JPS6281504A - 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
出射端と被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とともに、参照光
を得るための反射手段もまた第２の基板に形成されてい
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、固定反射面で反射する参照光と基板外の
被測定物体上の可動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ｎ１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８Ｏ−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相
互に干渉し、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
によつ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
。

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。原理的には、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。

その１つは、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。。

他の１つは９反射手段、たとえばＡｕの蒸着膜を基板の
光導波路端面に形成するので２反射手段の作製が困難で
あるとともに、薄膜の厚さが制御しにくいということで
ある。光導波路は基板表面から数μｍの深さのところに
あるために、この光導波路端面の近傍にのみ反射膜を形
成するのは困難で、膜厚も不均一となるために反射率を
所望の値に設定するのも必ずしも容易ではない。

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とともに反射手段の作製も容易
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を第１の基板に形成し、２つ
のレンズ手段と反射手段とを第２の基板に一体的に形成
したことにある。

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かで
卆る。この場合、密着面に反射手段を形成しておけば反
射手段も第１の基板端面に密着する。

反射手段を密着面とは反対側の面に形成した場合には１
反射手段に対応して、さらに参照光用のレンズも第２の
基板に作製することが好ましい。

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の基板を第１の基板の端面に密
着させることによって１機械的振動に対して強くなる。

また９反射手段、たとえば反射膜は第２の基板の表面に
作製することができるので、その形成が容易となるとと
もに、均一な膜厚のものを作製することができるので参
照光強度を所望の値に制御することも可能であり、干渉
光の消光比を実際上良好にすることができる。

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１
１と２１とがその入力端で共通に形成され、それぞれの
Ｘ字結合部に向ってＹ字状に分岐している。二のような
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５
７−８８１７８）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
！８と１４に等しく分岐して進行していく。光導波路１
３と１４をＸ字結合部に向って伝播する光は、これらの
晃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には光導波路１３．１４をＸ字結合部に向
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４８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３２．８３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
４＾、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。

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８Ａ、　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。光導波路工４と２４の出力端の中心
間の距離と、レンズ３Ａ。

８Ｂの中心間の距離とは等しく設定されている。

また、レンズ基板３のレンズ３Ａ、　３Ｂが形成されて
いる面とは反対側の面（裏面）には、Ａｕ薄膜を蒸着す
ることにより反射膜２が形成されている。この反射膜２
は光導波路１３．２３の端面を覆う大きさにつくられて
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、また反射膜２が
光導波路１３．２３端面に対向するように、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。また１反射膜２が
光導波路１３．２３の端面に密着する。

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１１に
導かれかつ光導波路１３と１４とに等しく分岐した光の
うち光導波路■４を伝播しその端部から出射する光はレ
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ｌＯ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。

また、非対称Ｘ分岐型光導波路ｌＯにおいて、光導波路
１３を進む光は反射膜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。

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４Ｉ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ＩＯ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４ＯＢ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。この実施例では出力光強度のｌ／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　　・す（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。

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　Ｌ　０２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９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。

とくにこの発明においては２反射膜２がレンズ基板３の
平坦面に形成されているから９反射膜２の作製が容易で
あり、かつ第６図（Ｂ）に示すように均一の厚さとする
ことができるので、膜厚の制御が容易である。反射膜２
は通常のフォトリングラフィ工程により簡単に作製でき
る。第６図（Ａ）に示すように、基板１の端面に反射膜
２Ａをつくる場合には、縁部において膜厚が不均一とな
る。とくにこの部分は光導波路１３（または２３）に対
向するために２反射光（参照光）の強度の制御は困難と
なる。

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図に記載され
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、　　もてきる。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。

第７図は、他の実施例を示している。ここでは、レンズ
基板３のレンズ３Ａ、　３Ｂと同じ面に参照光用のフレ
ネル・レンズ２Ａ、　３Ｂが形成され、このフレネル・
レンズ２Ａ、　３Ｂ表面にＡｕ薄膜を蒸着させることに
より反射膜２が形成されている。これらのレンズ２Ａ、
　３Ｂの焦点距離も基板３の厚さに等しい。

光“導波路１３から出射した光は回折によって広がり、
レンズ２Ａに向う。この広がる光はレンズ２人によって
コリメートされ、続いて反射面２で反射し、再びレンズ
２Ａによって集光され２元の光導波路１３に戻る。同じ
ように、光導波路２３から出射した光も９反射面２で反
射して光導波路２３に戻る。

この実施例では、基板１の端面に接する基板３の裏面に
反射膜が設けられていないので１両基板の密着性が向上
するという利点がある。

【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、第６図は反射膜を拡大
して示す図であり、第７図はこの発明の他の実施例を示
す一部断面平面図である。 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。 １０、２０・・・非対称Ｘ分岐光導波路。 １１〜１４．２１〜２４・・・光導波路。 ２５・・・位相シフト用溝。 以　　上

Claims (5)

【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、 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、 上記第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つのレンズが一体的に形成された第
   ２の基板、ならびに参照光を得るために、上記第２の基
   板に形成された反射手段、 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
   おり、これによって上記反射手段が上記第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。
5. （５）上記反射手段に対応する箇所において、上記第２
   の基板に、さらに参照光のためのレンズが一体的に形成
   されている、特許請求の範囲第（１）項に記載の導波型
   光変位センサ。