JPH08226802A

JPH08226802A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH08226802A
Application number: JP7066469A
Authority: JP
Inventors: Jun Kawakami; 潤川上; Hitoshi Kawai; 斉河井; Koichi Tsukihara; 浩一月原; Akira Ishida; 明石田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】局所的な屈折率変動が発生している場合であっ
ても、屈折率変動に伴う測長誤差を正確に補正できる屈
折率変動測定手段を備えた測長器を提供する。【構成】周波数ω₁の第１の光を用いて、測定対象の変
位Ｄ（ω₁）を検出する。周波数ω₂の第２の光および周
波数ω₃の第３の光を用いて｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝
を検出する。検出結果Ｄ（ω₁）と｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω
₂）｝と数１とを用いて、測定対象の真の変位Ｄを求め
る。但し、Ｆは光の周波数に依存する予めもとめた関数
である。【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気等の気体の屈折率
の変動を検出する屈折率変動モニタ、ならびに、高精度
な変位計測を行うための光波干渉測定装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の光波干渉測定装置の構成を図４を
用いて簡単に説明する。

【０００３】図４の光波干渉測定装置は、移動鏡７の光
軸方向の変位量Ｄｍを測長するものである。光源１よ
り、周波数ωの光５と、周波数ω′の光４とを含む光２
を出射させる。光５と光４とは、互いに周波数がわずか
に異なり（ω′＝ω＋Δω）、偏光方位が互いに直交し
ている。光２は、偏光ビームスプリッター３に入射し、
光（ω₁′）４と光（ω₁）５に分離される。光４は、参
照光となり、固定鏡６で反射されたのち再び偏光ビーム
スプリッター３に入射する。他方、光５は、測定光とな
り、移動鏡７で反射されたのち、再び偏光ビームスプリ
ッター３に戻り、参照光４と同軸で偏光ビームスプリッ
ター３から出射され、参照光４と測定光５とを含んだ光
８となる。光８は、偏光子９で偏光干渉する。その干渉
光を光電変換素子１０で受光する。光電変換素子１０で
変換された干渉ビート信号（周波数Δω）１１は位相計
１４に入力され、予め光源直後で受光することによって
得られた参照信号１５に対する位相変化を測定すること
により、移動鏡の変位Ｄ（ω）が求められる。

【０００４】しかしながら、図４のような光波の干渉に
よる測長を精密に行うためには、空気の屈折率変動が無
視できない。そこで、従来、空気の屈折率変動に伴う測
長誤差の補正手段として、図４に示すように、エアセン
サ１６を用いて、測長光路上の大気の温度、圧力、湿度
を測定し、この測定結果を用いて、光の波長を補正する
空気の屈折率変動による誤差を補正していた。

【０００５】即ち、真の変位をＤ、空気の屈折率をｎと
し、ｎは空間的に一様であるとすると、干渉測長器で測
定される変位量Ｄｍは、

【０００６】

【数３】

【０００７】と表される。ここで、ｎを光の波長を使っ
て表わすと、

【０００８】

【数４】

【０００９】となる。但し、λ₀は真空中の光の波長、
λは、測長光路に沿った波長である。

【００１０】λは、空気の温度、圧力、湿度で決まる量
であるから、光路に沿った温度、圧力、湿度を、エアセ
ンサ１６によって測定することにより、波長λを求める
ことができる。しがたって、数４を用いて、真の変位Ｄ
が求まる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術は、測長光路の１箇所のみをエアセンサで検出し
ているため、測長光路に沿った空気の屈折率が一様に変
動している時には有効であるが、測長光路上で空気が局
所的に変動している場合は、正確な補正ができない。ま
た、エアセンサを測長光路上に何箇所も設置して温度、
圧力、湿度をモニターするのには限界があり、コストも
かかる。

【００１２】本発明の目的は、局所的な屈折率変動が発
生している場合であっても、屈折率変動に伴う測長誤差
を正確に補正できる光波干渉測定装置を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明によれば、周波数ω₁の第１の光を用
いて、測定対象の変位Ｄ（ω₁）を検出する手段と、周
波数ω₁とは周波数の異なる、周波数ω₂の第２の光およ
び周波数ω₃の第３の光を用いて、第３の光で検出した
場合の前記測定対象の変位に相当するＤ（ω₃）と、第
２の光で検出した場合の前記測定対象の変位に相当する
Ｄ（ω₂）とで表される差｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を
検出する手段と、前記検出結果Ｄ（ω₁）と｛Ｄ（ω₃）
−Ｄ（ω₂）｝と下記数５とを用いて、測定対象の真の
変位Ｄを求める手段とを有する光波干渉測定装置が提供
される。

【００１４】

【数５】

【００１５】但し、Ｆは、光の周波数に依存するあらか
じめ求めた関数である。

【００１６】

【作用】空気の屈折率ｎは、Ｎを空気の密度、Ｆ（ω）
を空気の構成比が変わらなければ空気の密度によらず光
の周波数ωのみによって決まる関数として

【００１７】

【数６】

【００１８】で表わされる。よって、３種類の周波数の
光に対する２点ＡＢ間（図１）の光路長は、

【００１９】

【数７】

【００２０】

【数８】

【００２１】

【数９】

【００２２】と表される。数８、数９より

【００２３】

【数１０】

【００２４】を得て、これを数７に代入すると、ＡＢ間
の真の長さＤは

【００２５】

【数１１】

【００２６】を演算することによりもとめることができ
る。

【００２７】本発明では、数１１のＤ（ω₁）、およ
び、Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）をそれぞれ検出する手段を備
え、検出結果によって数１１を演算することにより、真
の変位Ｄを求める。

【００２８】例えば、Ｄ（ω₁）は、干渉光学系によっ
て求めることができる。また、Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）
は、第２次高調波発生（ＳＨＧ）を利用して求めること
ができる。即ち、図１に示すように周波数ω₂の光を点
ＡでＳＨＧ変換し、ＳＨＧ変換された光（周波数ω₃＝
２ω₂）をω₂光と同軸で点ＡＢ間を通し、さらに点Ｂで
周波数ω₂の光をＳＨＧ変換し、点ＡでＳＨＧ変換され
た光と点ＢでＳＨＧ変換された光を干渉させるとω₃の
点ＡＢに沿った光路長とω₂の点ＡＢに沿った光路長の
差Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）が求まる。したがって、光波光
学系の出力と、周波数ω₂とω₃（＝２ω₂）の２つの波
長の光による干渉出力から数１１とを用いて、真の長さ
が求めることができる。

【００２９】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００３０】本発明の第１の実施例の光波干渉測定装置
について、図２を用いて説明する。図２の光波干渉測定
装置は、ホモダイン干渉方式で、空気の屈折率変動のモ
ニタを行うものである。

【００３１】まず、図２の光波干渉測定装置の構成につ
いて説明する。

【００３２】光軸２０１上には、光源１、ビームスプリ
ッタ２０２、光結合素子２５、偏光ビームスプリッタ
３、変位を測定すべき移動鏡７、光分離素子２８、偏光
子９、光電変換素子１０が順に配置されている。偏光ビ
ームスプリッタ３で反射される光の光軸２０３には、固
定鏡６が配置されている。また、ビームスプリッタ２０
２で反射される光の光軸２５０には、偏光子１２と、光
電変換素子１３とが配置されている。光源１は、周波数
ω₁の光５と、周波数ω₁′の光４とを含む光２を出射す
る。具体的には、光源１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザであり、
光５は、波長６３３ｎｍである。光５と光４とは、互い
に周波数がわずかに異なり（ω₁′＝ω₁＋Δω）、偏光
方位が互いに直交している。光電変換素子１０および光
電変換素子１３は、位相計１４に接続されている。これ
らは、周波数ω₁の光で測長した移動鏡７の変位Ｄ
（ω₁）を求めるための光学系を構成している。

【００３３】また、光軸２０４上には、光源２０、第２
高調波発生素子（以下ＳＨＧ素子と称す）２２が配置さ
れている。光軸２０４は、光結合素子２５により、光軸
２０１と結合している。光源２０は、周波数ω₂の光２
１を出射する。ＳＨＧ素子２２は、光２１の一部を周波
数ω₃＝２ω₂の光２４に変換する。具体的には、光源２
０は、波長１０６４ｎｍの光を出射するＹＡＧレーザで
ある。ＳＨＧ素子２２は、非線形光学材料ＫＴｉＯＰＯ
₄により構成されている。また、光分離素子２８によ
り、光軸２０１から分離する光軸２０５には、偏光ビー
ムスプリッタ３１、ＳＨＧ素子３５、光電変換素子３９
が配置されている。偏光ビームスプリッタ３１によって
光軸２０５から分離する光軸２０６には、ＳＨＧ素子３
４、光電変換素子３８が配置されている。ＳＨＧ素子３
４、３５は、ＳＨＧ素子２２と同じ材料で形成されてい
る。光電変換素子３８、３９は、位相計４２に接続され
ている。これらは、偏光ビームスプリッタ３、固定鏡
６、移動鏡７とともに、周波数ω₃の光で測長した移動
鏡７の変位Ｄ（ω₃）と、周波数ω₂の光で測長した移動
鏡７の変位Ｄ（ω₂）との差を求めるための光学系を構
成している。この光学系は、ホモダイン干渉方式でＤ
（ω₃）−Ｄ（ω₂）を求めることにより、空気の屈折率
変動をモニタするものである。

【００３４】位相計１４および位相計４２は、演算器４
３に接続されている。演算器４３は、移動鏡７の真の変
位Ｄを求める演算と、光路中の媒体の周波数ω₁の光に
対する現在の屈折率ｎ（ω₁）を求める演算とを行う。

【００３５】この装置によって、空気の屈折率変動の影
響を除いて、移動鏡７の真の変位Ｄを測定する動作につ
いて説明する。

【００３６】まず、光源１より出射される周波数がわず
かに異なり偏光方位が互いに直交する光４、５を含む光
２は、偏光ビームスプリッター３に入射し、参照光とな
る光（ω₁′）４と、測定光となる光（ω₁）５とに分離
される。参照光４は、固定鏡６で反射されたのち、再び
偏光ビームスプリッター３に入射する。他方、測定光５
は、測定対象である移動鏡７で反射されたのち、再び偏
光ビームスプリッター３に戻り、参照光と同軸で偏光ビ
ームスプリッター３から出射する。

【００３７】偏光ビームスプリッター３から出射され
た、参照光４と測定光５とを含む光８は、偏光子９を通
過する。偏光子９を通過することにより、参照光４と測
定光５とが干渉する。この干渉縞の明暗は、光電変換素
子１０により電気信号に変換される。光電変換素子１０
で変換された干渉ビート信号（周波数Δω）１１、およ
び、予め光源直後で受光することによって得られた参照
信号１５は、位相計１４に入力され、ヘテロダイン検波
法により、参照信号１５の位相に対する干渉ビート信号
１１の位相の変化δ₁が測定される。

【００３８】他方、光源２０から出射された周波数ω₂
の光２１は、ＳＨＧ（第２高調波発生）素子２２に入射
し、周波数ω₃（＝２ω₂）のＳＨＧ光２４を生じる。光
２１と光２４とは、上述した測定光５ならびに参照光４
と、偏光方位が４５度の角度をなす直線偏光である。Ｓ
ＨＧ素子２２を透過した周波数ω₂の光２１と、周波数
ω₃の光２４の２つの波長の光は、光結合素子２５によ
り、上述の測長光２と結合され、偏光ビームスプリッタ
ー３に入射する。偏光ビームスプリッター３に入射した
２つの波長の光２１、２４は、参照光４と同じ偏光方位
の参照光２６と、測定光５と同じ偏光方位の測定光２７
に分離される。参照光２６および測定光２７は、それぞ
れ、周波数ω₂の光２１と周波数ω₃の光２４とを含んで
いる。そして、参照光２６は、固定鏡６で反射され、測
定光２７は、移動鏡７で反射された後、偏光ビームスプ
リッター３から同軸で出射する。

【００３９】偏光ビームスプリッター３から出射した２
つの波長を含む光は、光分離素子２８で、測長光８と分
離される。さらに、偏光ビームスプリッター３１で、参
照光路を通った２つの波長を含む光２６と、測定光路を
通った２つの波長を含む光２７とが分離され、ＳＨＧ素
子３４，３５にそれぞれ入射する。ＳＨＧ素子３４，３
５では、２つの波長の光のうち周波数の小さいω₂光２
１の第２高調波が発生し、周波数ω₃（＝２ω₂）の光３
０をそれぞれ生じる。光３０は、ＳＨＧ素子３４、３５
を通過した周波数の大きい光２４と干渉する。その干渉
光３６，３７を光電変換素子３８，３９でそれぞれ受光
する。参照光路を通った２つの波長を含む光の干渉光３
６による干渉信号４０と、測定光路を通った２つの波長
を含む光の干渉光３７による干渉信号４１は、位相計４
２に入力され、干渉信号４０の位相に対する干渉信号４
１の位相変化を測定することにより位相差δ₂が検出さ
れる。

【００４０】光波干渉測定装置の位相計１４の出力と、
前記位相計４２の出力とは、演算器４３に入る。演算器
４３は、この位相変化δ₁と、周波数ω₁との演算によ
り、移動鏡７の変位Ｄ（ω₁）を求める。具体的には、Ｄ（ω₁）＝δ₁×（ｃ／ω₁）×（１／２）により求める。但し、ｃは光速を表す。

【００４１】また、位相計４２より出力された位相差δ
₂と、周波数ω₃との演算によりＤ（ω₃）−Ｄ（ω₂）を
求める。具体的には、

【００４２】により求める。但し、ｃは光速を表す。

【００４３】さらに、演算器４３は、空気の屈折率変動
を補正する演算

【００４４】

【数１２】

【００４５】を行い、移動鏡７の真の変位Ｄを求める。
但し、Ｆ（ω₁）／（Ｆ（ω₃）−Ｆ（ω₂））は、予め
計算により求めた定数である。

【００４６】また、演算器４３は、求めた真の変位Ｄ
と、Ｄ（ω₁）とにより、さらに、演算ｎ（ω₁）＝Ｄ（ω₁）／Ｄを行うことにより、光路中の媒体の周波数ω₁の光に対
する現在の屈折率ｎ（ω₁）を求める。

【００４７】このように、第１の実施例の光波干渉測定
装置によれば、移動鏡７の真の変位Ｄと、光路中の媒体
の周波数ω₁の光に対する現在の屈折率ｎ（ω₁）とを求
めることができる。

【００４８】次に、本発明の第２の実施例の、ヘテロダ
イン干渉方式で空気の屈折率変動のモニタを行う光波干
渉測定装置について、図３を用いて説明する。

【００４９】本実施例の測長器において、波長ω₁の光
で測長した移動鏡７の変位Ｄ（ω₁）を求めるための光
学系は、図３に示したとおり、第１の実施例と同じであ
るので、説明を省略する。

【００５０】また、周波数ω₃の光で測長した移動鏡７
の変位Ｄ（ω₃）と、周波数ω₂の光で測長した移動鏡７
の変位Ｄ（ω₂）との差｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を求
めることにより、空気の屈折率変動をモニタする光学系
を、ヘテロダイン干渉方式の光学系で構成している。

【００５１】すなわち、光軸２０４上には、光源５０、
ＳＨＧ素子５２、ダイクロイックミラー５５、５７が配
置されている。光軸２０４は、光結合素子５８により、
光軸２０１と結合している。ダイクロイックミラー５５
により反射された光の光軸２０７上には、ミラー２０
８、周波数シフター５６、ミラー２０９が配置されてい
る。周波数シフター５６は、音響光学素子により構成し
ている。光軸２０７は、ダイクロイックミラー５７によ
り再び光軸２０４に結合される。光源５０は、第１の実
施例の光源２０と同じ光源であり、周波数ω₂の光５１
を出射する。ＳＨＧ素子５２は、第１の実施例のＳＨＧ
素子２２と同じ素子であり、光５１の一部を周波数ω₃
＝２ω₂の光５４に変換する。

【００５２】光分離素子６１により、光軸２０１から分
離する光軸２０５には、偏光ビームスプリッタ６４、Ｓ
ＨＧ素子６８、光電変換素子７２が配置されている。偏
光ビームスプリッタ６４によって光軸２０５から分離し
た光軸２０６には、ＳＨＧ素子６７、光電変換素子７１
が配置されている。ＳＨＧ素子６７、６８は、ＳＨＧ素
子５２と同じ材料で形成されている。光電変換素子７
１、７２は、位相計７５に接続されている。これらは、
偏光ビームスプリッタ３、固定鏡６、移動鏡７ととも
に、周波数ω₃の光で測長した移動鏡７の変位Ｄ（ω₃）
と、周波数ω₂の光で測長した移動鏡７の変位Ｄ（ω₂）
との差を求めるための光学系を構成している。

【００５３】この装置によって、空気の屈折率変動の影
響を除いて、移動鏡７の真の変位Ｄ（ω₁）を測定する
動作について説明する。

【００５４】第１の実施例と同様に、位相計１４は、ヘ
テロダイン検波法により、参照信号１５の位相に対する
干渉ビート信号１１の位相の変化δ₁が測定される。

【００５５】他方、光源５０から出射された周波数ω₂
の光５１は、光４および光５と４５度の偏光方位をな
す。周波数ω₂の光５１は、ＳＨＧ（第２高調波発生）
素子５２に入射し、周波数ω₃（＝２ω₂）の光５４を生
じる。ＳＨＧ素子を出射した周波数ω₃の光５４は、Ｓ
ＨＧ素子５２を通過した周波数ω₂の光５１から、ダイ
クロイックミラー５５で分離される。さらに、周波数ω
₃（＝２ω₂）の光５４は、周波数シフター５６で周波数
がわずかにシフトされ、周波数がω₃′＝ω₃＋Δω′の
光５３となる。ω₃′の光５３は、再びダイクロイック
ミラー５７で周波数ω₂の光５１と結合され、さらに光
結合素子５８により測長光２と結合され、偏光ビームス
プリッター３に入射する。

【００５６】偏光ビームスプリッター３に入射した２つ
の波長を含む光は、参照光５９と測定光６０に分離さ
れ、参照光４と測長光５と同様に、それぞれ、固定鏡６
と移動鏡７で反射された後、偏光ビームスプリッター３
から同軸で出射する。

【００５７】偏光ビームスプリッター３から出射した２
つの波長を含む光は、光分離素子６１で測長光８と分離
する。分離された光５９，６０は、偏光ビームスプリッ
ター６４で、参照光路を通った光５９と測定光路を通っ
た光６０とに分離され、それぞれ、ＳＨＧ素子６７，６
８に入射する。ＳＨＧ素子６７，６８では、２つの波長
の光のうち周波数の小さいω₂光５１が、ＳＨＧ変換さ
れ、第２高調波の周波数ω₃（＝２ω₂）の光６５、６６
をそれぞれ生じる。光５３は、ＳＨＧ素子６７、６８を
透過する。このように、ＳＨＧ素子６７、６８におい
て、光５１の第２高調波が発生する。一方で、光５３は
そのまま透過する。光６５、６６（周波数ω₃）は、Ｓ
ＨＧ素子６７、６８を透過した光５３（周波数ω₃´）
とヘテロダイン干渉し、干渉縞を生じる。その干渉光６
９，７０を光電変換素子７１，７２でそれぞれ受光し、
干渉縞の明暗を電気信号に変換する。光電変換素子７１
の干渉ビート信号７３と、光電変換素子７２の干渉ビー
ト信号７４は、位相計７５に入力され、干渉ビート信号
７３の位相に対する干渉信号７４の位相の変化を相対的
に測定し、位相差δ₃を得る。

【００５８】位相計１４の出力と位相計７５の出力は、
演算器７６に入る。演算器７６は、位相変化δ₁と、周
波数ω₁との演算により、第１の実施例と同様に移動鏡
７の変位Ｄ（ω₁）を求める。また、位相計７５より出
力された位相差δ₃と、周波数ω₃´との演算によりＤ
（ω₃´）−Ｄ（ω₂）を求める。具体的には、

【００５９】により求める。但し、ｃは光速を表す。

【００６０】さらに、演算器７６は、空気の屈折率変動
の補正演算

【００６１】

【数１３】

【００６２】を行い、移動鏡７の真の変位Ｄを求める。
但し、Ｆ（ω₁）／（Ｆ（ω₃´）−Ｆ（ω₂））は、予
め計算により求めた定数である。

【００６３】また、演算器７６は、求めた真の変位Ｄ
と、Ｄ（ω₁）とにより、さらに、演算ｎ（ω₁）＝Ｄ（ω₁）／Ｄを行うことにより、光路中の媒体の周波数ω₁の光に対
する現在の屈折率ｎ（ω₁）を求める。

【００６４】このように、第２の実施例の光波干渉測定
装置によれば、移動鏡７の真の変位Ｄと、光路中の媒体
の周波数ω₁の光に対する現在の屈折率ｎ（ω₁）とを求
めることができる。

【００６５】第１および第２の実施例では、３つの周波
数ω₁、ω₂、ω₃の光を用いて、測定対象の変位Ｄ
（ω₁）、｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝、もしくは、｛Ｄ
（ω₃´）−Ｄ（ω₂）｝を測定することにより、数１３
を用いて、屈折率変動を補正した真の変位を検出するこ
とができる。また、同時に測定時の屈折率を求めること
ができる。

【００６６】また、第２の実施例では、Ｄ（ω₃´）−
Ｄ（ω₂）をヘテロダイン干渉を利用して位相差を求め
る構成であるため、光源５０の出力の変動による誤差を
受けにくく、正確に位相差を検出することができる。従
って、補正のためのＤ（ω₃´）−Ｄ（ω₂）を正確に検
出できるため、真の変位Ｄの検出精度を向上させること
ができる。

【００６７】また、第１および第２の実施例では、補正
のためのＤ（ω₃）−Ｄ（ω₂）もしくはＤ（ω₃´）−
Ｄ（ω₂）の光学系の光路を、Ｄ（ω₁）を測定するため
の光学系の光路と一致させている。したがって、Ｄ（ω
₃）−Ｄ（ω₂）もしくはＤ（ω₃´）−Ｄ（ω₂）は、Ｄ
（ω₁）の光路と一致する光路全体の空気の屈折率変動
を含んだ測定値となっているため、局所的な空気の屈折
率変動を正確に補正することができる。

【００６８】また、本実施例の光波干渉測定装置におい
て、より正確に屈折率変動を測定するために、移動鏡が
変位する部分の光路を除いた全ての光路の屈折率変動を
できるだけ小さくすることが望ましい。このためには、
例えば、移動鏡が変位する部分の光路を除いた全ての光
路を、チューブでカバーする構成にしたり、移動鏡が変
位する部分の光路を除いた光路の光路長をできるだけ短
くするような光学系の配置にすることにより、屈折率変
動をより正確に測定できる。

【００６９】第１および第２の実施例において、補正の
ためのＤ（ω₃）−Ｄ（ω₂）もしくはＤ（ω₃´）−Ｄ
（ω₂）を検出する光学系として、波長差の大きな２つ
の光を進行させ、２つの光に空気の屈折率変動による位
相ずれを生じさせた後、波長変換して干渉させる構成を
用いている。このような構成にしているのは、空気の屈
折率変動による２つの光の位相差が、波長差が大きいほ
ど大きく、一方、干渉による位相差の検出が、波長差が
小さいほど精度よく検出できるという特徴があるためで
ある。このことにより、本実施例では、精度よく空気の
屈折率変動を検出することができる。

【００７０】つぎに、本発明の第３の実施例として、偏
光方位回転装置を光路中に備えた光波干渉測定装置につ
いて、図１３を用いて説明する。

【００７１】本実施例の光波干渉測定装置は、第１の実
施例の光波干渉測定装置と同様の構成であるが、偏光方
位回転装置４０１、４０２を光軸２０５および２０６中
に備えている点が異なる。

【００７２】偏光方位回転装置４０１は、偏光ビームス
プリッタ３１とＳＨＧ素子３５との間に配置されてい
る。また、偏光方位回転装置４０２は、偏光ビームスプ
リッタ３１とＳＨＧ素子３４の間に配置されている。

【００７３】偏光方位回転装置４０２は、参照光２６に
含まれる周波数ω₂の光２１の偏光方位を、予め定めた
偏光方位に回転させる。この予め定めた偏光方位とは、
ＳＨＧ素子３４のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の位相整合条件に
よって決まる偏光方位であり、本実施例では、ＫＴｉＯ
ＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°付近の偏光方位
に回転させる。また、周波数ω₃の光２４の偏光方位
を、ＳＨＧ素子３４のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に
回転させる。

【００７４】また、偏光方位回転装置４０１も同様に、
測定光２７に含まれる周波数ω₂の光２１の偏光方位
を、予め定めた偏光方位に回転させる。この予め定めた
偏光方位とは、ＳＨＧ素子３５のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の
位相整合条件によって決まる偏光方位であり、本実施例
では、ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°
付近の偏光方位に回転させる。また、周波数ω₃の光２
４の偏光方位を、ＳＨＧ素子３５のＫＴｉＯＰＯ₄結晶
の異常方向に回転させる。

【００７５】ＳＨＧ素子３４、３５のＫＴｉＯＰＯ₄結
晶は、前述の位相整合条件から定めた偏光方位（異常方
向に対して、４５°付近）に周波数ω₂の光が入射する
と、効率よく第２次高調波を発生し、結晶の異常方向に
平行な直線偏光で出射する性質を有する。また、ＫＴｉ
ＯＰＯ₄結晶は、結晶の異常方向に入射した周波数ω₃の
光を、そのまま結晶の異常方向で出射する。

【００７６】よって、ＳＨＧ素子３４，３５では、周波
数の小さいω₂光２１の第２次高調波の周波数ω₃（＝２
ω₂）の光３０をそれぞれ生じる。光３０は、ＳＨＧ素
子３４、３５を通過した周波数の大きい光２４と、同じ
偏光方位（ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向）であるた
め、両者は干渉する。その干渉光３６，３７を光電変換
素子３８，３９でそれぞれ受光する。これ以外の動作
は、第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。

【００７７】つぎに、本発明の第４の実施例として、偏
光方位回転装置４１１、４１２を光路中に備えた光波干
渉測定装置について、図１４を用いて説明する。

【００７８】本実施例の光波干渉測定装置は、第２の実
施例の光波干渉測定装置と同様の構成であるが、偏光方
位回転装置を光軸２０５および２０６中に備えている点
が異なる。

【００７９】偏光方位回転装置４１１は、偏光ビームス
プリッタ６４とＳＨＧ素子６８との間に配置されてい
る。また、偏光方位回転装置４１２は、偏光ビームスプ
リッタ６４とＳＨＧ素子６７との間に配置されている。

【００８０】偏光方位回転装置４１２は、参照光５９に
含まれる周波数ω₂の光５１の偏光方位を、予め定めた
偏光方位に回転させる。この予め定めた偏光方位とは、
ＳＨＧ素子６７のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の位相整合条件に
よって決まる偏光方位であり、本実施例では、ＫＴｉＯ
ＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°付近の偏光方位
に回転させる。また、周波数ω₃´の光５３の偏光方位
を、ＳＨＧ素子６７のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に
回転させる。

【００８１】また、偏光方位回転装置４１１も同様に、
測定光６０に含まれる周波数ω₂の光５１の偏光方位
を、予め定めた偏光方位に回転させる。この予め定めた
偏光方位とは、ＳＨＧ素子６８のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の
位相整合条件によって決まる偏光方位であり、本実施例
では、ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°
付近の偏光方位に回転させる。また、周波数ω₃´の光
５３の偏光方位を、ＳＨＧ素子６８のＫＴｉＯＰＯ₄結
晶の異常方向に回転させる。

【００８２】ＳＨＧ素子６７、６８のＫＴｉＯＰＯ₄結
晶は、前述の位相整合条件から定めた偏光方位（異常方
向に対して、４５°付近）に周波数ω₂の光が入射する
と、効率よく第２次高調波を発生し、結晶の異常方向に
平行な直線偏光で出射する性質を有する。また、ＫＴｉ
ＯＰＯ₄結晶は、結晶の異常方向に入射した周波数ω₃´
の光を、そのまま結晶の異常方向で出射する。

【００８３】よって、ＳＨＧ素子６７，６８では、周波
数の小さいω₂光５１の第２次高調波の波数ω₃（＝２ω
₂）の光６５、６６をそれぞれ生じる。光６５、６６
は、ＳＨＧ素子６７、６８を通過した周波数の大きい光
５３と、同じ偏光方位（ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方
向）であるため、両者は干渉する。その干渉光６９，７
０を光電変換素子７１，７２でそれぞれ受光する。これ
以外の動作は、第２の実施例と同様であるので、説明を
省略する。

【００８４】ここで、偏光方位回転装置４０１、４０
２、４１１、４１２の構成について、説明する。

【００８５】偏光方位回転装置４０１、４０２、４１
１、４１２は、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、フ
レネルロム波長板（以下、フレネルロムと称す）５３３
と、水晶の複屈折性を利用した波長板５３７とを、光を
入射させる側から順に、光軸上に配置した構成である。
フレネルロム５３３は、筒体５４２内に固定されてい
る。筒体５４２の外側面には、ハンドル５４３が取り付
けられている。また、波長板５３７は、円盤状であり、
側面にハンドル５４４が取り付けられている。

【００８６】筒体５４２と、波長板５３７とは、内部が
空間になっている円柱状の筐体５４１内に配置されてい
る。ハンドル５４３、５４４は、筐体の側面に円周方向
に設けられたスリット５４５、５４６から外部に突出し
ている。また、筐体５４１には、入射光および出射光を
通過させるための窓５４７、５４８が設けられている。
ハンドル５４３、５４４をスリット５４５、５４６に沿
って移動させると、筒体５４２の側面および波長板５３
７の側面は、筐体５４１の内側面上を摺動し、フレネル
ロム５３３および波長板５３７が回転する。これによ
り、フレネルロム５３３の中性軸５３２および波長板５
３７の中性軸５３６を任意の角度に向けることができ
る。

【００８７】フレネルロム５３３は、境界面での全反射
におけるｐ偏光の位相飛びとｓ偏光の位相飛びの差が１
／４πとなることを利用したもので、４回の全反射によ
って、πの位相飛びの差を与えることができる。その位
相飛びの差に周波数依存性がほとんどないことから、２
つの周波数の光それぞれに対して、πの位相飛びの差を
与えることができる。

【００８８】また、波長板５３７は、水晶の複屈折を利
用したものである。

【００８９】複屈折を利用した波長板のリターデーショ
ンδは、ωを光の波長、ｎ_oを常光線屈折率、ｎ_eを異
常光線屈折率、ｄを波長板の厚さとしたとき、

【００９０】で与えられる。

【００９１】複屈折を利用した１／２波長板において、
常光線についての屈折率ｎ₀と、異常光線についての屈
折率ｎ_eとの差（ｎ₀−ｎ_e）は、波長依存性が小さい。
したがって、数１４において、２つの周波数ω₄、ω
₅（但し、ω₅＝２ω₄）についての｛ｎ_e（ω₄）−ｎ
_o（ω₄）｝・ｄと、｛ｎ_e（ω₅）−ｎ_o（ω₅）｝・ｄと
は、ほぼ等しい。本実施例では、波長板５３７の厚さｄ
を、周波数ω₄の光に対してδ＝（２ｎ−１）π （但
し、ｎは自然数である）となるように形成しているの
で、周波数ω₅（＝１／２ω₄）の光に対しては、δ＝２
ｍπ （但し、ｍは自然数である）となる。よって、波
長板５３７は、周波数ω₄の光に対しては、１／２波長
板として作用し、周波数ω₅の光に対しては、１波長板
として作用する。

【００９２】但し、第３の実施例の偏光方位回転装置４
０１、４０２として、図１９の偏光方位回転装置を用い
る場合には、ω₄＝ω₂、ω₅＝ω₃として、波長板の厚さ
を定める。また、第４の実施例の偏光方位回転装置４１
１、４１２として、図１９の偏光方位回転装置を用いる
場合には、ω₄＝ω₂、ω₅＝ω₃´として、波長板の厚さ
を定める。

【００９３】つぎに、図１９の偏光方位回転装置を用い
て、周波数ω₄、ω₅の２つの光の偏光方位を、それぞれ
任意の方向に回転させるための動作について説明する。

【００９４】一例として、図１５、図１６（ａ）、
（ｂ）を用いて、ｘ軸に平行な偏光方位のω₄の光５３
０とω₅の光５３１とを、この偏光方位回転装置に入射
し、光５３０をｘ軸から＋１３５°の偏光方位の光５３
８に、光５３１をｘ軸から＋４５°の偏光方位の光に、
それぞれ回転させて出射させる場合について説明する。
但し、本実施例の偏光方位回転装置で、回転可能な偏光
方位は、この方位に限られるものではなく、任意の偏光
方位の周波数ω₄、ω₅の入射光を、それぞれ独立に回転
させて、任意の偏光方位の出射光を得ることができる。

【００９５】まず、偏光方位回転装置のハンドル５４３
をスリット５４５に沿って移動させて、フレネルロム５
３３を、周波数ω₅の光の偏光方位を目的の方位に回転
させるように設定する。具体的には、ここでは、周波数
ω₅の光５３１の偏光方位を＋４５°の方位に回転させ
るので、フレネルロム５３３の中性軸５３２を、ｘ軸か
ら２２．５°の角度に設定する。

【００９６】つぎに、上述のように設定されたフレネル
ロム５３３を通過した、周波数ω₄の光の偏光方位を、
目的とする偏光方位に回転させるように、波長板５３７
を設定する。この設定は、偏光方位回転装置のハンドル
５４４をスリット５４６に沿って移動させることにより
行う。具体的には、フレネルロム５３３を通過した周波
数ω₄の光の偏光方位は、＋４５°の方位に回転してい
るので、これを目的とする偏光方位＋１３５°に回転さ
せるために、波長板５３７の中性軸５３６をｙ軸方向に
設定する。

【００９７】同軸の２つの波長の光５３０，５３１は、
上述のように、ｘ軸に対して互いに平行な偏光方位を有
している。この光５３０、５３１が、窓５４７から、本
実施例の偏光方位回転装置に入射すると、まず、中性軸
５３２がｘ軸に対して２２．５°をなすフレネルロム５
３３に入射し、図１６（ｂ）のように、ω₄，ω₅の光５
３０、５３１は、ｘ軸に対して４５°の偏光方位をなす
直線偏光５３４，５３５になる。次に、フレネルロム５
３３を出射した２つの波長の光５３４，５３５は、中性
軸５３６がｙ軸と平行な波長板５３７に入射する。波長
板５３７は、複屈折性を利用した波長板であるので、周
波数ω₄の光に対して１／２波長板として作用するが、
周波数ω₅（＝２ω₄）の光に対しては、１波長板として
作用する。よって、波長板５３７を通過する際、周波数
ω₅光の偏光方位（４５°）は維持されたまま、周波数
ω₄の光の偏光方位が９０°回転し、偏光方位が１３５
°となる（図１６（ａ））。従って、ω₄の光の偏光方
位は、ω₅の光の偏光方位と直交する。これによって、
目的とする偏光方位４５°の周波数ω₅の光５３９と、
偏光方位１３５°の周波数ω₄の光５３８とが得られ
る。

【００９８】よって、第３の実施例の偏光方位回転装置
４０１、４０２として、図１９の偏光方位回転装置を用
いる場合には、フレネルロム５３２の中性軸５３２を、
測定光２７および参照光２６に含まれる周波数ω₃の光
２４の偏光方位を、ＳＨＧ素子３５、３４のＫＴｉＯＰ
Ｏ₄結晶の異常方向に回転させるように設定する。さら
に、波長板５３７の中性軸５３６を、フレネルロム５３
３を通過した測定光２７および参照光２６に含まれる周
波数ω₂の光２１の偏光方位を、ＳＨＧ素子３５、３４
のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°付近
の偏光方位に回転させるように設定する。

【００９９】また、第４の実施例の偏光方位回転装置４
１１、４１２として、図１９の偏光方位回転装置を用い
る場合には、フレネルロム５３２の中性軸５３２を、測
定光６０および参照光５９に含まれる周波数ω₃´の光
５３の偏光方位を、ＳＨＧ素子６８、６７のＫＴｉＯＰ
Ｏ₄結晶の異常方向に回転させるように設定する。さら
に、波長板５３７の中性軸５３６を、フレネルロム５３
３を通過した測定光６０および参照光５９に含まれる周
波数ω₂の光５１の偏光方位を、ＳＨＧ素子６８、６７
のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対して、４５°付近
の偏光方位に回転させるように設定する。

【０１００】上述の図１９の偏光方位回転装置におい
て、フレネルロム５３３の代わりに、複屈折を利用した
波長板であって、周波数ω₄の光に対してリターデーシ
ョン（２ｎ−１）π、周波数ω₅の光に対してリターデ
ーション（２ｍ−１）πを与える波長板を用いることが
可能である。但し、ｎ，ｍは、自然数である。このよう
な波長板は、複屈折の（ｎ_e−ｎ_o）のわずかな差を利用
して、上述の数１４において、周波数ω₄の光に対し
て、δ＝（２ｎ−１）π、周波数ω₅の光に対して、δ
＝（２ｍ−１）πとなるような厚さｄを有する波長板で
ある。このような厚さｄをもつ波長板は、周波数ω₄、
周波数ω₅の光に対して、１／２波長板として機能す
る。したがって、図１９の実施例において、フレネルロ
ム５３３の代わりに、このような波長板を用いることが
できる。

【０１０１】つぎに、偏光方位回転装置４０１、４０
２、４１１、４１２として用いることのできる別の偏光
方位回転装置について、図１７、図１８（ａ）、
（ｂ）、図２０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

【０１０２】この偏光方位回転装置は、図２０（ａ）、
（ｂ）に示すように、波長板５０１と、波長板５０２
と、波長板５０３とを、光を入射させる側から順に、光
軸上に配置した構成である。波長板５０１には、ハンド
ル５５０が取り付けられ、波長板５０２には、ハンドル
５５１が取り付けられ、波長板５０３には、ハンドル５
５２が取り付けられている。

【０１０３】波長板５０１と、波長板５０２と、波長板
５０３とは、内部が空間になっている円柱状の筐体５５
８内に配置されている。ハンドル５５０、５５１、５５
２は、筐体５５８の側面に円周方向に設けられたスリッ
ト５５３、５５４、５５５から外部に突出している。ま
た、筐体５５８には、入射光および出射光を通過させる
ための窓５５６、５５７が設けられている。ハンドル５
５０、５５１、５５２をスリット５５３、５５４、５５
５に沿って移動させると、波長板５０１、波長板５０
２、波長板５０３の中性軸５０４、５０５、５０６をそ
れぞれ任意の角度に向けることができる。

【０１０４】波長板５０１、波長板５０２、および、波
長板５０３は、水晶の複屈折を利用したものである。す
でに述べたように、複屈折を利用した波長板は、常光線
についての屈折率ｎ₀と、異常光線についての屈折率ｎ_e
との差（ｎ₀−ｎ_e）は、波長依存性が小さく、上述の数
１４において、２つの周波数ω₄、ω₅（但し、ω₅＝２
ω₄）についての｛ｎ_e（ω₄）−ｎ_o（ω₄）｝・ｄと、
｛ｎ_e（ω₅）−ｎ_o（ω₅）｝・ｄとは、ほぼ等しい。図
２０の偏光方位回転装置では、波長板５０１、波長板５
０２、および、波長板５０３の厚さｄを、周波数ω₄の
光に対して、それぞれδ＝π／２（すなわち、１／４波
長板）、δ＝π／２（すなわち、１／４波長板）、およ
び、δ＝π（すなわち、１／２波長板）となるように形
成している。よって、周波数ω₅（＝２ω₄）の光に対し
ては、それぞれ、δ＝π（すなわち、１／２波長板）、
δ＝π（すなわち、１／２波長板）、δ＝２π（すなわ
ち、１波長板）となる。

【０１０５】但し、第３の実施例の偏光方位回転装置４
０１、４０２として、図２０の偏光方位回転装置を用い
る場合には、ω₄＝ω₂、ω₅＝ω₃として、波長板の厚さ
を定める。また、第４の実施例の偏光方位回転装置４１
１、４１２として、図２０の偏光方位回転装置を用いる
場合には、ω₄＝ω₂、ω₅＝ω₃´として、波長板の厚さ
を定める。

【０１０６】つぎに、図２０の偏光方位回転装置を用い
て、周波数ω₄、ω₅の２つの光の偏光方位を、それぞれ
任意の方向に回転させるための動作について説明する。

【０１０７】一例として、図１７、図１８（ａ）、
（ｂ）のように、ｘ軸に平行な偏光方位のω₄の光５０
７とω₅（＝２ω₄）の光５０８とを、この偏光方位回転
装置に入射し、光５０８をｘ軸から＋１３５°の偏光方
位の光５１４に、光５０７をｘ軸から＋４５°の偏光方
位の光５１３に、それぞれ回転させて出射させる場合に
ついて説明する。但し、図２０の偏光方位回転装置で、
回転可能な偏光方位は、この方位に限られるものではな
く、任意の偏光方位の周波数ω₄、ω₅の入射光を、それ
ぞれ独立に回転させて、任意の偏光方位の出射光を得る
ことができる。

【０１０８】まず、偏光方位回転装置のハンドル５５０
をスリット５５３に沿って移動させて、波長板５０１
を、周波数ω₄の光５０７の偏光方位を、円偏光にする
ように設定する。具体的には、ここでは、周波数ω₄の
光５０７がｘ軸に平行な偏光方位であるので、波長板５
０１の中性軸５０４を、ｘ軸から４５°の角度に設定す
る。

【０１０９】つぎに、上述のように設定された波長板５
０１を通過した、周波数ω₅の光５１０の偏光方位を、
目的とする偏光方位に回転させるように、波長板５０２
を設定する。この設定は、偏光方位回転装置のハンドル
５５１をスリット５５４に沿って移動させることにより
行う。具体的には、波長板５０１は、周波数ω₅の光に
対して１／２波長板として作用するため、波長板５０１
を通過した周波数ω₅の光５１０の偏光方位は、ｙ軸の
方向に回転しているので、これを目的とする偏光方位＋
１３５°に回転させる必要がある。ここで、波長板５０
２は、周波数ω₅の光に対しては、上述したように、１
／２波長板として作用するので、波長板５０２の中性軸
５を１１２．５°の方向に設定する。

【０１１０】さらに、上述のように設定された波長板５
０２を通過した、周波数ω₄の光５１１の偏光方位を、
目的とする偏光方位に回転させるように、波長板５０３
を設定する。この設定は、偏光方位回転装置のハンドル
５５２をスリット５５５に沿って移動させることにより
行う。具体的には、波長板５０２を通過した周波数ω₄
の光５１１の偏光方位は、ｘ軸から１５７．５°の方向
に回転しているので、これを目的とする偏光方位４５°
に回転させる必要がある。よって、波長板５０３の中性
軸５０６をｘ軸から１１．２５°の方向に設定する。

【０１１１】周波数ω₄の光５０７、５０９、５１１、
５１３の偏光方位を図１８（ａ）を用いて、周波数ω₅
の光５０８、５１０、５１２、５１４の偏光方位を図１
８（ｂ）を用いて、以下説明する。同軸の２つの波長の
光５０７，５０８は、ｘ軸に対して互いに平行な偏光方
位を有している。この光５０７、５０８が、窓５５６か
ら、図２０の偏光方位回転装置に入射すると、まず、中
性軸５０４がｘ軸に対して４５°をなす波長板５０１に
入射する。波長板５０１は、周波数ω₄の光に対して
は、１／４波長板として作用するが、周波数ω₅の光に
対しては、１／２波長板として作用するため、周波数ω
₄の光５０７は、円偏光５０９になり、周波数ω₅の光５
０８は９０°回転しｙ軸に平行な直線偏光５１０とな
る。

【０１１２】次に、波長板５０１を出射した２つの波長
の光５０９，５１０は、中性軸５０５が１１２．５°を
なす波長板５０２に入射する。波長板５０２は、周波数
ω₄の光に対しては、１／４波長板として作用するが、
周波数ω₅の光に対しては、１／２波長板として作用す
るので、周波数ω₅の直線偏光５１０は１３５°をなす
直線偏光５１２になり、周波数ω₄の円偏光５０９は、
中性軸５０５に対して４５°をなす（ｘ軸に対して１５
７．５°をなす）直線偏光５１１になる。

【０１１３】さらに、波長板５０２を出射した２つの波
長の光５１１，５１２は、中性軸５０６がｘ軸に対して
１１．２５°をなす波長板５０３に入射する。ここで、
波長板５０３は、周波数ω₄の光に対しては、１／２波
長板として作用するが、周波数ω₅の光に対しては、１
波長板として作用するので、周波数ω₅の光５１２の偏
光方位は維持されたまま、周波数ω₄光５１１の偏光方
位がｘ軸に対して４５°となる。以上より、互いに平行
な偏光方位を有する２つの波長の光（ω₄＝２ω₅）５０
７，５０８は、目的とする、偏光方位が４５°回転しか
つ互いに直交した２波長光５１３，５１４となる。

【０１１４】よって、第３の実施例の偏光方位回転装置
４０１、４０２として、図２０の偏光方位回転装置を用
いる場合には、波長板５０１の中性軸５０４を、測定光
２７および参照光２６に含まれる周波数ω₂の光２１の
偏光方位を、円偏光にするように設定する。また、波長
板５０２の中性軸５０５を、上述のように設定された波
長板５０１を通過し測定光２７および参照光２６に含ま
れる周波数ω₃の光２４の偏光方位を、ＳＨＧ素子３
５、３４のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に回転させる
ように設定する。さらに、波長板５０３の中性軸５０６
を、波長板５０２を通過した測定光２７および参照光２
６に含まれる周波数ω₂の光２１の偏光方位を、ＳＨＧ
素子３５、３４のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対し
て、４５°付近の偏光方位に回転させるように設定す
る。

【０１１５】また、第４の実施例の偏光方位回転装置４
１１、４１２として、図２０の偏光方位回転装置を用い
る場合には、波長板５０１の中性軸５０４を、測定光６
０および参照光５９に含まれる周波数ω₂の光５１の偏
光方位を、円偏光にするように設定する。また、波長板
５０２の中性軸５０５を、上述のように設定された波長
板５０１を通過し測定光６０および参照光５９に含まれ
る周波数ω₃´の光５３の偏光方位を、ＳＨＧ素子６
８、６７のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に回転させる
ように設定する。さらに、波長板５０３の中性軸５０６
を、波長板５０２を通過した測定光６０および参照光５
９に含まれる周波数ω₂の光５１の偏光方位を、ＳＨＧ
素子６８、６７のＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対し
て、４５°付近の偏光方位に回転させるように設定す
る。

【０１１６】第３、第４の実施例において、上述した図
１９または図２０の偏光方位回転装置を、ＳＨＧ素子３
４、３５、６７、６８の前に配置しているため、ＳＨＧ
素子の第２次高調波の変換効率が高い偏光方位に、周波
数ω₂の光を入射させることができる。また、ＳＨＧ素
子が周波数ω₃またはω₃´の光を透過し、しかも、周波
数ω₂の第２次高調波が出射される偏光方位に、周波数
ω₃またはω₃´の光を入射させることができる。よっ
て、強度の大きい第２次高調波を得ることができる。ま
た、第２次高調波である周波数ω₃の光と、透過光であ
る周波数ω₃またはω₃´の光の偏光方位が一致している
ため、強度の大きい干渉光を得ることができる。したが
って、精度よく真の変位Ｄおよび屈折率をモニタするこ
とができる。

【０１１７】尚、上述の図１９、図２０の偏光方位回転
装置は、筐体５４１、５５８を備えているが、図１３、
図１４の光波干渉測定装置の偏光方位回転装置４０１、
４０２、４１１、４１２の位置に、波長板のみを並べて
配置する構成にすることも可能である。この場合、波長
板の中性軸は、ＳＨＧ素子の結晶方位に合わせて固定的
に設定することができる。

【０１１８】つぎに、本発明の第５の実施例の光波干渉
を用いた屈折率変動測定装置について、図５を用いて説
明する。

【０１１９】本実施例の屈折率変動測定装置の構成につ
いて説明する。屈折率変動を測定すべき空間内の光軸２
２１に光源２１１、ＳＨＧ素子２１２、ダイクロイック
ミラー２１４、ダイクロイックミラー２１５、移動鏡２
１６、ＳＨＧ素子２１７、光電変換素子２１８を配置す
る。また、ダイクロイックミラー２１４により反射した
光の光軸２２２には、ミラー２２３、周波数シフタ２１
３、ミラー２２４を配置する。

【０１２０】光源２１１から出射された周波数ω₁の光
（基本波）は、その一部が、ＳＨＧ素子２１２によっ
て、周波数ω₂（ω₂＝２ω₁：第２高調波）の光に変換
される。周波数ω₂の光は、ダイクロイックミラー２１
４によって反射される。周波数シフタ２１３では、周波
数ω₂を一定の値だけシフトさせ、周波数ω₂´の光を得
る。この周波数ω₁の光とω₂´の光とを、ダイクロイッ
クミラー２１５によって同軸に重ねあわせて、屈折率変
動を測定すべき空間内に進行させ、予め定めた変位で移
動する移動鏡２１６によって反射させて、さらに、屈折
率変動を測定すべき空間内に進行させる。そして、ＳＨ
Ｇ素子２１７によって、周波数ω₁の光を周波数ω₂（ω
₂＝２ω₁）に変換する。周波数ω₂´の光は、ＳＨＧ素
子２１７を透過し、周波数ω₂の光と、周波数ω₂´の光
とがヘテロダイン干渉し、干渉縞の間隔を光電変換素子
２１８により検出することにより、位相差が検出され
る。

【０１２１】これにより、第２の実施例と同様に、光電
変換素子２１８で検出される位相差により、移動鏡２１
６の変位を２つの光の測定した場合の両者の差に相当す
る｛Ｄ（ω₂´）−Ｄ（ω₁）｝が得られる。第１、第２
の実施例で説明したように、Ｄ（ω₂´）−Ｄ（ω₁）
は、空気の屈折率変動の情報を含んだ値である。したが
って、測定時の空気の屈折率を相対的に検出することが
できる。

【０１２２】但し、移動鏡２１６が、予め定めた一定の
変位で移動させる場合には、光電変換素子２１８で検出
される位相差をそのまま用いることにより、測定時の屈
折率を相対的に検出することができる。移動鏡２１６
が、一定の変位ではない変位量で変位する場合には、光
電変換素子２１８で検出された位相差から測定時の変位
量を補正することで測定時の屈折率を相対的に検出する
ことができる。

【０１２３】また、別の光学系により周波数ω₃の光で
移動鏡２１６の変位を測定することによりＤ（ω₃）を
得て、数１５を用いて、移動鏡２１６の真の変位を得る
こともできる。

【０１２４】

【数１５】

【０１２５】但し、Ｆは、光の周波数に依存する予め求
めた関数である。

【０１２６】さらに、真の変位Ｄより、周波数ω₃の光
に対する測定時の屈折率ｎ（ω₃）をｎ（ω₃）＝Ｄ（ω₃）／Ｄにより求めることができる。

【０１２７】移動鏡２１６の変位を測定するための光学
系としては、例えば、第１、第２の実施例で示したＤ
（ω₁）を求めるための光学系を用いることができる。
但し、移動鏡２１６の変位が測定できる装置であれば、
この光学系に限らず用いることができる。

【０１２８】また、図６のように、周波数シフタ２１３
を光軸２２１上に配置し、基本波の周波数をシフトさせ
る構成や、図７のように、周波数シフタ２１３を２つ配
置し、基本波と第２高調波を両方の周波数をシフトさせ
る構成にしても、同様に空気の屈折率変動を相対的に検
出することができる。

【０１２９】また、周波数シフタ２１３を、図８、図
９、図１０のように、ＳＨＧ素子２１７のすぐ前に配置
しても、同様に空気の屈折率変動を相対的に検出するこ
とができる。

【０１３０】図５の実施例では、ＳＨＧ素子２１２と周
波数シフタ２１３を用いて、２つの波長の光を得ている
が、２つの波長の光を発振するレーザ２１９を図１１の
様に用いることももちろん可能である。

【０１３１】図１２のように、移動鏡２１６のかわり
に、移動するキャッツアイ２２０を用いることもでき
る。

【０１３２】また、図５の屈折率変動測定装置におい
て、ＳＨＧ素子２１７に入射する周波数ω₁、ω₂´光の
偏光方位を回転させるために偏光方位回転装置６０１を
配置することができる（図２１）。

【０１３３】偏光方位回転装置６０１としては、図１
９、図２０に示した装置を用いることができる。但し、
筐体を備えず、固定的に波長板を光軸上に並べる構成に
することもできる。

【０１３４】偏光方位回転装置６０１は、周波数ω₁の
光の偏光方位を予め定めた偏光方位回転させる。この予
め定めた偏光方位とは、ＳＨＧ素子２１７のＫＴｉＯＰ
Ｏ₄結晶の位相整合条件によって決まる偏光方位であ
り、本実施例では、ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方向に対
して、４５°付近の偏光方位に回転させる。また、周波
数ω₂´の光の偏光方位を、ＫＴｉＯＰＯ₄結晶の異常方
向に回転させる。偏光方位を回転させるための偏光方位
回転装置６０１の設定方法については、すでに詳しく述
べたとおりである。

【０１３５】図２１では、ＳＨＧ素子２１７の前に、偏
光方位回転装置を配置しているため、ＳＨＧ素子２１７
の第２次高調波の変換効率が高い偏光方位に、周波数ω
₁の光を入射させることができる。また、ＳＨＧ素子２
１７が周波数ω₂’の光を透過し、しかも、周波数ω₁の
第２次高調波の出射される偏光方位に、周波数ω₂’の
光を入射させることができる。よって、強度の大きい第
２次高調波を得ることができるとともに、この第２次高
調波と周波数ω₂’の光との偏光方位が一致しているた
め、強度の大きい干渉光を得ることができる。したがっ
て、精度よく屈折率変動を測定することができる。

【０１３６】図２１において、偏光方位回転装置６０１
を配置する位置は、ＳＨＧ素子２１７の直前に限られな
い。ＳＨＧ素子２１７に入射される光の偏光方位が回転
できる位置であれば、移動鏡２１６よりも光源２１１側
であってもよい。

【０１３７】また、図６から図１１の構成においても、
図２１と同様に、偏光方位回転装置を備えることができ
る。

【０１３８】また、図５では、移動鏡２１６として、コ
ーナープリズムを用いているが、平面反射鏡を用いるこ
ともできる。

【０１３９】図５では、ダイクロイックミラー２１４に
より、２つの波長の光を分け、片方の光を周波数シフト
させているが、ダイクロイックミラーの代わりに、波長
板と偏光分離素子とを挿入したり、あるいは、ダイクロ
イックミラーの代わりに、分散プリズムなどを用いるこ
とによっても、２つの波長の光を分けることができる。
また、その他に、周波数シフタ２１３を２個直列につな
ぐとヘテロダイン周波数を低く設定でき、同じ様に測定
ができる。

【０１４０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明により、
局所的な屈折率変動が発生している場合であっても、空
気屈折率変動に伴う測長誤差を正確に補正し、精度よく
測長を行うことのできる光波干渉測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の屈折率変動測定装置の原理を示す説明
図。

【図２】本発明の第１の実施例による光波干渉測定装置
のブロック図。

【図３】本発明の第２の実施例による光波干渉測定装置
のブロック図。

【図４】従来の空気屈折率変動補正機能を備えた干渉測
長器のブロック図。

【図５】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置の
構成を示すブロック図。

【図６】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置の
別の構成を示すブロック図。

【図７】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置の
別の構成を示すブロック図。

【図８】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置の
別の構成を示すブロック図。

【図９】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置の
別の構成を示すブロック図。

【図１０】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置
の別の構成を示すブロック図。

【図１１】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置
の別の構成を示すブロック図。

【図１２】本発明の第５の実施例の屈折率変動測定装置
の別の構成を示すブロック図。

【図１３】本発明の第３の実施例による光波干渉測定装
置のブロック図。

【図１４】本発明の第４の実施例による光波干渉測定装
置のブロック図。

【図１５】本発明の第３、第４の実施例の光波干渉測定
装置に搭載される偏光方位回転装置の構成を示す説明
図。

【図１６】（ａ）、（ｂ）は、図１５の偏光方位回転装
置における偏光方位を示す説明図。

【図１７】本発明の第３、第４の実施例の光波干渉測定
装置に搭載される偏光方位回転装置の別の構成を示す説
明図。

【図１８】（ａ）、（ｂ）は、図１７の偏光方位回転装
置における偏光方位を示す説明図。

【図１９】図１５の偏光方位回転装置の全体の構成を示
す（ａ）斜視図、（ｂ）切欠き斜視図。

【図２０】図１７の偏光方位回転装置の全体の構成を示
す（ａ）斜視図、（ｂ）切欠き斜視図。

【図２１】本発明の第３の実施例の光波干渉を用いた屈
折率変動測定装置の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１、２１１…測長用光源、６…固定鏡、７、２１６…移
動鏡、２０，５０…屈折率変動測定用光源、３，３１，
６４…偏光ビームスプリッター、２２，３４，３５，６
７，６８…ＳＨＧ変換素子、５６…周波数シフター、１
４，４２，７５…位相計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田明東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数ω₁の第１の光を用いて、測定対象
の変位Ｄ（ω₁）を検出する手段と、周波数ω₁とは周波数の異なる、周波数ω₂の第２の光お
よび周波数ω₃の第３の光を用いて、第３の光で検出し
た場合の前記測定対象の変位に相当するＤ（ω₃）と、
第２の光で検出した場合の前記測定対象の変位に相当す
るＤ（ω₂）とで表される差｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝
を検出する手段と、前記検出結果Ｄ（ω₁）と｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝と
数１とを用いて、測定対象の真の変位Ｄを求める手段と
を有することを特徴とする光波干渉測定装置。【数１】（但し、Ｆは、光の周波数に依存するあらかじめ求めた
関数である。）
【請求項２】請求項１において、前記Ｄ（ω₁）を検出
する手段は、第１の干渉光学系により構成され、前記｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を検出する手段は、第２
の干渉光学系により構成されていることを特徴とする光
波干渉測定装置。
【請求項３】請求項２において、前記第２の干渉光学系
の光路は、第１の干渉光学系の光路の少なくとも一部と
重なっていることを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項４】請求項２において、前記第２の干渉光学系
は、前記第２の光と第３の光とを前記測定対象に照射す
る照射光学系と、前記測定対象による反射光を干渉さ
せ、干渉光の位相差を検出する検出光学系とを有し、前記検出光学系は、前記第２の光および第３の光のいず
れか一方を、他方と同じ周波数に変換した後、干渉させ
る周波数変換手段を備えることを特徴とする光波干渉測
定装置。
【請求項５】請求項２において、前記第２の干渉光学系
は、前記第２の光と第３の光とを前記測定対象に照射す
る照射光学系と、前記測定対象による反射光を干渉さ
せ、干渉光の位相差を検出する検出光学系とを有し、前記検出光学系は、前記第２の光および第３の光のいず
れか一方を、前記第２の光と第３の光との周波数の差よ
りも、他方の周波数に近い別の周波数に周波数変換した
後干渉させる周波数変換手段を備えることを特徴とする
光波干渉測定装置。
【請求項６】請求項４または５において、前記周波数変
換手段は、第２次高調波を発生させる手段を有すること
を特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項７】請求項５において、前記周波数変換手段
は、第２次高調波を発生させる手段と、前記第２の光お
よび第３の光のうちのいずれか一方の周波数をシフトさ
せる手段とを有することを特徴とする光波干渉測定装
置。
【請求項８】請求項４または５において、前記検出光学
系は、前記第２の光および第３の光のうちの少なくとも
一方の偏光方位を回転させ、前記第２の光および第３の
光を同軸で前記周波数変換手段に入射させるための偏光
方位回転手段をさらに備えることを特徴とする光波干渉
測定装置。
【請求項９】請求項８において、前記偏光方位回転手段
は、前記第２の光に対して、リターデーション（２ｎ−
１）πを、前記第３の光に対して、リターデーション
（２ｍ−１）πを有する第１の波長板と、前記第２の光に対して、リターデーション（２ｐ−１）
πを、前記第３の光に対して、リターデーション２ｑπ
を有する第２の波長板とを、光軸上に順に有することを特徴とする光波干渉測定装
置。但し、ｎ，ｍ，ｐ，ｑは、自然数である。
【請求項１０】請求項９において、前記偏光方位回転手
段は、前記第１の波長板の中性軸、および、前記第２の
波長板の中性軸をそれぞれ任意の方位に向けるための手
段をさらに有することを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項１１】請求項８において、前記偏光方位回転手
段は、前記第２の光に対して、リターデーション（２ｎ
−１）π／２を、前記第３の光に対して、リターデーシ
ョン（２ｍ−１）πを有する第１の波長板と、前記第２の光に対して、リターデーション（２ｐ−１）
π／２を、前記第３の光に対して、リターデーション
（２ｑ−１）πを有する第２の波長板と、前記第２の光に対して、リターデーション（２ｒ−１）
πを、前記第３の光に対して、リターデーション２ｓπ
を有する第２の波長板とを、光軸上に順に有することを特徴とする光波干渉測定装
置。但し、ｎ，ｍ，ｐ，ｑ，ｒ，ｓは、自然数である。
【請求項１２】請求項１１において、前記偏光方位回転
手段は、前記第１の波長板の中性軸、第２の波長板の中
性軸、および、第３の波長板の中性軸をそれぞれ任意の
方位に向けるための手段をさらに有することを特徴とす
る光波干渉測定装置。
【請求項１３】請求項４において、前記照射光学系は、
前記第２の光を出射する光源と、前記第２の光の一部を
第２次高調波に変換することにより、前記第３の光を出
射する周波数変換手段とを備えることを特徴とする光波
干渉測定装置。
【請求項１４】請求項１３において、前記照明光学系
は、前記第２の光および第３の光のうちいずれか一方の
周波数をシフトさせる手段をさらに備えることを特徴と
する光波干渉測定装置。
【請求項１５】請求項２において、前記第１の干渉光学
系は、前記第１の光と、前記周波数ω₁とわずかに異な
る周波数ω₁´の光とを用いることを特徴とする光波干
渉測定装置。
【請求項１６】請求項１において、前記第１の光を用い
て検出した変位Ｄ（ω₁）と、前記真の変位Ｄと、数２
とを用いて、前記第１の光の光路中の前記第１の光に対
する屈折率ｎ（ω₁）を求める手段をさらに有すること
を特徴とする光波干渉測定装置。【数２】
【請求項１７】反射手段と、周波数ω₁の第１の光、および、周波数ω₂（ω₂≠ω₁）
の第２の光を前記反射手段に照射する照明光学系と、前記反射手段で反射された第１および第２の光のうちの
一方の光の周波数を、前記第１および第２の光の周波数
の差よりも、他方の光の周波数に近い別の周波数に周波
数変換する手段と、前記周波数変換された光と他方の光との位相差を検出す
る手段とを有し、前記２つの光の光路の少なくとも一部は、屈折率変動を
測定すべき対象を通過する位置に配置されていることを
特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項１８】請求項１７において、前記反射手段は、
予め定められた変位量で変位することを特徴とする光波
干渉測定装置。
【請求項１９】請求項１７において、前記反射手段の変
位量を検出するための変位量検出手段を有することを特
徴とする光波干渉測定装置。
【請求項２０】請求項１９において、前記検出された位
相差を前記変位量検出手段の検出した変位量を用いて補
正する補正手段を有することを特徴とする光波干渉測定
装置。