CN100462687C - 位移检测装置、位移测量装置和固定点检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供位移检测装置、位移测量装置和固定点检测装置能够高精确度地检测固定点或测量位移。该位移检测装置包括用于发射光束的光源，提高从光源发射的光束的消光比至不小于20dB的消光比转换单元，用于聚焦具有通过消光比转换单元的光束的聚焦透镜，传送通过聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤，安装到测量目标的衍射光栅，从而被辐射并衍射通过光纤传送的光束；接收被衍射光栅衍射的光束的光接收单元，使其偏振轴与光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致，使具有通过消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的通过聚焦透镜聚焦的光束进入光纤，通过接收衍射光束的量的水平，该光接收单元适于检测测量目标的位移。
Description
技术领域
本发明涉及通过检测由衍射光栅衍射的衍射光检测位移的位移检测装置，通过采用由衍射光栅衍射的衍射光的干涉测量位移量的位移测量装置，以及通过衍射光检测固定点的固定点检测装置。
背景技术
已知设计成利用光的干涉检测安装到活动标尺上的衍射光栅的位置位移的光栅干涉仪。现在，通过参照附图的图1在下面描述位移检测装置。图1示意性描述包括透过型衍射光栅的位移检测装置。
如图1中所示，位移检测装置包括相干光源部分90、第一透镜91、第一偏振光束分离器(PBS)92、第一四分之一波片93、反射棱镜94、第二四分之一波片95、第二透镜96、光束分离器(BS)97、第二PBS98、第一光电变换器99、第二光电变换器100、第三四分之一波片101、第三PBS102、第三光电变换器103、第四光电变换器104、第一差动放大器105、第二差动放大器106和步进信号发生器107(incremental signal generator)，并且所述位移检测装置适于读出设置于标尺108之上的透过型衍射光栅。
相干光源90发射光至第一透镜91。第一透镜91会聚入射光，以产生合适的光束，并将它发射至第一PBS92。第一PBS92将进入它的光束分成分别具有S-偏振分量和P-偏振分量的两个光束。S-偏振光束是由撞击分界面的光和通过光分界面反射的光形成的偏振分量，并且其适于在垂直于入射平面的方向上振荡。P-偏振光束是适于在相对于入射平面水平的方向上振荡的偏振分量。通过第一PBS92反射具有S-偏振分量的光束，而将具有P-偏振分量的光束透过第一PBS92。如果来自相干光源部分90的光束是线性偏振光，则在它撞击第一PBS92之前它的偏振方向以45°倾斜。由于该设置，使具有S-偏振分量的光束的强度和具有P-偏振分量的光束的强度彼此相等。
使通过第一PBS92反射的具有S-偏振分量的光束撞击记录在标尺108上的衍射光栅的点P，而使透过第一PBS92的具有P-偏振分量的光束撞击衍射光栅的撞击点Q。它们在相应方向上的衍射通过下面的公式表示：
sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ，
其中θ1表示相对于标尺108的入射角度，并且θ2表示从标尺108的衍射角度，同时Λ表示光栅的节距(宽度)，并且λ和n分别表示光的波长和衍射程度。
如果在点P处的入射角度和衍射角度分别是θ1p和θ2p，同时在点Q处的入射角度和衍射角度分别是θ1q和θ2q，则调节图1的已知的位移检测装置，以实现θ1p＝θ2p＝θ1q＝θ2q。衍射程度在点P和点Q处是相同的。
使在点P处衍射的光束(S-偏振分量)通过第一四分之一波片93，并通过反射棱镜94垂直地反射，并返回至点P，从而被衍射光栅衍射。同时，由于第一四分之一波片93的光轴相对于入射光的偏振方向以45°倾斜，因而返回至点P的光束具有P-偏振分量。
另一方面，使在点Q处衍射的光束(P-偏振分量)通过第二四分之一波片95，并通过反射棱镜94垂直地反射，并返回至点Q，从而被衍射光栅衍射。同时，由于第二四分之一波片95的光轴相对于入射光的偏振方向以45°倾斜，因而返回至点Q的光束具有S-偏振分量。
在点P和Q处再次被衍射的光束然后返回至第一PBS92。由于从点P返回的光束具有P-偏振分量，因而它透过第一PBS92。另一方面，由于从点Q返回的光束具有S-偏振分量，因而它被第一PBS92反射。因此，使返回至点P和点Q的光束在第一PBS92处彼此重叠，并通过第二透镜96被会聚成合适的光束，该光束然后进入BS97。
BS97将进入的光束分成两束，使一束进入第二PBS98，同时另一束进入第三四分之一波片101。需要指出，相对于入射光的偏振方向以45°倾斜第二PBS98和第三四分之一波片101。
将进入第二PBS98的光束分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束，使具有S-偏振分量的光束进入第一光电变换器99，同时使具有P-偏振分量的光束进入第二光电变换器100。在第一光电变换器99和第二光电变换器100处获得干涉信号Acos(4Kx+δ)。在Acos(4Kx+δ)中，K等于2π/Λ，而x表示移动量，同时δ表示初相位。需要指出，在第一光电变换器99处获得的信号和在第二光电变换器100处获得的信号表现出180°的相位差。
在进入第三四分之一波片101的光束中，在相对方向上圆形偏振具有P-偏振分量的光束和具有S-偏振分量的光束，并使其彼此重叠，以产生线性偏振光束，然后进入第三PBS102。将进入第三PBS102的光束分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束，使具有S-偏振分量的光束进入第三光电变换器103，同时使具有P-偏振分量的光束进入第四光电变换器104。因为衍射光栅在x方向上移动Λ/2，进入第三PBS102的线性偏振光束的偏振方向进行完整的回转。因此，如同第一光电变换器99和第二光电变换器100，第三光电变换器103和第四光电变换器104产生Acos(4Kx+δ’)的干涉信号。需要指出，在第三光电变换器103处获得的信号和在第四光电变换器104处获得的信号表现出180°的相位差。
相对于第二PBS98以45°倾斜第三PBS102。因此在第三光电变换器103和第四光电变换器104处获得的信号相对于在第一光电变换器99和第二光电变换器100处获得的信号表现出90°的相位差。
第一差动放大器105差动放大来自第一光电变换器99和第二光电变换器100的电信号输入，并将通过消去干涉信号的DC(直流)分量获得的信号输出至步进信号发生器107。类似地，第二差动放大器106差动放大来自第三光电变换器103和第四光电变换器104的电信号输入，并将通过消去干涉信号的DC(直流)分量获得的信号输出至步进信号发生器107。
附图的图2示意性描述了由本专利申请的申请人在下面列出的专利文献1，日本专利申请未审查公开4-324316号(Jpn.Pat.Appln.Laid-OpenPublication No.4-324316)中公开的一种已知的固定点检测装置。该固定点检测装置包括固定部分110和在测量方向(X方向)上可移动的可移动部分130，固定部分110包括光学系统111和检测系统121，同时可移动部分130包括基片131和在基片131的上表面上设置的两个体积类型的全息衍射光栅132、133。
光学系统111包括典型为用于输出激光束的半导体激光器的光源112、准直透镜113和聚焦透镜114。检测系统121具有光接收装置122、123和电处理电路129。
附图的图3示意性描述了已知的固定点检测装置的全息衍射光栅132、133。利用透过/体积型全息图形成全息衍射光栅132、133。全息衍射光栅132、133在下文中也可被简单称为全息图。如图3中所示，使每个全息衍射光栅132、133的栅格间距或栅格节距d在测量方向上顺序改变。分别限定全息衍射光栅132、133的栅格间距或栅格节距d的分布平面142、143相对于全息衍射光栅132、133的上表面倾斜，并且倾斜角度顺序和连续地在测量方向上改变。因此，因为通过全息衍射光栅132、133衍射入射光，所以衍射效率在测量方向上连续改变。
附图的图4是图2的固定点检测装置的主体部分的示意性描述。如图4所示，在基片131的上表面131A上的横向方向上并排设置两个全息衍射光栅132、133。该两个全息衍射光栅132、133相对于中心平面135对称地设置。更具体地，使全息衍射光栅132、133的分布平面142、143的倾斜角度以相对于中心平面135对称的方式在中心平面135的相对侧处顺序和连续地改变，并使每个全息衍射光栅132、133的栅格间距或栅格节距d也以相对于中心平面135对称的方式顺序和连续地改变。两个全息衍射光栅132、133设置成使得它们的衍射效率变成最大的相应的点在测量方向上彼此不同。
因为可移动部分130相对于固定部分110移动，并且它相对于光接收装置122、123和固定位于图4中的光源112移动，通过第一光接收装置122检测通过第一全息衍射光栅132衍射的光，而通过第二光接收装置123检测通过第二全息衍射光栅133衍射的光。
由于将两个全息衍射光栅132、133设置成其中衍射效率变成最大的相应的点在测量方向上彼此不同，因而通过第一光接收装置122检测的衍射光的光学强度曲线的峰值和通过第二光接收装置123检测的衍射光的光学强度曲线的峰值彼此不同。因此，存在其中两个光学强度曲线互相相交的交叉，并因此存在两个曲线表现出相同值的点。该点是通过固定点检测装置获得的固定点。
发明内容
近来使通过利用发光二极管和激光器形成的固定点检测装置和位移测量装置表现出高分辨率，从而使它们可以测量小于1nm的距离。另一方面，这种测量操作时不允许传感器发射热。因此，普遍使用分离光源与传感器和通过光纤传送光束的设置。
附图的图5示意性说明了适于通过偏振保持型光纤163传送从光源161发射的光束至检测部分164并检测固定点的固定点检测装置160。通过偏振保持型光纤163传送从光源161发射的光束至聚焦透镜162，并将其辐射至在测量目标169上并排设置的两个衍射光栅166和167之上，并通过两个光接收部分170和171分别接收通过两个衍射光栅166和167的临近定位的边缘168衍射的光束。然后，通过比较器172比较两个光接收部件170和171接收光的量，并将其中比较信号表现出预定的相应的水平的点限定为固定点。
因此，偏振保持型光纤163用于图5的固定点检测装置160，以在保持偏振分量的状态中传送从光源161发射的光束。然而，由于光纤上应力和弯曲的影响，偏振被扰乱，使检测部分164被干扰影响，使固定点检测装置160不能为了测量而稳定地工作。
下面更具体地讨论该问题。如果由于光纤163的应力和弯曲稍微移位从光纤163发射的光束的偏振轴，则可以因此改变进入衍射光栅166和167的光束的偏振分量。通常，衍射光栅的衍射效率不仅基于入射光束的偏振分量而且基于衍射光栅自身的特性而改变，从而使光束进入光接收部件170和171时的量可以改变，并且所述装置错误地识别固定点移位。
因此，为了固定点检测装置160稳定地执行检测固定点的操作，必须稳定从光纤163出来的光束的偏振轴。
附图的图6示意性描述了适于通过偏振保持型光纤183传送从光源181发射的光束至检测部分184、并通过检测部分184测量测量目标的位移的位移测量装置180。在通过偏振保持型光纤183传送从光源181发射的光束至聚焦透镜185之后，测量装置使光束进入偏振光束分离器186。偏振光束分离器186将入射光束分成两个光束，并使它们撞击衍射光栅标尺187。获得的衍射光束透过λ/4波片188和189，并分别被镜面191和192反射，从而返回偏振光束分离器186，跟随同样的光程。然后，在偏振光束分离器186处重新结合两个光束，并作为干涉信号向偏振装置193导引。在通过偏振装置193之后，通过光接收部件194将干涉信号转换成电信号，以测量衍射光栅的位移。
然而，如果在上面所述的位移测量装置180中在光纤183的应力和弯曲的影响下干扰偏振，则因此再次改变通过偏振光束分离器186产生的两束光的数量的量。当在偏振光束分离器186处重新结合两个光束时，光的量的改变作为调制比的改变，以变成干涉信号，从而提高输出信号方面的波动。由于它们相反地影响测量位移的精确度。因而必须尽可能地稳定从光学传送单元输出的光束的偏振轴。
考虑到上面认识到的情况，因此期望提供一种能够高精度地检测固定点或通过减小由于光纤的应力和弯曲的偏振的波动，以用于传送从光源发射的光束至检测侧的位移检测装置、位移测量装置和固定点检测装置。
依据本发明，提供一种位移检测装置，其包括：用于发射光束的光源，用于提高从该光源发射的光束的消光比至不小于20dB的消光比转换装置，用于聚焦具有通过消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜，用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤，安装到测量目标的衍射光栅，从而被辐射并衍射通过光纤传送的光束，以及用于接收被该衍射光栅衍射的光束的光接收装置，利用使它的偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致，使具有通过该消光比转换装置被提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入光纤，通过接收该衍射光束的量的水平，该光接收装置适于检测该测量目标的位移。
这样，由于如上面限定的位移检测装置，因为利用使偏振轴与该光纤的光轴或与该光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入该光纤，可以最小化由于光纤的应力和弯曲的偏振的干扰。
依据本发明，也提供一种位移测量装置，其包括：用于发射光束的光源，用于使从该光源发射的光束变成线性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比转换装置，用于聚焦具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜，用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤，用于将通过该光纤传送的光束分成两个光束的偏振光分离器，安装到测量目标并适于接收通过该偏振光分离器产生的两个光束的衍射光栅，并产生衍射光束，用于改变通过该衍射光栅产生的两个衍射光束的偏振的相位板，用于反射具有通过该相位板改变的偏振的两个衍射光束、并再次通过该相位板导引它们至该衍射光栅的两个反射镜，用于引起通过该两个反射镜导引至该衍射光栅的两个衍射光束衍射的偏振部件，并通过该衍射光栅使其进入该偏振光束分离器，并由该偏振光束分离器反射或透过其传送，以彼此干涉，以及用于接收通过该偏振部件获得的干涉光束的光接收部件，其中利用使它的偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致，使具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入光纤，通过接收该衍射光束的量的水平，该光接收装置适于检测该测量目标的位移。
这样，由于如上面限定的位移测量装置，因为利用使其偏振轴与该光纤的光轴或与该光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入该光纤，可以最小化由于该光纤的应力和弯曲的偏振的干扰。
依据本发明，也提供一种固定点检测装置，其包括：用于发射光束的光源，用于使从该光源发射的光束变成线性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比转换装置，用于聚焦具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜，用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤，并排设置的两个衍射光栅，以辐射通过该光纤传送的光束，并衍射它，用于接收通过该两个衍射光栅产生的衍射光束的两个光接收装置，和比较装置，其用于比较两个光接收装置的接收光的量，利用使它的偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致，使具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入该光纤，该比较装置依据该两个光接收装置的接收光的量的比较结果适于检测固定点。
这样，由于如上面限定的固定点检测装置，因为利用使偏振轴与光纤的光轴或与该光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入光纤，可以最小化由于该光纤的应力和弯曲的偏振的干扰。
因为利用使偏振轴与光纤的光轴或与该光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入光纤，依据本发明的位移检测装置可以最小化由于光纤的应力和弯曲的偏振的干扰，从而可以高精度地检测位移。
因为利用使偏振轴与光纤的光轴或与该光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入光纤，依据本发明的位移测量装置可以最小化由于光纤的应力和弯曲的偏振的干扰，从而可以高精度地检测位移。
因为利用使偏振轴与光纤的光轴或与光轴正交的轴一致，使通过该聚焦透镜聚焦的具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束进入光纤，依据本发明的固定点检测装置可以最小化由于光纤的应力和弯曲的偏振的干扰，从而可以高精度地检测固定点。
附图说明
图1是已知的位移检测装置的示意性描述，表现出了其结构；
图2是在专利文献1中描述的已知的固定点检测装置的示意性描述，表现出了其结构；
图3是用于图2中的固定点检测装置的全息衍射装置的示意性描述，表现出了其结构；
图4是图2的固定点检测装置的主体部分的示意性描述；
图5是适于通过光纤检测固定点的固定点检测装置的示意性描述，表现出了其结构；
图6是适于通过光纤测量位移的位移测量装置的示意性描述，表现出了其结构；
图7是依据本发明的位移测量装置的实施例的示意性描述，表现出了其结构；
图8是消光比的示意性描述；
图9是偏振保持型光纤的示意性横截面图；
图10是位移测量装置的实施例的应用的示意性描述；
图11是固定点检测装置的实施例的示意性描述，表现出了其结构；
图12是说明S-偏振分量的衍射效率和P-偏振分量的衍射效率大程度不同的曲线图；
图13是当将弯曲应力施加至偏振保持型光纤时用于测量固定点的检测位置随时间变化的程度的系统的示意性方块图；
图14是说明由于光纤的弯曲检测的固定点的位移的曲线图；
图15是通过集成组合偏振板和聚焦透镜实现的光学传送单元的示意性描述；
图16是通过集成组合偏振板、准直透镜和聚焦透镜以及将该偏振板夹于该准直透镜和聚焦透镜之间实现的光学传送单元的示意性描述；
图17是取代利用偏振板，通过形成偏振保持型光纤的光接收末端小面从而表现出布儒斯特角来实现的光学传送单元的示意性描述；
图18是通过在用作光源的半导体激光器的发光窗处形成偏振板来实现的光学传送单元的示意性描述；以及
图19是通过形成用作光源的半导体激光器的发光窗玻璃以表现出布儒斯特角来实现的光学传送单元的示意性描述。
具体实施方式
现在，参照描述了本发明的优选实施例的附图说明位移测量装置和固定点检测装置。
图7是依据本发明的位移测量装置的实施例的示意性说明，该图表现出了其结构。参照图7，位移测量装置10适用于为了测量纳米(nm)级和更低级的移动量的制造半导体或液晶的领域。当其光源部分产生的热影响其检测部分的传感器时，位移测量装置10不能够稳定地测量移动量。换句话说，必须避免任何热被传送至检测部分16。因此，光源12与检测部分16分离，并通过光纤15传送从光源12发射的光束至检测部分16。
为此，位移测量装置10包括用于发射光束的光源12、适于被用作用于将从光源12发射的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束的消光比转换装置的一种偏振部件的偏振板13、用于聚焦表现出高消光比并来自偏振板13的线性偏振光束的聚焦透镜14，以及用于传送被聚焦透镜14聚焦的线性偏振光束的偏振保持型的光纤15。
位移测量装置10另外包括用于聚焦通过光纤15传送的线性偏振光束的聚焦透镜17，用于将通过聚焦透镜17聚焦的线性偏振光束分成两个光束的偏振光束分离器18，适于接收由通过偏振光束分离器18分离原始光束产生的光束并且安装到测量目标的衍射光栅19，适于改变通过衍射光栅19产生的两个衍射光束的偏振的方向并被设置为在它们之间形成90°的角度的两个相位板20和21，具有两个镜面22和23并且该两个镜面被设置为引起来自衍射光栅19的衍射光束往复于该两个相位板之间的反射棱镜24，在该反射棱镜24上，将两个相位板20和21设置成在它们之间形成90°的角度，用于使通过偏振光束分离器18重新结合并且进入其的光束彼此干涉的偏振部件25，以及用于将其接收的两个干涉光束的干涉信号量转换成为电信号的光接收部件26。
光源12、偏振部件13、聚焦透镜14和偏振保持型光纤15被总起来称作光学传送单元11。检测部分16包括聚焦透镜17、偏振光束分离器18、衍射光栅19、两个相位板20和21、两个反射镜22和23、偏振部件25和光接收部件26。
现在将更详细地描述位移测量装置10的部件。首先，光源12可以是用于发射相干光束的光源，或发射低相干光束的发光二极管。可替代地，它可以是具有偏振特性或不具有偏振特性的光源。
偏振板13是被用作适于将来自光源的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束的消光比转换装置的一种偏振部件。不小于20dB的消光比意味着长轴部分的线性偏振光束(A)对图8中的短轴部分的线性偏振光束(B)的量，或A:B不小于100:1。消光比越高，线性偏振光束的品质就越好。偏振部件可以实现不小于30dB的消光比，或A:B的量等于1000:1。可以通过在预定方向上拉伸包括铅(lead)的玻璃形成该偏振部件，以定向内部分子结构至预定方向，并使它如偏振滤波器地工作。偏振光束分离器适于将来自光源的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束，其可以用于消光比转换装置。
偏振保持型光纤15典型地具有表现出具有3μm的直径的圆形横截面的圆芯30，和同轴围绕圆芯30的具有100μm直径的包层31，如图9中所示。芯30和包层31都由石英玻璃制成，但表现出彼此不同的各自的折射系数。圆芯30的折射系数高于包层31的折射系数。例如，当将波长λ在600和700nm之间的光束导引进入芯30时，光束前进，同时由芯30和其折射系数低于芯30的折射系数的包层31的分界面反射。两个玻璃丝32和33与芯30和包层31不同并表现出圆形横截面，将它们设置在芯30的相对侧，从而远距离地夹着芯30。两个玻璃丝32和33具有相同的热膨胀系数，并促使收缩整个包层31。更具体地，它们促使冷却整个包层31，并保持被施加至芯30的应力为恒定水平。将连接两个玻璃丝32和33的中心和芯30的中心以及包层31的中心的轴限定为光轴34。使从光源12发射的光束进入光纤15，同时通过偏振板13和聚焦透镜14使从光源15发射的光束的偏振轴与光纤15的光轴34一致。偏振保持型光纤可替代地是其芯表现出椭圆形横截面的椭圆形芯型光纤。
偏振光束分离器18将通过偏振保持型光纤15传送和通过聚焦透镜17聚焦的光束分成分别具有S-偏振分量和P-偏振分量的两个光束。将进入偏振光束分离器18的入射光束的偏振轴设置成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束都表现出相同的功率水平。S-偏振光束是相对于通过撞击光的分界面的光束和由该分界面反射的光束限定的入射平面垂直振荡的偏振分量。P-偏振光束是与入射平面平行振荡的偏振分量。通过偏振光束分离器18反射具有S-偏振分量的光束，而通过偏振光束分离器18透过具有P-偏振分量的光束。
衍射光栅19可以是体积型全息图。衍射光栅19安装到测量目标。衍射光栅19在如图7所示的箭头的方向上是可移动的。衍射光栅19的栅距典型是0.55μm。透过偏振光束分离器18之后P-偏振分量撞击衍射光栅19的位置(点Q)与偏振光束分离器18反射之后S-偏振分量撞击衍射光栅19的位置(点P)不同。
相对于进入光束的偏振方向，安装到反射棱镜24的第一镜面22的第一四分之一波片20的光轴以45°倾斜。类似地，相对于进入光束的偏振方向，安装到反射棱镜24的第二镜面22的第二四分之一波片21的光轴以45°倾斜。
相对于进入光束的偏振方向，在光接收部件26的侧面处设置的偏振部件25以45°倾斜。因此，当它们通过偏振部件25时，来自偏振光束分离器18的两个光束变成干涉波。光接收部件26将该干涉波撞击它的量转换成电信号。
现在将在下面讨论具有上面所述的结构的位移测量装置10的操作。当从光源12发射的相干或低相干光束进入偏振板13时，它变成表现出典型高达30dB的消光比的线性偏振光束。通过聚焦透镜14聚焦表现出高消光比的线性偏振光束，并利用使线性偏振光束的偏振轴与光纤15的光轴34一致，使它进入偏振保持型光纤15。当使光束进入光纤15时，由于使通过偏振板13线性偏振的光束的偏振轴与偏振保持型光纤15的光轴34一致，可以减小由于光纤15的应力和弯曲的消光比的波动。可替代地，利用使光束的偏振轴与正交相交光轴34的轴35一致，可以使光束进入光纤15。
调节和最大化从光纤15的光发射端15b发射的光束的消光比的技术可以用于使该光束的偏振轴与偏振保持型光纤15的光轴一致。
因此，包括光源12、偏振板13、聚焦透镜14和偏振保持型光纤15的光学传送单元11不仅可以提高从光纤15的光发射端15b发射的光束的消光比，而且可以减小由于光纤15的应力和弯曲的消光比的波动。
在它进入偏振光束分离器18之前，通过检测部分16的聚焦透镜17聚焦从光学传送单元11的光纤15发射的光束。如上面所述，偏振光束分离器18将入射光束分成分别具有S-偏振分量和P-偏振分量的两个光束。通过偏振光束分离器18反射具有S-偏振分量的光束，并在点P处进入衍射光栅19。通过偏振光束分离器18透过具有P-偏振分量的光束，并在点Q处进入衍射光栅19。
通过下面的公式表示在相应的方向上衍射在点P和点Q处进入衍射光栅19的光束：
sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ，
其中θ1表示相对于光栅标尺的入射角度，并且θ2表示从光栅标尺的衍射角度，同时Λ表示光栅的节距(宽度)，并且λ和n分别表示光的波长和衍射程度。
在衍射光栅的点P处衍射的光束(S-偏振分量)透过安装到反射棱镜24的第一镜面22的第一四分之一波片20，被第一镜面22垂直地反射并返回至点P，其中它被衍射光栅19衍射。同时，由于第一四分之一波片20的光轴相对于入射光束的偏振方向以45°倾斜，因而返回至点P的光束变成具有P-偏振分量的光束。换句话说，在衍射光栅19的点P处衍射的S-偏振分量透过第一四分之一波片20，接着被反射棱镜24的第一镜面22反射，并在然后再次透过第一四分之一波片20，以使返回光束的偏振轴正交向前传送的光束的偏振轴。
类似地，在衍射光栅的点Q处衍射的光束(S-偏振分量)透过安装到反射棱镜24的第二镜面23的第二四分之一波片21，被反射棱镜24垂直地反射并返回至点Q，其中它被衍射光栅19衍射。同时，由于第二四分之一波片21的光轴相对于入射光束的偏振方向以45°倾斜，因而返回至点Q的光束变成具有S-偏振分量的光束。换句话说，在衍射光栅19的点S处衍射的P-偏振分量透过第二四分之一波片21，接着被反射棱镜24的第二镜面23反射，并在然后再次透过第二四分之一波片21，以使返回光束的偏振轴正交向前传送的光束的偏振轴。
因此，再次在点P和Q衍射的光束返回偏振光束分离器18。由于从点P返回的光束具有P-偏振分量，它透过偏振光束分离器18。另一方面，由于从点Q返回的光束具有S-偏振分量，它被偏振光束分离器18反射。因此，在它们进入偏振部件25之前，通过偏振光束分离器18使从点P和Q返回的光束彼此重叠。
偏振部件25引起通过偏振光束分离器18使之彼此重叠的两个光束彼此干涉。光接收部件26将它接收干涉光束的量转换成电信号，以获得干涉信号。位移测量装置10测量在箭头A的方向上移动的衍射光栅19的移动量，尽管该移动量可以是纳米级或更低级。
通过Acos(4Kx+δ)可以表示上面所述的干涉信号，其中K等于2π/Λ，而x表示移动量，同时δ表示初相位。如果使衍射光栅19的节距Λ等于0.55μm，干涉波的周期对应于等于0.1375μm的衍射光栅19的移动量。因此，该位移测量装置可以测量这种距离。因为位移测量装置将它转换成电信号，并典型地通过A/D转换以200内插，可以实现大约0.6895nm的非常高的分辨率。不必说当测量10nm或更小的非常细微的位移时不得不稳定地输出信号。因为在位移测量装置中最小化了从上面所述的光学传送单元11发射的光束的消光比的波动，因而可以以高分辨率高稳定地测量移动量。
通过增大衍射的次数可以实现类似的效果，并将它应用至检测光学系统，从而使用Acos(8Kx+δ)的干涉信号。图10说明了位移测量装置200(变形)，其中应用了增加次数的衍射。图10的装置与图7的装置不同在于：通过入射平面201a和202a，使从偏振光束分离器18产生并被衍射光栅19衍射的两个光束进入相应的反射棱镜201和202，从而被反射平面201b、202b反射，并再次被反射平面201c、202c反射。然后，它们再次进入衍射光栅19，并在它们分别到达两个相位板20和21和反射棱镜24之前变成被衍射光栅19衍射。通过反射棱镜24反射的光束分别透过两个相位板20和21以及衍射光栅19，从而在那里被衍射。然后，它们分别被反射棱镜201和202反射，并在它们到达偏振光束分离器18之前再次被衍射光栅19衍射。
偏振光束分离器18引起进入的偏振分量彼此重叠，并将它们发送至偏振部件25。偏振部件25引起通过偏振光束分离器18彼此重叠的两个光束彼此干涉，并发送该干涉信号至光束分离器203。光束分离器203将入射光束分成两个光束，并传送该光束的一个至偏振光束分离器204，另一光束至另一个偏振光束分离器207。
进入偏振光束分离器204的光束被分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束。使具有S-偏振分量的光束进入光电变换器205，同时使具有P-偏振分量的光束进入光电变换器206。进入偏振光束分离器207的光束被分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束。使具有S-偏振分量的光束进入光电变换器208，同时使具有P-偏振分量的光束进入光电变换器209。
因此，光电变换器205、206、208和209可以获得Acos(8Kx+δ)的干涉信号。
图11是依据本发明的固定点检测装置40的实施例的示意性描述，表现出了其结构。参照图11，固定点检测装置40适用于为了测量纳米(nm)级和更低级的移动量的制造半导体或液晶的领域。当通过其光源部分产生的热影响其检测部分的传感器时，固定点检测装置40不能够稳定地工作。换句话说，必须避免任何热被传送至检测部分46。因此，光源42与检测部分46分离，并通过光纤45传送从光源42发射的光束至检测部分46。
固定点检测装置40适用于与位移测量装置10一起使用，从而检测例如位移测量装置10的衍射光栅19上的绝对位置。如上面指出的，位移测量装置10包括具有0.55μm的非常小的节距Λ的衍射光栅19。当在衍射光栅19上测量位移时，如果出现电源故障或一些其它事故，迫使测量操作被中止，则当恢复电源时，再也不能复得衍射光栅上的先前测量位置。为了恒定检测衍射光栅上的绝对位置而开发了固定点检测装置40。它包括通过利用具有不同的节距的两个全息图形成的两个衍射光栅48和49，并且适于通过检测两个衍射光栅48和49的临近定位的边缘50检测固定点。
如图11所示，固定点检测装置40包括用于发射光束的光源42、适于被用作用于将从光源42发射的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束的消光比转换装置的一种偏振部件的偏振板43、用于聚焦表现出高消光比并来自偏振板43的线性偏振光束的聚焦透镜44以及用于传送被聚焦透镜44聚焦的线性偏振光束的偏振保持型光纤45。
固定点检测装置40另外包括用于聚焦通过光纤45传送的线性偏振光束的聚焦透镜47，用于引起通过聚焦透镜47会聚的线性偏振光束在分界面部分(边缘)50处或其附近被聚焦的两个临近设置的衍射光栅48和49，用于分别接收由于两个衍射光栅48和49衍射产生的衍射光束的两个光接收部件52和53，以及用于比较两个光接收部件52和53接收光时的量的比较器54。通过由于比较产生的信号确定固定点。
现在将在下面详细描述固定点检测装置的部件。首先，光源42可以是用于发射相干光束的光源，或发射非相干光束的发光二极管。可替代地，它可以是具有偏振特性或不具有偏振特性的光源。
偏振板43是一种被用作适于将来自光源的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束的消光比转换装置的偏振部件。该偏振部件可以实现不小于30dB的消光比。偏振光束分离器适于将来自光源的光束转换成表现出高达不小于20dB的消光比的线性偏振光束，其可以用于消光比转换装置。
偏振保持型光纤45和参照图9在上面所述的相同，并因此在此不再做任何进一步的描述。关于偏振保持型光纤45重要的是通过偏振板43和聚焦透镜44使从光源42发射的光束的偏振轴与光轴34或偏振保持型光纤45的轴35一致。
这是因为当通过偏振板43线性偏振的光束进入偏振保持型光纤45时，通过使光束的偏振轴与光纤45的光轴34一致可以最小化由于光纤的应力和弯曲的消光比的波动。
可以并排设置两个衍射光栅48和49，从而可以在分界面部分(边缘)50处或其附近聚焦通过聚焦透镜47会聚的线性偏振光束。两个衍射光栅48和49可以具有彼此不同的相应的点阵矢量或彼此不同的相应的晶格间距。它们可以从反射类型的全息图和炫耀衍射光栅选择出。图10表现出了两种反射类型的衍射光栅48和49，其中+1度的衍射光被发射至入射光的一侧。可以替代使用透过型衍射光栅。
两个光接收部件52、53将从上面所述的两个衍射光栅48和49获得的衍射光束的强度转换成电信号。相对于两个衍射光栅48和49，在光纤45的发光端45b的侧面设置两个光接收部件52和53。
比较器54比较来自两个光接收部件52和53的电信号。将通过比较器54比较的结果供给至控制部分(未表现出)。该控制部分限定固定点，在该点依据通过比较器54比较的结果两个信号表现出任意选择的水平。将其中两个信号表现出相同的输出水平的点限定为固定点。
现在，在下面讨论具有如上面所述的结构的固定点检测装置40的操作。当从光源42发射的相干或不相干的光束进入偏振板43时，它成为表现出典型地高达30dB的消光比的线性偏振光束。通过聚焦透镜44聚焦表现出这种高消光比的线性偏振光束，并利用使线性偏振光束的偏振轴与光纤45的光轴34一致，使它进入偏振保持型光纤45。因为当光束进入光纤45时，使通过偏振板43线性偏振的光束的偏振轴与偏振保持型光纤45的光轴34一致，可以减小由于光纤45的应力和弯曲的消光比的波动。可替代地，使光束的偏振轴与正交相交光轴34的轴35一致，使该光束进入光纤45。
调节和最大化从光纤45的光发射端45b发射的光束的消光比的技术可以用于使光束的偏振轴与偏振保持型光纤45的光轴一致。
因此，包括光源42、偏振板43、聚焦透镜44和偏振保持型光纤45的光学传送单元41不仅可以提高从光纤45的光发射端45b发射的光束的消光比，而且可以减小由于光纤45的应力和弯曲的消光比的波动。
通过检测部分46的聚焦透镜47会聚从光学传送单元41的偏振保持型光纤45发射的光束，并在可以在图11的箭头A的方向上可移动的两个衍射光栅48和49的分界面(边缘)50处或其附近聚焦。
通过光接收部件52和53分别将从两个衍射光栅48和49产生的衍射光束的强度转换成电信号。将其中依据比较器54比较的结果，两个信号表现出任意选择的水平的点限定为固定点。将其中两个信号表现出相同的输出水平的点限定为固定点。然而，需要指出，当两个信号彼此一致时，比较器54的比较输出变成等于0。由于当衍射光丢失并且光接收部件的输出等于0时，比较的结果也等于0，因而为了避免识别误差，优选区别来自光接收部件的两个信号输出。因此，优选地，两个信号表现出某些非零值，从而可使它们与0的情况区别。
将本实施例的固定点检测装置40安装到测量目标51，以检测衍射光栅48和49的绝对位置。通常，衍射光栅表现出它衍射作为引入的偏振分量的函数变化的光的量。换句话说，衍射效率在S-偏振分量和P-偏振分量之间变化。如果从光源发射的光束的波长是780nm，并且栅格间距是0.55μm，则当观察反射类型全息图的衍射效率时，该衍射效率如图12所示地在S-偏振分量和P-偏振分量之间显著变化。参照图12，对于35°和55°之间的入射角度，S-偏振分量表现出46％和41％之间的衍射效率，同时P-偏振分量表现出91％和92％之间的衍射效率，以证明P-偏振分量的衍射效率远远高于前者分量的衍射效率。此外，由于制造工艺，这些值可以在不同装置中变化，从而使制造的单个装置根据性能表现出某些程度的分散。
因此，由于减小了波动，现在可以不受进入衍射光栅的光束的消光比的波动影响地稳定地检测固定点。
图13是当将弯曲应力施加至该实施例的固定点检测装置40的偏振保持型光纤45时，用于测量固定点的检测位置随时间改变的程度的系统的示意性方块图。如图13所示，使光入射部分55作为一个单元形成，其包括光源42、偏振板43和用于导引具有预定消光比的线性偏振光束进入光纤45的固定点检测装置40的聚焦透镜44。光入射部分55导引具有12dB或29dB的消光比的线性偏振光束进入偏振保持型光纤45。依据来自安装于标尺51的两个衍射光栅48和49的分界面部分50的两个衍射光束，该系统观察光纤45的弯曲的半径随时间的变化，以及检测的固定点的检测位置的变化。
为此，该测量系统包括安装到标尺51的编码器56，以将位移的模拟量检测为数字数据，用于以预定数内插来自编码器56的数字值的内插电路57，以及用于基于来自内插电路57的数值收集固定点检测装置40上的位置位移数据的个人计算机(PC)58。也对个人计算机58供给来自固定点检测装置40的比较器54的比较结果。
图14是说明了由于光纤的弯曲检测的固定点的位移的曲线图。在图14中，曲线图的水平轴表示时间(分钟)，左垂直轴表示检测位置(nm)，并且右垂直轴表示光纤的弯曲半径(mm)。
首先，当光纤的弯曲半径等于60(mm)时，将通过固定点检测装置40检测的固定点位置限定为0位置。一旦光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束或具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，该固定点位置不位移，直至18分钟之后(被称为第一状态)。在光束的导引之后，光纤45的弯曲半径在18分钟和32分钟之间变成等于28(mm)(被称为第二状态)。如果光入射部分55在第二状态中导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点位移-60(nm)。另一方面，如果光引入部分55在第二状态中导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点仅位移-35(nm)。
在光束的导引之后，在32分钟和48分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于18(mm)(被称为第三状态)。如果在第三状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点位移-130(nm)。另一方面，如果在第三状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点仅位移-62(nm)。
在光束的导引之后，在48分钟和63分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于28(mm)(被称为第四状态)。如果在第四状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点位移-58(nm)。另一方面，如果在第四状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点仅位移-35(nm)。
在光束的导引之后，在63分钟和78分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于60(mm)(被称为第五状态)。如果在第五状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点如第一状态中地位移0(nm)。如果在第五状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似地位移0(nm)。
在光束的导引之后，在78分钟和93分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于28(mm)(被称为第六状态)。如果在第六状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点位移-60(nm)。另一方面，如果在第六状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点仅位移-35(nm)。
在光束的导引之后，在93分钟和108分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于18(mm)(被称为第七状态)。如果在第七状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似第三状态地位移-130(nm)。另一方面，如果在第七状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似第三状态地仅位移-62(nm)。
在光束的导引之后，在108分钟和123分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于28(mm)(被称为第八状态)。如果在第八状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似第六状态地位移-60(nm)。另一方面，如果在第八状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似第六状态地仅位移-35(nm)。
在光束的导引之后，在123分钟和137分钟之间，光纤45的弯曲半径变成等于60(mm)(被称为第九状态)。如果在第九状态中光入射部分55导引具有12dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点如第一状态地位移0(nm)。如果在第九状态中，光引入部分55导引具有29dB的消光比的线性偏振光束进入光纤45，则通过固定点检测装置40检测的固定点类似地位移0(nm)。
如果将弯曲应力施加至光纤45，则当通过光入射部分55将具有远远大于12dB的消光比的29dB的消光比的线性偏振光束导引进入光纤45时，固定点的位移是较小的。因此，利用该实施例的优点是明显的。
可以以如下面所述的各种不同的方式分别修改上面所述的位移测量装置10的光学传送单元11和光学传送单元41以及在图7和11中所述的固定点检测装置40。图15示意性地说明了通过集成组合偏振板和聚焦透镜实现的光学传送单元。需要指出，通过与上面所述的位移测量装置10相同的那些参考符号分别表示在图15至19中所述的修改实施例的包括光源12、偏振板13、聚焦透镜14、偏振保持型光纤15和光学传送单元11的部件。无需说可以通过与上面所述的固定点检测装置40相同的那些参考符号替代地表示它们。
当包装光学传输单元11的光入射部分(对于位移测量装置10，与在图13中所述的光入射部分55相同，并包括光源12、偏振板13和聚焦透镜14)时，必须最小化部件的数量。通过集成组合偏振板13和聚焦透镜14可以减小部件的数量。当然，通过图15的光学传输单元11的偏振板13，也可以产生在光源12发射的光束中表现出高消光比的线性偏振光束，通过聚焦透镜14会聚光束，并使光束进入光纤15的光接收端部小面15a，使光束的偏振轴与光纤15的光轴34一致。因此，使从光纤15的发光端15b发射的光束表现出高消光比，并因此表现出由于光纤的应力和弯曲的消光比的很少的波动。
图16是通过集成组合偏振板13、准直透镜61和聚焦透镜14以及将偏振板13夹于准直透镜61和聚焦透镜14之间实现的光学传送单元11的示意性说明。在该修改的实施例中，通过准直透镜61准直从光源12发射的光束，并使它垂直地进入偏振板13。因此，可以因为它的性能而完全地采用偏振板13。此外，在该实施例中，由于包装减小了部件的数量。当然，使从光纤15的发光端15b发射的光束表现出高消光比，并因此表现出由于光纤15的应力和弯曲的消光比的很少的波动。可替代地，也可以不集成组合它们而单独设置准直透镜61、偏振板13和聚焦透镜14。
图17是通过形成偏振保持型光纤15的光接收端部小面15a而实现光学传送单元11、从而取代利用偏振板表现出布儒斯特角的示意性说明。因为使光纤15的光接收端部小面15a表现出布儒斯特角，因而它像在分界面处的偏振滤波器一样地工作，从而反射S-偏振分量，并允许P-偏振分量进入光纤15的芯30。简而言之，可以仅允许P-偏振分量进入光纤15。因此，仅允许从光源12发射的光束的P-偏振分量进入使其光接收端部小面15a表现出布儒斯特角的光纤15。通过使光接收端部小面15a表现出布儒斯特角，并且不允许其进入光纤15的芯30，从而使表现出高消光比的光束被导引进入光纤15，在图17中箭头表示的方向上反射S-偏振分量。因此，由于该再次修改的实施例，从光源12发射的光束变成表现出高消光比的线性偏振光束，然后通过聚焦透镜14会聚该光束，并利用使光束的偏振轴与光纤15的光轴34一致，将其导引进入光纤15。因此，使从光纤15的发光端15b发射的光束表现出高消光比，并因此表现出由于光纤15的应力和弯曲的消光比的很少的波动。此外，由于该修改的实施例不包括偏振部件，它提供了在包装的同时保全了空间的效果。
通过多层薄膜工艺可以形成图17的修改实施例的偏振保持型光纤15的光接收端部小面15a，从而使多层薄膜的全部分界面表现出布儒斯特角。由于该设置，分界面像如此多的偏振滤波器一样地工作，以反射S-偏振分量，并允许P-偏振分量进入光纤15中的芯30。简而言之，可以仅允许P-偏振分量进入光纤15。可将光纤15的光接收端部小面15a形成为如偏振光束分离器一样地工作。
图18是通过在被用作光源的半导体激光器62的光发射窗口处形成偏振板63实现的光学传送单元11的示意性描述。从半导体激光器62发射的光束表现出大约20dB的消光比，通过在该光发射窗口处形成的偏振板63可以将消光比提高至大约30dB。此外，在该修改实施例中，不必在半导体激光器62的外部空间中使用偏振部件，从而使该实施例提供在包装的同时节省空间的效果。当然，从光纤15的发光端15b发射的光束表现出提高的消光比，并因此表现出由于光纤的应力和弯曲的消光比的很少的波动。
图19是通过形成被用作光源的半导体激光器63的发光窗玻璃64以表现出布儒斯特角实现的光学传送单元11的示意性描述。倾斜半导体激光器63的发光窗，从而避免由于在径向方向和横向方向之间从半导体激光器63发射的光束的扩展角的差出现的象散。因为使倾斜的发光窗的窗玻璃64表现出布儒斯特角，它反射S-偏振分量，并刚好像偏振滤波器一样，仅允许P-偏振分量在其分界面处进入光纤15的芯30。简而言之，可以仅允许P-偏振分量进入光纤。通过聚焦透镜14，从半导体激光器63发射的光束的P-偏振分量进入光纤15。换句话说，由于不允许S-偏振分量进入光纤15，光纤15发射具有高消光比的光束。因此，由于该修改实施例，从半导体激光器63发射的光束变成表现出高消光比的线性偏振光束，然后通过聚焦透镜14会聚光束，并利用光束的偏振轴与偏振保持型光纤15的光轴34一致将其导引进入光纤15。因此，使从光纤15的发光端15b发射的光束表现出高消光比，并因此表现出由于光纤的应力和弯曲的消光比的很少的波动。此外，由于该修改的实施例不包括偏振部件，它提供了在包装的同时节省空间的效果。
在图19的修改实施例中，通过多层薄膜工艺可以形成半导体激光器63的窗玻璃64，从而使多层薄膜的全部分界面表现出布儒斯特角。由于该设置，分界面象如此多的偏振滤波器一样地工作，以反射S-偏振分量，并允许P-偏振分量进入光纤15中的芯30。简而言之，可以仅允许P-偏振分量进入光纤15。
虽然根据位移测量装置10和固定点检测装置40在上面描述了本发明，但本发明不局限于此。本发明也适用于包括用于发射光束的至少一个光源，用于提高从光源发射的光束的消光比至不小于20dB的消光比转换装置，用于聚焦具有通过消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜，用于传送通过聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤、安装到测量目标的衍射光栅，从而被辐射并衍射通过光纤传送的光束，以及用于接收被衍射光栅衍射的光束的光接收装置，其中利用使它的偏振轴与光纤的光轴一致或垂直正交光轴的轴，使具有通过消光比转换装置被提高至不小于20dB的消光比的通过聚焦装置聚焦的光束进入光纤，并且通过接收衍射光束的量的水平，光接收装置适于检测测量目标的位移。例如，本发明可适用于比如透过型的位移检测装置、反射型的位移检测装置、透过型的位移测量装置以及透过型的固定点检测装置的装置。
当然，偏振部件可以用于消光比转换装置。如果偏振部件被用作消光比转换装置，则它可以与聚焦透镜集成组合。
可以使光纤的光接收端部小面表现出布儒斯特角，从而作为消光比转换装置工作。
半导体激光器可以用于光源，并且可以在该半导体激光器的发光窗玻璃上形成偏振部件。
偏振光束分离器可以用于消光比转换装置。半导体激光器可以用于光源，并且可以在半导体激光器的发光窗玻璃上形成偏振光束分离器。
半导体层可以用于光源，并且可以通过形成半导体层的发光窗玻璃实现消光比转换装置，以表现出布儒斯特角。可以形成光纤的光接收端部小面，从而作为偏振光束分离器以及作为消光比转换装置一样工作。
本领域的技术人员可以理解，在附加权利要求和其等价物的范围内，基于设计需要和其它因素可以出现各种修改、组合、子组合和变化。
本发明包括涉及于2004年12月13日向日本专利局申请的日本专利申请JP2004-360609的主题，在此将其内容全部参照结合。
Claims (12)
1.一种位移检测装置，其包括：
用于发射光束的光源；
用于提高从该光源发射的光束的消光比至不小于20dB的消光比转换装置；
用于聚焦具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜；
用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤；
安装到测量目标的衍射光栅，从而被辐射并衍射通过该光纤传送的光束；以及
用于接收被该衍射光栅衍射的光束的光接收装置；
其中使具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入该光纤，使其偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致；
通过接收该衍射光束的量的水平，该光接收装置适于检测该测量目标的位移。
2.依据权利要求1的位移检测装置，其中该消光比转换装置是偏振部件。
3.依据权利要求2的位移检测装置，其中与该聚焦透镜集成形成该作为消光比转换装置工作的偏振部件。
4.依据权利要求1的位移检测装置，其中通过形成该光纤的光接收端部小面以表现出布儒斯特角来形成该消光比转换装置工作。
5.依据权利要求2的位移检测装置，其中将半导体激光器用于该光源，并且在该半导体激光器的发光窗玻璃上形成该偏振部件。
6.依据权利要求1的位移检测装置，其中该消光比转换装置是偏振光束分离器。
7.依据权利要求6的位移检测装置，其中将半导体激光器用于该光源，并且在该半导体激光器的发光窗玻璃上形成该偏振光束分离器。
8.依据权利要求1的位移检测装置，其中将半导体激光器用于该光源，并且形成该半导体激光器的发光窗玻璃，以表现出布儒斯特角，从而作为消光比转换装置工作。
9.依据权利要求1的位移检测装置，其中使该光纤的光接收端部小面作为偏振光束分离器并也作为消光比转换装置工作。
10.一种位移测量装置，其包括：
用于发射光束的光源；
用于使从该光源发射的光束变成线性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比转换装置；
用于聚焦具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜；
用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤；
用于将通过该光纤传送的光束分成两个光束的偏振光分离器；
安装到测量目标并适于接收通过该偏振光分离器产生的两个光束的衍射光栅，并产生衍射光束；
用于改变通过该衍射光栅产生的两个衍射光束的偏振的相位板；
用于反射具有通过该相位板改变的偏振的两个衍射光束、并再次通过该相位板导引它们至该衍射光栅的两个反射镜；
偏振部件，其中被该两个反射镜反射回到该衍射光栅的两个衍射光束进入该偏振光束分离器，并重新结合，然后进入所述偏振部件，以彼此干涉；以及
用于接收通过该偏振部件获得的干涉光束的光接收部件；
其中使具有通过该消光比转换装置被提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入该光纤，使其偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致；
通过接收该衍射光束的量的水平，该光接收装置适于检测该测量目标的位移。
11.一种固定点检测装置，其包括：
用于发射光束的光源；
用于使从该光源发射的光束变成线性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比转换装置；
用于聚焦具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透镜；
用于传送通过该聚焦透镜聚焦的光束的偏振保持型光纤；
并排设置的两个衍射光栅，以辐射通过该光纤传送的光束，并衍射它；
用于接收通过该两个衍射光栅产生的衍射光束的两个光接收装置；以及
比较装置，其用于比较该两个光接收装置的接收光的量；
使具有通过该消光比转换装置提高至不小于20dB的消光比的通过该聚焦透镜聚焦的光束进入该光纤，使其偏振轴与该光纤的光轴或垂直正交该光轴的轴一致；
该比较装置依据该两个光接收装置的接收光的量的比较结果适于检测固定点。
12.依据权利要求11的固定点检测装置，其中将通过该比较装置获得的该两个光接收装置的接收光的量的比较结果的信号表现出任意选择的水平的点限定为固定点。
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| CN104949616A (zh) * | 2014-03-25 | 2015-09-30 | 上海微电子装备有限公司 | 回射式光栅尺测量系统及其应用 |
| JP6427399B2 (ja) * | 2014-04-14 | 2018-11-21 | Dmg森精機株式会社 | 変位検出装置 |
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| US11982521B2 (en) * | 2017-02-23 | 2024-05-14 | Nikon Corporation | Measurement of a change in a geometrical characteristic and/or position of a workpiece |
| CN109520428B (zh) * | 2018-11-09 | 2020-01-31 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种位移测量光学系统 |
| CN110017783B (zh) * | 2019-05-20 | 2023-09-29 | 广东理工学院 | 板件位移在线检测装置及传送系统 |
| PL3835166T3 (pl) * | 2019-12-12 | 2022-12-19 | Thales Management & Services Deutschland Gmbh | Element stykowy do szyny i jednostka wykrywania odpadnięcia |
| JP7474186B2 (ja) * | 2020-11-30 | 2024-04-24 | 株式会社ミツトヨ | 光電式ロータリエンコーダ |
| CN113048890A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-06-29 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种非接触式位移测量系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62204126A (ja) * | 1986-03-04 | 1987-09-08 | Canon Inc | エンコ−ダ− |
| JPH04324316A (ja) * | 1991-04-24 | 1992-11-13 | Sony Magnescale Inc | 定点検出装置 |
| US5436724A (en) * | 1991-10-03 | 1995-07-25 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus for measuring relative movement using a diffraction grating having an orthogonally polarized input beam |
| CN1460174A (zh) * | 2001-02-02 | 2003-12-03 | 索尼公司 | 光发射接收复合单元和使用它的位移检测装置 |
| US20040080755A1 (en) * | 2002-10-23 | 2004-04-29 | Sony Precision Technology | Displacement pickup |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5694314A (en) * | 1979-12-28 | 1981-07-30 | Fujitsu Ltd | Photocoupler |
| US4447117A (en) * | 1982-07-06 | 1984-05-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Gated fiber optic transmission |
| JPH0781884B2 (ja) * | 1984-10-01 | 1995-09-06 | ソニーマグネスケール株式会社 | 光学式変位測定装置 |
| JPS62118592A (ja) * | 1985-11-19 | 1987-05-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レ−ザ装置 |
| JPH01167607U (zh) * | 1988-05-16 | 1989-11-24 | ||
| JP2629948B2 (ja) * | 1989-03-03 | 1997-07-16 | キヤノン株式会社 | エンコーダー |
| WO1992019930A1 (en) * | 1991-04-29 | 1992-11-12 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and apparatus for optical imaging and measurement |
| DE69129807T2 (de) * | 1991-11-20 | 1999-02-25 | Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu, Shizuoka | Lichtverstärkungspolarisator |
| US5734765A (en) * | 1994-07-26 | 1998-03-31 | Ceramoptec Industries Inc. | Damage resistant infrared fiber delivery device and system |
| DE102006023687B4 (de) * | 2005-05-23 | 2023-01-19 | Mori Seiki Co., Ltd. | Versatzdetektor und Einrichtung zur Detektion eines Fixpunktes |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62204126A (ja) * | 1986-03-04 | 1987-09-08 | Canon Inc | エンコ−ダ− |
| JPH04324316A (ja) * | 1991-04-24 | 1992-11-13 | Sony Magnescale Inc | 定点検出装置 |
| US5436724A (en) * | 1991-10-03 | 1995-07-25 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus for measuring relative movement using a diffraction grating having an orthogonally polarized input beam |
| CN1460174A (zh) * | 2001-02-02 | 2003-12-03 | 索尼公司 | 光发射接收复合单元和使用它的位移检测装置 |
| US20040080755A1 (en) * | 2002-10-23 | 2004-04-29 | Sony Precision Technology | Displacement pickup |
Also Published As
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