(57)【要約】【課題】  レーザ光を利用した微小変位測定において、測定装置の小型化及び簡易構成化を実現し、被測定物からの光が光検出器に達するまでにうける損失を軽減して信頼性の高い測定を実行する。【解決手段】  光導波路４及び分岐導波路６を平面光波回路基板３内に形成し、半導体レーザ素子２をも平面光波回路基板３上に搭載することで高い集積化を実現している。よって、被測定物５０からの光が光検出器４に達するまでの距離が小さくなり、尚且つ、熱膨張や振動などの外乱にも強くなるので、測定光がうける損失を軽減し信頼性の高い測定結果を得ることができる。【選択図】      図１
2008123104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、
このレーザ光を伝播させて被測定物の方向へ出力する光導波路を有する平面光波回路基板と、
前記光導波路の一部分に対応する位置に在り当該光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、
前記レーザ光を照射された被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出する光検出器と、
この光検出器による検出結果に基づいて前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御手段と、
前記屈折率可変器の動作により生じる前記光導波路の屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出手段とを備え、
前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器の検出結果を監視すると共に、前記屈折率可変器により検出光の強度を制御することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器の検出結果を監視すると共に、前記屈折率可変器により検出光の強度を任意の値或いは設定値に設定することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項３】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記屈折率可変制御手段が、前記屈折率可変器により検出光の強度を最大値又は最小値に設定することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項４】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記屈折率可変制御手段が、前記屈折率可変器により検出光の強度を最大値と最小値との平均値に設定することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項５】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記光導波路を伝播する前記干渉光を分岐させる分岐導波路を、前記光導波路の被測定物側の一端と前記屈折率可変器の位置との間に設け、
前記光検出器が、前記分岐導波路により分岐された光を検出することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項６】
前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の微小変位測定装置において、
前記光導波路が熱光学材料から形成され、
前記屈折率可変器が前記光導波路の一部を加熱して当該光導波路の屈折率を変化させ、
前記変位検出手段が、前記光導波路の温度を測定しその温度変化に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項７】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記光導波路が電気光学材料から形成され、
前記屈折率可変器が前記光導波路の一部に電圧を印加して当該光導波路の屈折率を変化させ、
前記変位検出手段が、前記屈折率可変器により前記光導波路へ印加される電圧の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項８】
前記請求項１に記載の微小変位測定装置において、
前記光導波路が音響光学材料から形成され、
前記屈折率可変器が前記光導波路の一部に圧電変化を与えて当該光導波路の屈折率を変化させ、
前記変位検出手段が、前記屈折率可変器により前記光導波路に印加される圧電の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項９】
半導体レーザ発振素子からのレーザ光を平面光波回路基板内の光導波路を介して被測定物へ照射し、
前記被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出し、
前記強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を可変し、
前記屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とする微小変位測定方法。
【請求項１０】
半導体レーザ発振素子から光導波路を介して被測定物に照射されたレーザ光の戻りと前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出し、前記強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を変化させるための微小変位測定用プログラムであって、
コンピュータに、
前記被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を可変する指令を出力する機能と、
前記屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する機能とを実行させることを特徴とする微小変位測定用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の微小振動等の微小変位を測定する微小変位測定装置及び微小変位測定方法，微小変位測定用プログラムに関し、特に、レーザ光を用いて被測定物の微小変位を測定する微小変位測定装置及び微小変位測定方法，微小変位測定用プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を利用して物体の変位を測定する変位測定装置は、高精度な測定が可能であることから様々な分野で利用されている。通常、光学的干渉を用いた従来の微小変位測定装置は、ハーフミラーあるいは、偏光ビームスプリッタ等と波長板と組み合わせて、レーザ光を２つの光路に分岐し、一方の光を参照光として参照光用鏡に照射し、もう一方の光は被測定物に照射し測定光とし、これら各々の反射光を再び合波させたときの両者の位相差に応じて生ずる干渉光の強度変化から、両光路の違い、すなわち、被測定物の変位を検出する。【０００３】
また、光ファイバを用いた微小変位測定装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された装置は、図７に示すように、光ファイバ２３０の一端側にはレーザ発振器２４０と光検出器２５０とを取り付け、光ファイバ２３０の他端側に光導波路２１２を接着剤で固定し、初期状態でのレーザ光の位相を調整して被測定物２８０の微小変位を測定する。【０００４】
【特許文献１】特許第３３３７６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された微小変位測定装置にはいくつかの問題点がある。第１の問題点は、装置に用いられている光学部品が、光ファイバ，光導波路，レーザ発振器，光検出器から成り、構成部品が多くそれらを収める容積が大きくなるため、装置が大型化、高価格化になるという点である。装置が大型化し構成部品が多くなると、装置の組立にかかる時間が長くなってしまい、また、組立時に光軸調芯という調整作業も必要となり、利用者の負担が大きくなるという不都合があった。【０００６】
第２の問題点は、被測定物から反射した光が、位相制御部を通りさらに、光ファイバを通って光検出器に到達するため、この検出光は、多くの光学部品を通過して長い距離を伝播することになり、かなりの損失を受けてしまうという点である。被測定物からの光が損失を受けて強度が小さくなってしまうと光検出器の感度が悪くなり正確な検出ができなくなるという不都合があった。【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の不都合を改善し、レーザ光を利用した微小変位測定において、測定装置の小型化及び簡易構成化を実現し、被測定物からの光が光検出器に達するまでにうける損失を軽減して信頼性の高い測定を実行することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る微小変位測定装置は、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、このレーザ光を伝播させて被測定物の方向へ出力する光導波路を有する平面光波回路基板と、前記光導波路の一部分に対応する位置に在り当該光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記レーザ光を照射された被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出する光検出器と、この光検出器による検出結果に基づいて前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御手段と、前記屈折率可変器の動作により生じる前記光導波路の屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する変位検出手段とを備え、
前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器の検出結果を監視すると共に、前記屈折率可変器により検出光の強度を制御することを特徴とするものである。【０００９】
また本発明に係る微小変位測定方法は、半導体レーザ発振素子からのレーザ光を平面光波回路基板内の光導波路を介して被測定物へ照射し、
前記被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出し、
前記強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を可変し、
前記屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出することを特徴とするものである。【００１０】
また本発明に係る微小変位測定用プログラムは、半導体レーザ発振素子から光導波路を介して被測定物に照射されたレーザ光の戻りと前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出し、前記強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を変化させるための微小変位測定用プログラムであって、
コンピュータに、
前記被測定物からの戻り光と前記半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化に基づいて前記光導波路の屈折率を可変する指令を出力する機能と、
前記屈折率の変化量に基づいて前記被測定物の変位を検出する機能とを実行させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、レーザ光を利用して被測定物の変位を測定する微小変位測定において、光導波路及び分岐導波路を平面光波回路基板内に形成し半導体レーザ素子を平面光波回路基板上に搭載することで高い集積化を実現するため、測定光がうける損失を軽減できる。さらには、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が一定の値を維持するように光導波路の屈折率を調整し、その屈折率の変化量から被測定物の変位を求めるので、物体の比較的大きい変位でも検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。【００１３】
図１は、本発明における第１実施形態の微小変位測定装置の構成の一部を示す図であり、図１（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡにおける断面図，（ｃ）は正面図、（ｄ）は側面図である。また、図２は、本発明における第１実施形態の微小変位測定装置の構成を示す図である。【００１４】
本第１実施形態の微小変位測定装置は、電源１を備え、電源１による電流の印加によってレーザ光を発振する半導体レーザ素子２と、このレーザ光を伝播させて被測定物５０の方向へ出力する光導波路４を有する平面光波回路基板（ＰＬＣ基板）３と、光導波路４からのレーザ光を被測定物５０へ照射すると共にその被測定物５０で反射された戻り光を光導波路４に光結合させる非球面レンズ５と、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出しそれに応じた電流信号を出力する光検出部７と、光導波路４の一部分に対応する位置に在り光導波路４の一部を加熱して屈折率を変化させる屈折率可変器としての加熱器１４とをキャリア１９上に搭載して備えている。【００１５】
非球面レンズ５は、光導波路４から出射した光を被測定物５０に照射するために光導波路４の光軸と非球面レンズ５の焦点位置が一致するように位置合わせられて接着剤などを用いて接合固定されている。【００１６】
本第１実施形態の微小変位測定装置は、さらに図２に示すように、光検出器７からの電流信号を増幅して電圧信号に変換し出力する増幅器８と、増幅器８からの電圧信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器９と、Ａ／Ｄ変換器９からのディジタル信号を電圧値に演算しその電圧値に基づいて加熱器１４の温度設定値を出力すると共に加熱器１４による光導波路４の温度変化に応じて被測定物５０の変位を算出する演算装置１０と、演算装置１０からの温度設定値をディジタル信号からアナログ信号へ変換し加熱制御部１３へ出力するＤ／Ａ変換器１２と、このＤ／Ａ変換器１２から出力されたアナログ信号に従って加熱器１４の動作を制御する加熱制御部１３と、を有している。【００１７】
またさらに、本第１実施形態の微小変位測定装置は、加熱部１４によって加熱された導波路４の温度を測定しその測定値に応じた電流信号を出力するサーミスタ１５と、サーミスタ１５から出力される電流信号を増幅し電圧信号に変換する増幅器１６と、増幅器１６からの電圧信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換し演算装置１０へ出力するＡ／Ｄ変換器１７と、演算装置１０によって算出された被測定物５０の変位を示す情報を画面に表示する変位表示装置１１とを備えて構成されている。【００１８】
図１及び２に示すように、ＰＬＣ基板３上には、半導体レーザ素子２，光導波路４，分岐導波路６，加熱器１４，サーミスタ１５が載置され、半導体レーザ素子２は、発振するレーザ光の光軸と光導波路４の光軸が一致するように位置合わせられてＡｕＳｎなどの半田部材を用いて固定されている。半導体レーザ素子２が発振するレーザ光は、安定なコヒーレント光で光導波路４内をシングルモードで伝播するものである。【００１９】
また、ＰＬＣ基板３は、光導波路４を伝播する被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光を分岐させる分岐導波路６を、光導波路４の被測定物５０側の一端と加熱器１４の位置との間に設けており、光検出器７は、分岐導波路６により分岐された光を検出する位置にあり、光導波路４と分岐導波路６との接続点である分岐点を、光導波路４のレンズ５側端面からできる限り近いところに設け、分岐導波路６の長さを最小となるように取りまわし、分岐光の損失を最小限に抑えて光検出器７で検出されるように構成されている。このような構成の結果、最大の光強度すなわち最高の感度で被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光を検出することができ、光検出器７の検出性能が向上する。ここで、光検出器７は、例えば、フォトダイオード等である。【００２０】
またさらに、ＰＬＣ基板３は、シリコン上に熱光学材料である石英結晶を形成したものであり、光導波路４は熱光学材料である。これにより、光導波路４は加熱されることによって屈折率が変化する。【００２１】
ＰＬＣ基板３は、光の屈折率の違いを利用して基板上に光の道である光導波路４を設け、光信号を導くように加工された回路を有するものである。光屈折率を利用して直進性の高い光を導くという点では光ファイバと同様であるといえるが、光ファイバのような３次元の繊維構造ではなく平面構造となっている。本第１実施形態のＰＬＣ基板３は、シリコンの基板上に石英などの材料で光導波路４を形成している。【００２２】
ここで、一般に、ＰＬＣの光導波路の光損失率は１０−６ｄＢ／ｃｍであるが、光ファイバでは１０−３ｄＢ／ｃｍであるので、ＰＬＣは短い光路の光集積回路用に使用され、光ファイバは長距離で空間上に光路を形成するのに使用される。さらに、ＰＬＣは、導波光の能動的な外部制御、例えば、本第１実施形態のような熱光学効果などの特性を生かし、光を制御する機能を持たせることもできる。このような機能は光ファイバでは持てない機能である。【００２３】
図２に示す演算装置１０は、Ａ／Ｄ変換器９からのディジタル信号から光導波路４内の光強度を示す電圧値を算出し、その電圧値が予め設定された値となるような加熱器１４の温度設定値を加熱制御部１３への指令として出力する。【００２４】
加熱制御部１３は、光検出器４の検出結果を監視している演算装置１０からの指令に従って、この検出光の強度が予め設定された値となるように加熱器１４の加熱機能を制御する屈折率可変制御手段としての機能を備えている。これにより、加熱制御部１３は、半導体レーザ素子２と被測定物５０との間で光路長が一定となるように加熱器１４の加熱機能を制御していることになる。【００２５】
図２に示す加熱器１４は、光導波路４の一部分の脇に設置されており、加熱制御部１３からの信号に応じた温度に光導波路４を加熱し、光導波路４の屈折率を変化させる機能を備えている。この加熱器１４は、例えば、熱を発生するヒータ等である。【００２６】
ここで、光の共振条件は、光路長をＬ、光の波長をλとすると［数１］式で示される。【００２７】
（数１）
ｍλ／２＝Ｌ【００２８】
［数１］において、ｍは自然数である。また、光路長Ｌは屈折率ｎと幾何学的距離ｄとを用いると［数２］式で示される。【００２９】
（数２）
Ｌ＝ｎｄ【００３０】
よって、［数１］及び［数２］から、光の共振条件は［数３］式で示される。【００３１】
（数３）
ｍλ／２＝ｎｄ【００３２】
［数３］式は、幾何学的距離ｄが変化した場合、屈折率ｎを制御すれば、再び共振状態にすることができることを示している。【００３３】
また、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光は、図３のように、λ／２周期で光の強弱が現れる正弦波で示される。【００３４】
したがって、演算装置１０は、まず、図３に示す正弦波上のいずれか一点を予め特定してその点の光強度値を設定値とし、被測定物５０が初期の位置にあるときに、光検出器７の検出光が設定値となるように加熱制御部１３へ指令を出す。加熱制御部１３は、演算装置１０からの指令にしたがって、加熱器１４の動作を制御し光導波路４の屈折率を調整することで半導体レーザ素子２と被測定物５０間の光路長を変化させて、半導体レーザ素子２からの光と被測定物５０からの戻り光との干渉光の光強度を設定値にする。その光強度を観察するのが分岐導波路６からの光を検出する光検出器７である。【００３５】
被測定物５０に微小変位が生じると、半導体レーザ素子２と被測定物５０間の光路長が崩れて光検出器７の検出光レベルが変化するので、演算装置１０は、この検出光レベルが設定値となるように指令を出し、指令を受けた加熱制御部１３は、検出光レベルを設定値とするように光導波路４の屈折率を調整する。【００３６】
このように、光検出器７からの信号を観察することで光路長が変化したか否かを見ることができ、光検出器７からの信号を加熱制御部１３へ送る信号にフィードバックすることにより検出光レベルを常に設定値にすることができる。したがって、被測定物５０が変位する前後の光導波路４の屈折率変化量に応じて被測定物５０の変位量を求めることが可能となる。【００３７】
図２に示す演算装置１０は、さらに、サーミスタ１５からの温度測定値を取り込み被測定物５０の変位を算出する機能、すなわち、光導波路４の屈折率変化に伴って変化している温度に基づいて被測定物の変位を検出する変位検出手段としての機能を備えている。また、演算装置１０は、サーミスタ１５からの温度測定値に基づいて被測定物５０の変位を算出するために、光導波路４の温度変化量と被測定物５０の変位量との関係を示すデータを予め保持している。【００３８】
ここで、本第１実施形態における演算装置１０は、光導波路４の温度変化量と被測定物５０の変位量との関係を示すデータを予め保持しているので、実際のレーザ光によるデータを用いた信用性のある測定結果を算出できるが、これに限らず、半導体レーザ発振素子２からのレーザ光の波長が変位の測定精度に問題がない程度に分かっている場合は、光導波路４の温度変化量と被測定物５０の変位量との関係を示すデータを予め保持してなくてもよい。【００３９】
このように本第１実施形態における演算装置１０は、従来のように光強度から被測定物の変位を測定するのではなく、半導体レーザ発振素子２からのレーザ光と被測定物５０からの戻り光との干渉光レベルが常に設定値となるように光導波路４の屈折率を変化させてその変化に伴う光導波路４の温度変化量から被測定物の変位を測定する。【００４０】
検出光レベルの設定値は変更可能な任意の値であるが、高精度な測定を実現するためには、図３に示す正弦波上で最も変化率が大きい点、すなわち正弦波の振幅の中心であるＢ点での光強度値を設定値とするのが最も望ましい。しかし、点Ｃ又は点Ｄでの光強度値を設定値とすれば、被測定物５０の変位振幅が測定光波長の１／４を超えても、検出光のピーク数をカウントしたりせずにその変位を正確に検出できる。よって、本第１実施形態における演算装置１０は、高精度の測定をする場合は点Ｂでの値、すなわち最大レベルと最小レベルとの平均値を設定値とし、比較的大きい変位を測定する場合は点Ｃ又は点Ｄでの値、すなわち最大レベル又は最小レベルを設定値として、光検出器７の検出光が設定値となるように加熱制御部１３へ指令を出すこととする。もちろん、検出光レベルの設定値としては、最大レベル，最小レベルまたは、その平均値に限らず、任意の値を用いてもよい。【００４１】
ここで、本第１実施形態における演算装置については、その機能内容をプログラム化しコンピュータに実行させるように構成してもよい。【００４２】
次に、本第１実施形態の微小変位測定装置の全体の動作について説明する。ここで、微小変位測定方法についても、その各ステップを示して同時に説明する。【００４３】
図４は、本第１実施形態の微小変位測定装置の全体の動作を示すフローチャートである。まず、電源１が半導体レーザ素子２に電流を印加すると、半導体レーザ素子２はレーザ光を発振し（図４のステップＳ１）、そのレーザ光を光導波路４に入射する。レーザ光が光導波路４を伝播してその端面から出射すると、非球面レンズ５がレーザ光を被測定物５０に照射する（レーザ光照射ステップ）。被測定物５０で反射された光は、非球面レンズ５によって光導波路４に光結合されて、半導体レーザ素子２に戻り反射する。このようにして、半導体レーザ２と被測定物５０との間で光共振器が形成される。【００４４】
続いて、まず、分岐導波路６で分岐させた被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の光強度変化を、光検出器７が検出する（図４のステップＳ２，測定光検出ステップ）。検出された光強度変化は、増幅器８，Ａ／Ｄ変換器９，演算装置１０によって数値化され、演算装置１０からの指令に基づいて加熱制御部１３が、加熱器１４の動作を調整する。そこで、検出される光強度が予め設定された値を示すように加熱制御部１３は加熱器１４の温度を調整する。すなわち、被測定物５０の初期の位置で、半導体レーザ素子２と被測定物５０との間の光が設定値となるようにする（図４のステップＳ３）。そして、被測定物５０に微小変位が生じてレーザ光路長が変化し、検出光の強度が変化した場合に（図４のステップＳ４のイエス）、加熱器１４で光導波路４に熱を与え光導波路４の屈折率を調節し、再び検出光強度を設定値にする（図４のステップＳ５，屈折率可変制御ステップ）。【００４５】
そして、演算装置１０が、サーミスタ１５からの温度測定値を入力し（図４のステップＳ６）、被測定物５０が変位する前後の光導波路４の温度変化量に応じて被測定物５０の変位量を算出する（図４のステップＳ７，変位検出ステップ）。【００４６】
このように、演算装置１０は、光検出器７からの信号を加熱制御部１３へ送る信号にフィードバックして光導波路４の屈折率を変化させ、半導体レーザ素子２からのレーザ光と被測定物５０からの戻り光との干渉光の光強度が常に設定値となるようにして被測定物５０の変位を検出する。【００４７】
本第１実施形態の微小変位測定装置は、以上のように構成されているので、光導波路４，分岐導波路６とをＰＬＣ基板３内に形成し、半導体レーザ素子２をＰＬＣ基板３上に搭載することで、高い集積化を実現している。この高集積化の実現により熱膨張や振動などの外乱にも強くなり、長期的な信頼性を得ることができる。またさらに、従来のように光強度から被測定物の変位を測定するのではなく、半導体レーザ素子２からのレーザ光と被測定物５０からの戻り光との干渉光の光強度が常に設定値となるように光導波路４の屈折率を変化させてその変化に伴う光導波路４の温度変化量から被測定物の変位を測定するので、最大値又は最小値を設定値とすれば、被測定物の変位振幅が測定光波長の１／４を超える場合でも、検出光のピーク数をカウントしたりせずにその変位を正確に検出することができる。【００４８】
次に、本発明における第２実施形態について説明する。【００４９】
図５は、本第２実施形態の微小変位測定装置の構成を示す図である。ここで、図５において、図２に示す第１実施形態と同じの構成要素には同一の符号を付して示している。【００５０】
図５に示すように、本第２実施形態の微小変位測定装置は、電源１、半導体レーザ素子２、光導波路２４及び分岐導波路２６を形成するＰＬＣ基板２３、非球面レンズ５、光検出器７，をキャリア１９上に搭載して備えており、光導波路２４の一部分の脇に屈折率可変器としての電極２７が設置されている。【００５１】
ＰＬＣ基板２３は、シリコン上に電気光学材料であるニオブ酸リチウムを形成したものであり、光導波路２４は電気光学材料である。よって、光導波路２４は電極２７に電圧を印加されると屈折率が変化する。【００５２】
本第２実施形態の微小変位測定装置は、さらに、電極２４に印加する電圧を制御する電圧制御部２５と、増幅器８と、Ａ／Ｄ変換器９と、演算装置２０と、Ｄ／Ａ変換器１２と、変位表示装置１１とを備えて構成されている。【００５３】
図５に示す演算装置２０は、Ａ／Ｄ変換器９からのディジタル電圧信号から光導波路２４内の光強度を算出し、電極２７への印加電圧の設定値を電圧制御部２５への指令として出力する機能と共に、光導波路２４の印加電圧変化量と被測定物５０の変位量との関係を示すデータを予め保持し被測定物５０が変位する前後の光導波路２４に印加する電圧変化量に応じて被測定物５０の変位を算出する変位検出手段としての機能を備えている。【００５４】
本第２実施形態の微小変位測定装置は、光導波路２４を電気光学材料で形成し、電圧により光導波路２４の屈折率を変化させるので、第１実施形態より光導波路２４の屈折率変化の応答が速いという効果を有している。【００５５】
次に、本第２実施形態の微小変位測定装置の全体の動作について説明する。【００５６】
まず、電源１が半導体レーザ素子２に電流を印加すると、半導体レーザ素子２はレーザ光を発振し、そのレーザ光を光導波路２４に入射する。このレーザ光が光導波路２４の端面から出射すると、非球面レンズ５がレーザ光を被測定物５０に照射する。被測定物５０で反射された光は、非球面レンズ５によって光導波路２４に光結合されて、半導体レーザ素子２に戻り反射する。このようにして、半導体レーザ２と被測定物５０との間で光共振器が形成される。【００５７】
続いて、まず、分岐導波路２６で分岐させた被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の光強度変化を、光検出器７が検出する。検出された光強度変化は、増幅器８，Ａ／Ｄ変換器９，演算装置２０によって数値化され、電圧制御部２５が、演算装置２０からの指令に基づいて電極２７に印加する電圧を調整する。そこで、検出される光強度が予め設定された値を示すように電圧制御部２５は電極２７に印加する電圧を調整する。すなわち、被測定物５０の初期の位置で、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の光強度が設定値となるようにする。そして、被測定物５０に微小変位が生じて光路長が変化し、検出光の強度が変化した場合に、電極２７が光導波路２４に電圧を印加し光導波路２４の屈折率を調節し、再び検出光を設定値にする。【００５８】
このように、演算装置２０が、光検出器７からの信号を電圧制御部２５へ送る信号にフィードバックして光導波路２４の屈折率を変化させ、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の光強度が設定値となるように制御しながら、被測定物５０が変位する前後の光導波路２４の印加電圧の変化量に応じて被測定物５０の変位量を算出する。【００５９】
また、本第２実施形態における演算装置２０は、上述した第１実施形態と同様に、高精度の測定をする場合の検出光の設定値を、最大レベルと最小レベルとの平均値とし、比較的大きい変位を測定する場合の検出光の設定値を、最大レベル又は最小レベルとして、光検出器７の検出光が設定値となるように加熱制御部１３へ指令を出すこととする。もちろん、検出光レベルの設定値としては、最大レベル，最小レベルまたは、その平均値に限らず、任意の値を用いてもよい。【００６０】
次に、本発明の本発明における第３実施形態について説明する。【００６１】
図６は、本第３実施形態の微小変位測定装置の構成を示す図である。ここで、図６において、図５に示す第２実施形態と同じの構成要素には同一の符号を付して示している。【００６２】
図６に示すように、本第３実施形態の微小変位測定装置は、電源１、半導体レーザ素子２、光導波路３４及び分岐導波路３６を形成するＰＬＣ基板３３、非球面レンズ５、光検出器７，とをキャリア１９上に搭載して備えており、光導波路３４の一部分にかかる位置に屈折率可変器としてピエゾ素子のトランスデューサ３７が設置されている。【００６３】
ＰＬＣ基板３３は、シリコン上に音響光学材料であるニオブ酸リチウムを形成したものであり、光導波路３４は音響光学材料である。よって、トランスデューサ３７に圧電を印加すると光導波路３４は屈折率が変化する。【００６４】
本第３実施形態の微小変位測定装置は、さらに、トランスデューサ３７に印加する圧電を制御する変換器制御部３５と、増幅器８と、Ａ／Ｄ変換器９と、演算装置３０と、Ｄ／Ａ変換器１２と、変位表示装置１１とを備えて構成されている。【００６５】
図６に示す演算装置３０は、Ａ／Ｄ変換器９からのディジタル電圧信号から光導波路３４内の光強度を算出し、トランスデューサ３７への印加圧電の設定値を変換器制御部３５への指令として出力する機能と共に、光導波路３４の印加圧電変化量と被測定物５０の変位量との関係を示すデータを予め保持し被測定物５０が変位する前後の光導波路３４に印加する圧電変化量に応じて被測定物５０の変位を算出する変位検出手段としての機能を備えている。【００６６】
次に、本第３実施形態の微小変位測定装置の全体の動作について説明する。【００６７】
まず、電源１が半導体レーザ素子２に電流を印加すると、半導体レーザ素子２はレーザ光を発振し、そのレーザ光を光導波路３４に入射する。このレーザ光が光導波路３４の端面から出射すると、非球面レンズ５がレーザ光を被測定物５０に照射する。被測定物５０で反射された光は、非球面レンズ５によって光導波路３４に光結合されて、半導体レーザ素子２に戻り反射する。【００６８】
続いて、まず、分岐導波路３６で分岐させた被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の光強度変化を、光検出器７が検出する。検出された光強度変化は、増幅器８，Ａ／Ｄ変換器９，演算装置２０によって数値化され、変換器制御部３５が、演算装置３０からの指令に基づいてトランスデューサ３７に印加する圧電を調整する。そこで、検出される光強度が予め設定された値を示すように変換器制御部３５はトランスデューサ３７に印加する圧電を調整する。すなわち、被測定物５０の初期の位置で、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の強度が設定値となるようにする。そして、被測定物５０に微小変位が生じて光路長が変化し、検出光の強度が変化した場合に、トランスデューサ３７が光導波路３４に圧電変化を与えて光導波路３４の屈折率を調節し、再び検出光強度を設定値にする。【００６９】
このように、演算装置３０が、光検出器７からの信号を変換器制御部３５へ送る信号にフィードバックして光導波路３４の屈折率を変化させ、被測定物５０からの戻り光と半導体レーザ発振素子２からのレーザ光との干渉光の強度が常に設定値となるように制御しながら、被測定物５０が変位する前後の光導波路３４に印加する圧電変化量に応じて被測定物５０の変位量を算出する。【００７０】
また、本第３実施形態における演算装置３０は、上述した第１実施形態と同様に、高精度の測定をする場合の検出光の設定値を、最大レベルと最小レベルとの平均値とし、比較的大きい変位を測定する場合の検出光の設定値を、最大レベル又は最小レベルとして、光検出器７の検出光が設定値となるように加熱制御部１３へ指令を出すこととする。もちろん、検出光レベルの設定値としては、最大レベル，最小レベルまたは、その平均値に限らず、任意の値を用いてもよい。【００７１】
本発明の他の実施形態に係る微小変位測定装置は、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、このレーザ光を伝播させて被測定物の方向へ出力する光導波路を有する平面光波回路基板と、光導波路の一部分に対応する位置に在り当該光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、レーザ光を照射された被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出する光検出器と、この光検出器による検出結果に基づいて屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御手段と、屈折率可変器の動作により生じる光導波路の屈折率の変化量に基づいて被測定物の変位を検出する変位検出手段を備え、屈折率可変制御手段が、光検出器の検出結果を監視すると共にこの検出光の強度が予め設定された値となるように屈折率可変器の可変機能を制御する機能を備えた構成としてもよいものである。【００７２】
このような微小変位測定装置によれば、光導波路を平面光波回路基板内に形成し、半導体レーザ素子を平面光波回路基板上に搭載することで、高い集積化を実現している。このため、被測定物からの光が光検出器に達するまでの距離が小さくなり、尚且つ、熱膨張や振動などの外乱にも強くなり測定光がうける損失を軽減し信頼性の高い測定結果を得ることができる。さらには、検出された光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が予め設定された値を維持するように導波路の屈折率を調整し、そのときの屈折率の変化量に基づいて被測定物の変位を求めるので、被測定物の微小変位を正確に測定ずることができる。【００７３】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した屈折率可変制御手段が、光検出器の検出結果を監視すると共にこの検出光の強度が任意の値となるように屈折率可変器の可変機能を制御する機能を備えてもよい。このようにすると、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度を任意の値に維持しながら、導波路の屈折率の変化量に基づいて被測定物の変位を求めるので、干渉光強度の維持値を測定環境に応じて任意に変更することで状況に応じた微小変位測定を実行することができる。【００７４】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した屈折率可変制御手段が、光検出器による検出光の強度が最大値又は最小値となるように屈折率可変器の可変機能を制御する機能を備えてもよい。このようにすると、検出された光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が最大値又は最小値を維持するように導波路の屈折率を調整し、そのときの屈折率の変化量から被測定物の変位を求めるので、被測定物の比較的大きい変位でも検出することができる。【００７５】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した屈折率可変制御手段が、光検出器による検出光の強度が最大値と最小値との平均値となるように屈折率可変器の可変機能を制御する機能を備えてもよい。このようにすると、検出された光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が変化率の高い値を維持するよう導波路の屈折率を調整し、そのときの変化量から被測定物の変位を求めるので、被測定物の変位を高精度に検出することができる。【００７６】
また、上記の微小変位測定装置において、光導波路を伝播する干渉光を分岐させる分岐導波路を、光導波路の被測定物側の一端と屈折率可変器の在る位置との間に設け、光検出器が、分岐導波路により分岐された光を検出するようにしてもよい。【００７７】
このようにすると、被測定物からの光が光検出器に達するまでの距離が小さくなり、検出光の損失を軽減でき、光検出器は感度よく光を検出できる。【００７８】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した光導波路が熱光学材料から成ると共に、屈折率可変器が光導波路の一部を加熱して当該光導波路の屈折率を変化させる機能を備え、変位検出手段が、光導波路の温度を測定しその温度変化に基づいて被測定物の変位を検出する機能を備えてもよい。【００７９】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した光導波路が電気光学材料から成ると共に、屈折率可変器が光導波路の一部に電圧を印加して当該光導波路の屈折率を変化させる機能を備え、変位検出手段が、屈折率可変器により光導波路へ印加される電圧の変化量に基づいて被測定物の変位を検出する機能を備えてもよい。【００８０】
また、上記の微小変位測定装置において、上述した光導波路が音響光学材料から成ると共に、屈折率可変器が光導波路の一部に圧電変化を与えて当該光導波路の屈折率を変化させる機能を備え、変位検出手段が、屈折率可変器により光導波路に印加される圧電の変化量に基づいて被測定物の変位を検出する機能を備えた構成としてもよいものである。【００８１】
このようにすれば、光導波路に用いる材料による熱光学特性，電気光学特性，音響光学特性を利用して、光導波路の屈折率を制御し、導波光の位相を制御できる。【００８２】
本発明の他の実施形態に係る微小変位測定方法は、半導体レーザ発振素子からのレーザ光を平面光波回路基板内の光導波路を介して被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、レーザ光を照射された被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出する測定光検出ステップと、この測定光検出ステップによる検出結果に基づいて光導波路の屈折率を可変制御する屈折率可変制御ステップと、屈折率可変制御ステップによって生じる光導波路の屈折率の変化量に基づいて被測定物の変位を検出する変位検出ステップとを設け、屈折率可変制御ステップでは、この測定光検出ステップによる検出結果を監視しこの検出光の強度が予め設定された値となるように光導波路の屈折率を可変制御する構成としてもよいものである。【００８３】
このような微小変位測定方法によれば、上述した微小変位測定装置と同様に、光導波路を平面光波回路基板内に形成し、半導体レーザ素子を平面光波回路基板上に搭載することで、高い集積化を実現し、測定光がうける損失を軽減して信頼性の高い測定結果を得ることができる。また、従来のように検出光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、光導波路の屈折率を変化させて、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が一定の値を維持するように調整し、そのときの屈折率の変化量から被測定物の変位を求めるので、物体の比較的大きい変位でも検出することができる。【００８４】
本発明の他の実施形態に係る微小変位測定用プログラムは、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、このレーザ光を入力して伝送し被測定部の方向へ出力する光導波路を有する平面光波回路基板と、レーザ光を照射された被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度変化を検出する光検出器と、光導波路上に在り当該光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器とを備えた微小変位測定装置にあって、屈折率可変器の動作を制御するコンピュータに、光検出器により検出された干渉光の強度値を取り込む測定光レベル取得処理と、この干渉光の強度値が予め設定された値となるように屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御処理と、屈折率可変器の動作により生じる光導波路の屈折率の変化量に基づいて被測定物の変位を算出する変位算出処理とを実行させる構成としてもよいものである。【００８５】
このような微小変位測定用プログラムによれば、上述した微小変位測定方法と同様に、検出された光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、光導波路の屈折率を変化させて、被測定物からの戻り光と半導体レーザ発振素子からのレーザ光との干渉光の強度が一定の値を維持するように調整し、その屈折率の変化量から被測定物の変位を求めるので、物体の比較的大きい変位でも検出することができる。【００８６】
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００８７】
この出願は２００７年３月２７日に出願された日本出願特願２００７−０８３０８７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明における第１実施形態の微小変位測定装置の構成の一部を示す図である。
【図２】図１に開示された実施形態の構成を示す図である。
【図３】レーザ光とその戻り光との干渉光の特性を示す図である。
【図４】図１に開示された実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明における第２実施形態の微小変位測定装置の構成を示す図である。
【図６】本発明における第３実施形態の微小変位測定装置の構成を示す図である。
【図７】汎用の微小変位測定器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  電源
２  半導体レーザ素子
３，２３，３３  ＰＬＣ基板
４，２４，３４  光導波路
５  レンズ
６，２６，３６  分岐導波路
７  光検出器
８  増幅器
９  Ａ／Ｄ変換器
１０，２０，３０  演算装置
１１  変位表示装置
１２  Ｄ／Ａ変換器
１３  加熱制御部
１４  加熱器
１５  サーミスタ
１６  増幅器
１７  Ａ／Ｄ変換器
１９  キャリア
２５  電圧制御部
２７  電極
３５  変換器制御部
３７  トランスデューサ
５０  被測定物
【図１】
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【図２】
2008123104.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008123104.tif 000008
【図７】
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【国際調査報告】
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