JPH02500220A - 光検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光検出システム 技術分野 本発明は、例えばレーザー干渉計のような光学系と共に用い、光線からの情報を 供給するための光検出システムに関する。

背景技術 このような光検出システムでは、光検出素子の配列、通常はフォトダイオード検 出素子の配列が、その壁の１つに開口を有する密閉容器内で、かつ開口に入射し その強さを測定される光線の光路中に配置される。これら検出素子はその感光面 に入射する光線からの光を受け、入射した光の強さに基く電気信号を生成する。

このような光検出システムに付随する問題は、光学系からのその強さを測定され る光に加えて、周囲光もまた開口に入射するため、この場合に検出素子によって 生成される電気信号は周囲光が入射しない場合より強くなるということにある。

各々の検出器に投射する周囲光が、任息の所定の測定動作の間に一定の強さであ れば、あるいは配列の全ての検出素子に等しい強さの周囲光が投射するのであれ ば、検出素子によって生成される電気信号において検出素子に照射する周囲光に よって生ずる分の信号を酌量することができる。しかしながら通常はこのような 場合はなく、それ故、検出素子からの信号において周囲光による量をどのように 扱うかが問題となる。

発明の開示 添付された請求の範囲に記載された発明は、開口と各々の検出素子との間の光路 長が等しいということを確保することによって、簡潔かつ廉価に上記問題を減少 させる。

この方法によって、全ての検出素子が開口を通る光に関して等しいアクセプタン スコーンアングル（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｃｏｎｅ　ａｎｇｌｅ）を有し、こ の光線の各々の検出素子に投射する各部分光において、周囲光に対する信号の割 合が等しくなる。

検出素子の全てが干渉のない等しい距離を隔てて開口を望むようにすることは、 本発明によって望ましく成し遂げられる。すなわち、開口に入射する光線の一部 またはそれ以上を、この光線の光路から、光軸から偏位している１つまたはそれ 以上の検出素子へ偏向させるビームスプリッタを用いることによって成し遂げら れる。

ここでは、密閉容器に入射する光線が、２つの互いに直交する偏光成分を有する 結合光線であり、本発明の望ましい特徴は、上記開口近傍で上記光線の光路中に ４分の１波長板が配設されることである。この４分の１波長板は上記光線の２つ の互いに直交する偏光成分を円偏光成分に変換する。

図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照し、本発明を実施例によって詳細に説明する。

第１図は、密閉容、器内の本発明にかかる光学要素の配置構成を示す図である。

第２図はｙ７％１図のフォトダイオード検出素子からの信号を処理するための電 気回路の一部を示す回路図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照するに、３つのフォトダイオード検出素子ＤＩ、Ｄ２およびＤ３は 密閉容器１０の内部に位置し、密閉容器ｌＯは信号伝搬光線１４が入射する開口 １２をイする。この光線は、どのような光源から選られるものでも良く、例えば スケールからの反射照明光でもよいし、あるいは本例の場合のようにレーザー干 渉計からのレーザービームであってもよい。

検出器容器には別設の被覆手段がないため、開口１２は周囲光をも受光し、この 周囲光は検出素子における光の強さに影響を及ぼす。

周囲光に起因する問題を低減するために、ビームスプリッタ２０および２２が入 射するレーザビームの光軸上に配置される。第１のビームスプリッタは開口１２ から距［Ｌｌの位置に配置され、第２のビームスプリッタ２２はビームスプリッ タ２０から距１１Ｌ２の位置に配置される。ビームスプリッタ２０は、レーザー ビームの一部を検出素子ＤＩへ反射し、他の部分を透過してスプリッタ２２へ伝 える。ビームスプリッタ２２は、レーザービームにおけるこの歿余の光の一部を 検出素子Ｄ２へ反射し、他の部分を透過して検出素子Ｄ３へ伝える。検出素子Ｄ ３は第２のビームスプリッタ２２から距ｆｉＬ３の位置に配置される。

密閉容器１０内部の空間を省くために、ビームスプリッタ２０は急角度で設けら れ、これによりこの表面から反射するビームは、横方向かつ前方に距１１Ｌ４を 経て検出素子ＤＩに導かれる。ビームスプリッタ２２は４５度の角度で設けられ 、これによりこの表面で反射されるビームは、入射ビームがなす軸線に対して直 角に距［Ｌ５を隔てた検出素子Ｄ２に導かれる。

各々の検出素子と開口との間の光路長は等しくされ、これによって各々の検出素 子が、開口に入射する光に関して等しいアクセプタンスコーンアングルを有する ことが確保される。すなわち、距！！Ｌ１◆Ｌ４．Ｌ１◆Ｌ２＋Ｌ５およびＬ１ ◆Ｌ２◆Ｌ３は全て等しい。

また、各々の検出素子は開口全体からの光を受けるので、各々の検出素子に入射 するビームの一部分での信号レベルに対する周囲光（ノイズ）の割合は等しくな り、これは、各々の検出素子においてこれら検出素子に導かれるビームの全ビー ムに対する割合には関係ない。

図に示される配置構成の光学的詳細を考察するに、干渉計からのレーザービーム は、２つの直交する（Ｓ−およびＰ−）偏光ビームからなる結合ビームであり、 検出素子容器に入射するまでは干渉しない、ビームを調べ、検出素子から有用な 情報を生成することを可能とするために、上記２つの成分が干渉されるようにし なければならない。

これらのことは、結合ビームがビームスプリッタ２０によフて受光される前に、 ４分の１波長板を通過させることによって成される。この４分の１波長板は、結 合ビームの２つの５−およびＰ−偏光成分から互いに反対方向の円偏光を有する ２つの偏光ビームを生成する。

これら２つのビームは互いに干渉し合い、干渉計でたどった光路長の差の尺度で ある方向ベクトルを有する合成ベクトルを生成する・。この４分の１波長板は開 口に近接して好ましく配置されるが、密閉容器１０の内側あるいは外側のどちら に配置されてもよい。

異なった偏光を有する偏光子Ｐｉ、Ｐ２およびＰ３はそれぞれ検出素子ＤＩ、Ｄ ２およびＤ３と組合され、これにより、各検出素子は合成ビームの方向ベクトル が各々の偏光子の偏光状態に整列したときにのみ最大の光強度を受ける。

本例における各々の偏光子は互いに４分の１周期の位相差の関係にある向きの偏 光状態を有し、従って、例えばＰｌは鉛直方向で偏光させられるとすれば、Ｐｌ は鉛直に対して４５°で偏光させられ、Ｐ３は水平に偏光させられる。このよう にして、３つの検出素子は４分の１周期の位相差関係にある位相の相関した交流 信号を生成する。しかしながら、これら信号は検出素子に到達する周囲光による 直流レベルをも含む。

本例による検出素子の配置構成によって周囲光に対する受光テーバ角は等しくな るけれども、ビームスプリッタが中性でないという問題が依然として残る。これ により、これらビームスプリッタではランダムに偏光された周囲光からの光にお いて偏光状態が異なると、この光における透過および反射量が異なるという影響 を有する。

この問題を処理するための様々な代替可能な方法があり、これら方法は利点と欠 点をそれぞれ有しており、従って方法の選択は木質的に妥協的なものとなる。主 要な目的は、各々の検出素子が最大の光強度を受け、かつ、４５°偏光子に投射 する光のＳ−およびＰ−偏光成分が等しく、これにより組合される検出素子にお ける強度位相誤差を避けることを確保することにある。

１つの方法は、ビームスプリッタ２０を中性ビームスプリッタとし、かつ偏光子 ＰＩの偏光の向きを４５度とすることであり、これにより偏光ビームスプリッタ ２２と共同して偏光子Ｐ２およびＰ３を不必要とすることができる。いわゆる中 性ビームスプリッタは商品として手に入れることができるものだが、このビーム スプリッタに投射する光の３分の１を反射、３分の１を透過、そして３分の、１ を吸収するため、検出素子Ｄ１は、鉛直（Ｓ−）偏光と水平（Ｐ−）偏光の両方 による光の３３％を受光することになる。中性ビームスプリッタは結合ビームの ３３％を透過して偏光ビームスプリッタに伝え、このビームスプリッタはＳ−偏 光成分を検出素子Ｄ２へ反射し、Ｐ−偏光成分を検出素子Ｄ３へ反射する。この 配置構成によって偏光子Ｐ１における強度位相誤差を避けることができる。変形 例として、中性ビームスプリッタを２つの偏光ビームスプリッタと共に用いるこ ともでき、これにより４５度偏光子を全く必要としなくなる。

この場合、ビームスプリッタ２２からの反射ビームは偏光ビームスプリッタの１ つに向い、ここでＳ−およびＰ−偏光成分がそれぞれ分かれて、２つの検出素子 に導かれる。一方ビームスプリツタからの透過ビームは、もう一方の偏光ビーム スプリッタに向い、ここでＳ−およびＰ−偏光成分はさらに２つの検出素子に導 かれる。

上述した方法の欠点は、中性ビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタが比 較的高価で特別な部品であるということである。

他の方法で偏光ビームスプリッタを必要としない方法は、ビームスプリッタ２０ および２２を中性ビームスプリッタとし、３つの偏光子ＰＩ、Ｐ２およびＰ３が それぞれ４分の１周期の位相差関係を有する向きの偏光状態のままとすることで ある。しかしながら、この方法によると、検出素子Ｄ２およびＤ３で有効なビー ムの強度は、最初のビームの９分の１だけになフてしまい、これら検出素子から は受信できないような低い信号レベルしか生成できなくなる恐れがあり、また、 この配置構成でも比較的高価な中性ビームスプリッタを含むことになる。

図に示された配置構成は、比較的廉価に手に入れることのできるビームスプリッ タと偏光子を用い、３つの検出素子において最初のビーム強度に対して比較的高 い割合の強度を小さな位相誤差で達成するようにすることが可能である。

図に示される双方のビームスプリッタの光学的特性は以下の如くである。

Ｐ−偏光に対する反射係数　ＲＰ−３０’１ｉＳ−偏光に対する反射係数　Ｒｓ −ｅｏ９６Ｐ−偏光に対する透過係数　ＴＰ−７０％Ｓ−偏光に対する透過係数 　ｒｓ−４ｏ９６偏光子ＰＩ、Ｐ２およびＰ３は以下のような相対偏光状態を有 するよう配置される。

Ｐｌ（０度）はＳ−偏光のみ透過、 Ｐ２（４５度）はＳ−およびＰ−偏光を透過、Ｐ３（９０度）はＰ−偏光のみ透 過。

以上のことから、検出素子Ｄ１は、ビームスプリッタ２０での１回の反射の後、 ビーム１４におけるＳ−偏光成分の６０％を受光し、また、Ｐ−偏光成分は偏光 子Ｐ１によって遮断されるということが解る。また、偏光子Ｐ２は１回の透過と １回の反射の後、ビーム１４におけるＳ−偏光成分の２４％、およびＰ−偏光成 分の２１％を受光し、これにより、検出素子Ｄ２には最初のビームのほぼ２２％ の強度のビームが供給される。検出素子Ｄ３は、２回の透過の後、ビーム１４に おけるＰ−偏光成分の４９％を受光し、Ｓ−偏光成分は偏光子Ｐ３によフて遮断 される。

このような配置構成の利点は、 ａ）比較的廉価な光学部品 ｂ）４５度偏光子Ｐ２の背後の検出素子Ｄ２において最低強度レベルが比較的高 いこと この配置構成の主な欠点は、偏光子Ｐ２に投射する光が円偏光ではなく、わずか に楕円偏光していることによって偏光子Ｐ２の背後の検出素子Ｄ２においてわず かな位相誤差が導出されてしまうということ、および３つの検出素子ＤＩ、Ｄ２ およびＤ３に入射する光の強度が等しくない（すなわち、それぞれ６０％、２２ ％および４９％）ということである。しかしながら、この強度が等しくないこと は、電気回路で差異の量に応じて検出信号を増幅することによって補償されるこ とが可能であり、これにより以降の処理において用いられる電気信号は等しいレ ベルとなる。位相誤差も、一度算定されれば電気回路における以降の処理によっ て補正されることが可能である。あるいは、この位相誤差は、偏光子Ｐ２をわず かな角度だけ適切に回転させることによフて減少させることができる。

念の為に、上記検出信号を処理するための一般的な電気回路の一部を第２図に示 す。

第２図において、検出素子ＤＩ、Ｄ２およびＤ３からの信号は、増幅器＾１．Ａ ２およびＡ３に入り、ここでそれぞれ１１０．６０．１１０．２２．および１１ ０．４９の割合で増幅される。

これにより、生成される信号は、交流成分において全て等しい振幅を有し、また 、上述した検出素子の配置によって開口１２から各々の検出素子までの光路長が 等しいため、生成される信号は、周囲光による直流のレベルも全て等しくなる。

以降の処理のための基準の正弦信号および余弦信号を得るため、差動増幅器５１ および５２において増幅器Ａ２からの信号を、増幅器ＡＩおよびＡ３からの信号 から引き、２つの交流信号ｖ１およびｖ２を生成する。これら交流信号は周囲光 による直流成分を有さす、また、４分の１周期の位相差を有する。

本明細書および請求の範囲を通して用いられる“光学”および“光”という言葉 は、赤外領域から紫外領域までのスペクトラル領域における光を含んで解釈され る。

ビームスプリッタおよび偏光子は比較的厚いため、熱膨張によってガラスを通過 する光線の路程が変化するのに応じて検出器に到達する光の強さを調節すること が可能なこれら部品の前面および背面で反射し本来の光路から逸脱してし・まう 反射光を生ずる場合がある。

これによる影響は、部品の適切な面に反反射コーティングを施すことによって排 することができ、あるいは部品の形状をわずかにくさび状にすることによって低 減することができる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数の光検出素子を収容し、かつ壁に光線を受けるための開口を有した密閉 容器を具えた前記光線からの情報を供給するための光検出システムであって、前 記検出素子は、前記密閉容器内でそれぞれ異なった位置で、かつ前記開口から前 記検出素子の各々まで通過する前記光線の光路長が各々の検出素子に関して等し い位置に配置されたことを特徴とする光検出システム。 ２）２つの互いに直交する方向に偏光された２つの光線を有する結合光線からの 情報を供給するための請求の範囲第１項に記載の光検出システムであって、前記 光線の光路中に配置される４分の１波長板が、前記結合光線の前記２つの互いに 直交する偏光光線から互いに反対方向の２つの干渉する円偏光光線を生成するよ う位置付けられたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光検出システム。 ３）前記密閉容器内において、少なくとも１つのビームスプリツタが前記光線の 光路中に設けられ、前記４分の１波長板からの光線を受け、該光線の一部を異な る光路へ偏向して前記検出素子の１つに向けることを特徴とする請求の範囲第２ 項に記載の光検出システム。 ４）前記光線の光路中の２つのビームスプリツタと３つのフォトダイオード検出 素子が設けられ、前記ビームスプリツタの第１のスプリツタは前記４分の１波長 板からの光線を受け、該光線の第１の部分を異なった光路へ偏向して前記検出素 子の第１検出素子に向け、かつ該光線の第２の部分を他方のビームスプリッタへ 伝え、該他方のビームスプリッタは、前記光線の第３の部分を異なった光路へ偏 向して、前記検出素子の第２検出素子へ向け、かつ前記光線の第４の部分を光路 中に位置する第３検出素子に向わせることを特徴とする請求の範囲第３項に記載 の光検出システム。 ５）前記２つのビームスプリッタの少なくとも１つは、前記結合光線における円 偏光光線の互いに直交する偏光成分を反射および透過する上での係数を有し、該 係数は０％以上１００％以下であり、偏光子が前記光線の部分の１つの光路中で 、かつ前記ビームスプリッタと前記検出素子の１つとの間に配置され、当該偏光 子は前記直交する方向の１つの方向に偏光された光のみが当該検出素子の１つに 到達するような偏光状態を有することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光 検出システム。 ６）前記２つのビームスプリッタの双方とも前記直交する偏光成分を反射および 透過する上での係数を有し、該係数は０％以上１００％以下であり、適切な偏光 状態を有する偏光子が、前記ビームスプリッタと組合される検出素子との間の前 記光線の各部分の光路中に配置され、当該偏光子により前記検出素子の１つはＳ −偏光光のみを受光し、前記検出素子の他の１つはＰ−偏光光のみを受光し、第 ３検出素子はＳ−およびＰ−偏光光の混合を受光することを特徴とする請求の範 囲第５項に記載の光検出システム。 ７）前記２つの互いに直交する方向にそれぞれ偏光された光に対する前記ビーム スプリッタの反射および透過係数と前記第３検出素子の位置は、前記偏光子に到 達する結合光線の前記２つの互いに直交する偏光成分の強度が実質的に等しいよ うに選択されることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光検出システム。 ８）前記２つのビームスプリツタの、２つの互いに直交する偏光状態に対する反 射係数ＲｐおよびＲｓは、それぞれ３０％および６０％であり、２つの互いに直 交する偏光状態に対する透過係数ＴｐおよびＴｓはそれぞれ７０％および４０％ であり、前記第３検出素子の上流にある偏光子は前記２つの直交する方向に対し て４５度で偏光されることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の光検出システ ム。