平成3年度 研究報告 大分県工業試験場（2）可動節点における非接触情報伝送技術の研究
電子部 佐 藤 哲 哉

1 員 的
0レーザ発光部

可動部を持つ機構内（回転する構造物の内部等）からの情報を正確に外界に伝送する手段としては、現在、機械的接触によるスリップリング法及び回転軸の振れ角が小さい場合には、発信、受信間を変調光信号で伝送する光信号法が一般的である。前者は、機械的接触によるため、耐久性、ノイズ、伝送周波数等に問題がある。
しかし、構造。機構的にはシンプルである。一方、後者は、前記問題点に閲し前者より優れているが、図1 原理図

発信、受信の関係が基本的に直接関係において成り立っているため、回転軸の振れ角が大きくなる場合には、受信部の視野から外れることとなり、手段として自ずと限界がある。

3 検討課題

原理的には、各構成光学部品が理想的性能を持つならば、受光部Pにおいて、精度よく可動部からのこれら問題点を改善し、可動部での情報伝送を更信号を復元することができるが実際には、各光学部に柔軟に実現する技術について理論的側面により、品の特性及び装置試作上の制約、製作精度等からく研究する。

る光学的誤差について、検討する必要がある。光学的誤差要因として以下のことが考えられる。

2 原 茸里原理を、図1に示す。
半径Rの高精度に研磨、蒸着された球面反射ミラー、R／2の位置に平行に置かれたハーフミラー及び球面反射ミラーの曲率中心（回転中心軸）上のレ山ザ発光部、球面反射ミラーの切り欠き部に配置された受光部により構成される。可動部は、点0を中心としてβの角度で回転、もしくは、振れる。
点0から出た光線は、ハーフミラー（㌍）により4 検討（1）受光点Pの幾何光学的変位（共心系）。レーザ発光部と球面反射ミラーの曲率中心が一致する場合（2）振れ角鋸こよる受光点Pでの光強度変位
上記（1）については、ハーフミラーがあることにより、受光点㌘の位置が振れ角βにより変位することを意味する。これに対しては、受光点Pでの受光面反射㍉透過し、球面反射ミラ山（S）に至る。幾何積を確保することで対処可能であるが、（2）について光学の関係より球面反射ミラ」への光線の入射角は、光学部品の設計に留意し、光強度変動を最小には、S点の接線に対し90度である。このため、その抑える必要がある。

まま同じ光路に反射する。途中、更にハーフミラ山

以下、これらの課題に対する検討を行い、本原理（H）により、反射孝透過し、その内反射された光の有効性、並びに、性能上の限界を明らかにする。

線が受光部の1点㌘に至る。この関係は、ハふフミ（1）受光点Pの幾何光学的変位（共心系）

ラー厚が充分に薄く、発光部、球面反射ミラー等が（ヨハーフミラーによる光学的変位

理想的な場合は、光路上庸【≦600の全範囲におい振れ角βによる光線の光路中に、厚さdの平行平て成り立つ。
20

板がある場合、光路は、その屈折率及びdの関数と平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

して、式（1）で表される△slだけ球面反射ミラー側へ

価的に△slだけ球面反射ミラー側に射出位置を変位ずれる。（通常、nl＜n2）図2にこれらの関係図を示し（①で検討）その光線は、球面反射ミラー及びハす。

ーフミラーで反射される。これら光路により最終的に、受光部での理想点からの（幾何光学的）総合変co5（β）

位置が算出される。

いd （1）

v／㍍△ぶ1ニ 〈1M

これら関係を図4に示す。Dは、ハーフミラーのこのことは、光軸上の点Pから振れ角β′で射出する厚さdと球面反射ミラー半径r及び振れ角βとのことと等価である。この時のβ′は、平行平板の両側関係において、光線を全て受光するに必要な受光部の媒質が同じ屈折率ならば、屈折の法則によりβ′＝での有効径を示すものである。

βとなる。この値は点0から平行平板までの距離には依存しない。
図3にハーフミラー厚比（d／r）による△sl移動比を（rで正規化）示す。

②受光部での変位曲率中心0にあるレーザ発光郡より振れ角βで射出された光線は、厚さdのハーフミラーにより等図4 総合変位量
座標軸を図4のX，yとすると、Dは次式で求められる。
上）＝ねO

朋 ，i β】2。5わ字1（彗⊥ニ。S招））〉。（s口 一γ）（2）P

図2 ハ州フミラーによる光学的変位

図5にハーフミラー比（d／㌻）に対する総合変位量比（D／㌻）を示す。
4／

35ノ

5転・′／

321・上

5■′−−−一〆−一′ 2％

5ノ′・←一一−−〃′

ハーフミラ1による総合変位比％

ハーフミラーによる移動比％○一u■−′一一■′u′−−−41

22030405060

振れ角（β）

図3 〃け∵フミラ州比による移動比

510102030405060

振れ角（β）

団5 ハーフミラー比による総合変位﹁〇叩 21平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

同図より、当然のことながら、dは薄くなれば受光部面積は小さくてすむ。dの値は、構造的に強度保持のため、ある程度の厚さは必要である。受光部で使用される素子は、これら計算値を基準として選定される。
一方、厳密には、球面反射ミラーの球面収差の影響も考えられるが、球面反射ミラーの曲率中心を基準として構成されているため、この影響は無視できる程度に小さい。
（2）振れ角βによる受光ノ占Pでの光強度変位①ハーフミラー端面（レーザ発光部側）反射による光強度変位屈折率nをもつ媒質は、光入射に対してフレネルの公式による反射、透過特性をもつ。図川

06にハーフミラー構造を示す。レーザ発光都側端面

20 30405060

振れ角（β）

では 、振れ角βに依存する。偏光形態による反射、

図7 コーティング厚による反射特性透過特性があり光強度変位の原因となる。

一般には、この端何に反射をできる限り抑制する減反射コーティングが施される。ここでは、・層のよる光強度変位
ハーフミラー端而（球面反射ミラー側）反射によ

減反射コーティング薄膜（MgF2）を形成した場合

るレーザ光線は、ハーフミラーーの端画で屈折され、のその膜厚についての影響を検討する。

媒質n中を透過後、ハーフミラーコーティング層でP，S偏光に対する各表面での反射係数は、フレネルの式により、与えられる。

反射、屈折され、屈折された光線は、球面反射ミラ」で反射され、再び、ハーフミラーコーティング層

また、コーティング而での反射光線に相当するコで反射透過され、その内反射された光線が受光部へーティング層の両面で生じる反射率は、反射波間の至る光路をとる。光路図を図8に示す。受光部には干渉と位相差により、求められる。

相対的に振れ角βによる透過率Tl及び反射率R2

レーザの偏光は、直線偏光であり、かつ、1）偏光の積で表される光強度が入射する、Tl、R2の角度依である。一般に、半導体レーザの偏光消光比は400：存性が本装置性能を左右する。レーザ光線ハーフミ1程度である。このⅠ）偏光以外の成分をS偏光としラーコーティング層への入射角は、振れ角βに対一層の減反射コーティングの反射特性を計算する。

ここでn（入）＝1．38（MgF2）、入二0．83／Jm、nニ0コーティング厚とする。

図7に振れ角βに対する各hの反射特性を示す。
②ハーフミラー端面（球面反射ミラー側）反射にガラス（BK7）

図6 ハーフミラー構造
肝 22

n3

図8 光路図平成3年度 研究報告 大分県工業試験場

し、式（3）で示される。また、球面反射ミラーーで反射側ハーフミラー表l計反射特性及びハーフミラ」コ、・一されたレーザ光線のハゝ−フミラ＼−コーティング層へティング層の透過、反射特性を考慮した受光部でのの入射角は、式（4）で示される。

総合光強度比関係図を示す。（ここでは、球面反射ミラーの反射損失等は考慮していない。）

0，＝sinl（sin（0）／nl）

（3）

5 結
β−一二針一かsinj（△51＝ノ／／／γ。Sわ7（β））（4）

果（1）幾何光学的変位使用する球面反射ミラーの曲率半径r及びハーフ
図9にハーフミラー比に対するAl蒸着半透過膜

ミラー厚径dと幾何光学的変位Dとの関係は、図5に示す様な関係がある。ハーフミラー厚比は、小さの透過、反射特性を示す。
以F二の（手及び②の関係から総合的な受光部での相い方が変位も小さい。

対光強度比が求められる。図10ヘノ11にレーザ発光郡（2）振れ角βによる受光部Pでの光強度変位

一〇10〜11に示すように、大きな相違はみられないが、ハ」フミラ」・一厚比を大、減反射コーティング厚径を小のとき、光強度変位が小となる傾向を持つ。

〇（3）上記条件に糾うパラメータを適当に選定することで、計算上、振れ角30度以下で99％以上の伝送こJ精度が得られる。

O6 今後の課題﹁〇。球面反射ミラーの曲率中心上のレ」ザ発光部の位置変位に対する影響及び振れ角0近傍での対〇A1蒸着半透過膜による透過︒反射率％︼〇54433221⊥

振れ角βによる受光点での光強度変位は、図︻〇0応。減反射コーティング、半透過膜に対す
1020 30 40
振れ角（β）

ハU

図9 半透過膜による透過、反射特性

5n60

る光学

性能評価
これら結果に基づき、システムの構成に適したパラメ」夕の選定を行うことができる。

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001590972049986995998

受光部での相 対 光 強 度 ％q︶
9

受光部での相 対 光 強 度 ％850 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60

振れ角（β）
振れ角（β）（拡大）（全体）

図10 受光部での総合光強度比（ハーフミラー比＝1％）

受光部での相対光強度％

受光部での相対光強度％

10 20 30 40 50 60

ハーフミラー比＝5％0 10

振れ角（β）

304振れ角（汐）図11受光部での総合光強度比

胴 24 一冊20