JPH11190679A - マルティプルビームシアリング干渉を用いたビームコリメーション法およびそれを利用したレンズの焦点距離または点光源の変位測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レンズを用いて平行光を作りだす時に、マルテ
ィプルビームシアリング干渉法を用いてレンズからの光
の波面を測定し、レンズを移動させて平行光になるよう
に調整させビームコリメーション法を提供する。 【解決手段】光源から発射されたレーザー光を、コリメ
ーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズの
後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になったガ
ラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像さ
れた干渉縞が横方向になるようにレンズを移動して平行
光とするようにしたことを特徴とするマルティプルビー
ムシアリング干渉を用いたビームコリメーション法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズを用いて平
行光を作りだす時に、マルティプルビームシアリング干
渉法を用いてレンズからの光の波面を測定し、レンズを
移動させて平行光になるように調整させたり、またレン
ズの焦点距離をもとめる方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】種々の光学系において平行光を用いるこ
とがよくある。容易した平行光がどの程度の平行光にな
っているかを調べるためにコリメーションテストがあ
る。こうしたコリメーションテストの一例としてたとえ
ばトールボッド干渉計を用いるものがあるが、この方法
では、精度の高い平行光を得たり、あるいはレンズの精
度の良い焦点距離を得ることが困難である。さらに、こ
のコリメーションテスト法では、次のような問題点があ
る。 ａ，感度を高くしようとすると干渉縞間隔が広がり、測
定が困難となる。 ｂ，コリメートされていない場合、発散球面波になって
いるのか、収束球面波になっているのか判断できない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記のような従来の干渉計を利用してコリメーション法を
行う上で問題となっていた点を解決するために、レーザ
ーを光源とし、コリメータレンズ、片側がウェッジに他
方が平行になったガラス板、結像レンズ、スクリーンな
どから透過形の光学系を構成し、これにより容易に平行
光を得たり、あるいはレンズの焦点距離を求めることが
できるようにしたことを特徴とするものである。

【０００４】本発明は、コリメーティングされた光（平
行光）を作りだすレンズの後方に片側がウェッジに他方
が平行になったガラス板を置き、このガラス板にレンズ
からの光を入射させる。ガラス板はほんの少し斜めにし
てシアを与えるようにセットすると、出てきた光はマル
ティプルビームによりスクリーン上にシャープな干渉縞
を結像する。そしてガラス板のウェッジによる横方向に
生ずるはずのティルトの干渉と、縦方向に生ずるはずの
シアによる干渉の両方の影響により、干渉縞は斜めの方
向にシャープな縞となる。完全にビームが平行光になる
と、シアによる干渉の影響がゼロになり、シャープな干
渉縞はティルトの干渉の影響だけになり、横方向に生ず
る。即ちティルトのシャープな干渉縞が生ずる。レンズ
を光源方向に動かすか、光源から遠ざかる方向に動かす
ことによって、左上がりの干渉縞か右上がりの干渉縞が
生ずる。そして干渉縞が横になるようにレンズを光軸方
向に動かし調整することで、ビームをコリメーションす
ることができる。また、レンズをΔＺ移動した時の干渉
縞の間隔Δｙおよび光のガラス板への入射角θから所定
の式により容易にレンズの焦点距離を求めることができ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明の採用し
た技術解決手段は、光源から発射されたレーザー光を、
コリメーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレ
ンズの後方に配置した片側がウェッジに他方が平行にな
ったガラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に
結像された干渉縞が横方向になるようにレンズを移動し
て平行光とするようにしたことを特徴とするマルティプ
ルビームシアリング干渉を用いたビームコリメーション
法であり、

【０００６】光源から発射されたレーザー光を、コリメ
ーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズの
後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になったガ
ラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像さ
れた干渉縞が横方向になるようにレンズを移動し、次に
レンズを動かし点光源を焦点距離からΔＺだけずらした
時の、マルティプルビームの干渉縞の傾きｗを測定しそ
の傾きｗから、次式

【０００７】

【数３】 によりレンズの焦点距離をより求めることを特徴とする
マルティプルビームシアリング干渉を用いたレンズの焦
点距離測定法であり、

【０００８】光源から発射されたレーザー光を、コリメ
ーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズの
後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になったガ
ラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像さ
れた干渉縞が横方向になるようにレンズを調整し、この
状態で点光源がΔηだけ変位した場合、干渉縞がΔξだ
け変位するので、この動きを測定し、次式により、点光
源の位置の変化を測定する点光源の変位測定方法であ
る。

【０００９】

【数４】

【００１０】

【実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。図１は、本発明の実施形態に係わる透過型
の光学系の図、図２（イ）は片側がウェッジに他方が平
行になったガラス板の斜視図、（ロ）は同平面図、
（ハ）は側面図である。

【００１１】図１において、１はレーザーを発射する光
源、２は顕微鏡対物レンズ、３はコリメータレンズ、４
は片側がウェッジに他方が平行になったガラス板、５は
結像レンズ、６はスクリーンであり、本光学系はこれら
によって構成されており、前記片側がウェッジに他方が
平行になったガラス板４はガラス板の両側に金属反射膜
コーティング（アルミニウム膜、Ａｇ膜等）が成されて
いる。

【００１２】前記ガラス板は金属皮膜でコーティングと
は別に多層膜コーティングを使用してもよい。また反射
率も現在は９０％のものを使用しているが、シャープネ
スによって変えることができ、反射率が高ければシャー
プになるし、低ければシャープネスが低下する。

【００１３】マルティプルビームシアリング干渉法は、
透過形と反射形の二つの方法が考えられるが、基本的に
は同じことになる。ガラス板は図２に示すように光軸に
対してθ傾向けて置き、マルティプルビームシアを行わ
せる。ウェッジの角度はαとする。αは非常に小さい角
度で視野の中に一本の干渉縞しか存在しない。例えば、
α＝２．７秒で実験が行われた。基本原理は、ウェッジ
だけの干渉縞が生ずる場合には、図２の配置においては
横方向に干渉縞が生ずる。また、シアだけの干渉縞が生
ずる場合には、球面波になっている場合（平行光からず
れている場合）縦方向に干渉縞が生ずる。両方が同時に
発生するような場合には、斜めの干渉縞が生ずる。斜め
になる程度は、ウェッジの位相変化とシアによる位相変
化の程度によって決まる。そして平行光になるとウェッ
ジによる位相の変化はそのままであるが、シアによる位
相変化はゼロ（０）となる。この時の干渉縞は斜方向め
から横方向になる（図３ａ）。したがってレンズを光軸
に沿って動かし、干渉縞が横方向になる位置を求めるこ
とによりコリメーションすることができる。

【００１４】この方法によれば、レンズを平行光が得ら
れる位置から、点光源の方にずれるとき、左上がりの斜
めの縞（図３ｂ）になり、点光源から遠ざかる方向にず
れる時は右上がりの斜めの縞になる（図３ｃ）。上記の
ようなコリメーション方法によれば、以下のような利点
がある。 通常の平行平面板（２光束シア）は反射形であるた
め、反射光でみるのでビームスプリッタ等を挿入して上
から見る等の工夫が必要であるのに対して、本マルティ
プルビームシア干渉法は透過形であるため後方から見る
ことができる。 ウェッジの角度を小さくすると、精度はあがるが通常
の平行平面板（２光束シア）は干渉縞の幅が大きくな
り、角度を測定する精度が悪くなるのに対して、本マル
ティプルビームシア干渉法では縞がシャープに出るた
め、角度を測定する精度は非常に高くなる。

【００１５】次にレンズの焦点距離の測定について述べ
る。レンズの焦点距離の測定も上記と同じ光学系を使用
する。最初にレンズの焦点位置に点光源がくるようにレ
ンズを動かし、干渉縞が図３ａになるように設定する。
次にレンズを動かし点光源が焦点距離からΔＺだけずれ
たとすると、Ｚ＝ｆ＋ΔＺとなる。この時の干渉縞の傾
きｗを読む。

【００１６】

【数５】 で与えられる。ａはシア量でウェッジをもつガラス板
（エタロン）の反射光の角度を求めて、それからシア量
が計算できる。またθは光のガラス板（エタロン）への
入射角で先程の反射光から求められる。

【００１７】シア量ａは次のようにする。 ｓｉｎθ´＝ｎ´ｓｉｎθ´（屈折の法則）

【００１８】

【数６】 ｎ´ｓｉｎαは干渉縞の間隔Δｙを測定して求められ
る。即ち Δｙ＝λ₀ ／ｎ´ｓｉｎα 従って

【００１９】（１）式は結局

【００２０】

【数７】 となり、この式よりレンズの焦点距離を求めることがで
きる。なお、シア量ａは（２）式からではなく、直接ビ
ームの横ずれから求めても良い。ｈはガラスの厚さでこ
れも測定される。ｎ´はガラスの屈折率である。

【００２１】次に上記と同じ光学系を点光源のポジショ
ンセンサーとして用いる場合について述べる。ポジショ
ンセンサーとして用いる場合には、最初に干渉縞が横に
なるように（図３ａ）レンズを異動し、即ち平行光に合
わせた状態で用いる。この状態ではコリメーターレンズ
をマクロメータヘッドを用いて横方向にΔηだけ動かす
と、干渉縞が上下にｙ＋Δξだけ動く。この動きを測定
する。レンズをΔηだけ動かしたので、ガラス板（ウェ
ッジをもつ平行平面板即ちエタロン）に入射する光がほ
んのわずかだけ変化するだけであるのが、光路長は波長
に比較してかなり大きく変化し、これを計算するとレン
ズの動きと干渉縞の動きの関係式が次式で与えられる。

【００２２】

【数８】

【００２３】上記式より、結局レンズを横方向（Δη）
に動かすことは点光源をそれと逆の方向（−Δη）に動
かすことと等価となる。この干渉縞は実験の結果、敏感
に動く。即ち点光源の位置がミクロンオーダーで動くと
干渉縞がｍｍのオーダーで動くことになる。これは点光
源の位置の動きを拡大してみるポジショニングマグニフ
ァイイングセンサーとなる。計算では、ｆ＝４００ｍｍ
の時、点光源を２００μｍ動かすと、干渉縞は９ｍｍ動
き、４５倍に拡大されることになり、点光源の位置を正
確に測定することができることが判った。

【００２４】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態を実施するこ
とが可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、平行光、レンズ焦点さ
らには光源の位置を従来の方法に比較して格段に精度よ
くかつ正確に測定できるので、各種の光学系での計測精
度の向上を図ることができる、等の優れた効果を奏する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係わる光学系の構成図で
ある。

【図２】 ガラス板の斜視図、平面図、側面図である。

【図３】 干渉縞を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザー光源 ２ 顕微鏡対物レンズ ３ コリメータレンズ ４ 片側がウェッジに他方が平行になったガラス板 ５ 結像レンズ ６ スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コリン シェパード ７−１エー ネプチューン ストリート, クージー エヌエスダブリュ2067 オース トラリア (72)発明者 永寿 伴章 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院 機械技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発射されたレーザー光を、コリ
   メーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズ
   の後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になった
   ガラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像
   された干渉縞が横方向になるようにレンズを移動して平
   行光とするようにしたことを特徴とするマルティプルビ
   ームシアリング干渉を用いたビームコリメーション法。
2. 【請求項２】 光源から発射されたレーザー光を、コリ
   メーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズ
   の後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になった
   ガラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像
   された干渉縞が横方向になるようにレンズを移動し、次
   にレンズを動かし点光源を焦点距離からΔＺだけずらし
   た時の、マルティプルビームの干渉縞の傾きｗを測定し
   その傾きｗから、 【数１】 によりレンズの焦点距離をより求めることを特徴とする
   マルティプルビームシアリング干渉を用いたレンズの焦
   点距離測定法。
3. 【請求項３】 光源から発射されたレーザー光を、コリ
   メーターレンズで平行光とし、前記コリメーターレンズ
   の後方に配置した片側がウェッジに他方が平行になった
   ガラス板によって干渉光を形成し、スクリーン上に結像
   された干渉縞が横方向になるようにレンズを調整し、こ
   の状態で点光源がΔηだけ変位した場合、干渉縞がΔξ
   だけ変位するので、この動きを測定し、次式により、点
   光源の位置の変化を測定する点光源の変位測定方法。 【数２】