JPH01318902A - 二波長光ヘテロダイン変位計測装置 - Google Patents
二波長光ヘテロダイン変位計測装置Info
- Publication number
- JPH01318902A JPH01318902A JP63150299A JP15029988A JPH01318902A JP H01318902 A JPH01318902 A JP H01318902A JP 63150299 A JP63150299 A JP 63150299A JP 15029988 A JP15029988 A JP 15029988A JP H01318902 A JPH01318902 A JP H01318902A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光ヘテロダイン変位計測装置に係り、特に、
高精度の変位計測に好適な二波長光ヘテロダイン変位計
測装置に関する。
高精度の変位計測に好適な二波長光ヘテロダイン変位計
測装置に関する。
光ヘテロダイン干渉技術を利用して微小変位を計測する
研究が進んでいる。光ヘテロダイン干渉の従来の方法は
、単一波長レーザを分岐し、ブラッグセル等で周波数を
シフトさせて使用する方法、２ｅｅｍａｎ効果を利用し
て二波長のレーザ光を作り使用する方法があった。前者
の方法は、例えば、アブライドオプテックス、第１８巻
、第１１号（１９７９） ｐ １７９７−１８０３ （
Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ、１８゜Ｎｏ、
１１（１９７９）ｐｐ１７９７〜１８０３）に示されて
いるように、単一波長のレーザ源が出射した光を、二つ
のレーザへ分岐し、それぞれのレーザ光路中にＢｒａｇ
ｇＣｅｌｌを置き、周波数をシフトさせ、二つの波長の
レーザ光を求め、トワイマングリーン干渉計を利用して
物体光の変位を計測する方法である。この方法は、途中
に周波数をシフトさせる光学系を含むため、光学系全体
が大きくなるという問題がある。すなわち、この計測技
術をオングストローム（人）オーダの計測に利用すると
、計測中に僅かの温度変動があっても、光路に差が生じ
るなどして、λ／１００ （１：Ｌ／−ザの波長＝５ｏ
Ｏ〜７００ｎｍ）、すなわち５〜７ｎｍの分解能が限界
とされていた。このため、光学系の構成を工夫し、系全
体のサイズを小形化する研究が活発に進められている。
研究が進んでいる。光ヘテロダイン干渉の従来の方法は
、単一波長レーザを分岐し、ブラッグセル等で周波数を
シフトさせて使用する方法、２ｅｅｍａｎ効果を利用し
て二波長のレーザ光を作り使用する方法があった。前者
の方法は、例えば、アブライドオプテックス、第１８巻
、第１１号（１９７９） ｐ １７９７−１８０３ （
Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ、１８゜Ｎｏ、
１１（１９７９）ｐｐ１７９７〜１８０３）に示されて
いるように、単一波長のレーザ源が出射した光を、二つ
のレーザへ分岐し、それぞれのレーザ光路中にＢｒａｇ
ｇＣｅｌｌを置き、周波数をシフトさせ、二つの波長の
レーザ光を求め、トワイマングリーン干渉計を利用して
物体光の変位を計測する方法である。この方法は、途中
に周波数をシフトさせる光学系を含むため、光学系全体
が大きくなるという問題がある。すなわち、この計測技
術をオングストローム（人）オーダの計測に利用すると
、計測中に僅かの温度変動があっても、光路に差が生じ
るなどして、λ／１００ （１：Ｌ／−ザの波長＝５ｏ
Ｏ〜７００ｎｍ）、すなわち５〜７ｎｍの分解能が限界
とされていた。このため、光学系の構成を工夫し、系全
体のサイズを小形化する研究が活発に進められている。
例えば、アイニーニーニー、ウルトラソニックシンポジ
ウムプロシーデングス（１９８５） ４３２頁〜４３５
頁（ＩＥＥＥ、ＶｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｙｍｐｏｓｉｕ
ｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｉｎ Ｓａｎ Ｆｒａｎ
ｃｉｓｃｏ、（１９８５）ｐｐ、４３２〜４３５）には
、ビームスプリッタとドーププリズム、偏光ビームスプ
リッタ、ブラッグセルを組み合せることにより、光学系
全体を８０Ｘ５０Ｘ３０ｎｍの中に納める方法が提案さ
れている。
ウムプロシーデングス（１９８５） ４３２頁〜４３５
頁（ＩＥＥＥ、ＶｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｙｍｐｏｓｉｕ
ｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｉｎ Ｓａｎ Ｆｒａｎ
ｃｉｓｃｏ、（１９８５）ｐｐ、４３２〜４３５）には
、ビームスプリッタとドーププリズム、偏光ビームスプ
リッタ、ブラッグセルを組み合せることにより、光学系
全体を８０Ｘ５０Ｘ３０ｎｍの中に納める方法が提案さ
れている。
一方、後者の方法は、例えば、アブライドオプテイクス
、第１９巻、第３号（１９８０） ４３５〜４４１ （
Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ、１９．Ｎｏ、
３（１９８０）ｐｐ、４３５〜４４１）に記載されてい
るように、Ｚｅｅｍａｎ効果を利用して二波長のレーザ
光を作る方法であり、これにより周波数シフタを不要に
している。
、第１９巻、第３号（１９８０） ４３５〜４４１ （
Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ、１９．Ｎｏ、
３（１９８０）ｐｐ、４３５〜４４１）に記載されてい
るように、Ｚｅｅｍａｎ効果を利用して二波長のレーザ
光を作る方法であり、これにより周波数シフタを不要に
している。
このように、光学系の小形化が進められているが、オン
グストローム（人）オーダの高精度変位計測には不充分
であった。
グストローム（人）オーダの高精度変位計測には不充分
であった。
上記述べたように、従来も光学系の小形化の研究、開発
が進められているが、オングストロームオーダ（人）の
高精度変位計測をするには不充分であった。
が進められているが、オングストロームオーダ（人）の
高精度変位計測をするには不充分であった。
本発明の目的は、二波長レーザの分離、合成手段と干渉
光の検出器を一体化した光ヘテロダイン変位計測装置゛
を提供することにある。
光の検出器を一体化した光ヘテロダイン変位計測装置゛
を提供することにある。
上記目的は、二波長し一ザ源を用い、二枚の１／４波長
板と全反射ミラー、偏光ビームスプリッタにより空間上
の同一点で二波長レーザの分離及び合成をし、合成され
た干渉光を薄膜のレンズで検出器へ集光することにより
達成される。
板と全反射ミラー、偏光ビームスプリッタにより空間上
の同一点で二波長レーザの分離及び合成をし、合成され
た干渉光を薄膜のレンズで検出器へ集光することにより
達成される。
１／４波長板や全反射ミラーは、薄膜素子として製作す
ることができるので、略立方体の偏光ビームスプリッタ
に貼り付は製作することができる。
ることができるので、略立方体の偏光ビームスプリッタ
に貼り付は製作することができる。
又、検出器への集光手段−として、従来はバルク型のレ
ンズが用いられていたが、これを薄膜化すれば、検出器
一体形の集光検出器を作ることができる。従って、この
二つの手段を組み合せることによって、検出器の一体形
の干渉光学系を作ることができ、装置全体の小形化を図
ることができる。
ンズが用いられていたが、これを薄膜化すれば、検出器
一体形の集光検出器を作ることができる。従って、この
二つの手段を組み合せることによって、検出器の一体形
の干渉光学系を作ることができ、装置全体の小形化を図
ることができる。
（実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は、本発明の基本構成を示す。図で、二波長レーザ１
ｏより出射された、互いに９０度傾いた直線偏光ビーム
（Ｐ偏光光とＳ偏光光）１０ｏＯは、偏光ビームスプリ
ッタ１２０により、Ｐ偏光光とＳ偏光に分離される。す
なわち、Ｐ偏光光は、偏光プリズム１２０を透過し、１
／４波長板で円偏光光１０１０に変換され、測定対象５
０へ導かれる。この測定対象からの反射ビームは、測定
対象５０の移動によりドツプラーシフトを受け、１／４
波長板１４０へ戻る。ここで、円偏光から直線偏光に変
るが、１／４波長板を二回通過しているので、９０度傾
き、測定対象５ｏがらの戻り光は、偏光ビームスプリッ
タ１２０で反射され、検出器２００へ導かれる。一方、
二波長、レーザ１０００のうち、偏光ビームスプリッタ
１２ｏで反射されたＳ偏光光１０２ｏは、１／４波長板
１６０を経て、全反射ミラー１８０で反射され、再び、
１／４波長板１６０を経由して、偏光ビームスプリッタ
１２０に戻る。この場合も、１７４波長板１６０を二回
通るので、偏光光は９０度回転し、偏光ビームスプリッ
タ１２０を透過する。この透過光は、測定対象５０から
の戻り光と干渉し合い、検出器２００へ導かれる。この
場合、干渉光１ｏ３０は光検出のため絞る必要があるが
、従来はバルク型のレンズであったため、偏光ビームス
プリッタとの一体化が困難であった。
図は、本発明の基本構成を示す。図で、二波長レーザ１
ｏより出射された、互いに９０度傾いた直線偏光ビーム
（Ｐ偏光光とＳ偏光光）１０ｏＯは、偏光ビームスプリ
ッタ１２０により、Ｐ偏光光とＳ偏光に分離される。す
なわち、Ｐ偏光光は、偏光プリズム１２０を透過し、１
／４波長板で円偏光光１０１０に変換され、測定対象５
０へ導かれる。この測定対象からの反射ビームは、測定
対象５０の移動によりドツプラーシフトを受け、１／４
波長板１４０へ戻る。ここで、円偏光から直線偏光に変
るが、１／４波長板を二回通過しているので、９０度傾
き、測定対象５ｏがらの戻り光は、偏光ビームスプリッ
タ１２０で反射され、検出器２００へ導かれる。一方、
二波長、レーザ１０００のうち、偏光ビームスプリッタ
１２ｏで反射されたＳ偏光光１０２ｏは、１／４波長板
１６０を経て、全反射ミラー１８０で反射され、再び、
１／４波長板１６０を経由して、偏光ビームスプリッタ
１２０に戻る。この場合も、１７４波長板１６０を二回
通るので、偏光光は９０度回転し、偏光ビームスプリッ
タ１２０を透過する。この透過光は、測定対象５０から
の戻り光と干渉し合い、検出器２００へ導かれる。この
場合、干渉光１ｏ３０は光検出のため絞る必要があるが
、従来はバルク型のレンズであったため、偏光ビームス
プリッタとの一体化が困難であった。
そこで、本発明では、使用する二波長の多重ホログラム
レンズ２６０を開発することにより、レンズを薄膜化し
た。ホログラムレンズの場合、波長が違うとホログラム
の形状が異なるが、ここで使用しているレーザの波長に
はほとんど差がないので、一方の波長に合せ、ホログラ
ムを作ることもできる。この場合、ホログラム設計に使
用しなかった方の波長のレーザは効率が落ちるので、ど
ぢらか光量の少ない方のレーザ光を設計波長に選ぶこと
が望ましい。このようにして検出された干渉光１０３０
は、電気信号１ｏ４０に変換されて、信号処理２０によ
りドツプラーシフト量として検出される。この信号処理
２ｏの内容は、通常用いられている光ヘテロダイン検波
回路と同一である。
レンズ２６０を開発することにより、レンズを薄膜化し
た。ホログラムレンズの場合、波長が違うとホログラム
の形状が異なるが、ここで使用しているレーザの波長に
はほとんど差がないので、一方の波長に合せ、ホログラ
ムを作ることもできる。この場合、ホログラム設計に使
用しなかった方の波長のレーザは効率が落ちるので、ど
ぢらか光量の少ない方のレーザ光を設計波長に選ぶこと
が望ましい。このようにして検出された干渉光１０３０
は、電気信号１ｏ４０に変換されて、信号処理２０によ
りドツプラーシフト量として検出される。この信号処理
２ｏの内容は、通常用いられている光ヘテロダイン検波
回路と同一である。
第２図は、本発明の他の実施例を示す、この例では、偏
光ビームスプリッタ１２１が、第１図の偏光ビームスプ
リッタ１２０と９０度回転しているのが特徴であり、二
波長レーザの一方の光量が、他方よりいちじるしく小さ
い時に使用するのに適している。すなわち、この例では
、二波長レーザから出射されたＳ偏光光は偏光ビームス
プリッタ１２１で反射され、即、検出器へ導かれるため
光学系におけるロスが少ない。一方、Ｐ偏光光は、最初
は偏光ビームスプリッタを透過するが、測定対象５０か
らの戻り光は、反射しミラー１８’Ｏへ導かれる。更に
、ミラー１８０からの戻り光が偏光ビームスプリッタ１
２１を透過し、検出器へ導かれるため、最初のＳ偏光光
と比較して光路が長い上に１通過する光学素子が多くロ
スが多い。このため、二波長のレーザの光量の小さい方
をＳ偏光光、光量の大きい方をＰ偏光光として使用する
のに適した光学系になっている。
光ビームスプリッタ１２１が、第１図の偏光ビームスプ
リッタ１２０と９０度回転しているのが特徴であり、二
波長レーザの一方の光量が、他方よりいちじるしく小さ
い時に使用するのに適している。すなわち、この例では
、二波長レーザから出射されたＳ偏光光は偏光ビームス
プリッタ１２１で反射され、即、検出器へ導かれるため
光学系におけるロスが少ない。一方、Ｐ偏光光は、最初
は偏光ビームスプリッタを透過するが、測定対象５０か
らの戻り光は、反射しミラー１８’Ｏへ導かれる。更に
、ミラー１８０からの戻り光が偏光ビームスプリッタ１
２１を透過し、検出器へ導かれるため、最初のＳ偏光光
と比較して光路が長い上に１通過する光学素子が多くロ
スが多い。このため、二波長のレーザの光量の小さい方
をＳ偏光光、光量の大きい方をＰ偏光光として使用する
のに適した光学系になっている。
第３図は１本発明の他の実施例である。第３図では、第
１図の偏光ビーム久プリッタ１２０の代りに、ハーフミ
ラ−１２２を使用し、二波長レーザの分離、合成のため
にダイクロイックミラー１２３を使用している点が特徴
である。すなわち、レーザ源１０から出射された二波長
レーザ１０００は、ハーフミラ−を透過するが、ダイク
ロイックミラー１２３で分離され、一方は反射し、他方
は透過する。透過した光１０１０は測定対象でドツプラ
ーシフトを受けて戻り、ダイクロイックミラー１２３で
反射光と干渉する。この干渉光１０３０は、ホログラム
レンズ２６０で集光され、検出器２００へ導かれる。
１図の偏光ビーム久プリッタ１２０の代りに、ハーフミ
ラ−１２２を使用し、二波長レーザの分離、合成のため
にダイクロイックミラー１２３を使用している点が特徴
である。すなわち、レーザ源１０から出射された二波長
レーザ１０００は、ハーフミラ−を透過するが、ダイク
ロイックミラー１２３で分離され、一方は反射し、他方
は透過する。透過した光１０１０は測定対象でドツプラ
ーシフトを受けて戻り、ダイクロイックミラー１２３で
反射光と干渉する。この干渉光１０３０は、ホログラム
レンズ２６０で集光され、検出器２００へ導かれる。
第４図は、第１図の変形例である。この例は、測定対象
５０が微小部である場合に適す、すなわち、測定対象を
照射するレーザ光１０１０は、ホログラムレンズ２４０
で絞られる。ここでもホログラムレンズを使用するのが
良く、これにより、干渉光学系を一体化することができ
る。
５０が微小部である場合に適す、すなわち、測定対象を
照射するレーザ光１０１０は、ホログラムレンズ２４０
で絞られる。ここでもホログラムレンズを使用するのが
良く、これにより、干渉光学系を一体化することができ
る。
第５図は、本発明の干渉光学系１００を使用した応用シ
ステムの例である。この例は、試料６０の凹凸を計測す
るために使用した例である。測定対象レバー５０と試料
６０が近づくと、ファンデルワールス力、あるいは、マ
グネテラフカにより、レバー５０が曲る。この時、レバ
ー５０を振動源４０で僅かに振動させておけば、試料６
０とレバー５０の相互作用力により振動周波数がシフト
するので、干渉光学系１００で検出する。更に、しＡ−
５０の振動数が所定の値になるようにフィードバック制
御３０をすれば、このフィードバック信号が、試料６ｏ
の凹凸信号に対応する。
ステムの例である。この例は、試料６０の凹凸を計測す
るために使用した例である。測定対象レバー５０と試料
６０が近づくと、ファンデルワールス力、あるいは、マ
グネテラフカにより、レバー５０が曲る。この時、レバ
ー５０を振動源４０で僅かに振動させておけば、試料６
０とレバー５０の相互作用力により振動周波数がシフト
するので、干渉光学系１００で検出する。更に、しＡ−
５０の振動数が所定の値になるようにフィードバック制
御３０をすれば、このフィードバック信号が、試料６ｏ
の凹凸信号に対応する。
本発明によれば、二波長のヘテロダイン光学系を検出器
を含めて一体化できるので、光軸調整が容易になり、小
形化できるので、測定中の温度変化に対し、測定誤差を
小さく抑えることができる。
を含めて一体化できるので、光軸調整が容易になり、小
形化できるので、測定中の温度変化に対し、測定誤差を
小さく抑えることができる。
第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図。
第３図、第４図は他の実施例の説明図、第５図は第１図
のブロック図である。 １０・・・二波長レーザ光源、２０・・・信号処理回路
、３０・・・フィードバック回路、４０・・・振動源、
５０・・・測定対象、６０・・・試料、１００・・・干
渉光学系。 第１図 匡 第２図 第３図 第４図
のブロック図である。 １０・・・二波長レーザ光源、２０・・・信号処理回路
、３０・・・フィードバック回路、４０・・・振動源、
５０・・・測定対象、６０・・・試料、１００・・・干
渉光学系。 第１図 匡 第２図 第３図 第４図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、二波長のレーザ光を出射する光源と、前記レーザ光
を分離、合成する手段をもつ光ヘテロダイン変位計測装
置において、 干渉光を検出器へ集光するホログラムと前記検出器が前
記レーザ光の分離、合成手段と一体で構成されているこ
とを特徴とする二波長光ヘテロダイン変位計測装置。 ２、前記二波長レーザを分離、合成する手段として、ダ
イクロイックミラーとハーフプリズムを用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の二波長光ヘテロダ
イン変位計測装置。 ３、二枚の１／４波長板と全反射ミラーと集光用ホログ
ラムと偏光ビームスプリッタを一体構造にした二波長干
渉光学素子。 ４、二波長レーザのいづれか一方を測定対象の一点に集
光する手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の二波長光ヘテロダイン変位計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63150299A JPH01318902A (ja) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | 二波長光ヘテロダイン変位計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63150299A JPH01318902A (ja) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | 二波長光ヘテロダイン変位計測装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01318902A true JPH01318902A (ja) | 1989-12-25 |
Family
ID=15493971
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63150299A Pending JPH01318902A (ja) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | 二波長光ヘテロダイン変位計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01318902A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006275531A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
| JP2008134257A (ja) * | 2001-09-04 | 2008-06-12 | Rosemount Aerospace Inc | Ｌｉｄａｒ用ブロック光学要素構成 |
| JP2010096767A (ja) * | 2009-12-28 | 2010-04-30 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
| JP2012053065A (ja) * | 2011-11-10 | 2012-03-15 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
-
1988
- 1988-06-20 JP JP63150299A patent/JPH01318902A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008134257A (ja) * | 2001-09-04 | 2008-06-12 | Rosemount Aerospace Inc | Ｌｉｄａｒ用ブロック光学要素構成 |
| JP2006275531A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
| US8064066B2 (en) | 2005-03-28 | 2011-11-22 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for measuring displacement of a sample to be inspected using an interference light |
| US8659761B2 (en) | 2005-03-28 | 2014-02-25 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for measuring displacement of a sample using a wire grid polarizer to generate interference light |
| JP2010096767A (ja) * | 2009-12-28 | 2010-04-30 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
| JP2012053065A (ja) * | 2011-11-10 | 2012-03-15 | Hitachi Ltd | 変位計測方法とその装置 |
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