JP2009216638A - Minute displacement measuring device and measuring method therefor - Google Patents
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Abstract
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
As shown in FIG. 11, the apparatus disclosed in
In this apparatus, the laser light oscillated from the
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。
Further,
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
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
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
The “refractive index variable control means” referred to in the claims is realized by the
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
Here, the branching
The second
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
The light that has not propagated from the
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
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
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
On the other hand, the irradiation light is guided by the second
In the
The light intensity detected by the
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
Using this principle, the refractive index of the optical waveguide is adjusted so that the measured
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
The
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
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
As shown in FIG. 7A, the light serving as the reference light is emitted from the semiconductor
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
The light intensity of the interference wave when the reference light and the irradiation light interfere with each other in the
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
The
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 +
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,
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
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
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
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
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
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
Then, the
As described above, the
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
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
Here, as the electro-optic material used for the
For example, a thermo-optic material whose refractive index changes with heat can be used for the
In addition, an acousto-optic material whose refractive index changes with stress can be used for the
The length of the refractive
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
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
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
Here, it is assumed that the
(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
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
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
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
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
A ・ 0.631 ・ α
Thus, the light intensity of the reference light guided by the fourth
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
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
In the branching
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
In the
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
A directional coupler having such a branching ratio adjusting function can be used for the branching
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.
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
DESCRIPTION OF
Claims (17)
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:
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:
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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