JPH02115701A - レーザー干渉測長計 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、レーザー干渉測長計、特に、外乱の影響を
少なくした高精度のレーザー干渉測長計に関する。

（従来波Ｗｉ） 従来の干渉測長計は、０．１μｍ以下の測長分解能を得
るため、光源にガスレーザーや半導体レーザー等を用い
、そのビーム光を参照光と測長光に分けた後、被測長物
からの戻り光を再度参照光と一致させ、干渉縞やビート
を観測することによって測長（変位）情報を得ている。

干渉計の構成は、いずれも第１０図に示すマイケルソン
型干渉計を基本としている。すなわち。

光源２０からの光はビームスプリッタ−２１で参照光と
測長光に分けられ、測長光は測長物に取り付けられた移
動＃Ｉ２２で反射し、ビームスプリッタ−２１で固定鏡
２３からの反射光と合成され干渉縞を生じる。測長情報
の検出方法によって、戻り光により発生した干渉縞の動
きをカウントする干渉縞計数方式と、コヒーレントな複
数の波長を用いてビートを打たせ、被測定物の速度によ
って測長光の周波数がドツプラーシフトすることを利用
し、ビートの周波数変化を検出するヘテロダイン方式と
がある。

前者は第１１図に示す光学配置となっており、阿、　Ｊ
、　Ｄｏｖｈｓとに、　Ｌ　Ｒａ１ｈａｌによる公知文
献ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ
ｌ、１．　Ｎｏ、１（１９７９）　８５に検出信号処理
も含めて詳しく記載されている。すなわち、安定化レー
ザー２０からの直線偏光はλ／４板２４を通過して円偏
光となり、偏光ビームスプリッタ−２１によって参照光
と測長光に分けられる。測長光は移動＠２２で反射され
偏光ビームスプリッタ−２１に戻るが、λ／４板２板上
５過することにより偏光方向が直交するように変換され
、偏光ビームスプリッタ−２１で反射される。そして、
固定鏡２３で反射され、λ／４板２板上５過して偏光面
が変換され、偏光ビームスプリッタ−２１を透過した参
照光と合成される。ここでは参照光と測長光は偏光方向
が直交しているので干渉はしないが、偏光子２７．２９
によって共通偏光成分を抽出することによって干渉縞を
発生する。この干渉縞の動きを検出器２８．３０で検出
するが、移動鏡２２の移動方向を判別するため、偏光子
２７と２９は互いに直交する偏光を抽出するように配置
されている。２６はビームスプリッタ−である。

後者は第１２図に示す様な光学配置となっており、　Ｌ
、Ｊ、ｖｕｅｒｚとＲ，Ｃ，Ｑｕｅｎｅｌｌｅによる公
知文献ＰＲＥ（ＪＳＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ
ｏｌ、５．　Ｎｏ、３　（１９８３）　１１１に詳しい
、すなわち、互いに逆方向に回転する周波数ｆ□、ｆ２
の２つの円偏光を発生する２周波ゼーマンレーザー２０
’　からのビームは、λ／４板２４によって互いに直角
な偏光面を持つ直線偏光となる。ビームスプリッタ−３
４、偏光子３１を経て検出器３２では周波数ｆいｆ２の
ビート（ｆｌ−ｆ、）が検出される。移動鏡２２からの
反射光は、ドツプラー効果によって移動速度に応した周
波数変化Δｆを生じており、検出器３３で検出されるビ
ートは（ｆニーｆ２±Δｆ）となり、雨検出器からのビ
ート周波数を比較減算することによって物体の移動情報
を得ることが出来る。偏光ビームスプリッタ−３５によ
り、ｆ１光、ｆ２光は別々に検出器３６．３７で検出さ
れ、レーザー同調回路３８へ入力される。

いずれの例も、測長分解能は、電気的な処理も含めて、
０．０１μ■と極めて高く、この分解能を精度良く維持
するために、レーザー光源は、１０−’〜１０−８程度
の精度で周波数の安定化がなされている。

さらに、外乱に対する検出信号の安定化を図るために、
干渉縞計数方式の第１１図の例では、検出干渉縞の位相
を０°、９０°　　１８０°と３種類変えた信号をとり
出し、それぞれ差動出力をとる事により、９０ｍ位相の
異なる２つの安定した信号を得ている。これにより、検
出ビーム光の強度が９０％程度外乱で変化しても正確な
干渉縞の計数が実現されている。

また、ヘテロダイン方式の外乱に対する検出信号の安定
化の例として、第１３図に示す様な差動型の光路を持っ
た干渉測長計を持つ公知例がある。

偏光ビームスプリッタ２１とλ／４板２板上５より、測
長光はビームスプリッタ２１→移動コーナーキユーブ２
２→ビームスプリツタ２１→コーナーキユーブ４ｏ→移
動コーナーキユーブ２２→コーナーキユーブ４１→ビー
ムスプリツタ２１→コーナーキユーブ３９→ビームスプ
リツタ２１→出射の経路をたどり、参照光はビームスプ
リツタ２１→コーナーキユーブ３９→コーナーキユーフ
４１→反射鏡４２→コーナーキューブ４０→反射鏡４２
→出射の経路をたどる。これは周波数安定化レーザーの
ビームを測長光と参照光にわけ再度−致させる干渉測長
計内において、光路長を参照光と測長光ともに同じにす
る事により、温度変化等の外乱が両方に等しく影響する
ため、検出信号の安定性を大幅に向上する事ができる。

しかし第１３図に示す様に、従来の差動型干渉測長計は
極めて複雑で大きな構造となっており、測長プリズム内
の光路長も極めて長く、これらは、外乱からの安定性を
高めるためにはマイナス要因として働く、シかも測長光
は被測長物との間を一往復するだけなので、干渉計とし
ての光学的な検出感度も二往復する第１４図に示すよう
な干渉計と比べて半分となり、精度が向上する割に有利
とは言えない、またコーナーキューブを用いているので
、測長光の温度安定性は、あまり良くない。

しかし、第１４図に示すものはプリズム内での光路長が
参照光と測長光とで異なっており、温度等の外乱の影響
が大きい。

また従来、干渉測長計を構成する多くの光学部品が、Ｂ
Ｋ−７の様な、あまり熱線膨張係数の小さくない硝材を
使用しており、またプリズムの固定枠等の機械部品もス
テンレス等の鋼と熱線膨張係数がたいして違わない材料
を使用している。そのため外乱を受は易く、また外乱を
少なくするためには極めて精密にコントロールされた高
価な測定環境を必要としたり、あるいは外乱の影響を全
く無視する等、レーザー干渉測長計の分解能を十分に活
かせるほど測定精度の向上に対して考慮がされていなか
った。

（この発明が解決しようとする問題点）この発明は従来
のレーザー干渉測長計において、この干渉計が本来持っ
ている分解能に見合った測定精度を、光学的な検出感度
をおとす事なく実現する事を目的としている。

（問題を解決するための手段） この発明のレーザー干渉測長計においは、測定光と参照
光の干渉測長系内の光路長さを等しくとり、差動型の光
路配置とした事を特徴とする。

この様な光路配置は、測長光と参照光に偏光方向の異な
る複数の波長を用い、ヘテロダイン干渉計としてもよく
、また、測長光と参照光に偏光方向の異なる単一の波長
を用い、干渉縞計数型として構成しても良い。

ここで言う干渉測長系とは、ビームスプリッタ−１参照
光の反射面を含み、一体に構成されている光学系部分を
意味する。

（実施例） 光学系のアライメントの問題を除けば、温度安定性の高
い干渉測長計は第１図の様な簡単な構成で実現できる。

干渉縞計数型もヘテロダイン型も干渉計内のビームスプ
リッタ−に偏光膜を用い、検出部に検光子（又は等価な
光学素子）を用いればほとんど共用できる場合が多く、
ビームスプリッタ−の偏光特性をなくすと、干渉縞計数
型専用となる。

以下に第１図の実施例によって干渉縞計数型の測長原理
を説明する。今、干渉計の偏光ビームスプリッタ−とし
て直角プリズム１の垂直な２面をそれぞれ使用すると、
左から入射した円偏光の単一周波数レーザー光は、偏光
ビームスプリッタ−で参照光と測長光に分けられる。参
照光は紙面に垂直な偏光方向を持つ直線偏光で、ビーム
スブリット面での反射光である。測長光は偏光ビームス
ブリット面を透過後、測長物に取りつけられたコーナー
キューブあるいは直角プリズム２で反射し、再び干渉プ
リズム１内に入射する。偏光ビームスブリット面で再度
参照光と測長光が合成させられ、位相変位に変換され干
渉プリズムを出射する。このままでは参照光と測長光の
偏光方向が直交しているため、干渉は発生しないが、λ
／４位相板によって、両直線偏光を回転方向が反対とな
る円偏光にしたり、偏光子によって両方の共通偏光成分
を抽出することによって干渉縞を発生させる事ができる
。

測長物体が移動すると、その変位量に応じて干渉縞が移
動しこれを計数する事で変位量を知る事ができる。

ヘテロダイン型では、左から入射した互いに直交する直
線偏光で一方向が紙面に平行な２つの周波数ｆいｆ２の
レーザー光は、偏光ビームスプリッタ−で参照光と測長
光に分けられる。参照光は紙面に垂直な偏光方向を持つ
直線偏光で、かつ、一方の単一周波数ｆ２のビームでビ
ームスブリット面での反射光である。測長光は偏光ビー
ムスブリット面を透過後、測長物に取りつけられたコー
ナーキューブあるいは直角プリズム２で反射し、その移
動速度が周波数変位に変換され、再び干渉プリズム１内
に入射する。偏光ビームスブリット面で再度参照光と測
長光が合成させられ、干渉プリズムを出射する。このま
までは参照光（ｆ２）と測長光（ｆｌ）の偏光方向が直
交しているため。

干渉ビートは発生しないが、λ／４位相板によって、両
直線偏光を回転方向が反対となる円偏光にしたり、偏光
子によって両方の共通偏光成分を抽出することによって
干渉縞ビートを発生させる事ができる。

測長物体が移動すると、その速度に応じて干渉縞ビート
周波数ｆ、、−ｆ２±Δｆが移動し、これを計数する事
で速度を知る事ができる。すなわち、干渉計に入射直前
の２つの周波数のビート周波数（ｆニーｆ２）をとり、
測長後のビート周波数（ｆｌ−ｆ２±Δｆ）と比較減算
する事で、物体の移動に伴うドツプラー効果のみによる
周波数変化（±Δｆ）を安定して取り出す事ができる。

第１図の直角プリズムを２分すれば、第２図の様に偏光
ビームスプリッタ−プリズムを、２つ重ねても同一の効
果が得られる。

この干渉測長計は単純な割に参照光と測長光の光路長が
プリズム内で同じになるため、安定性が高いが、前述し
たアライメントの難点の他に、測長光が一往復のため光
学的な測長感度があまり高くないという欠点もある。こ
れを解決するために、第３図の様に並列化するのが良い
。この光学系では、参照光と測長光は順次、ビームスプ
リッタ−１，１′　１”およびプリズム２．２′、２”
を通過し、検出精度を３倍に高める。

第４図は、′ｆ！４長物体からの測長光の反射をコーナ
ーキューブからプレーンミラーに変えた例である。参照
光は偏光ビームスブリット面３で反射後λ／４位相板４
を通り、コーナーキューブ５により反射し、再びλ／４
位相板４を通りλ／２のリタデーションを受け、直交す
る直線偏光となる。

今度は偏光ビームスブリット面を透過し、干渉プリズム
外へ射出する。測長光もプレーンミラー６の反射の前後
でλ／４位相板を１往復し、最初と直行する直線偏光と
なり、偏光ビームスブリット面で反射し、参照光と一致
後干渉プリズムを射出する０図ではへテロダイン型で示
しであるが、干渉縞計数型にも用いる事ができる。

第５図はこれを２組組合せて測長光を４往復にし、光学
的測長感度を２倍にあげた例を示す。

第６図に最も実用的な実施例を示す、これも第１図の場
合と同様に、干渉縞計数型としてもヘテロダイン型とし
ても使用できる。以下に第１図と同様に干渉縞計数型（
ヘテロダイン型としたばあいを括弧内に示す、）の測長
原理を示す。

左側から入射した円偏光の単一周波数（互いに直交する
２つの周波数ｆ□、ｆ、の直線偏光で、方向が紙面に平
行な偏光°面を有する）レーザー光は、偏光ビームスブ
リット面７で参照光と測長光に分けられる。参照光は紙
面に垂直な偏光方向を持つ直線偏光（かつ一方の単一周
波数ｆ、）で偏光ビームスブリット面７での反射光であ
り、測長光は、偏光ビームスブリット面７の透過光であ
る。

参照光は反射後、偏光ビームスブリット面７の下方のλ
／４位相板８に入射する。λ／４位相板の裏面はＡＱ等
により反射コートが施されているので、参照光は一往復
してλ／２のリタデーションを受け、即ち最初と直交す
る方向（紙面に平行な方向）の直線偏光となって戻り、
再び偏光ビームスブリット面７に入射する。しかし最初
と偏光方向が直交するため、今度は参照光は偏光ビーム
スブリット面７を透過し、上部のコーナーキューブプリ
ズム８に入射する。

ここで偏光方向を１８０°変え再び偏光ビームスブリッ
ト面７に入射する。偏光方向が１８０゜変わっても偏光
ビームスブリット面７に対しては変わりなく透過するた
め、再度λ／４板８に入射し、前回と同様λ／２のリタ
デーションを発生し。

紙面と直交する方向の直線偏光となって再び偏光ビーム
スブリット面７に戻る。今度は、偏光ビームスブリット
面７で反射し、干渉計外へ出射する。

一方、測長光は偏光ビームスブリット面７を透過後λ／
４位相板９に入射し、円偏光となり、測長物体に取り付
けられたコーナーキューブ１０に入射する。コーナーキ
ューブ１０では上下左右が逆転し、偏光方向が１８０°
変わるが、位相変化はないので入射と同一方向の円偏光
となって戻る。

さらにλ／４板９を透過すると結局最初の偏光方向と直
交する紙面に垂直な偏光方向の直線偏光となって偏光ビ
ームスブリット面７に入射する。すると今度はここで反
射して、上方のコーナーキューブ８を通り、再度偏光ビ
ームスブリット面７に入射し５反射する。

結局、最初と同一の光路を通り、λ／４板９を透過後、
測長物体上のコーナーキューブ１０へ入射する。但し、
この時の円偏光は最初の時とは逆廻りであり、戻り光は
再度λ／４板９を透過すると紙面に平行な偏光方向を持
つ直線偏光となり、偏光ビームスブリット面７を透過し
、参照光と合成され干渉計を出射する事となる。

このままでは参照光（ｆ２）と測長光（ｆ工）は、お互
いに直交する直線偏光のため干渉縞（ビート）を発生し
ないが、図示しないλ／４位相板によって両直線偏光を
回転方向が逆となる円偏光としたり、偏光子により、両
方の共通偏光成分を抽出する事によって干渉縞（ビート
）を発生する事ができる。ヘテロダイン型では、第１図
の場合と同様に、干渉計に入射する直前の２つの周波数
のビート（ｆよ−ｆ、）をとって測長後のビート周波数
（ｆ、−ｆ２±Δｆ）と比較減算する事で物体の移動に
伴うドツプラー効果のみによる周波数変化（±Δｆ）を
安定して取り出す事ができる。

第６図の実施例では参照光と測長光の光路が干渉計内で
全く同一で短く、シかも半分以上が全く同一の光路を通
るため極めて高い精度安定性を実現し、光学的な測長感
度も測長光が２往復するため高いというすぐれた特長を
有している。さらに全体がコンパクトであるということ
は、硝材よりも線膨張係数の高いステンレス等の金属で
できた枠部品を小さくできるということを意味し、測長
精度を安定化する上で非常に有利になっている。

さらに測長精度を安定化するために、光学部品に石英を
使う事で、大きな効果をあげられる。

第７図は、測長物体にとりつけたコーナーキューブの温
度変化による光路長変化をなくすために。

ブレーンミラー１１で置き換えた実施例を示す。

第６図と若干干渉計内の測長光の光路が変わるが、光路
長は参照光も測長光も全く同一で、半分以上の光路を共
通とするため、第６図と同様の高い差動特性が維持され
る。しかもプレーンミラーにより測長光の温度高安定性
の他に１部品単価も下げるという理想的な光学系となっ
ている６第８図に第７図の実施例を並列に配置し、光学
的検出感度を２倍にした実施例を示す。片方の干渉計の
出射光をコーナーキューブや直角プリズム１２を用いて
光路を曲げ、もう一方の干渉計の入射光としたものであ
り、これにより４往復の測長光路を持つため、干渉縞１
カウント当たりλ／８の分解能を実現できる。

第９図は、１つの干渉計で第７図と同じ４往復の測長光
路を持つ実施例で、出射光を直角プリズム１２で少し横
にずらして再入射させたものである。同図（ａ）に平面
図を、同図（ｂ）に側面図を、同図（Ｃ）に斜視図を示
す、極めてコンパクトで部品数も単独な場合と比較し２
点増えるだけで第８図の実施例と同一の光学的検出感度
を得られる。しかもコンパクトなため外乱の影響を受け
にくい。

第５図ないし第９図の実施例における各光学素子は、そ
れぞれ偏光ビームスプリッタ−、コーナーキューブ、位
相板、あるいは位相板の裏面ミラーをそれぞれ別部品と
する等、分離して構成しても全く同一の効果をあげられ
る。但し、それらの固定する枠について、例えばインバ
ーの様な線膨張係数の小さい材料を選ばないと、せっか
くの精度の高安定性を下げる。

また、各実施例の光学部品に線膨張係数の低い石英やＺ
　ｅｒｏｄｕｒのような材料を用いると、さらに測長精
度の安定化を計ることが出来る９例えば第１図、第２図
、第３図、第６図に示す実施例において、測長光の光路
を構成するコーナーキューブ内部の幾何学的光路長を５
Ｏｎ＋＋＋＋とすると、通’ｌｌノ硝材（Ｂ　Ｋ　−７
１’　ａ　＝　７．１ｘ１０−’）では、環境温度が１
℃変化すると０．３５μｍ程度の変化が生じる。これは
、測長分解能の実に数十倍に達する値で、測長精度を再
現性よく維持するには±０．０２℃以下に環境温度を制
御せねばならず、極めて高価で大規模な空調設備を必要
とする。

しかし１石英（α＝４，３Ｘ１０−’）を用いれば、温
度１℃あたりの光路長変化が、０．０２μｍで前述の場
合の１／１５以下となり、従って測長環境の温度制御も
測長器本体の安定性に関しては、前者の１５倍程度、緩
くできる。

（発明の効果） この発明は、上記のように、プリズム等で構成される干
渉測長系内の光路長を、測定光と参照光とで等しくとる
ことにより、極めて簡単な構成で、温度変化等の外乱の
影響を極めて小さくすることが出来、レーザー干渉側長
針本来の精度を実現することが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図、第８図、第９図はそれぞれこの発明のレーザー干
渉測長計の異なる実施例の光学配置図、第１０図、第１
１図、第１２図、第１３図、第１４図は従来公知のレー
ザー干渉測長計の光学配置図である。 １：直角プリズム ２．５．８．１０．１２．３９．４０．４１：コーナー
キューブ ３．７：偏光ビームスブリット面 ４．９：λ／４位相板 ６．１１ニブレーンミラー ２０：安定化レーザー ２１．３５：偏光ビームスプリッタ− ２２：移動鏡　　　　２３：固定鏡 ２４．２５：λ／４板 ２６．３４：ビームスプリッタ− ２７，２９，３１：偏光子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　レーザー干渉測長計において、測定光と参照光の測
   長干渉系内の光路長を等しくとり、差動型の光路配置と
   したことを特徴とするレーザー干渉測長計 ２　請求項１において、測長光と参照光に偏光方向の異
   なる複数の波長を用い、ヘテロダイン干渉計としたこと
   を特徴とする干渉測長計 ３　請求項１において、測長光と参照光に偏光方向の異
   なる単一の波長を用い、干渉縞計数型としたことを特徴
   とする干渉測長計 ４　請求項１〜３のいずれかにおいて、測長光が被測長
   物との間を複数回往復することを特徴とする干渉測長計 ５　請求項１〜４のいずれかにおいて、測長プリズムの
   素材を石英としたことを特徴とする干渉測長計