(57)【要約】【課題】非線形誤差及び回折で誘発される誤差を最小化し、拡張性に優れた変位測定干渉計を提供する。【解決手段】２波長レーザ源１０から出射されるレーザ光は４分の１波長板２０、アイソレータ３５を経て空間的に分離された基準ビームｆ1、測定ビームｆ2とされ、光ファイバを通して干渉計４５に導かれる。振幅分割無偏光界面が形成される第１、第２の入力長斜方形サブアセンブリ１９０、２００を介して基準ビームｆ1、測定ビームｆ2は偏光ビームスプリッタ内に導かれる。キューブコーナー１１０で再帰反射されて偏光ビームスプリッタに再入射した測定ビームｆ2と基準ビームｆ1とが再結合されて位相検出器１３０、１４０に導かれる。基準ビームｆ1、測定ビームｆ2は、干渉計４５内において同じ長さの経路を通るように構成されており、温度変化に伴う偏光ビームスプリッタの熱膨張の影響を等しく受けるので、その影響を相殺できる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力面及び第１の出力面を有する第１の入力長斜方形サブアセンブリであって、第１の振幅分割無偏光界面がその内部に配置される、第１の入力長斜方形サブアセンブリと、
第２の入力面及び第２の出力面を有する第２の入力長斜方形サブアセンブリであって、第２の振幅分割無偏光界面がその内部に配置される、第２の入力長斜方形サブアセンブリと、
少なくとも第１の面、第２の面、及び第３の面を備え、且つ、その内部に配置される偏光ビームスプリッタ界面を有する、偏光ビームスプリッタサブアセンブリと、
を備えるモノリシック干渉計アセンブリであって、
前記第１の入力長斜方形サブアセンブリの前記第１の出力面は、前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第１の面に取り付けられ、前記第２の入力長斜方形サブアセンブリの前記第２の出力面は、前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第２の面に取り付けられ、前記第１及び第２の入力長斜方形サブアセンブリならびに前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリは、第１の周波数を有する第１のビーム及び第２の周波数を有する第２のビームが空間的に分離され、それぞれ前記第１の入力面及び前記第２の入力面を通って前記モノリシック干渉計アセンブリに入ることを可能にするように構成され、且つ、互いに取り付けられ、前記第１の振幅分割無偏光界面及び前記第２の振幅分割無偏光界面は、前記第１のビーム及び前記第２のビームをそれぞれ分割する
ことを特徴とする、モノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項２】
第１の入力面を有する第１の４分の１波長板をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項３】
前記第１の４分の１波長板の前記第１の入力面は、前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第３の面に取り付けられることを特徴とする、請求項２に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項４】
第２の入力面を有する第２の４分の１波長板をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項５】
前記第２の４分の１波長板の前記第２の入力面は、前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第３の面に取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項６】
シングルパス干渉計として動作するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項７】
デュアルパス干渉計として動作するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項８】
３つ以上の光軸を有する干渉計として動作するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項９】
測定ビーム及び基準ビームの少なくとも１つを反射するための少なくとも１つのキューブコーナーをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のモノリシック干渉計アセンブリ。
【請求項１０】
第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを生成して放射するためのレーザ光源であって、前記第１のレーザビームは第１の周波数を有し、前記第２のレーザビームは前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有し、前記レーザ光源は、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを含む第１の出力を提供する、レーザ光源と、
前記レーザ光源によって提供される前記第１の出力に対して直列に配設される偏光ビームスプリッタ（３５）であって、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受け、環帯状に分離する手段を用いずに前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを空間的に分離し、前記第１のレーザビームを含む第２の出力と、前記第２のレーザビームを含む第３の出力とを空間的に分離した状態で出力する、偏光ビームスプリッタ（３５）と、
前記偏光ビームスプリッタ（３５）から出力される前記第２の出力及び前記第３の出力に対して直列に配設される光ファイバシステムであって、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを別々に受け、前記第１のビーム及び前記第２のビームの各光路長の少なくとも一部にわたって前記光ファイバシステム内で前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを互いに光学的に隔離する、光ファイバシステムと、
を備えることを特徴とする、干渉計レーザ光源／送出システム。
【請求項１１】
前記レーザ光源は、ヘリウムネオンレーザ光源であることを特徴とする、請求項１０に記載の干渉計レーザ光源／送出システム。
【請求項１２】
前記第１のビーム及び前記第２のビームは、前記システム内において前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれに対応する光路長の大半にわたって分離されていることを特徴とする、請求項１０に記載の干渉計レーザ光源／送出システム。
【請求項１３】
空間的に分離されていて、環帯状にではない状態で間隔を開けて配置される、第１の周波数を有する第１のレーザビーム及び第２の周波数を有する第２のレーザビームを干渉計に送出するためのシステムであって、
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを生成して放射するための手段と、
放射された前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受ける偏光手段（３５）であって、環帯状に分離する手段を用いずに前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを空間的に分離し、前記第１のレーザビームを含む第１の出力と、前記第２のレーザビームを含む第２の出力とを環帯状にではない状態で空間的に分離して出力する、偏光手段（３５）と、
空間的に分離された前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受け、且つ、それらの空間的に分離された状態を維持するための、受けて維持する手段を備えるとともに、空間的に分離された前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを別々の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリへ送出するための手段をさらに備える、受けて維持して送出する手段と、
を備えることを特徴とする、システム。
【請求項１４】
前記第１及び第２のレーザビームを生成して放射するための手段は、ヘリウムネオンレーザ光源であることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームは、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームのそれぞれに対応する光路長の大半にわたって、前記受けて維持して送出する手段内で空間的に分離されることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
第１の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリと、第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリと、偏光ビームスプリッタサブアセンブリとを備える干渉計アセンブリであって、
前記第１の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリ及び前記第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリは、空間的に分離された第１のビーム及び第２のビームを、振幅分割手段を用いて受け、透過し、反射するように構成され、
前記第１のビームは第１の周波数を有し、前記第２のビームは第２の周波数を有し、
前記第１及び第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリからの各出力ビームは、前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリ及びその内部に配置される偏光ビームスプリッタ界面に送られる、
ことを特徴とする干渉計アセンブリ。
【請求項１７】
前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリに取り付けられた第１の４分の１波長板をさらに備え、前記第１の４分の１波長板は、前記第１のビームを受けて反射するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計アセンブリ。
【請求項１８】
前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリに取り付けられた第２の４分の１波長板をさらに備え、前記第２の４分の１波長板は、前記第２のビームを受けて透過するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計アセンブリ。
【請求項１９】
前記第１の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリ及び前記第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリの少なくとも１つは、第１の面が形成されていて第１の体積を有する光学グレードガラスと、第２の面が形成されていて第２の体積を有する光学グレードガラスとを有し、
前記第１の面及び第２の面は互いに接着剤で接着され、
前記第１の面と前記第２の面との間の、接着剤で接着された界面は、振幅分割界面を形成する
ことを特徴とする請求項１６に記載の干渉計アセンブリ。
【請求項２０】
第３のビームを受けるための少なくとも第３の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリをさらに備え、前記第３のビームは、前記第１のビーム及び前記第２のビームと異なる周波数を有することを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計アセンブリ。
【請求項２１】
モノリシックで構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計アセンブリ。
【請求項２２】
少なくとも第１の基準レーザビーム及び第２の測定レーザビームを生成して放射するためのレーザ光源であって、前記第１のレーザビームは第１の周波数を有し、前記第２のレーザビームは前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する、レーザ光源と、
前記レーザ光源から放射された前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受けるための第１の偏光ビームスプリッタ（３５）であって、環帯状に分離する手段を用いずに前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを空間的に分離して、分離された第１のレーザビーム出力及び第２のレーザビーム出力を出力する、第１の偏光ビームスプリッタ（３５）と、
第１の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリと、第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリと、第２の偏光ビームスプリッタサブアセンブリとを備える干渉計アセンブリであって、前記第１及び第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリは、前記第１の偏光ビームスプリッタから、前記第１のレーザビーム出力及び前記第２のレーザビーム出力を受け取るように構成され、前記第１の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリ及び前記第２の入力長斜方形振幅分割無偏光サブアセンブリは、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを振幅分割して得られた部分を反射及び透過して前記第２の偏光ビームスプリッタ及びその内部に配置された偏光ビームスプリッタ界面に導く、干渉計アセンブリと、
を備えることを特徴とする、変位測定干渉計システム。
【請求項２３】
第１の入力面を有する第１の４分の１波長板をさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２４】
前記第１の４分の１波長板の前記第１の入力面は、前記第２の偏光ビームスプリッタサブアセブリの一面上に取り付けられることを特徴とする、請求項２３に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２５】
第２の入力面を有する第２の４分の１波長板をさらに備えることを特徴とする、請求項２３に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２６】
前記第２の４分の１波長板の前記第２の入力面は、前記偏光ビームスプリッタの面に取り付けられることを特徴とする、請求項２５に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２７】
シングルパス干渉計システムとして動作するように構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２８】
デュアルパス干渉計システムとして動作するように構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項２９】
３つ以上の光軸を有する干渉計システムとして動作するように構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３０】
測定ビーム及び基準ビームの少なくとも１つを反射するための少なくとも１つのキューブコーナーをさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３１】
前記第１の入力長斜方形サブアセンブリ、前記第２の入力長斜方形サブアセンブリ、及び前記第２の偏光ビームスプリッタサブアセンブリの少なくとも１つは、モノリシックで構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３２】
前記変位測定干渉計はモノリシックで構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３３】
第２の測定ビームを受けて反射するための、再帰反射キューブコーナー及びミラー平面の少なくとも１つをさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３４】
前記干渉計アセンブリから出力された前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受け取るための第１の検出器及び第２の検出器をさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３５】
前記レーザ光源からの出力を一定に維持するためのフィードバック制御システムをさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３６】
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記干渉計アセンブリとの間に配置されたアイソレータをさらに備え、前記アイソレータは、前記第１のビーム及び前記第２のビームを、少なくとも部分的に空間的且つ光学的に分離することを特徴とする、請求項２２に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３７】
前記アイソレータは、前記第１のビーム及び前記第２のビームを隔離するための第１の光ファイバ手段及び第２の光ファイバ手段を備えることを特徴とする、請求項３６に記載の変位測定干渉計システム。
【請求項３８】
モノリシック干渉計アセンブリを作製する方法であって、
第１の入力面及び第１の出力面を有する第１の入力長斜方形サブアセンブリを設けることであって、第１の振幅分割無偏光界面が前記第１の入力長斜方形サブアセンブリ内に配置される、第１の入力長斜方形サブアセンブリを設けることと、
第２の入力面及び第２の出力面を有する第２の入力長斜方形サブアセンブリを設けることであって、第２の振幅分割無偏光界面が前記第２の入力長斜方形サブアセンブリ内に配置される、第２の入力長斜方形サブアセンブリを設けることと、
少なくとも第１の面、第２の面、及び第３の面を備え、且つ、その内部に配置される偏光ビームスプリッタ界面を有する、偏光ビームスプリッタサブアセンブリを設けることと、
前記第１の入力長斜方形サブアセンブリの前記第１の出力面を前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第１の面に直接取り付けることと、
前記第２の入力長斜方形サブアセンブリの前記第２の出力面を前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリの前記第２の面に直接取り付けることと、
を含み、
前記第１及び第２の入力長斜方形サブアセンブリ及び前記偏光ビームスプリッタサブアセンブリは、第１の周波数を有する第１のビーム及び第２の周波数を有する第２のビームが、それぞれ前記第１の入力面及び前記第２の入力面を通り、空間的に分離されて前記干渉計アセンブリに入ることを可能にするように構成され、且つ、互いに取り付けられ、前記第１の振幅分割無偏光界面及び前記第２の振幅分割無偏光界面は、前記第１のビーム及び前記第２のビームをそれぞれ分割するように構成される、
ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
前記第１の出力面は前記第１の面に接着剤で接着されることを特徴とする、請求項３８に記載のモノリシック干渉計アセンブリを作製する方法。
【請求項４０】
前記第２の出力面は前記第２の面に接着剤で接着されることを特徴とする、請求項３８に記載のモノリシック干渉計アセンブリを作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位測定用の干渉計等に用いられる干渉計アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
変位測定干渉計（「ＤＭＩ（displacement measuring interferometer）」）は、当該技術分野において既知であり、数十年間、小さな変位及び長さを高レベルの精度及び分解能で測定するのに使用されてきた。このようなデバイスの中で、ヘリウム−ネオン変位測定レーザ干渉計は、その高度の安定性及び単色性のために、比較的広範囲の用途に恵まれていた。しかしながら、干渉計は、長期間にわたって支持しなければならないミラーの注意深い位置合わせを必要とする。これは、実用上無視できない問題点を提起する可能性がある。
【０００３】
ダブルパス（double-pass）干渉計は、干渉計の各アームをダブルパスにし、且つ、パス間の波面を反転するための手段を組み込むことによって、ミラーの位置合わせ不良の影響を部分的に受けなくすることができる。これについては、たとえば、非特許文献１を参照されたい。この論文では、ダブルパスは、偏光ビームスプリッタ、２つの４分の１波長板、及び反転コンポーネントとして働くキューブコーナー反射器を使用して達成される。ベネット著の上記論文の全内容は、参照によりここで本明細書に援用される。それらの実用化の可能性、ロバスト性、安定性、及び精度の結果として、ダブルパス変位測定干渉計は、高精度の変位測定に比較的一般的な使用を見出す。
【０００４】
しかしながら、一般的にはＤＭＩの分野において成された多くの進歩にもかかわらず、測定誤差及び不正確さが存続する。このような誤差及び不正確さの原因となる要因の中には、位置合わせ誤差及び経路長誤差、光混合、熱の影響、偏光漏れ（polarization leakage）（又は、測定ビームと基準ビームとの意図されていない混合）、回折で誘発された縞、位相と変位との間の非線形関係、並びにそれ以外の誤差がある。これについては、たとえば非特許文献２、３を参照されたい。これらの論文には、これらの要因のいくつかが詳細に解説されている。ブロブロフ著の上記論文及びシュミッツ等著の上記論文のそれぞれの全内容は、参照によりここで本明細書に援用される。
【０００５】
従来技術のほとんどのＤＭＩは、基準ビーム及び測定ビームが干渉計システムの光学部分に提供される前に、それらのビームを結合する。光源及び光学部品の非理想的な特性の結果、所望の変位が測定される前に、基準ビームと測定ビームとが混合されてしまう。これが、非線形誤差がＤＭＩに生じてしまう主要な原因の１つである。ＤＭＩの非線形誤差の別の主要な源は、回折に基づく干渉である。いくつかの従来技術のＤＭＩは、反射型開口（reflective aperture）を使用して、測定ビームと基準ビームとを分離する。これらの２つのビームは、反射型開口まで共通の環帯部分（アニュラス）を共有する。このようなアーキテクチャの結果として、干渉ビームが形成され、これが性能を劣化させる可能性がある。
【０００６】
２００１年のＡＳＰＥの年次会合で提示された「Demonstration of Sub-Angstrom Cyclic Non-Linearity Using Wavefront-Division Sampling with a Common-Path Laser heterodyne Interferometer」という題名の論文において、カリフォルニア州パサディナのカリフォルニア工科大学のジェット推進研究所のフェン・チャオ（Feng Zhao）は、非線形誤差を最小にするように試みる共通光路型ヘテロダイン干渉計を開示している。チャオの開示では、基準ビーム及び測定ビーム用に別々の光ファイバチャネルを使用することにより、検出器への光路のほとんどにわたって基準ビーム及び測定ビームを分離する。基準ビームは第１の周波数を有し、測定ビームは第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する。おおまかに述べると、第１の周波数に対応する第１のビーム及び第２の周波数に対応する第２のビームが生成されて、別々の第１の検出器及び第２の検出器において測定される。しかしながら、いくつかのシステムでは、事はこれよりも複雑である。上述したのに代えて、いわゆる「局部発振器」ビーム及び「プローブ」ビームが、２つの別々のビームとして光源により放射される。これらのビームは、干渉計で混合されて、その出力部において測定ビーム及び基準ビームが生成される。この話題について以下でさらに詳細に解説する。また図８も参照されたい。明確にして混乱を回避するために、本明細書では、用語「測定ビーム」及び「基準ビーム」が使用されるが、いずれか一方の用語が出現し得る特定の状況に応じて、用語「局部発振器ビーム」及び「プローブビーム」とそれぞれ潜在的に交換可能であると理解されるべきである。
【非特許文献１】S. J. Bennett  著「A Double-Passed Michelson Interferometer」Optics Communications, Volume 4, number 6, February/March, 1972
【非特許文献２】Norman Brobroff  著「Recent Advances in Displacement Measuring Interferometry」Meas. Sci. Technol. 4 (1993) 907-926
【非特許文献３】Schmitz及びBeckwith  著「An Investigation of Two Unexplored Periodic Source Errors in Differential-Path Interferometry」Precision Engineering 27 (2003) 311-322
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１のビームは、第１の周波数ビームが、固定された開口に入射することによって生成される基準ビームである。第２のビームは、第２の周波数ビームが、移動するターゲットに当たることによって生成される測定ビームである。第１のビームと第２のビームとの間の位相差は、ターゲットの位置を表す（第１のビームと第２のビームとの間の位相差によってターゲットの位置を求めることができる）。チャオの干渉計アーキテクチャは、測定された変位における非線形誤差を減少させる。しかしながら、チャオは、波面分割（wavefront division）方式を使用し、この方式では、測定ビーム及び基準ビームが、基本的に同じ光路に沿って互いに環状に間隔を開けて配置され（測定ビーム及び基準ビームが環状に分離された経路に沿って進むように構成される）るので、回折に基づく干渉誤差が依然として重要である。その上、チャオの手法は、２つ以上の光軸にどのように拡張できるかが明らかではない。
【０００８】
非線形誤差及び回折で誘発される誤差をさらに最小にし、且つ、直接的且つ経済的な方法で光軸の数の規模を拡大／縮小できるＤＭＩが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基準ビーム及び測定ビームが、干渉計の光学部分へ非同軸に互いに平行に送られる。これらのビームは、互いに環帯状に間隔を空けて（同軸状に）配置されるのではない。それによって、干渉によって誘発される誤差が低減される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、基準ビーム及び測定ビームは、それらの各光路の大半の部分にわたって互いに隔離され、空間的に分離した振幅分割偏光入力長斜方形すなわち無偏光入力長斜方形空間的へ配信されて、干渉の影響及び付随する非線形性が低減される。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、コンパクトな形式で任意の個数の光軸に拡大縮小できる干渉計が提供される。
【００１２】
本発明のさらに別の態様によれば、測定ビーム及び基準ビームを再結合するが、このようなビームを分割しない干渉計アセンブリが提供され、その結果、検出器までの経路における基準ビームの位相変化がなくなるか、又は、最小にされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、従来技術の線形変位測定干渉計のブロック図を示している。デュアル周波数ゼーマン分割ヘリウム−ネオンレーザ光源１０が、周波数ｆ1を有する第１のビーム及び周波数ｆ2を有する第２のビームを生成して放射する。ここで、第１のビームは、第１の円偏光状態を有し、第２のビームは、第１の偏光状態とは異なる第２の円偏光状態を有する（以下、第１のビームを「ビームｆ1」といい、第２のビームを「ビームｆ2」という）。光源１０から放射されたビームｆ1及びｆ2は、通常、それぞれ右回転偏光（右旋偏光）及び左回転偏光（左旋偏光）される。２つのレーザモードは、光源１０のキャビティ内で増幅される。これら２つのモードは２つの偏光状態に対応する。ゼーマン分割レーザでは、２つの偏光は、円偏光であり、逆の旋光方向になっている。望遠鏡１５は、光源１０により放射されたビームｆ1及びｆ2を拡大（エキスパンド）して平行にし、干渉法システムの残りの部分に送出するための手段を提供する。
【００１４】
次に、ビームｆ1及びｆ2は、４分の１波長板２０を通過する。４分の１波長板では、ビームｆ1及びｆ2は、円偏光状態から直線偏光状態へ変換され、次いで、無偏光ビームスプリッタ３０へ送られる。（これらの直線偏光ビームを偏光ビームスプリッタ２０４、すなわち「ＰＢＳ２０４」の入射面と適切に位置合わせするための手段は図１には示されていないことに留意されたい。）。
【００１５】
直線偏光ビームが、干渉計４０の偏光ビームスプリッタ２０４の入射面と一旦適切に位置合わせされると、ビームｆ1は、測定キューブコーナー１１０へ透過されるのに対して、ビームｆ2は、基準キューブコーナー１００へ反射される。ビームｆ1及びｆ2は、それらの各キューブコーナー１００及び１１０から再帰反射された後、偏光ビームスプリッタ２０４（すなわち、「ＰＢＳ２０４」）において再結合される。このように、干渉計４０は、直線偏光ビームｆ1及びｆ2の透過部分（無偏光ビームスプリッタ３０を透過した光）を受け取り、次いで、このようなビームの各部分を基準キューブコーナー１００及び測定キューブコーナー１１０へ送る。
【００１６】
基準キューブコーナー１００及び測定キューブ１１０から反射されたビームｆ1及びｆ2は、第２の４５度偏光装置１２０を通って送られる。第１の４５度偏光装置９０及び第２の４５度偏光装置１２０は、それぞれ、測定ビームｆ1及び基準ビームｆ2を再結合する。位相検出器１３０及び１４０からの出力は、位相ロックループ検出器１５０及び１６０に入力される。これらの位相ロックループ検出器は、共に、差分Δｆを与え（出力し）、この差分Δｆから、測定キューブコーナー１１０が移動した変位が求められる。再結合されたビームｆ1及びｆ2は偏光装置１２０を通過し、偏光装置１２０は、直交する状態で偏光された２つのビーム間の干渉をもたらす。その結果として生成された干渉ビームは、偏光装置１２０によってフォトダイオード１４０へ透過されて検出される。結果として生成された干渉ビームの周波数は、基準キューブコーナー１００に対する、測定キューブコーナー１１０の測定ビームの軸に沿った相対速度に対応する。この干渉ビームの位相は、測定ビームの軸に沿った測定キューブコーナー１１０の相対位置に対応する。
【００１７】
図１を続けて参照して、ビームｆ1及びｆ2のそれぞれの一部が４分の１波長板２０から現れると、それら一部は、干渉計４０の方向にビームスプリッタ３０を透過する（干渉計４０は干渉法システムの光学部分である）。ビームｆ1及びｆ2のそれぞれの残りの部分は、無偏光ビームスプリッタ５０及び第１の４５度偏光装置９０に向けて反射される。液晶偏光装置６０、出力検出器７０、及びレーザチューニングサーボ８０は、レーザ光源１０の出力が不変であることを監視して制御するためのフィードバック制御手段を備える。安定性のために、光源１０のレーザ共振器は、光源１０によって生成された２つのレーザモードの出力バランスからのフィードバックを使用して温度制御される。無偏光ビームスプリッタ３０及び５０を通って配信されるビームの一部は、液晶偏光装置６０へ送られる。液晶偏光装置６０は、第１の偏光状態及び第２の偏光状態を有する光を交互に透過させる。フォトダイオード７０は、或る時間にわたって出力バランスを測定し、このような情報をレーザチューニングサーボ８０に提供する。
【００１８】
図１及び本明細書で述べる付随した説明は、アジレント社（Agilent）のモデル番号１０７０５線形干渉計の態様を説明する。この１０７０５線形干渉計は、モノリシック設計及びモノリシック構造を有する。
【００１９】
本発明の明細書、図面、及び特許請求の範囲、並びに、ＤＭＩ、ＤＭＩの一部、又はＤＭＩシステムの解説、説明、及び／又は特許請求の状況において使用される場合、用語「モノリシック」は、ガラス又は光学的に等価な材料から成る少なくとも偏光ビームスプリッタサブアセンブリ又は無偏光ビームスプリッタサブアセンブリと、同じくガラス又は光学的に等価な材料から成る少なくとも１つのキューブコーナー長斜方形サブアセンブリ、入力長斜方形サブアセンブリ、出力長斜方形サブアセンブリ、反射長斜方形サブアセンブリ、又は再帰反射長斜方形サブアセンブリとを有する干渉計を意味することに留意されたい。ここで、ビームスプリッタサブアセンブリ、及び、少なくとも１つのキューブコーナー長斜方形サブアセンブリ、入力長斜方形サブアセンブリ、出力長斜方形サブアセンブリ、反射長斜方形サブアセンブリ、又は再帰反射長斜方形サブアセンブリは、互いに物理的に隣接して配置され、接着手段、機械的手段、化学的手段、電磁気的手段、及び／又は磁気的手段によって互いに直接取り付けられて、干渉計の光学的部分（ＤＭＩ又はＤＭＩシステムの光源、検出器、又は測定キューブミラー若しくは平面ミラーを含まない）が単一のアセンブリを形成するようにされる。
【００２０】
図１に示すＤＭＩの態様は、以下の米国特許に開示されている。すなわち、ボックマン（Bockman）に付与された「Linear-and-angular measuring plane mirror interferometer」という発明の名称の米国特許第５，０６４，２８０号、ボックマンに付与された「Multi-axis interferometer with integrated optical structure and method for manufacturing rhomboid assemblies」という発明の名称の米国特許第６，５４２，２４７号、及びボックマンに付与された「Method and interferometric apparatus for measuring changes in displacement of an object in a rotating reference frame」という発明の名称の米国特許第５，６６７，７６８号に開示されている。これらの米国特許の各内容は参照により本明細書に援用される。
【００２１】
図８を参照して、混乱を回避するために、本発明の明細書、図面、及び特許請求の範囲、並びに、ＤＭＩ、ＤＭＩの一部、又はＤＭＩシステムの解説、説明、及び／又は特許請求の範囲の記載において使用される用語「基準ビーム」は、その用語が使用される特定の状況に応じて、「局部発振器ビーム」を意味する場合もあるし、「基準ビーム」を意味する場合もあることに留意されたい。さらに、図８を参照して、本発明の明細書、図面、及び特許請求の範囲、並びに、ＤＭＩ、ＤＭＩの一部、又はＤＭＩシステムの解説、説明、及び／又は特許請求の範囲の記載において使用される用語「測定ビーム」は、その用語が使用される特定の状況に応じて、「プローブビーム」を意味する場合もあるし、「測定ビーム」を意味する場合もあることに留意されたい。
【００２２】
図８は、本発明のいくつかの実施の形態によれば、「局部発振器」ビーム及び「プローブ」ビームが光源１０から放射され、局部発振器ビーム及び基準ビームが干渉計内で混合されて、測定ビーム及び基準ビームが出力部において生成されることを示している。簡単にするために、発明者は、以下で、引き続き「基準ビーム」及び「測定ビーム」について言及するが、それらの用語は、それら用語が現れる特定の状況に応じて、直前の段落で述べたように解釈されるべきである。
【００２３】
図２、図３、及び図４は、本発明の線形変位測定干渉計（変位測定用のリニア干渉計）又はシングルパス変位測定干渉計の一実施の形態のさまざまな態様を示している。
【００２４】
図２を参照して、デュアル周波数レーザ光源１０は、周波数ｆ1を有する第１のビーム及び周波数ｆ2を有する第２のビームを生成して放射する（以下、第１のビームを「ビームｆ1」といい、第２のビームを「ビームｆ2」という）。第１のビームｆ1は、第１の円偏光状態にあり、第２のビームｆ2は、第１の偏光状態とは異なる第２の円偏光状態にある。ここで、ビームｆ1及びｆ2は、一般に、互いに対して直交するように偏光される。次に、第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2は、４分の１波長板２０を通過する。４分の１波長板２０において、それぞれのビームは、第１の直線偏光ビームｆ1及び第２の直線偏光ビームｆ2へ変換される。
【００２５】
次に、第１の直線偏光ビームｆ1及び第２の直線偏光ビームｆ2は、無偏光ビームスプリッタ３０を通過する。無偏光ビームスプリッタ３０では、各ビームのエネルギーの一部が、アイソレータ（分離器）３５の方向にビームスプリッタ３０を透過し、各ビームのエネルギーの残りの部分は、液晶偏光装置６０、出力検出器７０、及びレーザチューニングサーボ８０（これらは、図１のように、レーザ光源１０の出力を監視して変動しないように制御するためのフィードバック制御手段として使用される）へ反射される。
【００２６】
一実施の形態では、アイソレータ３５は、光ファイバ配信／コリメーションシステムと、これらに直列に接続された偏光ビームスプリッタとを備える。このシステムは、第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2それぞれの、アイソレータ３５と干渉計４５との間の光路長の大半部分において第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2を互いに分割して隔離（アイソレート）する。アイソレータ３５及びそのさまざまなコンポーネントのいくつかは、Sullivan他の「Direct combination of fiber optic light beams」という発明の名称の係属中の米国特許出願公開ＵＳ２００５／０００８３２２  Ａ１に記載されている。
【００２７】
次に、光学的に分離された第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2は、干渉計４５へ送出される。干渉計４５は、本発明の一実施の形態では、２つの入力ビーム振幅分割無偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２００及び１９０を備える。測定キューブコーナー１１０は、自身に入射する測定ビームｆ2を再帰反射して干渉計４５から出射させる。
【００２８】
図２、図３、及び図４に示す本発明の実施の形態では、４分の１波長板１７０及び１８０が干渉計４５に組み込まれる。４分の１波長板１７０は、鏡面化された反射面を特徴とする一方、４分の１波長板１８０は、鏡面化された面を有しない（ビームを反射させずに透過させる）。その結果、板１７０に入射する直線偏光ビームは、円偏光状態に変換されるのに対して、板１８０に入射する直線偏光ビームは、直線偏光のままである。
【００２９】
入力ビーム振幅分割無偏光長斜方形サブアセンブリ１９０及び２００は、ボックマンに付与された「Multi-axis interferometer with integrated optical structure and method for manufacturing rhomboid assemblies」という発明の名称の米国特許第６，５４２，２４７号の教示に従って構築することができる。図２、図３、及び図４に示す本発明の実施の形態では、入力される各基準ビーム及び各測定ビームにつき１つの長斜方形サブアセンブリが設けられる。図２、図３、及び図４に示す干渉計４５によって提供される２つの出力ビームは、好ましくは、等しい出力を有し、基準ビームは垂直偏光され、測定ビームは水平偏光される。
【００３０】
干渉計４５から出力された基準ビーム及び測定ビームは、次に、４５度偏光装置９０及び１２０のそれぞれを通って送られ、同じ偏光状態を共有してそれらの４５度偏光装置から出射するようにされる。位相検出器１３０及び１４０からの出力は、位相ロックループ検出器１５０及び１６０に入力される。位相ロックループ検出器１５０及び１６０は、アップ／ダウンカウンタ２０５と組み合わさって、差分Δｆを出力する。この差分Δｆから、測定キューブコーナー１１０が干渉計４５に対して移動した距離又は変位を求めることができる。基準ビーム又はチャネル出力は、システムの共通ドリフトを測定するのに使用される。この共通ドリフトは、通常、等方性温度ドリフト、すなわちΔｆthermによって支配される。量Δｆthermは、好ましくは、各測定チャネル、すなわち各測定ビームから差し引かれる。図３及び図４は、干渉計４５のさらに細部を示している。
【００３１】
図３は基準ビームｆ1の光路を示す一方、図４は測定ビームｆ2の光路を示す。路長ｌa及びｌbは、等しい長さの称呼値を有し、したがって、干渉計４５の大きさが温度と共に変化しても、路長の相対的変化は起こらない。基準ビームｆ1及び測定ビームｆ2は、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２０６の１つの長さ（一辺の長さ）に、４分の１波長板１７０及び１８０を通る光路長の２倍を加えたものに等しい分だけ光路長の追加を受ける。したがって、干渉計４５の大きさが温度と共に変化すると、基準ビームｆ1及び測定ビームｆ2の各路長は、等しい量だけ変化し、その結果、断熱設計（熱の影響を受けにくい設計）が得られる。
【００３２】
引き続き図３及び図４を参照して、干渉計４５は、第１の入力面２０１及び第１の出力面２０３を有する第１の入力長斜方形（ｒｈｏｍｂ）サブアセンブリ２００を備える。第１の入力長斜方形サブアセンブリ２００の内部には、第１の振幅分割無偏光界面２０２が配置される。第２の入力長斜方形サブアセンブリ１９０は、第２の入力面１９１及び第２の出力面１９２を備え、その内部には、第２の振幅分割無偏光界面１９５が配置される。偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２０６は、少なくとも第１の面２０７、第２の面２０８、及び第３の面２０９をそれぞれ備え、その内部に配置された偏光ビームスプリッタ界面２０４を含む。偏光ビームスプリッタ界面２０４は、好ましくは、光学ガラスの２つの層の間に挟まれた浸漬（immersed）偏光ビームスプリットコーティング又は誘電体コーティングを備える。このコーティングは、そこに入射する光ビームを選択的に反射／透過することができる。第１の４分の１波長板１７０は第１の入力面１７１を有する一方、第２の４分の１波長板１８０は第２の入力面１８１を有する。
【００３３】
第１の入力長斜方形サブアセンブリ２００の第１の出力面２０３は、好ましくは光学的に透明又は光学的にほぼ透明な粘着剤又は接着剤によって、ビームスプリッタサブアセンブリ２０６の第２の面２０８に取り付けられる。第２の入力長斜方形サブアセンブリ１９０の第２の出力面１９２は、同じく、好ましくは光学的に透明又は光学的にほぼ透明な粘着剤又は接着剤によって、ビームスプリッタサブアセンブリ２０６の第１の面２０７に取り付けられる。第１の４分の１波長板１７０の第１の入力面１７１及び第２の４分の１波長板１８０の第２の入力面１８１は、この場合も好ましくは光学的に透明又は光学的にほぼ透明な粘着剤又は接着剤によって、ビームスプリッタサブアセンブリ２０６の第３の面２０９に取り付けられる。
【００３４】
入力長斜方形サブアセンブリ２００及び１９０、４分の１波長板１７０及び１８０、並びにビームスプリッタサブアセンブリ２０６は、第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2が、第２の入力面１９１及び第１の入力面２０１を通って別々に干渉計アセンブリ４５に入ることを可能にするように構成され、且つ、互いに取り付けられる。第１の振幅分割界面２０２及び第２の振幅分割界面１９５は、第１のビームｆ1及び第２のビームｆ2の一部を分割して反射する。
【００３５】
入力長斜方形サブアセンブリ２００及び１９０、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２０６、並びに４分の１波長板１７０及び１８０は、それぞれ、好ましくは、ボックマンに付与された米国特許第６，５４２，２４７号に記載されたように、機械で適切に作られて（又は別の方法で形成されて）コーティングされたガラス板又はコンポーネントのスタックを備える。本発明の好ましい実施の形態では、振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ２００及び１９０のそれぞれは、２つのガラスを互いに粘着又は接着することによって形成され、粘着界面又は接着界面が、振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ２００及び１９０の振幅分割界面を形成する。
【００３６】
上述したように、このようなサブアセンブリの面２０３及び２０８、１９２及び２０７、１７１及び２０９、並びに１８１及び２０９は、好ましくは、同じくボックマンに付与された米国特許第６，５４２，２４７号に記載されたように互いに接着剤で付けられる。したがって、上記で述べた用語「モノリシック」の定義と一致しており、図２、図３、及び図４に示す干渉計４５はモノリシックである。
【００３７】
図５は、本発明のデュアルパス平面ミラー振幅分割無偏光ビームスプリッタの一実施の形態、並びに、当該スプリッタを通る基準ビーム及び測定ビームが取る光路を示している。図５に示す本発明の実施の形態は、空間的に分離された入力基準ビームｆ1及び入力測定ビームｆ2をそれぞれ受け取るための第１の振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ２００及び第２の振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ１９０を含む。これらの空間的に分離された入力基準ビームｆ1及び入力測定ビームｆ2は、たとえば、図２に示すタイプのアイソレータ（アイソレータ３５）によって提供される。振幅分割無偏光界面１９５及び２０２は、入力ビームｆ1及びｆ2のそれぞれの一部を透過及び反射する。偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２０６の偏光ビームスプリッタ界面２０４は、当該界面に入射する垂直偏光ビーム又は水平偏光ビーム（すなわち、Ｐ偏光ビーム又はＳ偏光ビーム）の遮断及び反射、又は通過を行うように動作する。
【００３８】
４分の１波長板１７３、１８３、及び１９３は、高反射コーティングでコーティングされて、それらの４分の１波長板に入射してそこから反射するビームに対して偏光状態の変化を引き起こす。４分の１波長板１８７は、反射防止コーティングでコーティングされて、当該４分の１波長板を通る測定ビームｆ2の効率的な透過を容易にする。４分の１波長板１７３及び１８７は、測定ビームｆ2を受け取って反射又は透過するように構成される一方、４分の１波長板１８３及び１９３は、基準ビームｆ1を受け取って反射するように構成される。
【００３９】
図２に示す測定キューブコーナー１１０の代わりに、図５に示す本発明のデュアルパスの実施の形態では、測定ミラー１１２が設けられる。測定キューブコーナー１１０が設けられる図２に示す本発明の実施の形態と異なり、平面ミラー１１２を垂直軸（第３の面２０９に直交する軸）に沿って平行移動させながら、干渉計４７の測定精度を維持できることに留意されたい。これに加えて、図５に示す本発明のデュアルパスの実施の形態には、典型的なデュアルパス平面ミラー干渉計によって提供されるものと等価な機能を提供するキューブコーナー１０１及び１０２も含まれる。
【００４０】
入力長斜方形サブアセンブリ２００及び１９０、偏光ビームスプリッタサブアセンブリ２０６、並びに４分の１波長板１７３、１８３、１８７、及び１９３は、それぞれ、好ましくは、ボックマンに付与された米国特許第６，５４２，２４７号に記載されたように、機械で適切に作られて（又は別の方法で形成されて）コーティングされたガラス板のスタックを備える。このようなサブアセンブリの面２０３及び２０８、１９２及び２０７、１７１及び２０９、並びに１８１及び２０９は、好ましくは、同じくボックマンに付与された米国特許第６，５４２，２４７号に記載されたように、互いに隣接させて付着されるか、接着剤で付けられるか、又は、他の方法で取り付けられ若しくは固定される。したがって、上記で述べた用語「モノリシック」の定義と一致しており、図５に示すデュアルパス干渉計４７はモノリシックである。
【００４１】
図６及び図７は、本発明のアイソレータ３５及び付随する干渉計４５／４７の２つの異なる光ファイバを用いた送出の実施の形態を示している。図６及び図７に示す干渉計４５／４７は、モノリシックであり、当該干渉計のさまざまな光学素子を保持又は配置するためのフレーム等を必要としない、互いに直接取り付けられた光学素子を備えることに留意されたい。
【００４２】
Ｓｃｈｏｔｔ社の  ＢＫ−７ガラスは、本明細書で説明するタイプのモノリシック干渉計に特によく適したガラスであるとされてきたが、ガラス以外の光学的に適した材料を使用して、本発明の入力長斜方形サブアセンブリ及び偏光ビームスプリッタサブアセンブリを構築することができる。上述したように、本発明は、シングルパス干渉計又はデュアルパス干渉計に使用することができるだけでなく、３つ又は４つ以上の光軸を有する干渉計にも使用することができる。本発明のさまざまな実施の形態では、ヘリウム−ネオン光源以外のレーザ光源も使用することができる。さらに、本明細書で開示したさまざまな構造、アーキテクチャ、システム、アセンブリ、サブアセンブリ、コンポーネント、及び概念は、非モノリシック干渉計に使用することもできる。
【００４３】
したがって、本願に添付される特許請求の範囲で提示されたいくつかの請求項は、本発明のモノリシックの実施の形態に限定されることを目的とするものではないと同時に、他の請求項は、本願に添付される図面に明示的に図示されるか、又は、本明細書で明示的に解説された本発明のさまざまな実施の形態に限定されることを目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の技術に係る変位測定リニア干渉計のブロック図である。
【図２】本発明の変位測定リニア干渉計の一実施の形態のブロック図である。
【図３】本発明の振幅分割無偏光ビームスプリッタの一実施の形態、及び、当該スプリッタを通る周波数ｆ1を有する基準ビームが取る光路を示す図である。
【図４】本発明の振幅分割無偏光ビームスプリッタの一実施の形態、及び、当該スプリッタを通る周波数ｆ2を有する測定ビームが取る光路を示す図である。
【図５】本発明のダブルパス変位測定干渉計の一実施の形態、並びに、当該干渉計を通る基準ビーム及び測定ビームが取る光路を示す図である。
【図６】本発明のアイソレータ及び干渉計の一実施の形態を示す図である。
【図７】本発明の光ファイバアイソレータ及び干渉計の別の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明のいくつかの実施の形態において、光源１０によって放射された局部発振器ビーム及びプローブビームが、どのように干渉計又は干渉計システムで混合されて、基準ビーム及び測定ビームをそれぞれ提供するかを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    デュアル周波数レーザ光源
２０    ４分の１波長板
３０    無変更ビームスプリッタ
３５    アイソレータ（第１の偏光ビームスプリッタ）
４０、４５、４７    干渉計
６０    液晶偏光装置
７０    出力検出器
８０    レーザチューニング装置
９０、１２０    ４５度偏光装置
１０１、１０２  キューブコーナー
１１０    測定キューブコーナー
１１２    測定ミラー
１７０、１７３、１８０、１８３、１８７、１９３    ４分の１波長板
１９０    第２の振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ
１９１    第２の入力面
１９２    第２の出力面
１９５    第２の振幅分割界面
２００    第１の振幅分割無偏光入力長斜方形サブアセンブリ
２０１    第１の入力面
２０２    第１の振幅分割界面
２０３    第１の出力面
２０４    偏光ビームスプリッタ界面
２０６    偏光ビームスプリッタアセンブリ（第２の偏光ビームスプリッタ）
２０７    第１の面
２０８    第２の面
２０９    第３の面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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