JPH0315719A - 放射応答方法及びセンサ - Google Patents

放射応答方法及びセンサ

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JPH0315719A
JPH0315719A JP2028645A JP2864590A JPH0315719A JP H0315719 A JPH0315719 A JP H0315719A JP 2028645 A JP2028645 A JP 2028645A JP 2864590 A JP2864590 A JP 2864590A JP H0315719 A JPH0315719 A JP H0315719A
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JP
Japan
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grating
radiation
diffracted
diffraction grating
wavelength
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JP2028645A
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English (en)
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Jr William B Spillman
ウィリアム　ビー．スピールマン，ジュニア
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Simmonds Precision Products Inc
Original Assignee
Simmonds Precision Products Inc
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物理的パラメータを検出監視するための電磁放
射センサおよびシステムに関する。より特定すれば、本
発明は変位、応力、圧力および温度のような各種物理パ
ラメータを、そこで反射された光が平面に対し鋭角をな
すように移動する回析格子の線間隔が不均一である可動
型格子から回析された狭帯域の光を検出することによっ
て検知するセンサ、変換器、システムに関する。
〔従来の技術〕
回折格子は平らな基板の表面に平行な刻みを引き、その
各刻みを発散光にさらすことにより典型的には形戊され
る。光が格子を通して伝達されると、出力光は出力波面
において周期的な変動を含む。対照的に光がそのような
表面から反射されると、発欣光は強さと波長に依存して
変化する干渉縞を生ずる位相関係をもってある目標物に
到達する。
回折格子は種々の応用分野で目的とする機能に応じて光
エネルギを解析する一助として使用されてきた。たとえ
ば合衆国特許３，　８１８．　４９８　｝ムリンソン（
Ｔｏｍ　１　ｉ　ｎｓｏｎ）の特許は多重波長光を或分
に分解し、そのために光チャンネルドロッパ、波長選択
ビームスプリツタ、反射板、フィルタを有するくさび形
の線周期の回折格子の使用を開示している。これらの機
器は光通信の分野で特に有用である。同様に合衆国特許
４，　４０８．　８８４のタレインネク｝　　（Ｋｌｅ
ｉｎｋｎｅｃｈｔ）の特許は、シリコンウェハー上に形
戊されたパターンを品質管理の目的で検出するために回
折格子を使用することを開示している。
〔発明が解決しようとする課題〕
大気温、圧力、応力部材の相対的変位を決定するために
部材上に設置又は形或された不均一な回析格子により鋭
角的に回折された広帯域スベクトラムの光を使用する光
変換器を供給することが本発明の目的である。
温度又は他の物理量の変化に応じた変位に応答して状態
を変化させる光スイッチとして機能する本質的に２状態
を有する光変換器を供給することが本発明の目的である
。
選択された部材の変位に応答して温度補償情報を供給す
る合或回折格子を使用した光変換器を供給することが本
発明の目的である。
本発明は物理的パラメータに関し有意義な情報を供給す
る変換器の分野に回折された光を使用する変換器システ
ムを供給する。光エネルギは波長に関し解析された回折
エネルギの一部を回折格子に直接照射される。格子の回
折特性に影響を与える変位又は温度のような他の変化は
解析された波長の関数として決定される。
本発明の１つの具体例において回折格子は中央の回折境
界で回折周期が階段状に変化する第１と第２の格子から
構戒されている。格子は格子上の照射部の関数として回
折される広帯域光によって照射される。少くとも回折さ
れた光の１つの次数は第１の格子が照射された時は第１
の波長であり、第２の格子が照射された時は第２の波長
であり、回折格子の変位に応じて発散光の下を第１と第
２の格子の境界が通過する時に第１の波長と第２の波長
の間が切り換わる。
本発明の他の具体例においては、回折格子はリニアに又
は指数的に又は他の関数に従って変化する可変格子周期
を有している。回折格子は変位部材の上に設置され、光
源により照射され、反射光は変位の関数として変化する
。
さらに本発明の別の具体例において、合或回折格子は一
定の線周期を有する第１の回折格子と可変格子周期を有
する第２の回折格子により定義される。第１の格子は第
２の格子の側面に近づけて設置されるため、第１の格子
と第２の格子の線は平行である。第２の格子の格子周期
はリニアに、又は指数的に又は他の予め定められた関数
に従って変化する。合戊回折格子により回折された光は
第１の格子の一定周期に対応した波長と第２の格子の可
変周期に対応した波長を含む。格子が変位すると、回折
された光の波長或分は第１の格子による反射と回折によ
り生じた一定波長或分と第２の格子による回折と反射に
より生ずる可変波長或分を有する。システムの温度が変
化したとすると、第１の格子および第２の格子から反射
された光の波長が、第１の回折格子からの波長を第２の
回折格子の温度の変動に対する補償として反映できるよ
うに温度に依存して変化する。格子は温度圧力そして変
位センサとして使用されるであろう。温度又は圧カセン
サとして印加された温度又は圧力に対応して膨張収縮す
る。変位センサとしては変位力に応答して格子が変位さ
れる。
〔作　用〕
本発明は正確な変位又は他の物理的パラメータの測定を
達或することができる装置を利点をもって供給する。本
発明によれば光変位センサは第１の格子周期を有する回
折格子と、異なる第２の格子周期を有する回折格子と、
予め定められた角度で広帯域の光放射を有する該回折格
子を照射する手段と、該回折格子により回折された光の
性質の変化を境界が照射光に対して変位した時、第１と
第２の格子の間の境界の照射の結果として検出する手段
からなる。
本発明の他の目的と応用可能な他の分野は以下の同一部
分は同一の参照番号を付した添付図を考慮した詳細な説
明から明らかとなるであろう。
〔実施例〕
本発明による光変換システムの好ましい具体例は第１図
に描かれており、ここでは一般に参照番号１０で示され
る。図示のように、広帯域の光源ｌ２は変換器の測定法
に影響を与える赤外線可視光線紫外線といった望ましい
スペクトラム帯の光を発光する。広帯域の光源１２から
放射された光は光ファイバ１４を通過し、光ファイバ１
４の端からレンズ１８に向う。光はレンズ１８により反
射形回折格子２０の表面上に角度ｈ．で息点を結び、回
折格子２０で反射され、以下に述べるように解析される
。
反射形回折格子２０は線周期Ａの第１の格子２２と間隔
八とは異なる線周期Ｂを有する第２の格子から形或され
ている。第１図において線とその周期は近接した平行線
で図形化して示されている。２枚の格子２２と２４は第
１と第２の格子２２と２４の格子線が２６で定義される
結合部又はインターフェイス部で相互に本質的に平行と
なるように結合される。
回折格子２０は各格子２２と２４（又はレプリカ）を中
央線で切断し、境界２６を定義するために相互に近接し
た関係で規定された端を有する共通の基板（第ｌ図には
図示せず）上に格子を設置することにより、組み立て可
能である。
一般的に周期ＡとＢとの差は以下に述べるように相違が
大きければ大きいほど、出力信号の信号対雑音比が高く
なるので、望ましい結果を達或するよう十分な大きさと
されるべきである。第１の回折格子２２が１センチメー
トル当り数千本の線の密度であれば、第２の回折格子２
４の線密度は半分ないしは２倍であれば満足である。第
１と第２の回折格子を共通基礎上に設置して合戊する回
折格子２０の組み立てのほかに、回折格子は基板（即ち
アルミをコーティングしたガラス）の一部に第１の周期
で線を引き、基板の第２の連続した部分に、周期がステ
ップ状に変化する遷移境界２６を定義するために第２の
周期で線を引くことによっても組み立てることができる
。
レンズ１８により集光された光は回折格子２０を格子２
０の法線から角度ｈＯで横切り、レンズ２８の方向に格
子２０の法線から角度ｈ，で反射され、光ファイバー３
２の端でき点を結ぶ。反射光は光ファイバ３２により搬
送され、その端３４から検出器３６へ供給される。検出
器３６は光ファイバ３２から供給された光に対応した電
気出力を出力するように設計され、伝達回折格子４０上
に反射光がき，点を結ぶようにレンズ３８を含んでいる
。光は回折格子により種々の次数（即ちＭ＝０，−１，
＋１・・・）で回折され、ＣＣＤ（ｉ荷結合素子）アレ
−４２で検出される。ＣＣＤアレイ４２は典型的には、
線チャネルに組み立てられたセルのグループを有する光
応答セルの２次元配列によって定義される。選択された
図形にさらされると、照射された光は電荷を形戊し、解
析のために出力にシフトされる。このようにＣＣＤアレ
イ４２は選択された照射に対応した部分だけでなく照射
の強さの出力も具備することができる。伝達回折格子４
０は光ファイバー３２からの光をＣＣＤアレイ４２の選
択された部分上に波長の関数として解析するために、ア
レイ４２の出力もまた回折格子２０から供給される光の
波長ないしは波長の変化を決定するための関数である。
ＣＣＤアレイ４２で検出された光は信号処理器４６で処
理するための電気信号に変換される。
第１図に示す要素の構或において、回折格子２０は方向
矢印×によって示されるように水平方向に左側に可動で
きるように設置されている。第１図に示した位置におい
て、レンズ１８により集光された光は第ｌの格子２２の
表面のみを照射し、文献から明らかなように、格子周期
Ａに対応した波長の光を比較的一定の強度で反射する。
検出器３６中に導びかれた光はＣＣＤアレイ４２の対応
部分を照射する回折格子４０によって解析され、結局格
子２２の線周期八の関数である出力を出力する。同様に
レンズｌ８により集光された光が第２の格子の表面のみ
を照射した場合には、反射光は第２の格子２４の間隔Ｂ
に対応した第２の異なった波長を有する。
この光はまた４４に格子２２の線周期Ｂの関数である他
の信号出力を出力することとなるＣＣＤアレイ４２の相
違した対応部を照射する回折格子４０によって回折され
る。認識されるように、異なった波長の出力信号は信号
処理器４６の中で判別されることが可能である。
第１図において回折格子が左へ移動すると、第一の格子
２２から反射された光は第１の信号を生或するためにＣ
ＣＤアレイ４２の第１の対応部分を照射し、そしてレン
ズ１８からの入力光が境界２６を照射したとき、反射光
は第１の周期Ａに対応した第１の波長の光と第２の周期
Ｂに対応しＣＣＤアレイ４２の他の部分を照射する第２
の波長の光を含む。
回折格子２０が左方に移動を続けると、境界線２６の反
対側の第１と第２の格子２２と２４の部分が均等にレン
ズｌ８からの光によって照射され、両方の波長を本質的
に同じ照射強さで含み、ＣＣＤアレイ４２に対応した信
号を供給する。この分野の文献からわかるように、検出
器３６の出力は同様に照射部分を通過する境界２６の相
対的な変位により過渡応答を通過する。回折格子２０の
最終的な分解能はレンズ１８から供給される光のスポッ
トの大きさの関数であり、検出器３６の出力は本質的に
２状態であり、そのため光変位システム１０はスイッチ
と相似の機能をはたす。
回折格子２０の表面から角度ｈ１で反射された光の波長
は格子の式Ｉを使って以下のように決定できる、 ｓｉｎ　ｈ，＝ｍＬ／Ｓ　＋ｓｉｎ　ｈｏ・（Ｊ）但し
、 Ｌ・・・波長 ｍ・・・最大回折次数 Ｓ・・・格子周期 ｈ０・・・格子への入射角 ｈ１・・・格子からの反射角 レンズ１８と２８及び光ファイバ１４と３２を回折格子
２０に対して固定した支持〈図示せず）に取り付けるこ
とで角度ｈｏとｈ１は一定になる。第１と第２の格子の
各格子周期Ｓは周期ＡとＢに固定され、したがって検出
する回折次数をあらかじめ決めれば、レンズ２８に反射
される光の波長とその強度はＣＣＤアレイ４２で検出し
て決定できる。回折格子２０の回折光にある欲しい情報
は効果的に波長変調されるから、第１図のシステムは重
要な広波長域の背景光が存在する場合の応用にも適して
いる。
第１図の実施例はレンズ１８からの供給光を受ける平面
回折格子を示し、直線変位関連での使用に適している。
加えて回折格子２０の形は角変位を含む応用のため変更
できる。たとえば第２図に示すように回折格子２０′は
曲線の部分として形或され、軸Ａｘの回りを回転するよ
うに取り付けられた円柱状シャフトの周辺部分に取り付
けられる。第１の格子２２′　と第２の格子２４′　は
、回折格子２０′の動きが検出器（第２図には示さない
）によって検出される強度と波長の変化を生じるように
配置され、よって回転動作を感知する２状態スイッチと
して動作する。第２Ａ図に示すように、第２図に示した
構造の回転動作を検出する他の方法は円柱状シャフト４
８の軸端面に取り付けられた回折格子２０″を有する。
回折格子２０″′は線が放射状に並べられる。当然有効
部分は回転軸Ａｘからの半径の関数で変わる。すなわち
回折格子２０″は軸Ａχに同心状に取り付けることが望
ましい。
格子変化は第１Ａ図に示すように検出される。
ヘリウムーネオンレーザＩＯＡは光ビーム１２Ａを出し
、この光ビームはベース１６Ａで支持される格子１４Ａ
から角度ａ．で反射される。回折光ビーム１８Ａはスク
リーン２ＯＡで観測される。
第ＩＡ図では反射格子１４Ａは反射か吸収のどちらかの
縞で構或される。反射格子１４Ａの格子周期Ｓは反射縞
の中心間の距離である。反射格子１４Ａが広波長域光に
よって一定角度ａ０で照明されると、光の回折は格子周
期Ｓと受光角ａ１に依存し、格子の式（ｒＡ）により、 Ｓ（ｓｉｎ　ａｏ−ｓｉｎ　ａ，）　＝ｍＬ，　　−（
ＬＡ）但し、Ｌ＋　は波長、角度ａ。とａ１は入射光と
格子に垂直な面で測定される。値ｍは回折の次数で整数
である。式（ＩＡ）は前述の式（Ｉ）に近似している。
格子の縞はこの人射光平面に直角である。参照軸は入射
光が格子平面に入射する点から格子平面に垂直な方向に
延びるものとして定義される。入射角ａ０は参照軸に対
し正として定義され、回折角ａ，は負として定義される
。格子の式（ｒＡ）は格子周期が格子に沿って線型な位
置の関数である回折格子に適用でき、ｓ　＝ｓｏ＋ｓ，
　ｘ，そして照明される格子の部分は式（ＩＢ）から推
論できる。
但し、ｍは１とし、ｘ１は格子の変位、Ｓｏと３１は変
位の前後でそれぞれ照明される位置での格子周期。
ヘリウムーネオンレーザＩＯＡからの光は格子１４Ａに
垂直に入射する。レーザは線型移動台１ｆｌｉＡに取り
付けられた格子からＤ１ｎれている。格子１４Ａからの
回折第１次光はスクリーン２ＯＡに投射され距離Ｄ１が
決められる。数量Ｚ１とＤ，（第ＩＢで示した結果はこ
れを１ｍにした）は角度ａ１を決める。実際の変位（Ｘ
＋）に対する測定から推定される変位（Ｘ，）は式（Ｉ
Ｂ）より得られる。
これらの測定結果は第ＩＢ図に示される。見ての通り変
位（Ｘ，）の測定値と実際の値は良く一致している。
本発明の第２の実施例は第３図に示され、この図では同
じ部分は同じ参照番号で示され、全体は参照番号５０で
示される。平行な間隔を持った線で象徴して示されるよ
うに、反射回折格子５２は線型的、指数関数的又は他の
関数に従って変化する変動格子周期を有している。格子
周期は一様でな《、周期的又は変動して良い。回折格子
５２はＣｍ当り数千本の初期線周期で基板に線を引き、
連続して刻まれた線を少しずつ周期を減し、連続して線
密度が増加するようにして作ることができる。
Ｘ方向の格子５２の変位は、レンズ１８から供給される
光によって照らされる格子周期のため、反射され回折さ
れる光の波長を変ることになる。波長変化は検出器３６
によって検出され、検出器は波長の変化の関数である対
応する電気出力を次々に出し、これは第１図の実施例に
よる２状態の出力に比べて相対変位を正確に示す。第３
Ｃ図において、第３図での格子の変位（ｃｍ）は検出さ
れた回折光の波長（ｎｍ　）の関数として示される。波
長は変位に対してほぼ２００ｎｍ／ｃｍの率で実質的に
線型に変化する。
第３図の実施例に関連して、回折格子５２の相対運動は
、格子５２が取り付けられた移動部材によるか又は温度
、圧力又は応力／変形の変化による小さな変位など回折
格子５２に働く物理的力によって生じる。後者に関連し
て第３Ａ図に示され・るように、チャンバーに取り付け
られ押し棒５６によって回折格子５２継ながれたダイア
フラムのような圧力変換器５４は、格子５２の物理的圧
縮作用する圧力Ｐに応答し、対応する電気信号出力する
ように、圧力Ｐを回折格子５２に適合させるのに使用で
きる。
第３Ｂ図において、たとえば銅、アルミニウムで作られ
温度Ｑに応じて伸縮する温度アクチュエータ５８が、温
度で変わる出力信号を出すように圧力を回折格子５２′
　に適合させるため取り付けられている。第３Ｂ図の実
施例で回折格子５２′は第■図の回折格子の変動周期線
間隔と第３図の回折格子の隣接した固定周期線間隔の両
方を備えており、この形は固定波長出力に切り換える変
動波長出力を出す機能の併合を実現する。
本発明の第３の実施例の複合回折格子は第４図で表わさ
れ参照番号６２で示される。複合回折格子６２は固定線
周期の第１の格子６４と第３図の反射回析格子５２とし
て前述した変動線周期の第２の格子６６で定義される。
見ての通り、第１の格子６４は第２の格子６６の隣接す
る側に合せて取り付けられ、第１と第２の格子６４と６
６の線は大体平行である。
第２の格子６６の格子周期は線型的、指数的又は他のあ
らかじめ定めた関数に対応して変動できる。
複合格子６４は第１図の光回路で使われたもので、たと
えばレンズｌ８を通って供給される光は第１の格子６４
と第２の格子６６を一緒に照明する。レンズ２８に反射
される光は第１の格子６４の固定格子周期と第２の格子
６６の変動格子周期に対応する波長を含む。回折格子６
２が変位した時、レンズ２８に反射される光の波長要素
は第１の格子６４の固定周期からの反射と回折による一
定の波長要素と第２の格子６６の変動周期からの回折と
反射による変動波長要素を有する。
第１と第２の格子６４と６６による波長出力ＷＶｌとＷ
Ｖ２の理想的な図的再現は第５図に示され、図で縦座標
は信号の振幅又は強度を表わし、横座標は波長を表わす
。見ての通り、ビークＷｖ１は複合回折格子６２のどん
な変位にも相対的に固定した波長を有し、ピークＷＶ２
　は復合回折格子６２の物理的変位の関数で波長が変化
する。このように第１の回折格子６４は変位に応じて第
２の格子６６により出る波長の変動する光に対する参照
基準線として機能する。どのような一定温度の応用でも
第５図に示されるピークＷＶ，の波長は相対的に固定さ
れる。システムの温度が変わると第１の格子６４からの
反射光の波長は、第２の格子６６からの波長と同様に、
温度に依存して変わる。温度の関数としての第１の格子
６４からの回折波長における変動はこのように温度での
変動を補正する値として、回折格子６６の出力の相対変
位として有用である。
補正は、第１の温度Ｔ，と第２の温度Ｔ２の温度差ΔＴ
における変化に対する第１の波長ビークＷＶｌの波長変
化（ｗｖ．　［’ｒ，）　−ｔＩｖ．　　［：Ｔ２］　
）　ヲ、温度差ΔＴにおける変化に対する第２の波長ピ
ークＷＶ２の波長変化から引くことで行なえる。
温度変化に対する補正に加えて、第４図と第５図を関連
ずけて上に述べたように信号出力は、システムに誤差を
生じる広波長域光源１２のスペクトルの時間変化も補正
できる。第６図に示すように光源１２からの光の一部分
はファイバ７０を通して検出器７２に供給され、検出器
はレンズ７４、回折格子７６、及びＣＣＤアレイ７８を
有する。検出器７２は上述のように検出器３６と類似し
た方法で機能する。
光源光７２は検出器７２で分解され、ノーマライザ（規
格化装置）８０に送られる。ノルマライブは検出器３６
から出力４４を受け、ＣＣＤアレイ７８の出力に対して
出力４４を規格化し信号処理装置４６に送る。
本発明の望ましい実施例では格子が温度センサとして機
能する。格子は既知の熱膨張係数を有する材料で作られ
ている。温度が変化するにしたがって格子周期が比例的
に変化する。格子よりの反射光はピークエネルギ波長（
Ｌｐ）を有する。ピークエネルギ波長Ｌｐは以下の式■
で示されるように入射角（ｈ１〉のｓｉｎ　と回折角（
ｈａ）のｓｉｎの差を周期Ｓに乗じたものに等しい。
Ｌｐ＝Ｓ（ｓｉｎ　ｈ，　−ｓｉｎ　ｈｏ）　　　−　
（ＩＩ）格子周期の変化Ｓｄｅｌｔａは以下のように式
■で示される格子材料の熱膨張α係数を温度変化’ｆ’
ｄｅｌｔａ　に乗じたものに等しい。
Ｓｄｅｌｔａ　＝ａ　（Ｔｄｅｌｔａ）　　−　（ＩＩ
Ｉ）格子周期の変化Ｓ＋ｊｅｌｔａは式Ｉの格子周期Ｓ
に代用するから、波長変化Ｌｄｅｌｔａは以下の弐■に
示されるように温度変化Ｔｄｅｌｔａに関係付けられる
。
Ｌｄｅｌｔａ＝　〔α（ｓｉｎ　ｈ＋　−ｓｉｎ　ｈｏ
））　Ｔｄｅｌｔａ　・・・（ｒＶ）低い熱膨張性を有
する容易に圧縮できる弾性材料でできた回折格子とする
ことで、圧カセンサが第７Ａ図に示すように光センサで
できる。圧力がダイアフラム１１０に加えられたとき、
ダイアフラムはアクチュエータ１１１に継ながれており
、格子基板１１２を押し、格子の周期を短くする。
光のような電磁放射は光源１２０から光ファイバ１２２
とレンズ１２４を通して鋭角で格子１１２の上表面の平
面に当たる。格子１１２で回折された放射はレンズｌ２
６、光ファイバｌ２８、レンズ１３０そして格子１３２
を通って検出器１３４に伝わる。検出器１３４はライン
１３６を通してマイクロプロセッサ１３８に継ながれ、
マイクロプロセッサはライン１４０でメモリ１４２にラ
イン１４４で表示装置１４６に継ながれる。
温度スイッチは基板２１２の格子の長さが周囲温度の変
化に良く応じる第７Ｂ図のシステムで実現される。たと
えばアルミニウム、鋼鉄又は銅のような金属が基板１１
２を作る材料として使われる。
光のような電磁放射は光源２２４から光ファイバ２２２
とレンズ２２４を通して鋭角で格子２１２の上表面の平
面に当たる。格子２１２で回折された放射はレンズ２２
６、光ファイバ２２８、レンズ２３０　そして格子２３
２を通って検出器２３４に伝わる。検出器２３４はライ
ン２３６でマイクロプロセッサ２３８に継ながり、マイ
クロプロセッサはライン２４０でメモリ２４２にライン
２４４でスイッチ２４６に継ながれる。
第７Ｃ図に示すようにダイアフラム３１３に継ながれた
圧カアクチュエーク３１２に格子基板３１０を付けるこ
とで、アクチュエータ３１２の位置は格子３１４からの
回折光により容易に決められる。検出器からの出力をス
イッチが働く位置にあらかじめセットすることで、ダイ
アフラム３１３上のブリセット圧力スイッチができる。
光のような電磁放射は光源３２０から光ファイバ３２２
　とレンズ３２４を通して鋭角で格子３１０の上表面の
平面に当る。格子３１０によって回折された放射はレン
ズ３２６、光ファイバ３２８、レンズ３３０及び格子３
３２を通って検出器３３４に伝わる。検出器３３４はラ
イン３３６でマイクロプロセッサ３３８　に縦なかれ、
マイクロプロセッサはライン３８０でメモリ３４２にラ
イン３４４でスイッチ３４６　に継ながれている。
第７Ｄ図に示すように、格子基板４１０にアクチュエー
タ４１２を付けることによりアクチュエータ４１２の位
置は、検出器４１６によって検出される格子４１４から
の回折光から容易に決定される。検出器からの出力をあ
らかじめスイッチが働く位置にセットすることで、アク
チュエータ４１２の位置スインチができる。
光のような電磁放射は光源４１０から光ファイバ４２２
とレンズ４２４を通して鋭角で格子４１０の上表面の平
面に当る。格子４１０によって回折された放射はレンズ
４２６、光ファイバ４２８、レンズ４３０及び格子４３
２を通って検出器４３４に伝わる。検出器４３４　はラ
イン４３６でマイクロプロセッサ４３８　に継ながれ、
マイクロプロセッサはライン４４０でメモリ４４２　に
ライン４４４でスイッチ４４６　に継ながれている。
第８Ａ図、第８Ｂ図及び第８Ｃ図は２つの周期を有する
格子のそれぞれ短かい周期、境界、及び長い周期の部分
で回折された光の強度と波長分布を示し、それぞれ基板
がアクチュエー夕に対し、近ずいた位置、中央、離れた
位置で測定されたものに対応する。中央位置では格子に
伝えられる光は、格子の短い周期と長い周期の部分から
等しく回折される。このように短かい周期を有する格子
部分に光ビームが入射するなら、基板は中央の位置から
アクチュエー夕の方へ変位しており、より短かい波長の
みが検出される。基板が中央（スイッチ）位置へ向って
動くと、光ビームは短い周期と長い周期の部分の境界付
近に入射し、長い波長Ｌ１の要素が少し検出される。更
に基板が変位すると、基板がスイッチ位置になるまで長
い波長要素が増加し、２つの要素が等しくなる。更にア
クチュエー夕から離れる方向に中央位置から変位すると
、短い波長要素が最初的に消えるまで減少し、長い波長
の要素の強度が増加し、最大値になって一定になる。
第９図に示すように、光のような電磁放射は源５２０か
ら光ファイバ５２２　とレンズ５２４を通して、鋭角で
温度検出格子５１２の上表面の平面に当る。
透過格子５１２で回折された放射は、レンズ５２６、光
ファイバ５２８、レンズ５３０　と格子５３２を通って
検出器５３４　に伝わる。検出器５３４　はライン５３
６でマイクロプロセッサ５３８に継ながれ、マイクロプ
ロセッサはライン５４０でメモリ５４２　にライン５４
４でスイッチ５４６　に継げられる。
上述の実施例において、反射格子が良く使われたが、当
然透過格子も同様に使える。
〔発明の効果〕
本発明により正確な変位又は他の物理パラメータの測定
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の具体例を示した図、第１Ａ図は
格子変位を検出するためのシステムのブロックダイヤグ
ラム、 第ＩＢ図は推定した格子変位と実際の格子変位の関係を
示すグラフ、 第２図は第１図に示す具体例の第１の変更例を示した図
、 第２Ａ図は第１図に示す具体例の第２の変更例を示した
図、 第３図は本発明の第２の具体例を示した図、第３Ａ図は
第３図に示す具体例の第１の変更例を示した図、 第３Ｂ図は第３図に示す具体例の第２の変更例を示した
図、 第３Ｃ図は第３図の具体例にたいする回折された波長と
相対変位の間の関係を示すグラフで、縦軸は波長をナノ
メートルで、横軸は絶対変位をセンナメートルで表す。 第４図は本発明の第３の具体例のための合或回析格子２
０を示す図、 第５図は第４図の合成回折から得られる出力信号の理想
化されたグラフで、縦軸は信号の大きさないし強度を、
横軸は波表を表す。 第６図は光源スベクトラムの時間的温度的変化に対する
信号出力を補正するためのシステムのブロックダイヤグ
ラム 第７Ａ図は本発明による光圧カセンサのブロックダイヤ
グラム 第７Ｂ図は本発明による光温度センサのブロックダイヤ
グラム、 第７Ｃ図は本発明による光圧力スイッチのブロックダイ
ヤグラム、 第７Ｄ図は本発明による光位置スイッチのブロックダイ
ヤグラム、 第８Ａ図は反射光の強さと、２つの周期格子の短い格子
周期を有する格子部分から反射された光の波長との関係
を示したグラフ、 第８Ｂ図は反射光の強さと、２つの周期格子の境界で反
射された光の波長との関係を示したグラフ、 第８Ｃ図は反射光の強さと２つの周期格子の長周期部分
で反射された光の波長との関係を示したグラフ、 第９図は本発明による光温度センサのブロックダイヤグ
ラムである。 図において １０・・・光変換システム　　　１２・・・光源１４・
・・光ファイバ　　　　　１８・・・レンズ２０・・・
回折格子　　　　　　２８・・・レンズ３２・・・光フ
ァイバ　　　　　３６・・・検出器４６・・・信号処理
器 光釉 図面の浄書（内容に変更なし） 〜・ｌ 〜．３Ａ・ ｒ 〜・３Ｂ． Ｆｉｇ．３Ｃ 回折された光のｉ５ 手 続 補 正 書 （方式） 平或２年６月 ／と日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、放射源（１２、１２０、２２０、３２０、４２０、
    ５２０）と回折格子素子（１４Ａ、２０、２０′、２０
    ″、５２、５２′、６２、１１２、２１２、３１０、４
    １０、５１２）の間の変位を検出する方法であって、該
    回折格子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５２
    ′、６２、１１２、２１２、３１０、４１０、５１２）
    が少くとも一部に不均一な格子周期を有し、該回折格子
    （１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５２′、６２
    、１１２、２１２、３１０、４１０、５１２）を該源（
    １２、１２０、２２０、３２０、４２０、５２０）で照
    射する段階と、該回折格子素子（１４Ａ、２０、２０′
    、２０″、５２、５２′、６２、１１２、２１２、３１
    ０、４１０、５１２）から回折された放射の性質の、該
    回折格子素子と該源（１２、１２０、２２０、３２０、
    ４２０、５２０）が相対的に移動した時の変化を検出す
    ることを特徴とする変位検出方法。 ２、該照射段階が光ファイバ（１４）によって該格子素
    子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５２′、６
    ２、１１２、２１２、３１０、４１０、５１２）を照射
    する段階よりなることを特徴とする請求項１記載の方法
    。 ３、該検出段階が、回折された放射が光ファイバ（３２
    ）の中に焦点を結ぶことよりなることを特徴とする請求
    項１又は２記載の方法。 ４、該照射段階が該回折格子（１４Ａ、２０、２０′、
    ２０″、５２、５２′、６２、１１２、２１２、３１０
    、４１０、５１２）を予め定められた角度で照射するこ
    とを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の
    方法。 ５、該検出段階が少くとも回折された放射の波長を検出
    する段階よりなることを特徴とする請求項１から４のい
    ずれか１項に記載の方法。 ６、該検出段階が該回折された放射を伝達回折格子素子
    （４０）上に直接照射し、放射応答素子のアレイ（４２
    ）により、結果としての放射を検出し、該アレイ素子の
    応答の関数として該波長を検出することよりなることを
    特徴とする請求項５記載の方法。 ７、回折格子（２０、２０′、２０″、１１２、２１２
    、３１０、４１０、５１２）が、相互に異なった格子周
    期を有する２組に配列された格子と、それらの間に境界
    （２６）を有することを特徴とする請求項１から６のい
    ずれか１項に記載の方法。 ８、回折格子（５２、５２′、６２）の少くとも１部が
    順次変動する格子周期を有することを特徴とする請求項
    １から６のいずれか１項に記載の方法。 ９、該回折格子が一定格子周期の他の格子（６４）を含
    むことを特徴とする請求項７又は８記載の方法。 １０、該他の格子（６４）により回折された放射を検出
    することにより、該回折された放射の性質の変動を検知
    し、その変動によって、格子素子（６２）のもう一方の
    格子（即ち６６）により回折された放射の対応した変動
    を補償することを特徴とした請求項９記載の方法。 １１、物理的パラメータの変動が、それに対応した前記
    相対変位を引き起こし、回折された放射の該性質の変化
    が物理的パラメータの変動に依存することを特徴とする
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。 １２、該物理的パラメータが回折格子素子（１４Ａ、２
    ０、２０′、２０”、５２、５２′、６２、１１２、２
    １２、３１０、４１０、５１２）に印加される機械的力
    又は温度であることを特徴とする請求項１１記載の方法
    。 １３、源（１２）より発した放射の一部を、回折格子素
    子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５２′、６
    ２、１１２、２１２、３１０、４１０、５１２）により
    回折される前に検出し、回折格子（１４Ａ、２０、２０
    ′、２０″、５２、５２′、６２、１１２、２１２、３
    １０、４１０、５１２）により回折された放射の該性質
    を規準化することにより、該性質の何らかの変動に応答
    することを特徴とした請求項１から１２のいずれか１項
    に記載の方法。 １４、放射源（１２、１２０、２２０、３２０、４２０
    、５２０）と該源（１２、１２０、２２０、３２０、４
    ２０、５２０）からの放射を受ける回折格子素子（１４
    Ａ、２０、２０′、２０”、５２、５２′、６２、１１
    ２、２１２、３１０、４１０、５１２）からなる電磁放
    射センサであって、該回折格子（１４Ａ、２０、２０′
    、２０″、５２、５２′、６２、１１２、２１２、３１
    ０、４１０、５１２）が、不均一な格子周期を配列され
    た格子からなり、検出装置（３６、１３４、２３４、３
    ３４、４３４、５３４）によって、該回折格子（１４Ａ
    、２０、２０′、２０″、５２、５２′、６２、１１２
    、２１２、３１０、４１０、５１２）により回折され、
    不均一な格子周期によって引き起こされる、放射の予め
    定められた性質の変化を検出することを特徴とする電磁
    放射センサ。 １５、回折格子素子が反射回折格子であることを特徴と
    する請求項の１４に記載のセンサ。 １６、格子素子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２
    、５２′、６２、１１２、２１２、３１０、４１０、５
    １２）に照明放射を供給するのに光ファイバ（１４）に
    よることを特徴とする請求項の１４又は１５のいずれか
    に記載のセンサ。 １７、検出装置が回折放射を光ファイバ（３２）の中へ
    集光するレンズ（２８）を有することを特徴とする請求
    項１４から１６のいずれか１項に記載のセンサ。 １８、検出装置が、少なくとも回折された放射の波長を
    決定できる装置（３６、１３４、２３４、３３４、４３
    ４、５３４）を有することを特徴とする請求項の１４か
    ら１７のいずれか１項に記載のセンサ。 １９、検出装置が、回折放射を透過回折格子素子（４０
    ）に向ける素子（３８）と、それにより出る放射を検出
    するための放射に感応する素子のアレイ（４２）とを有
    し、該波長をアレイ（４２）素子の出力関数として検出
    することを特徴とする請求項の１８に記載のセンサ。 ２０、格子素子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２
    、５２′、６２、１１２、２１２、３１０、４１０、５
    １２）が、それぞれ異なる格子周期とその間の境界を有
    する２つのグループが配列された格子を有することを特
    徴とする請求項の１４から１９のいずれか１項に記載の
    センサ。 ２１、少なくとも回折格子素子（５２、５２′、６２）
    の一部分は段々に変化する格子周期を有することを特徴
    とする請求項の１４から２０のいずれか１項に記載のセ
    ンサ。 ２２、回折格子素子が一定の格子周期を有する格子（６
    ４）を更に有することを特徴とする請求項の２０又は２
    １のいずれか１項に記載のセンサ。 ２３、機械力又は温度のような変動する物理パラメータ
    を格子素子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５
    ２′、６２、１１２、２１２、３１０、４１０、５１２
    ）に加え、その上にこれに応じた該相対運動を生じさせ
    る装置（５４、５８など）で、回折された放射の該特性
    における変化が物理パラメータの変化に依存するもので
    あることにより特徴ずけられる請求項の１４から２２の
    いずれか１項に記載のセンサ。 ２４、該更なる格子（６４）により回折される放射を検
    出する装置と、回折された放射の特性の変化を検出する
    装置と、格子素子（６２）のもう一つの格子（６６など
    ）により回折された放射の放射で補正することによりこ
    のような変化に応答する装置で特徴ずけられる請求項の
    ２２に記載のセンサ。 ２５、格子素子（１４Ａ、２０、２０′、２０″、５２
    、５２′、６２、１１２、２１２、３１０、４１０、５
    １２）により回折される前に源（１２）によって生じる
    放射のある部分を検出する装置（７０）と、格子素子（
    １４Ａ、２０、２０′、２０″、５２、５２′、６２、
    １１２、２１２、３１０、４１０、５１２）により回折
    される放射の該特性を正規化することで該特性の変動に
    応答する装置（８０）で特徴ずけられる請求項の１４か
    ら２４のいずれか１項に記載のセンサ。 ２６、回折格子素子（２０、５２、５２′、６２、１１
    ２、２１２、３１０、４１０、５１２）は平面の放射受
    け表面を有し、源（１２、１２０、２２０、３２０、４
    ２０、５２０）はその表面に鋭角（ｈ＿０）で放射を向
    けることを特徴とする請求項１４から２５のいずれか１
    項に記載のセンサ。 ２７、該特性が波長又は放射強度であることを特徴とす
    る請求項の１から２６のいずれか１項に記載の方法又は
    センサ。 ２８、放射が光放射であることを特徴とする請求項の１
    から２７のいずれか１項に記載の方法又はセンサ。 ２９、該源（１２、１２０、２２０、３２０、４２０、
    ５２０）からの放射は、実質的に回折された放射におけ
    る波長域より広い波長域を有することを特徴とする請求
    項の１から２８のいずれか１項に記載の方法又はセンサ
    。
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