JPS6281503A - 導波型光変位センサ - 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】 発明の要約 光干渉のための少なくとも２つの光導波路が第１の基板
に形成されており、この第１の基板の光導波路の２つの
出射端と彼測定物体上の反射面との間に２つのレンズ手
段が設けられ、このレンズ手段によって上記出射端から
出射される信号光がコリメートされるとともに、上記反
射面からの反射光が集光され、上記２つのレンズ手段が
第２の基板に一体的に形成されていることを特徴とする
導波型光変位センサ。

発明の背景 この発明は、基板上に光導波路を用いてマイケルソン干
渉計を作製し、基板上の反射面で反射する参照光と基板
外の被測定物体上の反射面で反射する信号光との干渉に
よる光強度変化に基づいて被測定物体の変位量を計測す
る導波型光変位センサに関する。

このような導波型光変位センサにおいては、基板の３次
元光導波路から出射する信号光が拡散することは避けら
れず、したがって被測定物体の反射面で反射して基板の
光導波路に戻りかつ入射する光の量が少なくなってしま
うという問題がある。被測定物体の変位量がきわめてわ
ずか（たとえば数十μｍ程度）であればかなりの反射光
量が基板の光導波路に戻るが、被測定物体の変位が大き
くなるともはや測定可能な量の信号光が得られなくなっ
てしまう。

また、従来の導波型光変位センサでは被＋１１１１定物
体の変位の方向を判別することはできなかった。

このような実情に鑑み、出願人は変位ｎ１定距離が長く
かつ変位方向の判別の可能な導波型光変位センサを提案
した（特願昭［１Ｏ−１４２８３８）。

この先願発明による導波型光変位センサは、光干渉のた
めの少なくとも２つの光導波路が形成された基板、この
基板の光導波路の出射端と被測定物体上の反射面との間
にそれぞれ設けられ、上記出射端から出力される信号光
をコリメートするためのおよび上記反射面での反射光を
集光するための２つのレンズ手段、上記少なくとも２つ
の光導波路の一方に設けられた導波光の位相シフト手段
、ならびに参照光を得るために、基板の光導波路端面に
形成された反射手段を備えていることを特徴としている
。

このような先願の導波型光変位センサは次のようなすぐ
れた作用、効果を奏する。

信号光と参照光とが基板の光導波路を伝播する過程でこ
れらの２つの光が干渉し、これらの２つの光の位相差に
応じた強度の干渉光が得られる。

参照光の位相は常に一定であり、信号光の位相は彼１１
１１１定物体の位置によって変化する。したがって干渉
光の強度変化により被測定物体の変位量が測定される。

上記２つのレンズ手段により、基板の２つの光導波路か
ら出射する信号光がそれぞれコリメートされて被ａｌｌ
Ｊ定物体上の反射面にあたり、この反射面からの反射光
は上記レンズ手段により集光されて基板の光導波路にそ
れぞれ入射する。基板の光導波路にそれぞれ入射する信
号光の光量は被測定物体が大きく変位してもほとんど変
動しないので、長い測定距離を得ることができる。

上記少なくとも２つの光導波路の一方には位相シフト手
段が設けられている。したがって９両光導波路から得ら
れる干渉光強度の周期的な変化は、上記位相シフト手段
によって強制的にシフトされた位相に対応する位相量た
けｔ０互にずれている。この２つの干渉光の位相のずれ
により被測定物体の移動方向を判別することが可能とな
る。

基板の光導波路端面に形成される反射手段は金属薄膜の
蒸着等により実現することができる。この金属薄膜の厚
さを変えることにより金属薄膜で反射する光の光量、す
なわち参照光強度を制御することができる。参照光強度
を信号光の強度とほぼ同じ程度にすることにより干渉光
の光強度変化の消光比をよくすることができる。消光比
がよければ後段の光信号処、理が容易となる。

しかしながら先願発明の導波型光変位センサは実際的に
は次のような問題点も内包していることが分った。

それは、レンズ手段を２個別個に設けなければならない
ということである。そのために、レンズ手段の位置合せ
のための調整がめんどうで、しかもこの調整に長い時間
がかかり作業性が悪いということである。

被測定物体上の反射面からの反射光を再び基板上の光導
波路に入射させるためには、光導波路とレンズ手段の位
置合せはミクロン・オーダの精度が必要となる。レンズ
手段の位置調整には光軸方向、これに垂直な方向および
光軸のまわりの回転の３つの調整が必要である。光軸方
向の調整は光を平行化するためのものであり、これは出
力光の消光比に大きく影響する。光軸に垂直な方向は光
の進行方向を決定する調整であり、光軸ずれが発生する
と信号が得られない場合がある。

発明の概要 この発明は、光導波路が形成された基板とレンズ手段と
の位置合せを容易にすることを目的とする。

この目的を達成するためのこの発明の特徴的構成は、光
導波路と位相シフト手段と反射手段とを第１の基板に形
成し、２つのレンズ手段を第２の基板に一体的に形成し
たことにある。もちろん。

第２の基板に形成された２つのレンズ手段の中心間距離
と第１の基板に形成された光導波路の２つの出射端の中
心間距離とは等しい。

レンズ手段の焦点距離を第２の基板の厚さに等しくする
と、第２の基板を第１の基板端面に密着させることがで
きる。

この発明によると、２つのレンズ手段が第２の基板に一
体的に形成されているので、光軸に垂直な２方向の位置
合せを行なう゛だけでレンズの位置調整が完了し１作業
性が向上する。また２つのレンズを一度に作製すること
ができるので、レンズ作製の時間を減少させることが可
能である。さらに、２つのレンズが同じような誤差で位
置調整されるので、２つのコリメート光の進行方向が一
致することになり、被測定物体゛の反射面の位置調整も
容易となる。そうして、第２のＵ板を第１の基板の端面
に密着させることによって２機械的振動に対して強くな
る。

実施例の説明 第１図および第２図はこの発明による導波型光変位セン
サの一例を、第３図は変位測定システムの全体をそれぞ
れ示している。

基板１として、たとえばソーダ・ガラスを用い、Ｋ　を
イオン交換することにより単一モードの２つの非対称Ｘ
分岐型光導波路１０．２０が形成されている。光導波路
工０は４つの光導波路ＬＬ−１４を含み、光導波路ＩＯ
はこれらの光導波路１１〜１４がそれらの一端でＸ字状
に結合することにより構成されており、光導波路１２の
巾は他の光導波路１１゜１３、１４の巾よりも狭くつく
られている。光導波路２０も同じように４つの光導波路
２１〜２４から構成されている。そして、光導波路１１
と２１とがその入力端で共通に形成され、それぞれのＸ
字詰合部に向ってＹ字状に分岐している。このような非
対称Ｘ分岐型光導波路の詳細は、導波形光ビーム・スプ
リッタとして特開昭５８−２０２４０８　（特願昭５７
−８６１７８）に開示されている。

この実施例に関連する範囲でこの非対称Ｘ分岐型光導波
路１０　（同２０も同じ）の動作を説明すると次のよう
になる。光導波路１１を伝播する光は２つの光導波路１
３と１４に等しく分岐して進行していく。光導波路１３
と１４をＸ字詰合部に向って伝播する光は、これらの光
の位相が等しい場合には光導波路１１に戻る。光導波路
１３と１４の光が逆位相（位相が１８０°異なる）場合
にはこれらの光は光導波路１２に進む。したがって、光
導波路１２には光導波ワづζｌＩＡ、１ζ−Ｙ＝ン：宴
１娑、イトηｎ＜１−げ１；１キロ）！ζｆ末日４〈に
ｌご【ト；１・す−強度の光が得られる。

上述の説明は、光導波路１１．１２と光導波路１３゜１
４とを交換しても同じようにあてはまる。

光導波路１１と２１の共通入力端の端部には人力用光フ
ァイバ３１が、光導波路１２．２２の端部には出力用光
ファイバ３２．３３がそれぞれ接続されている。

入力用光フアイバ３工としては偏波面保存光ファイバが
用いられている。レーザ光源４１からのレーザ光がアイ
ソレータ４２およびレンズ４３を介して光ファイバ３１
に導入される。アイソレータ４２はレーザ４１から光フ
ァイバ３１への光の進行を許し、これとは逆方向に進む
光を遮断するものであり、光の偏波方向に基づいてこの
作用を行なう。出力用光ファイバ３２．３３としてはマ
ルチモード光ファイバが用いられている。これらの光フ
ァイバ３２．３３によって導かれる出力光は受光、素子
４４Ａ、　４４Ｂにそれぞれ入射し、それらの光強度を
表わす電気信号にそれぞれ変換される。

基板１の光導波路１３．２３の端面にはＡｕを蒸着する
ことにより反射膜２が形成されている。非対称Ｘ分岐型
光導波路１０において、光導波路１１に導かれかつ光導
波路１３と１４に等しく分岐した光のうち光導波路１３
を進む光はこの反射膜２で反射してＸ字詰合部に向う。

この光が参照光である。参照先の強度は反射膜２の膜厚
により定めることができる。非対称Ｘ分岐型光導波路２
０においても、光導波路２３から同様にして参照光を得
ることができる。

彼、１１１１定物体であるまたは被測定物体に取付けら
れもしくは接触しているアクチュエータ（図示時）のロ
ッド６の先端に可動ミラー４が取付は固定されている。

基板１と可動ミラー４との間にはレンズ基板３が設けら
れ、この基板３に２つのレンズ３＾、　３Ｂが形成され
ている。たとえばソーダ・ガラス基板３表面にエツチン
グ加工を施すことによってフレネル・レンズ３Ａ、　３
Ｂを作製することができる。これらのレンズ３Ａ、　３
Ｂの焦点面が基板３の裏面に一致するように、すなわち
レンズ３Ａ、　３Ｂの焦点距離と基板３の厚さとが等し
く設定されている。先導波′　路１４と２４の出力端の
中心間の距離と、レンズ３Ａ。

３Ｂの中心間の距離とは等しく設定されている。そうし
て、レンズ３＾、　３Ｂの中心が光導波路１４．２４の
出力端の中心に一致するように、レンズ基板３がその裏
面で基板１の端面に密着している。基板１と基板３との
密着は光学接着剤で行なうことができる。たとえば、紫
外線硬化接着剤を用いることにより数分で両基板１と３
を接着することができる。

このようにして、２つのレンズ３Ａ、　３Ｂを１回の調
整でセツティングすることができる。

このような構成によると、一方のレンズ３Ａについて第
５図（Ｂ）に示されているように、光導波路１４を伝播
しその端部から出射した光はレンズ３Ａでコリメートさ
れて可動ミラー４に当り、その反射光はレンズ３Ａによ
って光導波路１４の出射端付近に丁度集光され、光導波
路１４に入射しかつＸ字詰合部に向って伝播していく。

この光が信号光である。一方の非対称Ｘ分岐型光導波路
１０の光導波路Ｉ４のみならず、他方の非対称Ｘ分岐型
光導波路２０の光導波路２４からも同じようにして信号
光が得られる。

まず変位測定原理について説明する。一方の光導波路１
０にのみ着目する。

上述したように、光導波路１３の参照光と光導波路１４
の信号光との位相差に応じた強度の出力光が光導波路１
２に得られ、この出力光は光ファイバ３２により受光素
子４４Ａに導かれる。参照光と信号光の位相差は、これ
ら２つの光の間の光路差、すなわち可動ミラー４の変位
量に依存している。出力光強度の変位量（光路差）に対
する変化が第４図に実線で示されている。出力光強度は
光路差の変化に対してλ（光の波長）の周期で正弦的に
変化する。信号光はレンズ３Ａ、　３Ｂと可動ミラー４
との間を往復するので光路差は可動ミラー４の変位量の
２倍に等しい。

出力光信号は受光素子４４Ａで電気信号に変換されたの
ち、高、低２つのスレシホールド・レベルＳｌ、Ｓ２を
もつ回路４５Ａでレベル弁別され、２値化される（第４
図参照）。この２値信号の立上りおよび／または立下り
がカウンタ４ＯＡによって計数される。したがって、可
動ミラー４の変位量はλ／２またはλ／４単位でａＪ定
される。たとえば光源４１として波長λ−０，８μｍの
レーザ・ダイオードを用いた場合には０．４μｍまたは
０．２μｍ単位で変位ｎ１定が可能となる。

次に変位方向判別原理について説明する。

他方の光導波路２０においても、光導波路１０と基本的
には同じ動作が行なわれ、光ファイバ３３によって導か
れた出力光に対して受光素子４４Ｂ、スレシホールド回
路４５Ｂおよびカウンタ４（ｉＢも上述のものと同じよ
うに動作する。

非対称Ｘ分岐型光導波路２０においては、その光導波路
２３の両側の位置において基板１に位相シフト用の溝２
５が形成されており、光導波路２３を伝播する参照先の
位相が所定量シフトされている。その結果、光導波路２
２から得られる出力光は第４図に破線で示すように、光
導波路１２から得られる出力光に対して位相がずれてい
る。この実施例では出）Ｊ光強度の１７８周期だけ位相
シフトが与えられている。したがって、スレシホールド
回路４５Ｂから得られる２値信号も破線で示されている
ように同回路４５Ａの出力２値信号と位相がずれている
。

このような２値信号は微分回路４７Ａ、　４７Ｂでその
立上りおよび／または立下りが検出され、この微分され
た信号が方向判別回路４８に入力する。

可動ミラー４が基板１から遠ざかる方向に動くときには
、スレシホールド回路４５Ａの出力信号の立上り（立下
り）が同回路４５Ｂの出力信号の立上り（立下り）より
も先に現われ、可動ミラー４が逆方向に動くときにはこ
れらの２つの信号の変化の順序が逆になる。２つの微分
回路４７Ａ、　４７Ｂの出力の変化が現われる順序に基
づいて可能ミラー４の移動方向が判別回路４８により判
別される。方向判別回路４８はＣＰＵによって構成する
ことも可能である。

基板の光導波路を伝播する光に位相シフトを与える手段
としては、上述の溝の他に、光導波路に電圧や圧力を加
える手段、光導波路に装荷されたＳ　ｉＯ２等の薄膜等
がある。

光導波路１３．２３の出射端における光の反射率と透過
率は反射膜２の膜厚によ°って定まる。したがって２反
射膜２の厚さを制御することにより参照光と信号光の強
度の比を任意に定めることができ、これを１＝１とする
こともできる。このことにより、出力光の光強度変化の
消光比を良好にすることができる。

光導波路１４．２４の出射端と可動ミラー４との間には
レンズ３Ａ、　３Ｂが設けられ、光導波路１４．２４か
ら出射した光はこのレンズ３Ａ、　３Ｂによって平行光
に変換される。可動ミラー４が動くことによりレンズ３
Ａ、　３Ｂとミラー４との間の距離が変動しても、ミラ
ー４に向いかつ反射される光は平行光であるからほとん
ど拡散しない。また、ミラー４の反射光はレンズ３Ａ、
　３Ｂにより集光されて光導波路１４、２４にそれぞれ
入射する。したがってミラー４の位置にほとんど関係な
く光導波路１４．２４に戻る反射光強度をほぼ一定に保
持することができる。

可動ミラー４の変位に対して信号光強度をほぼ一定に保
持できるので正確な変位測定が可能となるとともに、変
位量の測定可能範囲が拡大される。

第５図は、光導波路１４の出射端と可動ミラー４との間
にレンズ３Ａを介在させた状態と（第５図（Ｂ））、介
在させない状態（第５図（Ａ））とを示している。レン
ズなしの従来例（第５図（Ａ））では、光導波路１４か
ら出射した光が拡散し、可動ミラー４の反射光のほとん
どが光導波路１４の端面以外の場所に向っていってしま
う。これに対して、レンズありの場合（第５図（Ｂ））
では、光導波路１４から出射した光はレンズ３Ａによっ
てコリメートされ、可動ミラー４の反射光も同じ経路を
たどってレンズ３Ａに戻り、集光されて出射光の多くが
光導波路１４に戻る。

上記実施例では基板１に非対称Ｘ分岐型光導波路１０．
２０が形成されているが、上記先願の第７図に示されて
いるように、他の光導波路によりマイケルソン型の干渉
計を構成することもできるのはいうまでもない。また、
レンズ手段としてはフレネル・レンズに限らず他のレン
ズを用いることも７１　文　ス　−　　＋、Ｌ−テ　ｔ
イ　Ｑ−１ｒ：ｒｍｌ丘　バＴｌ’５ｆｔ−鼾　曹ノ　
・ノ　ブ　ス−９ネ■　闇−基板上に作製するようにし
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は導波型光変位センサの一例を示す
もので、第１図は斜視図、第２図は平面図、第３図は光
変位測定システム全体を示す構成図、第４図は出力光強
度とそれに基づいて作成された２値信号を示す波形図、
第５図はレンズの作用を示す図である。 １・・・基板（第１の基板）、　　２・・・反射膜。 ３・・・レンズ基板（第２の基板）。 ３Ａ、　３Ｂ・・・レンズ、　　４・・・可動ミラー。 ｌ０１２０・・・非対称Ｘ分岐光導波路。 ｔｔ−１４，２１〜２４・・・光導波路。 ２５・・・位相シフト用溝。 以　　上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光干渉のための少なくとも２つの光導波路が形成
   された第１の基板、 この第１の基板の光導波路の出射端と被測定物体上の反
   射面との間にそれぞれ設けられ、上記出射端から出力さ
   れる信号光をコリメートするためのおよび上記反射面で
   の反射光を集光するための２つのレンズ手段、 上記少なくとも２つの光導波路の一方に設けられた導波
   光の位相シフト手段、ならびに 参照光を得るために、第１の基板の光導波路端面に形成
   された反射手段を備え、 上記２つのレンズ手段が第２の基板に一体的に形成され
   ている。 導波型光変位センサ。
2. （２）上記レンズ手段の焦点距離が第２の基板の厚さに
   等しい、特許請求の範囲第（１）項に記載の導波型光変
   位センサ。
3. （３）上記第２の基板が上記第１の基板端面に密着して
   いる、特許請求の範囲第（１）項に記載の導波型光変位
   センサ。
4. （４）上記第２の基板に形成された２つのレンズ手段の
   中心間距離と上記第１の基板に形成された光導波路の２
   つの出射端の中心間距離とが等しい特許請求の範囲第（
   １）項に記載の導波型光変位センサ。