特開 2025-10643 干渉計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025010643

(43)【公開日】2025-01-23

(54)【発明の名称】干渉計

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02001 20220101AFI20250116BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02001

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023112724

(22)【出願日】2023-07-10

(71)【出願人】

【識別番号】800000068

【氏名又は名称】学校法人東京電機大学

(74)【代理人】

【識別番号】100101269

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 道夫

(72)【発明者】

【氏名】古谷 涼秋

(72)【発明者】

【氏名】石井 広太

【テーマコード（参考）】

2F064

【Ｆターム（参考）】

2F064AA01

2F064AA06

2F064BB05

2F064CC10

2F064EE05

2F064FF01

2F064GG12

2F064GG23

2F064GG34

2F064GG38

2F064HH01

2F064HH06

(57)【要約】

【課題】 被測定物の光軸方向に沿った変位量と光軸周りの角度変化量の非接触での同時測定を可能とする干渉計を得る。
【解決手段】 レーザー発振器１２からの光束が、ステージ１４に備えられた１／４波長板１６を透過すると共にボールレンズ１８が反射する。レーザー発振器１２とステージ１４との間に配置された第１ビームスプリッタ２２が光束を分離し、反射された光束を更に第２ビームスプリッタ２４が２つに分離する。分離された２つの光束を相互に角度の異なる偏光板２６、２８を介して２つの光検出器３０、３２が検出する。他方、第１ビームスプリッタ２２を透過した光束は、レーザー発振器１２とステージ１４との間を再度通過して第１ビームスプリッタ２２で反射される。この光束を更に第２ビームスプリッタ２４が２つに分離して最終的に２つの光検出器３０、３２が検出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直線偏光の光束を発生させる光源と、
光源からの光束の光軸上に設置された１／４波長板および、光軸に沿って光束を反射する反射鏡を含む被測定物と、
光源と被測定物との間の光軸上に配置されて、光束を透過すると共に光束の一部を反射することで、光束を分離しうる第１ビームスプリッタと、
第１ビームスプリッタで反射された光束を２つに分離する第２ビームスプリッタと、
第２ビームスプリッタで分離された２つの光束を相互に角度の異なる偏光板を介してそれぞれ受光する２つの光検出器と、
を含む干渉計。

【請求項2】

光源が光束を発生させるレーザー光源とされると共に、光束を発生させる光源の面に反射材を有した請求項１に記載の干渉計。

【請求項3】

２つの光検出器に対応してそれぞれ1つずつの計２つの偏光板があり、一方の偏光板の向きが４５度とされ、他方の偏光板の向きが１３５度とされる請求項１又は請求項２に記載の干渉計。

【請求項4】

被測定物が、光軸に沿った方向の変位及び光軸周りの角度変化を可能とした請求項１に記載の干渉計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元空間内での物体とされる被測定物の動きの内、光源の光軸方向に沿った変位量と光軸周りの回転角を非接触かつ同時に測定可能な干渉計に関する。

【背景技術】

【0002】

干渉計は、物体の位置や姿勢、更には物体までの距離などの測定に使用されている。そして、物体の位置や姿勢を高精度にそれぞれ測定する際には近年、レーザ干渉計が用いられている。このレーザ干渉計は、測定点に対応してコーナーキューブやキャッツアイ等のレトロリフレクタを反射鏡として固定し、これらからの反射光を利用して測定したりしていた。

【0003】

この一方、このような干渉計の従来技術として、下記特許文献１～３が知られている。
特許文献１では、レーザ光源から光束を被測定物に照射し、その反射光を干渉計で取り込むことにより、被測定物のローリング角を干渉計内の受光素子上に記憶された変位から算出する技術が示されている。

【0004】

また、特許文献２では、光源から送り出されたレーザ光が被測定物で反射し、この反射されたレーザ光を受光することで、測距を行うレーザ干渉計に関する技術が示されている。
さらに、特許文献３では、３つの干渉計を用いて移動体の線形変位とロール角を同時に測定する干渉計測定システムに関する技術が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2010-66090公報

【特許文献2】特開2011-64610公報

【特許文献3】特開平2-290502公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、これら特許文献１～３であっても、単一の干渉計を用いた場合、被測定物の光軸方向に沿った変位の測定のみ、あるいは被測定物の光軸周りの回転量の測定のみしか測定できなかった。他方、回転運動の測定に限定すれば、ロータリーエンコーダのように高精度での測定が可能な装置も上記特許文献とは別に知られているが、非接触での回転運動の検出は困難であった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、被測定物の光軸方向に沿った変位量と光軸周りの角度変化量の非接触での同時測定を可能とする干渉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】

【0007】

上記課題を解決した請求項１記載の発明は、直線偏光の光束を発生させる光源と、
光源からの光束の光軸上に設置された１／４波長板および、光軸に沿って光束を反射する反射鏡を含む被測定物と、
光源と被測定物との間の光軸上に配置されて、光束を透過すると共に光束の一部を反射することで、光束を分離しうる第１ビームスプリッタと、
第１ビームスプリッタで反射された光束を２つに分離する第２ビームスプリッタと、
第２ビームスプリッタで分離された２つの光束を相互に角度の異なる偏光板を介してそれぞれ受光する２つの光検出器と、
を含む干渉計である。

【0008】

請求項１の発明のような干渉計によれば、光源にて発生された直線偏光の光束が第１ビームスプリッタを透過して被測定物に入射され、この被測定物に備えられた１／４波長板を透過してこの光束が円偏光になる。さらに、この光束が反射鏡によりその光軸に沿って反射すると共に１／４波長板を再度透過して、直線偏光に光束が戻る。このことで、被測定物から直線偏光に戻った光束が第１ビームスプリッタに入射する。

【0009】

この後、上記のように被測定物との間で１往復して第１ビームスプリッタに入射した光束の一部は、反射して第２ビームスプリッタに送られ、この第２ビームスプリッタにて更に２つに分離される。そして、分離された２つの光束を相互に角度の異なる偏光板を介して、２つの光検出器がそれぞれ受光する。

【0010】

他方、第１ビームスプリッタに入射したものの、そのまま透過した光束は光源において光軸に沿って反射して、上記と同様に第１ビームスプリッタを再度透過すると共に被測定物に再度入射される。これに伴い、１／４波長板を透過して円偏光になった光束が反射鏡によりその光軸に沿って反射すると共に１／４波長板を再度透過する。このことで、被測定物から直線偏光に戻った光束が第１ビームスプリッタに入射する。

【0011】

この後、上記のように被測定物との間で２往復して第１ビームスプリッタに入射した光束は、反射して第２ビームスプリッタに送られ、この第２ビームスプリッタにて更に２つに分離される。そして、上記と同様に分離された２つの光束を相互に角度の異なる偏光板を介して、２つの光検出器がそれぞれ受光する。

【0012】

以上より、本請求項の干渉計によれば、被測定物の反射鏡を一度反射して１往復した光束と二度反射して２往復した光束を相互に角度の異なる偏光板をそれぞれ介して２つの光検出器が受光する形となる。つまり、反射鏡で一度反射して１往復した光束と二度反射して２往復した光束の光路長の差が、被測定物の変位量の２倍に相当するので、被測定物の光軸方向に沿った変位量が明確になる。

【0013】

この一方、直線偏光の光束は被測定物の１／４波長板を１度通ると円偏光になり、再度通ると再び直線偏光に戻るが、この時、最初の直線偏光の偏光角と１／４波長板の姿勢との関係から、直線偏光に戻る際の偏光角が決まる。これに伴い、被測定物の反射鏡を一度反射するのに伴い１／４波長板を２度通る光束と、二度反射するのに伴い１／４波長板を４度通る光束があるので、二種類の偏光角が存在することになり、この相違を光検出器が検出することにより光軸周りの角度変化量が明確になる。

【0014】

従って、本請求項の干渉計によれば、被測定物の光軸方向に沿った変位量と光軸周りの角度変化量の非接触での同時測定が可能となる。つまり、被測定物と第１ビームスプリッタの間で１往復した光束と２往復した光束から、これらの測定が可能となるが、３往復以上は光束が減衰して測定を阻害することがない。

【0015】

請求項２の発明のような干渉計によれば、光源が光束を発生させるレーザー光源とされると共に、光束を発生させる光源の面に反射材を有したことから、光源が直線偏光を確実に生成可能なレーザー光源であり、また、光束を発生させる光源の面の反射材により、被測定物への再度の送り出しが可能となる。

【0016】

請求項３の発明のような干渉計によれば、２つの光検出器に対応してそれぞれ一つずつの計２つの偏光板があり、一方の偏光板の向きが４５度とされ、他方の偏光板の向きが１３５度とされることから、１／４波長板を２度通過した光束と４度通過した光束が偏光板でそれぞれ分かれて、２つの光検出器で検出可能となる。

【0017】

請求項４の発明のような干渉計によれば、被測定物が、光軸に沿った方向の変位及び光軸周りの角度変化を可能としたことから、これらの変位量や角度変化量を本発明の干渉計で確実に検出可能となる。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る干渉計によれば、被測定物の光軸方向に沿った変位量と光軸周りの角度変化量の非接触での同時測定が可能となる。これに伴い、本発明に係る干渉計を例えば３つ組み合わせて使用した場合、３次元空間での物体である被測定物のいかなる運動をも測定可能となる等の測定の用途も広がるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係るレーザー干渉計の概略図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るレーザー干渉計の光路長を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る干渉計の一実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１に示すように本実施形態のレーザー干渉計１０においては、光束Ｆとされる直線偏光したレーザー光を光軸Ｃ１に沿って発生するレーザー発振器１２が本実施形態の光源とされ、光束Ｆを発生させるこのレーザー発振器１２の射出面１２Ａには、光軸Ｃ１に対して垂直な反射材であるミラー１３が備えられている。ここで、図１における紙面に垂直な方向をＹ方向とし、レーザー発振器１２からのレーザー光の射出方向をＺ方向とし、これらＹ方向とＺ方向に対して垂直な方向をＸ方向とする。

【0021】

この光軸Ｃ１上に、被測定物とされる一端が解放された箱状のステージ１４が位置しており、このステージ１４の筐体１４Ａは、Δαで回転角を表す光軸Ｃ１周りの回転が可能となると共に、ΔＺで表す光軸Ｃ１に沿った直線的な変位が少なくとも可能となっている。さらに、このステージ１４内の光軸Ｃ１上には、１／４波長板１６が設置されていると共に、この１／４波長板１６を透過した光束Ｆを光軸Ｃ１に沿って反射しうる反射鏡であるボールレンズ１８も、ステージ１４の一部を構成するブラケット２０に保持されて設置されている。このため、ステージ１４の移動や回転に伴い、１／４波長板１６とボールレンズ１８も一体的に移動や回転をすることになる。

【0022】

なおここでボールレンズ１８とは、高屈折率ガラスを球形に精密研磨したレンズであり、入射した光を入射方向と平行かつ反対方向へと反射する機能を有するものである。また、ブラケット２０には、ボールレンズ１８を保持するための凹部があり、この凹部のボールレンズ１８との対向面はその表面が反射面となるようにコートされている。

【0023】

他方、これらレーザー発振器１２とステージ１４との間の光軸Ｃ１上には、光束Ｆをそのまま透過すると共にこの光束Ｆの一部を反射することで、光束Ｆを分離しうる第１ビームスプリッタ２２が光軸Ｃ１に対して４５度傾いて配置されている。そして、第１ビームスプリッタ２２をそのまま透過した光束Ｆは、レーザー発振器１２のミラー１３で一旦反射して、レーザー発振器１２からの最初の光束Ｆと同様な光路をたどることになるが、この際に第１ビームスプリッタ２２で反射した光束Ｆは、反射光軸Ｃ２に沿って反射光Ｒとして送り出される様にもなっている。

【0024】

この第１ビームスプリッタ２２の反射光軸Ｃ２上となるＸ方向の位置には、第１ビームスプリッタ２２で反射された反射光Ｒを２つに分離する第２ビームスプリッタ２４が、反射光軸Ｃ２に対して４５傾いて配置されていて、反射光Ｒをそのまま透過すると共に反射光Ｒの一部を反射することになる。

【0025】

これに伴い、第２ビームスプリッタ２４で分離された２つの光束である反射光Ｒを相互に角度の異なる偏光板２６、２８を介して２つの光検出器３０、３２がそれぞれ受光している。 具体的には、第２ビームスプリッタ２４で反射された光を受光する第１光検出器３０の直前に、向きが４５度とされる第１偏光板２６が配置されている。また、第２ビームスプリッタ２４を透過した光を受光する第２光検出器３２の直前に、向きが１３５度とされる第２偏光板２８が配置されている。なお、レーザー発振器１２からの直線偏光の角度が４５度と成っていることから、この角度を基準として光検出器３０、３２の傾きが設定される。

【0026】

次に、本実施形態に係るレーザー干渉計１０の具体的な動作について説明する。
本実施形態のレーザー干渉計１０によれば、レーザー光の出射面１２Ａにミラー１３が配置されたレーザー発振器１２が直線偏光の光束Ｆを発生させることで、この光束Ｆが第１ビームスプリッタ２２を透過してステージ１４に入射される。これに伴い１／４波長板１６を透過し、円偏光となった光束Ｆがボールレンズ１８にて同軸方向とされる光軸Ｃ１に沿って反射することで、１／４波長板１６を逆方向に再度透過して、直線偏光に戻る。

【0027】

このことで、ステージ１４から戻って第１ビームスプリッタ２２に直線偏光の光束Ｆが入射される。第１ビームスプリッタ２２に入射した直線偏光の光束Ｆの一部は、反射して第２ビームスプリッタ２４に送られるが、これが図１において実線で示す光路Ｋ１となる。そして、この第２ビームスプリッタ２４にて反射光Ｒが更に２つに分離される。この後、分離された２つの反射光Ｒを相互に角度が異なって一方の向きが４５度とされ、他方の向きが１３５度とされる偏光板２６、２８を介して、２つの光検出器３０、３２がそれぞれ受光する。

【0028】

他方、第１ビームスプリッタ２２に入射したものの、そのまま透過した光束Ｆは、レーザー発振器１２においてミラー１３により光軸Ｃ１に沿って反射して、第１ビームスプリッタ２２を再度透過すると共にステージ１４に再度入射される。これに伴い、上記と同様に１／４波長板１６を透過して円偏光となってボールレンズ１８が光束Ｆを光軸Ｃ１に沿って反射すると共に、１／４波長板１６を再度透過することで、直線偏光に再度戻った光束Ｆがステージ１４から第１ビームスプリッタ２２に入射する。

【0029】

第１ビームスプリッタ２２に入射した光束Ｆは反射して第２ビームスプリッタ２４に送られるが、これが図１において点線で示す光路Ｋ２となる。そして、前述のようにこの第２ビームスプリッタ２４にて更に２つに分離される。この後、上記と同様に分離された２つの反射光Ｒを相互に角度が異なる偏光板２６、２８を介して、２つの光検出器３０、３２がそれぞれ受光する。

【0030】

以上より本実施形態では、ステージ１４の光軸Ｃ１方向に沿った変位ΔＺで表す変位量の測定に際しては、以下のようになる。
まず、光軸Ｃ１に沿った直線的なステージ１４の変位ΔＺに伴うボールレンズ１８の移動により光路Ｋ１と光路Ｋ２の位相差が生じることで干渉が生じるが、光路Ｋ１と光路Ｋ２との間の光路長の差がステージ１４の変位ΔＺの２倍に相当する。このため、２つの光検出器３０、３２がそれぞれ受光する光束Ｆの光路長の差を１／２としたものが、ステージ１４の変位量となる結果として、本実施形態のレーザー干渉計１０では、光軸Ｃ１方向に沿った変位量の容易な検出が可能となる。

【0031】

他方、ステージ１４の光軸Ｃ１周りの回転角Δαで表す角度変化量の測定に際しては、以下のようになる。
前述のようにレーザー発振器１２からの直線偏光の光束Ｆがステージ１４の１／４波長板１６を１度通過すると円偏光になり、１／４波長板１６を再度通過すると再び直線偏光になる。この際、レーザー発振器１２からの最初の直線偏光の偏光角と１／４波長板１６の姿勢の関係から、ステージ１４を通過した回数により直線偏光の偏光角が変化する。

【0032】

これに伴い、光路Ｋ１では１／４波長板１６を１往復し、光路Ｋ２ではこの１／４波長板１６を２往復するので、光路Ｋ１を通った光と光路Ｋ２を通った光束Ｆとでは、直線偏光の偏光角が異なる。具体的には、１／４波長板１６を１往復した光路Ｋ１の光束Ｆ及び１／４波長板１６を２往復した光路Ｋ２の光束Ｆを第１ビームスプリッタ２２でそれぞれ反射して、第２ビームスプリッタ２４に送り、この第２ビームスプリッタ２４にて分割する。

【0033】

そして、一方の反射光Ｒを４５度の傾きを有した第１偏光板２６によって検波し、他方を１３５度の傾きを有した第２偏光板２８によって検波し、これら検波された信号を２つの光検出器３０、３２によって、それぞれ検出する。つまり、本実施形態のレーザー干渉計１０では、１／４波長板１６の通過回数の相違に基づき、直線偏光の偏光角が異なることから、光軸Ｃ１周りのステージ１４の回転運動をも検出できるようになっている。

【0034】

以上より、本実施形態のレーザー干渉計１０によれば、ステージ１４の光軸Ｃ１方向に沿った変位量である変位ΔＺと光軸Ｃ１周りの角度変化量である回転角Δαの非接触での同時測定が可能となる。この際、レーザー発振器１２の射出面のミラー１３により、ステージ１４への光束Ｆの再度の送り出しが可能となることで、ステージ１４と第１ビームスプリッタ２２の間で１往復した光束Ｆと２往復した光束Ｆからこれらの測定が可能となる。これに伴い、１往復だけでなく２往復の光束Ｆの作りだしが可能となるが、３往復以上は光束Ｆが減衰して測定を阻害することがない。

【0035】

他方、本実施形態では、２つの偏光板２６、２８があり、一方の第１偏光板２６の向きが４５度とされ、他方の第２偏光板２８の向きが１３５度とされることから、１／４波長板１６を２度通過して１往復した光束Ｆと４度通過して２往復した光束Ｆが偏光板２６、２８でそれぞれ分かれて、２つの光検出器３０、３２で確実に検出可能となる。

【0036】

ここで、変位と角度を同時に測定する原理を以下に数式を用いて説明する。
まず、偏光の一般式を示す。旋光子に対するジョーンズ行列Ｒ(θ)は、下記（１）式となる。

【0037】

【数1】

【0038】

さらに、位相をEとし、偏光素子をθ回転させた時のジョーンズ行列Ｔ(θ,E)は、下記（２）式で表される。

【0039】

【数2】

【0040】

α回転するλ/4波長板のジョーンズ行列L4(α)は、下記（３）式で表され、鏡のジョーンズ行列Mは、下記（４）式で表される。

【0041】

【数3】

【0042】

また、t度傾いている直線偏光のジョーンズベクトルは、下記（５）で表される。

【0043】

【数4】

【0044】

第１偏光板が４５°傾いている時のジョーンズ行列I45は下記（６）式で表され、第２偏光板が１３５°傾いている時のジョーンズ行列I135は下記（７）式で表される。

【0045】

【数5】

【0046】

次に、本実施形態のレーザー干渉計１０の場合の基本的な式を以下に示す。
レーザー発振器１２から出射され、第１ビームスプリッタ２２及び１／４波長板１６を透過し、ボールレンズ１８で反射した後、１／４波長板１６を再度透過して第１ビームスプリッタ２２で反射するものを前述のように光路Ｋ１とするのに対して、この第１ビームスプリッタ２２を透過後、レーザー発振器１２の表面のミラー１３で反射された後、光路Ｋ１と同様に進むものを前述のように光路Ｋ２としている。

【0047】

そして、本実施形態におけるt=π/4の時の光路Ｋ１のジョーンズ行列q1を下記（８）式で示し、光路Ｋ２のジョーンズ行列q2を（９）式で示す。
q1＝Ｍ*Ｌ４(-α) * Ｍ*Ｌ４(α) *ｖ(π/４) ・・・（８）式
q2＝Ｍ*Ｌ４(-α) * Ｍ*Ｌ４(α) *Ｍ*Ｌ４(-α) * Ｍ*Ｌ４(α) *ｖ(π/４)・・・(９）式

【0048】

この時、図２に示すように、レーザー発振器１２から第１ビームスプリッタ２２までの光路長をl₁とし、第１ビームスプリッタ２２からボールレンズ１８までの光路長をl₂とし、第１ビームスプリッタ２２から光検出器３０、３２まで（図において第２光検出器３２までの距離を示す）の光路長をl₀とした場合、光路Ｋ１の総光路長ｐ１を下記（１０）で示し、光路Ｋ２の総光路長ｐ２を下記（１１）で示すが、これらの式から光路Ｋ１と光路Ｋ２との間の位相差が求まる。
ｐ１＝ｌ₀＋ｌ₁＋2ｌ₂ ・・・（１０）式
ｐ２＝ｌ₀＋3ｌ₁＋4ｌ₂ ・・・（１１）式

【0049】

尚、上記実施形態ではレーザー発振器１２の表面に反射材としてミラー１３を配置したが、このかわりに反射材としてレンズ等の他の部材を配置しても良い。また、上記実施形態で用いられるボールレンズの大きさは種々選択可能であるが、たとえば２ｍｍ～５ｍｍ程度の直径のものが考えられる。ただし、ボールレンズの替わりに、コーナーキューブやキャッツアイなどのレトロリフレクタを採用することが考えられる他、平面的な反射鏡を採用することとしても良い。

【0050】

そして、光検出器３０、３２としては、一般的なフォトダイオード等の受光素子を用いることができる。さらに、光検出器３０、３２で変化して出力されたデータをコンピュータ等の処理装置に入力してデータをディスプレイ等の出力装置により目視可能な形に変更することも可能である。また、本実施形態のレーザー発振器１２からステージ１４までの距離はたとえば数十ｃｍや数ｍ程度が考えられる。

【0051】

他方、本実施形態に係るレーザー干渉計１０では光源とされるレーザー発振器１２が１つのみであったが、ステージ１４に対して更に２方向に光源を各１つそれぞれ配置する共に第１ビームスプリッタ、第２ビームスプリッタ、２つの偏光板及び２つの光検出器をそれぞれ各２組配置し、合計３組の干渉計を設置することで、３方向からステージ１４の変位量や旋回量を検出できる結果として、３次元空間での物体の全体運動を測定できるようにもなる。

【0052】

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本発明は、測定物対象物の位置や姿勢の測定の他にさまざまな産業分野に適用可能となる。

【符号の説明】

【0054】

１０ レーザー干渉計
１２ レーザー発振器（光源）
１３ ミラー（反射材）
１４ ステージ（被測定物）
１６ １／４波長板
１８ ボールレンズ（反射鏡）
２２ 第１ビームスプリッタ
２４ 第２ビームスプリッタ
２６ 第１偏光板
２８ 第２偏光板
３０ 第１光検出器
３２ 第２光検出器
Ｆ 光束
Ｒ 反射光
Ｋ１ 光路
Ｋ２ 光路

【図1】

【図2】