(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能な方法であって、
次の諸ステップ：
その試験ビームを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割するステップであって、その試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｐ及びｓ成分を有し、これらのｐ及びｓ成分がそれぞれ、空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割され、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている分割ステップ；
π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記第１ビームにおける１つの偏光成分の位相を他の偏光成分の位相に関して遅延させる位相遅延ステップ；
位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第１出力ビーム対をつくるステップ；
前記第１出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第１電気信号組に変換し、その第１電気信号組を分析のためのデータ処理装置に供給するステップ；
空間的に分離された前記第２ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第２出力ビーム対をつくるステップ；
前記第２出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第２電気信号組に変換し、その第２電気信号組を分析のための前記データ処理装置に前記第１電気信号組とともに供給するステップ；
及び、前記電気信号の前記分析から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の間の少なくとも位相差を決定する決定ステップ
を備えてなる方法。
【請求項２】
前記の決定ステップがさらに、前記電気信号の前記分析から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の相対強度を決定するステップを備えている請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記の分割ステップが、偏光された試験ビームを部分偏光ビームスプリッタに導くことでその試験ビームを分割するステップを備え、その部分偏光ビームスプリッタにおける試験ビームの入射面がｓ偏光方向及びｐ偏光方向を規定する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記の位相遅延ステップが、空間的に分離された前記の第１ビームを複屈折要素に通過させるステップを備えている請求項３記載の方法。
【請求項５】
空間的に分離された前記の第１出力ビーム対をつくるステップが、位相が遅延されて空間的に分離された第１ビームを空間的に分離された前記の第１出力ビーム対をつくるための第１偏光ビームスプリッタに通過させるステップを備えている請求項４記載の方法。
【請求項６】
第１出力ビーム対を第１電気信号組に変換するステップが、前記第１電気信号組を供給するための対応光検出器に前記第１出力ビーム対のそれぞれを入射させるステップを備えている請求項５記載の方法。
【請求項７】
空間的に分離された前記の第２出力ビーム対をつくるステップが、空間的に分離された第２ビームを空間的に分離された前記の第２出力ビーム対をつくるための第２偏光ビームスプリッタに通過させるステップを備えている請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記の分割ステップが、偏光された試験ビームをホモダイン受信装置において空間的に分離された前記の第１及び第２ビームに分割することを備えており、この方法が、前記ホモダイン受信装置を較正するステップをさらに備えている請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記の較正ステップがさらに、ｓ偏光成分、ｐ偏光成分及び中間配向角に沿って配向された少なくとも３つの直線偏光子をその試験ビームの中に挿入するステップを備えている請求項８記載の方法。
【請求項１０】
偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能な方法であって、
次の諸ステップ：
その試験ビームを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割するステップであって、その試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｐ及びｓ成分を有し、これらのｐ及びｓ成分がそれぞれ、空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割され、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている分割ステップ；
π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記第１ビームにおける１つの偏光成分の位相を他の偏光成分の位相に関して遅延させる位相遅延ステップ；
位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第１出力ビーム対をつくるステップ；
前記第１出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第１電気信号組に変換し、その第１電気信号組を分析のためのデータ処理装置に供給するステップ；
空間的に分離された前記第２ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第２出力ビーム対をつくるステップ；
前記第２出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第２電気信号組に変換し、その第２電気信号組を分析のための前記データ処理装置に前記第１電気信号組とともに供給するステップ；
及び、前記電気信号の前記分析から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の少なくとも相対強度を決定する決定ステップ
を備えてなる方法。
【請求項１１】
偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能なホモダイン受信装置であって、
その試験ビームを受信し、かつ、それを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割する手段であって、試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｓ及びｐ成分を有し、これらのｓ及びｐ成分のそれぞれを空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割するための手段をさらに備えており、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている受信・分割手段と、
空間的に分離された前記２つのビームにおける一方の偏光成分の位相を他方の偏光成分の位相に関して遅延させるための、空間的に分離された前記２つのビームの１つに関して光学的に整列された位相遅延手段であって、位相が遅延されて空間的に分離されたビームを供給するために、π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記２つのビームが通過する位相遅延手段と、
空間的に分離された第１出力ビーム対及び第２出力ビーム対をそれぞれつくるための、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビーム及び前記第２ビームのそれぞれに関して光学的に整列された偏光ビームスプリッタと、
前記２つの出力ビームの出力ビーム強度のそれぞれに比例した１つの電気信号組をつくるための、前記２つの出力ビームのそれぞれに関して光学的に整列された光検出手段と、
前記電気信号から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の間の少なくとも位相差を決定する決定手段と
を備えてなるホモダイン受信装置。
【請求項１２】
前記の決定手段がさらに、前記電気信号から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の相対強度を決定する手段を備えている請求項１１記載のホモダイン受信装置。
【請求項１３】
前記の位相遅延手段が複屈折要素を備えている請求項１２記載のホモダイン受信装置。
【請求項１４】
前記の複屈折要素が波動板を備えている請求項１３記載のホモダイン受信装置。
【請求項１５】
前記の偏光ビームスプリッタ手段がウォラストン・プリズムを備えている請求項１４記載のホモダイン受信装置。
【請求項１６】
偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能なホモダイン受信装置であって、
その試験ビームを受信し、かつ、それを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割する手段であって、試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｓ及びｐ成分を有し、これらのｓ及びｐ成分のそれぞれを空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割するための手段をさらに備えており、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている受信・分割手段と、
空間的に分離された前記２つのビームにおける一方の偏光成分の位相を他方の偏光成分の位相に関して遅延させるための、空間的に分離された前記２つのビームの１つに関して光学的に整列された位相遅延手段であって、位相が遅延されて空間的に分離されたビームを供給するために、π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記２つのビームが通過する位相遅延手段と、
空間的に分離された第１出力ビーム対及び第２出力ビーム対をそれぞれつくるための、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビーム及び前記第２ビームのそれぞれに関して光学的に整列された偏光ビームスプリッタと、
前記２つの出力ビームの出力ビーム強度のそれぞれに比例した１つの電気信号組をつくるための、前記２つの出力ビームのそれぞれに関して光学的に整列された光検出手段と、
前記電気信号から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の少なくとも相対強度を決定する決定手段と
を備えてなるホモダイン受信装置。
【請求項１７】
位相遅延ステップによって較正試験ビームのｓ及びｐ成分の一方が較正試験ビームの他方の成分に対して少なくとも一部分付与された位相変化の正確な値を、較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない量に基づいて算出することができるように、前記の第１出力ビーム対は、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量からなり、かつ、前記の第２出力ビーム対は、位相が遅延されて空間的に分離された前記第２ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量からなる請求項１記載の方法。
【請求項１８】
位相遅延ステップによって較正試験ビームのｓ及びｐ成分の一方が較正試験ビームの他方の成分に対して少なくとも一部分付与された位相変化の正確な値を、較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない量に基づいて算出することができるように、前記の第１出力ビーム対は、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量からなり、かつ、前記の第２出力ビーム対は、位相が遅延されて空間的に分離された前記第２ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量からなる請求項１０記載の方法。
【請求項１９】
位相遅延手段によって較正試験ビームのｓ及びｐ成分の一方が較正試験ビームの他方の成分に対して少なくとも一部分付与された位相変化の正確な値を、較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない量に基づいて算出することができるように、空間的に分離された前記第１出力ビーム対及び前記第２出力ビーム対はそれぞれ、前記の第１出力ビーム対のそれぞれが、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量を有し、かつ、前記の第２出力ビーム対のそれぞれが、位相が遅延されて空間的に分離された前記第２ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量を有する、相互直交状の直線偏光を有している請求項１１記載のホモダイン受信装置。
【請求項２０】
位相遅延手段によって較正試験ビームのｓ及びｐ成分の一方が較正試験ビームの他方の成分に対して少なくとも一部分付与された位相変化の正確な値を、較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない量に基づいて算出することができるように、空間的に分離された前記第１出力ビーム対及び前記第２出力ビーム対はそれぞれ、前記の第１出力ビーム対のそれぞれが、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量を有し、かつ、前記の第２出力ビーム対のそれぞれが、位相が遅延されて空間的に分離された前記第２ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の等しい量を有する、相互直交状の直線偏光を有している請求項１６記載のホモダイン受信装置。
【請求項２１】
較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない前記の量は、第１の値の第２の値に対する割合からなり、その第１の値が、前記第１電気信号組から導き出された値の差からなり、その第２の値が、前記第２電気信号組から導き出された値の差からなる請求項１７または１８記載の方法。
【請求項２２】
較正試験ビームにおけるｓ及びｐ成分の相対量に依存しない前記の量は、第１の値の第２の値に対する割合からなり、その第１の値が、前記２つの出力ビームの出力ビーム強度のそれぞれに比例した１つの電気信号組における前記電気信号の第１対から導き出された値の差からなり、その第２の値が、前記２つの出力ビームの出力ビーム強度のそれぞれに比例した１つの電気信号組における前記電気信号の第２対から導き出された値の差からなる請求項１９または２０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速・高精度の干渉計、偏光解析計及び飛行高度試験計に関するものである。特に、本発明は、ホモダイン干渉装置及び、これを用いて試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の間の位相差を強度とともに測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学計測学における基本的な問題は干渉計的位相評価である。距離測定用干渉計、偏光解析計、飛行高度試験計及びその他の光学計器は、偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の間の相対位相を正確に測定することができるかどうかで価値が決まる。このような仕事を達成するための装置または副システムは、ここでは干渉受信計として引き合いに出される。最新の干渉受信計は高速であって再現性及び直線性にすぐれたものである必要がある。
【０００３】
光学計測学におけるそれ以上の問題は、偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の強度を測定することである。干渉受信計が２つの直交状偏光成分の位相情報と強度情報を提供するための技術の一例は、私が共有する、１９９５年３月２２日に出願された出願番号０８／４０８９０７号の継続共同米国特許出願「光学ギャップ測定装置及びその測定方法」で教示している。
【０００４】
位相評価のヘテロダイン法に関する技術において、調整された方法ではその位相が時間とともに変化するという言及がしばしばある。例えば、従来のヘテロダイン距離測定用干渉計の知られた形態において、光源から光学周波数のわずかに異なる（例えば２ＭＨｚ）２つの直交状偏光が放出される。この場合の干渉受信計は、時間変化性干渉信号を測定するために直線性偏光子と光検出器とを備えているのが普通である。その信号はうなり周波数で振動し、その信号位相は相対位相差に相当する。
【０００５】
ヘテロダイン距離測定用干渉計における従来のさらに他の例は、私の共有する、Ｇ．Ｅ．Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎ及びＭ．Ｓｃｈａｈａｍに付与された米国特許第４，６８８，９４０号（１９８７年）に知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ヘテロダイン法は、一方では、その干渉受信計が構成上及び測定上で簡便なものであるという重要な利点を有するが、他方では、そのヘテロダイン化にはゼーマン分裂を受けたＨｅＮｅレーザや高速変調器のような特殊化された光源を用いる必要がある。さらに、ヘテロダイン干渉受信計は偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の強度に関するいかなる情報も提供しない。
【０００７】
位相評価のホモダイン法に関する技術においてもまた、静的位相ずれに対応する複数の光検出器を備えてなる干渉受信計とともに単一周波数光源を用いるという言及がしばしばある。典型的なホモダイン受信計において、位相評価は、波動板のような偏光構成要素を通して静的位相ずれを導入することで行われる。
【０００８】
ホモダイン距離測定用干渉計における従来の他の例は、Ｌ．Ｇ．Ａｔｋｉｎｓｏｎ，Ｋ．Ｊ．Ｖｅｎｔ及びＪ．Ｐ．Ｗｏｎｇに付与された米国特許第５，３７４，９９１号や、Ｍ．Ｆ．Ａｉｅｌｌｏに付与された米国特許第５，０１８，８６２号や、Ｇ．Ｍａｋｏｓｃｈに付与された米国特許第５，３９２，１１６号などに知られている。
【０００９】
さらに、ホモダイン法に関する従来技術は、Ａ．Ｄｏｒｓｅｙ，Ｒ．Ｊ．Ｈｏｃｋｅｎ及びＭ．Ｈｏｒｏｗｉｔｚにより発表された論文「工作機械に適用される低コストのレーザ干渉計システム」（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｅｎｇ．５  ｐ．２９，１９８３）や、Ｒ．Ｓｍｙｔｈｅ及びＲ．Ｍｏｏｒｅにより発表された論文「瞬間位相測定用干渉計」（Ｐｒｏｃ．Ｓｏｃ．Ｐｈｏｔ．Ｏｐｔ．Ｉｎｓｔｒ．Ｅｎｇ．４２９  ｐ．１６，１９８３）や、Ｖ．Ｇｒｅｃｏ，Ｇ．Ｍｏｌｅｓｉｎｉ及びＦ．Ｑｕｅｒｃｉｏｌｉにより発表された論文「精密偏光干渉計」（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６６  ｐ．３７２９，１９９４）に知られている。
【００１０】
ホモダイン法の利点は、試験ビームの偏光成分どうしの間における周波数差を要求されることがないということである。しかし、偏光構成要素の正確さと光検知器の応答差とに関していっそう大きな懸念がある。一般に、従来のホモダイン受信計は、精密なものではなく、調節が難しく、また高価な構成要素が要求される。従来のホモダイン受信計はまた、試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の相対強度に関するいかなる情報も提供しない。
【００１１】
この従来技術によれば、ホモダイン受信計の性能を改良するための成果を取り入れた較正法の幾つかの実例がもたらされる。典型的な方法は、Ｐ．Ｌ．Ｍ．Ｈｅｙｄｅｍａｎにより発表された論文「干渉計における直角位相縞の測定誤差の決定及び修正」（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２０，ｐ．３３８２，１９８１）に教示されている。
【００１２】
しかし、Ｈｅｙｄｅｍａｎにより教示されたこの従来技術の方法は、検出器を２つだけ有する簡単な直角位相ホモダイン受信計に適用される。この２検出器型受信計は、試験ビームの強度変動が不利に高感度であるとして知られている。しかも、Ｈｅｙｄｅｍａｎにより教示されたこの従来の較正法は、２つの検出器のための信号を提供するビームスプリッタを特に含むすべての光学要素の偏光動作を補正することがない。最後に、前記Ｈｅｙｄｅｍａｎ論文は、試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の相対強度を計算するための方法については示していない。
【００１３】
このように、ホモダイン法は光源に関して重要な利点があるとしても、その利点はしばしば、前記の懸念と困難性によって相殺される。したがって、光源に関して重要な利点を有するホモダイン法を提供するとともに前記の困難性と懸念を克服しまたは最小限にすることのできる改良されたホモダイン受信計を提供するのが望ましい。
【００１４】
それゆえ、試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の間の位相差をこれらの強度とともに高速・高精度に測定するための装置及び方法に関する不当な要求がある。本発明は、光学要素を改良することなく、また従来のヘテロダイン法に要求される特殊な光源によることなく精密な測定値を提供することで、従来技術の前記不都合を解消するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のような第１〜第４の形態からなる。
本発明の第１の形態によれば、偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能な方法であって、次の諸ステップ：  その試験ビームを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割するステップであって、その試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｐ及びｓ成分を有し、これらのｐ及びｓ成分がそれぞれ、空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割され、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている分割ステップ；π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記第１ビームにおける１つの偏光成分の位相を他の偏光成分の位相に関して遅延させる位相遅延ステップ；位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第１出力ビーム対をつくるステップ；前記第１出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第１電気信号組に変換し、その第１電気信号組を分析のためのデータ処理装置に供給するステップ；空間的に分離された前記第２ビームから相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第２出力ビーム対をつくるステップ；前記第２出力ビーム対を変換出力ビーム強度に比例した第２電気信号組に変換し、その第２電気信号組を分析のための前記データ処理装置に前記第１電気信号組とともに供給するステップ；及び、前記電気信号の前記分析から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の間の少なくとも位相差を決定する決定ステップを備えてなる方法が提供される。
【００１６】
本発明の第２の形態によれば、前記第１の形態における「決定ステップ」に代えて、前記電気信号の前記分析から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の少なくとも相対強度を決定する決定ステップを備えてなる方法が提供される。
【００１７】
本発明の第３の形態によれば、偏光された試験ビームにおける２つの直交状偏光成分の位相差とこれらの成分の強度とを測定することの可能なホモダイン受信装置であって、  その試験ビームを受信し、かつ、それを空間的に分離された第１及び第２のビームに分割する手段であって、試験ビームが、偏光方向を表すｐと直交偏光方向を表すｓのようなｓ及びｐ成分を有し、これらのｓ及びｐ成分のそれぞれを空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割するための手段をさらに備えており、ここで、ｐ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合はｓ成分が空間的に分離された前記の第１及び第２のビームに分割される割合と異なっている受信・分割手段と、空間的に分離された前記２つのビームにおける一方の偏光成分の位相を他方の偏光成分の位相に関して遅延させるための、空間的に分離された前記２つのビームの１つに関して光学的に整列された位相遅延手段であって、位相が遅延されて空間的に分離されたビームを供給するために、π／２の３０％以内である位相変化によって、空間的に分離された前記２つのビームが通過する位相遅延手段と、空間的に分離された第１出力ビーム対及び第２出力ビーム対をそれぞれつくるための、位相が遅延されて空間的に分離された前記第１ビーム及び前記第２ビームのそれぞれに関して光学的に整列された偏光ビームスプリッタと、前記２つの出力ビームの出力ビーム強度のそれぞれに比例した１つの電気信号組をつくるための、前記２つの出力ビームのそれぞれに関して光学的に整列された光検出手段と、前記電気信号から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の間の少なくとも位相差を決定する決定手段とを備えてなるホモダイン受信装置が提供される。
【００１８】
本発明の第４の形態によれば、前記第３の形態における「決定手段」に代えて、前記電気信号から試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の少なくとも相対強度を決定する決定手段を備えてなるホモダイン受信装置が提供される。
【００１９】
本発明の好ましい方法と装置によれば、偏光された試験ビームは、ホモダイン受信計の中に導かれ、その部分偏光ビームスプリッタによって空間的に分離された第１ビーム及び第２ビームに分割される。この部分偏光ビームスプリッタにおける試験ビームの入射面は、偏光方向ｐと直交状偏光方向ｓとによって決まる。ここで用いられる「部分偏光ビームスプリッタ」という語句は、試験ビームのｐ成分及びｓ成分が前記の第１ビーム及び第２ビームに均等に分割されないということを意味する。例えば、通常の板状ビームスプリッタは透過するｐ成分の強度の約半分の量だけ反射する。
【００２０】
空間的に分離された前記２つのビームのうちの第１ビームはその後、ｐ偏光成分に関してｓ偏光成分の位相を遅延させるように配された複屈折性要素−波動板やその同等装置など−を通過するのが好ましい。この位相遅延型第１ビームはその後、例えばウォラストン・プリズムやそれと同等な複屈折性結晶である第１偏光ビームスプリッタを透過して、相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第１出力ビーム対になるのが好ましい。
【００２１】
好ましくは、この第１偏光ビームスプリッタは、前記２つの出力ビームのそれぞれにおける位相遅延型第１ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分に実質的に等しい量を混合するように配される。この第１偏光ビームスプリッタから出る２つの出力ビームのそれぞれはその後、対応する光検出器に当たり、その出力ビーム強度に比例する電気信号が従来のコンピュータやデジタル信号処理装置に送られるのが好ましい。
【００２２】
同時に、前記の部分偏光ビームスプリッタにより発生する空間分離状第２ビームも、第２偏光ビームスプリッタを同様に透過して、相互直交状の直線偏光を有する空間分離状の第２出力ビーム対になるのが好ましい。好ましくは、この第２偏光ビームスプリッタは、前記２つの出力ビームのそれぞれにおける空間分離状第２ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分に実質的に等しい量を混合するように配される。この第２偏光ビームスプリッタから出る２つの出力ビームのそれぞれはその後、対応する光検出器に当たり、その出力ビーム強度に比例する電気信号が前記のコンピュータやデジタル信号処理装置に送られるのが好ましい。
【００２３】
最後に、４つの光検出器からの電気信号は、その試験ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分の相対強度とともにｓ偏光成分及びｐ偏光成分の間の位相差を決めるために、前記のコンピュータやデジタル信号発生器によって分析されるのが好ましい。
【００２４】
本発明はまた、好適なホモダイン受信計を較正するための方法と手段を提供するのが好ましい。そのような手段は、好適なホモダイン受信計の主要部に入る直前にその試験ビームの中に挿入される偏光構成要素を備えているのが好ましい。
【００２５】
本発明の好適な方法によれば、ｓ偏光成分、ｐ偏光成分及び中間配向角に沿って連なる３つの直線偏光子をその試験ビームの中に挿入するのが好ましい。前記コンピュータは好ましくは、各偏光子のための光検出器信号を記憶し、前記波動板、前記部分偏光ビームスプリッタの偏光特性及び前記光検出器の電気的特性により提供される位相遅延量を決めるためのデータを作成するようにされる。
【００２６】
本発明に係る、計数手順を含み好適な実施の形態と手段の方法とを詳細に説明する前記特徴及び他の特徴は、添付の図面と結び付けて解釈される本発明の詳細な説明を参照することでいっそう明確になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
さて、本発明の実施の形態を図面、特に唯一の図である図１に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の現在の好ましい方法を実施することのできる、本発明に係るホモダイン受信計の現在好ましい具体例を示している。
【００２８】
図１において、試験ビーム１０３はホモダイン受信計に好適に導入される。ビームスプリッタ１０１は、試験ビーム１０３を第１ビーム１５４と第２ビーム１０４とに好適に分割する。
【００２９】
試験ビーム１０３の偏光状態は、２つの直交状偏光成分ｐ・ｓで説明される。ここで、ｐはビームスプリッタ１０１に関して試験ビーム１０３の入射面に平行な成分を表す。ビームスプリッタ１０１は、部分偏光をさせるもの、すなわち、ｐ成分及びｓ成分を第１ビーム１５４と第２ビーム１０４とに等分しないものであるのが好ましい。例えば、従来用いられている通常の板状ビームスプリッタは、試験ビーム１０３のｓ成分を均等に分割するが、そのビームスプリッタを透過して第２ビーム１０４になるｐ成分の約半分の量だけを反射させて第１ビーム１５４にする。
【００３０】
第１ビーム１５４はその後、ｐ成分に関してｓ成分の位相を変化させるように配された波動板１６０を通過するのが好ましい。この位相変化φは、正であっても負であってもよいが、その近似絶対値のために数量π／２を持っている。この位相変化φは、本発明に係る好適な装置が正しく作動するために正確なものである必要はない。この位相変化φは名目値π／２の±３０％の範囲で正確なものであれば足りることが認められている。この位相変化φは、ビームスプリッタ１０１における残留応力性複屈折のような付随因子を含む有効位相変化であってもよい。
【００３１】
波動板１６０を通過した後に、従来のウォラストン・プリズムやそれと同等な光学要素などの偏光ビームスプリッタ１５５により、第１ビーム１５４は２つの直交状直線偏光を有する２つのビーム１５６・１５７に分割されるのが好ましい。偏光ビームスプリッタ１５５は、２つのビーム１５６・１５７における第１ビーム１５４のｓ成分及びｐ成分に等しい量を混合するように配されるのが好ましい。例えば、ビームスプリッタ１５５がウォラストン・プリズムである場合には、２つのビーム１５６・１５７により決まる平面が図１の平面に関して４５度の角度をなすように配されるのが好ましい。
【００３２】
ビーム１５６・１５７は、それらのビーム強度に比例する電気信号をそれぞれつくる光検出器１５８・１５９のそれぞれに入射するのが好ましい。これらの電気信号は、電気ケーブル２５０・２５０を通って従来のコンピュータ９９に入る。このコンピュータ９９は、ビデオモニタを有する従来のデスクトップ型コンピュータや、それに代わるものであって以下にごく詳しく説明する演算を行うことのできる従来の電子処理手段であってもよい。
【００３３】
好ましくは、ビーム１５４が処理されるのと同時に、ビームスプリッタ１０１からの第２ビーム１０４は、従来のウォラストン・プリズムやそれと同等な光学要素でもよい他の偏光ビームスプリッタ１０５を透過する。偏光ビームスプリッタ１０５は、直交状の直線偏光を有する２つのビーム１０６・１０７をつくるのが好ましい。このビームスプリッタ１０５もまた、２つのビーム１０６・１０７におけるビーム１０４のｓ成分及びｐ成分に等しい量を混合するように配されるのが好ましい。
【００３４】
ビーム１０６・１０７は、ケーブル２００・２００を通って、コンピュータ９９に入る電気信号を発生するのが好ましい２つの光検出器１０８・１０９のそれぞれに入射する。コンピュータ９９は、光検出器１５８・１５９からの前記電気信号をも受ける。
【００３５】
光検出器１０８・１５８・１０９・１５９は４つの電圧ｖ-1 ・ｖ-2 ・ｖ-3 ・ｖ-4 のそれぞれを生じさせる。これらの電圧はそれ自身のゲインと電気的オフセットｖ0j とを有している。ここでｊ＝１，‥４である。これらのオフセット修正電圧はｖj＝ｖ-j −ｖ0j である。これらの電圧には、前記２つの偏光成分ｓ・ｐの強度Ｉs ・Ｉp に関する情報とともに前記２つの偏光成分ｓ・ｐの間の位相差θに関する情報が含まれている。
【００３６】
現在、これらの量θ，Ｉs ，Ｉp の正確な決定には、本発明に係る好適な装置、好ましくは独立した１１の定数パラメータにより特徴付けられる好適なホモダイン受信装置の較正が一般に要求される。これらのパラメータは、有効ｐ偏光屈折率Ｒ-p 、ビームスプリッタ１０１の透過率Ｔ-p 、光検出器１０８・１５８・１０９・１５９のための４つのゲイン逆係数ｇ1..4、光検出器１０８・１５８・１０９・１５９のための４つのオフセット電圧ｖ01..4、及び有効波動板遅延率φである。コンピュータ９９は好ましくは、これらの定数パラメータの数値を次のように略述された４つのステップを含む好適な較正手順によって計算する。
【００３７】
ステップ１：不透明な物体５１を位置５６に使うことで試験ビーム１０３を遮断して、光検出器のオフセット電圧ｖ01..4を測定する。
【００３８】
ステップ２：偏光器５２を位置５７に使うことでｓに沿って試験ビーム１０３を偏光させて、光検出器のオフセット修正電圧ｖS1..4を測定する。その後、偏光器５３を位置５８に使うことでｐに沿って試験ビーム１０３を偏光させて、光検出器のオフセット修正電圧ｖp1 ..4を測定する。これら２つの偏光の強度が実質的に等しいことを確かめる。次式を用いてＲ-p ，Ｔ-p を計算する。
Ｒ-p ＝（１／２）（ｖp1 ／ｖS1 ＋ｖp3 ／ｖS3）
Ｔ-p ＝（１／２）（ｖp2 ／ｖS2 ＋ｖp4 ／ｖS4）
【００３９】
ステップ３：次式を用いてゲイン逆係数ｇ1..4を計算する。
ｇ1＝１
ｇ2＝（ｖS1 ／ｖS2 ）
ｇ3＝（ｖS1 ／ｖS3 ）
ｇ4＝（ｖS1 ／ｖS4 ）
【００４０】
ステップ４：偏光器５４を位置５９に使うことでｓ及びｐが試験ビーム１０３の中に存在するようにして、試験ビーム１０３を直線的に偏光させる。この形態で光検出器の電圧ｖ"1..4を測定する。次式を用いて有効波動板遅延率φを計算する。
φ＝ｃｏｓ-1｛−Ｑ-（Ｔ-p ／Ｒ-p ）1/2 ｝
ここで
Ｑ-＝ (ｇ3 ｖ"3 −ｇ1 ｖ"1)／ (ｇ2 ｖ"2 −ｇ4 ｖ"4)
【００４１】
前記の好適な較正手順によってパラメータＲ-p ，Ｔ-p ，ｇ1..4，ｖ01..4，φのための正確な数値を得ることができると仮定して、本発明に係る好適なホモダイン受信計が試験ビーム１０３を分析するのに用意される。本発明の好適な方法によって、コンピュータ９９が次式を用いてｓ偏光状態とｐ偏光状態との間の位相差θを計算するのが好ましい。
【００４２】
θ＝ｔａｎ-1｛（ａ- Ｑ-n ＋ｂＱ-d ）／Ｑ-d ｝
ここで、
Ｑ-n ＝ｇ1 ｖ1 −ｇ3 ｖ3 
Ｑ-d ＝ｇ2 ｖ2 −ｇ4 ｖ4
ａ- ＝（Ｔ-p ／Ｒ-p ）1/2 ・｛１／ｓｉｎ（φ）｝
ｂ＝ｃｏｔ（φ）
【００４３】
強度Ｉs ・Ｉp は、次式によってコンピュータ９９が計算した電圧ｖs ・ｖp に比例する。
ｖs ＝（Ｔ-p ｖr −Ｒ-p ｖt ）／（Ｔ-p −Ｒ-p ）
ｖp ＝（ｖt −ｖr ）／（Ｔ-p −Ｒ-p ）
ここで、
ｖr ＝（１／２）（ｇ1 ｖ1 ＋ｇ3 ｖ3 ）
ｖt ＝（１／２）（ｇ2 ｖ2 ＋ｇ4 ｖ4 ）
【００４４】
前記手順は、本発明に係る好適な方法及び装置のための好適なデータ処理を達成するのが好ましい。
【００４５】
距離測定のために適当な本発明の別な実施の形態は、干渉位相検出に本質的な２πの位相不明確性を除去するためのさらなるデータ処理ステップを含んでいるのが好ましい。このさらなる好適なデータ処理ステップは次式の適用を含んでいるのが好ましい。
【００４６】
θ”＝θ’−２πＩｎｔ｛（θ’−θ）／２π｝
ここで、θ’は電流位相測定値、θは直前の位相測定値、θ”は不明確性修正位相測定値、Ｉｎｔ｛  ｝はその独立変数に直近の整数に変換するための関数である。このさらなる好適なデータ処理ステップによれば、高精度で大きな変位を測定することができる。
【００４７】
本発明に係るホモダイン受信計及びその方法の利点としては次のようなものが知られることになる。（１）本発明は、偏光された試験ビームの強度Ｉs ・Ｉp とともに、直交する２つの偏光成分ｓ・ｐの間の位相差θを提供する。（２）その好適な方法によれば、従来のヘテロダイン法における場合と異なり、本発明の入力ビームを変調する必要がまったくない。（３）本発明の好適な装置には動的な部品がまったくない。（４）本発明の好適な方法には、完全な光学要素を不要にする較正手順が含まれている。（５）本発明によれば、従来と比較して、θ，Ｉs ，Ｉp のための正確な値が一般に提供される。
【００４８】
当業者はまた、本発明の精神から逸脱することなく好適な実施例にわずかな変形、付加または修正を行ってもよいことが理解できる。例えば、位相遅延部材１６０を空間的に分離された第２ビーム１０４に置き換えても同様の結果が得られる。さらに、較正手順に用いられる偏光要素の数を減らしまたは増やしても、実質的に同様な結果を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、前記のように構成されているので、偏光された試験ビームの強度とともに、直交する２つの偏光成分の間の位相差を正確に知ることができる、従来のヘテロダイン法における場合と異なり、入力ビームを変調する必要がまったくない、装置には動的な部品がまったくない、完全な光学要素を不要にする、などの顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な方法を実施することのできる、本発明に係るホモダイン受信計の１つの好適な実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
５１  物体
５２  偏光器
５３  偏光器
５４  偏光器
５６  位置
５７  位置
５８  位置
５９  位置
９９  コンピュータ
１０１  ビームスプリッタ
１０３  試験ビーム
１０４  第２ビーム
１０８  光検出器
１０９  光検出器
１５４  第１ビーム
１５５  偏光ビームスプリッタ
１５６  ビーム
１５７  ビーム
１５８  光検出器
１５９  光検出器
１６０  波動板
２００  ケーブル
２５０  電気ケーブル
【図１】
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