(57)【要約】偏光ダブルパス干渉計は、偏光ビームスプリッタ（１６）と、基準ビーム（１４）の経路内の基準ミラー（２０）と、測定ビーム（１２）の経路内の可動測定ミラー（２６）と、を含む。基準および測定ビームは、異なる偏光を有する。ガラスウエッジつまりプリズム（３２）のような角度ビーム偏向装置は、一つの偏光の光の他の偏光の光の経路内への漏れによって生じるエラービーム（３０）を除去あるいは分離するように作用する。
2007537436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を受けるように配置されて、その光を異なる偏光を有する測定ビームと基準ビームとに分ける偏光ビームスプリッタと、
前記測定ビームと前記基準ビームとから光の干渉に反応する検出器と、
を備え、
前記測定および基準ビームの一つから前記測定および基準ビームの他へ、または前記光源へ戻る光の漏れによって引き起こされるエラービームを、除去あるいは分離するための手段を備えることを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記漏れは、前記測定および基準ビームの一つから前記測定および基準ビームの他への光を含み、かつ、さらに異なる偏光を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記測定および基準ビームの少なくとも一方の経路内の四分の一波長板を含み、そのビームは前記四分の一波長板を２回通過することを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計。
【請求項４】
前記測定および基準ビームのそれぞれの経路内に四分の一波長板を含むことを特徴とする請求項３に記載の干渉計。
【請求項５】
前記エラービームを除去あるいは分離するための手段は、前記測定および基準ビームの一つの中にビーム角偏向装置を含むことによって、前記エラービームを角度的に偏向させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉計。
【請求項６】
前記ビーム角偏向装置は、ウエッジつまりプリズムを含むことを特徴とする請求項５に記載の干渉計。
【請求項７】
前記ビームスプリッタと前記検出器との間の前記各ビームの結合経路内に、更なるビーム角偏向装置を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の干渉計。
【請求項８】
前記更なるビーム角偏向装置は複屈折であることを特徴とする請求項７に記載の干渉計。
【請求項９】
前記２つのビーム角偏向装置は、異なる平面内において偏向を引き起こすことにより、異なる角度に回転される前記エラービームによって生じる各縞に対して、前記検出器に生じる空間的な各縞の回転を生じさせることを特徴とする請求項７または８に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記エラービームを除去あるいは分離するための手段は、前記測定および基準ビームの一つの経路内に追加的な偏光光学系を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉計。
【請求項１１】
前記エラービームを除去あるいは分離するための手段は、前記測定および基準ビームの一つの経路内にミラーを含み、前記ミラーは、角度的にオフセットされた２つのミラー面を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長さ、距離、または角度の測定に用いられるような干渉計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光平面干渉計（polarizing plane mirror interferometer）は、非特許文献１および特許文献１の”マイケルソン干渉計”によって知られている。添付図面の図１は、そのような既知の装置を示す。
【０００３】
図１において、レーザー光源１０からのコヒーレント光は、偏光ビームスプリッタ１６によって２つの直角偏光ビーム１２，１４に分けられる。（明確にするために、２つの直角偏光成分は、それらが光源１０とビームスプリッタ１６との間においてわずかに離れているものとして示されるが、実際には、それらは重ね合わされる。）
ビーム１４は、ビームスプリッタ１６によって基準ミラー２０に向けられる基準ビームである。ビームスプリッタ１６と基準ミラー２０との間には四分の一波長板１８があり、ビーム１４は、それを通る２回通過して、それがビームスプリッタ１６に戻るときに、その偏光状態は９０度回転される。そのビームは今、ビームスプリッタを直進してキューブコーナー逆反射体（cube corner retroreflector）２２に伝播され、その逆反射体は、他の経路としてのビームスプリッタ１６と四分の一波長板１８を通して、そのビームを基準ミラー２０に戻す。それがビームスプリッタに再び戻ったとき、その偏光は再び９０度回転されて、検出器２４に向かって反射される。
【０００４】
他の偏光成分１２は測定ビームを成す。同様に、そのビームは、位置や動きを測定すべき物体に付けられた可動ミラー２６を２回通る。それは、ミラー２６までを往復するため、その偏光面が９０度に渡って回転するように、第２の四分の一波長板２８を２回通過する。さらにまた、この結果として、そのビームは、検出器２４に返送される前に、キューブコーナー逆反射体２２、および第２経路としてのミラー２６を通る。検出器２４において、測定および基準ビームは干渉して縞模様を形成し、それを既知の方法によってカウントすることにより、ミラー２６の動きを測定することができる。
【０００５】
それぞれのミラーに対して同様の光学要素を通る測定および基準ビームの２重通過は、ミラー２０，２６のずれ、および期間に渡っての熱的な不安定さに比較的影響されないシステムを提供する。
【０００６】
偏光干渉計もまた知られており、それには、基準ミラーに対してではなく、測定ミラーに対する２重経路を提供するために単一の四分の一波長板が用いられる。さらに、ヘテロダイン干渉計は既知であり、そこにおいて、測定および基準ビームは直角に偏光され、さらにわずかに異なる周波数をもつ。Sommargrenらによる特許文献１を参照のこと。本発明は、これらの異なる偏光干渉計のタイプに対して適用可能である。
【０００７】
【非特許文献１】SJ Bennett, Optics Communications, Vol. 4, No. 6, February/March 1972, pages 428-430
【非特許文献２】米国特許第４，７８４，４９０明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者は、一の偏光が他の偏光の光路内に漏れるという実際問題を観察した。これは、ビームスプリッタおよび／または逆反射体の動作が不完全であるために起こる。実際に、偏光スプリッタは有限消光比を有するので、１つの与えられた偏光のほとんどの光は反射され、逆の場合も同様に、わずかは他の偏光として伝播される。逆反射体の場合、実際には、直線偏光の偏光面がわずかに回転して、わずかに楕円偏光されたビームを生じさせることもある。
【０００９】
この漏れは図２に示され、それは、（伝播される基準および測定ミラー２０，２６が置き換えられていることを除いて）図１と同様の配置を表す。明確にするために、測定ビーム１２のみが表され、基準ビーム１４は表されていない。他の要素は、図１と同様の参照番号が付されている。エラービーム３０は、破線で示される。このエラービームは、逆反射体２２から測定ミラー２６に向かう２回目の途中において、偏光の漏れによって引き起こされる。上記の問題により、この光のごく一部は、ビームスプリッタ１６によって、基準ミラー２０に向かって不正確に偏光される。そして、それは、検出器２４に向かう出力ビームと同じ経路に反射して戻される。
【００１０】
このような干渉計の基準アーム（reference arm）から測定アーム（measurement arm）への誤った偏光の光の漏れは、逆の場合も同様に、もたらされる干渉縞の劣化となる。特に、それは、その縞の正弦波形状を劣化させることがあり、その結果、縞計数（fringe count）を再分割（sub-divide）するために補間器が用いられたときに、それは、再分割エラー（sub-divisional error (SDE)）に悩まされ、つまり、その再分割は波形の１周期内において均等に仕切られないであろう。
【００１１】
生じるかもしれない更なる問題は、測定ビーム１２内に単一の四分の一波長板２８をもつ偏光平面ミラー干渉計（polarising plane mirror interferometer）に関連して図８に示される。平面基準ミラー２０の代わりに、逆反射体２１が備えられる。他の要素は、図２のそれらと同様であり、同じ参照番号が付されている。
【００１２】
このような平面ミラー干渉計において、偏光ビームスプリッタおよび四分の一波長板は、理論的には、発光源１０（それは、実際にはレーザー管である）に戻る光を止めるための光アイソレータとして作動しなければならない。しかしながら、偏光ビームスプリッタおよび波長板の動作の不完全性は、点線３１によって示されるエラービームとして、レーザー管に向かって漏れて戻る光を生じさせる。
【００１３】
システムの設定時に、ユーザーは、通常、そのシステムを整列させて信号強度を最大にし、測定ミラーをレーザービームに対して直角となるように配列するであろう。このことは、漏れレーザー光を生じさせて、出力ビームに対して逆平行に戻すことになる。そのため、ミラーが配列されて信号強度を最大にしたときに、漏れた光は、レーザー管内に直接戻るであろう。これは、レーザーの周波数安定性を低下させる。
【００１４】
システムによっては、光源１０および検出器２４は、光ファイバーを通して、偏光ビームスプリッタ１６に結合されることがある。このようなシステムにおいても、漏れた光は再結合されて、それをレーザーに向けて戻す経路を定める配信ファイバー（delivery fiber）内に戻され、再び、周波数安定性が低下するであろう。
【００１５】
この問題の１つの解決策は、測定ビームが干渉計光学系の他の中に戻るときに、それが角度的にずらされるように、測定ミラー２６を角度的にオフセット（つまり、調整をずらす）ことがよい。逆反射体２２の位置は、これを部分的に補償するようにオフセットしてもよい。しかしながら、ミラーの角度的なオフセットは、信号強度が減少し、かつ測定軸に沿って変化することを意味する。その軸が長い程、より大きい信号強度の変化が生じるであろう。その結果、干渉計の測定範囲の減少がある（つまり、測定できるミラー２６の動きを越える許容距離）。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の干渉計は、
光源と、
前記光源からの光を受けるように配置されて、その光を異なる偏光を有する測定ビームと基準ビームとに分ける偏光ビームスプリッタと、
前記測定ビームと前記基準ビームとから光の干渉に反応する検出器と、
を備え、
前記測定および基準ビームの一つから前記測定および基準ビームの他へ、または前記光源へ戻る光の漏れによって引き起こされるエラービームを、除去あるいは分離するための手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好適な実施形態は、添付図面を参照して説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図３は図２と同様の配置を示し、この場合にも、同じ参照番号は同様の構成要素に対して用いられている。示されてはいないが、光源および検出器は図２と同様の位置にあり、この場合にも、明確にするために基準ビームが省略されている。
【００１９】
検出器に戻る基準および検出アームのメインビームから、エラービーム３０を分けるために、図３の実施形態は、四分の一波長板１８と基準ミラー２０との間に、ガラスウエッジ（glass wedge）つまりプリズム３２を備える。これは、基準ミラーへの往復の２つの経路の一方における基準ビームを角度的に偏光させる。したがって、検出器における信号強度を最適化するようにユーザーが基準ミラーを配列するときに、それはビームに対して直角とはならず、図示するように角度的にわずかにオフセットされるであろう。この結果、基準ビームがビームスプリッタ１８を出て検出器に向かうときに、それは、測定ビームに対してわずかな角度にある。
【００２０】
検出目的の必要に応じて、基準および測定ビームは、複屈折ウエッジ（birefringent wedge）によって再び平行とされるであろう。しかし代わりに、多くのホモダイン検出計画では、例えば、各ビームの方向に対して横切る空間的な縞パターン（spatial fringe pattern）が引き起こされて、それが、対応する格子構造を有する検出器によって検出される場合に、それらのビーム間の角度偏差を内部で補償することができる。このような場合であっても、空間的な縞の間隔の設定を助けるために、複屈折ウエッジ３４を含むことができる。
【００２１】
重要なことは、図２と比べて、ガラスウエッジつまりプリズム３２がさらにエラービーム３０を角度的に偏光させる効果を有することである。この偏光は、エラービームがミラー２０を二重パスしないため、前述した検出器における基準および測定ビームの間の偏光よりもかなり大きい。この結果、検出器を完全に外すように、エラービームを配置することができる。あるいは、測定および基準ビームの間の干渉によって引き起こされる縞パターンに不要なひずみが生じないように、それを配置することができる。それは、格子構造によって検出される横断する空間的縞パターン（transverse spatial fringe pattern）の場合に、エラービームによって引き起こされる縞のピッチが、検出器の格子構造の全域で平均化されるように配置することによって、確実となる。
【００２２】
図３において、基準ミラー２０およびウエッジ３２は、それらが各ビームを紙面内にある角度でそらせるように、調整される。しかしながら、一方または両方は、紙面の外へ、例えば紙面に直交して、そのような角をなすビームの偏光を引き起こすように、配置することができる。
【００２３】
複屈折ウエッジ３４は、ウエッジ３２によって引き起こされる平面とは異なる平面、例えば、それと直交する平面内に、ビーム角偏差（angular beam deviation）を引き起こすように配置することができる。複屈折ウエッジ３４によって決定されるピッチをもって、検出器が横断する空間的縞を検知する場合、検出器の平面内において各縞の回転を生じさせ、格子構造は一致するように回転される。これは図４に図示され、ここにおいて、明確にするために各ミラーおよび逆反射体が省略され、プリズム３４は、ウエッジ３２に対して直交して配置されている。検出器２４は、基準および測定ビームの干渉によって生じる各縞５０を一致させるように、回転される。エラービーム３０によって引き起こされる各縞５２は、今、格子構造とは異なるピッチを有するだけではなく、格子構造に対して異なる角度に回転されて、さらにそれらの影響を小さくする。
【００２４】
実際には、ウエッジ３４は、たとえ複屈折でなくても、各エラー縞のそのような回転を生じさせるための角度に配置することができる。
【００２５】
ガラスウエッジ３２は図３に示されて、四分の一波長板１８と基準ミラー２０との間にある。わずかに改良された偏光制御は、それが四分の一波長板１８とビームスプリッタ１６との間に代わって配置される場合に得られる。しかしながら、それは、単一の干渉計ヘッドに構成要素１６，１８，２２，２８，３２を結合することをより難しくする。
【００２６】
ウエッジ３２を使用せずに、互いにわずかな角度をもってオフセットされた２つの平面内に２つのミラー面２０ａ，２０ｂを有するように、基準ミラー２０を図５に示すように一部変更することが可能である。
【００２７】
図６は、図３に対応する実施形態を示し、この場合も同様に、明確にするために基準ビームは省略されている。図３とは異なり、測定ビーム内に単一の四分の一波長板２８のみを用い、基準ビーム内には用いない。平面基準ミラー２０の代わりに、基準逆反射体３６を用いる。このような配置は、同様の偏光漏れ問題を有する。その漏れた光は、点線３８によって表されるように、２つの逆反射体２２，３６の間にキャビティーを形成するかもしれない。
【００２８】
この影響を回避するために、望ましくないキャビティービーム３８を優先的に減じるように、付加的な偏光レンズ、例えば偏光フィルター４０が挿入される。あるいは、その影響は、図３のように、同じ位置のガラスウエッジによって除いてもよい。偏光フィルターを使用したときには、必要に応じて、それは、逆反射体３６の一部をただ横切るだけではなく、その全幅を横切ってもよい。
【００２９】
図７は、さらなる実施形態を示し、機械の比較的静止した柱６２上の基準ミラー２０に対して、機械のベッド６０上のミラー２６の動きを測定するために、”柱基準（column reference）”アプリケーションが使用される。ビームスプリッタ１６の上の回転ミラー６４は、潜望鏡配置（periscope arrangement）を備え、ミラー２０への光およびミラー２０からの光を誘導する。この回転ミラー６４は、図５のミラー２０と同様に、２つの角度的にオフセットされた面６４ａ，６４ｂを有し、前述したようにエラービームを分けるように作用する。勿論、平面回転ミラー、つまり図５のように２つの角度的にオフセットされた面を有することができる基準ミラー２０と共に、ガラスウエッジ３４を代わりに用いることができる。
【００３０】
したがって、図３から図７の上記実施形態において、ガラスウエッジ３２、または偏光フィルター４０、またはミラー面２０ａ，２０ｂまたは６４ａ，６４ｂが、偏光漏れによって引き起こされるエラービームを除去あるいは分離することが分かるであろう。これは、前述したように、基準ビームの経路内にそれらの構成要素を設置するために好ましいが、測定ビーム内へのそれらの設置も排除されない。
【００３１】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、基準および測定ビームの両方のための各逆反射体を用いる各偏光干渉計において、平面ミラー２０，２６の代わりに、そのようなエラービームを除くための同様な配置を用いてもよい。それは、別々に偏光された測定および基準ビームが異なる周波数を有する各ヘテロダイン干渉計において、用いてもよい。
【００３２】
図９は本発明の更なる実施形態を示し、それは、図８について上述した問題を改善する。ここでは、ガラスウエッジつまりプリズム７０は、ビームスプリッタ１６と四分の一波長板２８との間に設置される。それは、測定ミラー２６への２つの経路の１つにおける測定ビームを角度的に偏光する。システムの設定時に、ユーザーは、それを補償しかつ信号強度を最適化するために、わずかな角度のオフセットでミラー２６を整列させるであろう。その結果、そのミラーは、各測定ビームに対して完全な直角ではないであろう。漏れたエラービーム３１は、図８と図９との比較によって分かるように、もはやレーザー源からの入力ビームと平行ではない。
【００３３】
非ファイバー結合干渉計（non-fibre coupled interferometer）において、漏れたエラービーム３１は、もはやレーザー管に向かっては戻らない。ファイバー結合システム（fibre coupled system）において、漏れた光は、ファイバー内に戻るように結合されないであろう。いずれにしても光の漏れは、レーザーの不安定化を生じないであろう。
【００３４】
ウエッジつまりプリズムは、互いに角度的にオフセットされた検出光学系に戻る測定および基準ビームをもたらすことの副作用を有する。これは、上述した実施形態と同様に、例えば、図３および図４におけるような複屈折ウエッジ３４をもって、あるいは、単にホモダイン検出器内の内部補償によって、補償されることになる。
【００３５】
図９の配置によって、遠距離場（far field）内の信号強度を最大にするように配列されたときに、その信号強度は、図８の従来技術の配置に比して、ミラー２６の動きの極めて大きな範囲の間において、ほぼ一定のままとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術の干渉計の配置を示す図である。
【図２】同様の配置を示す図であり、光の漏れ問題を図示する。
【図３】本発明の第１の実施形態における干渉計の配置を示す図である。
【図４】図３の実施形態の変形における幾つかの構成要素の等角図である。
【図５】図３の実施形態の更なる変形において用いるミラーを示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における干渉計の配置を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における干渉計の配置を示す図である。
【図８】更なる干渉計の配置における光の漏れ問題を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態における干渉計の配置を示す図である。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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