JPH01112102A - 光干渉器 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、光干渉器に関し、特に、多重干渉型光干渉器
に係わる。

［発明の技術的背景コ 従来から、光干渉を利用した計測において、光干渉器と
しては、使用する波長に対して透光性または高反射率を
有する１枚または２枚の平行平板または平面鏡等を組合
わせて対向させ、またはプリズムを介在させて折り返す
等の方法で光干渉系を構成している。

いま、第８図（ａ）、（ｂ）に示すように、屈折率をｎ
、２面の厚さをｄｏとする２平行面に波長大の光を入射
角θて大割さぜると、反射光ΣＲ（Ｒ＋、Ｒ２、Ｒ３、
Ｒ４・・・）と、透過光ＥＴ　（Ｔ＋、Ｔ２、Ｔ３・・
・）とを生しる。φはスネルの法則による出射角である
。この光干渉器は、光干渉を生しる対向面の入射光に対
する反射率ｒ勾１のときは多重干渉系Ｓ（第８図（ａ）
）　、反射率ｒξ０のときは２光束干渉系Ｓ（第８図（
ｂ））としてそれぞれ用いられる。このとき多重干渉系
、２光束干渉系における入射光に対する反射強度比Ｒを
第９図（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。なお、この明細
書において反射強度比Ｒを用いるが、透過強度比Ｔを用
いた場合には、第９図（ａ）、（ｂ）の曲線を上下逆に
すれば、説明は同じである。２光束干渉の場合、位相が
ずれるだけであるが、多重干渉ては反射強度比Ｒのとき
は暗いピークが生じ、透過強度比Ｔのときは明るいピー
クが生じる。

隣り合った２つの光束の光路差はどれも同じになり、光
路差Δは Δ＝２ｎ　ｄＬｌｃ　　ｏ　ｓ　φ となり、これによる位相差δは δ＝（２π／λ）２ｎｄａｃｏｓφ て表わされる。

この光干渉器を利用して、例えば、測長に用いる場合、
第８図に示す２平行面の一方を固定部、他方を可動部と
すると、可動部の変位に応じ、両面の厚さｄ、が変化し
、従って位相差δ（第９図）が変化するので、これによ
り厚さｄｏの変化量、即ち距離を逆に計測できる。また
温度計に用いる場合、第８図に示す２平行面は温度の変
化に応じ、両面の厚さｄＯが変化し、従って位相差δ（
第９図）が変化するので、これにより屈折率ｎと厚さｄ
Ｏの変化量、即ち温度を逆に計測できる。

［背景技術の問題点］ しかしながら、かかる光干渉器では、計測中に被計測対
象の変化の方向、極性が変っても、光干渉器自体に、こ
れを区別する機能がないため計測系に付随する他の光学
系あるいは光源によって変化の方向を区別する情報を取
り出している。例えば、光多重干渉の場合、２波長光源
を用いる方法（「光フアイバセンサ技術資料集」１７９
〜１８０頁、４１９〜４２６頁、第一インターナショナ
ル（株）昭和５８年８月１９日発刊）があり、参照光と
の干渉を利用した例としては、偏向方向による位相差π
／２を利用して２個の検出器を用いる方法（「光技術応
用システム」１３４〜１３６頁、社団法人情機学会編吉
澤徹著（株）昭晃堂昭和５８年３月２０日初版発行）が
ある。

また、分解能に関しても同様であり、光干渉器自体は総
て同しであって、分解能は一定である。

分解能を上げるためには、参照光を利用する干渉の例と
しては、例えば移動鏡に多数回反射させ、同一移動距離
に対して位相差を大きくして精度を上げる方法（「物理
測定と標準」７９頁、計測自動制御学会、測定標準研究
専門委員会編共立出版（株）昭和５０年１２月１５日初
版発行）、反射強度比を電気信号に変換した後、１周期
を分割して精度を上げる方法（「レーザー技術入門Ｊ１
４８〜１５１頁、高岡隆他著、枚葉出版（株）昭和１９
８６年３月１０日初版発行）がある。これらの手段は、
光学系、制御系が複雑、大型であり、組立て精度も厳し
く、高価格になるという難点がある。

さらに、光多重干渉系の反射鏡の平行度の調節は実効的
な光路長が長大であり、非常に厳密である。この平行度
の調節と所定の光ピーク強度比を得るための調整、即ち
Ｘ、Ｙ方向のガアオリ″と平行移動の機構を同一箇所に
備えることは小型化に問題となる。また調整箇所の多い
ことは小型、軽量の汎用機器として信頼性の点からも採
用し難い。

＝４− 一方、第１０図に示すように、干渉面の一方に段差りを
形成して光干渉系を構成することが提案されている（特
願昭６２−４４３５９号）。しかしながら、段差境界部
Ｊ１ｏを光波長の程度で垂直に加工することは困難であ
り、反射鏡５０．５１間の距離が変ると、干渉ピークの
幅の変化、ノイズＳｐの原因となる。

しかも、段差境界部ｈＯは干渉にとって不感領域Ｚであ
り、光束径が小さく、かつ段差が多数の場合、不感領域
が相対的に多くなり、光ピーク強度比の調整が困難とな
る。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の難点に鑑みなされたもので、光学系
、制御系が簡単、小型であり、組立て精度も容易に得ら
れ、コストが低減で、光多重干渉系の反射鏡の平行度の
調節と所定の光ピーク強度比を得るための調整が簡便で
、また小型、軽量の汎用機器として信頼性が高く、干渉
ピークの幅の変化、ノイズは発生せず、しかも、光ピー
ク強度比の調整が簡易となる光干渉器を提供せんとする
ものである。

［発明の概要コ このような目的を達成するために本発明の光干渉器によ
れば、使用する波長に対して高反射率を有する２つの反
射面により光多重干渉系を構成し、前記２つの反射面の
少なくとも一方に１段以上の段差を有する段差部を形成
すると共に、前記段差部を光吸収体で覆うものである。

また、前記段差を有する各面の所定の光ピーク強度比に
基づいたそれぞれの面積以外の領域を光吸収体で覆うこ
とができる。

さらに、前記２つの反射面の一方の該光吸収体の領域に
対応した、前記２つの反射面の他方の領域を光吸収体で
覆うものである。

［発明の実施例］ 以下、本発明の好ましい実施例を図面により説明する。

先ず、本発明の光干渉器の原理を説明する。

第８図において平行平板に波長久の単色光を入射させた
ときの入射強度に対する反射強度比をＲとすれば、 ここで、ｒは平行平板の入射光に対する反射率、δは（
２π／λ）Δ、すなわち各反射光間の位相差、Δは２ｎ
ｄＢｏｓφ、すなわち各反射光間の光路差、ｎは屈折率
、ｄＯは平行平板の厚さ、φは出射角である。

説明を簡単にするために、反射率ｒ肴１、屈折角φ＃０
（垂直入射）とすると、屈折率ｎ、厚さｄＯの少なくと
も一方が変化すれば各反射光間の光路差Δ、即ち各反射
光間の位相差δが変化するので第９図に示すように反射
強度比Ｒはδ＝２π毎に暗ピークが生ずる（なお、透過
強度比Ｔは明るいピークである）。ピークは常にδ＝２
πの位相差毎に生ずるから、これから屈折率ｎ又は厚ざ
ｄＯの変化量を逆に求めることが可能である。

このピーク列は、反射率ｒが一定なら高さも形も一定で
あり、変化の方向、極性が変っても、何等変化すること
はない。これは計測開始においても同様であり、どの方
向、極性に変化しているのかを判断できない。

また、分解能に関してもδ＝２πの位相差、即ちλ／２
ｎの精度て一定である。

そこで第２図（ａ）において本発明の光干渉器は、使用
する波長大に対して高反射率を有する２つの反射面１１
．１２により光多重干渉系Ｓを構成し、その２つの反射
面の一方１１に反射面１３を形成して１段の段差りを有
する段差部ｐを形成したものである。

段差りを、例えばδ＝πとなるように与え、かつ段差に
照射される光量を変えれば、単一波長大の光源で出射強
度の異なる２波長における多重干渉と同様な効果が得ら
れる。第２図（ｂ）の（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）は、それ
ぞれ第２図（ａ）の（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）において両
反射面１１．１３間の面方向の距離Ｗの範囲で光束の径
を移動させて測定された反射強度比Ｒの暗ピーク列を示
す。

また、波長λおよび光量が異なる任意の光源（実際には
各種のレーザ、半導体レーザ）に対して、全く独立に必
要な位置に必要な高さのパルスを追加できる。

さらに、第２図（ｂ）から明らかなように分解能は、第
９図に示す結果に比べて、例えばδ＝π毎にピークを生
じるので２倍となる。

しかも、このような高性能の光干渉器は単に段差を形成
するだけでよいから、極めて廉価に構成できる。

第３図（ａ）において、本発明の第２の実施例における
光干渉器は、使用する波長大に対して高反射率を有する
２つの反射面２１．２２により光干渉系Ｓを構成し、そ
の２つの反射面の一方２１に反射面２３．２４を形成し
て２段の段差ｂ　Ｈ１ｈ２を有する段差部ｐ１、ｐ２を
形成したものである。

この実施例では、例えばｈｌ＝ｈ２とし、これをδ＝２
π／３となるように与えれば、分解能は、第９図に示す
結果に比べて、例えばδ＝２７ｆ／３毎にピークを生じ
るので３倍となる。

また、計測時に加えて、計測開始時においても、どの方
向に変化しているのかを判断できる。即ち、第３図（ｂ
）において、Ｍ、Ｈ，Ｌは、第３図（ａ）の面２１．２
３．２４の面方向の距離Ｗで測定された反射強度比Ｒの
暗ピーク列を示し、変化の方向が→のときは暗ピークの
順序がＨＭＬ　ＨＭＬＨＭＬ・・・となり、変化の方向
が←のときは暗ピークの順序がＬＭＨＬＭＨＬＭＨ・・
・となるので、変化の方向を判別できる。

また、計測開始後、発生する２つのピーク高さの順序を
判定すれは、変化の極性を自動的に判別できる。

このような光干渉器の段差を形成するには、物理的、化
学的方法（スパッタ・エツチング、乾式、湿式エツチン
グ等〉で削り取ってもよいし、蒸着、スパッタリング等
の成膜技術を用いて基板と同一の物質または同しような
屈折率を持った異なった物質で形成してもよい。段差を
形成した後に、必要な面に高反射膜を形成すればよい。

このように本発明の光干渉器によれば、使用する波長に
対して高反射率を有する２つの反射面により光多重干渉
系を構成し、２つの反射面の少なくとも一方に１段以上
の段差を有する段差部を形成するので、光干渉器自体に
、計測中に被計測対象の変化の方向、極性を判別する機
能を内蔵でき、計測開始時に被計測対象の変化の方向、
極性を判別する機能を内蔵でき、かつ光干渉器自体に、
分解能を向上させる機能を内蔵可能となり、これにより
光学系、制御系が簡単、小型であり、組立て精度も容易
に得られ、コストが低減となる。

第２図（ａ）に示す本発明の光干渉器において、段差部
ｐは光吸収体ｑて覆われている（第１図（ａ））。同様
に、第３図（ａ）に示す本発明の光干渉器において、段
差部ｐ１、ｐ２は光吸収体ｑで覆われている。このよう
に段差部を光吸収体で覆うことにより反射面間の距離が
変っても、干渉ピークの幅が変動せず、ノイズも発生す
ることがない。

−Ｉ！　＝ また、叙上のように反射強度比Ｒは光束が照射される干
渉面積を変えることにより変化する。そこで本発明では
、第２図（ａ＞に示す光干渉器において第１図（ａ）に
示すように光多重干渉系Ｓを構成する２つの反射面１１
．１２の少なくとも一方１１に形成された１段の段差り
を有する各面１１．１３の所定の光ピーク強度比Ｒに基
づいたそれぞれの面積Ｓ１、Ｓ２以外の領域は光吸収体
１１ｅ、１３ｅて覆われる。なお、ｌｌｄ、ｌｌｄは高
反射膜である。

２つの反射面の一方１１の該光吸収体１１ｅ、１３ｅの
領域に対応した、２面の他方１２の領域を光吸収体１２
ｅで覆うこともてきる。

同様に、第３図（ａ）に示す光干渉器において第１図（
ｂ）、（ｃ）に示すように光多重干渉系を構成する２つ
の反射面２１．２２の少なくとも１方２１に形成された
２段の段差ｈ１、ｋ＋２を有する各面２１．２３．２４
の所定の光ピーク強度比Ｒに基づいたそれぞれの光干渉
領域である面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３以外の領域を光吸収体
２６　ａ、２６ｂ、２６ｃで覆うことができる。なお、
第１図（ｂ）、（ｃ）は光束径Ｆが面２１．２３．２４
の径（領域）より大きい場合、小さい場合をそれぞれ示
す。

このような各面における反射強度比Ｒの設定は次のよう
な手段が採用できる。

入射光の位置、光束の面積は一定にしておいて、（１）
　光干渉系を構成する基板２０ａに段差部を形成する際
、各段に必要な反射強度比に対応した面積比になるよう
に段２１ａ、２２ａ、２３ａを形成する。この場合、第
４図（ａ）に示すように、段２１ａ、２２ａ、２３ａを
盛り上げて形成し、さらにこの後に、全面に高反射膜を
施こせはよい。

（２）　各段２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは面積比に無関係
に形成する（第４図（ｂ）Ｘ）。なお、同じ面積にして
もよい。

（３）　各段の夫々の一部または全部の段に各段２１ｃ
、２２ｃ、２３ｃにおいて必要な反射強度比に対応した
面積だけ高反射膜２１ｄ、２２ｄ、２３ｄを形成する（
第４図（１））Ｙ）。高反射膜を形成していない場合は
、必要なら反射防止膜を形成してもよい。

（４，）　　　（３）の工程において高反射膜を形成し
た部分以外は、表面を荒らしたり、光吸収体で覆っても
よい。表面を荒らしてから光吸収体で覆ってもよい。

（５）　　　（２）の工程後、全面に高反射膜を形成し
、必要な反射強度比に対応した面積以外の部分２５ａ、
２５ｂを光吸収体２６ａ、２６ｂて覆ってもよい（第４
図（Ｃ））。なお、各以上には高反射膜２７ａ、２８ａ
、２９ａが形成されている。

（６）以上の事項は、光干渉器の光干渉にあずかる双方
の面に実施して却合わせてもよい。

また、光干渉器の形状については、角形でも丸形でもよ
い。光干渉に関係のない面は、鏡面でも、切りはなして
も、砂ズリでもよく、光吸収体で覆ってもよい。形につ
いても斜にしてもよい。

光干渉器の光干渉にあずかる面の平坦度および光干渉系
を構成する２つの反射面は、装置、精度に必要な平坦度
、平行度があれはよい。

また、本発明による光干渉器は、第５図に示すように、
使用する波長大に対して透光性を有する平行平板４１．
４２を隔置して対向させ、その２面により光干渉系Ｓを
構成し、それに形成された高反射膜４０の２面３１．３
２に段差を形成してもよい。

さらに、第６図に示すように、使用する波長大に対して
透光性を有するプリズム４１ａ、４２ａにより光を曲げ
て光干渉系Ｓを構成し、それに形成された高反射膜４０
の２面３１、；３２に段差を形成してもよい。

第７図（ａ）に示すように、使用する波長λに対して透
光性を有する、入射した方向に平行に光を返す移動コー
ナープリズムまたはコーナーキューブ４１で反転させて
固定面４１ａと共に光干渉系Ｓを構成し、それらに形成
された干渉面となる高反射膜４０の２面３１．３２に段
差を形成してもよい。この場合、段差をコーナー・プリ
ズムまたはコーナーキューブ４１に形成することができ
る。

第７図（ｂ）に示すように、使用する波長大に対して透
光性を有する、入射した方向に平行に光を返す移動コー
ナープリズムまたはコーナーキューブ４１て反転させて
固定面４１ａ、４１ｂと共に光干渉系Ｓを構成し、それ
らに形成された高反射膜４０の２面３１．３２に段差を
形成してもよい。

このように構成された本発明の光多重干渉器は、変位測
定（測長）、温度計、屈折率計、圧力、音響、振動、加
速度、電圧、電界等の計測に使用できる。

［発明の効果コ 以上の実施例からも明らかなように本発明の光干渉器に
よれば、使用する波長に対して高反射率を有する２つの
反射面により光多重干渉系を構成し、２つの反射面の少
なくとも一方に１段以上の段差を有する段差部を形成す
ると共に、段差部を光吸収体で覆うので、光干渉器自体
に、計測中に被計測対象の変化の方向、極性を判別する
機能な内蔵でき、計測開始時に被計測対象の変化の方向
、極性を判別する機能を内蔵でき、かつ光干渉器自体に
、分解能を向上させる機能を内蔵可能となり、これによ
り光学系、制御系が簡単、小型であり、組立て精度も容
易に得られ、コストが低減となり、かつ反射面間の距離
が変っても、干渉ピークの幅が変動せず、ノイズも発生
することがない。

さらに、段差を有する各面の所定の光ピーク強度比に基
づいたそれぞれの面積以外の領域を光吸収体で覆うこと
により、反射面間の距離が変っても、干渉ピークの幅の
変化、ノイズは発生しない。

また、光多重干渉系の反射面の平行度の調節と所定の光
ピーク強度比を得るための調整は、Ｘ、Ｙ方向の”アオ
リ”たけてよく小型化が可能となり、また調整箇所の少
ないことは小型、軽微の汎用機器として信頼性の点から
も好適である。

しかも、段差境界部における不感領域で光束径を大きく
すれば段差が多数の場合でも、光ピーク強度比の調整が
容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による光干渉器の説明図、第１図
（ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ同光干渉器の他の実施例の平
面図、第２図（ａ）は本発明による光干渉器の説明図、
第２図（ｂ）は同光干渉器の動作説明図、第３図（ａ）
、（ｂ）はそれぞれ他の実施例による光干渉器の説明図
および動作説明図、第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、第
５図、第６図、第７図（ａ）、（ｂ）はさらに他の実施
例による光干渉器の説明図、第８図（ａ）、（ｂ）は光
干渉器の原理図、第９図はその光干渉器の動作説明図、
第１０図は考えられる光干渉器の説明図である。 入・・・波長 １１．１２．１３．２１．２２．２３．２４．３１．３
２・・・反射面 Ｓ・・・光干渉系 り、ｈ＋、ｈ２・・・段差 ｐ・・・段差部 ｑ・・・段差部を覆う光吸収体 Ｒ・・・光ピーク強度比 Ｓ　１、　　Ｓ　２、　　Ｓ　３・・・面（責１１ｅ、
　　１３ｅ、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ・・・段差を有す
る各面の所定の光ピーク強度比に基づいたそれぞれの面
積以外の領域を覆う光吸収体１２ｅ・・・２つの反射面
の一方の該光吸収体の領域に対応した、２つの反射面の
他方の領域を覆う光吸収体 代理人　弁理士　　　守　谷　−雄 第２図（ａ） （ｈ） 第３図 （ａ） ｚ （ｂ） 第　９　因 ２ｍπ　　　　　２（ｍ＋＋１７Ｃ２４ｍ＋２１π　　
　　　　　５ｍｆ＆

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、使用する波長に対して高反射率を有する２つの反射
   面により光多重干渉系を構成し、前記２つの反射面の少
   なくとも一方に１段以上の段差を有する段差部を形成す
   ると共に、前記段差部を光吸収体で覆うことを特徴とす
   る光干渉器。 ２、前記段差を有する各面の所定の光ピーク強度比に基
   づいたそれぞれの面積以外の領域を光吸収体で覆うこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光干渉器。 ３、前記２つの反射面の一方の該光吸収体の領域に対応
   した、前記２つの反射面の他方の領域を光吸収体で覆う
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光干渉器
   。