JPH045922B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は偏光干渉計に係り、特に偏光干渉計
の為の感知装置に関する。

偏光コード干渉計は、入射された偏光ビームを
互いに直交する方向に直線偏光された２つの偏光
ビームに変換する偏光ビーム・スプリツタと、各
支光路に設けられ、90度偏光方向を回転させて対
応ビームを反射してビーム・スプリツタに戻し、
もつて前記ビーム・スプリツタに前記支光路にお
ける経路差に依存した位相差を有し、互いに直角
に偏光された同軸的な出力ビームを発生させる各
支光路に設けた光学手段と、この同軸的な出力ビ
ームを異なる位相差の為に干渉縞を形成する空間
的に分離された成分ビームに分割する光学的解析
手段と、前記成分ビームを受光して２つの支光路
における経路差を決定することができる電気信号
を発生する光電交換器とから構成される。

従来のこのような偏光干渉計において、各支光
路に配置された光学手段は、複屈折1/4波長板及
び平面鏡で構成されている。しかしながら、この
装置は、感知する為の移動部に前記平面鏡が用い
られているため、例えば感知部に設けられた反射
面が傾く場合、入射光は正確に同軸上の支光路に
戻されない為、測定装置として不具合であつた。

この発明は、偏何干渉計において使用されてい
る複屈折1/4波長板及び平面鏡に代わり、感知部
の傾き及び横方向の移動によつて影響を受けない
偏光干渉計を提供することを目的とする。

またこの発明は、製造が容易でより経済的な偏
光干渉計を提供することを目的とする。

この発明の目的は、移動部にもうけられる平面
鏡及びλ／４板を光学キユーブコーナーに置換え
ることによつて解決することによつて達成され
る。光学キユーブコーナーは、常に光の入射方向
に平行に光ビームを反射するため、測定がキユー
ブコーナーの傾きに対して影響されない。しかし
ながら、一方の支光路に配置された光学的キユー
ブコーナーが横方向に移動された際には、反射光
の軸が平行にずれてしまうため、他方の支光路で
反射された偏光ビームと重合させることができ
ず、所望の測定が達成されない。この横方向の移
動による問題点は、キユーブコーナーに加えて平
面鏡を用いることによつて解決することができ
る。

このようなキユーブコーナー及び平面鏡を備え
る感知装置を設けることによつて、偏光干渉計で
は、２つの平面鏡から戻つてきた波頭が感知部の
傾き及び横方向の移動に影響されず常に一定に保
たれるため、それによつて干渉パターンが変化せ
ず、正確な寄生縞計数が得られる。更に、この発
明の感知装置を備える偏光干渉計は、キユーブコ
ーナーのλ／４の移動に対して、１つの縞が変化
するという２倍の感度を得ることができるという
利点を有している。

偏光の状態は、例えばキユーブコーナー反射体
内でのような非通常入射での何回かの反射によつ
て変更可能な為、問題は偏光コードした干渉計に
起因されてもよい。従来の他の装置に用いられた
キユーブコーナーでは、偏光効果によつて良い効
果がもたらされることよりも、偏光効果が単に補
償されるように、その反射面に誘電体等の多層コ
ーテイングを有する、又は複屈折性波長板とを組
合わせて用られている。この発明では、適切な屈
折率を有する固体ガラスで構成したキユーブコー
ナ反射体が用いられ、単一通過に対しては、1/4
波長板として作用し、２度の通過に対しては1/2
波長板として作用する複屈折性1/4波長板を別に
設ける必要性を取り除いている。

この発明の実施例においては、各支光路に設け
られた光学手段が1/4波長板及び平面反射鏡にか
えて光学的キユーブコーナー反射体及び平面反射
鏡の組合わせから成つている。各支光路の光学的
キユーブコーナー反射体は1/4波長板と同様に機
能し、光ビームは、このキユーブコーナー反射体
を２度通過し、偏光ビームの方向を90度回転する
ようにむけられる。一方の支光路のキユーブコー
ナー反射体は、移動可能に設けられ、この移動が
他方の支光路との相対的位相を変化させる。この
キユーブコーナー反射体及び平面反射鏡を用いる
ことによつて、測定がキユーブコーナー反射体の
傾き横方向の移動によつて影響されないため、キ
ユーブコーナー反射体は、測定部に直接配置され
るのではなく、枢支されたスタイラス・アームに
取付けることができる。

この発明は、偏光コード干渉計における解析手
段についても特徴がある。第２の偏光ビーム・ス
プリツタを解析手段として採用することは知られ
ている。この偏光ビームスプリツタによつて同軸
ビームを分離して各々の光電装置に入射させるこ
とができる。しかしながら、この解析手段は、容
易に正確に且つ確実な測定をすることができな
い。

この発明は、表面計測応用に使用されるべき干
渉計を可能にし、ここでは、可逆縞計数及び縞の
補入（fringe interpolation）が必要とされる。
これは、クアドラチエア即ち直交成分において等
しい振幅出力を与えることによつて達成され、等
しい振幅出力は、Ｄ、Ｃ、オフセツトを有せず、
しかも位置のsine cosine関数である。

この発明によれば、光学的解析手段は、４つの
異なる方向に向けて各々直線偏光された４成分ビ
ームを発生するビームスプリツタ系から成つてい
る。

実施例においては、ビームスプリツタ系の前に
は、リターデイシヨン板即ち、位相遅延板
（retardation）が設けられ、このビームスプリツ
タは、直交軸上に２つの中間生成ビームを与える
実質上非偏光なビーム・スプリツタ及び各軸上で
中間成分ビームが入射される偏光ビームスプリツ
タから成つている。４つの光電変換器は、オフセ
ツトの影響を受けず、位相クアドラチエアな信号
を発生するように一対づつ結合される。好ましく
は、少なくとも２つの光電交換器には、非偏光ビ
ーム・スプリツタにおける偏光効果を補正すると
うにゲイン調整手段を備えている。

この発明の偏光干渉計の感知装置は、略単色の
光ビームを発生するための発生手段と、アーム
と、前記アームに取付けられ感知されるべき面を
追従するスタイラスと、前記スタイラスが感知さ
れるべき面を追従できるように前記アームを旋回
移動可能に取付けるための取付け手段と、前記発
生手段からの光ビームを反射するとともに、同時
にその光ビームの偏光の各主平面間に1/4波長の
位相差を起こすようにその屈折率が設定される固
体光学ガラスで構成され、前記光ビームの光路上
に配置される前記アームに取付けられたキユーブ
コーナー反射体と、前記キユーブコーナー反射体
からの光ビームが再び前記キユーブコーナー反射
体によつて反射されて1/4波長の位相差が光ビー
ムの偏光の各主平面間で起こされるように、光ビ
ームをキユーブコーナー反射体からキユーブコー
ナー反射体へ反射するための平面鏡面を備える。

以下図面を参照しながらこの発明の実施例につ
いて説明する。

第１図には、その紙面内に光ビーム経路が含ま
れている。この面内に光軸がＺで示され、この光
軸上の矢印は光ビームの方向を示している。直交
軸Ｘ及びＹが矢印Ｚに近接して明記され、Ｘ軸は
紙面に含まれている。Ｙ軸については、小円が紙
面の裏側から上面に向う方向を示し、小黒点は、
紙面の上面から裏面に向かう方向を示している。

光源１０例えば、ガス・レーザは、Ｘ軸に対し
て45°だけ直線偏光された略単色の光ビーム１１
を発生している。この光ビーム１１は、偏光ビー
ムスプリツタ１２に入射され、Ｘ方向に偏光され
た入射ビームの成分は、このビーム・スプリツタ
１２を透過し、Ｙ方向に偏光された入射ビームの
成分は、このビームスプリツタ１２で反射され
る。このビームスプリツタ１２は、互いに直交す
る支光路１３，１４上に２つの光ビームを生じさ
せている。透過ビーム１３がＸ方向に直線偏光さ
れ、反射ビーム１４はＹ方向に直線偏光されてい
る。各支光路上には、入射されたされた偏光ビー
ムの偏光方向を90°回転させ、再び軸Ｚに沿つて
ビーム１３あるいは１４を戻す為の光学手段が設
けられている。戻つてきた光ビーム１３はＹ方向
に直線偏光され、ビーム・スプリツタ１２によつ
て反射される。また、戻つて来た光ビーム１４は
Ｘ方向に直線偏光され、ビームスプリツタ１２を
透過する。その結果、夫々互いに直交する方向に
直線偏光されている同軸的な出力ビーム１５が得
られる。この２出力光ビームは、支光路１３，１
４の経路長の差に依存する位相差を有している。
この発明においては、各支光路１３，１４の上述
した光学手段は、キユーブコーナー即ちキユーブ
コーナー反射体１６，１９及び平面鏡１８，２０
から構成されている。もし特定波長に応じてキユ
ーブコーナー反射体を構成する固体ガラスの屈折
率が予め正しく設定されるならば、キユーブコー
ナー反射体における３回の反射による偏光効果
は、主軸が適切に位置された複屈折性1/4波長板
と同様である。支光路１３について考慮すれば、
キユーブコーナー反射体は、図示するように向け
られ、その主軸の１つは、Ｘ軸に対して45°の角
度を成し、Ｘ方向に直線偏光されてるビーム１３
は、キユーブコーナー反射体で連続した３回内部
反射されることによつて180°回転された円偏光ビ
ームに変換される。紙面に平行且つ紙面上にある
ビーム１７は、平面鏡に入射され、この平面鏡
は、反対に回る円偏光ビームをキユーブコーナー
反射体にもどし、このキユーブコーナー反射体
は、この反対に回る円偏光ビームをＹ方向に直線
偏光された変換ビーム１３に変換する。このキユ
ーブコーナー反射体は、２回の伝送において1/2
波長板として作用する。

同様に、他の支光路に配置されたキユーブコー
ナー反射体１９及び平面鏡２０もまた応用の機能
を果たす。

この発明は、また同軸的出力ビーム１５におけ
る位相差δを検出する為の解析手段を備えてい
る。この解析手段は、Ｘ及びＹ軸に対して主軸が
45°を成しているリターデイシヨン板即ち位相遅
延板２１から成つている。ここでは、リターデイ
シヨン（retardation）はμで与えられ、直線偏
光された出力ビーム１５は、互いに反対に回る２
つの楕円偏光された同軸ビーム２２に変換され
る。このリターデイシヨン板２１に続いて光電交
換器としての光検出器３２上に４つの成分光ビー
ムを照射発生するプリズム系が設けられている。
この光検出器３２からのクアドラチエア電気出力
即ち、直交電気出力（quadrature electrical
outputs）は、cosδ及びsinδに比例し、Ｄ、Ｃオ
フセツトに影響されない。このプリズム系は、互
いに直交する成分ビーム２４，２５を発生する各
目上非偏光ビームスプリツタ２３から成つてい
る。各成分ビーム２４あるいは２５は前述した位
相差を含み、反対方向に回る２つの楕円偏光ビー
ムからなつている。各成分ビーム２４，２５は偏
光ビーム・スプリツタ２６あるいは２７上に入射
し、このビームスプリツタ２７は図面の面に対し
て45°だけビームを回転するように作用する。結
果として４成分のビームが発生され、ビーム・ス
プリツタ２７で通過又は反射された成分ビーム３
０及び３１はＸ軸に対して45°及び−45°の角度で
直線偏光され、ビーム・スプリツタ２６で通過又
は反射された成分ビーム２８、は、0°又は90°即
ちＸ及びＹ軸の方向に直線偏光される。各々の一
対の成分ビーム２８，２９及び３０，３１は前述
した位相差を含み、２つのオフセツトに影響され
ずに信号を発生することができ、cosδ及びsinδに
比例する等しい振幅の信号を発生する。

各成分ビーム２８〜３１は、光検出器３２に入
射される。光ビーム２８〜３１がこれらの光電交
換器としての光検出器３２に入射されることによ
つて、発生される光電流を各々i₁〜i₄で示す。も
し、ビームスプリツタ２３が完全に非偏光であ
り、ビームスプリツタ２６及び２７が理想的な偏
光ビーム・スプリツタであれば、光電流i₁〜i₄は
下記の関係がある。

i₁−i₂∝sinμ・sinδ i₃−i₄∝cosδ 従つて等しい振幅の直交信号を得た光検出器の
後においては、電気的なゲインの調整が必要とさ
れる。

もし、ビームスプリツタ２３が、完全に非偏光
でないならば、電気的なゲイン調整は、電流i₁に
ついてのみ付加的に必要とされる。

更に、全ての成分が理想的なものである場合に
は、ビーム１３，１４の振幅の変化は２つの信号
出力の全ての振幅を変化させるのみとなる。

このタイプの電気的な調整では、干渉計に向か
う光の偏光状態が変化したり、キユーブコーナー
反射体の実行的な遅れがπ／２でない場合、ある
いはこのキユーブコーナー反射体がわずかに不整
列に位置された場合でも、出力ビーム１５が直線
偏光されるようにビームスプリツタ１２が十分質
の高いものであれば、信号の質はわずかに影響を
受けるに過ぎない。遅れμを生じさせる市販され
ているシート及び不完全な非偏光ビーム・スプリ
ツタは、干渉計の不完全さを低下させることなし
に用いることができる。

直交電気信号は、カウンタに入力されることが
できる。このカウンタでは、両方向でδに対して
2π倍をカウントし、キユーブコーナー反射体の
移動の測定値に対応して波長λに換算して周期補
入が与えられる。なぜならば、干渉計の支光路の
１つが距離ｄだけ長くなつたりあるいは、短くな
つた場合には、 δ＝8πd／λである。

第２図には、測定されるべき移動面の変位を感
知するための感知装置が示されている。感知装置
４０は第１図に示した偏光干渉計の支光路の一
方、例えば光路１３上に備えられる。感知装置４
０のアーム３３Ａは軸３４によつて枢支され、ア
ーム３３Ａの一端には感知されるべき対象物の変
位を追従するためのスタイラス３３Ｂが取付けら
れている。このスタイラス３３Ｂの先端は感知さ
れるべき対象物に接触されてその変位に応じて変
動される。一方アーム３３Ａの他端にはキユーブ
コーナー反射体１６が設けらている。キユーブコ
ーナー反射体１６は第１図に示される部材と同一
である。この発明の感知装置においては、キユー
ブコーナー反射体１６の移動に応じて一方の支光
路の長さが長くあるいは短くされて各支光路間の
相対的位相が変化される。そのため、この相対的
位相の変化を検出することによつて対象物の変位
が測定される。この目的のためにキユーブコーナ
ー反射体は符号３５で示される方向に可動的に取
付けられている。

このように構成される偏光干渉計の感知装置の
測定動作を説明する。キユーブコーナー１６は予
め偏光干渉計の一方の支光路上に位置されるよう
に設定される。また、キユーブコーナ１６で反射
された光ビームの光路上に平面鏡１８が設定され
る。例えばアーム３３Ａの端部に取付けられたス
タイラス３３Ｂの先端部が測定されるべき対象物
に接触されて変位されると、そのスタイラスの変
位に応じてアームが軸３４を中心に旋回されて他
端に取付けられたキユーブコーナも変位される。
このキユーブコーナー反射体１６のアーム３３Ａ
の旋回移動に応じた変位は、その傾き及び横方向
の移動を伴うが、キユーブコーナ反射体と平面鏡
を組合わせることで測定結果に影響を与えない。
そのためスタイラス３３Ｂの変位に応じてキユー
ブコーナ反射体１６の配置される一方の支光路の
長さが変化され、それに応じて他方の固定された
支光路との相対的な位相が変化されて対象物の変
位が測定される。またキユーブコーナー反射体１
６は1/4波長板と同様の機能を果たす。

このように偏光干渉計の感知装置は、対象物の
変位に応じて旋回移動されるアームに取付けられ
るキユーブコーナー反射体を含むと共に、キユー
ブコーナー反射体からの光ビームを再びキユーブ
コーナー反射体に戻すための平面鏡面を含んでい
る。そのためキユーブコーナ反射体から返還され
るビームの光路がキユーブコーナ反射体の傾き及
び横方向の移動によつて影響されない偏光干渉計
の感知装置が提供される。

また同時に対象物の変位をより正確に測定する
ことのできる単純な構造の偏光干渉計の感知装置
が提供される。

さらにまた、感知装置に含まれるキユーブコー
ナー反射体は固体光学ガラスで形成され、その屈
折率が入射される略単色の偏光ビームの２つの主
平面間に２度の通過で1/2波長の位相シフトを起
こすように設定されている。このキユーブコーナ
反射体においては、所望の位相シフトを起こすた
めにその反射面にコーテイングを設ける必要がな
いため、より安価で製造の容易な感知装置が提供
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、偏光コード干渉計の一実施例を示す
図、第２図は、第１図の偏光コード干渉計におけ
るキユーブコーナー反射体を可動的に支持する感
知装置を示す図である。 １１……光ビーム、１２……偏光ビーム・スプ
リツタ、１３，１４……支光路、１５……出力ビ
ーム、１６，１９……キユーブコーナー反射体、
２４，２５，２８，２９……成分ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被対象物の変位を感知する為の感知装置を備
   え、偏光光を用いて検知する偏光干渉計におい
   て、 略単色光の光ビームを発生させる為の発生手段
   と、 アームと、 前記アームに取り付けられると共に、被対象物
   の感知されるべき面を追従するスタイラスと、 前記スタイラスが感知されるべき面を追従でき
   るように前記アームを旋回移動可能に取り付ける
   為の取付け手段と、 前記発生手段からの光ビームを反射させ、その
   光ビームの互いに直交する偏光成分の間で1/4波
   長の位相ずれを発生させるような屈折率で、反射
   面がコーテイングされない硬質光学ガラスで作ら
   れると共に、前記アームに取り付けられ、前記光
   ビームの光路に配置されるキユーブコーナー反射
   体と、 前記キユーブコーナー反射体を通つた前記光ビ
   ームを再び前記キユーブコーナー反射体へ反射さ
   せると共に、前記光ビームの光軸に対してほぼ垂
   直に配置されている平面鏡と、 を有することを特徴とする偏光干渉計。