JP2005207849A - 微小変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コスト、且つコンパクトな微小変位測定装置を提供する。
【解決手段】 ２本の光ファイバの出射光を干渉させ、被測定物の微小変位による位相シフト量に基づいて微小変位を検出する微小変位測定装置において、レーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ２４を保持するＶ字型溝１１ａと、平行光を反射光と透過光に分岐する第１のビームスプリッタ５０及び被測定物１１７により反射して戻った光を全反射する第２のビームスプリッタ６０を保持するコ字型溝１２と、第１及び第２のビームスプリッタ５０、６０からの出射光をそれぞれ集光する第２及び第３のコリメートレンズ３４、４４を保持するＶ字型溝１１ｂ、１１ｃが形成された光学部品配列用基板を設け、各溝に所定の光部品を精度良く挿嵌することで、組み立てが容易になり、且つ光軸調節作業を不要として製造コストの低減を図る微小変位測定装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

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微小変位測定装置に関し、特に、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：Piezoelectric transducer）等の厳密な性能評価に利用する微小変位測定装置に関する。

近年、微小な位置変位や屈折率の変化を単色光で検出する方法としてトワイマン・グリーン干渉計をもとにした微小変位測定装置が提案されている。トワイマン・グリーン干渉計とは、ビームスプリッタで光を２分岐し、異なる光路を通過させた後、再びこれを重ね合わせて光軸上に干渉縞を形成し、この干渉縞に含まれる情報から光路差や波面形状などを測定する干渉計である。

図６は、トワイマン・グリーン干渉計の基本的な構成を示す図である。この干渉計は、レーザ１０１と、レーザ１０１から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ１０２と、平行光を物体光Ｅ_oと参照光Ｅ_Rに分岐するビームスプリッタ１０３と、分岐された平行光のうち物体光Ｅ_oが入射する被測定物１０４と、参照光Ｅ_Rが入射する反射ミラー１０５と、被測定物１０４で反射された微小変位情報を含む戻り光と反射ミラー１０５からの反射戻り光との２本の光束干渉による干渉縞が投射される投射面１０６とで構成されている。

微小変位量を測定する場合は、レーザ１０１から出射したレーザ光をビームスプリッタ１０３で物体光Ｅoと参照光Ｅ_Rに分け、ビームスプリッタ１０３を透過した参照光Ｅ_Rは、反射ミラー１０５で全反射され再度ビームスプリッタ１０３に入射した後、投射面１０６の方向に反射される。一方、物体光Ｅ_oは、ビームスプリッタ１０３で反射されて被測定物１０４に入射後、微小変位情報を含む反射戻り光となってビームスプリッタ１０３を透過する。ビームスプリッタ１０３で重ね合わされた２本の光は干渉して投射面１０６に入射する。

このとき、物体光Ｅ_oと参照光Ｅ_Rの光路差に微小変位がなければ、投射面１０６に入射する光の干渉縞の位相差がゼロになる。一方、被測定物１０４の微小変位が発生すると、位相差を生じ、干渉縞のシフトが発生する。これを画像処理することで干渉縞の数や位相シフト量から光路差や波面形状を測定することができる。

ところで、微小変位測定の分野では、使用フィールドの拡大により小型化で、安価且つ取り扱い易い微小変位測定装置が望まれている。しかし図６に示した干渉計１００は、光源としてヘリウム・ネオンレーザ ( Helium Neon laser、HeNe laser （６３０ｎｍ可視光）)を用いるため光源が大きく、更にレーザのスポット径ω₀が数ｍｍ以上と大きいことから、これに伴い周辺光学系も大きくなり、その結果、装置全体は大型化で、高価になり、汎用性に欠ける問題がある。

そこで図７に示す微小変位測定装置１１０が提案された。この微小変位測定装置１１０は、ＬＤ（laser diode）モジュール１１１と、ＬＤモジュール１１１から出射された光を伝搬する光ファイバ１１２と、この光ファイバ１１２を保持する光ファイバホルダ１１３と、光ファイバ１１２から出射した光を平行光に変換するコリメートレンズ１１４と、平行光を物体光Ｅ_oと参照光Ｅ_Rに分岐するビームスプリッタ１１５と、分岐された平行光のうち物体光Ｅ_oが入射される被測定物１１７と、被測定物１１７で反射した微小変位情報を含んだ戻り光を反射させて入射光に対して垂直方向に出射させる反射ミラー１１６と、前述のビームスプリッタ１１５及び反射ミラー１１６から出射される２本の光をそれぞれ集光させるコリメートレンズ１１８,１２１と、集光された光を伝搬する光ファイバ１２０,１２３及びこれを支える光ファイバホルダ１１９,１２２と、２本の光ファイバ１２０,１２３を収容する２芯ファイバホルダ１２４と、この２本の光ファイバ１２０,１２３の出射光による干渉光が投射される画像センサ１２５と、画像センサ１２５で検出された画像情報を解析し、その結果をモニタに出力する画像処理装置１２６とを少なくとも有している。

この微小変位測定装置１１０によれば、ヘリウム・ネオンレーザに代えて、ＬＤモジュールを用いるので装置を小型化できるという利点を有している。
特開２０００−１８６９１２号公報

しかしながら図７に示した微小変位測定装置１１０は、小型化できるという利点を有するものの、これら光部品間は空間ビーム伝播であるため光軸アライメントが必須である。このアライメント作業は非常に煩雑で、且つ時間が掛かることから製造コストが高くなるという問題がある。

また空間ビーム伝播は、光部品が個々に独立に配置されているため縮小化に限度があり、十分な小型化が望めないという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで、且つコンパクトな微小変位測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、レーザ光源から出射したレーザ光を平行光に変換する第１のコリメートレンズを保持するための第１のコリメートレンズ保持部と、平行光に変換された光を反射光及び透過光に分岐する第１のビームスプリッタを保持するための第１のビームスプリッタ保持部と、反射光を被測定物に入射し反射戻り光を再度第１のビームスプリッタに透過させた後反射する第２のビームスプリッタを保持するための第２のビームスプリッタ保持部と、第１のビームスプリッタの透過光を集光する第２のコリメートレンズを保持するための第２のコリメートレンズ保持部と、第２のビームスプリッタで反射された反射戻り光を集光する第３のコリメートレンズを保持するための第３のコリメートレンズ保持部を少なくとも備える光学部品配列用基板を有し、第２及び第３のコリメートレンズより入射された光を光ファイバに結合し、光ファイバの他端から出射した光を干渉させ、シフトされた干渉縞の数及び位相シフト量に基づき被測定物の微小変位を検出することを要旨とする。

本発明によれば、第１乃至第３のコリメートレンズと、第１及び第２のビームスプリッタを配置固定するための保持部を備える光学部品配列基板を微小変位測定装置に設けることで、光部品の配置ずれを防止すると共に組み立てを容易にする。また所定の保持部に所定の光部品を配置することで光軸アライメントを不要とする。

また本発明は、第１のコリメータの端面に光ファイバを介して半導体レーザを接続し、第２及び第３のコリメータの各端面に光ファイバを直接接続させることを要旨とする。

本発明によれば、第１のコリメートレンズの端面に光ファイバを介して半導体レーザを直接接続して一体化し（半導体モジュール）、第２及び第３のコリメートレンズの各端面には光ファイバを接続して一体化することで（光ファイバコリメータ）、レーザ光の結合効率を高くすると共に、光出力の低い半導体レーザであっても使用することが可能となる。更に、微小変位測定装置全体にかかる電力の低消費化が図れる。またレーザ光の出力安定性及び使用安全性を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、予め光軸アライメントが不要なように光部品を挿嵌するための専用溝を形成した光部品配列用基板を製造し、これを微小変位測定装置に適用することで、装置の組み立てを容易にし、煩雑なアライメントを不要とする。これにより製造時間を短縮化することができるのでコストを低減されることができる。

また、ＬＤレーザやコリメータは光ファイバを介して一体化し、光部品を一体化させることで、より組み立てが容易になると共に、組み立て時間を短縮することができるので、製造コストを更に低減させることができる。更に、光ファイバコリメータを用いることで出射光のスポット径を０．５ｍｍ以下とすることができることから、これに応じて周辺光部品も小型化でき、従来よりも小型化の微小変位測定装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置１の概略構成図である。

この微小変位測定装置１は、レーザ光源であるＬＤモジュール２１と、ＬＤモジュール２１から出射されたレーザ光を伝搬する光ファイバ２２と、光ファイバ２２を支持する光ファイバホルダ２３と、レーザ光を平行光に変換する第１のコリメートレンズ２４を一体化してなるレーザ光入力モジュール２０と、第１のコリメートレンズ２４から出射した光を透過光Ｅ_Rと反射光Ｅ_oに分岐する第１のビームスプリッタ５０と、反射光Ｅ_oを被測定物１１７に入射し、この反射戻り光を第１のビームスプリッタ５０に透過させた後、この光路に直交する方向に全反射により出射させる第２のビームスプリッタ６０とを有している。

また、第１のビームスプリッタ５０の透過光Ｅ_Rが出射する側に配置される透過光Ｅ_Rを集光するための第２のコリメートレンズ３４と、この透過光Ｅ_Rを伝播する光ファイバ３２と、光ファイバ３２を支持する光ファイバホルダ３３を一体化してなる第１の光ファイバコリメータ３０と、第２のビームスプリッタ６０の反射光Ｅ_oが出射する側に配置される反射光Ｅ_oを集光するための第３のコリメートレンズ４４と、この反射光Ｅ_oを伝播する光ファイバ４２と、光ファイバ４２を支持する光ファイバホルダ４３を一体化してなる第２の光ファイバコリメータ４０が設けられている。

更に、２本の光ファイバ３２、４２を並列配置して収容するための貫通孔が予め軸方向に開口された２芯ファイバホルダ７０が設けられ、この２芯ファイバホルダ７０に光ファイバ３２、４２が挿入固定されている。また、これら光ファイバ３２、４２の出射端面には対向するように配置された２本の光ファイバ３２、４２から出射した光を干渉させてなる干渉縞を感知して電気信号に変換する画像センサ１２５と、画像センサ１２５で検出された画像をフーリエ解析して、その結果をモニタに出力する画像処理装置１２６とが設けられている。

ここで本実施形態のひとつの特徴は、第１のコリメートレンズ２４を保持するＶ字型溝１１ａと、第１及び第２のビームスプリッタ５０、６０を保持するコ字型溝１２ａ、１２ｂと、第２のコリメートレンズ３４を保持するＶ型溝１１ｂと、第３のコリメートレンズ４４を保持するＶ型溝１１ｃが形成された光学部品配列用基板を用いることにある。これにより光部品（コリメートレンズ、ビームスプリッタ）を所定位置に確実に配置させることができるので煩雑な光軸アライメントを行うことを不要とする。

また、もうひとつの特徴は、ＬＤモジュール２１、光ファイバ２２、光ファイバホルダ２３、及び第１のコリメートレンズ２４を一体化してレーザ光入力モジュール２０とする。これによりレーザ光と光ファイバとの結合効率が高くなるため、光出力の低い半導体レーザでも使用可能になり、低コストできる。更に微小変位測定装置の組み立てが容易になると共に、組み立て時間が短縮化される。尚、同様に第２のコリメートレンズ３４、光ファイバホルダ３３、及び光ファイバ３２を一体化して第１の光ファイバコリメータ３０とし、第３のコリメートレンズ４４、光ファイバホルダ４３、及び光ファイバ４２を一体化して第２の光ファイバコリメータ４０とすることで、更に組み立てが容易になると共に、光軸アライメント時間を削減できる。上記の光ファイバホルダ３３、４３の外径はコリメータレンズ３４、４４の外径と等しくなるように用意する。

次に、図２を参照して、光学部品配列用位置決め基板（以下、単に基板という）１０の構成を説明する。

この基板１０は、第１のコリメートレンズ２４を保持する第１のコリメートレンズ保持部１１ａと、第２のコリメートレンズ３４を保持する第２のコリメートレンズ保持部１１ｂと、第３のコリメートレンズ４４を保持する第３のコリメートレンズ保持部１１ｃと、第１のビームスプリッタ５０を保持する第１のビームスプリッタ保持部１２ａと、第２のビームスプリッタ６０を保持する第２のビームスプリッタ保持部１２ｂとを少なくとも有している。

ここで基板１０の長さＬ_Iは、少なくとも第１コリメートレンズ２４の長尺方向の長さと、キューブ型ビームスプリッタ底面の一辺の長さと、第２コリメートレンズ３４の長尺方向の長さとを足し合わせた長さよりも長いことが好ましい。また、基板１０の幅Ｌ_Wは、キューブ型ビームスプリッタを２個直列して配置した場合の幅とほぼ同長であることが望ましい。

コリメートレンズ用の保持部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの形状は、第１乃至第３のコリメートレンズ２４、３４、４４がロッド状であるため、これらの光軸位置を精密に合わせるため、Ｖ字型を有している。一方、ビームスプリッタ用の保持部１２ａ、１２ｂの形状は、第１及び第２のビームスプリッタ５０、６０がキューブであるため、これらの位置ずれを防止し、且つビームスプリッタの中心はコリメータレンズの中心位置に合わせて、コ字溝の深さＨ₁₂を調整されたコ字型を有し、その底面が平坦面である。

尚、Ｖ字型の保持部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの溝幅Ｌ_11ａ、Ｌ_11ｂ、Ｌ_11ｃ,は、コリメートレンズの半径はＲとして、Ｖ字溝角は６０°の場合ほぼ２.６Rが望ましく、Ｖ字溝角は９０°の場合ほぼ３.２Rが望ましい。溝の深さＨ_11ａ、Ｈ_11ｂ、Ｈ_11ｃ,は、Ｖ字溝角は６０°の場合ほぼ２．２Ｒが望ましく、Ｖ字溝角は９０°の場合ほぼ１．６Ｒが望ましい。またコリメートレンズとＶ字溝の間には接着剤を塗布され、この接着剤によりコリメートレンズがＶ字溝に固定される。

一方、コ字型の保持部１２ａ、１２ｂの溝幅Ｌ₁₂は、ビームスプリッタの辺長はＤとした場合、辺長Ｄとほぼ同寸法であることが望ましく、コ字溝の深さＨ₁₂は、Ｖ字溝の深さと同等、若しくはそれ以上の深さを有する。ここで重要なのはコリメートレンズからの出射光を損失少なくビームスプリッタに結合することである。そのため、溝の深さＨ₁₂は、コリメートレンズの光軸をビームスプリッタの中心にくるようにする必要がある。尚、ビームスプリッタもコ字溝に固定する必要があるため、溝の底面に接着剤を塗布した薄膜を考慮に入れた深さとする。

また基板１０の材質は、配置される光部品（コリメートレンズ、ビームスプリッタ）が数ｍｍオーダーで製造されるため、数ｍｍオーダーでの加工が可能な部材が好ましく、具体的にはステンレス、又はガラスが適している。

次に、図３を参照して、レーザ光入力モジュール２０の構成を説明する。

このレーザ光入力モジュール２０は、ＬＤモジュール２１、光ファイバ２２、光ファイバホルダ２３、及び第１のコリメートレンズ２４を光軸調整して一体化したものである。

ここで光ファイバは、ＪＩＳ光ファイバ通則（Ｃ６８２０）で規定されている、誘電体で作られた光を伝送する繊維であって、具体的には裸光ファイバ、光ファイバ素線、光ファイバ心線及び光ファイバコードの総称である。光ファイバ素線は、ガラスコアとガラスクラッドからなる裸光ファイバにUV樹脂の一次被覆を施した光ファイバ、ガラスコアとプラスチッククラッドからなる裸光ファイバに一次被覆を施した光ファイバ、若しくはコア及びクラッドともにプラスチックからなる裸光ファイバに一次被覆を施した光ファイバである。

一方、コリメートレンズは、拡散光束を平行光に変換する作用や、平行光を集光する作用を有するレンズである。本実施の形態においては、コリメートレンズとして具体的にＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズを使用する。このＧＲＩＮレンズは、円柱状のガラス棒であり、ガラス棒の内部で屈折率勾配を工夫され、レンズ同等のコリメータ作用及び結像作用を持たされている。即ち、ガラス棒の軸中心が最も屈折率が高くなり、半径方向に向うに連れ、屈折率が中心軸から距離の２乗に比例して小さくなるように設計される。ＧＲＩＮレンズに光を入射すると蛇行しながら光は伝搬して出射する。このときＧＲＩＮレンズの焦点距離はガラス棒の長さにより変り、光のピッチ周期を考慮してレンズを切断すると、端面が平面であるにも拘わらず平行光を得ることや、結合された光ファイバ端面に結像をすることができる。

従ってレーザ光入力モジュール２０を構成する第１のコリメートレンズ２４は、出射光が平行光になるように、１／４ピッチ又は｛（２Ｘ−１）／４｝ピッチ（Xは１、２、３などの任意整数である。）のＧＲＩＮレンズを採用するものである。これにより光ファイバを伝搬してきた光は、コリメートレンズ２４に入射すると平行光となって出射される。

ＬＤモジュール２１の構成説明に戻り、光ファイバ２２のレーザ光入力端は研磨機により鏡面化或は８°以下の斜め鏡面化され、この端面に集光レンズを介してＬＤレーザに結合される。

光ファイバ２２の出力端は、被覆が所定長で剥かされ、裸光ファイバ２２ａが露出している状態である。この裸光ファイバ２２ａを光ファイバホルダ２３の貫通孔に挿入して接着剤により接着固定される。その端面を研磨機等で鏡面化して第１のコリメートレンズ２４の端面に接着固定する。ここで図３に示した光ファイバホルダ２３は剖面図である。光ファイバを挿入し易くなるように、光ファイバホルダ２３の挿入側には三角形のストッパーが設けられ、このテーパ部で、光ファイバ心線はエポキシ接着剤より加熱硬化され、裸光ファイバの断線防止にも効果がある。この場合に使用する接着剤は加熱硬化性樹脂が好ましいが、接着剤はこれに限らず、紫外線硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は部品がガラス素材からなる場合は融着接続装置を用いて融着固定してもよい。

このようにＬＤモジュール２１の出射端に、光ファイバ２２を介して第１のコリメートレンズ２４を結合させてレーザ光入力モジュール２０を形成することにより、レーザ光の結合効率が高くなり、光出力パワーの低いＬＤでも使用が可能となる。また測定装置の低消費電力化を図ることができる。更にレーザ光の出力安定性及び使用安全性を維持することができる。

続いて、図４（ａ）、（ｂ）を参照して、第１及び第２の光ファイバコリメータ３０、４０の構成を説明する。尚、第１及び第２の光ファイバコリメータは、構成が同一であるため、以下、代表して第１の光ファイバコリメータ３０の構成のみ説明する。

図４（ａ）に示す第１の光ファイバコリメータ３０は、光ファイバ３２、光ファイバホルダ３３、及び第２のコリメートレンズ３４を光軸調整して一体化したものである。

光ファイバ３２の一方の端は、被覆が所定長で剥かされ、裸光ファイバ３２ａが露出している。この裸光ファイバ３２ａを光ファイバホルダ３３の貫通孔に挿入して接着剤より固定され、その端面を研磨機等で鏡面化して第２のコリメートレンズ３４の端面に接着固定する。ここで図４（ａ）に示した光ファイバホルダ３３は断面図であり、挿入側には三角形のテーパ部が設けられている。従って裸光ファイバ３２ａを貫通孔に通すと、被覆を被った光ファイバ３２はテーパ部により挿入が抑止され、そこで裸光ファイバ３２ａと一緒に光ファイバホルダ３３に固定される。その後、光ファイバ３２は光ファイバホルダ３３を介して、第２のコリメートレンズ３４の端面に結合する。この場合、光ファイバホルダ３３の外径は第２のコリメートレンズ３４の外径と同じ寸法を設けるのは好もしい。

一方、図４（ｂ）に示す第１の光ファイバコリメータ３０は、図４（ａ）に示した光ファイバコリメータ３０と略同じ構成を有しているが、光ファイバ３２ａを接着固定されている光ファイバホルダ３３の端面を斜め研磨している点で上記構成と異なる。

即ち、裸光ファイバ３２ａを光ファイバホルダ３３の貫通孔に挿入し、接着固定した後、所定角度で斜め研磨される。この時光軸方向と研磨面とのなす角度θは、９０°±８°以内であることが望ましい。また、接続される第２のコリメートレンズの端面も上記同様に角度θで斜め研磨され、両者を光軸調整した後一体化に接続される。このように両者の結合端面を斜め研磨することで、接続境界面で生じた反射光を光路内に逆戻ることを防止することができ、ＬＤレーザの出力安定性を維持することができる。

また第２のコリメートレンズ３４の出射端は、光ファイバの入射端面に焦点を結ぶように、１／４ピッチ或は（２Ｘ−１）／４ピッチ（Ｘは１、２、３等の任意整数である）のＧＲＩＮレンズは好もしい。これによりビームスプリッタ５０を透過した平行光は、第２のコリメートレンズ３４を通過することによって、光ファイバ３２の端面に集光され、光の結合損失が少なくすることができる。

次に、図５を参照して、２芯ファイバホルダ７０の構成を説明する。

２芯ファイバホルダ７０は、第２及び第３のコリメートレンズ３４、４４に接続される各光ファイバ３２、４２うち、開放された端部を並列配置して収容するための、予め軸方向に貫通孔が設けたホルダである。

この貫通孔の断面形状は、図５（ａ）に示すように、複数本の光ファイバを並列配置させて収容可能な長方形の貫通孔７１ａや、図５（ｂ）に示すように、四角形の開孔断面の対角線方向に複数本の光ファイバを並列配置させて収容可能な正方形の貫通孔７１ｂや、図５（ｃ）に示すように、複数本の光ファイバを並列配置させてなる外側面を覆うように収容可能な小判形の貫通孔７１ｃや、図５（ｄ）に示すように、一定間隔で分離された２個独立で平行配置された円形の貫通孔７１ｄ１、７１ｄ２を有している。

ここで図５（ａ）に示す長方形の貫通孔７１ａは、２本の光ファイバの平行配置して収容したときに各光ファイバの遊びが少ない寸法の孔径となっている。ここで光ファイバが１２５μｍであるとき、貫通孔７１ａ断面の横幅はほぼ２５０μｍ程度であり、縦幅はほぼ１２５μｍである。また光ファイバ中心点の間隔Ｄ１は１２５μｍである。

図５（ｂ）に示す正方形の貫通孔７１ｂは、この正方形の対角線上に２本の光ファイバを平行配置して収容したときに各光ファイバの遊びが少ない寸法で設けたものである。このとき光ファイバが１２５μｍである場合、正方形の対角長は約２１４μｍであり、光ファイバ中心点の間隔Ｄ１は１２５μｍである。

図５（ｃ）に示す小判形の貫通孔７１ｃは、２本の光ファイバを平行配置して収容したときに、その外周面を覆うように、光ファイバ半径とほぼ同じ内径を持つように設けられたものである。このときの光ファイバ中心点の間隔Ｄ１も１２５μｍである。

図５（ｄ）に示す独立した円形の貫通孔７１ｄ１、７１ｄ２は、各貫通孔の直径が１２５μｍであり、光ファイバ中心点の間隔Ｄ２が１２５μｍ以上であるように設けられたものである。

次に、図１に戻り、本発明の微小変位測定装置１の作用を説明する。

まず、基板１０上に形成された各溝に、レーザ光入力モジュール２０、第１及び第２のビームスプリッタ５０、６０、第１及び第２の光ファイバコリメータ３０、４０を配置し、第１及び第２の光ファイバコリメータ３０、４０に結合された光ファイバ３２、４２の他端を揃えて２芯ファイバホルダ７０の貫通孔に挿入して接着固定される。そして、この光ファイバ３２、４２の端面に対向する位置に画像センサ１２５を配置し、画像センサ１２５に画像処理装置１２６を接続される。この近接して固定された２本の光ファイバ３２、４２の出射光が干渉され、その干渉縞を画像センサ１２５により感知し、画像処理装置１２６により処理される。

この設定終了後、まず、ＬＤモジュール２１より波長λ＝０．７８μｍのレーザ光が出射され、光ファイバ２２を伝搬した光は、ＧＲＩＮレンズで構成される第１のコリメートレンズ２４を通過し、直径約０．４ｍｍの平行光となって第１のビームスプリッタ５０に入射する。第１のビームスプリッタ５０は、入射光を反射光Ｅ_oと透過光Ｅ_Rに５０％ずつに分岐する。

反射光Ｅ_oは、更に第２のビームスプリッタ６０で反射され、入射光軸に対して直交方向に直進し、前方に設置された被測定物１１７に入射する。被測定物１１７の照射面は反射機能を有すべく加工されており、光はこの照射面で反射され入射光軸に沿って再び第１のビームスプリッタ５０に戻り、続いて第２のビームスプリッタ６０で光軸に対して直交方向に反射されて、出射方向の前方に配置されているＧＲＩＮレンズで構成される第３のコリメートレンズ４４で接続されている光ファイバ４２の端面に集光される。光ファイバ４２に集光された光は、この光ファイバコアを伝搬して他端から出射する。

一方、透過光Ｅ_Rは、第１のビームスプリッタ５０を透過し、出射側の前方に配置されているＧＲＩＮレンズで構成される第２のコリメートレンズ３４で接続されている光ファイバ３２の端面に集光される。そして、この第２のコリメートレンズ３４に接続されている光ファイバ３２のコアを伝搬して他端から出射する。

各光ファイバ３２、４２の他端は、２芯ファイバホルダ７０の貫通孔に挿入固定されており、この２本の光ファイバ３２、４２端面に対向して画像センサ１２５であるＣＣＤ画像センサが配置されている。２本の光ファイバ３２、４２は非常に近接されているため、光ファイバ端面から出射された光が干渉し、干渉縞を発生する。この干渉縞はＣＣＤ画像センサ１２５により感知される。

干渉縞は、ＣＣＤ画像センサ１２５により感知し、ビデオモニタ（画像処理装置１２６）で観察できる。発生する干渉縞のピッチをδとし、レーザ光源の波長をλとした場合、ピッチδは次式（１）で示される。

δ＝Ｌλ／Ｄ ・・・式（１）
本実施の形態においては、２本の光ファイバ３２、４２の中心点間隔はＤ１＝１２５μｍ、レーザ光源波長をλ＝０．７８μｍ、光ファイバ３２、４２の出射端面とＣＣＤ画像センサ１２５との間隔距離Ｌ＝３０ｍｍで測定を行った場合、干渉縞のピッチδ＝３０×１０^３×０．７８／１２５＝１８７μｍとなる。

また、ＣＣＤ画像センサの画素ピッチは７μｍ仕様を用いた場合、干渉縞ピッチの情報密度は約２７ドット／波長である。従って、干渉縞はＣＣＤ画像センサにより出力され、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。

ここで、被測定物１１７である圧電素子アクチュエータに電圧を印加すると微小変位を生じ、反射して戻った光の位相が変化して干渉縞が縞の横方向にシフトする。このシフト量と圧電素子アクチュエータの微小変位量との相関は反射して戻った光を利用するトワイマン・グリーン干渉計の理論に従い、反射位置の微小変位（１／２）λが干渉縞のシフト本数に相当することとなる。

従って、干渉縞の周期シフト数をカウントすることで圧電素子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はＣＣＤ画像センサ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物の変位量を（１／２００）λまでの分解能で求めることが可能である。

位相シフト量は縞のシフト本数を単位として算出される。そ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。一方、位相シフト量の小数部分の算出方法については、干渉縞の強度部分をフーリエ変換して位相シフト量を算出することで得られる。

尚、本実施の形態においては、レーザ光の２分岐にビームスプリッタを用いたが、分岐部品はこれに限らず、例えば３dB分岐が可能な光ファイバカプラでもよい。このとき基板１０は、光ファイバカプラが座りよく配置固定されるような溝が形成されている必要がある。また、光ファイバも光位相情報が伝送できる光ファイバであればこれに限定するものではなく、例えばシングルモード光ファイバ、又は偏波保持光ファイバ（PANDAファイバ）であってもよい。更に、本実施の形態においてはコリメートレンズとしてＧＲＩＮレンズを用いたが、これに限らず、ＧＲＩＮレンズと同機能・同作用を有するマイクロレンズであってもよい。

本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置１の概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る光学部品配列用位置決め基板１０の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光入力モジュール２０の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る第１及び第２の光ファイバコリメータ３０、４０の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る２芯ファイバホルダ７０の構成を示す図である。 トワイマン・グリーン干渉計１００の基本的な構成を示す図である。 従来の微小変位測定装置１１０の構成を示す図である。

符号の説明

１…微小変位計測装置
１０…光部品配列用基板
１１ａ…第１のコリメートレンズ保持部（Ｖ字型溝）
１１ｂ…第２のコリメータレンズ保持部（Ｖ字型溝）
１１ｃ…第３のコリメータレンズ保持部（Ｖ字型溝）
１２ａ…第１のビームスプリッタ保持部（コ字型溝）
１２ｂ…第２のビームスプリッタ保持部（コ字型溝）
２０…レーザ光入力モジュール
２１…ＬＤモジュール
２２、３２、４２…光ファイバ
２２ａ、３２ａ…裸光ファイバ
２３、３３、４３…光ファイバホルダ
２４…第１のコリメートレンズ
３０…第１の光ファイバコリメータ
３４…第２のコリメートレンズ
４０…第２の光ファイバコリメータ
４４…第３のコリメートレンズ
５０…第１のビームスプリッタ
６０…第２のビームスプリッタ
７０…２芯ファイバホルダ
７１ａ，ｂ，ｃ，ｄ１，ｄ２…貫通孔

Claims (8)

1. レーザ光源から出射したレーザ光を平行光に変換する第１のコリメートレンズを保持するための第１のコリメートレンズ保持部と、
   平行光に変換された光を反射光と透過光に分岐する第１のビームスプリッタを保持するための第１のビームスプリッタ保持部と、
   前記第１のビームスプリッタで反射し、被測定物で反射した戻り光を再度前記第１のビームスプリッタに透過させ、この光路に直交する方向に全反射させる第２のビームスプリッタを保持するための第２のビームスプリッタ保持部と、
   前記第１のビームスプリッタを透過した光を集光する第２のコリメートレンズを保持するための第２のコリメートレンズ保持部と、
   前記第２のビームスプリッタから出射した光を集光する第３のコリメートレンズを保持する第３のコリメートレンズ保持部を少なくとも有する光学部品配列用基板を備え、
   前記第２及び第３のコリメートレンズから出射した光を干渉させ、前記被測定物の光軸方向の変位によりシフトする干渉縞の数及び位相シフト量に基づき微小変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。
2. 前記第１のコリメートレンズは、光ファイバを介して前記レーザ光源に一体接続されてなるモジュールであり、該第１のコリメートレンズ側に接続される光ファイバ端部は、光ファイバホルダにより支持されていることを特徴とする請求項１に記載の微小変位測定装置。
3. 前記第２及び第３のコリメートレンズの各端面には光ファイバが接続されており、且つ該第２及び第３のコリメートレンズ側に接続される光ファイバ端部は光ファイバホルダにより支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微小変位測定装置。
4. 前記第２及び第３のコリメートレンズに接続される各光ファイバうち開放されている端部は、該光ファイバを並列配置して収容するために開孔された貫通孔に挿入固定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小変位測定装置。
5. 前記貫通孔の断面形状は、複数本の光ファイバ素線を並列配置収容が可能な長方形、四角形の開孔断面の対角線方向に複数本の光ファイバ素線を並列配置収容が可能な正方形、複数本の光ファイバ素線を並列配置させてなる外側面を覆うように収容可能な小判形、又は所定間隔で分離された２個独立で平行配置された円形孔のいずれかの断面形状であること特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小変位測定装置。
6. 前記第１及び第２のビームスプリッタ保持部はＵ字型の溝であり、前記第１乃至第３のコリメートレンズ保持部はＶ字型の溝であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の微小変位測定装置。
7. 前記第２及び第３のコリメートレンズに接続される光ファイバの他端から出射した光を干渉させてなる干渉縞を感知し電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段で感知した干渉縞の数及び位相シフト量に基づいて被測定物の光軸方向の微小変位量を計測する画像処理部とを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小変位測定装置。
8. 前記画像処理部は、前記干渉縞からフーリエ解析手法を用いて前記被測定物の微小変位を測定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微小変位測定装置。