JPH07225107A

JPH07225107A - 光導波路型変位センサ

Info

Publication number: JPH07225107A
Application number: JP1654394A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健司佐藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】特に反射防止膜を必要とせず、ノイズの少な
い、小型化，低価格化の可能な光導波路型変位センサを
提供すること。【構成】光導波路基板Ａは、電気光学結晶基板１に光
導波路２，３を形成し、且つそれらの隣接部で方向性結
合器４を形成している。該基板１の端面１ｃ，１ｄとセ
ルフォックレンズ６の端面６ａ，６ｂは何れも夫々の長
手方向に対して斜めに形成されている。端面１ｄ，６
ａ，６ｂは光の進行方向に対し斜めとなっているため、
方向性結合器４へノイズとして戻ってくる反射光が低減
されている。方向性結合器４は、レーザ光Ｌ₁を分光
し、また被測定物から戻ってきた測定光Ｌ₂と、反射鏡
５から戻ってきた参照光とを干渉させ、干渉光Ｌ₃を出
力するようになされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的干渉により被測
定物の変位測定を行うための光導波路型変位センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ、エレクトロニクス、マイクロコ
ンピュータ、センサ素子等の発達により、レーザ光を用
いた光学的干渉により物体表面の微小部分の変位を測定
する方法が普及している。この方法は、非接触で行うこ
とができ、且つ高精度が得られるため、例えば結晶ウエ
ハ、光学部品、Ｘ線用ミラー等の表面粗さの測定に利用
されている。

【０００３】このような方法に用いられる変位センサの
一つに、マイケルソン干渉系の原理を利用した光導波路
型変位センサがある。これは、ニオブ酸リチウム（LiNb
O₃）やタンタル酸リチウム（LiTaO₃）等の電気光学結晶
基板の表面に光導波路や方向性結合器を形成した光導波
路基板を用いるものであって、その光導波路基板から出
射されて被測定物に反射されて戻ってきた測定光と、反
射鏡で反射されて戻ってきた参照光とを前記方向性結合
器で干渉させ、その干渉光の出力強度を測定するように
したものである。尚、このような技術については本件出
願人が特願平５−１２２７１６号で提案している。

【０００４】ところで、このようにして光導波路基板か
ら出射される光は、そのままでは回折により広がってし
まうため、被測定物から反射してくる測定光を効率よく
得ることが困難である。そのため、被測定物への出射光
を平行光としたり、被測定物に焦点を結ばせる等の工夫
が必要となるが、その一例として図３に示すように、円
柱形をしているセルフォックレンズ（商品名。一種の屈
折率分布形レンズ）を用いたものが知られている。しか
し、単にセルフォックレンズを用いただけでは、光導波
路基板と空気との境界面、及び空気とセルフォックレン
ズとの境界面で、それらの屈折率の差によって発生する
反射光が、被測定物からの反射光に対するノイズとな
り、測定精度を低くしてしまうという問題点がある。そ
のため、この従来例においては、上記の境界面に反射防
止膜を形成しており、それによって境界面での反射光を
−３０dB程度にまで抑制することを可能としている。

【０００５】しかし、被測定物との距離やその表面状態
によっては、被測定物からの反射光の強度が、境界面で
の反射光の強度より低くなってしまうことがあり、上記
のような工夫をしただけでは未だ不十分である。そこ
で、この従来例においては、更に光導波路基板の長手方
向の両端面を研磨等によって斜めにカットした形状と
し、また光導波路基板から出射されセルフォックレンズ
に入射する光に対し、セルフォックレンズの端面を約１
０度傾けて配置するようにしている。このようにしたこ
とによって上記の境界面での反射光を−６０dBまで低減
することが可能となった。従って、この従来例は、種々
の被測定物の表面粗さを測定することができ、且つ測定
精度を向上させることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
例において、セルフォックレンズの両端面に反射防止膜
を形成するためには、一般に真空蒸着法を用いるが、反
射防止膜の形成には正確な膜厚の制御が要求され、また
特定の屈折率を得るために材料の選定が難しく、必然的
に製造コストが高くなるという問題点がある。又、上記
の従来例の場合には、セルフォックレンズ内における光
路が光軸の中心線と一致していないため、セルフォック
レンズの長さが短い場合には、レンズの周面から漏光す
ることになる。光が被測定物と対向する端面から出射さ
れるようにできるかどうかは、セルフォックレンズの光
軸中心線に対する光路の傾き、セルフォックレンズの長
さ、屈折率、ピッチ（光線の蛇行周期）、直径等によっ
て決定されるが、セルフォックレンズに限らず屈折率分
布形レンズは、汎用品に比べ、直径を大きくしたり屈折
率を高めたりした特注品の場合、極端に高価となるた
め、変位センサの小型化、低価格化の観点からは汎用
品、特に小型の汎用品が使えるかどうかが大きな問題点
となる。

【０００７】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、光導波路
基板と屈折率分布形レンズとを備えている変位センサに
おいて、屈折率分布形レンズについての選択範囲が広
く、且つ反射防止膜を特に必要としない、小型化，低価
格化に適した光導波路型変位センサを提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光導波路型変位センサは、長手方向の両
端面のうち一方の端面を該長手方向に対して斜面とし該
斜面に測定光用入出力端を形成した光導波路基板と、該
測定光用入出力端との間で光の伝達が行えるように配置
された屈折率分布形レンズとを備えており、該屈折率分
布形レンズは、その両端面が光軸中心線に対し斜めに形
成されている。

【０００９】又、上記において、該屈折率分布形レンズ
は、その光軸中心線が光路と略一致するように配置され
ている。

【００１０】更に、上記において、該屈折率分布形レン
ズは、被測定物への測定光の出射方向が該光導波路基板
の長手方向と略一致するようにして配置されている。

【００１１】

【作用】光源から出射された光は、光導波路基板内の方
向性結合器で二つの光導波路に分光され、光導波路基板
の長手方向に対して斜めに形成されている端面に導かれ
る。一方の光は、この端面に設けられている反射鏡に反
射され参照光として再び方向性結合器へ戻ってくる。他
方の光は、上記の端面で屈折し、測定光として屈折率分
布形レンズの一種であるセルフォックレンズの端面に出
射される。セルフォックレンズは両端面が光軸中心線に
対して斜めに形成されており、且つ光軸中心線が光導波
路基板から出射された光に対して所定の角度となるよう
にして配置されているため、セルフォックレンズに入射
した光は該レンズの外周面から漏光することなく、略光
軸中心線を通って正確に他の端面に導かれ、被測定物に
対して出射される。被測定物から反射された光は、前記
とは逆の経路を辿り、光導波路基板に入射する。光導波
路基板に戻ってきた測定光は、方向性結合器において前
記の参照光と干渉し、その干渉光は受光素子に向けて光
導波路基板から出射される。

【００１２】このように、光導波路基板とセルフォック
レンズとの間の光の伝達面、及びセルフォックレンズの
被測定物に対する出射面が何れも光路に対して斜めにな
るように形成されているため、夫々の端面で反射されて
戻ってくる反射光を低減することができる。又、被測定
物へ測定光を出射するセルフォックレンズの端面を光軸
中心線に対して所定の角度に設定することにより、被測
定物への出射光を光導波路基板の長手方向と略一致する
ようにして出射させたり、所望の角度で出射させたりす
ることができる。

【００１３】

【実施例】第１実施例本発明の第１実施例を図１に示した説明図を用いて説明
する。本実施例に用いられる光導波路基板Ａは、本件出
願人が出願した特願平５−２８４６４３号で提案したも
のと実質的に同じであり、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）
やタンタル酸リチウム（LiTaO₃）等の電気光学結晶基板
１に光導波路２，３が形成されている。基板１は長手方
向に平行な二つの端面１ａ，１ｂと、端面１ｂに対して
８０度の角度となるように研磨加工された二つの端面１
ｃ，１ｄとを有している。光導波路２，３は、夫々一方
の端部を斜面１ｃに、他方の端部を斜面１ｄに臨ませて
いるが、基板１の中央部においては隣接され、方向性結
合器４を形成している。そして、斜面１ｄには金属や酸
化物、好ましくはチタン（Ti）を２０nm蒸着し、その上
にアルミニウム３００nmを蒸着して反射鏡５が形成され
ており、光導波路３はこの反射鏡５の反射面、即ち斜面
１ｄに対して略垂直になるように形成されている。

【００１４】セルフォックレンズ６は円柱形をしてお
り、通常は図３に示すように両端面が長手方向、即ち光
軸方向に対して垂直な面をしているが、本実施例におい
ては、二つの端面６ａ，６ｂは何れも光軸の中心線に対
し所定の角度を持つように斜めに研磨されている。光導
波路基板Ａに対するセルフォックレンズ６の配置は、端
面６ａが端面１ｄから出射された測定光に対して垂直よ
り１０度傾くようにしセルフォックレンズ６に入射され
た光が略光軸中心線を通るようになされている。そし
て、端面６ｂの角度は、被測定物への測定光の出射方向
が光導波路基板Ａの長手方向と略一致するように設定さ
れている。

【００１５】次に作用を説明する。光軸から出射された
レーザ光Ｌ₁は、図示していないが光ファイバを介して
端面１ｃから光導波路基板Ａに入射し、方向性結合器４
で分光される。そして、光導波路２を経由した光は測定
光として端面１ｄからセルフォックレンズ６に向けて出
射される。この時、光導波路２に対して端面１ｄが斜め
に形成されているので、端面１ｄと空気との境界面で発
生し、光導波路２へ戻ってくる反射光が低減される。一
方、測定光はセルフォックレンズ６へ入射する時、その
入射方向に対し端面６ａが斜めになっているので、空気
と端面６ａの境界面で発生し、光導波路２のポートへ戻
ってくる反射光は低減される。

【００１６】その後、測定光はセルフォックレンズ６の
外周面へ向かうことなく、略光軸中心線を通り、端面６
ｂから被測定物へ向けて出射される。この時、端面６ｂ
と空気との境界面で発生する反射光は、端面６ｂが光軸
中心線に対して斜めに形成されているので、光軸中心線
を辿ることは殆どない。端面６ｂから被測定物へ出射さ
れた測定光Ｌ₂は略光導波路基板Ａの長手方向と一致す
る方向へ出射される。従ってこの場合には、被測定物へ
の出射方向を、センサヘッド（変位センサを組み込んだ
構成体）の外観から容易に判別することができるので、
光源として安価な赤外（不可視）半導体レーザを使用す
る場合に有効となる。測定光２は、変位センサと相対的
に変位している被測定物の表面で反射され、セルフォッ
クレンズ６の端面６ｂへ戻ってくる。その後は、上記と
同一経路を逆に進行し、方向性結合器４へ戻ってくる。

【００１７】他方、光導波路基板Ａに入射した後、方向
性結合器４で分光され、光導波路３に導かれた光は、端
面１ｄに形成された反射鏡５に垂直に当たるため、その
殆どが参照光として方向性結合器４へ戻ってくる。従っ
て、光導波路２から戻ってきた測定光と、光導波路３か
ら戻ってきた参照光は、方向性結合器４で干渉し、その
干渉光Ｌ₃は、図示していないが出力側の光ファイバを
介して光検出器へ導かれ、測定装置によって処理され
る。

【００１８】第２実施例本発明の第２実施例を図２に示した説明図を用いて説明
する。尚、本実施例における構成及び作用は第１実施例
の場合と殆ど同じであるため、同一部品には同一符号を
付け、その詳細な説明を省略する。本実施例において
は、測定光Ｌ₂をセルフォックレンズ６から被測定物へ
出射する端面６ｂ′の形状が、第１実施例の場合と異な
っている。即ち、セルフォックレンズ６の光軸中心線に
対する端面６ｂ′の傾き方向が第１実施例における端面
６ｂの場合と逆方向に形成されている。そのため、測定
光Ｌ₂の出射方向は、光導波路基板Ａの長手方向と一致
せず、一定の角度をなすようになされている。

【００１９】このような構成にしたことにより、第１実
施例の場合とは異なり、次のような利点がある。即ち、
第１実施例を用いたセンサヘッドでは、設置スペースに
制約があり、測定面に光を当てるためにセンサヘッドの
姿勢を傾けたりすることができない場合でも、本実施例
を用いる場合には、測定光の出射角度を所定の角度に設
定することにより、計測可能とすることができる。従っ
て、斜めに穿孔された穴の底面を計測するような場合な
どには、センサヘッド全体の角度調節をすることなく計
測することが可能となる。

【００２０】尚、上記の二つの実施例においては、何れ
も光導波路基板Ａの端面１ｃを斜めに形成しているが、
これを長手方向に直角に形成しても構わない。その場合
には、ノイズとなる戻り光をカットするために、光源と
光導波路基板Ａとの間に光アイソレータを設けることが
好ましい。

【００２１】

【発明の効果】上記のように、本発明の光導波路型変位
センサによれば、屈折率分布形レンズの両端面を光軸中
心線に対して斜めに形成したため、ノイズの原因となる
反射光を−６０dB程度に低減でき、高精度な測定が可能
となる。又、測定光が屈折率分布形レンズの略光軸中心
線を進行するようにしたため、該レンズの周面から漏光
する心配がなく、市販の安価なレンズを使用することが
可能となる。更に、屈折率分布形レンズの光軸中心線に
対して、被測定物に対する出射端面の傾斜を適宜選択す
ることにより、設置に融通性のある種々のセンサヘッド
を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を概念的に示した説明図で
ある。

【図２】本発明の第２実施例を概念的に示した説明図で
ある。

【図３】従来例を概念的に示した説明図である。

【符号の説明】

Ａ光導波路基板１電気光学結晶基板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，６ａ，６ｂ，６ｂ′ 端面２，３光導波路４方向性結合器５反射鏡６セルフォックレンズＬ₁ レーザ光Ｌ₂ 測定光Ｌ₃ 干渉光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長手方向の両端面のうち一方の端面を該
長手方向に対して斜面とし該斜面に測定光用入出力端を
形成した光導波路基板と、該測定光用入出力端との間で
光の伝達が行えるように配置された屈折率分布形レンズ
とを備えており、該屈折率分布形レンズは、その両端面
が光軸中心線に対し夫々斜めに形成されていることを特
徴とする光導波路型変位センサ。
【請求項２】該屈折率分布形レンズは、その光軸中心
線が光路と略一致するようにして配置されていることを
特徴とする請求項１に記載の光導波路型変位センサ。
【請求項３】該屈折率分布形レンズは、被測定物への
測定光の出射方向が該光導波路基板の長手方向と略一致
するようにして配置されていることを特徴とする請求項
１又は２に記載の光導波路型変位センサ。
【請求項４】該光導波路基板には、その表面に少なく
とも光導波路と方向性結合器が形成され、その長手方向
の一端面には光源光用入力端と干渉光用出力端が形成さ
れ、他端面には該測定光用入出力端と参照光用反射鏡が
形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れ
かに記載の光導波路型変位センサ。
【請求項５】該光導波路基板は、その長手方向の両端
面が何れも長手方向に対して斜面となるように形成され
ていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載
の光導波路型変位センサ。