JPS6281506A - 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つの光導波路が基板に形成
されており、この基板上であって上記光導波路の２つの
終端近傍に２つのレンズ手段が形成され、このレンズ手
段によって上記終端から出射される信号光がコリメート
されるとともに、被測定物体上の反射面からの反射光が
集光されて光導波路に導かれ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ｆｉＯ−１４２ｆ１３８）。

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。

参照先の位相は常に一定であり、信号光の位相は披ｉ’
ｌｌＪ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４Ｉ１１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
の位置合せを不要と、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、基
板上に光導波路と一体に、光導波路の終端近傍にレンズ
手段をそれぞれ形成した点にある。

レンズ手段の焦点面は光導波路の終端に一致している。

このレンズ手段たよって、光導波路の終端から出力する
光コリメートされて基板外に出射し。

被測定物体の反射面から反射してきた光は集光されて光
導波路に導かれる。

以上のようにしてこの発明によると、レンズ手段が基板
に一体的に作製されているためにレンズの位置合せは全
く不要であるとともに２機械的振動に対しても強くなり
安定となる。また、センサそれ自体の小型化を図ること
もてきる。

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１０
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５８−２０２４０６　（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四部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。これらの参照先の光路差は、
凹部１５の反射面と凹部２５の反射面との間の距離２に
等しく、この光路差ｌ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！は凹部比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１距離ｌ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２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ｌｌ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入力用光フ
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。

入力用光ファイバ３１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
度は凹部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
照先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（図示略）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ｌの光導波路１４．２４の終端に連続するように、
基板１には２つの分布屈折率型のレンズ１６゜２６がそ
れぞれ形成されている。これらのレンズ１６゜２ＢはＡ
ｇ　　イオンを交換することによって作製することがで
きる。イオン交換時間を制御することにより、第５図お
よび第６図に示すように、深さが数百μｍのグレーディ
ッドな屈折率分布をもつレンズ１Ｂ（２Ｇ）を作製する
ことができる。レンズ１６゜２６の焦点面は光導波路１
４．２４の丁度終端に位置する。

したがって、光導波路１４（２４）を伝播してきた単一
モード光はレンズ１Ｂ（２Ｂ）に入り９回折による拡が
りと屈折率分布によってコリメート光になって出射する
。また、可動ミラー４で反射してもどってきた光は、レ
ンズ１Ｂ（２Ｂ）内において出射光と逆の光路をたどり
、その多くが再び光導波路１４（２４）に入射する。

レンズ１６．２８は基板１に一体的に形成されているか
ら、レンズの位置調整は不要であり１機械的振動に対し
て強いとともにセンサの小型化が図られる。

このような構成によると、光導波路１４を伝播しその端
部から出射した光はレンズ１６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１Ｇによって光導
波路１４の終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Ｉ［１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１８．２６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４８Ａ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においては、それら
の光導波路１３．２３の終端部には異なる位置に凹部１
５．２５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図に破線で示子ように、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。

上述の凹部は位相シフトを与える手段と参照光のだめの
反射手段とを兼ねている。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、上述の凹部の他に
、光導波路１３．２３に電圧や圧力を加える手段、光導
波路１３．２３に装荷されたＳｉＯ□等の薄膜、光導波
路１３．２３両側に形成されたスロット等がある。この
場合には光導波路１３゜２３を基板１の端面までのばし
、この端面に反射手段、たとえばＡｕ等による反射膜が
形成されるであろう。

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、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。

【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図はレンズを示す断面図と深さ方向の屈折率分布を
示すグラフ。 第６図はレンズの平面図と横方向の屈折率分布を示すグ
ラフである。 １・・・基板 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・・・位相シフト手段および反射手段として
の凹部。 １６、２８・・・レンズ。 以　　上 特許出願人　　立石電機株式会社 代　　理　　人　　　牛　　久　　健　　司（外１名）

Claims (2)

【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
   された基板、 この基板上であって光導波路の終端近傍にそれぞれ形成
   され、上記終端から出力される信号光をコリメートする
   ためのおよび被測定物体上の反射面からの反射光を集光
   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 参照光を得るための反射手段、 を備えている導波型光変位センサ。
2. （２）上記レンズ手段の焦点面が上記光導波路の終端に
   位置している、特許請求の範囲第（１）項に記載の導波
   型光変位センサ。