JPH03180713A - 微小回転角の光計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は２個の物体の、相対的な角度変化をＫｌ’ｌ定
するための光計１ｕｌｌ装置に関し、特に２個の物体、
即ち、第１の被測定物と第２の被測定物、それぞれに、
レーザー光を照射してできる、２木の反射光の初期間隔
に対し、被測定物それぞれに。

温度変化等のストレスを与えて生じる歪みによって、２
本の反射光の間隔に、ずれが生じ、この間隔ずれを計測
することによって、被測定物間、相互の傾き角度の変化
を検知する光計測装置に関する。

［従来の技術］ 従来、２つの物体間の相対的な角度変化を計測する手段
として、第７図とｍ８図に示す様な単純な方法が考えら
れていた。

例えば第７図では、基板７１の上に固定された第１の被
測定１８１７２と、第２の被測定物７３との角度変化の
測定方法を示し、２台のレーザー光源７４を使用して、
それぞれの、被測定物に予め設けたレーザー反射面に、
レーザーを照射して反射させ、遠方における光検出器（
図示せず）の位置をＰ、およびＰ、とし、この間隔をｄ
ｏとする。

ここで、第１の被測定物７２とＩＩ２の被測定物７３に
熱ストレスを与えて、例えば図の様にＩＩ２の被測定物
７３が微小回転したとすると、破線の様にＰ＋八へ射光
の位置が変化し、間隔もｄｏとなる。

そして、ｄ、−ｄ、の差から第２の被測定物７３の回転
角、即ち、角度ずれ０゜を求めることができる。

また、第８図の様に１例えばガラス窓８１付きパッケー
ジ８２の中に収納されたプリズム８３等の回転角を計測
しようとする場合、レーザー光をガラス窓８１を透過さ
せて内部のプリズム８３に照射して反射させるが、ガラ
ス窓８１の表面からも反射されるので、２本の反射光が
できる。

これも、第７図の場合と同様、初期値の原点をＰｏおよ
びＰ、とすると、ガラス窓８１付きパッケージ８２．即
ち、１！１の被測定物８４と、プリズム８３である第２
の被測定物８５との、相対的な角度ずれ０゜をＰ、の変
化から求めることができる。

尚、ここで、熱ストレス等を与えて、第７図の第１の被
測定物７２や、ｆｔＩａ図の第１の被測定物８４が、そ
れぞれ、ｊｆＩ２の被測定物と共に回転変位をした場合
、それを補正する必要があることは言うまでもない。

［発明が解決しようとするａｌｌ］ 以上の様に、従来の計測方法は、被測定物の大きさに拘
らず、角度ずれ量を計測する手段として、ｆＩ１１便な
利点を有していた。

しかし、第７図において、被測定物の回転角、即ち、角
度ずれ０゜がＩミリ・ラシ゛１ン程度と微小な場合、被
測定物と光検出器との距ＷＩＬを２ｍ程度と大きくして
も、ｄｏは、せいぜい、２−位しか動かず光検出器での
読取り誤差が大きかった。

また、被測定物を例えば、第９図に示す様に光半導体素
子９１と、光ファイバー９２とを、レンズ９３を介して
光結合する、光通信用半導体モジュール９４において、
熱ストレスに対するレンズ９３と、ホルダー９５．ある
いは光フアイバ一端末９６と、ホルダー９７とに、どの
様な歪みが働くかを見極めたい場合、１ｇ定精度ｌよ少
なくとも、０．５ミ’Ｊ・ラシ゛７ン程度の検出精度が
望まれている。

例えば、レンズ９３の傾きに対する光結合出先カーブの
一例を示すと第１０図の様になり、０．５　ミ９・ラシ
゛１ンで０．５　ｄ［ｌの損失増加があることを示す。

通常、光通信用半導体モジュールでは、環！１１′ｔＡ
度変化等の熱ストレスによる光出力パワーの変動は、Ｏ
，Ｓ　ｄＢ以下に抑える必要があるため、モジュール・
設計、製造において、熱ストレスによる歪解析を行なう
には、０．５ミリ・ラシ゛１ン程度を正確に検知する計
測装置が望まれる。

しかし、上記の従来の方法では、１ミリ・５＞”Ｆ７で
も正確性に欠けるので、０．５ミ９・ラシ゛７ン程度の
微小回転角の検出は困難と考えられる。

また、仮に距！ＩＬを数ｍに延長しても、工場内では場
所的な制約があり実用的でなかった。

それ故に１本発明の課題は、光通信用半導体モジュール
に要求される様なｏ、ｓミ＋ｔ・ラシ゛７ン程度の。

「相対的な傾き角度のずれ」であっても、従来通りの簡
便さで検知できる、微小回転角の光計測装置を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は第１の被測定物と、該被測定物に対して、相対
的な傾き角度が変化する第２の被測定物に、それぞれ、
レーザー光を照射させ、２本の反射光線を発生させる。

２本の反射光線゛の内、第２の被測定物からの反射光の
光軸線上に、３個の屈折率分布形レンズを設け、この内
の２個を、平行ビームの入射光線を再び、平行ビームに
変換して出射させる（ラゲール・ガウス分布）ように配
置し、他の１個を前記２個のレンズからの出射角変位を
、更に拡大するための屈折率分布形レンズとして配置し
ている。

更に、第１の被測定物からの反射光と１ｍ２の被測定物
からの反射光を、それぞれ、受光する光検出器を設け、
この内の一方には、受光信号によって、前記被ｌ測定物
間の微小回転角を算出する算出手段を備えている。

［作用］ 本発明は上記の様に構成されているので、被測定物と光
検出器までの距離が１ｍ程度の狭い空■ａにおいても、
両波測定物間の、相対的な角度ずれが、僅か０．５ミ’
Ｊ・ラシ゛１ン程度であっても精度の高い計測ができる
。

［実施例］ 以下、本発明について図面について説明するｍ１図は本
発明の光計測装置の一実施例を示す構成図、第２図、第
３図２第４図、＠５図、第６図はｊｊＥ１図の被測定物
１１を詳細に説明するための補足説明図である。

ここで、予め被測定物について説明する。第２図に示す
第１の被測定物２１および第２の被測定物２２は、光通
信用半導体モジュールのホルダーとレンズであることを
第３図に示す。

また、ホルダー３１の前面には、透明なガラス窓３３を
、熱膨張率が小さく、且つ、計測後、簡単に剥がせる仮
止め重接着剤３４１例えばセラミック系コーテング剤で
レンズ３２に対し数度の頷き（図では３度）を付けて貼
りつけてあり、この外Ｎ４す第４図に示す。

また、多機に計測する場合には、１′！５図の様にガラ
ス窓５Ｉを、レンズ５４に対して傾きを付けて。

ｍ６図に示す様なリング状のナツト５２に埋め込んだも
のとし、ホルダー５３に、ねじ込み等で隨単にＲ説でき
るようにすれば良い。

尚、レンズとガラス窓とを予め傾ける理由は、反射光を
２本に分離させるためである。

従って、第２図の被測定物は具体的には、第３図または
第５図に示す様な被測定物であり、１１１図の被測定物
１１も、ｍ３図または第５図に示すものであるが、被測
定物の形状に関しては本発明の適用外であるので、いず
れでも良い。

以下、第１図の構成図について説明する。

第１の被ｉｔ！ｌ定物１２のガラス窓１４に、レーザー
光１５を照射すると共に、第２の被測定物Ｉ３にも照射
し、各々の反射面から２本の反射光が反射される。

この２本の反射光の内、第２の被測定物Ｉ３から反射さ
れた反射光１６の光軸線上に、３個の屈折率分布形レン
ズ１７を配置し、この３個の屈折率分布形レンズ１７か
らの出射光、即ち、反射光１６の位置を検出するための
光検出器１８を配置したことを示している。また、光検
出器１８′は第１の被測定物からの反射光の位置を、ｉ
Ｉ！接、検出するものである。

更に、光検出器１８には、自己の位置を計測するための
トランス・ジューサー、Ａ／Ｄコンバーター、ＣＰｔＪ
、表示部等で構成された。角度ずれ量計算器１９を具備
し、光検出器１８の位置ずれ量に対し第２の被測定物１
３の回転角、即ち、角度ずれｆｆ１Ｏｏを算出して表示
する機能を有している６尚、３個の屈折率分布形レンズ
１７の目的は１反射光１６の角度ずれｔ　ｏ　ｏを入射
角とすると、出射角０．を数万倍（Ｏｓ　／　Ｏｏ　）
に拡大しようとするものである。詳細は［光学・第１８
巻　第３号（１９８９，３月）１５４〜１５７へ−り］
に記述されているが、参考のために第１１図にその構成
を示す。

尚、図では図示し易い様に、凸レンズに置き換えている
。

平行な入射光線が、再び平行光線として出射するように
、２Ｍの屈折率分布形レンズＬ、、Ｌ。

を配置すると、ガウス分布を有する入射光は、輝度に明
哨差のある同心円状のラゲール・ガウス分布の光スポッ
トに変換される。

また、角度ずれ０゜と位置ずれｄｏに対しＬ２からの出
射角０１、さらにり、への入射端面での変位ｄ２および
倍率ＭＩ等は、下記の様に示される。

１？　ｔ　＝　ＣＸ　ｄ　ｏ　、　　　　ｄ　ｔ　＝　
Ｏｘ　Ｘ　Ｚ　１Ｍ　＋　＝　ｄ　ｘ　／　ｄ　ｏ　＝
　ＣＸ　Ｚ　ｘ尚、Ｃは、屈折率分布形レンズの光線マ
トリックス（Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ）の要素Ｃである。

また、３１１Ｍの屈折率分布形レンズＬ　１　ＨＬ　２
ｇＬ、の光学定数を同一とすると、Ｌ、からの倍率Ｍ、
および総合倍率Ｍ、は概ね下記の様になる。

Ｍ　ｚ　＝　ｄ　ｓ　／　ｄ　ｘ　＝　ＣＸ　Ｚ　ｓＭ
Ｌ　＝ｄｓ　／ｄｏ　＝ＭＩＸＭｘ しかし、第３番目のレンズＬ３から出射される光スポツ
ト径も１通常、Ｍ！倍に拡大されるので。

その中心が曖昧になるが、ラゲール・ガウス分布である
ために、周囲の輪郭部を捨て、中心のスポット径だけに
着目すれば良い。

即ち、Ｍｘ倍より小さなスポット径で計測できるので、
スポットの中心点が求め易くなる利点がある。

尚、ここで、被測定物から光検出器までの距離を約１ｍ
として、総合倍率（Ｍｔ）を万倍を得ようとすると Ｍｔ＝　１０，０００＝　ｄ　３　／　ｄ　。

となり、焦点距離ｆ、＝ｆ、＝ｆ３″＝８ｍのレンズ３
個を図の様に配置すれば可能である。

尚、この総合倍率Ｍｔは光路長Ｚ２．Ｚユを変えること
により、任意に設定できるが、ｄ２が１．５ｍ以上にな
ると、屈折率分布形レンズの収差の影響で、ｄユが直線
的に動かなくなる。１万倍以上に拡大するには、Ｚ３を
大きくとるのが良い次に１本測定系の用途の一つである
。熱ストレスに対する歪みを計測する手段について第１
図および１２図を参照して説明する。

ｆｒ１１図の被測定物１１は、第２図に示す様なペルチ
ュ素子からなるヒーター２４に搭載され、該ヒーター２
４は、Ｘ−Ｙ、Ｘθ−Ｙθの調整が可能な微調整台２５
にｆ［されている。

まず、常温にて被測定物１１にレーザー光を照射し、反
射された２本の反射光の位置Ｐ０おまひびＰｔを初期値
の原点として、角度ずれ量計πｇ１１９に記憶させる。

次に、ヒーター１００を所定の温度に加熱させる。しか
し、この加熱によって、ヒーター１００や微調台１０１
が熱膨張等で歪み、反射光のＰｏおよびＰ＋の位置を大
きく変動させるが、ｉ！＆度が一定となり、反射光の変
動も一定となった時点で、１０点が加ｐ！、前の１０点
と同じくなる様に、微調台１０１を操作して原点に復帰
させる。

１０点が原点に復帰したにも拘らず、Ｐｔ点が原点に復
帰せず２８点にあり、しかも、その距離がＰ　ＩＰ　ｏ
≠Ｐ＋　　Ｐｏである場合、その差が第１の被測定物１
２に対して、第２の被測定物１３が回転して、角度ずれ
を起こしたものと判定し、そのずれｊｌＯｏは、角度ず
れ漱計算器１９により計算され、被測定物の良否が判定
される。

尚、Ｐｏの原点復帰精度のバラツキは１反射光のビーム
径が第１１図に示す様に、１ｍ位であり。

光検出器１８’の検出能力は０．１　ｍ程度まで可能な
ので、これを無視する。

［発明の効果］ 以上の様に本発明の特徴は、２本の反射光の内、一方の
反射光の光軸線上に、入射角を拡大変位して出射させる
３１１１の屈折率分布型レンズを配置して、この拡大変
位された反射光と、他方の反射光との間隔ずれ量を計測
することによって、第１の被測定物と第２の被測定物間
における、相互の傾き角度の変位を検出することにあり
、特にその測定分解「Ｌ角度変位０．５ミ９・ラシ゛７
ンン程度でも１ｍ四方の狭い空間で計測可能とすること
にある。　例えば、ｆ＃８Ｉｆｆｌの屈折率分布形レン
ズであれば一１ｍの距離で１万倍に拡大可能であるから
、被測定物からの角度ずれ、即ち、入射角の変位が０．
５ミリ・ラシ゛１ンであっても５−に拡大され、１゜０
ミリ・ラシ゛７ンでは１０ａ＊となる。

また、ラゲール・ガウス分布の中心のスポラ１〜径は、
第１１図に示す様に２０−以下であるから、このｌＯ−
の変位は肉眼でも容易に識別できるし、精密な位置トラ
ンス・ジューサーを具備することにより、５ｍ程度の変
位は難なく測定できる。

更に、光検出器の測定精度の向上、即ち１反射光のスポ
ット中心を正確に読取れる光検出器とすれば、１ｍ以下
の変位も検出可能と思われる。

例えば、ｍ１２図に示す様なＰＤアレーを製作して用い
れば、位置トランス・ジューサー無しでも計算できる様
になる。

従って、本発明は光通信用半導体モジュールに要求され
る様な、伍かｏ、ｓミリ・ラシ゛７ン程度の角度変位で
あっても検出できるので、本計測装置をｗ４造ラインに
設置することにより、完成品を組み立てる以前に検査が
可能である。

これは、従来、ｉ！ｌ定手定厚段かったために、完成品
によって温度特性を検査していたが、不良になった場合
１分解して再利用することが困難であったので、廃棄す
るのが普通であった。

しかし、半導体光素子は高価なものが多く、その損失金
額を無視できなかった。

また、本発明の実施例の他、第１３図および第１４図に
示すような測定系を設置できる、スペースに余裕がある
場合は、２台のレーザーを使用した計測の変形例が考え
られる。

ｍ１３図においては、ガラス窓１３０を、予め傾ける必
要が無く、また、第１４図においては、第１の被測定物
の端面に、直接１反射させるためガラス窓自身の歪みに
ついての心配が不要となり、より高待度な測定が可能と
なる。

尚、引用文献での目的は、Ｌ、の屈折率分布形レンズを
変位させて変位計として使用するものであり１本発明の
入射角変位Ｄ０を求めるための目的とは異なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図および
第３図、第４図、第５図、第６図は被測定物の形状例を
補足説明するための構造図、第７図および第８図は、従
来の測定方法のｆＩｌ！ｌｊ、図。 第９図は被測定物の一例で、光通信用半導体モジュール
を説明するための構造図、第１Ｏ図はこの光通信用半導
体モジュールの、レンズ傾き角に対する光結合効率の損
失カーブ、第１１図は３個の月掛率分布形レンズの拡大
原理を示す構成図２ｍ１２図はＰＤアレー形の光検出器
、第１３図および第１４図は本発明の、他の実施例を示
す構成図である。 １１　　被測定物　　１２　　第１の被測定物１３　　
第２の被測定物　　　１４　　ガラス窓１５　　レーザ
ー光源　　　　１６　　反射光１７３１１１ｇの屈折率
分布形レンズ １８　　第２の被測定物用、反射光検出器１８′第工の
被測定物用、反射光検出器１９　　角度ずれ量計算器 １００ヒーター　　　　　　１０１微調合２１　　第１
の被測定物　　　２２　　ｖａ２の被測定物２３　　ガ
ラス窓　　２４　　ヒーター　　２５　　微調台２６　
　レーザー九ｍ　　　２７　　屈折率分布形レンズ３１
　　ホルダー　　３２　　レンズ　　３３　　ガラス窓
３４　　仮止め用接着剤　　　５１　　ガラス窓５２　
　リング状ナツト　　　５３　　ホルダー５４　　レン
ズ　　　　　　　７１　　基板７２　　第１の被測定物
　　　７３　　第２のＭ測定物８２　　パッケージ　　
　　　８３　　プリズム８４　　第１の被測定物　　　
８５　　第２の被測定物８６　　レーザー光源　　　　
９Ｉ　　光半導体素子９２　　光ファイバー　　　　９
３　　レンズ９４　　光通信用半導体モジュール ９５　　ホルダー　　　　９６　　光フアイバ一端末１
３０　　ガラス窓　　１３１　　第１の被測定物１３２
　　第２の被測定物　　１３３　　レーザー光源１３４
　　屈折率分布形レンズ １４１　　第１の被測定物 １４２　　第２の被測定物　　１４３　　レーザー光源
１４４　　屈折率分布形レンズ 〉３゜ ノｊ 第９図 レンス゛角度ずれ星（ｍｒαｄ） 第１２図 （Ｐ　Ｄアレー光検出器）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の被測定物と、該第１の被測定物に対して、
   相対的な傾き角度が変化する、第２の被測定物とに、レ
   ーザー光を照射し、前記第１および第２の被測定物から
   の反射光から、第１の被測定物と、第２の被測定物との
   、相対的な傾き角度の変化を検知することのできる、微
   小回転角の光計測装置において、前記第１および第２の
   被測定物からの２本の反射光の内、一方の反射光の光軸
   線上に配置された、複数の屈折率分布形レンズと、該複
   数の屈折率分布形レンズからの出射光の位置を計測する
   光検出器と、他方の反射光の位置を、直接、計測する光
   検出器および前記２本の反射光の位置の変化を計測する
   計測手段とを有することを特徴とする微小回転角の光計
   測装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記複数の屈折
   率分布形レンズは、３個の屈折率分布形レンズより構成
   され、３個のレンズの内、２個を平行ビームの入射光を
   、再び平行ビームとして出射させる屈折率分布形レンズ
   とし、他の１個を前記２個のレンズからの出射角の変位
   を、更に拡大させるための屈折率分布形レンズとしたこ
   とを特徴とする微小回転角の光計測装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記計測手段は、前記第１の被測定物からの反射光と、第
   ２の被測定物からの反射光を、それぞれ、受光する光検
   出器を備え、該光検出器の信号から、前記被測定物間の
   微小回転角を算出する、算出手段を有することを特徴と
   する微小回転角の光計測装置。