(57)【要約】      （修正有）【課題】物体の角変位を測定する回転型干渉計の重量を軽減すると共に角度範囲を増大させる。【解決手段】レーザビームを参照ビーム及び測定ビームに分割することによって、物体の角変位が干渉計によって測定される。参照ビームは、固定の参照再帰反射器に、次いで位相シフト検出器に方向付けられる。測定ビームは、物体の回転可能な反射面、次いで固定の測定再帰反射器、次いで回転可能な反射面に引き返し、次いで位相シフト検出器に方向付けられ、その結果位相シフト検出器は、回転可能な反射面が変位するときに測定ビームの経路の長さが変わるときの回転可能な反射面の角変位を測定する。【選択図】図３Ａ
2011137810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の角変位を干渉計によって測定するための装置であって、
レーザビームを生成する手段と、
前記レーザビームを参照ビーム及び測定ビームに分割する手段と、
を備え、
前記参照ビームは、固定の参照再帰反射器に、次いで位相シフト検出器に方向付けられ、前記測定ビームは、前記物体の回転可能な反射面に、次いで固定の測定再帰反射器に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記位相シフト検出器に方向付けられ、その結果前記位相シフト検出器は、前記回転可能な反射面が変位するときに前記測定ビームの経路の長さが変わるときの前記回転可能な反射面の角変位を測定する、物体の角変位を干渉計によって測定するための装置。
【請求項２】
前記レーザビームの経路に設置されるビーム拡大器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ビーム拡大器は１つの負レンズ及び１つの正レンズを備えるガリレイ式望遠鏡である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ビーム拡大器は一対の正レンズを備えるケプラー式望遠鏡である、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記回転可能な反射面は前記物体の研磨面である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記回転可能な反射面は前記物体の表面上に配置されるミラーである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記変位は弧に沿った角度である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記位相シフト検出器は、前記測定ビームの前記経路に設置される開口板をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記参照ビームと前記測定ビームとの間の位相シフトの差を増大させる、前記測定ビームの前記経路に設置される光学アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
測定することができる角度の範囲を増大させる、前記測定ビームの前記経路に設置される多重反射光学アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記回転可能な反射面の角度の所与の変化に起因した前記参照ビームと前記測定ビームとの間の位相シフトの差を増大させる、前記測定ビームの前記経路に設置される多重反射光学アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
物体の角変位を干渉計によって測定するための装置であって、
レーザビームを生成する手段と、
前記レーザビームを参照ビーム及び測定ビームに分割する手段と、
を備え、
前記参照ビームは、固定の参照再帰反射器に、次いで位相シフト検出器に方向付けられ、前記測定ビームは、前記物体の回転可能な反射面に、次いで固定の測定再帰反射器に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで固定の平面反射面に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記固定の測定再帰反射器に引き返し、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記位相シフト検出器に方向付けられ、その結果前記位相シフト検出器は、前記回転可能な反射面が変位するときに前記測定ビームの経路の長さが変わるときの前記回転可能な反射面の角変位を測定する、物体の角変位を干渉計によって測定するための装置。
【請求項１３】
物体の角変位を干渉計によって測定するための方法であって、
レーザビームを生成するステップと、
前記レーザビームをビームスプリッタに方向付けて参照ビーム及び測定ビームを生成するステップと、
前記参照ビームを固定の参照再帰反射器に、次いで位相シフト検出器に方向付けるステップと、
前記測定ビームを前記物体の回転可能な反射面に、次いで固定の測定再帰反射器に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記位相シフト検出器に方向付け、その結果前記位相シフト検出器が、前記回転可能な反射面が変位するときに前記測定ビームの経路の長さが変わるときの前記回転可能な反射面の角変位を測定するステップと、
を含む、物体の角変位を干渉計によって測定するための方法。
【請求項１４】
物体の角変位を干渉計によって測定するための方法であって、
レーザビームを生成するステップと、
前記レーザビームをビームスプリッタに方向付け、参照ビーム及び測定ビームを生成するステップと、
前記参照ビームを固定の参照再帰反射器に、次いで位相シフト検出器に方向付けるステップと、
前記測定ビームを前記物体の回転可能な反射面に、次いで固定の測定再帰反射器に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで固定の測定平面反射器に、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記固定の測定再帰反射器に引き返し、次いで前記回転可能な反射面に引き返し、次いで前記位相シフト検出器に方向付け、その結果前記位相シフト検出器は、前記回転可能な反射面が変位するときに前記測定ビームの経路の長さが変わるときの前記回転可能な反射面の角変位を測定するステップと、
を含む、物体の角変位を干渉計によって測定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的には干渉計に関し、より詳細には物体の角変位を測定する回転型干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計は、１８８１年にA. A. Michelsonによって名目上発明され、１９世紀末にはよく知られていた。マイケルソン干渉計の設計は「エーテル(luminiferous aether)」の存在の反証において有益なものであり、これに関してMichelsonは１９０７年にノーベル物理学賞を受賞した。１９６０年におけるベル研究所のAli Javan、William Bennet Jr及びDonald Herriotによる連続波ヘリウムネオンレーザの発明によって、マイケルソン干渉計は、広範囲の値にわたって物体の変位を正確に測定するための主要な装置及び方法となった。
【０００３】
線形干渉計
図１は、マイケルソンの設計に基づいた従来の線形干渉計を示す。発光器１００が、コヒーレントレーザビーム１０２を照射する(emit)レーザ１０１を含む。ビームは、レーザ空洞の光学発振器内への望ましくないフィードバックを防ぐようにファラデーアイソレーター１０３の中を通る。
【０００４】
照射光ビーム１５０が図の平面から４５度の角度で偏光される。ビームは、位相検出器２００内に進み、ビーム分割プリズム２０１の中をそのままで通り、レーザビーム１５１として検出器２００から出射する。
【０００５】
次いで、ビームは移相器３００に入り、移相器では４５度偏光したビーム１５１が偏光ビームスプリッタ３０１によって２つのサブビーム１５２及び１５３に分割される。垂直に偏光したレーザビーム１５２が、偏光ビームスプリッタ３０１から出射して固定の参照再帰反射器３０３から反射される。同時に、ビームの水平に偏光した成分がレーザビーム１５３として偏光ビームスプリッタ３０１から出射し、水平に進んで線形変位可能な再帰反射器３０２によって反射されることになる。
【０００６】
このため、ビーム分割は本質的に２つのビームを生成する。第１のビーム１５２は参照ビームとして用いられ、第２のビーム１５３は測定ビームとして用いられる。参照ビーム及び測定ビームが進行する経路の相対的長さは、変位可能な測定再帰反射器３０２がこれらのビーム間の検出可能な位相シフトを誘導するために後述するような初期方位から変位するときに変わる。
【０００７】
再帰反射器の基部に入る任意の光ビームが、側方向に変位するが到来ビームに正確に平行な経路に沿って再帰反射器を出ることが再帰反射器の特性である。出口点、したがってビームの側方変位の程度(amount)は、円形の再帰反射器面に対して、１８０度だけ回転されるが入口点と同じ半径方向距離にある。効率的に、再帰反射器は、あらゆる入射光パターンを受け(take)、これを円形に１８０度回転させ、到来ビームとして正確に同じ方向にビームを返す。
【０００８】
垂直に偏光したビーム１５４は、再帰反射器３０３を出た後、偏光ビームスプリッタ３０１に戻る。偏光ビームスプリッタにおいてビームは再び反射されてビーム１５６の一部として検出器２００に戻る。
【０００９】
同時に、水平に偏光したビーム１５５は、線形変位可能な再帰反射器３０２から出た後、偏光ビームスプリッタ３０１の中を通って引き返し、再帰反射器３０３からの垂直に偏光したビームと再結合して複合偏光したビーム１５６を形成する。
【００１０】
再帰反射器３０２は水平に変位することができる(３０９)ので、参照ビームに対して測定ビームが横断するべき距離は変化し得る。したがって、再帰反射器３０２から戻ってきたビーム１５５は参照再帰反射器３０３からのビーム１５４に対してさらなる位相遅延を有し得る。距離測定を可能にするのは位相遅延のこの変化である。
【００１１】
偏光ビームスプリッタ３０１において、２つのビーム１５４及び１５５は同じ光路を有するように結合する。ビーム１５４及び１５５は互いに対して直交偏光を有する、すなわち垂直対水平であるので、これらのビームは相互作用しない。結合ビーム１５６は次いで、検出器２００及びビームスプリッタ２０１内に逆戻りし、ビームスプリッタにおいてビームはビームスプリッタ２０２へ反射する。ビームスプリッタ２０１から反射されなかったビーム１１７は用いられない。
【００１２】
ビームスプリッタ２０２からの反射ビーム１５８は、ビーム１５９として反射プリズム２０３によって完全反射され、反射ビームは４５度偏光子２０６の中を通ってビーム１６０になる。偏光子は横断ビームの波動関数を崩壊させるので、ビームの光子は垂直にも水平にも偏光しなくなり、むしろすべての光子はこのとき４５度偏光角度にある。
【００１３】
このときこれらのビームは同じ偏光を共有するので、ビーム１６０は「干渉縞」としても知られている干渉効果を示す。この干渉効果は、再帰反射器３０２が経路長を変えるために移動するときのビームの正弦波的増光及び減光として示される。フォトダイオード２０８がビーム１６０のエネルギーを電気信号に変換し、この電気信号は線形変位として増幅及び測定することができる。
【００１４】
ビームスプリッタ２０２を出る反射されなかったビーム１６１は、４分の１波長板２０４の中を通る。４分の１波長板は、種々の偏光による種々の屈折率を示すマイカ又は圧力を加えられた(stressed)ポリスチレン等の異方性光学材料を含む。詳細には、特定の波長λλに関して設計された完全な４分の１波長板は、該板の、ビームに対する一度の偏光回転で最小(理想的にはゼロ)位相遅延を有し、ビームがゼロ位相遅延方位に対して垂直に偏光される場合には最大(理想的には、厳密にλ／４)位相遅延を有することになる。
【００１５】
４分の１波長板２０４は偏光の１つをλ／４だけ遅延させ、これは９０度位相シフトであり、ビーム１６２を形成する。ビーム１６２は次いで、偏光子２０６と同様の４５度偏光子２０５の中を通り、ビームの偏光を４５度に崩壊させてビーム１６３を形成する。ビーム１６３の複数の成分はこのとき同じ偏光を共有し、したがって干渉縞を示す。これらの縞は、第２の電気信号を生成するためにフォトダイオード２０７によって検出される。
【００１６】
フォトダイオード２０７及び２０８からの２つの電気信号は、４分の１波長板２０４によって生成される９０度の相対位相角を有する正弦波である。これらの２つの正弦波は、それらの平均値において閾値処理され得る。結果として生じるパルス列を直交カウンタ(図示されていない)への直交信号として用いて、再帰反射器３０２が移動するときに線形変位３０９を効率的に測定する。
【００１７】
回転型干渉計
図２Ａ及び図２Ｂは、線形変位ではなく回転変位を用いる伝統的な、従来技術の回転型干渉計を示す。図２Ａは詳細であり、図２Ｂは本質的な光学的特徴を要約したものである。
【００１８】
発光器１００、検出器２００及びレーザビーム１５０〜１６２は図１と同じである。
【００１９】
移相器３００は、回転移動するリンク機構３０４上の回転可能な測定再帰反射器３０２を有する。リンク機構３０４が弧３０５に沿った変位を通じて回転するにつれて、測定再帰反射器３０２は、ここでは角変位を測定するためであるが、リンク機構と共に移動して、図１に示されるようにビーム１５５をもたらすレーザビーム１５３の位相差を発生させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、この従来の構成はいくつかの問題を有する。
【００２１】
質量及び角度慣性
第１に、回転可能な測定再帰反射器３０２及びリンク機構はかなりの質量を有する。光検流計に取り付けられたレーザビームディレクターミラー等の軽量の高速移動機構に関して、再帰反射器の重量は、他の光学部品すべての質量よりも大きい場合がある。さらなる質量はシステムの原動力に大幅に支障を与え、またレーザビームディレクターの最大旋回速度を減少させる。
【００２２】
範囲
第２に、回転可能な再帰反射器は変位した軸を有する平行な経路上でビームを返すので、システムが動作することができる角変位３０５は制限される。弧３０５の高さ３１７がレーザビーム１５６の直径よりも大きい場合、レーザビームは検出器２００に戻らず、角変位３０５の測定は不可能になる。
【００２３】
回転型干渉計の重量を軽減すると共に角度範囲を増大させることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明の実施の形態は、回転可能な物体に対する角変位を測定する回転型干渉計を提供する。
【００２５】
従来技術と対照的に、この干渉計は回転型干渉計の重量及び角度慣性を大幅に軽減する。
【００２６】
さらに、この干渉計は従来の干渉計よりも実質的に広範囲の角変位を有する。
【００２７】
回転可能な再帰反射器及びリンク機構を用いる代わりに、実施の形態は、角変位が測定される必要がある回転可能な物体の研磨された平坦な反射面を用いる。この表面は、物体が反射性でない場合、物体の表面に配置される小さな平面ミラーであってもよい。
【００２８】
固定のコーナー反射器を用いて、測定された回転可能な物体の角度の接線に比例した割合で縞を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術の線形干渉計の概略図である。
【図２Ａ】従来技術の回転型干渉計の概略図である。
【図２Ｂ】従来技術の回転型干渉計の概略図である。
【図３Ａ】この発明の実施の形態による回転型干渉計の概略図である。
【図３Ｂ】この発明の実施の形態による回転型干渉計の概略図である。
【図３Ｃ】この発明の実施の形態による回転型干渉計の概略図である。
【図３Ｄ】この発明の実施の形態による回転型干渉計の概略図である。
【図４】図３Ｄの干渉計の上面概略図である。
【図５】図３Ｄの干渉計の等角概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図３Ａ〜図３Ｄはこの発明の実施の形態による回転型干渉計を示す。図３Ａ及び図３Ｂは、図３Ｃ及び図３Ｄに示される干渉計の本質的で基本的な詳細を要約したものである。発光器１００は図１及び図２に示された通りである。
【００３１】
ビーム拡大器
位相検出器２００は、図３Ｃにおいてオプションのレーザビーム拡大器２１０を有する。この拡大器は、ビームの直径を増大させる結果としてより広いコヒーレントレーザビーム１６３を生成する。ビームを拡大することによって、角変位を測定することができる範囲が後述されるように増大する。ビーム拡大器は、１つの負レンズ及び１つの正レンズを備えるガリレイ式望遠鏡、又は一対の正レンズを備えるケプラー式望遠鏡とすることができる。拡大ビーム１６３は第１のビームスプリッタ２０１を通じて拡大ビーム１５１として進み続ける。
【００３２】
回転可能な反射面
この発明者らは、従来技術の場合のようにリンク機構３０４上に配置される重量のある回転する測定再帰反射器３０２を用いない。その代わりに、この発明では拡大ビーム１５３の経路に挿入される回転可能な反射面３０６を用いて、拡大ビーム１５３を拡大ビーム１６５として固定の測定再帰反射器３０２へ方向転換させる。反射面は、角変位が測定される物体の研磨面とすることができる。表面が反射性でない場合、ミラーを該表面上に配置してもよい。
【００３３】
この明細書で定義される場合、回転可能な反射面は、弧に沿って角変位３０７を移動するように構成される。
【００３４】
再帰反射器３０２は、拡大ビーム１６５を拡大ビーム１６４として回転可能な反射面３０６へ返す。反射面３０６は拡大ビーム１６４を反射して拡大ビーム１５５として同じ経路に沿って返す。
【００３５】
拡大ビーム１５４及び１５５は交差偏光と組合せられて拡大ビーム１５６になる。拡大ビーム１５６はビームスプリッタ２０１から反射して拡大ビーム１６６になる。
【００３６】
ビーム拡大器２１０が用いられる場合、拡大ビーム１６６はオプションの開口板２１２内の孔２１３の中を通って低減した直径ビーム１５７になる。開口板は、ビームをビーム拡大器に入る前のその元の直径まで低減させる。ビーム１５７は、角変位を測定するために図１に関して説明したように、位相検出器２００の残りの部分を通じて伝搬する。
【００３７】
検出に用いられるビームの直径はビーム拡大器２１０によって増大されるので、反射面ミラー３０６は、戻される感知用拡大ビーム１５５が重ならない範疇でより大きな角度を回転することができる。結果として、測定することができる角度は従来技術における角度よりもはるかに大きい。
【００３８】
さらに、反射面３０６は、角変位が測定される必要がある物体の、研磨、アルミめっき、銀めっきを施されたか又は他の方法で鏡面仕上げされた部分であり得るため、物体の全質量又は角度慣性を増大させない。
【００３９】
好ましい実施態様では、この発明がビーム方向付け光検流計(光ガルバノメータ)の位置を測定するのに用いられる場合、ミラー３０６は最終ビーム方向付けミラーと同じミラーであり、そのため全質量又は角度慣性は、回転を干渉計によって測定する能力を有しないビーム方向付け光検流計に関する場合と正確に同じままである。
【００４０】
４パス光学アセンブリ
図３Ｄは、この発明の代替的な実施の形態を示す。発光器１００及び位相検出器２００は、図２Ａ，２Ｂに関して上述した通りである。しかしながら、移相器３００は、図４には省略形で図５には詳細に示される４パス光学アセンブリ３５０を用いることによって変更されている。
【００４１】
図３Ｄに示されるように、４パス光学アセンブリ３５０内のビームパターンは、回転可能な反射面３０６、固定の再帰反射器３０２及び平面固定ミラー３０８を用いて、回転可能な反射面３０６の大きな角変位３０７を通じて適所から大きく逸脱しない、戻りビーム１５５を生成する。
【００４２】
図４及び図５は、４パス光学アセンブリ３５０の詳細を示す。図４は、４パス光学アセンブリ３５０の上面図を示す。図５は、４パス光学アセンブリ３５０の等角図を示す。以下の説明は図４に適用する。
【００４３】
偏光ビームスプリッタ３０１からのビーム１５３は、図の平面に対して平行に４パス光学アセンブリ３５０に入り、ビーム３５１と表される。ビーム３５１は、図４において真横から見ると(shown end-on)ビーム３５２として回転ミラー３０６から下方に反射する。
【００４４】
ビーム３５２は、再帰反射器３０２入り、図４において真横から見ると、ビーム３５３として内側に反射されてビーム３５４として再帰反射器から外へ反射する。再帰反射器３０２の中心に対するビーム３５２の変位によって、再帰反射器３０２の中心からのビーム３５４の対等で対向する変位が生じることに留意されたい。
【００４５】
ビーム３５４は、再帰反射器３０２から出射し、回転可能な反射面３０６から反射してビーム３５５を形成する。ビーム３５５は、固定の平面ミラー３０８から反射してビーム３５６を形成する。再帰反射器３０２の平行反射作用によって、ビーム３５５は常に固定の平面ミラー３０８に対して垂直である。反射ビーム３５６は常に入射ビーム３５５と同軸であり、ビーム３５６はビーム３５５の進路を逆順に辿り直す。
【００４６】
ビーム３５６は回転可能な反射面３０６から反射してビーム３５７を形成し、この場合もビーム３５４の進路を逆順に辿り直す。ビーム３５７は固定の再帰反射器３０２に入り内側に反射してビーム３５８を形成し、この場合も、ビーム３５３の進路を逆順に辿り直す。ビーム３５３は再帰反射器３０２内で内側に反射してビーム３５９を形成し、この場合も、ビーム３５２の進路を逆順に辿り直す。ビーム３５９は再帰反射器３０２から出てミラー３０６から反射してビーム３６０をもたらし、この場合もビーム３５１の進路を逆順に辿り直す。
【００４７】
次いで、ビーム３６０は４パス光学アセンブリ３５０から出射し、図３Ｄに示されるようなビーム１５５になる。ビーム１５５は図３Ｄに示されるような参照ビーム１５４と結合して結合ビーム１５６を形成し、結合ビームは次いで、角変位を測定するために図１に関して上述したような位相検出器２００によって位相検出される。
【００４８】
図４及び図５に示されるような構成によって、全ビームが回転可能な反射面３０６の非常に大きな角変位３０７にわたってアラインメントを維持する。
【００４９】
さらに、ビームは、上述したような経路の２つの横断路、詳細にはビーム経路１５３及び１５５ではなく、回転可能な反射面３０６の位置と共に変化する変位の４つの横断路、詳細にはビーム経路３５１、３５５、３５６及び３６０をもたらすので、図４及び図５に関して述べたような実施の形態の感度は、従来技術の感度又は図３Ａ及び図３Ｃの実施の形態の感度の２倍である。
【００５０】
この発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、さまざまな他の適合及び変更をこの発明の精神及び範囲内で行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神及び範囲に入るすべての変形及び変更を包含することである。
【図１】
2011137810.tif 000003
【図２Ａ】
2011137810.tif 000004
【図２Ｂ】
2011137810.tif 000005
【図３Ａ】
2011137810.tif 000006
【図３Ｂ】
2011137810.tif 000007
【図３Ｃ】
2011137810.tif 000008
【図３Ｄ】
2011137810.tif 000009
【図４】
2011137810.tif 000010
【図５】
2011137810.tif 000011
【外国語明細書】
2011137810.tif 000012
2011137810.tif 000013
2011137810.tif 000014
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