JP2010210700A

JP2010210700A - 光分岐装置

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Publication number: JP2010210700A
Application number: JP2009054042A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Monno; 博史門野
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP5117430B2

Abstract

【課題】入射光束を２つの平行な光束に分岐する装置であって、平行な光束の間隔や位相を任意に調節できる光分岐装置を提供する。
【解決手段】二つの同形の直角プリズム４１、４２を、分岐膜４３を介して接合した三角柱プリズム４４と、柱状プリズム４５とで複合プリズム４０を構成し、複合プリズム４０の出射面４６に対向して、出射面４６と平行を保つ状態で移動できる可動直角プリズム５０を配置する。直角プリズム４１の傾斜面から入射した光束が、分岐膜４３で二つの光束に分岐され、複合プリズム４０の出射面４６から光軸４７に接近する方向に出射して可動直角プリズム５０に入射し、可動直角プリズム５０の異なる面から平行に出射する。可動直角プリズム５０をＡ方向に移動すれば平行光束の間隔が変化し、可動直角プリズム５０をＢ方向に移動すれば、二本の平行光束間の位相が調整できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光束を２つの平行な光束に分岐する光分岐装置に関し、平行光束の間隔や位相の調節を可能にしたものである。

入射光束の分岐は、光の干渉を得る装置では広く行われている。
例えば、図６は、下記特許文献１に記載された微分干渉顕微鏡の構成を示している。この装置では、光源１からの光束が２本の光束Ｏ、Ｅに分かれて試料５に照射され、試料５を通過した２本の光束が元通りに合体されて画像を生成する。２本の光束Ｏ、Ｅは、試料５の中を通る距離が異なるために位相差が生じ、それらの光束が合体して得られる画像には、干渉による濃淡が現れる。２本の光束Ｏ、Ｅの間隔は、μ以下のオーダーである。
この装置では、複屈折結晶３３０、屈折率の調整が可能な複屈折素子３４０、及びコンデンサレンズ９により平行光束が作られており、屈折率変化部３１４が、複屈折素子３４０の屈折率を電気的に変えて平行光束の間隔を調整している。
また、下記特許文献２に記載された微分干渉顕微鏡では、図７に示すように、２本の平行光束１１、１２をノマルスキープリズム２３とコンデンサレンズ２４とで生成し、観察条件の最適化を図るために、平行光束１１、１２の位相を空間光変調器４で電気的に調整している。

また、本発明の発明者は、粗面にレーザ光線を照射したときに生じる粒状斑点模様（スペックルパターン）の干渉画像を用いて微小変位を計測する方法を下記特許文献３で提案している。この方法は、統計的手法を導入して変位を算出しているため「統計的干渉計測法」と名付けている。
図８は、この方法を実施する装置を示している。この装置では、レーザ光源１１の光をウォラストンプリズム１３とレンズ１４とを用いて２本の平行な光線ａ₁、ａ₂に分岐している。光線ａ₁及び光線ａ₂の試料１０による反射光は、偏光フィルタ１５を通過してＣＣＤカメラ１６に入射する。このとき、光線ａ₁によるスペックルパターンと光線ａ₂によるスペックルパターンとの重ね合わせによって生じたスペックル干渉画像がＣＣＤカメラ１６で撮影される。
ＣＣＤカメラ１６は、所定の時間間隔でスペックル干渉画像を撮影し、その画像がフレームメモリ２１に順次記録される。
データ処理装置２２は、フレームメモリ２１に記録された画像の中から３つのスペックル干渉画像を用いて、それらの画像が撮影される間に生じた粗面１０の変位（光線ａ₁、ａ₂によって照射された２点間の歪み）を統計的干渉計測法により算出する。
この統計的干渉計測法では、光線ａ₁、ａ₂で照射する２点間の間隔を１ｍｍ以下に設定して、この２点間に発生する変位をλ／１０００（λはレーザ光の波長）の精度で計測することができる。

また、図９は、下記特許文献４に記載された、入射光束を２つの平行な光束に分岐するプリズム分光器を示している。この分光器は、第１プリズム１１と、第２プリズム１２と、第２プリズム１２を光軸に沿って平行移動する平行移動手段２０とを有している。入射光は、二分割されるように、第１プリズム１１の二面に跨るように入射させる。両面に入射した光線は、各々の面で屈折して二分割され、第１プリズム１１の出射面から光軸に対して拡がり角度θを保って第２プリズム１２に入射し、第２プリズム１２で屈折されて、光軸と平行な二本の出射光Ａ、Ｂとして第２プリズム１２から出射される。
二本の平行光線Ａ、Ｂの間隔は、平行移動手段２０により第２プリズム１２の位置を変えることで可変できる。

特開２００４−６１６１４号公報特開２００３−５０８０号公報特許第２８１７８３７号公報特開平１１−１１９０１０号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、複数の光学部品や電気的手段を用いて平行光束の間隔や位相を調整する場合は、構造が複雑になり、調整作業が難しい。
また、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されているように、平行光束を得るための複数の光学部品が広い間隔を空けて配置されている光学系は、空気の揺らぎや振動などの外乱による測定精度の低下が懸念される。光の波長の１０００分の１と言った超高感度な測定では、特に、高い安定性が求められる。
また、特許文献４に記載された装置は、平行光束の間隔調整が容易であるが、この装置では、平行光束の間隔を、第１プリズム１１からの出射光の間隔よりも狭めることができないため、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載された装置が必要としている間隔の平行光束を得ることができない。また、この装置は、平行光束の位相を調整することもできない。
また、この装置では、入射光を空間的に左右に分割しているため、分岐された２本のビームは入射光の強度分布と異なり、また、互いに等しい強度分布となっていない。これは平行光束を必要とする多くの光学装置において不利となる。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、入射光束を２つの平行な光束に分岐する装置であって、平行な光束の間隔や位相を任意に調節できる光分岐装置を提供することを目的としている。

本発明は、入射した光束を二つの平行な光束に分岐する光分岐装置であって、二つの同形の三角プリズムの一面同士を、分岐膜を介して接合して形成した断面が二等辺三角形の三角柱プリズムと、前記三角柱プリズムの二等辺の挟角に対向する辺を含む面に一面を接合した柱状プリズムと、で構成された複合プリズムと、前記三角柱プリズムと相似形状を有し、二等辺の挟角に対向する辺を含む面が、前記複合プリズムの出射面に対向して、前記出射面と平行を保つ状態で移動できる可動プリズムと、前記可動プリズムの移動手段と、を有し、前記三角柱プリズムの二等辺の一方を含む面から入射した光束が前記分岐膜で二つの光束に分岐され、前記分岐膜を透過した一方の光束は、前記三角柱プリズムの二等辺の他方を含む面で全反射した後、前記柱状プリズムの側面で全反射して、前記出射面から前記複合プリズムの光軸の延長線に接近する方向に出射し、前記分岐膜で反射した他方の光束は、前記複合プリズムの光軸を対称軸として前記一方の光束と対称となるように、前記三角柱プリズムの二等辺の一方を含む面及び前記柱状プリズムの他方の側面で全反射して、前記出射面から前記複合プリズムの光軸の延長線に接近する方向に出射し、前記複合プリズムの出射面から出射した前記一方の光束及び他方の光束のそれぞれが、前記可動プリズムの前記出射面に対向する面から入射して、二等辺の各々を含む異なる面から平行に出射することを特徴とする。
この光分岐装置では、分岐された二つの光束が、複合プリズムの出射面から光軸の延長線に接近する方向に出射されるため、可動プリズムを経て生成される平行光束の間隔が狭く設定できる。また、二つの光束は、分岐膜を介して振幅分割されているので、それらの光束の強度分布は入射ビームと同一（相似）になる利点がある。

また、本発明の光分岐装置では、前記移動手段が、前記可動プリズムから平行に出射する二つの光束の間隔を調整するために、前記複合プリズムの光軸の方向に前記可動プリズムを移動させる。
複合プリズムと可動プリズムとの距離を変えると、分岐された二つの光束の可動プリズムへの入射間隔が変わり、可動プリズムから出射される平行光束の間隔が変化する。

また、本発明の光分岐装置では、前記移動手段が、前記可動プリズムから平行に出射する二つの光束の位相を調整するために、前記二つの光束を含む平面内で前記複合プリズムの光軸と直交する方向に前記可動プリズムを移動させることを特徴とする。
可動プリズムを複合プリズムの光軸と直交する方向に移動すると、可動プリズムに入射した二つの光束の可動プリズム内での光路長が変わってくるため、可動プリズムから平行に出射する二つの光束間の位相が変化する。

また、本発明の光分岐装置は、前記三角柱プリズムを形成する二つの三角プリズム及び可動プリズムを、それぞれ直角プリズムで構成することができる。

本発明の光分岐装置は、一本の光束から、狭い間隔で平行する安定した光束を生成することが可能であり、また、この平行光束の間隔や位相を簡単に調整することができる。
また、光学系の小型化を可能にする。

本発明の実施形態に係る光分岐装置の構成を示す図図１の光分岐装置の平行間隔調整動作（ｂ）及び位相調整動作（ｃ）を示す図図１の光分岐装置を用いた計測装置を示す図図３の計測装置の動作を示すフロー図図３の計測装置のフレームメモリの状態を示す図従来の微分干渉顕微鏡の構成を示す図従来の微分干渉顕微鏡の他の構成を示す図統計的干渉計測法を用いた計測装置を示す図従来のプリズム分光器を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る光分岐装置の構成を示している。
この装置は、図１（ａ）に示すように、二つの同形の直角プリズム４１、４２の直角に接する面同士を分岐膜４３を介して接合した三角柱プリズム４４と、この三角柱プリズム４４の傾斜面に接合した柱状プリズム４５とから成る複合プリズム４０と、複合プリズム４０に対して移動可能な直角プリズム５０と、直角プリズム５０を矢印Ａ方向（複合プリズム４０の光軸４７方向）及び矢印Ｂ方向（複合プリズム４０の光軸４７と直交する方向）に移動する移動手段（不図示）とを有している。

分岐膜４３は、誘電体多層膜から成る。
直角プリズム５０は、複合プリズム４０の出射面４６に対向する傾斜面５１が、出射面４６と平行を保つ状態で移動できる。
移動手段（不図示）は、直角プリズム５０を載置して移動する圧電アクチュエータ等で構成される。

この光分岐装置への入射光は、図１（ｂ）に示すように、三角柱プリズム４４を構成する一方の直角プリズム４１の傾斜面から、複合プリズム４０の光軸４７と直交する角度で入射される。
複合プリズム４０に入射した光束は、入射面で屈折するため、分岐膜４３に対して斜めに入射し、分岐膜４３で二つの光束に分岐される。
分岐膜４３を透過した一方の光束は、三角柱プリズム４４を構成する他方の直角プリズム４２の傾斜面で全反射し、次いで、柱状プリズム４５の側面で全反射して、複合プリズム４０の出射面４６から、複合プリズム４０の光軸４７の延長線に接近する方向に出射される。
また、分岐膜４３で反射した他方の光束は、三角柱プリズム４４を構成する直角プリズム４１の傾斜面で全反射し、次いで、柱状プリズム４５の対向する側面で全反射して、複合プリズム４０の出射面４６から、複合プリズム４０の光軸４７の延長線に接近する方向に出射される。
このように、複合プリズム４０の光軸４７を対称軸として、対称的な光路を辿った二つの光束は、複合プリズム４０の出射面４６から出射された後、直角プリズム５０の傾斜面から直角プリズム５０に入射し、直角プリズム５０内で交差した後、直角プリズム５０の直角を構成する二面のそれぞれで屈折され、平行な二本の光束となって出射する。

この光分岐装置では、分岐された二つの光束が、複合プリズム４０の出射面４６から互いに接近する方向に出射されるため、直角プリズム５０を経て生成される平行光束の間隔を狭く設定することが可能である。
また、出射面４６から出射する二つの光束の光路は、複合プリズム４０の光軸４７に対して傾いているため、直角プリズム５０を光軸４７の方向に移動した場合に、二つの光束が直角プリズム５０に入射する位置での入射間隔が変化する。それに伴い、直角プリズム５０から出射される平行光束の間隔が変わる。
図２は、この模様を示している。図２（ａ）の位置から光軸４７の方向に沿って直角プリズム５０を遠ざけると、図２（ｂ）に示すように、平行光束の間隔が拡がる。
また、図２（ｃ）に示すように、二つの光束を含む平面内で複合プリズム４０の光軸４７と直交する方向に直角プリズム５０を移動させると、直角プリズム５０に入射した二つの光束の直角プリズム５０内での光路長に変化が生じる。そのため、直角プリズム５０から出射される平行光束間の位相が変化する。

このように、この光分岐装置は、直角プリズム５０の移動手段（不図示）により、直角プリズム５０を移動することで、平行光束の間隔や位相を簡単に調整することができる。
また、この装置では、超高感度な測定を行う場合、直角プリズム５０を複合プリズム４０に接近させて間隔の狭い平行光束を得ることになる。このとき、平行光束の生成は、殆ど複合プリズム４０や直角プリズム５０の内部で行われるため、空気の揺らぎなどの外乱に対して極めて強い。それ故、この光分岐装置を用いることで、超高感度な測定を安定的に行うことができる。
また、この装置を用いることで光学系を小型化できる。

図３は、この光分岐装置の使用例として、統計的干渉計測法により微小変位を計測する計測装置に用いる場合を示している。
この計測装置は、波長λのコヒーレントなレーザ光を出力するレーザ投光機１１と、このレーザ光を集光するレンズ１２と、集光された光束から２本の平行光束ａ₁、ａ₂を生成する光分岐装置６０と、被測定物体１０での光線ａ₁の反射光と光線ａ₂の反射光とが干渉して得られるスペックル干渉画像のみを通過させる偏光フィルタ１５と、偏光フィルタ１５を通ったスペックル干渉画像を撮影するＣＣＤカメラ１６と、撮影された画像を記録するフレームメモリ２１と、記録された画像を解析して被測定物体１０の光線ａ₁、ａ₂が照射された２点間の変位を検出するデータ処理装置２２とを備えている。

図４は、この計測装置による計測手順を示している。
まず、光分岐装置６０の直角プリズム５０を光軸方向に動かして、測定領域を決定する平行光束ａ₁、ａ₂の間隔ｄを設定する。次いで、光軸と直交する−Ｙ方向に移動して光線ａ₁、ａ₂に位相差を与え、このときにＣＣＤカメラ１６で撮影したスペックル干渉画像を第１の基準スペックル干渉画像としてフレームメモリ２１に記録する。次に、直角プリズム５０を光軸と直交するＹ方向に移動して光線ａ₁、ａ₂に逆の位相差を与え、このときにＣＣＤカメラ１６で撮影したスペックル干渉画像を第２の基準スペックル干渉画像としてフレームメモリ２１に記録する（ステップ２１）。
次に、直角プリズム５０を光軸の位置に戻して、計測すべきスペックル干渉画像（“計測画像”と呼ぶことにする。）をＣＣＤカメラ１６で撮影し、フレームメモリ２１に記録する（ステップ２２）。

データ処理装置２２は、フレームメモリ２１から、第１の基準スペックル干渉画像、計測画像及び第２の基準スペックル干渉画像を取得し、統計的干渉計測法を用いて、第１の基準スペックル干渉画像に対する計測画像の位相差Ψ'₁及び計測画像に対する第２の基準スペックル干渉画像の位相差Ψ'₃を算出し、メモリに記録する（ステップ２３）。
同じ第１の基準スペックル干渉画像及び第２の基準スペックル干渉画像を用いて算出された他の計測画像のΨ'₁及びΨ'₃がメモリに記録されていないときは（ステップ２４でＮｏ）、ステップ２６に移行して、Ψ'₁及びΨ'₃と閾値Ψ₀とを比較する。
この閾値Ψ₀は、計測画像の位相が、第１または第２の基準スペックル干渉画像の位相に近付き過ぎた場合に、統計的干渉計測法の精度が低下するため、これを避けるために設定されている。
Ψ'₁及びΨ'₃の絶対値が閾値Ψ₀より大きい場合（ステップ２７でＹｅｓ）は、ＣＣＤカメラ１６で撮影された次の計測画像を取得し（ステップ２９、ステップ２２）、統計的干渉計測法を用いて、第１、第２の基準画像に対する計測画像の位相差Ψ'₁、Ψ'₃を算出し、メモリに記録する（ステップ２３）。
同じ第１、第２の基準画像を用いて算出された他の計測画像のΨ'₁及びΨ'₃がメモリに記録されている場合に（ステップ２４でＹｅｓ）、Ψ'₁またはΨ'₃同士の差分を取ることにより、計測画像間の位相差を算出する（ステップ２５）。
次いで、Ψ'₁及びΨ'₃と閾値Ψ₀とを比較し（ステップ２６）、Ψ'₁及びΨ'₃の絶対値が閾値Ψ₀より大きい場合（ステップ２７でＹｅｓ）は、ステップ２９、ステップ２２の手順を繰り返す。

一方、計測画像のΨ'₁及びΨ'₃の絶対値が閾値Ψ₀未満の場合は（ステップ２７でＮｏ）、光分岐装置６０の直角プリズム５０を光軸と直交する−Ｙ方向に移動して第１の基準スペックル干渉画像を更新し、直角プリズム５０を光軸と直交するＹ方向に移動して第２の基準スペックル干渉画像を更新する（ステップ２１）。
このとき、基準画像は、現時点の被測定物体１０の微小変位に対応する位相に対して、直角プリズム５０の操作による位相差が加算、または減算された位相を持つ基準画像に更新される。

また、図５は、フレームメモリ２１でのスペックル干渉画像の記録状況を模式的に示している。第１の基準スペックル干渉画像、第２の基準スペックル干渉画像及び計測画像の３枚がフレームメモリ２１に取り込まれ、計測画像が順次更新される。基準画像Iと計測画像との位相差が閾値Ψ₀より小さくなると、基準画像Iが基準画像IIに更新され、計測画像の順次更新が続けられる。
このように、この計測装置では、被測定物体１０の微小変位が進行し、計測画像の位相が基準画像の位相に近付いた場合に、光分岐装置６０を操作して基準画像を更新することで、統計的干渉計測法による測定精度を高く保つことが可能であり、光分岐装置６０を用いて、測定レンジの拡大を簡単に図ることができる。

なお、ここでは、光分岐装置の三角柱プリズム４４を構成する二つのプリズム４１、４２、及び、可動可能なプリズム５０が直角プリズムである場合について説明したが、本発明は、それに限定されない。三角柱プリズム４４を構成する二つのプリズム４１、４２が同一形状であり、これらを接合した三角柱プリズム４４の断面形状が二等辺三角形であり、可動可能なプリズム５０が、三角柱プリズム４４と相似形状であれば、本発明は実現可能である。
また、本発明の光分岐装置は、前述する統計的干渉計測法を用いる計測装置に限らず、例えば、入射ビームを平行な２つのビームに分離する光学実験用の要素コンポーネントなどとしても広く使用することが可能である。

本発明の光分岐装置は、一本の光束から分岐した二本の平行光束を使用する光学装置に広く利用することができる。

１０被測定物体
１１レーザ投光機
１２レンズ
１５偏光フィルタ
１６ＣＣＤカメラ
２１フレームメモリ
２２データ処理装置
４０複合プリズム
４１直角プリズム
４２直角プリズム
４３分岐膜
４４三角柱プリズム
４５柱状プリズム
４６出射面
４７光軸
５０直角プリズム
６０光分岐装置

Claims

入射した光束を二つの平行な光束に分岐する光分岐装置であって、
二つの同形の三角プリズムの一面同士を、分岐膜を介して接合して形成した断面が二等辺三角形の三角柱プリズムと、
前記三角柱プリズムの二等辺の挟角に対向する辺を含む面に一面を接合した柱状プリズムと、
で構成された複合プリズムと、
前記三角柱プリズムと相似形状を有し、二等辺の挟角に対向する辺を含む面が、前記複合プリズムの出射面に対向して、前記出射面と平行を保つ状態で移動できる可動プリズムと、
前記可動プリズムの移動手段と、
を有し、前記三角柱プリズムの二等辺の一方を含む面から入射した光束が前記分岐膜で二つの光束に分岐され、
前記分岐膜を透過した一方の光束は、前記三角柱プリズムの二等辺の他方を含む面で全反射した後、前記柱状プリズムの側面で全反射して、前記出射面から前記複合プリズムの光軸の延長線に接近する方向に出射し、
前記分岐膜で反射した他方の光束は、前記複合プリズムの光軸を対称軸として前記一方の光束と対称となるように、前記三角柱プリズムの二等辺の一方を含む面及び前記柱状プリズムの他方の側面で全反射して、前記出射面から前記複合プリズムの光軸の延長線に接近する方向に出射し、
前記複合プリズムの出射面から出射した前記一方の光束及び他方の光束のそれぞれが、前記可動プリズムの前記出射面に対向する面から入射して、二等辺の各々を含む異なる面から平行に出射することを特徴とする光分岐装置。
請求項１に記載の光分岐装置であって、前記移動手段が、前記可動プリズムから平行に出射する二つの光束の間隔を調整するために、前記複合プリズムの光軸の方向に前記可動プリズムを移動させることを特徴とする光分岐装置。
請求項１に記載の光分岐装置であって、前記移動手段が、前記可動プリズムから平行に出射する二つの光束の位相を調整するために、前記二つの光束を含む平面内で前記複合プリズムの光軸と直交する方向に前記可動プリズムを移動させることを特徴とする光分岐装置。
請求項１から３のいずれかに記載の光分岐装置であって、前記三角柱プリズムを形成する二つの三角プリズム及び可動プリズムが、それぞれ直角プリズムであることを特徴とする光分岐装置。