JPS6385302A - 光路長差測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ヘテロダイン検波法を利用した光応用計測
装置に関し、特に光路長差測定装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、光の性質を利用して高↑１度・非接触の計測を行
なう光応用計測が注目てれているが、その場合、光干渉
縞の位相情報の測定分解能を高め、かつこれを自・助測
定するために、光ヘテロダイン検波法が多く利用でれて
いる。

このヘテロダイン検波法を用いて、光路長差として示さ
れる被６１１ｊ定物の変位量を測定しようとする場合、
例えば第５図に示すような構成が考えられる。

同図において、例えばＨｅ−Ｎｅガスレーザ１（波長λ
＝６３３ｎｍ　、光周波数ｆｏ＝４７４Ｘ１０’ＭＨｚ
）から出射式れた、紙面上光軸に対して４５の方位を有
する直＃ｉ！偏光からなる光ビーム２は、光周波数シフ
タ３において、紙面に対して平行な電界成分を有する直
線偏光（以下Ｐ偏光と呼ぶ）と紙面に対して垂直な電界
成分を有する直線偏光（以下Ｓ偏光と呼ぶ）とに分離さ
れ、それぞれ水晶発振器４（発振周波数ｆ１）から増幅
器５を升して送出される電気信号によシ駆動される第１
の音響光学素子および水晶発振器６（発振周波数ｔｓ）
から増幅器７を介して送出式れる電気信号により駆動さ
れる第２の音響光学素子によって、ドツプラー効果によ
シ光周波数がシフトされた後、再び同一光路上に合成さ
れて出射される。

この光周波数がｆ。＋ｆ工のＰ偏光と光周波数がｆｏ＋
ｆ、のＳ偏光とからなる出射光８は無偏光ビームスプリ
ッタ９で２分割される。このうち、反射光１０は、方位
角４５°の偏光ビームスプリッタ１１においてＰ偏光成
分とＳ偏光成分とが合成された光１２となシ、光検出器
１３において光の干渉が起こυ、電気信号工。に変換さ
れる。

ここで、Ｐ偏光成分の光の電界成分ＥＸｏと、Ｓ偏光成
分の光の電界成分５゜とは、一般にそれぞれ次のように
表わ嘔れる。

ＥｘＯ＝　Ａ、６ｃｏｓ（２π（ｒ０＋ｆ、）ｔ＋φ。

、）　　・・・（１）”ｙｏ　＝　Ａｙｏ”（２π（ｆ
ｏ＋ｆ８）ｔ＋φｏ、ｌ）　　・・（２）〜。ｅ　Ａｙ
Ｏ”振幅 φ。□、φｏｓ　’位相 これよシ、検出器１３によって検出される電気信号Ｉ。

は、次式のように宍わ嘔れる。

”ｏ＋＝Ａｘｏ”Ａｙｏ”２Ａｚ’ｏＡｙｏｃｏｓ（２
πΔｆｔ＋φＧｏ）・・・（３） Δｆ＝ｆｓ−ｆｌ　、Δφ。。＝φ０．−φ０１Ａｘｏ
＊　、　ＡｙＯ”はそれぞれ直流成分であるから、電気
フィルタを通してΔｆの周波数成分のみを取シ出すと、 Ｉ、（ＡＣＩ　＝　２Ａｘ（、Ａ、ｃｏｓ（２πΔｆｔ
＋Δφｏｏ）　”・・（４）となる。この電気信号Ｉ。

（ＡＣ）を参照信号と呼ぶ。

他方、透過光１４は、方位角Ｏの偏光ビームスプリッタ
１５においてＳ偏光の反射光１６とＰ偏光の透過光１７
とに分離される。このうち反射光１６は、１／４波長板
１８によシ円偏光１９となシ、反射鏡２０で反射された
後再び１／４波長板１８を透過し、Ｐ偏光２１となって
そのまま偏光ビームスプリッタ１５を透過する。これに
対し、透過光１７は、１／４波長板２２によシ円偏光２
３となシ、反射鏡２４で反射でれた後再び１／４波長板
２２を透過し、Ｓ偏光２５となフ、偏光ビームスプリッ
タ１５において反射される。

偏光ビームスプリッタ１５を透過したＰ偏光２６と、偏
光ビームスプリッタ１５で上記Ｐ偏光２６と同一光路上
に反射でれた（図ではわかシやすくするためずらして示
した）Ｓ偏光２７とは、方位角４５の偏光ビームスプリ
ッタ２８において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが合成で
れた光２９となシ、光検出器３０において電気信号工１
に変換でれる。

このとき、Ｓ偏光２７の電界成分Ｅｘ工およびＰ偏光２
６の電界成分］７１は、それぞれ次のように表わ嘔れる
。

Ｅｘ１＝〜、褐（２π（ｆｏ＋ｆ、）ｔ＋φ、１）　　
・・・（５）■、＝〜Ｉｃｏｓ（２π（ｆｏ＋ｆ、）ｔ
＋φ、ｉ）　　”１６）ＡＸＩ・Ａｙｌ：振幅 φ１１１φ１２　　”位相 これよシ、光検出器３０の出力として次のようなΔｆの
周波数成分をもつ電気信号１１（ＡＣ）　　が得られる
。

Ｉ　１　（ＡＣ）　”　２Ａ、ＩＡｙｌｃｏｓ　（２π
Δｆｔ＋Δφｔｏ）”１７）Δφ１０：φ１ｉ″″φ１
１ 同様に、反射鏡２４を光路上でΔＬだけ移動てせてＳ偏
光２７の光路長を２・ΔＬだけ長くすると、２・ΔＬ その位相がδ＝２π・□　だけ変化し、（５）式の電λ 界成分ＥＸ□は次の（８）式の電界成分Ｅｘ　ｌ’のよ
うになる。

Ｅｘ１’　＝　ＡｘｌＣＯ３（２π（ｒｏ＋ｒ１）ｔ＋
（Ｉ１、−δ））・・・（８） これよシ、光検出器３０からは、（９）式で示されるよ
うな電気信号工′、（ＡＣ）が得られる。

”、（ＡＣ）　＝　２ＡＸＩＡｙｌＣＯ３（２πΔ１１
＋（Δφ、。−２月・・・（９） そこで、位相検出器３１において、参照信号ＩＱ（ＡＣ
）　　を基準としてこれらの検出信号ＩＩ（ＡＣ）（！
：Ｉ’ｌ（ムＣ）　とを比較することによシ、上記変位
変位ΔＬを求め、その値を表示器３３によシ表示する。

〔発明が解決しようとする問題点３ 以上の説明において、光層波数シ７り３からの出射光は
、光周波数成分がｆ。＋ｆｌのＰ偏光と光周波数がｆ。

十ｆ、ＩのＳ偏光とから構成されるとし、Ｐ偏光の電界
成分ＥｘｏおよびＳ偏光の電界成分Ｅｙ。

をそれぞれ（１）　、　（２）式で表わしていた。

しかじかから、実際の光周波数シフタの出射光は、光周
波数シックを構成している偏光ビームスプリッタの消光
比が３０ｄＢから４０ｄＢという有限の値であることや
、不要な反射光の影響を受け、Ｐ偏光成分にはｆ。＋ｆ
工の光周波数をもつ光のみではなくｆ。＋ｆ、の光周波
数をもつ光も含まれておシ、Ｓ偏光成分にも、ｆｏ＋ｆ
、の光周波数をもつ光のみではなくｆ。＋ｆ１の光周波
数をもつ光も含まれている。従来は、この点を考慮せず
に光検出部が構成でれていたため、測定結果に以下に示
すような誤差を含んでしまう。

すなわち、Ｐ偏光の電界成分をＥｘ１８偏光の電界成分
をＥｙとして、これらはそれぞれ次のように表わ嘔れる
。

Ｅｘ＝Ａｘｃｏｓ（２π（ｆｏ”ｆｔ）ｔ＋φ□）＋Ｂ
ｘｃｏｓ（２π（ｆ　ｏ＋ｆ　、　）　ｔ＋φ８）　　
　・・・ｔｔＩ〜＝ＡｙｃＯＳ（２π（ｆＯ＋ｆｌ）ｔ
＋φ、）＋Ｂｙｃｏｓ（２ｇ（ｒ６＋ｖｌ）ｔ＋φ４）
−（１１）〜、Ａｙ、Ｂｘ、Ｂｙ：振幅 φ、〜φ、　　−位相 方位角θの偏光ビームスプリッタを透過して、光検出器
から得られる電気信号のうち、Δｆの周波数成分工θ（
ＡＣ）　　は、次のようになる。

Ｉｏ（Ａｃ）　＝　２ＡｘＢｘｃｏ、２θｃｏｓ（２π
Δｆｔ＋φ８−φ、）＋２ＡｙＢ、ｄｔ”ａｃｏｓ（２
πΔｆｔ＋φ３−φ、）＋ＡｘＡ、ａｉｍ２θｃＯ５（
２πΔｆｔ＋φ８−φ、）”ＢｙＢｘｄｏ２θｃｏｓ（
２ｚΔｆｔ十φ８−φ、）・・・　（１２） 光周波数シックにおいて、実測してみると、（ψア）ｓ
　ａ＝、　１０００　ｐ　（Ａア／ＢＸ　）　”；１０
００である。通常、Ａｘ２．Ａｙ″がほぼ等しくなるよ
うに音響光学素子の回折効率を調整するので、（１２）
式において、ＢｘＢｙはＡｘＡｙに比較して１／１００
０程度なので省略することができ、（１２）式は（１３
）式のように表わせる。

工θ（ＡＣ）　＝２ＡｘＢｘｃｏ３”ａｃｏｓ（２ｚΔ
ｆｔ＋φ、−φ□）”２ＡｙＢｙｄｔｔ”ａｃｏｓ（２
πΔｆｔ＋φ、−φ、）”ＡｘＡｙｄｋｎ２θＣｏ５（
２πΔｆｔ＋φ、−Ｉ１）・・・（１３） すると、（４）式のＩｏ（ＡＣ）、（力式のｌｌ（ＡＣ
！および（９）式のＩ’ｌ　（ＡＣｌは、それぞれθ＝
４５°であるから、Ｉ４５　（ＡＣ）ｌ　ｘ４５（ＡＣ
）ｌＩ’４５□（ＡＣ）　　としてＸ（１４）〜（１６
）式のように示される。

Ｉ４’ｏ（ＡＣ＋＝ＡｘｏＢ：ｃｏｃｏｓ（２πΔｆｔ
＋φ０３−Ｉ０１）＋Ａｙ　（Ｉ　Ｂｙ　（１ｃｏｓ　
（２πΔｆｔ十φ。２−φｏ４）＋ＡｘＯＡ、ｏｃｏｓ
（２πΔｆｔ＋φｏ３−φ。１）・・・（１４） Ｉ、！１□（ＡＣ）　＝　ＡｘＩＢｘ４ｃｏｓ（２πΔ
ｆｔ＋φ１Ｂ−Ｉ１１）”　％　Ｉ　Ｂ　ｙ　１ｃｏｓ
　（２πΔｆｔ十φ、２−Ｉ１４）−１−ＡＸＩＡｙＩ
ｃＯ３（２πΔｆｔ＋φｌ１ｌ−Ｉ１１）・・・（１５
） ”４５　、（ＡＣｌ　　−＝　　ＡＸＩＢＸ１ＣＯ３（
２πΔｆｔ＋φ、８−φ、１）＋Ａｙ１ＢｙｌＣＯ５（
２πΔｆｔ＋φ１．−φ０．）”Ａｘ　Ｉ　Ａｙｌ　Ｃ
０３（２πΔｆｔ＋φ１２−φ１１−δ）・・・（１６
） Ｂｘｏ、　Ｂ、。：振幅 φ０８．φ０４ＩφｌＢ・φ１４　’振幅つま′）Ｘ１
４Ｓ（ＡＣ）を基準としてＩ、５１（ＡＣＩとＩ’４５
、（ＡＣ）　　の位相を比較しても、変位に相当する位
相変化δは、正確に求めることはできないことになる。

例えば、（１５）、（１６）式において、φ１８−φ、
１＝１８０＋φ１８−φ０．＝１８０°、φ１．−φ４
、二〇°、δ−９０°とし、％ｌ　”　Ａｙ　ｌ　”　
１＋　（Ａｘ　Ｌ／Ｂｚ　１　）”　＝（Ａｙ□／ＢＹ
Ｉ）２＝ここで、■４５１（Ａｅｌ＝Ｏとして、２πΔ
ｆｔは９０゜９０　＋１８０．９０　＋３６０　、　　
・・・・となシ、δ＝９０　　としても、雑音成分の影
響によシδ＝（９０−３，６２）と測定されてし壕い、
３．６２だけ誤差が生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、検出側の光信号を電気信号（検出信号）に変
換する手段を、上記光信号を構成する２つの直線偏光の
振幅をほぼ同じ割合で分割する第１の光学手段、その一
方の出力光を偏波面が相互にほぼ９０異なる２つの直線
偏光成分に分離する第２の光学手段、その各直線偏光成
分をそれぞれ検出する第１および第２の光検出手段、上
記第１の光学手段の他方の出力光を検出する第３の光検
出手段ならびに第３の光検出手段の出力信号から、第１
および第２の光検出手段の出力信号の和の号を減算する
演算手段によって構成したものである。

〔作用〕

第３の光検出器の出力光に含まれる雑音成分は第１の光
検出器の出力信号のイおよび第２の光検出器の出力信号
のＨと同様で、これを減算することによシ信号成分のみ
が残る。この減算結果を検出信号とすることによシ、誤
差が除去される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実柿例を示す構成図である。

第５図と同一符号は同一部分を示し、第５図の従来例と
の相違点は次の通υである。

無偏光ビームスグリツタ９と偏光ビームスプリッタ１１
との間に方位角Ｏの無偏光ビームスプリッタ３４を設け
、その反射光３５を分離するために方位角０の偏光ビー
ムスプリッタ３６を設け、その透過光３７Ａおよび反射
光３７Ｂをそれぞれ検出する光検出器３８Ａ、３８Ｂを
設けた。また、各光検出器１３　、３８Ａ、３８Ｂの出
力を入力とする演ｌγ回路３９を設け、その出力を位相
検出器３１の１つの入力とした。

同様に偏光ビームスプリッタ１５と偏光ビームスプリッ
タ２８との間に方位角Ｏの無偏光ビームスプリッタ４０
を設け、その反射光を構成するＳ偏光４１およびＰ偏光
４２を分離するために方位角Ｏ０の偏光ビームスプリッ
タ４３を設け、その透過光４４Ａおよび反射光４４Ｂを
検出する光検出器４５Ａ、　４５Ｂを設けた。また、各
光検出器３０　、４５Ａ。

４５Ｂの出力を入力とする演算回路４６を設け、その出
力を位相検出器３１のもう１つの入力とした。

上記構成において、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ１（波長λ”
６３３ｎｍ、光周波数ｆｏ＝４７４×ｌｏ’ＭＨｚ）か
ら出射された紙面上光軸に対して４５の方位を有する直
線偏光２は、光周波数シフタ３において、紙面上光軸に
対して方位Ｏの”ｘｏｏ　　と、紙面上光軸に対して方
位９０の５゜０　の光に変換てれ、光８として同一光路
上に出射される。

Ｅｚｏｏ　＝　ＡＸＯＧＣＯ３（２π（ｆｏ＋ｒ１）ｔ
＋φｆｔ１ｌｌ）＋　Ｂｘｏ６　ｃｏｓ　（２π（ｆｏ
”ｒ２）ｔ＋φｏｏａ）　　”（１７）”ｙｏＯ＝　Ａ
ｙ００ＣＯ３（２π（ｆｏ＋ｆ２）１＋φ。。２）＋Ｂ
、ｏ、）ｃｏｓ（２π（ｆｏ＋ｆ１）１＋φｏｏ＋）　
・・（１８）ＥｘＯｏ　　０式の第１項は、第２図に示
したような構成を有する光周波数シフタ３において、方
位角０の偏光ビームスプリッタ３０１を透過し、中心周
波数ｆ工＝８０ＭＨｚ　　のブラッグセル３０２によっ
て回折てれてｆ。＋１１という光周波数を有する光とな
シ、方位角Ｏの偏光ビームスプリッタ３０３を透過した
、方位０で振幅ＡｘＯ（１位相φ。ｏｌの直線偏光成分
である。第２項は偏光ビームスプリッタ３０１の不完全
性から反射した光であシ、ミラー３０４で反射でれ、中
心周波数ｆ　ｓ　＝　８１　ＭＨｚのブラッグセル３０
５によって回折されてｆ。＋ｆ２という光周波数となり
、ミラー３０６および偏光ビームスプリッタ３０３で反
射きれた、方位Ｏで振幅ＢＸＯＯ％位相φ。ｏ３の直線
偏光成分である。

弓。００式の第１項は、光周波数シフタ３において、偏
光ビームスプリッタ３０１で反射場れ、ブラッグセル３
０５によって回折嘔れてｆ。＋ｆ２という光周波数とな
シ、偏光ビームスプリッタ３０３で反線偏光成分、第２
項は、偏光ビームスプリッタ３０１の不完全性によシ透
過した光で、ブラッグセル３０２によって回折されてｆ
Ｑ”ｆｌという光周波数となり、偏光ビームスプリッタ
３０３を透過した、方位９０−で、振幅ＢｙｏＯｉ位相
φ。。、の直線偏光成分である。

光周波数シフタ３の出射光８は、方位Ｏの無偏光ビーム
スプリッタ９で２分割される。このうち、反射光１０は
、Ｓ偏光に対する反射率と透過率とがほぼ等しく、Ｐ偏
光に対する反射率と透過率とがほぼ等しく、Ｓ偏光に対
する損失およびＰ偏光に対する損失がほぼ１０％の方位
角Ｏの無偏光ビームスプリッタ３４で２分割される。

このうち透過光４７は、方位角４５の偏光ビームスプリ
ッタ１１を透過して透過光４８となり、光検出器１３に
入射する。透過光４７の方位Ｏの電界成分ＥＸＯｓ方位
９０の電界成分Ｅｙｏはそれぞれ久の式で表わでれる。

Ｅ：ｘｏ＝ＡｘｏｃＯ５（２π（ｆｏ＋ｆ１）ｔ＋φ０
１）＋Ｂｘｏｃｏｓ（２π（ｆｏ＋ｆ、）ｔ＋φｏｓ）
　　”・（１９）弓。＝　ＡｙＯｃｏｓ（２π（ｒｏ＋
ｆ２）ｔ＋φｏｎ）＋Ｂｙ、）ｃｏｓ（２π（ｆｏ＋１
．：＋１＋φ０４）　　”’（２））光検出器１３で得
られる電気信号のうち、Δｆの周波数成分Ｉ４１１゜（
ＡＣＩは、（１４）式より次のようになる。

−工４５ｏ（ＡＣ）　＝　ＡＸＯＢＸＱｃＯ３（２πΔ
ｆｔ＋φ０８−φ０１）＋Ａｙ　ｏＢｙ　ＱｃＯｓ（２
πΔｆｔ＋φ。、−φ０４）＋ＡｘＧＡｙＯＣＯ５（２
πΔｆｔ＋φ。、−φ。１）・・・（２１） 一方、無偏光ビームスプリッタ３４で反射した光３５は
、方位角０の偏光ビームスプリッタ３６で方位Ｏの電界
成分（Ｐ偏光）と方位９０の電界成分（Ｓ偏光）とに分
離てれ、前者の光は透過光３７Ａとして光検出器３８Ａ
に入射し、後者の光は反射光３７Ｂとして光検出器３８
Ｂに入射する。前者の方位Ｏの電界成分をＥ警。、後者
の方位９０°の電界成分をＥ′ｙｏとして、それぞれ次
の関係が成立する。

Ｅ′Ｘｏ＝−Ｅｘ。・・・・・（２２）ぎｙ。＝　−Ｅ
ｙｏ　　　　　　　　　・・・・・（２３）光検出器３
８Ａで得られる電気信号のうちΔｆの周波数成分Ｉθ＝
０（ＡＣ）は、（１３）式よシθにＯｏを代入して、 工θ＝Ｏ８（Ａｃｔ　＝　２ＡｘＱＢｘｏＣＯ３（２π
Δｆｔ＋φｏ８−φ０１）・・・（２４） となシ、光検出器３８Ｂで得られる電気信号のうちΔｆ
の周波数成分工θ−９０ｏｆＡＣ＋　　は、同様に（１
３）式よシ、θ−９０を代入して次のように表わ嘔れる
。

Ｉθ−９０ｏ（ＡＣ）　＝　２Ａ）ｒｏＢｙｏｃＯ５（
２πΔｆｔ＋φｏ２−φ。、）・・・（２５） （２１）、（２４）、（２５）　　式を比較して明らか
なように、工θ＝０　（ＡＣＩおよび工θ−００＋ＡＣ
）は〜それぞれ都。（ＡＣ＋の雑音成分である第１項お
よび第２項を２倍したものに一致している。

そこで、演算回路３９によ９次の演算を行なうことによ
り、雑音成分が除去された出力信号Ｉｒｅｆが得られる
。

＝ＡｘＯＡｙｏｃｏｓ（２πΔｆｔ＋φｏｌ！−φ。１
）・・・（２３） 一方、無偏光ビームスプリッタ９を透過した光１４は、
方位角Ｏの偏光ビームスプリッタ１５において、Ｓ偏光
の反射光１６とＰ偏光の透過光１７とに分離される（こ
こでＳ偏光とは方位９０の成分でｓｂ、ｐ偏光とは方位
Ｏの成分である。出射光８でいうと、Ｓ偏光成分が”ｙ
ｏＯＸＰ偏光成分がＥｘｏｏ　　に相当する）。

このうち反射光１６は、１／４波長板１８によ９円偏光
１９となシ、反射ｇ８２０で反射された後再びＶ４波長
板１８を透過し、Ｐ偏光２１となってそのまま偏光ビー
ムスプリッタ１５ｆｔ透過する。

これに対し、透過光１Ｔは、１／４波長板２２によυ円
偏光２３となシ、反射鏡２４で反射でれた後再びＶ４波
長板２２を透過し、Ｓ偏光２５となり、偏光ビームスプ
リッタ１５において反射式れる。

偏光ビームスプリッタ１５を透過したＰ偏光２６と、偏
光ビームスプリッタ１５で上記Ｐ偏光ビーム２６と同一
光路上に反射でれた（図ではわかυやすくするためずら
して示した）Ｓ偏光２７とは、無偏光ビームスプリッタ
４０で２分割される。

このうち、透過光のＳ偏光４９およびＰ偏光５０は、方
位角４５　　の偏光ビームスプリッタ２８で合成重れ、
透過光５１となって光検出器３０に入射する。Ｓ偏光４
９の電界成分をＥｘ□、Ｐ偏光５Ｇの電界成分を弓、と
し、それぞれ Ｅｘｌ＝〜Ｉｃｏｓ（２π（ｆｏ＋ｆｌ）ｔ＋φ、１）
＋Ｂｘ１ｃｏｓ（２π（ｆｏ＋ｆ、）ｔ＋φｔａ）　　
”・（２７）％１　”　Ａｙｌｃｏｓ（２π（ｆ　６　
＋ｆ　ｍ　）　ｔ＋φ□８）＋Ｂｙ　＞　ｃｏｓ　（２
π（ｆｏ＋ｆ、）ｔ＋φ、ｉ）　　・−・（２８）で表
わすと、光検出器３０で得られる電気信号のうちΔｆの
周波数成分Ｉ４６、（ＡＣ）は、（１４）式より次式の
ようになる。

”４１１．（ム０　＝　ＡｘＩ　Ｂｘ　ＩＣ０３（２π
Δｆｔ＋φ１８−φ１１）”Ａｙ　ｌＢｙ　１ｃｏｓ（
２πΔｆｔ＋φ、８−φ、４）＋Ａ、ＩＡ、Ｉｃｏｓ（
２πΔｆｔ＋φ、２−φ、１）・・・（２９） 一方、無偏光ビームスプリッタ４０で反射したＳ偏光４
１は方位角Ｏの偏光ビームスプリッタ４３で反射され、
反射光４４Ｂとなって光検出器４５Ｂに入射する。他方
、無偏光ビームスプリッタ４０で反射したＰ偏光４２は
偏光ビームスプリッタ４３を透過し、透過光４４Ａとな
って光検出器４５Ａに入射する。

Ｓ偏光４１の電界成分Ｅ′ｘいＰ偏光４２の電界成分Ｅ
’ｙ１とすると、次の関係が成立する。

ｚ；、＝　−Ｂｘ、　　　　　　　・・・・・・（３０
）賜１　＝−Ｅｙｌ　　　　　　　・・・・自（３１）
光検出器４５Ａで得られる電気信号のうちΔｆの周波数
成分工θ−０、（Ａｃｔおよび光検出器４５Ｂで得られ
る電気信号のうちΔｆの周波数成分Ｉθ＝ｔ＋ｏ１（Ａ
ｃｌは、それぞれ次のように表わぢれる。

工θ−０１（Ａｃｌ　＝　２ＡＸＩＢＸＩＣＯ５（２π
Δｆｔ＋φ１８−φ１１）・・・（３２） 工θ、、ＯＯ，（ＡＣ−２ＡｙＩＢｙＩｃｏｓ（２πΔ
ｆｔ＋φ１２−φ１４）・・・（３３） したがって、演算回路４６において次の演算を行なうこ
とによシ、雑音成分が除去てれ、信号成分のみが出力信
号”ｍｌｌ　＆　　として得られる。

”ｍｅａ　：”４５１（ＡＣ）−丁（Ｉθ−０□（ＡＣ
）＋工θ−ｇｏ、（ムＣ））＝ＡｘｌＡｙｌｃｏｓ（２
πΔｆｔ＋φ□２−φ１□）・・・（３４） 次に、反射鏡２４を移１ＪＪ−ｇせて、Ｓ偏光２Ｔ側の
光路長をＰ偏光２６側に比較して２・ΔＬだけ長２・Δ
し くすると、その位相がδ＝２π・二「−だけ変化し、（
２７）式のＥｘ□は次のＥ′８、となる。

ｇ’、□＝Ａｘ１ＣＯ５（２Ｗ（ｒ、＋ｆ１）ｔ＋φ１
１＋δ）＋Ｂｘｌｅｏｓ（２ｆｆ（ｆｏ＋ｆｌ）ｔ＋φ
０．＋δ）・・・（３５） これよシ、演算回路４６からは、次のような電気信号１
鼠。３が出力される。

１論ａ’　＝　ＡｘＩＡｙｌｃｏｓ（２πΔｆ＋φ０．
−φ１□−δ）・・・（３６） そこで、（２６）式で表わでれる参照信号工ｒｅｆと（
３４）式で表わされる検出信号”ｍｅ　ａとの位相差を
位相検出器３１で検出し、 Δφ＝（φ。、−φｏ、）　−（φ０．−φ０、）　　
・・・（３７）が得られる。

同様に参照信号Ｉｒｅｆと（３６）式で表わされる検出
信号”ｍｅａ　　との位相差Δφ′を位相検出器３１で
検出する。

Δφ′＝（φ。、−φ。１）−（φ０．−φ１□−δ）
・・・（３８）これから、演算回路３２によってδ＝Δ
φ−Δφ′を求め、さらにΔＬを求めて表示器３３に表
示器せる。

以上の説明は、光検出器１３　、３８Ａ、３８Ｂ間、あ
るいは光検出器３０　、４５Ａ、４５Ｂ間の感度差等の
ない理想的な場合について行なった。現実には、３検出
器間の感度が異なったり、光検出器１３あるいは３０に
おけるビームの重なり具合が良くなかったシすることが
あるが、基本的には何ら異なることはない。

例えば、光検出器３０　、４８Ａ　、　４５Ｂの感度が
異なシ、するいは光検出器３０でのビームの重なシ具合
が悪く、（２９）式のＩ４５、（ＡＣ）、（３２）式の
工θ−０１（ＡＣｌおよび（３３）式の工θ−００，ｆ
Ａｃ）がそれぞれ次の（２９Ａ）　、　（３２Ａ）　、
　（３３Ａ）式のように示されるものとすれば、 Ｉ４５□（ＡＣＩ　＝　ｋ（ＡＸＩＢｘｌｃｏｓ（２π
Δｆｔ＋φ１８−φ０、）＋ＡｙＩ　Ｂｙｌｃｏｓ（２
ｙｒΔｆｔ＋φ□、−φ０．）十ＡｘｌＡｙｌｃＯ３（
２πΔｆｔ十φｌ！−φ１１））・・・（２９Ａ） Ｉθ−０１（ムＣ）　＝ｔ（２ＡｘＩＢｚｌｃｏｓ（２
πΔｆｔ＋φ１ｌｌ−φ１ｌ））・・・（３２Ａ） Ｉθ−ｏｏ、（Ａｃ）＝　ｍ（２Ａ、１Ｂｙ１ｃｏｓ（
２πΔｆｔ＋自ｚ−φ０６月・・・（３３Ａ） ｋ＋ｔ＋ｍは既知の定数 演算回路４６では、（３４）式の代シに次の（３４Ａ）
式の演算を行ない’　　”ｍｓａを得る。１實。＆につ
いても同様でおる。

Ｉｍｅａ　＝　ｋ’ｍ”４１１（ＡＣ）−２Ｃ−Ｉ６．
．０（Ａｔ）４乃θ−ｓｏ□（ｉｃ））”　”ｒＪ”ｘ
　１ＡｙｔｃＯｓ（２πΔｆｔ＋φ１ｍ−φ１１）・・
・（３４Ａ） 要するに、演算回路４６の機能は、工４５１（ムＣ）　
１工θ刈（ムｃｌ　、　Ｉθ−９０よくＡＣ）　から演
算処理によりＡＸ　ＩＡｙｌｃｏｓ（２πΔｆｔ＋φ０
．−φ、□）およびＡ、ｃｌＡ、１ｃｏｓ（２πΔｆｔ
＋φ１．−φ０、−δ）に比例するような信号を出力す
ることにある。参照側についても全く同様である。

上述した実施例において、偏光ビームスプリッタ１１．
２８の代シに、方位角が４５　のローションプリズムも
しくはワオラストンプリズム、グランテーラプリズムを
用いてもよい。

同シく、偏光ビームスプリッタ３６．４３の代シに、方
位角Ｏのローションプリズム、ワオラストンプリズムを
用い、２本の透過光をそれぞれ光検出器３８Ａ　、　３
８Ｂおよび光検出器４５Ａ　、　４５Ｂに入射てせるよ
うにしてもよい。

”ｉｆｃ、Ｈｅ−Ｎｏレーザーおよび光周波数シフタ３
の組合せに限らず、出力光８として、方位Ｏ゛および９
００の各成分Ｅｘ、Ｅ、がそれぞれＥＸ＝ＡＸｃｏｓ（
２πｆ、ｔ＋φｌ　）”ＢＸｃｏｓ　（２πｆ　４　ｔ
＋φ、）％　　；　Ａ、ｃｏｓ（２πｆ、を十φｓ　）
”Ｂ、ｃｏｓ（２πｆ８ｔ＋φ、）で示てれ、かつＡ−
）Ｂｘ”　、　Ａｙ”＞＞Ｂ、”　、　Ａｘ８＝ｖＡ、
”でめ）、ＢＸ”、ＢアーＢＸＢｙがＡＸ２　、Ａｙｌ
ｌ　　に対して十分に不妊くて無視できるが、ＡｘＢｙ
、ＡｙＢｘは無視できない範囲（（Ａｘ／Ｂ、）”＝１
００〜１００００００）にあるような振幅〜、Ａｙ、　
Ｂｘ、Ｂｙ　　をもつ光を発生式せる装置であれば、何
でもよい。例えば、軸ゼーマンレーザでは、周波数差ｆ
４−ｆＢ＝１．８ＭＨｚであシ、（Ａｘ／Ｂｘ）　”＝
１００００であって、Ａｘ”　’；Ａｙ”　＝　０．４
　ｍＷである。

なお、上述した実施例では、参照信号および検出信号側
ともに、偏光ビームスプリッタの不完全性に起因する雑
音成分を除去する構成をとった。

しかし、参照信号Ｉｒ１Ｉｌｆ　　は、変位前後の検出
信号Ｉｍ□と”ｍｅａとを比較する際の基準として用い
るものであるから、測定の間中、変動することが々けれ
ば、その値そのものが上述したような雑音成分を含んで
いても、その目的は達成することができる。つまシ、こ
の参照側については、第５図と同様の構成金用い、光検
出器１３に得られる信号を”ｙｅｆ　　としてもよい。

また、軸ゼーマンレーザを利用する場合などには周波数
差（ｒ＋−ｆｓ）が安定しないために困難であるが、光
周波数シックを利用する場合には、参照側は光信号を用
いず、はじめから電気信号のままで、検出信号との位相
比較をするものとしてもよい。第３図にその例を示し、
水晶振動子を内蔵した基準発振器６１に対し、Ｎ分周器
を内蔵する第１のＰＬＬ回路６２１および増幅器６２２
ならびに第２のＰＬＬ回路６２３および増幅器６２４か
らなる駆動回路６２を備え、その出力によって光周波数
シフタ３の２つのブラッグセル３０２，３０５をそれぞ
れ駆動するとともに、参照側の光学系の代シに、第３の
ＰＬＬ回路６３を有している。ブラッグセル３０２゜３
０５の中心周波数をそれぞれｆｌｌｆ、とした場合に、
第３のＰＬＬ回路６３の出力として、Δｆ＝ｆ、−ｆ工
の電気信号が得られるように、各ＰＬＬ回路の分周比を
設定することによシ、上記電気信号を参照信号工ｒ。ｆ
　として用いることができる。

第４図は本発明の他の実施例を示す構成図である。本実
施例では、第１図に示した偏光ビームスプリッタ１５．
１／４波長板１８．２２および反射鏡２０．２４からな
る光学系は用いず、代シに２つの直交直線偏光間で光路
差が生ずるような複屈折物質７１を配置している。複屈
折物質７１は、例えば水晶、方解石などからなシ、その
複屈折の主軸方向が直交偏波形光周波数シフタ３の各偏
波方向にそれぞれ一致するように、りまＤ、Ｓ偏波方向
を異常光線（または常光線）の主軸方向に、Ｐ、偏波方
向を常光線（または異常光線）の主軸方向にそれぞれ一
致させて配置する。

例えばＳ偏波方向を異常光線、Ｐ偏波方向を常光線の主
軸方向にそれぞれ一致させた場合に、異常光線屈折率を
ｎ６、常光線屈折率をｎｏとして、複屈折物質Ｔ１の光
の進行方向の寸法（厚さ）をｄとすれば、出射光８を構
成するＳ偏光およびＰ偏光の複屈折物質７１内での光路
長はそれぞれｎ６ｄとｎ。ｄとなシ、その光路長差ｔは
ｄ（ｎｅ−ｎｏ）２π となる。これはまた、位相差に換算するとδ＝　−Ｘｔ
λ となる。

複屈折率物質７１の出射光７２は、方位角Ｏ０の無偏光
ビームスプリッタ４０で２分割される。

透過光は、方位角４５　の偏光ビームスプリッタ２８を
介して光検出器３０に入射する。反射光は、方位角０の
偏光ビームスプリッタ４３でＰ偏光４４ＡとＳ偏光４４
Ｂとに分離され、それぞれ光検出器４５Ａ　、　４５Ｂ
に入射する。各光検出器の出力から、演算回路４６にお
いて’ｍｅ　ａ　　が算出され、位相検出器３１に出力
妊れる。

また、ｄが何らかの原因（例えば温度）によってｄ′に
なったとすると、光路長差は７＝ｄ’（ｍ、−ｍｏ）２
π とな９、位相差もδ’＝−ｘｌ’　　となって、演算回
路λ ４６よシエ旨、が出力でれる。

したがって、第１図の実施例と全く同様に、位相検出器
３１および演算回路３２によって、参照信号Ｉｒｅｆ　
　を基準として■ｍｅａと”ｍｅＡ、との位相差（δ−
δ′）が求められ、それよシ、厚で変化分（ｄ−ｄ’）
が測定できる。

あるいは、複屈折物質７１を光路上からはずした場合の
演算回路４６の出力をｌｍ５ａ　　トｔ、、複屈折物質
７２を光路に入れた場合の出力を”ｍｅｎ　　とすると
、ｄが既知の場合にはｎ。−ｎｏが測定でき、ｎ、−ｎ
ｏが既知の場合にはｄが測定できる。

さらに、上述した各実施例において、出射光８は、空中
伝搬させる代シに、方位角０の直交する２つの直線偏光
を独立に伝搬でせる偏波保存光フる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光ヘテロダイン
法を用いた光路長差測定において、検出用光信号を構成
する２つの直線偏光の振幅をほぼ同じ割合で分割し、さ
らにその一方を偏波面が相互に９０　異なる２つの直線
偏光成分に分離し、これらを電気変換して得られる２つ
の出力信号の和の％を、上記２分割した他方の光信号を
電気変換して得られる出力信号から減算して、これを検
出信号とするものとしたことによシ、偏光ビームスプリ
ッタの不完全性などに起因する測定誤差を除去すること
ができる。

例えば、先に述べたように、φ１３−φ、１＝φ１２−
φ１゜＝１８０　　、　φ、３−φ０、−０６．δ＝９
０°とし、ＡＸ１＝Ａｙｌ＝１１（ＡＸ１／Ｂｘ１）１
１＝（Ａｙ１／Ｂ、１）２＝１０００としｆｃ場合に、
第５図に示したような従来例の構成では３．６２　　の
誤差が生じたが、本発明によればこれをほぼ零とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は光周
波数シフタの構成図、第３図および第４図はそれぞれ本
発明の他の実施例を示す構成図、第５図は従来例を示す
構成図である。 １　・・・レーザ、３・・・・光周波数シック、１５．
４３・・・・偏光ビームスプリッタ、２０゜２４・・・
・反射鏡、３０　、４５Ａ　、　４５Ｂ・・・・光検出
器、３１・・・・位相検出器、３２．４６・・・・演算
回路、４０・・・・無偏光ビームスプリッタ、７１・・
・・複屈折率物質。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一定の周波数差を有する２つの直線偏光を出力する第１
   の手段、これら２つの直線偏光間に光路長差を与える第
   ２の手段、第２の手段の出力として得られる２つの直線
   偏光からなる光信号を電気信号に変換し検出信号として
   出力する第３の手段、上記２つの直線偏光の周波数差に
   相当する周波数の電気信号からなる参照信号を基準とし
   て検出信号の位相を検出する第４の手段および検出され
   た位相の変化から光路長差を算出する第５の手段を備え
   た光路長差測定装置において、第３の手段は、第２の手
   段から出力される２つの直線偏光の振幅をほぼ同じ割合
   で分割する第１の光学手段と、この第１の光学手段の一
   方の出力光を偏波面が相互にほぼ９０°異なる２つの直
   線偏光成分に分離する第２の光学手段と、この第２の光
   学手段から得られる上記各直線偏光成分をそれぞれ検出
   する第１および第２の光検出手段と、上記第１の光学手
   段の他方の出力光を検出する第３の光検出手段と、第３
   の光検出手段の出力信号から、第１および第２の光検出
   手段の出力信号の和の１／２を減算する演算手段とを有
   し、演算手段の出力信号を第４の手段に入力することを
   特徴とする光路長差測定装置。