【書類名】 明細書
【発明の名称】 微小変位測定方法および装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 レーザ光源からの光をビームスプリッタで分岐するステップと、
分岐された一方の光を被測定体に入射するステップと、
被測定体からの反射した戻り光をシングルモードまたは偏波面保持の第１の光ファイバに入力するステップと、
分岐された他方の光を参照光としてシングルモードまたは偏波面保持の第２の光ファイバに入力するステップと、
前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定した投射装置を用いて前記戻り光と参照光をセンサアレーに出射して干渉縞を発生させるステップと、
前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量とから前記被測定体の光軸方向の変位量を計測するステップと、
を有する微小変位測定方法。
【請求項２】 前記初期位相からの干渉縞の位相シフト量を求める手段としてフーリエ解析手法を用いる請求項１記載の微小変位測定方法。
【請求項３】 レーザ光源と、
前記光源より出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、
コリメートされた光を反射および透過させるビームスプリッタと、
被測定体の位置で反射し前記ビームスプリッタを透過した戻り光を集光させる戻り光用の集光レンズと、
前記戻り光用の集光レンズの集光位置に接続される第１の光ファイバと、
前記コリメートレンズによりコリメートされ、前記ビームスプリッタを透過した参照光を再び集光させる参照光用の集光レンズと、
前記参照光用の集光レンズの集光位置に接続される第２の光ファイバと、
前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定された各光ファイバからの光を投射する投射装置と、
前記投射装置からの投射によって得られる干渉縞を電気信号に変換するセンサアレーと、
前記センサアレーの電気信号に基づき検出される前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量により被測定体の変位量を出力する出力装置と、
を備える微小変位測定装置。
【請求項４】 前記初期位相からの干渉縞の位相シフト量を求める手段としてフーリエ解析手法を用いる請求項３記載の微小変位測定装置。
【請求項５】 前記コリメートレンズまたは集光レンズは、ＧＲＩＮレンズまたはマイクロレンズである請求項３記載の微小変位測定装置。
【請求項６】 前記ビームスプリッタは、キューブまたは半透鏡である請求項３記載の微小変位測定装置。
【請求項７】 前記被測定体の位置で反射し前記ビームスプリッタを通過した戻り光を集光させる戻り光用の集光レンズは、戻り光を反射鏡で反射させることで参照光用の集光レンズと平行な方向で集光可能に配置される請求項３記載の微小変位測定装置。
【請求項８】 半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールからのレーザ光を分岐する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラの一方の分岐路に分岐されたレーザ光を通過させ、その戻り光を分岐させる第２の光カプラと、
前記第２の光カプラの分岐部を通過した光をコリメートして被測定体に投射し、前記被測定体からの反射光を集光して前記第２の光カプラに接続するコリメートレンズと、
前記第２の光カプラの他方の分岐路に接続されるシングルモードまたは偏波面保持の第１の光ファイバと、
前記第１の光カプラの他方の分岐路に接続されるシングルモードまたは偏波面保持の第２の光ファイバと、
前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定した投射装置と、
前記投射装置からの投射によって得られる干渉縞を電気信号に変換するセンサアレーと、
前記センサアレーの電気信号に基づき検出される前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量により被測定体の変位量を出力する出力装置と、
を備える微小変位測定装置。
【請求項９】 前記半導体レーザモジュール、光ファイバ、光カプラ、投射装置は、いずれかまたは全てが光集積回路素子で構成される請求項８記載の微小変位測定装置。
【請求項１０】 被測定体は反射鏡と前記反射鏡を駆動するマイクロアクチュエータを持ち、前記マイクロアクチュエータの駆動方向は前記反射光の光軸と並行であり、前記マイクロアクチュエータの変位量を測定するものである請求項３〜９記載の微小変位測定装置。
【請求項１１】 前記光ファイバは、シングルモード光ファイバもしくは偏波面保持の光ファイバである請求項３記載の微小変位測定装置。
【請求項１２】 前記ビームスプリッタで分岐されたレーザ光を集光させて被測定体に照射することのできる集光レンズを備える請求項３記載の微小変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小変位をレーザ光の干渉を利用して光学的に測定する測定方法およびその方法を実施するための装置に関する。この測定方法および装置は、計測制御システムにおいて、多用されている圧電素子アクチュエータ（ＰＺＴ）等の性能の厳密な評価に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、微小変位量の測定方法として干渉計を用いた方法がある。例えば、トワイマン・グリーン干渉計に２波長のレーザ光を入射させ各電圧毎の変位による干渉出力変位をヘテロダイン検波によるパルス信号とし計数することで変位量を求める評価装置がある。しかし、このヘテロダイン方式では時系列の周波数変調素子および検波回路を必要とする上、検波回路が複雑であり、光学系も大きくなる欠点がある。
【０００３】
また、最近では図１０に示すごとく、トワイマン・グリーン干渉計では、レーザ光源１からの光をコリメートレンズ１４で平行光とし、被測定体４に出射し反射した戻り光と、参照用ミラー１５で反射した参照光とを合成し直線キャリアをもつ干渉縞を投影面１６に直接形成させる装置が提案されている。その初期位相からの変位を被測定体４の軸方向の変位量としてフーリエ解析により求められる。この場合、被測定体のエリアより直接得られた干渉パターンを解析するための画像処理装置が大きくなり、その干渉縞は参照用ミラーに対する被測定体の反射面の傾き角度が縞ピッチのファクタでもあるため、光学系のアライメントが困難で測定中も光学系の揺れに敏感で安定性に難がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の干渉計を用いた変位量測定装置では干渉光学系が複雑で筐体が大形になり、光路の調整も困難で再現性に問題があり、また出力もアナログ回路に依存するため変位分解能に限界がある等、種々の問題があった。
本発明の主たる目的は、光ファイバを用いて、微小変位に基づくレーザ光の干渉を発生させて、測定する測定方法およびその方法を実施するための装置を提供することにある。
本発明のさらに具体的な目的は、計測制御システムにおいて、多用されている圧電素子アクチュエータ（ＰＺＴ）等の性能を厳密な評価に利用することができる測定方法および装置を提供することにある。
【０００５】
本発明のさらに具体的な目的は、マイクロアクチュエータの変位量測定を主たる用途に定め、被測定体の微小範囲のみを出射することで光学系の小形化、測定再現性の改善、高分解能を可能とする微小変位量測定系の開発およびその測定系を構成要素とする圧電素子アクチュエータ（ＰＺＴ）制御系機器の位置決め装置の開発を支援できる測定方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による測定方法の原理は、トワイマン・グリーン干渉計の光学系を利用し被測定体からの反射した戻り光と参照光をそれぞれ集光レンズにより光ファイバに入力し、光ファイバの他端より放射される光をヤング干渉計の原理により干渉縞を得てその干渉縞の横方向の変位が被測定体の微小変位に比例することにより被測定体の微小変位量を測定する。
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の微小変位測定方法は、レーザ光源からの光をビームスプリッタで分岐するステップと、分岐された一方の光を被測定体に入射するステップと、被測定体からの反射した戻り光をシングルモードまたは偏波面保持の第１の光ファイバに入力するステップと、分岐された他方の光を参照光としてシングルモードまたは偏波面保持の第２の光ファイバに入力するステップと、前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定した投射装置を用いて前記戻り光と参照光をセンサアレーに出射して干渉縞を発生させるステップと、前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量とから前記被測定体の光軸方向の変位量を計測するステップと、を有するものである。
本発明による請求項２記載の微小変位測定方法は、請求項１記載の方法において、前記初期位相からの干渉縞の位相シフト量を求める手段としてフーリエ解析手法を用いるものである。
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による請求項３記載の微小変位測定装置は、レーザ光源と、前記光源より出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた光を反射および透過させるビームスプリッタと、被測定体の位置で反射し前記ビームスプリッタを透過した戻り光を集光させる戻り光用の集光レンズと、前記戻り光用の集光レンズの集光位置に接続される第１の光ファイバと、前記コリメートレンズによりコリメートされ、前記ビームスプリッタを透過した参照光を再び集光させる参照光用の集光レンズと、前記参照光用の集光レンズの集光位置に接続される第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定された各光ファイバからの光を投射する投射装置と、前記投射装置からの投射によって得られる干渉縞を電気信号に変換するセンサアレーと、前記センサアレーの電気信号に基づき検出される前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量により被測定体の変位量を出力する出力装置と、を備えるものである。
本発明による請求項４記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記初期位相からの干渉縞の位相シフト量を求める手段としてフーリエ解析手法を用いるものである。
本発明による請求項５記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記コリメートレンズまたは集光レンズは、ＧＲＩＮレンズまたはマイクロレンズを用いるものである。
本発明による請求項６記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記ビームスプリッタは、キューブまたは半透鏡を用いるものである。
本発明による請求項７記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記被測定体の位置で反射し前記ビームスプリッタを通過した戻り光を集光させる戻り光用の集光レンズは、戻り光を反射鏡で反射させることで参照光用の集光レンズと平行な方向で集光可能に配置されるものである。
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明による請求項８記載の微小変位測定装置は、半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールからのレーザ光を分岐する第１の光カプラと、前記第１の光カプラの一方の分岐路に分岐されたレーザ光を通過させ、その戻り光を分岐させる第２の光カプラと、前記第２の光カプラの分岐部を通過した光をコリメートして被測定体に投射し、前記被測定体からの反射光を集光して前記第２の光カプラに接続するコリメートレンズと、前記第２の光カプラの他方の分岐路に接続されるシングルモードまたは偏波面保持の第１の光ファイバと、前記第１の光カプラの他方の分岐路に接続されるシングルモードまたは偏波面保持の第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの他端を揃えフェルールの中心孔に並行に収納固定した投射装置と、前記投射装置からの投射によって得られる干渉縞を電気信号に変換するセンサアレーと、前記センサアレーの電気信号に基づき検出される前記干渉縞の周期変位数と初期位相からの干渉縞の位相シフト量により被測定体の変位量を出力する出力装置と、を備えるものである。
【００１０】
本発明による請求項９記載の微小変位測定装置は、請求項８記載の装置において、前記半導体レーザモジュール、光ファイバ、光カプラ、投射装置は、いずれかまたは全てが光集積回路素子で構成されるものである。
【００１１】
本発明による請求項１０記載の微小変位測定装置は、請求項３〜９記載の装置において、被測定体は反射鏡と前記反射鏡を駆動するマイクロアクチュエータを持ち、前記マイクロアクチュエータの駆動方向は前記反射光の光軸と並行であり、前記マイクロアクチュエータの変位量を測定するものである。
【００１２】
本発明による請求項１１記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記光ファイバは、シングルモード光ファイバもしくは偏波面保持の光ファイバを用いるものである。
本発明による請求項１２記載の微小変位測定装置は、請求項３記載の装置において、前記ビームスプリッタで分岐されたレーザ光を集光させて被測定体に照射することのできる集光レンズを備えるものである。
【００１３】
【作用】
図９はヤング干渉計を示し、遮光板に設けられた間隔がＤである２個のピンホールＰ1 Ｐ2 をそれぞれ通過した同一光源の光は距離Ｌの位置に線分Ｐ1 Ｐ2 に垂直な直線キャリアを持つ干渉縞を形成する。ここで干渉縞のピッチδは、λを光源の波長とすると次の式で示される。
δ＝Ｌλ／Ｄ
本発明はこのヤング干渉計の原理を利用し２個のピンホールに代えて２本の光ファイバから投射される光により生ずる干渉縞を利用するものである。
【００１４】
ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）を多層に重ねたスタック形マイクロアクチュエータ４に電圧を加えたときの微小変位を測定することができる。図１において、レーザ光源１からの出射光をマイクロレンズ２でコリメートしその光をビームスプリッタ３で分岐させその一方をマイクロアクチュエータ４に出射しその反射した戻り光を集光レンズ５Ａで集光し光ファイバ６に入射させる。
ビームスプリッタ３で分岐された他方のコリメート光は直接集光レンズ５Ｂで集光し別の光ファイバ７に入射させ参照光とする。前記２本の光ファイバの他端は平行に図２に見られるフェルール８の中心孔に挿入固定される。そこより投射される２本の出射光は前記ヤング干渉計の原理に基づきセンサアレー９上に干渉縞が発生しビデオモニタ１０で観察可能となる。
【００１５】
このとき、マイクロアクチュエータに微小変位を与えると反射した戻り光の位相が変化し干渉縞は縞の横方向に変位する。この変位量とマイクロアクチュエータ４の微小変位量との相関は反射した戻り光を利用するトワイマン・グリーン干渉計の理論にしたがい、反射位置の微小変位（１／２）λが干渉縞の変位本数に相当することとなる。したがって、干渉縞の周期変位数をカウントすることでマイクロアクチュエータの変位量を算出することができる。また、干渉縞の１周期以下の微小変位部分については、初期位相からの干渉縞位相シフト量をセンサアレー出力をフーリエ解析により処理することで求めることができる。この計測手段を用いれば被測定体の変位量を（１／２００）λまでの分解能で求めることが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
図１に示した実施例は本発明の基本的構成になる微小変位測定装置を示したものである。以下に具体的な構造と動作を説明する。
まず、半導体レーザ光源１より波長λ＝０．７８０μｍのレーザ光が出射され、ＧＲＩＮレンズで構成されるコリメートレンズ２の焦点を通過したレーザ光は前記コリメートレンズにより、直径０．４ｍｍの平行光となりキューブ形ビームスプリッタ３に導かれる。前記ビームスプリッタ３は、波長７８０ｎｍの光の一部を反射させ残りを通過させるよう構成されている。前記ビームスプリッタ３に導かれた前記平行光は一部を入射光軸の直角の方向に反射直進し、前方に設置された被測定体４を平行光で出射する。
【００１７】
前記被測定体４の照射面は反射機能を有すべく加工され、照射光は反射され入射光軸に沿って再び前記ビームスプリッタ３に戻り一部透過した平行光がＧＲＩＮレンズで構成される集光レンズ５Ａで焦点位置に集光される。その焦点位置には集光に適した形状に研磨加工された端面を有する第１のシングルモード光ファイバ６の前記端面が配置され、集光された光は前記端面より光ファイバコア内に伝送される。
【００１８】
一方、コリメートレンズ２よりビームスプリッタ３に入射し直接透過した残りの平行光は、前述の集光レンズ５Ａの場合と同様にＧＲＩＮレンズで構成される集光レンズ５Ｂで焦点位置に集光される。そして、そこに接続されている第２のシングルモード光ファイバ７の端面よりコア内に伝送される。
【００１９】
前述した第１および第２のシングルモード光ファイバ６および７の素線径は１２５μｍであり、それぞれの他端は図２に示すごとく光ファイバフェルール８ａの中心孔、例えば、楕円または小判形の孔の内径に挿入固定される。
素線径１２５μｍの光ファイバ素線部分６，７が並行密着して挿入固定され、素線間のピッチＤは素線径に等しく１２５μｍである。
光ファイバを接着固定した前記フェルール８ａの端面は鏡面研磨され投射ピッチ１２５μｍの投射装置である投射手段８を構成する。
【００２０】
前記投射装置８は２本の光ファイバ素線端面が水平になるよう設定され、それぞれの光ファイバ端面より放射される光は、一方は光ファイバ６の被測定体４からの反射した戻り光であり、他方は光ファイバ７のレーザ光源から直接伝送された参照光である。前記投射装置８に対面してＣＣＤセンサアレー９が配置され、前記投射装置の２本の光ファイバ端面より放射される光は前記センサアレー上に投影され干渉縞が発生する。この干渉縞は水平に設置した２本の光ファイバ端面に対して垂直に縞模様が現れるので前記ＣＣＤセンサアレーは縞模様を横断する水平方向に配置される。発生する干渉縞のピッチは前記「作用」の欄に示した通り δ＝Ｌλ／Ｄ となる。
【００２１】
本実施例において、光ファイバ端面ピッチＤ＝１２５μｍ、光源波長をλ＝０．７８０μｍおよび投影距離Ｌ＝３０×１０3 μｍで測定を行い、干渉縞ピッチδ＝３０×１０3 ×０．７８０／１２５＝１８７μｍとなる。
また、前記ＣＣＤセンサアレーの画素ピッチは７μｍ仕様を用い、干渉縞ピッチの情報密度は約２７ドット／波長である。
干渉縞はＣＣＤセンサアレーにより出力され通常のＣＣＤ処理回路によりビデオモニタで観察可能である。
【００２２】
本発明の具体的な目的は、前述したように被測定体４の微小変位の測定であり、本実施例ではＰＺＴ素子を積層したスタック形ＰＺＴ（Piezoelectric transducer) に電圧を印加したときの積層の微小変位を計測する。
スタック形ＰＺＴに電圧を印加すると積層方向に数μｍ〜数十μｍの微小変位が発生する。本干渉計では前記ＰＺＴの変位部分に入射した光が反射され、反射した戻り光の位相変位による干渉縞の変位本数と位相シフト量を算出することで前記ＰＺＴの変位量が求められる。
【００２３】
この干渉縞の位相シフト量の整数部分についてはビデオモニタによるカウントでも可能である。しかし、自動的な計数手法として、前記センサアレー面に干渉縞位相９０°相当の間隔でフォトダイオード等のセンサａ，ｂ２個を配置し干渉縞のシフト時のａ，ｂ２個の時系列的な出力変化をアナログ回路もしくはデジタル回路により比較することで、前記干渉縞のシフト方向およびシフト本数を求めることができる。
【００２４】
一方、初期位相からの位相シフト量の小数部分の算出方法については、干渉縞の強度分布をフーリエ変換して位相シフト量を算出する方式を本願発明者の一人である来関明は以下の論文で発表している。
アプライドオプティクス 1994年09月01日 33巻 N0.25 5935〜5940頁
「直線または等間隔フィゾー干渉縞を解析するための高速フーリエ変換法の利用」
[Use of the fast fourier transform method for analzing linear and equi-spaced Fizeau fringes] (1 September 1994/Vol. 33, No. 25/APPLIED OPTICS 5935〜5940）
以下前記論文を参照して、位相シフト量φの求め方を概略説明する。
【数１】
【００２５】
図３は、干渉縞の強度分布をフーリエ変換したパワースペクトルの例であり、縦軸は光強度Ｉ、横軸は空間周波数ｆを示す。干渉縞の位相（変位量）φは前述したように光強度が一次回折のピークにおけるフーリエ係数から得られる。
【００２６】
以上の計算方法で行った本実施例の測定結果を次に示す。
図４は、バイモルフ形圧電素子の先端の印加電圧に対する変位の測定結果を示す。干渉縞の計数法とフーリエ変換処理を組み合わせた場合、測定を印加電圧０〜８５Ｖとして０．１Ｖ刻みで行った例であり、測定レンジ４０μｍと広帯域の測定も可能であり、そのレンジ範囲の測定精度もプロットの連続性から信頼性の高い結果を示している。
【００２７】
図５は、スタック形圧電素子を振動させたときの変位を本方法を用いて計測した結果である。ＰＺＴに印加する電圧を周波数０．２Ｈｚの正弦波として振幅２Ｖで与えている。図のプロットから判断できるように本実施例における振動サイクルの変位分解能は１／１００μｍのオーダーを示した。本発明の干渉光学系およびシングルモード光ファイバを用いた１２５μｍピッチ投射装置８により高い品質の干渉縞を得ることが可能となった。
【００２８】
図６は、本発明による装置の第２の実施例を示す図である。前述した第１の実施例においてビームスプリッタ３を経由したレーザ光を直接被測定体に入射した。しかし、この実施例では、ＧＲＩＮレンズで構成される集光レンズ１１により集光させ、その集光位置に被測定体を設置するようにしたものである。被測定体の表面が光軸に対して平行でない場合、特にバイモルフ等測定位置が光軸方向に旋回する場合、測定面積を微小にすることで光ファイバに伝送される位相情報の鋭敏性を高めることができる。
【００２９】
図７は、第３の実施例であり、第１の実施例におけるビームスプリッタの反射した戻り光の出射部に反射鏡３ｂを追加して参照光の出射方向と同一方向に反射させ集光レンズ５Ａ，５Ｂを揃え一体にすることで干渉計全体をスリム化させ装置の小形化と被測定体に対する設置の容易さを特徴としている。
【００３０】
次の実施例において、ビームスプリッタはキューブビームスプリッタまたは半透鏡で構成することができる。既知の技術として、干渉光学系の光路は参照光がビームスプリッタを透過する光であっても反射する光であっても差し支えない。当然計測用光は逆の光路を利用できる。また、一方の光路にＮＤフィルタを経由させ両者の光量を調整することができる。
【００３１】
図８は、第４の実施例であり、第３の実施例におけるレーザ光源を半導体レーザモジュールに、ビームスプリッタを光ファイバカプラに置き換えビームスプリッタを経由するレーザ光の光路を光ファイバに置き換えた微小変位計測装置である。図において半導体レーザモジュール１２より出射するレーザ光は直接光カプラ１３Ａの一端に接続され分岐される。一方の分岐路に分岐されたレーザ光はシングルモード光ファイバ６ｂを経由し光カプラ１３Ｂに入る。分岐部を通過してコリメートレンズ２により平行光としてまたは図６に示すように集光してレーザ光を被測定体４に出射する。その反射した戻り光は入射時の経路を逆に辿り光カプラ１３Ｂに戻り、分岐部で入射時の分岐路とは別の分岐路に分岐した光がシングルモード光ファイバ６に伝送される。
【００３２】
一方、半導体レーザモジュール１２より光カプラ１３Ａで他方の分岐路に分岐されたレーザ光は参照光としてシングルモード光ファイバ７に直接伝送される。前記２本の光ファイバ６，７の他端は平行にフェルール８ａに組立てられ端面を鏡面に仕上げられて投射装置８を構成する。前記投射装置の２本の光ファイバ端面より出射される２本の光による干渉縞の形成以後は第１の実施例と同様である。
【００３３】
本装置に用いられる光ファイバは、光位相情報が伝送できる光ファイバであればよく、シングルモード光ファイバもしくは偏波面保持光ファイバが好適である。
【００３４】
本装置の特徴は被測定体と投射部とのワークディスタンスを稼ぐために必要とするレンズ２による出射光学系以外は、レーザ光はすべてシングルモード光ファイバの中を通過させるようになされている。第１の実施例にあるビームスプリッタから出射される２本の光の光軸アライメントを不要とし、ノイズ成分を減少させ、簡便でかつコンパクトな干渉光学系を構成することができる。この第４の実施例において、半導体レーザモジュール、光カプラ、シングルモード光ファイバ、投射装置からなる干渉光学系を光導波路を用いた光集積回路で構成することもできる。
【００３５】
本発明による方法および装置は、バイモルフ形圧電素子の測定に利用できる。被測定体がバイモルフ形圧電素子の場合、その先端が変位するため入射角が変位前の入射角から変化する。したがって、入射光のスポット径が大きい場合は、角度変化がノイズとして加算され、測定精度を低下させる。本発明による干渉縞はヤング干渉計の原理に基づくため光入射面はピンポイントでもよく必ずしも平行光を必要としない。したがって、被測定体へのレーザ光はコリメートされた光でなくてもよい。光を集光レンズにより集光させその焦点に被測定体の反射面を設置することでノイズが低減でき、分解能の高い測定をすることができる。
これにより、またバイモフル形圧電素子のような傾斜面が変位する被測定体に対しても測定が可能となった。また、その場合被測定体を横に一定量シフトして２回測定することで光路の軸方向と横方向の変位量より傾斜角度も容易に求めることができる。
【００３６】
本発明による方法および装置は、精密ＮＣ工作機械等の位置決め装置に利用できる。また、本測定装置はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）をマイクロアクチュエータとして用いた高精度位置決め装置における位置決め時の微小変位量の確認手段と変位量の指定値とのずれを補正するためのフィードバック情報を与える自動校正手段とすることができ、それらの手段を組み込んだ自動補正位置決め装置を構成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明による方法および装置によれば、従来の干渉計装置のような装置の傾き、ぶれで変位量計測が影響することのない計測方法および装置が得られる。また数ナノメートルから数ミリメートルまでの広いレンジで計測可能な測定装置ができる。干渉縞位相シフトの小数部分の算出方法に高精度フーリエ変換理論を用いれば分解能が高く被測定体の微小変位をナノメートル単位の測定精度で得られる。干渉光学系を光ファイバまたは光集積回路を用いた干渉光学系と光ファイバフェルールで構成した投射装置を組合せれば従来にない小形干渉計測装置を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の微小変位測定装置の第１の実施例を示す概略説明図である。
【図２】
本発明の微小変位測定装置の干渉縞投射部先端の拡大正面図である。
【図３】
本発明で得られた干渉縞のフーリエ・パワースペクトルグラフである。
【図４】
本発明の微小変位測定装置で求めた印加電圧ＶＳ変位量特性グラフである。
【図５】
本発明の微小変位測定装置で得られる正弦波変調による応答グラフである。
【図６】
本発明の微小変位測定装置の第２の実施例を示す概略説明図である。
【図７】
本発明の微小変位測定装置の第３の実施例を示す概略説明図である。
【図８】
本発明の微小変位測定装置の第４の実施例を示す概略説明図である。
【図９】
ヤング干渉計の原理を説明するための概略図である。
【図１０】
従来の変位測定装置の概略図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ コリメートレンズ
３ ビームスプリッタ
３ｂ 反射鏡
４ 被測定体（ＰＺＴ）
５Ａ，５Ｂ 集光レンズ
６ 第１の光ファイバ
６ｂ 光ファイバ
７ 第２の光ファイバ
８ 投射装置
８ａ フェルール端面
９ センサアレー
１０ ビデオモニタ
１１ 集光レンズ
１２ 半導体レーザモジュール
１３Ａ，１３Ｂ 光カプラ
１４ コリメートレンズ
１５ 参照用ミラー
１６ 干渉投影面
３０ 半透鏡
[Document name] Statement
[Title of Invention] Microdisplacement measuring method and apparatus
[Claims]
[Claim 1] LesLight from the light sourceWith the step of branching with a beam splitter,
The step of incidenting one of the branched lights on the object to be measured,
The return light reflected from the object under test is in single mode or holding the plane of polarization.The step of inputting to the first optical fiber and
Single mode or plane of polarization holding with the other branched light as the reference lightThe step of inputting to the second optical fiber and
The other end of the first and second optical fibersThe return light and the reference light are emitted to the sensor array using a projection device that is stored and fixed in parallel to the central hole of the aligned ferrule.And the steps to generate interference fringes,
The interference fringeThe number of periodic displacements and the amount of phase shift of the interference fringes from the initial phaseTo the displacement of the object to be measured in the optical axis directionamountAnd the steps to measure,
MicroDisplacement measurement method.
2. As a means for obtaining the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Use Fourier analysis method1.Micro-displacement measurement method.
3. A laser light source and
From the light sourceExitCollimate the laser beamTo doWith a remate lens
Collimatedthe lightReflectionandA beam splitter to transmit,
Return that reflects at the position of the object to be measured and passes through the beam splitterthe lightCondensingFor return lightWith a condenser lens
SaidConnected to the condensing position of the condensing lens for return lightThe first optical fiber and
References collimated by the collimating lens and transmitted through the beam splitterthe lightFocus againFor reference lightWith a condenser lens
It is connected to the condensing position of the condensing lens for the reference light.With the second optical fiber,
Of the first and second optical fibersThe other endAlignStored and fixed in parallel to the central hole of the ferruleFrom each optical fiberProject lightProjectionapparatusWhen,
The projectionObtained by projection from the deviceConvert interference fringes into electrical signalsWith the sensor array,
SaidBased on the number of periodic displacements of the interference fringes detected based on the electrical signal of the sensor array and the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Output that outputs the amount of displacement of the object to be measuredapparatusWhen,
To prepareMicro displacement measuring device.
4. As a means for obtaining the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Using Fourier analysis method3. The minute displacement according to claim 3.measuring device.
5. BeforeNote: Collimating lens or condenser lens, GRIN lensOr a microlensThe minute displacement according to claim 3.measuring device.
6. BeforeThe beam splitter,Cube or semi-transparentThe minute displacement according to claim 3.measuring device.
7. SaidReturn that reflects at the position of the object to be measured and passes through the beam splitterthe lightCondensingFor return lightCondensing lens returnsthe lightReference light by reflecting with a reflectorForArranged so that it can be focused in the direction parallel to the condenser lens3. The minute displacement according to claim 3.measuring device.
8. A semiconductor laser module and
The semiconductor laser modulefromBranch the laser beamNo.1 optical coupler and
The laser beam branched is passed through one of the branch paths of the first optical coupler, and the return light is branched.With the second optical coupler,
Passed through the branch of the second optical couplerthe lightCollimateThen, it is projected onto the object to be measured, and the reflected light from the object to be measured is collected and connected to the second optical coupler.With a collimating lens
Single-mode or plane-of-dispersion connected to the other branch of the second optical couplerThe first optical fiber and
Single mode or plane of polarization holding connected to the other branch of the first optical couplerWith the second optical fiber
Of the first and second optical fibersThe other endAlignProjection device stored and fixed in parallel to the central hole of the ferruleWhen,
The projectionObtained by projection from the deviceConvert interference fringes into electrical signalsWith the sensor array,
SaidBased on the number of periodic displacements of the interference fringes detected based on the electrical signal of the sensor array and the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Output that outputs the amount of displacement of the object to be measuredapparatusWhen,
To prepareMicro displacement measuring device.
9. BeforeSemiconductorLaser module, Optical fiber, optical coupler,ProjectionThe device is,Any or all consist of optical integrated circuit elements8. The minute displacement according to claim 8.measuring device.
10. The object to be measured has a reflecting mirror and a microactuator for driving the reflecting mirror, and the driving direction of the microactuator is parallel to the optical axis of the reflected light, and the displacement amount of the microactuator is measured. The micro-displacement measuring device according to 3 to 9.
11. The microdisplacement measuring device according to claim 3, wherein the optical fiber is a single-mode optical fiber or an optical fiber having a plane of polarization.
12. The microdisplacement measuring apparatus according to claim 3, further comprising a condensing lens capable of condensing the laser beam branched by the beam splitter and irradiating the object to be measured.
Description: TECHNICAL FIELD [Detailed description of the invention]
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention lasers minute displacementslight'sThe present invention relates to a measurement method for optically measuring using interference and a device for carrying out the method. This measurement method and device are used for the performance of piezoelectric element actuators (PZT), etc., which are often used in measurement control systems.ofCan be used for rigorous evaluationIs a thing..
0002.
[Conventional technology]
Conventionally, there is a method using an interferometer as a method for measuring a minute displacement amount. For example,There is an evaluation device that obtains the amount of displacement by injecting laser light of two wavelengths into a Twyman-Green Interferometer and counting the interference output displacement due to the displacement of each voltage as a pulse signal by heterodyne detection. However,This heterodyne method requires a time-series frequency modulation element and a detection circuit, and has a drawback that the detection circuit is complicated and the optical system becomes large.
0003
Also,recentlyFIG. 10As shown inWith the Twyman-Green Interferometer,The light from the light source 1 is paralleled by the collimating lens 14.With lightShi, CoveredOn the measuring body 4ExitReflectedWith the return light, Reference reflected by reference mirror 15.With lightA device has been proposed in which interference fringes having linear carriers are formed directly on the projection surface 16. Its initial phaseFromIs obtained by Fourier analysis as the amount of displacement of the object 4 to be measured in the axial direction. in this case,To analyze the interference pattern obtained directly from the area of the object to be measuredofThe image processing device becomes large, and the interference fringes are due to the inclination angle of the reflecting surface of the object to be measured with respect to the reference mirror, which is also a factor of the fringe pitch.,Alignment of the optical system is difficult, and it is sensitive to the shaking of the optical system even during measurement, and there is a difficulty in stability.
0004
[Problems to be Solved by the Invention]
In a displacement amount measuring device using a conventional interferometer, the interferometric optical system is complicated and the housing isLargeTherefore, it is difficult to adjust the optical path and there is a problem in reproducibility, and there are various problems such as a limit in displacement resolution because the output also depends on an analog circuit.
A main object of the present invention is a laser based on minute displacement using an optical fiber.light'sIt is an object of the present invention to provide a measuring method for generating and measuring interference and an apparatus for carrying out the method.
A more specific object of the present invention is to provide a measurement method and an apparatus capable of utilizing the performance of a piezoelectric element actuator (PZT) or the like, which is widely used in a measurement control system, for rigorous evaluation.
0005
A more specific object of the present invention is to measure the displacement amount of the microactuator as the main application, and to measure only a minute range of the object to be measured.ExitBy doingMiniaturization, A measurement method and device that can support the development of a minute displacement amount measurement system that enables improved measurement reproducibility and high resolution, and the development of a positioning device for piezoelectric element actuator (PZT) control system equipment that has the measurement system as a component. Is to provide.
0006
[Means for solving problems]
In order to achieve the above object, the principle of the measurement method according to the present invention is the reflection from the object to be measured by utilizing the optical system of the Twyman-Green Interferometer.With the return lightreferencethe lightInput to the optical fiber with each condenser lens, Optical fiberRadiated from the other endthe lightInterferometric fringes are obtained by the principle of the Young interferometer, and the lateral displacement of the interferometric fringes is proportional to the minute displacement of the object to be measured.ToThe minute displacement of the object to be measured is measured.
0007
In order to achieve the above object, according to the present invention.The minute displacement according to claim 1.The measurement method isLesLight from the light sourceThe step of branching with a beam splitter, the step of incidenting one of the branched lights on the object to be measured, and the return light reflected from the object to be measured in single mode or holding the plane of polarization.The step of inputting to the first optical fiber andSingle mode or plane of polarization holding with the other branched light as the reference lightThe step of inputting to the second optical fiber and the other ends of the first and second optical fibersThe return light and the reference light are emitted to the sensor array using a projection device that is stored and fixed in parallel to the central hole of the aligned ferrule.And the steps to generate interference fringes,The interference fringeThe number of periodic displacements and the amount of phase shift of the interference fringes from the initial phaseTo the displacement of the object to be measured in the optical axis directionamountAnd the steps to measure,HaveIs a thing..
The microdisplacement measuring method according to claim 2 according to the present invention uses the Fourier analysis method as a means for obtaining the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase in the method according to claim 1.
0008
In order to achieve the above object, according to the present invention.The minute displacement according to claim 3.The measuring device is a laser light source and the light source.ExitCollimate the laser beamTo doRemate lens and collimatedthe lightReflectionandA beam splitter to be transmitted and a return that is reflected at the position of the object to be measured and is transmitted through the beam splitter.the lightCondensingFor return lightCondensing lens and the aboveConnected to the condensing position of the condensing lens for return lightA reference collimated by the first optical fiber and the collimating lens and transmitted through the beam splitter.the lightFocus againFor reference lightWith a condenser lensIt is connected to the condensing position of the condensing lens for the reference light.With the second optical fiber,Of the first and second optical fibersThe other endAlignStored and fixed in parallel to the central hole of the ferruleFrom each optical fiberProject lightProjectionapparatusAnd the projectionObtained by projection from the deviceConvert interference fringes into electrical signalsWith the sensor array,SaidBased on the number of periodic displacements of the interference fringes detected based on the electrical signal of the sensor array and the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Output that outputs the amount of displacement of the object to be measuredapparatusWhen,Is equipped with..
The microdisplacement measuring device according to claim 4 according to the present invention is the device according to claim 3.In the settingAs a means for obtaining the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Using Fourier analysis methodIs a thing..
The microdisplacement measuring device according to claim 5 according to the present invention is the device according to claim 3.In the setting, the collimating lens or condensing lens, GRIN lensOr a micro lensIs to be used..
The microdisplacement measuring device according to claim 6 according to the present invention is the device according to claim 3.The beam splitter,Cube or translucentIs to be used..
The microdisplacement measuring device according to claim 7 according to the present invention is according to claim 3.In the deviceSaidReturn that reflects at the position of the object to be measured and passes through the beam splitterthe lightCondensingFor return lightCondensing lens returnsthe lightReference light by reflecting with a reflectorForArranged so that it can be focused in the direction parallel to the condenser lensIs a thing..
0009
To achieve the above objectivesAccording to the present invention8. The minute displacement according to claim 8.The measuring device includes a semiconductor laser module and the semiconductor laser module.fromBranch the laser beamNo.1 optical coupler andThe laser beam branched is passed through one of the branch paths of the first optical coupler, and the return light is branched.It has passed through the branch portion of the second optical coupler and the second optical coupler.the lightCollimateThen, it is projected onto the object to be measured, and the reflected light from the object to be measured is collected and connected to the second optical coupler.With a collimating lensSingle-mode or plane-of-dispersion connected to the other branch of the second optical couplerThe first optical fiber andSingle mode or plane of polarization holding connected to the other branch of the first optical couplerThe second optical fiber and the first and second optical fibersThe other endAlignProjection device stored and fixed in parallel to the central hole of the ferruleAnd the projectionObtained by projection from the deviceConvert interference fringes into electrical signalsWith the sensor array,SaidBased on the number of periodic displacements of the interference fringes detected based on the electrical signal of the sensor array and the phase shift amount of the interference fringes from the initial phase.Output that outputs the amount of displacement of the object to be measuredapparatusWhen,Is provided.
0010
The microdisplacement measuring device according to claim 9 according to the present invention is the device according to claim 8.The semiconductorLaser module, Optical fiber, optical coupler,ProjectionThe device is,Any or all consist of optical integrated circuit elementsIs to be done..
0011
The micro-displacement measuring device according to claim 10 according to the present invention is the device according to claims 3 to 9, wherein the object to be measured has a reflecting mirror and a microactuator for driving the reflecting mirror, and the driving direction of the microactuator is the said. It is parallel to the optical axis of the reflected light and measures the amount of displacement of the microactuator.
0012
The microdisplacement measuring device according to claim 11 according to the present invention is the device according to claim 3, wherein the optical fiber uses a single mode optical fiber or an optical fiber having a plane of polarization.
The micro-displacement measuring apparatus according to claim 12 according to the present invention includes a condensing lens capable of condensing the laser beam branched by the beam splitter and irradiating the object to be measured in the apparatus according to claim 3. It is a thing.
0013
[Action]
Figure 9Shows Young InterferometerAndTwo pinholes P provided on the shading plate with an interval of D1 P2 Of the same light source that passed throughThe light isLine segment P at the position of distance L1 P2 It forms interference fringes with linear carriers perpendicular to. Here, the pitch δ of the interference fringes is expressed by the following equation, where λ is the wavelength of the light source.
δ = Lλ / D
The present invention utilizes the principle of this Young interferometer to replace two pinholes with two optical fibers.ProjectionBe doneTo the lightIt utilizes the interference fringes generated by the above.
0014.
Piezoelectric piezoelectric element (PZT)ManylayerHeavyIt is possible to measure minute displacement when a voltage is applied to the twisted stack type microactuator 4.Figure 1In,From laser light source 1ExitCollimate the light with the microlens 2the lightBranch with a beam splitter 3 and split one of them into a microactuator 4.ExitReflectionCondensing the returned lightThe light is collected by the light 5A and incident on the optical fiber 6.
The other collimating branched by the beam splitter 3.The light isstraightContact focusingThe light is condensed by the light 5B and incident on another optical fiber 7 to be used as a reference light.SaidThe other ends of the two optical fibers are parallelIn Figure 2Ferrule 8 seen inInsert into the central hole ofIt is fixed. From thereProjectionTwo to be doneExitThe light isSaidInterferometric fringes are generated on the sensor array 9 based on the principle of the interferometer and can be observed on the video monitor 10.
0015.
At this time, if a minute displacement is applied to the microactuator, it will be reflected.Of the return lightThe phase changes and the interference fringes are displaced in the lateral direction of the fringes. The correlation between this displacement amount and the minute displacement amount of the microactuator 4 is reflected.The return lightAccording to the theory of the Twyman-Green Interferometer used, the minute displacement (1/2) λ of the reflection position is the displacement book of the interference fringes.To the numberIt will be equivalent. Therefore, the displacement amount of the microactuator can be calculated by counting the number of periodic displacements of the interference fringes. Also,For the minute displacement portion of the interference fringes having one cycle or less, the amount of the interference fringe phase shift from the initial phase can be obtained by processing the sensor array output by Fourier analysis. By using this measuring means, it is possible to obtain the displacement amount of the object to be measured with a resolution of up to (1/200) λ.
0016.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
Figure 1The examples shown in the above show the microdisplacement measuring device which is the basic configuration of the present invention. The specific structure and operation will be described below.
First,Laser with wavelength λ = 0.780 μm from semiconductor laser light source 1Light emitsBeing doneGRINA laser that has passed through the focal point of a collimating lens 2 composed of lensesThe light isWith the collimating lens, parallel with a diameter of 0.4 mmWith lightIt is guided to the cube-shaped beam splitter 3. The beam splitter 3 has a wavelength of 780 nm.light'sIt is configured to reflect part and let the rest pass. The parallel guided to the beam splitter 3.The light isA part of the object is reflected straight in the direction perpendicular to the incident optical axis, and the object to be measured 4 installed in front is parallel.lightsoExitTo do.
[0017]
The irradiated surface of the object 4 to be measured is processed so as to have a reflective function.Re,IrradiationThe light isParallel that was reflected and returned to the beam splitter 3 along the incident optical axis and partially transmitted.Light is GRINThe light is focused at the focal position by the condenser lens 5A composed of the lens. The end face of the first single-mode optical fiber 6 having an end face polished into a shape suitable for light collection is arranged at the focal position.And the focused lightIt is transmitted from the end face into the optical fiber core.
0018
On the other hand, the remaining parallel light incident on the beam splitter 3 from the collimating lens 2 and directly transmitted through the beam splitter 3.The light is, Similar to the case of the condenser lens 5A described above.With a GRIN lensCondensing lens composed5BIs focused on the focal position. And,It is transmitted into the core from the end face of the second single-mode optical fiber 7 connected thereto.
0019
The wire diameters of the first and second single-mode optical fibers 6 and 7 described above are 125 μm, and the other end of each is 125 μm.Figure 2Center of optical fiber ferrule 8a as shown inHole, for exampleOval or ovalOf the holeIt is inserted and fixed to the inner diameter.
ElementaryOptical fiber wire portions 6 and 7 with a wire diameter of 125 μmParallelIt is closely inserted and fixed, and the pitch D between the strands is 125 μm, which is equal to the diameter of the strands.
Optical fiberAdhesive fixingThe end face of the ferrule 8a is mirror-polished to form a projection means 8 which is a projection device having a projection pitch of 125 μm.
0020
The projection device 8 is 2BookThe end face of the optical fiber wire is set to be horizontal.Re,Emitted from each optical fiber end faceThe light is, One is the reflection from the object 4 of the optical fiber 6Return lightAnd,The other is a reference transmitted directly from the laser light source of the optical fiber 7.lightIs. A CCD sensor array 9 is arranged facing the projection device 8.Re,Radiated from the two optical fiber end faces of the projection deviceThe light isInterference fringes are generated by being projected onto the sensor array. Since the interference fringes appear perpendicular to the end faces of the two optical fibers installed horizontally, the CCD sensor array is arranged in the horizontal direction across the fringe pattern. The pitch of the generated interference fringes is the above-mentioned "action".ColumnAs shown in, δ = Lλ / D.
0021.
In this example,Measurements are performed with an optical fiber end face pitch D = 125 μm, a light source wavelength of λ = 0.780 μm, and a projection distance L = 30 × 103 μm.I,Interference fringe pitch δ = 30 × 103 × 0.780/125 = 187 μm.
In addition, the CCD sensor arrayofPixel pitch uses 7 μm specificationsI,The information density of the interference fringe pitch is about 27 dots / wavelength.
The interference fringes are output by the CCD sensor array and can be observed on a video monitor by a normal CCD processing circuit.
0022.
A specific object of the present invention is to measure a minute displacement of the object to be measured 4 as described above.Ri,In this embodiment, a stack type PZT (Piezoelectric transducer) in which PZT elements are laminated.Measure the minute displacement of the stack when a voltage is applied to..
stackformWhen a voltage is applied to PZT, it is several μm in the stacking direction.~A minute displacement of several tens of μm occurs. This interferometerThen, the light incident on the displacement portion of the PZT is reflected, and the reflected return light interferes due to the phase displacement.StripedWith the number of displacementsBy calculating the phase shift amount, the displacement amount of the PZT can be obtained.
[0023]
thisInterference fringesPhase shiftOf quantityThe integer part can also be counted by a video monitor. However,As an automatic counting methodhand,Two sensors a and b such as photodiodes are arranged on the sensor array surface at intervals corresponding to an interference fringe phase of 90 °.ShiBy comparing the time-series output changes of a and b2 when the interference fringes are shifted by an analog circuit or a digital circuit, the shift direction and the number of shifts of the interference fringes can be obtained.
0024
on the other hand,From the initial phaseOf the phase shift amountsmallAs for the calculation method of several parts, Akira Kuruseki, one of the inventors of the present application, has published a method of calculating the phase shift amount by Fourier transforming the intensity distribution of the interference fringes in the following paper.
Applied Optics September 01, 1994 Volume 33 N0.25 pp. 5935-5940
"Straight or evenly spaced Fizeau interference fringesTo analyzeFast Fourier Transform ofUse of law"
[Use of the fast fourier transform method for analyzing linear and equi-spaced Fizeau fringes] (1 September 1994 / Vol. 33, No. 25 / APPLIED OPTICS 5935-5940)
Hereinafter, how to obtain the phase shift amount φ will be outlined with reference to the above-mentioned paper.
[Number 1]
0025
Figure 3 showsThis is an example of a power spectrum obtained by Fourier transforming the intensity distribution of interference fringes.,The vertical axis represents the light intensity I, and the horizontal axis represents the spatial frequency f. The phase (displacement amount) φ of the interference fringes isAs mentioned aboveAs you did, the light intensity is the first timeOccasionObtained from the Fourier coefficient at the peak of.
0026
The measurement results of this example performed by the above calculation method are shown below.
Figure 4 shows,BimorphformThe measurement result of the displacement of the tip of the piezoelectric element with respect to the applied voltage is shown.Su.. When the interference fringe counting method and the Fourier transform process are combined,The measured voltage is 0 to 85V.handThis is an example performed in increments of 0.1 V, and it is possible to measure a wide band with a measurement range of 40 μm, and the measurement accuracy in that range range also shows highly reliable results from the continuity of the plot.
[0027]
Figure 5 shows,This is the result of measuring the displacement when the stack type piezoelectric element is vibrated using this method. The voltage applied to PZT is a sine wave with a frequency of 0.2 Hz.handIt is given with an amplitude of 2V. As can be judged from the plot in the figure, the displacement resolution of the vibration cycle in this example is on the order of 1/100 μm. 125 μm pip using the interferometric optical system of the present invention and single-mode optical fiberChi projectionThe device 8 has made it possible to obtain high quality interference fringes.
[0028]
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the device according to the present invention. Laser via beam splitter 3 in the first embodiment described abovethe lightDirectly to the object to be measuredincidentdid. However,In this example, GRINThe light is condensed by the condensing lens 11 composed of a lens, and the object to be measured is placed at the condensing position. When the surface of the object to be measured is not parallel to the optical axis, especially when the measurement position such as bimorphs swirls in the optical axis direction, the sensitivity of the phase information transmitted to the optical fiber is enhanced by reducing the measurement area. be able to.
[0029]
Figure 7 shows,In the third embodimentRi, 1stofIn the examplesInBeam splitter reflectionEmission of return lightAdd reflector 3b to the part and refer toLight emissionBy reflecting in the same direction as the direction and aligning the condenser lenses 5A and 5B and integrating them, the entire interferometer is slimmed down, and the device is made smaller and easy to install on the object to be measured.To..
[0030]
nextIn the examples,The beam splitter can be a cube beam splitter or a semitransparent. See the optical path of interferometric optics as a known technique.The lightThrough the beam splitterWith lightEven if there is, it reflectsWith lightIt doesn't matter if there is one. Of course for measurementThe light isThe opposite optical path can be used. Also,The amount of light of both can be adjusted by passing an ND filter through one of the optical paths.
0031
FIG. 8 shows,No.4In the example ofRi, No.3The laser light source in the embodiment is replaced with a semiconductor laser module, the beam splitter is replaced with an optical fiber coupler, and the laser passes through the beam splitter.light'sThis is a micro-displacement measuring device in which the optical path is replaced with an optical fiber. From the semiconductor laser module 12 in the figureExitThe laser beam is directly connected to one end of the optical coupler 13A and branched. OneForkLaser branched intoThe light isIt enters the optical coupler 13B via the single mode optical fiber 6b. Passing through the bifurcation and parallel by the collimating lens 2With lightThen or as shown in FIG. 6, the laser beam is focused on the object to be measured 4Exit toTo do. That reflectiondidThe return light follows the path at the time of incident in the reverse direction and returns to the optical coupler 13B, and at the branch portion, at the time of incident.ForkDifferent fromForkBranched toThe lightIt is transmitted to the single mode optical fiber 6.
[0032]
On the other hand, from the semiconductor laser module 12, the optical coupler 13A is used as the other.ForkLaser branched intoThe light isIt is directly transmitted to the single mode optical fiber 7 as reference light. The other ends of the two optical fibers 6 and 7 are parallelNifuAssembled on the Elleur 8a and finished with a mirror finish on the end faceProjectionThe device 8 is configured. SaidProjectionFrom the two optical fiber end faces of the deviceExitTwo to be doneTo the lightAfter the formation of the interference fringes by the above, the same as in the first embodiment.
0033
The optical fiber used in this apparatus may be any optical fiber capable of transmitting optical phase information, and a single-mode optical fiber or a plane-holding optical fiber is preferable.
0034
The feature of this device is that it is the object to be measured.ProjectionDepends on the lens 2 required to earn a work distance with the clubExitLaser except for optical systemThe light isAll are designed to pass through single-mode optical fiber. From the beam splitter in the first embodimentExitTwo to be donelight'sIt is possible to construct a simple and compact interference optical system by eliminating the need for optical axis alignment and reducing noise components. In this fourth embodiment,Semiconductor laser module, optical coupler, single mode optical fiber,ProjectionThe interference optical system including the device can also be configured by an optical integrated circuit using an optical waveguide.
0035.
The methods and devices according to the invention can be used to measure bimorphic piezoelectric elements. When the object to be measured is a bimorph type piezoelectric element,Since the tip is displaced, the incident angle changes from the incident angle before the displacement.Therefore, If the spot diameter of the incident light is large,anglechangeAs noiseAdditionThis reduces the measurement accuracy. Because the interference fringes according to the present invention are based on the principle of the Young interferometer.Light incidentThe surfaces may be pinpoint and not necessarily parallelthe lightdo not need. Therefore,Laser to the object under testThe light isCollimatedWith lightIt does not have to be.the lightThe reflective surface of the object to be measured is focused on the focal point by condensing with a condensing lens.InstallationBy doing so, noise can be reduced and high-resolution measurement can be performed.
This also makes it an inclined surface like a bimoful piezoelectric element.ButIt has become possible to measure even a displaced object to be measured. Also,In that case, the inclination angle can be easily obtained from the amount of displacement in the axial direction and the lateral direction of the optical path by shifting the object to be measured laterally by a certain amount and measuring twice.
0036
The method and apparatus according to the present invention can be used for positioning apparatus such as precision NC machine tools. Also,BookMeasurementThe device is a means for confirming a minute displacement amount at the time of positioning in a high-precision positioning device using a piezo piezoelectric element (PZT) as a microactuator, and an automatic calibration means for giving feedback information for correcting a deviation from a specified value of the displacement amount. It is possible to configure an automatic correction positioning device incorporating these means.
0037
【Effect of the invention】
As described in detail above, according to the method and device according to the present invention, it is possible to obtain a measurement method and device in which the displacement amount measurement is not affected by the tilt and shake of the device such as the conventional interferometer device. In addition, a measuring device capable of measuring in a wide range from several nanometers to several millimeters can be made. Interference fringe phase shiftsmallIf the high-precision Fourier transform theory is used for the calculation method of several parts, the resolution is high and the minute displacement of the object to be measured can be obtained with the measurement accuracy in nanometer units. If the interference optical system is combined with an interference optical system using an optical fiber or an optical integrated circuit and a projection device composed of an optical fiber ferrule, an unprecedented compact interference measurement device can be created.
[Simple explanation of drawings]
FIG. 1
Of the present inventionMicroIt is the schematic explanatory drawing which shows the 1st Example of the displacement measuring apparatus.
FIG. 2
Of the present inventionMicroInterference fringes of displacement measuring deviceProjectionIt is an enlarged front view of the tip of a part.
FIG. 3
It is a Fourier power spectrum graph of the interference fringe obtained by this invention.
FIG. 4
Of the present inventionMicroIt is the applied voltage VS displacement amount characteristic graph obtained by the displacement measuring apparatus.
FIG. 5
Of the present inventionMicroIt is a response graph by the sine wave modulation obtained by the displacement measuring apparatus.
FIG. 6
Of the present inventionMicroIt is the schematic explanatory drawing which shows the 2nd Embodiment of the displacement measuring apparatus.
FIG. 7
Of the present inventionMicroIt is the schematic explanatory drawing which shows the 3rd Example of the displacement measuring apparatus.
FIG. 8
Of the present inventionMicroIt is the schematic explanatory drawing which shows the 4th Embodiment of the displacement measuring apparatus.
FIG. 9
It is a schematic diagram for demonstrating the principle of a Young interferometer.
FIG. 10
It is the schematic of the conventional displacement measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Laser light source
2 collimating lens
3 beam splitter
3b reflector
4 Subject to be measured (PZT)
5A, 5B condenser lens
6 First optical fiber
6b optical fiber
7 Second optical fiber
8Projection device
8aFerrule end face
9 Sensor array
10 video monitor
11Condenser lens
12 semiconductor laser module
13A, 13B optical coupler
14 Collimated lens
15 Reference mirror
16 Interference projection plane
30 semi-transparent lens
