【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー素子中を進行する光の偏光面が磁界の強度に応じて回転する現象を利用した磁気センサに係り、特に、遠隔地の磁界を測定する場合に、長距離の光ファイバにより伝送されてきた光が外乱により受けた偏波面の変化による影響を除去する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の磁気センサは、小型で、かつ高感度化を図るためにファラデー素子が用いられている。つまり、ファラデー素子を透過したときのに受けた偏光面の回転角を知ることにより磁界の強度を検出している。
【０００３】
具体的には、光ファイバの伝送過程で外乱の影響を受けた楕円偏光を光磁気センサで受光すると、センサ内のコリメータ・レンズで一旦集光し、複屈折板を透過させる。このとき、光は偏光面の回転状態に関係なく、光強度の総エネルギーは保存した状態で複屈折板の結晶軸を基準とした、互いに直交する２つの光（偏光）に分離される。
【０００４】
分離された２つの偏光は、センサ内の光路終端側に配備したミラーによって反射され、ファラデー素子内を透過した往路と略同一光路を透過する。その過程で磁界の強度により偏光面に回転を受ける。
【０００５】
ファラデー素子を往復透過した２つの偏光は、再び複屈折板に入射および透過し、さらに偏光面の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光に分離される。
【０００６】
分離された計４つの偏光は、入射光路と同一光路を通らない偏光成分はコリメータ・レンズにより省かれる。つまり、ファラデー素子から出射された偏光の偏光面の回転角に応じて、コリメータ・レンズから出射され２つの偏光の光強度が変化する。
【０００７】
このコリメータ・レンズから出力された２つの偏光の光強度を光検出手段で検出して演算手段で演算処理をすることにより、外乱による偏光面の変化の影響を除去した検出結果を得ている（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３４９８７２号公報（第１０頁、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
磁気センサに入射して分離された２つの偏光が、ミラーによって反射してファラデー素子内に戻されたとき、各偏光が往路と略同一光路を復路として透過するので、各偏光が異なる偏光面の回転を受けるといった恐れがある。
【００１０】
すなわち、ファラデー素子は複合結晶であるので、不均一な結晶構造を有することがある、結果、結晶構造の異なる箇所を透過した偏光のそれぞれは、異なる偏光面の回転角を受けることになる。
【００１１】
また、均一な構造に成長させた大形のファラデー素子を得ることが困難なことから、小形のファラデー素子を並列配備して複屈折板で分離された偏光を個別のファラデー素子に往復透過させている場合もある。このような場合には、ファラデー素子の結晶構造のロット間におけるバラツキにより、分離された２つの偏光が異なる偏光面の回転を受けるといった問題もある。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外乱およびファラデー素子の固体誤差による影響を除去する高感度な磁気センサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に係る発明は、ファラデー素子中を進行する光の偏光面が磁界の強度に応じて回転する現象を利用した磁気センサであって、光出力手段と、第１光伝送手段を介して光出力手段に接続された光分岐手段と、第２光伝送手段を介して光分岐手段に接続されたセンサヘッドと、第３光伝送手段を介して光分岐手段に接続された光検出手段と、光検出手段の検出信号を与えられる演算手段とを備え、かつセンサヘッドは、第２光伝送手段との接続端側から順に配設された光学手段、複屈折板、ファラデー素子、および反転手段を備え、（Ａ）光出力手段は光を出力し、（Ｂ）光分岐手段は、第１光伝送手段を介して光出力手段から伝送された光を第２光伝送手段に向けて出射し、（Ｃ）センサヘッドの光学手段は、第２光伝送手段を介して光分岐手段から伝送された光を平行光に変換し、（Ｄ）センサヘッドの複屈折板は、光学手段からの平行光を、複屈折板の光学軸を基準とする互いに偏光面が直交する２つの偏光に分離し、（Ｅ）センサヘッドのファラデー素子は、複屈折板からの２つの偏光を透過させて、検出しようとする磁界の強度を２つの偏光の偏光面の回転角に変換し、（Ｆ）センサヘッドの反転手段は、ファラデー素子を透過した２つの偏光を反射し、それぞれの偏光が互いの往路を復路として通るように光路を変更させてファラデー素子に戻し、（Ｇ）センサヘッドの複屈折板は、ファラデー素子から戻ってきた２つの偏光のそれぞれを、各偏光の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光、即ち、合計４つの偏光に分離し、（Ｈ）センサヘッドの光学手段は、複屈折板から出射された４つの偏光のうち、入射光路とほぼ同じ光路を戻ってくる互いに直交する２つの偏光を選択的に透過させ、（Ｉ）光分岐手段は、第２光伝送手段を介して伝送された光学手段からの２つの偏光を第３光伝送手段に向けて分岐し、（Ｊ）光検出手段は、第３光伝送手段を介して伝送された光分岐手段からの２つの偏光の光強度を検出し、（Ｋ）演算手段は、光検出手段で検出された光強度に基づいて磁界の強度を算出することを特徴とする。
【００１４】
（作用・効果）請求項１に記載の発明によれば、光出力手段から出力された光は第１および第２の光伝送手段を伝送されてセンサヘッドに入射し、センサヘッド内の光学手段により平行光にされた後に複屈折板を透過する。このとき、平行光は、複屈折板の光学軸を基準とする互いに偏光面が直交して２つの光路を通る偏光に分離されて、ファラデー素子に向けて出射される。
【００１５】
これら２つの偏光は、ファラデー素子を透過する過程で、それぞれの偏光面に磁界の強度に応じた角度の回転を受け、偏光の入射面とは反対側に設けられた反転手段によりファラデー素子中に戻される。このとき、それぞれの偏光が互いの往路を復路として通るように光路が変更されてファラデー素子に戻される。
【００１６】
このファラデー素子に戻されて透過した２つの偏光は、再び複屈折板を透過する。その際に、２つの偏光のそれぞれは、各偏光の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光（合計４つの偏光）に分離されて光学手段に出力される。すなわち、互いに直交する２組の２偏光（合計４つの偏光）が、光学手段に向けて出射される。
【００１７】
出射された２組の２偏光は、光学手段により入射光とほぼ同一光路を戻る互いに直交する２つの偏光が選択されて出力され、検出対象の２つの偏光として第２光伝送手段に伝送され、光分岐手段に入力される。
【００１８】
この光分岐手段により、センサヘッドから戻ってきた検出対象の２つの偏光は第３光伝送手段を介して光検出手段へと出力される。検出対象の２つの偏光を検出した光検出手段は、その光強度を演算手段へと送る。演算手段は、検出された光強度に基づいて磁界の強度を算出する。つまり、光出力手段から出力された光が、光伝送手段を伝送中に外乱（温度、圧力など）の影響を受けて偏光面が変化したとしても、複屈折板を透過させることにより、偏光面の回転状態（位相状態）に関係なく、偏光面が互いに直交する２つの偏光に分離され、いずれの偏光も利用される。
【００１９】
ここで、ファラデー素子を透過する過程で偏光面に回転を受けた偏光成分は、再び複屈折板を透過する過程で分離されて、同一光路を戻らない偏光成分は光学手段により省かれている。つまり、ファラデー素子から出射された偏光の偏光面の回転角に応じて、光学手段から出力される２つの偏光の光強度が変化している。この２つの偏光は、光伝送手段を伝送されて光検出手段に達し、光の総エネルギー（光強度）として検出される。そして、この光強度に基づいて演算処理することにより、外乱による影響を除去した検出結果が得られる。
【００２０】
したがって、光出力手段から出力された直線光が、センサヘッドに伝送される途中で外乱により楕円軸・楕円率ともに不定となった楕円偏光になったとしても、センサヘッド内に設けられた複屈折板を透過させるにより、偏光面の回転状態に関係なく、光強度の総エネルギーは保存した状態で複屈折板の結晶軸を基準とした、互いに直交する２つの偏光に分離して利用することができる。
【００２１】
また、２つの偏光をファラデー素子に往復透過させているので、素子の感度の向上を図ることができる。また、センサヘッドへの入射光とセンサヘッドからの出射光とが、第２光伝送手段を共有するので、装置の小型化を図ることができる。
【００２２】
さらに、ファラデー素子に往復透過する過程で、２つの偏光が互いの往路を復路として通るように光路を変更し、同一条件下でファラデー素子を透過するので、ファラデー素子の結晶分布の不均一により発生する固体誤差の影響を解消することができる。
【００２３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の磁気センサにおいて、前記複屈折板と前記ファラデー素子の間、またはファラデー素子と反転手段の間のいずれかに複屈折板で分離された２つの偏光のそれぞれの偏光面に所定の回転角を持たせるための素子を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の磁気センサにおいて、偏光のそれぞれの偏光面に所定の回転角を持たせるための前記素子は、ファラデー素子であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁気センサにおいて、前記反転手段が、ミラー、プリズムを利用した反射手段、または光を伝送する光導波路であることを特徴とする。
【００２６】
（作用・効果）請求項３に記載の発明によれば、光出力手段からの初期の光が外乱や磁界の影響を受けずに検出される条件下で、光を複屈折板とファラデー素子の間、またはファラデー素子と反射手段の間のいずれかに設けられた予め偏光面の回転角を所定の角度にする素子を透過させることにより、光検出手段で与えられる光強度は測定対象の磁界の方向に応じて変化する。
【００２７】
つまり、測定磁界を「０」としたときに検出される光強度を基準値とし、この基準値と実測された検出結果とを比較することにより、磁界の強度だけでなく測定磁界の方向も検出することができる。この素子として、好ましくはファラデー素子である（請求項３）。また、好ましい反転手段としてミラー、プリズムを利用した反射手段、または光導波路が用いられる（請求項４）。
【００２８】
また、請求項５に係る発明は、ファラデー素子中を進行する光の偏光面が磁界の強度に応じて回転する現象を利用した磁気センサであって、光出力手段と、第１光伝送手段を介して光出力手段に接続された光分岐手段と、第２光伝送手段を介して光分岐手段に接続されたセンサヘッドと、第３光伝送手段を介して光分岐手段に接続された光検出手段と、光検出手段の検出信号を与えられる演算手段とを備え、かつセンサヘッドは、第２光伝送手段との接続端側から順に配設されたビームスプリッタ、ファラデー素子、および反転手段を備え、（ａ）光出力手段は光を出力し、（ｂ）光分岐手段は、第１光伝送手段を介して光出力手段から伝送された光を第２光伝送手段に向けて出射し、（ｃ）センサヘッドのビームスプリッタは、光分岐手段から伝送されてきた光を入射して伝送する光導波路を備え、この光導波路を光が伝送される過程で、偏光面が直交する２つの偏光に分離し、（ｄ）センサヘッドのファラデー素子は、ビームスプリッタからの２つの偏光を透過させて、検出しようとする磁界の強度を２つの偏光の偏光面の回転角に変換し、（ｅ）センサヘッドの反転手段は、ファラデー素子を透過した２つの偏光のそれぞれが互いの往路を復路として通るように光路を変更させてファラデー素子に戻し、（ｆ）センサヘッドのビームスプリッタは、ファラデー素子から戻ってきた２つの偏光のそれぞれを、各偏光の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光、即ち、合計４つの偏光に分離し、４つの偏光のうち入射光路を戻ってくる互いに直交する２つの偏光を選択して第２の光伝送手段に出力し、（ｇ）光分岐手段は、第２光伝送手段を介して伝送された光学手段からの２つの偏光を第３光伝送手段に向けて分岐し、（ｈ）光検出手段は、第３光伝送手段を介して伝送された光分岐手段からの２つの偏光の光強度を検出し、（ｉ）演算手段は、光検出手段で検出された光強度に基づいて磁界の強度を算出することを特徴とする。
【００２９】
（作用・効果）請求項５に記載の発明によれば、センサヘッドに入射した光は、ビームスプリッタを透過する過程で偏光面が直交して２つの光路を通る偏光に分離されて、ファラデー素子に向けて出射される。
【００３０】
これら２つの偏光は、ファラデー素子を透過する過程で、それぞれの偏光面に磁界の強度に応じた角度の回転を受け、偏光の入射面とは反対側に設けられた反転手段によりファラデー素子中に戻される。つまり、それぞれの偏光が互い往路を復路として通るように光路を変更されてファラデー素子に戻される。
【００３１】
このファラデー素子を戻されて透過した２つの偏光は、再びビームスプリッタを透過する。その際に、２つの偏光のそれぞれは、各偏光の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光（合計４つの偏光）に分離されされる。この分離された２組のうち、すなわち、入射光とほぼ同一光路を戻る互いに直交する１組の２偏光が光伝送手段に伝送され、光分岐手段に入力される。
【００３２】
この光分岐手段により、センサヘッドから戻ってきた検出対象の２つの偏光は第３光伝送手段を介して光検出手段へと出力される。検出対象の２つの偏光を検出した光検出手段は、その光強度を演算手段へと送る。演算手段は、検出された光強度に基づいて磁界の強度を算出する。つまり、光出力手段から出力された光が、光伝送手段を伝送中に外乱（温度、圧力など）の影響を受けて偏光面が変化したとしても、ビームスプリッタを透過させることにより、偏光面の回転状態（位相状態）に関係なく、偏光面が互いに直交する２つの偏光に分離され、いずれの偏光も利用される。
【００３３】
ここで、ファラデー素子を透過する過程で偏光面に回転を受けた偏光成分は、再びビームスプリッタを透過する過程で分離されて、同一光路を戻らない偏光成分はその時点で省かれる。つまり、ファラデー素子から出射された偏光の偏光面の回転角に応じて、ビームスプリッタから出力される２つの偏光の光強度が変化している。そして、この２つの偏光は、光伝送手段を伝送されて光検出手段に達し、光の総エネルギー（光強度）として検出される。そして、この光強度に基づいて演算処理することにより、外乱による影響を除去した検出結果が得られる。
【００３４】
したがって、光出力手段から出力された直線光が、センサヘッドに伝送される途中で外乱により楕円軸・楕円率ともに不定となった楕円偏光になったとしても、センサヘッド内に設けられたビームスプリッタを透過させるにより、偏光面の回転状態に関係なく、光強度の総エネルギーは保存した状態で、互いに直交する２つの偏光に分離して利用することができる。
【００３５】
また、２つの偏光をファラデー素子に往復透過させているので、素子の感度の向上を図ることができる。さらに、センサヘッドへの入射光とセンサヘッドからの出射光とが、第２光伝送手段を共有するので、装置の小型化を図ることができる。
【００３６】
さらに、ファラデー素子に往復透過する過程で、２つの偏光が同一光路を通るので、ファラデー素子の結晶分布の不均一により発生する固体誤差の影響を解消することができる。
【００３７】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載の磁気センサにおいて、前記ビームスプリッタとファラデー素子の間、またはファラデー素子と反転手段の間のいずれかに、ビームスプリッタで分離された２つの偏光のそれぞれの偏光面に所定の回転角を持たせるための素子を備えたこと特徴とする。
【００３８】
また、請求項７に係る発明は、請求項５に記載の磁気センサにおいて、偏光面に所定の回転角を持たせるための前記素子が、ファラデー素子であることを特徴とする。
【００３９】
また、請求項８に係る発明は、請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の磁気センサにおいて、前記反転手段が、ミラー、プリズムを利用した反射手段、または光を伝送する光導波路であることを特徴とする。
【００４０】
（作用・効果）請求項５に記載の発明によれば、光出力手段からの初期の光が外乱や磁界の影響を受けずに検出される条件下で、光をビームスプリッタとファラデー素子との間、またはファラデー素子と反転手段の間のいずれかに設けられた予め偏光面の回転角を所定の角度にする素子を透過させることにより、光検出手段で与えられる光強度は測定対象の磁界の方向に応じて変化する。
【００４１】
つまり、測定磁界を「０」としたときに検出される光強度を基準値とし、この基準値と実測された検出結果とを比較することにより、磁界の強度だけでなく測定磁界の方向も検出することができる。この素子として、好ましくはファラデー素子である（請求項７）。また、好ましい反転手段としてミラー、プリズムを利用した反射手段、または光導波路が用いられる（請求項８）。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
＜第１実施例＞
図１は、この発明の磁気センサの第１実施例に係る概略構成図、図２は、センサヘッドの要部構成を示す図である。
【００４３】
本実施例に係る磁気センサは大きく分けて、光を発生させる光源装置１０と、進行方向に応じて光を分岐させるサーキュレータ３０と、磁界の強度を偏光面の回転角に変換するセンサヘッド４０と、検出対象の偏光の光強度を電気信号に変換する光検出器５０と、前記検出された光強度の電気信号に基づいて磁界強度を求める演算装置６０とを備えている。
【００４４】
光源装置１０は光ファイバ２０ａを介して、センサヘッド４０は光ファイバ２０ｂを介して、光検出器５０は光ファイバ２０ｃを介して、それぞれサーキュレータ３０に接続されている。なお、光源装置１０は、本発明の光出力手段に、光ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれは光伝送手段に、サーキュレータ３０は光分岐手段に、光検出器５０は光検出手段に、演算装置６０は演算手段に、それぞれ相当する。
【００４５】
以下、各構成および機能について詳細に説明する。
光源装置１０は、例えばレーザダイオードやＬＥＤなどの発光素子から発生する光を、一旦レンズなどにより集光して出力している。
【００４６】
光ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、例えばシングルモード光ファイバや偏光面保存光ファイバなどが使用される。
【００４７】
サーキュレータ３０は、光の入力端子Ｔ１ と出力端子Ｔ２ 、および光の入力と出力の両方を兼ね備えた端子Ｔ３ をそれぞれ１個ずつ備えている。入力端子Ｔ１には光ファイバ２０ａが、出力端子Ｔ２ には光ファイバ２０ｃが、入力と出力を兼ね備えた端子Ｔ３ には光ファイバ２０ｂがそれぞれ接続されている。
【００４８】
すなわち、光源装置１０から出力されて光ファイバ２０ａを伝送してきた光を、このサーキュレータ３０に一旦入力した後に光ファイバ２０ｂを介してセンサヘッド４０に向けて出力する。
【００４９】
また、後段のセンサヘッド４０から検出対象の偏光が、再び同一光路である光ファイバ２０ｂを戻されて、サーキュレータ３０に入力される。
【００５０】
さらに、サーキュレータ３０内部では、光源装置１０からの初期光と検出対象の偏光とを進行方向に応じて分岐させ、検出対象の偏光のみを光ファイバ２０ｃを介して後段の光検出器５０に出力している。
【００５１】
センサヘッド４０は、図２に示すように、光ファイバ２０ｂから出射された光を平行光に変換して出射するコリメータ・レンズ４１と、このコリメータ・レンズ４１から出射された平行光を透過させて互いに直交する２つの偏光（常光線、異常光線）に分離する複屈折板４２と、この複屈折板４２からの２つの偏光を透過させて、検出しようとする磁界の強度を偏光面の回転角に変化させるファラデー素子４３ａと、このファラデー素子４３ａを透過した２つの偏光を反射させて再びファラデー素子４３ａ中に戻して往復透過させる反射ミラー４４（４４ａ，４４ｂ）とを備えている。なお、コリメータ・レンズ４１は、本発明の光学手段に、ファラデー素子４３ａはファラデー素子に、反射ミラー４４は反転手段に、それぞれ相当する。
【００５２】
コリメータ・レンズ４１は、センサ内に入射した光を集光して平行光として出射するためのものである。具体的には、光ファイバ２０ａ，２０ｂ，サーキュレータ３０を介して長距離を伝送される過程で環境条件（温度、圧力）などの外乱の影響により偏光面の不定となった偏光状態の光を、平行光に変換して出射している。
【００５３】
また、コリメータ・レンズ４１では、センサ内を往復透過して戻された複数の偏光（４つ）から、センサ内に伝送する過程で外乱により受けた異常成分または正常成分のいずれかを選択除去するためのものである。
【００５４】
具体的には、偏光を後段の反射ミラー４４により反射してファラデー素子４３ａを往復透過し、複屈折板４２を再び透過する２つの偏光が複屈折板４２を透過する過程で、さらに互いに直交する２つの偏光（合計４つの偏光）とされ、その４つの偏光から、複屈折板４２の偏光の出射面以降において入射光路と略同一光路を戻ってくる偏光を選択して光ファイバ２０ｂに戻すためにも利用されている。
【００５５】
このとき選択される各偏光は、互いに直交する偏光となっている。つまり、残りの入射光路と別の光路を通る２つの偏光は省かれる。なお、本発明の光学手段はコリメータ・レンズ４１に限定されるものではなく、さらに個数や形状をも限定するものではない。
【００５６】
複屈折板４２は、光を透過させることにより、この入射光の偏光面の状態に関係なく、偏光面が互いに直交する２つの偏光に分離する特性を有している。つまり、複屈折板４２は結晶軸をもっており、この結晶軸に対して同一の偏光面を持った直線偏光が複屈折板４２を透過すると、単一の偏光としてそのままの状態で出射される。
【００５７】
しかし、楕円偏光のように単一の偏光面ではない偏光が複屈折板４２を透過する場合は、互いに直交する２つの偏光として、一方を常光線Ｒａ１に、他方を異常光線Ｒａ２として異なる光路に分離する。つまり平行光は、複屈折板４２を透過する過程で、総合した光強度が保存された状態のまま互いに直交する２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２として分離される。
【００５８】
また、この２つの偏光のうち常光線Ｒａ１は複屈折板４２に対して垂直に透過し、他方の異常光線Ｒａ２は屈折して透過する。
【００５９】
また、後段のファラデー素子４３ａから戻された２つの偏光Ｒｂ１（反射前のＲａ１），Ｒｂ２（反射前のＲａ２）が、ファラデー素子４３ａに磁界が印加されない状態で透過して、偏光面の回転角を受けずに戻された場合は、複屈折板４２を透過するときに分離されることなく、入射光路と略同一の光路を通り光ファイバ２０ｂに戻される。
【００６０】
ファラデー素子４３ａを透過する過程で、ファラデー素子４３ａに印加された磁界により偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２が偏光面の回転角を受けて戻された場合には、この複屈折板４２を透過するときに、それぞれの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、すでに複屈折板４２の結晶軸とその偏光面とのなす角が平行または垂直な状態から変化しており、それぞれが互いに直交する２つの偏光に分離される。つまり、偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２のいずれもが、偏光面に受けた回転角に応じて光強度の比の異なった２つの偏光に分離される。
【００６１】
すなわち、それぞれの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、磁界の強度による偏光面の回転角を受けた異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２と、偏光面に回転角を受けておらず、異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２と分離されることにより光強度が減衰された常光線（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１とに分離される。つまり、複屈折板４２では、偏光面の受けた回転角に応じて常光線（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１と異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２の光強度の比が変化して現れる。
【００６２】
また、複屈折板４２は、最初に分離された２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２が後段のファラデー素子４３ａを透過するように配置されている。この複屈折板４２の厚みは、厚みが増すにつれて２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２の分離幅が広くなる傾向を備えているので、コリメータ・レンズ４１、ファラデー素子４３ａとの配置関係を考慮して決められる。なお、複屈折板４２は、ＴｉＯ２ （ルチル結晶）、ＣａＣＯ３ （方解石）などが使用される。
【００６３】
ファラデー素子４３ａは、その内部を透過する２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２のそれぞれの光路が、測定しようとする磁界の方向と略平行となるように配置されている。なお、ファラデー素子４３ａは、一般的にイットリウム鉄ガーネット（Ｙｔｒｉｕｍ Ｉｒｏｎ Ｇａｒｎｅｔ）などが使用される。
【００６４】
反射ミラー４４は、所定の傾斜角を持たせた２枚の反射ミラー４４ａ，４４ｂにより構成されており、ファラデー素子４３ａを透過した２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２を反射し、再度ファラデー素子４３ａ中に２つの偏光を戻すためのものである。具体的には、一方の偏光Ｒａ１は反射ミラー４４ａにより反射ミラー４４ｂに向けて直角に反射される。反射ミラー４４ｂに到達した偏光Ｒａ１は、ファラデー素子４３ａに向けて直角に反射される。
【００６５】
他方の偏光Ｒａ２は、反射ミラー４４ｂにより反射ミラー４４ａに向けて直角に反射される。反射ミラー４４ａに到達した偏光Ｒａ２は、ファラデー素子４３ａに向けて直角に反射される。
【００６６】
したがって、反射ミラー４４ｂで反射してファラデー素子４３ａに戻される偏光Ｒａ１は、偏光Ｒａ２の往路を復路として光路が変更されて通ることになる。反射ミラー４４ａで反射してファラデー素子４３ａに戻される偏光Ｒａ２は、偏光Ｒａ１の往路を復路として光路が変更されて通ることになる。
【００６７】
なお、本発明における反転手段は、上述のような２枚の反射ミラーを用いた形態に限定されるものではく、２つの偏光が互いの往路を復路として通るように１８０度反転させて入射側に戻す形態のものであればよい。例えば、直角プリズムの斜面側をミラー加工したものや、図３に示すように、レンズと凹面ミラーとを組み合わせたもの、光導波路（図５の８２に示す）を利用したものであってもよい。
【００６８】
光検出器５０は、センサヘッド４０で磁界の強度による偏光面の回転角を受け、光ファイバ２０ｂ、サーキュレータ３０、光ファイバ２０ｃの順に伝送された検出対象の２つの偏光の光強度を検出して電気信号に変換し、演算装置６０に出力する。なお、光検出器５０には、フォトダイオードなどが挙げられる。
【００６９】
演算装置６０は、前記光検出器５０からの電気信号に基づいてファラデー素子４３ａの周辺の磁界強度を算出して求める。
【００７０】
次に上述した構成を備えた実施例装置の動作について説明する。
光源装置１０から出射された光は、伝送途中に楕円偏光に変化して光ファイバ２０ｂから出射され、センサヘッド４０に送られる。このときの楕円偏光のジョーンズベクトル成分は次式（１）で表すことができる。
【数式１】
【００７１】
なお、θ、δは光ファイバの状態により変化する不定値である。
【００７２】
センサヘッド４０に伝送された楕円偏光は、一旦コリメータ・レンズ４１で平行光に変換されて複屈折板４２に出射される。この平行光は、複屈折板４２を透過する過程で、２つの偏光Ｒａ１とＲａ２に分離されてファラデー素子４３ａに向けて出射される。複屈折板４２の特性（図２の左から右方向への伝送特性）はジョーンズ特性により、次式（２），（３）で表すことができる。すなわち、（２）式は常光線（偏光Ｒａ１），（３）式は異常光線（偏光Ｒａ２）である。
【００７３】
【数２】
【００７４】
【数３】
【００７５】
２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２は、ファラデー素子４３ａを透過する過程で、磁界の強度よる偏光面の回転角を受けて、ファラデー素子４３ａの端面側の反射ミラー４４ａ，４４ｂで反射され、偏光Ｒａ１，Ｒａ２が互いの往路を復路として光路が変更されて再びファラデー素子内を透過し、さらに偏光面の回転を受けて偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２となり、複屈折板４２まで戻される。
【００７６】
このときのファラデー素子４３ａの端面まで透過したときの偏光のベクトル成分は、次式（４ａ）で、反射ミラー４４の反射係数は次式（５）で、さらに反射ミラー４４で反射してファラデー素子４４に戻された偏光のベクトル成分は次式（６ａ）で、それぞれ表すことができる。
【００７７】
【数４】
【００７８】
【数５】
【００７９】
【数６】
【００８０】
なお、上記式（４ａ），（６ａ）において、Ｓはファラデー素子の感度係数、Ｈは磁界である。
【００８１】
２つの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、複屈折板４２により、さらにそれぞれが２つの偏光に分離される。すなわち、偏光面の回転角を受けている異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２と偏光面の回転角を受けていない常光線（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１とに分離される。
【００８２】
分離された４つの偏光（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１，（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２のうち、常光線（Ｒｂ１）１と、異常光線（Ｒｂ２）２とがコリメータ・レンズ４１に入射して集光され、光ファイバ２０ｂに戻さてサーキュレータ３０に伝送される。
【００８３】
サーキュレータ３０内部に戻された２つの偏光（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）２は光源装置１０からの光（初期光）とは区別されて端子Ｔ２ から出力される。このとき、複屈折板４２の特性（図２の右から左方向への伝送特性）は、次式（７），（８）で表すことができる。
【００８４】
常光線（（Ｒｂ１）１） ： Ｇ＝（１ ０） … （７）
異常光線（（Ｒｂ２）２） ： Ｈ＝（０ １） … （８）
【００８５】
これら検出対象の２つの偏光（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）２は、光ファイバ２０ｃを介して光検出器５０に与えられ、電気信号に変換された後に、演算装置６０に入力される。つまり、次に説明する演算処理によって磁界の強度が算出される。
【００８６】
次に、演算装置６０での演算方法について説明する。
仮に、光源装置１０から出射されて光ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃを伝送された光が、外乱の影響により楕円偏光にされたとすると、光検出器５０で計測される２つの偏光（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）２の光強度は、上述の各ベクトル成分の式（１）から（８）までを用いて、ジョーンズ・マトリックス（Ｊｏｎｅｓ Ｍａｔｒｉｘ）を利用することにより、次式（９ａ），（１０ａ）で表すことができる。
【００８７】
偏光（Ｒｂ１）１
Ｇ・Ｆ・Ｅ・Ｄ・Ｂ・Ａ …（９ａ）
偏光（Ｒｂ２）２
Ｈ・Ｆ・Ｅ・Ｄ・Ｃ・Ａ …（１０ａ）
【００８８】
なお、光ファイバの特性として伝送中の光のエネルギー、すなわち、光強度は保存されるので、偏光（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）２が光ファイバ２０ｂから光検出器５０まで伝送される最中の光強度の損失を考慮する必要がない。
【００８９】
それゆえ、光検出器５０で検出される光強度Ｗは、前記式（９ａ），（１０ａ）のそれぞれを２乗してベクトル成分からエネルギー成分に変換して加算した値に等しい。すなわち光強度Ｗは、次式（１１ａ）で表すことができる。
Ｗ＝１−ｓｉｎ２ （ ２ＳＨ） …（１１ａ）
【００９０】
例えば、ここで上記演算式において、ｓｉｎ（２ＳＨ）≒２ＳＨが成り立つ微小測定磁界の範囲（２ＳＨ＜＜１）を仮定して、級数展開する。
その結果は、次式（１２ａ ）で表すことができる。
Ｗ＝１−（２ＳＨ）２ …（１２ａ）
【００９１】
すなわち、演算装置６０は、検出した光強度Ｗに基づき（１２ａ）式を使って未知数である測定磁界Ｈを算出することができる。
【００９２】
＜第２実施例＞
図４は、第２実施例のセンサヘッドの要部構成を示す図である。
本実施例の特徴は、図４に示すように、ファラデー素子４３ａと反射ミラー４４ａ（４４ｂでもよい）の間にファラデー素子４３ｂを設けている点である。他の構成は第１実施例と同様であるので、ここでの説明を省略する。
【００９３】
ファラデー素子４３ｂは、複屈折板４２で分離された２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２を、このファラデー素子４３ｂに透過させることにより、２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２のそれぞれの偏光面をコリメータ・レンズ４１から出射された平行光の偏光面に対してπ／８だけ回転させるように予めバイアス磁界が印加されている。このファラデー素子４３ｂは、本発明における偏光面に所定の回転角を持たせる素子に相当する。なお、この素子は、ファラデー素子に限られるものではない。
【００９４】
なお、本実施例においてファラデー素子４３ｂで２つの偏光Ｒａ１，Ｒａ２に予めπ／８の回転角を与えたのは、検出対象である偏光（Ｒａ１）１，（Ｒａ２）２の偏光面の回転方向を感度よく検出するためである。
【００９５】
このときのファラデー素子４３ｂ，４３ａを透過して端面側に配備した反射ミラー４４（４４ａ，４４ｂ）に到達した偏光のベクトル成分は次式（４ｂ）で、反射ミラー４４で反射してファラデー素子４３ａ，４３ｂを透過した偏光のベクトル成分は次式（６ｂ）で表すことができる。
【００９６】
【数７】
【００９７】
【数８】
【００９８】
上述の偏光面の回転方向を検出する原理は、次の通りである。
ファラデー素子４３ｂ以外の構成および条件は先の第１実施例と同様であるので、センサヘッド４０から出力された互いに直交する２つの偏光（Ｒａ１）１，（Ｒａ２）２は、上述のベクトル成分の式（１）から（３）と、式（５）から（８）と、式（４ｂ），（６ｂ）とを用いて、ジョーンズ・マトリックス（Ｊｏｎｅｓ Ｍａｔｒｉｘ） を利用することにより、次式（９ｂ），（１０ｂ）で表すことができる。
【００９９】
偏光（Ｒａ１）１
Ｇ・Ｊ・Ｅ・Ｉ・Ｂ・Ａ …（９ｂ）
偏光（Ｒａ２）２
Ｈ・Ｊ・Ｅ・Ｉ・Ｃ・Ａ …（１０ｂ）
【０１００】
光検出器５０で検出される光強度Ｗは、式（９ｂ），（１０ｂ）のそれぞれを２乗してベクトル成分からエネルギー成分に変換して加算した値に等しい。すなわち光強度は、次式（１１ｂ）で表すことができる。
Ｗ＝１／２−１／２ｓｉｎ（４ＳＨ） …（１１ｂ）
【０１０１】
ここで上記演算式において、ｓｉｎ（４ＳＨ）≒４ＳＨが成り立つ微小磁界の範囲（４ＳＨ＜＜１）を仮定して、２次まで級数展開する。
その結果は、次式（１２ｂ）で表すことができる。
Ｗ＝１／２−２ＳＨ …（１２ｂ）
【０１０２】
さらに、上記式（１２ｂ）において、光源装置１０から出力された光（初期光）が、センサヘッド４０まで伝送されるときに外乱の影響を受けることがなく、かつセンサヘッド４０で磁界の影響による偏光面の回転角を受けることがなく出力（Ｈ＝０）されたと仮定すると、初期光の光強度に対して半分（１／２）の値となる。この１／２の値を予め基準値とすることで、実測による検出結果と比較して、基準値に対してプラスまたはマイナスの磁界の強度を確認することにより、偏光面の回転方向、すなわち測定磁界Ｈの方向を検出することができる。
【０１０３】
＜第３実施例＞
図５は、第３実施例のセンサヘッドの要部構成を示す図である。
本実施例の特徴は、図５に示すように、センサヘッド４０の構成が先の第１実施例と異なるので、先の第１実施例と同一構成については同一符号を付すに留め、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１０４】
センサヘッド４０は、光ファイバ２０ｂが接続させたファイバーコネクタ７０側から順にビームスプリッタ８０、ファラデー素子４３ａ、および光導波路８２を備えている。なお、光導波路８２は、本発明の反転手段に相当する。
【０１０５】
ビームスプリッタ８０は、光の偏光面の状態に関係なく、偏光面が互いに直交する２つの偏光に分離する特性を有するものであって、例えば光導波路型の偏光ビームスプリッタが利用される。
【０１０６】
具体的には、図５に示すように、２つの光導波路８１を備えている。この２つの光導波路８１は、光入射側の一方のポートが第２光ファイバ２０ｂを接続する入・出力端子７０と連結されており、他方のポートはセンサヘッド外に向けて取り付けられている。また、これら２つの光導波路８１は、その略中間位置で互いが交差連結し、その交差連結部からさらに分岐している。他方の両他端は、ファラデー素子４３ａに接続されている。
【０１０７】
すなわち、楕円偏光のように単一の偏光面とならない偏光が光導波路８１の交差連結部で、互いに直交する２つの偏光に分離する（ＴＥ−ＴＭモード変換）ようになっている。つまり、一方を常光線Ｒａ１、他方を異常光線Ｒａ２として分離し、その後の分岐された異なる光導波路８１にそれぞれの偏光が伝送される。
【０１０８】
各光導波路８１を通る偏光Ｒａ１，Ｒｂ２のそれぞれは、その後段に配備した単一のファラデー素子４３ａに向けて出力される。
【０１０９】
また、最後段の光導波路８２を通ってファラデー素子４３ａに戻された２つの偏光は、再びビームスプリッタ８０内に設けられて光導波路８１に戻される。
【０１１０】
具体的には、「Ｕ」字状をした光導波路８２の両端部のそれぞれが、ファラデー素子４３ａを透過した偏光が入射できる位置に配備されており、ファラデー素子４３ａを透過した偏光Ｒａ１は、この光導波路８１を通ることにより、偏光Ｒｂ２がファラデー素子４３ａを透過してきた往路に戻されるようになっている。逆に、ファラデー素子４３ａを透過した偏光Ｒｂ２は、この光導波路８１を通ることにより、偏光Ｒａ１がファラデー素子４３ａを透過してきた往路に戻されるようになっている。
【０１１１】
また、ファラデー素子４３ａを透過する過程で、ファラデー素子４３ａに印加された磁界により偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２が偏光面の回転角を受けて戻された場合には、このビームスプリッタ８０を透過するときに、それぞれの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、すでにビームスプリッタ８０により分離された直交する２つの偏光の偏光面とのなす角が平行または垂直な状態から変化しており、それぞれが、さらに互いに直交する２つの偏光に分離される。つまり、偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２のいずれもが、偏光面に受けた回転角に応じて光強度の比の異なった２つの偏光に分離される。
【０１１２】
すなわち、それぞれの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、磁界の強度による偏光面の回転角を受けた異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２と、偏光面に回転角を受けておらず、異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２と分離されることにより光強度が減衰された常光線（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１とに分離される。つまり、ビームスプリッタ８０では、偏光面の受けた回転角に応じて常光線（Ｒｂ１）１，（Ｒｂ２）１と異常光線（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）２の光強度の比が変化して現れる。
【０１１３】
さらに、ビームスプリッタ８０は、センサ内に伝送する過程で外乱により受けた異常成分または正常成分のいずれかを選択するようになっている。つまり、ファラデー素子４３ａを透過する過程で磁界の強度を受けてビームスプリッタ内で分離された４つの偏光から、入射光路と同一光路を戻り、かつ互いに直交関係にある２つの偏光（Ｒｂ１）２，（Ｒｂ２）１を選択して光ファイバ２０ｂに戻す。他の２つの偏光は、その端部が外部に向けて接続された光導波路８１を通って省かれる。
【０１１４】
なお、磁界により偏光面の回転角を受けずに戻された２つの偏光Ｒｂ１，Ｒｂ２は、ビームスプリッタ内で分離されることはない。
【０１１５】
また、本実施例の磁気センサにおいても、第１実施例と同様にジョーンズ・マトリックス等の演算式を利用することにより、未知数の測定磁界を求めることができる。
【０１１６】
この発明は、上記実施例の形態に限られることなく、下記のような変形実施することができる。
【０１１７】
（１）上記第１および第２実施例において、センサヘッド４０を小型化するために複屈折板４２の厚みを薄くすることにより、分離された２つの偏光の間隔が狭くなり、検出対象の２つの偏光を抽出することが困難な場合、コリメータ・レンズ４１と複屈折板４２との間に検出対象の２つの偏光のみが通過するようなピンホールを設けた板であるアパーチュアを予め配置してもよい。
【０１１８】
（２）上記第３実施例のおいて、ビームスプリッタ８０とファラデー素子４３ａの間、またはファラデー素子４３ａと光導波路８２の間（図６）に、ビームスプリッタ８０で分離された２つの偏光のそれぞれの偏光面に所定の回転角を持たせる素子、例えばファラデー素子（図６では４３ｂに示す）などを設けてもよい。この場合、第２実施例の磁気センサと同じく、測定磁界の方向を検出することができる。
【０１１９】
なお、ビームスプリッタ８０とファラデー素子４３ａの間にファラデー素子４３ｂを配備する場合、ビームスプリッタ８０とファラデー素子４３ｂ、ファラデー素子４３ａ，４３ｂ同士間、およびビームスプリッタ８０とファラデー素子４３ａ間のそれぞれを光導波路で接続すればよい。
【０１２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光出力手段から出力された直線光が、センサヘッドに伝送される途中で外乱により楕円軸・楕円率ともに不定となった楕円偏光になったとしても、センサヘッド内に設けた複屈折板やビームスプリッタを透過・伝送させることにより、偏光面の回転状態に関係なく、光強度の総エネルギーは保存した状態で、互いに直交する２つの偏光に分離して利用することができる。
【０１２１】
また、ファラデー素子を透過させて磁界に強度の応じて偏光面に回転を受けた偏光を、さらに複屈折板またはビームスプリッタを透過・伝送させることにより、２つの偏光のそれぞれを分離し、この分離された４つの偏光から入射光路と同一光路を通る互いに直交する２つの偏光を選択して出力することで、外乱による偏光面の変化の影響を除去することができる。
【０１２２】
さらに、分離された２つの偏光をファラデー素子内に往復透過させるとき、互いの偏光の往路を復路として光路を変更させて通るようにすることによって、複合結晶であるファラデー素子ごとのもつ固体誤差の影響を同じ条件で受けることができる。したがって、センサヘッドの固体誤差を除去した精度の高い磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例に係る磁気センサのブロック図である。
【図２】第１実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの要部構成を示す図である。
【図３】反射手段の変形例を示す図である。
【図４】第２実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの要部構成を示す図である。
【図５】第３実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの要部構成を示す図である。
【図６】第３実施例のセンサヘッドの変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０ … 光源装置
２０ａ〜ｃ … 光ファイバ
３０ … サーキュレータ
４０ … センサヘッド
４１ … コリメータ・レンズ
４２ … 複屈折板
４３ … ファラデー素子
４４ … 反射ミラー
５０ … 光検出器
６０ … 演算装置
８０ … ビームスプリッタ
８１，８２ … 光導波路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor using a phenomenon in which a plane of polarization of light traveling in a Faraday element rotates according to the strength of a magnetic field, and particularly, when measuring a magnetic field in a remote place, using a long-distance optical fiber. The present invention relates to a technique for removing the influence of a change in the polarization plane of transmitted light that has been affected by disturbance.
[0002]
[Prior art]
In this type of conventional magnetic sensor, a Faraday element is used to reduce the size and increase the sensitivity. That is, the strength of the magnetic field is detected by knowing the rotation angle of the polarization plane received when the light passes through the Faraday element.
[0003]
More specifically, when elliptically polarized light affected by disturbance is received by a magneto-optical sensor in a transmission process of an optical fiber, the light is once collected by a collimator lens in the sensor and transmitted through a birefringent plate. At this time, the light is separated into two lights (polarized light) orthogonal to each other with respect to the crystal axis of the birefringent plate while keeping the total energy of the light intensity irrespective of the rotation state of the polarization plane.
[0004]
The two separated polarized lights are reflected by a mirror provided on the optical path end side in the sensor, and pass through substantially the same optical path as the outward path that has passed through the Faraday element. In the process, the plane of polarization is rotated by the strength of the magnetic field.
[0005]
The two polarized lights that have been reciprocally transmitted through the Faraday element again enter and transmit the birefringent plate, and are separated into two orthogonal polarized lights having an amplitude level corresponding to the rotation angle of the polarization plane.
[0006]
The polarization components that do not pass through the same optical path as the incident optical path are removed by the collimator lens. That is, the light intensity of the two polarized lights emitted from the collimator lens changes according to the rotation angle of the polarization plane of the polarized light emitted from the Faraday element.
[0007]
The light intensity of the two polarized lights output from the collimator / lens is detected by the light detection means, and the calculation processing is performed by the calculation means, thereby obtaining a detection result in which the influence of the change in the polarization plane due to disturbance is removed. Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-349873 (page 10, FIG. 2)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional example having such a configuration has the following problem.
When the two polarized lights that have entered the magnetic sensor and separated are reflected by the mirror and returned to the Faraday element, each polarized light passes through the same optical path as the outward path as the return path, so that each polarized light has a different polarization plane. There is a risk of being rotated.
[0010]
That is, since the Faraday element is a composite crystal, the Faraday element may have a non-uniform crystal structure. As a result, each of the polarized lights transmitted through different portions of the crystal structure receives different rotation angles of the polarization plane.
[0011]
In addition, since it is difficult to obtain a large Faraday element grown in a uniform structure, a small Faraday element is arranged in parallel, and the polarized light separated by the birefringent plate is transmitted back and forth to individual Faraday elements. In some cases. In such a case, there is also a problem that two separated polarized lights are rotated by different polarization planes due to a variation in the crystal structure of the Faraday element between lots.
[0012]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a high-sensitivity magnetic sensor that eliminates the influence of disturbance and solid-state error of a Faraday element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration to achieve such an object.
That is, the invention according to claim 1 is a magnetic sensor using a phenomenon in which a polarization plane of light traveling in a Faraday element rotates according to the intensity of a magnetic field, wherein the optical output means and the first optical transmission means are provided. An optical branching unit connected to the optical output unit via a second optical transmission unit, a sensor head connected to the optical branching unit via the second optical transmission unit, and a light detection unit connected to the optical branching unit via the third optical transmission unit Means, and arithmetic means for receiving a detection signal of the light detection means, and the sensor head comprises: an optical means, a birefringent plate, a Faraday element, and an optical means arranged in order from a connection end side with the second light transmission means. (A) the light output means outputs light, and (B) the light branching means directs the light transmitted from the light output means via the first light transmission means to the second light transmission means. Outgoing, and (C) the optical means of the sensor head (D) the birefringent plate of the sensor head converts the parallel light from the optical unit into a plane of polarization with respect to the optical axis of the birefringent plate. (E) The Faraday element of the sensor head transmits the two polarized lights from the birefringent plate and changes the intensity of the magnetic field to be detected by the rotation angle of the polarization plane of the two polarized lights. (F) The inverting means of the sensor head reflects the two polarized lights transmitted through the Faraday element, changes the optical path so that the respective polarized lights pass each other as the return path, and returns the optical path to the Faraday element. G) The birefringent plate of the sensor head converts each of the two polarized lights returned from the Faraday element into two orthogonally polarized lights having an amplitude level corresponding to the rotation angle of each polarized light, that is, a total of four polarized lights. Separated into ( The optical means of the sensor head selectively transmits two orthogonally polarized lights returning from the four polarized lights emitted from the birefringent plate in an optical path substantially the same as the incident optical path. Splits two polarized lights from the optical unit transmitted through the second optical transmission unit toward the third optical transmission unit, and (J) detects light transmitted through the third optical transmission unit. (K) calculating means for calculating the intensity of the magnetic field based on the light intensity detected by the light detecting means.
[0014]
According to the first aspect of the present invention, the light output from the light output means is transmitted through the first and second light transmission means and enters the sensor head, and the optical means in the sensor head is provided. After passing through the birefringent plate after being made into parallel light, At this time, the parallel light is separated into polarized light having two polarization paths orthogonal to each other with respect to the optical axis of the birefringent plate and passing through two optical paths, and emitted toward the Faraday element.
[0015]
In the process of passing through the Faraday element, these two polarized lights are rotated at an angle corresponding to the intensity of the magnetic field on the respective polarization planes, and are turned into the Faraday element by inversion means provided on the side opposite to the plane of incidence of the polarized light. Will be returned. At this time, the optical path is changed so that each polarized light passes through each other's outward path as a return path, and is returned to the Faraday element.
[0016]
The two polarized lights transmitted back to the Faraday element again transmit the birefringent plate. At this time, each of the two polarized lights is separated into two mutually orthogonal polarized lights (a total of four polarized lights) having an amplitude level corresponding to the rotation angle of each polarized light and output to the optical means. That is, two sets of two polarized lights (a total of four polarized lights) orthogonal to each other are emitted toward the optical unit.
[0017]
The two sets of two polarized lights emitted are selected and output by the optical means, two polarized lights orthogonal to each other returning substantially the same optical path as the incident light, and transmitted to the second optical transmission means as two polarized lights to be detected. It is input to the optical branching means.
[0018]
By this light branching means, the two polarized lights of the detection object returned from the sensor head are output to the light detection means via the third light transmission means. The light detecting means that has detected the two polarized lights to be detected sends the light intensity to the calculating means. The calculating means calculates the intensity of the magnetic field based on the detected light intensity. In other words, even if the light output from the light output means is transmitted through the optical transmission means and the polarization plane changes due to the influence of disturbance (temperature, pressure, etc.), the light is transmitted through the birefringent plate, so that the polarization plane is transmitted. Irrespective of the rotation state (phase state), the polarization plane is separated into two polarizations orthogonal to each other, and both polarizations are used.
[0019]
Here, the polarized light component rotated by the polarization plane during the transmission through the Faraday element is separated again during the transmission through the birefringent plate, and the polarized light component that does not return to the same optical path is omitted by the optical means. That is, the light intensity of the two polarized lights output from the optical unit changes according to the rotation angle of the polarization plane of the polarized light emitted from the Faraday element. The two polarized lights are transmitted through the light transmission means and reach the light detection means, and are detected as the total energy (light intensity) of the light. Then, by performing arithmetic processing based on this light intensity, a detection result from which the influence of disturbance has been removed can be obtained.
[0020]
Therefore, even if the linear light output from the light output unit becomes elliptically polarized light whose elliptic axis and ellipticity are uncertain due to disturbance during transmission to the sensor head, the birefringence provided in the sensor head By transmitting through the plate, the total energy of light intensity can be separated and used as two polarized lights that are orthogonal to each other with respect to the crystal axis of the birefringent plate in a saved state regardless of the rotation state of the polarization plane. it can.
[0021]
In addition, since the two polarized lights are transmitted back and forth through the Faraday element, the sensitivity of the element can be improved. Further, since the light incident on the sensor head and the light emitted from the sensor head share the second optical transmission means, the size of the device can be reduced.
[0022]
Furthermore, in the process of reciprocating transmission through the Faraday element, the optical path is changed so that the two polarized lights pass through each other as the return path, and transmitted through the Faraday element under the same conditions. In this case, the influence of the solid error can be eliminated.
[0023]
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic sensor according to the first aspect, the magnetic sensor is separated by a birefringent plate between the birefringent plate and the Faraday element or between the Faraday element and the reversing means. An element for providing a predetermined rotation angle to each polarization plane of the two polarized lights is provided.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, in the magnetic sensor according to the second aspect, the element for imparting a predetermined rotation angle to each polarization plane of polarized light is a Faraday element.
[0025]
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetic sensor according to any one of the first to third aspects, the reversing means is a mirror, a reflecting means using a prism, or an optical waveguide for transmitting light. It is characterized by the following.
[0026]
According to the third aspect of the present invention, under the condition that the initial light from the light output means is detected without being affected by disturbance or a magnetic field, the light is transmitted between the birefringent plate and the Faraday element. By passing through an element provided between the Faraday element and the reflecting means, which previously sets the rotation angle of the plane of polarization to a predetermined angle, the light intensity given by the light detecting means is equal to the intensity of the magnetic field of the measurement object. It changes according to the direction.
[0027]
In other words, the light intensity detected when the measurement magnetic field is set to "0" is used as a reference value, and by comparing this reference value with the actually measured detection result, not only the strength of the magnetic field but also the direction of the measurement magnetic field is detected. can do. This element is preferably a Faraday element (claim 3). A mirror, a reflecting means using a prism, or an optical waveguide is used as a preferable inverting means (claim 4).
[0028]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a magnetic sensor utilizing a phenomenon in which a plane of polarization of light traveling in a Faraday element rotates according to the strength of a magnetic field, wherein a light output unit and a first optical transmission unit are provided. An optical branching unit connected to the optical output unit via a second optical transmission unit, a sensor head connected to the optical branching unit via the second optical transmission unit, and a light detection unit connected to the optical branching unit via the third optical transmission unit Means, and a calculating means for receiving a detection signal from the light detecting means, and the sensor head comprises a beam splitter, a Faraday element, and an inverting means arranged in order from the connection end side with the second optical transmission means. (A) the light output means outputs light, and (b) the light branching means emits the light transmitted from the light output means via the first light transmission means toward the second light transmission means, c) The beam splitter of the sensor head is a light splitting means. A light waveguide for transmitting incident light transmitted from the optical waveguide, and in the process of transmitting the light, the optical waveguide is separated into two polarized lights whose polarization planes are orthogonal to each other. Transmitting the two polarized lights from the beam splitter to convert the intensity of the magnetic field to be detected into the rotation angle of the polarization plane of the two polarized lights, and (e) the inversion means of the sensor head transmits the two polarized lights through the Faraday element. The optical path is changed back to the Faraday element so that each of the two polarized lights passes through each other as the return path. (F) The beam splitter of the sensor head converts each of the two polarized lights returned from the Faraday element to each of the polarized lights. Two orthogonally polarized lights having an amplitude level corresponding to the rotation angle, that is, two polarized lights that are separated into a total of four polarized lights and two orthogonally returning from the incident light path among the four polarized lights. Selecting the polarized light and outputting the selected polarized light to the second optical transmission means; and (g) the optical branching means directs the two polarized lights from the optical means transmitted through the second optical transmission means to the third optical transmission means. (H) the light detecting means detects the light intensity of the two polarized lights transmitted from the light splitting means via the third light transmitting means, and (i) the calculating means is detected by the light detecting means. And calculating the intensity of the magnetic field based on the light intensity.
[0029]
According to the fifth aspect of the present invention, the light incident on the sensor head is separated into polarized light whose polarization plane is orthogonal and passes through two optical paths in the process of transmitting through the beam splitter, and the Faraday element. It is emitted toward.
[0030]
In the process of passing through the Faraday element, these two polarized lights are rotated at an angle corresponding to the intensity of the magnetic field on the respective polarization planes, and are turned into the Faraday element by inversion means provided on the side opposite to the plane of incidence of the polarized light. Will be returned. That is, the optical paths are changed so that the respective polarized lights pass through the outward path as the return path, and are returned to the Faraday element.
[0031]
The two polarized lights transmitted through the Faraday element are transmitted through the beam splitter again. At this time, each of the two polarized lights is separated into two orthogonally polarized lights (a total of four polarized lights) having an amplitude level corresponding to the rotation angle of each polarized light. Of the two separated sets, that is, one set of two polarized lights which return substantially in the same optical path as the incident light and are orthogonal to each other are transmitted to the optical transmission means and input to the optical branching means.
[0032]
By this light branching means, the two polarized lights of the detection object returned from the sensor head are output to the light detection means via the third light transmission means. The light detecting means that has detected the two polarized lights to be detected sends the light intensity to the calculating means. The calculating means calculates the intensity of the magnetic field based on the detected light intensity. In other words, even if the light output from the light output means changes its polarization plane due to the influence of disturbance (temperature, pressure, etc.) during transmission through the optical transmission means, the light transmitted through the beam splitter allows the polarization plane to change. Irrespective of the rotation state (phase state), the polarization plane is separated into two polarizations orthogonal to each other, and either polarization is used.
[0033]
Here, the polarized light component rotated on the polarization plane during the transmission through the Faraday element is separated again during the transmission through the beam splitter, and the polarized light component that does not return to the same optical path is omitted at that time. That is, the light intensity of the two polarized lights output from the beam splitter changes according to the rotation angle of the plane of polarization of the polarized light emitted from the Faraday element. Then, the two polarized lights are transmitted through the light transmission means and reach the light detection means, and are detected as the total energy (light intensity) of the light. Then, by performing arithmetic processing based on this light intensity, a detection result from which the influence of disturbance has been removed can be obtained.
[0034]
Therefore, even if the linear light output from the light output unit becomes elliptically polarized light whose elliptical axis and ellipticity are uncertain due to disturbance during transmission to the sensor head, the beam splitter provided in the sensor head , The total energy of the light intensity can be separated and used as two polarized light beams that are orthogonal to each other, while keeping the total energy of the light intensity irrespective of the rotation state of the polarization plane.
[0035]
In addition, since the two polarized lights are transmitted back and forth through the Faraday element, the sensitivity of the element can be improved. Further, since the light incident on the sensor head and the light emitted from the sensor head share the second optical transmission means, the size of the device can be reduced.
[0036]
Furthermore, since the two polarized lights pass through the same optical path in the process of reciprocating transmission through the Faraday element, it is possible to eliminate the influence of the solid-state error caused by the non-uniform crystal distribution of the Faraday element.
[0037]
According to a sixth aspect of the present invention, in the magnetic sensor according to the fifth aspect, the two beams separated by the beam splitter are provided between the beam splitter and the Faraday element or between the Faraday element and the inversion means. An element for providing a predetermined rotation angle to each polarization plane of polarized light is provided.
[0038]
According to a seventh aspect of the present invention, in the magnetic sensor according to the fifth aspect, the element for causing the polarization plane to have a predetermined rotation angle is a Faraday element.
[0039]
The invention according to claim 8 is the magnetic sensor according to any one of claims 5 to 7, wherein the inverting means is a mirror, a reflecting means using a prism, or an optical waveguide for transmitting light. It is characterized by the following.
[0040]
According to the fifth aspect of the present invention, under the condition that the initial light from the light output means is detected without being affected by disturbance or a magnetic field, the light is transmitted between the beam splitter and the Faraday element. By passing through an element provided between the Faraday element and the inverting means and having a predetermined angle of rotation of the plane of polarization in advance, the light intensity given by the light detecting means is equal to the intensity of the magnetic field of the measurement object. It changes according to the direction.
[0041]
In other words, the light intensity detected when the measurement magnetic field is set to "0" is used as a reference value, and by comparing this reference value with the actually measured detection result, not only the strength of the magnetic field but also the direction of the measurement magnetic field is detected. can do. This element is preferably a Faraday element (claim 7). Further, as a preferable inversion means, a mirror, a reflection means using a prism, or an optical waveguide is used (claim 8).
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a main part of a sensor head.
[0043]
The magnetic sensor according to this embodiment is roughly divided into a light source device 10 that generates light, a circulator 30 that splits light according to a traveling direction, and a sensor head 40 that converts the intensity of a magnetic field into a rotation angle of a polarization plane. A light detector 50 for converting the light intensity of the polarized light to be detected into an electric signal, and an arithmetic unit 60 for calculating the magnetic field intensity based on the detected electric signal of the light intensity.
[0044]
The light source device 10 is connected to the circulator 30 via an optical fiber 20a, the sensor head 40 is connected to the circulator 30 via an optical fiber 20b, and the photodetector 50 is connected to the circulator 30 via an optical fiber 20c. The light source device 10 is a light output unit of the present invention, each of the optical fibers 20a, 20b, and 20c is a light transmission unit, the circulator 30 is a light branching unit, the light detector 50 is a light detection unit, and an arithmetic unit. Numerals 60 correspond to arithmetic means, respectively.
[0045]
Hereinafter, each configuration and function will be described in detail.
The light source device 10 once collects light generated from a light emitting element such as a laser diode or an LED by a lens or the like and outputs the light.
[0046]
As the optical fibers 20a, 20b, and 20c, for example, a single-mode optical fiber or a polarization-maintaining optical fiber is used.
[0047]
The circulator 30 has a light input terminal T 1 And output terminal T 2 , And a terminal T having both light input and output 3 Are provided one by one. Input terminal T 1 Has an optical fiber 20a and an output terminal T 2 Has an optical fiber 20c and a terminal T having both input and output. 3 Is connected to an optical fiber 20b.
[0048]
That is, the light output from the light source device 10 and transmitted through the optical fiber 20a is once input to the circulator 30, and then output toward the sensor head 40 via the optical fiber 20b.
[0049]
Further, the polarized light to be detected is returned from the sensor head 40 at the subsequent stage through the optical fiber 20 b having the same optical path again, and is input to the circulator 30.
[0050]
Further, inside the circulator 30, the initial light from the light source device 10 and the polarized light to be detected are branched according to the traveling direction, and only the polarized light to be detected is output to the subsequent photodetector 50 via the optical fiber 20c. ing.
[0051]
As shown in FIG. 2, the sensor head 40 converts the light emitted from the optical fiber 20 b into parallel light and emits the collimator lens 41, and transmits the parallel light emitted from the collimator lens 41 and transmits the parallel light. A birefringent plate 42 that separates two polarized light beams (ordinary ray and extraordinary ray) orthogonal to each other, and transmits the two polarized light beams from the birefringent plate 42 to determine the intensity of the magnetic field to be detected and the rotation angle of the polarization plane. And a reflection mirror 44 (44a, 44b) that reflects two polarized lights transmitted through the Faraday element 43a, returns the reflected light back into the Faraday element 43a, and reciprocates the reflected light. The collimator lens 41 corresponds to the optical unit of the present invention, the Faraday element 43a corresponds to the Faraday element, and the reflection mirror 44 corresponds to the reversing unit.
[0052]
The collimator lens 41 condenses the light incident on the sensor and emits the light as parallel light. Specifically, in the process of being transmitted over a long distance through the optical fibers 20a and 20b and the circulator 30, the light in the polarization state in which the polarization plane has become indefinite due to the influence of disturbance such as environmental conditions (temperature and pressure), The light is converted into parallel light and emitted.
[0053]
Further, the collimator lens 41 selectively removes, from a plurality of polarized lights (four) returned by reciprocating transmission through the sensor, either an abnormal component or a normal component received due to disturbance in a process of transmitting the polarized light into the sensor. It is for.
[0054]
Specifically, the two polarized lights that are reflected by the reflection mirror 44 at the subsequent stage, reciprocally transmit through the Faraday element 43a, and retransmit through the birefringent plate 42 are further orthogonal to each other in the process of transmitting through the birefringent plate 42. Two polarized light beams (a total of four polarized light beams) are used. From the four polarized light beams, a polarized light beam returning on the same optical path as the incident optical path after the polarized light exit surface of the birefringent plate 42 is selected and returned to the optical fiber 20b. It is also used.
[0055]
The polarizations selected at this time are polarizations orthogonal to each other. That is, the two polarizations that pass through the remaining incident light path and another light path are omitted. Note that the optical means of the present invention is not limited to the collimator lens 41, and the number and shape are not limited.
[0056]
The birefringent plate 42 has a property of transmitting light and separating the incident light into two polarized lights whose polarization planes are orthogonal to each other, regardless of the state of the polarization plane of the incident light. That is, the birefringent plate 42 has a crystal axis, and when linearly polarized light having the same polarization plane with respect to this crystal axis passes through the birefringent plate 42, it is emitted as a single polarized light as it is.
[0057]
However, when polarized light that is not a single plane of polarization, such as elliptically polarized light, passes through the birefringent plate 42, the two polarized light beams are orthogonal to each other, one of which is an ordinary ray Ra1 and the other is an extraordinary ray Ra2, and has different optical paths. To separate. In other words, the parallel light is separated into two orthogonally polarized lights Ra1 and Ra2 in a process of transmitting through the birefringent plate 42 while maintaining the total light intensity.
[0058]
Also, of the two polarized lights, the ordinary ray Ra1 is transmitted perpendicular to the birefringent plate 42, and the other extraordinary ray Ra2 is refracted and transmitted.
[0059]
Also, the two polarized lights Rb1 (Ra1 before reflection) and Rb2 (Ra2 before reflection) returned from the subsequent Faraday element 43a are transmitted without applying a magnetic field to the Faraday element 43a, and the rotation angle of the polarization plane is changed. If the light is returned without receiving the light, it is returned to the optical fiber 20b through the optical path substantially the same as the incident optical path without being separated when transmitted through the birefringent plate 42.
[0060]
In the process of transmitting through the Faraday element 43a, if the polarized light Rb1 and Rb2 are returned by receiving the rotation angle of the polarization plane due to the magnetic field applied to the Faraday element 43a, when the polarized light Rb1 and Rb2 are transmitted through the birefringent plate 42, respectively. Of the polarized light Rb1 and Rb2 have already changed from a state in which the angle between the crystal axis of the birefringent plate 42 and the plane of polarization thereof is parallel or perpendicular, and each is separated into two polarized lights orthogonal to each other. That is, each of the polarized lights Rb1 and Rb2 is separated into two polarized lights having different light intensity ratios according to the rotation angle received on the polarization plane.
[0061]
That is, each of the polarized lights Rb1 and Rb2 has the extraordinary rays (Rb1) 2 and (Rb2) 2 that receive the rotation angle of the polarization plane due to the intensity of the magnetic field, and the extraordinary rays (Rb1) that does not receive the rotation angle of the polarization plane. ) 2, (Rb2) 2, and are separated into ordinary rays (Rb1) 1 and (Rb2) 1 whose light intensity is attenuated. That is, in the birefringent plate 42, the ratio of the light intensity of the ordinary rays (Rb1) 1 and (Rb2) 1 to the light intensity of the extraordinary rays (Rb1) 2 and (Rb2) 2 changes according to the rotation angle received by the polarization plane. appear.
[0062]
Further, the birefringent plate 42 is arranged so that the two polarized lights Ra1 and Ra2 separated first pass through the subsequent Faraday element 43a. Since the thickness of the birefringent plate 42 has a tendency to increase the separation width of the two polarized lights Ra1 and Ra2 as the thickness increases, the thickness is determined in consideration of the arrangement relationship between the collimator lens 41 and the Faraday element 43a. . The birefringent plate 42 is made of TiO2 (rutile crystal), CaCO3 (calcite), or the like.
[0063]
The Faraday element 43a is arranged such that the respective optical paths of the two polarized lights Ra1 and Ra2 passing through the inside thereof are substantially parallel to the direction of the magnetic field to be measured. In addition, yttrium iron garnet (Yttrium Iron Garnet) or the like is generally used for the Faraday element 43a.
[0064]
The reflection mirror 44 is composed of two reflection mirrors 44a and 44b having a predetermined inclination angle, reflects the two polarized lights Ra1 and Ra2 transmitted through the Faraday element 43a, and returns the two polarized lights Ra and Ra2 to the Faraday element 43a again. To return two polarized lights. Specifically, one polarized light Ra1 is reflected by the reflecting mirror 44a at right angles toward the reflecting mirror 44b. The polarized light Ra1 that has reached the reflecting mirror 44b is reflected at right angles toward the Faraday element 43a.
[0065]
The other polarized light Ra2 is reflected at right angles by the reflection mirror 44b toward the reflection mirror 44a. The polarized light Ra2 that has reached the reflection mirror 44a is reflected at right angles toward the Faraday element 43a.
[0066]
Therefore, the polarized light Ra1 reflected by the reflecting mirror 44b and returned to the Faraday element 43a passes through the optical path with the forward path of the polarized light Ra2 being the return path. The polarized light Ra2 reflected by the reflecting mirror 44a and returned to the Faraday element 43a passes through the optical path with the forward path of the polarized light Ra1 changed to the backward path.
[0067]
Note that the inversion means in the present invention is not limited to the above-described embodiment using two reflection mirrors, but inverts by 180 degrees so that two polarized lights pass each other as a return path and enters the incident side. Any form may be used as long as it returns to. For example, the right-angle prism may have a mirrored surface on the slope side, as shown in FIG. 3, a combination of a lens and a concave mirror, or an optical waveguide (shown at 82 in FIG. 5). .
[0068]
The photodetector 50 receives the rotation angle of the polarization plane due to the strength of the magnetic field with the sensor head 40, and detects the light intensity of the two polarized lights to be detected transmitted in the order of the optical fiber 20b, the circulator 30, and the optical fiber 20c. The signal is converted into an electric signal and output to the arithmetic unit 60. The photodetector 50 includes a photodiode and the like.
[0069]
The arithmetic unit 60 calculates and calculates the magnetic field intensity around the Faraday element 43a based on the electric signal from the photodetector 50.
[0070]
Next, the operation of the embodiment device having the above-described configuration will be described.
The light emitted from the light source device 10 changes to elliptically polarized light during transmission, is emitted from the optical fiber 20b, and is sent to the sensor head 40. The Jones vector component of the elliptically polarized light at this time can be expressed by the following equation (1).
[Formula 1]
[0071]
Note that θ and δ are indefinite values that change depending on the state of the optical fiber.
[0072]
The elliptically polarized light transmitted to the sensor head 40 is once converted into parallel light by the collimator lens 41 and emitted to the birefringent plate 42. This parallel light is split into two polarized lights Ra1 and Ra2 in the process of transmitting through the birefringent plate 42, and is emitted toward the Faraday element 43a. The characteristics of the birefringent plate 42 (the transmission characteristics from left to right in FIG. 2) can be expressed by the following equations (2) and (3) by Jones characteristics. That is, equation (2) is an ordinary ray (polarized light Ra1), and equation (3) is an extraordinary ray (polarized light Ra2).
[0073]
(Equation 2)
[0074]
[Equation 3]
[0075]
In the process of transmitting through the Faraday element 43a, the two polarized lights Ra1 and Ra2 receive the rotation angle of the polarization plane due to the intensity of the magnetic field, are reflected by the reflection mirrors 44a and 44b on the end face side of the Faraday element 43a, and are reflected by the polarized lights Ra1 and Ra2. The optical path is changed with the forward path of each other as the return path, transmits through the Faraday element again, is further rotated by the polarization plane, becomes polarized light Rb1, Rb2, and returns to the birefringent plate 42.
[0076]
The vector component of the polarized light when transmitted to the end face of the Faraday element 43a at this time is represented by the following equation (4a), the reflection coefficient of the reflection mirror 44 is represented by the following equation (5), and the reflection coefficient of the Faraday element is reflected by the reflection mirror 44. The vector component of the polarized light returned to 44 can be expressed by the following equation (6a).
[0077]
(Equation 4)
[0078]
(Equation 5)
[0079]
(Equation 6)
[0080]
In the equations (4a) and (6a), S is the sensitivity coefficient of the Faraday element, and H is the magnetic field.
[0081]
The two polarized lights Rb1 and Rb2 are further separated into two polarized lights by the birefringent plate. That is, the extraordinary rays (Rb1) 2 and (Rb2) 2 receiving the rotation angle of the polarization plane are separated into the ordinary rays (Rb1) 1 and (Rb2) 1 receiving no rotation angle of the polarization plane.
[0082]
Of the four separated polarized lights (Rb1) 1, (Rb2) 1, (Rb1) 2 and (Rb2) 2, the ordinary ray (Rb1) 1 and the extraordinary ray (Rb2) 2 enter the collimator lens 41. The light is condensed, returned to the optical fiber 20b, and transmitted to the circulator 30.
[0083]
The two polarized lights (Rb1) 1 and (Rb2) 2 returned inside the circulator 30 are distinguished from the light (initial light) from the light source device 10 and are connected to the terminal T. 2 Output from At this time, characteristics of the birefringent plate 42 (transmission characteristics from right to left in FIG. 2) can be expressed by the following equations (7) and (8).
[0084]
Ordinary ray ((Rb1) 1): G = (10) (7)
Extraordinary ray ((Rb2) 2): H = (01) (8)
[0085]
These two polarized light components (Rb1) 1 and (Rb2) 2 to be detected are given to the photodetector 50 via the optical fiber 20c, converted into electric signals, and then input to the arithmetic unit 60. That is, the strength of the magnetic field is calculated by the arithmetic processing described below.
[0086]
Next, a calculation method in the calculation device 60 will be described.
Assuming that the light emitted from the light source device 10 and transmitted through the optical fibers 20a, 20b, and 20c is converted into elliptically polarized light due to disturbance, two polarizations (Rb1) 1, 2 measured by the photodetector 50 are used. The light intensity of (Rb2) 2 is calculated using the Jones Matrix using the above-described equations (1) to (8) of the respective vector components to obtain the following equations (9a) and (10a). Can be represented by
[0087]
Polarized light (Rb1) 1
G / F / E / D / B / A (9a)
Polarized light (Rb2) 2
H ・ F ・ E ・ D ・ C ・ A ・ ・ ・ (10a)
[0088]
Since the energy of the light being transmitted, that is, the light intensity is preserved as a characteristic of the optical fiber, the polarizations (Rb1) 1 and (Rb2) 2 are being transmitted from the optical fiber 20b to the photodetector 50 during the transmission. There is no need to consider the loss of light intensity.
[0089]
Therefore, the light intensity W detected by the photodetector 50 is equal to a value obtained by squaring each of the expressions (9a) and (10a), converting the vector component into an energy component, and adding the result. That is, the light intensity W can be expressed by the following equation (11a).
W = 1-sin 2 (2SH) ... (11a)
[0090]
For example, here, in the above arithmetic expression, a series expansion is performed assuming a range of a small measurement magnetic field (2SH << 1) where sin (2SH) ≒ 2SH is satisfied.
The result can be expressed by the following equation (12a).
W = 1− (2SH) 2 … (12a)
[0091]
That is, the arithmetic unit 60 can calculate the unknown measurement magnetic field H using the equation (12a) based on the detected light intensity W.
[0092]
<Second embodiment>
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a main part of the sensor head according to the second embodiment.
The feature of this embodiment is that, as shown in FIG. 4, a Faraday element 43b is provided between the Faraday element 43a and the reflection mirror 44a (or 44b). Other configurations are the same as those of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0093]
The Faraday element 43b transmits the two polarizations Ra1 and Ra2 separated by the birefringent plate 42 to the Faraday element 43b, so that the respective polarization planes of the two polarizations Ra1 and Ra2 are emitted from the collimator lens 41. A bias magnetic field is applied in advance to rotate the plane of polarization of the parallel light by π / 8. The Faraday element 43b corresponds to an element for giving a predetermined rotation angle to the polarization plane in the present invention. This element is not limited to the Faraday element.
[0094]
In this embodiment, the reason why the two polarizations Ra1 and Ra2 are given a rotation angle of π / 8 in advance by the Faraday element 43b is that the rotation directions of the polarization planes of the polarizations (Ra1) 1 and (Ra2) 2 to be detected. Is to be detected with high sensitivity.
[0095]
At this time, the vector component of the polarized light that has passed through the Faraday elements 43b and 43a and reached the reflecting mirrors 44 (44a and 44b) disposed on the end face side is expressed by the following equation (4b) and reflected by the reflecting mirror 44 and reflected by the Faraday element 43a. , 43b can be represented by the following equation (6b).
[0096]
(Equation 7)
[0097]
(Equation 8)
[0098]
The principle of detecting the rotation direction of the above-mentioned polarization plane is as follows.
Since the configuration and conditions other than the Faraday element 43b are the same as those of the first embodiment, the two orthogonal polarizations (Ra1) 1 and (Ra2) 2 output from the sensor head 40 are the above-described vector components. By using the Jones Matrix using Equations (1) to (3), Equations (5) to (8), and Equations (4b) and (6b), the following equation (9b) is obtained. ), (10b).
[0099]
Polarized light (Ra1) 1
G / J / E / I / B / A (9b)
Polarized light (Ra2) 2
H ・ J ・ E ・ I ・ C ・ A… (10b)
[0100]
The light intensity W detected by the photodetector 50 is equal to a value obtained by squaring each of the equations (9b) and (10b), converting the vector component into an energy component, and adding the results. That is, the light intensity can be expressed by the following equation (11b).
W = 1 / 2-1 / 2sin (4SH) (11b)
[0101]
Here, in the above arithmetic expression, a series expansion to the second order is performed assuming a range (4SH << 1) of a minute magnetic field in which sin (4SH) ≒ 4SH is satisfied.
The result can be expressed by the following equation (12b).
W = 1 / 2-2SH (12b)
[0102]
Further, in the above equation (12b), the light (initial light) output from the light source device 10 is not affected by disturbance when transmitted to the sensor head 40, and is not affected by the magnetic field at the sensor head 40. Assuming that the output is made (H = 0) without receiving the rotation angle of the polarization plane, the value becomes half (1/2) the light intensity of the initial light. By setting the value of 1/2 as a reference value in advance, comparing with a detection result obtained by actual measurement, and confirming the strength of a plus or minus magnetic field with respect to the reference value, the rotation direction of the polarization plane, The direction of the magnetic field H can be detected.
[0103]
<Third embodiment>
FIG. 5 is a diagram showing a main configuration of the sensor head according to the third embodiment.
The feature of this embodiment is that, as shown in FIG. 5, the configuration of the sensor head 40 is different from that of the first embodiment. Therefore, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, The detailed description of is omitted.
[0104]
The sensor head 40 includes a beam splitter 80, a Faraday element 43a, and an optical waveguide 82 in order from the fiber connector 70 to which the optical fiber 20b is connected. Note that the optical waveguide 82 corresponds to the reversing means of the present invention.
[0105]
The beam splitter 80 has a characteristic of splitting into two polarized lights whose polarization planes are orthogonal to each other, regardless of the state of the polarization plane of the light. For example, an optical waveguide type polarization beam splitter is used.
[0106]
Specifically, as shown in FIG. 5, two optical waveguides 81 are provided. One of the ports on the light incident side of the two optical waveguides 81 is connected to the input / output terminal 70 for connecting the second optical fiber 20b, and the other port is attached to the outside of the sensor head. These two optical waveguides 81 cross each other at a substantially intermediate position, and further branch off from the cross connection part. The other two ends are connected to the Faraday element 43a.
[0107]
In other words, polarized light that does not form a single plane of polarization, such as elliptically polarized light, is separated into two orthogonally polarized lights at the cross connection portion of the optical waveguide 81 (TE-TM mode conversion). That is, one is separated as the ordinary ray Ra1 and the other is separated as the extraordinary ray Ra2, and the respective polarized light is transmitted to the different branched optical waveguides 81 thereafter.
[0108]
Each of the polarized lights Ra1 and Rb2 passing through each optical waveguide 81 is output toward a single Faraday element 43a provided in the subsequent stage.
[0109]
The two polarized lights returned to the Faraday element 43a through the optical waveguide 82 at the last stage are provided in the beam splitter 80 again and returned to the optical waveguide 81.
[0110]
Specifically, each of both ends of the “U” -shaped optical waveguide 82 is provided at a position where the polarized light transmitted through the Faraday element 43a can enter, and the polarized light Ra1 transmitted through the Faraday element 43a is By passing through the optical waveguide 81, the polarized light Rb2 is returned to the outward path that has passed through the Faraday element 43a. Conversely, the polarized light Rb2 that has passed through the Faraday element 43a passes through the optical waveguide 81, so that the polarized light Ra1 is returned to the outward path that has passed through the Faraday element 43a.
[0111]
Further, in the process of transmitting through the Faraday element 43a, if the polarized lights Rb1 and Rb2 are returned by receiving the rotation angle of the polarization plane due to the magnetic field applied to the Faraday element 43a, when transmitted through the beam splitter 80, Each of the polarizations Rb1 and Rb2 has changed from a state in which the angle between the two orthogonal polarizations already separated by the beam splitter 80 and the polarization plane is parallel or perpendicular, and each of the polarizations Rb1 and Rb2 further has two polarizations orthogonal to each other. Is separated into That is, each of the polarized lights Rb1 and Rb2 is separated into two polarized lights having different light intensity ratios according to the rotation angle received on the polarization plane.
[0112]
That is, each of the polarized lights Rb1 and Rb2 has the extraordinary rays (Rb1) 2 and (Rb2) 2 that receive the rotation angle of the polarization plane due to the intensity of the magnetic field, and the extraordinary rays (Rb1) that does not receive the rotation angle of the polarization plane. ) 2, (Rb2) 2, and are separated into ordinary rays (Rb1) 1 and (Rb2) 1 whose light intensity is attenuated. That is, in the beam splitter 80, the ratio of the light intensities of the ordinary rays (Rb1) 1 and (Rb2) 1 to the extraordinary rays (Rb1) 2 and (Rb2) 2 appears according to the rotation angle received by the polarization plane. .
[0113]
Further, the beam splitter 80 is configured to select either an abnormal component or a normal component received due to a disturbance in a process of transmitting the beam into the sensor. That is, from the four polarized lights separated in the beam splitter by receiving the strength of the magnetic field in the process of transmitting through the Faraday element 43a, the two polarized lights (Rb1) 2 return to the same optical path as the incident optical path and are orthogonal to each other. (Rb2) 1 is selected and returned to the optical fiber 20b. The other two polarizations are omitted through the light guide 81 whose ends are connected to the outside.
[0114]
The two polarized lights Rb1 and Rb2 returned without receiving the rotation angle of the polarization plane due to the magnetic field are not separated in the beam splitter.
[0115]
Also in the magnetic sensor of the present embodiment, an unknown measurement magnetic field can be obtained by using an arithmetic expression such as a Jones matrix as in the first embodiment.
[0116]
The present invention is not limited to the embodiment described above, but can be modified as follows.
[0117]
(1) In the first and second embodiments, by reducing the thickness of the birefringent plate 42 in order to reduce the size of the sensor head 40, the distance between the two separated polarized lights is reduced, and the number of detection targets 2 is reduced. When it is difficult to extract two polarized lights, an aperture which is a plate provided with a pinhole through which only two polarized lights to be detected pass between the collimator lens 41 and the birefringent plate 42 is arranged in advance. Is also good.
[0118]
(2) In the third embodiment, each of the two polarized lights separated by the beam splitter 80 is provided between the beam splitter 80 and the Faraday element 43a or between the Faraday element 43a and the optical waveguide 82 (FIG. 6). An element for giving a predetermined rotation angle to the polarization plane, for example, a Faraday element (indicated by 43b in FIG. 6) may be provided. In this case, similarly to the magnetic sensor of the second embodiment, the direction of the measurement magnetic field can be detected.
[0119]
In the case where the Faraday element 43b is provided between the beam splitter 80 and the Faraday element 43a, an optical waveguide is connected between the beam splitter 80 and the Faraday element 43b, between the Faraday elements 43a and 43b, and between the beam splitter 80 and the Faraday element 43a. You just need to connect.
[0120]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the linear light output from the light output means becomes elliptically polarized light whose elliptic axis and ellipticity are undefined due to disturbance during transmission to the sensor head. Even if the birefringent plate and beam splitter provided in the sensor head are transmitted and transmitted, regardless of the rotation state of the plane of polarization, the total energy of the light intensity is preserved and the two polarizations orthogonal to each other are kept. Can be used separately.
[0121]
In addition, the polarized light, which has been rotated by the polarization plane according to the intensity of the magnetic field through the Faraday element and further transmitted and transmitted through a birefringent plate or a beam splitter, separates each of the two polarized lights. By selecting and outputting two orthogonally polarized lights passing through the same optical path as the incident optical path from the four polarized lights thus obtained, it is possible to eliminate the influence of the change in the polarization plane due to disturbance.
[0122]
Furthermore, when the two separated polarized lights are transmitted back and forth through the Faraday element, the optical path is changed by using the forward path of each polarized light as the return path, and thereby the solid-state error of each Faraday element that is a composite crystal is reduced. Can be affected under the same conditions. Therefore, it is possible to realize a high-accuracy magnetic sensor in which a solid-state error of the sensor head is removed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a magnetic sensor according to each embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of a sensor head of the magnetic sensor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a modification of the reflection means.
FIG. 4 is a diagram illustrating a main configuration of a sensor head of a magnetic sensor according to a second embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a main configuration of a sensor head of a magnetic sensor according to a third embodiment.
FIG. 6 is a view showing a modification of the sensor head of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
10 Light source device
20a-c ... optical fiber
30… circulator
40… Sensor head
41… Collimator lens
42… Birefringent plate
43… Faraday element
44… Reflecting mirror
50 ... photodetector
60… arithmetic unit
80… Beam splitter
81, 82 ... optical waveguide
