(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光を利用した微小変位測定において、高精度で、構成が簡易で、製造が容易で、小型化が可能な微小変位測定装置を提供する。【解決手段】平面光波回路基板３に干渉計を構成する光導波路４，５，６，７，８，９，１２を形成し、その光導波路の一部の屈折率を可変する屈折率可変器１１を設ける。被測定物３０が変位したときの被測定物３０からの反射光６と参照光７との干渉光９の光強度を光検出器１０で検出し、この光強度が初期値に戻るように屈折率可変器１１で光導波路の屈折率を可変し、そのときの屈折率の変化量から被測定物３０の変位量を算出する。この装置では、検出光の光損失による影響を受け難く、被測定物の変位の高精度な測定が可能になる。【選択図】図１
2009216638.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、
前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分割して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、
前記照射光または参照光を導波する前記平面光波回路基板の光導波路の屈折率を変える屈折率可変器と、
前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように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、
前記屈折率可変器によって変えられた前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えられたエネルギー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、
を備えたことを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記平面光波回路基板は、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を導波する第一の光導波路と、前記第一の光導波路で導波されたレーザ光を照射光と参照光とに分割する分岐部と、前記分岐部で分岐された照射光を被測定物への照射位置に導波する第二の光導波路と、前記被測定物で反射して再び入射した照射光を導波する第三の光導波路と、前記分岐部で分割された参照光を導波する第四の光導波路と、前記第三の光導波路で導波された照射光と前記第四の光導波路で導波された参照光とが干渉する干渉部と、前記干渉部で干渉した干渉光を導波する第五の光導波路と、を有し、前記屈折率可変器が、前記第二の光導波路、第三の光導波路または第四の光導波路の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が最大値または最小値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が最大値と最小値との平均値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記屈折率可変制御手段が、前記光検出器により検出される前記干渉光の光強度が任意の値となるように前記屈折率可変器の動作を制御することを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光が、前記平面光波回路基板上で前記参照光よりも前記照射光の方が多くなるように分割されることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項７】
請求項２に記載の微小変位測定装置であって、前記分岐部において、前記照射光を導波する分岐光導波路への分岐比が、前記参照光を導波する分岐光導波路への分岐比よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項８】
請求項２に記載の微小変位測定装置であって、前記分岐部が、二つの光導波路を近接配置した方向性結合器から成り、前記光導波路間の間隙が、前記参照光を導波する光導波路への分岐比よりも前記照射光を導波する光導波路への分岐比の方が大きくなるように設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項９】
請求項２に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが折り返し光導波路を形成していることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが、分岐光導波路に接続し、前記被測定物で反射されて前記分岐光導波路に進入した前記照射光が、前記第二の光導波路よりも前記第三の光導波路の方に多く分岐されるように前記分岐光導波路の分岐比が設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の微小変位測定装置であって、前記第二の光導波路と前記第三の光導波路とが方向性結合器を構成し、前記被測定物で反射されて前記方向性結合器に進入した前記照射光が、前記第二の光導波路よりも前記第三の光導波路の方に多く分岐されるように前記方向性結合器の光導波路間の間隙が設定されていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の温度依存性を有する熱光学材料から成り、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、前記屈折率可変器により前記光導波路へ印加される加熱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１３】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の電圧依存性を有する電気光学材料から成り、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１４】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の微小変位測定装置であって、前記光導波路が屈折率の応力依存性を有する音響光学材料から成り、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１５】
請求項１に記載の微小変位測定装置であって、前記半導体レーザ発振素子及び光検出器が、前記平面光波回路基板の上に配置されていることを特徴とする微小変位測定装置。
【請求項１６】
半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を、平面光波回路基板内の光導波路で被測定物への照射位置に導波し、前記被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、
前記レーザ光から分岐された参照光と前記被測定物から反射した照射光とを、前記平面光波回路基板内の光導波路で干渉位置に導波して干渉光を生成し、前記干渉光の強度変化を検出する干渉光検出ステップと、
前記干渉光検出ステップでの検出結果を監視し、前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記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、
前記屈折率可変制御ステップによって生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために屈折率の可変制御に要したエネルギー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ステップと、
を備えることを特徴とする微小変位測定方法。
【請求項１７】
レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記平面光波回路基板の前記照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、を備えた微小変位測定装置にあって、前記屈折率可変器の動作を制御して前記被測定物の変位を算出するコンピュータに、
前記光検出器で検出された前記干渉光の強度値を取り込む測定光レベル取得処理と、
前記干渉光の強度値が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御処理と、
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または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えたエネルギーの変化量に基づいて前記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、その測定方法、及び、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装置及び方法に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来、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ため、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を組み合わせて、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、もう一方の光は測定光として被測定物に照射し、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、結晶基板上に形成した光導波路を使用する微小変位測定装置が下記特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特許文献１に開示された装置は、図１１に示すように、一端側にレーザ発振器２４０及び光検出器２５０を取り付けた光ファイバ２３０と、Ｙ字状に分岐した光導波路２１２が形成された基板２１１とを有している。この基板２１１の参照光を導波する光導波路２１４の端部には反射部材２１６が取り付けられ、また、この光導波路２１４の両脇には参照光の位相を制御するための電極２１５が形成され、この電極２１５に、位相制御部２６０から所定電圧が印加される。
この装置では、レーザ発振器２４０から発振されたレーザ光が、光ファイバ２３０を経て光導波路２１２に入射し、参照光と、被測定物２８０に照射される照射光とに分岐される。照射光は被測定物２８０で反射し、また、参照光は反射部材２１６で反射し、これらの反射光を合波した干渉光が光ファイバ２３０を経て光検出器２５０に入射する。光検出器２５０は、この干渉光の光強度を検出する。また、位相制御部２６０は、初期状態の干渉光を生成する参照光と照射光との位相差が、例えばπ／２となるように、即ち、干渉光の光強度が０となるように調整する。このように動作点を制御することで、被測定物２８０の変位を正確に測定することができる。
【０００４】
また、特許文献２に開示された装置は、図１２に示すように、光導波路３０２、３０３が形成された結晶基板３０１を有している。この光導波路３０２、３０３は、その一部が接近して方向性結合器３０６を構成している。光導波路３０２には、光ファイバ３１３を介して、光源３１２から出力されたレーザ光が入射し、このレーザ光の一部は、方向性結合器３０６で光導波路３０５の側に伝播し、照射光として、集光レンズ３０８を経て被測定物３０９を照射する。また、残りのレーザ光は、参照光として光導波路３０４を進み、参照光用鏡３０７で反射される。反射した参照光は、方向性結合器３０６で光導波路３０３の側に伝播し、被測定物３０９に反射した照射光と合波されて干渉波が生成する。この干渉波は、光導波路３０３及び光ファイバ３１５を経て光検出器３１６に入射し、光強度が検出される。また、光導波路３０４の両脇には、特許文献１と同様に、参照光の位相を制御するための電極３１４が設けられている。
また、この基板３０１の両端には電極３１０、３１１が設けられており、被測定物３０９の変位測定は、電極３１０、３１１に交番電界を印加して基板３０１を微小振動させた状態で行われる。
【特許文献１】特開平１１−３７７１８号公報
【特許文献２】特開平７−１５９１１４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及び２に開示された微小変位測定装置は、いくつかの問題点を有している。
これらの装置では、基板に入射したレーザ光を参照光と照射光とに分割するとき、その分岐比を５０：５０としているが、照射光は、基板の光導波路から出射されて被測定対象を照射し、その反射光が再び基板の光導波路に戻るまでに光損失が発生するため、参照光に比べて光強度が弱くなる。これらの装置では、反射した照射光と参照光とが合波された干渉光の光強度の変化に基づいて被測定対象の変位を算出しているため、参照光に比べて照射光の光強度が弱くなると、被測定対象の変位に対する感度が悪くなり、測定精度が低下するという不都合がある。
【０００６】
また、干渉光の強度変化から被測定対象の変位を求めるこれらの装置では、特許文献１に記載されているように、被測定対象の変位振幅がレーザ光の波長の１／４を超える場合に、干渉光のピーク数をカウントし、その数と、変位完了時の干渉光の強度とから被測定対象物の変位を算出する必要があり、手間が掛かる。
また、これらの装置では、基板の端面にミラーを設けて参照光を得ているため、ミラーの分だけ構成部品が多くなり、組立作業が煩雑になる。
【０００７】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、レーザ光を利用した微小変位測定において、高精度で、信頼性の高い測定が可能であり、また、構成が簡易で、製造が容易で、小型化が可能であり、且つ、操作も簡単である微小変位測定装置を提供し、また、その微小変位測定方法及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分割して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記照射光または参照光を導波する前記平面光波回路基板の光導波路の屈折率を変える屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出された前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように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、前記屈折率可変器によって変えられた前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えられたエネルギー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、を備えたことを特徴とする微小変位測定装置、が提供される。
【０００９】
そして、前記平面光波回路基板には、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を導波する第一の光導波路と、前記第一の光導波路で導波されたレーザ光を照射光と参照光とに分割する分岐部と、前記分岐部で分岐された照射光を被測定物への照射位置に導波する第二の光導波路と、前記被測定物で反射して再び入射した照射光を導波する第三の光導波路と、前記分岐部で分割された参照光を導波する第四の光導波路と、前記第三の光導波路で導波された照射光と前記第四の光導波路で導波された参照光とが干渉する干渉部と、前記干渉部で干渉した干渉光を導波する第五の光導波路と、が形成され、前記屈折率可変器が、前記第二の光導波路、第三の光導波路または第四の光導波路の少なくともいずれかに設けられる。
【００１０】
そして、前記屈折率可変制御手段は、好ましくは、光検出器で検出される干渉光の光強度が最大値または最小値、あるいは、最大値と最小値との平均値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する。
【００１１】
そして、好ましくは、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光が、前記平面光波回路基板上で前記参照光よりも前記照射光の方が多くなるように分割される。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を、平面光波回路基板内の光導波路で被測定物への照射位置に導波し、前記被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、前記レーザ光から分岐された参照光と前記被測定物から反射した照射光とを、前記平面光波回路基板内の光導波路で干渉位置に導波して干渉光を生成し、前記干渉光の強度変化を検出する干渉光検出ステップと、前記干渉光検出ステップでの検出結果を監視し、前記干渉光の光強度が予め設定された値となるように前記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、前記屈折率可変制御ステップによって生じる前記光導波路の屈折率の変化量または当該変化量を得るために屈折率の可変制御に要したエネルギー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ステップと、を備えることを特徴とする微小変位測定方法、が提供される。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、レーザ光を発振する半導体レーザ発振素子と、前記レーザ光が伝播する光導波路を有し、前記半導体レーザ発振素子から発振されたレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、前記照射光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射して再び入射した前記照射光と前記参照光との干渉光を生成する平面光波回路基板と、前記平面光波回路基板の前記照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記干渉光の光強度を検出する光検出器と、を備えた微小変位測定装置にあって、前記屈折率可変器の動作を制御して前記被測定物の変位を算出するコンピュータに、前記光検出器で検出された前記干渉光の強度値を取り込む測定光レベル取得処理と、前記干渉光の強度値が予め設定された値となるように前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御処理と、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または当該変化量を得るために前記屈折率可変器に加えたエネルギーの変化量に基づいて前記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ことを特徴とする微小変位測定用プログラム、が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、レーザ光を利用した微小変位測定において、検出された干渉光の強度変化から被測定物の変位を求めるのではなく、干渉光の強度の設定値を例えば最大値とした場合には、干渉光の光強度が最大値になるように調整し、そのときの屈折率の変化量、あるいは、その調整に要したエネルギーの変化量から被測定物の変位を求めているので、検出光の光損失による影響を受け難く、被測定物の変位の高精度な測定が可能になる。
また、本発明では、被測定物の変位振幅がレーザ光の波長の１／４を超えるときでも、変位振幅の測定時に、干渉光のピーク数をカウントする手間が不要であり、被測定物の変位が比較的大きい場合でも、簡単な操作で測定することができる。
また、本発明の微小変位測定装置は、参照光反射用の鏡を必要としないため、構成が簡易で、小型・軽量化が可能であり、製造も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態に関して、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図であり、図１０は、この装置の動作を示すフロー図である。
この装置は、電源１からの電流の印加によってレーザ光を発振する半導体レーザ発振素子２と、このレーザ光が伝播する光導波路を有し、入射したレーザ光を照射光と参照光とに分岐して、照射光を被測定物３０に照射し、被測定物３０で反射して再び入射した照射光と参照光との干渉光を出射する平面光波回路基板（以下、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）基板と称す）３と、ＰＬＣ基板３の照射光または参照光を導波する光導波路の屈折率を変える屈折率可変器１１と、干渉光の光強度を検出し、それに応じた電流信号を出力する光検出器１０と、光検出器１０からの電流信号を増幅し、電圧信号に変換する増幅器２３と、増幅器２３から出力されたアナログ電圧信号をディジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄ変換器２４と、Ａ／Ｄ変換器２４から出力されたディジタル電圧信号を電圧値に演算し、また、屈折率可変器１１に指令する光導波路の屈折率設定値（ディジタル値）を演算し、さらに、その屈折率の変化量から被測定物３０の変位を演算する演算装置２５と、演算装置２５で演算された被測定物３０の変位を表示する変位表示装置２６と、演算装置２５から出力された屈折率設定値（ディジタル値）を屈折率可変器１１に適用できる電気信号（アナログ値）に変換するＤ／Ａ変換器２１と、この電気信号を用いて屈折率可変器１１の制御を実行する屈折率可変制御部２２と、を備えている。
特許請求の範囲で言う「屈折率可変制御手段」は、演算装置２５及び屈折率可変制御部２２により実現され、また、「変位検出手段」は、演算装置２５により実現される。
【００１６】
また、ＰＬＣ基板３には、半導体レーザ発振素子２からの光を受ける第一の光導波路４と、第一の光導波路４で導波されたレーザ光を参照光と照射光とに分割する分岐部８と、被測定物３０へ照射する照射光が導波される第二の光導波路５と、照射光が被測定物で反射し、再びＰＬＣ基板３内に入射する第三の光導波路６と、分岐部８で分岐された参照光が導波される第四の光導波路７と、第三の光導波路６で導波された照射光と第四の光導波路７で導波された参照光とが干渉する干渉部９と、干渉部９で干渉した干渉光が導波させる第五の光導波路１２と、が形成されている。第五の光導波路１２で導波された干渉光が光検出器１０に入射する。
【００１７】
ＰＬＣ基板３は、ここでは、屈折率が電圧によって変化する電気光学材料のニオブ酸リチウム結晶を使用している。ＰＬＣ基板３の一辺の長さは数ｃｍである。光導波路は、光の屈折率の違いを利用して光信号を導くためにＰＬＣ基板３上に設けた光の道であり、例えば、光導波路パターンに沿ってＴｉを熱拡散して形成することができる。なお、光導波路を形成するための各種の方法が広く知られており、本発明では、どのような方法を用いて光導波路を形成しても良い。
分岐部８は、ここでは、Ｙ字状に分岐した光導波路で構成している。
第二の光導波路５及び第三の光導波路６は、被測定物３０に照射光を照射する位置において、折り返し光導波路を形成している。折り返し光導波路では、第二の光導波路５からの光が、被測定物３０へ照射された後、反射して、損失をほとんど受けることなく、第三の光導波路６に入射する。
【００１８】
干渉部９は、ここでは、方向性結合器で構成している。方向性結合器は、図５に示すように、二つの光導波路（ここでは、第三の光導波路６と第四の光導波路７を示している。）の一部が並行・近接（一般的に、２〜３μｍの間隔で）するように構成され、一方の光導波路６で導波されたレーザ光の一部が光導波路間の間隙を通って他方の光導波路７に伝播する。そのため、第四の光導波路７で導波された参照光と第三の光導波路６で導波された照射光とが干渉し、干渉光が第五の光導波路１２を進行する。方向性結合器では、近接して並行する光導波路の長さが最小で１００μｍもあれば、二つの光は、十分に干渉する。
なお、光導波路６から光導波路７に伝播しなかった光は、適切な場所に逃がしてやる。具体的には、動作に影響しないＰＬＣ基板３の端面から光を放出する。
【００１９】
屈折率可変器１１は、ＰＬＣ基板３の材質が電気光学材料である場合、光導波路に電圧を印加する電極であり、この電極が、ＰＬＣ基板３の光導波路を挟む位置に形成される。また、この場合、屈折率可変制御部２２は、電圧制御器であり、電極には、電圧制御器より所定の電圧信号（アナログ信号）が送られ、ＰＬＣ基板３内の光導波路に所定の電圧が印加され、当該光導波路の屈折率が変化する。
光の光路長は、物理的な光経路の長さと光経路の屈折率との積の経路積分で表される。そのため、光導波路の屈折率を変えることで、光の光路長を変化させることができる。
なお、ここでは、屈折率可変器１１を第二の光導波路５に配置しているが、屈折率可変器１１は、第三の光導波路６または第四の光導波路７に配置しても良く、あるいは、第二の光導波路５、第三の光導波路６及び第四の光導波路７の内の複数の光導波路に配置しても良い。但し、屈折率可変器１１を複数配置した場合は、屈折率可変制御部２２も同数必要になる。
【００２０】
次に、この微小変位測定装置の動作について説明する。
半導体レーザ発振素子２から発振されたレーザ光は、第一の光導波路４に入射し、分岐部８で参照光と照射光とに分岐され、参照光は、第四の光導波路７に入り、干渉部９へ導波される。
一方、照射光は、第二の光導波路５で導波されてＰＬＣ基板３の一端面から出射される。また、この間の第二の光導波路５は、屈折率可変器１１で屈折率が可変され、光路長が調整される。第二の光導波路５から出射された光は、被測定物３０を照射し、その反射光が第三の光導波路６に入射して、干渉部９へ導波される。
干渉部９において、第三の光導波路６で導波された照射光と第四の光導波路７で導波された参照光とが互いに干渉し、干渉光となって第五の光導波路１２で導波され、ＰＬＣ基板３の端面から出射されて光検出器１０に入射する。光検出器１０は、この干渉光の光強度を検出する。
光検出器１０で検出された光強度は、増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４、演算装置２５を通して数値化される。
【００２１】
このとき、照射光のＰＬＣ基板３内の光路長は、屈折率可変器１１に印加するエネルギー量を調整して第二の光導波路５の一部分の屈折率を変え、この部分の光路長を可変することにより変化する。従って、干渉する参照光と照射光との間の位相差は、屈折率可変器１１に印加するエネルギー量を制御し、照射光のＰＬＣ基板３内の光路長を変えることにより自由に設定できる。
この原理を利用して、光導波路の屈折率を調整し、被測定物３０が初期位置（変位する前の位置）において、照射光と参照光とが同位相（位相差ゼロ）になるように設定したり、照射光と参照光とが逆位相（位相差π）になるように設定したりすることができる。
【００２２】
二つの光が干渉する場合、図８（ａ）に示すように、二つの光の位相差がゼロであると、二つの光の干渉により、お互いに強め合うため、光強度は、一番大きい状態、即ち、共振状態になる。従って、光検出器１０で検出される光強度は最大になる。一方、図８（ｂ）に示すように、二つの光の位相差が波長の１／２であると、お互いに弱め合うため、光強度は、一番小さい状態になる。従って、光検出器１０で検出される光強度は最小になる。
演算装置２５は、被測定物３０の初期位置（変位する前の位置）において、光検出器１０で検出される光強度の数値が、最大値を示すように、または、最小値を示すように、あるいは、最大値と最小値との平均値を示すように設定し、その設定値を満たす屈折率可変器１１の電圧を算出し、屈折率可変制御部２２を通じて、その電圧を屈折率可変器１１に印加する。
【００２３】
次に、被測定物３０に微小変位を与えると、被測定物３０で反射する照射光の反射位置が変化する。そのため、干渉光は初期の光強度（設定値）から変化する。
図７は、干渉光の光強度の変化を説明する図であり、ＰＬＣ基板３内での参照光（ａ）及び照射光（ｂ）の波形を模式的に示している。
図７（ａ）に示すように、参照光となる光は、半導体レーザ発振素子２から出射され、第一の光導波路４と第四の光導波路７とを通って干渉部９に到達する。第一の光導波路４と第四の光導波路７とを加えた幾何学的距離をｄ１、その屈折率をｎ１とすると、この光のＰＬＣ基板３内での光路長Ｌ１は、Ｌ１＝ｎ１・ｄ１である。また、干渉部９に到達した参照光の位相（波長以下の長さ）をΔ１で表している。
【００２４】
一方、照射光となる光は、図７（ｂ）に示すように、半導体レーザ発振素子２から出射され、第一の光導波路４と第二の光導波路５と第三の光導波路６とを通って干渉部９に到達する。この第一の光導波路４、第二の光導波路５及び第三の光導波路６を加えた幾何学的距離をｄ２、その平均屈折率をｎ２とすると、この光のＰＬＣ基板３内での光路長Ｌ２は、Ｌ２＝ｎ２・ｄ２である。この照射光が干渉部９に到達したときの位相（波長以下の長さ）をΔ２で表している。また、照射光の場合は、被測定物３０で反射して戻ってくるときに２・Δｒの位相（波長以下の長さ）が生じる。
干渉部９において参照光と照射光とが干渉した場合の干渉波の光強度は、Δ１及びΔ２によって決まってくる。Δ１−Δ２＝０であれば、干渉部９に入射時点での参照光及び照射光の関係が図８（ａ）の状態になるため、干渉波の光強度は最大になり、Δ１−Δ２＝λ／２（λは、半導体レーザ発振素子２から発振されるレーザ光の波長）であれば、図８（ｂ）の状態になるため、干渉波の光強度は最小になる。
ここで、被測定物３０の位置が変位すると、Δｒが変化し、それによってΔ２の値が変わるため、干渉波の光強度は変化する。
【００２５】
被測定物３０が変位して干渉光の光強度が設定値からずれると、演算装置２５は、現在の光強度の数値を基に、干渉光の光強度を設定値に戻すために必要な屈折率可変器１１の電圧値を算出し、屈折率可変制御部２２を通じて、その電圧を屈折率可変器１１に印加する。また、被測定物３０の変位の前後における電圧値の変化量から被測定物３０の変位量を算出する。演算装置２５は、この演算のために、屈折率可変器１１への印加エネルギー量と被測定物３０の変位量との関係を示すデータを予め保持している。
変位表示装置２６は、演算装置２５で演算された被測定物３０の変位を表示する。表示の形態としては、変位量を数字で表示する、変位の前後の光強度を波形で表示する、変位の前後の屈折率変化を数値で表示するなど、変位量が分かるいかなる値、波形を表示しても構わない。
【００２６】
ここで、図７の関係を数学的に表現すると、次のようになる。
まず、参照光について、光路長Ｌ１に存在する波長の数をｍとすると、次式（１）が成り立つ。
ｍ・λ＋Δ１＝Ｌ１                                    （１）
また、前述するように、光路長Ｌ１には次式（２）の関係がある。
Ｌ１＝ｎ１・ｄ１                                      （２）
（１）と（２）より、
ｍ・λ＋Δ１＝ｎ１・ｄ１                              （３）
となる。
同様に、照射光についても、光路長Ｌ２に存在する波長の数をｎとすると、次式（４）が成り立つ。
ｎ・λ＋Δ２＋２・Δｒ＝ｎ２・ｄ２                    （４）
式（３）から式（４）を減算すると、
（ｍ−ｎ）・λ＋Δ１−Δ２−２・Δｒ＝ｎ１・ｄ１−ｎ２・ｄ２      （５）
さらに、ｍ、ｎ、λ、Δ１、ｎ１、ｄ１は一定で変化しないので、式（５）を簡略化すると、
Δ２＋２・Δｒ−ｎ２・ｄ２＝一定            （６）
となる。
【００２７】
式（６）より、被測定物３０の位置が変化して、Δｒ、Δ２が変化した場合に、ｎ２を変化させる、すなわち、屈折率可変器１１で屈折率を変化させることにより、式（６）を満足する状態で、Δ２を設定値に戻す（即ち、干渉光の光強度を設定値に戻す）ことができる。
そのようにすると、Δ２が既知となるから、屈折率の変化量さえ測定すれば、式（６）からΔｒの変化量、即ち、被測定物３０の変位量を求めることができる。
【００２８】
被測定物３０の変位と干渉光の光強度との関係は、図９に示すように、λ／２周期で光の強弱が現れる正弦波で表すことができる。この場合の周期がλ／２になるのは、被測定物３０で光が反射するので、被測定物の変位の２倍の位相が発生することになるからである。
光検出器１０で検出する干渉光の光強度の設定値として最も望ましいのは、図９に示す正弦波上で最も変化率が大きいＢ点での光強度値である。しかし、点Ｃまたは点Ｄでの光強度値を設定値とすれば、被測定物３０の変位振幅が測定光波長λ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。
そのため、高精度の測定を行う場合は、点Ｂでの値、即ち、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または点Ｄでの値、即ち、最大レベルまたは最小レベルを設定値として、光検出器１０の検出光が設定値となるように屈折率可変制御部２２へ指令を出すことが望ましい。もちろん、検出光レベルの設定値として、その他の任意の値を用いることも可能である。
【００２９】
次に、図１０のフロー図に基づいて、この微小変位測定装置の全体の動作について説明する。
まず、電源１が半導体レーザ発振素子２に電流を印加すると、半導体レーザ発振素子２はレーザ光を発振し（ステップＳ１）、そのレーザ光は第一の光導波路４に入射し、分岐部８を経て、一方は、参照光として干渉部９へ、もう一方は、被測定物で反射され、照射光として干渉部９へ導波される。このようにして、干渉計が形成される。
続いて、干渉光の光強度を、光検出器１０が検出する（ステップＳ２、干渉光検出ステップ）。検出された光強度は、増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４、演算装置２５によって数値化される。演算装置２５は、検出された光強度が予め設定した設定値を示すように、屈折率可変制御部２２を通じて、屈折率可変器１１へ印加するエネルギー量（電圧値）を調整する（ステップＳ３）。
【００３０】
被測定物３０に微小変位が生じて、干渉光の強度が設定値から変化すると（ステップＳ４のＹｅｓ）、演算装置２５は、干渉光の強度を設定値に戻すために必要な屈折率可変器１１のエネルギー量（電圧値）を算出し、屈折率可変制御部２２を通じて、屈折率可変器１１に印加する。それにより、干渉光の強度は、再び設定値に戻る（ステップＳ５、屈折率可変制御ステップ）。 
そして、演算装置２５は、被測定物３０が変位する前後の屈折率可変器１１の電圧変化量に応じて被測定物３０の変位量を算出する（ステップＳ６、変位検出ステップ）。 
このように、演算装置２５は、測定が終了するまで、光検出器１０からの信号に基づいて、干渉光の光強度が常に設定値となるように屈折率可変制御部２２を制御しながら被測定物３０の変位を検出する（ステップ７）。
こうした処理手順は、プログラム化してコンピュータに実行させることができる。
【００３１】
このように、この微小変位測定装置では、被測定物が変位したときの干渉光の光強度を設定値に維持し、変位の前後における屈折率の変化量（または、その変化量を得るために屈折率可変器に加えられたエネルギーの変化量）から被測定物の変位を求めているので、検出された干渉光の強度変化から被測定物の変位を求める従来の方法に比べて、照射光の光損失の影響を受け難い。そのため、高精度な測定が可能である。
また、この微小変位測定装置では、被測定物の変位振幅がレーザ光の波長の１／４を超えるような比較的大きな変位であっても、簡単な操作で測定することができる。
また、この微小変位測定装置では、参照光を導波する第四の光導波路７を、分岐部８から干渉部９に直接繋げているため、参照光反射用の鏡が不要であり、構成が簡易である。また、製造プロセスが簡略化でき、生産性を向上させて低価格化を実現できる。
また、この微小変位測定装置は、光導波路を形成したＰＬＣ基板上に半導体レーザ素子や光検出器を搭載して、高い集積化・小型化を図ることができる。このように高集積化・小型化すると、被測定物からの反射光が光検出器に達するまでの距離を短縮でき、光導波路中での光損失を最小限に抑えて、変位測定の感度を上げることができる。また、熱膨張や振動などの外乱で測定光が受ける損失を少なくすることができ、信頼性の高い測定結果が得られる。
【００３２】
なお、図１の構成では、半導体レーザ発振素子２と光検出器１０とをＰＬＣ基板３の別々の端面に配置しているが、図２に示すように、これらをＰＬＣ基板３の同じ端面に配置しても良いし、また、いかなる場所に配置しても良い。
また、ここでは、ＰＬＣ基板３に用いる電気光学材料として、代表的なニオブ酸リチウムを用いたが、その他の電気光学材料を用いても良い。また、電気光学材料以外であっても、基板に形成した光導波路の屈折率を変えることができる材料であれば、使用することができる。
例えば、熱によって屈折率が変わる熱光学材料をＰＬＣ基板３に用いることができる。熱光学材料の代表例は石英である。この場合、屈折率可変器１１はヒータとなり、屈折率可変制御部２２はヒータ制御器となる。ヒータは、ヒータ制御器から送られた信号（アナログ信号）により、ＰＬＣ基板３内の光導波路を所定の温度に加熱し、当該光導波路の屈折率を変化させる。
また、応力によって屈折率が変わる音響光学材料をＰＬＣ基板３に用いることもできる。音響光学材料の代表例はニオブ酸リチウムである。この場合、屈折率可変器１１はトランスデューサとなり、屈折率可変制御部２２はトランスデューサ制御器となる。トランスデューサは、トランスデューサ制御器から送られた圧電信号（アナログ信号）による歪みにより、ＰＬＣ基板３内の光導波路に所定の応力を加え、当該光導波路の屈折率を変化させる。
屈折可変器１１の長さは、照射光と反射光の光路長の差、変化させたい位相量、屈折可変器１１に印加可能な単位長さ当たりのエネルギー量によって変化する屈折率の変化量などに基づいて算出することができる。
【００３３】
また、ここでは、分岐部８をＹ字状に分岐した光導波路で構成しているが、一つの光を複数に分岐する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、ここでは、第二の光導波路と第三の光導波路とで折り返し光導波路を形成しているが、第二の光導波路で導波された照射光を被測定物の方に導出し、被測定物で反射された照射光を第三の光導波路に導出する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、ここでは、干渉部９を方向性結合器で構成しているが、参照光と照射光とを合波する機能を持つものであれば、どのような手段をも用いることができる。
また、レーザ光は、安定なコヒーレント光であって、ＰＬＣ基板３内の光導波路中をシングルモードで伝播するものであれば、レーザの種類や波長に制限はない。
また、ここでは、演算装置２５が、屈折率可変器１１に印加するエネルギー量と被測定物３０の変位量との関係を示すデータを予め保持しているものとしたが、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、このデータを予め保持してなくてもよい。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図であり、図６は、この装置の分岐部の構成を示す図である。
この微小変位測定装置では、被測定物の変位の測定感度を良くするため、レーザ光を分岐する分岐部で、参照光に比べて照射光の分割量が多くなるように構成している。それにより、照射光の光損失による影響を減らすことができる。
図３に示す微小変位測定装置の構成は、分岐部８を除けば、第１の実施の形態（図１）と変わりがない。
【００３５】
この分岐部８は、図６に拡大して示すように、第一の光導波路４で導波されたレーザ光を第二の光導波路５及び第四の光導波路７に分岐する際の分岐比を制御する分岐比制御部１４（ａ）、１４（ｂ）を有している。この分岐比制御部１４（ａ）、１４（ｂ）は、第二の光導波路５及び第四の光導波路７の入口の屈折率を変える屈折率可変器である。屈折率可変器は、第１の実施の形態で説明したように、ＰＬＣ基板３の該当箇所に、電圧、熱、または応力を加える構成により実現できる。
光は、屈折率の高い方に引き寄せられ現象が有り、分岐比制御部１４（ａ）、１４（ｂ）は、この現象を利用して、第二の光導波路５の屈折率が第四の光導波路７の屈折率よりも高くなるように設定し、第四の光導波路７で導波される参照光に比べて、第二の光導波路５で導波される照射光の光量の方が多くなるように制御している。
【００３６】
この場合の適切な分岐比の求め方について、次に説明する。
ＰＬＣ基板３の各光導波路を伝播する光が受ける損失は、１０−６ｄＢ／ｃｍであり、ＰＬＣ基板３の長さは数ｃｍなので、ＰＬＣ基板３内での光損失は、無視できる程度に小さい。従って、ＰＬＣ基板３の第一の光導波路４に入射した光がＰＬＣ基板内で受ける損失は、第二の光導波路５で導波された光が、ＰＬＣ基板３から被測定物３０に出射し、再び第三の光導波路６に入射するまでに受ける損失が一番大きい。
そこで、上記の損失を２ｄＢと仮定すると、光損失と光強度との関係式、
光損失＝１０・ｌｏｇ（光強度）
から、光損失＝−２として光強度を求めると、
光強度＝１０＾（光損失／１０）＝１０＾（−０．２）＝０．６３１
となる。これは、光強度が、元々の光強度の６３．１％に低下することを意味している。
従って、第一の光導波路４で導波される光の強度をＡとし、分岐部８において、第二の光導波路５に分岐される光の割合をαとすると、第三の光導波路６で導波されて干渉部９に達する照射光の光強度は、
Ａ・０．６３１・α
となり、第四の光導波路７で導波されて干渉部９に達する参照光の光強度は、
Ａ・（１−α）
となる。
【００３７】
そのため、第二の光導波路５で導波され、被測定物３０を経て、第三の光導波路６で導波される照射光の光強度を、第四の光導波路７で導波される参照光の光強度よりも大きくするための条件は、
Ａ・０．６３１・α＞Ａ・（１−α）
となり、上記の式を解くと、α＞０．６１３となる。
従って、第二の光導波路５と第四の光導波路７との分岐比の最小値は、６１．３：３８．７と算出できる。
分岐部８において、この分岐比を達成するように分岐比制御部１４で第二の光導波路５及び第四の光導波路７の屈折率を制御すると、第三の光導波路６で導波される光の損失が２ｄＢまでは、第三の光導波路６で導波される照射光の光強度の方が、第四の光導波路７で導波される参照光の光強度よりも高くなり、被測定物３０の変位を感度良く検出することができ、変位測定の精度を高めることができる。
【００３８】
また、このように、分岐比制御部１４を設けてＹ字状分岐導波路の分岐比を調節可能にした分岐部は、図４に示すように、第二の光導波路５と第三の光導波路６との接続箇所にも用いることができる。この分岐部１５では、第六の光導波路１３から入射した被測定物３０の反射光が第三の光導波路６の方に多く流れるように分岐比制御部が調節される。
この分岐部１５を有するＰＬＣ基板３では、第二の光導波路５で導波された光が、分岐部１５を経て、第六の光導波路１３で導波され、被測定物３０に出射される。被測定物３０で反射した光は、再び第六の光導波路１３に入射し、分岐部１５において設定された分岐比に従って、第二の光導波路５及び第三の光導波路６に分岐される。
【００３９】
また、こうした分岐比の制御は、方向性結合器においても可能である。図５に示すように、二本の光導波路６、７を近接配置した方向性結合器では、光導波路間の結合の強さが、光導波路間の距離や光導波路間の屈折率、並行する光導波路長などによって決まる。そのため、屈折率可変器を配置して光導波路間の間隙の屈折率を可変することにより、光導波路６から光導波路７に伝播する光量を調節することができる。
ＰＬＣ基板３の分岐部１４や分岐部１５、または干渉部９には、こうした分岐比調整機能を備えた方向性結合器を用いることも可能である。
【００４０】
本発明の微小変位測定装置は、ナノメートルオーダの変位計測が可能であり、また、高集積化により極めて小型化することができる。そのため、例えば、半導体レーザ素子や半導体素子などを基板に実装する生産設備に用いて、基板に対する素子の位置合わせなどに利用することができる。
また、単独の計測器として使用し、いままでの変位センサでは大き過ぎて測定が困難であった対象物の変位測定などに利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の微小変位測定装置は、精度が高く、小型化が可能であり、精密さが要求される各種製品の製造分野や、高精度が求められる計測装置、医療装置、実験装置など、幅広い分野において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る微小変位測定装置の他の構成を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る微小変位測定装置の構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る微小変位測定装置の他の構成を示す図
【図５】本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置で用いる方向性結合器の一例を示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る微小変位測定装置で用いる分岐比制御器を備えた分岐部を示す図
【図７】本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置での光の伝播の様子を説明する図
【図８】光の干渉を説明する図
【図９】本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置での被測定物の変位と干渉光の光強度との関係を示す図
【図１０】本発明の実施の形態に係る微小変位測定装置の動作を示すフロー図
【図１１】従来の微小変位測定装置の構成を示す図
【図１２】従来の微小変位測定装置の他の構成を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１      電源
２      半導体レーザ発振素子
３      平面光波回路基板（ＰＬＣ基板）
４      第一の光導波路
５      第二の光導波路
６      第三の光導波路
７      第四の光導波路
８      分岐部
９      干渉部
１０    光検出器
１１    屈折率可変器
１２    第五の光導波路
１３    第六の光導波路
１４    分岐比制御器
１５    分岐部
２１    Ｄ／Ａ変換器
２２    屈折率可変制御部
２３    増幅器
２４    Ａ／Ｄ変換器
２５    演算装置
２６    変位表示装置
３０    被測定物
２１１  基板
２１２  Ｙ字状分岐光導波路
２１４  光導波路
２１５  電極
２１６  反射部材
２３０  光ファイバ
２４０  レーザ発振器
２５０  光検出器
２６０  位相制御部
２８０  被測定物
３０１  結晶基板
３０２  光導波路
３０３  光導波路
３０４  光導波路
３０５  光導波路
３０６  方向性結合器
３０７  参照用光鏡
３０８  集光レンズ
３０９  被測定物
３１０  電極
３１１  電極
３１２  光源
３１３  光ファイバ
３１４  電極
３１５  光ファイバ
３１６  光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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