JPH04331333A - 波長変化測定装置 - Google Patents

波長変化測定装置

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JPH04331333A
JPH04331333A JP3130614A JP13061491A JPH04331333A JP H04331333 A JPH04331333 A JP H04331333A JP 3130614 A JP3130614 A JP 3130614A JP 13061491 A JP13061491 A JP 13061491A JP H04331333 A JPH04331333 A JP H04331333A
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light
wavelength
measurement
optical path
beat signal
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Masaru Otsuka
勝 大塚
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0207—Double frequency, e.g. Zeeman
    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばレーザ光源から
の発振波長の変化を測定する波長変化測定装置に関し、
特にレーザ光の波長を基準として被測定物体の長さ、形
状、速度、屈折率等の物理量を測定する際の干渉装置に
適用したときに好適な波長変化測定装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来よりレンズ、ミラー等の光学部材の
長さや形状等を光波干渉を利用して比較的高精度に検出
することができる干渉装置として光ヘテロダイン干渉装
置が知られている。
【０００３】図５はレーザ光源とＡＯ変調器を利用した
従来の光ヘテロダイン干渉装置の要部概略図である。
【０００４】同図においてレーザ光源５１から出射した
レーザ光（周波数ｆ０　）は偏光ビームスプリッター５
２で２つの光束に分割している。そして分割した２つの
光束の光路中に各々配置したＡＯ変調器５３，５４によ
り入射光束の周波数シフトを行う。これにより周波数ｆ
０　＋ｆ１　と周波数ｆ０　＋ｆ２　の２つの光束を得
ている。そして周波数シフトを行った２つの光束を偏光
ビームスプリッター５６で合成し、これにより僅かに周
波数の異なる２つの光束を含む光ヘテロダイン測定用の
光束としてミラー５５を介して被測定物体に導光するよ
うにしている。
【０００５】又、光波干渉としては光源手段からの発振
波長の変動が測定精度に大きく影響してくる。この為、
発振波長の安定化を図ることが重要となっている。
【０００６】図６は米国特許第４９０７８８６号で提案
しているレーザ光源からのレーザ光の発振波長の安定化
を図った干渉装置の要部ブロック図である。
【０００７】同図では１つのレーザ光源７０からのレー
ザ光を光分割器７３で２つの光束に分割している。そし
て２つの光束を並列に配置した２つの干渉計７１，７２
に入射させている。このうち一方の干渉計７２を基準干
渉計として位相部７５からの出力の位相変化をレーザ光
源７０にフィードバックしている。これによりレーザ光
源７０からの発振波長を安定化させて他方の干渉計７１
に入射するレーザ光の波長を安定化している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図５の光ヘテロダイン
干渉装置ではレーザ光源自身の発振波長は安定であるこ
とが前提である。この為レーザ光の波長を基準とする精
密測定にはレーザ光源自体に波長安定化の機能を持たせ
る必要があった。
【０００９】特にレーザ光源として半導体レーザを用い
る場合には高精度な温度制御装置やエタロンのような高
価な光学素子を用いて制御する必要があった。この為光
源部が大型化し、又複雑化してくるという問題点があっ
た。
【００１０】又、図６に示す干渉装置ではレーザ光源か
らの発振波長の安定化の為に専用の基準干渉計を必要と
する為、やはり装置全体が大型化及び複雑化してくると
いう問題点があった。
【００１１】本発明は少なくとも一方の光束に周波数シ
フトを与えた２つの光束間に所定の光路長差を付与した
後に該２つの光束を合成し、このうちの一部の光束を波
長安定化の為のフィードバック制御用として、又は測定
誤差補正用として用いることにより波長安定化の為の専
用干渉計を用いずに波長安定化用の信号又は波長変化に
よる測定データ補正信号が容易に得られ高精度な光波干
渉が可能な干渉装置に好適な波長変化測定装置の提供を
目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の波長変化測定装
置は、発振波長が制御可能な光源手段からの光束を光分
割器で２つの光束に分割し、該２つの光束に光路長差付
与手段を介して、所定の光路長差を付与した後に光合成
器で合成し、該合成した光の一部を検出光、残りを測定
光とし、該検出光より光電検出器でビート信号を検出し
、該ビート信号を用いて該光源手段にフィードバック制
御をして発振波長を安定化させると共に該測定光を被測
定物体に導光するようにしたこと、又は、該ビート信号
を測定データ補正信号として、該測定光を被測定物体へ
導光して得られる測定データを補正するようにしたこと
を特徴としている。
【００１３】
【実施例】図１は、本発明を光波干渉装置に適用したと
きの実施例１の要部概略図である。尚、本実施例では被
測定物としてミラー１１の移動量を測定する場合を示し
ている。
【００１４】図中１は光源手段であり、発振波長が制御
可能な、例えば半導体レーザ（波長λ０　、周波数ｆ０
　）から成っている。光源手段１からは紙面に対して４
５度に傾いた直線偏光を発振している。２は光分割器で
あり、偏光ビームスプリッターから成り、光源手段１か
らの入射光束を互いに直交する２つの直線偏光に分割し
ている。このうち光分割器２を通過した光束はＡＯ変調
器１４ａに、光分割器２で反射した光束はミラー５ｂを
介してＡＯ変調器１４ｂに入射させている。
【００１５】ＡＯ変調器１４ａでは、高安定発振器１５
ａからキャリア信号を受け、入射光に対して周波数ｆ１
　のシフトを与えて、周波数ｆ０＋ｆ１　の光を射出さ
せている。ＡＯ変調器１４ｂでは高安定発振器１５ｂか
らキャリア信号を受け、入射光に対して周波数ｆ２　の
シフトを与えて周波数ｆ０　＋ｆ２　の光を射出させて
いる。ＡＯ変調器１４ａからの光は光路長差付与手段と
しての２つのプリズム反射鏡３，４を介し、所定の光路
を通過させた後ミラー５ａを介して光合成器６としての
光偏光ビームスプリッターに導光している。
【００１６】一方、ＡＯ変調器１４ｂからの光はそのま
ま光合成器６に入射させ、これにより２つの光束を合成
している。このとき光合成器６から射出する光束は周波
数ｆ０　＋ｆ１　と周波数ｆ０　＋ｆ２　の２種類の周
波数を有した互いに直交する直線偏光となっている。
【００１７】１６はＲＦミクサ回路であり、高周波信号
同志の差周波数を取り出して後述する位相計１７ａ，１
７ｂ等に送信している。
【００１８】光合成器６からの光束の一部を検出光とし
て非偏光ビームスプリッター７で反射分割し、４５度方
位の偏光板１２ａを介して２つの直交する直線偏光を円
偏光に変換した後に互いに干渉させて、該干渉光を光電
検出器としてのフォトディテクタ１３ａで検出している
。
【００１９】このときのフォトディテクタ１３ａで第１
のビート信号を得ている。又、このとき得たビート信号
は後述する測定シークェンスで説明する様に光源手段１
からの発振波長の変化に基づいた情報を含んでいる。そ
してフォトディテクタ１３ａからの信号は位相計１７ａ
により、２つの同期信号の位相差を検出し、その結果を
レーザコントローラ２１に送信している。レーザコント
ローラ２１は半導体レーザ１への注入電流をコントロー
ルして発振波長を制御している。
【００２０】尚、高安定発振器１５ａ，１５ｂは各々Ａ
Ｏ変調器１４ａ，１４ｂを駆動させており、このときの
高安定発振器１５ａ，１５ｂの出力の一部をＲＦミクサ
１６に入力している。
【００２１】一方、非偏光ビームスプリッター７を通過
分割した光束は測定光として偏光ビームスプリッター８
に入射させている。
【００２２】このうち偏光ビームスプリッタ８に入射し
た光のうち周波数ｆ０　＋ｆ１　の直線偏光は通過し、
λ／４板９ｂを通り、円偏光となり被測定物としてのミ
ラー１１で反射する。そして再びλ／４板９ｂを通り、
前とは９０度偏光面が異なる直線偏光となり、今度は偏
光ビームスプリッター８で反射する。
【００２３】一方、偏光ビームスプリッタ８に入射した
光のうち周波数ｆ０　＋ｆ２　の直線偏光は反射しλ／
４板９ａを通過し、円偏光となり、参照ミラー１０で反
射する。そして再びλ／４板９ａを通過し、前とは９０
度偏光面が異なる直線偏光となり、今度は偏光ビームス
プリッター８を通過する。
【００２４】そして偏光ビームスプリッター８で再び周
波数ｆ０　＋ｆ１　の直線偏光と周波数ｆ０　＋ｆ２　
の直線偏光を合成し、１本の光束とし偏光板１２ｂを介
した後円偏光とし互いに干渉させ、該干渉光をフォトデ
ィテクタ１３ｂで検出し、これより第２のビート信号を
得ている。そして該第２のビート信号を位相計１７ｂに
入力している。
【００２５】一方、ＡＯ変調器１４ａ，１４ｂを各々駆
動させている高安定発振器１５ａ，１５ｂからの出力の
一部をＲＦミクサ１６でミキシングし、これより第３の
ビート信号を得ている。そして該第３のビート信号を各
々位相計１７ａ，１７ｂに入力している。
【００２６】１８ａ，１８ｂは各々パルスコンバータで
あり、正弦波をパルスに変換している。１９ａ，１９ｂ
は各々カウンタでありパルスコンバータ１８ａ，１８ｂ
からのパルス数を積算している。２０は減算器であり一
定周期でカウンタ１９ａと１９ｂの積算パルスを減算し
て差を取り出している。
【００２７】こうして減算して得られた減算パルスカウ
ント出力はミラー１１の移動量を示すカウンタ出力とな
る。
【００２８】尚、本実施例において光分割器２から光合
成器６に至る一点鎖線で囲んだ各要素は熱膨張係数の小
さな材料、例えばインバー、スーパーインバー、低熱膨
張鋳物、低熱膨張ガラスセラミックス、石英ガラス等、
線膨張係数が１×１０−５／℃以下の材料上に載置して
いる。これにより熱的な影響により各々の要素の位置関
係が変化しないようにしている。
【００２９】次に本実施例の測定シークエンスについて
説明する。
【００３０】今、ＲＦミクサ１６で得られる第３のビー
ト信号を基準としてフォトディテクタ１３ａで得られる
第１のビート信号の位相変化を位相計１７ａで測定し、
位相出力φ１　を取り出す。このとき位相出力φ１　か
らは偏光ビームスプリッタ２で分割した２つの光が実線
の経路を通ってフォトディテクタ１３ａに至る光路長と
、破線の経路を通ってフォトディテクタ１３ａに至る光
路長との光路差をＬ′として、
【００３１】
【数１】 なる関係で決まる位相変動Δφ１　が得られる。
【００３２】ここでΔλは光源手段１からの発振波長の
変化、λ０　は発振波長である。従って、光路差Ｌ′が
物理的に安定しているとすれば、位相変動Δφ１　は光
源手段１の波長変動量の情報を与える事になり、この情
報をレーザコントローラ２１にフィードバックすれば光
源手段１からの発振波長を安定化することができる。
【００３３】この波長安定化した光を測定光として用い
れば、第３のビート信号を基準としてフォトディテクタ
１３ｂで得られる第２のビート信号の位相変化を位相計
１７ｂで測定し、位相出力φ２　を得れば、被測定物と
してのミラー１１の微小な移動量を読みとる事が出来る
。 例えば、光源手段１からの発振波長を７８０ｎｍとし、
位相計の分解能を０．１°とすれば約０．１ｎｍの分解
能が得られる。また、第２のビート信号及び第３のビー
ト信号をそれぞれパルスコンバータ１８ａ，１８ｂでパ
ルス化し、カウンタ１９ａ，１９ｂでパルス数をカウン
トして、減算器２０でパルスの減算を行なえばミラー１
１の大きな移動量が、ドップラー効果によるパルス数の
差として得ることができる。
【００３４】本実施例で説明した様に、ビート信号を形
成すべく光束を分離し、この２光束に周波数差を与える
部分で、光路長差も与える様にしているので、構成が簡
単である。即ち、この部分とは別の部所に別の基準干渉
計を設けた場合等に比較して、光束分離手段等の部材を
少なくできる。
【００３５】図２は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例は図１の実施例１に比べてデータ処理コン
ピュータ２２を新たに追加した点と、位相計１７ａ，１
７ｂ、そして減算器２０の出力をデータ処理コンピュー
タ２２に入力する点、及びレーザコントローラ２１に位
相計１７ａの出力をフィードバックしない点が異ってお
り、その他の構成は同じである。
【００３６】本実施例に於いては、位相計１７ａ，１７
ｂで得られたデータ、即ち位相出力φ１　，φ２　、そ
して減算器２０からの出力は全てデータ処理コンピュー
タ２２に集めている。そして被測定物としてのミラー１
１の動きの情報は位相出力φ２　及び減算器２０からの
出力を位相出力φ１　のデータで補正している。これに
よって光源手段１からの発振波長の変動を補正し、常に
高精度な検出を可能としている。
【００３７】例えば、補正のない場合、距離Ｌは
【００
３８】
【数２】 と算出されるが、λ０　が確定していないと大きなＬの
測定誤差になるが、（１）式より
【００３９】
【数３】 という値を用いて
【００４０】
【数４】 としてＬを算出すれば波長変動を補正した正確な値が得
られる。但し、ｎは減算カウンタ出力値、φ２　は位相
計１７ｂの出力である。
【００４１】図３は本発明の実施例３の要部概略図であ
る。本実施例は図１の実施例に比べてプリズム反射鏡３
、４とＡＯ変調器１４ｂ、そしてＲＦミクサ１６を削除
している。
【００４２】即ち、本実施例では光源手段１から出射し
た光を光分割器としての偏光ビームスプリッタ２で２分
割した後、一方の光は直進させてＡＯ変調器１４ａを介
して周波数シフトを受けた後、光合成器としての偏光ビ
ームスプリッタ６に入射させている。もう一方の光はプ
リズム反射鏡５ｃ，５ｄで所定の光路を通過させた後、
偏光ビームスプリッタ６に入射させている。この点が実
施例１と異なり、この他の構成は同じである。
【００４３】尚、本実施例ではＡＯ変調器を１個しか使
っていない為、通常２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高い周
波数シフト量が、そのままビート信号周波数となるため
位相計の電気回路の周波数特性をビート信号に見合うも
のを用いている。
【００４４】図４は本発明の実施例４の要部概略図であ
る。
【００４５】本実施例では図１の実施例１に対してプリ
ズム反射鏡５ｆ、無偏光ビームスプリッター２３ａ，２
３ｂ、偏光板１２ｃ、そしてフォトディテクタ１３Ｃを
新たに追加した点とＲＦミクサ１６を削除し、偏光ビー
ムスプリッタ２で分割した光路が偏光ビームスプリッタ
６に戻るまでの光路の引き廻し方、即ち光路長差付与手
段の構成が異っており、その他の構成は同じである。
【００４６】本実施例に於いて、光源手段１を出射した
光は偏光ビームスプリッタ２によって２つの偏光方向が
互いに直交する第１と第２の直線偏光Ｌ１，Ｌ２に分割
している。このうち第１の光Ｌ１はＡＯ変調器１４ａで
周波数シフトを受け、無偏光ビームスプリッタ２３ａで
第３と第４の２つの光Ｌ３，Ｌ４に分けている。
【００４７】又、第２の光Ｌ２はプリズム反射鏡５ｂ、
ＡＯ変調器１４ｂを経て、無偏光ビームスプリッタ２３
ｂで第５と第６の２つの光Ｌ５，Ｌ６に分けている。こ
のうち第４の光Ｌ４と第６の光Ｌ６は偏光板１２ｃを介
して干渉させ、該干渉光をフォトディテクタ１３ｃで検
出してビート信号を得ている。この時、第４の光Ｌ４と
第６の光Ｌ６は全く光路差がないようにしておく。そし
て、第３の光Ｌ３は偏光ビームスプリッタ６へ向かい、
第５の光Ｌ５はプリズム反射鏡５ｆを介してやはり偏光
ビームスプリッタ６へ向かい、第３の光Ｌ３と第５の光
Ｌ５を合成して測定光として射出させている。
【００４８】フォトディテクタ１３ｃで得られたビート
信号は（１）式の光路差Ｌ′が０であるため、光源手段
１からの波長変動の影響を受けない基準信号として、位
相計１７ａ，１７ｂの参照信号となる。このため第１の
実施例で用いたＲＦミクサ回路が不要となっている。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば前述の如く周波数差を与
えた２つの光束間に所定の光路長差を付与した後に分割
し、該２つの光束を合成し、このうちの一部の光束を波
長安定化の為のフィードバック制御用として、又は測定
誤差補正用として用いることにより、波長安定化の為の
専用干渉計を用いずに波長安定化用の信号又は波長変化
による測定データ補正信号が容易に得られ高精度な光波
干渉が可能な干渉装置に好適な波長変化測定装置を達成
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】本発明
の実施例２の要部概略図
【図３】本発明の実施例３の要
部概略図
【図４】本発明の実施例４の要部概略図
【図５
】従来の光ヘテロダイン干渉装置の概略図
【図６】従来
の干渉装置の要部ブロック図
【符号の説明】
１　　光源手段 ２　　光分割器 ３　　プリズム反射鏡 ４　　プリズム反射鏡 ５ａ　　プリズム反射鏡 ５ｂ　　プリズム反射鏡 ６　　光合成器 ７　　偏光ビームスプリッター ８　　偏光ビームスプリッター ９ａ　　偏光板 ９ｂ　　偏光板 １０　　参照ミラー １１　　被測定物 １２ａ　　偏光板 １２ｂ　　偏光板 １３ａ　　フォトディテクタ １３ｂ　　フォトディテクタ １４ａ　　ＡＯ変調器 １４ｂ　　ＡＯ変調器 １５ａ　　高安定発振器 １５ｂ　　高安定発振器 １６　　　　ＲＦミクサ １７ａ　　位相計 １７ｂ　　位相計 ２１　　レーザコントローラ ２２　　データ処理コンピュータ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　発振波長が制御可能な光源手段からの
    光束を光分割器で２つの光束に分割し、該２つの光束に
    所定の周波数差を与えると共に光路長差付与手段を介し
    て、所定の光路長差を付与した後に光合成器で合成し、
    該合成した光の一部を検出光、残りを測定光とし、該検
    出光より光電検出器でビート信号を検出し、該ビート信
    号を用いて該光源手段にフィードバック制御をして発振
    波長を安定化させると共に該測定光を被測定物体に導光
    するようにしたことを特徴とする波長変化測定装置。
  2. 【請求項２】　　光源手段からの光束を光分割器で２つ
    の光束に分割し、該２つの光束に所定の周波数差を与え
    ると共に光路長差付与手段を介して所定の光路長差を付
    与した後に光合成器で合成し、該合成した光の一部を検
    出光、残りを測定光とし、該検出光より光電検出器でビ
    ート信号を検出し、該ビート信号を測定データ補正信号
    として、該測定光を被測定物体へ導光して得られる測定
    データを補正するようにしたことを特徴とする波長変化
    測定装置。
  3. 【請求項３】　　前記光分割器から前記光合成器に至る
    光路中の各光学要素を熱膨張係数１×１０−５／℃以下
    の同一基板面上に載置したことを特徴とする請求項１又
    は請求項２の波長変化測定装置。
  4. 【請求項４】　　前記光分割器で分割した２つの光束の
    うち少なくとも一方の光束の光路中に光周波数をシフト
    させることができるシフト手段を設けたことを特徴とす
    る請求項１又は請求項２の波長変化測定装置。
  5. 【請求項５】　　前記光源手段として半導体レーザを用
    いたことを特徴とする請求項１又は請求項２の波長変化
    測定装置。
  6. 【請求項６】　　前記基板の材質をインバー、スーパー
    インバー、低熱膨張鋳物、低熱膨張ガラスセラミックス
    、石英ガラスのうちの１つを用いたことを特徴とする請
    求項３の波長変化測定装置。
JP3130614A 1991-05-02 1991-05-02 波長変化測定装置 Pending JPH04331333A (ja)

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EP92107488A EP0512450B1 (en) 1991-05-02 1992-05-04 Wavelength variation measuring apparatus
DE69216464T DE69216464T2 (de) 1991-05-02 1992-05-04 Apparat zum Messen der Wellenlängenvariation
US08/436,598 US5493395A (en) 1991-05-02 1995-05-08 Wavelength variation measuring apparatus

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JP (1) JPH04331333A (ja)
DE (1) DE69216464T2 (ja)

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