JP2010085148A - Minute displacement measuring device, minute displacement measuring method, and minute displacement measuring program - Google Patents
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Abstract
Description
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、微小変位測定方法および微小変位測定用プログラムに関し、特に、レーザ光とこれを導波する光ファイバー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、微小変位測定方法および微小変位測定用プログラムに関する。 The present invention relates to a minute displacement measuring apparatus, a minute displacement measuring method, and a minute displacement measuring program for measuring minute displacement such as minute vibration of an object, and in particular, a laser beam and an optical fiber that guides the laser beam. The present invention relates to a minute displacement measuring apparatus, a minute displacement measuring method, and a minute displacement measuring program for measuring minute displacement.
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、両光路の距離の違い、すなわち、被測定物の変位を検出する。
光ファイバーおよびビームスプリッタなどの光部品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。図15は、特許文献1に開示された微小変位測定装置の構成図であって、図15において、201は周波数安定化直交2周波レーザ光源、204はミラー、205は検光子、206はフォトダイオード、207は信号処理回路、210はヘテロダイン干渉光学系、211、221は偏光ビームスプリッタ、212、213はコーナーキューブ、222、225はカップリングレンズ、223、226は偏波面保存光ファイバ、224、227はコリメートレンズ、f0、f1は互いに偏光が直交したレーザ光の周波数である。図15に示すように、レーザ光源201から出射された光が偏光ビームスプリッタ221で2つに分岐され、片方は参照光、他方を被測定物に固定されたコーナーキューブ213で反射する測定光になる。さらに、参照光と測定光は、偏光ビームスプリッタ211で互いに干渉し干渉光を形成する。干渉光の光強度をフォトダイオード206で測定することにより、干渉光の光強度に応じたコーナーキューブ218の変位を測定する。
2. Description of the Related Art Conventionally, a displacement measuring apparatus that measures the displacement of an object using laser light has been used in various fields because it can measure with high accuracy. Usually, a conventional minute displacement measuring apparatus using optical interference combines a half mirror, a polarizing beam splitter or the like and a wave plate to split a laser beam into two optical paths and use one of the beams as reference light. The other light is applied to the object to be measured and used as measurement light. When the reflected lights are combined again, the intensity change of the interference light that occurs according to the phase difference between the two causes The difference in the optical path distance, that is, the displacement of the object to be measured is detected.
A micro displacement measuring apparatus using optical components such as an optical fiber and a beam splitter is disclosed in
また、光ファイバーおよび光導波路を用いた微小変位測定装置が特許文献2に開示されている。図16は、特許文献2に開示された微小変位測定装置の構成図であって、図16において、301は広帯域光源、302は光ファイバー、303は偏光解消子、304は入力用光ファイバー、305は単一モード光ファイバー型3dBカプラー、306は参照光用光ファイバー、307は光導波路位相変調素子、308は入出射ポート、309はキャピラリ、310は光導波路、311はミラー、312は測定光用光ファイバー、313、318は端面、314、319はレンズ、315は信号用光ファイバー、316は受光器、317は位相変調用電極、320は狭帯域フィルター、321は受光素子、R1、R2、M1、M2は反射した光波である。図16に示すように、広帯域光源301から出射された光波は、偏光解消子303によって無偏光化され、単一モード光ファイバー型3dBカプラー305に導かれ、そこで、二分される。二分された一方の光波は、参照光として、レンズ314を経て被測定物から3dBカプラー305に戻ってくる。参照光と測定光の位相差に応じた信号光(干渉光)が受光器316に送られ、狭帯域フィルター320を透過し受光素子321に入射するようになっている。そして、参照光と測定光の光路長差を狭帯域フィルター320の帯域幅で決まる干渉長以下とすることによって、光導波路310や光ファイバー306、312の端面を垂直にでき、斜めに加工しなくて済むようになっている。
しかしながら、特許文献1、2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。
まず、特許文献1の第1の問題点は、装置に用いられている光学部品が、光ファイバー,偏光ビームスプリッタ、レーザ発振器,光検出器などから成り、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、特許文献1のものには組立時に光軸調芯という調整作業も必要となる不都合があり、組立コストが高くなる問題点があった。第2の問題点は、被測定物にコーナーキューブを固定し、そのコーナーキューブに入射し、反射した光が偏光ビームスプリッタを通って参照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る。第3の問題点は、わざわざ、固定のコーナーキューブで反射させて参照光を生成している点である。構成部品がひとつ多くなり、組立性が悪くなるという不都合がある。第4の問題点は、レーザ光源からの偏光ビームスプリッタを通すことで、参照光と測定光に分岐しているので、それぞれの光強度はほぼ同一である。したがって、測定光光路から出た測定光が可動のコーナーキューブで反射して、再び測定光光路に戻る間での光損失と、参照光光路から出た参照光が固定のコーナーキューブで反射して、再び参照光光路に戻る間での光損失を考慮すると、測定光が参照光と比較して、光強度が弱くなる場合もあり得る。この場合には、被測定対象の変位に対して、感度が悪くなり、その結果、測定精度に悪影響するという不都合が起こる。
However, the micro displacement measuring devices disclosed in
First, the first problem of
また、特許文献2に開示された微小変位計の問題点(第5の問題点)は、参照光を作るために、わざわざ、基板端部にミラー形成して参照光を生成している点である。基板を製作する際のプロセスがひとつ多くなり、部品コストが高くなるという不都合が生じる。また、特許文献2の場合も、上記第4の問題点の不都合が起こる。つまり、参照光と照射光との光分岐が、単一モード光ファイバー型3dBカプラーで行なわれ、その分岐比は50:50であるので、そしてこの場合にも、光導波路から出た照射光が被測定物で反射して再び光導波路に戻る間に光損失が生じるので、測定光が参照光と比較して、その損失分、光強度が弱くなり、被測定物の変位に対して、感度が悪くなり、測定精度に悪影響を与えるという不都合が生じる。
In addition, the problem (fifth problem) of the micro displacement meter disclosed in
本発明の課題は、上記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、測定装置の製造効率化、小型化、簡易構成化および簡易操作化を実現し、被測定物からの光が光検出器に達する光の強度がより強くなるように照射光と参照光の損失を考慮して高感度で信頼性の高い測定を実行できるようにすることである。 An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to increase the manufacturing efficiency, size reduction, simplified configuration, and simplicity of a measurement device in a minute displacement measurement using laser light. Realization of operation and high-sensitivity and highly reliable measurement in consideration of loss of irradiation light and reference light so that the intensity of light from the object to be measured reaches the photodetector becomes stronger. Is to do.
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と、前記半導体レーザ発振素子からの光を受ける第一の光ファイバーと、前記第一の光ファイバーを導波する光を参照光と照射光に分岐する第一の光ファイバー型カプラーと、被測定物へ照射する照射光が導波する前記第二の光ファイバーと、照射光が被測定物で反射した後に入射する第三の光ファイバーと、前記第一の光ファイバー型カプラーにより分岐した参照光が導波する第四の光ファイバーと、前記第三の光ファイバーを導波した照射光と前記第四の光ファイバーを導波した参照光が干渉する第二の光ファイバー型カプラーと、前記第二の光ファイバー型カプラーで干渉した干渉光を導波させる第五の光ファイバーと、前記第五の光ファイバーを導波した干渉光の光強度を検出する光検出器と、前記第二の光ファイバー、前記第三の光ファイバーあるいは前記第四の光ファイバーの少なくともいずれかに設けられ当該光ファイバーの実効的屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御部と、前記光検出器による検出結果に基づいて前記屈折率可変制御部に伝達する制御信号を生成すると共に被測定物の変位を検出する演算手段と、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。 To achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor laser oscillation element, a first optical fiber that receives light from the semiconductor laser oscillation element, and light guided through the first optical fiber as reference light. A first optical fiber type coupler that branches into the irradiation light; the second optical fiber that guides the irradiation light that irradiates the object to be measured; and a third optical fiber that is incident after the irradiation light is reflected by the object to be measured; A fourth optical fiber guided by the reference light branched by the first optical fiber coupler, a second optical fiber that interferes with the irradiation light guided by the third optical fiber and the reference light guided by the fourth optical fiber. Optical fiber coupler, a fifth optical fiber for guiding the interference light interfered by the second optical fiber coupler, and an interference light guided by the fifth optical fiber. A photodetector for detecting intensity; a refractive index variable device that is provided in at least one of the second optical fiber, the third optical fiber, or the fourth optical fiber, and changes an effective refractive index of the optical fiber; A variable refractive index control unit that controls the operation of the refractive index variable unit, and a calculation that generates a control signal to be transmitted to the variable refractive index control unit based on the detection result of the photodetector and detects the displacement of the object to be measured. And a minute displacement measuring apparatus comprising the means.
そして、好ましくは、前記第一の光ファイバー型カプラーの分光比は、照射光の光強度の方が参照光のそれより高くなるように設定されている。あるいは、好ましくは、前記第一および第二の光ファイバー型カプラーの分光・結合比は、前記第二の光ファイバー型カプラーにおいて干渉する照射光と反射光の内反射光の光強度の方が参照光のそれより高くなるように設定されている。 Preferably, the spectral ratio of the first optical fiber coupler is set so that the light intensity of the irradiated light is higher than that of the reference light. Alternatively, preferably, the spectral and coupling ratios of the first and second optical fiber couplers are such that the light intensity of the reflected light and the reflected light of the irradiation light that interferes in the second optical fiber coupler is higher than that of the reference light. It is set to be higher than that.
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と、前記半導体レーザ発振素子からの光を受ける第一の光ファイバーと、前記第一の光ファイバーを導波する光を参照光と照射光に分岐する第一の光ファイバー型カプラーと、被測定物へ照射する照射光が導波する前記第二の光ファイバーと、照射光が被測定物で反射した後に入射する第三の光ファイバーと、前記第一の光ファイバー型カプラーにより分岐した参照光が導波する第四の光ファイバーと、前記第三の光ファイバーを導波した照射光と前記第四の光ファイバーを導波した参照光が干渉する第二の光ファイバー型カプラーと、前記第二の光ファイバー型カプラーで干渉した干渉光を導波させる第五の光ファイバーと、前記第五の光ファイバーを導波した干渉光の光強度を検出する光検出器と、前記第二の光ファイバー、前記第三の光ファイバーあるいは前記第四の光ファイバーの少なくともいずれかに設けられ当該光ファイバーの実効的屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御部と、前記光検出器による検出結果に基づいて前記屈折率可変制御部に伝達する制御信号を生成すると共に被測定物の変位を検出する演算手段と、を備えた微小変位測定装置を用いた微小変位測定方法であって、半導体レーザ発振素子からのレーザ光を光ファイバーを介して被測定物へ照射するレーザ光照射ステップと、前記レーザ光を照射された被測定物からの照射光と前記半導体レーザ発振素子からの参照光との干渉光の強度変化を検出する干渉光検出ステップと、この干渉光検出ステップによる検出結果に基づいて前記屈折率可変器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屈折率可変器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ステップと、とを有し、前記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前記屈折率可変器の屈折率を可変制御することを特徴とする微小変位測定方法、が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, reference is made to a semiconductor laser oscillation device, a first optical fiber that receives light from the semiconductor laser oscillation device, and light that is guided through the first optical fiber. A first optical fiber coupler that branches into light and irradiated light; the second optical fiber that guides the irradiated light that irradiates the object to be measured; and a third optical fiber that is incident after the irradiated light is reflected by the measured object And the fourth optical fiber guided by the reference light branched by the first optical fiber coupler, the irradiation light guided by the third optical fiber, and the reference light guided by the fourth optical fiber interfere with each other. A second optical fiber coupler, a fifth optical fiber for guiding the interference light interfered by the second optical fiber coupler, and a waveguide guided by the fifth optical fiber. A photodetector for detecting the light intensity of the light, and a refractive index variable device that is provided in at least one of the second optical fiber, the third optical fiber, or the fourth optical fiber and changes an effective refractive index of the optical fiber; And a refractive index variable control unit that controls the operation of the refractive index variable unit, and a control signal that is transmitted to the variable refractive index control unit based on a detection result by the photodetector and generates a displacement of the object to be measured. And a laser beam irradiation step for irradiating an object to be measured with a laser beam from a semiconductor laser oscillation element via an optical fiber; An interference light detection step for detecting an intensity change of interference light between the irradiation light from the object irradiated with the laser light and the reference light from the semiconductor laser oscillation element; The refractive index variable control step for variably controlling the refractive index of the refractive index variable device based on the detection result of the interference light detection step, and the change amount of the refractive index of the refractive index variable device caused by the refractive index variable control step. And a displacement detection step for detecting the displacement of the object to be measured based on the measurement result. In the variable refractive index control step, the detection result of the measurement light detection step is monitored, and the intensity of the detection light is preset. There is provided a minute displacement measuring method, characterized in that the refractive index of the refractive index variable device is variably controlled so as to be a value.
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と、前記半導体レーザ発振素子からの光を受ける第一の光ファイバーと、前記第一の光ファイバーを導波する光を参照光と照射光に分岐する第一の光ファイバー型カプラーと、被測定物へ照射する照射光が導波する前記第二の光ファイバーと、照射光が被測定物で反射した後に入射する第三の光ファイバーと、前記第一の光ファイバー型カプラーにより分岐した参照光が導波する第四の光ファイバーと、前記第三の光ファイバーを導波した照射光と前記第四の光ファイバーを導波した参照光が干渉する第二の光ファイバー型カプラーと、前記第二の光ファイバー型カプラーで干渉した干渉光を導波させる第五の光ファイバーと、前記第五の光ファイバーを導波した干渉光の光強度を検出する光検出器と、前記第二の光ファイバー、前記第三の光ファイバーあるいは前記第四の光ファイバーの少なくともいずれかに設けられ当該光ファイバーの実効的屈折率を変化させる屈折率可変器と、前記屈折率可変器の動作を制御する屈折率可変制御部と、前記光検出器による検出結果に基づいて前記屈折率可変制御部に伝達する制御信号を生成すると共に被測定物の変位を検出する演算手段と、を備えた微小変位測定装置を動作させるためのプログラムであって、前記微小変位測定装置の動作を制御するコンピュータに、前記光検出器により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、この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当該光ファイバーの実効的屈折率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。 In order to achieve the above object, according to the present invention, reference is made to a semiconductor laser oscillation device, a first optical fiber that receives light from the semiconductor laser oscillation device, and light that is guided through the first optical fiber. A first optical fiber coupler that branches into light and irradiated light; the second optical fiber that guides the irradiated light that irradiates the object to be measured; and a third optical fiber that is incident after the irradiated light is reflected by the measured object And the fourth optical fiber guided by the reference light branched by the first optical fiber coupler, the irradiation light guided by the third optical fiber, and the reference light guided by the fourth optical fiber interfere with each other. A second optical fiber coupler, a fifth optical fiber for guiding the interference light interfered by the second optical fiber coupler, and a waveguide guided by the fifth optical fiber. A photodetector for detecting the light intensity of the light, and a refractive index variable device that is provided in at least one of the second optical fiber, the third optical fiber, or the fourth optical fiber and changes an effective refractive index of the optical fiber; And a refractive index variable control unit that controls the operation of the refractive index variable unit, and a control signal that is transmitted to the variable refractive index control unit based on a detection result by the photodetector and generates a displacement of the object to be measured. A computer program for operating a minute displacement measuring device comprising: an arithmetic means for detecting the intensity value of the interference light detected by the photodetector in a computer that controls the operation of the minute displacement measuring device. Measurement light level acquisition processing for capturing the light and a refractive index variable control processing for controlling the operation of the refractive index variable device so that the intensity value of the interference light becomes a preset value. And a displacement calculation process for calculating the displacement of the object to be measured based on the amount of change in the effective refractive index of the optical fiber caused by the operation of the refractive index variable device. Program.
[作用]
本発明の微小変位測定装置によれば、光ファイバー型測定装置を少ない部品点数にて簡素に構成することができ、装置の小型化、組立作業の簡素化、コストダウンを実現することができ、小型で高精度の微小変位測定装置を安価に提供することができる。このような光ファイバー型微小変位測定装置およびそれを用いた微小変位測定方法によれば、光路を光ファイバーで形成することで、極小空間においてでも測定物に照射する光ファイバーのみを設置すれば微小変位を測定することが可能になり、変位測定の可能性を高めることができる。また、被測定物からの反射光を照射光より比較的大きくなるように、また、光路中の光損失を最小限に抑えるような光ファイバーを構成することにより、被測定物の変位の感度を上げ、熱膨張や振動などの外乱にも強くなり測定光が受ける損失を軽減することが可能になり、精度・信頼性の高い測定結果を得ることができる。
また、上記の光ファイバー型微小変位測定装置において、上述した演算手段が、光検出器による干渉光の強度が最大値または最小値となるように屈折率可変器の屈折率を制御するようにしてもよい。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、被測定物からの照射光と半導体レーザ発振素子からの参照光との干渉光の強度が最大値または最小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。
また、上記の光ファイバー型微小変位測定装置において、上述した演算手段が、光検出器による干渉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屈折率を制御するようにしてもよい。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、被測定物からの照射光と半導体レーザ発振素子からの参照光との干渉光の強度が変化率の高い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、物体の変位を高精度に検出することができる。
ただし、上述した演算手段が、光検出器による検出光の強度が最大値、最小値またはその平均値に限らず、任意の値となるうように屈折率可変器の屈折率を制御するようにしてもよい。
[Action]
According to the minute displacement measuring apparatus of the present invention, the optical fiber type measuring apparatus can be simply configured with a small number of parts, the apparatus can be downsized, the assembling work can be simplified, and the cost can be reduced. Therefore, it is possible to provide a highly accurate minute displacement measuring device at low cost. According to such an optical fiber type minute displacement measuring apparatus and a minute displacement measuring method using the same, an optical path is formed by an optical fiber, and a minute displacement can be measured by installing only an optical fiber that irradiates a measurement object even in a very small space. It is possible to increase the possibility of displacement measurement. In addition, by constructing an optical fiber that minimizes light loss in the optical path so that the reflected light from the object to be measured is relatively larger than the irradiated light, the sensitivity of the object to be measured is increased. In addition, it is resistant to disturbances such as thermal expansion and vibration, so that it is possible to reduce the loss received by the measurement light, and a highly accurate and reliable measurement result can be obtained.
Further, in the above-described optical fiber type micro displacement measuring apparatus, the above-mentioned calculating means may control the refractive index of the refractive index variable device so that the intensity of the interference light by the photodetector becomes the maximum value or the minimum value. Good. In this way, instead of obtaining the displacement of the object to be measured from the detected intensity change of the light, the intensity of the interference light between the irradiation light from the object to be measured and the reference light from the semiconductor laser oscillation element is the maximum value or Adjustment is performed so as to maintain the minimum value, and the displacement of the object to be measured is obtained from the amount of change in the refractive index. Therefore, even a relatively large displacement of the object can be detected.
Further, in the above-described optical fiber type micro displacement measuring apparatus, the above-described calculating means controls the refractive index of the refractive index variable device so that the intensity of the interference light by the photodetector becomes an average value of the maximum value and the minimum value. You may do it. In this way, the displacement of the object to be measured is not obtained from the detected intensity change of the light, but the intensity of the interference light between the irradiation light from the object to be measured and the reference light from the semiconductor laser oscillation element is the rate of change. Adjustment is performed so as to maintain a high value, and the displacement of the object to be measured is obtained from the amount of change in the refractive index, so that the displacement of the object can be detected with high accuracy.
However, the calculation means described above controls the refractive index of the refractive index variable device so that the intensity of the light detected by the photodetector is not limited to the maximum value, the minimum value, or the average value thereof, but may be an arbitrary value. May be.
本発明の微小変位測定装置は、干渉計を光ファイバーで構成し、参照光は光ファイバーを導波させて、直接、光検出器に入射させるようにしたものであるので、構成部品を削減でき、生産性を向上させ、その結果、小型化、低価格化を実現することができる。また、参照光よりも測定光の方の光強度を高くすることで、高精度の測定を実現することができる。 The minute displacement measuring apparatus of the present invention is configured such that the interferometer is constituted by an optical fiber, and the reference light is guided through the optical fiber and directly incident on the photodetector, so that the number of components can be reduced and produced. As a result, downsizing and cost reduction can be realized. Further, by increasing the light intensity of the measurement light as compared with the reference light, it is possible to realize highly accurate measurement.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明における第1の実施の形態の光ファイバー型微小変位測定装置の構成を示す概略図である。本実施の形態の微小変位測定装置は、電源1と、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発振素子2と、半導体レーザ発振素子2からの光を受ける第一の光ファイバー3と、第一の光ファイバー3を導波した光を参照光と照射光に分岐する第一の光ファイバー型カプラー15と、被測定物へ照射される照射光が導波する第二の光ファイバー5と、照射光が被測定物で反射した後に入射する第三の光ファイバー6と、第一の光ファイバー型カプラー15から分岐した参照光が導波する第四の光ファイバー7と、第三の光ファイバー6を導波した測定光と第四の光ファイバー7を導波した参照光が干渉する第二の光ファイバー型カプラー17と、第二の光ファイバー型カプラー17で干渉した干渉光が導波する第五の光ファイバー8と、第五の光ファイバー8を導波した干渉光の光強度を検出する光検出器10と、第二の光ファイバー5に設けられ、当該光ファイバーの屈折率を変化させる屈折率可変器16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からのアナログ電圧信号をディジタル信号に変換するA/D変換器24と、A/D変換器24からのディジタル電圧信号に基づいて屈折率可変器16に印加すべき制御信号を生成すると共に被測定物30の変位を算出する演算装置25と、演算装置25が算出した被測定物30の変位を表示する変位表示装置26と、演算装置25が演算したディジタル制御信号をアナログ信号に変換するD/A変換器21と、D/A変換器21が出力する制御信号に基づいてエネルギーを屈折率可変器16へ供給する屈折率可変制御手段22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、を備える。なお、図1において、4と9は、それぞれ第一、第二の光ファイバー型カプラーに付設された第六、第七の光ファイバーである。
ここで、演算装置25は、光検出器10の検出光強度が所定の値(設定値)になるように屈折率可変制御部22を介して屈折率可変器16を制御する。つまり、被測定物30の位置が変化して、光検出器10の出力が変化すると、演算装置25は屈折率可変器16の屈折率を調整して、すなわち照明光の光路長を調整して光検出器10の出力が設定値に戻るように制御する。従って、被測定物30の変位は、このときの屈折率可変器16の屈折率変化に対応していることになり、屈折率可変器16の屈折率変化が分かれば被測定物30の変位量を知ることができる。この屈折率変化は、屈折率可変制御部22が演算装置25の指令に基づいて屈折率可変器16宛に供給するエネルギー量に基づくものであるので、結局、被測定物30の変位は演算装置25が指示するエネルギー量に反映されている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber type micro displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The minute displacement measuring apparatus of the present embodiment includes a
Here, the
ここで、光ファイバーに関して、簡単に説明をする。光ファイバーはコア(core)と呼ばれる芯部分、その外側のクラッド(clad or cladding layer)と呼ばれる部分、クラッドを外側から覆う被覆の3重構造になっている。クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射や屈折によりできるだけ光を中心部のコアにだけ伝搬させる構造になっている。コアとクラッドはともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックでできている。光ファイバーでは光屈折率を利用して直進性の高い光を導く。すなわち、光ファイバーは3次元での光路を構成するのに適している。
光ファイバーの光損失率は、10-6dB/cm程度である。また光ファイバーの間にいろいろな機能を持つデバイスを接続して、光ファイバーにそれらの機能を持たせることができる。たとえば、上記で説明した屈折率可変器が、それらの機能のひとつになっている。
Here, the optical fiber will be briefly described. The optical fiber has a triple structure of a core part called a core, a part called a clad or cladding layer outside the core part, and a coating covering the clad from the outside. By making the refractive index of the core higher than that of the cladding, light is propagated only to the core in the central portion as much as possible by total reflection and refraction. Both the core and the cladding are made of quartz glass or plastic, which has a very high transmittance for light. An optical fiber uses light refractive index to guide light with high straightness. That is, the optical fiber is suitable for constructing a three-dimensional optical path.
The optical loss rate of an optical fiber is about 10 −6 dB / cm. In addition, devices with various functions can be connected between optical fibers, and these functions can be given to optical fibers. For example, the refractive index variable device described above is one of those functions.
さて、本実施の形態の微小変位測定装置の構成についてより詳しく説明する。使用する発振するレーザ光としては、安定なコヒーレント光で、光ファイバー中をシングルモードで伝播するものであればよい。半導体レーザ発振素子2が発振してレーザ光を出力するために電源1が半導体レーザ発振素子2に電流を印加する。半導体レーザ発振素子2から出射されたレーザ光は、第一の光ファイバー3に入射し、これを導波して第一の光ファイバー型カプラー15で第二の光ファイバー5と第四の光ファイバー7とにある特定の分岐比で分岐される。第二の光ファイバー5を導波した光は、屈折率可変器16を通過し、第二の光ファイバー5の一端面から出射され、その光は被測定物30に照射され、反射する。その反射された光は、第三の光ファイバー6に入射する。
Now, the configuration of the minute displacement measuring apparatus according to the present embodiment will be described in more detail. Any laser beam that oscillates may be used as long as it is stable coherent light and propagates through the optical fiber in a single mode. The
第二の光ファイバー5と第三の光ファイバー6は、第二の光ファイバー5からの出射した光が被測定物から戻って第三の光ファイバー6に入射する際の光の損失が最小限になるように、2芯ファイバーコリメータを形成している。2芯ファイバーコリメータでは、被測定物30から反射した光が損失をほとんど受けることなく、第三の光ファイバーに入射するように、図8で図示しているように、第二の光ファイバー5と第三の光ファイバー6の軸間距離2d、角度θおよびコリメータレンズ29の焦点距離、位置を最適に選択してある。例えば、コリメータレンズ29から被測定物30までの距離aがコリメータレンズ29の焦点距離に近いほど光結合効率がよく、光損失が小さくなるので、被測定物30はコリメータレンズ29の焦点位置に近い位置に配置される。
被測定物30で反射された光は、第三の光ファイバー6に入射し、第二の光ファイバー型カプラー17に導波される。一方、第一の光ファイバー型カプラー15で第四の光ファイバー7に分岐された光は、第四の光ファイバー7により第二の光ファイバー型カプラー17に導波される。第二の光ファイバー型カプラー17で、第三の光ファイバー6から導波した光(測定光)と第四の光ファイバー7を導波した光(参照光)が、第二の光ファイバー型カプラー17で互いに干渉し、干渉光となり、第五の光ファイバー8を導波する。第五の光ファイバー8を導波した干渉光は、光検出器10に入射し、光検出器10において、その光強度が検出される。一方、第四の光ファイバーを導波した光と第三の光ファイバー6を導波した光のうち第二の光ファイバー型カプラー17で第七の光ファイバー9に導波した光、すなわち干渉光外の光は適切な場所に逃がす。具体的には、第七の光ファイバーの端面で導波した光が反射して、再び第七の光ファイバーに入射し、第二の光ファイバー型カプラー17の動作に影響を与えないように処理する。例えば、無反射終端器などを取り付ける、もしくは、第七の光ファイバー9を極端に小さい輪にして、導波した光を減衰させるなどの処理をする。
なお、屈折率可変器16は、図1では、第二の光ファイバーに設置されているが、第三の光ファイバー、または、第四の光ファイバーのいずれかに設けてもよく、またこれらの光ファイバーの複数箇所に設置してもよい。屈折率可変器16が複数箇所に備えられている場合、屈折率可変器16の数だけ屈折率可変制御手段22が必要である。
屈折率可変器16には、演算装置25より屈折率可変制御手段22を介して所定の屈折率に応じた信号が送られ、当該光ファイバーを所定の屈折率にし、光路長を変化させる。
The second
The light reflected by the device under
In FIG. 1, the refractive index
A signal corresponding to a predetermined refractive index is sent from the
ここで、光ファイバー型カプラーについて図面を参照して説明する。図9(a)、 (b)は光ファイバー型カプラーの例を示す図である。一般的に、光ファイバー型カプラーには、一本の光ファイバーを2本にある分岐比で分岐するカプラー(1x2カプラー)と、二本の光ファイバーのうち各々一本の光ファイバーをある分岐比で二本の光ファイバーに分岐し、他方の光ファイバーもある分岐比で二本の光ファイバーに分岐する光ファイバー(2x2カプラー)がある。図9(a)に1x2カプラーを、図9(b)に1x2カプラーを示す。そして、それぞれに、分岐比の例が数字で示されている。ところで、一般的に50:50の分岐比の場合、3dBカプラー、60:40の分岐比の場合、4dBカプラー、70:30の分岐比の場合、5dBカプラーと呼ばれている。 Here, the optical fiber coupler will be described with reference to the drawings. FIGS. 9A and 9B are diagrams showing examples of optical fiber couplers. In general, an optical fiber type coupler includes a coupler (1 × 2 coupler) for branching one optical fiber at two branch ratios, and two optical fibers each having one optical fiber at a branch ratio. There is an optical fiber (2x2 coupler) that branches to an optical fiber and the other optical fiber also splits into two optical fibers with a certain branching ratio. FIG. 9A shows a 1 × 2 coupler, and FIG. 9B shows a 1 × 2 coupler. In each case, an example of the branching ratio is indicated by a number. By the way, in the case of a 50:50 branching ratio, it is called a 3 dB coupler, in the case of a 60:40 branching ratio, it is called a 4 dB coupler, and in the case of a 70:30 branching ratio, it is called a 5 dB coupler.
しかして、第一の光ファイバー型カプラー15で分岐した第四の光ファイバー7を導波する光と、被測定物から戻ってきた第三の光ファイバーを導波する光との光損失の差を計算や経験に基づいて予測し、被測定物の変位の感度を上げるために、第一の光ファイバー型カプラー15と第二の光ファイバー型カプラー17の分岐比を決めるのが望ましい。被測定物30の変位の感度を良くするには、第二の光ファイバー型カプラー17で干渉させる際に、第三の光ファイバー6を導波する光(測定光)の方を、第四の光ファイバー7を導波する光(参照光)よりも強くし、被測定物30の変位に対して敏感に検出することが必要であるからである。ここで、第一の光ファイバー型カプラー15の分岐比は、第二の光ファイバー側に分岐される光の方が第四の光ファイバー側より強くなるようになされていることが望ましい。
第一の光ファイバー型カプラー15および第二の光ファイバー型カプラー17は、光を複数に分岐する機能を持つものであれば、いかなる手段、あるいは、方法で構成されたものであってもよい。
Thus, the difference in optical loss between the light guided through the fourth
The first
次に、本実施の形態の微小変位測定装置の光ファイバーの構成要素以外の部分について説明する。第五の光ファイバー8を導波した干渉光の強度は光検出器10により測定され、それに応じた電流信号が出力される。光検出器10から出力される光電流は、増幅器23により増幅され、電圧信号に変換される。増幅器23から出力されるアナログ電圧信号はA/D変換器24においてディジタル信号に変換される。
演算装置25は、A/D変換器24からのディジタル電圧信号に基づいて屈折率可変器16に印加すべき制御信号を演算し、その制御信号をD/A変換器21宛に出力する。D/A変換器21によりアナログ信号に変換された制御信号は屈折率可変制御部22に伝達され、屈折率可変制御部22はその制御信号に基づいて所定のエネルギーを屈折率可変器16に供給する。
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。
本発明による微小変位測定装置は、光導波路を光ファイバーで構成し、光ファイバーの先端のみを被測定物に向けて光を出射することで変位測定ができるように構成されているので、非常に狭い空間でも変位測定が可能となり、測定装置の小型・軽量化が格段に向上している。
Next, parts other than the components of the optical fiber of the minute displacement measuring apparatus of the present embodiment will be described. The intensity of the interference light guided through the fifth
The
The
The minute displacement measuring apparatus according to the present invention is configured so that the optical waveguide is formed of an optical fiber and the displacement can be measured by emitting light with only the tip of the optical fiber directed toward the object to be measured. But displacement measurement is possible, and the miniaturization and weight reduction of the measuring device are remarkably improved.
[導波路の説明]
次に、本実施の形態の微小変位測定装置の導波路についてより詳しくに説明する。まず、第一の光ファイバー型カプラー15と第二の光ファイバー型カプラー17での分岐比の求め方を説明する。各光ファイバーを導波する際に光が受ける損失は、前述のように、10-6dB/cmであり、光ファイバーの長さは最大でも1m程度なので無視できる程度に小さい。したがって、第一の光ファイバーからの光が光ファイバー内で受ける損失は、第二の光ファイバー5を導波する光が、被測定物30を目指して出射して、第三の光ファイバー6に入射するまでの間で一番大きい。そこで、仮定として、上記での損失を2dBとすると、
光損失と光強度の関係式は、
光損失=10・log(出力光強度/入力光強度)
となるので、光損失=-2とすると、
出力光強度/入力光強度=10^(光損失/10)=10^(-0.2)=0.631
となり、出力光強度は、元々の光強度の63.1%に低下することを意味している。
[Description of waveguide]
Next, the waveguide of the minute displacement measuring apparatus according to the present embodiment will be described in more detail. First, how to determine the branching ratio in the first
The relationship between light loss and light intensity is
Light loss = 10 · log (output light intensity / input light intensity)
Therefore, if optical loss is -2,
Output light intensity / input light intensity = 10 ^ (light loss / 10) = 10 ^ (-0.2) = 0.631
Thus, the output light intensity is reduced to 63.1% of the original light intensity.
したがって、第一の光ファイバー3を導波する光強度をAとし、第一の光ファイバー型カプラー15で、第二の光ファイバー5に分岐する光の割合をαとすると、第三の光ファイバー6に導波する光強度は、A・0.631・αとなり、第四の光ファイバー7に導波する光強度は、A・(1-α)となる。
さらに、第四の光ファイバー7を導波する光が、第五の光ファイバー8に分岐する光の割合をβとすると、第三の光ファイバー6からの光も考慮すると、第五の光ファイバー8に導波する光は、A・(1-α)・β+A・0.631・α・(1-β)となる。ここで、第三の光ファイバー6からの光が第五の光ファイバー8へ導波する割合は、(1-β)となっている。
そこで、第五の光ファイバー8を導波する光のうち、第三の光ファイバー6を導波する光の強度が、第四の光ファイバー7に導波する光の強度より大きくするためには、
A・0.631・α・(1-β)>A・(1-α)・β
とすればよい。
光ファイバー型カプラーの分岐比は一般的に50:50、60:40、70:30、80:20、90:10と決まっているので、上式から第一の光ファイバー型カプラー15と第二の光ファイバー型カプラー17の組み合わせ候補が求まる。ただし、特定の分岐比は任意に製作できるので、必要があれば、これらの分岐比以外の分岐比も使用できる。上記式を満足するように分岐比を選定ことにより、被測定物30の変位を感度良く検出することができ、精度のよい測定が可能になる。
Therefore, if the intensity of light guided through the first
Further, when the ratio of the light guided through the fourth
Therefore, in order to make the intensity of the light guided through the third
A ・ 0.631 ・ α ・ (1-β)> A ・ (1-α) ・ β
And it is sufficient.
Since the branching ratio of the optical fiber coupler is generally determined as 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, the first
屈折可変器16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16の単位長さ当たりに印加できるエネルギー量で変化する屈折率の変化量から算出することができる。
光ファイバーの材質は、熱光学材料である代表的な石英が一般的に使用されている。したがって、屈折率可変器15には具体的にはヒータが使用されており、屈折率可変制御部は、ヒータ制御部となる。ヒータには、ヒータ制御部より所定の温度に応じた制御信号(アナログ信号)が送られ、光ファイバーの一部を所定の温度に加熱し、光ファイバーの屈折率を変化させる。
The length of the refractive variable 16 is calculated from the difference between the optical path lengths of the irradiation light and the reflected light, the phase amount to be changed, and the amount of change in the refractive index that varies with the amount of energy that can be applied per unit length of the
As the material of the optical fiber, typical quartz which is a thermo-optic material is generally used. Therefore, specifically, a heater is used for the refractive index
また、屈折率可変器16としては、光ファイバーの実効的屈折率を変化させるものであればいかなるものであってもよく、一般的に位相シフターと呼ばれるものなどの使用が可能である。
位相シフターとしては、上記に説明したように、光ファイバーをヒータによって屈折率を変化させるものの外、電気光学材料であるニオブ酸リチウムなどを用いて、電圧によって屈折率を変化させるもの、音響光学材料であるタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどを用いて、音響振動によって屈折率を変化させるものなどの使用が可能である。
電気光学材料や音響光学材料を用いた位相シフターを採用する場合には、第三の光ファイバー5などの光ファイバーを切断しそこに位相シフターを挿入することになる。電気光学材料の位相シフターを用いる場合、光ファイバー間に電極の設けられた電気光学素子を配置し、その電極に屈折率可変制御部22より制御信号を印加することになる。また、音響光学材料の位相シフターを用いる場合、光ファイバー間にトランスジューサーの設けられた音響光学素子を配置し、そのトランスジューサーに屈折率可変制御部22より制御信号を印加することになる。このような電気光学素子、音響光学素子を位相シフターとして用いる場合には、光ファイバーと位相シフターとは光コネクタを介して光学的に接続される、もしくは、融着などの方法を使って直接、光学的に接続される。光コネクタは、損失の少ないものを採用するようにする。
The refractive index
As described above, the phase shifter includes, as described above, an optical fiber whose refractive index is changed by a heater, an electro-optical material such as lithium niobate that changes its refractive index by voltage, and an acousto-optic material. Some lithium tantalate, lithium niobate, and the like whose refractive index is changed by acoustic vibration can be used.
When a phase shifter using an electro-optic material or an acousto-optic material is employed, an optical fiber such as the third
次に、図7(a)、7(b)、7(c)を参照して、熱光学材料である光ファイバーにより位相シフターを構成する場合の具体例について説明する。図7(a)は、ペルチェ効果素子41上の光ファイバー固定板43に第二の光ファイバー5を固定し、ペルチェ効果素子41の温度検出器として、サーミスタ42を用いたものである。ペルチェ効果素子41で第二の光ファイバー5を加熱し、第二の光ファイバー5の屈折率を変化させる。また、ペルチェ効果素子41の温度を精度よく制御するために、温度検出器としてサーミスタ42を用いフィードバック制御している。温度検出器としては、サーミスタ42の代わりに熱電対などの温度センサーを用いてもよいが、サーミスタ42の方が小型で位相シフターを構成するのに好都合である。
図7(b)は、第二の光ファイバー5の周りにニクロム線44を巻き、温度検出器としてサーミスタ41を用いたものである。この構成も、サーミスタ41で温度検出を行ないニクロム線44の温度をフィードバック制御している。また、温度検出器としては、サーミスタ42の代わりに熱電対などの温度センサーを用いることができる。
図7(c)は、ヒータ45中にを第二の光ファイバー5を通して、温度検出器としてサーミスタ41を用いていたものである。この構成も、サーミスタ41で温度検出を行ないヒータの温度をフィードバック制御している。また、温度検出器としては、サーミスタ42の代わりに熱電対などの温度センサーを用いることができる。
なお、屈折率可変器16は、以上に説明したもの以外で、同様の機能を有するものであればいかなるものでもよい。
Next, with reference to FIGS. 7 (a), 7 (b), and 7 (c), a specific example in the case where a phase shifter is configured by an optical fiber that is a thermo-optic material will be described. In FIG. 7A, the second
FIG. 7B shows a case where a nichrome wire 44 is wound around the second
FIG. 7C shows a case where the thermistor 41 is used as a temperature detector through the second
In addition, the refractive index
[動作の説明]
次に、第1の実施の形態の動作について説明する。半導体レーザ発振素子2から出射された光は、第一の光ファイバーに入射し、第一の光ファイバーカップラー15で分岐され、一方は、第四の光ファイバー7に入り、第二の光ファイバー型カプラー17へ導波される。もう一方の第二の光ファイバー5を導波した光は、屈折率が変調された屈折率可変器16を通過して、その光路長が調整される。次に、第二の光ファイバーの一端面から出射され、その光は被測定物30に照射され、反射する。その反射した光が、第三の光ファイバー6に入射し、第二の光ファイバー型カプラー17へ導波される。
第二の光ファイバー型カプラー17で、第四の光ファイバー7から導波した光(参照光)と第三の光ファイバー6を導波した光(照射光/測定光)が、互いに干渉し、干渉光となる。さらに、その干渉光は、第五の光ファイバー8を導波した後その一端面より光検出器10に向けて出射され、光検出器10で、干渉光の光強度が検出される。
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を通して数値化され、演算装置25において演算処理される。演算装置25において生成された制御信号により、第二の光ファイバー5中の屈折率可変器16に一定のエネルギー量を供給すると、屈折率可変器16部分の第二の光ファイバー5の温度が変化しそこでの屈折率を変化させることができる。したがって、照射光の全体の光路長を変化させることができ、参照光との位相差を自由に制御することができる。
[Description of operation]
Next, the operation of the first embodiment will be described. The light emitted from the semiconductor
The light guided from the fourth optical fiber 7 (reference light) and the light guided by the third optical fiber 6 (irradiation light / measurement light) interfere with each other by the second
The light intensity detected by the
その原理を利用して、導波路の屈折率を調整し、被測定物30が初期の位置(変位する前の位置)で反射光の位相を照射光の位相に合わせることにより共振させ、共振状態にすることもできる、また、一番光強度の弱い状態にすることもできる、あるいは、任意の光強度に調整することもできる。このようにして設定された光強度が設定値となる。
その干渉状態を観察するのが干渉光を検出する光検出器10であり、干渉計を形成することにより、干渉光の光強度を観察できる。
Using this principle, the refractive index of the waveguide is adjusted, and the object to be measured 30 is resonated by matching the phase of the reflected light with the phase of the irradiated light at the initial position (position before displacement). It is also possible to make the light intensity weakest, or it is possible to adjust to an arbitrary light intensity. The light intensity set in this way becomes the set value.
The
次に、被測定物30に微小変位を与えると、被測定物30で反射する際の反射する位置が変化するので、干渉光は初期の光強度(設定値)から変化する。この時も、光検出器10からの信号を観察することにより変化後の干渉光強度を検出することができる。そして、光検出器10からの信号を屈折率可変制御部22へ送る信号にフィードバックすることにより、第二の光ファイバー5の屈折率をさらに変化させて再び干渉光を初期の光強度に戻すことができる。したがって、被測定物30が変位する前後の光ファイバーの屈折率の変化量に応じて被測定物30の変位量を求めることができる。ただし、予め、屈折率変化量と変位量との関係を求めておく必要がある。
Next, when a minute displacement is given to the device under
次に、照射光と反射光との関係と、参照光と反射光との干渉について説明する。図11(a)は、参照光の干渉部である第二の光ファイバー型カプラー17への入射状況を模式的に示す図であり、図11(b)は、反射光の第二の光ファイバー型カプラー17への入射状況を模式的に示す図である。半導体レーザ発振素子2から出射された光の内一方(参照光)は、第一の光ファイバー3と第四の光ファイバー7を導波し、第二の光ファイバー型カプラー17に到達した時点で、ある位相の位置になっている。
他方の、第一の光ファイバー3と第二の光ファイバー5を導波した光(照射光)は、ある位相で被測定物30に照射され反射する。ここで、光の位相は反転する。反射した光は、第三の光ファイバー6を導波し、第二の光ファイバー型カプラー17に到達する。到達した光は、また、ある位相になる。第二の光ファイバー型カプラー17である位相を持った照射光と異なる位相を持った参照光が干渉し、ある光強度になる。両者の位相差が波長の1/2であれば、互いに打ち消しあい光強度は一番弱くなる。また、両者の位相差がゼロであるとき、互いに強めあい、共振状態となり、光強度は一番強くなる。
Next, the relationship between irradiation light and reflected light and interference between reference light and reflected light will be described. FIG. 11A is a diagram schematically showing an incident state of the reference light on the second
On the other hand, the light (irradiated light) guided through the first
ここで、以上の現象を数学的に表現すると、次のようになる。まず、半導体レーザ発振素子2からの光の波長をλとする。照射光について、第一の光ファイバー3と第四の光ファイバー7の合計の光路長をL1とし、干渉部9での照射光の位相(波長以下の長さ)をΔ1とすると、次式が成り立つ。
m・λ+Δ1=L1 … (1)
また、光路長L1を、屈折率n1と幾何学的距離d1で表すと、(2)式が成り立つ。
L1=n1・d1 … (2)
(1)と(2)より、
m・λ+Δ1=n1・d1 … (3)
となる。ここで、mは、光 路長L1に存在する1波長の波の数である。
Here, the above phenomenon can be expressed mathematically as follows. First, let λ be the wavelength of light from the semiconductor
m ・ λ + Δ1 = L1 (1)
Further, when the optical path length L1 is expressed by the refractive index n1 and the geometric distance d1, the equation (2) is established.
L1 = n1 ・ d1 (2)
From (1) and (2),
m ・ λ + Δ1 = n1 ・ d1 (3)
It becomes. Here, m is the number of waves of one wavelength existing in the optical path length L1.
同様に、反射光についても、光路長を第一の光ファイバー3、第二の光ファイバー5および第三の光ファイバー6の合計の幾何学的距離d2、その光路内の平均の屈折率n2、被測定物30での反射時の位相(波長以下の長さ)Δr、干渉部9での反射光の位相(波長以下の長さ)Δ2で表すと、
n・λ+Δ2+2・Δr=n2・d2 … (4)
ここで、nは、第一の光ファイバー3、第二の光ファイバー5および第三の光ファイバー6の合計の光路長に存在する1波長の波の数である。
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。
Similarly, for the reflected light, the optical path length is the total geometric distance d2 of the first
n ・ λ + Δ2 + 2 ・ Δr = n2 ・ d2 (4)
Here, n is the number of waves of one wavelength existing in the total optical path length of the first
When subtracting equation (4) from equation (3),
(mn) ・ λ + Δ1-Δ2-2 ・ Δr = n1 ・ d1-n2 ・ d2 (5)
Furthermore, since m, n, λ, Δ1, n1, and d1 are constant and do not change,
When formula (5) is simplified,
It becomes.
式(6)より、被測定物30の位置が変化して幾何学的距離d2が、変化した場合、Δr、Δ2が変化する。そこでn2を変化させる、すなわち、屈折率可変器16で屈折率を変化させることにより式(6)を満足させることができる。
したがって、屈折率可変器16で屈折率を変化させることにより、2つの光の位相差が変化し、位相差がゼロになったところで、干渉光が共振状態になり、位相差が波長の1/2で、光が一番弱い状態になる。さらに、この位相差を任意に調整することにより任意の干渉状態を作り出すことができる。
From Expression (6), when the position of the object to be measured 30 is changed and the geometric distance d2 is changed, Δr and Δ2 are changed. Therefore, by changing n2, that is, by changing the refractive index by the refractive index
Therefore, when the refractive index is changed by the refractive index
ここで、図12を参照して2つの光の干渉についてさらに説明する。図12(a)では、2つの光の位相差がゼロ、すなわち、位相が一致した時、上下2つの光を干渉させると、2つの光を合成したことになるので、矢印の下の波形のように、互い強めあい、光強度は、一番大きい状態、すなわち、共振状態になる。
一方、図12(b)では、2つの光の位相差がπ(波長の1/2)であり、上下2つの光を干渉させると、矢印の下の波形のように、互いに弱めあい、光強度は、一番小さい状態になる。
したがって、屈折率可変器16で屈折率を変化させることにより、照射光(測定光)と参照光の位相差が変化し、光検出器10で検出する光強度が変化する。
Here, the interference between the two lights will be further described with reference to FIG. In FIG. 12 (a), when the phase difference between the two lights is zero, that is, when the phases coincide with each other, if the upper and lower lights interfere with each other, the two lights are combined. As described above, the light intensity is the highest, that is, the resonance state.
On the other hand, in FIG. 12 (b), the phase difference between the two lights is π (1/2 of the wavelength), and when the upper and lower lights interfere with each other, they weaken each other as shown by the waveform under the arrow. The strength is the smallest.
Therefore, by changing the refractive index with the refractive index
また、被測定物30の変位と干渉光の光強度は、図13に示すように、λ/2周期で光の強弱が現れる正弦波で示される。なぜならば、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、被測定物の変位はλ/2周期で光の強弱が現れることになる。
したがって、演算装置25は、まず、図13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30が初期の位置にあるときに、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。屈折率可変制御部22は、演算装置25からの指令にしたがって、屈折率可変器16の動作を制御し第二の光ファイバー5の屈折率を調整することで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干渉光の光強度を検出する光検出器10である。
Further, the displacement of the object to be measured 30 and the light intensity of the interference light are indicated by a sine wave in which the intensity of light appears in a λ / 2 period as shown in FIG. This is because light is reflected by the object to be measured 30 and a phase twice as large as the displacement of the object to be measured is generated. Therefore, the displacement of the object to be measured shows the intensity of light in a λ / 2 period. Become.
Therefore, the
被測定物30に微小変位が生じると、照射光の光路長が変化して光検出器10が受ける検出光レベルが変化するので、演算装置25は、この検出光レベルが設定値となるように指令を出し、指令を受けた屈折率可変制御部22は、検出光レベルを設定値とするように第二の光ファイバー5の屈折率を調整する。
このように、光検出器10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10からの信号を屈折率可変制御部22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。この場合、被測定物30が変位する前後の第二の光ファイバー5の屈折率可変器16に印加するエネルギー量に応じて屈折率が変化して照射光の光路長が変化して被測定物30の変位量を補償しているので、屈折率可変器16に印加するエネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化から被測定物30の変位量を求めることができる。
図1に示す演算装置25は、導波路の屈折率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25は、屈折率可変器16への印加エネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化と被測定物30の変位量との関係を示すデータを予め保持している。
ここで、本実施の形態における演算装置25は、第二の光ファイバー5の屈折率可変器16に印加するエネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化と被測定物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、第二の光ファイバー5の屈折率可変器16に印加するエネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化と被測定物30の変位量との関係を示すデータを予め保持してなくてもよい。
しかして、本実施の形態においては、演算装置25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からの参照光と被測定物30を経由する反射光との干渉光レベルが常に設定値となるように屈折率可変器16により第二の光ファイバー5の屈折率を変化させてその変化に伴う第二の光ファイバー5の屈折率可変器16に印加するエネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化から被測定物30の変位を測定する。
When a minute displacement occurs in the object to be measured 30, the optical path length of the irradiation light changes, and the detection light level received by the
In this way, it is possible to see whether or not the optical path length has changed by observing the signal from the
The
Here, the
Therefore, in the present embodiment, the
検出光レベルの設定値として最も望ましいのは、図13に示す正弦波上の最も変化率の大きい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、本実施の形態における演算装置25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または点Dでの値、すなわ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へ指令を出すこととする。しかし、もちろん、検出光レベルの設定値として、検出光の強度が最大値、最小値または、その平均値に限らず、任意の値を用いてもよい。
以上説明した、本実施の形態における演算装置の機能については、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してもよい。また、屈折率可変器16に印加するエネルギー量あるいは屈折率可変器16の屈折率変化と被測定物30の変位量との関係を示すデータは、コンピュータの記憶装置に格納しておくようにしてもよい。
The most desirable setting value for the detected light level is the light intensity value at point B having the largest rate of change on the sine wave shown in FIG. However, if the light intensity value at the point C or the point D is set as a set value, even if the displacement amplitude of the object to be measured 30 exceeds 1/4 of the measurement light wavelength, the number of detection light peaks is not counted. The displacement can be detected accurately. Therefore, the
As for the functions of the arithmetic device in the present embodiment described above, the function contents may be programmed and executed by a computer. Data indicating the amount of energy applied to the refractive index
[微小変位測定のフロー]
次に、本実施の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。図14は、本実施の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が半導体レーザ発振素子2に電流を供給すると、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ファイバー3に入射し、第一の光ファイバー型カプラー15を経て、一方は、参照光として、第二の光ファイバー型カプラー17へ、もう一方は、被測定物で反射され、照射光として、第二の光ファイバー型カプラー17へ導波する。このようにして、干渉計が形成される。
続いて、まず、その干渉光の光強度変化を、光検出器10が検出する(ステップS2)。検出された光強度変化は、増幅器23、A/D変換器24を通して数値化され、演算装置25において演算処理されて屈折率可変器16への制御信号が生成される。そして、演算装置25からの指令に基づいて屈折率可変制御部22が、屈折率可変器16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屈折率可変制御部22は屈折率可変器16へ印加するエネルギー量を調整する。すなわち、被測定物30の初期の位置で、干渉光が設定値となるようにする(ステップS3)。そして、被測定物30に微小変位が生じて照射光の光路長が変化し、干渉光の強度が変化した場合に(ステップS4のYes)、屈折率可変器16において第二の光ファイバー5にあるエネルギー量を供給し、第二の光ファイバー5の屈折率を調節し、干渉光を再び元の強度に戻す(ステップS5)。
そして、演算装置25が、被測定物30が変位する前後の屈折率可変器16の屈折率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)。
このように、演算装置25は、光検出器10からの信号を屈折率可変制御部22へ送る信号にフィードバックして第二の光ファイバー5の屈折率を変化させ、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30の変位を検出する。
[Flow of minute displacement measurement]
Next, the overall operation of the minute displacement measuring apparatus according to the present embodiment will be described. Here, the minute displacement measuring method is also described simultaneously with showing each step. FIG. 14 is a flowchart showing the overall operation of the minute displacement measuring apparatus of the present embodiment. First, when the
Subsequently, first, the
Then, the
In this way, the
本実施の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、干渉計を光ファイバーで形成することで、高い柔軟性を持った測定装置を実現している。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、干渉計での干渉光の光強度が常に設定値となるように第二の光ファイバー5の屈折率を変化させてその変化に伴う第二の光ファイバー5の屈折率変化量から被測定物の変位を測定するので、最大値また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。
Since the minute displacement measuring apparatus of the present embodiment is configured as described above, a measuring apparatus having high flexibility is realized by forming the interferometer with an optical fiber. Further, instead of measuring the displacement of the object to be measured from the light intensity as in the prior art, the refractive index of the second
〔第2の実施の形態〕
図2は、本発明の第2の実施の形態の微小変位測定装置の構成を示す概略図である。図1に示した第1の実施の形態では、第一の光ファイバー型カプラー15に2x2のカプラーを用いていたが、本実施の形態の微小変位測定装置では、1x2の光ファイバー型カプラーを用いて構成している。これにより、得られる効果は、第1の実施の形態と同じである。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the minute displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment shown in FIG. 1, a 2 × 2 coupler is used as the first
〔第3の実施の形態〕
図3は、本発明の第3の実施の形態の微小変位測定装置の構成を示す概略図である。第1の実施の形態では、第二の光ファイバー5から被測定物に出射し、被測定物30から反射した光は、第三の光ファイバー6に導波するようにしていたが、本実施の形態の微小変位測定装置では、光ファイバー型カプラー(第三の光ファイバー型カプラー18)を用いて第三の光ファイバー6に導波させている。ただし、この場合、第三の光ファイバー型カプラーには、分岐比があるので、被測定物30から反射した光は、第三の光ファイバー型カプラー18で、分岐比により、第三の光ファイバー6に導波する光は損失を受ける。したがって、第三の光ファイバー型カプラー18の分岐比も考慮して干渉光の強度が、参照光の強度より大きくなるように、第一の光ファイバー型カプラー15、第二の光ファイバー型カプラー17、および第三の光ファイバー型カプラー18の分岐比を決める必要がある。
[Third Embodiment]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the minute displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the first embodiment, the light emitted from the second
〔第4の実施の形態〕
図4は、本発明の第4の実施の形態の微小変位測定装置の構成を示す概略図である。第3の実施の形態では、第一の光ファイバー型カプラーを2x2のカプラーを用いているが、本実施の形態の微小変位測定装置では、1x2の光ファイバー型カプラーを用いて構成している。これにより、得られる効果は、第3の実施の形態の場合と同じである。
なお、第1の実施の形態と第2の実施の形態の関係と、第3の実施の形態と第4の実施の形態の関係と同一である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of a minute displacement measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In the third embodiment, a 2 × 2 coupler is used as the first optical fiber coupler. However, the minute displacement measuring apparatus of the present embodiment is configured using a 1 × 2 optical fiber coupler. Thereby, the obtained effect is the same as in the case of the third embodiment.
The relationship between the first embodiment and the second embodiment and the relationship between the third embodiment and the fourth embodiment are the same.
〔第5の実施の形態〕
図5は、本発明の第5の実施の形態の微小変位測定装置の構成を示す概略図である。第3の実施の形態および第4の実施の形態では、第二の光ファイバー5から被測定物に出射し、被測定物30から反射した光は、第三の光ファイバー型カプラー18で第三の光ファイバー6に導波するようにしているが、第三の光ファイバー型カプラーには、分岐比があるので、被測定物30から反射した光は、第三の光ファイバー型カプラー18の分岐比により、第三の光ファイバー6を導波する光は分岐による損失を受ける。その損失を受けないように、本実施の形態の微小変位測定装置では、第三の光ファイバー型カプラー18の代わりにサーキュレータ19を用いる。
本実施の形態において用いるサーキュレータにおいては、図10に示すように、P0からの光はP1に100%導波し、P1からの光は、P2に100%導波するものである。(図10において矢印の方向に光が導波する)
サーキュレータ19を用いることで、被測定物30から反射した光は、損失を受けることなく、第三の光ファイバー6に導波する。この構成で得られる効果は、第1の実施の形態、第2の実施の形態の場合とほぼ同様である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a minute displacement measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In the third and fourth embodiments, the light emitted from the second
In the circulator used in the present embodiment, as shown in FIG. 10, the light from P0 is 100% guided to P1, and the light from P1 is 100% guided to P2. (Light is guided in the direction of the arrow in FIG. 10)
By using the
〔第6の実施の形態〕
図6は、本発明の第6の実施の形態の微小変位測定装置の構成を示す概略図である。本実施の形態の微小変位測定装置では、第5の実施の形態で第一の光ファイバー型カプラーに用いられていた2x2のカプラーを、1x2の光ファイバー型カプラーとしている。なお、第1の実施の形態と第2の実施の形態の関係、第3の実施の形態と第4の実施の形態の関係、および、第5の実施の形態と第6の実施の形態の関係は、それぞれ同じである。そして、この構成で得られる効果は、第5の実施の形態の場合と同様である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a minute displacement measuring apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. In the minute displacement measuring apparatus of this embodiment, the 2 × 2 coupler used for the first optical fiber coupler in the fifth embodiment is a 1 × 2 optical fiber coupler. The relationship between the first embodiment and the second embodiment, the relationship between the third embodiment and the fourth embodiment, and the relationship between the fifth embodiment and the sixth embodiment. The relationships are the same. And the effect acquired by this structure is the same as that of the case of 5th Embodiment.
本発明の微小変位測定装置は、変位センサーとして単独で計測器として利用できる外、半導体レーザ素子、半導体素子などを基板に実装する生産設備で、基板に対して素子を位置合わせする際などのナノメートルオーダの変位計測に用いることができる。そして、測定装置が小型化されたことにより、従来測定が困難であった対象物でも測定が可能となる。 The minute displacement measuring apparatus of the present invention can be used as a displacement sensor alone as a measuring instrument, or in a production facility for mounting a semiconductor laser element, a semiconductor element or the like on a substrate, and when nano-positioning the element with respect to the substrate is performed. It can be used for metric order displacement measurement. And since the measuring apparatus is miniaturized, it is possible to measure even an object that has been difficult to measure conventionally.
1 電源
2 半導体レーザ発振素子
3 第一の光ファイバー
4 第六の光ファイバー
5 第二の光ファイバー
6 第三の光ファイバー
7 第四の光ファイバー
8 第五の光ファイバー
9 第七の光ファイバー
10 光検出器
15 第一の光ファイバー型カプラー
16 屈折率可変器
17 第二の光ファイバー型カプラー
18 第三の光ファイバー型カプラー
19 サーキュレータ
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
29 コリメータレンズ
30 被測定物
41 ペルチェ効果素子
42 サーミスタ(温度センサー)
43 光ファイバー固定板
44 ニクロム線
45 ヒータ
201 周波数安定化直交2周波レーザ光源
204 ミラー
205 検光子
206 フォトダイオード
207 信号処理回路
210 ヘテロダイン干渉光学系
211 偏光ビームスプリッタ
212、213 コーナーキューブ
221 偏光ビームスプリッタ
222、225 カップリングレンズ
223、226 偏波面保存光ファイバ
224、227 コリメートレンズ
301 広帯域光源
302 光ファイバー
303 偏光解消子
304 入力用光ファイバー
305 単一モード光ファイバー型3dBカプラー
306 参照光用光ファイバー
307 光導波路位相変調素子
308 入出射ポート
309 キャピラリ
310 光導波路
311 ミラー
312 測定光用光ファイバー
313、318 端面
314、319 レンズ
315 信号用光ファイバー
316 受光器
317 位相変調用電極
320 狭帯域フィルター
321 受光素子
DESCRIPTION OF
43 Optical fiber fixing plate 44
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