JPH01156628A - 光ファイバセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光送受信部と光センサヘッド部との間におい
て光を伝送するために光ファイバを用いる形式の光ファ
イバセンサ装置に関するものである。

従来技術およびその問題点 参照光および計測光を発生させるための光源と物理量を
計測するためにそれら参照光および計測光を受ける受光
部とを有する光送受信部と、外部条件に関連して前記計
測光の伝送パラメータを変化させる光センサヘッド部と
、前記光送受信部と該光センサヘッド部との間で前記参
照光および計測光を伝送する光ファイバとを備えた形式
の光ファイバセンサ装置が知られている。

たとえば、光ホモダイン方式では、第２６図に示すよう
に、光源１２０から出力したｙ方向の偏光１２２は、ｙ
方向の偏光を通過させるがＸ方向の偏光を反射させる偏
光ビームスプリッタ１２４を通過させられた後、レンズ
１２６により伝送用の定偏波光ファイバ１２８の端面に
集光させられる。この定偏波光ファイバ１２８内では、
偏波面が互いに直交する２つの伝送モードＨＥ、、ｘ、
ＨＥ、、’のうちの一方のモード、たとえばＨＥ、、”
モードにて光センサヘッド部まで伝送される。この光セ
ンサヘッド部は音圧の変化によって伝送光を位相変調さ
せる受圧用の定偏波光ファイバ１３２にて構成されてお
り、この受圧用の定偏波光ファイバ１３２は伝送用の定
偏波光ファイバ１２８と光軸まわりに４５度回転した状
態にて接続されている。これにより、定偏波光ファイバ
１２８内を１つの伝送モードにて伝送された往路の光が
受圧用の定偏波光ファイバ１３２内において２つの伝送
モードにて伝送されるとともに、受圧用の定偏波光ファ
イバ１３２の端面の反射膜１３４により反射された２つ
の伝送モードの光が前記２つのモードにて伝送用の定偏
波光ファイバ１２８の２つのモードにそれぞれ分配され
て、受圧用の定偏波光ファイバ１３２内を伝播した２つ
の伝送モードの光が合波され相互に干渉させられる。こ
の場合には定偏波光ファイバ１３２は偏光子の機能を果
たしている。この干渉光は、ＨＥｌ、Ｘモード光とＨＥ
１１ｙモード光のいずれからでも取り出され得るが、第
２６図では偏光ビームスプリッタ１２４によりＨＥｌ、
’モード光が取り出され、それが検出器１３６により電
気信号に変換されて出力されるようになっている。この
電気信号が、受圧用の定偏波光ファイバ１３２において
音圧に対応して計測光が受けた伝送パラメータ、例えば
位相の変化を表すものである。

しかし、上記のような光ホモダイン方式の光ファイバセ
ンサ装置においては、最大の検出感度を得るために位相
の自動調整をする必要がある。このため、たとえば第２
６図の例では、受圧用の定偏波光ファイバ１３２に機械
的外力を加えてＨＥＩＩＸモード光とＨＥ、、’モード
光との間にπ／２の位相差を自動的に発生させる必要が
あった。それ故、光センサヘッド部の定偏波光ファイバ
１３２に機械的な外力を加えるための電歪素子を設ける
と、光センサヘッド部が大型となり、しかも光センサヘ
ッド部へ給電しなければならない欠点があった。あるい
は、光源の波長制御によりπ／２の位相差を自動的に発
生させる方式もあるが、技術的には比較的困難である。

一方、光ヘテロダイン方式の光ファイバセンサにおいて
は、たとえば第２７図に示されるように、Ｈｅ−Ｎｅ横
ゼーマン・レーザなどの光源１４０から出力された、偏
波面が互いに直交し且つ周波数が僅かに異なる２種類の
偏光、例えば周波数１２の参照ビームおよび周波数ｆ、
の計測ビームは、定偏波光ファイバ１４２により導かれ
、一部がビームスプリンタ１４４を透過させられるが、
他の一部がビームスプリッタ１４４により反射され且つ
偏光板１４６および受光ファイバ１４８を介して光セン
サ１５０により検出されるようになっている。この光セ
ンサ１５０では、参照光ビート（ｆｚ　　　ｆ＋）が検
出される。上記ビームスプリッタ１４４を透過させられ
た２種類の偏光は、偏光ビームスプリッタ１５２におい
て一方の偏光ｆ２が反射されて１／４波長板１５４を通
った後、ミラー１５６により反射されて再び１／４波長
板１５４を通過させられることにより偏波面が回転させ
られるので偏光ビームスプリッタ１５２を通過し、且つ
偏光板１５７および受光ファイバ１６４を通過して光セ
ンサ１５８に検出される。ビームスプリッタ１４４を通
過した光のうちの他方の光ｆ１は、そのまま偏光ビーム
スプリッタ１５２および１／４波長板１６０を通過して
被測定物１６２に反射させられ、再び１／４波長板１６
０を通過させられることにより偏波面が回転させられて
偏光ビームスプリッタ１５２により反射され、偏光板１
５７および受光ファイバ１６４を通過して光センサ１５
８に検出される。この光は被測定物１６２の変位により
周波数がｒ、±Δｆ、にシフトさせられている。これに
より、光センサ１５８では、被測定物１６２を経ない光
と被測定物１６２により反射された光との２種類の光が
入射されるので、周波数がｆ２−ｆ、±Δｆ、である測
定光のビートが検出される。位相差検出回路１６６では
、光センサ１５０および１５８により検出された参照光
ビートと測定光ビートとの位相差Δｆ。

が績出され、この位相差Δｆ、に基づいて測定光に含ま
れる情報、すなわち被測定物１６２の変位が求められる
。

しかし、上記のような光へテロダイン方式の光ファイバ
センサでは、光ホモダイン方式のように位相の自動調節
を必要としないが、光センサヘッド部において合成した
参照光ビートと測定光ビートとを光受信部まで伝送する
ために２本の受光ファイバ１４８および１６４が必要と
なる欠点があった。

問題点を解決するための手段 本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、光送受信部と光センサヘッド
部とを１本の光ファイバにて連結し、且つ光送受信部に
おいて参照光と計測光とに基づいて光センサヘッド部に
おいて付与されてきた伝送パラメータの変化を高い精度
にて検出するようにし、小型且つ安価な光ファイバセン
サ装置を提供することにある。

斯る目的を達成するため、本発明の要旨とするところは
、（ａ）偏波面が互いに直交する２伝送モードにて光を
伝送する伝送用の定偏波光ファイバと、（ｂ）参照光お
よび計測光を前記定偏波光ファイバへ出力し、その参照
光および計測光をその定偏波光ファイバ内において前記
２伝送モードにて伝送させるとともに、その定偏波光フ
ァイバを通して戻された参照光および計測光を受けてそ
れら参照光および計測光に基づいてその計測光の伝送パ
ラメータの相対的変化を検出する光送受信部と、（Ｃ１
前記定偏波光ファイバにより伝送された参照光および計
測光を導き且つその定偏波光ファイバへ戻すとともに、
外部条件に関連して少なくとも計測光の伝送パラメータ
を変化させる光センサヘッド部と、（ｄｌその光センサ
ヘッド部から前記定偏波光ファイバへ戻される参照光お
よび計測光を、往路とは異なる伝送モードにて伝送され
るように回転させてその定偏波光ファイバへ入射させる
ファラデー回転子とを、含むことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、定偏波光ファイバ内において伝送さ
れる参照光および計測光が、往路と復路とでは互いに異
なる２種類の伝送モードによりそれぞれ伝送されるので
、伝送用の定偏波光ファイバによる位相変化が相殺され
る。このため、光送受信部では、定偏波光ファイバを通
して戻された参照光と計測光とに基づいて、光センサヘ
ッド部において計測光に付与された伝送パラメータの変
化が高い精度にて検出される。

そして、本発明においては、単色の光を用いる光ホモダ
イン方式を採用しても、光送受信部において最大感度の
位相差を有する参照光および計測光を発生させることが
できる。また、位相差がわずかに形成された２種類の光
を光源から発射させることにより参照光および計測光を
上記２種類の光の合成光（うなり）とする光へテロダイ
ン方式を用いることもできる。このため、上記いずれの
方式においても、光波間にπ／２の位相を形成するよう
に光センサヘッド部に機械的な外力を加えるための電歪
素子を設ける必要がなく、しかも光センサヘッド部へ給
電する必要がないし、あるいは光源の波長制御も不要と
なる。また、光センサヘッド部と光送受信部との間には
、１本の光ファイバを設けるだけでよいことから、光セ
ンサヘッド部が小型かつ安価となって、他の精密計測装
置、精密加工装置、精密検査装置などへ容易に組み込め
得る。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は光ホモダイン方式に適用された実施例を示して
いる。

図において、Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザなどのレーザ光源１
０から発射された単色のレーザ光は、光軸まわりに４５
°回転させて配置された偏光ビームスプリンタ１２、フ
ァラデー回転子１４、偏光ビームスブリッタ１６、無偏
光ビームスプリッタ１８、λ／４波長板２０を通過した
後、集光レンズ２２により定偏波光ファイバ２４の端面
に入射させられる。上記偏光ビームスプリッタ１２、フ
ァラデー回転子１４、および偏光ビームスプリッタ１６
は、光アイソレータとして機能するものであり、反射光
をレーザ光源１０へ入射させないようにする。また、偏
光ビームスプリッタ１６は反射光に含まれる信号成分を
取り出す機能をも備えており、偏光ビームスプリッタ１
６により取り出された光は、集光レンズ２６により第１
光センサ２８に入射させられる。また、無偏光ビームス
プリッタ１８は、分岐比が偏光成分に依存しないで反射
光の一部を取り出すものであり、その無偏光ビームスプ
リッタ１８により取り出された光は、光軸まわりに４５
°回転して配置された信号成分取出用の偏光ビームスプ
リッタ３０を透過させられて信号成分だけとされるとと
もに、集光レンズ３２により第２光センサ３４に入射さ
せられる。さらに、上記λ／４波長板２０は、直線偏光
を円偏光に変換するものであり、図に示す破線の矢印の
方向に結晶軸を有している。本実施例では、以上の光学
素子および光センサが、光送受信部１００を構成してい
る。定偏波光ファイバ２４の一端は、この光送受信部１
００の図示しないハウジングに固定されている。

上記定偏波光ファイバ２４は、コア３６とこのコア３６
を挟む一対の応力付与部３８と、それらを覆うクラッド
４０とから構成されており、たとえば互いに直交する偏
波面にて光を伝送するＨＥ１１”モードおよびＨＥ、、
Ｙモードの２伝送モードにて偏波面を保存しつつ偏光を
伝送する。このため、前記λ／４波長板２０により円偏
光に変換されたレーザ光は定偏波光ファイバ２４内をＨ
Ｅ、、ＸモードおよびＨＥ、、’モードの２伝送モード
にて伝送される。

上記定偏波光ファイバ２４の他端部は光センサヘッド部
１０２の図示しない機枠に固定されており、２モードに
て伝送され且つ定偏波光ファイバ２４の他端部から放射
された参照光および計測光は集光レンズ４２を通って平
行光に変換され、そして４５°回転のファラデー回転子
４４により偏波面が４５°回転させられる。そして、こ
のような参照光と計測光は、偏光ビームスプリンタ４６
により分離される。この偏光ビームスプリッタ４６によ
り反射された参照光がミラー４８により方向変換される
ことにより、偏光ビームスプリッタ４６を通過した計測
光と互いに平行とされ、被測定物５０上に取り付けられ
た一対の第１コーナキユーブプリズム５２および第２コ
ーナキユーブプリズム５４へ向かって投射される。本実
施例では、上記偏光ビームスプリッタ４６およびミラー
４８などが光センサヘッド部１０２に対応する。ここで
、本実施例では、上記計測光は第２図乃至第５図などの
以下の図において１ｂを付し且つ定偏波光ファイバ２４
内においてはＨＥｚＸモードにて伝送された光とし、参
照光は図において１ａを付し且つ定偏波光ファイバ２４
内においてはＨＥ、、’モードにて伝送された光とする
。

以下、本実施例の作動をさらに詳しく説明する。

第２図に示すように、レーザ光源１０から発射されたレ
ーザ光のうちの一部は偏光ビームスプリッタ１２により
外部へ放射されるが、それと直角な偏波面を備えた直線
偏光は偏光ビームスプリッタ１２を通過させられる。第
２図における破線の矢印はその直線偏光の偏波面を示し
ている。この直線偏光は、ファラデー回転子１４により
偏波面が右廻りに４５°回転させられた後、偏光ビーム
スプリンタ１６および無偏光ビームスプリッタ１８を通
過させられるとともに、λ／４波長板２０により円偏光
に変換され、定偏波光ファイバ２４のコア３６に入射さ
せられる。この円偏光は、位相が９０°ずれた直交直線
偏光の組と等価であるため、定偏波光ファイバ２４内で
は、位相差９０゜にて分離され、２種類のＨＥ、、Ｘモ
ードおよびＨＥ１１’モードにて伝送される。このよう
にして分離されたのが参照光および計測光である。なお
、上記無偏光ビームスプリンタ１８により外部へ出され
た光はレーザ光源１０の出力光のモニタとして利用され
る。

第３図に詳しく示すように、定偏波光ファイバ２４から
出た参照光および計測光は、集光レンズ４２により平行
とされた後、ファラデー回転子４４により右まわりに４
５°回転させられ且つ偏光ビームスプリッタ４６により
分離されることにより、互いに平行を成して第１コーナ
キユーブプリズム５２および第２コーナキユーブプリズ
ム５４へ向かって投光される。

第１コーナキユーブプリズム５２および第２コーナキユ
ーブプリズム５４から反射された参照光および計測光は
、往路と同様の光路にて伝送されるが、反射により偏波
面が１８０°反転させられているため、ファラデー回転
子４４の通過により４５°回転させられた後には、第４
図に詳しく示すように、往路に比較して偏波面が４５°
回転させられる。このため、定偏波光ファイバ２４では
、反射光（参照光および計測光）が、往路と反対の伝送
モードで伝送される。

定偏波光ファイバ２４から出た反射光は、第５図に示す
ように、集光レンズ２２により平行光とされた後、λ／
４波長板２０により右図転円偏光および左回転円偏光に
変換されるが、参照光１ａおよび計測光１ｂの振幅が略
等しいので、左右円偏光による干渉にて、直線偏光とな
り、その偏光面の向きは参照光１ａおよび計測光１ｂの
位相差により決定される。たとえば、参照光１ａおよび
計測光１ｂの位相差が２πであると、直線偏光は１回転
する。このような直線偏光は、無偏光ビームスプリッタ
１８により２分され、方位が互いに４５°ずれた２つの
偏光ビームスプリッタ１６および３０を通して第１光セ
ンサ２８および第２光センサ３４により検出される。

位相検出回路５６は、上記第１光センサ２８および第２
光センサ３４から出力される信号から位相差を検出する
。この位相差は、光センサヘッド部１０２から投射され
る参照光と計測光との光路差に関連するので、計測光に
付与された伝送パラメータの変化が参照光との比較にお
いて検出される。すなわち、第１コーナキユーブプリズ
ム５２および第２コーナキユーブプリズム５４の入射光
或いは反射光の光軸を含む平面内において被測定物５０
が回転すれば、上記位相差によってその被測定物５０の
回転角が高い精度で検出されるのである。

以上のように、本実施例によれば、参照光と計測光との
２種類の光は、定偏波光ファイバ２４内では互いに光軸
は結合されてはいるが偏波面が互いに直交しているため
、相互に干渉しない。また、第３図および第４図から明
らかなように、参照光と計測光とは定偏波光ファイバ２
４内の往路と復路ではそれぞれ異なる伝送モードにて伝
送されるため、参照光と計測光においては、温度変動、
歪、振動などの外部刺激に対する定偏波光ファイバ２４
からの影響（伝送パラメータの変化）、たとえば位相変
動が打ち消される。したがって、第１コーナキユーブプ
リズム５２および第２コーナキユーブプリズム５４の変
位のみが位相差に表されて、被測定物５０の回転角度の
高い精度の測定が可能となるのである。

また、本実施例のように単色の光源を用いる光ホモダイ
ン方式を採用しても、後述するように光送受信部１００
において最大感度の位相差π／２を有する参照光および
計測光を発生させることができる。このため、それら２
種類の光波間にπ／２の位相を形成するように光センサ
ヘッド部１０２に機械的な外力を加えるための電歪素子
を設ける必要がなく、しかも光センサヘッド部１０２へ
給電する必要がないし、あるいは光源の波長制御も不要
となる。また、光センサヘッド部１０２と光送受信部と
の間には、１本の光ファイバを設けるだけで′よいので
、光センサヘッド部１０２が光学素子だけで構成される
ことにより小型かつ安価となって、他の精密計測装置、
精密加工装置、精密検査装置などへ容易に組み込み得る
。

なお、第６図に示すように、２個のコーナキューブプリ
ズム５２．５４を有する被測定物５０を定盤５８上に載
置すれば、位相差検出回路５６から出力される位相差に
基づいて定盤５８の真直度を高い精度で検出することが
できる。

また、第７図に示すように、一方の第１コーナキューブ
プリズム５２を光センサヘッド部１０２に固定するとと
もに他方の第２コーナキユーブプリズム５４を移動テー
ブル６０に固定すれば、位相差検出回路５６によって検
出された位相差に基づいて移動テーブル６０の光センサ
ヘッド部１０２に対する変位量が高い精度で検出される
。

さらに、光送受信部１００の光源に直接変調可能な半導
体レーザを使用し、３角波変調を加え、発生する干渉縞
の周期を測定することにより、光センサヘッド部１０２
と第２コーナキユーブプリズム５４との間の距離が測定
可能となる。

また、上記と同様に、他方の第２コーナキユーブプリズ
ム５４を摺動可能に設は且つノギスやマイクロメータの
ような接触式の測長器の移動体と連結すれば、前記位相
検出回路５６によって検出された位相差に基づいて長さ
を高い精度にて測定できる。第８図にその一例を示す。

ここで、上記各実施例では、偏光ビームスプリッタ１２
、ファラデー回転子１４、偏光ビームスプリッタ１６が
光アイソレータとして機能するように設けられているが
、光源として戻り光の影響を受は難いＬＥＤ、ＳＬＤ　
Ｃスパールミネッセンスダイオード）などを利用する場
合には、上記偏光ビームスプリッタ１２およびファラデ
ー回転子１４が除去されてもよい。また、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザを用いる場合において超音波変調器の周波数を２Ｇ
Ｈｚにすれば、２ＧＨｚシフトさせることができるため
、Ｈｅ−Ｎｅレーザの利得帯域外となってアイソレータ
なしでもよい。さらに、半導体レーザのように直接変調
可能な素子を用いる場合には、伝送用の定偏波光ファイ
バ２４による遅延時間を利用して戻り光が来る間はレー
ザ発振を止めるようにスイッチングさせることにより、
アイソレータを除去できる。

次に、本発明の光送受信部１００に関する他の実施例を
説明する。なお、以下の説明においては、前述の実施例
と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略し、
異なる部分についてのみ説明する。

先ず、λ／２波長板６２を変調器、或いはバイアス調整
器として用いた形式の装置について説明する。第９図は
光送受信部１００の他の例を示しており、この実施例の
光センサヘッド部１０２などの他の部分は前述の実施例
と同様である。図において、レーザ光源１０から出力さ
れ且つ無偏光ビームスプリッタ１８を透過した単色のレ
ーザ光は、λ／４波長板２０を通過することにより、前
述のように、実質的に直交直線偏光１ａ、■ｂとなり、
伝送用の定偏波光ファイバ２４により２つのモードにて
伝送される。また、往路と反対の伝送モードにより定偏
波光ファイバ２４を戻されてきた反射光は、上記λ／４
波長板２０を通過することにより直交直線偏光１ａ、１
ｂの位相差に関連して偏波面が回転する直線偏光となる
ので、光軸まわりに周波数ｆ０にて回転させられるλ／
２波長板６２を通過させられると、回転周波数が２×ｆ
０の回転偏波面直線偏光となる。この場合、λ／２波長
板６２は光周波シフタとして機能しており、ＺｎＳやＬ
ｉＮＯｓ結晶を用いた他の形式の光周波数シックであっ
ても良い。そして、このようにして変換された回転偏波
面直線偏光が偏光ビームスプリンタ６４により分割され
、集光レンズ３２を通して第２光センサ３４により検出
されるとともに、集光レンズ６６を通して第３光センサ
６８により検出されると、２×ｆ０の周波数の正弦波信
号が得られ、それをλ／２波長板６２の回転基準位置を
検出する回転位置センサ７０からの参照パルスと位相比
較することにより、直交直線偏光１ａ、１ｂの位相差が
位相差検出回路７２において求められる。

ここで、被測定物５０の測定波長以下の微小振動を測定
しようとする場合などにおいては、第１０図のＡに示す
位置にλ／２波長板６２の回転位置をバイアス設定すれ
ば、参照光と計測光との間にπ／２の位相差を発生させ
ることになり、微小振動の最大検出感度が得られる。こ
のため、第２光センサ３４により検出された第２信号と
第３光センサ６８により検出された第３信号とのそれぞ
れのＤＣ成分が等しくなる回転位置にλ／２波長板６２
が向くようにモータ７４を制御する機能が位相差検出回
路７２に更に設けられる。このように、λ／２波長板６
２を回転させる場合においては、通常、数百Ｈｚ程度の
回転速度であって、被測定物５０の速い動きには追従で
きない。たとえば、測定波長を６３３ｎｍ、λ／２波長
板６２の回転周期を２００）１ｚとすると、被測定物５
０の０．２５１ｍ／Ｓ以上の速い動きには追従できない
のである。

また、表面粗さなどの測定においては上記のような２０
０　Ｈｚでも充分であるが、工作機におけるテーブルの
位置決め制御には使用できない。この場合には、電気光
学効果を利用した光周波数シフタを第９図のλ／２波長
板６２に替えて設ければよい。これによれば、数百ＭＨ
ｚの変調が可能となる。

また、第１１図に示すように、必要とされる分解能に関
連して、第１図に示す位相差検出方式と第９図に示す位
相差検出方式とを選択できるようにしてもよい。すなわ
ち、無偏光ビームスプリッタ１８から第２光センサ３４
に向かって分岐させられた反射光は、無偏光ビームスプ
リッタ７６によって更に２分され、一方は偏光ビームス
プリッタ３０および集光レンズ３２を通して第２光セン
サ３４によって検出されるが、他方はλ／２波長板６２
、偏光ビームスプリッタ６４、集光レンズ６６を通して
第３光センサ６８により検出されるように構成されてい
る。本実施例では、測定光の１波長以上の分解能でよい
場合には、第１図と同様に、第１光センサ２８および第
２光センサ３４の出力信号の位相差に基づいて測定が行
われるが、測定光の１波長以下の分解能が要求される場
合には、第９図と同様に、第２光センサ３４および第３
光センサ６８の出力信号に基づいて測定が実行される。

第１２図に示す実施例では、偏光ビームスプリッタ１２
が光軸まわりに傾斜して配置されており、レーザ光源１
０から放射されたレーザ光はその偏光ビームスプリッタ
１２を通過させられることにより、偏波面が４５°傾斜
した直線偏光とされた後、無偏光ビームスプリッタ１８
および集光レンズ２２を通して伝送用の定偏波面光ファ
イバ２４の端面に入射させられる。このように、定偏波
面光ファイバ２４の水平軸に対して４５°傾斜した直線
偏光が定偏波面光ファイバ２４に入射させられることに
より、参照光１ａおよび計測光ｉｂが発生させられてそ
れぞれ異なる伝送モードにて伝送される。前述の実施例
と同じように、往路と異なる伝送モードにて定偏波面光
ファイバ２４から戻された参照光１ａおよび計測光１ｂ
は、無偏光ビームスプリッタ１８によって反射された後
、偏光ビームスプリッタ１６によって２分される。すな
わち、水平な偏波面を備えた参照光１ａは通過させられ
、垂直な偏波面を備えた計測光１ｂは反射されるのであ
る。この参照光１ａは偏光ビームスプリンタ４６を更に
直進するが、計測光１ｂは、ルーフプリズム８０を通過
することにより参照光ｌａとの間に位相差が形成された
後、偏光ビームスプリッタ４６に反射されて参照光１ａ
と合波される。そして、偏光ビームスプリッタ３０によ
り分岐されて、第１光センサ２８および第２光センサ３
４にそれぞれ検出される。

本実施例では、図示しない位相検出回路が、第１光セン
サ２８および第２光センサ３４からの信号に含まれるＤ
Ｃ成分が互いに等しくなるように、ルーフプリズム８０
を移動させるアクチュエータ８２を駆動制御する機能を
も備えている。これにより、参照光と計測光との間でπ
／２の位相差を発生させることになり、最大感度で波長
以下の微小振動の測定が可能となる。また、本実施例で
は、レーザ光源工０がＳＬＤなどであり低コヒーレンス
の光を放射する場合において、参照光１ａおよび計測光
１ｂの干渉が最大（位相差が零）となるようにルーフプ
リズム８０を位置決めするようにすることにより、被測
定物５０と光センサヘッド部１０２との間隔を測定する
ことができる。この場合の測長の分解能は、測定光源の
可干渉長にもよるが、ＳＬＤを使用すると数ｎの分解能
が得られる。

第１３図に示す実施例では、光送受信部１００において
周波数変調（光ヘテロゲイン）方式による位相差検出が
行われる。図において、レーザ光源８４は、横ゼーマン
分割型二周波方式の波長安定型Ｈｅ−Ｎｅレーザなどか
ら構成されることにより、互いに周波数が僅かに異なる
直交直線偏光（直交二周波直線偏光）が出力される。こ
の直交直線偏光は超音波により変調される光周波数変調
器８６において変調を受けた後、無偏光ビームスプリッ
タ１８により分岐される。分岐された一方のビームは偏
光ビームスプリッタ１２および集光レンズ３２を通して
第２光センサ３４において検出される。この第２光セン
サ３４においては、前記直交直線偏光である参照光１ａ
および計測光１ｂの周波数差に起因して差周波数を有す
る参照ビート信号が検出される。一方、上記無偏光ビー
ムスプリンタ１８を透過した直交直線偏光は、集光レン
ズ２２により集光されて伝送用の定偏波光ファイバ２４
内に入射させられる。前述の実施例と同様に、往路と異
なる伝送モードにて定偏波面光ファイバ２４から戻され
た参照光１ａおよび計測光１ｂは、無偏光ビームスプリ
ッタ１８によって反射された後、偏光ビームスプリッタ
３０および集光レンズ２６を通して第１光センサ２８に
より検出される。この第１光センサ２８においては、前
記直交直線偏光である参照光１ａおよび計測光１ｂの周
波数差に起因して差周波数を有する計測ビート信号が検
出される。このため、本実施例では、上記参照ビート信
号と計測ビート信号との位相差が図示しない位相差検出
回路により検出され、この位相差に基づいて計測光１ｂ
に含まれる伝送パラメータの変化が検出される。なお、
本実施例では、前記光周波数変調器８６がアイソレータ
として機能する。

第１４図に示す実施例では、レーザ光源１０から出力さ
れた単色のレーザ光は、光アイソレータを構成する偏光
ビームスプリッタ１２、ファラデー回転子１４、および
偏光ビームスプリッタ１６と光周波数変調器８６とを透
過し、無偏光ビームスプリッタ１８において分岐される
。上記光周波数変調器８６は光軸まわりに回転するλ／
２波長板によっても構成される。この光周波数変調器８
６の駆動周波数をｆｏとすると、２×ｆ０の周波数で回
転する直線偏光が光周波数変調器８６から出力される。

上記無偏光ビームスプリッタ１８により反射された一方
のビームは偏光ビームスプリッタ４６および集光レンズ
３２を通して第２光センサ３４において検出される。一
方、上記無偏光ビームスプリッタ１８を透過した他方の
ビームは、上記のように２×ｒ０の周波数で回転する直
線偏光であるから、λ／４波長板２０の通過により周波
数が２×ｆ０だけずれた直交直線偏光と等価となる。こ
の直交直線偏光が図に示すように参照光１ａおよび計測
光１ｂとなる。前述の実施例と同様に、往路と異なる伝
送モードにて定偏波面光ファイバ２４から戻された参照
光１ａおよび計測光１ｂは、無偏光ビームスプリンタ１
８によって反射された後、偏光ビームスプリンタ３０お
よび集光レンズ２６を通して第１光センサ２８により検
出される。本実施例でも、第２光センサ３４において検
出された参照信号と第１光センサ２８により検出された
計測信号との位相差から、計測光１ｂの位相変化が読み
取られて、計測光１ｂに含まれる伝送パラメータの変化
が高い精度で検出される。

第１５図に示す実施例では、半導体レーザなどにより構
成されたレーザ光源１０はパルス駆動されるものであり
、それから発射された単色のレーザ光は、４５°傾斜さ
せられた偏光ビームスプリッタ１２、無偏光ビームスプ
リンタ１８、集光レンズ２２を通して伝送用の定偏波光
ファイバ２４に入射させられる。この入射光は、偏光ビ
ームスプリッタ１２により垂直な偏波面１ａおよび水平
な偏波面１ｂの成分を備えているから、定偏波光ファイ
バ２４においては互いに偏波面が直交する２モードにて
伝送される。前述の実施例と同様に、往路と異なるモー
ドにて定偏波光ファイバ２４がら戻された参照光１ａお
よび計測光１ｂは、無偏光ビームスプリッタ１８におい
て反射された後、偏光ビームスプリッタ３０により分岐
され、参照光１ａが第１光センサ２８により検出される
とともに計測光１ｂが第２光センサ３４により検出され
る。本実施例においては、ｌパルス毎の参照光１ａおよ
び計測光１ｂの伝送遅延時間差を第１光センサ２８およ
び第２光センサ３４により検出する。光センサヘッド部
１０２がたとえば第７図に示すものである場合には、光
センサヘッド部１０２に固定された第１コーナキユーブ
プリズム５２と移動テーブル６０に固定された第２コー
ナキユーブプリズム５４との距離が測定される。

次に、光センサヘッド部１０２の他の実施例を説明する
。

第１６図に示す実施例では、伝送用の定偏波光ファイバ
２４から出た２モードの参照光および計測光は、集光レ
ンズ４２により平行とされた後、ファラデー回転子４４
により右まわりに４５°回転させられ且つ偏光ビームス
プリンタ４６により分離される。参照光は光センサヘッ
ド部１０２に固定された第１コーナキユーブプリズム５
２に向かい、計測光は被測定物５０の表面において集光
される。この被測定物５０の表面の凹凸によって、参照
先に対する計測光の位相差が変化することから、本実施
例では上記被測定物５０の表面粗さが測定される。この
ような表面粗さの測定では、被測定物５０の表面の凹凸
に関連した移動変化量が僅かであるから、第９図に示す
光送受信部１００が本実施例の光センサヘッド部１０２
と好適に組合わせられる。

第１７図に示す実施例では、上記の実施例の被測定物５
０に替えて流体８８が用いられている。

本実施例では、流体８８の流速に関連して参照光に対す
る計測光の位相差の時間変化等が変化することから、流
体８８の流速が測定される。このような測定では、第１
３図または第１４図に示す光送受信部１００を用いれば
、レーザードツプラ計測が可能となり、−層好適に測定
ができる。

第１８図に示す実施例では、屈折率が変化させられる試
料体９０を通して参照光および計測光が往復させられる
。また、第１９図に示す実施例では、参照光が第１コー
ナキユーブプリズム５２に反射され、計測光が第２コー
ナキユーブプリズム５４に反射されるので、計測光だけ
が試料体９０を通して往復させられる。これらの実施例
では、試料体９０の屈折率に関連して参照光に対する計
測光の位相差が変化することから、試料体９０の屈折率
だけでなく、試料体９０を選択することにより種々の計
測が可能となる。たとえば、ＬｉＮｂ０ｚやＬｉＴａＯ
３などのような電界或いは電圧に関連して屈折率を変化
させるポッケルス素子を用いれば、電界或いは電圧を測
定することができる。また、温度によって複屈折率が変
化するＬｉＮｂＯ３などの物質を用いれば温度を測定す
ることができる。また、パイレ・ノクスガラス、石英ガ
ラスなどのように光弾性効果を備えた物質を用いれば圧
力、振動、或いは加速度を測定することができる。さら
に、上記試料体９０として透明容器に収容したガスを用
いればガス濃度を測定することができる。この場合には
、複屈折が発生しないので、第１９図に示す光センサヘ
ッド部１０２が好適に採用される。

第２０図に示す実施例では、光センサヘッド部１０２が
、伝送用の定偏波光ファイバ２４と同様に偏波面が互い
に直交する２伝送モードにて光を伝送するセンサ用の定
偏波光ファイバ９２から構成されており、その先端面に
は反射膜９４が設けられている。このため、伝送用の定
偏波光ファイバ２４から出た参照光および計測光は集光
レンズ４２、ファラデー回転子４４、および集光レンズ
２２を通ってセンサ用の定偏波光ファイバ９２の端面に
入射させられる。上記参照光および計測光は、互いに干
渉させられることなく、センサ用の定偏波光ファイバ９
２内を２モードにて伝播し且つ反射膜９４にて反射され
て伝送用の定偏波光ファイバ２４へ戻される過程で、た
とえば音場の音圧を受けて相互の位相が変化させられる
。そして、前述の実施例と同様に、往路とは反対に伝送
モードにて伝送用の定偏波光ファイバ２４内を戻される
。したがって、前述の実施例と同様に、定偏波光ファイ
バ２４を通して戻された参照光および計測光の位相差に
基づいて計測光に含まれる伝送パラメータの変化（音圧
に対応）が高い精度で検出される。本実施例の光センサ
ヘッド部１０２は、たとえば第９図または第１２図に示
す光送受信部１００と組合わせられると、参照光と計測
光との位相差を常に検出感度が最大となるように自動鋼
節することができる。

第２１図に示す実施例では、伝送用の定偏波光ファイバ
２４から出た参照光および計測光のうち、参照光が偏光
ビームスプリッタ４６により分岐させられて、センサ用
の定偏波光ファイバ９２と全く同様に反射膜９４’を備
えて構成された定偏波光ファイバ９２°内に入射させら
れる。反射膜９４°および反射膜９４にそれぞれ反射さ
れた参照光および計測光は、偏光ビームスプリッタ４６
において合波され、往路とは反対の伝送モードにて伝送
用の定偏波光ファイバ２４内を戻されるので、前述の実
施例と同様に音圧が高い精度にて検出される。本実施例
においては、計測光だけが音圧による影響を受けるので
、−層高い検出感度が得られる利点がある。

次に、本発明の詳細な説明する。第２２図に示す実施例
では、陸上に配置された光送受信部１００と海底に配置
された光センサヘッド部１０２との間が伝送用の定偏波
光ファイバ２４により接続されている。これにより、海
上或いは海中を移動する艦船１０４から発生する音が検
出され得る。

第２３図に示す実施例では、船舶１０６に設けられた光
送受信部１００と定偏波光ファイバ２４を介して接続さ
れた光センサヘッド部１０２がその船舶１０６により曳
航されるようになっている。

また、第２４図に示す実施例では、ブイ１０８に吊り下
げられた光センサヘッド部１０２は、ブイ１０８内に設
けられた光送受信部１００と定偏波光ファイバ２４を介
して接続されており、光送受信部１００の出力信号は、
無線送信器１１０により送信されるようになっている。

この無線送信器１１０からの電波は、たとえば上記ブイ
１０８を投下した飛行機１１２において受信される。ま
た、第２５図に示す実施例では、ヘリコプタ−１１４か
ら吊り下げられた光センサヘッド部１０２は、ヘリコプ
タ−１１４内に設けられた光送受信部１００と定偏波光
ファイバ２４を介して接続されている。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその精神を逸脱しない範囲において種々変更
が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を説明する図である。 第２図、第３図、第４図、および第５図は、第１図の実
施例の作動を説明する図である。 第６図、第７図、第８図は、本発明の他の測定対象を説
明する図であって、第６図は真直度の測定、第７図は変
位の測定、第８図は長さの測定を示している。第９図、
第１１図、第１２図、第１３図、第１４図、および第１
５図は、本発明の他の実施例における光送受信部をそれ
ぞれ示す図である。 第１０図は第９図の実施例の作動を説明する図である。 第１６図、第１７図、第１８図、第１９図、第２０図、
および第２１図は、本発明の他の実施例における光セン
サヘッド部をそれぞれ示す図である。第２２図、第２３
図、第２４図、および第２５図は、本発明の使用態様を
それぞれ説明する図である。第２６図および第２７図は
、従来の光ファイバセンサをそれぞれ説明する図である
。 ２４：定偏波光ファイバ ４４：ファラデー回転子 １００：光送受信部 １０２：光センサヘッド部 出願人　　ブラザー工業株式会社 沫　　　　　　　　　　　騒 箔１ｏ図 第１３図 フＱ 第１５図 第１９図 第２６図 １Ｊｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 偏波面が互いに直交する２伝送モードにて光を伝送する
   伝送用の定偏波光ファイバと、 参照光および計測光を前記定偏波光ファイバへ出力し、
   該参照光および計測光を該定偏波光ファイバ内において
   前記２伝送モードにて伝送させるとともに、、該定偏波
   光ファイバを通して戻された参照光および計測光を受け
   てそれら参照光および計測光に基づいて該計測光の伝送
   パラメータの相対的変化を検出する光送受信部と、 前記定偏波光ファイバにより伝送された参照光および計
   測光を導き且つ該定偏波光ファイバへ戻すとともに、外
   部条件に関連して少なくとも該計測光の伝送パラメータ
   を変化させる光センサヘッド部と、 該光センサヘッド部から前記定偏波光ファイバへ戻され
   る参照光および計測光を、往路とは異なる伝送モードに
   て伝送されるように偏波面を回転させて該定偏波光ファ
   イバへ入射させるファラデー回転子と、 を含むことを特徴とする光ファイバセンサ装置。