JP2024078695A - 光変調器およびレーザー干渉計 - Google Patents

光変調器およびレーザー干渉計 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザー光に対して低周波の変調信号を重畳可能な光変調器、および、前記光変調器を備え、低コスト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方向に沿って屈曲振動する振動部を有する振動素子と、前記振動部に配置され、前記第１方向に沿って並設されている複数の溝を含む回折格子と、を備え、前記回折格子に入射するレーザー光の周波数をシフトさせることを特徴とする光変調器。また、前記振動素子は、基部を備え、前記振動部は、前記第１方向に沿って並んで配置され、かつ、前記基部に接続されている第１振動腕および第２振動腕を含み、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第１方向に沿って屈曲振動し、前記回折格子は、前記第１振動腕および前記第２振動腕の少なくとも一方に配置されていることが好ましい。【選択図】図３

Description

本発明は、光変調器およびレーザー干渉計に関するものである。
特許文献１には、動いている物の動きを把握するレーザードップラー計測装置が開示されている。レーザードップラー計測装置では、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動きを計測する。具体的には、ヘテロダイン干渉を利用して、レーザー光の周波数のシフト量を得るとともに、このシフト量から、動いている物の速度や変位を求める。
特許文献１に記載のレーザードップラー計測装置は、周波数シフター型の光変調器を備える。この光変調器は、厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子と、この振動子の変位方向に並設された複数の溝を含む回折格子と、を備える。この光変調器では、厚みすべり振動が面内振動、つまり、入射するレーザー光の入射方向に対して交差する方向に振動するため、レーザー光の周波数をシフトさせにくい。換言すれば、レーザー光の周波数を効率よくシフトさせるためには、レーザー光の入射波数ベクトルと出射波数ベクトルとの差と、水晶ＡＴ振動子の振動ベクトルと、の内積が、十分大きいことが求められる。しかしながら、水晶ＡＴ振動子のみを用いた場合、この内積は、ほぼゼロとなる。そこで、特許文献１に記載の光変調器では、水晶ＡＴ振動子に回折格子を組み合わせている。この回折格子は、水晶ＡＴ振動子の振動方向と交差する方向に溝を有する。これにより、振動ベクトルの方向が変換され、前述の内積をゼロ超とすることができ、レーザー光の周波数シフトが可能になる。
特開２０２０－１６５７００号公報
しかしながら、厚みすべり振動は、共振周波数が高い。このため、特許文献１に記載の光変調器によってレーザー光に重畳される変調信号の周波数も高くなる。そうすると、特許文献１に記載のレーザードップラー計測装置では、変調信号を処理する回路を、高周波に対応させる必要が生じる。その結果、レーザードップラー計測装置の高コスト化を招くという課題が生じる。
本発明の適用例に係る光変調器は、
第１方向に沿って屈曲振動する振動部を有する振動素子と、
前記振動部に配置され、前記第１方向に沿って並設されている複数の溝を含む回折格子と、
を備え、
前記回折格子に入射するレーザー光の周波数をシフトさせる。
本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
対象物に向けてレーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光が照射され、前記レーザー光に変調信号を重畳させる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光変調器と、
前記対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
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復調回路と、
前記振動素子を信号源として動作し、前記復調回路に前記基準信号を出力する発振回路と、
を備える。
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に示す光変調器が備える振動素子の構成例を示す斜視図である。 図３の回折格子を拡大して示す斜視図である。 ブレーズド回折格子である回折格子の一部を示す断面図である。 図３の振動素子の変形例を示す平面図である。 パッケージ構造を有する光変調器を示す断面図である。 図７の光変調器の変形例を示す断面図である。 図８の光変調器の別の変形例を示す断面図である。 図８の光変調器のさらに別の変形例を示す断面図である。 図１のセンサーヘッド部の変形例を示す断面図である。 図１のセンサーヘッド部の変形例を示す断面図である。 図１のセンサーヘッド部の変形例を示す断面図である。 第１変形例に係る干渉光学系を示す概略構成図である。 第２変形例に係る干渉光学系を示す概略構成図である。 第３変形例に係る干渉光学系を示す概略構成図である。 第４変形例に係る干渉光学系を示す概略構成図である。
以下、本発明に係る光変調器および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。
図１は、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。
図１に示すレーザー干渉計１は、干渉光学系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、干渉光学系５０からの光検出信号が入力される復調回路５２を備える本体部５９と、を有する。レーザー干渉計１は、図２に示すように、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．センサーヘッド部
１．１．干渉光学系
図２に示す干渉光学系５０は、マイケルソン型干渉光学系である。干渉光学系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、を備える。
レーザー光源２は、レーザー光である出射光Ｌ１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（変調信号が重畳されたレーザー光）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（対象物１４に由来するサンプル信号を含むレーザー光）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、１／４波長板８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。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。光変調器１２で周波数がシフトし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。
以上のような干渉光学系５０では、光ヘテロダイン干渉法により、対象物１４の位相情報を求める。具体的には、周波数がわずかに異なる２つの光（参照光Ｌ２および物体光Ｌ３）を干渉させ、得られた干渉光から位相情報を取り出す。そして、後述する復調回路５２において位相情報から対象物１４の変位を求める。光ヘテロダイン干渉法によれば、干渉光から位相情報を取り出すとき、外乱の影響、特にノイズとなる周波数の迷光の影響を受けにくく、高いロバスト性が与えられる。
以下、干渉光学系５０の各部についてさらに説明する。
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、干渉光学系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。
１．１．２．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。
１．１．３．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。
１．１．４．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。
１．１．５．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、レーザー光源２から射出されたレーザー光であって、その周波数が光変調器１２の振動および対象物１４の変位とそれぞれ相互作用した結果、変調信号およびサンプル信号が重畳されたレーザー光であればよく、上記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。
１．１．６．光変調器
図３は、図２に示す光変調器１２が備える振動素子３０の構成例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、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。
１．１．６．１．振動素子
図３では、振動素子３０として音叉型水晶振動子が用いられている。図３に示す振動素子３０は、基部３０１と、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３とを有する振動基板を有する。このような音叉型水晶振動子は、製造技術が確立されているため、容易に入手可能であり、かつ、発振も安定している。このため、振動素子３０として好適である。また、振動素子３０は、振動基板に設けられた、電極３０４、３０５を有する。
基部３０１は、Ａ軸に沿って延在する部位である。第１振動腕３０２は、基部３０１のＡ軸マイナス側の端部からＢ軸プラス側に向かって延びる部位である。第２振動腕３０３は、基部３０１のＡ軸プラス側の端部からＢ軸プラス側に向かって延びる部位である。
電極３０４は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３のうち、Ａ－Ｂ面と平行な側面に設けられている導電膜である。なお、図３には図示していないが、電極３０４は、互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、互いに極性が異なるように電圧が印加されることで、第１振動腕３０２を駆動する。
電極３０５は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３のうち、Ａ－Ｂ面と交差する側面に設けられている導電膜である。なお、図３には図示していないが、電極３０４も、互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、互いに極性が異なるように電圧が印加されることで、第２振動腕３０３を駆動する。側面とは、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３の延在方向に沿って広がる面のことを指す。
音叉型水晶振動子には、水晶基板から切り出された水晶片を用いる。音叉型水晶振動子の製造に用いられる水晶基板としては、例えば、水晶Ｚカット平板等が挙げられる。図３には、Ａ軸と平行なＸ軸、Ｂ軸と平行なＹ’軸、Ｃ軸と平行なＺ’軸を設定している。水晶Ｚカット平板は、例えば、Ｘ軸が電気軸、Ｙ’軸が機械軸、Ｚ’軸が光軸となるように、水晶の単結晶から切り出された基板である。具体的には、Ｘ軸、Ｙ’軸およびＺ’軸からなる直交座標系において、Ｘ軸まわりに、Ｘ軸およびＹ’軸からなるＸ－Ｙ’平面を反時計方向に約１°から５°傾けた主面を持つ基板が、水晶の単結晶から切り出され、水晶基板として好ましく用いられる。そして、このような水晶基板をエッチングすることにより、図３に示す振動素子３０に用いられる水晶片が得られる。エッチングは、ウェットエッチングであっても、ドライエッチングであってもよい。
このような音叉型水晶振動子である振動素子３０は、面内屈曲振動モードを有する。面内屈曲振動モードは、図３に両方向の矢印で示すように、Ａ－Ｂ面内において、２本の第１振動腕３０２および第２振動腕３０３が互いに接近または離間を繰り返す振動が生じるモードである。つまり、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３は、前述した振動基板の面内方向に沿って面内屈曲振動する。図３では、面内屈曲振動モードで振動している第１振動腕３０２および第２振動腕３０３が互いに離間するように変位した瞬間の外形が実線で図示され、変形する前の外形が破線で図示されている。このような面内屈曲振動では、各振動腕がＢ軸方向に十分長いため、先端に近いほど大きく変位する。したがって、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３がこの面内屈曲振動モードで振動しているとき、Ａ－Ｂ面と平行な側面では、厚みすべり振動よりも大きな変位振幅が得られる。よって、Ａ－Ｂ面と平行な側面に回折格子３４を配置することで、Ａ軸方向（面内方向）に振動する回折格子３４は、入射する出射光Ｌ１の周波数に対して大きな相互作用を生じさせることができる。
なお、回折格子３４が設置される側面は、Ａ－Ｂ面（振動基板が広がる面）に直交していない面であれば、特に限定されない。つまり、面内屈曲振動がＡ－Ｂ面の面内に沿う振動であるとき、回折格子３４が設置される側面とＡ－Ｂ面とのなす角度は、少なくとも９０°未満であればよい。また、この角度は、後述する回折格子３４の構造に応じて適宜設定される。
面内屈曲振動モードには、共振周波数が異なる複数のモードが含まれていてもよい。例えば、共振周波数が３２．７６８ｋＨｚであるモードを主振動モードとするとき、それよりも共振周波数が高い副次振動モードが含まれる場合がある。音叉型水晶振動子の場合、共振周波数が２００～３００ｋＨｚ程度であるモード（２次高調波モード）が副次振動モードの例として挙げられる。これらの主振動モードや副次振動モードは、電極３０４、３０５に入力される信号を選択することによって、選択的に励振可能である。
また、面内屈曲振動は、厚みすべり振動に比べて、共振周波数（固有振動数）が低い。このため、面内屈曲振動を利用する本実施形態によれば、厚みすべり振動を利用する従来の光変調器を用いるレーザー干渉計に比べて、変調信号や基準信号Ｓｓの周波数を下げることができる。
例えば、厚みすべり振動の共振周波数は、ＭＨｚ帯である場合が多いのに対し、面内屈曲振動の共振周波数は、ｋＨｚ帯である場合が多い。したがって、振動素子３０の共振周波数は、１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ未満であるのが好ましく、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であるのがより好ましい。これにより、変調信号や基準信号Ｓｓを処理するアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）のサンプリングビット数や、ＣＰＵ、ＦＰＧＡのようなプロセッサーの処理性能を下げることができる。その結果、レーザー干渉計１の低コスト化を図りやすくなる。
振動素子３０の長辺の長さ（Ｂ軸に沿う長さ）は、例えば０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下程度とされる。また、振動素子３０の厚さ（Ｃ軸に沿う厚さ）は、例えば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
音叉型水晶振動子の形状としては、図３に示すような、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３を有する２脚音叉型に限定されず、３脚音叉型、４脚音叉型の片持ち梁形状の他、基部３０１からＢ軸プラス側およびＢ軸マイナス側の双方に延びた振動腕を基部３０１で支持する形状、基部３０１からＢ軸両側およびＡ軸両側に延びた振動腕を基部３０１で支持する形状等が挙げられる。
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、振動素子３０が発振する。振動素子３０の発振に必要な電力（励振電力）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）に比べて、振動素子３０は、その体積が非常に小さく、かつ、動作に要する電力も小さい。このため、振動素子３０を用いることで、レーザー干渉計１の小型化および省電力化を容易に図ることができる。
また、振動素子３０は、水晶振動子に限定されず、面内屈曲振動モードを有する振動子であれば、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、特に１０００≦Ｑを満たす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。
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。
また、セラミック振動子では、屈曲振動だけでなく、長さ振動や広がり振動といった面内振動を利用することができる。
１．１．６．２．回折格子
図３に示す回折格子３４は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３のうち、それぞれ、Ａ－Ｂ面に平行な側面に設置されている。図４は、図３の回折格子３４を拡大して示す斜視図である。振動素子３０の面内屈曲振動により、振動方向３６に沿って回折格子３４を往復振動させることができる。回折格子３４は、振動方向３６と交差する方向に延在する直線状の複数の溝３２を有する。つまり、複数の溝３２は、Ａ軸方向に沿って並んでいる。これにより、回折格子３４の往復振動と、回折格子３４に入射する出射光Ｌ１の周波数と、を相互作用させることができる。
振動方向３６と溝３２の延在方向とのなす角度は、０°超９０°以下であればよいが、好ましくは４５°以上９０°以下とされ、より好ましくは６０°以上９０°以下とされる。これにより、回折格子３４の往復振動と、出射光Ｌ１の周波数と、をより効率よく相互作用させることができる。
なお、回折格子３４は、第１振動腕３０２の側面および第２振動腕３０３の側面の少なくとも一方に設けられていればよいので、２つの回折格子３４のうち、一方が省略されていてもよい。
回折格子３４の長辺の長さは、例えば０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下程度とされる。また、回折格子３４の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
図４に示す回折格子３４は、一例としてブレーズド回折格子である。ブレーズド回折格子とは、回折格子を構成する凹凸の断面形状が階段状になっているものをいう。なお、回折格子３４を構成する凹凸の断面形状は、これに限定されない。例えば、凹凸形状として矩形、曲線形、バイナリー形状等が挙げられる。
図５は、ブレーズド回折格子である回折格子３４の一部を示す断面図である。
図５に示す回折格子３４に設けられた溝３２は、緩斜面３４１と急斜面３４２とで構成されている。光変調器１２は、図５に示す回折格子３４がリトロー配置になるように配置されているのが好ましい。リトロー配置は、回折格子３４に入射する出射光Ｌ１が回折し、回折光の一部を参照光Ｌ２として出射するとき、入射する出射光Ｌ１と同じ経路で出射する参照光Ｌ２の回折効率を特に高め得る配置である。
また、図５に示す回折格子３４は、ブレーズ角θＢを有する。回折格子３４が設置される面の法線をＮとするとき、図５に示す回折格子３４はリトロー配置になっているので、出射光Ｌ１が法線Ｎに対してブレーズ角θＢと等しい角度βで入射すると、法線Ｎに対して角度βで出射する回折光が強く発生する。この強い回折光を参照光Ｌ２として利用する。このとき、回折効率が特に高くなるため、参照光Ｌ２に含まれる変調信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、出射光Ｌ１の進入方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度は１８０°となり、光分割器４の有効径が小さくて済むので、光分割器４の小型化を図りやすくなる。
なお、図５のピッチＰは、ブレーズド回折格子のピッチを表している。ピッチＰは、目的とする周波数のシフト量、振動素子３０の共振周波数等に応じて適宜設定されるが、例えば、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下程度とされ、好ましくは３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下程度とされる。
ブレーズ角θＢも、特に限定されないが、例えば、１０°以上７０°以下とされ、好ましくは２０°以上６０°以下とされる。
回折格子３４の形成方法は、特に限定されないが、一例として、機械刻線式（ルーリングエンジン）を用いた方法で型を作り、振動素子３０の側面に成膜した金属膜上に、ナノインプリント法で溝３２を形成する方法が挙げられる。この金属膜は、前述した電極３０４の少なくとも一部であってもよいし、電極３０４とは別に設けられたものであってもよい。また、ナノインプリント法に代えて、露光およびエッチングによる加工方法、電子線描画リソグラフィー法、集束イオンビーム加工法（ＦＩＢ）等を用いるようにしてもよい。さらに、陽極酸化アルミナ（ポーラスアルミナ）のような技術を用いて回折格子３４を形成するようにしてもよい。
また、振動素子３０の側面上にレジスト材料で凹凸を形成し、そこに、金属膜や誘電体多層膜によるミラー膜を設けることにより、回折格子３４を形成するようにしてもよい。つまり、回折格子３４は、樹脂材料とミラー膜との複合部材であってもよい。
金属膜の構成材料としては、例えば、アルミニウム単体やその合金、ニッケル単体やその合金、銀単体やその合金、金単体やその合金等が挙げられる。
１．１．６．３．変形例
図６は、図３の振動素子３０の変形例を示す平面図である。
図６に示す振動素子３０は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３の平面視形状が異なる以外、図３に示す振動素子３０と同様である。なお、図６では、電極の図示を省略している。
図３に示す振動素子３０では、第１振動腕３０２の幅および第２振動腕３０３の幅が、それぞれ、全長にわたって略一定である。幅とは、Ａ軸方向の幅である。これに対し、図６に示す振動素子３０では、第１振動腕３０２の幅および第２振動腕３０３の幅が、それぞれ、部分的に異なっている。
具体的には、図６に示す第１振動腕３０２は、基端側、すなわち基部３０１側に位置する第１振動部分３０２ａと、第１振動部分３０２ａよりも先端側に位置する第２振動部分３０２ｂと、を含んでいる。また、図６に示す第２振動腕３０３は、基端側に位置する第１振動部分３０３ａと、第１振動部分３０３ａよりも先端側に位置する第２振動部分３０３ｂと、を含んでいる。
このような形状をなす第１振動腕３０２および第２振動腕３０３は、それぞれハンマーヘッド型の振動腕と呼ばれる。ハンマーヘッド型の振動腕を用いることにより、第２振動部分３０２ｂ、３０３ｂをより大きくすることができる。そして、回折格子３４は、この第２振動部分３０２ｂ、３０３ｂに配置されている。これにより、より広い面積の領域に回折格子３４を配置することが可能になる。また、回折格子３４の大きさを維持しながら、振動素子３０の小型化を図ることもできる。その結果、回折格子３４の位置ずれに対する許容性が大きくなるため、光変調器１２の組み立て容易性を高めることができる。
１．１．６．４．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７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７に示す容器７０（筐体）内に振動素子３０および回折格子３４を気密封止した構造を指す。
図７に示す光変調器１２は、収容部を有する容器７０を備えている。収容部には、振動素子３０および回折格子３４が収容されている。
図７に示す容器７０は、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第１凹部７２１と、第１凹部７２１の内側に設けられ、第１凹部７２１より深い第２凹部７２２と、を有している。容器本体７２は、例えば、セラミックス材料、ガラス材料等で構成されている。また、図示しないが、容器本体７２は、内面に設けられた内部端子、外面に設けられた外部端子、内部端子と外部端子とを接続する配線等を備えている。
また、容器本体７２の開口部は、図示しないシールリングや低融点ガラス等の封止部材を介して、リッド７４で塞がれている。リッド７４は、出射光Ｌ１や参照光Ｌ２の透過が可能であり、かつ、容器７０の一部を構成する部材でもある。つまり、容器７０の気密性を維持しつつ、収容部と外部とでレーザー光の入出射が可能になる。リッド７４の構成材料には、レーザー光を透過可能な材料、例えばガラス材料、結晶材料等が用いられる。また、リッド７４には、反射防止膜が設けられるのが好ましい。これにより、透過する出射光Ｌ１や参照光Ｌ２が、リッド７４において意図せず反射されるのを抑制することができる。
容器７０の収容部は、前述したように、気密封止されている。これにより、収容部を減圧した状態で維持することができる。収容部を減圧することにより、振動素子３０の面内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、回折格子３４の振幅をより大きくすることができるとともに、振動素子３０の発振の安定化を図ることもできる。また、回折格子３４の経時劣化を抑制し、回折効率を良好に維持することができる。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。
また、容器７０には、回路素子４５が収容されている。回路素子４５は、第２凹部７２２の底面に配置されている。回路素子４５は、発振回路５４の少なくとも一部を構成する。また、回路素子４５は、ボンディングワイヤー７６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。なお、回路素子４５には、発振回路５４以外の回路が設けられていてもよい。また、容器７０には、その他の回路要素が収容されていてもよい。
なお、容器７０を気密封止すること、および、収容部を減圧することは、それぞれ必須ではなく、省略されていてもよい。
図８は、図７の光変調器１２の変形例を示す断面図である。図８に示す光変調器１２は、リッド７４の構成が異なる以外、図７に示す光変調器１２と同様である。
図８に示すリッド７４は、一部に貫通孔が設けられている。そして、この貫通孔を塞ぐように透過窓７５が設けられている。
透過窓７５は、レーザー光を透過可能な部材であれば、その形状、構成材料、大きさ等は、特に限定されない。透過窓７５の構成材料としては、例えば、ガラス材料、結晶材料等が挙げられる。図８に示す透過窓７５は、一例として平板状をなしている。透過窓７５を設けることにより、図８に示すリッド７４の構成材料については、気密性や絶縁性等を重視して自由に選択することが可能になる。このため、より長期信頼性に優れた光変調器１２を実現することができる。また、透過窓７５の表面には、反射防止膜が設けられていてもよい。これにより、透過する出射光Ｌ１や参照光Ｌ２が、透過窓７５において意図せず反射してしまうのを抑制することができる。
図９は、図８の光変調器１２の別の変形例を示す断面図である。図９に示す光変調器１２は、透過窓７５の形状が異なる以外、図８に示す光変調器１２と同様である。
図９に示す透過窓７５は、その表面が曲面形状をなしている。これにより、透過窓７５には、出射光Ｌ１および参照光Ｌ２が透過する機能だけでなく、これらの光の進行方向を調整する機能を付与することができる。一例として、透過窓７５に集光レンズとしての機能を付与することができる。これにより、出射光Ｌ１を集束させ、回折格子３４に入射する範囲を狭めることができる。その結果、回折格子３４が小さくても、出射光Ｌ１をより確実に照射することができる。また、参照光Ｌ２を平行化し、光分割器４に入射する範囲を狭めることもできる。
曲面形状としては、凸曲面形状が挙げられ、特に、非球面形状が好ましく用いられる。これにより、レンズにおける各種収差を減らすことができる。また、図９に示す透過窓７５の表面にも、反射防止膜が設けられていてもよい。
図１０は、図８の光変調器１２のさらに別の変形例を示す断面図である。図１０に示す光変調器１２は、透過窓７５の姿勢が異なる以外、図８に示す光変調器１２と同様である。
図１０に示す透過窓７５は、図８に示す透過窓７５と同様、レーザー光を透過可能な材料で構成され、平板状をなしている。そして、図１０に示す透過窓７５は、出射光Ｌ１の入射方向に対して傾斜した姿勢で設けられている。換言すれば、入射面７１１に対する出射光Ｌ１の入射角（入射面７１１の法線と出射光Ｌ１の入射経路とがなす角度）が０°超になるように傾斜した姿勢で設けられている。これにより、入射面７１１に入射する出射光Ｌ１が、入射面７１１で反射して反射光Ｌ４が発生したとしても、その反射光Ｌ４が受光素子１０やレーザー光源２に入射する確率を下げることができる。反射光Ｌ４が受光素子１０に入射した場合、受光信号のＳ／Ｎ比が低下するおそれがある。また、反射光Ｌ４がレーザー光源２に入射した場合、レーザー光源２におけるレーザー発振が不安定になるおそれがある。このため、傾斜した姿勢で設けられている透過窓７５を有する容器７０を用いることで、受光信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制するとともに、レーザー発振の不安定化を抑制することができる。
入射面７１１の傾斜角θは、５．０°以下であるのが好ましく、０．０５°以上３．０°以下であるのがより好ましく、０．１０°以上２．０°以下であるのがさらに好ましい。これにより、反射光Ｌ４が受光素子１０やレーザー光源２に入射する確率を下げながら、透過窓７５における出射光Ｌ１の透過効率の低下を抑制することができる。
以上のような光変調器１２は、レーザー干渉計１以外の用途、つまり、入射する光の周波数をシフトさせる機能が用いられる各種用途に適用可能である。
１．２．気密封止構造
図７ないし図１０では、振動素子３０および回折格子３４を気密封止するパッケージ構造を図示しているが、センサーヘッド部５１の一部または全部が気密封止構造を有していてもよい。
図１１ないし図１３は、それぞれ図１のセンサーヘッド部５１の変形例を示す断面図である。気密封止構造とは、図１１ないし図１３に示すケース５０２Ａ、５０２Ｂ、５０２Ｃ（筐体）内に少なくとも振動素子３０および回折格子３４を気密封止した構造を指す。
図１１に示すセンサーヘッド部５１Ａは、収容部を有するケース５０２Ａと、ケース５０２Ａに収容されている干渉光学系５０と、配線基板５０７、５０８、５０９と、を備える。なお、図１１では、図２の干渉光学系５０が備える光学要素の一部について図示を省略している。
ケース５０２Ａは、図１１に示すように、ケース本体５０３と、透過窓５０４Ａと、を備える。ケース本体５０３は、例えば、金属材料、セラミック材料等で構成されている。
透過窓５０４Ａは、ケース本体５０３に設けられた孔に嵌められている。透過窓５０４Ａの構成材料には、レーザー光を透過可能な材料、例えばガラス材料、結晶材料等が用いられる。なお、透過窓５０４Ａは、図８に示す透過窓７５と同様の構成および機能を有していてもよい。すなわち、透過窓５０４Ａは、基準面に対して傾斜した姿勢で設けられていてもよいし、表面に反射防止膜が設けられていてもよい。
配線基板５０７は、光変調器１２を支持するとともに、光変調器１２と電気的に接続されている。配線基板５０８は、受光素子１０およびレーザー光源２を支持するとともに、これらと電気的に接続されている。配線基板５０９は、配線基板５０７、５０８と電気的に接続され、かつ、外部と電気的に接続されている。なお、電気的に接続とは、電力線および通信線で接続されていることをいう。
また、図１１に示す干渉光学系５０には、反射素子５が追加されている。反射素子５は、光路２４上に配置され、参照光Ｌ２および物体光Ｌ３の進行方向を変更する。
図１２に示すセンサーヘッド部５１Ｂは、収容部を有するケース５０２Ｂと、ケース５０２Ｂに収容されている干渉光学系５０と、配線基板５０７、５０８、５０９と、を備える。なお、図１２では、図２の干渉光学系５０が備える光学要素の一部について図示を省略している。
ケース５０２Ｂは、図１２に示すように、ケース本体５０３と、透過窓５０４Ｂと、を備える。透過窓５０４Ｂは、ケース本体５０３に設けられた孔に嵌められている。透過窓５０４Ｂは、図９に示す透過窓７５と同様の構成および機能を有する。すなわち、透過窓５０４Ｂには、集光レンズとしての機能が付与されている。なお、透過窓５０４Ｂの表面にも、反射防止膜が設けられていてもよい。
図１３に示すセンサーヘッド部５１Ｃは、収容部を有するケース５０２Ｃと、ケース５０２Ｃに収容されている干渉光学系５０と、配線基板５０７、５０８、５０９と、を備える。なお、図１３では、図２の干渉光学系５０が備える光学要素の一部について図示を省略している。
ケース５０２Ｃは、図１３に示すように、第１ケース５０５と、第２ケース５０６と、を備える。また、図１３に示す干渉光学系５０には、集光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃおよび光ファイバー２６、２７が追加されている。
第１ケース５０５は、ケース本体５０３と、透過窓５０４Ｂと、を備える。第１ケース５０５には、干渉光学系５０のうち、コリメートレンズ３、集光レンズ３ａ、光分割器４、反射素子５および光変調器１２と、配線基板５０７と、が収容されている。一方、第２ケース５０６には、干渉光学系５０のうち、レーザー光源２、受光素子１０、集光レンズ３ｂおよび集光レンズ３ｃと、配線基板５０８、５０９と、が収容されている。
また、光ファイバー２６、２７は、その大部分が外部に配置され、第１ケース５０５の収容部と、第２ケース５０６の収容部と、を光学的に接続している。
光分割器４とレーザー光源２とを結ぶ光路１８上には、光分割器４側から、コリメートレンズ３、光ファイバー２６および集光レンズ３ｂがこの順で配置されている。光分割器４と受光素子１０とを結ぶ光路２４上には、光分割器４側から、反射素子５、集光レンズ３ａ、光ファイバー２７および集光レンズ３ｃがこの順で配置されている。
ケース５０２Ａ、５０２Ｂ、５０２Ｃの各収容部は、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することができる。収容部を減圧することにより、光変調器１２がパッケージ構造を有していなくても、収容部に収容された振動素子３０の面内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、振動素子３０の振動効率を高めることができる。
また、このようなケース５０２Ａ、５０２Ｂ、５０２Ｃによれば、レーザー光源２も減圧下に保持することができる。これにより、湿度や気圧変化によるレーザー光源２の劣化、具体的には、発振波長の変動等を抑制することができる。
なお、干渉光学系５０を構成する光学要素の一部は、ケース５０２Ａ、５０２Ｂ、５０２Ｃの外部に配置されていてもよい。
１．３．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。また、後述する発振回路５４と復調回路５２との間には、図１に示すＡＤＣ５３３が配置されている。ＡＤＣ５３２、５３３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、５３３は、センサーヘッド部５１に設けられている。
なお、干渉光学系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。
１．４．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は、振動素子３０を信号源として動作し、精度の高い周期信号を生成する。これにより、発振回路５４は、精度の高い駆動信号Ｓｄを出力するとともに、基準信号Ｓｓを出力する。そうすると、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓは、外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。その結果、駆動信号Ｓｄにより駆動された振動素子３０を介して付加される変調信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、変調信号および基準信号Ｓｓが、復調回路５２における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、復調回路５２では、外乱を受けても、対象物１４の位置や速度を精度よく求めることができる。
発振回路５４としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている発振回路が挙げられる。
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は、前処理部５３および復調処理部５５を有する。これらの機能部が発揮する機能は、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。
なお、外部インターフェース、入力部および表示部は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。
前処理部５３および復調処理部５５には、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている前処理部および復調部が適用できる。
前処理部５３は、基準信号Ｓｓに基づいて光検出信号に前処理を行う。前処理は、光検出信号を２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２に分けた後、一方に基準信号Ｓｓを乗算し、その後、２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２を合算して前処理済み信号を出力する。
復調処理部５５は、前処理部５３から出力された前処理済み信号から、基準信号Ｓｓに基づいて対象物１４の速度や位置に応じたサンプル信号を復調する。
ここで、前処理部５３における２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２の各振幅値をＪ１（Ｂ）、Ｊ２（Ｂ）とした場合、これらが等しくなるとき、前処理済み信号のＳ／Ｎ比が特に高くなる。各振幅値Ｊ１（Ｂ）、Ｊ２（Ｂ）は、それぞれベッセル係数であり、Ｊ１（Ｂ）は、１次のベッセル係数、Ｊ２（Ｂ）は、２次のベッセル係数である。Ｂは、変調信号の位相偏移である。Ｊ１（Ｂ）、Ｊ２（Ｂ）は、それぞれＢ値に応じて独立に変化するが、Ｊ１（Ｂ）＝Ｊ２（Ｂ）となるときのＢ値は、約２．６である。そこで、Ｂ＝２．６となるように干渉光学系５０を構成できれば、前処理済み信号のＳ／Ｎ比を特に高めることができる。
例えば、共振周波数が３２ｋＨｚの音叉型水晶振動子を駆動電圧３Ｖで発振させたとき、大気圧下であっても、振動腕先端のＡ軸方向（水晶のＸ軸方向）における振動変位Ｌｑが１２００ｎｍ程度になるという実測データがある。この振動変位Ｌｑに基づいて波長λ＝８５０ｎｍのレーザー光を用いた場合の変調信号の位相偏移Ｂを、Ｂ＝４πＬｑ／λにより計算すると、Ｂ＝１７．７となる。そこで、振動腕先端にリトロー配置の回折格子３４を配置し、回折格子３４の溝３２のピッチＰを５５５～１６６７ｎｍの範囲で変更したときのＢ値を計算したところ、下記表１に示すようなＢ値が得られる。
表１では、回折光として１次回折光から３次回折光までを想定し、それぞれ図５に示す法線Ｎに対する角度βを算出している。表１に示すように、ピッチＰを変更しても、１次回折光から３次回折光までのいずれかで、角度βがブレーズ角θＢと等しくなる回折光が存在し、リトロー配置が成り立つことがわかる。そして、このようなリトロー配置が成り立つときのＢ値を算出すると、Ｂ＝９．０～１３．６となる。したがって、面内振動が励振される振動素子３０と回折格子３４とを組み合わせることにより、十分に大きいＢ値を得ることができるとわかる。
また、面内屈曲振動する振動腕では、基部３０１から振動腕の先端に向かうほど振動変位Ｌｑが大きくなる。したがって、振動腕の長さ方向において回折格子３４の位置を適宜選択することによって、具体的には、振動腕の先端ではなく、より基端側に回折格子３４を配置することにより、振動変位Ｌｑを小さくすることができ、Ｂ値を上記の計算値よりも小さくすることができる。このようにして、適切なＢ値が得られるように、回折格子３４の位置を選択すればよい。
一方、振動素子３０の振動変位Ｌｑは、駆動電圧（励振電力）に基づいて調整することも可能である。一般的には、駆動電圧が高いほど、振動変位Ｌｑを大きくすることができる。このため、例えば、駆動電圧を３Ｖから下げることにより、振動変位Ｌｑを小さくすることができる。これにより、Ｂ値を最適化することができ、かつ、光変調器１２の省電力化を図ることができる。
なお、復調回路５２の構成によっては、Ｂ値をできるだけ大きくすることが望まれる場合もある。Ｂ値を大きくすることにより、例えば対象物１４の変位計測を行う場合、計測結果が外乱の影響をより受けにくくなる。つまり、計測のロバスト性を高めることができる。また、Ｂ値を大きくすることにより、計測精度を高めることもできる。Ｂ値は、好ましくは０．５以上とされ、より好ましくは１．０以上とされる。
３．光学系の変形例
次に、干渉光学系５０の第１～第４変形例について説明する。
図１４は、第１変形例に係る干渉光学系５０Ａを示す概略構成図である。図１５は、第２変形例に係る干渉光学系５０Ｂを示す概略構成図である。図１６は、第３変形例に係る干渉光学系５０Ｃを示す概略構成図である。図１７は、第４変形例に係る干渉光学系５０Ｄを示す概略構成図である。
以下、干渉光学系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、前述した干渉光学系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１４ないし図１７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１４ないし図１７では、一部の光学要素の図示を省略している。
図１４に示す第１変形例に係る干渉光学系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に示す干渉光学系５０と同様である。具体的には、図１４に示す干渉光学系５０Ａでは、出射光Ｌ１（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１４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で反射されることにより、変調信号およびサンプル信号を含む物体光Ｌ３が生成され、この物体光Ｌ３が受光素子１０に入射する。
図１５に示す第２変形例に係る干渉光学系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１４に示す干渉光学系５０Ａと同様である。
以上のような、第１、第２変形例に係る干渉光学系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１４および図１５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を射出する。光変調器１２は、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、変調信号および対象物１４に由来するサンプル信号を含む物体光Ｌ３、ならびに、出射光Ｌ１、が受光素子１０に入射する。したがって、図１４および図１５に示す受光素子１０は、対象物１４に由来するサンプル信号、および、変調信号を含むレーザー光を受光する。復調回路は、基準信号に基づいて、受光信号からサンプル信号を復調する。発振回路は、振動素子を信号源として動作し、復調回路に基準信号を出力する。
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、回折格子を用いることなく、周波数シフトが可能な光変調器１２を実現することができる。その結果、光変調器１２の製造難易度を下げることができ、レーザー干渉計の低コスト化を図ることができる。また、計測精度が高く、かつ、外乱への耐性に優れるレーザー干渉計が得られる。
図１６に示す第３変形例に係る干渉光学系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１４に示す干渉光学系５０Ａと同様である。具体的には、図１６に示す干渉光学系５０Ｃでは、出射光Ｌ１（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物体光Ｌ３を生成する。この物体光Ｌ３は、続いて、光変調器１２に入射する。そして、物体光Ｌ３が光変調器１２で反射されることにより、変調信号およびサンプル信号を含む参照光Ｌ２を生成され、この参照光Ｌ２が受光素子１０に入射する。
図１７に示す第４変形例に係る干渉光学系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１６に示す干渉光学系５０Ｃと同様である。
以上のような、第３、第４変形例に係る干渉光学系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１６および図１７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を射出する。出射光Ｌ１は、対象物１４に入射し、サンプル信号を含む物体光Ｌ３が生成される。光変調器１２は、振動素子を用いて物体光Ｌ３を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２を生成する。そして、対象物１４に由来する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、が受光素子１０に入射する。したがって、図１６および図１７に示す受光素子１０は、対象物１４に由来するサンプル信号、および、変調信号を含むレーザー光を受光する。復調回路は、基準信号に基づいて、受光信号からサンプル信号を復調する。発振回路は、振動素子を信号源として動作し、復調回路に基準信号を出力する。
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、回折格子を用いることなく、周波数シフトが可能な光変調器１２を実現することができる。その結果、光変調器１２の製造難易度を下げることができ、レーザー干渉計の低コスト化を図ることができる。また、計測精度が高く、かつ、外乱への耐性に優れるレーザー干渉計が得られる。
４．前記実施形態が奏する効果
以上のように、前記実施形態に係る光変調器１２は、振動素子３０と、回折格子３４と、を備え、回折格子３４に入射する出射光Ｌ１（レーザー光）の周波数をシフトさせる。振動素子３０は、Ａ軸方向（第１方向）に沿って屈曲振動する振動部として第１振動腕３０２および第２振動腕３０３を有する。回折格子３４は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３に配置され、Ａ軸方向に沿って並設されている複数の溝３２を含む。
このような構成によれば、振動素子３０の面内屈曲振動により、Ａ軸方向に沿って回折格子３４を往復振動させることができる。回折格子３４は、Ａ軸方向と交差する方向に延在する直線状の複数の溝３２を有する。つまり、複数の溝３２は、Ａ軸方向に沿って並んでいる。これにより、回折格子３４の往復振動と、回折格子３４に入射する出射光Ｌ１の周波数と、を相互作用させることができる。そして、振動素子３０の面内屈曲振動は、厚みすべり振動に比べて共振周波数（固有振動数）が低い。つまり、入射するレーザー光に対して低周波の変調信号を重畳可能な光変調器１２を実現することができる。このため、変調後の光を検出し、含まれる信号を、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）や、ＣＰＵ、ＦＰＧＡのようなプロセッサーを有する処理回路で処理するとき、ＡＤＣのサンプリングビット数や、プロセッサーの処理性能を下げることができる。その結果、光変調器１２を含む装置の低コスト化を図ることができる。
また、振動素子３０の面内屈曲振動は、厚みすべり振動に比べて振動変位が大きい。このため、面内屈曲振動を利用することにより、回折格子３４の往復振動の振幅をより大きく確保することができる。その結果、変調後の光に含まれる変調信号の位相偏移Ｂを容易に高めることができる。
また、振動素子３０は、基部３０１を備えること、および、前述した振動部は、Ａ軸方向（第１方向）に沿って並んで配置され、かつ、基部３０１に接続されている第１振動腕３０２および第２振動腕３０３を含むこと、が好ましい。さらに、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３は、Ａ軸方向に沿って屈曲振動すること、および、回折格子３４は、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３の少なくとも一方に配置されていること、が好ましい。
このような構成によれば、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３が十分長いため、先端に近いほど大きく変位する。したがって、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３がこの面内屈曲振動モードで振動しているとき、厚みすべり振動よりも大きな変位振幅が得られる。よって、各振動腕の側面に回折格子３４を配置することで、Ａ軸方向に振動する回折格子３４は、入射する出射光Ｌ１の周波数に対して大きな相互作用を生じさせることができる。
また、第１振動腕３０２および第２振動腕３０３は、基端側に位置する第１振動部分３０２ａ、３０３ａと、第１振動部分３０２ａ、３０３ａよりも先端側に位置し、第１振動部分３０２ａ、３０３ａより幅の広い第２振動部分３０２ｂ、３０３ｂと、を含み、回折格子３４は、第２振動部分３０２ｂ、３０３ｂに配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、より大きな回折格子３４を配置することが可能になる。また、回折格子３４の大きさを維持しながら、振動素子３０の小型化を図ることもできる。その結果、回折格子３４の位置ずれに対する許容性が大きくなるため、光変調器１２の組み立て容易性を高めることができる。
また、光変調器１２は、振動素子３０および回折格子３４を収容する収容部を有する容器７０（筐体）を備え、収容部は、減圧されていることが好ましい。
これにより、振動素子３０の面内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、振動の安定化を図ることができる。また、回折格子３４の経時劣化を抑制し、回折効率を良好に維持することができる。その結果、変調信号のＳ／Ｎ比をより高めることができる。
また、容器７０（筐体）は、レーザー光が透過するリッド７４または透過窓７５を有することが好ましい。
これにより、容器７０の気密性を維持しつつ、収容部と外部とでレーザー光の入出射が可能になる。また、容器７０のうち、容器本体７２の構成材料については、気密性や絶縁性等を重視して自由に選択することが可能になる。このため、より長期信頼性に優れた光変調器１２を実現することができる。
また、透過窓７５の表面は、曲面形状をなしているのが好ましい。これにより、透過窓７５には、出射光Ｌ１および参照光Ｌ２が透過する機能だけでなく、これらの光の進行方向を調整する機能を付与することができる。これにより、回折格子３４に対してレーザー光が入射する範囲を狭めることができ、干渉光学系５０の小型化を図るとともに、コリメートレンズ３の機能を透過窓７５に代替させ、干渉光学系５０の部品点数を削減することができる。
また、透過窓７５は、出射光Ｌ１（入射するレーザー光）の入射方向に対して傾斜した入射面７１１を有することが好ましい。
このような構成によれば、透過窓７５の入射面７１１で出射光Ｌ１が反射して反射光Ｌ４が発生したとしても、受光素子１０やレーザー光源２に入射する確率を下げることができる。反射光Ｌ４は、受光素子１０に入射した場合、受光信号のＳ／Ｎ比を低下させる原因となる。また、反射光Ｌ４がレーザー光源２に入射した場合、レーザー光源２におけるレーザー発振が不安定になるおそれがある。このため、傾斜した姿勢で設けられている透過窓７５を用いることで、受光信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制するとともに、レーザー発振の不安定化を抑制することができる。
また、振動素子３０は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であることが好ましい。
これらの振動子は、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。これにより、変調信号のＳ／Ｎ比を高めることができ、かつ、基準信号Ｓｓの精度を高めることができる。これにより、対象物１４に由来するサンプル信号を高いＳ／Ｎ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、前記実施形態に係るレーザー干渉計１は、レーザー光源２と、前記実施形態に係る光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、発振回路５４と、を備える。レーザー光源２は、対象物１４に向けてレーザー光を射出する。光変調器１２は、レーザー光が照射され、レーザー光に変調信号を重畳させる。受光素子１０は、対象物１４に由来するサンプル信号および変調信号を含むレーザー光を受光し、受光信号を出力する。復調回路５２は、基準信号Ｓｓに基づいて、受光信号からサンプル信号を復調する。発振回路５４は、振動素子３０を信号源として動作し、復調回路５２に基準信号Ｓｓを出力する。
このような構成によれば、振動素子３０の面内屈曲振動により、Ａ軸方向に沿って回折格子３４を往復振動させることができる。これにより、回折格子３４の往復振動と、回折格子３４に入射する出射光Ｌ１の周波数と、を相互作用させることができる。そして、振動素子３０の面内屈曲振動は、厚みすべり振動に比べて共振周波数（固有振動数）が低い。このため、変調後の光を検出し、含まれる信号を、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）や、ＣＰＵ、ＦＰＧＡのようなプロセッサーを有する処理回路で処理するとき、ＡＤＣのサンプリングビット数や、プロセッサーの処理性能を下げることができる。その結果、レーザー干渉計１の低コスト化を図ることができる。
また、振動素子３０の面内屈曲振動は、厚みすべり振動に比べて振動変位が大きい。このため、面内屈曲振動を利用することにより、変調信号の位相偏移Ｂを容易に高めることができる。これにより、受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができ、最終的に、変位や速度等の計測精度が高く、かつ、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。
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。
また、回折格子３４は、ブレーズド回折格子であることが好ましい。そして、ブレーズド回折格子がリトロー配置になるように、光変調器１２が配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、入射する出射光Ｌ１と同じ経路で出射する参照光Ｌ２の回折効率を特に高めることができる。これにより、参照光Ｌ２に含まれる変調信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、出射光Ｌ１の進入方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度は１８０°となり、光分割器４の有効径が小さくて済むので、光分割器４の小型化を図りやすくなる。
以上、本発明に係る光変調器および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、本発明に係る光変調器およびレーザー干渉計は、前記実施形態や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、前記実施形態やその変形例に係る光変調器および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。
本発明に係るレーザー干渉計は、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、本発明に係る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、組み立て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、本発明に係るレーザー干渉計は、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、３ａ…集光レンズ、３ｂ…集光レンズ、３ｃ…集光レンズ、４…光分割器、５…反射素子、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、１８…光路、２０…光路、２２…光路、２４…光路、２６…光ファイバー、２７…光ファイバー、３０…振動素子、３２…溝、３４…回折格子、３６…振動方向、４５…回路素子、５０…干渉光学系、５０Ａ…干渉光学系、５０Ｂ…干渉光学系、５０Ｃ…干渉光学系、５０Ｄ…干渉光学系、５１…センサーヘッド部、５１Ａ…センサーヘッド部、５１Ｂ…センサーヘッド部、５１Ｃ…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、５９…本体部、７０…容器、７２…容器本体、７４…リッド、７５…透過窓、７６…ボンディングワイヤー、３０１…基部、３０２…第１振動腕、３０２ａ…第１振動部分、３０２ｂ…第２振動部分、３０３…第２振動腕、３０３ａ…第１振動部分、３０３ｂ…第２振動部分、３０４…電極、３０５…電極、３４１…緩斜面、３４２…急斜面、５０２Ａ…ケース、５０２Ｂ…ケース、５０２Ｃ…ケース、５０３…ケース本体、５０４Ａ…透過窓、５０４Ｂ…透過窓、５０５…第１ケース、５０６…第２ケース、５０７…配線基板、５０８…配線基板、５０９…配線基板、５３１…電流電圧変換器、５３２…ＡＤＣ、５３３…ＡＤＣ、７１１…入射面、７２１…第１凹部、７２２…第２凹部、Ｌ１…出射光、Ｌ１ａ…第１分割光、Ｌ１ｂ…第２分割光、Ｌ２…参照光、Ｌ３…物体光、Ｌ４…反射光、Ｎ…法線、Ｐ…ピッチ、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｓ…基準信号、β…角度、θ…傾斜角、θＢ…ブレーズ角

Claims (10)

  1. 第１方向に沿って屈曲振動する振動部を有する振動素子と、
    前記振動部に配置され、前記第１方向に沿って並設されている複数の溝を含む回折格子と、
    を備え、
    前記回折格子に入射するレーザー光の周波数をシフトさせることを特徴とする光変調器。
  2. 前記振動素子は、基部を備え、
    前記振動部は、前記第１方向に沿って並んで配置され、かつ、前記基部に接続されている第１振動腕および第２振動腕を含み、
    前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第１方向に沿って屈曲振動し、
    前記回折格子は、前記第１振動腕および前記第２振動腕の少なくとも一方に配置されている請求項１に記載の光変調器。
  3. 前記第１振動腕および前記第２振動腕は、基端側に位置する第１振動部分と、前記第１振動部分よりも先端側に位置し、前記第１振動部分より幅の広い第２振動部分と、を含み、
    前記回折格子は、前記第２振動部分に配置されている請求項２に記載の光変調器。
  4. 前記振動素子および前記回折格子を収容する収容部を有する筐体を備え、
    前記収容部は、減圧されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光変調器。
  5. 前記筐体は、前記レーザー光が透過するリッドまたは透過窓を有する請求項４に記載の光変調器。
  6. 前記透過窓の表面は、曲面形状をなしている請求項５に記載の光変調器。
  7. 前記透過窓は、入射する前記レーザー光の入射方向に対して傾斜した入射面を有する請求項５に記載の光変調器。
  8. 前記振動素子は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光変調器。
  9. 対象物に向けてレーザー光を射出するレーザー光源と、
    前記レーザー光が照射され、前記レーザー光に変調信号を重畳させる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光変調器と、
    前記対象物に由来するサンプル信号および前記変調信号を含む前記レーザー光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
    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復調回路と、
    前記振動素子を信号源として動作し、前記復調回路に前記基準信号を出力する発振回路と、
    を備えることを特徴とするレーザー干渉計。
  10. 前記回折格子は、ブレーズド回折格子であり、
    前記ブレーズド回折格子がリトロー配置になるように、前記光変調器が配置されている請求項９に記載のレーザー干渉計。
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