(57)【要約】【課題】光ファイバを用いて安定かつ高精度の測定を可能とする。【解決手段】  光源２１から射出された波長λ１の測定光Ｌａ、光源２１’から射出された波長λ２の参照光Ｌｂは、光ファイバ２３、２３’の入射端面に導光され、更に合波器２４を介して光ファイバ２５に導光される。光ファイバ２５の出射端面から射出された光束は、偏光ビームスプリッタ２７の面でＰ波とＳ波に分離される。スプリッタ２７の透過光束は測定光Ｌａとして被測定物Ｓに照射し反射され、反射光束は参照光Ｌｂとして参照ミラー３０で反射されて、合波光Ｌｃとなる。この合波光Ｌｃを波長λ１、λ２の光束に分離し、マイケルソン干渉計の原理により、（１／２）λ１移動及び（１／２）λ２移動に対して１周期の正弦波の測定信号を得る。２つの光源２１、２１’からの光束は、光ファイバ２５の出射面で完全な点光源として扱うことができ、光学系の安定性が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を光透過部材内で２つの光束に分割し、一方の参照光を参照ミラーで反射させ、他方の測定光を測定対象物で反射させ、それぞれの光束を前記光透過部材内で合波し、該合波光から干渉光束を得る干渉測定装置において、前記参照光と測定光は同一光ファイバの出射端面から前記光透過部材に向けて出射する複数波長を持つことを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
前記複数の光束はそれぞれ別個に生成してそれぞれ別個の光ファイバにより導光して合波器で合波し、前記同一光ファイバの入射端面に導光することを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【請求項３】
前記別個の光ファイバは偏波面保持ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の干渉測定装置。
【請求項４】
前記同一光ファイバの出射端面からの光束を偏光素子によって偏光することを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で測定対象物の変位を検出する干渉測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は従来例の半導体レーザー光源を使用した一般的な干渉計の構成図を示しており、この種の干渉測定装置は例えば特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
半導体レーザー光源１から射出されたレーザー光束Ｌはコリメータレンズ２で平行光とされ、偏光ビームスプリッタ３に入射し、測定光Ｌａと参照光Ｌｂに分割される。測定光Ｌａは１／４波長板４ａを透過し、集光レンズ５で集光され被測定物Ｓに照射され反射される。
【０００４】
一方、偏光ビームスプリッタ３で反射された参照光Ｌｂは、１／４波長板４ｂを透過し参照ミラー６で反射される。被測定物Ｓ、参照ミラー６でそれぞれ反射された光束Ｌａ、Ｌｂは、再び１／４波長板４ａ、４ｂをそれぞれ透過し、今度は偏光ビームスプリッタ３を参照光Ｌｂは透過し、測定光Ｌａは反射して合波光Ｌｃとなって１／４波長板４ｃに入射する。合波光Ｌｃは測定光Ｌａの帰り光の偏光情報のみ変調されているので、１／４波長板４ｃを透過した光束は回転する直線偏光となる。
【０００５】
その後に、合波光Ｌｃは非偏光ビームスプリッタ７に入射し、測定光Ｌｄ、Ｌｅに分割される。更に、互いに光学軸を４５度傾けた偏光板８ａ、８ｂをそれぞれ測定光Ｌｄ、Ｌｅが通過することにより、図５に示すように互いに位相が９０度異なる２つの正弦波信号Ａ、Ｂが光電センサ９ａ、９ｂで得られる。
【０００６】
被測定物Ｓの変位によって、合波光Ｌｃの偏光方向が回転するので、被測定物Ｓの変位に応じて、このようなλ／２で１周期の正弦波信号が得られる。この従来例の変位計はインクリメンタルの正弦波信号が出力がなされるが、基準位置情報がないため、測定開始後の相対位置しか分からないという問題がある。
【０００７】
図６は上述の従来例の改良案を示している。半導体レーザー光源１ａにより波長λ１を持つ光束を発光し、光源１ｂにより波長λ２を持つ光束を発光する。それぞれの光束をコリメータレンズ２ａ、２ｂで平行光とし、偏光ビームスプリッタ３ａを用いて図４と同様に測定光Ｌａと参照光Ｌｂとの合波光Ｌｃを生成し、マイケルソン型干渉計を使用する。
【０００８】
合波光Ｌｃは非偏光ビームスプリッタ１０に入射し、測定光Ｌｄ、Ｌｅに分割される。光束Ｌｄは波長λ１を透過するバンドパスフィルタ１１ａを透過し、透過光は波長λ１の情報のみを持つ。波長λ１の光束Ｌｄは１／４波長板１２ａを透過することで直線偏光となり、偏光情報は被測定物Ｓの変位に基づいて偏光方向が回転する。回転する直線偏光の光束Ｌｄは非偏光ビームスプリッタ１３ａで分割され、透過光は偏光板１４ａを透過し、反射光は偏光板１４ｂを透過することにより光の明暗信号となり、それぞれ光電センサ１５ａ、１５ｂで電気信号となる。この電気信号は被測定物Ｓの移動に伴い、（１／２）λ１移動に対して１周期の正弦波の信号となる。
【０００９】
一方、非偏光ビームスプリッタ１０を透過した光束Ｌｅは、波長λ２を透過するバンドパスフィルタ１１ｅを透過し、透過光は波長λ２の情報のみを持つ。以後、１／４波長板１２ｅを透過し、非偏光ビームスプリッタ１３ｆで分割された後に、偏光板１４ｅ、１４ｆをそれぞれ透過し、光電センサ１５ｅ、１５ｆに入射する。今度は、電気信号は被測定物Ｓの移動に伴い、（１／２）λ２移動に対して１周期の正弦波信号となる。
【００１０】
この構成により得られた正弦波信号Ａ、Ｂの周期は、被測定物Ｓの移動に応じて得られ、図７（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれλ１／２、λ２／２の周期で得られる。この２種類の信号の位相差は、参照光Ｌｂの光路長と測定光Ｌａの光路長が一致した場合に０となり、光路長差に応じてそれぞれの正弦波信号の位相差が生ずる信号となる。この位相差を観測することによって、被測定物Ｓの絶対位置の測定が可能となる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−９４５１３号公報
【特許文献２】特開平１１−９４５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の従来例では、或る一定距離での絶対値測定を可能としているが、波長を例えば６５０ｎｍと６５５ｎｍ等の現実的な波長に選択した場合に、隣り合う正弦波信号の位相ずれが元の正弦波信号の１／１００周期以下となる。検出を十分な精度で行うには、その数分の１の周期つまり約１／５００周期と極めて微小な安定性が要求される。
【００１３】
図６に示す従来例のような構成の場合に、２つの半導体レーザー光源１ａ、１ｂの光軸及び位置を厳密に設定しなければならない。つまり、それぞれの光軸の変化、ターゲットの測定中の微小な傾き、移動による光学系内での光束がそれぞれ異なった移動をし、最終的に判定すべき１／５００周期（＝１．３ｎｍ）以下の位相差の安定性が確保することが極めて困難である。
【００１４】
更に、半導体レーザー光源１ａ、１ｂが光学系付近に設置されることは、光源１ａ、１ｂに電源を投入した瞬間から、巨大な熱量が光学系に放射されることになり、自らの発熱で確保すべき安定性を損ねるという問題もある。
【００１５】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、光ファイバを用いて安定しかつ高精度の測定をなし得る干渉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の本発明に係る干渉測定装置技術的特徴は、光束を光透過部材内で２つの光束に分割し、一方の参照光を参照ミラーで反射させ、他方の測定光を測定対象物で反射させ、それぞれの光束を前記光透過部材内で合波し、該合波光から干渉光束を得る干渉測定装置において、前記参照光と測定光は同一光ファイバの出射端面から前記光透過部材に向けて出射する複数波長を持つことにある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る干渉測定装置によれば、測定光と参照光を同一光ファイバの出射端面から複数波長の光束を出射することによって、絶対位置測定をより高精度に行うことが可能となる。
【００１８】
また、別個の光ファイバの出射端面から射出される複数波長を持つ光束を合波器を介して同一光ファイバに導光すると、より簡易的な構成での複数波長の測定を可能にする。
【００１９】
更に、同一光ファイバの出射端面からの光束を偏光素子によって偏光すると、光ファイバの不安定性を取り除き、より高精度の測定が実現でき、更に合波器に導く光ファイバを偏波面保持ファイバにすれば、更に高精度の測定ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を図１〜図３に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は実施例１の干渉計の構成図である。半導体レーザー光源２１、２１’の光軸上にはそれぞれレンズ２２、２２’が配置され、レンズ２２、２２’の集光点に偏波面保持光ファイバ２３、２３’の入射端面がそれぞれ設けられている。２つの光ファイバ２３、２３’の出射端面は合波器２４に接続され、合波器２４の出射端には他の光ファイバ２５の入射端面が接続されている。
【００２２】
そして、光ファイバ２５の出射端面の光軸上には、コリメータレンズ２６、偏光ビームスプリッタ２７、１／４波長板２８ａ、集光レンズ２９、被測定物Ｓが配列されている。また、偏光ビームスプリッタ２７の反射方向には、１／４波長板２８ｂ、参照ミラー３０が配列されている。
【００２３】
参照ミラー３０の反射方向、つまり参照ミラー３０による光束の偏光ビームスプリッタ２７の透過側方向には、非偏光ビームスプリッタ３１が配置されている。非偏光ビームスプリッタ３１の反射方向には、波長λ１の光束を透過するバンドパスフィルタ３２ｃ、１／４波長板３３ｃ、非偏光ビームスプリッタ３４ｃ、偏光板３５ｃ、光電センサ３６ｃが配列されている。更に、非偏光ビームスプリッタ３４ｃの反射方向には、偏光板３５ｄ、光電センサ３６ｄが設けられている。
【００２４】
非偏光ビームスプリッタ３１の透過方向には、波長λ２の光束を透過するバンドパスフィルタ３２ｅ、１／４波長板３３ｅ、非偏光ビームスプリッタ３４ｅ、偏光板３５ｅ、光電センサ３６ｅが配列されている。また、非偏光ビームスプリッタ３４ｅの反射方向には偏光板３５ｆ、光電センサ３６ｆが設けられている。
【００２５】
半導体レーザー光源２１から射出された波長λ１のレーザー測定光Ｌａは、レンズ２２で集光され偏波面保持光ファイバ２３の入射端面に導光される。一方、半導体レーザー光源２１’から射出された波長λ２のレーザー参照光Ｌｂは、レンズ２２’で集光光束となり、偏波面保持光ファイバ２３’の入射端面に導光される。光ファイバ２３、２３’からの出射光は、合波器２４を介して光ファイバ２５に導光される。
【００２６】
光ファイバ２５の出射端面からは波長λ１、λ２が混在する光束が射出され、偏光ビームスプリッタ２７の面でＰ波とＳ波に分離される。偏光ビームスプリッタ２７を透過した光束は、測定光Ｌａとして１／４波長板２８ａを透過して、集光レンズ２９で集光光束となり被測定物Ｓに照射される。一方、偏光ビームスプリッタ２７で反射した光束は参照光Ｌｂとなり、１／４波長板２８ｂを透過して参照ミラー３０で反射される。
【００２７】
被測定物Ｓに集光され反射された測定光Ｌａは再び元の光路を通り、ビームスプリッタ２７で反射される。一方、参照光Ｌｂは反射後に元の光路を通り、今度はビームスプリッタ２７を透過し、測定光Ｌａと合波され合波光Ｌｃとなる。合波光Ｌｃはその後に非偏光ビームスプリッタ３１に入射し、非偏光ビームスプリッタ３１による反射光は光束Ｌｄ、透過光は光束Ｌｅとなる。
【００２８】
このとき、測定光Ｌａの被測定物Ｓの集光点を、参照光Ｌｂが反射される参照ミラー３０と波動光学的な等光路長になるように、集光レンズ２９のパワーを設定しておけば、半導体レーザー光源を使用した干渉計として最大の効果を発揮する。つまり、波面で考えると、被測定物Ｓからの反射光と、参照ミラー３０からの反射光は両方とも平行光として合波される。
【００２９】
光束Ｌｄは波長λ１を透過するバンドパスフィルタ３２ｃを透過し、透過光は波長λ１の情報のみを持つ。波長λ１の光束は１／４波長板３３ｃを透過することで直線偏光となり、偏光情報は被測定物Ｓの変位に基づいて偏光方向が回転する。回転する直線偏光の光束Ｌｄは非偏光ビームスプリッタ３４ｃで分割され、透過光は偏光板３５ｃを透過し、反射光は偏光板３５ｄを透過することにより、光の明暗信号となり、それぞれ光電センサ３６ｃ、３６ｄで電気信号となる。この電気信号は被測定物Ｓの移動に伴い、（１／２）λ１移動に対して１周期の正弦波の信号となる。
【００３０】
偏光板３５ｃ、３５ｄはそれぞれの偏光軸が４５度傾いて設置してあり、図２（ａ）に示すように光電センサ３６ｃ、３６ｄからの正弦波信号は９０度位相が異なるＡ相、Ｂ相信号となる。
【００３１】
一方、非偏光ビームスプリッタ３１を透過した光束Ｌｅは、波長λ２を透過するバンドパスフィルタ３２ｅを透過し、透過光は波長λ２の情報のみを持つ。以後、１／４波長板３３ｅを透過し、非偏光ビームスプリッタ３４ｅで２分割された後に、偏光板３５ｅ、３５ｆをそれぞれ透過し、光電センサ３６ｅ、３６ｆに入射する。光電センサ３６ｅ、３６ｆで得られる電気信号は、被測定物Ｓの移動に伴い（１／２）λ２移動に対して１周期の正弦波信号となる。偏光板３５ｅ、３５ｆは偏光軸を互いに４５度傾けて設置してあるので、図２（ｂ）に示すようにＡ相、Ｂ相信号の９０度位相が異なる正弦波信号となる。
【００３２】
ここで注目すべきことは、２つの光源２１、２１’からの波長λ１、λ２の光束は、光ファイバ２５の出射面で完全な点光源として扱うことができ、この点光源の位置は、２つの波長λ１、λ２を持つ２光束において、完全に空間的に同一点となる。
【００３３】
即ち、変位計として構成した場合に、ターゲットの移動、傾きに対して２光束の出射面は変位計の光学系内で全く同一の移動をすることとなり、位相のずれが全く生ずることはない。例えば、従来例のように６５０ｎｍと６５５ｎｍ等の現実的な波長を選択した場合に、隣り合う正弦波信号の位相差を判別するために必要な約１／５００周期（１．３ｎｍ）に対する微小な安定性は問題なく満たされることになる。また、発熱量が大きい半導体レーザー光源２１、２１’を光ファイバ２３、２３’、２５により光学系から遠ざけているため、光学系の近傍に主要な熱源が存在せず、光学系の安定性の面からも有利である。
【実施例２】
【００３４】
図３は実施例２の構成図を示し、図１の実施例１に対しレンズ２６の直後に偏光板３７が挿入されている。なお、図１と同一の符号は同一機能部品を示している。
【００３５】
一般的に、偏波面保持光ファイバは偏光保持面と垂直方向の光成分に関しては偏光保持機能がないため、偏波保持光ファイバからの射出光には偏光の不安定性が存在する。しかし、光路射出消光比の高い偏光板３７を挿入することで、より安定した光束を変位計光学系が得られ、安定度の高い高精度な変位計を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１の構成図である。
【図２】実施例１の出力信号の波形図である。
【図３】実施例２の構成図である。
【図４】従来例の干渉計の構成図である。
【図５】出力信号の波形図である。
【図６】他の従来例の構成図である。
【図７】出力信号の波形図である。
【符号の説明】
【００３７】
２１、２１’  半導体レーザー光源
２２、２２’  レンズ
２３、２３’、２５  光ファイバ
２４  合波器
２６  コリメータレンズ
２７  偏光ビームスプリッタ
２８、３３  １／４波長板
３０  参照ミラー
３１、３４  非偏光ビームスプリッタ
３５、３７  偏光板
３６  光電センサ
Ｓ  被測定物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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