JP4316691B2 - 偏位を測定するための装置 - Google Patents

Description

【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．１３８２〜１３８４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 interferometric 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（Measurement 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 rantages in displacement measuring interferometry ”）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 ）ｐｐ．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 optic interferometric system for surface profiling”）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５，２７４，４３６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４，９５８，９２９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（Teague）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 meters 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ｆ１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 Electronics 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５５１７Ａ）。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Ｄ１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。

Claims (6)

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第１の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、
   前記第１と第２の再帰反射器でそれぞれ反射され互いに分割された状態の前記第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の光検出器とを含み、前記干渉計の前記第１と第２の出力ビームの周波数が反対の方向にシフトされるように前記第１の再帰反射器を移動可能とし、
   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み、
   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、装置。
2. 偏光維持光ファイバが前記光源から前記干渉計の入力経路上に前記光を送る、請求項１に記載の装置。
3. 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２に記載の装置。
4. 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に記載の装置。
5. 結合された前記スラブの外側表面が反射防止膜で被覆される、請求項１に記載の装置。
6. 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。

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