JPH0463305A - 偏光ビームスプリッタ及びレーザ干渉測長計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は偏光ビームスプリッタ及びレーザ干渉測長計に
関し、詳しくは、偏光ビームスプリッタによって分離さ
れる２つの光を平行光として得るのに適した偏光ビーム
スプリッタ、及び、該偏光ビームスプリッタを用いたレ
ーザ干渉測長針に関する。

〈従来の技術〉 レーザ干渉測長計では、光源にガスレーザや半導体レー
ザ等を用い、そのビーム光を参照光と測長光とに分けた
後、測長物からの戻り光を再度参照光と合成させ、干渉
縞やビートを観測することによって測長（変位）情報を
得ている。

かかるレーザ干渉測長計の構成は、第５図に示すような
マイケルソン型干渉計を基本としている。

即ち、光源２０からの光束は、偏光ビームスブリッ夕２
１で参照光と測長光とに分けられ、測長光は測長物に取
付けられた可動鏡２２て反射し、偏光ビームスプリッタ
２１で固定鏡２３からの反射される参照光と合成され干
渉縞を生じる。ここで、測長情報の検出方法によって、
戻り光により発生した干渉縞の動きをカウントする干渉
縞計数方式と、コヒーレントな複数の波長を用いてビー
トを打たせ、測長物の速度によって測長光の周波数がド
ツプラーシフトすることを利用し、ビートの周波数変化
を検出するヘテロダイン方式とがある（ＰＲＥＣＩｓ　
ｌ０ＮＥＮＧ４ＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏｌ、　１．Ｎｏｌ
　（１９７９）　８５　、ＰＲＥＣＩＳＩＯＮＥＮＧＩ
ＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏｌ、５．Ｎｏ３　（１９８３）　
１１１　　等参照）。

ところで、前述のようにビームスプリッタで参照光と測
長光とに分けるときに、最も簡便には第５図に示したよ
うに参照光と測長光とをビームスプリッタで相互に直交
する方向にそれぞれ分離させてそのまま固定鏡及び可動
鏡に照射させるようにしていたが、光路を略直線的に設
けたい場合には参照光と測長光とを相互に平行して出射
させるｌ要か生じ、この場合、例えば第６図に示すよう
にビームスプリッタと反射板とを組み合わせて、相互に
平行な参照光と測長光とを得るように構成していた。

第６図において、偏光ビームスブリット面３１は、三角
プリズム３２．３３の接合面に設けられており、反射面
（又は全反射面）３４か設けられた三角プリズム３５を
、前記反射面３４と偏光ビームスブリット面３１とが平
行になるように配置し、各プリズム３２゜３３、３５の
透過面に対して光を直角に入出射させるようにしてあり
、前記偏光ビームスブリット面３１に対して４５°で入
射させた光源の光を、例えば通過光としての参照光と、
反射光として測長光とに分け、前記参照光と直交する方
向に進む前記測長光を、反射面３４で前記参照光に対し
て同じ向きの平行方向に反射屈曲させるものである。

尚、第６図中におけるφ印と◎印とは、互いに直交する
偏光方向を示している。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記のようにして参照光と測長光とを平
行光線にする場合には、たとえ偏光ビームスブリット面
３１と反射面３４との平行度か精度良く得られても、各
三角プリズムの頂角精度が悪く三角プリズム３２におけ
る出射面と三角プリズム３５における出射面との平行が
高精度に得られないと、参照光と測長光とが精度良く平
行にならず、精度良く戻り光を合成することができなく
なってしまう。

また、上記の構成では、三角プリズムの頂角精度が良く
ても、三角プリズム３２．３３からなる光学素子と三角
プリズム３５からなる光学素子とをそれぞれを精度良く
位置決めする必要があり、かかる位置決めにバラツキが
あると、偏光ビームスブリット面３１と反射面３４との
平行が精度良く得られず、分離後の出射光の平行度を低
下させることになってしまう。

この点、第７図に示すように、横断面が平行四辺形であ
るプリズム３６と、三角プリズム３７とを組み合わせて
用いれば、プリズム３６の製作段階で端面の平行度が得
られていれば偏光ビームスプリッタ３１と反射面３４と
の平行度は安定するか、やはり偏光ビームスブリット面
における反射光（測長光）と通過光（参照光）とが異な
るプリズムの端面から出射されるから、両端面の平行度
が問題となり、接合面の平行度バラツキや三角プリズム
の頂角精度バラツキによって、相互に平行な分離光を安
定して得ることが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、三角プ
リズムの頂角精度に比較して平行精度か比較的容易に得
られる平行板状のプリズムを用いることにより、偏光ビ
ームスプリッタで分けられた２つの光を、三角プリズム
の頂角精度や接合精度が高次元で要求されることなく、
精度の良い平行光とすることができる偏光ビームスプリ
ッタを提供すると共に、該偏光ビームスプリッタの特性
を生かしたレーザ干渉測長計を提供することを目的とす
る。

〈課題を解決するための手段〉 そのため本発明にかかる偏光ビームスプリッタでは、平
行板状のプリズムの平行に対峙する両端面の一方面に反
射面を形成し、かつ、他方面の−部分に偏光ビームスプ
リットコートを施し、該偏光ビームスプリットコートが
施された端面に対して三角プリズムを接合してなり、前
記偏光ビームスプリッタにおける反射光が前記反射面で
反射して前記他方面の偏光ビームスプリットコートか施
されない透過部分を通過して前記三角プリズムに入射す
るよう構成すると共に、前記偏光ビームスプリットコー
トにおける反射光と通過光とが前記三角プリズムの同一
端面から出射するよう構成した。

また、本発明にかかるレーザ干渉測長計ては、前記偏光
ビームスプリッタを用い光源の光束を互いに平行な参照
光と測長光とに分けると共に、固定鏡で反射した参照光
と測長物に取付けられた可動鏡で反射した測長光とを前
記偏光ビームスプリッタに戻して合成し、前記光源の光
束と平行な出射光を得るよう構成した。

〈作用〉 かかる構成の偏光ビームスプリッタによると、平行板状
のプリズムの平行に対峙する両端面の平行度は、比較的
容易に精度良く得られるから、両端面それぞれに設けら
れる偏光ビームスプリットコートと反射面との平行か得
られる。従って、偏光ビームスプリットコートにおける
通過光と反射光とが精度の良い平行状態で三角プリズム
に入射することになり、然も、三角プリズムを出射する
ときに同じ端面から出射するから、三角プリズムの頂角
精度が反射光と通過光との平行度に関与せず、精度の良
い平行状態を保ったまま偏光ビームスプリッタから出射
されることになる。

このような偏光ビームスプリッタをレーザ干渉測長計に
用い、参照光と測長光との分離、及び、戻り光の合成を
行わせるようにすれば、参照光と測長光との平行度が精
度良く得られることがら、戻り光の合成が良好に行われ
て、光源の光束に対して平行な出射光に基づいて測長か
行える。

〈実施例〉 以下に本発明の詳細な説明する。

本発明にかかる偏光ビームスプリッタの一実施例を示す
第１図において、偏光ビームスプリッタ■は、平行板状
プリズム２と三角プリズム３とがら構成されている。

前記平行板状プリズム２は、横断面か台形に形成されて
おり、平行に対峙する両端面２ａ、２ｂの一方の端面２
ａに対して挟角θかそれぞれ４５゜になるように両側面
２ｃ、２ｄが形成されている。

前記端面２ｂには、略全面に反射面（全反射面）３を形
成してあり、また、前記端面２ａの端面２Ｃ側の略半面
に偏光ビームスプリットコート４を施しである。

このように、反射面３及び偏光ビームスプリットコート
４が設けられた平行板状プリズム２に対して三角プリズ
ム５が接合されるが、該三角プリズム５は頂角を直角と
する二等辺直角三角形の横断面に形成されており、前記
直角の頂角に対峙する底面５ａと、前記平行板状プリズ
ム２の端面２ａとが接着剤によって接合されている。

かかる構成の偏光ビームスプリッタ１において、図示し
ない光源からの光束（例えばレーザ光）か、平行板状プ
リズム２の端面２ｃに対して略直角に入射するように配
置してあり、偏光ビームスプリットコート４に対して光
か４５°の入射角で入射する。

偏光ビームスプリットコート４て反射される光（以下、
単に反射光という。）は、偏光ビームスプリットコート
４に対して平行な反射面３に対してやはり４５°の入射
角で入射し反射するから、反射面３の反射光と光源から
の光束とは平行な光線となり、反射面３で反射した光は
、端面２ａの偏光ビームスプリットコート４か施されて
いない透過部分を通過して三角プリズム５に入射される
。

ここで、前記平行板状プリズム２と三角プリズム５とは
屈折率の同じ材料で形成しであるので、偏光ビームスプ
リットコート４を通過した光（以下、単に通過光という
。）及び反射面３て反射した光は、三角プリズム５に対
する入射時に屈折することなく相互に平行な状態でその
まま直進し、三角プリズム５の頂角を挟む一方の端面５
ｂから出射されるようになっている。

かかる構成において、平行板状プリズム２の平行両端面
は、比較的容易に精度良く加工することができ、かかる
平行板状プリズム２の平行端面にそれぞれ設けられる反
射面３と偏光ビームスプリットコート４との平行度が精
度良く得られるので、偏光ビームスプリットコート４の
入射光と、反射面３の反射光との平行か確保される。

このような偏光ビームスプリットコート４の入射光と、
反射面３の反射光との平行は、光源からの入射光か端面
２ｃに対して斜めに入射して屈折しても、変わらずに得
られるものであるから、前記挟角θの精度及び光源の位
置精度にバラツキかあっても、平行板状プリズム２の平
行面の精度及び各端面の平面度が得られていれば、偏光
ビームスプリットコート４を通過して進む通過光と、偏
光ビームスプリットコート４及び反射面３で反射する反
射光との平行が維持できる。

更に、前記反射光と通過光とが偏光ビームスプリッタｌ
から出射されるときに、三角ブ、リズム５の同じ端面５
ｂから出射されるから、三角プリズム５の頂角精度や三
角プリズム５と平行板状プリズム２との接合精度か悪く
ても反射光と通過光との平行状態を崩すことなく出射さ
せることができる。即ち、反射光及び通過光に対して端
面５ｂか直交せず、端面５ｂで通過光及び反射光か屈折
しても、同じ端面５ｂから出射される２つの光は、端面
５ｂの平面度が得られていれば平行状態を保ったまま屈
折することになるからである。

このように本実施例の偏光ビームスプリッタ１によると
、各端面（透過面）の平面度と、平行板状プリズム２に
おける両端面の平行度とが得られていれば、三角プリズ
ム３の頂角精度や光源と偏光ビームスプリッタ１との位
置精度、更に、接合精度などにバラツキがあっても、偏
光ビームスプリットコート４で分けられる通過光と反射
光とを精度の良い平行光として出射させることができる
ものである。

上記実施例では、前記挟角θを４５°としたか、この角
度以外であっても、通過光及び反射光の平行か得られる
ことは明らかであり、また、平行板状プリズム２の端面
２ｂを全て反射面３としないて、該端面２ｂの透過面か
ら光源の光を入射させて構成することも可能である。

尚、第１図中におけるφ印と◎印とは、互いに直交する
偏光方向を示している。

第２図は、上記第１図示の偏光ビームスプリッタ１をレ
ーザ干渉測長計に用いた例である。

ここで、図示しない光源からのレーザ光か、互いに直角
な偏光面をもつ直線偏光として偏光ビームスプリッタ１
に入射され、該偏光ビームスプリッタ１で偏光ビームス
プリットコート４を通過する測長光Ｐ（偏光方向を第２
図中で仲としである）とミ偏光ビームスプリットコート
４及び反射面３て反射し前記測長光Ｐと平行な光線とし
て得られる参照光Ｓ（偏光方向を第２図中て◎としであ
る）とに分離される。

偏光ビームスプリットコート４及び反射面３で反射し、
平板状プリズム２の偏光ビームスプリットコート４が施
されていない透過部分を通過して出射される参照光Ｓは
、偏光ビームスプリッタｌの三角プリズム５に接合され
ているλ／２位相板（９００旋光板）ＩＩによって偏光
方向か直交するように（第２図中の合方向に）変換され
た後、コーナキューブプリズム１２に入射する。該コー
ナキューブプリズム１２の偏光ビームスブリット面１２
ａは、第２図に曽て示す偏光方向と、これに直交する◎
の偏光方向とのうち、φで示される偏光方向の光のみを
通過させるようにしであるので、前記参照光Ｓはそのま
ま偏光ビームスブリット面１２ａを通過し、λ／４位相
板１３を通過することで円偏光に変換される。

円偏光に変換された参照光Ｓは、固定鏡１４で直角に反
射し、再びλ／４位相板１３を通過することで、今度は
偏光ビームスブリット面１２ａで反射する偏光方向であ
る第２図に示す◎の偏光方向に変換される。従って、固
定鏡１４から戻される参照光Ｓは、偏光ビームスブリッ
ト面１２ａで反射し、コーナキューブプリズムＩ２の反
射面（又は全反射面）によって再び固定鏡１４方向に進
む。

このとき、再びλ／４位相板１３によって円偏光に変換
され、固定鏡１４で反射し、円偏光である反射光かλ／
４位相板１３を戻り通過するときに偏光ビームスブリッ
ト面１２ａの通過偏光方向であるＱで示される偏光方向
に変換される。このため、固定鏡１４で２回反射されて
コーナキューブプリズム１２に戻された参照光Ｓは、偏
光ビームスプリ、ット面１２ａを偏光ビームスプリッタ
ｌの出射時と直交する方向にそのまま通過し、三角プリ
ズム１５の反射面（又は全反射面）１５ａで偏光ビーム
スプ’Ｊ　ツタｌの出射時と平行する方向に屈曲反射さ
れて、再び偏光ビームスプリッタｌに戻される。

偏光ビームスプリッタｌに戻された参照光Ｓは、偏光ビ
ームスプリットコート４を通過してそのまま直進し、光
源からの光束と平行な形で偏光ビームスプリッタ１から
出射される。

一方、偏光ビームスプリットコート４を通過する偏光方
向が仲で示される測長光Ｐは、前記三角プリズム１５で
直角に方向を転じ、コーナキューブプリズム１２の偏光
ビームスブリット面１２ａを通過し、コーナキューブプ
リズム１２の反射面で反射される。

かかる測長光Ｐは、前記λ／４位相板１３を通過して円
偏光に変換されて測長物に取付けられた可動鏡１６で直
角に反射し、再びλ／４位相板１３を通過することによ
って図中に◎て示される偏光方向に変換されるから、偏
光ビームスブリット面１２ａで反射されるようになり、
再び可動鏡１６方向に進む。

このとき、λ／４位相板１３を通過して円偏光に変換さ
れるか、可動鏡１６から戻されるときに再びλ／４位相
板１３を通過することにより、今度は図中に仲で示され
る偏光方向に変換されるから、コーナキューブプリズム
１２の偏光ビームスブリット面１２ａを通過するように
なって、λ／２位相板（９０°旋光板）ｌｌに入射され
、ここで図中に◎で示される偏光方向に変換される。

そして、偏光ビームスプリッタｌの平行板状プリズム２
の偏光ビームスプリットコート４が施されない透過部分
を通過して反射面３で反射され、かかる反射光が偏光ビ
ームスプリットコート４に入射するか、偏光方向が反射
方向であるために反射され、前記戻り参照光Ｓと合成さ
れて偏光ビームスプリッタｌから出射され図示しない検
出器に入射する。

かかる構成によると、偏光ビームスプリッタｌにより分
離される参照光Ｓと測長光Ｐとの平行か前述のように精
度良く得られるから、戻り光の平行度も維持でき、戻り
光を正確に合成することができると共に、光源からの光
と測長後の光とが平行であるから、測長針のセツティン
グの自由度か大きく使い易いという利点かある。また、
偏光ビームスプリッタ１．コーナキューブプリズム１２
゜固定鏡１４．可動鏡１６等の構成光学素子を略−列に
配することができるので、図中の上下方向の高さを低く
することができ、以て、各光学素子を小さくすることが
できるので、軽量・小型化が可能になる。更に、上記の
ように小型化できることによって光路も短くなるために
、温度変化などの外乱の影響が小さくなり、測長の安定
度が向上する。

尚、第２図において、光源からの光を入射させる光路と
、測長後の光を出射させる光路とを入れ換えて構成する
こともてきる。また、上記の構成において、測長情報の
検出は、干渉縞計数方式及びヘテロダイン方式のいずれ
てあっても良い。

第３図は、第２図に示したレーザ干渉測長計における構
成光学要素が同じてその配置を変えたものであり、第２
図に示す例では偏光ビームスプリッタｌにλ／２位相板
（９０°旋光板）ｌｌのみを接合させていたが、第３図
に示す例では、更に三角プリズム１５を接合させて一体
化しである。かかる構成において、参照光Ｓ及び測長光
Ｐの分離・戻りは前記と同様にして行われるが、偏光ビ
ームスプリッタｌ、λ／２位相板１１．三角プリズム１
５が一体化された素子を、裏返しにして９０°だけ向き
を変えると、第４図に示すように配設されて同様な作用
を行わせることができるので、第４図に示すように光路
を直角に構成したい場合と、第３図に示すように光路を
略真っ直ぐに構成したい場合とがあっても、偏光ビーム
スプリッタｌ、λ／２位相板１１．三角プリズム１５が
一体化された素子が、第３図に示す位置と第４図に示す
位置とに選択的に配設てきるようにしてあれば、反射板
などを追加することなく簡便に対応することができるも
のである。

尚、上記のように光学系を９０’変換可能に偏光ビーム
スプリッタ１．λ／２位相板比三角プリズム１５を一体
化する構成において、上記第３図及び第４図に示す接合
関係位置に限るものではなく、種々の組み合わせ位置で
同様に光学系を９０’変換させることが可能である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明にかかる偏光ビームスプリ
ッタによると、偏光ビームスプリットコートで反射され
る光と通過する光とを、三角プリズムの頂角精度や接合
精度に影響されることなく精度良く平行光として出射さ
せることができるので、レーザ干渉測長計に用いた場合
には、戻り光を正確に合成することができるようになる
と共に、光源の光束と測長後の合成された光とが平行光
として得られるので、測長針のセツティングの自由度が
向上し、また、光学素子を略直線的に配設することが可
能となり、小型化か図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる偏光ビームスプリッタの一実施
例を示す平面図、第２図は第１図示の偏光ビームスプリ
ッタを用いた本発明にかかるレーザ干渉測長計の構成及
び偏光特性を示す構成概略図、第３図及び第４図はそれ
ぞれ第２図示のレーザ干渉測長計の光学素子配置を変え
た例を示す図、第５図はレーザ干渉測長計の基本図、第
６図及び第７図はそれぞれ従来の偏光ビームスプリッタ
の例を示す平面図である。 ■・・・偏光ビームスプリッタ　　２・・・平行板状プ
リズム　　３・・・反射面　　４・・・偏光ビームスプ
リットコート　　５・・・三角プリズム　　１１・・・
λ／２位相板　　１２・・・コーナキューブプリズム　
　１３・・・λ／４位相板　　１４・・・固定鏡　　１
５・・・三角プリズム　　１６・・・可動鏡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行板状のプリズムの平行に対峙する両端面の一
   方面に反射面を形成し、かつ、他方面の一部分に偏光ビ
   ームスプリットコートを施し、該偏光ビームスプリット
   コートが施された端面に対して三角プリズムを接合して
   なり、前記偏光ビームスプリッタにおける反射光が前記
   反射面で反射して前記他方面の偏光ビームスプリットコ
   ートが施されない透過部分を通過して前記三角プリズム
   に入射するよう構成すると共に、前記偏光ビームスプリ
   ットコートにおける反射光と通過光とが前記三角プリズ
   ムの同一端面から出射するよう構成した偏光ビームスプ
   リッタ。
2. （２）請求項１記載の偏光ビームスプリッタを用い光源
   の光束を互いに平行な参照光と測長光とに分けると共に
   、固定鏡で反射した参照光と測長物に取付けられた可動
   鏡で反射した測長光とを前記偏光ビームスプリッタに戻
   して合成し、前記光源の光束と平行な出射光を得るよう
   構成したことを特徴とするレーザ干渉測長計。