JPH11166807A - 周波数分離装置および該周波数分離装置を備えた光波干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同じ光路に沿って入射する周波数の異なる２
つの光を充分な間隔を隔てて分離する。 【解決手段】 所定の光路に沿って入射した第１の周波
数を有する第１の光を偏向させて第１の光路（２０２）
に沿って導くとともに、第１の光と同じ光路（２０１）
に沿って入射した第２の周波数を有する第２の光を偏向
させて第１の光路と異なる第２の光路（２０３）に沿っ
て導くための偏向手段（１）と、偏向手段を介して入射
した第１の光のほぼ全部を反射するとともに、偏向手段
を介して入射した第２の光のほぼ全部を透過させるため
の光分離面（１１ａ）を有する分離手段（１１）とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周波数分離装置お
よび該周波数分離装置を備えた光波干渉測定装置に関
し、特に同じ光路に沿って入射した周波数の異なる２つ
の光を分離させるための周波数分離装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、特開平６−２２９９２２号公
報や特開平８−２２６８０２号公報には、光路中の気体
の屈折率変動を高精度に測定するための屈折率変動測定
装置や、該屈折率変動測定装置を組み込んで高精度な変
位計測を行うための光波干渉測定装置が開示されてい
る。これらの公報に開示された装置では、ＫＴＰ結晶の
ような非線形結晶を介して基本波の一部から第２高調波
を生成し、生成された第２高調波と非線形結晶をそのま
ま透過した基本波とを同じ光路に沿って伝搬させる。そ
して、所定の光路を経た基本波の一部を非線形結晶を介
して第２高調波に変換し、変換された第２高調波と所定
の光路を経た元の第２高調波とを干渉させる。こうし
て、光路中の気体の分散特性に依存して得られる干渉縞
に基づいて、光路中の気体の屈折率変動を高精度に測定
する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、所定の
光路を経た基本波の一部は非線形結晶を介して第２高調
波に変換され、第２高調波に変換されない残りの基本波
は非線形結晶をそのまま透過する。非線形結晶をそのま
ま透過した基本波の光は、第２高調波の干渉光とともに
光電変換素子に入射すると信号のビジビリティの低下の
原因となる。このため、従来技術では、基本波の光を除
去するために、非線形結晶と光電変換素子との間の光路
中に多層膜による光学フィルタを配置している。

【０００４】しかしながら、一般に多層膜の光学フィル
タの性能はそれほど高くなく、基本波の光を充分に除去
することができない。また、分散プリズムを用いると周
波数の異なる２つの光を完全に分離することができる
が、分離された一方の光が他方の光とともに光電変換素
子に入射しないように充分な間隔を隔てて分離するには
所要の光路長が大きくなり、装置全体が大型化してしま
う。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、同じ光路に沿って入射する周波数の異なる２
つの光を充分な間隔を隔てて分離することのできる小型
の周波数分離装置および該周波数分離装置を備えた光波
干渉測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、所定の光路に沿って入射し
た第１の周波数を有する第１の光を該第１の周波数に依
存した角度だけ偏向させて第１の光路に沿って導くとと
もに、前記第１の光と同じ光路に沿って入射した前記第
１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光を該
第２の周波数に依存した角度だけ偏向させて前記第１の
光路と異なる第２の光路に沿って導くための偏向手段
と、前記偏向手段を介して前記第１の光路に沿って入射
した前記第１の光のほぼ全部を反射するとともに、前記
偏向手段を介して前記第２の光路に沿って入射した前記
第２の光のほぼ全部を透過させるための光分離面を有す
る分離手段とを備えていることを特徴とする周波数分離
装置を提供する。

【０００７】第１発明の好ましい態様によれば、前記分
離手段は、前記第２の光が前記光分離面に対してＰ偏光
となり且つ前記光分離面に対する前記第２の光の入射角
がブリュースター角とほぼ等しくなるとともに、前記光
分離面に対する前記第１の光の入射角がほぼ臨界角以上
になるように配置されている。

【０００８】また、本発明の第２発明によれば、所定方
向に沿った移動鏡の変位量を測定するための測長用干渉
計と、第１の周波数を有する第１の光と該第１の周波数
と異なる第２の周波数を有する第２の光とを供給するた
めの光源と、前記光源から出力されて前記移動鏡を介す
る測定光路を経た前記第１の光の一部を前記第２の周波
数とほぼ同じ周波数を有する第３の光に変換するととも
に、前記第１の光の残部および前記測定光路を経た前記
第２の光をそのまま透過させるための周波数変換手段
と、前記周波数変換手段を介した前記第３の光と前記第
２の光との干渉光に基づいて干渉信号を生成するための
干渉信号生成系とを備え、前記干渉信号に基づいて測定
された前記測定光路中の気体による屈折率変動に応じ
て、前記測長用干渉計により測定された前記移動鏡の測
定変位量を補正し、前記移動鏡の幾何学的変位量を測定
する光波干渉測定装置において、前記周波数変換手段と
前記干渉信号生成系との間には、請求項１乃至７のいず
れか１項に記載の周波数分離装置が設けられ、前記周波
数分離装置は、前記周波数変換手段から同じ光路に沿っ
て入射した前記第１の光の残部と前記第２の光および前
記第３の光とを分離し、前記第２の光および前記第３の
光を前記干渉信号生成系へ導くとともに、前記第１の光
の残部を前記干渉信号生成系に到達させることなく光路
から除去することを特徴とする光波干渉測定装置を提供
する。

【０００９】第２発明の好ましい態様によれば、前記周
波数変換手段は、前記第１の光の一部を高調波に変換
し、該高調波を前記第３の光として出力するための高調
波変換素子を有する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の周波数分離装置では、回
折格子や分散プリズムのような偏向手段の作用により、
所定の光路に沿って入射した第１の周波数を有する第１
の光を偏向させて第１の光路に沿って導くとともに、同
じ光路に沿って入射した第２の周波数を有する第２の光
を偏向させて第１の光路と異なる第２の光路に沿って導
く。次いで、たとえばプリズムのような分離手段の光分
離面により、第１の光路に沿って入射した第１の光のほ
ぼ全部を反射するとともに、第２の光路に沿って入射し
た第２の光のほぼ全部を透過させる。具体的には、第２
の光が光分離面に対してＰ偏光となり且つ光分離面に対
する第２の光の入射角がブリュースター角とほぼ等しく
なるとともに、光分離面に対する第１の光の入射角がほ
ぼ臨界角以上になるように設定する。

【００１１】こうして、本発明の周波数分離装置では、
共通の光軸に沿って同軸で入射した第１の光と第２の光
とが分離され、充分に間隔を隔てた２つの光軸に沿って
それぞれ導かれる。換言すると、同じ光路に沿って入射
した周波数の異なる２つの光を充分な間隔を隔てて分離
することができる。また、回折格子や分散プリズムのよ
うな偏向手段によって分離された第１の光と第２の光と
が光分離面において部分的に重なることがあっても光の
分離作用に影響がない。このため、偏向手段である回折
格子や分散プリズムと分離手段であるプリズムとの間隔
を必要に応じて短くすることにより周波数分離装置の小
型化を容易に図ることができる。

【００１２】光路中の気体の屈折率変動を測定する屈折
率変動測定装置の組み込まれた光波干渉測定装置では、
測定光路を経た第１の光の一部はたとえば第２高調波変
換素子（ＳＨＧ変換素子）のような周波数変換手段を介
して第２高調波に変換される。一方、第１の光の残部お
よび測定光路を経た第２の光は、ＳＨＧ変換素子をその
まま透過する。ここで、ＳＨＧ変換素子をそのまま透過
した第１の光が、ＳＨＧ変換素子を介して変換された第
２高調波の光およびＳＨＧ変換素子をそのまま透過した
第２の光とともに光電変換素子のような干渉信号生成系
に入射すると、信号のビジビリティの低下の原因とな
る。

【００１３】本発明の光波干渉測定装置では、周波数変
換手段であるＳＨＧ変換素子と干渉信号生成系である光
電変換素子との間の光路中に、本発明にしたがう周波数
分離装置を配置している。したがって、ＳＨＧ変換素子
をそのまま透過した第１の光が光電変換素子に達するこ
となく光路から除去される。その結果、ビジビリティの
良好な信号を得ることができるので、光路中の気体によ
る屈折率変動を高精度に測定し、ひいては移動鏡の幾何
学的変位量すなわち真の変位量を高精度に測定すること
が可能となる。

【００１４】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる周
波数分離装置の構成を概略的に示す図である。図１に示
すように、第１実施例にかかる周波数分離装置は、光の
入射側（図中左側）から順に、回折格子１と光分離素子
１１とから構成されている。回折格子１には、周波数の
異なる２つの光が同じ光路に沿って同軸で入射する。す
なわち、周波数ω１を有する光と周波数ω１よりも大き
な周波数ω２（ω１＜ω２）を有する光とが、共通の光
軸２０１に沿って回折格子１に入射する。

【００１５】回折格子１では、入射光の周波数に反比例
する角度で回折作用を受けるため、周波数ω１の光が周
波数ω２の光よりも大きな回折角で偏向される。こうし
て、回折格子１で回折された周波数ω１の光は光軸２０
２に沿って、回折格子１で回折された周波数ω２の光は
光軸２０３に沿ってそれぞれ光分離素子１１に入射す
る。上述したように、周波数ω１の光の回折角が周波数
ω２の光の回折角よりも大きいため、光軸２０２の方が
光軸２０３よりも光軸２０１に対して大きく傾いてい
る。

【００１６】光分離素子１１は、周波数ω２の光が光分
離面１１ａに対してＰ偏光（すなわち図１の紙面に平行
な偏光方位を有する光）となり且つ光分離面１１ａに対
する周波数ω２の光の入射角がブリュースター角と等し
くなるとともに、光分離面１１ａに対する周波数ω１の
光の入射角が臨界角以上になるように配置されている。
したがって、光分離面１１ａにブリュースター角で入射
したＰ偏光の周波数ω２の光は、光分離面１１ａで反射
されることなく光分離面１１ａを透過し、光軸２０３に
沿って直進する。一方、光分離面１１ａに臨界角以上の
入射角で入射した周波数ω１の光は、光分離面１１ａを
透過することなく光分離面１１ａで全反射され、光軸２
０４に沿って導かれる。

【００１７】こうして、第１実施例の周波数分離装置で
は、共通の光軸２０１に沿って同軸で入射した周波数ω
１の光と周波数ω２の光とが分離され、充分に間隔を隔
てた２つの光軸すなわち光軸２０４と光軸２０３とに沿
ってそれぞれ導かれる。換言すると、第１実施例の周波
数分離装置では、同じ光路に沿って入射した周波数の異
なる２つの光を充分な間隔を隔てて分離することができ
る。また、光軸２０２に沿って入射する周波数ω１の光
と光軸２０３に沿って入射する周波数ω２の光とが光分
離面１１ａにおいて部分的に重なることがあっても光の
分離作用に影響がないため、回折格子１と光分離素子１
１との間隔を必要に応じて短くすることにより周波数分
離装置の小型化を容易に図ることができる。

【００１８】図２は、第１実施例の周波数分離装置にお
いて使用可能な光分離素子の構成を具体的に示す拡大図
である。図２に示す光分離素子１１は、光の入射側（図
２中左側）から順に、三角プリズム５１と、この三角プ
リズム５１との間に媒体層５２を形成するように配置さ
れた三角プリズム５３とから構成され、三角プリズム５
１と媒体層５２との境界面が光分離面１１ａを形成して
いる。ここで、三角プリズム５１の屈折率および三角プ
リズム５３の屈折率が媒体層５２の屈折率よりも大きく
設定されていることが重要である。したがって、たとえ
ばＢＫ７のような適当な光学ガラス材料で三角プリズム
５１および５３を形成し、２つの三角プリズムの間に媒
体層５２として空気層を形成してもよい。

【００１９】図３は、本発明の第２実施例にかかる周波
数分離装置の構成を概略的に示す図である。第２実施例
は第１実施例と類似の構成を有するが、第２実施例では
回折格子１に代えて分散プリズム２を配置している点だ
けが第１実施例と相違している。図３の第２実施例にお
いて、周波数ω１を有する光と周波数ω１よりも大きな
周波数ω２（ω１＜ω２）を有する光とが、共通の光軸
２１１に沿って分散プリズム２に入射する。

【００２０】分散プリズム２では、入射光の周波数に比
例する角度で屈折作用を受けるため、周波数ω２の光が
周波数ω１の光よりも大きな屈折角（分散角）で偏向さ
れる。こうして、分散プリズム２で屈折された周波数ω
１の光は光軸２１２に沿って、分散プリズム２で回折さ
れた周波数ω２の光は光軸２１３に沿ってそれぞれ光分
離素子１１に入射する。上述したように、周波数ω１の
光の屈折角が周波数ω２の光の屈折角よりも小さいた
め、光軸２１３の方が光軸２１２よりも光軸２１１に対
して大きく傾いている。なお、光分離素子１１は、第１
実施例と同様に、図２に示す構成を有する。

【００２１】光分離素子１１は、周波数ω１の光が光分
離面１１ａに対してＰ偏光（すなわち図３の紙面に平行
な偏光方位を有する光）となり且つ光分離面１１ａに対
する周波数ω１の光の入射角がブリュースター角と等し
くなるとともに、光分離面１１ａに対する周波数ω２の
光の入射角が臨界角以上になるように配置されている。
したがって、光分離面１１ａにブリュースター角で入射
したＰ偏光の周波数ω１の光は、光分離面１１ａで反射
されることなく光分離面１１ａを透過し、光軸２１２に
沿って直進する。一方、光分離面１１ａに臨界角以上の
入射角で入射した周波数ω２の光は、光分離面１１ａを
透過することなく光分離面１１ａで全反射され、光軸２
１４に沿って導かれる。

【００２２】こうして、第２実施例の周波数分離装置に
おいても第１実施例と同様に、共通の光軸２１１に沿っ
て同軸で入射した周波数ω１の光と周波数ω２の光とが
分離され、充分に間隔を隔てた２つの光軸すなわち光軸
２１２と光軸２１４とに沿ってそれぞれ導かれる。ま
た、光軸２１２に沿って入射する周波数ω１の光と光軸
２１３に沿って入射する周波数ω２の光とが光分離面１
１ａにおいて部分的に重なることがあっても光の分離作
用に影響がないため、分散プリズム２と光分離素子１１
との間隔を必要に応じて短くすることにより周波数分離
装置の小型化を容易に図ることができる。

【００２３】図４は、本発明の第３実施例にかかる周波
数分離装置の構成を概略的に示す図である。第３実施例
は第１実施例と類似の構成を有するが、第３実施例では
１つの三角プリズムで光分離素子を構成している点だけ
が第１実施例と相違している。第３実施例にかかる周波
数分離装置において、周波数ω１を有する光と周波数ω
１よりも大きな周波数ω２（ω１＜ω２）を有する光と
が、共通の光軸２２１に沿って回折格子１に入射する。

【００２４】回折格子１で回折された周波数ω１の光は
光軸２２２に沿って、回折格子１で回折された周波数ω
２の光は光軸２２３に沿ってそれぞれ光分離素子１２に
入射する。光分離素子１２は１つの三角プリズムから構
成され、その入射端面１２ｂと対向する端面１２ａが光
分離面を形成している。また、光分離素子１１は、周波
数ω２の光が光分離面１２ａに対してＰ偏光（すなわち
図４の紙面に平行な偏光方位を有する光）となり且つ光
分離面１２ａに対する周波数ω２の光の入射角がブリュ
ースター角と等しくなるとともに、光分離面１２ａに対
する周波数ω１の光の入射角が臨界角以上になるように
配置されている。

【００２５】したがって、光分離面１２ａにブリュース
ター角で入射したＰ偏光の周波数ω２の光は、光分離面
１２ａで反射されることなく光分離面１２ａを透過し、
光軸２２３に沿って直進する。一方、光分離面１２ａに
臨界角以上の入射角で入射した周波数ω１の光は、光分
離面１２ａを透過することなく光分離面１２ａで全反射
され、光軸２２４に沿って導かれる。こうして、第３実
施例の周波数分離装置においても、共通の光軸２２１に
沿って同軸で入射した周波数ω１の光と周波数ω２の光
とが分離され、充分に間隔を隔てた２つの光軸すなわち
光軸２２４と光軸２２３とに沿ってそれぞれ導かれる。

【００２６】また、光軸２２２に沿って入射する周波数
ω１の光と光軸２２３に沿って入射する周波数ω２の光
とが光分離面１２ａにおいて部分的に重なることがあっ
ても光の分離作用に影響がないため、回折格子１と光分
離素子１２との間隔を必要に応じて短くすることにより
周波数分離装置の小型化を容易に図ることができる。な
お、第３実施例において、回折格子１に代えて分散プリ
ズムを用いることができることはいうまでもない。

【００２７】図５は、本発明の第４実施例にかかる光波
干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。また、図
６は、図５の周波数シフト部１７０の内部構成を概略的
に示す図である。なお、第４実施例の光波干渉測定装置
は一対の周波数分離装置を備えており、各周波数分離装
置は第１実施例に示す内部構成を有する。図５の光波干
渉測定装置は、光路中の気体の屈折率変動を測定するた
めの光を供給するとともに移動鏡１０５の光軸方向（図
中矢印方向）の変位量を測長するための光を供給する共
通の光源１０１を備えている。光源１０１は、周波数ω
₂の光とその第２高調波である周波数ω₃ （ω₃ ＝２×
ω₂ ）の光とを同じ光路に沿って射出する。光源１０１
から射出された周波数ω₂ の光と周波数ω₃ の光とは、
同じ光路に沿って周波数シフト部１７０に入射する。

【００２８】図６を参照すると、周波数シフト部１７０
に入射した周波数ω₃ の光は、ダイクロイックミラー１
７１を透過し、偏光ビームスプリッタ１７２に入射す
る。偏光ビームスプリッタ１７２で反射された周波数ω
₃ の光は、反射鏡１７５を介した後、たとえば音響光学
素子からなる周波数シフタ１７６に入射し、周波数シフ
タ１７６により周波数ω₃ とはわずかに周波数の異なる
周波数ω₃'（＝ω₃ ＋Δω_a ）の光に周波数シフトされ
る。一方、偏光ビームスプリッタ１７２を透過した周波
数ω₃ の光は、周波数シフタ１７３により、周波数ω₃
とはわずかに周波数の異なる周波数ω₃'' （＝ω₃ ＋Δ
ω _a' ）の光に周波数シフトされる。

【００２９】周波数シフタ１７６を介した周波数ω₃'の
光は反射鏡１７７で反射された後に、周波数シフタ１７
３を介した周波数ω₃'' の光は直接に、それぞれ偏光ビ
ームスプリッタ１７４に入射する。こうして、偏光ビー
ムスプリッタ１７４により再び同じ光路に沿って結合さ
れた周波数ω₃'の光と周波数ω₃'' の光とは、ダイクロ
イックミラー１８４に入射する。

【００３０】一方、光源１０１からの周波数ω₂ の光
は、ダイクロイックミラー１７１で反射された後、偏光
ビームスプリッタ１７８に入射する。偏光ビームスプリ
ッタ１７８で反射された周波数ω₂ の光は、周波数シフ
タ１７９により周波数ω₂ とはわずかに周波数の異なる
周波数ω₂'（＝ω₂ ＋Δω_b ）の光に周波数シフトされ
る。また、偏光ビームスプリッタ１７８を透過した周波
数ω₂ の光は、反射鏡１８１を介して周波数シフタ１８
２に入射し、周波数シフタ１８２により周波数ω₂ とは
わずかに周波数の異なる周波数ω₂'' （＝ω₂ ＋Δ
ω _b' ）の光に周波数シフトされる。なお、周波数シフ
タ１７６、１７３、１７９および１８２での周波数シフ
ト量Δω_a 、Δω _a' 、Δω_b およびΔω _b' はそれぞ
れ異なる。

【００３１】周波数シフタ１７９を介した周波数ω₂'の
光は直接に、周波数シフタ１８２を介した周波数ω₂''
の光は反射鏡１８３で反射された後に、それぞれ偏光ビ
ームスプリッタ１８０に入射する。こうして、偏光ビー
ムスプリッタ１８０により再び同じ光路に沿って結合さ
れた周波数ω₂'の光と周波数ω₂'' の光とは、ダイクロ
イックミラー１８４に入射する。ダイクロイックミラー
１８４により結合された周波数ω₃'の光および周波数ω
₃'' の光と周波数ω₂'の光および周波数ω₂'' の光と
は、ビームスプリッタ１８５を介して周波数シフト部１
７０から同じ光路に沿って射出される。

【００３２】再び図５に戻って、周波数シフト部１７０
から射出された周波数ω₃'の光と周波数ω₃'' の光と周
波数ω₂'の光と周波数ω₂'' の光とは、反射鏡１５４で
反射された後に、偏光ビームスプリッター１０３に入射
する。偏光ビームスプリッター１０３は、周波数ω₂'の
光および周波数ω₃'の光を反射し且つ周波数ω₂'' の光
および周波数ω₃'' の光を透過させるように配置されて
いる。したがって、偏光ビームスプリッタ１０３で反射
された周波数ω₂'の光および周波数ω₃'の光は、参照光
となって参照光路を通る。すなわち、コーナーキューブ
１０６の作用により偏光ビームスプリッタ１０３と固定
鏡であるコーナーキューブ１０４との間の光路を２往復
した後、偏光ビームスプリッタ１０３から射出される。

【００３３】また、偏光ビームスプリッタ１０３を透過
した周波数ω₂'' の光および周波数ω₃'' の光は、測定
光となって測定光路を通る。すなわち、コーナーキュー
ブ１０６の作用により偏光ビームスプリッタ１０３と移
動鏡であるコーナーキューブ１０５との間の光路を２往
復した後、偏光ビームスプリッタ１０３から射出され
る。偏光ビームスプリッタ１０３から射出された測定光
（すなわち周波数ω₂'' の光および周波数ω₃'' の光）
は、反射鏡１０７および１０８を介した後、ビームスプ
リッタ１５５に入射する。同様に、偏光ビームスプリッ
タ１０３から射出された参照光（すなわち周波数ω₂'の
光および周波数ω₃'の光）は直接ビームスプリッタ１５
５に入射する。

【００３４】ビームスプリッタ１５５では、参照光およ
び測定光のうち周波数ω₂'の光および周波数ω₂'' の光
の一部が透過し、周波数ω₂'の光および周波数ω₂'' の
光の残部並びに周波数ω₃'の光および周波数ω₃'' の光
は反射される。ビームスプリッタ１５５で反射された測
定光のうち周波数の小さな周波数ω₂'' の光の一部はＳ
ＨＧ換素子１１２によりその第２高調波すなわち周波数
２ω₂'' の光に変換され、周波数ω₂'' の光の残部はＳ
ＨＧ換素子１１２をそのまま透過する。また、ビームス
プリッタ１５５で反射された測定光のうち周波数の大き
な周波数ω₃''の光も、ＳＨＧ換素子１１２をそのまま
透過する。なお、ＳＨＧ変換素子１１２として、例えば
ＫＴｉＯＰＯ₄ 結晶を用いることができる。

【００３５】ＳＨＧ換素子１１２を介して変換された周
波数２ω₂'' の光と、ＳＨＧ換素子１１２をそのまま透
過した周波数ω₂'' の光および周波数ω₃'' の光とは、
同じ光路に沿って周波数分離装置１１７に入射する。な
お、前述したように、周波数分離装置１１７は、図１に
示す内部構成を有する。また、周波数２ω₂'' の光と周
波数ω₃'' の光とは互いにほぼ等しい周波数を有し、そ
の周波数は周波数ω₂'' の光の周波数よりも大きい。

【００３６】したがって、周波数分離装置１１７の内部
では、第１実施例で説明したように、回折格子１で回折
された周波数ω₂'' の光（周波数の小さい方の光：第１
実施例では周波数ω１の光に対応）は光軸２０２に沿っ
て、回折格子１で回折された周波数２ω₂'' の光および
周波数ω₃'' の光（周波数の大きい方の光：第１実施例
では周波数ω２の光に対応）は光軸２０３に沿ってそれ
ぞれ光分離素子１１に入射する。光分離素子１１は、周
波数２ω₂'' の光および周波数ω₃'' の光が光分離面１
１ａに対してＰ偏光となり且つ光分離面１１ａに対する
周波数２ω₂''の光および周波数ω₃'' の光の入射角が
ブリュースター角と等しくなるとともに、光分離面１１
ａに対する周波数ω₂'' の光の入射角が臨界角以上にな
るように配置されている。

【００３７】したがって、光分離面１１ａにブリュース
ター角で入射したＰ偏光の周波数２ω₂'' の光および周
波数ω₃'' の光は、光分離面１１ａで反射されることな
く光分離面１１ａを透過した後、光軸２０３に沿って直
進し、光電変換素子１１４に達する。一方、光分離面１
１ａに臨界角以上の入射角で入射した周波数ω₂'' の光
は、光分離面１１ａで全反射された後、光軸２０４に沿
って導かれ、光電変換素子１１４に達することなく光路
から除去される。こうして、測定光路を経てＳＨＧ換素
子１１２で変換された周波数２ω₂'' の光と測定光路を
経てＳＨＧ換素子１１２をそのまま透過した周波数
ω₃'' の光とが干渉し、その干渉光は光電変換素子１１
４で検出される。光電変換素子１１４からの信号は、位
相計１１５に供給される。

【００３８】同様に、ビームスプリッタ１５５で反射さ
れた参照光のうち周波数の小さな周波数ω₂'の光の一部
はＳＨＧ換素子１１１によりその第２高調波すなわち周
波数２ω₂'の光に変換され、周波数ω₂'の光の残部はＳ
ＨＧ換素子１１１をそのまま透過する。また、ビームス
プリッタ１５５で反射された参照光のうち周波数の大き
な周波数ω₃'の光も、ＳＨＧ換素子１１１をそのまま透
過する。ＳＨＧ換素子１１１を介して変換された周波数
２ω₂'の光と、ＳＨＧ換素子１１１をそのまま透過した
周波数ω₂'の光および周波数ω₃'の光とは、同じ光路に
沿って周波数分離装置１１６に入射する。なお、前述し
たように、周波数分離装置１１６は、図１に示す内部構
成を有する。また、周波数２ω₂'の光と周波数ω₃'の光
とは互いにほぼ等しい周波数を有し、その周波数は周波
数ω₂'の光の周波数よりも大きい。

【００３９】したがって、周波数分離装置１１６の内部
では、第１実施例で説明したように、回折格子１で回折
された周波数ω₂'の光（周波数の小さい方の光：第１実
施例では周波数ω１の光に対応）は光軸２０２に沿っ
て、回折格子１で回折された周波数２ω₂'の光および周
波数ω₃'の光（周波数の大きい方の光：第１実施例では
周波数ω２の光に対応）は光軸２０３に沿ってそれぞれ
光分離素子１１に入射する。そして、光分離素子１１
は、周波数２ω₂'の光および周波数ω₃'の光が光分離面
１１ａに対してＰ偏光となり且つ光分離面１１ａに対す
る周波数２ω₂'の光および周波数ω₃'の光の入射角がブ
リュースター角と等しくなるとともに、光分離面１１ａ
に対する周波数ω₂'の光の入射角が臨界角以上になるよ
うに配置されている。

【００４０】したがって、光分離面１１ａにブリュース
ター角で入射したＰ偏光の周波数２ω₂'の光および周波
数ω₃'の光は、光分離面１１ａで反射されることなく光
分離面１１ａを透過した後、光軸２０３に沿って直進
し、光電変換素子１１３に達する。一方、光分離面１１
ａに臨界角以上の入射角で入射した周波数ω₂'の光は、
光分離面１１ａで全反射された後、光軸２０４に沿って
導かれ、光電変換素子１１３に達することなく光路から
除去される。

【００４１】こうして、参照光路を経てＳＨＧ換素子１
１１で変換された周波数２ω₂'の光と参照光路を経てＳ
ＨＧ換素子１１１をそのまま透過した周波数ω₃'の光と
が干渉し、その干渉光は光電変換素子１１３で検出され
る。光電変換素子１１３からの信号は、位相計１１５に
供給される。位相計１１５では、光電変換素子１１３の
信号と光電変換素子１１４の信号とから光路中の気体の
屈折率変動情報として｛ΔＤ（ω₃ ）−ΔＤ（ω₂ ）｝
を求め、これを演算器１６０に出力する。なお、位相計
１１５では２つの干渉光に応じた干渉信号が比較される
ので、各干渉信号におけるヘテロダイン周波数（２Δω
_b −Δω_a ）と（２Δω _b' −Δω _a' ）とは等しくす
ることが必要である。

【００４２】一方、ビームスプリッタ１５５を透過した
測定光（周波数ω₂'' の光）は、反射鏡１２０で反射さ
れた後に、ビームスプリッタ１５５を透過した参照光
（周波数ω₂'の光）は直接に、偏光ビームスプリッタ１
５６に入射する。こうして、偏光ビームスプリッタ１５
６を介して結合された測定光と参照光とは、偏光板１５
７を介して干渉する。測定光と参照光との干渉光は光電
変換素子１５８で検出され、光電変換素子１５８からの
信号は位相計１５９に供給される。

【００４３】また、周波数シフト部１７０のビームスプ
リッタ１８５は、入射した周波数ω₂'の光および周波数
ω₂'' の光の一部を反射し、周波数ω₂'の光および周波
数ω₂'' の光の残部並びに周波数ω₃'の光および周波数
ω₃'' の光を透過させる。ビームスプリッタ１８５で反
射された周波数ω₂'の光および周波数ω₂'' の光は、偏
光板１８６を介して干渉する。その干渉光は、光電変換
素子１８７によって検出され、光電変換素子１８７は検
出した信号を位相計１５９に供給する。

【００４４】位相計１５９では、参照光路を通った周波
数ω₂'の光と測定光路を通った周波数ω₂'' の光との干
渉光を検出する光電変換素子１５８からの信号と、光電
変換素子１８７からの信号とに基づいて、屈折率変動の
影響を考慮していない移動鏡１０５の変位量ΔＤ
（ω₂ ）を求め、この変位量ΔＤ（ω₂ ）に関する信号
を演算器１６０に供給する。演算器１６０では、位相計
１１５からの屈折率変動情報｛ΔＤ（ω₃ ）−ΔＤ（ω
₂ ）｝に関する信号と位相計１５９からの測定変位量Δ
Ｄ（ω₂ ）に関する信号と後述する式（４）とに基づい
て、屈折率変動に起因する測定誤差を補正した移動鏡１
０５の幾何学的変位量（真の変位量）ΔＤを求めて出力
する。

【００４５】以下、移動鏡１０５の測定変位量ΔＤ（ω
₂ ）から幾何学的変位量ΔＤへの補正について説明す
る。周波数ω₂ およびω₃ の光に対する光路長Ｄ
（ω₂ ）およびＤ（ω₃ ）は、次の式（１）および
（２）によりそれぞれ表される。 Ｄ（ω₂ ）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ω₂ ）｝・Ｄ （１） Ｄ（ω₃ ）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ω₃ ）｝・Ｄ （２）

【００４６】ここで、Ｄは幾何学的な距離であり、Ｎは
空気の密度である。また、Ｆ（ω）は、空気の構成比が
不変であれば空気の密度に依存することなく光の周波数
ωのみに依存する関数である。上述の式（１）および
（２）より、幾何学的距離Ｄは次の式（３）によって与
えられる。 Ｄ＝Ｄ（ω₂ ）−Ａ’｛Ｄ（ω₃ ）−Ｄ（ω₂ ）｝ （３） 但し、Ａ’＝Ｆ（ω₂ ）／｛Ｆ（ω₃ ）−Ｆ（ω₂ ）｝
である。したがって、式（３）を参照すると、幾何学的
変位量ΔＤは、次の式（４）によって与えられる。 ΔＤ＝ΔＤ（ω₂ ）−Ａ’｛ΔＤ（ω₃ ）−ΔＤ（ω₂ ）｝ （４）

【００４７】以上のように、第４実施例の光波干渉測定
装置では、測定光路を経た周波数ω₂'' の光の一部はＳ
ＨＧ変換素子１１２を介して第２高調波（周波数２
ω₂'' の光）に変換され、周波数ω₂'' の光の残部は第
２高調波に変換されることなくそのままＳＨＧ変換素子
１１２を透過する。ここで、ＳＨＧ変換素子１１２をそ
のまま透過した周波数ω₂'' の光が、ＳＨＧ変換素子１
１２を介して変換された周波数２ω₂'' の光およびＳＨ
Ｇ変換素子１１２を透過した周波数ω₃'' の光とともに
光電変換素子１１４に入射すると、光電変換素子１１４
の出力信号のビジビリティの低下の原因となる。

【００４８】しかしながら、第４実施例の光波干渉測定
装置では、ＳＨＧ変換素子１１２と光電変換素子１１４
との間の光路中に第１実施例にしたがう周波数分離装置
１１７を配置しているので、ＳＨＧ変換素子１１２をそ
のまま透過した周波数ω₂''の光が光電変換素子１１４
に達することなく光路から除去される。同様に、ＳＨＧ
変換素子１１１と光電変換素子１１３との間の光路中に
周波数分離装置１１６を配置しているので、ＳＨＧ変換
素子１１１をそのまま透過した周波数ω₂'の光が光電変
換素子１１３に達することなく光路から除去される。そ
の結果、第４実施例では、光電変換素子１１３および１
１４の出力信号としてビジビリティの良好な信号を得る
ことができるので、光路中の気体による屈折率変動を高
精度に測定し、ひいては移動鏡１０５の幾何学的変位量
ΔＤを高精度に測定することが可能となる。

【００４９】なお、ＳＨＧ変換素子１１１の後方におい
て周波数２ω₂'の光の偏光方位と周波数ω₃'の光の偏光
方位とを一致させるためには、必要に応じてＳＨＧ変換
素子１１１の直前にたとえば周波数ω₂'の光のための１
／２波長板を挿入することが好ましい。同様に、ＳＨＧ
変換素子１１２の後方において周波数２ω₂'' の光の偏
光方位と周波数ω₃'' の光の偏光方位とを一致させるた
めには、必要に応じてＳＨＧ変換素子１１２の直前にた
とえば周波数ω₂'' の光のための１／２波長板を挿入す
ることが好ましい。

【００５０】ところで、ＳＨＧ変換素子１１１の後方に
おいて周波数２ω₂'の光の偏光方位と周波数ω₃'の光の
偏光方位とが一致しない場合、周波数２ω₂'の光と周波
数ω₃'の光との双方を光分離面１１ａに対してＰ偏光に
設定することができなくなるので、周波数２ω₂'の光お
よび周波数ω₃'の光の少なくとも一方の光の一部が光分
離面１１ａで反射され光路から除去されることになる。
同様に、ＳＨＧ変換素子１１２の後方において周波数２
ω₂'' の光の偏光方位と周波数ω₃'' の光の偏光方位と
が一致しない場合、少なくとも一方の光の一部が光分離
面１１ａで反射され光路から除去されることになる。そ
の結果、光電変換素子１１３および１１４の直前に挿入
した偏光板を介して得られる信号強度は小さくなる。し
たがって、上述のように、ＳＨＧ変換素子１１１および
１１２の直前に１／２波長板を挿入することが好まし
い。特に、ＳＨＧ変換素子１１１の後方において周波数
２ω₂'の光の偏光方位と周波数ω₃'の光の偏光方位とが
直交するような極端な場合には、ＳＨＧ変換素子１１１
および１１２の直前に１／２波長板を挿入することが必
須である。

【００５１】なお、第４実施例では、ＳＨＧ変換素子と
光電変換素子との間の光路中に第１実施例にしたがう周
波数分離装置を配置しているが、第１実施例にしたがう
周波数分離装置に代えて第２実施例や第３実施例にした
がう周波数分離装置を用いることもできる。また、第４
実施例では、屈折率変動測定系において周波数変換手段
としてＳＨＧ変換素子を用いた例に基づいて本発明を説
明している。しかしながら、測定光路を経た第１の光の
一部を測定光路を経た第２の光の周波数とほぼ同じ周波
数の光に変換するとともに、第１の光の残部および第２
の光をそのまま透過させるような一般の周波数変換手段
を有する光波干渉測定装置に、本発明を適用することが
できる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の周波数分
離装置によれば、共通の光軸に沿って同軸で入射した第
１の光と第２の光とを分離し、充分に間隔を隔てた２つ
の光軸に沿ってそれぞれ導くことが、すなわち同じ光路
に沿って入射した周波数の異なる２つの光を充分な間隔
を隔てて分離することができる。第１の光と第２の光と
が光分離面において部分的に重なることがあっても光の
分離作用に影響がないので、偏向手段と分離手段との間
隔を必要に応じて短くすることにより周波数分離装置の
小型化を容易に図ることができる。

【００５３】また、本発明の光波干渉測定装置によれ
ば、ＳＨＧ変換素子のような周波数変換手段と光電変換
素子のような干渉信号生成系との間の光路中に本発明に
したがう周波数分離装置を配置しているので、ＳＨＧ変
換素子をそのまま透過した有害光が光電変換素子に達す
ることなく光路から除去される。その結果、ビジビリテ
ィの良好な信号を得ることができるので、光路中の気体
による屈折率変動を高精度に測定し、ひいては移動鏡の
幾何学的変位量すなわち真の変位量を高精度に測定する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる周波数分離装置の
構成を概略的に示す図である。

【図２】第１実施例の周波数分離装置において使用可能
な光分離素子の構成を具体的に示す拡大図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる周波数分離装置の
構成を概略的に示す図である。

【図４】本発明の第３実施例にかかる周波数分離装置の
構成を概略的に示す図である。

【図５】本発明の第４実施例にかかる光波干渉測定装置
の構成を概略的に示す図である。

【図６】図５の周波数シフト部１７０の内部構成を概略
的に示す図である。

【符号の説明】

１ 回折格子 ２ 分散プリズム １１、１２ 光分離素子 １１ａ、１２ａ 光分離面 ５１、５３ プリズム ５２ 空気層 １０１ 光源 １０３ 偏光ビームスプリッター １０４〜１０６ コーナーキューブ １１１、１１２ ＳＨＧ変換素子 １１３、１１４ 光電変換素子 １１５、１５９ 位相計 １１６、１１７ 周波数分離装置 １５５、１５６ ビームスプリッター １６０ 演算器 １７１、１８４ ダイクロイックミラー １７２、１７４ 偏光ビームスプリッター １７８、１８０ 偏光ビームスプリッター １７３、１７６ 周波数シフタ １７９、１８２ 周波数シフタ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の光路に沿って入射した第１の周波
   数を有する第１の光を該第１の周波数に依存した角度だ
   け偏向させて第１の光路に沿って導くとともに、前記第
   １の光と同じ光路に沿って入射した前記第１の周波数と
   異なる第２の周波数を有する第２の光を該第２の周波数
   に依存した角度だけ偏向させて前記第１の光路と異なる
   第２の光路に沿って導くための偏向手段と、 前記偏向手段を介して前記第１の光路に沿って入射した
   前記第１の光のほぼ全部を反射するとともに、前記偏向
   手段を介して前記第２の光路に沿って入射した前記第２
   の光のほぼ全部を透過させるための光分離面を有する分
   離手段とを備えていることを特徴とする周波数分離装
   置。
2. 【請求項２】 前記分離手段は、前記第２の光が前記光
   分離面に対してＰ偏光となり且つ前記光分離面に対する
   前記第２の光の入射角がブリュースター角とほぼ等しく
   なるとともに、前記光分離面に対する前記第１の光の入
   射角がほぼ臨界角以上になるように配置されていること
   を特徴とする請求項１に記載の周波数分離装置。
3. 【請求項３】 前記偏向手段は、周波数に依存した角度
   で入射光を回折させるための回折格子を有することを特
   徴とする請求項１または２に記載の周波数分離装置。
4. 【請求項４】 前記偏向手段は、周波数に依存した角度
   で入射光を屈折させるための分散プリズムを有すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の周波数分離装
   置。
5. 【請求項５】 前記分離手段は、光の入射側から順に、
   第１のプリズムと、該第１のプリズムとの間に所定の媒
   体層を形成するように配置された第２のプリズムとを有
   し、 前記第１のプリズムの屈折率および前記第２のプリズム
   の屈折率は前記媒体層の屈折率よりも大きく設定され、
   前記第１のプリズムと前記媒体層との境界面が前記光分
   離面を形成していることを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれか１項に記載の周波数分離装置。
6. 【請求項６】 前記媒体層は空気層であることを特徴と
   する請求項５に記載の周波数分離装置。
7. 【請求項７】 前記分離手段は、１つのプリズムから構
   成され、 前記プリズムの入射端面と対向する端面が前記光分離面
   を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいず
   れか１項に記載の周波数分離装置。
8. 【請求項８】 所定方向に沿った移動鏡の変位量を測定
   するための測長用干渉計と、 第１の周波数を有する第１の光と該第１の周波数と異な
   る第２の周波数を有する第２の光とを供給するための光
   源と、 前記光源から出力されて前記移動鏡を介する測定光路を
   経た前記第１の光の一部を前記第２の周波数とほぼ同じ
   周波数を有する第３の光に変換するとともに、前記第１
   の光の残部および前記測定光路を経た前記第２の光をそ
   のまま透過させるための周波数変換手段と、 前記周波数変換手段を介した前記第３の光と前記第２の
   光との干渉光に基づいて干渉信号を生成するための干渉
   信号生成系とを備え、 前記干渉信号に基づいて測定された前記測定光路中の気
   体による屈折率変動に応じて、前記測長用干渉計により
   測定された前記移動鏡の測定変位量を補正し、前記移動
   鏡の幾何学的変位量を測定する光波干渉測定装置におい
   て、 前記周波数変換手段と前記干渉信号生成系との間には、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の周波数分離装置
   が設けられ、 前記周波数分離装置は、前記周波数変換手段から同じ光
   路に沿って入射した前記第１の光の残部と前記第２の光
   および前記第３の光とを分離し、前記第２の光および前
   記第３の光を前記干渉信号生成系へ導くとともに、前記
   第１の光の残部を前記干渉信号生成系に到達させること
   なく光路から除去することを特徴とする光波干渉測定装
   置。
9. 【請求項９】 前記周波数変換手段は、前記第１の光の
   一部を高調波に変換し、該高調波を前記第３の光として
   出力するための高調波変換素子を有することを特徴とす
   る請求項８に記載の光波干渉測定装置。