JPH0666516A - レーザ干渉測長装置 - Google Patents
レーザ干渉測長装置Info
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- JPH0666516A JPH0666516A JP4245764A JP24576492A JPH0666516A JP H0666516 A JPH0666516 A JP H0666516A JP 4245764 A JP4245764 A JP 4245764A JP 24576492 A JP24576492 A JP 24576492A JP H0666516 A JPH0666516 A JP H0666516A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 被測定物の測定可能な移動速度の制限を、安
価な手段によって大幅に緩和することができるようにし
たレーザ干渉測長装置を提供する。 【構成】 この装置は、干渉光学系６０に、内部共振器
型で直交２周波の直線偏光６４ａ、６４ｂを出力する周
波数安定化レーザ６２を用いている。そして、光検出器
１６および２０から得られる測定ビート信号Ｓおよび参
照ビート信号Ｒを、発振器７０、ミキサ７４およびミキ
サ８２等を用いて扱いやすい中間周波信号ＩＦ1 および
ＩＦ2 に変換する。更に両信号の差周波数である被測定
物の移動に伴う周波数シフト±Δｆを、その符号を含め
て差周波検出回路９０で検出し、更にその周波数をアッ
プダウンカウンタ９２で積算する。
価な手段によって大幅に緩和することができるようにし
たレーザ干渉測長装置を提供する。 【構成】 この装置は、干渉光学系６０に、内部共振器
型で直交２周波の直線偏光６４ａ、６４ｂを出力する周
波数安定化レーザ６２を用いている。そして、光検出器
１６および２０から得られる測定ビート信号Ｓおよび参
照ビート信号Ｒを、発振器７０、ミキサ７４およびミキ
サ８２等を用いて扱いやすい中間周波信号ＩＦ1 および
ＩＦ2 に変換する。更に両信号の差周波数である被測定
物の移動に伴う周波数シフト±Δｆを、その符号を含め
て差周波検出回路９０で検出し、更にその周波数をアッ
プダウンカウンタ９２で積算する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、被測定物の移動距離
等を測定するものであって、２周波光源を用いるいわゆ
るヘテロダイン方式のレーザ干渉測長装置に関し、より
具体的には、被測定物の測定可能な移動速度の制限を、
安価な手段によって大幅に緩和することができるように
したレーザ干渉測長装置に関する。
等を測定するものであって、２周波光源を用いるいわゆ
るヘテロダイン方式のレーザ干渉測長装置に関し、より
具体的には、被測定物の測定可能な移動速度の制限を、
安価な手段によって大幅に緩和することができるように
したレーザ干渉測長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種のレーザ干渉測長装置の従来例を
図５に示す。この装置は、レーザ光源としてゼーマンレ
ーザ２を用いたものであり、それから出力されるわずか
に周波数の異なる右回りと左回りの円偏光を１／４波長
板３を通して互いに直交する二つの直線偏光４ａ（周波
数ｆ1 ）および４ｂ（周波数ｆ2 ）に変換し、それらを
ビーム分割器６で２方向に分割して測定光および参照光
とするようにしている。
図５に示す。この装置は、レーザ光源としてゼーマンレ
ーザ２を用いたものであり、それから出力されるわずか
に周波数の異なる右回りと左回りの円偏光を１／４波長
板３を通して互いに直交する二つの直線偏光４ａ（周波
数ｆ1 ）および４ｂ（周波数ｆ2 ）に変換し、それらを
ビーム分割器６で２方向に分割して測定光および参照光
とするようにしている。
【０００３】このビーム分割器６からの測定光は、偏光
ビーム分割器８に導かれてそこで直線偏光４ａと直線偏
光４ｂとに分離される。そして各直線偏光４ａ、４ｂを
固定反射鏡（例えば固定コーナキューブプリズム）１０
および被測定物に取り付けられた移動反射鏡（例えば移
動コーナキューブプリズム）１２でそれぞれ反射させて
偏光ビーム分割器８に再び入射させて互いに波面を揃
え、更に方位４５度の偏光子１４を通して互いに重ね合
わせて干渉光を作り、これを第１の光検出器１６に導い
てそこで電気信号に変換するようにしている。移動反射
鏡１２から反射して来る直線偏光４ｂは被測定物の移動
速度に応じてドップラー効果により±Δｆの周波数シフ
トを受けているので、この光検出器１６から出力される
測定ビート信号Ｓの周波数は（ｆ2 −ｆ1 ±Δｆ）であ
る。
ビーム分割器８に導かれてそこで直線偏光４ａと直線偏
光４ｂとに分離される。そして各直線偏光４ａ、４ｂを
固定反射鏡（例えば固定コーナキューブプリズム）１０
および被測定物に取り付けられた移動反射鏡（例えば移
動コーナキューブプリズム）１２でそれぞれ反射させて
偏光ビーム分割器８に再び入射させて互いに波面を揃
え、更に方位４５度の偏光子１４を通して互いに重ね合
わせて干渉光を作り、これを第１の光検出器１６に導い
てそこで電気信号に変換するようにしている。移動反射
鏡１２から反射して来る直線偏光４ｂは被測定物の移動
速度に応じてドップラー効果により±Δｆの周波数シフ
トを受けているので、この光検出器１６から出力される
測定ビート信号Ｓの周波数は（ｆ2 −ｆ1 ±Δｆ）であ
る。
【０００４】一方、ビーム分割器６からの参照光として
の直線偏光４ａおよび４ｂを、方位４５度の偏光子１８
を通して互いに重ね合わせて干渉光を作り、これを第２
の光検出器２０に導いてそこで電気信号に変換するよう
にしている。この光検出器２０から出力される参照ビー
ト信号Ｒの周波数は（ｆ2 −ｆ1 ）である。そして、こ
の測定ビート信号Ｓおよび参照ビート信号Ｒを差周波検
出回路２２に入力してそこで両ビート信号の差周波であ
る前記周波数シフト±Δｆを検出し、更にこれをアップ
ダウンカウンタ２４で積算することにより、移動反射鏡
１２即ち被測定物の移動方向および移動距離を測定する
ようにしている。
の直線偏光４ａおよび４ｂを、方位４５度の偏光子１８
を通して互いに重ね合わせて干渉光を作り、これを第２
の光検出器２０に導いてそこで電気信号に変換するよう
にしている。この光検出器２０から出力される参照ビー
ト信号Ｒの周波数は（ｆ2 −ｆ1 ）である。そして、こ
の測定ビート信号Ｓおよび参照ビート信号Ｒを差周波検
出回路２２に入力してそこで両ビート信号の差周波であ
る前記周波数シフト±Δｆを検出し、更にこれをアップ
ダウンカウンタ２４で積算することにより、移動反射鏡
１２即ち被測定物の移動方向および移動距離を測定する
ようにしている。
【０００５】図６は、単一周波数レーザおよび音響光変
調素子を用いてゼーマンレーザと等価な光源を構成した
例を示す図である。この例では、レーザ光源として単一
周波数レーザ３２を用いたものであり、それから出力さ
れる方位４５度の直線偏光３４を偏光ビーム分割器３６
でｐ成分３４ｐとｓ成分３４ｓとに分離し、その各々に
音響光変調素子４０、４２によってそれぞれ周波数
ｆ1 、ｆ2 の変調をかけ、それによって得られる直線偏
光３４ｐ′（周波数ｆ1 ）および３４ｓ′（周波数
ｆ2 ）を半透鏡５０で合わせ、このようにしてゼーマン
レーザを用いたのと等価な光を作るようにしている。４
４と４６は音響光変調素子４０、４２に変調用の高周波
（周波数はそれぞれｆ1 、ｆ2 ）をそれぞれ供給する発
振器、３８、４８は反射鏡である。このようにして得ら
れた光を図５のビーム分割器６に入射すれば、前記と同
様の測定を行うことができる。
調素子を用いてゼーマンレーザと等価な光源を構成した
例を示す図である。この例では、レーザ光源として単一
周波数レーザ３２を用いたものであり、それから出力さ
れる方位４５度の直線偏光３４を偏光ビーム分割器３６
でｐ成分３４ｐとｓ成分３４ｓとに分離し、その各々に
音響光変調素子４０、４２によってそれぞれ周波数
ｆ1 、ｆ2 の変調をかけ、それによって得られる直線偏
光３４ｐ′（周波数ｆ1 ）および３４ｓ′（周波数
ｆ2 ）を半透鏡５０で合わせ、このようにしてゼーマン
レーザを用いたのと等価な光を作るようにしている。４
４と４６は音響光変調素子４０、４２に変調用の高周波
（周波数はそれぞれｆ1 、ｆ2 ）をそれぞれ供給する発
振器、３８、４８は反射鏡である。このようにして得ら
れた光を図５のビーム分割器６に入射すれば、前記と同
様の測定を行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図５に示し
たゼーマンレーザ２を用いたレーザ干渉測長装置におい
ては、ゼーマンレーザ２の二つの偏光間の周波数差（ｆ
2 −ｆ1 ）が限られていて自由に選べないので、被測定
物の測定可能な移動速度に制限があるという問題があ
る。
たゼーマンレーザ２を用いたレーザ干渉測長装置におい
ては、ゼーマンレーザ２の二つの偏光間の周波数差（ｆ
2 −ｆ1 ）が限られていて自由に選べないので、被測定
物の測定可能な移動速度に制限があるという問題があ
る。
【０００７】これは、前記周波数シフトΔｆが正となる
方向（即ち被測定物が近づく方向）の被測定物の移動量
はその移動速度によらず測定可能であるが、周波数シフ
トΔｆが負となる方向（即ち被測定物が遠ざかる方向）
の被測定物の移動量は、 ｜Δｆ｜≦（ｆ2 −ｆ1 ） である速度においては測定可能であるが、これを超える
速度になると、光検出器１６から得られる測定ビート信
号Ｓの周波数は０から再び増加に転じ、移動方向があた
かも逆転したような信号となり測定できなくなるからで
ある。
方向（即ち被測定物が近づく方向）の被測定物の移動量
はその移動速度によらず測定可能であるが、周波数シフ
トΔｆが負となる方向（即ち被測定物が遠ざかる方向）
の被測定物の移動量は、 ｜Δｆ｜≦（ｆ2 −ｆ1 ） である速度においては測定可能であるが、これを超える
速度になると、光検出器１６から得られる測定ビート信
号Ｓの周波数は０から再び増加に転じ、移動方向があた
かも逆転したような信号となり測定できなくなるからで
ある。
【０００８】例えば、現状ではゼーマンレーザ２の前記
周波数差は大きくても約１．８ＭＨｚしか取れず、これ
だと約３０ｍ／分までしか測定することができない。こ
の程度では、近年のステッパ等の高速位置決め装置の要
求を満たすことはできない。
周波数差は大きくても約１．８ＭＨｚしか取れず、これ
だと約３０ｍ／分までしか測定することができない。こ
の程度では、近年のステッパ等の高速位置決め装置の要
求を満たすことはできない。
【０００９】一方、図６に示した音響光変調素子４０、
４２を用いたレーザ干渉測長装置においては、差周波
（ｆ2 −ｆ1 ）を選ぶのにかなりの自由度があるので、
速度制限は殆どないが、音響光変調素子４０、４２とい
う特殊な素子を用いていてそれが高価であるため、また
各々に発振器４４、４６が必要であるため、レーザ干渉
測長装置全体のコストが嵩むという問題がある。
４２を用いたレーザ干渉測長装置においては、差周波
（ｆ2 −ｆ1 ）を選ぶのにかなりの自由度があるので、
速度制限は殆どないが、音響光変調素子４０、４２とい
う特殊な素子を用いていてそれが高価であるため、また
各々に発振器４４、４６が必要であるため、レーザ干渉
測長装置全体のコストが嵩むという問題がある。
【００１０】また、音響光変調素子４０、４２で扱うこ
とのできるレーザ光のビーム径が非常に小さい（例えば
０．３ｍｍφ程度）ので、半透鏡５０から出た直線偏光
３４ｐ′と３４ｓ′とを同軸にする調整作業が非常に難
しいという問題もある。
とのできるレーザ光のビーム径が非常に小さい（例えば
０．３ｍｍφ程度）ので、半透鏡５０から出た直線偏光
３４ｐ′と３４ｓ′とを同軸にする調整作業が非常に難
しいという問題もある。
【００１１】そこでこの発明は、被測定物の測定可能な
移動速度の制限を、安価な手段によって大幅に緩和する
ことができるようにしたレーザ干渉測長装置を提供する
ことを主たる目的とする。
移動速度の制限を、安価な手段によって大幅に緩和する
ことができるようにしたレーザ干渉測長装置を提供する
ことを主たる目的とする。
【００１２】
【発明の概要】この発明のレーザ干渉測長装置は、簡単
に言えば、前述したような干渉光学系に、内部共振器型
で直交２周波の直線偏光を出力する周波数安定化レーザ
を用いること、および前述したような第１および第２の
光検出器から得られるビート信号をミキサを用い処理し
て周波数シフトΔｆを測定することを特徴としている。
に言えば、前述したような干渉光学系に、内部共振器型
で直交２周波の直線偏光を出力する周波数安定化レーザ
を用いること、および前述したような第１および第２の
光検出器から得られるビート信号をミキサを用い処理し
て周波数シフトΔｆを測定することを特徴としている。
【００１３】上記のような内部共振器型の周波数安定化
レーザでは、二つの直線偏光間の周波数差を非常に大き
く（例えば共振器長が２８ｃｍで約６００ＭＨｚ）取る
ことができるので、これを用いれば、測定可能な周波数
シフトも非常に大きくなり、従って被測定物の測定可能
な移動速度の制限も大幅に緩和される。
レーザでは、二つの直線偏光間の周波数差を非常に大き
く（例えば共振器長が２８ｃｍで約６００ＭＨｚ）取る
ことができるので、これを用いれば、測定可能な周波数
シフトも非常に大きくなり、従って被測定物の測定可能
な移動速度の制限も大幅に緩和される。
【００１４】また、信号処理回路を構成する発振器やミ
キサは周波数が数百ＭＨｚからＧＨｚにかけてのものも
現在では安価に入手することができるので、レーザ干渉
測長装置全体のコストを低く抑えることができる。
キサは周波数が数百ＭＨｚからＧＨｚにかけてのものも
現在では安価に入手することができるので、レーザ干渉
測長装置全体のコストを低く抑えることができる。
【００１５】
【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るレーザ干
渉測長装置を示す構成図である。
渉測長装置を示す構成図である。
【００１６】この実施例の干渉光学系６０の構成および
動作は、図５の装置のゼーマンレーザ２および１／４波
長板３を周波数安定化レーザ６２に置き換えた以外は、
図５の装置と同様であるので、そこでの説明を参照する
ものとし、ここでは重複説明を省略する。
動作は、図５の装置のゼーマンレーザ２および１／４波
長板３を周波数安定化レーザ６２に置き換えた以外は、
図５の装置と同様であるので、そこでの説明を参照する
ものとし、ここでは重複説明を省略する。
【００１７】周波数安定化レーザ６２は、内部共振器型
で直交２周波の直線偏光６４ａ（周波数ｆ1 ）および６
４ｂ（周波数ｆ2 ）を出力するものであり、より具体的
には内部鏡型Ｈe−Ｎeレーザである。周波数ｆ1 とｆ2
の関係は、この例ではｆ2＞ｆ1 に取っており、周波数
安定化レーザ６２の共振器長Ｌ、光速をＣとした場合、 ｆ2─ｆ1＝Ｃ／２Ｌ ・・・（１） で表される。
で直交２周波の直線偏光６４ａ（周波数ｆ1 ）および６
４ｂ（周波数ｆ2 ）を出力するものであり、より具体的
には内部鏡型Ｈe−Ｎeレーザである。周波数ｆ1 とｆ2
の関係は、この例ではｆ2＞ｆ1 に取っており、周波数
安定化レーザ６２の共振器長Ｌ、光速をＣとした場合、 ｆ2─ｆ1＝Ｃ／２Ｌ ・・・（１） で表される。
【００１８】そしてこの周波数安定化レーザ６２からの
両直線偏光６４ａ、６４ｂを図５の装置の場合と同様に
ビーム分割器６に入射させて測定光と参照光とに分割
し、前述したような作用で、最終的には、第１の光検出
器１６から測定ビート信号Ｓ（周波数ｆ2 −ｆ1 ±Δ
ｆ）および第２の光検出器２０から参照ビート信号（周
波数ｆ2 −ｆ1 ）を取り出すようにしている。
両直線偏光６４ａ、６４ｂを図５の装置の場合と同様に
ビーム分割器６に入射させて測定光と参照光とに分割
し、前述したような作用で、最終的には、第１の光検出
器１６から測定ビート信号Ｓ（周波数ｆ2 −ｆ1 ±Δ
ｆ）および第２の光検出器２０から参照ビート信号（周
波数ｆ2 −ｆ1 ）を取り出すようにしている。
【００１９】両光検出器１６、２０には、例えば、周波
数応答の良いアバランシェフォトダイオードを用いるの
が好ましい。
数応答の良いアバランシェフォトダイオードを用いるの
が好ましい。
【００２０】この光検出器１６、２０からの信号処理回
路は次のとおりである。即ちこの例では、所定周波数、
例えば（ｆ2 −ｆ1 −ν）の高周波信号ＬＯを出力する
発振器７０を設け、それからの高周波信号ＬＯを分岐器
７２で二つに分岐するようにしている。そして、前記光
検出器２０からの参照ビート信号Ｒとこの分岐器７２か
らの高周波信号ＬＯとを第１のミキサ７４で混合して、
第１の中間周波信号として、両信号の差の周波数νの中
間周波信号ＩＦ1 を取り出すようにしている。８０は同
中間周波信号ＩＦ1 を選択的に通過させるローパスフィ
ルタであり、また上記両信号の和の周波数の信号はハイ
パスフィルタ７６を経由して負荷抵抗７８で消費させる
ようにしている。
路は次のとおりである。即ちこの例では、所定周波数、
例えば（ｆ2 −ｆ1 −ν）の高周波信号ＬＯを出力する
発振器７０を設け、それからの高周波信号ＬＯを分岐器
７２で二つに分岐するようにしている。そして、前記光
検出器２０からの参照ビート信号Ｒとこの分岐器７２か
らの高周波信号ＬＯとを第１のミキサ７４で混合して、
第１の中間周波信号として、両信号の差の周波数νの中
間周波信号ＩＦ1 を取り出すようにしている。８０は同
中間周波信号ＩＦ1 を選択的に通過させるローパスフィ
ルタであり、また上記両信号の和の周波数の信号はハイ
パスフィルタ７６を経由して負荷抵抗７８で消費させる
ようにしている。
【００２１】一方、前記光検出器１６からの測定ビート
信号Ｓと分岐器７２からの高周波信号ＬＯとを第２のミ
キサ８２で混合して、第２の中間周波信号として、両信
号の差の周波数（ν±Δｆ）の中間周波信号ＩＦ2 を取
り出すようにしている。８８は同中間周波信号ＩＦ2 を
選択的に通過させるローパスフィルタであり、また上記
両信号の和の周波数の信号はハイパスフィルタ８４を経
由して負荷抵抗８６で消費させるようにしている。
信号Ｓと分岐器７２からの高周波信号ＬＯとを第２のミ
キサ８２で混合して、第２の中間周波信号として、両信
号の差の周波数（ν±Δｆ）の中間周波信号ＩＦ2 を取
り出すようにしている。８８は同中間周波信号ＩＦ2 を
選択的に通過させるローパスフィルタであり、また上記
両信号の和の周波数の信号はハイパスフィルタ８４を経
由して負荷抵抗８６で消費させるようにしている。
【００２２】両ミキサ７４、８２には、例えば、構成が
簡単で特性が良い、ショットキーダイオードを利用した
ダブルバランスドミキサを用いるのが好ましい。
簡単で特性が良い、ショットキーダイオードを利用した
ダブルバランスドミキサを用いるのが好ましい。
【００２３】更に、両ミキサ７４、８２からの両中間周
波信号ＩＦ1 、ＩＦ2 を差周波検出回路９０に与えて、
そこで両中間周波信号間の差周波±Δｆを検出するよう
にしている。この差周波±Δｆは、取りも直さず、移動
反射鏡１２即ち被測定物の移動による周波数シフト分で
ある。この差周波検出回路９０には、フリップフロップ
を用いる等した種々の公知の回路が利用できるが、この
例では、差周波Δｆの符号（極性）が正のときはそのア
ップ信号ライン９１ｕから差周波数Δｆの大きさに応じ
た数のアップパルスＵＰを出力し、差周波Δｆの符号が
負のときは、そのダウン信号ライン９１ｄから差周波数
Δｆの大きさに応じた数のダウンパルスＤＰを出力する
ものである。あるいはこのような差周波検出回路９０の
代わりに、差周波数Δｆの大きさに応じた数のパルス信
号と正負の符号を表す信号とを出力する差周波検出回路
を用いても良い。
波信号ＩＦ1 、ＩＦ2 を差周波検出回路９０に与えて、
そこで両中間周波信号間の差周波±Δｆを検出するよう
にしている。この差周波±Δｆは、取りも直さず、移動
反射鏡１２即ち被測定物の移動による周波数シフト分で
ある。この差周波検出回路９０には、フリップフロップ
を用いる等した種々の公知の回路が利用できるが、この
例では、差周波Δｆの符号（極性）が正のときはそのア
ップ信号ライン９１ｕから差周波数Δｆの大きさに応じ
た数のアップパルスＵＰを出力し、差周波Δｆの符号が
負のときは、そのダウン信号ライン９１ｄから差周波数
Δｆの大きさに応じた数のダウンパルスＤＰを出力する
ものである。あるいはこのような差周波検出回路９０の
代わりに、差周波数Δｆの大きさに応じた数のパルス信
号と正負の符号を表す信号とを出力する差周波検出回路
を用いても良い。
【００２４】そして、上記アップパルスＵＰおよびダウ
ンパルスＤＰをアップダウンカウンタ９２に入力する。
このアップダウンカウンタ９２は、アップパルスＵＰが
入力されたときはそのパルス数に応じてアンプカウント
を行い、ダウンパルスＤＰが入力されたときはそのパル
ス数に応じてダウンカウントを行う。これによって、前
記周波数シフト分±Δｆを積算して、移動反射鏡１２即
ち被測定物の移動方向および移動距離を測定するように
している。
ンパルスＤＰをアップダウンカウンタ９２に入力する。
このアップダウンカウンタ９２は、アップパルスＵＰが
入力されたときはそのパルス数に応じてアンプカウント
を行い、ダウンパルスＤＰが入力されたときはそのパル
ス数に応じてダウンカウントを行う。これによって、前
記周波数シフト分±Δｆを積算して、移動反射鏡１２即
ち被測定物の移動方向および移動距離を測定するように
している。
【００２５】上記発振器７０から出力する高周波信号Ｌ
Ｏの周波数（ｆ2 −ｆ1 −ν）の内の周波数νは、想定
される周波数シフトΔｆの最大値をΔｆm とした場合、 ν≧Δｆm ・・・（２） なる条件を満たすように選定しておけば、ミキサ８２か
ら出力される中間周波信号ＩＦ2 の周波数が０で折り返
すようなことは起こらない。また、同周波数νの上限
は、高周波信号ＬＯの周波数を上記例のように（ｆ2 −
ｆ1 −ν）に選ぶ場合は（ｆ2 −ｆ1 ）であるが、これ
を（ｆ2 −ｆ1 ＋ν）と選んでも良くその場合は制限は
ない。
Ｏの周波数（ｆ2 −ｆ1 −ν）の内の周波数νは、想定
される周波数シフトΔｆの最大値をΔｆm とした場合、 ν≧Δｆm ・・・（２） なる条件を満たすように選定しておけば、ミキサ８２か
ら出力される中間周波信号ＩＦ2 の周波数が０で折り返
すようなことは起こらない。また、同周波数νの上限
は、高周波信号ＬＯの周波数を上記例のように（ｆ2 −
ｆ1 −ν）に選ぶ場合は（ｆ2 −ｆ1 ）であるが、これ
を（ｆ2 −ｆ1 ＋ν）と選んでも良くその場合は制限は
ない。
【００２６】例えば、周波数安定化レーザ６２の共振器
長Ｌを２８ｃｍとすると、前記（１）式から、差周波
（ｆ2 −ｆ1 ）は約６００ＭＨｚになり、前記周波数ν
をこの６００ＭＨｚ近くに選ぶとすれば、上記レーザ干
渉測長装置では、周波数シフトΔｆは６００ＭＨｚ近く
まで許されることになる。従って、被測定物の測定可能
な移動速度の制限は大幅に緩和され、速度制限は殆ど無
くなる。即ちこのレーザ干渉測長装置によれば、従来の
ゼーマンレーザの最大の欠点である二つの偏光間の周波
数差選定に関する自由度の無さの問題を解決することが
でき、従って近年のステッパ等の高速位置決め装置の要
求にも十分に応えることができる。
長Ｌを２８ｃｍとすると、前記（１）式から、差周波
（ｆ2 −ｆ1 ）は約６００ＭＨｚになり、前記周波数ν
をこの６００ＭＨｚ近くに選ぶとすれば、上記レーザ干
渉測長装置では、周波数シフトΔｆは６００ＭＨｚ近く
まで許されることになる。従って、被測定物の測定可能
な移動速度の制限は大幅に緩和され、速度制限は殆ど無
くなる。即ちこのレーザ干渉測長装置によれば、従来の
ゼーマンレーザの最大の欠点である二つの偏光間の周波
数差選定に関する自由度の無さの問題を解決することが
でき、従って近年のステッパ等の高速位置決め装置の要
求にも十分に応えることができる。
【００２７】また、上記のような高い周波数を扱う場合
でも、数百ＭＨｚからＧＨｚにかけての発振器７０やミ
キサ７４、８２等は現在では安価に入手することができ
るので、上記信号処理回路を安価に構成することがで
き、従って当該レーザ干渉測長装置全体のコストを低く
抑えることができる。それゆえ、従来の音響光変調素子
を用いた場合に比べてコスト的にも有利となり、また音
響光変調素子を用いていないので光軸調整作業が難しく
なるという問題も起こらない。
でも、数百ＭＨｚからＧＨｚにかけての発振器７０やミ
キサ７４、８２等は現在では安価に入手することができ
るので、上記信号処理回路を安価に構成することがで
き、従って当該レーザ干渉測長装置全体のコストを低く
抑えることができる。それゆえ、従来の音響光変調素子
を用いた場合に比べてコスト的にも有利となり、また音
響光変調素子を用いていないので光軸調整作業が難しく
なるという問題も起こらない。
【００２８】また、ゼーマンレーザの場合は、磁場をか
けているので、歪んだクロストーク（二つの偏光を偏光
子で分離しても完全に分離できず、相手が幾分混ざり込
んでくる現象）が生じることが近年指摘されており（例
えば、「安定化ゼーマンレーザ出力の楕円偏光および非
直交性」、″Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉ−ｚ
ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｉｔ
ｙ ｏｆ ｓｔａ−ｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｅｅｍａｎ ｌ
ａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ″， Ｙｉ Ｘｉｅａｎｄ Ｙ
ｉ−ｚｕｎ Ｗｕ， １ Ｊｕｎｅ １９８９ ／ Ｖ
ｏｌ．２８， Ｎｏ．１１ ／ ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰ
ＴＩＣＳ， ｐｐ．２０４３−２０４６参照）、このよ
うなゼーマンレーザの非線形性により、ゼーマンレーザ
を用いたレーザ干渉測長装置では、特定の場所で位置測
定精度が非常に低下するという問題が近年クローズアッ
プされ始めている。
けているので、歪んだクロストーク（二つの偏光を偏光
子で分離しても完全に分離できず、相手が幾分混ざり込
んでくる現象）が生じることが近年指摘されており（例
えば、「安定化ゼーマンレーザ出力の楕円偏光および非
直交性」、″Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉ−ｚ
ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｉｔ
ｙ ｏｆ ｓｔａ−ｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｅｅｍａｎ ｌ
ａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ″， Ｙｉ Ｘｉｅａｎｄ Ｙ
ｉ−ｚｕｎ Ｗｕ， １ Ｊｕｎｅ １９８９ ／ Ｖ
ｏｌ．２８， Ｎｏ．１１ ／ ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰ
ＴＩＣＳ， ｐｐ．２０４３−２０４６参照）、このよ
うなゼーマンレーザの非線形性により、ゼーマンレーザ
を用いたレーザ干渉測長装置では、特定の場所で位置測
定精度が非常に低下するという問題が近年クローズアッ
プされ始めている。
【００２９】これに対して、内部共振器型の周波数安定
化レーザの場合は、磁場をかけていないので、クロスト
ークが生じるにしてもそれの歪が少なく、比較的簡単に
このクロストークを除去することができる。従って、そ
のような内部共振器型の周波数安定化レーザ６２を用い
た上記レーザ干渉測長装置は、クロストークによって特
定場所での位置測定精度が低下するという問題の解決が
容易であるという利点もある。
化レーザの場合は、磁場をかけていないので、クロスト
ークが生じるにしてもそれの歪が少なく、比較的簡単に
このクロストークを除去することができる。従って、そ
のような内部共振器型の周波数安定化レーザ６２を用い
た上記レーザ干渉測長装置は、クロストークによって特
定場所での位置測定精度が低下するという問題の解決が
容易であるという利点もある。
【００３０】なお、光検出器１６、２０からの信号を処
理する信号処理回路としては、図１に示したものの代わ
りに、図２あるいは図３に示すような回路を用いても良
い。
理する信号処理回路としては、図１に示したものの代わ
りに、図２あるいは図３に示すような回路を用いても良
い。
【００３１】図２の信号処理回路を、図１の回路との相
違点を主体に説明すると、この例では、発振器７０から
周波数νの高周波信号ＬＯを出力させ、これを分岐器７
２を経由して一つはミキサ７４に、もう一つは差周波検
出回路９０に供給するようにしている。そして、前記光
検出器２０からの参照ビート信号Ｒと分岐器７２からの
この高周波信号ＬＯとをミキサ７４で混合して、第１の
中間周波信号として、両信号の差の周波数（ｆ2 −ｆ1
−ν）の中間周波信号ＩＦ1′を取り出すようにしてい
る。８０は同中間周波信号ＩＦ1′を選択的に通過させ
るローパスフィルタであり、また上記両信号の和の周波
数の信号はハイパスフィルタ７６を経由して負荷抵抗７
８で消費させるようにしている。
違点を主体に説明すると、この例では、発振器７０から
周波数νの高周波信号ＬＯを出力させ、これを分岐器７
２を経由して一つはミキサ７４に、もう一つは差周波検
出回路９０に供給するようにしている。そして、前記光
検出器２０からの参照ビート信号Ｒと分岐器７２からの
この高周波信号ＬＯとをミキサ７４で混合して、第１の
中間周波信号として、両信号の差の周波数（ｆ2 −ｆ1
−ν）の中間周波信号ＩＦ1′を取り出すようにしてい
る。８０は同中間周波信号ＩＦ1′を選択的に通過させ
るローパスフィルタであり、また上記両信号の和の周波
数の信号はハイパスフィルタ７６を経由して負荷抵抗７
８で消費させるようにしている。
【００３２】一方、ミキサ８２は上記ミキサ７４からの
中間周波信号ＩＦ1′と前記光検出器１６からの測定ビ
ート信号Ｓとを混合して、第２の中間周波信号として、
両信号の差の周波数（ν±Δｆ）の中間周波信号ＩＦ2
を取り出すものであり、差周波検出回路９０はこの中間
周波信号ＩＦ2 と分岐器７２からの高周波信号ＬＯとの
間の差周波数±Δｆを検出する。その他は、図１の回路
と同様である。
中間周波信号ＩＦ1′と前記光検出器１６からの測定ビ
ート信号Ｓとを混合して、第２の中間周波信号として、
両信号の差の周波数（ν±Δｆ）の中間周波信号ＩＦ2
を取り出すものであり、差周波検出回路９０はこの中間
周波信号ＩＦ2 と分岐器７２からの高周波信号ＬＯとの
間の差周波数±Δｆを検出する。その他は、図１の回路
と同様である。
【００３３】この図２のような信号処理回路は、周波数
νが小さい場合（即ち前記（２）式からも分かるように
周波数シフトの最大値Δｆm が小さい場合）、発振器７
０の周波数が低くて済むという利点がある。但し、周波
数安定化レーザ６２の二つの偏光間の周波数差（ｆ2 −
ｆ1 ）が大きいと、ミキサ７４から出力される和の周波
数（ｆ2 −ｆ1 ＋ν）の信号と差の周波数（ｆ2 −ｆ1
−ν）の信号との間の周波数差が、全体の周波数が高い
割には小さいので、フィルタによる両信号の分離が難し
くなる。
νが小さい場合（即ち前記（２）式からも分かるように
周波数シフトの最大値Δｆm が小さい場合）、発振器７
０の周波数が低くて済むという利点がある。但し、周波
数安定化レーザ６２の二つの偏光間の周波数差（ｆ2 −
ｆ1 ）が大きいと、ミキサ７４から出力される和の周波
数（ｆ2 −ｆ1 ＋ν）の信号と差の周波数（ｆ2 −ｆ1
−ν）の信号との間の周波数差が、全体の周波数が高い
割には小さいので、フィルタによる両信号の分離が難し
くなる。
【００３４】次に、図３の信号処理回路を、図１および
図２の回路との相違点を主体に説明すると、この例で
は、前記光検出器１６および２０からの測定ビート信号
Ｓおよび参照ビート信号Ｒを、いきなりミキサ９４に供
給してそこで混合して、両信号の差の周波数（｜Δｆ
｜）の中間周波信号ＩＦを取り出し、その周波数をカウ
ンタ１０２で積算するようにしている。１００は同中間
周波信号ＩＦを選択的に通過させるローパスフィルタで
あり、また上記両信号の和の周波数の信号はハイパスフ
ィルタ９６を経由して負荷抵抗９８で消費させるように
している。
図２の回路との相違点を主体に説明すると、この例で
は、前記光検出器１６および２０からの測定ビート信号
Ｓおよび参照ビート信号Ｒを、いきなりミキサ９４に供
給してそこで混合して、両信号の差の周波数（｜Δｆ
｜）の中間周波信号ＩＦを取り出し、その周波数をカウ
ンタ１０２で積算するようにしている。１００は同中間
周波信号ＩＦを選択的に通過させるローパスフィルタで
あり、また上記両信号の和の周波数の信号はハイパスフ
ィルタ９６を経由して負荷抵抗９８で消費させるように
している。
【００３５】この図３のような信号処理回路は、回路構
成が簡単であるという利点がある。但し、ミキサ９４か
ら出力される中間周波信号ＩＦの周波数は｜Δｆ｜であ
り、それを図１および図２の例と違って他の基準となる
周波数と比較する（図１および図２の例はそれを差周波
検出回路９０で行う）ようなことはしていないので、周
波数シフト±Δｆにおける符号、即ち被測定物の移動方
向は判定できない。従って、それが必要な場合は他の手
段で行う必要がある。
成が簡単であるという利点がある。但し、ミキサ９４か
ら出力される中間周波信号ＩＦの周波数は｜Δｆ｜であ
り、それを図１および図２の例と違って他の基準となる
周波数と比較する（図１および図２の例はそれを差周波
検出回路９０で行う）ようなことはしていないので、周
波数シフト±Δｆにおける符号、即ち被測定物の移動方
向は判定できない。従って、それが必要な場合は他の手
段で行う必要がある。
【００３６】次に、干渉光学系について見ると、図１に
示した干渉光学系６０の代わりに、図４に示すような干
渉光学系を用いても良い。これの、図１の干渉光学系６
０との相違点を主体に説明すると、この例では、図１の
偏光子１４を設ける代わりに、偏光ビーム分割器８で分
離した直線偏光６４ａの往復の光路に方位４５度の１／
４波長板６６を設けている。このようにすれば、偏光ビ
ーム分割器８で分離された直線偏光６４ａは、１／４波
長板６６で円偏光に変換され再び直線偏光に変換される
が、この直線偏光は元とは９０度振動面がずれている。
これと移動反射鏡１２から反射されて来た直線偏光６４
ｂとを偏光ビーム分割器８に戻して重ね合わせると干渉
光が得られるので、これを光検出器１６に導けば前記と
同様の測定ビート信号Ｓを得ることができる。
示した干渉光学系６０の代わりに、図４に示すような干
渉光学系を用いても良い。これの、図１の干渉光学系６
０との相違点を主体に説明すると、この例では、図１の
偏光子１４を設ける代わりに、偏光ビーム分割器８で分
離した直線偏光６４ａの往復の光路に方位４５度の１／
４波長板６６を設けている。このようにすれば、偏光ビ
ーム分割器８で分離された直線偏光６４ａは、１／４波
長板６６で円偏光に変換され再び直線偏光に変換される
が、この直線偏光は元とは９０度振動面がずれている。
これと移動反射鏡１２から反射されて来た直線偏光６４
ｂとを偏光ビーム分割器８に戻して重ね合わせると干渉
光が得られるので、これを光検出器１６に導けば前記と
同様の測定ビート信号Ｓを得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、内部共
振器型の周波数安定化レーザを光源として用いており、
このレーザは二つの直線偏光間の周波数差をゼーマンレ
ーザに比べて非常に大きく取ることができるので、測定
可能な周波数シフトも非常に大きくなり、従って被測定
物の測定可能な移動速度の制限を大幅に緩和することが
できる。即ち、従来のゼーマンレーザの最大の欠点であ
る二つの偏光間の周波数差選定に関する自由度の無さの
問題を解決することができ、従って近年のステッパ等の
高速位置決め装置の要求にも十分に応えることができ
る。
振器型の周波数安定化レーザを光源として用いており、
このレーザは二つの直線偏光間の周波数差をゼーマンレ
ーザに比べて非常に大きく取ることができるので、測定
可能な周波数シフトも非常に大きくなり、従って被測定
物の測定可能な移動速度の制限を大幅に緩和することが
できる。即ち、従来のゼーマンレーザの最大の欠点であ
る二つの偏光間の周波数差選定に関する自由度の無さの
問題を解決することができ、従って近年のステッパ等の
高速位置決め装置の要求にも十分に応えることができ
る。
【００３８】しかも、信号処理回路を構成する発振器や
ミキサは、周波数が数百ＭＨｚからＧＨｚにかけてのも
のでも現在は安価に入手することができるので、当該レ
ーザ干渉測長装置全体のコストを低く抑えることができ
る。それゆえ、従来の音響光変調素子を用いた場合に比
べてコスト的にも有利となり、また音響光変調素子を用
いていないので光軸調整作業が難しくなるという問題も
起こらない。
ミキサは、周波数が数百ＭＨｚからＧＨｚにかけてのも
のでも現在は安価に入手することができるので、当該レ
ーザ干渉測長装置全体のコストを低く抑えることができ
る。それゆえ、従来の音響光変調素子を用いた場合に比
べてコスト的にも有利となり、また音響光変調素子を用
いていないので光軸調整作業が難しくなるという問題も
起こらない。
【００３９】また、内部共振器型の周波数安定化レーザ
は、ゼーマンレーザの場合と違って、クロストークが生
じるにしてもそれの歪が少ないので、それを比較的簡単
に除去することができ、従って、クロストークによって
特定場所での位置測定精度が低下するという問題の解決
が容易であるという利点もある。
は、ゼーマンレーザの場合と違って、クロストークが生
じるにしてもそれの歪が少ないので、それを比較的簡単
に除去することができ、従って、クロストークによって
特定場所での位置測定精度が低下するという問題の解決
が容易であるという利点もある。
【図１】この発明の一実施例に係るレーザ干渉測長装置
を示す構成図である。
を示す構成図である。
【図２】信号処理回路の他の例を示すブロック図であ
る。
る。
【図３】信号処理回路の更に他の例を示すブロック図で
ある。
ある。
【図４】干渉光学系の他の例を示す構成図である。
【図５】従来のゼーマンレーザを使用したレーザ干渉測
長装置の例を示す構成図である。
長装置の例を示す構成図である。
【図６】単一周波数レーザおよび音響光変調素子を用い
てゼーマンレーザと等価な光源を構成した例を示す図で
ある。
てゼーマンレーザと等価な光源を構成した例を示す図で
ある。
６ ビーム分割器 ８ 偏光ビーム分割器 １０ 固定反射鏡 １２ 移動反射鏡 １４ 偏光子 １６ 第１の光検出器 １８ 偏光子 ２０ 第２の光検出器 ６０ 干渉光学系 ６２ 周波数安定化レーザ ７０ 発振器 ７２ 分岐器 ７４ 第１のミキサ ８２ 第２のミキサ ９０ 差周波検出回路 ９２ アップダウンカウンタ ９４ ミキサ １０２ カウンタ
Claims (3)
- 【請求項１】 内部共振器型で直交２周波の直線偏光を
出力する周波数安定化レーザからのレーザ光の内の第１
の周波数成分の光と、第２の周波数成分の光に被測定物
の移動による周波数シフトを乗せた光とを互いに重ね合
わせて干渉光を作り、これを第１の光検出器に導いてそ
こから測定ビート信号を取り出すと共に、前記周波数安
定化レーザからの第１および第２の周波数成分の光を互
いに重ね合わせて干渉光を作り、これを第２の光検出器
に導いてそこから参照ビート信号を取り出すよう構成さ
れた干渉光学系と、所定周波数の高周波信号を出力する
発振器と、この発振器からの高周波信号を分岐する分岐
器と、この分岐器からの高周波信号と前記第２の光検出
器からの参照ビート信号とを混合して第１の中間周波信
号を出力する第１のミキサと、前記分岐器からの高周波
信号と前記第２の光検出器からの測定ビート信号とを混
合して第２の中間周波信号を出力する第２のミキサと、
第１および第２のミキサからの第１および第２の中間周
波信号間の差周波を検出し、その大きさと正負の符号を
表す信号を出力する差周波検出回路と、この差周波検出
回路からの信号に応答してアップカウントおよびダウン
カウントするアップダウンカウンタとを備えることを特
徴とするレーザ干渉測長装置。 - 【請求項２】 内部共振器型で直交２周波の直線偏光を
出力する周波数安定化レーザからのレーザ光の内の第１
の周波数成分の光と、第２の周波数成分の光に被測定物
の移動による周波数シフトを乗せた光とを互いに重ね合
わせて干渉光を作り、これを第１の光検出器に導いてそ
こから測定ビート信号を取り出すと共に、前記周波数安
定化レーザからの第１および第２の周波数成分の光を互
いに重ね合わせて干渉光を作り、これを第２の光検出器
に導いてそこから参照ビート信号を取り出すよう構成さ
れた干渉光学系と、所定周波数の高周波信号を出力する
発振器と、この発振器からの高周波信号を分岐する分岐
器と、この分岐器からの高周波信号と前記第２の光検出
器からの参照ビート信号とを混合して第１の中間周波信
号を出力する第１のミキサと、この第１のミキサからの
第１の中間周波信号と前記第２の光検出器からの測定ビ
ート信号とを混合して第２の中間周波信号を出力する第
２のミキサと、この第２のミキサからの第２の中間周波
信号と前記分岐器からの高周波信号との間の差周波を検
出し、その大きさと正負の符号を表す信号を出力する差
周波検出回路と、この差周波検出回路からの信号に応答
してアップカウントおよびダウンカウントするアップダ
ウンカウンタとを備えることを特徴とするレーザ干渉測
長装置。 - 【請求項３】 内部共振器型で直交２周波の直線偏光を
出力する周波数安定化レーザからのレーザ光の内の第１
の周波数成分の光と、第２の周波数成分の光に被測定物
の移動による周波数シフトを乗せた光とを互いに重ね合
わせて干渉光を作り、これを第１の光検出器に導いてそ
こから測定ビート信号を取り出すと共に、前記周波数安
定化レーザからの第１および第２の周波数成分の光を互
いに重ね合わせて干渉光を作り、これを第２の光検出器
に導いてそこから参照ビート信号を取り出すよう構成さ
れた干渉光学系と、前記第１および第２の光検出器から
の参照ビート信号および測定ビート信号を互いに混合し
て中間周波信号を出力するミキサと、このミキサからの
中間周波信号の周波数に応じてカウントするカウンタと
を備えることを特徴とするレーザ干渉測長装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4245764A JPH0666516A (ja) | 1992-08-21 | 1992-08-21 | レーザ干渉測長装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4245764A JPH0666516A (ja) | 1992-08-21 | 1992-08-21 | レーザ干渉測長装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0666516A true JPH0666516A (ja) | 1994-03-08 |
Family
ID=17138461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4245764A Pending JPH0666516A (ja) | 1992-08-21 | 1992-08-21 | レーザ干渉測長装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0666516A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999005471A1 (fr) * | 1997-07-23 | 1999-02-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Instrument de mesure des longueurs |
| US6266479B1 (en) * | 1997-06-09 | 2001-07-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Video signal recording and reproducing apparatus |
| WO2010146906A1 (ja) * | 2009-06-17 | 2010-12-23 | 株式会社 ソキア・トプコン | 光波距離計 |
-
1992
- 1992-08-21 JP JP4245764A patent/JPH0666516A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6266479B1 (en) * | 1997-06-09 | 2001-07-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Video signal recording and reproducing apparatus |
| WO1999005471A1 (fr) * | 1997-07-23 | 1999-02-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Instrument de mesure des longueurs |
| US6351312B1 (en) | 1997-07-23 | 2002-02-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Interference-type distance measuring device |
| WO2010146906A1 (ja) * | 2009-06-17 | 2010-12-23 | 株式会社 ソキア・トプコン | 光波距離計 |
| JP2011002302A (ja) * | 2009-06-17 | 2011-01-06 | Sokkia Topcon Co Ltd | 光波距離計 |
| CN102341726A (zh) * | 2009-06-17 | 2012-02-01 | 株式会社索佳拓普康 | 光波距离计 |
| US8570494B2 (en) | 2009-06-17 | 2013-10-29 | Sokkia Topcon Co., Ltd. | Electro-optical distance meter |
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