JPH04282402A - 差動型干渉プリズム - Google Patents
差動型干渉プリズムInfo
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- JPH04282402A JPH04282402A JP3044890A JP4489091A JPH04282402A JP H04282402 A JPH04282402 A JP H04282402A JP 3044890 A JP3044890 A JP 3044890A JP 4489091 A JP4489091 A JP 4489091A JP H04282402 A JPH04282402 A JP H04282402A
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- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
- G01B9/02017—Interferometers characterised by the beam path configuration with multiple interactions between the target object and light beams, e.g. beam reflections occurring from different locations
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- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
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- G01B9/02003—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using beat frequencies
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- G01B9/02017—Interferometers characterised by the beam path configuration with multiple interactions between the target object and light beams, e.g. beam reflections occurring from different locations
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01B2290/70—Using polarization in the interferometer
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
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
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は差動型レーザー干渉測長
計に用いられる差動型干渉プリズム(以下、単に干渉プ
リズムと言う)に関する。
計に用いられる差動型干渉プリズム(以下、単に干渉プ
リズムと言う)に関する。
【0002】
【発明の背景】差動型レーザー干渉測長計は、レーザー
光を参照光束と測長光束とに分岐し、それぞれの光束を
同一方向同一向きに配置された参照光束を折り返す参照
鏡と測定光束を折り返す測長鏡とに導き、次いで両光束
を合わせた光路差情報光束からヘテロダイン方式または
干渉縞計数方式で干渉縞検出信号を得て測長するもので
ある。この検出信号の安定度を高めるためには、参照光
束と測長光束にできるだけ近い光路をとらせて、温度変
化に伴う光学素子の膨縮や大気のゆらぎ、大気圧変動等
の参照光束と測長光束の光路差に及ぼす影響を少なくす
ることが肝要である。すなわち、参照光束と測長光束は
常に同軸であることが上述のような外乱因子の影響を共
通に受けて光路差への影響を打消されるので好ましい。 しかしそれは、参照光束と測長光束を分離することを難
しくする。そのため、通常参照光束と測長光束は10m
m以上離れている。したがって、差動型と言ってもレー
ザー干渉測長計では、参照光束と測長光束が大かれ少な
かれ空間的に異なる光路をとり、そのために前述の外乱
因子が両光束の光路差に相当の影響を与える。このこと
は、ナノメータ以下の測長分解能を得ようとした場合に
、検出信号上の不安定性(ドリフト、ノイズ等)として
大きな問題となる。
光を参照光束と測長光束とに分岐し、それぞれの光束を
同一方向同一向きに配置された参照光束を折り返す参照
鏡と測定光束を折り返す測長鏡とに導き、次いで両光束
を合わせた光路差情報光束からヘテロダイン方式または
干渉縞計数方式で干渉縞検出信号を得て測長するもので
ある。この検出信号の安定度を高めるためには、参照光
束と測長光束にできるだけ近い光路をとらせて、温度変
化に伴う光学素子の膨縮や大気のゆらぎ、大気圧変動等
の参照光束と測長光束の光路差に及ぼす影響を少なくす
ることが肝要である。すなわち、参照光束と測長光束は
常に同軸であることが上述のような外乱因子の影響を共
通に受けて光路差への影響を打消されるので好ましい。 しかしそれは、参照光束と測長光束を分離することを難
しくする。そのため、通常参照光束と測長光束は10m
m以上離れている。したがって、差動型と言ってもレー
ザー干渉測長計では、参照光束と測長光束が大かれ少な
かれ空間的に異なる光路をとり、そのために前述の外乱
因子が両光束の光路差に相当の影響を与える。このこと
は、ナノメータ以下の測長分解能を得ようとした場合に
、検出信号上の不安定性(ドリフト、ノイズ等)として
大きな問題となる。
【0003】図4,5はそれぞれ従来の差動型レーザー
干渉測長計の光路配置を示し、図においてLはレーザー
光束、Rは参照光束、Mは測長光束、Iは参照光束Rと
測長光束Lの重疊から成り、それから従来公知のヘテロ
ダイン方式または干渉縞計数方式で干渉縞検出信号を得
ることができる光路差情報光束、1は偏光ビームスプリ
ッタ、11は偏光シエアリング板、2はλ/2移相板、
3はλ/4移相板、4はコーナーキューブプリズム、5
は反射鏡、6は参照鏡、7は測長鏡、74は測長鏡と同
じ機能のコーナーキューブプリズムである。図4,5に
示したように、従来の差動型測長計は、差動型の光路配
置を得るために、キューブプリズムを用いた光路の引き
回しが非常に多く、分岐された参照光束Rと測長光束M
の光路長がそれぞれ200mm以上にも達し、そのうち
の光学素子内の光路長が80%以上を占めるものもある
。そのため、温度変化による光学素子の密度や寸法の不
均衡等、光路環境に過渡的に生ずる外乱の影響によって
も参照光束Rと測長光束Mの光路差が大きく変化するよ
うになり、ナノメータ以下の精度の測長が難しいと言う
問題があった。
干渉測長計の光路配置を示し、図においてLはレーザー
光束、Rは参照光束、Mは測長光束、Iは参照光束Rと
測長光束Lの重疊から成り、それから従来公知のヘテロ
ダイン方式または干渉縞計数方式で干渉縞検出信号を得
ることができる光路差情報光束、1は偏光ビームスプリ
ッタ、11は偏光シエアリング板、2はλ/2移相板、
3はλ/4移相板、4はコーナーキューブプリズム、5
は反射鏡、6は参照鏡、7は測長鏡、74は測長鏡と同
じ機能のコーナーキューブプリズムである。図4,5に
示したように、従来の差動型測長計は、差動型の光路配
置を得るために、キューブプリズムを用いた光路の引き
回しが非常に多く、分岐された参照光束Rと測長光束M
の光路長がそれぞれ200mm以上にも達し、そのうち
の光学素子内の光路長が80%以上を占めるものもある
。そのため、温度変化による光学素子の密度や寸法の不
均衡等、光路環境に過渡的に生ずる外乱の影響によって
も参照光束Rと測長光束Mの光路差が大きく変化するよ
うになり、ナノメータ以下の精度の測長が難しいと言う
問題があった。
【0004】
【発明の目的】本発明は、上述の問題を解消するために
なされたものであり、差動型のメリットを活かしてサブ
ナノメータの精度の測長を安定して可能にするレーザー
干渉測長計に用いられる干渉プリズムを提供する。
なされたものであり、差動型のメリットを活かしてサブ
ナノメータの精度の測長を安定して可能にするレーザー
干渉測長計に用いられる干渉プリズムを提供する。
【0005】
【発明の構成】本発明は、コーナーキューブプリズムの
一反射面に偏光ビームスプリットコートが設けられてい
て、該コート面にλ/2移相板または90°旋光板を挟
んで接合された平行四辺形プリズムと三角プリズムとが
三角プリズムをコーナーキューブプリズムの中心側にし
て接合されていることを特徴とする差動型干渉プリズム
にあり、この構成によって前記目的を達成する。
一反射面に偏光ビームスプリットコートが設けられてい
て、該コート面にλ/2移相板または90°旋光板を挟
んで接合された平行四辺形プリズムと三角プリズムとが
三角プリズムをコーナーキューブプリズムの中心側にし
て接合されていることを特徴とする差動型干渉プリズム
にあり、この構成によって前記目的を達成する。
【0006】
【作用】すなわち、本発明の干渉プリズムは、平行四辺
形プリズムのコーナーキューブプリズムへの接合面と交
わる外向面からレーザ光を入射されると、コーナーキュ
ーブプリズムの偏光ビームスプリットコート面の平行四
辺形プリズム接合面で参照光束と測長光束とに分岐し、
両光束をそれぞれコーナーキューブプリズムの透過面と
λ/4移相板を間に介在させた参照鏡との間および測長
鏡との間で2往復させ、その後両光束をコーナーキュー
ブプリズムの偏光ビームスプリットコート面の三角プリ
ズム接合面で合わせて参照鏡と測長鏡間の光路差の情報
を担持した光路差情報光束として三角プリズムの外向面
から出射するものであり、光学素子内で参照光束と測長
光束の光路が離れているのは1個のコーナーキューブプ
リズム内だけであり、したがってその間の光路長が短く
、両光路の離れを少なくすることも比較的容易にできる
から、温度変化等の外乱の両光束の光路差への影響を小
さくでき、安定したサブナノメータの精度の測長を可能
にする。
形プリズムのコーナーキューブプリズムへの接合面と交
わる外向面からレーザ光を入射されると、コーナーキュ
ーブプリズムの偏光ビームスプリットコート面の平行四
辺形プリズム接合面で参照光束と測長光束とに分岐し、
両光束をそれぞれコーナーキューブプリズムの透過面と
λ/4移相板を間に介在させた参照鏡との間および測長
鏡との間で2往復させ、その後両光束をコーナーキュー
ブプリズムの偏光ビームスプリットコート面の三角プリ
ズム接合面で合わせて参照鏡と測長鏡間の光路差の情報
を担持した光路差情報光束として三角プリズムの外向面
から出射するものであり、光学素子内で参照光束と測長
光束の光路が離れているのは1個のコーナーキューブプ
リズム内だけであり、したがってその間の光路長が短く
、両光路の離れを少なくすることも比較的容易にできる
から、温度変化等の外乱の両光束の光路差への影響を小
さくでき、安定したサブナノメータの精度の測長を可能
にする。
【0007】
【実施例】以下さらに、本発明を図1,2にそれぞれ示
した実施例によって説明する。
した実施例によって説明する。
【0008】図1,2はそれぞれ本発明の干渉プリズム
を用いたレーザー干渉測長計の光路配置図である。
を用いたレーザー干渉測長計の光路配置図である。
【0009】図1において、本発明の干渉プリズム10
に用いられるコーナーキューブプリズム14は3面の反
射面の中心軸Zと透過面14aの成す角が垂直ではなく
、垂直からCOS−1(1/√3)−45°の角度だけ
傾いていて、偏光ビームスプリットコートを設けた反射
面のコート面14bと透過面14aの成す角が45°に
なっている。偏光ビームスプリットコートはコート面1
4bに入射する光をその偏光状態により選択的に反射さ
せまたは透過させる。
に用いられるコーナーキューブプリズム14は3面の反
射面の中心軸Zと透過面14aの成す角が垂直ではなく
、垂直からCOS−1(1/√3)−45°の角度だけ
傾いていて、偏光ビームスプリットコートを設けた反射
面のコート面14bと透過面14aの成す角が45°に
なっている。偏光ビームスプリットコートはコート面1
4bに入射する光をその偏光状態により選択的に反射さ
せまたは透過させる。
【0010】コート面14bには、4面を光学面として
一対の対頂角を45°とした平行四辺形プリズム18が
45°の頂角を挟む一方の面を接合面とし、他方の面を
コーナーキューブプリズム14の透過面14aに垂直な
レーザー光束Lの入射面または光路差情報光束Iの出射
面となる外向面18aとするように接合されている。さ
らに90°頂角の二等辺三角プリズム19が、90°頂
角を挟む直交面の一方と平行四辺形プリズム18の外向
面18aに平行な面との間にλ/2移相板または90°
旋光板(以下、変光板と言う)12を挟み、斜面を接合
面として、コーナーキューブプリズム14のコート面1
4bに接合されている。この三角プリズム19は、90
°頂角を挟む直交面の他方の外向面19aを光路差情報
光束Iの出射面またはレーザー光束Lの入射面とする。
一対の対頂角を45°とした平行四辺形プリズム18が
45°の頂角を挟む一方の面を接合面とし、他方の面を
コーナーキューブプリズム14の透過面14aに垂直な
レーザー光束Lの入射面または光路差情報光束Iの出射
面となる外向面18aとするように接合されている。さ
らに90°頂角の二等辺三角プリズム19が、90°頂
角を挟む直交面の一方と平行四辺形プリズム18の外向
面18aに平行な面との間にλ/2移相板または90°
旋光板(以下、変光板と言う)12を挟み、斜面を接合
面として、コーナーキューブプリズム14のコート面1
4bに接合されている。この三角プリズム19は、90
°頂角を挟む直交面の他方の外向面19aを光路差情報
光束Iの出射面またはレーザー光束Lの入射面とする。
【0011】干渉プリズム10は以上から成り、そのコ
ーナーキューブプリズム14の透過面14a側に、図4
,5の光路配置における偏光ビームスプリッタ1の出射
面側と同様、λ/4移相板3と参照鏡6および測長鏡7
が配設される。λ/4移相板3はコーナーキューブプリ
ズム14の透過面14aに接合しても、しなくてもよい
。空気界面との迷光を減らす目的では接合した方が良い
が、透過光束の波面を歪ませないためには、離した方が
有利である。
ーナーキューブプリズム14の透過面14a側に、図4
,5の光路配置における偏光ビームスプリッタ1の出射
面側と同様、λ/4移相板3と参照鏡6および測長鏡7
が配設される。λ/4移相板3はコーナーキューブプリ
ズム14の透過面14aに接合しても、しなくてもよい
。空気界面との迷光を減らす目的では接合した方が良い
が、透過光束の波面を歪ませないためには、離した方が
有利である。
【0012】干渉プリズム10に入射するレーザー光束
Lは、ヘテロダイン方式の互いに直交した直線偏光の2
波長でも、干渉縞計数方式の単一波長の円偏光でもよい
。 また、平行四辺形プリズム18から入射しても、三角プ
リズム19から入射しても同様の結果が得られる。
Lは、ヘテロダイン方式の互いに直交した直線偏光の2
波長でも、干渉縞計数方式の単一波長の円偏光でもよい
。 また、平行四辺形プリズム18から入射しても、三角プ
リズム19から入射しても同様の結果が得られる。
【0013】例えば、平行四辺形プリズム18の外向面
18aから干渉プリズムに入射したレーザー光束Lはコ
ーナーキューブプリズム14のコート面14bにより入
射面に垂直な方向と平行な方向の直線偏光に分岐される
。どちらを参照光束Rまたは測長光束Mとしても良いが
、図1ではコート面14bで反射される紙面に垂直な方
向の直線偏光を参照光束R、コート面14bを透過する
平行方向の直線偏光を測長光束Mとしている。
18aから干渉プリズムに入射したレーザー光束Lはコ
ーナーキューブプリズム14のコート面14bにより入
射面に垂直な方向と平行な方向の直線偏光に分岐される
。どちらを参照光束Rまたは測長光束Mとしても良いが
、図1ではコート面14bで反射される紙面に垂直な方
向の直線偏光を参照光束R、コート面14bを透過する
平行方向の直線偏光を測長光束Mとしている。
【0014】参照光束Rは、コート面14bで反射した
後、平行四辺形プリズム18のコーナーキューブプリズ
ム14への接合面と平行な面で反射し、変光板12によ
りその偏光方向を90°変換されて紙面に平行な方向の
直線偏光となり、三角プリズム19内に入射する。そし
てもう一度コーナーキューブプリズム14のコート面1
4bに入射し、今度はコート面14bを透過してコーナ
ーキューブプリズム14内に入射する。この状態で参照
光束Rは測長光束Mと偏光状態が同じである。
後、平行四辺形プリズム18のコーナーキューブプリズ
ム14への接合面と平行な面で反射し、変光板12によ
りその偏光方向を90°変換されて紙面に平行な方向の
直線偏光となり、三角プリズム19内に入射する。そし
てもう一度コーナーキューブプリズム14のコート面1
4bに入射し、今度はコート面14bを透過してコーナ
ーキューブプリズム14内に入射する。この状態で参照
光束Rは測長光束Mと偏光状態が同じである。
【0015】参照光束Rと測長光束Mはコーナーキュー
ブプリズム14の反射面でそれぞれ反射して透過面14
aから出射し、λ/4移相板3により円偏光に変換され
、それぞれ参照鏡6と測長鏡7で折り返されて再びλ/
4移相板3により紙面に垂直な直線偏光に変換され、透
過面14aからコーナーキューブプリズム14に入射す
る。この参照光束Rと測長光束Mはそれぞれコーナーキ
ューブプリズム14内で2又は3回反射して再び透過面
14aから出射し、それぞれ前と同様に参照鏡6と測長
鏡7で折り返されて再び透過面14aに入射する往復の
間にλ/4移相板3を2度通過し、それにより参照鏡6
と測長鏡7の間の光路差を2往復分与えられて測長感度
を2倍に高める。
ブプリズム14の反射面でそれぞれ反射して透過面14
aから出射し、λ/4移相板3により円偏光に変換され
、それぞれ参照鏡6と測長鏡7で折り返されて再びλ/
4移相板3により紙面に垂直な直線偏光に変換され、透
過面14aからコーナーキューブプリズム14に入射す
る。この参照光束Rと測長光束Mはそれぞれコーナーキ
ューブプリズム14内で2又は3回反射して再び透過面
14aから出射し、それぞれ前と同様に参照鏡6と測長
鏡7で折り返されて再び透過面14aに入射する往復の
間にλ/4移相板3を2度通過し、それにより参照鏡6
と測長鏡7の間の光路差を2往復分与えられて測長感度
を2倍に高める。
【0016】再度コーナーキューブプリズム14に入射
した参照光束Rと測長光束Mは、共に紙面に平行な直線
偏光になっているから、今度はそれぞれコート面14b
を透過する。そのうち参照光束Rはそのまま三角プリズ
ム19を通過して干渉プリズム10外に出射するが、測
長光束Mは平行四辺形プリズム18内で1回で反射して
変光板12を透過し三角プリズム19のコート面14b
との接合面に入射する。この測長光束Mは、変光板12
によって紙面に垂直の偏光方向にされているからコート
面14bで反射して、コート面14bを透過した参照光
束Rと同軸で重疊して光路差情報光束Iとなり干渉プリ
ズムから出射する。
した参照光束Rと測長光束Mは、共に紙面に平行な直線
偏光になっているから、今度はそれぞれコート面14b
を透過する。そのうち参照光束Rはそのまま三角プリズ
ム19を通過して干渉プリズム10外に出射するが、測
長光束Mは平行四辺形プリズム18内で1回で反射して
変光板12を透過し三角プリズム19のコート面14b
との接合面に入射する。この測長光束Mは、変光板12
によって紙面に垂直の偏光方向にされているからコート
面14bで反射して、コート面14bを透過した参照光
束Rと同軸で重疊して光路差情報光束Iとなり干渉プリ
ズムから出射する。
【0017】光路差情報光束Iは、互いに直交する直線
偏光の参照光束Rと測長光束Mの重量したものであるか
ら、これからヘテロダイン方式ではビート周波数の変化
として測長鏡7の変位速度を検出でき、干渉縞計数方式
では干渉縞状態の変化として、直接測長鏡7の変位を検
出できる。
偏光の参照光束Rと測長光束Mの重量したものであるか
ら、これからヘテロダイン方式ではビート周波数の変化
として測長鏡7の変位速度を検出でき、干渉縞計数方式
では干渉縞状態の変化として、直接測長鏡7の変位を検
出できる。
【0018】図1のレーザー干渉測長計は、従来の差動
型測長計と異なり、干渉プリズム10のコーナーキュー
ブプリズム14以外にキューブプリズムを全く用いてい
ないため、測長計内での光路の引き回しが殆んどない。 また、平行四辺形プリズム18と三角プリズム19内で
の光路は参照光束Rと測長光束Mとで完全に同軸となる
ので、この部分では環境変化による外乱因子や、光学素
子の不均一性に基づく測長信号への光学的な影響が完全
に除去される。すなわち、接合に用いた接着剤の温度変
化による膨縮の影響も完全に除去できる。したがって参
照光束Rと測長光束Mの非同軸となる光路は干渉プリズ
ム10のコーナーキューブプリズム14内だけとなる。 これは従来の測長計におけると同じビーム径のレーザー
光束Lを用いた場合、光路長が1/6以下に短くなり、
外乱因子に基づく測長計内の不安定度もこの光路長が短
くなることに比例して大幅に改善される。さらに、光学
素子数が図4の従来法より3点少なくなり、図5の従来
法より2点少なくなって、コスト的にも優れている。
型測長計と異なり、干渉プリズム10のコーナーキュー
ブプリズム14以外にキューブプリズムを全く用いてい
ないため、測長計内での光路の引き回しが殆んどない。 また、平行四辺形プリズム18と三角プリズム19内で
の光路は参照光束Rと測長光束Mとで完全に同軸となる
ので、この部分では環境変化による外乱因子や、光学素
子の不均一性に基づく測長信号への光学的な影響が完全
に除去される。すなわち、接合に用いた接着剤の温度変
化による膨縮の影響も完全に除去できる。したがって参
照光束Rと測長光束Mの非同軸となる光路は干渉プリズ
ム10のコーナーキューブプリズム14内だけとなる。 これは従来の測長計におけると同じビーム径のレーザー
光束Lを用いた場合、光路長が1/6以下に短くなり、
外乱因子に基づく測長計内の不安定度もこの光路長が短
くなることに比例して大幅に改善される。さらに、光学
素子数が図4の従来法より3点少なくなり、図5の従来
法より2点少なくなって、コスト的にも優れている。
【0019】また図1のレーザー干渉測長計は、干渉プ
リズム10の参照光束Rと測長光束Lの折り返しを行っ
ているコーナーキューブプリズム14が測長計のほぼ中
央に位置していて、その頂点を支点として光学系のアラ
イントの調整を行えば測長計のテイルトは殆んど影響を
与えなくなるので、光学系のアラインメントが著しく容
易になると言う利点もある。さらに、先にも触れたよう
にレーザー光束Lを三角プリズム19の外向面19aに
入射して光路差情報光束Iを平行四辺形プリズム18の
外向面18aから出射するようにしても同様の効果が得
られるから、光源と検出光学系の位置を交換するだけで
レーザー光束Lの方向と測長光束Mの方向を同方向に配
置したり、90°の交叉方向に配置したりすることがで
きる。図3は干渉プリズム10をレーザー光束Lと測長
光束Mが90°の交叉方向になるように用いると、2軸
方向に移動するX−Yテーブルの位置検出用測長計が、
図4,5の従来の測長計またはレーザー光束Lと測長光
束Mが同方向になるように本発明の干渉プリズム10を
用いた図6のX−Yテーブル位置検出用測長計に比較し
て、2個の反射鏡5を用いなくて済むようになるだけ構
造が簡単になることを示している。
リズム10の参照光束Rと測長光束Lの折り返しを行っ
ているコーナーキューブプリズム14が測長計のほぼ中
央に位置していて、その頂点を支点として光学系のアラ
イントの調整を行えば測長計のテイルトは殆んど影響を
与えなくなるので、光学系のアラインメントが著しく容
易になると言う利点もある。さらに、先にも触れたよう
にレーザー光束Lを三角プリズム19の外向面19aに
入射して光路差情報光束Iを平行四辺形プリズム18の
外向面18aから出射するようにしても同様の効果が得
られるから、光源と検出光学系の位置を交換するだけで
レーザー光束Lの方向と測長光束Mの方向を同方向に配
置したり、90°の交叉方向に配置したりすることがで
きる。図3は干渉プリズム10をレーザー光束Lと測長
光束Mが90°の交叉方向になるように用いると、2軸
方向に移動するX−Yテーブルの位置検出用測長計が、
図4,5の従来の測長計またはレーザー光束Lと測長光
束Mが同方向になるように本発明の干渉プリズム10を
用いた図6のX−Yテーブル位置検出用測長計に比較し
て、2個の反射鏡5を用いなくて済むようになるだけ構
造が簡単になることを示している。
【0020】図3,6において、図1,2や図4,5に
おけると同一符号は同一の機能部材あるいは機能部分を
示し、20はレーザー光源、21はビームスプリッタ、
22は位置検出ヘッド、23は図4または図5の参照鏡
6よりも左側にある光学素子群のパッケージである。こ
の図3,6では固定台に設けられる参照鏡の図示を省略
している。
おけると同一符号は同一の機能部材あるいは機能部分を
示し、20はレーザー光源、21はビームスプリッタ、
22は位置検出ヘッド、23は図4または図5の参照鏡
6よりも左側にある光学素子群のパッケージである。こ
の図3,6では固定台に設けられる参照鏡の図示を省略
している。
【0021】平行四辺形プリズム18内での反射は、そ
の反射面に何もコートをしてない場合は全反射となり、
反射の前後での強度損失は0となる。しかし、全反射に
おいてはその入射面に対するP成分、S成分で位相とび
が発生し、リタデーションが発生するため、反射前後で
偏光状態が変わる。それは互いに直交してそれぞれの混
信を最小にしていた参照光束Rと測長光束Lの偏光状態
が崩れる事を意味し、検出信号のS/N比を大きく下げ
る要因となる。そこで、この反射面にAgやAl等の金
属コートを施すと、この位相とびによるリタデーション
を最小にでき、それにより検出信号のS/N比を高く維
持して測長する事が可能となる。しかし、金属コートを
施した場合は、反射率が95%前後と言ったように、強
度減衰が比較的大きい。その点、反射面に誘電体コート
を施すと、位相とびによるリタデーションをコートのな
い場合よりは少なくし、反射率の低下も金属コートの場
合よりは少なくすることができる。
の反射面に何もコートをしてない場合は全反射となり、
反射の前後での強度損失は0となる。しかし、全反射に
おいてはその入射面に対するP成分、S成分で位相とび
が発生し、リタデーションが発生するため、反射前後で
偏光状態が変わる。それは互いに直交してそれぞれの混
信を最小にしていた参照光束Rと測長光束Lの偏光状態
が崩れる事を意味し、検出信号のS/N比を大きく下げ
る要因となる。そこで、この反射面にAgやAl等の金
属コートを施すと、この位相とびによるリタデーション
を最小にでき、それにより検出信号のS/N比を高く維
持して測長する事が可能となる。しかし、金属コートを
施した場合は、反射率が95%前後と言ったように、強
度減衰が比較的大きい。その点、反射面に誘電体コート
を施すと、位相とびによるリタデーションをコートのな
い場合よりは少なくし、反射率の低下も金属コートの場
合よりは少なくすることができる。
【0022】また、平行四辺形プリズム18内での反射
は参照光束Rも測長光束Lも共に1回づつで、しかも同
軸であるから、反射前後での強度減衰量はそれぞれ同じ
になる。したがって、光路差検出時のゲインが同じに保
たれる。これは、検出信号を差動化してコモンモードノ
イズを除去する上で非常に重要で効果的な特徴である。 平行四辺形プリズム18の反射面についてと同様のコー
トを、コーナーキューブプリズム14のコート面14b
以外の2面の全反射面に施すと、同様の効果が得られる
。特にコーナーキューブプリズム14では参照光束Rと
測長光束Mの反射回数が偏光ビームスプリット面以外で
両方とも4回となるから、反射前後の強度減衰をできる
だけ少なくすることが重要である。変光板12はλ/2
移相板でも90°旋光板でも同じ効果を奏する。そして
、いずれも水晶を材料に用いると、λが436nmでは
λ/2移相板の厚みが約2.2mmとなり、90°旋光
板は41.5°/mmの旋光角であるから、これも約2
.2mmの板厚となって、寸法的にも両者を全く同様に
扱える。しかしλ/2移相板は板厚だけでなく軸方位を
正確に45°方位に設定する必要があるため、板厚をあ
まり厚くしなくて済む範囲では90°旋光板を用いた方
がプリズムの組立て上有利である。
は参照光束Rも測長光束Lも共に1回づつで、しかも同
軸であるから、反射前後での強度減衰量はそれぞれ同じ
になる。したがって、光路差検出時のゲインが同じに保
たれる。これは、検出信号を差動化してコモンモードノ
イズを除去する上で非常に重要で効果的な特徴である。 平行四辺形プリズム18の反射面についてと同様のコー
トを、コーナーキューブプリズム14のコート面14b
以外の2面の全反射面に施すと、同様の効果が得られる
。特にコーナーキューブプリズム14では参照光束Rと
測長光束Mの反射回数が偏光ビームスプリット面以外で
両方とも4回となるから、反射前後の強度減衰をできる
だけ少なくすることが重要である。変光板12はλ/2
移相板でも90°旋光板でも同じ効果を奏する。そして
、いずれも水晶を材料に用いると、λが436nmでは
λ/2移相板の厚みが約2.2mmとなり、90°旋光
板は41.5°/mmの旋光角であるから、これも約2
.2mmの板厚となって、寸法的にも両者を全く同様に
扱える。しかしλ/2移相板は板厚だけでなく軸方位を
正確に45°方位に設定する必要があるため、板厚をあ
まり厚くしなくて済む範囲では90°旋光板を用いた方
がプリズムの組立て上有利である。
【0023】平行四辺形プリズム18のレーザー光束入
射面となる外向面18aと接合面のなす角θを45°と
せずに、平行四辺形プリズム18とコーナーキューブプ
リズム14の屈折率をnとしてθ=45°−sin−1
(n・sin(cos−1(1/√3)−45°))と
いう角度に設定すると、通常の中心軸Zと透過面14a
が垂直であるコーナーキューブプリズム14を使用でき
て、平行四辺形プリズム18に入射するレーザ光束Lと
コーナーキューブプリズム14から参照鏡6や測長鏡7
までの間の参照光束Rや測長光束Mとの垂直度を保つこ
とができる。図2がその例を示しており、コーナーキュ
ーブプリズム14のコート面14bに対する入出射角も
図1と同様に45°になし得る。
射面となる外向面18aと接合面のなす角θを45°と
せずに、平行四辺形プリズム18とコーナーキューブプ
リズム14の屈折率をnとしてθ=45°−sin−1
(n・sin(cos−1(1/√3)−45°))と
いう角度に設定すると、通常の中心軸Zと透過面14a
が垂直であるコーナーキューブプリズム14を使用でき
て、平行四辺形プリズム18に入射するレーザ光束Lと
コーナーキューブプリズム14から参照鏡6や測長鏡7
までの間の参照光束Rや測長光束Mとの垂直度を保つこ
とができる。図2がその例を示しており、コーナーキュ
ーブプリズム14のコート面14bに対する入出射角も
図1と同様に45°になし得る。
【0024】また三角プリズム19の外向面19aから
出射する光路差情報光束Iについても、三角プリズム1
9の頂角αを90度でなく、三角プリズム19とコーナ
ーキューブプリズム14の屈折率をnとしてα=90°
−sin−1(n・sin(cos−1(1/√3)−
45°))という角度にすると、レーザー光束Lとの垂
直度を維持できる。
出射する光路差情報光束Iについても、三角プリズム1
9の頂角αを90度でなく、三角プリズム19とコーナ
ーキューブプリズム14の屈折率をnとしてα=90°
−sin−1(n・sin(cos−1(1/√3)−
45°))という角度にすると、レーザー光束Lとの垂
直度を維持できる。
【0025】図2の例のメリットは、干渉プリズム10
のコーナーキューブプリズム14に中心軸と透過面が9
0°の現在最も普及しているコーナーキューブプリズム
を利用する事ができコスト的に有利な点と、干渉プリズ
ム10のレーザー光束Lと光路差情報光束Iの空気界面
での入出射角が0でないから不用な反射光が同軸となら
ず、そのため検出信号のS/N比を改善できる点にある
。しかし反面、屈折を積極的に用いるため、参照光束R
と測長光束Mの偏光方向が幾分偏る点と、後述の複数波
長を用いる用途には屈折で複数波長の同軸が失われるよ
うになるから使いにくい点が欠点として挙げられる。
のコーナーキューブプリズム14に中心軸と透過面が9
0°の現在最も普及しているコーナーキューブプリズム
を利用する事ができコスト的に有利な点と、干渉プリズ
ム10のレーザー光束Lと光路差情報光束Iの空気界面
での入出射角が0でないから不用な反射光が同軸となら
ず、そのため検出信号のS/N比を改善できる点にある
。しかし反面、屈折を積極的に用いるため、参照光束R
と測長光束Mの偏光方向が幾分偏る点と、後述の複数波
長を用いる用途には屈折で複数波長の同軸が失われるよ
うになるから使いにくい点が欠点として挙げられる。
【0026】これまでの実施例は、レーザー光束Lとし
て1波長もしくはビート周波数として検知し易い数MH
Z〜数十MHZの周波数差を持った2波長のレーザ光束
を用い、本発明の干渉プリズム10を用いて光路差情報
光束Iの情報精度を高めるものである。しかしなお、光
路差情報に外乱因子の影響によるノイズが加わり、それ
には測長計内の大気のゆらぎの影響によるものが最も大
きな割合を占めるようになる。このような大気のゆらぎ
の影響を除去するレーザー干渉測長方法が第2回ナノ機
構懇話会資料(1988.11.16)「大気ゆらぎの
影響を除去したナノメータレーザー測長」等により知ら
れている。それは、複数の波長のレーザー光束を用いて
、大気の持つ分散によりそれぞれ異なる光路長における
それぞれの測長値の等価な変化分のみを幾何学的な距離
変化としてカウントする方法である。
て1波長もしくはビート周波数として検知し易い数MH
Z〜数十MHZの周波数差を持った2波長のレーザ光束
を用い、本発明の干渉プリズム10を用いて光路差情報
光束Iの情報精度を高めるものである。しかしなお、光
路差情報に外乱因子の影響によるノイズが加わり、それ
には測長計内の大気のゆらぎの影響によるものが最も大
きな割合を占めるようになる。このような大気のゆらぎ
の影響を除去するレーザー干渉測長方法が第2回ナノ機
構懇話会資料(1988.11.16)「大気ゆらぎの
影響を除去したナノメータレーザー測長」等により知ら
れている。それは、複数の波長のレーザー光束を用いて
、大気の持つ分散によりそれぞれ異なる光路長における
それぞれの測長値の等価な変化分のみを幾何学的な距離
変化としてカウントする方法である。
【0027】前述の図1の測長計で上述の方法を実施し
た場合、複数波長の光束は同軸であるから反射について
は同様に行われて問題ないが、変光板12によるリタデ
ーションや旋光角については波長依存性があるため問題
となる。例えば、変光板12が板厚約0.5mmの水晶
板で、波長λが400nmのλ/2移相板である場合、
波長λが720nmの光ではリタデーションは波長に反
比例するから100°程度にしかならず、λ/2にはな
らない。そこで、変光板12の板厚を9倍の4.5mm
にすると、λ400nmではリタデーションが9(λ/
2)=(λ/2)+4λすなわちλ/2と同じになり、
λ720nmでは9×100×(λ/2)/180=(
λ/2)+2λすなわちλ/2と同じになる。
た場合、複数波長の光束は同軸であるから反射について
は同様に行われて問題ないが、変光板12によるリタデ
ーションや旋光角については波長依存性があるため問題
となる。例えば、変光板12が板厚約0.5mmの水晶
板で、波長λが400nmのλ/2移相板である場合、
波長λが720nmの光ではリタデーションは波長に反
比例するから100°程度にしかならず、λ/2にはな
らない。そこで、変光板12の板厚を9倍の4.5mm
にすると、λ400nmではリタデーションが9(λ/
2)=(λ/2)+4λすなわちλ/2と同じになり、
λ720nmでは9×100×(λ/2)/180=(
λ/2)+2λすなわちλ/2と同じになる。
【0028】すなわち、図1の干渉プリズム10の変光
板12を複数の波長λ1,λ2等に対してλ1/2,λ
2/2等の移相板となる厚さのものにすることによって
、本発明の干渉プリズム10を大気ゆらぎの影響を除去
する測長方法に適用し得る。この場合、コーナーキュー
ブプリズム14の透過面14aの外側に用いるλ/4移
相板3も変光板12と同様に、λ1/4,λ2/4等の
移相板にすべきことは言うまでもない。λ1/2,λ2
/2移相板を得るのは、λ1<λ2,λ1/2移相板の
1つの厚さ(好ましくは最小厚さ)をdとして、(2n
+1)=(2m+1)λ2/λ1(但し、n,mは0ま
たは正整数でn>m)を満足する(2n+1)dの厚さ
の移相板を作ればよい。前述のλ1400nm,λ27
20nmの例ではn=4,m=2としている。λ1/4
,λ2/4移相板もλ1/4移相板の厚さ(好ましくは
最小厚さ)を(4n+1)倍(但し、(4n+1)=(
4m+1)λ2/λ1)する方法で得られ、前述のλ1
400nm,λ2720nm,λ1/4移相板の最小厚
さ0.25mmの例ではn=2,m=1すなわち、9×
0.25=2.25mm(変光板12の厚さ4.5mm
の1/2の厚さ)にすればよい。
板12を複数の波長λ1,λ2等に対してλ1/2,λ
2/2等の移相板となる厚さのものにすることによって
、本発明の干渉プリズム10を大気ゆらぎの影響を除去
する測長方法に適用し得る。この場合、コーナーキュー
ブプリズム14の透過面14aの外側に用いるλ/4移
相板3も変光板12と同様に、λ1/4,λ2/4等の
移相板にすべきことは言うまでもない。λ1/2,λ2
/2移相板を得るのは、λ1<λ2,λ1/2移相板の
1つの厚さ(好ましくは最小厚さ)をdとして、(2n
+1)=(2m+1)λ2/λ1(但し、n,mは0ま
たは正整数でn>m)を満足する(2n+1)dの厚さ
の移相板を作ればよい。前述のλ1400nm,λ27
20nmの例ではn=4,m=2としている。λ1/4
,λ2/4移相板もλ1/4移相板の厚さ(好ましくは
最小厚さ)を(4n+1)倍(但し、(4n+1)=(
4m+1)λ2/λ1)する方法で得られ、前述のλ1
400nm,λ2720nm,λ1/4移相板の最小厚
さ0.25mmの例ではn=2,m=1すなわち、9×
0.25=2.25mm(変光板12の厚さ4.5mm
の1/2の厚さ)にすればよい。
【0029】変光板12に90°旋光板を用いる場合は
、λ1の旋光角がπ/2になる厚さdでλ2の旋光角が
ψとなるとき、(2n+1)=(2m+1)π/2ψ(
但し、n,mは0または正整数で、n>m)を満足する
(2n+1)dの厚さの旋光板を作ればよい。変光板1
2にこの旋光板を用いた干渉プリズム10は同様に大気
ゆらぎの影響を除去する測長方法に適用し得る。なお、
旋光板は旋光角のλ依存性が移相板と異なってλ−2に
比例するため、変光板12を複数波長λ1,λ2にマッ
チングさせるにの一般にnとmの差が大きくなり、移相
板よりも板厚が厚くなり易い。
、λ1の旋光角がπ/2になる厚さdでλ2の旋光角が
ψとなるとき、(2n+1)=(2m+1)π/2ψ(
但し、n,mは0または正整数で、n>m)を満足する
(2n+1)dの厚さの旋光板を作ればよい。変光板1
2にこの旋光板を用いた干渉プリズム10は同様に大気
ゆらぎの影響を除去する測長方法に適用し得る。なお、
旋光板は旋光角のλ依存性が移相板と異なってλ−2に
比例するため、変光板12を複数波長λ1,λ2にマッ
チングさせるにの一般にnとmの差が大きくなり、移相
板よりも板厚が厚くなり易い。
【0030】以上のような複数波長にマッチングした干
渉プリズム10を用いると、干渉プリズム10内の光学
的な安定度を高く保って、何ら光学素子を追加すること
なく、大気ゆらぎの影響を補正した高精度の測長を行う
ことができる。
渉プリズム10を用いると、干渉プリズム10内の光学
的な安定度を高く保って、何ら光学素子を追加すること
なく、大気ゆらぎの影響を補正した高精度の測長を行う
ことができる。
【0031】
【発明の効果】本発明の干渉プリズムを用いることによ
って、温度変化による光学素子の密度や寸法の不均衡等
が参照光束と測長光束の光路差に及ぼす影響を大幅に軽
減することができ、差動型のメリットを活かしてサブナ
ノメータの精度の測長も安定してできるようなレーザー
干渉測長計を得ることができる。
って、温度変化による光学素子の密度や寸法の不均衡等
が参照光束と測長光束の光路差に及ぼす影響を大幅に軽
減することができ、差動型のメリットを活かしてサブナ
ノメータの精度の測長も安定してできるようなレーザー
干渉測長計を得ることができる。
図1,2はそれぞれ本発明の干渉プリズムを用いたレー
ザー干渉測長計の光路配置図、図3は本発明の干渉プリ
ズムを用いたX−Y2軸テーブルの位置検出用測長計の
例を示す概要斜視図、図4,5はそれぞれ従来の差動型
レーザー干渉測長計の光路配置図、図6は従来の差動型
レーザー干渉測長計を用いたX−Y2軸テーブルの位置
検出測長計の要部斜視図である。
ザー干渉測長計の光路配置図、図3は本発明の干渉プリ
ズムを用いたX−Y2軸テーブルの位置検出用測長計の
例を示す概要斜視図、図4,5はそれぞれ従来の差動型
レーザー干渉測長計の光路配置図、図6は従来の差動型
レーザー干渉測長計を用いたX−Y2軸テーブルの位置
検出測長計の要部斜視図である。
I…光路差情報光束、
L…レーザー光束、M…測長光束、
R…参照光束、3…λ/
4移相板、
4…コーナーキューブプリズム、5…反射鏡、
6…参照鏡
、7…測長鏡、 10…干渉プ
リズム、12…変光板、
14…コーナーキューブプリズム
、14a…透過面、
14b…コート面、18…平行四辺形プリ
ズム、 18a…外向面、19
…三角プリズム、
19a…外向面、20…レーザー光源、
21…ビームスプリッタ、2
2…検出ヘッド。
L…レーザー光束、M…測長光束、
R…参照光束、3…λ/
4移相板、
4…コーナーキューブプリズム、5…反射鏡、
6…参照鏡
、7…測長鏡、 10…干渉プ
リズム、12…変光板、
14…コーナーキューブプリズム
、14a…透過面、
14b…コート面、18…平行四辺形プリ
ズム、 18a…外向面、19
…三角プリズム、
19a…外向面、20…レーザー光源、
21…ビームスプリッタ、2
2…検出ヘッド。
Claims (8)
- 【請求項1】コーナーキューブプリズムの一反射面に偏
光ビームスプリットコートが設けられていて、該コート
面にλ/2移相板または90°旋光板を挟んで接合され
た平行四辺形プリズムと三角プリズムとが三角プリズム
をコーナーキューブプリズムの中心側にして接合されて
いることを特徴とする差動型干渉プリズム。 - 【請求項2】前記コーナーキューブプリズムの偏光ビー
ムスプリットコート面以外の反射面に金属または誘電体
の反射コートを設けた請求項1の差動型干渉プリズム。 - 【請求項3】前記コーナーキューブプリズムの透過面と
偏光ビームスプリットコート面との成す角が45°であ
る請求項1の差動型干渉プリズム。 - 【請求項4】前記平行四辺形プリズムのコーナーキュー
ブプリズムへの接合面と平行な反射面に金属または誘電
体の反射コートが設けられている請求項1の差動型干渉
プリズム。 - 【請求項5】前記平行四辺形プリズムのコーナーキュー
ブプリズムへの接合面のコーナーキューブプリズムの中
心から遠い端縁の頂角とその対頂角とが45°である請
求項3の差動型干渉プリズム。 - 【請求項6】前記三角プリズムのコーナーキューブプリ
ズムへの接合面の対頂角が90°である請求項1の差動
型干渉プリズム。 - 【請求項7】前記λ/2移相板が複数波長λi(iは1
,2等)の光に対してλi/2移相板である請求項1の
差動型干渉プリズム。 - 【請求項8】前記90°旋光板が複数波長λi(iは1
,2等)の光に対して90°旋光板である請求項1の差
動型干渉プリズム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3044890A JP2821817B2 (ja) | 1991-03-11 | 1991-03-11 | 差動型干渉プリズム |
| US07/848,061 US5305089A (en) | 1991-03-11 | 1992-03-09 | Laser interferometer including an optical unit having a corner cube prism, a parallelogram prism, a triangle prism, and a polarizing plate intergrated to form one body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3044890A JP2821817B2 (ja) | 1991-03-11 | 1991-03-11 | 差動型干渉プリズム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04282402A true JPH04282402A (ja) | 1992-10-07 |
| JP2821817B2 JP2821817B2 (ja) | 1998-11-05 |
Family
ID=12704081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3044890A Expired - Lifetime JP2821817B2 (ja) | 1991-03-11 | 1991-03-11 | 差動型干渉プリズム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5305089A (ja) |
| JP (1) | JP2821817B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5444532A (en) * | 1992-02-25 | 1995-08-22 | Nikon Corporation | Interferometer apparatus for detecting relative movement between reflecting members |
| US7612889B2 (en) | 2005-03-28 | 2009-11-03 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for measuring displacement of a sample |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT399222B (de) * | 1992-10-19 | 1995-04-25 | Tabarelli Werner | Interferometrische einrichtung zur messung der lage eines reflektierenden objektes |
| US5408318A (en) * | 1993-08-02 | 1995-04-18 | Nearfield Systems Incorporated | Wide range straightness measuring stem using a polarized multiplexed interferometer and centered shift measurement of beam polarization components |
| US5461007A (en) * | 1994-06-02 | 1995-10-24 | Motorola, Inc. | Process for polishing and analyzing a layer over a patterned semiconductor substrate |
| US5532821A (en) * | 1995-03-16 | 1996-07-02 | Tropel Corporation | Testing of recessed surfaces at grazing incidence |
| US20060017933A1 (en) * | 2004-07-23 | 2006-01-26 | Schluchter W C | Heterodyne laser interferometer with porro prisms for measuring stage displacement |
| US7928861B2 (en) * | 2006-04-19 | 2011-04-19 | Xact Downhole Telemetry Inc. | Telemetry wave detection apparatus and method |
| JP5093220B2 (ja) * | 2009-12-28 | 2012-12-12 | 株式会社日立製作所 | 変位計測方法とその装置 |
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