JPH0961110A - 光波干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 屈折率変動に伴う測長誤差の補正の実時間性
が低い。 【解決手段】 周波数ｆ１の第１の光と、周波数ｆ２の
第２の光を用いて、第２の光で検出した場合の測定対象
の変位に相当するΔＤ(f2)と、第１の光で検出した場合
の測定対象の変位に相当するΔＤ(f1)とで表される差
｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出するための光学的手段
と、周波数ｆ３の第３の光を用いて、測定対象の変位Δ
Ｄ(f3)を検出するための光学的手段と、｛ΔＤ(f2)−Δ
Ｄ(f1)｝を検出し、ある時間tdにおける｛ΔＤ(f2)−Δ
Ｄ(f1)｝の検出結果ΔＸ(td)を出力する電気的手段と、
ΔＤ(f3)を検出し、ある時間trにおけるΔＤ(f3)の検出
結果ΔＤ(f3,tr)を出力する電気的手段と、時間tdにお
けるΔＭ(td)を求める電気的手段と、検出結果ΔＤ(f3,
tr)とΔＸ(td)とΔＭ(td)を用いて、時間trにおける測
定対象の真の変位ΔＤ(tr)を求める電気的手段とを有す
ることを特徴とする光波干渉測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の変位を高精度に
測定するための光波干渉測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、物体の長さ、変位、密度等の測定
を行うために光波を用いた干渉測定装置が使われてい
る。しかしながら、空気中及び他の気体中で光波による
干渉測定を行う場合に、温度や気圧等の測定環境の変化
に起因する局所的な屈折率の変動によって測定精度が低
下するという問題点がある。

【０００３】このような屈折率の変動の影響を低減させ
るため、本発明者は未公開ではあるが、特願平７−６４
５３７号の明細書及び図面において、屈折率の変動の影
響を補正するための手段を備えた光波干渉測定装置を提
案した。この光波干渉測定装置を図６を用いて説明す
る。屈折率変動を測定する光源１０１から出射した周波
数ｆ１の光は波長変換素子２７０に入射し、周波数ｆ１
の光の一部が周波数ｆ２（＝２f1）の第２高調波とな
る。波長変換素子２７０を出射した周波数ｆ１の光と周
波数ｆ２の光は、波長選択素子２２１に入射し、周波数
ｆ２の光は透過し、周波数ｆ１の光は反射する。

【０００４】波長選択素子２２１を反射した周波数ｆ１
の光は周波数シフタ３２１によって周波数ｆ１からわず
かに周波数のずれた周波数ｆ１´の光（f1'＝f1＋Δf
1）となる。なお、周波数シフタ３２１は、例えば音響
光学素子等である。波長選択素子２２１を透過した周波
数ｆ２の光は周波数シフタ３２２によって周波数ｆ２か
らわずかに周波数のずれた周波数ｆ２´の光（f2'＝f2
＋Δf2）となる。なお、周波数シフタ３２２は、例えば
音響光学素子等である。

【０００５】周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光は、
波長選択素子２２２によって再び同一光路上に結合され
る。その後、波長選択素子２２３によって反射され、測
長用光源１０２から出射された周波数ｆ３の光および周
波数ｆ３´の光と同一光路を通る。なお波長選択素子２
２３は、周波数ｆ３近傍の光のみを透過し、それ以外の
周波数の光を反射するものである。

【０００６】波長選択素子２２３で反射された周波数ｆ
１´の光と周波数ｆ２´の光は偏光ビームスプリッタ２
０１に入射し、２つの光に分割される。ここで、偏光ビ
ームスプリッタ２０１で反射され固定鏡２３２に向かう
光を参照光と呼び、偏光ビームスプリッタ２０１を透過
して移動鏡２３１に向かう光を測定光と呼ぶ。なお、参
照光および測定光は光の偏光方位が直交関係にあり、ど
ちらも周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光を含んでい
る。また、偏光ビームスプリッタ２０１は光源側から入
射する周波数ｆ１´の光および周波数ｆ２´の光の偏光
方位に対して４５°傾けて配置されている。

【０００７】偏光ビームスプリッタ２０１で反射された
参照光はコーナーキューブプリズムからなる固定鏡２３
２で反射された後、再び偏光ビームスプリッタ２０１に
戻る。他方、偏光ビームスプリッタ２０１を透過した測
定光もコーナーキューブプリズムからなる移動鏡２３１
で反射され、偏光ビームスプリッタ２０１に戻る。この
とき、固定鏡２３２または移動鏡２３１はそれぞれの光
軸に垂直な方向にずらして配置しておき、偏光ビームス
プリッタ２０１に戻ってきた参照光と測定光が同軸上に
重ならないようにする。

【０００８】偏光ビームスプリッタ２０１から出射し
た、参照光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´
の光および測定光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数
ｆ２´の光は、それぞれ波長選択素子２２４によって反
射される。波長選択素子２２４は、周波数ｆ３近傍の光
のみを透過し、それ以外の周波数の光を反射するもので
ある。

【０００９】波長選択素子２２４によって反射された、
参照光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光
と、測定光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´
の光は、それぞれ波長変換素子２７１、２７２に入射す
る。波長変換素子２７１、２７２では、周波数ｆ１´の
光と周波数ｆ２´の光のうち周波数の低いｆ１´の光が
波長変換され、周波数ｆ２″（＝２f1'）の光をそれぞ
れ生じる。このとき、周波数ｆ２″の光は、波長変換素
子に入射する周波数ｆ１´の光と位相が合致している。

【００１０】波長変換素子２７１、２７２で波長変換さ
れて生じた周波数ｆ２″の光は、波長変換素子２７０で
波長変換されて生じた周波数ｆ２´の光と干渉し、その
干渉光を光電変換素子３０２、３０３で受光する。この
干渉光は、同一光路を経てきた周波数ｆ１´の光と周波
数ｆ２´の光との、光路長差の情報を持っている。光電
変換素子３０２、３０３からの出力は、参照光路を通っ
た光による干渉信号４０２と、測定光路を通った光によ
る干渉信号４０３として位相分割器５０２に入力され
る。

【００１１】位相分割器５０２は、参照光路を通った光
による干渉信号４０２に対する測定光路を通った光によ
る干渉信号４０３との位相差の変化｛ΔＤ(f2')−ΔＤ
(f1')｝を求めて、その位相差変動信号４２２を処理装
置５１１に出力する。他方、測長用光源１０２より出射
する周波数がわずかに異なり偏光方位が直交する直交２
周波光（f3、f3'＝f3＋Δf3）は、波長選択素子２２３
を透過し、周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光と同一
の光路を通る。

【００１２】波長選択素子２２３を透過した２周波光は
偏光ビームスプリッタ２０１に入射する。ここで、偏光
ビームスプリッタ２０１は周波数ｆ３´の光と同一な偏
光方位の光を反射し、周波数ｆ３の光と同一な偏光方位
の光を透過するように配置されている。従って、偏光ビ
ームスプリッタ２０１に入射した２周波光のうち、周波
数ｆ３´の光は参照光として固定鏡２３２に向い、周波
数ｆ３の光は測定光として移動鏡２３１に向かう。

【００１３】その後は、周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２
´の光の参照光と測定光と同様にして偏光ビームスプリ
ッタ２０１を通り、波長選択素子２２４に入射する。上
記したように、波長選択素子２２４は周波数ｆ３近傍の
光を透過するので、周波数ｆ３、ｆ３´の光は透過し、
周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光と分離される。波
長選択素子２２４を透過した周波数ｆ３の光と周波数ｆ
３´の光は、偏光ビームスプリッタ２０２によって同一
光路上に結合される。

【００１４】偏光ビームスプリッタ２０２を出射した２
周波光は、偏光子２４１を透過することによって干渉す
る。なお、偏光子２４１は、例えば、偏光板を２周波光
の偏光方位と４５°傾けて配置することによって構成さ
れる。この干渉光は光電変換素子３０１で受光され、測
定信号４０１（周波数Δf3）として位相分割器５０１に
入力される。

【００１５】また、測長用光源１０２から出射した２周
波光の一部はビームスプリッタ２１１によって反射さ
れ、偏光子２４０を透過し、光電変換素子３００で受光
され、参照信号４００（周波数Δf3）として位相分割器
５０１に入力される。なお、偏光子２４０は偏光子２４
１と同様に２周波光を干渉させるためのものである。位
相分割器５０１は、参照信号４００に対する測定信号４
０１の位相変化を測定することによって移動鏡２３１の
変位ΔＤ(f3)を求め、変位信号４２１として処理装置５
１１に出力する。

【００１６】処理装置５１１は、位相分割器５０１、５
０２のそれぞれから出力された信号４２１、４２２を入
力し、次式を用いた屈折率変動を補正する演算を行な
い、移動鏡２３１の真の変位ΔＤを出力する。

【００１７】

【数５】

【００１８】ただし、Ａは

【００１９】

【数６】

【００２０】である。また、ΔＤ(f3)、ΔＤ(f1')、Δ
Ｄ(f2')については、

【００２１】

【数７】

【００２２】

【数８】

【００２３】

【数９】

【００２４】と表わされ、ここで、Ｎは媒質の密度、Ｋ
(f)は媒質の構成比が変わらなければ光の周波数ｆのみ
によって決まる関数である。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
装置は、測定対象の真の変位ΔＤを求めるために数５を
用いており、数５内のΔＤ(f3)を検出する遅れ時間、平
均化時間（または時定数）、検出値出力更新周期、演算
速度と、｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝を検出する遅れ時
間、平均化時間（または時定数）、検出値出力更新周
期、演算速度と、測定対象の変位速度との関係によって
は大きな誤差を生じてしまうという問題がある。特に、
測定対象の変位速度が大きいときに顕著な影響が現れ、
平均化時間（または時定数）および検出値出力更新周期
の差が誤差量に大きく効いてくる。 数５内のΔＤ(f3)
を検出する装置として、平均化時間（または時定数）は
ゼロとみなすことができ、検出値出力更新周期は0.1μs
を達成している製品が市販されている。一方、数５内の
｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝を検出する装置としては、高
い分解能が必要なため、平均化時間（または時定数）が
数十μs〜数十msであったり、検出値出力更新周期が１
μs〜数十msの製品しか入手できない。

【００２６】図７にΔＤとΔＤ(f3)とＡ｛ΔＤ(f2')−
ΔＤ(f1')｝の関係を示す。時間trにおける真の変位Δ
Ｄ(tr)は同一時間に測定されるΔＤ(f3,tr)とＡ｛ΔＤ
(f2',tr)−ΔＤ(f1',tr)｝を用いて、数５によって演算
すれば誤差はゼロとなる。図８に、｛ΔＤ(f2')−ΔＤ
(f1')｝を検出する装置として平均化時間taを有する装
置を測定に用いた場合のＡ｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝を
示す。

【００２７】時間trにおいて測定されるべき値Ａ｛ΔＤ
(f2',tr)−ΔＤ(f1',tr)｝に対して、実際の測定値ΔＸ
(tr)は時間tsから時間trまでの平均値となる。従って、
時間trにおける測定値を用いると演算結果には誤差Ｅta
が存在することになる。この誤差Ｅtaの大きさは、測定
範囲に媒質の密度変動（すなわち屈折率変動）が無く、
測定対象の移動速度を一定値Ｖとした場合次式で表わさ
れる。

【００２８】

【数１０】

【００２９】このとき平均化時間taを1ms、測定対象の
移動速度を0.4m/s、測定範囲の媒質を標準空気とし、周
波数ｆ３の光をHe-Neレーザ光（６３３ｎｍ）とすれ
ば、

【００３０】

【数１１】

【００３１】となり、約54nmの誤差を生じることにな
る。図９に、｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝を検出する装置
として検出値出力更新周期toを有する装置を測定に用い
た場合のＡ｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝を示す。ただし、
測定における平均化時間はゼロとする。時間tr0から時
間tr1までの間において、出力されるべき値Ａ｛ΔＤ(f
2',t)−ΔＤ(f1',t)｝に対して、実際の出力値はΔＸ(t
r0)で固定となる。従って、時間tr1において出力値が更
新される直前では、演算結果に誤差Ｅtoが存在すること
になる。

【００３２】この誤差Ｅtoの大きさは、測定範囲に媒質
の密度変動（すなわち屈折率変動）が無く、測定対象の
移動速度を一定値Ｖとした場合次式で表わされる。

【００３３】

【数１２】

【００３４】このとき出力更新周期toを100μs、測定対
象の移動速度を0.4m/s、測定範囲の媒質を標準空気と
し、周波数ｆ３の光をHe-Neレーザ光（６３３ｎｍ）と
すれば、

【００３５】

【数１３】

【００３６】となり、約11nmの誤差を生じることにな
る。実際には、平均化時間（または時定数）に起因する
誤差と、出力値更新周期に起因する誤差が複合された値
が測定値には含有される。従って、従来技術において
は、実時間測定という観点において、｛ΔＤ(f2')−Δ
Ｄ(f1')｝を検出する装置はΔＤ(f3)を検出する装置に
劣るため、ΔＤ(f3)を検出する装置の実時間特性を生か
しきることができなず、また、測定範囲の媒質に密度変
化が発生していない（すなわち屈折率変動がない）状況
でも、測定対象の移動速度に対して比例的な誤差が発生
するという問題がある。

【００３７】本発明の目的は、局所的な屈折率変動が発
生している場合であっても、屈折率変動に伴う測長誤差
を実時間で補正できる光波干渉測定装置を提供すること
にある。

【００３８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明においては、周波数ｆ１の第１の光と、前記
周波数ｆ１とは周波数の異なる周波数ｆ２の第２の光を
用いて、第２の光で検出した場合の測定対象の変位に相
当するΔＤ(f2)と、第１の光で検出した場合の前記測定
対象の変位に相当するΔＤ(f1)とで表される差｛ΔＤ(f
2)−ΔＤ(f1)｝を検出するための光学的手段と、周波数
ｆ３の第３の光を用いて、前記測定対象の変位ΔＤ(f3)
を検出するための光学的手段と、前記｛ΔＤ(f2)−ΔＤ
(f1)｝を検出し、ある時間tdにおける前記｛ΔＤ(f2)−
ΔＤ(f1)｝の検出結果ΔＸ(td)を出力する電気的手段
と、前記ΔＤ(f3)を検出し、ある時間trにおける前記Δ
Ｄ(f3)の検出結果ΔＤ(f3,tr)を出力する電気的手段
と、１以上であるｊ個の、ある連続する時間t1、t2、
…、tjにおける前記ΔＤ(f3)の連続する検出結果ΔＤ(f
3,t1)、ΔＤ(f3,t2)、…、ΔＤ(f3,tj)から、前記時間t
dにおけるΔＭ(td)を求める電気的手段と、前記検出結
果ΔＤ(f3,tr)とΔＸ(td)とΔＭ(td)と数１とを用い
て、前記時間trにおける前記測定対象の真の変位ΔＤ(t
r)を求める電気的手段とを有することを特徴とする光波
干渉測定装置が提供される。

【００３９】

【数１４】

【００４０】ただし、Ａは

【００４１】

【数１５】

【００４２】であり、ここで、Ｋ(f)は媒質の構成比が
変わらなければ光の周波数ｆのみによって決まる関数で
ある。

【００４３】

【作用】本発明では、｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出す
る装置の種類に応じた同期信号（例えば、｛ΔＤ(f2)−
ΔＤ(f1)｝を検出する装置からのタイミング信号等）を
用いて、時間的に連続な１つ以上のΔＤ(f3)の出力値を
サンプリングし、サンプリングされた複数の数値は、第
１の処理装置によって｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出し
て出力値を得る装置の内部処理方法に相当する演算（例
えば平均化処理等）が行なわれ、｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f
1)｝を検出する装置からの１つの出力値ΔＸ(tw)と同時
に扱う１つの演算値ΔＭ(tw)を作成する。

【００４４】第２の処理装置では、ΔＸ(tw)、ΔＭ(tw)
と、時間tnにおけるΔＤ(f3)の出力値であるΔＤ(f3,t
n)を用いて下記数１６により、時間tnにおける真の変位
ΔＤ´(tn)を演算して出力する。

【００４５】

【数１６】

【００４６】ただし、Ａは

【００４７】

【数１７】

【００４８】であり、ここで、Ｋ(f)は媒質の構成比が
変わらなければ光の周波数ｆのみによって決まる関数で
ある。図１０に、｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出する装
置として平均化時間taを有する装置を測定に用いた場合
の｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を示す。時間twにおいて出力
されるべき値｛ΔＤ(f2,tw)−ΔＤ(f1,tw)｝に対して、
実際の出力値ΔＸ(tw)は時間tw0から時間twまでの平均
値となる。従って、時間twにおける出力値ΔＸ(tw)は、
ある時間tw1における｛ΔＤ(f2,tw1)−ΔＤ(f1,tw1)｝
に等しく、演算に用いるＡ・ΔＸ(tw)は、Ａ・｛ΔＤ(f
2,tw1)−ΔＤ(f1,tw1)｝とおける。

【００４９】また、図１１にΔＤ(f3)の様子を示す。時
間twにおいて、本発明の第１の処理装置による演算値Δ
Ｍ(tw)は、出力値ΔＸ(tw)と同様に時間tw0から時間tw
までの平均値となっている。従って、時間twにおける演
算値ΔＭ(tw)は、出力値ΔＸ(tw)と同様にある時間tw1
におけるΔＤ(f3,tw1)に等しい。

【００５０】これらから、数１６を変形していく。この
とき、ΔＤ(f1,tw1)、ΔＤ(f2,tw1)、ΔＤ(f3,tw1)、Δ
Ｄ(f3,tn)については次のように変形できる。

【００５１】

【数１８】

【００５２】

【数１９】

【００５３】

【数２０】

【００５４】

【数２１】

【００５５】ここで、Ｎ(t)は時間ｔにおける媒質の密
度、ΔＤ(t)は時間ｔにおける真の変位を表わす。数１
６の中カッコ内の乗算Ａ・Δｘ（tw）は、次式のように
変形される。

【００５６】

【数２２】

【００５７】従って、数１６の｛１−Ａ・Δｘ（tw）／
ΔＭ（tw）｝は、次式となる。

【００５８】

【数２３】

【００５９】従って、数２３から数１６は次式に変形さ
れる。

【００６０】

【数２４】

【００６１】数２４は、時間tnと時間tw1における媒質
の密度、すなわちＮ(tn)とＮ(tw1)が等しければ、演算
で求めた変位ΔＤ´(tn)は誤差ゼロであることを証明し
ており、｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出する装置の性能
（平均化時間、出力更新周期）や測定対象の変位速度に
かかわらず数１６が有効であることを示している。ま
た、測定範囲の媒質の密度変動（すなわち屈折率変動）
は、通常数十Hz以下の変動速度であり大きい変動成分は
１０Hz以下にあるため、tnとtw1の時間差、すなわち、
｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出する装置として平均化時
間（あるいは時定数）および出力更新周期が少なくとも
１０ms以下の性能を有するものを使用すれば、本発明に
よって、局所的な屈折率変動が発生している場合であっ
ても、屈折率変動に伴う測長誤差を実時間で補正できる
光波干渉測定装置を提供できる。

【００６２】

【実施例】本発明による、気体の屈折率変動に伴う測長
誤差を実時間で補正することのできる光波干渉測定装置
の例を図１に示す。光学系部分９０１を説明する。屈折
率変動を測定する光源１０３からは周波数ｆ１の光と、
周波数ｆ２の光が出射される。ここで、周波数ｆ２は、
周波数ｆ１の２倍である。

【００６３】光源１０３を出射した周波数ｆ１の光は、
周波数シフタ３２１によって周波数ｆ１からわずかに周
波数のずれた周波数ｆ１´の光（f1'＝f1＋Δf1）とな
る。なお、周波数シフタ３２１は、例えば音響光学素子
等である。光源１０３を出射した周波数ｆ２の光は、周
波数シフタ３２２によって周波数ｆ２からわずかに周波
数のずれた周波数ｆ２´の光（f2'＝f2＋Δf2）とな
る。なお、周波数シフタ３２２は、例えば音響光学素子
等である。

【００６４】周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光は、
波長選択素子２２２によって同一光路上に結合される。
その後、波長選択素子２２３によって反射され、測長用
光源１０２から出射された周波数ｆ３の光および周波数
ｆ３´の光と同一光路を通る。なお波長選択素子２２３
は、周波数ｆ３近傍の光のみを透過し、それ以外の周波
数の光を反射するものである。

【００６５】波長選択素子２２３で反射された周波数ｆ
１´の光と周波数ｆ２´の光は偏光ビームスプリッタ２
０１に入射し、２つの光に分割される。ここで、偏光ビ
ームスプリッタ２０１で反射され固定鏡２３２に向かう
光を参照光と呼び、また、参照光の通る光路を参照光路
と呼ぶ。さらに、偏光ビームスプリッタ２０１を透過し
て移動鏡２３１に向かう光を測定光と呼び、測定光の通
る光路を測定光路と呼ぶ。なお、参照光および測定光は
光の偏光方位が直交関係にあり、どちらも周波数ｆ１´
の光と周波数ｆ２´の光を含んでいる。また、偏光ビー
ムスプリッタ２０１は光源側から入射する周波数ｆ１´
の光および周波数ｆ２´の光の偏光方位に対して４５°
傾けて配置されている。

【００６６】偏光ビームスプリッタ２０１で反射された
参照光は、コーナーキューブプリズムからなる固定鏡２
３２で反射された後、再び偏光ビームスプリッタ２０１
に戻る。他方、偏光ビームスプリッタ２０１を透過した
測定光も、移動ステージ６００上に配置されたコーナー
キューブプリズムからなる移動鏡２３１で反射され、偏
光ビームスプリッタ２０１に戻る。このとき、固定鏡２
３２または移動鏡２３１はそれぞれの光軸に垂直な方向
にずらして配置しておき、偏光ビームスプリッタ２０１
に戻ってきた参照光と測定光が同軸上に重ならないよう
にする。

【００６７】偏光ビームスプリッタ２０１から出射し
た、参照光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´
の光および測定光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数
ｆ２´の光は、それぞれ波長選択素子２２４によって反
射される。波長選択素子２２４は、周波数ｆ３近傍の光
のみを透過し、それ以外の周波数の光を反射するもので
ある。

【００６８】波長選択素子２２４によって反射された、
参照光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光
と、測定光路を通った周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´
の光は、それぞれビームスプリッタ２１２、２１３に入
射し、振幅分割される。ビームスプリッタ２１２、２１
３は、周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光の大部分を
透過し、残りを反射させるものである。

【００６９】ビームスプリッタ２１２、２１３を透過し
た、それぞれの周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光
は、周波数ｆ１´の光に対する１／２波長板２５１、２
５２を経て、波長変換素子２７１、２７２に入射する。
波長変換素子２７１、２７２では、周波数ｆ１´の光と
周波数ｆ２´の光のうち周波数の低いｆ１´の光の一部
が波長変換され、周波数ｆ２″（＝２f1'）の光をそれ
ぞれ生じる。このとき、周波数ｆ２″の光は、波長変換
素子に入射する周波数ｆ１´の光と位相が合致してい
る。また、波長変換素子２７１、２７２に入射する周波
数ｆ２´の光はそのまま波長変換素子２７１、２７２を
透過する。

【００７０】周波数ｆ１´の光に対する１／２波長板２
５１、２５２は、波長変換素子２７１、２７２におい
て、周波数ｆ１´の光が周波数ｆ２″の光に最も効率よ
く変換されるようにそれぞれ設定する。波長変換素子２
７１、２７２を出射した、それぞれの周波数ｆ１´の光
と周波数ｆ２´の光と周波数ｆ２″の光のうち、周波数
ｆ２´の光と周波数ｆ２″の光が波長選択素子２２５、
２２６を透過する。

【００７１】波長選択素子２２５、２２６を透過した、
それぞれの周波数ｆ２´の光と周波数ｆ２″の光は、偏
光子２４２、２４３を透過することによって干渉し、そ
の干渉光を光電変換素子３０２、３０３で受光する。こ
のとき偏光子２４２、２４３は、干渉信号が最大になる
ように設置する。また、この干渉信号は、同一光路を経
てきた周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光との、光路
長差の情報を持っている。

【００７２】光電変換素子３０２、３０３からの出力
は、参照光路を通った光による干渉信号４０２と、測定
光路を通った光による干渉信号４０３として位相分割器
５０３に入力される。ビームスプリッタ２１２、２１３
で反射された、それぞれの周波数ｆ１´の光は、波長選
択素子２２７、２２８によってそれぞれ反射され、光束
位置モニタ３１１、３１３に入射する。また、ビームス
プリッタ２１２、２１３で反射された、それぞれの周波
数ｆ２´の光は、波長選択素子２２７、２２８を透過
し、光束位置モニタ３１２、３１４に入射する。

【００７３】光束位置モニタ３１１、３１２、３１３、
３１４からの光束位置信号４１１、４１２、４１３、４
１４は処理装置５１３に入力される。光束位置モニタ３
１１、３１２、３１３、３１４は、レンズとその焦点付
近に置かれた４分割ディテクタ等のポジションセンサで
構成されており、各光束位置モニタに入射する光束の角
度または光束の角度変化に相当する、光束位置または光
束位置変化を検出するためのものである。

【００７４】他方、測長用光源１０２からは、周波数が
わずかに異なり偏光方位が直交する直交２周波光ｆ３と
ｆ３´（f3'＝f3＋Δf3）が出射される。直交２周波光
は波長選択素子２２３を透過し、周波数ｆ１´の光と周
波数ｆ２´の光と同一の光路を通る。波長選択素子２２
３を透過した直交２周波光は偏光ビームスプリッタ２０
１に入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ２０１は
周波数ｆ３´の光と同一な偏光方位の光を反射し、周波
数ｆ３の光と同一な偏光方位の光を透過するように配置
されている。従って、偏光ビームスプリッタ２０１に入
射した直交２周波光のうち、周波数ｆ３´の光は参照光
として固定鏡２３２に向い、周波数ｆ３の光は測定光と
して移動鏡２３１に向かう。

【００７５】その後は、周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２
´の光の参照光と測定光と同様にして偏光ビームスプリ
ッタ２０１を通り、波長選択素子２２４に入射する。上
記したように、波長選択素子２２４は周波数ｆ３近傍の
光を透過するので、周波数ｆ３、ｆ３´の光は透過し、
周波数ｆ１´の光と周波数ｆ２´の光と分離される。波
長選択素子２２４を透過した周波数ｆ３の光と周波数ｆ
３´の光は、偏光ビームスプリッタ２０２によって同一
光路上に結合される。

【００７６】偏光ビームスプリッタ２０２を出射した直
交２周波光は、偏光子２４１を透過することによって干
渉する。なお、偏光子２４１は、例えば、偏光板を直交
２周波光の偏光方位と４５°傾けて配置することによっ
て構成される。この干渉光は光電変換素子３０１で受光
され、測定信号４０１（周波数Δf3）として位相分割器
５０１に入力される。

【００７７】また、測長用光源１０２から出射した直交
２周波光の一部はビームスプリッタ２１１によって反射
され、偏光子２４０を透過し、光電変換素子３００で受
光され、参照信号４００（周波数Δf3）として位相分割
器５０１に入力される。なお、偏光子２４０は偏光子２
４１と同様に直交２周波光を干渉させるためのものであ
る。

【００７８】また、環境測定器５５０が移動ステージ６
００と偏光ビームスプリッタ２０１の間近傍に設置され
ており、気温、気圧、水蒸気分圧を測定し、環境信号４
８１として処理装置５１３に入力する。さらに、環境測
定器５５０では、二酸化炭素濃度を測定する機能を有す
るものもある。尚、環境測定機は、例えば市販のエアセ
ンサを用いることができる。

【００７９】また、本実施例の光波干渉測定装置におい
て、より正確に屈折率変動を測定するためには、測定光
および参照光のそれぞれについて、測長用の周波数ｆ３
の光と、屈折率変動測定用の周波数ｆ１、周波数ｆ２の
光と、を波長選択素子２２４で分離した後の光路、すな
わち、周波数ｆ３の光においては波長選択素子２２４か
ら偏光ビームスプリッタ２０２の間の光路、周波数ｆ１
の光と周波数ｆ２の光においては波長選択素子２２４か
ら波長変換素子２７１、２７２の間の光路の屈折率変動
をできるだけ小さくすることが望ましい。このために
は、例えば、上記の光路を、チューブでカバーする構成
にしたり、光学素子間隔をできるだけ短くするような光
学系の配置にすることが好ましい。

【００８０】電気系部分９５１を説明する。位相分割器
５０３は、参照光路を通った周波数ｆ２´の光と周波数
ｆ１´が変換されたｆ２″の光による干渉信号４０２
と、測定光路を通った周波数ｆ２´の光と周波数ｆ１´
が変換されたｆ２″の光による干渉信号４０３が入力さ
れ、干渉信号４０２に対する干渉信号４０３の位相変化
Δφ２を測定する。この位相変化Δφ２は、ある瞬間に
おける｛ΔＤ(f2')−ΔＤ(f1')｝の位相変化測定値を表
わしている。

【００８１】位相分割器５０３の実際の出力は、時間的
に連続した複数の瞬間測定値（Δφ２）から作られる１
つの出力位相変化Δρであり、位相差変動信号４２３と
して処理装置５１３に出力する。処理装置５１３では、
移動鏡２３１の周波数ｆ２´の光と周波数ｆ１´の光に
よる変位の差ΔＸを求めるために具体的には、数２５の
演算を行なう。

【００８２】

【数２５】

【００８３】ただし、ｃは光速である 位相分割器５０１は、周波数ｆ３の光による参照信号４
００と測定信号４０１が入力され、参照信号４００に対
する測定信号４０１の位相変化Δφ３を測定し、変位位
相信号４２１、４６１としてそれぞれ処理装置５１３、
５１２に出力する。処理装置５１３では、移動鏡２３１
の周波数ｆ３の光による変位ΔＤ(f3)を求めるために具
体的には、数２６の演算を行なう。

【００８４】

【数２６】

【００８５】ただし、ｃは光速である 処理装置５１２は、位相分割器５０３からのタイミング
信号４４１ごとに、位相分割器５０１からの変位位相信
号４６１（Δφ３）をサンプリングし記憶する。記憶さ
れた時間的に連続な１つ以上の複数の数値は、位相分割
器５０３における時間的に連続な１つ以上のある瞬間に
おける位相変化測定値（Δφ２）から作られる１つの出
力位相変化Δρを得る内部処理方法に相当する演算が行
なわれ、位相分割器５０３からのある時間twにおける１
つの出力値Δρ(tw)と同時に扱う１つの演算値Δδ(tw)
を作成し、変位位相平均化信号４６２として処理装置５
１３に出力する。

【００８６】処理装置５１３では、Δδ(tw)から変位に
相当するΔＭ(tw)を求めるために具体的には、数２７の
演算を行なう。

【００８７】

【数２７】

【００８８】ただし、ｃは光速である 処理装置５１２における演算値Δδ(tw)の作成方法は、
位相分割器５０３の内部処理方法によって異なるが、大
略以下のように作成する。位相分割器５０３が１つ以上
であるｉ個の時間的に連続した複数の瞬間測定値を用い
て１つの出力値Δρを得るものであれば、タイミング信
号４４１は、瞬間測定値をサンプリングする信号と同じ
時間で変位位相信号４６１をサンプリングする信号であ
る。このとき、サンプリングする位相分割器５０１から
の変位位相信号４６１（Δφ３）の個数は当然ｉ個とな
る。

【００８９】また、位相分割器５０３として、ある連続
した時間範囲txにおける複数のアナログ測定値を用いて
１つの出力値Δρを得るものであれば、固定クロックCL
Kなどをタイミング信号４４１に用いることができる。
このとき、サンプリングする位相分割器５０１からの変
位位相信号４６１（Δφ３）の個数は、時間範囲txを固
定クロックCLKの周期で割った数などとおける。

【００９０】図１２に示すように、記憶されたｉ個の変
位位相信号Δφ３(1)、Δφ３(2)、…、Δφ３(i)は、
それぞれに対応する重み関数ｇ(1)、ｇ(2)、…、ｇ(i)
と乗算され、加算されて１つの出力する演算値Δδ(tw)
となる。ここで、重み関数ｇ(1)、ｇ(2)、…、ｇ(i)
は、位相分割器５０３の内部処理方法によって決まり、
例えば単純平均化処理を行なうものであれば、重み関数
は全て１／ｉと設定しておく。また、サンプリングされ
るｉ個の信号のうち、新しくサンプリングされるものほ
ど重みづけを大きくしても良い。

【００９１】演算値Δδ(tw)の次の出力値は、記憶され
ていた変位位相信号Δφ３(1)を破棄し、ｋ番目の値Δ
φ３(k)を（ｋ−１）番目の値Δφ３(k-1)としてΔφ３
(1)、Δφ３(2)、…、Δφ３(i-1)を設定し、新たにサ
ンプリングされる変位位相信号をΔφ３(i)として、後
は重み関数を用いた同様の演算を行なう。処理装置５１
３では、時間twにおける位相差変動信号４２３（Δρ(t
w)）、変位位相平均化信号４６２（Δδ(tw)）と、時間
tnにおける変位位相信号４２１（Δφ３(tn)）が入力さ
れ、数２５、数２７、数２６によって、それぞれの信号
はΔＸ(tw)、ΔＭ(tw)、ΔＤ(f3,tn)へと演算され、さ
らに下記数２８により、時間tnにおける真の変位ΔＤ(t
n)を演算する。

【００９２】

【数２８】

【００９３】ただし、Ａは

【００９４】

【数２９】

【００９５】であり、ここで、Ｋ(f)は媒質の構成比が
変わらなければ光の周波数ｆのみによって決まる関数で
ある。また処理装置５１３は、ΔＸ(tw)と、時間tnにお
けるΔＤ(f3)の出力値であるΔＤ(f3,tn)を用いて下記
数３０により、時間tnにおける真の変位ΔＤ(tn)を演算
する。

【００９６】

【数３０】

【００９７】ただし、Ａは数２９における値と等しい。
また処理装置５１３は、数２８における｛１−Ａ・ΔＸ
(tw)／ΔＭ(tw)｝の初期値としてＢを持っている。初期
値Ｂの値は、予め設定あるいは測定しておいた光学系の
設定環境条件である、気温Ｔ、気圧Ｐ、水蒸気分圧Ｆ、
二酸化炭素濃度Ｃなどによって決定される。具体的には
例えば、B.Edlen"The Refractive Index of Air"Metrol
ogia Vol.2,No.2,(1966)P71に開示されている式を用い
て次のように設定する。

【００９８】

【数３１】

【００９９】

【数３２】

【０１００】これによって、時間tnにおける真の変位Δ
Ｄ(tn)は数３３によって演算される。

【０１０１】

【数３３】

【０１０２】また処理装置５１３は、数２８における
｛１−Ａ・ΔＸ(tw)／ΔＭ(tw)｝の初期値としてＢｍ
を、環境測定器５５０から入力される環境信号４８１で
ある、気温、気圧、水蒸気分圧さらに二酸化炭素濃度か
ら設定できる。初期値Ｂｍの決定方法は初期値Ｂの決定
方法と同様であるが、気温Ｔ、気圧Ｐ、水蒸気分圧Ｆ、
二酸化炭素濃度Ｃの値として、環境測定器５５０による
実測値を用いている。

【０１０３】これによって、時間tnにおける真の変位Δ
Ｄ(tn)は数３４によって演算される。

【０１０４】

【数３４】

【０１０５】また処理装置５１３は、数２９におけるＡ
の初期値としてＡｍを、環境測定器５５０から入力され
る環境信号４８１である、気温、気圧、水蒸気分圧さら
に二酸化炭素濃度から設定できる。具体的には、気温
Ｔ、気圧Ｐ、水蒸気分圧Ｆ、二酸化炭素濃度Ｃの値とし
て、環境測定器５５０による実測値を用い、数３２にお
いてｆ３にｆ１´、ｆ２´を代入して求めた、ｎ(f
1')、ｎ(f2')、ｎ(f3)と数３５から初期値Ａｍを決定す
る。

【０１０６】

【数３５】

【０１０７】この初期値Ａｍを数２８、数３０に代入し
て時間tnにおける真の変位ΔＤ(tn)を求める機能を有し
ている。また、このＡｍは環境測定機５５０から出力さ
れる環境信号４８１を用いずに、上述の初期値Ｂを決定
する場合と同様に、予め設定あるいは測定した気温Ｔ、
気圧Ｐ、水蒸気分圧Ｆ、二酸化炭素濃度Ｃの値を用いて
もよい。

【０１０８】また処理装置５１３は、数２８、数３０、
数３３、数３４によって求めた時間tnにおけるそれぞれ
の真の変位ΔＤ(tn)を切り替えて出力することができ
る。また、処理装置５１３は、求めた時間tnにおいての
真の変位ΔＤ(tn)と、変位ΔＤ(f3,tn)と、数３６とを
用いて、光路中の周波数ｆ３の光に対する時間tnにおい
ての平均屈折率ｎ(f3,tn)を求める。

【０１０９】

【数３６】

【０１１０】さらに処理装置５１３は、光束位置モニタ
３１１、３１２、３１３、３１４からの光束位置信号４
１１、４１２、４１３、４１４を使用して、光束の角度
または光束の角度変化によって発生する測定誤差を補正
することができる。本発明による別の実施例を図２に示
す。これは、周波数ｆ３の光が周波数ｆ１の光と等しい
場合の実施例であり、図１と異なる部分のみを説明す
る。

【０１１１】光源部１００は、図３に示される構成であ
る。図３の光源１０４は例えばヨウ素の吸収線を利用し
た周波数安定化レーザであり、内部には波長変換素子等
が配置されている。光源１０４からは周波数ｆ１の光７
０１と、周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の光７５１が出
射される。周波数ｆ１の光７０１は、１／２波長板２５
３によりその偏光方位が自由に変えられるようになって
いる。１／２波長板２５３を通過した光７０１は、偏光
ビームスプリッタ２０２により、紙面と垂直な偏光方位
（以下、ｓ偏光）を持つ光７０２と、紙面と平行な偏光
方位（以下、ｐ偏光）を持つ光７０３に分けられる。こ
のとき、１／２波長板２５３を回転させることで、ここ
では光７０２に対して光７０３の強度が約１００倍とな
るようにした。

【０１１２】この強度比は、光源１０４から出射される
周波数ｆ１の光強度、波長変換素子２７１、２７２の変
換効率、測長用光電変換素子３０４、３０５と屈折率変
動測定用光電変換素子３０２、３０３の光検出感度、各
光路における光学素子による強度損失等によって決定さ
れる。一般に、波長変換素子の変換効率は数％以下であ
り、光電変換素子３０４と光電変換素子３０５、および
光電変換素子３０２と光電変換素子３０３に入力する入
射光強度を同程度にするためにここでは上記のような分
割比とした。

【０１１３】光７０２および光７０３は、それぞれ周波
数シフタ３２３、３２４により、それぞれわずかに異な
った周波数シフトを受け、周波数ｆ11（＝f1＋Δf1）を
持った光７０４と、周波数ｆ12（＝f1＋Δf1’）を持っ
た光７０５となる。なお、周波数シフタ３２３、３２４
は、例えば音響光学素子等である。光７０４、７０５は
偏光ビームスプリッタ２０３でほぼ同軸になるように結
合され、ビームスプリッタ２１４で２つの偏光方位の光
７０４、７０５ともに一部が反射され（光７０６、光７
０７）、偏光子付きの光電変換素子３０４に入力され
る。なお、不図示の偏光子の偏光方位は光７０６、７０
７に対して４５°となるように配置され、光７０６、７
０７は偏光子を通過することにより干渉し、光電変換素
子３０４で受光される。

【０１１４】光電変換素子３０４からの出力は、参照信
号４０４（周波数[Δf1−Δf1']）として位相分割器５
０１に入力される。ここで、参照信号４０４を得る方法
としては図４に示すようにしても良い。図３では、光７
０４と光７０５との干渉光から参照信号４０４を得てい
るのに対して、図４では周波数シフタ３２３、３２４を
駆動するために周波数シフタドライバ５２１から出力さ
れる駆動周波数の差を取り出し、参照信号４０４として
用いている。なお、図４におけるその他の構成は図３と
同様である。

【０１１５】一方、周波数ｆ２の光７５１は波長シフタ
３２５に入射し、Δｆ１、Δｆ１´の２倍の周波数とは
異なる波長シフトを受け、周波数ｆ21（＝ｆ2＋Δｆ2）
を持つｐ偏光の光７５２となる。ビームスプリッタ２１
４を透過した光７０８、光７０９と光７５２は、波長選
択素子２６１により３つの光がほぼ同軸になるように調
整され、図２の偏光ビームスプリッタ２０４に向かう。

【０１１６】偏光ビームスプリッタ２０４に入射した３
つの光７５２、７０８、７０９のうち、ｐ偏光の周波数
ｆ12の光７０８および周波数ｆ21の光７５２は偏光ビー
ムスプリッタ２０４によりその強度の約１／４を反射し
（光７１０：周波数ｆ12、光７５３：周波数ｆ21）、光
７０８、７５２の残りの光とｓ偏光の光７０９は透過す
る（光７１４：周波数ｆ11、光７１５：周波数ｆ12、光
７５７：周波数ｆ21）。

【０１１７】また、この偏光ビームスプリッタ２０４の
代わりにビームスプリッタを用いても良い。この時は反
射光側に偏光ビームスプリッタを配置し、不必要なｓ偏
光の光を減衰すればよい。また、ビームスプリッタで反
射される光と透過する光の比率も適当な値とすることが
必要である。偏光ビームスプリッタ２０４で反射した周
波数ｆ21の光７５３、周波数ｆ12の光７１０は、図１に
おける波長選択素子２２４で反射される参照光路を通っ
た周波数ｆ２´の光、周波数ｆ１´の光にそれぞれ相当
する。従って光７５３、７１０は、この後図１の参照光
路を通った周波数ｆ１´、ｆ２´の光と同様の作用を受
けて光位置モニタ３１１、３１２及び光電変換素子３０
２に入射する。そのため、ここでは図１と同じ構成要素
については同じ符号を付して途中の説明を省略する。

【０１１８】光電変換素子３０２からの出力は、屈折率
変動測定の参照信号である干渉信号４０２として位相分
割器５０３に入力される。光束位置モニタ３１１、３１
２からの光束位置信号４１１、４１２は処理装置５１３
に入力される。一方、偏光ビームスプリッタ２０４を透
過した３つの光７１４（周波数ｆ11）、光７１５（周波
数ｆ12）、光７５７（周波数ｆ21）は干渉部２００に入
射する。この干渉部２００の具体的な構成は図５に示
す。

【０１１９】光７１４、７１５、７５７は偏光ビームス
プリッタ２０５に入射し、ｓ偏光を持つ光７１４だけが
参照光路に反射され、光７１６となる。このとき、偏光
ビームスプリッタ２０５ではｐ偏光である光７１５、７
５７は理想的には反射されないが、実際には偏光ビーム
スプリッタの精度に応じてｐ偏光の光も反射される。こ
こで、光電変換素子３０３に入射して屈折率変動測定の
誤差要因となる、偏光ビームスプリッタ２０５で反射し
たわずかな周波数ｆ21の光７５７は、波長選択素子２６
２で除去される。反射した周波数ｆ11の光７１６は周波
数ｆ11の光に対応する１／４波長板２５３を透過し、固
定鏡２３３によりほぼ同軸で反射され再び１／４波長板
２５３を透過する。このとき、周波数ｆ11の光７１６は
１／４波長板２５３を２度通過することによって、その
偏光方位は９０度回転するためｐ偏光となって偏光ビー
ムスプリッタ２０５、２０６を通過する。その後、波長
選択素子２６３を透過し、コーナーキューブ２３５で反
射された後、再び偏光ビームスプリッタ２０６、２０５
を透過して参照光路に入射する。再度参照光路に入射し
た光７１６は固定鏡２３３で反射し、上述と同様に１／
４波長板２５３を２度通過することによって、偏光方位
が９０度回転してｓ偏光として偏光ビームスプリッタ２
０５に戻ってくる。そして、光７１６は偏光ビームスプ
リッタ２０５で反射され図２の偏光ビームスプリッタ２
０８へ出射する（光７１８）。ここで、参照光路は屈折
率の変動をモニタしないため、光路全体をエアチューブ
８００で覆うことにより、参照光路上で生じる局所的な
屈折率変動を抑えるようにしてある。

【０１２０】一方、偏光ビームスプリッタ２０５を透過
した周波数ｆ21の光７５８、周波数ｆ12の光７１７は、
周波数ｆ21の光と周波数ｆ12の光の２つの周波数の光に
対応する１／４波長板２５４を透過し、移動鏡２３４で
反射され、再度１／４波長板２５４を透過することによ
って偏光方位が９０度回転してｓ偏光となり、偏光ビー
ムスプリッタ２０５で反射される。偏光ビームスプリッ
タ２０５で反射された光７５８、７１７は、偏光ビーム
スプリッタ２０６、２０７で反射され、コーナーキュー
ブ２３６に入射する。光７５８、７１７はコーナーキュ
ーブ２３６で反射され、再度偏光ビームスプリッタ２０
７、２０６、２０５で反射され測長光路へ入射する。測
長光路に再度入射した光７５８、７１７は１／４波長板
２５４を透過した後、移動鏡２３４で反射され、再度、
１／４波長板２５４を透過することによって偏光方位が
９０度回転してｐ偏光となり、偏光ビームスプリッタ２
０５を透過する。

【０１２１】また、偏光ビームスプリッタ２０６を透過
してコーナーキューブ２３５に向かう周波数ｆ21の光７
５８は、光電変換素子３０３に入射して屈折率変動測定
の誤差要因となるので波長選択素子２６３で除去する。
上述の通り、偏光ビームスプリッタ２０５、２０６、２
０７によって、参照光路および測長光路を通る光は数回
透過或いは反射されるため、１つの偏光ビームスプリッ
タの消光比が悪くても最終的に偏光ビームスプリッタ２
０５から出射する光７１８、７１９、７５９の偏光方位
は偏光ビームスプリッタ２０５が理想的な場合に近づく
ため測定精度を向上させることができる。

【０１２２】上述のようにして参照光路および測長光路
をそれぞれ２回通ったそれぞれの光はほぼ同軸となり偏
光ビームスプリッタ２０８へ出射される（光７１８：周
波数ｆ11、光７１９：周波数ｆ12、光７５９：周波数ｆ
21）。偏光ビームスプリッタ２０８は周波数ｆ１近傍の
光のｐ偏光に対してのみ消光比が悪くなるように設計さ
れており、ｓ偏光の周波数ｆ11の光７１８と、ｐ偏光の
周波数ｆ12の光７１９の一部の光７２１を透過し、透過
した２つの光（光７２０、７２１）は偏光子付きの光電
変換素子３０５に入射する。なお、周波数ｆ１近傍の光
のｐ偏光に対する偏光ビームスプリッタ２０８の消光比
は、光７２１に対して光７２２の強度が１００倍程度と
なるように設計されている。ここで、周波数ｆ１の光に
よる移動鏡２３４の変位測定の誤差要因となる、偏光ビ
ームスプリッタ２０８を透過する周波数ｆ21の光７５９
は、波長選択素子２６４で除去される。

【０１２３】光７２０と光７２１は偏光子を通過するこ
とによって干渉し、光電変換素子３０５で受光される。
光電変換素子３０５からの出力は、移動鏡の変位および
測長光路の屈折率変動の影響を受けた測定信号４０５
（周波数[Δf1−Δf1']）として位相分割器５０１に入
力される。ここで、偏光ビームスプリッタ２０８の光学
薄膜設計が難しく製造が困難な場合は、ビームスプリッ
タと偏光ビームスプリッタで代用することができる。こ
の時は図２の偏光ビームスプリッタ２０８の位置にビー
ムスプリッタを置き、反射側（光電変換素子３０３側）
に誤差光となる光７１８を減衰するように偏光ビームス
プリッタを配置すればよい。

【０１２４】偏光ビームスプリッタ２０８で反射した周
波数ｆ21の光７６０、周波数ｆ12の光７２２は、図１に
おける波長選択素子２２４で反射される、測定光路を通
った周波数ｆ２´の光、周波数ｆ１´の光に光にそれぞ
れ相当する。従って光７６０、７２２は、この後図１の
測定光路を通った周波数ｆ１´、ｆ２´の光と同様の作
用を受けて光位置モニタ３１３、３１４及び光電変換素
子３０３に入射する。そのため、ここでは図１と同じ構
成要素については同じ符号を付して途中の説明を省略す
る。

【０１２５】光電変換素子３０３からの出力は、屈折率
変動測定の測定信号である干渉信号４０３として位相分
割器５０３に入力される。光束位置モニタ３１３、３１
４からの光束位置信号４１３、４１４は処理装置５１３
に入力される。さらに干渉系の測長光路上以外で受ける
余分な屈折率変動の影響を極力抑えるために、エアチュ
ーブ等で覆ってもよい。つまり偏光ビームスプリッタ２
０４で反射したあと光電変換素子までの光路上や、偏光
ビームスプリッタ２０８で分けられた先の光路上など、
波長選択素子２６１で３波長の光が同軸になった後いず
れかの光が分離された光路上（参照光路および測長光路
をのぞく）をエアチューブ等で覆うことでさらに高精度
に測定を行なうことができる。また、エアチューブ内を
減圧し、エアチューブ内の屈折率の変動を低減させるこ
とによって、更に測定精度を向上させても良い。

【０１２６】先ほど周波数の低い方の光で同時に測長を
行なうと書いたが、原理的には周波数の高い方の光でも
測長を行うことができる。この時は先ほどとは逆に、参
照光路に周波数の高い方の光のみを通すことになる。電
気系部分９５１は、位相分割器５０１に入力される信号
が参照信号４０４と測定信号４０５となるだけで、前に
述べた内容と全く同様の動作をするので説明を省略す
る。

【０１２７】電気系部分９５１は、光学系部分９０１、
９０２に関してのみ接続する実施例を示したが、それに
限らず、周波数ｆａの光と、周波数ｆａとは周波数の異
なる周波数ｆｂの光を用いて、周波数ｆａの光で検出し
た場合の測定対象の変位に相当するΔＤ(fa)と、周波数
ｆｂの光で検出した場合の測定対象の変位に相当するΔ
Ｄ(fb)とで表される差｛ΔＤ(fb)−ΔＤ(fa)｝を検出す
るための光学的手段と、周波数ｆｃの光を用いて、前記
測定対象の変位ΔＤ(fc)を検出するための光学的手段を
備えたものであれば本発明は適用できる。

【０１２８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明により、
局所的な屈折率変動が発生している場合であっても、空
気屈折率変動に伴う測長誤差を実時間で補正し、精度よ
く測長を行うことのできる光波干渉測定装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例を示す概略構成図

【図２】本発明による第２の実施例を示す概略構成図

【図３】本発明による第２の実施例の光源部を示す概略
構成図

【図４】本発明による第２の実施例の光源部の別の形態
を示す概略構成図

【図５】本発明による第２の実施例の干渉部を示す概略
構成図

【図６】光波干渉測定装置を示す概略構成図

【図７】真の変位と測長値と屈折率変動測定値の関係を
示す概念図

【図８】図６の光波干渉測定装置による平均化時間の影
響を示す概念図

【図９】図６の光波干渉測定装置による検出値出力更新
周期の影響を示す概念図

【図１０】本発明による平均化時間の影響を示す概念図

【図１１】本発明による第１の処理装置の出力を示す概
念図

【図１２】本発明による第１の処理装置の動作を示す概
念図

【符号の説明】

１０１〜１０４：光源 ２０１〜２０８：偏光ビームスプリッタ ２１１〜２１４：ビームスプリッタ ２２１〜２２８、２６１〜２６４：波長選択素子 ２３１〜２３６：ミラー ２４１〜２４３：偏光子 ２５１〜２５４：波長板 ２７０〜２７２：波長変換素子 ３００〜３０５：光電変換素子 ３１１〜３１４：光束位置モニタ ３２１〜３２５：周波数シフタ ５０１〜５０３：位相分割器 ５１１〜５１３：処理装置 ６００：移動ステージ ８００：エアチューブ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数ｆ１の第１の光と、前記周波数ｆ１
   とは周波数の異なる周波数ｆ２の第２の光を用いて、第
   ２の光で検出した場合の測定対象の変位に相当するΔＤ
   (f2)と、第１の光で検出した場合の前記測定対象の変位
   に相当するΔＤ(f1)とで表される差｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f
   1)｝を検出するための光学的手段と、 周波数ｆ３の第３の光を用いて、前記測定対象の変位Δ
   Ｄ(f3)を検出するための光学的手段と、 前記｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出し、ある時間tdにお
   ける前記｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝の検出結果ΔＸ(td)を
   出力する電気的手段と、 前記ΔＤ(f3)を検出し、ある時間trにおける前記ΔＤ(f
   3)の検出結果ΔＤ(f3,tr)を出力する電気的手段と、 １以上であるｊ個の、ある連続する時間t1、t2、…、tj
   における前記ΔＤ(f3)の連続する検出結果ΔＤ(f3,t
   1)、ΔＤ(f3,t2)、…、ΔＤ(f3,tj)から、前記時間tdに
   おけるΔＭ(td)を求める電気的手段と、 前記検出結果ΔＤ(f3,tr)とΔＸ(td)とΔＭ(td)と数１
   とを用いて、前記時間trにおける前記測定対象の真の変
   位ΔＤ(tr)を求める電気的手段とを有することを特徴と
   する光波干渉測定装置。 【数１】 ただし、Ａは 【数２】 であり、ここで、Ｋ(f)は媒質の構成比が変わらなけれ
   ば光の周波数ｆのみによって決まる関数である。
2. 【請求項２】請求項１において、前記数１内の｛１−Ａ
   ・ΔＸ(td)／ΔＭ(td)｝の値として、予め求めた初期値
   を有することを特徴とする光波干渉測定装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記光波干渉測定装置
   は環境測定手段をさらに有し、前記数１内の｛１−Ａ・
   ΔＸ(td)／ΔＭ(td)｝の値として用いる前記初期値は、
   前記環境測定手段によって測定された測定値を用いて定
   められることを特徴とする光波干渉測定装置。
4. 【請求項４】請求項２または３において、前記光波干渉
   測定装置は、前記数１内の｛１−Ａ・ΔＸ(td)／ΔＭ(t
   d)｝の値として用いる予め求めた前記初期値と、前記光
   波干渉測定装置による検出結果ΔＸ(td)とΔＭ(td)から
   演算した｛１−Ａ・ΔＸ(td)／ΔＭ(td)｝とのいずれか
   一方を選択して測定に用いる選択手段を有することを特
   徴とする光波干渉測定装置。
5. 【請求項５】請求項１、２、３または４において、前記
   光波干渉測定装置は、前記検出結果ΔＤ(f3,tr)とΔＸ
   (td)と数３とを用いて、ある時間trにおける前記測定対
   象の真の変位ΔＤ(tr)を求める手段とをさらに有するこ
   とを特徴とする光波干渉測定装置。 【数３】
6. 【請求項６】請求項５において、前記光波干渉測定装置
   は、前記数１による値と、前記数３による値とのいずれ
   か一方を選択して、該選択された値をある時間trにおけ
   る前記測定対象の真の変位ΔＤ(tr)とする選択手段をさ
   らに有することを特徴とする光波干渉測定装置。
7. 【請求項７】請求項１乃至６のいずれか１つにおいて、
   前記ΔＤ(f3)を検出するための光学的手段は、第１の干
   渉光学系により構成され、 前記｛ΔＤ(f2)−ΔＤ(f1)｝を検出するための光学的手
   段は、第２の干渉光学系により構成されていることを特
   徴とする光波干渉測定装置。
8. 【請求項８】請求項７において、前記第２の干渉光学系
   の光路は、前記第１の干渉光学系の光路の少なくとも一
   部と重なっていることを特徴とする光波干渉測定装置。
9. 【請求項９】請求項１において、前記第３の光を用いて
   検出した時間trにおける変位ΔＤ(f3,tr)と、前記時間t
   rにおける真の変位ΔＤ(tr)と、数４とを用いて、前記
   第３の光の光路中の前記第３の光に対する時間trにおい
   ての平均屈折率ｎ(f3,tr)を求める手段をさらに有する
   ことを特徴とする光波干渉測定装置。 【数４】
10. 【請求項１０】請求項１乃至９のいずれか１つにおい
    て、前記周波数ｆ３の第３の光は、前記周波数ｆ１の第
    １の光または前記周波数ｆ２の第２の光と等しいことを
    特徴とする光波干渉測定装置。
11. 【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれか１つにおい
    て、前記Ａの値として、予め求めた初期値を有すること
    を特徴とする光波干渉測定装置。
12. 【請求項１２】請求項１１において、前記光波干渉測定
    装置は環境測定手段をさらに有し、前記Ａの値として用
    いる初期値は、前記環境測定手段によって測定された測
    定値を用いて定められることを特徴とする光波干渉測定
    装置。
13. 【請求項１３】請求項１１または１２において、前記光
    波干渉測定装置は、前記Ａの値として、前記初期値と、
    前記数２で求められる値と、のいずれか一方を選択して
    測定に用いる選択手段を有することを特徴とする光波干
    渉測定装置。