JPS6270720A - 干渉計用光学位相復号器 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の背閾） 光は、電気ベクトルと磁気ベクトルが伝搬方向に垂直で
あるＴＥＭ波である。この光波を２個の重要な特徴で定
義することができ、これらは強度および偏光として既知
である。電気ベクトルの大きさもしくは振幅の２乗は強
度（もしくは光の輝度）に比例する。伝搬方向について
電気ベクトルの方位角は、直線偏光方向とみなせる。電
気ベクトルが伝搬方向につき回転する光は円偏光若しく
は楕円偏光として知られている。ポラロイドのような偏
光装置は、偏光された光を所定の直線偏光方向に選択的
に、透過、吸収または反射することができる。干渉計と
して知られる装置に（フィルタにより単色光とした）単
色自然光およびレーザ光の双方を使用することができ、
この干渉計は変位または距離を測定するために使用され
る。レーザ光は、関係する距離が１ＣＩＩｌを超える場
合の距離測定に対し極めて適している。

インターフェロメトリーの科学には、光波の分離、異な
る幾何学的光路にわたる伝搬、光波を再結合する際に異
なる光路の結果として生じる光学的な位相および強度関
係の研究が含まれる。

ビームスプリッタとして知られる特殊な光学素子を振幅
分割光波に使用することもできる。これら光学素子を提
供すると、これら素子は２個の光波を発生し、各光波は
入射波が初めに有する光重の半分である。２個の光波の
一方は参照波として使え、その他方は測定或いは探知手
段として使える。２個の光波の電気ベクトルが同相であ
る（即ち両ベクトルが同一符号である）場合には、光波
の強め合いを生じる。２個の光波の位相が一致しない（
一方のベクトルが正であり、他方のベクトルが負である
）場合には、光波の打消しが生じる。

２個の光波の一方が固定または参照距離を伝搬し、光波
の他方が可変の距離を伝搬する場合に、他方の光波の位
相は距離の変化とともに変化する。これら干渉波の位相
差に応じて干渉波が打消されるかまたは強められる。こ
の現象を利用して、干渉縞を計数することにより、距離
の正確な測定を行なうことができる。

一重要分野である振幅分割型インターフェロン１〜リー
では、光波の偏光特性を有効に利用している。

偏光装置を使用して、２個の光波間の固有の位相差状態
を観察することができる。２個の別個の位相状態には、
基準時間に対し運動の距離および方向を唯一つ得るよう
に観察ツることが必要となり、２個の光波の位相が９０
度１なる状態を共通に使用していた。この方法は初期の
エンコーダ技術から得られ、レーザの発明の前には正確
な距離測定に使用されたオプトメカニカル技術であった
。

これら装置は機械制御用途に使用されていた。

レーザの出現とともに、位相を９０度ずらすことは、波
長の１／８の距離変化に相当する。したがって、基準の
第１信号を用いれば、その位相をずらすことにより、第
２信号を導出するかまたは遅延させ得、このため必要な
方向の探知情報を提供することができる。これら２個の
信号は、雑像であることが知られている。

２個の光波が分割され、そして再結合されて干渉縞を発
生する場合に、得られた信号は正弦変調を受けており、
信号の平均値は零光強度に対して相殺される。断る光信
号は、ＤＣ項として知られるオフセットと共にＡＣ若し
くは交番若しくは変調項から成るとすることができる。

ざらに、金属片若しくは切削液がビームと干渉する機械
制御用途に使用する場合のように、測定用光波が部分的
に妨害されると、山対谷変調を減少する。ＡＣ信号は零
にならず、ＤＣＣオフセラ項はその近辺をドリフトする
。ＡＣ変調における減少は普通それほど重要でないが、
ＤＣドリフトは信号を再結合する場合に、干渉縞を間違
って計数し得る状態をもたらす。２ｇのビームの位相を
１８０度ずらす第３の位相状態を選択することにより、
ＤＣ項を省略することができる。位相の１８０度ずれた
信号から９０度減算し、位相の一致した信号から９０度
減算することにより、位相が相互に９０度ずれるととも
にＤＣ項と独立である２個の新しい信号を発生させる。

従来技術には、干渉する光波に３個の位相状態を発生さ
せ得る例が多数開示されている。これら初期の干渉計シ
ステムは全て２個のサブシステムに分けることができる
。

一方のサブシステムは振幅ビーム分割手段に関するもの
であり、他方のサブシステムは信号処理に必要な２個以
上の位相状態を選択または符号化するために使用される
手段である。振幅ビーム分割手段をマイケルソン型或い
は偏光型の何れかとして分類することができる。マイケ
ルソン型において、光の異なる偏光状態を双方とも透過
および反射づ゛ることができる。偏光型において、好適
な第１（Ｈ光方向の光を透過し、第１偏光方向に対し９
０度位相のずれた第２Ｑ光方向を反射している。

ダウン（米国特許第４，３６０，２７１号）、エリクソ
ン（米国特許第３，６０１，４９０号）およびホック（
米国時３Ｔ第３，５２９，８９４号および米国特許第３
，８２２，９４２号）は、マイケルソン型ビーム分割手
段のいくつかの形態を説明している。ルッソ（米国特許
第３．７７１，８７５号）は、前記双方の型のビーム分
割手段の組合せを使用している。モロクマ（米国特許第
３，９７６．３７９＠）　ｔ３よびラコムバット（西独
国特許第２，１１１，９３６号）は偏光型ビーム分割手
段を使用している。

異なる位相状態を復号化するため、従来の干渉訓は第２
サブシステムの種々に異なる技術を使用する。従来の復
号化装置は、数個のビームスプリッタ、偏光装置および
他の光学素子を必要とし、これは機械的に極めて複雑で
ある。これら素子は特殊であり、場合によっては極めて
困難であり、これがため高価である蒸着被膜を必要とし
、復号器における光撮幅の分割は十分でなくなる。その
理由は、多重軸距離測定用途のため単一レーザ源の使用
を妨げるように、検出手段により使用されない光が消費
される場合があるからである。

（本発明の概要） 本発明の第１の目的は、単一レーザ源を用いて光効率を
改善した偏光振幅ビームスプリッタ型の干渉計を提供せ
んとするにある。

本発明の第２の目的は、簡単なデザインであり、機械部
品がほとんどなく、且つ容易に組立て得て信頼性の高い
改善された光学位相復号器を提供せんとするにある。

本発明の第３の目的は、光学干渉計のため光効率の良い
３チャンネル複合化装置を提供せんとするにある。

この目的のため、本発明は、第１偏光ビームスプリッタ
と、分割ビームの各部分に対する一対の再帰置割装置と
、第２偏光ビームスプリッタおよび部分偏光器を有する
光学位相復号器とを具え、所望の位置および方向の情報
の有無を検出する３個の光信号を供給する単一レーザ源
干渉計を提供する。

他の目的に対しては、以下において部分的に明らかにし
、さらに詳細に指摘する。

本発明の目的、利点、特徴、特性および関係は、以Ｆの
図面とともに特定の実施例について説明する内容から理
解できる。

本発明の好適実施例の説明をする前に、従来技術の成る
基本的部分を簡単に考えることは有用であり、この目的
のため偏光型ビームスプリッタ（ｒＰＢｓＪと略す）を
まず第１に説明し、それを第１図に示す。電気ベクトル
の向きが図面平面に平行である偏光された光は、両側に
矢印を付けて描写する。この光はＰＢＳにより完全に透
過される。入射平面に垂直に変更された光を点にて示す
。この入射平面に平行および直角な偏光は゛Ｐ″偏光お
よび°“Ｓ″偏光しても知られている。

距離測定を行なえるようにＰ偏光、Ｓ偏光状態で所望の
位相のずれ、或いは時間の遅れもしくは進みを発生させ
るため、第２図に示すように２個の追加の鏡或いは再帰
反射鏡１および２を使用することが慣例的に行なわれて
いる。これら鏡または再帰反射鏡は２個のビームが再結
合することができるようにビームの方向を変える。鏡若
しくは再帰反射鏡１を参照側光路に設置し、同様に鏡若
しくは再帰反射鏡２を測定側光路に設置する。

単一ビームの光を従来技術で適当に偏光させるには、第
２Ａ図に示すように入射平面に対し４５度の角度を向い
た偏光ベクトルの入射光を必要とする。２個の破線矢印
は、偏光ベクトルをＳ偏光およびＰ＠光方向の成分に分
解することができるのを示す。反射成分Ｓは固定の再帰
反射鏡１へ向かう光路をたどり、この反射成分を参照波
に用いる。

透過成分Ｐは可動再帰反射鏡２へ向かう光路をたどり、
全光路を参照波と比べた場合にその位相が進められ或い
は遅らされる。再帰反射鏡２の坏波長の移動は局波長の
位相のずれを生じる。ＰＢＳで再結合する際に、２個の
光波は一般に相互に干渉するといわれでいる。しかし、
２個の光波は直角或いは直交する偏光ベクトルから成る
ため、これら光波が再結合する点で干渉することができ
ない。斯る従来のシステムは第３図に示すような１／４
波長板３および偏光装置４を有する。１／４波長板は、
適切に位置決めされた場合に、ＰおよびＳ直線偏光を互
いに逆方向に回転する電気ベクトルに円偏光させる。言
いかえれば、一方の電気ベクトルは時計回りに回転し、
他方の電気ベクトルは、反時計回りに回転する。２個の
ベクトルが任意の方位角位置で互いに一致する場合、こ
れらベクトルはポラロイドを同一方位角位置に整列する
ことにより観察されるような最大光強度となる。

２個のベク］−ルが一致する角度は、当初のＰおよびＳ
偏光ベクトル間で軸線方向の位相のずれによって変化す
る。これがため、光強度は再帰反射鏡の運動と相俟って
最大値から零に変化する。この光強度の変化を干渉縞の
ＡＣ項が表わしている。

入射ＰおよびＳ偏光波が１／４波長板５を透過し、第４
図に示す常光ビームスプリッタ６により分割される場合
に、ビームスプリッタ、の射出面に配置される２個の直
線偏光装置７を異なる方位角に調整することができる。

各方位角に対する干渉縞の最大強度が、再帰反射鏡が移
動する間に偏光子の射出面に異なる時間差で発生する。

この時間差は、２個の直線偏光装置の関連する方位角に
より定まる位相のずれに相当する。この情報は測定すべ
き距離を与える。上述の様にしてビームを数回にわたり
分割して、各チャンネルが異なる位相のずれを測定し得
る多重チャンネルに導くことができる。

（実施例） 以上、従来技術の基本的事項について説明したが、本発
明は、ブリ１−スター板のような部分偏光子および１つ
の偏光ビームスプリッタを具えるシステムにより、追加
の偏光子、特殊コーティング等を用いることなく、ＰＢ
Ｓおよび１７４波長板から放射された光を３面分割する
ことができるようにしたことを特徴とする。説明のため
、部分偏光子またはブリュースター板は、特定の入射角
で入射した光の入射面に平行な偏光が反射するのを抑圧
し、他の偏光状態の光を全て透過する装置とする。入射
面に直角な偏光状態は部分的に反射および透過される。

唯一の偏光状態を反射することにより、斯る装置では、
光を吸収し、従って非能率なシステムにする直線偏光子
を必要としなくなる。偏光子のように、ブリュースター
板を入射光方向につき回転させて、任意の位相状態を選
定することができる。ブリュースター板を４５度傾斜さ
セて回転させ、次に追加のＰＢＳと組合せると、入射光
を受け取り、３ｆ［ｉ］の別々の位相関係にある信号に
分離し、この信号が距離を決定する処理を行ない得るよ
うな装置を形成することができる。

この配置における３個の信号は互いに９０度位相がずれ
ている。

この光学位相復号器（１’０ＰＤＪと略す）として認識
されている装置を第５図にブロック図にて示す。ブリコ
ースタ−板および偏光ビームスプリッ夕をこの光学位相
復号器に含める。

第６および６Ａ図はＯＰＤの詳細図であり、この図につ
いて以下に説明する。光学素子を取り付け易くするため
、図に示す物理的配置では、１／４波長板を光学位相復
号素子を含むハウジングに配置する。偏光ビームスプリ
ッタ８から放出した光はガリレオ゛式望遠鏡９に入射す
る。この望遠鏡は光学位相復号器を小型にするためビー
ム直径を減少するのによく利用されている。望遠鏡９か
ら出た光は次に　１／４波長板１０に入る。この１／４
波長板１０では直線偏光ビーム夫々を２個の逆向きに回
転する円偏光ビームに変換する。小型の１／４波長板１
０は、ブリュースター板のような部分偏光装置１１に接
着するかまたは機械的に装着する。

この部分偏光装置は、その反射平面に直角な線がＳ　Ｊ
５よびＰ５Ａ光方向に対し４５度に傾いた平面内にある
ように回転する。尚、このブリュースター板は、外部反
射光を用いる部分偏光子の一形態である。この同一目的
を達成するために部分偏光子の他の形態として内部反射
光を利用することもてきる。

１／４波長板から出た光は、楕円偏光されて、検出器チ
ャンネル１８．１９および２０における信号を位相のひ
ずみなく平衡にすることができる。この信号の平衡は、
円偏光光束が生じる位置から離れた位置で１／４波長板
を回転させることにより達成される。部分偏光装置を干
渉計偏光ビームスプリッタ８と平行に向く第２偏光ビー
ムスプリッタ１２に接着するかまたは機械的に装着する
。部分偏光子の方位角により干渉パターン、を選択し得
、これらパターンは相互の既知の位相関係以外に任意に
提供することができるようになる。第６図とともに説明
したビームの位相関係は、ビーム１５が、ビーム１６か
ら　１８０度遅延され、且つビーム１７から９０度遅延
されている。部分２０での信号から、被検出光信号１９
を減じ、さらに部分１８での信号を減することにより、
排除すべきＤＣバイアス信号を与える。上述の光学位相
復号器は従来のように４個のビームを発生させるのでは
な（３個の光ビームを発生させて、構造を簡単且つ小型
にし、さらに光効率も良好にする。加えて、ＯＰＤは偏
光の分離を利用して、検出器に現われる少量のＳおよび
Ｐ偏光により生じた擬似干渉縞の生成を排除する。

さらに、分解能は、Ｐ　Ｂ　Ｓ　１２および入力ビーム
に対する関係において部分偏光素子を回転させることに
より調整することができる。

第７図に本発明の好適実施例の態様を部分的に図示する
。最大干渉強度の方向を記号Ａ、ＢおよびＣを付した３
本の矢印で示す。ベクトルＢおよびＣは相互に直交し、
これがため、これらの方位角は、位相が軸線方向に１８
０度ずれた２個の信号に相当する。ベクトルＡはベクト
ルＢおよびＣに対し４５度傾斜しており、これがため、
ベクトルＢおよびＣから位相が９０度ずれた信号に相当
する（第８図参照）。再帰反射鏡２が移動する際の、最
大光強度を、例えばまずＣ方向から観察し、次にＡおよ
びＢ方向夫々に沿って観察する。部分偏光子２１は六方
向に平行な光の成分を反射し、その他を透過する。前述
したように、ブリュースター窓は上記特徴を呈示する典
型的且つ古典的装置ｒある。成分ＢおよびＣはＰＢＳに
より各々全反射および全透過され、ＰＢＳは第７図の符
号２２．２３から組立てられる。

さらに、部分偏光子２１ｔ３よびＰＢＳ素子２２を一片
のガラスに組合わせ、それにより表面２５および２６並
びに反射防止被膜を省くことができ、装置をより簡単に
することができる。この種の設計はガラス通路を減少し
、ガラス素子の配置を極めて小型にする。次に、プリズ
ム２３を組立体に接合する。

部分偏光子２１を光軸２４につき回転させることにより
、ベクトルＡ以外のベクトルの向きを選択することがで
きる。この偏光子２１の回転はベクトルへの回転と等価
である。例えばベクトルＢに対し１５度配向し、ベクト
ルＣに対し７５度配向することにより、４５度配向させ
る場合より検出すべき位相のずれを３倍も良好にするこ
とかできる。

第６および７図に示した例では、３個の信号は第８図に
示す位相関係を有し、信号増幅および減ｇ（第９図参照
）をするには簡単な電子回路で十分である。第１段演算
増幅器を動作させて、３個の等しい大きざの電気信号を
３個の光信号につき得る。第２段演算増幅器は差信号を
発生し、正弦電圧を方形波出力に変換する。

位相検出器は、正弦波の位相のずれに応じた零交差電圧
を得る他の回路とすることもできるが、この回路の変化
は本発明の本質ではない。以上、本発明の実施例につい
て説明したが、当業者であれば、上述した装置を本発明
の技術範囲から離れることなく、種々に変更、適合およ
び変形することができること明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の偏光ビームスプリッタの原理を示す説明
図、 第２図は従来の干渉計を示す概略図、 第２Ａ図は入射光の偏光を示す説明図、第３図は従来の
システムの構成部品と光強度との間の関係を示す説明図
、 第４図は従来の干渉計および基本装置の移動に対する光
強度を示す説明図、 第５図は本発明の干渉計および光学位相復号器を示すブ
ロック図、 第６６よび６Ａ図は本発明の光学位相復号器を示す配置
図、 第７図は本発明の光学位相復号器の基本素子を示す線図
的詳細図、 第８図は第７図の３個の光信号の位相関係を示すグラフ
図、 第９図は位相検出装置の適切な回路図を示すブロック回
路図である。 １．２・・・再帰反射鏡 ３、　５．　ＴＯ・・・　１／４波長板４．７・・・偏
光子 ８．１２・・・偏光ビームスプリッタ ９・・・、ガリレオ式望遠鏡　１１・・・部分偏光装置
１８、１９．２０・・・検出器チャンネル２１・・・部
分偏光子　　　　２２・・・ＰＢＳ索子２３・・・プリ
ズム　　　　　２４・・・光軸ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、２Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コヒーレント光の主ビーム発生源と、主ビーム発生
   源からのビームを分離して、偏光される参照ビームおよ
   び測定ビームを形成し、参照ビームおよび測定ビームを
   再結合する手段とを有する干渉計内に、再結合された参
   照および測定ビームを受け取り、再結合ビームの一部を
   有する第１光出力ビームを提供する部分偏光装置と、再
   結合ビームの残部を部分偏光装置から受け取り、第２お
   よび第３出力ビームを提供する偏光ビームスプリッタと
   、３個のビーム出力の各々に対しビーム出力に比例した
   電気信号を供給し、それらの位相関係を測定する検出器
   を有する電気回路手段とを具えてなる光学位相復号器。 ２、前記部分偏光装置を回転により位置調整させて、干
   渉パターンを選択し得るようにした特許請求の範囲第１
   項記載の光学位相復号器。 ３、前記部分偏光装置を所望の回転位置にある偏光ビー
   ムスプリッタに付け加えるようにした特許請求の範囲第
   １項記載の光学位相復号器。 ４、第１、第２および第３出力ビームが０、９０度およ
   び１８０度の位相関係を有するようにした特許請求の範
   囲第１項記載の光学位相復号器。 ５、コヒーレント光の主ビーム発生源と、主ビームを分
   離して偏光される参照ビームおよび測定ビームを形成し
   、参照および測定用再帰反射器にビームの入射後参照ビ
   ームおよび測定ビームを再結合する第１偏光ビームスプ
   リッタと、再結合ビームを受け取りそこで楕円偏光をも
   たらす１／４波長板と、再結合され、楕円偏光された参
   照ビームおよび測定ビームを受け取り、再結合ビームの
   一部分を有する第１光出力ビームを供給する部分偏光装
   置と、該部分偏光装置を通過した再結合ビームの残部を
   受け入れて第２および第３出力ビームを供給する第２偏
   光ビームスプリッタと、３個のビーム出力の各々に比例
   した電気信号を供給しこの電気信号により位相関係を測
   定する検出器を有する電気回路手段とを具えてなる干渉
   計。 ６、前記１／４波長板、部分偏光装置および偏光ビーム
   スプリッタを固定角度および部分的な関係で一体に接着
   した特許請求の範囲第４項記載の干渉計。 ７、ガリレオ式望遠鏡を第１偏光ビームスプリッタおよ
   び１／４波長板間の再結晶ビーム通路に介在させた特許
   請求の範囲第５項記載の干渉計。