JPH028703A - 干渉縞の位相検出方法 - 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】 〔概要〕 光の干渉現象を利用して光学的測定を行う干渉計の干渉
縞の位相検出方法に関し、 高精度でないリトロリフレクタを使用してコストを軽減
し、かつアライメントが容易な干渉縞の位相検出方法を
提供することを目的とし、レーザ光源からハーフミラ−
を透過して測定鏡で反射して戻る波と、該ハーフミラ−
で反射した後、参照鏡で反射して戻る波との干渉光を検
出器に受けて干渉縞の位相変化を読み取る干渉縞の位相
検出方法であって、前記検出器の受光面内に前記干渉光
全体を入射し、光量を検出する方法で構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光の干渉現象を利用して光学的測定を行う干渉
計の干渉縞の位相検出方法に関する。

光の干渉現象を利用して長さ測定するために、光路長を
測定する干渉測長計がある。光路長は幾何学的距離ｄ、
媒質の屈折率ｎとするとき、ｎｄをもって示される。干
渉計はｎｄを測定できるから、ｎ既知ならば距離あるい
は長さの測定を行うことができる。

干渉計では光源からの光は、ハーフミラ−の方法で一度
分けられ、それぞれが別の光路をとり、後再び重ねられ
。そして分けられた各光束の位相関係で決まる明暗の光
強度（干渉縞）となって観察される。最も普通のものは
、はじめ２光束に分けられ、一方を参照光束とし、他方
を位相物体を通過させたり、光路長を変えるなどして光
路差を与えて重ね合わせる方式で、三光束干渉計といわ
れるものである。この場合、入射方向へ正しく光を反射
する鏡として、三面鏡（リトロリフレクタ−）が用いら
れる。このリトロリフレクタ−は参照光および物体光の
波面収差が生じないよう高精度を要するので高価となる
ため、高価でないリトロリフレクタ−が用いられ、高精
度な測定を可能とするような方法が望まれている。

〔従来の技術〕

従来の光の干渉現象を利用し光路長を測定する測長器と
して、マイケルソン干渉計でりドロリフレクタ（コーナ
キューブプリズム）を利用した場合を第６図に示す。

図において、レーザ光源ｌからの単一周波数レーザ１は
、ビームスブリック（ハーフミラ−）２により二分され
、ｉ３過して測定鏡（プローブリトロリフレクタ）３で
反射して戻る波と、該ビームスプリッタ２で反射した後
、参照鏡（参照リトロリフレクタ）　４で反射して戻る
波との干渉縞の位相変化を検出器５で検出して構成する
。

（発明が解決しようとする課題〕 上記装置において、リトロリフレクタ及び光学部品（ビ
ームエクスパンダ等）に高精度なものを使用すれば、参
照光及び物体光の波面収差は殆ど生じず（ビーム内の光
路差が生じない）、この２つの干渉によりできる干渉光
内には、縞状の明暗はできない。しかし、測定鏡側（移
動リトロリフレクタ）を動かせば、その干渉光全体の明
暗が変化しているように見える。

しかし、それほど高精度にできていないリトロリフレク
タの使用時には、リトロリフレクタにより干渉光内に１
本から３本捏度の干渉縞ができる。

これは、参照光、測定光ともに反射の際にリトロリフレ
クタの３面の偏差のために波面収差（光路差）が生じる
ためである。

いま、この干渉光のビーム径内のある１点で千２’３　
ｋｇの位］１］変化を検出する場合、前者ではビーム径
内のどこでも同じ位相の信号が取れるのに対し、後者で
はビーム径内のどの位置で検出するかにより、干渉縞の
位相が一π〜＋πまで異なった信号となる。

そのため、実際にはマイケルソン干渉計とリド［＋リフ
レクタを使ったものとして、ＮＰＬ型干渉計（後述）が
あるが、これには高精度なりドロリフレクタが使われて
いる。何故なら、３つに分けた干渉光内のどの位置で光
を検出しても、π／２位相の異なる３つの信号が得られ
るからであり、また、その振幅を揃える場合には位相が
そろっているので、それぞれの干渉光内の最大出力の点
を取れば、干渉光の中心となり振幅も揃・うからである
。（レーザーの横モードがＴＥＭ　　の場合）一方、そ
れほど高精度でないリトロリフレクタを使用した場合に
は、３つに分けた干渉光の同じ対応点で光を検出しない
と、π／２位相の異なる信号は得られず、少しのズレに
よって意味のない信号となってしまう。また、振幅を揃
える際も目安になるものは位置のみである。従って、検
出器のアライメントは大変困難なものになる。

この結果からＮＰＬ型には、高精度のりドロリフレクタ
が必要とされ、高価であると云う問題がある。

そこで、本発明では高精度でないリトロリフレクタを使
用してコストを軽減し、かつアライメン（・が容易な干
渉縞の位相検出方法を堤供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記問題点は、第１図、第６図に示されるように、レー
ザ光源１からハーフミラ−２を透過して測定鏡３で反射
して戻る波と、該ハーフミラ−２で反射した後、参照鏡
４で反射して戻る波との干渉光７を検出器５に受けて干
渉縞の位相変化を検出する干渉縞の位相検出方法であっ
て、前記検出器の受光面６内に前記干渉光７全体を入射
し、全光量を検出する本発明の干渉縞の位相検出方法に
よって解決される。

〔作用〕

即ち、マイケルソン干渉計と高精度ではないり！・ロリ
フレクタを使用する場合、前述したように干渉光に１〜
３本程本捏干渉縞ができてしまい（この場合、第２図の
ように干渉光を横切る干渉縞８と同心円状の干渉縞８が
あるが、これはりドロリフレクタの中心同士を合わせる
と同心円状に、中心以外同士だと横切るようになる）、
アライメントが大変困難なものになる。本発明では、こ
れを解決する為に、まず初めにレーザー光のビーム径を
絞るか、ピンホールなどで干渉光を自体のビーム径を絞
るかして、干渉光７内に干渉縞８が１゜５本（１，５周
期未満）以下になるようにしている。

次に、干渉光７を受光する検出器５の受光面６を、小さ
な点（フォトダイオードなど）から干渉光のすべてを含
むことが十分可能な面積を持つ面のもの（フォトダイオ
ードなど）に変えている。

このことにより、干渉光全体を大きな面を持つ受光面６
にそれぞれ入射するだけでなく、光路差の変化に伴う干
渉縞の位相変化に対し、第４図（イ）　（ロ）のような
信号を得ることができる。これは次の３つのことによる
。

・フォトダイオードなどは光量を面全体の積分値として
出力すること。

・レーザー光は第３図のようなガウス放射照度分布をし
て（ＴＥＭ　　の場合）中心付近が放射量が非常に多い
ので、中心に干渉縞８の暗い部分がくると、第４図（イ
）（ロ）のＣのように光量の全体量が著しく減衰する。

また、受光面が十分な面積を持っているので、レーザー
やりドロリフレクタの影響により、干渉光の照射位置が
移動しても、受光面内にそれがあれば、第４図（イ）（
ロ）のＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄのように光量があり、信号出力に
は影響を及ぼさない。

なお、第３図はレーザー光の横モードＴＥＭの場合の放
射照度分布を示し、第４図（イ）（ロ）はこのレーザー
光を使い、測定鏡の移動によって変化する干渉光の状態
及びその干渉光から得られる信号の状態を示したもので
ある。

〔実施例〕

第５図は本発明の一実施例の説明図である。なお、全図
を通し同一符号は同一対象物である。

第５図は第１図の検出部をＮＰＬ型干渉計の検出器に使
用した例で、図中の１０．１１．１２は本発明の検出器
を表す。

ＮＰＬ型干渉計はπ／２位相差型干渉計の位相仮法を利
用したものであり、英国の国立物理研究所（ＮＦＬ）に
よって開発されたものである。

第５図において、直線偏向の単一周波数レーザーは、マ
イケルソン型干渉計に入射し、ビームスプリッタ−１３
で部分される。この時、光の偏向のＰおよびＳ成分の強
度比が等しく分かれるように、１／２波長板１４は偏光
面をビームスプリンターＩ３に対し４５°になるように
回転する。分割されたレーザー光はそれぞれ測定鏡１５
と参照１Ｕ１Ｇに向かう。

参照！Ｊｉ１６に向かうビームは、１７８波長板１７を
２回通過することによって、円偏光となって返ってくる
。つまり、ＰまたはＳ偏光成分のどちらか一方が、１／
８波長Ｍｉ１７によりπ／２の位相遅れを生ずる。そし
て、これらの光をビームスプリッタ−１３で干渉させ、
その干渉光より偏光ビームスプリッタ−１８と偏光板１
９を用いて位相差がπ／２ずつ異なる３つの干渉縞を取
り出すことができる。

この３つの干渉縞というのは、以下の３つである。

いま、参照光（参照鏡１６から戻り光）において、１／
８波長板１７によりＳ偏光成分（またはＰ偏光成分）が
Ｐ偏光成分（Ｓ）よりπ／２位相遅れているとする。よ
って、干渉光のＰ偏光成分とＳ偏光もまた同じ位相差π
／２を生じる。また、ビームスプリッタ−１３によって
できる干渉光は、透過光２３と反射光２４に分けられ、
これらは、それぞれＰ偏光成分、Ｓ偏光成分を持つ。反
射光は、反射の影響により透過光２３よりｐ、ｓ両偏光
成分とともにπの位相遅れを生ずる。従って、透過光２
３のＳ偏光成分（Ｐ）、反射光２４のＰ偏光成分（Ｓ）
、反射光２４のＳ偏光成分（Ｐ）をとれば、順にπ／２
づつ位相が遅れている干渉縞が得られる。

そして、レーザー光の偏光原理をうまく利用することに
よって得られる位相が、π／２だけ異なる３種類の干渉
縞信号の差からπ／２位相差の２つの信号を形成する。

一般に、干渉計の光路のゆらぎなどによって、干渉縞の
コントラストが悪くなるが、この方法では、常にＤＣ成
分が差し引かれ、ＡＣ成分のみを取り出すことができる
ので、ミスカランｉ−が少ない。従って、外乱などによ
るレーザー光の強度変動に対して強い干渉計となってい
る。また、ドツプラー効果による周波数シフｉ・の制限
の問題がないので、電子技術の進歩とともに高速の測定
が可能となっている。なお、２０はフィルタ、２１は増
幅器、２２は減算器である。

以上実施例ではＮＰＬ型干渉計で説明したが、これに限
定されることなく、レーザーを使って干渉縞を測定する
ものであれば、本発明は適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、受光部の受光面を
干渉光より大きくとることで、高精度でないリトロリフ
レクタが使用でき、コストが軽減する。また、干渉縞を
取る際のアライメントが点でなく面積でとるので、容易
になる。レーザーやりドロリフレクタ等の影響により干
渉光の照射位置が移動しても、それが受光面内にあれば
移動による影響を受けずに信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する図、 第２図は本発明の詳細な説明図、 第３図はレーザ光の放射照度分布、 第４図（イ）（ロ）は測定鏡の変位量と干渉光の関係の
説明図、 第５図は本発明の一実施例の説明図、 第６図はマイケルソン干渉旧の構成図である。 図において、 ５は検出器、 ６は受光面、 ７は干渉光、 第１図 レーデ尤／７族射照屋分巾 第　３　図 （０少 坦・順護／１変位量と寸ゆｔｔｎ関竹刀店先明用３４　
図 木を明ｑ−賞記例／７説明図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源（１）からハーフミラー（２）を透過して測
   定用リトロリフレクタ（３）で反射して戻る波と、該ハ
   ーフミラー（２）で反射した後、参照用リトロリフレク
   タ（４）で反射して戻る波との干渉光を検出器（５）に
   受けて干渉縞の位相変化を読み取る干渉縞の位相検出方
   法であって、前記検出器（５）の受光面（６）内に前記
   干渉光（７）全体を入射し、光量を検出することを特徴
   とする干渉縞の位相検出方法。