JPH0737910B2 - 波長計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光波長の精密測定に利用
する。特に、光の干渉を利用した精密干渉測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】光波長を精密に測定するためには、従来
から、移動鏡を備えた干渉計が利用されている。一般に
は、入射光ビームをビームスプリッタで反射光と透過光
とに分波し、その一方のビームを固定鏡で、他方を移動
鏡で反射し、二つの反射光を再びビームスプリッタで合
波する構造の干渉計が用いられる。一度分波した光を再
び合波することで干渉光が得られ、この干渉光を移動鏡
を移動させながら測定すると、その移動鏡の位置に対応
して時間的に強度が変化する波形が得られる。本明細書
ではこの波形を「干渉波形」と呼び、この波形の一周期
を干渉縞計数の単位とする。

【０００３】干渉計を利用して光波長を測定するには、
被測定光と同時に波長が既知の基準光を干渉計に入射
し、それぞれの光によって得られる干渉縞の数（波数）
を比較する。単純には、移動鏡をある範囲にわたり移動
させたときの干渉縞の波数の比を用いる。すなわち、基
準光の波長をλ₀ 、基準光に対して得られた干渉縞の波
数をＮ₀ 、被測定光に対して得られた干渉縞の波数をＭ
₀ とするとき、 λ_x ＝λ₀ ×（Ｎ₀ ／Ｍ₀ ） ………(1) により被測定光の波長λ_x が求められる。この測定方法
は、干渉縞の数が多いほど、すなわち移動鏡の移動距離
が長いほど、分解能が高くなる。しかし、移動距離を長
くすると装置が大きくなってしまう。

【０００４】この欠点を補うためには、二つの干渉縞が
ほぼ同時に生じたときを基準として測定する。すなわ
ち、二つの干渉縞が１回目にほぼ同時に生じたときまで
の波数をそれぞれＮ₀₁、Ｍ₀₁とし、２回目までの波数を
それぞれＮ₀₂、Ｍ₀₂とすると、被測定光の波長λ_x は、 λ_x ＝λ₀ ×（Ｎ₀₂−Ｎ₀₁）／（Ｍ₀₂−Ｍ₀₁） ………(2) となる。二つの干渉縞が完全に同時に生じた場合のみの
波数を用いれば波長計の分解能は無限大となり、被測定
光の測定精度は基準光の波長精度で決まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、二つの干渉縞
が同時に生じることはまれであり、なかなか測定できな
い欠点がある。このため実際には、二つの干渉縞が完全
に同時に生じたときのみ波数を計数するのではなく、二
つの干渉縞があらかじめ定められた時間差τ_max（以下
「最大測定時間差」という）内に生じた場合に各々の波
数を計数している。このため、分解能が最大測定時間差
τ_max によって決定される。例えば最大測定時間差τ
_max を基準光の干渉縞が生じる周期の1/100 としても、
(1) 式のように単純に波数の比をとる場合に比較して、
分解能は100 倍にしかならない。

【０００６】本発明は、以上の課題を解決し、移動鏡の
移動距離を大きくとることなく分解能の高い波長計を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、二つの干渉光
にほぼ同時に干渉縞が生じたときにその干渉縞の時間差
を測定する時間差測定手段を備え、この手段の出力によ
り波数の計数値を補正して演算を行うことを特徴とす
る。

【０００８】具体的には、移動鏡が移動を開始したとき
を測定開始とし、最初に基準光の干渉縞と被測定光の干
渉縞とがほぼ同時に生じたときの干渉縞の波数をそれぞ
れＮ₀₁、Ｍ₀₁、干渉縞の時間差をτ₁ とする。また、次
に基準光の干渉縞と被測定光の干渉縞とがほぼ同時に生
じたときの波数をそれぞれＮ₀₂、Ｍ₀₂、干渉縞の時間差
をτ₂ とする。さらに、基準光の干渉縞が生じる周期を
Ｔ_ref とする。このとき被測定光の波長λ_x は、 λ_x ＝λ₀ ×〔（Ｎ₀₂＋τ₂ ／Ｔ_ref ） −（Ｎ₀₁＋τ₁ ／Ｔ_ref ）〕／（Ｍ₀₂−Ｍ₀₁）………(3) の演算により求められる。

【０００９】

【作用】干渉縞の生じる時間差を測定して演算を補正す
るので、分解能が向上する。例えば、最大測定時間差τ
_max を基準光の干渉縞が生じる周期Ｔ_ref の100 分の１
以下に設定し、さらにその時間差τ₁ 、τ₂ を測定する
と、測定分解能は時間差を測定する分解能で決まり、例
えば時間差を測定する分解能を周期Ｔ_ref の10000 分の
１に設定すると、測定値で±１の測定誤差があることを
考慮しても、 (1)式による場合の5000倍に向上する。最
大測定時間差τ_max の値を変更すれば、測定に要する時
間が変更でき、時間差を測定する分解能を変更すれば、
分解能を変更できる。また、さらに高い分解能を必要と
する場合には、複数回の測定を行ってその平均値を求め
るとよい。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す図であり、(a)
は波長計のブロック構成、(b) は測定対象の干渉縞波形
を示す。この波長計は、入射光ビームを二つに分波して
別々の光路を経由させた後に再び合波して干渉させる光
学手段としてビームスプリッタ１、固定鏡２および移動
鏡３を備え、その別々の光路の相対的な長さを実質的に
一定の速度で変化させる光路長差付与手段として移動鏡
駆動装置４を備える。これらのビームスプリッタ１、固
定鏡２、移動鏡３および移動鏡駆動装置４が干渉計を構
成する。この波長計はさらに、干渉計に同時に二つの光
ビームを入射したときにそのビーム毎に得られる二つの
干渉光の強度をそれぞれ時系列に測定する干渉光測定手
段として受光素子５、６および基準光干渉縞波形整形回
路７、被測定光干渉縞波形整形回路８を備え、この二つ
の干渉光に生じる干渉縞をそれぞれ計数する干渉縞計数
手段として基準光干渉縞計数回路９および被測定光干渉
縞計数回路10を備え、二つの光ビームの一方を基準光、
他方を被測定光とし、二つの干渉光にほぼ同時に干渉縞
が生じてから次にほぼ同時に干渉縞が生じるまでの基準
光干渉縞計数回路９および被測定光干渉縞計数回路10の
計数値により被測定光の波長を演算により求める演算手
段として演算装置12を備える。演算装置12には表示装置
13が接続される。

【００１１】ここで本実施例の特徴とするところは、二
つの干渉光にほぼ同時に干渉縞が生じたときにその干渉
縞の時間差を測定する時間差測定手段として時間差計数
回路11を備え、演算装置12にはこの時間差計数回路11の
出力により基準光干渉縞計数回路９およびまたは被測定
光干渉縞計数回路10の出力を補正する手段を含むことに
ある。

【００１２】波長λ₀ の基準光と波長λ_x の被測定光と
を干渉計に入射すると、これらの入射ビームはビームス
プリッタ１により二分され、それぞれの一方は固定鏡２
により、他方は移動鏡３により反射され、再びビームス
プリッタ１に入射する。このとき得られる干渉光をそれ
ぞれ受光素子５、６で受光する。

【００１３】受光素子５、６に入射する干渉光の強度
は、移動鏡３の移動に伴って変化する。すなわち、移動
鏡３の移動速度に対応した時間周期で変化する干渉縞が
測定される。受光素子５の出力は、基準光干渉縞波形整
形回路７により波形整形され、基準光干渉縞計数回路９
に供給される。受光素子６の出力は、被測定光干渉縞波
形整形回路８により波形整形され、被測定光干渉縞計数
回路10に供給される。基準光干渉縞計数回路９、被測定
光干渉縞計数回路10は、それぞれの波形整形された入力
から干渉縞の波数を計数する。

【００１４】時間差計数回路11は、基準光干渉縞波形整
形回路７と被測定光干渉縞波形整形回路８とのそれぞれ
の出力から、基準光の干渉縞と被測定光の干渉縞との時
間差を測定する。さらに、その時間差が最大測定時間差
τ_max 以内になったときには、それを演算装置12に通知
する。

【００１５】演算装置12は、時間差計数回路11からの通
知により、そのときの干渉縞の時間差と基準光干渉縞計
数回路９および被測定光干渉縞計数回路10のそれぞれの
計数値とを取り込んで、被測定光の波長λ_x を演算によ
り求める。すなわち、移動鏡３が移動を開始してから二
つの干渉縞の時間差が最初に最大測定時間差τ_max 以内
になったときと、その次に時間差がτ_max 以内になった
ときの二度にわたり、基準光干渉縞計数回路９、被測定
光干渉縞計数回路10および時間差計数回路11の計数値を
読み取る。演算としては、例えば (3)式を用いる。すな
わち、基準光干渉縞計数回路９、被測定光干渉縞計数回
路10の最初の読み取り値がそれぞれＮ₀₁、Ｍ₀₁、二度目
の値がそれぞれＮ₀₂、Ｍ₀₂であり、それぞれのときの干
渉縞の時間差がτ₁ 、τ₂ とすると、 λ_x ＝λ₀ ×〔（Ｎ₀₂＋τ₂ ／Ｔ_ref ）−（Ｎ₀₁＋τ₁
／Ｔ_ref ）〕／（Ｍ₀₂−Ｍ₀₁） の演算により被測定光の波長λ_x を求める。ただしＴ
_ref は基準光の干渉縞が生じる周期である。

【００１６】例えば、基準光として波長632.8nm のヨウ
素安定化He-Ne レーザの放射光を使用し、1550nmの波長
帯で発光する半導体レーザの放射光の波長を測定すると
仮定する。このとき、移動鏡を60cm程度移動させると、
波数は10⁶ 程度となる。したがって、上述の (1)式を利
用した場合には、測定分解能が10^-6程度となる。また、
干渉縞がほぼ同時に生じたときを基準として測定する場
合であれば、最大測定時間差τ_max を基準光の干渉縞が
生じる周期Ｔ_ref の100 分の１に設定することにより、
10^-8程度の分解能が可能となる。さらに、本実施例のよ
うに干渉縞の生じる時間差を測定する場合には、時間差
を計数する分解能をＴ_ref の10000 分の１に設定すれば
干渉縞の1/10000 のずれを測定でき、波長の揺らぎや機
構的な問題がなければ、10^-10 程度の分解能を実現でき
る。

【００１７】図２は時間差計数回路11の一例を詳細に示
す回路構成図であり、図３はこの回路の各部の信号波形
を示す。基準光干渉縞波形整形回路７の出力(a) と、被
測定光干渉縞波形整形回路８の出力(b) とは、ＯＲ回路
110 とＡＮＤ回路111 とに並列に接続される。基準光干
渉縞波形整形回路７の出力(a) はまた、フリップフロッ
プ113 に接続される。ＯＲ回路110 の出力(c) は単安定
マルチバイブレータ112 に接続され、ＡＮＤ回路111 の
出力(d) はＮＡＮＤ回路114 に接続される。ＮＡＮＤ回
路114 のもう一方の入力には、単安定マルチバイブレー
タ112 の出力(e) が接続される。単安定マルチバイブレ
ータ112 の出力(e) はまた、フリップフロップ113 のク
ロック入力に接続される。フリップフロップ113 の出力
(f) は演算装置12に供給される。ＮＡＮＤ回路114 の出
力(g) は、フリップフロップ115 のセット端子（反転入
力）に接続される。フリップフロップ115 のリセット端
子には演算装置12からの読込終了信号(h) が供給され
る。フリップフロップ115 のＱ出力(i) は単安定マルチ
バイブレータ112 の出力(e) とともにＮＯＲ回路116 に
接続され、Ｑ^- 出力(j)は水晶発振器118 の出力ととも
にＡＮＤ回路117 に接続される。ＮＯＲ回路116の出力
(k) はタイマ119 のリセット端子に接続され、ＡＮＤ回
路117 の出力(l)はタイマ119 のクロック端子に接続さ
れる。タイマ119 の出力は演算装置12に接続される。

【００１８】ＯＲ回路110 は基準光と被測定光との少な
くとも一方に干渉縞（整形された波形で論理「１」）が
生じたときに論理「１」を出力し、ＡＮＤ回路111 は双
方に干渉縞が生じたときに論理「１」を出力する。単安
定マルチバイブレータ112 は、ＯＲ回路110 の出力が論
理「１」となってからτ_max の期間、論理「１」を出力
する。したがって、単安定マルチバイブレータ112 の出
力が論理「１」であり、かつＡＮＤ回路111 の出力が論
理「１」のとき、最大測定時間差τ_max 以内で基準光と
被測定光との双方に干渉縞が生じたことになる。これ
は、単安定マルチバイブレータ112 の出力とＡＮＤ回路
111 の出力とをＮＡＮＤ回路114 に入力することにより
検出できる。

【００１９】このＮＡＮＤ回路114 の出力は、演算装置
12がデータ読込可能である場合に、ラッチ信号として用
いられる。このラッチ信号により、基準光干渉縞計数回
路９、被測定光干渉縞計数回路10、フリップフロップ11
3 およびタイマ119 のそれぞれの値がラッチされ、その
値の取り込みが可能になったことが演算装置12に通知さ
れる。ラッチされた値は、演算装置12による読み込みが
終了するまで保持される。

【００２０】干渉縞の時間差の測定は、タイマ119 によ
り行う。すなわち、単安定マルチバイブレータ112 の出
力をＮＯＲ回路116 を介してタイマ119 のリセット端子
に供給し、基準光と被測定光との一方に干渉縞が生じた
ときにタイマ119 を起動させる（リセットを解除す
る）。また、ＮＡＮＤ回路114 の出力をフリップフロッ
プ115 を介してＡＮＤ回路117 に供給し、このＡＮＤ回
路117 を通過するクロックを遮断することにより、タイ
マ119 の時間計測を停止させる。図３を参照すると、タ
イマ119 は、(k) に示したＮＯＲ回路116 の出力が論理
「０」となり、かつ(l) に示したＡＮＤ回路117 の出力
(実際にはクロックパルスの連続) が連続して論理
「０」となるまでの時間、すなわち図３(l) に斜線で示
した部分の時間（クロックパルスの数）を計測する。

【００２１】フリップフロップ113 は、単安定マルチバ
イブレータ112 の出力が論理「１」になったとき、その
時点における基準光干渉縞波形整形回路７の値を出力す
る。したがって、基準光に干渉縞が生じていない状態で
被測定光に干渉縞が生じた場合にのみ、フリップフロッ
プ113 の出力が論理「０」となる。

【００２２】演算装置12は、データの取り込みが可能と
なってから最初にＮＡＮＤ回路114の出力が論理「０」
になったときに、基準光干渉縞計数回路９および被測定
光干渉縞計数回路10の計数値を取り込むとともに、フリ
ップフロップ113 の出力とタイマ119 の計測値とを取り
込む。この実施例では、演算装置12として一般的なパー
ソナルコンピュータを用いることを想定している。この
ため、データの取り込み速度が遅く、フリップフロップ
115 を使用してタイミングを調整している。

【００２３】すなわち演算装置12は、動作開始時、およ
び基準光干渉縞計数回路９、被測定光干渉縞計数回路10
のそれぞれの計数値とタイマ119 の計測値とを取り込ん
だ時点で、制御信号として論理「０」のパルスを出力す
る。このパルスによりフリップフロップ115 がリセット
され、そのＱ出力が論理「０」となる。このため、ＮＯ
Ｒ回路116 の出力が単安定マルチバイブレータ112 の出
力により決定されるようになる。同時に、フリップフロ
ップ115 のＱ^- 出力が論理「１」となり、水晶発振器11
8 のクロックがＡＮＤ回路117 を介してタイマ119 に供
給される。このようにして、タイマ119 にクロックを供
給するものの、単安定マルチバイブレータ112 が「１」
を出力するまでは、タイマ119 をリセット状態に保持す
る。

【００２４】タイマ119 は、単安定マルチバイブレータ
112 の出力が論理「１」になる毎に、すなわち基準光と
被測定光との少なくとも一方に干渉縞が生じる毎に、ク
ロックを計数する。しかし、最大測定時間差τ_max 以内
に双方に干渉縞が生じなかった場合には、単安定マルチ
バイブレータ112 の出力の論理「０」によって、タイマ
119 がリセットされる。最大測定時間差τ_max 以内に双
方に干渉縞が生じた場合には、ＮＡＮＤ回路114 の論理
「０」出力によりフリップフロップ115 がセットされ、
Ｑ^- 出力が「０」となり、タイマ119 へのクロック供給
が停止する。同時にフリップフロップ115 のＱ出力が論
理「１」となるので、ＮＯＲ回路116 の出力は論理
「０」となり、タイマ119 のリセットが禁止される。し
たがってタイマ119 は、干渉縞の時間差を保持したま
ま、計時動作を停止した状態となる。この状態は、演算
装置12からの制御信号によりフリップフロップ115 がリ
セットされるまで維持される。

【００２５】以上の実施例の動作を確認するため、633n
m の干渉縞に相当する10kHz の信号を基準光干渉縞波形
整形回路７に入力し、1550nmの干渉縞に相当する4.08kH
z の信号を被測定光干渉縞波形整形回路８に入力して計
数シミュレーションを行った。これは、移動鏡３を秒速
３mmで移動させた場合に相当する。このシミュレーショ
ンでは、(3) 式を周波数の式に変換し、 Ｆ_x ＝Ｆ₀ ×（Ｍ₀₂−Ｍ₀₁）／〔（Ｎ₀₂＋τ₂ ／Ｔ_ref ） −（Ｎ₀₁＋τ₁ ／Ｔ_ref ）〕 ……(4) の演算を用いた。また、最大測定時間差τ_max ＝3.1 μ
s とし、干渉縞の時間差を測定するための時計、すなわ
ち水晶発振器118 のクロックは10MHz とした。このクロ
ックにより測定される時間は0.1 μs であり、Ｆ／1000
まで読み取ることができる。干渉縞の時間差τを読んだ
場合に予測される分解能の向上は、10kHzの周期が 100
μs なので、(100μｓ／ 0.1μｓ）／（ 100μｓ／ 3.1
μｓ）＝31倍となるはずである。しかし、計数値には常
に±１の読み取り誤差があるので、実際には15.5倍にな
る。基準光の干渉縞の波数、すわなちＮ₀₂−Ｎ₀₁の値
は、約200 とした。このシミュレーション結果を以下に
示す。

【００２６】 時間差を測定した場合：時間差を測定しない場合 １ ： 4.079947060 kHz ： 4.079601190 kHz ２ ： 4.080084590 ： 4.080459770 ３ ： 4.079990806 ： 4.080459770 ４ ： 4.080007961 ： 4.079601990 ５ ： 4.079990806 ： 4.080459770 ６ ： 4.080007961 ： 4.079601990 ７ ： 4.080084590 ： 4.080459770 ８ ： 4.079940511 ： 4.078947368 ９ ： 4.080040531 ： 4.080717489 １０ ： 4.080047908 ： 4.078947368 １１ ： 4.079967360 ： 4.080459770 １２ ： 4.080007961 ： 4.079601990 １３ ： 4.080014251 ： 4.080459770 １４ ： 4.080061143 ： 4.080459770 １５ ： 4.079990806 ： 4.080459770 １６ ： 4.080089165 ： 4.079601990 １７ ： 4.079913664 ： 4.078947368 １８ ： 4.080014251 ： 4.080459770 １９ ： 4.080007961 ： 4.079601990 平均値 ： 4.080011015 ： 4.079963614 標準偏差 ： 47.7879mHz ： 592.3779mHz

【００２７】τを測定することによる分解能の向上率を
シミュレーション結果から求めると、標準偏差の比から
592.3779／47.7879 ＝14.4倍となり、予測値15.5倍とほ
ぼ一致する。予測値と完全に一致しないのは、信号源の
安定度によるものと考えられる。信号源の不安定性によ
る影響は、時間差を測定した場合に特に大きくなるから
である。また、分解能は、Ｎ₀₂−Ｎ₀₁＝200 、τの分解
能1000分の１、±１の計数誤差を考慮して、 4.08kHz ／200 ／500 ＝ 40 mHz となり、シミュレーション結果と一致する。すなわち、
この測定方法が有用であることがわかる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の波長計
は、基準光と被測定光との干渉縞の生じる時間差を測定
することにより、干渉計の移動鏡を大きく移動させる必
要なしに、被測定光の波長を高い分解能で求めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明実施例の波長計を示す図であり、(a）
は構成を示すブロック図、(b) は測定対象の干渉縞を示
す波形図。

【図２】 時間差計数回路の一例を詳細に示す回路構成
図。

【図３】 この回路の各部の信号波形を示す図。

【符号の説明】

１ ビームスプリッタ ２ 固定鏡 ３ 移動鏡 ４ 移動鏡駆動装置 ５、６ 受光素子 ７ 基準光干渉縞波形整形回路 ８ 被測定光干渉縞波形整形回路 ９ 基準光干渉縞計数回路 10 被測定光干渉縞計数回路 11 時間差計数回路 12 演算装置 110 ＯＲ回路 111 、117 ＡＮＤ回路 112 単安定マルチバイブレータ 113 、115 フリップフロップ 114 ＮＡＮＤ回路 116 ＮＯＲ回路 118 水晶発振器 119 タイマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−148926（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−236930（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−145927（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光ビームを二つに分波して別々の光
   路を経由させた後に再び合波して干渉させる光学手段
   と、 前記別々の光路の相対的な長さを実質的に一定の速度で
   変化させる光路長差付与手段と、 前記光学手段に同時に二つの光ビームを入射したときに
   そのビーム毎に得られる二つの干渉光の強度をそれぞれ
   時系列に測定する干渉光測定手段と、 この二つの干渉光に生じる干渉縞をそれぞれ計数する干
   渉縞計数手段と、 前記二つの光ビームの一方を基準光、他方を被測定光と
   し、前記二つの干渉光がほぼ同時に干渉縞が生じてから
   次にほぼ同時に干渉縞が生じるまでの前記干渉縞計数手
   段の計数値により前記被測定光の波長を演算により求め
   る演算手段とを備えた波長計において、 二つの干渉光にほぼ同時に干渉縞が生じたときにその干
   渉縞の時間差を測定する時間差測定手段を備え、 前記演算手段はこの時間差測定手段の出力により前記干
   渉縞計数手段の出力を補正する手段を含むことを特徴と
   する波長計。
2. 【請求項２】 演算手段は、基準光の波長をλ₀ 、二つ
   の干渉光に最初にほぼ同時に干渉縞が生じたときの基準
   光および被測定光に対する干渉縞計数手段の計数値をそ
   れぞれＮ₀₁、Ｍ₀₁、干渉縞の時間差をτ₁ とし、次にほ
   ぼ同時に干渉縞が生じたときの計数値をそれぞれＮ₀₂、
   Ｍ₀₂、干渉縞の時間差をτ₂ とし、さらに、基準光に干
   渉縞が生じる周期をＴ_ref とするとき、 λ_x ＝λ₀ ×〔（Ｎ₀₂＋τ₂ ／Ｔ_ref ）−（Ｎ₀₁＋τ₁
   ／Ｔ_ref ）〕／（Ｍ₀₂−Ｍ₀₁） の演算により被測定光の波長λ_x を求める構成である請
   求項１記載の波長計。