JPH05500712A - 光学式計測装置 - 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】 光学式計測装置 この発明は、光学式計測装置、詳細には、レーザ干渉計に関する。

光の干渉は、長さの計測に広く利用され、レーザ放射の可干渉性は、フリンジ計 数装置の計測範囲を空気中において５０メートル以上にできる。最も一般的に利 用される放射光源は、周波数安定しているヘリウム−ネオンレーザである。これ らの装置は、布中で容易に入手可能で、周波数は、レーザ管の寿命の範囲で、１ ０８分の１程度より多く変化することはない。干渉計を用いて、大気中で、放射 の波長によって長さを計測する際には、空気の屈折率の補正が必要になる。この 屈折率の補正を可能にするために、大気圧、温度及び湿度を測定することでエド レンの（Ｅｄｌｅｎ　−ｓ）方程式を用いて屈折率量を計算する、及び、干渉屈 折計を用いて直接計測する、２つの方法が現在利用されている。上記計算された 量と計測された量との比較の結果、上記計算された量に、上記空気の屈折率とし て±１０７分の１の誤差が認められている。この誤差は、屈折率計が利用される ことで１０８分の１まで低減できる。

光路長の変化から発生される電気信号を解析する電気的装置を利用し、温度、振 動及び気流などの障害を低減できる干渉計装置を用いることで、ナノメータ単位 （ｓｕｂ−ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃ）の分解能を与えることができる。その一方で 、高解像度を正確に実現するに際して、２つの基本的な装置的制約がある。

多くの干渉計装置は、光学出力端から戻されるフリンジを計数するために要求さ れる電気信号を引出すために偏光（を利用した技術）を利用している。この信号 は、光路差に関連して正弦的になるとともに、理想的には、増幅度及び直角位相 の直流レベルは、０を示す。現実には、これらの信号は、理想と異なり、（この 誤差は）干渉計装置によるナノメータ単位の精度での分解に際して、正確さの点 で制約を加える。

十分に間隔かあけられたオルソゴナル（結晶板に対して平行に入射される）偏光 ビームによって設計された薄膜偏光ビームスプリッタは入手困難であるから、光 成分の偏光アジマスの整列（精度）を要求することは難しい。しかしながら、現 実には、光信号を電気的に補正する装置が可能である。このことは、信号の増幅 度と直流レベルの双方の多（の変化が計算された少なくとも１つのフリンジと試 験位相によって干渉計の光路を走査することで、及び、干渉計（からの）信号の 正弦量を確認することで、達成される。

散発的な反射も、干渉計装置における精度及び分解能の双方を達成することに対 して、著しい装置的制約を与える。レーザ光源は、可干渉性の高い不所望なビー ム、即ち、干渉計信号に含まれ、ビーム強度で１０％を占める不規則出力及び測 定された光路長における１、６ｎ１１の非線形誤差を伴っている。

英国特許第２０１２４５０Ｂには、板状ビームスプリッタが利用されている干渉 計（以下、ＮＦＬ干渉計とする）が開示されている。上記ＮＦＬ干渉計は、この 種の干渉計とじての標準プラクティスであって、僅かにウェツジング（くさび形 の傾斜）か与えられたビームスプリ・ツタによる、或いは、標準的な反射防止コ ーティングか施されている非ビームスプリッタ面からの反射の影響を最小にてき る。後述（ウニ・ソジンクされたビームスプリッタに関する）のプラクテイスは 、解像力の問題に対してもつと有益である。ロウエリ（Ｒｏｗ　ｌ　ｅｙ）の方 程式（ＷＲＣＲｏｗｌｅｙ　“Ｓｉｎｇｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎ　ｔｗｏ −ｂｅａｍｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈ　１ａｓｅｒ　ｉｌｌｕ ｍｉｎａｔｉｏｎ”　０ｐｔｉｃａ　Ａｃｔａ１６、　（１９６９＞　１５９− １６８）には、ビームの発散は、１＋０．５分の弧のくさびによって導かれるフ リンジと１１１１０１直径の開口か直交することで生じるガウス分布は、散発的 な反射によって光検出器上に投影されるナノメータ単位（ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃ ）のインターフェログラムの位相の影響以下となることを示している。

しかしながら、ウェツジングは、散発的な反射によって生じる新らたな問題即ち ビームスプリッタからウィーク　（屈折力が僅かな）プリズムへの戻りを除去で きる。この残留ビームによる発散は、光ビームと機械軸との移動を整合させるた めにビームスプリッタが位置されるべき条件のもとて、プレートに対する入射角 ４５°に起因する変位を伴う。プラクティスでは、上記整合を得ることは非常に 困難であって、加えて、特別な厚さ及びくさび角に形成されたビームスプリ・ツ タが交差させることはできない（防止される）。ナノメータ単位の解像力を提供 するために、ビームスプリ・ツタ板を含む干渉計装置、ビームスプリッタ及び補 正板装置か既に考案されている。

この発明によれば、くさび型ビームスジ１ルツク及び実質的に同一のくさび角及 び厚さに形成された補正板を有し、この補正板は上記ビームスプリッタによって 導かれるビーム変位及び偏向を中和することを特徴とするマイケルソン干渉計が 提供される。

このことは、干渉計ブロックが装置に統合的整合を残す前に、装置の光学軸及び 機械軸の双方を最適に整合できる。

以下の図面を参照して、この発明の実施例を詳細に説明する。図１は、この発明 の一実施例に関するマイケルソン干渉計を概略的に示す、図２は、図１の干渉計 のためのビームスプリッタ及び補正板を示す、及び、図３は、この発明の別の実 施例に関する干渉計測長装置を示す。

図面を参照すれば、図１は、補正板を含むマイケルソン干渉計を示している。レ ーザ源からの放射は、レーザビーム１として干渉計に入射する。レーザビーム１ は、くさび形プリズム７を介して透過ビーム３と反射ビーム５に分離される。

透過ビーム３は、くさび型補正板９を通過し、再帰反射装置１１　（へ到達し） 及びくさび型補正板９を経てビームスプリッタへ再び戻される。反射ビーム５は 、再帰反射装置１３によってさらに反射されて再びビームスプリ・ツタ７を通過 し、透過ビーム３が反射された（ビーム）と結合され、２つの干渉（ビーム）１ ５及び１７を型づくる。補正板として機能する１枚の板は、ビームスプリッタ板 によるビーム変位及び偏向を中和する。

ビームスプリッタ板は、必要な大きさの２倍形成される。

このビームスプリッタ板は、等しい大きさの（−トＡ及びＢに分割され（図２ａ ）、図２ｂに示されている光学的配置で利用される。このことは、ビームが導か れるビームスプリ・ツタ板（ｓｏｍｅ　ｍｅａｎｓ）に関し、方向性（図におい て＊によって示されている端部の配置）を明確にできることが重要となり、例え ば、切断する以前に、２つの角の一端（即ちある側）を僅かに面取りするなとが 好ましい。

この配列は、オルソゴナル板の（さび角及び厚さを無意味なものとする（補正の 必要を除去できる）。この干渉計装置は、進行する及び反射された光ビームをビ ームスジ１ルソタ板の中心に関して対称に排出することから、ビームスジ１ルツ ク板のくさびの方向かビームの配列によって制限された場合であっても、常に色 補正可能である。このことは、多波長光源に対しても有益である。１９．２１及 び２３が符されて０る非ビームスブリット面からの主散乱の反射が図１に点線で 示されている。光線２及び３は、逸脱される、か、し力１し、このことは重要で あって、ビームスジ１ルツクの工・ソジ６よ、主−Ｆ′−渉光と反射（光）１と の間のいかなる角度の偏向も入射させない。その一方で、２つの相対的に低い輝 度を有する反射の変化による不所望な潜在光源であって、１％程度で、光検出器 に入射しない位置に配置され、ビームスプリ・フタ板の厚さか数ミリの際には、 有益である。

この発明の別の形態として、干渉計プロ・ンクから離れてイ共試される２つの干 渉光を測定できる反射装置（図３１こ示されている）か追加されることで変形さ れた測長干渉計かある。

この装置では、入射レーザビーム３１は、透過ビーム３Ｂと反射ビーム３５とに くさび型ビームスプリッタ３７を介して分離される。透過ビーム３３は、くさび 型補正板３９を通過され、移動可能な再帰反射装置４１に導かれる。反射ビーム ３５は、λ／８位相板４３を通過され、再帰反射装置４５に導かれた後ビームス プリッタへ入射される。反射装置４７は、透過干渉光及び反射干渉光の双方を、 偏光子５５及びビ〜ムスプリソタ５７を従えるとともに等しい距離間てられてい る光検出器４９．５１及び５３に入射させる。

この配置は、重要な装置を干渉計ブロック５９に載置可能である。

干渉計から供給される正弦的に変化する光路長信号の電気的解析によって、ナノ メータ単位の精度及び解像力を達成できる。その一方で、機械的誤差を引起こす 散乱反射は、光検出器に到達する多くの散乱光の波面を傾かせる光学配置及びこ の装置の精度によって、解消される。

ＣＪ：ｗ 国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．くさび型ビームスプリッタ（７）及び実質的に同一のくさび角及び厚さに形 成された補正板（９）を有し、この補正板は上記ビームスプリッタ（７）によっ て導がれるビーム変位及び偏向を中和することを特徴とするマイケルソン干渉計 。
2. ２．上記ビームスプリッタ（７）と上記補正板（９）は、同一の板から製造され ることを特徴とする請求項１に請求したマイケルソン干渉計。
3. ３．前記共通な板は、同一方向を方向付ける機能（＊）とその後端部とを有し、 分離された後、ビームスプリッタと補正板とに分割されることを特徴とする請求 項２に請求したマイケルソン干渉計。
4. ４．前記同一方向を方向付ける機能は、面取りによって構成されることを特徴と する請求項３に請求したマイケルソン干渉計。
5. ５．前記ビームスプリッタ板（７）のくさび角の方向は、出射される時には色補 正のために選択され、反射光ビームは、ビームスプリッタ板の概ね中心から対称 に排出されることを特徴とする請求項１に請求したマイケルソン干渉計。
6. ６．前記ビームスプリッタ板（７）の厚さは、不所望な多重反射が検出器（４９ ）上に位置されないよう規定されることを特徴とする請求項１に請求したマイケ ルソン干渉計。
7. ７．反射手段（４７）は、干渉計ブロック（５９）から離れた位置に干渉光を提 示できることを特徴とする請求項１に請求したマイケルソン干渉計。