封止することは、必須ではなく、省略されていてもよい。
振動素子３０は、段部７２１により支持されている。容器本体７２の内部端子と振動素子３０との間は、例えばボンディングワイヤー、接合金属等の図示しない導電材料を介して電気的に接続されている。
凹部７２０の底面には、回路素子４５が配置されている。回路素子４５は、図示しない導電材料を介して容器本体７２の内部端子と電気的に接続されている。これにより、振動素子３０と回路素子４５との間も、容器本体７２が備える配線を介して電気的に接続される。なお、回路素子４５には、後述する発振回路５４以外の回路が設けられていてもよい。
このようなパッケージ構造を採用することにより、振動素子３０と回路素子４５とを重ねることができるので、両者の物理的距離を近づけることができ、振動素子３０と回路素子４５との間の配線長を短くすることができる。このため、駆動信号Ｓｄに外部からノイズが入ったり、反対に駆動信号Ｓｄがノイズ源になったりするのを抑制することができる。また、１つの容器７０で、振動素子３０と回路素子４５の双方を外部環境から保護することができる。このため、センサーヘッド部５１の小型化を図りつつ、レーザー干渉計１の信頼性を高めることができる。
また、パッケージ構造は、例えば光学系５０全体を気密封止する場合に比べて、真空度を悪化させる原因となる脱ガスを少なく抑えることができる。これにより、パッケージ構造を採用した光変調器１２では、長期信頼性を高めやすい。
さらに、上述したパッケージ構造を構成する容器７０は、振動素子３０とともに、ウエハーレベルでの製造プロセスで製造することもできる。このため、パッケージ構造を採用した光変調器１２は、製造コストの低減が容易である。
なお、容器７０の構造は、図示した構造に限定されず、例えば、振動素子３０および回路素子４５が個別のパッケージ構造を有していてもよい。また、図示しないものの、容器７０には、発振回路５４を構成するその他の回路要素やそれ以外の回路要素が収容されていてもよい。なお、容器７０は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。
また、図３における出射光Ｌ１の入射方向は、Ｚ軸方向に限定されず、例えばＸ軸方向であってもよい。
１．１．２．電流電圧変換器
電流電圧変換器５３１は、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）とも呼ばれ、受光素子１０から出力された光電流（受光信号）を、電圧信号に変換し、光検出信号として出力する。
電流電圧変換器５３１と復調回路５２との間には、図１に示すＡＤＣ５３２が配置されている。ＡＤＣ５３２は、アナログ－デジタル変換器であり、所定のサンプリングビット数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤＣ５３２は、センサーヘッド部５１に設けられている。
なお、光学系５０は、受光素子１０を複数備えていてもよい。この場合、複数の受光素子１０と電流電圧変換器５３１との間に、差動増幅回路を設けることにより、光電流に対して差動増幅処理を施し、光検出信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。なお、差動増幅処理は、電圧信号に対して行うようにしてもよい。
１．１．３．発振回路
発振回路５４は、振動素子３０に向けて駆動信号Ｓｄを出力する。また、発振回路５４は、復調回路５２に向けて基準信号Ｓｓを出力する。
発振回路５４には、振動素子３０を発振可能な回路であれば、特に限定されず、様々な構成の回路が用いられる。回路構成の一例として、一段インバーター発振回路の構成を示す回路図を図６に例示する。
図６に示す発振回路５４は、回路素子４５と、帰還抵抗Ｒｆと、制限抵抗Ｒｄと、第１コンデンサーＣｇと、第２コンデンサーＣｄと、第３コンデンサーＣ３と、を備えている。
回路素子４５は、インバーターＩＣである。回路素子４５の端子Ｘ１および端子Ｘ２は、それぞれ回路素子４５の内部のインバーターに接続された端子である。端子ＧＮＤは、グランド電位に接続され、端子Ｖｃｃは、電源電位に接続される。端子Ｙは、発振出力用の端子である。
端子Ｘ１とグランド電位との間には、第１コンデンサーＣｇが接続されている。また、端子Ｘ２とグランド電位との間には、互いに直列に接続された制限抵抗Ｒｄおよび第２コンデンサーＣｄが、端子Ｘ２側からこの順で接続されている。さらに、端子Ｘ１と第１コンデンサーＣｇとの間には、帰還抵抗Ｒｆの一端が接続され、端子Ｘ２と制限抵抗Ｒｄとの間には、帰還抵抗Ｒｆの他端が接続されている。
また、第１コンデンサーＣｇと帰還抵抗Ｒｆの間には振動素子３０の一端が接続され、第２コンデンサーＣｄと制限抵抗Ｒｄの間には振動素子３０の他端が接続されている。これにより、振動素子３０が、発振回路５４の信号源となる。
図７は、振動素子３０のＬＣＲ等価回路の例である。
図７に示すように、振動素子３０のＬＣＲ等価回路は、直列容量Ｃ１、直列インダクタンスＬ１、等価直列抵抗Ｒ１、および並列容量Ｃ０で構成されている。
図６に示す発振回路５４では、第１コンデンサーＣｇの容量をＣｇとし、第２コンデンサーＣｄの容量をＣｄとするとき、負荷容量ＣＬが以下の式（ａ）で与えられる。
Figure 2023120693000002
そうすると、発振回路５４の端子Ｙから出力される信号の周波数である発振周波数ｆｏｓｃは、以下の式（ｂ）で与えられる。
Figure 2023120693000003
ｆＱは、振動素子３０の固有振動数である。
上記式（ｂ）によれば、負荷容量ＣＬを適宜変更することにより、端子Ｙから出力される信号の発振周波数ｆｏｓｃを微調整し得ることがわかる。
また、振動素子３０の固有振動数ｆＱと、発振回路５４から出力される信号の周波数である発振周波数ｆｏｓｃと、の差Δｆは、以下の式（ｃ）で与えられる。
Figure 2023120693000004
ここで、Ｃ１＜＜Ｃ０、Ｃ１＜＜ＣＬであるので、Δｆは、近似的に以下の式（ｄ）で与えられる。
Figure 2023120693000005
したがって、発振回路５４の発振周波数ｆｏｓｃは、振動素子３０の固有振動数ｆＱに応じた値となる。
ここで、振動素子３０が例えば容器７０に固定されるとき、固定部を介して温度による膨張応力を受けると、固有振動数ｆＱが変動する。また、振動素子３０を傾けると、自重による重力等の影響を受けて、固有振動数ｆＱが変動する。
発振回路５４では、このような理由で固有振動数ｆＱが変動したとしても、上記式（ｄ）に基づいて、その変動に連動するように発振周波数ｆｏｓｃが変化することになる。つまり、発振周波数ｆｏｓｃは、常にΔｆだけ、固有振動数ｆＱからずれた値となる。これにより、振動素子３０の振動が安定し、変位振幅が安定する。変位振幅が安定することにより、光変調器１２の変調特性が安定するため、変調信号のＳ／Ｎ比をより高めることができる。その結果、復調回路５２におけるサンプル信号の復調精度を高めることができる。
一例として、Δｆ＝｜ｆｏｓｃ－ｆＱ｜≦３０００［Ｈｚ］であるのが好ましく、Δｆ≦６００［Ｈｚ］であるのがより好ましい。
また、レーザー干渉計１は、復調回路５２と、発振回路５４と、を備えている。復調回路５２は、基準信号Ｓｓに基づいて、対象物１４に由来するサンプル信号を、光電流（受光信号）に基づく光検出信号から復調する。発振回路５４は、振動素子３０を信号源として動作し、図１に示すように、復調回路５２に向けて基準信号Ｓｓを出力する。
このような構成によれば、振動素子３０の固有振動数ｆＱが変動したとしても、発振回路５４の発振周波数ｆｏｓｃを振動素子３０の固有振動数ｆＱに応じた値に変化させることができるので、振動素子３０の振動を容易に安定化させることができる。これにより、変調信号の温度特性を、振動素子３０の温度特性に対応させることができ、光変調器１２の変調特性を安定させることができる。その結果、復調回路５２におけるサンプル信号の復調精度を高めることができる。
また、発振回路５４は、消費電力が低いため、レーザー干渉計１の省電力化を容易に図ることができる。
なお、発振回路５４に代えて、例えばファンクションジェネレーターやシグナルジェネレーター等の信号生成器を用いてもよい。
１．２．復調回路
復調回路５２は、電流電圧変換器５３１から出力された光検出信号から、対象物１４に由来するサンプル信号を復調する復調処理を行う。サンプル信号には、例えば位相情報および周波数情報が含まれている。そして、位相情報からは、対象物１４の変位を取得することができ、周波数情報からは、対象物１４の速度を取得することができる。このように異なる物理量を取得することができれば、変位計や速度計としての機能を持たせられるため、レーザー干渉計１の高機能化を図ることができる。
復調回路５２では、変調処理の方式に応じて、その回路構成が設定される。本実施形態に係るレーザー干渉計１では、振動素子３０を備えた光変調器１２が用いられている。振動素子３０は、単振動する素子であるため、周期内で振動速度が刻々と変化する。このため、変調周波数も時間で変化することになり、従来の復調回路をそのまま用いることはできない。
従来の復調回路とは、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて変調された変調信号を含む受光信号からサンプル信号を復調する回路を指す。音響光学変調器では、変調周波数が変化しない。このため、従来の復調回路は、変調周波数が変化しない変調信号を含む受光信号からサンプル信号を復調することはできるが、変調周波数が変化する光変調器１２で変調された変調信号を含む場合、そのままでは復調することはできない。
そこで、図１に示す復調回路５２は、前処理部５３と、復調処理部５５と、を備えている。電流電圧変換器５３１から出力された光検出信号は、まず、前処理部５３で前処理を施された後、復調処理部５５に導かれる。この前処理により、従来の復調回路で復調可能な信号が得られる。したがって、復調処理部５５では、公知の復調方式により、対象物１４由来のサンプル信号を復調する。
復調回路５２が有する上述した機能は、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。具体的には、メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出し、実行することによって実現される。なお、これらの構成要素は、内部バスによって互いに通信可能になっている。
プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が挙げられる。なお、これらのプロセッサーがソフトウェアを実行する方式に代えて、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が上述した機能を実現する方式を採用するようにしてもよい。
メモリーとしては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等が挙げられる。
外部インターフェースとしては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート、イーサネット（登録商標）ポート等が挙げられる。
入力部としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、タッチパッド等の各種入力装置が挙げられる。表示部としては、例えば、液晶ディスプレイパネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイパネル等が挙げられる。
１．２．１．前処理部の構成
図１に示す前処理部５３は、第１バンドパスフィルター５３４と、第２バンドパスフィルター５３５と、第１遅延調整器５３６と、第２遅延調整器５３７と、乗算器５３８と、第３バンドパスフィルター５３９と、第１ＡＧＣ部５４０と、第２ＡＧＣ部５４１と、加算器５４２と、を備えている。なお、ＡＧＣは、Auto Gain Controlである。
電流電圧変換器５３１から出力された光検出信号は、分岐部ｊｐ１で第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２の２つに分割される。図１では、第１信号Ｓ１の経路を第１信号経路ｐｓ１とし、第２信号Ｓ２の経路を第２信号経路ｐｓ２とする。
発振回路５４と第２遅延調整器５３７との間には、ＡＤＣ５３３が接続されている。ＡＤＣ５３３は、アナログ－デジタル変換器であり、所定のサンプリングビット数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、ＡＤＣ５３３は、センサーヘッド部５１に設けられている。
第１バンドパスフィルター５３４、第２バンドパスフィルター５３５および第３バンドパスフィルター５３９は、それぞれ、特定の周波数帯の信号を選択的に透過させるフィルターである。
第１遅延調整器５３６および第２遅延調整器５３７は、それぞれ、信号の遅延を調整する回路である。乗算器５３８は、２つの入力信号の積に比例した出力信号を生成する回路である。加算器５４２は、２つの入力信号の和に比例した出力信号を生成する回路である。
次に、第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２および基準信号Ｓｓの流れに沿って、前処理部５３の作動を説明する。
第１信号Ｓ１は、第１信号経路ｐｓ１上に配置された第１バンドパスフィルター５３４に通された後、第１遅延調整器５３６で群遅延が調整される。第１遅延調整器５３６で調整する群遅延は、後述する第２バンドパスフィルター５３５による第２信号Ｓ２の群遅延に相当する。この遅延調整によって、第１信号Ｓ１が通過する第１バンドパスフィルター５３４と、第２信号Ｓ２が通過する第２バンドパスフィルター５３５および第３バンドパスフィルター５３９と、の間でフィルター回路の通過に伴う遅延時間を揃えることができる。第１遅延調整器５３６を通過した第１信号Ｓ１は、第１ＡＧＣ部５４０を経て、加算器５４２に入力される。
第２信号Ｓ２は、第２信号経路ｐｓ２上に配置された第２バンドパスフィルター５３５に通された後、乗算器５３８に入力される。乗算器５３８では、第２信号Ｓ２に対し、第２遅延調整器５３７から出力された基準信号Ｓｓが乗算される。具体的には、発振回路５４から出力されたｃｏｓ（ωｍｔ）で表される基準信号Ｓｓは、ＡＤＣ５３３でデジタル変換、第２遅延調整器５３７で位相の調整が行われ、乗算器５３８に入力される。ωｍは、光変調器１２による変調信号の角周波数であり、ｔは、時間である。その後、第２信号Ｓ２は、第３バンドパスフィルター５３９に通された後、第２ＡＧＣ部５４１を経て、加算器５４２に入力される。
加算器５４２では、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２の和に比例する出力信号を出力する。
１．２．２．前処理の基本原理
次に、前処理部５３における前処理の基本原理について説明する。以下の説明では、一例として、変調信号として周波数が正弦波状に変化し、かつ対象物１４の変位も光軸方向に単振動で変化している系について考える。ここで、Ｅｍ、Ｅｄ、φを、
としたとき、電流電圧変換器５３１から出力される光検出信号ＩＰＤは、理論的に次式で表される。
なお、Ｅｍ、Ｅｄ、φｍ、φｄ、φ、ωｍ、ωｄ、ω０、ａｍ、ａｄは、それぞれ以下のとおりである。
また、式（４）中の＜＞は、時間平均を表している。
上記式（４）の第１項および第２項は、直流成分を表しており、第３項は、交流成分を表している。この交流成分をＩＰＤ・ＡＣとすると、ＩＰＤ・ＡＣは次式のようになる。
ここで、下記式（８）および式（９）のようなν次ベッセル関数が知られている。
上記式（５）を上記式（８）および式（９）のベッセル関数を使って級数展開すると、下記式（１０）のように変形できる。
ただし、Ｊ０（Ｂ）、Ｊ１（Ｂ）、Ｊ２（Ｂ）、・・・は、それぞれベッセル係数である。
以上のように変形すると、理論的には、特定の次数に対応する帯域をバンドパスフィルターによって抽出することが可能であるといえる。
そこで、前述した前処理部５３では、この理論に基づいて、以下のフローで光検出信号に前処理を行っている。
まず、電流電圧変換器５３１から出力された光検出信号は、分岐部ｊｐ１で第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２の２つに分割される。第１信号Ｓ１は、第１バンドパスフィルター５３４に通される。第１バンドパスフィルター５３４は、中心角周波数がωｍに設定されている。これにより、第１バンドパスフィルター５３４を通過後の第１信号Ｓ１は、次式で表される。
一方、第２信号Ｓ２は、第２バンドパスフィルター５３５に通される。第２バンドパスフィルター５３５の中心角周波数は、第１バンドパスフィルター５３４の中心角周波数とは異なる値に設定されている。ここでは、一例として、第２バンドパスフィルター５３５の中心角周波数を２ωｍに設定している。これにより、第２バンドパスフィルター５３５通過後の第２信号Ｓ２は、次式で表される。
第２バンドパスフィルター５３５通過後の第２信号Ｓ２には、乗算器５３８で基準信号Ｓｓが乗算される。乗算器５３８通過後の第２信号Ｓ２は、次式で表される。
乗算器５３８通過後の第２信号Ｓ２は、第３バンドパスフィルター５３９に通される。第３バンドパスフィルター５３９の中心角周波数は、第１バンドパスフィルター５３４の中心角周波数と同じ値に設定されている。ここでは、一例として、第３バンドパスフィルター５３９の中心角周波数をωｍに設定している。これにより、第３バンドパスフィルター５３９通過後の第２信号Ｓ２は、次式で表される。
その後、上記式（１１）で表される第１信号Ｓ１は、第１遅延調整器５３６で位相が、第１ＡＧＣ部５４０で振幅が調整される。
また、上記式（１４）で表される第２信号Ｓ２も、第２ＡＧＣ部５４１で振幅が調整され、第１信号Ｓ１の振幅に対して第２信号Ｓ２の振幅が揃えられる。
そして、第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２は、加算器５４２で加算される。加算結果は、下記式（１５）で表される。
上記式（１５）のように、加算の結果、不要項が消え、必要項を取り出すことができる。つまり、式（１５）で表される加算結果Ｉ５３は、周波数変調成分が抽出されてなる信号である。この加算結果Ｉ５３が復調処理部５５に入力される。
１．２．３．復調処理部の構成
復調処理部５５は、前処理部５３から出力された信号から対象物１４に由来するサンプル信号を復調する復調処理を行う。復調処理としては、特に限定されないが、公知の直交検波法が挙げられる。直交検波法は、入力信号に対し、互いに直交する信号を外部から混合する操作を行うことにより、復調処理を行う方法である。
図１に示す復調処理部５５は、乗算器５５１と、乗算器５５２と、移相器５５３と、第１ローパスフィルター５５５と、第２ローパスフィルター５５６と、除算器５５７と、逆正接演算器５５８と、出力回路５５９と、を備えたデジタル回路である。
乗算器５５１、５５２は、２つの入力信号の積に比例した出力信号を生成する回路である。移相器５５３は、振幅は変化させず、入力信号の位相を反転させた出力信号を生成する回路である。第１ローパスフィルター５５５および第２ローパスフィルター５５６は、それぞれ、高域の周波数帯の信号をカットするフィルターである。
除算器５５７は、２つの入力信号の商に比例した出力信号を生成する回路である。逆正接演算器５５８は、入力信号の逆正接を出力する回路である。出力回路５５９は、逆正接演算器５５８で取得した位相φから、対象物１４由来の情報として位相φｄを算出する。また、出力回路５５９は、位相アンラップ処理により、隣り合う２点に２πの位相飛びがある場合の位相接続を行う。そして、得られた位相情報から、対象物１４の変位を算出する。これにより、変位計が実現される。また、変位から対象物１４の速度を求めることができる。これにより、速度計が実現される。
なお、上記の復調処理部５５の回路構成は、一例であり、これに限定されない。例えば、復調処理部５５は、デジタル回路に限定されず、アナログ回路であってもよい。アナログ回路には、Ｆ／Ｖコンバーター回路やΔΣカウンター回路が含まれていてもよい。
１．２．４．復調処理部による復調処理
復調処理では、まず、前処理部５３から出力された信号を、分岐部ｊｐ２で２つに分割する。分割後の一方の信号に対し、乗算器５５１において、発振回路５４から出力した、ｃｏｓ（ωｍｔ）で表される基準信号Ｓｓを乗算する。分割後の他方の信号に対しては、乗算器５５２において、発振回路５４から出力した基準信号Ｓｓの位相を移相器５５３で－９０°シフトさせた、－ｓｉｎ（ωｍｔ）で表される信号を乗算する。基準信号Ｓｓ、および、基準信号Ｓｓの位相をシフトさせた信号は、互いに位相が９０°ずれた信号である。
乗算器５５１を通過した信号は、第１ローパスフィルター５５５を通され、その後、信号ｘとして除算器５５７に入力される。乗算器５５２を通過した信号は、第２ローパスフィルター５５６を通され、その後、信号ｙとして除算器５５７に入力される。除算器５５７では、信号ｙを信号ｘで除する除算を行い、その出力ｙ／ｘを逆正接演算器５５８に通して、出力ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を求める。
その後、出力ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を出力回路５５９に通すことにより、対象物１４由来の情報として位相φｄが求められる。出力回路５５９では、位相アンラップ処理により、隣り合う点に２πの位相飛びがある場合の位相接続を行う。そして、位相情報から、対象物１４の変位を算出することができる。これにより、変位計が実現される。また、変位から、速度を求めることができる。これにより、速度計が実現される。
一方、出力回路５５９では、周波数情報が求められるようになっていてもよい。周波数情報に基づいて、対象物１４の速度を算出することができる。
１．３．補正回路
補正回路５６は、振動素子３０の振動の変化から振動素子３０に作用する力である慣性力を検出し、この慣性力から求められた加速度の時間変化に基づいて受光信号を補正する。本実施形態では、補正回路５６が、振動素子３０を信号源として動作する発振回路５４から出力される基準信号Ｓｓの周波数値を逐次読み取る。次いで、補正回路５６は、周波数値の変化から振動素子３０の共振周波数の変化を検出し、その変化量から加速度を求める。そして、補正回路５６は、加速度の時間変化に基づいて受光信号を補正する。これにより、レーザー干渉計１に外乱としての振動が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。その結果、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
補正回路５６が有する上述した機能は、復調回路５２と同様、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。
１．３．１．補正回路の構成
図１に示す補正回路５６は、周波数カウンター５６１と、加速度変換器５６２と、感度調整部５６３と、フーリエ変換部５６４、５６５と、減算器５６６と、を有する。
周波数カウンター５６１は、ＡＤＣ５３３から出力される基準信号Ｓｓについて、周波数を測定する。
加速度変換器５６２は、周波数カウンター５６１で測定された基準信号Ｓｓの周波数に演算を行い、振動素子３０に加わった加速度を算出する。これにより、加速度変換器５６２からは、振動素子３０に加わった加速度の時間変化を表す加速度時間信号Ｘａ（ｔ）が出力される。
感度調整部５６３は、加速度の検出感度を調整する。これにより、加速度変換器５６２から出力される加速度時間信号Ｘａ（ｔ）について、振幅が調整される。
フーリエ変換部５６４は、感度調整部５６３から出力される加速度時間信号Ｘａ（ｔ）について、フーリエ変換を施し、スペクトル解析を行う。これにより、加速度時間信号Ｘａ（ｔ）が周波数空間で表され、加速度周波数スペクトルＳａ（ｆ）が得られる。
フーリエ変換部５６５は、出力回路５５９から出力される出力信号について、フーリエ変換を施し、スペクトル解析を行う。出力回路５５９から出力される出力信号が、例えば対象物１４の復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）である場合、フーリエ変換により周波数空間で表され、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）が得られる。
減算器５６６は、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から加速度周波数スペクトルＳａ（ｆ）を減算する減算処理を施す。これにより、補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）が得られる。そして、この補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）が、補正回路５６の出力信号として出力される。
なお、補正回路５６の構成は、上記に限定されない。補正回路５６は、例えば、レシプロカルカウンターを含む回路であってもよいし、ΔΣ型コンバーターを含む回路であってもよい。補正回路５６の構成によっては、発振回路５４から出力されるアナログ信号が補正回路５６に入力されるようになっていてもよい。
１．３．２．補正回路による補正処理
図８は、図１の補正回路５６による補正処理の概念を示す図である。
補正処理では、図８に示すように、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から加速度周波数スペクトルＳａ（ｆ）を減算する。加速度周波数スペクトルＳａ（ｆ）とは、振動素子３０に加わった加速度の時間信号（加速度時間信号Ｘａ（ｔ））を周波数空間で表したものであり、加速度の周波数特性を示している。振動素子３０に加わった加速度は、レーザー干渉計１に加わった加速度に等しいと考えられる。レーザー干渉計１に加わる加速度は、対象物１４の計測精度を低下させる外乱となる。レーザー干渉計１に加わる加速度の例としては、レーザー干渉計１が置かれた部屋や建物に加わる振動による加速度等が挙げられる。レーザー干渉計１による対象物１４の計測精度は、ｎｍオーダーに及ぶ高精度であるため、このような振動は、計測精度の低下をもたらすことになる。
出力回路５５９から出力される復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）から得られた復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）には、この外乱による周波数への影響が含まれている。したがって、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から加速度周波数スペクトルＳａ（ｆ）を減算することにより、外乱の影響を除去または低減させることができる。これにより、外乱の影響が除去または低減された補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）を得ることができる。
なお、図１に示す補正回路５６から出力される信号は補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）であるが、これに逆フーリエ変換を施し、補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）を得るようにしてもよい。得られる補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）は、外乱の影響の低減が図られているため、未補正の場合に比べて計測精度が高められる。
補正処理は、上記の方法に限定されない。例えば、復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）から加速度時間信号Ｘａ（ｔ）を減算するようにしてもよい。この場合、逆フーリエ変換を経ることなく、補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）が得られる。また、バイタルセンサー等に内蔵された体動ノイズを除去するための公知の検出アルゴリズムを用いて、外乱の影響を除去または低減させるようにしてもよい。
なお、発振回路５４に代えてファンクションジェネレーターやシグナルジェネレーター等の信号生成器を用いた場合、基準信号Ｓｓとは別の経路で加速度時間信号Ｘａ（ｔ）を取得し、上記補正処理に供すればよい。
一方、発振回路５４を用いた場合、基準信号Ｓｓから加速度を検出することができる。これにより、補正回路５６の回路構成が簡単になるため、レーザー干渉計１の低コスト化を容易に図ることができる。
１．４．第１実施形態が奏する効果
以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１は、レーザー光源２と、光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、補正回路５６と、を備える。
レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子３０を備え、振動素子３０を用いて出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、出射光Ｌ１が対象物１４で反射して生成されたサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）、および、参照光Ｌ２、を受光し、受光信号を出力する。復調回路５２は、受光信号からサンプル信号を復調する。補正回路５６は、振動素子３０の振動の変化から振動素子３０に作用する力としての慣性力を検出し、慣性力に基づいて復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）を補正する（受光信号を補正する）。
このような構成によれば、レーザー干渉計１に外乱としての加速度が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測可能なレーザー干渉計１を実現することができる。また、振動素子３０は、体積が非常に小さく、発振に要する電力も小さい。このため、レーザー干渉計１の小型化を容易に図ることができる。そして、振動素子３０を出射光Ｌ１の周波数変調に用いるだけでなく、加速度センサーとしても機能させることができる。このため、加速度センサーを新たに設けることなく、上記のような補正処理を行うことができる。したがって、レーザー干渉計１の高精度化を図りつつ、さらなる小型化および低コスト化を図ることができる。
また、補正回路５６は、加速度に伴って振動素子３０に作用する力としての慣性力を検出する。
これにより、例えば振動によってレーザー干渉計１に加わる加速度を検出し、補正処理を施すことができる。その結果、振動による影響を的確に補正することができ、振動等の外乱に対する優れた耐性を有するレーザー干渉計１を実現することができる。
また、振動素子３０に慣性力が作用するときの加速度の方向に対応する直線軸を、前述したように加速度検出軸Ａ１とする。加速度検出軸Ａ１は、対象物１４に入射する出射光Ｌ１（第１レーザー光）の入射光軸と平行であるのが好ましい。
これにより、対象物１４の計測精度に影響を及ぼす加速度を、より的確に検出することができる。その結果、対象物１４の計測精度をより高めることができる。
また、本実施形態に係るレーザー干渉計１は、発振回路５４を備えている。発振回路５４は、振動素子３０を信号源として動作し、復調回路５２に向けて基準信号Ｓｓを出力する。復調回路５２は、基準信号Ｓｓに基づいて、対象物１４に由来するサンプル信号を受光信号から復調する。
このような構成によれば、振動素子３０の固有振動数ｆＱが変動したとしても、発振回路５４の発振周波数ｆｏｓｃを振動素子３０の固有振動数ｆＱに応じた値に変化させることができるので、振動素子３０の振動を容易に安定化させることができる。これにより、復調回路５２におけるサンプル信号の復調精度を高めることができる。
また、振動素子３０が発振回路５４の信号源になっているため、変調信号の温度特性および基準信号Ｓｓの温度特性を、それぞれ振動素子３０の温度特性に対応させることができる。変調信号および基準信号Ｓｓは、いずれも復調回路５２でリアルタイムに処理されることから、温度変化に伴う変調信号の変動の挙動と基準信号Ｓｓの変動の挙動とが一致または近似する。このため、振動素子３０の温度が変化したとしても、復調精度への影響を抑えることができ、対象物１４に由来するサンプル信号の復調精度を高めることができる。これにより、外乱への耐性に優れるレーザー干渉計１を実現することができる。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図９は、第２実施形態に係るレーザー干渉計１を示す機能ブロック図である。図１０は、図９の光変調器１２を示す平面図である。なお、図１０では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定し、矢印で示している。矢印の先端側を「プラス」とし、矢印の基端側を「マイナス」とする。また、例えば、Ｘ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「Ｘ軸方向」という。Ｙ軸方向およびＺ軸方向もそれぞれ同様である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第２実施形態に係るレーザー干渉計１は、図１０に示す振動素子３０Ａおよび図９に示す補正回路５６Ａの構成が異なること以外、第１実施形態に係るレーザー干渉計１と同様である。
第２実施形態に係るレーザー干渉計１では、振動素子３０Ａが出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、角速度センサー（ジャイロセンサー）としての機能も有する。振動素子３０Ａに角速度が加わると、コリオリ力の変化に伴って振動素子３０Ａの共振周波数が変化し、その変化量から角速度が求められる。補正回路５６Ａは、角速度に基づいて受光信号を補正する。
２．１．振動素子
図１０に示す光変調器１２は、振動素子３０Ａを備えている。振動素子３０Ａは、一例として、ダブルＴ字型水晶振動子である。振動素子３０Ａは、ダブルＴ字型をなす水晶片と、図示しない電極と、光反射面３３１と、を有する。水晶片は、例えば水晶Ｚ板を加工して作製される。水晶片は、基部３２１と、連結腕３２２、３２３と、駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７と、検出腕３２８、３２９と、を有する。
基部３２１は、矩形状をなしている。基部３２１からＹ軸プラス側に向かって検出腕３２８が延在し、Ｙ軸マイナス側に向かって検出腕３２９が延在している。また、基部３２１からＸ軸プラス側に向かって連結腕３２２が延在し、Ｘ軸マイナス側に向かって連結腕３２３が延在している。
連結腕３２２の先端部からＹ軸プラス側に向かって駆動腕３２４が延在し、Ｙ軸マイナス側に向かって駆動腕３２５が延在している。連結腕３２３の先端部からＹ軸プラス側に向かって駆動腕３２６が延在し、Ｙ軸マイナス側に向かって駆動腕３２７が延在している。
駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７には、それぞれ図示しない駆動用の電極が設けられ、検出腕３２８、３２９には、それぞれ図示しない検出用の電極が設けられている。駆動用の電極の駆動信号を入力すると、駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７は、図１０に矢印３３０Ａで示すような屈曲振動を行う。具体的には、駆動腕３２４、３２６は、互いに離間と接近を繰り返すように撓む。また、駆動腕３２５、３２７も、互いに離間と接近を繰り返すように撓む。つまり、駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７は、Ｘ軸方向に屈曲振動する。
光反射面３３１は、駆動腕３２４のＹ－Ｚ面と平行な面に設けられ、出射光Ｌ１を反射する機能を有する。光反射面３３１は、他の駆動腕の面に設けられていてもよい。また、光反射面３３１は、これらの面に設けられた図示しない電極の表面であってもよいし、電極とは別に設けられた光反射膜の表面であってもよい。
駆動腕３２４がＸ軸方向に屈曲振動すると、光反射面３３１もＸ軸方向に振動する。この状態で、光反射面３３１に出射光Ｌ１を入射させると、光反射面３３１の振動と出射光Ｌ１の周波数との間で相互作用が生じる。これにより、出射光Ｌ１の周波数変調を行う光変調器１２を実現することができる。その結果、出射光Ｌ１から参照光Ｌ２を生成することができる。したがって、図１０に示す振動素子３０Ａを備える光変調器１２は、図１０のＸ軸と、図２のａ軸と、が好ましくは平行になるように設置される。なお、光変調器１２は、例えば、図１０のＸ軸と、図２のｂ軸と、が好ましくは平行になるように設置されていてもよい。
振動素子３０ＡのＹ軸方向の長さは、例えば、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下程度とされる。振動素子３０ＡのＺ軸方向の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
なお、振動素子３０Ａは、屈曲振動以外の振動モードを有する振動素子であってもよい。
振動素子３０Ａは、出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、角速度センサー（ジャイロセンサー）としての機能も有する。
駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７がＸ軸方向に屈曲振動している状態で、例えばＺ軸を回転軸とした角速度が加わると、駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７には矢印３３０Ｂで示す方向のコリオリ力が作用する。このコリオリ力が駆動腕３２４、３２５、３２６、３２７に働くと、矢印３３０Ｂの方向の振動成分が発生する。この振動成分が連結腕３２２、３２３を介して基部３２１に伝わり、検出腕３２８、３２９が矢印３３０Ｃの方向に屈曲振動する。この屈曲振動を検出用の電極で検出する。検出用の電極から出力される検出信号は、振動素子３０Ａに加えられた角速度に応じた信号である。したがって、検出信号から角速度を求めることができる。これにより、振動素子３０Ａを角速度センサーとして機能させることができる。
後述する補正回路５６Ａは、コリオリ力から求めた角速度に基づいて受光信号を補正する。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
なお、レーザー干渉計１に加わる角速度のうち、対象物１４に入射する出射光Ｌ１の入射光軸と直交する軸を回転軸とする角速度は、対象物１４の計測結果に大きく影響する。このため、検出される角速度の回転軸が、対象物１４に対する出射光Ｌ１の入射光軸と直交するように、振動素子３０Ａを配置するのが好ましい。これにより、対象物１４の計測精度に影響を及ぼす角速度を、より的確に検出することができる。その結果、対象物１４の計測精度をより高めることができる。
レーザー干渉計１に角速度が加わる状況としては、例えば、レーザー干渉計１が置かれた部屋や建物に振動が加わる状況が挙げられる。振動が加わると、レーザー干渉計１に加わる角速度が時間とともに変化する。このとき、振動素子３０Ａの振動にも変化が生じることから、この変化に基づいて、角速度の時間変化を求めることができる。
また、例えば、ロボットアームを用いてワークに対する様々な作業を行うロボットでは、ロボットアームの駆動時に振動が発生するため、それが収まるまで次の動作に移ることができないという課題がある。ロボットアームにレーザー干渉計１を取り付けることにより、振動の影響を補正しながらロボットアームとワークとの間の変位を十分正確に計測することができる。そうすると、計測結果に基づいてロボットアームの駆動を制御することができるので、振動が収まるのを待つことなく、ロボットアームに次の動作を開始させることができる。
図１０に示す振動素子３０Ａは、出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、角速度センサー（ジャイロセンサー）としても機能し得る。
また、図１０に示す振動素子３０Ａの場合、角速度検出軸Ａ２は、Ｚ軸と平行である。さらに、対象物１４に入射する出射光Ｌ１の入射光軸は、図２のａ軸と平行である。したがって、図１０のＸ軸と、図２のａ軸と、が平行になるような姿勢は、対象物１４の計測結果に大きく影響を及ぼす振動等の検出において好ましい姿勢である。このため、角速度センサーが検出した角速度に基づいて、受光信号を的確に補正することができ、対象物１４の計測精度を高めることができる。
なお、光変調器１２の姿勢は、上記の姿勢に限定されず、図１０のＺ軸（角速度検出軸Ａ２）と、図２のａ軸と、が直交するような姿勢、例えば、図１０のＺ軸と、図２のｂ軸やｃ軸と、が平行になる姿勢で設置されていてもよい。換言すれば、図１０のＺ軸が、図２のｂ－ｃ面と平行になる姿勢になっていればよい。
なお、振動素子３０Ａは、ダブルＴ字型水晶振動子に限定されず、例えば、音叉型水晶振動子、Ｈ字型水晶振動子のような各種水晶振動子であってもよい。
また、振動素子３０Ａは、水晶振動子に限定されず、シリコン振動子であってもよいし、セラミック振動子であってもよい。振動素子３０Ａとして自励発振振動子を用いることにより、変調信号の安定化を図ることができ、かつ、振動素子３０Ａを信号源として動作する発振回路５４は、より高精度の基準信号Ｓｓを出力することが可能になる。
なお、図１０に示す光変調器１２は、前述したパッケージ構造を有していてもよい。
２．２．補正回路
図９に示す補正回路５６Ａは、振動素子３０Ａの振動の変化から振動素子３０Ａに作用する力であるコリオリ力を検出し、このコリオリ力から求められた角速度の時間変化に基づいて受光信号を補正する。これにより、レーザー干渉計１に外乱としての振動が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。その結果、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
図９に示す補正回路５６Ａは、角速度検出部５７と、補正処理部５８と、を有する。
２．２．１．角速度検出部
まず、角速度検出部５７について説明する。
図９に示す角速度検出部５７は、振動素子３０Ａからの検出信号を増幅し、直流信号として補正処理部５８に出力する回路である。
角速度検出部５７は、チャージアンプ５７１、５７２と、差動アンプ５７３と、ハイパスフィルター５７４と、ＡＣアンプ５７５と、同期検波部５７６と、ＧＣアンプ５７７と、ローパスフィルター５７８と、出力アンプ５７９と、ＡＤＣ５８０と、を有する。
チャージアンプ５７１、５７２は、例えば、検出腕３２８、３２９から出力された交流である検出信号を、交流電圧信号に変換して出力する。
差動アンプ５７３は、チャージアンプ５７１の出力信号およびチャージアンプ５７２の出力信号からなる信号対を差動増幅する。ダブルＴ字型水晶振動子の場合、検出腕３２８、３２９から出力される交流は、互いに逆相であるため、差動増幅によって必要なシグナル成分が増幅され、不要な同相成分が相殺または低減される。
ハイパスフィルター５７４は、差動アンプ５７３の出力信号のうち、遮蔽周波数より高い周波数の成分を選択的に通過させるフィルターである。
ＡＣアンプ５７５は、ハイパスフィルター５７４の出力信号を増幅する。
同期検波部５７６は、ＡＣアンプ５７５の出力信号を被検波信号として、検波信号により同期検波を行う。図９の例では、検波信号として発振回路５４から出力された基準信号Ｓｓを用いる。この同期検波により、ＡＣアンプ５７５からの出力信号に含まれる角速度信号位相成分が抽出され、直流変換される。
ＧＣアンプ５７７は、ゲインコントロールアンプであり、同期検波部５７６の出力信号を、増幅または減衰させ、検出感度のバラつきを調整する。
ローパスフィルター５７８は、ＧＣアンプ５７７の出力信号のうち、遮蔽周波数より低い周波数の成分を選択的に通過させるフィルターである。
出力アンプ５７９は、ローパスフィルター５７８の出力信号を増幅する。
ＡＤＣ５８０は、アナログ－デジタル変換器であり、所定のサンプリングビット数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。これにより、振動素子３０Ａに加わった角速度の時間変化を表す角速度時間信号が得られる。
角速度検出部５７の配置は、特に限定されないが、センサーヘッド部５１であるのが好ましい。これにより、検出腕３２８、３２９と角速度検出部５７との物理的距離を短くすることができるので、検出腕３２８、３２９から出力される検出信号にノイズが混入しにくくなる。
２．２．２．補正処理部
次に、補正処理部５８について説明する。
２．２．２．１．補正処理部の構成
図９に示す補正処理部５８は、感度調整部５８１と、フーリエ変換部５８２、５８３と、減算器５８４と、を有する。
感度調整部５８１は、角速度の検出感度を調整する。これにより、角速度検出部５７から出力される角速度時間信号Ｘａｖ（ｔ）について、振幅が調整される。
フーリエ変換部５８２は、感度調整部５８１から出力される角速度時間信号Ｘａｖ（ｔ）について、フーリエ変換を施し、スペクトル解析を行う。これにより、角速度時間信号Ｘａｖ（ｔ）が周波数空間で表され、角速度周波数スペクトルＳａｖ（ｆ）が得られる。
フーリエ変換部５８３は、出力回路５５９から出力される出力信号について、フーリエ変換を施し、スペクトル解析を行う。出力回路５５９から出力される出力信号が、例えば対象物１４の復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）である場合、フーリエ変換により周波数空間で表され、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）が得られる。
減算器５８４は、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から角速度周波数スペクトルＳａｖ（ｆ）を減算する減算処理を施す。これにより、補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）が得られる。得られた補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）が、補正回路５６Ａの出力信号として出力される。
なお、補正回路５６Ａの構成は、上記に限定されない。
２．２．２．１．補正処理部による補正処理
図１１は、図９の補正回路５６Ａによる補正処理の概念を示す図である。
補正処理では、図１１に示すように、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から角速度周波数スペクトルＳａｖ（ｆ）を減算する。角速度周波数スペクトルＳａｖ（ｆ）とは、振動素子３０Ａに加わった角速度の時間信号（角速度時間信号Ｘａｖ（ｔ））を周波数空間で表したものであり、角速度の周波数特性を示している。振動素子３０Ａに加わった角速度は、レーザー干渉計１に加わった角速度に等しいと考えられる。レーザー干渉計１に加わる角速度は、対象物１４の計測精度を低下させる外乱となる。レーザー干渉計１に加わる角速度の例としては、レーザー干渉計１が置かれた部屋や建物に加わる振動による角速度等が挙げられる。
出力回路５５９から出力される復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）から得られた復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）には、この外乱の周波数への影響が含まれている。したがって、復調変位周波数スペクトルＳｄ（ｆ）から角速度周波数スペクトルＳａｖ（ｆ）を減算することにより、外乱の影響を除去または低減させることができる。これにより、外乱の影響が除去または低減された補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）を得ることができる。
なお、図９に示す補正回路５６Ａから出力される信号は補正変位周波数スペクトルＳｒ（ｆ）であるが、これに逆フーリエ変換を施し、補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）を得るようにしてもよい。得られる補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）は、外乱の影響の低減が図られているため、未補正の場合に比べて計測精度が高められる。
２．３．第２実施形態が奏する効果
以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１は、レーザー光源２と、光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、補正回路５６Ａと、を備える。
レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子３０Ａを備え、振動素子３０Ａを用いて出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、出射光Ｌ１が対象物１４で反射されて生成されたサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）、および、参照光Ｌ２、を受光し、受光信号を出力する。復調回路５２は、受光信号からサンプル信号を復調する。補正回路５６Ａは、振動素子３０Ａの振動の変化から振動素子３０Ａに作用する力としてのコリオリ力を検出し、コリオリ力に基づいて復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）を補正する（受光信号を補正する）。
このような構成によれば、レーザー干渉計１に外乱としての角速度が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測可能なレーザー干渉計１を実現することができる。また、振動素子３０Ａは、体積が非常に小さく、発振に要する電力も小さい。このため、レーザー干渉計１の小型化を容易に図ることができる。そして、振動素子３０Ａを出射光Ｌ１の周波数変調に用いるだけでなく、角速度センサー（ジャイロセンサー）としても機能させることができる。このため、角速度センサーを新たに設けることなく、上記のような補正処理を行うことができる。したがって、レーザー干渉計１の高精度化を図りつつ、さらなる小型化および低コスト化を図ることができる。
また、補正回路５６Ａは、角速度に伴って振動素子３０Ａに作用する力としてのコリオリ力を検出する。
これにより、例えば振動によってレーザー干渉計１に加わる角速度を検出し、補正処理を施すことができる。その結果、振動による影響を的確に補正することができ、振動等の外乱に対する優れた耐性を有するレーザー干渉計１を実現することができる。
また、振動素子３０Ａにコリオリ力が作用するときの角速度の方向に対応する回転軸を、前述したように角速度検出軸Ａ２とする。角速度検出軸Ａ２は、対象物１４に入射する出射光Ｌ１（第１レーザー光）の入射光軸と直交しているのが好ましい。
これにより、対象物１４の計測精度に影響を及ぼす角速度を、より的確に検出することができる。その結果、対象物１４の計測精度をより高めることができる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図１２は、第３実施形態に係るレーザー干渉計１を示す機能ブロック図である。図１３は、図１２の光変調器１２を示す断面図である。図１４ないし図１６は、図１３に示す光変調器１２の分解平面図である。なお、図１３ないし図１６では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定し、矢印で示している。また、例えば、Ｘ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「Ｘ軸方向」という。Ｙ軸方向およびＺ軸方向もそれぞれ同様である。
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、各図において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第３実施形態に係るレーザー干渉計１は、図１３ないし図１６に示す振動素子３０Ｂおよび図１２に示す補正回路５６Ｂの構成が異なること以外、第１実施形態に係るレーザー干渉計１と同様である。
第３実施形態に係るレーザー干渉計１では、振動素子３０Ｂが出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、気圧センサーとしての機能も有する。レーザー干渉計１の周囲の気圧が変化すると、それに伴って振動素子３０Ｂに作用する押圧力が変化するとともに、振動素子３０Ｂの共振周波数が変化し、その変化量から気圧が求められる。補正回路５６Ｂは、気圧に基づいて受光信号を補正する。
３．１．振動素子
図１３に示す光変調器１２は、振動素子３０Ｂを有する振動部形成層３４３を備えている。振動素子３０Ｂは、一例として、双音叉型水晶振動子である。
また、図１３に示す光変調器１２は、ベース３４１およびリッド３４２と、振動部形成層３４３が有する枠部３７１と、を有し、内部にキャビティー３４５を持つパッケージ３４０を備える。振動素子３０Ｂは、このパッケージ３４０のキャビティー３４５に収容されている。
ベース３４１は、枠部３５１と、ダイヤフラム部３５２と、２つの載置部３５３、３５３と、を有する。枠部３５１は、枠状をなしている。ダイヤフラム部３５２は、枠部３５１の内側に配置され、枠部３５１よりも薄肉でかつ可撓性を有している。２つの載置部３５３、３５３は、Ｙ軸に沿って並ぶようにダイヤフラム部３５２に配置され、振動素子３０Ｂに向かって突出する突起状をなしている。
リッド３４２は、枠部３６１と、薄肉部３６２と、を有する。枠部３６１は、枠状をなしている。薄肉部３６２は、枠部３６１よりも薄肉であり、キャビティー３４５に必要なスペースを生んでいる。
ベース３４１およびリッド３４２の各構成材料としては、例えば、金属材料、ガラス材料、結晶材料等が挙げられる。このうち、水晶が好ましく用いられる。ベース３４１およびリッド３４２をそれぞれ水晶で構成することにより、光変調器１２全体の主材料を水晶にすることができる。これにより、光変調器１２の製造効率を高めることができ、低コスト化を図ることができる。また、水晶は、光透過性を有するため、出射光Ｌ１を入射させるための光路として、パッケージ３４０を透過するような光路の設定を可能にする。
振動部形成層３４３は、振動素子３０Ｂと、枠部３７１と、連結部３７２と、を有する。振動素子３０Ｂは、２本の振動梁部３７３、３７４を含む水晶片と、図示しない電極と、光反射面３７５と、を有する。水晶片は、例えばＸカットの水晶板を加工して作製され、双音叉型をなしている。
枠部３７１は、枠状をなしており、隙間を介して振動素子３０Ｂを囲むように配置されている。振動素子３０Ｂは、Ｙ軸方向の各端部が連結部３７２を介して枠部３７１と連結されている。
ベース３４１、リッド３４２および振動部形成層３４３は、例えば接着剤や直接接合により、互いに接着される。これにより、キャビティー３４５に収容されている振動素子３０Ｂを気密封止することができる。これにより、キャビティー３４５を減圧した状態で維持したり、各種ガスを充填した状態で維持したりすることができる。また、図１３に示すように、この接着により、２つの載置部３５３、３５３は、振動素子３０Ｂを押圧する位置に配置される。
電極は、水晶片の表面に設けられている。電極に交流電圧を印加すると、振動梁部３７３、３７４が互いに離間と接近を繰り返すように撓む。これにより、振動梁部３７３、３７４がＸ軸方向に屈曲振動する。
光反射面３７５は、振動梁部３７３のＸ－Ｙ面と平行な面に設けられ、出射光Ｌ１を反射する機能を有する。なお、光反射面３７５は、この面に設けられた図示しない電極の表面であってもよいし、電極とは別に設けられた光反射膜の表面であってもよい。
振動梁部３７３、３７４がＸ軸方向に屈曲振動すると、光反射面３７５もＸ軸方向に振動する。このようなＸ軸方向の屈曲振動を、ここでは面内振動という。
一方、振動梁部３７３、３７４に面内振動を生じさせると、それと同時に、光反射面３７５をＺ軸方向に振動させるＺ逆相スプリアス振動が励振される。Ｚ逆相スプリアス振動は、面外振動の一例である。
このような面外振動は、エネルギー的に面内振動と結合することにより励振される。通常、面内振動に結合する面外振動は、避けられたり、抑圧されたりするが、本実施形態では、これを積極的に励振させることで、光反射面３７５を出射光Ｌ１の周波数に相互作用させる。面外振動を面内振動に結合させるためには、振動素子３０Ｂの形状や図示しない電極の配置等を調整すればよい。例えば、振動梁部３７３、３７４の断面形状を、長方形から平行四辺形にすることで、面外振動が励振されやすくなる。
このような面外振動が生じている状態で、光反射面３７５に出射光Ｌ１を入射させると、光反射面３７５の振動と出射光Ｌ１の周波数との間で相互作用が生じる。これにより、出射光Ｌ１の周波数変調を行う光変調器１２を実現することができる。その結果、出射光Ｌ１から参照光Ｌ２を生成することができる。したがって、図１３に示す振動素子３０Ｂを備える光変調器１２は、図１３のＺ軸と、図２のａ軸と、が平行になるように設置される。
振動素子３０ＢのＹ軸方向の長さは、例えば、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下程度とされる。振動素子３０ＢのＺ軸方向の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
なお、振動素子３０Ｂは、屈曲振動以外の振動モードを有する振動素子であってもよい。
振動素子３０Ｂは、出射光Ｌ１の周波数変調に用いられるだけでなく、気圧センサーとしての機能も有する。
振動梁部３７３、３７４がＸ軸方向に屈曲振動している状態で、例えば、光変調器１２の周囲の気圧が上昇すると、図１３に示す矢印３７６の方向に押圧力が加わる。これにより、ダイヤフラム部３５２が撓み、２つの載置部３５３、３５３の距離が広がる。その結果、２つの載置部３５３、３５３によって押圧されていた振動素子３０Ｂにおいて応力が変化する。応力が変化すると、変化前に比べて振動素子３０Ｂの共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出することにより、押圧力を検出し、気圧を求めることができる。これにより、振動素子３０Ｂを気圧センサーとして機能させることができる。
後述する補正回路５６Ｂは、押圧力から求めた気圧に基づいて受光信号を補正する。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
なお、レーザー干渉計１で対象物１４の変位を計測するとき、計測誤差Δｄは、下記式（Ｉ）で表される。
Figure 2023120693000017
上記式（Ｉ）の右辺第３項は、空気屈折率のゆらぎΔｎを含む。空気屈折率のゆらぎは、一般的に、１ｈＰａ当たり約０．３ｐｐｍとされている。幾何学距離ｄ、つまり、レーザー干渉計１から対象物１４までの物理的距離を１０ｃｍと仮定した場合、右辺第３項は、１ｈＰａ当たり約０．０３ｐｐｍとなる。そうすると、計測精度Δｄは、１ｈＰａ当たり約３０ｎｍとなる。
この水準の計測誤差は、レーザー干渉計１において有意な誤差になり得る。本実施形態では、レーザー干渉計１に外乱としての気圧変化が加わった場合でも、対象物１４の計測結果を補正する。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
レーザー干渉計１に気圧変化が加わる状況としては、例えば、レーザー干渉計１の設置場所を移すのに伴って設置場所の標高が変化する状況が挙げられる。例えば１０００ｍの標高差がある場合、気圧の差は１００ｈＰａに及ぶ。そうすると、レーザー干渉計１から対象物１４までの物理的距離を１０ｃｍと仮定した場合、計測結果の差は約３μｍにもなる。このため、気圧変化に基づいて対象物１４の計測結果を補正することは有用である。
また、振動素子３０Ｂが例えば双音叉型水晶振動子である場合、検出する気圧の分解能は、一例として０．０５Ｐａである。そうすると、振動素子３０Ｂは、小さな気圧変化に基づいて受光信号を補正するのに十分な気圧検出の分解能を有しているといえる。
なお、振動素子３０Ｂは、双音叉型水晶振動子に限定されず、例えば、音叉型水晶振動子、水晶ＡＴ振動子、縦水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子のような各種水晶振動子であってもよい。
また、振動素子３０Ｂは、水晶振動子に限定されず、シリコン振動子であってもよいし、セラミック振動子であってもよい。振動素子３０Ｂとして自励発振振動子を用いることにより、変調信号の安定化を図ることができ、かつ、振動素子３０Ｂを信号源として動作する発振回路５４は、より高精度の基準信号Ｓｓを出力することが可能になる。
３．２．補正回路
図１２に示す補正回路５６Ｂは、振動素子３０Ｂの振動の変化から振動素子３０Ｂに作用する力である押圧力を検出し、この押圧力から求められた気圧の時間変化に基づいて受光信号を補正する。本実施形態では、補正回路５６Ｂが、振動素子３０Ｂを信号源として動作する発振回路５４から出力される基準信号Ｓｓの周波数値を逐次読み取る。次いで、補正回路５６Ｂは、周波数値の変化から振動素子３０Ｂの共振周波数の変化を検出し、その変化量から気圧の時間変化を求める。そして、補正回路５６Ｂは、気圧の時間変化に基づいて受光信号を補正する。これにより、レーザー干渉計１に外乱としての気圧変化が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。その結果、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測することができる。
図１２に示す補正回路５６Ｂは、周波数カウンター５９１と、圧力変換器５９２と、感度調整部５９３と、減算器５９４と、を有する。
周波数カウンター５９１は、ＡＤＣ５３３から出力される基準信号Ｓｓについて、周波数を測定する。
圧力変換器５９２は、周波数カウンター５９１で測定された基準信号Ｓｓの周波数に演算を行い、振動素子３０Ｂに加わった気圧を算出する。これにより、圧力変換器５９２からは、振動素子３０Ｂに加わった気圧の時間変化を表す気圧時間信号Ｘｐ（ｔ）が出力される。
感度調整部５９３は、気圧の検出感度を調整する。これにより、圧力変換器５９２から出力される気圧時間信号Ｘｐ（ｔ）について、振幅が調整される。
減算器５９４は、復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）から気圧時間信号Ｘｐ（ｔ）を減算する減算処理を施す。これにより、補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）が得られる。補正変位時間信号Ｘｒ（ｔ）は、復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）に比べて、外乱の影響の低減が図られているため、未補正の場合に比べて計測精度が高められる。
なお、補正回路５６Ｂの構成は、上記に限定されない。補正回路５６Ｂは、例えば、レシプロカルカウンターを含む回路であってもよいし、ΔΣ型コンバーターを含む回路であってもよい。補正回路５６Ｂの構成によっては、発振回路５４から出力されるアナログ信号が補正回路５６Ｂに入力されるようになっていてもよい。
また、発振回路５４に代えてファンクションジェネレーターやシグナルジェネレーター等の信号生成器を用いた場合、基準信号Ｓｓとは別の経路で気圧時間信号を取得し、上記補正処理に供すればよい。
一方、発振回路５４を用いた場合、基準信号Ｓｓから気圧変化を検出することができる。これにより、補正回路５６Ｂの回路構成が簡単になるため、レーザー干渉計１の低コスト化を容易に図ることができる。
３．３．第３実施形態が奏する効果
以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１は、レーザー光源２と、光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、補正回路５６Ｂと、を備える。
レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子３０Ｂを備え、振動素子３０Ｂを用いて出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、出射光Ｌ１が対象物１４で反射されて生成されたサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）、および、参照光Ｌ２、を受光し、受光信号を出力する。復調回路５２は、受光信号からサンプル信号を復調する。補正回路５６Ｂは、振動素子３０Ｂの振動の変化から振動素子３０Ｂに作用する力としての押圧力を検出し、押圧力に基づいて復調変位時間信号Ｘｄ（ｔ）を補正する（受光信号を補正する）。
このような構成によれば、レーザー干渉計１に外乱としての気圧変化が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測可能なレーザー干渉計１を実現することができる。また、振動素子３０Ｂは、体積が非常に小さく、発振に要する電力も小さい。このため、レーザー干渉計１の小型化を容易に図ることができる。そして、振動素子３０Ｂを出射光Ｌ１の周波数変調に用いるだけでなく、気圧センサーとしても機能させることができる。このため、気圧センサーを新たに設けることなく、上記のような補正処理を行うことができる。したがって、レーザー干渉計１の高精度化を図りつつ、さらなる小型化および低コスト化を図ることができる。
また、補正回路５６Ｂは、気圧に伴って振動素子３０Ｂに作用する力としての押圧力を検出する。
これにより、例えばレーザー干渉計１に加わる気圧変化を検出し、補正処理を施すことができる。その結果、気圧変化による影響を的確に補正することができ、気圧変化等の外乱に対する優れた耐性を有するレーザー干渉計１を実現することができる。
以上のような第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
４．光学系の変形例
次に、光学系５０の第１～第４変形例について説明する。
図１７は、第１変形例に係る光学系５０Ａを示す概略構成図である。図１８は、第２変形例に係る光学系５０Ｂを示す概略構成図である。図１９は、第３変形例に係る光学系５０Ｃを示す概略構成図である。図２０は、第４変形例に係る光学系５０Ｄを示す概略構成図である。
以下、光学系５０の第１～第４変形例について説明するが、以下の説明では、前述した光学系５０との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１７ないし図２０において、図２と同様の事項については、同一の符号を付している。また、図１７ないし図２０では、一部の光学要素の図示を省略している。
図１７に示す光学系５０Ａは、受光素子１０、光変調器１２および対象物１４に入射する光が異なる以外、図２に示す光学系５０と同様である。具体的には、図１７に示す光学系５０Ａでは、出射光Ｌ１（第１レーザー光）が受光素子１０および光変調器１２に入射する。図１７に示す光変調器１２では、出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。この参照光Ｌ２は、続いて、対象物１４に入射する。そして、参照光Ｌ２が対象物１４で反射することにより生成されたサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）は、受光素子１０に入射する。したがって、図１７に示す受光素子１０は、サンプル信号および変調信号を含む物体光Ｌ３、ならびに、出射光Ｌ１を受光する。
図１８に示す光学系５０Ｂは、受光素子１０、光変調器１２および対象物１４の配置が異なる以外、図１７に示す光学系５０Ａと同様である。
以上のような、第１、第２変形例に係る光学系５０Ａ、５０Ｂを備えるレーザー干渉計は、レーザー光源２と、光変調器１２と、受光素子１０と、図１７および図１８には図示しない復調回路および発振回路と、を備える。レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子を備え、振動素子を用いて出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、参照光Ｌ２が対象物１４で反射して生成されたサンプル信号、および、変調信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）、ならびに、出射光Ｌ１を、受光し、受光信号を出力する。復調回路は、受光信号からサンプル信号を復調する。補正回路は、振動素子の振動の変化から振動素子に作用する力を検出し、その力に基づいて受光信号を補正する。
このような構成によれば、前記実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、レーザー干渉計に外乱が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測可能なレーザー干渉計を実現することができる。
図１９に示す光学系５０Ｃは、光変調器１２および対象物１４の配置が異なるとともに、受光素子１０、光変調器１２および対象物１４に入射する光が異なる以外、図１７に示す光学系５０Ａと同様である。具体的には、図１９に示す光学系５０Ｃでは、出射光Ｌ１（第１レーザー光）が受光素子１０および対象物１４に入射する。出射光Ｌ１が対象物１４で反射することにより、サンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）が生成される。この物体光Ｌ３は、続いて、光変調器１２に入射する。そして、図１９に示す光変調器１２では、物体光Ｌ３を変調し、サンプル信号および変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。この参照光Ｌ２は、受光素子１０に入射する。したがって、図１９に示す受光素子１０は、サンプル信号および変調信号を含む参照光Ｌ２、ならびに、出射光Ｌ１を受光する。
図２０に示す光学系５０Ｄは、受光素子１０、光変調器１２および対象物１４の配置が異なる以外、図１９に示す光学系５０Ｃと同様である。
以上のような、第３、第４変形例に係る光学系５０Ｃ、５０Ｄを備えるレーザー干渉計は、レーザー光源２と、光変調器１２と、受光素子１０と、図１９および図２０には図示しない復調回路および発振回路と、を備える。レーザー光源２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子を備え、振動素子を用いて、出射光Ｌ１が対象物１４で反射して生成されたサンプル信号を含む物体光Ｌ３を変調し、サンプル信号および変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、サンプル信号および変調信号を含む参照光Ｌ２、ならびに、出射光Ｌ１を、受光し、受光信号を出力する。復調回路は、受光信号からサンプル信号を復調する。補正回路は、振動素子の振動の変化から振動素子に作用する力を検出し、その力に基づいて受光信号を補正する。
このような構成によれば、前記実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、レーザー干渉計に外乱が加わった場合でも、対象物１４の計測結果から外乱の影響を除去したり、外乱の影響を低減したりすることができる。これにより、対象物１４の変位や速度をより高精度に計測可能なレーザー干渉計を実現することができる。
以上、本発明のレーザー干渉計を図示の実施形態およびその変形例に基づいて説明したが、本発明のレーザー干渉計は、前記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前記実施形態およびその変形例に係るレーザー干渉計には、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
本発明のレーザー干渉計は、前述した変位計や速度計の他、例えば、振動計、傾斜計、距離計（測長器）等にも適用可能である。また、本発明のレーザー干渉計の用途としては、距離計測、３Ｄイメージング、分光等を可能にする光コム干渉計測技術、角速度センサー、角加速度センサー等を実現する光ファイバージャイロが挙げられる。
また、レーザー光源、光変調器および受光素子のうちの２つ以上は、同一の基板上に載置されていてもよい。これにより、光学系の小型化および軽量化を容易に図るとともに、組立容易性を高めることができる。
さらに、前記実施形態およびその変形例は、いわゆるマイケルソン型干渉光学系を有するが、本発明のレーザー干渉計は、その他の方式の干渉光学系、例えばマッハツェンダー型干渉光学系を有するものにも適用可能である。
１…レーザー干渉計、２…レーザー光源、３…コリメートレンズ、４…光分割器、６…１／２波長板、７…１／４波長板、８…１／４波長板、９…検光子、１０…受光素子、１２…光変調器、１４…対象物、１５…反射素子、１８…光路、２０…光路、２２…光路、２４…光路、３０…振動素子、３０Ａ…振動素子、３０Ｂ…振動素子、４５…回路素子、５０…光学系、５０Ａ…光学系、５０Ｂ…光学系、５０Ｃ…光学系、５０Ｄ…光学系、５１…センサーヘッド部、５２…復調回路、５３…前処理部、５４…発振回路、５５…復調処理部、５６…補正回路、５６Ａ…補正回路、５６Ｂ…補正回路、５７…角速度検出部、５８…補正処理部、７０…容器、７２…容器本体、７３…封止部材、７４…リッド、７６…外部端子、３０１…基板構造体、３０２…基部、３０３…腕部、３０４…腕部、３０５…可動部、３０６…くびれ部、３０７…錘、３０８…接合部、３１１…振動梁部、３１２…振動梁部、３１３…光反射面、３２１…基部、３２２…連結腕、３２３…連結腕、３２４…駆動腕、３２５…駆動腕、３２６…駆動腕、３２７…駆動腕、３２８…検出腕、３２９…検出腕、３３０Ａ…矢印、３３０Ｂ…矢印、３３０Ｃ…矢印、３３１…光反射面、３４０…パッケージ、３４１…ベース、３４２…リッド、３４３…振動部形成層、３４５…キャビティー、３５１…枠部、３５２…ダイヤフラム部、３５３…載置部、３６１…枠部、３６２…薄肉部、３７１…枠部、３７２…連結部、３７３…振動梁部、３７４…振動梁部、３７５…光反射面、３７６…矢印、５３１…電流電圧変換器、５３２…ＡＤＣ、５３３…ＡＤＣ、５３４…第１バンドパスフィルター、５３５…第２バンドパスフィルター、５３６…第１遅延調整器、５３７…第２遅延調整器、５３８…乗算器、５３９…第３バンドパスフィルター、５４０…第１ＡＧＣ部、５４１…第２ＡＧＣ部、５４２…加算器、５５１…乗算器、５５２…乗算器、５５３…移相器、５５５…第１ローパスフィルター、５５６…第２ローパスフィルター、５５７…除算器、５５８…逆正接演算器、５５９…出力回路、５６１…周波数カウンター、５６２…加速度変換器、５６３…感度調整部、５６４…フーリエ変換部、５６５…フーリエ変換部、５６６…減算器、５７１…チャージアンプ、５７２…チャージアンプ、５７３…差動アンプ、５７４…ハイパスフィルター、５７５…ＡＣアンプ、５７６…同期検波部、５７７…ＧＣアンプ、５７８…ローパスフィルター、５７９…出力アンプ、５８０…ＡＤＣ、５８１…感度調整部、５８２…フーリエ変換部、５８３…フーリエ変換部、５８４…減算器、５９１…周波数カウンター、５９２…圧力変換器、５９３…感度調整部、５９４…減算器、７２０…凹部、７２１…段部、Ａ１…加速度検出軸、Ａ２…角速度検出軸、Ｃ０…並列容量、Ｃ１…直列容量、Ｃ３…第３コンデンサー、Ｃｄ…第２コンデンサー、Ｃｇ…第１コンデンサー、ＧＮＤ…ＧＮＤ端子、Ｌ１…出射光、Ｌ１…直列インダクタンス、Ｌ１ａ…第１分割光、Ｌ１ｂ…第２分割光、Ｌ２…参照光、Ｌ３…物体光、Ｒ１…等価直列抵抗、Ｒｄ…制限抵抗、Ｒｆ…帰還抵抗、Ｓ１…第１信号、Ｓ２…第２信号、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｓ…基準信号、Ｓａ（ｆ）…加速度周波数スペクトル、Ｓａｖ（ｆ）…角速度周波数スペクトル、Ｓｄ（ｆ）…復調変位周波数スペクトル、Ｓｒ（ｆ）…補正変位周波数スペクトル、Ｖｃｃ…端子、Ｘ１…端子、Ｘ２…端子、Ｘａ（ｔ）…加速度時間信号、Ｘａｖ（ｔ）…角速度時間信号、Ｘｄ（ｔ）…復調変位時間信号、Ｘｐ（ｔ）…気圧時間信号、Ｘｒ（ｔ）…補正変位時間信号、Ｙ…端子、ｊｐ１…分岐部、ｊｐ２…分岐部、ｐｓ１…第１信号経路、ｐｓ２…第２信号経路、ｘ…信号ｘ、ｙ…信号ｙ

Claims (9)

  1. 第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
    振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
    前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光、および、前記第２レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
    前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
    前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
    を備えることを特徴とするレーザー干渉計。
  2. 第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
    振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
    前記第２レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号、および、前記変調信号、を含む第３レーザー光、ならびに、前記第１レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
    前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
    前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
    を備えることを特徴とするレーザー干渉計。
  3. 第１レーザー光を射出するレーザー光源と、
    振動素子を備え、前記振動素子を用いて、前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光を変調し、前記サンプル信号および変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
    前記サンプル信号および前記変調信号を含む前記第２レーザー光、ならびに、前記第１レーザー光を、受光し、受光信号を出力する受光素子と、
    前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
    前記振動素子の振動の変化から前記振動素子に作用する力を検出し、前記力に基づいて前記受光信号を補正する補正回路と、
    を備えることを特徴とするレーザー干渉計。
  4. 前記補正回路は、加速度に伴って前記振動素子に作用する前記力としての慣性力を検出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
  5. 前記振動素子に前記慣性力が作用するときの前記加速度の方向に対応する直線軸を加速度検出軸とするとき、
    前記加速度検出軸は、前記対象物に入射する前記第１レーザー光の入射光軸と平行である請求項４に記載のレーザー干渉計。
  6. 前記補正回路は、角速度に伴って前記振動素子に作用する前記力としてのコリオリ力を検出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
  7. 前記振動素子に前記コリオリ力が作用するときの前記角速度の方向に対応する回転軸を角速度検出軸とするとき、
    前記角速度検出軸は、前記対象物に入射する前記第１レーザー光の入射光軸と直交している請求項６に記載のレーザー干渉計。
  8. 前記補正回路は、気圧に伴って前記振動素子に作用する前記力としての押圧力を検出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
  9. 前記振動素子を信号源として動作し、前記復調回路に向けて基準信号を出力する発振回路を備え、
    前記復調回路は、前記基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
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