JP5140301B2 - 位相差検出器および位相差検出方法 - Google Patents
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Description
本発明の主な目的には、上述した問題などを解消する装置を提供することである。
本発明は、新規な構成を備え、位相差測定の精度を高める偏光干渉位相差検出手段に関する。尚、位相差測定装置は既に成熟技術となっているため、たとえ、小さな改良であったとしても、広く利用されている高精度測定技術の精度および/または信頼性を向上させる上で、意義を有するものである。
最終的に、位相差測定は、干渉計で用いられる放射線の基本波長と比べて、より高い測定解像度および/または精度を提供するために用いられる。したがって、検出手段の測定解像度の有用度は、「補間レベル」と呼ばれることがある。波長の約1/100の補間レベルは一般的であるといえる。本発明に係る検出手段は、このレベルをはるかに超えた、波長の約1/1000の補間を提供し、および/または、信頼性を高めるとともに経年劣化および環境変数からの影響を低減させる。
ここで、偏光方向は、偏光光線スプリッタ75を最初に通過したときの偏光方向から90°回転した状態である。このように、偏光光線スプリッタ75によって反射されて出力参照光線89となり、この出力参照光線89が合成干渉測定光線である合成光線90の直交偏光要素の一方となる。
詳細は後述するが、入射断面寸法113を有する合成光線90は、合成光線90の直交偏光要素を発散角度θで分割するように配向されたPSBDE110に入力される。
本実施形態では、PSBDE110は、非屈折光線120と、角度127で屈折された屈折光線125とを通過させるローションプリズムである。このPSBDE110は、第1軸を持つ第1結晶プリズムと第2軸を持つ第2結晶プリズムとを備え、第1軸と第2軸とが互いに直交するよう構成されてもよい。この例では、発散角度θは屈折角度127と同じである。PSBDEの代わりに、PSBDEと同様の機能を有するセナルモンプリズムを適切に設計配向してもよい。他の例では、PSBDEを、両方の光線をそれぞれの屈折角度で屈折させる、いわゆる双屈折タイプとしてもよく、発散角度θをこの2つの屈折角度の合計としてもよい。双屈折タイプのPSBDEは、ウォラストンプリズム、または適切な構造を有する双誘電体格子で構成されてもよく、これには、記事『Wollaston prism-like devices based on blazed dielectric subwavelength gratings(ブレーズド誘電体サブ波長格子に基づくウォラストンプリズム装置)』(Haidarその他 Optics Express Vol. 13 No. 25 2005年12月)に記載のものが利用できる。
図1Bに、干渉分離光線120および125の波面セット135を示す。破線136aおよび136bは、干渉縞パターンにおける同強度の平行面を示す。これらの面は図面の紙面の内外方向に延びる面である。干渉縞強度信号145は、空間的周期140を有する正弦波または近正弦波の強度分布を模式的に示す。参照平面REFは、紙面の内外方向に延びる。面REFは、平行面136aおよび面136bに直交し、干渉光線120と125との間の角度θを分割する直線の法線となる。受光素子アレイ155は後述するように、紙面の内外に延びる検出面を形成し、面REFに対して角度αとなるよう配置されている。対象物光線120および参照光線125のそれぞれの強度が一致しているとき、干渉縞パターンは次の1つの振幅で生成される。
受光素子セットA〜Dは、縞強度プロフィール245の空間位相にしたがって正弦的に変化する光学信号を受信する。受光素子セットA〜Dのそれぞれは、当該光学信号に比例する電気信号を出力する。すなわち、信号A(0°=「参照」位相)は増幅器226aに、信号B(90°位相シフト)は増幅器228aに、信号C(180°位相シフト)は増幅器226bに、信号D(270°相対位相シフト)は増幅器228bに送信される。増幅器226aおよび226bからの信号AおよびCは、差動増幅器231を介して合成され、その結果、信号1(Sig.1)が生成される。増幅器228aおよび228bからの信号BおよびDは、差動増幅器232を介して合成され、その結果、信号2(Sig.2)が生成される。差分信号(A〜C)および(B〜D)は、光学信号および電気信号A〜Dにあらわれる、共通モード「DCオフセット」誤差を減少または除去する。信号1(Sig.1)および信号2(Sig.2)はほぼ正弦の信号であり、90°の位相で出力される(つまり、信号1および2は直角位相信号である)。
このように直角位相信号を処理して変位量を決定することは、当業者の間で一般的に用いられる手法であり、ここでは詳述の必要はないと思われるが、直交位相信号値Sig.1およびSig.2を参照して簡単に説明する。
これらが干渉して、互いに重畳する第1波長干渉パターンおよび第2波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ591により、第2波長放射線が除去されるため、第1波長縞パターンのみが受光素子アレイ555に到達する。ここで受光素子アレイ555には、この全体を覆うように第1干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ555は、傾斜をもって構成配置されており、前述の原理のように、第1波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第1波長参照光線と第1波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
これらが干渉して、互いに重畳される第1および第2波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ595により、第1波長放射が除去され、第2波長縞パターンのみが受光素子555’に到達する。ここで受光素子アレイ555’には、この全体を覆うように第2干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ555’は、傾斜をもって構成配置されており、第2波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第2波長参照光線と第2波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
60 干渉計部
79 対象物光線要素を有する対象物光線
89 参照物光線要素を有する参照光線
90 合成干渉測定光線としての合成光線
100 検出手段
110,510 光線屈折素子としてのPSBDE
127,θ 所定発散角度としての発散角度
130,630 偏光板としての合成偏光板
155,255 受光素子アレイ
500,600 検出手段としての双波長検出手段
520,525 第1波長要素を有する光線
520’,525’,520’’,525’’ 第1波長要素
555,655 第1受光素子アレイとしての受光素子アレイ
555’,655’ 第2受光素子アレイとしての受光素子アレイ
575 偏光光線スプリッタ
590 第1光線セットとしての光線
591,691 第1フィルタとしてのフィルタ
595,695 第2フィルタとしてのフィルタ
620,625 第2波長要素を有する光線
620’,625’,620’’,625’’ 第2波長要素
690 第2光線セットとしての光線
OA1 第1軸としての光軸
OA2 第2軸としての光軸
Pd 受光素子ピッチ
Pθ 縞ピッチとしての空間的周期
Sig.1 第1検出信号としての出力信号1
Sig.2 第2検出信号としての出力信号2
Claims (14)
- 干渉距離測定を行うために合成干渉測定光線として重畳される直交光線要素、直線偏光光線要素、参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を示す信号を生成する位相差検出方法であって、
直交しかつ偏光感度を有する第1軸および第2軸を備えた偏光感度を有する光線屈折素子と、少なくとも1つの偏光板と、少なくとも1つの受光素子アレイとを設置する工程と、
前記光線屈折素子の前記第1軸および第2軸が、前記合成光線における前記参照光線および前記対象物光線のそれぞれの偏光に対し平行となるように、前記偏光感度を有する光線屈折素子を配置する工程と、
前記合成光線の前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記偏光感度を有する光線屈折素子に入力する工程と、
前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記光線屈折素子から、これらの各要素間の発散角度が略所定発散角度θとなるように出力し、出力された前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを部分的に重畳させる工程と、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記参照光線要素および前記対象物要素のそれぞれの偏光の間の角度を略分割する通過軸を有する偏光板を通過させ、前記偏光板を通過した光が、略平行縞を有する干渉縞パターンを形成する工程と、
前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、互いに固定位相シフトしたNの信号
(Nは2以上の整数)を出力する受光素子アレイを用いて、前記干渉縞パターンの空間位
相の変化を検出する工程と、を備え、
前記干渉縞パターンは、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の波長λと、前記発散角度θとにより決定される一定の縞ピッチPθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Nの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素と前記対象
物光線要素との間の位相差を示すとともに、
前記干渉縞パターンの空間位相の変化を検出する工程には、前記Nの受光素子が前記縞
ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように、周期的受光素子アレイを配設する工程が含まれ、前記受光素子が、受光素子ピッチPdで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記周期的受光素子アレイを配設する工程には、前記Nの受光素子が前記干渉縞ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面に前記受光素子を配設する工程が含まれ、前記受光素子が配設される面は、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、cosα=M*Pθ/N*Pdとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項1に記載の位相差検出方法において、
前記光線屈折素子を配置する工程には、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを設ける工程が含まれている
ことを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項1または請求項2に記載の位相差検出方法において、
前記所定発散角度は、少なくとも0.5°であり、最大でも4.5°であることを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の位相差検出方法において、
前記Mは1以上の整数であり、前記Mおよび前記Nの組み合わせは(M=1,N=3)、(M=1,N=4)、(M=2,N=3)および(M=3,N=4)のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項4に記載の位相差検出方法において、
前記Mおよび前記Nの組み合わせはM=3、N=4であることを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の位相差検出方法であって、
前記合成干渉測定光線において重畳する前記参照光線要素および前記対象物光線要素が、参照光線要素および対象物光線要素を含み第1波長を有する第1光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み第2波長を有する第2光線要素セットとを有し、
前記第1光線要素セットおよび第2光線要素セットは、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあり、
前記少なくとも1つの受光素子アレイを設ける工程には、第1受光素子アレイと第2受光素子アレイを設ける工程が含まれ、
前記第1波長を通過させ、前記第2波長を遮断する第1フィルタと、前記第2波長を通過させ、前記第1波長を遮断する第2フィルタとを設ける工程と、
前記第1光線要素セットと前記第2光線要素セットとの両方を、略同一の光路に沿って通過させて、前記第1波長の光を有する第1波長干渉縞パターンと、前記第2波長の光を有する第2波長干渉縞パターンとを形成する工程と、
前記第1受光素子アレイが前記第1波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第1フィルタを前記第1受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第1波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第1波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第1検出信号を出力、する工程と、
前記第2受光素子アレイが前記第2波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第2フィルタを前記第2受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第2波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第2波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第2検出信号を出力、する工程と、を備え、
前記第1検出信号の値を含む関係が、前記第1波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
少なくとも2つの前記第2検出信号の値を含む関係が、前記第2波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示す
ことを特徴とする位相差検出方法。 - 請求項6に記載の位相差検出方法において、
前記少なくとも1つの偏光板を設ける工程には、偏光光線スプリッタを設ける工程が含まれ、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記偏光板を通過させる工程は、光を前記偏光光線スプリッタを通過させて前記第1受光素子アレイの全体を覆うよう第1干渉縞パターンフィールドを形成する工程と、前記偏光光線スプリッタに光を反射させて前記第2受光素子アレイの全体を覆うよう第2干渉縞パターンフィールドを形成する工程を備え、
波長感度を有する前記第1フィルタを前記第1干渉縞パターンフィールドの前記第1受光素子アレイの前方に配設し、
波長感度を有する前記第2フィルタを前記第2干渉縞パターンフィールドの前記第2受光素子アレイの前方に配設する
ことを特徴とする位相差検出方法。 - 干渉距離測定を行うために合成干渉測定光線として重畳される直交光線要素、直線偏光光線要素、参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を示す信号を生成する位相差検出器であって、
直交しかつ偏光感度を有する第1軸および第2軸を備え偏光感度を有する光線屈折素子と、
部分的に重畳する参照光線要素と対象物光線用とを前記光線屈折素子から受け取り、通過軸が、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の偏光の間の角度を略分割するように配設された少なくとも1つの偏光板と、
干渉縞パターンを受け取り、前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングするとともに、互いに固定位相シフトされたNの信号(Nは2以上の整数)を出力する、少なくとも1つの受光素子アレイとを備え、
前記光線屈折素子は、前記第1軸および前記第2軸が、前記合成光線の参照光線および対象物光線の偏光と平行になるようにそれぞれ配設され、
前記光線屈折素子は、前記合成光線の受け取られた前記参照光線および前記対象物光線を、所定発散角度θである前記光線要素の間の発散角度で、前記参照光線要素および対象物光線要素が部分的に重畳するように出力し、
前記偏光板を通過した光が略平行な干渉の干渉縞パターンを形成し、
前記干渉縞パターンは、一定の縞ピッチPθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Nの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差を示すとともに、
前記受光素子アレイは、前記Nの受光素子が前記縞ピッチのM倍よりわずかに大きくなるように配設された、周期的受光素子アレイであり、
前記受光素子は、受光素子ピッチPdで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記受光素子が配設される面は、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面であり、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、cosα=M*Pθ/N*Pdとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出器。 - 請求項8に記載の位相差検出器において、
前記光線屈折素子は、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを有することを特徴とする位相差検出器。 - 請求項8または請求項9に記載の位相差検出器において、
前記所定発散角度は少なくとも少なくとも0.5°であり、最大でも4.5°であることを特徴とする位相差検出器。 - 請求項8から請求項10の何れかの位相差検出器において、
前記Mは1以上の整数であり、前記Mおよび前記Nの組み合わせは(M=1,N=3)、(M=1,N=4)、(M=2,N=3)および(M=3,N=4)のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出器。 - 請求項11に記載の位相差検出器において、
前記Mおよび前記Nの組み合わせはM=3、N=4であることを特徴とする位相差検出器。 - 請求項8から請求項12の何れかに記載の位相差検出器であって、
前記受光素子アレイが、第1受光素子アレイと第2受光素子アレイとを備える位相差検出器において、
前記第1受光素子アレイの前方に配設され、光の第1波長を通過させ、かつ、光の第2波長を遮断する、波長感度を有する第1フィルタと、
前記第2受光素子アレイの前方に配設され、光の第1波長を遮断し、かつ、光の第2波長を通過させる、波長感度を有する第2フィルタとを備え、
参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第1波長を有する第1光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第2波長を有する第2光線要素セットとが、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあるとき、前記第1光線要素セットおよび第2光線要素セットは、略同一の光路に沿って前記偏光板を通過して、前記第1波長を有する光を有する第1波長干渉縞パターンと、前記第2波長を有する光を有する第2波長干渉縞パターンとを形成し、
前記第1フィルタおよび前記第1受光素子アレイの組み合わせが、前記第1波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第1波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第1検出信号を出力し、
前記第1検出信号の値を含む関係が、前記第1波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
前記第2フィルタおよび前記第2受光素子アレイの組み合わせが、前記第2波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第2波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも2つの第2検出信号を出力し、
前記第2検出信号の値を含む関係が、前記第2波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示すことを特徴とする位相差検出器。 - 請求項13に記載の位相差検出器において、
前記偏光板は、前記光線屈折素子からの、部分的に重畳される参照光線要素および対象物光線要素を受け取り、部分的に光を通過させて前記第1受光素子アレイの全体を覆うよう第1干渉縞パターンフィールドを形成し、かつ、部分的に光を反射して前記第2受光素子アレイの全体を覆うよう第2干渉縞パターンフィールドを形成する偏光光線スプリッタを備え、
前記第1フィルタが前記第1干渉縞パターンフィールドの前記第1受光素子アレイの前方に配置され、前記第2フィルタが前記第2干渉縞パターンフィールドの前記第2受光素子アレイの前方に配置されている
ことを特徴とする位相差検出器。
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