WO2020031861A1 - 干渉縞間隔可変光回路及び縞投影装置 - Google Patents

干渉縞間隔可変光回路及び縞投影装置 Download PDF

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里美 片寄
笠原　亮一
藤原　裕士
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/3136—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of interferometric switch type

Definitions

  • the present invention relates to an optical circuit and a fringe projection device in which interference fringe intervals are variable.
  • ⁇ As a method of measuring the three-dimensional shape of the object surface without contact, there is a fringe scanning method. This method involves projecting an interference fringe generated from a coherent light source, whose brightness changes sinusoidally, onto a measurement object, and analyzing images taken multiple times with the phase of this interference fringe shifted at regular intervals. Is a method of performing shape measurement by using In this method, the depth and height of the unevenness at each point are obtained from the scanning amount of the interference fringes and the change in the light intensity at each point of the projected image. The scanning amount of the interference fringes is controlled by changing the phase difference between two or more light beams to be interfered.
  • a waveguide-type optical phase modulator that scans interference fringes comprises an input waveguide for inputting light, a branch waveguide for splitting light, a phase shifter for changing the phase of light, and an output waveguide for emitting light on the same substrate. It consists of a wave path.
  • the dynamic range of measurement in the fringe scanning method is basically limited to a range where the phase is 2 ⁇ . If the dynamic range of the measurement object is large and exceeds 2 ⁇ in terms of phase value, it is folded between the main values of (- ⁇ , ⁇ ), and the phase distribution has an uncertain value of an integral multiple of 2 ⁇ . . For this reason, a phase connection method for removing discontinuous steps caused by folding and restoring the original phase distribution is required. In this case, it is conceivable to change the fringe interval of interference fringes.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a waveguide type optical phase modulator having a variable stripe interval on one chip, and a measurement range for three-dimensional shape measurement. -To provide a fringe projection device capable of controlling resolution and measurement accuracy.
  • one embodiment of the present invention relates to a fringe projection device including a waveguide type optical phase modulator.
  • the fringe projection apparatus includes a light source, a screen (a surface to be inspected), a camera (an imaging surface), an input waveguide unit receiving input light from the light source, a branch waveguide connected to the input waveguide, and a branch waveguide.
  • a phase modulator having an optical switch connected to the optical switch, a phase shifter connected to the optical switch, and an output waveguide connected to the phase shifter.
  • a first aspect of the waveguide type optical phase modulator of the present invention comprises a waveguide type optical element in which an optical waveguide is provided on a substrate, and an optical signal is input to the waveguide type optical element.
  • 1 ⁇ M (M is an integer of 2 or more) connected optical switch, (N ⁇ M) phase shifters optically connected to the output of the optical switch, and optically connected to the output of the phase shifter And (N ⁇ M) connected output waveguides.
  • the interval between the output waveguide ends extending from the same 1 ⁇ M optical switch among the 1 ⁇ M optical switches is set.
  • the length is different from the length of the spacing between adjacent output waveguide ends extending from separate 1 ⁇ M optical switches.
  • At least one of the outputs of the branch waveguide is a 1 ⁇ M optical switch having a multi-stage structure. Are optically connected.
  • At least one of the outputs of the branch waveguide is provided with a multistage 1 ⁇ M optical switch. Are optically connected, and at least one of the outputs of the branch waveguides is optically connected to a 1 ⁇ M optical switch having a single-stage structure.
  • any one of the first to fourth aspects one or more (N ⁇ M) phase shifters are added to the (N ⁇ M) phase shifters. (N ⁇ M) heaters are provided.
  • the branch waveguide is a Y-branch waveguide, a directional coupler, It is characterized by being constituted by either a mode interference (MMI) coupler or a star coupler.
  • MMI mode interference
  • a fiber is connected to at least one of both ends of the waveguide type optical element. It is characterized by having been done.
  • One embodiment of the fringe projection device of the present invention is the waveguide type optical phase modulator according to any one of the first to seventh aspects, and an output waveguide of the waveguide type optical phase modulator.
  • the apparatus cost and the measurement procedure can be reduced without increasing the number of light sources and adjusting the positions of the emission point and the surface to be measured. It is possible to adjust the resolution and the measurement accuracy without increasing the number of devices, and it can be expected that equipment and operating costs can be reduced.
  • FIG. 2 is a top view schematically illustrating the configuration of the phase modulator according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a top view schematically showing the operation of the phase modulator according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification 1.
  • 13 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification 2.
  • FIG. 15 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification 3.
  • FIG. 15 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification Example 4.
  • FIG. 21 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification Example 5.
  • 15 is a top view schematically illustrating a configuration of a phase modulator according to Modification 6.
  • One embodiment of the present invention relates to a stripe projection device including a light source, a screen (a surface to be inspected), a camera (an imaging surface), and a waveguide-type optical phase modulator.
  • a certain fringe projection device when the positional relationship between the surface to be measured, the light source, and the camera is fixed, the fringe interval of the interference fringe becomes wider as the emission interval of the light beam to be interfered becomes shorter, and becomes smaller as the emission interval becomes longer.
  • the present invention controls the interval between stripes by controlling the interval of emission of a light beam to be interfered on a one-chip waveguide type optical phase modulator without moving the positional relationship of an optical system (light source, screen, camera, etc.). Is what you do.
  • the fringe projection device includes an input waveguide unit that receives input light from a light source, a branch waveguide connected to the input waveguide, an optical switch connected to the branch waveguide, and a phase shifter connected to the optical switch. And a waveguide type optical phase modulator having an output waveguide connected to the phase shifter.
  • the fringe projector of the present embodiment includes a light source 101, a screen 109, a camera 110, and a waveguide type optical phase modulator 100.
  • Coherent light is input to the waveguide type optical phase modulator 100 to generate an interference fringe pattern.
  • a single-wavelength laser beam is input.
  • Input light is input from a light source 101 to a waveguide type optical phase modulator 100 via a fiber (optical fiber) 102.
  • the waveguide type optical phase modulator 100 includes one input waveguide 103 that receives light output from a light source, and a branch waveguide 104 optically connected to an output of the input waveguide 103, for example, a division ratio of 1 : 1 ⁇ 2 Mach-Zehnder optical switch of the switch 105 optically connected to each output of the Y-branch waveguide, each output of the Y-branch waveguide, and the light of the optically connected to the output of the optical switch. It comprises a phase shifter 106 for changing the phase and an output waveguide 107 optically connected to the output of the phase shifter.
  • the switch 105 is electrically connected to a switch controller of the switch and phase shifter controller 108 by wiring.
  • the switch and phase shifter control unit 108 controls a projection pattern of interference fringes generated by interference of light output from the output waveguide 107.
  • the optical waveguide is a so-called planar optical integrated circuit (PLC; Planar Light Wave Circuit).
  • PLC Planar Light Wave Circuit
  • a cladding layer made of quartz glass is provided on the surface of a silicon substrate, and a middle layer of the cladding layer is provided. Is provided with a core portion made of quartz glass, and an optical waveguide is formed.
  • the Mach-Zehnder type optical switch and phase shifter 106 are constituted by a thermo-optic phase shifter using a thermo-optic effect, and a thin-film heater 106a is formed on the surface of the cladding layer.
  • phase shifter 106 a thin film heater 106a provided on the surface of the cladding layer heats the waveguide and changes the phase of the waveguide.
  • the heater 106a is electrically connected to a switch and a phase shifter control unit of the phase shifter control unit 108 by wiring, and operates based on a control signal from the phase shifter control unit.
  • the phase shifter has a role of changing the phase of a light beam to be interfered and manipulating the phase of the generated interference fringe.
  • the Mach-Zehnder type optical switch is composed of two 3 dB directional couplers 200 and a phase shifter using thin film heaters 201a to 201d provided between these directional couplers.
  • This optical switch corresponds to the 1 ⁇ 2 optical switch in FIG. In FIG. 2, a portion corresponding to the phase shifter in FIG. 1 is omitted.
  • of the two waveguides connecting the two directional couplers 200 is 0 (
  • 0) or 2 of the signal light wavelength ⁇ depending on the application. 1 / (
  • ⁇ / 2).
  • the thin film heater in this case, the thin film heater 201a
  • the optical optical path length is phase-changed by a half of the signal light wavelength by the thermo-optic effect, whereby the optical path length difference
  • the Mach-Zehnder optical interferometer circuit only the circuit that drives the heater is in a bar state, so that the signal light incident on the input waveguide ends propagates to the output waveguides 202b and 202d and the light is emitted.
  • the interval between the wave paths is 100 ⁇ m (FIG. 2B).
  • both the Mach-Zehnder optical interferometer circuits are in the bar state, so that the signal light incident on the input waveguide ends propagates to the output waveguides 202b and 202c, and the interval between the waveguides from which the light is emitted becomes 50 ⁇ m. (FIG. 2 (c)).
  • the number of light sources can be increased, the position of the optical system (light source, screen, camera) can be adjusted, and the waveguide type optical phase modulator can be used.
  • the fringe interval of the interference fringes can be changed without the need for redesign / reproduction.
  • is designed to be ⁇ / 2
  • the thin-film heaters are not energized (when the switch is off) in both of the two 1 ⁇ 2 Mach-Zehnder light switches. Since the Mach-Zehnder optical interferometer circuit is in a bar state according to the well-known interference principle, the signal light incident on the input waveguide ends propagates to the output waveguides 202b and 202c, and the distance between the waveguides from which the light is emitted. Is 50 ⁇ m.
  • a current is supplied to the thin film heater (in this case, the thin film heater 202a) on one side of the two waveguides connecting the directional couplers. (ON)], and the optical optical path length is phase-changed by a half of the signal light wavelength by the thermo-optic effect, whereby the optical path length difference
  • the Mach-Zehnder optical interferometer circuit only the circuit that drives the heater enters a cross state, so that the signal light incident on the input waveguide ends propagates to the output waveguides 202a and 202c (or 202b and 202d) ends,
  • the distance between the waveguides from which light is emitted is 100 ⁇ m.
  • the division ratio of the branch waveguide is preferably 1: 1 so as to increase the contrast ratio of interference fringes, but may be arbitrary.
  • the branch waveguide may be a directional coupler, a multi-mode interference coupler or a star coupler other than the Y-branch waveguide.
  • the phase modulator may use an electro-optic effect, a carrier plasma dispersion effect, a photoelastic effect, or the like.
  • the waveguide does not need to be entirely linearly configured, and may be configured to include a curved portion.
  • the phase modulator may have a heat insulating groove for heat insulation or a light-blocking agent filling groove for removing stray light.
  • the phase modulator may be coupled to the optical fiber via a fiber block.
  • the phase modulator may input light from a light source via a lens, or may input light directly from the light source.
  • the phase modulator may output the light directly or may output the light via a fiber.
  • the above-described embodiments and modifications may be applied not only to the fringe scanning method but also to a measurement technique using a structured illumination method.
  • the fringe projection device may be provided with a screen or a camera.
  • one input waveguide to which an optical signal is input a one-input two-output branch waveguide optically connected to the output of the input waveguide, and an optical waveguide connected to the output of the branch waveguide.
  • 1 ⁇ 2 optical switch four phase shifters optically connected to the output of the 1 ⁇ 2 optical switch, and four outputs optically connected to the output of the phase shifter
  • the example of the waveguide type optical element including the waveguide has been described, at least one input waveguide to which an optical signal is input and one input N optically connected to an output of the input waveguide are provided.
  • An output (N is an integer of 2 or more) branch waveguide; a 1 ⁇ M (M is an integer of 2 or more) optical switch optically connected to an output of the branch waveguide; (N ⁇ M) phase shifters connected in series, and optically connected to the output of the phase shifter. And (N ⁇ M) present in the output waveguide and the comprise that the waveguide type optical device is also possible to provide.
  • FIG. 3 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 300 according to the first modification.
  • the waveguide type optical phase modulator 300 includes an input waveguide 301, a branch waveguide 302, a switch 303, a phase shifter 304 provided with a heater 304a, and an output waveguide 305.
  • the spacing 306 between adjacent output waveguides may be unequal.
  • the length of the spacing between the output waveguide ends of the switch 303 extending from the same 1 ⁇ 2 optical switch is different from the length of the spacing between adjacent output waveguide ends extending from separate 1 ⁇ 2 optical switches. You may.
  • a 1 ⁇ 2 optical switch is used, but a 1 ⁇ M optical switch having M of 3 or more may be used.
  • FIG. 4 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 400 according to Modification 2.
  • the waveguide type optical phase modulator 400 has an input waveguide 401, a branch waveguide 402, a switch 403, a phase shifter 404 provided with a heater 404a, and an output waveguide 405.
  • At least one input waveguide to which an optical signal is input a 1-input N-output (N is an integer of 2 or more) branch waveguide optically connected to an output of the input waveguide, and the branch waveguide 1 ⁇ M (M is an integer of 2 or more) optical switch optically connected to the output of the optical switch, (N ⁇ M) phase shifters optically connected to the output of the optical switch, and the phase shifter And (N ⁇ M) output waveguides optically connected to the output of the branch waveguide, at least one of the outputs of the branch waveguide has a multi-stage structure. It is sufficient that the 1 ⁇ M optical switch is optically connected.
  • FIG. 5 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 500 according to the third modification.
  • the waveguide type optical phase modulator 500 includes an input waveguide 501, a branch waveguide 502, a switch 503, a phase shifter 504 provided with a heater 504a, and an output waveguide 505.
  • the number of ports of the switch connected to each branch waveguide in the switch 503 may be different.
  • a 1 ⁇ M optical switch having a single-stage structure is optically connected to at least one of the outputs of the branch waveguide.
  • FIG. 6 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 600 according to Modification 4.
  • the waveguide type optical phase modulator 600 includes an input waveguide 601, a branch waveguide 602, a switch 603, a phase shifter 604 provided with a heater 604a, and an output waveguide 605.
  • the phase shifter 604 there may be a port where the heater 604a is not provided.
  • the 1 ⁇ 2 optical switch shown in FIG. 6 is connected to the end of the output waveguide 505 via a waveguide not provided with a heater, and is connected to the end of the output waveguide 505 via a waveguide provided with a heater 604a. are doing.
  • N ⁇ M the number of heaters (N ⁇ M) is provided.
  • FIG. 7 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 700 according to the fifth modification.
  • the waveguide type optical phase modulator 700 includes an input waveguide 701, a branch waveguide 702, a switch 703 having four 1 ⁇ 2 optical switches, a phase shifter 704 provided with a heater 704a, and an output waveguide 705.
  • the branch waveguide 702 may use a star coupler.
  • FIG. 8 shows a configuration of a waveguide type optical phase modulator 800 according to Modification 6.
  • the waveguide type optical phase modulator 800 includes an input waveguide 803, a branch waveguide 804, a switch 805, a phase shifter 806 provided with a heater 806a, and an output waveguide 807.
  • Fibers 802 and 811 are connected to both ends of the waveguide type optical phase modulator 800, and the fiber 802 is connected to a light source.
  • the fringe projection device includes a waveguide type optical phase modulator 800, a light source 801, a switch and phase shifter control unit 808, a screen 809, and a camera 810.
  • the switch and phase shifter control unit 808 controls a projection pattern of interference fringes generated by interference of light output from the output waveguide 807.
  • the present invention can be applied to a technical field related to a waveguide type optical phase modulator that scans interference fringes and a fringe projection apparatus using the same.

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Abstract

光源の増設、出射点と被検面の位置調整を行わずに、装置コストや測定手順を増やすことなく解像度・測定精度を調整することが可能な縞投影装置を提供する。本発明の導波路型光位相変調器は、基板上に光導波路が設けられた導波路型光素子からなり、前記導波路型光素子は、光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路とを備える。

Description

干渉縞間隔可変光回路及び縞投影装置
　本発明は、干渉縞間隔が可変な光回路および縞投影装置に関する。
　非接触で物体表面の三次元形状を計測する方法として、縞走査法がある。この方法は、可干渉性の光源から生成される、明度が正弦波状に変化する干渉縞を計測物体に投影し、この干渉縞の位相を一定間隔でずらして複数回撮影した画像を解析することにより、形状計測を行う手法である。この方法では、干渉縞の走査量と投影像の各点の光強度の変化から、各点での凹凸の深さ及び高さが求められる。干渉縞の走査量は、干渉させる二以上の光束の位相差を変えることで制御される。例えば、二分岐された光導波路の一方の位相を電気光学効果等を利用して変化させることにより、投影される干渉縞の走査量が制御される（例えば、特許文献１参照）。干渉縞を走査する導波路型光位相変調器は、同一基板上に、光を入力する入力導波路、光を分岐する分岐導波路、光の位相を変化させる位相シフタ、光を出射する出力導波路から構成されている。
特開平５－８７５４３号公報
　光源の波長が一定で、被検面と光源およびカメラ（撮像面）の位置関係が固定された測定系において、縞走査法により３次元形状計測を行う場合を考える。
　縞走査法における測定のダイナミックレンジは、基本的に位相が２πの範囲に限られる。測定対象のダイナミックレンジが大きく、位相値に換算して２πを越える場合、（-π、π)の主値の間に折り畳まれ、位相分布に２πの整数倍の不確定値を持つことになる。そのため、折り畳みにより生じた不連続段差を取り除き、元の位相分布を復元する位相接続法を必要とするが、この場合、干渉縞の縞間隔を変えることが考えられる。
　また、ある測定条件にて計測した結果から、さらに測定精度または解像度（分解能）を調整したい場合も、干渉縞の縞間隔を変えることが考えられる。測定精度に着目すると、干渉縞の数が少なく縞間隔が広い間隔で配置された方が、たくさんの干渉縞が狭い間隔に配置された場合より測定精度が増す。一方、分解能を上げるには干渉縞の縞間隔を狭くする必要があるので、測定精度を上げるために縞間隔を広めると、分解能が犠牲になる。そのため、測定対象に合わせ、測定精度・分解能を調整することが必要となる。
　干渉縞の縞間隔を変えるには、測定波長、被検面と出射点の位置関係、干渉させる光束の出射間隔を調整する方法がある。例えば、干渉縞の縞間隔を狭くするには、光源の波長を短くするか、被検面と出射点の位置関係を遠ざけるか、干渉させる光束の出射間隔を長くする必要がある。いずれにおいても、光源の増設や光学系（光源、スクリーン、カメラ）の位置調整、導波路型光位相変調器を用いる場合においては再設計・再作製が必要で、設備・稼動コストがかかるという問題あった。また、被検面と光源およびカメラの可動域が限られた条件下では、所望の縞間隔を得る位置関係を構築することが困難という問題があった。
　本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、１チップ上で縞間隔が可変な導波路型光位相変調器に関するもので、三次元形状計測の測定レンジ・解像度・測定精度の制御が可能な縞投影装置を提供することにある。
　このような目的を達成するために、本発明のある態様は、導波路型光位相変調器を備える縞投影装置に関する。縞投影装置は、光源、スクリーン（被検面）、カメラ（撮像面）の他、光源からの入力光を受ける入力導波路部と、入力導波路に接続された分岐導波路と、分岐導波路に接続された光スイッチと、光スイッチに接続された位相シフタと、位相シフタに接続された出力導波路とを有する位相変調器を備える。
　また、本発明の導波路型光位相変調器の第一の態様は、基板上に光導波路が設けられた導波路型光素子からなり、前記導波路型光素子は、光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、を含んでいることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第二の態様は、前記第一の態様において、前記１×Ｍ光スイッチのうち同一の1×Ｍ光スイッチから延伸した出力導波路端間の間隔の長さと、別々の1×Ｍ光スイッチから延伸し、隣接した出力導波路端間の間隔の長さとは異なっていることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第三の態様は、前記第一の態様又は前記第二の態様において、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されていることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第四の態様は、前記第一の態様又は前記第二の態様において、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続され、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、単段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されていることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第五の態様は、前記第一の態様から前記第四の態様のいずれか一において、前記（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタに、１本以上（Ｎ×Ｍ）本未満のヒータが設けられていることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第六の態様は、前記第一の態様から前記第五の態様のいずれか一において、前記分岐導波路はＹ分岐導波路、方向性結合器、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラのいずれかにより構成されることを特徴とする。
　本発明の導波路型光位相変調器の第七の態様は、前記第一の態様から前記第六の態様のいずれか一において、前記導波路型光素子の両端のうち少なくとも一方にファイバが接続されていることを特徴とする。
　本発明の縞投影装置の一態様は、前記第一の態様から前記第七の態様のいずれか一に記載の導波路型光位相変調器と、前記導波路型光位相変調器の出力導波路から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御するスイッチおよび位相シフタ制御部と、前記導波路型光位相変調器へ入力する、可干渉性のある光を出力する光源と、を備えることを特徴とする。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である
　本発明によれば、縞投影装置において、スイッチ機能を有する導波路型光位相変調器を備えることにより、光源の増設、出射点と被検面の位置調整を行わずに、装置コストや測定手順を増やすことなく解像度・測定精度を調整することが可能となり、設備・稼動コストの低減が期待できる。
実施例1に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 実施例1に係る位相変調器の動作を模式的に示す上面図である。 変形例１に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例２に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例３に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例４に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例５に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例６に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。
　以下、本発明の干渉縞間隔可変光回路及び縞投影装置の形態について、図を用いて説明する。但し、本発明は以下に示す実施形態及び実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。
　はじめに、本発明に係る実施形態の概要を説明する。本発明の一態様は、光源、スクリーン（被検面）、カメラ（撮像面）の他、導波路型光位相変調器を備える縞投影装置に関する。ある縞投影装置において、被検面と光源およびカメラの位置関係が固定されている時、干渉縞の縞間隔は、干渉させる光束の出射間隔を短くするほど広くなり、出射間隔を長くするほど狭くなる。本発明は、光学系（光源、スクリーン、カメラなど）の位置関係を動かすことなく、１チップの導波路型光位相変調器上で干渉させる光束の出射間隔を制御することにより、縞間隔を制御するものである。
　縞投影装置は、光源からの入力光を受ける入力導波路部と、入力導波路に接続された分岐導波路と、分岐導波路に接続された光スイッチと、光スイッチに接続された位相シフタと、位相シフタに接続された出力導波路とを有する導波路型光位相変調器を備える。なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（実施例１）
　本実施例の縞投影装置は、光源１０１、スクリーン１０９、カメラ１１０、導波路型光位相変調器１００を備える。導波路型光位相変調器１００には、干渉縞パターンを生成するため可干渉性のある光を入力する。例えば、単波長のレーザ光を入力する。入力光は、ファイバ（光ファイバ）１０２を介して光源１０１から導波路型光位相変調器１００に入力される。導波路型光位相変調器１００は、光源から出力される光を受ける１本の入力導波路１０３と、入力導波路１０３の出力に光学的に接続された分岐導波路１０４、例えば、分割比１：１のＹ分岐導波路と、Ｙ分岐導波路の各出力に光学的に接続されたスイッチ１０５の１×２のマッハツェンダ型の光スイッチと、光スイッチの出力に光学的に接続された光の位相を変化させる位相シフタ１０６と、位相シフタの出力に光学的に接続された出力導波路１０７からなる。スイッチ１０５は、配線によりスイッチ及び位相シフタ制御部１０８のスイッチ制御部と電気的に接続されている。スイッチ及び位相シフタ制御部１０８は、出力導波路１０７から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御する。
　光導波路は、いわゆる平面型光集積回路（ＰＬＣ；Planar Light wave Circuit）であり、例えば、シリコン基板の表面には石英系ガラスで形成されたクラッド層が設けられているとともに、このクラッド層の中層には石英系ガラスで形成されたコア部が設けられ、光導波路が形成されている。また、マッハツェンダ型の光スイッチおよび位相シフタ１０６は、熱光学効果を用いた熱光学位相シフタによって構成され、クラッド層の表面に薄膜のヒータ１０６aが形成されている。
　位相シフタ１０６において、クラッド層の表面に備えられた薄膜のヒータ１０６aは導波路を加熱し、導波路の位相を変化させる。ヒータ１０６aは、配線によりスイッチ及び位相シフタ制御部１０８の位相シフタ制御部と電気的に接続されており、位相シフタ制御部からの制御信号に基づいて動作する。縞走査法において、位相シフタは干渉させる光束の位相を変化させ、生成される干渉縞の位相を操作する役割を担う。
　図２に示すように、マッハツェンダ型の光スイッチは、２個の３ｄＢ方向性結合器２００と、これら方向性結合器間に設けられた薄膜のヒータ２０１a～２０１ｄを用いた相シフタで構成されている。この光スイッチが、図１の１×２光スイッチに対応する。なお、図２においては、図１の位相シフタに相当する部分を省略している。２個の方向性結合器２００を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌopt｜は、用途に応じ、０（｜△Ｌopt｜＝０）または信号光波長λの２分の１（｜△Ｌopt｜＝λ／２）に設計されている。
　ここで、出力導波路の間隔が５０μmの場合について、マッハツェンダ型の光スイッチにより、干渉させる光束の出射間隔を制御する（ひいては、干渉縞の縞間隔を変える）動作について説明する。
　光路長差０のマッハツェンダ型の光スイッチの場合について、以下に説明する。光路長差｜△Ｌopt｜が０に設計されている場合、２つの１×２のマッハツェンダ型の光スイッチの両方において薄膜のヒータ２０１ａ～２０１ｄが無通電〔オフ（ＯＦＦ）時〕のときは、公知の干渉原理によりマッハツェンダ光干渉計回路はクロス状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ａおよび２０２ｄ端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は１５０μmとなる（図２（ａ））。
　また、２つある１×２のマッハツェンダ型の光スイッチの一方について、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の片側の薄膜のヒータ（この場合、薄膜のヒータ２０１ａ）へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌopt｜はλ／２となる。すると、マッハツェンダ光干渉計回路は、ヒータを駆動させた回路のみバー状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ｂおよび２０２ｄ端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は１００μmとなる（図２（ｂ））。
　また、２つある１×２のマッハツェンダ型の光スイッチの両方について、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の片側の薄膜のヒータ（この場合、薄膜のヒータ２０１ａおよび２０１ｃ）へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌopt｜はλ／２となる。すると、マッハツェンダ光干渉計回路は両方バー状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ｂおよび２０２ｃ端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は５０μmとなる（図２（ｃ））。
　このように、１チップの導波路型光位相変調器上で干渉させる光束の出射間隔を制御することで、光源の増設や光学系（光源、スクリーン、カメラ）の位置調整、導波路型光位相変調器を用いる場合においては再設計・再作製の必要なく、干渉縞の縞間隔を変えることができる。
　一方、光路長差｜△Ｌopt｜がλ／２に設計されている場合は、２つの１×２のマッハツェンダ型光のスイッチの両方において薄膜のヒータが無通電〔オフ（ＯＦＦ）時〕のときは、公知の干渉原理によりマッハツェンダ光干渉計回路はバー状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ｂおよび２０２ｃ端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は５０μmとなる。
　また、２つある１×２のマッハツェンダ型の光スイッチの一方について、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の片側の薄膜のヒータ（この場合、薄膜のヒータ２０２ａ）へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌopt｜は０となる。すると、マッハツェンダ光干渉計回路は、ヒータを駆動させた回路のみクロス状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ａおよび２０２ｃ（または２０２ｂおよび２０２ｄ）端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は１００μmとなる。
　また、２つある１×２のマッハツェンダ型の光スイッチの両方について、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の片側の薄膜のヒータ（この場合、薄膜のヒータ２０２ａおよび２０２ｃ）へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌopt｜は０となる。すると、マッハツェンダ光干渉計回路は両方クロス状態となるので、入力導波路端に入射された信号光は出力導波路２０２ａおよび２０２ｄ端に伝搬し、光が出射される導波路の間隔は１５０μmとなる。
　以上、本発明を、実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　例えば、分岐導波路の分割比は干渉縞のコントラスト比が高まるように１：１で分割させることが好ましいが、任意であっても良い。分岐導波路はＹ分岐導波路の他、方向性結合器、マルチモード干渉カプラまたはスターカプラであっても良い。
　位相変調器は、電気光学効果、キャリアプラズマ分散効果、光弾性効果などを利用しても良い。導波路は全体が直線状に構成されなくてもよく、曲線部を含むように構成されてもよい。
　位相変調器には、断熱のための断熱溝や、迷光を除去するための遮光剤充填溝が形成されていてもよい。位相変調器は、ファイバブロックを介して光ファイバと結合されていてもよい。位相変調器は、光源からレンズを介して光を入力させても良いし、光源から直接光を入力させても良い。位相変調器は、直接光を出力させても良いし、ファイバを介して光を出力させても良い。縞走査法のみならず、構造化照明法を利用する計測技術に上述の実施例および変形例を適用しても良い。縞投影装置にスクリーンやカメラが備わっていても良い。
　本実施例では、光信号が入力される１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力２出力の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×２光スイッチと、前記１×２光スイッチの出力に光学的に接続された４本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された４本の出力導波路とを含んでいる導波路型光素子の例を示したが、光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、を含んでいる導波路型光素子も提供が可能である。
（変形例１）
　図３に、変形例１に係る導波路型光位相変調器３００の構成を示す。導波路型光位相変調器３００は、入力導波路３０１と、分岐導波路３０２と、スイッチ３０３と、ヒータ３０４aを設けた位相シフタ３０４と、出力導波路３０５とを有する。図３に示すように、隣り合う出力導波路の間隔３０６は、非等間隔でも良い。スイッチ３０３の同一の1×２光スイッチから延伸した出力導波路端間の間隔の長さと、別々の1×２光スイッチから延伸し、隣接した出力導波路端間の間隔の長さとは異なっていてもよい。本変形例では、1×２光スイッチを用いたが、Ｍが３以上の1×Ｍ光スイッチを用いてもよい。
（変形例２）
　図４に、変形例２に係る導波路型光位相変調器４００の構成を示す。導波路型光位相変調器４００は、入力導波路４０１と、分岐導波路４０２と、スイッチ４０３と、ヒータ４０４aを設けた位相シフタ４０４と、出力導波路４０５とを有する。スイッチ４０３の点枠内の1×Ｍ（この場合、Ｍ＝４）光スイッチは、多段構成でも良い。
　光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、を含んでいる導波路型光素子の場合には、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されていればよい。
（変形例３）
　図５に、変形例３に係る導波路型光位相変調器５００の構成を示す。導波路型光位相変調器５００は、入力導波路５０１と、分岐導波路５０２と、スイッチ５０３と、ヒータ５０４aを設けた位相シフタ５０４と、出力導波路５０５とを有する。スイッチ５０３内の、各分岐導波路に接続されているスイッチのポート数は、異なっていても良い。
　また、光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、を含んでいる導波路型光素子の場合には、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続され、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、単段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されている。
（変形例４）
　図６に、変形例４に係る導波路型光位相変調器６００の構成を示す。導波路型光位相変調器６００は、入力導波路６０１と、分岐導波路６０２と、スイッチ６０３と、ヒータ６０４aを設けた位相シフタ６０４と、出力導波路６０５とを有する。位相シフタ６０４においてヒータ６０４ａが設けられていないポートがあっても良い。図６の1×２光スイッチは、ヒータが設けられていない導波路を介して出力導波路５０５端と接続し、かつ、ヒータ６０４ａが設けられた導波路を介して出力導波路５０５端と接続している。
　また、光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、を含んでいる導波路型光素子の場合には、前記（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタに、１本以上（Ｎ×Ｍ）本未満のヒータが設けられていればよい。
（変形例５）
　図７に、変形例５に係る導波路型光位相変調器７００の構成を示す。導波路型光位相変調器７００は、入力導波路７０１と、分岐導波路７０２と、４個の1×２光スイッチを有するスイッチ７０３と、ヒータ７０４aを設けた位相シフタ７０４と、出力導波路７０５とを有する。分岐導波路７０２は、スターカプラを用いてもよい。
（変形例６）
　図８に、変形例６に係る導波路型光位相変調器８００の構成を示す。導波路型光位相変調器８００は、入力導波路８０３と、分岐導波路８０４と、スイッチ８０５と、ヒータ８０６aを設けた位相シフタ８０６と、出力導波路８０７とを有する。導波路型光位相変調器８００の両端にファイバ８０２、８１１が接続されており、ファイバ８０２は光源と接続する。縞投影装置は、導波路型光位相変調器８００、光源８０１と、スイッチ及び位相シフタ制御部８０８と、スクリーン８０９と、カメラ８１０とを備える。スイッチ及び位相シフタ制御部８０８は、出力導波路８０７から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御する。
　本発明は、干渉縞を走査する導波路型光位相変調器およびそれを用いた縞投影装置に関する技術分野に適用できる。
１００、３００、４００、５００、６００、７００、８００　導波路型光位相変調器
１０１、８０１　光源
１０２、８０２、８１１　ファイバ
１０３、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０３　入力導波路
１０４、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０３　分岐導波路
１０５、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０５　スイッチ
１０６、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０６　位相シフタ
１０６a、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ、３０４ａ、４０４ａ、５０４ａ、６０４ａ、７０４ａ、８０６ａ　ヒータ
１０７、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０７　出力導波路
１０８、８０８　スイッチ及び位相シフタ制御部
１０９、８０９　スクリーン
１１０、８１０　カメラ
２００　３ｄＢ方向性結合器
３０６　間隔

Claims (8)

  1. 　基板上に光導波路が設けられた導波路型光素子からなり、
    　前記導波路型光素子は、
    　　　光信号が入力される少なくとも１本の入力導波路と、
    　　　前記入力導波路の出力に光学的に接続された１入力Ｎ出力（Ｎは２以上の整数）の分岐導波路と、
    　　　前記分岐導波路の出力に光学的に接続された１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）光スイッチと、
    　　　前記光スイッチの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタと、前記位相シフタの出力に光学的に接続された（Ｎ×Ｍ）本の出力導波路と、
    　を含んでいることを特徴とする導波路型光位相変調器。
  2. 　前記１×Ｍ光スイッチのうち同一の1×Ｍ光スイッチから延伸した出力導波路端間の間隔の長さと、別々の1×Ｍ光スイッチから延伸し、隣接した出力導波路端間の間隔の長さとは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光位相変調器。
  3. 　前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導波路型光位相変調器。
  4. 　前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、多段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続され、前記分岐導波路の出力うち少なくとも１出力に、単段構造の１×Ｍ光スイッチが光学的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導波路型光位相変調器。
  5. 　前記（Ｎ×Ｍ）本の位相シフタに１本以上（Ｎ×Ｍ）本未満のヒータが設けられている請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の導波路型光位相変調器。
  6. 　前記分岐導波路はＹ分岐導波路、方向性結合器、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラのいずれかにより構成される請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の導波路型光位相変調器。
  7. 　前記導波路型光素子の両端のうち少なくとも一方にファイバが接続されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の導波路型光位相変調器。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか一項に記載の導波路型光位相変調器と、
    　前記導波路型光位相変調器の出力導波路から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御するスイッチおよび位相シフタ制御部と、
    前記導波路型光位相変調器へ入力する、可干渉性のある光を出力する光源と、
    　を備えることを特徴とする縞投影装置。
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