特許 7459724 レーザー干渉計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】レーザー干渉計

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/50 20060101AFI20240326BHJP

   G01P 3/36 20060101ALI20240326BHJP

   G01S 7/4911 20200101ALI20240326BHJP

   G01H 9/00 20060101ALN20240326BHJP

【ＦＩ】

G01S17/50

G01P3/36 E

G01S7/4911

G01H9/00 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020142497

(22)【出願日】2020-08-26

(65)【公開番号】P2022038156

(43)【公開日】2022-03-10

【審査請求日】2023-05-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】山田 耕平

(72)【発明者】

【氏名】清水 武士

【審査官】安井 英己

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５８－１７１１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４８－０２６０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０３５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１５１７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１１４１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０１２９０２１５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１，

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５，

Ｇ０１Ｐ ３／３６，

Ｇ０１Ｈ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光と、前記第２レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
前記復調回路に前記基準信号を出力する発振回路と、
を備え、
前記振動素子は、前記発振回路の信号源であることを特徴とするレーザー干渉計。

【請求項2】

前記振動素子は、振動により前記第１レーザー光を前記第２レーザー光に変調し、
前記発振回路は、前記振動を源振として前記基準信号を発生させる請求項１に記載のレーザー干渉計。

【請求項3】

前記振動素子は、水晶振動子を有する請求項１または２に記載のレーザー干渉計。

【請求項4】

前記光源部は、半導体レーザー素子を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。

【請求項5】

前記光変調器は、前記振動素子を収容する筐体を備え、
前記発振回路は、前記筐体に収容されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。

【請求項6】

前記サンプル信号は、位相信号または周波数信号である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー干渉計に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、振動している物体にレーザービームを照射し、ドップラー効果により変化したレーザービームの周波数を利用して、物体の速度を測定するレーザードップラー速度計が開示されている。レーザードップラー速度計では、物体の振動現象の方向性を検出するために、レーザー光源から出射した光を変調する構造が必要となる。このため、特許文献１では、音響光学変調器や電気光学変調器を用いることが開示されている。

【0003】

特許文献１に記載の音響光学変調器や電気光学変調器には、発振回路から出力されたＲＦ（Radio Frequency）信号が入力される。これにより、これらの光変調器内に設けられた光学素子の屈折率を変化させ、光を変調する。

【0004】

レーザー光源から出射した光を振動している物体に照射すると、反射して戻り光が発生する。戻り光は、ドップラーシフトをおこしているので、参照光と干渉させることにより、ビート信号が発生する。このビート信号を復調器に通すことにより、物体の振動速度を求めることができる。通常、復調器では、発振回路から発生させた基準信号を用いて復調を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平９－５４２９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発振回路は、例えば水晶振動子等の信号源を源振として所望の周波数信号を出力する回路である。しかしながら、水晶振動子の発振には、温度特性がある。このため、温度変化の影響を受けると、発振回路から出力される信号の周波数が変化するという問題がある。

【0007】

一方、前述した光変調器による光の変調にも温度特性がある。このため、温度変化の影響を受けると、光変調器による変調周波数が変化する。

【0008】

ところが、光変調器の温度特性は、水晶振動子の温度特性と異なる。この温度特性のずれは、レーザードップラー速度計の計測結果に影響を及ぼす。その結果、計測速度の精度が低下するという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の適用例に係るレーザー干渉計は、
第１レーザー光を射出する光源部と、
振動素子を備え、前記振動素子を用いて前記第１レーザー光を変調し、変調信号を含む第２レーザー光を生成する光変調器と、
前記第１レーザー光が対象物で反射して生成されたサンプル信号を含む第３レーザー光と、前記第２レーザー光と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する受光素子と、
基準信号に基づいて、前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調回路と、
前記復調回路に前記基準信号を出力する発振回路と、
を備え、
前記振動素子は、前記発振回路の信号源であることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。

【図2】図１に示すセンサーヘッド部および光学系を示す概略構成図である。

【図3】図２に示す光変調器の第１構成例を示す斜視図である。

【図4】光変調器の第２構成例の一部を示す平面図である。

【図5】光変調器の第３構成例を示す平面図である。

【図6】図３に示す振動素子の表面に対して垂直な方向から入射光Ｋ_ｉが入射したとき、複数の回折光が発生することを説明する概念図である。

【図7】入射光Ｋ_ｉの進行方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度となるように構成された光変調器を説明する概念図である。

【図8】入射光Ｋ_ｉの進行方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度となるように構成された光変調器を説明する概念図である。

【図9】入射光Ｋ_ｉの進行方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度となるように構成された光変調器を説明する概念図である。

【図10】パッケージ構造を有する光変調器を示す断面図である。

【図11】一段インバーター発振回路の構成を示す回路図である。

【図12】振動素子のＬＣＲ等価回路の例である。

【図13】従来のレーザー干渉計の構成を簡略化して示す図である。

【図14】図１のレーザー干渉計の構成を簡略化して示す図である。

【図15】受光信号の波形の一例を示すグラフである。

【図16】発振回路の負荷容量Ｃ_Ｌと、被測定物としてのピエゾ素子に対する変位振幅の計測結果の精度と、の関係を示すグラフである。

【図17】第１変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。

【図18】第２変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。

【図19】第３変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。

【図20】第４変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明のレーザー干渉計を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施形態に係るレーザー干渉計を示す機能ブロック図である。

【0012】

図１に示すレーザー干渉計１は、光学系５０が設けられたセンサーヘッド部５１と、光学系５０からの受光信号が入力される復調回路５２と、復調回路５２に基準信号を出力する発振回路５４と、を有する。

【0013】

１．センサーヘッド部
図２は、図１に示すセンサーヘッド部５１および光学系５０を示す概略構成図である。

【0014】

光学系５０は、光源部２と、偏光ビームスプリッター４と、１／４波長板６と、１／４波長板８と、検光子９と、受光素子１０と、周波数シフター型の光変調器１２と、被測定物１４が配置されたセット部１６と、を備えている。

【0015】

光源部２は、所定の波長の出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。受光素子１０は、受けた光を電気信号に変換する。光変調器１２は、振動素子３０を備えており、出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。セット部１６は、必要に応じて設けられればよいが、被測定物１４を配置することができるようになっている。被測定物１４に入射した出射光Ｌ１は、被測定物１４に由来するサンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）として反射する。

【0016】

光源部２から射出される出射光Ｌ１の光路を、光路１８とする。光路１８は、偏光ビームスプリッター４の反射により、光路２０に結合される。光路２０上には、偏光ビームスプリッター４側から１／４波長板８および光変調器１２がこの順で配置されている。また、光路１８は、偏光ビームスプリッター４の透過により、光路２２に結合される。光路２２上には、偏光ビームスプリッター４側から１／４波長板６およびセット部１６がこの順で配置されている。

【0017】

光路２０は、偏光ビームスプリッター４の透過により、光路２４に結合される。光路２４上には、偏光ビームスプリッター４側から検光子９および受光素子１０がこの順で配置されている。

【0018】

光源部２から射出された出射光Ｌ１は、光路１８および光路２０を経て、光変調器１２に入射する。また、出射光Ｌ１は、光路１８および光路２２を経て、被測定物１４に入射する。光変調器１２で生成された参照光Ｌ２は、光路２０および光路２４を経て、受光素子１０に入射する。被測定物１４での反射により生成された物体光Ｌ３は、光路２２および光路２４を経て、受光素子１０に入射する。

【0019】

以下、レーザー干渉計１の各部について順次説明する。
１．１．光源部
光源部２は、可干渉性を有する線幅の細い出射光Ｌ１を射出するレーザー光源である。線幅を周波数差で表示した場合、線幅がＭＨｚ帯以下のレーザー光源が好ましく用いられる。具体的には、ＨｅＮｅレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed feedback - laser diode）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber bragg Grating付き laser diode）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）のような半導体レーザー素子等が挙げられる。

【0020】

光源部２は、特に半導体レーザー素子を含むことが好ましい。これにより、光源部２を特に小型化することが可能になる。このため、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。特に、レーザー干渉計１のうち、光学系５０が収容されるセンサーヘッド部５１の小型化および軽量化が図られるため、レーザー干渉計１の操作性を高められる点でも有用である。

【0021】

１．２．偏光ビームスプリッター
偏光ビームスプリッター４は、入射光を透過光と反射光とに分割する光学素子である。また、偏光ビームスプリッター４は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる機能を有し、入射光の偏光状態を直交成分に分けることができる。以下、直線偏光であって、Ｐ偏光とＳ偏光の比を例えば５０：５０にした出射光Ｌ１を、偏光ビームスプリッター４に入射させる場合を考える。

【0022】

偏光ビームスプリッター４では、前述したように、出射光Ｌ１のＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させる。

【0023】

偏光ビームスプリッター４で反射した出射光Ｌ１のＳ偏光は、１／４波長板８で円偏光に変換され、光変調器１２に入射する。光変調器１２に入射した出射光Ｌ１の円偏光は、ｆ_ｍ［Ｈｚ］の周波数シフトを受け、参照光Ｌ２として反射する。したがって、参照光Ｌ２は、変調周波数ｆ_ｍ［Ｈｚ］の変調信号を含む。参照光Ｌ２は、再び１／４波長板８を透過するときＰ偏光に変換される。参照光Ｌ２のＰ偏光は、偏光ビームスプリッター４および検光子９を透過して受光素子１０に入射する。

【0024】

偏光ビームスプリッター４を透過した出射光Ｌ１のＰ偏光は、１／４波長板６で円偏光に変換され、動いている状態の被測定物１４に入射する。被測定物１４に入射した出射光Ｌ１の円偏光は、ｆ_ｄ［Ｈｚ］のドップラーシフトを受け、物体光Ｌ３として反射する。したがって、物体光Ｌ３は、周波数ｆ_ｄ［Ｈｚ］の周波数信号を含む。物体光Ｌ３は、再び１／４波長板６を透過するときＳ偏光に変換される。物体光Ｌ３のＳ偏光は、偏光ビームスプリッター４で反射され、検光子９を透過して受光素子１０に入射する。

【0025】

前述したように、出射光Ｌ１は可干渉性を有しているため、参照光Ｌ２および物体光Ｌ３は、干渉光として受光素子１０に入射する。

【0026】

なお、偏光ビームスプリッターに代えて無偏光ビームスプリッターを用いるようにしてもよい。この場合、１／４波長板６および１／４波長板８が不要となるため、部品点数の削減によるレーザー干渉計１の小型化を図ることができる。

【0027】

１．３．検光子
互いに直交するＳ偏光およびＰ偏光は、互いに独立しているので、単純に重ね合わせただけでは干渉が現れない。そこで、Ｓ偏光とＰ偏光を重ね合わせた光波を、Ｓ偏光およびＰ偏光の双方に対して４５°傾けた検光子９に通す。検光子９を用いることにより、互いに共通した成分同士の光を透過させ、干渉を生じさせることができる。その結果、検光子９では、変調信号とサンプル信号とが干渉し、ｆ_ｍ－ｆ_ｄ［Ｈｚ］の周波数を持つ干渉光が生成される。

【0028】

１．４．受光素子
参照光Ｌ２および物体光Ｌ３は、偏光ビームスプリッター４および検光子９を介して受光素子１０に入射する。これにより、参照光Ｌ２と物体光Ｌ３とが光ヘテロダイン干渉し、ｆ_ｍ－ｆ_ｄ［Ｈｚ］の周波数を持つ干渉光が受光素子１０に入射する。この干渉光から後述する方法でサンプル信号を復調することにより、最終的に、被測定物１４の動き、すなわち速度や振動を求めることができる。受光素子１０としては、例えば、フォトダイオード等が挙げられる。

【0029】

１．５．光変調器
図３は、図２に示す光変調器１２の第１構成例を示す斜視図である。

【0030】

１．５．１．第１構成例に係る光変調器の概要
周波数シフター型の光変調器１２は、光変調振動子１２０を有している。この光変調振動子１２０は、板形状の振動素子３０と、振動素子３０を支持する基板３１と、を備えている。

【0031】

振動素子３０は、電位を加えることにより、面に沿う方向に歪むように振動するモードを繰り返す材料で構成されている。本実施形態では、振動素子３０は、ＭＨｚ帯の高周波領域で、振動方向３６に沿って厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である。振動素子３０の表面には、回折格子３４が形成されている。回折格子３４は、直線状の複数の溝３２が周期的に並んでなる構造を有している。

【0032】

基板３１は、互いに表裏の関係を有する表面３１１および裏面３１２を有している。表面３１１には、振動素子３０が配置されている。また、表面３１１には、振動素子３０に電位を加えるためのパッド３３が設けられている。一方、裏面３１２にも、振動素子３０に電位を加えるためのパッド３５が設けられている。

【0033】

基板３１の大きさは、例えば、長辺が０．５ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下程度とされる。また、基板３１の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下程度とされる。一例として、基板３１の形状は、１辺が１．６ｍｍの正方形とされ、その厚さは０．３５ｍｍとされる。

【0034】

振動素子３０の大きさは、例えば、長辺が０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下程度とされる。また、振動素子３０の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。

【0035】

一例として、振動素子３０の形状は、１辺が１．０ｍｍの正方形とされ、その厚さ０．０７ｍｍとされる。この場合、振動素子３０は、基本発振周波数２４ＭＨｚで発振する。なお、振動素子３０の厚さを変えたり、オーバートーンまで考慮したりすることにより、発振周波数を１ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲で調整することが可能である。

【0036】

なお、図３では、回折格子３４が振動素子３０の表面全体に形成されているが、一部にのみ形成されていてもよい。

【0037】

光変調器１２による光変調の強さは、光変調器１２に入射させる出射光Ｌ１の波数ベクトルと光変調器１２から出射される出射光Ｌ２の波数ベクトルとの差分波数ベクトルと、振動素子３０の振動方向３６のベクトルとの内積で与えられる。本実施形態では、振動素子３０が厚みすべり振動するが、この振動は面内振動であることから、振動素子３０単体の表面に対して垂直に光を入射させても、光変調はできない。そこで、本実施形態では、振動素子３０に回折格子３４を設けることにより、後述する原理によって光変調を可能にしている。

【0038】

図３に示す回折格子３４は、ブレーズド回折格子である。ブレーズド回折格子は、回折格子の断面形状が階段状になっているものをいう。回折格子３４の直線状の溝３２は、その延在方向が振動方向３６に対して直交するように設けられている。

【0039】

図１に示す発振回路５４から図３に示す振動素子３０に駆動信号Ｓ１を供給する（交流電圧を印加する）と、振動素子３０が発振する。振動素子３０の発振に必要な電力（駆動パワー）は、特に限定されないが、０．１μＷ～１００ｍＷ程度と小さい。このため、発振回路５４から出力した駆動信号Ｓ１を増幅することなく、振動素子３０を発振させるために用いることができる。

【0040】

１．５．２．回折格子の形成方法
回折格子３４の形成方法は、特に限定されないが、一例として、機械刻線式（ルーリングエンジン）を用いた方法で型を作り、水晶ＡＴ振動子の振動素子３０の表面に成膜した電極上に、ナノインプリント法で溝３２を形成する方法が挙げられる。ここで、電極上としたのは、水晶ＡＴ振動子の場合は、原理上、電極上で高品質な厚みすべり振動を発生させることができるためである。なお、溝３２を形成するのは、電極上に限定されず、非電極部の材料の表面上であってもよい。また、ナノインプリント法に代えて、露光およびエッチングによる加工方法、電子線描画リソグラフィー法、集束イオンビーム加工法（ＦＩＢ）等を用いるようにしてもよい。

【0041】

また、水晶ＡＴ振動子のチップ上にレジスト材料で回折格子を形成し、そこに、金属膜や誘電体多層膜によるミラー膜を設けるようにしてもよい。金属膜やミラー膜を設けることにより、回折格子３４の反射率を高めることができる。

【0042】

さらに、水晶ＡＴ振動子のチップやウエハー上にレジスト膜を形成し、エッチングによって加工を施した後、レジスト膜を除去し、その後、加工面に金属膜やミラー膜を形成するようにしてもよい。この場合、レジスト材料が除去されるため、レジスト材料の吸湿等による影響がなくなり、回折格子３４の安定性を高めることができる。また、Ａｕ、Ａｌのような導電性の高い金属膜を設けることにより、振動素子３０を駆動する電極としても用いることができる。

【0043】

なお、回折格子３４は、陽極酸化アルミナ（ポーラスアルミナ）のような技術を用いて形成されてもよい。

【0044】

１．５．３．他の構成例に係る光変調器
振動素子３０は、水晶振動子に限定されず、例えば、Ｓｉ振動子、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス等であってもよい。

【0045】

図４は、光変調器１２の第２構成例の一部を示す平面図である。図５は、光変調器１２の第３構成例を示す平面図である。

【0046】

図４に示す振動素子３０Ａは、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたＳｉ振動子である。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。

【0047】

振動素子３０Ａは、隙間を介して同一平面上に隣り合う第１電極３０１および第２電極３０２と、第１電極３０１上に設けられた回折格子載置部３０３と、回折格子載置部３０３上に設けられた回折格子３４と、を備えている。第１電極３０１および第２電極３０２は、例えば、静電引力を駆動力として、図４の左右方向に、互いに接近と離間とを繰り返すように振動する。これにより、回折格子３４に面内振動を与えることができる。Ｓｉ振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。

【0048】

図５に示す振動素子３０Ｂは、表面波を利用するＳＡＷデバイスである。ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）は、弾性表面波のことである。

【0049】

振動素子３０Ｂは、圧電基板３０５と、圧電基板３０５上に設けられた櫛歯状電極３０６と、接地電極３０７と、回折格子載置部３０３と、回折格子３４と、を備えている。櫛歯状電極に交流電圧を印加すると、逆圧電効果により、表面波が励振される。これにより、回折格子３４に面内振動を与えることができる。ＳＡＷデバイスの発振周波数は、例えば数１００ＭＨｚから数ＧＨｚ程度である。

【0050】

以上のようなデバイスについても、回折格子３４を設けることにより、水晶ＡＴ振動子の場合と同様、後述する原理によって光変調が可能になる。

【0051】

一方、振動素子３０が水晶振動子を有している場合、水晶が持つ極めて高いＱ値を利用して、高精度な変調信号を生成することができる。Ｑ値とは、共振のピークの鋭さを示す指標である。また、水晶振動子は、外乱にも影響を受けにくいという特長を持つ。したがって、水晶振動子を備える光変調器１２で変調された変調信号を用いることにより、被測定物１４に由来するサンプル信号を高精度に取得することができる。

【0052】

１．５．４．振動素子による光変調
次に、図３に示す光変調器１２を用いて光を変調する原理について説明する。

【0053】

図６は、図３に示す振動素子３０の表面に対して垂直な方向から入射光Ｋ_ｉが入射したとき、複数の回折光が発生することを説明する概念図である。

【0054】

振動方向３６に沿って厚みすべり振動をしている回折格子３４に入射光Ｋ_ｉが入射すると、回折現象により、図６に示すように、複数の回折光Ｋ_ｎｓが発生する。ｎは、回折光Ｋ_ｎｓの次数であり、ｎ＝０、±１、±２、・・・である。なお、図６に示す回折格子３４には、図３に示すブレーズド回折格子ではなく、別の回折格子の例として、凹凸の繰り返しによる回折格子を図示している。

【0055】

図６では、入射光Ｋ_ｉが振動素子３０の表面に対して垂直な方向から入射しているが、この入射角は特に限定されず、振動素子３０の表面に対して斜めに入射するように入射角を設定するようにしてもよい。斜めに入射させた場合には、回折光Ｋ_ｎｓの進行方向もそれに対応して変化する。

【0056】

なお、回折格子３４の設計によっては、│ｎ│≧２の高次の光は出現しないことがある。そこで、安定して変調信号を得るために、│ｎ│＝１に設定するのが望ましい。すなわち、図２のレーザー干渉計１において、周波数シフター型の光変調器１２は、±１次回折光が参照光Ｌ２として利用されるように配置されることが好ましい。この配置により、レーザー干渉計１による計測の安定化を実現することができる。

【0057】

一方、回折格子３４から│ｎ│≧２の高次の光が出現している場合には、±１次回折光ではなく、±２次以上のいずれかの回折光が参照光Ｌ２として利用されるように、光変調器１２を配置するようにしてもよい。これにより、高次の回折光を利用することができるので、レーザー干渉計１の高周波化と小型化を実現することができる。

【0058】

本実施形態では、一例として、光変調器１２に入射する入射光Ｋ_ｉの進入方向と光変調器１２から出射する参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度となるように、光変調器１２が構成されている。以下、３つの構成例について説明する。

【0059】

図７ないし図９は、それぞれ、入射光Ｋ_ｉの進行方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度となるように構成された光変調器１２を説明する概念図である。

【0060】

図７では、光変調器１２が、振動素子３０に加えてミラー３７を備えている。ミラー３７は、回折光Ｋ_１ｓを反射して回折格子３４に戻すように配置されている。このとき、ミラー３７に対する回折光Ｋ_１ｓの入射角とミラー３７における反射角とのなす角度が１８０度になっている。この結果、ミラー３７から出射して回折格子３４に戻された回折光Ｋ_１ｓは、回折格子３４で再び回折し、光変調器１２に入射する入射光Ｋ_ｉの進行方向と反対の方向に進行することになる。このため、ミラー３７を追加することによって、前述した、入射光Ｋ_ｉの進入方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度という条件を満たすことができる。

【0061】

またこのようにミラー３７を経由させることで、光変調器１２で生成される参照光Ｌ２は、２回の周波数変調を受けたものとなる。したがって、ミラー３７を併用することにより、振動素子３０単体を用いた場合に比べて、より高周波の周波数変調が可能になる。

【0062】

図８では、図６の配置に対し、振動素子３０を傾けている。このときの傾斜角度θは、前述した、入射光Ｋ_ｉの進入方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度という条件を満たすように設定されている。

【0063】

図９に示す回折格子３４は、ブレーズ角θ_Ｂを有するブレーズド回折格子である。そして、振動素子３０の表面の法線Ｎに対し、入射角βで進行する入射光Ｋ_ｉが回折格子３４に入射すると、法線Ｎに対してブレーズ角θ_Ｂと同じ角度で参照光Ｌ２が戻ることになる。したがって、入射角βをブレーズ角θ_Ｂと等しくすることで、前述した、入射光Ｋ_ｉの進入方向と参照光Ｌ２の進行方向とのなす角度が１８０度という条件を満たすことができる。この場合、図７に示すミラー３７を用いずに、また、図８に示すように振動素子３０自体を傾けることなく、前記条件を満たすことができるので、レーザー干渉計１のさらなる小型化および高周波化を図ることができる。特に、ブレーズド回折格子の場合には、前記条件を満たす配置を「リトロー配置」といい、回折光の回折効率を特に高めることができるという利点もある。

【0064】

なお、図９のピッチＰは、ブレーズド回折格子のピッチを表しており、一例として、ピッチＰが１μｍとされる。また、ブレーズ角θ_Ｂは、２５度とされる。この場合、前記条件を満たすためには、入射光Ｋ_ｉの法線Ｎに対する入射角βも２５度にすればよい。

【0065】

１．５．５．パッケージ構造
図１０は、パッケージ構造を有する光変調器１２を示す断面図である。

【0066】

図１０に示す光変調器１２は、筐体である容器７０と、容器７０に収容されている光変調振動子１２０と、発振回路５４を構成する回路素子４５と、を備えている。なお、容器７０は、例えば、真空等の減圧雰囲気、または、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気に気密封止されている。

【0067】

容器７０は、図１０に示すように、容器本体７２とリッド７４とを有している。このうち、容器本体７２は、その内部に設けられた第１凹部７２１と、第１凹部７２１の内側に設けられ、第１凹部７２１より深い第２凹部７２２と、を有している。容器本体７２は、例えば、セラミックス材料、樹脂材料等で構成されている。また、図示しないが、容器本体７２は、内面に設けられた内部端子、外面に設けられた外部端子、内部端子と外部端子とを接続する配線等を備えている。

【0068】

また、容器本体７２の開口部は、図示しないシールリングや低融点ガラス等の封止部材を介して、リッド７４で塞がれている。リッド７４の構成材料には、レーザー光を透過可能な材料、例えばガラス材料等が用いられる。

【0069】

第１凹部７２１の底面には、光変調振動子１２０が配置されている。光変調振動子１２０は、図示しない接合部材により、第１凹部７２１の底面に支持されている。また、容器本体７２の内部端子と光変調振動子１２０との間は、例えばボンディングワイヤー、接合金属等の図示しない導電材料を介して電気的に接続されている。

【0070】

第２凹部７２２の底面には、回路素子４５が配置されている。回路素子４５は、ボンディングワイヤー７６を介して容器本体７２の内部端子と電気的に接続されている。これにより、光変調振動子１２０と回路素子４５との間も、容器本体７２が備える配線を介して電気的に接続される。なお、回路素子４５には、後述する発振回路５４以外の回路が設けられていてもよい。

【0071】

以上のように、本実施形態に係る光変調器１２は、振動素子３０を収容する筐体である容器７０を備えている。そして、発振回路５４も容器７０に収容されている。

【0072】

このようなパッケージ構造を採用することにより、光変調振動子１２０と回路素子４５とを重ねることができるので、両者の物理的距離を近づけることができ、光変調振動子１２０と回路素子４５との間の配線長を短くすることができる。このため、駆動信号Ｓ１に外部からノイズが入ったり、反対に駆動信号Ｓ１がノイズ源になったりするのを抑制することができる。また、１つの容器７０で、光変調振動子１２０と回路素子４５の双方を外部環境から保護することができる。このため、センサーヘッド部５１の小型化を図りつつ、レーザー干渉計１の信頼性を高めることができる。

【0073】

なお、容器７０の構造は、図示した構造に限定されず、例えば、光変調振動子１２０と回路素子４５とが、個別のパッケージ構造を有していてもよい。また、図示しないものの、容器７０には、発振回路５４を構成するその他の回路要素が収容されていてもよい。なお、容器７０は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

【0074】

２．発振回路
図１および図２に示すように、発振回路５４は、光学系５０の光変調器１２に入力される駆動信号Ｓ１を出力する。また、発振回路５４は、復調回路５２に入力される基準信号Ｓ２を出力する。

【0075】

発振回路５４には、振動素子３０を発振可能な回路であれば、特に限定されず、様々な構成の回路が用いられる。一例として、図１１は、一段インバーター発振回路の構成を示す回路図である。

【0076】

図１１に示す発振回路５４は、回路素子４５と、帰還抵抗Ｒｆと、第１制限抵抗Ｒ１と、第２制限抵抗Ｒ２と、第１コンデンサーＣｇと、第２コンデンサーＣｄと、第３コンデンサーＣ３と、を備えている。

【0077】

回路素子４５は、インバーターＩＣである。回路素子４５の端子Ｘ１および端子Ｘ２は、それぞれインバーターに接続された端子である。端子ＧＮＤは、グランド電位に接続され、端子Ｖｃｃは、電源電位に接続される。端子Ｙは、発振出力用の端子である。

【0078】

端子Ｘ１とグランド電位との間には、第１コンデンサーＣｇが接続されている。また、端子Ｘ２とグランド電位との間には、互いに直列に接続された第１制限抵抗Ｒ１および第２コンデンサーＣｄが、端子Ｘ２側からこの順で接続されている。さらに、端子Ｘ１と第１コンデンサーＣｇとの間には、帰還抵抗Ｒｆの一端が接続され、端子Ｘ２と第１制限抵抗Ｒ１との間には、帰還抵抗Ｒｆの他端が接続されている。

【0079】

また、第１制限抵抗Ｒ１と第２コンデンサーＣｄとの間には、第２制限抵抗Ｒ２の一端が接続されている。さらに、第１コンデンサーＣｇおよび帰還抵抗Ｒｆと、第２制限抵抗Ｒ２の他端と、の間には、前述した振動素子３０が接続されている。つまり、振動素子３０が、発振回路５４の信号源となっている。

【0080】

また、図１２は、振動素子３０のＬＣＲ等価回路の例である。
図１２に示すように、振動素子３０のＬＣＲ等価回路は、直列容量Ｃ_１、直列インダクタンスＬ_１、等価直列抵抗Ｒ_１、および並列容量Ｃ_０で構成されている。

【0081】

このような発振回路５４では、第１コンデンサーＣｇの容量をＣ_ｇとし、第２コンデンサーＣｄの容量をＣ_ｄとするとき、負荷容量Ｃ_Ｌが以下の式（ａ）で与えられる。

【0082】

【数1】

【0083】

そうすると、発振回路５４の端子Ｙから出力される発振周波数ｆ_ｏｓｃは、以下の式（ｂ）で与えられる。

【0084】

【数2】

【0085】

ｆ_Ｑは、振動素子３０の固有振動数である。
上記式（ｂ）によれば、負荷容量Ｃ_Ｌを適宜変更することにより、端子Ｙから出力される信号の発振周波数ｆ_ｏｓｃを微調整し得ることがわかる。

【0086】

また、振動素子３０の固有振動数ｆ_Ｑと、発振回路５４の発振周波数ｆ_ｏｓｃと、の差Δｆは、以下の式（ｃ）で与えられる。

【0087】

【数3】

【0088】

ここで、Ｃ_１＜＜Ｃ_０、Ｃ_１＜＜Ｃ_Ｌであるので、Δｆは、近似的に以下の式（ｄ）で与えられる。

【0089】

【数4】

【0090】

したがって、発振回路５４の発振周波数ｆ_ｏｓｃは、振動素子３０の固有振動数ｆ_Ｑに応じた値となる。

【0091】

振動素子３０が例えば容器７０に固定されるとき、固定部を介して温度による膨張応力を受けると、固有振動数ｆ_Ｑが変動する。また、振動素子３０を傾けると、自重の重力効果等の影響を受けて、固有振動数ｆ_Ｑが変動する。

【0092】

発振回路５４では、このような理由で固有振動数ｆ_Ｑが変動したとしても、上記式（ｄ）に基づいて、その変動に連動するように発振周波数ｆ_ｏｓｃが変化することになる。つまり、発振周波数ｆ_ｏｓｃは、常にΔｆだけ、固有振動数ｆ_Ｑからずれた値となる。これにより、振動素子３０は、変位振幅Ｌ_０を安定して得ることができる。この変位振幅Ｌ_０は、Ｂ値として後述するが、光変調器１２による光変調において重要なパラメーターとなる。したがって、変位振幅Ｌ_０を安定させることができれば、光変調器１２の変調特性を安定化させることができ、復調回路５２におけるサンプル信号の復調精度を高めることができる。

【0093】

一例として、Δｆ＝ｆ_ｏｓｃ－ｆ_Ｑ≦６００［Ｈｚ］であるのが好ましく、２４０［Ｈｚ］≦Δｆ≦４５０［Ｈｚ］であるのがより好ましい。この場合、変位振幅Ｌ_０およびＢ値が特に高くなるため、光変調器１２の変調特性を特に安定させることができる。

【0094】

なお、発振回路５４に代えて、例えばファンクションジェネレーターやシグナルジェネレーター等の信号生成器を用いた場合には、上記のように発振周波数ｆ_ｏｓｃを固有振動数ｆ_Ｑの変動に連動させることができないため、変位振幅Ｌ_０が不安定になるおそれがある。

【0095】

以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１では、光源部２と、光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、発振回路５４と、を備えている。光源部２は、出射光Ｌ１（第１レーザー光）を射出する。光変調器１２は、振動素子３０を備え、振動素子３０を用いて出射光Ｌ１を変調し、変調信号を含む参照光Ｌ２（第２レーザー光）を生成する。受光素子１０は、出射光Ｌ１が被測定物１４（対象物）で反射して生成された、被測定物１４に由来する信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）と、参照光Ｌ２と、の干渉光を受光し、受光信号を出力する。復調回路５２は、基準信号Ｓ２に基づいて、受光信号から被測定物１４に由来する信号を復調する。発振回路５４は、復調回路５２に入力される基準信号Ｓ２を出力する。そして、振動素子３０は、発振回路５４の信号源になっている。

【0096】

ここで、従来のレーザー干渉計の構成と、本実施形態に係るレーザー干渉計１の構成と、を比較する。

【0097】

図１３は、従来のレーザー干渉計９０の構成を簡略化して示す図である。図１４は、図１のレーザー干渉計１の構成を簡略化して示す図である。

【0098】

図１３に示す従来のレーザー干渉計９０は、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）等の光変調器９１と、受光素子９２と、復調回路９３と、発振回路９４と、水晶振動子９５と、増幅器９６と、を備えている。発振回路９４は、水晶振動子９５を発振させることにより、駆動信号を発生させる。そして、増幅器９６で増幅した駆動信号を光変調器９１に入力し、光変調器９１を動作させる。また、発振回路９４は、復調回路９３におけるサンプル信号の復調に必要な基準信号を出力する。

【0099】

従来のレーザー干渉計９０では、光変調を担う光変調器９１と、水晶振動子９５と、の間で、温度特性のずれが生じることがある。このため、この温度特性のずれがレーザー干渉計９０の計測精度を低下させるという問題があった。

【0100】

これに対し、図１４に示す本実施形態に係るレーザー干渉計１は、振動素子３０を備える光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２と、発振回路５４と、を備えている。発振回路５４は、振動素子３０を発振させることにより、光変調器１２を動作させる。また、発振回路５４は、振動素子３０を信号源として復調回路５２におけるサンプル信号の復調に必要な基準信号Ｓ２を出力する。

【0101】

したがって、本実施形態の構成によれば、振動素子３０が光変調器１２における光変調を担うため、変調信号の温度特性は、振動素子３０の温度特性に対応することになる。一方、振動素子３０が発振回路５４の信号源を担うため、発振回路５４から復調回路５２に出力される基準信号Ｓ２の温度特性も、振動素子３０の温度特性に対応する。そうすると、変調信号の温度特性と基準信号の温度特性の双方が、振動素子３０の温度特性に対応することになるため、温度変化に伴う変調信号の変動の挙動と基準信号の変動の挙動とが一致または近似する。このため、振動素子３０の温度が変化したとしても、復調精度への影響を抑えることができ、被測定物１４に由来するサンプル信号の復調精度を高めることができる。

【0102】

また、従来の光変調器９１は、光変調器９１の温度を維持する必要もあり、体積を小さくすることが難しい。また、光変調器９１の消費電力が大きいため、レーザー干渉計９０の小型化および省電力化が困難であるという課題を有している。

【0103】

これに対し、本実施形態では、振動素子３０の体積が非常に小さく、発振に要する電力も小さいため、レーザー干渉計１の小型化および省電力化が容易である。

【0104】

また、前述したように、振動素子３０は、振動により出射光Ｌ１（第１レーザー光）を参照光Ｌ２（第２レーザー光）に変調する。そして、発振回路５４は、振動素子３０の振動を源振として基準信号Ｓ２を発生させる。

【0105】

このような構成によれば、振動素子３０の振動が、出射光Ｌ１の変調と基準信号Ｓ２の発生の双方に寄与している。このため、振動素子３０の振動周波数が出射光Ｌ１の変調周波数と基準信号Ｓ２の周波数の双方に直接影響する。したがって、振動素子３０の温度変化によって変調周波数がずれたとしても、基準信号Ｓ２も同様にずれるため、後述する前処理部５３の乗算器５３８での演算や、復調部５５の第１乗算器５５１および第２乗算器５５２における演算に、温度変化が影響しにくくなる。よって、原理的に、温度変化等の環境変化が演算過程に影響しにくくなるため、復調精度の低下を特に抑制することができる。

【0106】

３．復調回路
復調回路５２は、受光素子１０から出力された受光信号から、被測定物１４に由来するサンプル信号を復調する復調処理を行う。サンプル信号とは、例えば、位相信号または周波数信号である。位相信号からは、被測定物１４の変位情報を取得することができる。また、周波数信号からは、被測定物１４の速度情報を取得することができる。このように異なる情報を取得することができれば、変位計や速度計としての機能を持たせられるため、レーザー干渉計１の高機能化を図ることができる。

【0107】

復調回路５２は、変調処理の方式に応じて、その回路構成が設定される。本実施形態に係るレーザー干渉計１では、振動素子３０を備えた光変調器１２が用いられている。振動素子３０は、単振動する素子であるため、振動速度が時々刻々と変化する。このため、変調周波数も変化することになり、従来の復調回路をそのまま用いることはできない。

【0108】

従来の復調回路とは、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて変調された変調信号を含む受光信号からサンプル信号を復調する回路を指す。音響光学変調器では、変調周波数が変化しない。このため、従来の復調回路は、変調周波数が変化しない光変調器で変調された変調信号を含む受光信号からサンプル信号を復調することはできるが、変調周波数が変化する光変調器１２で変調された変調信号を含む場合、そのままでは復調することはできない。

【0109】

そこで、図１に示す復調回路５２は、前処理部５３と、復調部５５と、を備えている。受光素子１０から出力された受光信号は、まず、前処理部５３を通された後、復調部５５に導かれる。前処理部５３は、受光信号に前処理を施す。この前処理により、従来の復調回路で復調可能な信号が得られる。したがって、復調部５５では、公知の復調方式により、被測定物１４由来のサンプル信号が復調される。

【0110】

３．１．前処理部の構成
図１に示す前処理部５３は、第１バンドパスフィルター５３４と、第２バンドパスフィルター５３５と、第１遅延調整器５３６と、第２遅延調整器５３７と、乗算器５３８と、第３バンドパスフィルター５３９と、第１ＡＧＣ５４０と、第２ＡＧＣ５４１と、和算器５４２と、を備えている。なお、ＡＧＣは、Auto Gain Controlである。

【0111】

また、前処理部５３と受光素子１０との間には、受光素子１０側から電流電圧変換器５３１およびＡＤＣ５３２がこの順で接続されている。

【0112】

さらに、発振回路５４と第２遅延調整器５３７との間には、ＡＤＣ５３３が接続されている。

【0113】

電流電圧変換器５３１は、トランスインピーダンスアンプであり、受光素子１０からの電流出力を電圧信号に変換する。ＡＤＣ５３２、５３３は、アナログ－デジタル変換器であり、所定のサンプリングビット数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。

【0114】

第１バンドパスフィルター５３４、第２バンドパスフィルター５３５および第３バンドパスフィルター５３９は、それぞれ、特定の周波数帯の信号を選択的に透過させるフィルターである。

【0115】

第１遅延調整器５３６および第２遅延調整器５３７は、それぞれ、信号の遅延を調整する回路である。乗算器５３８は、２つの入力信号の積に比例した出力信号を生成する回路である。第１ＡＧＣ５４０および第２ＡＧＣ５４１は、それぞれ、信号の振幅を互いに揃える回路である。和算器５４２は、２つの入力信号の和に比例した出力信号を生成する回路である。

【0116】

受光素子１０から出力された電流出力は、電流電圧変換器５３１で電圧信号に変換される。電圧信号は、ＡＤＣ５３２でデジタル信号に変換され、第１信号と第２信号の２つに分割される。

【0117】

第１信号は、第１バンドパスフィルター５３４に通された後、第１遅延調整器５３６で群遅延を調整する。第１遅延調整器５３６で調整する群遅延は、後述する第２バンドパスフィルター５３５による第２信号の群遅延に相当する。この遅延調整によって、第１信号が通過する第１バンドパスフィルター５３４と、第２信号が通過する第２バンドパスフィルター５３５および第３バンドパスフィルター５３９と、の間でフィルター回路の通過に伴う遅延時間を揃えることができる。第１遅延調整器５３６を通過した第１信号は、第１ＡＧＣ５４０を経て、和算器５４２に入力される。

【0118】

第２信号は、第２バンドパスフィルター５３５に通された後、乗算器５３８に入力される。乗算器５３８では、第２信号に対し、第２遅延調整器５３７から出力された基準信号ｃｏｓ（ω_ｍｔ）が乗算される。具体的には、発振回路５４から出力された基準信号Ｓ２に対し、ＡＤＣ５３３でデジタル変換、第２遅延調整器５３７で位相の調整を行い、乗算器５３８に出力される。その後、第２信号は、第３バンドパスフィルター５３９に通された後、第２ＡＧＣ５４１を経て、和算器５４２に入力される。和算器５４２では、第１信号と第２信号の和に比例する出力信号が、復調部５５に出力される。

【0119】

３．２．前処理部による前処理の原理
次に、前処理部５３における前処理の原理について説明する。まず、

【0120】

【数5】

としたとき、受光素子１０から出力される受光信号強度Ｉ_ＰＤは、理論的に次式で表される。

【0121】

【数6】

【0122】

なお、Ｅ_ｍ、Ｅ_ｄ、φ_ｍ０、φ_ｄ０、φ_０、ｆ_ｍ（ｔ）、ｆ_ｄ（ｔ）、ｆ_０、ａ_ｍ、ａ_ｄは、それぞれ以下のとおりである。

【0123】

【数7】

【0124】

また、式（４）中の<>は、時間平均を表している。
なお、ｆ_０は、一例として３００ＴＨｚ程度であり、ｆ_ｍ（ｔ）は、一例として１００ｋＨｚ～１００ＭＨｚ程度であり、ｆ_ｄ（ｔ）は、一例として１ｋＨｚ～１０ＭＨｚ程度である。

【0125】

上記式（４）の第１項は、直流成分を表しており、第２項は、交流成分を表している。この交流成分をＩ_{ＰＤ．ＡＣ}とすると、Ｉ_{ＰＤ．ＡＣ}は次式のようになる。

【0126】

【数8】

【0127】

さらに、Ｉ_{ＰＤ．ＡＣ}は、次のように変形できる。

【0128】

【数9】

【0129】

ここで、次式のようなν次ベッセル関数が知られている。

【0130】

【数10】

【0131】

上記式（８）を上記式（１１）および式（１２）のベッセル関数を使って級数展開すると、次のように変形できる。

【0132】

【数11】

【0133】

ただし、Ｊ_０（Ｂ）、Ｊ_１（Ｂ）、Ｊ_２（Ｂ）、・・・は、それぞれベッセル係数である。

【0134】

そして、展開後の各項における、振動周波数の次数と係数との関係を以下の表１に示す。

【0135】

【表1】

【0136】

以上のように展開すると、理論的には、特定の次数に対応する帯域をバンドパスフィルターによって抽出することが可能であるといえる。

【0137】

そこで、前述した前処理部５３では、この理論に基づいて、以下のフローで受光信号に前処理を行っている。

【0138】

まず、前述したＡＤＣ５３２から出力されたデジタル信号は、第１信号と第２信号の２つに分割される。第１信号は、第１バンドパスフィルター５３４に通される。第１バンドパスフィルター５３４は、中心角周波数がω_ｍに設定されている。これにより、第１バンドパスフィルター５３４通過後の第１信号は、さらに第１遅延調整器５３６および第１ＡＧＣ５４０で位相および振幅を調整された結果、次式で表される。

【0139】

【数12】

【0140】

一方、第２信号は、第２バンドパスフィルター５３５に通される。第２バンドパスフィルター５３５の中心角周波数は、第１バンドパスフィルター５３４の中心角周波数とは異なる値に設定されている。ここでは、一例として、第２バンドパスフィルター５３５の中心角周波数が２ω_ｍに設定されている。これにより、第２バンドパスフィルター５３５通過後の第２信号は、次式で表される。

【0141】

【数13】

【0142】

第２バンドパスフィルター５３５通過後の第２信号には、乗算器５３８で基準信号ｃｏｓ（ω_ｍｔ）が乗算される。乗算後の第２信号は、次式で表される。

【0143】

【数14】

【0144】

乗算器５３８通過後の第２信号は、第３バンドパスフィルター５３９に通される。第３バンドパスフィルター５３９の中心角周波数は、第１バンドパスフィルター５３４の中心角周波数と同じ値に設定されている。ここでは、一例として、第３バンドパスフィルター５３９の中心角周波数がω_ｍに設定されている。これにより、第３バンドパスフィルター５３９通過後の第２信号は、次式で表される。

【0145】

【数15】

【0146】

第３バンドパスフィルター５３９通過後の第２信号は、第２ＡＧＣ５４１で第１信号と振幅が揃えられた結果、次式で表される。

【0147】

【数16】

【0148】

上記式（１４）で表される第１信号および上記式（１８）で表される第２信号は、和算器５４２で和算される。和算結果は、次式で表される。

【0149】

【数17】

【0150】

上記式（１９）のように、和算の結果、不要項が消え、必要項を取り出すことができる。この結果が復調部５５に出力される。なお、前処理部５３はＡＤＣを用いたデジタル処理にて説明したが、ＡＤＣのないアナログ回路構成であってもよい。

【0151】

３．３．復調部の構成
復調部５５は、前処理部５３から出力された信号から被測定物１４に由来するサンプル信号を復調する復調処理を行う。復調処理としては、特に限定されないが、公知の直交検波法が挙げられる。直交検波法は、入力信号に対し、互いに直交する信号を外部から混合する操作を行うことにより、復調処理を施す方法である。

【0152】

図１に示す復調部５５は、第１乗算器５５１と、第２乗算器５５２と、移相器５５３と、第１ローパスフィルター５５５と、第２ローパスフィルター５５６と、除算器５５７と、逆正接演算器５５８と、信号出力回路５５９と、を備えたデジタル回路である。

【0153】

３．４．復調部による復調処理の原理
復調処理では、まず、前処理部５３から出力された信号を、２つに分割する。分割後の一方の信号に対し、第１乗算器５５１において、発振回路５４から出力した基準信号Ｓ２である周波数信号ｃｏｓ（ω_ｍｔ）を乗算する。分割後の他方の信号に対しては、第２乗算器５５２において、発振回路５４から出力した基準信号Ｓ２の位相を移相器５５３で－９０°シフトさせた周波数信号－ｓｉｎ（ω_ｍｔ）を乗算する。周波数信号ｃｏｓ（ω_ｍｔ）と周波数信号－ｓｉｎ（ω_ｍｔ）は、互いに位相が９０°ずれた信号である。

【0154】

第１乗算器５５１を通された信号は、第１ローパスフィルター５５５を通され、その後、信号ｘとして除算器５５７に入力される。第２乗算器５５２を通された信号も、第２ローパスフィルター５５６を通され、その後、信号ｙとして除算器５５７に入力される。除算器５５７では、信号ｙを信号ｘで除する除算を行い、信号ｙ／ｘを逆正接演算器５５８に通して、信号ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を求める。

【0155】

その後、信号ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を信号出力回路５５９に通すことにより、被測定物１４由来のサンプル信号として位相φ_ｄが求められる。そして、位相φ_ｄに基づいて、被測定物１４の変位情報を算出することができる。これにより、被測定物１４の変位を計測する変位計が実現される。また、変位情報から、速度情報を求めることができる。これにより、被測定物１４の速度を計測する速度計が実現される。

【0156】

以上、復調部５５の回路構成について説明したが、上記のデジタル回路の回路構成は、一例であり、これに限定されない。また、復調部５５は、デジタル回路に限定されず、アナログ回路であってもよい。アナログ回路には、Ｆ／Ｖコンバーター回路やΔΣカウンター回路が含まれていてもよい。

【0157】

また、上述した復調部５５の回路構成は、被測定物１４由来のサンプル信号として周波数信号が求められるようになっていてもよい。周波数信号に基づいて、被測定物１４の速度情報を算出することができる。

【0158】

４．位相の振幅
前述した前処理部５３による前処理の原理からもわかるように、前処理を安定して行うためには、受光信号の交流成分のうち、前述した表１に示す１・ω_ｍの信号成分と２・ω_ｍの信号成分の双方が必要となる。

【0159】

図１５は、受光信号の波形の一例を示すグラフである。受光信号は、前述したように、直流成分と交流成分とに分けられる。図１５では、レーザー干渉計１の光路位相差φ_０が取り得る様々な状態を再現するため、φ_０に緩やかな周期変動を与えている。したがって、図１５において、直流成分ｃｏｓ（φ_０）は、長い波の周期に対応し、交流成分ｃｏｓ（ψ_ｍ－ψ_ｄ＋φ_０）は、短い波の周期に対応している。ψ_ｍは、光変調器１２による変調信号の位相であって、ψ_ｍ＝Ｂｓｉｎ（ω_ｍｔ）で表される。ψ_ｄは、被測定物１４由来のサンプル信号の位相である。なお、図１５では、ψ_ｄ＝０としている。また、一例として、Ｂ＝０．２７としている。

【0160】

長い波の周期および短い波の周期は、計測条件に応じて様々に変化することになる。そこで、いかなる動きをする被測定物１４であっても、安定した計測を行うためには、受光信号を表す線が、図１５の「最適ゾーン」と記載した２つの領域に入っていることが求められる。最適ゾーンとは、受光信号の交流成分に、前述した１・ω_ｍの信号成分と２・ω_ｍの信号成分の双方が現れる領域のことをいう。つまり、最適ゾーンから外れている場合、図１５に示すように、１・ω_ｍの信号成分が消失したり、２・ω_ｍの信号成分が消失したりすることになる。

【0161】

したがって、前述した「最適ゾーン」に入るためには、交流成分のうち、ψ_ｍ＋φ_０の振幅がπ／３より大きければよいことになる。また、π／２より大きいことが好ましい。

【0162】

これを踏まえると、変調信号の位相ψ_ｍの変化振幅をΔψ_ｍとし、サンプル信号の位相ψ_ｄの変化振幅をΔψ_ｄとしたとき、Δψ_ｍ＋Δψ_ｄ＞π／３が少なくとも成り立っていればよい。そして、Δψ_ｍがπ／３に向かってできるだけ大きい方が好ましい。これにより、安定した計測が可能になる。

【0163】

なお、前述したψ_ｍ＝Ｂｓｉｎ（ω_ｍｔ）の式から、変調信号の位相ψ_ｍの変化振幅Δψ_ｍはＢという値になる。したがって、振動素子３０の選定にあたっては、Ｂ値がπ／３に向かってできるだけ大きいことが好ましい。一例として、Ｂ値は、０．５超であるのが好ましく、π／３超であるのがより好ましい。これにより、被測定物１４の変位がより微小であっても、安定して計測することができる。

【0164】

また、Ｂ値は、振動素子３０の変位振幅Ｌ_０に換算することができる。例えば、出射光Ｌ１の波長が６３２ｎｍである場合、Ｂ＞π／３を満たすためには、Ｌ_０＞６９．５ｎｍであればよいことになる。また、出射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合、Ｂ＞π／３を満たすためには、Ｌ_０＞９３．４ｎｍであればよいことになる。したがって、振動素子３０の選定にあたっては、変位振幅Ｌ_０を目安に選定してもよい。

【0165】

なお、これらの数値は、以下のようにして求められる。
前記式（１０）より、Ｂ＝ｆ_{ｍｄｍａｘ}／ｆ_ｍである。また、ｆ_{ｍｄｍａｘ}＝（４π・ｆ_ｍ・Ｌ_０・ｓｉｎθ）／λである。なお、λは、出射光Ｌ１の波長であり、θは、図８に示す傾斜角度である。

【0166】

これにより、（４πＬ_０ｓｉｎθ）／λ＞π／３が成り立つ。その結果、Ｌ_０＞λ／（１２ｓｉｎθ）となる。したがって、例えば、θ＝４９．３°とすると、上述したλ＝６３２ｎｍの場合、Ｌ_０＞６９．５ｎｍ［＝６３２／｛１２×ｓｉｎ（４９．３）｝］となる。また、λ＝８５０ｎｍの場合、Ｌ_０＞９３．４ｎｍ［＝８５０／｛１２×ｓｉｎ（４９．３）｝］となる。

【0167】

図１６は、発振回路５４の負荷容量Ｃ_Ｌと、被測定物１４としてのピエゾ素子に対する変位振幅の計測結果の精度と、の関係を示すグラフである。なお、図１６の縦軸は、ピエゾ素子の変位振幅をレーザー干渉計１で計測し、真値８０．３ｎｍに対する計測結果の標準偏差σの割合である。以下、この値を「復調精度」という。

【0168】

図１６では、発振回路５４の負荷容量Ｃ_Ｌを所定の値以上にすることで、１％以下の復調精度を実現することが認められる。図１６の例では、負荷容量Ｃ_Ｌを５０ｐＦ以上にすることで、１％以下の復調精度を実現することができている。振動素子３０の固有振動数ｆ_Ｑが４，９７１，８８６Ｈｚである場合、前記式（ｄ）に基づいて、負荷容量Ｃ_Ｌ５０ｐＦ以上というしきい値をΔｆに換算すると、Δｆ≦６００［Ｈｚ］となる。したがって、この条件を満たすことにより、レーザー干渉計１において良好な復調精度を実現することができる。

【0169】

５．変形例
次に、変形例に係るレーザー干渉計について説明する。

【0170】

図１７は、第１変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。図１８は、第２変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。図１９は、第３変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。図２０は、第４変形例に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造を示す概略構成図である。

【0171】

以下、変形例について説明するが、以下の説明では、前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１７ないし図２０において、前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

【0172】

図１７に示すレーザー干渉計１の光学系５０Ａは、基板３９を備えている。光源部２、光変調器１２および受光素子１０は、それぞれ、この基板３９上に実装されている。そして、基板３９には、図１７に示す光路２２と直交する方向に沿って、受光素子１０、光源部２および光変調器１２がこの順で並ぶように配置されている。

【0173】

また、図１７に示す光学系５０Ａは、プリズム４０、４２を備えている。プリズム４０は、受光素子１０と検光子９との間の、光路２４上に設けられている。プリズム４２は、光変調器１２と１／４波長板８との間の、光路２０上に設けられている。

【0174】

さらに、図１７に示す光学系５０Ａは、凸レンズ４４を備えている。凸レンズ４４は、光源部２と偏光ビームスプリッター４との間の、光路１８上に設けられている。凸レンズ４４を設けることにより、光源部２から出た出射光Ｌ１を集束させて、有効に利用することができる。

【0175】

図１８に示すレーザー干渉計１の光学系５０Ｂは、素子等の配置が異なる以外、図１７に示す光学系５０Ａと同様である。

【0176】

図１８に示す基板３９には、図１８に示す光路２２と直交する方向に沿って、光源部２、受光素子１０および光変調器１２がこの順で並ぶように配置されている。プリズム４０は、光路１８上に設けられ、プリズム４２は、光路２０上に設けられている。

【0177】

図１９に示すレーザー干渉計１の光学系５０Ｃは、被測定物１４と受光素子１０とを結ぶ光路に光変調器１２が組み込まれている配置を有している。

【0178】

図１９に示す基板３９には、図１９に示す光路２２と直交する方向に沿って、光源部２、光変調器１２および受光素子１０がこの順で並ぶように配置されている。プリズム４０は、光路１８上に設けられ、プリズム４２は、光路２４上に設けられている。

【0179】

以上のような図１７ないし図１９に示す実装構造によれば、レーザー干渉計１の小型化を容易に図ることができる。なお、素子の配置は、図示した配置に限定されない。

【0180】

図１７ないし図１９に示す実装構造では、受光素子１０のサイズが例えば０．１ｍｍ角であり、光源部２のサイズが例えば０．１ｍｍ角であり、光変調器１２のサイズが例えば０．５～１０ｍｍ角である。そして、これらを実装する基板３９のサイズについては、例えば１～１０ｍｍ角とされる。これにより、この基板３９のサイズ程度まで、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。

【0181】

図２０に示すレーザー干渉計１の光学系５０Ｄは、以下の点が異なる以外、前記実施形態の光学系５０と同様である。

【0182】

まず、光学系５０Ｄは、前記実施形態の受光素子１０に代えて、２つの受光素子１０ａ、１０ｂを備えている。また、光学系５０Ｄは、偏光ビームスプリッター４に加え、偏光ビームスプリッター４ａを備えている。偏光ビームスプリッター４ａは、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる。さらに、光学系５０Ｄは、１／２波長板１７ａ、１７ｂと、凸レンズ４４と、ミラー４８と、を備えている。そして、光源部２および受光素子１０ａ、１０ｂを実装する基板３９を備えている。

【0183】

１／２波長板１７ａ、偏光ビームスプリッター４ａ、およびミラー４８は、偏光ビームスプリッター４と受光素子１０ｂとの間の光路２４上に、偏光ビームスプリッター４側からこの順で配置されている。

【0184】

１／２波長板１７ｂおよび凸レンズ４４は、光路１８上に、偏光ビームスプリッター４側からこの順で配置されている。

【0185】

また、図２０に示すレーザー干渉計１は、受光素子１０ａから出力される受光信号と、受光素子１０ｂから出力される受光信号に対し、差動処理および増幅処理を行う差動増幅回路５６を備えている。

【0186】

受光素子１０ａには、偏光ビームスプリッター４ａで反射したＳ偏光が入射する。一方、受光素子１０ｂには、偏光ビームスプリッター４ａを透過し、ミラー４８で反射したＰ偏光が入射する。
受光素子１０ａに入射するＳ偏光の受光信号強度Ｉ_ＰＤ１は、次式で表される。

【0187】

【数18】

【0188】

受光素子１０ｂに入射するＰ偏光の受光信号強度Ｉ_ＰＤ２は、次式で表される。

【0189】

【数19】

【0190】

上記式（２０）、（２１）において、それぞれ、第１項は、直流成分を表しており、第２項は、交流成分を表している。

【0191】

そこで、差動増幅回路５６は、受光信号強度Ｉ_ＰＤ１と受光信号強度Ｉ_ＰＤ２の差分Ｉ_ＰＤ１－Ｉ_ＰＤ２を算出する差動処理を行う。この処理の結果、直流成分がカットされ、差分Ｉ_ＰＤ１－Ｉ_ＰＤ２は、次式のように、増幅された交流成分のみで表される。

【0192】

【数20】

【0193】

したがって、本変形例によれば、２つの受光素子１０ａ、１０ｂを用い、差動処理を行うことで、サンプル信号の復調においてノイズとなる直流成分をカットすることができ、かつ、交流成分をより大きな強度で取得することができる。このため、サンプル信号の復調精度をより高めることができる。
以上のような変形例においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

【0194】

以上、本発明のレーザー干渉計を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザー干渉計は、前記実施形態に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前記実施形態に係るレーザー干渉計には、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

【符号の説明】

【0195】

１…レーザー干渉計、２…光源部、４…偏光ビームスプリッター、４ａ…偏光ビームスプリッター、６…１／４波長板、８…１／４波長板、９…検光子、１０…受光素子、１０ａ…受光素子、１０ｂ…受光素子、１２…光変調器、１４…被測定物、１６…セット部、１７ａ…１／２波長板、１７ｂ…１／２波長板、１８…光路、２０…光路、２２…光路、２４…光路、３０…振動素子、３０Ａ…振動素子、３０Ｂ…振動素子、３１…基板、３２…溝、３３…パッド、３４…回折格子、３５…パッド、３６…振動方向、３７…ミラー、３９…基板、４０…プリズム、４２…プリズム、４４…凸レンズ、４５…回路素子、４８…ミラー、５０…光学系、５０Ａ…光学系、５０Ｂ…光学系、５０Ｃ…光学系、５０Ｄ…光学系、５１…センサーヘッド部、５２…復調回路、５３…前処理部、５４…発振回路、５５…復調部、５６…差動増幅回路、７０…容器、７２…容器本体、７４…リッド、７６…ボンディングワイヤー、９０…レーザー干渉計、９１…光変調器、９２…受光素子、９３…復調回路、９４…発振回路、９５…水晶振動子、９６…増幅器、１２０…光変調振動子、３０１…第１電極、３０２…第２電極、３０３…回折格子載置部、３０５…圧電基板、３０６…櫛歯状電極、３０７…接地電極、３１１…表面、３１２…裏面、５３１…電流電圧変換器、５３２…ＡＤＣ、５３３…ＡＤＣ、５３４…第１バンドパスフィルター、５３５…第２バンドパスフィルター、５３６…第１遅延調整器、５３７…第２遅延調整器、５３８…乗算器、５３９…第３バンドパスフィルター、５４２…和算器、５５１…第１乗算器、５５２…第２乗算器、５５３…移相器、５５５…第１ローパスフィルター、５５６…第２ローパスフィルター、５５７…除算器、５５８…逆正接演算器、５５９…信号出力回路、７２１…第１凹部、７２２…第２凹部、５４０…第１ＡＧＣ、５４１…第２ＡＧＣ、Ｃ_０…並列容量、Ｃ_１…直列容量、Ｃ３…第３コンデンサー、Ｃｄ…第２コンデンサー、Ｃｇ…第１コンデンサー、ＧＮＤ…端子、Ｌ１…出射光、Ｌ_１…直列インダクタンス、Ｌ２…参照光、Ｌ３…物体光、Ｎ…法線、Ｐ…ピッチ、Ｒ_１…等価直列抵抗、Ｒ１…第１制限抵抗、Ｒ２…第２制限抵抗、Ｒｆ…帰還抵抗、Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…基準信号、Ｖｃｃ…端子、Ｘ１…端子、Ｘ２…端子、Ｙ…端子、ｘ…信号、ｙ…信号、β…入射角、θ…傾斜角度、θ_Ｂ…ブレーズ角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】