JPH11125504A - Method and device for measuring minute displacement - Google Patents
Method and device for measuring minute displacementInfo
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- JPH11125504A JPH11125504A JP28935297A JP28935297A JPH11125504A JP H11125504 A JPH11125504 A JP H11125504A JP 28935297 A JP28935297 A JP 28935297A JP 28935297 A JP28935297 A JP 28935297A JP H11125504 A JPH11125504 A JP H11125504A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、微少変位測定方法
及び装置に係り、特に、測定対象の変位に応じて変化す
る外部共振器長の変化に追従させて測定用レーザ光の波
長を変化させ、該測定用レーザ光の波長の変化を基準用
レーザ光の波長とのビート周波数の変化として検出し、
該ビート周波数の変化から測定対象の変位量を求める、
変位測定や校正に使用可能な、ファブリペロー方式の外
部共振器型微少変位測定方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for measuring a minute displacement, and more particularly, to changing a wavelength of a laser beam for measurement by following a change of an external resonator length which changes according to a displacement of a measuring object. Detecting a change in the wavelength of the measurement laser light as a change in the beat frequency with respect to the wavelength of the reference laser light,
From the change in the beat frequency, determine the displacement of the measurement target,
The present invention relates to a Fabry-Perot type external resonator type minute displacement measuring method and apparatus which can be used for displacement measurement and calibration.
【0002】[0002]
【従来の技術】変位の高精度・高分解能測定には、一般
に、光の波長を1目盛とするレーザ干渉測長法が用いら
れているが、更に高い精度、分解能を得るためには、次
のような方法が考えられる。(石川純:「サブピコメー
トル干渉計の展望」O plus E,No.191,1995,p97-102、石
川、藤本:「サブピコメートル計測」平成6年度計量研
究所研究講演会資料,p1-8)2. Description of the Related Art Generally, a laser interferometer measuring a wavelength of light as one scale is used for measuring displacement with high precision and high resolution. The following method is conceivable. (Jun Ishikawa: "Prospects of subpicometer interferometers" O plus E, No. 191, 1995, pp97-102; Ishikawa, Fujimoto: "Subpicometer measurements" Materials for Research Seminar of Metrology Institute, 1994, p1-8)
【0003】光源の短波長化 干渉計の1目盛は波長によって決まるため、より高い精
度、分解能を得るためには、短い波長の光源を用いるこ
とになるが、波長300nm以下では、利用可能な光学
材料が少なく、更に、波長が短くなると、光が空気中を
透過しなくなる。従って、現状(600nm程度)の1
/10程度の短波長の光源を用いた干渉計を実用化する
ことは、非現実的である。Shortening the wavelength of the light source Since one scale of the interferometer is determined by the wavelength, a light source having a short wavelength is used to obtain higher accuracy and resolution. With less material and shorter wavelengths, light does not pass through the air. Therefore, the current (about 600 nm) 1
It is impractical to commercialize an interferometer using a light source with a short wavelength of about / 10.
【0004】干渉縞の高分割化 干渉像を目視で読み取った場合の、波長による一目盛に
対応する干渉縞の分割は1/10程度であるが、CCD
カメラを用い、又、干渉縞に変調を加え、電気的処理、
計算機処理を行い、いわゆるフリンジスキャニング干渉
計では、1/100波長以上の精度で2次元測定が行わ
れている。Higher division of interference fringes When an interference image is visually read, the division of interference fringes corresponding to one graduation by wavelength is about 1/10.
Using a camera and modulating interference fringes, electrical processing,
Computer processing is performed, and in a so-called fringe scanning interferometer, two-dimensional measurement is performed with an accuracy of 1/100 wavelength or more.
【0005】光ヘテロダイン法 干渉測長の分野では、更に高い分解能を得るために、干
渉させる光の周波数変移を行うことにより光の位相の信
号を電気の信号に変換し、変位を電気的に検出する光ヘ
テロダイン法を用い、変位を干渉信号の位相変化として
検出することが行われている。電気的な位相検出の限界
は0.1度程度であるので、干渉縞を1/3600分割
することによって、1/3600波長の分解能が得られ
る。Optical Heterodyne Method In the field of interferometric length measurement, in order to obtain higher resolution, the frequency of the light to be interfered is shifted to convert the light phase signal into an electric signal, and the displacement is electrically detected. The displacement is detected as a phase change of an interference signal using an optical heterodyne method. Since the limit of electrical phase detection is about 0.1 degree, resolution of 1/3600 wavelength can be obtained by dividing the interference fringe into 1/3600.
【0006】しかしながら、いずれにしても、原子サイ
ズより更に小さいpmオーダの精度、分解能には不十分
である。そこで、干渉縞の目盛(波長)を変化させるこ
とにより、該波長の変化を周波数の変化として検出し、
実質的に1/1000000分割相当以上の測定精度を
実現する、波長追従型の干渉計が提案されている。However, in any case, the accuracy and the resolution in the order of pm smaller than the atomic size are insufficient. Therefore, by changing the scale (wavelength) of the interference fringes, the change in the wavelength is detected as a change in frequency,
A wavelength-following interferometer that achieves a measurement accuracy substantially equivalent to 1/100000 division has been proposed.
【0007】現在の波長追従型干渉計としては、マイケ
ルソン方式、半導体光源又はHe−Neレーザとエタロ
ンを用いた外部共振器型のファブリペロー方式、He−
Neレーザを用いた内部共振器型のファブリペロー方
式、差動方式による外部共振器型のファブリペロー方式
等が提案されている。As the current wavelength tracking type interferometer, a Michelson system, a semiconductor light source or an external resonator type Fabry-Perot system using a He-Ne laser and an etalon, a He-
An internal resonator Fabry-Perot system using a Ne laser, an external resonator Fabry-Perot system using a differential system, and the like have been proposed.
【0008】このうち、代表的な波長追従型干渉計であ
る、He−Neレーザとエタロンを用いた外部共振器型
のファブリペロー方式干渉計は、例えば図5に示す如
く、測定対象の変位ΔLに応じて、一方(図の右側)の
ミラー12を変位させることにより、外部共振器長(ミ
ラー12と14間の距離)Lが変化するようにされた、
外部共振器である外部エタロン10と、受光素子20で
検出される、外部エタロン10を通過した測定用レーザ
光26の強度に応じて、レーザ制御部22により外部共
振器長の変化に追従して波長が変化するようにされた、
周波数fM の測定用レーザ光26を発振する、He−N
eレーザで構成される測定用チューナブルレーザ24
と、周波数fR の基準用レーザ光32を発振する、例え
ばよう素安定化He−Neレーザで構成される基準レー
ザ30と、ビームスプリッタ(BS)34、36を用い
て合成した測定用レーザ光26と基準用レーザ光32の
ビート周波数fb を検出するビート周波数検出器40と
を備えている。Among them, an external resonator type Fabry-Perot interferometer using a He—Ne laser and an etalon, which is a typical wavelength tracking type interferometer, has a displacement ΔL of a measuring object as shown in FIG. The external resonator length (the distance between the mirrors 12 and 14) L is changed by displacing one of the mirrors 12 (right side in the figure) in accordance with
The laser control unit 22 follows a change in the external resonator length according to the intensity of the external etalon 10 that is the external resonator and the intensity of the measurement laser beam 26 that has passed through the external etalon 10 and that is detected by the light receiving element 20. The wavelength was changed,
He-N, which oscillates a measuring laser beam 26 having a frequency fM
Tunable laser for measurement 24 composed of e-laser
And a reference laser beam 30 oscillating a reference laser beam 32 of frequency fR, for example, composed of an iodine-stabilized He-Ne laser, and a measurement laser beam 26 synthesized by using beam splitters (BS) 34, 36. And a beat frequency detector 40 for detecting the beat frequency fb of the reference laser beam 32.
【0009】ここで、前記測定用チューナブルレーザ2
4の波長は、常にエタロン10が共振する波長に制御さ
れている。従って、エタロン10のミラー12が動く
と、測定用チューナブルレーザ24の波長λ(周波数f
M )も変化する。この波長の変化Δλを基準レーザ30
とのビート周波数fb の変化Δfとして検出し、ミラー
12の変位量ΔLを次式より求めることができる。Here, the measurement tunable laser 2
The wavelength of 4 is always controlled to a wavelength at which the etalon 10 resonates. Therefore, when the mirror 12 of the etalon 10 moves, the wavelength λ (frequency f
M) also changes. This change Δλ in wavelength is used as a reference
And the displacement ΔL of the mirror 12 can be obtained from the following equation.
【0010】 ΔL/L=Δλ/λ=−(Δf/fM ) …(1)ΔL / L = Δλ / λ = − (Δf / fM) (1)
【0011】例えば、共振器長L=100mmであると
きに、ミラー12がΔL=0.1μm変位すると、ビー
ト周波数の変化Δfは470MHzとなる。従って、ビ
ート周波数の分解能を10KHzとすると、変位分解能
は約2pmとなる。For example, if the mirror 12 is displaced by ΔL = 0.1 μm when the resonator length L = 100 mm, the change Δf in the beat frequency becomes 470 MHz. Therefore, if the resolution of the beat frequency is 10 KHz, the displacement resolution is about 2 pm.
【0012】更に、この方法で求めた変位量ΔLは基準
レーザ30の精度に依存し、例えば基準レーザ30とし
てよう素安定化He−Neレーザを用いると、長さ標準
である基準レーザ波長との対比により、10-9以上の高
精度で変位が絶対測定できる。Further, the displacement amount ΔL obtained by this method depends on the accuracy of the reference laser 30. For example, if an iodine-stabilized He—Ne laser is used as the reference By comparison, displacement can be absolutely measured with high accuracy of 10 -9 or more.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この外
部共振器型のファブリペロー方式の波長追従型干渉計に
おいては、ビート周波数用のカウンタやレーザの縦モー
ド周波数間隔等の制約により、次のような問題点を有し
ていた。However, in this external resonator type Fabry-Perot type wavelength tracking interferometer, the following limitations are imposed due to the limitation of the beat frequency counter and the longitudinal mode frequency interval of the laser. Had problems.
【0014】測定用レーザ光と基準用レーザ光の波長
が等しくなる0ビート付近が検出できない。即ち、ビー
ト周波数検出器40に用いる周波数カウンタは、0Hz
近辺が測定できないため、測定不能領域ができる。又、
ビート周波数には符号がないため、0付近をふらついた
ときに方向を見失ってしまう。The vicinity of 0 beat where the wavelengths of the measuring laser beam and the reference laser beam become equal cannot be detected. That is, the frequency counter used for the beat frequency detector 40 is 0 Hz
Since the vicinity cannot be measured, an unmeasurable region is formed. or,
Since the beat frequency has no sign, the direction is lost when the signal fluctuates near zero.
【0015】ビート周波数の検出限界(最大数GHz
程度)が存在する。即ち、周波数カウンタの検出能力
は、一般に数GHz程度であり、測定範囲が制約され
る。[0015] Beat frequency detection limit (maximum several GHz
Degree) exists. That is, the detection capability of the frequency counter is generally about several GHz, and the measurement range is limited.
【0016】測定用チューナブルレーザ24の発振周
波数範囲が1.5GHz程度であり、連続測定できる範
囲が制約される。The oscillation frequency range of the measurement tunable laser 24 is about 1.5 GHz, and the range in which continuous measurement can be performed is limited.
【0017】従って、図6に示す如く、λ/2(≒C/
2L:Cは光速)毎に多数存在する縦モードの周波数を
用いた場合であっても、隣り合う縦モードを区別できな
いため、周波数を切り替えるときに測定不感帯ができ
る。又、ビート周波数検出器の検出限界内に複数の縦モ
ードが存在すると、互いに区別することができず、測定
不能となる。Accordingly, as shown in FIG. 6, λ / 2 (≒ C /
Even when a large number of longitudinal mode frequencies are used for each 2L: C, the adjacent longitudinal modes cannot be distinguished, so that a measurement dead zone is created when switching frequencies. If a plurality of longitudinal modes exist within the detection limit of the beat frequency detector, they cannot be distinguished from each other and cannot be measured.
【0018】従って、従来の波長追従型干渉計は、一方
向に移動しているものや、連続測定としては、最大で
も、縦モード周波数の切替えが不要なλ/2の非常に狭
い範囲内の測定しか行うことができなかった。Therefore, the conventional wavelength tracking interferometer has a very narrow range of λ / 2, which does not need to switch the longitudinal mode frequency, at the maximum, for one moving in one direction or continuous measurement at the maximum. Only measurements could be made.
【0019】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、方向弁別機能を持たせて、不感帯の
ない連続測定ができ、且つ、広範囲の変位測定を可能と
することを課題とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has an object to provide a direction discriminating function so that continuous measurement without a dead zone can be performed and a wide range of displacement can be measured. And
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明は、測定対象の変
位に応じて変化する外部共振器長の変化に追従させて測
定用レーザ光の波長を変化させ、該測定用レーザ光の波
長の変化を基準用レーザ光の波長とのビート周波数の変
化として検出し、該ビート周波数の変化から測定対象の
変位量を求める微少変位測定方法において、前記測定用
レーザ光及び基準用レーザ光の偏光面を選択可能とし、
測定対象の変位がビート周波数の検出限界を越えるとき
は、前記測定用レーザ光と基準用レーザ光の偏光面を切
り替えることにより、測定に使用する周波数を、共振器
の隣接する縦モード周波数に変更して、縦モード周波数
の間隔を越える広範囲の連続的な変位測定を可能とする
ことにより、前記課題を解決したものである。According to the present invention, a wavelength of a measuring laser beam is changed by following a change in an external resonator length which changes according to a displacement of an object to be measured. The change is detected as a change in the beat frequency with respect to the wavelength of the reference laser beam, and the minute displacement measurement method for obtaining the displacement amount of the measurement target from the change in the beat frequency, the polarization plane of the measurement laser beam and the reference laser beam Can be selected,
When the displacement of the measurement object exceeds the detection limit of the beat frequency, the frequency used for measurement is changed to the adjacent longitudinal mode frequency of the resonator by switching the polarization plane of the measurement laser light and the reference laser light. Thus, the above problem is solved by enabling continuous displacement measurement over a wide range exceeding the interval of the longitudinal mode frequency.
【0021】又、微小変位測定装置において、測定対象
の変位に応じて共振器長が変化するようにされた外部共
振器と、該外部共振器長の変化に追従して波長が変化す
る測定用レーザ光を発振する測定用チューナブルレーザ
と、前記測定用レーザ光の偏光面を切り替えるための偏
光面切替手段と、基準用レーザ光を発振する基準レーザ
と、前記測定用レーザ光の偏光面に合わせて、前記基準
用レーザ光の偏光面を回転するための偏光面回転手段
と、前記測定用レーザ光と基準用レーザ光のビート周波
数を検出するためのビート周波数検出手段と、前記ビー
ト周波数が検出限界を越える毎に、前記測定用レーザ光
と基準用レーザ光の偏光面を切り替えるための偏光面制
御手段とを備え、前記偏光面の切替回数及び方向も加味
したビート周波数の変化から、共振器の縦モード周波数
の間隔を越える広範囲の連続的な変位測定を行うように
して、同じく前記課題を解決したものである。In the minute displacement measuring device, an external resonator whose resonator length changes in accordance with the displacement of an object to be measured, and a measuring device whose wavelength changes following the change of the external resonator length. A tunable laser for measurement that oscillates laser light, a polarization plane switching unit for switching the polarization plane of the laser light for measurement, a reference laser that oscillates the reference laser light, and a polarization plane for the laser light for measurement. In addition, a polarization plane rotation unit for rotating the polarization plane of the reference laser beam, a beat frequency detection unit for detecting a beat frequency of the measurement laser beam and the reference laser beam, and the beat frequency is Each time the detection limit is exceeded, a polarization plane control means for switching the polarization plane of the measurement laser light and the reference laser light is provided. Reduction from and to perform a wide range of continuous displacement measurement exceeding the spacing of the longitudinal mode frequencies of the resonator is also obtained by solving the above problems.
【0022】更に、前記ビート周波数検出手段の前記ビ
ート周波数検出手段の検出不安定領域及び基準用レーザ
光の波長に近い領域を除く、前記測定用チューナブルレ
ーザの発振周波数範囲内に、1本又は偏光面が異なる2
本の縦モード周波数が入るように設定したものである。Further, one or more of the oscillation frequencies of the tunable laser for measurement are within the oscillation frequency range of the tunable laser for measurement, excluding the unstable detection region of the beat frequency detection device and the region close to the wavelength of the reference laser beam. Different polarization plane 2
This is set so that the vertical mode frequency of the book is entered.
【0023】又、前記測定用レーザ光の偏光面切り替え
は、偏光面回転手段により偏光面を回転させるようにし
たものである。The polarization plane of the measuring laser light is switched by rotating the polarization plane by a polarization plane rotating means.
【0024】更に、外部共振器長と測定用チューナブル
レーザの共振器長は等しくしたものである。Further, the length of the external resonator is equal to the length of the resonator of the tunable laser for measurement.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0026】本実施形態は、図1に示す如く、従来例と
同様の1対のミラー12、14を有する外部エタロン1
0と、受光素子20及びレーザ制御部22の出力により
制御されるヒータや圧電素子により、該外部エタロン1
0の共振器長Lの変化に追従して波長が変化する測定用
レーザ光26を発振する測定用チューナブルレーザ24
と、基準用レーザ光32を発振する基準レーザ30と、
ビームスプリッタ34、36により合成された測定用レ
ーザ光26と基準用レーザ光32のビート周波数を検出
するビート周波数検出器40とを備えた外部共振器型の
波長追従型干渉計において、更に、前記測定用レーザ光
26の偏光面を選択して切り替えるための偏光面切替器
50と、該偏光面切替器50で切り替えられた測定用レ
ーザ光26の偏光面に合わせて、前記基準用レーザ光3
2の偏光面を回転するための偏光面回転機構52と、前
記ビート周波数検出器40で検出されるビート周波数が
検出限界を越える毎に、前記測定用レーザ光26と基準
用レーザ光32の偏光面の切り替えと回転のための偏光
面制御部54とを備えたものである。In this embodiment, as shown in FIG. 1, an external etalon 1 having a pair of mirrors 12, 14 similar to the conventional example is used.
0 and the external etalon 1 by a heater or a piezoelectric element controlled by outputs of the light receiving element 20 and the laser control unit 22.
The measurement tunable laser 24 oscillates the measurement laser light 26 whose wavelength changes following the change of the cavity length L of 0.
A reference laser 30 that oscillates a reference laser beam 32;
An external resonator type wavelength tracking interferometer including a measurement laser beam 26 combined by the beam splitters 34 and 36 and a beat frequency detector 40 for detecting a beat frequency of the reference laser beam 32, A polarization plane switch 50 for selecting and switching the polarization plane of the measurement laser light 26, and the reference laser light 3 according to the polarization plane of the measurement laser light 26 switched by the polarization plane switch 50.
A polarization plane rotating mechanism 52 for rotating the polarization plane 2 and the polarization of the measurement laser beam 26 and the reference laser beam 32 each time the beat frequency detected by the beat frequency detector 40 exceeds the detection limit. A polarization plane controller 54 for switching and rotating the plane is provided.
【0027】前記測定用チューナブルレーザ24と基準
レーザ30の出側に設けられた偏光面切替器50及び偏
光面回転機構52は、例えば波長板と偏光板の組合せに
よって構成され、状況に応じて偏光面を切り替え又は回
転することができるようにされている。The polarization plane switching device 50 and the polarization plane rotation mechanism 52 provided on the exit side of the measurement tunable laser 24 and the reference laser 30 are constituted by, for example, a combination of a wave plate and a polarization plate. The plane of polarization can be switched or rotated.
【0028】前記測定用チューナブルレーザ24の共振
器と外部エタロン10の共振器長は同一であり、従って
縦モード周波数は同じにされている。The resonator of the tunable laser 24 for measurement and the resonator length of the external etalon 10 are the same, so that the longitudinal mode frequency is the same.
【0029】前記測定用レーザ光26及び外部エタロン
10の縦モード周波数間隔と基準用レーザ光32の周波
数は、図2の条件を満足するようにされている。具体的
には、測定用チューナブルレーザ24の発振周波数範囲
R(約1.5GHz)であって、基準レーザ周波数fR
近傍のa領域、及び、ゲインプロフィルGで示されるよ
うに、ゲインが下がって検出が不安定になるb領域を除
く領域内に、エタロン10の1本又は2本(偏光面毎に
1本)の縦モード周波数fM 、fM1が入ることである。
ここで、縦モード周波数fM と基準レーザ周波数fR の
差をH以上としているのは、0ビート付近の検出不安定
領域を避けるためである。ヒステリシスの幅Hは、ビー
ト周波数カウンタの検出下限に制約され、一般に100
MHz程度である。又、k領域は、少なくともビート周
波数の検出不安定領域をカバーしておく必要がある。The longitudinal mode frequency interval between the measurement laser beam 26 and the external etalon 10 and the frequency of the reference laser beam 32 satisfy the conditions shown in FIG. Specifically, it is the oscillation frequency range R (about 1.5 GHz) of the tunable laser 24 for measurement, and the reference laser frequency fR
One or two etalons 10 (one for each polarization plane) in a region other than the nearby a region and the b region where the detection is unstable due to a decrease in gain, as indicated by the gain profile G Of the vertical mode frequencies fM and fM1.
The reason why the difference between the longitudinal mode frequency fM and the reference laser frequency fR is H or more is to avoid a detection unstable region near 0 beat. The width H of the hysteresis is limited by the detection lower limit of the beat frequency counter, and is generally 100
MHz. Also, the k region needs to cover at least the region where the beat frequency is unstable.
【0030】このような条件を満足させるため、前記基
準レーザ30としては、よう素安定化レーザを用いるこ
とができる。このよう素安定化レーザは、吸収線の選択
により、周波数を選択可能である。又、前記測定用チュ
ーナブルレーザ24は、封入されているNeガスの同位
体の構成比を変えることなどにより、ゲインプロフィル
Gの中心周波数Gc を変えることができる。In order to satisfy such conditions, an iodine stabilized laser can be used as the reference laser 30. Such an element-stabilized laser can select a frequency by selecting an absorption line. Further, the tunable laser 24 for measurement can change the center frequency Gc of the gain profile G by changing the composition ratio of the isotope of the enclosed Ne gas.
【0031】以上のような条件を満足した測定系におい
て、ビート周波数を検出しながら、ビート周波数が測定
不能領域(0ビート)近傍にきたとき、偏光面を切替
え、縦モード分だけビート周波数をシフトさせて連続的
な測定を可能とする。偏光面を切り替えたとき、測定用
チューナブルレーザ24と外部エタロン10の共振器長
が同じであるため、両者の縦モードが等しく、偏光面の
切替えによって波長が変化しても、共振状態は保持され
る。又、常に基準レーザの周波数(波長)との関係を把
握することができるため、方向弁別機能を持ち、測定の
自由度が広がる。In a measurement system satisfying the above conditions, when the beat frequency is detected near the unmeasurable region (0 beat) while detecting the beat frequency, the polarization plane is switched and the beat frequency is shifted by the vertical mode. To enable continuous measurement. When the polarization plane is switched, since the resonator lengths of the measurement tunable laser 24 and the external etalon 10 are the same, the longitudinal modes of the two are equal, and the resonance state is maintained even if the wavelength changes by switching the polarization plane. Is done. Further, since the relationship with the frequency (wavelength) of the reference laser can be always grasped, it has a direction discriminating function and the degree of freedom of measurement is expanded.
【0032】例えば、共振器長Lを215mm、縦モー
ドを700MHzとし、ゲインプロフィルGの中心周波
数GC を基準レーザの周波数fR より250MHz高く
設定すると、図3に示すような関係になり、先の条件を
満足した測定が可能となる。For example, if the resonator length L is 215 mm, the longitudinal mode is 700 MHz, and the center frequency GC of the gain profile G is set 250 MHz higher than the frequency fR of the reference laser, the relationship shown in FIG. Can be measured.
【0033】以下、測定手順を示す図4に従って、偏光
面の切替タイミング及びビート周波数の計算方法を具体
的に説明する。The method for calculating the switching timing of the polarization plane and the beat frequency will be specifically described with reference to FIG. 4 showing the measurement procedure.
【0034】初期 測定用チューナブルレーザ24のチューブ(共振器)を
伸ばしていくと、レーザの周波数が外部エタロン10の
共振器の共振周波数と一致したときに、エタロン10を
透過する光量が最大となる。この光量が常に最大となる
よう、受光素子20の出力によりレーザ制御部22で測
定用チューナブルレーザ24の共振器を制御する。即
ち、測定用チューナブルレーザ24を外部エタロン10
の共振周波数でロックする。このとき、周波数が低くな
る(波長が長くなる)方向でロックをかけることになる
ため、ロック前後の基準レーザとのビート周波数より、
基準レーザ周波数との関係が決まり、共振周波数が求め
られる(逆に周波数が高くなる方向でも同じである)。As the tube (resonator) of the initial measurement tunable laser 24 is extended, when the laser frequency matches the resonance frequency of the resonator of the external etalon 10, the amount of light transmitted through the etalon 10 becomes maximum. Become. The laser control unit 22 controls the resonator of the tunable laser 24 for measurement by the output of the light receiving element 20 so that this light amount always becomes maximum. That is, the measurement tunable laser 24 is connected to the external etalon 10.
Lock at the resonance frequency of At this time, locking is performed in a direction in which the frequency becomes lower (the wavelength becomes longer).
The relationship with the reference laser frequency is determined, and the resonance frequency is determined (the same holds true for the higher frequency direction).
【0035】図4(a)では、測定用チューナブルレー
ザ24の周波数fM (例えば偏向角度90°の垂直偏
光)は、基準レーザ30の周波数fR に対してビート周
波数fb だけ周波数が高いことを示している。このビー
ト周波数fb の変化から、エタロン10の共振器長Lの
変化ΔL、即ち測定対象の変位が求められる。この初期
においては、fR とfM のビート周波数fb が、そのま
ま最終ビート周波数fsとなる。FIG. 4A shows that the frequency fM of the tunable laser 24 for measurement (for example, vertical polarization with a deflection angle of 90 °) is higher than the frequency fR of the reference laser 30 by the beat frequency fb. ing. From the change in the beat frequency fb, the change .DELTA.L in the resonator length L of the etalon 10, that is, the displacement of the measurement object is obtained. In this initial stage, the beat frequencies fb of fR and fM become the final beat frequency fs as they are.
【0036】偏光面の切替(1回目) ビート周波数を検出していて、測定用チューナブルレー
ザ24の周波数FM が、図2におけるa領域、あるいは
b領域に入ったことを認識したとき、偏光面を、例えば
垂直偏光から、偏向角度0°の水平偏光に切り替える。
この認識は、常時モニタしているビート周波数fb より
判断できる。初期においても、測定用チューナブルレー
ザ24の周波数をスイープ(共振器を伸ばす)している
ときに、測定用チューナブルレーザ24の周波数fM
(波長)がa領域に入ったとき(チューブを伸ばしてい
るとき)は、同様に偏光面を切り替える。Switching of Polarization Plane (First Time) When the beat frequency is detected and it is recognized that the frequency FM of the tunable laser 24 for measurement has entered the region a or b in FIG. Is switched from, for example, vertically polarized light to horizontally polarized light having a deflection angle of 0 °.
This recognition can be determined from the beat frequency fb constantly monitored. Even in the initial stage, when the frequency of the tunable laser for measurement 24 is swept (extending the resonator), the frequency fM of the tunable laser for measurement 24 is increased.
When the (wavelength) enters the region a (when the tube is extended), the polarization plane is similarly switched.
【0037】図4(b)では、測定用チューナブルレー
ザ24の周波数fM が徐々に低くなっていき、a領域に
入ったときを示している。この認識は、検出ビート周波
数fb がH以下になったことで分かる。このとき、偏光
面切替器50によってエタロン10に入射する光の偏光
面を切り替えることにより、エタロン12に入射する光
を縦モード分だけ周波数が異なる隣の光fM1(例えば水
平偏光)に切り替えることができる。これにより、ビー
ト周波数fb が0になったり、基準周波数fRとの関係
を見失うことが避けられる。FIG. 4B shows a case where the frequency fM of the tunable laser 24 for measurement gradually decreases and enters the region a. This recognition can be understood from the fact that the detected beat frequency fb has become H or less. At this time, by switching the polarization plane of the light incident on the etalon 10 by the polarization plane switch 50, the light incident on the etalon 12 can be switched to the adjacent light fM1 (for example, horizontal polarization) having a different frequency for the longitudinal mode. it can. This prevents the beat frequency fb from becoming zero or losing sight of the relationship with the reference frequency fR.
【0038】この操作により、基準周波数fR とビート
をとる測定周波数が、垂直偏光のfM から水平偏光のf
M1に変わり、検出ビート周波数もfb から、一気にfb1
に変わる。しかし、実際の基準周波数とのビート周波数
fb は、次式に示す如く、fb1から縦モード用波数分
(C/2L)を引いたものとなる。By this operation, the reference frequency fR and the measurement frequency taking the beat are changed from the vertical polarization fM to the horizontal polarization fM.
M1 and the detected beat frequency changes from fb to fb1
Changes to However, the beat frequency fb with respect to the actual reference frequency is obtained by subtracting the number of waves for longitudinal mode (C / 2L) from fb1 as shown in the following equation.
【0039】fb =fb1−(C/2L) …(2)Fb = fb1- (C / 2L) (2)
【0040】従って、次に偏光面を切り替えるまでの最
終ビート周波数fs は、次式に示す如くとなる。Accordingly, the final beat frequency fs before switching the polarization plane next time is as shown in the following equation.
【0041】fs =fb1−(C/2L) …(3)Fs = fb1- (C / 2L) (3)
【0042】この偏光面を切り替える際に、エタロンの
共振周波数にロックしている周波数を強引に変えるた
め、共振周波数から周波数がずれてロックが外れてしま
うと考えられるが、本発明では、測定用チューナブルレ
ーザ24とエタロン10の共振器長が同じであるため、
縦モードが等しく、新しい周波数fM1も、又、それまで
の周波数fM と同様、エタロン10の共振周波数となる
ため、ロック状態はそのまま維持される。When the polarization plane is switched, the frequency locked to the resonance frequency of the etalon is forcibly changed, so that it is considered that the frequency shifts from the resonance frequency and the lock is released. Since the resonator lengths of the tunable laser 24 and the etalon 10 are the same,
Since the longitudinal mode is the same and the new frequency fM1 becomes the resonance frequency of the etalon 10 like the previous frequency fM, the locked state is maintained.
【0043】偏光面の切替(2回目) その後、徐々に測定周波数が高くなり、測定用チューナ
ブルレーザ周波数fM1がb領域に入ったときは、偏光面
を水平偏向から垂直偏向に再度切替え、エタロン10に
入射する周波数をfM1からfM2に切り替える。同時に検
出ビート周波数はfb1からfb2に変わる。ここで、fb1
とfb2の間には、次式の関係が成立する。Switching of polarization plane (second time) Thereafter, when the measurement frequency gradually increases and the tunable laser frequency fM1 for measurement enters the region b, the polarization plane is switched from horizontal deflection to vertical deflection again, and the etalon is switched. The frequency incident on 10 is switched from fM1 to fM2. At the same time, the detected beat frequency changes from fb1 to fb2. Where fb1
The following relationship is established between fb2 and fb2.
【0044】fb1=fb2+(C/2L) …(4)Fb1 = fb2 + (C / 2L) (4)
【0045】従って、基準周波数からの実際のビート周
波数fs は、次式に示す如くとなる。Accordingly, the actual beat frequency fs from the reference frequency is as shown in the following equation.
【0046】 fs =fb2+(C/2L)−(C/2L) …(5)Fs = fb2 + (C / 2L)-(C / 2L) (5)
【0047】このように、エタロンの共振器長がλ/2
以上変化しても、エタロンに入射する周波数を偏光面と
共に切り替えることによって、共振周波数の変化量を連
続的にビート周波数fs として測定できるようになる。
よって、このビート周波数fs よりエタロンの変化量、
即ち測定対象の変位を求めることができる。Thus, the resonator length of the etalon is λ / 2
Even if the frequency changes, the frequency of incidence on the etalon is switched together with the plane of polarization, so that the amount of change in the resonance frequency can be continuously measured as the beat frequency fs.
Therefore, the change amount of the etalon from this beat frequency fs,
That is, the displacement of the measurement object can be obtained.
【0048】偏光面の切替え(n回目) 前記のような縦モード周波数と偏光面の切替えを繰り返
し、その累積値を変位量とする。累積された最終的なビ
ート周波数fs は、a領域で偏光面を切り替えたときは
検出ビート周波数から縦モード周波数分(C/2L)を
引き、b領域で偏光面を切り替えたときは検出ビート周
波数に縦モード周波数分を足していくことにより求めら
れる。従って、n回偏光面を切り替えたときの最終的な
ビート周波数fs は、次式で表わされる。Switching of Polarization Plane (Nth Time) The switching of the longitudinal mode frequency and the polarization plane as described above is repeated, and the accumulated value is used as the displacement amount. The accumulated final beat frequency fs is obtained by subtracting the longitudinal mode frequency (C / 2L) from the detected beat frequency when the polarization plane is switched in the area a, and the detected beat frequency when the polarization plane is switched in the area b. To the vertical mode frequency. Therefore, the final beat frequency fs when the polarization plane is switched n times is expressed by the following equation.
【0049】 fs =fbn−(C/2L)*l+(C/2L)*m …(6) ここで、lは、a領域で偏光面を切り替えた回数、m
は、b領域で偏光面を切り替えた回数である。Fs = fbn- (C / 2L) * l + (C / 2L) * m (6) where l is the number of times the polarization plane is switched in the region a, and m
Is the number of times the polarization plane is switched in the region b.
【0050】従って、このビート周波数fs (Δf)よ
り、(1)式でエタロンの変化量ΔLが求められる。Therefore, from this beat frequency fs (Δf), the change amount ΔL of the etalon is obtained by the equation (1).
【0051】このような測定をすることにより、測定用
チューナブルレーザ24のチューナブル範囲を測定範囲
として、連続的な広範囲な測定が可能となり、且つ、往
復方向の測定も可能となる。By performing such a measurement, a continuous and wide measurement can be performed using the tunable range of the measurement tunable laser 24 as a measurement range, and also a reciprocating measurement can be performed.
【0052】例えば、共振器長を215mm、ビート測
定分解能(精度)を1KHzとすると、計算上は0.5
pmの分解能(精度)で測定が可能となる。しかも、測
定用チューナブルレーザがエタロンの変化に追従できる
限り、連続的に測定でき、測定範囲は非常に広がる。
又、この測定は、長さ標準レーザを基準に測定できるた
め、長さ標準に直接対比可能な絶対測定となる。For example, assuming that the resonator length is 215 mm and the beat measurement resolution (accuracy) is 1 KHz, the calculation is 0.5
Measurement can be performed with a resolution (accuracy) of pm. Moreover, as long as the tunable laser for measurement can follow the change of the etalon, the measurement can be performed continuously, and the measurement range is very wide.
In addition, since this measurement can be performed with reference to the length standard laser, it is an absolute measurement that can be directly compared with the length standard.
【0053】本実施形態においては、偏光面切替器50
及び偏光面回転機構52が、波長板と偏光板の組合せに
より構成されていたが、偏光面を変更するための構成は
これに限定されず、液晶、電気光学素子、ファラデー回
転素子等の電場や磁場により結晶内を通過する光を変調
する素子を使用して、偏光角度を変化させることもでき
る。In the present embodiment, the polarization plane switch 50
And the polarization plane rotation mechanism 52 is configured by a combination of a wave plate and a polarization plate. However, the configuration for changing the polarization plane is not limited to this, and electric fields such as a liquid crystal, an electro-optical element, and a Faraday rotation element are used. An element that modulates light passing through the crystal by a magnetic field can be used to change the polarization angle.
【0054】以上の実施形態においては、測定用レーザ
光の隣り合う縦モード周波数の切り替えに偏光面切替器
50を使用したが、基準レーザ光用の偏光面回転機構5
2と同様の回転機構を用いてもよい。In the above embodiment, the polarization plane switching device 50 is used to switch the adjacent longitudinal mode frequencies of the measurement laser light. However, the polarization plane rotation mechanism 5 for the reference laser light is used.
A rotation mechanism similar to that of the second embodiment may be used.
【0055】又、前記実施形態においては、測定用チュ
ーナブルレーザとしてHe−Neレーザ、基準レーザと
してよう素安定化レーザが用いられ、外部共振器として
エタロンが用いられていたが、レーザや外部共振器の構
成はこれに限定されない。In the above embodiment, the He-Ne laser was used as the tunable laser for measurement, the iodine stabilized laser was used as the reference laser, and the etalon was used as the external resonator. The configuration of the vessel is not limited to this.
【0056】[0056]
【発明の効果】本発明によれば、連続的且つ広範囲にわ
たるpmオーダの微少変位測定が可能となる。更に長さ
標準を基準とする測定が可能となり、変位方向が変化す
る測定も可能となる。従って、測定における制約が少な
くなり、測定や校正の応用範囲を広げることができる等
の優れた効果を有する。According to the present invention, it is possible to continuously and minutely measure a minute displacement on the order of pm over a wide range. Furthermore, measurement based on a length standard becomes possible, and measurement in which the direction of displacement changes is also possible. Therefore, the present invention has excellent effects such as less restriction on measurement and expansion of the application range of measurement and calibration.
【図1】本発明に係る微少変位測定装置の実施形態の構
成を示す光路図FIG. 1 is an optical path diagram showing a configuration of an embodiment of a minute displacement measuring device according to the present invention.
【図2】前記実施形態の波長条件を説明するための、ゲ
インプロフィルと発振波長の関係の例を示す線図FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a relationship between a gain profile and an oscillation wavelength for explaining the wavelength condition of the embodiment.
【図3】前記実施形態における測定用レーザ光源の発振
波長の具体例を示す線図FIG. 3 is a diagram showing a specific example of an oscillation wavelength of the measurement laser light source in the embodiment.
【図4】前記実施形態における測定手順を示す線図FIG. 4 is a diagram showing a measurement procedure in the embodiment.
【図5】従来の外部共振器型ファブリペロー方式の波長
追従型干渉計の構成を示す光路図FIG. 5 is an optical path diagram showing a configuration of a conventional external cavity type Fabry-Perot type wavelength tracking interferometer.
【図6】縦モード周波数の例を示す線図FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a longitudinal mode frequency.
10…外部エタロン 12、14…ミラー 20…受光素子 22…レーザ制御部 24…測定用チューナブルレーザ 26…測定用レーザ光 30…基準レーザ 32…基準用レーザ光 40…ビート周波数検出器 50…偏光面切替器 52…偏光面回転機構 54…偏光面制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... External etalon 12, 14 ... Mirror 20 ... Light-receiving element 22 ... Laser control part 24 ... Measurement tunable laser 26 ... Measurement laser beam 30 ... Reference laser 32 ... Reference laser beam 40 ... Beat frequency detector 50 ... Polarization Surface switch 52: Polarization plane rotation mechanism 54: Polarization plane control unit
Claims (5)
器長の変化に対して前記外部共振器が共振状態を維持す
るように測定用レーザ光の波長を変化させ、該測定用レ
ーザ光の波長の変化を基準用レーザ光の波長とのビート
周波数の変化として検出し、該ビート周波数の変化から
測定対象の変位量を求める微少変位測定方法において、 前記測定用レーザ光の偏光面の切り替えに応じて基準用
レーザ光の偏光面を回転可能とし、 測定対象の変位がビート周波数の検出限界を越えるとき
は、前記測定用レーザ光の偏光面を切り替えると共に基
準用レーザ光の偏光面を回転させることにより、測定に
使用する周波数を、共振器の隣接する縦モード周波数に
変更して、 縦モード周波数の間隔を越える広範囲の連続的な変位測
定を可能としたことを特徴とする微少変位測定方法。1. The method according to claim 1, further comprising: changing a wavelength of the measuring laser light so that the external resonator maintains a resonance state with respect to a change in the external resonator length that changes according to a displacement of the measurement object. A change in the wavelength of the reference laser beam as a change in the beat frequency with respect to the wavelength of the reference laser beam, and the displacement amount of the object to be measured is determined from the change in the beat frequency. When the displacement of the measurement object exceeds the detection limit of the beat frequency, the polarization plane of the measurement laser light is switched and the polarization plane of the reference laser light is rotated. In this way, the frequency used for measurement was changed to the longitudinal mode frequency adjacent to the resonator, enabling continuous displacement measurement over a wide range beyond the longitudinal mode frequency interval. Minute displacement measurement method to.
るようにされた外部共振器と、 該外部共振器長の変化に対して前記外部共振器が共振状
態を維持するように波長が変化する測定用レーザ光を発
振する測定用チューナブルレーザと、 前記測定用レーザ光の偏光面を切り替えるための偏光面
切替手段と、 基準用レーザ光を発振する基準レーザと、 前記測定用レーザ光の偏光面に合わせて、前記基準用レ
ーザ光の偏光面を回転するための偏光面回転手段と、 前記測定用レーザ光と基準用レーザ光のビート周波数を
検出するためのビート周波数検出手段と、 前記ビート周波数が検出限界を越える毎に、前記測定用
レーザ光と基準用レーザ光の偏光面を切り替えるための
偏光面制御手段とを備え、 前記偏光面の切替回数及び方向も加味したビート周波数
の変化から、共振器の縦モード周波数の間隔を越える広
範囲の連続的な変位測定を行うことを特徴とする微少変
位測定装置。2. An external resonator whose resonator length changes according to a displacement of a measurement object, and a wavelength so that the external resonator maintains a resonance state with respect to the change of the external resonator length. A tunable laser for measurement that oscillates a measurement laser light having a change, a polarization plane switching unit for switching a polarization plane of the measurement laser light, a reference laser that oscillates a reference laser light, and the measurement laser. A polarization plane rotating unit for rotating the polarization plane of the reference laser beam in accordance with the polarization plane of the light, and a beat frequency detection unit for detecting the beat frequency of the measurement laser beam and the reference laser beam. A polarization plane control means for switching the polarization plane of the measurement laser light and the reference laser light every time the beat frequency exceeds the detection limit, and A minute displacement measuring apparatus characterized by performing continuous displacement measurement over a wide range exceeding the interval of the longitudinal mode frequency of the resonator from a change in the port frequency.
手段の検出不安定領域及び基準用レーザ光の波長に近い
領域を除く、前記測定用チューナブルレーザの発振周波
数範囲内に、1本又は偏光面が異なる2本の縦モード周
波数が入るように設定されていることを特徴とする微少
変位測定装置。3. An oscillation frequency range of said tunable laser for measurement, excluding an unstable detection region of said beat frequency detection means and a region close to a wavelength of a reference laser beam. A minute displacement measuring device characterized in that two vertical mode frequencies having different surfaces are set.
偏光面切り替えは、偏光面回転手段により偏光面を回転
させることを特徴とする微少変位測定装置。4. A minute displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein the polarization plane of the measurement laser light is switched by rotating a polarization plane by a polarization plane rotating means.
チューナブルレーザの共振器長が等しいことを特徴とす
る微少変位測定装置。5. The minute displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein the length of the external resonator is equal to the length of the resonator of the tunable laser for measurement.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28935297A JP3235722B2 (en) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | Micro displacement measurement method and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP28935297A JP3235722B2 (en) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | Micro displacement measurement method and device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11125504A true JPH11125504A (en) | 1999-05-11 |
JP3235722B2 JP3235722B2 (en) | 2001-12-04 |
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ID=17742102
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JP (1) | JP3235722B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008008898A (en) * | 2006-05-31 | 2008-01-17 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Vibration detector |
WO2008146480A1 (en) * | 2007-05-25 | 2008-12-04 | Nikon Corporation | Length measuring apparatus |
JP2012088274A (en) * | 2010-10-22 | 2012-05-10 | Mitsutoyo Corp | Displacement measuring device |
US11353315B2 (en) * | 2020-03-19 | 2022-06-07 | Mitutoyo Corporation | Laser interference device |
-
1997
- 1997-10-22 JP JP28935297A patent/JP3235722B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008008898A (en) * | 2006-05-31 | 2008-01-17 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Vibration detector |
WO2008146480A1 (en) * | 2007-05-25 | 2008-12-04 | Nikon Corporation | Length measuring apparatus |
JP2012088274A (en) * | 2010-10-22 | 2012-05-10 | Mitsutoyo Corp | Displacement measuring device |
US11353315B2 (en) * | 2020-03-19 | 2022-06-07 | Mitutoyo Corporation | Laser interference device |
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JP3235722B2 (en) | 2001-12-04 |
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