JPH07190712A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来より使い易く、簡便により高い精度で被
測定物の変位量が測定できるような干渉計を提供する。 【構成】 第１のレーザ光源からの出力ビームを参照用
光路と測定用光路とに分岐し、参照用光路上の第１の参
照対象物からの反射光と測定用光路上の被測定物からの
反射光とを同軸上に合成して測定用ビームを取り出す測
定用干渉光学系を備えた干渉計に、第１のレーザー光源
に対して発振中心波長が異なる低コヒーレンスの第２の
レーザ光源と、該光源からの出力ビームを参照用光路と
測定用光路とに分岐して参照用光路上の第２の参照対象
物からの反射光と被測定物からの反射光とを測定用ビー
ムと同軸上に合成して取り出した検出ビームより、記被
測定物からの反射光と第２の参照対象物からの反射光と
による干渉信号を検出し、該干渉信号が出力されるとき
の被測定物の位置を基準位置とする基準位置検出光学系
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高度な変位計測精度が
要求される測長機器等に応用される干渉計に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来から、干渉縞計数法を用いた変位計
測方式として、被測定物からの測定光と参照光とから、
ＤＣレベルが零で振幅が等しい９０°位相差を持つ二つ
の干渉出力信号を作り出し、これらの相互干渉状態から
被測定物の変位を求める干渉計が知られている。

【０００３】図６に、このような干渉計の一例として半
導体レ−ザを光源に用いた測長用のマイケルソン型干渉
計を示す。図６において、半導体レ−ザ光源１０１から
出射されたコヒ−レントな光はビ−ムスプリッタ１０３
に入射し、透過あるいは反射によって２分岐される。ビ
ームスプリッタ１０３によって反射された一方の光は、
参照用光路へ入り、参照用固定鏡１０７にて折り返され
て再びビ−ムスプリッタ１０３に戻る。この反射光は参
照用固定鏡１０７とビームスプリッタ１０３との間を往
復する際にλ／８板１０５を２度通過するため、互いに
偏光方向の直交する２偏光成分どうしが９０°の位相差
を生じる事になる。

【０００４】またビ−ムスプリッタ１０３を透過した光
は、測長用光路を進み、被測定物に相当する移動鏡１０
８に達し、ここで折り返されて再びビ−ムスプリッタ１
０３へ入射する。この様にして分割され再び戻ってきた
２方向からの光は、ビ−ムスプリッタ１０３にてそれぞ
れ反射、透過されることによって同軸上に合成された状
態で測長用ビームとして射出される。

【０００５】この射出用ビームは、偏光ビ−スプリッタ
１１０に入射し、ここでＳ偏光成分が反射されＰ偏光成
分が透過されて２光束に分離される。２光束は、それぞ
れ検出器１１１にて干渉信号のｓｉｎ成分、検出器１１
３にて干渉信号のｃｏｓ成分が検出され、フリンジカウ
ンタ１２０へ出力される。フリンジカウンタ１２０で
は、入力された２つの信号から干渉縞を積算することに
より被測定物用移動鏡１０８の変位量Ｌが求められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記の
如き従来技術による干渉計では、移動鏡の変位量測定可
能範囲内の光路上において、同軸上に基準となる点がな
かった。従って、変位量の測定は相対的なものであり、
測定可能範囲全体を有効に使うことができず不便であっ
た。特に、光源として気体レーザに比べてコヒーレンス
長の短い半導体レーザを用いた干渉計の場合、図５
（ａ）に示すように干渉縞信号の測定可能な強度範囲に
相当する移動鏡の変位量測定可能範囲（光路差）が制限
されてしまうのでより使い勝手が悪いという問題があっ
た。

【０００７】また、装置内に機械的な基準点設定手段を
設けることも考えられるが、この場合、光学系周辺の温
度や湿度、空気の揺らぎ等の環境変化に対応することが
できないため、このような機械的基準点を利用しての高
精度な変位量測定は期待できない。

【０００８】本発明は、上記従来技術の問題点を解消
し、従来に比べて使い易く、簡便により高い精度で被測
定物の変位量が測定できるような干渉計を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め、請求項１に記載の発明に係る干渉計では、第１のレ
ーザ光源からの出力ビームを参照用光路と測定用光路と
に分岐し、前記参照用光路上の第１の参照対象物からの
反射光と前記測定用光路上の被測定物からの反射光とを
同軸上に合成して測定用ビームを取り出す測定用干渉光
学系と、前記第１のレーザー光源に対して発振中心波長
が異なる低コヒーレンスの第２のレーザ光源と、該第２
のレーザ光源からの出力ビームを前記参照用光路と測定
用光路とに分岐し、前記参照用光路上の第２の参照対象
物からの反射光と前記被測定物からの反射光とを前記測
定用ビームと同軸上に合成して検出ビームを取り出す検
出光学系と、前記検出ビームより、前記被測定物からの
反射光と前記第２の参照対象物からの反射光とによる干
渉信号を検出し、該干渉信号が出力されるときの前記被
測定物の位置を基準位置とする検出手段とを有する基準
位置検出光学系と、を備えたものである。

【００１０】また、請求項２に記載の発明に係る干渉計
では、請求項１に記載の干渉計において、前記第１の参
照対象物が、第１のレーザ光源からの出力ビームの前記
第１の参照対象物への入射方向が前記測定用光路と略平
行であると共に、前記分岐点からの距離が、該分岐点か
ら前記測定用ビームからの干渉縞信号の検出可能な強度
範囲に相当する前記被測定物の前記測定用光路上での移
動可能範囲の中心までの距離とほぼ一致するよう配置さ
れたものである。

【００１１】

【作用】本発明では、測定用干渉光学系において第１の
レーザ光源からの出力ビームを参照用光路と測定用光路
とに分岐し、参照用光路上の第１の参照対象物からの反
射光と前記測定用光路上の被測定物からの反射光とを同
軸上に合成して測定用ビームを取り出し、位相差を持つ
干渉出力信号を検出してこれらの相互干渉状態から被測
定物の変位を求める干渉計に、第１のレーザー光源に対
して発振中心波長が異なる低コヒーレンスの第２のレー
ザ光源と、該第２のレーザ光源からの出力ビームを参照
用光路と測定用光路とに分岐し、参照用光路上の第２の
参照対象物からの反射光と被測定物からの反射光とを測
定用ビームと同軸上に合成して検出ビームを取り出す基
準位置検出光学系を備えたものである。

【００１２】以上の構成において、第２のレーザ光源と
して用いた低コヒーレンスによる干渉光学系では、図４
に示すように、参照用光路と測定用光路との光路長がほ
ぼ等しい時のみに干渉信号が得られる。コヒ−レンス長
ｌc は、中心波長をλ、光源のスペクトル幅をΔλとす
ると、λ／Δλで表される。よって、第２の光源のスペ
クトル幅を選択し光路長を調製することにより、干渉信
号が出力され得る極めて狭い特定の位置を任意に設定す
ることができる。

【００１３】本発明では、第２のレーザ光源を用いた検
出光学系の測定用光路が第１のレーザ光源を用いた測定
用光学系の測定用光路と同軸上であるため、前記の特定
の位置を、移動鏡変位量測定可能範囲における基準点、
例えば零点に設定することができる。従って、本発明に
よる干渉計では、変位量測定範囲内で常に基準点が確認
でき、変位量測定毎に基準状態を設定してそこから変位
を測定できるので、変位量測定可能範囲全体を有効に活
用した測定が簡便に行える。また、この基準点は、被検
物が移動する測定用光路と同軸上に設定されるため、光
学系に対して環境変化が生じても、同じ影響下にあるの
で対応可能であり、より高精度の変位量測定ができる。

【００１４】また、本発明では、第１の参照対象物を、
第１のレーザ光源からの出力ビームの第１の参照対象物
への入射方向が測定用光路と略平行であると共に、前記
分岐点からの距離が、該分岐点から前記測定用ビームか
らの干渉縞信号の検出可能な強度範囲に相当する前記被
測定物の測定用光路上での移動可能範囲の中心までの距
離とほぼ一致するよう配置したため、図５（ｂ）に示す
ごとく、移動鏡の変位量測定可能範囲（−Ｌ〜Ｌ）は従
来の半導体レーザを光源に用いた変位量測定可能範囲の
倍に拡大され、比較的大きい変位量であっても容易に測
定できる。このとき、上記のような構成によって、第１
の参照対象物を、測定用光路に近く空気の揺らぎ等の条
件がほぼ同様な位置に配置することができる。

【００１５】なお、本発明においては、分岐後の第１の
レーザ光源からの出力レーザと第２のレーザ光源からの
出力レーザとが参照用の同一光路を進むが、これらのレ
ーザは互いに発振中心波長が異なるものであるため、例
えばダイクロイックプリズム等の波長選択手段を用いて
分離し、各々の参照対象物へ入射させることができる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明を実施例を以て説明する。図
１は本発明の第１の実施例による測長用干渉計を示す構
成図である。本実施例は、マイケルソン干渉計を用いた
レ−ザ−変位計に応用したものであり、第１の光源１と
して半導体レ−ザ−を用いた周波数安定化レ−ザ光源を
もつ測定用干渉光学系と、第２の光源２としてス−パ−
ルミネッセントダイオ−ドや多モ−ド発振形の半導体レ
−ザ−の比較的高パワ−を有する低コヒ−レンス光源を
用いた基準位置検出光学系から構成されている。

【００１７】測定用干渉光学系において、第１の光源１
からの出力ビームは、偏光ビームスプリッタ５に入射
し、ここで透過と反射によって互いに直交する偏光成分
に分離されて夫々参照光と測長光とに利用する。本実施
例では、Ｐ偏光成分を測長光（透過光）に利用し、Ｓ偏
光成分を参照光（反射光）に利用しているが、これらの
選択は任意である。

【００１８】偏光ビームスプリッタ５を透過し射出した
測長光は、測定用光路を進み、該光路上の被測定物用移
動鏡８（コーナーキューブ）で反射される。移動鏡８
は、開き角を９０度とした二枚の反射部を備えた折り返
しミラーから構成されているため、測長光を入射方向と
正確に逆向きで別経路に折り返すよう反射して再度偏光
ビームスプリッタ５に導く。

【００１９】偏光ビ−ムスプリッタ５で反射された参照
光は、参照用光路に入射し、波長λ₁ の光に対して反射
作用を有するダイクロイックプリズム６によって光路を
曲げられ、固定鏡（コ−ナ−キュ−ブ）７へ入射する。
ここで固定鏡７へ入射方向は測定用光路と平行になるよ
う構成されている。固定鏡７は、移動鏡８と同様に折り
返しミラーから構成されており、参照光を入射方向と逆
向きに別経路で折り返すよう反射し、ダイクロイックプ
リズム６を介して再び偏光ビームスプリッター５に導
く。

【００２０】偏光ビームスプリッタ５では、夫々反射さ
れてきた測長光と参照光とが同軸に合成されて測定用出
力ビームとして出射される。本実施例では、偏光ビーム
スプリッター５の偏光選択性能（ここではＳ偏光を反射
してＰ偏光を透過させる）を利用して、偏光分割面の同
じ位置に測長光と参照光とを導いて、ここで反射された
Ｓ偏光成分の参照光と、透過するＰ偏光成分の測定光と
を合成するものとしている。偏光ビ−スプリッタ５から
の測定用ビームは、ビ−ムスプリッタ１０を通った後、
波長λ₁ の光波成分のみ透過させる光学的フィルタ１１
に入射し、透過されて９０°位相差ＤＣ干渉光学系から
なる検出計に導かれる。

【００２１】９０°位相差ＤＣ干渉計は、直交偏光成分
から位相差が９０°異なる４つの光信号を出力させるも
のであり、光検出器２１、２２、２３、２４でこれらの
光信号を光電変換させ、干渉縞信号を計数する処理回路
２６及び表示器２７で構成されている。

【００２２】検出計において、互いに直交する偏光成分
からなる検査光としての測定用ビームは、λ／２板１２
によりビ−ムスプリッタ１３の入射面に対して偏光軸を
４５°傾けて入射する。ビームスプリッタ１３では、反
射および透過によって二方向に等しい強度で分離され
る。反射成分は偏光ビ−ムスプリッタ１４に入射する。

【００２３】偏光ビームスプリッター１４に入射した出
力ビームは、偏光面が偏光分離面に対して４５度傾いた
状態で導かれるので、ここで測長光と参照光とが、それ
ぞれ透過成分と反射成分とに分離される。そして、ここ
で分離された透過光と反射光とは、それぞれ偏光干渉し
て透過干渉光並びに反射干渉光となって検出器２１、検
出器２２へ導かれる。そして、各検出器２１、２２は、
利得可変な光電変換器から構成されており、夫々干渉光
を検出して光電変換し、検出信号を処理回路２６へ出力
する。透過干渉光及び反射干渉光は偏光方位が互いに直
交しているので、干渉強度は逆相になり、０°と１８０
°の位相差を持つ干渉信号が得られる。

【００２４】一方、ビームスプリッタ１３からの透過光
は、λ／４板１６によって、反射光に対して位相を９０
°回転された後、偏光ビ−ムスプリッタ１７に入射す
る。偏光ビ−ムスプリッタ１７によって偏光分離された
透過光と反射光は、それぞれ透過干渉光と反射干渉光と
なって検出器２３、検出器２４へ導かれる。これらの検
出器は、各干渉光を検出して光電変換し、検出信号をそ
れぞれ処理回路２６へ出力する。ここでは透過干渉光と
反射干渉光とではそれぞれ位相差が９０°と２７０°の
干渉信号が得られる。

【００２５】一方、基準位置検出光学系は、例えば、ス
−パ−ルミネッセントダイオ−ドの様に発振スペクトル
幅の広い、即ち時間コヒーレンスの低下した発振中心波
長λ₂ の第２の光源２用いて構成されたものである。こ
こでは、参照用光路と測定用光路との光路長差が零の時
のみ干渉出力が得られる。そこで、ここではこの時の移
動鏡８の位置を基準点Ｂ₀ とし、変位量測定可能範囲の
零点と設定した。即ち、測定用光路の移動鏡８の移動に
伴い両光路の光路長差が零の時に出力される干渉信号を
零点パルス発生器に入力させ、零点パルス信号を出力さ
せるようにした。

【００２６】このような基準位置検出光学系において、
第２の光源２からの出力ビームは、ミラー４、ビームス
プリッタ３によって第１の光源１からの出力ビームと同
一光路上に合成された後、偏光ビームスプリッタ５に入
射する。

【００２７】偏光ビームスプリッタ５で反射されＳ偏光
成分は参照光として参照用光路へ進み、波長λ₂ の光を
透過するダイクロイックプリズム６を透過して反射鏡９
に入射する。反射鏡９は折り返しミラーから構成されて
おり、参照光を入射方向と逆向きに別経路で折り返すよ
う反射し、ダイクロイックプリズム６を介して再び偏光
ビームスプリッター５に導く。

【００２８】偏光ビ−ムスプリッタ５を透過したＰ偏光
成分測定光として測定用光路を進み、移動鏡８に入射
し、ここで入射方向と逆向きに別経路で折り返すよう反
射されて再び偏光ビームスプリッター５に導かれる。

【００２９】２つの直線偏光成分は偏光ビ−ムスプリッ
タ５でそれぞれ反射、透過されて合成された後、ビ−ム
スプリッタ１０で反射され、波長λ₂ の光波成分のみを
透過させる光学的フィルタ１９を透過する。さらに方位
角４５°の検光子２０を介して干渉信号となり、検出器
２５に入射し、ここで光電変換され、処理回路２６へ出
力される。

【００３０】図２は、本実施例の電気処理系の概要を示
したものである。処理回路２６において、各検出器２
１、２２、２３、２４で光電変換された４位相信号は、
増幅器２８で適宜増幅された後、それぞれ位相差が１８
０°異なる信号を差分器２９に導かれ、位相差０°−１
８０°と、９０°−２７０°との逆位相同志の差分信号
に変換され、位相が９０°異なる２つの電気信号が得ら
れる。

【００３１】この電気信号をフリンジカウンタ３０に入
力し、移動鏡８の移動に伴って発生した干渉縞信号を計
算、積算する。この結果から、距離あるいは変位量は表
示器２７にて演算され表示される。さらに、外部インタ
ーフェースを介して外部計算器等に変位情報を伝送させ
ることもできる。

【００３２】一方 、基準位置検出光学系からの干渉信
号は、増幅器２８で適宜増幅された後、零点パルス発生
器３１にてパルス信号に変換され、フリンジカウンタ３
０への零点信号に利用される。

【００３３】上記第１の実施例においては、干渉測長機
の図５（ｂ）に干渉縞信号強度（可視度）特性を示した
ように、参照用光路の固定鏡を、参照用光路と測定用光
路との分岐からの距離が、該分岐点から変位測定可能範
囲の中点までの距離とほぼ一致させるよう配置したので
測長可能な距離は、従来のものの２倍に拡大しており、
より大きい変位量も容易に測定できる。また、本実施例
の測長機では、常にあるいは変位測定毎に零点位置が検
出されるので、従来の装置似比べて測定操作が容易で正
確である。さらに、固定鏡は、参照光路を折り曲げて測
定用光路と近い配置（両光路は平行）とすることによ
り、空気の揺ぎ等の環境条件がほぼ同様であり、精度の
高い変位量測定値が得られる。

【００３４】なお、本発明は、参照光と測長光との干渉
光を形成する方式や、これらの参照光と測長光とを同軸
上に合成する方式、また９０°位相差を持つ二つの干渉
出力信号の相互干渉状態から被測定物の変位を求める干
渉縞計測方法等は、本実施例に示す方式に限定されるも
のではなく、ここに示す方式以外のものであっても本発
明を応用できる。

【００３５】次に、第２の実施例として本発明による測
長用干渉計を閉鎖系で構成し装置化したものを図３に示
した。この装置は、ケース４０内の一端部に、光源、送
光・受光光学系及び検出器からなる測定用干渉光学系４
１を、ここから所定距離離れた位置に参照用固定鏡を、
さらに測定用移動鏡８をケ−ス内にて長手方向に設置し
たガイドレール４４上の固定板４５に載置した状態で収
納したものである。

【００３６】固定鏡（不図示）は、測長可能範囲の中点
に固定配置されており、移動鏡８は、載置されている固
定板４５のガイドレール上の移動によってケース内を長
手方向の測定用光路上で移動可能となっている。レ−ザ
−ビ−ムはゴムシ−ル４３により外部から隔離され、ゴ
ミ、油、切り屑等の影響を受けない構成となっている。
移動鏡４８と被測定物との接続は取付金具４６を用い
る。表示器４７は、ケース４０の端部から測定用干渉光
学系４１に接続されており、検出器からの出力によって
干渉縞信号を計数、積算し変位量を演算する。

【００３７】上記の如き構成の装置において、測定用干
渉光学系および基準位置検出光学計は実施例１に示した
ものと同様の機能、作用を持つものである。このよう
に、装置化された干渉計であれば、いつでも、どこでも
簡便に被検物の変位量あるいは距離を容易に測定するこ
とができる。

【００３８】なお、上記実施例においては、基準位置検
出用の反射鏡９を参照用の固定鏡７と別個に設け、基準
位置を変位量測定可能領域の分岐点よりの端部の零点と
設定したが、固定鏡７を基準位置検出用の反射鏡９とし
て兼用しても良い。この場合、基準点は、変位量測定可
能領域の中点となる。

【００３９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、従来より大きな変位量測定可能範囲と絶対的な基準
位置を利用して、より高精度な変位量測定が容易な操作
で簡便に行うことができる。さらに、本発明の構成によ
れば、被測定物の変位量、距離等を手軽に容易に測定し
得る干渉計の装置化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による測長用干渉計を示
す概略構成図である。

【図２】第１の実施例で示した干渉計の電気処理系を説
明するブロック図である。

【図３】本発明の第２の実施例による干渉計装置を示す
概略構成図である。

【図４】低コヒ−レンス光源を用いた干渉計の光路長差
に対する干渉出力を示す線図である。

【図５】半導体レ−ザ−を光源に用いた干渉計の光路差
（変位量測定可能範囲長）と干渉縞信号強度の関係を示
す線図であり、（ａ）は従来技術による干渉計の場合、
（ｂ）は本発明による干渉計の場合を示すものである。

【図６】従来技術による半導体レ−ザ−を用いた干渉計
を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１，１０１：周波数安定化レ−ザ−光源（第１の光源） ２：低コヒ−レンス光源（第２の光源） ３，１０，１３，１０３：ビ−ムスプリッタ ４：ミラ− ５，１４，１７，１１０：偏光ビ−ムスプリッタ ６：ダイクロイックプリズム ７，９，１０７：固定鏡（コ−ナ−キュ−ブ） ８，４８，１０８：移動鏡（コ−ナ−キュ−ブ） １１，１９：光学的フィルタ １２：λ／２板 １５，１８：プリズム １６：λ／４板 ２０：検光子 ２１，２２，２３，２４，２５，１１１，１１３：光検
出器 ２６：処理回路 ２７，４７：表示器 ２８：増幅器 ２９：差分器 ３０，１２０：フリンジカウンタ ３１：零点パルス発生器 ４０：ケース ４１：測定用干渉光学系 ４２：ヒ−トシンク ４３：ゴムシール ４４：ガイドレ−ル ４５：固定板 ４６：取付金具 １０５：λ／８板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のレーザ光源からの出力ビームを参
   照用光路と測定用光路とに分岐し、前記参照用光路上の
   第１の参照対象物からの反射光と前記測定用光路上の被
   測定物からの反射光とを同軸上に合成して測定用ビーム
   を取り出す測定用干渉光学系と、 前記第１のレーザー光源に対して発振中心波長が異なる
   低コヒーレンスの第２のレーザ光源と、該第２のレーザ
   光源からの出力ビームを前記参照用光路と測定用光路と
   に分岐し、前記参照用光路上の第２の参照対象物からの
   反射光と前記被測定物からの反射光とを前記測定用ビー
   ムと同軸上に合成して検出ビームを取り出す検出光学系
   と、前記検出ビームより、前記被測定物からの反射光と
   前記第２の参照対象物からの反射光とによる干渉信号を
   検出し、該干渉信号が出力されるときの前記被測定物の
   位置を基準位置とする検出手段とを有する基準位置検出
   光学系と、を備えたことを特徴とする干渉計。
2. 【請求項２】前記第１の参照対象物は、第１のレーザ光
   源からの出力ビームの前記第１の参照対象物への入射方
   向が前記測定用光路と略平行であると共に、前記分岐点
   からの距離が、該分岐点から前記測定用ビームからの干
   渉縞信号の検出可能な強度範囲に相当する前記被測定物
   の前記測定用光路上での移動可能範囲の中心までの距離
   とほぼ一致するよう配置されたことを特徴とする請求項
   １に記載の干渉計。