JPS5939683B2 - 光学式変位検出方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は微小変位を高精度に検出し得る光学式変位検出
方式に関する。

近時、各種システムの大規模化や多様化による情報量の
増大、またこれに伴う誘導やアース点の複雑化、更には
特殊環境における計測の必要性等に対応すべく、光を用
いた光応用計測システムが有望視されている。

そして、この種の光応用システムの１つとして、プロセ
ス量を計測する為の光応用センサが各種提唱されている
。しかして一般的に光応用センサは、変位によつて生じ
る透過光量の変化や反射光量の変化を検出するべく構成
される。

ところが、この種のものは、光量の絶対量から変位変化
を捕えるものである為、トランスジューサ部以外、つま
り光伝送路上での外乱等による光量変化が多分に含まれ
、この結果検出精度や安定性の点で問題が生じた。そこ
で従来では、このような問題を補うべく、何らかの手段
にて基準となる光信号を得、光源や光伝送路等で加わつ
た特性変化を相殺すべく試みがなされている。例えばト
ランスジューサ部と平行して基準光を得る為のバスを設
けたり、上記トランスジューサ部の影響を受けない別波
長の光を併用してこれを基準光とする等のことが行われ
ている。然し乍ら、前者方式では検出光と基準光とが全
く別のバスを通る為に、トランスジューサ部における外
乱の影響を除去することができないと云う欠点がある。
また後者方式では、波長の異なる光を導入する為、波長
差による特性差が生じる。従つて、真の基準光として採
用するには高精度な計測を行う上で問題となつた。しか
も、複数の波長光を用いる場合、光源や分波器、合波器
等の光回路部品を多く必要とし、計測システムの複雑化
やシステム価格の高騰化を招く不具合が生じた。本発明
はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、１波長の光を有効に用い、且つ光のバ
スを同じくした上で高精度で安定な微小変位検出を行い
得る簡易で実用性の高い光学式変位検出方式を提供する
ことにある。

本発明は、変位方向に２分された領域の一方を所定の光
透過率を有する透過領域とし、他方を光ビームを回折す
る回折格子領域とした変位体をトランスジユーサとして
用い、この変位体を光ビームの光路中に介在させ、上記
透過領域を透過した光と回折格子領域を透過したＯ次回
折光との和が変位体の変位に拘らず一定となるように条
件設定してこれを基準光信号とし、このときの前記回折
格子領域を透過した１次以上の高次回折光を検出光信号
とすることで、１波長を同一のパスを通した高精度で安
定な変位検出を可能とし、これによつで上述した目的を
効果的に達成している。以下、図面を参照して本発明の
実施例につき説明する。第１図は実施例方式の原理的な
概略構成を示す図である。

図中１は変位検出対象に取付けられて矢印Ｘ方向に位置
変位するトランスジユーサとしての変位体である。この
変位体１は、変位方向（矢印Ｘ方向）に領域を２分し、
その一方を所定の一様な光透過率を有する透過領域１ａ
とし、他方を光ビームを回折する回折格子領域１ｂとし
ている。この回折格子領域１ａは、光を透過する透過部
と光を遮光する遮光部とを例えばストライプ状に５〜２
０μｍピツチで配列して構成されるものである。しかし
て、この回折格子領域１ｂに照射された光（単一波長光
）は、その波長と上記格子ピツチとに関連して回折を生
じて透過する。このようなトランスジユーサ部に対して
、計測に供される単一波長の光路は、この光路中に前記
変位体１が介在される如く設定される。即ち、レーザ発
振器等からなる単一波長光源２から発せられた例えば波
長０．８μｍ程度の光ビームは、コリメータレンズ３を
介してコヒーレンス性の良い１φ程度の光ビーム４とし
て変位体１に照射される。この際、光ビームは上記した
透過領域１ａと回折格子領域１ｂとにまたがつて照射さ
れる如く位置設定される。しかして、変位体１裏面側の
上記光ビームに対向する位置には、上記変位体１を透過
した光をフーリエ変換して空間的に分離すべくレンズ５
が設けられている。そして、このレンズ５のフーリエ変
換面上の前記変位体１によるＯ次回折光位置には受光器
６が設けられ、また変位体１による１次以上の高伏回折
光位置、例えば１次回折光位置には受光器７が設けられ
ている。受光器６は、回折格子領域１ｂを透過したＯ次
回折光および透過領域１ａを透過して所定の減衰を受け
、直進する光を受光するものであり、また受光器７は前
記したように回折格子領域１ｂを透過した１次回折光を
受光するものである。そして、これらの受光器６，７で
受光された光は、光電変換され、基準光信号および検出
光信号としてそれぞれ検出されるようになつている。今
、第２図に模式的に示すように光ビームのビーム面積を
Ａ。

とし、この光ビームが変位体１上の透過領域１ａを透過
する面積をＡ１、回折格子領域１ｂの透光部を透過する
面積をＡ２、そして遮光部によつて遮ぎられる面積をＡ
３とする。また光ビーム４の単位面積当りの強度を単位
量とし、透過領域１ａ１回折格子領域１ｂにおける透光
部および遮光部の光透過率をそれぞれＴｌ，ｔ２，ｔ３
（０〜】）とする。このとき、受光器６に導かれる光は
、透過領域１ａを透過した光成分Ａ１・ｔ１と、回折格
子領域１ｂを透過したＯ次回折光成分Ａ２・Ｔ２となり
、その受光量Ｒ１はとなる。

一方、受光器７に導かれる１次回折光の成分は、一次回
折効率をηとし、且つ前記遮光部の光透過率Ｔ３が零で
完全遮光されるものとすると、その受光量Ｒ２はとして
示される。

そこで今、前記光ビーム４の面積Ａ。

，Ａｌ，Ａ２，Ａ３との間に▲晶υ 轟晶１
−●≦ ●●０なる関係が成立することから、前記
第（１）式で示される受光器６の受光量Ｒ１はと表わす
ことができ、従つて、上記回折格子領域１ｂにおける透
光部と遮光部との面積割合をなる条件に設定しておけば
、上記受光器６の受光量Ｒ１を、変位体１の変位に拘ら
ず常に一定とすることが可能となる。

特に回折格子領域１ｂの透過部の光透過率が１００％で
ある場合にはなる条件とすれば、受光器６の受光量Ｒ１
を簡易に一定化することができる。

即ち、第（５）式によつて示される比は、回折格子領域
１ｂの格子構成によつて一義的に決定されるもので、ま
た格子ピツチは光ビームの寸法に比して十分に細かいこ
とから、光ビームが照射される面積の変化に拘らず、一
定に保たれる。

またビーム寸法に比して格子ピツチが粗い場合には、変
位体１の位置変位による面積Ａ２，Ａ３の変化割合が等
しくなるように工夫しておけば、上記した比を一定に保
つζとができる。つまり、上記第（５）式に示す条件を
満たして受光器６によつて、透過領域１ａを介した光成
分と回折格子領域１ｂを介した０次回折光成分との和を
求めるようにしておけば、変位体１の矢印Ｘ方向の位置
変位に拘らず、常にコンスタントな光を受光することが
可能となる。従つてこの光を基準信号として用いること
が可能となる。一方、この基準光信号に比して前記第（
２）式に示した一次回折光成分は、変位体１の位置変位
に直接関連して光量変化する。即ち、変位体１が矢印Ａ
方向に位置変位することによつて、回折格子領域１ｂに
照射する光ビームの面積（Ａ２＋Ａ３）が直接的に変化
し、従つて受光量Ｒ２に直接影響を及ぼす変数Ａ２が変
化し、変位体１に変位に応じて一次回折光の光量（受光
量Ｒ２）が変化することになる。かくして今、前記受光
器６で得られた光検出信号を基準光信号として計測に供
する光ビームを安定化し、この安定化条件で受光器７で
得られた光検出信号を変位検出信号とすれば、前記変位
体１の変位を極めて安定に且つ高精度に検出することが
可能となる。

しかもこの場合、１波長光のみを用い、その上変位体１
からなるトランスジユーサ部と云う同一のパスを通して
光伝送する為、伝送路に入り込む外乱を簡易に且つ効果
的に相殺して安定した変位検出を行うことが可能となる
。従つて従来問題となつた基準光と検出光とのパスの異
なりや波長の異なりに起因する特性変化の影響を受ける
ことがない。しかも、１波長で１つのパス（伝送路）を
形成すればよいので、光回路の構成の簡略化を図り得、
システムコストの上昇を招くことがない等の格別なる効
果も奏する。第３図は以上説明した本発明に係る変位検
出方式を適用して実現される計測装置の一構成例を示す
ものである。

図中１１は、先の第１図および第２図で示した変位体１
と同様構成の変位体板であり、例えばガラス板上にマス
クを介して遮光部材や光透過量を減少させる物質を形成
して構成される。しかして、この変位体板１１には、半
導体レーザダイオードＬＤにより発せられた単一波長光
が光フアイバ１３を介し、その射出口部にてセルフオツ
クマイクロレンズ１４｝Ｃてコリメートされて照射され
る。そして、変位体板１１を介した光は、光をフーリエ
変換して空間的に分離するセルフオツクマイクロレンズ
１５に入射される。このマイクロレンズ１５のＯ次回折
光位置および１次回折光位置には光フアイバ１６，１７
がそれぞれ設けられ、同光フアイバ１６，１７を介して
上記変位体板１１を介した光がそれぞれ導かれて受光用
光ダイオード１８，１９により受光されている。光ダイ
オード１８により受光されるＯ次回折光と透過領域１ａ
を介した光は、光電変換されたのちヘツドアンプ２１に
て増幅されてコンパレータ２２に帰還される。このコン
パレータ２２にて、上記ヘツドアンプ２１を介して得ら
れた基準光信号は、基準電源２３によつて与えられる基
準レベルと比較され、その比較結果に応じて前記ＬＤｌ
２の駆動が制御されている。この基準光信号のフイード
バツクループによつて、計測に供せられる光の特性変化
が、ループ利得分の１に抑えられて、その安定化が図ら
れる。つまり検出光に対する外乱影響を除去すべき制御
が行われることになる。そして、この基準光を用いて光
の特性が安定化された状態にて光フアイバ１７を介して
光ダイオード１９により受光される一次回折光成分を変
位検出光信号としてヘツドアンプ２４を介して抽出する
ことで、ここに変位体板１１の変位が検出されるように
なつている。尚、受光系に２本の光フアイバ１６，１７
を用いる代りにマルチコアフアイバを用いる等して一本
化することも勿論可能である。

また一次回折光に代えて２次回折光やそれ以上の高次回
折光を利用することも勿論可能である。かくしてこのよ
うな計測装置によれば前記した検出作用に従つて、安定
で高精度な光による変位検出を行うことが可能となる。

尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものではない
。

例えば検出光信号として回折光のどの次数を利用するか
は、回折格子の幅とピッチ、フーリエ変換して回折光の
空間的分離を行うレンズの特性等に応じて定めればよい
。また回折格子は第１図乃至第３図に例示するもののみ
ならず第４図ａ−ｃに示す如きものを用いるようにして
もよい。即ち第４図ａに示すものは変位方向に格子を配
列したものであり、同図ｂに示すものは変位方向に対し
て斜めに格子を配列したものである。このような回折格
子であつても同様な作用を呈することは説明するまでも
ない。また第４図ｃに示すように透過領域１ｂも回折格
子としてその幅とピツチを異ならせておき、各領域のＯ
次回折光を基準光として用い、いずれか一方の領域の或
る次数の回折光を検出光とするようにしてもよい。この
場合、基準光としてＯ次以外で、両領域の回折光の回折
方向が等しいものを抽出するようにしてもよい。また計
測に用いる光ビームは一様分布のもののみならず、ある
既知の分布特性を持つたものを用いることも可能である
。更には光源としてレーザダイオードのみならずＬＥＤ
等も適用可能である。以上要するに本発明はその要旨を
逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的な構成図、第２図は検出作用を
説明する為の光ビームと変位体との関係を示す図、第３
図は本発明方式を適用した計測装置の概略構成図、第４
図ａ−ｃは変位体の他の構成例を示す図である。 １・・・・・・変位体、１ａ・・・・・・透過領域、１
ｂ・・・・・・回折格子領域、２・・・・・・単一波長
光源、３，５・・・・・ルンズ、４・・・・・・光ビー
ム、６，７・・・・・・受光器、１１・・・・・・変位
体板、１２・・・・・ルーザダイオード、１３，１６，
１７・・・・・・光フアイバ、１４，１５・・・・・・
セルフオツクレンズ、１８，１９・・・・・・光ダイオ
ード、２１，２４・・・・・・ヘツドアンプ、２２・・
・・・・コンパレータ、２３・・・・・・基準電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 位置変位方向に２分して設けられた領域の一方を所
   定の光透過率を有する透過領域とし、他方を光ビームを
   回折する回折格子領域とした変位体を光ビームの光路中
   に介在させ、この変位体の上記透過領域を透過した光と
   回折格子領域を透過した０次回折光との和から前記変位
   体の位置変位により変化することのない基準光信号を得
   ると共に、前記回折格子領域を透過した１次以上の高次
   回折光から前記変位体の位置変位に伴う検出光信号を得
   ることを特徴とする光学式変位検出方式。 ２ 回折格子領域を透過した光は、フーリエ変換光学レ
   ンズを介して空間的分離されたのち回折次数に応じて各
   別に検出されるものである特許請求の範囲第１項記載の
   光学式変位検出方式。 ３ 光ビームは１波長光である特許請求の範囲第１項記
   載の光学式変位検出方式。