JP2520855B2 - ３周波数ヘテロダインレ―ザ―干渉計及びそれを利用した長さ測定方法 - Google Patents

３周波数ヘテロダインレ―ザ―干渉計及びそれを利用した長さ測定方法

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JP2520855B2 JP6259838A JP25983894A JP2520855B2 JP 2520855 B2 JP2520855 B2 JP 2520855B2 JP 6259838 A JP6259838 A JP 6259838A JP 25983894 A JP25983894 A JP 25983894A JP 2520855 B2 JP2520855 B2 JP 2520855B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超精密長さ関連量測定用
レーザー干渉計に関するものであって、より詳しくは３
個周波数を有するレーザーをヘテロダイン干渉計の光源
に用いて３個周波数間の２次うなり周波数偏位を測定す
ることにより分解能が２倍に増加され得る３周波数ヘテ
ロダインレーザー干渉計及びそれを利用した長さ測定方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ゼーマン(Zeeman)安定化レーザーを用い
る従来の２周波数ヘテロダイン干渉計においては干渉信
号の検出のため２モード（２周波数）間の１次うなり周
波数測定法を用いた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、３個縦
モードで発振し得るレーザー発振器を構成すれば上記レ
ーザー３個縦モードをそれぞれ数１
【０００４】
【数１】
【０００５】とするとき、２次うなり周波数は数２
【０００６】
【数２】
【０００７】に与えられるはずであり、これは上記２モ
ード（２周波数）である場合に１次うなり周波数値が数
３
【０００８】
【数３】
【０００９】に与えられるのと比較するときｆ2値には
２という因子が更に付く結果となる。本発明者はこのよ
うに、３周波数ヘテロダイン干渉計を用いれば物理量の
測定において分解能が２倍に向上され得ることに着眼し
て本発明の３周波数ヘテロダインレーザー干渉計を製作
するようになった。 本発明に先立って、本発明者は１
９９１年大韓民国特許出願第２０５４４号によって３周
波数発振レーザーの周波数及び出力安定化方法を確立し
ている。
【００１０】本発明によると、従来の２周波数ヘテロダ
インレーザー干渉計に比べて分解能が２倍に向上される
ばかりでなく、２つのモード間の周波数差異である数百
ＭＨz信号の位相変化を検出するためのＲＦ−ミキサー
等の如きＲＦ−電子素子を用いる必要がなくレーザー出
力が大きいので多軸レーザー干渉計の製作が可能であ
り、レーザー干渉計から反射された光がレーザーに帰還
されて測定正確度が劣るようなことがなくなる等の多く
の長所がある。
【００１１】本発明の目的は各種の物理量測定において
正確度をより改善させようとすることにある。
【００１２】本発明のより具体的な目的は長さ等の物理
量を測定するにおいて分解能を２倍に向上させ得る３周
波数ヘテロダインレーザー干渉計及びそれを利用した長
さ等の物理量測定方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明による３周波数ヘ
テロダインレーザー干渉計は３個の縦モードで発振する
ようになったレーザー発振手段；上記レーザー発振手段
から出る光を透過光と反射光とに分離して反射光である
第１光束を基準光束として基準光検出器へ向かうように
し、透過光である第２光束は比較光束として偏光光束分
割器に進行するようにする光束分割器;上記基準光束に
対し３個モード周波数間の基準２次うなり周波数を検出
するための第１基準光検出器;上記２次うなり周波数信
号を増幅するための第１増幅器;上記増幅器の出力信号
のうち一定帯域の信号だけを選ぶための第１帯域通過フ
ィルター；上記比較光束の入力を受けて偏光方向によっ
て２種のスペクトルに分離して第１スペクトル及び第２
スペクトルをそれぞれ第１コーナーキューブプリズム及
び第２コーナーキューブプリズムに向かうようにする偏
光光束分割器；上記偏光光束分割器から上記第１及び第
２スペクトルの入力を受けて戻し反射させて上記偏光光
束分割器へ再入力させる第１及び第２コーナーキューブ
プリズム；上記偏光光束分割器から再び合成して出る第
１及び第２スペクトルの２次うなり周波数信号を検出す
るための第２光検出器；上記第２光検出器の出力側に順
次に連結され、上記第１増幅器及び第１帯域通過フィル
ターと同一な機能を行う第２増幅器及び第２帯域通過フ
ィルター；上記第１帯域通過フィルター及び第２帯域通
過フィルターの出力信号を基準信号入力端に入力を受け
て周波数カウントを行う２チャンネルカウンター；及び
上記２チャンネルカウンターにおいてカウントした値の
入力を受けて上記移動可能第２コーナーキューブプリズ
ムの移動距離を換算し、空気屈折率補正等を行って実際
の移動距離を換算し移動距離を数値で表示する移動長さ
表示装置；からなる。
【００１４】上記光束分割器と第１光検出器の間及び偏
光光束分割器と第２光検出器の間には２次うなり信号検
出感度を高めるために第１偏光板及び第２偏光板をそれ
ぞれ設けることができる。
【００１５】又、本発明のレーザー発振手段において３
周波数を１個のレーザー発振器によって発振させる方法
の他にも１又は２の周波数を有する複数個のレーザー発
振器を組み合わせて用いることも可能である。
【００１６】本発明の更に他の形態による３周波数ヘテ
ロダインレーザー干渉計を利用した長さ測定方法は上記
の如き３周波数ヘテロダインレーザー干渉計を利用して
上記第２コーナーキューブプリズムを移動させながらド
プラ偏移を発生させ上記ドプラ偏移が生じた比較光束の
カウント値と基準光束のカウント値との差異から上記第
２コーナーキューブプリズムの移動長さを算出する方式
からなる。
【００１７】
【実施例】以下において、本発明の１実施例に基づく３
周波数ヘテロダインレーザー干渉計及びそれを利用した
長さ測定方法を添付された図面を参照してより詳しく説
明する。しかしながら、以下の具体的な説明は１実施例
に過ぎないものであり、本実施例が本発明の範囲を局限
させるものと理解されてはならない。
【００１８】本発明は長さ測定だけでなく角度測定、真
円度及び表面荒さ測定、真直度及び平面度測定にも同じ
原理を適用して応用され得ることは当業者において自明
なことである。
【００１９】既存の２周波数ヘテロダイン干渉計の光学
的分解能は単一光路程（Single path)干渉計の場合はλ
／２（λは用いるレーザー波長）であったが、本発明に
よる干渉計の場合には単一光路程干渉計のλ／４の光学
的な分解能を有する。このような干渉計を長さ測定に用
い、既存の干渉信号分解及び検出電子装置を利用する場
合、既存の測定精度を２倍に改善させ得ることを意味す
る。
【００２０】既存のヘテロダインレーザー干渉計が周波
数と偏光とが互いに異なる２個モードで発振するレーザ
ーを光源に採択した２周波数ヘテロダインレーザー干渉
計である反面に、本発明はヘテロダインレーザー干渉計
に３個の周波数とその偏光が隣接して互いに垂直である
３個モードを有するレーザーを光源に採択することが本
質的に異なる点である。
【００２１】第１図は本発明の１実施例に基づく３周波
数ヘテロダインレーザー干渉計を利用した長さ測定シス
テムの概略的な装置図である。
【００２２】３周波数レーザー発振器（１）は３個縦モ
ード発振するＨｅ−Ｎｅレーザーであって３個縦モード
等はそれぞれ水平偏光（‖）、垂直偏光（⊥）、水平偏
光（‖）であるか、垂直偏光（⊥）、水平偏光（‖）、
垂直偏光（⊥）の順に羅列される。又これらのそれぞれ
の光周波数は数４
【００２３】
【数４】
【００２４】であって、これらの間の２次うなり周波数
である数５
【００２５】
【数５】
【００２６】が数百ＫＨz〜数拾ＭＨzであり、レーザー
共振器の長さを自動制御してこのうなり周波数を一定に
安定化させて用いる。又ｆbの値を任意の値になるよう
にするためには外部に偏光光束分割器と光音響変調素子
(acousto-optic modulator)を利用して偏光方向に分離
してそのうち１方の光周波数、即ちｆ2光周波数を、又は
ｆ1とｆ3周波数を光音響変調周波数を利用してｆmだけ
移動させて用いることができる。
【００２７】このような特性を有する３周波数又は３波
長のレーザーを用いて第１図の如き３周波数ヘテロダイ
ンレーザー干渉計を構成する。
【００２８】図２と図３は用いられるレーザーの発振光
スペクトルと偏光方向を表している。図１で用いられる
レーザーの発振光スペクトルは図２又は図３と同じスペ
クトルを持つことができる。
【００２９】３個のモードの周波数の大きさは数６
【００３０】
【数６】
【００３１】の如くなり、偏光は水平（‖）、垂直
（⊥）、水平（‖）（図２）であるか垂直（⊥）、水平
（‖）、垂直（⊥）（図３）の如く配列されることを示
す。以下においては図２のスペクトルを基準として説明
しようとする。図２の如きスペクトル、即ち３個周波数
（波長）を有するレーザー発振手段（１）から出る光は
光束分割器（２）から光の一部が反射されて第１偏光板
（６）を通過したあと、第１基準光検出器（８）におい
て３個モードの周波数間の基準２次うなり周波数である
信号数７
【００３２】
【数７】
【００３３】が検出される。このとき２次うなり信号検
出感度を高めるために第１偏光板（６）を挿入する。上
記第１偏光板（６）を適当な角度に回転して信号感度が
最大となる角度に合わせておく。この２次うなり周波数
信号を第１増幅器（１０）、中心周波数がｆbである第
１帯域通過フィルター（１２）を経て２チャンネルカウ
ンター（１４）の基準信号入力端に入力して周波数カウ
ントを行う。このときカウンター値ＣRは数８
【００３４】
【数８】
【００３５】となる。ここでｔは積分時間を示した。一
方、光束分割器（２）を通過したレーザー光は再び偏光
光束分割器（３）で３個モードのそれぞれの偏光方向に
よって図４（ｂ）の第１スペクトル（２１）及び図４
（ｃ）の第２スペクトル（２２）の如く分離される。前
にも言及した如く、本実施例ではレーザースペクトルが
図２と同じであるときに対してのみ説明することにする
（図３のスペクトルを有するレーザーに対しても同じ原
理が適用される）。
【００３６】図１及び図４において示した如く偏光光束
分割器（３）から反射した第１スペクトルのｆ1及びｆ3
周波数成分は再び第１コーナーキューブプリズム（４）
に入射して戻し反射され偏光光束分割器（３）の反射面
から再び反射して第２偏光板（７）を経て第２光検出器
（９）に入射される。
【００３７】一方、偏光光束分割器（３）を通過した第
２スペクトルにはｆ2周波数成分だけ存在する。このｆ2
周波数成分のレーザー光束は定められている移動可能第
２コーナーキューブプリズム（５）に入射して戻し反射
され偏光光束分割器（３）を再び通過し第２偏光板
（７）を通過して第２光検出器（９）に入射される。こ
のとき検出器に入射された周波数成分は全部がｆ1、 ｆ
2、 ｆ3、３個であり、これらの間の２次うなり周波数ｆ
bは基準第１光検出器（８）において検出した周波数と
同じ数９
【００３８】
【数９】
【００３９】である。 若し、移動可能第２コーナーキ
ューブプリズム（５）が速度Ｖで偏光光束分割器側に動
くと、第２コーナーキューブプリズム（５）から戻し反
射をするｆ2周波数はドプラ周波数偏移が生じてｆ2′に
変わり次の数１０のとおりになる。
【００４０】
【数１０】
【００４１】Ｖがその反対方向に動けば△ｆ2の符号は
−値を有する。
【００４２】ここでは△ｆ2は数１１
【００４３】
【数１１】
【００４４】である。（３）式のＣは光速度である。こ
のとき第２光検出器（９）で検出される２次うなり周波
数ｆb′は数１２
【００４５】
【数１２】
【００４６】となり、数１３
【００４７】
【数１３】
【００４８】である場合に数１４
【００４９】
【数１４】
【００５０】となる。このｆb′を２チャンネルカウン
ター（１４）の他の１入力端に入力させてカウントすれ
ばそのカウント値は数１５
【００５１】
【数１５】
【００５２】となる。故にカウンターの２チャンネルで
カウントした値（１）と（６）式の差異から数１６
【００５３】
【数１６】
【００５４】を求めることができる。又（３）式におい
て速度Ｖは数１７
【００５５】
【数１７】
【００５６】である。又移動可能第２コーナーキューブ
プリズム（５）の移動距離Ｓは速度Ｖの時間積分から数
１８
【００５７】
【数１８】
【００５８】となる。ここで数１９
【００５９】
【数１９】
【００６０】であってｆ2周波数モードの真空波長であ
る。この式を（７）式と比較すれば数２０
【００６１】
【数２０】
【００６２】となった。即ち、普通２波長ヘテロダイン干
渉計においての移動距離Ｓが数２１
【００６３】
【数２１】
【００６４】で与えられるのに反し、（９）式のＳは１
／２ファクターが更に付いていることが分かる。これか
ら本発明で提案する３個波長ヘテロダインレーザー干渉
計の分解能は既存の２波長ヘテロダイン干渉計の分解能
より２倍に改善されることが分かる。即ち２次うなり信
号を利用するのが、通常の２波長ヘテロダイン干渉計の
１次うなり信号を利用することより光学的分解能が２倍
に改善できることを表す。若し電子装置を利用してうな
り信号をカウントするとき簡単に△Ｃの分解能を１と仮
定すると ２周波数ヘテロダイン干渉計の分解能はλ／
２（λは使用波長として６３３nmのヘリウムネオンレー
ザーを用いる場合には数２２
【００６５】
【数２２】
【００６６】である）であり本発明の３波長レーザー干
渉計の分解能はλ／４となる。 以上において本発明は
記載された具体例に対してのみ詳しく説明されたが、本
発明の範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは
当業者において明白なことであり、かかる変形及び修正
が添付された特許請求範囲に属するのは当然である。
【００６７】
【発明の効果】本発明は、以上に詳しく説明したとお
り、従来の２周波数ヘテロダインレーザー干渉計に比べ
て分解能が２倍に向上され、電子素子等を簡略化でき、
測定正確度、信頼性を向上させるなど、多くの効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の１実施例に基づく３周波数ヘテ
ロダインレーザー干渉計を利用した長さ測定システムの
概略的装置図である。
【図２】図２は本発明の３周波数レーザースペクトルの
１形態を見せる図面である。
【図３】図３は本発明の３周波数レーザースペクトルの
更に他の１形態を見せる図面である。
【図４】図４はレーザースペクトルが図３と同じとき偏
光光束分割器（３）によって分解される各スペクトルを
見せる図面である。
【符号の説明】
１ ３周波数レーザー発振器 ２ 光束分割器 ３ 偏光光束分割器 ４ 第１コーナーキューブプリズム ５ 第２コーナーキューブプリズム ６ 第１偏光板 ７ 第２偏光板 ８ 第１光検出器 ９ 第２光検出器 １０ 第１増幅器 １１ 第２増幅器 １２ 第１帯域通過フィルター １３ 第２帯域通過フィルター １４ ２チャンネルカウンター １５ 移動長さ表示装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−366704（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−280539（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−206283（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−187603（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−102009（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−129812（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201319（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−241718（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−35963（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヘテロダインレーザー干渉計において、３
    個縦モードで発振するようになったレーザー発振手段
    （１）；上記レーザー発振手段（１）から出る光を透過
    光と反射光とに分離して反射光である第１光束を基準光
    束として基準第１光検出器（８）へ向かうようにし、透
    過光である第２光束は比較光束として偏光光束分割器
    （３）へ進行するようにする光束分割器（２）；上記基
    準光束に対し３個モード周波数間の基準２次うなり周波
    数を検出するための基準第１光検出器（８）；上記２次
    うなり周波数信号を増幅するための第１増幅器（１
    ０）；上記増幅器の出力信号のうち一定帯域の信号だけ
    を選ぶための第１帯域通過フィルター（１２）；上記比
    較光束の入力を受けて偏光方向によって２種のスペクト
    ルに分離して、分離された第１スペクトル及び第２スペ
    クトルをそれぞれ第１コーナーキューブプリズム（４）
    及び移動可能な第２コーナーキューブプリズム（５）へ
    向かうようにする偏光光束分割器（３）；上記偏光光束
    分割器（３）から上記第１及び第２スペクトルの入力を
    受けて戻し反射させて上記偏光光束分割器へ再入力させ
    る上記第１及び第２コーナーキューブプリズム（４、
    ５）；上記偏光光束分割器から再び合成されて出る第１
    及び第２スペクトルの２次うなり周波数信号を検出する
    ための第２光検出器（９）；上記第２光検出器（９）の
    出力側に順次に連結され、上記第１増幅器（１０）及び
    第１帯域通過フィルター（１２）と同一な機能を行う第
    ２増幅器（１１）及び第２帯域通過フィルター（１
    ３）；上記第１帯域通過フィルター（１２）及び第２帯
    域通過フィルター（１３）の出力信号の入力を受けて周
    波数カウントを行う２チャンネルカウンター（１４）；
    及び上記２チャンネルカウンターでカウントした値の入
    力を受けて上記移動可能な第２コーナーキューブプリズ
    ム（５）の移動距離を換算し、空気屈折率補正等を行っ
    て実際の移動距離を換算し移動距離を数値にて表示する
    移動長さ表示装置（１５）；から成る３周波数ヘテロダ
    インレーザー干渉計。
  2. 【請求項２】上記レーザー発振手段（１）が３周波数ヘ
    リウムネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザーを発振するように
    なったことを特徴とする請求項１記載の３周波数ヘテロ
    ダインレーザー干渉計。
  3. 【請求項３】上記レーザー発振手段（１）が１又は２の
    周波数で発振される複数個のレーザーの発振器等から構
    成されて全体的に３周波数を成すようになったことを特
    徴とする請求項１記載の３周波数ヘテロダインレーザー
    干渉計。
  4. 【請求項４】上記光束分割器（２）と上記第１光検出器
    （８）の間及び上記偏光光束分割器（３）と上記第２光
    検出器（９）の間に２次うなり信号検出感度を高めるた
    めに第１偏光板（６）及び第２偏光板（７）を設けるこ
    とを特徴とする請求項１記載の３周波数ヘテロダインレ
    ーザー干渉計。
  5. 【請求項５】３個縦モードで発振するようになったレー
    ザー発振手段（１）；上記レーザー発振手段（１）から
    出る光を透過光と反射光とに分離して反射光である第１
    光束を基準光束として基準第１光検出器（８）へ向かう
    ようにし、透過光である第２光束は比較光束として偏光
    光束分割器（３）へ進行するようにする光束分割器
    （２）；上記基準光束に対し３個モード周波数間の基準
    ２次うなり周波数を検出するための基準第１光検出器
    （８）；上記２次うなり周波数信号を増幅するための第
    １増幅器（１０）；上記増幅器の出力信号のうち一定帯
    域の信号だけを選ぶための第１帯域通過フィルター（１
    ２）；上記比較光束の入力を受けて偏光方向によって２
    種のスペクトルに分離して、分離された第１スペクトル
    及び第２スペクトルをそれぞれ第１コーナーキューブプ
    リズム（４）及び移動可能な第２コーナーキューブプリ
    ズム（５）へ向かうようにする偏光光束分割器（３）；
    上記偏光光束分割器（３）から上記第１及び第２スペク
    トルの入力を受けて戻し反射させて上記偏光光束分割器
    へ再入力させる上記第１及び第２コーナーキューブプリ
    ズム（４、５）；上記偏光光束分割器から再び合成され
    て出る第１及び第２スペクトルの２次うなり周波数信号
    を検出するための第２光検出器（９）；上記第２光検出
    器（９）の出力側に順次に連結され、上記第１増幅器
    （１０）及び第１帯域通過フィルター（１２）と同一な
    機能を行う第２増幅器（１１）及び第２帯域通過フィル
    ター（１３）；上記第１帯域通過フィルター（１２）及
    び第２帯域通過フィルター（１３）の出力信号の入力を
    受けて周波数カウントを行う２チャンネルカウンター
    （１４）；及び上記２チャンネルカウンターでカウント
    した値の入力を受けて上記移動可能な第２コーナーキュ
    ーブプリズム（５）の移動距離を換算し、空気屈折率補
    正等を行って実際の移動距離を換算し移動距離を数値に
    て表示する移動長さ表示装置（１５）；から成る３周波
    数ヘテロダインレーザー干渉計において、３個周波数で
    発振される発振手段（１）によって隣接するモードの偏
    光方法が異なる３個周波数光束を発振させ、上記移動可
    能な第２コーナーキューブプリズムを測定すべき距離だ
    け所定の速度で移動させながら、周波数におけるドプラ
    偏移を発生させ、上記ドプラ偏移が生じた比較光束の２
    次うなり周波数カウント値と基準光束の周波数カウント
    値との差異を２チャンネルカウンター（１４）によって
    算出することにより一連の演算式によって上記第２コー
    ナーキューブプリズムの移動長さを上記長さ表示装置
    （１５）に表示する３周波数ヘテロダインレーザー干渉
    計を利用した長さ測定方法。
  6. 【請求項６】上記発振手段（１）から発生される上記３
    周波数レーザー光束が３個縦モードで発振するＨｅ−Ｎ
    ｅレーザーであって、３個の縦モード等がそれぞれ水平
    偏光（‖）、垂直偏光（⊥）、水平偏光（‖）である
    か、垂直偏光（⊥）、水平偏光（‖）、垂直偏光（⊥）
    の順に配列されることを特徴とする請求項５記載の長さ
    測定法。
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