JP2603959B2

JP2603959B2 - 光ｉｃ干渉計

Info

Publication number: JP2603959B2
Application number: JP20036087A
Authority: JP
Inventors: 隆横倉; 信男堀; 裕明下薗; 悟新村
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1987-08-11
Filing date: 1987-08-11
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JPS6443704A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、光源から発する光波を測定光と参照光と
に分割し、測定光を対象物に向けて出射すると共に、対
象物で反射された測定光と参照光とを干渉させ、この干
渉状態から対象物の移動量を測定する光IC干渉計に関す
るものである。

従来の技術従来、移動量測定に使用できる光IC干渉計としては、
例えば実公昭56−15522号公報ち記載されるようなトワ
イマン−グリーン形の干渉計が知られている。第５図及
び第６図はこの干渉計の概略構成を示したものである。

光IC干渉計Ａは、基板10上に２次元光導波路20及びク
ラッド層30が積層されて構成され、光導波路20に入射し
た光束は基板10及びクラッド層30との境界面で反射を繰
返して光導波路20中を進む。

コリメータレンズ21及び観測用レンズ22は、光導波路
20の厚みを局部的に増大させて形成されており、また、
ハーフミラー23とミラー24とは等価屈折率が異なる２種
の層を交互に配置して多層コーティングと等しい使用を
持たせることによって形成されている。

上記の光IC干渉計Ａを移動量測定に使用する場合に
は、外部の光源Ｌから出射される光束を光導波路20の端
面から入射させる。入射した光束は、コリメータレンズ
21で平行光束とされ、その一部はハーフミラー23で反射
して測定光として対象物である移動ミラー40へ向かい、
残部は参照光としてハーフミラー23をミラー24側へ透過
する。

ミラー24及び移動ミラー40で反射された光束は、再び
ハーフミラー23に達して干渉すると共に、その一部が観
測用レンズ22とプリズム31とを介して外部に出射し、外
部に設けられたフォトダイオード等の受光素子（図示せ
ず）に達する。

受光素子の出力は、移動ミラー40を光IC干渉計Ａから
離反させ、あるいは接近させることにより、ハーフミラ
ー23から移動ミラー40までの測定光路とハーフミラー23
からミラー24までの参照光路との光路長差の変化に基づ
く干渉状態の変化によって変動する。

すなわち、受光素子の出力は、移動ミラー40の移動に
よって正弦波的に変動し、往復の光路長差が半波長λ/2
の偶数倍である時に極大値、奇数倍である時に極小値を
とる。

この受光素子の出力をシュミットトリガー回路で方形
波とし、ワンショット回路でその立上り立ち下がり時に
カウントパルスを発生させる。そして、このパルスをカ
ウントすることにより光路長差の変化をλ/2のピッチで
検出し、移動ミラー40の移動量をλ/4のピッチで読み取
るようにしている。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、従来の光IC干渉計を利用して移動量測
定を行う場合には、移動ミラーが40いずれの方向へ移動
しても同じようにカウントパルスが発生するため、移動
ミラー40が往復動する場合等にはパルスをカウントする
だけでは移動前後における座標変化を検出することがで
きないという問題点があった。

発明の目的この発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので
あり、対象物が往復動した場合にも対象物の座標変化を
検出することができる光IC干渉計を提供することを目的
とする。

問題点を解決するための手段なお、本発明者らは、上記の目的を達成するため、参
照光路と受光素子とをそれぞれ複数備え、それぞれの光
路長を波長より小さいレベルで互いに異ならせて異なる
干渉状態を同時に検出できるようにした光IC干渉計を提
案している。

この光IC干渉計を使用した移動量検出方法の詳細につ
いては後述するが、この光IC干渉計を使用することによ
り、上記の問題点を解決し、更に検出の精度を上記のλ
/4ピッチより高めることができる。

ところが、この光IC干渉計においては、複数の参照光
路の光路長差を複数の受光素子から出力される干渉状態
を示す信号に基づいて正確に調整することが困難である
という問題があった。

そこでこの発明は、前述した目的に加えて光路長差の
調整を容易に行い得るようにすることをも目的としてお
り、その構成は、光源から発する光波を対象物へ導くた
めの投光用光導波路と、投光用光導波路を伝搬する光波
の一部を移行させて導く複数の参照用光導波路と、対象
物で反射された光波と前記各参照用光導波路を伝搬する
光波とを干渉させると共に、複数個設けられた測定用受
光素子のそれぞれに導く複数の測定用干渉光導波路と、
複数の参照用光導波路から選択した２つの参照用光導波
路を伝搬する光波を互いに干渉させて設定用受光素子に
導く設定用干渉光導波路と、参照用光導波路の相対的な
光路長差を変更する光路長変更手段とを備えることを特
徴とするものである。

作用この発明の光IC干渉計は、上記のような構成としたた
め、対象物で反射した光波とそれぞれの参照用光導波路
を伝搬した光波とが複数の測定用干渉光導波路において
干渉して複数の測定用受光素子に導かれる。対象物が移
動すると測定用受光素子からは明暗の繰返しに相当する
信号が得られるが、参照用光導波路の相対的な光路長差
を所定の値に設定しておくことにより、それぞれの測定
用受光素子からの信号に光路長差に対応した位相差が生
じる。

また、光路長差を所定の値に設定する際には、選択し
た２つの参照用光導波路を伝搬する光波を設定用干渉光
導波路によって互いに干渉させ、設定用受光素子に導
く。

設定用受光素子の出力から２つの参照用光導波路の光
路長差を検出することができるため、この出力信号に基
づいて光路長変更手段を操作することにより光路長差を
所定の値に設定することができる。

実施例以下、この発明を図面に基づいて説明する。第１図〜
第４図はこの発明の一実施例を示したものであり、第１
図はこの発明を適用した光IC干渉計Ｂの平面図である。

この光IC干渉計Ｂは、例えばニオブ酸リチウム（LiNb
O₃）の基板50を有している。この基板50の長手方向の一
端面には、半導体レーザー等の発光素子60と３つの受光
素子61、62、63が取付けられており、他方の端面には出
射用、入射用の２つのロッドレンズ70、71が取付けられ
ている。

また、基板50には、基板50上にチタンを選択的に熱拡
散することによって複数の光導波路が形成されている。
これらの光導波路は、発光素子60と出射用ロッドレンズ
70とを結ぶ出射用光導波路51と、この出射用光導波路51
を伝搬する光波の光パワーの一部を移行させて測定用受
光素子61、62へ導く第１、第２参照用光導波路52、53
と、入射用ロッドレンズ71から入力される光波を分岐さ
せて第１、第２参照用光導波路52、53のそれぞれに移行
させる分岐光導波路54と、第１、第２参照用光導波路5
2、53を伝搬する光波を互いに合波・干渉させて設定用
受光素子63へ導く設定用干渉光導波路55とから成る。

上記の第１、第２参照用光導波路52、53の一側は、出
射用光導波路51に２〜３μｍ隔てて平行に形成され、第
１、第２方向性結合器80、81を構成している。

分岐導波路54は各枝部54a、54bに分かれ、それぞれ第
１、第２参照用光導波路52、53と第１、第２合流部82、
83で合流し、干渉を生ずる。

同様に、設定用干渉光導波路55の枝部55a、55bは、第
１、第２参照用光導波路52、53と平行に形成されて第
３、第４方向性結合器84、85を構成している。

第３、第４方向性結合器84、85は、それぞれ光パワー
の一部を移行させるように結合領域の長さが完全結合長
外に設定されている。

なお、この例では、第１、第２参照用光導波路52、53
の一部、すなわち第１、第２合流部82、83より受光素子
61、62側の部分が、対象物で反射された光波との干渉を
生じさせる測定用干渉光導波路としての機能を果たして
いる。

更に、第１参照用光導波路52には、この導波路の両側
に位置する電極91、92から成る光路長調整器90が設けら
れている。この光路長調整器90は、２つの電極91、92に
電圧を印加することにより電気光学効果によって第１参
照用光導波路52の屈折率を変化させ、その光学距離を任
意に変化させるものであり、これによって第１参照用光
導波路52と第２参照用光導波路53との相対的な光路長差
を変更するものである。

次に、この光IC干渉計Ｂの作用を説明する。この光IC
干渉計Ｂを使用する際には、まず第１段階として調整を
行い、しかる後に第２段階においてコーナーキューブプ
リズム100を使用した移動量測定を行う。

では、まず調整段階から説明を始める。この調整は、
発光素子60から発して第１参照用光導波路52を通って測
定用受光素子61に達する光波の位相と、第２参照用光導
波路53を通って測定用受光素子62に達する光波の位相と
をλ/4異ならせるために行われる。

発光素子60を駆動して出射用光導波路51へ光波を入力
させると、その光波は出射用光導波路51を出射側ロッド
レンズ70に向けて伝搬し、一部は第１、第２方向性結合
器80、81から第１、第２参照用光導波路52、53へと移行
する。なお、分岐光導波路54から侵入する光波は調整作
業の妨げとなるので、既にコーナーキューブプリズム10
0がセットされ出射用ロッドレンズ70から出射する光束
が入射用ロッドレンズ71に達する場合には、シャッター
等を設けて分岐光導波路54から参照用光導波路52、53へ
光波が入力されないようにする必要がある。

第１、第２参照用光導波路52、53に移行した光波は、
更にそれぞれの一部が第３、第４方向性結合器84、85に
よって設定用干渉光導波路55の各枝部55a、55bに移行す
る。設定用干渉光導波路55へ移行した光波は、設定用干
渉光導波路55の結束部55cで干渉し、設定用受光素子63
に入力される。

この設定用受光素子63の出力は、２つの参照用光導波
路52、53の相対的な光路長の変化に対応する干渉状態の
変化に基づいて正弦的に変化するため、この出力を検知
することによって発光素子60から第１参照用光導波路52
を経由して結束部55cに到る光波と第２参照用光導波路5
3を経由して結束部55cに到る光波との位相差を検出する
ことができる。

そこで、この光IC干渉計Ｂにおいては、設定用受光素
子63の出力を検知しつつ、光路長調整器90の各電極91、
92間の電圧を調整することによって両光路の光路長差を
ｎλ＋λ/4（ｎは整数）に設定する。

次に、第２段階の測定について説明する。上記のよう
に設定された光IC干渉計Ｂ、発光素子60から発した光波
の一部をコーナーキューブプリズム100で反射させ、戻
ってきた光波をλ/4の位相差を有する２種の参照光と干
渉させ、それぞれの干渉状態に対応した測定用受光素子
61、62の出力を第２図に示すような信号処理回路200で
処理することにより、コーナーキューブプリズム100の
移動量測定に利用される。

信号処理回路200は、測定用受光素子61、62から出力
される受光信号を増幅する増幅器201と、その増幅器201
から出力される正弦波状の信号を方形波に整形するシュ
ミット回路202、203と、インバータ204、205と、シュミ
ット回路202、203から出力される方形波信号の立上り時
にカウントパルスを発生するワンショット回路206、207
と、シュミット回路202、203から出力される方形波信号
の立下り時にカウントパルスを発生するワンショット回
路208、209と、コーナキューブプリズム100がｘ方向に
移動しているときのみ各ワンショット回路206〜209で発
生したカウントパルスを出力させるアップゲート回路21
0と、コーナキューブプリズム100が−ｘ方向に移動して
いるときのみ各ワンショット回路206〜209で発生したカ
ウントパルスを出力させるダウンゲート回路220とから
構成されている。

また、上記のアップゲート回路210はアンド回路211、
212、213、214とオア回路215とから構成されており、ダ
ウンゲート回路220はアンド回路221、222、223、224と
オア回路225とから構成されている。

発光素子60から発した光波は出射用光導波路51を伝搬
して基板50の他端に設けられた出射用ロッドレンズ70へ
向かい、その過程で光波の一部は第１、第２方向性結合
器80、81によって第１、第２参照用光導波路52、53へ移
行する。出射用ロッドレンズ70から出射した光ビームは
コーナーキューブプリズム100で反射され、入射用ロッ
ドレンズ71を介して分岐光導波路54に入射する。

分岐光導波路54の各枝部54a、54bに分割された光波は
第１、第２合流部82、83で出射用光導波路51から移行し
た光波と干渉する。

さて、原点位置Ｏにおいたコーナキューブプリズム10
0をｘ方向に移動させていく場合、コーナキューブプリ
ズム100がλ/4移動する毎に干渉により明暗が繰り返さ
れ、第１受光素子61からは、その明暗に応じて第３図に
示すような正弦波状の第１明暗信号が出力される。

同様に、第２受光素子63からは正弦波状の第２明暗信
号が出力されるが、第１参照用光導波路52の光学距離が
第２参照用光導波路53の光学距離よりｎλ＋λ/4（ｎは
整数）長く設定されているため、第２明暗信号の位相は
第１明暗信号の位相よりもπ/2の位相遅れとなる。

この第１、第２明暗信号はシュミット回路202、203に
よって第４図に示すように方形波に波形調整される（こ
れを第１、第２方形波信号I₁、I₂とする）。そして、波
形整形された第１、第２方形波信号I₁、I₂の立上り時
（第３図のQ₁〜Q₆点）および立下り時（第３図のP₁〜P₆
点）にワンショット回路206〜209からカウントパルスが
発生する。ところで、第１、第２方形波信号I₁、I₂は互
いにπ/2の位相がずれているので、コーナキューブプリ
ムズ100がλ/8移動する毎に、すなわち往復の光路長が
λ/4変化する毎にカウントパルスが発生することにな
る。

このカウントパルスはアンド回路211〜214の入力端子
ａに入力される。アンド回路211〜214の他の入力端子ｂ
はカウントパルスが入力するときにＨレベルになる（そ
れらの入力時は第３図に示すようにインバータ205、シ
ュミット回路202、203、インバータ204の各出力がＨレ
ベルである）ので、入力されたカウントパルスはオア回
路215を介してアップゲート回路210から出力される。

また、前記カウントパルスはダウンゲート回路220の
アンド回路221〜224の入力端子ｃに入力するが、その入
力時点におけるそれらの入力端子ｄがＬレベルになる
（それらの入力時は第３図に示すようにシュミット回路
203、インバータ204、205、シュミット回路202の各出力
がＬレベルである）ため、アンド回路221〜224からはカ
ウントパルスが出力されない。

従って、コーナキューブプリズム100がｘ方向に移動
する際には、アップゲート回路210のみからカウントパ
ルスが出力されることとなる。

コーナキューブプリズム100が基板50に近づく方向す
なわち−ｘ方向に（例えば第４図において地点P₆から原
点Ｏに向かう方向に）移動していくと、こんどは、第１
受光素子210から出力される第１明暗信号の位相が第２
受光素子211から出力される第２明暗信号の位相よりπ/
2の位相遅れとなり、測定用受光素子210、211から第４
図に示すような第１、第２明暗信号が出力される。

この第１、第２明暗信号はシュミット回路202、203に
よって第４図に示すように方形波に波形整形される。そ
して、波形整形された方形波信号I₁′、I₂′の立上り時
（第４図のP₁〜P₆点）および立下り時（第４図のQ₁〜Q₆
点）にワンショット回路206〜209からカウントパルスが
発生する。上記と同様に方形波信号I₁′、I₂′は互いに
π/2の位相がずれているので、コーナキューブプリズム
100がλ/8移動する毎にカウントパルスが発生する。

このカウントパルスはアンド回路221〜224の入力端子
ｃに入力する。このアンド回路221〜224の他の入力端子
ｄはそのカウントパルスが入力するときにＨレベルにな
る（それらの入力時は第４図に示すようにシュミット回
路203、202、インバータ205、204の各出力がＨレベルに
なる）ので、入力したカウントパルスはオア回路225を
介してダウンゲート回路220から出力される。

また、カウントパルスはアップゲート回路210のアン
ド回路221〜214に入力するが、その入力時点における回
路221〜214の他の入力端子ｂがＬレベルになる（それら
の入力時は第４図にしめすようにインバータ205、204、
シュミット回路203、202の各出力がＬレベルになる）た
め、アンド回路221〜214からはカウントパルスが出力さ
れない。

従って、コーナキューブプリズム100が−ｘ方向に移
動する際には、ダウンゲート回路220のみからカウント
パルスが出力されることになる。

そこで、アップゲート回路210から出力されたカウン
トパルス数からダウンゲート回路220から出力されるカ
ウントパルス数を減算していけば、たとえコーナキュー
ブプリズム100が往復動した場合でも、原点からの座標
位置をλ/8の精度で求めることができる。

効果以上、説明してできたようにこの発明の光IC干渉計で
は、対象物の移動量のみでなくその移動方向をも検知す
ることができるため、対象物が往復移動した場合等でも
移動前の位置からの座標変化を読み取ることができる。
しかも、従来より細かい精度で移動量を検出できる。

また、設定用受光素子の出力から２つの参照用光導波
路を伝搬する光波の位相差を知ることができ、これに基
づいて参照用光導波路の光路長差を容易に所望の値に設
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る光IC干渉計の一実施例を示す平
面図である。第２図は信号処理回路の回路構成図である。第３図及び第４図は信号処理回路の各回路の出力信号の
説明図である。第５図及び第６図は従来の光IC干渉計を示したものであ
り、第５図はその斜視図、第６図は断面図である。 51……出射用光導波路 52、53……第１、第２参照用光導波路（参照用光導波路、測定用干渉光導波路） 55……設定用干渉光導波路 60……発光素子（光源） 61、62……測定用受光素子 63……設定用受光素子 90……光路長調整器（光路長変更手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新村悟東京都板橋区蓮沼町75番１号東京光学機械株式会社内 (56)参考文献特開昭64−12204（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−81504（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から発する光波を対象物へ導くための
投光用光導波路と、該投光用光導波路を伝搬する光波の一部を移行させて導
く複数の参照用光導波路と、前記対象物で反射された光波と前記各参照用光導波路を
伝搬する光波とを干渉させると共に、複数個設けられた
測定用受光素子のそれぞれに導く複数の測定用干渉光導
波路と、前記複数の参照用光導波路から選択した２つの参照用光
導波路を伝搬する光波を互いに干渉させて設定用受光素
子に導く設定用干渉光導波路と、前記複数の参照用光導波路の相対的な光路長差を変更す
る光路長変更手段と、を備えることを特徴とする光IC干渉計。