JP7578769B2 - Displacement Detection Device - Google Patents
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Description
本発明は、光源から出射された光を用いて、被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。 The present invention relates to a displacement detection device that detects the displacement of a surface to be measured using light emitted from a light source.
従来から、被測定面の変位を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。変位検出装置の具体的な構成については、種々の方式があり、実施の形態で後述するが、いずれの方式であっても、変位検出装置は、光源からの光を光ファイバで変位検出器に導く構成である。そして、変位検出装置は、被測定面の変位に基づいて、光源からの光の位相を変化させ、その光の位相の変化状態を検出することで、被測定面の変位量を検出する。 Conventionally, optical displacement detection devices have been widely used as devices for non-contact measurement of the displacement of a surface to be measured. There are various types of specific configurations of the displacement detection device, which will be described later in the embodiments, but in any type, the displacement detection device is configured to guide light from a light source to a displacement detector via an optical fiber. The displacement detection device changes the phase of the light from the light source based on the displacement of the surface to be measured, and detects the change in the phase of the light to detect the amount of displacement of the surface to be measured.
変位検出装置で被測定面の変位を検出する場合、光源から変位検出器に届く光の位相が安定していることが重要である。すなわち、光源からの光を導く光ファイバの曲がり状態が変化する等のストレスの印加や、光ファイバコネクタの勘合状態や、光ファイバ同士を接続するフェルールと光ファイバとの接着状態によって、不要な光の位相の変動が生じるおそれがある。不要な光の位相の変動が生じると、変位検出器での被測定面の変位の検出の安定性が低下して、変位の検出精度を低下させてしまう。 When detecting the displacement of a surface to be measured using a displacement detection device, it is important that the phase of the light reaching the displacement detector from the light source is stable. In other words, there is a risk of unwanted fluctuations in the phase of the light occurring due to the application of stress, such as changes in the bending state of the optical fiber that guides the light from the light source, the fitting state of the optical fiber connector, or the adhesive state between the optical fiber and the ferrule that connects the optical fibers. If unwanted fluctuations in the phase of the light occur, the stability of the detection of the displacement of the surface to be measured by the displacement detector decreases, reducing the accuracy of the displacement detection.
この光ファイバでの不要な光の位相変動が、変位検出器での変位検出精度に影響を与えない方法としては、例えば、光ファイバから出射した光の偏光を解消させた後、偏光子で偏光させてから、変位検出器に任意の偏光を取りだして入射させる方法がある(特許文献1参照)。
また、別の方法としては、光ファイバとして偏波保持ファイバを使用し、その偏波保持ファイバに入射する光として、消光比を上げて、不要な偏光成分の光を減少させる方法がある(特許文献2参照)。
As a method for preventing unwanted phase fluctuations of light in the optical fiber from affecting the displacement detection accuracy of the displacement detector, for example, there is a method in which the light emitted from the optical fiber is depolarized, then polarized by a polarizer, and any polarized light is extracted and input to the displacement detector (see Patent Document 1).
Another method is to use a polarization-maintaining fiber as the optical fiber, and increase the extinction ratio of the light incident on the polarization-maintaining fiber to reduce unnecessary polarized light components (see Patent Document 2).
光ファイバから出射した光の偏光を解消させた後、偏光子で偏光させる方法では、一度偏光を解消させてから任意の偏光を取りだして変位検出器に入射させるため、変位検出器に入射される光量が減少してしまうという問題がある。
また、偏波保持ファイバに入射する光の消光比を上げる方法では、光量の減少は起こらないが、光コネクタ等を追加する際、各勘合部分での光学軸の合わせ込を精密に行う必要があり、製造コストがかかるという問題があった。
また、近年変位検出装が備えるA/Dコンバータの分解能が上がるにつれ、偏波保持ファイバの光学軸に直交する成分の偏光ビームの漏れが問題視されるようになっており、不要光による干渉の振幅は、A/Dコンバータの量子化誤差以内にする必要が生じている。
In the method of depolarizing the light emitted from the optical fiber and then polarizing it with a polarizer, the light is first depolarized and then any polarized light is extracted and made incident on the displacement detector, which has the problem of reducing the amount of light incident on the displacement detector.
In addition, the method of increasing the extinction ratio of light incident on a polarization-maintaining fiber does not reduce the amount of light, but when adding an optical connector, etc., it is necessary to precisely align the optical axis at each mating part, which increases manufacturing costs.
Furthermore, as the resolution of A/D converters in displacement detection devices has increased in recent years, leakage of polarized beam components orthogonal to the optical axis of the polarization-maintaining fiber has become a problem, and it has become necessary to keep the amplitude of interference due to unwanted light within the quantization error of the A/D converter.
本発明は、変位検出器に、今までのように高い消光比をもったビームを供給する対策を不要にすると共に、光量損失をさせることなく、不要なビームとの干渉を減衰させることで、安定した精度の高い変位量の検出ができる変位量検出装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a displacement detection device that can detect displacement with high stability and accuracy by eliminating the need to provide a beam with a high extinction ratio, as has been required up until now, and by attenuating interference with unnecessary beams without causing loss of light.
第1の発明の変位検出装置は、光路長差により生じる複数の干渉強度ピークを持つ、可干渉性の低いマルチモードのレーザ光源と、レーザ光源からの光を集光させるレンズと、レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、分岐された光が照射される回折格子と、回折格子からの回折光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、干渉光の強度変化から、回折格子の変位量を検出する変位検出装置であって、偏波保持ファイバのファイバ長Lを、直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がピークとなる長さ、(2mneffLCAVLbeat)/λと(2(m+1)neffLCAVLbeat)/λとの間の干渉強度がほぼ0となる長さに設定した(ただし、mは0以上の正の整数、neffはレーザ光源の共振器の実効屈折率、LCAVはレーザ光源の共振器長、Lbeatは偏波保持ファイバのビート長、λはレーザ光源の波長である)。 A displacement detection device of a first invention comprises a low-coherence multimode laser light source having multiple interference intensity peaks caused by an optical path length difference, a lens for collecting light from the laser light source, a beam splitter for branching the light collected by the lens and transmitted through a polarization-maintaining fiber, a diffraction grating onto which the branched light is irradiated, and a light-receiving element for receiving interference light produced by superimposing and interfering with diffracted light from the diffraction grating, and detects the amount of displacement of the diffraction grating from a change in intensity of the interference light, and the fiber length L of the polarization-maintaining fiber is set to a length at which the intensity of the interference light due to light passing through two orthogonal propagation modes peaks, and to a length at which the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ is approximately 0 (where m is a positive integer greater than or equal to 0, n eff is the effective refractive index of the resonator of the laser light source, LCAV is the resonator length of the laser light source, L beat is the beat length of the polarization-maintaining fiber, and λ is the wavelength of the laser light source).
第2の発明の変位検出装置は、レーザ光源からの光を集光させるレンズと、偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、分岐された光を反射する被測定面の移動に連動して移動するターゲットミラーと、ターゲットミラーから反射された光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、干渉光の強度変化から、ターゲットミラーの変位量を検出する変位検出装置において、偏波保持ファイバのファイバ長Lを、直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がピークとなる長さ、(2mneffLCAVLbeat)/λと(2(m+1)neffLCAVLbeat)/λとの間の干渉強度がほぼ0となる長さに設定した(ただし、mは0以上の正の整数、neffはレーザ光源の共振器の実効屈折率、LCAVはレーザ光源の共振器長、Lbeatは偏波保持ファイバのビート長、λはレーザ光源の波長である)。
第3の発明の変位検出装置は、光を出射する可干渉距離をもつ可干渉性の低い光源と、レーザ光源からの光を集光させるレンズと、レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、分岐された光が照射される回折格子と、回折格子からの回折光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、干渉光の強度変化から、回折格子の変位量を検出する変位検出装置において、偏波保持ファイバは、レーザ光源から出射した光を偏波保持ファイバに入射した場合、偏波保持ファイバの長さLは可干渉距離Llowと2つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長Lbeatの積を光源の波長λで割った長さよりも長く、偏波保持ファイバの直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がほぼ0となる、レンズで集光された光を伝送する。
第4の発明の変位検出装置は、レーザ光源からの光を集光させるレンズと、レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、分岐された光を反射する被測定面の移動に連動して移動するターゲットミラーと、ターゲットミラーから反射された光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、干渉光の強度変化から、ターゲットミラーの変位量を検出する変位検出装置において、偏波保持ファイバは、レーザ光源から出射した光を偏波保持ファイバに入射した場合、偏波保持ファイバの長さLは前記可干渉距離Llowと2つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長Lbeatの積をレーザ光源の波長λで割った長さよりも長く、偏波保持ファイバの直交
する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がほぼ0となる、前記レンズで集光された光を伝送する。
A displacement detection device of a second invention includes a lens that collects light from a laser light source, a beam splitter that splits the light transmitted by the polarization-maintaining fiber, a target mirror that moves in conjunction with the movement of the surface to be measured and reflects the split light, and a light-receiving element that receives interference light caused by overlapping and interfering with the light reflected from the target mirror, and detects the displacement of the target mirror from changes in intensity of the interference light. In this displacement detection device, the fiber length L of the polarization-maintaining fiber is set to a length at which the intensity of the interference light caused by light passing through two orthogonal propagation modes peaks, and to a length at which the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ is approximately 0 (where m is a positive integer greater than or equal to 0, n eff is the effective refractive index of the resonator of the laser light source, LCAV is the resonator length of the laser light source, L beat is the beat length of the polarization-maintaining fiber, and λ is the wavelength of the laser light source).
A displacement detection device of a third invention includes a low-coherence light source having a coherence length that emits light, a lens that collects the light from the laser light source, a beam splitter that branches the light collected by the lens and transmitted through a polarization-maintaining fiber, a diffraction grating onto which the branched light is irradiated, and a light-receiving element that receives interference light produced by superimposing and interfering with the diffracted light from the diffraction grating, and detects the amount of displacement of the diffraction grating from a change in intensity of the interference light. In this displacement detection device, when light emitted from the laser light source is incident on the polarization-maintaining fiber, the length L of the polarization-maintaining fiber is longer than the product of the coherence length L and the beat length L obtained from the difference between the propagation constants of the two polarization modes, divided by the wavelength λ of the light source, and transmits the light collected by the lens such that the intensity of the interference light due to light passing through the two orthogonal propagation modes of the polarization-maintaining fiber is approximately zero.
A displacement detection device of a fourth invention includes a lens that collects light from a laser light source, a beam splitter that branches the light collected by the lens and transmitted by the polarization-maintaining fiber, a target mirror that moves in conjunction with the movement of the surface to be measured and reflects the branched light, and a light-receiving element that receives interference light caused by overlapping and interfering with the light reflected from the target mirror, and detects the displacement of the target mirror from a change in intensity of the interference light. In this displacement detection device, when light emitted from the laser light source is incident on the polarization-maintaining fiber, the length L of the polarization-maintaining fiber is longer than the product of the coherence length L and the beat length L obtained from the difference between the propagation constants of the two polarization modes, divided by the wavelength λ of the laser light source, and transmits the light collected by the lens such that the intensity of the interference light caused by the light passing through the two orthogonal propagation modes of the polarization-maintaining fiber is approximately zero.
本発明によると、光源の発振特性に合わせ偏波保持ファイバを任意の長さで構成することで、不要なビームとの干渉を減衰させることができる。これによって、変位検出装置の変位検出信号において位相変動を発生する成分を限りなく小さくし、干渉信号の振幅変動のみにとどめ、偏波保持ファイバの外部からのストレスの影響を受けにくい変位検出が可能になる。本発明によると、光量損失をさせることがないので、光源からの光の利用効率がよく、さらに、高い消光比をもったビームを変位検出器に供給する対策が不要になる。 According to the present invention, by configuring the polarization-maintaining fiber to any length in accordance with the oscillation characteristics of the light source, it is possible to attenuate interference with unnecessary beams. This makes it possible to minimize the components that cause phase fluctuations in the displacement detection signal of the displacement detection device, limiting it to amplitude fluctuations in the interference signal, and enables displacement detection that is less susceptible to the effects of external stress on the polarization-maintaining fiber. According to the present invention, there is no loss of light, so the light from the light source is used efficiently, and furthermore, measures to supply a beam with a high extinction ratio to the displacement detector are not required.
以下、本発明の一実施の形態例(以下、「本例」と称する。)の変位検出装置を、添付図面を参照して説明する。まず、本発明が適用される変位検出装置の全体構成の3つの例を、図1~図3に説明する。 A displacement detection device according to one embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this example") will be described below with reference to the attached drawings. First, three examples of the overall configuration of a displacement detection device to which the present invention is applied will be described with reference to Figs. 1 to 3.
[1.変位検出装置の全体構成の例(回析格子を変位させる例)]
図1は、被測定面の変位に連動して、回析格子を変位させる変位検出装置100の構成例を示す。
変位検出装置100は、光源101を備える。光源101としては、レーザやLEDなどが使用可能である。光源101にレーザを使用する場合には、可干渉性の低いマルチモードの半導体レーザダイオードを使用してもよい。半導体レーザには、セルフパルセーションレーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオードを含む。
また、光源101として使用する固体レーザには、YAGレーザ、Ndレーザ、チタンサファイアレーザ、ファイバーレーザ等が含まれる。さらに、光源101として使用するレーザには、ヘリウムカドミウムレーザ(金属レーザ)、色素レーザ(液体レーザ)が含まれる。なお、光源101は、連続発振で縦モードの発振波長に幅があり、可干渉性の低いものが望ましい。
あるいは、光源101として、シングルモードの半導体レーザを高周波重畳によって可干渉性を低くしたものを使用してもよい。
[1. Example of the overall configuration of a displacement detection device (example of displacing a diffraction grating)]
FIG. 1 shows an example of the configuration of a
The
In addition, the solid-state laser used as the
Alternatively, the
光源101から出射されるビームは、第1レンズ102により集光され、偏波保持ファイバ150に入射される。偏波保持ファイバ150は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、詳細は後述する。なお、光源101の偏光の光学軸は、偏波保持ファイバ150のコア断面の偏波保持が成立する光学軸に合わせて入射することが好ましいが、厳密に合わせなくてもよい。偏波保持ファイバ150の長さは後述する条件により定まる。
The beam emitted from the
偏波保持ファイバ150によって伝送されたビームは、変位検出器110に入射される。
変位検出器110に入射されたビームは、第2レンズ111を介して第1偏光ビームスプリッタ(PBS:Polarizing beam splitter)112に入射される。第1偏光ビームスプリッタ112は、ビームをS偏光のビームとP偏光のビームに分割する。例えば、S偏光のビームは第1偏光ビームスプリッタ112で反射し、P偏光のビームは第1偏光ビームスプリッタ112を透過する。
The beam transmitted by the
The beam incident on the
第1偏光ビームスプリッタ112で反射したS偏光のビームは、第1ミラー113を介して回析格子115に入射される。また、第1偏光ビームスプリッタ112を透過したP偏光のビームは、第2ミラー114を介して回析格子115に入射される。
回析格子115は、被測定面の変位量を検出するスケールとして機能し、被測定面の変位に連動して、矢印X1で示すように移動する。
回析格子115に入射した各ビームの回析光は、第3レンズ116又は第4レンズ117と第1位相板118を介して第3ミラー119に入射され、第3ミラー119で反射された各ビームが回析格子115に戻される。第1位相板118は、例えば1/4波長板よりなる。
The S-polarized light beam reflected by first polarizing beam splitter 112 is incident on diffraction grating 115 via first mirror 113. In addition, the P-polarized light beam transmitted through first polarizing beam splitter 112 is incident on diffraction grating 115 via
The diffraction grating 115 functions as a scale for detecting the amount of displacement of the surface to be measured, and moves as indicated by the arrow X1 in conjunction with the displacement of the surface to be measured.
The diffracted light of each beam incident on the diffraction grating 115 is incident on a third mirror 119 via a third lens 116 or a
回析格子115に戻ったビームの回析光が、第1ミラー113又は第2ミラー114を介して第1偏光ビームスプリッタ112に戻される。ここで、それぞれのビームは、第1位相板118を2回通過するために、S偏光がP偏光になって戻り、P偏光がS偏光になって戻る。
したがって、回析格子115から戻った2つのビームは、光源101からのビームの第1偏光ビームスプリッタ112への入射面とは異なる面から、重ね合わされた状態で出射され、受光部130に入射される。
The diffracted light of the beams returning to the diffraction grating 115 is returned to the first polarizing beam splitter 112 via the first mirror 113 or the
Therefore, the two beams returning from the diffraction grating 115 are emitted in a superimposed state from a surface different from the surface of incidence of the beam from the
受光部130に入射されたビームは、ビームスプリッタ131に入射され、2分割される。2分割された一方のビームが、第2位相板132を介して第2偏光ビームスプリッタ133に入射される。第2偏光ビームスプリッタ133に入射したビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第1受光素子141及び第2受光素子142に入射される。また、2分割された他方のビームが第3偏光ビームスプリッタ134に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第3受光素子143及び第4受光素子144に入射される。
The beam incident on the
次に、変位検出装置100が回析格子115の変位を検出する動作について説明する。
光源101から出射されたビームは、第1レンズ102によって偏波保持ファイバ150の端面に集光入射される。偏波保持ファイバ150から出射されたビームが、第2レンズ111によってコリメートされる。コリメートされたビームは、第1偏光ビームスプリッタ112によって1:1に2分配されるような偏光状態で、第1偏光ビームスプリッタ112に入射される。第1偏光ビームスプリッタ112で分配された内の一方のS偏光成分のビームは、第1ミラー113を通過し、回折格子115の位置P1に入射される。回折格子115によって垂直に回折されたビームは、第1位相板118によって円偏光となり、第3ミラー119で反射されて、回析格子115側に折り返される。このとき、第1位相板118を再度通過することで、P偏光成分のビームとなり、回折格子115で2回回折された光となり、第1偏光ビームスプリッタ112に向かう。
Next, an operation of the
The beam emitted from the
第1偏光ビームスプリッタ112で分配されたP偏光成分のビームは、第2ミラー114を通過し、回折格子115の位置P2に入射される。回折格子115によって垂直に回折されたビームは、第1位相板118によって円偏光となり、第3ミラー119で反射されて折り返す。このとき、第1位相板118を再度通過することで、S偏光成分のビームとなり、回折格子115で2回回折された光となり、第1偏光ビームスプリッタ112に向かう。
The P-polarized component beam split by the first polarizing beam splitter 112 passes through the
互いに偏光成分が入れ替わった2つのビームは、第1偏光ビームスプリッタ112によって重ね合わされ、受光部130に向かう。この重ね合わされたビームは、直線偏光のS偏光成分とP偏光成分からなる。このビームは、ビームスプリッタ131によって2分配され、一方は、第2位相板132を経て第2偏光ビームスプリッタ133に入射される。
第2位相板132を通過する際、互いに直交する直線偏光同士は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせとなる。そして、第2偏光ビームスプリッタ133に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子115が移動方向に1波長だけ移動すると2回転する。したがって、第1受光素子141と第2受光素子142では、Acos(4Kx+δ’)の干渉信号が得られる。ここで、Aは、干渉信号の振幅であり、Kは2π/Λで示される波数である。また、xは、回折格子の移動量を示しており、δ’は初期位相である。Λは、回折格子における格子の間隔である。
The two beams, whose polarization components have been swapped, are superimposed by the first polarizing beam splitter 112 and proceed toward the
When passing through the
また、ビームスプリッタ131で2分配されたもう一方のビームは、第3偏光ビームスプリッタ134に入射される。この際、第3偏光ビームスプリッタ134は、第2偏光ビームスプリッタ133に対し、45°光軸に対し回転させているため、第3受光素子143と第4受光素子144は、第1受光素子141と第2受光素子142に対し、光電変換される信号の位相が90度異なることになる。これによって、回折格子の移動方向が認識できる。
The other beam split into two by the
このように、変位検出装置100によると、第1~第4受光素子141~144での受光状態から、干渉信号を回折格子115のX1方向の変位量として検出することができる。
なお、4つの受光素子141~144で得られる干渉信号には、光源101の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長に変動が起きても、干渉強度は影響を受けない。
In this manner, the
The interference signals obtained by the four
[2.変位検出装置の全体構成の例(マイケルソン干渉計型の例)]
図2は、被測定面の変位に連動して、ターゲットミラー214を移動させるマイケルソン干渉計型の変位検出装置200の構成例を示す。
変位検出装置200は、光源201を備える。光源201として適用可能な条件は、図1に示す変位検出装置100で説明した光源101の条件と同じであり、例えば可干渉性が低い光源や、マルチモード半導体レーザなどが使用される。
[2. Example of the overall configuration of a displacement detection device (example of a Michelson interferometer type)]
FIG. 2 shows an example of the configuration of a Michelson interferometer type displacement detection device 200 that moves a
The displacement detection device 200 includes a
光源201から出射されたビームは、第1レンズ202により集光して、偏波保持ファイバ250に入射される。偏波保持ファイバ250は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、この偏波保持ファイバ250の長さは後述する条件により決定する。
The beam emitted from the
偏波保持ファイバ250によって伝送されたビームは、変位検出器210に入射される。
変位検出器210に入射されたビームは、第2レンズ211を介して第1偏光ビームスプリッタ212に入射される。第1偏光ビームスプリッタ212を透過したP偏光のビームは、第1位相板213を介してターゲットミラー214に入射される。ターゲットミラー214は、被測定面の変位に連動して、X2方向に移動する。また、第1偏光ビームスプリッタ212で反射されたS偏光のビームは、第2位相板215を介してリファレンスミラー216に入射される。第1位相板213及び第2位相板215は、例えば1/4波長板よりなる。
The beam transmitted by the polarization maintaining fiber 250 is incident on the
The beam incident on the
なお、ターゲットミラー214が基準となる位置であるとき、第1偏光ビームスプリッタ212からターゲットミラー214までの光路長と、第1偏光ビームスプリッタ212からリファレンスミラー216までの光路長は等しく設定する。
そして、ターゲットミラー214及びリファレンスミラー216から第1偏光ビームスプリッタ212に戻ったビームが重ね合わされた干渉信号となり、受光部230に入射される。
When the
Then, the beams returning from the
受光部230に入射されたビームは、ビームスプリッタ231に入射され、2分割される。2分割された一方のビームが、第3位相板232を介して第2偏光ビームスプリッタ233に入射される。第2偏光ビームスプリッタ233に入射されたビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第1受光素子241及び第2受光素子242に入射される。また、2分割された他方のビームが第3偏光ビームスプリッタ234に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第3受光素子243及び第4受光素子244に入射される。
The beam incident on the
このように構成したことで、第1偏光ビームスプリッタ212から受光部230に供給されるビームの内で、リファレンスミラー216で反射された成分については光路が一定になる。一方、ターゲットミラー214で反射された成分については、被測定面の変位に連動して、光路が変化する。
したがって、変位検出装置200は、第1~第4受光素子241~244での受光状態から、干渉信号をターゲットミラー214のX2方向の変位量として検出することができる。
With this configuration, the optical path of the component reflected by the
Therefore, the displacement detection device 200 can detect the interference signal as the amount of displacement of the
[3.変位検出装置の全体構成の例(ターゲットミラーとリファレンスミラーを平行に配置した例)]
図3は、ターゲットミラー315とリファレンスミラー316とを平行に配置した変位検出装置300の構成例を示す。
変位検出装置300は、光源301を備える。光源301として適用可能な条件は、図1に示す変位検出装置100で説明した光源101の条件と同じであり、例えば可干渉性が低い光源や、マルチモード半導体レーザなどが使用される。
[3. Example of the overall configuration of the displacement detection device (example in which the target mirror and the reference mirror are arranged in parallel)]
FIG. 3 shows an example of the configuration of a
The
光源301から出射されたビームは、第1レンズ302により集光して、偏波保持ファイバ350に入射される。偏波保持ファイバ350は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、この偏波保持ファイバ350の長さは後述する条件により決まる。
The beam emitted from the
偏波保持ファイバ350によって伝送されたビームは、変位検出器310に入射される。
変位検出器310に入射したビームは、第2レンズ311を介して第1偏光ビームスプリッタ312に入射される。第1偏光ビームスプリッタ312を透過したP偏光のビームは、第1位相板313を介してターゲットミラー315に入射される。第1位相板313は、例えば1/4波長板よりなる。ここで、ターゲットミラー315に入射されるビームは、ターゲットミラー315に対して45°の角度で入射させる。ターゲットミラー315は、被測定面の変位に連動して、X3方向に移動する。
The beam transmitted by the polarization maintaining fiber 350 is incident on the
The beam incident on the
ターゲットミラー315で反射したビームは、透過型回折格子317に入射され、透過型回折格子317を透過した回析光が、ターゲットミラー315に入射される。そして、ターゲットミラー315で反射した回析光が、ミラー318に入射される。ミラー318に対する回析光の入射角度は90°とし、ミラー318は、入射した回析光を入射方向に反射させる。
The beam reflected by the
第1偏光ビームスプリッタ312で反射したS偏光のビームは、第2位相板314を介してリファレンスミラー316に入射される。第2位相板314は、例えば1/4波長板よりなる。ここで、リファレンスミラー316に入射されるビームは、リファレンスミラー316に対して45°の角度で入射される。
The S-polarized beam reflected by the first
リファレンスミラー316で反射したビームは、透過型回折格子317に入射され、透過型回折格子317を透過した回析光が、リファレンスミラー316に入射される。そして、リファレンスミラー316で反射した回析光が、ミラー319に入射される。ミラー319に対する回析光の入射角度は90°とされ、ミラー319は、入射した回析光を入射方向に反射する。第1位相板313及び第2位相板314は、例えば1/4波長板よりなる。
The beam reflected by the
ミラー318,319で反射したビームは、入射時とは逆の経路を辿って、第1偏光ビームスプリッタ312に入射される。そして、第1偏光ビームスプリッタ312に戻った2つのビームが重ね合わされた干渉信号となり、受光部330に入射される。
受光部330に入射されたビームは、ビームスプリッタ331に入射され、2分割される。2分割された一方のビームが、第3位相板332を介して第2偏光ビームスプリッタ333に入射される。第2偏光ビームスプリッタ333に入射されたビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第1受光素子341及び第2受光素子342に入射される。また、2分割された他方のビームが第3偏光ビームスプリッタ334に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第3受光素子343及び第4受光素子344に入射される。
The beams reflected by the
The beam incident on the
このように構成したことで、第1偏光ビームスプリッタ312から受光部330に供給されるビームの内で、リファレンスミラー316で反射された成分については、透過型回折格子317の同じ箇所を通過したビームになる。一方、ターゲットミラー315で反射された成分については、ターゲットミラー315のX3方向の移動により、透過型回折格子317の異なる箇所を通過したビームになる。したがって、ターゲットミラー315の位置により、第1偏光ビームスプリッタ312で重ね合わされた干渉信号の干渉状態が変化し、変位検出装置300は、第1~第4受光素子341~344での受光状態から、回折格子の位相成分を、ターゲットミラー314のX3方向の変位量として検出することができる。
なお、図3に示す構成の場合、ターゲットミラー315の位置が変化しても、光路長は変化しない。
With this configuration, among the beams supplied from the first
In the configuration shown in FIG. 3, even if the position of the
[4.偏波保持ファイバの説明]
変位検出装置100,200,300は、いずれも光源101,102,103と変位検出器110,210,310との間のビームの伝送に、偏波保持ファイバ150,250,350を使用する。
図4は、偏波保持ファイバ150の構成例を断面で示す。他の偏波保持ファイバ250,350についても、偏波保持ファイバ150と同じ構成である。
偏波保持ファイバ150は、ビームを伝送するコア151の上と下に、応力付与材152,153を備える。そして、応力付与材152,153が、コア151に対して上下からストレスが加わった状態で、全体をクラッド154で覆う構成である。
この例では、コア151に対してストレスが加わる上下方向をX偏波モード軸とし、そのX偏波モード軸と直交する方向をY偏波モード軸とする。このとき、X偏波モード軸が偏波保持が成立する光学軸になる。
4. Description of Polarization-Maintaining Fiber
The
4 shows a cross section of an example of the configuration of the polarization-maintaining
The polarization-maintaining
In this example, the vertical direction in which stress is applied to the core 151 is defined as the X-polarized mode axis, and the direction perpendicular to the X-polarized mode axis is defined as the Y-polarized mode axis. In this case, the X-polarized mode axis becomes the optical axis along which polarization maintenance is achieved.
ところで、偏波保持ファイバ150内を通過したビームには、偏波保持ファイバ150の偏波保持が成立する光学軸の成分(X偏波モード)と、それに直交する成分(Y偏波モード)が含まれる可能性がある。一般に半導体レーザの消光比は、20dB前後と言われており、完全な直線偏光ではない。また偏波保持ファイバ150に入射する際の光学軸の角度調整にもばらつきが存在する。
偏波保持ファイバ150を使用することで、X偏波モード軸とY偏波モード軸の成分に関しては偏波が保持される。しかしながら、コア151内のX偏波モード軸とY偏波モード軸の偏光成分の屈折率が異なるため、偏波保持ファイバ150にストレスが印加されると、X偏波モード軸を経由したビームとY偏波モード軸を経由したビームとで、位相差が生じる。
Incidentally, the beam passing through the polarization-maintaining
By using the polarization-maintaining
ここで、X偏波モード軸経由のビームに対し、Y偏波モード軸経由のビームの光量が十分に小さくないと、X偏波モード軸経由とY偏波モード軸経由のビーム同士が干渉してしまう。これにより、偏波保持ファイバ150へのストレス印加があると、わずかな位相変化が検出されて、変位の検出精度が劣化してしまう。
そこで、本例では、光源の可干渉性と偏波保持ファイバ150の長さを規定し、その影響が最小になるように抑制している。
If the amount of light of the beam via the Y polarization mode axis is not sufficiently small relative to the beam via the X polarization mode axis, the beams via the X polarization mode axis and the Y polarization mode axis will interfere with each other. As a result, when stress is applied to the polarization-maintaining
Therefore, in this embodiment, the coherence of the light source and the length of the
[5.マルチモードレーザを光源として使う場合の例]
次に、偏波保持ファイバ150,250,350の長さを決める条件について説明する。この偏波保持ファイバ150,250,350の長さを決める条件は、光源101,201,301としてマルチモードレーザを使用する場合の条件と、光源101,201,301として可干渉性が悪い帯域が広い光源を使用する場合の条件の、2つである。
まず、マルチモードレーザを使用する場合の条件について説明する。
[5. Example of using a multimode laser as a light source]
Next, we will explain the conditions for determining the length of the polarization-maintaining
First, the conditions for using a multimode laser will be described.
共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持つ可干渉性の低い代表的なレーザ光源としては、マルチモードの半導体レーザや、高周波重畳をかけたシングルモードの半導体レーザが挙げられる。ここでの共振器長とは、例えば半導体レーザの場合には、一方の端面(鏡面)と他方の端面との間の距離であり、その共振器長によりレーザ光の波長λが決まる。
干渉を起こす距離Lperiodは、光路長差が0の干渉状態から次に再び干渉強度が上昇しピークとなるまでを1周期とすると、[数1]式で与えられる。
Representative laser light sources with low coherence and multiple oscillation spectra according to the cavity length include multimode semiconductor lasers and single-mode semiconductor lasers with high frequency superposition. The cavity length here is the distance between one end face (mirror surface) and the other end face in the case of a semiconductor laser, for example, and the wavelength λ of the laser light is determined by the cavity length.
The distance L period at which interference occurs is given by
ここで、neffは共振器の屈折率であり、Lcavは共振器長である。
つまり、ビームには、共振器長の2倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数m倍で、干渉強度のピークが現れることを意味している。
Here, neff is the refractive index of the cavity, and Lcav is the cavity length.
This means that a peak of the interference intensity appears in the beam at an integer m times the length of twice the resonator length multiplied by the refractive index of the resonator.
次に、偏波保持ファイバ150の中を伝搬するX偏波モード軸とY偏波モード軸の成分間のファイバ出力端における光学遅延距離Dは、[数2]式で与えられる。
Next, the optical delay distance D at the fiber output end between the components of the X-polarization mode axis and the Y-polarization mode axis propagating through the polarization-maintaining
ここで、λは光源の波長を示し、Lfiberは光ファイバ長(偏波保持ファイバ長)を示し、Lbeatはビート長を示す。
ここでビート長は、偏波保持ファイバ中を伝搬するX偏波モード軸とY偏波モード軸の光の速さを示す伝搬定数(βx,βy)の差を
Δβ=βx-βy
とすると、[数3]式で表せる。
Here, λ denotes the wavelength of the light source, Lfiber denotes the optical fiber length (polarization-maintaining fiber length), and Lbeat denotes the beat length.
Here, the beat length is the difference between the propagation constants (βx, βy) that indicate the speed of light propagating in the polarization-maintaining fiber in the X-polarized mode axis and the Y-polarized mode axis, Δβ = βx - βy.
Then, it can be expressed by the formula [3].
つまり、伝搬定数差から生じる光学遅延距離Dと干渉を起こす距離が一致すると、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することになる。
よって、偏波保持ファイバ150の長さとして、光源の共振器長の2倍に共振器の屈折率かけた長さの整数倍と、偏波保持ファイバのX,Y偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積から光源の波長を割った長さを避けた長さとする。このようにすることで、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームとの干渉を避けることができ、偏波保持ファイバ150のストレスに対し安定した変位検出が可能になる。
以下の[数4]式は、光ファイバ長Lfiberを求める式を示す。
In other words, when the optical delay distance D resulting from the difference in propagation constant coincides with the distance at which interference occurs, the beam passing through the X polarization mode axis and the beam passing through the Y polarization mode axis interfere with each other.
Therefore, the length of the polarization-maintaining
The following formula [4] shows a formula for calculating the optical fiber length L fiber .
マルチモードの半導体レーザの場合、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームの干渉強度は、例えば図5のようになり、光学遅延距離が大きくなるほど、互いに干渉しづらくなる。すなわち、光学遅延距離が0のとき(ピークP11の位置)の干渉強度を1としたとき、光学遅延距離が0から一定距離離れるごとに、徐々に干渉強度が弱くなるピークP12,P13,P14,・・・が存在し、ある程度の光学遅延距離以降は、干渉強度がほぼ0になる。
ここで、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けた長さとするということは、例えばピークP11とピークP12の間の干渉強度がほぼ0になる光学遅延距離を持つ長さにすることである。ピークP11とピークP12の間以外のその他のピークの間の干渉強度がほぼ0になる光学遅延距離を持つ長さとしてもよい。
In the case of a multimode semiconductor laser, the interference intensity of the beam via the X-polarization mode axis and the beam via the Y-polarization mode axis is, for example, as shown in Fig. 5, and the longer the optical delay distance, the less likely they are to interfere with each other. In other words, if the interference intensity is 1 when the optical delay distance is 0 (the position of peak P11), there are peaks P12, P13, P14, ... where the interference intensity gradually weakens as the optical delay distance moves away from 0 by a certain distance, and after a certain optical delay distance, the interference intensity becomes almost 0.
Here, the length that avoids interference between the beam via the X polarization mode axis and the beam via the Y polarization mode axis means, for example, a length having an optical delay distance where the interference intensity between peaks P11 and P12 is approximately 0. It may also be a length having an optical delay distance where the interference intensity between peaks other than between peaks P11 and P12 is approximately 0.
[6.可干渉性が悪い帯域が広い光源を使う場合の例]
可干渉距離を持つ可干渉性の低い光源には、前述した共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持たず、特定の波長幅を持ち波長に対しブロードに強度が変化する光源もある。例えば、スーパールミネッセンスダイオードやLED(発光ダイオード)がある。あるいは、固体レーザでは、チタンササファイアレーザ等が挙げられる。
[6. Example of using a broad-band light source with poor coherence]
Among low-coherence light sources with a coherence length, there are light sources that do not have multiple oscillation spectra associated with the above-mentioned resonator length, but have a specific wavelength width and the intensity changes broadly with respect to the wavelength. For example, there are superluminescence diodes and LEDs (light-emitting diodes). Alternatively, as a solid-state laser, there is a titanium sapphire laser.
これらの方式の光源を光源101,201,301として使用する場合には、事前に光源の可干渉距離Llowを計測する。
図6は、光源の可干渉距離Llowを計測する構成例を示す。なお、図6では、可干渉距離Llowを計測する原理を示し、計測する基本的な原理を説明する上で不要な構成については省略している。
ここでは、光源401が被計測対象の光源である。光源401が出力するビームは、偏光ビームスプリッタ402に入射され、一方及び他方の偏光成分に分配される。一方の偏光成分は、固定ミラー403により反射されて偏光ビームスプリッタ402に戻り、他方の偏光成分は、可動ミラー404により反射されて偏光ビームスプリッタ402に戻る。
可動ミラー404の位置は、X4方向に移動する。
そして、偏光ビームスプリッタ402に戻った2つのビームは、重ね合わせた状態で受光素子405に入射される。
When using light sources of these types as the
Fig. 6 shows an example of a configuration for measuring the coherence length L low of a light source. Note that Fig. 6 shows the principle of measuring the coherence length L low , and omits configuration that is not necessary for explaining the basic principle of measurement.
Here, a
The position of the
The two beams returning to the
図7は、受光素子405で検出される干渉強度を示す。
ここでは、偏光ビームスプリッタ402と可動ミラー404との間の光路長(往復の長さ)をLaとし、偏光ビームスプリッタ402と固定ミラー403との間の光路長(往復の長さ)Lbとする。そして、図7の横軸は、光路長差(La-Lb)である。
FIG. 7 shows the interference intensity detected by the
Here, the optical path length (round trip length) between the
図7から判るように、光路長差(La-Lb)が0のとき、干渉強度が最大値1となり、以下、光路長差が長くなるにしたがって、干渉強度がほぼ0になる。例えば、最大値1から干渉強度が1/1000になった光路長差を、光源の可干渉距離Llowとする。
7, when the optical path length difference (La-Lb) is 0, the interference intensity is a maximum value of 1, and as the optical path length difference becomes longer, the interference intensity becomes approximately 0. For example, the optical path length difference at which the interference intensity becomes 1/1000 of the
そして、このようにして求まった光源の可干渉距離Llowと、偏波保持ファイバ150のX,Y偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を求め、このビート長の積を、光源101の波長で割った長さより、偏波保持ファイバ150の長さを大きくとる。このような長さの偏波保持ファイバ150を使った変位検出装置100は、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けることができ、偏波保持ファイバ150のストレスに対し安定した変位検出が可能になる。
一般に、上述した可干渉性の低い光源は、マルチモードの半導体レーザより波長幅が広く、可干渉距離Llowが非常に短いため、光ファイバ長Lfiberが非常に長くなってしまうことは少ない。
[数5]式は、上述した偏波保持ファイバ150の長さLfiberを決める条件を数式で示すものである。
Then, the product of the coherence length L low of the light source thus determined and the beat length determined from the difference in the propagation constants of the X- and Y-polarization modes of the polarization-maintaining
In general, the above-mentioned low-coherence light source has a wider wavelength width than a multimode semiconductor laser and a very short coherence length L low , so that the optical fiber length L fiber rarely becomes very long.
The formula [5] mathematically expresses the condition for determining the length L fiber of the polarization-maintaining
以上説明したように、いずれの光源を使用する場合でも、上述した条件で偏波保持ファイバの長さを決めることで、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けることができる。したがって、本例の変位検出装置によれば、光ファイバに加わる曲げなどのストレスに対し安定した変位検出が可能になり、変位の検出精度が向上する。また、光源から出射したビーム偏光の光学軸は、偏波保持ファイバのコア断面の偏波保持が成立する光学軸に合わせて入射することが好ましいが、本例の場合には、偏波保持ファイバの端面の光学軸を厳密に合わせなくても、精度が保たれるようになる。
なお、ここまでの説明では、図1に示す変位検出装置100が備える偏波保持ファイバ150の長さの条件を示したが、図2,図3に示す変位検出装置200,300が備える偏波保持ファイバ250,350の長さの条件についても、同じように決めることができる。
As described above, regardless of which light source is used, by determining the length of the polarization-maintaining fiber under the above-mentioned conditions, it is possible to prevent the beam via the X-polarization mode axis and the beam via the Y-polarization mode axis from interfering with each other. Therefore, the displacement detection device of this example enables stable displacement detection against stress such as bending applied to the optical fiber, and improves the detection accuracy of the displacement. In addition, although it is preferable that the optical axis of the polarized beam emitted from the light source is incident on the polarization-maintaining fiber so as to be aligned with the optical axis that maintains polarization in the cross section of the core, in this example, accuracy is maintained even if the optical axis of the end face of the polarization-maintaining fiber is not strictly aligned.
In the explanation so far, the conditions for the length of the polarization-maintaining
[7.複数のファイバを組み合わせる例]
変位検出装置100,200,300が備える偏波保持ファイバ150,250,350は、複数本の偏波保持ファイバを接続するようにしてもよい。
例えば、図8に示すように、光源101からのビームを、第1レンズ102を介して、3本の偏波保持ファイバ150a,150b,150cを勘合させて接続したものに入射するようにしてもよい。その3本の偏波保持ファイバ150a,150b,150cを伝ったビームが、変位検出器110に入射される。
ここでの偏波保持ファイバ150a,150b,150cの勘合とは、各偏波保持ファイバ150a,150b,150cの端面が、隙間がない状態で接続された状態を示す。
このような勘合状態は、例えば偏波保持ファイバに取り付けられたコネクタ(不図示)を使って実現することができる。
[7. Examples of combining multiple fibers]
The polarization-maintaining
8, a beam from a
Here, fitting the polarization-maintaining
Such a mating can be achieved, for example, using a connector (not shown) attached to the polarization maintaining fiber.
それぞれの偏波保持ファイバ150a,150b,150cの長さは、既に説明した光源の種類に応じて光源の可干渉性を考慮した長さに設定する必要があるが、さらに以下の条件が加わる。すなわち、各々の偏波保持ファイバ150a,150b,150cの勘合部で発生する、X偏波モード軸とY偏波モード軸のビームの漏れから、X偏波モード軸経由のビームとY偏波モード軸経由のビームの干渉対策をとる必要がある。
例えば、同じ長さの偏波保持ファイバを勘合させてしまうと、勘合部の漏れで、X+Y偏波モード軸経由のビームとY+X偏波モード軸経由ビームが、干渉してしまう可能性がある。
The length of each of the polarization-maintaining
For example, if polarization-maintaining fibers of the same length are mated, there is a possibility that a beam passing through the X+Y polarization mode axis and a beam passing through the Y+X polarization mode axis will interfere with each other due to leakage at the mating portion.
複数の勘合部が存在するとき、偏波保持ファイバの接続順序として、最後段の偏波保持ファイバ(例えば図8での偏波保持ファイバ150a)と、それを除いた偏波保持ファイバ(例えば図8での偏波保持ファイバ150b,150c)のあらゆる組み合わせとの、偏波保持ファイバの総長が、共振器長に共振器の屈折率をかけた長さの偶数倍と偏波保持ファイバのX,Y偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを避ける必要がある。このような条件にすることにより、勘合部によって生じる最後段の偏波保持ファイバから出射された異なる伝搬位相差を持つ光同士の干渉において、主たる成分の干渉に対する影響の大きな干渉の組み合わせを低減させることが可能となる。また、主たる干渉に対して影響の大きな干渉の組み合わせ以外の成分におけるそれぞれの干渉は、もともと十分小さいため、無視することが出来る。
例えば、X偏波モードを主たる成分として光を伝搬させた偏波保持ファイバの場合、次の段の偏波保持ファイバのX偏波モードに主たる成分を勘合させると、Y偏波モードへ漏れる成分がある。ここで、複数の勘合部を有することにより、様々な漏れ成分が発生するが、Y偏波モードの同士の干渉は十分に小さいために無視できる。
When there are multiple fitting parts, the order of connection of the polarization-maintaining fibers must be such that the total length of the polarization-maintaining fibers of the last-stage polarization-maintaining fiber (e.g., polarization-maintaining
For example, in the case of a polarization-maintaining fiber that propagates light with the X-polarized mode as the main component, when the main component is mated with the X-polarized mode of the next stage of polarization-maintaining fiber, some components leak into the Y-polarized mode. Here, by having multiple mating parts, various leakage components occur, but the interference between the Y-polarized modes is sufficiently small that it can be ignored.
また、可干渉性が悪い帯域が広い光源を使う場合には、各々の偏波保持ファイバ150a,150b,150cの長さは、2m×L(mは0以上の整数、Lは最も短い偏波保持ファイバの長さ)で構成し、かつ各々の偏波保持ファイバの長さは同じ組合せがないことが必要になる。
例えば各偏波保持ファイバ長は、L1=2×L3、L2=4×L3のように、L1≠L2≠L3である必要がある。
Furthermore, when using a light source with a wide bandwidth and poor coherence, the length of each polarization-maintaining
For example, the lengths of the polarization-maintaining fibers must be such that L1≠L2≠L3, such as L1=2×L3 and L2=4×L3.
[8.変形例]
なお、本発明が適用される変位検出装置は、図1,図2,図3に示す3つの変位検出装置100,200,300とは異なる構成や原理で、変位を検出するものでもよい。すなわち、光源からの光を偏波保持ファイバを介して変位検出器に導く構成の変位検出装置であれば、その他の構成にも適用可能である。
8. Modifications
The displacement detection device to which the present invention is applied may be one that detects displacement with a configuration or principle different from that of the three
また、複数本の偏波保持ファイバを使用する図8の例では、図1例の変位検出装置100に適用した例を示すが、図2や図3に示す変位検出装置200,300で複数本の偏波保持ファイバを使用する場合の、各々のファイバの長さの条件についても、同じことが適用可能である。さらに、図8では3本の偏波保持ファイバ150a,150b,150cを勘合させた例としたが、2本又は4本以上の偏波保持ファイバを勘合させる場合にも、上述した例と同じ条件が適用可能である。
In the example of FIG. 8 using multiple polarization-maintaining fibers, an example is shown in which it is applied to the
100…変位検出装置、101…光源、102…第1レンズ、110…変位検出器、111…第2レンズ、112…第1偏光ビームスプリッタ、113…第1ミラー、114…第2ミラー、115…回析格子、116…第3レンズ、117…第4レンズ、118…第1位相板、119…第3ミラー、130…受光部、131…ビームスプリッタ、132…第2位相板、133…第2偏光ビームスプリッタ、134…第3偏光ビームスプリッタ、141…第1受光素子、142…第2受光素子、143…第3受光素子、144…第4受光素子、150,150a,150b,150c…偏波保持ファイバ、151…コア、152,153…応力付与部材、154…クラッド、200…変位検出装置、201…光源、202…第1レンズ、210…変位検出器、211…第2レンズ、212…第1偏光ビームスプリッタ、213…第1位相板、214…ターゲットミラー、215…第2位相板、216…リファレンスミラー、230…受光部、231…ビームスプリッタ、232…第3位相板、233…第2偏光ビームスプリッタ、234…第3偏光ビームスプリッタ、241…第1受光素子、242…第2受光素子、243…第3受光素子、244…第4受光素子、250…偏波保持ファイバ、300…変位検出装置、301…光源、302…第1レンズ、310…変位検出器、311…第2レンズ、312…第1偏光ビームスプリッタ、313…第1位相板、314…第2位相板、315…ターゲットミラー、316…リファレンスミラー、317…透過型回析格子、318,319…ミラー、330…受光部、331…ビームスプリッタ、332…第3位相板、333…第2偏光ビームスプリッタ、334…第3偏光ビームスプリッタ、341…第1受光素子、342…第2受光素子、343…第3受光素子、344…第4受光素子、350…偏波保持ファイバ、401…光源、402…偏光ビームスプリッタ、403…固定ミラー、404…可動ミラー、405…受光素子 100... Displacement detection device, 101... Light source, 102... First lens, 110... Displacement detector, 111... Second lens, 112... First polarizing beam splitter, 113... First mirror, 114... Second mirror, 115... Diffraction grating, 116... Third lens, 117... Fourth lens, 118... First phase plate, 119... Third mirror, 130... Light receiving unit, 131... Beam splitter, 132... Second phase plate, 133... Second polarizing beam splitter, 134... Third polarizing beam splitter, 141... First light receiving element, 1 42... second light receiving element, 143... third light receiving element, 144... fourth light receiving element, 150, 150a, 150b, 150c... polarization maintaining fiber, 151... core, 152, 153... stress applying member, 154... cladding, 200... displacement detection device, 201... light source, 202... first lens, 210... displacement detector, 211... second lens, 212... first polarizing beam splitter, 213... first phase plate, 214... target mirror, 215... second phase plate, 216... reference mirror, 230... light receiving unit, 231...beam splitter, 232...third phase plate, 233...second polarizing beam splitter, 234...third polarizing beam splitter, 241...first light receiving element, 242...second light receiving element, 243...third light receiving element, 244...fourth light receiving element, 250...polarization maintaining fiber, 300...displacement detection device, 301...light source, 302...first lens, 310...displacement detector, 311...second lens, 312...first polarizing beam splitter, 313...first phase plate, 314...second phase plate, 315...target mirror , 316...reference mirror, 317...transmission type diffraction grating, 318, 319...mirror, 330...light receiving unit, 331...beam splitter, 332...third phase plate, 333...second polarizing beam splitter, 334...third polarizing beam splitter, 341...first light receiving element, 342...second light receiving element, 343...third light receiving element, 344...fourth light receiving element, 350...polarization maintaining fiber, 401...light source, 402...polarizing beam splitter, 403...fixed mirror, 404...movable mirror, 405...light receiving element
Claims (8)
前記レーザ光源からの光を集光させるレンズと、
前記レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、
前記分岐された光が照射される回折格子と、
前記回折格子からの回折光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、
前記干渉光の強度変化から、前記回折格子の変位量を検出する変位検出装置であって、
前記偏波保持ファイバのファイバ長Lを、直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がピークとなる長さ、(2mneffLCAVLbeat)/λと(2(m+1)neffLCAVLbeat)/λとの間の干渉強度がほぼ0となる長さに設定した(ただし、mは0以上の正の整数、neffは前記レーザ光源の共振器の実効屈折率、LCAVは前記レーザ光源の共振器長、Lbeatは前記偏波保持ファイバのビート長、λは前記レーザ光源の波長である)
変位検出装置。 a multimode laser light source having low coherence and having multiple interference intensity peaks caused by optical path length differences;
a lens for collecting light from the laser light source;
a beam splitter that splits the light collected by the lens and transmitted through the polarization-maintaining fiber;
a diffraction grating onto which the branched light is irradiated;
a light receiving element for receiving interference light produced by overlapping and interfering with the diffracted light from the diffraction grating;
A displacement detection device that detects a displacement amount of the diffraction grating from a change in intensity of the interference light,
The fiber length L of the polarization-maintaining fiber was set to a length at which the intensity of the interference light due to the light passing through two orthogonal propagation modes reaches a peak, and the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ becomes approximately 0 (where m is a positive integer of 0 or more, n eff is the effective refractive index of the resonator of the laser light source, LCAV is the resonator length of the laser light source, L beat is the beat length of the polarization-maintaining fiber, and λ is the wavelength of the laser light source).
Displacement detection device.
請求項1に記載の変位検出装置。 2. The displacement detection device according to claim 1, wherein a plurality of the polarization-maintaining fibers are connected to a detachable connector, and when a plurality of fitting portions are present, the total length of the polarization-maintaining fibers, including the last polarization-maintaining fiber in the connection order and all combinations of the polarization-maintaining fibers other than that, is set to a length at which the intensity of the interference light due to the light passing through two orthogonal propagation modes peaks, and the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ is set to be approximately zero.
偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、
前記分岐された光を反射する被測定面の移動に連動して移動するターゲットミラーと、
前記ターゲットミラーから反射された光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、
前記干渉光の強度変化から、前記ターゲットミラーの変位量を検出する変位検出装置において、
前記偏波保持ファイバのファイバ長Lを、直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がピークとなる長さ、(2mneffLCAVLbeat)/λと(2(m+1)neffLCAVLbeat)/λとの間の干渉強度がほぼ0となる長さに設定した(ただし、mは0以上の正の整数、neffは前記レーザ光源の共振器の実効屈折率、LCAVは前記レーザ光源の共振器長、Lbeatは前記偏波保持ファイバのビート長、λは前記レーザ光源の波長である)
変位検出装置。 a lens for focusing light from a laser light source;
a beam splitter that splits light transmitted through the polarization-maintaining fiber;
a target mirror that moves in conjunction with the movement of a measurement surface that reflects the branched light;
a light receiving element for receiving interference light obtained by overlapping and interfering with the light reflected from the target mirror;
A displacement detection device that detects a displacement amount of the target mirror from a change in intensity of the interference light,
The fiber length L of the polarization-maintaining fiber was set to a length at which the intensity of the interference light due to the light passing through two orthogonal propagation modes reaches a peak, and the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ becomes approximately 0 (where m is a positive integer of 0 or more, n eff is the effective refractive index of the resonator of the laser light source, LCAV is the resonator length of the laser light source, L beat is the beat length of the polarization-maintaining fiber, and λ is the wavelength of the laser light source).
Displacement detection device.
設定した請求項3に記載の変位検出装置。 4. The displacement detection device according to claim 3, wherein a plurality of the polarization-maintaining fibers are fitted with a detachable connector, and when a plurality of fitting portions are present, the order of connection of the polarization-maintaining fibers is set so that the total length of the polarization-maintaining fibers, including the last polarization-maintaining fiber and all combinations of the polarization-maintaining fibers other than that, is set to a length at which the intensity of the interference light due to light passing through two orthogonal propagation modes peaks, and the interference intensity between (2mn eff LCAV L beat )/λ and (2(m+1)n eff LCAV L beat )/λ is set to be approximately zero.
前記光源からの光を集光させるレンズと、
前記レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、
前記分岐された光が照射される回折格子と、
前記回折格子からの回折光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、
前記干渉光の強度変化から、前記回折格子の変位量を検出する変位検出装置において、
前記偏波保持ファイバは、前記光源から出射した光を前記偏波保持ファイバに入射した場合、前記偏波保持ファイバの長さLは可干渉距離Llowと2つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長Lbeatの積を前記光源の波長λで割った長さよりも長く、前記偏波保持ファイバの直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がほぼ0となる、前記レンズで集光された光を伝送する
変位検出装置。 a low-coherence light source having a coherence length that emits light;
a lens for collecting light from the light source;
a beam splitter that splits the light collected by the lens and transmitted through the polarization-maintaining fiber;
a diffraction grating onto which the branched light is irradiated;
a light receiving element for receiving interference light produced by overlapping and interfering with the diffracted light from the diffraction grating;
a displacement detection device for detecting an amount of displacement of the diffraction grating from a change in intensity of the interference light,
a length L of the polarization-maintaining fiber that is longer than the product of a coherence length L low and a beat length L beat calculated from the difference between the propagation constants of two polarization modes, divided by the wavelength λ of the light source, and the intensity of interference light due to light passing through two orthogonal propagation modes of the polarization-maintaining fiber is approximately zero when the light emitted from the light source is incident on the polarization-maintaining fiber, the length L of the polarization-maintaining fiber being longer than the product of a coherence length L low and a beat length L beat calculated from the difference between the propagation constants of two polarization modes, divided by the wavelength λ of the light source, and the intensity of interference light due to light passing through two orthogonal propagation modes of the polarization-maintaining fiber is approximately zero.
請求項5に記載の変位検出装置。 6. The displacement detection device according to claim 5, wherein a plurality of the polarization-maintaining fibers are connected to a detachable connector, the length of each polarization-maintaining fiber is 2 m × L (where m is an integer equal to or greater than 0, and L is the length of the shortest polarization-maintaining fiber), and no two combinations of the polarization-maintaining fibers have the same length.
前記レンズで集光され偏波保持ファイバで伝送された光を分岐するビームスプリッタと、
前記分岐された光を反射する被測定面の移動に連動して移動するターゲットミラーと、
前記ターゲットミラーから反射された光を重ね合わせ干渉させた干渉光を受光する受光素子を備え、
前記干渉光の強度変化から、前記ターゲットミラーの変位量を検出する変位検出装置において、
前記偏波保持ファイバは、前記レーザ光源から出射した光を偏波保持ファイバに入射した場合、前記偏波保持ファイバの長さLは可干渉距離Llowと2つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長Lbeatの積を前記レーザ光源の波長λで割った長さよりも長く、前記偏波保持ファイバの直交する二つの伝搬モード経由の光による干渉光の強度がほぼ0となる、前記レンズで集光された光を伝送する
変位検出装置。 a lens for focusing light from a laser light source;
a beam splitter that splits the light collected by the lens and transmitted through the polarization-maintaining fiber;
a target mirror that moves in conjunction with the movement of a measurement surface that reflects the branched light;
a light receiving element for receiving interference light obtained by overlapping and interfering with the light reflected from the target mirror;
A displacement detection device that detects a displacement amount of the target mirror from a change in intensity of the interference light,
a length L of the polarization-maintaining fiber that is longer than the product of a coherence length L low and a beat length L beat calculated from the difference between the propagation constants of two polarization modes divided by the wavelength λ of the laser light source, and when the light emitted from the laser light source is incident on the polarization-maintaining fiber, the intensity of the interference light due to the light passing through the two orthogonal propagation modes of the polarization-maintaining fiber becomes approximately zero.
請求項7に記載の変位検出装置。 8. The displacement detection device according to claim 7, wherein a plurality of the polarization-maintaining fibers are connected to a detachable connector, the length of each polarization-maintaining fiber is 2 m × L (where m is an integer equal to or greater than 0, and L is the length of the shortest polarization-maintaining fiber), and no two combinations of the polarization-maintaining fibers have the same length.
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