JPH05302810A - ヘテロダイン２波長変位干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヘテロダイン法を用いた２波長変位干渉計
を、簡単な構成で提供する。 【構成】 共軸または空間的に近接した状態で平行にな
るように設定されている少なくとも２種類以上の異なる
波長の光波を、直交偏光ビームスプリッタにより各々参
照光と測定光に分割し、各々の波長における参照光と測
定光の光路差の変化を該参照光と測定光の光波の干渉に
より測定する２波長変位干渉計において、前記参照光お
よび測定光の少なくとも一方の光周波数を変化させる変
調手段７、８を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共軸または空間的に近
接した状態で平行になるように設定されている少なくと
も２種類以上の異なる波長の光波を各々参照光と測定光
に分割し、各々の波長における参照光と測定光の光路差
の変化を参照光と測定光の光波干渉により測定する２波
長変位干渉計に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密工業において、精密測長器は重要な
主要要素であり、その性能が装置全体の性能を大きく左
右する。干渉計を用いた測長器では、測定する環境、必
要とされる精度に応じて最も適切な方法が採用される。
例えば、極めて安定な環境で測定を行うのであれば、測
定レーザの時間コヒーレンスをできる限り長くしたり、
スクイージングの手法を導入することが考えられてい
る。逆に、非常に不安定な環境では、時間的に変動する
環境パラメータ、例えば空気揺らぎ等が測長に影響を及
ぼさない方法が提案されている。２波長変位干渉法は、
その代表的な方法である。

【０００３】次に２波長変位干渉計の原理について説明
する。同じ位相特性を持つ２つの異なる波長のレーザ光
を共軸で単一の干渉計に入射する場合を考える。それぞ
れの波長で観測される光路長をＤ1 、Ｄ2 とすれば、 Ｄ1 ＝ｎ1 （ρ，λ1 ）ｄ Ｄ2 ＝ｎ2 （ρ，λ2 ）ｄ となる。ここで、ρは適当な熱力学的パラメータ、λ1
、λ2 はレーザの２波長、ｎ1 、ｎ2 はそれぞれレー
ザの波長における空気の屈折率、ｄは距離を表す。ま
た、物理的経験則から、近似的に ｎ1 ／ｎ2 ＝ｋ（λ1 、λ2 ） が成り立つ。従って、上記の連立方程式は、観測量２
つ、未知数２つとなり確定解ｄが求まる。このように、
２波長干渉計は空気分散を利用して空気揺らぎによる観
測データの誤差を消去する方法である。

【０００４】２波長干渉計の実験例が、「J.Jpn.Appl.P
hys.,Vol.28,L473(1989)」や特開平１−98902 号公報で
詳細に述べられている。これらの実験例では、変位量を
測定するのに90°位相差法が採用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】干渉変位量の計測に
は、90°位相差法以外にも多くの方法を用いることがで
きる。特にヘテロダイン法はその代表的なものである。
しかしながら、２波長干渉計においてヘテロダイン法を
行おうとすると、２波長で光波周波数の異なった２周波
を作る必要があり（周波数が変わると波長も変わるた
め）、合計４光波を扱うことになり、光学系が複雑にな
ってしまう。一般、変位干渉計では、光源および干渉計
を構成する光学部品（鏡、ビームスプリッタ）等の機械
的安定性が要求される。従って、構成する部品数が増加
し装置の空間的な大きさが増大するにつれ、機械的安定
性を確保することは困難となり、測定精度向上の妨げと
なる。本発明は、このような問題点を解決することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的のため、本発明
では、共軸または空間的に近接した状態で平行になるよ
うに設定されている少なくとも２種類以上の異なる波長
の光波を、直交偏光ビームスプリッタにより各々参照光
と測定光に分割し、各々の波長における参照光と測定光
の光路差の変化を該参照光と測定光の光波の干渉により
測定する２波長変位干渉計において、前記参照光および
測定光の少なくとも一方の光周波数を変化させる変調手
段を設けた。

【０００７】

【作用】ヘテロダイン計測のために、一定の周波数が変
化した２光波を形成するためには、従来、図６に示すよ
うな構成の光学系が用いられていた。周波数ωの光は、
偏光ビームスプリッタ３ａで分光された後、異なる周波
数ｆ1 、ｆ2 で駆動される音響光学素子１、２を通過す
ることにより、それぞれ周波数が（ω＋ｆ1 ）、（ω＋
ｆ2 ）に変換される。そして、偏光ビームスプリッタ３
ｂより合わせられる。

【０００８】この方法でω1 、ω2 の周波数の異なる２
光波を（ω1 ＋ｆ1 ）、（ω1 ＋ｆ2 ）、（ω2 ＋ｆ3
）、（ω2 ＋ｆ4 ）の４光波へ変換する場合の光学系
を図４に示す。図において、ダイクロイックミラー４
は、ω1 の光波を反射しω2 の光波を透過するものであ
る。音響光学素子６は、それぞれ周波数ｆ1 、ｆ2 、ｆ
3、ｆ4 で駆動される。この光学系では、周波数ω1 、
ω2 の２光波は、ダイクロイックミラー４によりω1 と
ω2 の光波に分光された後、図６の光学系と同様にして
ω1 、ω2 の光に対して一定の周波数が変化した２光波
を形成し、合計４つの光波を得る。使用する音響光学素
子６の数を減らすと共に、光学系を単純化するために
は、異なる周波数の光波ω1 、ω2 を共通の音響光学素
子（周波数ｆで駆動）に入射させればよい。図５は、周
波数の光波ω1 、ω2 が、共通の音響光学素子６に入射
した時の様子を示す図である。一般に、異なる波長の光
は、音響光学素子の１次の回折により異なる方向に回折
されてしまう。一方、２波長干渉計においては、波長の
異なる２つの光波は干渉計（の光学系）の内部では共軸
か、あるいはそれに近い状態となっていることが望まし
い。そこで、本発明では、図３に示すように音響光学素
子６により異なる方向に回折された波長の異なる２つの
光波を、光学プリズム７を用いることで共軸に近い平行
光とする。本発明によれば、光学プリズム７への入射条
件および光学プリズム７の分散を適当に設定することに
より、１つの音響光学素子６と１つのプリズム７によ
り、共軸に近い平行光（ω1 ＋ｆ、ω2 ＋ｆ）を得るこ
とができる。

【０００９】本発明は、異なる波長の２光波として、レ
ーザの基本波（ω）と非線形光学結晶等により形成され
た第二高調波（２ω）を用いる場合に特に有効である。
共軸に配置された基本波および第二高調波が同一の音響
光学素子に入射した場合、基本波の１次回折光（ω＋
ｆ）と第二高調波の２次回折光（２ω＋２ｆ）はほぼ同
じ方向に回折されるが、音響光学素子自体の光学的分散
によりその方向は僅かに異なる。従って、本発明を用い
ることでこの方向の差を容易に補正することができる。
なお、他の方法、例えば半透鏡や鏡の組合せによりこの
補正を行うことも可能であるが、その場合、光学系が複
雑になること、反射等により多くの光が無駄になること
等が実用上問題となり好ましくない。

【００１０】

【実施例１】図１は、本発明の一実施例を示す概略構成
図である。本実施例のヘテロダイン２波長変位干渉計で
は、周波数が変化した２つの光波を形成する変調手段と
して、一対の音響光学素子と分散補償プリズムを用いて
いる。半導体レーザ２２から出射した光波は、レンズ１
０ａによりＫＮｂＯ3 （ポタシウムナイオベート）結晶
２３中に集光されて波長の異なる共軸の２つの光波とな
り、その後レンズ１０ｂにより平行光化される。半導体
レーザ２２から出射した光波は、波長 860nm、出力100
mWである。また、ＫＮｂＯ3 結晶２３中で発生した第二
高調波は、波長430nm、出力100 μW となる。ここで、
必要に応じて半導体レーザ２２の発振波長を固定化した
り、レーザスペクトルの狭帯化を行ってもよい。

【００１１】これら２つの光波は、位相板１２によって
偏光特性を適当に補正された後、偏光ビームスプリッタ
５によりそれぞれ大体等しい強度で分割され、光波５
１、５２となる。各光波５１、５２は、音響光学素子８
ａおよび８ｂに入射する。音響光学素子８ａは周波数ｆ
1 で、また音響光学素子８ｂは周波数ｆ2 で駆動され
る。これら音響光学素子８ａ、８ｂは、基本波（ω）と
第二高調波（２ω）のそれぞれの光波に対して回折光を
形成する。この時、分散補償プリズム７を適宜調整する
ことにより、基本波（ω）の１次回折光と第二高調波
（２ω）の２次回折光とは共軸に近い平行光となる。本
実施例では、音響光学素子８ａ、８ｂとしてＰｂＭｏＯ
3 （モリブデン酸鉛）の結晶を圧電素子で駆動したもの
を用いた。音響光学素子としては、この他に、ＴｅＯ2
（２酸化テルル）やガラス等を圧電素子で駆動したもの
を用いることができる。また、分散補償プリズム７には
光学ガラス（ＢＫ７）を加工したものを用いた。

【００１２】本実施例では、光波５１、５２における前
記基本波の１次回折光と第二高調波の２次回折光のみを
偏光ビームスプリッタ２４により合波し、この合波した
光波をマイケルソン型変位干渉計に入射する。マイケル
ソン型変位干渉計は、偏光ビームスプリッタ２５、移動
鏡１４、固定鏡１５および波長の異なる２光波を同時に
円偏光に変換できる４分の１波長板１３、とで構成され
ている。ここで、偏光ビームスプリッタ２４、２５の偏
光面をできるだけ合わせること、各偏光ビームスプリッ
タの消光比を高めることおよび４分の１波長板１３の性
能を良くすること、によりヘテロダイン計測におけるク
ロストーク、すなわち、周波数（ｆ1 −ｆ2 ）や（２ｆ
1 −２ｆ2 ）の固定ビートの発生を抑えることが可能と
なる。前記マイケルソン型変位干渉計を出射した光波
は、前記基本波を透過して第二高調波を効率良く反射す
る特性を持つダイクロイックミラー１６により分光され
る。ダイクロイックミラー１６を透過した光路上には、
ポーラライザー２６と基本波のみを透過して第二高調波
を吸収する光学フィルタ１７が設置してある。そして、
光学フィルタ１７により基本波のみが光検出器１８に入
射し、基本波に現れるヘテロダイン信号が測定される。
また、ダイクロイックミラー１６で反射した光路上には
ポーラライザー２７が設置してあり、第二高調波はこの
ポーラライザー２７を通過した後、光検出器１８に入射
して第二高調波に現れるヘテロダイン信号が測定され
る。光検出器１８は、それぞれの波長においてヘテロダ
イン信号を検出する。ヘテロダイン２波長演算処理シス
テム３１は、両光検出器１８で測定されたヘテロダイン
信号を処理して空気揺らぎによる測長誤差が除かれた
（移動鏡１４の）変位量を算出する。

【００１３】

【実施例２】図２は、本発明の第２の実施例を示す概略
構成図である。半導体レーザ励起リングＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ（発振波長1.06μｍ、出力 300mW）からなる光源９
から出射した光波は、レンズ１０によりＫＴＰ結晶（Ｋ
ＴｉＯＰＯ4 ）１１に集光されて波長の異なる共軸の２
つの光波となった後、レンズ１０ｂにより平行光化され
る。ＫＴＰ結晶１１中で発生した第二高調波は、波長 5
30nm、出力70μW である。なお、必要に応じて光源９の
発振波長を分子の光吸収線、例えばヨウ素分子（Ｉ2 ）
の吸収線等を用いて固定化してもよい。

【００１４】これら２つの光波は、位相板１２によって
偏光特性を適当に補正された後、偏光ビームスプリッタ
５によりそれぞれ大体等しい強度で分割される。本実施
例における干渉光学系は、２つの偏光ビームスプリッタ
５、２９、平面移動鏡１４、波長の異なる２光波に対応
できる４分の１波長板３０および２つの固定コーナーキ
ューブプリズム２０、２８により構成されている。な
お、コーナーキューブプリズムの代わりに直角プリズム
やコーナーミラー等を使用してもよい。

【００１５】偏光ビームスプリッタ５で反射された光波
は、コーナーキューブプリズム２０を介して再び偏光ビ
ームスプリッタ５で反射されて干渉計の参照光５３とな
る。一方、偏光ビームスプリッタ５を透過した光波は、
移動鏡１４で反射され再び偏光ビームスプリッタ５に戻
って来るまでに４分の１波長板３０を２回通過するので
偏光面が90°回転している。従って、移動鏡からの反射
光はコーナーキューブプリズム２８で反射して再度偏光
ビームスプリッタ５で反射した後再び移動鏡１４で反射
され測定光５４となる。なお、前記干渉光学系は、参照
光５３と測定光５４とが共軸とならないように（後述す
る音響光学素子と分散補償プリズムが各光ごとに設置で
きるスペースがあるように）、該光学系を構成する光学
素子（コーナーキューブプリズム等）の配置を設定して
おく。

【００１６】参照光５３および測定光５４は、偏光ビー
ムスプリッタ２９で合波される前に各々音響光学素子８
ａ、８ｂと分散補償プリズム７により、各光波の周波数
が決められた値だけシフトされる。音響光学素子および
分散補償プリズムは、実施例１と同じものを使用してあ
る。基本波の１次回折光と第二高調波の２次回折光は、
分散補償プリズム７により共軸に近い平行光とされる。
そして、参照光５３と測定光５４は、共に４分の１波長
板１３により円偏光とされてから偏光ビームスプリッタ
２９により合波される。合波した後の一方の光波は、ポ
ーラライザー１９および基本波のみを透過する光学フィ
ルタ１７を経て光検出器１８に入射し、基本波に現れる
ヘテロダイン信号が測定される。他方の光は、ポーララ
イザー１９および第二高調波のみを透過する光学フィル
タ２１を経て光検出器１８に入射し、第二高調波に現れ
るヘテロダイン信号が測定される。ヘテロダイン２波長
演算処理システム３１は、両光検出器１８で測定された
ヘテロダイン信号を処理して空気揺らぎによる測長誤差
が除かれた（移動鏡１４の）変位量を算出する。

【００１７】

【発明の効果】一般的に変位干渉計では、光源および干
渉計を構成する光学部品（鏡、ビームスプリッタ）等の
機械的安定性が要求されるため、構成する部品数が増加
し装置の空間的な大きさが増大するにつれ、機械的安定
性を確保することは困難となる。本発明においては、用
いる音響光学素子の数を半分に減らし、しかも波長の異
なる変調光を共軸に近い平行光に変換することを一つの
プリズムのみを用いて行っており、従来に比べ極めて安
定なヘテロダイン２波長干渉計が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明のヘテロダイン２波長変位干渉計の
一実施例の概略図である。

【図２】は、本発明のヘテロダイン２波長変位干渉計の
他の実施例の概略図である。

【図３】は、波長の異なる２光波を周波数ｆで駆動され
ている音響光学素子に入射した時に発生する回折角の分
散が、分散補償プリズムにより補償されることを示す図
である。

【図４】は、周波数ω1 およびω2 の２光波から４つの
音響光学素子を用いて周波数（ω1 ＋ｆ1 ）、（ω1+ｆ
2 ）、（ω2 ＋ｆ3 ）、（ω2 ＋ｆ4 ）の４つの光波を
生成する装置の構成の１例を示す図である。

【図５】は、波長の異なる２光波を周波数ｆで駆動され
ている音響光学素子に入射した時に発生する回折角の分
散を示す。

【図６】は、周波数ωの光波から２つの音響光学素子を
用いて周波数（ω＋ｆ1 ）および（ω＋ｆ2 ）の光波を
生成する従来の方法を示す概略図である。

【符号の説明】

１ 周波数ｆ1 で駆動される音響光学素子 ２ 周波数ｆ2 で駆動される音響光学素子 ６ 音響光学素子（変調手段の一部） ７ 分散補償プリズム（変調手段の一部） ８ 音響光学素子（変調手段の一部） ９ 光源（半導体レーザ励起リングＮｄ：ＹＡＧレー
ザ） １１ ＫＴＰ結晶 １２ 位相板 １３ ４分の１波長板 １４ 移動鏡 １５ 固定鏡 １７ 基本波を透過し第二高調波を吸収する光学フィル
タ １８ 光検出器 １９ ポラライザー ２０ コーナーキューブプリズム ２１ 第二高調波を透過し基本波を吸収する光学フィル
タ ２２ 半導体レーザ ２３ ポタシウムナイオベート（ＫＮｂＯ3 ）結晶 ２６、２７ ポラライザー ２８ コーナーキューブプリズム ３０ ４分の１波長板 ３１ ヘテロダイン２波長演算処理システム ５０ 反射鏡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共軸または空間的に近接した状態で平行
   になるように設定されている少なくとも２種類以上の異
   なる波長の光波を、直交偏光ビームスプリッタにより各
   々参照光と測定光に分割し、各々の波長における参照光
   と測定光の光路差の変化を該参照光と測定光の光波の干
   渉により測定する２波長変位干渉計において、 前記参照光および測定光の少なくとも一方の光周波数を
   変化させる変調手段を有することを特徴とするヘテロダ
   イン２波長変位干渉計。
2. 【請求項２】 前記変調手段が光音響光学素子と分散補
   償プリズムからなり、前記参照光および測定光の少なく
   とも一方の光周波数を一定の値だけ変化させることを特
   徴とするヘテロダイン２波長変位干渉計。