JP2009216638A - Minute displacement measuring device and measuring method therefor - Google Patents

Minute displacement measuring device and measuring method therefor Download PDF

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Chikanori Kanemoto
慎典 金元
Hiroyuki Yamazaki
裕幸 山崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an easily-manufacturable and miniaturizable minute displacement measuring device having high precision and a simple constitution, in minute displacement measurement utilizing laser light. <P>SOLUTION: Optical waveguides 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12 constituting an interferometer are formed on a planar lightwave circuit substrate 3, and a refractive index changer 11 for changing a refractive index of a part of the optical waveguides is provided. Light intensity of interference light 9 between reflected light 6 from a measuring object 30 when a measuring object 30 is displaced and reference light 7 is detected by a photodetector 10, and the refractive index of the optical waveguides is changed by the refractive index changer 11 so that the light intensity is returned to an initial value, and a displacement of the measuring object 30 is calculated from a variation of the refractive index at that time. This device is hardly influenced by an optical loss of detection light, and performs highly-accurate measurement of displacement of the measuring object. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、物体の微小振動等の微小変位を測定する微小変位測定装置、その測定方法、及び、微小変位測定用プログラムに関し、特に、レーザ光を用いて被測定物の微小変位を測定する装置及び方法に関する。   The present invention relates to a micro displacement measuring apparatus for measuring micro displacement such as micro vibration of an object, a measuring method thereof, and a program for measuring micro displacement, and more particularly, an apparatus for measuring micro displacement of an object to be measured using laser light. And a method.

従来、レーザ光を利用して物体の変位を測定する変位測定装置は、高精度な測定が可能であるため、様々な分野で利用されている。通常、光学的干渉を用いた従来の微小変位測定装置は、ハーフミラーあるいは、偏光ビームスプリッタ等と波長板とを組み合わせて、レーザ光を2つの光路に分岐し、一方の光を参照光として参照光用鏡に照射し、もう一方の光は測定光として被測定物に照射し、これら各々の反射光を再び合波させたときの両者の位相差に応じて生ずる干渉光の強度変化から、両光路の違い、すなわち、被測定物の変位を検出する。   2. Description of the Related Art Conventionally, a displacement measuring apparatus that measures the displacement of an object using a laser beam is used in various fields because it can measure with high accuracy. Usually, a conventional micro displacement measuring apparatus using optical interference combines a half mirror or a polarizing beam splitter and a wave plate to split a laser beam into two optical paths, and refer to one of the beams as a reference beam. Irradiate the mirror for light, the other light irradiates the object to be measured as measurement light, and from the change in the intensity of the interference light that occurs according to the phase difference between the two reflected light again, The difference between the two optical paths, that is, the displacement of the object to be measured is detected.

また、結晶基板上に形成した光導波路を使用する微小変位測定装置が下記特許文献1及び特許文献2に開示されている。
特許文献1に開示された装置は、図11に示すように、一端側にレーザ発振器240及び光検出器250を取り付けた光ファイバ230と、Y字状に分岐した光導波路212が形成された基板211とを有している。この基板211の参照光を導波する光導波路214の端部には反射部材216が取り付けられ、また、この光導波路214の両脇には参照光の位相を制御するための電極215が形成され、この電極215に、位相制御部260から所定電圧が印加される。
この装置では、レーザ発振器240から発振されたレーザ光が、光ファイバ230を経て光導波路212に入射し、参照光と、被測定物280に照射される照射光とに分岐される。照射光は被測定物280で反射し、また、参照光は反射部材216で反射し、これらの反射光を合波した干渉光が光ファイバ230を経て光検出器250に入射する。光検出器250は、この干渉光の光強度を検出する。また、位相制御部260は、初期状態の干渉光を生成する参照光と照射光との位相差が、例えばπ/2となるように、即ち、干渉光の光強度が0となるように調整する。このように動作点を制御することで、被測定物280の変位を正確に測定することができる。
Further, a micro displacement measuring device using an optical waveguide formed on a crystal substrate is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 below.
As shown in FIG. 11, the apparatus disclosed in Patent Document 1 is a substrate on which an optical fiber 230 having a laser oscillator 240 and a photodetector 250 attached on one end side and an optical waveguide 212 branched in a Y shape is formed. 211. A reflection member 216 is attached to the end portion of the optical waveguide 214 that guides the reference light on the substrate 211, and electrodes 215 for controlling the phase of the reference light are formed on both sides of the optical waveguide 214. A predetermined voltage is applied to the electrode 215 from the phase control unit 260.
In this apparatus, the laser light oscillated from the laser oscillator 240 enters the optical waveguide 212 through the optical fiber 230 and is branched into the reference light and the irradiation light irradiated on the object to be measured 280. Irradiation light is reflected by the object to be measured 280, reference light is reflected by the reflecting member 216, and interference light obtained by combining these reflected lights enters the photodetector 250 through the optical fiber 230. The photodetector 250 detects the light intensity of the interference light. In addition, the phase control unit 260 adjusts the phase difference between the reference light that generates the interference light in the initial state and the irradiation light to be, for example, π / 2, that is, the light intensity of the interference light is zero. To do. By controlling the operating point in this way, the displacement of the device under test 280 can be accurately measured.

また、特許文献2に開示された装置は、図12に示すように、光導波路302、303が形成された結晶基板301を有している。この光導波路302、303は、その一部が接近して方向性結合器306を構成している。光導波路302には、光ファイバ313を介して、光源312から出力されたレーザ光が入射し、このレーザ光の一部は、方向性結合器306で光導波路305の側に伝播し、照射光として、集光レンズ308を経て被測定物309を照射する。また、残りのレーザ光は、参照光として光導波路304を進み、参照光用鏡307で反射される。反射した参照光は、方向性結合器306で光導波路303の側に伝播し、被測定物309に反射した照射光と合波されて干渉波が生成する。この干渉波は、光導波路303及び光ファイバ315を経て光検出器316に入射し、光強度が検出される。また、光導波路304の両脇には、特許文献1と同様に、参照光の位相を制御するための電極314が設けられている。
また、この基板301の両端には電極310、311が設けられており、被測定物309の変位測定は、電極310、311に交番電界を印加して基板301を微小振動させた状態で行われる。
特開平11−37718号公報 特開平7−159114号公報
The apparatus disclosed in Patent Document 2 includes a crystal substrate 301 on which optical waveguides 302 and 303 are formed, as shown in FIG. A part of these optical waveguides 302 and 303 are close to each other to form a directional coupler 306. Laser light output from the light source 312 is incident on the optical waveguide 302 via the optical fiber 313, and part of this laser light is propagated to the optical waveguide 305 side by the directional coupler 306, and irradiated light As shown, the object to be measured 309 is irradiated through the condenser lens 308. The remaining laser light travels through the optical waveguide 304 as reference light and is reflected by the reference light mirror 307. The reflected reference light propagates to the optical waveguide 303 side by the directional coupler 306 and is combined with the irradiation light reflected by the object 309 to generate an interference wave. The interference wave enters the photodetector 316 through the optical waveguide 303 and the optical fiber 315, and the light intensity is detected. Further, on both sides of the optical waveguide 304, as in Patent Document 1, electrodes 314 for controlling the phase of the reference light are provided.
Further, electrodes 310 and 311 are provided at both ends of the substrate 301, and the displacement of the object 309 to be measured is measured in a state where an alternating electric field is applied to the electrodes 310 and 311 to slightly vibrate the substrate 301. .
Japanese Patent Laid-Open No. 11-37718 JP-A-7-159114

しかしながら、特許文献1及び2に開示された微小変位測定装置は、いくつかの問題点を有している。
これらの装置では、基板に入射したレーザ光を参照光と照射光とに分割するとき、その分岐比を50:50としているが、照射光は、基板の光導波路から出射されて被測定対象を照射し、その反射光が再び基板の光導波路に戻るまでに光損失が発生するため、参照光に比べて光強度が弱くなる。これらの装置では、反射した照射光と参照光とが合波された干渉光の光強度の変化に基づいて被測定対象の変位を算出しているため、参照光に比べて照射光の光強度が弱くなると、被測定対象の変位に対する感度が悪くなり、測定精度が低下するという不都合がある。
However, the minute displacement measuring devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 have some problems.
In these apparatuses, when the laser light incident on the substrate is divided into the reference light and the irradiation light, the branching ratio is set to 50:50. However, the irradiation light is emitted from the optical waveguide of the substrate and the measurement target is measured. Since light loss occurs until the reflected light returns to the optical waveguide of the substrate again, the light intensity becomes weaker than that of the reference light. In these devices, the displacement of the object to be measured is calculated based on the change in the light intensity of the interference light in which the reflected irradiation light and the reference light are combined, so the light intensity of the irradiation light compared to the reference light If the value becomes weak, the sensitivity to the displacement of the object to be measured deteriorates, and there is a disadvantage that the measurement accuracy decreases.

また、干渉光の強度変化から被測定対象の変位を求めるこれらの装置では、特許文献1に記載されているように、被測定対象の変位振幅がレーザ光の波長の1/4を超える場合に、干渉光のピーク数をカウントし、その数と、変位完了時の干渉光の強度とから被測定対象物の変位を算出する必要があり、手間が掛かる。
また、これらの装置では、基板の端面にミラーを設けて参照光を得ているため、ミラーの分だけ構成部品が多くなり、組立作業が煩雑になる。
Further, in these apparatuses for obtaining the displacement of the measurement target from the intensity change of the interference light, as described in Patent Document 1, when the displacement amplitude of the measurement target exceeds ¼ of the wavelength of the laser light. Therefore, it is necessary to count the number of peaks of the interference light, and to calculate the displacement of the object to be measured from the number and the intensity of the interference light when the displacement is completed.
In these apparatuses, since the mirror is provided on the end face of the substrate to obtain the reference light, the number of components increases by the amount of the mirror, and the assembling work becomes complicated.

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、レーザ光を利用した微小変位測定において、高精度で、信頼性の高い測定が可能であり、また、構成が簡易で、製造が容易で、小型化が可能であり、且つ、操作も簡単である微小変位測定装置を提供し、また、その微小変位測定方法及びプログラムを提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the object is to perform highly accurate and reliable measurement in minute displacement measurement using laser light. To provide a micro displacement measuring device that is simple in configuration, easy to manufacture, miniaturized, and easy to operate, and to provide a micro displacement measuring method and program thereof.

上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分割して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記照射光または参照光を導波する前記平面光波回路基板の光導波路の屈折率を変える屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出された前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御手段と、前記屈折率可変器によって変えられた前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えられたエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出手段と、を備えたことを特徴とする微小変位測定装置、が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor laser oscillation element that oscillates laser light and an optical waveguide through which the laser light propagates are irradiated with laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element. A planar lightwave circuit board that divides light into reference light, irradiates the object to be measured with the irradiation light, and generates interference light between the irradiation light reflected by the object to be measured and incident again. A refractive index variable device that changes a refractive index of the optical waveguide of the planar lightwave circuit board that guides the irradiation light or the reference light, a photodetector that detects the light intensity of the interference light, and the photodetector. Refractive index variable control means for controlling the operation of the refractive index variable so that the detected light intensity of the interference light becomes a preset value, and the refraction of the optical waveguide changed by the refractive index variable Rate change or change Displacement detecting means for detecting the displacement of the object to be measured based on the amount of change in energy applied to the refractive index variable device for obtaining is provided. .

そして、前記平面光波回路基板には、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を導波する第一の光導波路と、前記第一の光導波路で導波されたレーザ光を照射光と参照光とに分割する分岐部と、前記分岐部で分岐された照射光を被測定物への照射位置に導波する第二の光導波路と、前記被測定物で反射して再び入射した照射光を導波する第三の光導波路と、前記分岐部で分割された参照光を導波する第四の光導波路と、前記第三の光導波路で導波された照射光と前記第四の光導波路で導波された参照光とが干渉する干渉部と、前記干渉部で干渉した干渉光を導波する第五の光導波路と、が形成され、前記屈折率可変器が、前記第二の光導波路、第三の光導波路または第四の光導波路の少なくともいずれかに設けられる。   The planar lightwave circuit board has a first optical waveguide that guides the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element, and the laser light guided by the first optical waveguide is referred to as irradiation light. A branching portion that divides the light into a light, a second optical waveguide that guides the irradiation light branched off at the branching portion to the irradiation position of the object to be measured, and the irradiation light that is reflected again by the object to be measured A third optical waveguide for guiding the reference light, a fourth optical waveguide for guiding the reference light divided by the branching portion, the irradiation light guided by the third optical waveguide, and the fourth optical light An interference part that interferes with the reference light guided by the waveguide and a fifth optical waveguide that guides the interference light interfered by the interference part are formed. It is provided in at least one of the optical waveguide, the third optical waveguide, and the fourth optical waveguide.

そして、前記屈折率可変制御手段は、好ましくは、光検出器で検出される干渉光の光強度が最大値または最小値、あるいは、最大値と最小値との平均値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する。   The refractive index variable control means preferably has the refractive index so that the light intensity of the interference light detected by the photodetector becomes a maximum value or a minimum value, or an average value of the maximum value and the minimum value. Controls the operation of the transformer.

そして、好ましくは、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光が、前記平面光波回路基板上で前記参照光よりも前記照射光の方が多くなるように分割される。   Preferably, the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element is divided on the planar lightwave circuit board so that the irradiation light is larger than the reference light.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を、平面光波回路基板内の光導波路で被測定物への照射位置に導波し、前記被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、前記レーザ光から分岐された参照光と前記被測定物から反射した照射光とを、前記平面光波回路基板内の光導波路で干渉位置に導波して干渉光を生成し、前記干渉光の強度変化を検出する干渉光検出ステップと、前記干渉光検出ステップでの検出結果を監視し、前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記光導波路の屈折率を可変制御する屈折率可変制御ステップと、前記屈折率可変制御ステップによって生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために屈折率の可変制御に要したエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出ステップと、を備えることを特徴とする微小変位測定方法、が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element is guided to the irradiation position of the object to be measured by the optical waveguide in the planar lightwave circuit board. A laser light irradiation step for irradiating the object to be measured, the reference light branched from the laser light, and the irradiation light reflected from the object to be measured are guided to an interference position by an optical waveguide in the planar lightwave circuit board. The interference light detection step of generating interference light and detecting the intensity change of the interference light and the detection result in the interference light detection step are monitored so that the light intensity of the interference light becomes a preset value. A refractive index variable control step for variably controlling the refractive index of the optical waveguide, and a change amount of the refractive index of the optical waveguide caused by the refractive index variable control step or a variable control of the refractive index in order to obtain the variation amount. Energy Small displacement measuring method characterized by comprising a displacement detection step of the detecting the displacement of the object to be measured based on the change amount of ghee, a, is provided.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記平面光波回路基板の前記照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、を備えた微小変位測定装置にあって、前記屈折率可変器の動作を制御して前記被測定物の変位を算出するコンピュータに、前記光検出器で検出された前記干渉光の強度値を取り込む測定光レベル取得処理と、前記干渉光の強度値が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御処理と、前記屈折率可変器の動作により生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えたエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を算出する変位算出処理とを実行させることを特徴とする微小変位測定用プログラム、が提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a semiconductor laser oscillation element that oscillates a laser beam and an optical waveguide through which the laser beam propagates, and the laser beam oscillated from the semiconductor laser oscillation element. Is split into an irradiation light and a reference light, the irradiation light is irradiated onto the object to be measured, and a planar light wave that generates interference light between the irradiation light and the reference light reflected again by the object to be measured and incident again A circuit board; a refractive index variable device that changes a refractive index of an optical waveguide that guides the irradiation light or reference light of the planar lightwave circuit board; and a photodetector that detects a light intensity of the interference light. A measurement light for taking in the intensity value of the interference light detected by the photodetector into a computer that calculates the displacement of the object to be measured by controlling the operation of the refractive index variable device. Level acquisition processing and the interference light A refractive index variable control process for controlling the operation of the refractive index variable so that the degree value becomes a preset value, and a change amount of the refractive index of the optical waveguide caused by the operation of the refractive index variable or the change There is provided a micro displacement measurement program that executes a displacement calculation process for calculating a displacement of the object to be measured based on a change amount of energy applied to the refractive index variable device in order to obtain a quantity. The

本発明は、レーザ光を利用した微小変位測定において、検出された干渉光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、干渉光の強度の設定値を例えば最大値とした場合には、干渉光の光強度が最大値になるように調整し、そのときの屈折率の変化量、あるいは、その調整に要したエネルギーの変化量から被測定物の変位を求めているので、検出光の光損失による影響を受け難く、被測定物の変位の高精度な測定が可能になる。
また、本発明では、被測定物の変位振幅がレーザ光の波長の1/4を超えるときでも、変位振幅の測定時に、干渉光のピーク数をカウントする手間が不要であり、被測定物の変位が比較的大きい場合でも、簡単な操作で測定することができる。
また、本発明の微小変位測定装置は、参照光反射用の鏡を必要としないため、構成が簡易で、小型・軽量化が可能であり、製造も容易である。
The present invention does not calculate the displacement of the object to be measured from the detected change in the intensity of the interference light but measures the intensity of the interference light as a maximum value, for example, in a minute displacement measurement using laser light. The light intensity of the interference light is adjusted to the maximum value, and the displacement of the object to be measured is obtained from the change in refractive index at that time or the change in energy required for the adjustment. Therefore, the displacement of the object to be measured can be measured with high accuracy.
Further, in the present invention, even when the displacement amplitude of the object to be measured exceeds ¼ of the wavelength of the laser beam, it is not necessary to count the peak number of the interference light when measuring the displacement amplitude. Even when the displacement is relatively large, it can be measured with a simple operation.
In addition, since the minute displacement measuring apparatus of the present invention does not require a reference light reflecting mirror, it has a simple configuration, can be reduced in size and weight, and is easy to manufacture.

次に、本発明の実施の形態に関して、図面に基づいて詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図であり、図10は、この装置の動作を示すフロー図である。
この装置は、電源1からの電流の印加によってレーザ光を発振する半導体レーザ発振素子2と、このレーザ光が伝播する光導波路を有し、入射したレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、照射光を被測定物30に照射し、被測定物30で反射して再び入射した照射光と参照光との干渉光を出射する平面光波回路基板(以下、PLC(Planar Lightwave Circuit)基板と称す)3と、PLC基板3の照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変える屈折率可変器11と、干渉光の光強度を検出し、それに応じた電流信号を出力する光検出器10と、光検出器10からの電流信号を増幅し、電圧信号に変換する増幅器23と、増幅器23から出力されたアナログ電圧信号をディジタル電圧信号に変換するA/D変換器24と、A/D変換器24から出力されたディジタル電圧信号を電圧値に演算し、また、屈折率可変器11に指令する光導波路の屈折率設定値(ディジタル値)を演算し、さらに、その屈折率の変化量から被測定物30の変位を演算する演算装置25と、演算装置25で演算された被測定物30の変位を表示する変位表示装置26と、演算装置25から出力された屈折率設定値(ディジタル値)を屈折率可変器11に適用できる電気信号(アナログ値)に変換するD/A変換器21と、この電気信号を用いて屈折率可変器11の制御を実行する屈折率可変制御部22と、を備えている。
特許請求の範囲で言う「屈折率可変制御手段」は、演算装置25及び屈折率可変制御部22により実現され、また、「変位検出手段」は、演算装置25により実現される。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a minute displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a flowchart showing the operation of this apparatus.
This apparatus has a semiconductor laser oscillation element 2 that oscillates laser light by applying a current from a power source 1 and an optical waveguide through which the laser light propagates, and divides the incident laser light into irradiation light and reference light. Then, the planar lightwave circuit board (hereinafter referred to as PLC (Planar Lightwave Circuit) board) that emits the interference light between the irradiated light and the reference light that is incident on the object 30 and reflected by the object 30 and incident again. 3), a refractive index variable device 11 that changes the refractive index of the optical waveguide that guides the irradiation light or reference light of the PLC substrate 3, and detects the light intensity of the interference light, and outputs a current signal corresponding to the detected light intensity. A photodetector 10, an amplifier 23 for amplifying a current signal from the photodetector 10 and converting it into a voltage signal, and an A / D converter 24 for converting an analog voltage signal output from the amplifier 23 into a digital voltage signal; A / D converter 24 The output digital voltage signal is calculated as a voltage value, the refractive index setting value (digital value) of the optical waveguide commanded to the refractive index variable device 11 is calculated, and the measured value is measured from the amount of change in the refractive index. An arithmetic device 25 that calculates the displacement of the object 30, a displacement display device 26 that displays the displacement of the object 30 calculated by the arithmetic device 25, and a refractive index setting value (digital value) output from the arithmetic device 25. A D / A converter 21 that converts an electrical signal (analog value) that can be applied to the refractive index variable device 11, and a refractive index variable control unit 22 that controls the refractive index variable device 11 using this electrical signal. I have.
The “refractive index variable control means” referred to in the claims is realized by the calculation device 25 and the refractive index variable control unit 22, and the “displacement detection means” is realized by the calculation device 25.

また、PLC基板3には、半導体レーザ発振素子2からの光を受ける第一の光導波路4と、第一の光導波路4で導波されたレーザ光を参照光と照射光とに分割する分岐部8と、被測定物30へ照射する照射光が導波される第二の光導波路5と、照射光が被測定物で反射し、再びPLC基板3内に入射する第三の光導波路6と、分岐部8で分岐された参照光が導波される第四の光導波路7と、第三の光導波路6で導波された照射光と第四の光導波路7で導波された参照光とが干渉する干渉部9と、干渉部9で干渉した干渉光が導波させる第五の光導波路12と、が形成されている。第五の光導波路12で導波された干渉光が光検出器10に入射する。   Further, the PLC substrate 3 includes a first optical waveguide 4 that receives light from the semiconductor laser oscillation element 2 and a branch that divides the laser light guided by the first optical waveguide 4 into reference light and irradiation light. Part 8, second optical waveguide 5 through which the irradiation light irradiated to the object to be measured 30 is guided, and a third optical waveguide 6 in which the irradiation light is reflected by the object to be measured and enters the PLC substrate 3 again. A fourth optical waveguide 7 in which the reference light branched by the branching portion 8 is guided, an irradiation light guided by the third optical waveguide 6 and a reference guided by the fourth optical waveguide 7. An interference unit 9 that interferes with light and a fifth optical waveguide 12 that guides the interference light that interferes with the interference unit 9 are formed. The interference light guided by the fifth optical waveguide 12 enters the photodetector 10.

PLC基板3は、ここでは、屈折率が電圧によって変化する電気光学材料のニオブ酸リチウム結晶を使用している。PLC基板3の一辺の長さは数cmである。光導波路は、光の屈折率の違いを利用して光信号を導くためにPLC基板3上に設けた光の道であり、例えば、光導波路パターンに沿ってTiを熱拡散して形成することができる。なお、光導波路を形成するための各種の方法が広く知られており、本発明では、どのような方法を用いて光導波路を形成しても良い。
分岐部8は、ここでは、Y字状に分岐した光導波路で構成している。
第二の光導波路5及び第三の光導波路6は、被測定物30に照射光を照射する位置において、折り返し光導波路を形成している。折り返し光導波路では、第二の光導波路5からの光が、被測定物30へ照射された後、反射して、損失をほとんど受けることなく、第三の光導波路6に入射する。
Here, the PLC substrate 3 uses a lithium niobate crystal, which is an electro-optic material whose refractive index varies with voltage. The length of one side of the PLC substrate 3 is several centimeters. The optical waveguide is a light path provided on the PLC substrate 3 in order to guide an optical signal using the difference in the refractive index of light. For example, Ti is thermally diffused along the optical waveguide pattern. Can do. Various methods for forming an optical waveguide are widely known, and in the present invention, any method may be used to form an optical waveguide.
Here, the branching portion 8 is constituted by an optical waveguide branched in a Y shape.
The second optical waveguide 5 and the third optical waveguide 6 form a folded optical waveguide at a position where the object to be measured 30 is irradiated with the irradiation light. In the folded optical waveguide, the light from the second optical waveguide 5 is incident on the third optical waveguide 6 after being irradiated onto the object to be measured 30, reflected, and receiving almost no loss.

干渉部9は、ここでは、方向性結合器で構成している。方向性結合器は、図5に示すように、二つの光導波路(ここでは、第三の光導波路6と第四の光導波路7を示している。)の一部が並行・近接(一般的に、2〜3μmの間隔で)するように構成され、一方の光導波路6で導波されたレーザ光の一部が光導波路間の間隙を通って他方の光導波路7に伝播する。そのため、第四の光導波路7で導波された参照光と第三の光導波路6で導波された照射光とが干渉し、干渉光が第五の光導波路12を進行する。方向性結合器では、近接して並行する光導波路の長さが最小で100μmもあれば、二つの光は、十分に干渉する。
なお、光導波路6から光導波路7に伝播しなかった光は、適切な場所に逃がしてやる。具体的には、動作に影響しないPLC基板3の端面から光を放出する。
Here, the interference unit 9 is formed of a directional coupler. As shown in FIG. 5, in the directional coupler, a part of two optical waveguides (here, a third optical waveguide 6 and a fourth optical waveguide 7 are shown) are parallel and close (generally In addition, a part of the laser light guided by one optical waveguide 6 propagates to the other optical waveguide 7 through the gap between the optical waveguides. Therefore, the reference light guided by the fourth optical waveguide 7 interferes with the irradiation light guided by the third optical waveguide 6, and the interference light travels through the fifth optical waveguide 12. In the directional coupler, if the length of the adjacent optical waveguides is 100 μm at the minimum, the two lights interfere sufficiently.
The light that has not propagated from the optical waveguide 6 to the optical waveguide 7 escapes to an appropriate place. Specifically, light is emitted from the end face of the PLC substrate 3 that does not affect the operation.

屈折率可変器11は、PLC基板3の材質が電気光学材料である場合、光導波路に電圧を印加する電極であり、この電極が、PLC基板3の光導波路を挟む位置に形成される。また、この場合、屈折率可変制御部22は、電圧制御器であり、電極には、電圧制御器より所定の電圧信号(アナログ信号)が送られ、PLC基板3内の光導波路に所定の電圧が印加され、当該光導波路の屈折率が変化する。
光の光路長は、物理的な光経路の長さと光経路の屈折率との積の経路積分で表される。そのため、光導波路の屈折率を変えることで、光の光路長を変化させることができる。
なお、ここでは、屈折率可変器11を第二の光導波路5に配置しているが、屈折率可変器11は、第三の光導波路6または第四の光導波路7に配置しても良く、あるいは、第二の光導波路5、第三の光導波路6及び第四の光導波路7の内の複数の光導波路に配置しても良い。但し、屈折率可変器11を複数配置した場合は、屈折率可変制御部22も同数必要になる。
The refractive index variable device 11 is an electrode for applying a voltage to the optical waveguide when the material of the PLC substrate 3 is an electro-optical material, and this electrode is formed at a position sandwiching the optical waveguide of the PLC substrate 3. Further, in this case, the refractive index variable control unit 22 is a voltage controller, and a predetermined voltage signal (analog signal) is sent from the voltage controller to the electrode, and a predetermined voltage is applied to the optical waveguide in the PLC board 3. Is applied, and the refractive index of the optical waveguide changes.
The optical path length of light is represented by the path integral of the product of the physical optical path length and the optical path refractive index. Therefore, the optical path length of light can be changed by changing the refractive index of the optical waveguide.
Here, although the refractive index variable device 11 is disposed in the second optical waveguide 5, the refractive index variable device 11 may be disposed in the third optical waveguide 6 or the fourth optical waveguide 7. Alternatively, a plurality of optical waveguides among the second optical waveguide 5, the third optical waveguide 6, and the fourth optical waveguide 7 may be disposed. However, when a plurality of refractive index variable devices 11 are arranged, the same number of refractive index variable control units 22 is required.

次に、この微小変位測定装置の動作について説明する。
半導体レーザ発振素子2から発振されたレーザ光は、第一の光導波路4に入射し、分岐部8で参照光と照射光とに分岐され、参照光は、第四の光導波路7に入り、干渉部9へ導波される。
一方、照射光は、第二の光導波路5で導波されてPLC基板3の一端面から出射される。また、この間の第二の光導波路5は、屈折率可変器11で屈折率が可変され、光路長が調整される。第二の光導波路5から出射された光は、被測定物30を照射し、その反射光が第三の光導波路6に入射して、干渉部9へ導波される。
干渉部9において、第三の光導波路6で導波された照射光と第四の光導波路7で導波された参照光とが互いに干渉し、干渉光となって第五の光導波路12で導波され、PLC基板3の端面から出射されて光検出器10に入射する。光検出器10は、この干渉光の光強度を検出する。
光検出器10で検出された光強度は、増幅器23、A/D変換器24、演算装置25を通して数値化される。
Next, the operation of this minute displacement measuring apparatus will be described.
The laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element 2 enters the first optical waveguide 4 and is branched into reference light and irradiation light by the branching portion 8, and the reference light enters the fourth optical waveguide 7. Waveguided to the interference unit 9.
On the other hand, the irradiation light is guided by the second optical waveguide 5 and emitted from one end face of the PLC substrate 3. Further, the refractive index of the second optical waveguide 5 in the meantime is varied by the refractive index variable device 11 and the optical path length is adjusted. The light emitted from the second optical waveguide 5 irradiates the object to be measured 30, and the reflected light enters the third optical waveguide 6 and is guided to the interference unit 9.
In the interference unit 9, the irradiation light guided by the third optical waveguide 6 and the reference light guided by the fourth optical waveguide 7 interfere with each other and become interference light in the fifth optical waveguide 12. The light is guided, emitted from the end face of the PLC substrate 3, and enters the photodetector 10. The photodetector 10 detects the light intensity of the interference light.
The light intensity detected by the photodetector 10 is digitized through the amplifier 23, the A / D converter 24, and the arithmetic unit 25.

このとき、照射光のPLC基板3内の光路長は、屈折率可変器11に印加するエネルギー量を調整して第二の光導波路5の一部分の屈折率を変え、この部分の光路長を可変することにより変化する。従って、干渉する参照光と照射光との間の位相差は、屈折率可変器11に印加するエネルギー量を制御し、照射光のPLC基板3内の光路長を変えることにより自由に設定できる。
この原理を利用して、光導波路の屈折率を調整し、被測定物30が初期位置(変位する前の位置)において、照射光と参照光とが同位相(位相差ゼロ)になるように設定したり、照射光と参照光とが逆位相(位相差π)になるように設定したりすることができる。
At this time, the optical path length of the irradiated light in the PLC substrate 3 is adjusted by adjusting the amount of energy applied to the refractive index variable device 11 to change the refractive index of a part of the second optical waveguide 5, thereby changing the optical path length of this part. It changes by doing. Therefore, the phase difference between the interfering reference light and the irradiation light can be freely set by controlling the amount of energy applied to the refractive index variable device 11 and changing the optical path length in the PLC substrate 3 of the irradiation light.
Using this principle, the refractive index of the optical waveguide is adjusted so that the measured light 30 has the same phase (zero phase difference) between the irradiation light and the reference light at the initial position (position before displacement). It can be set or the irradiation light and the reference light can be set to have opposite phases (phase difference π).

二つの光が干渉する場合、図8(a)に示すように、二つの光の位相差がゼロであると、二つの光の干渉により、お互いに強め合うため、光強度は、一番大きい状態、即ち、共振状態になる。従って、光検出器10で検出される光強度は最大になる。一方、図8(b)に示すように、二つの光の位相差が波長の1/2であると、お互いに弱め合うため、光強度は、一番小さい状態になる。従って、光検出器10で検出される光強度は最小になる。
演算装置25は、被測定物30の初期位置(変位する前の位置)において、光検出器10で検出される光強度の数値が、最大値を示すように、または、最小値を示すように、あるいは、最大値と最小値との平均値を示すように設定し、その設定値を満たす屈折率可変器11の電圧を算出し、屈折率可変制御部22を通じて、その電圧を屈折率可変器11に印加する。
When the two lights interfere with each other, as shown in FIG. 8A, when the phase difference between the two lights is zero, the two lights interfere with each other, so that the light intensity is the highest. A state, that is, a resonance state. Therefore, the light intensity detected by the photodetector 10 is maximized. On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the phase difference between the two lights is ½ of the wavelength, they weaken each other, so that the light intensity becomes the smallest. Accordingly, the light intensity detected by the photodetector 10 is minimized.
The arithmetic unit 25 is configured so that the numerical value of the light intensity detected by the photodetector 10 shows the maximum value or the minimum value at the initial position (position before displacement) of the DUT 30. Alternatively, it is set so as to indicate an average value of the maximum value and the minimum value, the voltage of the refractive index variable device 11 satisfying the set value is calculated, and the voltage is supplied to the refractive index variable device through the refractive index variable control unit 22. 11 is applied.

次に、被測定物30に微小変位を与えると、被測定物30で反射する照射光の反射位置が変化する。そのため、干渉光は初期の光強度(設定値)から変化する。
図7は、干渉光の光強度の変化を説明する図であり、PLC基板3内での参照光(a)及び照射光(b)の波形を模式的に示している。
図7(a)に示すように、参照光となる光は、半導体レーザ発振素子2から出射され、第一の光導波路4と第四の光導波路7とを通って干渉部9に到達する。第一の光導波路4と第四の光導波路7とを加えた幾何学的距離をd1、その屈折率をn1とすると、この光のPLC基板3内での光路長L1は、L1=n1・d1である。また、干渉部9に到達した参照光の位相(波長以下の長さ)をΔ1で表している。
Next, when a minute displacement is given to the measurement object 30, the reflection position of the irradiation light reflected by the measurement object 30 changes. Therefore, the interference light changes from the initial light intensity (set value).
FIG. 7 is a diagram for explaining the change in the light intensity of the interference light, and schematically shows the waveforms of the reference light (a) and the irradiation light (b) in the PLC substrate 3.
As shown in FIG. 7A, the light serving as the reference light is emitted from the semiconductor laser oscillation element 2 and reaches the interference unit 9 through the first optical waveguide 4 and the fourth optical waveguide 7. Assuming that the geometric distance of the first optical waveguide 4 and the fourth optical waveguide 7 is d1 and the refractive index is n1, the optical path length L1 of this light in the PLC substrate 3 is L1 = n1 · d1. Further, the phase of the reference light that has reached the interference unit 9 (the length less than the wavelength) is represented by Δ1.

一方、照射光となる光は、図7(b)に示すように、半導体レーザ発振素子2から出射され、第一の光導波路4と第二の光導波路5と第三の光導波路6とを通って干渉部9に到達する。この第一の光導波路4、第二の光導波路5及び第三の光導波路6を加えた幾何学的距離をd2、その平均屈折率をn2とすると、この光のPLC基板3内での光路長L2は、L2=n2・d2である。この照射光が干渉部9に到達したときの位相(波長以下の長さ)をΔ2で表している。また、照射光の場合は、被測定物30で反射して戻ってくるときに2・Δrの位相(波長以下の長さ)が生じる。
干渉部9において参照光と照射光とが干渉した場合の干渉波の光強度は、Δ1及びΔ2によって決まってくる。Δ1−Δ2=0であれば、干渉部9に入射時点での参照光及び照射光の関係が図8(a)の状態になるため、干渉波の光強度は最大になり、Δ1−Δ2=λ/2(λは、半導体レーザ発振素子2から発振されるレーザ光の波長)であれば、図8(b)の状態になるため、干渉波の光強度は最小になる。
ここで、被測定物30の位置が変位すると、Δrが変化し、それによってΔ2の値が変わるため、干渉波の光強度は変化する。
On the other hand, as shown in FIG. 7B, the light that becomes the irradiation light is emitted from the semiconductor laser oscillation element 2 and passes through the first optical waveguide 4, the second optical waveguide 5, and the third optical waveguide 6. It passes through and reaches the interference unit 9. If the geometric distance of the first optical waveguide 4, the second optical waveguide 5, and the third optical waveguide 6 is d2, and the average refractive index is n2, the optical path of this light in the PLC substrate 3 The length L2 is L2 = n2 · d2. The phase (the length below the wavelength) when this irradiation light reaches the interference portion 9 is represented by Δ2. In the case of irradiation light, a phase of 2 · Δr (length equal to or shorter than the wavelength) is generated when the light is reflected by the object to be measured 30 and returned.
The light intensity of the interference wave when the reference light and the irradiation light interfere with each other in the interference unit 9 is determined by Δ1 and Δ2. If Δ1−Δ2 = 0, the relationship between the reference light and the irradiation light at the time of incidence on the interference unit 9 is in the state shown in FIG. 8A, so that the light intensity of the interference wave becomes maximum, and Δ1−Δ2 = If λ / 2 (λ is the wavelength of the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element 2), the state shown in FIG. 8B is obtained, and the light intensity of the interference wave is minimized.
Here, when the position of the object to be measured 30 is displaced, Δr changes, and the value of Δ2 changes accordingly, so the light intensity of the interference wave changes.

被測定物30が変位して干渉光の光強度が設定値からずれると、演算装置25は、現在の光強度の数値を基に、干渉光の光強度を設定値に戻すために必要な屈折率可変器11の電圧値を算出し、屈折率可変制御部22を通じて、その電圧を屈折率可変器11に印加する。また、被測定物30の変位の前後における電圧値の変化量から被測定物30の変位量を算出する。演算装置25は、この演算のために、屈折率可変器11への印加エネルギー量と被測定物30の変位量との関係を示すデータを予め保持している。
変位表示装置26は、演算装置25で演算された被測定物30の変位を表示する。表示の形態としては、変位量を数字で表示する、変位の前後の光強度を波形で表示する、変位の前後の屈折率変化を数値で表示するなど、変位量が分かるいかなる値、波形を表示しても構わない。
When the object to be measured 30 is displaced and the light intensity of the interference light deviates from the set value, the arithmetic unit 25 refracts necessary to return the light intensity of the interference light to the set value based on the current value of the light intensity. The voltage value of the refractive index variable device 11 is calculated, and the voltage is applied to the refractive index variable device 11 through the variable refractive index control unit 22. Further, the amount of displacement of the device under test 30 is calculated from the amount of change in voltage value before and after the displacement of the device under test 30. For this calculation, the calculation device 25 holds data indicating the relationship between the amount of energy applied to the refractive index variable device 11 and the amount of displacement of the device under test 30 in advance.
The displacement display device 26 displays the displacement of the device under test 30 calculated by the calculation device 25. The display format is to display the displacement amount as a number, to display the light intensity before and after the displacement as a waveform, to display the refractive index change before and after the displacement as a numerical value, and to display any value or waveform that shows the displacement amount. It doesn't matter.

ここで、図7の関係を数学的に表現すると、次のようになる。
まず、参照光について、光路長L1に存在する波長の数をmとすると、次式(1)が成り立つ。
m・λ+Δ1=L1 (1)
また、前述するように、光路長L1には次式(2)の関係がある。
L1=n1・d1 (2)
(1)と(2)より、
m・λ+Δ1=n1・d1 (3)
となる。
同様に、照射光についても、光路長L2に存在する波長の数をnとすると、次式(4)が成り立つ。
n・λ+Δ2+2・Δr=n2・d2 (4)
式(3)から式(4)を減算すると、
(m−n)・λ+Δ1−Δ2−2・Δr=n1・d1−n2・d2 (5)
さらに、m、n、λ、Δ1、n1、d1は一定で変化しないので、式(5)を簡略化すると、
Δ2+2・Δr−n2・d2=一定 (6)
となる。
Here, the relationship of FIG. 7 is expressed mathematically as follows.
First, for the reference light, if the number of wavelengths existing in the optical path length L1 is m, the following equation (1) is established.
m · λ + Δ1 = L1 (1)
Further, as described above, the optical path length L1 has the relationship of the following equation (2).
L1 = n1 · d1 (2)
From (1) and (2),
m · λ + Δ1 = n1 · d1 (3)
It becomes.
Similarly, with respect to the irradiation light, if the number of wavelengths existing in the optical path length L2 is n, the following expression (4) is established.
n · λ + Δ2 + 2 · Δr = n2 · d2 (4)
When subtracting equation (4) from equation (3),
(Mn) · λ + Δ1−Δ2-2 · Δr = n1 · d1−n2 · d2 (5)
Further, since m, n, λ, Δ1, n1, and d1 are constant and do not change, when the equation (5) is simplified,
Δ2 + 2 · Δr−n2 · d2 = constant (6)
It becomes.

式(6)より、被測定物30の位置が変化して、Δr、Δ2が変化した場合に、n2を変化させる、すなわち、屈折率可変器11で屈折率を変化させることにより、式(6)を満足する状態で、Δ2を設定値に戻す(即ち、干渉光の光強度を設定値に戻す)ことができる。
そのようにすると、Δ2が既知となるから、屈折率の変化量さえ測定すれば、式(6)からΔrの変化量、即ち、被測定物30の変位量を求めることができる。
From the equation (6), when the position of the object to be measured 30 is changed and Δr and Δ2 are changed, n2 is changed, that is, by changing the refractive index by the refractive index variable device 11, the equation (6) is obtained. ) 2 can be returned to the set value (that is, the light intensity of the interference light can be returned to the set value).
In such a case, since Δ2 is known, if only the amount of change in refractive index is measured, the amount of change in Δr, that is, the amount of displacement of the object to be measured 30 can be obtained from Equation (6).

被測定物30の変位と干渉光の光強度との関係は、図9に示すように、λ/2周期で光の強弱が現れる正弦波で表すことができる。この場合の周期がλ/2になるのは、被測定物30で光が反射するので、被測定物の変位の2倍の位相が発生することになるからである。
光検出器10で検出する干渉光の光強度の設定値として最も望ましいのは、図9に示す正弦波上で最も変化率が大きいB点での光強度値である。しかし、点Cまたは点Dでの光強度値を設定値とすれば、被測定物30の変位振幅が測定光波長λの1/4を超えても、検出光のピーク数をカウントしたりせずに、その変位を正確に検出できる。
そのため、高精度の測定を行う場合は、点Bでの値、即ち、最大レベルと最小レベルとの平均値を設定値とし、比較的大きい変位を測定する場合は、点Cまたは点Dでの値、即ち、最大レベルまたは最小レベルを設定値として、光検出器10の検出光が設定値となるように屈折率可変制御部22へ指令を出すことが望ましい。もちろん、検出光レベルの設定値として、その他の任意の値を用いることも可能である。
As shown in FIG. 9, the relationship between the displacement of the object to be measured 30 and the light intensity of the interference light can be represented by a sine wave in which the intensity of light appears in a λ / 2 period. The reason why the period in this case is λ / 2 is that light is reflected by the object to be measured 30 and a phase twice as large as the displacement of the object to be measured is generated.
The most desirable setting value of the light intensity of the interference light detected by the photodetector 10 is the light intensity value at the point B having the largest rate of change on the sine wave shown in FIG. However, if the light intensity value at the point C or the point D is set as a set value, the number of peaks of the detected light can be counted even if the displacement amplitude of the object to be measured 30 exceeds 1/4 of the measurement light wavelength λ. Therefore, the displacement can be detected accurately.
Therefore, when measuring with high accuracy, the value at point B, that is, the average value of the maximum level and minimum level is set as the set value, and when measuring a relatively large displacement, the value at point C or point D is used. It is desirable to give a command to the variable refractive index control unit 22 so that the detection light of the photodetector 10 becomes a set value with the value, that is, the maximum level or the minimum level as a set value. Of course, any other value can be used as the set value of the detection light level.

次に、図10のフロー図に基づいて、この微小変位測定装置の全体の動作について説明する。
まず、電源1が半導体レーザ発振素子2に電流を印加すると、半導体レーザ発振素子2はレーザ光を発振し(ステップS1)、そのレーザ光は第一の光導波路4に入射し、分岐部8を経て、一方は、参照光として干渉部9へ、もう一方は、被測定物で反射され、照射光として干渉部9へ導波される。このようにして、干渉計が形成される。
続いて、干渉光の光強度を、光検出器10が検出する(ステップS2、干渉光検出ステップ)。検出された光強度は、増幅器23、A/D変換器24、演算装置25によって数値化される。演算装置25は、検出された光強度が予め設定した設定値を示すように、屈折率可変制御部22を通じて、屈折率可変器11へ印加するエネルギー量(電圧値)を調整する(ステップS3)。
Next, the overall operation of the minute displacement measuring apparatus will be described based on the flowchart of FIG.
First, when the power source 1 applies a current to the semiconductor laser oscillation element 2, the semiconductor laser oscillation element 2 oscillates a laser beam (step S1), and the laser beam enters the first optical waveguide 4 and enters the branching portion 8. Then, one is reflected to the interference unit 9 as reference light, the other is reflected by the object to be measured, and is guided to the interference unit 9 as irradiation light. In this way, an interferometer is formed.
Subsequently, the light intensity of the interference light is detected by the photodetector 10 (step S2, interference light detection step). The detected light intensity is digitized by the amplifier 23, the A / D converter 24, and the arithmetic unit 25. The arithmetic unit 25 adjusts the amount of energy (voltage value) applied to the refractive index variable device 11 through the refractive index variable control unit 22 so that the detected light intensity shows a preset setting value (step S3). .

被測定物30に微小変位が生じて、干渉光の強度が設定値から変化すると(ステップS4のYes)、演算装置25は、干渉光の強度を設定値に戻すために必要な屈折率可変器11のエネルギー量(電圧値)を算出し、屈折率可変制御部22を通じて、屈折率可変器11に印加する。それにより、干渉光の強度は、再び設定値に戻る(ステップS5、屈折率可変制御ステップ)。
そして、演算装置25は、被測定物30が変位する前後の屈折率可変器11の電圧変化量に応じて被測定物30の変位量を算出する(ステップS6、変位検出ステップ)。
このように、演算装置25は、測定が終了するまで、光検出器10からの信号に基づいて、干渉光の光強度が常に設定値となるように屈折率可変制御部22を制御しながら被測定物30の変位を検出する(ステップ7)。
こうした処理手順は、プログラム化してコンピュータに実行させることができる。
When a minute displacement occurs in the object to be measured 30 and the intensity of the interference light changes from the set value (Yes in step S4), the arithmetic unit 25 changes the refractive index variable necessary for returning the intensity of the interference light to the set value. 11 is calculated and applied to the refractive index variable device 11 through the variable refractive index control unit 22. Thereby, the intensity of the interference light returns to the set value again (step S5, refractive index variable control step).
Then, the arithmetic unit 25 calculates the amount of displacement of the device under test 30 according to the voltage change amount of the refractive index variable device 11 before and after the device under test 30 is displaced (step S6, displacement detection step).
As described above, the arithmetic unit 25 controls the refractive index variable control unit 22 while controlling the refractive index variable control unit 22 so that the light intensity of the interference light always becomes the set value based on the signal from the photodetector 10 until the measurement is completed. The displacement of the measurement object 30 is detected (step 7).
Such processing procedures can be programmed and executed by a computer.

このように、この微小変位測定装置では、被測定物が変位したときの干渉光の光強度を設定値に維持し、変位の前後における屈折率の変化量(または、その変化量を得るために屈折率可変器に加えられたエネルギーの変化量)から被測定物の変位を求めているので、検出された干渉光の強度変化から被測定物の変位を求める従来の方法に比べて、照射光の光損失の影響を受け難い。そのため、高精度な測定が可能である。
また、この微小変位測定装置では、被測定物の変位振幅がレーザ光の波長の1/4を超えるような比較的大きな変位であっても、簡単な操作で測定することができる。
また、この微小変位測定装置では、参照光を導波する第四の光導波路7を、分岐部8から干渉部9に直接繋げているため、参照光反射用の鏡が不要であり、構成が簡易である。また、製造プロセスが簡略化でき、生産性を向上させて低価格化を実現できる。
また、この微小変位測定装置は、光導波路を形成したPLC基板上に半導体レーザ素子や光検出器を搭載して、高い集積化・小型化を図ることができる。このように高集積化・小型化すると、被測定物からの反射光が光検出器に達するまでの距離を短縮でき、光導波路中での光損失を最小限に抑えて、変位測定の感度を上げることができる。また、熱膨張や振動などの外乱で測定光が受ける損失を少なくすることができ、信頼性の高い測定結果が得られる。
As described above, in this minute displacement measuring apparatus, the light intensity of the interference light when the object to be measured is displaced is maintained at the set value, and the amount of change in the refractive index (or the amount of change) before and after the displacement is obtained. Since the displacement of the object to be measured is obtained from the amount of change in energy applied to the refractive index variable device, compared to the conventional method of obtaining the displacement of the object to be measured from the detected intensity change of the interference light Less susceptible to light loss. Therefore, highly accurate measurement is possible.
Further, with this minute displacement measuring apparatus, even a relatively large displacement such that the displacement amplitude of the object to be measured exceeds 1/4 of the wavelength of the laser beam can be measured with a simple operation.
Further, in this minute displacement measuring apparatus, since the fourth optical waveguide 7 that guides the reference light is directly connected from the branching portion 8 to the interference portion 9, a mirror for reference light reflection is unnecessary, and the configuration is It is simple. In addition, the manufacturing process can be simplified, the productivity can be improved, and the price can be reduced.
In addition, this minute displacement measuring apparatus can be highly integrated and miniaturized by mounting a semiconductor laser element and a photodetector on a PLC substrate on which an optical waveguide is formed. With this high integration and miniaturization, the distance until reflected light from the object to be measured reaches the photodetector can be shortened, minimizing optical loss in the optical waveguide, and increasing the sensitivity of displacement measurement. Can be raised. Further, the loss received by the measurement light due to disturbance such as thermal expansion and vibration can be reduced, and a highly reliable measurement result can be obtained.

なお、図1の構成では、半導体レーザ発振素子2と光検出器10とをPLC基板3の別々の端面に配置しているが、図2に示すように、これらをPLC基板3の同じ端面に配置しても良いし、また、いかなる場所に配置しても良い。
また、ここでは、PLC基板3に用いる電気光学材料として、代表的なニオブ酸リチウムを用いたが、その他の電気光学材料を用いても良い。また、電気光学材料以外であっても、基板に形成した光導波路の屈折率を変えることができる材料であれば、使用することができる。
例えば、熱によって屈折率が変わる熱光学材料をPLC基板3に用いることができる。熱光学材料の代表例は石英である。この場合、屈折率可変器11はヒータとなり、屈折率可変制御部22はヒータ制御器となる。ヒータは、ヒータ制御器から送られた信号(アナログ信号)により、PLC基板3内の光導波路を所定の温度に加熱し、当該光導波路の屈折率を変化させる。
また、応力によって屈折率が変わる音響光学材料をPLC基板3に用いることもできる。音響光学材料の代表例はニオブ酸リチウムである。この場合、屈折率可変器11はトランスデューサとなり、屈折率可変制御部22はトランスデューサ制御器となる。トランスデューサは、トランスデューサ制御器から送られた圧電信号(アナログ信号)による歪みにより、PLC基板3内の光導波路に所定の応力を加え、当該光導波路の屈折率を変化させる。
屈折可変器11の長さは、照射光と反射光の光路長の差、変化させたい位相量、屈折可変器11に印加可能な単位長さ当たりのエネルギー量によって変化する屈折率の変化量などに基づいて算出することができる。
In the configuration of FIG. 1, the semiconductor laser oscillation element 2 and the photodetector 10 are arranged on separate end faces of the PLC substrate 3, but these are arranged on the same end face of the PLC substrate 3 as shown in FIG. 2. You may arrange | position and you may arrange | position in any places.
Here, as the electro-optic material used for the PLC substrate 3, a typical lithium niobate is used, but other electro-optic materials may be used. In addition, materials other than electro-optic materials can be used as long as they can change the refractive index of the optical waveguide formed on the substrate.
For example, a thermo-optic material whose refractive index changes with heat can be used for the PLC substrate 3. A typical example of the thermo-optic material is quartz. In this case, the refractive index variable device 11 serves as a heater, and the refractive index variable control unit 22 serves as a heater controller. The heater heats the optical waveguide in the PLC substrate 3 to a predetermined temperature by a signal (analog signal) sent from the heater controller, and changes the refractive index of the optical waveguide.
In addition, an acousto-optic material whose refractive index changes with stress can be used for the PLC substrate 3. A typical example of the acoustooptic material is lithium niobate. In this case, the refractive index variable device 11 serves as a transducer, and the refractive index variable control unit 22 serves as a transducer controller. The transducer applies a predetermined stress to the optical waveguide in the PLC substrate 3 due to distortion caused by the piezoelectric signal (analog signal) sent from the transducer controller, and changes the refractive index of the optical waveguide.
The length of the refractive variable device 11 is the difference between the optical path lengths of the irradiation light and the reflected light, the phase amount to be changed, the amount of change in the refractive index that changes depending on the amount of energy per unit length that can be applied to the refractive variable device 11, etc. Can be calculated based on

また、ここでは、分岐部8をY字状に分岐した光導波路で構成しているが、一つの光を複数に分岐する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、ここでは、第二の光導波路と第三の光導波路とで折り返し光導波路を形成しているが、第二の光導波路で導波された照射光を被測定物の方に導出し、被測定物で反射された照射光を第三の光導波路に導出する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、ここでは、干渉部9を方向性結合器で構成しているが、参照光と照射光とを合波する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、レーザ光は、安定なコヒーレント光であって、PLC基板3内の光導波路中をシングルモードで伝播するものであれば、レーザの種類や波長に制限はない。
また、ここでは、演算装置25が、屈折率可変器11に印加するエネルギー量と被測定物30の変位量との関係を示すデータを予め保持しているものとしたが、半導体レーザ発振素子2からのレーザ光の波長が変位の測定精度に問題がない程度に分かっている場合は、このデータを予め保持してなくてもよい。
Further, here, the branching portion 8 is constituted by an optical waveguide branched in a Y shape, but any means can be used as long as it has a function of branching one light into a plurality of parts. .
Further, here, the second optical waveguide and the third optical waveguide form a folded optical waveguide, but the irradiation light guided by the second optical waveguide is derived toward the object to be measured, Any means can be used as long as it has a function of deriving the irradiation light reflected by the object to be measured to the third optical waveguide.
Here, the interference unit 9 is formed of a directional coupler, but any means can be used as long as it has a function of combining the reference light and the irradiation light.
The laser light is stable coherent light, and there is no limitation on the type and wavelength of the laser as long as it propagates through the optical waveguide in the PLC substrate 3 in a single mode.
Here, it is assumed that the arithmetic unit 25 holds in advance data indicating the relationship between the amount of energy applied to the refractive index variable device 11 and the amount of displacement of the object to be measured 30, but the semiconductor laser oscillator 2 If the wavelength of the laser beam from is known to the extent that there is no problem in the measurement accuracy of the displacement, this data need not be held in advance.

(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図であり、図6は、この装置の分岐部の構成を示す図である。
この微小変位測定装置では、被測定物の変位の測定感度を良くするため、レーザ光を分岐する分岐部で、参照光に比べて照射光の分割量が多くなるように構成している。それにより、照射光の光損失による影響を減らすことができる。
図3に示す微小変位測定装置の構成は、分岐部8を除けば、第1の実施の形態(図1)と変わりがない。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a minute displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a branching portion of this apparatus.
In this minute displacement measuring apparatus, in order to improve the measurement sensitivity of the displacement of the object to be measured, the branching portion for branching the laser light is configured so that the amount of irradiation light is divided more than the reference light. Thereby, the influence by the optical loss of irradiation light can be reduced.
The configuration of the minute displacement measuring apparatus shown in FIG. 3 is the same as that of the first embodiment (FIG. 1) except for the branching section 8.

この分岐部8は、図6に拡大して示すように、第一の光導波路4で導波されたレーザ光を第二の光導波路5及び第四の光導波路7に分岐する際の分岐比を制御する分岐比制御部14(a)、14(b)を有している。この分岐比制御部14(a)、14(b)は、第二の光導波路5及び第四の光導波路7の入口の屈折率を変える屈折率可変器である。屈折率可変器は、第1の実施の形態で説明したように、PLC基板3の該当箇所に、電圧、熱、または応力を加える構成により実現できる。
光は、屈折率の高い方に引き寄せられ現象が有り、分岐比制御部14(a)、14(b)は、この現象を利用して、第二の光導波路5の屈折率が第四の光導波路7の屈折率よりも高くなるように設定し、第四の光導波路7で導波される参照光に比べて、第二の光導波路5で導波される照射光の光量の方が多くなるように制御している。
As shown in an enlarged view in FIG. 6, the branching portion 8 has a branching ratio when the laser light guided by the first optical waveguide 4 is branched into the second optical waveguide 5 and the fourth optical waveguide 7. Branching ratio control units 14 (a) and 14 (b) are controlled. The branching ratio controllers 14 (a) and 14 (b) are refractive index variable devices that change the refractive indexes at the entrances of the second optical waveguide 5 and the fourth optical waveguide 7. As described in the first embodiment, the refractive index variable device can be realized by a configuration in which voltage, heat, or stress is applied to a corresponding portion of the PLC substrate 3.
There is a phenomenon in which light is attracted to a higher refractive index, and the branching ratio control units 14 (a) and 14 (b) use this phenomenon to make the refractive index of the second optical waveguide 5 the fourth. It is set to be higher than the refractive index of the optical waveguide 7, and the amount of irradiation light guided in the second optical waveguide 5 is greater than the reference light guided in the fourth optical waveguide 7. It is controlled to increase.

この場合の適切な分岐比の求め方について、次に説明する。
PLC基板3の各光導波路を伝播する光が受ける損失は、10−6dB/cmであり、PLC基板3の長さは数cmなので、PLC基板3内での光損失は、無視できる程度に小さい。従って、PLC基板3の第一の光導波路4に入射した光がPLC基板内で受ける損失は、第二の光導波路5で導波された光が、PLC基板3から被測定物30に出射し、再び第三の光導波路6に入射するまでに受ける損失が一番大きい。
そこで、上記の損失を2dBと仮定すると、光損失と光強度との関係式、
光損失=10・log(光強度)
から、光損失=−2として光強度を求めると、
光強度=10^(光損失/10)=10^(−0.2)=0.631
となる。これは、光強度が、元々の光強度の63.1%に低下することを意味している。
従って、第一の光導波路4で導波される光の強度をAとし、分岐部8において、第二の光導波路5に分岐される光の割合をαとすると、第三の光導波路6で導波されて干渉部9に達する照射光の光強度は、
A・0.631・α
となり、第四の光導波路7で導波されて干渉部9に達する参照光の光強度は、
A・(1−α)
となる。
Next, how to obtain an appropriate branching ratio in this case will be described.
The loss received by the light propagating through each optical waveguide of the PLC substrate 3 is 10 −6 dB / cm, and the length of the PLC substrate 3 is several cm. Therefore, the optical loss in the PLC substrate 3 is negligible. small. Therefore, the loss that the light incident on the first optical waveguide 4 of the PLC substrate 3 receives in the PLC substrate is that the light guided by the second optical waveguide 5 is emitted from the PLC substrate 3 to the device under test 30. The loss received before entering the third optical waveguide 6 again is the largest.
Therefore, assuming that the above loss is 2 dB, a relational expression between the optical loss and the optical intensity,
Light loss = 10 · log (light intensity)
From the above, when the light intensity is calculated as light loss = −2,
Light intensity = 10 ^ (light loss / 10) = 10 ^ (− 0.2) = 0.630
It becomes. This means that the light intensity drops to 63.1% of the original light intensity.
Accordingly, if the intensity of light guided by the first optical waveguide 4 is A and the ratio of the light branched to the second optical waveguide 5 at the branching portion 8 is α, the third optical waveguide 6 The light intensity of the irradiated light that is guided and reaches the interference section 9 is:
A ・ 0.631 ・ α
Thus, the light intensity of the reference light guided by the fourth optical waveguide 7 and reaching the interference unit 9 is
A ・ (1-α)
It becomes.

そのため、第二の光導波路5で導波され、被測定物30を経て、第三の光導波路6で導波される照射光の光強度を、第四の光導波路7で導波される参照光の光強度よりも大きくするための条件は、
A・0.631・α>A・(1−α)
となり、上記の式を解くと、α>0.613となる。
従って、第二の光導波路5と第四の光導波路7との分岐比の最小値は、61.3:38.7と算出できる。
分岐部8において、この分岐比を達成するように分岐比制御部14で第二の光導波路5及び第四の光導波路7の屈折率を制御すると、第三の光導波路6で導波される光の損失が2dBまでは、第三の光導波路6で導波される照射光の光強度の方が、第四の光導波路7で導波される参照光の光強度よりも高くなり、被測定物30の変位を感度良く検出することができ、変位測定の精度を高めることができる。
For this reason, the light intensity of the irradiation light guided by the second optical waveguide 5 and guided by the third optical waveguide 6 through the device under test 30 is guided by the fourth optical waveguide 7. The condition for making it larger than the light intensity is
A · 0.631 · α> A · (1-α)
When the above equation is solved, α> 0.613.
Therefore, the minimum value of the branching ratio between the second optical waveguide 5 and the fourth optical waveguide 7 can be calculated as 61.3: 38.7.
In the branching section 8, when the branching ratio control section 14 controls the refractive indexes of the second optical waveguide 5 and the fourth optical waveguide 7 so as to achieve this branching ratio, the light is guided through the third optical waveguide 6. Until the light loss is 2 dB, the light intensity of the irradiation light guided by the third optical waveguide 6 is higher than the light intensity of the reference light guided by the fourth optical waveguide 7, The displacement of the measurement object 30 can be detected with high sensitivity, and the accuracy of the displacement measurement can be increased.

また、このように、分岐比制御部14を設けてY字状分岐導波路の分岐比を調節可能にした分岐部は、図4に示すように、第二の光導波路5と第三の光導波路6との接続箇所にも用いることができる。この分岐部15では、第六の光導波路13から入射した被測定物30の反射光が第三の光導波路6の方に多く流れるように分岐比制御部が調節される。
この分岐部15を有するPLC基板3では、第二の光導波路5で導波された光が、分岐部15を経て、第六の光導波路13で導波され、被測定物30に出射される。被測定物30で反射した光は、再び第六の光導波路13に入射し、分岐部15において設定された分岐比に従って、第二の光導波路5及び第三の光導波路6に分岐される。
In addition, as shown in FIG. 4, the branch portion in which the branch ratio control unit 14 is provided so that the branch ratio of the Y-shaped branch waveguide can be adjusted is shown in FIG. It can also be used at a location where the waveguide 6 is connected. In this branching section 15, the branching ratio control section is adjusted so that a large amount of reflected light from the device under test 30 that has entered from the sixth optical waveguide 13 flows toward the third optical waveguide 6.
In the PLC substrate 3 having the branch portion 15, the light guided by the second optical waveguide 5 is guided by the sixth optical waveguide 13 through the branch portion 15 and emitted to the object to be measured 30. . The light reflected by the device under test 30 enters the sixth optical waveguide 13 again and is branched into the second optical waveguide 5 and the third optical waveguide 6 according to the branching ratio set in the branching section 15.

また、こうした分岐比の制御は、方向性結合器においても可能である。図5に示すように、二本の光導波路6、7を近接配置した方向性結合器では、光導波路間の結合の強さが、光導波路間の距離や光導波路間の屈折率、並行する光導波路長などによって決まる。そのため、屈折率可変器を配置して光導波路間の間隙の屈折率を可変することにより、光導波路6から光導波路7に伝播する光量を調節することができる。
PLC基板3の分岐部14や分岐部15、または干渉部9には、こうした分岐比調整機能を備えた方向性結合器を用いることも可能である。
Such branching ratio control is also possible in a directional coupler. As shown in FIG. 5, in the directional coupler in which the two optical waveguides 6 and 7 are arranged close to each other, the coupling strength between the optical waveguides is parallel to the distance between the optical waveguides and the refractive index between the optical waveguides. It depends on the length of the optical waveguide. Therefore, the amount of light propagating from the optical waveguide 6 to the optical waveguide 7 can be adjusted by arranging a refractive index variable device to vary the refractive index of the gap between the optical waveguides.
A directional coupler having such a branching ratio adjusting function can be used for the branching section 14, the branching section 15, or the interference section 9 of the PLC substrate 3.

本発明の微小変位測定装置は、ナノメートルオーダの変位計測が可能であり、また、高集積化により極めて小型化することができる。そのため、例えば、半導体レーザ素子や半導体素子などを基板に実装する生産設備に用いて、基板に対する素子の位置合わせなどに利用することができる。
また、単独の計測器として使用し、いままでの変位センサでは大き過ぎて測定が困難であった対象物の変位測定などに利用することもできる。
The minute displacement measuring apparatus of the present invention can measure displacement on the order of nanometers and can be extremely miniaturized by high integration. For this reason, for example, it can be used for production equipment for mounting a semiconductor laser element, a semiconductor element, or the like on a substrate and used for alignment of the element with respect to the substrate.
Further, it can be used as a single measuring instrument and can be used for measuring the displacement of an object that has been too large to measure with conventional displacement sensors.

本発明の微小変位測定装置は、精度が高く、小型化が可能であり、精密さが要求される各種製品の製造分野や、高精度が求められる計測装置、医療装置、実験装置など、幅広い分野において利用することができる。   The micro displacement measuring apparatus of the present invention has high accuracy, can be miniaturized, and can be used in a wide range of fields such as manufacturing fields of various products that require precision, measuring instruments, medical devices, and experimental devices that require high precision. Can be used.

本発明の第1の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the micro displacement measuring apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る微小変位測定装置の他の構成を示す図The figure which shows the other structure of the micro displacement measuring apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the micro displacement measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る微小変位測定装置の他の構成を示す図The figure which shows the other structure of the micro displacement measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置で用いる方向性結合器の一例を示す図The figure which shows an example of the directional coupler used with the micro displacement measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention 本発明の第2の実施の形態に係る微小変位測定装置で用いる分岐比制御器を備えた分岐部を示す図The figure which shows the branch part provided with the branch ratio controller used with the micro displacement measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置での光の伝播の様子を説明する図The figure explaining the mode of propagation of light in the minute displacement measuring device concerning an embodiment of the invention 光の干渉を説明する図Diagram explaining light interference 本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置での被測定物の変位と干渉光の光強度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the displacement of the to-be-measured object in the micro displacement measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention, and the light intensity of interference light 本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置の動作を示すフロー図The flowchart which shows operation | movement of the micro displacement measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 従来の微小変位測定装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the conventional minute displacement measuring device 従来の微小変位測定装置の他の構成を示す図The figure which shows the other structure of the conventional minute displacement measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 電源
2 半導体レーザ発振素子
3 平面光波回路基板(PLC基板)
4 第一の光導波路
5 第二の光導波路
6 第三の光導波路
7 第四の光導波路
8 分岐部
9 干渉部
10 光検出器
11 屈折率可変器
12 第五の光導波路
13 第六の光導波路
14 分岐比制御器
15 分岐部
21 D/A変換器
22 屈折率可変制御部
23 増幅器
24 A/D変換器
25 演算装置
26 変位表示装置
30 被測定物
211 基板
212 Y字状分岐光導波路
214 光導波路
215 電極
216 反射部材
230 光ファイバ
240 レーザ発振器
250 光検出器
260 位相制御部
280 被測定物
301 結晶基板
302 光導波路
303 光導波路
304 光導波路
305 光導波路
306 方向性結合器
307 参照用光鏡
308 集光レンズ
309 被測定物
310 電極
311 電極
312 光源
313 光ファイバ
314 電極
315 光ファイバ
316 光検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power supply 2 Semiconductor laser oscillation element 3 Planar light wave circuit board (PLC board)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 1st optical waveguide 5 2nd optical waveguide 6 3rd optical waveguide 7 4th optical waveguide 8 Branching part 9 Interference part 10 Photodetector 11 Refractive index variable device 12 5th optical waveguide 13 6th light guide Waveguide 14 Branch ratio controller 15 Branch section 21 D / A converter 22 Variable refractive index control section 23 Amplifier 24 A / D converter 25 Arithmetic unit 26 Displacement display unit 30 Device under test 211 Substrate 212 Y-shaped branch optical waveguide 214 Optical waveguide 215 Electrode 216 Reflecting member 230 Optical fiber 240 Laser oscillator 250 Photo detector 260 Phase control unit 280 Object to be measured 301 Crystal substrate 302 Optical waveguide 303 Optical waveguide 304 Optical waveguide 305 Optical waveguide 306 Directional coupler 307 Reference optical mirror 308 Condensing lens 309 Measured object 310 Electrode 311 Electrode 312 Light source 313 Optical fiber 314 Electric Pole 315 optical fiber 316 photodetector

Claims (17)

レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、
前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分割して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、
前記照射光または参照光を導波する前記平面光波回路基板の光導波路の屈折率を変える屈折率可変器と、
前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御手段と、
前記屈折率可変器によって変えられた前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えられたエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出手段と、
を備えたことを特徴とする微小変位測定装置。
A semiconductor laser oscillation element that oscillates laser light;
An optical waveguide through which the laser light propagates, the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element is divided into irradiation light and reference light, and the object to be measured is irradiated with the irradiation light; A planar lightwave circuit board that generates interference light between the reference light and the irradiation light reflected again at
A refractive index variable device that changes a refractive index of an optical waveguide of the planar lightwave circuit board that guides the irradiation light or the reference light;
A photodetector for detecting the light intensity of the interference light;
Refractive index variable control means for controlling the operation of the refractive index variable device so that the light intensity of the interference light detected by the photodetector becomes a preset value;
The displacement of the object to be measured is detected based on the change amount of the refractive index of the optical waveguide changed by the refractive index variable device or the change amount of energy applied to the refractive index variable device to obtain the change amount. Displacement detecting means for
A micro displacement measuring device comprising:
請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記平面光波回路基板は、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を導波する第一の光導波路と、前記第一の光導波路で導波されたレーザ光を照射光と参照光とに分割する分岐部と、前記分岐部で分岐された照射光を被測定物への照射位置に導波する第二の光導波路と、前記被測定物で反射して再び入射した照射光を導波する第三の光導波路と、前記分岐部で分割された参照光を導波する第四の光導波路と、前記第三の光導波路で導波された照射光と前記第四の光導波路で導波された参照光とが干渉する干渉部と、前記干渉部で干渉した干渉光を導波する第五の光導波路と、を有し、前記屈折率可変器が、前記第二の光導波路、第三の光導波路または第四の光導波路の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とする微小変位測定装置。   The micro displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the planar lightwave circuit board includes a first optical waveguide that guides a laser beam oscillated from the semiconductor laser oscillation element, and the first optical waveguide. A branching unit that divides the guided laser light into irradiation light and reference light; a second optical waveguide that guides the irradiation light branched by the branching unit to an irradiation position on the object to be measured; Guided by the third optical waveguide that guides the incident light reflected again by the measurement object, the fourth optical waveguide that guides the reference light divided by the branch portion, and the third optical waveguide. An interference part where the waved irradiation light and the reference light guided by the fourth optical waveguide interfere with each other, and a fifth optical waveguide for guiding the interference light interfered by the interference part, The refractive index variable device includes at least one of the second optical waveguide, the third optical waveguide, and the fourth optical waveguide. Minute displacement measuring apparatus, characterized in that provided in or. 請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が最大値または最小値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。   2. The minute displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the refractive index variable control means is configured to change the refractive index so that the light intensity of the interference light detected by the photodetector becomes a maximum value or a minimum value. A micro-displacement measuring device for controlling the operation of a vessel. 請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が最大値と最小値との平均値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。   2. The minute displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the refractive index variable control means is configured such that the light intensity of the interference light detected by the photodetector becomes an average value between a maximum value and a minimum value. A micro displacement measuring apparatus for controlling the operation of the refractive index variable device. 請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が任意の値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。 2. The minute displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the refractive index variable control means is configured so that the light intensity of the interference light detected by the photodetector has an arbitrary value. A minute displacement measuring device characterized by controlling operation. 請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光が、前記平面光波回路基板上で前記参照光よりも前記照射光の方が多くなるように分割されることを特徴とする微小変位測定装置。   2. The minute displacement measuring device according to claim 1, wherein the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element is divided so that the irradiation light is larger than the reference light on the planar lightwave circuit board. A minute displacement measuring device characterized by being made. 請求項2に記載の微小変位測定装置であって、前記分岐部において、前記照射光を導波する分岐光導波路への分岐比が、前記参照光を導波する分岐光導波路への分岐比よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。   3. The minute displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein a branching ratio to the branching optical waveguide that guides the irradiation light in the branching portion is based on a branching ratio to the branching optical waveguide that guides the reference light. Is set so as to be larger. 請求項2に記載の微小変位測定装置であって、前記分岐部が、二つの光導波路を近接配置した方向性結合器から成り、前記光導波路間の間隙が、前記参照光を導波する光導波路への分岐比よりも前記照射光を導波する光導波路への分岐比の方が大きくなるように設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。   3. The micro displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein the branch portion is formed of a directional coupler in which two optical waveguides are arranged close to each other, and a gap between the optical waveguides guides the reference light. A minute displacement measuring device, wherein the branching ratio to the optical waveguide for guiding the irradiation light is set to be larger than the branching ratio to the waveguide. 請求項2に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが折り返し光導波路を形成していることを特徴とする微小変位測定装置。   3. The minute displacement measuring device according to claim 2, wherein the second optical waveguide and the third optical waveguide form a folded optical waveguide. 請求項2に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが、分岐光導波路に接続し、前記被測定物で反射されて前記分岐光導波路に進入した前記照射光が、前記第二の光導波路よりも前記第三の光導波路の方に多く分岐されるように前記分岐光導波路の分岐比が設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。   3. The micro displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein the second optical waveguide and the third optical waveguide are connected to a branched optical waveguide and reflected by the object to be measured to the branched optical waveguide. A minute displacement measurement characterized in that the branching ratio of the branch optical waveguide is set so that the irradiated light that has entered is branched more toward the third optical waveguide than the second optical waveguide. apparatus. 請求項2に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが方向性結合器を構成し、前記被測定物で反射されて前記方向性結合器に進入した前記照射光が、前記第二の光導波路よりも前記第三の光導波路の方に多く分岐されるように前記方向性結合器の光導波路間の間隙が設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。   3. The micro displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein the second optical waveguide and the third optical waveguide constitute a directional coupler, and the directional coupler is reflected by the object to be measured. The gap between the optical waveguides of the directional coupler is set so that the irradiation light that has entered into the third optical waveguide branches more toward the third optical waveguide than the second optical waveguide. A micro displacement measuring device. 請求項1から11のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の温度依存性を有する熱光学材料から成り、前記屈折率可変器が、前記光導波路の一部を加熱して当該光導波路の屈折率を変化させ、前記変位検出手段が、前記屈折率可変器により前記光導波路へ印加される加熱の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。   The micro displacement measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical waveguide is made of a thermo-optic material having a temperature dependency of a refractive index, and the refractive index variable device A part is heated to change the refractive index of the optical waveguide, and the displacement detecting means detects the displacement of the object to be measured based on the amount of change in heating applied to the optical waveguide by the refractive index variable device. A micro displacement measuring apparatus characterized by: 請求項1から11のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の電圧依存性を有する電気光学材料から成り、前記屈折率可変器が、前記光導波路の一部に電圧を印加して当該光導波路の屈折率を変化させ、前記変位検出手段が、前記屈折率可変器により前記光導波路へ印加される電圧の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。   The micro displacement measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical waveguide is made of an electro-optic material having a voltage dependency of a refractive index, and the refractive index variable device A voltage is applied to a part to change the refractive index of the optical waveguide, and the displacement detection unit displaces the object to be measured based on a change amount of the voltage applied to the optical waveguide by the refractive index variable device. A minute displacement measuring device characterized by detecting the above. 請求項1から11のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の応力依存性を有する音響光学材料から成り、前記屈折率可変器が、前記光導波路の一部に圧電変化を与えて当該光導波路の屈折率を変化させ、前記変位検出手段が、前記屈折率可変器に印加される電圧の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。   The micro displacement measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the optical waveguide is made of an acousto-optic material having a stress dependence of refractive index, and the refractive index variable device includes the optical waveguide. A piezoelectric change is applied to a part to change a refractive index of the optical waveguide, and the displacement detection unit detects a displacement of the object to be measured based on a change amount of a voltage applied to the refractive index variable device. A micro displacement measuring device characterized by 請求項1に記載の微小変位測定装置であって、前記半導体レーザ発振素子及び光検出器が、前記平面光波回路基板の上に配置されていることを特徴とする微小変位測定装置。   2. The minute displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor laser oscillation element and the photodetector are arranged on the planar lightwave circuit board. 半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を、平面光波回路基板内の光導波路で被測定物への照射位置に導波し、前記被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、
前記レーザ光から分岐された参照光と前記被測定物から反射した照射光とを、前記平面光波回路基板内の光導波路で干渉位置に導波して干渉光を生成し、前記干渉光の強度変化を検出する干渉光検出ステップと、
前記干渉光検出ステップでの検出結果を監視し、前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記光導波路の屈折率を可変制御する屈折率可変制御ステップと、
前記屈折率可変制御ステップによって生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために屈折率の可変制御に要したエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出ステップと、
を備えることを特徴とする微小変位測定方法。
A laser light irradiation step of guiding laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element to an irradiation position on the object to be measured with an optical waveguide in a planar lightwave circuit board;
The reference light branched from the laser light and the irradiation light reflected from the object to be measured are guided to an interference position by an optical waveguide in the planar lightwave circuit board to generate interference light, and the intensity of the interference light An interference light detection step for detecting a change;
A detection result in the interference light detection step is monitored, and a refractive index variable control step for variably controlling the refractive index of the optical waveguide so that the light intensity of the interference light becomes a preset value;
A displacement for detecting the displacement of the object to be measured based on the amount of change in the refractive index of the optical waveguide caused by the variable refractive index control step or the amount of change in energy required for the variable control of the refractive index to obtain the amount of change. A detection step;
A minute displacement measuring method comprising:
レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記平面光波回路基板の前記照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、を備えた微小変位測定装置にあって、前記屈折率可変器の動作を制御して前記被測定物の変位を算出するコンピュータに、
前記光検出器で検出された前記干渉光の強度値を取り込む測定光レベル取得処理と、
前記干渉光の強度値が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御処理と、
前記屈折率可変器の動作により生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えたエネルギーの変化量に基づいて前記被測定物の変位を算出する変位算出処理と
を実行させることを特徴とする微小変位測定用プログラム。
A semiconductor laser oscillation element that oscillates the laser light; and an optical waveguide through which the laser light propagates; the laser light oscillated from the semiconductor laser oscillation element is branched into irradiation light and reference light; A planar lightwave circuit board that generates interference light between the reference light and the irradiated light that has been irradiated onto the object to be measured, reflected by the object to be measured, and incident again, or the reference light or the planar lightwave circuit board. In a minute displacement measuring apparatus, comprising: a refractive index variable device that changes a refractive index of an optical waveguide that guides light; and a photodetector that detects the light intensity of the interference light, and the operation of the refractive index variable device A computer for calculating the displacement of the object to be measured by controlling
A measurement light level acquisition process for capturing an intensity value of the interference light detected by the photodetector;
A refractive index variable control process for controlling the operation of the refractive index variable device so that the intensity value of the interference light becomes a preset value;
The displacement of the object to be measured is calculated based on the amount of change in the refractive index of the optical waveguide caused by the operation of the refractive index variable or the amount of change in energy applied to the refractive index variable to obtain the amount of change. A program for measuring a minute displacement, characterized by executing a displacement calculation process.
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