JP2981927B2 - 多相分割用光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘテロダイン方式や干
渉縞計数方式のレーザ干渉測長計等で測長光路長の変化
および変化の方向を測定するのに必要な多相信号を得る
ために好適に用いられる多相分割用光学系に関する。

【０００２】

【発明の背景】例えば、レーザ干渉測長計では、偏光方
向が直交した直線偏光または一方が円偏光の参照光と測
長光の重疊した光路差情報光を得、それから多相分割用
の光学系で２相以上の干渉縞信号またはビート信号を与
える干渉光を得て、それらから測長光路長の変化および
変化の方向を求める。これには図３に示したような多相
分割用光学系が用いられる。

【０００３】図３において、Ｉは例えば図示のように互
いに直交する直線偏光の光路長が一定の参照光と光路長
が変化する測長光の重疊から成り、このままでは干渉し
ない光路差情報光、１は光路差情報光Ｉを反射光と透過
光に２分割するビームスプリッタ、２はビームスプリッ
タ１による反射光を、その参照光成分と測長光成分のそ
れぞれ偏光方向が入射面に水平な成分を透過させて得ら
れる干渉光Ｉ₀と、反射光の参照光成分と測長光成分の
それぞれ偏光方向が入射面に垂直な成分を反射させて得
られる位相が上述の干渉光Ｉ₀に対して180°ずれている
Ｉ₁₈₀とに分割する偏光ビームスプリッタ、３はビーム
スプリッタ１による透過光を透過してその位相を変える
λ/4位相板であり、その透過光を偏光ビームスプリッタ
４で透過光と反射光に分割すると偏光ビームスプリッタ
４の透過光が干渉光Ｉ₀に対して90°位相がずれた干渉
光Ｉ₉₀となり、偏光ビームスプリッタ４の反射光が干渉
光Ｉ₀に対して270°位相がずれた干渉光Ｉ₂₇₀となる。
この光学系で光路差情報光Ｉを多相分割して得られる位
相が互いに90°ずれた干渉光Ｉ₀,Ｉ₉₀またはＩ₁₈₀,Ｉ
₂₇₀をそれぞれ光電変換してsinθ,cosθで変化する干渉
縞信号を得、この信号から測長光路長の変化と変化の方
向を求めることができる。

【０００４】この光学系で得られる干渉光Ｉ₀とＩ₁₈₀お
よびＩ₉₀とＩ₂₇₀の位相差は、それぞれ偏光ビームスプ
リッタ２および４へ入射する参照光成分と測長光成分の
偏光方向がそれぞれ入射面と45°の角度を成していれ
ば、偏光ビームスプリットコートの性質上極めて精度よ
く180°に保たれる。それに対して、干渉光Ｉ₀とＩ₉₀あ
るいはＩ₁₈₀とＩ₂₇₀の位相差は、干渉光Ｉ₀,Ｉ₁₈₀を得
る側には位相板を用いず干渉光Ｉ₉₀,Ｉ₂₇₀を得る側には
λ/4位相板を用いていても、必ずしも正確に90°になる
保証はない。それは、λ/4位相板の切り出し精度と厚み
の加工精度に関係するリタデーションの精度と、λ/4位
相板の結晶軸を参照光または測長光の偏光方向に設定す
る際のセッティング誤差とによって、容易に数度の位相
差誤差が含まれるからである。

【０００５】干渉光Ｉ₀,Ｉ₉₀またはＩ₁₈₀,Ｉ₂₇₀の位相
差が正確に90°であれば、それらの光電変換により正確
にsinθ,cosθで変化する干渉縞信号が得られ、それら
の信号を縦軸と横軸に表わしたリサージュ図形は図４に
示したように完全な円を画いて、円上のＰ点の移動が完
全に測長光路長の変化に比例するから、Ｐ点の移動から
測長光路長の変化を干渉縞間の変化についてまで正確に
求めることができる。しかし、干渉光Ｉ₀,Ｉ₉₀またはＩ
₁₈₀,Ｉ₂₇₀の位相差が前述のような原因のため90°から
ずれると、それらを光電変換して得られる干渉縞信号は
sinθ,cos(θ＋Δθ)で変化するものとなり、それらの
信号を縦軸と横軸に表わしたリサージュ図形は図５に示
したような楕円となって、楕円上のＰ点の移動が測長光
路長の変化に正確には比例せず、Ｐ点の移動から求めた
測長光路長の変化に１回転を周期とする周期誤差が加わ
るから、測長光路長の変化を干渉縞間の変化についてま
で正確に求めることが困難になる。これは、コモンモー
ドノイズの除去に効果のある差動型の検出回路すなわ
ち、順次位相が90°ずれた干渉光例えばＩ₀,Ｉ₉₀,Ｉ₁₈₀
の干渉縞信号Ｖ₀,Ｖ₉₀,Ｖ₁₈₀からＶ₀-Ｖ₉₀,Ｖ₉₀-Ｖ₁₈₀
を得て、これら両差信号から測長光路長の変化と変化の
方向を求める回路を採用したとしても、Ｖ₀-Ｖ₉₀を横軸
にＶ₉₀-Ｖ₁₈₀を縦軸に表わしたリサージュ図形は図６に
示したような楕円となって、楕円上のＰ点の移動が測長
光路長の変化に正確には比例せず、Ｐ点の移動から求め
た測長光路長の変化に１回転を周期とする周期誤差が加
わって、測長光路長の変化を干渉縞間の変化についてま
で正確に求められるようにはならない。

【０００６】そこで、上述の問題を解消するために、本
発明者は先に、干渉光Ｉ₀,Ｉ₉₀またはＩ₁₈₀,Ｉ₂₇₀の位
相差を正確に90°に調整できる多相分割用光学系を発明
した。その発明は、前述のλ/4位相板あるいはそれと同
様の目的に用いるλ/4以上のリタデーションを持つ波長
板またはその下流側の偏光ビームスプリッタを光軸周り
に調節回動可能としたことにより、干渉光Ｉ₀,Ｉ₉₀また
はＩ₁₈₀,Ｉ₂₇₀の位相差を正確に90°に調整できるよう
にしたものである。この発明は特願平2-225165号により
出願されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の発明の
光学系においても、正確に90°位相差の干渉光が得られ
るようにλ/4位相板等を調節回動して位置決めするのに
手間が掛ると言う問題があった。それは、図３のλ/4位
相板等を光軸周りに１回転すなわち360°回転させる
と、干渉光Ｉ₉₀とＩ₂₇₀の干渉光Ｉ₀に対する位相差が＋
90°〜−90°と＋90°〜＋270°の範囲で変化すると言
ったように、λ/4位相板の回転角に対する位相角の変化
が1/2と大きく、したがって光学系の構造を複雑にする
λ/4位相板の微動回転機構を設けないことには、λ/4位
相板を正確な90°位相差の干渉光が得られる位置に設定
するのが難かしいためである。

【０００８】本発明は、微動回転機構を設けなくても正
確な90°位相差の干渉光が得られる位相板の位置を容易
に設定できる光学系の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を２分
割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタの分割
光の一方を偏光方向の異なる２相の干渉光に分割する偏
光ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの分割光
の他方を透過してその位相を変える位相板と、該位相板
の透過光を偏光方向の異なる２相の干渉光に分割する偏
光ビームスプリッタとを備えた光学系であって、前記位
相板が複数枚の位相板から成り、そのうちの少なくとも
１枚が光軸回りに調整回転可能に設けられていることを
特徴とする多相分割用光学系にあり、この構成によって
前記目的を達成する。

【００１０】

【作用】すなわち、本発明の多相分割用光学系は、ビー
ムスプリッタの２分割光の一方の分割光の位相を変える
位相板が複数枚の位相板から成っていて、そのうちの少
なくとも１枚が光軸周りに調整回転可能に設けられてい
ることで、その１枚の位相板の回転角に対する位相角の
変化を小さくできるから、位相板の微動回転機構を設け
なくても、その１枚の位相板を光軸周りに調整回転して
正確に位相差90°の干渉光が得られるように設定するこ
とができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図１および図２にそれぞれ示
した実施例によって説明する。

【００１２】図１,図２はそれぞれ本発明の多相分割用
光学系の例を示す構成図である。図１,図２において
も、図３と同一符号は同一機能部材等、実質的に同一の
ものを示している。

【００１３】図１の光学系は、図３のλ/4位相板３の代
わりにλ/4のリタデーションを持つ固定の位相板３Ａと
λ/20のリタデーションを持つ光軸周りに調整回転可能
で固定される調整用位相板３Ｂとを用いている点が図３
の光学系と異なるだけである。この光学系では、調整用
位相板３Ｂの１回転すなわち360°回転で、干渉光Ｉ₉₀
とＩ₂₇₀の位相が、位相板３Ａにより与えられている位
相から＋18°〜−18°の範囲で変化する。したがって、
位相板３Ａが干渉光Ｉ₉₀の干渉光Ｉ₀に対する位相を72
°〜108°の範囲にあるようにしていれば、あとは調整
用位相板３Ｂを光軸周りに回転させてＩ₉₀のＩ₀に対す
る位相を90°にすることができ、その場合に調整用位相
板３Ｂの設定位置が仮に厳正位置から１°ずれたとして
も、そのずれによる位相角の90°からのずれは1/10°で
あるから、容易に正確に干渉光Ｉ₀に対して位相差90°,
270°の干渉光Ｉ₉₀,Ｉ₂₇₀を得ることができる。

【００１４】図１の例に関し、固定位相板３Ａは、複数
枚から成るものでも、また不用反射光の発生し易い空気
界面を減少させるために、ビームスプリッタ１や偏光ビ
ームスプリッタ４の面に接合したものでもよい。また、
固定位相板３Ａや調整用位相板３Ｂがそれぞれλ/4やλ
/20のリタデーションを与えるものに限られるものでな
いことは勿論である。

【００１５】図２の光学系は、図１あるいは図３の光学
系が光路情報光Ｉの参照光と測長光の偏光方向または一
方が円偏光の場合は他方の偏光方向が紙面に対して45°
の角度を成していることを必要としたものであるのに対
し、光路差情報光Ｉの入射側に例えば旋光角が45°の旋
光板５を設けて上述の偏光方向が紙面に水平または垂直
の光路差情報光Ｉを用いるようにした点、ビームスプリ
ッタ１,偏光ビームスプリッタ２を構成する光学部品に
全反射面６を有する共通部品を用いている点、空気界面
をできるだけ減少させるためと光学要素間の関係位置の
安定化のために調整用位相板３Ｂ以外は隣り合って設け
られる光学要素を互に接触またはさらに接合させている
点が図１の光学系と異なるだけである。この例でも旋光
板５は45°旋光板に限られるものでなく、光路情報光Ｉ
の偏光状態に応じて適当な旋光角のものが用いられる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の多相分割用光学系によれば、位
相差調整用位相板に微動回転機構を設けなくても正確か
つ容易に位相差が90°の干渉光を得ることができ、干渉
縞間の光路長変化まで正確に測定できるレーザ干渉測長
計を安価に構成できる。

【図面の簡単な説明】

図１,図２はそれぞれ本発明の多相分割用光学系の例を
示す構成図、図３は従来の多相分割用光学系の例を示す
構成図、図４乃至図６はそれぞれ多相分割用光学系によ
って得られる多相の干渉光の干渉縞信号が与えるリサー
ジュグラフである。

【符号の説明】

Ｉ…光路差情報光、 Ｉ₀,Ｉ₉₀,
Ｉ₁₈₀,Ｉ₂₇₀…干渉光、 １…ビームスプリッタ、 ２,４…偏光ビ
ームスプリッタ、 ３…λ/4位相板、 ３Ａ…固定位相
板、 ３Ｂ…調整用位相板、 ５…旋光板、 ６…全反射面。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光を２分割するビームスプリッタと、
   該ビームスプリッタの分割光の一方を偏光方向の異なる
   ２相の干渉光に分割する偏光ビームスプリッタと、前記
   ビームスプリッタの分割光の他方を透過してその位相を
   変える位相板と、該位相板の透過光を偏光方向の異なる
   ２相の干渉光に分割する偏光ビームスプリッタとを備え
   た光学系であって、前記位相板が複数枚の位相板から成
   り、そのうちの少なくとも１枚が光軸回りに調整回転可
   能に設けられていることを特徴とする多相分割用光学
   系。
2. 【請求項２】前記ビームスプリッタの前に前記入射光の
   透過する旋光板を配した請求項１に記載の多相分割用光
   学系。