JP6452958B2 - 光干渉計を備えた振動計 - Google Patents

Description

本発明は、出力ビームと接続する出力ビーム入力部と、前記出力ビームを少なくとも１つの第１の部分ビームと第２の部分ビームとに分割するビームスプリッタとを含む光干渉計及び、そのような光干渉計を備えた振動計に関する。

光干渉計を用いて、出力ビームが、ビームスプリッタによって少なくとも第１の部分ビームと第２の部分ビームに分割され、両方の部分ビームは、少なくとも部分的に、別々の光路を通って導かれ、最後に、これら両方の部分ビームは、干渉を形成するように、再び重ね合わされる。干渉計は、たとえば、マッハ・ツェーンダ干渉計またはマイケルソン干渉計のように形成されたものが知られている。

本発明は、ヘテロダイン干渉計として形成された干渉計にもうちの関係している。この種のヘテロダイン干渉計は、干渉計のビーム路、典型的には、少なくとも２つの部分ビームの一方のビームのビーム路に、少なくとも１つの光周波数シフタを備えている。

この種の干渉計は、特に計測システムにおいて、精密な長さ測定あるいは物体の運動または振動の測定に使用される。

特許文献１から、ニオブ酸リチウム結晶を用いたヘテロダイン干渉計が知られている。この干渉計は、偏光回転式で周波数シフトできる変換器を備えている。この場合、出力ビームは、特に、２つの音響光学素子により、偏光の相違するほぼ同じ強度の２つの部分ビームに分割される。これらの部分ビームは偏光ビームスプリッタによって分割される。

欧州特許公開公報第０４４８７５１号明細書

本発明の課題は、上述公知の光干渉計を改良し、特に、構成要素再現性及び干渉計の信頼度を高めることである。さらには、そのような光干渉計を備えた振動計を提供することである。

出力ビームと接続する出力ビーム入力部と、前記出力ビームを少なくとも１つの第１の部分ビームと第２の部分ビームとに分割するビームスプリッタとを含む光干渉計において上記課題を解決するため、本発明の光干渉計では、少なくとも１つの光学周波数シフタがビーム路に配置されているヘテロダイン干渉計として構成され、１つまたは複数の光学導波体が備えられ、前記光学導波体を用いて、前記出力ビーム入力部と前記ビームスプリッタと前記光学周波数シフタとの間に光学導波路が形成されており、前記光学周波数シフタが前記部分ビームのうちのひとつのビーム路に配置されている。
本発明による光干渉計の好適な実施態様の例は、光干渉計のための従属請求項に記載されている。

上記課題を解決するための本発明による、物体に対して干渉測定を行う振動計では、本発明の光干渉計、及びビーム源、さらに少なくとも１つの検出器としての第１検出器が備えられ、前記ビーム源と前記光干渉計とが、前記ビーム源から出た光ビームが前記出力ビームとして前記出力ビーム入力部に接続（ここでの「接続」は一方の媒体から他方の媒体に光ビームが導入される形態あるいは送出される状態を表す）されるように構成され、前記光干渉計が前記部分ビームを前記物体に対する測定ビームとして形成するように構成されており、前記光干渉計と前記第１検出器とが、前記物体から少なくとも部分的に反射された受信ビームとしての測定ビームと、参照ビームとが前記第１検出器の少なくとも１つの検出面において少なくとも部分的に重ね合わされるように構成されている。本発明による振動計の好適な実施態様の例は、振動計のための従属請求項に記載されている。

本発明による干渉計は、出力ビームと接続する出力ビーム入力部ならびに、出力ビームを少なくとも１つの第１の部分ビームと第２の部分ビームに分割するビームスプリッタを備えている。この干渉計は、少なくとも１つの光周波数シフタを干渉計のビーム路に配置することにより、ヘテロダイン干渉計として形成されている。したがって、この周波数シフタにより、第１の部分ビームの周波数を少なくとも第２の部分ビームの周波数に対してシフトさせることができるため、干渉信号は搬送周波数を有している。

この干渉計は１つまたは複数の光導波体を含んでおり、この光導波体により、少なくとも、出力ビーム入力部と、ビームスプリッタと、周波数シフタとの間に光導波路が形成されている。

重要な点は、周波数シフタが第１の部分ビームまたは第２の部分ビームのビーム路に配置されていることである。

したがって、本発明による干渉計は、出力ビーム入力部から出発するビーム路において、ビームスプリッタが周波数シフタの前方に配置されている点で、従来公知の干渉計、特に特許文献１（欧州公開特許第０４４８７５１号明細書）から知られている干渉計とその構造に関して基本的に相違している。

これにより、自由ビーム構成要素が僅かにすぎず、また特に、自由ビーム構成要素のないコンパクトで堅牢な構成が可能であり、加えてさらに、第１の部分ビームまたは第２の部分ビームのビーム路に光学周波数シフタを配置することにより、ビームスプリッタと光学周波数シフタの形成に求められる要件が緩和されるという、光導波体を含んでいる従来公知の構造の利点が得られる。特に、周波数シフタとビームスプリッタを互いに適合された光偏光部品として構成する必要はない。

したがって、ビームスプリッタと光学周波数シフタのデザインならびにパラメータ化につき、光導波体の使用による利点を確保した上で、従来公知の干渉計に比較して、より大きな自由度が与えられる。加えてさらに、本願出願人の調べよれば、上記の従来の技術に基づく互いに適合された偏光ビームスプリッタ及び周波数シフタの形成には、この種の光学部品の製造に非常に高度な要件が求められるため、構成要素再現性は低いものとなり、したがって、高い廃棄率と同時に製造工程の高コスト化が結果的に生じる。これらの短所は本発明による干渉計によって回避可能である。

本発明は、音響光学周波数シフタには、常に、非シフト周波数部分が残存し、逆のシフト方向への成分と高い調和成分が存在するとの知見に基づいている。これらの干渉光成分は光干渉計の信号特性に極めて悪い影響をもたらす。本発明の目的の１つは、干渉計の一方のアームの光を光学周波数シフタの前方で付加的なビームスプリッタを、特に非偏光ビームスプリッタによって得ることにより、こうした雑音成分を極小化することである。こうしたビームスプリッタは、特に好ましくは集積化されたニオブ酸リチウム（LiNbO3）光学素子により、偏光ビームスプリッタよりも遥かに高い信頼度で製造することができる。したがって、干渉計の一方のアームには、非常に雑音及び障害の少ない光が与えられる。干渉光成分は周波数シフタが設けられているアームでのみ発生し得る。さらに、偏光の不正な干渉光は、周波数シフタの後方で、偏光フィルタによって極小化することが可能である。特許文献１（欧州特許公開公報第０４４８７５１号明細書）に開示された解決方法では、この成分は参照光に使用されることが不可避であるが、他方、本願明細書に開示した解決方法では、偏光フィルタリングによる低減が可能となる。欧州公開特許第０４４８７５１号明細書開示の構造による偏光ビームスプリッタは、両方のアームへのビーム出力配分の調整を可能にすることも任務としている。この点で、本発明は、こうした分割は、非偏光導波路ビームスプリッタでの固定的もしくは調整可能な、特に、電子的に調整可能な分割比により、すでに周波数シフタの前方で行なうことが可能であるとの知見を基礎としている。したがって、自由ビームの光学知識ら公知の、偏光ビームスプリッタを備えた装置は、非偏光導波路ビームスプリッタを用いても、導波路光学系に転換することが可能である。

好ましくは、少なくとも、出力ビーム入力部と、ビームスプリッタと、周波数シフタとの間の光ビーム路は、もっぱら、中間にその他の光学部品が介在するかまたは好ましくは中間にその他の光学部品の介在しない導波路として形成されている。これにより、堅牢な構造が達成されるとともに、光導波体への光自由ビームの入出射時に生ずる強度ロスが回避される。したがって、本発明による干渉計の好ましい一実施形態は、少なくとも、出力ビーム入力部と、ビームスプリッタと、周波数シフタとの間に、なんらの光自由ビームも有していないこと、つまり、導波路の外部になんらのビーム路も有していないこと、特に、周囲大気中にビーム路としてなんらの光ビームも有していないことが好適である。

本発明による干渉計の少なくとも一部の光導波体は、好ましくは、平面導波路または光ファイババあるいはその両方で形成されている。とりわけ好ましいのは、本発明による干渉計のすべての光導波体が、好ましくは、平面導波路または光ファイバあるいはその両方で形成されていることである。

光干渉計のビーム路の一部を平面導波路により、一部を光ファイバによって形成することも本発明の範囲に含まれる。特に、環境等の条件に強い構造は、少なくとも、出力ビーム入力部と、ビームスプリッタと、周波数シフタとの間のすべての光ビーム路が、実質的に平面導波路によって形成されることによって達成される。光ファイバが使用される場合には、特に、それ自体として公知のグラスファイバを使用することが可能である。

特に、光ファイバを使用することにより、光干渉計と、その他の構成要素、例えば光源または測定光学系との接続を、一般市販の光ファイバ用コネクタとくにＦＣ／ＡＰＣコネクタによって行なうことが可能である。

本発明による光干渉計のさらに別の好適実施形態において、ビームスプリッタは非偏光ビームスプリッタとして形成されている。本願出願人の調べよれば、これにより、従来の技術から公知の導波路によって形成された光干渉計に比べて、上述したように、ノイズ周波数が抑制される判明している。

さらに別の好適実施形態において、光学周波数シフタは複屈折導波路として形成されている。これにより、光学周波数シフタが干渉計の光導波体と直接接続可能となるため、強度ロスを回避することが可能である。さらに、従来の技術から公知の光学周波数シフタたとえばブラッグセルは、特にその温度依存性に起因する短所を有するが、これは複屈折導波路として形成された光学周波数シフタによって回避可能である。

したがって、光学周波数シフタは、好ましくは、音響光学周波数シフタとして形成される。

特に好適なのは、光学周波数シフタを、圧電性を利用した導波路として形成することである。これにより、それ自体として公知の方法で、相応にかつ適切に形成された電子制御ユニットによって容易に光学周波数シフタの制御が可能となる。したがって、好適には、光学周波数シフタは、電子音響変換器により音響表面波が発生させられ、次いで、セレクトされた導波路域で光と相互作用し、光の一部が別の偏光方向に周波数シフトされてコンバートされるように形成されている。特に、光学周波数シフタをニオブ酸リチウム周波数シフタとして形成すること、好ましくは、たとえば特許文献１（欧州特許公開公報第０４４８７５１号明細書）から知られているようにLiNbO3による光学周波数シフタとして形成するのが好適である。

光学周波数シフタを複屈折導波路として形成することにより、偏光は、周波数シフタによって周波数シフトされて第２の偏光方向にもたらされる。そのため、好ましくは、（波長依存屈折率に影響する）温度により、波長及び／またはシフト周波数は、周波数シフトのインパルス条件／エネルギー条件に正確に適合可能である。

したがって、好ましくは、光干渉計は少なくとも１つの偏光フィルタを備え、この偏光フィルタは光学周波数シフタが配置されている部分ビームのビーム路においてこの光学周波数シフタの後方に配置される。これにより、偏光フィルタとビームスプリッタとの間に光学周波数シフタが配置される。この偏光フィルタは光学周波数シフタと連携するように形成され、偏光フィルタは周波数シフタによって周波数シフトされた光の偏光を有する光のみを通過させる。これにより、周波数シフトされた光ビームは、別の偏光を有するその他のビーム成分があれば、それが偏光フィルタによって吸収されることにより、偏光フィルタによって“クリーン化（浄化）”される。

さらに別の有利な実施形態において、光干渉計は、少なくとも１つの補助光学周波数シフタを備えている。この補助光学周波数シフタは２つの部分ビームのうちの一方の部分ビームのビーム路に配置され、補助光学周波数シフタは他方の部分ビームのビーム路に配置されている。補助光学周波数シフタは、光学周波数シフタの周波数変換とは反対の周波数変換をもたらすように構成されている。したがって、この好適な実施形態においては、補助光学周波数シフタにより、第１部分ビームと第２の部分ビームとの間に高い周波数差が作り出される。さらに、このような光学周波数シフタと補助光学周波数シフタの使用により、光学周波数シフタのみを使用する場合に比べて、相応して大きな周波数影響がもたらされて、より小さな搬送周波数の干渉信号が形成されるという利点が得られる。

本発明による光干渉計のさらに別の好適実施形態において、強度の相違する少なくとも２つの部分ビームに分割するためのビームスプリッタが備えられている。この好適実施形態は、典型的な用途として、及び特には、本発明による光干渉計を振動計に組み込む場合において、以下に述べるように、一方の部分ビームがより高い強度をもつようにすることが有利であるとの本願出願人の知見に基づいている。好ましくは、第１の部分ビームは、両方の部分ビームが合わせてもつ総強度の６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは約８５％の強度を有している。したがって、第１の部分ビームと第２の部分ビームとの分割比は、６０：４０〜９０：１０、好ましくは７０：３０〜８５：１５となるのが好都合である。

特に、利点があると上述された強度比に基づく、選択的にプリセット可能な強度比を現出するビームスプリッタが形成されていると好都合である。これにより、第１測定ビームと第２測定ビームとの間の強度比を測定条件に合わせることが可能となる。その際は、特に、電子制御式ビームスプリッタが好適である。

本発明による干渉計は、たとえば、１５５０ｎｍの赤外光で使用されるあらゆるヘテロダイン干渉計のように、シングルビーム振動計ならびにマルチチャネル振動計に係わる数多くの形態に適用可能である。本構成によって可能となるヘテロダインコヒーレント増幅により、ショット雑音の制限された位相検出が可能となるが、ただしこれはまた強度の振幅変調を介しても可能である。したがって、上述したシフタは、電気通信、ＬＩＤＡＲ及び光周波数コムの発生にも利点をもって使用可能である。

特に、本発明による干渉計は、振動計への組み込みに適している。

したがって、本発明には、物体の光学的干渉測定を行なうための振動計も含まれており、当該振動計は、ビーム源と、本発明による基本的な干渉計あるいはその好適な実施形態による干渉計と、光重ね合わせ装置と、少なくとも１つの検出器とを備えている。ビーム源と干渉計は互いに連携して、ビーム源によって発生させられた光ビームが、出力ビームとして、干渉計の出力ビーム入力部に接続されるように構成されている。

光干渉計は、それ自体として公知の方法により、第１の部分ビームは、測定ビームとして、被測定物体上に集束され、光重ね合わせ装置と第１検出器は互いに連携して、物体によって少なくとも部分的に反射された受信ビームとしての測定ビームと参照ビームとが第１検出器の少なくとも１つの検出面上で干渉が生ずるように少なくとも部分的に重ね合わされるように構成されている。したがって、本発明による振動計は、基本的には、従来公知のヘテロダイン干渉計の構造と同じであってもよい。ただし、重要な点は、振動計の光干渉計は、本発明による干渉計として、ないしは好ましくは当該光干渉計の好ましい実施形態に基づくものとして形成されているということである。

本発明による振動計により、それ自体として公知の方法で、測定ビームの光学軸の方向への被測定物体の物体表面の運動ならびに、ヘテロダイン構造であることにより、物体表面の運動方向も測定することができる。

この場合、本発明による振動計は、第１の部分ビームを測定ビームとするように構成される。

本発明による振動計は、好ましくは、測定されるべき物体の表面上の対応する測定点に測定ビームを集束させる結像光学系を有している。特に、この結像光学系は、好ましくは、離間した測定物体とくにそれぞれ５ｍ、１０ｍ、特には１００ｍを上回る距離だけ離間した測定物体上に測定ビームを集束させるように構成することができる。

この場合、好ましくは、結像光学系と干渉計との間において、測定ビームと受信ビームのビーム路は、光導波体により、特には、光ファイバによって形成されている。これにより、環境等の条件に対して耐性なある構造が得られるとともに、結像光学系と干渉計との間の空間的調整は不要であり、結像光学系と光導波体の接続点との間の空間的調整だけが必要であるという利点が得られる。

本発明による振動計において、上述したように、強度の相違する少なくとも２つの部分ビームに分割するためのビームスプリッタが備えられていると好都合である。この場合、好ましくは、測定ビームは、参照ビームに比べて、より高い強度を有し、特に、測定ビームと参照ビームの総強度の６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上の強度を有するとよい。

この好適実施形態は、典型的には、検出器によって十分に評価可能な干渉信号を取得するために、特にショット雑音限度を取得するために、かなり低い参照光強度でも十分であるという利点をもつ。他方、測定光に関しては、特に、測定されるべき物体が反射表面及び／または散乱表面を有していない限り、できるだけ高い強度を有することが望ましい。

光学周波数シフタを通過する際にも変換による損失が発生し、強度が少なくとも僅かであれ減少することから、光学周波数シフタは参照ビームのビーム路に配置するのが特に有利となる。

好ましくは、本発明による振動計は、マルチチャネル振動計として構成される。この場合、付加的な測定ビーム用ビームスプリッタと、付加的な参照ビーム用ビームスプリッタが設けられている。測定ビーム用ビームスプリッタにより、それぞれ、物体上の点、好ましくは、物体の表面上の異なった点に集束される多数の測定部分ビームが作り出され、物体において反射及び／または散乱された測定部分ビームは、受信部分ビームとして、再び振動計のビーム路に戻ってくる。同様に、参照ビーム用ビームスプリッタにより、参照ビームは複数の参照部分ビームに分割される。この振動計は、少なくとも、各々の測定部分ビーム用に検出器を含んでおり、当該検出器上で、測定部分ビームに対応する受信部分ビームが参照部分ビームと重ね合わされる。

この好適な実施形態では、特に、非スキャン方式で、物体の空間解像度をともなう測定（空間解像度測定）が可能である。また、本発明の枠内において、空間解像度測定に加えて複数の隣接位置での空間解像度測定を実現するスキャン方式での測定を実施してもよい。

好ましくは、振動計の検出器が均衡検出器として構成されているとよい。そのような検出器のそれ自体は公知である構成では、検出器は、少なくとも２つの検出部を備え、各検出部に対応する測定部分ビームと参照部分ビームとが重ね合わされる。両方の検出部の測定信号から、共通の測定信号が公知の方法で生成される。そのような均衡検出器はディファレンシャル検出器とも呼ばれる。特に、マルチチャンネル化した振動計の構成において、全ての部分ビームの検出器が均等検出器として構成されると好適である。

さらなる好適に実施形態において、本発明による振動計は、ドイツ特許公報１０２０１２２１１５４９号明細書に記載されているような、ダイバーシティ振動計として受信ダイバーシティの原理に基づく測定信号の評価を採用している。

このために、出力ビームを、測定ビーム、第１参照部分ビーム、少なくとも１つの第２の参照ビームに分割するため、及び受信ビームを、第１受信部分ビーム、少なくとも１つの第２の受信部分ビームに分割するためのビームスプリッタが備えられている。振動計は、少なくとも１つの第２の検出器も備え、第１受信部分ビームを第１検出器の検出面上で第１参照部分ビームと重ね合わせ、第２受信部分ビームを第２検出器の検出面上で第２参照部分ビームと重ね合わせ、光干渉を作り出すように構成されている。振動計は、第１検出器と第２検出器とからの測定信号を評価するために評価ユニットを備えている。この評価ユニットは、両方の検出器の測定信号を受信ダイバーシティの原理に基づいて評価するように構成されている。その場合、測定ビームのビーム路に光学周波数シフタを配置することは、参照ビームのビーム路に参照ビームを少なくとも２つの参照部分ビームに分割するためのビームスプリッタが既に設けられているので、好都合である。

ダイバーシティ振動計であるこの好適な実施形態は、物体表面が測定ビームに測定精度の低下もしくは測定不能をもたらすような影響を頻繁に与えるという本願出願人の洞察に基づいている。

光干渉を用いた物体測定の装置、特に振動計の広範な適用分野を考慮すると、この装置が、理想的にみなされる光学的鏡面を有する表面を備えた物体測定に用いられるだけでなく、取り扱い困難な、特に粗雑な表面を有する物体の測定にも用いられるということになる。粗い表面によって測定ビームは散乱してしまうことになり、これにより受信ビームの強度分布はスペックル状態となる。このようなスペックルは、測定すべき物体の表面が粗いことから装置と物体測定点との距離がばらばらとなり、このことによる測定ビームの位相のずれが、方向に関係なくトータル強度の大きなばらつきをもたらしてしまうことによる。測定表面を手入れして整えることで、高いトータル強度が得られる。同じく、位相差が原因となって強度が非常に小さくなったり、ほとんどゼロになったりすることもあり得る。検出器の検出面に、異なる位相をもつ散在した光の干渉は、トータル強度を激減させる。

物体の測定すべき位置または速度における雑音レベルは信号強度が低下すると上昇するので、測定品質はスペックルパターンに依存する。スペックルパターンは、特に物体の表面の実際の測定点や向きによって異なり、変動する。

さらに、スペックルの間における上述したような位相差は見せかけの動きとして測定される。スペックルの間での位相差のせいで、光の強さは互いに相反して打ち消されてしまうと、測定信号強度に大きな落ち込み（いわゆるドロップアウト）が生じる。これにより、検出器の測定信号の評価において物体の測定表面の特定位置で見せかけの急変（突発的な変化）が現れるが、この急変は測定ビームの主要波長の約１／４に相当する。このことは、例えば評価算出される速度であれば、物体の実際の動きとは無関係な高いピークをもたらす。

さらに、スキャンを用いた測定の実施時に、測定ビームが物体上を多数の測定点でもって移動するようなケース、装置のビーム源と物体の表面とが互いに理想的には固定されていないようなケース、さらに環境条件によるシュリーレン減少によって測定ビームの屈折が生じるようなケース、の内の少なくとも１つのケースに遭遇した場合には、受信スペックルパターンが変化し、評価信号がエラーとなり、特に評価信号は時間的に大きな信号の落ち込みをもってしまう。

ダイバーシティ振動計は、上述した信号の急変（落ち込み）が、典型的には偶発的に（しかしながら統計学的には意味付けられない）生じ、通常の測定時には、測定時間のうちの、あるいは物体表面の測定すべき測定点のうちの、ほんのわずかなパーセントに生じるということを利用している。異なる時間に、２つまたは複数の独立した生の信号が上述したドロップアウトを示し、この生の信号が統計学的に独立しているか、または少なくともほぼ、どちらかと言えば実質的には統計学的には独立している場合、２つの測定系で同時にドロップアウト（急変：落ち込み）が生じる確率は、各測定系におけるその確率の掛け合わせとなる。この確率の掛け合わせは各測定系の確率より非常に小さいものとなる。このことは、上述したドロップアウトの確率が非常に小さなものとなることを意味している。

受信ダイバーシティの原理は、無線伝送の技術分野で知られており、そこではアンテナダイバーシティと呼ばれている。アンテナダイバーシティでは、無線信号受信機は少なくとも２つのアンテナを備え、２つのアンテナからの信号は信号レベルないしはＳ／Ｎ比に関して判定され、この判定結果に基づいていずれか１つの信号が実際の評価に利用される。

ダイバーシティ振動計は、受信ダイバーシティの原理を物体の光干渉測定に適用させたものである。

参照ビームからの第１参照部分ビームと第２参照部分ビームとへの分割、受信信号からの第１受信部分信号と第２受信部分信号とへの分割、及び第１検出器と第２検出器の検出面での上述したような重ね合わせによって、少なくとも２つの検出器の別々の測定信号が、アンテナダイバーシティにおける２つの受信と類似比較することができるような形態で利用できる。

またダイバーシティ振動計では、第１検出器の測定データの品質と第２検出器の測定データの品質とを比較判定することを可能にする品質判定条件を用いて評価が行われることが重要である。その評価は、求められる品質値に影響されるか、あるいは両検出器の一方の測定信号または両検出器の測定信号を組み合わせた測定値に影響され、その際、上記組み合わせは重要な品質に依存した重要度を含んでいる。

したがって、２つの検出器を用いて受信ビームのデータの評価することだけではなく、２つの検出器を用いて受信ビームが異なる判定基準でもって評価されることも、ダイバーシティ振動計にとって重要である。第１検出器を用いて、少なくとも部分的に、受信ビームに含まれている他の情報が評価され、第２検出器を用いて、少なくとも部分的に、評価された受信ビームの情報と比較される。

本願出願人の調べよれば、受信ビームに含まれている情報の上述した情報分離、及び一方では第１検出器への対応、他方では第２検出器への対応が、以下に示す判定条件の少なくとも１つに基づいて優先的に実行されることが提案される。

ａ）偏光に基づく分離
この場合、第１検出器と第２検出器との受信ビームに異なる偏光成分が作られる。これは、測定すべき物体が散乱する表面を有する場合に好適である。特に非金属の表面は典型的な散乱面である。非金属表面で散乱した光は前もって設定されている偏光を失って、偶発的に偏光することが知られている（Goodman,Josepeh W.,”Speckle phenomena in optics”,頁47ff、2007,Roberts and Company Publishers、参照）。

特に、そのような散乱表面に際しては、偏光に基づく分割が適しており、これにより、第１検出器と第２検出器に測定信号が得られる、コスト的に優れた現実的な可能性が得られ、その際、第１検出器の測定信号の信号落ち込み（急変）は、第２検出器の測定信号の信号落ち込み（急変）に対して、統計学的にはまたは少なくとも実質的に統計学的には独立している。

ｂ）空間分離
この場合、受信ビームは、ビーム断面の少なくとも第１部分領域分と第２部分領域分とに空間的に分割され、さらに第１部分領域分は第１検出器に導かれ、第２部分領域分は第２検出部に導かれる。
ビーム断面の部分領域分が第１検出器１または第２検出器に導かれることで空間分離が実施される上述した実施形態では、受信ビームはその右半分が第１部分領域分として、その左半分が第２部分領域分として分割され、つまり、ビーム断面はその半分が第１部分領域分に割り当てられ、もう半分が第２部分領域に割り当てられることが多い。

この変形例では、受信ビームの空間的な情報の分割（分離）が行われる。本願出願人の調べによれば、特に、金属表面の場合、受信ビームのそのような空間分離が、同様に、第１検出器の信号の信号落ち込み（急変）の、第２検出器の信号の信号落ち込み（急変）に対する統計学的なまたは少なくとも実質的に統計学的な所望の独立性が、確保されていることがわかっている。

ｃ）モード分割
ここでは、受信ビームの分割は、第１検出器に少なくとも部分的には異なるビームモードの１つが、特に縦モードが導かれ、他のものが第２検出器に導かれることで実現する。例えば、第１検出器には、受信ビームのガウス基本モードだけが導かれ、第２検出器には受信ビームの別な成分、特には、ガウス基本モードなしの高いビームモードだけが導かれる。

また、異なるビームモードに基づく受信ビームの分割は、第１検出器の測定信号の信号落ち込み（急変）は、第２検出器の測定信号の信号落ち込み（急変）に対して、統計学的にはまたは少なくともほぼ統計学的には独立するように行われる。

ダイバーシティ振動計は、ドイツ特許公報１０２０１２２１１５４９号による構成と類似する構成で実現する。ドイツ特許公報１０２０１２２１１５４９号は、参照として本明細書に含められるものである。

本発明による光干渉計の実施形態の１つを示す模式図である。 マルチチャンネル振動計として構成された本発明による振動計の実施形態の１つを示す模式図である。 受信ダイバーシティの原理を用いた測定を行う本発明による振動計の実施形態の１つを示す模式図である。

図１から図３において、同一または同一の作用を有する部材には同じ図番が付与されている。

図１は、本発明による光干渉計の実施形態の１つを模式的に示している。光干渉計は、光ファイバ入力部として形成された出力ビーム入力部１を備えている。第１光ファイバＦ１は、ビーム源の光を第１光ファイバＦ１内に引き込むように構成されている。光干渉計は、平面導波構造体２を備えている。この平面導波構造体２では、ビーム路全体が平面導波体として形成されている。

平面導波構造体２は、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）導波構造体として形成されている。第１光ファイバＦ１は、出力ビーム入力部１で出力ビームを平面導波構造体２に接続する。出力ビームはビームスプリッタ３により第１の部分ビーム４と第２の部分ビーム５とに分割される。

光干渉計は、ヘテロダイン干渉計として構成され、第１の部分ビーム４のビーム路に、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）周波数シフタとして構成された光学周波数シフタ６が備えられている。

第１の部分ビーム４は、光学周波数シフタ６を通過した後、第２光ファイバＦ２に接続（入り込み）し、第２の部分ビーム５は第３光ファイバＦ３に接続する（入り込む）。

光ファイバまたは平面導波構造体あるいはその両方を用いてビーム路程全体を形成することによって、かつニオブ酸リチウム（LiNbO3）周波数シフタを用いることによって、環境に影響されにくくその構成要素の再現性に優れ、さらにコンパクト化が可能となる構成が実現する。

さらに、ビームスプリッタ３は、非偏光ビームスプリッタ（nicht polarisierender Strahlteiler）として形成することで、その再現性はさらに向上する。

出力ビームが約２０対８０の強度比で分割されるように、ビームスプリッタ３を構成すれば、第１の部分ビーム４の強度を第２の部分ビーム５に比べて弱くすることができる。同様に、光学周波数シフタ６は、第１の部分ビーム４より弱い強度をもつ第２の部分ビーム５のビーム路に配置可能である。

光学周波数シフタ６が配置されている方の部分ビームのビーム路に、例えば図１で示すように、第１の部分ビーム４のビーム路における平面導波構造体２と第２光ファイバＦ２との間の移行部に偏光フィルタＰ１が設けられる。この偏光フィルタＰ１は光学周波数シフタ６を用いて周波数シフトされた光ビームの偏光を調整する。これにより、場合によっては生じ得る、光学周波数シフタ６によって生じる偏光を有しない、第１の部分ビーム４の光ビーム成分が偏光フィルタＰ１を用いて取り除かれ、第１の部分ビーム４は、いわゆる清浄化され、クリーンとなる。

図１による光干渉計は、さらに、図示はされていないが、干渉を生じさせるため第１の部分ビーム４を第２の部分ビーム５に重ね合わせるための、光学素子を備えている。

図２には、本発明による振動計の実施形態の１つとして、マルチチャンネル振動計が示されている。

この振動計は、赤外領域、例えば１５５０ｎｍの波長をもつ出力ビームを発生させるビーム源７を備えている。ビーム源７の出力ビームは直接光ファイバに接続される。当該光ファイバは市販のＦＣ／ＡＰＣコネクタを用いて、この振動計に組み込まれている光干渉計８（図２では点線で囲まれた部分）の第１光ファイバＦ１に接続されている。

光干渉計８は、図１での平面導波構造体２と同様に形成された平面導波構造体２を備えており、図１では図示しているが、図２では図示されていない構成要素を有する。

第１光ファイバＦ１を用いて平面導波構造体２に接続された出力ビームは、非偏光ビームスプリッタとして構成されているビームスプリッタ３を用いて第１の部分ビーム４と第２の部分ビーム５とに分割される。第１の部分ビーム４のビーム路には、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）周波数シフタとして形成された光学周波数シフタが配置されている。第１の部分ビーム４は、第２光ファイバＦ２に接続され、第２の部分ビーム５は第３光ファイバＦ３に接続されている。

ビームスプリッタ３は、第１の部分ビーム４が第１の部分ビーム４と第２の部分ビーム５とのトータル強度の約８０％を有するように機能する。

第１の部分ビーム４は、図２による振動計において測定ビームとして利用される。多数の光ファイバを介して、第１の部分ビーム４は、測定ビームスプリッタ９に到達し、この測定ビームスプリッタ９によって、ほぼ同じ強度を有する５つの測定ビームに分割される。５つの測定ビームは、光ファイバにより測定ビーム出力部（例として、第１測定ビーム出力部には図番ＭＳＡが付与されている）に導かれる。測定ビーム出力部には、さらに、それぞれの測定部分ビームを結像光学系（たとえば、図２に示した、第１測定部分ビームのための結像光学系ＡＯ、参照）に導くさらに別の光ファイバが接続されている。測定部分ビームは、この結像光学系により、物体ＭＯの表面上の相応する測定点にフォーカスされる。少なくとも部分的に反射された部分測定ビームまたは散乱された部分測定ビームあるいはその両方の部分測定ビームは、受信ビームとして、結像光学系ＡＯを経て再び光ファイバに接続され、振動計の受信ビーム入力部（たとえば、図２では、第１受信部分ビームのための受信ビーム入力部に図番ＥＳＥが付与されている）に導かれる。各々の受信部分ビーム路には、それぞれ、光ファイバが割り当てられている（たとえば、第１受信部分ビームのための第４光ファイバＦ４が割り当てられている）。この第４光ファイバＦ４により、第１受信部分ビームは第１の均衡ビームスプリッタ１０に導かれる。

第３光ファイバＦ３に接続される第２の部分ビーム５は、参照ビームとして使用される。

参照ビームは、光ファイバにより、参照ビーム用ビームスプリッタ１１に導かれ、ほぼ同強度を有する５つの参照部分ビームに分割される。

たとえば第１参照部分ビームについて示したように、当該参照ビームは、第５光ファイバＦ５とさらに別の光ファイバを経て、同じく、均衡ビームスプリッタ１０に導かれる。均衡ビームスプリッタ１０により、第１参照部分ビームと第１受信部分ビームとは重ね合わされ、このヘテロダインビームは、均衡検出器ではよく知られた方法で、偏光ビームスプリッタにより−２つの部分ビームに分割される。

第１検出器１２ａは、相応する２つの検出部を有しており、当該検出部の検出面に、それぞれ、２つの均衡部分ビームの１つがフォーカスされることにより、均衡検出器ではよく知られた方法で信号評価される。

同様にして、さらに４つの均衡型の検出器１２ｂ〜１２ｅのためのビーム分配案内が作り出されている。

したがって、図２に示した振動計により、物体ＭＯ上における異なる場所である５個の測定点の非走査式空間分解測定が可能であり、その際、各々の測定点につき、それぞれ、均衡検出器評価に基づく評価が行なわれる。

数多くの適用事例において、ユーザが測定ビームを目視できることが重要である。したがって、この実施形態では、測定光は、波長分割多重（ＷＤＭ）カプラを経て、さらにこの場合ＬＥＤ１００によって発生させられる可視光とともに、ＩＲレーザビームの結像光学系に接続される。ただし、このカプラは非常に高価であるため、変形例として、送信光のためのＦＣ／ＡＰＣファイバコネクタが可視光用コネクタに接続されてもよい。

結像光学系ＡＯを除いて、振動計の構成要素はハウジング１０１内に配置されているために、測定部分ビームの調整は結像光学系を調整するだけで行なうことができ、ハウジングを動かす必要はない。

図３は、ダイバーシティ方式による解析評価が可能となる、本発明による振動計の別実施形態を模式的に示している。

基本構造は、図２に示した振動計の構造と同じである。

ビーム源７により、赤外領域の出力ビーム、たとえば波長１５５０ｎｍを有する出力ビームが励起され、この出力ビームは、ビームスプリッタ３により、第１の部分ビーム４と第２の部分ビーム５に分割される。第１の部分ビーム４は、測定ビームとして用いられ、ビーム出力側に偏光フィルタＰ１が設けられた光学周波数シフタ６を通過する。この測定ビームは、光ファイバによって、結像光学系ＡＯに導かれ、物体ＭＯの表面上の測定点にフォーカスされる。

測定されるべき物体の表面によって少なくとも部分的に反射された測定ビームまたは散乱された測定ビームあるいはその両方の測定ビームは、受信ビームとして、再び結像光学系ＡＯを経て振動計のビーム路に入る。

ここで重要な点は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを経て、受信ビームが２つの受信部分ビームに分割されることである。

図２に示した振動計では、同じく、複数の受信部分ビームが存在しているが、図２に示した振動計では、各々の受信部分ビームは測定されるべき物体の表面上の別々の点に対応したものであった。

他方、図３に示した振動計では、２つの受信部分ビームは物体表面の同一の点に対応しているが、偏光ビームスプリッタＰＢＳによる分割が行なわれているために、偏光の点で相違している。

これにより、受信ダイバーシティの原理による統計的に独立した２つの検出信号の評価が可能となる２つの受信部分ビームが発生する。

この振動計は、第１検出器１２ａならびに第２検出器１２ｂを含んでいる。両方の検出器は、それ自体は公知の方法で、均衡検出器として構成されている。

この振動計は、さらに、参照ビームをほぼ同じ強度の２つの部分ビームに分割する参照ビーム用ビームスプリッタ１１を含んでいる。

第１検出器１ａにより、第１参照部分ビームと第１受信部分ビームとの間の干渉信号が評価される。同様に、第２検出器１２ｂにより、第２参照部分ビームと第２受信部分ビームとの間の干渉信号が評価される。その際、これらの評価は、それぞれ、均衡検出器評価方法で行なわれる。

ここで重要な点は、第１検出器１２ａ及び第２検出器１２ｂの干渉信号は測定すべき物体ＭＯの表面上の同一の測定点に対応しているが、偏光が相違しているために、統計的に互いに独立しているということである。

したがって、たとえば、それぞれ両方の信号のうち高強度の方が評価に使用されるような形態、あるいはトータルの信号を形成するためにそれぞれの信号強度に比例した両方の信号の加重化が行なわれる形態を採用して、ダイバーシティ受信方式による干渉信号全体の形成を行なうことが可能である。

１： 出力ビーム入力部
２、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４： 光学導波体
４： 第１の部分ビーム
５： 第２の部分ビーム
３： ビームスプリッタ
６： 光学周波数シフタ
７： ビーム源
１２ａ： 第１検出器
１２ｂ： 第２検出器
ＰＢＳ： ビームスプリッタ
ＭＯ： 物体
ＡＯ： 結像光学系

Claims (11)

1. 光干渉計、及びビーム源（７）、さらに少なくとも１つの検出器としての第１検出器（１２ａ）を備えた、物体（ＭＯ）対して干渉測定を行う振動計であって、
   前記光干渉計は、
   出力ビームと接続する出力ビーム入力部（１）と、前記出力ビームを少なくとも１つの第１の部分ビーム（４）と第２の部分ビーム（５）とに分割するビームスプリッタ（３）とを含む光干渉計であって、
   少なくとも１つの光学周波数シフタ（６）がビーム路に配置されているヘテロダイン干渉計として構成され、１つまたは複数の光学導波体（２、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）が備えられ、前記光学導波体（２、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）を用いて、前記出力ビーム入力部（１）と前記ビームスプリッタ（３）と前記光学周波数シフタ（６）との間に光学導波路が形成されているものにおいて、
   前記光学周波数シフタ（６）が前記部分ビーム（４、５）のうちのひとつのビーム路に配置されていることを特徴とする光干渉計であり、
   前記ビーム源（７）と前記光干渉計とが、前記ビーム源（７）から出た光ビームが前記出力ビームとして前記出力ビーム入力部（１）に接続されるように構成され、
   前記光干渉計が前記部分ビームを前記物体（ＭＯ）に対する測定ビームとして形成するように構成されており、
   前記光干渉計と前記第１検出器（１２ａ）とが、前記物体（ＭＯ）から少なくとも部分的に反射された受信ビームとしての測定ビームと、参照ビームとが前記第１検出器（１２ａ）の少なくとも１つの検出面において少なくとも部分的に重ね合わされるように構成され、
   前記ビームスプリッタが、前記出力ビームを前記測定ビームと第１参照部分ビームと少なくとも１つの第２参照部分ビームに分割するとともに、前記受信ビームを第１受信部分ビームと少なくとも１つの第２受信部分ビームとに分割するように構成されており、
   少なくとも１つの第２検出器（１２ｂ）が備えられ、光干渉を作り出すべく、前記第１受信部分ビームが前記第１検出器（１２ａ）の検出面で前記第１参照部分ビームに重ね合わされるとともに、前記第２受信部分ビームが前記第２検出器（１２ｂ）の検出面で前記第２参照部分ビームに重ね合わされるように構成されており、
   前記第１検出器（１２ａ）及び前記第２検出器（１２ｂ）の測定信号を評価する評価ユニットが備えられ、前記評価ユニットが前記第１検出器（１２ａ）及び前記第２検出器（１２ｂ）の測定信号が受信ダイバーシティの原理で評価されるように構成されていることを特徴とする振動計。
2. 前記ビーム路が、少なくとも前記出力ビーム入力部（１）と前記ビームスプリッタ（３）と前記光学周波数シフタ（６）との間で、自由ビームなしで形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動計。
3. 前記ビームスプリッタ（３）が非偏光型である請求項１または２に記載の振動計。
4. 前記光学周波数シフタ（６）が復屈折導波体として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動計。
5. 少なくとも１つの偏光フィルタ（Ｐ１）が備えられ、前記光学周波数シフタ（６）が配置されている前記部分ビームの光路で、前記光学周波数シフタ（６）が前記偏光フィルタ（Ｐ１）と前記ビームスプリッタ（３）との間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動計。
6. 前記ビームスプリッタ（３）は少なくとも２つの異なる強度を有する部分ビームに分割するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の振動計。
7. 前記光学導波体が、平面導波路として、または光ファイバとして、あるいはそれらの両方として形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の振動計。
8. 前記第１の部分ビーム（４）が測定ビームであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の振動計。
9. 測定すべき物体（ＭＯ）の表面における対応する測定点に前記測定ビームをフォーカスさせる結像光学系（ＡＯ）が備えられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の振動計。
10. 前記結像光学系（ＡＯ）と前記光干渉計との間に前記測定ビームと前記受信ビームとのビーム路が導波体を用いて形成されていることを特徴とする請求項９に記載の振動計。
11. 少なくとも１つのビームスプリッタ（ＰＢＳ）が備えられ、当該ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、前記受信ビームまたは第１受信部分ビームまたは第２受信部分ビームあるいはそれらのビームのいくつかまたは全てのビーム路程に配置されるとともに、前記第１検出器（１２ａ）及び前記第２検出器（１２ｂ）において前記受信ビームの、異なる偏光成分、異なるビーム断面部分、異なるモードのうちのいずれか、またはその全てが評価可能なように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の振動計。

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