(57)【要約】【課題】小型化、高精度化及び高周波化を実現しやすい周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置を提供すること。【解決手段】周波数シフター型の光変調器１２は、振動子３０と、振動子３０の変位方向に並設された複数の溝を３２含む回折格子３４と、を備え、回折格子３４が振動子３０に設けられている。回折格子３４を振動子３０に設けたことで、周波数シフター型の光変調器１２の小型化及び高精度化の実現を進め易くなる。また、ＭＨｚ帯の高周波領域への対応、即ち高周波化の実現も進め易くなる。振動子３０と回折格子３４の組み合わせに基づく効果を効率的に得ることができる。【選択図】図２
2020165700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子の変位方向に並設された複数の溝を含む回折格子と、を備え、
前記回折格子が前記振動子に設けられている、
ことを特徴とする周波数シフター型の光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の周波数シフター型の光変調器において、
前記回折格子はブレーズド回折格子である、
ことを特徴とする周波数シフター型の光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか一項に記載の周波数シフター型の光変調器において、
前記振動子は、ＭＨｚ帯の高周波領域で厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である、
ことを特徴とする周波数シフター型の変調器。
【請求項４】
所定波長のレーザ光を出力する光源部と、偏光ビームスプリッタと、複数のλ／４板と、検光子と、光を電気信号に変換する受光素子と、請求項１から３のいずれか一項に記載された周波数シフター型の光変調器と、被測定物のセット部と、を備え、
前記光源部から出力される光の光軸上に、前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記セット部とが配置され、
前記偏光ビームスプリッタで反射される光の光軸上に、前記λ／４板と前記周波数シフター型の光変調器とが配置され、
前記偏光ビームスプリッタと前記受光素子の間に検光子が配置され、
前記被測定物から反射されたドップラーシフト光と前記周波数シフター型の光変調器で反射された周波数シフト光とが前記各λ／４板と前記偏光ビームスプリッタと検光子を通って前記受光素子に導かれる、
ことを特徴とするレーザードップラー計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザードップラー計測装置において、
前記周波数シフト光が、±１次回折光である、
ことを特徴とするレーザードップラー計測装置。
【請求項６】
請求項４に記載のレーザードップラー計測装置において、
前記周波数シフト光が、±２次以上のいずれかの回折光である、
ことを特徴とするレーザードップラー計測装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のレーザードップラー計測装置において、
前記周波数シフター型の光変調器は、前記周波数シフター型の光変調器への前記レーザ光の進入方向と前記周波数シフター型の光変調器から反射される前記周波数シフト光の進行方向との成す角度が１８０度となるように配置されている、
ことを特徴とするレーザードップラー計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動いている物の動きの状態を把握するために用いられる周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置の従来技術文献として特開２００７−２８５８９８号公報がある。この文献には、ヘテロダイン干渉を利用して周波数のシフト量を得ることが記載されている。  
具体的には、明細書の段落００２８に、「振動素子は、例えば電圧、磁気等を与えると変形する性質を持ち、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子を使用することが望ましい。また、振動周波数は、波形の立ち上がりが直線性を示す三角波やのこぎり波でなければならない。のこぎり波印加電圧の立ち上がり時、あるいは、三角波印加電圧立ち上がり及び立下り時にレーザ光が入射されることによる光ドップラシフトを利用する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般的に水晶振動子やＳｉ振動子などの振動素子は、発振のシャープさを示す値であるＱ値が極めて高い単振動駆動を利用しており、そこに記載された駆動方法は精度が出ず現実的ではないという問題がある。また、ＭＨｚ帯の高周波振動への対応すなわち高周波化の実現については、記載も示唆も全くない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明は、電位を加えることにより面に沿う方向に結晶が歪んで振動するモードを繰り返す板形状の振動子と、前記振動子の表面に設けられ、直線状の複数の溝が周期的に並んで成る回折格子と、を備える、ことを特徴とする周波数シフター型の光変調器である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態係るレーザードップラー計測装置の概略構成図。
【図２】同実施形態に係る周波数シフター型の光変調器の概略斜視図。
【図３】同実施形態の同光変調器における入射光から複数の回折光が発生することを説明する図。
【図４】同実施形態の同光変調器における入射光と回折光の光路を説明する図。
【図５】同実施形態に係る光源部、周波数シフター型の光変調器、受光素子を一つの基盤上に実装させた概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
最初に、本発明について概略的に説明する。  
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の周波数シフター型の光変調器は、振動子と、前記振動子の変位方向に並設された複数の溝を含む回折格子と、を備え、前記回折格子が前記振動子に設けられている、ことを特徴とする。
【０００８】
本態様によれば、前記回折格子を前記振動子に設けたことで、当該周波数シフター型の光変調器の小型化及び高精度化の実現を進め易くなる。また、ＭＨｚ帯の高周波領域への対応、即ち高周波化の実現も進め易くなる。  
また、周波数変調を得る場合、格子ベクトル方向に振動させると回折光はより大きな変調周波数を得ることができる。  
本態様によれば、複数の前記溝は、前記溝の延びる方向が前記振動の方向に対して交差するので、前記振動子と前記回折格子の組み合わせに基づく効果を効率的に得ることができ、以って当該周波数シフター型の光変調器の高周波化を容易に実現することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様の周波数シフター型の光変調器において、前記回折格子はブレーズド回折格子である、ことを特徴とする。
【００１０】
本態様によれば、前記回折格子はブレーズド回折格子であるので、光利用効率を高めることができ、以って当該周波数シフター型の光変調器の小型化及び高ＳＮを容易に実現することができる。
【００１１】
本発明に係る第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の周波数シフター型の光変調器において、前記振動子は、ＭＨｚ帯の高周波領域で厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である、ことを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、前記振動子は、ＭＨｚ帯の高周波領域で厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子であるので、当該周波数シフター型の光変調器の小型化、高精度化、更に高周波化を容易に実現できる。
【００１３】
本発明の第４の態様のレーザードップラー計測装置は、所定波長のレーザ光を出力する光源部と、偏光ビームスプリッタと、複数のλ／４板と、検光子と、光を電気信号に変換する受光素子と、第１の態様から第３の態様のいずれか一つの態様に記載された周波数シフター型の光変調器と、被測定物のセット部と、を備え、前記光源部から出力されるレーザ光の光軸上に、前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記セット部とが配置され、前記偏光ビームスプリッタで反射されるレーザ光の光軸上に、前記λ／４板と前記周波数シフター型の光変調器とが配置され、前記偏向ビームスプリッタと前記受光素子の間に検光子が配置され、前記被測定物から反射されたドップラーシフト光と前記周波数シフター型の光変調器で反射された周波数シフト光とが前記各λ／４板と前記偏光ビームスプリッタと検光子を通って前記受光素子に導かれる、ことを特徴とする。
【００１４】
本態様によれば、レーザードップラー計測装置として、第１の態様から第３の態様のいずれか一つの態様に記載された周波数シフター型の光変調器を備えるので、当該レーザードップラー計測装置の小型化、高精度化、更に高周波化を容易に実現できる。
【００１５】
本発明に係る第５の態様は、第４の態様のレーザードップラー計測装置において、前記周波数シフト光が、±１次回折光である、ことを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、前記周波数シフター型の光変調器は、±１次回折光が前記周波数シフト光として利用されるように配置されているので、当該計測装置の小型化と高安定性を実現することができる。
【００１７】
本発明に係る第６の態様は、第４の態様のレーザードップラー計測装置において、前記周波数シフト光が、±２次以上のいずれかの回折光である、ことを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、前記周波数シフター型の光変調器は、±２次以上のいずれかの回折光が前記周波数シフト光として利用されるように配置されているので、当該計測装置の小型化と高周波化を実現することができる。
【００１９】
本発明に係る第７の態様は、第５の態様又は第６の態様のレーザードップラー計測装置において、前記周波数シフター型の光変調器は、前記周波数シフター型の光変調器への前記レーザー光の進入方向と前記周波数シフター型の光変調器から反射される前記周波数シフト光の進行方向との成す角度が１８０度となるように配置されている、ことを特徴とする。  
ここで、「前記周波数シフター型の光変調器への前記レーザー光の進入方向と前記周波数シフター型の光変調器から反射される前記周波数シフト光の進行方向との成す角度が１８０度となるように配置」における「角度が１８０度」は、ミラーによる反射を利用して行う場合と、ミラーを用いないで前記回折格子の作る面を傾斜させて設置することで行う場合が挙げられる。
【００２０】
本態様によれば、ミラーを用いて前記「角度が１８０度」を行う場合は、変調光はドップラーシフトを２回受けることになり、一層の高周波変調を実現することができる。また、ミラーを用いないで前記「角度が１８０度」を行う場合は、ミラーが不要になるので、一層の小型化を実現することができる。
【００２１】
続いて、本発明の実施形態に係る周波数シフター型の光変調器及びレーザードップラー計測装置について、図１から図５を参照しつつ説明する。各図において、同一部分には同一符号を付し、各図毎の個別の説明は省略する。
【００２２】
［実施形態］
＜レーザードップラー計測装置＞
図１に基づいて、本発明の実施形態に係るレーザードップラー計測装置１の構成を説明する。  
本実施形態に係るレーザードップラー計測装置１は、所定波長のレーザー光を出力する光源部２と、偏光ビームスプリッタ４と、２つのλ／４板６、８と、検光子９と光を電気信号に変換する受光素子１０と、周波数シフター型の光変調器１２と、被測定物１４のセット部１６と、を備えている。光源部２から出力される光の光軸１８上に、偏光ビームスプリッタ４と一つのλ／４板６とセット部１６とがこの順番で配置されている。一方、偏光ビームスプリッタ４で反射される光の光軸２０上に、λ／４板８と周波数シフター型の光変調器１２とがこの順番で配置されている。前記偏光ビームスプリッタ４と前記受光素子10の間に検光子９が配置されている。  
そして、被測定物１４から反射されたドップラーシフト光２２と周波数シフター型の光変調器１２で反射された周波数シフト光２４とが各λ／４板６、８と偏光ビームスプリッタ４と検光子９を通って受光素子１０に導かれるように構成されている。  
また偏光ビームスプリッターを無偏光ビームスプリッターとして使用してもよい。この場合、λ／４は不要となり部品点数が減ってより小型化することができる。尚、干渉の安定性は劣化する場合は、それを踏まえて設計することが好ましい。
【００２３】
＜光源部＞
光源部２は、可干渉性が必要なので線幅の細い、ＭＨｚ帯のレーザー光源が使われる。具体的には、ＨｅＮｅレーザーに代表されるガスレーザーや、小型化がし易い半導体レーザーであるＤＦＢ−ＬＤやＶＣＳＥＬが挙げられる。  
＜偏光ビームスプリッタ＞
偏光ビームスプリッタ４は、本実施形態では、Ｐ偏向透過及びＳ偏向反射で構成されている。光源部２から出たレーザー光はＰ偏向とＳ偏向が５０％の割合で光軸１８上に在る偏光ビームスプリッタ４の中心に入射する。Ｐ偏向は偏光ビームスプリッタ４を透過して光軸１８上のλ／４板６に向かう。一方、Ｓ偏向は偏光ビームスプリッタ４で反射されて光軸２０上のλ／４板８に向かう。  
＜λ／４板＞
Ｐ偏向はλ／４板６を通過して円偏向に変換され、動いている被測定物１４に照射される。その動いている被測定物１４に照射されたレーザー光はｆｄ（Ｈｚ）だけドップラーシフトされたドップラーシフト光２２となって反射され、再びλ／４板６を通過してＳ偏向になる。  
一方、偏光ビームスプリッタ４で反射されて光軸２０上のλ／４板８に向かったＳ偏向は、λ／４板８を通過して円偏向に変換され、周波数シフター型の光変調器１２に入射する。光変調器１２に入射したレーザー光は周波数シフトｆｍを受けた周波数シフト光２４となって反射され、再びλ／４板８を通過してＰ偏向になる。  
＜検光子＞
直交した偏光は互いに独立した状態なので、単純に重ね合わせしただけでは干渉が現れない。そこで合成した光波を両偏光に対して４５度に傾けた検光子９に通過させた後、この光を受光素子１０で検出する。そうすることで、互いに共通した成分同士の状態となり、干渉現象を発生させることができる。  
＜受光素子＞
動いている被測定物１４によってドップラーシフトされたドップラーシフト光２２と、周波数シフター型の光変調器１２によって周波数シフトを受けた周波数シフト光２４は、偏光ビームスプリッタ４と検光子９を介して受光素子１０に導かれる。受光素子１０で、ドップラーシフト光２２と、周波数シフト光２４が干渉（光ヘテロダイン干渉）し、ｆｍ−ｆｄの周波数を持つ光が生成される。このｆｍ−ｆｄの周波数を持つ光に基づいて、被測定物１４の動き、即ち速度や振動を求めることができる。受光素子１０はフォトダイオード等が使える。
【００２４】
＜周波数シフター型の光変調器＞
図２に基づいて、本発明の実施形態に係る周波数シフター型の光変調器１２の構成を説明する。  
周波数シフター型の光変調器１２は、電位を加えることにより面に沿う方向に結晶が歪んで振動するモードを繰り返す板形状の振動子３０と、振動子３０の表面に設けられ、直線状の複数の溝３２が周期的に並んで成る回折格子３４とを備える。図２において、符号３１は振動子が取り付けられる基板であり、基板３１にはパッド３３が設けられ、更にパッド３５が基板３１の裏面に設けられている。  
本実施形態では、基板３１の寸法及び形状は、１辺が１．６ｍｍの正方形で厚みは０．３５ｍｍである。振動子３０は１辺が１ｍｍの正方形で厚みは０．０７ｍｍであり、２４MHｚで発振する。なお、ここでは基本発振周波数２４MHｚの振動子の例を示したが、振動子の厚みを変えることで基本発振周波数は１MHｚから３００MHｚまで調整することができる。回折格子３４は、ピッチが１μｍ、ブレーズド角は２５度であり、振動子３０の表面の全面に設けられている。尚、回折格子３４は振動子３０の表面の全面ではなく一部にだけ設けてもよい。
【００２５】
本実施形態では、振動子３０は、ＭＨｚ帯の高周波領域で厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である。そして、回折格子３４は、ブレーズド回折格子である。ブレーズド回折格子は回折格子の断面形状が階段状になっているものをいう。  
図２に表したように、回折格子３４の直線状の溝３２は、前記直線の方向が振動子３０の振動の方向３６に対して直交する向きに設けられている。
【００２６】
＜回折格子の形成方法＞
回折格子３４の形成方法としては、機械刻線式（ルーリングエンジン）を用いた方法で先ず型を作り、ナノインプリントで水晶ＡＴ振動子のチップの電極上に形成する方法が挙げられる。ここでは電極上としたのは、ＡＴ振動子の場合は原理上電極上で高品質な厚みすべり振動を発生させることができるためである。電極上に限定されず、非電極部の材料の表面上に形成することもできる。また、静電駆動型Ｓｉ振動子やＳＡＷデバイスなどは、非電極部の材料の表面上でも高品質な面内振動を発生させることも可能なため、適宜形成場所を選択することが可能である。また、露光とエッチングによる方法、電子線描画リソグラフィーや集束イオンビーム加工（ＦＩＢ）などで形成することもできる。  
また、前記水晶ＡＴ振動子のチップ上に形成されたレジスト回折格子に、金属膜や誘電体多層膜によるミラー膜を設けてもよい。金属膜やミラー膜が設けられた回折格子３４は反射率が上がるからである。  
前記レジスト回折格子が設けられた前記チップ又はウエハーをドライエッチングにより加工し、前記レジストを除去した後、前記ミラー膜を設けてもよい。これによりレジストによる吸湿などの影響がなくなるため、回折格子３４の安定性を増すことができる。また、ミラー膜をＡｕやＡｌなどの金属にすることで、振動子の発振電極の役割も果たすことができる。或いは、陽極酸化アルミナ（ポーラスアルミナ）のような構造でもよい。
【００２７】
＜厚みすべり振動素子を用いた場合の変調周波数ｆｍ＞
変調光はドップラーシフトを受けて周波数が変調する。図３に表したように、レーザードップラーの原理に従って、周波数シフター型の光変調器１２の回折格子３０へ入射した入射光Ｋiから複数の回折光Ｋｎsが発生する。ここで、ｎは回折光の次数であり、ｎ＝０、±１、±２、…である。  
尚、図３では、回折格子３４は、図２のブレーズド回折格子ではなく、凹凸の繰り返しによる回折格子が示されている。実際の製造においては、回折光の次数ｎを適宜選択して使うことができる。  
図３は、入射光Ｋiが振動子３０の面に垂直な方向から入射した場合を示したが、この垂直な入射角に限定されず、斜めに入射してもよい、即ち入射角は適宜設定してよい。斜め入射にした場合は、回折光の方向も対応して変わる。
【００２８】
回折格子の設計において、│ｎ│≧２の高次の光は出現しないことがある。そこで、安定して変調信号を得るために、│ｎ│＝１に設定するのが望ましい。即ち、図１のレーザードップラー計測装置１において、周波数シフター型の光変調器１２は、±１次回折光が周波数シフト光２４として利用されるように配置されることが好ましい。  
この配置により、レーザードップラー計測装置１の小型化と高安定性を実現することができる。
【００２９】
また、回折格子３４が│ｎ│≧２の高次の光を出現している場合には、周波数シフター型の光変調器１２は、図１のレーザードップラー計測装置１において、±２次以上のいずれかの回折光が周波数シフト光２４として利用されるように配置してもよい。  
これにより、高次の回折光が利用できるので、レーザードップラー計測装置１の高周波化と小型化を実現することができる。
【００３０】
本実施形態では、周波数シフター型の光変調器１２は、周波数シフター型の光変調器１２への前記レーザー光の進入方向と周波数シフター型の光変調器１２から反射される周波数シフト光２４の進行方向との成す角度が１８０度となるように配置されている。  
図４の上に位置する図は、前記１８０度を実現するために、ミラー３７を利用した場合である。  
図４の中央に位置する図は、前記１８０度を実現するために、振動子３０を傾斜させて設置することで対応した場合である。  
図４の下に位置する図は、回折格子３４はブレーズド回折格子であり、前記１８０度を実現するために、ブレーズド角θBを利用した場合である。ブレーズド角θBと入射光Ｋiの入射角βの組み合わせで、前記１８０度を実現している。
【００３１】
これにより、ミラー３７を用いて前記「角度が１８０度」を実現する場合は、変調光はドップラーシフトを２回受けることになり、一層の高周波変調を実現することができる。  
また、ミラーを用いないで振動子３０を傾斜させて前記「角度が１８０度」を実現する場合は、ミラーが不要になるので、一層の小型化を実現することができる。  
回折格子３４がブレーズド回折格子である場合は、ブレーズド角θBと入射光Ｋiの入射角βの組み合わせで、前記１８０度を実現するので、小型化及び高周波化を一層実現することができる。
【００３２】
＜レーザードップラー計測装置の実装構造＞
図５は、光源部２、周波数シフター型の光変調器１２、受光素子１０を一つの基盤３９上に実装させた概略構成図である。この図５では光源部２が中央、周波数シフター型の光変調器１２が下位、受光素子１０が上位の各位置で基盤３９上に実装されているが、この配置に限定されないことは勿論である。  
光源部２、周波数シフター型の光変調器１２、受光素子１０を基盤３９上に実装させたことで、光軸２０上にプリズム４０、４２が設けられている。更に光源部２と偏光ビームスプリッタ４との間に凸レンズ４４が配置され、光源部２から出た光を有効に利用するように構成されている。  
図５に実装構造では、受光素子１０は０．１ｍｍ角サイズのフォトダイオード、光源部２は１０μｍ角サイズのＶＣＳＥＬ光源、周波数シフター型の光変調器１２は１ｍｍ角サイズである。このように数ｍｍ角サイズまでモジュールを小型化することができる。
【００３３】
＜実施形態の効果の説明＞
本実施形態によれば、回折格子３４を振動子３０に設けたことで、周波数シフター型の光変調器１２の小型化及び高精度化の実現を進めることができる。また、ＭＨｚ帯の高周波領域への対応、即ち高周波化の実現も進めることができる。
【００３４】
また、回折格子３４の直線状の溝３２は、前記直線の方向が振動子３０の振動の方向３６に対して交差する構成にすることで、振動子３０と回折格子３４の組み合わせに基づく効果を効率的に得ることができ、以って周波数シフター型の光変調器１２の高周波化を容易に実現することができる。  
また、本実施形態では、回折格子３４はブレーズド回折格子であるので、光利用効率を高めることができ、以って周波数シフター型の光変調器１２の小型化及び高ＳＮを容易に実現することができる。  
また、本実施形態では、振動子３０は、ＭＨｚ帯の高周波領域で厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である。これにより、周波数シフター型の光変調器１２の小型化、高精度化、更に高周波化を容易に実現できる。
【００３５】
また、本実施形態のレーザードップラー計測装置は、本実施形態に係る周波数シフター型の光変調器１２を備えるので、当該レーザードップラー計測装置１の小型化、高精度化、更に高周波化を容易に実現できる。
【００３６】
［他の実施形態］
本発明に係る周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。
【００３７】
上記実施形態において、回折格子３４は、水晶ＡＴ振動子を用いた場合を説明したが、厚みすべり振動を始め面内振動をする素子であれば適宜使用することができる。例えば、厚みすべり振動素子以外では、静電駆動型のＳｉ―ＭＥＭＳ振動子、ピエゾ等の圧電素子を利用した振動子が挙げられる。また、表面弾性波（ＳＡＷデバイス）の振動子も使用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…レーザードップラー計測装置、２…光源部、４…偏光ビームスプリッタ、
６…λ／４板、８…λ／４板、９…検光子、１０…受光素子、
１２…周波数シフター型の光変調器、１４…被測定物、１６…セット部、
１８…光軸、２０…光軸、２２…ドップラーシフト光、２４…周波数シフト光、
３０…振動子、３１…基板、３２…溝、３３…パッド、３４…回折格子、
３５…パッド、３６…振動子の振動方向、３７…ミラー、３９…基盤、
４０…プリズム、４２…プリズム、４４…凸レンズ、
θB…ブレーズド角、Ｋi…入射光
【図１】
2020165700.tif 000003
【図２】
2020165700.tif 000004
【図３】
2020165700.tif 000005
【図４】
2020165700.tif 000006
【図５】
2020165700.tif 000007