JP6193644B2 - Displacement measuring device and displacement measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、変位測定装置及び変位測定方法に関する。   The present invention relates to a displacement measuring device and a displacement measuring method.

近年、変位センサや固体スケールに関する位置検出技術の高分解能化・高精度化が進んでいる。また、アクチュエータや駆動ステージなどに関する駆動技術の高分解能化・高精度化も進んでいる。そのため、これらの技術が組み込まれた半導体製造装置、工作機械及び測定機器などの装置の高精度化も進んでいる。例えば、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)などの顕微鏡には、位置検出のため、変位センサが組み込まれる。この場合、微細な形状測定を実現するため、ピコメートルの分解能を有する変位センサが使用されるようになってきている。また、固体スケールについても、スケールピッチの微細化や電気的分割数の向上などにより、近年ではピコメートルオーダの分解能を有するものが出現している。   In recent years, higher resolution and higher accuracy of position detection technology regarding displacement sensors and solid scales are progressing. In addition, higher resolution and higher accuracy of drive technology related to actuators and drive stages are also progressing. For this reason, the precision of devices such as semiconductor manufacturing devices, machine tools, and measuring instruments in which these technologies are incorporated is also increasing. For example, a microscope such as an atomic force microscope (AFM) incorporates a displacement sensor for position detection. In this case, a displacement sensor having a picometer resolution has been used in order to realize a fine shape measurement. In addition, solid scales having a resolution on the order of picometers have recently appeared due to the refinement of the scale pitch and the improvement of the number of electrical divisions.

半導体製造装置、工作機械及び測定機器などの装置の精度向上や品質向上のため、変位センサや固体スケールなどの位置検出精度、アクチュエータや駆動ステージなどの駆動精度、あるいはこれらを組み込んだ装置の位置決め精度などを高精度に評価することが求められている。しかし、近年の位置検出技術や駆動技術は、ピコメートルオーダの精度が要求されるようになってきているものの、評価が次第に困難となってきている。また、物質の微小な変形を測定する需要(熱膨張係数や経年変化の測定など)や微小振動を測定する需要もあるが、同様な理由から測定は難しい。   In order to improve the accuracy and quality of devices such as semiconductor manufacturing equipment, machine tools and measuring instruments, position detection accuracy such as displacement sensors and solid scales, drive accuracy such as actuators and drive stages, or positioning accuracy of devices incorporating these Etc. are required to be evaluated with high accuracy. However, although position detection technology and drive technology in recent years have come to require picometer-order accuracy, evaluation has become increasingly difficult. There are also demands for measuring minute deformations of materials (measurement of thermal expansion coefficient and secular change, etc.) and demands for measuring minute vibrations, but measurement is difficult for the same reason.

上述のような高精度の評価を行うため、レーザ干渉測長が用いられている。レーザ干渉測長は、光の干渉を用いた高感度な測定手法であり、固体のスケールなどと比較してアライメントを自由に行うことができる。また、レーザ干渉測長は、アッベ誤差を低減できる利点があるので、高精度の評価に適している。しかし、測定範囲が数μm程度の微小領域においては、内挿補正の影響が無視できない大きさとなり、ピコメートルの測定精度を達成するのは容易ではない。   Laser interference length measurement is used to perform highly accurate evaluation as described above. Laser interference length measurement is a highly sensitive measurement method using light interference, and alignment can be freely performed as compared with a solid scale or the like. Laser interferometry is suitable for high-accuracy evaluation because it has the advantage of reducing Abbe error. However, in a minute region where the measurement range is about several μm, the influence of the interpolation correction becomes a size that cannot be ignored, and it is not easy to achieve picometer measurement accuracy.

測定精度の向上を図るため、使用するレーザの波長を短くする手法が用いられている。レーザ干渉測長におけるレーザの波長として、産業界では可視域の光が広く用いられている。高分解能化や内挿誤差低減のためには、より短い波長を用いるのが有利である。しかし、可視域よりも短波長である紫外域やX線領域の光を用いた場合、レーザ波長の安定性、光学部品の入手容易性、装置の寸法や安全性など、実用上、多くの面で問題を抱えることとなる。   In order to improve the measurement accuracy, a technique of shortening the wavelength of the laser used is used. In the industry, visible light is widely used as a laser wavelength in laser interferometry. In order to increase the resolution and reduce the interpolation error, it is advantageous to use a shorter wavelength. However, when light in the ultraviolet or X-ray region, which is shorter than the visible region, is used, there are many practical aspects such as laser wavelength stability, availability of optical components, device dimensions and safety. Will have problems.

測定精度の向上を図るための別の手法として、レーザ干渉測長計と測定対象となる移動用の反射鏡との間のレーザ光の往復回数を増やす光路長増倍法が用いられる。光路長を増倍させれば、見かけ上のレーザの波長が短くなるため、高精度な測定が期待できる。しかし、光学系の複雑化、光学素子内を光が何往復もすることによる光量の低下、迷光や漏れ光の発生などの新たな問題が生じる。また、光学系の取り付けや調整に熟練を要する。そのため、光路長の増倍によって得られる測定精度の改善効果には、制限がある。   As another method for improving the measurement accuracy, an optical path length multiplication method for increasing the number of round trips of laser light between the laser interferometer and the moving reflecting mirror to be measured is used. If the optical path length is multiplied, the apparent laser wavelength is shortened, so that high-precision measurement can be expected. However, new problems such as complication of the optical system, a decrease in the amount of light due to light reciprocating in the optical element, and generation of stray light and leakage light occur. Moreover, skill is required for attachment and adjustment of the optical system. Therefore, there is a limit to the measurement accuracy improvement effect obtained by multiplying the optical path length.

上述の手法の問題点を克服するため、測定用反射鏡の変位に対応してレーザ周波数を変化させ、周波数変化量を基にレーザ測長を行う方法が知られている。この方法は、干渉信号の内挿補正を行う必要が無いので、内挿誤差の影響が生じない。この方法では、周波数可変レーザの周波数及び周波数変化量を高精度に検出するために、周波数可変レーザと基準レーザとの間のビート計測が必要となる。基準レーザに通常の周波数安定化レーザを用いた場合、ビート計測のためのフォトディテクタや電子回路の帯域の制限などによって、周波数可変レーザと基準レーザとの間のビート計測範囲が制限される。この場合、測定精度や測定範囲も制限されてしまう。   In order to overcome the problems of the above-described method, a method is known in which the laser frequency is changed in accordance with the displacement of the measuring reflector and laser length measurement is performed based on the frequency change amount. This method does not require the interpolation correction of the interference signal, so that the influence of the interpolation error does not occur. This method requires beat measurement between the frequency variable laser and the reference laser in order to detect the frequency of the frequency variable laser and the amount of frequency change with high accuracy. When a normal frequency stabilized laser is used as the reference laser, the beat measurement range between the frequency variable laser and the reference laser is limited due to a photo detector for beat measurement and a band limitation of an electronic circuit. In this case, the measurement accuracy and measurement range are also limited.

そのため、高精度化や測定範囲の拡大を目的として、通常の周波数安定化レーザに代えて、精密な周波数間隔で複数の周波数のレーザ光を発生することができる、いわゆる光周波数コムを基準レーザとして用いる方法が提案されている(非特許文献1)。この方法では、光周波数コムを基準レーザとして、光周波数コムと周波数可変レーザとの間のビートを計測しながら、周波数可変レーザの周波数を変化させる。この際、ビート周波数がゼロ付近となる、又は光周波数コムの縦モード間隔の中央付近に周波数可変レーザの周波数が到達する、いわゆるデッドゾーンが存在する。このデッドゾーンにおいては、ビート周波数を正確に測定することができない。そのため、音響光学素子を用いて周波数をシフトさせたビートの周波数を計測するなどして、デッドゾーン領域の影響を防止する対策を施す必要が有る。   Therefore, for the purpose of improving accuracy and expanding the measurement range, a so-called optical frequency comb that can generate laser beams of multiple frequencies at precise frequency intervals instead of a normal frequency stabilized laser is used as a reference laser. A method to be used has been proposed (Non-Patent Document 1). In this method, using the optical frequency comb as a reference laser, the frequency of the frequency variable laser is changed while measuring the beat between the optical frequency comb and the frequency variable laser. At this time, there is a so-called dead zone in which the beat frequency is near zero or the frequency of the frequency variable laser reaches near the center of the longitudinal mode interval of the optical frequency comb. In this dead zone, the beat frequency cannot be measured accurately. Therefore, it is necessary to take measures to prevent the influence of the dead zone region by measuring the frequency of the beat whose frequency is shifted using an acoustooptic device.

Youichi Bitou et al., ”Accurate wide-range displacement measurement using tunable diode laser and optical frequency comb generator”, 23 January 2006, OPTICS EXPRESS, vol. 14, No. 2, pp.644-654.Youichi Bitou et al., “Accurate wide-range displacement measurement using tunable diode laser and optical frequency comb generator”, 23 January 2006, OPTICS EXPRESS, vol. 14, No. 2, pp.644-654.

ところが、発明者は、上述の光周波数コムを基準レーザとして用いる方法には以下に示す問題点が有ることを見出した。この方法では、周波数可変レーザの絶対周波数を測定する必要がある。そのため、絶対周波数測定の不確かさが変位測定結果に影響を与えてしまい、測定結果の信頼性の点で問題である。また、絶対周波数測定を行うための装置構成が複雑化してしまい、装置の大型化、高コスト化を招いてしまう。さらに、光周波数コムと周波数可変レーザとのビート周波数測定におけるデッドゾーン領域を避けるため、音響光学素子等を組み込む必要があり、装置構成は更に複雑化してしまう。   However, the inventor has found that the method using the above optical frequency comb as a reference laser has the following problems. In this method, it is necessary to measure the absolute frequency of the frequency variable laser. Therefore, the uncertainty of the absolute frequency measurement affects the displacement measurement result, which is a problem in terms of the reliability of the measurement result. In addition, the configuration of the apparatus for performing absolute frequency measurement becomes complicated, leading to an increase in size and cost of the apparatus. Furthermore, in order to avoid a dead zone region in the beat frequency measurement between the optical frequency comb and the frequency variable laser, it is necessary to incorporate an acousto-optic element or the like, which further complicates the apparatus configuration.

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、レーザ光の周波数測定を行うことなくレーザ光を用いた変位測定を行うことである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to perform displacement measurement using a laser beam without performing frequency measurement of the laser beam.

本発明の第1の態様である変位測定装置は、周波数が可変な第1のレーザ光を出力する周波数可変レーザと、繰り返し周波数およびオフセット周波数が制御可能な光周波数コムと、前記周波数可変レーザ及び前記光周波数コムを制御するコントローラと、前記第1のレーザ光が入射するファブリペロー干渉計と、前記第1のレーザ光と前記光周波数コムが出力する第2のレーザ光との干渉光を検出する第1光検出器と、前記ファブリペロー干渉計からの反射光を検出する第2光検出器と、前記第1光検出器の検出結果からビート周波数を検出する周波数測定器と、を備え、前記コントローラは、前記ビート周波数を用いて、前記周波数可変レーザの周波数を前記第2のレーザ光のスペクトルを基準としてロックし、前記第1のレーザ光に対する前記ファブリペロー干渉計の反射光強度と、前記ビート周波数と、が一定になるように、前記周波数可変レーザの周波数及び前記繰り返し周波数を変化させ、前記繰り返し周波数の変化量に基づいて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出するものである。この変位測定装置は、繰り返し周波数の変化量に基づいて、周波数可変レーザの周波数を測定することなく、干渉計長の変位を算出することができる。   The displacement measuring apparatus according to the first aspect of the present invention includes a frequency variable laser that outputs a first laser beam having a variable frequency, an optical frequency comb that can control a repetition frequency and an offset frequency, the frequency variable laser, Detects interference light between a controller for controlling the optical frequency comb, a Fabry-Perot interferometer on which the first laser light is incident, and the second laser light output from the first laser light and the optical frequency comb. A first light detector, a second light detector for detecting reflected light from the Fabry-Perot interferometer, and a frequency measuring device for detecting a beat frequency from a detection result of the first light detector, The controller uses the beat frequency to lock the frequency of the frequency tunable laser with reference to the spectrum of the second laser beam, and to the first laser beam. The frequency of the frequency variable laser and the repetition frequency are changed so that the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer and the beat frequency are constant, and the Fabry-Perot is based on the amount of change in the repetition frequency. The displacement of the interferometer length of the interferometer is calculated. This displacement measuring device can calculate the displacement of the interferometer length without measuring the frequency of the frequency variable laser based on the amount of change in the repetition frequency.

本発明の第2の態様である変位測定装置は、上記の変位測定装置であって、前記コントローラは、前記繰り返し周波数の変化量に比例して、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出するものである。この変位測定装置は、繰り返し周波数の変化量に基づいて、周波数可変レーザの周波数を測定することなく、干渉計長の変位を算出することができる。   A displacement measuring apparatus according to a second aspect of the present invention is the above-described displacement measuring apparatus, wherein the controller calculates a displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer in proportion to a change amount of the repetition frequency. Is to be calculated. This displacement measuring device can calculate the displacement of the interferometer length without measuring the frequency of the frequency variable laser based on the amount of change in the repetition frequency.

本発明の第3の態様である変位測定装置は、上記の変位測定装置であって、前記コントローラは、繰り返し周波数の値で前記繰り返し周波数の変化量を除した値に、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の値を乗じて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出するものである。この変位測定装置は、繰り返し周波数の変化量に基づいて、周波数可変レーザの周波数を測定することなく、干渉計長の変位を算出することができる。   A displacement measuring apparatus according to a third aspect of the present invention is the above displacement measuring apparatus, wherein the controller is configured to obtain a value obtained by dividing the amount of change of the repetition frequency by a value of the repetition frequency, to the value of the Fabry-Perot interferometer. The displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer is calculated by multiplying the value of the interferometer length. This displacement measuring device can calculate the displacement of the interferometer length without measuring the frequency of the frequency variable laser based on the amount of change in the repetition frequency.

本発明の第4の態様である変位測定装置は、上記の変位測定装置であって、前記コントローラは、前記周波数可変レーザと前記ファブリペロー干渉計との間及び前記ファブリペロー干渉計内の雰囲気の屈折率の変化量を、雰囲気の屈折率の値で除した値を更に加算して、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出するものである。この変位測定装置は、繰り返し周波数の変化量に基づいて、周波数可変レーザの周波数を測定することなく、干渉計長の変位を算出することができる。   A displacement measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the displacement measuring apparatus described above, wherein the controller is configured to control an atmosphere between the frequency variable laser and the Fabry-Perot interferometer and an atmosphere in the Fabry-Perot interferometer. A value obtained by dividing the amount of change of the refractive index by the value of the refractive index of the atmosphere is further added to calculate the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer. This displacement measuring device can calculate the displacement of the interferometer length without measuring the frequency of the frequency variable laser based on the amount of change in the repetition frequency.

本発明の第5の態様である変位測定装置は、上記の変位測定装置であって、前記コントローラは、前記オフセット周波数と、前記ビート周波数と、が同値かつ互いに反対の符号を有するように、前記光周波数コム及び前記周波数可変レーザとを制御するものである。この変位測定装置は、繰り返し周波数の変化量に基づいて、周波数可変レーザの周波数を測定することなく、干渉計長の変位を算出することができる。   A displacement measuring device according to a fifth aspect of the present invention is the displacement measuring device described above, wherein the controller has the offset frequency and the beat frequency so that they have the same value and opposite signs. The optical frequency comb and the frequency variable laser are controlled. This displacement measuring device can calculate the displacement of the interferometer length without measuring the frequency of the frequency variable laser based on the amount of change in the repetition frequency.

本発明の第6の態様である変位測定方法は、周波数可変レーザの周波数を、繰り返し周波数およびオフセット周波数が制御可能な光周波数コムが出力する第2のレーザ光のスペクトルを基準としてロックし、前記周波数可変レーザから出力されファブリペロー干渉計に入射する第1のレーザ光に対する前記ファブリペロー干渉計の反射光強度と、前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光との干渉光から得られるビート周波数と、が一定となるように、前記周波数可変レーザの周波数及び前記繰り返し周波数を変化させ、前記繰り返し周波数の変化量に基づいて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出するものである。   The displacement measuring method according to the sixth aspect of the present invention locks the frequency of the frequency-variable laser with reference to the spectrum of the second laser beam output from the optical frequency comb that can control the repetition frequency and the offset frequency, It is obtained from the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer with respect to the first laser light output from the variable frequency laser and incident on the Fabry-Perot interferometer, and the interference light between the first laser light and the second laser light. The frequency of the variable frequency laser and the repetition frequency are changed so that the beat frequency is constant, and the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer is calculated based on the amount of change of the repetition frequency It is.

本発明によれば、レーザ光の周波数測定を行うことなくレーザ光を用いた変位測定を行うことができる。   According to the present invention, displacement measurement using a laser beam can be performed without measuring the frequency of the laser beam.

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。   The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more fully understood from the following detailed description and the accompanying drawings. The accompanying drawings are presented for purposes of illustration only and are not intended to limit the present invention.

実施の形態1にかかる変位測定装置100の構成を模式的に示す構成図である。1 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a displacement measuring apparatus 100 according to a first embodiment. 光周波数コム1が出力するレーザ光のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the laser beam which the optical frequency comb 1 outputs. 実施の形態1にかかる変位測定装置100の具体的な構成例を示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a specific configuration example of a displacement measuring apparatus 100 according to a first embodiment. 光周波数コム1のスペクトルとビート周波数fbeatとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the spectrum of the optical frequency comb 1, and beat frequency fbeat . ファブリペロー干渉計5の反射率Rと位相差δとの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the reflectivity of the Fabry-Perot interferometer 5 R N and the phase difference [delta]. ファブリペロー干渉計5の反射光強度とファブリペロー干渉計5の共振周波数との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer 5 and the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer 5. 実施の形態1にかかる変位測定の手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a procedure of displacement measurement according to the first embodiment. レーザ周波数変化の前後のビート周波数と光周波数コムの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the beat frequency before and behind a laser frequency change, and an optical frequency comb. 実施の形態2にかかる干渉計長の初期値Lを求めるステップS1の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart showing the procedure of step S1 for obtaining the initial value L 0 interferometer length according to the second embodiment. 反射光Rの強度とレーザ周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the intensity | strength of reflected light RN , and a laser frequency. 実施の形態2にかかるビート周波数とレーザ周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the beat frequency concerning Embodiment 2, and a laser frequency. 実施の形態3にかかる干渉計長の初期値Lを求めるステップS1の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart showing the procedure of step S1 for obtaining the initial value L 0 interferometer length according to the third embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as necessary.

実施の形態1
まず、実施の形態1にかかる変位測定装置100について説明する。図1は、実施の形態1にかかる変位測定装置100の構成を模式的に示す構成図である。変位測定装置100は、光周波数コム1、周波数可変レーザ2、周波数計測器3、コントローラ4、ファブリペロー干渉計5、光検出器PD1及びPD2を有する。
Embodiment 1
First, the displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram schematically illustrating a configuration of a displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment. The displacement measuring apparatus 100 includes an optical frequency comb 1, a frequency variable laser 2, a frequency measuring device 3, a controller 4, a Fabry-Perot interferometer 5, and photodetectors PD1 and PD2.

光周波数コム1は、等しい周波数間隔が空いた複数の周波数成分からなるスペクトルを有するレーザ光L1を出力することができる。レーザ光L1のN番目(Nは光周波数コムのスペクトルを示す次数であり、整数である。以下、Nを光周波数コムの次数と称する。)の周波数成分の周波数fは、以下の式(1)で表される。

Figure 0006193644
The optical frequency comb 1 can output a laser beam L1 having a spectrum composed of a plurality of frequency components with equal frequency intervals. The frequency f N of the N-th frequency component of the laser light L1 (N is an order indicating the spectrum of the optical frequency comb and is an integer. Hereinafter, N is referred to as the order of the optical frequency comb) is expressed by the following formula ( 1).
Figure 0006193644

式(1)において、frepは繰り返し周波数である。fceoは、オフセット周波数であり、式(1)でN=0とした場合の余りの周波数成分である。オフセット周波数fceoは、正の値または負の値のいずれかとなる。図2は、光周波数コム1が出力するレーザ光のスペクトルを示す図である。光周波数コム1は、繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoを調整することで、出力する複数の周波数成分の周波数を高精度に制御することが可能である。 In equation (1), f rep is the repetition frequency. f ceo is an offset frequency, and is a surplus frequency component when N = 0 in Equation (1). The offset frequency f_ceo is either a positive value or a negative value. FIG. 2 is a diagram illustrating a spectrum of laser light output from the optical frequency comb 1. The optical frequency comb 1 can control the frequencies of a plurality of frequency components to be output with high accuracy by adjusting the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo .

周波数可変レーザ2は、出力するレーザ光の波長を変化させることができる。周波数可変レーザ2から出力されたレーザ光L2は、レーザ光L21及びレーザ光L22に分岐される。レーザ光L21は、光周波数コム1が出力するレーザ光L1と干渉し、干渉光L10が生じる。干渉光L10は、光検出器PD1に入射する。レーザ光L22は、ファブリペロー干渉計5に入射する。   The variable frequency laser 2 can change the wavelength of the laser beam to be output. The laser beam L2 output from the frequency variable laser 2 is branched into a laser beam L21 and a laser beam L22. The laser light L21 interferes with the laser light L1 output from the optical frequency comb 1, and the interference light L10 is generated. The interference light L10 is incident on the photodetector PD1. The laser beam L22 is incident on the Fabry-Perot interferometer 5.

ファブリペロー干渉計5は、反射鏡51、反射鏡52、干渉計筐体53及びアクチュエータ54を有する。反射鏡51は、所定の反射率を有する反射鏡であり、干渉計筐体53の一方の端部に配置される。反射鏡52は、高反射率を有する反射鏡であり、干渉計筐体53の他方の端部に、アクチュエータ54を介して配置される。なお、反射鏡52は、全反射であることが望ましい。本構成では、反射鏡51と反射鏡52とが光干渉計を構成する。アクチュエータ54は、干渉計の共振方向に反射鏡52の位置を変位させることができる。つまり、ファブリペロー干渉計5は、アクチュエータ54を駆動することで、干渉計長を変化させることができる。干渉計筐体53の外部に向いた側の反射鏡52の面55には、変位測定の対象物が設置される。   The Fabry-Perot interferometer 5 includes a reflecting mirror 51, a reflecting mirror 52, an interferometer housing 53, and an actuator 54. The reflecting mirror 51 is a reflecting mirror having a predetermined reflectance, and is disposed at one end of the interferometer housing 53. The reflecting mirror 52 is a reflecting mirror having a high reflectance, and is disposed at the other end of the interferometer housing 53 via an actuator 54. The reflecting mirror 52 is preferably total reflection. In this configuration, the reflecting mirror 51 and the reflecting mirror 52 constitute an optical interferometer. The actuator 54 can displace the position of the reflecting mirror 52 in the resonance direction of the interferometer. That is, the Fabry-Perot interferometer 5 can change the interferometer length by driving the actuator 54. On the surface 55 of the reflecting mirror 52 on the side facing the outside of the interferometer housing 53, an object for displacement measurement is installed.

レーザ光L22は、反射鏡51に入射し、反射鏡51と反射鏡52との間を往復する。往復したレーザ光の一部は、反射鏡51から出射する。ここでは、出射したレーザ光を、レーザ光L23とする。レーザ光L23は、光検出器PD2に入射する。   The laser beam L22 enters the reflecting mirror 51 and reciprocates between the reflecting mirror 51 and the reflecting mirror 52. A part of the reciprocating laser beam is emitted from the reflecting mirror 51. Here, the emitted laser light is referred to as laser light L23. The laser beam L23 is incident on the photodetector PD2.

光検出器PD1は、干渉光L10の光強度を検出し、検出結果を検出信号DET1として出力する。光検出器PD2は、レーザ光L23の光強度を検出し、検出結果を検出信号DET2として出力する。   The photodetector PD1 detects the light intensity of the interference light L10 and outputs the detection result as a detection signal DET1. The photodetector PD2 detects the light intensity of the laser light L23 and outputs the detection result as a detection signal DET2.

周波数計測器3は、検出信号DET1からビート周波数fbeatを算出する。周波数計測器3は、算出したビート周波数fbeatを、コントローラ4に出力する。周波数計測器3は、光周波数コム1から繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoの実測値を取得し、取得した値をコントローラ4に出力することができる。また、光周波数コム1内の光検出器で検出した電気信号をコントローラ4に出力することもできる。コントローラ4は、この電気信号に基づいて、繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoの制御を行う。光周波数コム1の繰り返し周波数frepやオフセット周波数fceoを把握するには、周波数計測器3で実測した周波数値、または、繰り返し周波数frepやオフセット周波数fceoを制御するための設定周波数値を利用することができる。 The frequency measuring device 3 calculates a beat frequency f beat from the detection signal DET1. The frequency measuring device 3 outputs the calculated beat frequency f beat to the controller 4. The frequency measuring device 3 can acquire measured values of the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo from the optical frequency comb 1, and can output the acquired values to the controller 4. In addition, an electrical signal detected by a photodetector in the optical frequency comb 1 can be output to the controller 4. The controller 4 controls the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo based on this electric signal. In order to grasp the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo of the optical frequency comb 1, the frequency value actually measured by the frequency measuring device 3 or the set frequency value for controlling the repetition frequency f rep and the offset frequency f ceo is set. Can be used.

コントローラ4は、光周波数コム1及び周波数可変レーザ2を制御する。具体的には、コントローラ4は、光周波数コム1に繰り返し周波数frep及びオフセット周波数fceoを設定する。また、周波数可変レーザ2が出力するレーザ光L2の周波数flaserを制御する。コントローラ4は、駆動信号Sdにより、ファブリペロー干渉計5のアクチュエータ54の駆動を制御することができる。 The controller 4 controls the optical frequency comb 1 and the frequency variable laser 2. Specifically, the controller 4 sets a repetition frequency f rep and an offset frequency f ceo in the optical frequency comb 1. Further, the frequency f laser of the laser beam L2 output from the variable frequency laser 2 is controlled. The controller 4 can control the drive of the actuator 54 of the Fabry-Perot interferometer 5 by the drive signal Sd.

続いて、変位測定装置100の具体的な構成例について説明する。図3は、実施の形態1にかかる変位測定装置100の具体的な構成例を示す構成図である。図3では、図1と比較して、バンドパスフィルタBPF、ビームスプリッタBS1及びBS2、偏光ビームスプリッタPBS及びλ/4板6が追加されている。   Subsequently, a specific configuration example of the displacement measuring apparatus 100 will be described. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a specific configuration example of the displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment. In FIG. 3, compared with FIG. 1, a band pass filter BPF, beam splitters BS1 and BS2, a polarizing beam splitter PBS, and a λ / 4 plate 6 are added.

レーザ光L1は、バンドパスフィルタBPFにより不要な周波数成分が除去された後、ビームスプリッタBS1に入射する。光周波数コム1から出力されたレーザ光L1の一部は、ビームスプリッタBS1を透過する。   The laser light L1 is incident on the beam splitter BS1 after unnecessary frequency components are removed by the bandpass filter BPF. A part of the laser beam L1 output from the optical frequency comb 1 passes through the beam splitter BS1.

レーザ光L2は、ビームスプリッタBS2でレーザ光L21とレーザ光L22とに分岐される。レーザ光L21の一部は、ビームスプリッタBS1により、レーザ光L1の伝搬方向に反射される。これにより、レーザ光L1とレーザ光L21とが干渉して、干渉光L10が生じる。レーザ光L22は、偏光ビームスプリッタPBSに入射する。偏光ビームスプリッタPBSは、直線偏光であるレーザ光L22を透過させるように設けられる。レーザ光L22は、λ/4板6を通過した後、ファブリペロー干渉計5に入射する。また、ファブリペロー干渉計5から出射したレーザ光L23は、λ/4板6を通過した後、偏光ビームスプリッタPBSに入射する。   The laser beam L2 is branched into a laser beam L21 and a laser beam L22 by the beam splitter BS2. A part of the laser light L21 is reflected by the beam splitter BS1 in the propagation direction of the laser light L1. As a result, the laser light L1 and the laser light L21 interfere with each other to generate interference light L10. The laser beam L22 is incident on the polarization beam splitter PBS. The polarization beam splitter PBS is provided so as to transmit the laser light L22 that is linearly polarized light. The laser light L22 passes through the λ / 4 plate 6 and then enters the Fabry-Perot interferometer 5. The laser light L23 emitted from the Fabry-Perot interferometer 5 passes through the λ / 4 plate 6 and then enters the polarization beam splitter PBS.

上述のように、偏光ビームスプリッタPBSに到達したレーザ光L23は、レーザ光L2の一部であるレーザ光L22がλ/4板6を2回通過した後のものである。したがって、レーザ光L23の直線偏光の方位は、レーザ光L22の直線偏光の方位に対して直交している。その結果、偏光ビームスプリッタPBSは、レーザ光L23を選択的に反射することができる。反射されたレーザ光L23は、光検出器PD2に入射する。その他の構成は、図1と同様であるので、説明を省略する。   As described above, the laser beam L23 that has reached the polarization beam splitter PBS is obtained after the laser beam L22, which is part of the laser beam L2, has passed through the λ / 4 plate 6 twice. Therefore, the direction of linearly polarized light of the laser beam L23 is orthogonal to the direction of linearly polarized light of the laser beam L22. As a result, the polarization beam splitter PBS can selectively reflect the laser light L23. The reflected laser light L23 is incident on the photodetector PD2. Other configurations are the same as those in FIG.

続いて、変位測定装置100の変位測定原理について説明する。周波数可変レーザ2が出力するレーザ光L2の周波数flaserは、繰り返し周波数frep、オフセット周波数fceo、ビート周波数fbeat及び次数Nを用いて、以下の式(2)で表される。

Figure 0006193644
Subsequently, the principle of displacement measurement of the displacement measuring apparatus 100 will be described. The frequency f laser of the laser light L2 output from the frequency variable laser 2 is expressed by the following formula (2) using the repetition frequency f rep, the offset frequency f ceo , the beat frequency f beat, and the order N.
Figure 0006193644

図4は、光周波数コム1のスペクトルとビート周波数fbeatとの関係を示す図である。後述するが、本実施の形態では、オフセット周波数fceoは、ビート周波数fbeatと同じ大きさで反対の符号を持つ値として設定される。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the spectrum of the optical frequency comb 1 and the beat frequency f beat . As will be described later, in this embodiment, the offset frequency f ceo is set as a value having the opposite sign as large as the beat frequency f beat.

上述のように、ファブリペロー干渉計5に入射したレーザ光L22は干渉計内で多数回往復し、一部の光がレーザ光L23としてファブリペロー干渉計5の外へ出射する。レーザ光L23は、光検出器PD2に入射する。光検出器PD2は、レーザ光L23の光強度を測定し、検出信号DET2として出力する。コントローラ4は、検出信号DET2をモニタしながら、レーザ光L23の光強度が最大(もしくは最小)となるように、周波数可変レーザ2の周波数flaserやアクチュエータ54の変位量を制御することで、ファブリペロー干渉計5の反射鏡52の変位測定を行なうことができる。 As described above, the laser light L22 incident on the Fabry-Perot interferometer 5 reciprocates many times in the interferometer, and a part of the light is emitted as the laser light L23 out of the Fabry-Perot interferometer 5. The laser beam L23 is incident on the photodetector PD2. The photodetector PD2 measures the light intensity of the laser beam L23 and outputs it as a detection signal DET2. The controller 4 controls the frequency f laser of the frequency variable laser 2 and the displacement amount of the actuator 54 so that the light intensity of the laser light L23 becomes maximum (or minimum) while monitoring the detection signal DET2. The displacement of the reflecting mirror 52 of the Perot interferometer 5 can be measured.

ファブリペロー干渉計5にレーザ光を入射した場合のファブリペロー干渉計5の反射率Rは、以下の式(3)で表される。

Figure 0006193644

ファブリペロー干渉計5にレーザ光が入射した場合のファブリペロー干渉計5の透過率Tは、以下の式(4)で表される。
Figure 0006193644

Fは、以下の式(5)で表される。
Figure 0006193644

式(5)における変数の定義は次の通りである。rは、反射鏡の振幅反射係数である。Rは、反射鏡51及び52の反射率である。
δは位相差であり、以下の式(6)で表される。
Figure 0006193644

式(6)における変数の定義は次の通りである。nは、空気の屈折率である。Lは、ファブリペロー干渉計の対向する反射鏡間の距離(幾何学的距離)、すなわち干渉計長である。λは、真空中のレーザ光の波長である。 Fabry-Perot interferometer 5 of reflectance R N when the Fabry-Perot interferometer 5 is incident laser light is expressed by the following equation (3).
Figure 0006193644

The transmittance TN of the Fabry-Perot interferometer 5 when laser light is incident on the Fabry-Perot interferometer 5 is expressed by the following equation (4).
Figure 0006193644

F is represented by the following formula (5).
Figure 0006193644

The definition of the variable in Formula (5) is as follows. r is the amplitude reflection coefficient of the reflecting mirror. R is the reflectance of the reflecting mirrors 51 and 52.
δ is a phase difference and is expressed by the following equation (6).
Figure 0006193644

The definition of the variable in Formula (6) is as follows. n is the refractive index of air. L is the distance (geometric distance) between the reflecting mirrors of the Fabry-Perot interferometer, that is, the interferometer length. λ 0 is the wavelength of the laser light in vacuum.

ファブリペロー干渉計の反射鏡として高反射率の反射鏡を用いる場合、反射率Rおよび透過率Tは、位相差δがπの整数倍のときに鋭い変化を示す。このときの位相差δは、整数kを用いて、以下の式(7)で表される。

Figure 0006193644
When using a reflector having high reflectance as a reflecting mirror of the Fabry-Perot interferometer, the reflectivity R N and transmittance T N shows a sharp change when the phase difference δ is an integer multiple of [pi. The phase difference δ at this time is expressed by the following equation (7) using an integer k.
Figure 0006193644

図5は、ファブリペロー干渉計5の反射率Rと位相差δとの関係を示すグラフである。反射率Rは、位相差δがπの整数倍のときに最小となる。図6は、ファブリペロー干渉計5の反射光強度とファブリペロー干渉計5の共振周波数との関係を示すグラフである。反射光強度は、隣接する共振周波数の間隔(自由スペクトル間隔)fFSRごとに、最小となる。 Figure 5 is a graph showing the relationship between the reflectance of the Fabry-Perot interferometer 5 R N and the phase difference [delta]. Reflectivity R N, the phase difference δ is minimized when integer multiples of [pi. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer 5 and the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer 5. The reflected light intensity becomes minimum for each interval (free spectral interval) f FSR between adjacent resonance frequencies.

ここで、ファブリペロー干渉計5の共振周波数fと真空中の光速cとを用いると、式(7)を式(8)に変形できる。

Figure 0006193644
Here, when the resonance frequency f of the Fabry-Perot interferometer 5 and the speed of light c in vacuum are used, Equation (7) can be transformed into Equation (8).
Figure 0006193644

式(8)を変形すると、共振周波数fは以下の式(9)で表される。

Figure 0006193644
When the equation (8) is transformed, the resonance frequency f is expressed by the following equation (9).
Figure 0006193644

式(9)より、整数kの値が1だけ異なる、隣接する共振周波数の間隔(自由スペクトル間隔)fFSRは、以下の式(10)で表される。

Figure 0006193644
From the equation (9), the interval between adjacent resonance frequencies (free spectral interval) f FSR in which the value of the integer k is different by 1 is expressed by the following equation (10).
Figure 0006193644

なお、共振周波数以外の周波数を考慮して式(8)を一般化すると、干渉計長Lは、次数M(Mは実数)を用いて以下の式(11)で表すことができる。

Figure 0006193644

式(11)では、周波数を一般化したので、以下では、fを周波数可変レーザ2から出力されてファブリペロー干渉計5に入射するレーザ光の周波数として取り扱う。以下では、fをレーザ周波数と称する。 If equation (8) is generalized in consideration of frequencies other than the resonance frequency, the interferometer length L can be expressed by the following equation (11) using the order M (M is a real number).
Figure 0006193644

Since the frequency is generalized in Equation (11), f is treated as the frequency of the laser light that is output from the frequency variable laser 2 and incident on the Fabry-Perot interferometer 5 below. Hereinafter, f is referred to as a laser frequency.

ここで、レーザ周波数f、測定雰囲気の屈折率n及び次数Mがファブリペロー干渉計5の干渉計長Lに与える影響について検討する。なお、ここでいう雰囲気とは、周波数可変レーザ2から出力されてファブリペロー干渉計5に入射するレーザ光の光路、及び、ファブリペロー干渉計5内を往復するレーザ光の光路が通過る雰囲気を意味する。式(11)を全微分して、干渉計長Lの変位dLは、以下の式(12)で表される。

Figure 0006193644
Here, the influence of the laser frequency f, the refractive index n of the measurement atmosphere, and the order M on the interferometer length L of the Fabry-Perot interferometer 5 will be examined. The atmosphere here refers to the atmosphere through which the optical path of laser light output from the frequency variable laser 2 and incident on the Fabry-Perot interferometer 5 and the optical path of laser light reciprocating in the Fabry-Perot interferometer 5 pass. means. By fully differentiating the equation (11), the displacement dL of the interferometer length L is expressed by the following equation (12).
Figure 0006193644

本実施の形態では、式(12)の次数Mの変化を打ち消すように、すなわちdM=0となるように、レーザ周波数fを制御する。この場合、通常の干渉計長の測定で問題となる干渉信号に対する内挿補正を必要とせず、内挿誤差の影響を受けずに反射鏡の変位を高精度に測定できる。dM=0なので、式(12)は、式(13)に書き換えられる。

Figure 0006193644
In the present embodiment, the laser frequency f is controlled so as to cancel the change in the order M in Expression (12), that is, dM = 0. In this case, it is possible to measure the displacement of the reflecting mirror with high accuracy without being affected by the interpolation error without requiring the interpolation correction for the interference signal which is a problem in the measurement of the normal interferometer length. Since dM = 0, Expression (12) is rewritten to Expression (13).
Figure 0006193644

また、雰囲気を真空にすると、雰囲気の屈折率の影響を無視することができ、dn=0となる。dn=0なので、式(13)は、式(14)に書き換えられる。

Figure 0006193644
When the atmosphere is evacuated, the influence of the refractive index of the atmosphere can be ignored, and dn = 0. Since dn = 0, Expression (13) can be rewritten to Expression (14).
Figure 0006193644

ここで、干渉計長の変位dLをL、周波数の変化量dfをfとおくと、式(14)は、以下の式(15)となる。

Figure 0006193644

この場合、干渉計長の変位dLの不確かさdL(L=dL)は、式(15)を全微分して、以下の式(16)で表される。
Figure 0006193644
Here, when the displacement dL of the interferometer length is set to L e and the change amount df of the frequency is set to fe , Equation (14) becomes the following Equation (15).
Figure 0006193644

In this case, the uncertainty dL e (L e = dL) of the displacement dL of the interferometer length is expressed by the following equation (16) by fully differentiating the equation (15).
Figure 0006193644

式(16)の右辺第1項は、レーザ周波数fの不確かさを示す微分量であるdf(df=f)の影響を示す。よって、レーザ周波数fの不確かさの影響を少なくするためには、レーザ周波数fを精度良く求める必要がある。 The first term on the right side of Equation (16) indicates the influence of df (df = f e ), which is a differential amount indicating the uncertainty of the laser frequency f. Therefore, in order to reduce the influence of the uncertainty of the laser frequency f, it is necessary to obtain the laser frequency f with high accuracy.

式(16)の右辺第2項は、レーザ周波数fの変化量の不確かさを示す微分量であるdfの影響を示す。よって、レーザ周波数fの変化量の不確かさdfの影響を少なくするためには、レーザの周波数の変化dfを精度良く求める必要がある。 The second term on the right side of Equation (16) shows the influence of df e which is a differential amount indicating the uncertainty of the change amount of the laser frequency f. Therefore, in order to reduce the influence of the uncertainty df e of the change amount of the laser frequency f, it is necessary to accurately obtain the change df of the laser frequency.

式(16)の右辺第3項は、干渉計長Lの不確かさを示す微分量であるdL(dL=L)の影響を示す。よって、干渉計長Lの不確かさを少なくするためには、干渉計長Lを精度良く求める必要がある。 The third term on the right side of Expression (16) indicates the influence of dL (dL = L e ), which is a differential amount indicating the uncertainty of the interferometer length L. Therefore, in order to reduce the uncertainty of the interferometer length L, it is necessary to obtain the interferometer length L with high accuracy.

本実施の形態では、後述する方法により、レーザ周波数を測定することなく、干渉計長Lを高精度に求める。その結果、測定対象である干渉計長Lの変位の不確かさdLを低減することができる。本実施の形態では、干渉計長Lを高精度に求めるために、光周波数コムを用いている。 In the present embodiment, the interferometer length L is obtained with high accuracy without measuring the laser frequency by the method described later. As a result, it is possible to reduce the uncertainty dL e displacement of the measurement target interferometer length L. In the present embodiment, an optical frequency comb is used to obtain the interferometer length L with high accuracy.

続いて、干渉計長の変位測定方法について説明する。式(2)において、ビート周波数fbeatが一定の状態で繰り返し周波数frepをΔfrepだけ変化させた場合、すなわち、fbeatの値が一定となるように周波数可変レーザの周波数を制御した場合、レーザ周波数fの変化量dfは、以下の式(17)で表される。

Figure 0006193644
Next, a method for measuring the displacement of the interferometer length will be described. In the equation (2), when the beat frequency f beat is constant and the repetition frequency f rep is changed by Δf rep , that is, when the frequency of the frequency variable laser is controlled so that the value of f beat is constant, The change amount df of the laser frequency f is expressed by the following equation (17).
Figure 0006193644

式(17)を式(13)に代入して、以下の式(18)が得られる。なお、式(18)では、繰り返し周波数frepを変化させる前の周波数可変レーザ2の周波数の初期値をf、ファブリペロー干渉計5の干渉計長Lの初期値をL、雰囲気の屈折率の初期値をn、繰り返し周波数の初期値をfrep0とする。

Figure 0006193644

但し、αは、以下の式(19)で表される。
Figure 0006193644
By substituting equation (17) into equation (13), the following equation (18) is obtained. In Equation (18), the initial value of the frequency of the variable frequency laser 2 before changing the repetition frequency f rep is f 0 , the initial value of the interferometer length L of the Fabry-Perot interferometer 5 is L 0 , and the refraction of the atmosphere Assume that the initial value of the rate is n 0 and the initial value of the repetition frequency is f rep0 .
Figure 0006193644

However, (alpha) is represented by the following formula | equation (19).
Figure 0006193644

本実施の形態では、コントローラ4は、α=0、すなわちfceo=−fbeatとなるように、オフセット周波数fceo及びビート周波数fbeatを制御する。その結果、式(19)は、式(20)となる。

Figure 0006193644
In this embodiment, the controller 4, alpha = 0, i.e. so that the f ceo = -f beat, controls the offset frequency f ceo and the beat frequency f beat. As a result, Expression (19) becomes Expression (20).
Figure 0006193644

さらに、雰囲気を真空にすることで、雰囲気の屈折率の寄与を無視できる。よって、式(20)は式(21)に書き換えられる。

Figure 0006193644

よって、式(21)より、本実施の形態では、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の初期値L、繰り返し周波数の初期値frep0、繰り返し周波数の変化量Δfrepのみで、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の変位dLを測定することができる。 Furthermore, by making the atmosphere a vacuum, the contribution of the refractive index of the atmosphere can be ignored. Therefore, Expression (20) is rewritten to Expression (21).
Figure 0006193644

Therefore, from the equation (21), in the present embodiment, only the initial value L 0 of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5, the initial value f rep0 of the repetition frequency, and the change amount Δf rep of the repetition frequency are used. The displacement dL of the interferometer length of a total of 5 can be measured.

具体的には、ファブリペロー干渉計5の干渉計長が変化する場合に、ファブリペロー干渉計5の反射率Rが最小となるように、コントローラ4が繰り返し周波数を変化させる。そして、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の変化が停止した時点での繰り返し周波数の変化量Δfrepを式(21)に代入することで、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の変位dLを算出することができる。 Specifically, when the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5 is changed, so that the reflectance R N of the Fabry-Perot interferometer 5 is minimized, the controller 4 changes the repetition frequency. Then, the displacement dL of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5 is substituted by substituting the change amount Δf rep of the repetition frequency when the change of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5 stops into the equation (21). Can be calculated.

次に、変位測定の手順について説明する。図7は、実施の形態1にかかる変位測定の手順を示すフローチャートである。   Next, a procedure for measuring the displacement will be described. FIG. 7 is a flowchart of a displacement measurement procedure according to the first embodiment.

ステップS1
まず、式(12)に示すファブリペロー干渉計5の干渉計長の変位dLを求めるため、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の初期値Lを求める。
Step S1
First, in order to obtain the displacement dL of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5 shown in Expression (12), an initial value L 0 of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5 is obtained.

ステップS2
レーザ周波数fを光周波数コム1にロックする。
Step S2
The laser frequency f is locked to the optical frequency comb 1.

ステップS3
コントローラ4は、ビート周波数fbeatを測定しながら、fceo=−fbeatとなるように、光周波数コム1を制御する。
Step S3
Controller 4, while measuring the beat frequency f beat, so that the f ceo = -f beat, and controls the optical frequency comb 1.

ステップS4
次いで、周波数可変レーザ2の周波数をファブリペロー干渉計5の共振周波数に一致させる。具体的には、コントローラ4が検出信号DET2をモニタしながら光周波数コム1の繰り返し周波数frepを変化させ、光検出器PD2で検出される反射光(レーザ光L23)強度が最小となるように制御する。
Step S4
Next, the frequency of the variable frequency laser 2 is matched with the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer 5. Specifically, the controller 4 changes the repetition frequency f rep of the optical frequency comb 1 while monitoring the detection signal DET2, and the intensity of the reflected light (laser light L23) detected by the photodetector PD2 is minimized. Control.

ステップS5
コントローラ4は、反射率Rが最小となるときの繰り返し周波数frepを繰り返し周波数の初期値frep0として保持する。
Step S5
The controller 4 is held as the initial value f Rep0 repetition frequency f rep the repetition rate at which the reflectance R N is minimized.

ステップS6
コントローラ4は、アクチュエータ54で反射鏡52を変位させて干渉計長を変化させながら、ファブリペロー干渉計5の共振周波数に一致するように、光周波数コム1の繰り返し周波数frepを変化させる。この際、コントローラ4は、反射率Rは最小かつビート周波数fbeatは一定となるように、光周波数コム1の繰り返し周波数frepを変化させる。
Step S6
The controller 4 changes the repetition frequency f rep of the optical frequency comb 1 so as to match the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer 5 while changing the interferometer length by displacing the reflecting mirror 52 with the actuator 54. At this time, the controller 4 changes the repetition frequency f rep of the optical frequency comb 1 so that the reflectance RN is minimum and the beat frequency f beat is constant.

ステップS7
アクチュエータ54の駆動を終えたら、コントローラ4は、繰り返し周波数の変化量Δfrepを算出する。
Step S7
When the driving of the actuator 54 is finished, the controller 4 calculates a change amount Δf rep of the repetition frequency.

ステップS8
コントローラ4は、式(21)にL、Δfrep、rep0を代入し、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の変位dLを算出する。
Step S8
The controller 4 substitutes L 0 , Δf rep, and f rep0 into Equation (21), and calculates the displacement dL of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5.

本実施の形態では、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の初期値L、繰り返し周波数の初期値frep0、繰り返し周波数の変化量Δfrepのみで、ファブリペロー干渉計5の干渉計長の変位dLを測定することができる。よって、本構成によれば、レーザ周波数を測定することなく、ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を測定することができる。これにより、簡易な構成で高精度に干渉計長の測定を行うことができる。 In the present embodiment, only the initial value L 0 of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5, the initial value f rep0 of the repetition frequency, and the change amount Δf rep of the repetition frequency are used to change the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer 5. dL can be measured. Therefore, according to this configuration, the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer can be measured without measuring the laser frequency. Thereby, the interferometer length can be measured with high accuracy with a simple configuration.

なお、図7では、雰囲気が真空の場合について説明したが、真空でない場合には式(20)を用いればよい。つまり、屈折率測定手段を別途設けてレーザ周波数変化前後の雰囲気の屈折率を測定し、式(20)に代入すればよい。   Note that although FIG. 7 illustrates the case where the atmosphere is a vacuum, the equation (20) may be used when the atmosphere is not a vacuum. That is, a refractive index measuring means is separately provided to measure the refractive index of the atmosphere before and after the laser frequency change, and is substituted into equation (20).

実施の形態2
次に、実施の形態2について説明する。本実施の形態では、図7に示すステップS1でのファブリペロー干渉計5の長さの初期値Lの測定について、具体例を説明する。まず、実施の形態2におけるファブリペロー干渉計5の長さの初期値Lの測定原理について説明する。
Embodiment 2
Next, a second embodiment will be described. In this embodiment, the measurement of the initial value L 0 length of the Fabry-Perot interferometer 5 in the step S1 shown in FIG. 7, a specific example. First, the measurement principle of the initial length L 0 of the Fabry-Perot interferometer 5 in the second embodiment will be described.

本実施の形態では、干渉計長をLに固定した状態でレーザ周波数を変化させることで、干渉計長の初期値Lを測定する。この際、レーザ周波数の影響は、以下の式(22)で表される。

Figure 0006193644

よって、式(22)より、干渉計長の初期値Lは、以下の式(23)で表される。
Figure 0006193644
In the present embodiment, by changing the laser frequency in a state that the interferometer length is fixed at L 0, measuring an initial value L 0 of the interferometer length. At this time, the influence of the laser frequency is expressed by the following equation (22).
Figure 0006193644

Therefore, from the equation (22), the initial value L 0 of the interferometer length is represented by the following equation (23).
Figure 0006193644

つまり、レーザ周波数の変化で生じる周波数変化量Δfと共振次数変化量ΔMがわかれば、式(23)を用いて、干渉計長の初期値Lを求めることができる。 That is, if the frequency change amount Δf and the resonance order change amount ΔM generated by the change of the laser frequency are known, the initial value L 0 of the interferometer length can be obtained using the equation (23).

ここで、レーザ周波数の初期値をf、変化後のレーザ周波数をfとする。また、光周波数コムの次数の初期値をN、変化後の光周波数コムの次数をNとする。レーザ周波数の初期値fは、式(2)より、以下の式(24)で表される。変化後のレーザ周波数fは、式(2)より、以下の式(25)で表される。

Figure 0006193644

Figure 0006193644

よって、周波数変化量Δf12は、以下の式(26)で表される。
Figure 0006193644
Here, the initial value of the laser frequency is f 1 , and the changed laser frequency is f 2 . Also, let N 1 be the initial value of the order of the optical frequency comb, and N 2 be the order of the optical frequency comb after the change. The initial value f 1 of the laser frequency is expressed by the following formula (24) from the formula (2). The laser frequency f 2 after the change is expressed by the following formula (25) from the formula (2).
Figure 0006193644

Figure 0006193644

Therefore, the frequency change amount Δf 12 is expressed by the following equation (26).
Figure 0006193644

図8は、レーザ周波数変化の前後のビート周波数と光周波数コムの関係を示す図である。図8の例では、ビート周波数fbeat1とビート周波数fbeat2との間には、2fFSRの差があるので、共振次数変化量は2である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the beat frequency before and after the laser frequency change and the optical frequency comb. In the example of FIG. 8, there is a difference of 2f FSR between the beat frequency f beat1 and the beat frequency f beat2 , so the resonance order change amount is 2.

式(26)を式(23)に代入して、干渉計長の初期値Lは、以下の式(27)で表される。なお、ΔM12は、ファブリペロー干渉計5での共振次数Mの変化量である。

Figure 0006193644
Substituting equation (26) into equation (23), the initial value L 0 of the interferometer length is expressed by the following equation (27). ΔM 12 is a change amount of the resonance order M in the Fabry-Perot interferometer 5.
Figure 0006193644

続いて、式(27)を用いて干渉計長の初期値Lを求める方法について、具体的に説明する。図9は、干渉計長の初期値Lを求めるステップS1の手順を示すフローチャートである。本実施の形態では、ステップS1は、ステップS11〜S16により構成される。 Subsequently, a method for obtaining the initial value L 0 of the interferometer length using Expression (27) will be specifically described. Figure 9 is a flowchart showing the procedure of step S1 for obtaining the initial value L 0 of the interferometer length. In the present embodiment, step S1 includes steps S11 to S16.

ステップS11
まず、干渉計長をLに、オフセット周波数をfceo0に固定する。
Step S11
First, an interferometer length L 0, to fix the offset frequency f ceo0.

ステップS12
ビート周波数fbeat1を測定する。
Step S12
The beat frequency f beat1 is measured.

ステップS13
コントローラ4は、周波数可変レーザ2の周波数を変化させながら、共振次数変化ΔM12、光周波数コム次数変化(N−N)を求める。
Step S13
The controller 4 obtains the resonance order change ΔM 12 and the optical frequency comb order change (N 2 −N 1 ) while changing the frequency of the frequency variable laser 2.

共振次数変化ΔM12の求め方について説明する。この場合、例えば式(7)からわかるように、位相δが変化するので、それに応じてファブリペロー干渉計5の反射率Rが変化する。反射率Rに伴って、反射光強度も変化する。図10は、反射光Rの強度とレーザ周波数との関係を示す図である。図10に示すように、光強度のゼロクロス点Pzを通過する回数をカウントすることで、共振次数変化ΔMを知ることができる。 A method for obtaining the resonance order change ΔM 12 will be described. In this case, as seen from equation (7), the phase δ is changed, the reflectivity R N of the Fabry-Perot interferometer 5 is changed accordingly. With the reflectance R N, also changes the reflected light intensity. Figure 10 is a graph showing the relationship between the intensity and the laser frequency of the reflected light R N. As shown in FIG. 10, the resonance order change ΔM can be known by counting the number of times the light intensity passes through the zero cross point Pz.

光周波数コム次数変化(N−N)の求め方について説明する。図11は、ビート周波数とレーザ周波数との関係を示す図である。ビート周波数は、レーザ周波数の変化に伴い、周期frepの三角波状に変化する。つまり、コントローラ4は、ビート周波数が増加から減少に転じる回数をカウントすることで、容易に光周波数コム次数変化(N−N)を求めることができる。なお、レーザ周波数を共振周波数にロックした際に、光周波数コムとレーザ周波数が最小値や最大値(frep/2)付近となった場合、ビート周波数を正確に測定することが難しい。この場合、例えばオフセット周波数fceoを、ビート周波数が測定できる位置までシフトさせればよい。 A method of obtaining the optical frequency comb order change (N 2 −N 1 ) will be described. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the beat frequency and the laser frequency. The beat frequency changes in the form of a triangular wave with a period f rep as the laser frequency changes. That is, the controller 4 can easily obtain the optical frequency comb order change (N 2 −N 1 ) by counting the number of times that the beat frequency changes from increasing to decreasing. When the laser frequency is locked to the resonance frequency, if the optical frequency comb and the laser frequency are near the minimum value or the maximum value (f rep / 2), it is difficult to accurately measure the beat frequency. In this case, for example, the offset frequency fceo may be shifted to a position where the beat frequency can be measured.

ステップS14
ビート周波数fbeat2を測定する。
Step S14
The beat frequency f beat2 is measured.

ステップS15
次いで、空気の屈折率nを求める。
Step S15
Next, the refractive index n of air is obtained.

ステップS16
式(27)を用いて、ファブリペロー干渉計5の長さの初期値Lを算出する。
Step S16
The initial value L 0 of the length of the Fabry-Perot interferometer 5 is calculated using the equation (27).

続いて、実施の形態2にかかる干渉計長の初期値Lの測定の信頼性について説明する。まず、干渉計長の初期値Lの測定の不確かさを検討するため、式(23)を全微分し、以下の式(28)を得る。

Figure 0006193644
The following describes the reliability of the measurement of the initial value L 0 of the interferometer length according to the second embodiment. First, in order to examine the measurement uncertainty of the initial value L 0 of the interferometer length, the equation (23) is fully differentiated to obtain the following equation (28).
Figure 0006193644

式(28)の右辺第1項は、共振次数の変化ΔMの不確かさを示す微分量であるΔM(ΔM=M)の影響を示す。共振次数の変化の不確かさΔMは、周波数可変レーザ5のファブリペロー干渉計5へのロックが不完全であるなどの要因により生じる。共振次数Mの不確かさΔMの影響は、ファブリペロー干渉計5のフィネスを大きくする、又は周波数変化量を大きくすることで低減できる。 The first term on the right side of the equation (28) shows the influence of ΔM e (ΔM = M e ), which is a differential amount indicating the uncertainty of the change in resonance order ΔM. The uncertainty ΔM e of the change in the resonance order is caused by factors such as incomplete locking of the frequency tunable laser 5 to the Fabry-Perot interferometer 5. The influence of the uncertainty ΔM of the resonance order M can be reduced by increasing the finesse of the Fabry-Perot interferometer 5 or increasing the frequency change amount.

式(28)の右辺第2項は、レーザ周波数の周波数変化量Δfの不確かさを示す微分量であるΔf(Δf=f)の影響を示す。レーザ周波数の周波数変化量の不確かさΔfは、周波数変化量を大きくする、又は、周波数変化量を正確にすることで低減できる。なお、周波数変化量を大きくすることは、右辺第1項の次数変化量ΔMを大きくすることにも関係する。 The second term on the right side of Equation (28) shows the influence of Δf e (Δf = f e ), which is a differential amount indicating the uncertainty of the frequency change amount Δf of the laser frequency. The uncertainty Δf e of the frequency change amount of the laser frequency can be reduced by increasing the frequency change amount or making the frequency change amount accurate. Increasing the frequency change amount is also related to increasing the order change amount ΔM of the first term on the right side.

式(28)の右辺第3項は、空気屈折率nの不確かさを示す微分量であるΔn(Δn=n)の影響を示す。空気屈折率nの不確かさΔnは、測定環境を安定化することで低減できる。また、測定環境を真空にすることで、空気屈折率nの不確かさΔnを除去することが可能である。 Third term on the right side of equation (28) shows the effect of [Delta] n ([Delta] n = n e) is a differential amount indicating the uncertainty of the air refractive index n. The uncertainty Δn of the air refractive index n can be reduced by stabilizing the measurement environment. Further, by making the measurement environment a vacuum, it is possible to remove the uncertainty Δn of the air refractive index n.

本実施の形態では、図9に示すように、レーザ周波数を大きく変動させても、レーザ周波数そのものを測定することなく、式(27)の右辺に現れる各パラメータを測定することで、ファブリペロー干渉計5の長さの初期値Lを測定できる。繰り返し周波数frep、ビート周波数fbeat1、fbeat2は、一定の範囲の値であるので、レーザ周波数を大きく変動させても容易に測定することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 9, even if the laser frequency is largely changed, Fabry-Perot interference is obtained by measuring each parameter appearing on the right side of the equation (27) without measuring the laser frequency itself. An initial value L 0 of a total length of 5 can be measured. Since the repetition frequency f rep , beat frequencies f beat1 and f beat2 are values in a certain range, they can be easily measured even when the laser frequency is greatly varied.

したがって、上述の方法によれば、レーザ周波数の周波数変化量を大きくして、共振次数Mの不確かさを示す微分量であるΔMと、レーザ周波数の周波数変化量の不確かさΔfと、を小さくすることができる。その結果、干渉計長の初期値Lを高精度に測定することが可能となる。 Therefore, according to the above method, by increasing the frequency variation of the laser frequency, and .DELTA.M e is a differential amount indicating the uncertainty of the resonant order M, the uncertainty Delta] f e of the frequency variation of the laser frequency, the Can be small. As a result, it is possible to measure the initial value L 0 of the interferometer length with high accuracy.

実施の形態3
次に、実施の形態3について説明する。本実施の形態では、図7に示すステップS1での干渉計長の初期値Lの測定について、別の具体例を説明する。まず、実施の形態3における干渉計長の初期値Lの測定原理について説明する。
Embodiment 3
Next, Embodiment 3 will be described. In this embodiment, the measurement of the initial value L 0 of the interferometer length at step S1 shown in FIG. 7, illustrating another embodiment. First, description will be given of a measurement principle of the initial value L 0 of the interferometer length in the third embodiment.

実施の形態2と同じように、レーザ周波数を変化させる。このときの隣接する共振周波数の間隔(自由スペクトル間隔)fFSRは、式(27)を変形し、以下の式(29)で表される。

Figure 0006193644
As in the second embodiment, the laser frequency is changed. The interval (free spectrum interval) f FSR between adjacent resonance frequencies at this time is expressed by the following equation (29) by modifying equation (27).
Figure 0006193644

本実施の形態では、光周波数のコムの次数Nを測定することなく、干渉計長の初期値Lを測定する。そのため、干渉計長の初期値Lを算出するために、光周波数のコムの次数Nの変化量を見積もることが必要となる。 In this embodiment, without measuring the degree N of the comb of optical frequencies, measuring an initial value L 0 of the interferometer length. Therefore, in order to calculate the initial value L 0 of the interferometer length, it is necessary to estimate the amount of change in the order N of the optical frequency comb.

ここで、式(29)において、光周波数コムの次数変化量(N−N)の見積もりが、実際の次数変化量よりも1だけ大きい場合、共振周波数の間隔(自由スペクトル間隔)は、式(30)に示すように、δfFSRだけずれることとなる。

Figure 0006193644
Here, in Equation (29), when the estimate of the order change amount (N 2 −N 1 ) of the optical frequency comb is larger by 1 than the actual order change amount, the resonance frequency interval (free spectral interval) is As shown in Expression (30), the deviation is caused by δf FSR .
Figure 0006193644

この場合、干渉計長の測定値は、実際の値LからLだけずれてしまう。干渉計長の測定値のズレ量Ldは以下の式(31)で表される。

Figure 0006193644
In this case, the measurement value of the interferometer length is deviated from the actual value L 0 by L d. The amount of deviation Ld of the measured value of the interferometer length is expressed by the following equation (31).
Figure 0006193644

ここで、光周波数コムの次数変化量の真値(N2−N1)を基準として、L±L(つまり、光周波数コムの次数変化が(N2−N1)±1)の範囲を想定する。干渉計の設計情報などから干渉計の長さの初期値Lがとり得る範囲Lmin〜Lmaxが判明するので、範囲Lmin〜LmaxがL±L内に位置していれば、下記の式(32)の右辺が範囲Lmin〜Lmaxを満たすように光周波数コムの次数変化量(N2−N1)を決定することができる。

Figure 0006193644
Here, a range of L 0 ± L d (that is, the order change of the optical frequency comb is (N2−N1) ± 1) is assumed with reference to the true value (N2−N1) of the order change amount of the optical frequency comb. . Since the range L min to L max that can be taken by the initial value L 0 of the interferometer is found from the design information of the interferometer, etc., if the range L min to L max is located within L 0 ± L d The order change amount (N2-N1) of the optical frequency comb can be determined so that the right side of the following equation (32) satisfies the range L min to L max .
Figure 0006193644

よって、式(32)より、ファブリペロー干渉計5の長さの初期値Lを決定することができる。 Therefore, the initial value L 0 of the length of the Fabry-Perot interferometer 5 can be determined from the equation (32).

続いて、実施の形態3にかかる干渉計長の初期値Lを求める方法について、具体的に説明する。図12は、実施の形態3にかかる干渉計長の初期値Lを求めるステップS1の手順を示すフローチャートである。本実施の形態では、ステップS1は、ステップS21〜S27により構成される。 Next, a method for obtaining the initial value L 0 of the interferometer length according to the third embodiment will be specifically described. Figure 12 is a flowchart showing the procedure of step S1 for obtaining the initial value L 0 interferometer length according to the third embodiment. In the present embodiment, step S1 includes steps S21 to S27.

ステップS21
まず、干渉計長をLに、オフセット周波数をfceo0に固定する。
Step S21
First, an interferometer length L 0, to fix the offset frequency f ceo0.

ステップS22
ビート周波数fbeat1を測定する。
Step S22
The beat frequency f beat1 is measured.

ステップS23
周波数可変レーザ2の周波数を変化させながら、共振次数変化ΔMを求める。
Step S23
The resonance order change ΔM is obtained while changing the frequency of the frequency variable laser 2.

ステップS24
ビート周波数fbeat2を測定する。
Step S24
The beat frequency f beat2 is measured.

ステップS25
次いで、空気の屈折率nを求める。
Step S25
Next, the refractive index n of air is obtained.

ステップS26
範囲Lmin〜Lmaxを満たすように光周波数コムの次数変化量(N2−N1)を決定する。
Step S26
The order change amount (N2-N1) of the optical frequency comb is determined so as to satisfy the range L min to L max .

ステップS27
式(32)を用いて、干渉計長の初期値Lを算出する。
Step S27
The initial value L 0 of the interferometer length is calculated using Equation (32).

これにより、本方法によれば、光周波数コムの次数変化を計測することなく、干渉計長の初期値Lを決定できる。よって、光周波数コムの次数変化のカウントミスなどによる影響を未然に防止し、高精度に干渉計長の初期値Lを算出することができる。 Thus, according to this method, without measuring the degree change in the optical frequency comb can determine the initial value L 0 of the interferometer length. Therefore, it is possible to prevent the influence due to the counting error of the order change of the optical frequency comb, and to calculate the initial value L 0 of the interferometer length with high accuracy.

また、本方法では、光周波数コムの次数変化を大きくすることで、より高精度に干渉計長の初期値Lを算出することができる。 Further, in this method, by increasing the order change of the optical frequency comb can calculate the initial value L 0 of the interferometer length more accurately.

なお、ステップS22〜S24は、複数回行うこともできる。最初の共振周波数をfとし、これに対応する変化後の共振周波数をfとする。この場合、Lは式(32)と同様の式で表される。 Steps S22 to S24 can be performed a plurality of times. The first resonance frequency is f 1, the resonant frequency after the change corresponding thereto and f 2. In this case, L 0 is represented by the same expression as Expression (32).

次いで、共振周波数fを起点として、レーザ周波数を変化させる。最初の共振周波数fに対応する変化後の共振周波数をfとする。この場合、Lは以下の式(33)で表される。

Figure 0006193644
Then, starting from the resonance frequency f 2, to change the laser frequency. The resonance frequency after change corresponding to the first resonance frequency f 2 and f 3. In this case, L 0 is represented by the following formula (33).
Figure 0006193644

そして、式(32)と式(33)を用いて、N、fを消去し、以下の式(34)に示すように、Lを示す式を更新する。

Figure 0006193644
Then, N 2 and f 2 are deleted using Expression (32) and Expression (33), and the expression indicating L 0 is updated as shown in Expression (34) below.
Figure 0006193644

上記の更新をk−1回繰り返すと、Lは以下の式(35)で表される。

Figure 0006193644
When the above update is repeated k−1 times, L 0 is expressed by the following equation (35).
Figure 0006193644

この方法をとれば、光周波数コムのN−Nの値を大きくすることができるので、より高精度にLを求めることができる。 If this method is adopted, the value of N k -N 1 of the optical frequency comb can be increased, so that L 0 can be obtained with higher accuracy.

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上述の原点信号発生回路は例示に過ぎない。図3に示した バンドパスフィルタBPF、ビームスプリッタBS1及びBS2、偏光ビームスプリッタPBS、λ/4板6の配置は例示に過ぎない。すなわち、レーザ光を同様に分岐、干渉させることができるならば、図3の構成には限られない。
Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. The origin signal generation circuit described above is merely an example. The arrangement of the bandpass filter BPF, the beam splitters BS1 and BS2, the polarization beam splitter PBS, and the λ / 4 plate 6 shown in FIG. 3 is merely an example. That is, the configuration of FIG. 3 is not limited as long as the laser beam can be branched and interfered in the same manner.

実施の形態2にかかる干渉計長の初期値Lの測定と、実施の形態3にかかる干渉計長の初期値Lの測定と、は同時に行うこともできる。 The measurement of the initial value L 0 interferometer length according to the second embodiment, the measurement of the initial value L 0 of the interferometer length according to the third embodiment, can also be carried out simultaneously.

実施の形態2にかかる干渉計長の初期値Lの測定と、実施の形態3にかかる干渉計長の初期値Lの測定とは、いずれも、周波数可変レーザを2台用いて行っても良い。具体的には、まず、2台の周波数可変レーザを、ファブリペロー干渉計5の同じ共振周波数点(1箇所目)にロックする。その後、一方の周波数可変レーザ(周波数可変レーザAと称する)についてはロック状態を維持し、他方の周波数可変レーザ(周波数可変レーザBと称する)については上述の実施の形態2及び3の通りにレーザ周波数を変化させる。この際、周波数可変レーザAと光周波数コム1とのビート周波数を、ビート周波数fbeat1として用いる。そして、実施の形態2については、周波数可変レーザBと光周波数コム1とのビート周波数を、ビート周波数fbeat2として用いる。実施の形態3については、周波数可変レーザBと光周波数コム1とのビート周波数をビート周波数fbeat2として用い、共振次数の変化については周波数可変レーザB側で測定する。これにより、干渉計長の初期値Lを同様に求めることができる。この手法によれば、2台の周波数可変レーザにかかるビート周波数を同時に測定をしているので、干渉計長のドリフトの影響を受けることなく、より高精度に干渉計長を求めることができる。 The measurement of the initial value L 0 of the interferometer length according to the second embodiment, the measurement of the initial value L 0 of the interferometer length according to the third embodiment, both, performed using two variable frequency laser Also good. Specifically, first, two frequency variable lasers are locked to the same resonance frequency point (first position) of the Fabry-Perot interferometer 5. Thereafter, one frequency tunable laser (referred to as frequency tunable laser A) is kept locked, and the other frequency tunable laser (referred to as frequency tunable laser B) is laser as described in the second and third embodiments. Change the frequency. At this time, the beat frequency of the frequency variable laser A and the optical frequency comb 1 is used as the beat frequency f beat1 . In the second embodiment, the beat frequency of the frequency variable laser B and the optical frequency comb 1 is used as the beat frequency f beat2 . In the third embodiment, the beat frequency of the frequency variable laser B and the optical frequency comb 1 is used as the beat frequency f beat2 , and the change in the resonance order is measured on the frequency variable laser B side. Thus, the initial value L 0 of the interferometer length can be determined as well. According to this method, since the beat frequencies applied to the two frequency variable lasers are simultaneously measured, the interferometer length can be obtained with higher accuracy without being affected by the drift of the interferometer length.

1 光周波数コム
2 周波数可変レーザ
3 周波数計測器
4 コントローラ
5 ファブリペロー干渉計
6 λ/4板
51、52 反射鏡
53 干渉計筐体
54 アクチュエータ
55 面
100 変位測定装置
BPF バンドパスフィルタ
BS1、BS2 ビームスプリッタ
DET1、DET2 検出信号
L1、L2、L21〜L23 レーザ光
L10 干渉光
PBS 偏光ビームスプリッタ
PD1、PD2 光検出器
Sd 駆動信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical frequency comb 2 Frequency variable laser 3 Frequency measuring device 4 Controller 5 Fabry-Perot interferometer 6 λ / 4 board 51, 52 Reflector 53 Interferometer housing 54 Actuator 55 Surface 100 Displacement measuring device BPF Band pass filter BS1, BS2 Beam Splitter DET1, DET2 Detection signal L1, L2, L21-L23 Laser light L10 Interference light PBS Polarization beam splitter PD1, PD2 Photodetector Sd Drive signal

Claims (6)

周波数が可変な第1のレーザ光を出力する周波数可変レーザと、
繰り返し周波数およびオフセット周波数が制御可能な光周波数コムと、
前記周波数可変レーザ及び前記光周波数コムを制御するコントローラと、
前記第1のレーザ光が入射するファブリペロー干渉計と、
前記第1のレーザ光と前記光周波数コムが出力する第2のレーザ光との干渉光を検出する第1光検出器と、
前記ファブリペロー干渉計からの反射光を検出する第2光検出器と、
前記第1光検出器の検出結果からビート周波数を検出する周波数測定器と、を備え、
前記コントローラは
記周波数可変レーザの周波数を前記第2のレーザ光のスペクトルを基準としてロックし、
前記第1のレーザ光に対する前記ファブリペロー干渉計の反射光強度と、前記ビート周波数と、が一定になるように、前記周波数可変レーザの周波数及び前記繰り返し周波数を変化させ、
前記繰り返し周波数の変化量に基づいて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出する、
変位測定装置。
A variable frequency laser that outputs a first laser beam having a variable frequency;
An optical frequency comb with controllable repetition frequency and offset frequency;
A controller for controlling the frequency variable laser and the optical frequency comb;
A Fabry-Perot interferometer on which the first laser beam is incident;
A first photodetector for detecting interference light between the first laser beam and the second laser beam output from the optical frequency comb;
A second photodetector for detecting reflected light from the Fabry-Perot interferometer;
A frequency measuring device for detecting a beat frequency from the detection result of the first photodetector,
Wherein the controller,
The frequency before Symbol frequency tunable laser to lock the spectrum of the second laser beam as a reference,
The frequency of the variable frequency laser and the repetition frequency are changed so that the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer with respect to the first laser light and the beat frequency are constant.
Based on the amount of change in the repetition frequency, the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer is calculated.
Displacement measuring device.
前記コントローラは、
前記繰り返し周波数の変化量に比例して、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出する、
請求項1に記載の変位測定装置。
The controller is
In proportion to the amount of change in the repetition frequency, the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer is calculated.
The displacement measuring apparatus according to claim 1.
前記コントローラは、
繰り返し周波数の値で前記繰り返し周波数の変化量を除した値に、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の値を乗じて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出する、
請求項2に記載の変位測定装置。
The controller is
The value obtained by dividing the amount of change of the repetition frequency by the value of the repetition frequency is multiplied by the value of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer to calculate the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer.
The displacement measuring device according to claim 2.
前記コントローラは、
前記繰り返し周波数の値で前記繰り返し周波数の変化量を除した値と、前記ファブリペロー干渉計内の雰囲気の屈折率の変化量を雰囲気の屈折率の値で除した値と、を加算した値に、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の値を乗じて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出する、
請求項に記載の変位測定装置。
The controller is
A value obtained by dividing the amount of change of the repetition frequency of value in the repetition frequency, the value obtained by dividing the amount of change in refractive index of the atmosphere of the Fabry-Perot interferometer in the value of the refractive index of the atmosphere, by adding a value Multiplying the value of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer to calculate the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer,
The displacement measuring device according to claim 2 .
前記コントローラは、
前記オフセット周波数と、前記ビート周波数と、が同値かつ互いに反対の符号を有するように、前記光周波数コム及び前記周波数可変レーザとを制御する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の変位測定装置。
The controller is
Controlling the optical frequency comb and the frequency tunable laser such that the offset frequency and the beat frequency have the same value and opposite signs.
The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 4.
周波数可変レーザの周波数を、繰り返し周波数およびオフセット周波数が制御可能な光周波数コムが出力する第2のレーザ光のスペクトルを基準としてロックし、
前記周波数可変レーザから出力されファブリペロー干渉計に入射する第1のレーザ光に対する前記ファブリペロー干渉計の反射光強度と、前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光との干渉光から得られるビート周波数と、が一定となるように、前記周波数可変レーザの周波数及び前記繰り返し周波数を変化させ、
前記繰り返し周波数の変化量に基づいて、前記ファブリペロー干渉計の干渉計長の変位を算出する、
変位測定方法。
Locking the frequency of the frequency tunable laser with reference to the spectrum of the second laser beam output by the optical frequency comb that can control the repetition frequency and offset frequency;
Obtained from the reflected light intensity of the Fabry-Perot interferometer with respect to the first laser light output from the frequency-variable laser and incident on the Fabry-Perot interferometer, and interference light between the first laser light and the second laser light. And changing the frequency of the frequency variable laser and the repetition frequency so that the beat frequency is constant,
Based on the amount of change in the repetition frequency, the displacement of the interferometer length of the Fabry-Perot interferometer is calculated.
Displacement measurement method.
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