(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉距離測定を行うために合成干渉測定光線として重畳される直交光線要素、直線偏光光線要素、参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を示す信号を生成する位相差検出方法であって、
直交しかつ偏光感度を有する第１軸および第２軸を備えた偏光感度を有する光線屈折素子と、少なくとも１つの偏光板と、少なくとも１つの受光素子アレイとを設置する工程と、
前記光線屈折素子の前記第１軸および第２軸が、前記合成光線における前記参照光線および前記対象物光線のそれぞれの偏光に対し平行となるように、前記偏光感度を有する光線屈折素子を配置する工程と、
前記合成光線の前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記偏光感度を有する光線屈折素子に入力する工程と、
前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを、前記光線屈折素子から、これらの各要素間の発散角度が略所定発散角度θとなるように出力し、出力された前記参照光線要素と前記対象物光線要素とを部分的に重畳させる工程と、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記参照光線要素および前記対象物要素のそれぞれの偏光の間の角度を略分割する通過軸を有する偏光板を通過させ、前記偏光板を通過した光が、略平行縞を有する干渉縞パターンを形成する工程と、
前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、互いに固定位相シフトしたＮの信号
（Ｎは２以上の整数）を出力する受光素子アレイを用いて、前記干渉縞パターンの空間位
相の変化を検出する工程と、を備え、
前記干渉縞パターンは、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の波長λと、前記発散角度θとにより決定される一定の縞ピッチＰθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Ｎの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素と前記対象
物光線要素との間の位相差を示すとともに、
前記干渉縞パターンの空間位相の変化を検出する工程には、前記Ｎの受光素子が前記縞
ピッチのＭ倍よりわずかに大きくなるように、周期的受光素子アレイを配設する工程が含まれ、前記受光素子が、受光素子ピッチＰｄで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記周期的受光素子アレイを配設する工程には、前記Ｎの受光素子が前記干渉縞ピッチのＭ倍よりわずかに大きくなるように、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面に前記受光素子を配設する工程が含まれ、前記受光素子が配設される面は、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、ｃｏｓα＝Ｍ＊Ｐθ／Ｎ＊Ｐｄとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の位相差検出方法において、
前記光線屈折素子を配置する工程には、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを設ける工程が含まれている
ことを特徴とする位相差検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の位相差検出方法において、
前記所定発散角度は、少なくとも０．５°であり、最大でも４．５°であることを特徴とする位相差検出方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の位相差検出方法において、
前記Ｍは１以上の整数であり、前記Ｍおよび前記Ｎの組み合わせは（Ｍ＝１，Ｎ＝３）、（Ｍ＝１，Ｎ＝４）、（Ｍ＝２，Ｎ＝３）および（Ｍ＝３，Ｎ＝４）のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の位相差検出方法において、
前記Ｍおよび前記Ｎの組み合わせはＭ＝３、Ｎ＝４であることを特徴とする位相差検出方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の位相差検出方法であって、
前記合成干渉測定光線において重畳する前記参照光線要素および前記対象物光線要素が、参照光線要素および対象物光線要素を含み第１波長を有する第１光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み第２波長を有する第２光線要素セットとを有し、
前記第１光線要素セットおよび第２光線要素セットは、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあり、
前記少なくとも１つの受光素子アレイを設ける工程には、第１受光素子アレイと第２受光素子アレイを設ける工程が含まれ、
前記第１波長を通過させ、前記第２波長を遮断する第１フィルタと、前記第２波長を通過させ、前記第１波長を遮断する第２フィルタとを設ける工程と、
前記第１光線要素セットと前記第２光線要素セットとの両方を、略同一の光路に沿って通過させて、前記第１波長の光を有する第１波長干渉縞パターンと、前記第２波長の光を有する第２波長干渉縞パターンとを形成する工程と、
前記第１受光素子アレイが前記第１波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第１フィルタを前記第１受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第１波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第１波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも２つの第１検出信号を出力、する工程と、
前記第２受光素子アレイが前記第２波長干渉縞パターンのみを感知するよう、波長感度を有する前記第２フィルタを前記第２受光素子アレイの前方に配置することにより、前記第２波長干渉縞パターンの空間位相の変化を検出し、前記第２波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも２つの第２検出信号を出力、する工程と、を備え、
前記第１検出信号の値を含む関係が、前記第１波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
少なくとも２つの前記第２検出信号の値を含む関係が、前記第２波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示す
ことを特徴とする位相差検出方法。
【請求項７】
請求項６に記載の位相差検出方法において、
前記少なくとも１つの偏光板を設ける工程には、偏光光線スプリッタを設ける工程が含まれ、
部分的に重畳する前記参照光線要素と前記対象物光線要素とに、前記偏光板を通過させる工程は、光を前記偏光光線スプリッタを通過させて前記第１受光素子アレイの全体を覆うよう第１干渉縞パターンフィールドを形成する工程と、前記偏光光線スプリッタに光を反射させて前記第２受光素子アレイの全体を覆うよう第２干渉縞パターンフィールドを形成する工程を備え、
波長感度を有する前記第１フィルタを前記第１干渉縞パターンフィールドの前記第１受光素子アレイの前方に配設し、
波長感度を有する前記第２フィルタを前記第２干渉縞パターンフィールドの前記第２受光素子アレイの前方に配設する
ことを特徴とする位相差検出方法。
【請求項８】
干渉距離測定を行うために合成干渉測定光線として重畳される直交光線要素、直線偏光光線要素、参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を示す信号を生成する位相差検出器であって、
直交しかつ偏光感度を有する第１軸および第２軸を備え偏光感度を有する光線屈折素子と、
部分的に重畳する参照光線要素と対象物光線用とを前記光線屈折素子から受け取り、通過軸が、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の偏光の間の角度を略分割するように配設された少なくとも１つの偏光板と、
干渉縞パターンを受け取り、前記干渉縞パターンを空間的にフィルタリングするとともに、互いに固定位相シフトされたＮの信号（Ｎは２以上の整数）を出力する、少なくとも１つの受光素子アレイとを備え、
前記光線屈折素子は、前記第１軸および前記第２軸が、前記合成光線の参照光線および対象物光線の偏光と平行になるようにそれぞれ配設され、
前記光線屈折素子は、前記合成光線の受け取られた前記参照光線および前記対象物光線を、所定発散角度θである前記光線要素の間の発散角度で、前記参照光線要素および対象物光線要素が部分的に重畳するように出力し、
前記偏光板を通過した光が略平行な干渉の干渉縞パターンを形成し、
前記干渉縞パターンは、一定の縞ピッチＰθと、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差により決定される可変空間位相とを有し、
前記Ｎの信号の値を含む関係が、前記合成干渉測定光線の前記参照光線要素および前記対象物光線要素の間の位相差を示すとともに、
前記受光素子アレイは、前記Ｎの受光素子が前記縞ピッチのＭ倍よりわずかに大きくなるように配設された、周期的受光素子アレイであり、
前記受光素子は、受光素子ピッチＰｄで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、
前記受光素子が配設される面は、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面であり、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、ｃｏｓα＝Ｍ＊Ｐθ／Ｎ＊Ｐｄとなる角度αだけ傾斜されている
ことを特徴とする位相差検出器。
【請求項９】
請求項８に記載の位相差検出器において、
前記光線屈折素子は、ローションプリズム、セナルモンプリズム、ウォラストンプリズム、双誘電体格子のいずれかを有することを特徴とする位相差検出器。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の位相差検出器において、
前記所定発散角度は少なくとも少なくとも０．５°であり、最大でも４．５°であることを特徴とする位相差検出器。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０の何れかの位相差検出器において、
前記Ｍは１以上の整数であり、前記Ｍおよび前記Ｎの組み合わせは（Ｍ＝１，Ｎ＝３）、（Ｍ＝１，Ｎ＝４）、（Ｍ＝２，Ｎ＝３）および（Ｍ＝３，Ｎ＝４）のいずれかである
ことを特徴とする位相差検出器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の位相差検出器において、
前記Ｍおよび前記Ｎの組み合わせはＭ＝３、Ｎ＝４であることを特徴とする位相差検出器。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２の何れかに記載の位相差検出器であって、
前記受光素子アレイが、第１受光素子アレイと第２受光素子アレイとを備える位相差検出器において、
前記第１受光素子アレイの前方に配設され、光の第１波長を通過させ、かつ、光の第２波長を遮断する、波長感度を有する第１フィルタと、
前記第２受光素子アレイの前方に配設され、光の第１波長を遮断し、かつ、光の第２波長を通過させる、波長感度を有する第２フィルタとを備え、
参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第１波長を有する第１光線要素セットと、参照光線要素および対象物光線要素を含み前記第２波長を有する第２光線要素セットとが、同一の偏光方向を有し、かつ、略同一線上にあるとき、前記第１光線要素セットおよび第２光線要素セットは、略同一の光路に沿って前記偏光板を通過して、前記第１波長を有する光を有する第１波長干渉縞パターンと、前記第２波長を有する光を有する第２波長干渉縞パターンとを形成し、
前記第１フィルタおよび前記第１受光素子アレイの組み合わせが、前記第１波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第１波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも２つの第１検出信号を出力し、
前記第１検出信号の値を含む関係が、前記第１波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示し、
前記第２フィルタおよび前記第２受光素子アレイの組み合わせが、前記第２波長干渉縞パターンのみを感知し、前記第２波長干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、かつ、互いに固定位相シフトされた少なくとも２つの第２検出信号を出力し、
前記第２検出信号の値を含む関係が、前記第２波長を有する前記参照光線要素と前記対象物光線要素との間の位相差を示すことを特徴とする位相差検出器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の位相差検出器において、
前記偏光板は、前記光線屈折素子からの、部分的に重畳される参照光線要素および対象物光線要素を受け取り、部分的に光を通過させて前記第１受光素子アレイの全体を覆うよう第１干渉縞パターンフィールドを形成し、かつ、部分的に光を反射して前記第２受光素子アレイの全体を覆うよう第２干渉縞パターンフィールドを形成する偏光光線スプリッタを備え、
前記第１フィルタが前記第１干渉縞パターンフィールドの前記第１受光素子アレイの前方に配置され、前記第２フィルタが前記第２干渉縞パターンフィールドの前記第２受光素子アレイの前方に配置されている
ことを特徴とする位相差検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的な干渉を利用して距離や変位量を測定する干渉距離測定のための位相差検出器および位相差検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
距離または変位量を測定するために、レーザ干渉計が広く使用されている。このような干渉計として、コヒーレント光線を偏光光線スプリッタに射出して、偏光光線スプリッタにより２つの直交偏光光線を生成する偏光干渉計がある。この２つの直交偏光光線のうち、一方の偏光光線は干渉計の固定長さを有する参照光路に沿って射出され、他方の偏光光線は距離測定対象物光路、つまり、測定物光路に沿って射出される。この２つの偏光光線は、それぞれ１／４波長板を通過し、参照面および対象物面により反射される。反射された偏光光線は、１／４波長板を通過して戻され、同じ偏光光線スプリッタで再結合されて、２つの直交偏光要素を有する出力光線が形成される。所望の距離または変位量の測定情報は、この出力光線の直交偏光要素の位相差により示される。
【０００３】
この位相差は、既知の様々な方法により測定することができる。一例として、直角位相測定装置を使用する方法がある。直角位相測定装置は様々なものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３０２８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直角位相測定装置は一般的に、複数の光路、光線スプリッタ、波長板、偏光板および複数の検出手段を備える。上述の要素間の差と複数の光路の配置により、直角位相信号の位相差、振幅誤差、環境感度、経時変化等が影響を受ける。これらの差に関連する誤差はかなり小さいため、従来は看過されるか無視されることが多かった。しかし、位相測定結果は、直交位相誤差の影響の影響を受け、その精度が制限されることがある。このため、より高精度な光学干渉距離測定を実現するためには、前述した位相測定をより高精度に行うことが求められる。
本発明の主な目的には、上述した問題などを解消する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述したように、対象物光線出力と参照光線出力との位相差にのみ関連する単数または複数の測定信号を発生させる際、偏光干渉計が位相差検出手段（以下、単に検出手段ともいう）の機能の影響を受け、その解像度および／または精度が制限されることがよくある。
本発明は、新規な構成を備え、位相差測定の精度を高める偏光干渉位相差検出手段に関する。尚、位相差測定装置は既に成熟技術となっているため、たとえ、小さな改良であったとしても、広く利用されている高精度測定技術の精度および／または信頼性を向上させる上で、意義を有するものである。
最終的に、位相差測定は、干渉計で用いられる放射線の基本波長と比べて、より高い測定解像度および／または精度を提供するために用いられる。したがって、検出手段の測定解像度の有用度は、「補間レベル」と呼ばれることがある。波長の約１／１００の補間レベルは一般的であるといえる。本発明に係る検出手段は、このレベルをはるかに超えた、波長の約１／１０００の補間を提供し、および／または、信頼性を高めるとともに経年劣化および環境変数からの影響を低減させる。
【０００７】
本発明では、出力光線の直交偏光する対象物および参照光線要素が、偏光感度を有する光線屈折素子に向けて射出され、この光線屈折素子により、これらの直交偏光光線の一方または両方が屈折され、これらの光線間に所定の発散角度が形成される。分離光線は合成偏光板に入射され、この合成偏光板から射出される光線は同様に偏光されて干渉する。干渉し合う分離光線は、その後、干渉縞を形成する。この干渉縞は平行縞であってもよい。検出手段の干渉縞の空間位相は、干渉計の物体光線と参照光線との間の位相をあらわす。
【０００８】
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子は、例えば、ローションプリズム、ウォラストンプリズム、セナルモンプリズムなどの偏光感度を有するプリズムであってもよい。このようなプリズムは、上記偏光光線の一方または両方を、安定して屈折させてもよい。本発明の他の側面では、偏光感度を有するプリズムは、モノリシック素子であってもよい。
【０００９】
本発明において、合成偏光板は、偏光感度を有する屈折素子の射出面付近に設けられ、介在する光路を減少または最小限化する剛面偏光板であってもよい。本発明の他の側面では、偏光板は、偏光感度を有する屈折素子の射出面に当接してもよい。
【００１０】
本発明において、検出手段の干渉縞の空間位相は、縞パターンを空間的にフィルタリングし、（３６０／Ｎ）°ずつ意図的に位相シフトされた複数の信号を生成する受光素子アレイにより感知されてもよい。ここで、Ｎは３以上の整数である。様々な実施形態において、受光素子アレイは周期的であってもよく、各受光素子の中心間距離（ピッチ）は、受光素子アレイの表面における縞間隔の分数であってもよい。様々な実施形態において、受光素子アレイの表面の縞間隔は、受光素子アレイのピッチを整数で乗じたものであってもよい。
【００１１】
本発明において、受光素子アレイの取付角度を調節して、受光素子アレイの表面の縞間隔（縞ピッチ）Ｐθが受光素子アレイピッチＰｄと所定の関係になるようにしてもよい。具体的には、前記受光素子アレイは、前記Ｎの受光素子が前記縞ピッチのＭ倍よりわずかに大きくなるように配設された、周期的受光素子アレイであり、前記受光素子は、受光素子ピッチＰｄで、前記受光素子アレイの面に沿って配設され、前記受光素子が配設される面は、前記参照光線要素および前記対象物光線要素の光路に略直交する面であり、前記発散角度θを二分割する直線を法線とする参照平面に対して、ｃｏｓα＝Ｍ＊Ｐθ／Ｎ＊Ｐｄとなる角度αだけ傾斜される。
【００１２】
本発明において、受光素子アレイを偏光板の射出面付近に設けて、介在する光路を減少または最小限化させてもよい。本発明の他の側面では、受光素子アレイは、偏光板の表面に付着されてもよい。
【００１３】
本発明において、受光素子アレイは縞パターンを空間的にフィルタリングし、３相出力信号を発生させて、この３相出力信号が干渉縞の空間位相を決定する際に信号処理されて誤差を除去するようにしてもよい。
【００１４】
本発明において、受光素子アレイは縞パターンを空間的にフィルタリングし、直角位相出力信号を発生させて、この直角位相出力信号が干渉縞の空間位相を決定する際に信号処理されて誤差を除去するようにしてもよい。
【００１５】
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子、合成偏光板および受光素子アレイが一緒に設けられるよう、コンパクトかつモノリシックな検出手段を構成してもよい。
【００１６】
本発明において、偏光感度を有する光線屈折素子、合成偏光板および受光素子アレイを一緒に設けられるよう、検出手段を通過し互いに干渉する参照光線および対象物光線の両方の光路となる単一光路のみを提供し、かつ、検出手段の信号を生成する受光素子のすべてが当該単一光路に配置される検出手段を構成してもよい。
【００１７】
本発明において、干渉距離・干渉変位感知装置を次のように動作させてもよい。まず、光源により、直交偏光する第１および第２光線が射出される。第１光線は干渉計の参照光路に沿って入射され、第２光線は干渉計の対象物光路に沿って入射される。参照光路から射出される第１光線と対象物光路から射出される第２光線とは、略平行した直交偏光であり、重畳して合成出力信号を形成する。合成出力光線は、偏光感度を有する光線屈折素子に入射され、この光線屈折素子は、偏光感度を有する第１および第２軸を備える。この第１および第２軸は、合成出力光線の第１および第２光線の偏光方向に対しそれぞれ平行となるよう配列される。第１および第２光線は、互いの間の発散角度を略所定の名目発散角度として、かつ、これらの光線が部分的に重畳するように、偏光感度を有する光線屈折素子から射出される。部分的に重畳する第１および第２光線は、偏光板を通過する。この偏光板は第１および第２光線の偏光間角度を略分割する偏光角度を有する。第１および第２光線の通過した偏光要素により、略平行な縞の干渉縞パターンを形成する。この干渉縞パターンの縞ピッチは一定であり、この可変空間位相は、参照光路と対象物航路との間の可変光路長さの差により決定される。干渉縞パターンの空間位相は、受光素子アレイを用いて検出される。ここで、受光素子アレイは、縞パターンを空間的にフィルタリングして、（３６０／Ｎ）°ずつ意図的に位相シフトされた複数の信号を生成する（Ｎは３以上の整数）。
【００１８】
本発明において、２波長のアプソリュート干渉計とともに使用される検出手段を設けてもよい。この場合は、同じ光路に沿って干渉計を通過する２つの別個の波長それぞれについて、位相が決定される。第１双波長実施形態では、光線スプリッタは偏光感度を有する光線屈折素子の後段に配置され、双波長検出手段の２つの別個の光路を提供する。縞パターンはこれら２の光路それぞれで形成される。波長を選択する光学フィルタを用いて、各干渉縞パターンでの異なる波長同士を分離させる。各縞パターンの空間位相は、各受光素子アレイにより検出される。受光素子アレイのそれぞれは、上述した原理にしたがって構成されており、各フィルタを通過する波長の縞パターンと一致するようになっている。
【００１９】
本発明において、合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの前段に配置してもよく、また、２つの合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの後段かつ受光素子アレイの前段に配置してもよい。簡易さおよび光学信号強度の点で有用である他の実施形態では、偏光光線スプリッタを合成偏光板として使用してもよく、この場合は、双波長検出手段に他の偏光板を設ける必要はない。
【００２０】
本発明において、双波長を用いる場合でも、光線スプリッタは必須ではない。この場合、検出手段は、前述した単波長構成と同じように構成される。しかし、光線の直径および／または受光素子寸法が、合成偏光板から射出される単一の干渉パターン内に２つの別個の受光素子アレイが配置されるよう、構成される点で異なる。波長を選択するフィルタは、各受光素子アレイの前段に配置される。各受光素子アレイは、前述した原理に従って構成されており、各フィルタを通過する波長の縞パターンと一致し、その空間位相を検出するようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００２２】
図１Ａにおいて、本実施形態の干渉距離測定装置５０は、干渉計部６０および検出手段１００を備える。
【００２３】
干渉計部６０では、レーザ源（図示せず）を用いて、コヒーレント光線６５を発生させる。コヒーレント光線６５は、１／２波長板７０を通過し、その後、偏光光線スプリッタ７５に入射する。偏光光線スプリッタ７５は、コヒーレント光線６５の一部、つまり、Ｐ偏光を通過させて参照光線８６を形成し、コヒーレント光線６５の一部、つまり、Ｓ偏光を反射して対象物光線７６を形成する。参照光線８６は、１／４波長板８７を通過し、固定参照ミラー８８に到達し、参照ミラー８８により、１／４波長板８７を介して偏光光線スプリッタ７５まで反射される。
ここで、偏光方向は、偏光光線スプリッタ７５を最初に通過したときの偏光方向から９０°回転した状態である。このように、偏光光線スプリッタ７５によって反射されて出力参照光線８９となり、この出力参照光線８９が合成干渉測定光線である合成光線９０の直交偏光要素の一方となる。
【００２４】
同様に、対象物光線７６は、１／４波長板７７を通過し、可動の対象物表面７８により反射されて、１／４波長板７７を通過して、偏光光線スプリッタ７５に戻される。ここで、偏光方向は、偏光光線スプリッタ７５により最初に反射されたときの偏光方向から９０°回転した状態である。こうして出力対象物光線７９となり、この出力対象物光線７９が合成光線９０の直交偏光要素の他方となる。
【００２５】
検出手段１００は、偏光感度を有する光線屈折素子（ＰＳＢＤＥ）１１０、合成偏光板１３０、受光素子回路１５０を備える。
詳細は後述するが、入射断面寸法１１３を有する合成光線９０は、合成光線９０の直交偏光要素を発散角度θで分割するように配向されたＰＳＢＤＥ１１０に入力される。
本実施形態では、ＰＳＢＤＥ１１０は、非屈折光線１２０と、角度１２７で屈折された屈折光線１２５とを通過させるローションプリズムである。このＰＳＢＤＥ１１０は、第１軸を持つ第１結晶プリズムと第２軸を持つ第２結晶プリズムとを備え、第１軸と第２軸とが互いに直交するよう構成されてもよい。この例では、発散角度θは屈折角度１２７と同じである。ＰＳＢＤＥの代わりに、ＰＳＢＤＥと同様の機能を有するセナルモンプリズムを適切に設計配向してもよい。他の例では、ＰＳＢＤＥを、両方の光線をそれぞれの屈折角度で屈折させる、いわゆる双屈折タイプとしてもよく、発散角度θをこの２つの屈折角度の合計としてもよい。双屈折タイプのＰＳＢＤＥは、ウォラストンプリズム、または適切な構造を有する双誘電体格子で構成されてもよく、これには、記事『Wollaston prism-like devices based on blazed dielectric subwavelength gratings（ブレーズド誘電体サブ波長格子に基づくウォラストンプリズム装置）』（Haidarその他  Optics Express Vol. 13 No. 25  2005年12月）に記載のものが利用できる。
【００２６】
分離された直交偏光光線は、その後、直交偏光光線１２０および１２５の偏光角度の略半分の偏光角度となるように配向された合成偏光板１３０を通過する。合成偏光板１３０を通過した分離光線１２０および１２５の要素は、同様に偏光され、その結果、略平行な縞の干渉パターンを形成する。検出手段の干渉縞の空間位相は、干渉計の対象物光線と参照光線との間の位相差をあらわす。干渉縞パターンは、受光素子回路１５０の受光素子アレイ１５５上に形成される。受光素子アレイ１５５は、例えば周期的な受信素子を有する周期的受光素子アレイとすることができ、この受光素子アレイ１５５が生成した信号を解析することにより検出手段の干渉縞の空間位相が決定される。これについては、詳細を後述する。一般的に、このような信号を生成するのであれば、現在知られている、または、今後開発される構成の受光素子を使用してもよい。
【００２７】
干渉縞パターンは、ＰＳＢＤＥ１１０からの射出面において寸法１１５を有してもよい。この寸法は、光線１２０および１２５が重畳する領域の寸法をあらわす。尚、この重複領域は、光が伝播し分離するのに従い小さくなり、受光素子アレイ１５５では寸法１１７を有することになる。この寸法１１７が受光素子アレイ１５５の寸法１５７より大きくなるように検出手段を設計することは有益である。この場合は、干渉縞パターンにより受光素子アレイ１５５全体が覆われ、最も適した最大信号を生成することができる。様々な実施形態において、検出手段１００を小型化して設計組立し、受光素子アレイ１５５を、ＰＳＢＤＥ１１０の射出面付近に配置された合成偏光板１３０の付近に設けてもよい。これらの素子は、互いに結合させて安定した一体のアセンブリとしてもよい。また、これらの素子を互いに当接するように組み立ててもよい。
【００２８】
図１Ｂは、図１Ａの検出手段１００と同様もしくは同一の検出手段１００’を示す図である。尚、図示されている要素１３５、１４５、１５５の縮尺は、説明を明確にするためにかなり強調されたものとなっている。
図１Ｂに、干渉分離光線１２０および１２５の波面セット１３５を示す。破線１３６ａおよび１３６ｂは、干渉縞パターンにおける同強度の平行面を示す。これらの面は図面の紙面の内外方向に延びる面である。干渉縞強度信号１４５は、空間的周期１４０を有する正弦波または近正弦波の強度分布を模式的に示す。参照平面ＲＥＦは、紙面の内外方向に延びる。面ＲＥＦは、平行面１３６ａおよび面１３６ｂに直交し、干渉光線１２０と１２５との間の角度θを分割する直線の法線となる。受光素子アレイ１５５は後述するように、紙面の内外に延びる検出面を形成し、面ＲＥＦに対して角度αとなるよう配置されている。対象物光線１２０および参照光線１２５のそれぞれの強度が一致しているとき、干渉縞パターンは次の１つの振幅で生成される。
【００２９】
【数１】
0005140301.tif 000002
【００３０】
ここで、λは光の波長であり、ｌｓは干渉計の対象物アームの光路長であり、ｌRは干渉計の参照アームの光路長であり、ｘは平行面１３６ａおよび１３６ｂ（つまり、面ＲＥＦに平行な面）に直交する方向に沿った位置であり、ｘ０は空間オフセットであり、φ0は干渉計を通過する各光路に沿ったすべての光学要素の積算位相差オフセットであり、ローション偏光板内の正常光線と異常光線の位相速度を含んでいる。
【００３１】
干渉縞パターンのピッチつまり空間的周期Ｐθは、発散角度θおよび光の波長λと、以下の式に表すような関連性を有する。
【００３２】
【数２】
0005140301.tif 000003
【００３３】
ローション水晶偏光板を、波長が７８０ｎｍのときθ = 1.159° となるように設計してもよく、これにより、縞ピッチは、Ｐθ = 38.6ミクロンとなる。さらに、一般的に、発散角度を０．５〜４．５°の範囲から選択すると、実用される種々の受光素子アレイとの組み合わせにおいて適している。
【００３４】
受光素子アレイ１５５は、Ｍ＊縞ピッチに対応する、Ｎの「空間位相信号」（Ｎは０より大きい整数）を生成するよう構成してもよい。一般に、Ｍが０より大きい整数であるとき、Ｎの受光素子群は範囲Ｍ＊Ｐθ（詳細は後述するが、若干これより大きくてもよい）に対し定間隔で分布して、上述の信号セットを生成してもよい。各受光素子のそれぞれの中心間の距離は、受光素子アレイピッチＰｄとしてもよい。様々な実施形態において、測定方向に順次進行するにつれ、Ｎの受光素子は、（Ｍ＊３６０／Ｎ）°の増加量で意図的に位相シフトさせたＮの位相シフト信号を生成してもよい。実際の測定としては、実際の製造および組立における許容差や発散角度の許容差などを許容するため、Ｎ＊ＰｄがＭ＊Ｐθよりわずかに大きくなるよう受光素子アレイ１５５を製造してもよい。そして、組立または較正において、受光素子アレイ１５５を、次の式になるように、面ＲＥＦに対して角度αだけ意図的に傾斜させてもよい。
【００３５】
【数３】
0005140301.tif 000004
【００３６】
図２は、受光素子アレイ２５５の一例を有する受光素子回路２５０の一例を示す等角図である。受光素子アレイ２５５に示される受光素子の数は、図示を簡略化するため少なくしている。一般に、多数の受光素子を設けると、信号強度を高め、誤差を平均化できる点で有益である。例えば、Ｑが３以上の整数、好ましくは６以上の整数であるとき、Ｑ＊Ｍ＊Ｎ個の受光素子を設けることが望ましい。
【００３７】
干渉強度プロフィール２４５を示す。ピッチＰ'θは、受光素子アレイ２５５の検出面２５７上に見られる縞ピッチである。図１Ｂおよび式３での記載と一致するには、Ｐ'θ＝（Ｐθ／ｃｏｓα）、かつｘ'＝（ｘ／ｃｏｓα）となる。この例では、受光素子回路２５０は、縞ピッチを１（Ｍ＝１）、増加量をＭ＊３６０／Ｎ°＝９０°として、位相シフト信号が４（Ｎ＝４）となるように設定してよい。個々の受光素子は、受光素子アレイピッチＰｄで構成される。この例では、Ｐ'θ＝４Ｐｄであり、個々の受光素子は４Ｐｄ離れた位置にある受光素子と電気接続（または、他の方法で接続）され、それぞれ４つの受光素子セットであるＡ（０°）、Ｄ（２７０°）、Ｃ（１８０°）、Ｂ（９０°）を形成する。検出手段の構成の他の例については後述する。
【００３８】
縞強度プロフィール２４５は、検出手段測定軸Ｘ’に沿った位置の一例に配置されている。対象物光路の長さが任意量Δｌｓで変化すると、干渉光線１２０および１２５の間の位相差が３６０°（２Δｌｓ／λ）で変化する。したがって、縞強度プロフィール２４５は、縞に追従して、測定軸Ｘ’に沿って移動し、固定された検出手段アレイ２５５上の任意の点に対し、３６０°（２Δｌｓ／λ）で空間位相を変化させる。４つの受光素子セットのそれぞれは、縞強度プロフィール２４５を空間的にフィルタリングする。このように、それぞれの受光素子セットは、光学信号を受信し、この光学信号は、検出面２５７上の干渉縞パターンの空間位相変化関数として周期的に変化する信号である。
【００３９】
図２に示す４相受光素子回路２５０は、直角位相信号を生成する既知の受光素子回路である。
受光素子セットＡ〜Ｄは、縞強度プロフィール２４５の空間位相にしたがって正弦的に変化する光学信号を受信する。受光素子セットＡ〜Ｄのそれぞれは、当該光学信号に比例する電気信号を出力する。すなわち、信号Ａ（０°＝「参照」位相）は増幅器２２６ａに、信号Ｂ（９０°位相シフト）は増幅器２２８ａに、信号Ｃ（１８０°位相シフト）は増幅器２２６ｂに、信号Ｄ（２７０°相対位相シフト）は増幅器２２８ｂに送信される。増幅器２２６ａおよび２２６ｂからの信号ＡおよびＣは、差動増幅器２３１を介して合成され、その結果、信号１（Ｓｉｇ．１）が生成される。増幅器２２８ａおよび２２８ｂからの信号ＢおよびＤは、差動増幅器２３２を介して合成され、その結果、信号２（Ｓｉｇ．２）が生成される。差分信号（Ａ〜Ｃ）および（Ｂ〜Ｄ）は、光学信号および電気信号Ａ〜Ｄにあらわれる、共通モード「ＤＣオフセット」誤差を減少または除去する。信号１（Ｓｉｇ．１）および信号２（Ｓｉｇ．２）はほぼ正弦の信号であり、９０°の位相で出力される（つまり、信号１および２は直角位相信号である）。
【００４０】
図３は、出力信号１および２（Ｓｉｇ．１およびＳｉｇ．２）の一般的特徴であって、つまり、干渉計における変位および／またはそれに伴う干渉光線１２０および１２５の位相差の変化および／または縞強度プロフィール２４５の空間位相の変化関数としての特徴を示す。
このように直角位相信号を処理して変位量を決定することは、当業者の間で一般的に用いられる手法であり、ここでは詳述の必要はないと思われるが、直交位相信号値Ｓｉｇ．１およびＳｉｇ．２を参照して簡単に説明する。
【００４１】
Ｓｉｇ．１およびＳｉｇ．２は、正弦信号および余弦信号である。したがって、縞強度プロフィール２４５の空間位相は、１８０°の曖昧性を有する逆正接関数（Ｓｉｇ．１／Ｓｉｇ．２）で表される。この曖昧性は、信号の符号を検証することで除去してもよい。または、Ｓｉｇ．１およびＳｉｇ．２は、次の２πを法とする第２引数の逆正接関数を用いて処理してもよい。
【００４２】
【数４】
0005140301.tif 000005
【００４３】
式４の第２引数「atan2」関数は、一般に入手可能な多数のプログラムにおいて利用され記述されている。この関数の結果は、Ｓｉｇ．／Ｓｉｇ．２のラジアンの逆正弦である。しかし、第２引数の使用により、角度の象限を決定することができ、その結果は、−ｐｉ／２と＋ｐｉ／２の間ではなく、−ｐｉと＋ｐｉとの間になる。
【００４４】
上述したように、４位相検出手段アレイを使用する代わりに、３相検出手段アレイを用いてもよい。３相設計の場合には、一実施形態では、受光素子回路は、（３６０°／Ｎ）＝１２０°の増加量で意図的に互いに位相シフトさせた３相シフト信号（Ｎ＝３）となるように構成してもよい。各受光素子は、Ｐ’θ＝３Ｐｄであってもよい。個々の受光素子は、Ｐ’θ＝３Ｐｄ離れた位置にある受光素子に電気接続（またはその他の方法により接続）されることにより、干渉縞パターン位置または空間位相を表す３相信号を出力する、３つの受光素子セット（Ａ’（０°）、Ｂ’（１２０°）およびＣ’’（２４０°））を構成してもよい。３相位置信号を接続および処理する方法の一例としては、その全体を参照することにより本明細書中に引用される米国特許第６，９０６，３１５号に記載された３相位置信号がある。３相光学強度信号は、前記米国特許に記載の方法でも処理することができ、それにより、２つの派生直角位相信号値を決定してもよい。この信号がＳｉｇと同様に解析され、縞パターン位置または空間位相が決定される。
【００４５】
より一般的には、位相信号の実用的位相数は（Ｎ位相信号）は、受光素子アレイにより決定され、適する信号処理および解析とともに使用される。すべての位相信号が、縞強度プロフィール２４５の単一区間から派生したものでなくてもよい。例えば、わかりやすい例をあげると、受光素子回路は４相シフト信号（Ｎ＝４）を３＊Ｐ’θ（Ｍ＝３）の間隔で構成してもよく、ここで、Ｐ’θは角度αの名目値と関連づけられた名目設定値である。このように、この例では、受光素子アレイピッチＰｄ＝（３Ｐ’θ／４）および空間連続受光素子は、増加量（Ｍ＊３６０°／Ｎ）＝（３＊３６０°／４）＝２７０°で意図的に互いに位相シフトされる。このＭ／Ｎの率は、基本信号の空間第２調波として発生する周期的誤差を除去するために用いられる割合群の中でも、代表的なものである。アレイの中の受光素子の幅は必要に応じて調整して、信号を最大としたり、および／または、他の空間調波をフィルタリングして除去してもよい。個々の受光素子は、４Ｐｄ離れた位置にある受光素子に電気接続（またはその他の方法により接続）されることにより、４の受光素子セット（Ａ’’（０°）、Ｄ’’（２７０°）、Ｃ’’（１８０°）およびＢ’’（９０°））を構成してもよい。一般に、受光素子アレイが、Ｍ＊Ｐ’ｑ＝Ｎ＊Ｐｄ（Ｎ＞Ｍ）の条件を満たし、Ｑ＊Ｍ＊Ｎ受光素子が縞パターンを受け取るように構成することは有益である。ここで、Ｍ、ＮおよびＱは整数である。（Ｍ＝１，Ｎ＝３）、（Ｍ＝１，Ｎ＝４）、（Ｍ＝２，Ｎ＝３）および（Ｍ＝３，Ｎ＝４）のうち、どの組み合わせが最も実用的であるかは、製造上の制約によって異なる。いずれの組み合わせにおいても、干渉縞パターン内の様々な位相位置にある受光素子から発生する複数の信号を解析することにより、光学信号における共通モード誤差を除去し、他の誤差を決定および補正することができる。位相信号を検出するために用いられるすべての受光素子が単一信号ＩＣに位置する場合は、各受光素子回路間の差により生じる誤差を共通モード誤差として除去可能である。
【００４６】
図４は、ルーチン４００の一実施形態を示すフローチャートである。ルーチン４００は、合成光線のコヒーレント直交偏光第１光線および第２光線の間の位相差をあらわす値を、本発明の検出手段を用いて決定するための一連の動作である。ブロック４１０に示すように、合成干渉測定光線において互いに重畳する直交光線、直線偏光光線、参照光線、対象物光線の要素が提供される。例えば、このような合成光線は、現在知られているまたは今後開発される構成の偏光干渉計から出力されてもよい。ブロック４２０では、偏光感度を有する光線偏光素子が提供される。この光線偏光素子は、直交しかつ偏光感度を有する第１および第２軸、少なくとも１つの偏光板および少なくとも１つの受光素子アレイを備えている。ブロック４３０では、この第１および第２軸が合成光線の参照光線および対象物光線の偏光とそれぞれ平行になるように、この光線偏光素子が、配向されている。
【００４７】
ブロック４４０では、合成光線の参照光線要素および対象物光線要素が、偏光感度を有する光線偏光素子に入射される。ブロック４５０では、参照光線要素および対象物光線要素は、それぞれの光線要素間の発散角度（所定発散角度）で、偏光感度を有する光線偏光素子から出力され、出力された参照光線要素および対象物光線要素が部分的に重畳するように構成される。ブロック４６０では、部分的に重畳する参照光線要素および対象物光線要素は、参照光線要素および対象物光線要素の偏光間角度を略分割する通過軸を有する偏光板を通過する。偏光板を通過した光は、略平行な干渉縞パターンを形成する。この干渉縞パターンの縞ピッチは一定であり、可変空間位相は参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差により決定される。ブロック４７０では、干渉縞パターンを空間的にフィルタリングし、互いに固定位相シフトされた複数の信号を出力する受光素子を用いて、干渉縞パターンの空間位相の変化が検出される。ここで、当該複数の信号を含む関係は、合成された干渉測定光線の参照光線要素および対象物光線要素の間の位相差を表す。
【００４８】
図５に、双波長検出手段の第１例として、双波長検出手段５００を示す。このような検出手段は、例えば、２波長のアプソリュート偏光干渉計とともに用いられてもよい。その場合は、同じ光路に沿って干渉計を通過する２つの放射波長λおよびλ’のそれぞれに２つの位相差を決定する必要がある。
【００４９】
図５は、検出手段５００の模式図である。参照符号５９０および６９０，５１０、５２０および６２０、５２５および６２５、θ，５５０および５５０’、５５５および５５５’、ＲＥＦおよびＲＥＦ’、αおよびα’を付された素子は、図１Ａおよび図１Ｂにおいて参照記号９０、１１０、１２０、１２５、θ、１５０、１５５、ＲＥＦ、αを付された素子と類似または同一の構成で設計、構成、操作してもよい。尚、光線５９０、５２０、５２５のそれぞれは、第１放射波長λを使用して得られた、図１Ａおよび図１Ｂの光線９０、１２０、１２５と同様の光線要素から構成される。しかし、光線６９０、６２０、６２５は第２放射波長λ’を使用して得られた光線要素を複数有する。以下、これらを第１波長要素および第２波長要素とする。第２波長要素６２０および６２５はそれぞれ、第１波長要素５２０および５２５と同じ偏光を有する。詳しくは後述するが、第２波長要素６２０および６２５は、波長感度を有するフィルタ５９１および５９５で分離されるまで、第１波長要素５２０および５２５と同一線上にある。
【００５０】
図１Ａでの説明からわかるように、直交偏光光線５２０および５２５と、直交偏光光線６２０および６２５の構造は、ＰＳＢＤＥ５１０から射出されるものとして理解される。これらの光線は、偏光角度を有する偏光光線スプリッタ５７５に入射する。ここで偏光光線スプリッタ５７５は、図１Ａ中の合成偏光板１３０として機能することができる。このスプリッタ５７５の偏光角度は、直交偏光光線５２０および５２５間、直交偏光光線６２０および６２５間の偏光角度の略半分である。
【００５１】
偏光光線スプリッタ５７５を通過する第１波長要素５２０’および５２５’は、第２波長要素６２０’および６２５’と同様に偏光している。
これらが干渉して、互いに重畳する第１波長干渉パターンおよび第２波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ５９１により、第２波長放射線が除去されるため、第１波長縞パターンのみが受光素子アレイ５５５に到達する。ここで受光素子アレイ５５５には、この全体を覆うように第１干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ５５５は、傾斜をもって構成配置されており、前述の原理のように、第１波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第１波長参照光線と第１波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
【００５２】
偏光光線スプリッタ５７５により反射される第１波長要素５２０’’および５２５’’は、第２波長要素６２０’’および６２５’’と同様に偏光される。
これらが干渉して、互いに重畳される第１および第２波長干渉パターンが形成される。波長感度を有するフィルタ５９５により、第１波長放射が除去され、第２波長縞パターンのみが受光素子５５５’に到達する。ここで受光素子アレイ５５５’には、この全体を覆うように第２干渉縞パターンフィールドが形成されている。受光素子アレイ５５５’は、傾斜をもって構成配置されており、第２波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。このように、第２波長参照光線と第２波長対象物光線との間の位相差が決定されてもよい。
【００５３】
図５に示す検出手段の構成の変形例としては、非偏光光線スプリッタを使用して、光路に沿ってこの非偏光光線スプリッタの前段に合成偏光板を配置してもよく、また、２つの合成偏光板を光路に沿って非偏光光線スプリッタの後段と受光素子アレイの前段に配置してもよい。
【００５４】
図６に、双波長検出手段の第２の例として、双波長検出手段６００を示す。図６は検出手段６００の模式図である。参照符号５９０および６９０、５１０、５２０および６２０、５２５および６２５、θ、５９１’、５９５’、ＲＥＦおよびＲＥＦ’、αおよびα’を付された素子は、図５で同じ符号を付された素子と同様もしくは同一であってもよい。
【００５５】
図５の記載に基づいて、直交偏光光線５２０および５２５と、直交偏光光線６２０および６２５の構造は、ＰＳＢＤＥ５１０から射出されるものとして理解される。これらの光線は、偏光角度を有する合成偏光板６３０に入射する。この合成偏光板６３０の偏光角度は、直交偏光光線５２０および５２５間、偏光光線６２０および６２５間の偏光角度の略半分である。偏光光線スプリッタ５７５を通過する第１波長要素５２０’および５２５’は、第２波長要素６２０’および６２５’と同様に偏光している。したがって、これらが干渉して、互いに重畳する第１波長干渉パターンおよび第２波長干渉パターンが形成される。
【００５６】
波長感度を有するフィルタ６９１（破線により模式的に示す）により、第２波長放射線が除去されるため、第１波長縞パターンのみが受光素子６５５に到達する。受光素子アレイ６５５は、傾斜をもって構成配置されており、前述の原理のように、第１波長干渉縞の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。同様に、波長感度を有するフィルタ６９５により、第１波長放射が除去されるため、第２波長縞パターンのみが受光素子６５５’に到達する。受光素子アレイ６５５’は、傾斜をもって構成配置されており、第２波長干渉の空間位相を決定するために解析される信号を出力する。干渉領域６１８が受光素子アレイ６５５および６５５’全体を覆うように、双波長検出手段６００を設計してもよい。設計上の関連事項は、図１を参照して上述したとおりであり、同様のことがここでも該当する。この条件を満たすために、光線および光学要素の断面を必要に応じて、より大きくして構成してもよい。
【００５７】
ローションプリズムは、これまで既知の配向の面偏光光線を入力光線の他の偏光要素から分離するために使用されてきた。すなわち、所望の面偏光出力を、近い距離にある他の出力光線から完全に分離させるには、かなり大きな発散角度を設けることが従来は望ましかったといえる。ウォラストンプリズムはこれまで、入力光線の偏光限度を決定するために使用されてきた。偏光限度は、２つの出力光線の強度を比較して決定される。すなわち、一方の出力光線を、近い距離にある他の出力光線から完全に分離させるには、かなり大きな発散角度を設けることが従来は望ましかったといえる。
【００５８】
しかしながら、本発明による検出手段におけるＰＳＢＤＥは、従来とはまったく異なる使用をされる。つまり、入力光線は直交偏光されることが知られており、ＰＳＢＤＥの軸は、元の直交偏光を保持するため、直交偏光方向と意図的に並べられるが、それでも、（ＰＳＢＤＥのタイプによって）片方または両方の出力光線を屈折させることが可能である。発散角度がかなり小さいと、従来の用途では非効率的であったり使用不可能であったりしたが、本発明では逆に、望ましいということになる。
【００５９】
図６に示すように、他の実施形態として、ＰＳＢＤＥ５１０はローションプリズムであってもよい。この従来とは異なる新しい用途に適しているローションプリズムは、２つの非同軸結晶プリズム５１０ａおよび５１０ｂを有し、これらは同じ材料から形成され、傾斜表面５１１に沿って光学的に接触している。結晶プリズム５１０ａの光軸と結晶プリズム５１０ｂの光軸とは直交している。一実施形態では、正常屈折度および異常屈折度の値がかなり近くなることから、非同軸の結晶材料としては、水晶が望ましい。したがって、必要に応じて、その発散角度θを１°より小さくすることができる。
【００６０】
図６に図示されるように、干渉計からの光線５９０は結晶プリズム５１０ａの入射面の法線である。また、結晶プリズム５１０ａの光軸ＯＡ１も入射面の法線である。光線５９０の伝播方向は、光軸ＯＡ１と平行であり、結晶プリズム５１０ａ内において、Ｐ偏光およびＳ偏光の両方が同じ屈折度ｎ０となる。結晶プリズム５１０ｂの光軸ＯＡ２は、光軸ＯＡ１に直交し、表面５１１に平行である。「交差角」表面５１１は光軸ＯＡ１に対して角度βを形成し、光軸ＯＡ２に平行である。光線５９０の表面５１１への入射角度Ｉは、Ｉ＝π／２−βとされる。Ｐ偏光は、いずれの結晶においても屈折指数ｎ０に沿って配向されているため、角状変位することなく、インターフェース表面５１１を通過する。このように、正常光線入射角は、偏光板の入射面および射出面に対し法線となるように維持され、光線５２０を形成する。
【００６１】
Ｓ偏光は、第１結晶において正常屈折度ｎ０に沿って配向され、および、第２結晶において異常屈折度ｎｅに沿って配向される。そのため、下記の式６により求められる角度Ｒで、Ｓ偏光は屈折される。
【００６２】
【数５】
0005140301.tif 000006
【００６３】
プリズム５１０ｂでのＳ偏光光線およびＰ偏光光線の間の発散角度θ’は、次の通りである。
【００６４】
【数６】
0005140301.tif 000007
【００６５】
Ｓ偏光光線は、第２結晶の射出面に対して屈折される。射出側で屈折された後のＰ偏光光線５２０とＳ偏光光線５２５との間の角度発散θは、次の通りである。
【００６６】
【数７】
0005140301.tif 000008
【００６７】
種々の検出手段アレイピッチと適合する発散角度を提供するローションプリズムは、これらの関係に基づいて設定されてもよい。他のＰＳＢＤＥの実施形態では、ウォラストンプリズム、セナルモンプリズムなどの他の非同軸結晶プリズムを、同様の原理に基づいて設計および使用してもよい。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、個々の構成および手順において種々の変形が可能であることは、当業者であれば容易に理解しうるところである。よって、本発明の目的を逸脱することない範囲内であれば、前述した実施形態に様々な変更を行うことができ、これらも本発明に含まれるものであるる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、光学的な干渉を利用して距離や変位量を測定する干渉距離測定のための位相差検出器および位相差検出方法として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】本発明の干渉計部および検出手段を備えた干渉距離測定装置の一実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの前記実施形態の検出手段を模式的に示し、該検出手段の動作の様子を示す図である。
【図２】本発明の検出手段に使用可能な受光素子アレイ構成、および受光素子アレイ回路の一実施形態の部分等尺模式図である。
【図３】検出された干渉縞パターンの変化に合わせて、図２の受光素子アレイ回路から提供される出力信号の一般的特性を示す図である。
【図４】本発明の検出手段を用いて、合成光線のコヒーレント直交偏光第１光線および第２光線の間の位相差をあらわす値を決定するための、一連の動作ルーチンの一実施形態を示すフローチャートである。
【図５】偏光感度を有する光線屈折素子および２つの別個の受光素子アレイから射出される光線を分割するための光線スプリッタを備えた、双波長検出手段の第１実施例を示す図である。
【図６】本発明の双波長検出手段の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
５０          干渉距離測定装置
６０          干渉計部
７９          対象物光線要素を有する対象物光線
８９          参照物光線要素を有する参照光線
９０          合成干渉測定光線としての合成光線
１００        検出手段
１１０,５１０ 光線屈折素子としてのＰＳＢＤＥ
１２７,θ     所定発散角度としての発散角度
１３０,６３０ 偏光板としての合成偏光板
１５５,２５５ 受光素子アレイ
５００,６００ 検出手段としての双波長検出手段
５２０,５２５ 第１波長要素を有する光線
５２０’,５２５’,５２０’’,５２５’’   第１波長要素
５５５,６５５ 第１受光素子アレイとしての受光素子アレイ
５５５’,６５５’    第２受光素子アレイとしての受光素子アレイ
５７５        偏光光線スプリッタ
５９０        第１光線セットとしての光線
５９１,６９１ 第１フィルタとしてのフィルタ
５９５,６９５ 第２フィルタとしてのフィルタ
６２０,６２５ 第２波長要素を有する光線
６２０’,６２５’,６２０’’,６２５’’   第２波長要素
６９０        第２光線セットとしての光線
ＯＡ１        第１軸としての光軸
ＯＡ２        第２軸としての光軸
Ｐｄ          受光素子ピッチ
Ｐθ          縞ピッチとしての空間的周期
Ｓｉｇ．１    第１検出信号としての出力信号１
Ｓｉｇ．２    第２検出信号としての出力信号２
【図１Ａ】
0005140301.tif 000009
【図１Ｂ】
0005140301.tif 000010
【図２】
0005140301.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005140301.tif 000015