JP3000518B2 - 偏光波面３分割光学装置 - Google Patents
偏光波面３分割光学装置Info
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- JP3000518B2 JP3000518B2 JP8120947A JP12094796A JP3000518B2 JP 3000518 B2 JP3000518 B2 JP 3000518B2 JP 8120947 A JP8120947 A JP 8120947A JP 12094796 A JP12094796 A JP 12094796A JP 3000518 B2 JP3000518 B2 JP 3000518B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏光干渉計を用い
て光の位相のずれを高精度かつ高速に検出・計算して、
超精密加工製品等の面形状、温度分布、屈折率分布、プ
ラズマ密度等を実時間で測定する２次元情報取得装置の
特に偏光波面分割光学系部分に関する。
て光の位相のずれを高精度かつ高速に検出・計算して、
超精密加工製品等の面形状、温度分布、屈折率分布、プ
ラズマ密度等を実時間で測定する２次元情報取得装置の
特に偏光波面分割光学系部分に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料面の凹凸を参照面と比較して測定す
るとか、試料の屈折率を精密に測定するのに干渉計が用
いられるが、干渉計で測定できるのは試料光と参照光の
位相差で半波長程度、試料面と参照面との高低差で１／
４波長程である。より高精度の測定には試料光と参照光
の位相差を位相差角で精密に測定する必要があり、偏光
干渉計が使用される。偏光干渉計は試料面の形状測定の
場合はマイケルソン型、試料の屈折率分布とか温度分布
の測定にはマッハツェンダー型が用いられる。偏光干渉
計では光源の光を２光束に分割する際、偏光方向が互に
直交する２光束に分割する。この２光束即ち試料光と参
照光を会合させると一般に楕円偏光になっているので、
その長軸の方位と楕円偏光の最大最小振幅の比を測定し
て試料光と参照光との位相差を算出する。このため干渉
計からの出射光を偏光子を通して測定系に導き、偏光子
を回転させながら偏光子の方位と測定出力との関係を測
定する必要があるので、試料について２次元的な測定を
行う場合は、テレビカメラを用い、その前面で偏光子を
回転させながら干渉パターンを撮像し、偏光子の方位の
一定角度飛びの位置の撮像データをメモリに格納し、後
で各画素毎に測光値の最大とそのときの偏光子の方位お
よび測光値の最小を索出して計算を行う必要があり、多
量のメモリスペースを要する上、機械的な回転部分があ
り、計算量も多いので、高速の測定ができず、変化する
試料の変化状態を経時的に追跡するような実時間測定は
できなかった。
るとか、試料の屈折率を精密に測定するのに干渉計が用
いられるが、干渉計で測定できるのは試料光と参照光の
位相差で半波長程度、試料面と参照面との高低差で１／
４波長程である。より高精度の測定には試料光と参照光
の位相差を位相差角で精密に測定する必要があり、偏光
干渉計が使用される。偏光干渉計は試料面の形状測定の
場合はマイケルソン型、試料の屈折率分布とか温度分布
の測定にはマッハツェンダー型が用いられる。偏光干渉
計では光源の光を２光束に分割する際、偏光方向が互に
直交する２光束に分割する。この２光束即ち試料光と参
照光を会合させると一般に楕円偏光になっているので、
その長軸の方位と楕円偏光の最大最小振幅の比を測定し
て試料光と参照光との位相差を算出する。このため干渉
計からの出射光を偏光子を通して測定系に導き、偏光子
を回転させながら偏光子の方位と測定出力との関係を測
定する必要があるので、試料について２次元的な測定を
行う場合は、テレビカメラを用い、その前面で偏光子を
回転させながら干渉パターンを撮像し、偏光子の方位の
一定角度飛びの位置の撮像データをメモリに格納し、後
で各画素毎に測光値の最大とそのときの偏光子の方位お
よび測光値の最小を索出して計算を行う必要があり、多
量のメモリスペースを要する上、機械的な回転部分があ
り、計算量も多いので、高速の測定ができず、変化する
試料の変化状態を経時的に追跡するような実時間測定は
できなかった。
【０００３】そこで特開平２−２８７１０７号のような
提案がなされている。この提案は干渉計の出射光を回転
偏光にした後、３方向の直線偏光成分を取出し、夫々の
干渉パターンを３台のテレビカメラで撮像し、３つの映
像信号に順次演算処理を行って、その結果をリアルタイ
ムでテレビ画面に２次元的に表示するものである。図３
にこの提案の一実施例を示す。これは干渉計としてマイ
ケルソン型を用いている。光源のレーザ１１から出た光
を偏光ビームスプリッターＰＢＳで偏光方向が互いに直
交する２つの直線偏光に分け、一方は参照光として参照
面１５に入射させ、もう一方は試料光として被測定面１
４に照射し、再び偏光ビームスプリッターＰＢＳで１本
の光束にする。しかしこのままでは参照光と試料光は互
いに直交しているため、干渉は起こさない。そこでｘ
軸、ｙ軸から４５度の方向に設定された１／４波長板Ｑ
ＷＰ3 を透過させて２つの直線偏光をそれぞれ左右の円
偏光に変換し、偏光波面分割光学系１６で３光束に分け
さらに偏光子Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 を通すことによって干渉
縞を作る。偏光ビームスプリッターＰＢＳのＰ偏光方向
およびＳ偏光方向をそれぞれｘ軸、ｙ軸にとり、被測定
波面のｘおよびｙ方向の振幅と位相成分をそれぞれａ、
ｂとφｘ、φｙとすると、透過軸方向をθに設定した偏
光子を透過した光の透過光強度は Ｉ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ＋２θ） となる。偏光子の方向θを０度、４５度、９０度に設定
すると、透過光強度はそれぞれ Ｉ1 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ） Ｉ2 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｃｏｓ（φｘ−φｙ） Ｉ3 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２−ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ） となるので、参照光と試料光の間の位相差は φｘ−φｙ＝ｔａｎ-1｛（Ｉ1 −Ｉ2 ）／（Ｉ2 −Ｉ3 ）｝＋π／４ で与えられる。すなわち位相が９０度ずつ異なる３つの
干渉縞Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3を周波数同期したテレビカメラ
Ｔｖ1 〜Ｔｖ3 で同時に撮影し、信号処理装置１７でそ
れらのビデオ信号の差信号を求めた後に逆正接を求める
ことによって、屈折率分布、温度分布やプラズマ密度な
どの被測定物の２次元的な位相分布を実時間で測定し、
表示装置１８に画像化して表示することができる。以上
のような測定を行なう光学系のうち１／４波長板ＱＷＰ
３より後の偏光波面分割光学系１６は第１と第２の２個
のビームスプリッターＢＳ１、ＢＳ２と反射鏡Ｍ１個と
それぞれの光学素子に付随する３つの偏光子Ｐ1 〜Ｐ3
からなり、干渉計、１／４波長板を透過した光は、まず
第１のビームスプリッターＢＳ１で透過光と反射光の２
光束に分けられ、透過光はさらに第２のビームスプリッ
ターＢＳ２で２光束に分けられ、さらに第２のビームス
プリッターＢＳ２の透過光は最後の反射鏡Ｍで反射され
る。３つの反射光はそれぞれ適当な方位に設定された偏
光子Ｐ1 〜Ｐ3 を経てＩ1 、Ｉ2 、Ｉ3 として、３台の
テレビカメラＴｖ1 〜Ｔｖ3 で撮影される。位相差φｘ
−φｙを正確に求めるには、偏光子に入射する前の３つ
の反射光がそれぞれ等しい強度でなければならないが、
そのためには第１のビームスプリッターＢＳ１の透過光
強度対反射光強度の比が２：１で、第２のビームスプリ
ッターＢＳ２の透過光強度対反射光強度の比が１：１
で、反射鏡の反射率が１００％でなければならない。
提案がなされている。この提案は干渉計の出射光を回転
偏光にした後、３方向の直線偏光成分を取出し、夫々の
干渉パターンを３台のテレビカメラで撮像し、３つの映
像信号に順次演算処理を行って、その結果をリアルタイ
ムでテレビ画面に２次元的に表示するものである。図３
にこの提案の一実施例を示す。これは干渉計としてマイ
ケルソン型を用いている。光源のレーザ１１から出た光
を偏光ビームスプリッターＰＢＳで偏光方向が互いに直
交する２つの直線偏光に分け、一方は参照光として参照
面１５に入射させ、もう一方は試料光として被測定面１
４に照射し、再び偏光ビームスプリッターＰＢＳで１本
の光束にする。しかしこのままでは参照光と試料光は互
いに直交しているため、干渉は起こさない。そこでｘ
軸、ｙ軸から４５度の方向に設定された１／４波長板Ｑ
ＷＰ3 を透過させて２つの直線偏光をそれぞれ左右の円
偏光に変換し、偏光波面分割光学系１６で３光束に分け
さらに偏光子Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 を通すことによって干渉
縞を作る。偏光ビームスプリッターＰＢＳのＰ偏光方向
およびＳ偏光方向をそれぞれｘ軸、ｙ軸にとり、被測定
波面のｘおよびｙ方向の振幅と位相成分をそれぞれａ、
ｂとφｘ、φｙとすると、透過軸方向をθに設定した偏
光子を透過した光の透過光強度は Ｉ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ＋２θ） となる。偏光子の方向θを０度、４５度、９０度に設定
すると、透過光強度はそれぞれ Ｉ1 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ） Ｉ2 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２＋ａｂｃｏｓ（φｘ−φｙ） Ｉ3 ＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／２−ａｂｓｉｎ（φｘ−φｙ） となるので、参照光と試料光の間の位相差は φｘ−φｙ＝ｔａｎ-1｛（Ｉ1 −Ｉ2 ）／（Ｉ2 −Ｉ3 ）｝＋π／４ で与えられる。すなわち位相が９０度ずつ異なる３つの
干渉縞Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3を周波数同期したテレビカメラ
Ｔｖ1 〜Ｔｖ3 で同時に撮影し、信号処理装置１７でそ
れらのビデオ信号の差信号を求めた後に逆正接を求める
ことによって、屈折率分布、温度分布やプラズマ密度な
どの被測定物の２次元的な位相分布を実時間で測定し、
表示装置１８に画像化して表示することができる。以上
のような測定を行なう光学系のうち１／４波長板ＱＷＰ
３より後の偏光波面分割光学系１６は第１と第２の２個
のビームスプリッターＢＳ１、ＢＳ２と反射鏡Ｍ１個と
それぞれの光学素子に付随する３つの偏光子Ｐ1 〜Ｐ3
からなり、干渉計、１／４波長板を透過した光は、まず
第１のビームスプリッターＢＳ１で透過光と反射光の２
光束に分けられ、透過光はさらに第２のビームスプリッ
ターＢＳ２で２光束に分けられ、さらに第２のビームス
プリッターＢＳ２の透過光は最後の反射鏡Ｍで反射され
る。３つの反射光はそれぞれ適当な方位に設定された偏
光子Ｐ1 〜Ｐ3 を経てＩ1 、Ｉ2 、Ｉ3 として、３台の
テレビカメラＴｖ1 〜Ｔｖ3 で撮影される。位相差φｘ
−φｙを正確に求めるには、偏光子に入射する前の３つ
の反射光がそれぞれ等しい強度でなければならないが、
そのためには第１のビームスプリッターＢＳ１の透過光
強度対反射光強度の比が２：１で、第２のビームスプリ
ッターＢＳ２の透過光強度対反射光強度の比が１：１
で、反射鏡の反射率が１００％でなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ビームスプ
リッターＢＳ１、ＢＳ２の反射前後や透過前後あるいは
反射鏡Ｍの反射前後においてＰ偏光とＳ偏光の間に位相
のとびが生じるので偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 の調整が非常にや
っかいになる。すなわち式において位相差φｘ−φｙ
のほかに位相のとびがよけいに加わってくるので、偏光
子透過後の光の強度を〜のような形にするには偏光
子の透過軸方向θと位相のとびがお互いにキャンセルす
るように偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 を調整しなければならない。
位相のとびがあらかじめわかっていれば偏光子Ｐ1 〜Ｐ
3 の設定方位はおおまかに見当がつくが、位相のとびが
わかっていないときには全くの手さぐりになって調整は
非常に困難になる。仮にビームスプリッターＢＳ１、Ｂ
Ｓ２や反射鏡Ｍは反射や透過の前後で位相のとびが起こ
らない、いわゆる無位相無偏光ビームスプリッターや無
位相無偏光反射鏡とするにしても、ＢＳ2 の反射光から
４５゜の方位の偏光を取出すので透過光対反射光の強度
比の制約条件のほかに透過光と反射光の両方に無位相無
偏光の条件が加わってくるので、従来の偏光波面分割光
学系に用いられるビームスプリッター膜や反射膜は設計
の段階からむつかしいものであり、製作してみても必ず
しも十分な光学特性が得られるとは限らないのである。
リッターＢＳ１、ＢＳ２の反射前後や透過前後あるいは
反射鏡Ｍの反射前後においてＰ偏光とＳ偏光の間に位相
のとびが生じるので偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 の調整が非常にや
っかいになる。すなわち式において位相差φｘ−φｙ
のほかに位相のとびがよけいに加わってくるので、偏光
子透過後の光の強度を〜のような形にするには偏光
子の透過軸方向θと位相のとびがお互いにキャンセルす
るように偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 を調整しなければならない。
位相のとびがあらかじめわかっていれば偏光子Ｐ1 〜Ｐ
3 の設定方位はおおまかに見当がつくが、位相のとびが
わかっていないときには全くの手さぐりになって調整は
非常に困難になる。仮にビームスプリッターＢＳ１、Ｂ
Ｓ２や反射鏡Ｍは反射や透過の前後で位相のとびが起こ
らない、いわゆる無位相無偏光ビームスプリッターや無
位相無偏光反射鏡とするにしても、ＢＳ2 の反射光から
４５゜の方位の偏光を取出すので透過光対反射光の強度
比の制約条件のほかに透過光と反射光の両方に無位相無
偏光の条件が加わってくるので、従来の偏光波面分割光
学系に用いられるビームスプリッター膜や反射膜は設計
の段階からむつかしいものであり、製作してみても必ず
しも十分な光学特性が得られるとは限らないのである。
【０００５】また第１のビームスプリッターBS1 の反射
面から第１のカメラＴｖ1 へ至る光学的距離と第２のカ
メラＴｖ2 へ至る光学的距離と第３のカメラＴｖ3 へ至
る光学的距離とを全て等しくとらなければ十分なコント
ラストが得られず、特にコヒーレンシーの悪い光源を使
うときには得られる位相分布が全くでたらめになってし
まう。したがって偏光波面分割光学系の光学調整を各光
学素子ごとばらばらに行なったのでは調整は困難をきわ
める。偏光波面分割光学系は本来それ自身で１つの独立
したシステムであり、異なる干渉計にもつけかえて使用
することができる。ところが従来のような偏光波面分割
光学系では３台のテレビカメラＴｖ1 〜Ｔｖ3 は構成上
どうしても必要であり、ビームスプリッターや反射鏡等
の光学素子をいくら小さくしても装置がおおがかりにな
ることは避けられず、実際には異なる干渉計でつけかえ
て使用したりすることは困難である。あるいはまたスペ
ースが限られている場所や装置内で手軽に使うこともで
きなかった。
面から第１のカメラＴｖ1 へ至る光学的距離と第２のカ
メラＴｖ2 へ至る光学的距離と第３のカメラＴｖ3 へ至
る光学的距離とを全て等しくとらなければ十分なコント
ラストが得られず、特にコヒーレンシーの悪い光源を使
うときには得られる位相分布が全くでたらめになってし
まう。したがって偏光波面分割光学系の光学調整を各光
学素子ごとばらばらに行なったのでは調整は困難をきわ
める。偏光波面分割光学系は本来それ自身で１つの独立
したシステムであり、異なる干渉計にもつけかえて使用
することができる。ところが従来のような偏光波面分割
光学系では３台のテレビカメラＴｖ1 〜Ｔｖ3 は構成上
どうしても必要であり、ビームスプリッターや反射鏡等
の光学素子をいくら小さくしても装置がおおがかりにな
ることは避けられず、実際には異なる干渉計でつけかえ
て使用したりすることは困難である。あるいはまたスペ
ースが限られている場所や装置内で手軽に使うこともで
きなかった。
【０００６】本発明は上記従来の偏光波面分割光学系の
欠点にかんがみ、まずビームスプリッター膜等の光学薄
膜に対する制約条件を少なくして偏光波面分割の光学特
性の向上をはかり、次にやっかいな光学調整の部分を極
力減らし、さらに１台のテレビカメラで３台分の性能を
発揮できるようなテレビカメラとの結合構成を含めた小
型化を提案し、それによって干渉計のつけかえが手軽に
でき、限られたスペースにおいても従来品と同等以上の
性能を発揮するような複合プリズムおよび偏光波面分割
光学装置を実現することを目的とする。
欠点にかんがみ、まずビームスプリッター膜等の光学薄
膜に対する制約条件を少なくして偏光波面分割の光学特
性の向上をはかり、次にやっかいな光学調整の部分を極
力減らし、さらに１台のテレビカメラで３台分の性能を
発揮できるようなテレビカメラとの結合構成を含めた小
型化を提案し、それによって干渉計のつけかえが手軽に
でき、限られたスペースにおいても従来品と同等以上の
性能を発揮するような複合プリズムおよび偏光波面分割
光学装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では以下のようにする。まず複合プリズム本
体は通常使われている３ＣＣＤカメラの内部に組み込ま
れているＲＧＢ色分割プリズムと同様の形状とする。複
合プリズムは３つのプリズムから構成されるが、第１プ
リズムと第２プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が２：１で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作し、第２プ
リズムと第３プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が１：１で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作する。そし
て第１プリズムの反射側の出射面にはＰ偏光（またはＳ
偏光）を透過させるように偏光子を配置し、第２プリズ
ムの反射側の出射面にはＳ偏光（またはＰ偏光）を透過
させるように偏光子を配置し、第３プリズムの出射面に
はＳ偏光やＰ偏光から４５度回転した方位の偏光成分を
透過させるように偏光子を配置する。３つの偏光子から
の出力はそれぞれ３つのＣＣＤカメラで検出されるが、
第１プリズムのビームスプリッター面から第１のＣＣＤ
カメラへ至る光学的距離と第２のＣＣＤカメラへ至る光
学的距離と第３のＣＣＤカメラへ至る光学的距離とが全
て等しくなるようにプリズムの形状は設計され、各素子
の面間距離は調整される。但し上の記述は３ＣＣＤカメ
ラを用いたものとなっているが、３ＣＣＤカメラのプリ
ズムをそのまま使うと言うことではなく、上の条件を満
たすように構成され３ＣＣＤカメラに組み込めればよい
のである。
めに本発明では以下のようにする。まず複合プリズム本
体は通常使われている３ＣＣＤカメラの内部に組み込ま
れているＲＧＢ色分割プリズムと同様の形状とする。複
合プリズムは３つのプリズムから構成されるが、第１プ
リズムと第２プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が２：１で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作し、第２プ
リズムと第３プリズムの境界には透過光強度対反射光強
度の比が１：１で透過光の位相差のみが保存されるよう
な無位相無偏光ビームスプリッター膜を製作する。そし
て第１プリズムの反射側の出射面にはＰ偏光（またはＳ
偏光）を透過させるように偏光子を配置し、第２プリズ
ムの反射側の出射面にはＳ偏光（またはＰ偏光）を透過
させるように偏光子を配置し、第３プリズムの出射面に
はＳ偏光やＰ偏光から４５度回転した方位の偏光成分を
透過させるように偏光子を配置する。３つの偏光子から
の出力はそれぞれ３つのＣＣＤカメラで検出されるが、
第１プリズムのビームスプリッター面から第１のＣＣＤ
カメラへ至る光学的距離と第２のＣＣＤカメラへ至る光
学的距離と第３のＣＣＤカメラへ至る光学的距離とが全
て等しくなるようにプリズムの形状は設計され、各素子
の面間距離は調整される。但し上の記述は３ＣＣＤカメ
ラを用いたものとなっているが、３ＣＣＤカメラのプリ
ズムをそのまま使うと言うことではなく、上の条件を満
たすように構成され３ＣＣＤカメラに組み込めればよい
のである。
【０００８】複合プリズムに入射した光は第１プリズム
の反射光、第２プリズムの反射光、第３プリズムの透過
光の３光束に分けられる。こゝで特許請求の範囲と以後
の記載で用いられているＰ偏光，Ｓ偏光についての規定
を述べる。偏光干渉計の２光束が展開されている面を規
準面とし、この面と平行な面内で振動する偏光をＰ偏
光、規準面と垂直な面内で振動する偏光をＳ偏光とす
る。図１，図２，図３の各図の紙面はこの規準面と平行
な面である。第１プリズムを反射した光はＰ偏光とＳ偏
光の間の位相差は保存されていないが、偏光子で取り出
すのはそのうちの一方のＰ偏光成分だけなので反射時に
おける位相のとびは全く問題にならない。反射光の強度
は最初の入射光の１／３であるが、そのうちＰ偏光のみ
を取り出すように偏光子が設定されているとすると出力
光強度Ｉ1 ′は Ｉ1 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６＋（ａｂ／３）ｓｉｎ（φｘ−φｙ） の形になる。一方第１プリズムを透過した光は位相差は
保存されており、強度は最初の入射光の２／３である。
第２プリズムはそのうち１／２を反射し１／２を透過す
るので、最初の入射光の１／３ずつをわりふることにな
る。第２プリズムの反射前後の位相差は保存されていな
いが偏光子で取り出すのはＳ偏光だけなので、位相のと
びは全く問題にならない。第２プリズムに付随する偏光
子からの出力光強度Ｉ3 ′は Ｉ3 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６−（ａｂ／３）ｓｉｎ（φｘ−φｙ） の形になる。第２プリズムを透過した光は第３プリズム
を経て出射するが、最初の入射光に対して強度は１／３
で位相差は保存されている。第３プリズムに付随する偏
光子はＰ偏光やＳ偏光から４５度回転した偏光成分を取
り出すので、出力光強度Ｉ2 ′は Ｉ2 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６＋（ａｂ／３）ｃｏｓ（φｘ−φｙ） の形になる。３つの出力Ｉ1 ′、Ｉ2 ′、Ｉ3 ′はそれ
ぞれ３つのＣＣＤカメラで検出されるが、これらの差信
号の逆正接より最初の入射光の位相差は φｘ−φｙ＝ｔａｎ-1｛（Ｉ1 ′−Ｉ2 ′）／（Ｉ2 ′−Ｉ3 ′）｝＋π／４ で与えられる。このようにして屈折率分布や温度分布等
の被測定物の２次元的な位相情報を実時間で得ることが
できる。
の反射光、第２プリズムの反射光、第３プリズムの透過
光の３光束に分けられる。こゝで特許請求の範囲と以後
の記載で用いられているＰ偏光，Ｓ偏光についての規定
を述べる。偏光干渉計の２光束が展開されている面を規
準面とし、この面と平行な面内で振動する偏光をＰ偏
光、規準面と垂直な面内で振動する偏光をＳ偏光とす
る。図１，図２，図３の各図の紙面はこの規準面と平行
な面である。第１プリズムを反射した光はＰ偏光とＳ偏
光の間の位相差は保存されていないが、偏光子で取り出
すのはそのうちの一方のＰ偏光成分だけなので反射時に
おける位相のとびは全く問題にならない。反射光の強度
は最初の入射光の１／３であるが、そのうちＰ偏光のみ
を取り出すように偏光子が設定されているとすると出力
光強度Ｉ1 ′は Ｉ1 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６＋（ａｂ／３）ｓｉｎ（φｘ−φｙ） の形になる。一方第１プリズムを透過した光は位相差は
保存されており、強度は最初の入射光の２／３である。
第２プリズムはそのうち１／２を反射し１／２を透過す
るので、最初の入射光の１／３ずつをわりふることにな
る。第２プリズムの反射前後の位相差は保存されていな
いが偏光子で取り出すのはＳ偏光だけなので、位相のと
びは全く問題にならない。第２プリズムに付随する偏光
子からの出力光強度Ｉ3 ′は Ｉ3 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６−（ａｂ／３）ｓｉｎ（φｘ−φｙ） の形になる。第２プリズムを透過した光は第３プリズム
を経て出射するが、最初の入射光に対して強度は１／３
で位相差は保存されている。第３プリズムに付随する偏
光子はＰ偏光やＳ偏光から４５度回転した偏光成分を取
り出すので、出力光強度Ｉ2 ′は Ｉ2 ′＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６＋（ａｂ／３）ｃｏｓ（φｘ−φｙ） の形になる。３つの出力Ｉ1 ′、Ｉ2 ′、Ｉ3 ′はそれ
ぞれ３つのＣＣＤカメラで検出されるが、これらの差信
号の逆正接より最初の入射光の位相差は φｘ−φｙ＝ｔａｎ-1｛（Ｉ1 ′−Ｉ2 ′）／（Ｉ2 ′−Ｉ3 ′）｝＋π／４ で与えられる。このようにして屈折率分布や温度分布等
の被測定物の２次元的な位相情報を実時間で得ることが
できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を実施例１、実施
例２によって詳細に説明する。 実施形態１ 実施例１は１図に示したように、第１プリズムＰＺＭ
１、第２プリズムＰＺＭ２、第３プリズムＰＺＭ３の３
つの３角プリズムとプリズムに付随する３つの偏光子Ｐ
1 、Ｐ2 、Ｐ3 から構成される。この複合プリズムは通
常よく使われる３ＣＣＤカメラに内蔵されているＲＧＢ
色分解プリズムと同じ形状に設計される。入射光は右円
偏光と左円偏光の合成された光であるが、これはＰ偏光
とＳ偏光の直交した２つの偏光成分に分解できる。偏光
干渉計からの光は第１プリズムＰＺＭ１の面１に垂直に
入射し面２へ至る。面２には面３と合わせた透過光のＰ
偏光、Ｓ偏光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対
反射光強度の比が２：１となるような無位相無偏光ビー
ムスプリッター膜が誘電体の多層膜により形成されてい
るが、面２の反射光の位相差は保存される必要はない。
面２の反射光は面１で全反射され偏光子Ｐ1 へ向かう。
面２と面１で反射される際に位相はとぶが、偏光子Ｐ1
はＰ偏光成分のみを透過させる方向に設定されているの
で位相のとびは全く問題にならない。偏光子Ｐ1 を通っ
た光は強度が式で表わされるような干渉縞Ｉ1 ′とな
り、ＣＣＤ１（図外）で検出されＲＧＢ信号のうち例え
ばＲ信号として出力される。一方、面２と面３を透過し
た光は第２プリズムＰＺＭ２と第３プリズムＰＺＭ３の
境界である面４へ至る。面４では透過光のＰ偏光、Ｓ偏
光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対反射光強度
の比が１：１となるような無位相無偏光ビームスプリッ
ター膜が形成されているが、ここでも面２と同様に反射
光の位相差は保存される必要はない。面４の反射光は面
３で全反射され偏光子Ｐ2 へ向かう。面４と面３で反射
される際に位相はとぶが、偏光子Ｐ2 はＳ偏光成分のみ
を透過させる方向に設定されているので位相のとびは全
く問題にならない。偏光子Ｐ2 を通った光は強度が式
で表わされるような干渉縞Ｉ3 ′となり、ＣＣＤ２（図
外）で検出されＲＧＢ信号のうち例えばＧ信号として出
力される。一方、面４を透過した光は複合プリズムに入
射する前の位相を保存したまま偏光子Ｐ3 へ向かう。偏
光子Ｐ3 の透過軸方向はｘ軸から４５度回転した偏光成
分を透過させる方向に設定されている。偏光子Ｐ3 を通
った光は強度が式で表わされるような干渉縞Ｉ2 ′と
なり、ＣＣＤ３（図外）で検出されＲＧＢ信号のうち例
えばＢ信号として出力される。複合プリズムの入射端面
位置からＣＣＤ１へ至る光学的距離とＣＣＤ２へ至る光
学的距離とＣＣＤ３へ至る光学的距離とは全て等しくな
るようにプリズムの形状は設計され、各素子間の距離は
調整される。面２と面３は多重反射した光がノイズとな
って測定に悪影響を及ぼすことがないように傾けて設置
し、面３の反射光を別の方向へ逃がす。
例２によって詳細に説明する。 実施形態１ 実施例１は１図に示したように、第１プリズムＰＺＭ
１、第２プリズムＰＺＭ２、第３プリズムＰＺＭ３の３
つの３角プリズムとプリズムに付随する３つの偏光子Ｐ
1 、Ｐ2 、Ｐ3 から構成される。この複合プリズムは通
常よく使われる３ＣＣＤカメラに内蔵されているＲＧＢ
色分解プリズムと同じ形状に設計される。入射光は右円
偏光と左円偏光の合成された光であるが、これはＰ偏光
とＳ偏光の直交した２つの偏光成分に分解できる。偏光
干渉計からの光は第１プリズムＰＺＭ１の面１に垂直に
入射し面２へ至る。面２には面３と合わせた透過光のＰ
偏光、Ｓ偏光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対
反射光強度の比が２：１となるような無位相無偏光ビー
ムスプリッター膜が誘電体の多層膜により形成されてい
るが、面２の反射光の位相差は保存される必要はない。
面２の反射光は面１で全反射され偏光子Ｐ1 へ向かう。
面２と面１で反射される際に位相はとぶが、偏光子Ｐ1
はＰ偏光成分のみを透過させる方向に設定されているの
で位相のとびは全く問題にならない。偏光子Ｐ1 を通っ
た光は強度が式で表わされるような干渉縞Ｉ1 ′とな
り、ＣＣＤ１（図外）で検出されＲＧＢ信号のうち例え
ばＲ信号として出力される。一方、面２と面３を透過し
た光は第２プリズムＰＺＭ２と第３プリズムＰＺＭ３の
境界である面４へ至る。面４では透過光のＰ偏光、Ｓ偏
光間の位相差が保存され、かつ透過光強度対反射光強度
の比が１：１となるような無位相無偏光ビームスプリッ
ター膜が形成されているが、ここでも面２と同様に反射
光の位相差は保存される必要はない。面４の反射光は面
３で全反射され偏光子Ｐ2 へ向かう。面４と面３で反射
される際に位相はとぶが、偏光子Ｐ2 はＳ偏光成分のみ
を透過させる方向に設定されているので位相のとびは全
く問題にならない。偏光子Ｐ2 を通った光は強度が式
で表わされるような干渉縞Ｉ3 ′となり、ＣＣＤ２（図
外）で検出されＲＧＢ信号のうち例えばＧ信号として出
力される。一方、面４を透過した光は複合プリズムに入
射する前の位相を保存したまま偏光子Ｐ3 へ向かう。偏
光子Ｐ3 の透過軸方向はｘ軸から４５度回転した偏光成
分を透過させる方向に設定されている。偏光子Ｐ3 を通
った光は強度が式で表わされるような干渉縞Ｉ2 ′と
なり、ＣＣＤ３（図外）で検出されＲＧＢ信号のうち例
えばＢ信号として出力される。複合プリズムの入射端面
位置からＣＣＤ１へ至る光学的距離とＣＣＤ２へ至る光
学的距離とＣＣＤ３へ至る光学的距離とは全て等しくな
るようにプリズムの形状は設計され、各素子間の距離は
調整される。面２と面３は多重反射した光がノイズとな
って測定に悪影響を及ぼすことがないように傾けて設置
し、面３の反射光を別の方向へ逃がす。
【００１０】
【実施形態２】実施例２では第５図に示したように、三
角プリズムの形および面２、面４に形成される無位相無
偏光ビームスプリッター膜は実施例１と変わらないが、
偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 の設定方向が実施例１と異なる。すな
わち偏光子Ｐ1 はＳ偏光成分のみを透過させる方向に設
定され、偏光子Ｐ2 はＰ偏光成分のみを透過させる方向
に設定され、偏光子Ｐ3 の透過軸方向はｘ軸から１３５
度回転した偏光成分を透過させる方向に設定されてい
る。このようにＰ偏光とＳ偏光は偏光子Ｐ1 とＰ2 によ
って検出されるが、２つの偏光成分はＰ1 、Ｐ2 いずれ
の偏光子で検出しても構わない。いずれの偏光子で検出
しても、Ｐ偏光の透過光強度がＩ1 ′でありＳ偏光の透
過光強度がＩ3 ′である。一方偏光子Ｐ3 はｘ軸から４
５度回転した偏光成分を透過させるが、１３５度回転し
た偏光成分を透過させても構わない。ただしこのとき、
透過光強度Ｉ2 ″は Ｉ2 ″＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６−（ａｂ／３）ｃｏｓ（φｘ−φｙ） ’ となるので、参照光と試料光の間の位相差は φｘ−φｙ＝−ｔａｎ-1｛（Ｉ1 ′−Ｉ2 ″）／（Ｉ2 ″−Ｉ3 ′）｝＋３π／ ４ ’ で与えられることに注意しなければならない。
角プリズムの形および面２、面４に形成される無位相無
偏光ビームスプリッター膜は実施例１と変わらないが、
偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 の設定方向が実施例１と異なる。すな
わち偏光子Ｐ1 はＳ偏光成分のみを透過させる方向に設
定され、偏光子Ｐ2 はＰ偏光成分のみを透過させる方向
に設定され、偏光子Ｐ3 の透過軸方向はｘ軸から１３５
度回転した偏光成分を透過させる方向に設定されてい
る。このようにＰ偏光とＳ偏光は偏光子Ｐ1 とＰ2 によ
って検出されるが、２つの偏光成分はＰ1 、Ｐ2 いずれ
の偏光子で検出しても構わない。いずれの偏光子で検出
しても、Ｐ偏光の透過光強度がＩ1 ′でありＳ偏光の透
過光強度がＩ3 ′である。一方偏光子Ｐ3 はｘ軸から４
５度回転した偏光成分を透過させるが、１３５度回転し
た偏光成分を透過させても構わない。ただしこのとき、
透過光強度Ｉ2 ″は Ｉ2 ″＝（ａ2 ＋ｂ2 ）／６−（ａｂ／３）ｃｏｓ（φｘ−φｙ） ’ となるので、参照光と試料光の間の位相差は φｘ−φｙ＝−ｔａｎ-1｛（Ｉ1 ′−Ｉ2 ″）／（Ｉ2 ″−Ｉ3 ′）｝＋３π／ ４ ’ で与えられることに注意しなければならない。
【００１１】このように偏光子Ｐ1 〜Ｐ3 の設定方位だ
けで４通りの組み合わせが考えられる。 またＰＺＭ
１、ＰＺＭ２、ＰＺＭ３の３つのプリズムは必ずしも三
角プリズムに限るものではなく、とにかく入射光を３つ
の波面に分割して３ＣＣＤカメラに組み込み、ＲＧＢ信
号と同様な方式で検出できるもので、入射面から各出射
光の出射面までの光路長が互いに等しくできておれば正
方形、長方形、台形、平行四辺形等、どんな形であって
も構わない。またＣＣＤカメラはカラー用であるから、
これらのプリズムにより色収差が生じないように入射面
と各光の出射面とは光学的に平行になるようにしてある
が、本発明の場合、単色光を用いるので、このような制
約はないのである。
けで４通りの組み合わせが考えられる。 またＰＺＭ
１、ＰＺＭ２、ＰＺＭ３の３つのプリズムは必ずしも三
角プリズムに限るものではなく、とにかく入射光を３つ
の波面に分割して３ＣＣＤカメラに組み込み、ＲＧＢ信
号と同様な方式で検出できるもので、入射面から各出射
光の出射面までの光路長が互いに等しくできておれば正
方形、長方形、台形、平行四辺形等、どんな形であって
も構わない。またＣＣＤカメラはカラー用であるから、
これらのプリズムにより色収差が生じないように入射面
と各光の出射面とは光学的に平行になるようにしてある
が、本発明の場合、単色光を用いるので、このような制
約はないのである。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば波面分割光学系の第１，
第２の波面分割面での反射光からＰ偏光とＳ偏光を取出
し、第２波面分割面を透過した光からＰ偏光Ｓ偏光と４
５°の方位の偏光を取出すようにしたから、第１，第２
の波面分割面は反射透過の強度比が１対２および１対１
となるようにすると共に透過光に対してのみ透過の前後
でＳ偏光とＰ偏光の位相差が保持されればよいので、反
射光に対しても位相差保持性を与えるのに比しビームス
プリッター膜の制作が容易であり、偏光波面分割プリズ
ムはそれ自体で１つの独立したシステムとして３ＣＣＤ
カメラに組み込めるようになったので、これまでのよう
なプリズムの位置調整、偏光子の軸方位の調整、光学距
離の位置設定、といった光学調整を位相差分布測定の現
場で行なう必要がなくなった。従来の波面分割光学系は
おおがかりであったので本来独立したシステムであるは
ずなのに、事実上１つの偏光干渉計に１つの波面分割光
学系を固定させて使用するしかなかったが、本発明の波
面分割光学系は独立していろいろな干渉計につけかえて
使用することができる。手軽に持ち運びができるほどの
大幅な小型化が実現され限られたスペースでも使用でき
るため、今まで実験室レベルでしかできなっかた屈折率
分布、温度分布、プラズマ密度等の物理量の実時間定量
測定も実用レベルで可能となる。位相差分布測定は最も
基本的な物理量測定の１つであるので、偏光顕微鏡、微
分干渉法等、偏光を用いるあらゆる応用分野で有効であ
り、熱分布の計測、結晶成長の観察、相転位の測定、表
面構造の観察、プラズマ診断、プラズマ計測、流体の観
測等、物理、化学、生物、地学、といった基礎的分野か
ら鉄鋼金属、機械産業、誘電体材料、半導体材料、医薬
品、食品、環境計測、分析機器、成膜技術等、にいたる
幅広い産業分野であらゆる応用が可能となる。
第２の波面分割面での反射光からＰ偏光とＳ偏光を取出
し、第２波面分割面を透過した光からＰ偏光Ｓ偏光と４
５°の方位の偏光を取出すようにしたから、第１，第２
の波面分割面は反射透過の強度比が１対２および１対１
となるようにすると共に透過光に対してのみ透過の前後
でＳ偏光とＰ偏光の位相差が保持されればよいので、反
射光に対しても位相差保持性を与えるのに比しビームス
プリッター膜の制作が容易であり、偏光波面分割プリズ
ムはそれ自体で１つの独立したシステムとして３ＣＣＤ
カメラに組み込めるようになったので、これまでのよう
なプリズムの位置調整、偏光子の軸方位の調整、光学距
離の位置設定、といった光学調整を位相差分布測定の現
場で行なう必要がなくなった。従来の波面分割光学系は
おおがかりであったので本来独立したシステムであるは
ずなのに、事実上１つの偏光干渉計に１つの波面分割光
学系を固定させて使用するしかなかったが、本発明の波
面分割光学系は独立していろいろな干渉計につけかえて
使用することができる。手軽に持ち運びができるほどの
大幅な小型化が実現され限られたスペースでも使用でき
るため、今まで実験室レベルでしかできなっかた屈折率
分布、温度分布、プラズマ密度等の物理量の実時間定量
測定も実用レベルで可能となる。位相差分布測定は最も
基本的な物理量測定の１つであるので、偏光顕微鏡、微
分干渉法等、偏光を用いるあらゆる応用分野で有効であ
り、熱分布の計測、結晶成長の観察、相転位の測定、表
面構造の観察、プラズマ診断、プラズマ計測、流体の観
測等、物理、化学、生物、地学、といった基礎的分野か
ら鉄鋼金属、機械産業、誘電体材料、半導体材料、医薬
品、食品、環境計測、分析機器、成膜技術等、にいたる
幅広い産業分野であらゆる応用が可能となる。
【図１】本発明の一実施例の平面図
【図２】本発明の他の実施例の平面図
【図３】従来例の平面図
ＰＺＭ１ 第１プリズム ＰＺＭ２ 第２プリズム ＰＺＭ３ 第３プリズム １ 第１プリズムの入射端面 ２ 第１プリズムの出射界面 ３ 第２プリズムの入射界面 ４ 第２プリズムと第３プリズムとの境界面 Ｐ１ 偏光子 Ｐ２ 偏光子 Ｐ３ 偏光子
フロントページの続き (72)発明者 柳川 孝二 東京都新宿区西早稲田３丁目30番16号 財団法人 宇宙環境利用推進センター内 (72)発明者 塚本 勝男 仙台市青葉区南吉成２丁目11番10号 (72)発明者 川田 勝 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式 会社 島津製作所三条工場内 (72)発明者 岡田 繁信 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式 会社 島津製作所三条工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 11/24 G01N 21/45 G02B 27/28
Claims (1)
- 【請求項１】複数のプリズムよりなり、プリズムの境界
面によって光入射側からみて第１の波面分割面と第２の
波面分割面が形成されて、入射光を第１の波面分割面で
反射光と透過光に分割し、この透過光を第２の波面分割
面で反射光と透過光に分割して全体で３光束に分割する
ようにしたプリズムの集合で、入射端面から各光束の出
射端面までの光路長が互に等しく、上記第１の波面分割
面がプリズムの境界面に形成された誘電体多層膜により
形成されて反射光強度１に対して透過光強度２の比率で
波面分割すると共に、透過光に対してＳ偏光とＰ偏光の
位相差が透過前と不変に保たれる面であり、上記第２の
波面分割面がプリズムの境界面に形成された誘電体多層
膜で形成されて、反射光強度と透過光強度の比を１対１
に波面分割すると共に、透過光に対してＳ偏光とＰ偏光
の位相差が透過前と不変に保たれる面であり、上記３分
割された各光束のうち第１の波面分割面からの反射光の
出射端面にＳ偏光或はＰ偏光の何れかを透過させる偏光
子を設け、第２の波面分割面からの反射光の出射端面
に、上記偏光子と直交する偏光子を設け、第２の波面分
割面を透過した光の出射端面にはＳ偏光，Ｐ偏光に対し
４５°の方位となるよう偏光子を設け、上記各偏光子の
後方に各光の出射端面に対向させてＣＣＤ素子を配置し
てなることを特徴とする偏光波面３分割光学装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8120947A JP3000518B2 (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | 偏光波面３分割光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8120947A JP3000518B2 (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | 偏光波面３分割光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281441A JPH09281441A (ja) | 1997-10-31 |
| JP3000518B2 true JP3000518B2 (ja) | 2000-01-17 |
Family
ID=14798916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8120947A Expired - Fee Related JP3000518B2 (ja) | 1996-04-17 | 1996-04-17 | 偏光波面３分割光学装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3000518B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101680762B1 (ko) | 2010-10-29 | 2016-11-29 | 삼성전자주식회사 | 3ｄ 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치 |
| CN103393401B (zh) * | 2013-08-06 | 2015-05-06 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统 |
| CN114690087B (zh) * | 2022-04-01 | 2023-05-16 | 西安交通大学 | 一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法 |
-
1996
- 1996-04-17 JP JP8120947A patent/JP3000518B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09281441A (ja) | 1997-10-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |