変位検出装置及び変位計測装置並びに定点検出装置
【課題】 光源から出射された光を検出側に伝送する光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることにより高精度な定点検出や変位計測を可能とする。
【解決手段】 光源１２から出射された可干渉性又は干渉性の低い光は、偏光板１３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ１４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射する。このように、偏光板１３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ１５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。
【解決手段】 光源１２から出射された可干渉性又は干渉性の低い光は、偏光板１３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ１４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射する。このように、偏光板１３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ１５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子による回折光を検出することによって変位を検出する変位検出装置及び回折格子による回折光の干渉を利用して変位量を計測する変位計測装置並びに上記回折光によって定点を求める定点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動するスケール上に取り付けられている回折格子の位置の変位を光の干渉を利用して検出するようにしたものに格子干渉計がある。以下に、変位検出装置について図１８を用いて説明する。なお、図１８は、透過型の回折格子を用いた変位検出装置である。
【０００３】
変位検出装置は、図１８に示すように、可干渉光源部９０と、第１のレンズ９１と、第１の偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter：ＰＢＳ）９２と、第１の１／４波長板９３と、反射プリズム９４と、第２の１／４波長板９５と、第２のレンズ９６と、ビームスプリッタ（beam splitter：ＢＳ）９７と、第２のＰＢＳ９８と、第１の光電変換器９９と、第２の光電変換器１００と、第３の１／４波長板１０１と、第３のＰＢＳ１０２と、第３の光電変換器１０３と、第４の光電変換器１０４と、第１の差動増幅器１０５と、第２の差動増幅器１０６と、インクリメンタル信号発生器１０７とを備え、スケール１０８上に配置された透過型の回折格子を読み取る。
【０００４】
可干渉光源部９０は、第１のレンズ９１に光を出射する。第１のレンズ９１は、入射した光を適当なビームに絞り、第１のＰＢＳ９２に出射する。第１のＰＢＳ９２は、入射された光を、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。Ｓ偏光は、光の境界面に入射する光と反射する光とで形成される入射平面に対して垂直な振動をする偏光成分である。また、Ｐ偏光は、上記入射平面に対して水平な振動をする偏光成分である。Ｓ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２で反射され、Ｐ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２を透過する。なお、可干渉光源部９０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けて第１のＰＢＳ９２に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【０００５】
第１のＰＢＳ９２で反射されたＳ偏光成分を有する光は、スケール１０８上に記録されている回折格子のＰ点に入射し、また、第１のＰＢＳ９２を透過したＰ偏光成分を有する光は、回折格子のＱ点に入射し、以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
sinθ１＋sinθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１はスケール１０８上への入射角を示し、θ２はスケール１０８からの回折角を示し、Λは格子のピッチ（幅）を示し、λは光の波長を示し、ｎは回折次数を示している。
【０００６】
図１８に示した従来の変位検出装置では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ２ｐ＝θ１ｑ＝θ２ｑになるように調整している。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数である。
【０００７】
Ｐ点で回折された光（Ｓ偏光成分）は、第１の１／４波長板９３を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板９３の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【０００８】
また、Ｑ点で回折された光（Ｐ偏光成分）も同様に、第２の１／４波長板９５を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板９５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【０００９】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、第１のＰＢＳ９２に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２を通過する。また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、第１のＰＢＳ９２で重ね合わされて、第２のレンズ９６により適当なビームに絞られてＢＳ９７に入射する。
【００１０】
ＢＳ９７は、入射された光を二つに分割し、一方の光を第２のＰＢＳ９８に入射し、他方の光を第３の１／４波長板１０１に入射する。なお、第２のＰＢＳ９８及び第３の１／４波長板１０１は、入射される光の偏光方向に対して４５度にそれぞれ傾いている。
【００１１】
第２のＰＢＳ９８に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第１の光電変換器９９に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第２の光電変換器１００に入射する。また、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００では、Ａcos（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。なお、Ｋは２π／Λを示し、ｘは移動量を示し、δは初期位相を示している。また、第１の光電変換器９９では、第２の光電変換器１００と１８０度位相の異なる信号が得られる。
【００１２】
また、第３の１／４波長板１０１に入射された光は、Ｐ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光とが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ１０２に入射する。第３のＰＢＳ１０２に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第３の光電変換器１０３に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第４の光電変換器１０４に入射する。なお、第３のＰＢＳ１０２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００と同様にＡcos（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。また、第３の光電変換器１０３では、第４の光電変換器１０４と１８０度位相が異なる信号が得られる。
【００１３】
なお、第３のＰＢＳ１０２は、第２のＰＢＳ９８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４で得られる信号は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。
【００１４】
第１の差動増幅器１０５は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１０７に出力する。また、第２の差動増幅器１０６も同様に、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１０７に出力する。
【００１５】
次に、図１９に、本願出願人による下記特許文献１に開示された従来の定点検出装置の例を示す。この定点検出装置は、固定部１１０と測定方向（Ｘ方向）に沿って可動な可動部１３０とを有し、固定部１１０は光学系１１１と検出系１２１とを含み、可動部１３０は基板１３１とその上面に配置された２つの体積型ホログラフィック回折格子１３２、１３３とを有する。
【００１６】
光学系１１１は半導体レーザ等のレーザ光を出力する光源１１２とコリメータレンズ１１３と集光レンズ１１４と有する。検出系１２１は２つの受光器１２２、１２３と電気処理回路１２９とを有する。
【００１７】
図２０にこの例に使用されるホログラフィック回折格子１３２、１３３を示す。ホログラフィック回折格子１３２、１３３は透過型の体積型ホログラムによって形成されている。以下に、ホログラフィック回折格子１３２、１３３を、随時単にホログラムと称する。図示のように、各ホログラム１３２、１３３の格子間隔又は格子ピッチｄは測定方向に順次連続的に変化している。また、各ホログラム１３２、１３３の格子間隔又は格子ピッチｄを形成する分布面１４２、１４３はホログラム１３２、１３３の上面に対して傾斜しており、斯かる傾斜角は測定方向に順次連続的に変化している。各ホログラム１３２、１３３によって入射光を回折させると、回折効率が測定方向に連続的に変化する。
【００１８】
図２１に図２０の定点検出装置の主要部を示す。図示のように、基板１３１の上面１３１Ａに２つのホログラム１３２、１３３が横方向に互いに隣接して配置されている。斯かる２つのホログラム１３２、１３３は、中心面１３５に対して互いに対称的に構成されている。即ち、各ホログラム１３２、１３３の分布面１４２、１４３の傾斜角は中心面１３５に対して対称的に両側に順次連続的に変化しており、その格子間隔又は格子ピッチｄは中心面１３５に対して対称的に両側に順次連続的に変化している。２つのホログラム１３２、１３３は各々の回折効率が最大になる点が測定方向に互いに異なるように配置されている。
【００１９】
可動部１３０が固定部１１０に対して相対的に移動するとき、即ち、図２１にて、静止している受光器１２２、１２３及び光源１１２に対して可動部１３０が移動するとき、第１のホログラム１３２によって回折された光は第１の受光器１２２によって検出され、第２のホログラム１３３によって回折された光は第２の受光器１２３によって検出される。
【００２０】
２つのホログラム１３２、１３３は回折効率が最大になる点が互いに異なるから、第１の受光器１２２によって検出される回折光の光強度曲線のピーク位置と第２の受光器１２３によって検出される回折光の光強度曲線のピーク位置は異なる。従って、２つの光強度曲線の交差点、即ち、２つの光強度が等しくなる点が存在する。斯かる点が定点検出装置によって得られる定点である。
【００２１】
【特許文献１】特開平４−３２４３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところで、近年の発光ダイオードやレーザを用いた定点検出装置や変位計測装置は、高分解能化され、1ｎｍ以下の計測が可能になっている。一方こういった測定には、センサ自身の発熱も許されず、特に光源をセンサから切り離し、光ファイバーでビームを伝送させる手段がよく用いられる。
【００２３】
図２２は、偏波保持タイプの光ファイバ１６３により光源１６１からの出射ビームを検出部１６４に伝送し、定点を検出する定点検出装置１６０を示す図である。光源１６１からの出射ビームを偏波保持タイプの光ファイバ１６３を介して集光レンズ１６２に伝送し、互いに隣接して測定対象１６９に配置された２つの回折格子１６６及び１６７に照射し、２つの回折格子１６６及び１６７のエッジ１６８によって回折した回折光を２つの受光素子１７０及び１７１で受光し、その２つの受光素子１７０及び１７１の受光量を比較器１７２で比較して、比較した信号が任意の大きさになる点を定点と定めている。
【００２４】
このように、図２２の定点検出装置１６０では、光源１６１からの出射ビームを偏光成分を保持した状態で伝送するため、偏波保持タイプの光ファイバ１６３を用いている。しかし、ファイバのストレスや屈曲による影響から、偏波が乱れ、それが検出部１６４側に影響してしまい、安定した計測が不可能となってしまうことがあった。
【００２５】
具体的に説明すると以下のようになる。上記光ファイバ１６３から出るビームの偏波軸が、光ファイバ１６３の屈曲やストレスによって微少に変化した場合、回折格子１６６及び１６７に入射されるビームの偏光成分が変わることを意味する。一般に回折格子の回折効率は、入射するビームの偏光成分によって違うだけではなく、個体差もあるため、受光素子１７０及び１７１に入る光量が変化してしまい、あたかも定点がずれてしまったと認識してしまう。
【００２６】
したがって、定点検出装置１６０にあって、定点の検出を安定して行うためには、光ファイバ１６３から出るビームの偏波軸をできるだけ安定させる必要がある。
【００２７】
次に、図２３は偏波保持タイプの光ファイバ１８３により光源１８１からの出射ビームを検出部１８４に伝送し、検出部１８４によって測定対象物の変位を計測する変位計測装置１８０を示す図である。光源１８１からの出射ビームを偏波保持タイプの光ファイバ１８３を介して集光レンズ１８５に伝送した後、偏光ビームスプリッタ１８６に入射する。偏光ビームスプリッタ１８６は、入射したビームを二分し、回折格子スケール１８７に入射する。ここで得られた回折光は、λ／４波長板１８８及び１８９を通過しミラー面１９１及び１９２によって反射され、同光路をたどって偏光ビームスプリッタ１８６に戻る。ここで二つのビームは再び結合し偏光素子側１９３に向かう。こうして偏光素子１９３を通過したあとの干渉信号を受光素子１９４で電気信号に変換することで、回折格子の移動量を計測できる。
【００２８】
しかし、この変位計測装置１８０でも光ファイバ１８３のストレスや屈曲による影響から、偏波が乱れた場合、偏光ビームスプリッタ１８６で二分される光量比がそれに伴い変化することになる。この二つのビームの光量比変化は、再度偏光ビームスプリッタ１８６で結合し干渉信号となったときに、変調率の変化として現れ、信号出力の出力変動の原因となる。これらは、変位計測の精度に悪影響を与えることから、光伝送ユニットから出るビームの偏波軸をできるだけ安定させる必要がある。
【００２９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、光源から出射された光を検出側に伝送する光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることにより高精度な定点検出や変位計測を可能とする変位検出装置、変位計測装置及び定点検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する。
【００３１】
この変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３２】
本発明に係る変位計測装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光を二分する偏光ビームスプリッタと、測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する。
【００３３】
この変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３４】
本発明に係る定点検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、互いに隣接して配置され、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する二つの回折格子と、上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める。
【００３５】
この定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３６】
本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、測定対象に取り付けられ、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する。
【００３７】
この変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、さらに上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３８】
本発明に係る変位計測装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光を二分する偏光ビームスプリッタと、測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する。
【００３９】
この変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、さらに上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００４０】
本発明に係る定点検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、互いに隣接して配置され、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する二つの回折格子と、上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める。
【００４１】
この定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な変位検出を可能とする。
【００４３】
本発明に係る変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な変位計測を可能とする。
【００４４】
本発明に係る定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な定点検出を可能とする。
【００４５】
本発明に係る変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な変位検出を可能とする。
【００４６】
本発明に係る変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な変位計測を可能とする。
【００４７】
本発明に係る定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な定点検出を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明を実施するための変位計測装置、定点検出装置の最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図１は変位計測装置１０の構成を示す図である。この変位計測装置１０は、例えばナノメータ（ｎｍ）オーダ以下の移動量を測定する半導体製造、或いは液晶製造等の分野で利用される。したがって、この変位計測装置１０では、光源部の発熱が検出部のセンサに影響を及ぼし、安定した測定ができなくなる虞がある。このため、検出部１６に発熱が伝わるのを防ぐ必要がある。そこで、特に光源１２を検出部１６から切り離し、光源１２が出射したビームは光ファイバ１５で検出部１６に伝送する構成をとる。
【００５０】
このため、変位計測装置１０は、ビームを出射する光源１２と、光源１２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板１３と、偏光板１３からの高い消光比の直線偏光を集光する集光レンズ１４と、集光レンズ１４によって集光された直線偏光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバ１５とを備える。
【００５１】
また、変位計測装置１０は、光ファイバ１５によって伝送された直線偏光のビームを集光する集光レンズ１７と、上記集光レンズ１７によって集光された直線偏光ビームを二分する偏光ビームスプリッタ１８と、偏光ビームスプリッタ１８によって二分されたビームが入射される、測定対象に取り付けられる回折格子１９と、回折格子１９によって得られる二つの回折光の偏波方向を変える相互に９０度の角度をなすように配置された二つの位相板２０及び２１と、上記二つの位相板２０及び２１を取り付けた相互に９０度の角度をなすように設けられて上記回折格子１９からの回折光を上記二つの位相板上で往復させる二つのミラー面２２及び２３を備える反射プリズム２４と、上記偏光ビームスプリッタ１８によって再び結合されて入射されたビームを干渉させる偏光素子２５と、その二つのビームの干渉光の受光量を電気的な信号に変換する受光素子２６とを備えてなる。
【００５２】
ここで、光源１２と偏光素子１３と集光レンズ１４と偏波保持タイプの光ファイバ１５は、光源１２の出射したビームを検出部１６側に伝送するので光伝送ユニット１１と称することができる。なお、検出部１６は、集光レンズ１７と偏光ビームスプリッタ１８と回折格子１９と二つの位相板２０及び２１と二つのミラー２２及び２３と偏光素子２５と受光素子２６からなる。
【００５３】
以下、変位計測装置１０を構成する各部の詳細について説明する。先ず、光源１２は、可干渉性ビームを出射するものでも、干渉性の低い光を発光する発光ダイオードでもよい。また、偏光特性を有するものでも、無偏光のものでもよい。
【００５４】
消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板１３は、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える。消光比２０ｄＢ以上ということは、図２に示すように、長軸である直線偏光（Ａ）に対して若干漏れてしまう短軸の光（Ｂ）の比であるＡ：Ｂが１００：１以上であることをいう。消光比が高ければ高いほど、品質の良い直線偏光となる。偏光素子は、上記Ａ：Ｂが１０００：１の消光比３０ｄＢ程とすることも可能である。偏光素子としては、ハロゲン化銀を含んだガラスを一定方向に引っ張り、内部の粒子形状を所定の方向に向けて偏光フィルタの働きをさせるものを用いても良い。なお、消光比変換手段としては、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００５５】
偏波保持タイプの光ファイバ１５は、図３に示すように、例えば断面が直径３μｍの円形のコア（core）３０を直径１００μｍのクラッド（clad）３１が包む同心円状になっている。コア３０とクラッド３１は、ともに屈折率の異なる例えば石英ガラスである。コア３０の屈折率はクラッド３１の屈折率より高い。コア３０へ、例えば波長λ６００〜７００ｎｍの光を送り込むと、コア３０と屈折率の低いクラッド３１の境界を光は反射しながら伝わる。コア３０の両側には、コア３０及びクラッド３１とは異なる、断面円形の２本のガラス３２及び３３をコア３０を挟み込むように設けている。この２本のガラス３２及び３３は、熱膨張率が同じであり、クラッド３１全体を収縮する。クラッド３１全体を冷やし、コア３０にかかる応力を一定に保つ働きをする。この２本のガラス３２及び３３の中心とコア３０及びクラッド３１の中心を結ぶ軸は光学軸３４となる。この偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４に光源１２から出射されたビームの偏光軸を偏光板１３及び集光レンズ１４を介して合わせて入射させる。また上記偏波保持タイプ光ファイバのコアの断面が、楕円状である楕円コアタイプの光ファイバを用いても良い。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ１８は、偏波保持タイプの光ファイバ１５によって伝送されて、集光レンズ１７によって集光されたビームをＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。このときの入射光の偏波軸は、偏光ビームスプリッタ１８からの出射光のパワーが、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分でほぼ等しくなるような角度にする。Ｓ偏光は、光の境界面に入射する光と反射する光とで形成される入射平面に対して垂直な振動をする偏光成分である。また、Ｐ偏光は、上記入射平面に対して水平な振動をする偏光成分である。Ｓ偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、Ｐ偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。
【００５７】
回折格子１９はボリュームタイプホログラムであってもよい。この回折格子１９は、測定対象となる物体に取り付けられる。回折格子１９は、図中矢印Ａ方向に移動可能である。回折格子１９のピッチは例えば０．５５μｍにする。偏光ビームスプリッタ１８を透過したＰ偏光成分の回折格子１９への入射位置（Ｑ点）と、偏光ビームスプリッタ１９を反射したＳ偏光成分の回折格子への入射位置（Ｐ点）は異なる。
【００５８】
反射プリズム２４の第１のミラー面２２に取り付けられている第１の１／４波長板２０の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてある。同様に、反射プリズム２４の第２のミラー面２３に取り付けられている第２の１／４波長板２１の光学軸も、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてある。
【００５９】
受光素子２６側に設けられた偏光素子２５は、入射される光の偏光方向に対して４５度傾けてある。よって、偏光ビームスプリッタ１８からの二つの光は偏光素子２５を通過することで干渉波となる。受光素子２６は、上記干渉波の光量を電気信号に変換する。
【００６０】
次に、上記各部によって構成される変位計測装置１０の動作について説明する。光源１２から出射された可干渉性又は干渉性の低い光は、偏光板１３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ１４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、上記図３を参照して上述したように偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射する。このように、偏光板１３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ１５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。また、上記ビームの偏波軸は、上記光学軸３４と直交する軸３５に合わせるように入射してもよい。
【００６１】
上記ビームの偏光軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸を合わせるためには、上記光ファイバ１５の出射端部１５ｂから出射するビームの消光比が最大になるように調整する方法がある。
【００６２】
このようにして光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４及び偏波保持タイプの光ファイバ１５からなる光伝送ユニット１１は、上記光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射されるビームの消光比を高くできるだけでなく、光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も小さくすることができる。
【００６３】
光伝送ユニット１１を構成する偏波保持タイプの光ファイバ１５から出射したビームは、検出部１６側の集光レンズ１７によって集光されてから偏光ビームスプリッタ１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１８は、上述したように、入射された光を、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。Ｓ偏光成分を有する光は、この偏光ビームスプリッタ１８で反射され、回折格子１９のＰ点に入射する。Ｐ偏光成分を有する光は、この偏光ビームスプリッタ１８を透過し、回折格子１９のＱ点に入射する。
【００６４】
回折格子１９のＰ点及びＱ点に入射した光は、以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
sinθ１＋sinθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は回折格子への入射角を示し、θ２は回折格子からの回折角を示し、Λは格子のピッチ（幅）を示し、λは光の波長を示し、ｎは回折次数を示している。
【００６５】
回折格子のＰ点で回折された光（Ｓ偏光成分）は、反射プリズム２４の第１のミラー面２２に取り付けられた第１の１／４波長板２０を通過し、第１のミラー面２２で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子１９により回折される。このとき、第１の１／４波長板２０の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。つまり、回折格子１９のＰ点で回折されたＳ偏光成分は、第１の１／４波長板２０を通過したのち、反射プリズム２４の第１のミラー面２２によって反射され再び第１の１／４波長板２０を通過するので、戻りの偏波軸は行きの偏波軸に対して直交した角度になる。
【００６６】
また、Ｑ点で回折された光（Ｐ偏光成分）も同様に、反射プリズム２４の第２のミラー面２３に取り付けられた第２の１／４波長板２１を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子１９により回折される。このとき、第２の１／４波長板２１の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。つまり、回折格子１９のＳ点で回折されたＰ偏光成分は、第２の１／４波長板２１を通過したのち、反射プリズム２４の第２のミラー面２３によって反射され再び第２の１／４波長板２１を通過するので、戻りの偏波軸は行きの偏波軸に対して直交した角度になる。
【００６７】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、偏光ビームスプリッタ１８に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、偏光ビームスプリッタ１８を通過する。また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、偏光ビームスプリッタ１８で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、偏光ビームスプリッタ１８で重ね合わされてから偏光素子２５に入射する。
【００６８】
偏光素子２５は、偏光ビームスプリッタ１８で重ね合わされた二つのビームを干渉させる。受光素子２６は、偏光素子２５によって干渉された干渉光の光量を電気信号に変換して干渉信号を得る。この干渉信号に基づいて変位計測装置１０は、矢印Ａ方向に移動する回折格子１９の例えばナノメータ（ｎｍ）オーダ以下の移動量を計測する。
【００６９】
上記干渉信号は、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ+δ）で表すことができる。Ｋは２π／Λを示し、ｘは移動量を示し、δは初期位相を示す。例えば、回折格子１９のピッチΛを０．５５μｍにした場合、その干渉波の一周期は、回折格子１９の移動量０．１３７５μｍに相当した計測が可能になるが、これを電気信号に変換して、例えばＡ／Ｄ変換等を用いて２００内挿することで、約０．６８９５ｎｍの非常に細かい分解能が得られる。特に分解能が１０ｎｍ以下の細かな変位の計測では、安定した信号出力を必要とすることは、言うまでもなく、上記光伝送ユニット１１から出射するビームの消光比の変動を極めて小さくしたことにより、偏光素子２５を通過することで得られる干渉波の変調率を安定させることができ、高分解能で安定性の高い変位計測が可能になった。
【００７０】
また、回折回数を増やすことにより、上記干渉信号をＡｃｏｓ（８Ｋｘ＋δ）にした検出光学系に応用させても同様の効果が得られる。図４は、回折回数を増やした構成の変位計測装置２００（応用例）を示す図である。上記図１と異なるのは、偏光ビームスプリッタ１８によって二分され、回折格子１９によって回折された二つの回折光が入射面２０１ａ及び２０２ａから反射プリズム２０１及び２０２に入り、反射面２０１ｂ及び２０２ｂ、反射面２０１ｃ及び２０２ｃにて反射され、再度回折格子１９に入射し、回折格子１９によってさらに回折されてから、二つの位相板２０及び２１と、反射プリズム２４に至る構成となっている点である。反射プリズム２４によって反射された光は、再度二つの位相板２０及び２１を通過してから、回折格子１９を透過して回折され、再び反射プリズム２０１及び２０２にて反射されてから、さらに回折格子１９にて回折され、偏光ビームスプリッタ１８に至る。
【００７１】
偏光ビームスプリッタ１８は、入射してきた偏光成分を重ね合わせてから、ビームスプリッタ２０３に送る。ビームスプリッタ２０３は、入射された光を二つに分割し、一方の光を偏光ビームスプリッタ２０４に入射し、他方の光を偏光素子２５に送る。偏光素子２５は、ビームスプリッタ２０３を透過してきた光を偏光し、偏光ビームスプリッタ２０７に入射させる。
【００７２】
偏光ビームスプリッタ２０４に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を光電変換器２０５に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を光電変換器２０６に入射する。偏光ビームスプリッタ２０７に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を光電変換器２０８に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を光電変換器２０９に入射する。
【００７３】
したがって、光電変換器２０５及び光電変換器２０６、光電変換器２０８及び光電変換器２０９は、Ａcos（８Ｋｘ＋δ）の干渉信号を得ることができる。
【００７４】
図５は定点検出装置４０の構成を示す図である。この定点検出装置４０は、例えばナノメータnmオーダ以下の移動量を測定する半導体製造、或いは液晶製造等の分野で利用される。したがって、この定点検出装置４０も、センサ自身の発熱も許されず、特に光源４２を検出部４６から切り離し、光源４２が出射したビームは光ファイバ４５で検出部４６に伝送する構成をとる。
【００７５】
定点検出装置４０は、上記変位計測装置１０と共に用いられ、例えば変位計測装置１０の回折格子１９上の絶対位置を検出する。変位計測装置１０は、上述したように、ピッチΛが０．５５μｍのように非常に小さい回折格子１９を用いている。回折格子１９上で変位を計測しているときに何らかのアクシデントで電源が落ちてしまったり、処理が止まってしまうと、復旧後、以前の計測時に回折格子上のどの位置にいたのかが不明となってしまう。そこで、回折格子上の絶対位置を常に検出する目的で開発されたものが定点検出装置４０である。二つの回折格子４８及び４９として例えばピッチの異なる二つのホログラム材料を用い、エッジ５０の検出によって定点を検出する構成となっている。
【００７６】
図５に示すように、定点検出装置４０は、ビームを出射する光源４２と、光源４２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板４３と、偏光板４３からの高い消光比の直線偏光を集光する集光レンズ４４と、集光レンズ４４によって集光された直線偏光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバ４５とを備える。
【００７７】
また、定点検出装置４０は、光ファイバ４５によって伝送された直線偏光のビームを集光する集光レンズ４７と、集光レンズ４７によって集光された直線偏光ビームが境界部（エッジ）５０近辺に焦点を結ぶ、互いに隣接して配置された２つの回折格子４８及び４９と、その２つの回折格子４８及び４９によって回折した回折光を受光する２つの受光素子５２及び５３と、その２つの受光素子５２及び５３の受光量を比較する比較器５４を有し、その比較した信号に基づいて定点を定める。
【００７８】
以下、定点検出装置を構成する各部の詳細について説明する。先ず、光源４２は、可干渉性もしくは非干渉性のビームを出射する。また偏光特性を有するビームでも、無偏光のビームを出射するものでもよい。
【００７９】
消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板４３は、上述した偏光板１３と同様に光源４２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える。消光比３０ｄＢ程とすることも可能である。なお、消光比変換手段としては、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００８０】
また、偏波保持タイプの光ファイバ４５は、図３を参照して既に説明したとおりである。ここでは、説明を省略するが、この偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸３４又は軸３５に光源４２から出射されたビームの偏光軸を偏光板４３及び集光レンズ４４を介して合わせて入射させることが重要である。
【００８１】
これは、偏光板４３４によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ４５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができるためである。
【００８２】
二つの回折格子４８及び４９は、集光レンズ４７によって集光された直線偏光ビームが境界部（エッジ）５０近辺に焦点を結ぶように互いに隣接して配置されている。この二つの回折格子４８及び４９は、互いの格子ベクトルが異なっていても良いし、互いの格子ピッチが異なっていてもよい。また反射型のホログラムやブレーズド回折格子を含む。図４に示した構成では、二つの回折格子４８及び４９は反射型であり、それぞれの＋１次回折光は入射光と同じ側に出射される。また透過型の回折格子を用いてもよい。
【００８３】
二つの受光素子５２及び５３は、上記二つの回折格子４８及び４９から得られる回折光の強度を電気信号に変換する。二つの受光素子５２及び５３は、上記二つの回折格子４８及び４９に対して上記光ファイバ４５の出射端側４５ｂと同一端側に配置されている。
【００８４】
比較器５４は、上記二つの受光素子５２及び５３からの電気信号を比較する。比較器５４による比較結果は、図示しない制御部に供給される。制御部は、比較器５４による比較結果に基づいて二つの信号が任意の大きさになる点を定点と定める。また、二つの信号が同じ出力になる点を定点と定めても良い。
【００８５】
次に、上記各部によって構成される定点検出装置４０の動作について説明する。光源４２から出射された可干渉性もしくは比干渉性の光は、偏光板４３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ４４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、上記図３を参照して上述したように偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸３４に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射する。このように、偏光板４３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバの光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ４５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。また、上記ビームの偏波軸は、上記光学軸３４と直交する軸３５に合わせるように入射してもよい。
【００８６】
上記ビームの偏光軸と偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸を合わせるためには、上記光ファイバ４５の出射端部４５ｂから出射するビームの消光比が最大になるように調整する方法がある。
【００８７】
このようにして光源４２、偏光板４３、集光レンズ４４及び偏波保持タイプの光ファイバ４５からなる光伝送ユニット４１は、上記光ファイバ４５の出射端４５ｂから出射されるビームの消光比を高くできるだけでなく、光ファイバ４５の屈曲やストレスによる消光比の変動も小さくすることができる。
【００８８】
光伝送ユニット４１を構成する偏波保持タイプの光ファイバ４５から出射したビームは、検出部４６側の集光レンズ４７によって集光されてから、図中矢印Ａ方向に移動可能な二つの回折格子４８及び４９の境界部（エッジ）５０付近に焦点を結ぶ。
【００８９】
この二つの回折格子４８及び４９から得られる回折光の強度は、それぞれの受光素子５２及び５３によって電気信号に変換される。そして、２つの信号を比較する比較器５４によって、２つの信号が任意の大きさになる点を定点と定める。上述したように、２つの信号が同じ出力になる点を定点と定めても良い。ただし、上記二つの信号が一致したとき、比較器５４の比較出力は０となる。回折光がなくなり受光素子の出力が０であるときも比較結果は０となってしまうので誤認識を防ぐという点では、オフセットをもたせるのが望ましく、よってある程度の数値を持って任意の大きさを設定し、０と弁別することを行うのが望ましい。
【００９０】
本実施の形態の定点検出装置４０は、このようにして、測定対象物５１に取り付けられた回折格子４８及び４９の絶対位置を検出する。一般に回折格子は、入射する偏光成分によって回折光量が違う。つまりＳ偏光成分とＰ偏光成分の回折効率が違うことになる。例えば、光源から出射されるビームの波長が７８０ｎｍであり、格子ピッチ０．５５μｍで反射型のホログラムの回折効率を測定すると、図６に示すように、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分では、回折効率が大きく異なることが確認できる。図６では、入射角が３５度から５５度の間でＳ偏光成分の回折効率が４６％から４１％の間であるのに対して、Ｐ偏光成分の回折効率が９１％から９２％の間であり、Ｐ偏光成分の回折効率が高いのが確認できる。また、これらは、製造プロセスにおいて個体差が発生し、一般にある程度のばらつきを持っていることが言える。
【００９１】
よって回折格子へ入射するビームの消光比の変動を小さくすることで、これらの影響を受けずに常に安定した定点検出が可能になった。
【００９２】
図７は、本実施の形態の定点検出装置４０にあって、偏波保持タイプの光ファイバ４５に屈曲ストレスを印加したときに、定点検出位置４０が時間と共にどのように変化するかを測定するためのシステム構成図である。この図７では、定点検出装置４０の上記図５における光源４２＋偏光板４３＋集光レンズ４４からなるユニットを、上記光ファイバ４５に所定の消光比の直線偏光を入射するための光入射部５５としている。光入射部５５は、偏波保持タイプの光ファイバ４５に消光比１２ｄＢの直線偏光又は消光比２９ｄＢの直線偏光を入射する。このとき、スケール５１に取り付けた二つの回折格子４８及び４９上の上記境界部５０からの二つの回折光に基づいて検出された定点に対して、光ファイバ４５の屈曲半径と検出位置が、時間経過によってどのようにずれるかを測定している。
【００９３】
このため、この測定システムは、スケール５１に取り付けられてアナログの位置ずれ量をデジタルデータとして検出するエンコーダ５６、エンコーダ５６からのデジタル値に所定数の内挿を行う内挿回路５７と、内挿回路５７からの数値に基づいて、上記定点検出位置４０の位置ずれデータを集計するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５８とを備える。パーソナルコンピュータ５８には、定点検出装置４０の比較器５４からの比較結果も供給される。
【００９４】
図８は、上記ファイバ屈曲による定点検出位置ずれを示す特性図である。横軸は、時間（分）を示す。左側縦軸は検出位置（ｎｍ）を、右側縦軸は光ファイバの屈曲半径（ｍｍ）を示す。
【００９５】
先ず、光ファイバの屈曲半径を６０（ｍｍ）としたときに定点検出装置４０が検出した定点位置を０とする。消光比１２ｄＢ及び２９ｄＢの直線偏光を上記光入射部５５が上記光ファイバ４５に入射すれば、時間経過が１８分となるまで定点位置はずれていない（第１の状態という）。時間経過が１８分から３２分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第２の状態という）。この第２の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第２の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９６】
時間経過が３２分から４８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は１８（ｍｍ）となる（第３の状態という）。この第３の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−１３０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第３の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６２（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９７】
時間経過が４８分から６３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第４の状態という）。この第４の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−５８（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第４の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９８】
時間経過が６３分から７８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は６０（ｍｍ）となる（第５の状態という）。この第５の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は第１の状態と同様に０（ｎｍ）となる。またこの第５の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射しても、定点検出装置４０の検出した定点は同様に０（ｎｍ）となる。
【００９９】
時間経過が７８分から９３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第６の状態という）。この第６の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第６の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１００】
時間経過が９３分から１０８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は１８（ｍｍ）となる（第７の状態という）。この第７の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第３の状態と同様に−１３０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第７の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第３の状態と同様に−６２（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１０１】
時間経過が１０８分から１２３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第８の状態という）。この第８の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第６の状態と同様に−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第８の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第６の状態と同様に−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１０２】
時間経過が１２３分から１３７分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は６０（ｍｍ）となる（第９の状態という）。この第９の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は第１の状態と同様に０（ｎｍ）となる。またこの第９の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射しても、定点検出装置４０の検出した定点は同様に０（ｎｍ）となる。
【０１０３】
すなわち、上記光ファイバ４５に屈曲ストレスを印加した場合、消光比１２ｄＢよりも高い消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光入射部５５により上記光ファイバ４５に入射すると、定点の位置ずれが少ないことが判り、本実施の形態を用いたときの効果は明確である。
【０１０４】
上記変位計測装置１０及び定点検出装置４０で用いた光伝送ユニット１１及び４１としては、上記図１及び図５に示した構成の他、以下の具体例を用いることができる。図９は偏光板と集光レンズとを一体化させた光伝送ユニットである。なお、以下、図９〜図１３を用いて説明する各具体例では上記変位計測装置１０に用いた光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４、偏波保持タイプの光ファイバ１５及び光伝送ユニット１１の各符号を用いている。定点検出装置４０で用いることもできるのはもちろんである。
【０１０５】
光伝送ユニット１１の光入射部（上記図７で挙げた光入射部５５を変位計測装置１０に適用したもの。光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４からなる。）をパッケージすることを考えた場合、部品点数を少なくする必要がある。偏光板１３と集光レンズ１４とを一体化することによって部品点数を少なくできる。もちろん、図９の光伝送ユニット１１により光源１２からのビームを偏光板１３にて消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５の入射端１５ａに入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。
【０１０６】
図１０は偏光板１４をコリメータレンズ６１と集光レンズ１４とで挟み込むように一体化した光伝送ユニット１１である。この具体例では、光源１２からのビームをコリメータレンズ６１により平行光とし、偏光板１３に垂直に入射させるようにしている。したがって、偏光板１３の性能を十分に発揮させることができる。この具体例によってもパッケージ化の際に部品点数を少なくすることができる。もちろん、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。なお、さらにこの具体例の変形例としては、コリメータレンズ６１と偏光板１３と集光レンズ１４を一体化せず、離間して配置してもよい。
【０１０７】
図１１は偏光板を用いず、偏光板の変わりに上記偏波保持タイプの光ファイバ１５の入射端面１５ａをブリュースター角になるように形成した光伝送ユニット１１である。上記光ファイバ１５の入射端面１５ａをブリュースター角にすることにより、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。光源１２から出射されたビームは集光レンズ１４を介して入射端面１５ａがブリュースター角に形成された上記光ファイバ１５にＰ波成分のみを入射することになる。Ｓ波偏光成分はブリュースター角に形成された入射端面１５ａによって図中矢印で示すように反射され、光ファイバ１５のコア３０には入射させないので、消光比の高いビームを入射することになる。よって、この具体例にあっても、光源１２からのビームを消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５に入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。また、偏光素子を用いなくて済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。
【０１０８】
なお、図１１にあって、上記偏波保持タイプの光ファイバ１５の入射端面１５ａを多層膜処理により形成し、多層膜の全ての界面が全てブリュースター角になるようにしてもよい。このようにすれば、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させることができる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。また、上記光ファイバ１５の入射端面１５ａを偏光ビームスプリッタになるように形成してもよい。
【０１０９】
図１２は光源として用いる半導体レーザ６２の出射窓に偏光板６３を形成した光伝送ユニット１１である。半導体レーザ６２の出射するビームは消光比が２０ｄＢ程であるが、上記出射窓に形成した偏光板６３により、消光比を３０ｄＢ程にすることができる。この具体例でも、半導体レーザ６２の外部空間に偏光素子を用いなくても済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。もちろん、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。
【０１１０】
図１３は光源として用いる半導体レーザ６３の出射用の窓ガラス６４をブリュースター角に形成した光伝送ユニット１１である。この半導体レーザ６３は、ビームの縦方向と横方向とで広がり角が異なることにより、非点収差を発生してしまうことを防ぐために、出射窓を斜めに形成している。この斜めに形成した窓ガラス６４をブリュースター角に形成することにより、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。半導体レーザ６３から出射されたＰ偏光成分は集光レンズ１４を介して上記光ファイバ１５に入射することになる。Ｓ波偏光成分は入射させないので、消光比の高いビームを入射することになる。よって、この具体例にあっても、半導体レーザ６３からのビームを消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５に入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。また、半導体レーザ６３の外部に偏光素子を用いなくて済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。
【０１１１】
また、図１３にあって、上記半導体レーザ６３の窓ガラス６４を多層膜処理により形成し、多層膜の全ての界面が全てブリュースター角になるようにしてもよい。このようにすれば、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させることができる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。
【０１１２】
なお、本発明は、上記変位計測装置１０、上記定点検出装置４０にのみ適用が限定されるものではない。少なくとも、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出するという構成の光学式による変位を検出する装置に適用できる。例えば、透過型の変位検出装置、反射型の変位検出装置、透過型の変位計測装置、透過型の定点検出装置等がある。
【０１１３】
もちろん、上記消光比変換手段を偏光素子としてもよい。また、上記消光比変換手段である上記偏光素子を上記集光レンズと一体化してもよい。
【０１１４】
また、上記光ファイバの光の入射側端面をブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段としてもよい。
【０１１５】
また、上記光源として半導体レーザを用い、上記偏光素子を上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成してもよい。
【０１１６】
また、上記消光比変換手段を偏光ビームスプリッタとしてもよい。また、上記光源として半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッタを上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成してもよい。
【０１１７】
また、上記光源として半導体レーザを用い、当該半導体レーザの出射窓ガラスをブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段としてもよい。また、上記光ファイバの光の入射側端面を偏光ビームスプリッタとして上記消光比変換手段としてもよい。
【０１１８】
ここまでの説明にあって、変位計測装置１０及び２００、定点検出装置４０は、光源１２及び光源４２からのビームを偏光板１３及び偏光板４３を通し、２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光にしてから集光レンズ１４及び集光レンズ４４で集光し、偏波保持タイプの光ファイバ１５及び光ファイバ４５に通す構成とした。
【０１１９】
さらに、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させ、よってさらに高精度な変位計測を可能とするため、図１４に示す変位計測装置３００を用いてもよい。
【０１２０】
この変位計測装置３００は、図１に示した変位計測装置１０の光ファイバ１１の出射端側１５ｂであって、集光レンズ１７との間に、光ファイバ１５によって伝送されたビームの偏波を無偏光にする偏光解消素子３０１を備えた構成である。
【０１２１】
偏光解消素子３０１は、光ファイバ１５によって伝送されて出射されたビームの偏光を解消する。水晶、雲母もしくは有機樹脂を材料とする。ここで、図１５を用いて偏光解消素子３０１の具体例を説明する。図１５に断面を示す偏光解消素子３０１は、水晶３０１ａと石英ガラス３０１ｂとを斜めに切り、それらを斜線３０１ｃにて透明の接着剤を用いて接着してなる。他に、雲母もしくは有機樹脂を材料としてもよい。入射光が例えば直線偏光１３１であっても、斜線３０１ｃに沿って水晶３０１ａ及び石英ガラス３０１ｂの厚みがそれぞれ異なることになり、斜線３０１ｃ上の位置に応じてλ／４、２λ／４、３λ／４の厚みになる。このため、光束が、例えば１mm程度の幅であれば、石英ガラス３０１ｂによって屈折されて出てくる光は無偏光のランダム光１３２となる。この原理によって、偏光解消素子３０１は偏光方向が定まっているようなレーザ光を、自然光のような無偏光、つまりランダム光にすることができる。
【０１２２】
集光レンズ１７は、偏光解消素子３０１で無偏光にされたビームを集光し、偏光ビームスプリッタ１８に入射させる。
【０１２３】
以上に説明したように、この変位計測装置３００は、偏光解消素子３０１を光ファイバ１５の出射端１５ｂと集光レンズ１７との間に設けるので、変位計測装置１０よりも光ファイバ１５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な変位検出を可能とする。
【０１２４】
同様に、図４に示した構成の変位計測装置２００における光ファイバ１５の出射端側１５ｂと集光レンズ１７との間に偏光解消素子３０１を設けた構成の変位計測装置３５０を図１６に示す。この変位計測装置３５０でも、偏光解消素子３０１を光ファイバ１５の出射端１５ｂと集光レンズ１７との間に設けるので、変位計測装置２００よりも光ファイバ１５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な変位検出を可能とする。
【０１２５】
同様に、図５に示した構成の定点検出装置４０における光ファイバ４５の出射端側４５ｂと集光レンズ４７との間に偏光解消素子３０１を設けた構成の定点検出装置４００を図１７に示す。この定点検出装置４００でも、偏光解消素子３０１を光ファイバ４５の出射端４５ｂと集光レンズ４７との間に設けるので、定点検出装置４０よりも光ファイバ４５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な定点検出を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】変位計測装置の構成図である。
【図２】消光比を説明するために用いた図である。
【図３】偏波保持タイプの光ファイバの断面図である。
【図４】変位計測装置の応用例である。
【図５】定点検出装置の構成図である。
【図６】Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とで、回折効率が大きく異なることを示す特性図である。
【図７】偏波保持タイプの光ファイバに屈曲ストレスを印加したときに、定点検出位置が時間と共にどのように変化するかを測定するためのシステム構成図である。
【図８】ファイバ屈曲による定点検出位置ずれを示す特性図である。
【図９】偏光板と集光レンズとを一体化させた光伝送ユニットを示す図である。
【図１０】偏光板をコリメータレンズと集光レンズとで挟み込むように一体化した光伝送ユニットを示す図である。
【図１１】偏光板の変わりに偏波保持タイプの光ファイバの入射端面をブリュースター角になるように形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１２】光源として用いる半導体レーザの出射窓に偏光板を形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１３】光源として用いる半導体レーザの出射用の窓ガラスをブリュースター角に形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１４】偏光解消素子をさらに備えた変位計測装置の構成図である。
【図１５】偏光解消素子の断面図である。
【図１６】偏光解消素子をさらに備えた変位計測装置の応用例の構成図である。
【図１７】偏光解消素子をさらに備えた定点検出装置の応用例の構成図である。
【図１８】従来の変位検出装置の構成図である。
【図１９】特許文献１に記載された従来の定点検出装置の構成図である。
【図２０】上記図１９に示した定点検出装置で用いられるホログラフィック回折構成を示す図である。
【図２１】上記図１９に示した定点検出装置の主要部を示す図である。
【図２２】光ファイバを用いて定点を検出する定点検出装置の構成図である。
【図２３】光ファイバを用いて変位を計測する変位計測装置の構成図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０ 変位計測装置、１１ 光伝送ユニット、１２ 光源、１３ 位相板、１４ 集光レンズ、１５ 偏波保持タイプの光ファイバ、１６ 検出部、１７ 集光レンズ、１８ 偏光ビームスプリッタ、１９ 回折格子、２０ 第１の１／４位相板、２１ 第２の１／４位相板、２２ 第１の反射ミラー面、２３ 第２の反射ミラー面、２４ プリズム、４０ 定点検出装置、４１ 光伝送ユニット、４２ 光源、４３ 位相板、４４ 集光レンズ、４５ 偏波保持タイプの光ファイバ、４６ 検出部、４７ 集光レンズ、４８ 回折格子、４９ 回折格子、５０ エッジ、５２，５３ 受光素子、５４ 比較器、３００ 変位計測装置、３０１ 偏光解消素子、４００ 定点検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子による回折光を検出することによって変位を検出する変位検出装置及び回折格子による回折光の干渉を利用して変位量を計測する変位計測装置並びに上記回折光によって定点を求める定点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動するスケール上に取り付けられている回折格子の位置の変位を光の干渉を利用して検出するようにしたものに格子干渉計がある。以下に、変位検出装置について図１８を用いて説明する。なお、図１８は、透過型の回折格子を用いた変位検出装置である。
【０００３】
変位検出装置は、図１８に示すように、可干渉光源部９０と、第１のレンズ９１と、第１の偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter：ＰＢＳ）９２と、第１の１／４波長板９３と、反射プリズム９４と、第２の１／４波長板９５と、第２のレンズ９６と、ビームスプリッタ（beam splitter：ＢＳ）９７と、第２のＰＢＳ９８と、第１の光電変換器９９と、第２の光電変換器１００と、第３の１／４波長板１０１と、第３のＰＢＳ１０２と、第３の光電変換器１０３と、第４の光電変換器１０４と、第１の差動増幅器１０５と、第２の差動増幅器１０６と、インクリメンタル信号発生器１０７とを備え、スケール１０８上に配置された透過型の回折格子を読み取る。
【０００４】
可干渉光源部９０は、第１のレンズ９１に光を出射する。第１のレンズ９１は、入射した光を適当なビームに絞り、第１のＰＢＳ９２に出射する。第１のＰＢＳ９２は、入射された光を、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。Ｓ偏光は、光の境界面に入射する光と反射する光とで形成される入射平面に対して垂直な振動をする偏光成分である。また、Ｐ偏光は、上記入射平面に対して水平な振動をする偏光成分である。Ｓ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２で反射され、Ｐ偏光成分を有する光は、第１のＰＢＳ９２を透過する。なお、可干渉光源部９０からの光が直線偏光の光であれば、偏光方向を４５度傾けて第１のＰＢＳ９２に入射させる。こうすることにより、Ｓ偏光成分の光とＰ偏光成分の光の強度を等しくすることができる。
【０００５】
第１のＰＢＳ９２で反射されたＳ偏光成分を有する光は、スケール１０８上に記録されている回折格子のＰ点に入射し、また、第１のＰＢＳ９２を透過したＰ偏光成分を有する光は、回折格子のＱ点に入射し、以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
sinθ１＋sinθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１はスケール１０８上への入射角を示し、θ２はスケール１０８からの回折角を示し、Λは格子のピッチ（幅）を示し、λは光の波長を示し、ｎは回折次数を示している。
【０００６】
図１８に示した従来の変位検出装置では、Ｐ点への入射角をθ１ｐとし、その回折角をθ２ｐとし、Ｑ点への入射角をθ１ｑとし、その回折角をθ２ｑとすると、θ１ｐ＝θ２ｐ＝θ１ｑ＝θ２ｑになるように調整している。また、回折次数は、Ｐ点及びＱ点で同次数である。
【０００７】
Ｐ点で回折された光（Ｓ偏光成分）は、第１の１／４波長板９３を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第１の１／４波長板９３の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。
【０００８】
また、Ｑ点で回折された光（Ｐ偏光成分）も同様に、第２の１／４波長板９５を通過し、反射プリズム９４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子により回折される。このとき、第２の１／４波長板９５の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。
【０００９】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、第１のＰＢＳ９２に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２を通過する。また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、第１のＰＢＳ９２で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、第１のＰＢＳ９２で重ね合わされて、第２のレンズ９６により適当なビームに絞られてＢＳ９７に入射する。
【００１０】
ＢＳ９７は、入射された光を二つに分割し、一方の光を第２のＰＢＳ９８に入射し、他方の光を第３の１／４波長板１０１に入射する。なお、第２のＰＢＳ９８及び第３の１／４波長板１０１は、入射される光の偏光方向に対して４５度にそれぞれ傾いている。
【００１１】
第２のＰＢＳ９８に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第１の光電変換器９９に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第２の光電変換器１００に入射する。また、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００では、Ａcos（４Ｋｘ＋δ）の干渉信号が得られる。なお、Ｋは２π／Λを示し、ｘは移動量を示し、δは初期位相を示している。また、第１の光電変換器９９では、第２の光電変換器１００と１８０度位相の異なる信号が得られる。
【００１２】
また、第３の１／４波長板１０１に入射された光は、Ｐ偏光成分を有する光とＳ偏光成分を有する光とが互いに逆回りの円偏光となり、重ね合わされて直線偏光となり、第３のＰＢＳ１０２に入射する。第３のＰＢＳ１０２に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を第３の光電変換器１０３に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を第４の光電変換器１０４に入射する。なお、第３のＰＢＳ１０２に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子がｘ方向にΛ／２だけ移動すると１回転する。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００と同様にＡcos（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号を得ることができる。また、第３の光電変換器１０３では、第４の光電変換器１０４と１８０度位相が異なる信号が得られる。
【００１３】
なお、第３のＰＢＳ１０２は、第２のＰＢＳ９８に対して４５度傾けてある。したがって、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４で得られる信号は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００で得られる信号に対して９０度位相が異なっている。
【００１４】
第１の差動増幅器１０５は、第１の光電変換器９９及び第２の光電変換器１００から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１０７に出力する。また、第２の差動増幅器１０６も同様に、第３の光電変換器１０３及び第４の光電変換器１０４から入力される電気信号を差動増幅し、干渉信号のＤＣ（直流）成分をキャンセルした信号をインクリメンタル信号発生器１０７に出力する。
【００１５】
次に、図１９に、本願出願人による下記特許文献１に開示された従来の定点検出装置の例を示す。この定点検出装置は、固定部１１０と測定方向（Ｘ方向）に沿って可動な可動部１３０とを有し、固定部１１０は光学系１１１と検出系１２１とを含み、可動部１３０は基板１３１とその上面に配置された２つの体積型ホログラフィック回折格子１３２、１３３とを有する。
【００１６】
光学系１１１は半導体レーザ等のレーザ光を出力する光源１１２とコリメータレンズ１１３と集光レンズ１１４と有する。検出系１２１は２つの受光器１２２、１２３と電気処理回路１２９とを有する。
【００１７】
図２０にこの例に使用されるホログラフィック回折格子１３２、１３３を示す。ホログラフィック回折格子１３２、１３３は透過型の体積型ホログラムによって形成されている。以下に、ホログラフィック回折格子１３２、１３３を、随時単にホログラムと称する。図示のように、各ホログラム１３２、１３３の格子間隔又は格子ピッチｄは測定方向に順次連続的に変化している。また、各ホログラム１３２、１３３の格子間隔又は格子ピッチｄを形成する分布面１４２、１４３はホログラム１３２、１３３の上面に対して傾斜しており、斯かる傾斜角は測定方向に順次連続的に変化している。各ホログラム１３２、１３３によって入射光を回折させると、回折効率が測定方向に連続的に変化する。
【００１８】
図２１に図２０の定点検出装置の主要部を示す。図示のように、基板１３１の上面１３１Ａに２つのホログラム１３２、１３３が横方向に互いに隣接して配置されている。斯かる２つのホログラム１３２、１３３は、中心面１３５に対して互いに対称的に構成されている。即ち、各ホログラム１３２、１３３の分布面１４２、１４３の傾斜角は中心面１３５に対して対称的に両側に順次連続的に変化しており、その格子間隔又は格子ピッチｄは中心面１３５に対して対称的に両側に順次連続的に変化している。２つのホログラム１３２、１３３は各々の回折効率が最大になる点が測定方向に互いに異なるように配置されている。
【００１９】
可動部１３０が固定部１１０に対して相対的に移動するとき、即ち、図２１にて、静止している受光器１２２、１２３及び光源１１２に対して可動部１３０が移動するとき、第１のホログラム１３２によって回折された光は第１の受光器１２２によって検出され、第２のホログラム１３３によって回折された光は第２の受光器１２３によって検出される。
【００２０】
２つのホログラム１３２、１３３は回折効率が最大になる点が互いに異なるから、第１の受光器１２２によって検出される回折光の光強度曲線のピーク位置と第２の受光器１２３によって検出される回折光の光強度曲線のピーク位置は異なる。従って、２つの光強度曲線の交差点、即ち、２つの光強度が等しくなる点が存在する。斯かる点が定点検出装置によって得られる定点である。
【００２１】
【特許文献１】特開平４−３２４３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところで、近年の発光ダイオードやレーザを用いた定点検出装置や変位計測装置は、高分解能化され、1ｎｍ以下の計測が可能になっている。一方こういった測定には、センサ自身の発熱も許されず、特に光源をセンサから切り離し、光ファイバーでビームを伝送させる手段がよく用いられる。
【００２３】
図２２は、偏波保持タイプの光ファイバ１６３により光源１６１からの出射ビームを検出部１６４に伝送し、定点を検出する定点検出装置１６０を示す図である。光源１６１からの出射ビームを偏波保持タイプの光ファイバ１６３を介して集光レンズ１６２に伝送し、互いに隣接して測定対象１６９に配置された２つの回折格子１６６及び１６７に照射し、２つの回折格子１６６及び１６７のエッジ１６８によって回折した回折光を２つの受光素子１７０及び１７１で受光し、その２つの受光素子１７０及び１７１の受光量を比較器１７２で比較して、比較した信号が任意の大きさになる点を定点と定めている。
【００２４】
このように、図２２の定点検出装置１６０では、光源１６１からの出射ビームを偏光成分を保持した状態で伝送するため、偏波保持タイプの光ファイバ１６３を用いている。しかし、ファイバのストレスや屈曲による影響から、偏波が乱れ、それが検出部１６４側に影響してしまい、安定した計測が不可能となってしまうことがあった。
【００２５】
具体的に説明すると以下のようになる。上記光ファイバ１６３から出るビームの偏波軸が、光ファイバ１６３の屈曲やストレスによって微少に変化した場合、回折格子１６６及び１６７に入射されるビームの偏光成分が変わることを意味する。一般に回折格子の回折効率は、入射するビームの偏光成分によって違うだけではなく、個体差もあるため、受光素子１７０及び１７１に入る光量が変化してしまい、あたかも定点がずれてしまったと認識してしまう。
【００２６】
したがって、定点検出装置１６０にあって、定点の検出を安定して行うためには、光ファイバ１６３から出るビームの偏波軸をできるだけ安定させる必要がある。
【００２７】
次に、図２３は偏波保持タイプの光ファイバ１８３により光源１８１からの出射ビームを検出部１８４に伝送し、検出部１８４によって測定対象物の変位を計測する変位計測装置１８０を示す図である。光源１８１からの出射ビームを偏波保持タイプの光ファイバ１８３を介して集光レンズ１８５に伝送した後、偏光ビームスプリッタ１８６に入射する。偏光ビームスプリッタ１８６は、入射したビームを二分し、回折格子スケール１８７に入射する。ここで得られた回折光は、λ／４波長板１８８及び１８９を通過しミラー面１９１及び１９２によって反射され、同光路をたどって偏光ビームスプリッタ１８６に戻る。ここで二つのビームは再び結合し偏光素子側１９３に向かう。こうして偏光素子１９３を通過したあとの干渉信号を受光素子１９４で電気信号に変換することで、回折格子の移動量を計測できる。
【００２８】
しかし、この変位計測装置１８０でも光ファイバ１８３のストレスや屈曲による影響から、偏波が乱れた場合、偏光ビームスプリッタ１８６で二分される光量比がそれに伴い変化することになる。この二つのビームの光量比変化は、再度偏光ビームスプリッタ１８６で結合し干渉信号となったときに、変調率の変化として現れ、信号出力の出力変動の原因となる。これらは、変位計測の精度に悪影響を与えることから、光伝送ユニットから出るビームの偏波軸をできるだけ安定させる必要がある。
【００２９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、光源から出射された光を検出側に伝送する光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることにより高精度な定点検出や変位計測を可能とする変位検出装置、変位計測装置及び定点検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する。
【００３１】
この変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３２】
本発明に係る変位計測装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光を二分する偏光ビームスプリッタと、測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する。
【００３３】
この変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３４】
本発明に係る定点検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、互いに隣接して配置され、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する二つの回折格子と、上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める。
【００３５】
この定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３６】
本発明に係る変位検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、測定対象に取り付けられ、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する。
【００３７】
この変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、さらに上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００３８】
本発明に係る変位計測装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光を二分する偏光ビームスプリッタと、測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する。
【００３９】
この変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、さらに上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【００４０】
本発明に係る定点検出装置は、上記課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、互いに隣接して配置され、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する二つの回折格子と、上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める。
【００４１】
この定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な変位検出を可能とする。
【００４３】
本発明に係る変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な変位計測を可能とする。
【００４４】
本発明に係る定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れを減少させることができ、よって高精度な定点検出を可能とする。
【００４５】
本発明に係る変位検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な変位検出を可能とする。
【００４６】
本発明に係る変位計測装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な変位計測を可能とする。
【００４７】
本発明に係る定点検出装置によれば、消光比変換手段によって消光比を２０ｄＢ以上に高め、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、かつ上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を偏光解消素子によって解消するので、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができ、よってさらに高精度な定点検出を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明を実施するための変位計測装置、定点検出装置の最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図１は変位計測装置１０の構成を示す図である。この変位計測装置１０は、例えばナノメータ（ｎｍ）オーダ以下の移動量を測定する半導体製造、或いは液晶製造等の分野で利用される。したがって、この変位計測装置１０では、光源部の発熱が検出部のセンサに影響を及ぼし、安定した測定ができなくなる虞がある。このため、検出部１６に発熱が伝わるのを防ぐ必要がある。そこで、特に光源１２を検出部１６から切り離し、光源１２が出射したビームは光ファイバ１５で検出部１６に伝送する構成をとる。
【００５０】
このため、変位計測装置１０は、ビームを出射する光源１２と、光源１２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板１３と、偏光板１３からの高い消光比の直線偏光を集光する集光レンズ１４と、集光レンズ１４によって集光された直線偏光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバ１５とを備える。
【００５１】
また、変位計測装置１０は、光ファイバ１５によって伝送された直線偏光のビームを集光する集光レンズ１７と、上記集光レンズ１７によって集光された直線偏光ビームを二分する偏光ビームスプリッタ１８と、偏光ビームスプリッタ１８によって二分されたビームが入射される、測定対象に取り付けられる回折格子１９と、回折格子１９によって得られる二つの回折光の偏波方向を変える相互に９０度の角度をなすように配置された二つの位相板２０及び２１と、上記二つの位相板２０及び２１を取り付けた相互に９０度の角度をなすように設けられて上記回折格子１９からの回折光を上記二つの位相板上で往復させる二つのミラー面２２及び２３を備える反射プリズム２４と、上記偏光ビームスプリッタ１８によって再び結合されて入射されたビームを干渉させる偏光素子２５と、その二つのビームの干渉光の受光量を電気的な信号に変換する受光素子２６とを備えてなる。
【００５２】
ここで、光源１２と偏光素子１３と集光レンズ１４と偏波保持タイプの光ファイバ１５は、光源１２の出射したビームを検出部１６側に伝送するので光伝送ユニット１１と称することができる。なお、検出部１６は、集光レンズ１７と偏光ビームスプリッタ１８と回折格子１９と二つの位相板２０及び２１と二つのミラー２２及び２３と偏光素子２５と受光素子２６からなる。
【００５３】
以下、変位計測装置１０を構成する各部の詳細について説明する。先ず、光源１２は、可干渉性ビームを出射するものでも、干渉性の低い光を発光する発光ダイオードでもよい。また、偏光特性を有するものでも、無偏光のものでもよい。
【００５４】
消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板１３は、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える。消光比２０ｄＢ以上ということは、図２に示すように、長軸である直線偏光（Ａ）に対して若干漏れてしまう短軸の光（Ｂ）の比であるＡ：Ｂが１００：１以上であることをいう。消光比が高ければ高いほど、品質の良い直線偏光となる。偏光素子は、上記Ａ：Ｂが１０００：１の消光比３０ｄＢ程とすることも可能である。偏光素子としては、ハロゲン化銀を含んだガラスを一定方向に引っ張り、内部の粒子形状を所定の方向に向けて偏光フィルタの働きをさせるものを用いても良い。なお、消光比変換手段としては、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００５５】
偏波保持タイプの光ファイバ１５は、図３に示すように、例えば断面が直径３μｍの円形のコア（core）３０を直径１００μｍのクラッド（clad）３１が包む同心円状になっている。コア３０とクラッド３１は、ともに屈折率の異なる例えば石英ガラスである。コア３０の屈折率はクラッド３１の屈折率より高い。コア３０へ、例えば波長λ６００〜７００ｎｍの光を送り込むと、コア３０と屈折率の低いクラッド３１の境界を光は反射しながら伝わる。コア３０の両側には、コア３０及びクラッド３１とは異なる、断面円形の２本のガラス３２及び３３をコア３０を挟み込むように設けている。この２本のガラス３２及び３３は、熱膨張率が同じであり、クラッド３１全体を収縮する。クラッド３１全体を冷やし、コア３０にかかる応力を一定に保つ働きをする。この２本のガラス３２及び３３の中心とコア３０及びクラッド３１の中心を結ぶ軸は光学軸３４となる。この偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４に光源１２から出射されたビームの偏光軸を偏光板１３及び集光レンズ１４を介して合わせて入射させる。また上記偏波保持タイプ光ファイバのコアの断面が、楕円状である楕円コアタイプの光ファイバを用いても良い。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ１８は、偏波保持タイプの光ファイバ１５によって伝送されて、集光レンズ１７によって集光されたビームをＳ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。このときの入射光の偏波軸は、偏光ビームスプリッタ１８からの出射光のパワーが、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分でほぼ等しくなるような角度にする。Ｓ偏光は、光の境界面に入射する光と反射する光とで形成される入射平面に対して垂直な振動をする偏光成分である。また、Ｐ偏光は、上記入射平面に対して水平な振動をする偏光成分である。Ｓ偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、Ｐ偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。
【００５７】
回折格子１９はボリュームタイプホログラムであってもよい。この回折格子１９は、測定対象となる物体に取り付けられる。回折格子１９は、図中矢印Ａ方向に移動可能である。回折格子１９のピッチは例えば０．５５μｍにする。偏光ビームスプリッタ１８を透過したＰ偏光成分の回折格子１９への入射位置（Ｑ点）と、偏光ビームスプリッタ１９を反射したＳ偏光成分の回折格子への入射位置（Ｐ点）は異なる。
【００５８】
反射プリズム２４の第１のミラー面２２に取り付けられている第１の１／４波長板２０の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてある。同様に、反射プリズム２４の第２のミラー面２３に取り付けられている第２の１／４波長板２１の光学軸も、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてある。
【００５９】
受光素子２６側に設けられた偏光素子２５は、入射される光の偏光方向に対して４５度傾けてある。よって、偏光ビームスプリッタ１８からの二つの光は偏光素子２５を通過することで干渉波となる。受光素子２６は、上記干渉波の光量を電気信号に変換する。
【００６０】
次に、上記各部によって構成される変位計測装置１０の動作について説明する。光源１２から出射された可干渉性又は干渉性の低い光は、偏光板１３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ１４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、上記図３を参照して上述したように偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射する。このように、偏光板１３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ１５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ１５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。また、上記ビームの偏波軸は、上記光学軸３４と直交する軸３５に合わせるように入射してもよい。
【００６１】
上記ビームの偏光軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸を合わせるためには、上記光ファイバ１５の出射端部１５ｂから出射するビームの消光比が最大になるように調整する方法がある。
【００６２】
このようにして光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４及び偏波保持タイプの光ファイバ１５からなる光伝送ユニット１１は、上記光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射されるビームの消光比を高くできるだけでなく、光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も小さくすることができる。
【００６３】
光伝送ユニット１１を構成する偏波保持タイプの光ファイバ１５から出射したビームは、検出部１６側の集光レンズ１７によって集光されてから偏光ビームスプリッタ１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１８は、上述したように、入射された光を、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光の二つの光に分割する。Ｓ偏光成分を有する光は、この偏光ビームスプリッタ１８で反射され、回折格子１９のＰ点に入射する。Ｐ偏光成分を有する光は、この偏光ビームスプリッタ１８を透過し、回折格子１９のＱ点に入射する。
【００６４】
回折格子１９のＰ点及びＱ点に入射した光は、以下の式で示される方向にそれぞれ回折される。
sinθ１＋sinθ２＝ｎ・λ／Λ
なお、θ１は回折格子への入射角を示し、θ２は回折格子からの回折角を示し、Λは格子のピッチ（幅）を示し、λは光の波長を示し、ｎは回折次数を示している。
【００６５】
回折格子のＰ点で回折された光（Ｓ偏光成分）は、反射プリズム２４の第１のミラー面２２に取り付けられた第１の１／４波長板２０を通過し、第１のミラー面２２で垂直に反射され、再びＰ点に戻り回折格子１９により回折される。このとき、第１の１／４波長板２０の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｐ点に戻った光はＰ偏光成分の光となっている。つまり、回折格子１９のＰ点で回折されたＳ偏光成分は、第１の１／４波長板２０を通過したのち、反射プリズム２４の第１のミラー面２２によって反射され再び第１の１／４波長板２０を通過するので、戻りの偏波軸は行きの偏波軸に対して直交した角度になる。
【００６６】
また、Ｑ点で回折された光（Ｐ偏光成分）も同様に、反射プリズム２４の第２のミラー面２３に取り付けられた第２の１／４波長板２１を通過し、反射プリズム２４で垂直に反射され、再びＱ点に戻り回折格子１９により回折される。このとき、第２の１／４波長板２１の光学軸は、入射された光の偏光方向に対して４５度傾けてあるので、Ｑ点に戻った光はＳ偏光成分の光となっている。つまり、回折格子１９のＳ点で回折されたＰ偏光成分は、第２の１／４波長板２１を通過したのち、反射プリズム２４の第２のミラー面２３によって反射され再び第２の１／４波長板２１を通過するので、戻りの偏波軸は行きの偏波軸に対して直交した角度になる。
【００６７】
このようにＰ点及びＱ点で再び回折された光は、偏光ビームスプリッタ１８に戻る。Ｐ点から戻ってきた光は、Ｐ偏光成分を有しているので、偏光ビームスプリッタ１８を通過する。また、Ｑ点から戻ってきた光は、Ｓ偏光成分を有しているので、偏光ビームスプリッタ１８で反射される。したがって、Ｐ点及びＱ点から戻ってきた光は、偏光ビームスプリッタ１８で重ね合わされてから偏光素子２５に入射する。
【００６８】
偏光素子２５は、偏光ビームスプリッタ１８で重ね合わされた二つのビームを干渉させる。受光素子２６は、偏光素子２５によって干渉された干渉光の光量を電気信号に変換して干渉信号を得る。この干渉信号に基づいて変位計測装置１０は、矢印Ａ方向に移動する回折格子１９の例えばナノメータ（ｎｍ）オーダ以下の移動量を計測する。
【００６９】
上記干渉信号は、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ+δ）で表すことができる。Ｋは２π／Λを示し、ｘは移動量を示し、δは初期位相を示す。例えば、回折格子１９のピッチΛを０．５５μｍにした場合、その干渉波の一周期は、回折格子１９の移動量０．１３７５μｍに相当した計測が可能になるが、これを電気信号に変換して、例えばＡ／Ｄ変換等を用いて２００内挿することで、約０．６８９５ｎｍの非常に細かい分解能が得られる。特に分解能が１０ｎｍ以下の細かな変位の計測では、安定した信号出力を必要とすることは、言うまでもなく、上記光伝送ユニット１１から出射するビームの消光比の変動を極めて小さくしたことにより、偏光素子２５を通過することで得られる干渉波の変調率を安定させることができ、高分解能で安定性の高い変位計測が可能になった。
【００７０】
また、回折回数を増やすことにより、上記干渉信号をＡｃｏｓ（８Ｋｘ＋δ）にした検出光学系に応用させても同様の効果が得られる。図４は、回折回数を増やした構成の変位計測装置２００（応用例）を示す図である。上記図１と異なるのは、偏光ビームスプリッタ１８によって二分され、回折格子１９によって回折された二つの回折光が入射面２０１ａ及び２０２ａから反射プリズム２０１及び２０２に入り、反射面２０１ｂ及び２０２ｂ、反射面２０１ｃ及び２０２ｃにて反射され、再度回折格子１９に入射し、回折格子１９によってさらに回折されてから、二つの位相板２０及び２１と、反射プリズム２４に至る構成となっている点である。反射プリズム２４によって反射された光は、再度二つの位相板２０及び２１を通過してから、回折格子１９を透過して回折され、再び反射プリズム２０１及び２０２にて反射されてから、さらに回折格子１９にて回折され、偏光ビームスプリッタ１８に至る。
【００７１】
偏光ビームスプリッタ１８は、入射してきた偏光成分を重ね合わせてから、ビームスプリッタ２０３に送る。ビームスプリッタ２０３は、入射された光を二つに分割し、一方の光を偏光ビームスプリッタ２０４に入射し、他方の光を偏光素子２５に送る。偏光素子２５は、ビームスプリッタ２０３を透過してきた光を偏光し、偏光ビームスプリッタ２０７に入射させる。
【００７２】
偏光ビームスプリッタ２０４に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を光電変換器２０５に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を光電変換器２０６に入射する。偏光ビームスプリッタ２０７に入射された光は、Ｓ偏光成分を有する光とＰ偏光成分を有する光に分割され、Ｓ偏光成分を有する光を光電変換器２０８に入射し、Ｐ偏光成分を有する光を光電変換器２０９に入射する。
【００７３】
したがって、光電変換器２０５及び光電変換器２０６、光電変換器２０８及び光電変換器２０９は、Ａcos（８Ｋｘ＋δ）の干渉信号を得ることができる。
【００７４】
図５は定点検出装置４０の構成を示す図である。この定点検出装置４０は、例えばナノメータnmオーダ以下の移動量を測定する半導体製造、或いは液晶製造等の分野で利用される。したがって、この定点検出装置４０も、センサ自身の発熱も許されず、特に光源４２を検出部４６から切り離し、光源４２が出射したビームは光ファイバ４５で検出部４６に伝送する構成をとる。
【００７５】
定点検出装置４０は、上記変位計測装置１０と共に用いられ、例えば変位計測装置１０の回折格子１９上の絶対位置を検出する。変位計測装置１０は、上述したように、ピッチΛが０．５５μｍのように非常に小さい回折格子１９を用いている。回折格子１９上で変位を計測しているときに何らかのアクシデントで電源が落ちてしまったり、処理が止まってしまうと、復旧後、以前の計測時に回折格子上のどの位置にいたのかが不明となってしまう。そこで、回折格子上の絶対位置を常に検出する目的で開発されたものが定点検出装置４０である。二つの回折格子４８及び４９として例えばピッチの異なる二つのホログラム材料を用い、エッジ５０の検出によって定点を検出する構成となっている。
【００７６】
図５に示すように、定点検出装置４０は、ビームを出射する光源４２と、光源４２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に換える消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板４３と、偏光板４３からの高い消光比の直線偏光を集光する集光レンズ４４と、集光レンズ４４によって集光された直線偏光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバ４５とを備える。
【００７７】
また、定点検出装置４０は、光ファイバ４５によって伝送された直線偏光のビームを集光する集光レンズ４７と、集光レンズ４７によって集光された直線偏光ビームが境界部（エッジ）５０近辺に焦点を結ぶ、互いに隣接して配置された２つの回折格子４８及び４９と、その２つの回折格子４８及び４９によって回折した回折光を受光する２つの受光素子５２及び５３と、その２つの受光素子５２及び５３の受光量を比較する比較器５４を有し、その比較した信号に基づいて定点を定める。
【００７８】
以下、定点検出装置を構成する各部の詳細について説明する。先ず、光源４２は、可干渉性もしくは非干渉性のビームを出射する。また偏光特性を有するビームでも、無偏光のビームを出射するものでもよい。
【００７９】
消光比変換手段として用いる偏光素子の一種である偏光板４３は、上述した偏光板１３と同様に光源４２からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える。消光比３０ｄＢ程とすることも可能である。なお、消光比変換手段としては、光源からのビームを２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光に変える偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００８０】
また、偏波保持タイプの光ファイバ４５は、図３を参照して既に説明したとおりである。ここでは、説明を省略するが、この偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸３４又は軸３５に光源４２から出射されたビームの偏光軸を偏光板４３及び集光レンズ４４を介して合わせて入射させることが重要である。
【００８１】
これは、偏光板４３４によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバ４５の光学軸３４に合わせると、上記光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができるためである。
【００８２】
二つの回折格子４８及び４９は、集光レンズ４７によって集光された直線偏光ビームが境界部（エッジ）５０近辺に焦点を結ぶように互いに隣接して配置されている。この二つの回折格子４８及び４９は、互いの格子ベクトルが異なっていても良いし、互いの格子ピッチが異なっていてもよい。また反射型のホログラムやブレーズド回折格子を含む。図４に示した構成では、二つの回折格子４８及び４９は反射型であり、それぞれの＋１次回折光は入射光と同じ側に出射される。また透過型の回折格子を用いてもよい。
【００８３】
二つの受光素子５２及び５３は、上記二つの回折格子４８及び４９から得られる回折光の強度を電気信号に変換する。二つの受光素子５２及び５３は、上記二つの回折格子４８及び４９に対して上記光ファイバ４５の出射端側４５ｂと同一端側に配置されている。
【００８４】
比較器５４は、上記二つの受光素子５２及び５３からの電気信号を比較する。比較器５４による比較結果は、図示しない制御部に供給される。制御部は、比較器５４による比較結果に基づいて二つの信号が任意の大きさになる点を定点と定める。また、二つの信号が同じ出力になる点を定点と定めても良い。
【００８５】
次に、上記各部によって構成される定点検出装置４０の動作について説明する。光源４２から出射された可干渉性もしくは比干渉性の光は、偏光板４３に入射すると、消光比が例えば３０ｄＢのように高い直線偏光となる。この消光比の高い直線偏光を集光レンズ４４によって集光し、かつ直線偏光ビームの偏波軸を、上記図３を参照して上述したように偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸３４に合わせて偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射する。このように、偏光板４３によって直線偏光とされたビームを偏波保持タイプの光ファイバ４５に入射するとき、上記ビームの偏波軸を、上記光ファイバの光学軸３４に合わせると、上記光ファイバ４５の屈曲やストレスによる消光比の変動を少なくすることができる。また、上記ビームの偏波軸は、上記光学軸３４と直交する軸３５に合わせるように入射してもよい。
【００８６】
上記ビームの偏光軸と偏波保持タイプの光ファイバ４５の光学軸を合わせるためには、上記光ファイバ４５の出射端部４５ｂから出射するビームの消光比が最大になるように調整する方法がある。
【００８７】
このようにして光源４２、偏光板４３、集光レンズ４４及び偏波保持タイプの光ファイバ４５からなる光伝送ユニット４１は、上記光ファイバ４５の出射端４５ｂから出射されるビームの消光比を高くできるだけでなく、光ファイバ４５の屈曲やストレスによる消光比の変動も小さくすることができる。
【００８８】
光伝送ユニット４１を構成する偏波保持タイプの光ファイバ４５から出射したビームは、検出部４６側の集光レンズ４７によって集光されてから、図中矢印Ａ方向に移動可能な二つの回折格子４８及び４９の境界部（エッジ）５０付近に焦点を結ぶ。
【００８９】
この二つの回折格子４８及び４９から得られる回折光の強度は、それぞれの受光素子５２及び５３によって電気信号に変換される。そして、２つの信号を比較する比較器５４によって、２つの信号が任意の大きさになる点を定点と定める。上述したように、２つの信号が同じ出力になる点を定点と定めても良い。ただし、上記二つの信号が一致したとき、比較器５４の比較出力は０となる。回折光がなくなり受光素子の出力が０であるときも比較結果は０となってしまうので誤認識を防ぐという点では、オフセットをもたせるのが望ましく、よってある程度の数値を持って任意の大きさを設定し、０と弁別することを行うのが望ましい。
【００９０】
本実施の形態の定点検出装置４０は、このようにして、測定対象物５１に取り付けられた回折格子４８及び４９の絶対位置を検出する。一般に回折格子は、入射する偏光成分によって回折光量が違う。つまりＳ偏光成分とＰ偏光成分の回折効率が違うことになる。例えば、光源から出射されるビームの波長が７８０ｎｍであり、格子ピッチ０．５５μｍで反射型のホログラムの回折効率を測定すると、図６に示すように、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分では、回折効率が大きく異なることが確認できる。図６では、入射角が３５度から５５度の間でＳ偏光成分の回折効率が４６％から４１％の間であるのに対して、Ｐ偏光成分の回折効率が９１％から９２％の間であり、Ｐ偏光成分の回折効率が高いのが確認できる。また、これらは、製造プロセスにおいて個体差が発生し、一般にある程度のばらつきを持っていることが言える。
【００９１】
よって回折格子へ入射するビームの消光比の変動を小さくすることで、これらの影響を受けずに常に安定した定点検出が可能になった。
【００９２】
図７は、本実施の形態の定点検出装置４０にあって、偏波保持タイプの光ファイバ４５に屈曲ストレスを印加したときに、定点検出位置４０が時間と共にどのように変化するかを測定するためのシステム構成図である。この図７では、定点検出装置４０の上記図５における光源４２＋偏光板４３＋集光レンズ４４からなるユニットを、上記光ファイバ４５に所定の消光比の直線偏光を入射するための光入射部５５としている。光入射部５５は、偏波保持タイプの光ファイバ４５に消光比１２ｄＢの直線偏光又は消光比２９ｄＢの直線偏光を入射する。このとき、スケール５１に取り付けた二つの回折格子４８及び４９上の上記境界部５０からの二つの回折光に基づいて検出された定点に対して、光ファイバ４５の屈曲半径と検出位置が、時間経過によってどのようにずれるかを測定している。
【００９３】
このため、この測定システムは、スケール５１に取り付けられてアナログの位置ずれ量をデジタルデータとして検出するエンコーダ５６、エンコーダ５６からのデジタル値に所定数の内挿を行う内挿回路５７と、内挿回路５７からの数値に基づいて、上記定点検出位置４０の位置ずれデータを集計するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５８とを備える。パーソナルコンピュータ５８には、定点検出装置４０の比較器５４からの比較結果も供給される。
【００９４】
図８は、上記ファイバ屈曲による定点検出位置ずれを示す特性図である。横軸は、時間（分）を示す。左側縦軸は検出位置（ｎｍ）を、右側縦軸は光ファイバの屈曲半径（ｍｍ）を示す。
【００９５】
先ず、光ファイバの屈曲半径を６０（ｍｍ）としたときに定点検出装置４０が検出した定点位置を０とする。消光比１２ｄＢ及び２９ｄＢの直線偏光を上記光入射部５５が上記光ファイバ４５に入射すれば、時間経過が１８分となるまで定点位置はずれていない（第１の状態という）。時間経過が１８分から３２分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第２の状態という）。この第２の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第２の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９６】
時間経過が３２分から４８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は１８（ｍｍ）となる（第３の状態という）。この第３の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−１３０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第３の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６２（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９７】
時間経過が４８分から６３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第４の状態という）。この第４の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−５８（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第４の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【００９８】
時間経過が６３分から７８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は６０（ｍｍ）となる（第５の状態という）。この第５の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は第１の状態と同様に０（ｎｍ）となる。またこの第５の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射しても、定点検出装置４０の検出した定点は同様に０（ｎｍ）となる。
【００９９】
時間経過が７８分から９３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第６の状態という）。この第６の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第６の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１００】
時間経過が９３分から１０８分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は１８（ｍｍ）となる（第７の状態という）。この第７の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第３の状態と同様に−１３０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第７の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第３の状態と同様に−６２（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１０１】
時間経過が１０８分から１２３分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は２８（ｍｍ）となる（第８の状態という）。この第８の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第６の状態と同様に−６０（ｎｍ）だけずれる。これに対して、この第８の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は上記第６の状態と同様に−３５（ｎｍ）だけのずれで済む。
【０１０２】
時間経過が１２３分から１３７分となるまで光ファイバ４５の屈曲半径は６０（ｍｍ）となる（第９の状態という）。この第９の状態で上記光入射部５５が消光比１２ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射すると、定点検出装置４０の検出した定点は第１の状態と同様に０（ｎｍ）となる。またこの第９の状態で消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光ファイバ４５に入射しても、定点検出装置４０の検出した定点は同様に０（ｎｍ）となる。
【０１０３】
すなわち、上記光ファイバ４５に屈曲ストレスを印加した場合、消光比１２ｄＢよりも高い消光比２９ｄＢの直線偏光を上記光入射部５５により上記光ファイバ４５に入射すると、定点の位置ずれが少ないことが判り、本実施の形態を用いたときの効果は明確である。
【０１０４】
上記変位計測装置１０及び定点検出装置４０で用いた光伝送ユニット１１及び４１としては、上記図１及び図５に示した構成の他、以下の具体例を用いることができる。図９は偏光板と集光レンズとを一体化させた光伝送ユニットである。なお、以下、図９〜図１３を用いて説明する各具体例では上記変位計測装置１０に用いた光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４、偏波保持タイプの光ファイバ１５及び光伝送ユニット１１の各符号を用いている。定点検出装置４０で用いることもできるのはもちろんである。
【０１０５】
光伝送ユニット１１の光入射部（上記図７で挙げた光入射部５５を変位計測装置１０に適用したもの。光源１２、偏光板１３、集光レンズ１４からなる。）をパッケージすることを考えた場合、部品点数を少なくする必要がある。偏光板１３と集光レンズ１４とを一体化することによって部品点数を少なくできる。もちろん、図９の光伝送ユニット１１により光源１２からのビームを偏光板１３にて消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５の入射端１５ａに入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。
【０１０６】
図１０は偏光板１４をコリメータレンズ６１と集光レンズ１４とで挟み込むように一体化した光伝送ユニット１１である。この具体例では、光源１２からのビームをコリメータレンズ６１により平行光とし、偏光板１３に垂直に入射させるようにしている。したがって、偏光板１３の性能を十分に発揮させることができる。この具体例によってもパッケージ化の際に部品点数を少なくすることができる。もちろん、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。なお、さらにこの具体例の変形例としては、コリメータレンズ６１と偏光板１３と集光レンズ１４を一体化せず、離間して配置してもよい。
【０１０７】
図１１は偏光板を用いず、偏光板の変わりに上記偏波保持タイプの光ファイバ１５の入射端面１５ａをブリュースター角になるように形成した光伝送ユニット１１である。上記光ファイバ１５の入射端面１５ａをブリュースター角にすることにより、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。光源１２から出射されたビームは集光レンズ１４を介して入射端面１５ａがブリュースター角に形成された上記光ファイバ１５にＰ波成分のみを入射することになる。Ｓ波偏光成分はブリュースター角に形成された入射端面１５ａによって図中矢印で示すように反射され、光ファイバ１５のコア３０には入射させないので、消光比の高いビームを入射することになる。よって、この具体例にあっても、光源１２からのビームを消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５に入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。また、偏光素子を用いなくて済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。
【０１０８】
なお、図１１にあって、上記偏波保持タイプの光ファイバ１５の入射端面１５ａを多層膜処理により形成し、多層膜の全ての界面が全てブリュースター角になるようにしてもよい。このようにすれば、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させることができる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。また、上記光ファイバ１５の入射端面１５ａを偏光ビームスプリッタになるように形成してもよい。
【０１０９】
図１２は光源として用いる半導体レーザ６２の出射窓に偏光板６３を形成した光伝送ユニット１１である。半導体レーザ６２の出射するビームは消光比が２０ｄＢ程であるが、上記出射窓に形成した偏光板６３により、消光比を３０ｄＢ程にすることができる。この具体例でも、半導体レーザ６２の外部空間に偏光素子を用いなくても済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。もちろん、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバの屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。
【０１１０】
図１３は光源として用いる半導体レーザ６３の出射用の窓ガラス６４をブリュースター角に形成した光伝送ユニット１１である。この半導体レーザ６３は、ビームの縦方向と横方向とで広がり角が異なることにより、非点収差を発生してしまうことを防ぐために、出射窓を斜めに形成している。この斜めに形成した窓ガラス６４をブリュースター角に形成することにより、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。半導体レーザ６３から出射されたＰ偏光成分は集光レンズ１４を介して上記光ファイバ１５に入射することになる。Ｓ波偏光成分は入射させないので、消光比の高いビームを入射することになる。よって、この具体例にあっても、半導体レーザ６３からのビームを消光比の高い直線偏光にし、さらにこのビームを集光レンズ１４によって集光させて、ビームの偏波軸と偏波保持タイプの光ファイバ１５の光学軸３４を合わせて上記光ファイバ１５に入射することができる。よって、光ファイバ１５の出射端１５ｂから出射したビームは、消光比が高くなり、かつ光ファイバ１５の屈曲やストレスによる消光比の変動も少なくて済む。また、半導体レーザ６３の外部に偏光素子を用いなくて済むので、パッケージ化の際には、省スペースを図ることができる。
【０１１１】
また、図１３にあって、上記半導体レーザ６３の窓ガラス６４を多層膜処理により形成し、多層膜の全ての界面が全てブリュースター角になるようにしてもよい。このようにすれば、界面で偏光フィルタの機能と同様に、Ｓ波偏光成分を反射し、Ｐ波偏光成分を上記光ファイバ１５内のコア３０に入射させることができる。つまり、上記光ファイバ１５にはＰ波偏光成分のビームのみを入射することができる。
【０１１２】
なお、本発明は、上記変位計測装置１０、上記定点検出装置４０にのみ適用が限定されるものではない。少なくとも、光を出射する光源と、上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出するという構成の光学式による変位を検出する装置に適用できる。例えば、透過型の変位検出装置、反射型の変位検出装置、透過型の変位計測装置、透過型の定点検出装置等がある。
【０１１３】
もちろん、上記消光比変換手段を偏光素子としてもよい。また、上記消光比変換手段である上記偏光素子を上記集光レンズと一体化してもよい。
【０１１４】
また、上記光ファイバの光の入射側端面をブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段としてもよい。
【０１１５】
また、上記光源として半導体レーザを用い、上記偏光素子を上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成してもよい。
【０１１６】
また、上記消光比変換手段を偏光ビームスプリッタとしてもよい。また、上記光源として半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッタを上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成してもよい。
【０１１７】
また、上記光源として半導体レーザを用い、当該半導体レーザの出射窓ガラスをブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段としてもよい。また、上記光ファイバの光の入射側端面を偏光ビームスプリッタとして上記消光比変換手段としてもよい。
【０１１８】
ここまでの説明にあって、変位計測装置１０及び２００、定点検出装置４０は、光源１２及び光源４２からのビームを偏光板１３及び偏光板４３を通し、２０ｄＢ以上という高い消光比の直線偏光にしてから集光レンズ１４及び集光レンズ４４で集光し、偏波保持タイプの光ファイバ１５及び光ファイバ４５に通す構成とした。
【０１１９】
さらに、光ファイバの屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させ、よってさらに高精度な変位計測を可能とするため、図１４に示す変位計測装置３００を用いてもよい。
【０１２０】
この変位計測装置３００は、図１に示した変位計測装置１０の光ファイバ１１の出射端側１５ｂであって、集光レンズ１７との間に、光ファイバ１５によって伝送されたビームの偏波を無偏光にする偏光解消素子３０１を備えた構成である。
【０１２１】
偏光解消素子３０１は、光ファイバ１５によって伝送されて出射されたビームの偏光を解消する。水晶、雲母もしくは有機樹脂を材料とする。ここで、図１５を用いて偏光解消素子３０１の具体例を説明する。図１５に断面を示す偏光解消素子３０１は、水晶３０１ａと石英ガラス３０１ｂとを斜めに切り、それらを斜線３０１ｃにて透明の接着剤を用いて接着してなる。他に、雲母もしくは有機樹脂を材料としてもよい。入射光が例えば直線偏光１３１であっても、斜線３０１ｃに沿って水晶３０１ａ及び石英ガラス３０１ｂの厚みがそれぞれ異なることになり、斜線３０１ｃ上の位置に応じてλ／４、２λ／４、３λ／４の厚みになる。このため、光束が、例えば１mm程度の幅であれば、石英ガラス３０１ｂによって屈折されて出てくる光は無偏光のランダム光１３２となる。この原理によって、偏光解消素子３０１は偏光方向が定まっているようなレーザ光を、自然光のような無偏光、つまりランダム光にすることができる。
【０１２２】
集光レンズ１７は、偏光解消素子３０１で無偏光にされたビームを集光し、偏光ビームスプリッタ１８に入射させる。
【０１２３】
以上に説明したように、この変位計測装置３００は、偏光解消素子３０１を光ファイバ１５の出射端１５ｂと集光レンズ１７との間に設けるので、変位計測装置１０よりも光ファイバ１５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な変位検出を可能とする。
【０１２４】
同様に、図４に示した構成の変位計測装置２００における光ファイバ１５の出射端側１５ｂと集光レンズ１７との間に偏光解消素子３０１を設けた構成の変位計測装置３５０を図１６に示す。この変位計測装置３５０でも、偏光解消素子３０１を光ファイバ１５の出射端１５ｂと集光レンズ１７との間に設けるので、変位計測装置２００よりも光ファイバ１５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な変位検出を可能とする。
【０１２５】
同様に、図５に示した構成の定点検出装置４０における光ファイバ４５の出射端側４５ｂと集光レンズ４７との間に偏光解消素子３０１を設けた構成の定点検出装置４００を図１７に示す。この定点検出装置４００でも、偏光解消素子３０１を光ファイバ４５の出射端４５ｂと集光レンズ４７との間に設けるので、定点検出装置４０よりも光ファイバ４５の屈曲やストレスによる偏波の乱れをさらに減少させることができる。また、さらに高精度な定点検出を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】変位計測装置の構成図である。
【図２】消光比を説明するために用いた図である。
【図３】偏波保持タイプの光ファイバの断面図である。
【図４】変位計測装置の応用例である。
【図５】定点検出装置の構成図である。
【図６】Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とで、回折効率が大きく異なることを示す特性図である。
【図７】偏波保持タイプの光ファイバに屈曲ストレスを印加したときに、定点検出位置が時間と共にどのように変化するかを測定するためのシステム構成図である。
【図８】ファイバ屈曲による定点検出位置ずれを示す特性図である。
【図９】偏光板と集光レンズとを一体化させた光伝送ユニットを示す図である。
【図１０】偏光板をコリメータレンズと集光レンズとで挟み込むように一体化した光伝送ユニットを示す図である。
【図１１】偏光板の変わりに偏波保持タイプの光ファイバの入射端面をブリュースター角になるように形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１２】光源として用いる半導体レーザの出射窓に偏光板を形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１３】光源として用いる半導体レーザの出射用の窓ガラスをブリュースター角に形成した光伝送ユニットを示す図である。
【図１４】偏光解消素子をさらに備えた変位計測装置の構成図である。
【図１５】偏光解消素子の断面図である。
【図１６】偏光解消素子をさらに備えた変位計測装置の応用例の構成図である。
【図１７】偏光解消素子をさらに備えた定点検出装置の応用例の構成図である。
【図１８】従来の変位検出装置の構成図である。
【図１９】特許文献１に記載された従来の定点検出装置の構成図である。
【図２０】上記図１９に示した定点検出装置で用いられるホログラフィック回折構成を示す図である。
【図２１】上記図１９に示した定点検出装置の主要部を示す図である。
【図２２】光ファイバを用いて定点を検出する定点検出装置の構成図である。
【図２３】光ファイバを用いて変位を計測する変位計測装置の構成図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０ 変位計測装置、１１ 光伝送ユニット、１２ 光源、１３ 位相板、１４ 集光レンズ、１５ 偏波保持タイプの光ファイバ、１６ 検出部、１７ 集光レンズ、１８ 偏光ビームスプリッタ、１９ 回折格子、２０ 第１の１／４位相板、２１ 第２の１／４位相板、２２ 第１の反射ミラー面、２３ 第２の反射ミラー面、２４ プリズム、４０ 定点検出装置、４１ 光伝送ユニット、４２ 光源、４３ 位相板、４４ 集光レンズ、４５ 偏波保持タイプの光ファイバ、４６ 検出部、４７ 集光レンズ、４８ 回折格子、４９ 回折格子、５０ エッジ、５２，５３ 受光素子、５４ 比較器、３００ 変位計測装置、３０１ 偏光解消素子、４００ 定点検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、
上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する変位検出装置。
【請求項２】
上記消光比変換手段を偏光素子とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
上記消光比変換手段である上記偏光素子を上記集光レンズと一体化することを特徴とする請求項２記載の変位検出装置。
【請求項４】
上記光ファイバの光の入射側端面をブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
上記光源として半導体レーザを用い、上記偏光素子を上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成したことを特徴とする請求項２記載の変位検出装置。
【請求項６】
上記消光比変換手段を偏光ビームスプリッタとすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項７】
上記光源として半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッタを上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成したことを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項８】
上記光源として半導体レーザを用い、当該半導体レーザの出射窓ガラスをブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項９】
上記光ファイバの光の入射側端面を偏光ビームスプリッタとして上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項１０】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光を二分する偏光ビームスプリッタと、
測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、
上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、
上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、
上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、
上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する変位計測装置。
【請求項１１】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
互いに隣接して配置され、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する二つの回折格子と、
上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、
上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める定点検出装置。
【請求項１２】
上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した信号が任意の大きさになる点を定点と定めることを特徴とする請求項１１記載の定点検出装置。
【請求項１３】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
測定対象に取り付けられ、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する回折格子と、
上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する変位検出装置。
【請求項１４】
上記偏光解消手段を水晶、雲母もしくは有機樹脂を材料とする偏光解消板とすることを特徴とする請求項１３記載の変位検出装置。
【請求項１５】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
上記偏光解消素子によって偏光が解消された光を二分する偏光ビームスプリッタと、
測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、
上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、
上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、
上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、
上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する変位計測装置。
【請求項１６】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
互いに隣接して配置され、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する二つの回折格子と、
上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、
上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める定点検出装置。
【請求項１】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
測定対象に取り付けられ、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する回折格子と、
上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する変位検出装置。
【請求項２】
上記消光比変換手段を偏光素子とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
上記消光比変換手段である上記偏光素子を上記集光レンズと一体化することを特徴とする請求項２記載の変位検出装置。
【請求項４】
上記光ファイバの光の入射側端面をブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
上記光源として半導体レーザを用い、上記偏光素子を上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成したことを特徴とする請求項２記載の変位検出装置。
【請求項６】
上記消光比変換手段を偏光ビームスプリッタとすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項７】
上記光源として半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッタを上記半導体レーザの出射窓ガラスに形成したことを特徴とする請求項６記載の変位検出装置。
【請求項８】
上記光源として半導体レーザを用い、当該半導体レーザの出射窓ガラスをブリュースター角に形成することによって上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項９】
上記光ファイバの光の入射側端面を偏光ビームスプリッタとして上記消光比変換手段とすることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項１０】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光を二分する偏光ビームスプリッタと、
測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、
上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、
上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、
上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、
上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する変位計測装置。
【請求項１１】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
互いに隣接して配置され、上記光ファイバによって伝送された光が照射されて回折する二つの回折格子と、
上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、
上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める定点検出装置。
【請求項１２】
上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した信号が任意の大きさになる点を定点と定めることを特徴とする請求項１１記載の定点検出装置。
【請求項１３】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光の消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
測定対象に取り付けられ、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する回折格子と、
上記回折格子によって回折した光を受光する受光手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を検出する変位検出装置。
【請求項１４】
上記偏光解消手段を水晶、雲母もしくは有機樹脂を材料とする偏光解消板とすることを特徴とする請求項１３記載の変位検出装置。
【請求項１５】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
上記偏光解消素子によって偏光が解消された光を二分する偏光ビームスプリッタと、
測定対象に取り付けられ、上記偏光ビームスプリッタによって二分された光が入射されて回折光を得る回折格子と、
上記回折格子によって得られる上記二分された光の回折光の偏波を変える位相板と、
上記位相板によって偏波が変えられた上記二つの回折光を反射して再び上記位相板を通して上記回折格子に導く二つの反射ミラーと、
上記二つの反射ミラーによって上記回折格子に導かれ、当該回折格子によって回折されて上記偏光ビームスプリッタに入射し、当該偏光ビームスプリッタによって反射及び透過された二つの回折光を干渉させる偏光素子と、
上記偏光素子によって得られる干渉光を受光する受光素子とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記受光手段が受光した回折光の受光量の大きさで測定対象の変位を計測する変位計測装置。
【請求項１６】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を直線偏光とし、その消光比を２０ｄＢ以上に高める消光比変換手段と、
上記消光比変換手段により消光比が２０ｄＢ以上とされた光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光を伝送する偏波保持タイプの光ファイバと、
上記光ファイバによって伝送された上記光の偏光を解消する偏光解消素子と、
互いに隣接して配置され、上記偏光解消素子によって偏光が解消された光が照射されて回折する二つの回折格子と、
上記二つの回折格子によって回折した光を受光する二つの受光手段と、
上記二つの受光手段の受光量を比較する比較手段とを備え、
上記消光比変換手段によって消光比が２０ｄＢ以上に高められ、かつ上記集光手段によって集光された光の偏波軸を上記光ファイバの光学軸又は光学軸に直交する軸に合わせて上記光ファイバに入射し、上記比較手段が上記二つの受光手段の受光量を比較した結果に基づいて定点を定める定点検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００６−１９４８５５（Ｐ２００６−１９４８５５Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５０２２７（Ｐ２００５−１５０２２７）
【出願日】平成１７年５月２３日（２００５．５．２３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２３日（２００５．５．２３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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