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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen
Fasersensor, der einen
Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt, einen optischen Sensorkopf entfernt von dem
Übertragungs-/Empfangsabschnitt und eine optische Faser, die optisch
den Übertragungs-/Empfangsabschnitt und den Sensorkopf
verbindet, aufweist.
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Als ein Verfahren zum Messen einer physikalischen Größe ist es
vorgeschlagen, einen optischen Fasersensor zu benutzen der
aufweist: einen Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt mit
einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Referenzstrahles von Licht
und einen Meßstrahl von Licht, und einen Photosensor, der den
Referenzstrahl empfängt, wobei der Meßstrahl durch einen
Gegenstand beeinflußt wird zum Bestimmen der mit dem Gegenstand
verknüpften physikalischen Größe; einen optischen Sensorkopf, der
einen Transmissionsparameter des Meßstrahles im Verhältnis zu
den externen Bedingungen ändert; und eine optische Faser zum
Übertragen des Referenz- und Meßstrahles zwischen dem
Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt und dem optischen
Sensorkopf.
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Ein Beispiel eines optischen Fasersensors eines optischen
Homodyn-Types ist in Figur 13 gezeigt, bei dem ein Lichtstrahl
122, der durch eine Lichtquelle 120 erzeugt ist, in die "y"-
Richtung polarisiert ist. Der Lichtstrahl 122 geht durch einen
polarisierenden Strahlenteiler 124, der den y-polarisierten
Strahl 122 durchläßt und einen x-polarisierten Strahl
reflektiert. Der y-polarisierte Strahl 122 wird dann durch eine
Konvergenzlinse 126 auf die Endfläche einer optischen Faser 128
fokussiert. Diese optische Faser ist in der Lage, eine
polarisierten Lichtstrahl zu übertragen, während die
Polarisationsebene aufrechterhalten bleibt. Es wird nämlich die
Polarisationsebene des Strahles 122 nicht geändert, während er durch
die optische Faser 128 übertragen wird. Dieser Typ von
optischer Faser wird im folgenden als "optische Faser fester
Polarsationsebene" bezeichnet. Die optische Faser 128 ist
geeignet, den einfallenden Strahl 122 zu dem Sensorkopf in einem
von zwei Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;X und HE&sub1;&sub1;Y zu übertragen, z. B.
in HE&sub1;&sub1;y. In diesem Beispiel ist der optische Sensorkopf durch
eine druckempflindliche optische Faser 132 fester
Polarisationsebene dargestellt, in der ein dadurch übertragener
Lichtstrahl gemäß einer Variation im Schalldruck
phasenmoduliert wird. Diese druckempfindliche optische Faser 122 ist
optisch mit der optischen Übertragungsfaser 128 so gekoppelt,
daß die zwei Fasern 128, 132 gegeneinander um die optischen
Achsen um 45º gedreht sind. Das heißt, es existiert eine
Abweichung der Polarisationsebene von 45º zwischen den zwei
Fasern 128, 132. Daher wird der einkommende Lichtstrahl, der
durch die optische Faser 128 in einem der zwei
Übertragungsmoden übertragen wird, durch die druckempfindliche optische
Faser 132 in dem zwei Übertragungsmoden übertragen. Diese zwei
Moden werden durch einen Reflektorfilm 134 auf der Endfläche
der optischen Faser 132 reflektiert, und jede der reflektierten
zwei Moden wird als die zwei Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y der
optischen Übertragungsfaser 128 verteilt, wenn die zwei
reflektierten Moden auf die optische Faser 128 auftreffen. Folglich
kombinieren und interferieren die beiden reflektierten Moden,
die durch die druckempflindliche optische Faser 132 übertragen
sind. Daher funktioniert in diesem Beispiel die optische Faser
132 als ein Polarisator. Obwohl jeder der beiden
Übertragungsmoden den HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y von der optischen Faser 128 von dem
polarisierenden Strahlenteiler 124 empfangen werden kann, wird in
diesem speziellen Beispiel der Figur 13 die Mode HE&sub1;&sub1;x als ein
optisches Signal von dem Strahlenteiler 124 benutzt, so daß das
optische Signal in ein entsprechendes elektrisches Signal durch
einen Photosensor 136 gewandelt wird. Dieses elektrische
Ausgangssignal des Photosensors 136 stellt eine Änderung in
einem ausgewählten Transmissionsparameter des Meßstrahles dar,
z. B. eine Änderung in der Phase des Strahles, die durch den
Schalldruck verursacht wird, dem die optische Faser 132
ausgesetzt ist.
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In dem optischen Homodyn-Typ eines optischen Fasersensors, wie
er oben diskutiert wurde, ist eine automatische Einstellung der
anfänglichen optischen Phase des Sensors nötig, damit der
Sensor mit maximaler Erfassungs- oder Nachweisgenauigkeit
versehen wird. Zu diesem Zwecke wird eine mechanische Spannung an
die druckempflindliche optische Faser 132 angelegt, so daß eine
anfängliche Phasendifferenz oder -winkel von π/2 zwischen den
zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y z. B. in Figur 13 eingestellt wird.
Das unter Spannung setzen der optischen Faser 132 kann z. B.
dadurch erzielt werden, daß die Faser 132 mit einem
piezoelektrischen Element versehen wird. In diesem Falle erhöht jedoch
das piezoelektrische Element die Größe der optischen Faser 132
und benötigt Mittel zum Anlegen elektrischer Leistungs daran.
Alternativ kann eine anfängliche Phasendifferenz von π/2
eingestellt werden, in dem die Wellenlänge des durch die
Lichtquelle erzeugten Strahles gesteuert wird. Dieses
alternative Verfahren ist jedoch vergleichsweise technisch
schwierig durchzuführen.
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Ein optischer Fasersensor eines optischen Hetero-Types ist in
Figur 14 dargestellt, bei dem eine Lichtquelle 140 wie ein
horizontaler HE-Ne-Zeeman-Laser ausgelegt ist zum Erzeugen
zweier polarisierter Strahlen, deren Polarisationsebenen
senkrecht zueinanderstehen, das heißt ein Meßstrahl mit einer
Frequenz f1 und ein Referenzstrahl mit einer Frequenz f2, die
sich geringfügig von der Frequenz f1 unterscheidet. Diese
Strahlen werden durch eine optische Faser 142 fester
Polarsationsebene übertragen und treffen auf einen Strahlenteiler 144
auf, so daß ein Teil der auftreffenden Strahlen durch den
Strahlenteiler 144 übertragen wird, während der andere Teil der
Strahlen durch den Strahlenteiler 144 reflektiert wird. Die
reflektierten Strahlen werden von einem Photosensor 150 durch
eine Polarisationsplatte 146 und eine optische EmpfangsFaser
148 aufgenommen. Der Photosensor 150 ist geeignet, eine
Referenzstrahlüberlagerungsfrequenz f2 - f1 nachzuweisen. Von
den zwei Strahlen, die durch den Strahlenteiler 144 übertragen
werden, wird der Strahl mit der Frequenz f2 durch einen
polarisierenden Strahlenteiler 152 reflektiert, dann geht er durch
eine λ/4-Platte 154, wird durch einen Spiegel 156 reflektiert
und geht wieder durch die λ/4-Platte, wodurch die
Polarisationsebene des Strahles so gedreht wird, das der Strahl durch
den polarisierenden Strahlteiler 152 durchgelassen wird und von
einem Photosensor 158 durch eine Polarisationsplatte 157 und
eine optische Empfangsfaser 164 aufgenommen wird. Der andere
Strahl mit der Frequenz f1, der durch den Strahlenteiler 144
durchgelassen ist, geht durch den polarisierenden
Strahlenteiler 152 und eine λ/4-Platte 160 und wird von einer
Oberfläche eines Gegenstandes 162 reflektiert. Der reflektierte
Strahl geht wieder durch die λ/4-Platte 160, wobei die
Polarisationsebene gedreht wird. Der Strahl wird dann von dem
polarisierenden Strahlenteiler 152 reflektiert und von dem
Photosensor 158 durch die Polarisationsplatte 157 und die
optische Faser 164 aufgenommen. Der von dem Photosensor 158
aufgenommene Strahl weist eine Frequenz von f1 ±Δf1 auf.
Diese Frequenzverschiebung wird durch eine Versetzung des
Gegenstandes 162 verursacht. Somit empfängt der Photosensor 158
den Strahl mit der Frequenz f2, der nicht von dem Gegenstand
162 beeinflußt worden ist, und den Strahl mit der Frequenz
f1 + Δ f1, der von dem Gegenstand 162 beeinflußt ist. Der
Photosensor 158 ist so ausgelegt, daß er eine
Meßstrahlüberlagerungsfrequenz
f2 - f1 ± Δf1 nachweist. Ausgangssignale
der Photosensoren 150 und 158 werden an eine
Phasendifferenzerfassungsschaltung 166 angelegt, so daß eine Phasendifferenz
Δ f1 zwischen der Referenz- und
Meßstrahlüberlagerungsfrequenz erfaßt wird. Diese Phasendifferenz stellt Information
dar, die von dem empfangenen Referenz- und Meßstrahl getragen
wird, das heißt der Betrag der Versetzung des Gegenstandes 162.
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Im Gegensatz zu den optischen Fasersensor vom Homodyn-Typ
benötigt der optische Fasersensor vom optischen Heterodyn-Typ keine
automatische Einstellung der Phase. Jedoch werden die
aufgeteilten Teile von sowohl dem Referenz- als auch Meßstrahl
mit den entsprechenden Überlagerungsfrequenzen von dem
optischen Sensorkopf zu den Photosensoren 150, 158 durch die
zwei verschiedenen optischen Fasern 148, 164 übertragen.
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Der japanische Patentabstracts, Band 11, Nr. 22 offenbart ein
Meßsystem, in dem ein Teststrahl und ein Referenzstrahl von
einer Quelle entlang einer optischen Faser zu einem Punkt, an
dem die Messung durchgeführt werden soll übertragen wird und
dann entlang der optischen Faser zu einem Detektor zurückkehrt.
Der Sensorkopf weist eine Konvergenzlinse, einen
polarisierenden Strahlenteiler, einen Bezugsspiegel und einen auf dem zu
erfassenden Gegenstand angebrachten Spiegel auf.
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Die GB-A-2 144 215 offenbart einen interferometrischen Detektor
mit einem optischen Fasersensor, bei dem der Meßstrahl und der
Referenzstrahl von der Quelle zu dem Sensor entlang eines
optischen Faserkabels übertragen werden. An dem Sensor werden sie
durch einen Teiler einer undefinierten Form getrennt und kehren
entlang des optischen Faserkabels zu einem Detektor benachbart
zu der Quelle zurück.
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Die WO 87/01 438 offenbart ein Meßgerät mit gemeinsamen
optischen Weg, bei dem ein Strahl in zwei geteilt wird und
wieder vereint wird, nachdem ein optischer Weg mit einer Länge
größer als die Kohärenzlänge der Quelle auf einen der Teile
eingewirkt hat. Der kombinierte Strahl wird entlang einer
optischen Faser zu einem Sensorkopf übertragen, wo er in einen
Referenzstrahl und einen Meßstrahl unterteilt wird. Der Meßstrahl
wird von einer bewegenden Oberfläche zurück reflektiert, und
die Strahlen werden rekombiniert, nachdem eine weitere
Wegdifferenz zum Wiederherstellen der Kohärenz hinzugefügt wurde.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Nachteile
entwickelt, die bei dem Stand der Technik angetroffen wurden,
wie oben beschrieben wurde. Es ist daher eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, einen verhältnismäßig in den Abmessungen
kleinen, nicht teueren optischen Fasersensor vorzusehen, der
eine optische Faser oder Fasern zum optischen Verbinden eines
Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnittes und eines
Sensorkopfabschnittes benutzt zum Übertragen eines Referenzstrahles
und eines Meßstrahles dazwischen, und der in der Lage ist, sehr
genau eine Änderung in einem Übertragungsparameter des
Meßstrahles nachzuweisen, der an dem Sensorkopfabschnitt
beeinflußt wird, auf der Grundlage des Referenzstrahles und des
Meßstrahles, die an dem Übertragungs-/Empfängerabschnitt
empfangen werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Fasersensor
vorgesehen zum Erfassen einer Änderung in einem
Übertragungsparameter eines Meßstrahles auf der Grundlage des Meßstrahles und
eines Referenzstrahles, mit:
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einer einzelnen optischen Faser, die einen Lichtstrahl in zwei
Transmissionsmoden mit zueinander senkrechten
Polarisationsebenen so übertragen kann, daß die Polarisationsebenen der zwei
Transmissionsmoden erhalten bleiben;
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Einem Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt zum Erzeugen
eines Lichtstrahles zum Erzeugen des Meßstrahles und des
Referenzstrahles und zum Richten des Lichtstrahles auf die optische
Faser so, daß der Lichtstrahl durch die optische Faser in einer
der zwei Transmissionsmoden in einer ersten Richtung von einem
nahen Ende der optischen Faser zu einem fernen Ende der
optischen Faser davon übertragen wird, wobei der
Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt
zum Erfassen der Änderung in dem
Übertragungsparameter des Meßstrahles betreibbar ist, auf der
Grundlage des Meßstrahles und des Referenzstrahles, die durch
die optische Faser in den zwei Transmissionsmoden in eine
zweite Richtung von dem fernen Ende zu dem nahen Ende
zurückkehren; und
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einem Sensorkopfabschnitt, der zum Empfangen des durch die
optische Faser in die erste Richtung übertragenen Lichtstrahles
und zum Teilen des Lichtstrahles in den Meßstrahl und den
Referenzstrahl betreibbar ist, wobei der Sensorkopfabschnitt
bewirkt, daß der Übertragungsparameter von mindestens dem
Meßstrahl durch eine Änderung in einem externen Gegenstand
beeinflußt wird und der Meßstrahl und Referenzstrahl zu den
Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt durch die optische
Faser in der zweiten Richtung zurückkehren;
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dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopfabschnitt eine
Polarisations- und Phaseneinstelleinrichtung enthält zum
Einstellen der Polarisation und der Phasen des Meßstrahles und
Referenzstrahles vor dem Auftreffen auf das ferne Ende der
optischen Faser, so daß der Meßstrahl und Referenzstrahl durch die
optische Faser in die zweite Richtung in den zwei
Transmissionsmoden zurückkehren als zwei linear polarisierte Strahlen
mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen und einer
Phasendifferenz von 90º.
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In dem auf die obige Weise konstruierten optischen Fasersensor
wird der durch den Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt
erzeugte Lichtstrahl zum Erzeugen des Meßstrahles und
Referenzstrahles durch die optische Faser in die erste Richtung in
einem der beiden Transmissionsmoden übertragen. Die an dem
Sensorkopfabschnitt durch Teilen des durch die optische Faser
in die erste Richtung übertragenen Lichtstrahles erhaltenen
Meßstrahl und Referenzstrahl werden durch die
Einstelleinrichtung als zwei linear polarisierte Strahlen mit zueinander
senkrechten Polarisationsebenen und einer Phasendifferenz von 90º
eingestellt, so daß der Meßstrahl und Referenzstrahl durch die
optische Faser in die zweite Richtung in den entsprechenden
zwei Transmissionsmoden zurückkehren. Folglich erleiden sowohl
der Meßstrahl als auch der Referenzstrahl, die durch die
optische Faser in die zweite Richtung zurückkehren, den gleichen
Einfluß der Parameter der optischen Faser wie Temperatur,
Vibration und Zug. In anderen Worten, der Einfluß der optischen
Faser auf den Meßstrahl wird durch den Einfluß dergleichen auf
den Referenzstrahl ausgeglichen. Folglich kann eine Änderung in
dem Übertragungsparameter des Meßstrahles, der den Meßstrahl an
dem Sensorkopfabschnitt aufgrund einer Änderung des externen
Gegenstandes ausgeübt wird, genau durch den gegenwärtigen
optischen Fasersensor erfaßt werden auf der Grundlage des
Meßstrahles und Referenzstrahles, die von dem Sensorkopfabschnitt
zu dem Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt zurückkehren
und die eine Phasendifferenz von 90º haben. Die Benutzung der
einzelnen optischen Faser, die optisch den Übertragungs-
/Empfängerabschnitt verbindet, bewirkt eine Verringerung in
Größe und Kosten des optischen Fasersensors als Ganzes.
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Die obigen und optionalen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch Lesen
der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in
Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen in Betracht gezogen wird,
in denen:
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Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2, 3, 4 und 5 Ansichten sind, die den Betrieb des Sensors
von Fig. 1 erläutern;
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Fig. 6, 7 und 8 Ansichten sind, die die Anwendungen des
optischen Fasersensors von Fig. 1 erläutern, wobei sie Meßung
der Geradheit, der Versetzung bzw. der Länge zeigen;
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Fig. 9, 10, 11 und 12 Ansichten sind, die optische Sensorköpfe
von entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
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Fig. 13 und 14 Ansichten sind, die herkömmliche optische
Fasersensoren darstellen.
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Es sei Bezug genommen auf Fig. 1, dort ist eine Ausführungsform
der Erfindung in der Form eines optischen Fasersensors des
optischen Homodyn-Types dargestellt.
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In Figur 1 geht ein durch eine Laserquelle 210 wie ein He-Ne-
Laser erzeugter monochomatischer Laserstrahl durch einen
polarisierenden Strahlenteiler 212, der um 45º um die optische
Achse gedreht ist, ein Faradayeffekt-Element 214 und einen
polarisierenden Strahlenteiler 216, und er wird durch eine
konvergierende Linse 218 auf die Endfläche einer optischen Faser
220 fester Polarisationsebene gesammelt. Der polarisierende
Strahlenteiler 212, das Faradayeffekt-Element 214 und der
polarisierende Strahlenteiler 216 dienen als optischer Isolator
zum Schützen der Laserquelle 210 vor reflektierten Strahlen.
Der polarisierte Strahlenteiler 216 funktioniert auch zum
Teilen des einfallenden Strahles in zwei Komponenten, deren
Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind. Der von dem
Strahlenteiler 216 reflektierte Lichtstrahl wird von einem
ersten Photosensor 224 über eine konvergierende Linse 222
empfangen. Der Lichtstrahl, der einmal durch den Strahlenteiler
216 in eine Richtung zu der optischen Faser 220 hin übertragen
ist, kehrt als der reflektierte Strahl durch den Strahlenteiler
216 in die entgegengesetzte Richtung zurück und trifft auf das
Faradayeffekt-Element 214, wodurch die Polarisationsebene des
reflektierten Strahles um 45º um die optische Achse gedreht
wird. Daher wird eine Komponente des reflektierten Strahles von
dem polarisierenden Strahlenteiler 212 reflektiert und von
einem zweiten Photosensor 228 über eine konvergierende Linse
226 empfangen. Bei der vorliegenden Ausführungsform stellen die
Elemente (mit Ausnahme der optischen Faser 220), die
beschrieben worden sind, einen
Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt 100 des optischen Fasersensors dar. Ein Ende der
optischen Faser 220 ist an einem Gehäuse des
Übertragungs-/Empfängerabschnittes 100 befestigt. Die optische Faser 220 fester
Polarisationsebene besteht aus einem Kern 230, ein Paar von
Streß-Abschnitten 232, die den Kern 230 einschließen, und einen
Mantel 234, der den Kern und die Streßabschnitte 232 bedeckt.
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Die optische Faser 220 kann einen polarisierten Strahl so
übertragen, daß die Polarisationsebenen der zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und
HE&sub1;&sub1;y, die senkrecht zueinander sind, aufrechterhalten werden.
Da der linear polarisierte Strahl, der durch den Strahlenteiler
216 übertragen wird, auf die ferne Endfläche der optischen
Faser 220 auftrifft, wird der auftreffende Strahl durch die
optische Faser 220 in eine der beiden der Transmissionsmoden
HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y übertragen.
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Das ferne Ende der optischen Faser 220 ist an einem Rahmen
eines optischen Sensorkopfabschnittes 102 angebracht. Der durch
die optische Faser 220 in eine der zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y
übertragene linear polarisierte Strahl wird von der fernen
Endfläche der Faser 220 emittiert und parallele Strahlen
umgewandelt. Die parallelen Strahlen werden durch einen nicht
polarisierenden Strahlenteiler 238 in einen Referenzstrahl und
einen Meßstrahl unterteilt. Der durch den nicht polarisierenden
Strahlenteiler 238 übertragene Meßstrahl wird durch eine λ /4-
Platte 240 übertragen. Diese λ /4-Platte 240 ist in der Lage,
die Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahles um
45º zu drehen, nachdem der Strahl zweimal die Platte 240 in
entgegengesetzte Richtungen übertragen worden ist. Der durch
die λ /4-Platte 240 übertragene Meßstrahl trifft auf eines des
ersten und zweiten Eckwürfelprismas 52, 54 auf dem Gegenstand
50, in diesem Fall auf das zweite Prisma 54.
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Der von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 238
reflektierte Referenzstrahl wird durch eine λ /8-Platte 248
übertragen und von einem Spiegel 250 zu dem anderen des ersten und
zweiten Prismas 52, 54, in diesem Fall zu dem ersten Prisma 52
übertragen parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Meßstrahles
von dem Strahlenteiler 238 zu dem zweiten Prisma 54. Die
λ/8-Platte 248 ist in der Lage, einen linear polarisierten
Lichtstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl
umzuwandeln, nachdem der linear polarisierte Lichtstrahl zweimal in
entgegengesetzte Richtungen übertragen ist. Das erste und
zweite Eckwürfelprisma 52, 54 sind mit einer Metallschicht so
beschichtet, daß die Polarisationseigenschaften der von den
Prismen 52, 54 reflektierten Strahlen nicht verändert werden.
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In der Ausführungsform von Figur 1 stellen der nicht
polarisierende Strahlenteiler 238 und der Spiegel 250 einen wesentlichen
Teil des Sensorkopfabschnittes 102 dar, und die λ/4-Platte 240
und die λ/8-Platte 248 stellen Vorrichtungen dar, die an dem
Sensorkopfabschnitt 102 vorgesehen sind zum Einstellen der
Polarisationsebenen und Phasen des Referenzstrahles und
Bezugsstrahles, so daß diese Strahlen durch die optische Faser 220
zurück zu den Übertragungs-/Empfängerabschnitt 101 als zwei
Transmissionsmoden übertragen werden, deren Phasen
gegeneinander um 90º verschoben sind und deren Polarisationsebenen
senkrecht aufeinanderstehen.
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Ein Betrieb des vorliegenden optischen Fasersensors von Figur 1
wird unter Bezugnahme auf Figuren 2 bis 5 beschrieben. Wie in
Fig. 2 gezeigt ist, geht der von der Laserquelle 210 emittierte
linear polarisierte Laserstrahl durch den polarisierenden
Strahlenteiler 212. Ein kurzer Pfeil in Fig. 2, der sich
senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles erstreckt,
zeigt die Polarisationsebene des Laserstrahles an. Der linear
polarisierte Laserstrahl geht dann durch das Faradayeffekt-
Element 214, wobei die Polarisationsebene des Strahles um 45º
im Uhrzeigersinne gedreht wird. Der linear polarisierte Strahl
wird durch den polarisierenden Strahlenteiler 216 übertragen
und durch die konvergierende Linse 218 so konvergiert, daß der
konvergierte Strahl in den Kern 2230 der optischen Faser 220
eintritt. Der auftreffende linear polarisierte Strahl wird
durch die optische Faser 220 als eine der zwei
Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y übertragen.
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Wie im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist, wird der von dem fernen
Ende der optischen Faser 220 emittierte Laserstrahl in
parallele Strahlen durch die konvergierende Linse 236
umgewandelt und durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler 238 in
zwei Teile unterteilt. Dieser Strahlenteiler 238 ist notwendig
zum Unterteilen des einfallenden Strahles in zwei Teile, die
nicht nur gleiche Mengen optischer Energie aufweisen sondern
auch Eigenschaften eines linear polarisierten Strahles zeigen.
Kommerziell erhältliche nicht polarisierende Strahlenteiler
erfüllen im allgemeinen diese Anforderungen. Bei der
vorliegenden Ausführungsform wird der durch den Strahlenteiler 238
übertragene linear polarisierte Strahl als Meßstrahl benutzt,
der durch das Bezugszeichen 1e bezeichnet wird, während der von
dem Strahlenteiler 238 reflektierte linear polarisierte Strahl
als Referenzstrahl benutzt wird, der durch das Bezugszeichen 1c
bezeichnet wird. Der Meßstrahl 1e wird elyptisch durch die
λ/4-Platte 240 polarisiert, deren Kristallachse um 22,5º in
Bezug auf die Polarisationsrichtung geneigt ist. Der
elliptisch polarisierte Meßstrahl 1e wird auf das zweite
Eckwürfelprisma 54 gerichtet. Der Bezugsstrahl 1c wird
elyptisch durch die λ /8-Platte 248 polarisiert und von dem
Spiegel 250 zu dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektiert.
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Wie in Figur 4 gezeigt ist, wird der von dem zweiten
Eckwürfelprisma 54 reflektierte elyptisch polarisierte Meßstrahl 1e
wieder durch die λ/4-Platte 240 übertragen und er wird somit
linear polarisiert. Die Polarisationsebene dieses linear
polarisierten Strahles istb um 45º in Bezug auf den vor der
Übertragung durch die λ/4-Platte 240 in die Richtung zu dem Prisma
54 übertragenen linear polarisierten Strahl geneigt. Der von
dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektierte elliptisch
polarisierte Referenzstrahl 1c ist zirkular polarisiert als Resultat
der Übertragung durch die λ/8-Platte 248. Die obige
Umwandlung des zirkular polarisierten Meßstrahl und
Referenzstrahl in linear polarisierte Strahlen wird bewirkt, da die
Achsen der λ/4-Platte 240 und λ/8-Platte 248 um 22,5º und
45º in Bezug auf die Polarisationsebenen des Meßstrahles als 1e
und Referenzstrahles 1c während der Übertragung in die Richtung
zu den Prismen 54 bzw. 52 geneigt sind. Der linear polarisierte
Meßstrahl und Referenzstrahl von den Platten 240, 248 werden
miteinander an dem Strahlenteiler 238 in gegenseitig
interferierende Strahlen 1a, 1b kombiniert, deren Polarisationsebenen
senkrecht zueinander sind und deren Phasen um 90º gegeneinander
verschoben sind, wie in Figur 4 gezeigt ist. Diese
interferierenden Strahlen 1a, 1b werden durch die optische Faser 220 als
die zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y zu dem
Übertragungs-/Empfängerabschnitt 100 übertragen.
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Die von dem nahen Ende der optischen Faser 220 emittierten
Strahlen 1a, 1b werden durch die konvergierende Linse 218 in
parallele Strahlen umgewandelt und voneinander durch den
polarisierenden Strahlenteiler 216 getrennt. Der linear
polarisierte Strahl 1b der interferierenden Strahlen 1a, 1b, der
durch die optische Faser 220 übertragen ist, wird von dem
Strahlenteiler 216 reflektiert und von dem ersten Photosensor
224 empfangen, der ein entsprechendes elektrisches Signal
erzeugt. Der linear polarisierte Strahl 1a wird durch den
Strahlenteiler 216 übertragen, durch das Faradayeffekt-Element
214 und dem polarisierenden Strahlenteiler 212 übertragen und
von dem zweiten Photosensor 228 empfangen, der ein
entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Da die linear polarisierten
Strahlen 1a, 1b eine Phasendifferenz von 90º haben, wie oben
ausgeführt wurde, werden die von dem ersten und zweiten
Photosensor 224, 228 erzeugten elektrischen Signale als Sinus- und
Kosinuswellen erzeugt, die in 90º-Intervallen durch einen
Pulszähler gezählt werden, der in einer
Phasendifferenzerfassungsschaltung 260 vorgesehen ist. Wenn der Gegenstand 50 in einer
Ebene parallel zu den Ebenen, die die Strahlen enthalten, die
auf das erste und zweite Prisma 52, 54 auftreffen oder davon
reflektiert werden, gedreht wird, kann der Rotationswinkel des
Gegenstandes 50 genau als eine Änderung in der Phasendifferenz
erfaßt werden, die durch die Zählrate des Pulszählers
dargestellt wird.
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Wenn die zwei Prismen 52, 54 auf jeder von zwei in einem
Abstand voneinander vorgesehene Gegenständen 50, 50 vorgesehen
sind, die auf der Oberflächenplatte 58 angeordnet sind, wie in
Fig. 6 gezeigt ist, kann die Geradheit der Oberfläche der
Oberflächenplatte
58 genau durch das Ausgangssignal der
Erfassungsschaltung 260 dargestellt werden.
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Wenn das erste Prisma 52 auf dem Sensorkopfabschnitt 102'
befestigt ist, während das zweite Prisma 54 auf dem bewegbaren
Tisch 60 befestigt ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann der
Betrag der Verschiebung des bewegbaren Tisches 60 relativ zu dem
Sensorkopfabschnitt 102' durch die Erfassungsschaltung 260
erfaßt werden.
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Wenn das zweite Prisma 54 an einem bewegbaren Teil einer
Meßvorrichtung vom Kontakttyp wie ein Gleittaster oder
Mikrometer befestigt ist, wie in Figur 8 gezeigt ist, können Längen
von gewünschten Gegenständen genau durch die
Erfassungsschaltung 260 bestimmt werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird der linear
polarisierte Strahl zum Erzeugen des Referenzstrahles und Meßstrahles
durch die optische Faser 220 zu dem Sensorkopfabschnitt als
eine der zwei Transmissionsmoden übertragen, und der
Referenzstrahl 1e und Meßstrahl 1c werden zurück durch die optische
Faser 220 als die zwei Transmissionsmoden übertragen, deren
Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen. Folglich
schließt die vorliegende Ausführungsform einen Einfluß der
Temperatur, des Zuges, der Spannung und andere externe
Faktoren, die mit der optischen Faser 220 verknüpft sind, auf eine
Änderung in dem Übertragungsparameter, das heißt einer Änderung
in der Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem
Meßstrahl aus. Das heißt, die erfasste Änderung in der
Phasendifferenz stellt nur den Betrag der relativen Versetzung des
ersten und zweiten Prismas 52, 54 dar. Somit kann der
Rotationswinkel des Gegenstandes 50, die Geradheit der
Oberflächenplatte 58 und die Entfernung der Bewegung des
bewegbaren Tisches 60 mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Wenn
ein He-Ne-Laser als die Laserquelle 210 benutzt wird und das
Zählen des Pulszählers in 90º-Intervallen bewirkt wird, kann
der vorliegende Sensor eine Auflösegenauigkeit von 0,1
Mikrometer vorsehen.
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Da bei der Übertragungs-/Empfängerabschnitt 100' und der
Sensorkopfabschnitt 102 durch die einzelne optische Faser 220
optisch miteinander verbunden sind, kann der Sensor kompakt und
klein ausgelegt werden. Zusätzlich werden die Meßgenauigkeit
und Zuverlässigkeit nicht beeinflußt oder verschlechtert durch
Luftströmungen, die den optischen Pfad umgeben.
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Die obige Ausführungsform von Fig. 1 kann modifiziert werden,
wie es notwendig ist. Bei der Ausführungsform von Figur 1 ist
der Sensorkopfabschnitt 102 zum Bestrahlen des ersten und
zweiten Eckwürfelprismas 52, 54 ausgelegt, die auf dem
Gegenstand 50 befestigt sind.
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Während die λ /4-Platte 240 und die λ /8-Platte 248 als Mittel
zum Ändern der Phasen und Polarisationsebenen des
Referenzstrahles und Meßstrahles funktionieren, können diese Platten
durch andere optische Komponenten ersetzt werden, die die
Phasen der Strahlen ändern können.
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Der gegenwärtige optische Fasersensor kann zum Erfassen der
Geradheit einer Oberflächenplatte 58 benutzt werden, in dem ein
bewegbarer Gegenstand 50 benutzt wird, der das erste und zweite
Eckwürfelprisma 52, 54 enthält. In diesem Fall wird der
Gegenstand von der linken Seite zu der rechten Seite in Fig. 6
bewegt, während der Referenzstrahl und Meßstrahl 1a, 1b auf die
Prismen 52, 54 auftreffen und von ihnen reflektiert werden. In
diesem Fall stellt das Ausgangssignal der
Phasendifferenzerfassungsschaltung 52 eine Phasendifferenz dar, die die
Abweichung von der Geradheit der Oberfläche der Oberflächenplatte 58
anzeigt.
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Der vorliegende optische Fasersensor kann modifiziert werden
zum Erfassen des Betrages einer linearen Bewegung eines
Gegenstandes. Wenn z. B. das erste Eckwürfelprisma 52 auf dem
Sensorkopfabschnitt 102 befestigt ist, während das zweite
Eckwürfelprisma 54 auf der Oberfläche eines bewegbaren Tisches 60
befestigt ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann der Betrag einer
linearen Versetzung des Tisches 60 genau erfaßt werden auf der
Grundlage eines Betrages der Änderung in der Phasendifferenz,
die durch das Ausgangssignal der
Phasendifferenzerfassungsschalltung 56 dargestellt wird.
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Weiter kann die Distanz zwischen dem Sensorkopfabschnitt 102
und dem zweiten Eckwürfelprisma 54 auf dem Tisch 60 gemessen
werden, in dem der Übertragungs-/Empfangsabschnitt 100 mit
einem direkt modulierbaren Halbleiterlaser versehen wird und
die Frequenz der Interferenzringe gemessen wird, die durch die
Dreieckswellenmodulation des Laserstrahles gebildet werden, der
von dem Halbleiterlaser erzeugt wird.
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Wenn das zweite Eckwürfelprisma 54 auf einem bewegbaren Teil
einer Längenmeßvorrichtung des Kontakttypes wie ein Gleittaster
oder Mikrometer befestigt ist, wie in Fig. 8 dargestellt ist,
können Längen auf der Grundlage der von der Erfassungsschaltung
56 erfassten Phasendifferenz gemessen werden.
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Während der polarisierende Strahlenteiler 12, das
Faradayeffekt-Element 14 und der polarisierende Strahlenteiler 16 als
ein optischer Isolator funktionieren, wie oben beschrieben
wurde, können der polarisierende Strahlenteiler 12 und das
Faradayeffekt-Element 14 weggelassen werden, wenn die
Lichtquelle 10 eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine
Superlumineszenzdiode (SLD) einsetzt, die weniger
wahrscheinlich durch einen reflektierten Lichtstrahl beeinflußt werden.
Wenn ein He-Ne-Laser zusammen mit einem Ultraschallmodulator
benutzt wird, dessen Frequenz 2 GHz beträgt, kann der oben
angegebene optische Isolator weggelassen werden, da die Frequenz
des reflektierten Strahles außerhalb der Verstärkungsbandes des
He-Ne-Lasers fällt. Wenn ein Halbleiterlaser oder eine andere
direktmodulierbare Lichtquelle benutzt wird, kann der optische
Isolator weggelassen werden, in dem die Lichtquelle
abgeschaltet
wird, während der reflektierte Strahl auf die Lichtquelle
fällt, in dem eine Ausbreitungszeitverzögerung der optischen
Faser 24 benutzt wird.
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Bei der Anordnung von Fig. 9 werden der Referenzstrahl und
Meßstrahl als die zwei verschiedenen Transmissionsmoden, die
von der optischen Faser 24 imitiert werden, in parallele
Lichtstrahlen durch die konvergierende Linse 42 umgewandelt,
und die Polarisationsebenen der Strahlen werden durch das
Faradayeffekt-Element 44 um 45º gedreht. Dann werden der
Referenzstrahl und Meßstrahl voneinander durch den
polarisierenden Strahlenteiler 56 so getrennt, daß der Referenzstrahl auf
das erste Eckwürfelprisma 52 trifft, der auf dem
Sensorkopfabschnitt 102 befestigt ist, während der Meßstrahl auf eine
Oberfläche des Gegenstandes 50 konvergiert wird. Da die
Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und Meßstrahl in
Abhängigkeit der Oberflächenrauheit des Gegenstandes 50
verändert wird, kann die Oberflächenrauhigkeit auf der Basis der
erfassten Änderung der Phasendifferenz gemessen werden.
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Bei der Anordnung nach Figur 10 ist der Gegenstand 50 von Fig.
9 durch einen Fluidstrom 88 ersetzt. Die Geschwindigkeit des
Flußes des Fluids wird auf der Grundlage der Tatsache gemessen,
das die Phasendifferenz zwischen dem Meßstrahl und
Referenzstrahl im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Fluidflußes
geändert wird.
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Bei der Anordnung von Fig. 11 breiten sich der Referenzstrahl
und Meßstrahl durch einen Gegenstand 90 aus, dessen
Brechungsindex geändert wird. Bei der Anordnung von Fig. 12 wird der
Referenzstrahl von dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektiert,
während der Meßstrahl durch den Gegenstand 90 übertragen wird
und von dem zweiten Eckwürfelprisma 54 so reflektiert wird, daß
der reflektierte Meßstrahl durch den Gegenstand 90 zurückkehrt.
Das heißt, nur der Meßstrahl wird durch den Gegenstand 90 in
entgegengesetzte Richtungen übertrgen. Bei diesen zwei
Anordnungen ändert sich die Phasendifferenz des Meßstrahles in Bezug
auf den Referenzstrahl im Verhältnis des Brechungsindex des
Gegenstandes 90, wodurch eine Änderung in dem Brechungsindex des
Gegenstandes 90 gemessen werden kann. Diese Anordnungen können
zum Messen verschiedener Parameter gewünschter Gegenstände
benutzt werden, auch andere als der Brechungsindex. Wenn der
Gegenstand 90 aus einer Pockels-Zelle oder einem Pockels-
Effektkristall LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; besteht, die den
Brechungsindex in Beziehung zu einem elektrischen Feld oder einer
Spannung ändern können, die daran angelegt sind, kann die
elektrische Feldstärke oder Spannung gemessen werden. Wenn der
Gegenstand 90 aus einer Substanz LiNbO&sub3; besteht, dessen Index der
Doppelbrechung sich mit der Temperatur ändert, kann die
Temperatur des Gegenstandes 90 gemessen werden. Wenn der
Gegenstand 90 aus einer Substanz wie Pyrex-Glas oder Quarzglas
besteht, die einen photoelastischen Effekt zeigen, können der
Druck, die Vibration oder die Beschleunigung des Gegenstandes
gemessen werden. Wenn der Gegenstand 90 aus einem
durchsichtigen Behälter, der ein Gas enthält, besteht, kann die
Konzentration des Gases gemessen werden. In diesem Fall erleidet der
auf den Gegenstand 90 auftreffende Strahl keine Doppelbrechung,
und daher kann der in Fig. 12 gezeigte Sensorkopfabschnitt 102
geeigneterweise eingesetzt werden.