(57)【要約】距離測定に干渉計測技術を利用する、少なくとも２点間の距離を測定するための装置、システム、及び方法を開示説明する。
2018503813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光のビームを別々のビーム成分に分割することと、
各ビーム成分を、別々の導波経路に沿って付属する光検出器の方へ、そしてその中へ向け、それぞれの経路において前記付属光検出器内で局所的光電流を発生させることと、
各ビーム成分をその付属光検出器を通して送り届け、別の経路にある光検出器に衝突させ、各光検出器で干渉光電流を発生させることと、
干渉光電流間の差を対応する光検出器間の距離に関係付けることと
を含む、少なくとも２点間の距離を測定する方法。
【請求項２】
更に、レンズを使って付属光検出器に少なくとも１つのビーム成分の焦点を合わせることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各ビーム成分を各付属光検出器を通して送り届け、別の経路にある前記光検出器に衝突させることに、更に各ビーム成分をレンズを通して送り届け、別の経路にある前記光検出器に衝突させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
コヒーレント光の前記ビームが４００ｎｍから１０００ｎｍの波長を持つ、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
各導波経路がシングルモード光ファイバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
あるビーム成分を別のビーム成分に対して変調する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記被変調ビーム成分を周波数変調する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記被変調ビーム成分を位相変調する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
複数のビーム成分を互いに対して変調する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの光検出器が位置を固定した参照光検出器である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記干渉光電流をロックインアンプを使って検出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記干渉光電流を各光検出器毎に別々のロックインアンプを使用して検出する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１光検出器と、
第２光検出器と、
光学ビーム源と、
前記光学ビーム光源からのコヒーレント光の分割ビームを前記第１光検出器を通して第１経路沿いの前記第２光検出器の中へ、そして前記第２光検出器を通して第２経路沿いの前記第１光検出器の中へ向けるように構成した導波路と
を含む、干渉計測装置。            
【請求項１４】
更に、前記第１又は前記第２光検出器を通して向けられたコヒーレント光の前記ビームを変調するように配置した光変調器を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記光変調器に、音響光学変調器、電気光学変調器、磁気光学変調器、機械光学変調器、位相変調器、又はそれらの組み合わせからなるグループから選択した要素を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記光変調器が位相変調器である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
更に、前記第１及び前記第２光検出器を通して向けたコヒーレント光の前記ビームを変調するように配置した複数の光変調器を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１光検出器及び前記第２光検出器の両方が光学的に薄いＰＩＮ光検出器である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光学ビーム源が４００ｎｍから２０００ｎｍの波長のコヒーレント光のビームを放射するように動作可能な、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記導波路がシングルモード光ファイバーである、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
更に、前記第１光検出器、前記第２光検出器、又はそれら両方に動作的に結合したロックインアンプを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
更に、
前記第１光検出器を通して向けたコヒーレント光の前記ビームを変調するように前記第１経路沿いに配置した第１光変調器と、
前記第２光検出器を通して向けたコヒーレント光の前記ビームを変調するように前記第２経路沿いに配置した第２光変調器と、
前記第１光検出器と前記第２光検出器に動作的に結合したロックインアンプと
を含む、請求項１３に記載の装置で、
前記ロックインアンプへの参照入力が前記周波数又は位相変調器からの電気参照信号を用いたものに由来するもの。
【請求項２３】
光学ビーム源と、
第１光検出器と、
前記光学ビーム源から第１光検出器へ延びる第１導波経路と、
前記第１導波経路沿いに光学的に結合し、前記第１導波経路でコヒーレント・ビームを変調するように動作可能な第１変調器と、
第２光検出器と、
前記光学ビーム源から前記第２光検出器へ延びる第２導波経路と、
前記第２導波経路沿いに光学的に結合し、第２導波経路においてコヒーレント・ビームを変調するように動作可能な第２変調器と、
前記第１変調器及び前記第２変調器に動作的に結合したミキサーで、前記の２つの変調器間の差周波数を測定するように構成したものと、
第１光検出器又は第２光検出器の少なくとも１台に機能的に結合した少なくとも１つのロックインアンプと
を含む、干渉計測装置で、
前記ミキサーからの前記差周波数を参照信号として前記ロックインアンプへ送り届けるもの。
【請求項２４】
更に、前記ミキサーに機能的に結合し、前記ミキサー出力の前記差周波数から和周波数をフィルターで取り除くように構成したフィルターを含む、請求項２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
干渉計測は波の重ね合わせを用いる測定技術である。干渉計測の多くの利点の内の１つにはナノメートル・スケールでの正確度の測定を達成する能力がある。それ故に、計量学、微細加工、量子力学や、その他の数多くの分野で広く使用されている。干渉計測はまた変位、屈折率変化や、その他の多くの変数の測定にも有用となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
本発明の性質と利点をより十分に理解するため、好ましい実施形態の次の詳細な説明を添付図面と共に参照する。
【図１】本開示の一態様に従った例示的光検出器の断面図を示す。
【図２Ａ】本開示の別の態様に従った光検出器を通して、光を放射する光ファイバーの概略図を示す。
【図２Ｂ】本開示の別の態様に従ったレンズを追加で含む光検出器を通して、光を放射する光ファイバーの概略図を示す。
【図３】本開示の別の態様に従った光検出器に光の焦点を合わせ直すレンズを通して、光を放射する光ファイバーの概略図を示す。
【図４】本開示の別の態様に従った距離測定システムの概略図を示す。
【図５Ａ】本開示の別の態様に従った位相差測定回路の概略図を示す。
【図５Ｂ】本開示の別の態様に従った位相差測定回路の概略図を示す。
【図６】本開示の一態様に従った距離測定システムの概略図を示す。
【図７】本開示の一態様に従った距離測定システムの概略図を示す。
【図８】本開示の一態様に従った距離測定システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
以下の詳細な説明には例示目的で多くの詳細が含まれるが、以下の詳細に対し多くの変形形態や変更が可能であり、それらは本明細書に含まれるものとみなされることは当業者には理解されよう。
【０００４】
従って、以下の実施形態は、以下に定める請求項のいずれについても一般性を失うことなく、またこれらに限定を与えるものではない。本明細書で使用する専門用語は特定の実施形態のみを説明することを目的としたものと理解されるべきものであり、限定を意図したものではない。他に規定無き限りは、本明細書にて用いられている技術的及び科学的表現は全て、本開示が属する技術分野の当業者には一般的に理解されているものと同じ意味を持つ。
【０００５】
本明細書及び請求項において「第１」、「第２」、「第３」、「第４」等の表現があれば、それらは類似要素を区別するために用いられており、必ずしも特定の順序又は時系列的順序を記述するために用いられているものではない。そのように用いられている表現は適切な状況下で相互に交換可能であり、そのため、例えば、本明細書に記載の実施形態は、本明細書に例示されているか又はそれ以外の形式で記載されているもの以外の順序で動作可能であることは理解されるべきである。同様に、本明細書に一連の段階を含む方法を記載している場合、本明細書に提示の段階の順序は、必ずしもそれら段階を実行することができる唯一の順番ではなく、記載されてる段階のあるものを省略することはおそらく可能であり、且つ／又は本明細書に記載されていない他のある段階をその方法に追加することもおそらくは可能である。
【０００６】
本明細書及び請求項で「左」、「右」、「前」、「後ろ」、「上」、「底」、「〜の上」、「〜の下」等の表現があれば、それらは描写目的で用いられており、必ずしも永続的な相対的位置を記述するために用いられているものではない。そのように用いられている表現は適切な状況下で相互に交換可能であり、そのため、例えば、本明細書に記載の実施形態は、本明細書に例示されているか又はそれ以外の形式で記載されているもの以外の向きで動作可能であることは理解されるべきである。
【０００７】
本明細書で用いられているように、「強化した」、「改良した」、「性能強化した」、「格上げした」等の表現が装置や工程の説明と共に用いられている場合、既知の装置や工程と比較して測定可能なより優れた形状又は機能を提供する装置や工程の特徴を表す。これは装置又は工程の各構成要素の形状及び機能の両方に適用されるだけではなく、そのような装置又は工程全体にも適用される。
【０００８】
本明細書にて用いられているように、「結合した」という表現は、ある品目と別の品目間の物理的連結又は付着の関係性を意味し、直接的又は間接的な連結又は付着の関係性を含む。材料、構成要素、構造物、層、装置、物等のような品目をどのような数でも結合することが可能である。
【０００９】
本明細書で用いられているように、「直接的に結合した」という表現は、ある品目と別の品目間で少なくとも１点で直接的物理的接触又はそれ以外の場合で互いに触れている物理的連結又は付着の関係性を意味する。例えば、材料のある層を材料の別の層の上に又はその層に対して成膜する場合、それらの層は直接的に結合していると言うことができる。
【００１０】
本明細書で用いられているように、「付属している」という表現は、１つの品目、特性、又は事象と別の品目、特性、又は事象の間の関係性を意味する。例えば、そのような関係性は連通の関係性となり得る。更には、そのような関係性は、直接的、間接的、電気的、又は物理的結合を含む、結合の関係性となり得る。更には、そのような関係性は、タイミングの関係性となり得る。
【００１１】
本明細書にて互いに「隣接」していると記載の物又は構造物は、その言い回しが用いられている文脈に適切であるように、互いに物理的に接触、互いに近接、又は互いに大まかに同じ領域又区域にあってよい。
【００１２】
この出願では、「〜を含む（comprises）」、「〜を含んでいる（comprising）」、「〜を内に含んでいる（containing）」、及び「〜を有している（having）」等の表現は、米国特許法においてそれら表現に帰するとされる意味を持ち、「〜を含む（includes）」、「〜を含んでいる（including）」等を意味し、一般的には開いた表現として解釈されている。「〜から成っている（consisting of）」又は「〜から成る（cosists of）」という表現は閉じた表現で、その表現と併せて明確に列挙されている構成要素、構造物、段階等のみを含み、同時に米国特許法に準拠したものでもある。「本質的に〜から成っている（Consisting essentially of）」又は「本質的に〜から成る（consists essentially of）」は米国特許法においてそれら表現に一般的に帰するとされる意味を持つ。特に、そのような表現は、それらと共に用いられる品目の基本的で新しい特徴又は機能に実質的に影響を及ぼさない付加的品目、材料、構成要素、段階、又は要素の包含を許容するということを除いては、一般的には閉じた表現である。例えば、組成物中に存在するが組成物の性質や特徴に影響を与えない微量要素（元素）が「本質的に〜から成っている（consisting essentially of）」という表現下で存在する場合は、その用語に続く品目の一覧に明確に列挙されていなくとも許容されるであろう。「〜を含んでいる（comprising）」や「〜を含んでいる（including）」のような開いた表現を用いている場合、明確に記載されているかのように、「本質的に〜から成っている（consisting essentially of）」という表現だけではなく「〜から成っている（consisting of）」という表現をも直接的に支持するとしても差しつかえないと理解される。その逆も然りである。
【００１３】
本明細書で用いられているように、「実質的に」という表現は、行動、特徴、特性、状態、構造、品目、又は結果の完全な又はほぼ完全な程度又は度合いを意味する。例えば、「実質的に」取り囲まれた物とは、完全に取り囲まれているか、又はほぼ完全に取り囲まれていることを意味するといえよう。絶対的完全性からの逸脱の正確な許容度は特有の状況による場合もあろう。しかしながら、一般的に言って完全性への接近は、絶対的且つ総合的完全性が達成される場合と全体として同じような結果が得られるようになる。「実質的に」という表現の使用は、否定的な意味合いで、行動、特徴、特性、状態、構造、品目、又は結果が完全に無い又はほぼ完全に無い状態を意味するためにも同じように適用可能である。例えば、粒子が「実質的に無い」組成物とは、粒子が完全に無いか、粒子が完全に無い場合と同じような効果を示すであろう粒子のほぼ完全に無い状態を示すことになろう。言い換えれば、ある成分や要素が「実質的に無い」組成物には、それら成分や要素の効果が測定可能なものでない限りは実際にそれらが含まれていても構わない。
【００１４】
本明細書で用いられているように、「約」という表現はある値が終点よりも「少し上」又は「少し下」であっても構わないということを許容することによって、終点の数値範囲に柔軟性をもたらすために用いられる。しかしながら、「約」という言葉が、具体的な数値と共に本明細書で用いられている場合で、「約」という表現から離れて列挙されている正確な数値に対してもその支持が与えられていると理解されるべきである。
【００１５】
更には、１つのグループにおける構成要素、種類等の列挙を便宜上行うが、そのようなグループは全体としてだけではなく、そのグループの個別要素それぞれを、状況がそれ以外の場合を求めない限り、別々に個々にグループのその他要素無しに明瞭に分けられているかのように解釈すべきである。このことは本出願の明細書と請求項のどちらに記載されているグループにも当てはまる。更には、グループの個別要素は、それに反する事実の指摘なしに、共通グループで提示されていることのみに基づき同一グループの他の要素の事実上の等価物と解釈されるべきではない。
【００１６】
本明細書では濃度、量、及びその他の数値データを範囲形式で表現又は提示することもできる。そのような範囲形式は単に便宜及び簡潔性のために用いられていると理解されるべきであり、従って、範囲限界として明確に列挙されている数値だけでなく、その範囲内に含まれている個々の数値や下位範囲全てが明確に列挙されているのと同じように含まれると柔軟に解釈されるべきである。一例としては、「約１から約５」の数値範囲には明確に述べられている約１から約５の数値だけでなく、その指定範囲内の個々の値及び下位範囲も含まれると解釈されるべきである。従って、この数値範囲には、２、３、及び４のような個々の値、並びに１から３、２から４、３から５等のような下位範囲だけでなく、１、１．５、２、２．３、３、３．８、４、４．６、５、及び５．１という個別の数値も含まれる。
【００１７】
この同原則は最小値又は最大値として数値１つだけを列挙している範囲にも適用される。更には、そのような解釈は記載された範囲の幅や特徴に関わらず適用されるべきである。
【００１８】
本明細書を通して「一例」という言い方は、その例と共に記載されているある特定の機構、構造、又は特徴が少なくとも１つの発明の実施形態に含まれるということを意味する。従って、本明細書を通して様々な箇所で出てくる「一例では」という言い回しは、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているものではない。
【例示的実施形態】
【００１９】
技術実施形態の概観を以下にまず提供し、その後に具体的な技術実施形態を詳細に説明する。この最初の要約は読者の技術への理解をより速く実現することを支援することを意図したものであり、重要な又は必要不可欠となる技術的特徴を確認することを意図したものでも、請求対象の範囲を制限することを意図したものでもない。
【００２０】
本開示はある環境下での物理的測定のための新しい干渉計測装置、システム、及び方法に関するものである。例えば、一態様では、所定の装置、システム、又は方法の具体的設計と利用法次第であるが、本技術を一次元、二次元、及び／又は三次元における２点又はそれ以上の多点間の距離を検出するために利用することができる。更には、そのような距離測定は、固定点及び移動点を含む２点又はそれ以上の多点間の絶対的距離測定、相対的距離測定、又はそれ以外の測定を最終的に実現することができる。従って、移動点には別の１固定点又は複数固定点に対して１点が移動する状況だけでなく、複数点が移動する状況も含まれるであろう。このように、本技術は、位置、距離、並びに位置及び／又は距離の変化の測定、移動物の追跡、並びに速度、加速度、減速度等の測定に利用することができる。測定点間の距離に変動をもたらす物の膨張又は収縮もまた追跡又は観測することができる。
【００２１】
従って、一例では本開示対象は少なくとも2点間の距離の測定方法を提供する。方法には、コヒーレント光のビームを個々のビーム成分に分割し、各ビーム成分を別々の導波経路に沿って、付属する光検出器の方へそしてその中へ向け、各経路にある各付属光検出器で局所的光電流を発生させるようにすることを含むことができる。各ビーム成分をそれに付属する光検出器を通して送り届け、別の経路の光検出器に衝突させ、各光検出器で干渉光電流を発生させるようにすることもできる。干渉光電流間の差は、付属又は対応する光検出器間の距離に関係付けることができる。
【００２２】
更には、本開示は、コヒーレント光の分割ビームを第１光検出器を通して第１経路に沿って第２光検出器の中へ向け、第２光検出器を通して第２経路に沿って第１光検出器の中へ向けるように構成した、信号又は第１光検出器、参照又は第２光検出器、光学ビーム源、及び導波路を含む干渉計測装置を提供する。システムには光変調器及び／又はロックインアンプを含むこともできる。一態様では、本開示は、そこでファイバーが少なくとも２つのファイバー経路に分割するコヒーレント光源に結合した光ファイバーを有す光ファイバー干渉計測器を含むシステムを提供する。
【００２３】
コヒーレント光源には、光ファイバーにコヒーレント光を送り込む能力のある光発生装置又はシステムであれば、どのようなものでも含むことができる。非限定的例には、ファイバーレーザー、固体レーザー、気体レーザー、レーザーダイオードのような半導体レーザー、フォトニック結晶レーザー等を、これらの適切な組み合わせを含め、含むことができる。特定の一態様では、光源はピッグテール・レーザーダイオードとなることも可能である。
【００２４】
光検出器のような、システムのそれ以外の構成要素との使用に適したものであれば、どのような出力電力でも用いることができる。用途次第ではあるが、出力電力は１マイクロワットから１ワット超の範囲とすることができる。しかしながら、多くの用途では１−１００ミリワット電力を用いることができる。出力電力は、望ましい信号対雑音比、検出帯域幅、光検出器の線形応答の飽和、及びある特定の環境下での干渉計測器使用に関わる光電力安全事項のような様々な基準に基づき選択することができる。いくつかの例では、光ファイバーから放射される発散ビームの側方及び長手方向の両方向の測定範囲を最大化するため、光検出器や光検出器で発生する光電流を低下させずに、コヒーレント光源の出力電力を最大化することが望ましいとなることがあり得る。
【００２５】
更には、適切な波長のコヒーレント光はどのような波長のものでも本システム及び方法で使用することができる。しかしながら、当業者には明白なことであるように、赤外線及び可視光範囲のコヒーレント光は多くの実用上の利点を有し得る。従って、一態様では、本システムの光源は４００ｎｍから１０００ｎｍまで及びそれ以上の波長のコヒーレント光を放射することが可能となっている。いくつかの態様では、光源は赤外線範囲の（即ち、赤外線と近赤外線の両方の範囲を含む、７５０ｎｍから１０００ｎｍ以上までの波長の）コヒーレント光を放射することができる。いくつかの態様では、光源は可視光線範囲の（即ち、４００ｎｍから７５０ｎｍまでの波長の）コヒーレント光を放射することができる。しかしながら、様々な光源には、その光源が放射する光のコヒーレンシーの点で様々な制限があり得る（即ち、長い距離に渡っては、その光のコヒーレンシーは減衰し得る）。従って、必要となる距離に渡って干渉信号を発生させるために十分にコヒーレントなビームを発生させるには光源の周波数範囲が十分に狭くない場合、本システムや方法の全ての用途には（即ち、長距離に渡る測定には）適さない光源もいくつかあり得るかもしれない。
【００２６】
コヒーレント光は光ファイバーを通して送り届けられるものの、光ファイバーから光検出器を通して伝送され別の光検出器によって検出される光は、導波路の大きさ、導波路出口の大きさ、光検出器の大きさ、光検出器間の距離等によって、コヒーレンシーを完全に維持できる場合もあるし、できない場合もあることに留意。干渉を発生させるに十分なコヒーレンスが光にある限りは、「コヒーレント」という表現には空間的及び時間的な両方の成分を含むことができる。記載の干渉効果を発生させるには、これら成分の両方が一般的には必要とされる。また、反対側のファイバー経路からの伝送光を受け取る光検出器は両方とも、干渉を発生させるためには、反対側のファイバー経路に対し直交偏光されていない光を利用するべきである。
【００２７】
光ファイバーはその全長に渡ってコヒーレント光を含み伝送することが可能な材料であればどのような材料のものであってもよい。一般的には、光ファイバーには可撓性があり、最小限の質量で、透明な導波路である。シリカ、透明ポリマー等とそれらの適切な組み合わせを含む、様々な材料が光ファイバー材料として利用可能であるが、挙げた材料に限定されるものではない。更には、いくつかの態様では、光ファイバーにはシングルモード・ファイバーを含むことが可能である一方、他の態様ではマルチモード・ファイバーを使用することも可能である。他の態様では、光ファイバーを用いずに光を送り届けることも可能であり、したがって、光検出器で干渉が生じることを可能にする光を送り届ける機構であればどのようなものでも、本発明の範囲内とみなされる。一例として、いくつかの態様では、標準的バルク光学装置を光を送り届けるために用いることも可能である。しかしながら、シングルモード・光ファイバーの多くの実用上の利点があるため、この種類の導波路については具体的に述べる。
【００２８】
本システム及び方法では様々なシングルモード・ファイバーを使用することができる。いくつかの態様では、開口数に基づきシングルモード・ファイバーを選択することができる。シングルモード・光ファイバーの開口数は、ファイバーから光のコヒーレント・ビームが出ていく際の角度を制御し、その結果、光ファイバーから放射される光の側方及び長手方向の範囲を制御する。例えば、ファイバー端から広角（即ち、側方に大きな範囲）でビームを放射させることが望ましい場合、開口数の大きなファイバーを選択することができる。反対に、ファイバー端から狭角（即ち、長手方向に大きな範囲）でビームを放射させることが望ましい場合、開口数の小さなファイバーを選択することができる。従って、コヒーレント光学ビームの到達範囲を側方又は長手方向のどちらに大きく取りたいかという意図により、シングルモード・光ファイバーの開口数を選択することができる。一般的には、側方範囲（即ち、ビーム発散）を拡大することは検出可能な信号の長手方向範囲を縮小させ得る。逆に、長手方向範囲（即ち、その範囲に渡って光信号が検出可能な距離）を拡大することは、一般的には光信号が検出可能となる側方範囲又は幅を縮小させ得る。
【００２９】
従って、本システムは、システムの長手方向及び側方の到達範囲により、ある距離範囲を測定するために用いることができる。例えば、単一軸の一次元測定については、本システム範囲は大きいもの（１０ｍ又はそれ以上のもの）となり得る。この幾何学においては、以下でより十分に考察するように、ファイバーから放射されるコヒーレント・ビームを、レンズでコリメート又は発散させずにほぼコリメートすることができる。しかしながら、三次元位置測定が望ましい場合、参照及び信号ビームは発散し、それ故に長距離においては所定の検出器に対して他のファイバーから到達する電力は、より小さいものとなり得る。この条件下では測定可能な長手方向及び側方の最大距離を雑音が決定し得る。
【００３０】
例示目的のみとなる非限定的例としては、検出器を通過するファイバーから放射される光がビームウエスト２×１０＾−６ｍとなるガウシアン形状を持つのであれば、半発散角は０．１ラジアンとなる。これは４×１０＾−１２ｍ２という光検出器の有効面積におおよそ相当する。（面積はビームウエスト・サイズの二乗におおよそ等しいという単純化した想定を使用。更には、参照ビームが小さい場合は光検出器の面積が大きくなり得ることに留意。）この例ではまた、ガウシアン・ビームは１ｍＷの電力を有していると想定。ガウシアン・ビームは別の検出器に向かって伝播するに従い広がる（同様の有効光検出器面積を持って）。ビーム強度はビームが広がるにしたがい低下する。６．３ｎｍの分解能の距離測定が望ましいという想定をすると、光検出器電流で信号対雑音比が１００であることが必要となる。この条件下では、他のファイバー／光検出器（同様の有効光検出器面積=４×１０＾−１２ｍ２を持つ）が受け取る電力は４．８×１０＾−１２ワットとなり得る（以下の例１で示すように、この例と矛盾の無い条件下で計算されたショット雑音と１ｋＨｚの検出帯域幅に基づく）。信号ビームが広がり他の光検出器に到達し、この信号対雑音比を生じさせる最大の面積は、以下の関係：最大信号ビーム面積=（信号電力／最小検出電力）＊（光検出器面積）=（１×１０＾−３ワット／４．８×１０＾−１２ワット）＊（４×１０＾−１２ｍ２）=８×１０＾−４ｍ２で求められるように、おおよそ８×１０＾−４ｍ２となり得る。この例では、この最大ビーム面積はおおよそ２．８ｃｍのおおよそのビーム幅に相当する。従って、発散角０．１ラジアンでは、ビームは半径おおよそ２．８ｃｍに広がり、有効面積４×１０＾−１２ｍ２の検出器により信号対雑音比１００で検出することがまだ可能である。このことは、有意な距離測定分解能（６ｎｍ）の低下を回避しつつ２つのファイバー／光検出器を側方に２．８ｃｍ移動させることが可能であることを意味している。この発散角（０．１ラジアン）において、最大の長手方向の測定範囲はおおよそ２８ｃｍである。電力を上げれば、又は帯域幅を小さくするか発散角を小さくすれば、長手方向の範囲も大きくすることができる。
【００３１】
このことにより一次元、二次元、及び三次元での距離測定を実行するにあたりかなりの柔軟性を提供することができる。一次元測定については、（この非限定的例については）検出器が側方２．８ｃｍより良く位置合わせされていなくとも測定が実行可能であるため、２つのファイバー／光検出器の位置合わせは必要ではない。
【００３２】
非限定的例を続ける。この例では、参照面に距離を２．８ｃｍ未満に離していくつかの参照ファイバー／検出器を配置し、それぞれを参照ファイバー／検出器と信号ファイバー／検出器間の距離を別々に測定するように構成する。それから三角測量法を用い大きな側方範囲に渡って（それぞれの検出器ペアの個々の側方範囲（２．８ｃｍ）よりもはるかに大きな範囲で）信号ファイバー／検出器の三次元位置の測定を検出することが可能となる。
【００３３】
おおよそ２×１０＾−５メートルのガウシアン・ビーム・ウエスト（有効検出器面積＝４×１０＾−１０）に対応する、０．０１ラジアンの発散角度の場合、側方範囲おおよそ２８ｃｍで、長手方向範囲はおおよそ２８メートルに延びる（電力は１ｍＷ、信号対雑音比は１００と想定）。
【００３４】
適切な範囲は、付属するファイバー／光検出器からの干渉光信号をファイバー／光検出器が検出可能な範囲であればどのような範囲であってもよい。上述のように、干渉ビームの最小検出可能電力は、検出工程において支配的な雑音と検出システムの帯域幅により決定することができる。以下に示すように、光検出器が検出するヘテロダイン干渉信号は、参照及び信号ビームの電力の平方根に比例する。参照ビームはファイバーから直接来る光で、別のファイバーに付属する光検出器に向かう前に、隣接する側で検出器に衝突する。信号ビームは光検出器を通過してきたビームで、別の光検出器へ向かう。
【００３５】
上述のように、光ファイバーは別々のファイバー経路に分割することができ、その結果としてコヒーレント光のビームを別々のビーム成分に分割し、各ビーム成分を別々の導波経路沿いに方向付けることができる。１つ又は複数のファイバー経路には、音響光学変調器、電気光学変調器、磁気光学変調器、機械光学変調器、位相変調器、又はその他適切な装置のような光変調器を含むことができる。一具体例では、位相変調器を用いることができる。そのように、主光ファイバー（例えばシングルモード・ファイバー）に送り届けられたコヒーレント光を各ファイバー経路内へ向け、各経路毎の光を周波数又は位相変調装置を介して様々な周波数（Δf1,Δf2,Δf3…）で周波数偏移又は変調させることができる。周波数変調、位相変調、振幅変調、周波数偏移、位相偏移等とこれらを組み合わせを含めたものを含む、様々なタイプの変調を利用することができるが、それらに限定されるものではないことに留意のこと。各経路毎に異なる変調周波数を用いることによって、２つの経路の差周波数でのヘテロダイン信号を測定することで、経路のどのようなペア間の干渉も個別に検出することが可能である。
【００３６】
半透明又は光学的に薄い光検出器を、光ファイバーの各ファイバー経路の終端付近又は終端に配置することができる。ｐ-ｎ接合又はＰＩＮ接合を備えた半透明又は光学的に薄いフォトダイオードのような、半透明又は光学的に薄い光検出器であれば、どのようなものでも使用することができる。ＰＩＮ接合を備えた半透明な光検出器１００の一具体例を図１に例示する。図１に例示するように、シリコンウェハー１０１の中央部にエッチングを施し、幅Ｗ１を持つ経路を提供し、光検出器１００の透明性を高めている。代替として、又は組み合わせで、光検出器を透明基板上に作り付け、経路を作る必要性を排除することもできる。機構１０２はシリコンウェーハ１０１上に配置した酸化物層を表している。機構１０３、１０４、及び１０５は、それぞれｎ＋シリコン層、真性シリコン層、ｐ＋シリコン層を表している。機構１０６ａはｐ＋シリコン層上に配置したケイ化物又は金属コンタクトを表す。機構１０６ｂはｎ＋シリコン層上に配置したケイ化物又は金属コンタクトを表す。機構１０７ａと１０７ｂはそれぞれコンタクト層１０６ａと１０６ｂに結合した導線を表す。先に留意したように、図１は適切な半透明又は光学的に薄い光検出器の一例のみを例示している。当業者には理解されるように、適切な半透明又は光学的に薄い光検出器を作成するには、多くの適切な変形形態又は代替手段を用いることができる。
【００３７】
付属する経路からコヒーレント光を受け取るために光検出器を配置することができる。これは多くの構成を用いることにより達成可能である。一態様では、光検出器を光ファイバーのファイバー経路端上に組み立て又は結合させることができる。別の態様では、図２Ａに例示するように、光ファイバー２２０は光検出器２１０の方へ光を放射することができる。ファイバ２２０の端部から放射された光は、隣接側２１３の光検出器２１０に衝突する。その後、光は光検出器２１０の反対側２１５から付属する参照光検出器（図示無し）の反対側の方へ放射される。更なる態様では、図２Ｂに例示するように、光検出器２１０から放射された光をコリメートし又はほぼコリメートし、付属する光検出器の方へ向けることができる。代替として、図３に例示するように、光検出器３１０と光ファイバー３２０の間にレンズ３６０を配置し、光検出器にファイバーから放射されるコヒーレント光の焦点を合わせるようにすることができる。光検出器を通過した後、コヒーレント光はレンズによって決められた角度で発散する。全ての場合において、光検出器（２１０，２６０，３１０）はコヒーレント・ビームの大きさよりも大きくなることができる。この条件下、有効ヘテロダイン検出面積は、図３に示すように参照ビーム（即ち、ファイバーから来るビーム）の大きさによって決められる。
【００３８】
特定用途によっては、様々なレンズを使用し、コヒーレント・ビームの発散角を変え、特定の位置でコヒーレント光をコリメート及び／又はコヒーレント光の焦点を合わせ直すことができる。非限定的例としては、グレーデッド・インデックス型レンズ又は通常のレンズを使用することができる。このようにして、光ファイバーの開口数と同様に、レンズも、ビーム発散とそれに伴う長手方向又は側方のビーム到達範囲を制御するために用いることができる。
【００３９】
先に留意したように、少なくとも１つのファイバー経路を別のファイバー経路の方へ方向的に向け、付属する光検出器を通過した光を放射し別のファイバー経路に直接的に付属する光検出器に衝突させるようにすることができる。このようにして、光検出器は両側、即ちそれぞれ異なるファイバー経路から来る光を受け取る。そこでは、１つのファイバー経路から来る光は、変調装置によって、それ以外のファイバー経路からくる光とは異なる周波数で、周波数又は位相偏移される。光検出器の両側から入射する光と、２つのビームの光学的干渉に伴う光場変動の結果として、光検出器内に電荷担体が発生する。このように、各光検出器はそれぞれの側から光を受け取るが、そこでは２つの異なる側からの光は異なる周波数で変調されている（１つは変調されないままということも可能である）。この条件下、２つの変調周波数間における差周波数でヘテロダイン信号が生じ、その信号をロックインアンプ又はその他の適切な装置を用いて検出することができる。関与する２つの経路の光検出器それぞれでヘテロダイン信号の位相を測定し、その位相を比較する（その差を取る）ことにより、各ファイバー経路にある間に（光検出器に到達する前に）光が受ける光路長（位相遅延）を取り除く。同時に、２つの光検出器からのヘテロダイン信号間の差位相を、２つの光検出器間の距離又は２つの光検出器間の距離の変化に直接的に関係付けることができる。
【００４０】
例えば、図４で示すように、２点間の距離を測定するシステムには、光源に結合し光源４３０からコヒーレント光を受け取り伝送するように動作可能な光ファイバー４２０を備えた、コヒーレント光源４３０を含むことができる。光ファイバー４２０は、少なくとも２つのファイバー経路４２０ａとｂに分割され、それらを通してコヒーレント光が伝送される。１つのファイバー経路４２０ｂの光は、位相又は周波数変調装置４４０によって周波数偏移させるか、そうでない場合は変調させる。光検出器４１０又は４１２は、いくつかの事例では、透明な光検出器、半透明な光検出器、又は光学的に薄い光検出器であるが、この特定の例における事例のように、ファイバー経路４２０ａ、ｂそれぞれに、又はそれぞれの端部に結合させることができる。その結果、各光検出器は、光検出器が結合したファイバー経路から直接的に片側で光（参照ビーム）を受け取る。これを隣接側と呼ぶことができる。更には、図４で示すように、ファイバー経路を互いの方へ向け合っている場合、各光検出器は更に、その光検出器が直接的に結合していないファイバー経路から伝送光（信号ビーム）を受け取る。光検出器のこの側を反対側と呼ぶことができる。従って、図４では、例えば、光検出器４１０は、光検出器４１０が結合しているファイバー経路４２０ａから直接的に隣接側で光を受け取り、光検出器４１０が直接的に連結していないファイバー経路４２０ｂから反対側で伝送光も受け取ることになる。各検出器における２つの光ビームの干渉は、それぞれの光検出器において測定可能な干渉光電流（ヘテロダイン信号）を発生させる電荷担体を発生させる。
【００４１】
図５Ａに例示しているように、ロックインアンプ５７０を、各光検出器５１０、５１２からの光電流を検出するために用いることができる。光検出器５１０及び５１２で発生したそれぞれの光電流は、アンプ５７５ａ、ｂを介し増幅させることができる。光学フィルター５８０ａ、ｂを、ロックインアンプ５７０へ信号が到達する前に信号をフィルターするために用いることができる。しかしながら、多くの場合、ロックインアンプは補助的フィルターの追加無しで十分な信号のフィルタリングを提供することができる。このように、ロックインアンプを、２つの光検出器それぞれから来る差周波数信号の位相を高い信頼性で検出し抽出するために用いることができる。代替として、図５Ｂに例示するように、光変調器５４０からの周波数信号は、参照信号としてロックインアンプへ送ることができる。図５Ｂは単一の光変調器からの信号を例示しているが、以下で詳細に考察するように、信号は複数の光変調器から来るものであってもよい。
【００４２】
以下により詳細に述べるように、光検出器それぞれからの干渉光電流を、２つの検出器又はファイバー端間の距離又は同間の距離の変化を測定するために用いることができる。２つの光検出器からの２つのヘテロダイン信号は同じ周波数である（２つの経路又はファイバー・アームの２つ変調周波数間の差）ということは留意に値する。これらは、１つの信号がロックインアンプへの参照として入力され、その他がロックインアンプへの信号として入力される場合（図４に示すように）、単一のロックインアンプによって検出することが可能である。２つの別々のロックインアンプを使用し、それぞれで、２つの変調器の差周波数で変調器から直接的に生じさせるロックインアンプ参照（電気信号）と単一の光検出器から直接的に来るロックイン信号をを用いて、各光検出器からのヘテロダイン信号を別々に検出することも可能である。このシナリオでは、各信号の位相を別々に測定することが可能であり、その結果、２つのロックインアンプから２つの位相信号を引くことで、２つの信号間の差を求めるができる。例えば、図６に例示するように、光源６３０からの光を、光検出器６１０，６１２の方へ向かう別々の光路に分割することが可能である。光検出器６１２の方へ向けられた光は、光変調器６４０を介し変調することが可能である。例示しているように、変調器６４０から直接的に生じさせるロックインアンプ参照（電気信号）を用いて、別々のロックインアンプ６７０ａ、ｂがそれぞれ各光検出器６１０、６１２からのヘテロダイン信号を別々に検出することができる。別の例では、図７に例示するように、光源７３０からの光を、それぞれが光変調器７４０ａ、ｂを備えた光検出器７１０、７１２の方へ向かう別々の光路へ分割することが可能である。２つの変調器７４０ａ、ｂの差周波数を、光検出器７１０、７１２で発生させるそれぞれのヘテロダイン信号用の参照信号として用いることができる。参照信号をミキサー７８０に送り、ｆ１＋ｆ２及びｆ１−ｆ２参照信号を求めるようにすることができる。その後、フィルター７９０を使用してｆ１＋ｆ２参照信号を除去し、ｆ１−ｆ２参照信号のみをロックインアンプで参照として使うことができるようにすることが可能である。このシナリオでは、各ヘテロダイン信号の位相を別々に測定し、その後、２つのロックインアンプから２つの位相信号を引くことで２つの信号の差を求めることが可能である。
【００４３】
ファイバー経路の終点、光検出器表面、その他の光検出器構造等を含む、複数の検出器を用いて距離を測定するこが可能であり、それ故に、距離測定の起点となる場所を本発明の範囲を制限するものとして捉えるべきではない。特定の一態様では、距離は光検出器の向かい合う表面間の距離である。他の事例では、距離は距離又は位置の変化の尺度とすることが可能であり、従って、ある参照点からある所定の位置までの距離を、光検出器での光検出の正確な場所を知ることなく求めることが可能である。
【００４４】
更には、三角測量法の原理を用いて、二次元又は三次元測定をすることが可能である。例えば、ファイバーと検出器の単一ペアを用いて、一次元システムを組み立て、距離の変化を測定することができる。このシステムでは、光の発散により、干渉信号を失うことなく、有限の側方範囲で２つのファイバー／検出器の内１つを他方に対し側方に移動させることができる。このシステムで測定する距離は、２つの検出器を単一軸上に位置合わせしていない場合でも、２つの検出器間の絶対距離の変化となる。測定される距離は、干渉（ヘテロダイン）信号が検出される２つの検出器間の三次元距離の全長となる。
【００４５】
このシステムから、二次元又は三次元のシステムを組み立てることができる。これは、その三次元位置が調査対象となる１つの信号又は測位ファイバー／検出器を用意し、その後に、動かない参照格子に固定された一連の別の参照ファイバー／検出器を用意するることにより可能となる。これら参照検出器を、それぞれが信号ファイバー／検出器と作用し、ある所定の時点でのそれらの間の絶対的な三次元距離の変化を一意的に測定できるように配置することが可能である。これは、各参照ファイバー／検出器にそれ以外の全てのファイバー／検出器とは異なる固有の周波数偏移をそのアームに持たせることによって実現可能で、その結果、参照ファイバー／検出器の各ペアからの干渉信号を個別に検出できるようにすることを可能にする。参照ファイバー／検出器を全て側面方向で空間的に離して固定した場合、信号ファイバー／検出器と全ての参照ファイバー／検出器間の三次元距離の変化を測定することによって、三角測量法を用いて、既知の参照ファイバー／検出器に対する信号ファイバーの三次元位置を一意的に求めることができる。このように、信号ファイバー／検出器の三次元情報を得るには、少なくとも３つの参照ファイバー／検出器を用いることが可能である。単一のレーザー源からの光を各参照アームで異なる周波数で変調（周波数偏移、位相偏移、振幅）し、そのアームに対し固有の信号を与えるようにすることができる。信号ファイバーの二次元又は三次元位置（情報）を抽出するために必要となる数式を確立するために、最初にファイバーのシステムの較正の手続きが必要となる可能性がある。較正が一旦完了すれば、その関係性から二次元又は三次元位置を迅速に求めることが可能となる。
【００４６】
図８は複数の検出器を使用するシステム８００の一具体例を示したものである。具体的には、光学ビーム源８３０は、参照ビームを光路８２０ａ沿いに信号光検出器８１０の隣接側の方へ向けることができる。いくつかの例では、この経路に光変調器８４０を含めることができる。このことは信号光検出器８１０で局所的又は最初の光電流を生じさせる。信号ビームは、信号光検出器８１０から参照光検出器８１２ａ、ｂ、ｃの反対側の方へ放射することができる。参照ビームは、光ファイバーに沿って光検出器の隣接側の方へ伝播するコヒーレント光学ビームとみなすことができる。信号ビームは、光検出器の反対側から別の光検出器の反対側の方へ放射されるコヒーレント光学ビームとみなすことができる。従って、参照ビームは光路８２０ｂ沿いにも向けることができるが、この参照ビームを光変調器８４０ａ、ｂ、ｃを介して変調し、互い及び光路８２０ａの参照ビームとは別の光周波数を持つようにすることができる。これらの被変調参照ビームを各参照検出器８１２ａ、ｂ、ｃの隣接側の方へ向け、各参照光検出器８１２ａ、ｂ、ｃにおいて局所的又は最初の光電流を生じさせることができる。被変調信号ビームは、各参照光検出器８１２ａ、ｂ、ｃから信号光検出器８１０の反対側の方へ向けて放射することができる。従って、参照ビームと被変調信号ビームによって発生させる信号干渉光電流を信号光検出器８１０で検出することが可能で、またそれぞれの被変調参照ビームと信号ビームで発生させる干渉光電流を各参照光検出器で検出することが可能である。信号干渉光電流と参照干渉光電流間の差を、信号光検出器と参照光検出器間の距離に関係付けることが可能である。より具体的には、参照光検出器８１２ａ、ｂ、ｃは、固定又は既知の参照位置を占めることができる。信号光検出器８１０は、参照光検出器８１２ａ、ｂ、ｃに対して移動するしたがい、その位置を三角測量法を介して求めることができる。
【００４７】
図８は参照光検出器を３つのみ備えた一例を例示しているが、合理的な数であればいくつでも光検出器を用いることができる。例えば、一列の参照光検出器を使用することができる。これによって３つの参照光検出器のみを備えている場合の側方への制限を克服することができる。このように、信号光検出器が少なくとも３つの参照光検出器の範囲内にある場合は、信号光検出器の位置を三角測量法により求めることができる。信号光検出器が１つの参照光検出器のビーム幅の範囲を超えて移動する場合、信号光検出器は光検出器の列上の別の参照光検出器の範囲内に移動するということが起こり得る。そのようにして、信号光検出器の位置をそれまでと同様に三角測量法によって求めることができる。
【００４８】
干渉計測システムの較正は多くの方法で行うことができる。一例では、独立した較正済測位システムを用いて、信号光検出器を単一参照光検出器付近にある間は側方様々な範囲に渡って正確に走査することができる。走査中、２つの光検出器間の距離を、本方法を用いて干渉計測の方法で測定することができる。その後この距離データを三角測量法に当てはめることができるが、その方法を用いることで、参照ファイバーの位置と参照位置に対する信号検出器の三次元位置を一意的に求めることができる。較正が一旦完了すれば、較正済測位システムを使わずに信号検出器の位置を測定することができる。既述のように、所定の光検出器は両側、即ち、光検出器が直接的に取り付けられている光ファイバーから来る隣接側と、距離測定が行われる光検出器の方へ向けられた光ファイバーから来る反対側から、光を受け取る。一態様では、光検出器を、両側からもたらされる電場の重なりによって干渉信号（即ち、ある１つのファイバー信号をそれ以外のファイバー信号に対して周波数変調するのであれば、ヘテロダイン信号）の検出を可能とするくらい、十分に薄くすることが可能である。その場合、２つの検出器のヘテロダイン信号間の位相間の差を用い、２つの検出器間の距離又は同間の距離の変化を検出し、光検出器への２つのファイバー・アーム経路にある光路差への依存を取り除くようにする。より具体的には、光検出器における２波の光学的干渉が光検出器に電荷担体を生じさせ、その結果生じる光電流には、２つの検出器間の距離の変化を検出するために比較することができる各検出器内のヘテロダイン信号が含まれる。いかなる科学的理論にも束縛されるものではないが、各検出器内で生じる光電流には、静的（直流）な光電流と時変光電流が含まれる。各検出器における光電流は、干渉計の２本のアームにおける光学ビーム間のおおよその周波数差Δｆという周波数を備えた、正弦波又は正弦波状のものとなり得る。
【００４９】
次に２つの経路間の光学的位相差Δφ（光波数ｋ０＝２π／λ０）について説明する。便宜上、説明では検出器＃（番号）とＬｎという表現を用いる。これらの表現については図４の図表を参照のこと。検出器＃１では、差周波数（Δｆ）において、式Iで示す位相差を持つ光電流の正弦波（ヘテロダイン信号）が見られる。
Δφ１＝ｋ０（（Ｌ２＋Ｌ３）−Ｌ１）                      I
検出器＃２では、差周波数（Δｆ）において、式IIで示す位相差を持つ光電流の正弦波（ヘテロダイン信号）が見られる。
Δφ１＝ｋ０（Ｌ２−（Ｌ３＋Ｌ１））                       II
それぞれの検出器における位相を、例えばロックインアンプで測定し、位相間の差Δφ１２を測定する場合、結果は式IIIで表すようになる。
Δφ１２＝Δφ１−Δφ２＝２Ｌ３ｋ０                        III
【００５０】
ここまででわかるように、差位相Δφ１２はファイバー端間の距離Ｌ３と光学ｋベクトルｋ０に依存する。後者は波長に依存するが、Ｌ１やＬ２には依存しない。
【００５１】
本開示技術の利点の１つは、光検出器の大きさとその大きさが検出器間の位置合わせにどのように関わってくるか、ということに関係している。検出器の大きさが小さくなるにつれ、優れた光学的干渉を伴う受光角は大きくなる。理論に束縛されるものではないが、光ヘテロダイン信号の強さは各検出器に入射する２つのビームそれぞれの電力の平方根に比例する。光電流は式IVで示すように光ヘテロダイン信号の強さに比例する。
2018503813.tif 000003
IV  
Ｉ＝電流＝ａｌｐｈａ＊光ヘテロダイン電力＝ａｌｐｈａ２ √（Ｐ１＊Ｐ２）
ａｌｐｈａは検出器の応答度
電流Ｉの大きさは光ヘテロダイン信号に比例し、光ヘテロダイン信号は検出器の隣接側で検出される信号の電力Ｐ１と検出器の反対側で検出される信号の電力Ｐ２の平方根に比例する。検出器隣接側の信号の電力Ｐ１は既に高いため、低電力の発散ビームＰ２にでも、十分なヘテロダイン光電流を発生させることが可能である。光検出器が参照ビーム面積よりも大きいか又ははるかに大きい場合、ヘテロダイン干渉信号は参照ビームが感知可能な領域内でのみ優位に発生するということは留意に値する。それ故に、ヘテロダイン信号検出の際の光検出器の有効サイズは、検出器での参照ビームの大きさとなる。更には、光検出器面積に典型的な小さい有効サイズのため、ヘテロダイン信号は一般的に全体として小さくなる。ここで述べた光検出器面積は有効光検出器面積であり、所定の光検出器の実際の大きさははるかに大きなものとなり得るということには留意すべきである。
【００５２】
しかしながら、ヘテロダイン信号は弱い参照信号（発散ビーム）の平方根にのみ依存する。光検出器の小さい有効サイズのため、信号及び参照検出器の正確な位置合わせは距離を測定するにはそれほど重大なことではない。言い換えれば、比例的に大きな光検出器を通過するより大きな直径のコヒーレント光ビーム（参照ビーム）は、より小さい直径の参照ビームに比較して、より狭い角度公差で位置合わせされなければならない。例えば、直径がおおよそ１ｍｍとなる可視光（例としては０．５μｍの波長）を使用する光検出器であれば、距離測定で優れた（効率的な）干渉を実現するためには、４×１０−４ラジアン以内のおおよその角度公差を位置合わせで必要としよう。
【００５３】
一方、有効サイズ約２ミクロン（約２ミクロンの参照ビーム幅）の光検出器であれば、干渉を効率的に生じさせるためには、おおよそ１．６×１０−１ラジアンの角度公差を持ったものとなろう。このように、光検出器の大きさが小さくなるにつれ、角度公差は大きくなる。
【００５４】
更には、理論に束縛されるものではないが、各ファイバー経路からの参照ビームの直径が小さくなるほど、ビームの発散は大きくなり、その結果、その中に干渉信号を検出するために反対側光検出器を配置することのできる、ビーム発散角とそれに対応する側方範囲が大きなる。それ故に、光ファイバーの選択はファイバー・コアの大きさに基づいたものとすることが可能である。シングルモード・ファイバーは直径１５ミクロン未満、１０ミクロン未満、又は１−２ミクロン未満のコアのものとすることができる。一態様では、シングルモード・ファイバーは、放射光の回折角を大きくし、それ故に反対側の小さい光検出器の側方検出範囲を大きくすることになる、その小さいコアの大きさとそれに対応するより小さな直径の入射ビームのため、好ましいとすることができる。光検出器をファイバー端に作り付け、ファイバー・コアの出口とおよそ同じ大きさの表面積かそれ以上の表面積を覆うようにすることができる。一態様では、結晶質シリコンから光検出器を作成し、約１−５ミクロンの直径の光ファイバー・コアの大きさとおよそ同じ大きさとなるようにすることができる。光検出器はまたレンズ有無に関わりなくファイバーの端部付近に配置することもできる。検出器に様々な幅で参照ビームの焦点を合わせることで、レンズは有効光検出器面積を調整可能なものとしている。
【００５５】
更には、入射ビームは非常に小さく発散角は大きくするということが可能であるため、２つ、３つ又はそれ以上の数の検出器を使用して、三次元測定を行うことが可能である。それぞれの検出器で検出する干渉信号を使って、各検出器間のそれ以外の検出器に対する距離を測定し、三次元での任意の光検出器のそれ以外の光検出器に対する位置を三角測量法で求めることができる。
【００５６】
ファイバー要素（素子）の小さい大きさと重さと対応する広い検出範囲と角度は、本技術の非常に多様な装置と用途への応用を可能にする。本技術の利点の１つは、他のいくつかの干渉計測法で必要とされる、高度に正確なビーム位置揃えのための洗練された機器や時間的制約を必要としないということである。また低コストでの製造用に相対的に安価な材料を用いている。それ故に、本技術は多くの機械、装置、及びサービスで有用で望ましいものとなり得る。いくつかの例では、干渉計測システムを、測定機器、製造機器、ロボット、車両、加工工具等のような機械に動作上連結することができる。一態様では、本技術を計量学で用い、工学機器、測定機器、及びその他の機器を適切に較正することができる。別の態様では、本技術を半導体やその他類似装置の微細加工での計量学に用い、ウェハー又はその他の基板と構成要素の適切な位置合わせを確実にしたり、表面を評価したり、その他の適切な微細加工作業を行うことができる。一態様では、複数のファイバーをロボットのアームに結合し、基準枠に対してアームを正確に位置付け、物を掴む、そうでなければ物としっかりかみ合う、物を避けるようにすることができる。ロボットのアームは据え付けロボットの一部又は歩行移動可能なロボットの一部とすることができよう。ロボットは組み立てライン、ドローン若しくはその他の機器での軍事的応用、家庭消費者向け製品若しくははサービス、又はその他の様々な製品及び目的向けに利用することができよう。ロボットには、前述したように、３つ以上の検出器を備え付け、三次元測定能を持たせるようにすることもできよう。これを達成する１つの方法は、それぞれに１つの光検出器又は光検出器のセットを備えた３つ以上のアーム、付属肢、又はロボット上のその他測定可能な場所を利用することによるものとなろう。更には、ロボット又はその他装置から離れた位置に１つ又は複数の光検出器を配置することによって、ロボットやその他装置の位置情報を測定することが可能である。また距離測定は、角度やその他幾何学的数量を測定するためにも用いることができる。また本技術は、様々なその他装置、システム及び方法においても利用することが可能である。また速度、加速度等も測定可能である。
【００５７】
本技術の光検出器を、光ファイバー経路の端部に結合することができるが、いくつかの態様ではその必要性はない。光検出器を、各検出器で適切な干渉パターンを発生させることができる任意の配置の光源に結合することが可能で、それらを光検出器間の距離を測定するために用いることができる。
【実施例】
【００５８】
以下の例は、発明の具体的実施形態に関連し、その実施形態を達成する際に用いる又はそうでなければ組み合わせることができる発明の具体的な機構、要素、又は段階に関連する。
【００５９】
一例では、少なくとも２点間の距離を測定する方法には、コヒーレント光のビームを別々のビーム成分に分割することと、各ビーム成分を別々の導波経路に沿って付属光検出器の方へそしてその中へ向け、各経路の付属光検出器で局所的光電流を発生させるようにすることと、その付属光検出器を通して各ビーム成分を送り届け、別経路にある光検出器に衝突させ、各光検出器で干渉光電流を発生させるようにすることと、干渉光電流間の差を対応する光検出器間の距離に関係付けることとを含むことができる。
【００６０】
一例では、方法には更に、レンズを使って付属光検出器に少なくとも１つのビーム成分の焦点を合わせることを含むことができる。
【００６１】
一例では、方法には更に、各付属光検出器を通して各ビーム成分を送り届け、別経路にある光検出器上に衝突させるようにすることを含むことが可能で、それが更にレンズを通して各ビーム成分を送り届け、別経路にある光検出器に衝突させるようすることも含む。
【００６２】
一例では、コヒーレント光のビームは４００ｎｍから１０００ｎｍの波長を持つ。
【００６３】
一例では、各導波経路にはシングルモード光ファイバーが含まれる。
【００６４】
一例では、１つのビーム成分を別のビーム成分に対して変調する。
【００６５】
一例では、被変調ビーム成分は周波数変調されたものである。
【００６６】
一例では、被変調ビーム成分は位相変調されたものである。
【００６７】
一例では、複数のビーム成分を互いに対して変調する。
【００６８】
一例では、少なくとも１つの光検出器は位置を固定した参照光検出器である。
【００６９】
一例では、干渉光電流をロックインアンプを使って検出する。
【００７０】
一例では、干渉光電流を各光検出器で別々のロックインアンプを使って検出する。
【００７１】
一例では、干渉計測装置には、光学ビーム源からのコヒーレント光の分割ビームを第１光検出器を通して第１経路沿いの第２光検出器の中へ向け、第２光検出器を通して第２経路沿いの第１光検出器の中へ向けるように構成した、第１光検出器、第２光検出器、光学ビーム源、及び導波路を含むことができる。
【００７２】
一例では、干渉計測装置には、第１又は第２光検出器を通して向けられているコヒーレント光のビームを変調するように配置した光変調器を含むことができる。
【００７３】
一例では、光変調器には音響光学変調器、電気光学変調器、磁気光学変調器、機械光学変調器、位相変調器、又はそれらの組み合わせからなるグループから選択する要素を含む。
【００７４】
一例では、光変調器は位相変調器である。
【００７５】
一例では、干渉計測装置には、第１及び第２光検出器を通して向けられたコヒーレント光のビームを変調するように配置した複数の光変調器を含むことができる。
【００７６】
一例では、第１光検出器及び第２光検出器の両方が光学的に薄いＰＩＮ光検出器である。
【００７７】
一例では、光学ビーム源は４００ｎｍから２０００ｎｍの波長のコヒーレント光のビームを放射するように動作可能である。
【００７８】
一例では、導波路はシングルモード光ファイバーである。
【００７９】
一例では、干渉計測装置には、第１光検出器、第２光検出器、又はそれら両方に動作的に結合したロックインアンプを含むことができる。
【００８０】
一例では、干渉計測装置には、第１光検出器を通して向けられたコヒーレント光のビームを変調するように第１経路沿いに配置した第１光変調器と、第２光検出器を通して向けられたコヒーレント光のビームを変調するように第２経路沿いに配置した第２光変調器と、第１光検出器及び第２光検出器に動作的に結合したロックインアンプを含むことができ、ロックインアンプへの参照入力は、周波数又は位相変調器からの電気参照信号を用いたものに由来する。
【００８１】
一例では、干渉計測装置には、光学ビーム源と、第１光検出器と、光学ビーム源から第１光検出器へ延びる第１導波経路と、第１導波経路に沿って光学的に結合し、第１導波経路においてコヒーレント・ビームを変調するように動作可能な第１変調器と、第２光検出器と、光学ビーム源から第２光検出器へ延びる第２導波経路と、第２導波経路に沿って光学的に結合し、第２導波経路においてコヒーレント・ビームを変調するように動作可能な第２変調器と、第１変調器と第２変調器に動作的に結合させたミキサーで、２つの変調器間の差周波数を測定するように構成したミキサーと、第１光検出器又は第２光検出器の少なくともどちらか１台に機能的に結合した少なくとも１台のロックインアンプとを含むことができ、ミキサーからの差周波数信号を参照信号としてロックインアンプへ送り届ける。
【００８２】
一例では、干渉計測装置には、機能的にミキサーに連結し、ミキサー出力の差周波数から和周波数をフィルターで取り除くように構成したフィルターを含むことができる。
【００８３】
一例では、信号光検出器の隣接側の方へ参照ビームを向けることと、参照光検出器の反対側の方へ信号光検出器からの信号ビームを放射することと、参照光検出器の隣接側の方へ被変調参照ビームを向けることと、信号光検出器の反対側の方へ被変調信号ビームを放射することと、参照ビームと被変調信号ビームにより信号光検出器で発生させた信号干渉光電流を検出することと、被変調参照ビームと信号ビームにより参照光検出器で発生させた参照干渉光電流を検出することと、信号干渉光電流と基準干渉光電流間の差を信号光検出器と参照光検出器間の距離に関係付けることとを含む、少なくとも２点間の距離を測定する方法。
【００８４】
一例では、シングルモード光ファイバー、１つ若しくは複数のレンズ、又はそれらの組み合わせを用いて、参照ビームを信号光検出器の隣接側の方へ向ける。
【００８５】
一例では、シングルモード光ファイバー、１つ若しくは複数のレンズ、又はそれらの組み合わせを用いて、被変調参照ビームを参照光検出器の隣接側の方へ向ける。
【００８６】
一例では、方法には更に、１つ又は複数のレンズを用いて、信号ビームを参照光検出器の反対側の方へ向けることを含むことができる。
【００８７】
一例では、方法には更に、１つ又は複数のレンズを用いて、被変調信号ビームを信号光検出器の反対側の方へ向けることを含むことができる。
【００８８】
一例では、ロックインアンプを用いて、信号干渉光電流と参照干渉光電流を検出する。
【００８９】
一例では、別々のロックインアンプを用いて、信号干渉光電流と参照干渉光電流を検出する。
【００９０】
一例では、参照光検出器対信号光検出器の数比は少なくとも２：１である。
【００９１】
一例では、参照光検出器対信号光検出器の数比は少なくとも３：１である。
【Ｍａｐｌｅコードの例】
【００９２】
本開示によるシステムの動作のモデル化の一例を示すＭａpｌｅコード。
2018503813.tif 000004
2018503813.tif 000005
2018503813.tif 000006
2018503813.tif 000007
2018503813.tif 000008
2018503813.tif 000009
2018503813.tif 000010
2018503813.tif 000011
前述の例は１つ又は複数の特定用途における具体的実施形態を例示したものであり、実施の際の形状、使用法、及び詳細においては、本明細書に明記の原理及び概念から逸脱することなく、数多くの変更を行うことが可能であることは当業者には明らかであろう。従って、以下に定める特許請求による場合を除き、限定することを意図したものではない。
【図１】
2018503813.tif 000012
【図２Ａ】
2018503813.tif 000013
【図２Ｂ】
2018503813.tif 000014
【図３】
2018503813.tif 000015
【図４】
2018503813.tif 000016
【図５Ａ】
2018503813.tif 000017
【図５Ｂ】
2018503813.tif 000018
【図６】
2018503813.tif 000019
【図７】
2018503813.tif 000020
【図８】
2018503813.tif 000021
【国際調査報告】
2018503813.tif 000022
2018503813.tif 000023
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