JP2007147618A - モノリシック変位測定干渉計 - Google Patents
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Abstract
【課題】非線形誤差及び回折によって引き起こされる誤差を最小限に抑え、簡単且つ経済的に複数の光軸にわたって拡大又は縮小することができる変位測定干渉計(DMI)を提供する。
【解決手段】本発明によれば、第1の態様において、別個の第1及び第2のビームf1、f2を受光するようになっている干渉計が提供され、その干渉計は、第1及び第2のビームf1、f2に対し、実質的同等で別個の第1及び第2の光路を含む。第2の態様において、第1及び第2のビームf1、f2を別個の入力として受光するようになっている干渉計が提供され、そこでは、そのようなビームは、干渉計によって出力される直前まで混合又は合成されない。第3の態様において、外部光又は不要光を遮断し、そのような光が別個のビームf1、f2に対して汚染又は干渉しないようにする1つ又は複数の遮断板120を有する干渉計が提供される。
【選択図】図3
【解決手段】本発明によれば、第1の態様において、別個の第1及び第2のビームf1、f2を受光するようになっている干渉計が提供され、その干渉計は、第1及び第2のビームf1、f2に対し、実質的同等で別個の第1及び第2の光路を含む。第2の態様において、第1及び第2のビームf1、f2を別個の入力として受光するようになっている干渉計が提供され、そこでは、そのようなビームは、干渉計によって出力される直前まで混合又は合成されない。第3の態様において、外部光又は不要光を遮断し、そのような光が別個のビームf1、f2に対して汚染又は干渉しないようにする1つ又は複数の遮断板120を有する干渉計が提供される。
【選択図】図3
Description
本発明は、一般に、干渉計に関し、特に、モノリシック変位測定干渉計に関する。
変位測定干渉計(DMI)が当該技術分野においてよく知られており、小さな変位及び長さを高いレベルの精度及び分解能まで測定するために、数十年間にわたって用いられてきた。そのような装置の中でも、その高い度合いの安定性及び単色性によって、ヘリウム−ネオン変位測定レーザ干渉計が、比較的広範囲の応用形態において用いられてきた。干渉計では、反射鏡を注意深く位置合わせする必要があり、それが長時間にわたって持続されなければならないが、それは、おそらく、少なからぬ実用上の問題を提起する。
ダブルパス(double-pass)干渉計は、干渉計の各アームを2度通過するとともに、パス間で波面を反転する手段を組み込むことによって、反射鏡の位置合わせ不良に或る程度まで影響を受けないようにすることができる。たとえば、偏光ビームスプリッタ、2つの4分の1波長板及び反転構成要素としての役割を果たすコーナキューブ反射鏡を用いてダブルパスを達成する、S.J.Bennett著「A Double−Passed Michelson Interferometer」(Optics Communications、第4巻、第6号、2月/3月、1972年)を参照されたい。Bennettによるこの論文の全体が、参照により本明細書に援用される。商用としての実現可能性、堅牢性、安定性及び精度の結果として、ダブルパス変位測定干渉計は、高精度の変位測定において、比較的広範に使い道がある。
しかしながら、DMIの分野においてなされてきた数多くの進歩にもかかわらず、一般的に、測定誤差及び精度不足が依然として存在している。そのような誤差及び精度不足の一因となる複数の要因の中には、位置合わせ誤差及び光路長誤差、光学的な混合、熱の影響、偏光の漏れ(又は測定ビームと参照ビームとの意図しない混合)、回折によって引き起こされるフリンジング、位相と変位との間の非線形な関係、及び他の誤差がある。たとえば、これらの要因のうちのいくつかが詳細に説明される、Norman Brobroff著「Recent Advances in Displacement Measuring Interferometry」(Meas.Sci.Technol.4(1993年)907−926頁)及びSchmitzおよびBeckwith著「An Investigation of Two Unexplored Periodic Source Errors in Differential−Path Interferometry」(Precision Engineering 27(2003年)311−322頁)を参照されたい。BrobroffおよびSchmitzその他によるこれらの論文の各全体が、参照により本明細書に援用される。
従来技術の大部分のDMIは、参照ビーム及び測定ビームが干渉計システムの光学部分に与えられる前に、それらのビームを合成する。光源及び光学素子の特性が理想的でない結果として、所望の変位が測定される前に、参照ビーム及び測定ビームが混合される。これは、非線形誤差がDMI内に導入される主な方法の1つである。DMI内の非線形誤差の別の主な発生源は回折に基づく干渉である。従来技術のDMIの中には、参照ビームを測定ビームから分離するために反射性の開口を用いるものがあり、2つのビームは反射性の開口まで共通の環を共有する。そのような構造の結果として、干渉ビームが形成され、それが性能を劣化させる可能性がある。
Feng Zhao(Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California)著「Demonstration of Sub−Angstrom Cyclic Non−Linearity Using Wavefront−Division Sampling with a Common−Path Laser Heterodyne Interferometer」(2001年のASPEの年次会合において提出)は、非線形誤差を最小限に抑えるようとするコモンパス・ヘテロダイン干渉計を開示する。Zhaoは、参照ビーム及び測定ビームのために別個の光ファイバチャネルを用いることにより、検出器への光路の大部分にわたって参照ビーム及び測定ビームを分離する。その参照ビームは第1の周波数を有し、測定ビームは、第1の周波数とは異なる第2の周波数を有する。大まかに述べると、第1の周波数及び第2の周波数に対応する第1のビーム及び第2のビームが生成され、別個の第1の検出器及び第2の検出器において測定される。しかしながら、システムによっては、これよりも事が複雑になる。代わりに、いわゆる「局部発振器」ビーム及び「プローブ」ビームが、2つの別個のビームとして光源によって放射され、それらのビームは干渉計において混合されて、出力として測定ビーム及び参照ビームが生成される。これについては、後にさらに詳細に説明される。
明確にし、且つ混乱を避けるために、本明細書では用語「測定ビーム」及び「参照ビーム」が用いられるが、それぞれ「局部発振器ビーム」及び「プローブビーム」と入れ替えることができるものと理解されるべきであり、いずれの用語が使われるかは、特定の文脈による。
第1のビームは参照ビームと呼ばれる場合があり、第1の周波数のビームが静止した開口に突き当たることによって生成される。第2のビームは測定ビームと呼ばれる場合があり、第2の周波数のビームが移動する目標物に突き当たることによって生成される。第1のビームと第2のビームとの間の位相差は目標物の位置を表す。Zhaoの干渉計構造は、測定される変位の非線形誤差を低減する。Zhaoは波面分割方式を利用するが、測定ビーム及び参照ビームが、概ね同じ光路にわたって、互いから環状に離隔して存在するので、回折に基づく干渉誤差が依然として大きい。さらに、Zhaoの手法は、2つ以上の光軸に如何に拡張できるかが明らかではない。
S.J.Bennett著「A Double−Passed Michelson Interferometer」(Optics Communications、第4巻、第6号、2月/3月、1972年)
Norman Brobroff著「Recent Advances in Displacement Measuring Interferometry」(Meas.Sci.Technol.4(1993年)907−926頁)
SchmitzおよびBeckwith著「An Investigation of Two Unexplored Periodic Source Errors in Differential−Path Interferometry」(Precision Engineering 27(2003年)311−322頁)
Feng Zhao(Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California)著「Demonstration of Sub−Angstrom Cyclic Non−Linearity Using Wavefront−Division Sampling with a Common−Path Laser Heterodyne Interferometer」(2001年のASPEの年次会合において提出)
非線形誤差及び回折によって引き起こされる誤差をさらに最小限に抑え、簡単且つ経済的に複数の光軸にわたって拡大又は縮小することができるDMIが必要とされている。
本発明の一態様によれば、それぞれ2つの別個の入力光ビームf1及びf2を受光するようになっている平面鏡干渉計が提供され、その平面鏡干渉計は、2つの光ビームf1及びf2が干渉計によって出力される直前に偏光又は非偏光菱面体サブアセンブリにおいて合成されるまで、それらのビームを互いに離しておき、それにより偏光及び他の混合によって導入される測定誤差を低減する。
本発明の別の態様によれば、それぞれ2つの別個の入力光ビームf1及びf2を受光するようになっている平面鏡干渉計が提供され、2つの光ビームが干渉計内で横断する2つの光路長は実質的に同じであり、それにより熱によって引き起こされる測定誤差を低減する。
本発明のさらに別の態様によれば、それぞれ2つの別個の入力光ビームf1及びf2を受光するようになっている平面鏡干渉計システムが提供され、そのシステムは、1つ又は複数の4分の1波長板と1つ又は複数の静止した、又は移動する平面鏡との間に配置される1つ又は複数のビーム遮断板を備え、そのビーム遮断板は外部からの光を遮断するように配置及び構成され、それにより測定誤差を低減する。
本発明のさらに別の態様によれば、上記の態様のうちの1つ又は複数を含み、さらに任意の数の光軸に拡大縮小可能である干渉計が提供される。
本発明の種々の実施の形態は、その範囲内に、上記の態様を組み込むか、又は利用する部品、装置及びシステムと、上記の態様を利用する部品、装置及びシステムを形成し、使用する方法とを含む。
図1は、従来技術の線形変位測定干渉システムのブロック図を示す。2周波数ゼーマン分裂ヘリウム−ネオンレーザ源10が、周波数f1及びf2を有する第1のビーム及び第2のビームを生成及び放射し、第1のビームは第1の円偏光状態を有し、第2のビームは、第1の円偏光状態とは異なる第2の円偏光状態を有する(これ以降、ビームf1及びf2と呼ぶ)。レーザ源10から放射されるビームf1及びf2は通常、それぞれ右回り及び左回りに偏光される。2つのレーザモードはレーザ源10の共振器内で増幅され、2つのモードは2つの偏光状態に対応する。ゼーマン分裂レーザでは、2つの偏光は、円偏光及び逆回りの偏光である。テレスコープ15は、干渉システムの残りの部分に送出するためにレーザ源10によって放射されたビームf1及びf2を拡大し、平行化するための手段を提供する。
次に、ビームf1及びf2は4分の1波長板20を通過し、円偏光状態から直線偏光状態に変換され、その後、非偏光ビームスプリッタ30に誘導される(直線偏光されたビームと、偏光ビームスプリッタ204すなわち「PBS204」の入射面とを適切に位置合わせするための手段は図1には示されないことに留意されたい)。
一旦、直線偏光されたビームが、干渉計40の偏光ビームスプリッタ204の入射面と適切に位置合わせされると、ビームf1は測定コーナキューブ110まで透過し、一方、ビームf2は参照コーナキューブ100まで反射される。ビームf1及びf2がその個々のコーナキューブ100及び110から再帰反射された後に、ビームf1及びf2は偏光ビームスプリッタ204(すなわち「PBS204」)において再び合成される。干渉計40は、直線偏光されたビームf1及びf2の透過した部分を受光し、その後、そのようなビームのそれぞれの部分を参照コーナキューブ100及び測定コーナキューブ110に誘導する。
参照コーナキューブ100及び測定コーナキューブ110から反射されるビームf1及びf2は、第2の45°偏光子120を通して誘導される。第1の45°偏光子90及び第2の45°偏光子120はそれぞれ、測定ビームf1及び参照ビームf2を再び合成する。位相検出器130及び140からの出力が、位相ロックループ検出器150及び160に入力され、それらの検出器150及び160は共に差Δfを生成し、その差から、変位測定コーナキューブ110が動いた距離が求められる。再合成されたビームf1及びf2は偏光子120を通過し、結果として、2つの直交する偏光されたビーム間に干渉が生じる。結果として生成された干渉ビームは、検出用フォトダイオード140へ、偏光子120によって透過される。結果として生成される干渉ビームの周波数は、参照コーナキューブ100に対する、測定コーナキューブ110の測定ビームの軸に沿った相対的な速度に対応する。干渉ビームの位相は、測定ビームの軸に沿った測定コーナキューブ110の相対的な位置に対応する。
引き続き図1を参照すると、各ビームf1及びf2の一部は、4分の1波長板20から出射すると、ビームスプリッタ30を通って、干渉計40の方向に透過する(それは、干渉計システムの光学部分である)。各ビームf1及びf2の残りの部分は、非偏光ビームスプリッタ50及び第1の45°偏光子90に向かって反射される。液晶偏光子60、電力検出器70及びレーザ同調サーボ(laser tuning servo)80は、レーザ源10の出力の定常性をモニタし、制御するためのフィードバック制御手段を含む。安定させるために、レーザ源10のレーザ共振器は、レーザ源10によって生成される2つのレーザモードの電力バランスからのフィードバックを用いて、温度制御される。非偏光ビームスプリッタ30及び50を通して送出されるビームの一部は、液晶偏光子60に誘導され、その偏光子は第1の偏光状態及び第2の偏光状態を有する光を交互に透過する。電力検出器70が時間にわたる電力バランスを測定し、そのような情報をレーザ同調サーボ80に与える。
明細書、図面及び特許請求の範囲において用いられるとき、そしてDMI、DMIの一部又はDMIシステムを説明し、記述し、且つ/又は特許請求する文脈において、用語「モノリシック」は、ガラス又は光学的に同等の材料を含む偏光又は非偏光ビームスプリッタサブアセンブリと、同じくガラス又は光学的に同等の材料を含む少なくとも1つのコーナキューブ、入力、出力、反射又は再帰反射菱面体サブアセンブリと、を少なくとも有し、ビームスプリッタ及び少なくとも1つのコーナキューブ、入力、出力、反射又は再帰反射菱面体サブアセンブリが物理的に互いに隣接して配置され、接着、機械的(たとえば、ねじ)、化学的、電磁的及び/又は磁気的手段によって互いに直に取り付けられ、干渉計の光学部分(それは、DMI又はDMIシステムのレーザ源、検出器或いは測定キューブ又は平面鏡を含まない)が単一のアセンブリを形成できるようにする干渉計を意味することに留意されたい。
図1及び本明細書に述べられる付随する説明は、アジレント社のモデル番号10705線形干渉計の態様を記述する。本明細書に述べられる用語「モノリシック」の定義によれば、10705線形干渉計はモノリシック設計及び構造を有する。
図1に示されるDMIの態様は、それぞれ参照によりその全体が本明細書に援用される次の米国特許に開示される。すなわち、Bockmanに対する「Linear−and−angular measuring plane mirror interferometer」というタイトルの米国特許第5,064,280号、Bockmanに対する「Multi−axis interferometer with integrated optical structure and method for manufacturing rhomboid assemblies」というタイトルの米国特許第6,542,247号、及び、Bockmanに対する「Method and interferometric apparatus for measuring changes in displacement of an object in a rotating reference frame」というタイトルの米国特許第5,667,768号である。
混乱を避けるために、明細書、図面及び特許請求の範囲において用いられるとき、そしてDMI、DMIの一部又はDMIシステムを説明し、記述し、且つ/又は特許請求する文脈において、用語「参照ビーム」は、それが用いられる特定の文脈に応じて、「局部発振器ビーム」又は「参照ビーム」を意味する場合があることに留意されたい。明細書、図面及び特許請求の範囲において用いられるとき、そしてDMI、DMIの一部又はDMIシステムを説明し、記述し、且つ/又は特許請求する文脈において、用語「測定ビーム」は、それが用いられる特定の文脈に応じて、「プローブビーム」又は「測定ビーム」を意味する場合があることにさらに留意されたい。
本発明のいくつかの実施形態によれば、「局部発振器」及び「プローブ」ビームは光源によって放射され、局部発振器及び参照ビームは干渉計内で混合されて、その出力において測定ビーム及び参照ビームが生成される。簡単にするために、これ以降、「参照ビーム」及び「測定ビーム」と呼び続けるが、これらの用語は、その特定の文脈に応じて、直前の段落において述べられたように解釈されるべきである。
ここで図2を参照すると、本発明の測定干渉システムの一実施形態のブロック図が示されており、ビーム源10が、3つの出力ビーム:周波数f1及び第1の直線偏光状態を有する第1のビームと、周波数f2及び第1の偏光状態に対して直交する第2の直線偏光状態を有する第2のビームと、周波数f1及びf2を合成した光を含む第3のビームとを生成することができるレーザ源を含む。第3のビームは偏光子110に誘導され、偏光子110では、周波数f1及びf2が合成され、単一の偏光状態が形成され、検出器130に送られる。第1のビーム及び第2のビームは、本発明の干渉計45に誘導される。
引き続き図2を参照すると、ビーム源10によって放射される、光学的に別個の第1の入力ビームf1及び第2の入力ビームf2は、干渉計45に送出される。本発明の好ましい一実施形態では、干渉計45は、非偏光ビーム分割インターフェース192又は偏光ビーム分割インターフェース194を含む、1つの菱面体サブアセンブリ190を備える。平面鏡110及び112が、干渉計45を起源とし、そこに入射する参照ビームf1及び測定ビームf2を再帰反射する(図2には詳細には示されない)。平面鏡110は干渉計45に対して固定されているか、又は静止しており、一方、平面鏡112は干渉計45に対して移動する。
次に、干渉計45によって出力された合成ビームは、45°偏光子120を通して誘導され、そこから、共通の偏光状態を共有するビームが出射するようにする。位相検出器140からの出力は位相ロックループ検出器160に入力され、そこで、アップ/ダウンカウンタ205と共に差Δfが生成され、その差から、干渉計45に対して平面鏡112が移動した距離又は変位を判定することができる。図3〜図6は、干渉計45の種々の実施形態をさらに詳細に示す。
図3、図4、図5及び図6に示される本発明の実施形態では、干渉計45に4分の1波長板170及び180が組み込まれる。4分の1波長板170及び180は、非鏡面であるという特徴を有する。結果として、4分の1波長板170及び180に入射し、そこを透過する直線偏光されたビームは円偏光状態に変換される。図3〜図6に示される菱面体サブアセンブリ190は、Bockmanに対する「Multi−axis interferometer with integrated optical structure and method for manufacturing rhomboid assemblies」というタイトルの米国特許第6,542,247号の教示に従って構成することができる。
図3は、重複した出力を提供し、非偏光ビーム分割インターフェース192を備える、本発明のシングルコーナキューブ(single-cube-corner)干渉計の一実施形態を示す。図3では、第1のビームf1及び第2のビームf2が別個のビームとして干渉計45に入ることは明らかであろう。第1のビームf1は、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206の第1の面207に入り、偏光ビームスプリッタ(PBS)インターフェース204まで進み、そこから上方に反射されて、4分の1波長板170を通過し、静止した平面鏡110から反射され、4分の1波長板170を通って下方に戻される。第1のビームf1は、干渉計45に入る際にS偏光された状態であり、それゆえ、そこに入射するときインターフェース204から反射される。4分の1波長板170を初めに通過すると、第1のビームf1は第1の方向に円偏光され、平面鏡110から反射されると、第2の方向に円偏光され、さらに4分の1波長板170を2度目に通過すると、p偏光に直線偏光され、それゆえ、コーナキューブ101に向かって下方に伝搬しながら、インターフェース204を通過する。
コーナキューブ101によって、第1のビームf1は上方に反射され、インターフェース204を再び通過し、4分の1波長板170をもう一度通過して、1つの方向に円偏光され、平面鏡110から再び反射され、逆の方向に円偏光され、4分の1波長板170をさらにもう一度通過して、s偏光された状態になり、ここでインターフェース204から菱面体190に向かって反射されるようになる。出力面193を通って菱面体190に入ると、第1のビームf1は菱面体サブアセンブリ190の角から上方に反射され、非偏光ビームスプリッタ192に入射し、反射されて、そこで、第1のビームf1は第2のビームf2と合成され、合成された出力ビームは情報Δfを含むので、それを用いて、移動する平面鏡112の変位又は位置が計算される。菱面体190は、出力のうちの一方が使用できなくなる場合の重複性を与えるために、2組の同一の合成されたビーム出力220及び221を与えることにさらに留意されたい。そのような合成されたビーム出力220又は221はそれぞれ、情報(f1−f2)±Δfを含み、その情報を後続のステップにおいて用いて、移動する平面鏡112の変位又は位置が計算される。
引き続き図3を参照すると、第2のビームf2が、菱面体サブアセンブリの入力面191を通って干渉計45に入り、そのp偏光状態のためにインターフェース204を通過し、4分の1波長板180を透過して、第1の円偏光状態に変更され、移動する平面鏡112から反射されて、その円偏光の方向が変化する。反射されたビームf2は4分の1波長板180に再び入り、直線s偏光状態に変更され、その後、インターフェース204から下方に反射される。次に、下方に反射されたビームf2はコーナキューブ101によって横方向及び上方に反射され、インターフェース204に入射し、そこから平面鏡112に向かって反射され、平面鏡112から反射されて干渉計45に戻され、合成されたビーム220及び221の一部として菱面体190から出射する。
図3では、ビーム遮断板120、122及び124が、もし遮断板がなければ、平面鏡110及び112に入射し、そこから反射されるビームf1及びf2に悪影響を及ぼすか、又はそれらのビームと干渉することになったであろう、外部からの、又は望ましくない入射光ビームを、捕捉するか、吸収するか、散乱させるか、拡散するか、或いは適当に又は害を及ぼさないように反射するために、4分の1波長板170及び180と平面鏡110及び112との間に効果的に配置される。図3に示されるビームf1及びf2の所望の光線経路の外側から進入する数多くの外部からの、又は望ましくない光ビームがビーム遮断板120、122及び124によって捕捉されるか、拡散されるか、害を及ぼさないように反射されるか、又は吸収される。
4分の1波長板170及び静止した平面鏡110に対応するビーム遮断板120は、中央に、すなわちビームf2の所望の光線経路231と233との間に配置され、一方、ビーム遮断板122及び124は中央ではない場所に、すなわち所望の光線経路235及び237のいずれかの側に配置される。光線経路235及び237、並びにビーム遮断板122及び124は、図3及び図4の仮想的な中心軸250のいずれかの側に配置されることに留意されたい。
ビーム遮断板120、122及び124は、外部からの、又は望ましくない光が光ビームf1及びf2に悪影響を及ぼすか、又はそれらの光ビームと干渉するのを防ぐために、外部からの、又は望ましくない光ビームを適当に吸収するか、拡散するか、散乱させるか、反射するか、屈折させるか、又は他の方法で適当に向きを変更することができる適当な材料から形成される。したがって、ビーム遮断板120、122及び124は、その上に光学的に不透明な、又は粗い表面を備えることができるか、又は遮断した外部からの光の向きを光線経路231、233、235及び237から離れるように変更する光学的に反射性又は屈折性の材料から形成することができる。当然、当業者に知られている他の材料を、同じ目的を果たすために用いることができる。
図3に示される本発明の実施形態は、ビームf1及びf2のそれぞれのために偏りのない、又は同等のガラス経路を有することに留意されたい。すなわち、ビームf1及びf2が横断するガラス、或いは他の光学的に透過性又は実質的に(概ね)透過性の材料の量は実質的に(概ね)同じである。そのような偏りのないガラス経路は、ビームf1及びf2が横断する各経路に沿って同じ量の膨張又は収縮が生じるので、干渉計45の種々の構成要素の熱膨張及び熱収縮によって導入される誤差を大幅に低減する。ビームf1及びf2が合成され、合成されたビーム220及び221として菱面体190によって出力される直前まで、偏光された光ビームf1及びf2の混合が生じないことにもさらに留意されたい。偏光された光ビームのそのような混合を少なくすることによって、光の混合によって引き起こされる誤差が大幅に低減される。
引き続き図3を参照すると、干渉計45は、第1の入力表面191及び第1の出力表面193を有する菱面体サブアセンブリ190を備え、非偏光ビーム分割インターフェース192がその中に配置される。偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206が、少なくとも第1の面207、第2の面208、第3の面209及び第4の面210を備え、その中に偏光ビームスプリッタインターフェース204が配置される。偏光ビームスプリッタインターフェース204は、浸漬(immersed)偏光ビーム分割コーティング又は2つの光学ガラス層間に挟まれた誘電体コーティングを含むことが好ましく、そのコーティングは、そこに入射する光ビームを選択的に偏光することができる。第1の4分の1波長板170が第1の入力面172を有し、一方、第2の4分の1波長板180が第2の入力面182を有する。
菱面体サブアセンブリ190の第1の出力面193は、光学的に透過性の、又は概ね光学的に透過性の接着剤又は糊によって、ビームスプリッタサブアセンブリ206の第1の面207に取り付けられることが好ましい。第1の4分の1波長板170及び第2の4分の1波長板180の第1の入力面172及び第2の入力面182は、同じく光学的に透過性の、又は概ね光学的に透過性の接着剤又は糊によって、ビームスプリッタサブアセンブリ206の第3の面209に取り付けられる。別法では、4分の1波長板170及び180は、PBSアセンブリ表面208及び209に光学的に接触してもよい。
図3〜図6に示されるように、第1のビームf1及び第2のビームf2が、最初に分割されることなく、且つインターフェース部分192又は194から反射されることなく、ビームスプリッタサブアセンブリ206に入るように、菱面体サブアセンブリ190、4分の1波長板170及び180、並びにビームスプリッタサブアセンブリ206は、第1のビームf1及び第2のビームf2が最初に非偏光ビーム分割インターフェース192又は偏光ビーム分割インターフェース194を通過することなく、干渉計アセンブリ45に入ることができるように構成され、且つ互いに取り付けられる。
菱面体サブアセンブリ190、コーナキューブ101及び103、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206並びに4分の1波長板170及び180はそれぞれ、Bockmanに対する米国特許第6,542,247号に記述されるように、適切に機械加工され(又は別の方法で形成され)、コーティングされたガラス板又は部品のスタックを含むことが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、菱面体サブアセンブリ190は、2つのガラス板を接着剤又は糊で接着することにより形成され、その接着剤又は糊の界面は振幅又はビーム分割インターフェースを形成する。そのようなサブアセンブリの面193及び207、172及び208、182及び209、103及び210、並びに105及び210が、同じくBockmanに対する米国特許第6,542,247号に記述されるように互いに接着されることが好ましい。したがって、先に述べられた用語「モノリシック」の定義によれば、図3〜図6に示される干渉計45はモノリシックである。
一方、静止した平面鏡110は、ビーム遮断板120、122及び124と同様に、種々の適当な手段によって干渉計45に取り付けることができることに留意されたい。本発明の好ましい一実施形態では、可動平面鏡112は干渉計45に取り付けられない。
ビーム遮断板120、122及び124は、円形、楕円形、正方形、長方形又は三角形のような任意の数の適当な形状を有することができ、その中を所望の光線経路231、233、235及び237が通過できるようにするために、その中を貫通して配置される1つ又は複数の穴を有する形状をさらに含む場合もあることにさらに留意されたい。さらに、任意のビーム遮断板120、122及び124のうちの2つ以上の表面を、そのようなビーム遮断板の任意の表面に光が入射するのを妨げるように表面仕上げするか、又は構成することができる。したがって、一例にすぎないが、図3に示されるビーム遮断板122の左側、右側、上側及び下側表面を、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206の方向から、平面鏡112の方向から、平面鏡110の方向から、光線経路233の方向から、又は光線経路235又は237の方向から、光が入射し、到達するのを妨げるように表面仕上げするか、又は構成することができる。
図4は、単一の出力を提供し、偏光ビーム分割インターフェース194を含む、本発明のシングルコーナキューブ干渉計の一実施形態を示す。図4に示される本発明の実施形態は、インターフェース194を含む振幅分割偏光菱面体サブアセンブリ190を含み、その表面は、そこに入射するビームf1を反射し、ビームf2を透過し、さらにその表面はビームf1及びf2を含む合成出力ビーム220を与える。図3に示される本発明の実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206の偏光ビームスプリッタインターフェース204は、そこに入射するP又はS偏光されたビームを遮断し、且つ反射するか、又は通過させる。図3と同様に、4分の1波長板170及び180が、その中を透過するビームの偏光状態を変化させる。図4に示される本発明の実施形態は、ただ1つの合成されたビーム出力220を与えることに留意されたい。
菱面体サブアセンブリ190、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206、コーナキューブ101並びに4分の1波長板170及び180はそれぞれ、Bockmanに対する米国特許第6,542,247号に記述されるように、適切に機械加工され(又は別の方法で形成され)、コーティングされたガラス板の1つ又は複数のスタックを含むことが好ましい。そのようなサブアセンブリの面193及び207、172及び208、182及び209、103及び210、並びに105及び210が、同じくBockmanに対する米国特許第6,542,247号に記述されるように互いに接着されることが好ましい。別法では、面172、208、182及び209は、光学的に接触してもよい。したがって、先に述べられた用語「モノリシック」の定義によれば、図4に示される干渉計45はモノリシックである。
図3に示される本発明の実施形態と同様に、ビーム遮断板120、122及び124が、もし遮断板がなければ、平面鏡110及び112に入射し、そこから反射されるビームf1及びf2に悪影響を及ぼすか、又はそれらのビームと干渉することになったであろう、外部からの、又は望ましくない入射光ビームを、捕捉するか、散乱させるか、拡散するか、或いは適切に又は害を及ぼさないように反射するために、4分の1波長板170及び180と平面鏡110及び112との間に効果的に配置される。図3に示されるビームf1及びf2の所望の光線経路の外側から進入する数多くの外部からの、又は望ましくない光ビームがビーム遮断板120、122及び124によって捕捉されるか、拡散されるか、害を及ぼさないように反射されるか、又は吸収される。図3と同様に、4分の1波長板170及び静止した平面鏡110に対応するビーム遮断板120は、中央に、すなわちビームf2の所望の光線経路231と233との間に配置され、一方、ビーム遮断板122及び124は中央ではない場所に、すなわち所望の光線経路235及び237のいずれかの側に配置される。ビーム遮断板120、122及び124は任意の材料から形成することができ、上記のように構成することができる。
図4に示される本発明の実施形態は、偏りのない、又は同等のガラス経路を有することに留意されたい。すなわち、ビームf1及びf2が横断するガラス、或いは他の光学的に透過性又は概ね透過性の材料の量は概ね同じである。そのような偏りのない、又は同等のガラス経路は、ビームf1及びf2が横断する各経路に沿って同じ量の膨張又は収縮が生じるので、干渉計45の種々の構成要素の熱膨張及び熱収縮によって導入される誤差を大幅に低減する。図3と同様に、ビームf1及びf2が合成され、合成されたビーム220として菱面体190によって出力される直前まで、偏光された光ビームf1及びf2の混合が生じないことにもさらに留意されたい。偏光された光ビームのそのような混合を少なくすることによって、光の混合によって引き起こされる誤差が大幅に低減される。
図5は、重複した出力を提供し、非偏光ビーム分割インターフェース192を備える、本発明のデュアルコーナキューブ(dual-cube-corner)干渉計の一実施形態を示す。図5に示される本発明の実施形態は、非偏光インターフェース192を含む菱面体サブアセンブリ190を含み、そのインターフェースは、ビームの偏光状態に応じて、そこに入射するビームf1及びf2を透過させ、且つ反射し、それぞれがビームf1及びf2を含む、2つの重複した合成出力ビーム220及び221を与える。
図3及び図4に示される本発明の実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206の偏光ビームスプリッタインターフェース204は、そこに入射するP又はS偏光されたビームを遮断し、反射するか、又は通過させる。4分の1波長板170及び180が、その中を透過するビームの偏光状態を変化させる。図5に示される本発明の実施形態は、2つの別個のコーナキューブ101及び102を備え、それらのコーナキューブは、面103及び105を介して、ビームスプリッタサブアセンブリ206の面210に取り付けられる。コーナキューブ102は、ビームf1を反射して、その向きを変更し、一方、コーナキューブ101は、ビームf2を反射して、その向きを変更する。
菱面体サブアセンブリ190、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206、コーナキューブ101並びに4分の1波長板170及び180は、先に述べられた教示に従って構成され、形成されることが好ましい。したがって、先に述べられた用語「モノリシック」の定義によれば、図5に示される干渉計45はモノリシックである。
図5では、ビーム遮断板120及び122が、もし遮断板がなければ、ビームf1及びf2に悪影響を及ぼすか、又はそれらのビームと干渉することになったであろう、外部からの、又は望ましくない入射光ビームを、捕捉するか、散乱させるか、拡散するか、或いは適当に又は害を及ぼさないように反射するために、光線経路231、233、235及び237に対して横方向に効果的に配置される。図5に示されるビームf1及びf2の所望の光線経路の外側から進入する数多くの外部からの、又は望ましくない光ビームがビーム遮断板120及び122によって捕捉されるか、拡散されるか、害を及ぼさないように反射されるか、又は吸収される。
しかしながら、図3及び図4とは異なり、光線経路231及び233は互いに隣接して配置されるので、結果として、ビーム遮断板120は、4分の1波長板170に対して横方向に変位することに留意されたい。また図3及び図4とは異なり、ただ1つのビーム遮断板122を用いて、もし遮断板がなければ光線経路235及び237に悪影響を及ぼすか、又はそれと干渉することになったであろう外部からの光が遮断される。光線経路235及び237、並びにビーム遮断板122は、図5及び図6の仮想的な中心軸250のいずれかの側に配置されることに留意されたい。
ビーム遮断板120及び122は、適当な材料から形成することができ、上記のように構成することができる。
図5に示される本発明の実施形態は、偏りのない、又は同等のガラス経路を有することに留意されたい。すなわち、ビームf1及びf2が横断するガラス、或いは他の光学的に透過性又は概ね透過性の材料の量は概ね同じである。そのような偏りのないガラス経路は、ビームf1及びf2が横断する各経路に沿って同じ量の膨張又は収縮が生じるので、干渉計45の種々の構成要素の熱膨張及び熱収縮によって導入される誤差を大幅に低減する。図3及び図4と同様に、ビームf1及びf2が合成され、合成されたビーム220として菱面体190によって出力される直前まで、偏光された光ビームf1及びf2の混合が生じないことにもさらに留意されたい。偏光された光ビームのそのような混合を少なくすることによって、光の混合によって引き起こされる誤差が大幅に低減される。
図6は、単一の出力を提供し、偏光ビーム分割インターフェース194を備える、本発明のデュアルコーナキューブ干渉計の一実施形態を示す。図6に示される本発明の実施形態は、偏光ビーム分割インターフェース194を含む振幅分割偏光菱面体サブアセンブリ190を含み、そのインターフェースは、その偏光状態に応じて、そこに入射するビームf1及びf2を透過させ、且つ反射するが、ビームf1及びf2を含むただ1つの合成出力ビーム220を与える。
図5と同様に、2つの別個のコーナキューブ101及び102が設けられ、それらのコーナキューブは、面103及び105を介して、ビームスプリッタサブアセンブリ206の面210に取り付けられる。コーナキューブ102は、ビームf1を反射して、その向きを変更し、一方、コーナキューブ101は、ビームf2を反射して、その向きを変更する。菱面体サブアセンブリ190、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ206、コーナキューブ101並びに4分の1波長板170及び180は、先に述べられた教示に従って構成され、形成されることが好ましい。したがって、先に述べられた用語「モノリシック」の定義によれば、図6に示される干渉計45はモノリシックである。
図5と同様に、ビーム遮断板120及び122が、もし遮断板がなければ、ビームf1及びf2に悪影響を及ぼすか、又はそれらのビームと干渉することになったであろう、外部からの、又は望ましくない入射光ビームを、捕捉するか、散乱させるか、拡散するか、或いは適当に又は害を及ぼさないように反射するために、光線経路231、233、235及び237に対して横方向に効果的に配置される。図6に示されるビームf1及びf2の所望の光線経路の外側から進入する数多くの外部からの、又は望ましくない光ビームがビーム遮断板120及び122によって捕捉されるか、拡散されるか、害を及ぼさないように反射されるか、又は吸収される。
図5と同様に、光線経路231及び233は互いに隣接して配置される。結果として、ビーム遮断板120は、4分の1波長板170に対して横方向に変位する。また図5と同様に、ただ1つのビーム遮断板122を用いて、もし遮断板がなければ光線経路235及び237に悪影響を及ぼすか、又はそれと干渉することになったであろう外部からの光が遮断される。ビーム遮断板120及び122は、適当な材料から形成することができ、上記のように構成することができる。
図6に示される本発明の実施形態は、偏りのないガラス経路を有することに留意されたい。すなわち、ビームf1及びf2が横断するガラス、或いは他の光学的に透過性又は概ね透過性の材料の量は概ね同じである。そのような偏りのないガラス経路は、ビームf1及びf2が横断する各経路に沿って同じ量の膨張又は収縮が生じるので、干渉計45の種々の構成要素の熱膨張及び熱収縮によって導入される誤差を大幅に低減する。図3、図4及び図5と同様に、ビームf1及びf2が合成され、合成されたビーム220として菱面体190によって出力される直前まで、偏光された光ビームf1及びf2の混合が生じないことにもさらに留意されたい。偏光された光ビームのそのような混合を少なくすることによって、光の混合によって引き起こされる誤差が大幅に低減される。
本発明のいくつかの実施形態は、モノリシックであり、互いに直に取り付けられる光学素子を備える干渉計を含むので、その種々の光学素子を保持又は位置決めするために、フレーム等はおそらく不要であることに留意されたい。
Schott BK−7ガラスが、本明細書に記述されるタイプのモノリシック干渉計のために特に適したガラスであることが確認されているが、ガラス以外の光学的に適した材料を用いて、本発明の入力菱面体及び偏光ビームスプリッタサブアセンブリを構成することができる。上記のように、本発明は、シングルパス干渉計又はデュアルパス干渉計において、且つ3つ以上の光軸を有する干渉計において用いることができる。本発明の種々の実施形態において、ヘリウム−ネオン源以外のレーザ源を用いることもできる。結果として、本発明は、多軸干渉計をその範囲に含み、その場合、入力ビームf1及びf2が、Bockmanに対する米国特許第6,542,247号に述べられる教示に従って、入力菱面体を用いて、必要とされる数の軸に分割される。さらに、本明細書に開示される種々の構造、構成、システム、アセンブリ、サブアセンブリ、構成要素及び概念は、非モノリシック干渉計においても用いることができる。
したがって、本明細書において提示されるいくつかの請求項は、本発明のモノリシックの実施形態に限定されることを意図するものではなく、一方、他の請求項は、図面に明示されるか、又は本明細書において明確に説明される、本発明の種々の実施形態に限定されることを意図するものではない。上記の全ての特許及び刊行物は、参照により、その全体が本明細書に援用される。
45:干渉計
101:コーナキューブ
110、112:平面鏡
120、122、124:ビーム遮断板
170、180:4分の1波長板
206:偏光ビームスプリッタサブアセンブリ
101:コーナキューブ
110、112:平面鏡
120、122、124:ビーム遮断板
170、180:4分の1波長板
206:偏光ビームスプリッタサブアセンブリ
Claims (11)
- 別個の第1のビームf1及び第2のビームf2を受光するようになっているモノリシック変位測定平面鏡干渉計であって、前記第1のビームf1及び前記第2のビームf2のための実質的に同等で、且つ別個の第1の光路及び第2の光路を備えている、モノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも1つの偏光ビームスプリッタをさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 菱面体サブアセンブリをさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 前記菱面体サブアセンブリが、非偏光ビーム分割インターフェースをさらに備えている、請求項3に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 前記菱面体サブアセンブリが、偏光ビーム分割インターフェースをさらに備えている、請求項3に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも1つのコーナキューブをさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも1つのビーム遮断板をさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも2つのビーム遮断板をさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも3つのビーム遮断板をさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも1つの4分の1波長板をさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
- 少なくとも2つの4分の1波長板をさらに備えている、請求項1に記載のモノリシック変位測定平面鏡干渉計。
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