JPH0610327Y2

JPH0610327Y2 - レ−ザ光のフアイバ入力装置

Info

Publication number: JPH0610327Y2
Application number: JP14970186U
Authority: JP
Inventors: 秀一村山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2001-09-30
Also published as: JPS6357608U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案はレーザ光のファイバ入力装置に関し、更に詳し
くは光ファイバにレーザ光を簡単に導光できるようにし
たレーザ光のファイバ入力装置に関する。

（従来の技術）第１２図はレーザ光のファイバ入力装置の従来構成例を
示す図である。半導体レーザ１から出射したレーザビー
ムはコリメータレンズ２に入って平行光に変換された
後、光ファイバ３に入る。光ファイバ３を伝送された光
ビームは、パワーメータ４に入り、光パワー量が測定さ
れる。このように構成された装置において、半導体レー
ザ１の出力を光ファイバ３に効率よく伝送するために、
半導体レーザ１を図のＸ，Ｙ，Ｚ方向に動かして、パワ
ーメータ４の読みが最大になるように調整していた。

（考案が解決しようとする問題点）ファイバ３のコア径は数１０μｍ以下と小さく、特にシ
ングルモードのファイバでは１０μｍ以下になることも
ある。そして、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の徴調は殆ど手探りで行
っているので、光ファイバのコア径が小さいことも相俟
って、光ファイバ３にレーザ光を入射するまでに数時間
以上を要することもあった。

本考案はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的は、光ファイバにレーザ光を簡単に導光できる
ようにしたレーザ光のファイバ入力装置を実現すること
にある。

（問題点を解決するための手段）前記した問題点を解決する本考案は、光ファイバにレー
ザ光を入射させるレーザ光のファイバ入力装置におい
て、ハーフミラーにより２分した光の一方を光ファイバ
に、他方を光学系に導くと共に、光学系の通過光を４分
割フォトダイオードで受け、これら４分割フォトダイオ
ード出力を差動アンプで演算処理して光ビーム位置信号
を出力するように構成したことを特徴とするものであ
る。

（作用）非点収差光学系を通過した光ビームを４分割フォトダイ
オードで受け、各フォトダイオードの出力を演算処理し
て光ビーム位置信号をつくる。

（実施例）以下、図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本考案の一実施例を示す構成図である。

第１２図と同一のものは、同一の符号を付して示す。図
において、１１はレーザ光を透過光と反射光とに２分す
るハーフミラー、１２はハーフミラー１１の透過光を集
光するコリメータレンズ、１３は該コリメータレンズ１
２の背部に形成された接続部である。光ファイバ３はそ
の端部（入射面）が、丁度コリメータレンズ１２の焦点
位置になるようにセットされる。１４は光ファイバ３を
伝送されてくるレーザ光を受けて種々の処理を行う光学
装置本体である。光学装置本体１４としては、例えば光
スペクトラムアナライザが用いられる。

１５はハーフミラー１１の反射光を受ける球レンズ、１
６は球レンズ１５の通過光を受けるシリンドリカルレン
ズで、これら球レンズ１５及びシリンドリカルレンズ１
６とで非点収差光学系を構成する。１７はシリンドリカ
ルレンズ１６の通過光を受けて受光量に応じた電気信号
を発生する４分割フォドダイオードである。該４分割フ
ォドダイオード１７は、図に示すように互いに隣接して
配されたＤ_１〜Ｄ_４なる分割素子より構成されている。

１８は分割素子Ｄ_１とＤ_４の出力を受ける差動アンプ、
１９は全ての分割素子Ｄ_１〜Ｄ_４の出力を受ける差動ア
ンプ、２０は分割素子Ｄ_１とＤ_３の出力を受ける差動ア
ンプである。差動アンプ１８からは光ビーム位置に関す
るＹ信号が取出され、差動アンプ１９からは光ビーム位
置に関するＺ信号（ビームの平行度を示す信号）が取出
され、差動アンプ２０からは光ビーム位置に関するＸ信
号が取出される。このように構成された装置の動作を説
明すれば、以下の通りである。

半導体レーザ１から出射したレーザ光は、コリメータレ
ンズ２により平行光に変換された後ハーフミラー１１に
入る。ハーフミラー１１に入射した光のうち、透過光は
コリメータレンズ１２を介して光ファイバ３に入り、反
射光は球レンズ１５→シリンドリカルレンズ１６を経て
４分割フォトダイオード１７に入る。ここで、光ファイ
バ３の入射端は、コリメータレンズ１２の光軸上で焦点
位置に配置されている。従って、コリメータレンズ２か
ら出射された光が平行ビームであり、且つコリメータレ
ンズ１２の光軸上に来たとき、光ファイバ３に光が入る
ようになっている。

次に、４分割フォトダイオードを用いて光ビームのｘ，
ｙ各方向の位置が検出できる理由について説明する。第
２図は光ビームのｘ，ｙ各方向の位置検出の説明図であ
る。図の斜線領域は光ビームスポットである。若し、ｘ
方向の位置が合っておれば、分割素子Ｄ_１とＤ_３に光ビ
ームが等量に照射される筈である。従って、この場合は
各分割素子の出力として識別符号をそのまま用いるもの
として、Ｄ_１−Ｄ_２＝０となる。次にスポット位置が正
方向にずれるとＤ_１の出力がＤ_３の出力よりも増え、Ｄ
_１−Ｄ_３＞０となる。逆にスポット位置が負方向にずれ
るとＤ_１の出力がＤ_３の出力よりも減り、Ｄ_１−Ｄ_３＜
０となる。このようにして、差動アンプ２０の出力（Ｘ
信号）は、第３図（イ）に示すような出力特性を有す
る。以上ｘ方向の場合の位置検出について説明したが、
ｙ方向の位置検出についても全く同様であり、Ｙ信号は
位置が合っている場合には０となり、正方向にずれてい
る場合には正に、負方向にずれている場合には負になっ
て、その出力特性は第３図（ロ）に示すようなものとな
る。

次に非点収差光学系と４分割フォトダイオードとを用い
て光ビームのＺ方向の位置が検出できる理由について説
明する。第４図は光ビームのＺ方向の位置検出の説明図
である。光ビームＢｉはシリンドリカルレンズ１６によ
って図のｘ方向とｙ方向の焦点位置を異ならしめられ
る。即ち、非点収差を発生させられる。この結果、Ａ点
にｙ軸方向の焦点を結び、それより手前のＢ点にｘ軸方
向の焦点を結ぶ。４分割フォトダイオード１７はＡ点と
Ｂ点の間に配置される。Ｂ点から４分割フォトダイオー
ド１７までの光ビームは、図に示すように縦長の楕円に
なり、４分割フォトダイオード１７からＡ点までの光ビ
ームは図に示すように横長の楕円になり、４分割フォト
ダイオード１７上では合焦状態で真円になる。

従って、半導体レーザ１とコリメータレンズ２までの距
離（ｚ方向）が遠近すると、４分割フォトダイオード１
７上のスポットの形状は第５図に示すように変化する。
ここで、４分割素子上の斜線がスポットを示す。そこ
で、第６図に示すように、分割素子Ｄ_１とＤ_４の出力を
差動アンプ１７の正入力に、分割素子Ｄ_２とＤ_３の出力
を差動アンプ１７の負入力に、それぞれ接続すると、Ｚ
方向の光ビームの位置状態に応じて差動アンプ１９の出
力は、それぞれ以下のように変化する。

半導体レーザが合焦位置より遠い場合、この場合はＤ_１とＤ_３の出力が増えるので差動アンプ１
９の出力はＤ_２＋Ｄ_４−（Ｄ_１＋Ｄ_３）＜０となる。

半導体レーザが合焦位置にある場合、この場合はＤ_１〜Ｄ_４の出力が共に等しい。従って差動
アンプ１９の出力はＤ_２＋Ｄ_４−（Ｄ_１＋Ｄ_３）＝０となる。

半導体レーザが合焦位置より近くにある場合、この場合はの場合と逆にＤ_２とＤ_４の出力が増えるの
で差動アンプ１９の出力はＤ_２＋Ｄ_４−（Ｄ_１＋Ｄ_３）＞０となる。

以上詳細に説明したように、本考案によれば光ビームの
ｘ，ｙ，ｚ各方向の位置信号Ｘ，Ｙ，Ｚを取出すことが
できるので、光ファイバ３に速やかにレーザ光を導光す
ることができる。

第７図は本考案の他の実施例を示す構成図で、非点収差
光学系を用いないで回折格子を用いてｚ方向の光ビーム
位置信号Ｚを得るようにしたものである。第１図と同一
のものは同一の符号を付して示す。第１のハーフミラー
１１の反射光を更に第２のハーフミラー３１で受けて、
反射成分を４分割フォトダイオード１７に入射する。そ
して、ｘ，ｙ，各方向の光ビーム位置検出信号の検出動
作については、第１図と同様であるので説明は省略す
る。

一方、第２のハーフミラー３１を透過した光は、２つの
回折格子３２，３３に入射し、これら回折格子を通過し
た光は、光検出器３４によって光電変換された後、アン
プ３５に入って増幅され、光ビームの平行度を示すＺ信
号として出力される。ここで、２つの回折格子３２，３
３と光検出器３４とで光ビームの平行度が検出できる理
由について説明する。

第８図は光ビームが回折格子３２，３３よりなる２重格
子を通過する状態を示す図である。（イ）はビームが発
散光の時を、（ロ）はビームが平行光の時を、（ハ）は
ビームが集束光の時をそれぞれ示している。回折格子３
２，３３の格子を明部と明部，暗部と暗部が対応するよ
うに設けておくと、（イ）に示す発散光の時と（ハ）に
示す集束光の時には図の斜線で示す光は、図に示す２重
格子を通過しえない。従って、その分だけ２重格子を通
過した光ビームの光量は減少する。これに対して光ビー
ムが平行な場合には（ハ）に示すように２重格子に入射
した光ビームはそのまま２重格子を通り抜ける。そこ
で、第７図に示すように２重格子の後方に光検出器３４
を配置すれば、該光検出器３４の出力（Ｚ信号）は図に
示すように光ビームが平行の時に最大となる。従って、
アンプ３５の出力を光ビームの平行度を示す信号として
用いることができる。

第９図は本考案の他の実施例を示す構成ブロック図であ
る。図に示す実施例は半導体レーザ１の出力レベルに応
じてコンパレートレベルを変える可変レベルコンパレー
タを設け、光ビーム位置を２値（Ｈ又はＬレベル）で行
うようにしたものである。第１図，第７図に示す実施例
と同一のものは同一の符号を付して示す。

半導体レーザ１から出射された光ビームは第１のコリメ
ータレンズ２で平行光に変換された後、第１のハーフミ
ラー１１に入射して２分される。２分された光ビームの
うちの透過光は第２のコリメータレンズ１２を介して光
ファイバ３に入る。

他方（反射光）は更に第２のハーフミラー３１に入射し
て２分される。２分された光ビームのうちの反射光は球
レンズ１５，シリンドリカルレンズ１６を介して４分割
フォトダイオード１７に照射される。

４分割フォトダイオード１７の各分割素子Ｄ_１〜Ｄ_４の
出力は第１図の実施例の場合と同様、差動アンプ１８〜
２０に入り、これら差動アンプ１８〜２０はｘ，ｙ，ｚ
各方向の光ビーム位置信号Ｘ，Ｙ，Ｚ各信号はそれぞれ
コンパレータ４１，４２，４３に入り、所定のコンパレ
ータレベルと比較され、Ｈ又はＬの（図ではＨ）２値デ
ータに変換されて出力される。ここで、各コンパレータ
４１〜４３の出力レベルは３モードあり、コンパレータ
４１の場合を例にとると、Ｘ＞０でＨＸ＝０でＨＸ＜０でＨの出力がある。他のコンパレータ４２，４３の場合につ
いても全く同様である。

このような装置において、半導体レーザ１の出力が大き
くなった場合には各差動アンプ１８〜２０の出力は増加
し、半導体レーザ１の出力が小さくなると差動アンプ１
８〜２０の出力もそれに応じて小さくなる。半導体レー
ザ１の出力の大小の如何に拘らずコンパレートレベルを
一定に固定しておくことは実情にそぐわない。そこで、
図に示すように第２のハーフミラー３１の透過光を半導
体レーザ１のパワーモニタ用フォトダイオード４４で光
電変換した後、アンプ４５で増幅してコンパレータ４１
〜４３にコンパレートレベルとして与える。このように
コンパレートレベルを半導体レーザ１の出力に応じて変
えてやれば、常に正確な光ビーム位置に関する２値信号
が得られることになる。

第１０図は、Ｘ信号とコンパレートレベルの関係を示す
図で、他のＹ信号，Ｚ信号についても同様のことがいえ
る。図の横軸はｘ方向移動量，縦軸は半導体レーザ１の
出力である。ｆ_１は半導体レーザの出力が大きい場合
の、ｆ_２は半導体レーザの出力が小さい場合の、それぞ
れ特性を示し、Ｌ_１，Ｌ_１′はｆ_１に対応したコンパレ
ートレベルを、_１，_１′はｆ_２に対応したコンパレ
ートレベルをそれぞれ示している。半導体レーザの出力
がｆ_１で、コンパレートレベルがＬ_１の状態で、半導体
レーザの出力がｆ_２になったものとする。ｆ_２になった
にも拘らずコンパレートレベルのみＬ_１に固定しておけ
ば位置データＸが変化し、実情にそぐわないことは明ら
かである。そこで、半導体レーザの出力がｆ_１からｆ_２
に変わったら、コンパレートレベルもそれに応じて
Ｌ_１，Ｌ_１′から_１，_１′に変えてやる必要があ
る。

第１１図は本考案の他の実施例を示す構成図である。図
に示す実施例は、第１図に示す実施例で得られたｘ，
ｙ，ｚ各方向の光ビーム位置信号Ｘ，Ｙ，Ｚを用いて半
導体レーザの自動最適位置決めを行うようにしたもので
ある。

図に示す実施例は半導体レーザ１をｘ，ｙ，ｚ各方向に
移動可能なステージ５０に取付け、ｘ，ｙ，ｚ各方向毎
に設けたモータ付マイクロメータ５１，５２，５３でス
テージ５０を移動させる。

モータ付マイクロメータ５１〜５３は、それぞれ差動ア
ンプの出力を受けるモータコントロール回路５４，５
５，５６で駆動される。その他の構成及び動作は第１図
と同じであるので説明は省略する。

図に示す構成で、最終的にＸ，Ｙ，Ｚ各信号が０になれ
ば光ビームは平行になり、光ファイバ３に自動的に導光
される。

第１３図，第１４図はｘ，ｙ各方向の位置信号Ｘ，Ｙを
検出する他の回路例を示す図である。第１３図に示す回
路は４分割フォトダイオードを図に示すように受光面に
４５°傾けて配置し、Ｘ，Ｙ各信号に４分割素子Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄの全ての信号が含まれるようにしたものであ
る。各分割素子の出力としてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそのまま
用いるものとしてＸ，Ｙはそれぞれ次式で与えられる。

Ｘ＝Ｋ｛（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ）Ｙ＝Ｋ｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋
Ｄ）上式より明らかなように、４分割素子Ａ〜Ｄの全ての信
号が含まれる結果、ノイズの影響がなく又信頼性の高い
位置信号を得ることができる。

第１４図に示す回路は、４分割フォトダイオードの代わ
りに２次元半導体位置検出器を用いたものである。図の
６０が２次元半導体位置検出器である。図に示す４つの
端子部からビームスポットの位置に応じた信号Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄが出力されるので、これら信号を図に示す回路で
演算処理して、位置信号Ｘ，Ｙを得る。Ｘ，Ｙは次式で
与えられる。

Ｘ＝Ｋ（Ａ−Ｃ）／（Ａ＋Ｃ）Ｙ＝Ｋ（Ｂ−Ｄ）／（Ｂ＋Ｄ）上記４式中の分母は信号を正規化するもので、これによ
り受光素子の出力のレベルの如何に拘わらず同一レベル
の信号を得ることができる。

（考案の効果）以上詳細に説明したように、本考案によれば、非点収差
光学系を通過した光ビームを４分割フォトダイオードで
受けて、各分割素子出力を演算処理して光ビームのｘ，
ｙ，ｚ各方向の位置信号を得ることができる。従って、
これら信号を基にして光ファイバにレーザ光を簡単に導
光できるレーザ光のファイバ入力装置を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す構成図、第２図は光ビ
ームのｘ，ｙ各方向の位置検出の説明図、第３図は差動
アンプの出力特性を示す図、第４図は光ビームのｚ方向
の位置検出の説明図、第５図は４分割フォトダイオード
上のビームスポット形状を示す図、第６図はｚ方向位置
信号の検出回路を示す図、第７図は本考案の他の実施例
を示す構成図、第８図は２重格子への光ビームの入射状
態を示す図、第９図は本考案の他の実施例を示す構成
図、第１０図はコンパレータレベル設定の説明図、第１
１図は本考案の他の実施例を示す構成図、第１２図は従
来装置の構成例を示す図、第１３図，第１４図はｘ，ｙ
各方向の位置信号検出回路の他の回路例を示す図であ
る。１……半導体レーザ２，１２……コリメータレンズ３……光ファイバ、４……パワーメータ１１，３１……ハーフミラー１３……接続図、１４……光学装置本体１５……球レンズ１６……シリンドリカルレンズ１７……４分割フォトダイオード１８〜２０……差動アンプ３２，３３……回折格子、３４……光検出器３５，４５……アンプ４４……フォトダイオード４１〜４３……コンパレータ５０……ステージ５１〜５３……モータ付マイクロメータ５１〜５３……モータ付マイクロメータ６０……２次元半導体位置検出器

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】光ファイバにレーザ光を入射させるレーザ
光のファイバ入力装置において、ハーフミラーにより２
分した光の一方を光ファイバに、他方を光学系に導くと
共に、光学系の通過光を４分割フォトダイオードで受
け、これら４分割フォトダイオード出力を差動アンプで
演算処理して光ビーム位置信号を出力するように構成し
たことを特徴とするレーザ光のファイバ入力装置。
【請求項２】前記光学系として、球レンズとシリンドリ
カルレンズよりなる非点収差光学系を用いたことを特徴
とする実用新案登録請求の範囲第１項記載のレーザ光の
ファイバ入力装置。
【請求項３】前記光学系として、２つの格子と光検出器
を用いたことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１
項記載のレーザ光のファイバ入力装置。
【請求項４】前記差動アンプの後に、レーザ光の強さに
よりコンパレータレベルを変える可変レベルコンパレー
タを設け、光ビーム位置を２値で表示するようにしたこ
とを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記載のレ
ーザ光のファイバ入力装置。