JPH05203408A

JPH05203408A - 位相差検出器

Info

Publication number: JPH05203408A
Application number: JP31510992A
Authority: JP
Inventors: Arinori Tokuhashi; 有紀徳橋; Seiichiro Tabata; 誠一郎田端; Hirohisa Fujimoto; 洋久藤本; Hiroshi Yugawa; 浩湯川; Yukio Eda; 幸夫江田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】位相差検出器において、光学素子やフォトデ
ィテクタのスペースを減らし、簡単な構成で小型化を可
能にする。【構成】干渉計の出力光より、所定の位相差をもった
複数の信号を光電検出する位相差検出器である。四分の
１波長板２、各々の偏光軸の少なくとも一部が所定の角
度だけ異なるような複数の偏光子３〜６を受光量が略等
しくなるように配置した偏光手段、偏光手段の各偏光子
３〜６と１対１で対応するフォトディテクタ７ａ〜７ｄ
を備えているのが特徴である。出力信号を利用して、ア
ライメントを容易に行える利点も有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学素子の所要スペー
スを減じ小型化を図った位相差検出器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】縞計数方式の干渉測長器では、物体の移
動方向の判別や信号の分割のために、一般にｓｉｎ，ｃ
ｏｓの二相の信号を得るような構成になっている。

【０００３】図１０は、従来例の構成図である。１５は
レーザー光源、１７，２４及び２６は偏光ビームスプリ
ッター（ＰＢＳ）、２０は移動コーナーキューブ、２１
は固定コーナーキューブ、２２は二分の一波長板、２３
はビームスプリッター（ＢＳ）、２５は四分の一波長
板、２７〜３０はフォトディテクタ（ＰＤ）である。

【０００４】レーザー光源１５より発した光束１６はＰ
ＢＳ１７に入射し、紙面に平行な方向の偏光成分である
ｐ偏光成分１８と、紙面に垂直な方向の偏光成分である
ｓ偏光成分１９とに分離される。ｐ偏光成分１８は、移
動コーナーキューブ２０で反射して測定光となり、再び
ＰＢＳ１７に入射する。ｓ偏光成分１９は、固定コーナ
ーキューブ２１で反射して参照光となり、ＰＢＳ１７で
測定光と重ね合わされる。ＰＢＳ１７からの光束は、二
分の一波長板２２を通り、参照光、測定光ともに偏光の
方向が４５°回転したのち、ＢＳ２３により二分割され
る。ＢＳ２３を透過した光束は、ＰＢＳ２４で分割さ
れ、ＰＤ２７でｐ偏光成分、ＰＤ２９でｓ偏光成分がそ
れぞれ検出される。ＰＤ２７とＰＤ２９で得られる干渉
信号は、位相が互いに１８０°ずれている。

【０００５】一方、ＢＳ２３で反射した光束は四分の
一波長板２５を通り、参照光と測定光の間に位相遅れが
生じたのち、ＰＢＳ２６で分割され、ｐ偏光成分がＰＤ
３０で、ｓ偏光成分がＰＤ２８で検出される。ＰＤ２８
とＰＤ３０で得られる干渉信号は、位相が互いに１８０
°違い、かつ、ＰＤ２７，ＰＤ２９の信号と９０°ずれ
た位相を有する。つまり、位相が９０°づつ異なる四相
の信号が得られる。更に、位相が１８０°異なる信号ど
うしを引き算すれば、バイアス成分が相殺されて、振幅
が二倍になった二相信号か得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成では、使用する光学素子が大きいスペースを占める。
バイアス成分除去のため、通常は四相の信号を用いる
が、これを得るためには偏光ビームスプリッターと、四
光束それぞれの進行方向に対向してフォトディテクタを
配置するためのスペースが、特に必要になる。光源に半
導体レーザーを用いたり、光ファイバーを利用したりし
て、測長器の小型化をめざす場合、信号検出系の大きさ
は、重要な問題となってくる。この問題に対する一つの
解答として、特開平１ー２５０８０３号公報に示された
ものがあるが、回折格子を用いるので、特性のすぐれた
装置を製造すれば、高価格にならざるをえない。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、光学素子や
フォトディテクタの占めるスペースが少なく、小型で簡
単な構成の位相差検出器の提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、干渉計の出力
光が入射し、該出力光より互いに所定の位相差をもった
複数の信号を光電検出する位相差検出器において、四分
の一波長板と、各々の偏光軸の少なくとも一部が所定の
角度だけ異なるような複数の偏光子を各偏光子が受ける
光量が略等しくなるように配置してなる偏光手段と、該
偏光手段の各偏光子と一対一で対応するフォトディテク
タとを備えたことを特徴としている。

【０００９】また、上述の構成で、フォトディテクタの
出力を補正する信号を発生する補正手段を配し、干渉計
の出力光の光路中に光分岐手段を設け、該光分岐手段で
分割された一方の光束が偏光手段を経て該フォトディテ
クタに、他方の光束が該補正手段に導かれるようにした
ことを特徴としている。

【００１０】

【作用】四分の一波長板を透過した光束が偏光手段を透
過することにより、複数の光束に分割されることなく偏
光の方向が異なる複数の部分に区別される。そうして、
各偏光子を透過した部分光により生じた干渉縞が、互い
に所定の位相差をもって対応するフォトディテクタ上に
投影され、光電検出される。このため、光学素子が占め
るスペースが小さくて済み、フォトディテクタも互いに
近接して配置することができるので、高価な素子を用い
なくとも、小型化が容易になる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例を示す。１は干
渉計の出力光である光束で、ｐ偏光の測定光とｓ偏光の
参照光を含んでいる。２は四分の一波長板、３〜６は偏
光板で、矢印の向き（４５°ずつ異なる）に偏光軸がく
るようになっている。７は素子７ａ〜７ｄを有する四分
割フォトダイオード（ＰＤ）である。

【００１２】光束１は四分の一波長板２を透過し、測定
光成分と参照光成分は、互いに逆回りの円偏光に変換さ
れ、偏光板３〜６を透過する。このとき、偏光板３〜６
の偏光軸の向きが４５°ずつ異なるので、位相が９０°
ずつずれた四相信号となり、四分割フォトダイオード７
の各素子７ａ〜７ｄに入射する。従来例と同様に、位相
が１８０°異なる信号どうしを引き算すれば、バイアス
成分が相殺され振幅が２倍になった二相信号が得られ
る。

【００１３】図２は、本発明の第２実施例を示す。符号
１〜７は、図１と同じである。８は四分の一波長板２と
偏光板３〜６との間に配設したビームスプリッター（Ｂ
Ｓ）、９〜１２はもう１組の偏光板で、矢印の向き（４
５°ずつ異なる）に偏光軸がくるようになっている。１
３も素子１３ａ〜１３ｄを有するもう１組の四分割フォ
トダイオード（ＰＤ）である。

【００１４】第２実施例では、移動物体の傾きなどによ
り光束の横ずれを生じても、干渉信号振幅の極端な変
化、バイアス成分の増大などを防止できる。いま、四分
割フォトダイオード７の各素子７ａ〜７ｄの干渉信号
を、それぞれ下記の（１）〜（４）式で表す。

【００１５】ＡＳａ＝Ｉ_a〔１＋ｃｏｓφ〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）

【００１６】ＡＳｂ＝Ｉ_b〔１＋ｃｏｓ（φ−π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）

【００１７】ＡＳｃ＝Ｉ_c〔１＋ｃｏｓ（φ−π）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

【００１８】ＡＳｄ＝Ｉ_d〔１＋ｃｏｓ（φ−３π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）

【００１９】ここでＩ_a〜Ｉ_dは、各素子７ａ〜７ｄへ
の入射量に応じた量で、光束の横ずれに伴って変化する
量である。ビームスプリッターの反射・透過の差、偏光
板での吸収を無視すれば、四分割フォトダイオード１３
の各素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに入射する光
量は、それぞれＩ_b，Ｉ_a，Ｉ_d，Ｉ_cとなる。したが
って、四分割フォトダイオード１３の各素子１３ａ〜１
３ｄの各信号強度は、それぞれ下記の（５）〜（８）式
となる。

【００２０】ＢＳａ＝Ｉ_b〔１＋ｃｏｓ（φ−３π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）

【００２１】ＢＳｂ＝Ｉ_a〔１＋ｃｏｓ（φ−π）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）

【００２２】ＢＳｃ＝Ｉ_d〔１＋ｃｏｓ（φ−π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）

【００２３】ＢＳｄ＝Ｉ_c〔１＋ｃｏｓφ〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）

【００２４】二相信号を得るために、下記（９），（１
０）式の演算をする。

【００２５】Ｓ１＝（ＡＳａ＋ＢＳｄ）−（ＡＳｃ＋ＢＳｂ）＝２（Ｉ_a＋Ｉ_c）ｃｏｓφ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）

【００２６】Ｓ２＝（ＡＳｂ＋ＢＳｃ）−（ＡＳｄ＋ＢＳａ）＝２（Ｉ_b＋Ｉ_d）ｓｉｎφ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１０）

【００２７】つまり、四分割フォトダイオード７と四分
割フォトダイオード１３で、位相の１８０°異なる信号
の強度が等しくなるように偏光板を設置し、補正を行っ
ている。このため、（９），（１０）式のように、位相
の等しい信号どうしを足し合わせ、該信号と位相が１８
０°異なる信号との差をとることで、バイアス成分を除
去できる。また、光束の横ずれによりＩ_a〜Ｉ_dの値が
変化するときは、Ｉ_a, Ｉ_bの変化をＩ_c，Ｉ_dが補う
ように変化するので、（９），（１０）式が示すよう
に、信号Ｓ１，Ｓ２の振幅の変化も抑制される。

【００２８】図３は、第３実施例を示す。第２実施例に
おける偏光板の組み合わせを変えた構成である。すなわ
ち、一方の光路には、偏光軸の方向が互いに９０°異な
る偏光板３，５を２枚ずつ、隣接する象限に配置する。
もう一方の光路には、偏光板３，５とは偏光軸方向が４
５°異なる偏光板４，６を、同様に配置する。このと
き、四分割フォトダイオード７の各素子７ａ〜７ｄでの
干渉信号は、それぞれ下記の（１１）〜（１４）式とな
る。

【００２９】ＡＳａ＝Ｉ_a〔１＋ｃｏｓφ〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）

【００３０】ＡＳｂ＝Ｉ_b〔１＋ｃｏｓ（φ−π）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）

【００３１】ＡＳｃ＝Ｉ_c〔１＋ｃｏｓφ〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１３）

【００３２】ＡＳｄ＝Ｉ_d〔１＋ｃｏｓ（φ−π）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）

【００３３】また、四分割フォトダイオード１３の各素
子１３ａ〜１３ｄの各信号強度は、それぞれ下記の（１
５）〜（１８）式となる。

【００３４】ＢＳａ＝Ｉ_b〔１＋ｃｏｓ（φ−π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）

【００３５】ＢＳｂ＝Ｉ_a〔１＋ｃｏｓ（φ−３π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１６）

【００３６】ＢＳｃ＝Ｉ_d〔１＋ｃｏｓ（φ−π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１７）

【００３７】ＢＳｄ＝Ｉ_c〔１＋ｃｏｓ（φ−３π／２）〕・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１８）

【００３８】ここで、二相信号を得るために、下記（１
９），（２０）式の演算をする。その結果、バイアス成
分が残留するが、振幅の等しい二相信号がえられること
が分かる。

【００３９】Ｓ１＝（ＡＳａ＋ＡＳｃ）−（ＡＳｂ＋ＡＳｄ）＝（Ｉ_a＋Ｉ_c）−（Ｉ_b＋Ｉ_d）＋（Ｉ_a＋Ｉ_c＋Ｉ_b＋Ｉ_d）ｃｏｓφ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１９）

【００４０】Ｓ２＝（ＢＳａ＋ＢＳｃ）−（ＢＳｂ＋ＢＳｄ）＝（Ｉ_d＋Ｉ_b）−（Ｉ_c＋Ｉ_a）＋（Ｉ_d＋Ｉ_b＋Ｉ_c＋Ｉ_a）ｓｉｎφ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２０）

【００４１】図４は、第４実施例を示す。第４実施例
は、光束の強度分布が一様でなく、フォトダイオード各
素子に入射する光量の差が大きいときに、特に有効であ
る。第２実施例と同様、四分の一波長板２と偏光板３〜
６との間に、ビームスプリッター（ＢＳ）８を配設して
光束を分割させる。分割した一方の光束はＮＤフィルタ
ー１４を透過し、四分割フォトダイオード（ＰＤ）１３
に入射して検出される。そうして、四分割フォトダイオ
ード（ＰＤ）７の素子７ａの信号出力を、四分割フォト
ダイオード（ＰＤ）１３の素子１３ｂの信号出力で除す
るように、両四分割フォトダイオードの対応する素子の
信号出力を処理すれば、光束の横ずれや強度分布に影響
されない信号出力が得られる。ビームスプリッターの分
岐比は、反射が透過よりも小さい方が効率がよいが、限
定はされない。なお、ＮＤフィルター１４は、用いなく
とも差し支えない。

【００４２】図５は、第５実施例を示す。第１〜第４実
施例において、偏光板の直後に四分割フォトダイオード
を置く代わりに、イメージガイド４０を設けてある。こ
れにより、離れた所、例えばコントローラー内にあるフ
ォトダイオードに、干渉縞の強度分布の像を投影する。
第５実施例では、フォトダイオードや電気回路を検出系
と分離できるので、検出器の一層の小型化が図れる。

【００４３】以上の実施例において、各素子の出力をモ
ニターすることで、光束の横ずれ、つまり、移動ミラー
等のアライメントのずれが検出できる。例えば、第２実
施例では、四分割フォトダイオード７の右半分の素子７
ａと７ｄ及び四分割フォトダイオード１３の左半分の素
子１３ｂと１３ｃの出力の和から、四分割フォトダイオ
ード７の左半分の素子７ｂと７ｃ及び四分割フォトダイ
オード１３の右半分の素子１３ａと１３ｄの出力の和を
引けば、ＡＣ成分を含まない横方向（ｘ方向とする）の
アライメント誤差信号Ｓ_dxが得られる。つまり

【００４４】 S _dx＝(ASa+ASd+BSb+BSc)-(ASb+ASc+BSa+BSd)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２１）

【００４５】となる。そうして、Ｓ_dxが０になるよう
に、アライメントを行えばよい。同様に、各素子の上半
分の和から下半分の和を引いて、縦方向（ｙ方向とす
る）のアライメント誤差信号Ｓ_dyが得られる。

【００４６】 S _dy＝(ASa+ASb+BSa+BSb)-(ASc+ASd+BSc+BSd)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２２）

【００４７】第３，第４実施例では、例えば、四分割フ
ォトダイオード１３の４個の素子の出力から、下記の演
算により、ずれの有無とその方向を知ることができる。

【００４８】Ｓ_dx＝（ＢＳａ＋ＢＳｂ）−（ＢＳｃ＋ＢＳｄ）・・・・・・・・・・・・・・・・（２３）

【００４９】Ｓ_dy＝（ＢＳａ＋ＢＳｄ）−（ＢＳｂ＋ＢＳｃ）・・・・・・・・・・・・・・・・（２４）

【００５０】図６は、第６実施例を示す。この実施例で
は、第１〜第４実施例において偏光板の直後に四分割フ
ォトダイオードを置く代わりに、四本の光ファイバー４
１，４２，４３，４４とこれらに夫々対応して配置され
た四個のフォトダイオード４５，４６，４７，４８が使
用されている。偏光板４〜６を透過した光は縦横二本ず
つ並べられた光ファイバー４１〜４４に入射し、伝送後
四個のフォトダイオード４５〜４８の各受光面に向って
夫々射出する。本実施例では、第５実施例の利点に加え
て比較的入手し易いフォトダイオードや光ファイバーを
使用しているので、安価に構成することができるという
利点がある。

【００５１】図７は、第７実施例を示す。この実施例で
は、偏光板とフォトダイオードが一体的に構成されてい
る。即ち、フォトダイオード基板５０上に四個の光受光
部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを製作して、夫々の
光受光部上に偏光方向の異なる偏光板が張り付けられて
いる。各光受光部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄから
の信号はフレキシブル基板５１内の導電線を介して回路
基板５２へ伝送され、この回路基板からの出力はケーブ
ル５３を介して図示しないカウンターへ送られるように
なっている。本実施例では、偏光板とフォトダイオード
と回路基板をユニット化できるため、検出器全体を極め
て小型にすることができるという利点がある。

【００５２】図８は、第８実施例を示す。この実施例で
は、四分の一波長板２を通過した光ビームを拡散させた
後偏光板に当てるようになっている。即ち、図８（ａ）
に示すように、四分の一波長板２を通過した光ビームは
凹レンズ５４により拡散され、偏光板３〜６を通過した
後四分割フォトダイオード７で受光される。この場合、
光ビーム径がフォトダイオード７よりも充分大きけれ
ば、光ビームの光軸とフォトダイオード中心がずれても
光強度の差異は少ない。従って、フォトダイオード７の
取付け公差を緩やかにすることができるという利点があ
る。図８（ｂ）は、凹平レンズ５５と偏光板３〜６を張
り合わせた変形例を示している。このように凹平レンズ
と偏光板を一体化すると、各光学素子の取付けが容易に
なる。

【００５３】図９は、第９実施例を示す。この実施例で
は、光ビームを四分割してから各偏光板とフォトダイオ
ードに入射させるようになっている。即ち、図９（ａ）
に示すように、四分の一波長板２を通過した光ビームは
四角錐状に成形された光学硝子より成るビーム分割素子
５６により四分割された後、偏光板３〜６を通過して四
分割フォトダイオード７へ入射せしめられる。本実施例
では、光ビームが素子５５の中央に入射するようにすれ
ば、入射角度の違いから四つの扇形のビームに分割され
て、各ビームが偏光板の境界線上に入射しないようにす
ることができるから、四枚の偏光板の張り合わせ誤差の
影響を受けないようにすることができるという利点があ
る。又、特開平１−２５０８０３号公報に記載のように
回折格子を用いる場合に比べて安価な光学部品で済み、
而も回折格子と異なり一次光以外も利用できるので光量
が多いという利点もある。ビーム分割素子５６として
は、図９（ｂ）に示すように素子の中央が内側に引っ込
んだものや、図９（ｃ）に示すようにレンズを四枚張り
合わせたものでもよい。又、本実施例において、ビーム
分割素子５６の前方又は後方にレンズを配置してビーム
を縮小させるようにしてもよい。この場合は、偏光板や
フォトダイオードに入射するビームの径が小さくなるの
で、偏光板やフォトダイオードの取付け公差を緩やかに
することができるという利点も加わる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の位相差検出
器は、光学素子やフォトディテクタの占めるスペースが
減り、簡単な構成で小型化が容易になる。また、出力信
号を利用して、アライメントを容易に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図である。

【図２】本発明の第２実施例の構成図である。

【図３】本発明の第３実施例の構成図である。

【図４】本発明の第４実施例の構成図である。

【図５】本発明の第５実施例の構成図である。

【図６】本発明の第６実施例の構成図である。

【図７】本発明の第７実施例の構成図である。

【図８】（ａ）は本発明の第８実施例の構成図である。
（ｂ）は第８実施例における一部変形例を示す図であ
る。

【図９】（ａ）は本発明の第９実施例の構成図である。
（ｂ）は第９実施例におけるビーム分割素子の一変形例
を示す図である。（ｃ）は第９実施例におけるビーム分
割素子の他の変形例を示す図である。

【図１０】本発明を使用しない従来例の構成図である。

【符号の説明】

２四分の一波長板３〜６偏光板７四分割フォトダイオード９〜１２偏光板１３四分割フォトダイオード２２四分の一波長板２７〜３０フォトディテクタ４０イメージガイド４１〜４４光ファイバー４５〜４８フォトダイオード５０フォトダイオード基板５１フレキシブル基板５２回路基板５３ケーブル５４凹レンズ５５凹平レンズ５６ビーム分割素子

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５２】図８は、第８実施例を示す。この実施例で
は、四分の一波長板２を通過した光ビームを拡散させた
後偏光板に当てるようになっている。即ち、図８（ａ）
に示すように、四分の一波長板２を通過した光ビームは
凹レンズ５４により拡散され、偏光板３〜６を通過した
後四分割フォトダイオード７で受光される。この場合、
光ビーム径がフォトダイオード７よりも充分大きけれ
ば、光ビームの光軸とフォトダイオードの中心がずれて
も光強度の差異は少ない。従って、フォトダイオード７
の取付け公差を緩やかにすることができるという利点が
ある。図８（ｂ）は、凹平レンズ５５と偏光板３〜６を
張り合わせた変形例を示している。このように凹平レン
ズと偏光板を一体化すると、各光学素子の取付けが容易
になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者湯川浩東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者江田幸夫東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】干渉計の出力光が入射し、該出力光より
互いに所定の位相差をもった複数の信号を光電検出する
位相差検出器において、四分の一波長板と、各々の偏光軸の少なくとも一部が所
定の角度だけ異なるような複数の偏光子を各偏光子が受
ける光量が略等しくなるように配置してなる偏光手段
と、該偏光手段の各偏光子と１対１で対応するフォトデ
ィテクタとを備えたことを特徴とする位相差検出器。
【請求項２】フォトディテクタの出力を補正する信号
を発生する補正手段を有し、干渉計の出力光の光路中に
光分岐手段を設け、該光分岐手段で分割された一方の光
束が偏光手段を経て該フォトディテクタに、他方の光束
が該補正手段に導かれるように配してなることを特徴と
する請求項１の位相差検出器。