JPH05302811A

JPH05302811A - ヘテロダイン２波長変位干渉計

Info

Publication number: JPH05302811A
Application number: JP4110303A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Uchikawa; 清内川; Atsushi Kogo; 淳向後
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1993-11-16

Abstract

(57)【要約】【目的】ヘテロダイン法を用いた２波長干渉計を提供
する。【構成】共軸に設定されている２つ以上の異なる波長
の光波を、直交偏光ビームスプリッタにより参照光と測
長光に分割し、各々の波長における参照光と測定光の光
路差の変化を該参照光と測定光の光波干渉により測定す
る２波長変位干渉計において、前記参照光および測定光
に分波した後、合波する以前の参照光および測定光の少
なくとも一方に、光周波数を一定の値だけ変化させる光
変調を行い、次に、分散光学系により各波長の光波を空
間的に分別した後、それぞれ空間的に異なる場所で合波
することを特徴とするヘテロダイン２波長変位干渉計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共軸かあるいは空間的
に近接した状態で平行になるように設定されている少な
くとも２以上の異なる波長の光波を各々参照光と測定光
に分割し、各々の波長における参照光と測定光の光路差
の変化を該参照光と測定光の光波干渉により測定する２
波長変位干渉計に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密工業において、精密測長器は重要な
キーパーツであり、その性能が装置全体の性能を大きく
左右する。干渉計を用いた測長器では、測定する環境、
必要とされる精度に応じて最も適切な方法が採用され
る。例えば、極めて安定な環境で測定を行うのであれ
ば、測定レーザの時間コヒーレンスをできる限り長くし
たり、スクイージングの手法を導入することも考えられ
る。逆に、非常に不安定な環境では、時間的に変動する
環境パラメータ、例えば空気揺らぎ等が測長に影響を及
ぼさない方法が提案されている。２波長変位干渉法はそ
の代表的な方法である。次に２波長変位干渉計の原理に
ついて説明する。同じ位相特性を持つ２つの異なる波長
のレーザ光を共軸で単一の干渉計に入射する場合を考え
る。それぞれの波長で観測される光路長をＤ1 、Ｄ2 と
すれば、Ｄ1 ＝ｎ1 （ρ、λ1 ）ｄＤ2 ＝ｎ2 （ρ、λ2 ）ｄとなる。ここで、はρは適当な熱力学的パラメータ、λ
1 、λ2 はレーザの２波長、ｎ1 、ｎ2 それぞれレーザ
の波長における空気の屈折率、ｄは距離である。物理的
経験則から、近似的にｎ1 ／ｎ2 ＝ｋ（λ1 、λ2 ）が成り立つ。従って、上記の連立方程式は、観測量２
つ、未知数２つとなり確定解ｄが求まる。このように、
２波長干渉計は空気分散を利用して空気揺らぎによる観
測データの誤差を消す方法である。

【０００３】２波長干渉計の実験例が、「J.Jpn.Appl.P
hys.,Vol.28,L473(1989)」および特開平１−９８９０２
号公報で詳細に述べられている。これらの実験例では、
変位量を測定するのに90°位相差法が採用されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】干渉変位量の計測に
は、90°位相差法以外にも多くの方法を用いることがで
きる。特に、高速に移動する移動鏡の距離変位量の測定
では、ヘテロダイン法は必須となっている。本発明は、
２波長干渉計にヘテロダイン法を応用し、全く新しい変
位干渉計を提供することを目的とする。

【０００５】一般に２波長干渉計では、干渉計内部では
少なくとも２つの波長の異なる光波は共軸であることが
望ましい。少なくとも２つの波長の異なる光波を音響光
学素子により一定の周波数だけ光の周波数を変化させた
後、それらの光波を共軸になるように合波し、マイケル
ソン干渉計に入射するヘテロダイン２波長干渉計の例を
図２に示す。図２の装置は光源部、干渉光学系、および
受光部の３つの部分に分かれる。

【０００６】光源部は波長の異なる２つの光波を発生す
る光源１、波長の異なる２つの光波を各々直交する偏光
成分に分割する偏光ビームスプリッタ−３、分割された
各々の偏光の光周波数を変化させる光変調器４、５およ
び光周波数の変化した４つの光波を共軸で合波するため
のミラー類と偏光ビームスプリッタより成る。位相板２
は、波長の異なる２つの光波が偏光ビームスプリッタ３
により均等に分割されるように挿入されてある。干渉光
学系は、一般的なマイケルソン干渉計であり、一つの偏
光ビームスプリッタ７と、移動鏡９、固定鏡１０、およ
び２枚の４分の１波長板８より成る。受光部は、波長の
異なる２光波を分離するためのダイクロイックミラー１
１、２枚のポラライザー１４および各波長でヘテロダイ
ン信号を検出するための２つの光検出器より成る。ここ
で波長選択フィルタ１２、および１３は各波長の光波の
みを透過する光学的フィルタであり、ダイクロイックミ
ラーを補助するために挿入されているものである。この
装置でヘテロダイン信号を検出しようとした場合の問題
点は２つある。１つは、光源部で分離され各々異なる周
波数変調を受けた直交偏光成分が、マイケルソン干渉計
内部でも保存されないと、干渉計の変位量に依存しない
固定ビート信号が現れる点である。特に、２波長対応の
４分の１位相板や偏光ビームスプリッタ等は、性能があ
まり良くないので、この問題は実用上重要である。

【０００７】第二の問題は、異なる波長の２光波の分離
に関する。図２の受光部では、ダイクロイックミラー１
１と補助的に挿入した光学フィルタ１２、１３により、
２波長の分離を行っている。この方法は、一般的傾向と
して、波長分別を完全に行おうとすると、選択する光の
強度を弱めるという欠点があった。本発明は、これらの
問題を解決することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的のた
めに、共軸になるように予め設定されている少なくとも
２つ以上の異なる波長の光波を、直交偏光ビームスプリ
ッタにより各々参照光と測長光に分割し、各々の波長に
おける参照光と測定光の光路差の変化を該参照光と測定
光の光波干渉により測定する２波長変位干渉計におい
て、前記参照光および測定光に分波した後、合波する以
前の参照光および測定光の少なくとも一方に、光周波数
を一定の値だけ変化させる光変調を行い、次に、分散光
学系により少なくとも２つ以上の異なる波長の光波を空
間的に分別した後、少なくとも２つ以上の異なる波長の
光波をそれぞれ空間的に異なる場所で合波するようにし
た。

【０００９】

【作用】前述の問題を解決するために本発明では、分波
と合波を空間的に異なる場所で行うマッハツェンダー型
の干渉計を採用した。図１に本発明のヘテロダイン２波
長干渉計の基本構成を示す。光源１から発生した光波
は、位相特性の揃った２つの異なる波長の光波で、偏光
面が紙面に対して45°傾いた直線偏光または円偏光とな
っている。光源１からの２つの異なる光波は、直交偏光
ビームスプリッタ３で透過する光（測定光）と反射する
光（参照光）に分けられる。測定光は移動鏡１６により
元の方向に反射され、光変調器１７に入射し、光周波数
が一定の値（ｆ1 ）だけ変化する。一方、参照光も反射
鏡４０を経て光変調器１８に入射し、光周波数が一定の
値（ｆ2）だけ変化する。光変調器１７、１８を経た
後、分散光学系１９、２０で参照光と測定光の２つの異
なる波長の光波は空間的に分離される。その後、分散光
学系１９、２０により空間的に分離された２つの異なる
波長の光波は、反射鏡４１、４２、および直交偏光ビー
ムスプリッタ２１、２２によりそれぞれ空間的に異なる
場所で合波される。

【００１０】以上述べたように本発明のヘテロダイン２
波長干渉計では、干渉系の測定光と参照光を独立にしか
も直接変調しているために、図２に示した装置で問題と
なった干渉計の変位量に依存しない固定ビート信号は原
理的に発生しない。また、異なる波長の２つの光波は空
間的に分離されて各々合波されるから、各波長における
ヘテロダイン信号は完全に分離されて検出される。

【００１１】

【実施例】図３は、ヘテロダイン２波長変位干渉計の１
つの実施例を示すものである。この装置は波長の異なる
２つの光波を発生する光源、この光源から発生した２つ
の異なる波長の光波のＰ偏光成分（偏光面が紙面に平
行）を透過しＳ偏光成分（偏光面が紙面に垂直）を反射
する直交偏光ビームスプリッタ２９、直交偏光ビームス
プリッタ２９から反射された光波を元の方向に反射する
コーナーキューブプリズム２７、２８、直交偏光ビーム
スプリッタ２９からの光波を反射する移動鏡３１、移動
鏡の前側に配置されいる１／４波長板３０、光周波数を
一定の値だけ変化させる音響光学素子３２、３３、空間
的に分別された光波を合波するための反射鏡４１、４
２、および直交偏光ビームスプリッタ３５、３６、干渉
信号を検出する検出器３８、検出器からの信号を処理し
て変位を算出する信号処理系３９から構成されている。

【００１２】この装置では、異なる共軸の２光波を半導
体レーザ２３からの光をＫＮｂＯ3（ポタシウムナイオ
ベート）の結晶２５に集光することにより生成した。こ
こで、半導体レーザの波長は 860ナノメータ、出力は 1
00ミリワットであり、ＫＮｂＯ3 で発生した第２高調波
は波長 430ナノメータ、出力 100マイクロワットであ
る。ここで必要に応じ、半導体レーザの発振波長を固定
化したり、レーザスペクトルの狭帯化を行っても良い。
位相板２６は、波長の異なる２光波を直交偏光ビームス
プリッタによりほぼ等しい強度で分割できるように挿入
されている。

【００１３】直交偏光ビームスプリッタ２９で反射され
たＳ偏光（参照光）は、コーナーキューブプリズム２７
によって元の方向に反射された後、再び直交偏光ビーム
スプリッタ２９で反射された後音響光学素子３３に入射
する。一方、直交偏光ビームスプリッタ２９を透過した
Ｐ偏光（測定光）は、１／４波長板３０を通り円偏光に
なってから移動鏡３１によって元の方向に反射される。
反射された円偏光の光波は、再び１／４波長板３０を通
ることによりＳ偏光となり、直交偏光ビームスプリッタ
２９で反射される。反射されたＳ偏光は、コーナーキュ
ーブプリズム２８によって元の方向に反射された後、再
び直交偏光ビームスプリッタ２９で移動鏡３１の方向に
反射される。反射されたＳ偏光は、１／４波長板３０を
通り円偏光になってから移動鏡３１によって元の方向に
反射される。反射された円偏光の光波は、１／４波長板
３０を通ることよりふたたびＰ偏光になって直交偏光ビ
ームスプリッタ２９を透過し、音響光学素子３２に入射
する。この際、参照光と測長光は空間的に分別されて出
射される。

【００１４】参照光と測定光を合波する前に、音響光学
素子３２、３３を使って各々独立に光周波数を一定の値
だけ変調する。この際、音響光学素子の回折角が波長に
よって異なるため参照光と測定光の２つの異なる波長の
光波は空間的に分別される。参照光および測定光の空間
的に分別された２つの異なる波長の光波をそれぞれ反射
鏡４１、４２および直交偏光ビームスプリッタ３５、３
６を使って合波する。合波された光波は、偏光子３７を
通り、検出器３８により検出される。検出器から検出さ
れた信号は、信号処理系３９により演算処理が行われ、
大気のゆらぎによる誤差を除去した移動鏡３１の変位量
を得ることが可能となる。

【００１５】本実施例では、波長の異なる共軸の２光波
を半導体レーザ光（発振波長860 ナノメータ、出力 100
ミリワット）をＫＮｂＯ3 （ポタシウムナイオベート）
の結晶中に集光することにより生成した第２高調波を用
いたが、半導体励起リングＮｄ：ＹＡＧレーザ（発振波
長1.06ミクロン、出力 300ミリワット）をＫＴＰ結晶
（ＫＴｉＯＰＯ4 ）に集光することによって生じる第２
高調波等も使用できる。半導体レーザ励起リングＮｄ：
ＹＡＧレーザをＫＴＰ結晶に集光して発生した第２高調
波は、波長530 ナノメータ、出力70マイクロワットであ
る。ここで必要に応じ、半導体励起リングＮｄ：ＹＡＧ
レーザの発振波長を分子の光吸収線、例えばヨウ素（Ｉ
2 ）の吸収線等を用いて固定化してもよい。

【００１６】本実施例では、音響光学素子としてＰｂＭ
ｏＯ3 （モリブデン酸鉛）を圧電素子で駆動したものを
用いたが、二酸化テルル結晶やガラス等を圧電素子で駆
動したものでも良い。本実施例では、直交偏光ビームス
プリッタ２９により反射された光波を元の方向に反射す
るものとしてコーナーキューブプリズム２７、２８を用
いたが、コーナーミラーや直角プリズム等でも良く必ず
しもコーナーキューブプリズムに限定されるものではな
い。

【００１７】

【発明の効果】以上のような構成により、所望の精度が
得られるヘテロダイン２波長変位干渉計を提供すること
ができる。本発明のヘテロダイン２波長変位干渉計で
は、干渉計の測定光と参照光を独立に、しかも直接変調
しているため、干渉計の変位量に依存しない固定ビート
信号は原理的に発生しない。また、異なる波長の２つの
光波は空間的に分離されて各々合波されるので、各波長
におけるヘテロダイン信号を完全に分離して検出するこ
とができる。

【００１８】また、本発明においては、光周波数を一定
の値だけ変化させる光変調と異なる波長の２光波を空間
的に分離する分別機能は単一の音響光学素子により行わ
れており、装置が単純になるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明のヘテロダイン２波長変位干渉計の
基本的構成を示す概略図である。

【図２】は、マイケルソン干渉計を用いたヘテロダイン
２波長変位干渉計の概略図である。

【図３】は、本発明のヘテロダイン２波長変位干渉計の
実施例を示す概略図である。

【符号の説明】

１・・・光源２、２６・・・位相板３、６、７、２１、２２、２９、３５、３６・・・直
交偏光ビームスプリッタ４、５、３２、３３・・・音響光学素子８、３０・・・４分の１波長板９、１６、３１・・・移動鏡１０・・・固定鏡１１・・・ダイクロイックミラー１２、１３・・・光学フィルタ１４、３７・・・ポラライザー１５、３８・・・光検出器１７、１８・・・光変調器１９、２０・・・分散光学系２３・・・半導体レーザ２４・・・レンズ２５・・・ＫＮｂＯ3 結晶２７、２８・・・コーナーキューブプリズム３９・・・信号処理系４０、４１、４２・・・反射鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共軸になるように予め設定されている少
なくとも２つ以上の異なる波長の光波を、直交偏光ビー
ムスプリッタにより各々参照光と測長光に分割し、各々
の波長における参照光と測定光の光路差の変化を該参照
光と測定光の光波干渉により測定する２波長変位干渉計
において、前記参照光および測定光に分波した後、合波する以前の
参照光および測定光の少なくとも一方に、光周波数を一
定の値だけ変化させる光変調を行い、次に、分散光学系
により少なくとも２つ以上の異なる波長の光波を空間的
に分別した後、少なくとも２つ以上の異なる波長の光波
をそれぞれ空間的に異なる場所で合波することを特徴と
するヘテロダイン２波長変位干渉計。
【請求項２】請求項１に記載したヘテロダイン２波長
変位干渉計において、単一の音響光学素子が光の周波数
を一定の値だけ変化させる光変調器と、少なくとも２つ
以上の異なる波長の光波をそれぞれ空間的に分別する分
別器を兼ねることを特徴とするヘテロダイン２波長変位
干渉計。