JPS6281505A

JPS6281505A - 導波型光変位センサ

Info

Publication number: JPS6281505A
Application number: JP22179185A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takagi; 高木　潤一; Maki Yamashita; 山下　牧
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1985-10-07
Publication date: 1987-04-15

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】発明の要約それぞれ光導波路からなる２つの干渉計が基板に形成さ
れている導波型光変位センサにおいて。

両干渉計の参照光用光導波路の互いに位置の異なる終端
部において、基板に凹部がそれぞれ形成され、凹部の一
面が参照光の反射面となっており。

凹部の位置の差によって２つの参照光に位相差が与えら
れることを特徴とする。

発明の前景この発明は、基板上に光導波路を用いてマイケルシン干
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測定物体の変位
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、出願人は変位測定距離が長くか
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６Ｏ−１４２６３８）。

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、信号光の位相は被測定
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測定物
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１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だ
け相互にずれている。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
。

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、上記位相シフト手段による位相シフト量を高精
度に調整することが困難であるということである。先願
発明においては９位相シフト手段として光導波路の両側
に形成された溝が一例として示されている。溝の存在に
よって光導波路のその部分の等価屈折率が変化し、これ
によって参照光の位相がシフトされる。位相のシフト量
は溝の長さ１位置等によって変化するので溝の形状およ
び位置がその精度に大きく影響する。

これらの溝はフォトリソグラフィ技術によって一般に作
製されるが、マスクの位置合せにサブミクロン・オーダ
以下の精度が要求され、必ずしも高精度に位相調整を行
なうことはできない。また９作製する素子ごとにばらつ
きが多くなるという問題がある。

発明の概要この発明の目的は、かなり高精度に位相シフト量を制御
することのできる導波型光変位センサを提供することに
ある。

この発明は、それぞれ光導波路からなる２つの干渉計が
基板に形成されている導波型光変位センサにおいて１両
干渉計の参照光用光導波路の互いに位置の異なる終端部
において、基板に四部がそれぞれ形成され、凹部の一面
が参照光の反射面となっていることを特徴とする。

凹部はフォトリソグラフィ技術によって基板に作製する
ことができ、凹部の参照光用光導波路端部に当たる反射
面には、要すればＡｕ等を蒸着することにより鏡面を形
成する。

２つの参照光用光導波路を伝播する２つの参照光の位相
差は、参照光用光導波路の光路差すなわち２つの凹部の
間の距離にのみ依存し、２つの凹部の位置には関係しな
い。２つの凹部をつくるために１つのマスクを使用する
限り、２つの凹部の間の距離は、マスクの位置合せ精度
に関係なく。

常に一定である。したがって２位相のシフト量の精度は
マスクの加工精度にのみ依り、比較的高い精度のものを
得ることができるようになる。また。

同一マスクを使用する限り、常に一定の位相シフトを与
える凹部をつくることができるので素子間のばらつきも
小さくなる。

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
１０は４つの光導波路１１〜１４を含み、光導波路ｌＯ
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、導波形光ビーム働スプ
リッタとして特開昭５８−２０２４０８　（特願昭５７
−８８１７８）に開示されている。

これらの非対称Ｘ分岐光導波路１０．２０の光導波路１
３．２３の終端には凹部（ないしは溝またはスロット）
　１５．２５が基板１に形成されている。これらの凹部
１５．２５はフォトリソグラフィ工程によって凹部１５
．２５に相当する部分に窓のあいたマスクを形成し、ド
ライエツチングを施すことにより形成することができる
。要すれば、光導波路１３．２３の終端面に相当する凹
部１５．２５の一面にＡｕを蒸着することにより鏡面を
形成する。

後述するように、凹部１５．２５の反射面でそれぞれ反
射した光が参照光となる。これらの参照光の光路差は、
四部１５の反射面と凹部２５の反射面との間の距離！に
等しく、この光路差！に対応する位相差が２つの参照光
間に発生する。

凹部１５と２５との間の距離ｌは凹部１５．２５を作製
するときのフォトマスクの精度に依存し、フォトマスク
の位置が基板１に対して多少ずれていても。

距離認は変化しない。したがって、フォトマスクを高精
度に作製しておくことにより、所望の光路差！を得るこ
とができ、これにより所望の位相差（位相シフト）を得
ることができる。また、同一のフォトマスクを使用する
ことにより、素子間のばらつきもなくなる。

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１３
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１
３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には光導波路１３．１４をＸ字詰合部に向う光
の位相差に応じた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≠イバ３２．３３がそれぞれ接続されている。

入力用光ファイバ３■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４
４Ａ、　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。

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を進む光は凹部１５の反射面で反射して
Ｘ字詰合部に向う。この光が参照光である。参照光の強
度は四部１５に形成された反射膜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２０においても、
凹部２５で反射した光に基づいて光導波路２３から同様
にして参照光を得ることができる。そして、これらの参
照光の位相差は上述の距離！で与えられる。

被測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（図示路）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３Ａ、　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。光導波路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３Ａ、　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割基板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８Ａ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
ＩＯの光導波路１４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値化号の立上りおよび／または立下り
がカウンタ４６Ａ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単位で測定さ
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単位で変位測定が可能となる。

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ｌＯ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４ＢＢ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１０．２０において、それらの
光導波路１３．２３の終端部には異なる位置に凹部１５
．２５が形成されており、光導波路１３を伝播する参照
光と光導波路２３を伝播する参照光とは位相が異なって
いる。その結果、光導波路２２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。この実施例では出力光
強度の１／８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
化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値化号は微分
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
に人力する。

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
づいて可動ミラー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。

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に戻り集光されるので、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
ズを用いることもできる。たとえば分布屈折率平板レン
ズを２組同一基板上に作製するようにしてもよいし、別
個に作製してもよい。

【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値化号を示す波形図、
第５図はレンズの作用を示す図である。１・・・基板、　　　　　３・・・し°ンズ基板。３Ａ、　３Ｂ・・・レンズ、　　４・・・可動ミラー。１０、２０・・・非対称Ｘ分岐光導波路。１１〜１４．２１〜２４・・・光導波路。１５、２５・・・凹部。以　　上

Claims

【特許請求の範囲】

それぞれ光導波路からなる２つの干渉計が基板に形成さ
れている導波型光変位センサにおいて、両干渉計の参照
光用光導波路の互いに位置の異なる終端部において、基
板に凹部がそれぞれ形成され、凹部の一面が参照光の反
射面となっていることを特徴とする導波型光変位センサ
。