JP4784421B2 - レーザ光学装置およびアクチュエータの動作を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光学装置およびアクチュエータの動作を制御する方法に関し、特にレーザ光がレーザ受光部である光ファイバの入射面内の中心に向かうように制御を行うレーザ光学装置およびアクチュエータの動作を制御する方法に関する。

レーザ光学装置は、半導体レーザ（以下、ＬＤと称する。）で発光し情報による変調を施されたレーザ光を光ファイバに伝達させたり、また、光ファイバから出射されたレーザ光を他の光ファイバに伝達させる為の装置であり、ＬＤ、ＬＤまたは光ファイバからのレーザ光を集光させる集光レンズ、および光ファイバ等の光学部品から構成される。

このようなレーザ光学装置において、ＬＤ、集光レンズ等は、コア径が数μｍの光ファイバに対して高精度に位置決めしなければならず、通常、これらの光学部品は溶着あるいは接着剤を用いてがっちりと固定される。

しかしながら、このように部品の相互位置を接着剤を用いて高精度に位置決め固定することによってレーザ光学装置を構成したとしても、次のような問題点が残される。第１に、このようにレーザ光学装置を製造した場合、接着後、乾燥した後でなければ製品の良否を判定できない点である。また、このようなレーザ光学装置で高い歩留まりを達成することは比較的難しいと考えられる。第２に、性能に経時変化があった場合、修正することが不可能であるという点である。第３に、温度変化により、固定された位置がずれる恐れがあるという点である。特にレーザ光源が光学部品の近くにある場合、レーザ光源の自己発熱による影響は大である。

そこで、振動等の機械的条件の変化、周囲温度の変化、経時変化等を含む環境変化に影響されることなく、高い性能を維持できるレーザ光学装置の構成が望まれ、種々検討されてきた。

例えば、レーザ光源からのレーザ光を光ファイバに向けて集光させる集光レンズと、レーザ光が光ファイバのコア中心に向かうように集光レンズを移動させるためのアクチュエータと、を備えた光偏向手段と、光ファイバ内に導かれたレーザ光の強度を検出する光検出器と、光偏向手段によって偏向されるレーザ光の光ファイバへの入射面内における位置が、コア中心に向かうように光偏向手段に対し負帰還制御を行う制御手段と、を有する構成とし、制御手段は、光偏向手段によってレーザ光をＸ方向またはＹ方向で一定周期、一定振幅で微小振動（ウォブリング）させつつ光検出器でレーザ光の強度変化を検出し、その結果に基づいて、レーザ光の光ファイバ入射面内におけるコア中心からのずれを把握し、レーザ光をコア中心に向けるように制御する光通信装置の技術（特許文献１参照）が知られている。
特開２００３−３３８７９５号公報

ところで、レーザ光が光ファイバの入射面内の中心に向かうように制御を行うには、サブミクロンオーダの分解能と高精度の位置制御が可能なアクチュエータが要求される。

しかしながら、特許文献１に開示されている光通信装置においては、このような高分解能、高精度の位置制御が可能なアクチュエータを有するものではなく、サブミクロンオーダの位置制御を行うことは困難なものと考えられる。また、集光レンズは正弦波信号で駆動されるアクチュエータによって移動され、集光レンズの移動中、すなわち、ウォブリング中に光検出器でレーザ光の強度変化を検出している。したがって、ＳＮ比が低下し、高い精度でレーザ光の強度変化を検出することが困難である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、レーザ光が光ファイバ入射面内の中心に向かうように制御を行うレーザ光学装置において、いつも高い性能を維持することが可能なレーザ光学装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至７のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．レーザ光を出射するレーザ光出射部と、
前記レーザ光出射部より出射されたレーザ光を受光するレーザ光受光部と、
前記レーザ光出射部より出射されたレーザ光を前記レーザ光受光部に導く集光光学ユニットと、
前記集光光学ユニットを所定の周波数で周期的に移動させるウォブリング動作を行うアクチュエータと、
前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する強度検出部と、
前記強度検出部で検出されたレーザ光の強度に基づいて前記集光光学ユニットによって導かれるレーザ光が前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの作動を制御する制御部と、を有するレーザ光学装置において、
前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し、前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体と、を有し、
前記制御部は、前記アクチュエータに、前記集光光学ユニットを、第１の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第１のウォブリング動作と、前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第２のウォブリング動作とを交互に実行させ、前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に、前記強度検出部で検出されるレーザ光の強度を取得することを特徴とするレーザ光学装置。

２．前記アクチュエータは、前記制御部からのパルス信号で駆動されることを特徴とする前記１に記載のレーザ光学装置。

３．前記集光光学ユニットは、前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸上に配置される集光パワーを有する屈折光学素子を備え、
前記アクチュエータは、前記集光光学ユニットを前記レーザ光の光軸に略垂直な面に沿って移動させることを特徴とする前記請求項１または２に記載のレーザ光学装置。

４．前記集光光学ユニットは、前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸上に配置され、且つ前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸と交わる点を中心に搖動可能に固定されている集光パワーを有する反射光学素子を備え、
前記アクチュエータは、前記レーザ光の前記反射光学素子と交わる点を中心に前記集光光学ユニットを搖動させることを特徴とする前記１または２に記載のレーザ光学装置。

５．前記アクチュエータは、前記制御部により前記集光光学ユニットを第１の移動方向に周期的に移動される第１のウォブリング動作の周波数ｆ１と、前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に周期的に移動される第２のウォブリング動作の周波数ｆ２とが下記（式１）または（式２）の関係をみたし、
且つ、前記アクチュエータは、前記制御部により前記第１のウォブリング動作と前記第２のウォブリング動作とが同時に実行されることを特徴とする前記１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ光学装置。
ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
（式中、ｎは正の整数とする。）

６．アクチュエータを用いてレーザ光をレーザ光受光部に導く集光光学ユニットを移動させることにより、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの動作を制御する方法において、
前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体とを有するものであって、
前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出されたレーザ光の強度に基づいて、前記集光光学ユニットを第１の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第１のウォブリング動作を行う工程と、
前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第２のウォブリング動作を行う工程とを前記アクチュエータに交互に実行させることを特徴とするアクチュエータの動作を制御する方法。

７．アクチュエータを用いてレーザ光をレーザ光受光部に導く集光光学ユニットを移動させることにより、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの動作を制御する方法において、
前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体とを有するものであって、
前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出されたレーザ光の強度に基づいて、前記集光光学ユニットを第１の移動方向に周波数ｆ１で周期的に移動させる第１のウォブリング動作を行う工程と、
前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に周波数ｆ２で周期的に移動させる第２のウォブリング動作を行う工程とを同時に実行させるとともに、前記周波数ｆ１とｆ２とが下記（式１）または（式２）の関係をみたすことを特徴とするアクチュエータの動作を制御する方法。
ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
（式中、ｎは正の整数とする。）

本発明によれば、圧電素子の励振により微小振動を発生し、集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体により集光光学ユニットを移動させるアクチュエータを用いて、集光光学ユニットによって導かれるレーザ光がレーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように制御する様にした。すなわち、微小振動を行うことができる振動体により集光光学ユニットを移動させる様にしたので高分解能、高精度でサブミクロンオーダの位置制御が可能となり、いつも高い性能を維持することができる。

また、アクチュエータは摩擦力により集光光学ユニットを移動させるので、アクチュエータへの通電を停止し駆動を停止させている間、集光光学ユニットは姿勢を維持することができる。すなわち、集光光学ユニットによって導かれるレーザ光のレーザ光受光部への入射面内における位置を固定することができる。したがって、この間に強度検出部で検出されるレーザ光の強度を取得することにより、安定したレーザ光の強度を高精度で取得することができる。

また、制御部は、アクチュエータをパルス信号で駆動する様にした。したがって、ステップ駆動を行うことができるので、高い精度で位置制御を行うことができる。

また、集光光学ユニットは、屈折光学素子、または反射光学素子を備える様にした。したがって、装置の複雑化を招くことなく容易にレーザ光のレーザ光受光部への入射面内における位置を変化させることができる。

また、前記制御部は、第１のウォブリング動作と、第２のウォブリング動作とを交互に切替えて実行する様にした。したがって、例えば、第１のウォブリング動作を実行している間は、レーザ光のレーザ光受光部への入射面内の第２の方向における位置はホールドされているので、レーザ光の第２の方向における位置変化によりレーザ光の強度が変動することなく、レーザ光の第１の方向における位置制御を高精度で行うことができる。

また、第１のウォブリング動作の周波数をｆ１、第２のウォブリング動作の周波数をｆ２としたときに、ｆ１、ｆ２は下記（式１）または（式２）の関係を満たし、制御部は、第１のウォブリング動作モードと第２のウォブリング動作モードを同時に実行する様にした。
ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
（式中、ｎは正の整数とする。）
これにより、例えば、第１のウォブリング動作の周波数ｆ１が第２のウォブリング動作の周波数ｆ２の偶数倍の関係にあるとき、第１のウォブリング動作を実行している間は、レーザ光のレーザ光受光部への入射面内の第２の方向における位置はホールドされているので、レーザ光の第２の方向における位置変化によりレーザ光の強度が変動することはない。したがって、レーザ光の第１の方向における位置制御を、第２のウォブリング動作に影響されることなく高精度で行うことができる。その結果、第１のウォブリング動作と第２のウォブリング動作を同時に実行することができ、ウォブリング動作を高速化することができる。

以下図面に基づいて、本発明に係るレーザ光学装置の実施の形態を説明する。

［実施形態１］
最初に、実施の形態１によるレーザ光学装置１の構成を図１を用いて説明する。図１は、レーザ光学装置１の全体構成の概要を示す図である。

レーザ光学装置１は、図１に示す様に、光ファイバ２１，２２、集光光学ユニット３、コリメータレンズ４１，４２、ハーフミラー５、フォトダイオード６、制御部７、およびアクチュエータ８，９等を有する。

光ファイバ２１，２２、集光光学ユニット３、コリメータレンズ４１，４２は共通の光軸上に配置され、光ファイバ２１より出射されたレーザ光は、集光光学ユニット３によって光ファイバ２２の入射面２２ａに向けて集光される。この様に光ファイバ２１，２２は、それぞれ本発明に係るレーザ光学装置におけるレーザ光出射部、レーザ光受光部として機能する。尚、レーザ光出射部としては、光ファイバ２１の替わりにＬＤを、また、レーザ光受光部としては、光ファイバ２２の替わりに光導波路等を用いてもよい。

ハーフミラー５は、光ファイバ２２の出射面２２ｂから出射されたレーザ光の一部を反射させてフォトダイオード６に導く。

フォトダイオード６は、本発明における強度検出部に該当し、ハーフミラー５で導かれたレーザ光の強度を検出し電気信号に変換する。

制御部７は、フォトダイオード６で検出されたレーザー光の強度に基づいて、アクチュエータ８，９を介して集光光学ユニット３の位置を変化させ、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光が光ファイバ２２の入射面２２ａ内の中心に向かうようにアクチュエータ８，９の作動を制御する。尚、制御部によるアクチュエータ８，９の制御の詳細は後述する。

アクチュエータ８，９は、後述の積層型、またはロール型の圧電素子８１１を備え、圧電素子８１１の励振により微小振動を発生し、本発明における振動体に該当する駆動軸８１２を集光光学ユニット３に接触させて摩擦力により集光光学ユニット３を移動させる。アクチュエータ８は、集光光学ユニット３を、その光軸に垂直な面内の１つの軸方向（Ｘ軸方向）で移動させることができ、一方、アクチュエータ９は、集光光学ユニット３を、その光軸に垂直な面内でＸ軸方向と直交するＹ軸方向で移動させることができる。尚、アクチュエータ８，９の構成は後述する。

次に、集光光学ユニット３の構成、およびアクチュエータ８，９の配置について図２を用いて説明する。図２は、集光光学ユニット３、およびアクチュエータ８，９から構成されるＸ−Ｙステージの構成図である。

図２に示す様に、集光光学ユニット３は、本発明における屈折光学素子に該当する集光レンズ３０１と集光レンズ３０１を保持するレンズホルダ３０２等を有し、アクチュエータ８，９によりＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能に支持されている。

次に、アクチュエータ８，９の構成を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、積層型圧電素子を備えたトラス型アクチュエータの構成図、図３（ｂ）は、ロール型圧電素子を備えたＳＩＤＭ型アクチュエータの構成図、図３（ｃ）は、ロール型圧電素子を備えたＬＶＡ型アクチュエータの構成図である。トラス型アクチュエータ、ＳＩＤＭ型アクチュエータ、ＬＶＡ型アクチュエータは、いずれも圧電素子の励振により微小振動を発生する振動体を備えた周知のアクチュエータである。本発明に係るレーザ光学装置の実施の形態においてはこの様な振動体を備えたいずれのアクチュエータを用いてもよいが、ここではＳＩＤＭ型アクチュエータの構成の概要を説明する。尚、ＳＩＤＭ型アクチュエータの詳細は、例えば特開２００２-１８５０５５号公報「圧電変換素子」等に開示されているので、ここでは詳細な説明は省略する。また、アクチュエータ９の構成はアクチュエータ８と同様であるので説明は省略する。

図３（ｂ）に示す様に、ＳＩＤＭ型アクチュエータ８は、圧電素子８１１、駆動軸８１２、錘８１３、および移動体８１４等を有し、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子８１１に制御部７より駆動信号を入力して微小振動を発生させ、駆動軸８１２を矢印Ａ方向に振動させることにより、駆動軸８１２に加圧された状態で接触する移動体８１４との間で摩擦力により相対運動を発生させるものである。尚、ここでは、レンズホルダ３０２が移動体８２に該当する。

次に、レーザ光学装置１の電気回路構成について図４を用いて説明する。図４は、レーザ光学装置１の電気回路ブロック図である。

レーザ光学装置１の要部電気回路ブロックは、アナログ信号処理回路１０、制御部７等から構成される。

アナログ信号処理回路１０は、フォトダイオード６で検出されレーザ光の強度に応じて変換された電流信号を電圧信号に変換する。

制御部７は、ローパスフィルタ７１、およびＡ／Ｄ変換器７２１、アライメントコントローラ７２３、Ｘ−ＰＷＭ７２４、Ｙ−ＰＷＭ７２５等からなる制御ＣＰＵ７２、およびＸ−増幅器７３１、Ｙ−増幅器７３２等からなる駆動回路７３から構成される。

ローパスフィルタ７１は、アナログ信号処理回路１０から出力された電圧信号に重畳した高周波ノイズを除去する。

Ａ／Ｄ変換器７２１は、ローパスフィルタ７１から出力された電圧信号をデジタル信号に変換する。

アライメントコントローラ７２３は、Ａ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたデジタル信号を矩形波位相検波し、矩形波位相検波した結果に基づき、アクチュエータ８，９を駆動する為の駆動信号（駆動パルス）の３つのパラメータ、すなわち、駆動周波数、デューティ比、およびパルス数の値を設定する。尚、アライメントコントローラ７２３で行われる矩形波位相検波、およびパラメータ設定動作の詳細は後述する。

Ｘ−ＰＷＭ７２４、Ｙ−ＰＷＭ７２５は、アライメントコントローラ７２３で設定された３つのパラメータに基づいて、アクチュエータ８，９を、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向に駆動する駆動パルスを生成する。

ここで、アライメントコントローラ７２３で行われるパラメータ設定動作、およびＸ−ＰＷＭ７２４、Ｙ−ＰＷＭ７２５の動作を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、３つのパラメータを示す図、図６（ｂ）は、設定された３つのパラメータに基づいて生成された前進時の駆動パルスを示すタイムチャート、図６（ｃ）は、設定された３つのパラメータに基づいて生成された後退時の駆動パルスを示すタイムチャートである。

アライメントコントローラ７２３は、図示しない時間を計時する計時カウンターを備え、Ａ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたデジタル信号に基づいて計時カウンターの閾値ＴＣ３を設定する。計時カウンターは、図６（ａ）に示す様に、設定された閾値ＴＣ３でリセットされ、再度計時を繰り返す。これにより、タイマーカウント波形は三角波を呈し、この三角波の周波数が駆動パルスの周波数となる。次に、アライメントコントローラ７２３は、Ａ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたデジタル信号に基づいて計時カウンターの閾値ＴＣ１，ＴＣ２を設定する。これらの閾値ＴＣ１，ＴＣ２によってそれぞれ前進時、後退時の駆動パルスのＯＮ時間、すなわちデューティ比が設定される。また、同様にして、アライメントコントローラ７２３は、Ａ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたデジタル信号に基づいて計時カウンターの計時時間ｔｗｃを設定する。これにより、駆動パルスのパルス数が設定される。

この様にしてアライメントコントローラ７２３で閾値ＴＣ３，ＴＣ１，ＴＣ２、およびｔｗｃが設定されると、Ｘ−ＰＷＭ７２４、Ｙ−ＰＷＭ７２５は、図６（ｂ）、（ｃ）に示す様に、閾値ＴＣ３，ＴＣ１，ＴＣ２、およびｔｗｃに基づいた駆動周波数、デューティ比、およびパルス数で前進時、および後退時の駆動パルスφＰＷＭ１、φＰＷＭ２を生成する。尚、図６（ａ）乃至（ｃ）は、設定されたパルス数が３パルスの場合のタイムチャートを示す。

図４に戻って、Ｘ−増幅器７３１、Ｙ−増幅器７３２は、それぞれ図５に示す周知のＨブリッジ回路を備え、Ｘ−ＰＷＭ７２４、Ｙ−ＰＷＭ７２５で生成された駆動パルスを増幅し、アクチュエータ８，９を駆動する。

この様な構成のレーザ光学装置１において、制御部７は、フォトダイオード６で検出されたレーザ光の強度、すなわち、Ａ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたデジタル信号を矩形波位相検波し、矩形波位相検波した結果に基づいて、アクチュエータ８，９を駆動する為の駆動パルスの３つのパラメータの値を設定する。そして制御部７は、設定した３つのパラメータに基づいた駆動パルスでアクチュエータ８，９を駆動し、集光光学ユニット３の位置を変化させ、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光が光ファイバ２２の入射面２２ａ内の中心に向かうように制御する。尚、この様な一連の動作を、以下、「ウォブリング」と称する。

ここで、制御部７で行われる矩形波位相検波動作を図７を用いて説明する。図７（ａ）は、光ファイバ２２への入射面２２ａに投影されたレーザ光のＸ軸方向のプロファイル、図７（ｂ）は、矩形波位相検波動作を示す模式図である。尚、Ｙ軸方向の矩形波位相検波動作は、Ｘ軸方向と同様であるので説明は省略する。

例えば、今、図７（ａ）に示す様に、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内における位置がＸ０にあり、その時のフォトダイオード６で検出されたレーザー光の強度がＰ０である時に矩形波位相検波を開始する。
尚、ここでは、矩形波位相検波の振幅は前述の図６に示す駆動パルスφＰＷＭ１、φＰＷＭ２で２パルスとする。

最初に、正方向に２パルス移動して停止する。この時、レーザ光の位置はＸ０からＸ１に移動し、レーザ光の強度はＰ０からＰ１に変動する。Ａ／Ｄ変換器７２１は、レーザ光の強度Ｐ１を所定の時間サンプリングし、アライメントコントローラ７２３は、サンプリングされたレーザ光の強度Ｐ１を積分する。積分されたレーザ光の強度を図７（ｂ）にＰＩ１として示す。次に、負方向に４パルス移動して停止する。この時、レーザ光の位置はＸ１からＸ２に移動し、レーザ光の強度はＰ１からＰ２に変動する。Ａ／Ｄ変換器７２１は、レーザ光の強度Ｐ２を所定の時間サンプリングし、アライメントコントローラ７２３は、サンプリングされたレーザ光の強度Ｐ２を積分する。積分されたレーザ光の強度を図７（ｂ）にＰＩ２として示す。次に、正方向に２パルス移動して停止する。そして、それぞれの位置で得られた積分値ＰＩ１とＰＩ２の差分を求める。該差分を図７（ｂ）にΔＰＩとして示す。尚、この様にして求められた差分ΔＰＩを、以下、「矩形波位相検波出力」と称する。

ここで、矩形波位相検波出力ΔＰＩについて図８を用いて説明する。図８（ａ）は、光ファイバ２２への入射面２２ａに投影されたレーザ光のＸ軸方向のプロファイル、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すプロファイルに対応する矩形波位相検波出力ΔＰＩを示す模式図である。図８（ｂ）に示す様に、レーザ光の強度が最大になる位置では矩形波位相検波出力ΔＰＩは０になり、レーザ光の強度が最大になる位置の左右では正負の値をとる。

図７に戻って、この様にして求められた矩形波位相検波出力ΔＰＩに、予め設定しておいた係数（ゲイン）を乗じて補正量（補正パルス数）を求め、求めた補正パルス数で移動させる。そして、この様な動作を繰り返して矩形波位相検波出力ΔＰＩが０に近づく様に制御する。すなわち、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光が光ファイバ２２の入射面２２ａ内の中心に向かうように制御する。

次に、ウォブリング動作の流れを図９、および図１０を用いて説明する。図９は、ウォブリング動作の流れを示すフローチャートである。図１０は、ウォブリング動作のタイムチャートである。

最初に、Ｘ軸方向のウォブリング動作を実行する。まず、アライメントコントローラ７２３は、図１０（ａ）に示す期間ｔｗ１においてウォブリング動作を行う為の正方向（前進方向）の駆動パルス数（例えば、２パルス）を設定し、アクチュエータ８を介して集光光学ユニット３をＸ軸の正方向に２パルス分移動させる（ステップＳ１）。集光光学ユニット３が移動を停止し、レーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内における位置が安定すると、Ａ／Ｄ変換器７２１は、サンプリングを開始し（ステップＳ２）、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ２においてＡ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたレーザ光の強度を積分し、積分値ＰＩ１を取得する（ステップＳ３）。次に、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ３において負方向（後退方向）の駆動パルス数（例えば、４パルス）を設定し、アクチュエータ８を介して集光光学ユニット３をＸ軸の負方向に４パルス分移動させる（ステップＳ４）。集光光学ユニット３が移動を停止し、レーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内における位置が安定すると、ステップＳ２、ステップＳ３と同様にして、Ａ／Ｄ変換器７２１は、サンプリングを開始し（ステップＳ５）、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ４においてＡ／Ｄ変換器７２１でサンプリングされたレーザ光の強度を積分し、積分値ＰＩ２を取得する（ステップＳ６）。そして、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ５において正方向（前進方向）の駆動パルス数（例えば、２パルス）を設定し、アクチュエータ８を介して集光光学ユニット３をＸ軸の正方向に２パルス分移動させる（ステップＳ７）。

尚、ステップ４において、集光光学ユニット３をＸ軸の負方向（後退方向）に４パルス分移動させる際には、アクチュエータ８の立ち上がりの過渡時における１パルス毎の駆動量のばらつきを抑える為に、最初に２パルスで駆動し、一旦停止した後に残りの２パルスを駆動する様にしている。

この様にして、積分値ＰＩ１、ＰＩ２が取得されると、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ６において積分値ＰＩ１からＰＩ２を減算し差分ΔＰＩを求め（ステップＳ８）、差分ΔＰＩの値が正か否かを判定する（ステップＳ９）。差分ΔＰＩの値が正の場合（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、光ファイバ２２への入射面２２ａに投影されるレーザ光の強度が最大になる位置はさらに正方向（前進方向）に有ることから、アライメントコントローラ７２３は、期間ｔｗ７において差分ΔＰＩに予め設定しておいた係数（ゲイン）を乗じて正方向（前進方向）の補正量（補正パルス数）を求め、求めた補正パルス数でアクチュエータ８を介して集光光学ユニット３をＸ軸の正方向に補正パルス分移動させる（ステップＳ１０）。一方、ステップＳ９において、差分ΔＰＩの値が負の場合（ステップＳ９；Ｎｏ）、光ファイバ２２への入射面２２ａに投影されるレーザ光の強度が最大になる位置は負方向（後退方向）に有ることから、アライメントコントローラ７２３は、ステップＳ１０と同様にして、負方向（後退方向）の補正量（補正パルス数）を求め、求めた補正パルス数でアクチュエータ８を介して集光光学ユニット３をＸ軸の負方向に補正パルス分移動させる（ステップＳ１１）。

この様にして、Ｘ軸方向のウォブリング動作が期間ｔｗＸにおいて１サイクル終了すると、次に、ステップＳ１乃至ステップＳ１１と同様にして、図１０（ｂ）に示す期間ｔｗＹにおいてＹ軸方向のウォブリング動作を１サイクル実行する（ステップＳ１２）。そして、この様なＸ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のウォブリング動作をシーケンシャルに繰り返して実行することにより、差分ΔＰＩが０、すなわち、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光が光ファイバ２２の入射面２２ａ内の中心に向かうようにすることができる。

この様に、本発明に係るレーザ光学装置１においては、圧電素子８１１の励振により微小振動を発生し、集光光学ユニット３に直接または間接的に摩擦力が働くように接触している駆動軸８１２により集光光学ユニット３を移動させるアクチュエータ８，９を用いて、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光が光ファイバ２２の入射面２２ａ内の中心に向かうように制御する様にした。すなわち、微小振動を行うことができる駆動軸８１２により集光光学ユニット３を移動させる様にしたので、高分解能、高精度でサブミクロオーダの位置制御が可能となり、いつも高い性能を維持することができる。

また、アクチュエータ８，９は摩擦力により集光光学ユニット３を移動させるので、アクチュエータ８，９への通電を停止し駆動を停止させている間、集光光学ユニット３は姿勢を維持することができる。すなわち、集光光学ユニット３によって導かれるレーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内における位置を固定することができる。したがって、この間にフォトダイオード６で検出されるレーザ光の強度を取得することにより、安定したレーザ光の強度を高精度で取得することができる。これにより矩形波位相検波のＳＮ比を向上させることができる。

また、アクチュエータ８，９をパルス信号で駆動する様にした。したがって、高い精度で矩形波位相検波を行うことができる。

また、Ｘ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のウォブリング動作とをシーケンシャルに交互に切替えて繰り返し実行する様にした。したがって、例えば、Ｘ軸方向のウォブリング動作を実行している間は、レーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内のＹ軸方向における位置はホールドされているので、レーザ光のＹ軸方向における位置変化によりレーザ光の強度が変動することがなく、レーザ光のＸ軸方向における位置制御を高精度で行うことができる。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２によるレーザ光学装置１について説明する。その要部構成は、前述した実施形態１と略同様なので詳細な説明は省略し、第１の実施形態とシーケンスの異なるＸ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のディザリング動作のタイミングについて説明する。

実施形態１によるレーザ光学装置１においては、Ｘ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のウォブリング動作をシーケンシャルに交互に切替えて繰り返し実行する様にしたが、実施形態２によるレーザ光学装置１は、Ｘ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のウォブリング動作の周波数を所定の関係を満たすように設定し、同時に実行するものである。

具体的には、図１１を用いて説明する。図１１は、実施形態２によるウォブリング動作のタイムチャートである。

ここで、Ｘ軸方向のウォブリング動作の周波数をｆ１、Ｙ軸方向のウォブリング動作の周波数をｆ２としたときに、ｆ１、ｆ２は下記（式１）または（式２）の関係を満たす値に設定する。
ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
（式中、ｎは正の整数とする。）
これにより、例えば、Ｙ軸方向のウォブリング動作の周波数ｆ２がＸ軸方向のウォブリング動作の周波数ｆ１の２倍であるとき、図１１（ｂ）に示す様に、Ｙ軸方向のウォブリング動作を実行している間は、レーザ光の光ファイバ２２への入射面２２ａ内のＸ軸方向における位置は、図１１（ａ）に示す様に、ホールドされているので、レーザ光のＸ軸方向における位置変化によりレーザ光の強度が変動することはない。したがって、レーザ光のＹ軸方向における位置制御を、Ｘ軸方向のウォブリング動作に影響されることなく高精度で行うことができる。その結果、Ｘ軸方向のウォブリング動作とＹ軸方向のウォブリング動作を同時に実行することができ、ウォブリング動作を高速化することができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。

例えば、前述の各実施形態では、光ファイバ２１より出射されたレーザ光を、集光レンズ３０１によって、光ファイバ２２の入射面２２ａに向けて集光させる様にしたが、集光レンズ３０１の替わりに、本発明における反射光学素子に該当する凹面鏡を用いてもよい。具体的には、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明に係るレーザ光学装置１の別例による実施の形態を示す概略構成図である。図１２に示す様に、凹面鏡は、光ファイバから出射されるレーザ光の光軸上に配置され、且つ光ファイバから出射されるレーザ光の光軸と交わる点を中心に搖動可能に固定されている。光ファイバから出射されたレーザ光は凹面鏡で反射され、光導波路１乃至３の内選択されたいずれか１つの光導波路に導かれて集光される。そして、前述の実施形態と同様にして、アクチュエータを介してレーザ光の凹面鏡と交わる点を中心に集光光学ユニットをＰ，Ｑ方向に回動させて、凹面鏡によって導かれるレーザ光が光導波路の入射面内の中心に向かう様に制御するものである。これにより、装置の複雑化を招くことなく容易にレーザ光の光導波路への入射面内における位置を変化させることができる。

本発明に係るレーザ光学装置の全体構成図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるＸ−Ｙステージの構成図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるアクチュエータの構成図である。 本発明に係るレーザ光学装置における電気回路ブロック構成図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるアクチュエータの駆動回路構成を示す模式図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるアクチュエータの駆動信号のタイムチャートである。 本発明に係るレーザ光学装置におけるウォブリング動作を示す模式図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるレーザプロファイルと位相検波出力の関係を示す模式図である。 本発明に係るレーザ光学装置におけるウォブリング動作の流れを示すフローチャートである。 本発明に係るレーザ光学装置における一例によるウォブリング動作のタイムチャートである。 本発明に係るレーザ光学装置における別例によるウォブリング動作のタイムチャートである。 本発明に係るレーザ光学装置の別例による概略構成図である。

符号の説明

１ レーザ光学装置
２１，２２ 光ファイバ
３ 集光光学ユニット
３０１ 集光レンズ
３０２ レンズホルダ
４１，４２ コリメータレンズ
５ ハーフミラー
６ フォトダイオード（ＰＤ）
７ 制御部
７１ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７２ 制御ＣＰＵ
７２１ Ａ／Ｄ変換器
７２３ アライメントコントローラ
７２４，７２５ Ｘ−ＰＷＭ，Ｙ−ＰＷＭ
７３ 駆動回路
７３１，７３２ Ｘ増幅器，Ｙ増幅器
８，９ アクチュエータ（Ｘ軸，Ｙ軸）
８１１ 圧電素子
８１２ 駆動軸
８１３ 錘
８１４ 移動体
１０ アナログ信号処理回路

Claims (7)

1. レーザ光を出射するレーザ光出射部と、
   前記レーザ光出射部より出射されたレーザ光を受光するレーザ光受光部と、
   前記レーザ光出射部より出射されたレーザ光を前記レーザ光受光部に導く集光光学ユニットと、
   前記集光光学ユニットを所定の周波数で周期的に移動させるウォブリング動作を行うアクチュエータと、
   前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する強度検出部と、
   前記強度検出部で検出されたレーザ光の強度に基づいて前記集光光学ユニットによって導かれるレーザ光が前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの作動を制御する制御部と、を有するレーザ光学装置において、
   前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し、前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体と、を有し、
   前記制御部は、前記アクチュエータに、前記集光光学ユニットを、第１の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第１のウォブリング動作と、前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第２のウォブリング動作とを交互に実行させ、前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に、前記強度検出部で検出されるレーザ光の強度を取得することを特徴とするレーザ光学装置。
2. 前記アクチュエータは、前記制御部からのパルス信号で駆動されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光学装置。
3. 前記集光光学ユニットは、前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸上に配置される集光パワーを有する屈折光学素子を備え、
   前記アクチュエータは、前記集光光学ユニットを前記レーザ光の光軸に略垂直な面に沿って移動させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光学装置。
4. 前記集光光学ユニットは、前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸上に配置され、且つ前記レーザ光出射部から出射されるレーザ光の光軸と交わる点を中心に搖動可能に固定されている集光パワーを有する反射光学素子を備え、
   前記アクチュエータは、前記レーザ光の前記反射光学素子と交わる点を中心に前記集光光学ユニットを搖動させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光学装置。
5. 前記アクチュエータは、前記制御部により前記集光光学ユニットを第１の移動方向に周期的に移動される第１のウォブリング動作の周波数ｆ１と、前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に周期的に移動される第２のウォブリング動作の周波数ｆ２とが下記（式１）または（式２）の関係をみたし、
   且つ、前記アクチュエータは、前記制御部により前記第１のウォブリング動作と前記第２のウォブリング動作とが同時に実行されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ光学装置。
   ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
   ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
   （式中、ｎは正の整数とする。）
6. アクチュエータを用いてレーザ光をレーザ光受光部に導く集光光学ユニットを移動させることにより、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの動作を制御する方法において、
   前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体とを有するものであって、
   前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する検出工程と、
   前記検出工程で検出されたレーザ光の強度に基づいて、前記集光光学ユニットを第１の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第１のウォブリング動作を行う工程と、
   前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に所定の周波数で周期的に移動させる第２のウォブリング動作を行う工程とを前記アクチュエータに交互に実行させることを特徴とするアクチュエータの動作を制御する方法。
7. アクチュエータを用いてレーザ光をレーザ光受光部に導く集光光学ユニットを移動させることにより、レーザ光出射部から出射されるレーザ光を前記レーザ光受光部の入射面内の中心に向かうように前記アクチュエータの動作を制御する方法において、
   前記アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の励振により微小振動を発生し前記集光光学ユニットに直接または間接的に摩擦力が働くように接触している振動体とを有するものであって、
   前記アクチュエータがウォブリング動作中に駆動を停止している間に前記レーザ光受光部に導入されたレーザ光の強度を検出する検出工程と、
   前記検出工程で検出されたレーザ光の強度に基づいて、前記集光光学ユニットを第１の移動方向に周波数ｆ１で周期的に移動させる第１のウォブリング動作を行う工程と、
   前記第１の移動方向と直交する第２の移動方向に周波数ｆ２で周期的に移動させる第２のウォブリング動作を行う工程とを同時に実行させるとともに、前記周波数ｆ１とｆ２とが下記（式１）または（式２）の関係をみたすことを特徴とするアクチュエータの動作を制御する方法。
   ｆ１＝２×ｎ×ｆ２ （式１）
   ｆ２＝２×ｎ×ｆ１ （式２）
   （式中、ｎは正の整数とする。）

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