JP2009300263A - ２波長レーザ干渉計および２波長レーザ干渉計の光軸調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長の異なる２種類の光波の光軸のずれに基づく測定誤差を防止し、高精度な測定が実現可能な２波長レーザ干渉計を提供する。
【解決手段】波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を出射する２波長レーザ光源１１と、２種類のレーザ光をそれぞれ参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２に分割する光分割手段、および、参照光および測定光が参照面および被測定面によって反射された光を重ね合わせる光重ね合わせ手段を有する２波長ビームスプリッタ１５と、この重ね合わされた光から、波長ごとに、被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を求める演算部２４とを備える。２波長レーザ光源と光分割手段との間には、２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を一旦分離したのち互いの光軸を重ね合わせる光軸重ね合わせ光学系１３が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２波長レーザ干渉計および２波長レーザ干渉計の光軸調整方法に関する。

レーザ干渉計は、高精度な長さ測定が可能であることから、産業機器類の評価や校正に使用されるなど、産業界において重要な役割を果たしている。しかし、レーザ干渉測長においては、空気ゆらぎの影響による測定不確かさの増大が大きな課題となり、空気ゆらぎに対する様々な対策が提案されている。

空気ゆらぎの影響を低減してレーザ干渉測長を可能とする代表的な方法として、２波長光波干渉測長法が知られている（非特許文献１参照）。
この方法は、波長の異なる２種類の光波を使用して、同時に測定対象の変位量を測定し、この２種類の測定値を用いた演算によって、空気ゆらぎの影響を低減した変位量を得る手法である。このため、温度や湿度、大気圧などの各種環境情報の計測が不要なため、測定の不確かさが減り、高精度な測長が期待できる。

２波長光波干渉測長法を用いた２波長レーザ干渉測長システムでは、数十ｍｍを超えるような長ストロークに渡っても、空気ゆらぎの影響を低減して高精度に変位量を測定できることが期待されている。
２波長光波干渉測長法によれば、空気屈折率の補正を行った変位量Ｄは、各波長のレーザで測定した変位量をそれぞれＤ１，Ｄ２とすると、
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
という数学モデルから求めることができる。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザ光の波長における空気屈折率である。また、Ａ係数の値は、実用的な範囲では一定と見なされる。

「Correction of Optical Distance Measurements for the Fluctuating Atmospheric Index of Refraction」Journal of Geophysical Research.Vol.70,No.10,May15,1965,pp.2461-2462」

上述した２波長光波干渉測長法は、Ａ（Ｄ２−Ｄ１）の項によって空気屈折率の補正を行うが、（Ｄ２−Ｄ１）に含まれる不確かさもＡ倍に拡大してしまうという問題があり、２波長レーザ干渉測長システムを実現する上で大きな課題となっている。
上述した不確かさの要因については各種考えられるが、要因の１つとして、波長の異なる２種類の光波の光軸のずれが測定精度に大きな影響を与えていることが挙げられる。従来の２波長レーザ光源についてみても、２波長レーザ光源から出射される波長の異なる２種類のレーザ光についても完全に同軸でなく、例えば、０．３mrad程度のオーダで角度的なずれが生じている。このような光軸のずれがあると、各波長のレーザ光で光路長が異なってくるため、測定精度に大きな影響を及ぼすことが考えられる。

本発明の目的は、２波長レーザ光源から出射される波長の異なる２種類のレーザ光の光軸のずれに着目し、これらを低減することを目的とする。つまり、光軸のずれに基づく測定誤差を低減し、高精度な測定が実現可能な２波長レーザ干渉計および２波長レーザ干渉計の光軸調整方法を提供することにある。

本発明の２波長レーザ干渉計は、波長の異なる２種類のレーザ光を出射する２波長レーザ光源と、この２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光をそれぞれ参照光と測定光に分割する光分割手段と、この光分割手段によって分割された参照光と測定光が参照面および被測定面によって反射された光を重ね合わせる光重ね合わせ手段と、この光重ね合わせ手段によって重ね合わされた光から、各波長ごとに、前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を求める演算手段とを備えた２波長レーザ干渉計であって、前記２波長レーザ光源と前記光分割手段との間には、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を一旦分離したのち互いの光軸を重ね合わせる光軸重ね合わせ手段が設けられている、ことを特徴とする。

このような構成によれば、２波長レーザ光源と光分割手段との間に、２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を一旦分離したのち互いの光軸を重ね合わせる光軸重ね合わせ手段が設けられているので、波長の異なる２種類のレーザ光の光軸を一致させることができる。そのため、各波長のレーザ光で光路長が異なることも少なくできるから、光軸のずれに基づく測定誤差を少なくでき、高精度な測定を実現できる。

本発明の２波長レーザ干渉計において、前記光軸重ね合わせ手段は、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を波長によって第１レーザ光と第２レーザ光に分離する第１光学素子と、この第１光学素子によって分離された第１レーザ光を所定位置に向けて反射する第２光学素子と、前記第１光学素子によって分離された第２レーザ光を前記所定位置に向けて反射する第３光学素子と、前記所定位置において前記第３光学素子によって反射された第２レーザ光を透過するとともに前記第２光学素子によって反射された第１レーザ光を前記第２レーザ光の光軸に一致するように反射する第４光学素子とを含んで構成されている、ことが好ましい。

例えば、第１光学素子および第４光学素子については、ハーモニックセパレータやダイクロイックミラーなどを用いることができる。また、第２光学素子や第３光学素子については、反射鏡でよい。
このような構成によれば、第１光学素子において、２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光は、波長によって、第１レーザ光と第２レーザ光に分離される。これら第１レーザ光および第２レーザ光は、それぞれ、第２光学素子および第３光学素子によって、所定位置に向けて反射される。すると、第４光学素子において、所定位置に向けて反射された第２レーザ光は透過され、第１レーザ光は第２レーザ光の光軸に一致するように反射される結果、第１レーザ光と第２レーザ光との光軸が重ね合わされる。従って、これら４つの光学素子を組み合わせて、光軸重ね合わせ手段を構成できるから、比較的安価に構成できるとともに、光軸合わせの調整も各光学素子の角度を調整するだけでよいから、調整作業も容易にできる。

本発明の２波長レーザ干渉計において、前記第１光学素子および第３光学素子は、第１レーザ光を透過し、第２レーザ光を反射し、前記第２光学素子および第４光学素子は、第２レーザ光を透過し、第１レーザ光を反射する、ことが好ましい。
例えば、これら第１光学素子〜第４光学素子については、ハーモニックセパレータやダイクロイックミラーなどを用いることができる。
このような構成によれば、第１光学素子において、第１レーザ光は透過され、第２レーザ光は反射される。このとき、第２レーザ光の一部が第１光学素子を透過すると（第１光学素子において漏れ光が生じると）、第２光学素子に到達し測定精度に影響を与える。また、第１レーザ光の一部が第１光学素子で反射すると（第１光学素子において漏れ光が生じると）、第３光学素子に到達し測定精度に影響を与える。
本発明では、第１光学素子において生じた漏れ光を第２光学素子および第３光学素子で透過させて、第１光学素子における漏れ光の影響を少なくできるから、より高精度な測定を実現できる。

本発明の２波長レーザ干渉計において、前記光分割手段および前記光重ね合わせ手段は、２波長偏光ビームスプリッタによって構成され、前記２波長偏光ビームスプリッタは、波長の異なる２種類のレーザ光のうち第１レーザ光に機能し、第２レーザ光を透過させる第１レーザ光用偏光ビームスプリッタと、波長の異なる２種類のレーザ光のうち前記第２レーザ光に機能し、前記第１レーザ光を透過させる第２レーザ光用偏光ビームスプリッタとを組み合わせて構成されている、ことが好ましい。

このような構成によれば、第１レーザ光に機能し、第２レーザ光を透過させる第１レーザ光用偏光ビームスプリッタと、第２レーザ光に機能し、第１レーザ光を透過させる第２レーザ光用偏光ビームスプリッタとを組み合わせて２波長偏光ビームスプリッタを構成したので、例えば、５３２ｎｍと１０６４ｎｍなどのように大きく離れた２種類の波長においても使用可能な２波長偏光ビームスプリッタを構成できる。
そのため、個々の波長のレーザ光ごとに光路を分ける必要がないので、使用すべき光学部品の数を減らすことができ、組立や調整も容易にでき、全体としても低コスト化を実現できる。

本発明の２波長レーザ干渉計の光軸調整方法は、前述した２波長レーザ干渉計において、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光の光軸を調整する２波長レーザ干渉計の光軸調整方法であって、前記光分割手段によって分割された参照光および測定光のうち、少なくとも片方の光の光軸上に検出手段を配置し、この検出手段で検出される光のずれ量を確認しながら、光のずれ量が少なくなるように、前記光軸重ね合わせ手段のいずれかの光学素子を調整する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、波長の異なる２種類のレーザ光の光軸を調整する光軸調整方法において、光分割手段によって分割された参照光および測定光のうち、少なくとも片方の光の光軸上に検出手段を配置し、この検出手段で検出される光のずれ量を確認しながら、光のずれ量が少なくなるように、光軸重ね合わせ手段のいずれかの光学素子を調整すればよいから、つまり、光軸重ね合わせの調整も各光学素子の角度を調整するだけでよいから、調整作業も容易にできる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
（２波長レーザ干渉計１の全体構成：図１参照）
第１実施形態に係る２波長レーザ干渉計１は、図１に示すように、波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２に分割し、これら参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２が参照面および被測定面によって反射された光を重ね合わせ、この重ね合わされた光を波長ごとに分離、検出して被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を求める、マイケルソン型２波長レーザ干渉計によって構成されている。

具体的には、波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を出射する２波長レーザ光源１１と、この２波長レーザ光源１１の出射側に配置された２波長ビームエクスパンダ１２と、この２波長ビームエクスパンダ１２の後段に設置された光軸重ね合わせ手段としての光軸重ね合わせ光学系１３、２波長λ／２板１４、２波長偏光ビームスプリッタ１５と、２波長偏光ビームスプリッタ１５からの参照光Ｌ１１，Ｌ２１の光路中に設置された２波長λ／４板１６および２波長コーナキューブ１７と、２波長偏光ビームスプリッタ１５からの測定光Ｌ１２，Ｌ２２の光路中に配置された２波長λ／４板１８および２波長コーナキューブ１９と、参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２とが重ね合わされた光の光路中に設置された２波長λ／２板２０およびダイクロイックミラー２１と、このダイクロイックミラー２１で分離された各波長ごとの光による干渉信号を検出する検出部２２，２３と、この各検出部２２，２３で検出された干渉信号から被測定面の変位量を演算する演算部２４とから構成されている。

なお、上述した２波長レーザ干渉計１の構成要素のうち、２波長ビームエクスパンダ１２、光軸重ね合わせ光学系１３、２波長λ／２板１４，２０、２波長偏光ビームスプリッタ１５、２波長λ／４板１６，１８および２波長コーナキューブ１７，１９は、２波長レーザ光源１１から出射される２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長で機能するように構成されている。

２波長レーザ光源１１は、波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を同軸に出射する２波長レーザ光源、例えば、波長５３２ｎｍの第１レーザ光Ｌ１と波長１０６４ｎｍの第２レーザ光Ｌ２とを同軸に出射するＮｄ−ＹＡＧレーザなどが用いられている。
２波長ビームエクスパンダ１２は、２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２のビーム径をそれぞれ拡大して光軸重ね合わせ光学系１３へ与える。
光軸重ね合わせ光学系１３については、後述する（図２で説明）。
２波長偏光ビームスプリッタ１５は、単一部品から構成されたもので、２波長λ／２板１４によって偏光の向きが傾けられた波長の異なるレーザ光Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２とに分割する光分割手段、２波長コーナキューブ１７，１９で反射された参照光Ｌ１１，Ｌ２１と測定光Ｌ１２，Ｌ２２とを重ね合わせて干渉させる光重ね合わせ手段を構成している。

ダイクロイックミラー２１は、２波長λ／２板２０を通過したレーザ光Ｌ１，Ｌ２を各波長ごとの光に分離して検出部２２，２３へ与える。
検出部２２，２３は、ダイクロイックミラー２１で分離された各波長ごとの光による干渉信号を検出し、その干渉信号を演算部２４へ与える。
演算部２４は、検出部２２，２３で検出された干渉信号から被測定面の変位量をそれぞれ求めるとともに、この求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を演算する。ここで、各波長の光で測定した変位量をＤ１，Ｄ２とすると、空気屈折率補正がされた被測定面である２波長コーナキューブ１９の変位量Ｄを、
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
から求める。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザ光の波長における空気屈折率である。

（光軸重ね合わせ光学系１３の構成：図２参照）
光軸重ね合わせ光学系１３は、図２に示すように、２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なるレーザ光を波長によって第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２に分離する第１光学素子としてのハーモニックセパレータ３１と、このハーモニックセパレータ３１によって分離された第１レーザ光Ｌ１を所定位置に向けて反射する第２光学素子としての反射鏡３２と、ハーモニックセパレータ３１によって分離された第２レーザ光Ｌ２を所定位置に向けて反射する第３光学素子としての反射鏡３３と、所定位置において反射鏡３３によって反射された第２レーザ光Ｌ２を透過するとともに反射鏡３２によって反射された第１レーザ光Ｌ１を第２レーザ光Ｌ２の光軸に一致するように反射する第４光学素子としてのハーモニックセパレータ３４とを含んで構成されている、

ハーモニックセパレータ３１は、第１レーザ光Ｌ１（波長５３２ｎｍ）を透過し、第２レーザ光Ｌ２（波長１０６４ｎｍ）を反射する。
ハーモニックセパレータ３４は、第２レーザ光Ｌ２（波長１０６４ｎｍ）を透過し、第１レーザ光Ｌ１（波長５３２ｎｍ）を反射する。
反射鏡３２，３３およびハーモニックセパレータ３１，３４は、ともに傾き角が調整可能に構成されている。

（光軸調整方法：図３参照）
光軸調整にあたっては、光軸重ね合わせ光学系１３を通過した光路上において、近傍点と遠方点との２箇所に検査点を設ける。
図３に示すように、２波長コーナキューブ１７に代えて近傍点検査箇所Ａを，ダイクロイックミラー２１以降の光学系に代えて遠方点検査箇所Ｂを設ける。このとき、２波長コーナキューブ１９は十分遠方に配置するのが望ましい。
近傍点検査箇所Ａや遠方点検査箇所Ｂには、フォトダイオード（例えば、４分割フォトダイオードなど）あるいはビームプロファイラなどの検出装置４１を配置する。近傍点検査箇所Ａと遠方点検査箇所Ｂでの検査は交互に行うため、検出装置４１は１台あればよい。

このようにして検出装置４１を設置したのち、近傍点検査箇所Ａおよび遠方点検査箇所Ｂにおいて、検出装置４１で検出される第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のずれ量を交互に確認しながら、これらレーザ光Ｌ１，Ｌ２のずれ量が少なくなるように、光軸重ね合わせ光学系１３のいずれかの光学素子３１〜３４の角度を調整し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の光軸を一致させる。
このようにすれば、２波長レーザ干渉計１の内部で生じるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光軸のずれにも対応できる利点がある。

（２波長レーザ干渉計１の作用説明）
まず、２波長レーザ光源１１から波長の異なるレーザ光Ｌ１，Ｌ２を出射する。ここでは、波長の異なるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の偏光の向きがともにＳ偏光の場合を例として説明する。
２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なるレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、２波長ビームエクスパンダ１２においてそれぞれビーム径が拡大されたのち、光軸重ね合わせ光学系１３において光軸が一致するように調整される。

まず、ハーモニックセパレータ３１において、波長の異なるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち第１レーザ光Ｌ１は透過され、第２レーザ光Ｌ２は反射され、これにより、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とが分離される。
ハーモニックセパレータ３１を透過した第１レーザ光Ｌ１は、反射境３２でハーモニックセパレータ３４へ向けて反射される。ハーモニックセパレータ３１で反射した第２レーザ光Ｌ２も、第２反射境３３でハーモニックセパレータ３４へ向けて反射される。
ハーモニックセパレータ３４では、反射鏡３３で反射された第２レーザ光Ｌ２を透過するとともに、反射鏡３２で反射された第１レーザ光Ｌ１を第２レーザ光Ｌ２の光軸と一致するように反射させる。これにより、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の光軸が重ね合わされたのち、２波長λ／２板１４に達する。

光軸重ね合わせ光学系１３において、光軸が一致するように調整されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、２波長λ／２板１４にて、同時に偏光の向きが４５°傾けられたのち、２波長偏光ビームスプリッタ１５にて、両者ともにＳ偏光の参照光Ｌ１１，Ｌ２１とＰ偏光の測定光Ｌ１２，Ｌ２２とにそれぞれ分けられる。
Ｓ偏光の参照光Ｌ１１，Ｌ２１は、２波長λ／４板１６を通過して、常に位置が固定されている参照面となる２波長コーナキューブ１７へ向かい、この２波長コーナキューブ１７で反射されたのち、２波長λ／４板１６を通過してＰ偏光となり、２波長偏光ビームスプリッタ１５を通過する。
Ｐ偏光の測定光Ｌ１２，Ｌ２２は、２波長λ／４板１８を通過して、被測定面に固定された２波長コーナキューブ１９へ向かい、この２波長コーナキューブ１９で反射されたのち、２波長λ／４板１８を通過してＳ偏光となり、２波長偏光ビームスプリッタ１５で反射され、参照光Ｌ１１，Ｌ２１と重ね合わされ干渉される。

測定光Ｌ１２，Ｌ２２と参照光Ｌ１１，Ｌ２１との干渉光は、２波長λ／２板２０を通過して、４５°偏光の向きが傾けられる。さらに、ダイクロイックミラー２１へ至り、各波長ごとのレーザ光に分離されたのち、それぞれ検出部２２，２３へ入射される。検出部２２，２３において、それぞれ各波長ごとに９０°位相のずれた干渉信号として２相の正弦波信号が得られる。ここで、振幅、オフセット位相などが調整されのち、この２相の正弦波信号が演算部２４に送られる。演算部２４において、各波長ごとの２相の正弦波信号を利用して、各波長ごとの測長値が求められ、さらに、この各波長ごとの測長値と前記（１）（２）式とから空気屈折率補正がされた変位量Ｄが求められる。

つまり、各波長の光で測定した変位量をＤ１，Ｄ２とすると、空気屈折率補正がされた変位量Ｄは
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
から求めることができる。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザ光の波長における空気屈折率である。

＜第１実施形態の変形例＞
（光軸重ね合わせ光学系１３の第１変形例：図４参照）
図２に示す光軸重ね合わせ光学系１３では、２つのハーモニックセパレータ３１，３４と、２つの反射鏡３２，３３とを使って構成したが、図４に示す光軸重ね合わせ光学系１３は、反射鏡３２，３３に代えてハーモニックセパレータ３５，３６を使って構成した例である。つまり、全ての光学素子をハーモニックセパレータ３１，３４，３５，３６で構成した例である。
ここで、ハーモニックセパレータ３１，３６は、第１レーザ光Ｌ１（波長５３２ｎｍ）を透過、第２レーザ光Ｌ２（波長１０６４ｎｍ）を反射、また、ハーモニックセパレータ３５，３４は、第２レーザ光Ｌ２（波長１０６４ｎｍ）を透過、第１レーザ光Ｌ１（波長５３２ｎｍ）を反射するように構成されている。
なお、これらハーモニックセパレータ３１，３４，３５，３６に代えて、ダイクロイックミラーなどを用いることができる。

このような構成にすると、ハーモニックセパレータ３１において、第１レーザ光Ｌ１は透過され、第２レーザ光Ｌ２は反射される。このとき、第２レーザ光Ｌ２の一部がハーモニックセパレータ３１を透過すると（ハーモニックセパレータ３１において漏れ光が生じると）、ハーモニックセパレータ３５に到達し測定精度に影響を与える。また、第１レーザ光Ｌ１の一部がハーモニックセパレータ３１で反射すると（ハーモニックセパレータ３１において漏れ光が生じると）、ハーモニックセパレータ３６に到達し測定精度に影響を与える。
本変形例では、ハーモニックセパレータ３１において生じた漏れ光をハーモニックセパレータ３５およびハーモニックセパレータ３６で透過させて、ハーモニックセパレータ３１における漏れ光の影響を少なくできるから、より高精度な測定を実現できる。

（光軸重ね合わせ光学系１３の第２変形例：図５参照）
図５に示す光軸重ね合わせ光学系１３は、第１実施形態において、ハーモニックセパレータ３１と反射鏡３２との間、および、反射鏡３３とハーモニックセパレータ３４との間に、ビームエクスパンダ５１、偏光板５２および波長板５３を挿入した例である。
このようにすると、個々の波長に特化したビームエクスパンダ５１を用いることができる。２波長対応化したものは高価になる場合があるが、上記のようにすれば、低コスト化に有利である。また、個々の波長ごとに、偏光板５２や波長板５３を導入することにより、光強度（偏光板５２）や偏光の向き（波長板５３）などを容易に設定することができるため、操作性に優れる利点がある。

＜第２実施形態＞
第１実施形態に係る２波長レーザ干渉計は、単一の偏光ビームスプリッタで、２波長偏光ビームスプリッタ１５として機能するものを用いた例を示したが、２波長偏光ビームスプリッタをいくつかの偏光ビームスプリッタを組み合わせて構成することも可能である。
一般的な偏光ビームスプリッタの場合、指定された波長以外の光を入射すると、Ｐ偏光であるにも関わらず反射してしまうなどの影響が生じる。このため、単に偏光ビームスプリッタを組み合わせても２波長偏光ビームスプリッタとして使用することはできない。
近年の光学薄膜技術の発展により、一方の波長のレーザ光に機能し、他方の波長のレーザ光には透過として影響を与えないような偏光ビームスプリッタの製造も可能になってきていることから、第２実施形態では、単波長用偏光ビームスプリッタを組み合わせて構成した例について説明する。

（２波長レーザ干渉計２の全体構成：図６参照）
第２実施形態に係る２波長レーザ干渉計２は、上述した偏光ビームスプリッタを組み合わせることで、５３２ｎｍと１０６４ｎｍなどのように大きく離れた２種類の波長においても使用可能な２波長偏光ビームスプリッタを用いた２波長レーザ干渉計である。
図６は、第２実施形態に係る２波長レーザ干渉計２を示している。なお、図６の説明において、第１実施形態と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

第２実施形態に係る２波長レーザ干渉計２において使用される２波長偏光ビームスプリッタ１５は、波長（５３２ｎｍ）の第１レーザ光Ｌ１に機能し、波長（１０６４ｎｍ）の第２レーザ光Ｌ２では透過となる２つの第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１，１５２と、波長（１０６４ｎｍ）の第２レーザ光Ｌ２に機能し、波長（５３２ｎｍ）の第１レーザ光Ｌ１では透過となる２つの第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３，１５４との組み合わせから構成されている。つまり、２つの第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１，１５２と２つの第２レーザ光用偏光ビームスプリッタと１５３，１５４が四角形の互いに対角する位置に配置された状態で組み合わされて構成されている。

（２波長レーザ干渉計２の作用説明）
２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、２波長ビームエクスパンダ１２、光軸重ね合わせ光学系１３および２波長λ／２板１４を通って、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３に同時に入射すると、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３においては、第２レーザ光Ｌ２に機能し、第１レーザ光Ｌ１を透過する。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３に入射した第２レーザ光Ｌ２は、そのＳ偏光成分の光（参照光）が、２波長λ／４板１６、２波長コーナキューブ１７、２波長λ／４板１６を順次通過してＰ偏光となる。更に、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２および第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４を順次通過したのち、２波長λ／２板２０を通過して４５°偏光の向きが傾き、検出部２３に至る。
第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３に入射した第２レーザ光Ｌ２は、そのＰ偏光成分の光（測定光）が、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２、２波長λ／４板１８、２波長コーナキューブ１９、２波長λ／４板１８を順次通過してＳ偏光となる。更に、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４で反射して参照光と干渉されたのち、２波長λ／４板２０を通過して４５°偏光の向きが傾き、検出部２３に至る。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３を透過して直進した第１レーザ光Ｌ１は、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２において、そのＳ偏光成分の光（参照光）が、２波長λ／４板１６、２波長コーナキューブ１７、２波長λ／４板１６を順次通過してＰ偏光となる。更に、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３および第１レーザ光用偏光ビームスプリッタと１５１を順次通過したのち、２波長λ／２板２０を通過して４５°偏光の向きが傾き、検出部２２に至る。
第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３を透過して直進した第１レーザ光Ｌ１は、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２において、そのＰ偏光成分の光（測定光）が、そのまま直進し、２波長λ／４板１８、２波長コーナキューブ１９、２波長λ／４板１８を順次通過してＳ偏光となる。更に、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４を通過して第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１で反射されて参照光と干渉されたのち、２波長λ／２板２０を通過して４５°偏光の向きが傾き、検出部２２に至る。
なお、これ以降の検出部２２，２３および演算部２４での処理は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。

＜変形例＞
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれる。
第１実施形態および第２実施形態では、シングルパスの構成としているが、本発明では、２波長偏光ビームスプリッタおよび２波長波長板を組み合わせることにより、光路長を増倍して光学的に各波長のレーザ光による測長の分解能を高め、Ａ係数による不確かさの拡大を低減した２波長レーザ干渉計を構築することもできる。このような構成とすれば、ダブルパス構成であるから、第１実施形態および第２実施形態の構成に比べ、個々の波長による測定の分解能が２倍向上し、Ａ係数による不確かさの拡大を低減することができ、より高精度な２波長レーザ干渉計が得られる。
次に、具体例として、図７に単一部品からなる２波長偏光ビームスプリッタを用いた場合、図８に４つの単波長用偏光ビームスプリッタを組み合わせた２波長偏光ビームスプリッタを用いた場合を示す。

（第１実施形態の光路増倍例：図７参照）
この光路増倍例では、第１実施形態において、２波長コーナキューブ１７，１９に代えて平面ミラー１７Ａ，１９Ａが設けられているとともに、２波長偏光ビームスプリッタ１５を挟んで平面ミラー１７Ａとは反対側に２波長コーナキューブ２６が、また、２波長偏光ビームスプリッタ１５を挟んで２波長λ／４板１８とは反対側に平面ミラー２７が配置されている。

このような構成において、２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、２波長ビームエクスパンダ１２、光軸重ね合わせ光学系１３および２波長λ／２板１４を通って、２波長偏光ビームスプリッタ１５に同時に入射すると、２波長偏光ビームスプリッタ１５にて、両者ともにＳ偏光の参照光Ｌ１１，Ｌ２１とＰ偏光の測定光Ｌ１２，Ｌ２２とにそれぞれ分けられる。

２波長偏光ビームスプリッタ１５において、垂直上方（図７中上方）へ分けられたＳ偏光の参照光Ｌ１１，Ｌ２１は、２波長λ／４板１６を通過して、常に位置が固定されている参照面となる平面ミラー１７Ａへ向かう。平面ミラー１７Ａで反射されたのち、２波長λ／４板１６を通過してＰ偏光となり、２波長偏光ビームスプリッタ１５、２波長コーナキューブ２６、２波長偏光ビームスプリッタ１５、２波長λ／４板１６を順次通過して平面ミラー１７Ａに至る。更に、参照光Ｌ１１，Ｌ２１は、平面ミラー１７Ａで反射されたのち、２波長λ／４板１６を通過してＳ偏光となり、２波長偏光ビームスプリッタ１５で反射して平面ミラー２７へ向かう。平面ミラー２７で反射したのち、２波長λ／２板２０を通過して４５°偏光の向きが傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。

２波長偏光ビームスプリッタ１５において、水平方向（図７中左方）へ分けられたＰ偏光の測定光Ｌ１２，Ｌ２２は、２波長λ／４板１８を通過して、被測定面に固定されている平面ミラー１９Ａへ向かう。平面ミラー１９Ａで反射されたのち、２波長λ／４板１８を通過してＳ偏光となり、２波長偏光ビームスプリッタ１５で反射して、２波長コーナキューブ２６を通過し、再度２波長偏光ビームスプリッタ１５で反射して、２波長λ／４板１８を通過して平面ミラー１９Ａに向かう。平面ミラー１９Ａで反射したのち、２波長λ／４板１８を再度通過してＰ偏光になり、２波長偏光ビームスプリッタ１５を通過して平面ミラー２７へ向かう。平面ミラー２７で反射されたのち、２波長λ／２板２０を通過して４５°偏光の向きが傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。
なお、これ以降の検出部２２，２３および演算部２４での処理は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。

（第２実施形態の光路増倍例：図８参照）
この光路増倍例では、第２実施形態において、２波長コーナキューブ１７，１９に代えて平面ミラー１７Ａ，１９Ａが設けられているとともに、２波長偏光ビームスプリッタ１５を挟んで平面ミラー１７Ａとは反対側に２波長コーナキューブ２６が、また、２波長偏光ビームスプリッタ１５を挟んで２波長λ／４板１８とは反対側に平面ミラー２７がそれぞれ配置されている。

このような構成において、２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２が、２波長ビームエクスパンダ１２、光軸重ね合わせ光学系１３および２波長λ／２板１４を通って、２波長偏光ビームスプリッタ１５に同時に入射すると、まず、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３においては、第２レーザ光Ｌ２に機能し、第１レーザ光Ｌ１を透過する。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３に入射した第２レーザ光Ｌ２は、そのＳ偏光成分の光が、２波長λ／４板１６、平面ミラー１７Ａ、２波長λ／４板１６を順次通過してＰ偏光となる。更に、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１、２波長コーナキューブ２６、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２、２波長λ／４板１６を順次通過したのち、平面ミラー１７Ａに達する。平面ミラー１７Ａで反射した後、２波長λ／４板１６を再度通過してＳ偏光となり、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２を通過後、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４で反射して第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１を通過して、平面ミラー２７に達する。平面ミラー２７で反射された後、２波長λ／２板２０にて同時に偏光の向きが４５°傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３に入射した第２レーザ光Ｌ２は、そのＰ偏光成分の光が、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２、２波長λ／４板１８を順次通過し、平面ミラー１９Ａで反射したのち、２波長λ／４板１８を通過してＳ偏光となる。更に、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２を通過して、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３で反射し、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１、２波長コーナキューブ２６を通過し、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４で反射し、２波長λ／４板１８を通過し、平面ミラー１９Ａに達する。平面ミラー１９Ａで反射されたのち、２波長λ／４板１８を再度通過してＰ偏光となり、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４および第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１を順次通過して平面ミラー２７に達する。平面ミラー２７で反射された後、２波長λ／２板２０にて同時に偏光の向きが４５°傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３を透過して直進した第１レーザ光Ｌ１は、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２において、そのＳ偏光成分の光が、図中上方へ分けられ、２波長λ／４板１６、平面ミラー１７Ａ、２波長λ／４板１６を順次通過してＰ偏光となる。更に、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４、２波長コーナキューブ２６、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３、２波長λ／４板１６を順次通過して平面ミラー１７Ａに達する。平面ミラー１７Ａで反射された後、２波長λ／４板１６を通過してＳ偏光となり、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３を通過し、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１で反射し、平面ミラー２７へ向かう。平面ミラー２７で反射された後、２波長λ／２板２０にて同時に偏光の向きが４５°傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。

第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５３を透過して直進した第１レーザ光Ｌ１は、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２において、そのＰ偏光成分の光が、図中水平方向へ直進し、２波長λ／４板１８、平面ミラー１９Ａ、２波長λ／４板１８を順次通過してＳ偏光となる。更に、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５２で反射し、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４および２波長コーナキューブ２６へと進み、第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１にて反射し、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４、２波長λ／４板１８を順次通過して平面ミラー１９Ａに達する。平面ミラー１９Ａで反射され後、２波長λ／４板１８を通過してＰ偏光となり、第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５４および第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ１５１を通過して、平面ミラー２７へ向かう。平面ミラー２７で反射された後、２波長λ／２板２０にて同時に偏光の向きが４５°傾けられ、ダイクロイックミラー２１において、波長ごとの光に分離されたのち、各波長ごとの光がそれぞれ検出部２２，２３に至る。
なお、これ以降の検出部２２，２３および演算部２４での処理は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。

（他の変形例）
２波長レーザ光源１１の出射口からのレーザ光は、２波長偏光ビームスプリッタ１５を含む各種偏光素子やＮＤフィルタなどを用いて、偏光の向きや光量などを必要に応じて調整することが望ましい。
また、熱源分離などを想定して、光ファイバなどの各種光学部品を用いることも考えられる。

また、第１実施形態（図１）や第２実施形態（図６）においては、固定用の反射鏡と移動用の反射鏡に、２波長コーナキューブ１７，１９を利用したが、平面ミラーを用いても実施可能である。
その場合、平面ミラーおよび図７、図８で使用している平面ミラー１７Ａ，１９Ａ，２７は、高帯域あるいは使用する２波長に対して、反射率が良好なものが望ましい。

また、図７および図８の変形例では、一例として、光路長を２倍に増倍しているが、２波長偏光ビームスプリッタと２波長波長板を利用することで、更に光路長を増倍することが可能である。これにより、２波長レーザ干渉計のさらなる高分解能化が可能である。

前記実施形態では、２波長レーザ干渉計１，２として、偏光を利用したマイケルソン型のレーザ干渉計を挙げたが、この構成に限定されるものでない。測定光と参照光とを干渉させて、その干渉信号から測長を行うものであれば、任意の構成のものでも実施できる。

本発明によれば、高精度な長さ測定に利用できるほか、産業機器類の評価や校正に利用できる。

本発明の第１実施形態に係る２波長レーザ干渉計を示す図。 前記実施形態において、光軸重ね合わせ光学系を示す図。 前記実施形態において、光軸調整方法を行う際の構成図。 前記実施形態の光軸重ね合わせ光学系の第１変形例を示す図。 前記実施形態の光軸重ね合わせ光学系の第２変形例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る２波長レーザ干渉計を示す図。 第１実施形態の変形例を示す図。 第２実施形態の変形例を示す図。

符号の説明

１，２…２波長レーザ干渉計、
１１…２波長レーザ光源、
１３…光軸重ね合わせ光学系（光軸重ね合わせ手段）、
１５…２波長偏光ビームスプリッタ（光分割手段、光重ね合わせ手段）
２４…演算部（演算手段）、
３１…ハーモニックセパレータ（第１光学素子）、
３２…反射鏡（第２光学素子）、
３３…反射鏡（第３光学素子）、
３４…ハーモニックセパレータ（第４光学素子）、
３５…ハーモニックセパレータ（第２光学素子）、
３６…ハーモニックセパレータ（第３光学素子）、
４１…検出装置、
１５１，１５２…第１レーザ光用偏光ビームスプリッタ、
１５３，１５４…第２レーザ光用偏光ビームスプリッタ、
Ｌ１…第１レーザ光、
Ｌ２…第２レーザ光、
Ｌ１１，Ｌ２１…参照光、
Ｌ１２，Ｌ２２…測定光。

Claims (5)

1. 波長の異なる２種類のレーザ光を出射する２波長レーザ光源と、
   この２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光をそれぞれ参照光と測定光に分割する光分割手段と、
   この光分割手段によって分割された参照光と測定光が参照面および被測定面によって反射された光を重ね合わせる光重ね合わせ手段と、
   この光重ね合わせ手段によって重ね合わされた光から、各波長ごとに、前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を求める演算手段とを備えた２波長レーザ干渉計であって、
   前記２波長レーザ光源と前記光分割手段との間には、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を一旦分離したのち互いの光軸を重ね合わせる光軸重ね合わせ手段が設けられている、ことを特徴とする２波長レーザ干渉計。
2. 請求項１に記載の２波長レーザ干渉計において、
   前記光軸重ね合わせ手段は、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光を波長によって第１レーザ光と第２レーザ光に分離する第１光学素子と、この第１光学素子によって分離された第１レーザ光を所定位置に向けて反射する第２光学素子と、前記第１光学素子によって分離された第２レーザ光を前記所定位置に向けて反射する第３光学素子と、前記所定位置において前記第３光学素子によって反射された第２レーザ光を透過するとともに前記第２光学素子によって反射された第１レーザ光を前記第２レーザ光の光軸に一致するように反射する第４光学素子とを含んで構成されている、ことを特徴とする２波長レーザ干渉計。
3. 請求項２に記載の２波長レーザ干渉計において、
   前記第１光学素子および第３光学素子は、第１レーザ光を透過し、第２レーザ光を反射し、
   前記第２光学素子および第４光学素子は、第２レーザ光を透過し、第１レーザ光を反射する、ことを特徴とする２波長レーザ干渉計。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の２波長レーザ干渉計において、
   前記光分割手段および前記光重ね合わせ手段は、２波長偏光ビームスプリッタによって構成され、
   前記２波長偏光ビームスプリッタは、波長の異なる２種類のレーザ光のうち第１レーザ光に機能し、第２レーザ光を透過させる第１レーザ光用偏光ビームスプリッタと、波長の異なる２種類のレーザ光のうち前記第２レーザ光に機能し、前記第１レーザ光を透過させる第２レーザ光用偏光ビームスプリッタとを組み合わせて構成されている、ことを特徴とする２波長レーザ干渉計。
5. 請求項２または請求項３に記載の２波長レーザ干渉計において、前記２波長レーザ光源から出射された波長の異なる２種類のレーザ光の光軸を調整する２波長レーザ干渉計の光軸調整方法であって、
   前記光分割手段によって分割された参照光および測定光のうち、少なくとも片方の光の光軸上に検出手段を配置し、この検出手段で検出される光のずれ量を確認しながら、光のずれ量が少なくなるように、前記光軸重ね合わせ手段のいずれかの光学素子を調整する、ことを特徴とする２波長レーザ干渉計の光軸調整方法。

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