JP7491142B2 - レーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法 - Google Patents

レーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法に関するものである。
特許文献１には、物体の振動速度を測定する装置として、物体に対してレーザー光を照射し、ドップラーシフトを受けた散乱レーザー光に基づいて、振動速度を計測するレーザー振動計が開示されている。このレーザー振動計では、光ヘテロダイン干渉法を用いることにより、散乱レーザー光に含まれたドップラー信号を取り出す。
また、特許文献１に記載のレーザー振動計では、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子または水晶振動子が用いられており、これらの振動素子にレーザー光を照射することにより、周波数をシフトさせる。このようにして周波数がシフトした変調信号を含むレーザー光を参照光として用いることにより、散乱レーザー光からドップラー信号を復調している。このようにして得られたドップラー信号を用いることにより、物体の振動速度を計測することができる。
さらに、特許文献１には、振動素子として、例えば電圧、磁気等を与えると変形する性質を持ち、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子を使用することが望ましいことが記載されている。また、振動周波数は、波形の立ち上がりが直線性を示す三角波やのこぎり波でなければならないこと、および、のこぎり波印加電圧の立ち上がり時、あるいは、三角波印加電圧立ち上がりおよび立ち下がり時に、レーザー光が入射されることによる光ドップラーシフトを利用することが記載されている。
特開２００７－２８５８９８号公報
しかしながら、一般的にｋＨｚ帯以上で駆動するピエゾ素子やＱ値が高い水晶振動子のような振動素子は、単振動駆動を利用している。このため、特許文献１に記載されているような三角波やのこぎり波を用いた駆動方法では、変調信号の精度が出ず、現実的ではないという問題がある。そこで、三角波やのこぎり波を使わない駆動方法を用いる必要がある。
一方、比較的精度の出しやすい正弦波を使った駆動方法を用いた場合、その振動素子内でレーザー光を変調する部位の速度が、時々刻々と変化しやすくなる。このため、変調周波数もそれに伴って変化することになる。このようにして変調信号の周波数が変化すると、散乱レーザー光からドップラー信号等のサンプル信号を復調するとき、サンプル信号を正確に復調することができないという課題が生じる。
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され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、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を行う復調回路と、
を備え、
前記復調回路は、前記復調処理を間欠的に行うことを特徴とする。
本発明の適用例に係るレーザー干渉計の制御方法は、
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レーザー光に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され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、
を備えるレーザー干渉計の制御方法であって、
前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うことを特徴とする。
第１実施形態に係るレーザー干渉計を示す概略構成図である。 図１に示す光変調器の第１構成例を示す概念図である。 図１に示す光変調器の第２構成例を示す概念図である。 図１に示す光変調器の第３構成例を示す概念図である。 ＭＥＭＳ振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧と、このＭＥＭＳ振動ミラー素子の振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値と、の関係を示すグラフである。 図１に示す光変調器の第４構成例を示す概念図である。 直交検波法による復調処理を行う復調回路を示すブロック図である。 単振動する振動素子に設けられた光反射面の位置の時間変化を表すグラフ、および、この振動素子による変調周波数の時間変化を表すグラフである。 等速で動く被測定物に対してレーザー光を照射したとき、復調回路から出力されたドップラーシフトの時間変化を表すグラフである。 振動素子で変調された参照光に含まれる変調信号の、図９に示す誤差１％以下の領域に入っている時間に対応する波数と、振動素子の最大変調周波数と、の関係を示す表である。 第２実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。 第２実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。 第２実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。
以下、本発明のレーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図１は、第１実施形態に係るレーザー干渉計を示す概略構成図である。
図１に示すレーザー干渉計１は、光学系５０と、光学系５０からの信号が入力される復調回路５２と、制御回路５３と、を有する。
１．１．光学系
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。
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３Ａ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、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、サンプル信号、例えば周波数信号や位相信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）として反射する。
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。また、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。さらに、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。
また、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。
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。
以下、レーザー干渉計１の各部について順次説明する。
１．１．１．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等が挙げられる。このうち、半導体レーザーは、光源部２の小型化を可能にする。
１．１．２．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。
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。
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、ｆＭ（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ｆＭ（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。
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、ｆｄ（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ｆｄ（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。
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。
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。
１．１．３．検光子
検光子９は、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、ｆＭ－ｆｄ（Ｈｚ）の周波数を持つ干渉光が生成される。
１．１．４．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、ｆＭ－ｆｄ（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周波数信号や位相信号等の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または変位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。
１．１．５．光変調器
以下、光変調器１２を、振動素子の形態に基づき、４つの構成例に分けて説明する。
１．１．５．１．第１構成例
まず、光変調器１２の第１構成例について説明する。図２は、図１に示す光変調器１２の第１構成例を示す概念図である。
図２に示す光変調器１２は、圧電素子を含む振動素子３Ａを備えている。圧電素子は、電圧を加えると変形する性質を有し、電圧を変化させることにより振動周波数が可変となる素子である。振動素子３Ａは、圧電素子である素子本体３１と、素子本体３１に設けられた光反射膜３２と、を有している。
振動素子３Ａがこのような圧電素子を有することにより、構造が簡単で低コスト化が容易な光変調器１２を実現することができる。
図２に示す素子本体３１は、図２の上下方向に伸縮振動する振動モードを有する。素子本体３１は、圧電材料で構成されている。この圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン等の圧電プラスチック等が挙げられる。
光反射膜３２は、素子本体３１の振動方向に交差するように広がるミラー膜で構成されている。ミラー膜としては、例えば、金属膜、誘電体多層膜等が挙げられる。
このような振動素子３Ａは、前述したように、図２の上下方向に単振動を発生させる。単振動とは、所定の振幅および所定の周期で往復する運動のことをいう。単振動の振幅や周期は、振動素子３Ａに加える電圧信号の波形を正弦波またはそれに準じた波形にすることによって、比較的精度よく制御される。このため、単振動を発生させる振動素子３Ａを用いることにより、光反射面の振動速度を精度よく制御することができる。これにより、高精度で安定した変調信号を生成することができる。
振動素子３Ａでは、光反射膜３２の上面が出射光Ｌ１を反射する光反射面となる。振動素子３Ａは、面内振動、すなわち光反射面と平行に振動する素子であってもよいが、本実施形態では、面外振動、すなわち光反射面と交差する面外方向に振動する素子である。このような面外方向に振動する振動素子３Ａを用いることにより、光変調器１２の小型化を図りやすいという利点が得られる。
１．１．５．２．光変調器による周波数シフトの原理
次に、光変調器１２による周波数シフトの原理について説明するが、その説明に先立ち、まず、被測定物１４によるドップラーシフトの原理を説明する。
Ｖベクトルで動いている被測定物１４に周波数ｆ０の出射光Ｌ１を照射すると、被測定物１４において、ドップラー効果による周波数シフトを受ける。被測定物１４による周波数シフト（ドップラーシフト）をｆｄとすると、周波数ｆ０＋ｆｄの物体光Ｌ３が被測定物１４から散乱される。ドップラーシフトｆｄは、下記の式（１）で求められる。
Figure 0007491142000001
ここで、出射光Ｌ１が入射する方向に沿って、入射方向とは逆の方向に被測定物１４が速度Ｖで動いており、かつ、入射した出射光Ｌ１が被測定物１４で反射して入射光と同じ光路を逆にたどる場合を考える。この場合、ｋｓ＝－ｋｉとなるので、上記式（１）は、下記式（２）のようになる。
Figure 0007491142000002
上記式（２）から明らかなように、ドップラーシフトｆｄは、被測定物１４の速度Ｖと線形の関係で導かれる。したがって、レーザー干渉計１でドップラーシフトｆｄを求めることができれば、非接触、かつ、校正作業を行わずに、被測定物１４の速度Ｖを計測することが可能になる。
続いて、光変調器１２による周波数シフトの原理について説明する。
光変調器１２の光反射膜３２に出射光Ｌ１が入射すると、出射光Ｌ１がドップラー効果による周波数変調を受けて、変調信号を含む参照光Ｌ２が生成される。変調信号の周波数を変調周波数ｆＭとすると、変調周波数ｆＭは、下記の式（３）で求められる。
Figure 0007491142000003
ｋｉベクトルは、光変調器１２に入射する出射光Ｌ１の波数ベクトルであり、ｋｓベクトルは、光変調器１２で散乱された散乱光の波数ベクトルである。なお、光反射膜３２では、散乱光を反射光とみなすことができるので、ｋｓベクトルは、反射光の波数ベクトルとみなすことができる。また、ｖベクトルは、光反射面の速度である。
ここで、出射光Ｌ１を光反射面に垂直に入射させることを考える。この場合、ｋｓ＝－ｋｉとなるので、上記式（３）は、下記式（４）のようになる。
Figure 0007491142000004
θは、光変調器１２から出射される参照光Ｌ２の進行方向と、光反射面の速度方向と、のなす角度である。また、λは、光反射面に入射させる出射光Ｌ１の波長である。
ここで、参照光Ｌ２の進行方向と、光反射面の速度方向と、が一致する場合を考える。この場合、θ＝０であるため、上記式（４）は、下記式（５）のようになる。
Figure 0007491142000005
一方、光反射面の速度を考える。光反射面の変位振幅をＬ０（ｍ）とし、光反射面の振動周波数をｆａ（Ｈｚ）とする。このとき、光反射面の位置Ｌ（ｍ）は、下記式（６）で求められ、光反射面の速度ｖ（ｍ／ｓ）は、下記式（７）で求められる。
Figure 0007491142000006
Figure 0007491142000007
これらの式（６）および式（７）により、前述した変調周波数ｆＭは、下記式（８）で求められる。
Figure 0007491142000008
上記式（８）から分かるように、変調周波数ｆＭは、振動素子３Ａの単振動に合わせて変動する。そして、瞬間的な最大変調周波数ｆＭｍａｘは、下記式（９）で求められる。
Figure 0007491142000009
ここで、参照光Ｌ２の進行方向と、光反射面の最大速度方向と、が一致する場合を考える。この場合、式（９）ではθ＝０となるため、最大変調周波数ｆＭｍａｘは、下記式（１０）で求められる。
Figure 0007491142000010
以上のように、最大変調周波数ｆＭｍａｘを大きくするには、θ＝０またはそれに近い値であることが好ましい。これを踏まえても、振動素子３Ａは、面内振動する素子であるよりも、面外振動する素子であることが好ましい。
なお、振動素子３Ａは、印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Ｌ０および振動周波数ｆａを変化させることができる。これにより、最大変調周波数ｆＭｍａｘを調整することが可能になる。
１．１．５．３．第２構成例
次に、光変調器１２の第２構成例について説明する。図３は、図１に示す光変調器１２の第２構成例を示す概念図である。
以下、第２構成例について説明するが、以下の説明では、第１構成例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３において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。
図３に示す光変調器１２は、圧電素子を含む振動素子３Ａと、ミラー３３と、を備えている。
図３に示す光変調器１２では、振動素子３Ａの光反射面に入射したｋｉベクトルの光が、光反射面で反射し、ｋ１ｓベクトルの光としてミラー３３に入射する。ｋ１ｓベクトルの光は、ミラー３３に対して入射角ゼロで入射するため、出射角もゼロになり、同じ角度で振動素子３Ａの光反射面に入射する。ｋ１ｓベクトルの光は、光反射面で再び反射し、ｋｉベクトルの光と同じ光路をたどって進行する。
このようにミラー３３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３３を併用することにより、振動素子３Ａ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。
前述した光反射面による２回の反射のうち、１回目の反射による変調周波数をｆＭ１とし、２回目の反射による変調周波数ｆＭ２とする。
ｆ０は、出射光Ｌ１の周波数であるが、ｆ０＞＞ｆＭという関係があるため、変調周波数ｆＭ１、ｆＭ２は、下記式（１１）および下記式（１２）に示すように、それぞれｆＭに等しいとみなすことができる。
Figure 0007491142000011
これを踏まえると、図３に示す光変調器１２で生成される参照光Ｌ２は、出射光Ｌ１に変調周波数ｆＭ’の周波数シフトを与えたものではあるが、この変調周波数ｆＭ’は、２ｆＭとみなすことができる。そうすると、ｆＭ’は、下記式（１３）で与えられる。
Figure 0007491142000012
これにより、本構成例では、より高周波の周波数変調が可能になることがわかる。以上のような第２構成例においても、第１構成例と同様の効果が得られる。
１．１．５．４．第３構成例
次に、光変調器１２の第３構成例について説明する。図４は、図１に示す光変調器１２の第３構成例を示す概念図である。
以下、第３構成例について説明するが、以下の説明では、第１構成例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４において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。
図４に示す光変調器１２は、ＭＥＭＳ振動ミラー素子を含む振動素子３Ｂを備えている。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。ＭＥＭＳ振動ミラー素子は、図示しないトーションバー同士の間に懸架された可動部３４と、可動部３４の表面に設けられた光反射膜３２と、を備えている。
可動部３４は、トーションバーとともに、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されている。可動部３４は、トーションバーを回動軸Ａｘとして、回動軸Ａｘまわりに回動往復運動をする。可動部３４を駆動する方式としては、例えば、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電駆動方式等が挙げられる。
一方、可動部３４は、回動往復運動をするので、光反射面は、入射光の光軸に対して様々な方向を向く。このため、光反射面に入射したｋｉベクトルの光（出射光Ｌ１）は、光反射面の向きに応じて、様々な方向に散乱する。図４では、光反射面で様々な方向に反射された光の例として、ｋ１ｓベクトルの光、ｋ２ｓベクトルの光、ｋ３ｓベクトルの光を図示している。これらは、いずれも参照光Ｌ２に相当する。
ここで、後述する復調処理では、振動素子３Ｂの振動速度が最も大きい時間帯に、間欠処理の実行期間を設定することによって、サンプル信号の復調精度を高めることができる。そこで、振動素子３Ｂの場合、光反射面が回動角度幅の中心に位置しているとき、振動速度が最大になる。このように光反射面の振動速度が最大になるときに、入射光であるｋｉベクトルの光が反射してなる光であり、かつ、その光路が、入射光であるｋｉベクトルの光と重なる光を、ｋ１ｓベクトルの光とする。このｋ１ｓベクトルの光を選択的に取り出すことができれば、それ以外の光が混入しにくくなるので、復調処理においてサンプル信号のＳ／Ｎ比（Signal Noise Ratio）を高めることができる。
図４に示す光変調器１２は、遮光部３５を備えている。遮光部３５は、開口部３５１を有している。遮光部３５は、この開口部３５１を介してｋ１ｓベクトルの光を通過させ、それ以外の光を遮光するように構成されている。これにより、ｋ２ｓベクトルの光やｋ３ｓベクトルの光で代表される、ｋ１ｓベクトル以外のベクトルを持つ光が受光素子１０に入射するのを抑制することができる。その結果、サンプル信号のＳ／Ｎ比を低下させる成分が遮光部３５でカットされることになるため、より正確なサンプル信号を復調することができる。
遮光部３５は、遮光機能を有する部材であれば、構成材料等は限定されない。また、遮光機能を有する部材に代えて、屈折、反射、散乱等により、結果的に遮光する部材を用いるようにしてもよい。
以上のように、本構成例では、振動素子３ＢがＭＥＭＳ振動ミラー素子を有している。このような構成によれば、ＭＥＭＳ振動ミラー素子の特徴を有効に利用することができる。つまり、小型化が容易で、駆動周波数が十分に大きく、かつ、変位振幅も大きい振動素子３Ｂを実現することができる。その結果、計測可能な被測定物１４の動きの周波数帯域または速度範囲を十分に広げることができ、小型で高性能なレーザー干渉計１を実現することができる。
また、本構成例では、光変調器１２が、参照光Ｌ２（第２レーザー光）の光路上に設けられ、参照光Ｌ２の一部を遮光する遮光部３５を備えている。換言すれば、図４に示す光変調器１２は、図４に示すｋ１ｓベクトルの光を通過させ、ｋ２ｓベクトルの光およびｋ３ｓベクトルの光を遮光する遮光部３５を備えている。
このような構成によれば、振動素子３Ｂの振動速度が最も大きい時間帯に光反射面で反射したｋ１ｓベクトルの光を、受光素子１０に選択的に導くことができる。これにより、サンプル信号の復調精度を高めることができる。
なお、ＭＥＭＳ振動ミラー素子も、可動部３４を駆動する駆動部に印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Ｌ０および振動周波数ｆａを変化させることができる。これにより、最大変調周波数ｆＭｍａｘを調整することが可能である。
図５は、ＭＥＭＳ振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧と、このＭＥＭＳ振動ミラー素子の振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値と、の関係を示すグラフである。なお、図５には、ＭＥＭＳ振動ミラー素子の振動周波数を１２３５Ｈｚとし、共振周波数で駆動したときの測定結果を示している。また、最大変調周波数を示したグラフには、ＭＥＭＳ振動ミラー素子に入射させる光として、波長６３２ｎｍの光と波長８５０ｎｍの光を用いた場合の測定結果を併せて示している。
図５では、ＭＥＭＳ振動ミラー素子の駆動部に印加する電圧を上げると、振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅の各測定値がいずれも増加していることが認められる。この結果を踏まえても、振動最大速度、最大変調周波数および変位振幅は、駆動条件の変更によって調整することが可能であることがわかる。
以上のような第３構成例においても、第１構成例と同様の効果が得られる。
１．１．５．５．第４構成例
次に、光変調器１２の第４構成例について説明する。図６は、図１に示す光変調器１２の第４構成例を示す概念図である。
以下、第４構成例について説明するが、以下の説明では、第３構成例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６において、前記構成例と同様の構成については、同一の符号を付している。
図６に示す光変調器１２は、シリコン振動子または水晶振動子で構成された振動片３６を有する振動素子３Ｃを備えている。振動片３６は、図６に示すように、一端が支持され、他端が自由端になるように配置された、いわゆる片持ち梁型の振動片である。また、振動片３６には、光反射膜３２が設けられている。
シリコン振動子で構成された振動片３６は、図示しない駆動部により駆動され、厚み方向に屈曲振動する。駆動部の駆動方式としては、例えば、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電駆動方式等が挙げられる。
一方、水晶振動子で構成された振動片３６は、水晶が示す逆圧電効果により、厚み方向に屈曲振動する。
このような振動片３６は、屈曲往復運動をするので、光反射面は、入射光の光軸に対して様々な方向を向く、このため、光反射面に入射したｋｉベクトルの光（出射光Ｌ１）は、光反射面の向きに応じて、様々な方向に散乱する。図６では、光反射面で様々な方向に反射された光の例として、ｋ１ｓベクトルの光、ｋ２ｓベクトルの光、ｋ３ｓベクトルの光を図示している。これらは、いずれも参照光Ｌ２に相当する。
図６に示す光変調器１２は、遮光部３５を備えている。遮光部３５は、開口部３５１を有している。遮光部３５は、この開口部３５１を介してｋ１ｓベクトルの光を通過させ、それ以外の光を遮光するように構成されている。これにより、ｋ２ｓベクトルの光やｋ３ｓベクトルの光で代表される、ｋ１ｓベクトル以外のベクトルを持つ光が受光素子１０に入射するのを抑制することができる。その結果、サンプル信号のＳ／Ｎ比を低下させる成分が遮光部３５でカットされることになるため、より正確なサンプル信号を復調することができる。
なお、シリコン振動子および水晶振動子も、駆動部や電極に印加する電圧および周波数を変更することにより、変位振幅Ｌ０および振動周波数ｆａを変化させることができる。これにより、最大変調周波数ｆＭｍａｘを調整することが可能である。
以上のように、本構成例では、振動素子３Ｃがシリコン振動子または水晶振動子を有している。このような構成によれば、シリコン振動子や水晶振動子の特徴を有効に利用することができる。つまり、小型化が容易で、駆動周波数が十分に大きく、かつ、変位振幅も大きい振動素子３Ｃを実現することができる。その結果、計測可能な被測定物１４の動きの周波数帯域または速度範囲を十分に広げることができ、小型で高性能なレーザー干渉計１を実現することができる。
以上のような第４構成例においても、第１構成例と同様の効果が得られる。
１．２．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周波数信号や位相信号等のサンプル信号を復調する復調処理を行う。サンプル信号を復調する方法としては、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、受光信号に対し、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、受光信号に復調処理を施す方法である。
図７は、直交検波法による復調処理を行う復調回路を示すブロック図である。図７に示す復調回路の構成は、公知のデジタル回路の回路構成であり、変調周波数が変化しない音響光学素子（ＡＯＭ）のような光変調器を用いて変調された光に基づく受光信号から周波数信号を復調するために用いられる。
図７に示す復調回路５２は、ハイパスフィルター５２１と、乗算器５２２ａ、５２２ｂと、局部発振器５２３ａ、５２３ｂと、ローパスフィルター５２５ａ、５２５ｂと、除算器５３０と、逆正接演算回路５３２と、微分回路５３３と、振幅調整回路５３４と、を備えている。
復調処理では、まず、受光素子１０から出力された受光信号を、ハイパスフィルター５２１に通して直流成分を除去した後、２つに分割する。分割後の一方の受光信号に対し、乗算器５２２ａにおいて、局部発振器５２３ａから出力した発振周波数信号ｃｏｓωＭｔを乗算する。分割後の他方の受光信号に対しては、乗算器５２２ｂにおいて、局部発振器５２３ｂから出力した発振周波数信号－ｓｉｎωＭｔを乗算する。発振周波数信号ｃｏｓωＭｔと発振周波数信号－ｓｉｎωＭｔは、互いに位相が９０°ずれた信号である。
乗算器５２２ａを通した受光信号は、ローパスフィルター５２５ａを通され、その後、信号ｘとして除算器５３０に入力される。乗算器５２２ｂを通した受光信号も、ローパスフィルター５２５ｂを通され、その後、信号ｙとして除算器５３０に入力される。除算器５３０では、信号ｙを信号ｘで除する除算を行い、信号ｙ／ｘを逆正接演算回路５３２に通して、信号ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を求める。
その後、信号ａｔａｎ（ｙ／ｘ）を微分回路５３３および振幅調整回路５３４に通すことにより、周波数信号であるサンプル信号ｆｄ（ｔ）が求められる。
以上、復調回路５２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、復調回路５２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(Frequency Voltage)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。周波数復調の場合には、アナログ回路の方が分解能を高めやすいという利点がある。
また、上述した復調回路５２の回路構成は、周波数情報を出力する回路構成であるが、位相情報を出力する回路構成であってもよい。この位相情報を用いることにより、被測定物１４の変位を求める変位計が実現される。
１．３．制御回路
制御回路５３は、復調回路５２から出力されたサンプル信号ｆｄ（ｔ）に対して各種演算を行う。この演算の結果、最終的なレーザー干渉計１の出力信号を得る。
ここで、上記のような復調処理は、前述したように、変調周波数が変化しない光変調器を用いて変調された光に基づく受光信号からサンプル信号を復調するための処理である。しかしながら、振動素子３Ａ～３Ｃは、往復振動するため、変調周波数が変化する。このため、振動素子３Ａ～３Ｃを備える光変調器１２で変調された参照光Ｌ２を含む光に基づく受光信号に対して、上記の復調処理を行うと、正確なサンプル信号を取り出すことができないという問題がある。
そこで、本実施形態では、復調回路５２が間欠的な復調処理を行う。具体的には、復調回路５２から出力されたサンプル信号ｆｄ（ｔ）に対し、制御回路５３において、一部の期間の信号を抽出する処理を行う。
サンプル信号ｆｄ（ｔ）を抽出する期間を「復調処理の実行期間」とする。この実行期間には、単振動している光反射面の速度がほぼ一定とみなすことができる期間が設定される。このような実行期間では、変調周波数がほぼ一定であるとみなすことができる。したがって、制御回路５３では、復調回路５２から出力されたサンプル信号ｆｄ（ｔ）のうち、実行期間に出力された信号を抽出することにより、より正確なドップラーシフトの情報を求めることが可能になる。
なお、本明細書では、サンプル信号ｆｄ（ｔ）から一部の期間の信号を抽出する処理について説明するが、「間欠的な復調処理」には、復調回路５２がサンプル信号ｆｄ（ｔ）を間欠的に出力する動作を行う形態も含んでいる。
図８は、単振動する振動素子３Ｂに設けられた光反射面の位置Ｌの時間変化を表すグラフ、および、この振動素子３Ｂによる変調周波数ｆＭの時間変化を表すグラフである。なお、図８では、一例として振動素子３Ｂを挙げているが、他の振動素子３Ａ、３Ｃでも同様である。
図８に示す光反射面の位置Ｌは、前述した式（６）で与えられる。また、図８に示す変調周波数ｆＭは、前述した式（８）で与えられる。このため、光反射面の位置Ｌの時間変化と、変調周波数ｆＭの時間変化は、いずれも三角関数で表される。したがって、変調周波数ｆＭは、極大を迎える時間帯Ｔにおいて、ほぼ一定とみなすことができる。
そこで、制御回路５３は、変調周波数ｆＭに基づき、最大変調周波数を迎える時刻ｔと、時刻ｔを含む所定幅の時間帯Ｔと、を特定する。そして、制御回路５３は、この時間帯Ｔに復調回路５２から出力されたサンプル信号ｆｄ（ｔ）を抽出する。このような処理に行うことにより、ドップラーシフトの情報を高精度に求めることができる。なお、この時間帯Ｔは、振動素子３Ｂの瞬間的な振動速度が最も大きい時間帯であるともいえる。
図９は、等速で動く被測定物に対してレーザー光を照射したとき、復調回路５２から出力されたドップラーシフトｆｄの時間変化を表すグラフである。
なお、図９の例では、被測定物の速度は１０ｍｍ／秒である。この速度は、ドップラーシフトに換算すると、２３．５ｋＨｚとなる。したがって、図９では、－２３５００Ｈｚというドップラーシフトの値が真値ということになる。また、図９では、この真値に対し、誤差１％以下の領域を示している。この領域の内側に測定結果が入っていれば、その測定結果の精度は十分であるといえる。
さらに、図９では、測定に用いた振動素子３Ｂの最大変調周波数を変えた場合の測定結果をそれぞれ示している。最大変調周波数は、低い方から、０．５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、１．５ＭＨｚ、３ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚである。なお、測定結果の導出に必要な前述の発振周波数信号ｃｏｓωＭおよび発振周波数信号－ｓｉｎωＭについては、上述した各最大変調周波数の値を用いている。
図９に示すように、いずれの最大変調周波数であっても、ほぼ真値に近い測定結果を求めることができる時間帯が存在している。また、測定結果が誤差１％以下の領域に入っている時間は、最大変調周波数によって異なるが、それぞれ一定時間確保されている。したがって、制御回路５３においてこの時間帯を抽出することにより、十分に精度の高い計測が可能であるといえる。
また、最大変調周波数が低いほど、測定結果が誤差１％以下の領域に入っている時間が長くなっている。ただし、最大変調周波数が低すぎる場合には、測定結果の精度が低下するおそれがある。図９には図示していないが、最大変調周波数を０．１８ＭＨｚにした場合、測定精度の低下が認められている。
そこで、振動素子で変調された参照光Ｌ２に含まれる変調信号の、図９に示す誤差１％以下の領域に入っている時間に対応する波数と、振動素子の最大変調周波数と、の関係を考察してみる。図１０は、この波数と最大変調周波数との関係を示す表である。
図１０に示すように、最大変調周波数が０．１８ＭＨｚである場合、前記波数は２となる。この場合には、前述したように、測定結果の精度が認められたことから、それを踏まえると前記波数は３以上であることが好ましい。一方、最大変調周波数が０．５ＭＨｚ以上の場合では、いずれも前記波数が３以上になっている。最大変調周波数がこの範囲では、図９に示したように、十分な測定精度が得られている。したがって、前記波数は３以上であることが好ましいといえる。
以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１は、光源部２と、光変調器１２と、受光素子１０と、復調回路５２、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３Ａ～３Ｃを備え、振動素子３Ａ～３Ｃ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）で反射されて生成された、サンプル信号を含む物体光Ｌ３（第３レーザー光）と、参照光Ｌ２と、の干渉光を受光する。復調回路５２は、受光素子１０で出力された受光信号から、サンプル信号を復調する復調処理を行う。そして、復調回路５２は、復調処理を間欠的に行う。
このような構成によれば、復調回路５２による復調処理を間欠的に行うため、例えば間欠処理の実行期間を最適化することによって、より正確なサンプル信号の復調が可能になる。例えば、振動素子３Ａ～３Ｃの振動速度が最も大きい時間帯を実行期間に設定することで、サンプル信号の復調精度を高めることができる。その結果、振動素子３Ａ～３Ｃという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計１を実現することができる。
また、本実施形態に係るレーザー干渉計１の制御方法は、光源部２と、光変調器１２と、受光素子１０と、を備えるレーザー干渉計１を制御する方法である。この制御方法では、受光素子１０で出力された受光信号から、サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うように制御する。
このような制御方法によれば、復調処理を間欠的に行うため、例えば間欠処理の実行期間を最適化することによって、より正確なサンプル信号の復調が可能になる。例えば、振動素子３Ａ～３Ｃの振動速度が最も大きい時間帯を実行期間に設定することで、サンプル信号の復調精度を高めることができる。その結果、振動素子３Ａ～３Ｃという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計１を実現することができる。
したがって、上記のようなレーザー干渉計１は、小型、低コスト、高Ｓ／Ｎ比、高精度、広帯域等の特長を有するものとなる。このようなレーザー干渉計１を備えることにより、これらの特長を備えた、非接触振動計測装置およびそれを用いた振動制御システム、非接触測距装置、変位計、速度計等を実現することができる。
また、本実施形態に係る復調回路５２では、復調処理の実行期間が、振動素子３Ａ～３Ｃの振動速度が最も大きい時間帯Ｔを含むことが好ましい。
このような実行期間を含んで間欠的に復調処理を行うことにより、サンプル信号の復調誤差を少なく抑えることができる。その結果、振動素子３Ａ～３Ｃという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計１を実現することができる。
また、実行期間が短すぎる場合には、測定可能時間が減少するおそれがある。また、実行期間に含まれる前記波数が減少すると、測定精度の低下を招くおそれがある。かかる観点から、復調回路５２では、復調処理の実行期間が、変調信号の波数が３波以上含まれる長さであることが好ましい。
このような実行期間を含んで間欠的に復調処理を行うことにより、例えば誤差１％以下のような、十分に高精度な復調が可能になる。その結果、振動素子３Ａ～３Ｃという低コストで簡単な素子を用いつつ、高精度な変位測定や速度測定に利用可能なレーザー干渉計１を実現することができる。
特に、復調処理の実行期間は、変調信号の波数が１０以上含まれる長さであることがより好ましい。
この場合、復調回路５２において、コンパレーターや高速フーリエ変換回路（ＦＦＴ回路）を用いることができる。これにより、復調回路５２の回路構成をシンプルにすることができる。その結果、レーザー干渉計１の小型化を図ることができる。
なお、前記波数を基準にするのではなく、振動素子３Ａ～３Ｃの振動速度を基準にして、復調処理の実行期間を設定するようにしてもよい。一例として、復調処理の実行期間は、振動素子３Ａ～３Ｃが振動最大速度を迎える時刻を含み、振動速度が振動最大速度の９０％以上であることを満たす時間帯であることが好ましい。この場合も、上記と同様の効果が得られる。
また、上記の検討結果を踏まえると、振動素子３Ａ～３Ｃにおける好ましい仕様は、以下の通りである。
（ａ）最大変調周波数が、好ましくは１００ｋＨｚ以上である。
（ｂ）復調処理の実行期間に、変調信号の波数が３波以上含まれている。
これらの仕様を満たすことにより、それぞれ以下のような効果が得られる。
（ａ）被測定物１４について計測できる周波数と速度の範囲を広げることができる。
（ｂ）波数の不足に伴う測定精度の低下を抑制することができる。
さらに、上記のような仕様を満たすためには、一例として、振動周波数ｆａが８００Ｈｚ以上である場合、変位振幅Ｌ０は２５０μｍ以上である振動素子を選定するのが好ましい。一方、振動周波数ｆａが８００Ｈｚ未満である場合、変位振幅Ｌ０は２５μｍ以上２５０μｍ未満である振動素子を選定するのが好ましい。
したがって、以上の仕様を満足させやすいという観点からすると、光変調器１２には、特に、ＭＥＭＳ振動ミラー素子、シリコン振動子または水晶振動子が好ましく用いられる。
なお、復調回路５２および制御回路５３の一部または全部は、情報を処理するプロセッサーと、プログラムやデータを記憶するメモリーと、外部インターフェースと、を有するハードウェアで構成される。プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラムやデータを読み込んで実行することにより、復調回路５２および制御回路５３の各機能を実現する。
また、復調回路５２および制御回路５３の機能の一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよい。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るレーザー干渉計について説明する。
図１１ないし図１３は、それぞれ第２実施形態に係るレーザー干渉計が備える光学系の実装構造の一例を示す概略構成図である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１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１１ないし図１３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。
図１１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１１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。
また、図１１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。
さらに、図１１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。
図１２に示すレーザー干渉計１の光学系５０Ｂは、素子の配置が異なる以外、光学系５０Ａと同様である。
図１２に示す基板３９には、図１２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２４上に設けられている。
図１３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。
図１３に示す基板３９には、図１３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。
以上のような図１１ないし図１３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。
図１１ないし図１３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。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上、本発明のレーザー干渉計およびレーザー干渉計の制御方法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。
１…レーザー干渉計、２…光源部、３Ａ…振動素子、３Ｂ…振動素子、３Ｃ…振動素子、４…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、１２…光変調器、１４…被測定物、１６…セット部、１８…光路、２０…光路、２２…光路、２４…光路、３１…素子本体、３２…光反射膜、３３…ミラー、３４…可動部、３５…遮光部、３６…振動片、３９…基板、４０…プリズム、４２…プリズム、４４…凸レンズ、５０…光学系、５０Ａ…光学系、５０Ｂ…光学系、５０Ｃ…光学系、５２…復調回路、５３…制御回路、３５１…開口部、５２１…ハイパスフィルター、５２２ａ…乗算器、５２２ｂ…乗算器、５２３ａ…局部発振器、５２３ｂ…局部発振器、５２５ａ…ローパスフィルター、５２５ｂ…ローパスフィルター、５３０…除算器、５３２…逆正接演算回路、５３３…微分回路、５３４…振幅調整回路、Ａｘ…回動軸、Ｌ１…出射光、Ｌ２…参照光、Ｌ３…物体光、Ｔ…時間帯、ｘ…信号、ｙ…信号

Claims (9)

  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され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、
    前記受光信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を行う復調回路と、
    を備え、
    前記復調回路は、前記復調処理を間欠的に行い、前記復調処理の実行期間は、前記振動
    素子の振動速度が最も大きい時間帯を含むことを特徴とするレーザー干渉計。
  2. 前記振動素子は、単振動を発生させる素子である請求項１に記載のレーザー干渉計。
  3. 前記振動素子は、圧電素子を有する請求項２に記載のレーザー干渉計。
  4. 前記振動素子は、ＭＥＭＳ振動ミラー素子を有する請求項２に記載のレーザー干渉計。
  5. 前記振動素子は、シリコン振動子を有する請求項２に記載のレーザー干渉計。
  6. 前記振動素子は、水晶振動子を有する請求項２に記載のレーザー干渉計。
  7. 前記振動素子は、前記第１レーザー光を反射する光反射面を有し、前記光反射面の面外
    方向に振動する素子である請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
  8. 前記光変調器は、前記第２レーザー光の光路上に設けられ、前記第２レーザー光の一部
    を遮光する遮光部を備える請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー干渉計。
  9. 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レーザー光に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され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、を備
    えるレーザー干渉計の制御方法であって、
    前記振動素子の振動速度が最も大きい時間帯を含む時間帯を実行期間として、前記受光
    信号から前記サンプル信号を復調する復調処理を間欠的に行うことを特徴とするレーザー
    干渉計の制御方法。
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