JPS6347602A - 導波型光変位センサ - Google Patents

導波型光変位センサ

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JPS6347602A
JPS6347602A JP61189603A JP18960386A JPS6347602A JP S6347602 A JPS6347602 A JP S6347602A JP 61189603 A JP61189603 A JP 61189603A JP 18960386 A JP18960386 A JP 18960386A JP S6347602 A JPS6347602 A JP S6347602A
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JP
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light
optical waveguide
optical
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wave guide
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JP61189603A
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Junichi Takagi
高木 潤一
Maki Yamashita
山下 牧
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Omron Corp
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Omron Tateisi Electronics Co
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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 光学的異方性をもつ基板に2分岐した2本の光導波路を
作製してこれらを参照光用、信号光用とする。TEモー
ド光とT Mモード光とでは屈折率が異なるので光路長
が異なることを利用して。
TEモードの参照光と信号光との干渉光と、 TMモー
ドの参照光と信号光との干渉光との間に一定の位相差を
もたせることによって、変位全のみならず変位方向をも
判別できるようにした。
発明の背景 技術分野 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フ照光と基板
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披DI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。
先願発明 出願人は既にこの種の導波型光変位センサについていく
つかの提案を行なっている。たとえば。
特願昭60−142837号、特願昭60−14263
8号、特願昭6O−142H9号などである。とくに、
後2者の特許出願には、被測定物体の変位量のみならず
その変位方向をも判別することのできる導波型光変位セ
ンサが開示されて、いる。被測定物体の変位方向を判別
するためには2つの干渉光が必要であり。
しかもこれらの干渉光はその位相が相互に一定角度(た
とえばπ−/4またはπ/2など)ずれていなければな
らない。したがって基板上には2系統の光干渉計の作製
が必要であり、2つの干渉光を取出すために2本の光フ
ァイバが必要となる。入力光を基板に導入するためにも
う1本の光ファイバを要するから、少なくとも合計3本
の光ファイバが必要である。
発明の概要 この発明は、構成のより簡素化を図った導波型光変位セ
ンサを提供するものである。
この発明による導波型光変位センサは、光学的異方性を
もつ基板上に、端面に反射面が形成された参照光用光導
波路と、@面から出射して被測定物体に連動する鏡面に
投射される信号光用の光導波路と、入力光をこれらの参
照光用および信号光用光導波路に分岐させる分岐光導波
路と、参照光用および信号光用光導波路から戻ってきた
参照光と信号光とを干渉させる干渉用光導波路とを、こ
れらの光導波路を伝播するTEモード光および7Mモー
ド光に対する屈折率が異なるように作製し、干渉用光導
波路を伝播するTEモード干渉光の強度変化と7Mモー
ド干渉光の強度変化との間に一定の位相差が生じるよう
に参照光用光導波路と信号光用光導波路との長さを異な
らせたことを特徴とする。
Y分岐光導波路を利用して基板上に上記の各種光導波路
を作製する場合には9分岐光導波路と干渉用光導波路と
は共通部分をもっことになろう。
いわゆる非対称X分岐光導波路を用いて上記の各種光導
波路を基板に作製することもできる。
基板上の分岐光導波路にTEモード光と7Mモード光と
を導入するためには偏波面保存光ファイバを用いればよ
い。また、干渉用光導波路からの出射光は偏光ビーム・
スプリッタによってTEモード光と7Mモード光とに分
離すればよい。
分離されたTEモード光と7Mモード光とをそれぞれ別
個の光電変換素子で受光し、その光強度変化を電気信号
に変換する。これらの電気信号を2値化し、2値化パル
ス数を計数することによって被測定物体の変位量を検出
することができる。
また、TEモード光の光強度変化と7Mモード光の光強
度変化とは一定の位相差をもっているので、これらの2
つの受光信号の変化の順序によって彼n1定物体の変位
方向を判定することが可能となる。
この発明によると、相互に干渉しないTEモード光と7
Mモード光とを用いているから、基板上に1系統の光干
渉計を設けるだけで、変位量の測定のみならず変位方向
の判別をも行なうことが可能となり、基板上の光導波路
の構成が簡素となる。Y分岐光導波路を用いた場合には
1本の光ファイバで入力光の基板への導入と干渉光の導
出とを行なうことができ、非対称X分岐光導波路を用い
た場合にも合計2本の光ファイバで足りるので、光軸調
整等も容易となる。さらにTEモード干渉光と7Mモー
ド干渉光との間の位相差は、参照光用光導波路と信号光
用光導波路との長さを単に異ならせて設定することによ
って与えることができるので、この点からも構成の簡素
化が図られる。
実施例の説明 第1図は導波型光変位センサの主要部を示している。
基板1としてZカットのLiNbo3結晶が用いられて
おり、この基板1上に光導波路パターンのTi膜(厚さ
 300人)を形成したのち、ウェット02雰囲気、 
1ooo℃で5時間Tiを基板1に熱拡散させることに
よって光導波路が形成されている。この光導波路は9人
力用および出力用(光干渉用)の光導波路12と、参照
光用光導波路13と。
信号光用光導波路14と、Y分岐光導波路11とから構
成され、光導波路12がY分岐光導波路11によって参
照光用および信号光用の光導波路13.14に接続され
ている。
参照光用光導波路13は信号光用光導波路14よりも距
離りだけ短く、参照光用光導波路13の終端には反射部
2が設けられている。この反射部2は。
基板1上の光導波路13の終端位置にドライエツチング
によってスロットを形成し、このスロットの内壁面に金
属を蒸着することによって構成することができる。
被測定物体に固定された。またはこれと連動するように
結合されたミラーと基板1上の信号光用光導波路14の
終端(基板1の端面)との間にはロット・レンズ3が設
けられている。このレンズ3は、光導波路14から出射
する光をコリメートしてミラー4に投射し1かつその反
射光を集光して光導波路L4に導入するためのものであ
る。このレンズ3の存在によって光導波路14の終端と
ミラー4との間の距離にかかわらず、常にほぼ一定の光
量の信号光(反射光)が光導波路14に戻りかつY分岐
光導波路11に向って光導波路14を伝播するようにな
る。
反射部2で反射してY分岐光導波路11に戻る参照光の
強度と、ミラー4で反射して信号光用光導波路14を伝
播しY分岐光導波路11に戻る信号光の強度とがほぼ等
しくなるように1反射部2の反射率またはミラー4の反
射率を調整しておくことが好ましい。
光導波路12の端面にはシングル・モードの偏波面保存
光ファイバ(シングル・ボラリゼーション・ファイバ)
21が接続されている。第2図に拡大して示されている
ように、この偏波面保存光ファイバ21は、中心のコア
22のX軸方向の上下位置に応力発生用のガラス・ファ
イバ24がそのサポート23内に挿入されてなり、TE
モード(X軸方向)および7Mモード(X軸方向)の光
をその偏波面を一方向に保存して伝播させることができ
る。また、光ファイバ21はその上記Xおよびy軸方向
′が基板結晶1のZおよびY軸方向に一致した状態で、
光導波路12に接続されている。
したがって、光フアイバ21内を伝播してきたTEモー
ド、7Mモードの両モード光が光導波路12内に導入さ
れかつ光導波路11.13.14等を伝播していくこと
になる。
一方のモードの光、たとえばTEモードの光についてみ
ると、この光は光導波路12からY分岐光導波路11に
進み、ここで強度が等しく分岐されて光導波路13と1
4とに進む。参照光用光導波路13を伝播する光は反射
部2で反射して光導波路13を逆方向に進み、Y分岐光
導波路11に戻る(参照光)。信号光用光導波路14に
進んだ光は、この光導波路14から出射してロッド・レ
ンズ3を経てミラー4に向う。ミラー4で反射した光は
再びロッド・レンズ3を経て光導波路14に入射し、こ
の光導波路14を逆方向に伝播してY分岐光導波路11
に戻る(信号光)。これらの参照光と信号光はY分岐光
導波路11から光導波路12を進むが、ここで相互に干
渉し合い、参照光と信号光との位相差に応じた強度をも
つ干渉光が得られる。この干渉光(出力光)は光導波路
■2から先ファイバ21に進み、後述する測定系に送ら
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
示されている(たとえばNo、lの波形)。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。信号光は光導波路14の出力端とミラー4
との間を往復するので光路差はミラー4の変位量の2倍
に等しい。
TEモードの光についても同じように、ミラー4の変位
量を表わす強度をもつ干渉光(出力光)が得られる。
ところで、ZカットLiNbO3基板1はTEモード光
と7Mモード光に対して異なる屈折率を与えるから、そ
して、参照光用光導波路13と信号光用光導波路14が
それらの長さにおいてしたけ異なるように設定されてい
るから、これらのTEモード光の干渉光とT Mモード
光の干渉光との間には、第4図にNo、1. No、2
で示されているように、ある一定の位相差が生じること
になる。相互に一定の位相シフトが与えられた2つの干
渉光No、1. No、2の変化の順序によってミラー
4の変位方向の判別ができる。
光導波路13と14との長さの差しは次のようにして設
定できる。
光としてHe−Neレーザ(λ−0,833a m )
を用い、常温の条件下において、光導波路の屈折率は、
TM、TEモード光に対してそれぞれ次式%式% [ [ 光導波路長にLの違いがある場合に、TEモード光と7
Mモード光の光路長がこれに応じて異なる。
これら2つのモードの光の位相差Δは。
Δ−2πL ([No] −[Nel )/λ= 2 
πL X 0.1233 (λ−0,833μm) となる。
位相差Δを2π/8とした場合に、第1図の構成では光
は光導波路を往復するので干渉光(No、1とNo、2
)の位相差は2π/4となる。
この場合におけるLは。
Δ−2π/8 一2πLx  0.1233 より L =  1.014μm となる。
2つの干渉光の位相差が2π/4であれば被測定物体の
変位方向の判別は可能である。
2つの干渉光の位相差が2πのときは、これらの干渉光
強度のグラフは重なってしまうから、変位方向の判別は
できない。位相差が2πのとき。
L =  8.113μmである。
したがって、2つの干渉光の位相差が2π/4であるた
めの光導波路長差しは最終的には次式で与えられる。
L−1,014+mX  8.113(μm)mは正の
整数 ±0.2μm程度の光導波路作製精度で充分に変位方向
の判別が可能となることが分るであろう。
さて、第3図および第4図を参照して全体的な動作につ
いて説明しておく。
光源としてHe−Neレーザ31が用いられている。こ
のレーザ光はアイソレータ32およびビーム・スプリッ
タ33を経て、レンズ34によって偏波面保存光ファイ
バ2■に入射する。アイソレータ32は反射光がレーザ
31に戻らないようにするためである。直線偏光のレー
ザ光を、その偏波面が光ファイバ21のX軸、y軸に対
して45@傾くようにして、光ファイバ21に導入する
と、光ファイバ21を伝播するTEモード光と7Mモー
ド光の強度が等しくなる。この光ファイバ21を通して
TEモード光および7Mモード光が基板1上の光導波路
に送られる。
光ファイバ21を戻ってきたTEモード干渉光およびT
Mモード干渉光は、光ビーム・スプリッタ33で方向が
変換される。こられの互いに直交する偏波面をもつ2つ
の干渉光は、偏光ビーム・スプリッタ35で分けられ、
それぞれ受光素子38A、 38Bで受光される。
これらの干渉光信号は受光素子38A、 36Bでそれ
ぞれ電気信号に変換されたのち、適当なスレシホールド
・レベルをもつ回路37A、 37Bでそれぞれレベル
弁別され、2値化される。この2値化信号の立上りおよ
び/または立下りがカウンタ38A。
3813によって計数される。したがって、ミラー4の
変位量はλ/2またはλ/4単位でal11定される。
λ/4の場合には、約0.16μmの分解能で変位量が
測定できることになる。第4図に示すN001またはN
o、2 (T Eモードまたは7Mモード)の2値化信
号のいずれか一方のみを用いて変位量が/IPj定でき
るのはいうまでもない。
他方、上記の2値化信号は微分回路39A、 39B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40に人力する。
ミラー4が基板1から遠ざかる方向に動くときには、た
とえばスレシホールド回路37Aの出力信号の立上り(
立下り)が同日路37Bの出力信号の立上り(立下り)
よりも先に現われ、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39A、 39Bの出力の変化が現われる順序に基
づいてミラー4の移動方向が判別回路40により判別さ
れる。方向判別回路40はCPUによって構成すること
も可能である。
に記実施例では、Y分岐光導波路を中心にして?!成板
上光導波路が形成されているが、上述した先願に示され
ているような非対称X分岐光導波路を用いてもこの発明
は実現できる。
【図面の簡単な説明】
図面はこの発明の実施例を示し、第1図は導波型光変位
センサの主要部を示す斜視図、第2図は偏波面保存光フ
ァイバと基板上の光導波路との結合の配置を示す図、第
3図は光変位測定系全体の構成を示す構成およびブロッ
ク図、第4図は干渉光強度信号とそれに基づいてつくら
れた二値化信号を示す波形図である。 1・・・基板。 2・・・反射部。 4・・・被測定物体に連動するミラー。 11・・・Y分岐光導波路。 12・・・入力用および出力用(光干渉用)光導波路。 13・・・参照光用光導波路。 14・・・信号光用光導波路。 以  上 特許出願人   立石電機株式会社 代 理 人   弁理士 牛久 健司 (外1名)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  光学的異方性をもつ基板上に、 端面に反射面が形成された参照光用光導波路と、 端面から出射して被測定物体に連動する鏡面に投射され
    る信号光用の光導波路と、 入力光をこれらの参照光用および信号光用光導波路に分
    岐させる分岐光導波路と、 参照光用および信号光用光導波路から戻ってきた参照光
    と信号光とを干渉させる干渉用光導波路とを、 これらの光導波路を伝播するTEモード光およびTMモ
    ード光に対する屈折率が異なるように作製し、 干渉用光導波路を伝播するTEモード干渉光の強度変化
    とTMモード干渉光の強度変化との間に一定の位相差が
    生じるように参照光用光導波路と信号光用光導波路との
    長さを異ならせたことを特徴とする、 導波型光変位センサ。
JP61189603A 1986-08-14 1986-08-14 導波型光変位センサ Expired - Lifetime JPH0684884B2 (ja)

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JPH0684884B2 JPH0684884B2 (ja) 1994-10-26

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05302976A (ja) * 1992-04-24 1993-11-16 Agency Of Ind Science & Technol 距離測定装置
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