JP3677314B2 - 物理量を光学的に求める方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は請求項１と６の上位概念に示された、物理量を光学的に求める方法および装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
本発明は、その請求項１と６の上位概念が米国特許第Ａ−４９０４９３１号公報に示されている。この公報には２つの互いに平行の光ビームが第１の偏光器、次に電気光学結晶、各１つのλ／８プレート、すなわち＋４５°、−４５°の位相偏移を有する遅延プレート、次に両方の光ビームに共通の第２の偏光器を通過するように、送られる。出力信号はフォトダイオードを用いて別個に検出され、電気信号へ変換されて評価される。電気光学結晶として、ＫＨ_２ＰＯ_４から成る結晶が用いられる。光伝播の方向と平行にこの結晶は４重の回転対称形を有する：１つの平面においてこの主方向に垂直にこの結晶は２つの電気光学主軸を有する。この主軸は互いに直角に配向されている。結晶に電圧が光伝播方向に加わる時に、これらの主軸に沿って光が相異なる速さで伝播する。相異なる伝播速度の差は電圧に比例するため、走行時間差から電圧が測定できる。光源として用いられる両方の発光ダイオードは、９０°だけ位相のずらされた、受信ダイオードの両方の出力信号に依存する。電圧が大きい場合、電圧により生じる光の位相偏移は電気光学結晶の中を通過の際複数の周期にわたり生じる。その結果、ただ１つの光ビームの測定される光強度Ｉの評価の場合、出力信号と測定されるべき電圧との間の関係が多義的になってしまう。Ｉに対しては次の式が当てはまる：
Ｉ＝Ｉ_０・（１＋ｓｉｎ Γ）／２ （１）
ただしＩ_０は、結晶、偏光器等における損失は別として、第１の偏光器に入射する光の強度であり、Γは、誘起された複屈折により生ぜしめられた光学的偏移を示す。この光学的偏移は、印加された電界に比例する。正弦波交流電圧の場合はΓ（ｔ）＝Γ_０・ｓｉｎ（ω・ｔ）である。ただしω＝角周波数、ｔは時間である。電圧のピーク値が関数ｓｉｎΓ（ｔ）の極値と一致する時は、電圧の増加、減少の方向を一義的に測定することは別の構成がなければできない。米国特許第Ａ−４９０４９３１号においてこの問題点は、センサに第２の光学的チャンネルを設けたことにより、解決される。２つの４５°遅延プレートを用いて両方のチャンネルの間に位相差９０°が設定される。
【０００３】
チャンネル１：Ｉ₁(ｔ）＝Ｉ₀・(１＋ｓｉｎ（Γ(ｔ)−４５°))／２
チャンネル２：Ｉ₂(ｔ）＝Ｉ₀・(１＋ｓｉｎ（Γ(ｔ)−４５°))／２ (２)
これらの９０°だけ位相のずらされた信号は相応の評価電子装置により、出力信号として結晶に加わる交流電圧の時間的な相似波形が形成されるように、処理される。
【０００４】
付加的な第２のチャンネルを設けたため、大部分の光学部材の個数が、即ち光源、ガラス、ファイバーケーブル、コリメータ、偏光器の個数が２倍になり、そのためセンサのコストが著しく増加する。凍結した（固定的に取り込まれた）機械的ひずみと欠陥に起因する結晶の無視できないことの多い複屈折は通常は両方のチャンネルに対して相異なる。その結果、両方のチャンネル間の実際の位相差は９０°とは異なりさらに温度に依存する。両方のチャンネル用の光学部材は著しく大きい所要スペースを有し、さらに相応に大きい結晶断面を必要とする。しかし大きい結晶横断面は装置全体の電気的絶縁破壊に対する耐性に悪影響を及ぼし、さらに結晶コストを増加させる。
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
本発明の課題は上述の欠点を回避するために、冒頭に述べた形式の物理量を光学的に求める方法および装置を、物理量を形成するための位相のずらされた両方の信号を１つの共通の光学的チャンネルから導出可能にするように、開発することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１と６の特徴部分に示された構成により解決されている。本発明の具体的な構成が従属形式の請求項に示されている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の利点は、結晶の真性複屈折が両方の信号間の位相差に対してもはや何の影響も与えないことにある。さらに、必要とされる光学部材の個数が低減される。唯１つの光源しか必要とされない。所要スペースの減少により結晶横断面積は低減できる。
【０００８】
次の本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【０００９】
【実施例】
図１と図２は、一体化された送信路および受信路を有するセンサ構造の２つの実施例を示す。図１に示されたセンサ構造の場合、光源Ｌたとえばレーザダイオードから放出された光は、光ファイバービームスプリッタないしファイバカプラＦＫを通過し、次にファイバケーブルたとえばガラスファイバケーブルＦ１を通過し、これを通過して光はセンサヘッドへ伝送される。ここで光は第１コリメータＫ１によりコリメートされ、次に後置接続の第１偏光器Ｐ１により直線的に偏光される。光は次に相次いでビームスプリッタ、第１、第２のガラスプレート２，３、および電気光学的結晶４を通過する。この結晶の片側は、鏡面化された導電性および光反射性であるガラスプレート５により終端されている。６で層電極が示されている。第２のガラスプレート３の上の層電極は電気的にアースされた透明なインジウム酸化錫層である。７で鏡が示されている。第３のガラスプレート５において層電極６は鏡７として用いられる；層電極６はゴールド化クロム層から成る。クロム層は第３のガラスプレート５を囲む。第３のガラスプレート３において光ビームはそれ自体の中へ戻り反射される。その結果、光ビームは電気的光学的結晶４をもう一度、通過する。ビームスプリッタ１において光ビームは２つの部分ビームＴ１，Ｔ２に分割される。第１の透過された部分ビームＴ１は、検光子として作用する第１の偏光器Ｐ１を介して、第１コリメータＫ１とガラスファイバケーブルＦ１を通過して、ファイバカプラーＦＫへ走行する。ここから、結合比により定められた光成分が光学電気的検出器へ、即ち第１の光検出器Ｄ１へ達する。第１の光検出器は出力側で、受信された光強度に比例する電気信号Ｉ_１を評価電子装置または計算器すなわちマイクロプロセッサ１４へ供給し、マイクロプロセッサの出力側から測定結果信号Ｓが取り出される。
【００１０】
ビームスプリッタ１で反射された第２の部分ビームＴ２はまず位相遅延プレートたとえばλ／４遅延プレート９を通過し、次に第２の偏光器Ｐ２、偏向プリズムすなわち９０°プリズム１０、第２のコリメータＫ２を通過する。コリメータはこの部分ビームＴ２を第２のガラスファイバーケーブルＦ２へ入力結合する。このガラスファイバケーブルＦ２により部分ビームＴ２は最終的に第２の光検出器Ｄ２へ達する。この光検出器は出力側で、受信された光強度に比例する電気信号Ｉ₂をマイクロプロセッサ１４へ供給する。
【００１１】
３つのガラスプレート２，３，５は、センサの基本動作にとっては重要ではない。実際はこれらのガラスプレートは蒸着された層電極６のための支持素子および基板として用いられる。層電極には、検出すべき電圧である高電圧８が加えられる。第１のガラスプレートは介在素子としてだけ用いられる。熱により生ぜしめられる張力をできるだけ小さく保つために、３つのガラスプレート２，３，５のガラスは電気的光学的結晶４と同様の熱膨張係数を有するようにすべきである。
【００１２】
図２において図１との相違点は入力チャンネルと出力チャンネルとが入れ替わっていることである。
【００１３】
図３は図１に示されたセンサ構成のための光学部材の角度配向を示す。第１の偏光器Ｐ１の偏光方向は、ビームスプリッタ１の底面の互いに直交する両方の線Ｕ，Ｖのうち１つに平行である。ビームスプリッタ１の第３のＷは他の両方の縁と直交する。そのため偏光はビーム分割の際の当該の光入射面に対して平行または垂直である（Ｐ偏光は偏光方向Ｘであり、Ｓ偏光は偏光方向Ｙである、すなわち偏光はそれぞれの光入射平面に平行および垂直である）。これらの直線偏光はビームスプリッタを透過する際に得られる。第１の偏光器Ｐ１を別のように配向すれば、光は楕円偏光状態へ移行する。何故ならばＳ成分とＰ成分はビームスプリッタ１を透過する際に通常は相異なる位相偏移作用を受けるからである。
【００１４】
電気的光学的結晶４の２つの第１、第２の電気光学軸Ｈ１，Ｈ２はビーム方向に対して垂直であり、かつビーム方向における電気光学結晶４の第３の光軸Ｈ３に対しても垂直である。第１、第２の電気光学軸Ｈ１，Ｈ２は入射光の偏光方向と共に角度４５°を形成する。電気光学結晶４の端面もビーム方向に対して垂直である。λ／４遅延プレート９の主軸は、ビームスプリッタ１で反射された光ビームの方向に垂直であり、さらにビームスプリッタ１の辺Ｖ，Ｗの方向と共に角度＋４５°または−４５°を形成する；そのため主軸は同時に、電気光学結晶４の電気光学軸の１つの射影に対して平行である。第２の偏光器Ｐ２の偏光方向はλ／４遅延プレート９の主軸に対して４５°の角度を成す。９０°プリズム１０の縁Ｕ，Ｖ，Ｗはビームスプリッタ１の相応の縁に対して平行である。
【００１５】
図４は図２に示されたセンサ構成のための光学部材の配向を示す。
【００１６】
振幅および位相の影響：
次に電気光学信号Ｉ_１，Ｉ_２の相対位相Γと変調コントラストＫ_１，Ｋ_２へ障害として作用する影響を考察する。この影響から得られる、光学部材の配置と角度配向のための結論を次に説明する。
【００１７】
最も重大な障害の影響：
ビームスプリッタが、Ｐ偏光とＳ偏光に対して、反射においても透過においても相異なる位相偏移を持ちこむ。
【００１８】
反射率と透過率は、Ｓ偏光とＰ偏光に対して通常は相異なる。
【００１９】
９０°プリズムがＳ偏波とＰ偏波との間に同じく位相差を持ちこむ。さらに不正確なλ／４遅延プレート９に基づいて、および／または光学部材の不正確な角度調整に起因する障害の影響が付加される。
【００２０】
両方のチャンネルにおける信号Ｉ₁とＩ₂は次の式で表わせる：
Ｉ₁(ｔ)＝Ｉ₀・［Ａ₁＋Ｂ₁・ｃｏｓ(Γ−ε₁）］／２ (３)
Ｉ₂(ｔ)＝Ｉ₀・［Ａ₂＋Ｂ₂・ｃｏｓ(Γ＋π／２−ε₂）］／２ (４)
式（３）はλ／４遅延プレート９のないチャンネルに適用され、式（４）はλ／４遅延プレート９を有するチャンネルに適用される。Ａ₁，Ｂ₁およびＡ₂，Ｂ₂は、変調コントラストＫ₁，Ｋ₂を測定するための係数であり、Ｋ＝Ｂ₁／Ａ₁，Ｋ₂＝Ｂ₂／Ａ₂である。Γは電気光学位相偏位、ε₁，ε₂は９０°位相差からずれを生ぜさせる付加的な位相項である。
【００２１】
理想的な場合は、Ａ₁＝Ｂ₁＝Ａ₂＝Ｂ₂＝１およびε₁＝ε₂＝０となる。
【００２２】
１．ビームスプリッタの影響：
λ／４遅延プレート９のないチャンネルにおいて、コントラストと９０°位相偏移への上述の障害作用は、すなわちＡ₁＝Ｂ₁＝１、ε₁＝０、その結果：Ｉ₁＝Ｉ₀・［１＋ｃｏｓΓ］／２のλ／４遅延プレート９を有するチャンネルと特別な場合δ₁≠０、ａ_s＝ａ_pに対しては、Ａ₂＝１、Ｂ₂＝ｃｏｓδ₁、ε₂＝０であり、次の式が当てはまる。
【００２３】
Ｉ_２＝Ｉ_０・［１＋ｃｏｓδ_１・ｃｏｓ（Γ＋π／２）］／２ （５）
ａ_ｓとａ_ｐはビームスプリッタ１における反射後の、ないしビームスプリッタ１の第２の透過後のＳ偏光およびＰ偏光の場合の光の強さの振幅であり、δ_１はビームスプリッタ１により生ぜさせられた、Ｓ偏光とＰ偏光との間の位相偏移である。δ_１は通常は反射の場合と透過の場合とは相異なる。
【００２４】
変調コントラストＫ₂は係数ｃｏｓδ₁だけ低減される。９０°位相偏移は影響されない（ε₂＝０）。
【００２５】
λ／４遅延プレート９を有するチャンネルに対して、かつ一般的にδ₁≠０、ａ_s≠ａ_pに対して次の式が得られる：
Ａ₂＝（ａ_s ²＋ａ_p ²）／２ （６）
Ｂ₂＝［ａ_s ²・ａ_p ²・ｃｏｓ²δ₁＋(ａ_s ²−ａ_p ²)²／４］^0.5 （７）
ε₂＝ａｒｃ ｔａｎ(ａ_s ²−ａ_p ²)／(±２・ａ_s・ａ_p・ｃｏｓδ₁) （８）
±の極性はλ／４遅延プレート９の配向に関する、即ち偏光方向Ｘから±４５°の軸線に関する。この場合、基本的に変調コントラストＫ₂も９０°位相偏移もビームスプリッタ１により影響される。
【００２６】
図５は９０°位相偏移のエラーの値｜ε_２｜を、ビームスプリッタ１の相対位相遅延δ_１の関数として、振幅比ａ_ｓ／ａ_ｐ＝０．５、０．９、１．０の場合に示す。図示されているように、Ｓ偏光およびＰ偏光における振幅ａ_ｓ，ａ_ｐが等しい（短い破線）時は、相対位相遅延δ_１は９０°位相偏移へ何の影響も与えない。他方、振幅が等しくない時は常にエラーが存在する（長い鎖線と実線）。
【００２７】
図６はＫ₂＝Ｂ₂／Ａ₂を相対位相遅延δ₁として、図３で示された３つの振幅比ａ_s／ａ_p＝０．５、０．９、１．０の場合に示す。ビームスプリッタ１における相対移動遅延δ₁が１０°よりも小さい時は、振幅比ａ_s／ａ_pにほとんど依存することなく、変調コントラストＫ₂はわずかしか影響を受けない。
【００２８】
市販の、金属／誘電体ハイブリットスプリッタ層を有する立方体状のビームスプリッタ１のために次の値が選定された：
透過＝δ₁＝１°、ａ_s／ａ_p＝０．９５４、
反射＝δ₁＝６°、ａ_s／ａ_p＝１．０４９。
【００２９】
このスプリッタ機種の場合、値のばらつきはほとんどない。
【００３０】
そのためλ／４遅延プレート９を有する変調コントラストＫ₂は係数０．９８６（透過分岐におけるλ／４遅延プレートの場合）だけ、および０．９８１（反射分岐におけるλ／４遅延プレート９）だけ低減される。９０°位相偏移は角度ε₂＝２．７０°、ε₂＝２．７１°だけ障害を受ける。そのため障害の影響は無視できるくらい小さい。
【００３１】
誘電体のスプリッタ層だけ有するビームスプリッタの場合は振幅比ａ_s／ａ_pは１とは著しく異なり、それに応じて大きい影響を変調コントラストと９０°位相偏移を有する。図５と図６を参照。
【００３２】
例えば振幅ａ_s／ａ_pが１の近傍にあり、位相遅延δ₁が０の近傍にあるビーム機種が選定される。透過と反射の場合の相対遅延が著しく相異なる時は、λ／４遅延プレート９を有するチャンネルを、相対位相遅延δ₁のより小さい値を有する分岐の中へ置く。
【００３３】
２．λ／４遅延プレート９の位相エラーの付加的な影響：
実際に生じ得ることは、前述の障害の影響に付加的に、λ／４遅延プレート９による位相遅延は、９０°位相差よりもエラー角度λ₃だけずれる。係数Ａ₂，Ｂ₂と９０°エラーε₂の場合、第１の偏光器Ｐ₂（分析器）は偏光方向ｙに平行に配向されている（図３と図４に示されているＳ偏向）場合が当てはまる：

第１の偏光器Ｐ２が偏光方向Ｘに平行な時は、式（４）においてＢ₂とε₂の極性は変わる、即ち：
Ｉ₂(ｔ)＝Ｉ₀・［Ａ₂−Ｂ₂・ｃｏｓ(Γ＋π／２＋ε₂）］／２ （12)
それに応じて式（２）において第２の極性、式（１２）において第３の極性、式（１１）において第２の極性が変化する。
【００３４】
エラー角度δ₃＝１．８°の場合、δ₁＝１°とａ_s／ａ_p＝０．９５４において９０°位相偏移からの次の値だけのずれとなる：
ε₂＝０．９０°、第２偏光器（Ｐ２）‖ｘおよび
ε₂＝４．４９°、第２偏光器（Ｐ２）‖ｙ。
【００３５】
この著しく小さい障害の影響の場合、λ／４遅延プレート９のエラー角度δ₃は、偏移位置に応じて上述のδ₃＝０°の場合に算出された２．７°の９０°エラーが加算または減算される。そのため９０°エラーは初期の選定によりδ₃から０へ補償できる。
【００３６】
第１の偏光器Ｐ１の、ＸからＹへの、およびＹからＸへの旋回は、９０°位相偏移および変調コントラストへは作用しない。
【００３７】
光学部材の不正確なアジマス配向から得られる障害の影響は考慮されない。実際に角度設定は、これらの障害の影響が何の役割も果たさないように、正確に行なわれる。
【００３８】
３．９０°プリズム１０の影響：
全反射の場合、９０°プリズム１０においてＳ偏光とＰ偏光との間に、プリズムの屈折率１．５の場合に位相偏移３６．９°が生ずる。
【００３９】
図２の９０°プリズム１０がλ／４遅延プレート９のない受信チャンネルに設けられている場合は、図４に示されている角度配向の場合のこの位相偏移は、センサ信号に対して影響を与えない。図１と図３に示された９０°プリズム１０がλ／４遅延プレート９を有する光路に設けられている時は、λ／４遅延プレート９と第２の偏光路Ｐ２は９０°プリズムの手前に即ち９０°プリズム１０とビームスプリッタ１との間に設ける必要がある。９０°プリズム１０とコリメータＫ₂との間に配置すれば、このチャンネルにおける変調コントラストは係数、約０．８だけ低下してしまう。
【００４０】
図７は、ファイバカプラＦＫにおいてもビームスプリッタ１においても理想的な、損失のないかつ分割比が１：１の場合の、相対的な光学的なエネルギ状態を示す。光源ＬにおいてガラスファイバーケーブルＦ１の中へ入力結合された光エネルギは１００％と前提される。ファイバカプラＦＫの出力側ではそのうちのなお５０％が残っている。光は偏光されずに第１の偏光器Ｐ１に到来するため、光エネルギは第１の偏光器Ｐ１によりもう１度半減されてもとの光エネルギの２５％になる。ビームスプリッタ１の２回の通過の後に、光強度は６．２５％へ低減されている。これは、Ｉ₁(ｔ)とＩ₂(ｔ)により与えられる電気光学的変調の最大値に相応する最大の光エネルギである。この光エネルギは分析器Ｐ１，Ｐ２により受信チャンネルの中へ達する。チャンネルにおいてこの光エネルギはファイバカプラＦＫによりさらに１回半減される。その結果、光検出器Ｄ１，Ｄ２において変調の最大値において、最終的にもとの光エネルギのなお３．１２５％および６．２５％が入射する。
【００４１】
Ｓ偏光のためにもＰ偏光のためにも透過と反射との比が２：１のビームスプリッタ１を用いると、両方の光検出器Ｄ１，Ｄ２へ入射する最大の光エネルギを等しくできる。この光エネルギはもとのエネルギのそれぞれ５．５５％の値を有する（括弧の中の値を比較のこと）。
【００４２】
図８と図９は２つの別のセンサ実施例を示し、この場合、送信路と受信路が分離されている。この場合もセンサの各々は唯１つの光源Ｌしか必要としない。両方の９０°位相偏移は電気光学結晶４における１つの共通の光路から導出される。そのため電気光学結晶の複屈折は９０°位相偏移に影響を与えない。９０°位相偏移を形成する光学部材は図１、図２、図３の場合と同じである。第２のガラスプレート３は第３のガラスプレート５と同様に光信号を透過させる層電極６である。入力光ビームの偏向はミラー７により行なわれるのではなく、第３のガラスプレート５の上の９０°プリズムにより行なわれる。
【００４３】
これらの両方のセンサの実施例の利点：
図１と図２によるセンサ実施例の場合、第１の光検出器Ｄ１において信号バックグラウンドノイズが不所望の反射に起因して光学的装置から発生する。この種の反射の原因は境界面における、特にファイバ区間における屈折率の跳躍的変化である。図８と図９によるセンサ構成の場合、この種の反射はほとんどなく、または著しく減衰された形式で検出器へ達するため、それほど障害とはならない。ファイバプラグの品質はより小さくなり得る。
【００４４】
ファイバＦＫは省略される。
【００４５】
光検出器Ｄ１，Ｄ２における光エネルギはより高い。
【００４６】
これらの利点に対して次の欠点がある：
送信器側／受信器側とセンサヘッドとの間に付加的なガラスファイバ接続体が必要とされる。
【００４７】
第３のコリメータＫ３と第３の偏光器Ｐ３が必要とされる。
【００４８】
光学装置の横断面寸法がより大きくなる。そのため必要とされる、電気光学結晶４の最小横断面積よりもより大きくなる。
【００４９】
振幅および位相の影響に関しては、図１と図２の場合と同じことが当てはまる。付加的に第３のガラスプレート５の上面における９０°プリズム１１における２回の反射の場合の相対位相偏移は、Ｓ偏光とＰ偏光との間のそれぞれの角度ψ_２だけ考察される。この場合、９０°プリズム１１の屈折率１．５の場合にψ_２＝３６．９°の値となる。この位相偏移が９０°位相偏移の相対位相へ、および変調コントラストへ影響を与えないようにするために、プリズム底面の縁は電気光学結晶４の電気光学軸に平行に方向づけるべきである。９０°位相偏移の両方の信号は共通に同じ位相角度２ψ_２だけ変位される。しかしそれらの相対位相は変化されない。光強度Ｉ_１とＩ_２の場合の信号は式（３）と式（４）の変形式で示される：
Ｉ_１(ｔ)＝Ｉ_０・［Ａ_１＋Ｂ_１・cos(Γ−ε_１)−２・ψ_２］／２ （13)
Ｉ_２(ｔ)＝Ｉ_０・［Ａ_２＋Ｂ_２・cos(Γ＋π／２−ε_２）−２・ψ_２］／２ （14)
式（１３）はλ／４遅延プレート９を有しないチャンネルに当てはまり、式（１４）はλ／４遅延プレート９を有するチャンネルに当てはまる。
【００５０】
これらの両方の式１３，１４から、作用電界すなわち高電圧８に比例する光学的位相偏移Γが求められる。このことは前述の米国特許第Ａ−４９０４９３１号公報に示されている。所期の電圧振幅すなわち測定結果信号Ｓは光学的位相偏移Γに依存して較正により定められる。
【００５１】
センサ特性は零点偏移により劣化されない。所望の場合はセンサ特性は、遅延２ψ₂を有する各１つの付加的な遅延プレートにより両方のチャンネルにおいて補償できる。
【００５２】
９０°プリズム１１の縁を４５°の角度で、電気光学結晶４の電気光学軸Ｈ１、Ｈ２に配向すれば、９０°プリズム１１の相対位相遅延に付加的な障害となる影響を生ぜしめることになる。
【００５３】
付加的な９０°プリズム１１を回避する目的で、入力光ビームを、電気光学結晶４の第３の電気光学軸Ｈ３に、わずかに斜めに走行させて、次に再び第３のガラスプレート５の鏡面７において反射させることができる。このことは図１０に記入されている光路１２に示されている。１３で、ビームスプリッタ１、λ／４遅延プレート９、偏光器Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３、コリメータＫ１，Ｋ２，Ｋ３および９０°プリズム１０から成る光学部材を示す。
【００５４】
光学的エネルギ状態は両方のセンサ構成の場合に同じであり、図１１において損失のない理想的な場合が示されている。電気光学的変調の最大値において、両方の光検出器Ｄ１，Ｄ２にもとの光出力のそれぞれ２５％が到来する。
【００５５】
例えばセンサ光学部材の内部の多重反射の場合に干渉の影響が生じないようにする目的で、光源Ｌは例えば短いコヒーレント長さを有すべきである。干渉の影響は高められたノイズにより、測定された光強度Ｉ₁とＩ₂へ障害として作用することがある。例えば光を放出する半導体ダイオードＬＥＤまたはマルチモードレーザダイオードが用いられる。
【００５６】
これらのガラスファイバ接続体はマルチモードファイバケーブルＦ１，Ｆ２である。レーザダイオードを光源Ｌとして用いる場合、送信路用のガラスファイバケーブルＦ１は少なくとも次の長さ（通常は数１０ｍ）に選定される。すなわちセンサヘッドに到来する光が十分に偏光解除されさらに十分に非コヒーレントであるように、選定される。その目的は、偏光の変動と干渉の影響に起因する信号変動とノイズを阻止するためである。図８と図９に示されているように送信路と受信路との分離の場合、マルチモードレーザダイオードが光源Ｌとして選定される時は、偏光形成用のモノモードファイバＦ３も適する。発光半導体ダイオードを用いるとすると、モノモードファイバへ入力結合される光エネルギは小さすぎる。センサヘッドにおいてファイバ軸線は、偏光方向が入力偏光器Ｐ３の順方向に平行になるように、方向づけられる。
【００５７】
図１と図２による一体化された送信路と受信路の場合、モノモードファイバは不適切である。何故ならばファイバへの光の再入力結合の目的で、センサ構造の機械的な安定性に対する要求は、小さいファイバ直径に起因して著しく大きくなるからである。
【００５８】
電界の線積分に対して適切でかつ電圧が加わらない時は複屈折する結晶族と結晶配向が次の表１に示されている。
【００５９】
【表１】

【００６０】
この結晶族は国際的な表記法であり括弧の中もシェーンフリース表記法で示されている。
【００６１】
表２に示された両方の結晶族は電界の加わらない時は複屈折性である。真性複屈折の主軸は電気光学主軸と一致する。その結果、真性複屈折は一定の残存する調整偏差として、電界により誘起される複屈折へ加算される。
【００６２】
【表２】

【００６３】
これらと並んで別の結晶族がある。これは基本的に積分にも適するであろうが、真性複屈折の軸と電界により生ぜされる複屈折の軸とは異なる方向を有する。この結晶族についてはこれ以上は説明しない。
【００６４】
重要なことは、０°および９０°とは異なる偏光を有する光は、電気光学軸Ｈ１に対して４０°〜５０°の範囲において例えば４５°で電気光学結晶４の中へ入射されることである。電気光学結晶４の２回の通過（往復）の後に光はビームスプリッタ１において２つの部分ビームＴ１，Ｔ２へ分解される。第１の部分ビームＴ１の中に偏光器Ｐ１が設けられており、この偏光器はこのチャンネル用の分析器として作用する。第２の部分ビームＴ２は、両方のチャンネルの間に９０°位相偏移を形成するλ／４遅延プレートを介して走行し、次に分析器Ｐ２も走行する。ビームスプリッタ１において反射された光ビームはさらに９０°プリズム１０を介して偏向される。その結果、両方のチャンネルに対して平行なビーム方向が得られる。このことがコンパクトな構造を可能にする。光学部材の特性、配向および配置は次のように選定されている。すなわち境界面（ビームスプリッタ１、９０°プリズム１０）における透過と反射の際のＳ偏光とＰ偏光の場合の相異なる位相偏移が、両チャンネル間の位相差と変調コントラストに実質的に影響を与えないように、選定されている。
【００６５】
温度補償：
検出された電気光学信号すなわち光強度Ｉ₁とＩ₂は通常のように温度に依存する。Ｂｉ₄(ＧｅＯ₄)₃(ＢＧＯ）の場合は尺度となる電気光学係数の温度係数は約２．４ １０~⁴Ｋ~¹の値を有する、すなわち温度が１００Ｋだけ上昇すると信号は、印加電圧が一定の場合は２．４％だけ上昇する。そのため正確な電圧測定のために付加的な温度測定が必要とされる。別個の温度センサを回避する目的で、λ／４遅延プレート９が用いられる。このプレートの遅延作用は適切な大きさの温度依存性を有する。両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂の位相差Δφの測定からλ／４遅延プレート９とそれの近傍の温度が求められる。電圧信号すなわち測定結果信号Ｓは相応に補正できる。温度が５０Ｋだけ変化する時に、水晶から成る０次のλ／４遅延プレートの場合、波長６３３ｍｍの場合の遅延は約０．５°だけである。より大きい温度依存性はより高い次数のλ／４遅延プレート９の使用により得られる。なぜならば温度により定められる位相変化は次数と共に増加するからである。例えば２．２５次の、すなわち２．２５波長の相対遅延を有するλ／４遅延プレート９の場合は、温度が５０Ｋだけ変化する時に４．５°だけ遅延が変化する。
【００６６】
両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂の間の位相差Δφの測定を図９を用いて説明する。図９にこの電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂は時間ｔに依存して示されている。
【００６７】
両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂の間の位相差Δφは、λ／４遅延プレート９により生ぜしめられた遅延に相応する。遅延は温度に依存する。位相差Δφは、Ｉ₂とＩ₁がＩｍａｘ／２を通過する時点ｔ０，ｔ１，ｔ２の測定から次の式を用いて求められる。
【００６８】
Δφ＝１８０°・（ｔ０−ｔ１）／（ｔ２−ｔ１） (15)
９０°からの位相差Δφの偏差は次の式で示される：Δφ′＝Δφ−９０°。
【００６９】
λ／４遅延プレート９は、室温（２９３Ｋ）の場合のΔφを９０°に、従ってΔφ′＝０になるように設計すべきである。Δφ′は次のように絶対温度Ｔに依存する：
Δφ′(Ｔ)＝γ・(Ｔ−２９３) (16)
ただしγはλ／４遅延プレート９の温度係数である。２．２５次のλ／４遅延プレートの場合は次の値を有する。
【００７０】
γ＝０．０９°Ｋ~¹ (17)
センサヘッドの温度Ｔはケルビン度で測定できる：
Ｔ＝Δφ′(Ｔ)／γ＋２９３ (18)
既知の温度Ｔによりマイクロプロセッサ１４により電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂から得られた測定結果信号Ｓは温度Ｔに関して補正できる：
Ｓ_K＝Ｓ・δ(Ｔ) (19)
ただしδ(Ｔ)は次の式で与えられている：
δ(Ｔ)＝１＋ε(Ｔ−２９３) (20)
εは電気光学位相差の温度係数である。Ｂｉ₄(ＧｅＯ₄)₃(ＢＧＯ）の場合は、εは約２．４・１０⁴Ｋ~¹の値を有する。
【００７１】
センサの較正は、Ｔ＝２９３でδ（２９３Ｋ）＝１の場合に所望の信号Ｓが形成されるように、行なわれる。センサが力測定のために用いられる（以下参照）時は、機械的に生ぜしめられる複屈折の温度係数が式（２０）において用いられる。
【００７２】
真性複屈折を有する６ｍｍと２ｍｍの結晶の場合、この複屈折の温度依存性を温度測定のために用いることができる。複屈折の変化が、両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂の付加的な緩慢な位相偏移を生ぜさせる。この位相偏移は両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂に対して大きさが等しい。さらにλ／４遅延プレート９の温度依存性にもとづく、Ｉ₁，Ｉ₂の相対位相の温度に依存する変化が加わる。しかしこの変化は絶対偏移に比較して無視できるくらい小さい。
【００７３】
温度に依存する緩慢な位相偏移は、９０°のインクリメントで、両方の電気光学信号Ｉ₁，Ｉ₂の零点通過の合計数から求められる。
【００７４】
正の極性を有する正の位相偏移の場合の零点通過と、負の極性を有する負の位相偏移の場合の零点通過とを計数すると、交流電圧（８）の各々の完全な周期の後の印加された交流電圧８にもとづく累積された零点通過は＝０となる。付加的に発生した全部の零点通過は温度変化または直流電圧成分に起因する。しかし直流電圧による零点通過の個数は温度により生ぜしめられた零点通過に比較して無視できるくらい小さい。
【００７５】
真性複屈折にもとづく位相偏移は光が電気光学結晶を２回通過した際に次に式で与えられる：
ΔΓ＝４・π・Ｌ・Δｎ／λ (21)
ただしＬは結晶の長さ、λは光の波長、Δｎは複屈折の場合の屈折率の差である。
【００７６】
温度変化ΔＴの場合、位相は次の値だけ変化する。
【００７７】
【外２】

【００７８】
δΓ(ΔＴ)は付加的な零点通過の個数Ｎ（ΔＴ）からπ／２すなわち９０°のインクリメントで次の式により求められる：
δΓ(Ｔ)＝Ｎ（ΔＴ)・π／２ (23)
温度依存性は次の式で示されている：
【００７９】
【数１】

【００８０】
この方法の場合、温度変化だけが求められる。初期温度Ｔａはセンサの作動開始ごとに新たに次のように入力する必要がある：
Ｔ＝Ｔａ＋ΔＴ (25)
数値例
【００８１】
【外３】

【００８２】
全部の位相偏移ΔΓ＝１．６・１０⁴ラジアン （２６）
温度変化がΔＴだけの場合の位相偏移：δΓ＝１．６１・ΔＴ。ΔＴ＝１Ｋの場合、δΓ＝１．６１ラジアン９２° （２７）
センサは基本的に光圧および力のダイナミック測定のためにも使用できる。そのための構成は図１０に示されている。力１５は光伝播方向Ｘ₁に平行に作用する。結晶族と結晶配向の適切な選定の下で、光伝播方向Ｘ₁に沿って伝播する光のための電気光学結晶４は複屈折性である。族２３（Ｔ）またはｍ３（Ｔｈ）の立方結晶４の場合、光伝播方向Ｘ３は３つの立体軸の１つと一致する。立体軸に平行な偏光方向のための３つの主屈折率は次のように変化する：
Δｎ₁＝−ｎ₀ ³・π₁₁・σ／２
Δｎ₂＝−ｎ₀ ³・π₁₃・σ／２
Δｎ₃＝−ｎ₀ ³・π₁₂・σ／２
ただしｎ₀は力１５の加わらない場合の屈折率、σは単位面積当りに加えられる力１５、π_ijは光弾性係数を示す。３つの別の立方族４３ｍ，４３２，ｍ３ｍ（Ｔｄ，０，０ｎ）のうちの１つに所属する電気光学結晶の場合はπ₁₂＝π₁₃であり、そのためΔｎ₂＝Δｎ₃である。そのためこれらの族は図１０に示された構成における圧力測定のためには適切ではない。
【００８３】
族２３とｍ３の場合は複屈折は次の式で与えられる：
Δｎ＝Δｎ₂−Δｎ₃＝−ｎ₀ ³・(π₁₃−π₁₂)・σ／２
入射光の偏光方向はＸ₂軸とＸ₃軸により例えば角度４５°を形成する。長さＬの電気光学結晶４を２回通過した際のＸ₂とＸ₃に平行な両方の直交する偏光成分が累積する合成の位相差は式（２６）により与えられている。
【００８４】
数値例：
差π₁₃−π₁₂は通常は１０~¹²ｍ²／Ｎのオーダーを有する。ｎ₀＝２、Ｌ＝０．１ｍ、σ＝１０⁶Ｎ／ｍ²、λ＝７８０ｎｍの場合、ΔΓ＝６．４４ラジアンすなわち３６０°となる。
【００８５】
力測定の目的で非立方結晶族を用いることもできる。
【００８６】
力１５を長手方向へ電気光学結晶４へではなく、横方向へ横断面の示されているガラスロッド１６へ作用させることもできる。このこともできる。入射する光の偏光は力１５の方向と例えば４５°の角度にする必要があろう。Ｈ１とＨ２は生ぜしめられた複屈折の主軸を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】一体化された送信路と受信路を有するセンサ構成体の構造図である。
【図２】一体化された送信路と受信路を有するセンサ構成体の構造図である。
【図３】図１に示されたセンサ構成体の光学部材の角度配向図である。
【図４】図２に示されたセンサ構成体の光学部材の角度配向図である。
【図５】９０°位相差のエラー曲線を、図１と図２に示されるセンサ構成体のビームスプリッタにおけるＳ偏光とＰ偏光との間の位相遅延の関数として示す線図である。
【図６】λ／４プレートを有するチャンネルにおける電気光学変調のコントラストを、ビームスプリッタにおけるＳ偏波とＰ偏波との間の相対位相遅延の関数として示す線図である。
【図７】図１と図２によるセンサ構成体の場合の相対光エネルギを示す線図である。
【図８】分離された送信路と受信路を有するセンサ構成体の構造図である。
【図９】分離された送信路と受信路を有するセンサ構成体の構造図である。
【図１０】図８と図９に示したセンサ構成体において、プリズムではなくミラーを用いた場合の電気光学結晶における光路図である。
【図１１】図８と図９に示されたセンサ構成体においてビームスプリッタの分割比が１：１の下での相対光エネルギを示す図である。
【図１２】温度補償を示すために２つの電気光学信号を時間の関数として示す信号ダイヤグラム図である。
【図１３】圧力および光の光学的ダイナミック測定のためのセンサ構成図である。
【図１４】光の光学的ダイナミック測定のためのセンサ構成図である。
【符号の説明】
１ ビームスプリッタ、 ２，３，５ ガラスプレート、 ４ 電気光学結晶、 ６ 層電極、 ７ ミラー、 ８ 高電圧、 ９ 位相遅延プレート、 １０，１１ ９０°プリズム、 １２ 光路、 １３ 光学部材、 １４ 評価電子装置、 １５ 力、 １６ ガラスロッド

Claims (11)

1. 光ビームが光学的媒質（４，１６）を通過する際に光の位相偏移を生ぜしめる物理量を光学的に求める方法であって、
   ａ）３つの特性軸（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）を有する電気光学結晶（４）の第１の電気光学特性軸（Ｈ１）からの所定の第１の偏光角度を有する直線偏波された入力光ビームを、電気光学結晶（４）の中を案内し、
   ｂ）電気光学結晶（４）から出てゆく２つの第１および第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）を検出し、
   ｃ）第１の電気光学特性軸（Ｈ１）もこれと直角の第２の電気光学特性軸（Ｈ２）も、第３の特性軸（Ｈ３）に直角に配向されている平面内に設けられており、該平面において、電界または力の場が存在しない時は、光は偏光に依存して伝播し、電界または力の場が電気光学結晶（４）へ作用すると、光は、第２の電気光学特性軸（Ｈ２）の方向へ伝播するよりも第１の電気光学特性軸（Ｈ１）の方向へ一層速く伝播する形式の前記の方法において、
   ｄ）この入力光ビームを反転後にこの電気光学結晶（４）の中を戻り路へ変向させ、
   ｅ）次にビームスプリッタ（１）と第１の偏光器（Ｐ１）を通過させて一方では第１の光電検出器（Ｄ１）へ案内し、該光電検出器は出力側で第１の位相信号(Ｉ_１）を供給し、
   ｆ）他方では所定の第１の移相作用を有する移相器（９）と第２の偏光器（Ｐ２）を介して第２の光電検出器（Ｄ２）へ案内し、該光検出器は出力側に第１の位相信号（Ｉ_１）に対して位相の偏移された第２の位相信号（Ｉ_２）を供給することを特徴とする、物理量を光学的に求める方法。
2. ａ）第１の偏光角が３０°〜６０°の範囲にあり、
   ｂ）例えば４０°〜５０°の範囲にある、請求項１記載の方法。
3. 電気光学結晶（４）の中へ送り込まれた入力光ビームと、反転されて電気光学結晶（４）の中を帰還案内された光ビームを、電気光学結晶(４）の中の相異なる光路（１２）へ案内する、請求項１または２記載の方法。
4. 第１および第２の位相信号（Ｉ_１，Ｉ_２）から導出された測定結果信号Ｓをその温度依存性に関して式Ｓ_Ｋ＝Ｓ・δ（Ｔ）に従って補正し、ただしδ（Ｔ）＝１＋ε（Ｔ−２９３）、ε＝電気光学位相偏移の温度係数、Ｔ＝Δφ′／γ＋２９３＝ケルビン度で表わした移相器（９）の温度、γ＝その温度係数、Δφ′＝１８０°・（ｔ０−ｔ１）／（ｔ２−ｔ１）−９０°、ｔ１，ｔ２＝第１の位相信号（Ｉ_１）がＩｍａｘ／２を相次いで通過する時刻、ｔ０＝第２の位相信号（Ｉ_２）がＩｍａｘ／２を通過する時刻、ｔ１＜ｔ０＜ｔ２，Ｉｍａｘ＝（Ｉ_１，Ｉ_２）の最大振幅である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第１および第２の位相信号（Ｉ_１，Ｉ_２）から導出された測定結果信号Ｓをその温度依存性に関して式Ｓ_Ｋ＝Ｓ・δ（Ｔ）に従って補正し、
   

   

   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 電気光学センサに位相偏移された信号を発生する装置であって、該装置は、
   ａ）光源（Ｌ）を備え、
   ｂ）該光源は第１の偏光器（Ｐ１，Ｐ３）を介して
   ｃ）電気光学結晶（４）の第１の光入射面と光学的に結合されており、
   ｄ）少なくとも１つの位相遅延板（９）を有し、
   ｅ）少なくとも１つの第２の偏光器（Ｐ２）を、電気光学結晶（４）の第１の光出射面と、光信号を電気信号（Ｉ_２）へ変換する少なくとも１つの光検出器（Ｄ２）との間に備えている形式の前記の装置において、
   ｆ）該電気光学結晶が、第１の光入射面に対向する第２の面で、該電気光学結晶(４）の中の光を反転させる装置（７，１１）と結合されており、
   ｇ）第１の光入射面が第１の光出射面と同じであることを特徴とする、請求項１記載の方法を実施するように構成された装置。
7. 電気光学結晶（４）から出射された光を２つの部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）に分割するため、ビームスプリッタ（１）が設けられている、請求項６記載の装置。
8. 電気光学結晶（４）の第１の光出射面がビームスプリッタ(１）を介して、
   ａ）一方では位相遅延プレート（９）と結合されており、
   ｂ）他方では偏光器（Ｐ１）を介して、光信号を電気信号（Ｉ_１）へ変換する少なくとも１つの別の光検出器（Ｄ１）と光学的に結合されている、請求項６記載の装置。
9. ビームスプリッタ（１）が９０°プリズム（１０）を介して、光検出器（Ｄ１，Ｄ２）のうちの１つと光学的に結合されている、請求項７または８記載の装置。
10. 電気光学結晶（４）の中で光を反転する装置（７，１１）が
    ａ）ミラー（７）であるか、または
    ｂ）９０°プリズム（１１）である、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
11. ａ）電気光学結晶（４）の第１の光入射面および該第１の光入射面に対向する第２の面が、導電性の層電極（６）と結合されており、
    ｂ）例えば第１の光入射面における該層電極（６）が透光性である、
    請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。

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