JPH06258018A

JPH06258018A - 光ｉｃ化変位計

Info

Publication number: JPH06258018A
Application number: JP5046543A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Isozaki; 克己磯崎
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 1994-09-16
Anticipated expiration: 2016-01-29
Also published as: JP3128029B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で高精度な変位測定を可能とした光ＩＣ
化変位計を実現する。【構成】ＬＤと、このＬＤの片面に取り付けられ前記
ＬＤの出力光をコリメートするコリメータレンズと、こ
のコリメータレンズからの光が入射される測定対象物
と、この測定対象物からの反射光をレンズを介して導波
する測定光導波路と、前記ＬＤの他方の出射面からの光
を導波する参照光導波路と、この参照光導波路または前
記測定光導波路を伝搬する光の位相を変調するための位
相変調器と、前記測定光導波路と参照光導波路を結合す
る結合用光導波路と、この結合用光導波路で結合された
光が入射される受光素子とを備えた構成の光ＩＣ化干渉
計部を具備し、前記位相変調器で参照光または測定光の
位相を正弦波状に変調することにより前記受光素子から
得られた干渉信号のスペクトラム位相から前記測定対象
物の変位を測定するようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定物の変位を測定す
る光ＩＣ化変位計に関し、小型で高精度な測定を可能と
するものである。

【０００２】

【従来の技術】このような光ＩＣ化変位計の従来例とし
て、特開昭６４−１２２０４号『光ＩＣ干渉計』があ
る。図３は、その実施例の構成図である。図３におい
て、基板２１に光導波路２２と、参照光導波路３１，３
２，３３，３４と、干渉導波路４１，４２，４３，４４
と、分岐導波路２３とを形成し、参照光導波路３２，３
３，３４の光路長を参照光導波路３１，３２，３３の光
路長よりもそれぞれλ／８長く形成したものである。な
お、２４は発光素子、２５，２６，２７，２８はミラ
ー、２９はパワー分配器、３５は光導波路２２を伝搬す
る光束をコーナーキューブ３０に向けて射出する光ファ
イバ、３６はコーナーキューブ３０で反射した光束を分
岐導波路２３に導入させる光ファイバ、３７，３８，３
９，４０は受光素子である。

【０００３】このような構成において、図４は上記光Ｉ
Ｃ干渉計を利用してコーナーキューブ３０の移動距離な
どを求める信号処理回路を示したものであり、図５に示
す信号処理回路の各回路の出力信号の説明図を用いて簡
単に説明する。

【０００４】コーナーキューブ３０のＸ方向の移動によ
り、各シュミット回路５２〜５５から方形波信号Ｓ₁〜
Ｓ₄が出力される。ところで、参照光導波路３２〜３４
の光路長が参照光導波路３１〜３３の光路長よりもそれ
ぞれλ／８長く形成されているので、方形波信号Ｓ₁と
Ｓ₃、方形波信号Ｓ₂とＳ₄はそれぞれλ／４の位相差
がある。また、方形波信号Ｓ₁〜Ｓ₃と方形波信号Ｓ₂
〜Ｓ₄はそれぞれλ／８の位相差がある。

【０００５】そして、各方形波信号Ｓ₁〜Ｓ₄の立ち上
がり時および立ち下がり時にワンショット回路５７〜６
０，６１〜６４からカウントパルスが発生し、このカウ
ントパルスはアンド回路６５〜６８，７０〜７３を介し
てオア回路６９，７４から出力される。このオア回路６
９，７４から出力されるカウントパルスはコーナーキュ
ーブ３０がλ／４移動する毎に発生し、また、オア回路
６９から出力されるカウントパルスとオア回路７４から
出力されるカウントパルスとはλ／８の位相差がある。
したがって、オア回路８５からコーナーキューブ３０が
λ／８移動する毎にカウントパルスが出力されることに
なり、コーナーキューブ３０の移動距離をλ／８のオー
ダで求めることができる。

【０００６】コーナーキューブ３０が−Ｘ方向に移動し
た場合も、同様に、コーナーキューブ３０のλ／４の移
動毎にカウントパルスがワンショット回路５７〜６０，
６１〜６４から発生し、そのカウントパルスがアンド回
路７５〜７８，８０〜８３を介してオア回路７９，８４
から出力される。そして、上記と同様にオア回路７９か
ら出力されるカウントパルスとオア回路８４から出力さ
れるカウントパルスとはλ／８の位相差があるので、オ
ア回路８６から出力されるカウントパルスをカウントす
ることによりコーナーキューブ３０の移動距離をλ／８
のオーダで求めることができる。

【０００７】このように、上記従来例では、対象物の移
動距離をλ／２以上のオーダで求めることができ、ま
た、対象物の移動方向を判断することもできる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術に示す『光ＩＣ干渉計』においては、（１）方向性結合器やＹ分波・結合器やクロス導波路な
ど多くの素子で構成されているため、複雑であり、小型
・低価格化が難しい。また、各素子でパワーロス（散
乱）が積算されるため、Ｓ／Ｎの良い信号を得にくい。（２）ミラー２５〜２８やクロス導波路で反射光が発生
し、その反射光が発光素子２４に戻ると発振波長が不安
定となるため、装置の動作が不安定となってしまう。ま
た、反射光が受光素子３７〜４０に入るとコヒーレント
ノイズとなり、測定値に周期的な誤差が発生する。（３）位相シフタをニオブ酸リチウムの電気光学効果を
利用して実現しているが、ＤＣドリフトがあるので、安
定して動作させるのが難しい。などの欠点があった。

【０００９】本発明は上記従来技術の課題を踏まえて成
されたものであり、小型で高精度な変位測定を可能とし
た光ＩＣ化変位計を提供することを目的としたものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、レーザダイオード（以下、単にＬＤ
という）と、このＬＤの片面に取り付けられ前記ＬＤの
出力光をコリメートするコリメータレンズと、このコリ
メータレンズからの光が入射される測定対象物と、この
測定対象物からの反射光をレンズを介して導波する測定
光導波路と、前記ＬＤの他方の出射面からの光を導波す
る参照光導波路と、この参照光導波路または前記測定光
導波路を伝搬する光の位相を変調するための位相変調器
と、前記測定光導波路と参照光導波路を結合する結合用
光導波路と、この結合用光導波路で結合された光が入射
される受光素子とを備えた構成の光ＩＣ化干渉計部を具
備し、前記位相変調器で参照光または測定光の位相を正
弦波状に変調することにより前記受光素子から得られた
干渉信号のスペクトラム位相から前記測定対象物の変位
を測定するようにしたことを特徴とする。また、前記参
照光導波路、測定光導波路および結合用光導波路は、火
炎堆積法で製作したガラス導波路で構成すると共に、前
記位相変調器は熱光学効果を利用して構成したことを特
徴とする。また、前記参照光導波路、測定光導波路およ
び結合用光導波路は、ニオブ酸リチウム基盤上のチタン
拡散で製作すると共に、前記位相変調器は電気光学効果
を利用して構成したことを特徴とする。また、前記参照
光導波路、測定光導波路および結合用光導波路の端面を
斜めに加工したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によると、（１）光ＩＣ干渉計部を、一つの結合用光導波路と位相
シフタのみで構成し、小型・低価格化を実現すると共
に、パワー損失を最小としている。（２）ＬＤの両面から出射される光の一方を参照光、他
方を測定光として利用する構成を取ることにより、ＬＤ
への戻り光およびコヒーレントノイズの発生を本質的に
なくしている。（３）干渉位相の測定法として、参照光路の位相を正弦
波状に振る位相変調法を用いることにより、信号を変調
周波数上に乗せることができ、ＤＣドリフトの影響を受
けない、安定した動作としている。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明の光ＩＣ化変位計の一実施例を示す構成図で
ある。図１において、参照光導波路１、測定光導波路
２、Ｙ形光導波路３は、特公昭６２−４８８０６号『光
導波路用薄膜の製造方法』で開示されている火炎堆積法
を用いて製作されたガラス導波路で構成され、熱光学効
果を利用して構成された位相変調器４は、参照光導波路
１上にスパッタや蒸着でＣｒなどのヒータ電極を付加し
て構成されている。

【００１３】ＬＤ５からの出射光は、ＬＤ５の片面に取
り付けられたセルフォックレンズ６でコリメートされ、
測定点に設置された測定対象物であるコーナーキューブ
（以下、単にＣＣという）８で反射される。反射光は、
セルフォックレンズ７で集光され、測定光導波路２に入
射する。一方、ＬＤ５の他方の面から出射された光は、
参照光導波路１に入射し、Ｙ形光導波路３で測定光導波
路２からの光と合波され、干渉する。干渉波は、Ｙ形光
導波路３を伝搬し、受光素子９で受光され、電気信号に
変換される。

【００１４】ここで、参照光導波路４には位相変調器４
が付加されており、導波光の位相を信号源１８で正弦波
状に変調している。受光素子９で検出されたフォト電流
（干渉信号）は、Ｉ／Ｖ変換回路１１で増幅した後、乗
算器１２，１６に入力される。乗算器１６では、信号源
１８からの信号と、干渉信号の乗算が行われ、ローパス
フィルタ１５を通すことで、干渉信号のサイン成分を検
出する。

【００１５】一方、乗算器１２では、信号源１８の周波
数を周波数ダブラで１７で２倍にし、干渉信号との乗算
を行い、ローパスフィルター１３を通すことにより、干
渉信号のコサイン成分を検出する。

【００１６】ローパスフィルター１３から得られるサイ
ン信号ｓｉｎφとローパスフィルター１５から得られる
コサイン信号ｃｏｓφから、干渉位相φを演算装置１４
で計算する。

【００１７】このような構成において、ＬＤ５から出射
し、セルフォックレンズ６→ＣＣ８→セルフォックレン
ズ７→測定光導波路２を通って、Ｙ形光導波路３の合波
点まできた測定光の光路をＬ_m、ＬＤ５の他端から出射
し、位相変調器４→参照光導波路１を通って、Ｙ形光導
波路３の合波点まできた参照光の光路をＬ_rとすると、
Ｙ形光導波路３を通り、受光素子９で検出され、Ｉ／Ｖ
変換回路１１で増幅される干渉信号Ｉ₀は、次式で表さ
れる。なお、式中のＡは干渉強度を示す定数である。Ｉ₀＝Ａ・ｃｏｓφ φ＝２・π・（Ｌ_m−Ｌ_r）／λ

【００１８】ここで、干渉信号Ｉ₀の測定だけでは、光
源の出力変動やＣＣ８を移動したときの反射率の変化な
どにより高精度の測定ができないし、移動方向の判別が
できない。そこで、これらの欠点を克服するために、位
相変調器４を用いて、参照光の位相を正弦波状に変調す
る。変調周波数をω_m、変調深さをξとすると、受光素
子９から得られる干渉信号Ｉ_mは、次式となる。Ｉ_m＝Ａ・ｃｏｓ｛φ＋Ｋ・ｃｏｓ（ω_mｔ）｝ ─ Ｋ＝４・π・ξ／λ

【００１９】この式をベッセル関数を用いて展開し、
変調周波数ω_mの成分を乗算器１２とローパスフィルタ
１３で検出し、また、変調周波数の２倍の周波数成分２
ω_mを乗算器１６とローパスフィルタ１５で抽出する
と、次式となる。Ｉ_m（ω_m）＝２Ａ・Ｊ₁（Ｋ）ｓｉｎφ Ｉ_m（２ω_m）＝２Ａ・Ｊ₂（Ｋ）ｃｏｓφ

【００２０】ここで、Ｊ₁（Ｋ）＝Ｊ₂（Ｋ）となるように、変調深さξを調整する（ξ＝０．２３
λ）か、ローパスフィルタ１３，１５のゲインを調整し
て、演算器１４で下式を計算することで、干渉位相φの
高精度な測定が可能となり、変位の検出が可能となる。Ｌ_m＝（λ／２π）・ｔａｎ^-1｛Ｉ_m（ω_m）／Ｉ
_m（２ω_m）｝＋Ｌ_r

【００２１】また、光導波路部のパターンとして、図１
に示すＹ形分岐だけでなく、図２に示すような２×２の
分岐パターンでも可能である。この場合には、干渉位相
φの測定方法としては、参照光の位相を正弦波状に変調
する位相変調法だけでなく、参照光へ与える位相シフト
を９０ｄｅｇと固定して使用することも可能であり、こ
の場合は、ｓｉｎφとｃｏｓφの信号をＩ／Ｖ変換回路
１１で直接出力することができる。さらに、Ｙ形光導波
路ではなく、方向性結合器を用いた構成としても良い。

【００２２】なお、上記実施例において、基盤材料に、
ニオブ酸リチウムを使用し、チタン拡散で光導波路部を
作製しても同様の効果を得られる。この場合には、基盤
が電気光学効果を持つため、電極パターンを製作し、電
界を印加するだけで、位相変調が可能である。

【００２３】また、光導波路部の端面を斜めに加工する
ことにより、ＬＤや受光素子への戻り光を低減すること
ができ、ＬＤの出力損失や受光素子へのノイズの混入を
防止できる。

【００２４】さらに、上記実施例では、ＬＤ５らの出射
光をセルフォックレンズ６を用いて平行光とし、空間伝
搬させる例を示したが、ＬＤ５からの光をファイバなど
の光導波路に入射させ、測定対象まで導き、反射光もフ
ァイバなどの光導波路に入射させて検出することも可能
である。

【００２５】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、（１）光ＩＣ化干渉計部を１つの結合用光導波路と位相
シフタだけで構成しているため、小型・低価格化が可能
である。（２）ＬＤの両面から出射される光の一方を参照光に、
他方を測定光として利用する構成としているため、ＬＤ
への戻り光およびコヒーレントノイズの発生を本質的に
なくすことができる。（３）干渉位相の測定法として、参照光路の位相を正弦
波状に振る位相変調法を用いることにより、信号を変調
周波数上に乗せることができ、ＤＣドリフトの影響を受
けない安定した動作を実現できる。などの効果を有する
光ＩＣ化変位計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ＩＣ化変位計の一実施例を示す構成
図である。

【図２】本発明の光ＩＣ化変位計の他の実施例を示す構
成図である。

【図３】光ＩＣ干渉計の従来例である。

【図４】図３の光ＩＣ干渉計の信号処理回路の回路構成
図である。

【図５】図４の信号処理回路の各回路の出力信号の説明
図である。

【符号の説明】

１参照光導波路２測定光導波路３Ｙ形光導波路（結合用光導波路）４位相変調器５レーザダイオード６、７セルフォックレンズ８コーナーキューブ（測定対象物）９受光素子

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【手続補正書】

【提出日】平成５年６月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】ローパスフィルター１３から得られるコサ
イン信号ｃｏｓφとローパスフィルター１５から得られ
るサイン信号ｓｉｎφから、干渉位相φを演算装置１４
で計算する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】この式をベッセル関数を用いて展開し、
変調周波数ω_mの成分を乗算器１６とローパスフィルタ
ー１５で検出し、また、変調周波数の２倍の周波数成分
２ω _mを乗算器１２とローパスフィルター１３で抽出す
ると、次式となる。Ｉ_m（ω_m）＝２Ａ・Ｊ₁（Ｋ）ｓｉｎφ Ｉ_m（２ω_m）＝２Ａ・Ｊ₂（Ｋ）ｃｏｓφ

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザダイオード（５）と、このレーザダイオード（５）の片面に取り付けられ前記
レーザダイオード（５）の出力光をコリメートするコリ
メータレンズ（６）と、このコリメータレンズ（６）からの光が入射される測定
対象物（８）と、この測定対象物（８）からの反射光をレンズ（７）を介
して導波する測定光導波路（２）と、前記レーザダイオード（５）の他方の出射面からの光を
導波する参照光導波路（１）と、この参照光導波路（１）または前記測定光導波路（２）
を伝搬する光の位相を変調するための位相変調器（４）
と、前記測定光導波路（２）と参照光導波路（１）を結合す
る結合用光導波路（３）と、この結合用光導波路（３）で結合された光が入射される
受光素子（９）とを備えた構成の光ＩＣ化干渉計部を具
備し、前記位相変調器（４）で参照光または測定光の位相を正
弦波状に変調することにより前記受光素子（９）から得
られた干渉信号のスペクトラム位相から前記測定対象物
（８）の変位を測定するようにしたことを特徴とする光
ＩＣ化変位計。
【請求項２】前記参照光導波路（１）、測定光導波路
（２）および結合用光導波路（３）は、火炎堆積法で製
作したガラス導波路で構成すると共に、前記位相変調器
（４）は熱光学効果を利用して構成したことを特徴とす
る請求項１記載の光ＩＣ化変位計。
【請求項３】前記参照光導波路（１）、測定光導波路
（２）および結合用光導波路（３）は、ニオブ酸リチウ
ム基盤上のチタン拡散で製作すると共に、前記位相変調
器（４）は電気光学効果を利用して構成したことを特徴
とする請求項１記載の光ＩＣ化変位計。
【請求項４】前記参照光導波路（１）、測定光導波路
（２）および結合用光導波路（３）の端面を斜めに加工
したことを特徴とする請求項１記載の光ＩＣ化変位計。