(57)【要約】【課題】角度分解能を損なうことなく微小な被測定物の傾斜角度を広い角度範囲で高精度に測定することができる角度測定装置を提供する。【解決手段】被測定物６に光ビーム１３を出射する光出射手段１１と、被測定物６からの反射光ビーム１３Ａを受光する光受光手段１２と、光出射手段１１から出射した光ビーム１３を被測定物６に照射し、被測定物６の測定面からの反射光ビーム１３Ｂを光受光手段１２に導く光ファイバ１４と、光ファイバ移動機構１９と、被測定物移動機構２１と、光ビーム１３のスキャン角度と結像位置の関係に線形性を付与するレンズ２０と、光受光手段１２によって受光した反射光ビーム１３Ｂの強度から被測定物６の傾斜角度を算出する測定部１５等を備えている。レンズ２０としては、テレセントリックＦ−θスキャンレンズが用いられる。【選択図】  図１
2010286432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に光ビームを出射する光出射手段と、
前記被測定物の照射面に当たって反射した反射光ビームを受光する光受光手段と、
前記光出射手段と前記光受光手段との間に配置されるレンズと、
前記光受光手段によって受光した反射光ビームの強度から前記被測定物の傾斜角度を算出する測定部と、
を備えたことを特徴とする角度測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の角度測定装置において、
前記光出射手段から出射した光ビームを前記被測定物に照射する送信光ファイバと、前記被測定物の測定面からの反射光ビームを前記光受光手段に導く受信光ファイバとを備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の角度測定装置において、
前記送信光ファイバと前記受信光ファイバが同一の光ファイバからなり、この光ファイバの途中に接続されたサーキュレータをさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の角度測定装置において、
前記送信光ファイバの前記被測定物に光ビームを照射するファイバ部分と、前記受信光ファイバの前記被測定物からの反射光ビームを受光するファイバ部分が前記レンズの光軸と平行に配置され、光ファイバ移動機構によって前記光軸に垂直な平面内で走査されることを特徴とする角度測定装置。
【請求項５】
請求項４記載の角度測定装置において、
前記測定部は、前記光ファイバ移動機構の走査位置とその位置における反射光ビームの強度を記憶するデータ記憶部をさらに備え、データ処理部によって前記走査位置と前記反射光ビームの強度の関係から前記被測定物の傾斜角度を算出することを特徴とする角度測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の角度測定装置において、
前記測定部は、前記反射光ビームの強度が最大となる走査位置を検出するピークサーチ処理部をさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の角度測定装置において、
前記光ファイバ移動機構の移動量にしたがって前記被測定物の傾斜角度を変更する駆動部と、前記データ記憶部、前記データ処理部、前記駆動部および前記光受光手段を制御する制御装置をさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項８】
請求項２〜７のうちのいずれか一項記載の角度測定装置において、
前記送信光ファイバから出射した光ビームを反射する位置に前記被測定物を移動する被測定物移動機構をさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれか一項記載の角度測定装置において、
光ビームの光路中に配置され被測定物からの反射光ビームを分岐する第１のビーム分岐部と、前記第１のビーム分岐部によって分岐した一方の分岐反射光ビームを観察する撮像部をさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【請求項１０】
請求項９記載の角度測定装置において、
前記第１のビーム分岐部と前記撮像部間の光路中に配置された第２のビーム分岐部を含み、前記被測定物を照明する照明光学系をさらに備えていることを特徴とする角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の傾斜角度を測定する角度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微小なサイズの被測定物、例えばＭＥＭＳミラーやＭＥＭＳミラーをアレイ状に配列したＭＥＭＳミラーアレイなどの測定面の傾斜角度を測定する方法としては、ファイバコリメータと面型撮像素子を用いた構成が用いられてきた。
【０００３】
図７に被測定物の傾斜角度を測定する代表的なファイバコリメータの構成例を示す。同図において、ファイバコリメータ１は、光源２、測定器３、制御部４、判定装置５、被測定物６が設置されるステージ７等を備え、光源２が被測定物６に対して斜めに設置されている。測定時に光源２から出射した光ビーム８は、被測定物６の測定面で反射した後、対向位置に設置された測定器３の撮像素子によって受光される。撮像素子としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサのほか、応答速度の高いＰＳＤ（Position Sensitive Device ）などが使用される。判定装置５は、撮像素子上における反射光ビームの強度ピーク位置を抽出することによって、被測定物６の傾斜角度を算出する。
【０００４】
この角度測定方式はシンプルな原理であり簡便であるが、撮像素子のサイズと分解能に起因した幾つかの問題があった。例えば、測定の角度分解能を高めるためには、被測定物６と撮像素子との距離を広げて、単位角度当たりのビームシフト量を大きくする必要がある。しかし、そうすると、撮像素子のサイズが同じである場合、測定できる角度範囲は狭くなってしまう。反対に、測定角度範囲を広げるために被測定物６と撮像素子との距離を短縮すると、今度はビームシフト量が小さくなって角度分解能が低下する。つまり、従来の方式では、測定角度範囲と角度分解能はトレードオフの関係にあり、両者をともに高めることは本質的に困難であった。例えば、ＰＳＤを用いた従来の角度測定装置では、角度範囲±３度、角度分解能１０〜１５ｍｄｅｇが得られる性能であった。
【０００５】
さらに、従来の角度測定装置では、撮像素子とファイバコリメータが干渉しないように配置しなければならず、測定光学系が大きくなりがちであった。そのために、長いコリメート距離が必要となり、ワーキングディスタンスの大きいファイバコリメータが必要であった。ファイバコリメータのワーキングディスタンスＷＤとビーム径（ウェスト半径）ωc との関係は、次式（１）
【０００６】
【数１】
2010286432.tif 000003
【０００７】
で表わされるため、例えば、１０００ｍｍのワーキングディスタンスＷＤが必要な場合、出射ビーム半径ωc は５００μｍと大きくならざるを得なかった。被測定物が１ｍｍ以下の微小サイズである場合、そのような大径ビームでは、被測定物の輪郭で光ビームの一部が蹴られるクリッピングが発生してしまう。クリッピングが発生すると、光ビームの一部は被測定物の周辺領域で反射したり、被測定物の輪郭で回折されて回折光を生じさせるため、光学系の迷光が撮像素子の好ましくない位置に入射すると、光ビームの照射位置を特定できなくなり、正確な角度測定を行うことができなくなることがあった。
【０００８】
さらに、上記した角度測定装置では、被測定物６に対して光ビーム８は斜めに入射するため、被測定物６の傾斜方向によって撮像素子面上でのビームシフト量が異なり、ピーク位置の検出精度を低下させる原因となっていた。
【０００９】
従来の別の角度測定方法としては、例えば特許文献１に開示されているオートコリメータを用いた測定方法が知られている。このオートコリメータは、コリメータレンズとその焦点面の間にビームスプリッターを配置し、このビームスプリッターによって形成される前記コリメータレンズの２つの焦点面もしくはこの焦点面と共役な平面の一つに半導体レーザーからなる光源を配置し、他の焦点面もしくはこの焦点面と共役な平面上に２次元撮像素子を設け、前記半導体レーザーとは別に設けた照明光源により照明されたスケールを前記２次元撮像素子上に結像するようにしたものである。すなわち、このオートコリメータは、光源（半導体レーザー）と２次元撮像素子上でのビームスポットが共役の関係になることから、結像位置を測定することによって、被測定物の傾斜角度を測定するものである。被測定物がθだけ傾いていた場合の撮像素子上での結像位置シフト量εは、コリメータレンズの焦点距離をｆとすると、次式（２）で表される。
【００１０】
【数２】
2010286432.tif 000004
【００１１】
角度分解能は、ε／θにほぼ比例すると考えてよいから、これを高める（大きくする）ためには、上記式（２）から明らかなように、コリメータレンズの焦点距離ｆを長くする必要がある。しかし、撮像素子のサイズは決まっているから（通常は数ｍｍ程度）、焦点距離ｆを長くして角度分解能を上げると、測定角度範囲が反比例して小さくなる。反対に、角度範囲を広げるために短焦点のコリメータレンズを使うと、角度分解能が低下する。つまり、前述の従来例と全く同じように、角度分解能と測定角度範囲は、トレードオフの関係にある。さらに、仮に、角度分解能の低下を許容して測定角度範囲を広げたとしても、焦点距離内にビームスプリッタを挿入しなければならない以上、コリメータレンズの短焦点化には限界がある。そのような状況に鑑みて、現在のオートコリメータは、高分解能で狭範囲の測定仕様となっている。具体的には、角度分解能が０．３ｍｄｅｇ（１．０秒）、角度測定範囲が±０．５ｄｅｇ程度が代表的な値である。したがって、オートコリメータ方式による角度測定法では、微小なＭＥＭＳミラーの測定で必要となる±数〜１０ｄｅｇの範囲にわたる角度測定は行うことができない。
【００１２】
さらに、オートコリメータ光学系では、長焦点コリメータレンズを用いてコリメータビームを形成することから、被測定物に照射される光ビームは大きくなり、一般的には１〜数ｍｍ径となる。したがって、この点からも、前述の従来例と同じく、１ｍｍ以下の微小サイズの被測定物を対象とする測定には適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第２７４８１７３号公報
【特許文献２】特開平１０−６２６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように従来の角度測定装置としては、ファイバコリメータと面型撮像素子を用いた装置や、オートコリメータを用いた装置などが知られているが、いずれも測定角度範囲と角度分解能はトレードオフの関係にあり、ＭＥＭＳミラーの角度測定のように、微小な被測定物の微小な角度を測定する場合は、測定精度を上げることが困難であった。
【００１５】
本発明は、上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、光ビームのスキャン角度と結像位置の関係に線形性を持たせることにより、角度分解能を損なうことなく微小な被測定物の傾斜角度を広い角度範囲で高精度に測定することができる角度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、被測定物に光ビームを出射する光出射手段と、前記被測定物の測定面に当たって反射した反射光ビームを受光する光受光手段と、前記光出射手段と前記光受光手段との間に配置されるレンズと、前記光受光手段によって受光した反射光ビームの強度から前記被測定物の傾斜角度を算出する測定部とを備えたものである。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、前記光出射手段から出射した光ビームを前記被測定物に照射する送信光ファイバと、前記被測定物の測定面からの反射光ビームを前記光受光手段に導く受信光ファイバとを備えているものである。
【００１８】
また、本発明は、上記発明において、前記送信光ファイバと前記受信光ファイバが同一の光ファイバからなり、この光ファイバの途中に接続されたサーキュレータをさらに備えているものである。
【００１９】
また、本発明は、上記発明において、前記送信光ファイバの前記被測定物に光ビームを照射するファイバ部分と、前記受信光ファイバの前記被測定物からの反射光ビームを受光するファイバ部分が前記レンズの光軸と平行に配置され、光ファイバ移動機構によって前記光軸に垂直な平面内で走査されるものである。
【００２０】
また、本発明は、上記発明において、前記測定部が、前記光ファイバ移動機構の走査位置とその位置における反射光ビームの強度を記憶するデータ記憶部をさらに備え、データ処理部によって前記走査位置と前記反射光ビームの強度の関係から前記被測定物の傾斜角度を算出するものである。
【００２１】
また、本発明は、上記発明において、前記測定部は、前記反射光ビームの強度が最大となる走査位置を検出するピークサーチ処理部をさらに備えているものである。
【００２２】
また、本発明は、上記発明において、前記光ファイバ移動機構の移動量にしたがって前記被測定物の傾斜角度を変更する駆動部と、前記データ記憶部、前記データ処理部、前記駆動部および前記光受光手段を制御する制御装置をさらに備えているものである。
【００２３】
また、本発明は、上記発明において、前記送受光ファイバから出射した光ビームを反射する位置に前記被測定物を移動する被測定物移動機構をさらに備えているものである。
【００２４】
また、本発明は、上記発明において、光ビームの光路中に配置され被測定物からの反射光ビームを分岐する第１のビーム分岐部と、前記第１のビーム分岐部によって分岐した一方の分岐反射光ビームを観察する撮像部をさらに備えているものである。
【００２５】
さらに、本発明は、上記発明において、前記第１のビーム分岐部と前記撮像部間の光路中に配置された第２のビーム分岐部を含み、前記被測定物を照明する照明光学系をさらに備えているものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、光ビームのスキャン角度と結像位置の関係に線形性を付与するレンズを備えているので、光結合効率の変化が被測定物の角度に依存しなくなり、測定の信頼性が増すとともに、より広い角度範囲にわたる測定が可能となる。
【００２７】
また、本発明は、送受信光ファイバの出射光側光ファイバ部分と受光側光ファイバ部分を同一とし、出射側光ファイバ部分を測定光学系の光軸と平行に配置して光ファイバ移動機構によって前記光軸に垂直な平面内で走査し、サーキュレータに戻ってくる反射光ビームを光受光手段に導くようにしているので、被測定物の測定面に対して光ビームを常に垂直に照射することができ、斜入射による偏波依存性の影響を排除できるとともに、光ファイバの位置ずれに対する光結合効率の変化が等方的になるため、測定精度を向上させることができる。
【００２８】
さらに、本発明は、送受信光ファイバの出射側光ファイバ部分を光ファイバ移動機構によって走査し、ピークサーチ部によって反射光ビームの強度が最大となる走査位置を検出するようにしているので、様々な被測定物の角度測定が可能で、被測定物の電圧−角度特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る角度測定装置の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】（ａ）はフラットフィールドスキャンレンズ、（ｂ）はＦ−θレンズ、（ｃ）はテレセントリックＦ−θスキャンレンズをそれぞれ示す図である。
【図３】（ａ）はファイバコリメータの移動と光ビームの入射角と反射角を示す図、（ｂ）は光ビームが被測定物に対して垂直に入射する様子を示す図である。
【図４】本発明に係る角度測定装置の第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る角度測定装置の第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係る角度測定装置の第４の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】従来の角度測定装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明に係る角度測定装置の実施の形態を説明する。
図１に本発明の第１の実施の形態に係る角度測定装置を示す。同図において、角度測定装置１０は、光ビーム１３を出射する光源（光出射手段）１１と、受光器（光受光手段）１２と、前記光源１１から出射した光ビーム１３（１３Ａ）を被測定物６に導き、前記被測定物６の測定面に当たって反射した反射光ビーム１３Ｂを前記受光器１２に導く送受信光ファイバ１４と、前記被測定物６の傾斜角度を測定する測定部１５等を備えている。
【００３１】
送受信光ファイバ１４は、途中にサーキュレータ１６が接続され、先端側の光ビーム１３Ａを出射する出射側光ファイバ部分１４Ａと、コリメータレンズ１７とによってファイバコリメータブロック（以下、ファイバコリメータともいう）１８を構成している。また、送受信光ファイバ１４の出射側光ファイバ部分１４Ａは、被測定物６で反射した反射光ビーム１３Ｂを受光する受光側光ファイバ部分１４Ｂを構成している。言い換えれば、出射側光ファイバ部分１４Ａと受光側光ファイバ部分１４Ｂは、同一の光ファイバ部分からなる。なお、本実施の形態においては、送信光ファイバと受信光ファイバを同一の送受信光ファイバ１４で構成した例を示しているが、本願発明はこれに限らず、送信光ファイバと受信光ファイバを別個の光ファイバで構成し、送信光ファイバの光を出射するファイバ部分と、受信光ファイバの光を受光する光ファイバ部分を後述するスキャンレンズ２０の光軸に対して平行に配置してもよく、この場合はサーキュレータ１６を省略することができる。
【００３２】
前記測定部１５の内部には、送受信光ファイバ１４の出射側光ファイバ部分１４Ａを走査（移動）する光ファイバ移動機構１９と、スキャンレンズ（第１のレンズ）２０および被測定物６を走査（移動）する被測定物移動機構２１が配設されている。光ファイバ移動機構１９は、測定部１５の垂直な光軸ＶＬと直交するように水平に配置されたＸ、Ｙ方向に移動自在なＸ−Ｙステージ（以下、第１のステージという）からなり、前記送受信光ファイバ１４の出射側光ファイバ部分１４Ａがファイバコリメータ１８とともに搭載されている。
【００３３】
前記スキャンレンズ２０は、焦点距離がｆｍｍのテレセントリックＦ−θレンズと呼ばれるＦ−θレンズからなり、測定部１５の光軸ＶＬ上で、前記光ファイバ移動機構１９と前記被測定物移動機構２１の間の光路中に配置されている。スキャンレンズ２０は、一般に複数のレンズから構成されるレンズ群であるが、ここでは簡単のために単レンズとして図示している。
【００３４】
スキャンレンズ２０の機能を、図２を用いてさらに説明する。
ガルバノスキャナや回転ポリゴンミラーを使用するレーザスキャンシステムでは、像面上において光ビームが小さなスポットに集光し、スキャン範囲内でスポットサイズが変化しないように、特別なスキャンレンズが必要とされている。図２（ａ）は、スキャンされた光ビーム１３の焦点面が常に平面であるように設計されたフラットフィールドスキャンレンズ２３の例を示す。像面２４はフラットになるが、像面２４でのスポット位置ｙとスキャン角度θの関係は、レンズ２３の有効焦点距離をｆとすれば、ｙ＝ｆ×ｔａｎθで与えられ、スキャン速度はスキャン角度θに対して一定とはならない。そこで、このスキャン速度の欠点を補正するように設計されたものが、図２（ｂ）に示すＦ−θスキャンレンズ２５である。このレンズ２５は、フラットフィールドスキャンレンズ２３に正確な量の負の樽型歪曲収差を与えることによって、像面２４上でのビームスポットの移動距離ｙを、ｙ＝ｆ×θとなるようにしたものである。このため、Ｆ−θスキャンレンズ２５はフラットフィールドスキャンレンズ２３よりも複雑なレンズ構成になることが一般的である。これら２つのスキャンレンズ２３、２５はいずれも像面に対して角度をもって光ビーム１３が入射しており、穴明けや切断などの加工用レーザスキャンシステムとしては問題となる。そこで、被測定物（像面）に対して光ビーム１３が常に垂直に入射するように設計されたスキャンレンズが図２（ｃ）に示すテレセントリックＦ−θスキャンレンズ２０である。このスキャンレンズ２０は、Ｆ−θスキャンレンズ２５に対してさらにレンズを追加することによって、主光線がそのスキャン角度に関わらず像面２４に対して光ビーム１３が常に垂直になるように最適化されている。このようなスキャンレンズ２０は、すでに数多く考案されており（例えば、特許文献２参照）、スキャン角度が±２０ｄｅｇを超えるものも入手可能である。
【００３５】
図１に示した本実施の形態で用いるスキャンレンズ２０は、図２（ｃ）に示したテレセントリックＦ−θスキャンレンズ２０と同じレンズではあるが、入射と出射の関係が反対になっている。すなわち、一般的なテレセントリックＦ−θスキャンレンズ２０では、入射ビームのスキャン角（入射主光線傾角）と結像座標（位置）との関係が関連づけられているのに対し、本実施の形態では、入射ビームの瞳座標（位置）と出射主光線傾角との関係が関連付けられている。このように、スキャンレンズ２０は図２（ｃ）に示す従来のテレセントリックＦ−θスキャンレンズ２０とレンズ自体の構成は全く同じであるが、使い方を異にしているだけで、便宜上、以下の説明においてはＦ−θレンズと呼ぶこととする。
【００３６】
このようにＦ−θレンズ２０を測定部１５の光軸ＶＬ上に配置することによって、ファイバ位置に関わらず、常に出射主光線は、一点で交差するようになり、かつ、そこにビームスポットが形成されるようになり、そのスポット位置に被測定物６が配置される。
【００３７】
被測定物６は、前記被測定物移動機構２１上に搭載されており、出射測定中心に送受信光ファイバ１４からの主光線が照射されるよう位置合わせされる。前記被測定物移動機構２１は、光ファイバ移動機構１９と同様に水平方向に移動自在なＸ−Ｙステージ（以下、第２のステージという）からなり、Ｆ−θレンズ２０の下方に配置されている。被測定物移動機構２１のＸＹ座標の原点は、光軸ＶＬ上にあり、移動方向（Ｘ、Ｙ方向）は前記第１のステージ１９の移動方向と一致している。
【００３８】
このような角度測定装置１０において、初期状態では図１に実線で示すように、ファイバコリメータ１８は第１のステージ１９の原点位置に位置し、さらに被測定物６も第２のステージ２１の原点位置に位置している。この状態で、送受信光ファイバ１４、コリメータレンズ１７、Ｆ−θレンズ２０の光軸はすべて一致している。
【００３９】
送受信光ファイバ１４の出射側光ファイバ部分１４Ａから射出し光ビーム１３は、コリメータレンズ１７によって平行ビームに変換され、図１のポイントＣにビームウェストを形成する。続いて、Ｆ−θレンズ２０によって集光されて、被測定物６の中心に照射される。ポイントＣとスＦ−θレンズ２０との距離Ｌ1 は、Ｆ−θレンズ２０の焦点距離ｆの近傍に設定され、また、Ｆ−θレンズ２０と被測定物６との距離Ｌ2 も同じく焦点距離ｆの近傍に設定される。したがって、ポイントＣと被測定物６は共役の関係にあり、被測定物６上においてもビームウェストが形成されている。また、被測定物６上におけるビーム半径ωM （ｍｍ）は、ポイントＣでのビームウェスト半径ωC （ｍｍ）を用いて次式（３）で与えられる。
【００４０】
【数３】
2010286432.tif 000005
【００４１】
ここで、λは使用する光ビームの波長（ｍｍ）であり、光通信用途では概ね１．５５×１０-3ｍｍである。
【００４２】
次に、本発明による角度測定の原理を、被測定物６がθM だけ傾いた場合を例にとり、図３と図１を用いて説明する。なお、傾き角θM は、Ｘ軸回りの傾き角θMX とＹ軸回りの傾き角θMY に分けて考えることとする。
【００４３】
いま、図３（ａ）に示すように、ファイバコリメータ１８が座標位置（Ｕ、Ｖ）に位置しているものとする。このとき、被測定物６に角度θ1 で入射した光ビーム１３Ａは、光軸ＶＬに対して角度θ2 で反射し、Ｆ−θレンズ２０に再び入射する。この反射光ビーム１３Ｂの反射角θ2 は、Ｘ軸回りの角度成分θ2XとＹ軸回りの角度成分θ2Yに分解して、次式（４−１）、（４−２）
【００４４】
【数４】
2010286432.tif 000006
【００４５】
【数５】
2010286432.tif 000007
【００４６】
と表わされる。なお、図３は、Ｘ−Ｚ断面のみを模式的に示したものである。
【００４７】
反射光ビーム１３ＢがＵ−Ｖ平面を横切るときの座標を（ＵR、ＶR）とすれば、Ｆ−θレンズ２０はテレセントリックＦ−θレンズであることから、次式（５−１）、（５−２）
【００４８】
【数６】
2010286432.tif 000008
【００４９】
【数７】
2010286432.tif 000009
【００５０】
で与えられる。
【００５１】
反射光ビーム１３Ｂの一部は送受信光ファイバ１４の受信側光ファイバ部分１４Ｂに結合し、サーキュレータ１６（図１）を介して受光器１２へと伝搬される。なお、図３（ａ）には、出射光ビーム１３Ａの電界分布Ｄ1 と反射光ビーム１３Ｂの電界分布Ｄ2 の様子を模式的に示している。
【００５２】
出射光ビーム１３Ａと反射光ビーム１３Ｂとの光軸ずれΔは、次式（６−１）
【００５３】
【数８】
2010286432.tif 000010
【００５４】
であり、上記式（４−１）、（４−２）、（５−１）、（５−２）を代入すれば、次式（６−２）
【００５５】
【数９】
2010286432.tif 000011
【００５６】
と表わされる。
【００５７】
このとき、受光器１２によって測定される反射光ビーム１３Ｂの強度ＰR （ｍＷ）は、光源１１の出力強度をＰ0 （ｍＷ）とし、光学系での内部損失を無視すれば、次式（７）
【００５８】
【数１０】
2010286432.tif 000012
【００５９】
と算出される。
【００６０】
したがって、上記式（７）から明らかなように、θ1Y=θMY、かつθ1X＝θMXのときに、反射光ビーム１３Ｂの強度ＰR は最大値Ｐ0 をとる。このときの光ファイバ位置を（ＵOPT、ＶOPT ）とすれば、再びテレセントリックＦ−θレンズの性質から、θMX、 θMYは、次式（８−１）、（８−２）
【００６１】
【数１１】
2010286432.tif 000013
【００６２】
【数１２】
2010286432.tif 000014
【００６３】
と求めることができ、被測定物の角度を測定することが可能になる。このときの様子を図３（ｂ）に示す。
【００６４】
なお、光ファイバ位置（ＵOPT、ＶOPT）の探索と特定は、反射光ビーム１３Ｂの強度ＰR をモニターしながらファイバコリメータ１８（図１）をＵ−Ｖ面内で走査（移動）することによって容易に行うことができる。そのような反射光ビーム１３Ｂの強度をモニターしながら第１のステージ１９を移動させ、最適位置を探索する技術は、一般にピークサーチと呼ばれ、光ファイバ同士の接続分野において広く利用されている。また、探索アルゴリズムも多数用意されている。
【００６５】
また、図３（ｂ）から明らかなように、被測定物６の角度によらず、最適位置では光ビーム１３Ａは常に被測定物６に対して垂直に入射する。そのため、斜入射による偏波依存損失の発生がなく、ピークサーチによって得られる光結合効率の変動特性は常に等方的となり、最適位置の特定精度、すなわち角度測定精度を高めることができる。以上が本発明の角度測定法の原理である。
【００６６】
次に、本発明の角度測定法によって得られる角度分解能について述べる。
受光器１２の最小検出分解能をΔＰ（ｄＢ）とすれば、ΔＰは上記式（７）を用いて、次式（９）
【００６７】
【数１３】
2010286432.tif 000015
【００６８】
と表わされる。なお、ここでは、簡単のために、被測定物６の傾きがＹ軸回りのみ、すなわちＶR＝０としている。
【００６９】
上記式（９）をさらに変形すれば、最小検出角度Δθ=θM−θ1は、次式（１０）
【００７０】
【数１４】
2010286432.tif 000016
【００７１】
と見積もることができる。いま、ｆ＝２０ｍｍ、ωC ＝０．２５ｍｍの場合を考えると、ΔＰ＝０．０１（ｄＢ）とすれば、Δθ＝１７ｍｄｅｇとなる。また高感度の受光器を用いてΔＰ＝０．００１（ｄＢ）が検出可能であるならば、Δθ＝５．４ｍｄｅｇが得られる。
【００７２】
ここで明らかなように、本角度測定装置１０の角度分解能を決めているのは、ファイバコリメータ１８のビームウェスト径、Ｆ−θレンズ２０の焦点距離、受光器１２の検出分解能の３つである。したがって、受光器１２の高感度化以外にも、ファイバコリメータ１８のビーム径を小さくしたり、Ｆ−θレンズ２０の焦点距離を長くすることによっても、角度分解能を高めることが可能になる。
【００７３】
ただし、本角度測定装置１０の光学系は共焦点（２ｆ）光学系であることから、ビーム径ωC とＦ−θレンズ２０の焦点距離ｆとは、被測定物６上でのビーム径ωM に対して常に上記式（３）に示す関係にあり、いずれの測定方法もビーム径ωM を大きくする作用をもつ。すなわち、微小サイズの被測定物の角度を測定する場合には、光ビームのクリッピングを発生する懸念がある。しかしながら、これらのパラメータを適切に設定することによって、従来の測定法ではなし得なかった微小サイズの角度測定が行えるようになる。そのような適切な設計パラメータの一つは、前述したｆ＝２０ｍｍ、ωC ＝０．２５ｍｍである。このとき、ωM ＝３９μｍとなり、被測定物のサイズＤｍが、ビーム径の３倍以上、すなわち１１７μｍ以上であれば、クリッピングの影響は無視できる程度となる。実際、光通信分野で用いられるＭＥＭＳミラーのサイズは、１００〜１０００μｍ程度であり、本測定法が有効に適用できる範囲である。
【００７４】
また、本測定法で測定可能な角度範囲は、理想的なＦ−θレンズとみなす限り、原理的な限界は存在しない。ただし実際には、Ｆ−θレンズ２０は、Ｆナンバーを小さくするとともに収差が増大し、被測定物６上でのビームぼけやＦ−θ特性の非線形性を発生させるため、これらが実際上の限界を決める。現在のところ、前述の通り、レーザ加工等の分野において、スキャン角±２０ｄｅｇ程度のＦ−θレンズがすでに実用に供されており、入手も容易である。また、Ｆ−θレンズ２０の線形性が成り立つ限り、前述の角度分解能は維持される。
【００７５】
以上に述べたように、本測定法は微小な被測定物の角度を、±２０ｄｅｇ以上の広い角度範囲にわたって、１０ｍｄｅｇという高い角度分解能で測定することが可能である。このような特徴は、上述したオートコリメータをはじめとする従来の測定法では実現することができないものである。
【００７６】
以上に述べた本発明の様々な特長は、光ファイバ１４への結合効率が光ビーム１３の位置ずれに対して非常に敏感であるという特性をうまく活かして得られたものである。従来の角度測定法が、撮像素子へのビーム入射位置検出という原理に基づいていたがために、撮像素子のサイズ制限に起因する「角度分解能―角度範囲」のトレードオフの関係から逃れられなかったのに対し、本発明の測定法では、Ｆ−θレンズ２０の線形性が成り立つ限り、角度分解能を損なうことなく角度範囲を広げることが可能である。そして、前述の通り、従来の測定法の測定範囲を大幅に凌駕する±２０ｄｅｇ以上のスキャン角を有するＦ−θレンズ２０がすでに実現されており、利用できる。
【００７７】
さらに、Ｆ−θレンズ２０の焦点距離ｆを適切に設計することによって、被測定物６上に照射される光ビーム１３Ａのサイズを任意に調節することができるため、従来の測定法において問題だったクリッピングを回避可能な小径ビームを用いることもできるようになる。
【００７８】
なお、上記の説明では、Ｆ−θレンズ２０は、テレセントリックＦ−θスキャンレンズとしたが、テレセントリックな光学系であって、光ビームのスキャン角度と結像位置の関係に線形性が成立するものであれば、必ずしもこれに限定されるものではない。例えばテレセントリックＦ−ｓｉｎθレンズやテレセントリックＦ−ｔａｎθレンズであっても、Ｆ−θの関係に線形性が成り立つ角度範囲であれば同様に実現可能である。
【００７９】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す角度測定装置の概略構成図である。上記した第１の実施形態と共通する部品、部分については同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
本実施の形態に係る角度測定装置４０は、コリメート光路中、すなわちファイバコリメータ１８とＦ−θレンズ２０との間の光路中に被測定物６で反射した反射光ビーム１３Ｂを２つの分岐反射光ビーム１３Ｂ1 、１３Ｂ2 に分岐するビームスプリッタ４１（第１のビーム分岐部）を配置するとともに、一方の分岐反射光ビーム１３Ｂ2 を観察する観察光学系（撮像部）４２をさらに備えている点で、上記した第１の実施の形態で示した角度測定装置１０と異なっている。なお、他方の分岐反射光ビーム１３Ｂ1 は、上記した第１の実施の形態において説明した通り、受信側光ファイバ１４部分１４Ｂに結合し、サーキュレータ１６を経て受光器１２に導かれる。
【００８０】
観察光学系４２は、第２のレンズ４３と撮像装置４４を有し、第２のレンズ４３によって分岐反射光ビーム１３Ｂ2 を撮像装置４４の撮像面４４ａに結像させる。第２のレンズ４３の焦点距離は、撮像面４４ａのサイズと光路長から適切に設計される。
【００８１】
このような構成を採ることにより、被測定物６のどの位置に入射ビーム１３Ａが照射されているかを正確に確認することが可能となる。本発明の角度測定法の特長の一つは、被測定物６上でのビームスポットサイズを小さくでき、微小サイズの被測定物にクリッピングなく照射できることであるから、このような観察光学系４２を備えることは特に重要なものである。
【００８２】
なお、測定波長が通信波長帯などの不可視波長域であり、さらに、光学系の構成部品をその波長帯用に設計している場合には、被測定物６に照射された光ビーム１３Ａだけしか観測することができず、被測定物６の輪郭や被測定物６上の特徴的なマークなどを認識することができない。そのような場合には、図５に示すように、観察光学系４２に加えて照明光学系５０をさらに設け、これらを連結する。
【００８３】
照明光学系５０は、第２のビームスプリッタ（第２のビーム分岐部）５１と、測定波長帯用の光源５３と、第３のレンズ５４および光ファイバ５５を備え、その他に光路折り曲げ用のミラー５６を含んでいてもよい。第２のビームスプリッタ５１は、観察光学系４２の光路中に配置されている。照明用光源５３としては、自然放出光源（ＡＳＥ光源）やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などを使用することができる。光ファイバ５５は、一端が光源５３に接続され、他端が第３のレンズ５４に対向している。第３のレンズ５４の焦点距離は、被測定物６の観察領域を照射できるように設計されている。なお、図５では照明用光源５３に光ファイバ５５を接続しているが、光源５３を照明光学系５０に直接マウントして光ファイバ５５を省略することも可能である。
【００８４】
また、観察光学系４２および照明光学系５０は、測定光学系１５と分離できる構成とすることが好ましい。観察光学系４２と照明光学系５０は、測定初期の位置合わせの際にのみ用いるものであるから、位置合わせが終了次第、これらを測定光学系１５から分離することで、本体サイズを小型にでき、様々な場所へ持ち運んで測定することが可能となる。例えば、測定光学系１５を恒温槽に入れ、様々な温度や湿度環境下での測定も可能となる。その際、測定光学系１５へ接続されるケーブルは、光ファイバ１４の１本と第１、第２のステージ１９、２１用の数本のケーブルだけであるから、光源１１、受光器１２、ステージドライバ（図示せず）などは恒温槽の外側へ設置することができる。なお、観察光学系４２の切り離しは、図中点線で示した構成単位で行ってもよいし、ビームスプリッタ４１から切り離しても構わない。
【００８５】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る角度測定装置を示す。本実施の形態においても上記した上記した第１、２、第３の実施形態と共通する部品、部分については同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。同図において、角度測定装置６０の測定部１５は、被測定物６を傾斜させる一対の電極６１ａ、６１ｂと、電極６１ａ、６１ｂを制御す駆動部６２と、第１、第２のＸ−Ｙステージ１９、２１を駆動制御するステージドライバー６３と、これらを制御する制御装置６４とを備えている。
【００８６】
被測定物６は、微小サイズのＭＥＭＳミラーからなり、一対の電極６１ａ、６１ｂに与える電圧によって傾斜される。駆動部６１は、電極６１ａ、６１ｂに印加する電圧を制御する。
【００８７】
前記制御装置６３は、装置すべての駆動と測定のタイミング制御を行うためのもので、データ記憶部６５と、データ処理部６６およびピークサーチ処理部６７を備え、受光器１２と、駆動部６２およびステージドライバー６３が接続されている。データ記憶部６５は、第１のＸ−Ｙステージ１９の走査位置とその位置における反射光ビーム１３Ｂの強度を記憶し、データ処理部６６は前記走査位置と前記反射光ビーム１３Ｂの強度の関係から被測定物６の傾斜角度を算出する。ピークサーチ処理部６７は、前記反射光ビーム１３Ｂの強度が最大となる走査位置を検出する。
【００８８】
このような制御装置６４を構築し、様々な駆動電圧をＭＥＭＳミラーからなる被測定物６に印加して、そのそれぞれの状態におけるミラー角度を光ファイバ位置（受信側光ファイバ部分１４Ｂ位置）のピークサーチ動作によって求めることにより、ＭＥＭＳミラーの最も重要な特性パラメータである電圧―角度特性（Ｖ−θ特性）を取得することができる。
【００８９】
さらに、第２のＸ−Ｙステージ２１も第１のＸ−Ｙステージ１９に連動して駆動・制御させることにより、ＭＥＭＳミラーがアレイ状に配列されたＭＥＭＳミラーアレイであっても、連続して自動でＶ−θ特性を取得することが可能となる。光通信分野で用いる光スイッチ用ＭＥＭＳミラーはアレイであることが多く、このような自動特性評価装置は、評価の高速化と高信頼化につながる。
【００９０】
なお、上記した実施の形態においては、光ファイバ移動機構１９および被測定物移動機構２１として、２方向に移動自在なＸ−Ｙステージを用いたが、本発明はこれに限らず、少なくとも１方向に移動自在なものであればよく、２方向以上に移動自在なものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
上記したように本発明に係る角度測定装置は、特に光通信分やにおいて使用される微細なサイズのＭＥＭＳミラーやアレイ状に配列されたＭＥＭＳミラーアレイなどの角度測定に用いて好適である。
【符号の説明】
【００９２】
１０…角度測定装置、１１…光源、１２…受光器、１３…光ビーム、１４…送受信光ファイバ、１４Ａ…出射側光ファイバ部分、１４Ｂ…受光側光ファイバ部分、１５…測定部、１６…サーキュレータ、１７…コリメータレンズ、１８…ファイバコリメータ、１９…光ファイバ移動機構、２０…スキャンレンズ、２１…被測定物移動機構、４１…第１のビームスプリッタ、４２…観察光学系、４３…レンズ、４４…撮像装置、５０…照明光学系、５１…第２のビームスプリッタ、５３…光源、６２…駆動部、６３…ステージドライバ、６４…制御装置、６５…データ記憶部、６６…データ処理部、６７…ピークサーチ処理部。
【図１】
2010286432.tif 000017
【図２】
2010286432.tif 000018
【図３】
2010286432.tif 000019
【図４】
2010286432.tif 000020
【図５】
2010286432.tif 000021
【図６】
2010286432.tif 000022
【図７】
2010286432.tif 000023