位移檢測裝置、位移測量裝置和固定點檢測裝置的制作方法

專利名稱：位移檢測裝置、位移測量裝置和固定點檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過檢測由衍射光柵衍射的衍射光檢測位移的位移檢測裝置，通過采用由衍射光柵衍射的衍射光的干涉測量位移量的位移測量裝置，以及通過衍射光檢測固定點的固定點檢測裝置。
背景技術：
已知設計成利用光的干涉檢測安裝到活動標尺上的衍射光柵的位置位移的光柵干涉儀?，F在，通過參照附圖的圖1在下面描述位移檢測裝置。圖1示意性描述包括透過型衍射光柵的位移檢測裝置。
如圖1中所示，位移檢測裝置包括相干光源部分90、第一透鏡91、第一偏振光束分離器(PBS)92、第一四分之一波片93、反射棱鏡94、第二四分之一波片95、第二透鏡96、光束分離器(BS)97、第二PBS98、第一光電變換器99、第二光電變換器100、第三四分之一波片101、第三PBS102、第三光電變換器103、第四光電變換器104、第一差動放大器105、第二差動放大器106和步進信號發(fā)生器107(incremental signal generator)，并且所述位移檢測裝置適于讀出設置于標尺108之上的透過型衍射光柵。
相干光源90發(fā)射光至第一透鏡91。第一透鏡91會聚入射光，以產生合適的光束，并將它發(fā)射至第一PBS92。第一PBS92將進入它的光束分成分別具有S-偏振分量和P-偏振分量的兩個光束。S-偏振光束是由撞擊分界面的光和通過光分界面反射的光形成的偏振分量，并且其適于在垂直于入射平面的方向上振蕩。P-偏振光束是適于在相對于入射平面水平的方向上振蕩的偏振分量。通過第一PBS92反射具有S-偏振分量的光束，而將具有P-偏振分量的光束透過第一PBS92。如果來自相干光源部分90的光束是線性偏振光，則在它撞擊第一PBS92之前它的偏振方向以45°傾斜。由于該設置，使具有S-偏振分量的光束的強度和具有P-偏振分量的光束的強度彼此相等。
使通過第一PBS92反射的具有S-偏振分量的光束撞擊記錄在標尺108上的衍射光柵的點P，而使透過第一PBS92的具有P-偏振分量的光束撞擊衍射光柵的撞擊點Q。它們在相應方向上的衍射通過下面的公式表示sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ，其中θ1表示相對于標尺108的入射角度，并且θ2表示從標尺108的衍射角度，同時Λ表示光柵的節(jié)距(寬度)，并且λ和n分別表示光的波長和衍射程度。
如果在點P處的入射角度和衍射角度分別是θ1p和θ2p，同時在點Q處的入射角度和衍射角度分別是θ1q和θ2q，則調節(jié)圖1的已知的位移檢測裝置，以實現θ1p＝θ2p＝θ1q＝θ2q。衍射程度在點P和點Q處是相同的。
使在點P處衍射的光束(S-偏振分量)通過第一四分之一波片93，并通過反射棱鏡94垂直地反射，并返回至點P，從而被衍射光柵衍射。同時，由于第一四分之一波片93的光軸相對于入射光的偏振方向以45°傾斜，因而返回至點P的光束具有P-偏振分量。
另一方面，使在點Q處衍射的光束(P-偏振分量)通過第二四分之一波片95，并通過反射棱鏡94垂直地反射，并返回至點Q，從而被衍射光柵衍射。同時，由于第二四分之一波片95的光軸相對于入射光的偏振方向以45°傾斜，因而返回至點Q的光束具有S-偏振分量。
在點P和Q處再次被衍射的光束然后返回至第一PBS92。由于從點P返回的光束具有P-偏振分量，因而它透過第一PBS92。另一方面，由于從點Q返回的光束具有S-偏振分量，因而它被第一PBS92反射。因此，使返回至點P和點Q的光束在第一PBS92處彼此重疊，并通過第二透鏡96被會聚成合適的光束，該光束然后進入BS97。
BS97將進入的光束分成兩束，使一束進入第二PBS98，同時另一束進入第三四分之一波片101。需要指出，相對于入射光的偏振方向以45°傾斜第二PBS98和第三四分之一波片101。
將進入第二PBS98的光束分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束，使具有S-偏振分量的光束進入第一光電變換器99，同時使具有P-偏振分量的光束進入第二光電變換器100。在第一光電變換器99和第二光電變換器100處獲得干涉信號Acos(4Kx+δ)。在Acos(4Kx+δ)中，K等于2π/Λ，而x表示移動量，同時δ表示初相位。需要指出，在第一光電變換器99處獲得的信號和在第二光電變換器100處獲得的信號表現出180°的相位差。
在進入第三四分之一波片101的光束中，在相對方向上圓形偏振具有P-偏振分量的光束和具有S-偏振分量的光束，并使其彼此重疊，以產生線性偏振光束，然后進入第三PBS102。將進入第三PBS102的光束分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束，使具有S-偏振分量的光束進入第三光電變換器103，同時使具有P-偏振分量的光束進入第四光電變換器104。因為衍射光柵在x方向上移動Λ/2，進入第三PBS102的線性偏振光束的偏振方向進行完整的回轉。因此，如同第一光電變換器99和第二光電變換器100，第三光電變換器103和第四光電變換器104產生Acos(4Kx+δ’)的干涉信號。需要指出，在第三光電變換器103處獲得的信號和在第四光電變換器104處獲得的信號表現出180°的相位差。
相對于第二PBS98以45°傾斜第三PBS102。因此在第三光電變換器103和第四光電變換器104處獲得的信號相對于在第一光電變換器99和第二光電變換器100處獲得的信號表現出90°的相位差。
第一差動放大器105差動放大來自第一光電變換器99和第二光電變換器100的電信號輸入，并將通過消去干涉信號的DC(直流)分量獲得的信號輸出至步進信號發(fā)生器107。類似地，第二差動放大器106差動放大來自第三光電變換器103和第四光電變換器104的電信號輸入，并將通過消去干涉信號的DC(直流)分量獲得的信號輸出至步進信號發(fā)生器107。
附圖的圖2示意性描述了由本專利申請的申請人在下面列出的專利文獻1，日本專利申請未審查公開4-324316號(Jpn.Pat.Appln.Laid-OpenPublication No.4-324316)中公開的一種已知的固定點檢測裝置。該固定點檢測裝置包括固定部分110和在測量方向(X方向)上可移動的可移動部分130，固定部分110包括光學系統(tǒng)111和檢測系統(tǒng)121，同時可移動部分130包括基片131和在基片131的上表面上設置的兩個體積類型的全息衍射光柵132、133。
光學系統(tǒng)111包括典型為用于輸出激光束的半導體激光器的光源112、準直透鏡113和聚焦透鏡114。檢測系統(tǒng)121具有光接收裝置122、123和電處理電路129。
附圖的圖3示意性描述了已知的固定點檢測裝置的全息衍射光柵132、133。利用透過/體積型全息圖形成全息衍射光柵132、133。全息衍射光柵132、133在下文中也可被簡單稱為全息圖。如圖3中所示，使每個全息衍射光柵132、133的柵格間距或柵格節(jié)距d在測量方向上順序改變。分別限定全息衍射光柵132、133的柵格間距或柵格節(jié)距d的分布平面142、143相對于全息衍射光柵132、133的上表面傾斜，并且傾斜角度順序和連續(xù)地在測量方向上改變。因此，因為通過全息衍射光柵132、133衍射入射光，所以衍射效率在測量方向上連續(xù)改變。
附圖的圖4是圖2的固定點檢測裝置的主體部分的示意性描述。如圖4所示，在基片131的上表面131A上的橫向方向上并排設置兩個全息衍射光柵132、133。該兩個全息衍射光柵132、133相對于中心平面135對稱地設置。更具體地，使全息衍射光柵132、133的分布平面142、143的傾斜角度以相對于中心平面135對稱的方式在中心平面135的相對側處順序和連續(xù)地改變，并使每個全息衍射光柵132、133的柵格間距或柵格節(jié)距d也以相對于中心平面135對稱的方式順序和連續(xù)地改變。兩個全息衍射光柵132、133設置成使得它們的衍射效率變成最大的相應的點在測量方向上彼此不同。
因為可移動部分130相對于固定部分110移動，并且它相對于光接收裝置122、123和固定位于圖4中的光源112移動，通過第一光接收裝置122檢測通過第一全息衍射光柵132衍射的光，而通過第二光接收裝置123檢測通過第二全息衍射光柵133衍射的光。
由于將兩個全息衍射光柵132、133設置成其中衍射效率變成最大的相應的點在測量方向上彼此不同，因而通過第一光接收裝置122檢測的衍射光的光學強度曲線的峰值和通過第二光接收裝置123檢測的衍射光的光學強度曲線的峰值彼此不同。因此，存在其中兩個光學強度曲線互相相交的交叉，并因此存在兩個曲線表現出相同值的點。該點是通過固定點檢測裝置獲得的固定點。

發(fā)明內容
近來使通過利用發(fā)光二極管和激光器形成的固定點檢測裝置和位移測量裝置表現出高分辨率，從而使它們可以測量小于1nm的距離。另一方面，這種測量操作時不允許傳感器發(fā)射熱。因此，普遍使用分離光源與傳感器和通過光纖傳送光束的設置。
附圖的圖5示意性說明了適于通過偏振保持型光纖163傳送從光源161發(fā)射的光束至檢測部分164并檢測固定點的固定點檢測裝置160。通過偏振保持型光纖163傳送從光源161發(fā)射的光束至聚焦透鏡162，并將其輻射至在測量目標169上并排設置的兩個衍射光柵166和167之上，并通過兩個光接收部分170和171分別接收通過兩個衍射光柵166和167的臨近定位的邊緣168衍射的光束。然后，通過比較器172比較兩個光接收部件170和171接收光的量，并將其中比較信號表現出預定的相應的水平的點限定為固定點。
因此，偏振保持型光纖163用于圖5的固定點檢測裝置160，以在保持偏振分量的狀態(tài)中傳送從光源161發(fā)射的光束。然而，由于光纖上應力和彎曲的影響，偏振被擾亂，使檢測部分164被干擾影響，使固定點檢測裝置160不能為了測量而穩(wěn)定地工作。
下面更具體地討論該問題。如果由于光纖163的應力和彎曲稍微移位從光纖163發(fā)射的光束的偏振軸，則可以因此改變進入衍射光柵166和167的光束的偏振分量。通常，衍射光柵的衍射效率不僅基于入射光束的偏振分量而且基于衍射光柵自身的特性而改變，從而使光束進入光接收部件170和171時的量可以改變，并且所述裝置錯誤地識別固定點移位。
因此，為了固定點檢測裝置160穩(wěn)定地執(zhí)行檢測固定點的操作，必須穩(wěn)定從光纖163出來的光束的偏振軸。
附圖的圖6示意性描述了適于通過偏振保持型光纖183傳送從光源181發(fā)射的光束至檢測部分184、并通過檢測部分184測量測量目標的位移的位移測量裝置180。在通過偏振保持型光纖183傳送從光源181發(fā)射的光束至聚焦透鏡185之后，測量裝置使光束進入偏振光束分離器186。偏振光束分離器186將入射光束分成兩個光束，并使它們撞擊衍射光柵標尺187。獲得的衍射光束透過λ/4波片188和189，并分別被鏡面191和192反射，從而返回偏振光束分離器186，跟隨同樣的光程。然后，在偏振光束分離器186處重新結合兩個光束，并作為干涉信號向偏振裝置193導引。在通過偏振裝置193之后，通過光接收部件194將干涉信號轉換成電信號，以測量衍射光柵的位移。
然而，如果在上面所述的位移測量裝置180中在光纖183的應力和彎曲的影響下干擾偏振，則因此再次改變通過偏振光束分離器186產生的兩束光的數量的量。當在偏振光束分離器186處重新結合兩個光束時，光的量的改變作為調制比的改變，以變成干涉信號，從而提高輸出信號方面的波動。由于它們相反地影響測量位移的精確度。因而必須盡可能地穩(wěn)定從光學傳送單元輸出的光束的偏振軸。
考慮到上面認識到的情況，因此期望提供一種能夠高精度地檢測固定點或通過減小由于光纖的應力和彎曲的偏振的波動，以用于傳送從光源發(fā)射的光束至檢測側的位移檢測裝置、位移測量裝置和固定點檢測裝置。
依據本發(fā)明，提供一種位移檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源，用于提高從該光源發(fā)射的光束的消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置，用于聚焦具有通過消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡，用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖，安裝到測量目標的衍射光柵，從而被輻射并衍射通過光纖傳送的光束，以及用于接收被該衍射光柵衍射的光束的光接收裝置，利用使它的偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致，使具有通過該消光比轉換裝置被提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入光纖，通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收裝置適于檢測該測量目標的位移。
這樣，由于如上面限定的位移檢測裝置，因為利用使偏振軸與該光纖的光軸或與該光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入該光纖，可以最小化由于光纖的應力和彎曲的偏振的干擾。
依據本發(fā)明，也提供一種位移測量裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源，用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置，用于聚焦具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡，用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖，用于將通過該光纖傳送的光束分成兩個光束的偏振光分離器，安裝到測量目標并適于接收通過該偏振光分離器產生的兩個光束的衍射光柵，并產生衍射光束，用于改變通過該衍射光柵產生的兩個衍射光束的偏振的相位板，用于反射具有通過該相位板改變的偏振的兩個衍射光束、并再次通過該相位板導引它們至該衍射光柵的兩個反射鏡，用于引起通過該兩個反射鏡導引至該衍射光柵的兩個衍射光束衍射的偏振部件，并通過該衍射光柵使其進入該偏振光束分離器，并由該偏振光束分離器反射或透過其傳送，以彼此干涉，以及用于接收通過該偏振部件獲得的干涉光束的光接收部件，其中利用使它的偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致，使具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入光纖，通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收裝置適于檢測該測量目標的位移。
這樣，由于如上面限定的位移測量裝置，因為利用使其偏振軸與該光纖的光軸或與該光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入該光纖，可以最小化由于該光纖的應力和彎曲的偏振的干擾。
依據本發(fā)明，也提供一種固定點檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源，用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置，用于聚焦具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡，用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖，并排設置的兩個衍射光柵，以輻射通過該光纖傳送的光束，并衍射它，用于接收通過該兩個衍射光柵產生的衍射光束的兩個光接收裝置，和比較裝置，其用于比較兩個光接收裝置的接收光的量，利用使它的偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致，使具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，該比較裝置依據該兩個光接收裝置的接收光的量的比較結果適于檢測固定點。
這樣，由于如上面限定的固定點檢測裝置，因為利用使偏振軸與光纖的光軸或與該光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入光纖，可以最小化由于該光纖的應力和彎曲的偏振的干擾。
因為利用使偏振軸與光纖的光軸或與該光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入光纖，依據本發(fā)明的位移檢測裝置可以最小化由于光纖的應力和彎曲的偏振的干擾，從而可以高精度地檢測位移。
因為利用使偏振軸與光纖的光軸或與該光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入光纖，依據本發(fā)明的位移測量裝置可以最小化由于光纖的應力和彎曲的偏振的干擾，從而可以高精度地檢測位移。
因為利用使偏振軸與光纖的光軸或與光軸正交的軸一致，使通過該聚焦透鏡聚焦的具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束進入光纖，依據本發(fā)明的固定點檢測裝置可以最小化由于光纖的應力和彎曲的偏振的干擾，從而可以高精度地檢測固定點。


圖1是已知的位移檢測裝置的示意性描述，表現出了其結構；圖2是在專利文獻1中描述的已知的固定點檢測裝置的示意性描述，表現出了其結構；圖3是用于圖2中的固定點檢測裝置的全息衍射裝置的示意性描述，表現出了其結構；圖4是圖2的固定點檢測裝置的主體部分的示意性描述；圖5是適于通過光纖檢測固定點的固定點檢測裝置的示意性描述，表現出了其結構；圖6是適于通過光纖測量位移的位移測量裝置的示意性描述，表現出了其結構；圖7是依據本發(fā)明的位移測量裝置的實施例的示意性描述，表現出了其結構；圖8是消光比的示意性描述；圖9是偏振保持型光纖的示意性橫截面圖；圖10是位移測量裝置的實施例的應用的示意性描述；圖11是固定點檢測裝置的實施例的示意性描述，表現出了其結構；圖12是說明S-偏振分量的衍射效率和P-偏振分量的衍射效率大程度不同的曲線圖；圖13是當將彎曲應力施加至偏振保持型光纖時用于測量固定點的檢測位置隨時間變化的程度的系統(tǒng)的示意性方塊圖；圖14是說明由于光纖的彎曲檢測的固定點的位移的曲線圖；圖15是通過集成組合偏振板和聚焦透鏡實現的光學傳送單元的示意性描述；圖16是通過集成組合偏振板、準直透鏡和聚焦透鏡以及將該偏振板夾于該準直透鏡和聚焦透鏡之間實現的光學傳送單元的示意性描述；圖17是取代利用偏振板，通過形成偏振保持型光纖的光接收末端小面從而表現出布儒斯特角來實現的光學傳送單元的示意性描述；圖18是通過在用作光源的半導體激光器的發(fā)光窗處形成偏振板來實現的光學傳送單元的示意性描述；以及圖19是通過形成用作光源的半導體激光器的發(fā)光窗玻璃以表現出布儒斯特角來實現的光學傳送單元的示意性描述。
具體實施例方式
現在，參照描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的

位移測量裝置和固定點檢測裝置。
圖7是依據本發(fā)明的位移測量裝置的實施例的示意性說明，該圖表現出了其結構。參照圖7，位移測量裝置10適用于為了測量納米(nm)級和更低級的移動量的制造半導體或液晶的領域。當其光源部分產生的熱影響其檢測部分的傳感器時，位移測量裝置10不能夠穩(wěn)定地測量移動量。換句話說，必須避免任何熱被傳送至檢測部分16。因此，光源12與檢測部分16分離，并通過光纖15傳送從光源12發(fā)射的光束至檢測部分16。
為此，位移測量裝置10包括用于發(fā)射光束的光源12、適于被用作用于將從光源12發(fā)射的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束的消光比轉換裝置的一種偏振部件的偏振板13、用于聚焦表現出高消光比并來自偏振板13的線性偏振光束的聚焦透鏡14，以及用于傳送被聚焦透鏡14聚焦的線性偏振光束的偏振保持型的光纖15。
位移測量裝置10另外包括用于聚焦通過光纖15傳送的線性偏振光束的聚焦透鏡17，用于將通過聚焦透鏡17聚焦的線性偏振光束分成兩個光束的偏振光束分離器18，適于接收由通過偏振光束分離器18分離原始光束產生的光束并且安裝到測量目標的衍射光柵19，適于改變通過衍射光柵19產生的兩個衍射光束的偏振的方向并被設置為在它們之間形成90°的角度的兩個相位板20和21，具有兩個鏡面22和23并且該兩個鏡面被設置為引起來自衍射光柵19的衍射光束往復于該兩個相位板之間的反射棱鏡24，在該反射棱鏡24上，將兩個相位板20和21設置成在它們之間形成90°的角度，用于使通過偏振光束分離器18重新結合并且進入其的光束彼此干涉的偏振部件25，以及用于將其接收的兩個干涉光束的干涉信號量轉換成為電信號的光接收部件26。
光源12、偏振部件13、聚焦透鏡14和偏振保持型光纖15被總起來稱作光學傳送單元11。檢測部分16包括聚焦透鏡17、偏振光束分離器18、衍射光柵19、兩個相位板20和21、兩個反射鏡22和23、偏振部件25和光接收部件26。
現在將更詳細地描述位移測量裝置10的部件。首先，光源12可以是用于發(fā)射相干光束的光源，或發(fā)射低相干光束的發(fā)光二極管?？商娲?，它可以是具有偏振特性或不具有偏振特性的光源。
偏振板13是被用作適于將來自光源的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束的消光比轉換裝置的一種偏振部件。不小于20dB的消光比意味著長軸部分的線性偏振光束(A)對圖8中的短軸部分的線性偏振光束(B)的量，或A∶B不小于100∶1。消光比越高，線性偏振光束的品質就越好。偏振部件可以實現不小于30dB的消光比，或A∶B的量等于1000∶1。可以通過在預定方向上拉伸包括鉛(lead)的玻璃形成該偏振部件，以定向內部分子結構至預定方向，并使它如偏振濾波器地工作。偏振光束分離器適于將來自光源的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束，其可以用于消光比轉換裝置。
偏振保持型光纖15典型地具有表現出具有3μm的直徑的圓形橫截面的圓芯30，和同軸圍繞圓芯30的具有100μm直徑的包層31，如圖9中所示。芯30和包層31都由石英玻璃制成，但表現出彼此不同的各自的折射系數。圓芯30的折射系數高于包層31的折射系數。例如，當將波長λ在600和700nm之間的光束導引進入芯30時，光束前進，同時由芯30和其折射系數低于芯30的折射系數的包層31的分界面反射。兩個玻璃絲32和33與芯30和包層31不同并表現出圓形橫截面，將它們設置在芯30的相對側，從而遠距離地夾著芯30。兩個玻璃絲32和33具有相同的熱膨脹系數，并促使收縮整個包層31。更具體地，它們促使冷卻整個包層31，并保持被施加至芯30的應力為恒定水平。將連接兩個玻璃絲32和33的中心和芯30的中心以及包層31的中心的軸限定為光軸34。使從光源12發(fā)射的光束進入光纖15，同時通過偏振板13和聚焦透鏡14使從光源15發(fā)射的光束的偏振軸與光纖15的光軸34一致。偏振保持型光纖可替代地是其芯表現出橢圓形橫截面的橢圓形芯型光纖。
偏振光束分離器18將通過偏振保持型光纖15傳送和通過聚焦透鏡17聚焦的光束分成分別具有S-偏振分量和P-偏振分量的兩個光束。將進入偏振光束分離器18的入射光束的偏振軸設置成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束都表現出相同的功率水平。S-偏振光束是相對于通過撞擊光的分界面的光束和由該分界面反射的光束限定的入射平面垂直振蕩的偏振分量。P-偏振光束是與入射平面平行振蕩的偏振分量。通過偏振光束分離器18反射具有S-偏振分量的光束，而通過偏振光束分離器18透過具有P-偏振分量的光束。
衍射光柵19可以是體積型全息圖。衍射光柵19安裝到測量目標。衍射光柵19在如圖7所示的箭頭的方向上是可移動的。衍射光柵19的柵距典型是0.55μm。透過偏振光束分離器18之后P-偏振分量撞擊衍射光柵19的位置(點Q)與偏振光束分離器18反射之后S-偏振分量撞擊衍射光柵19的位置(點P)不同。
相對于進入光束的偏振方向，安裝到反射棱鏡24的第一鏡面22的第一四分之一波片20的光軸以45°傾斜。類似地，相對于進入光束的偏振方向，安裝到反射棱鏡24的第二鏡面22的第二四分之一波片21的光軸以45°傾斜。
相對于進入光束的偏振方向，在光接收部件26的側面處設置的偏振部件25以45°傾斜。因此，當它們通過偏振部件25時，來自偏振光束分離器18的兩個光束變成干涉波。光接收部件26將該干涉波撞擊它的量轉換成電信號。
現在將在下面討論具有上面所述的結構的位移測量裝置10的操作。當從光源12發(fā)射的相干或低相干光束進入偏振板13時，它變成表現出典型高達30dB的消光比的線性偏振光束。通過聚焦透鏡14聚焦表現出高消光比的線性偏振光束，并利用使線性偏振光束的偏振軸與光纖15的光軸34一致，使它進入偏振保持型光纖15。當使光束進入光纖15時，由于使通過偏振板13線性偏振的光束的偏振軸與偏振保持型光纖15的光軸34一致，可以減小由于光纖15的應力和彎曲的消光比的波動?？商娲?，利用使光束的偏振軸與正交相交光軸34的軸35一致，可以使光束進入光纖15。
調節(jié)和最大化從光纖15的光發(fā)射端15b發(fā)射的光束的消光比的技術可以用于使該光束的偏振軸與偏振保持型光纖15的光軸一致。
因此，包括光源12、偏振板13、聚焦透鏡14和偏振保持型光纖15的光學傳送單元11不僅可以提高從光纖15的光發(fā)射端15b發(fā)射的光束的消光比，而且可以減小由于光纖15的應力和彎曲的消光比的波動。
在它進入偏振光束分離器18之前，通過檢測部分16的聚焦透鏡17聚焦從光學傳送單元11的光纖15發(fā)射的光束。如上面所述，偏振光束分離器18將入射光束分成分別具有S-偏振分量和P-偏振分量的兩個光束。通過偏振光束分離器18反射具有S-偏振分量的光束，并在點P處進入衍射光柵19。通過偏振光束分離器18透過具有P-偏振分量的光束，并在點Q處進入衍射光柵19。
通過下面的公式表示在相應的方向上衍射在點P和點Q處進入衍射光柵19的光束sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ，其中θ1表示相對于光柵標尺的入射角度，并且θ2表示從光柵標尺的衍射角度，同時Λ表示光柵的節(jié)距(寬度)，并且λ和n分別表示光的波長和衍射程度。
在衍射光柵的點P處衍射的光束(S-偏振分量)透過安裝到反射棱鏡24的第一鏡面22的第一四分之一波片20，被第一鏡面22垂直地反射并返回至點P，其中它被衍射光柵19衍射。同時，由于第一四分之一波片20的光軸相對于入射光束的偏振方向以45°傾斜，因而返回至點P的光束變成具有P-偏振分量的光束。換句話說，在衍射光柵19的點P處衍射的S-偏振分量透過第一四分之一波片20，接著被反射棱鏡24的第一鏡面22反射，并在然后再次透過第一四分之一波片20，以使返回光束的偏振軸正交向前傳送的光束的偏振軸。
類似地，在衍射光柵的點Q處衍射的光束(S-偏振分量)透過安裝到反射棱鏡24的第二鏡面23的第二四分之一波片21，被反射棱鏡24垂直地反射并返回至點Q，其中它被衍射光柵19衍射。同時，由于第二四分之一波片21的光軸相對于入射光束的偏振方向以45°傾斜，因而返回至點Q的光束變成具有S-偏振分量的光束。換句話說，在衍射光柵19的點S處衍射的P-偏振分量透過第二四分之一波片21，接著被反射棱鏡24的第二鏡面23反射，并在然后再次透過第二四分之一波片21，以使返回光束的偏振軸正交向前傳送的光束的偏振軸。
因此，再次在點P和Q衍射的光束返回偏振光束分離器18。由于從點P返回的光束具有P-偏振分量，它透過偏振光束分離器18。另一方面，由于從點Q返回的光束具有S-偏振分量，它被偏振光束分離器18反射。因此，在它們進入偏振部件25之前，通過偏振光束分離器18使從點P和Q返回的光束彼此重疊。
偏振部件25引起通過偏振光束分離器18使之彼此重疊的兩個光束彼此干涉。光接收部件26將它接收干涉光束的量轉換成電信號，以獲得干涉信號。位移測量裝置10測量在箭頭A的方向上移動的衍射光柵19的移動量，盡管該移動量可以是納米級或更低級。
通過Acos(4Kx+δ)可以表示上面所述的干涉信號，其中K等于2π/Λ，而x表示移動量，同時δ表示初相位。如果使衍射光柵19的節(jié)距A等于0.55μm，干涉波的周期對應于等于0.1375μm的衍射光柵19的移動量。因此，該位移測量裝置可以測量這種距離。因為位移測量裝置將它轉換成電信號，并典型地通過A/D轉換以200內插，可以實現大約0.6895nm的非常高的分辨率。不必說當測量10nm或更小的非常細微的位移時不得不穩(wěn)定地輸出信號。因為在位移測量裝置中最小化了從上面所述的光學傳送單元11發(fā)射的光束的消光比的波動，因而可以以高分辨率高穩(wěn)定地測量移動量。
通過增大衍射的次數可以實現類似的效果，并將它應用至檢測光學系統(tǒng)，從而使用Acos(8Kx+δ)的干涉信號。圖10說明了位移測量裝置200(變形)，其中應用了增加次數的衍射。圖10的裝置與圖7的裝置不同在于通過入射平面201a和202a，使從偏振光束分離器18產生并被衍射光柵19衍射的兩個光束進入相應的反射棱鏡201和202，從而被反射平面201b、202b反射，并再次被反射平面201c、202c反射。然后，它們再次進入衍射光柵19，并在它們分別到達兩個相位板20和21和反射棱鏡24之前變成被衍射光柵19衍射。通過反射棱鏡24反射的光束分別透過兩個相位板20和21以及衍射光柵19，從而在那里被衍射。然后，它們分別被反射棱鏡201和202反射，并在它們到達偏振光束分離器18之前再次被衍射光柵19衍射。
偏振光束分離器18引起進入的偏振分量彼此重疊，并將它們發(fā)送至偏振部件25。偏振部件25引起通過偏振光束分離器18彼此重疊的兩個光束彼此干涉，并發(fā)送該干涉信號至光束分離器203。光束分離器203將入射光束分成兩個光束，并傳送該光束的一個至偏振光束分離器204，另一光束至另一個偏振光束分離器207。
進入偏振光束分離器204的光束被分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束。使具有S-偏振分量的光束進入光電變換器205，同時使具有P-偏振分量的光束進入光電變換器206。進入偏振光束分離器207的光束被分成具有S-偏振分量的光束和具有P-偏振分量的光束。使具有S-偏振分量的光束進入光電變換器208，同時使具有P-偏振分量的光束進入光電變換器209。
因此，光電變換器205、206、208和209可以獲得Acos(8Kx+δ)的干涉信號。
圖11是依據本發(fā)明的固定點檢測裝置40的實施例的示意性描述，表現出了其結構。參照圖11，固定點檢測裝置40適用于為了測量納米(nm)級和更低級的移動量的制造半導體或液晶的領域。當通過其光源部分產生的熱影響其檢測部分的傳感器時，固定點檢測裝置40不能夠穩(wěn)定地工作。換句話說，必須避免任何熱被傳送至檢測部分46。因此，光源42與檢測部分46分離，并通過光纖45傳送從光源42發(fā)射的光束至檢測部分46。
固定點檢測裝置40適用于與位移測量裝置10一起使用，從而檢測例如位移測量裝置10的衍射光柵19上的絕對位置。如上面指出的，位移測量裝置10包括具有0.55μm的非常小的節(jié)距Λ的衍射光柵19。當在衍射光柵19上測量位移時，如果出現電源故障或一些其它事故，迫使測量操作被中止，則當恢復電源時，再也不能復得衍射光柵上的先前測量位置。為了恒定檢測衍射光柵上的絕對位置而開發(fā)了固定點檢測裝置40。它包括通過利用具有不同的節(jié)距的兩個全息圖形成的兩個衍射光柵48和49，并且適于通過檢測兩個衍射光柵48和49的臨近定位的邊緣50檢測固定點。
如圖11所示，固定點檢測裝置40包括用于發(fā)射光束的光源42、適于被用作用于將從光源42發(fā)射的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束的消光比轉換裝置的一種偏振部件的偏振板43、用于聚焦表現出高消光比并來自偏振板43的線性偏振光束的聚焦透鏡44以及用于傳送被聚焦透鏡44聚焦的線性偏振光束的偏振保持型光纖45。
固定點檢測裝置40另外包括用于聚焦通過光纖45傳送的線性偏振光束的聚焦透鏡47，用于引起通過聚焦透鏡47會聚的線性偏振光束在分界面部分(邊緣)50處或其附近被聚焦的兩個臨近設置的衍射光柵48和49，用于分別接收由于兩個衍射光柵48和49衍射產生的衍射光束的兩個光接收部件52和53，以及用于比較兩個光接收部件52和53接收光時的量的比較器54。通過由于比較產生的信號確定固定點。
現在將在下面詳細描述固定點檢測裝置的部件。首先，光源42可以是用于發(fā)射相干光束的光源，或發(fā)射非相干光束的發(fā)光二極管?？商娲?，它可以是具有偏振特性或不具有偏振特性的光源。
偏振板43是一種被用作適于將來自光源的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束的消光比轉換裝置的偏振部件。該偏振部件可以實現不小于30dB的消光比。偏振光束分離器適于將來自光源的光束轉換成表現出高達不小于20dB的消光比的線性偏振光束，其可以用于消光比轉換裝置。
偏振保持型光纖45和參照圖9在上面所述的相同，并因此在此不再做任何進一步的描述。關于偏振保持型光纖45重要的是通過偏振板43和聚焦透鏡44使從光源42發(fā)射的光束的偏振軸與光軸34或偏振保持型光纖45的軸35一致。
這是因為當通過偏振板43線性偏振的光束進入偏振保持型光纖45時，通過使光束的偏振軸與光纖45的光軸34一致可以最小化由于光纖的應力和彎曲的消光比的波動。
可以并排設置兩個衍射光柵48和49，從而可以在分界面部分(邊緣)50處或其附近聚焦通過聚焦透鏡47會聚的線性偏振光束。兩個衍射光柵48和49可以具有彼此不同的相應的點陣矢量或彼此不同的相應的晶格間距。它們可以從反射類型的全息圖和炫耀衍射光柵選擇出。圖10表現出了兩種反射類型的衍射光柵48和49，其中+1度的衍射光被發(fā)射至入射光的一側?？梢蕴娲褂猛高^型衍射光柵。
兩個光接收部件52、53將從上面所述的兩個衍射光柵48和49獲得的衍射光束的強度轉換成電信號。相對于兩個衍射光柵48和49，在光纖45的發(fā)光端45b的側面設置兩個光接收部件52和53。
比較器54比較來自兩個光接收部件52和53的電信號。將通過比較器54比較的結果供給至控制部分(未表現出)。該控制部分限定固定點，在該點依據通過比較器54比較的結果兩個信號表現出任意選擇的水平。將其中兩個信號表現出相同的輸出水平的點限定為固定點。
現在，在下面討論具有如上面所述的結構的固定點檢測裝置40的操作。當從光源42發(fā)射的相干或不相干的光束進入偏振板43時，它成為表現出典型地高達30dB的消光比的線性偏振光束。通過聚焦透鏡44聚焦表現出這種高消光比的線性偏振光束，并利用使線性偏振光束的偏振軸與光纖45的光軸34一致，使它進入偏振保持型光纖45。因為當光束進入光纖45時，使通過偏振板43線性偏振的光束的偏振軸與偏振保持型光纖45的光軸34一致，可以減小由于光纖45的應力和彎曲的消光比的波動?？商娲?，使光束的偏振軸與正交相交光軸34的軸35一致，使該光束進入光纖45。
調節(jié)和最大化從光纖45的光發(fā)射端45b發(fā)射的光束的消光比的技術可以用于使光束的偏振軸與偏振保持型光纖45的光軸一致。
因此，包括光源42、偏振板43、聚焦透鏡44和偏振保持型光纖45的光學傳送單元41不僅可以提高從光纖45的光發(fā)射端45b發(fā)射的光束的消光比，而且可以減小由于光纖45的應力和彎曲的消光比的波動。
通過檢測部分46的聚焦透鏡47會聚從光學傳送單元41的偏振保持型光纖45發(fā)射的光束，并在可以在圖11的箭頭A的方向上可移動的兩個衍射光柵48和49的分界面(邊緣)50處或其附近聚焦。
通過光接收部件52和53分別將從兩個衍射光柵48和49產生的衍射光束的強度轉換成電信號。將其中依據比較器54比較的結果，兩個信號表現出任意選擇的水平的點限定為固定點。將其中兩個信號表現出相同的輸出水平的點限定為固定點。然而，需要指出，當兩個信號彼此一致時，比較器54的比較輸出變成等于0。由于當衍射光丟失并且光接收部件的輸出等于0時，比較的結果也等于0，因而為了避免識別誤差，優(yōu)選區(qū)別來自光接收部件的兩個信號輸出。因此，優(yōu)選地，兩個信號表現出某些非零值，從而可使它們與0的情況區(qū)別。
將本實施例的固定點檢測裝置40安裝到測量目標51，以檢測衍射光柵48和49的絕對位置。通常，衍射光柵表現出它衍射作為引入的偏振分量的函數變化的光的量。換句話說，衍射效率在S-偏振分量和P-偏振分量之間變化。如果從光源發(fā)射的光束的波長是780nm，并且柵格間距是0.55μm，則當觀察反射類型全息圖的衍射效率時，該衍射效率如圖12所示地在S-偏振分量和P-偏振分量之間顯著變化。參照圖12，對于35°和55°之間的入射角度，S-偏振分量表現出46％和41％之間的衍射效率，同時P-偏振分量表現出91％和92％之間的衍射效率，以證明P-偏振分量的衍射效率遠遠高于前者分量的衍射效率。此外，由于制造工藝，這些值可以在不同裝置中變化，從而使制造的單個裝置根據性能表現出某些程度的分散。
因此，由于減小了波動，現在可以不受進入衍射光柵的光束的消光比的波動影響地穩(wěn)定地檢測固定點。
圖13是當將彎曲應力施加至該實施例的固定點檢測裝置40的偏振保持型光纖45時，用于測量固定點的檢測位置隨時間改變的程度的系統(tǒng)的示意性方塊圖。如圖13所示，使光入射部分55作為一個單元形成，其包括光源42、偏振板43和用于導引具有預定消光比的線性偏振光束進入光纖45的固定點檢測裝置40的聚焦透鏡44。光入射部分55導引具有12dB或29dB的消光比的線性偏振光束進入偏振保持型光纖45。依據來自安裝于標尺51的兩個衍射光柵48和49的分界面部分50的兩個衍射光束，該系統(tǒng)觀察光纖45的彎曲的半徑隨時間的變化，以及檢測的固定點的檢測位置的變化。
為此，該測量系統(tǒng)包括安裝到標尺51的編碼器56，以將位移的模擬量檢測為數字數據，用于以預定數內插來自編碼器56的數字值的內插電路57，以及用于基于來自內插電路57的數值收集固定點檢測裝置40上的位置位移數據的個人計算機(PC)58。也對個人計算機58供給來自固定點檢測裝置40的比較器54的比較結果。
圖14是說明了由于光纖的彎曲檢測的固定點的位移的曲線圖。在圖14中，曲線圖的水平軸表示時間(分鐘)，左垂直軸表示檢測位置(nm)，并且右垂直軸表示光纖的彎曲半徑(mm)。
首先，當光纖的彎曲半徑等于60(mm)時，將通過固定點檢測裝置40檢測的固定點位置限定為0位置。一旦光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束或具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，該固定點位置不位移，直至18分鐘之后(被稱為第一狀態(tài))。在光束的導引之后，光纖45的彎曲半徑在18分鐘和32分鐘之間變成等于28(mm)(被稱為第二狀態(tài))。如果光入射部分55在第二狀態(tài)中導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點位移-60(nm)。另一方面，如果光引入部分55在第二狀態(tài)中導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點僅位移-35(nm)。
在光束的導引之后，在32分鐘和48分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于18(mm)(被稱為第三狀態(tài))。如果在第三狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點位移-130(nm)。另一方面，如果在第三狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點僅位移-62(nm)。
在光束的導引之后，在48分鐘和63分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于28(mm)(被稱為第四狀態(tài))。如果在第四狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點位移-58(nm)。另一方面，如果在第四狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點僅位移-35(nm)。
在光束的導引之后，在63分鐘和78分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于60(mm)(被稱為第五狀態(tài))。如果在第五狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點如第一狀態(tài)中地位移0(nm)。如果在第五狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似地位移0(nm)。
在光束的導引之后，在78分鐘和93分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于28(mm)(被稱為第六狀態(tài))。如果在第六狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點位移-60(nm)。另一方面，如果在第六狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點僅位移-35(nm)。
在光束的導引之后，在93分鐘和108分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于18(mm)(被稱為第七狀態(tài))。如果在第七狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似第三狀態(tài)地位移-130(nm)。另一方面，如果在第七狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似第三狀態(tài)地僅位移-62(nm)。
在光束的導引之后，在108分鐘和123分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于28(mm)(被稱為第八狀態(tài))。如果在第八狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似第六狀態(tài)地位移-60(nm)。另一方面，如果在第八狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似第六狀態(tài)地僅位移-35(nm)。
在光束的導引之后，在123分鐘和137分鐘之間，光纖45的彎曲半徑變成等于60(mm)(被稱為第九狀態(tài))。如果在第九狀態(tài)中光入射部分55導引具有12dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點如第一狀態(tài)地位移0(nm)。如果在第九狀態(tài)中，光引入部分55導引具有29dB的消光比的線性偏振光束進入光纖45，則通過固定點檢測裝置40檢測的固定點類似地位移0(nm)。
如果將彎曲應力施加至光纖45，則當通過光入射部分55將具有遠遠大于12dB的消光比的29dB的消光比的線性偏振光束導引進入光纖45時，固定點的位移是較小的。因此，利用該實施例的優(yōu)點是明顯的。
可以以如下面所述的各種不同的方式分別修改上面所述的位移測量裝置10的光學傳送單元11和光學傳送單元41以及在圖7和11中所述的固定點檢測裝置40。圖15示意性地說明了通過集成組合偏振板和聚焦透鏡實現的光學傳送單元。需要指出，通過與上面所述的位移測量裝置10相同的那些參考符號分別表示在圖15至19中所述的修改實施例的包括光源12、偏振板13、聚焦透鏡14、偏振保持型光纖15和光學傳送單元11的部件。無需說可以通過與上面所述的固定點檢測裝置40相同的那些參考符號替代地表示它們。
當包裝光學傳輸單元11的光入射部分(對于位移測量裝置10，與在圖13中所述的光入射部分55相同，并包括光源12、偏振板13和聚焦透鏡14)時，必須最小化部件的數量。通過集成組合偏振板13和聚焦透鏡14可以減小部件的數量。當然，通過圖15的光學傳輸單元11的偏振板13，也可以產生在光源12發(fā)射的光束中表現出高消光比的線性偏振光束，通過聚焦透鏡14會聚光束，并使光束進入光纖15的光接收端部小面15a，使光束的偏振軸與光纖15的光軸34一致。因此，使從光纖15的發(fā)光端15b發(fā)射的光束表現出高消光比，并因此表現出由于光纖的應力和彎曲的消光比的很少的波動。
圖16是通過集成組合偏振板13、準直透鏡61和聚焦透鏡14以及將偏振板13夾于準直透鏡61和聚焦透鏡14之間實現的光學傳送單元11的示意性說明。在該修改的實施例中，通過準直透鏡61準直從光源12發(fā)射的光束，并使它垂直地進入偏振板13。因此，可以因為它的性能而完全地采用偏振板13。此外，在該實施例中，由于包裝減小了部件的數量。當然，使從光纖15的發(fā)光端15b發(fā)射的光束表現出高消光比，并因此表現出由于光纖15的應力和彎曲的消光比的很少的波動?？商娲兀部梢圆患山M合它們而單獨設置準直透鏡61、偏振板13和聚焦透鏡14。
圖17是通過形成偏振保持型光纖15的光接收端部小面15a而實現光學傳送單元11、從而取代利用偏振板表現出布儒斯特角的示意性說明。因為使光纖15的光接收端部小面15a表現出布儒斯特角，因而它像在分界面處的偏振濾波器一樣地工作，從而反射S-偏振分量，并允許P-偏振分量進入光纖15的芯30。簡而言之，可以僅允許P-偏振分量進入光纖15。因此，僅允許從光源12發(fā)射的光束的P-偏振分量進入使其光接收端部小面15a表現出布儒斯特角的光纖15。通過使光接收端部小面15a表現出布儒斯特角，并且不允許其進入光纖15的芯30，從而使表現出高消光比的光束被導引進入光纖15，在圖17中箭頭表示的方向上反射S-偏振分量。因此，由于該再次修改的實施例，從光源12發(fā)射的光束變成表現出高消光比的線性偏振光束，然后通過聚焦透鏡14會聚該光束，并利用使光束的偏振軸與光纖15的光軸34一致，將其導引進入光纖15。因此，使從光纖15的發(fā)光端15b發(fā)射的光束表現出高消光比，并因此表現出由于光纖15的應力和彎曲的消光比的很少的波動。此外，由于該修改的實施例不包括偏振部件，它提供了在包裝的同時保全了空間的效果。
通過多層薄膜工藝可以形成圖17的修改實施例的偏振保持型光纖15的光接收端部小面15a，從而使多層薄膜的全部分界面表現出布儒斯特角。由于該設置，分界面像如此多的偏振濾波器一樣地工作，以反射S-偏振分量，并允許P-偏振分量進入光纖15中的芯30。簡而言之，可以僅允許P-偏振分量進入光纖15?？蓪⒐饫w15的光接收端部小面15a形成為如偏振光束分離器一樣地工作。
圖18是通過在被用作光源的半導體激光器62的光發(fā)射窗口處形成偏振板63實現的光學傳送單元11的示意性描述。從半導體激光器62發(fā)射的光束表現出大約20dB的消光比，通過在該光發(fā)射窗口處形成的偏振板63可以將消光比提高至大約30dB。此外，在該修改實施例中，不必在半導體激光器62的外部空間中使用偏振部件，從而使該實施例提供在包裝的同時節(jié)省空間的效果。當然，從光纖15的發(fā)光端15b發(fā)射的光束表現出提高的消光比，并因此表現出由于光纖的應力和彎曲的消光比的很少的波動。
圖19是通過形成被用作光源的半導體激光器63的發(fā)光窗玻璃64以表現出布儒斯特角實現的光學傳送單元11的示意性描述。傾斜半導體激光器63的發(fā)光窗，從而避免由于在徑向方向和橫向方向之間從半導體激光器63發(fā)射的光束的擴展角的差出現的象散。因為使傾斜的發(fā)光窗的窗玻璃64表現出布儒斯特角，它反射S-偏振分量，并剛好像偏振濾波器一樣，僅允許P-偏振分量在其分界面處進入光纖15的芯30。簡而言之，可以僅允許P-偏振分量進入光纖。通過聚焦透鏡14，從半導體激光器63發(fā)射的光束的P-偏振分量進入光纖15。換句話說，由于不允許S-偏振分量進入光纖15，光纖15發(fā)射具有高消光比的光束。因此，由于該修改實施例，從半導體激光器63發(fā)射的光束變成表現出高消光比的線性偏振光束，然后通過聚焦透鏡14會聚光束，并利用光束的偏振軸與偏振保持型光纖15的光軸34一致將其導引進入光纖15。因此，使從光纖15的發(fā)光端15b發(fā)射的光束表現出高消光比，并因此表現出由于光纖的應力和彎曲的消光比的很少的波動。此外，由于該修改的實施例不包括偏振部件，它提供了在包裝的同時節(jié)省空間的效果。
在圖19的修改實施例中，通過多層薄膜工藝可以形成半導體激光器63的窗玻璃64，從而使多層薄膜的全部分界面表現出布儒斯特角。由于該設置，分界面象如此多的偏振濾波器一樣地工作，以反射S-偏振分量，并允許P-偏振分量進入光纖15中的芯30。簡而言之，可以僅允許P-偏振分量進入光纖15。
雖然根據位移測量裝置10和固定點檢測裝置40在上面描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于此。本發(fā)明也適用于包括用于發(fā)射光束的至少一個光源，用于提高從光源發(fā)射的光束的消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置，用于聚焦具有通過消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡，用于傳送通過聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖、安裝到測量目標的衍射光柵，從而被輻射并衍射通過光纖傳送的光束，以及用于接收被衍射光柵衍射的光束的光接收裝置，其中利用使它的偏振軸與光纖的光軸一致或垂直正交光軸的軸，使具有通過消光比轉換裝置被提高至不小于20dB的消光比的通過聚焦裝置聚焦的光束進入光纖，并且通過接收衍射光束的量的水平，光接收裝置適于檢測測量目標的位移。例如，本發(fā)明可適用于比如透過型的位移檢測裝置、反射型的位移檢測裝置、透過型的位移測量裝置以及透過型的固定點檢測裝置的裝置。
當然，偏振部件可以用于消光比轉換裝置。如果偏振部件被用作消光比轉換裝置，則它可以與聚焦透鏡集成組合。
可以使光纖的光接收端部小面表現出布儒斯特角，從而作為消光比轉換裝置工作。
半導體激光器可以用于光源，并且可以在該半導體激光器的發(fā)光窗玻璃上形成偏振部件。
偏振光束分離器可以用于消光比轉換裝置。半導體激光器可以用于光源，并且可以在半導體激光器的發(fā)光窗玻璃上形成偏振光束分離器。
半導體層可以用于光源，并且可以通過形成半導體層的發(fā)光窗玻璃實現消光比轉換裝置，以表現出布儒斯特角?？梢孕纬晒饫w的光接收端部小面，從而作為偏振光束分離器以及作為消光比轉換裝置一樣工作。
本領域的技術人員可以理解，在附加權利要求和其等價物的范圍內，基于設計需要和其它因素可以出現各種修改、組合、子組合和變化。
本發(fā)明包括涉及于2004年12月13日向日本專利局申請的日本專利申請JP2004-360609的主題，在此將其內容全部參照結合。
權利要求
1.一種位移檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于提高從該光源發(fā)射的光束的消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置；用于聚焦具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；安裝到測量目標的衍射光柵，從而被輻射并衍射通過該光纖傳送的光束；以及用于接收被該衍射光柵衍射的光束的光接收裝置；其中使具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收裝置適于檢測該測量目標的位移。
2.依據權利要求1的裝置，其中該消光比轉換裝置是偏振部件。
3.依據權利要求2的裝置，其中與該聚焦透鏡集成形成該作為消光比轉換裝置工作的偏振部件。
4.依據權利要求1的裝置，其中通過形成該光纖的光接收端部小面以表現出布儒斯特角來形成該消光比轉換裝置工作。
5.依據權利要求2的裝置，其中將半導體激光器用于該光源，并且在該半導體激光器的發(fā)光窗玻璃上形成該偏振部件。
6.依據權利要求1的裝置，其中該消光比轉換裝置是偏振光束分離器。
7.依據權利要求6的裝置，其中將半導體激光器用于該光源，并且在該半導體激光器的發(fā)光窗玻璃上形成該偏振光束分離器。
8.依據權利要求1的裝置，其中將半導體激光器用于該光源，并且形成該半導體激光器的發(fā)光窗玻璃，以表現出布儒斯特角，從而作為消光比轉換裝置工作。
9.依據權利要求1的裝置，其中使該光纖的光接收端部小面作為偏振光束分離器并也作為消光比轉換裝置工作。
10.一種位移測量裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置；用于聚焦具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；用于將通過該光纖傳送的光束分成兩個光束的偏振光分離器；安裝到測量目標并適于接收通過該偏振光分離器產生的兩個光束的衍射光柵，并產生衍射光束；用于改變通過該衍射光柵產生的兩個衍射光束的偏振的相位板；用于反射具有通過該相位板改變的偏振的兩個衍射光束、并再次通過該相位板導引它們至該衍射光柵的兩個反射鏡；用于引起通過該兩個反射鏡導引至該衍射光柵的兩個衍射光束衍射的偏振部件，并通過該衍射光柵使其進入該偏振光束分離器，并由該偏振光束分離器反射或透過其傳送，以彼此干涉；以及用于接收通過該偏振部件獲得的干涉光束的光接收部件；其中使具有通過該消光比轉換裝置被提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收裝置適于檢測該測量目標的位移。
11.一種固定點檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換裝置；用于聚焦具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；并排設置的兩個衍射光柵，以輻射通過該光纖傳送的光束，并衍射它；用于接收通過該兩個衍射光柵產生的衍射光束的兩個光接收裝置；以及比較裝置，其用于比較該兩個光接收裝置的接收光的量；使具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；該比較裝置依據該兩個光接收裝置的接收光的量的比較結果適于檢測固定點。
12.依據權利要求11的裝置，其中將通過該比較裝置獲得的該兩個光學接收裝置的接收光的量的比較結果的信號表現出任意選擇的水平的點限定為固定點。
13.一種位移檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于提高從該光源發(fā)射的光束的消光比至不小于20dB的消光比轉換單元；用于聚焦具有通過該消光比轉換單元提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；安裝到測量目標的衍射光柵，從而被輻射，并衍射通過該光纖傳送的光束；以及接收通過該衍射光柵衍射的光束的光接收單元；使具有通過該消光比轉換單元提高至不小于20dB的消光比的通過聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收單元適于檢測該測量目標的位移。
14.一種位移測量裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換單元；用于聚焦具有通過該消光比轉換單元提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；用于將通過該光纖傳送的光束分成兩個光束的偏振光分離器；安裝到測量目標并適于接收通過該偏振光分離器產生的兩個光束的衍射光柵，并產生衍射光束；用于改變通過該衍射光柵產生的兩個衍射光束的偏振的相位板；用于反射具有通過該相位板改變的偏振的兩個衍射光束、并再次通過該相位板導引它們至該衍射光柵的兩個反射鏡；用于引起通過該兩個反射鏡導引至該衍射光柵的兩個衍射光束衍射的偏振部件，并通過該衍射光柵使其進入該偏振光束分離器，并由偏振光束分離器反射或透過其傳送，以彼此干涉；以及用于接收通過該偏振部件獲得的干涉光束的光接收部件；其中使具有通過該消光比轉換單元提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；通過接收該衍射光束的量的水平，該光接收單元適于檢測該測量目標的位移。
15.一種固定點檢測裝置，其包括用于發(fā)射光束的光源；用于使從該光源發(fā)射的光束變成線性偏振的光束、并提高其消光比至不小于20dB的消光比轉換單元；用于聚焦具有通過該消光比轉換單元提高至不小于20dB的消光比的光束的聚焦透鏡；用于傳送通過該聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖；并排設置的兩個衍射光柵，以被通過該光纖傳送的光束輻射，并衍射它；用于接收通過該兩個衍射光柵產生的衍射光束的兩個光接收單元；以及比較單元，其比較該兩個光接收單元的接收光的量；使具有通過該消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過該聚焦透鏡聚焦的光束進入該光纖，使其偏振軸與該光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致；該比較單元依據該兩個光接收單元的接收光的量的比較結果適于檢測固定點。
全文摘要
本發(fā)明提供位移檢測裝置、位移測量裝置和固定點檢測裝置能夠高精確度地檢測固定點或測量位移。該位移檢測裝置包括用于發(fā)射光束的光源，提高從光源發(fā)射的光束的消光比至不小于20dB的消光比轉換單元，用于聚焦具有通過消光比轉換單元的光束的聚焦透鏡，傳送通過聚焦透鏡聚焦的光束的偏振保持型光纖，安裝到測量目標的衍射光柵，從而被輻射并衍射通過光纖傳送的光束；接收被衍射光柵衍射的光束的光接收單元，使其偏振軸與光纖的光軸或垂直正交該光軸的軸一致，使具有通過消光比轉換裝置提高至不小于20dB的消光比的通過聚焦透鏡聚焦的光束進入光纖，通過接收衍射光束的量的水平，該光接收單元適于檢測測量目標的位移。
文檔編號G01D5/38GK1796944SQ20051000349
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權日2004年12月13日
發(fā)明者田宮英明 申請人:索尼株式會社