JPS625105A - 導波型光変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 光干渉のための少なくとも２つの光導波路が基板に形成
されており、この基板の光導波路の出射端と被測定物体
上の反射面との間にレンズ手段がそれぞれ設けられ、こ
れらのレンズ手段によって上記出射端から出射される信
号光がコリメートされるとともに、上記反射面からの反
射光が集光され、さらに上記少なくとも２つの光導波路
の一方に位相シフト手段が設けられていることを特徴と
する導波−型光変位センサ。

発明の背景 この発明は、基板上に光導波路を用いてマイケルソン干
渉計を作製し、基板上の反射面で反射する参照光と基板
外の被測定物体上の反射面で反射する信号光との干渉に
よる光強度変化に基づいて被測定物体の変位量を計測す
る導波型光変位センサに関する。

このような導波型光変位センサにおいては、基板の３次
元光導波路から出射する信号光が拡散することは避けら
れず、したがって被測定物体の反射面で反射して基板の
光導波路に戻りかつ入射する光の量が少なくなってしま
うという問題がある。被測定物体の変位量がきわめてわ
ずか（たとえば数十μｍ程度）であればかなりの反射光
量が基板の光導波路に戻るが、被測定物体の変位が大き
くなるともはや測定可能な量の信号光が得られなくなっ
てしまう。

また、従来の導波型光変位センサでは被測定物体の変位
の方向を判別することはできなかった。

発明の概要 この発明は、変位ｎ１定距離が長くかつ変位方向の判別
の可能な導波型光変位センサを提供することを目的とす
る。

この発明による導波型光変位センサは、光干渉のための
少なくとも２つの光導波路が形成された基板、この基板
の光導波路の出射端と被測定物体上の反射面との間にそ
れぞれ設けられ、上記出射端から出力される信号光をコ
リメートするためのおよび上記反射面での反射光を集光
するための２つのレンズ手段、上記少なくとも２つの光
導波路の一方に設けられた導波光の位相シフト手段、な
らびに参照光を得るために、基板の光導波路端面に形成
された反射手段を備えていることを特徴とする。

信号光と参照光とが基板の光導波路を伝播する過程でこ
れらの２つの光が干渉し、これらの２つの光の位相差に
応じた強度の干渉光が得られる。

参照先の位相は常に一定であり、信号光の位相は被測定
物体の位置によって変化する。したがって干渉光の強度
変化により被測定物体の変位量が測定される。

上記２つのレンズ手段により、基板の２つの光導波路か
ら出射する信号光がそれぞれコリメートされて被測定物
体上の反射面にあたり、この反射面からの反射光は上記
レンズ手段により集光されて基板の光導波路にそれぞれ
入射する。基板の光導波路にそれぞれ入射する信号光の
光量は被測定物体が大きく変位してもほとんど変動しな
いので、長い測定距離を得ることができる。

上記少なくとも２つの光導波路の一方には位相シフト手
段が設けられている。したがって９両光導波路から得ら
れる干渉光強度の周期的な変化は、上記位相シフト手段
によって強制的にシフトされた位相に対応する位相量だ
け相互にずれている。この２つの干渉光の位相のずれに
より被測定物体の移動方向を判別することが可能となる
。

基板の光導波路端面に形成される反射手段は金属薄膜の
蒸着等により実現することができる。この金属薄膜の厚
さを変えることにより金属薄膜で反射する光の光量、す
なわち参照光強度を制御することができる。参照光強度
を信号光の強度とほぼ同じ程度にすることにより干渉光
の光強度変化の消光比をよくすることができる。消光比
がよければ後段の光信号処理が容易となる。

実施例の説明 第１図はこの発明による導波型光変位センサの一例を、
第２図は変位測定システムの全体をそれぞれ示している
。

基板１．たとえばＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　ＯａにＴＬを熱拡散
することにより２つの非対称Ｘ分岐型光導波路１０、２
０が形成されている。光導波路１０は４つの光導波路１
１〜１４を含み、光導波路１０はこれらの光導波路１１
−１４がそれらの一端でＸ字状に結合することにより構
成されており、光導波路１２の巾は他の光導波路１１．
１３．１４の巾よりも狭くつくられている。光導波路２
０も同じように４つの光導波路２１〜２４から構成され
ている。そして、光導波路１１と２１とがその入力端で
共通に形成され、それぞれのＸ字詰合部に向ってＹ字状
に分岐している。このような非対称Ｘ分岐型光導波路の
詳細は、導波形光ビーム・スプリッタとして特開昭５８
−２０２４０６　（特願昭５７−８６１７８）に開示さ
れている。

この実施例に関連する範囲でこの非対称Ｘ分岐型光導波
路１０（同２０も同じ）の動作を説明すると次のように
なる。光導波路１１を伝播する光は２つの光導波路１３
と１４に等しく分岐して進行していく。光導波路１３と
１４をＸ字詰合部に向って伝播する光は、これらの光の
位相が等しい場合には光導波路１１に戻る。光導波路１
３と１４の光が逆位相（位相が１８０”異なる）場合に
はこれらの光は光導波路・１２に進む。したがって、光
導波路１２には光導波路１３．１４をＸ字詰合部に向う
光の位相差に応じた強度の光が得られる。

上述の説明は、光導波路１１．１２と光導波路１３゜１
４とを交換しても同じようにあてはまる。

光導波路１１と２１の共通入力端の端部には入力用光フ
ァイバ３１が、光導波路１２．２２の端部には出力用光
ファイバ３２．３３がそれぞれ接続されている。

入力用光ファイバ３１としては偏波面保存光ファイバが
用いられている。レーザ光源４１からのレーザ光がアイ
ソレータ４２およびレンズ４３を介して光ファイバ３１
に導入される。アイソレータ４２はレーザ４１から光フ
ァイバ３１への光の進行を許し、これとは逆方向に進む
光を遮断するものであり、光の偏波方向に基づいてこの
作用を行なう。出力用光ファイ／＜３２．３３としては
マルチモード光ファイバが用いられている。これらの光
ファイバ３２．３３＋：よりて導かれる出力光は受光素
子４４Ａ、４４Ｂにそれぞれ入射し、それらの光強度を
表わす電気信号にそれぞれ変換される。

基板１の光導波路１３．２３の端面にはＡｕを蒸着する
ことにより反射膜２が形成されている。非対称Ｘ分岐型
光導波路１０において、光導波路１１に導かれかつ光導
波路１３と１４に等しく分岐した光のうち光導波路１３
を進む光はこの反射膜２で反射してＸ字詰合部に向う。

この光が参照光である。参照光の強度は反射膜スの膜厚
により定めることができる。非対称Ｘ分岐型光導波路２
０においても、光導波路２３から同様にして参照光を得
ることができる。

被測定物体であるまたは被測定物体に取付けられもしく
は接触しているアクチュエータ（図示略）のロッド６の
先端に可動ミラー４が取付は固定されている。基板１の
光導波路１４および２４の端面と可動ミラー４との間に
それぞれロッド・レンズ（屈折率分布型レンズ）３が設
けられかつ適当な固定手段により固定されている。この
ロッド・レンズ３の焦点面は光導波路１４．２４の出射
端にそれぞれ位置している。すなわち、一方のロッド・
レンズについて第４図（Ｂ）に示されているように。

光導波路１４を伝播しその端部から出射した光はロッド
・レンズ３でコリメートされて可動ミラー４に当り、そ
の反射光はロッド・レンズ３によって光導波路１４の出
射端付近に丁度集光され、光導波路１４に入射しかつＸ
字詰合部に向って伝播していく。この光が信号光である
。一方の非対称Ｘ分岐型光導波路１０の光導波路１４の
みならず、他方の非対称Ｘ分岐型光導波路２０の光導波
路２４からも同じようにして信号光が得られる。

まず変位測定原理について説明する。一方の光導波路Ｉ
Ｏにのみ着目する。

上述したように、光導波路１３の参照光と光導波路１４
の信号光との位相差に応じた強度の出力光が光導波路１
２に得られ、この出力光は光ファイバ３２により受光素
子４４Ａに導かれる。参照光と信号光の位相差は、これ
ら２つの光の間の光路差、すなわち可動ミラー４の変位
量に依存している。出力光強度の変位ｆ１（光路差）に
対する変化が第３図に実線で示されている。出力光強度
は光路差の変化に対してλ（光の波長）の周期で正弦的
に変化する。信号光はロッド・レンズ３と可動ミラー４
との間を往復するので光路差は可動ミラー４の変位量の
２倍に等しい。

出力光信号は受光素子４４Ａで電気信号に変換されたの
ち、高、低２つのスレシホールド◆レベル８１、Ｓ２を
もつ回路４５Ａでレベル弁別され、２値化される（第３
図参照）。この２値信号の立上りおよび／または立下り
がカウンタ４６Ａによって計数される。したがって、可
動ミラー４の変位量はλ／２−またはλ／４単位で測定
される。たとえば光源４１として波長λ−０，８μｍの
レーザーダイオードを用いた場合には０．４μｍまたは
０．２μｍ単位で変位測定が可能となる。

次に変位方向判別原理について説明する。

他方の光導波路２０においても、光導波路１０と基本的
には同じ動作が行なわれ、光ファイバ３３によって導か
れた出力光に対して受光素子４４Ｂ、スレシホールド回
路４５Ｂおよびカウンタ４ＢＢも上述のものと同じよう
に動作する。

非対称Ｘ分岐型光導波路２０においては、その光導波路
２３の両側の位置において基板１に位相シフト用の溝２
５が形成されており、光導波路２３を伝播する参照光の
位相が所定量シフトされている。その結果、光導波路２
２から得られる出力光は第３図に破線で示すように、光
導波路１２から得られる出力光に対して位相がずれてい
る。この実施例では出力光強度の１７８周期だけ位相シ
フトが与え゛られている。したがって、スレシホールド
回路４５Ｂから得られる２値信号も破線で示されている
ように同回路４５Ａの出力２値信号と位相がずれている
。

このような２値信号は微分回路４７Ａ、　４７Ｂでその
立上りおよび／または立下りが検出され、この微分され
た信号が方向判別回路４８に入力する。

可動ミラー４が基板１から遠ざかる方向に動くときには
、スレシホールド回路４５Ａの出力信号の立上り（立下
り）が同回路４５Ｂの出力信号の立上り（立′下り）よ
りも先に現われ、可動ミラー４が逆方向に動くときには
これらの２つの信号の変化の順序が逆になる。２つの微
分回路４７Ａ、４７Ｂの出力の変化が現われる順序に基
づいて可動ミラー４の移動方向が判別回路４８により判
別される。方向判別回路４８はＣＰＵによって構成する
ことも可能である。

基板の光導波路を伝播する光に位相シフトを与える手段
としては、上述の溝の他に、光導波路に電圧や圧力を加
える手段、光導波路に装荷されたＳｉＯ□等の薄膜等が
ある。

光導波路１３．２３の出射端における光の反射率と透過
率は反射膜２の膜厚によって定まる。したがって２反射
膜２の厚さを制御することにより参照光と信号光の強度
の比を任意に定めることができ、これを１＝１とするこ
ともできる。このことにより、出力光の光強度変化の消
光比を良好にすることができる。

光導波路１４．２４の出射端と可動ミラー４との間には
ロッドφレンズ３が設けられ、光導波路１４゜２４かう
出射した光はこのレンズ３によって平行光に変換される
。可動ミラー４が動くことによりレンズ３とミラー４と
の間の距離が変動しても、ミラー４に向いかつ反射され
る光は平行光であるからほとんど拡散しない。また、ミ
ラー４の反射光はレンズ３により集光されて光導波路１
４．２４にそれぞれに入射する。したがってミラー４の
位置にほとんど関係なく光導波路１４．２４に戻る反射
光強度をほぼ一定に保持することができる。可動ミラー
４の変位に対して信号光強度をほぼ一定に保持できるの
で正確な変位測定が可能となるとともに、変位量の測定
可能範囲が拡大される。

第４図は、この発明によって光導波路１４の出射端と可
動ミラー４との間にロッド・レンズ３を介在させた状態
と′（第４図（Ｂ））、介在させない状態（第４図（Ａ
））とを示している。レンズなしの従来例（第４図（Ａ
））では、光導波路１４から出射した光が拡散し、可動
ミラー４の反射光のほとんどが光導波路１４の端面以外
の場所に向っていってしまう。

第５図は、従来例であるレンズなしの場合とこの発明に
よるレンズありの場合とにおける光導波路１４に戻る信
号光強度の変化を可動ミラーの変位量に対して示すもの
である。この実験結果によると、レンズなしの従来例に
おいては、光導波路１４端面と可動ミラー４との間の距
離が５０μｍ程度でも信号光強度は半減してしまうのに
対して（黒丸）、この発明のレンズありの場合には距離
が１０ｍｍに達しても信号光強度の減衰量はきわめて小
さい。

第６図は、可動ミラー４を周期的に振動させた実験にお
いて、出力光強度の変化とこの振動におけるミラー４の
移動量とをオシロスコープに映し出し、これを写真撮影
したものをトレースしたものである。Ａは可動ミラー４
の移動量を。

Ｂは出力光強度の変化をそれぞれ示している。

可動ミラー４の移動量に対して出力光強度（振中値）が
ほとんど変化していないことが分るであろう。

上記実施例では基板１に非対称Ｘ分岐型光導波路１０．
２０が形成されているが、他の光導波路によりマイケル
ソン型の干渉計を構成することもできる。たとえば、第
７図（Ａ）に示すようなＹ字型の光導波路、同図（Ｂ）
に示すような方向性結合器を含む光導波路、同図（Ｃ）
に示すような単なる１本の光導波路でもよい。第７図（
Ｃ）の構成においては１反射膜２はかなり透過率の高い
ものとし、この反射膜２を透過した光が信号光となる。

またこれらの図においてロッド・レンズは省略されてい
る。

レンズ手段もロッド・レンズ以外に通常の凸レンズ、マ
イクロ・レンズ等を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は導波型光変位センサの一例を示す平面図、第２
図は光変位測定システム全体を示す構成図、第３図は出
力光強度とそれに基づいて作成された２値信号を示す波
形図、第４図は従来例とこの発明の構成の相違を示す図
、第５図はこの構成の相違が光強度に及ぼす影響を示す
グラフ、第６図はオシロスロープの波形をトレースした
図であって変位量と出力光強度変化を示しており、第７
図は基板上の光導波路の他の例を示す概略平面図である
。 １・・・基板、　　　２・・・反射膜。 ３・・・ロッド・レンズ、　　　４・・・可動ミラー。 ｌ０１２０・・・非対称Ｘ分岐光導波路。 １１−１４．２１〜２４・・・光導波路。 ２５・・・位相シフト用溝。 以　　上 特許出願人　　立石電機株式会社 代　　理　　人　　　牛　　久　　健　　司　　外１名
第３ＦＩＡ 第４図 第６ＷＪ −一一一一、？

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光干渉のための少なくとも２つの光導波路が形成された
   基板、 この基板の光導波路の出射端と被測定物体上の反射面と
   の間にそれぞれ設けられ、上記出射端から出力される信
   号光をコリメートするためのおよび上記反射面での反射
   光を集光するための２つのレンズ手段、 上記少なくとも２つの光導波路の一方に設けられた導波
   光の位相シフト手段、ならびに 参照光を得るために、基板の光導波路端面に形成された
   反射手段、 を備えた導波型光変位センサ。