JP4111623B2 - 光干渉計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光計測技術分野で使用する光干渉計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の小型光干渉計の概略構成例を示した平面図で、図中、１１は入射光、１２はビームスプリッタ、１３，１４はミラー、１５は受光器である。
この小型光干渉計は、図示のように、入射光１１をビームスプリッタ１２によって透過光と反射光による直交する２光路に分割し、それぞれの光路に直角に置いたミラー１３，１４による反射光を再びビームスプリッタ１２で合波する。
このとき、一方のミラー１３を設置した図示しない直動ステージを等速で動かすことで、２つのミラー１３，１４からの反射光の光路長に差ができ、干渉縞の強度変化が見られる。
この干渉縞の強度変化を受光器１５で電気信号として取り出す。
【０００３】
また、マイケルソン干渉計では、移動ミラーが基準光と同軸上で可動するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、移動ミラーは直線的に長い距離を移動することにより、光の波長測定の精度を向上できる。
しかし、従来の光干渉計では以下のような問題があった。
【０００５】
即ち、マイケルソン干渉計のように、移動ミラーを基準光と同軸上を移動させるものや、図６の干渉計のように、移動ミラーを基準光との直交軸上を移動させるものでは、直線的に長い距離を移動する移動ミラーとするためには、各種の光学部品を組み込む筐体が大型化してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、移動ミラーが直線的に長い距離を移動して、光の波長測定の精度を向上しながら、十分な小型化が図れるようにした光干渉計を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決すべく請求項１記載の発明は、基準光と測定光を、ビームスプリッタにより反射光と透過光による直交する２光路に分岐し、各々の光路において、反射光及び透過光を複数の反射器により互いに反射させた後、再びビームスプリッタで合波してから受光器に受光させる光干渉計であって、複数の反射器を筐体に固定の固定反射器と筐体に対し可動の移動反射器とに分けて、移動反射器を、基準光の光軸とほぼ平行する光軸上に配置するとともに、移動反射器を基準光軸とほぼ平行な光軸上に沿って移動する駆動部材とガイド部材の間に、基準光と測定光の光路を配置した構成、を特徴としている。
例えば、反射器としては、ミラーが代表的であるが、ミラーの代わりに、例えば、コーナーキューブ、リフレクタなども使用できる。受光器は、干渉縞の強度変化を電気信号として取り出すものである。
【００１１】
このように、請求項１記載の発明によれば、先ず、基準光の光軸とほぼ平行する光軸上に移動反射器を配置した光干渉計なので、基準光軸とほぼ平行な光軸上に沿って移動反射器を長い距離移動して、光の波長測定の精度向上が可能となり、筐体の十分な小型化が可能となる。そして、基準光と測定光の光路を、移動反射器の駆動部材とガイド部材の間に配置したので、基準光及び測定光に影響を与えない駆動部材及びガイド部材の合理的な配置となり、この面からも筐体を十分に小型化できる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光干渉計であって、反射光と透過光を互いに他方の固定反射器に向けて反射する一対の固定反射器を備え、この一対の固定反射器の間に、各々の固定反射器に光を全反射する一対の移動反射器が配設されている構成、を特徴としている。
【００１３】
このように、請求項２記載の発明によれば、反射光と透過光を互いに他方の固定反射器に向けて反射する一対の固定反射器の間に、請求項１記載の移動反射器として、各々の固定反射器に光を全反射する一対の移動反射器が配設されている光干渉計なので、基準光軸とほぼ平行な光軸上において、一対の固定反射器の間で一対の移動反射器を移動させて各々全反射させることにより、各々の光路長に発生する差のできる範囲を大きく取れる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光干渉計であって、駆動部材を駆動する駆動源を、一対の固定反射器間のほぼ中央に配置した構成、を特徴としている。
例えば、駆動源としては、ステッピングモータが挙げられるが、単なるモータや他の駆動装置であっても良い。
【００１５】
このように、請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の一対の固定反射器間のほぼ中央に、駆動部材を駆動する駆動源を配置した光干渉計なので、一対の移動反射器を、その両側の固定反射器間のほぼ中央に位置した駆動源の駆動により駆動部材を介し、光軸上に沿って両方向とも同程度に移動できる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の光干渉計であって、測定光の光軸と干渉後の光軸とをほぼ直交させて配置し、筐体を、基準光の光軸にほぼ平行する二辺部及びほぼ直交する二辺部と、測定光の光軸にほぼ直交する一辺部と、干渉後の光軸にほぼ直交する一辺部と、とからなる六辺部を有する六角形の外形形状に形成した構成、を特徴としている。
【００１７】
このように、請求項４記載の発明によれば、請求項１、２または３記載の筐体を、基準光の光軸にほぼ平行する二辺部及びほぼ直交する二辺部の他、測定光の光軸にほぼ直交する一辺部と、測定光の光軸にほぼ直交させて配置した干渉後の光軸にほぼ直交する一辺部と、を有する六角形の外形形状に形成した光干渉計なので、一般的な四角形の筐体形状と比べ、その二隅部を面取りして小型化した筐体となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る光干渉計の実施の形態例を図１から図５に基づいて説明する。
先ず、図１は本発明を適用した一例としての小型光干渉計の概略構成例を示した平面図で、図中、Ｌ１は基準光軸、Ｌ２は可動光軸、３１は基準光源、３２は第１ミラー、３３はビームスプリッタ、３４は第２ミラー、３５は第３ミラー、３６，３７は移動ミラー（コーナーキューブ）、３８は受光器、４０は筐体、５１はリニアガイド、５２はミラーベースである。
この小型光干渉計は、Ｈｅ−Ｎｅレーザを基準光源３１に用いたものである。
【００１９】
基準光源３１から出射された基準光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）は、図示のように、筐体４０の内部において、基準光軸Ｌ１を通り、第１ミラー３２により反射されてからビームスプリッタ３３に入射する。また、ビームスプリッタ３３には、筐体４０の外部から測定光が入射し、この測定光と基準光は、上段と下段とに異なる光路を通ってビームスプリッタ３３に入射する。
このビームスプリッタ３３によって、入射光が透過光と反射光による直交する２光路に分割され、透過光は第２ミラー３４により第３ミラー３５に向けて反射され、また、反射光は第３ミラー３５により第２ミラー３４に向けて反射する。第２ミラー３４で反射された光は、一方のコーナーキューブによる移動ミラー３６により全反射され、また、第３ミラー３５で反射された光は、他方のコーナーキューブによる移動ミラー３７で全反射される。
ここで、移動ミラー３６，３７は、第２ミラー３４と第３ミラー３５間の光軸上において、リニアガイド５１上を光軸に沿って移動自在に組み付けられている。
【００２０】
そして、一方の移動ミラー３６で全反射された光は、第２ミラー３４により反射されてビームスプリッタ３３に再び入射し、また、他方の移動ミラー３７で全反射された光は、第３ミラー３５により反射されてビームスプリッタ３３に再び入射する。
こうして基準光と測定光がビームスプリッタ３３で合波され、このとき、ともにコーナーキューブによる一対の移動ミラー３６，３７をリニアガイド５１上を光軸に沿って等速で移動させることで、２つの移動ミラー３６，３７からの反射光の光路長に差ができ、干渉縞の強度変化が見られる。
この干渉縞の強度変化を受光器３８により電気信号として取り出す。
なお、２つの移動ミラー３６，３７による反射光の光軸を、ここでは可動光軸Ｌ２とする。
【００２１】
また、後述するように、２つの移動ミラー３６，３７を外した光学系とした場合は、以下のような光路となる。
即ち、図２に示すように、ビームスプリッタ３３で分割された透過光は、第２ミラー３４により第３ミラー３５に向けて反射され、さらに、第３ミラー３５により反射されてビームスプリッタ３３に再び入射する。
また、ビームスプリッタ３３で分割された反射光は、第３ミラー３５により第２ミラー３４に向けて反射され、さらに、第２ミラー３４により反射されてビームスプリッタ３３に再び入射する。
こうして基準光と測定光がビームスプリッタ３３で合波された結果、干渉が生じ、その干渉が受光器３８で電気信号として取り出される。
【００２２】
以上の小型光干渉計において、筐体４０には、図２に示したように、内部に複数（図示例では３個）のボス４１，４１，４１を起設して、このボス４１，４１，４１に一直線上の第１基準面４２，４２，４２を形成するとともに、外形部に一直線上の第２基準面４３を形成している。
このような第１基準面４２，４２，４２と第２基準面４３は、互いに平行であり、また、第１基準面４２，４２，４２が第２基準面４３に向かった状態にして、高精度な平坦面加工により得る。
【００２３】
ところで、図３は移動ミラー３６，３７及びその駆動系をブロック５０と一緒に取り外した状態を示した平面図で、図中、５３は基準面、６１はモータ（ステッピングモータ）、６２は駆動プーリ（タイミングプーリ）、６３，６４は従動プーリ（タイミングプーリ）、６５はベルト（タイミングベルト）、６６，６７はテンションプーリである。
即ち、ブロック５０上には、図示のように、リニアガイド５１が一体的または一体に設けられるとともに、中央のモータ６１及び駆動プーリ６２と左右の従動プーリ６３，６４及びテンションプーリ６６，６７が備えられている。
そして、モータ６１の出力軸に設けた駆動プーリ６２と、リニアガイド５１の両側に設けた従動プーリ６３，６４とにベルト６５が掛けられている。このベルト６５は、２つの移動ミラー３６，３７を備えたミラーベース５２に固定されている。
【００２４】
さらに、駆動プーリ６２の両側において、ベルト６５を適度の緊張状態とするためのテンションプーリ６６，６７が配置されている。
そして、ブロック５０のモータ６１を備えた側の端面は、筐体４０の第１基準面４２，４２，４２と合致する基準面５３となっている。この基準面５３を高精度な平坦面加工により得る。
また、ブロック５０には、リニアガイド５１（可動光軸Ｌ２）を基準面５３と平行に設けてある。なお、ブロック５０は、その基準面５３を第１基準面４２，４２，４２に合致させた状態で筐体４０上にネジ止め固定される。
【００２５】
次に、以上のような構成による小型光干渉計の使い方を説明する。
先ず、筐体４０にブロック５０を取り付けていない状態では、コーナーキューブによる２つの移動ミラー３６，３７が可動光軸Ｌ２上に無いため、図２に示したように、基準光を第１ミラー３２を設置する前に筐体４０の外部へ基準光軸貫通穴４４を介し遠方に飛ばして、基準光源３１から出射直後の基準光軸Ｌ１と筐体４０の第１及び第２の両基準面４２，４３との平行精度を、より高度に調整することができる。
また、筐体４０の第２基準面４３を基準として、第２ミラー３４と第３ミラー３５とにより作られる光軸（可動光軸Ｌ２参照）を平行に調整しておけば、予め筐体４０の外部で調整されたブロック５０上の移動ミラー３６，３７の可動光軸Ｌ２を合わせるだけで、前述したように、基準光と測定光の干渉を生じさせることができる。
【００２６】
そして、移動ミラー３６，３７については、筐体４０からブロック５０ごと外すことで、機械的調整及び光学的調整することができ、具体的には、ブロック５０の基準面５３を基準として、コリメータ及びレーザにより、コーナーキューブによる移動ミラー３６，３７を調整することができる。
また、筐体４０からブロック５０を外せるため、消耗部品であるリニアガイド５１、ミラーベース５２、モータ６１、プーリ６２，６３，６４及びベルト６５等を容易に交換することができる。
【００２７】
以上の通り、筐体４０からブロック５０として移動光学部品を外して、固定光学部品と移動光学部品の機械的調整及び光学的調整が別個に行えるものとなり、即ち、筐体４０からブロック５０ごと移動ミラー３６，３７（移動反射器）及びその駆動系（モータ６１、プーリ６２，６３，６４及びベルト６５等）を外して、ビームスプリッタ３３及び固定反射器（ミラー３２，３４，３５）と移動ミラー３６，３７の機械的調整及び光学的調整が別個に行える。
従って、移動ミラー３６，３７のメンテナンス性が向上し、しかも、筐体４０からブロック５０として移動ミラー３６，３７を外して、筐体４０内のビームスプリッタ３３及びミラー３２，３４，３５の光学的調整により、光干渉比率の精度をアップできて、十分に小型化した筐体４０とすることができる。
【００２８】
そして、基準光軸Ｌ１と平行な可動光軸Ｌ２上に沿って移動ミラー３６，３７を長い距離移動できて、光の波長測定の精度をアップでき、この面からも十分に小型化した筐体４０とすることができる。
さらに、基準光軸Ｌ１と平行な可動光軸Ｌ２上において、一対の固定ミラー３４，３５の間で一対の移動ミラー３６，３７を移動させて各々全反射させているため、各々の光路長に発生する差のできる範囲を大きく取れるものとなっている。
【００２９】
以上において、詳細には、図４に示したように、可動光軸Ｌ２と、ビームスプリッタ３３及び第２ミラー３４間の光軸Ｌ３と、ビームスプリッタ３３及び第３ミラー３５間の光軸Ｌ４と、により形成されるトライアングルの中のほぼ中央に、移動ミラー３６，３７の駆動部材であるベルト６５の駆動源としてのモータ６１及びその出力軸６１ａが位置している。
そして、このモータ６１及びその出力軸６１ａは、第２ミラー３４と第３ミラー３５との間のほぼ中点位置にある。
従って、モータ６１の駆動により、その出力軸６１ａから駆動プーリ６２及びベルト６５を介して一対の移動ミラー３６，３７を、左右両方向の何れにおいても、立ち上がり速度を同程度にして移動することができる。
しかも、モータ６１が左右の従動プーリ６３，６４に近付いた配置となっているので、ベルト６５による移動ミラー３６，３７の左右両方向の立ち上がり速度を極力早くして、測定時間の短縮が図られている。
【００３０】
さらに、筐体４０の内部において、図５に示したように、精度上の理由からリニアガイド５１を底部に配置する一方、モータ６１上に出力軸６１ａを向けて、駆動プーリ６２と従動プーリ６３，６４及びベルト６５を上部に配置している。これにより、リニアガイド５１とベルト６５との間に空間を確保して、基準光と測定光の光路を確保した合理的な配置となっている。
従って、この面からも十分に小型化した筐体４０とすることができる。
なお、リニアガイド５１と駆動プーリ６２、従動プーリ６３，６４及びベルト６５との配置関係は上下逆にしても良い。
【００３１】
そして、測定光の光軸に関しては、図１及び図２に示したように、途中にミラーを設けずにビームスプリッタ３３まで直接進むようにして、光学的ノイズを少なくして精度を向上するとともに、コンパクト化を図っている。
また、ビームスプリッタ３３から受光器３８までの光軸についても、ミラーを設けないようにして、光学的ノイズを少なくして精度向上を図るとともに、コンパクト化を図っている。
【００３２】
さらに、筐体４０の形状については、図示のように、基準光軸ｌ１に平行する二辺部及び直交する二辺部に加えて、測定光のビームスプリッタ３３への光軸に直交する一辺部と、ビームスプリッタ３３による干渉光の受光器３８への光軸に直交する一辺部と、を有する六角形となっている。
つまり、一般的な四角形の筐体形状と比較して、その二隅部を面取りした六角形により、さらに、小型化した筐体４０となっている。
【００３３】
なお、以上の実施の形態例においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を基準光としたが、基準光は、これに限定されるものではなく、他のレーザ光であっても良い。
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明に係る光干渉計によれば、基準光軸とほぼ平行な光軸上に沿って移動反射器を長い距離移動させることが可能なため、光の波長測定の精度向上を可能として、筐体の十分な小型化を可能とすることができ、しかも、基準光と測定光の光路を、移動反射器の駆動部材とガイド部材の間に配置したため、基準光及び測定光に影響を与えない駆動部材及びガイド部材の合理的な配置が得られて、この面からも筐体を十分に小型化することができる。
【００３６】
請求項２記載の発明に係る光干渉計によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、基準光軸とほぼ平行な光軸上において、一対の固定反射器の間で一対の移動反射器を移動させて各々全反射させるため、各々の光路長に発生する差のできる範囲を大きく取ることができるといった利点が得られる。
【００３７】
請求項３記載の発明に係る光干渉計によれば、請求項２記載の発明により得られる効果に加え、一対の移動反射器を、その両側の固定反射器間のほぼ中央に位置した駆動源の駆動により駆動部材を介し、光軸上に沿って両方向とも同程度に移動させることができるといった利点が得られる。
【００３８】
請求項４記載の発明に係る光干渉計によれば、特に、測定光の光軸にほぼ直交する一辺部と、測定光の光軸にほぼ直交させて配置した干渉後の光軸にほぼ直交する一辺部と、を有する外形形状が六角形の筐体のため、請求項１、２または３記載の発明により得られる効果に加え、一般的な四角形の筐体形状と比べ、その二隅部を面取りして小型化した筐体とすることができるといった利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一例としての小型光干渉計の概略構成例を示した平面図である。
【図２】図１の小型光干渉計において、筐体内の固定光学部品を示した平面図である。
【図３】図１の小型光干渉計において、移動光学部品及びその駆動系をブロックと一緒に取り外した状態を示した平面図である。
【図４】図３の移動反射器及びその駆動系とともに、その両側の固定反射器と図１及び図２のビームスプリッタの関係を示した概略平面図である。
【図５】図４の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【図６】従来の小型光干渉計の概略構成例を示した平面図である。
【符号の説明】
Ｌ１ 基準光軸
Ｌ２ 可動光軸
３１ 基準光源
３２，３４，３５ 固定反射器
３３ ビームスプリッタ
３６，３７ 移動反射器
３８ 受光器
４０ 筐体
４２ 第１基準面
４３ 第２基準面
４４ 基準光軸貫通穴
５０ ブロック
５１ リニアガイド
５２ ミラーベース
５３ 基準面
６１ モータ（駆動源）
６２ 駆動プーリ
６３，６４ 従動プーリ
６５ ベルト（駆動部材）
６６，６７ テンションプーリ

Claims (4)

1. 基準光と測定光を、ビームスプリッタにより反射光と透過光による直交する２光路に分岐し、各々の光路において、反射光及び透過光を複数の反射器により互いに反射させた後、再びビームスプリッタで合波してから受光器に受光させる光干渉計であって、
   複数の反射器を筐体に固定の固定反射器と筐体に対し可動の移動反射器とに分けて、
   移動反射器を、基準光の光軸とほぼ平行する光軸上に配置するとともに、
   移動反射器を基準光軸とほぼ平行な光軸上に沿って移動する駆動部材とガイド部材の間に、基準光と測定光の光路を配置したこと、
   を特徴とする光干渉計。
2. 反射光と透過光を互いに他方の固定反射器に向けて反射する一対の固定反射器を備え、
   この一対の固定反射器の間に、各々の固定反射器に光を全反射する一対の移動反射器が配設されていること、
   を特徴とする請求項１記載の光干渉計。
3. 駆動部材を駆動する駆動源を、一対の固定反射器間のほぼ中央に配置したこと、
   を特徴とする請求項２記載の光干渉計。
4. 測定光の光軸と干渉後の光軸とをほぼ直交させて配置し、
   筐体を、基準光の光軸にほぼ平行する二辺部及びほぼ直交する二辺部と、測定光の光軸にほぼ直交する一辺部と、干渉後の光軸にほぼ直交する一辺部と、とからなる六辺部を有する六角形の外形形状に形成したこと、
   を特徴とする請求項１、２または３記載の光干渉計。

Images