JP7547539B2

JP7547539B2 - 変位検出装置

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Publication number: JP7547539B2
Application number: JP2023059920A
Authority: JP
Inventors: 光騎鈴木; 真之新谷; 憲司松下; 瑛量西田; 英明田宮; 佳代子谷口
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2023-04-03
Publication date: 2024-09-09
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Description

本発明は、光源から出射された光を用いて、被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。

従来から、被測定面の変位を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。変位検出装置の具体的な構成については、種々の方式があり、実施の形態で後述するが、いずれの方式であっても、変位検出装置は、光源からの光を光ファイバで変位検出器に導く構成である。そして、変位検出装置は、被測定面の変位に基づいて、光源からの光の位相を変化させ、その光の位相の変化状態を検出することで、被測定面の変位量を検出する。

特開平７－３３２９５７号公報特開２００６－１９４８５５号公報特開２０１６－１４２５５２号公報

変位検出装置で被測定面の変位を検出する場合、光源から変位検出器に届く光の位相が安定していることが重要である。すなわち、光源からの光を導く光ファイバの曲がり状態が変化する等のストレスの印加や、光ファイバコネクタの勘合状態や、光ファイバ同士を接続するフェルールと光ファイバとの接着状態によって、不要な光の位相の変動が生じるおそれがある。不要な光の位相の変動が生じると、変位検出器での被測定面の変位の検出の安定性が低下して、変位の検出精度を低下させてしまう。

この光ファイバでの不要な光の位相変動が、変位検出器での変位検出精度に影響を与えない方法としては、例えば、光ファイバから出射した光の偏光を解消させた後、偏光子で偏光させてから、変位検出器に任意の偏光を取りだして入射させる方法がある（特許文献１参照）。

また、別の方法としては、光ファイバとして偏波保持ファイバを使用し、その偏波保持ファイバに入射する光として、消光比を上げて、不要な偏光成分の光を減少させる方法がある（特許文献２参照）。

光ファイバから出射した光の偏光を解消させた後、偏光子で偏光させる方法では、一度偏光を解消させてから任意の偏光を取りだして変位検出器に入射させるため、変位検出器に入射される光量が減少してしまうという問題がある。

また、偏波保持ファイバに入射する光の消光比を上げる方法では、光量の減少は起こらないが、光コネクタ等を追加する際、各勘合部分での光学軸の合わせ込を精密に行う必要があり、製造コストがかかるという問題があった。

また、近年変位検出装が備えるＡ／Ｄコンバータの分解能が上がるにつれ、偏波保持ファイバの光学軸に直交する成分の偏光ビームの漏れが問題視されるようになっており、不要光による干渉の振幅は、Ａ／Ｄコンバータの量子化誤差以内にする必要が生じている。

本件出願人は、変位検出器に、高い消光比をもったビームを供給する対策を不要にすると共に、光量損失をさせることなく、不要なビームとの干渉を減衰させることで、安定した精度の高い変位量の検出ができる変位量検出装置として、光源からの光を変位検出器に伝える偏波保持ファイバとして、共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの偶数倍と２つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを含まない長さとする、あるいは、偏波保持ファイバとして、可干渉距離と２つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積から光源の波長を割った長さよりも大きな長さとするようにした変位検出器を先に提案している（特許文献３参照）。

しかしながら、光ファイバの光学軸（Ｘ，Ｙ軸）が勘合の際に入れ替わらないことを前提として、干渉信号として使う主要光に対して不要光を位相の遅れもしくは進みのどちらか一方のみで干渉しないようにするものであった。

本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、Ｘ，Ｙ軸を入れ替えることによって主要光に対する不要光の位相差を遅れもしくは進みの両方から選択することができ、しかも、高い消光比をもったビームを供給する対策を不要にすると共に、光量損失をさせることなく、不要なビームとの干渉を減衰させることで、安定した精度の高い変位量の検出ができる変位量検出装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、光を出射する共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持つ可干渉性の低いレーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光させるレンズと、前記共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数倍と２つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを含まない長さが、その同一となる長さが含まれる範囲の中から選定され、前記レンズで集光された光を伝送する長さ（Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ）の偏波保持ファイバと、前記偏波保持ファイバによって伝送されたビームを２分割させ、その各ビームが照射された回折格子あるいはミラーの変位に伴い光に乗じられた位相の変化を変位量とするために、前記各ビームを干渉させることで干渉信号に変換する変位検出器とを含み、前記偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、偏波保持ファイバの接続順序として、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせとの、偏波保持ファイバの総長が、前記共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数倍と前記偏波保持ファイバのＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを避けるようにした変位検出装置であって、前記偏波保持ファイバの長さ（Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ）は
Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ０となる長さに設定され（ここで、ｍは０以上の整数、ｎ _ｅｆｆは前記共振器の屈折率、Ｌ _ｃａｖは前記共振器の長さ、Ｌ _ｂｅａｔは偏波保持ファイバの二つの偏波モードの伝搬定数の差から求められる長さ）、
前記偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、勘合部の少なくとも1カ所は光ファイバの光学軸（X軸、Y軸）が入れ替わっており、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせでの、個々の偏波保持ファイバの長さを勘合部で偏波モード軸が入れ替わらない場合はそのまま加算し、入れ替わる場合はそのファイバの長さの正負を反転して加算した値Ｌ _ａｌｌの絶対値｜Ｌ _ａｌｌ｜が、
｜Ｌ _ａｌｌ｜≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ０となる長さに設定されることを特徴とする。

本発明によると、光源の発振特性に合わせ偏波保持ファイバを任意の長さで構成することで、不要なビームとの干渉を減衰させることができる。これによって、変位検出装置の変位検出信号において位相変動を発生する成分を限りなく小さくし、干渉信号の振幅変動のみにとどめ、偏波保持ファイバの外部からのストレスの影響を受けにくい変位検出が可能になる。本発明によると、光量損失をさせることがないので、光源からの光の利用効率がよく、さらに、高い消光比をもったビームを変位検出器に供給する対策が不要になる。

しかも、本発明において、偏波保持ファイバの長さ（Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ）は
Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ０となる長さに設定され（ここで、ｍは０以上の整数、ｎ _ｅｆｆは前記共振器の屈折率、Ｌ _ｃａｖは前記共振器の長さ、Ｌ _ｂｅａｔは偏波保持ファイバの二つの偏波モードの伝搬定数の差から求められる長さ）、前記偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、勘合部の少なくとも1カ所は光ファイバの光学軸（X軸、Y軸）が入れ替わっており、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせでの、個々の偏波保持ファイバの長さを勘合部で偏波モード軸が入れ替わらない場合はそのまま加算し、入れ替わる場合はそのファイバの長さの正負を反転して加算した値Ｌ _ａｌｌの絶対値｜Ｌ _ａｌｌ｜が、
｜Ｌ _ａｌｌ｜≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ0となる長さに設定されることにより、脱着可能なコネクタで複数本の偏波保持ファイバを勘合する際に、ある偏波保持ファイバのＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸を、接続する別の偏波保持ファイバの異なるＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸に入れ替えて接続することによって、主要光に対する不要光の位相差を遅れもしくは進みの両方から選択して、前記複数の勘合部において発生する不要光成分が前記偏波保持ファイバで伝送する主要光と干渉しない位置となるようにすることができ、前記偏波保持ファイバを構成する複数本の偏波保持ファイバのファイバ長の組み合わせの選択肢を増やすことができる。
したがって、本発明によれば、着脱可能なコネクタによって互いに嵌合された複数の偏波保持ファイバを含む偏波保持ファイバの総長が所定の条件を満たすことにより、高い消光比をもったビームを供給する対策を不要にすると共に、光量損失をさせることなく、不要なビームとの干渉を減衰させることができ、かつ、前記複数本の偏波保持ファイバが勘合された複数の勘合部において、偏波保持ファイバのＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸が接続先の偏波保持ファイバの異なるＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸に入れ替えて接続されるものを含み、前記複数の勘合部において発生する不要光成分が前記偏波保持ファイバで伝送する主要光と干渉しない位置となるようにして、前記複数の勘合部において発生する不要光成分による干渉をなくし、安定した精度の高い変位量の検出ができる変位量検出装置を提供することができきる。

本発明が適用される変位検出装置の例（回析格子を変位させる例）を示す構成図である。本発明が適用される変位検出装置の例（マイケルソン干渉計型の例）を示す構成図である。本発明が適用される変位検出装置の例（ターゲットミラーとリファレンスミラーを平行に配置した例）を示す構成図である。本発明の一実施の形態例による偏波保持ファイバの例を示す断面図である。本発明の一実施の形態例によるマルチモードレーザの例を示す特性図である。本発明の一実施の形態例による可干渉性が悪い帯域が広い光源の可干渉距離を測定する構成例を示す構成図である。本発明の一実施の形態例による可干渉距離の例を示す特性図である。本発明の一実施の形態例による複数の偏波保持ファイバを接続した例を示す構成図である。

以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する。）の変位検出装置を、添付図面を参照して説明する。まず、本発明が適用される変位検出装置の全体構成の３つの例を、図１～図３に説明する。

［１．変位検出装置の全体構成の例（回析格子を変位させる例）］
図１は、被測定面の変位に連動して、回析格子を変位させる変位検出装置１００の構成例を示す。

変位検出装置１００は、光源１０１を備える。光源１０１としては、レーザやＬＥＤなどが使用可能である。光源１０１にレーザを使用する場合には、可干渉性の低いマルチモードの半導体レーザダイオードを使用してもよい。半導体レーザには、セルフパルセーションレーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオードを含む。

また、光源１０１として使用する固体レーザには、ＹＡＧレーザ、Ｎｄレーザ、チタンサファイアレーザ、ファイバーレーザ等が含まれる。さらに、光源１０１として使用するレーザには、ヘリウムカドミウムレーザ（金属レーザ）、色素レーザ（液体レーザ）が含まれる。なお、光源１０１は、連続発振で縦モードの発振波長に幅があり、可干渉性の低いものが望ましい。

あるいは、光源１０１として、シングルモードの半導体レーザを高周波重畳によって可干渉性を低くしたものを使用してもよい。

光源１０１から出射されるビームは、第１レンズ１０２により集光され、偏波保持ファイバ１５０に入射される。偏波保持ファイバ１５０は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、詳細は後述する。なお、光源１０１の偏光の光することが好ましいが、厳密に合わせなくてもよい。偏波保持ファイバ１５０の長さは後述する条件により定まる。

偏波保持ファイバ１５０によって伝送されたビームは、変位検出器１１０に入射される。

変位検出器１１０に入射されたビームは、第２レンズ１１１を介して第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing beam splitter）１１２に入射される。第１偏光ビームスプリッタ１１２は、ビームをＳ偏光のビームとＰ偏光のビームに分割する。例えば、Ｓ偏光のビームは第１偏光ビームスプリッタ１１２で反射し、Ｐ偏光のビームは第１偏光ビームスプリッタ１１２を透過する。

第１偏光ビームスプリッタ１１２で反射したＳ偏光のビームは、第１ミラー１１３を介して回析格子１１５に入射される。また、第１偏光ビームスプリッタ１１２を透過したＰ偏光のビームは、第２ミラー１１４を介して回析格子１１５に入射される。

回析格子１１５は、被測定面の変位量を検出するスケールとして機能し、被測定面の変位に連動して、矢印Ｘ１で示すように移動する。

回析格子１１５に入射した各ビームの回析光は、第３レンズ１１６又は第４レンズ１１７と第１位相板１１８を介して第３ミラー１１９に入射され、第３ミラー１１９で反射された各ビームが回析格子１１５に戻される。第１位相板１１８は、例えば１／４波長板よりなる。

回析格子１１５に戻ったビームの回析光が、第１ミラー１１３又は第２ミラー１１４を介して第１偏光ビームスプリッタ１１２に戻される。ここで、それぞれのビームは、第１位相板１１８を２回通過するために、Ｓ偏光がＰ偏光になって戻り、Ｐ偏光がＳ偏光になって戻る。

したがって、回析格子１１５から戻った２つのビームは、光源１０１からのビームの第１偏光ビームスプリッタ１１２への入射面とは異なる面から、重ね合わされた状態で出射され、受光部１３０に入射される。

受光部１３０に入射されたビームは、ビームスプリッタ１３１に入射され、２分割される。２分割された一方のビームが、第２位相板１３２を介して第２偏光ビームスプリッタ１３３に入射される。第２偏光ビームスプリッタ１３３に入射したビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第１受光素子１４１及び第２受光素子１４２に入射される。また、２分割された他方のビームが第３偏光ビームスプリッタ１３４に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第３受光素子１４３及び第４受光素子１４４に入射される。

次に、変位検出装置１００が回析格子１１５の変位を検出する動作について説明する。
光源１０１から出射されたビームは、第１レンズ１０２によって偏波保持ファイバ１５０の端面に集光入射される。偏波保持ファイバ１５０から出射されたビームが、第２レンズ１１１によってコリメートされる。コリメートされたビームは、第１偏光ビームスプリッタ１１２によって１：１に２分配されるような偏光状態で、第１偏光ビームスプリッタ１１２に入射される。第１偏光ビームスプリッタ１１２で分配された内の一方のＳ偏光成分のビームは、第１ミラー１１３を通過し、回折格子１１５の位置Ｐ１に入射される。回折格子１１５によって垂直に回折されたビームは、第１位相板１１８によって円偏光となり、第３ミラー１１９で反射されて、回析格子１１５側に折り返される。このとき、第１位相板１１８を再度通過することで、Ｐ偏光成分のビームとなり、回折格子１１５で２回回折された光となり、第１偏光ビームスプリッタ１１２に向かう。

第１偏光ビームスプリッタ１１２で分配されたＰ偏光成分のビームは、第２ミラー１１４を通過し、回折格子１１５の位置Ｐ２に入射される。回折格子１１５によって垂直に回折されたビームは、第１位相板１１８によって円偏光となり、第３ミラー１１９で反射されて折り返す。このとき、第１位相板１１８を再度通過することで、Ｓ偏光成分のビームとなり、回折格子１１５で２回回折された光となり、第１偏光ビームスプリッタ１１２に向かう。

互いに偏光成分が入れ替わった２つのビームは、第１偏光ビームスプリッタ１１２によって重ね合わされ、受光部１３０に向かう。この重ね合わされたビームは、直線偏光のＳ偏光成分とＰ偏光成分からなる。このビームは、ビームスプリッタ１３１によって２分配され、一方は、第２位相板１３２を経て第２偏光ビームスプリッタ１３３に入射される。

第２位相板１３２を通過する際、互いに直交する直線偏光同士は、互いに逆回りの円偏光の重ね合わせとなる。そして、第２偏光ビームスプリッタ１３３に入射される直線偏光の偏光方向は、回折格子１１５が移動方向に１波長だけ移動すると２回転する。したがって、第１受光素子１４１と第２受光素子１４２では、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ’）の干渉信号が得られる。ここで、Ａは、干渉信号の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。また、ｘは、回折格子の移動量を示しており、δ’は初期位相である。Λは、回折格子における格子の間隔である。

また、ビームスプリッタ１３１で２分配されたもう一方のビームは、第３偏光ビームスプリッタ１３４に入射される。この際、第３偏光ビームスプリッタ１３４は、第２偏光ビームスプリッタ１３３に対し、４５°光軸に対し回転させているため、第３受光素子１４３と第４受光素子１４４は、第１受光素子１４１と第２受光素子１４２に対し、光電変換される信号の位相が９０度異なることになる。これによって、回折格子の移動方向が認識できる。

このように、変位検出装置１００によると、第１～第４受光素子１４１～１４４での受光状態から、干渉信号を回折格子１１５のＸ１方向の変位量として検出することができる。

なお、４つの受光素子１４１～１４４で得られる干渉信号には、光源１０１の波長に関する成分が含まれていない。よって、気圧や湿度、温度の変化による光源の波長に変動が起きても、干渉強度は影響を受けない。

［２．変位検出装置の全体構成の例（マイケルソン干渉計型の例）］
図２は、被測定面の変位に連動して、ターゲットミラー２１４を移動させるマイケルソン干渉計型の変位検出装置２００の構成例を示す。

変位検出装置２００は、光源２０１を備える。光源２０１として適用可能な条件は、図１に示す変位検出装置１００で説明した光源１０１の条件と同じであり、例えば可干渉性が低い光源や、マルチモード半導体レーザなどが使用される。

光源２０１から出射されたビームは、第１レンズ２０２により集光して、偏波保持ファイバ２５０に入射される。偏波保持ファイバ２５０は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、この偏波保持ファイバ２５０の長さは後述する条件により決定する。

偏波保持ファイバ２５０によって伝送されたビームは、変位検出器２１０に入射される。

変位検出器２１０に入射されたビームは、第２レンズ２１１を介して第１偏光ビームスプリッタ２１２に入射される。第１偏光ビームスプリッタ２１２を透過したＰ偏光のビームは、第１位相板２１３を介してターゲットミラー２１４に入射される。ターゲットミラー２１４は、被測定面の変位に連動して、Ｘ２方向に移動する。また、第１偏光ビームスプリッタ２１２で反射されたＳ偏光のビームは、第２位相板２１５を介してリファレンスミラー２１６に入射される。第１位相板２１３及び第２位相板２１５は、例えば１／４波長板よりなる。

なお、ターゲットミラー２１４が基準となる位置であるとき、第１偏光ビームスプリッタ２１２からターゲットミラー２１４までの光路長と、第１偏光ビームスプリッタ２１２からリファレンスミラー２１６までの光路長は等しく設定する。

そして、ターゲットミラー２１４及びリファレンスミラー２１６から第１偏光ビームスプリッタ２１２に戻ったビームが重ね合わされた干渉信号となり、受光部２３０に入射される。

受光部２３０に入射されたビームは、ビームスプリッタ２３１に入射され、２分割される。２分割された一方のビームが、第３位相板２３２を介して第２偏光ビームスプリッタ２３３に入射される。第２偏光ビームスプリッタ２３３に入射されたビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第１受光素子２４１及び第２受光素子２４２に入射される。また、２分割された他方のビームが第３偏光ビームスプリッタ２３４に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第３受光素子２４３及び第４受光素子２４４に入射される。

このように構成したことで、第１偏光ビームスプリッタ２１２から受光部２３０に供給されるビームの内で、リファレンスミラー２１６で反射された成分については光路が一定になる。一方、ターゲットミラー２１４で反射された成分については、被測定面の変位に連動して、光路が変化する。

したがって、変位検出装置２００は、第１～第４受光素子２４１～２４４での受光状態から、干渉信号をターゲットミラー２１４のＸ２方向の変位量として検出することができる。

［３．変位検出装置の全体構成の例（ターゲットミラーとリファレンスミラーを平行に配置した例）］
図３は、ターゲットミラー３１５とリファレンスミラー３１６とを平行に配置した変位検出装置３００の構成例を示す。

変位検出装置３００は、光源３０１を備える。光源３０１として適用可能な条件は、図１に示す変位検出装置１００で説明した光源１０１の条件と同じであり、例えば可干渉性が低い光源や、マルチモード半導体レーザなどが使用される。

光源３０１から出射されたビームは、第１レンズ３０２により集光して、偏波保持ファイバ３５０に入射される。偏波保持ファイバ３５０は、コアの断面の垂直方向と水平方向の屈折率分布が異なる光ファイバであり、この偏波保持ファイバ３５０の長さは後述する条件により決まる。

偏波保持ファイバ３５０によって伝送されたビームは、変位検出器３１０に入射される。

変位検出器３１０に入射したビームは、第２レンズ３１１を介して第１偏光ビームスプリッタ３１２に入射される。第１偏光ビームスプリッタ３１２を透過したＰ偏光のビームは、第１位相板３１３を介してターゲットミラー３１５に入射される。第１位相板３１３は、例えば１／４波長板よりなる。ここで、ターゲットミラー３１５に入射されるビームは、ターゲットミラー３１５に対して４５°の角度で入射させる。ターゲットミラー３１５は、被測定面の変位に連動して、Ｘ３方向に移動する。

ターゲットミラー３１５で反射したビームは、透過型回折格子３１７に入射され、透過型回折格子３１７を透過した回析光が、ターゲットミラー３１５に入射される。そして、ターゲットミラー３１５で反射した回析光が、ミラー３１８に入射される。ミラー３１８に対する回析光の入射角度は９０°とし、ミラー３１８は、入射した回析光を入射方向に反射させる。

第１偏光ビームスプリッタ３１２で反射したＳ偏光のビームは、第２位相板３１４を介してリファレンスミラー３１６に入射される。第２位相板３１４は、例えば１／４波長板よりなる。ここで、リファレンスミラー３１６に入射されるビームは、リファレンスミラー３１６に対して４５°の角度で入射される。

リファレンスミラー３１６で反射したビームは、透過型回折格子３１７に入射され、透過型回折格子３１７を透過した回析光が、リファレンスミラー３１６に入射される。そして、リファレンスミラー３１６で反射した回析光が、ミラー３１９に入射される。ミラー３１９に対する回析光の入射角度は９０°とされ、ミラー３１９は、入射した回析光を入射方向に反射する。第１位相板３１３及び第２位相板３１４は、例えば１／４波長板よりなる。

ミラー３１８，３１９で反射したビームは、入射時とは逆の経路を辿って、第１偏光ビームスプリッタ３１２に入射される。そして、第１偏光ビームスプリッタ３１２に戻った２つのビームが重ね合わされた干渉信号となり、受光部３３０に入射される。

受光部３３０に入射されたビームは、ビームスプリッタ３３１に入射され、２分割される。２分割された一方のビームが、第３位相板３３２を介して第２偏光ビームスプリッタ３３３に入射される。第２偏光ビームスプリッタ３３３に入射されたビームは、偏光成分ごとに分けられた後、第１受光素子３４１及び第２受光素子３４２に入射される。また、２分割された他方のビームが第３偏光ビームスプリッタ３３４に入射され、偏光成分ごとに分けられた後、第３受光素子３４３及び第４受光素子３４４に入射される。

このように構成したことで、第１偏光ビームスプリッタ３１２から受光部３３０に供給されるビームの内で、リファレンスミラー３１６で反射された成分については、透過型回折格子３１７の同じ箇所を通過したビームになる。一方、ターゲットミラー３１５で反射された成分については、ターゲットミラー３１５のＸ３方向の移動により、透過型回折格子３１７の異なる箇所を通過したビームになる。したがって、ターゲットミラー３１５の位置により、第１偏光ビームスプリッタ３１２で重ね合わされた干渉信号の干渉状態が変化し、変位検出装置３００は、第１～第４受光素子３４１～３４４での受光状態から、回折格子の位相成分を、ターゲットミラー３１４のＸ３方向の変位量として検出することができる。

なお、図３に示す構成の場合、ターゲットミラー３１５の位置が変化しても、光路長は変化しない。

［４．偏波保持ファイバの説明］
変位検出装置１００，２００，３００は、いずれも光源１０１，１０２，１０３と変位検出器１１０，２１０，３１０との間のビームの伝送に、偏波保持ファイバ１５０，２５０，３５０を使用する。

図４は、偏波保持ファイバ１５０の構成例を断面で示す。他の偏波保持ファイバ２５０，３５０についても、偏波保持ファイバ１５０と同じ構成である。

偏波保持ファイバ１５０は、ビームを伝送するコア１５１の上と下に、応力付与材１５２，１５３を備える。そして、応力付与材１５２，１５３が、コア１５１に対して上下からストレスが加わった状態で、全体をクラッド１５４で覆う構成である。

この例では、コア１５１に対してストレスが加わる上下方向をＸ偏波モード軸とし、そのＸ偏波モード軸と直交する方向をＹ偏波モード軸とする。このとき、Ｘ偏波モード軸が偏波保持が成立する光学軸になる。

ところで、偏波保持ファイバ１５０内を通過したビームには、偏波保持ファイバ１５０の偏波保持が成立する光学軸の成分（Ｘ偏波モード）と、それに直交する成分（Ｙ偏波モード）が含まれる可能性がある。一般に半導体レーザの消光比は、２０ｄＢ前後と言われており、完全な直線偏光ではない。また偏波保持ファイバ１５０に入射する際の光学軸の角度調整にもばらつきが存在する。

偏波保持ファイバ１５０を使用することで、Ｘ偏波モード軸とＹ偏波モード軸の成分に関しては偏波が保持される。しかしながら、コア１５１内のＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸の偏光成分の屈折率が異なるため、偏波保持ファイバ１５０にストレスが印加されると、Ｘ偏波モード軸を経由したビームとＹ偏波モード軸を経由したビームとで、位相差が生じる。

ここで、Ｘ偏波モード軸経由のビームに対し、Ｙ偏波モード軸経由のビームの光量が十分に小さくないと、Ｘ偏波モード軸経由とＹ偏波モード軸経由のビーム同士が干渉してしまう。これにより、偏波保持ファイバ１５０へのストレス印加があると、わずかな位相変化が検出されて、変位の検出精度が劣化してしまう。

そこで、本例では、光源の可干渉性と偏波保持ファイバ１５０の長さを規定し、その影響が最小になるように抑制している。

［５．マルチモードレーザを光源として使う場合の例］
次に、偏波保持ファイバ１５０，２５０，３５０の長さを決める条件について説明する。この偏波保持ファイバ１５０，２５０，３５０の長さを決める条件は、光源１０１，２０１，３０１としてマルチモードレーザを使用する場合の条件と、光源１０１，２０１，３０１として可干渉性が悪い帯域が広い光源を使用する場合の条件の、２つである。

まず、マルチモードレーザを使用する場合の条件について説明する。

共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持つ可干渉性の低い代表的なレーザ光源としては、マルチモードの半導体レーザや、高周波重畳をかけたシングルモードの半導体レーザが挙げられる。ここでの共振器長とは、例えば半導体レーザの場合には、一方の端面（鏡面）と他方の端面との間の距離であり、その共振器長によりレーザ光の波長λが決まる。

干渉を起こす距離Ｌ_periodは、光路長差が０の干渉状態から次に再び干渉強度が上昇しピークとなるまでを１周期とすると、［数１］式で与えられる。

ここで、ｎ_effは共振器の屈折率であり、Ｌ_cavは共振器長である。

つまり、ビームには、共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数ｍ倍で、干渉強度のピークが現れることを意味している。

次に、偏波保持ファイバ１５０の中を伝搬するＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸の成分間のファイバ出力端における光学遅延距離Ｄは、［数２］式で与えられる。

ここで、λは光源の波長を示し、Ｌ_fiberは光ファイバ長（偏波保持ファイバ長）を示し、Ｌ_beatはビート長を示す。

ここでビート長は、偏波保持ファイバ中を伝搬するＸ偏波モード軸とＹ偏波モード軸の光の速さを示す伝搬定数（βｘ,βｙ）の差を［数３］式

とすると、［数４］式で表せる。

つまり、伝搬定数差から生じる光学遅延距離Ｄと干渉を起こす距離が一致すると、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することになる。

よって、偏波保持ファイバ１５０の長さとして、光源の共振器長の２倍に共振器の屈折率かけた長さの整数倍と、偏波保持ファイバのＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積から光源の波長を割った長さを避けた長さとする。このようにすることで、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームとの干渉を避けることができ、偏波保持ファイバ１５０のストレスに対し安定した変位検出が可能になる。

以下の［数５］式は、光ファイバ長Ｌ_fiberを求める式を示す。

マルチモードの半導体レーザの場合、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームの干渉強度は、例えば図５のようになり、光学遅延距離が大きくなるほど、互いに干渉しづらくなる。すなわち、光学遅延距離が０のとき（ピークＰ１１の位置）の干渉強度を１としたとき、光学遅延距離が０から一定距離離れるごとに、徐々に干渉強度が弱くなるピークＰ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，・・・が存在し、ある程度の光学遅延距離以降は、干渉強度がほぼ０になる。

ここで、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けた長さとするということは、例えばピークＰ１１とピークＰ１２の間の干渉強度がほぼ０になる光学遅延距離を持つ長さにすることである。ピークＰ１１とピークＰ１２の間以外のその他のピークの間の干渉強度がほぼ０になる光学遅延距離を持つ長さとしてもよい。

［６．可干渉性が悪い帯域が広い光源を使う場合の例］
可干渉距離を持つ可干渉性の低い光源には、前述した共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持たず、特定の波長幅を持ち波長に対しブロードに強度が変化する光源もある。例えば、スーパールミネッセンスダイオードやＬＥＤ（発光ダイオード）がある。あるいは、固体レーザでは、チタンササファイアレーザ等が挙げられる。

これらの方式の光源を光源１０１，２０１，３０１として使用する場合には、事前に光源の可干渉距離Ｌ_lowを計測する。

図６は、光源の可干渉距離Ｌ_lowを計測する構成例を示す。なお、図６では、可干渉距離Ｌ_lowを計測する原理を示し、計測する基本的な原理を説明する上で不要な構成については省略している。

ここでは、光源４０１が被計測対象の光源である。光源４０１が出力するビームは、偏光ビームスプリッタ４０２に入射され、一方及び他方の偏光成分に分配される。一方の偏光成分は、固定ミラー４０３により反射されて偏光ビームスプリッタ４０２に戻り、他方の偏光成分は、可動ミラー４０４により反射されて偏光ビームスプリッタ４０２に戻る。
可動ミラー４０４の位置は、Ｘ４方向に移動する。

そして、偏光ビームスプリッタ４０２に戻った２つのビームは、重ね合わせた状態で受光素子４０５に入射される。

図７は、受光素子４０５で検出される干渉強度を示す。

ここでは、偏光ビームスプリッタ４０２と可動ミラー４０４との間の光路長（往復の長さ）をＬａとし、偏光ビームスプリッタ４０２と固定ミラー４０３との間の光路長（往復の長さ）Ｌｂとする。そして、図７の横軸は、光路長差（Ｌａ－Ｌｂ）である。

図７から判るように、光路長差（Ｌａ－Ｌｂ）が０のとき、干渉強度が最大値１となり、以下、光路長差が長くなるにしたがって、干渉強度がほぼ０になる。例えば、最大値１から干渉強度が１／１０００になった光路長差を、光源の可干渉距離Ｌ_lowとする。

そして、このようにして求まった光源の可干渉距離Ｌ_lowと、偏波保持ファイバ１５０のＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を求め、このビート長の積を、光源１０１の波長で割った長さより、偏波保持ファイバ１５０の長さを大きくとる。このような長さの偏波保持ファイバ１５０を使った変位検出装置１００は、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けることができ、偏波保持ファイバ１５０のストレスに対し安定した変位検出が可能になる。

一般に、上述した可干渉性の低い光源は、マルチモードの半導体レーザより波長幅が広く、可干渉距離Ｌ_lowが非常に短いため、光ファイバ長Ｌ_fiberが非常に長くなってしまうことは少ない。

［数６］式は、上述した偏波保持ファイバ１５０の長さＬ_fiberを決める条件を数式で示すものである。

以上説明したように、いずれの光源を使用する場合でも、上述した条件で偏波保持ファイバの長さを決めることで、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームが互いに干渉することを避けることができる。したがって、本例の変位検出装置によれば、光ファイバに加わる曲げなどのストレスに対し安定した変位検出が可能になり、変位の検出精度が向上する。また、光源から出射したビーム偏光の光学軸は、偏波保持ファイバのコア断面の偏波保持が成立する光学軸に合わせて入射することが好ましいが、本例の場合には、偏波保持ファイバの端面の光学軸を厳密に合わせなくても、精度が保たれるようになる。

なお、ここまでの説明では、図１に示す変位検出装置１００が備える偏波保持ファイバ１５０の長さの条件を示したが、図２，図３に示す変位検出装置２００，３００が備える偏波保持ファイバ２５０，３５０の長さの条件についても、同じように決めることができる。

［７．複数のファイバを組み合わせる例］
変位検出装置１００，２００，３００が備える偏波保持ファイバ１５０，２５０，３５０は、複数本の偏波保持ファイバを接続するようにしてもよい。

例えば、図８に示すように、光源１０１からのビームを、第１レンズ１０２を介して、３本の偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを勘合させて接続したものに入射するようにしてもよい。その３本の偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを伝ったビームが、変位検出器１１０に入射される。

ここでの偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの勘合とは、各偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの端面が、隙間がない状態で接続された状態を示す。
このような勘合状態は、例えば偏波保持ファイバに取り付けられたコネクタ（不図示）を使って実現することができる。

それぞれの偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの長さは、既に説明した光源の種類に応じて光源の可干渉性を考慮した長さに設定する必要があるが、さらに以下の条件が加わる。すなわち、各々の偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの勘合部で発生する、Ｘ偏波モード軸とＹ偏波モード軸のビームの漏れから、Ｘ偏波モード軸経由のビームとＹ偏波モード軸経由のビームの干渉対策をとる必要がある。

例えば、同じ長さの偏波保持ファイバを勘合させてしまうと、勘合部の漏れで、Ｘ＋Ｙ偏波モード軸経由のビームとＹ＋Ｘ偏波モード軸経由ビームが、干渉してしまう可能性がある。

複数の勘合部が存在するとき、偏波保持ファイバの接続順序として、最後段の偏波保持ファイバ（例えば図８での偏波保持ファイバ１５０ａ）と、それを除いた偏波保持ファイバ（例えば図８での偏波保持ファイバ１５０ｂ，１５０ｃ）のあらゆる組み合わせとの、偏波保持ファイバの総長が、共振器長に共振器の屈折率をかけた長さの偶数倍と偏波保持ファイバのＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを避ける必要がある。このような条件にすることにより、勘合部によって生じる最後段の偏波保持ファイバから出射された異なる伝搬位相差を持つ光同士の干渉において、主たる成分の干渉に対する影響の大きな干渉の組み合わせを低減させることが可能となる。また、主たる干渉に対して影響の大きな干渉の組み合わせ以外の成分におけるそれぞれの干渉は、もともと十分小さいため、無視することが出来る。

例えば、Ｘ偏波モードを主たる成分として光を伝搬させた偏波保持ファイバの場合、次の段の偏波保持ファイバのＸ偏波モードに主たる成分を勘合させると、Ｙ偏波モードへ漏れる成分がある。ここで、複数の勘合部を有することにより、様々な漏れ成分が発生するが、Ｙ偏波モードの同士の干渉は十分に小さいために無視できる。

また、可干渉性が悪い帯域が広い光源を使う場合には、各々の偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃの長さは、２ ^ｍ×Ｌ（ｍは０以上の整数、Ｌは最も短い偏波保持ファイバの長さ）で構成し、かつ各々の偏波保持ファイバの長さは同じ組合せがないことが必要になる。

例えば各偏波保持ファイバ長は、Ｌ１＝２×Ｌ３、Ｌ２＝４×Ｌ３のように、Ｌ１≠Ｌ２≠Ｌ３である必要がある。

ここで、光ファイバの光学軸（Ｘ，Ｙ軸）が勘合の際に入れ替わらないない場合は、干渉信号として使う主要光に対して不要光を位相の遅れもしくは進みのどちらか一方のみで干渉しないようにすることになるが、勘合の際にＸ，Ｙ軸を入れ替えることによって主要光に対する不要光の位相差を遅れもしくは進みの両方から選択することができ、同じファイバの長さであっても偏頗軸を入れ替えることによって、不要光の主要光への干渉を避けるための位相関係が異なる状態を生み出すことができる。

本発明が適用された変位検出装置において、偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、複数の勘合部が存在するとき、偏波保持ファイバの接続順序として、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせとの、偏波保持ファイバの総長が、共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数倍と偏波保持ファイバのＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを避けるようにしている。

本発明に係る変位検出装置では、光源の発振特性に合わせ偏波保持ファイバを任意の長さで構成することで、不要なビームとの干渉を減衰させることができる。これによって、変位検出装置の変位検出信号において位相変動を発生する成分を限りなく小さくし、干渉信号の振幅変動のみにとどめ、偏波保持ファイバの外部からのストレスの影響を受けにくい変位検出が可能になる。本発明によると、光量損失をさせることがないので、光源からの光の利用効率がよく、さらに、高い消光比をもったビームを変位検出器に供給する対策が不要になる。しかも、偏波保持ファイバの勘合の際にＸ，Ｙ軸を入れ替えることによって主要光に対する不要光の位相差を遅れもしくは進みの両方から選択することができる。

［８．変形例］
なお、本発明が適用される変位検出装置は、図１，図２，図３に示す３つの変位検出装置１００，２００，３００とは異なる構成や原理で、変位を検出するものでもよい。すなわち、光源からの光を偏波保持ファイバを介して変位検出器に導く構成の変位検出装置であれば、その他の構成にも適用可能である。

また、複数本の偏波保持ファイバを使用する図８の例では、図１例の変位検出装置１００に適用した例を示すが、図２や図３に示す変位検出装置２００，３００で複数本の偏波保持ファイバを使用する場合の、各々のファイバの長さの条件についても、同じことが適用可能である。さらに、図８では３本の偏波保持ファイバ１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを勘合させた例としたが、２本又は４本以上の偏波保持ファイバを勘合させる場合にも、上述した例と同じ条件が適用可能である。

１００変位検出装置、１０１光源、１０２第１レンズ、１１０変位検出器、１１１第２レンズ、１１２第１偏光ビームスプリッタ、１１３第１ミラー、１１４第２ミラー、１１５回析格子、１１６第３レンズ、１１７第４レンズ、１１８第１位相板、１１９第３ミラー、１３０受光部、１３１ビームスプリッタ、１３２第２位相板、１３３第２偏光ビームスプリッタ、１３４第３偏光ビームスプリッタ、１４１第１受光素子、１４２第２受光素子、１４３第３受光素子、１４４第４受光素子、１５０，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ偏波保持ファイバ、１５１コア、１５２，１５３応力付与部材、１５４クラッド、２００変位検出装置、２０１光源、２０２第１レンズ、２１０変位検出器、２１１第２レンズ、２１２第１偏光ビームスプリッタ、２１３第１位相板、２１４ターゲットミラー、２１５第２位相板、２１６リファレンスミラー、２３０受光部、２３１ビームスプリッタ、２３２第３位相板、２３３第２偏光ビームスプリッタ、２３４第３偏光ビームスプリッタ、２４１第１受光素子、２４２第２受光素子、２４３第３受光素子、２４４第４受光素子、２５０偏波保持ファイバ、３００変位検出装置、３０１光源、３０２第１レンズ、３１０変位検出器、３１１第２レンズ、３１２第１偏光ビームスプリッタ、３１３第１位相板、３１４第２位相板、３１５ターゲットミラー、３１６リファレンスミラー、３１７透過型回析格子、３１８，３１９ミラー、３３０受光部、３３１ビームスプリッタ、３３２第３位相板、３３３第２偏光ビームスプリッタ、３３４第３偏光ビームスプリッタ、３４１第１受光素子、３４２第２受光素子、３４３第３受光素子、３４４…第４受光素子、３５０偏波保持ファイバ、４０１光源、４０２偏光ビームスプリッタ、４０３固定ミラー、４０４可動ミラー、４０５受光素子

Claims

光を出射する共振器長に伴う複数の発振スペクトルを持つ可干渉性の低いレーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を集光させるレンズと、
前記共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数倍と２つの偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを含まない長さが、その同一となる長さが含まれる範囲の中から選定され、前記レンズで集光された光を伝送する長さ（Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ）の偏波保持ファイバと、
前記偏波保持ファイバによって伝送されたビームを２分割させ、その各ビームが照射された回折格子あるいはミラーの変位に伴い光に乗じられた位相の変化を変位量とするために、前記各ビームを干渉させることで干渉信号に変換する変位検出器とを含み、
前記偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、偏波保持ファイバの接続順序として、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせとの、偏波保持ファイバの総長が、前記共振器長の２倍に共振器の屈折率をかけた長さの整数倍と前記偏波保持ファイバのＸ，Ｙ偏波モードの伝搬定数の差から求められるビート長の積を光源の波長で割った長さと同一となることを避けるようにした変位検出装置であって、
前記偏波保持ファイバの長さ（Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ）は
Ｌ _{ｆｉｂｅｒ} ≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ０となる長さに設定され（ここで、ｍは０以上の整数、ｎ _ｅｆｆは前記共振器の屈折率、Ｌ _ｃａｖは前記共振器の長さ、Ｌ _ｂｅａｔは偏波保持ファイバの二つの偏波モードの伝搬定数の差から求められる長さ）、
前記偏波保持ファイバは、脱着可能なコネクタで複数本が勘合されており、勘合部の少なくとも1カ所は光ファイバの光学軸（X軸、Y軸）が入れ替わっており、最後の偏波保持ファイバと、それを除いた偏波保持ファイバのあらゆる組み合わせでの、個々の偏波保持ファイバの長さを勘合部で偏波モード軸が入れ替わらない場合はそのまま加算し、入れ替わる場合はそのファイバの長さの正負を反転して加算した値Ｌ _ａｌｌの絶対値｜Ｌ _ａｌｌ｜が、
｜Ｌ _ａｌｌ｜≠（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λ
かつ、（２ｍｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λと（２（ｍ＋１）ｎ _ｅｆｆＬ _ｃａｖＬ _ｂｅａｔ）／λの間の干渉強度がほぼ０となる長さに設定されることを特徴とする変位検出装置。