JP3636429B2 - 波長安定化標準光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ干渉計の標準光源等に適用される光安定化標準光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ干渉計の標準光源として、ヨウ素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザが知られている。ヨウ素安定化レーザでは、共振器内にヨウ素分子の吸収セルを挿入したときに出力光に得られる反転ラムくぼみを基準要素として、波長安定化制御が行われる。反転ラムくぼみとは、レーザ共振器内の定在波周波数とヨウ素分子の吸収線周波数が一致したときに、吸収損失が減少する結果としてレーザ出力にピークが発生する現象をいう。
【０００３】
反転ラムくぼみを基準要素として波長安定化制御を行うためには、反転ラムくぼみを検出することが必要である。そのためには、レーザの共振器長制御を行うＰＺＴ素子に補正信号を加えてレーザ出力光を周波数変調する。そして、レーザ出力光から同期検出法によって反転ラムくぼみを検出して、その吸収中心（ピーク位置周波数）にロックするように、フィードバック制御を行う。
【０００４】
具体的に反転ラム特性は、光量と周波数の関係が４次式で近似される。即ち、ＰＺＴ素子に基本周波数１ｆの補正信号を加えることにより、レーザ出力の光周波数が反転くぼみの吸収中心の近傍にある場合、光周波数には基本波と第２〜第４高調波１ｆ，２ｆ，３ｆ，４ｆの周波数成分が生じる。このようなレーザ出力光から、例えば周波数３ｆを特定周波数として抽出する。ここで、反転ラムくぼみ近傍においては、周波数と、その周波数成分の振幅とは相関がある。従ってこの振幅情報を指令値と比較して誤差信号を発生するというフィードバック制御を行うことにより、レーザ出力を反転ラムくぼみの吸収中心にロックすることができる。ここで、特定周波数として３ｆを用いるのは、４次式で近似される光量−周波数特性を３次微分したときに３ｆ成分が光量−周波数特性の座標上でリニアになり、フィードバック制御に好都合となるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した波長安定化レーザのフィードバック制御系において、特定周波数として３ｆを選択したとき、レーザ光の周波数変調により得られる他の周波数成分１ｆ，２ｆ，４ｆは、ノイズ成分となる。これらのノイズ成分が特定周波数成分と確実に分離されないと、例えば１０-11といった極めて高精度の安定度が要求される標準光源を構成する場合のフィードバック制御系において、制御性能を劣化させる原因となる。
【０００６】
特に、上述したヨウ素安定化レーザの例では、ノイズ成分周波数１ｆ，２ｆ，４ｆは、特定周波数成分３ｆと近接している。従って、通常のフィードバック制御系で用いられる特性補償要素では、ノイズ成分を除去することはできない。また高次の通過周波数の帯域除去フィルタ（例えば、伝達特性の次数が１０次程度のバターワース型フィルタ）は、入出力間の位相変動量が大きすぎるために、フィードバック制御系に適用して制御の安定条件（位相余裕）を満たすことが難しい。
以上の問題は、波長安定化標準光源に限らず、高精度の周波数安定度が要求される光学的或いは電気的な基準信号源、校正信号源のフィードバック周波数制御系において同様に存在する。
【０００７】
この発明は、ノイズ周波数成分を確実に除去して高安定度の周波数制御を可能とした波長安定化標準光源を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の波長安定化標準光源は、波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタと、この合成フィルタで前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る第２の波長安定化標準光源は、波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタユニットを、前記除去すべき周波数成分に対応して複数縦続接続してなる合成フィルタと、この合成フィルタで前記特定周波数に近接した複数のノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明によると、オールパスフィルタを組み合わせた合成フィルタを用いることにより、特定周波数成分と他の周波数成分が近接していても、特定周波数成分を抑圧することなく確実に他の周波数成分を除去することができ、これにより、例えば波長安定化すべきレーザ等の制御対象について、高安定度のフィードバック周波数制御が可能になる。
【００１２】
この発明において好ましくは、合成フィルタに更に、特定周波数の成分を通過させるバンドパスフィルタが設けられるものとする。これにより、必要な特定周波数成分以外の周波数成分について、合成フィルタを用いたことによるゲインの増大を抑圧することができ、制御の安定性をより向上させることができる。
【００１３】
またこの発明において、特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は例えば、合成フィルタの出力信号から位相差が９０°である２相の正弦波状信号を生成する一対のオールパスフィルタ回路と、この一対のオールパスフィルタ回路から得られる２相の正弦波状信号をそれぞれ２乗する２乗回路と、この２乗回路の出力を加算する加算器とを備えて構成することができる。
【００１４】
或いはまた、特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は、合成フィルタの出力信号から少しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行うものであってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１はこの発明の実施例によるフィードバック周波数制御システムを示している。制御対象５は、外部からの指令値Ｒにより、所定の周波数の状態量Ｙを出力するものとする。この制御対象５の周波数制御を行うのが、アクチュエータ４である。アクチュエータ４により制御対象に与えられる操作量Ｕは、誤差補正手段２により得られる誤差補正信号Ｃに基づいて、制御される。この際、アクチュエータ４には、誤差補正信号Ｃとは別に、加算器３により補正信号Ｐが与えられる。補正信号Ｐは例えば、Ｐ＝ｍｓｉｎ（２πｆｔ）なる交流信号である。この補正信号Ｐを加えることによって、制御対象５の状態量Ｙは周波数変調される。
【００１６】
制御対象５の状態量Ｙは、アクチュエータ４の操作量Ｕに基づいて周波数変調されると同時に、温度、機械的応力、その他の環境要因から来る外乱Ｄが与えられる。この結果、状態量Ｙには、帰還制御に必要とされる周波数成分（特定周波数）の他にノイズ周波数成分を含む。
【００１７】
状態量Ｙは、検出器６により検出信号Ｓとして検出される。この検出信号Ｓの中から選択し特定周波数成分のみを抽出するために合成フィルタ７が用いられる。合成フィルタ７によりノイズが除去されて得られた特定周波数成分の信号Ｔは、ＡＣ−ＤＣコンバータ８により直流信号Ｆに変換され、これが帰還信号として、指令値Ｒと共に加算器１に入る。具体的に、ＡＣ−ＤＣコンバータ８は、特定周波数成分の信号の振幅値を抽出する振幅抽出回路である。そして、指令値Ｒと帰還値Ｆの差分Ｅが誤差補正手段２に供給されて、所定の誤差補正信号Ｃが発生され、指令値Ｒ＝帰還値Ｆとなるような制御が行われる。
【００１８】
具体的に、このシステムが波長安定化標準光源であるとすると、制御対象５は安定化すべきガスレーザである。アクチュエータ４は例えば、このガスレーザの共振器長制御を行うＰＺＴ素子である。外部補正信号Ｐと誤差補正信号ＣをＰＺＴ素子に加えてレーザの共振器長制御を行うことにより、状態量Ｙ即ちレーザ出力光は、周波数変調される。このとき、検出器６により得られる検出信号Ｓは、周波数変調や外乱により、帰還制御に用いるべき特定周波数成分の他、ノイズ周波数成分を含む。このノイズ周波数成分を除去するのが、合成フィルタ７である。
【００１９】
合成フィルタ７は、オールパスフィルタを複数個用いて構成される。図２（ａ），（ｂ）は、用いられる公知の一次のオールパスフィルタ１０の等価回路と機能ブロックを示している。図３は、このオールパスフィルタ１０の伝達特性であり、全周波数範囲にわたってゲインがゼロである。また図４はその移相特性を示している。即ちこのオールパスフィルタ１０は、注目するノイズ周波数成分１ｆにより正規化した場合、この周波数１ｆにおいて移相量（位相遅れ量）が９０°となり、全周波数範囲にわたって移相量が０〜１８０°の範囲で変化するような９０°移相器を構成している。この移相特性は、図２（ａ）の抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１の時定数を選択することにより、得られる。
【００２０】
合成フィルタ７は、この様なオールパスフィルタ１０を２個組み合わせて構成される。即ち図５に示すように、オールパスフィルタ１０ａ，１０ｂを縦続接続し、その初段フィルタ１０ａの入力と２段目フィルタ１０ｂの出力を加算する加算器１１を設けて、合成フィルタ７が構成される。
【００２１】
この様な構成にすると、合成移相特性は図７のようになる。即ち２段のオールパスフィルタ１０ａ，１０ｂにより、周波数成分１ｆについては、１８０°移相される。従って、初段の入力と２段目出力は、周波数成分１ｆについて互いに逆相となり、加算によってキャンセルされる。また１ｆより低い周波数範囲では移相量０°であり、高い周波数範囲では、移相量３６０°となる。従って、この合成フィルタ７の伝達特性は図６のようになり、周波数成分１ｆのゲインは原理的にはゼロとなり、ノイズ周波数成分が除去される。周波数１ｆの周辺を除き、広い周波数範囲で一定のゲインを持ち且つ、移相量ゼロが得られる。
【００２２】
従って、検出器６による検出信号Ｓが、ノイズ周波数成分１ｆと特定周波数ｎｆ（ｎ≠１）を含むものとして、合成フィルタ７により特定周波数成分ｎｆのみを抽出することができる。そしてこの特定周波数成分出力を帰還することにより、高性能の周波数制御が可能になる。
【００２３】
図８は、除去すべきノイズ周波数成分が例えば、１ｆ，２ｆの二つあり、これらを共に除去するために２段の合成フィルタユニット７ａ，７ｂを用いた例である。初段の合成フィルタユニット７ａは、図５のものと同じである。２段目の合成フィルタユニット７ｂは、周波数２ｆで移相量が９０°となる９０°移相器である２段のオールパスフィルタ１０ｃ，１０ｄと加算器１２とから構成される。
【００２４】
この場合、合成の移相特性は図１０のようになり、また合成の伝達特性は図９のようになる。これにより、周波数成分１ｆ，２ｆを選択的に除去することができる。
周波数成分４ｆを除去したい場合には、同様に周波数４ｆに対応する合成フィルタユニットを設ければよい。即ち一般的には、除去すべきノイズ周波数成分が複数個ある場合に、それぞれのノイズ周波数に対応して複数の合成フィルタユニットを縦続接続すればよい。
【００２５】
図１１は、図８の合成フィルタユニット７ａ，７ｂの具体回路構成例である。各合成フィルタユニット７ａ，７ｂの出力部にはバッファ１３，１４が設けられている。具体的に例えば、除去すべきノイズ周波数成分を１ｆ＝１．３ｋＨｚ，２ｆ＝２．６ｋＨｚとする。このとき、合成フィルタユニット７ａのオールパスフィルタ１０ａ，１０ｂの抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１は、Ｔ１＝Ｃ１Ｒ１＝１／２π（１．３×１０3）とし、合成フィルタユニット７ｂのオールパスフィルタ１０ｃ，１０ｄの抵抗Ｒ２とキャパシタＣ２は、Ｔ２＝Ｃ２Ｒ２＝１／２π（２．６×１０3）とする。
【００２６】
図１２は、ノイズ成分を含んだ検出信号Ｓの実測周波数スペクトル例であり、周波数変調された制御対象５の状態量Ｙの周波数特性が４次曲線で近似される例である。ノイズ成分は、１ｆ，２ｆ，４ｆであり、３ｆが特定周波数である。この例では４ｆの成分は、１ｆ，２ｆに比べると十分小さい。
【００２７】
図１３は、図１２のスペクトルで示される検出信号を、図８に示した合成フィルタを通して得られる信号Ｔの周波数スペクトルである。特定周波数成分３ｆを抑圧することなく、ノイズ周波数成分１ｆ，２ｆがきれいに除去されていることがわかる。この結果、特定周波数成分の抽出がＳ／Ｎよく行われ、高性能のフィードバック周波数制御が可能になる。
【００２８】
ここまでは、合成フィルタとして、注目するノイズ周波数成分で位相遅れ量が９０°である移相回路となるオールパスフィルタを用いたが、位相進み量が９０°であるような移相回路となるオールパスフィルタを用いてもよいことは勿論である。
【００２９】
図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータ８の性能も、フィードバック制御の性能にとって重要である。従来はこの部分に、特定周波数ｎｆと同じ基準信号を用いて、入力される信号Ｔから特定周波数成分ｎｆを取り出す同期検波方式が用いられているが、この方式では、１ｆ，２ｆ，４ｆ等のノイズ成分の除去が難しい。この発明において好ましくは、このＡＣ−ＤＣコンバータの部分には、オールパスフィルタを用いて構成されて、特定周波数成分の振幅抽出を行う振幅抽出回路を用いる。
【００３０】
図１４は、その様な振幅抽出回路の構成例を示している（特開平１０−９８４８号参照）。一対のオールパスフィルタ８１，８２は、信号Ｔが入力されて、特定周波数ｎｆについて互いに９０°位相がずれた正弦波信号Ｓ１＝Ａｓｉｎ（２πｎｆｔ），Ｓ２＝Ａｃｏｓ（２πｎｆｔ）を生成する。具体的にオールパスフィルタ８１，８２は、９０°移相の中心周波数がｎｆ−Δｆ，ｎｆ＋Δｆとなる移相器である。これにより、特定周波数ｎｆの近傍で位相差９０°の上述した二つの正弦波信号Ｓ１，Ｓ２が得られる。これらの正弦波信号をそれぞれ２乗回路８３，８４により２乗して、加算器８５により加算する。即ち、｛Ａｓｉｎ（２πｎｆｔ）｝2＋｛Ａｃｏｓ（２πｎｆｔ）｝2 ＝Ａ2なる演算により、振幅値Ａを検出することができる
【００３１】
ＡＣ−ＤＣコンバータ８にこの様な振幅抽出回路を用いることにより、信号Ｔに合成フィルタ７により除去し切れない、特定周波数ｎｆからずれた周波数のノイズ成分があったとしても、これらのノイズ成分が除去されて、特定周波数ｎｆの振幅値を取り出すことができる。従って、フィードバック制御の高性能化が図られる。
【００３２】
また、ＡＣ−ＤＣコンバータ８の他の方式として、多相交流信号のサンプリング方式を適用することができる。これは、信号Ｔから少しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行う方式である。例えば、多相交流信号として、信号Ｔに基づいて、順次９０°ずつ位相がずれた４相の交流信号を生成して、これを単相の場合の１／４のサンプリング周期で振幅抽出する。この方式を用いると、サンプリング動作に起因する零次ホールドの位相遅れの影響を低減して、高精度の振幅抽出が可能になる。
【００３３】
なお、合成フィルタ７においては、１８０°位相差の周波数成分を相殺するために、上述のように縦続接続された二つのオールパスフィルタ入出力が加算される。従って、除去しようとするノイズ周波数成分以外の周波数成分については、ゲインが２倍になる。そこで、特定周波数ｎｆ以外の周波数帯の成分を抑圧するために、合成フィルタ７の、例えば出力部に更に、特定周波数成分を通過させるバンドパスフィルタを配置することは有効である。
【００３４】
更に、実施の形態においては、除去したい周波数成分が複数ある場合に、図８のように複数段の合成フィルタを用いたが、これを１段のみの合成フィルタと減算器を用いて実施することも可能である。この場合は、選択する特定周波数３ｆにおいて、合成フィルタの各々のオールパスフィルタ１０の位相量（位相遅れ量）が９０°となるようにしておき、検出信号Ｓをこの合成フィルタ７に入力し、合成フィルタ７から出力信号Ｓ’を得る。この出力信号Ｓ’のゲインは、特定周波数３ｆ以外では検出信号の２倍になるため、これを１／２に減衰させて補正信号Ｓ”とする。次に検出信号Ｓから減算器によって修正信号Ｓ”を減算することにより、特定周波数３ｆの成分のみを抽出することができる。ここで、出力信号Ｓからの修正信号Ｓ”の減算にあっては、各々の周波数対強度データを求めた後、この周波数対強度データ間で減算を行ってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、オールパスフィルタを組み合わせた合成フィルタを用いることにより、特定周波数成分と他の周波数成分が近接していても、特定周波数成分を抑圧することなく確実に他の周波数成分を除去することができ、これにより高安定度のフィードバック周波数制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるフィードバック周波数制御システムの構成を示す図である。
【図２】 この発明に用いられるオールパスフィルタの構成を示す図である。
【図３】 同オールパスフィルタのゲイン特性を示す図である。
【図４】 同オールパスフィルタの移相特性を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態に用いられる合成フィルタの構成を示す図である。
【図６】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図である。
【図７】 同合成フィルタの移相特性を示す図である。
【図８】 他の実施の形態に用いれる合成フィルタの構成を示す図である。
【図９】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図である。
【図１０】 同合成フィルタの移相特性を示す図である。
【図１１】 同合成フィルタの具体的構成例を示す図である。
【図１２】 制御対象の出力周波数スペクトル例を示す図である。
【図１３】 図１２の出力から合成フィルタによりノイズ周波数成分を除去した周波数スペクトルを示す図である。
【図１４】 振幅抽出回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…加算器、２…誤差補正手段、３…加算器、４…アクチュエータ、５…制御対象、６…検出器、７…合成フィルタ、８…ＡＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ干渉計の標準光源等に適用される光安定化標準光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ干渉計の標準光源として、ヨウ素安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザが知られている。ヨウ素安定化レーザでは、共振器内にヨウ素分子の吸収セルを挿入したときに出力光に得られる反転ラムくぼみを基準要素として、波長安定化制御が行われる。反転ラムくぼみとは、レーザ共振器内の定在波周波数とヨウ素分子の吸収線周波数が一致したときに、吸収損失が減少する結果としてレーザ出力にピークが発生する現象をいう。
【０００３】
反転ラムくぼみを基準要素として波長安定化制御を行うためには、反転ラムくぼみを検出することが必要である。そのためには、レーザの共振器長制御を行うＰＺＴ素子に補正信号を加えてレーザ出力光を周波数変調する。そして、レーザ出力光から同期検出法によって反転ラムくぼみを検出して、その吸収中心（ピーク位置周波数）にロックするように、フィードバック制御を行う。
【０００４】
具体的に反転ラム特性は、光量と周波数の関係が４次式で近似される。即ち、ＰＺＴ素子に基本周波数１ｆの補正信号を加えることにより、レーザ出力の光周波数が反転くぼみの吸収中心の近傍にある場合、光周波数には基本波と第２〜第４高調波１ｆ，２ｆ，３ｆ，４ｆの周波数成分が生じる。このようなレーザ出力光から、例えば周波数３ｆを特定周波数として抽出する。ここで、反転ラムくぼみ近傍においては、周波数と、その周波数成分の振幅とは相関がある。従ってこの振幅情報を指令値と比較して誤差信号を発生するというフィードバック制御を行うことにより、レーザ出力を反転ラムくぼみの吸収中心にロックすることができる。ここで、特定周波数として３ｆを用いるのは、４次式で近似される光量−周波数特性を３次微分したときに３ｆ成分が光量−周波数特性の座標上でリニアになり、フィードバック制御に好都合となるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した波長安定化レーザのフィードバック制御系において、特定周波数として３ｆを選択したとき、レーザ光の周波数変調により得られる他の周波数成分１ｆ，２ｆ，４ｆは、ノイズ成分となる。これらのノイズ成分が特定周波数成分と確実に分離されないと、例えば１０-11といった極めて高精度の安定度が要求される標準光源を構成する場合のフィードバック制御系において、制御性能を劣化させる原因となる。
【０００６】
特に、上述したヨウ素安定化レーザの例では、ノイズ成分周波数１ｆ，２ｆ，４ｆは、特定周波数成分３ｆと近接している。従って、通常のフィードバック制御系で用いられる特性補償要素では、ノイズ成分を除去することはできない。また高次の通過周波数の帯域除去フィルタ（例えば、伝達特性の次数が１０次程度のバターワース型フィルタ）は、入出力間の位相変動量が大きすぎるために、フィードバック制御系に適用して制御の安定条件（位相余裕）を満たすことが難しい。
以上の問題は、波長安定化標準光源に限らず、高精度の周波数安定度が要求される光学的或いは電気的な基準信号源、校正信号源のフィードバック周波数制御系において同様に存在する。
【０００７】
この発明は、ノイズ周波数成分を確実に除去して高安定度の周波数制御を可能とした波長安定化標準光源を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の波長安定化標準光源は、波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタと、この合成フィルタで前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る第２の波長安定化標準光源は、波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタユニットを、前記除去すべき周波数成分に対応して複数縦続接続してなる合成フィルタと、この合成フィルタで前記特定周波数に近接した複数のノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明によると、オールパスフィルタを組み合わせた合成フィルタを用いることにより、特定周波数成分と他の周波数成分が近接していても、特定周波数成分を抑圧することなく確実に他の周波数成分を除去することができ、これにより、例えば波長安定化すべきレーザ等の制御対象について、高安定度のフィードバック周波数制御が可能になる。
【００１２】
この発明において好ましくは、合成フィルタに更に、特定周波数の成分を通過させるバンドパスフィルタが設けられるものとする。これにより、必要な特定周波数成分以外の周波数成分について、合成フィルタを用いたことによるゲインの増大を抑圧することができ、制御の安定性をより向上させることができる。
【００１３】
またこの発明において、特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は例えば、合成フィルタの出力信号から位相差が９０°である２相の正弦波状信号を生成する一対のオールパスフィルタ回路と、この一対のオールパスフィルタ回路から得られる２相の正弦波状信号をそれぞれ２乗する２乗回路と、この２乗回路の出力を加算する加算器とを備えて構成することができる。
【００１４】
或いはまた、特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は、合成フィルタの出力信号から少しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行うものであってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１はこの発明の実施例によるフィードバック周波数制御システムを示している。制御対象５は、外部からの指令値Ｒにより、所定の周波数の状態量Ｙを出力するものとする。この制御対象５の周波数制御を行うのが、アクチュエータ４である。アクチュエータ４により制御対象に与えられる操作量Ｕは、誤差補正手段２により得られる誤差補正信号Ｃに基づいて、制御される。この際、アクチュエータ４には、誤差補正信号Ｃとは別に、加算器３により補正信号Ｐが与えられる。補正信号Ｐは例えば、Ｐ＝ｍｓｉｎ（２πｆｔ）なる交流信号である。この補正信号Ｐを加えることによって、制御対象５の状態量Ｙは周波数変調される。
【００１６】
制御対象５の状態量Ｙは、アクチュエータ４の操作量Ｕに基づいて周波数変調されると同時に、温度、機械的応力、その他の環境要因から来る外乱Ｄが与えられる。この結果、状態量Ｙには、帰還制御に必要とされる周波数成分（特定周波数）の他にノイズ周波数成分を含む。
【００１７】
状態量Ｙは、検出器６により検出信号Ｓとして検出される。この検出信号Ｓの中から選択し特定周波数成分のみを抽出するために合成フィルタ７が用いられる。合成フィルタ７によりノイズが除去されて得られた特定周波数成分の信号Ｔは、ＡＣ−ＤＣコンバータ８により直流信号Ｆに変換され、これが帰還信号として、指令値Ｒと共に加算器１に入る。具体的に、ＡＣ−ＤＣコンバータ８は、特定周波数成分の信号の振幅値を抽出する振幅抽出回路である。そして、指令値Ｒと帰還値Ｆの差分Ｅが誤差補正手段２に供給されて、所定の誤差補正信号Ｃが発生され、指令値Ｒ＝帰還値Ｆとなるような制御が行われる。
【００１８】
具体的に、このシステムが波長安定化標準光源であるとすると、制御対象５は安定化すべきガスレーザである。アクチュエータ４は例えば、このガスレーザの共振器長制御を行うＰＺＴ素子である。外部補正信号Ｐと誤差補正信号ＣをＰＺＴ素子に加えてレーザの共振器長制御を行うことにより、状態量Ｙ即ちレーザ出力光は、周波数変調される。このとき、検出器６により得られる検出信号Ｓは、周波数変調や外乱により、帰還制御に用いるべき特定周波数成分の他、ノイズ周波数成分を含む。このノイズ周波数成分を除去するのが、合成フィルタ７である。
【００１９】
合成フィルタ７は、オールパスフィルタを複数個用いて構成される。図２（ａ），（ｂ）は、用いられる公知の一次のオールパスフィルタ１０の等価回路と機能ブロックを示している。図３は、このオールパスフィルタ１０の伝達特性であり、全周波数範囲にわたってゲインがゼロである。また図４はその移相特性を示している。即ちこのオールパスフィルタ１０は、注目するノイズ周波数成分１ｆにより正規化した場合、この周波数１ｆにおいて移相量（位相遅れ量）が９０°となり、全周波数範囲にわたって移相量が０〜１８０°の範囲で変化するような９０°移相器を構成している。この移相特性は、図２（ａ）の抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１の時定数を選択することにより、得られる。
【００２０】
合成フィルタ７は、この様なオールパスフィルタ１０を２個組み合わせて構成される。即ち図５に示すように、オールパスフィルタ１０ａ，１０ｂを縦続接続し、その初段フィルタ１０ａの入力と２段目フィルタ１０ｂの出力を加算する加算器１１を設けて、合成フィルタ７が構成される。
【００２１】
この様な構成にすると、合成移相特性は図７のようになる。即ち２段のオールパスフィルタ１０ａ，１０ｂにより、周波数成分１ｆについては、１８０°移相される。従って、初段の入力と２段目出力は、周波数成分１ｆについて互いに逆相となり、加算によってキャンセルされる。また１ｆより低い周波数範囲では移相量０°であり、高い周波数範囲では、移相量３６０°となる。従って、この合成フィルタ７の伝達特性は図６のようになり、周波数成分１ｆのゲインは原理的にはゼロとなり、ノイズ周波数成分が除去される。周波数１ｆの周辺を除き、広い周波数範囲で一定のゲインを持ち且つ、移相量ゼロが得られる。
【００２２】
従って、検出器６による検出信号Ｓが、ノイズ周波数成分１ｆと特定周波数ｎｆ（ｎ≠１）を含むものとして、合成フィルタ７により特定周波数成分ｎｆのみを抽出することができる。そしてこの特定周波数成分出力を帰還することにより、高性能の周波数制御が可能になる。
【００２３】
図８は、除去すべきノイズ周波数成分が例えば、１ｆ，２ｆの二つあり、これらを共に除去するために２段の合成フィルタユニット７ａ，７ｂを用いた例である。初段の合成フィルタユニット７ａは、図５のものと同じである。２段目の合成フィルタユニット７ｂは、周波数２ｆで移相量が９０°となる９０°移相器である２段のオールパスフィルタ１０ｃ，１０ｄと加算器１２とから構成される。
【００２４】
この場合、合成の移相特性は図１０のようになり、また合成の伝達特性は図９のようになる。これにより、周波数成分１ｆ，２ｆを選択的に除去することができる。
周波数成分４ｆを除去したい場合には、同様に周波数４ｆに対応する合成フィルタユニットを設ければよい。即ち一般的には、除去すべきノイズ周波数成分が複数個ある場合に、それぞれのノイズ周波数に対応して複数の合成フィルタユニットを縦続接続すればよい。
【００２５】
図１１は、図８の合成フィルタユニット７ａ，７ｂの具体回路構成例である。各合成フィルタユニット７ａ，７ｂの出力部にはバッファ１３，１４が設けられている。具体的に例えば、除去すべきノイズ周波数成分を１ｆ＝１．３ｋＨｚ，２ｆ＝２．６ｋＨｚとする。このとき、合成フィルタユニット７ａのオールパスフィルタ１０ａ，１０ｂの抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１は、Ｔ１＝Ｃ１Ｒ１＝１／２π（１．３×１０3）とし、合成フィルタユニット７ｂのオールパスフィルタ１０ｃ，１０ｄの抵抗Ｒ２とキャパシタＣ２は、Ｔ２＝Ｃ２Ｒ２＝１／２π（２．６×１０3）とする。
【００２６】
図１２は、ノイズ成分を含んだ検出信号Ｓの実測周波数スペクトル例であり、周波数変調された制御対象５の状態量Ｙの周波数特性が４次曲線で近似される例である。ノイズ成分は、１ｆ，２ｆ，４ｆであり、３ｆが特定周波数である。この例では４ｆの成分は、１ｆ，２ｆに比べると十分小さい。
【００２７】
図１３は、図１２のスペクトルで示される検出信号を、図８に示した合成フィルタを通して得られる信号Ｔの周波数スペクトルである。特定周波数成分３ｆを抑圧することなく、ノイズ周波数成分１ｆ，２ｆがきれいに除去されていることがわかる。この結果、特定周波数成分の抽出がＳ／Ｎよく行われ、高性能のフィードバック周波数制御が可能になる。
【００２８】
ここまでは、合成フィルタとして、注目するノイズ周波数成分で位相遅れ量が９０°である移相回路となるオールパスフィルタを用いたが、位相進み量が９０°であるような移相回路となるオールパスフィルタを用いてもよいことは勿論である。
【００２９】
図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータ８の性能も、フィードバック制御の性能にとって重要である。従来はこの部分に、特定周波数ｎｆと同じ基準信号を用いて、入力される信号Ｔから特定周波数成分ｎｆを取り出す同期検波方式が用いられているが、この方式では、１ｆ，２ｆ，４ｆ等のノイズ成分の除去が難しい。この発明において好ましくは、このＡＣ−ＤＣコンバータの部分には、オールパスフィルタを用いて構成されて、特定周波数成分の振幅抽出を行う振幅抽出回路を用いる。
【００３０】
図１４は、その様な振幅抽出回路の構成例を示している（特開平１０−９８４８号参照）。一対のオールパスフィルタ８１，８２は、信号Ｔが入力されて、特定周波数ｎｆについて互いに９０°位相がずれた正弦波信号Ｓ１＝Ａｓｉｎ（２πｎｆｔ），Ｓ２＝Ａｃｏｓ（２πｎｆｔ）を生成する。具体的にオールパスフィルタ８１，８２は、９０°移相の中心周波数がｎｆ−Δｆ，ｎｆ＋Δｆとなる移相器である。これにより、特定周波数ｎｆの近傍で位相差９０°の上述した二つの正弦波信号Ｓ１，Ｓ２が得られる。これらの正弦波信号をそれぞれ２乗回路８３，８４により２乗して、加算器８５により加算する。即ち、｛Ａｓｉｎ（２πｎｆｔ）｝2＋｛Ａｃｏｓ（２πｎｆｔ）｝2 ＝Ａ2なる演算により、振幅値Ａを検出することができる
【００３１】
ＡＣ−ＤＣコンバータ８にこの様な振幅抽出回路を用いることにより、信号Ｔに合成フィルタ７により除去し切れない、特定周波数ｎｆからずれた周波数のノイズ成分があったとしても、これらのノイズ成分が除去されて、特定周波数ｎｆの振幅値を取り出すことができる。従って、フィードバック制御の高性能化が図られる。
【００３２】
また、ＡＣ−ＤＣコンバータ８の他の方式として、多相交流信号のサンプリング方式を適用することができる。これは、信号Ｔから少しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行う方式である。例えば、多相交流信号として、信号Ｔに基づいて、順次９０°ずつ位相がずれた４相の交流信号を生成して、これを単相の場合の１／４のサンプリング周期で振幅抽出する。この方式を用いると、サンプリング動作に起因する零次ホールドの位相遅れの影響を低減して、高精度の振幅抽出が可能になる。
【００３３】
なお、合成フィルタ７においては、１８０°位相差の周波数成分を相殺するために、上述のように縦続接続された二つのオールパスフィルタ入出力が加算される。従って、除去しようとするノイズ周波数成分以外の周波数成分については、ゲインが２倍になる。そこで、特定周波数ｎｆ以外の周波数帯の成分を抑圧するために、合成フィルタ７の、例えば出力部に更に、特定周波数成分を通過させるバンドパスフィルタを配置することは有効である。
【００３４】
更に、実施の形態においては、除去したい周波数成分が複数ある場合に、図８のように複数段の合成フィルタを用いたが、これを１段のみの合成フィルタと減算器を用いて実施することも可能である。この場合は、選択する特定周波数３ｆにおいて、合成フィルタの各々のオールパスフィルタ１０の位相量（位相遅れ量）が９０°となるようにしておき、検出信号Ｓをこの合成フィルタ７に入力し、合成フィルタ７から出力信号Ｓ’を得る。この出力信号Ｓ’のゲインは、特定周波数３ｆ以外では検出信号の２倍になるため、これを１／２に減衰させて補正信号Ｓ”とする。次に検出信号Ｓから減算器によって修正信号Ｓ”を減算することにより、特定周波数３ｆの成分のみを抽出することができる。ここで、出力信号Ｓからの修正信号Ｓ”の減算にあっては、各々の周波数対強度データを求めた後、この周波数対強度データ間で減算を行ってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、オールパスフィルタを組み合わせた合成フィルタを用いることにより、特定周波数成分と他の周波数成分が近接していても、特定周波数成分を抑圧することなく確実に他の周波数成分を除去することができ、これにより高安定度のフィードバック周波数制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるフィードバック周波数制御システムの構成を示す図である。
【図２】 この発明に用いられるオールパスフィルタの構成を示す図である。
【図３】 同オールパスフィルタのゲイン特性を示す図である。
【図４】 同オールパスフィルタの移相特性を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態に用いられる合成フィルタの構成を示す図である。
【図６】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図である。
【図７】 同合成フィルタの移相特性を示す図である。
【図８】 他の実施の形態に用いれる合成フィルタの構成を示す図である。
【図９】 同合成フィルタのゲイン特性を示す図である。
【図１０】 同合成フィルタの移相特性を示す図である。
【図１１】 同合成フィルタの具体的構成例を示す図である。
【図１２】 制御対象の出力周波数スペクトル例を示す図である。
【図１３】 図１２の出力から合成フィルタによりノイズ周波数成分を除去した周波数スペクトルを示す図である。
【図１４】 振幅抽出回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…加算器、２…誤差補正手段、３…加算器、４…アクチュエータ、５…制御対象、６…検出器、７…合成フィルタ、８…ＡＣ−ＤＣコンバータ。
Claims (7)
- 波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、
全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタと、
この合成フィルタで前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路と
を備えたことを特徴とする波長安定化標準光源。 - 波長安定化すべき標準光源の状態量を、維持すべき所定の周波数の周囲で変動させるように周波数変調し、前記標準光源の状態量出力から検出される検出状態量の中から特定周波数成分の振幅値を抽出し、この振幅値と外部からの指令値との誤差信号に基づいて前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する波長安定化標準光源において、
全周波数範囲にわたって一定の伝達利得で移相量が０〜１８０°の範囲で変化するように入力信号を通過させ、且つ、前記特定周波数に近接した除去すべきノイズ成分周波数の信号を９０°移相するようにそれぞれが設定された、縦続接続された第１及び第２のオールパスフィルタと、前記第１のオールパスフィルタの入力と第２のオールパスフィルタの出力を加算する加算器とを備え、前記検出状態量から前記特定周波数に近接したノイズ成分周波数を除去する合成フィルタユニットを、前記除去すべき周波数成分に対応して複数縦続接続してなる合成フィルタと、
この合成フィルタで前記特定周波数に近接した複数のノイズ成分周波数が除去された検出状態量から前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路と
を備えたことを特徴とする波長安定化標準光源。 - 前記合成フィルタに更に、前記特定周波数の成分を通過させるバンドパスフィルタが設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の波長安定化標準光源。 - 前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は、
前記合成フィルタの出力信号から位相差が９０°である２相の正弦波状信号を生成する一対のオールパスフィルタ回路と、
この一対のオールパスフィルタ回路から得られる２相の正弦波状信号をそれぞれ２乗する２乗回路と、
この２乗回路の出力を加算する加算器とを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の波長安定化標準光源。 - 前記特定周波数成分の振幅値を抽出する振幅抽出回路は、前記合成フィルタの出力信号から少しずつ位相がずれた多相交流信号を生成し、これらの多相交流信号の振幅のピーク値に同期してサンプリングを行うものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の波長安定化標準光源。
- フィードバック制御によって前記標準光源の状態量を前記所定の周波数に維持する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波長安定化標準光源。 - 前記特定周波数は、前記周波数変調を行う基本波の第３次高調波である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長安定化標準光源。
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