JP6204272B2

JP6204272B2 - 距離計測装置

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Publication number: JP6204272B2
Application number: JP2014116964A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　賢哉; 賢哉鈴木; 雄一郎伊熊; 和則妹尾; 高橋　哲夫; 哲夫高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: JP2015230259A

Description

本発明は、距離計測装置に関し、より詳細には、レーザ光を使用した精密な距離計測を実現する距離計測装置に関する。

近年の自動化技術の進展により、産業用工作機械やロボットなどに対してレーザ光の利用がなされてきている。特に、ミクロンからサブミクロンオーダの精密な位置計測には干渉計を用いた光学計測は魅力的であり、位置計測方法は、工作機械又は自動ステージの駆動機構に生じる誤差、軸のたわみ、及び熱による膨張収縮等を精密に計測することを可能としている。さらに、このレーザ光を利用した位置計測は半導体製造に不可欠なステッパ露光機の精密な位置合わせ制御等に不可欠である。

レーザ光を利用した位置計測を実現する装置として、白色干渉計を用いる方法、光源の周波数変調（ＦＭＣＷ：ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）方式を用いる方法、及びヘテロダイン計測を用いる方法（非特許文献１）が提案されている。

非特許文献１に開示されたヘテロダイン計測を用いる位置計測方法では、異なる２つの周波数の光波を干渉計に導入し、そのビート周波数のＲＦ信号成分が、被測定対象物の移動によってドップラ効果をうけ変化する現象を計測することで、被測定対象物の移動速度および方向を計測する。この方法では、２つの異なる周波数の光波は位相同期されているのが好ましく、その生成には、単一の光源の光波を音響光学周波数シフタなどで変調して生成する必要がある。

Topcu, Suat., Chassagne, Luc., Alayli, Yasser., Juncar, Patrick, "Improving the accuracy of homodyne Michelson interferometers using polarisation state measurement techniques", Optics Communications, vol. 247, no.1-3, pp.137-139, 2005

非特許文献１に開示されるヘテロダイン法では、位相同期された異なる周波数成分の光波を干渉計に導入する必要があり、その実現には高周波のエレクトロニクスが必要となり、装置の小型化、簡易化に課題を有する。また、非特許文献１では干渉計をバルク部品の組み合わせで形成しており、同様に小型化、簡易化、さらには安定性の点で課題を有する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、距離計測装置であって、光源と、前記光源から出力された光波が入射される導波路部と、前記導波路部の第１の出力導波路から出射される光波を平行ビームとする少なくとも一つの光学素子と、前記光学素子を経由した光波を反射し、前記光学素子に戻す光学反射素子と、前記導波路部の複数の第２の出力導波路からの出射光を受光して、前記光学反射素子の位置を計測する計測部とを備え前記導波路部は、光カプラと、位相ハイブリッド回路により構成された位相分離干渉回路とを備え、前記位相ハイブリッド回路は、９０度ハイブリッド回路であり、前記位相分離干渉回路は、前記光源から出力され前記光カプラにより分岐された参照光と、前記光学反射素子からの反射光とが入射され、前記参照光と前記反射光とを干渉させ、複数の異なる位相をもつ干渉光を生成し、前記複数の異なる位相をもつ干渉光を前記第２の出力導波路により出射し、前記計測部は、前記第２の出力導波路からの出射光をそれぞれ受光する複数のフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードのそれぞれの出力のうちの位相が１８０度ずれている２つの出力の差動出力をそれぞれ算出することによって、前記差動出力から検出した複数の出射光の強度により参照光と反射光の間の位相差を検出することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、光源と、前記光源から出力された光波が入射される導波路部と、前記導波路部の第１の出力導波路から出射される光波を平行ビームとする少なくとも一つの光学素子と、前記光学素子を経由した光波を反射し、前記光学素子に戻す光学反射素子と、前記導波路部の複数の第２の出力導波路からの出射光を受光して、前記光学反射素子の位置を計測する計測部とを備え、前記導波路部は、光カプラと、位相ハイブリッド回路により構成された位相分離干渉回路とを備え、前記位相ハイブリッド回路は、１２０度ハイブリッド回路であり、前記位相分離干渉回路は、前記光源から出力され前記光カプラにより分岐された参照光と、前記光学反射素子からの反射光とが入射され、前記参照光と前記反射光とを干渉させ、複数の異なる位相をもつ干渉光を生成し、前記複数の異なる位相をもつ干渉光を前記第２の出力導波路により出射し、前記計測部は、前記第２の出力導波路からの出射光をそれぞれ受光する複数のフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードの出力から検出した複数の出射光の強度により参照光と反射光の間の位相差を検出することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の距離計測装置であって、前記位相分離干渉回路は導波路基板上に形成されることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様の距離計測装置であって、前記導波路基板上には複数の前記位相分離干渉回路が形成され、前記距離計測装置における複数の前記位相分離干渉回路からの光波は、前記導波路基板の平面方向の直交する２つの方向と、前記導波路基板の垂直の方向との、３次元の方向に出射されることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１の態様の距離計測装置において、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を測定する方法であって、前記光源から、前記導波路部を介して前記参照光を前記光学反射素子に出射するステップと、前記導波路部において、前記光学反射素子からの反射光が入射されるステップと、前記位相分離干渉回路において、前記反射光の一部の光の位相を変化させ、前記反射光と前記参照光とを干渉してそれぞれ９０度の位相のずれを有する４つの干渉光を生成するステップと
、前記４つの干渉光を、それぞれ４つの前記フォトダイオードにより受光するステップと、前記計測部に備えられ、２つの前記フォトダイオードの出力の差動出力を算出する計装アンプにより、前記フォトダイオードのそれぞれの出力のうちの位相が１８０度ずれている２つの出力の差動出力をそれぞれ算出するステップと、前記計測部により、それぞれの前記差動出力に基づいて算出した前記光学反射素子の位置に対する光強度を表わす２つの曲線の増減から、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を算出するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第２の態様の距離計測装置において、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を測定する方法であって、前記光源から、前記導波路部を介して前記参照光を前記光学反射素子に出射するステップと、前記導波路部において、前記光学反射素子からの反射光が入射されるステップと、前記位相分離干渉回路において、前記反射光と前記参照光との干渉光を生成し、前記干渉光からそれぞれ１２０度の位相のずれを有する３つの干渉光を生成するステップと、前記位相を変化させた３つの干渉光を、３つの前記フォトダイオードによりそれぞれ受光するステップと、前記計測部により、前記フォトダイオードの出力から検出した、前記光学反射素子の位置に対する光強度を表わす３つの曲線の増減から前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を算出するステップとを含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、干渉計を光導波路基板に集積化することにより、距離計測装置を小型化することが可能になる。また、複数の距離計測装置を光導波路基板に集積することで、複数方向に対して被測定対象物の位置移動の検出を同時に行うことが可能になる。すなわち、単一の装置にて複数方向の位置移動を検出することとなり、装置の小型化に寄与する。

本発明の第１の実施形態にかかる距離計測装置を示す構成図である。それぞれのフォトダイオードにおいて受光される光強度と、ミラーの相対位置との関係を示すグラフである。それぞれの計装アンプにおける出力電圧と、ミラーの相対位置との関係を示すグラフである。、それぞれの計装アンプからの出力電圧の平均値からの差分を複素平面上にプロットしたものである。本発明の第２の実施形態に係る距離計測装置の導波路部を示す構成図である。それぞれの計測用導波路から出射された光カプラからの出力光の光強度を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかる距離計測装置を示す構成図であり、図７（ａ）は距離計測装置の上面図であり、図７（ｂ）は距離計測装置の則面図である。第３の実施形態の距離計測装置を実環境で使用する例を示す斜視図である。

本発明の距離計測装置は、非特許文献１に記載の距離計測装置のようなヘテロダイン法を用いず、単一の周波数の光波で干渉計において位相変化を計測するホモダイン法により被測定対象物の位置およびその移動方向を検出するものである。ホモダイン計測では、非特許文献１に開示されたマイケルソン干渉計をそのまま用いる場合、被測定対象物の移動方向を検出することはできない。マイケルソン干渉計における位相変化は、被測定対象物の移動量に対して正弦波状の変化となるため、被測定対象物体の移動による位相の変化が正弦波の山および谷をまたぐときに、被測定対象物の位置およびその移動方向を検出することが困難であるからである。これを解決するために、干渉計として位相ハイブリッド回路を導入することで、位相変化の検出により被測定対象物の移動方向の検出を可能にする。

位相ハイブリッド回路の実現にあたっては、位相ハイブリッド回路を構成する回路の精密な光路長合わせが不可欠であるが、光導波路を用いて位相ハイブリッド回路を実現することで、精密な光路長合わせが容易になる。加えて、光導波路を形成する基板に干渉計を集積することで、距離計測装置の小型化、安定性、及びユーザビリティの向上を図ることができる。

さらに、光導波路を用いることで、小型化に加えて集積化も可能になる。本発明では、複数の距離計測装置を光導波路に集積することで、複数方向に対して被測定対象物の位置移動の検出を同時に行うことが可能になる。すなわち、単一の距離計測装置において複数方向の位置移動を検出することとなり、装置の小型化に寄与する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる距離計測装置１００を示す構成図である。図１の距離計測装置１００は、光源１０１と、光源１０１からの出力光が入射される導波路部１１０と、光源１０１からの出力光を導波路部１１０に伝搬させる伝搬素子１０２と、導波路部１１０からの出射光を平行光にするコリメートレンズ１０３と、コリメートレンズ１０３を介した平行光を反射するミラー１０４と、距離計測装置１００の移動距離を計測する計測部１４０とを備える。

導波路部１１０は、導波路基板１１１と、光源１０１からの出力光が入射される入力導波路１１２と、入力導波路１１２が一方の入力に接続され、入力導波路１１２からの入射光を２分岐する２入力２出力光カプラ１１３と、光カプラ１１３の一方の出力に接続された出力導波路１１４と、光カプラ１１３の他方の出力に接続された参照光導波路１１５と、光カプラ１１３の他方の入力に接続されたプローブ光導波路１１６と、参照光導波路１１５及びプローブ光導波路１１６双方に接続された位相分離干渉回路１２０とを備える。

ここで、参照光導波路１１５を伝搬する光を参照光、プローブ光導波路１１６を伝搬する光をプローブ光とする。

位相分離干渉回路１２０は、参照光導波路１１５からの参照光を２分岐する２入力２出力光カプラ１２１と、プローブ光導波路１１６からのプローブ光を２分岐する２入力２出力光カプラ１２２とを備える。

また、位相分離干渉回路１２０は、光カプラ１２１の一方の出力に接続され、光カプラ１２１から分岐された参照光の一方を導波する第１の接続導波路１２５と、光カプラ１２１の他方の出力に接続され、光カプラ１２１から分岐された参照光の他方を導波する第２の接続導波路１２６と、光カプラ１２２の一方の出力に接続され、光カプラ１２２から分岐された一方のプローブ光を導波する第３の接続導波路１２７と、光カプラ１２２の他方の出力に接続され、光カプラ１２２から分岐されたプローブ光の他方を導波する第４の接続導波路１２８とを備える。ここで第４の接続導波路１２８の長さは、第１の接続導波路１２５〜第３の接続導波路１２７の長さに対して、光源の波長の１／４だけ長さを違えている。

また、位相分離干渉回路１２０は、光カプラ１２１から分岐され、第１の接続導波路１２５を導波する参照光の一方及び光カプラ１２２から分岐され、第３の接続導波路１２７を導波するプローブ光の一方を合波してさらに２分岐する２入力２出力光カプラ１２３と、光カプラ１２１から分岐され、第２の接続導波路１２６を導波する参照光の他方及び光カプラ１２２から分岐され、第４の接続導波路１２８を導波するプローブ光の他方を合波してさらに２分岐する２入力２出力光カプラ１２４とを備える。光カプラ１２１及び１２２において分岐された参照光及びプローブ光は、光カプラ１２３及び１２４において合波により干渉される。

また、位相分離干渉回路１２０は、光カプラ１２３により分岐された光波を出射する第１の出射導波路１２９及び第２の出射導波路１３０と、光カプラ１２４により分岐された光波を出射する第３の出射導波路１３１及び第４の出射導波路１３２とを備える。

計測部１４０は、第１の出射導波路１２９からの出射光を受光するフォトダイオード１４４と、第２の出射導波路１３０からの出射光を受光するフォトダイオード１４３と、第３の出射導波路１３１からの出射光を受光するフォトダイオード１４２と、第４の出射導波路１３２からの出射光を受光するフォトダイオード１４４と、フォトダイオード１４１、１４２の出力電流が入力される計装アンプ１４５と、フォトダイオード１４３、１４４の出力電流が入力される計装アンプ１４６と、計装アンプ１４５、１４６に接続されたデジタルアナログコンバータ１４７と、デジタルアナログコンバータ１４７に接続されたデジタルシグナルプロセッサ１４８とを備える。

光源１０１は、距離計測装置１００の所望の測定レンジにより要求されるコヒーレンス長を実現するほど十分狭いスペクトル線幅を有し、光源１０１からの出力光は光ファイバ等の伝搬素子１０２を介して、導波路基板１１１上に形成された光導波路１１２へ入射される。光導波路１１２を伝搬する光波は、次いで光カプラ１１３により２分岐され、一方は出力導波路１１４へ、他方は参照光導波路１１５へ分岐される。光カプラ１１３の分岐比はプローブ光導波路１１６へ光波が戻ってきたときに、プローブ光の光強度が参照光導波路１１５の強度と同じ強度となるように設定されるのが好ましい。

出力導波路１１４を伝搬した光波は、導波路基板１０１の端面１１７から空間に出射され拡散する。拡散した出射光は、光学素子であるコリメートレンズ１０３により平行光に変換され更に空間を伝搬する。空間を伝搬した光波は、光学反射素子であるミラー１０４により反射され、反射光として、コリメートレンズ１０３を介して出力導波路１１４へ再び入射される。入射された反射光は、出力導波路１１４を逆方向に伝搬して光カプラ１１３を経由して、プローブ光導波路１１６へと入力される。

ここで、ミラー１０４が図のｘ軸方向に移動すると、反射光の位相が変化する。したがって、参照光導波路１１５を伝搬する参照光とプローブ光導波路１１６を伝搬するプローブ光との間の位相差を検出することにより、ミラー１０４の相対位置移動量を検出することができる。

図１において点線で囲んだ回路領域、すなわち位相分離干渉回路１２０は、９０°ハイブリッド回路の構成となっており、参照光とプローブ光の間の位相差を複素電界上で検出分離することが可能である。位相分離干渉回路１２０における動作は以下のとおりである。

プローブ光導波路１１６を導波するプローブ光は、光カプラ１２２により２分岐され、光カプラ１２３および１２４へと伝搬する。同様に、参照光導波路１１５を導波する参照光は、光カプラ１２１により２分岐され、光カプラ１２３および１２４へと伝搬する。光カプラ１２３および１２４はその出力がそれぞれ２台のフォトダイオード１４１、１４２及び１４３、１４４へと接続されるが、光カプラ１２３および１２４では、それぞれに入射される光信号が干渉し、その位相関係に応じてフォトダイオード１４１、１４２（カプラ１２４に対して）、フォトダイオード１４３、１４４（カプラ１２３に対して）への分配強度が変化する。

図２は、フォトダイオード１４１〜１４４それぞれにおいて受光される光強度を電流値に変換した値と、ミラー１０４の相対位置との関係を示すグラフである。図２に示すように、ミラー１０４の相対位置に応じて、フォトダイオード１４１及び１４２の受光強度の電流値Ｉ_１４１及びＩ_１４２の位相は、１８０°ずれ、フォトダイオード１４３及び１４４の受光強度の電流値Ｉ_１４３とＩ_１４４の位相も、１８０°ずれる。さらに、フォトダイオード１４１と１４３の受光強度の電流値Ｉ_１３１およびＩ_１４３の位相は９０°ずれる。このずれは、第１〜第３の接続導波路１２５〜１２７と第４の接続導波路１２８との位相差に対応する。

次に、フォトダイオード１４１〜１４４の電流出力はトランスインピーダンスアンプを含む計装アンプ１４５および１４６へと入力される。計装アンプ１４５においては、フォトダイオード１４１および１４２の作動出力を演算して電圧値に変換し、計装アンプ１４６では、フォトダイオード１４３および１４４の作動出力を演算して電圧値に変換する。

図３は、計装アンプ１４５および１４６それぞれにおける出力電圧と、ミラー１０４の相対位置との関係を示すグラフである。計装アンプ１４５および１４６の出力電圧Ｖ_１４５およびＶ_１４６は図３に示すとおり単極性の出力となり、それぞれの間の位相は９０°ずれる。計装アンプ１４５および１４６の出力電圧は、アナログデジタルコンバータ１４７によりデジタル情報へ変換され、デジタルシグナルプロセッサ１４８により演算処理がなされる。

上述のように、９０°ハイブリッド回路である位相分離干渉回路１２０を位相検出に用いることでミラー１０４の移動方向の検出が可能になる。

以下、ミラー１０４の移動方向の検出の例について、図３を参照して説明する。
１．Ｖ_１４５＞Ｖ_１４６である場合は、ミラー１０４は、Ｐ１乃至Ｐ２の位置に存在することがわかり、ミラー１０４を移動させたときに、ミラー１０４の検出前の位置に対して、
（１）Ｖ_１４５、Ｖ_１４６がともに減少すればＰ１の位置から＋側（距離測定装置１００から離れる方向）に、
（２）Ｖ_１４５、Ｖ_１４６がともに増加すればＰ１の位置から−側（距離測定装置１００に離近づく方向）に、
（３）Ｖ_１４５が増加、Ｖ_１４６が減少すれば、Ｐ２の位置から＋側に、
（４）Ｖ_１４５が減少、Ｖ_１４６が増加すれば、Ｐ２の位置から−側に、
ミラー１０４が移動していることが検出できる。
２．Ｖ_１４５＜Ｖ_１４６である場合は、ミラー１０４は、Ｐ３乃至Ｐ４の位置に存在することがわかり、ミラー１０４を移動させたときに、ミラー１０４の検出前の位置に対して、
（１）Ｖ_１４５、Ｖ_１４６がともに増加すればＰ３の位置から＋側に、
（２）Ｖ_１４５、Ｖ_１４６がともに減少すればＰ３の位置から−側に、
（３）Ｖ_１４５が減少、Ｖ_１４６が増加すればＰ４の位置から＋側に、
（４）Ｖ_１４５が増加、Ｖ_１４６が減少すればＰ４の位置から−側に
ミラー１０４が移動していることが検出できる。

移動量の同定にあたっては、上述したＶ_１４５とＶ_１４６との大小による場合分けを行う以外にも、以下の方法を用いることでも可能である。すなわち、計装アンプ１４５および１４６の出力電圧の平均値および振幅が既知の場合は、Ｖ_１４５およびＶ_１４６から出力電圧の平均値を差し引いて、差し引いた値をＶ_１４５については複素平面の実軸に、Ｖ_１４６については複素平面の虚軸にプロットする。Ｖ_１４５又はＶ_１４６の出力電圧の平均値からの差分を複素平面にプロットすることによりミラー１０４の移動方向の判別が可能となる。

図４は、Ｖ_１４５又はＶ_１４６の出力電圧の平均値からの差分を複素平面上にプロットしたものである。計測にあたっては、逐一（実軸値、虚軸値）＝（Ｖ_１４５、Ｖ_１４６）を同複素平面にプロットすることでそのミラー１０４の位置および方向検出が可能になる。Ｖ_１４５およびＶ_１４６の振幅が一定である場合は、（Ｖ_１４５、Ｖ_１４６）はＶ_１４５およびＶ_１４６の振幅を動径とする円周上に存在し、円を反時計回りに（Ｖ_１４５、Ｖ_１４６）が移動する場合は、ミラーが＋方向に移動し、時計回りに移動する場合は、ミラーが−方向に移動する。さらに、円周の長さは光源の波長の長さに相当するので、その移動距離を光源の波長以下の精度で確定することができる。

実施形態では、位相干渉回路として光導波路上に形成した９０°ハイブリッド回路である位相分離干渉回路を用いる例を示したが、ハーフミラーやミラーなどのバルクの回路部品を使って形成しても構わないことは明らかである。しかしながら、たとえば石英系光導波路などの導波路によって形成する場合は、（１）接続導波路１２８をフォトリソグラフィにより精密に設定できる、（２）環境温度等の変動に対して計測数値が安定している、（３）製造が容易で小型化が可能であるといった利点がある。このような特徴は、本発明の距離計測装置を実環境で使う際に大きな利点となる。

［第２実施形態］
第１の実施の形態では、位相分離干渉回路１２０として９０°ハイブリッド回路を適用した例を示したが、位相分離干渉回路は、９０°ハイブリッド回路に限らず複素平面上で参照光、プローブ光の位相関係を同定できる光回路であればよい。

図５は本発明の第２の実施形態に係る距離計測装置の導波路部５１０を示す構成図である。図５の導波路部５１０は、導波路基板５１１と、光源からの光波が入射される入力導波路５１２と、入力導波路５１２が一方の入力に接続され、入力導波路５１２からの入力光を２分岐する２入力２出力光カプラ５１３と、光カプラ５１３の一方の出力に接続された出力導波路５１４と、光カプラ５１３の他方の出力に接続された参照光導波路５１５と、光カプラ５１３の他方の入力に接続されたプローブ光導波路５１６と、参照光導波路５１５及びプローブ光導波路５１６に接続された位相分離干渉回路５２０とを備える。

位相分離干渉回路５２０は、１２０°ハイブリッド回路であり、参照光導波路５１５からの参照光とプローブ光導波路５１６からのプローブ光とを合波し、合波した光波を、第１の分岐光と、第２の分岐光と、第３の分岐光とに３分岐する３入力３出力光カプラ５２１とを備える。

また、位相分離干渉回路５２０は、光カプラ５２１の第１の出力に接続され、第１の分岐光を導波する第１の接続導波路５２３と、光カプラ５２１の第２の出力に接続され、第２の分岐光を導波する第２の接続導波路５２４と、光カプラ５２１の第３の出力に接続され、第３の分岐光を導波する接続導波路５２５とを備える。ここで、第２の接続用導波路５２４と、第１の接続用導波路５２３及び第３の接続用導波路５２５との導波路の相対長差は、光源の波長をλとして、それぞれ２λ／３、４λ／３に設定される。

また、位相分離干渉回路５２０は、第１〜第３の接続導波路５２３〜５２５に接続され、第１〜第３の分岐光を再び合波し、合波した光波を再び３分岐する３入力３出力光カプラ５２２と、３分岐された光カプラ５２２からの光波を出射する第１の出射導波路５２６、第２の出射導波路５２７、及び第３の出射導波路５２８とを備える。

第２の実施形態においては、位相分離干渉回路５２０として１２０°ハイブリッド回路を使った位相分離干渉回路の例を示すが、ハイブリッド回路は、９０°又は１２０°に限らないことは言うまでもない。

位相分離干渉回路５２０において、参照光導波路５１５を伝搬する参照光、プローブ光導波路５１６を伝搬するプローブ光は、光カプラ５２１へと入射する。光カプラ５２１により３分岐された参照光及びプローブ光の干渉光の第１〜第３の分岐光は、接続導波路５２３、５２４、及び５２５を介して光カプラ５２２により合波される。合波された光波は光カプラ５２２により３分岐され、第１〜第３の出射導波路５２６〜５２８に伝搬され、それぞれフォトダイオード（図示せず）により受光され電流値に変換される。

図６は、第１〜第３の出射導波路５２６〜５２８から出射された光カプラ５２５からの出射光の光強度を示す図である。図６の通り、第１〜第３の出射導波路５２６〜５２８からの出射光の電流値Ｉ_５２６〜Ｉ_５２８は、それぞれ位相が１２０°ずれている。

第１〜第３の出射導波路５２６〜５２８から出射され多電流値を第１の実施形態１と類似の手段により判定する（すなわち３つの出力電圧の大小関係を場合分けし、それぞれの出力電圧の増減状態によりミラーの位置を判定する）ことで、ミラーの移動方向および位置の検出が可能になる。

［第３の実施形態］
本発明の第１の実施形態では、ある一つの軸（ｘ軸）方向へのミラー１０４の相対移動量と移動方向を検出する方法を開示したが、第３の実施形態３においてはデカルト座標系の３軸について同時に検出する方法を開示する。

図７は、本発明の第３の実施形態にかかる距離計測装置７００を示す構成図であり、図７（ａ）は距離計測装置７００の上面図であり、図７（ｂ）は距離計測装置７００の側面図である。本発明の第３の実施形態にかかる距離計測装置７００は、第１の実施形態にかかる距離計測装置１００と同一の測定原理を有する距離計測装置を３つ集積させた形態の距離計測装置である。ここで、１軸方向の距離の測定の方法については、第１の実施形態において詳細に述べたので、本実施形態においては、１軸方向の距離の測定の方法については、その詳細は省略する。

図７の距離計測装置７００は、光源７０１と、光源７０１からの出力光が入射される導波路部７１０と、光源７０１からの出力光を導波路部７１０に伝搬させる伝搬素子７０２と、導波路部７１０からの出射光を平行光にするコリメートレンズ７０３〜７０５と、コリメートレンズ７０３〜７０５を介した平行光を反射するミラー７０６〜７０８と、距離計測装置１００の移動距離を計測する計測部７３０とを備える。

導波路部７１０は、導波路基板７１１と、入力導波路７１２と、入力導波路７１２からの光波を３分岐する光カプラ７１３と、３分岐された光カプラ７１３からの光波をそれぞれ導波する第１の出力導波路７１４、第２の出力導波路７１５及び第３の出力導波路７１６とを備える。第３の出力導波路７１６の端部には、４５°跳ね上げミラー７２０が配置される。また、導波路部７１０は、第１の位相分離干渉回路７１７、第２の位相分離干渉回路７１８及び第３の位相分離干渉回路７１９と、第１〜第３の出力導波路７１４〜７１６を導波するそれぞれの入力光及び反射光の一部を第１〜第３の位相分離干渉回路７１７〜７１９に分岐する２入力２出力光カプラ７２１〜７２３とを備える。

計測部７３０は、第１〜第３の位相分離干渉回路７１７〜７１９からの出射光を受光するフォトダイオード７３１〜７４２と、フォトダイオード７３１〜７４２の出力電流が入力される計装アンプ７５１〜７５６と、計装アンプ７５１〜７５６に接続されたデジタルアナログコンバータ７６１と、デジタルアナログコンバータ７６１に接続されたデジタルシグナルプロセッサ７７１とを備える。

導波路部７１０において、光源７０１から出力された光波は、光ファイバ等の伝搬素子７０２及び基板端面７２４を介して入力導波路７１２へ入射される。光波は続いて、光カプラ７１３により第１〜第３の出力導波路７１４〜７１６へと３分岐される。第１の出力導波路７１４へ分岐された光波は、カプラ７２１を介して基板端面７２５と直交する方向（ｘ軸方向とする）に出射され、レンズ７０３を介してミラー７０６に入射される。ミラー７０７により反射された反射光は、再び第１の出力導波路７１４へ入射し、光カプラ７２１を介してプローブ光として第１の位相分離干渉回路７１７に入射され、位置計測装置７００のｘ軸方向の相対位置検出に寄与する。第２の出力導波路７１５へ分岐された光波は、カプラ７２２を介して基板端面７２６と直交する方向（ｙ軸方向とする）に出射され、レンズ７０４を介してミラー７０７に入射される。ミラー７０７により反射された反射光は、再び第２の出力導波路７１５へ入射し、光カプラ７２２を介してプローブ光として位相分離干渉回路７１８に入射され、ｙ軸方向の相対位置検出に寄与する。ここで、基板端面７２６は基板端面７２５と直交する。

さらに、出力導波路７１６へ分岐された光波は、カプラ７２３および４５°跳ね上げミラー７２０を経由して導波路基板７１１から基板と垂直方向（ｚ軸方向とする）に基板上面に出射され、レンズ７０５を介してミラー７０８に入射される。ミラー７０８により反射された反射光は、跳ね上げミラー７２０を経由して再び出力導波路７１６へ入射し、プローブ光として光カプラ７２３を介して位相分離干渉回路７１９に入射され、ｚ軸方向の相対位置検出に寄与する。図７（ｂ）に記載の通り、４５°跳ね上げミラー７２０は、導波路基板７１１に形成されており、基板垂直方向に光波を出射する。ここでは、ｚ軸方向の距離計測に４５°跳ね上げミラー７２０を用いる例を示すが、基板端面７２５又は基板端面７２６から出射された光波を導波路基板７１１の外部に設置したミラーやプリズム等によって光路変換することも可能である。

本実施形態に示すように、３軸それぞれの計測に位相分離干渉回路を用い、第１〜第３の位相分離干渉回路７１７〜７１９を導波路基板７１１上に集積することで、従来は各軸ごとに用意する必要のあった距離計測装置をコンパクトに実現することが可能になる。

図８は、第３の実施形態の距離計測装置７００を実環境で使用する例を示す斜視図である。距離計測装置７００はｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動するステージ８０１上に設置される。このステージ８０１の移動量を精密に測定する。距離計測装置７００からは各軸の方向にプローブ光８１１、８１２、及び８１３が出射され、各軸方向に法線を持つ平面ミラー７０６、７０７、及び７０８により距離計測装置７００へと戻される。図８に記載の距離計測装置７００の配置により、第３の実施形態に係る距離計測装置７００において３軸の移動量の精密な計測が実現される。

１００、５００、７００距離計測装置
１０１、７０１光源
１０２、７０２伝搬素子
１０３、７０３〜７０５コリメートレンズ
１０４、７０６〜７０８ミラー
１１０、５１０、７１０導波路部
１１１、５１１、７１１導波路基板
１１２、５１２、７１２入力導波路
１１３、１１２〜１１４、５１３、５２１、５２２、７０３、７２１〜７２４光カプラ
１１４、５１４、７１４〜７１６出力導波路
１１５参照光導波路
１１６プローブ光導波路
１２０、５２０、７１７〜７１９位相分離干渉回路
１２５〜１２８、５２３〜５２５接続導波路
１２９〜１３１、５２６〜５２８出射導波路
１４０、７３０計測部
１４１〜１４４、７１３〜７４２フォトダイオード
１４５、１４６、７５１〜７５６計装アンプ
１４６、７６１デジタルアナログコンバータ
１４７、７７１デジタルシグナルプロセッサ
７２０４５°跳ね上げミラー
８１０ステージ

Claims

光源と、
前記光源から出力された光波が入射される導波路部と、
前記導波路部の第１の出力導波路から出射される光波を平行ビームとする少なくとも一つの光学素子と、
前記光学素子を経由した光波を反射し、前記光学素子に戻す光学反射素子と、
前記導波路部の複数の第２の出力導波路からの出射光を受光して、前記光学反射素子の位置を計測する計測部と
を備え、
前記導波路部は、光カプラと、位相ハイブリッド回路により構成された位相分離干渉回路とを備え、
前記位相ハイブリッド回路は、９０度ハイブリッド回路であり、
前記位相分離干渉回路は、前記光源から出力され前記光カプラにより分岐された参照光と、前記光学反射素子からの反射光とが入射され、前記参照光と前記反射光とを干渉させ、複数の異なる位相をもつ干渉光を生成し、前記複数の異なる位相をもつ干渉光を前記第２の出力導波路により出射し、
前記計測部は、前記第２の出力導波路からの出射光をそれぞれ受光する複数のフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードのそれぞれの出力のうちの位相が１８０度ずれている２つの出力の差動出力をそれぞれ算出することによって、前記差動出力から検出した複数の出射光の強度により参照光と反射光の間の位相差を検出する
ことを特徴とする距離計測装置。
光源と、
前記光源から出力された光波が入射される導波路部と、
前記導波路部の第１の出力導波路から出射される光波を平行ビームとする少なくとも一つの光学素子と、
前記光学素子を経由した光波を反射し、前記光学素子に戻す光学反射素子と、
前記導波路部の複数の第２の出力導波路からの出射光を受光して、前記光学反射素子の位置を計測する計測部と
を備え、
前記導波路部は、光カプラと、位相ハイブリッド回路により構成された位相分離干渉回路とを備え、
前記位相ハイブリッド回路は、１２０度ハイブリッド回路であり、
前記位相分離干渉回路は、前記光源から出力され前記光カプラにより分岐された参照光と、前記光学反射素子からの反射光とが入射され、前記参照光と前記反射光とを干渉させ、複数の異なる位相をもつ干渉光を生成し、前記複数の異なる位相をもつ干渉光を前記第２の出力導波路により出射し、
前記計測部は、前記第２の出力導波路からの出射光をそれぞれ受光する複数のフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードの出力から検出した複数の出射光の強度により参照光と反射光の間の位相差を検出する
ことを特徴とする距離計測装置。
前記位相分離干渉回路は導波路基板上に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の距離計測装置。
前記導波路基板上には複数の前記位相分離干渉回路が形成され、前記距離計測装置における複数の前記位相分離干渉回路からの光波は、前記導波路基板の平面方向の直交する２つの方向と、前記導波路基板の垂直の方向との、３次元の方向に出射されることを特徴とする請求項３に記載の距離計測装置。
請求項１に記載の距離計測装置において、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を測定する方法であって、
前記光源から、前記導波路部を介して前記参照光を前記光学反射素子に出射するステップと、
前記導波路部において、前記光学反射素子からの反射光が入射されるステップと、
前記位相分離干渉回路において、前記反射光の一部の光の位相を変化させ、前記反射光と前記参照光とを干渉してそれぞれ９０度の位相のずれを有する４つの干渉光を生成するステップと、
前記４つの干渉光を、それぞれ４つの前記フォトダイオードにより受光するステップと、
前記計測部に備えられ、２つの前記フォトダイオードの出力の差動出力を算出する計装アンプにより、前記フォトダイオードのそれぞれの出力のうちの位相が１８０度ずれている２つの出力の差動出力をそれぞれ算出するステップと、
前記計測部により、それぞれの前記差動出力に基づいて算出した前記光学反射素子の位置に対する光強度を表わす２つの曲線の増減から、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を算出するステップと
を含むことを特徴とする方法。
請求項２に記載の距離計測装置において、前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を測定する方法であって、
前記光源から、前記導波路部を介して前記参照光を前記光学反射素子に出射するステップと、
前記導波路部において、前記光学反射素子からの反射光が入射されるステップと、
前記位相分離干渉回路において、前記反射光と前記参照光との干渉光を生成し、前記干渉光からそれぞれ１２０度の位相のずれを有する３つの干渉光を生成するステップと、
前記位相を変化させた３つの干渉光を、３つの前記フォトダイオードによりそれぞれ受光するステップと、
前記計測部により、前記フォトダイオードの出力から検出した、前記光学反射素子の位置に対する光強度を表わす３つの曲線の増減から前記距離計測装置の移動方向、及び前記光学反射素子と前記距離計測装置との距離を算出するステップと
を含むことを特徴とする方法。