JPH02145902A - レーザ干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ干渉計に関し、特に空中の径路が長いた
めまたは光学装置の品質不良のため生ずる波面ひずみが
ある場合の信号検出を一層良好にでき、測定範囲を拡げ
、または装置の原価を下げる、レーデ干渉計に関する。

［従来技術とその問題点］ 本発明に採用される形式の干渉計は一般に平行光線を送
出する光源、ビームスプリッタ、および一つは可動で他
は固定されるように設置された二つの反射体（反射鏡）
を備えている。このような干渉計は可動反射鏡の変位（
移動距離）を測定する。即ち、光検出器を備えた適切な
手段が設けられ、二つの分岐からの、すなわち、固定お
よび可動反射体からの光を再結合することにより形成さ
れる干渉縞を検出し、計数することにより可動反射体の
変位を測定する。

この測定に不可欠なのは縞が「可視」または「検出可能
」であることである。すなわち、ビーム開口を横切る明
から暗への遷移のコントラストが光検出器の感度より大
きくなければならない。

縞のコントラストは（１）基準分岐および測定分岐の双
方の光の強さが等しく、そして（２）再結合した光ビー
ムの波面が平面で且つ平行であるとき最大になる（Ｗ、
　Ｈ，５ｔｅｅｌ著ｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ
」、ケンブリッジ大学出版部、ＰＰ、　４３〜４７を参
照）。

本発明は基準径路および測定径路からの波面形状が互い
に対してゆがんでいる（すなわち、もはや平面ではない
）とき、または互いに傾いている（すなわち、もはや平
行ではない）とき発生する縞のコントラストの低下の問
題を取扱うものである。

実際問題として、典型的に縞のコントラストを低下させ
、したがって変位測定干渉計の有用性を制限する二つの
場合が存在する。それは、１）長い範囲にわたる測定に
おいて、たとえ高品質の光学装置を用いても、ビーム径
路内の大気の乱れによる測定ビーム波面のゆがみにより
測定範囲が限定される。

２）（装置の価格を下げようとして）品質の低い光学装
置を採用すれば、ガラス部品に固有の欠陥のため波面が
ゆがみ、比較的短い範囲で測定を行うときでさえ縞のコ
ントラストが低下する。したがって、高価格の装置を使
用することが困難な用途では、レーザ干渉計は考慮外に
置かれることが甚だ多い。

レーザ干渉計を使用して空気中の長い距離（機械工場に
おける　１００フィート以上のような）にわたって変位
測定を行うことは空気中の乱れや熱勾配のため困難であ
る。ビーム径路に熱勾配や乱れり、レーザビームが軸を
はずれて曲がるので、受光器に戻るビームエネルギが減
少する。２）空気の屈折率の局部的な激しい変化により
測定のビームの理想的な平面状波面がゆがみ、縞のコン
トラストが悪くなり、測定信号の振幅が小さくなる。

更に、ヘテロダイチン干渉計システムにおいて、弱い測
定信号を増幅しようとして受光器のゲインを上げると、
スプリアス信号が検出され、計数される。このスプリア
ス信号は測定誤差を生じさせ、装置が測定ビームの真の
中断を検出することがでする。スプリアス信号は弱いが
、増幅されると、正当な測定信号のように振舞い、そし
て擬似変位情報を発生する。

［発明の目的］ 本発明の目的は波面のゆがみまたは傾きを生じている干
渉計測定ビームによる干渉縞の検出能力を高めることで
ある。

本発明の他の目的は一方のビームが他方のビーム径路に
偏光漏れしている干渉計測定ビーム信号を増幅すること
により生ずるスプリアス信号を除去することである。

本発明の他の目的は、たとえば、機械工場の環境下にお
けるレーザ干渉計の動作範囲を、干渉計の検出器に伝え
られるビームの信号対雑音１ヒを大きくすることにより
拡張することである。

本発明の更に他の目的はｉその弱さがガラス光学部品の
製造品質不良から生じている場合の弱い信号を改善する
ことである。

本発明の別の目的はガラスまたはプラスチックの光学要
素の波面ひずみ公差（許容範囲）を広くすることにより
、装置の性能を下げることなく、変位測定干渉計の装置
コストを下げることである。

［発明の概要］ 本発明は（１）小さな開口絞り（たとえば、好適実絶倒
では直径６Ｍのレーザ・ビームに対して直径約２．５ｍ
ｍ）を設け、それを受光レンズの前面に挿入し、そして
（２）受光器のゲイン設定値を高くすることから成る。

開口の正確な大きさおよび形状は波面ひずみの程度およ
び形状によって決まる。開口は円形、長方形、または正
方形等とすることができる。成る場合には、開口の最良
形状はスリットであることもある。

本発明で述べるように受光器の光検出器の前段に小さな
開口を付加することにより、一方または両方のビームの
波面ひずみにより低下している信号対雑音比が改善され
る。

本発明は偏光または非偏光ビームスプリッタを使用する
ヘテロダインおよびホモダイン干渉計システムの性能を
改善する。

ヘテロダイン干渉計における偏光ビームスプリッタと共
に使用するとき、開口はビームスプリッタを介しての偏
光漏れから発生する干渉計の基準分岐からのスプリアス
信号を減少させる。スプリアス信号は通常測定信号の振
幅播より充分小さい。

しかし、（波面ひずみにより低下した測定信号の振幅を
改善しようとして）受光器ゲインを上げると、（変位情
報を含んでいない）スプリアスな漏れ信号が、測定信号
が阻止（ブロック）されるとき（すなわち、信号が無く
て誤差が指示されるはずのとき）、正当な測定信号とし
て振舞うことにより装置の電子装置を実質的に誤動作さ
せる可能性がある。

（実施例） 第１図は従来の変形マイケルソン・レーザ干渉計の概略
図を示している。このように、第１図においてレーザビ
ーム１２を発生するレーザ発生器または空洞１１を備え
たレーザヘッド１０がある。ビーム１２はビームスプリ
ッタ１３に進み、ここでＬノ−ザビーム１２は分割され
る。これは普通、強度または偏光により行われ、たとえ
ば、水平に偏光した光が一方向に進み、垂直に偏光した
光が他の方向に進む。一つの偏光ビーム１４は固定基準
反射体１５に送られ、ここでキューブコーナを横切って
反射され、ビーム１６としてビームスプリッタ１３に戻
る。

ビームＩ６はビーム１４と平行ではあるがこれとは離れ
ている。

他方の偏光レーザビーム１９は可動測定反射体２゜に進
む。この反射体２ｏはキューブコーナ反射鏡とすること
ができ、ビーム２１としてビームスプリッタ１３に戻る
。ビーム２１はビーム１９と平行であるがこれとは離れ
ている。

ビームスプリッタ１３において、可動測定反射体２０か
らのビーム２１は固定基準反射体１５がらのビーム１６
と再結合し、結合したビーム２２はレーザヘッド゛ ド１０に戻り、ここでレンゲ２３を通して検出器の受光
器２４に向かう。

残念ながら、波面は乱れた空気を通過するときゆがめら
れる傾向がある。この影響は測定距離が短いときはほと
んど問題無いが、測定距離が長くなるにつれて問題とな
る。ゆがみは波面を横切って不規則に拡がる雑音を発生
する。雑音は第８図に示すように、干渉パターンに斑点
状外観を与える。すなわち、第４図に示すように平面波
面の場合に観察される一様に明るいまたは暗い状態では
なく、波面２９を横切って明るい区域２７および暗い区
域２８が存在するようになる。

通常レンズ２３は、信号の振幅を最大にするため、結合
ビーム２４からの光を可能なかぎり多く検出器の受光器
２４に向けるようにする。しかしながら、検出器の受光
器２４は受信するビームの強さを平均する。斑点を持つ
干渉パターンは灰色と解釈される。したがって、波面ひ
ずみ雑音が大きくなるにつれて、縞のコントラストが下
がる。すなわち、最小および最大のビーム強度が近づく
方向となる。

成る点で信号が雑音と区別できなくなる。

測定される距離が概略１００フイートであるとき、通常
の大気変動により、結合ビームによる縞が雑音により不
明確になることがある。

本発明の実施例を第３図および第７図に示す。

第３図は本発明によるレーザ干渉計の概略図、第７図は
本発明によるレーず干渉計の検出器部分の詳細図で、縞
コントラストを改良し、動作範囲を拡大するための構成
を示した図である。第３図および第７図においてレーザ
ヘッドｌＯ、ビームスプリッタ１３、固定反射体１５、
および可動反射体２ｏが従来装置のように存在するが、
本発明においては検出器の集光レンズ２３の直前に小さ
な開口３ｏがある。開口３０はいろいろな形状のものと
することができる。開口３０は、事実、円形や、正方形
にすることができ、または第６図に示すようにスリット
３５とすることができる。第３図および第７図は開口３
０の好ましい位置を示す。しかし測定の必要条件により
、レンズ２３と光検出器３２との間に、ビームスプリッ
タ１３の出力に、またはレーザ１１の出力に設置するこ
とができる。いずれにしても、その効果はここに説明す
るとおりである。開口３ｏは再結合ビーム２２のうち開
口３０の区域内にある部分の通路となる。

レンズ２３は開口３０を通過する反射ビーム２２の部分
３１（第７図）を集光し、その部分だけが検出されて高
ゲイン受光器３２に送られる信号を発生する。

重要な特徴は開口３０を使用して反射光の所望区域だけ
を通し、反射ビームの残りを通さないことである。結合
ビーム２２のかなりの部分は高ゲイン受光器３２に到達
しないようにされる。高ゲイン受光器３２はレーザヘッ
ドｌＯ中に設置することができ、または別個の装置とす
ることができる。

開口３０はビーム２２を減衰するので、干渉パターンが
高ゲイン受光器３２により平均されるビームの区域をも
減らす。波面ひずみ雑音から生ずる干渉縞の区域が開口
３０の面積より大きければ、信号品質の低下が減り、縞
と縞とのコントラストが増すことになる。このことは信
号対雑音比が上昇することを意味する。次に受光器から
の信号を増幅して減衰の影響を除き、使用可能な測定信
号を回復することができる。

ここで原理を考察すると、「縞」は、前述したＷ、　Ｈ
，５ｔｅｅｌがｒ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」で
述べているように、二つの波が干渉するとき生ずる明か
ら暗への遷移である。（ビーム１６および２１のような
）等しい強さのビームからの二つの平面で且つ平行な波
面が混合すると、両波面の位相が１８０°ずれていると
き両波面は破壊的に干渉すると言われ、また正確に同位
相であるとき建設的（構成的）に干渉すると言われる。

混合ビームの観察者は、第５図に黒および明るい筋で示
したように、ビームの位相ずれが１８０°のときは光を
見ず、またビームが正確に同位相のときはいずれかのビ
ームだけの強さの２倍の強さを見ることになる。

二つのビームの相対位相が連続的に変化し、そして混合
光が第２図に示すように検出器上に集光すれば、縞は、
明るくなり、暗くなり、明るくなる、というように行っ
たり来たりし、光検出器の電流は二つの波面の位相とと
もに正弦的に変化する。

この場合には、縞のコントラストは、重なり合ったビー
ムの直径を横切る光の強さが０（位相−１８０°）から
両ビームの強さの和（位相＝０°）まで変化するにつれ
て（ＳｔｅｅｌのＰ、４６に述べられているように）１
で最大になる。位相は全ビーム直径を通じて一定である
から、縞は、第４図に示すように、開口またはビームを
横切って「拡がる」または「ふくらむ」と言われる。

波面の一方が他方に対して角度ｅだけ傾いていると、明
および暗の真直ぐな縞または帯３６および３７が第５図
に示すようにビームを横切って形成される。しかし、通
常は、二つのビームを含む平面に垂直な方向に形成され
る。これら帯の数はｅが増すにつれて増大する。（成る
角度ｅで、帯の間隔が非常に微細になり、帯の数が多数
になってもはや見ることができなくなる）。ビームの相
対位相が変化するにつれて、これら縞または帯はビーム
を横切って側方へ滑るように見える。

先に述べたように、干渉光が光検出器上に集光し且つ位
相が連続的に変化するが、ｅも変化する場合、暗い帯３
７が一方の側で開口を通り過ぎる丁度そのとき新しい暗
い帯３７が他方の側に現れるθの成る値が存在する。こ
の臨界傾斜角（θＣ）で、縞のコントラストは０になっ
てしまっている。すなわち、ビームを横切る全光強度は
相対位相が変わるにつれて変化せず、そして光検出器の
正弦状電流の振幅がビームを横切る一定の「灰色」の光
強度に対応する成るＤＣ値に減少する。

検出器電流が変化しない場合、縞を計数すること、した
がって距離を測定することは不可能である。

小さな開口３０を使用して、またはこの場合スリット３
５（第６図）を光検出器の前段（前面）のビーム内に挿
入して、上述の状態から使用可能な信号に回復すること
は可能である。第６図は幅が暗い帯３７０幅に等しく、
そして縞に平行に設置されたスリット３５を示す。ビー
ム間の位相変化により縞が横に滑る（スライド）につれ
て、光検出器３２に到達する光が正弦状に変化すること
に注目すべきである。

このＡＣ信号は平行波面の場合より弱いことは事実であ
るが、測定距離情報はその信号のＡＣ変化の中に含まれ
ているので、更に処理を行うために増幅することができ
る。

縞のコントラストを最大に高める場合、理想的なスリッ
ト幅は開口を横切る縞の数によって決まる。理想的なス
リラット幅（Ｗ）は、 である。ここでＤはビームの直径、ＮはＤを横切る縞の
数である。

重なり合ったビームを横切る縞の数は傾斜角（θ）によ
って決まり、 Ｎ　＝　　　　ｔａｎθ　　　　　　　　（２）λ で与えられる。ただしλは光の波長である。

式（１）と（２）とを組合せるとスリット幅λ が得られる。

長範囲測定のような空気の乱れがある実際的用途におい
ては、波面ひずみの形態は傾きと複雑な波面変形との動
的な組合せとなる。この場合には、スリット３５は丸ま
たは正方形の開口で置き換えることができ、その大きさ
はビーム直径２２と比較して小さい。この開口の実際の
大きさは測定において期待される条件に対して経験的に
決められる。

現在のところ好ましいのは検出器の集光レンズの前面に
設置した丸い開口３０である。これは、レンズ２３のい
ずれかの側でレンズに直接対向して、またはレンズ２３
から数インチ離して性能を落とさずに設置することがで
きる（第７図を参照）。成る用途では、たとえば、品質
の良くない光学装置を用いる短範囲測定では、開口をレ
ーザ１１の出力に置くのが望ましいかもしれない。

［発明の効果コ 上述したように、本発明によれば、１）長い範囲にわた
って測定ができること、また２）干渉計にそれほど品質
の高くない安価な光学装置を使用することができ、これ
により生産原価が下がること、の効果を有する。

これまでの説明は偏光または非偏光のいずれかのビーム
スプリッタを使用することができるヘテロゲインおよび
ホモダイン干渉計に適用される。

直径６叩のレーザビーム２２に対して開口３０の直径が
２．５ｍ＋＋ｎの場合、レーザのパワーおよび基準径路
のスプリアス漏れは７０％に減衰したが、所望信号の縞
コントラスト（光路変化の情報を運ぶ明から暗への遷移
の識別性）は、乱れた大気中で全開口を横切って検出さ
れるとき、非常に向上した。

真の効果は所望信号とスプリアス信号との比が大きくな
ることである。したがって、今やきれいになった信号を
増幅し、スプリアスな漏れ信号で汚スプリアス漏れ信号
を除去し、そして２）縞のコントラストを上げる。これ
により受光器のゲインを、装置の通常の動作に取り戻す
レベルにまで増すことが可能になる。

本発明はさらに次のような効果を有する。

弱い光信号は、小さな開口絞りを用いてそれを更に減衰
することにより高められることができる。

本発明は偏光または非偏光ビームスプリッタのいずれか
を使用することができるヘテロダインおよびホモダイン
干渉計システムの性能を改善する。

本発明は空気中で変位測定干渉計の動作範囲を拡大する
。

−層詳細には、本発明は、ガラス部品またはプラスチッ
ク光学部品の品質不良による波面ひずみにより信号が弱
くなっているとき信号の強さを向上させる。

本発明は他の光路からのスプリアス偏光漏れ信号を減衰
する。

本発明は関係する当業者には、本発明の多数の構造の変
形および大幅に異なる実施例および用途が本発明の精神
および範囲から逸脱することなく考え得るであろう。こ
こに記した開示および説明は純粋に例示目的であり、如
何なる意味においても限定しようとするものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による変形マイケルソン形レーザ干渉
計の概略図、第２図は第１図の干渉形の検出部分の拡大
詳細図、第３図は本発明によるレーザ干渉計の概略図、
第４図は等しい強度をもつ２個の平面−で平行な波面の
干渉によって生ずるふくらんだ縞の概略図、第５図は等
しい強度をもつが、互いに傾斜している２個の平面波面
の干渉によって生ずるいくつかの真すぐな縞を示した概
略図、第６図は本発明により、第５図の傾斜波面によっ
て失われる縞コントラストを、暗いバンドの幅に等しい
幅をもつスリットにより増大する状態を示した図、第７
図は検出器アセンブリの前面に小さな開口を設け、縞コ
ントラストと動作範囲路から生ずる不規則、ダイナミッ
クな波面ひずみによるひずんだ縞パターンを示した図で
ある。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー光源と、前記レーザ光源からのレーザ光
   を分割し、一方を基準径路に沿って進行させ他方を測定
   径路に沿って進行させるビームスプリッタと、前記二つ
   の径路から帰還した光ビームを再結合する手段と、前記
   再結合された光ビームを光検出器に集光させる手段とを
   含むレーザ干渉計において、前記再結合された光ビーム
   の径路中で前記光検出器の前段に、前記再結合された光
   ビームの面積よりも小さな開口部をもつ開口を配置した
   ことを特徴とするレーザ干渉計。
2. （２）前記開口は円形または角形である請求項第１項記
   載のレーザ干渉計。
3. （３）前記開口は、前記再結合された光ビームの暗い縞
   の幅にほぼ等しく、且つ該縞に平行に配置されている請
   求項第１項記載のレーザ干渉計。
4. （４）前記集光手段は、前記開口と光検出器との間に配
   置されたレンズである請求項第１項記載のレーザ干渉計
   。
5. （５）前記開口は前記レンズと光検出器との間に配置さ
   れている請求項第４項記載のレーザ干渉計。
6. （６）前記光検出器に接続されて、開口を介して減衰さ
   れた信号を増幅する高利得増幅器を有する請求項第１項
   記載のレーザ干渉計。