JPS6232305A - 高精度干渉計装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、干渉計、特に干渉計を用いた物体の移動量を
検出するための干渉計装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、物体の位置や移動量を正確に計測するために干渉
計を用いた装置が種々実用化されている。

第６図はマイケルソンの干渉計の原理的構成を示してい
る。レーザー光源１からの光束は光分割器としてのハー
フミラ−２で反射光と透過光とに分割される。レーザー
光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザー等の安定なものが用い
られる。ハーフミラ−２で反射された光束は参照波とな
るもので、固定鏡３で反射されて戻りハーフミラ−２を
透過する。他方、レーザー光源１から供給されてハーフ
ミラ−２を透過する光束は移動鏡４で反射されて戻り、
ハーフミラ−２で更に反射され、前述の固定鏡からの光
束と干渉してディテクター５上で干渉縞を形成する。移
動鏡４は被測定物体４ａを載置する部材と一体となって
おり、被測定物体の移動量と同量だけ移動する。移動鏡
４が動くとディテクター上での干渉縞の明暗が変化し、
その明暗の変化量によって移動鏡、部ち被測定物体の移
動量を測定することが可能である。

このような干渉計によれば、信号分割精度により使用波
長を１６分割した程度までの精度で計測を行うことが可
能であり、例えば波長λ−６３３ｒ＋ｌＩＩのｔｌｅ−
Ｎｅレーザーを用いる場合には、０，０４μｍ程度の測
定精度が可能となる。しかし、これよりも高精度が要求
される場合には、固定鏡及び被検物体側の移動鏡での光
束の反射回数を増す、二とが必要となるため、光学系が
複雑となって干渉縞を形成する光量が減少し、信号強度
が低下して検出精度を高めることが難しくなり、また装
置全体の複雑化・大型化が避けられなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、比較的小型でありながら信号分割精度
を同一としても測定精度を格段に向上させることのでき
る干渉計装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による干渉計装置は、被測定物体と一体的に移動
する移動鏡の移動量に対し、検出系での干渉縞の変化量
が４倍となるよう構成したものである。即ち、コヒーレ
ント光束を供給する光源手段、該光源手段からの光束を
所定の入射面内にて移動鏡に向かう第１光路１０と固定
鏡に向かう第２光路２０とに分割する光分割器、前記第
１光路上に配置され前記移動鏡との間で４つの往復光路
を形成し、これら４つの光路に沿って前記光分割器から
の光束を該移動鏡上にて４回反射させた後に前記光分割
器へ戻すための第１往復光路形成手段、前記第２光路上
に配置され前記固定鏡との間で４つの往復光路を形成し
、これら４つの光路に沿って前記光分割器からの光束を
該固定鏡上にて４回反射させた後に前記光分割器へ戻す
ための第２往復光路形成手段、とを有するものである。

ここで、「入射面」は、該光分割器に入射する光線と、
透過及び反射する光線とを含む平面として定義されるも
のである。

そして、第１往復光路形成手段は、前記光分割器の入射
面と光学的に一致する第１入射面と該第１入射面と平行
な第２入射面とを有する第１偏光ビームスプリッタ−と
、該第１偏光ビームスプリッタ−の一方の入射面内にて
反射された光束を他方の入射面内へ導（光束移送部材と
、前記第２の入射面内にて前記移動鏡から反射して該第
１偏光ビームスプリッタ−を通過する光束を再度前記移
動鏡へ向ける往復反射部材と、前記第１偏光ビームスプ
リッタ−８と前記移動鏡との間の光路中に配置された四
分の一波長板とを有している。同様に、第２往復光路形
成手段は、前記光分割器の入射面と光学的に一致する第
１入射面と該第１入射面と平行な第２入射面とを有する
第２偏光ビームスプリッタ−と、該第２偏光ビームスプ
リッタ−の一方の入射面内にて反射された光束を他方の
入射面内へ轟く光束移送部材と、前記第２の入射面内に
て前記固定鏡から反射して該第１偏光ビームスプリッタ
−を通過する光束を再度前記移動鏡へ向ける往復反射部
材ど、前記第２偏光ビームスプリッタ−と前記固定鏡と
の間の光路中に配置された四分の一波長板とを有してい
る。

尚、第１ビームスプリッタ−の入射面と第１偏光ビーム
スプリッタ−の入射面とが「光学的に一敗する」とは、
両ど−ムスプリッターの間に介在する反射部材等の光学
素子を経由しても実質的に第１ビームスプリッタ−の入
射面が第１偏光ビームスプリッタ−の入射面と合致して
いることを意味する。第２偏光ビームスプリッタ−につ
いても同様である。

〔実施例〕

以下、図示した実施例について説明する。第１図は、本
発明による第１実施例の構成を示す斜視図である。第１
図中には、光線の進行方向を矢印で示すと共に、各位置
における偏光の偏光方向を示すための矢印と記号Ｓ（入
射面に垂直）、Ｐ（入射面に平行）により偏光方向の識
別を示した。

レーザー光源１から発するコヒーレント光束は、移動鏡
４と固定鏡３とに向かう第１と第２の光路に分割するた
めの光分割器としての半透過プリズム２に入射する。こ
のとき光源１からの光束は、半透過プリズム２の入射面
に平行な偏光成分のみの光線、即ちＰ偏光となっており
、そのうち５０％が半透過プリズム２を透過して第１光
路１０に沿って進み移動鏡へ向けられ、他の５０％が半
透過プリズム２の半透過部２ａで反射されて第２光路２
０に沿って進み固定鏡へ向けられる。

第１光路１０′Ｉ：には、第１偏光ビームスプリッタ−
ＦＢＩが配置されており、第１偏光ビームスプリッタ−
と移動鏡４との間の光路中にはλ２４板Ｑが配置されて
いる。第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩは入射面に平
行なＰ偏光を透過し、入射面に垂直なＳ偏光を反射する
特性を有している。従って、第１光路１０に沿って半透
過プリズム２からこの第１偏光ビームスプリッターＰＢ
Ｘに入射するＰ偏光は、半透過プリズム２の入射面と実
質的に一致する第１入射面内を透過して移動鏡４を往復
する第１の止ｌ友路旦に沿って進み、移動鏡４上の点Ａ
ｔで反射された後第１偏光ビームスプリツタ−ＰＢＩに
戻ってくる。第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩに戻っ
てきた光線は、その途中でλ／４板Ｑを２回通過してい
るので偏光方向が９０度変換されてＳ偏光となっており
、このため第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩの第１入
射面内で反射される。

この反射されたＳ偏光は、光束移送部材としての直角プ
リズム６に入射する。直角プリズム６は第１＠光ビーム
スプリッタ−の第１入射面に対して４５度傾斜した２つ
の反射面６ａ、６ｂを有している。

これに入射するＳ偏光は、直角プリズム６の各斜面で反
射されて、第１偏光ビームスプリッタ−ＰＢｌの第２入
射面に導かれる。そしてＳ偏光は、第２入射面内で反射
され、移動鏡４を往復するｌ止１人夜４に沿って進み、
移動鏡上の点Ａ、で反射された後第１偏光ビームスプリ
ツタ−ＦＢＩに戻る。

このとき第２往復光路中にもλ／４板Ｑが配置されてい
るので、偏光方向が９０度変換されたＰ偏光となってお
り、このため第１偏光ビームスプリフタ−ＦＢＩを第２
入射面に沿って透過する。

第２入射面に沿って第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩ
を透過したＰ偏光は、往復反射部材としての直角プリズ
ム７の互いに直交する２つの反射面で反射されて第１偏
光ビームスプリッタ−に戻ってくる。この往復反射部材
７によって、Ｐ偏光は進行方向を１８０度変換されると
共に平行移動されて第２入射面内で異なる位置、図中で
は下方に変位されてくる。このＰ偏光は第１偏光ビーム
スプリッタ−をその第２入射面に沿って通過して、玉−
ＬΩ１１Ｌ工乃遷に導かれ、移動鏡４上の点＾、で反射
された後第１偏光ビームスプリ、ターＰＢｌに戻ってく
る。第３往復光路１３中にもλ／４板Ｑが配置されてい
るので、偏光方向が９０度変換されたＳ偏光となって、
第２入射面内で反射され、直角プリズム６の各斜面で反
射されて、今度は逆に第１偏光ビームスプリッターＦＢ
Ｉの第１入射面に導かれる。第１入射面に達するＳ偏光
の位置器よ、前記往復反射部材７による光線の変位量に
等しい量だけ移動しており、この位置で移動鏡４に向か
う第±１１友路旦に沿って移動鏡へ向けて反射される。

移動鏡４の点＾４で反射されて第１偏光ビームスプリッ
ターＦＢＩに戻ってくる光線は、第４光路中にも配置さ
れたλ／４板Ｑによって偏光方向が９０度変換されてＰ
偏光となり、第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩを第１
入射面に沿って透過する。このｉ３遇Ｐ偏光は、半透過
プリズム２を通過して、後記する固定鏡からの光線と共
に検出器５に入射する。

尚、第２Ａ図は入射面に平行な面での光線の進行順序を
示す側面図であり、第２Ｂ図は入射面に垂直な面での第
２光路中の光線の進行順序を示す平面図である。各図に
おいて、光線の進む経路に沿って矢印を記したが、実際
には同一直線上に重複する光路を、分かり易くするため
に故意に分離して示すと共に、移動鏡と固定鏡での光線
の入射角・反射角も実際の垂直状態から故意にずらして
示した。

以上が、光分割器としての半透過プリズム２を通過して
移動反射鏡４に向かい、４回の反射を受けて戻ってくる
ための光学系である。そして、半透過プリズム２の半透
過面２ａで反射される第２光路２０、即ち、固定鏡３で
４回の反射を受けて戻ってくるための光学系は、光路屈
曲用の反射鏡Ｍを介してはいるが、実質的に前記の第１
光路と等価である。具体的には、第１図に示した如く、
第１光路１０における第１偏光ビームスプリッタ−ＰＢ
Ｉが第２偏光ビームスプリッタ−ＰＨ２に対応し、光束
移送部材としての直角プリズム６が直角プリズム８に対
応し、さらに往復反射部材としての直角プリズム７が直
角プリズム９に対応する。そして、第２偏光ビームスプ
リッターＰＲ２と固定鏡３との間の各光路中に、λ／４
板Ｑが配置されｔおり、これを往復通過する直線偏光が
その偏光方向を９０度変換されることも同様である。

従って、半透過プリズム２で反射されて第２光路を進む
Ｐ偏光は、反射鏡Ｍで反射された後、第２偏光ビームス
プリッタ−ＰＨ１の第１入射面を透過し、まず固定鏡上
の点Ｂ１で反射され、λ／４板Ｑを往復通過して（第１
往復光路２１）Ｓ偏光となり、光束移送部材としての直
角プリズム８を通って第２偏光ビームスプリッタ−の第
２入射面内に導かれる。そして固定鏡上の点Ｂ２で反射
され、λ／４仮Ｑを往復通過して（第２往復光路２２）
Ｐ偏光となり、往復反射部材としての直角プリズム９を
経由し、点Ｂ、での反射を受けてλ／４板Ｑを往復通過
して（第３往復光路２３）Ｓ偏光となる。次に、再び光
束移送部材としての直角プリズム８を通って第２偏光ビ
ームスプリッタ−ＰＨ２の第１入射面内に戻り、固定鏡
上の点Ｂ４で反射されてλ／４板、Ｑを往復通過して（
第４往復光路２４）Ｐ偏光となった後、第２偏光ビーム
スプリッタ−ＰＨ２を透過する。そして、反射鏡Ｍを経
てビームスプリッタ−２に戻り、ここで反射されて第２
光路に沿って移動鏡４から戻ってくる光線とともに検出
器５に入射する。

上記の構成において、各偏光ビームスプリッタ−ＦＢＩ
　、　Ｉ’Ｂ２の第１入射面は、第１往復光路１１゜２
１と第４往復光路１４．２４とを含む面であり、第２入
射面は、第２往復光路１２．２２と第３往復光路１３゜
２３とを含む面である。そして、第１偏光ビームスプリ
ッタ−Ｐ、Ｂ１と移動鏡４、及び第２偏光ビームスプリ
ッタ−ＰＨ２と固定鏡３との間に配置されるλ／４板Ｑ
を、第１図に示したごとく第１と第４の往復光路で共用
すると共に、第２と第３の往復光路で共用するのみなら
ず、第１から第４までの４つの往復光路を横切るように
配置された大きなλ／４板Ｑとして一体的に設けること
も可能である。

さて、第３図の斜視図に示した本発明による第２実施例
は、上記第１実施例と基本的には同一であるが、移動鏡
４での第２往復光路１２から第３往復光路１３へ光線を
反射するための往復反射部材（直角ブ１１ズム７）と、
固定鏡３での第２往復光路２２から第３往復光路２３へ
光線を反射するための往復反射部材（直角プリズム９）
とを１つの直角プリズムで共用する構成とした点で異な
っている。

そして、このために移動鏡４側の第１光路中における往
復反射部材に達する光路と、固定鏡３の第２光路中にお
ける往復反射部材に達する光路とを第３の偏光ビームス
プリッタ−ＰＢ３で交差させると共に、第３偏光ビーム
スプリッタ−ＰＢ３の移動鏡４側、即ち第１偏光ビーム
スプリッタ−ＦＢＩ　との間に、λ／２板Ｈが挿入され
ている。

第４Ａ図は入射面に平行な面での光線の進行順序を示す
側面図であり、第４Ｂ図は入射面に垂直な面での第２光
路中の光線の進行順序を示す平面図である。これらの図
においても、光線の進む経路に沿って矢印を記したが、
実際には同一直線上に重複する光路を、分かり易くする
ために故意に分離して示すと共に、移動鏡と固定鏡での
光線の入射角・反射角も実際の垂直状態から故意にずら
して示した。

このような第２実施例の構成において、移動鏡４例の第
２往復光路１２を経て、第１偏光ビームスプリッタ−Ｐ
ａｌを透過したＰ偏光は、λ／２板Ｈを通過することに
よって、偏光方向が９０度変換されてＳ偏光となり、第
３偏光ビームスプリ・７ターＰＢ３で反射されて、直角
プリズム３０に入射する。

直角プリズム３０では、各反射面で反射されることによ
って進行方向が１８０度変換されると共に、同−入射面
内での位置が変位され、再び第３偏光ビームスプリッタ
−ＰＢ３で反射されて、λ／２板Ｈを通過する。λ／２
板Ｈを通過した光線は、Ｐ偏光となって第１偏光ビーム
スプリ・ツタ−ＰＢＩを透過して、第３往復光路に沿っ
て移動鏡４に達するつ他方、固定鏡３側の第２往復光路
２２を経て、第２偏光ビームスプリッタ−ＰＢ２を透過
したＰ偏光は、反射鏡Ｍで反射されて、第３偏光ビーム
スプリッターＰＢ３を透過して直角プリズム３０に入射
し、同様に各反射面で反射されることによって進行方向
が１８０度変換されると共に、同−入射面内での位置が
変位され、再び第３偏光ビームスプリッタ−ＰＢ３を透
過する。そして反射鏡Ｍで反射されてそのまま第２偏光
ビームスプリッタ−ＰＩ’１２に達し、これを透過して
第３往復光路２３に沿って固定鏡３に達する。

第５図の斜視図に示した第３実施例では、光源手段１か
ら、Ｐ偏光とＳ偏光との互いに直交する直線偏光のコヒ
ーレント光束を供給する構成とし、このために光源から
の光束を移動ｍ４と固定鏡３とに分離する光分割器２を
も偏光ビームスプリッターで構成したものである。従っ
て、前述の第２実施例における光分割器２と第３偏光ビ
ームスプリッタ−ＰＢ３とを一体の偏光ビームスプリッ
タ−として構成し、また固定鏡３例の第２光路上に新た
にλ／２板）Ｉを配置したものである。

このような第３実施例の構成において、光源手段１から
供給されるＰ偏光は、光分割器２としての偏光ビームス
プリッタ−を透過して第１偏光ビームスプリッタ−ＦＢ
Ｉに達し、以降の光路は前述の第２実施例と全く同様に
して、移動ｕＩ４での４回の反射を受けた後、再び光分
割器２に戻り、これを通過して検出器５に入射する。他
方、光源手段１から供給されるＳ偏光は、光分割器２と
しての偏光ビームスプリッタ−で反射された後に、λ／
２板Ｈを通過し、ここで偏光方向の９０度の回転を受け
てＰ偏光となり、第２偏光ビームスプリッタ−ＰＢ２に
達する。第２偏光ビームスプリッタ−ＰＢ２以降の光路
は前述の第２実施例と全く同様であり、固定鏡３での４
回の反射の受けた後、再び第２偏光ビームスプリッター
ＰＢ２に戻りＰ偏光の状態でこれを通過し、λ／２板Ｉ
４に達する。そしてλ／２板Ｈで偏光方向の９０度の回
転を受けてＳ偏光に戻り、ビームスプリッタ−２として
の偏光ビームスプリッタ−によって反射されて、検出器
５に入射する。

上記第３実施例の如く、光源手段ｌからあらかじめＰ偏
光及びＳ偏光を供給する場合には、両部光の周波数を若
干具なる値としておき、検出器５によってこれらの干渉
による唸りを検出することによって、干渉縞の測定精度
を高めることも可能である。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば移動鏡及び固定鏡において
、おのおの４回の反射を行うことができるため、従来と
同程度の波長分解能を有する場合にも、−挙に４倍の精
度での測定が可能となり、掻めて精度の高い測定が可能
となる。しかも、光学系の構成を余り複雑化することな
く、また偏光によって光束を繰り返し各反射面へ効率良
＜４＜構成であるため、４回反射に必要な長い光路の割
には光量の減衰が少す＜、信号強度を大きく低下させる
恐れもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の構成を示す斜視図、
第２Ａ図は第１実施例において入射面に平行な面での光
線の進行順序を示す側面図であり、第２Ｂ図は入射面に
垂直な面での第２光路中の光線の進行順序を示す平面図
、第３図は第２実施例の構成を示す斜視図、第４Ａ図は
第２実施例において入射面に平行な面での光線の進行順
序を示す側面図であり、第４Ｂ図は入射面に垂直な面で
の第２光路中の光線の進行順序を示す平面図、第５図は
第３実施例の構成を示す斜視図、第６図はマイケルソン
の干渉計の原理的構成図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ｌ・・・光源手段 ２・・・ビームスプリッター ３・・・固定鏡 ４・・・移動鏡 ５・・・検出器 ＦＢＩ・・・第１偏光ビームスプリッタ−ＰＨ１・・・
第２偏光ビームスプリッタ−ＰＨ１・・・第３偏光ビー
ムスプリッタ−６，８・・・光束移送部材 ７．９．３０・・・往復反射部材 Ｑ・・・λ／４板 Ｈ・・・λ／２板 出廓人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　隆　男 第ＺＡ図 第４Ａ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）コヒーレント光束を供給する光源手段、該光源手
   段からの光束を所定の入射面内にて移動鏡に向かう第１
   光路と固定鏡に向かう第２光路とに分割する光分割器、
   前記第１光路上に配置され前記移動鏡との間で４つの往
   復光路を形成し、これら４つの光路に沿って前記ビーム
   スプリッターからの光束を該移動鏡上にて４回反射させ
   た後に前記光分割器へ戻すための第１往復光路形成手段
   、前記第２光路上に配置され前記固定鏡との間で４つの
   往復光路を形成し、これら４つの光路に沿って前記光分
   割器からの光束を該固定鏡上にて４回反射させた後に前
   記光分割器へ戻すための第２往復光路形成手段、とを有
   することを特徴とする高精度干渉計装置。
2. （２）前記第１往復光路形成手段は、前記光分割器の入
   射面と光学的に一致する第１入射面と該第１入射面と平
   行な第２入射面とを有する第１偏光ビームスプリッター
   と、該第１偏光ビームスプリッターの一方の入射面内に
   て反射された光束を他方の入射面内へ導く光束移送部材
   と、前記第２の入射面内にて前記移動鏡から反射されて
   該第１偏光ビームスプリッターを通過する光束を前記移
   動鏡の異なる位置へ向けて反射する往復反射部材と、前
   記第１偏光ビームスプリッターと前記移動鏡との間の光
   路中に配置された四分の一波長板とを有し、 前記第２往復光路形成手段は、前記光分割器の入射面と
   光学的に一致する第１入射面と該第１入射面と平行な第
   ２入射面とを有する第２偏光ビームスプリッターと、該
   第２偏光ビームスプリッターの一方の入射面内にて反射
   された光束を他方の入射面内へ導く光束移送部材と、前
   記第２の入射面内にて前記固定鏡から反射されて該第２
   偏光ビームスプリッターを通過する光束を前記固定鏡の
   異なる位置へ向けて反射する往復反射部材と、前記第２
   偏光ビームスプリッターと前記固定鏡との間の光路中に
   配置された四分の一波長板とを有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の高精度干渉計装置。