JPS6029684Y2 - 光学的微小変位測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体レーザと単一モード・光ファイバを用い
た非接触型の光学的微小変位測定装置に関するものであ
る。

従来の非接触型の微小変位測定装置としては、磁気的な
スケールを用いた装置、距離の変化による静電容量の変
化を検出する装置及び光学的な方法を用いた装置が携げ
られる。

このうちでは外部の電気、磁気的な影響を受けないこと
から光学的な方法を用いた装置が用いられることが多い
。

光学的手法による微小変位測定装置としては従来大別し
て２つの装置が考えられていた。

その第一の装置はコヒーレントな光源とマイケルソン型
等の干渉計を用い、被測定物の変位による光の干渉状態
の変化を検知するものである。

この装置では用いるコヒーレント光源の波長以下の高精
度で変位測定が可能であるが反射鏡、ハーフ・ミラー等
の光学部品を数多く用いた複雑な装置となり調整、取扱
いが難しくなり、更には光を空間伝搬させるため、途中
に障害となるようなものがあっては測定不能であり使用
場所も制限を受けるという欠点がある。

これに対し第二の装置は１本または数本の光ファイバを
用い光ファイバを出て被測定物により反射され再び光フ
ァイバに結合する光量を検知するものである。

この場合光ファイバは光の強度の情報のみを伝送すれば
よいため多モード、アンクラッド、バンドル等が用いら
れている。

第１図はこの第二の装置の原理を示すための図であり、
簡単のため送受二本の光ファイバを用いる場合について
示しである。

光源１ （コヒーレント、インコヒーレントを問わない
）から出た光は送信用光フアイバ２内を伝搬し、出射光
３となって被測定物５により反射され反射光４となりそ
のうちの一部の光は受信用光ファイバ６に結合し、受信
用光ファイバの反対側の先端に置かれた光検知器７によ
りその光強度が検知される。

ここで被測定物５が５′へ移動すると光フアイバ出射光
３′は被測定物５′により反射され反射光４となり受信
用光ファイバ６に結合する光量が減少する。

送受信用光ファイバ２，６の先端と被測定物５との間の
距離と光検知器７で検知される光強度との間にはほぼ比
例関係があり、この関係を求めておけばこれから変位測
定が可能になるわけである。

この装置は第１の装置に比べ構成が簡便、光ファイバを
用いているため、使用場所の制限が大巾にゆるくなり遠
隔点でのセンシングも可能であるという利点があるが、
光の強度のみを検知する方法であるため測定精度は数μ
ｍ程度であり、光の位相情報を検知する第１の方法に比
べ充分とは言えない。

また光強度の絶対値を測定するため被測定物の光反射率
が異なるとその度に校正し直さなくてはならないという
問題もある。

また第二の装置の例として光の送受信を１本の光ファイ
バで行ない、半導体レーザの自己結合効果を利用して検
出を行なう例も公知である。

（半導体レーザの自己結合効果については雑誌１オプテ
ツクス・コミュニケイションズ（ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍ
ｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ） １９７５．１７巻、頁９５〜
９７ヨに携載の三橋等による文献１セルフカツプルド・
オプティカル、ビック・アップ（５ｅｉｆ −ｃｏｕｐ
ｌｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｐｉｃｋｕｐ）Ｊに詳しい。

）半導体レーザの自己結合効果を利用した従来の装置で
は光ファイバの数が１本でよく検出系も簡便になるとい
う利点があるが、原理的に光の強度変化のみを検出する
方法を採用しているため従来光ファイバとして多モード
、バンドル等が用いられており光の位相情報を検知する
ことは不可能で、前述の欠点は解決されてはいなかった
。

本考案の目的は上記のような欠点を除去して、従来の第
１の装置と同等の装置精度を持ち、なおかつ第二の装置
の持つ、装置の簡便さ、使用場所を選ばず遠隔測定が可
能といった利点を併わせで持つような光学的微小変位測
定装置を提供することにある。

この目的のために本考案はコヒーレント光源のコヒレン
シーを保存しながら光伝送が可能な単一モード・光ファ
イバを用い、半導体レーザ光を伝送し単一モード・光フ
アイバ出射端から出て被測定物により反射され、再び単
一モード・光ファイバを介して半導体レーザに帰還され
る光による自己結合効果により微小変位測定を行なう装
置である。

以下本考案につき図面を用いて詳細に説明する。

第２図は本考案に応用する半導体レーザの自己結合効果
を観測するために行なった実験のブロック図である。

直流電源１２により駆動される半導体レーザ１１の一方
の出射端の前方にエレクトロメカニカル・アクチュエー
タ１４の可動部１４ａに取り付けた反射鏡１３を対向し
て設置し半導体レーザ１１からの放射光１１ａを反射光
１１ｂとして半導体レーザに帰還させる。

エレクトロメカニカル・アクチュエータはシグナル・ジ
ェネレータ１５により駆動され反射鏡１３を半導体レー
ザ１１の光軸方向に運動させる。

半導体レーザ１１の他方の端面からの放射光１１ｃは光
検知器１６により検知され、反射鏡３の移動による半導
体レーザ１１の出力の変化が端子１６ａに取出される。

第３図は、反射鏡１３の光軸方向の移動に対する半導体
レーザ出力の変化を示す。

半導体レーザ出力は反射鏡の移動に対し正弦波状に変化
しておりその山と山、谷と谷の間隔は半導体レーザの発
振波長の半分入／ ２ ＝ｏ、ｓ３／ ２ ＝ ０．４
１５μｍに相当する。

この結果は通常のコヒーレント光源とマイケルソン型干
渉計を用いた変位計測の際に得られるのと同様の結果で
あり、極めて高精度な変位計測が可能である。

更に通常の干渉計に比べ光学部品数を大巾に減少させる
ことが可能で構成が非常に簡便となる。

更に単一モード・光ファイバを用にてコヒーレント光の
伝送を行なった場合には光の空間的、時間的コヒーレン
ト光が保存され自由空間を伝搬させた場合と全く同様に
干渉効果が得られることが知られている。

従って半導体レーザからの光を単一モード・光ファイバ
に結合し単一モード・光ファイバからの出射光を被検知
物により反射させ再び単一モード・光ファイバを介して
半導体レーザに帰還させれば第２図の系と同様に被検知
物の変位を波長以下の精度で計測することができる。

本考案はこの原理を応用したもので、高精度小型で構成
が簡便、更には遠隔測定の可能な光学的微小変位測定装
置が得られる。

第４図は本考案による光学的微小変位測定装置の一実施
例を示す図である。

直流電源１２により駆動される半導体レーザ１１からの
放射光１１ａは結合効率を高めるために半導体レーザ１
１の前方に設置された結合回路２１により、単一モード
・光ファイバ２２に結合される。

単一モード・光フアイバ２２内を伝搬したレーザ光は出
射端より出て単一モード・光フアイバ出射端の前方に置
かれた被測定物２３により反射され、再び単一モード・
光ファイバ２２、結合回路２１を介して反射光１１ｂと
なって半導体レーザ１１に帰還される。

半導体レーザ１１の他方の端面からのレーザ光１１ｃは
光検知器１６により検知され、被測定物２３の変位によ
る半導体レーザ１１の出力変化が電気信号として端子１
６ａに取出される。

ここで被測定物２３が移動すると反射光１１ｂの位相が
変化し干渉状態が変化するためその変化が端子１６ａに
取出され、用いた半導体レーザの波長以下の精度での変
位測定が可能となる。

この構成は非常に簡便であり、単一モード・光ファイバ
２２を用いているため使用場所を選ばず遠隔測定も可能
となる。

また光集積回路化したスイッチ等と組合わせれば多点計
測、異なる方向への変位のスイッチの切替により順次測
定することも可能である。

つまり、複雑な機械の内部等光を直接伝搬させるのが難
しい場所での計測、工場、プラント等で多くの点での変
位を中央で集中的にモニタしたいという用途などには特
に有用である。

また光ファイバを用いているため軽量、可撓性が高い、
電磁ノイズ、悪環境に強い等の利点を持つことは言うま
でもない。

第４図の構成では被測定物２３に近接して単一モード・
光ファイバ２２の出射端を設置する構成を示したが、単
一モード・光ファイバ２２からの放射光をレンズ系によ
り平行化し被測定物２３に照射する構成も可能である。

また被測定物２３の反射率が低い場合には被測定物２３
に反射鏡を取り付けておけばよい。

尚、半導体レーザ１１と単一モード・光ファイバ２２の
結合回路２１としては球面、円筒、５ＥＬＦＯＣレンズ
及びその組合わせを用いることができるが、半導体レー
ザ１１と単一モード・光フアイバ２２入射端を近接させ
る直接結合でもよい。

以上詳細に説明したように、本考案によれば簡便な構成
で高精度かつ遠隔操作の可能な光学的微小変位測定装置
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学的微小変位測定装置の原理を示すた
めの図、第２図、第３図は本考案に用いる半導体レーザ
の自己結合効果を説明するための図、第４図は本考案の
一実施例を示す図である。 図に於て、１は光源、２，６は光ファイバ、５．５′は
被測定物、３，３′は出射光、４，４′は反射光、７，
１６は光検知器、１１は半導体レーザ、ｌｌａ、ｌｌｂ
、ｌｌｃは半導体レーザ光、１２は直流電源、１３は反
射鏡、１４はエレクトロメカニカル・アクチュエータ、
１４ａはエレクトロ・メカニカル・アクチュエータ可動
部、１５はシグナル・ジェネレータ、１６ａは端子、２
１は結合回路、２２は単一モード・光ファイバ、２３は
被測定物である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 半導体レーザと、前記半導体レーザを駆動する直流電源
   と、前記半導体レーザからの放射レーザ光をそのコヒー
   レンシーを保存しつつ伝搬し、かつ出射端側からの反射
   光を前記半導体レーザに帰還させるように、前記半導体
   レーザの一方の端面の前方に設置された単一モード・光
   ファイバと、前記半導体レーザの他方の端面からの放射
   レーザ光を検知するように前記半導体レーザの他方の端
   面の前方に設置された光検知器とから成ることを特徴と
   する光学的微小変位測定装置。