JPH09325005A - 偏位を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏位に対して反対に応答する二重出力を有す
るヘテロダイン干渉計を含むファイバ結合感知ヘッドを
提供する。 【解決手段】 偏光維持ファイバを通して、２つの偏光
モードの各々に１つの周波数成分を与えるよう、２つの
周波数のレーザ光がセンサに供給される。いかなるファ
イバ位相の変化もプッシュ−プル対称によって除去する
ことができる。波長プレートによる偏光変換は必要では
ない。１つのレーザによって多数のセンサヘッドを用い
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は一般に偏位（物体の位置の変
化）を測定するための器具であって、適切なトランスジ
ューサに生じる偏位から決定できる力、圧力または他の
物理量を測定するためのセンサを含むものに関し特に、
高分解能および高精度で偏位を測定するための光学干渉
計に関する。

【０００２】

【先行技術の説明】精密な精度で偏位を測定するための
標準器具は光学ヘテロダイン干渉計である。このような
干渉計は２つの周波数のコヒーレント光を用いる。した
がってこれは２つのレーザか、２つの周波数を放出する
１つのレーザか、単一周波数レーザに１つまたは２つの
光学周波数シフタを加えたものかを必要とする。これら
のエレメントのサイズおよび熱負荷が理由となり、２つ
の周波数の光源は普通は干渉偏位感知光学器械（以下セ
ンサヘッドと呼ぶ）とは別個に収められる。一般に光源
は自由空間を通る平行ビームによって１つまたは数個の
センサヘッドに光を与える。このため各センサヘッドは
その光供給ビームと整列する必要があり、かつ使用中の
センサヘッドの移動はすべてそのビーム経路に沿って行
なわれなければならない。

【０００３】他の型の干渉計を用いるファイバ結合偏位
センサも公知であるが、これらのセンサはヘテロダイン
干渉計よりも精密度が低い。

【０００４】以下の特許は、距離または偏位を測定する
ためのファイバ結合干渉計の代表例である。

【０００５】コール他（Cole et al. ）の米国特許第
５，０９４，５３４号およびアルリッチ（Ulrich）の米
国特許第４，５９６，４６６号は干渉性の低い干渉計を
例示している。偏位を測定するための従来の（干渉性の
高い）干渉法の精度の利点は、極端に均一で細かい物差
しとして精密な波長の光を用いることから生まれた。干
渉性の低いこれらのシステムは、リモート偏位の局部的
コピーを作るようにするためのみに光を用いる。これら
の特許参照物が強調しているように、時間があればコピ
ーは非常に精密に行なうことができるが、局部的偏位の
測定は従来の干渉法の速度／範囲／精度のレベルをはる
かに下回る。これらのシステムはファイバ長さの変化に
よる影響を受けないが干渉性の低い光においてしか機能
しない。

【０００６】以下の干渉計はすべて干渉性の高い光を利
用する。タッカー他（Tucker et al. ）の米国特許第
５，１０６，１９２号はこの発明に従ったシステムより
も精度レベルの低いいくつかの干渉計のシステムであ
り、ミラーまたは再帰反射器とは反対に光学的に粗い表
面に用いられるよう意図されている。（粗い表面の干渉
法では、干渉位相は２つまたはそれ以上の光波長におけ
る同じ物体上の同じスポットから測定される。波長のう
ちいずれか１つにおける絶対位相からではなく、レーザ
波長による、この位相の変化からおよその範囲が計算さ
れる。それ自体で読取る１つの位相にはいずれも情報価
値がない。なぜなら、ターゲット表面上の照明スポット
は半波長のオーダの高さの変化を含み得るからである。
範囲の精密さは従来の干渉法よりも典型的に１００から
１０００倍低く、これはこの発明に従ったシステムに対
する平均波長のおよその比、すなわち採用される波長の
分布である。）このシステムは臨界経路にファイバを用
いるが、ファイバ長さの変化は議論されない。

【０００７】多重化を可能にするよう光ヘテロダインが
用いられる。すなわち、異なった波長のいくつかの干渉
計が同じファイバ光学リンクを通して同時に動作し、こ
の多重化はレーザ−波長分離ではなくヘテロダイン−周
波数分離に基づく。したがって１つの物体を測定するた
めにここではいくつかのレーザが用いられており、この
一方でこの発明によるシステムでは、１つのレーザによ
って数個の物体を測定することができる。

【０００８】以下の干渉計は粗い表面ではなく平滑な反
射器に関する。１９９２年１０月１日のオプティクスレ
ター第１７巻（Optics Letter, Vol.17 ）ｐｐ．１３８
２〜１３８４に記載のＵ．ミノーニ（U. Minoni ）の
「偏位測定のためのファイバ−応力に不感知な干渉計の
セットアップ」（“Fiber-stress-insensitive interfe
rometric setup for displacement measurement ”）を
参照する。Ｕ．ミノーニは、４分の１サイクル離れた２
つの位相を測定する単一周波数の干渉計を例示してい
る。（１つの光ファイバは光源だけでなく両方の光検出
器にも用いられ、３つの経路はすべて非臨界的であ
る。）原則としてこのような２つの位相の単一周波数干
渉計は実数値のバンドパス信号の代わりにそれに相当す
る複素値のベースバンド信号を処理して、２つの周波数
の干渉計と同じ偏位情報を得ることができる。実際には
複素値のベースバンド信号の処理は一般的にはより困難
であり、かつノイズおよびドリフトによる影響を受けや
すい（１９９３年の測定科学および技術第４巻（Measur
ement Science and Technology, Vol.4 ）ｐｐ．９０７
〜９２６のＮ．ボブロフ（N. Bobroff）の「偏位測定干
渉計における最近の進歩」（“Recent advances rantag
es in displacement measuringinterferometry ”）参
照）。なぜならこの場合、電子利得およびオフセットを
較正して安定させる必要があるからである。最も高い精
度は２つの周波数の干渉計のバンドパス信号によって維
持するのが簡単である。

【０００９】残る干渉計はすべて２つの周波数の型であ
る。（源（ソース）および信号処理の詳細は異なるが、
このような標準技術は相互交換可能である。）さらにそ
れらはすべてある方法で、すなわち１つの偏波面保存フ
ァイバの２つの偏光モードを介してファイバ結合されて
いる。したがってファイバ長さの変化によりそれらはす
べて影響を受け、かつそれらはすべて最後の出力におい
てこれらの影響を除去するようさまざまな形の二重干渉
計を用いる。センサの形は異なるがそれらすべては同じ
本質的な光効率（成分における超過損失を無視する）を
有し、かつある程度までは多数のセンサの間でソースを
共有することが可能であろうが、これは常に可能である
とは限らない。

【００１０】１９９０年１２月の化学器具の論評第６１
巻（Review of Scientific Instrument, Vol.61 ）ｐ
ｐ．７５３〜７５５のＦ．ファラヒ（F. Farahi ）およ
びＤ．Ａ．ジャックソン（D. A. Jackson ）の「表面分
布のためのファイバ光学干渉システム」（“A fiber op
tic interferometric system for surface profilin
g”）を参照する。偽ヘテロダイン技術が述べられ、こ
の偽ヘテロダイン技術では光源において信号処理が経済
的である。ここでもまたこの光源は（適切な信号処理を
伴うときには）他のものと相互交換可能である。このセ
ンサと、チェイニー（chaney）の米国特許第５，２７
４，４３６号に示されているものとは似ている。米国特
許第５，２７４，４３６号においてターゲットの移動は
両方の干渉計ではなく１つの干渉計のみにおいて感知さ
れる。この「単一端部の」配置ではこの発明による「プ
ッシュ−プル式」形態の感度の半分である。さらに、干
渉計の臨界部分にはこの発明によるシステムよりも多く
の光学部品があり、かつそれほどは左右対称でない（後
に説明されるこの発明の図６および図７参照）。これに
より、所与の精度まで上げるのが困難になる。位相エラ
ーの１つの原因は波面収差と組合された、反射器の横方
向の移動である。（よい光学器械にさえも０．１波長の
収差があり得、この発明によるシステムにおける適用例
を含むいくつかの適用例はかなりの横方向の移動を伴
う。）この発明によるシステムはそのプッシュ−プル対
称のおかげでこの影響を一時除去するが、チェイニーの
システムは除去しない。

【００１１】反射器から戻る光ビームは（平坦な反射器
またはコーナーキューブによる円偏光の反転に基づい
て）偏光を操作され、それらが空間的に重なる、外に向
かうビームから分離されるようにされることに注目すべ
きである。この重なりは平坦なミラーまたは中央に位置
づけられた再帰反射器を用いることから生ずる。この発
明によるシステムではコーナーキューブは中心からずれ
て照明されるため、反射ビームは外に向かうビームから
既に空間的に分離されている。この空間分離により、後
に説明されるこの発明のシステムが偏光座標を用いて左
右対称なプッシュ−プル作用を起こすようになる。これ
によりさらに、精度が最も高くなるようキューブコーナ
ーのジョイントがビーム経路の外に保たれるようになる
（上記のＮ．ボブロフ参照）。

【００１２】先行技術のさらなる参照物の代表例はコン
ドウ（Kondo ）の米国特許第４，９５８，９２９号であ
り、これは後に説明される本件のシステムよりも複雑で
あり、かつ形がそれほど左右対称的ではないプッシュ−
プル形態を示している。図６のコンドウの実施の形態は
ソースを共有するようにしている。これとは対照的に本
件のシステムはその中に記される９０°の偏光回転を用
いない。本件のシステムは２つの付加的な成分を用い
る。すなわち光検出器の前に斜め偏光アナライザ（後の
図面に示される図６〜７のＡ１〜２）を用いる。これら
の付加的な成分は干渉計の非臨界部分にはなく、さらに
費用も安い。それらはさらに輝度の均衡を調節する手段
を提供し、これは偏光を混合することから起こるものの
ようなエラーの原因となるいくつかの要素を無くすのに
有用であろう（上記のＮ．ボブロフ参照）。

【００１３】コンドウの米国特許番号第４，９５８，９
２９号のシステムでは、２つの反射器のうち１つのみに
おいて、反対向きに偏光された２つのビーム成分が（円
偏光反転または他の不特定の手段によって）場所を交換
する。ビーム交換はいずれかの場所で必要であるが、こ
こに置くと少なくとも１つの付加的な光学成分が臨界経
路に必要になり、かつ対称が損なわれる。提案されてい
る方法には一方の反射器に円偏光を送り他方に直線偏光
を送り、反射器および波長プレートが現実的に不完全な
場合にはこれは精度に影響を及ぼすおそれがある。さら
に、波長プレートを用いることにより偏光状態が温度に
依存するようになる（上記のボブロフ参照）。本件のシ
ステム（この出願の図面の図６〜７を参照）では、（ビ
ームスプリッタの遠い下流の方での）類似したビーム交
換は波長プレートを必要としない。干渉計の臨界部分は
単純であり、かつ先に参照した先行技術の他のシステム
とは無類の左右対称性を有し、それにより成分が不完全
になるのを最小限にし、かつ最良の結果をもたらすよう
にする。

【００１４】

【発明の概要】この発明はファイバ光学器械のいくつか
の利点（熱分離、小さなまたは離れた場所への非妨害的
なアクセスおよび整列を損なうことのない可動式ジョイ
ントまたは柔軟性構造への接続）を（偏位または距離の
精密測定に広く用いられる）ヘテロダイン干渉法の実施
に加え、ヘテロダイン方法が評価される精度を保持す
る。ファイバ光学器械はさらに、いくつかの干渉計が１
つの光源をはるかに自由に共有できるようにする。さら
なる特徴には、光学ファイバにおける、環境による影響
を除去するのに用いられる干渉計の形が左右対称である
ことにより、不確定ないくつかの他の光源へのシステム
の感度がさらに減じられることが挙げられる。最後に、
このシステムの偏位をリモート干渉感知することによ
り、小さな偏位に変換され得る力、圧力または他の量の
リモート感知が可能になる。

【００１５】ファイバ光学器械の役割を明らかにするた
めに、ヘテロダイン干渉計が（１）２つの周波数のコヒ
ーレント光源の要件（２）測定軸を規定する感知ヘッド
および（３）光検出システムからなるとする。（２）お
よび（３）をファイバ光学器械リンクによって切離し
て、オプトメカニクスおよびオプトエレクトロニクスが
さまざまな熱環境および電気ノイズ環境で動作するよう
にするのが直接的である。議論中のすべてのシステムは
この役割にファイバ光学器械を用いることができ、この
特徴を有する器具は市場で入手可能である。しかしなが
らこのシステムは特定な形のヘテロダイン干渉計であっ
て、ファイバ−光学器械リンクが（１）から（２）に光
を供給できるようにして、リモートレーザから１つまた
はそれ以上のセンサヘッドに動力を供給し、センサの配
置がより柔軟的になるようにするものである。ファイバ
光学器械の用途のうち後に述べたもののみがさらに議論
されることとなる。

【００１６】ファイバ結合干渉法において設計上考慮す
べきいくつかの点を挙げる。（１）２つの光学ビームが
干渉する場合、両ビームが光路を横切るならば光路の一
部分は長さに関して非臨界的であるが、もしビームのう
ち１つのみが横切るならば臨界的である。（２）光ファ
イバは実際の長さが（たとえば温度および湾曲応力によ
り）変わりやすく、これは臨界経路において無視できな
い。ヘテロダイン干渉法においてさらに考慮すべき点を
挙げる。（３）センサは２つの周波数の光を必要とす
る。（４）各センサヘッド内で一方の周波数を他方の周
波数から分けたり引出したりするのは不都合である。
（５）２つの周波数に対して別個の供給経路を用いると
両経路が臨界的になる。この状況においては偏光維持フ
ァイバを考慮する必要があり、この偏光維持ファイバは
別個の偏光モードにおいて２つの光波を独立して運ぶこ
とができる。さらにこれらの２つのモードの光学長さの
差は、０．０１波長より小さいであろう公差より大きい
長さ分だけ変化し得る。（典型的な波長は１ミクロンの
オーダの可視域内か、またはその範囲付近にある。） したがってファイバ結合ヘテロダイン干渉法は以下に詳
細が説明されるこのシステムに従ってファイバ長さの変
化を考慮に入れた新しい形の干渉計を必要とする。

【００１７】この発明は、以下の点において先に述べた
先行技術のヘテロダイン干渉計とは異なる光学ヘテロダ
イン干渉法を用いる、精密偏位測定装置である。

【００１８】（１） 必要な２つの周波数のレーザ光は
一般的な開放ビーム光学器械の代わりに光ファイバを通
して光源から偏位感知ヘッドに運ばれる。

【００１９】（２） 干渉計は相補に対称である２つの
出力を有する。すなわち、不所望な効果とは区別ができ
る、差動モードに現れる偏位への応答であり、これは共
通モードに表われる光供給ファイバの状態を変化させる
ものを含む。

【００２０】この発明のさらなる特徴および利点は以下
のとおりである。 （１） センサヘッドは光源と整列する必要はなく、フ
ァイバ−光学器械がそれと接続されているだけでよい。
したがってセンサヘッドは任意的に運動している物体上
にか、スペースまたはアクセスが非常に制限されている
場所に置くことができる。

【００２１】（２） 光供給経路が完全に封入されるた
め、レーザの安全に関する心配が最小になる。

【００２２】（３） １つの光源によって、多くのセン
サヘッドの役割を都合よく果たすことができる。

【００２３】（４） 感知される偏位は所与のレーザ波
長に対して普通の干渉位相変化の２倍になるため、測定
感度が改善される。

【００２４】この発明のこれらおよび他の目的、特徴お
よび利点は例示の目的のみでこの発明のいくつかの実施
の形態を示す図面を参照すると理解できるだろう。

【００２５】

【好ましい実施例の詳細な説明】都合のよい光源装置が
図１に示され、これは安定した１つの単一周波数レーザ
と、２つの周波数のシフタとを用い、これらの各々はレ
ーザ出力のおよそ半分を受取る。周波数シフタには音響
光学セルがよい選択であるが、他の型も公知である。こ
れらは典型的に２０ＭＨｚと１００ＭＨｚとの間である
周波数ＲＦ１およびＲＦ２の電気信号で駆動し、これら
の電気信号は周波数シフトの大きさを決定する。セルは
上または下のいずれかの周波数シフトを提供するよう設
計することができる。両シフトを同じ方向にすると、典
型的には０．２ＭＨｚから２０ＭＨｚの範囲にあるのが
望ましい出力光学周波数ｆ１とｆ２との差が、選ばれた
ＲＦ１とＲＦ２との差と同じになる。ファイバ−光学器
械接続および、光波を分割または結合するファイバカプ
ラはすべてＰＭファイバで作られる。各ファイバの両端
では、ファイバ偏光軸は、光がファイバに入る際に有す
るか、またはファイバを出なければならないときに有す
る偏光によって配向される。特にカプラ２への２つの入
力ファイバは光学周波数成分ｆ１およびｆ２が、異なっ
たファイバ偏光モードに入るよう配向される。その後カ
プラにはこれらの周波数成分の両方をその出力のＮすべ
てにおよそ等しく分配する。各出力は必要に応じてその
２つの偏光モードの各々において１つの周波数成分を受
取る。

【００２６】図２はいかにしてセンサが働くかを示す。
先に述べた特性を持つ光がＰＭ型の供給ファイバＦを通
って到着する。このファイバの出力端部では、その偏光
軸と、したがって現れる光とは紙の面に対して平行およ
び垂直に配向される。光ビームは都合よい直径でレンズ
Ｌによって視準されるまでファイバから分岐する。ビー
ムはこのレンズを越えると、示される残りの経路にわた
って実質的に視準されたままで保たれ、したがって簡単
にするために中央の光線のみが描かれている。

【００２７】偏光ビームスプリッタＰ２は、異なったこ
れらの偏光によって光を２つの周波数成分に分ける。定
義づけるために、ｆ１はミラーＭ２に向かって反射する
ｓ偏光成分を表わすとする。さらにｆ１は２つの周波数
のうち大きな周波数であると仮定する。ミラーはそのそ
れぞれのビームを（異なった方向から）非偏光ビームス
プリッタＮに向けて反射し、ここで各ビームは再帰反射
器Ｒ１またはＲ２に至る、外に向かう２つの経路の間で
およそ等しくエネルギを分割される。この最後の２つの
ビームはここでもまた、印がつけられた２つの周波数お
よび偏光成分の複合物である。さて、もしＲ１の位置が
固定され、かつＲ２が示された方向にｖの速度で移動す
るとどうなるかを考える。Ｒ２から反射する各ビーム成
分はｖに比例する周波数シフトを経験する。（比例定数
は、レーザ波長の逆数の２倍である。）最後の偏光ビー
ムスプリッタＰ２はＦ２ビーム成分が依然としてｓ偏光
されているため（Ｐ１と同じように）それらを再度反射
し、ｆ１ビーム成分は依然としてｐ偏光されているため
（それらがＰ１を通過したように）真っ直ぐに通過す
る。このためＰ２を出て光検出器に向かう複合ビーム
は、入ってくるものとは異なって対にされる。各検出器
はドップラーシフトされた１つのビーム成分をＲ２から
受取り、かつＲ１からシフトされていない１つのビーム
成分を受取る。

【００２８】光検出器Ｄ１およびＤ２の前には偏光アナ
ライザＡ１およびＡ２がある。典型的なヘテロダイン干
渉計（参照１：１９９３年の精密工学技術第１５巻第３
号ｐｐ．１７３〜１７９に記載の、Ｎ．Ｍ．オールドハ
ム（Oldham）、Ｊ．Ａ．クレーマ（Kramar）、Ｐ．Ｓ．
ヘトリック（Hetrick ）およびＥ．Ｃ．ティーグ（Teag
ue）の「ヘテロダイン干渉計の位相メータにおける電子
工学的限界」（“Electronic limitations in phase me
ters for heterodyne interferometry”））におけるよ
うに、これらのアナライザは対角線状に配向されて入射
ビームにおける各偏光成分のおよそ半分を送るようにす
る。（２つの対角線のうちいずれが用いられるかによっ
てはあまり差がない。）送られたビームの各々には依然
として（異なった経路を通った）２つの周波数成分があ
るが、これらはこのとき同じ偏光状態にあるので光学干
渉される。干渉ビーム成分の位相差である干渉位相は異
なった周波数によって時間的に変化する。

【００２９】光検出器Ｄ１においてこの周波数の差は
（ｆ１−ｆ２）＋ｋｖであり、Ｄ２では（ｆ１−ｆ２）
−ｋｖである。したがって１つの再帰反射器の仮定上の
移動により干渉計の２つの出力信号の周波数が反対の方
向にシフトされるのがわかる。その後もし移動している
再帰反射器が静止すれば、明らかにその位置変化は初め
に要求されたとおり２つの干渉位相をさらに反対の方向
にシフトさせていることとなる。さらに、光学周波数ｆ
１またはｆ２がセンサヘッドに入る前に（実際にはビー
ムスプリッタＮより前であればどこでもよい）それらに
影響を及ぼす位相ドリフトはいずれも、同じ方向の干渉
位相両方に等しく影響を及ぼすことが明らかである。し
たがって光ファイバＦに起こると予期することができる
このような位相ドリフトはいずれも、２つの干渉位相を
同じ方向に等しくシフトし、かつ差動位相に影響を及ぼ
さない。

【００３０】これらの干渉計のための電気信号処理の仕
事は、偏位によって変化する干渉位相が１つではなく２
つあり、かつそれらの対象の量はそれらの位相差である
という点を除いては一般的なヘテロダイン干渉計のもの
と似ている。電気位相測定の多くの適切な方法が公知で
ある。（参照１） 一般的な光学成分によって基本的な原理を説明したが、
図３にはセンサヘッドの、改良された形態が示される。
そこでは図２のビームスプリッタおよびミラーの代わり
に１つのカスタム光学成分が用いられ、このため光学的
な整列が組込まれている。このコンポーネントは光学的
に平らな２つのガラススラブから製造される。スラブが
互いに組立てられる前に、ＮビームスプリッタおよびＰ
ビームスプリッタを形成する必要があるところに光学被
覆が置かれる。同様にミラーＭ１およびＭ２は反射被覆
によって形成される。好ましくは外側表面の残りの部分
には反射防止膜が被覆されている。

【００３１】いくつかの種類の２つの周波数の光源が公
知である。図１に示されるものは、２４個のセンサを伴
う特定的な器具使用上の問題に対して経済的であるとし
て選ばれた。２つのレーザを用いて、周波数シフタを用
いないこともできる。その場合レーザ周波数の差を、あ
る形で自動制御（参照２：たとえばLightwave Electron
ics series 2000 Laser Offset Locking Accessory）す
るのが便利であろうが、このような制御は精密でなけれ
ばならない。なぜなら、電気信号周波数が信号プロセッ
サによって使用可能に保たれる限り、（ｆ１〜ｆ２）の
徐々の変化により差動位相エラーは生じないからであ
る。共通のビーム経路に沿って、制御された周波数分離
の２つの周波数と、直交線形偏光とを放出するレーザシ
ステムもまた公知である（参照３：たとえばヒューレッ
トパッカード（Hewlett-Packard ）モデル５５１７
Ａ）。このような光源をファイバ結合するためにはカプ
ラ２の１つの入力のみが必要となり、もし１つのセンサ
ヘッドのみが用いられるならばカプラ自体は単一ファイ
バで置換えることができる。これに代えて、光供給ファ
イバが柔軟的でなくてもよい用途では、自由空間のビー
ムを用いて従来の２つの周波数の光源から図２またはそ
れより後の図面に示される形の１つまたはそれ以上のセ
ンサヘッドに光を運ぶこともできる。（この場合図のフ
ァイバＦおよびレンズＬは省略されることとなる。）プ
ッシュ−プル対称はそのまま保たれることとなる。

【００３２】光検出器が干渉計から離れて置かれてもよ
いということも既にわかっている。このことにより、セ
ンサヘッドを加熱することなく増幅器を検出器に近づけ
ることができる。この変形において、図２から図４のＤ
１およびＤ２は検出器自体ではなく、リモート検出器に
ファイバ結合された集光器を表わす。集光器は単に検出
器ファイバの端部に焦点合わせされるレンズであっても
よく、図のＦとＬとの配置の逆の配置であってもよい。
重要な違いは、検出器ファイバが供給ファイバＦよりも
はるかに大きなコアの直径を有するマルチモードの型で
あってもよいという点であり、これにより集光器の整列
が簡単になる。レンズの前の開口停止部はヘテロダイン
の効率を上げるのに役立つであろう。

【００３３】さらに、感知される位置に一度以上光を送
る反射器の配置によって、偏位感知干渉器の感度を高め
ることができることがわかっている。このような感度増
加機構は、本件のファイバ結合されたセンサヘッドと同
じ利点で用いることができる。

【００３４】もし光学上の不完全性によって、図面のア
ナライザＡ１またはＡ２の２つの偏光成分入射の輝度が
等しくならないならば、弱いビームのためにアナライザ
の向きを調節することによって等しくすることができ
る。

【００３５】再帰反射器Ｒ１またはＲ２のいずれかの偏
位が、またはそれらの間の差動運動が感知できる。再帰
反射器のうち一方または両方に接続された光ビームは補
助ミラーによって折返されて偏位に対して感度のある軸
を再度方向づけることができる。

【００３６】図４は可能な変形であって、１つの干渉位
相のみが偏位に対して感度があるが、前のような差動モ
ード信号処理によって共通モードの位相ドリフトをなお
除去することができ、それによりファイバ結合の利点が
保持されるものを示す。

【００３７】改良点 センサヘッド光学器械の形態は図２および図３の形態と
同じ、先行技術にまさる特有な特徴および利点を提供す
るが、少しのコンポーネントしか用いない。簡略化され
たこれらの形態は図５から７の形態に示される。

【００３８】動作の原理 先に述べた光源は変化しないため、それに関する説明は
繰返さない。

【００３９】図５のセンサの説明は視準レンズＬまでで
先に述べた説明と同じである。この点では視準ビームは
別個の偏光モードに２つの周波数成分を含む。

【００４０】図５では、センサは第１に以下の態様で図
２のものと異なる。視準ビームは、非偏光ビームスプリ
ッタＮを通過する。そこでｓ偏光ビームおよびｐ偏光ビ
ーム成分の各々は、再帰反射器Ｒ１またはＲ２に至る外
に向かう２つの経路の間でエネルギがおよそ等しく分割
される。したがって外に出るビームは依然として、記さ
れた２つの周波数および偏光成分の複合物である。前と
同じように、ｆ１がｐ偏光成分であり、ｆ２がｓ偏光成
分であり、ここでｆ１は２つの周波数よりも大きいとす
る。ここでもまた前と同じように、もしＲ１の位置が固
定されており、Ｒ２が速度ｖで移動するならば、Ｒ２か
ら反射する各ビーム成分はｖに比例する周波数シフトを
経験することとなる。偏光ビームスプリッタＰは、ｆ２
ビーム成分がｓ偏光されているためそれを反射し、ｆ１
ビーム成分はｐ偏光されているため真っ直ぐに進む。こ
こでもまた各光検出器はＲ２から１つのドップラーシフ
トされたビーム成分を受取り、かつＲ１から１つのシフ
トされていないビーム成分を受取る。

【００４１】ここからは、センサの説明は先に述べたも
のと同じである。光検出器Ｄ１およびＤ２の前には再び
偏光アナライザＡ１およびＡ２があり、これらは結果と
して生じたビームが干渉するようにする。ここでもまた
Ｄ１における差動周波数は（ｆ１−ｆ２）＋ｋｖであ
り、Ｄ２では（ｆ１−ｆ２）−ｋｖである。再帰反射器
の運動による効果は前と同じであり、かつ結果として生
じた位置の変化により、２つの干渉位相が反対の方向に
シフトするようになる。ここでもまた、ビームスプリッ
タＮよりも前に起こっている位相ドリフトはいずれも差
動位相には影響を及ぼさず、電気信号処理の仕事は先に
述べたものと同じである。

【００４２】基本的な光学成分によって基本的な原理を
説明したが、図６にはセンサヘッドを構成するための改
良した方法が示される。図５のビームスプリッタの代わ
りに１つのカスタム光学成分を用いているため、光学整
列が組込まれる。この成分は光学的な平らな２つのガラ
ススラブから製造される。スラブが互いに組立てられる
前に、ＮおよびＰビームスプリッタを形成する必要があ
るところに光学被覆が置かれる。図７には光学フラット
の代わりにキューブビームスプリッタの半分から作られ
た代替物の形が示される。すべての図において、法線入
射において見られる光学表面からの不所望な反射は、法
線入射（図示せず）から成分をわずかに離すことによっ
て取除くことができ、または一般的な反射防止膜によっ
て最小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】先に述べたいくつかのセンサヘッドに光ファイ
バによって接続される２つの周波数のレーザ光源の光学
概略図である。

【図２】この発明の原理を示す標準的な光学コンポーネ
ントを用いるセンサヘッドの実施の形態の光学概略図で
ある。

【図３】配列および安定性を改善するようカスタム光学
サブアセンブリを用いる本件のセンサヘッドの好ましい
形態の光学概略図である。

【図４】ファイバ結合の有利な特徴を保ったままで、感
度および対称度の減じられたセンサヘッドの簡単な形態
を示す光学概略図である。

【図５】少しのコンポーネントしか用いないが特有の同
じ特徴および利点を有する図２に示されるセンサヘッド
を簡略化した光学概略図である。

【図６】図５に示されるセンサヘッドよりも配列および
安定性がよいままで、図３に示されるセンサヘッドを簡
単にした変形であるカスタム光学サブアセンブリを用い
る、好ましい形のセンサヘッドの光学概略図である。

【図７】光学フラットの代わりにキューブビームスプリ
ッタの半分を用いる、図６のシステムの光学概略図であ
る。

フロントページの続き (72)発明者 トーマス・エス・ブレイデンバッチ アメリカ合衆国、55369−7666 ミネソタ 州、メイプル・グローブ、エヌ・イーグ ル・レイク・ブールバード、10692 (72)発明者 バーバラ・エイ・カプロン アメリカ合衆国、98029 ワシントン州、 イザクア、エス・イー・サーティセカン ド・ストリート、20129 (72)発明者 デイビッド・エイ・リープ アメリカ合衆国、98198 ワシントン州、 シアトル、フォース・プレイス・エス、 21413 (72)発明者 チャールズ・レイ・ポンド アメリカ合衆国、98198 ワシントン州、 デス・モイネス、ピィ・オゥ・ボックス・ 98811（番地なし)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏位を測定するための装置であって、 ２つの波長および２つの直交偏光におけるコヒーレント
   光源と、 互いに関連して形成されて、第１および第２の出力ビー
   ムを出力するヘテロダイン干渉計を形成するようにする
   偏光ビームスプリッタ、非偏光ビームスプリッタおよび
   第１および第２の再帰反射器と、 前記コヒーレント光源から前記光を受取り、かつ前記光
   を前記干渉計へ向けるための手段と、 それぞれ前記第１および第２の出力ビームを受取り、か
   つ前記出力ビームの各々における２つの直交偏光の各々
   に到着する光の一部を送るように位置づけされる、第１
   および第２の線形偏光アナライザと、 それぞれ前記第１および第２の偏光アナライザを通して
   送られる光を検出するための第１および第２の光検出器
   とを含む、装置。
2. 【請求項２】 前記ヘテロダイン干渉計が、第２の偏光
   ビームスプリッタと、第１および第２のミラー表面とを
   さらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 偏光維持光ファイバが前記ソースから前
   記干渉計の入力経路上に前記光を送る、請求項１または
   ２のいずれかに記載の装置。
4. 【請求項４】 前記光を受取るための手段が、前記光フ
   ァイバから出た光を前記干渉計の入力経路上に視準する
   ように位置づけられるレンズを含む、請求項３に記載の
   装置。
5. 【請求項５】 前記偏光アナライザが第１および第２の
   偏光フィルタを含み、前記第１および第２の偏光フィル
   タのそれぞれの偏光軸は前記出力ビームの光の偏光に対
   して実質的に斜めに配向される、請求項１または２のい
   ずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】 前記干渉計が、光学的に透明な材料の第
   １の三角プリズムを含み、前記第１のプリズムは１つの
   面に沿った光学的に透明な材料の第２の三角プリズムに
   結合され、前記第１のプリズムの前記１つの面上の光学
   被覆は前記偏光ビームスプリッタおよび前記非偏光ビー
   ムスプリッタを形成するように構成される、請求項１に
   記載の装置。
7. 【請求項７】 結合された前記第１および第２のプリズ
   ムが１つの対角線に沿って分けられた光学キューブを形
   成する、請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 前記干渉計が光学的に透明な材料の第１
   のスラブを含み、前記第１のスラブは１つの側に沿って
   光学的に透明な材料の第２のスラブに結合され、前記第
   １のスラブの前記１つの側の光学被覆は、前記第１およ
   び第２の偏光ビームスプリッタおよび非偏光ビームスプ
   リッタを形成するように構成され、かつ前記第１および
   第２のスラブの両側にある反射被覆は前記第１および第
   ２のミラーを形成するよう構成される、請求項２に記載
   の装置。
9. 【請求項９】 結合された前記スラブまたはプリズムの
   それぞれの外側表面が反射防止膜で被覆される、請求項
   ６または８に記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記第１および第２の偏光アナライザ
    から前記第１および第２の光検出器にそれぞれ光を送る
    第１および第２の光学ファイバをさらに含む、請求項１
    に記載の装置。