JP6252089B2

JP6252089B2 - ２波長正弦波位相変調干渉計

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Publication number: JP6252089B2
Application number: JP2013213751A
Authority: JP
Inventors: 恭平林
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP2015075461A

Description

本発明は２波長正弦波位相変調干渉計に係り、特に干渉計からターゲットまでの間の空気の屈折率変動の影響を排除するために、ターゲットまでの幾何学的距離を波長が異なる２つの光波を用いて測定する２波長正弦波位相変調干渉計に関する。

ターゲットまでの距離（ターゲットの測長基準からの変位量）を高精度に測長する方法として、光波干渉を用いた方法が知られている。この方法は、光の波長をものさしとしてターゲットの変位を測定するものであるが、空気中の波長は空気の屈折率によって変動する。従って、空気中で高精度に測長を行うためには空気の気温、湿度、気圧等から屈折率を求め、干渉計を用いて測定したターゲットの変位を補正する必要がある。

しかしながら、実際には、光路上に屈折率分布が存在するため、補正を精度良く行うことは困難である。

このような問題を解決するため、波長が異なるコヒーレント光で同時測定を行い、各々の測定値を用いて空気の屈折率変動を補正する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、２波長干渉計が開示されている。

２波長干渉計の原理について説明すると、波長λの光波における測定対象（ターゲット）までの光学的距離Ｄλは、幾何学的距離Ｄと空気の屈折率ηに対して次式により表される。

Ｄλ＝Ｄ・η（λ、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２）
屈折率ηは、波長λ、温度Ｔ、気圧Ｐ、水蒸気分圧ＰＷ、二酸化炭素分圧ＰＣＯ２をパラメータとする関数であり、それらのパラメータに依存して変化する。そのため、測定環境の変動に伴う屈折率ηの変動によって測長誤差が生じる。

一方、２波長干渉計において測定に用いる光波の２波長をλ１、λ２とし、各々の波長λ１、λ２における空気の屈折率η（λ１、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２）、η（λ２、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２）をη１、η２と省略して表すとして、次のようなＡ係数を定義する。

Ａ＝（η１−１）／（η１−η２）
このとき、波長λ１、λ２の各々の光波により測定される光学的距離をＤ１、Ｄ２、ターゲットまでの幾何学的距離をＤとすると、次の式が成り立つ。

Ｄ＝Ｄ１−Ａ・（Ｄ１−Ｄ２）
ここで、波長λ１、λ２の光波により光学的距離Ｄ１、Ｄ２を測定する際の測定環境が等しければ、Ａ係数の値は、近似的に波長λ１、λ２のみに依存した値となる。従って、２波長干渉計では、波長以外の測定環境の変動に起因した測長誤差を小さくすることができる。

特開平５−３０２８１１号公報

ところで、２波長干渉計における測長誤差は、（Ｄ１−Ｄ２）の誤差をＡ倍したものとなる。一方、Ａ係数は比較的大きな値となる。そのため、（Ｄ１−Ｄ２）の誤差が大きいと、測長誤差が極めて大きくなる。

したがって、実用的な測長精度の２波長干渉計を実現するためには、光学的距離Ｄ１、Ｄ２の各々の測定精度を十分に高くすることが前提となる。しかしながら、このような２波長干渉計を実現するためには、各々の波長での光学的距離の測定を通常の５０〜１００倍程度に精度を上げる必要があるため、現状では２波長干渉計は実用化されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、２波長干渉計において実用的な高精度の測定精度を実現することができる２波長正弦波位相変調干渉計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一の態様に係る発明は、角周波数ωｍの正弦波により位相変調した第１波長λ１の第１光波を生成する第１光波生成部と、第１波長λ１と異なる第２波長λ２の第２光波であって、前記角周波数ωｍの正弦波により位相変調した第２光波を生成する第２光波生成部と、前記第１光波生成部により生成された第１光波を第１測定光と第１参照光とに分割する第１分割部と、前記第２光波生成部により生成された第２光波を第２測定光と第２参照光とに分割する第２分割部と、前記第１分割部により分割された後、測定対象に投光されて反射した第１測定光と、前記第１分割部により分割された第１参照光とを干渉させた第１干渉光の光強度を第１干渉信号として検出する第１干渉信号検出部と、前記第２分割部により分割された後、前記測定対象に投光されて反射した第２測定光と、前記第２分割部により分割された第２参照光とを干渉させた第２干渉光の光強度を第２干渉信号として検出する第２干渉信号検出部と、前記第１干渉信号検出部により検出された第１干渉信号に基づいて、第１測定光と第１参照光との位相差φ１の変化量Δφ１に対応する光学的距離Ｄ１を前記測定対象の基準位置からの距離として算出する第１光学的距離算出手段と、前記第２干渉信号検出部により検出された第２干渉信号に基づいて、第２測定光と第２参照光との位相差φ２の変化量Δφ２に対応する光学的距離Ｄ２を前記測定対象の基準位置からの距離として算出する第２光学的距離算出手段と、前記第１光学的距離算出手段と前記第２光学的距離算出手段とにより算出された光学的距離Ｄ１と光学的距離Ｄ２とに基づいて、前記測定対象の基準位置からの幾何学的距離Ｄを算出する幾何学的距離算出手段と、を備えている。

本発明の一の態様によれば、空気の屈折率の影響を受けにくい２波長干渉計を実用化するにあたり、正弦波位相変調干渉法を採用する。そのため、レーザー干渉計の周期誤差の要因のうち、原理的にオフセット誤差及び位相誤差が生じない。また、ゲイン誤差の補正も容易であり、メカ的なドリフトにより生じるゲイン誤差が周期誤差の悪化をもたらさない。

本発明の他の態様に係る２波長正弦波位相変調干渉計において、前記第１光波生成部と前記第１分割部との間、及び、前記第１分割部と前記第１干渉信号検出部との間を光ファイバにより光学的に接続する第１光ファイバ光路と、前記第２光波生成部と前記第２分割部との間、及び、前記第２分割部と前記第２干渉信号検出部との間を光ファイバにより光学的に接続する第２光ファイバ光路と、を備え、前記第１分割部は、前記第１光波から分割した第１参照光を前記第１光ファイバ光路に戻し、かつ、前記第１光波から分割した第１測定光を前記測定対象に向けて投光し、前記測定対象で反射した第１測定光を前記第１光ファイバ光路に戻し、前記第２分割部は、前記第２光波から分割した第２参照光を前記第２光ファイバ光路に戻し、かつ、前記第２光波から分割した第２測定光を前記測定対象に向けて投光し、前記測定対象で反射した第２測定光を前記第２光ファイバ光路に戻す、態様とすることができる。

本態様によれば、干渉計の大部分が光ファイバにより構成される。そのため、大気擾乱による波面の乱れを平均化することができる。また、参照光の光路全体が測定光の光路と一致しているため、熱ドリフトの影響を受けにくいという利点がある。

本発明の更に他の態様に係る２波長正弦波位相変調干渉計において、前記第２光波生成部は、前記第１光波生成部により生成された第１光波を波長変換して第２光波を生成する態様とすることができる。

本態様によれば、基本波（第１光波）に対して、２波長の光波をＳＨＧ（第２高調波発生器）等を用いて生成する。そのため、光源の波長変動による誤差を解消することができる。また、正弦波位相変調干渉法のための位相変調を１波長分の光波のみに行えばよい。

本発明の更に他の態様に係る２波長正弦波位相変調干渉計において、前記第１分割部及び前記第２分割部は、ハーフミラー面により形成された光ファイバの端部である態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る２波長正弦波位相変調干渉計において、前記第１光学的距離算出手段は、前記第１干渉信号に基づいて前記位相差φ１の余弦値及び正弦値を算出し、該余弦値及び正弦値の各々をＸ座標値及びＹ座標値とする点が原点周りに回転する回転数に基づいて前記光学的距離Ｄ１を算出し、前記第２光学的距離算出手段は、前記第２干渉信号に基づいて前記位相差φ２の余弦値及び正弦値を算出し、該余弦値及び正弦値の各々をＸ座標値及びＹ座標値とする点が原点周りに回転する回転数に基づいて前記光学的距離Ｄ２を算出する、態様とすることができる。

本発明の更に他の態様に係る２波長正弦波位相変調干渉計において、前記第１光学的距離算出手段は、前記第１干渉信号の角周波数２・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ１の余弦値を算出し、前記第１干渉信号の角周波数３・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ１の正弦値を算出し、前記第２光学的距離算出手段は、前記第２干渉信号の角周波数２・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ２の余弦値を算出し、前記第２干渉信号の角周波数３・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ２の正弦値を算出する、態様とすることできる。

本発明によれば、２波長干渉計において実用的な高精度の測定精度を実現することができる。

本発明が適用された２波長正弦波位相変調干渉計（２波長干渉計）の実施の形態を示した構成図図１の補正回路の説明に使用した説明図図１の補正回路の説明に使用した説明図２波長干渉計の第１の変形例を示した構成図図４におけるデジタル処理部の構成を示した構成図２波長干渉計の第２の変形例を示した構成図２波長干渉計の第３の変形例を示した構成図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

まず、２波長干渉計の原理について説明する。

波長λのレーザー光を用いたレーザー干渉計により測長される測定対象（ターゲット）までの距離（光学的距離）Ｄλは、幾何学的距離Ｄと空気の屈折率ηに対して次式（１）が成り立つ。

Ｄλ＝Ｄ・η（λ、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２） …（１）
なお、光学的距離Ｄλ、及び幾何学的距離Ｄは、所定の基準位置（例えば測定開始時の位置）からのターゲットの変位量を表す。

屈折率ηは、波長λ、温度Ｔ、気圧Ｐ、水蒸気分圧ＰＷ、二酸化炭素分圧ＰＣＯ２をパラメータとする関数であり、それらのパラメータに依存して変化する。そのため、測定環境の変動に伴う屈折率ηの変動によって測長誤差が生じる。

一方、２波長干渉計で用いる光波（レーザー光）の波長をλ１、λ２、各々の波長λ１、λ２における屈折率η（λ１、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２）、η（λ２、Ｔ、Ｐ、ＰＷ、ＰＣＯ２）をη１、η２と省略して表すとして、次式（２）のようなＡ係数を定義する。

Ａ＝（η１−１）／（η１−η２） …（２）
このとき、各波長λ１、λ２のレーザー干渉により測定される光学的距離をＤ１、Ｄ２、幾何学的距離をＤとすると、次式（３）が成り立つ。

Ｄ＝Ｄ１−Ａ・（Ｄ１−Ｄ２） …（３）
ここで、各波長λ１、λ２のレーザー干渉における測定環境が等しければ、Ａ係数の値は、近似的に波長λ１、λ２のみに依存した値となる。従って、２波長干渉計では、波長λ１、λ２以外の測定環境の変動に伴う屈折率ηの変動による測長誤差が生じないものとなる。

一方、幾何学的距離Ｄに対する測長誤差は、（Ｄ１−Ｄ２）の誤差がＡ倍されたものとなるため、（Ｄ１−Ｄ２）の誤差が大きいと、幾何学的距離Ｄの誤差が大きくなる。例えば、波長λ１、λ２の各々が、１５５０ｎｍ、６３３ｎｍの場合にＡ係数は約８３であり、Ｄ１およびＤ２の測長誤差がそれぞれ独立（例えば独立した各々の光源の波長変動や、周期誤差等）であれば、その誤差が８３倍される。したがって、２波長干渉計による幾何学的距離Ｄの測長誤差が十分に小さいものとするためには、２波長干渉計により測定される光学的距離（Ｄ１−Ｄ２）の測定精度が高いこと、即ち、光学的距離Ｄ１、Ｄ２の各々の測定精度が高いことが前提となる。

２波長干渉計における主な誤差要因として以下のものがある。
・光源の波長変動
・干渉信号のゲイン誤差、オフセット誤差、位相誤差（大気擾乱による波面揺らぎ）
・２波長の光軸ずれ
従来では、これらの誤差要因による測長誤差の問題が解消されていないため、２波長干渉計は実用化されていない。

一方、以下で説明する２波長干渉計を利用した２波長正弦波位相変調干渉計によれば、上記測長誤差の問題が解消され、実用化が可能となる。

図１は、本発明に係る２波長正弦波位相変調干渉計１（以下、単に２波長干渉計１という）の実施の形態を示した構成図である。

同図における２波長干渉計１は、正弦波位相変調法を用いた２波長干渉計であり、反射体（ミラー、コーナーキューブプリズム等）である測定ターゲット２０に対して波長が異なる２つの測定光を入出力部２から投光し、その戻り光を入出力部２から取り込むことにより、測定ターゲット２０の測定開始時の位置を基準位置として、その基準位置からの測定ターゲット２０の変位量を測定ターゲット２０までの幾何学的距離（長さ）として測定（測長）する。

この２波長干渉計１は、２波長光生成部１０と、干渉部１２と、検出部１４と、演算部１６と、を備える。

２波長光生成部１０は、第１波長λ１と第２波長λ２の２つの波長（２波長）のレーザー光を生成して干渉部１２に送出する。第１波長λ１のレーザー光を第１波長光といい、第２波長λ２のレーザー光を第２波長光というものとする。

この２波長光生成部１０は、レーザー光源３０、ＥＯ（電気光学）位相変調器３２、ビームスプリッタ３４、及び、第２高調波発生器（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）３６を有する。また、レーザー光源３０とＥＯ位相変調器３２との間を光学的に接続する第１光ファイバ３８と、ＥＯ位相変調器３２とビームスプリッタ３４との間を光学的に接続する第２光ファイバ４０と、ビームスプリッタ３４と第２高調波発生器との間を光学的に接続する第３光ファイバ４２と、を有する。

レーザー光源３０は、真空において第１波長λ１のレーザー光となる角周波数ω１の第１波長光を生成する。即ち、次式（４）の振動振幅（電場）Ｅで表される光波を生成する。

Ｅ＝Ｅ０・cos（ω１・ｔ） …（４）
レーザー光源３０で生成された第１波長光は、第１光ファイバ３８を通じてＥＯ位相変調器３２に伝搬する。

ＥＯ位相変調器３２は、レーザー光源３０から伝搬した第１波長光の位相を変調信号により変調する。

変調信号は、演算部１６の発振器１００から電気信号によりＥＯ位相変調器３２に与えられる。本実施の形態では、変調信号は、角周波数ωｍの正弦波信号である。その変調信号がｍ・cos（ωｍ・ｔ）で表されるとすると、ＥＯ位相変調器３２により変調された第１波長光の振動振幅Ｅ１は、次式（５）で表される。

Ｅ１＝Ｅ０・cos｛ω１・ｔ＋ｍ・cos（ωｍ・ｔ）｝ …（５）
ＥＯ位相変調器３２で変調された第１波長光は、第２光ファイバ４０を通じてビームスプリッタ３４に伝搬する。

ビームスプリッタ３４は、ＥＯ位相変調器３２から伝搬した第１波長光を略等価な２つの光に分割する。そのうちの一方の第１波長光は、干渉部１２に送出され、他方の第１波長光は、第３光ファイバ４２を通じて第２高調波発生器３６に伝搬する。

第２高調波発生器３６は、ビームスプリッタ３４から伝搬した第１波長光を波長変換し、第２高調波の光、即ち、第１波長光に対して２倍の周波数（角周波数ω２＝２・ω１）の光を第２波長光として生成する。第２波長光の振動振幅Ｅ２は、次式（６）で表される。

Ｅ２＝Ｅ０・cos｛ω２・ｔ＋ｍ・cos（ωｍ・ｔ）｝ …（６）
第２高調波発生器３６により生成された第２波長光は、干渉部１２に送出される。なお、第１波長光と第２波長光の振動振幅Ｅ１とＥ２の両方の最大振幅を簡易的にＥ０で示したが必ずしも同じではない。

干渉部１２は、２波長光生成部１０から送出された第１波長光と第２波長光の各々を測定光と参照光とに分割する。なお、第１波長光から分割された第１波長λ１の測定光と参照光とを、各々、第１測定光、第１参照光といい、第２波長光から分割された第２波長λ２の測定光と参照光とを、各々、第２測定光、第２参照光というものとする。

また、干渉部１２は、第１測定光と第２測定光とを入出力部２から測定ターゲット２０に向けて投光し、測定ターゲット２０で反射した第１測定光と第２測定光の各々を第１戻り光と第２戻り光として入出力部２から取り込む。そして、入出力部２から取り込んだ第１戻り光と第１参照光とを干渉させた第１干渉光と、第２戻り光と第２参照光とを干渉させた第２干渉光とを生成し、検出部１４に送出する。

この干渉部１２は、上記入出力部２、第１サーキュレータ５０、第２サーキュレータ５２を有する。また、２波長光生成部１０（ビームスプリッタ３４）と第１サーキュレータ５０との間を光学的に接続する第４光ファイバ６０と、第１サーキュレータ５０と入出力部２との間を光学的に接続する第５光ファイバ６２と、第１サーキュレータ５０と検出部１４との間を光学的に接続する第６光ファイバ６４と、２波長光生成部１０（第２高調波発生器３６）と第２サーキュレータ５２との間を光学的に接続する第７光ファイバ６６と、第２サーキュレータ５２と入出力部２との間を光学的に接続する第８光ファイバ６８と、第２サーキュレータ５２と検出部１４との間を光学的に接続する第９光ファイバ７０と、を有する。

第１サーキュレータ５０は、３つのポートを有し、各ポートに第４光ファイバ６０、第５光ファイバ６２、及び、第６光ファイバ６４が接続される。

第１サーキュレータ５０は、２波長光生成部１０（ビームスプリッタ３４）から第４光ファイバ６０を通じて伝搬した第１波長光を、第５光ファイバ６２に送出する。第５光ファイバ６２に送出された第１波長光は入出力部２に伝搬する。

また、第１サーキュレータ５０は、後述のように入出力部２から第５光ファイバ６２を通じて伝搬した第１干渉光（第１参照光及び第１戻り光）を、第６光ファイバ６４を通じて検出部１４に送出する。

第２サーキュレータ５２は、第１サーキュレータ５０と同様に、３つのポートを有し、各ポートに第７光ファイバ６６、第８光ファイバ６８、第９光ファイバ７０が接続される。

第２サーキュレータ５２は、２波長光生成部１０（第２高調波発生器３６）から第７光ファイバ６６を通じて伝搬した第２波長光を、第８光ファイバ６８を通じて入出力部２に送出する。

また、第２サーキュレータ５２は、後述のように入出力部２から第８光ファイバ６８を通じて伝搬した第２干渉光（第２参照光及び第２戻り光）を、第９光ファイバ７０を通じて検出部１４に送出する。

入出力部２は、第５光ファイバ６２の一方の端部６２ｏ、第８光ファイバ６８の一方の端部６８ｏ、第１コリメータレンズ５４、第２コリメータレンズ５６、及び、ダイクロイックミラー５８を有する。

第５光ファイバ６２の一方の端部６２ｏは、第１サーキュレータ５０から伝搬した光を空間に出射（放射）し、又は、空間を伝搬した光を第５光ファイバ６２内に取り込む端面を有する。その端面には、例えば、ハーフミラー膜が蒸着されており、第１サーキュレータ５０から第５光ファイバ６２を通じて伝搬した光の一部を反射し、残りを透過するハーフミラー面となっている。なお、本明細書においてハーフミラー面という場合に、必ずしも１：１の光量比（強度比）で反射光と透過光とに分割する面であること示すものでなく、所定の光量比（強度比）で分割する面であることを示す。

この第５光ファイバ６２の端部６２ｏ（端面）により、第１サーキュレータ５０から伝搬した第１波長光の一部が反射して第５光ファイバ６２内で折り返し、残りが空間に出射される。そして、空間に出射された第１波長光は、第１測定光として第１コリメータレンズ５４に入射する。一方、第５光ファイバ６２内で折り返した第１波長光は、第１参照光として第１サーキュレータ５０に伝搬する。

また、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから空間に出射された第１測定光は、後述のように測定ターゲット２０に投光されて反射し、第１戻り光として、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから第５光ファイバ６２内に進入し、第１参照光と共に第１サーキュレータ５０に伝搬する。したがって、入出力部２から第１サーキュレータ５０には、第１参照光と第１戻り光とを干渉させた第１干渉光が伝搬し、その第１干渉光が第６光ファイバ６４を通じて検出部１４に送出される。

第８光ファイバ６８の一方の端部６８ｏは、第５光ファイバ６２の端部６２ｏと同様に、第２サーキュレータ５２から伝搬した光を空間に出射（放射）し、又は、空間を伝搬した光を第８光ファイバ６８内に取り込む端面を有し、その端面がハーフミラー面となっている。

この第８光ファイバ６８の端部６８ｏ（端面）により、第２サーキュレータ５２から伝搬した第２波長光の一部が反射して第８光ファイバ６８内で折り返し、残りが空間に出射される。そして、空間に出射された第２波長光は、第２測定光として第２コリメータレンズ５６に入射する。一方、第８光ファイバ６８内で折り返した第２波長光は、第２参照光として第２サーキュレータ５２に伝搬する。

また、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから空間に出射された第２測定光は、後述のように測定ターゲット２０に投光されて反射し、第２戻り光として、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから第８光ファイバ６８内に進入し、第２参照光と共に第２サーキュレータ５２に伝搬する。したがって、入出力部２から第２サーキュレータ５２には、第２参照光と第２戻り光とを干渉させた第２干渉光が伝搬し、その第２干渉光が第９光ファイバ７０を通じて検出部１４に送出される。

第１コリメータレンズ５４は、第５光ファイバ６２の端部６２ｏ（端面）の近傍に配置される。

この第１コリメータレンズ５４は、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから空間に出射された拡散する第１測定光を平行光に変換する。第１コリメータレンズ５４により平行光に変換された第１測定光は、後述のダイクロイックミラー５８を介して測定ターゲット２０へ向けて大気中を伝搬する。

また、第１コリメータレンズ５４は、測定ターゲット２０で反射してダイクロイックミラー５８を介して伝搬した第１測定光、即ち、第１戻り光を収束させて第５光ファイバ６２の端部６２ｏ（端面）からファイバ内へと進入させる。

第２コリメータレンズ５６は、第８光ファイバ６８の端部６８ｏ（端面）の近傍に配置される。

この第２コリメータレンズ５６は、第１コリメータレンズ５４と同様に、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから空間に出射された拡散する第２測定光を平行光に変換する。第２コリメータレンズ５６により平行光に変換された第２測定光は、ダイクロイックミラー５８を介して測定ターゲット２０へ向けて伝播する。

また、第２コリメータレンズ５６は、測定ターゲット２０で反射してダイクロイックミラー５８を介して伝播した第２測定光、即ち、第２戻り光を収束させて第８光ファイバ６８の端部６８ｏ（端面）からファイバ内へと進入させる。

ここで、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから出射されて測定ターゲット２０へと向かう第１測定光の光軸を第１光軸、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから測定ターゲット２０へと向かう第２測定光の光軸を第２光軸というものとすると、ダイクロイックミラー５８に入射する前の第１測定光の第１光軸と第２測定光の第２光軸とが略９０度の角度をなすように第１測定光と第２測定光の出射方向が設定される。

ダイクロイックミラー５８は、互いに平行な２面を有する薄板状の形状を有し、一方の面が誘電体多層膜コーティングを施されたコーティング面となっている。これによって、ダイクロイックミラー５８は、第１波長を含み、かつ、第２波長を含まない所定の波長帯の光、即ち、第１測定光を透過し、第２波長を含み、かつ、第１波長を含まない所定の波長帯の光、即ち、第２測定光をコーティング面により反射する特性を有する。

このダイクロイックミラー５８は、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから出射された第２測定光が、コーティング面に対して略４５度の入射角で入射する傾きで配置され、かつ、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから出射されてダイクロイックミラー５８を透過した第１測定光の第１光軸と、コーティング面で反射した第２測定光の第２光軸とが略同軸上となる位置に配置される。

これによって、ダイクロイックミラー５８を透過した第１測定光と、ダイクロイックミラー５８で反射した第２測定光とが、同じ光軸に沿って測定ターゲット２０へと進行する。

また、測定ターゲット２０で反射した第１測定光は、第１戻り光としてダイクロイックミラー５８を透過し、第１コリメータレンズ５４を介して第５光ファイバ６２の端部６２ｏからファイバ内へと進入する。同様に、測定ターゲット２０に投光され、測定ターゲット２０で反射した第２測定光は、第２戻り光としてダイクロイックミラー５８で反射し、第２コリメータレンズ５６を介して第８光ファイバ６８の端部６８ｏからファイバ内へと進入する。

検出部１４は、干渉部１２から送出された第１干渉光と第２干渉光の各々を第１干渉信号と第２干渉信号として電気的に検出し、検出した第１干渉信号及び第２干渉信号を演算部１６に与える。

検出部１４は、第１フォトディテクタ８０、及び、第２フォトディテクタ８２を有する。

第１フォトディテクタ８０は、干渉部１２の第６光ファイバ６４の一方の端面の近傍に配置され、第６光ファイバ６４を介して第１サーキュレータ５０と光学的に接続される。

第１フォトディテクタ８０は、干渉部１２から送出された第１干渉光として第１サーキュレータ５０から伝搬した第１干渉光を受光部で受光し、その強さを示す電気信号に変換して第１干渉信号として演算部１６に出力する。

第２フォトディテクタ８２は、干渉部１２の第９光ファイバ７０の一方の端面の近傍に配置され、第９光ファイバ７０を介して第２サーキュレータ５２と光学的に接続される。

第２フォトディテクタ８２は、干渉部１２から送出された第２干渉光として第２サーキュレータ５２から伝搬した第２干渉光を受光部で受光し、その強さを示す電気信号に変換して第２干渉信号として演算部１６に出力する。

演算部１６は、検出部１４から与えられた第１干渉信号と第２干渉信号とに基づいて測定ターゲット２０までの幾何学的距離（測定ターゲット２０の測定開始時からの変位量）を算出し、測長値としてモニタ、プリンタなどの表示装置や他の任意の接続機器に出力する。

演算部１６は、発振器１００、２逓倍回路１０２、３逓倍回路１０４、アンプ１０６、１０８、ロックインアンプ１１０〜１１６、補正回路１１８、１２０、カウンタ１２２、１２４、及び、計算機１２６を有する。

発振器１００は、角周波数ωｍの正弦波信号を生成する。即ち、ＥＯ位相変調器３２により第１波長光（及び第２波長光）の位相を変調する変調信号を生成する。

発振器１００で生成された正弦波信号は、上述のようにＥＯ位相変調器３２に出力されると共に、２逓倍回路１０２と３逓倍回路１０４に出力される。

２逓倍回路１０２は、発振器１００から与えられた正弦波信号（cos(ωｍ・ｔ)）を２倍の角周波数２・ωｍに変換した正弦波信号（cos(２・ωｍ・ｔ)）を生成する。

２逓倍回路１０２で生成された正弦波信号（cos(２・ωｍ・ｔ)）は、ロックインアンプ１１０、１１４に出力される。

３逓倍回路１０４は、発振器１００から与えられた正弦波信号（cos(ωｍ・ｔ)）を３倍の角周波数３・ωｍに変換した正弦波信号（cos(３・ωｍ・ｔ)）を生成する。

３逓倍回路１０４で生成された正弦波信号（cos(３・ωｍ・ｔ)）は、ロックインアンプ１１２、１１６に出力される。

アンプ１０６は、検出部１４（第１フォトディテクタ８０）から出力された第１干渉信号を所定倍率で増幅し、増幅した第１干渉信号をロックインアンプ１１０、１１２に出力する。この第１干渉信号（の値）をＩ１（ｔ）で表す。

アンプ１０８は、検出部１４（第２フォトディテクタ８２）から出力された第２干渉信号を所定倍率で増幅し、増幅した第２干渉信号をロックインアンプ１１４、１１６に出力する。この第２干渉信号（の値）をＩ２（ｔ）で表す。

ロックインアンプ１１０は、アンプ１０６により与えられた第１干渉信号Ｉ１（ｔ）から、２逓倍回路１０２により与えられた正弦波信号（cos(２・ωｍ・ｔ)）の角周波数２・ωｍの成分（振幅値）を抽出して所定のゲインＧ１１で増幅した出力値Ｒ１（２・ωｍ）を出力する。

ここで、第１干渉信号Ｉ１（ｔ）は、角周波数ωｍの正弦波信号により位相変調された第１波長光を用いた干渉光の光強度であることから次式（７）で表される。

Ｉ１(ｔ)＝Ａ１＋Ｂ１・cos｛φ１＋ｍ・sin(ωｍ・ｔ)｝
＝Ａ１＋Ｂ１・cos(φ１)・cos{ｍ・sin(ωｍ・ｔ)}＋Ｂ１・sin(φ１)・sin{ｍ・sin(ωｍ・ｔ)} …（７）
Ａ１、Ｂ１は、第１参照光と第１測定光の強さに応じた値を示す。

φ１は、第１参照光の光路と第１測定光（第１戻り光）の光路との光学的距離の差に対応した位相差を示す。即ち、第１参照光が折り返す第５光ファイバ６２の端部６２ｏの端面から測定ターゲット２０までの光学的距離ｄ１の２倍の光学的距離２・ｄ１に対応した位相差を示し、φ１は次式（８）で表される。

φ１＝４π・ｄ１／λ１ …（８）
そして、上式（７）をベッセル関数（Ｊ_ｎ（ｘ））により級数展開すると、次式（９）で表される。

Ｉ１(ｔ)＝Ａ１＋Ｂ１・cos（φ１）・｛Ｊ_０（ｍ）＋２・Σ（−１）^ｎ・Ｊ_２ｎ（ｍ）・cos（２・ｎ・ωｍ・ｔ）
＋Ｂ１・sin（φ１）・｛２・Σ（−１）^ｎ＋１・Ｊ_２ｎ−１（ｍ）・cos｛（２ｎ−１）・ωｍ・ｔ｝ …（９）
なお、Σ記号は、変数ｎにｎ＝１からｎ＝∞までの値を代入して和をとることを意味する。

続いて、上式（９）の最初の２項だけ残すと、次式（１０）となる。

Ｉ１(ｔ)＝Ａ１＋Ｂ１・cos（φ１）・｛Ｊ_０（ｍ）−Ｊ_２（ｍ）・cos（２・ωｍ・ｔ）
＋Ｂ１・sin（φ１）・｛２・Ｊ_１（ｍ）・cos（ωｍ・ｔ）−２・Ｊ_３（ｍ）・cos（３・ωｍ・ｔ）｝ …（１０）
この式（１０）によれば、ロックインアンプ１１０の出力値Ｒ１（２・ωｍ）は、cos(２・ωｍ・ｔ)の係数にゲインＧ１１を乗算した値であり、次式（１１）の値となる。

Ｒ１（２・ωｍ）＝−Ｇ１１・Ｂ１・Ｊ_２（ｍ）・cos（φ１） …（１１）
このロックインアンプ１１０の出力値Ｒ１（２・ωｍ）が補正回路１１８に与えられる。

ロックインアンプ１１２は、アンプ１０６により与えられた第１干渉信号Ｉ１（ｔ）から、３逓倍回路１０４から与えられた正弦波信号（cos(３・ωｍ・ｔ)）の角周波数３・ωｍの成分を抽出して所定のゲインＧ１２で増幅した出力値Ｒ１（３・ωｍ）を出力する。

上式（１０）によれば、ロックインアンプ１１２の出力値Ｒ１（３・ωｍ）は、cos(３・ωｍ・ｔ)の係数にゲインＧ１２を乗算した値であり、次式（１２）の値となる。

Ｒ１（３・ωｍ）＝−Ｇ１２・２・Ｂ１・Ｊ_３（ｍ）・sin（φ１） …（１２）
このロックインアンプ１１２の出力値Ｒ１（３・ωｍ）が補正回路１１８に与えられる。

ロックインアンプ１１４は、アンプ１０８により与えられた第２干渉信号Ｉ２（ｔ）から、２逓倍回路１０２により与えられた正弦波信号（cos(２・ωｍ・ｔ)）の角周波数２・ωｍの成分を抽出して所定のゲインＧ２１で増幅した出力値Ｒ２（２・ωｍ）を出力する。

第２干渉信号Ｉ２（ｔ）は、第１干渉信号Ｉ１（ｔ）と同様に角周波数ωｍの正弦波信号により位相変調された第２波長光を用いた干渉光の光強度であることから次式（１３）で表される。

Ｉ２(ｔ)＝Ａ２＋Ｂ２・cos｛φ２＋ｍ・sin(ωｍ・ｔ)｝
＝Ａ２＋Ｂ２・cos(φ２)・cos{ｍ・sin(ωｍ・ｔ)}＋Ｂ２・sin(φ２)・sin{ｍ・sin(ωｍ・ｔ)} …（１３）
Ａ２、Ｂ２は、第２参照光と第２測定光の強さに応じた値を示す。

φ２は、第２参照光の光路と第２測定光（第１戻り光）の光路との光学的距離の差に対応した位相差を示す。即ち、第２参照光が折り返す第８光ファイバ６８の端部６８ｏの端面から測定ターゲット２０までの光学的距離ｄ２の２倍の光学的距離２・ｄ２に対応した位相差を示し、φ２は次式（１４）で表される。

φ２＝４π・ｄ２／λ２ …（１４）
そして、上式（１３）をベッセル関数により級数展開して、最初の２項だけ残すと、上式（１０）と同様に次式（１５）となる。

Ｉ２(ｔ)＝Ａ２＋Ｂ２・cos（φ２）・｛Ｊ_０（ｍ）−Ｊ_２（ｍ）・cos（２・ωｍ・ｔ）
＋Ｂ２・sin（φ２）・｛２・Ｊ_１（ｍ）・cos（ωｍ・ｔ）−２・Ｊ_３（ｍ）・cos（３・ωｍ・ｔ）｝ …（１５）
この式（１５）によれば、ロックインアンプ１１４の出力値Ｒ２（２・ωｍ）は、cos(２・ωｍ・ｔ)の係数にゲインＧ２１を乗算した値であり、次式（１６）の値となる。

Ｒ２（２・ωｍ）＝−Ｇ２１・Ｂ２・Ｊ_２（ｍ）・cos（φ２） …（１６）
このロックインアンプ１１４の出力値Ｒ２（２・ωｍ）が補正回路１２０に与えられる。

ロックインアンプ１１６は、アンプ１０８により与えられた第２干渉信号Ｉ２（ｔ）から、３逓倍回路１０４により与えられた正弦波信号（cos(３・ωｍ・ｔ)）の角周波数３・ωｍの成分を抽出して所定のゲインＧ２２で増幅した出力値Ｒ２（３・ωｍ）を出力する。

上式（１５）によれば、ロックインアンプ１１６の出力値Ｒ２（３・ωｍ）は、（cos(３・ωｍ・ｔ)）の係数にゲインＧ２２を乗算した値であり、次式（１７）の値となる。

Ｒ２（３・ωｍ）＝−Ｇ２２・２・Ｂ２・Ｊ_３（ｍ）・sin（φ２） …（１７）
このロックインアンプ１１６の出力値Ｒ２（３・ωｍ）が補正回路１２０に与えられる。

補正回路１１８は、ロックインアンプ１１０の出力値Ｒ１（２・ωｍ）とロックインアンプ１１２の出力値Ｒ１（３・ωｍ）とに所定の係数を掛けてリサージュ図形が真円になるように補正する。

図２に示すようにＲ１（２・ωｍ）をＸ軸の値（Ｘ座標値）、Ｒ１（３・ωｍ）をＹ軸の値（Ｙ座標値）とした座標上において、位相差φ１（測定ターゲット２０の位置）を変化させるとリサージュ図形が描かれる。そのリサージュ図形は、Ｒ１（２・ωｍ）におけるcos（φ１）の係数とＲ１（３・ωｍ）におけるsin（φ１）の係数との値の違いによって原点を中心とする真円とはならない。

そこで、Ｒ１（２・ωｍ）とＲ１（３・ωｍ）に所定の係数を掛けて補正（ゲイン補正）することにより、それらのＲ１（２・ωｍ）とＲ１（３・ωｍ）の各々の補正値Ｒ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）を求める。

それらの補正値Ｒ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）はカウンタ１２２に与えられる。

補正回路１２０は、補正回路１１８と同様に、ロックインアンプ１１４の出力値Ｒ２（２・ωｍ）とロックインアンプ１１６の出力値Ｒ２（３・ωｍ）とに所定の係数を掛けて、それらの補正値Ｒ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）を求める。これによって、Ｒ２（２・ωｍ）、Ｒ２（３・ωｍ）の各々の補正値をＸ座標値とＹ座標値としたときに位相差φ２（測定ターゲット２０の位置）の変化により描かれるリサージュ図形が真円になるようにする。

それらの補正値Ｒ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）はカウンタ１２４に与えられる。

カウンタ１２２は、補正回路１１８により順次与えられるＲ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）とに基づいて、それらをＸ座標値とＹ座標値としたときにリサージュ図形を描く点が測定開始から現時点までに原点周りを回転した回転数（実数）をカウント値Ｃ１として計数する。

即ち、測定開始時から現時点までの測定ターゲット２０の変位量（幾何学的距離Ｄ、光学的距離Ｄ１）に対応した位相差φ１の位相変化量をΔφ１とすると、カウント値Ｃ１は、上式（８）に基づき次式（１８）により表される。これによれば、カウント値Ｃ１は、位相変化量Δφ１の大きさを示す値である。また、光学的距離Ｄ１は、上式（８）における光学的距離ｄ１の測定開始時から現時点までの変化量に相当し、測定ターゲット２０の測定開始時の位置から現在位置までの光学的距離を示す。

Ｃ１＝Δφ１／２π＝２・Ｄ１／λ１ …（１８）
カウンタ１２２により計数されたカウント値Ｃ１は、計算機１２６に出力される。

カウンタ１２４は、補正回路１２０により順次与えられるＲ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）とに基づいて、それらをＸ座標値とＹ座標値としたときにリサージュ図形を描く点が測定開始から現時点までに原点周りを回転した回転数（実数）をカウント値Ｃ２として計数する。

即ち、測定開始時から現時点までの測定ターゲット２０の変位量（幾何学的距離Ｄ、光学的距離Ｄ２）に対応した位相差φ２の位相変化量をΔφ２とすると、カウント値Ｃ２は、上式（１４）に基づき次式（１９）により表される。これによれば、カウント値Ｃ２は、位相変化量Δφ２の大きさを示す値である。また、光学的距離Ｄ２は、上式（１４）における光学的距離ｄ２の測定開始時から現時点までの変化量に相当し、測定ターゲット２０の測定開始時の位置から現在位置までの光学的距離を示す。

Ｃ２＝Δφ２／２π＝２・Ｄ２／λ２ …（１９）
カウンタ１２４により計数されたカウント値Ｃ２は、計算機１２６に出力される。

計算機１２６は、カウンタ１２２から与えられたカウント値Ｃ１とカウンタ１２４から与えられたカウント値Ｃ２とに基づいて基準位置から測定ターゲット２０までの幾何学的距離Ｄ（測定ターゲット２０の測定開示時の位置から現時点の位置までの距離）を測長値として算出する。

即ち、カウント値Ｃ１と上式（１８）とに基づいて光学的距離Ｄ１を算出する。また、カウント値Ｃ２と上式（１９）とに基づいて光学的距離Ｄ２を算出する。

そして、算出した光学的距離Ｄ１と光学的距離Ｄ２とを上式（３）に代入して幾何学的距離Ｄを算出する。

これにより算出された幾何学的距離Ｄは、測長値として、モニタ等の接続機器に出力される。

以上、上記実施の形態の２波長干渉計１によれば、次のような理由から測長誤差を十分に小さくすることができ、実用化が可能となる。

１．光源の波長変動について
上記実施の形態では、図１のように第２高調波発生器（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）３６を用いることにより、波長変動による誤差が第１波長λ１の干渉計と第２波長λ２の干渉計において等しく生じるため、波長変動による誤差が上式（２）、（３）におけるＡ係数により増幅されない効果がある。

即ち、第１波長λ１の波長変動をΔλ１、第２波長λ２の波長変動をΔλ２とすると、Δλ２は正確にΔλ２＝Δλ１／２となる。この波長変動に伴う第１波長λ１の干渉計の位相差φ１の変化量Δφ１は、測定ターゲット２０までの光学的距離が一定値Ｄであるとすると、
Δφ１＝４π・Ｄ／λ１−４π・Ｄ／（λ１−Δλ１）
＝４π・Ｄ・［Δλ１／｛Δλ１・（λ１−Δλ１）｝］
同様に、第２波長λ２の干渉計の位相差φ２の変化量Δφ２は、
Δφ２＝４π・Ｄ・［Δλ２／｛Δλ２・（λ２−Δλ２）｝］
となり、λ２＝λ１／２、Δλ２＝Δλ１／２を代入すると、
Δφ２＝４π・Ｄ・［Δλ１／２／｛Δλ１／２・（λ１／２−Δλ１／２）｝］＝２・４π・Ｄ・［Δλ１／｛Δλ１・（λ１−Δλ１）｝］
従って、
Δφ２＝２・Δφ１
となる。

ところで、レーザー干渉計において位相差φ（φ１、φ２）から距離を算出する際に、波長変動がないものとするため、各々の干渉計から得られる光学的距離Ｄ１、Ｄ２は波長変動に伴う測長誤差をΔＤ１、ΔＤ２とすると、
Ｄ１＋ΔＤ１＝λ１・（φ１＋Δφ１）／４π
Ｄ２＋ΔＤ２＝λ２・（φ２＋Δφ２）／４π
となり、波長誤差ΔＤ１、ΔＤ２を抜き出すと、
ΔＤ１＝λ１・Δφ１／４π
ΔＤ２＝λ２・Δφ２／４π
となる。ここで、ΔＤ２にλ２＝λ１／２、Δφ２＝２・Δφ１を代入すると、
ΔＤ２＝λ１・Δφ１／４π
となるので、ΔＤ１＝ΔＤ２が成り立つ。

ここで、２波長干渉計で問題となる上式（３）のＡ係数が乗算される部分（Ｄ１−Ｄ２）を考えると、第２高調波発生器３６を用いた場合では、波長変動に伴う誤差ΔＤ１、ΔＤ２が等しいために互いに打ち消し合い、Ａ係数によって増幅されることがない。したがって、光源の波長変動が測長誤差に与える影響が軽減されている。

２．干渉信号のゲイン誤差、オフセット誤差、位相誤差（大気擾乱による波面揺らぎ）について
通常の干渉計では、４つのディテクタをそれぞれ干渉縞（正弦波）に対して９０度間隔になるように配置する。しかしながら、参照光と測定光のアライメント（波面の公差角度）や波面の乱れがあると干渉縞の間隔や歪みが変化するため、４つのディテクタの間隔が９０度ごとからずれる。その結果、光学的なアライメントのドリフトや大気擾乱による波面揺らぎが、リサージュ図形を乱し、ゲイン誤差、オフセット誤差、位相誤差を生じさせる。

一方、上記実施の形態のような正弦波位相変調干渉計では、２波長の各々の干渉光（第１干渉光、第２干渉光）に対して１つのフォトディテクタ（８０、８２）で受光して干渉信号（第１干渉信号、第２干渉信号）を生成し、干渉信号（第１干渉信号Ｉ１（ｔ）、第２干渉信号Ｉ２（ｔ））からロックインアンプにより周波数２・ωｍ及び周波数３・ωｍの信号のみを抽出することにより、実用上十分な弁別度でcosφ（cosφ１、cosφ２）とsinφ（sinφ１、sinφ２）を抽出している。そのため、原理的にオフセット誤差及び位相誤差が生じない。また、ゲイン誤差については、補正回路１１８、１２０により容易に補正可能である。したがって、干渉信号のゲイン誤差、オフセット誤差、位相誤差の測長誤差への影響が少ない。

３．２波長の光軸のずれについて
上記実施の形態では、干渉光の波面の広範囲の光強度を平均化したものを干渉信号として取得するため、ビーム波面の乱れに頑健であり、ビーム径を大きくすることができる。そのため、２波長の光軸アライメントの許容度が大きくなる。したがって、２波長の光軸ずれが測長誤差に与える影響が少ない。

４．その他
上記実施の形態では、干渉部（１２）等での光の伝搬は、干渉計から測定ターゲット２０までの間を除いて光ファイバにより行っているため、また、参照光と測定光とは干渉計内において同一の光路を伝搬するため、干渉系内の光路において熱などによる屈折率の変動が生じにくい。また、熱や振動などにより参照光と測定光の一方のみの光路の長さが変化することもない。更に、参照光と干渉光との光軸のずれも生じない。したがって、環境条件の変化の影響を受けにくく測長精度が高い。

次に、上記図１の２波長干渉計１の変形例について説明する。なお、以下の変形例において図１の２波長干渉計１と同一又は類似の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図４は、２波長干渉計１の第１の変形例を示した構成図である。

同図に示す２波長干渉計１は、図１の２波長干渉計１と比較して演算部１６の構成のみが相違している。

検出部１４の第１フォトディテクタ８０及び第２フォトディテクタ８２から出力された第１干渉信号及び第２干渉信号は、アンプ１０６及びアンプ１０８により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２０２及びＡ／Ｄ変換器２０４に出力される。

Ａ／Ｄ変換器２０２は、アンプ１０６により与えられた第１干渉信号を、サンプリングクロック発生器２００から与えられるクロック信号に同期してサンプリングしてアナログ信号をデジタル信号に変換する。

なお、サンプリングクロック発生器２００は、発振器１００からの信号に同期して所定周期のクロック信号を発生させ、そのクロック信号をＡ／Ｄ変換器２０２とＡ／Ｄ変換器２０４に与える。

Ａ／Ｄ変換器２０２によりデジタル信号に変換された第１干渉信号は、デジタル信号処理部２０６に出力される。

Ａ／Ｄ変換器２０４は、アンプ１０８により与えられた第２干渉信号を、サンプリングクロック発生器２００から与えられるクロック信号に同期してサンプリングしてアナログ信号をデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換器２０２によりデジタル信号に変換された第２干渉信号は、デジタル信号処理部２０６に出力される。

図５はデジタル信号処理部２０６の構成図である。

デジタル信号処理部２０６は、混合器２０８〜２１４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２１６〜２２２、補正部２２４、２２６、カウンタ２２８、２３０、乗算器２３２，２３４、２３８、減算器２３６、２４０を有する。

Ａ／Ｄ変換器２０２から出力された第１干渉信号は、混合器２０８、２１０に与えられ、Ａ／Ｄ変換器２０４から出力された第２干渉信号は、混合器２１２、２１４に与えられる。

混合器２０８は、Ａ／Ｄ変換器２０２から与えられた第１干渉信号に対して角周波数２・ωｍの正弦波信号（sin(２・ωｍ・ｔ)）を混合（乗算）した信号をＬＰＦ２１６に出力する。

ＬＰＦ２１６は、混合器２０８から出力された第１干渉信号のうち、所定のカットオフ周波数よりも低い周波数成分の信号を出力値Ｒ１（２・ωｍ）として出力する。この出力値Ｒ１（２・ωｍ）は、第１干渉信号の上式（１０）におけるcos(２・ωｍ・ｔ)の係数の値に等しく、上式（１１）の値となる。

ＬＰＦ２１６から出力された出力値Ｒ１（２・ωｍ）は、補正部２２４に与えられる。

混合器２１０は、Ａ／Ｄ変換器２０２から与えられた第１干渉信号に対して角周波数３・ωｍの正弦波信号（sin(３・ωｍ・ｔ)）を混合（乗算）した信号をＬＰＦ２１８に出力する。

ＬＰＦ２１８は、混合器２１０から出力された第１干渉信号のうち、所定のカットオフ周波数よりも低い周波数成分の信号を出力値Ｒ１（３・ωｍ）として出力する。この出力値Ｒ１（３・ωｍ）は、第１干渉信号の上式（１０）におけるcos(３・ωｍ・ｔ)の係数の値に等しく、上式（１２）の値となる。

ＬＰＦ２１８から出力された出力値Ｒ１（３・ωｍ）は、補正部２２４に与えられる。

混合器２１２は、Ａ／Ｄ変換器２０４から与えられた第２干渉信号に対して角周波数２・ωｍの正弦波信号（sin(２・ωｍ・ｔ)）を混合（乗算）した信号をＬＰＦ２２０に出力する。

ＬＰＦ２２０は、混合器２１２から出力された第２干渉信号のうち、所定のカットオフ周波数よりも低い周波数成分の信号を出力値Ｒ２（２・ωｍ）として出力する。この出力値Ｒ２（２・ωｍ）は、第２干渉信号の上式（１５）におけるcos(２・ωｍ・ｔ)の係数の値に等しく、上式（１６）の値となる。

ＬＰＦ２２０から出力された出力値Ｒ２（２・ωｍ）は、補正部２２６に与えられる。

混合器２１４は、Ａ／Ｄ変換器２０４から与えられた第２干渉信号に対して角周波数３・ωｍの正弦波信号（sin(３・ωｍ・ｔ)）を混合（乗算）した信号をＬＰＦ２２２に出力する。

ＬＰＦ２２２は、混合器２１４から出力された第２干渉信号のうち、所定のカットオフ周波数よりも低い周波数成分の信号を出力値Ｒ２（３・ωｍ）として出力する。この出力値Ｒ２（３・ωｍ）は、第２干渉信号の上式（１５）におけるcos(３・ωｍ・ｔ)の係数の値に等しく、上式（１７）の値となる。

ＬＰＦ２２２から出力された出力値Ｒ２（３・ωｍ）は、補正部２２６に与えられる。

補正部２２４は、ＬＰＦ２１６の出力値Ｒ１（２・ωｍ）とＬＰＦ２１８の出力値Ｒ１（３・ωｍ）に対し適切なゲイン補正をかけて、リサージュ図形が真円となる補正値Ｒ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）を求める。

補正部２２４で求められた補正値Ｒ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）は、カウンタ２２８に出力される。

補正部２２６は、ＬＰＦ２２０の出力値Ｒ２（２・ωｍ）とＬＰＦ２２２の出力値Ｒ２（３・ωｍ）に対して適切なゲイン補正をかけて、リサージュ図形が真円となる補正値Ｒ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）を求める。

補正部２２６で求められた補正値Ｒ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）をは、カウンタ２３０に出力される。

カウンタ２２８は、補正部２２４により順次与えられるＲ・cos（φ１）とＲ・sin（φ１）とに基づいて、それらをＸ座標値とＹ座標値としたときにリサージュ図形を描く点が測定開始から現時点までに原点周りを回転した回転数（実数）をカウント値Ｃ１として上式（１８）のように計数する。

カウンタ２２８により計数されたカウント値Ｃ１は、乗算器２３２に出力される。

カウンタ２３０は、補正部２２６により順次与えられるＲ・cos（φ２）とＲ・sin（φ２）とに基づいて、それらをＸ座標値とＹ座標値としたときにリサージュ図形を描く点が測定開始から現時点までに原点周りを回転した回転数（実数）をカウント値Ｃ２として上式（１９）のように計数する。

カウンタ２３０により計数されたカウント値Ｃ２は、乗算器２３４に出力される。

乗算器２３２は、カウンタ２２８から出力されたカウント値Ｃ１に対してλ１／２の値を乗算し、上式（１８）により導かれる光学的距離Ｄ１を算出する。

乗算器２３２で算出されたＤ１の値は、減算器２３６と減算器２４０に出力される。

乗算器２３４は、カウンタ２３０から出力されたカウント値Ｃ２に対してλ２／２の値を乗算し、上式（１９）により導かれる光学的距離Ｄ２を算出する。

乗算器２３４で算出されたＤ２の値は、減算器２３６に出力される。

減算器２３６は、乗算器２３２から与えられた光学的距離Ｄ１と乗算器２３４から与えられた光学的距離Ｄ２との差分（Ｄ１−Ｄ２）を算出し、乗算器２３８に出力する。

乗算器２３８は、減算器２３６から与えられた差分（Ｄ１−Ｄ２）に対して上式（３）に示したＡ係数を乗算して、Ａ・（Ｄ１−Ｄ２）を算出する。

乗算器２３８で算出されたＡ・（Ｄ１−Ｄ２）は減算器２４０に出力される。

減算器２４０は、乗算器２３２から与えられたＤ１と乗算器２３８から与えられたＡ・（Ｄ１−Ｄ２）との差分を算出し、上式（３）により導かれる幾何学的距離Ｄを算出する。

これにより算出された幾何学的距離Ｄは、測超値として、モニタ等の接続機器に出力される。

図６は、２波長干渉計１の第２の変形例を示した構成図である。

同図に示す２波長干渉計１は、図１の２波長干渉計１と比較して２波長光生成部１０の構成のみが相違している。

図１の２波長干渉計１では、レーザー光源３０から出射された第１波長光をＥＯ位相変調器３２により位相変調することにより、上式（５）に示したように位相変調された振動振幅Ｅ１の第１波長光を形成した。

図６に示す第２の変形例では、レーザー光源３０及びＥＯ位相変調器３２の代わりに直接変調型のレーザーダイオード３００を用いる。

直接変調型のレーザーダイオード３００は、変調信号を入力する端子を備えており、その端子に発振器１００から変調信号ｍ・cos（ωｍ・ｔ）を印加する。

これにより、上式（５）に示した位相変調された振動振幅Ｅ１の第１波長光がレーザーダイオード３００から出射され、第２光ファイバ４０を通じてビームスプリッタ３４に伝搬する。

なお、第２の変形例の２波長光生成部１０の構成は図４に示した第１の変形例に対しても適用可能である。

図７は、２波長干渉計１の第３の変形例を示した構成図である。

同図に示す２波長干渉計１は、図１の２波長干渉計１と比較して干渉部１２における入出力部２の構成のみが相違している。なお、演算部１６の構成は省略している。

同図において、入出力部２は、第５光ファイバ６２の一方の端部６２ｏ、第８光ファイバ６８の一方の端部６８ｏ、第１コリメータレンズ５４、第２コリメータレンズ５６、及び、ダイクロイックミラー５８、ビームスプリッタ４００、参照光用コーナーキューブプリズム４０２を有する。

これによって、第１参照光及び第２参照光は、第５光ファイバ６２の端部６２ｏ及び第８光ファイバ６８の端部６８ｏで折り返すのではなく、参照光用コーナーキューブプリズム４０２により折り返すように構成されている。

第５光ファイバ６２の端部６２ｏは、図１の形態と異なり、端面にハーフミラー膜ではなく、ＡＲコート（反射防止膜）が蒸着される。これにより端面での反射が抑制され、ノイズの軽減が図られている。

したがって、第１サーキュレータ５０から伝搬した第１波長光は、端部６２ｏの端面で反射されることなく、空間に出射される。空間に出射された第１波長光は、第１コリメータレンズ５４を通過して平行光に変換され、ダイクロイックミラー５８を透過して、ビームスプリッタ４００に伝搬する。

第８光ファイバ６８の端部６８ｏも同様に、図１の形態と異なり、端面にハーフミラー膜ではなく、ＡＲコート（反射防止膜）が蒸着される。これにより端面での反射が抑制され、ノイズの軽減が図られている。

したがって、第２サーキュレータ５２から伝搬した第２波長光は、端面で反射されることなく、空間に出射される。空間に出射された第２波長光は、第２コリメータレンズ５６を通過して平行光に変換され、ダイクロイックミラー５８で反射して、ビームスプリッタ４００に伝搬する。

ビームスプリッタ４００は、第５光ファイバ６２の端部６２ｏから出射されて伝搬した第１波長光の一部を第１参照光として反射し、残りを第１測定光として透過させる。

ビームスプリッタ４００で反射した第１参照光は、参照光用コーナーキューブプリズム４０２に伝搬して参照光用コーナーキューブプリズム４０２で折り返す。そして、再度、ビームスプリッタ４００で反射した後、ダイクロイックミラー５８及び第１コリメータレンズ５４を介して第５光ファイバ６２の端部６２ｏからファイバ内に進入する。

一方、ビームスプリッタ４００を透過した第１測定光は、測定ターゲット２０に伝搬して測定ターゲット２０で折り返す。そして、再度、ビームスプリッタ４００を透過した後、ダイクロイックミラー５８及び第１コリメータレンズ５４を介して第５光ファイバ６２の端部６２ｏからファイバ内に進入する。

これにより、図１の形態と同様に、第１参照光と第１測定光とを干渉させた第１干渉光が第５光ファイバ６２を通じて第１サーキュレータ５０へと伝搬する。

また、ビームスプリッタ４００は、第８光ファイバ６８の端部６８ｏから出射されて伝搬した第２波長光の一部を第２参照光として反射し、残りを第２測定光として透過させる。

ビームスプリッタ４００で反射した第２参照光は、参照光用コーナーキューブプリズム４０２に伝搬して参照光用コーナーキューブプリズム４０２で折り返す。そして、再度、ビームスプリッタ４００で反射した後、ダイクロイックミラー５８及び第２コリメータレンズ５６を介して第８光ファイバ６８の端部６８ｏからファイバ内に進入する。

一方、ビームスプリッタ４００を透過した第２測定光は、測定ターゲット２０に伝搬して測定ターゲット２０で折り返す。そして、再度、ビームスプリッタ４００を透過した後、ダイクロイックミラー５８及び第２コリメータレンズ５６を介して第８光ファイバ６８の端部６８ｏからファイバ内に進入する。

これにより、図１の形態と同様に、第２参照光と第２測定光とを干渉させた第２干渉光が第８光ファイバ６８を通じて第２サーキュレータ５２へと伝搬する。

なお、第３の変形例の入出力部２の構成は図４の第１の変形例、図６の第２の変形例、及び、図４の第１の変形例に図６の第２の変形例の２波長光生成部１０を適用した構成に対しても適用可能である。

１…２波長干渉計、２…入出力部、１０…２波長光生成部、１２…干渉部、１４…検出部、１６…演算部、２０…測定ターゲット、３０…レーザー光源、３２…ＥＯ位相変調器、３４…ビームスプリッタ、３６…第２高調波発生器、５０…第１サーキュレータ、５２…第２サーキュレータ、５４…第１コリメータレンズ、５６…第２コリメータレンズ、８０…第１フォトディテクタ、８２…第２フォトディテクタ、１００…発振器、１０２…２逓倍回路、１０４…３逓倍回路、１０６、１０８…アンプ、１１０、１１２、１１４、１１６…ロックインアンプ、１１８、１２０…補正回路、１２２、１２４…カウンタ、１２６…計算機

Claims

角周波数ωｍの正弦波により位相変調した第１波長λ１の第１光波を生成する第１光波生成部と、
第１波長λ１と異なる第２波長λ２の第２光波であって、前記角周波数ωｍの正弦波により位相変調した第２光波を生成する第２光波生成部と、
前記第１光波生成部により生成された第１光波を第１測定光と第１参照光とに分割する第１分割部と、
前記第２光波生成部により生成された第２光波を第２測定光と第２参照光とに分割する第２分割部と、
前記第１分割部により分割された後、測定対象に投光されて反射した第１測定光と、前記第１分割部により分割された第１参照光とを干渉させた第１干渉光の光強度を第１干渉信号として検出する第１干渉信号検出部と、
前記第２分割部により分割された後、前記測定対象に投光されて反射した第２測定光と、前記第２分割部により分割された第２参照光とを干渉させた第２干渉光の光強度を第２干渉信号として検出する第２干渉信号検出部と、
前記第１干渉信号検出部により検出された第１干渉信号に基づいて、第１測定光と第１参照光との位相差φ１の変化量Δφ１に対応する光学的距離Ｄ１を前記測定対象の基準位置からの距離として算出する第１光学的距離算出手段と、
前記第２干渉信号検出部により検出された第２干渉信号に基づいて、第２測定光と第２参照光との位相差φ２の変化量Δφ２に対応する光学的距離Ｄ２を前記測定対象の基準位置からの距離として算出する第２光学的距離算出手段と、
前記第１光学的距離算出手段と前記第２光学的距離算出手段とにより算出された光学的距離Ｄ１と光学的距離Ｄ２とに基づいて、前記測定対象の基準位置からの幾何学的距離Ｄを算出する幾何学的距離算出手段と、
を備え、
前記第１光学的距離算出手段は、前記第１干渉信号の角周波数２・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ１の余弦値を算出し、前記第１干渉信号の角周波数３・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ１の正弦値を算出し、該余弦値及び正弦値の各々をＸ座標値及びＹ座標値とする点が原点周りに回転する回転数に基づいて前記光学的距離Ｄ１を算出し、
前記第２光学的距離算出手段は、前記第２干渉信号の角周波数２・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ２の余弦値を算出し、前記第２干渉信号の角周波数３・ωｍの信号成分に基づいて前記位相差φ２の正弦値を算出し、該余弦値及び正弦値の各々をＸ座標値及びＹ座標値とする点が原点周りに回転する回転数に基づいて前記光学的距離Ｄ２を算出する２波長正弦波位相変調干渉計。
前記第１光波生成部と前記第１分割部との間、及び、前記第１分割部と前記第１干渉信号検出部との間を光ファイバにより光学的に接続する第１光ファイバ光路と、
前記第２光波生成部と前記第２分割部との間、及び、前記第２分割部と前記第２干渉信号検出部との間を光ファイバにより光学的に接続する第２光ファイバ光路と、
を備え、
前記第１分割部は、前記第１光波から分割した第１参照光を前記第１光ファイバ光路に戻し、かつ、前記第１光波から分割した第１測定光を前記測定対象に向けて投光し、前記測定対象で反射した第１測定光を前記第１光ファイバ光路に戻し、
前記第２分割部は、前記第２光波から分割した第２参照光を前記第２光ファイバ光路に戻し、かつ、前記第２光波から分割した第２測定光を前記測定対象に向けて投光し、前記測定対象で反射した第２測定光を前記第２光ファイバ光路に戻す、
請求項１に記載の２波長正弦波位相変調干渉計。
前記第２光波生成部は、前記第１光波生成部により生成された第１光波を波長変換して第２光波を生成する請求項１又は２に記載の２波長正弦波位相変調干渉計。
前記第１分割部及び前記第２分割部は、ハーフミラー面により形成された光ファイバの端部である請求項１、２、又は、３に記載の２波長正弦波位相変調干渉計。