JP2003130609A - マッハツェンダ干渉計光センサ - Google Patents
マッハツェンダ干渉計光センサInfo
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- JP2003130609A JP2003130609A JP2001329721A JP2001329721A JP2003130609A JP 2003130609 A JP2003130609 A JP 2003130609A JP 2001329721 A JP2001329721 A JP 2001329721A JP 2001329721 A JP2001329721 A JP 2001329721A JP 2003130609 A JP2003130609 A JP 2003130609A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 温度変化に対して安定で、しかも構成が簡素
なマッハツェンダ干渉計光センサを提供する。 【解決手段】 光源１と、その光源１からの光を２つの
光経路ａ，ｂに分岐して再度結合させるマッハツェンダ
干渉計と、その出力光を電気信号に変換する受光器７
と、一方の光経路ｂにおいて検出対象の物理量に応じた
交流位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４と、一
方の光経路ａにおいて位相変化の周期が一定で位相変化
の振幅が一定の位相掃引を通過光に与える位相変調器８
と、前記受光器７の出力信号から前記物理量に依存する
振幅を持つ交流成分を分離検出する検波器９と、この検
波器９の出力信号の前記位相掃引周期における最大値を
検出する最大値検出器１０とを備えた。
なマッハツェンダ干渉計光センサを提供する。 【解決手段】 光源１と、その光源１からの光を２つの
光経路ａ，ｂに分岐して再度結合させるマッハツェンダ
干渉計と、その出力光を電気信号に変換する受光器７
と、一方の光経路ｂにおいて検出対象の物理量に応じた
交流位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４と、一
方の光経路ａにおいて位相変化の周期が一定で位相変化
の振幅が一定の位相掃引を通過光に与える位相変調器８
と、前記受光器７の出力信号から前記物理量に依存する
振幅を持つ交流成分を分離検出する検波器９と、この検
波器９の出力信号の前記位相掃引周期における最大値を
検出する最大値検出器１０とを備えた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マッハツェンダ干
渉計を利用して物理量を検出するマッハツェンダ干渉計
光センサに係り、特に、温度変化に対して安定で、しか
も構成が簡素なマッハツェンダ干渉計光センサに関する
ものである。
渉計を利用して物理量を検出するマッハツェンダ干渉計
光センサに係り、特に、温度変化に対して安定で、しか
も構成が簡素なマッハツェンダ干渉計光センサに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計
は、一つの光源からの光を２つの光経路に分岐させ、再
び結合させた光学系を指し、２つの光経路間の光路長差
に応じた光強度信号を出力するものである。ここでいう
光路長とは、光経路中を通過する光が感じる光経路の長
さのことであり、一般には、物理的な光経路（パスとも
いう）の長さＬと光経路の屈折率ｎとの積の経路積分で
表される。光経路通過後の光の位相は光路長に応じた位
相遅れを持つため、以下では、光路長を光経路通過後の
光位相と言い換えて使用することもある。例えば、「マ
ッハツェンダ干渉計の光経路間の光路長差が１波長」と
いう記述と、「マッハツェンダ干渉計の光経路間の光位
相差が２π［ｒａｄ］」という記述とは同義である。
は、一つの光源からの光を２つの光経路に分岐させ、再
び結合させた光学系を指し、２つの光経路間の光路長差
に応じた光強度信号を出力するものである。ここでいう
光路長とは、光経路中を通過する光が感じる光経路の長
さのことであり、一般には、物理的な光経路（パスとも
いう）の長さＬと光経路の屈折率ｎとの積の経路積分で
表される。光経路通過後の光の位相は光路長に応じた位
相遅れを持つため、以下では、光路長を光経路通過後の
光位相と言い換えて使用することもある。例えば、「マ
ッハツェンダ干渉計の光経路間の光路長差が１波長」と
いう記述と、「マッハツェンダ干渉計の光経路間の光位
相差が２π［ｒａｄ］」という記述とは同義である。
【０００３】このマッハツェンダ干渉計の光経路中に、
検出対象の物理量に応じた光位相変化を通過光に与える
ことのできる物理量検出媒質を挿入すれば、そのマッハ
ツェンダ干渉計は物理量検出媒質によって与えられる光
位相変化に応じた光強度を出力するため、任意の物理量
を検出する物理量検出センサとして使用できる。以下で
は、このような物理量検出センサをマッハツェンダ干渉
計光センサと呼ぶ。また、このマッハツェンダ干渉計に
信号処理回路や制御回路を付け加えたものも同じくマッ
ハツェンダ干渉計光センサと呼ぶ。
検出対象の物理量に応じた光位相変化を通過光に与える
ことのできる物理量検出媒質を挿入すれば、そのマッハ
ツェンダ干渉計は物理量検出媒質によって与えられる光
位相変化に応じた光強度を出力するため、任意の物理量
を検出する物理量検出センサとして使用できる。以下で
は、このような物理量検出センサをマッハツェンダ干渉
計光センサと呼ぶ。また、このマッハツェンダ干渉計に
信号処理回路や制御回路を付け加えたものも同じくマッ
ハツェンダ干渉計光センサと呼ぶ。
【０００４】以下、従来のマッハツェンダ干渉計光セン
サについて説明する。
サについて説明する。
【０００５】図１１に示した従来のマッハツェンダ干渉
計光センサは、光源５１、ビームスプリッタ２、６、ミ
ラー３、５、物理量検出媒質４、受光器７、交流電源１
１、検波器９からなる。光源５１から出力される光は、
ビームスプリッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐さ
れる。ビームスプリッタ入力時の光の電場が（１）式で
与えられるとする。
計光センサは、光源５１、ビームスプリッタ２、６、ミ
ラー３、５、物理量検出媒質４、受光器７、交流電源１
１、検波器９からなる。光源５１から出力される光は、
ビームスプリッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐さ
れる。ビームスプリッタ入力時の光の電場が（１）式で
与えられるとする。
【０００６】
【数１】
【０００７】光経路ｂには物理量検出媒質４が挿入され
ている。物理量検出媒質４には交流電源から交流電源１
１から角周波数ωｓの正弦波電気信号が供給され、これ
によって物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の
物理量ｘ（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS
の交流光位相変化φS が与えられるものとする。以下で
は、この交流光位相変化φS が正弦波である場合を例に
とって説明する。この場合、交流光位相変化φS は、
（２）式、（３）式で表される。
ている。物理量検出媒質４には交流電源から交流電源１
１から角周波数ωｓの正弦波電気信号が供給され、これ
によって物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の
物理量ｘ（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS
の交流光位相変化φS が与えられるものとする。以下で
は、この交流光位相変化φS が正弦波である場合を例に
とって説明する。この場合、交流光位相変化φS は、
（２）式、（３）式で表される。
【０００８】
【数２】
【０００９】光経路ａ，ｂを通過した光は、ビームスプ
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（４）式で与えられる。本式
の参考文献は、FIBRE OPTIC SENSORS,p271-p278,ISBN0-
471-83007-0 である。
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（４）式で与えられる。本式
の参考文献は、FIBRE OPTIC SENSORS,p271-p278,ISBN0-
471-83007-0 である。
【００１０】
【数３】
【００１１】ただし、ここで、光源５１のコヒーレント
長は２つの光経路間の光路長差Ｌb−Ｌa に対し十分長
いことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光
路長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光
方向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
長は２つの光経路間の光路長差Ｌb−Ｌa に対し十分長
いことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光
路長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光
方向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
【００１２】ここで、αa 、αb は、マッハツェンダ干
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
【００１３】検波器９は、（４）式で表される受光器７
の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωS に関
わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信号
Ｖrを出力する。このような機能を持つものとしては同
期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、交流電源１１から同期信号が供給され
る。
の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωS に関
わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信号
Ｖrを出力する。このような機能を持つものとしては同
期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、交流電源１１から同期信号が供給され
る。
【００１４】検波器９の出力信号Ｖr は、（８）式で表
される。
される。
【００１５】
【数４】
【００１６】（８）式において、ＧS は検波器９のゲイ
ンである。
ンである。
【００１７】（８）式で表される信号Ｖr がマッハツェ
ンダ干渉計光センサの出力信号となる。よって、検波器
９の出力信号Ｖr は、検出対象の物理量ｘ（ｔ）にのみ
依存するのが望ましい。しかし、実環境下において、わ
ずかな温度変化がマッハツェンダ干渉計に加わると、２
つの経路間の位相差Δφ（ｔ）は容易に２π程度変化す
る。この場合、ｓｉｎ（Δφ（ｔ））が−１から１まで
変化し、検波器９の出力信号Ｖr は非常に不安定とな
る。この位相差Δφ（ｔ）の変化によって出力信号Ｖr
が不安定となる現象は、フェージング現象と呼ばれ、実
環境下においてマッハツェンダ干渉計を使用する際の大
きな障害となっていた。
ンダ干渉計光センサの出力信号となる。よって、検波器
９の出力信号Ｖr は、検出対象の物理量ｘ（ｔ）にのみ
依存するのが望ましい。しかし、実環境下において、わ
ずかな温度変化がマッハツェンダ干渉計に加わると、２
つの経路間の位相差Δφ（ｔ）は容易に２π程度変化す
る。この場合、ｓｉｎ（Δφ（ｔ））が−１から１まで
変化し、検波器９の出力信号Ｖr は非常に不安定とな
る。この位相差Δφ（ｔ）の変化によって出力信号Ｖr
が不安定となる現象は、フェージング現象と呼ばれ、実
環境下においてマッハツェンダ干渉計を使用する際の大
きな障害となっていた。
【００１８】このフェージング問題を解決する従来方式
としては、例えば、特願平１０−１２０９３３号に記載
されている方式がある。図１２に、この方式に基づくマ
ッハツェンダ干渉計光センサを示す。
としては、例えば、特願平１０−１２０９３３号に記載
されている方式がある。図１２に、この方式に基づくマ
ッハツェンダ干渉計光センサを示す。
【００１９】このマッハツェンダ干渉計光センサは、図
１１に示した構成に加えて、信号の振幅が一定で信号の
周波数が一定な基準交流位相変調信号を光経路ｂの通過
光に与える位相変調器５２、その位相変調器５２を駆動
する電源５３、基準交流位相変調信号を受光器の出力信
号から分離検出する検波器５６、その検波器５６の出力
からフィードバック位相を計算する演算器５７、そのフ
ィードバック位相で制御される電源５５、電源５５によ
り駆動されてフィードバック位相変化を光経路ａの通過
光に与えるための位相変調器５４が設けられている。こ
れによって位相差Δφ（ｔ）が一定となるようフィード
バック制御をかけることができる。
１１に示した構成に加えて、信号の振幅が一定で信号の
周波数が一定な基準交流位相変調信号を光経路ｂの通過
光に与える位相変調器５２、その位相変調器５２を駆動
する電源５３、基準交流位相変調信号を受光器の出力信
号から分離検出する検波器５６、その検波器５６の出力
からフィードバック位相を計算する演算器５７、そのフ
ィードバック位相で制御される電源５５、電源５５によ
り駆動されてフィードバック位相変化を光経路ａの通過
光に与えるための位相変調器５４が設けられている。こ
れによって位相差Δφ（ｔ）が一定となるようフィード
バック制御をかけることができる。
【００２０】このマッハツェンダ干渉計光センサにおい
て、例えば、Δφ（ｔ）＝π／２＝一定となるようフィ
ードバック制御をかけた場合、マッハツェンダ干渉計の
出力信号（検波器９の出力信号Ｖr ）は（９）式で表さ
れる。
て、例えば、Δφ（ｔ）＝π／２＝一定となるようフィ
ードバック制御をかけた場合、マッハツェンダ干渉計の
出力信号（検波器９の出力信号Ｖr ）は（９）式で表さ
れる。
【００２１】
【数５】
【００２２】（９）式から分かるようにマッハツェンダ
干渉計の出力信号Ｖr の表式には位相差Δφ（ｔ）が含
まれていない。そのため、マッハツェンダ干渉計光セン
サを位相差Δφ（ｔ）が時間的に変動する環境で使用し
ても、安定した出力が得られることになる。
干渉計の出力信号Ｖr の表式には位相差Δφ（ｔ）が含
まれていない。そのため、マッハツェンダ干渉計光セン
サを位相差Δφ（ｔ）が時間的に変動する環境で使用し
ても、安定した出力が得られることになる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】図１１の従来構成で
は、温度変動などの環境変化に伴いマッハツェンダ干渉
計の２経路間の光位相差が変動し、それによってマッハ
ツェンダ干渉計光センサの出力が不安定になる問題があ
る。
は、温度変動などの環境変化に伴いマッハツェンダ干渉
計の２経路間の光位相差が変動し、それによってマッハ
ツェンダ干渉計光センサの出力が不安定になる問題があ
る。
【００２４】図１２の従来構成では、２経路間の光位相
差を固定しセンサ出力を安定させているが、そのために
位相変調器５２、電源５３、検波器５６、演算器５７、
電源５５、位相変調器５４が必要になり、安価に作成で
きないという問題がある。
差を固定しセンサ出力を安定させているが、そのために
位相変調器５２、電源５３、検波器５６、演算器５７、
電源５５、位相変調器５４が必要になり、安価に作成で
きないという問題がある。
【００２５】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、温度変化に対して安定で、しかも構成が簡素なマッ
ハツェンダ干渉計光センサを提供することにある。
し、温度変化に対して安定で、しかも構成が簡素なマッ
ハツェンダ干渉計光センサを提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光源と、その光源からの光を２つの光経路
に分岐して再度結合させるマッハツェンダ干渉計と、そ
の出力光を電気信号に変換する受光器と、一方の光経路
において検出対象の物理量に応じた交流位相変化を通過
光に与える物理量検出媒質と、一方の光経路において位
相変化の周期が一定で位相変化の振幅が一定の位相掃引
を通過光に与える位相変調器と、前記受光器の出力信号
から前記物理量に依存する振幅を持つ交流成分を分離検
出する検波器と、この検波器の出力信号の前記位相掃引
周期における最大値を検出する最大値検出器とを備えた
ものである。
に本発明は、光源と、その光源からの光を２つの光経路
に分岐して再度結合させるマッハツェンダ干渉計と、そ
の出力光を電気信号に変換する受光器と、一方の光経路
において検出対象の物理量に応じた交流位相変化を通過
光に与える物理量検出媒質と、一方の光経路において位
相変化の周期が一定で位相変化の振幅が一定の位相掃引
を通過光に与える位相変調器と、前記受光器の出力信号
から前記物理量に依存する振幅を持つ交流成分を分離検
出する検波器と、この検波器の出力信号の前記位相掃引
周期における最大値を検出する最大値検出器とを備えた
ものである。
【００２７】また、波長変化の振幅が一定で波長変化の
周期が一定の波長掃引を行う波長可変光源と、その波長
可変光源からの光を２つの光経路に分岐して再度結合さ
せるマッハツェンダ干渉計と、その出力光を電気信号に
変換する受光器と、一方の光経路において検出対象の物
理量に応じた交流位相変化を通過光に与える物理量検出
媒質と、前記受光器の出力信号から前記物理量に依存す
る振幅を持つ交流成分を分離検出する検波器と、この検
波器の出力信号の前記波長掃引周期における最大値を検
出する最大値検出器とを備えたものである。
周期が一定の波長掃引を行う波長可変光源と、その波長
可変光源からの光を２つの光経路に分岐して再度結合さ
せるマッハツェンダ干渉計と、その出力光を電気信号に
変換する受光器と、一方の光経路において検出対象の物
理量に応じた交流位相変化を通過光に与える物理量検出
媒質と、前記受光器の出力信号から前記物理量に依存す
る振幅を持つ交流成分を分離検出する検波器と、この検
波器の出力信号の前記波長掃引周期における最大値を検
出する最大値検出器とを備えたものである。
【００２８】前記光経路が光ファイバにより構成されて
もよい。
もよい。
【００２９】前記光経路がシリコン基板又はガラス基板
上に形成された光導波路により構成されてもよい。
上に形成された光導波路により構成されてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００３１】図１に示されるように、本発明の第一の実
施形態のマッハツェンダ干渉計光センサは、光源１と、
ビームスプリッタ２、６、ミラー３、５からなるマッハ
ツェンダ干渉計と、マッハツェンダ干渉計からの出力光
を電気信号に変換する受光器７と、光経路ｂにおいて検
出対象の物理量に応じた交流位相変化を通過光に与える
物理量検出媒質４と、物理量検出媒質４に角周波数ωS
の正弦波電気信号を供給する媒質用交流電源１１と、光
経路ａにおいて位相変化の周期が一定で位相変化の振幅
が一定の位相掃引を通過光に与える位相変調器８と、位
相変調器８を駆動する位相変調用交流電源１２と、受光
器７の出力信号から前記物理量に依存する振幅を持つ交
流成分を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力す
る検波器９と、この検波器９の出力信号の前記位相掃引
周期における最大値を検出し、その最大値に比例した信
号を出力する最大値検出器１０とから構成されている。
施形態のマッハツェンダ干渉計光センサは、光源１と、
ビームスプリッタ２、６、ミラー３、５からなるマッハ
ツェンダ干渉計と、マッハツェンダ干渉計からの出力光
を電気信号に変換する受光器７と、光経路ｂにおいて検
出対象の物理量に応じた交流位相変化を通過光に与える
物理量検出媒質４と、物理量検出媒質４に角周波数ωS
の正弦波電気信号を供給する媒質用交流電源１１と、光
経路ａにおいて位相変化の周期が一定で位相変化の振幅
が一定の位相掃引を通過光に与える位相変調器８と、位
相変調器８を駆動する位相変調用交流電源１２と、受光
器７の出力信号から前記物理量に依存する振幅を持つ交
流成分を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力す
る検波器９と、この検波器９の出力信号の前記位相掃引
周期における最大値を検出し、その最大値に比例した信
号を出力する最大値検出器１０とから構成されている。
【００３２】光源１から出力される光は、ビームスプリ
ッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐される。ビーム
スプリッタ入力時の光の電場が（１９）式で与えられる
とする。
ッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐される。ビーム
スプリッタ入力時の光の電場が（１９）式で与えられる
とする。
【００３３】
【数６】
【００３４】光経路ｂには、検出対象の物理量に応じた
光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４が挿入さ
れている。物理量検出媒質４には媒質用交流電源１１か
ら角周波数ωS の正弦波電気信号が供給され、これによ
って物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理
量ｘ（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS の交
流光位相変化φS が与えられるものとする。以下では、
この交流光位相変化φ S が正弦波である場合を例にとっ
て説明する。この場合、交流光位相変化φS は、（２
０）式、（２１）式で表される。
光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４が挿入さ
れている。物理量検出媒質４には媒質用交流電源１１か
ら角周波数ωS の正弦波電気信号が供給され、これによ
って物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理
量ｘ（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS の交
流光位相変化φS が与えられるものとする。以下では、
この交流光位相変化φ S が正弦波である場合を例にとっ
て説明する。この場合、交流光位相変化φS は、（２
０）式、（２１）式で表される。
【００３５】
【数７】
【００３６】一方、光経路ａには位相変調器８が挿入さ
れている。尚、位相変調器８は光経路ｂに挿入してもよ
い。位相変調器８は、位相変調用交流電源１２からの印
加電気信号に応じた光位相変化（位相掃引）φ
scan（ｔ）を通過光に与えるものである。ここで、光位
相変化φscan（ｔ）は、位相掃引振幅φscan A 及び位相
掃引周期Ｔscanで定められる。位相掃引振幅φscan A
は、使用環境条件変化によるマッハツェンダ干渉計の２
経路間光位相差Δφ（ｔ）の変化速度によって決定され
る。光位相差Δφ（ｔ）は、（２２）式で表される。
れている。尚、位相変調器８は光経路ｂに挿入してもよ
い。位相変調器８は、位相変調用交流電源１２からの印
加電気信号に応じた光位相変化（位相掃引）φ
scan（ｔ）を通過光に与えるものである。ここで、光位
相変化φscan（ｔ）は、位相掃引振幅φscan A 及び位相
掃引周期Ｔscanで定められる。位相掃引振幅φscan A
は、使用環境条件変化によるマッハツェンダ干渉計の２
経路間光位相差Δφ（ｔ）の変化速度によって決定され
る。光位相差Δφ（ｔ）は、（２２）式で表される。
【００３７】
【数８】
【００３８】ここで、Ｌa 、Ｌb は光経路ａ、ｂの光路
長、λは光波長である。
長、λは光波長である。
【００３９】使用環境下における位相掃引周期Ｔscanの
期間中での２経路間の光位相差Δφ（ｔ）の変化量の最
大値がΔφmax である場合、位相掃引振幅φscan A は必
要条件式である（２３）式を満たすものとする。
期間中での２経路間の光位相差Δφ（ｔ）の変化量の最
大値がΔφmax である場合、位相掃引振幅φscan A は必
要条件式である（２３）式を満たすものとする。
【００４０】
【数９】
【００４１】（２３）式が満たされる場合、２経路間の
光位相差Δφ（ｔ）が位相掃引周期Ｔscanの期間中に２
π以上変化することが保証される。
光位相差Δφ（ｔ）が位相掃引周期Ｔscanの期間中に２
π以上変化することが保証される。
【００４２】光経路ａ，ｂを通過した光は、ビームスプ
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（２４）式で与えられる。
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（２４）式で与えられる。
【００４３】
【数１０】
【００４４】ただし、ここで、光源１のコヒーレント長
は２つの光経路間の光路長差Ｌb −Ｌa に対し十分長い
ことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光路
長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光方
向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
は２つの光経路間の光路長差Ｌb −Ｌa に対し十分長い
ことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光路
長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光方
向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
【００４５】ここで、αa 、αb は、マッハツェンダ干
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
【００４６】検波器９は、（２４）式で表される受光器
７の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωs に
関わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信
号Ｖ r を出力する。このような機能を持つものとしては
同期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、交流電源１１から同期信号が供給され
る。
７の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωs に
関わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信
号Ｖ r を出力する。このような機能を持つものとしては
同期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、交流電源１１から同期信号が供給され
る。
【００４７】検波器９の出力信号Ｖr は、（２７）式で
表される。
表される。
【００４８】
【数１１】
【００４９】（２７）式において、ＧS は検波器９のゲ
インである。この（２７）式で表される出力信号Ｖr を
得るには、光位相差Δφ（ｔ）及び光位相変化φ
scan（ｔ）の変動周期が２π／ωS よりも大きいことが
必要条件となる。
インである。この（２７）式で表される出力信号Ｖr を
得るには、光位相差Δφ（ｔ）及び光位相変化φ
scan（ｔ）の変動周期が２π／ωS よりも大きいことが
必要条件となる。
【００５０】最大値検出器１０には、検波器９の出力信
号Ｖr 及び交流電源１２からの同期信号が入力される。
最大値検出器１０は、同期信号掃引時間（位相掃引周
期）Ｔ scanの期間中での検波器９の出力信号Ｖr の最大
値を求め、求めた値に比例した信号Ｖout を出力する。
号Ｖr 及び交流電源１２からの同期信号が入力される。
最大値検出器１０は、同期信号掃引時間（位相掃引周
期）Ｔ scanの期間中での検波器９の出力信号Ｖr の最大
値を求め、求めた値に比例した信号Ｖout を出力する。
【００５１】次に、図１のマッハツェンダ干渉計光セン
サに検出対象の物理量ｘ（ｔ）を与えた時の各信号の経
時変化の様子を図２〜図５により説明する。尚、これら
の信号波形は模擬計算によって得たものである。
サに検出対象の物理量ｘ（ｔ）を与えた時の各信号の経
時変化の様子を図２〜図５により説明する。尚、これら
の信号波形は模擬計算によって得たものである。
【００５２】図２は、検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時
変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔscanで除算し
た規格化時刻、縦軸は物理量ｘ（ｔ）の大きさを表す。
図示のように、物理量ｘ（ｔ）は、規格化時刻０〜約
２．５の間は１、規格化時刻約２．５〜約４の間は０、
規格化時刻約４以降は２の値をとるものとする。
変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔscanで除算し
た規格化時刻、縦軸は物理量ｘ（ｔ）の大きさを表す。
図示のように、物理量ｘ（ｔ）は、規格化時刻０〜約
２．５の間は１、規格化時刻約２．５〜約４の間は０、
規格化時刻約４以降は２の値をとるものとする。
【００５３】図３は、マッハツェンダ干渉計に生じる経
路間位相差Δφ（ｔ）及び位相変調器８で与えられる位
相掃引φscan（ｔ）の経時変化を示す。横軸は時刻を位
相掃引周期Ｔscanで除算した規格化時刻、縦軸はπで規
格化した経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φ
scan（ｔ）を表す。図中、細線で示す経路間位相差Δφ
（ｔ）の時間的変動として位相掃引周期Ｔscanあたり
０．０１π［ｒａｄ］の線形な変動を仮定した。また、
位相掃引φscan（ｔ）は、必要条件式（２３）式を満た
すよう、周期２Ｔscan、振幅２．２πの三角波とした。
路間位相差Δφ（ｔ）及び位相変調器８で与えられる位
相掃引φscan（ｔ）の経時変化を示す。横軸は時刻を位
相掃引周期Ｔscanで除算した規格化時刻、縦軸はπで規
格化した経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φ
scan（ｔ）を表す。図中、細線で示す経路間位相差Δφ
（ｔ）の時間的変動として位相掃引周期Ｔscanあたり
０．０１π［ｒａｄ］の線形な変動を仮定した。また、
位相掃引φscan（ｔ）は、必要条件式（２３）式を満た
すよう、周期２Ｔscan、振幅２．２πの三角波とした。
【００５４】図４は、このときの検波器９の出力信号Ｖ
r の経時変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔscan
で除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖr を表す。
尚、この模擬計算では、交流光位相変化φS の振幅φS
A が十分小さく、
r の経時変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔscan
で除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖr を表す。
尚、この模擬計算では、交流光位相変化φS の振幅φS
A が十分小さく、
【００５５】
【数１２】
【００５６】と近似できるとして計算を行っている。こ
の場合、（２７）式で表される出力信号Ｖr は、（２
８）式に近似される。
の場合、（２７）式で表される出力信号Ｖr は、（２
８）式に近似される。
【００５７】
【数１３】
【００５８】また、見通しをよくするために、（２８）
式における係数２εＧS Ｉinc ＶｉｓＣ1 ＳS ＝１とし
てグラフに表した。
式における係数２εＧS Ｉinc ＶｉｓＣ1 ＳS ＝１とし
てグラフに表した。
【００５９】この場合、（２８）式及び図４に示される
ように、出力信号Ｖr は、位相掃引周期Ｔscanの期間中
に正弦波状に変化し、その間の最大値は当該位相掃引周
期Ｔ scan期間中の物理量ｘ（ｔ）の最大値に比例するこ
とが分かる。
ように、出力信号Ｖr は、位相掃引周期Ｔscanの期間中
に正弦波状に変化し、その間の最大値は当該位相掃引周
期Ｔ scan期間中の物理量ｘ（ｔ）の最大値に比例するこ
とが分かる。
【００６０】図５は、最大値検出回路１０の出力信号Ｖ
out の経時変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔ
scanで除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖout の大
きさを表す。但し、この模擬計算では、最大値検出回路
１０のサンプリング間隔はＴsc an／１０とした。最大値
検出回路１０は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔscanまでの間の
出力信号Ｖr の最大サンプリング値（図４において黒点
で示した）を時刻ｔ＋Ｔ scanから時刻ｔ＋２Ｔscanまで
の間出力する機能を持つ。
out の経時変化を示す。横軸は時刻を位相掃引周期Ｔ
scanで除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖout の大
きさを表す。但し、この模擬計算では、最大値検出回路
１０のサンプリング間隔はＴsc an／１０とした。最大値
検出回路１０は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔscanまでの間の
出力信号Ｖr の最大サンプリング値（図４において黒点
で示した）を時刻ｔ＋Ｔ scanから時刻ｔ＋２Ｔscanまで
の間出力する機能を持つ。
【００６１】図２の物理量ｘ（ｔ）と図５の出力信号Ｖ
out とを比較すると、時間遅れはあるものの、出力信号
Ｖout が物理量ｘ（ｔ）に追随し、安定して変化してい
ることが分かる。この出力信号Ｖout の物理量ｘ（ｔ）
に対する時間遅れは、出力信号Ｖout が位相掃引周期Ｔ
scan間隔で出力されることに起因している。よって、本
発明は、位相掃引周期Ｔscanよりも速い周期で変動する
物理量の検出には不向きであるが、時間遅れが問題とな
らないような速度で変化する物理量ｘ（ｔ）の検出には
有効であるといえる。
out とを比較すると、時間遅れはあるものの、出力信号
Ｖout が物理量ｘ（ｔ）に追随し、安定して変化してい
ることが分かる。この出力信号Ｖout の物理量ｘ（ｔ）
に対する時間遅れは、出力信号Ｖout が位相掃引周期Ｔ
scan間隔で出力されることに起因している。よって、本
発明は、位相掃引周期Ｔscanよりも速い周期で変動する
物理量の検出には不向きであるが、時間遅れが問題とな
らないような速度で変化する物理量ｘ（ｔ）の検出には
有効であるといえる。
【００６２】尚、上記実施形態では、光経路を空間伝搬
経路としたが、光ファイバ又はガラス基板、シリコン基
板上に形成された光導波路で構成した場合でも、本発明
を実施して上記形態と同様の効果を得ることができる。
経路としたが、光ファイバ又はガラス基板、シリコン基
板上に形成された光導波路で構成した場合でも、本発明
を実施して上記形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】以下、本発明の第二の実施形態を添付図面
に基づいて詳述する。
に基づいて詳述する。
【００６４】図６に示されるように、本発明の第一の実
施形態のマッハツェンダ干渉計光センサは、波長変化の
振幅が一定で波長変化の周期が一定の波長掃引を行う波
長可変光源１と、その光源１に接続され、ビームスプリ
ッタ２、６、ミラー３、５からなるマッハツェンダ干渉
計と、マッハツェンダ干渉計からの出力光を電気信号に
変換する受光器７と、光経路ｂにおいて検出対象の物理
量に応じた交流位相変化を通過光に与える物理量検出媒
質４と、物理量検出媒質４に角周波数ωS の正弦波電気
信号を供給する媒質用交流電源１１と、受光器７の出力
信号から前記物理量に依存する振幅を持つ交流成分を分
離検出し、その振幅に比例した信号を出力する検波器９
と、この検波器９の出力信号の前記位相掃引周期におけ
る最大値を検出し、その最大値に比例した信号を出力す
る最大値検出器１０と、波長可変光源１の発振波長を制
御する光源波長用交流電源１２とから構成されている。
施形態のマッハツェンダ干渉計光センサは、波長変化の
振幅が一定で波長変化の周期が一定の波長掃引を行う波
長可変光源１と、その光源１に接続され、ビームスプリ
ッタ２、６、ミラー３、５からなるマッハツェンダ干渉
計と、マッハツェンダ干渉計からの出力光を電気信号に
変換する受光器７と、光経路ｂにおいて検出対象の物理
量に応じた交流位相変化を通過光に与える物理量検出媒
質４と、物理量検出媒質４に角周波数ωS の正弦波電気
信号を供給する媒質用交流電源１１と、受光器７の出力
信号から前記物理量に依存する振幅を持つ交流成分を分
離検出し、その振幅に比例した信号を出力する検波器９
と、この検波器９の出力信号の前記位相掃引周期におけ
る最大値を検出し、その最大値に比例した信号を出力す
る最大値検出器１０と、波長可変光源１の発振波長を制
御する光源波長用交流電源１２とから構成されている。
【００６５】波長可変光源１は、光源波長用交流電源１
２からの電気信号印加によって発振波長が制御できる。
波長可変光源１の発振波長λ（ｔ）は、中心波長λ0 、
掃引波長幅Δλ、掃引周期をＴscanで定義される。ただ
し、掃引波長幅Δλは中心波長λ0 に比べて十分小さい
とする。このときビームスプリッタ入力時の光の電場は
（３９）式で与えられる。
２からの電気信号印加によって発振波長が制御できる。
波長可変光源１の発振波長λ（ｔ）は、中心波長λ0 、
掃引波長幅Δλ、掃引周期をＴscanで定義される。ただ
し、掃引波長幅Δλは中心波長λ0 に比べて十分小さい
とする。このときビームスプリッタ入力時の光の電場は
（３９）式で与えられる。
【００６６】
【数１４】
【００６７】この波長可変光源１から出力される光は、
ビームスプリッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐さ
れる。ここで、光経路ａ，ｂには、作成の際、初期光路
長差ΔＬ0 を設けることとする。このように作成された
マッハツェンダ干渉計を温度変動などのある実環境下で
使用した場合、光経路ａ，ｂ間の光路長差ΔＬ（ｔ）は
（４０）式で表される。
ビームスプリッタ２により２本の光経路ａ，ｂに分岐さ
れる。ここで、光経路ａ，ｂには、作成の際、初期光路
長差ΔＬ0 を設けることとする。このように作成された
マッハツェンダ干渉計を温度変動などのある実環境下で
使用した場合、光経路ａ，ｂ間の光路長差ΔＬ（ｔ）は
（４０）式で表される。
【００６８】
【数１５】
【００６９】ここで、δＬ（ｔ）は環境条件変動により
変動する光路長差を表す。本発明の場合、作製の際に設
ける初期光路長差ΔＬ0 はこの変動光路長差δＬ（ｔ）
よりも大きいことが必要条件となる。
変動する光路長差を表す。本発明の場合、作製の際に設
ける初期光路長差ΔＬ0 はこの変動光路長差δＬ（ｔ）
よりも大きいことが必要条件となる。
【００７０】ここで、光経路ａ，ｂが石英光ファイバで
構成される場合を例にとって、環境温度変化がある場合
の変動光路長差δＬ（ｔ）を簡単に見積っておく。マッ
ハツェンダ干渉計の１光経路の光路長は通常数ｍ程度で
ある。ここでは、１光経路の光路長を１０ｍとする。ま
た、温度変動による光路長変化は石英光ファイバの場合
のオーダとして１０-5／ｍ・℃程度である。さらに、２
光経路間の温度差を見積もる。使用環境の温度変動幅及
びマッハツェンダ干渉計の経路の設置方法にもよるが、
１つの筐体の中にマッハツェンダ干渉計が納められてい
る場合、多く見積もっても２光経路間の温度差は１０℃
程度である。この場合、温度変動によって生じる２光経
路間の光路長差は多く見積もって１ｍｍ程度となり、こ
れよりも大きな光路長差ΔＬ0 を設けることは現実的に
十分可能である。
構成される場合を例にとって、環境温度変化がある場合
の変動光路長差δＬ（ｔ）を簡単に見積っておく。マッ
ハツェンダ干渉計の１光経路の光路長は通常数ｍ程度で
ある。ここでは、１光経路の光路長を１０ｍとする。ま
た、温度変動による光路長変化は石英光ファイバの場合
のオーダとして１０-5／ｍ・℃程度である。さらに、２
光経路間の温度差を見積もる。使用環境の温度変動幅及
びマッハツェンダ干渉計の経路の設置方法にもよるが、
１つの筐体の中にマッハツェンダ干渉計が納められてい
る場合、多く見積もっても２光経路間の温度差は１０℃
程度である。この場合、温度変動によって生じる２光経
路間の光路長差は多く見積もって１ｍｍ程度となり、こ
れよりも大きな光路長差ΔＬ0 を設けることは現実的に
十分可能である。
【００７１】波長可変光源１の掃引波長幅Δλ及びマッ
ハツェンダ干渉計作成の際に設ける初期光路長差ΔＬ0
は、温度変動などの環境変化によって生じる光路長変化
の速度によって決定される。使用環境下において２光経
路間の光位相差Δφ（ｔ）が掃引周期Ｔscanあたり最大
Δφmax 変動するとすると、初期光路長差ΔＬ0 及び掃
引波長幅Δλは、必要条件（４１）式を満たさねばなら
ない。
ハツェンダ干渉計作成の際に設ける初期光路長差ΔＬ0
は、温度変動などの環境変化によって生じる光路長変化
の速度によって決定される。使用環境下において２光経
路間の光位相差Δφ（ｔ）が掃引周期Ｔscanあたり最大
Δφmax 変動するとすると、初期光路長差ΔＬ0 及び掃
引波長幅Δλは、必要条件（４１）式を満たさねばなら
ない。
【００７２】
【数１６】
【００７３】（４１）式の右辺は、初期光路長差ΔＬ0
及び掃引波長幅Δλの波長掃引によって生み出されるマ
ッハツェンダ干渉計の２光経路間の位相差の振幅を表
す。この波長掃引によって生じる位相差を掃引位相差φ
scan（ｔ）と呼ぶ。（４１）式が満たされる場合、２光
経路間の掃引位相差φscan（ｔ）は、波長掃引ごとに２
π以上の幅で変化することが保証される。
及び掃引波長幅Δλの波長掃引によって生み出されるマ
ッハツェンダ干渉計の２光経路間の位相差の振幅を表
す。この波長掃引によって生じる位相差を掃引位相差φ
scan（ｔ）と呼ぶ。（４１）式が満たされる場合、２光
経路間の掃引位相差φscan（ｔ）は、波長掃引ごとに２
π以上の幅で変化することが保証される。
【００７４】光経路ｂには、検出対象の物理量に応じた
光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４が挿入さ
れている。物理量検出媒質４には交流電源１１から角周
波数ωS の正弦波電気信号が供給され、これによって物
理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理量ｘ
（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS の交流光
位相変化φS が与えられるものとする。以下では、この
交流光位相変化φS が正弦波である場合を例にとって説
明する。この場合、交流光位相変化φS は、（４２）式
で表される。
光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４が挿入さ
れている。物理量検出媒質４には交流電源１１から角周
波数ωS の正弦波電気信号が供給され、これによって物
理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理量ｘ
（ｔ）に比例する振幅を持ち、角周波数がωS の交流光
位相変化φS が与えられるものとする。以下では、この
交流光位相変化φS が正弦波である場合を例にとって説
明する。この場合、交流光位相変化φS は、（４２）式
で表される。
【００７５】
【数１７】
【００７６】（４２）式におけるφS A （ｔ）は（４
３）式で表される。
３）式で表される。
【００７７】
【数１８】
【００７８】光経路ａ，ｂを通過した光は、ビームスプ
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（４４）式で与えられる。
リッタ６により合波され、受光器７に入力される。受光
器７の出力信号強度ＶPDは（４４）式で与えられる。
【００７９】
【数１９】
【００８０】ただし、ここで、光源１のコヒーレント長
は２つの光経路間の光路長差Ｌb −Ｌa に対し十分長い
ことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光路
長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光方
向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
は２つの光経路間の光路長差Ｌb −Ｌa に対し十分長い
ことを仮定する。この場合、可視度Ｖｉｓはパス間光路
長差には依存しない。また、合波する２つの光の偏光方
向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
【００８１】ここで、αa 、αb は、マッハツェンダ干
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
渉計の光経路ａ、ｂの光強度損失、ｋ1 、ｋ2 はビーム
スプリッタ２、６の光強度分岐比、Ｌa 、Ｌb は光経路
ａ、ｂの光路長である。εは受光器７の光電変換効率を
表す。
【００８２】検波器９は、（４４）式で表される受光器
７の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωs に
関わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信
号Ｖ r を出力する。このような機能を持つものとしては
同期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、媒質用交流電源１１から同期信号が供
給される。
７の出力信号強度ＶPDのうちに含まれる角周波数ωs に
関わる成分を分離検出し、その成分の振幅に比例した信
号Ｖ r を出力する。このような機能を持つものとしては
同期検波器（ロックインアンプ）が知られている。一般
に、同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が
必要になるので、媒質用交流電源１１から同期信号が供
給される。
【００８３】検波器９の出力信号Ｖr は、（４７）式で
表される。
表される。
【００８４】
【数２０】
【００８５】（４７）式において、ＧS は検波器９のゲ
インである。この（４７）式で表される出力信号Ｖr を
得るには、光位相差Δφ（ｔ）及び掃引位相差φ
scan（ｔ）の変動周期が２π／ωS よりも大きいことが
必要条件となる。
インである。この（４７）式で表される出力信号Ｖr を
得るには、光位相差Δφ（ｔ）及び掃引位相差φ
scan（ｔ）の変動周期が２π／ωS よりも大きいことが
必要条件となる。
【００８６】最大値検出器１０には、検波器９の出力信
号Ｖr 及び交流電源１２からの同期信号が入力される。
最大値検出器１０は、同期信号掃引時間（位相掃引周
期）Ｔ scanの期間中での検波器９の出力信号Ｖr の最大
値を求め、求めた値に比例した信号Ｖout を出力する。
号Ｖr 及び交流電源１２からの同期信号が入力される。
最大値検出器１０は、同期信号掃引時間（位相掃引周
期）Ｔ scanの期間中での検波器９の出力信号Ｖr の最大
値を求め、求めた値に比例した信号Ｖout を出力する。
【００８７】次に、図６のマッハツェンダ干渉計光セン
サに検出対象の物理量ｘ（ｔ）を与えた時の各信号の経
時変化の様子を図７〜図１０により説明する。尚、これ
らの信号波形は模擬計算によって得たものである。
サに検出対象の物理量ｘ（ｔ）を与えた時の各信号の経
時変化の様子を図７〜図１０により説明する。尚、これ
らの信号波形は模擬計算によって得たものである。
【００８８】図７は、検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時
変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscanで除算し
た規格化時刻、縦軸は物理量ｘ（ｔ）の大きさを表す。
図示のように、物理量ｘ（ｔ）は、規格化時刻０〜約
２．５の間は１、規格化時刻約２．５〜約４の間は０、
規格化時刻約４以降は２の値をとるものとする。
変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscanで除算し
た規格化時刻、縦軸は物理量ｘ（ｔ）の大きさを表す。
図示のように、物理量ｘ（ｔ）は、規格化時刻０〜約
２．５の間は１、規格化時刻約２．５〜約４の間は０、
規格化時刻約４以降は２の値をとるものとする。
【００８９】図８は、マッハツェンダ干渉計に生じる経
路間位相差Δφ（ｔ）及び光源波長掃引によって与えら
れる２光経路間の掃引位相差φscan（ｔ）の経時変化を
示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscanで除算した規格
化時刻、縦軸はπで規格化した経路間位相差Δφ（ｔ）
及び掃引位相差φscan（ｔ）を表す。図中、細線で示す
経路間位相差Δφ（ｔ）の時間的変動として波長掃引周
期Ｔscanあたり０．０１π［ｒａｄ］の線形な変動を仮
定した。また、掃引位相差φscan（ｔ）は、周期２Ｔ
scan、振幅２．２π［ｒａｄ］の三角波とした。
路間位相差Δφ（ｔ）及び光源波長掃引によって与えら
れる２光経路間の掃引位相差φscan（ｔ）の経時変化を
示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscanで除算した規格
化時刻、縦軸はπで規格化した経路間位相差Δφ（ｔ）
及び掃引位相差φscan（ｔ）を表す。図中、細線で示す
経路間位相差Δφ（ｔ）の時間的変動として波長掃引周
期Ｔscanあたり０．０１π［ｒａｄ］の線形な変動を仮
定した。また、掃引位相差φscan（ｔ）は、周期２Ｔ
scan、振幅２．２π［ｒａｄ］の三角波とした。
【００９０】図９は、このときの検波器９の出力信号Ｖ
r の経時変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscan
で除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖr を表す。
尚、この模擬計算では、交流光位相変化φS の振幅φS
A が十分小さく、
r の経時変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔscan
で除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖr を表す。
尚、この模擬計算では、交流光位相変化φS の振幅φS
A が十分小さく、
【００９１】
【数２１】
【００９２】と近似できるとして計算を行っている。こ
の場合、（４７）式で表される出力信号Ｖr は、（４
８）式に近似される。
の場合、（４７）式で表される出力信号Ｖr は、（４
８）式に近似される。
【００９３】
【数２２】
【００９４】また、見通しをよくするために、（４８）
式における係数２εＧS Ｉinc ＶｉｓＣ1 ＳS ＝１とし
てグラフに表した。
式における係数２εＧS Ｉinc ＶｉｓＣ1 ＳS ＝１とし
てグラフに表した。
【００９５】この場合、（４８）式及び図９に示される
ように、出力信号Ｖr は、波長掃引周期Ｔscanの期間中
に正弦波状に変化し、その間の最大値は当該波長掃引周
期Ｔ scan期間中の物理量ｘ（ｔ）の最大値に比例するこ
とが分かる。
ように、出力信号Ｖr は、波長掃引周期Ｔscanの期間中
に正弦波状に変化し、その間の最大値は当該波長掃引周
期Ｔ scan期間中の物理量ｘ（ｔ）の最大値に比例するこ
とが分かる。
【００９６】図１０は、最大値検出回路１０の出力信号
Ｖout の経時変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔ
scanで除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖout の大
きさを表す。但し、模擬計算の際、最大値検出回路１０
のサンプリング間隔はＴscan／１０とした。最大値検出
回路１０は、各波長掃引周期Ｔscan期間中の出力信号Ｖ
r の最大値（図９において黒点で示した）をＶout とし
て出力する機能を持つ。図７の検出対象の物理量ｘ
（ｔ）と図１０の出力信号Ｖout とを比較すると、時間
遅れはあるものの、出力信号Ｖout が物理量ｘ（ｔ）に
追随し、安定して変化していることが分かる。この出力
信号Ｖout の物理量ｘ（ｔ）に対する時間遅れは、出力
信号Ｖout が波長掃引周期Ｔscan間隔で出力されること
に起因している。よって、本発明は、波長掃引周期Ｔ
scanよりも速い周期で変動する物理量の検出には不向き
であるが、時間遅れが問題とならないような速度で変化
する物理量ｘ（ｔ）の検出には有効であるといえる。
Ｖout の経時変化を示す。横軸は時刻を波長掃引周期Ｔ
scanで除算した規格化時刻、縦軸は出力信号Ｖout の大
きさを表す。但し、模擬計算の際、最大値検出回路１０
のサンプリング間隔はＴscan／１０とした。最大値検出
回路１０は、各波長掃引周期Ｔscan期間中の出力信号Ｖ
r の最大値（図９において黒点で示した）をＶout とし
て出力する機能を持つ。図７の検出対象の物理量ｘ
（ｔ）と図１０の出力信号Ｖout とを比較すると、時間
遅れはあるものの、出力信号Ｖout が物理量ｘ（ｔ）に
追随し、安定して変化していることが分かる。この出力
信号Ｖout の物理量ｘ（ｔ）に対する時間遅れは、出力
信号Ｖout が波長掃引周期Ｔscan間隔で出力されること
に起因している。よって、本発明は、波長掃引周期Ｔ
scanよりも速い周期で変動する物理量の検出には不向き
であるが、時間遅れが問題とならないような速度で変化
する物理量ｘ（ｔ）の検出には有効であるといえる。
【００９７】尚、上記実施形態では、光経路を空間伝搬
経路としたが、光ファイバ又はガラス基板、シリコン基
板上に形成された光導波路で構成した場合でも、本発明
を実施して上記形態と同様の効果を得ることができる。
経路としたが、光ファイバ又はガラス基板、シリコン基
板上に形成された光導波路で構成した場合でも、本発明
を実施して上記形態と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。
る。
【００９９】（１）温度変動などの環境変化に伴いマッ
ハツェンダ干渉計の２経路間の光位相差が時間的に変動
する場合でも、その影響を受けず安定した物理量検出信
号を位相変化掃引周期間隔又は光源波長掃引周期間隔で
得ることができる。
ハツェンダ干渉計の２経路間の光位相差が時間的に変動
する場合でも、その影響を受けず安定した物理量検出信
号を位相変化掃引周期間隔又は光源波長掃引周期間隔で
得ることができる。
【０１００】（２）光位相差固定のためのフィードバッ
ク回路を必要としないため、安価に作成することができ
る。
ク回路を必要としないため、安価に作成することができ
る。
【図１】本発明の第一の実施形態を示すマッハツェンダ
干渉計光センサの光学電気回路図である。
干渉計光センサの光学電気回路図である。
【図２】図１のマッハツェンダ干渉計光センサに与えた
検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時変化波形図である。
検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時変化波形図である。
【図３】図１のマッハツェンダ干渉計光センサにおける
経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φscan（ｔ）の経
時変化波形図である。
経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φscan（ｔ）の経
時変化波形図である。
【図４】図１のマッハツェンダ干渉計光センサにおける
検波器９の出力信号Ｖr の経時変化波形図である。
検波器９の出力信号Ｖr の経時変化波形図である。
【図５】図１のマッハツェンダ干渉計光センサにおける
最大値検出回路１０の出力信号Ｖout の経時変化波形図
である。
最大値検出回路１０の出力信号Ｖout の経時変化波形図
である。
【図６】本発明の第二の実施形態を示すマッハツェンダ
干渉計光センサの光学電気回路図である。
干渉計光センサの光学電気回路図である。
【図７】図６のマッハツェンダ干渉計光センサに与えた
検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時変化波形図である。
検出対象の物理量ｘ（ｔ）の経時変化波形図である。
【図８】図６のマッハツェンダ干渉計光センサにおける
経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φscan（ｔ）の経
時変化波形図である。
経路間位相差Δφ（ｔ）及び位相掃引φscan（ｔ）の経
時変化波形図である。
【図９】図６のマッハツェンダ干渉計光センサにおける
検波器９の出力信号Ｖr の経時変化波形図である。
検波器９の出力信号Ｖr の経時変化波形図である。
【図１０】図６のマッハツェンダ干渉計光センサにおけ
る最大値検出回路１０の出力信号Ｖout の経時変化波形
図である。
る最大値検出回路１０の出力信号Ｖout の経時変化波形
図である。
【図１１】従来のマッハツェンダ干渉計光センサの光学
電気回路図である。
電気回路図である。
【図１２】従来のマッハツェンダ干渉計光センサの光学
電気回路図である。
電気回路図である。
１ 光源又は波長可変光源
２、６ ビームスプリッタ
３、５ ミラー
４ 物理量検出媒質
７ 受光器
８ 位相変調器
９ 検波器
１０ 最大値検出器
１１ 媒質用交流電源
１２ 位相変調用交流電源又は光源波長用交流電源
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 砂原 秀一
愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動
車株式会社内
Ｆターム(参考） 2F064 DD02 EE04 GG02 GG06 GG22
GG55
Claims (4)
- 【請求項１】 光源と、その光源からの光を２つの光経
路に分岐して再度結合させるマッハツェンダ干渉計と、
その出力光を電気信号に変換する受光器と、一方の光経
路において検出対象の物理量に応じた交流位相変化を通
過光に与える物理量検出媒質と、一方の光経路において
位相変化の周期が一定で位相変化の振幅が一定の位相掃
引を通過光に与える位相変調器と、前記受光器の出力信
号から前記物理量に依存する振幅を持つ交流成分を分離
検出する検波器と、この検波器の出力信号の前記位相掃
引周期における最大値を検出する最大値検出器とを備え
たことを特徴とするマッハツェンダ干渉計光センサ。 - 【請求項２】 波長変化の振幅が一定で波長変化の周期
が一定の波長掃引を行う波長可変光源と、その波長可変
光源からの光を２つの光経路に分岐して再度結合させる
マッハツェンダ干渉計と、その出力光を電気信号に変換
する受光器と、一方の光経路において検出対象の物理量
に応じた交流位相変化を通過光に与える物理量検出媒質
と、前記受光器の出力信号から前記物理量に依存する振
幅を持つ交流成分を分離検出する検波器と、この検波器
の出力信号の前記波長掃引周期における最大値を検出す
る最大値検出器とを備えたことを特徴とするマッハツェ
ンダ干渉計光センサ。 - 【請求項３】 前記光経路が光ファイバにより構成され
ることを特徴とする請求項１又は２記載のマッハツェン
ダ干渉計光センサ。 - 【請求項４】 前記光経路がシリコン基板又はガラス基
板上に形成された光導波路により構成されることを特徴
とする請求項１又は２記載のマッハツェンダ干渉計光セ
ンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001329721A JP2003130609A (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | マッハツェンダ干渉計光センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001329721A JP2003130609A (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | マッハツェンダ干渉計光センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003130609A true JP2003130609A (ja) | 2003-05-08 |
Family
ID=19145572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001329721A Pending JP2003130609A (ja) | 2001-10-26 | 2001-10-26 | マッハツェンダ干渉計光センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003130609A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7768699B2 (en) | 2004-08-20 | 2010-08-03 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser phase difference detecting device and laser phase control device |
| JP2012168185A (ja) * | 2012-04-04 | 2012-09-06 | National Institute Of Information & Communication Technology | 複数マッハツェンダー干渉計を有する光変調器の特性評価方法 |
| JP2015194361A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | 株式会社東京精密 | 距離測定システム、距離測定装置、及び距離測定方法 |
-
2001
- 2001-10-26 JP JP2001329721A patent/JP2003130609A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7768699B2 (en) | 2004-08-20 | 2010-08-03 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser phase difference detecting device and laser phase control device |
| JP2012168185A (ja) * | 2012-04-04 | 2012-09-06 | National Institute Of Information & Communication Technology | 複数マッハツェンダー干渉計を有する光変調器の特性評価方法 |
| JP2015194361A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | 株式会社東京精密 | 距離測定システム、距離測定装置、及び距離測定方法 |
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