JPS6021783Y2 - 光線の波長測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は波長測定装置に関し、詳細には単色放射の波長
を測定する干渉計を用いた波長測定装置に関する。

従来の光学干渉縞計数方法はマイケルスンの干渉計を用
いている。

このマイケルスンの干渉計では光学経路長はこの干渉計
装置中に反射素子を含んだ光学キャリッジを移動するこ
とによ変えられる。

ファブリ ペロー干渉計は、例えばクラーン（Ｃｒａｎ
ｅ）に対する米国特許第３８２４０１８号により述べら
れているように、依然としてコヒーレント放射の研究に
広く用いられている。

しかし、このクラーンの特許では、空間干渉パターンが
形成されない限りは種々の入射角によりファブリペロー
エタロンを回転する必要がある。

波長測定は相対測定として得られた周波数パターンを用
いてなし得るけれども、この方法はエタロンの移動を必
要としまた正確に波長を測定するために干渉計パターン
の空間周波数（周期）と位相との両方を用いてはいない
。

本考案の目的は、移動光学素子を用いることを要求せず
にフィゾー干渉計を用いて光線の波長を正確に決定する
装置を提供することである。

本考案の別の目的は、フィゾー干渉計からの干渉計パタ
ーンの空間周期及び位相を測定することにより単色放射
光線の波長を決定する装置を提供することである。

更に、本考案の別の目的は、放射波長の連続続出しを行
なうためにレーザ等の波長を実時間でモニタする装置を
提供することである。

更に、本考案の目的は、調節できるレーザの波長を自動
的に測定し制御する監視及び制様装置を提供することで
ある。

本考案の前述及び他の目的は以下に図面を参照して詳細
に説明される。

第１図は本考案の波長測定装置のブロック図を示す。

この装置は、例えばレーザ装置のような単色光源の波長
を決定するために用いられる。

このレーザはパレス波あるいは連続波であり、可調整型
である。

この波長測定装置は実時間てレーザからの光の波長を決
定するために使用され、そのため、この装置は他の目的
に対して同時に使用中のレーザのモニタとして使用でき
る。

従って、部分反射鏡４は可変減衰器７を通って波長測定
装置に光線５の一部分６を集束するように配置されてい
る。

波長測定装置はハウジング８内に納められており、この
ハウジング８は本装置における種々の光学要素を収納し
、”干渉計と光電検出アレイとを外部の光源から分離す
る。

ハウジング８に送られた光線６の部分は鏡１０を介して
対物レンズ１２へ向けられる。

この対物レンズ１２は簡単な顕微鏡の対物レンズであり
、光線を空間フィル他として機能しているプレート１２
の小開口にある点焦点に集める。

この開口は例えば１−１０ミクロンの大きさである。

色消しくａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ）接眼レンズ１４はプ
レート１２から１焦点長はなれて配置されフィゾー干渉
計１６の方向に向けられた平行光線を発生する。

このフィゾー干渉計は、２つの光学的に平らなプレート
１８及び２０から戊り、これらは多数のスペーサ２２−
２６により互いに間隔を置いて並べなれている。

スペーサ２２−２６はプレート１８と２０との間に楔形
の角度及び間隔を与える。

この楔角はαと定義され、通常は円弧の２峨の大きさで
ある。

この間隔の公称厚さは１ｒＩｒＩｒＬである。

第１図において、楔角は例示のために非常に拡大されて
示されている。

プレート１８及び２０は第２０図に示されているように
円盤状であり、ガラスあるいは溶融シリカにより製造さ
れている。

スペーサ２２−２６は、厚さ１ｒｆｇｒＬ直径６ ｔｒ
ｒｔｎのセル−ビットディスク（Ｃｅｒ −Ｖｉｔｄｉ
ｓｋ ）のような低膨張ガラス−セラミック材から戒っ
ている。

プレート１８と２０との間の間隔か単なる空隙である。

あるいは代わりに、干渉計１６あるいは全ハウジング８
が空であることもある。

更に、温度変化とそれによる寸法変化を減少するために
干渉計１６に隣接して加熱装置を備えることができる。

フィゾー干渉計１６の製造は従来の方法を用いて行なわ
れる。

好ましくは、プレート１８と２０とは、間隔を形成して
いない表面上に非反射コーティングを有する溶融シリカ
から製造される。

間隔を形成するプレート表面は光の位相分散をなくすた
めにコーティングされない。

スペーサ２２−２６は一方の間隔形成プレート表面にガ
ラス結合され、この組立物は所望の楔角を得るために折
りた）まれる。

この角度は標準自動コリメータを用いて検査される。

次にこれらのスペーサは光学的平面を得るように研磨さ
れ、他の間隔形成プレート表面との光学接触により固め
られ干渉計１６を構成する。

フィゾー干渉計１６は第２図に示されたように縞模様２
７を発生する。

この縞模様２７は明るい縞２８（最大）と暗い縞３０（
最小）との平行な構成になっている。

この縞模様２７はプレート１８の裏側表面３２とプレー
ト２０の前側表面３４とからの反射によって発生される
。

これら２つの表面３２と３４とから反射された光が縞模
様２７を発生する。

この縞模様２７は次にこのフィゾー干渉計１６から鏡面
４２を介して光電検出アレイ４０上に反射される。

鏡面４２は、第３図に最もよく例示されているようにフ
ィゾー干渉計に入射するレーザ光線より下に配置される
。

このフィゾー干渉計１６は、縞模様が鏡面４２上に続い
て光電検出アレイ４０に反射されるように傾けられてい
る。

光電検出アレイ４０は縞模様２７に沿った離散点におけ
る光の強度に対応した電気信号を与えるように機能する
。

これらの信号は電気設備により光源あるいは基準点に関
した縞（位相）の位置と同じに絞量の周期を計算するた
めに用いられる。

この電気設備は典型的にはハウジング８の外に配置され
ており、信号処理回路４４、アナログデジタル変換器４
６及び計算装置４８から戊っている。

計算装置４８の出力は計算された波長を続出すために表
示器５０に送られる。

計算装置４８は比較器回路６０への制御信号として波長
信号を与える。

この比較器回路６０もまた基準信号すなわち所望の波長
信号を受ける。

比較器回路の出力はレーザ周波数を制御するためにチュ
ーニング装置６４へ送られ、交果的なフィゾーバックチ
ューニング能力が与えられる。

比較器回路６０は、別に基準波長が可調整入力バラメー
ターであるような計算装置４８により供給されている。

チューニング装置６４はＤ／Ａ変換装置を有しておリレ
ーザをチューニングするためのアナログ出力信号を提供
する。

光電検出器４０は例えばレチコン社（ＲｅｔｉｃｏｎＣ
ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、 ５ｕｎｎｙｖａｌｅ、 Ｃｏ
１１ｆｏｒｎｉａ）により製造されたレチコン ＲＬ−
１０２４Ｇ／ １７ホトダイオードアレイから戒ってい
る。

このダイオードアレイは基本的にはモノリシック自己走
査線形ホトダイオードアレイであり、中心上にそれぞれ
２５．４μｍ幅で２５．４μ間隔で配置された１０２４
個の分離素子から戊っている。

このアレイ素子は０．４３７ｒｒ！ｎの開口長を有して
いるが他のサイズの開口もとることができる。

各素子すなわちセルは記憶コンデンサに並行なホトセン
サから威り、電界効果トランジスタスイッチを介して共
通ビデオ出力線に接続されている。

多数のホトセンサセルは、２相クロツクにより駆動され
るシフトレジスタを用いて走査される。

信号処理回路４４は２相りロック信号をダイオードアレ
イ４０へ与え、電流増幅器として接続された演算増幅器
を用いて増幅された共通ビデオ出力信号を受ける。

この信号処理回路４４は例えばレチコン社により製造さ
れた型式ＲＣ−１００及び１００アレイボードから戒っ
ている。

この信号処理回路４４からのビデオ出力信号は、例えば
デーチルシステム社（Ｄａｔｅｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ 、
Ｉｎｃ 。

Ｃａｎｔｏｎ、 Ｍａｓｓ）により製造された型式ＡＤ
Ｃ−ＥＨ３ＥｌのようなＡ／Ｄ変換器へ送られる。

８ビットデジタル出力信号はアナログデジタル変換器か
ら入力として計算装置４８へ送られる。

ホトダイオード続出し走査の終端を示すブランキング信
号は信号処理回路４４から計算装置４８け送られる。

縞模様は典型的には２０ミリ秒毎にサンプルされデジタ
ル化される。

計算装置４８は第４図に示されたアルゴリズムに従って
処理するために従って処理するために縞模様を記憶する
。

数多くの通常の街頭のミニコンピユータあるいはマイク
ロコンピュータが計算装置４８として用いられる。

実施例では、インターデータ（Ｉｎｔｅｒｄａｔｅ）
７ ／１６コンピユータが使用されており、命令に従っ
てプログラムされている。

干渉縞は光電検出アレイ４０により例えば第１の素子の
縁を原点すなわち基準点として用いて測定される。

けれども、例えは、干渉計プレート１８上の２つのマー
キング７０と７２との中間点を用いて基準すなわち原点
を計算することもできる。

２つのマーキング７０と７２とはプレート１８の外表面
上に配置された細い反射帯であり、コンピュータのソフ
トウェアはこれらのマーキングをその細さと関連ダイオ
ード素子の飽和出力とにより固定するために用いられる
。

干渉計１６の外部からの機械的振動あるいは震動の場合
にはこの様に原点を計算することは装置を自動的に自己
目盛較正する有利さをもたらす。

レンズ１４は色収差をなくすために錦及び偏心（ｏｆｆ
−ａｘｉｓ）光学装置により置き換えられることは明白
である。

更に、錦４２は単に光線分割器でよい。

他の等価の光の操作及び平行化設計は当業者に明らかで
あろう。

付録Ａ（実際のプログラムなので省略）の命令セットの
全アルゴリズムを示すフローチャートが第４図に示され
ている。

４図のフローチャートのステップ１は開始ステップであ
り、種々のコンピュータパラメータをリセットし続出し
そしてデータ続出し開始アドレス（ＳＥＬＣＨアドレス
）を指定された汎用レジスタ（Ｒ３）にロードする。

信号処理回路４４により各ホトダイオードアレイの走査
の終りに発生されるブランキング信号が発生されると、
コンピュータにデータが続み込まれる（ステップ２）。

このデータはまず、例えば、外部光がハウジング８に入
ると発生される飽和がチェックされる（ステップ３）二
この飽和チェックは、５つの連続したデータ点を監視し
てそれらがすべて最大計数値にあるか否か決めることに
よってなされる。

この最大計数値は８ビツト入力データワードに対しては
２５５である。

飽和が生じていると、表示ＦＦＦＦが表示器５０に計算
装置により発生され、このプログラムはステップ１の再
開始アドレスＲ３ＴＲへ戻される。

入力データが飽和されていなければ、コンピュータはス
テップ４へ進み受信データを平滑化し微分する。

この平滑化及び微分化ルーチンは単に生データと単色振
幅の対称矩形波関数の単一周期とた）み込みである。

このた）み込みの零交差は縞模様２７の最大値及び最小
値に対応する。

ｎｉ′で示される零交差を見出すと、コンピュータプロ
グラムはた）み込まれたデータをホトダイオード素子ス
ペースの最も近い１１６４に介挿する（ステップ５）、
ホトダイオードアレイは１０２４の別々の素子から成る
ことが思い出される。

従って、零交差点ｕｉ’は単に１と６５５３６ （１０
２４Ｘ６４）との間の数である。

この数はホトダイオードアレイに沿って素子（セル）間
隔（中心上２５．４μｍそして２５．７μ幅セル）の１
１６４を単位として測定された種々の点ｉにおける縞の
最小値及び最大値のロケーションを表わす。

名目的には、これらの零交差は等しく配置され、ｉの関
数としてのＵｉのプロットは線形である。

実際には、プレート１８と２０とは完全に光学的に平面
でなく、多項関数により表わすことができる曲率を有し
ている。

プログラムのステップ６は零交差Ｕｉを調整し、初期較
正中に実験的に決められた多項関数を用いた面曲率を較
正する。

Ｕｉとして指示されたこの較正された零交差は次にステ
ップ７に示されたように最小二乗法により適合された最
適直線に適合する。

この適合線ＬＡＭＢＤＡ 。

はＵｉ＝ １＋ＬＬｏ により与えられる
。

この直線適合の勾配は縞間隔の半分であり次の（１）式
で与えられる。

ＬＡＭＢＤＡ ＝ ”ｍΣ１Ｕｉ−ΣｉΣ” −−−
−−−−−−（１１ｍ（Σｉ”）−（Σｉ）２ ここで、 ｍ＝零交差Ｕｉの全数 ｉ＝１．２、・・・・・・・・・ｍ ＬＡＭＢＤＡ＝縞間隔 ＬＬｏの値はｉ＝０に対する計算された零交差の最適位
置であり、次の（２）式で与えられる。

ＬＬ。

＝２ΣＵｉ−ＬＡＭＢＤＡΣ１−−−−−−−−−（２
）加 計算されたｉ＝０交差における縞の最小値に対しては、
光学干渉経路差りは次の（３）式により与えられる。

Ｌ＝Ｌ、、十ＬＩ（、・・・・・・・・・（３）ここで
、Ｌｏは、Ｕｉがそこから測定された原点における光学
径路差であり、正確に知られた波長を有するレーザを用
いて予め決められた計器の較正定数である。

正しくは目盛られたＬ′Ｌｏはｉ＝０に対する原点と計
算された零交差とにおける光学径路差における変化であ
る。

しかし、ｉ＝０に対しては計算された零交差＆トおける
縞の最大値があれば、ｉ＝１に対しては計算された零交
差における縞は最小値である。

この場合には、光学径路差は次の式（４）により与えら
れる。

Ｌ＝瑞＋ＬＩ（）十ＬＡＭＢＤＡ／２ ・・・・
・・・・・（４）ＬＡＭＢＤＡは縞模様の空間周期の大
きさである。

この縞模様は光線の波長に比例する。正しく測定された
時には、ＬＡＭＢＤＡはまず測定されている光線の波長
に対する第１近似である。

波長入の真値は次の式（５）により厳密に第１の（ある
いは任意の）縞の最小値において与えられる。

Ｌ＝ｎλ ・・・・・・・・・
（５）ここで、ｎ＝縞の最小値における光学干渉経路差
方法 ｎ＝整数（干渉次第） 入を計算するアルゴリズムは単に式（１）からＬＡＭＢ
ＤＡを計算し、式（２）と式（３）あるいは式（４）と
によりＬを計算することである。

比Ｌ／ＬＡＭＢＤＡははＳ゛式（５）により次数ｎに等
しい。

しかし、実際には、ＬをＬＡＭＢＤＡにより割算をした
後の剰余があり、この剰余は以下に述べられるように波
長入に対する第１近似を修正するために用いられる。

第４図のフローチャートのステップ８−１４は前述のア
ルゴリズムを示している。

丸め誤差を減少するために、ＬＡＭＢＤＡ及びＬＬｏを
計算するプログラム中に用いられた公式は式（１）と（
２）から幾分修正されている。

その結果、ＬＡＭＢＤＡとＬＬ、に対する単位はホトダ
イオード素子間隔の１／１２８である。

ＬＡＭＢＤＡの計数値はそれがある制限内にあるか否か
確認する現めにチェックされる、すなわち６６−１９５
のホトダイオード素子が先のコンピュータステップＬＡ
ＭＢＤＡの正当に正し値を出力したことを確認する。

もしＬＡＭＢＤＡが正しく許容限度内にあるならば、こ
のプログラムのステップ９は較正要素５ＣＡＬＥを用い
てＬＡＭＢＤＡとＬＬｏを適切な単位に変換する。

この要素５ＣＡＬＥは干渉計の換角αに比例し、既知の
レーザを用いて最初の計器較正中に実験的に決められる
。

このプログラムのステップ１０は、計算された零交差ｉ
＝０が最小あるいは最大光強度値に対応するか否か決め
る。

これは簡単に零交差の傾きを観察することにより行なわ
れる、すなわち正の傾きは最大値に対応し負の傾きは最
大値に対応する。

プログラムのステップ１１はこのように式（２）と共に
、式（３）あるいは式（４）を用いてＬを計算する。

Ｌの値は次にステップ１２においてＬＡＭＢＤＡにより
除算される。

この商馬は干渉計の次数に等しい。剰余はｎ□と呼ばれ
、ｎ□／ｎｏとして定義される相対剰余は較正要素δＬ
ＡＭＢＤＡでありこれは波長λを得るために第１近似Ｌ
ＡＭＢＤＡに加算される。

プログラムノステップ１３はδＬＡＭＢＤＡ＝ｎ□／ｎ
。

を計算し、ステップ１４は入＝ＬＡＭＢＤＡ＋δＬＡＭ
ＢＤＡの最終値を計算する。

得られた出力波長はステップ１５に示されたように２進
から旬進形（Ｂ／Ｄサブルーチン）への変換後表示装置
５０上に表示される。

第４図のフローチャートに基づいた詳しいプログラムリ
ストは付録に示されている（省略）。

動作において、λの表示値は毎秒１０−２０回更新され
る。

装置は１ ／１（７３〜３／ｌσの可能な分解能と精度
を有するは＞’ ４００μｍ〜１．１μｍの波長範囲を
有している。

この装置の分解能と精度とは、ファブリペロ−干渉計の
場合におけるように位相測定により定められるが、位相
測定の次数のあいまいさが縞の空間周波数を決めること
により取り除かれる。

得られた装置は測定波長の絶対的決定を干渉計の自由ス
ペクトル範囲の小部分の精度にまで可能にする。

本考案の装置はＣＷレーザ及びパルス波レーザの両方の
波長を測定するために用いることができることは明白で
ある。

もしパルス波レーザが採用されると、レーザのパルシン
グを線形ホトダイオードアレイの走査に同期することが
必要である。

信号処理回路４４からの１開始パルスヨはこのために便
宜的に用いられた。

本考案の装置は不可視光源と同様に可視光原にも適用で
きる。

例えば、画及びＩＲ惑知知ホトダイオードアレイ開示さ
れた装置中に用いられる。

更に、影像分解光電子増倍管が単色非レーザ光源の波長
測定を可能にする限りはレザー放射を用いる必要はない
。

更に、コンピュータプログラムの修正はこれら装置のど
れかによってマルチラシン光源の解析と測定を可能にす
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による装置のブロック図である。 第２図は、第１図の線２−２に沿ってとられたフィゾー
干渉計の正面図である。 第３図は第１図の線３−３に沿ってとられた波長計の部
分の斜視図である。 第４図は計算装置に用いられる全プログラムシーケンス
を示すフローチャートである。 符号説明、２：レーザ、４：反射鏡、７：可変減衰器、
８：ハウジング、１０：鏡、１２：対物レンズ、１４：
接眼レンズ、１６：フィゾー干渉計、４０：光電検出ア
レイ、４２：鏡、４４：信号処理回路、 ０：比較器、 ４８二計算装置、５０：表示器、 ６４：チューニング装置。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 （１１（ａ） 光線の少なくとも１部分を受けるよう
   に設され、多数の最小及び最大の光強度縞を有する周期
   的干渉パターンを発生するフィゾー干渉計、 （ｂ）前記干渉縞パターンを受けるために配設され前記
   最小及び最大の光強度縞に対応した電気信号を供給する
   光電装置、 （Ｃ） 前記縞パターンの空間的周期と位相とを決め
   るために前記電気信号を受ける装置、 前記縞パターンの空間周期から前記波長に対する第１次
   近似ＬＡＭＢＤＡを計算し、かつ前記縞パターンの位相
   から前記第１次近似に対して修正係数δＬＡＭＢＤＡを
   Ｌ／ＬＡＭＢＤＡの相対剰余であるように前記干渉計の
   干渉光学径路差りを計算することにより計算し、 波長＝ＬＡＭＢＤＡ＋δＬＡＭＢＤＡ の関係から前記光線の波長を計算する計算装置、 （ｅ） 前記干渉計に入射する先立って前記光線部分
   を受けるように配設された対物レンズ、（ｆ） 前記
   対物レンズの焦点に、前記干渉計に向けて配設された空
   間フィルタ、 （ｇ） 前記干渉計上に前記空間フィルタからの光線
   を平行にするように配設された接眼レンズ 及び （ｈ） 前記干渉計からの反射縞パターンを前記光電
   装置に向ける装置、 から威る光線の波長測定装置。 （２）実用新案登録請求の範囲第１項記載の波長測定装
   置において、前記光電装置がホトダイオード素子のリニ
   アアレイから戒る波長測定装置。 （３）実用新案登録請求の範囲第１項記載の波長測定装
   置において、前記千計が楔角をなして配設された光学的
   に平らな面から威る波長測定装置。 （４）実用新案登録請求の範囲第３項記載の波長測定装
   置において、前記楔角が円弧の２形の大きさである波長
   測定装置。 （５） 実用新案登録請求の範囲第３項記載の波長測
   定装置において、前記平面が円盤形であり、低膨張スペ
   ーサにより隔てられて配設されている波長測定装置。 （６）実用新案登録請求の範囲第５項記載の波長測定装
   置において、前記スペーサが前記平面間のは＞”ｌミリ
   メートルの間隔を確定する波長測定装置。 （７） 実用新案登録請求の範囲第３項記載の波長測
   定装置において、前記平面が複環されておらすこれによ
   り実質的に光学的位相分散をなくす波長測定装置。 （８）実用新案登録請求の範囲第１項記載の波長測定装
   置において、前記光線が単色である波長測定装置。 （９） 実用新案登録請求の範囲第８項記載の波長測
   定装置において、前記光線がコヒーレントである波長測
   定装置。