JP5523664B2

JP5523664B2 - 干渉計

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Publication number: JP5523664B2
Application number: JP2007288524A
Authority: JP
Inventors: 知隆 ▲高▼橋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2014-06-18
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Description

本発明は、光の干渉に基づき被測定物の変位情報（相対変位）を測定する干渉計に関する。

従来、測長用の測定器等において、測長位置・方向を９０度位相差２相正弦波により求める方法が、一般的に普及している。正確な９０度位相差測長信号を得る為に、この種の測定器には、検出部の構成・構造の適正設計を行ったり、内部に各種位相調整を行う構成（光学位相調整部など）を設けたりする等の対策がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１４９００３号公報

しかし、従来の干渉計にあっては、適正設計を行なっていても取り付け調整に発生する位相誤差や位相調整不備により発生してしまう位相誤差により、測長精度（狭範囲精度）が劣化してしまうという問題がある。また、従来の干渉計は、後段に補正用の信号処理回路を設けた構成としているが、高速移動時や静止時状態での測定では補正効果が得られない場合がある。

本発明は、光学位相調整誤差を無くし受光した干渉信号のＤＣ成分の変動を抑制することにより、測定精度の劣化を低減することのできる干渉計を提供することを目的とする。

本発明に係る干渉計は、光源と、前記光源から照射された照射光を、第１反射面に照射する第１光、及び第２反射面に照射する第２光に分割すると共に、前記第１反射面にて反射した前記第１光、及び前記第２反射面にて反射した前記第２光を合成して合成光とする光波分割合成部と、前記合成光から、第１の位相を有する第１干渉光、前記第１の位相と１８０度位相が異なる第２の位相を有する第２干渉光、前記第１の位相と９０度位相が異なる第３の位相を有する第３干渉光、及び前記第１の位相と２７０度位相が異なる第４の位相を有する第４干渉光を生成する多位相干渉光生成部と、前記第１乃至第４干渉光を受光する受光部と、受光した前記第１乃至第４干渉光に基づき、第１干渉信号、前記第１干渉信号と１８０度位相が異なる第２干渉信号、前記第１干渉信号と９０度位相が異なる第３干渉信号、及び前記第１干渉信号と２７０度位相が異なる第４干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記第１乃至第４干渉信号の差に基づいて９０度位相差３相信号を生成する３相信号生成部と、前記９０度位相差３相信号をベクトル合成することにより９０度位相差２相信号を生成する２相信号生成部と、前記第１干渉信号の利得を調整して前記３相信号生成部に供給する第１利得調整部と、前記第１利得調整部とは別に前記第２干渉信号の利得を調整して前記第３信号生成部に供給する第２利得調整部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る干渉計において、受光部から、互いに１８０度位相差となる検出信号間の差動信号を得て９０度位相差信号を求めているので、光学位相調整誤差を無くしＤＣ成分の変動を抑制して、精度劣化を低減することができる。

本発明において、前記３相信号生成部は、前記第１干渉信号と前記第２干渉信号の差である第１差動信号を生成する第１差動信号生成手段と、前記第３干渉信号と前記第４干渉信号の差である第２差動信号を生成する第２差動信号生成手段と、前記第２差動信号を反転させた反転差動信号を生成する反転差動信号生成手段とを備えることが好ましい。このようにすることによって、正確な９０度位相差２相信号を生成することができる。

また、本発明において、干渉計は、前記第３干渉信号の利得を調整して前記３相信号生成部に供給する第３利得調整部と、前記第３利得調整部とは別に前記第４干渉信号の利得を調整して前記第３信号生成部に供給する第４利得調整部とを備えることが望ましい。

本発明によれば、検出した信号に対しベクトル合成処理を行うことにより、受光した干渉信号の位相誤差を無くし、ＤＣ成分の変動を抑制することができるため、測定精度の劣化を低減することのできる干渉計を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る干渉計の一実施形態について説明する。

（一実施形態に係る干渉計の構成）
先ず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る干渉計の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る干渉計の構成を示す概略図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る干渉計の受光部と信号処理回路の構成を示す概略図である。

図１に示すように、一実施形態に係る干渉計は、レーザ光源１０、光波分割合成部２０、多位相干渉光生成部３０、及び信号処理部４０から構成されている。

レーザ光源１０は、位相の揃ったレーザ光を発する。

光波分割合成部２０は、レーザ光を分割及び合成する機能を有する。光波分割合成部２０は、第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１、第１のλ／４波長板２２、第２のλ／４波長板２３、測定用ミラー２４、及び参照用ミラー２５を有する。

光波分割合成部２０において、第１偏光ビームスプリッタ２１は、レーザ光源１０から照射されたレーザ光が直接照射される位置に配置されている。第１のλ／４波長板２２は、偏光ビームスプリッタ２１を透過したレーザ光源１０からのｐ波レーザ光が照射される位置に配置されている。第２のλ／４波長板２３は、偏光ビームスプリッタ２１にて反射されたレーザ光源１０からのｓ波レーザ光が照射される位置に配置されている。測定用ミラー２４は、第１のλ／４波長板２２を透過した透過光が照射される位置に配置されている。参照用ミラー２５は、第２のλ／４波長板２３を透過した透過光が照射される位置に配置されている。

多位相干渉光生成部３０は、異なる位相差を有する４種類の干渉光を生成する機能を有する。多位相干渉光生成部３０は、λ／２波長板３１、第１反射ミラー３２、無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）３３、第２偏光ビームスプリッタ３４、第２反射ミラー３５、第３反射ミラー３６、第３のλ／４波長板３７、第３偏光ビームスプリッタ３８、及び第４反射ミラー３９から構成されている。

多位相干渉光生成部３０において、λ／２波長板３１は、測定用ミラー２４にて反射され第１のλ／４波長板２２を透過した光と、参照用ミラー２５にて反射され第２のλ／４波長板２３を透過した光とが合成されて照射される位置に配置されている。第１反射ミラー３２は、λ／２波長板３１を透過した透過光が照射される位置に配置されている。無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）３３は、第１反射ミラー３２にて反射された反射光が入射する位置に配置されている。第２偏光ビームスプリッタ３４は、無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）３３を透過した透過光が照射される位置に配置されている。第２反射ミラー３５は、第２偏光ビームスプリッタ３４にて反射された反射光が照射される位置に配置されている。第３反射ミラー３６は、無偏光ビームスプリッタ３３にて反射された反射光が照射される位置に配置されている。第３のλ／４波長板３７は、第３反射ミラー３６にて反射された反射光が照射される位置に配置されている。第３偏光ビームスプリッタ３８は、第３のλ／４波長板３７を透過した透過光が照射される位置に配置されている。第４反射ミラー３９は、第３偏光ビームスプリッタ３８にて反射された反射光が照射される位置に配置されている。なお、図１に示す、多位相干渉光生成部３０の構成要素であるλ／２波長板３１〜第４反射ミラー３９の配置は、一例である。例えば、多位相干渉光生成部３０は、第１反射ミラー３２を省略して、無偏光ビームスプリッタ３３をλ／２波長板３１を透過した透過光が照射される位置に配置する構成であってもよい。

信号処理回路４０は、受光部４１、電流電圧変換部４２、利得調整部４３、３相信号生成部４４、及び２相信号生成部４５から構成されている。

受光部４１は、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄを有する。受光素子４１ａ〜４１ｄは、例えば、フォトダイオードや光電子増倍管等である。第１受光素子４１ａは、第２偏光ビームスプリッタ３４で反射して第２反射ミラー３５にて反射された第１干渉光（Ｌ１１）を受光する位置に設けられている。第２受光素子４１ｂは、第２偏光ビームスプリッタ３４で透過された第２干渉光（Ｌ１０）を受光する位置に設けられている。第３受光素子４１ｃは、第３偏光ビームスプリッタ３８で透過された第３干渉光（Ｌ１３）を受光する位置に設けられている。第４受光素子４１ｄは、第３偏光ビームスプリッタ３８で反射して第４反射ミラー３９にて反射された第４干渉光（Ｌ１４）を受光する位置に設けられている。

各第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄは、第１〜第４干渉光に基づき、第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄを出力する。ここで、第１干渉光は、所定の位相を有し、第２干渉光は、第１干渉光から１８０°の位相差を有する。また、第３干渉光は、第１干渉光から９０°（右回りにみると２７０°）の位相差を有し、第４干渉光は、第１干渉光から２７０°（右回りにみると９０°）の位相差を有する。したがって、第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄは、第１〜第４干渉光と同様の位相差を有する。

電流電圧変換部４２は、第１〜第４電流電圧変換回路４２ａ〜４２ｄにより構成される。第１〜第４電流電圧変換回路４２ａ〜４２ｄには、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄがそれぞれ接続されている。第１〜第４電流電圧変換回路４２ａ〜４２ｄは、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄから第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄを入力される。

利得調整部４３は、第１〜第４利得調整回路４３ａ〜４１ｄにより構成される。第１〜第４利得調整回路４３ａ〜４３ｄには第１〜第４電流電圧変換回路４２ａ〜４２ｄがそれぞれ接続されている。利得調整部４３は、第１〜第４電流電圧変換回路４２ａ〜４２ｄにて、入力された第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄの信号効率を所定値に調整して出力する。

３相信号生成部４４は、第１〜第３差動増幅回路４４ａ〜４４ｃにより構成される。第１差動増幅回路４４ａのプラス（＋）側入力端子には、第１利得調整回路４３ａの出力端子が接続されている。また、第１差動増幅回路４４ａのマイナス（−）側入力端子には、第２利得調整回路４３ｂの出力端子が接続されている。第２差動増幅回路４４ｂのプラス（＋）側入力端子には、第３利得調整回路４３ｃの出力端子が接続されている。また、第２差動増幅回路４４ｂのマイナス（−）側入力端子には、第４利得調整回路４３ｄの出力端子が接続されている。第３差動増幅回路４４ｃのプラス（＋）側入力端子には、第４利得調整回路４３ｄの出力端子が接続されている。また、第３差動増幅回路４４ｃのマイナス（−）側入力端子には、第３利得調整回路４３ｃの出力端子が接続されている。つまり、第２差動増幅回路４４ｂと第３差動増幅回路４４ｃとでは、第３利得調整回路４３ｃ及び第４利得調整回路４３ｄの出力端子との接続が反転されている。

２相信号生成部４５は、第１，第２差動増幅回路４５１ａ，４５１ｂ、及び第１，第２利得調整回路４５２ａ，４５２ｂを有する。第１差動増幅回路４５１ａのプラス（＋）入力端子には、第１差動増幅回路４４ａの出力端子が接続されている。また、第１差動増幅回路４５１ａのマイナス（−）入力端子には、第２差動増幅回路４４ｂの出力端子が接続されている。第２差動増幅回路４５１ｂのプラス（＋）入力端子には、第１差動増幅回路４４ａの出力端子が接続されている。また、第２差動増幅回路４５１ｂのマイナス（−）入力端子には、第３差動増幅回路４４ｃの出力端子が接続されている。第１，第２利得調整回路４５２ａ，４５２ｂの入力端子には、第１，第２差動増幅回路４５１ａ，４５１ｂの出力端子が接続されている。

（一実施形態に係る干渉計における位相差干渉信号生成動作）
次に、図１を参照して、干渉計における位相差干渉信号生成動作について説明する。図１に示すように、レーザ光源１０は、レーザ光Ｌ１を照射する。照射されたレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２１にて、ｐ波レーザ光Ｌ２（ｐ）及びｓ波レーザ光Ｌ３（ｓ）に分割される。

ｐ波レーザ光Ｌ２（ｐ）は、第１のλ／４波長板２２を介して、λ／４位相をシフトされた後、測定用ミラー２４にて反射され、再び第１のλ／４波長板２２を介して、λ／４位相をシフトされる。つまり、ｐ波レーザ光Ｌ２（ｐ）は、λ／２位相をシフトされ、ｓ波レーザ光Ｌ４（ｓ）となり、偏光ビームスプリッタ２１にて反射される。

一方、ｓ波レーザ光Ｌ３（ｓ）は、第２のλ／４波長板２３を介して、λ／４位相をシフトされた後、参照用ミラー２５にて反射され、再び第１のλ／４波長板２２を介して、λ／４位相をシフトされる。つまり、ｓ波レーザ光Ｌ３（ｐ）は、λ／２位相をシフトされ、ｐ波レーザ光Ｌ５（ｐ）となり、偏光ビームスプリッタ２１を透過する。

したがって、上記ｓ波レーザ光Ｌ４（ｓ）及びｐ波レーザ光Ｌ５は、合成レーザ光Ｌ６として偏光ビームスプリッタ２１からλ／２波長板３１へと照射される。

続いて、合成レーザ光Ｌ６は、λ／２波長板３１を透過して、偏光面が４５度回転する。従って、合成レーザ光Ｌ７は、４５度偏波光と１３５度偏波光との合成光となる。

次に、合成レーザ光Ｌ７は、第１反射ミラー３２にて反射された後、無偏光ビームスプリッタ３３にて、透過された合成レーザ光Ｌ８、及び反射された合成レーザ光Ｌ９に分割される。

合成レーザ光Ｌ８は、第２偏光ビームスプリッタ３４にて、透過した干渉光Ｌ１０、及び反射した干渉光Ｌ１１に分割される。干渉光Ｌ１０は、第２受光素子４１ｂにて受光される。干渉光Ｌ１１は、第２反射ミラー３５にて反射され、第１受光素子４１ａにて受光される。

つまり、第１受光素子４１ａにて受光した干渉光Ｌ１１は、所望の変位情報を有する位相の第１干渉光である。また、第２受光素子４１ｂにて受光した干渉光Ｌ１０は、第１干渉光Ｌ１１から１８０°位相の異なる第２干渉光である。

一方、無偏光ビームスプリッタ３３にて反射された合成レーザ光Ｌ９は、第３反射ミラー３６にて反射された後、第３のλ／４波長板３７にて、合成レーザ光Ｌ９を構成する光（４５度偏波光、１３５度偏波光）のうちの一方をλ／４位相シフトさせた合成光Ｌ１２となる。

次に、位相シフトされた合成光Ｌ１２は、第３偏光ビームスプリッタ３８にて透過した干渉光Ｌ１３、及び反射した干渉光Ｌ１４に分割される。干渉光Ｌ１３は、第３受光素子４１ｃにて受光される。干渉光Ｌ１４は、第３反射ミラー３９にて反射され、第４受光素子４１ｄにて受光される。

つまり、第３受光素子４１ｃにて受光した干渉光Ｌ１３は、第１干渉光Ｌ１１から９０°位相の異なる第３干渉光である。また、第４受光素子４１ｄにて受光した干渉光Ｌ１４は、第１干渉光Ｌ１１から２７０°位相の異なる第４干渉光である。

なお、上記構成を要約すると、図３に示すように、光波分割合成部２０は、測定対象に２分波照射し各々の変位情報を有する戻り光を合成する。詳しくは、光波分割合成部２０は、レーザ光源１０から照射されたレーザ光を、測定用ミラー（第１反射面）２４に照射する測定光（第１光）、及び参照用ミラー（第２反射面）２５に照射する参照光（第２光）に分割する。また、光波分割合成部２０は、測定用ミラー２４にて反射した測定光、及び参照用ミラー２５にて反射した参照光を合成して合成光とする。

また、上記構成を要約すると、図３に示すように、多位相干渉光生成部３０は、合成光から、第１の位相を有する第１干渉光、第１の位相と１８０度位相が異なる第２の位相を有する第２干渉光、第１の位相と９０度位相が異なる第３の位相を有する第３干渉光、及び第１の位相と２７０度位相が異なる第４の位相を有する第４干渉光を生成する。なお、詳細は後述するが、３相信号生成部４４にて、第１〜第４干渉光に基づく第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄの差に基づいて９０度位相差３相信号が生成される。また、詳細は後述するが、２相信号生成部４５にて、９０度位相差３相信号をベクトル合成することにより９０度位相差２層信号が生成される。

（一実施形態に係る干渉計における信号処理動作）
次に、図２〜図９を参照して、干渉計における信号処理動作を説明する。図４（ａ）は、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄにより生成された第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄの位相と強度の関係を示すベクトル図である。また、図４（ｂ）は３相信号生成部４４において生成された信号の位相と強度の関係を示す。図４（ｃ）は２相信号生成部４５において生成された信号の位相と強度の関係を示す。なお、ここでは、各第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄに位相のずれは生じていないものとして説明・図示する。

前述したように、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄは、第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄを生成する。第１及び第２干渉信号Ｓａ及びＳｂは、図２の第１，第２電流電圧変換回路４２ａ，４２ｂ、及び第１，第２利得調整回路４３ａ，４３ｂを介して３相信号生成部４４の第１差動増幅回路４４ａに入力される。なお、第１及び第２干渉信号Ｓａ及びＳｂは、第１，第２利得調整回路４３ａ，４３ｂにて、所定の分波効率に調整されて出力される。第１差動増幅回路４４ａは、第１及び第２干渉信号Ｓａ、Ｓｂを差動増幅し、第１差動信号ＤＳａを出力する。この第１差動信号ＤＳａは０度の位相を持つ第１干渉信号Ｓａと１８０度の位相を持つ第２干渉信号Ｓｂの差を取ったものであり、干渉信号ＳａとＳｂの位相のずれがなければ、基準位相と同じ０度の位相を有する信号である。

同様に第３及び第４干渉信号Ｓｃ及びＳｄは、第３，第４電流電圧変換回路４２ｃ，４２ｄ、及び第３，第４利得調整回路４３ｃ，４３ｄを介して、３相信号生成部４４の第２差動増幅回路４４ｂに入力される。なお、第３及び第４干渉信号Ｓｃ及びＳｄは、第３，第４利得調整回路４３ｃ，４３ｄにて、所定の分波効率に調整されて出力される。第２差動増幅回路４４ｂは、第３，第４干渉信号Ｓｃ、Ｓｄを差動増幅し、第２差動信号ＤＳｂを出力する。この第２差動信号ＤＳｂは９０度の位相を持つ第３干渉信号Ｓｃと２７０度の位相を持つ第４干渉信号Ｓｄの差を取ったものであり、第３干渉信号Ｓｃと第４干渉信号Ｓｄの位相のずれがなければ、基準位相に対して９０度の位相差を有する信号である。

また、第３干渉信号Ｓｃ及び第４干渉信号Ｓｄは、第３，第４電流電圧変換回路４２ｃ，４２ｄ、及び第３，第４利得調整回路４３ｃ，４３ｄを介して３相信号生成部４４の第３差動増幅回路４４ｃにも入力される。第３差動増幅回路４４ｃは、第２差動増幅回路４４ｂと同様に第３干渉信号Ｓｃと第４干渉信号Ｓｄを差動増幅するが、その出力信号となる第３差動信号ＤＳｃは、上記第２差動信号ＤＳｂとは位相が１８０度異なる反転差動信号として得られる。すなわち、第３差動信号ＤＳｃは基準位相に対して２７０度（すなわち−９０度）の位相差を有している信号である。図４（ｂ）に示すように、３相信号生成部４４で得られた３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ、ＤＳｂ、ＤＳｃはそれぞれ９０度位相差を有することとなる。

その後、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相信号生成部４５が有する第１差動増幅回路４５１ａに入力される。第１差動増幅回路４５１ａは、入力された２つの第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂを差動ベクトル合成することにより、Ａ相信号を生成する。０度の位相の第１差動信号ＤＳａと９０度の位相の第２差動信号ＤＳｂがベクトル合成されるため、Ａ相信号は基準位相に対して−４５度の位相差を有する信号となる。

同様に、第１差動信号ＤＳａと第３差動信号ＤＳｃは２相信号生成部４５が有する第２差動増幅回路４５ｂに入力される。第２差動増幅回路４５ｂは、入力された２つの第１差動信号ＤＳａと第３差動信号ＤＳｃを差動ベクトル合成することにより、Ｂ相信号を生成する。Ａ相信号と同様に、０度の位相の第１差動信号ＤＳａと２７０度（−９０度）の位相の第３差動信号ＤＳｃが差動ベクトル合成されるため、Ｂ相信号は基準位相に対して４５度の位相を有する信号となる。このように、得られたＡ相信号とＢ相信号は９０度の位相差を有しており、その強度は等しい（図４（ｃ）参照）。

次に、図５を参照して、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄに、第１，第２干渉信号Ｓａ、Ｓｂに対する初期位相誤差δが生じている場合について説明する。例えば、干渉計においては、厳密なる位相板調整が出来ず、その干渉信号に初期位相誤差δを生じる。図５（ａ）は、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄが、理想的には第１，第２干渉信号Ｓａ，Ｓｂに対し９０度の位相差を有しているところ、この９０度から更に初期位相誤差δのずれを有している場合のベクトル図である。図５（ｂ）は、３相信号生成部４４において生成された３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度の関係を示す。図５（ｃ）は２相信号生成部４５において生成されたＡ相信号及びＢ相信号の位相と強度の関係を示す。

各第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄは、上述したように３相信号生成部４４の第１〜第３差動増幅回路４４ａ〜４４ｃに入力され、第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃが出力される。ここで、第２差動信号ＤＳｂは第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有するため９０度位相差とはならず、第１差動信号ＤＳａに対し（９０−δ）度の位相差を有することになる。第３差動増幅回路４４ｃにより生成される第３差動信号ＤＳｃは、第２差動信号ＤＳｂを反転したものであるので第２差動信号ＤＳｂとは１８０度位相差であるものの、第２差動信号ＤＳｂと同様に第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有しているため、第１差動信号ＤＳａに対し（２７０−δ）度の位相差を有することとなる。

図５（ｂ）に示すように、３相信号生成部４４で得られた３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄが初期位相誤差δを有しているため、互いに９０度位相差を有するものではなく、初期位相誤差δを含んでいる。

その後、初期位相誤差δを有する３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃのうち、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相信号生成部４５の第１差動増幅回路４５１ａに入力され、ベクトル合成される。これにより、図５（ｃ）に示すように、Ａ相信号が得られる。２相信号生成部４５における処理は差動ベクトル合成なので、Ａ相信号の位相は（−４５−δ／２）度となる。

また、第１差動信号ＤＳａと第３差動信号ＤＳｃも、同様に２相信号生成部４５の第２差動増幅回路４５１ｂに入力され差動ベクトル合成されることによりＢ相信号が得られる。ここで、Ｂ相信号の位相は（４５−δ／２）度となる。

このように、得られた２相信号Ａ、Ｂは、元の第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄに位相ずれが生じたとしても、９０度位相差を有することとなる。すなわち、第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄが位相ずれを有する場合にも、位相調整操作を行うことなく９０度位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を得ることができる（図５（ｃ）参照）。

２相信号生成部４５における９０度位相差の２相信号Ａ、Ｂを生成する処理はベクトル合成であるため、図５（ｃ）に示すように２相信号Ａ、Ｂはそれぞれの信号強度が異なっている。この場合、２相信号生成部４５において、２相信号Ａ、Ｂを生成した後、それぞれの信号Ａ、Ｂの利得を２相信号生成部４５が有する利得調整回路４５２ａ，４５２ｂで調整することによって、図５（ｄ）に示すように９０度位相差を有し、且つ、強度の等しいＡ相信号及びＢ相信号を生成することができる。

次に、図６及び図７を参照して、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄにおいて、初期位相誤差δから位相誤差変動φを生じた場合について説明する。このような位相誤差変動φは、干渉計において、例えば、λ/４波長板の固定が熱的・機械的に変動した場合や波長板が温度特性を有して位相差がずれた場合に生じる。図６（ａ）は、第３，第４干渉信号Ｓｃ、Ｓｄの初期位相誤差δに対し、位相誤差変動φを伴い変動した信号ベクトルＳｃ’，Ｓｄ’の位相と強度の関係を示す。図６（ｂ）は、第１〜第４干渉信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ’，Ｓｄ’に基づき生成された第１〜第３差動信号Ｄｓａ，Ｄｓｂ’，Ｄｓｃ’の位相と強度の関係を示す。図６（ｃ）は、第１〜第３差動信号Ｄｓａ，Ｄｓｂ’，Ｄｓｃ’に基づき生成されたＡ’相信号及びＢ’相信号の位相と強度の関係を示す。

第２差動信号ＤＳｂ’は、第１差動信号ＤＳａ’に対して位相ずれδ＋φを有するため９０度位相差とはならず、第１差動信号ＤＳａに対し（９０−δ−φ）度の位相差を有することになる。第３差動信号ＤＳｃ’は、第２差動信号ＤＳｂ’を反転したものであるので第２差動信号ＤＳｂ’とは１８０度位相差であるものの、第２差動信号ＤＳｂ’と同様に第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδ＋φを有しているため、第１差動信号ＤＳａに対し（２７０−δ−φ）度の位相差を有することとなる。

図６（ｂ）に示すように、３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ、ＤＳｂ’、ＤＳｃ’は、第３，第４干渉信号Ｓｃ’，Ｓｄ’が初期位相誤差δ及び位相差動変動φを有しているため、互いに９０度位相差を有するものではなく、初期位相誤差δ及び位相差動変動φを含んでいる。

図６（ｃ）に示すように、第１差動信号Ｄｓａと第２差動信号Ｄｓｂ’とを差動ベクトル合成すると、Ａ’相信号の位相は（−４５−δ／２−φ／２）度となる。

また、図６（ｃ）に示すように、第１差動信号ＤＳａと第３差動信号ＤＳｃ’とを差動ベクトル合成すると、Ｂ’相信号の位相は（４５−δ／２−φ／２）度となる。

そして、Ａ’相信号、Ｂ’相信号の利得を２相信号生成部４５が有する利得調整回路４５２ａ，４５２ｂで調整することによって、図６（ｄ）に示すように９０度位相差を有し、且つ、強度の等しいＡ’相信号及びＢ’相信号を生成することができる。

図７は、初期位相誤差δから位相誤差変動φを生じた場合における、生成された９０度位相差のＡ’相信号及びＢ’相信号に基づくリサージュ信号Ｌ１、及び従来の方法により生成したリサージュ信号Ｌ２を示す。波長板等に動的な位相誤差変動φが生じた場合において、従来法であれば、リサージュ信号Ｌ２に示すように、２相ベクトル信号は位相誤差を有する。一方、本実施形態に係る干渉計によれば、リサージュ信号Ｌ１に示すように、Ａ’相信号及びＢ’相信号は位相誤差を生じず、ゲイン変動のみを生じる。したがって、狭範囲精度への影響を低減することができる。

次に、図８及び図９を参照して、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄの信号強度と第１，第２干渉信号Ｓａ、Ｓｂとの信号強度が動的に差を有した場合について説明する。このような信号強度の差は、例えば、干渉計の多位相干渉光生成部３０においてビームスプリッタ等の分岐比変動やミラー・λ／４波長板等の透過率変動がある場合に生じる。図８（ａ）は、信号強度が異なる場合における、第１〜第４受光素子４１ａ〜４１ｄにおいて生成された各第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄの位相と強度を示す。図８（ｂ）は、各第１〜第４干渉信号Ｓａ〜Ｓｄから生成された第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度を示す。図８（ｃ）は２相信号生成部４５において生成された信号の位相と強度の関係を示す。ここで、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄは、第１，第２干渉信号Ｓａ，Ｓｂに対して初期位相誤差δのずれを有しているものとして説明・図示する。

本実施形態において、第１及び第２受光素子４１ａ，４１ｂにおいて、上述したような理由により第１，第２干渉信号Ｓａ，Ｓｂが劣化する（図８（ａ）参照）。第１，第２干渉信号Ｓａ，Ｓｂから３相信号生成部４４において生成される第１差動信号ＤＳａにも劣化が生じる。これに対し第３，第４受光素子４１ｃ，４１ｄにより出力された第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄは劣化していない。第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄから３相信号生成部４４において生成される第２差動信号ＤＳｂ及び第３差動信号ＤＳｃにも劣化は生じない（図８（ｂ）参照）。

３相信号生成部４４から出力された３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、第１差動信号ＤＳａが劣化しているため、その信号強度が異なることとなる（図８（ｂ）参照）。この３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃを２相信号生成部４５に入力しベクトル合成すると、図８（ｃ）に示すように出力として位相差が９０度ではないＡ相信号及びＢ相信号が出力される。その後、このＡ相信号及びＢ相信号は、利得調整回路４５２ａ，４５２ｂにおいて利得が調整され、等しい強度を有することとなる（図８（ｄ）参照）。

図９は、本実施形態において、第３，第４干渉信号Ｓｃ，Ｓｄの信号強度と第１，第２干渉信号Ｓａ、Ｓｂとの信号強度が動的に差を有した場合における、生成された９０度位相差の２信号Ａ、Ｂに基づくリサージュ信号を示す。図９に示すリサージュ図形は生成されたＡ相信号及びＢ相信号の位相差が９０度ではないためその形状が楕円形状となるものの、その中心がずれることはない。

多位相干渉光生成部３０内の合成光の２分割強度に変動を生じた場合において、本実施形態に係る干渉計により生成された２相信号は、正確に９０度位相差を有するものではない。しかし、従来の差動処理を行う１組の受光部を光源中心に対角に配置していたため発生するＤＣ変動に比べ、本実施形態に係る干渉計により得られる位相差の生じた２相信号による検出の狭範囲精度の劣化（誤差）は、半分以下である。そのため、本実施形態に係る干渉計は、多位相干渉光生成部３０の一部に欠陥等が生じた場合にも有効である。

このように、本実施形態に係る干渉計はその信号処理にベクトル合成を用いることにより、信号を調整している。位相ずれを有する３相信号は、この処理過程において正確に９０度位相差を有することとなる。これにより、位相ずれを有する３相信号において、可変抵抗器等を用いた位相調整操作をすることなく所望の９０度位相差の２相信号を得ることができる。また、本実施形態に係る干渉計は、周期信号に劣化が生じた場合においても有効である。

以上のように、本実施形態に係る干渉計で得られた９０度位相差を持つＡ相信号とＢ相信号は、２相信号生成部４５において３相の第１〜第３差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃをベクトル合成しているため、信号強度が約√２倍となる。これにより信号雑音比が３ｄＢ改善する。

また、２相信号生成部４５において、信号の利得を調整することによって、ベクトル合成後に強度の等しい９０度位相差２相信号を得ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加等が可能である。

本発明の一実施形態に係る干渉計の構成を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る干渉計の受光部と信号処理回路の構成を示す概略図である。図１及び図２の構成を要約した図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の例を示すベクトル図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の他の例を示すベクトル図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の他の例を示すベクトル図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の他の例のリサージュ波形を示す図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の他の例を示すベクトル図である。本発明の一実施形態に係る干渉計による信号処理の他の例のリサージュ波形を示す図である。

符号の説明

１０…レーザ用光源、２０…光波分割合成部、２１…第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２２…第１のλ／４波長板、２３…第２のλ／４波長板、２４…測定用ミラー、２５…参照用ミラー、３０…多位相干渉光生成部、３１…λ／２波長板、３２…第１反射ミラー、３３…無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）、３４…第２偏光ビームスプリッタ、３５…第２反射ミラー、３６…第３反射ミラー、３７…第３のλ／４波長板、３８…第３偏光ビームスプリッタ、３９…第４反射ミラー、４０…信号処理部、４１…受光部、４２…電流電圧変換部、４３…利得調整部、４４…３相信号生成部、４５…２相信号生成部。

Claims

光源と、
前記光源から照射された照射光を、第１反射面に照射する第１光、及び第２反射面に照射する第２光に分割すると共に、前記第１反射面にて反射した前記第１光、及び前記第２反射面にて反射した前記第２光を合成して合成光とする光波分割合成部と、
前記合成光から、第１の位相を有する第１干渉光、前記第１の位相と１８０度位相が異なる第２の位相を有する第２干渉光、前記第１の位相と９０度位相が異なる第３の位相を有する第３干渉光、及び前記第１の位相と２７０度位相が異なる第４の位相を有する第４干渉光を生成する多位相干渉光生成部と、
前記第１乃至第４干渉光を受光する受光部と、
受光した前記第１乃至第４干渉光に基づき、第１干渉信号、前記第１干渉信号と１８０度位相が異なる第２干渉信号、前記第１干渉信号と９０度位相が異なる第３干渉信号、及び前記第１干渉信号と２７０度位相が異なる第４干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記第１乃至第４干渉信号の差に基づいて９０度位相差３相信号を生成する３相信号生成部と、
前記９０度位相差３相信号をベクトル合成することにより９０度位相差２相信号を生成する２相信号生成部と、
前記第１干渉信号の利得を調整して前記３相信号生成部に供給する第１利得調整部と、
前記第１利得調整部とは別に前記第２干渉信号の利得を調整して前記第３信号生成部に供給する第２利得調整部と
を備えることを特徴とする干渉計。
前記３相信号生成部は、
前記第１干渉信号と前記第２干渉信号の差である第１差動信号を生成する第１差動信号生成部と、
前記第３干渉信号と前記第４干渉信号の差である第２差動信号を生成する第２差動信号生成部と、
前記第２差動信号を反転させた反転差動信号を生成する反転差動信号生成部と
を備えることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
前記第３干渉信号の利得を調整して前記３相信号生成部に供給する第３利得調整部と、
前記第３利得調整部とは別に前記第４干渉信号の利得を調整して前記第３信号生成部に供給する第４利得調整部と
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の干渉計。