JP5433846B2 - レーザ干渉測長装置及びレーザ干渉測長方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の干渉に基づき測長を行うレーザ干渉測長装置及びレーザ干渉測長方法に関するものである。

半導体レーザにより励起するＮｄ：ＹＡＧ結晶などを利得媒体として用いた連続波発振の５３２ｎｍ領域の固体レーザの波長は、長さの標準として用いられる。実際に、レーザ光の波長を用いて測長を行うためには、レーザ光が単一周波数、すなわち単一縦モードで発振する必要がある。

さらに、レーザ光の波長を用いて測長を行う場合、測長の不確かさを低減するには、レーザ光の周波数安定度を高くする必要がある。ヨウ素分子の吸収線の分光技術を用いたヨウ素安定化レーザでは、飽和吸収信号の中心に発振周波数を制御することで、高い周波数安定度のレーザ光を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

上記のようなヨウ素安定化レーザには、出射光に変調がかかっている変調光源、及び出射光に変調がかかっていない無変調光源の２つのタイプがある。

特開２００１−２７４４９５号公報

レーザ干渉測長に変調光源を用いる場合、干渉信号に変調信号が重畳され、測長の不確かさが増大するという問題がある。一方、無変調光源は、ＡＯＭ(Acousto-Optic Modulator)又はＥＯＭ（Electro-Optic Modulator）等の光学素子を使用した外部変調方式を必要とするため、装置が複雑化し、その製造コストも増大する。

そこで、本発明は、レーザ光源の製造コストを抑制し且つレーザ干渉測長における変調による影響を解消したレーザ干渉測長装置及びレーザ干渉測長方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ干渉測長装置は、レーザ光の干渉に基づき測長を行うレーザ干渉測長装置であって、第１周波数の変調信号にて変調されたレーザ光を生成するレーザ光生成部と、当該レーザ光生成部からの前記レーザ光を測定対象物に照射して測長情報を含んだ計測光を得ると共に当該計測光を受光部で受光して測長情報を含んだ電気信号を生成する干渉計測部と、前記第１周波数の変調信号に基づいて生成された第２周波数のタイミング信号に同期するように前記電気信号をサンプリングするサンプリング部とを備え、前記第２周波数は、前記第１周波数の２倍であり、前記サンプリング部は、測定結果に含まれる前記変調信号の周波数成分との位相差が０°又は１８０°となるように、前記タイミング信号の位相を設定することを特徴とする。

このような構成により、レーザ干渉測長装置は、第２周期に同期して電気信号をサンプリングし、電気信号に含まれる第１周期による変調の影響を解消することができる。

前記レーザ光生成部は、ヨウ素の所定の飽和吸収線に合わせるように前記レーザ光の中心波長を調整する構成が望ましい。

本発明に係るレーザ干渉測長方法は、レーザ光の干渉に基づき測長を行うレーザ干渉測長方法であって、第１周波数の変調信号にて変調されたレーザ光を生成する工程と、生成された前記レーザ光を測定対象物に照射して測長情報を含んだ計測光を得ると共に当該計測光を受光部で受光して測長情報を含んだ電気信号を生成する工程と、前記第１周波数の変調信号に基づいて生成された第２周波数のタイミング信号に同期するように前記電気信号をサンプリングする工程とを備え、前記第２周波数は、前記第１周波数の２倍であり、前記サンプリング工程において、測定結果に含まれる前記変調信号の周波数成分との位相差が０°又は１８０°となるように、前記タイミング信号の位相を設定することを特徴とする。

本発明によれば、製造コストを抑制し且つ変調による影響を解消したレーザ干渉測長装置及びレーザ干渉測長方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置について説明する。

（本実施形態に係るレーザ干渉測長装置の構成）
先ず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置の構成概略図である。本実施形態に係るレーザ干渉測長装置は、所謂、マイケルマンソン型に構成されている。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置は、レーザ光生成部１０、干渉計測部２０、移動鏡（測定対象物）３０、及びサンプリング部４０を備える。

レーザ光生成部１０は、変調周波数（第１周波数）ｆｍの変調信号にて変調されたレーザ光Ｌ１を生成する機能を有する。干渉計測部２０は、レーザ光生成部１０からのレーザ光Ｌ１を移動鏡（測定対象物）３０に照射して測長情報を含んだレーザ光Ｌ４（計測光）を得る。干渉計測部２０は、レーザ光Ｌ４を受光部２０ｂで受光して測長情報を含んだ第１、第２電気信号φＡ、φＢを生成する。移動鏡３０は、干渉計測部２０からのレーザ光Ｌ３を反射させる。サンプリング部４０は、変調周波数ｆｍの変調信号に基づいて生成されたサンプリング周波数のタイミング信号に同期するように第１、第２電気信号φＡ、φＢをサンプリングする。

次に、図２を参照して、レーザ光生成部１０の構成について説明する。図２は、レーザ光生成部１０の概略図である。

レーザ光生成部１０は、励起用レーザ光発生部１１、レーザ共振部１２、分光検出部１３、及びレーザ周波数制御部１４を有する。

励起用レーザ光発生部１１は、所定の電流を与えられることにより波長８０８ｎｍの励起光Ｌ１１を放出する。

レーザ共振部１２は、励起光Ｌ１１の光路に順次配置されたＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１、ＫＴＰ結晶１２２、エタロン１２３、反射鏡１２４、及びアクチュエータ１２５を有する。

Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１は、ダイオードレーザ励起固体レーザ用の結晶である。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１は、励起光Ｌ１１の照射により、Ｎｄ原子が励起され、誘導輻射から波長１０６４ｎｍの光を発光する。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１は、励起用レーザ光発生部１１側の側面に、波長１０６４ｎｍの光を反射するコーティングを有する。

ＫＴＰ結晶１２２は、非線形光学結晶である。ＫＴＰ結晶１２２は、誘導輻射による波長１０６４ｎｍの光の一部を２次高調波である５３２ｎｍの光とする。

エタロン１２３は、高反射フィルタを向かい合わせに配置した構成を有する。エタロン１２３は、周波数フィルタとしての機能を有する。

反射鏡１２４は、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長５３２ｎｍの光を透過するようにコーティングを有する。上記構成のように、波長１０６４ｎｍの光に対してのみ、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１と反射鏡１２４によって共振器が構成される。

アクチュエータ１２５は、ピエゾ素子にて構成されている。アクチュエータ１２５は、印加する電圧により変形（膨張、伸縮）する。つまり、アクチュエータ１２５は、その変形により反射鏡１２４をＮｄ：ＹＶＯ４結晶１２１に対して相対移動させ、共振器長を変化させる。共振器長を制御することにより、レーザ共振部１２は、５３２ｎｍのレーザ光Ｌ１２を照射する。

分光検出部１３は、レーザ光分割部１３１、及びレーザ光検出部１３２を有する。レーザ光分割部１３１は、レーザ光Ｌ１２を分割し、レーザ光Ｌ１及びレーザ光Ｌ１３を生成する。レーザ光分割部１３１は、レーザ光Ｌ１を干渉計測部２０へと導光し、レーザ光Ｌ１３をレーザ光検出部１３２へと導光する。レーザ光Ｌ１は、測長用に使用され、レーザ光Ｌ１３は、周波数安定化のための参照用に使用される。レーザ光検出部１３２は、ヨウ素セル１３２ａを有する。レーザ光検出部１３２は、レーザ光Ｌ１３をヨウ素セル１３２ａに透過させるように構成されている。レーザ光Ｌ１３においては、ヨウ素セル１３２ａを透過する際に、所定の幅をもつ発振周波数の光がヨウ素に吸収される。一方、その所定の幅をもつ発振周波数内の特定の周波数（共鳴周波数）においては、飽和により、ヨウ素による光の吸収は減少する。したがって、レーザ光Ｌ１３は、ヨウ素セル１３２ａ（レーザ光検出部１３２）を透過することにより、レーザ周波数の制御のための検出光Ｌ１４となる。

レーザ周波数制御部１４は、光信号検出部１４１、ロックインアンプ１４２、アクチュエータ制御部１４３、変調波発生部１４４、フィルタ１４５、及び制御電圧生成部１４６を有する。

光信号検出部１４１は、レーザ光検出部１３２からの検出光Ｌ１４を検出する。光信号検出部１４１は、検出光Ｌ１４に基づき光出力信号Ｓｇ１を生成する。光信号検出部１４１は、光出力信号Ｓｇ１をロックインアンプ１４２へ出力する。

ロックインアンプ１４２は、入力された光出力信号Ｓｇ１を変調周波数３ｆｍの変調信号Ｓｇ３で復調し、３次微分信号Ｓｇ５を生成する。ロックインアンプ１４２は、生成した３次微分信号Ｓｇ５をアクチュエータ制御部１４３へ出力する。

アクチュエータ制御部１４３は、例えば、パーソナルコンピュータにて構成されている。アクチュエータ制御部１４３は、各種プログラムを格納する記憶部、及びそのプログラムを読み出し実行する制御部を有する。アクチュエータ制御部１４３は、格納した各種プログラムに従って、レーザ光Ｌ１の発振周波数を制御する。アクチュエータ制御部１４３は、入力された３次微分信号Ｓｇ５に基づき、アクチュエータ制御信号Ｓｇ６を生成する。アクチュエータ制御信号Ｓｇ６は、制御電圧生成部１４６に入力される。

図３は、光出力信号Ｓｇ１、及び３次微分信号Ｓｇ５を示す図である。図３に示すように、所定の周波数領域における３次微分信号Ｓｇ５には、ピーク及びバレーにて構成される複数の飽和吸収線Ｑ１〜Ｑｎ（ｎは自然数）が観測される。

変調波発生器１４４は、変調周波数ｆｍの方形波状の変調信号Ｓｇ２をフィルタ１４５、及びサンプリング部４０へ出力する。変調波発生器１４４は、変調周波数３ｆｍの方形波状の変調信号Ｓｇ３をロックインアンプ１４２へ出力する。

フィルタ１４５は、受け付けた方形波状の変調信号Ｓｇ２に基づき、変調周波数ｆｍの正弦波状の変調信号Ｓｇ４を生成する。フィルタ１４５は、変調信号Ｓｇ４を制御電圧生成部１４６に出力する。

制御電圧生成部１４６は、アクチュエータ制御信号Ｓｇ６に基づき、所定の制御電圧を生成する。さらに、制御電圧生成部１４６は、生成した制御電圧を変調信号Ｓｇ４によって変調させ、変調制御電圧Ｓｇ７を生成する。制御電圧生成部１４６は、変調制御電圧Ｓｇ７をアクチュエータ１２５に印加する。これにより、アクチュエータ１２５にてレーザ共振部１２において、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶１２１と反射鏡１２４との間の共振器長は、所望の長さとなり、レーザ光Ｌ１は、所望の周波数となる。

続いて、再び図１を参照して、干渉計測部２０の構成について説明する。

干渉計測部２０は、図１に示すように、光分割合成部２０ａ、及び受光部２０ｂを有する。光分割合成部２０ａは、レーザ光生成部１０からのレーザ光Ｌ１を移動鏡（測定対象物）３０に照射するレーザ光Ｌ３（測定光）と固定鏡（参照面）２４に照射するレーザ光（参照光）Ｌ２とに分割すると共に、固定鏡２４で反射したレーザ光Ｌ２と移動鏡（測定対象物）３０で反射したレーザ光Ｌ３を合成してレーザ光Ｌ４とする。受光部２０ｂは、レーザ光Ｌ４を受光すると共にそのレーザ光Ｌ４に基づく第１、第２電気信号φＡ、φＢを生成する。

光分割合成部２０ａは、偏光板（Ｐ）２１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２２、第１及び第２のλ／４板（ＱＷＰ）２３ａ，２３ｂ、固定鏡２４、λ／２板２５を有する。

受光部２０ｂは、ビームスプリッタ（ＢＳ）２６、第３のλ／４板（ＱＷＰ）２３ｃ、及び第１，第２フォトディテクタ（ＰＤ）２７ａ，２７ｂを有する。

干渉計測部２０において、先ず、レーザ光生成部１０からのレーザ光Ｌ１は、偏光板２１を介して偏光ビームスプリッタ２２に照射される。レーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２２にて、レーザ光Ｌ２及びレーザ光Ｌ３に分割される。

レーザ光Ｌ２は、第１のλ／４板２３ａを介して固定鏡２４にて反射され、再び第１のλ／４板２３ａを通り偏光ビームスプリッタ２２へと照射される。一方、レーザ光Ｌ３は、第２のλ／４板２３ｂを介して移動鏡３０にて反射され、再び第２のλ／４板２３ｂを通り偏光ビームスプリッタ２２へと照射される。

続いて、偏光ビームスプリッタ２２にて、固定鏡２４にて反射されたレーザ光Ｌ２、及び移動鏡３０にて反射されたレーザ光Ｌ３は、合成されレーザ光Ｌ４とされる。レーザ光Ｌ４は、λ／２板２５を介してビームスプリッタ２６に照射される。

レーザ光Ｌ４は、ビームスプリッタ２６にて、レーザ光Ｌ５及びレーザ光Ｌ６に分割される。レーザ光Ｌ５は、第１フォトディテクタ２７ａにて検出される。第１フォトディテクタ２７ａは、レーザ光Ｌ５に基づく第１電気信号φＡをサンプリング部４０に出力する。一方、レーザ光Ｌ６は、第３のλ／４板２３ｃを介して、レーザ光Ｌ５から９０度位相がずれたレーザ光Ｌ７となる。そして、レーザ光Ｌ７は、第２フォトディテクタ２７ｂにて検出される。第２フォトディテクタ２７ｂは、レーザ光Ｌ７に基づく第２電気信号φＢをサンプリング部４０に出力する。

次に、図１を参照して、移動鏡３０の構成について説明する。移動鏡３０は、図１に示すように、レーザ光Ｌ３を反射させるように構成されている。また、移動鏡３０は、偏光ビームスプリッタ２２から離れる方向又は近づく方向に移動可能に構成されている。

続いて、図１を参照して、サンプリング部４０の構成について説明する。サンプリング部４０は、タイミング信号生成部４１、及び第１，第２Ａ／Ｄコンバータ４２ａ，４２ｂを有する。

タイミング信号生成部４１は、レーザ光生成部１０からの変調周波数ｆｍの変調信号Ｓｇ２に基づき、タイミング信号Ｓｇ８を生成する。タイミング信号生成部４１は、設定周波数ｆｏが変調周波数ｆｍ以上である（ｆｏ≧ｆｍ）と判定すると、変調信号Ｓｇ２（変調周波数ｆｍ）をａ逓倍（ａ：正の整数）したサンプリング周波数ｆｓ（ｆｓ＝ｆｍ・ａ）を有するタイミング信号Ｓｇ８を生成する。また、タイミング信号生成部４１は、設定周波数ｆｏが変調周波数ｆｍ未満である（ｆｏ＜ｆｍ）と判定すると、変調信号Ｓｇ２（変調周波数ｆｍ）をｂ分周（ｂ：正の整数）したサンプリング周波数ｆｓ（ｆｓ＝ｆｍ／ｂ）を有するタイミング信号Ｓｇ８を生成する。タイミング信号生成部４１は、タイミング信号Ｓｇ８を第１，第２Ａ／Ｄコンバータ４２ａ，４２ｂに出力する。

タイミング信号生成部４１は、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１／ｎ（ｎ：正の整数）倍とする。もしくは、タイミング信号生成部４１は、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍とする。また、タイミング信号生成部４１は、測長結果に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分が最小となるように、タイミング信号Ｓｇ８（サンプリング周波数ｆｓ）の位相を設定する。

第１，第２Ａ／Ｄコンバータ４２ａ、４２ｂは、サンプリング周波数ｆｓのタイミング信号Ｓｇ８に同期するように第１、第２電気信号φＡ、φＢをサンプリングする。

（移動鏡３０の変位の算出方法）
次に、図１を参照して、移動鏡３０の変位ΔＤ２の算出方法について説明する。変位ΔＤ２は、移動鏡３０が所定時間で移動した距離を意味する。変位ΔＤ２は、偏光ビームスプリッタ２２から移動鏡３０までの光路長が初期位置「Ｄ２ｏ」から現在位置「Ｄ２ｎ」へと変化した間の差分を意味する。

レーザ光Ｌ４は、第２光路長Ｄ２から第１光路長Ｄ１を差し引いた光路差（Ｄ２−Ｄ１）に対して、レーザ光Ｌ１の波長の１／２の周期（周期：２６６ｎｍ）で明暗を繰り返す。なお、ここで、偏光ビームスプリッタ２２から固定鏡２４までの光路長を第１光路長Ｄ１とする。また、偏光ビームスプリッタ２２から移動鏡３０までの光路長を第２光路長Ｄ２とする。

一方、上述したように、第１電気信号φＡは、レーザ光Ｌ５に基づく信号であり、第２電気信号φＢは、レーザ光Ｌ５から９０度位相がずれたレーザ光Ｌ７に基づく信号である。したがって、光路差（Ｄ２−Ｄ１）に対して、第１、第２電気信号φＡ、φＢは、以下の（数式１）、及び（数式２）にて表すことができる。

上記（数式１）の第１信号φＡに対し、振幅Ａを正規化し、オフセットのＶ_ａを取り除くと、第１信号φＡは、以下の（数式３）に示すように、第３信号φＡ’と表すことができる。同様に、（数式２）の第２信号φＢに対し、振幅Ｂを正規化し、オフセットのＶ_ｂを取り除くと、第２信号φＢは、以下の（数式４）に示すように、第４信号φＢ’と表すことができる。

実施形態におけるレーザ干渉測長装置の光路差（Ｄ２−Ｄ１）が、長さλｉ（＝２６６ｎｍ）だけ変化すると、（数式３）及び（数式４）に示す第３、第４電気信号φＡ’、φＢ’の位相θは、２πだけ変化する。レーザ干渉測長装置は、第３、第４電気信号φＡ’、φＢ’から位相θを算出すると共に長さλｉに伴い周期的に変化する回数Ｎをカウントする。そして、レーザ干渉測長装置は、以下に示す（数式５）、及び（数式６）を用いて、光路差（Ｄ２−Ｄ１）の変位を算出する。

そして、初期位置Ｄ２ｏから現在位置Ｄ２ｎまでの移動鏡３０の変位ΔＤ２は、以下に示す（数式７）のように表すことができる。なお、（数式７）において、「Ｄ１ｏ」は、固定鏡２４の初期位置を表し、「Ｄ１ｎ」は、固定鏡２４の現在位置を表す。

（数式７）において、第１光路長Ｄ１は、一定（Ｄ１ｎ＝Ｄ１ｏ）であるので、（数式５）及び（数式６）の値を逐次算出することで、移動鏡３０の変位ΔＤ２が得られる。

（本実施形態に係るレーザ干渉測長装置のサンプリング処理）
次に、図４を参照して、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置のサンプリング処理について説明する。図４は、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置のサンプリング処理を示すフローチャートである。

先ず、図４に示すように、レーザ光生成部１０（レーザ周波数制御部１４）において、アクチュエータ制御部１４３は、レーザ光Ｌ１３の発振周波数を所定の飽和吸収線Ｑｋに合わせるように、アクチュエータ制御信号Ｓｇ６を生成する（ステップＳ１０１）。

続いて、制御電圧生成部１４６は、アクチュエータ制御信号Ｓｇ６に基づき、変調信号Ｓｇ２の変調周波数ｆｍにて変調した変調制御電圧Ｓｇ７を生成する（ステップＳ１０２）。

つまり、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２の工程において、アクチュエータ１２５にて共振部１２の共振器長が制御される。これにより、レーザ光生成部１０は、変調周波数ｆｍの変調信号Ｓｇ４にて変調されたレーザ光Ｌ１を生成する。

次に、干渉計測部２０は、レーザ光Ｌ１を移動鏡３０に照射して測長情報を含んだレーザ光（計測光）Ｌ４を得ると共にレーザ光Ｌ４を受光部２０ｂで受光して測長情報を含んだ第１、第２電気信号φＡ，φＢを生成する（ステップＳ１０３）。

続いて、サンプリング部４０において、タイミング信号生成部４１は、変調信号Ｓｇ２の変調周波数ｆｍの１／ｎ倍（ｎ：正の整数）、又は２倍のサンプリング周波数ｆｓを有するタイミング信号Ｓｇ８を生成する（ステップＳ１０４）。

また、ステップＳ１０４にて、タイミング信号生成部４１は、測長結果に含まれる変調周波数ｆｍの成分が最小となるように、タイミング信号Ｓｇ８（サンプリング周波数ｆｓ）の位相を設定する。

続いて、第１Ａ／Ｄコンバータ４２ａは、サンプリング周波数ｆｓのタイミング信号Ｓｇ８に同期するように第１電気信号φＡをサンプリングする。同様に、第２Ａ／Ｄコンバータ４２ｂは、サンプリング周波数ｆｓのタイミング信号Ｓｇ８に同期するように第２電気信号φＢをサンプリングする（ステップＳ１０５）。以上で、レーザ干渉測長装置のサンプリング処理は、終了する。

つまり、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の工程において、サンプリング部４０は、変調周波数ｆｍの変調信号Ｓｇ２に基づいて生成されたサンプリング周波数ｆｓのタイミング信号Ｓｇ８に同期するように第１、第２電気信号φＡ，φＢをサンプリングする。

（本実施形態に係るレーザ干渉測長装置の効果）
次に、図５〜図１２を参照して、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置の効果について説明する。

シミュレーションにより、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置におけるサンプリング処理に関する各種信号を求めた。シミュレーションにおいて、移動鏡３０を１秒あたり１０・λｉ（λｉ＝２６６ｎｍ）の速度で移動させ、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１０倍とした。その他シミュレーション条件として、変調信号Ｓｇ２の変調周波数ｆｍを１ｋＨｚとし、その変調幅をレーザ干渉測長装置の周期の１％相当とした。また、ノイズ成分として、λｉの５％相当の強度を有する白色ノイズを加えた。

図５は、上記条件にてシミュレーションで求めた第１、第２電気信号φＡ、φＢに基づく第３、第４電気信号φＡ’、φＢ’の波形図を示している。図６は、上記条件にてシミュレーションで求めた時間に伴う、移動鏡３０の変位Ｐ（ΔＤ２／λｉ：ΔＤ２をλｉで正規化）を算出した結果を示している。図５及び図６に示すように、第１、第２電気信号φＡ、φＢにて、移動鏡３０の変位を算出することが可能である。

図７は、図６の移動鏡３０の変位Ｐに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）解析を行った結果を示している。図７に示すように、レーザ干渉測長装置による変位の出力結果には、変調信号Ｓｇ２の変調周波数ｆｍである１ｋＨｚでピークが検出されることがわかる。つまり、上記設定条件では、変調周波数ｆｍの影響は、十分に解消されない。

次に、図８を参照して、シミュレーションにおける上記条件から、サンプリング周波数ｆｓを変更した場合における移動鏡３０の変位Ｐに対してＦＦＴ解析を行った場合を説明する。図８は、上記条件からサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍とした場合におけるレーザ干渉測長装置の変位出力に対してＦＦＴ解析を行った結果を示す図である。

図８に示すように、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍とすることにより、変調周波数ｆｍの周波数である１ｋＨｚのピークは、消失することが分かる。

続いて、図９を参照して、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの０．１〜５０倍とした場合における、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分の変化を説明する。なお、図９において、横軸は、対数表示としている。図９に示すように、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍以下にすると、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分が非常に小さくなる（略０になる）ことがわかる。逆に、サンプリング周波数ｆｓが２倍を超えると、変調信号の周波数成分が最大１％の変調幅まで増加する。

続いて、図１０〜図１２を参照して、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分とタイミング信号Ｓｇ８（サンプリング周波数ｆｓ）との間の位相差の変化に伴う、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分の低減効果について説明する。

図１０は、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分、及びサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍（ｆｓ＝１・ｆｍ）としたタイミング信号Ｓｇ８の波形図である。図１０より、タイミング信号Ｓｇ８と変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分との間の位相差を「０°」とした場合（符号：Ｅ１）、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分が「０」となるタイミングでサンプリングが行なわれる。したがって、変調周波数ｆｍの周波数成分は検出されない。また、タイミング信号Ｓｇ８と変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分との間の位相差を「９０°」とした場合（符号：Ｅ２）、常に変調信号Ｓｇ４が最大となるタイミングでサンプリングが行なわれることとなる。したがって、変調周波数ｆｍの周波数成分は、検出されない。

さらに、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１／ｎ（ｎ：正の整数）倍としてサンプリングを行った場合、タイミング信号Ｓｇ８と変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分との間に位相差があっても、同一位相でサンプリングが行われるため、変調周波数ｆｍの周波数成分は検出されない。

つまり、本実施形態において、タイミング信号生成部４１は、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１／ｎ（ｎ：正の整数）倍としてタイミング信号Ｓｇ８を生成する。よって、本実施形態に係るレーザ干渉測長装置は、測長結果に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分（変調の影響）を解消することができる。

図１１は、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分、及びサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍（ｆｓ＝２・ｆｍ）としたタイミング信号Ｓｇ８の波形図である。図１１より、タイミング信号Ｓｇ８と変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分との間の位相差を「０°」とした場合（符号：Ｆ１）、変調信号Ｓｇ４の強度が「０」となる点でサンプリングを行なわれることとなる。したがって、変調周波数ｆｍの周波数成分は検出されない。一方、位相差を９０°とした場合、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分が最大及び最小となる点でサンプリングが行なわれることとなる。したがって、変調周波数ｆｍの周波数成分は、最大振幅で検出される。

図１２は、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分とタイミング信号Ｓｇ８（サンプリング周波数ｆｓ）との間の位相差の変化に伴う、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分の変化を示す図である。図１２においては、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍としてサンプリングを行った場合（ｆｓ＝１・ｆｍ）、及びサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍としてサンプリングを行った場合（ｆｓ＝２・ｆｍ）を示している。

図１２より、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍（ｆｓ＝１・ｆｍ）とする場合、図８において説明したように、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分は、位相差に関係なく「０」となる。一方、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍（ｆｓ＝２・ｆｍ）とする場合、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分とタイミング信号Ｓｇ８の位相差により変調周波数ｆｍの周波数成分が周期的に変化し、位相差が０°及び１８０°のときには変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分は「０」となることがわかる。

ここで、タイミング信号生成部４１は、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍もしくは、１／ｎ（ｎ：正の整数）倍としてタイミング信号Ｓｇ８を生成する。また、サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍（ｆｓ＝２・ｆｍ）とした場合、タイミング信号生成部４１では、変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分が最小となるように、タイミング信号Ｓｇ８の位相を設定する。

タイミング信号Ｓｇ８の位相の設定方法としては、先ず、移動鏡３０を固定した状態で、前記手順に従い、移動鏡３０の変位ΔＤ２を測定する。ここで、変位ΔＤ２には図１１に示すような変調周波数ｆｍの周波数成分が観測されるが、タイミング信号生成部４１では、この変調周波数ｆｍの周波数成分が最小になるようにタイミング信号Ｓｇ８の位相を設定する。

したがって、本実施形態によれば、上記のようにサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍（ｆｓ＝２・ｆｍ）とした場合であっても、タイミング信号Ｓｇ８の位相差を適切に設定することで、測長結果に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分（変調の影響）を解消することができる。

さらに、上記のように、本実施形態は、サンプリング部４０にて、所定の周期でサンプリングを行うことにより、変調周波数ｆｍの周波数成分（変調の影響）を解消している。したがって、本実施形態によれば、ＡＯＭ又はＥＯＭ等の高価な光学素子を使用しないので、レーザ光源の製造コストを抑制することができる。また、本実施形態によれば、ＡＯＭ又はＥＯＭ等の光学素子を用いないので、レーザ光源が複雑化することもない。

（その他実施形態）
以上、レーザ干渉測長装置の一実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。例えば、本発明において、レーザ光Ｌ１の発振周波数の制御は、ヨウ素による飽和吸収線によるものに限定されるものではない。また、タイミング信号Ｓｇ８の位相の設定方法についても、上記方式に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置の構成概略図である。 図１に示すレーザ光生成部１０の概略図である。 本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置の制御時に検出する光出力信号Ｓｇ１、及び３次微分信号Ｓｇ５を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ干渉測長装置のサンプリング処理を示すフローチャートである。 サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１０倍とした場合（ｆｓ＝１０・ｆｍ）における、第３、第４電気信号φＡ’、φＢ’の波形図である。 時間に伴う、移動鏡３０の位置Ｐ（＝ΔＤ２／λｉ：波長λｉで正規化）を算出した結果を示す図である。 サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１０倍とした場合（ｆｓ＝１０・ｆｍ）における、ＦＦＴによる解析結果を示すである。 サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍とした場合（ｆｓ＝１・ｆｍ）における、ＦＦＴによる解析結果を示すである。 サンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの０．１〜５０倍とした場合における、変位Ｐ（＝ΔＤ２／λｉ）に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分の変化を説明する図である。 変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分、及びサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの１倍（ｆｓ＝１・ｆｍ）としたタイミング信号Ｓｇ８の波形図である。 変位Ｐに含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分、及びサンプリング周波数ｆｓを変調周波数ｆｍの２倍（ｆｓ＝２・ｆｍ）としたタイミング信号Ｓｇ８の波形図である。 変位Ｐ（＝ΔＤ２／λｉ）に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分とタイミング信号Ｓｇ８との間の位相差の変化に伴う、変位Ｐ（＝ΔＤ２／λｉ）に含まれる変調周波数ｆｍの周波数成分の変化を示す図である。

符号の説明

１０…レーザ光生成部、１１…励起用レーザ光発生部、１２…レーザ共振部、１３…分光検出部、１４…レーザ周波数制御部、２０…干渉計測部、２０ａ…光分割合成部、２０ｂ…受光部、３０…移動鏡、４０…サンプリング部。

Claims (3)

1. レーザ光の干渉に基づき測長を行うレーザ干渉測長装置であって、
   第１周波数の変調信号にて変調されたレーザ光を生成するレーザ光生成部と、
   当該レーザ光生成部からの前記レーザ光を測定対象物に照射して測長情報を含んだ計測光を得ると共に当該計測光を受光部で受光して測長情報を含んだ電気信号を生成する干渉計測部と、
   前記第１周波数の変調信号に基づいて生成された第２周波数のタイミング信号に同期するように前記電気信号をサンプリングするサンプリング部とを備え、
   前記第２周波数は、前記第１周波数の２倍であり、
   前記サンプリング部は、測定結果に含まれる前記変調信号の周波数成分との位相差が０°又は１８０°となるように、前記タイミング信号の位相を設定する
   ことを特徴とするレーザ干渉測長装置。
2. 前記レーザ光生成部は、ヨウ素の所定の飽和吸収線に合わせるように前記レーザ光の中心波長を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ干渉測長装置。
3. レーザ光の干渉に基づき測長を行うレーザ干渉測長方法であって、
   第１周波数の変調信号にて変調されたレーザ光を生成する工程と、
   生成された前記レーザ光を測定対象物に照射して測長情報を含んだ計測光を得ると共に当該計測光を受光部で受光して測長情報を含んだ電気信号を生成する工程と、
   前記第１周波数の変調信号に基づいて生成された第２周波数のタイミング信号に同期するように前記電気信号をサンプリングする工程とを備え、
   前記第２周波数は、前記第１周波数の２倍であり、
   前記サンプリング工程において、測定結果に含まれる前記変調信号の周波数成分との位相差が０°又は１８０°となるように、前記タイミング信号の位相を設定する
   ことを特徴とするレーザ干渉測長方法。

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