JPH01316616A - ファブリ・ペロ−干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装置を用いた光センサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、ファブリ・ペロー干渉を利用して、音響、振
動、磁界、電界、温度などの物理量を検出するファブリ
・ペロー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制
御装置を用いた光センサに関するものである。

従来の技術 近年、半導体レーザや光ファイバが実用期に入ったこと
により、光学現象を利用した種々の光センサが開発され
つつある。その中でも、光フアイバ先端にファブリ・ペ
ロー干渉系を形成したファブリ・ペロー干渉型光センサ
は、小型、軽量、高感度、長距離伝送性、防爆性、伝送
路の耐電磁誘導性など多くの特長があり、電力、ガス、
石油プラントなどの集中監視システム用センサとして注
目されている。しかしながら、その動作点の最適化、安
定化が実用化のための最大の課題になっており、制御装
置の開発が進められている〔例えば、アール、オオバ　
アンド　アイ、ウニヒラ：スタビリテイ　インブルーブ
メント　オブ　ファイバ−オプティック　プローブ　マ
イクロホン　バイフリークエンシー　コントロール　オ
プ　ザ　ライト　ソース、ジュー。ビー、エッチ・ワイ
・ニス、　　イー：　ニス・シー・アイ、　　アイ・エ
ヌ・ニス・ティー・アール・ニー・エム、　ブイ・オー
・エル、２０．ピー・ピー、　１３８０−１３８２．　
　（１９８７）（Ｒ１０ｈｂａ　ａｎｄ　１．　Ｕｅｈ
ｉｒａ　：　５ｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉ＋ｍｐｒｏ　−ｖ
ｅｌｌｅｎｔ　ｏｆ　ｐｒｏｂｅ　ｍ１ｃｒｏｐｈｏｎ
ｅ　ｂｙ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏ　−ｎｔｒｏｌ　
ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　５ｏｕｒｃｅ、　Ｊ、　Ｐ
ｈｙｓ、　Ｅ　：　Ｓｃｉ。

Ｉｎｓｔｒｕｍ、　　ｖｏｌ、　　２０．　　　ＰＰ、
１３８０−１３８２．　　（１９Ｂ？））　　を参照〕
。

以下図面を参照しながら、上述した従来のファブリ・ペ
ロー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装
置を用いた光センサの一例について説明する。

第４０図は従来のファブリ・ペロー干渉型光センサの動
作点の制御装置および該制御装置を用いた光センサの構
成ブロック図である。第４０図において、１００は半導
体レーザモジュール、ｌＯｌは半導体レーザモジュール
１００の動作温度を制御する冷却加熱器、１０２は半導
体レーザモジュール１００にその一端が接続された光フ
アイバカップラ、１０３は光フアイバカップラ１０２の
計測光すの出射端に接続された延長光ファイバ、１０４
は延長光ファイバ１０３の先端に接続されたファブリ・
ペロー干渉系からなるセンサヘッド、１０５は光フアイ
バカップラ１０２の信号光ｅの出射端に接続された光電
率換器、１０６は光電変換器１０５の出力信号Ｓの中か
ら変調信号の第２次高調波体号を検出するバンドパスフ
ィルタ、１０７はバンドパスフィルタ１０６の出力信号
に２の過去と現在とのレベルを比較する比較器、１０Ｂ
は比較器１０７の出力信号によって冷却加熱器１０１に
冷却または加熱の信号を与える動作点の判定器、１０９
は動作点の判定器１０Ｂの出力信号を積算するアップダ
ウンカウンタ、１１０はアップダウンカウンタ１０９の
デジタル出力信号をアナログ信号に変換するデジタルア
ナログ変換器、１１１は半導体レーザモジュール１００
に与える変調信号を発生する発振器、１１２は半導体レ
ーザモジュール１００に与える直流信号を発生する直流
電源、１１３は発振器１１１の変調出力信号と直流電源
１１２の直流出力信号を重畳す・　　る重畳器、１１４
は重畳器１１３の出力信号を電力増幅し半導体レーザモ
ジュール１００を駆動するパワーアンプ、１１５は光電
゛変換器１０５の出力信号Ｓの中から変調信号成分を取
り除きセンサヘッド１０４の本来の信号を取り出すフィ
ルタ、１１６はフィルタ１１５の出力端子である。また
、　□ａは光源出射光、ｂは計測光、Ｃは参照光、ｄは
帰還光、ｅは信号光、ｒは光源帰還光である。Ｓは光電
変換器１０５の出力信号、Ｋ２はバンドパスフィルタ１
０６の出力信号である。

以上のように構成された従来のファブリ・ペロー干渉型
光センサの動作点の制御装置および該制御装置を用いた
光センサについて、以下その動作について説明する。

まず、センサヘッドに形成されたファブリ・ペロー干渉
系の動作について、第４図、第５図および第６図を用い
て説明する。

第４図はファブリ・ペロー干渉系の基本構成図である。

第４図において、７０は第１の媒質、７１は第１の媒質
に対して間隔りをおいて平行に配置した第２の媒質で、
第１の媒質７０と第２の媒質７１との対向面は共に平面
である。以下、間隔りのことをファブリ・ペロー干渉系
の共振器長、または単に共振器長という、７２は第１の
媒質７０と第２の媒￥ｔ７１との間の空気層である。フ
ァブリ・ペロー干渉系を利用したセンサヘッドでは、第
１の媒質７０が固定で、第２の媒質７１が計測すべき物
理量の変化に対応して変化するように可動となっている
。ｒＡ、ｒＢは各々空気層７２から媒質に向かって進行
する光波に対する第１の媒Ｍ１０および第２の媒質７１
の反射係数で、それらを自乗したｒＡ２．ｒＢ２は反射
率となる。

ｂ、ｄはそれぞれ第４０図に示した計測光すおよび帰還
光ｄと同じものである。ｈおよびｊは空気層７２内の繰
返反射光、ｉは空気層７２から第２の媒質７１への透過
光である。

いま、計測光すを第１の媒質７０と空気Ｆｉｉ７２との
境界面に対して垂直に入射すると、計測光すはその境界
面で一部が反射され、残部は透過して空気層７２に入射
する。空気層７２に入射した光は、第１の媒質７０と空
気Ｊ！７２との境界面および第２の媒質７１と空気層７
２との境界面で反射を繰り返し、反射を繰り返す毎に一
部が帰還光ｄと透過光ｉとなってファブリ・ベロー干渉
系の外に出射される。帰還光ｄはファブリ・ペロー干渉
系から第１の媒質７０への透過光の合成波である。

計測光すの波長をλ、空気の屈折率をｎとすると、ファ
ブリ・ペロー干渉系を一往復する光路差Δは、Δ−２ｎ
Ｌ　　　　　　　　　　　　・・・・・・（１）で与え
られる。また、その光路差による位相差δは、 δ−４πｎＬ／λ　　　　　　　　　・・・・・・（２
）で与えられる。このときファブリ・ペロー干渉系の反
射率Ｒ１すなわち帰還光ｄの強度を計測光すの強度で割
算した値は、 Ｒ＝　（ｒＡ２＋ｒＢ２−２ｒＡｒ８ＣｏＳδ）／　（
１２ｒＡｒＢ　ｃｏｓδ＋（ＯＡｒＢ）２）・・・・・
・（３） で与えられる（例えば、「光学の原理■」、マックス・
ホルン、エミル・ウォルフ著、草用徹、横田英嗣訳、東
海大学出版会、５０８〜５１５ページ参照）。

第５図は（３）式をもとに、ｒＡ−ｒＢ””ｒとし、ｒ
ｔをパラメータにして計算したファブリ・ペロー干渉系
の反射率Ｒと共振器長しおよび光源の波長λとの関係図
、すなわちセンサヘッドの動作曲線を示す図である。縦
軸は反射率Ｒ１横軸はｎＬ＋／λである。ただし、し、
は共振器長しから光源の空気層における半波長λ／２／
ｎの正の整数倍を引算した値である。すなわち、Ｌ＋　
−Ｌ　　ｎＬ／λ２・　（正の整数）・・・・・・（４
）である、同図において、ｕ　１　＊　　ｕ　ｔおよび
Ｕ、はそれぞれｒ”　＝０．０５．ｒ”　＝０．３およ
びｒｚ−〇、５の場合の動作曲線である。同図から明ら
かなように、動作曲線ｕ　ｌ　＋　　ｕ　雪およびＵ、
は、Ｌ＋したがってＬに関して周期λ／２／ｎの周期関
数であり、かつ反射率「２が大きくなるにつれて動作曲
線は急峻な立ち上がり部分を持つようになり、センサヘ
ッドの高感度化は反射率ｒ２を高めることによって実現
される。なお、ｒＡ≠ｒ８の場合、反射率Ｒに零点が現
れなくなるが、それでも曲線の形はこれらに類似したも
のになる。

第６図はセンサヘッドの入力波形と出力波形の関係を示
す図である。第６図において、Ｕはセンサヘッドの動作
曲線、Ｐ、、Ｐ、およびＰ、はそれぞれ動作点を示す、
同図から明らかなように、反射率ＲはＬｌと非直線関係
にあり、動作点の位置によって同一の入力を加えても出
力波形は異なる。したがって、動作点を最適化する必要
があり、その制御装置が必要になる。動作点の最適位置
は動作曲線上の変曲点すなわち動作曲線の第２次微分係
数がゼロになる点である。この動作点の最適化によって
、共振器長りの変化ΔＬが波長λより十分小さいならば
、実用上反射率ＲはΔＬと直線関係にあるとすることが
できる。

つぎに、第４０図のように構成された従来のファブリ・
ベロー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御
装置を用いた光センサについて、その動作について第４
０図および第４図を用いて　　−説明する。

半導体レーザモジュール１００は、その動作温度が冷却
加熱器１０１によって制御され、かつその半導体レーザ
に対する注入電流が発振器１１１の変調出力信号および
直流量ａｘ１２の出力信号によって制御されている。こ
のことにより、半導体レーザモジュール１００から出射
する光源出射光ａは、冷却加熱器１０１と直流電源１１
２によって決まる中心波長をもち、発振器１１１によっ
て波長および振幅が変調された光となる。光源出射光ａ
は光フアイバカップラ１０２により計測光すと参照光Ｃ
に分岐される。計測光すは延長光ファイバ１０３により
センサヘッド１０４に送られ、センサ＾・ラド１０４の
ファブリ・ペロー干渉系で繰り返し反射干渉をし、計測
光すの一部が再び自長光ファイバ１０３に帰還される。

帰還光ｄは、センサヘッド１０４により、計測すべき物
理量の変化に対応した第（４）式で与えられる振幅変調
が重畳された光となっている。帰還光ｄは再び光フアイ
バカップラ１０２により信号光ｅと光源帰還光ｒに分岐
される。光源帰還光ｆは半導体レーザモジュール１００
に帰還されないように処理される。

信号光ｅは光電変換器１０５により光電変換され、信号
Ｓとなる。信号Ｓはバンドパスフィルタ１０６およびフ
ィルタ１１５に送られる。バンドパスフィルタ１０６に
入力した信号Ｓは、バンドパスフィルタ１０６で発振器
１１１の変調信号の第２次高調波底分に８が検出され、
比較器１０７と動作点の判定器１０日とによって第２次
高調波底分に！が極小になるようにアップダウンカウン
タ１０９に指示をする。その信号はデジタルアナログ変
換器１１０を介して冷却加熱器１０１に帰還され、冷却
加熱器１０１はその信号によって半導体レーザモジエー
ル１００の動作温度を制御する。

一方、フィルタ１１５に入力した信号Ｓは、フィルタ１
１５により変調信号成分を取り除きセンサヘッドの本来
の信号が取り出され、出力端子１１６から出力される。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のように、動作曲線の第２次微分係数
にだけ着目し、半導体レーザモジュールＩＱＯの注入電
流を変調しその変調信号の第２次高調波体号の値が極小
になるように動作点を制御する構成では以下のような問
題点があった。

まず、センサヘッドの高感度化を図るためにファプリ・
ペロー干渉系の反射率を高くした場合、第７図〜第１５
図を用いて後述するように動作点の制御装置が誤動作を
起こすという問題があり、センサヘッドの高感度化がで
きないという問題点があった。

また、制御系の感度を上げるために半導体レーザモジュ
ール１００の注入電流のを変圃度を太き（した場合、計
測光内に含まれた振幅変調成分が第２次高調波底分に、
に影響し、動作点が最適値から大きくずれた点に収束す
るという問題点があった。

また、センサヘッドへの物理量の入力が大きい場合、動
作曲線の非線形性により動作点が最適値から大きくずれ
た点に収束するという問題点があった。

さらに、動作点の制御ｎ方向の判定が光源の中心波長を
変化させてその前後の第２次微分係数の値を比較して始
めてできるため、動作点の最適化における収束性、およ
びセンサヘッドが外乱を受けたときの動作点の最適化に
おける追従性が良くないという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み、使用環境の変化に追従して
正確にセンサヘッドの動作点の最適化が行える、高感度
、低歪率、広ダイナミツクレンジの安定したファプリ・
ペロー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御
装置を用いた光センサを提供するものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明のファプリ・ペロー
干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装置を
用いた光センサは、外部制御によって連続して波長を変
えることができる連続波長可変光源と、連続波長可変光
源の波長を制御する波長可変手段と、波長可変手段と同
期してファプリ・ペロー干渉系からなるセンサヘッドの
動作曲線の第１次微分係数の符号を検出する第１の符号
検出手段と、同じくセンサヘッドの動作曲線の第２次微
分係数の符号を検出する第２の符号検出手段と、第１の
符号検出手段および第２の符号検出手段の符号の組み合
わせを判定し波長可変手段を制御する動作点の判定器と
いう構成を備えたものである。

また、本発明のファプリ・ペロー干渉型光センサの動作
点の制御装置および該制御装置を用いた光センサは、連
続波長可変光源および波長可変手段が連続スペクトル分
布を有する連続スペクトル光ｓＨ１連続スペクトル光源
の出射光の中から特定の波長の光を選択して取り出すこ
とができる波長選択性をもった波長選択器と、波長選択
器の波長選択性を機械的に制御する加振器とで構成され
てあり、かつ第１の符号検出手段および第２の符号検出
手段が加振器の動作を変調しセンサヘッドに入射させる
計測光の波長を周期的に変化する変調信号を発生する発
振器と、センサヘッドから帰還された信号光出力の中か
ら変調信号に同期して変調信号の基本波成分の符号を検
出する第１のバンドパスフィルタおよび第１の比較器と
、同じく信号光出力の中から変調信号に同期して変調信
号の第２次高調波底分の符号を検出する第２のバンドパ
スフィルタおよび第２の比較器とで構成されてあり、変
調信号の基本波成分の符号と第２次高調波底分の符号と
の組み合わせを判定し波長選択器の中心波長を変化させ
るという構成を備えたものである。ここで、波長選択器
は、回折格子に機械的な回転を与えて波長が選択できる
モノクロメータか、共振器長を機械的に変えて波長が選
択できるファブリ・ペロー干渉計が良い、また、連続ス
ペクトル光源は、センサヘッドの動作点をその動作曲線
上で少なくとも一周期以上変化できるスペクトル分布の
幅を有する連続スペクトル光源が良い。

さらに、本発明のファブリ・ペロー干渉型光センサの動
作点の制御装置および該制御装置を用いた光センサは、
連続波長可変光源がシングルモード発振をしてかつ動作
温度あるいは注入電流を変えることにより連続的に波長
を変えることができる半導体レーザと、半導体レーザへ
の帰還光を遮断する光アイソレータとで構成された半導
体レーザモジュールであり、かつ波長可変手段が半導体
レーザの動作温度を制御しその中心波長を変化する冷却
加熱器と、半導体レーザの注入電流をｉｆ：調しセンサ
ヘッドに入射させる計測光の波長を周期的に変化する変
調信号を発生する発振器とで構成されてあり、かつ第１
の符号検出手段および第２の符号検出手段が上記発振器
と、センサヘッドから帰還された信号光出力の中から変
調信号に同期して変調信号の基本波成分の符号を検出す
る第１のバンドパスフィルタおよび第１の比較器と、同
じく信号光出力の中から変調信号に同期して変調信号の
第２次高謂波底分の符号を検出する第２のバンドパスフ
ィルタおよび第２の比較器とで構成されてあり、変調信
号の基本波成分の符号と第２次高調波底分の符号との組
み合わせ結果から冷却。

加熱を判定し、冷却加熱器を制御して半導体レーザの中
心波長を変化させるという構成を備えたものである。こ
こで、冷却加熱器は、ペルチェ素子が良い、また、半導
体レーザは、波長がその動作温度を変化することにより
センサヘッドの動作点をその動作曲線上で少なくとも一
周期以上変化できる波長可変範囲を存するものが良い、
さらに、センサヘッドからの信号光出力を光源から出射
分岐された参照光出力で割算することによりセンサヘッ
ドへの計測光に含まれた振幅変調成分の影響を除去し、
その正規化信号をもとに変調信号の基本波成分の符号と
第２次高調波底分の符号とを検出する方が良い。

また、センサヘッドとしては、連続波長可変光源の波長
可変幅に対して、動作点を動作曲線上で少なくとも一周
朋以上変化できるファプリ・ペロー干渉系の共振器長を
有するものが実用的である。

作用 本発明は上記した構成によって、計測光内に含まれた振
幅変調成分の影響を信号光の中から除去し、動作曲線の
第１次微分係数および第２次微分係数の符号を求め、そ
の両者の符号の組合せから動作点の現在値を判定するこ
とによって、一義的に制御方向が決定できることとなる
。

したがって、センサヘッドの高感度化を図るためにファ
プリ・ペロー干渉系の反射率を高くした場合においても
、第７図〜第１５図を用いて後述するように動作点の制
御が正確に行うことができ、センサヘッドの高感度化が
可能となる。

また、センサヘッドへの物理量の入力が大きい場合にお
いても、動作点の制御が正確に行うことができ、センサ
ヘッドのダイナミックレンジの拡大が可能となる。

また、動作点の最適化における収束性、およびセンサヘ
ッドが外乱を受けたときの動作点の最適化における追従
性も向上する。

すなわち、使用環境の変化に追従してセンサヘッドの動
作点の最適化がおこなえて、高感度、低歪率、広ダイナ
ミツクレンジの安定したファプリ・ペロー干渉型光セン
サを提供することが可能となる。

実施例 以下本発明の一実施例のファプリ・ペロー干渉型光セン
サの動作点の制御装置および該制御装置を用いた光セン
サについて、図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例におけるファプリ・ペロ
ー干渉型光センサの動作点の制？１ｍ装置および該制御
装置を用いた光センサの構成ブロック図である。第１図
において、ｌは連続波長可変光源、２は連続波長可変光
源１にその一端が接続された光フアイバカップラ、３は
光フアイバカップラ２の計測光すの出射端に接続された
延長光ファイバ、４は延長光ファイバ３の先端に接続さ
れたファプリ・ペロー干渉系からなるセンサヘッド、５
は光フアイバカップラ２の信号光ｅの出射端に接続され
た光電変換器で、６は光電変換器５の出力信号Ｓの中か
らセンサヘッドの動作曲線の第１次微分係数の符号を検
出する第１の符号検出手段、７はセンサヘッドの動作曲
線の第２次微分係数の符号を検出する第２の符号検出手
段、８は第１の符号検出手段６および第２の符号検出手
段７の符号の組み合わせを判定し波長可変手段を制御す
る動作点の判定器、９は波長可変手段、１０はセンサヘ
ッドの本来の信号成分を取り出すフィルタ、１１はフィ
ルタ１０の出力端子である。

また、ａは光源出射光、ｂは計測光、Ｃは参照光、ｄは
帰還光、ｅは信号光、ｆは光源帰還光である。Ｓは光電
変ｔＡ、）３５の出力信号である。

以上のように構成されたファプリ・ペロー干渉型光セン
サの動作点の制御装置および該制御装置を用いた光セン
サについて、以下第１図および第７図〜第１２図を用い
てその動作を説明する。

第１図において、連続波長可変光ｆ１１から出射した単
一波長の光源出射光ａは、波長可変手段９により制御さ
れている。光源出射光ａは、光フアイバカップラ２によ
って分岐されて計測光すと参照光Ｃになる。計測光すは
延長光ファイバ３を介してセンサヘッド４に送られ、セ
ンサヘッド４のファプリ・ペロー干渉系で繰り返し反射
干渉をし、計測光すの一部が再び延長光ファイバ３に帰
還される。帰還光ｄは、センサヘッド４により、計測す
べき物理量の変化に対応した第（４）式で与えられる振
幅変調を受けた光となっている。帰還光ｄば再び光フア
イバカップラ２により信号光ｅと光源帰還光ｆに分岐さ
れる。光源帰還光ｒは連続波長可変光源１に帰還されな
いように処理される。信号光ｅは光電変換器５により光
電変換され、信号Ｓとなる。信号Ｓは、第１の符号検出
手段６によりセンサヘッドの動作曲線の第１次微分係数
の符号が検出され、同時に第２の符号検出手段７により
センサヘッドの動作曲線の第２次微分係数の符号が検出
される。これら両者の出力信号は、動作点の判定器８に
入力し、符号の組み合わせが判定され、波長可変手段９
を制御する。

以下の第７図から第９図は、反射率ｒ１が０．０５の場
合のそれぞれセンサヘッドの動作曲線、その第１次微分
係数および第２次微分係数を示す図である。第７図にお
いて、Ｕは動作曲線で、Ｑｌ。

Ｑ２　、Ｑｓ　、Ｑ４．およびＱ、は動作点である。

ＱｌおよびＱ、は動作曲線上の極大値を与える点、Ｑ、
は動作曲線上の罹小値を与える点、Ｑ２およびＱ４は動
作曲線上の変曲点である。領域Ａは横軸の０１点から９
２点までのＮ域を示すもので、順次、同様に領域Ｂは９
２点から９３点までの領域、領域Ｃは０１点から９４点
までの領域、領域りは９４点から０１点までの領域を示
す　ｇ域Ａ。

Ｂ、Ｃ，およびＤによって周期的関数である動作曲線の
一周期分を網羅している。第８図におけるＶは動作曲線
Ｕの第１次微分係数の曲線である。

また第９図におけるＷは動作曲線Ｕの第２次微分係数の
曲線である。第８図および第９図に示したＱ、、Ｑ２．
Ｑｓ＋　Ｑ、、および０１点、領域Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ
は第７図と同様である。第８図および第９図から明らか
なように、各領域において第１次微分係数と第２次微分
係数との符号の組み合わせが異なる。すなわち、領域Ａ
では負と負、領域Ｂでは負と正、領域Ｃでは正と正、領
域Ｄでは正と負になる。したがって動作曲線の第１次微
分係数と第２次微分係数との符号を検出することにより
、一義的に動作点の動作曲線上の現在値を求めることが
でき、その制御Ｂ方向が決定できる。たとえば、領域Ａ
およびＢでは９２点に、領域ＣおよびＤでは９４点に動
作点を収束させるとすると、領域ＡおよびＣでは連続波
長可変光源１の中心波長を短波長側に、領域ＢおよびＤ
では連続波長可変光源ｌの中心波長を長波長側にそれぞ
れ変化すればよい。

同様に、第１０図から第１２図は、反射率ｒｔが０．５
の場合のそれぞれセンサヘッドの動作曲線、その第１次
微分係数および第２次微分係数を示す図である０図中の
各記号は第７図から第９図で示したものと同一である。

このように反射率が高い場合においても、動作曲線の第
１次微分係数と第２次微分係数との符号に関しては第７
図から第９図に示した低反射率の場合と同様な結果が得
られる。なお、従来の動作点の制御装置においては、上
述したように第２次微分係数の値が極小となるように動
作点を制？Ｉしているため、第１２図の領域ＥおよびＦ
においてはそれぞれＱ、、Ｑｓ点に動作点が収束し問題
となっていた。

本発明の第１の実施例におけるファブリ・ペロー干渉型
光センサの動作点の制御装置および該制御装置を用いた
光センサにおいては、連続波長可変光Ｂｌの中心波長が
波長可変手段９と同期してファブリ・ペロー干渉系から
なるセンサヘッド４の動作曲線の第１次微分係数の符号
を検出する第１の符号検出手段６の符号と、同じく第２
次微分係数の符号を検出する第２の符号検出手段７との
符号の組み合わせから、第７図から第１２図で説明した
ように動作点の判定器８が動作点の現在値を求め、一義
的に波長可変手段９を制御し、連続波長可変光源１の中
心波長を変化し、動作点の最適化が行える。

以上のように本実施例によれば、外部制御によって連続
して波長を変えることができる連続波長可変光源と、連
続波長可変光源の波長を制御する波長可変手段と、波長
可変手段と同期してファブリ・ペロー干渉系からなるセ
ンサヘッドの動作曲線の第１次微分係数の符号を検出す
る第１の符号検出手段と、同じくセンサヘッドの動作曲
線の第２次微分係数の符号を検出する第２の符号検出手
段と、第１の符号検出手段および第２の符号検出手段の
符号の組み合わせを判定し波長可変手段を制御する動作
点の判定器を設けることにより、動作点の現在値が判定
できて一義的に制御方向が決定できることとなる。した
がって、センサヘッドの高感度化を図るためにファブリ
・ペロー干渉系の反射率を高くした場合においても、動
作点の制御が正確に行うことができ、センサヘッドの高
感度化が可能となる。また、センサヘッドへの物理量の
入力が大きい場合においても、動作点の制御が正６′Ｉ
！に行うことができ、センサヘッドのダイナミックレン
ジの拡大が可能となる。また、動作点の最適化における
収束性、およびセンサヘッドが外乱を受けたときの動作
点の最適化における追従性も向上する。

以下本発明の第２の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第２図は本発明の第２の実施例におけるファブリ・ペロ
ー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装置
を用いた光センサの構成を示すブロック図である。第２
図において、２０は連続スペクトル分布を有する連続ス
ペクトル光源、２１は連続スペクトル光源２０の出射光
の中から特定の波長の光を選択して取り出すことができ
る波長選択性をもった波長選択器、２２は波長選択器２
１にその一端が接続された光フアイバカップラ、２３は
ファイバカップラ２２の計測光すの出射端に接続された
延長光ファイバ、２４は延長光ファイバ２３の先端に接
続されたファブリ・ペロー干渉系からなるセンサヘッド
、２５は光フアイバカップラ２２の信号光ｅの出射端に
接続された光電変換器、２６は光電変換器２５の出力信
号Ｓの中から変調信号の基本波信号に、を検出する第１
のバンドパスフィルタ、２７は発振ｒ＆３４の変調信号
に同期して第１のバンドパスフィルタ２６の出力信号に
１の符号を検出する第１の比較器、２８は光電変換器２
５の出力信号Ｓの中から変調信号の第２次高調波体号Ｋ
ｇを検出する第２のバンドパスフィルタ、２９は発振器
３４の変調信号に同期して第２のバンドパスフィルタ２
８の出力信号に２の符号を検出する第２の比較器、３０
は出力信号に１の符号と出力信号に２の符号との組み合
わせを判定し波長選択２Ｓ２，１の中心波長を変化させ
る動作点の判定器、３１は動作点の判定器３０の出力信
号をＭｉ算するアンプダウンカウンタ、３２はアップダ
ウンカウンタ３１のデジタル出力信号をアナログ信号に
変換するデジタルアナログ変換器、３３はデジタルアナ
ログ変換器３２の出力信号を積分して２．激な変化を緩
和する積分器、３４は波長選択器２１に与える変調信号
を発生する発振器、３５は積分器３３と発振器３４との
出力信号を重畳する重畳器、３６は重畳器３５の出力信
号によって駆動する加振器、３７は光電変換器２５の出
力信号Ｓの中から変調信号成分を取り除きセンサヘッド
２４の本来の信号を取り出すフィルタ、３８はフィルタ
３７の出力端子である。

また、ａは光源出射光、ｂは計測光、Ｃは参照光、ｄは
帰還光、ｅは信号光、ｆは光源帰還光である。

Ｓは光電変換器２５の出力信号、Ｋ、は第１のバンドパ
スフィルタ２６の出力信号、Ｋ２は第２のバンドパスフ
ィルタ２８の出力信号である。

以上のように構成されたファブリ・ペロー干渉型光セン
サの動作点の制御装置および該制御装置を用いた光セン
サについて、以下第２図を用いてその動作を説明する。

連続スペクトル光源２０から出射した連続スペクトル分
布を有する光は、波長選択器２１により特定の波長の光
が選択され、光源出射光ａとなる。

ここで、波長選択器２１は、重畳器３５および加振器３
６とを介して加えられた加振器３４による変調出力信号
と積分器３３の出力信号によって制御されている。光源
出射光ａは、光フアイバカップラ２２によって分岐され
て計測光すと参照光Ｃになる。計測光すは延長光ファイ
バ２３を介してセンサヘッド２４に送られ、センサヘッ
ド２４のファブリ・ペロー干渉系で繰り返し反射干渉を
し、計測光すの一部が再び延長光ファイバ２３に帰還さ
れる。帰還光ｄは、センサヘッド２４により、計測すべ
き物理量の変化に対応した第（４）式で与えられる振幅
変調を受けた光となっている。帰還光ｄは再び光フアイ
バカップラ２２により信号光ｅと光源帰還光ｆに分岐さ
れる。光源帰還光ｆは連続スペクトル光源２０に帰還さ
れないように処理される。信号光ｅは光電変換器５によ
り光電変換され、信号Ｓとなる。出力信号Ｓは、第１の
バンドパスフィルタ２Ｇ、第２のバンドパスフィルタ２
日およびフィルタ３７に入力される。第１のバンドパス
フィルタ２６に入力した信号Ｓは、その中から変調信号
の基本波信号Ｋｌが検出された後、第１の比較器２７に
よって出力信号に、の符号が検出される。同様に第２の
バンドパスフィルタ２８に入力した信号Ｓは、その中か
ら変調信号の第２次高調波体号Ｋｇが検出さ、′Ｌ、第
２の比較器２９によって出力信号に、の符号が検出され
る。

これら両者の符号の組合せは動作点の判定器３０によっ
て判定され動作点が最適化されるように指示信号が出力
され、その指示信号はアップダウンカウンタ３１によっ
て積算され、デジタルアナログ変換器３２および積分器
３３を介して重畳器３５に人力され、加振器３６を介し
て波長選択器２１に加えられ、光源出射光ａの中心波長
を制御する。制御系の詳細な動作の説明は第３の実施例
でまとめておこなうのでここでは省略する。

以上のように本実施例によれば、連続波長可変光源およ
び波長可変手段が連続スペクトル分布を有する連続スペ
クトル光源と、連続スペクトル光源の出射光の中から特
定の波長の光を選択して取り出すことができる波長選択
性をもった波長選択器と、波長選択器の波長選択性を機
械的に制御Ｂする加振器とで構成されてあり、かつ第１
の符号検出手段および第２の符号検出手段が加振器の動
作を変調しセンサヘッドに入射させる計測光の波長を周
期的に変化する変調信号を発生する発振器と、センサヘ
ッドから帰還された信号光出力の中から変調信号に同期
して変調信号の基本波成分の符゛号を検出する第１のバ
ンドパスフィルタおよび第１の比較器と、同じく信号光
出力の中から変調信号に同期して変調信号の第２次高調
波成分の符号を検出する第２のバンドパスフィルタおよ
び第２の比較器とで構成されてあり、変調信号の基本波
成分の符号と第２次高調波成分の符号との組み合わせを
判定し波長選択器の中心波長を変化させることにより、
動作点の現在値が判定できて一義的に制御方向が決定で
きることとなる。したがって、センサヘッドの高感度化
を図るためにファブリ・ペロー干渉系の反射率を高くし
た場合においても、動作点の制御が正確に行うことがで
き、センサヘッドの高感度化が可能となる。また、セン
サヘッドへの物理量の入力が大きい場合においても、動
作点の制御が正確に行うことができ、センサヘッドのダ
イナミックレンジの拡大が可能となる。また、動作点の
最適化における収束性、およびセンサヘッドが外乱を受
けたときの動作点の最適化における追従性も向上する。

加えて、計測光内に振幅変調成分が含まれないため、誤
動作が防止できることとなる。また、一般に上記波長可
変手段は波長可変幅が大きく取れるため、センサヘッド
の共振器に対する制約は実使用上はとんど無くなる。

以下本発明の第３の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第３図は本発明の第３の実施例におけるファブリ・ペロ
ー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装置
を用いた光センサの構成を示すブロック図である。第３
図において、４０はシングルモード発振をしてかつ動作
温度あるいは注入電流を変えることにより連続的に波長
を変えることができる半導体レーザと、半導体レーザへ
の帰還光を遮断する光アイソレータとで構成された半導
体レーザモジュールで、４１は半導体レーザの動作温度
を制御しその中心波長を変化する冷却加熱器、４２は半
導体レーザモジュール４０にその一端が接続された光フ
アイバカップラ、４３はファイバカップラ４２の計測光
すの出射端に接続された延長光ファイバ、４４は延長光
ファイバ４３の先端に接続されたファプリ・ペロー干渉
系からなるセンサヘッド、４５は光フアイバカップラ４
２の信号光ｅの出射端に接続された第１の光電変換器、
４６は光フアイバカップラ４２の参照光Ｃの出射端に接
続された第２の充電変換器、４７は第１の光電変換器４
５の出力信号を第２の光電変換器４６の出力信号で割算
し、計測光す内に含まれる振幅変調成分を除去する割算
器、４８は割算器４７の出力信号Ｓの中から変調信号の
基本波信号に＋を検出する第１のバンドパスフィルタ、
４９は発振器５６の変調信号に同期して第１のバンドパ
スフィルタ４８の出力信号に、の符号を検出する第１の
比較器、５０は割算器４７の出力信号Ｓの中から変調信
号の第２次高調波体号に２を検出する第２のバンドパス
フィルタ、５１は発振器５６の変調信号に同期して第２
のバンドパスフィルタ５０の出力信号に２の符号を検出
する第２の比較器、５２は出力信号に１の符号と出力信
号にオの符号との組み合わせを判定し半導体レーザモジ
ュール４０の中心波長を変化させる動作点の判定器、５
３は動作点の判定器５２の出力信号を積算するアップダ
ウンカウンタ、５４はアンプダウンカウンタ５３のデジ
タル出力信号をアナログ信号に変損するデジタルアナロ
グ変換器、５５はデジタルアナログ変換器５４の出力信
号を積分して急激な変化を緩和する積分器、５６は計測
光すの波長を周期的に変化する変調信号を発生する発振
器、５７は計測光すの中心波長を制御する直流？１ｔ７
１ａ、５８は発振器５６の変調出力信号と直流電源５７
の直流出力信号とを重畳する重畳器、５９は重畳器５９
の出力信号を電力増幅するパワーアンプ、６０は割算器
４７の出力信号Ｓの中から変調信号成分を取り除きセン
サヘッド４４の本来の信号を取り出すフィルタである。

６１はフィルタ６０の出力端子である。また、ａは光源
出射光、ｂは計測光、Ｃは参照光、ｄは帰還光、ｅは信
号光、ｆは光源帰還光である。Ｓは割算器４７の出力信
号、Ｋ１は第１のバンドパスフィルタ４８の出力信号、
Ｋ、は第２のバンドパスフィルタ５０の出力信号である
。

以上のように構成されたファプリ・ペロー干渉型光セン
サの動作点の制ｉｎ装置および該制御装置を用いた光セ
ンサについて、以下第３図を用いてその動作を説明する
。。

半導体レーザモジュール４０は、その中心波長が直流型
ｉｆ！Ｘ５７による半導体レーザへの注入電流と冷却加
熱器４１による動作温度で制御されている。また、その
発振波長の変調は発振器５６による変調注入電流によっ
て制御されている。

したがって、半導体レーザモジュール４０から出射され
る光源出射光ａは同時に発振器５６により遍幅変調を受
けている。ちなみに、ここで用いた１、３ミクロン帯の
分布帰還型半導体レーザでは、その波長の温度係数は０
．０８ナノメ一タ／度、また変調注入電流に対する波長
変化は約０．００５ナノメータ／ミリアンペアである。

光源出射光ａは、光フアイバカップラ４２によって分岐
されて計測光すと参照光Ｃになる。計測光すは延長光フ
ァイバ４３を介してセンサヘッド４４に送られ、センサ
ヘッド４４のファブリ・ペロー干渉系で繰り返し反射干
渉をし、計測光すの一部が再び延長光ファイバ４３に帰
還される。帰還光ｄは、センサヘッド４４により、計測
すべき物理量の変化に対応した第（４）式で与えられる
振幅変調を受けた光となっている。帰還光ｄは再び光フ
ァイバカンプラ４２により信号光ｅと光源帰還光ｆに分
岐される。

光源帰還光ｆは光アイソレータによって半導体レーザへ
の帰還が遮断される。信号光ｅは第１の光電変換器４５
によって光電変換される。また、参照光Ｃは第２の光電
変換器４６によって光電変換される。そして割算器４７
は、第１の光電変換器４５の出力信号を第２の光電変換
器４６の出力信号で割算し、計測光す内に含まれる振幅
変調成分を除去し、信号Ｓを出力する。出力信号Ｓは、
第１のバンドパスフィルタ４８．第２のバンドパスフィ
ルタ５０およびフィルタ６０に入力される。

第１のバンドパスフィルタ４日に入力した信号Ｓは、そ
の中から変調信号の基本波信号に１が検出された後、第
１の比較器４９によって出力信号に１の符号が検出され
る。同様に第２のバンドパスフィルタ５０に入力した信
号Ｓは、その中から変調信号の第２次高調波体号に２が
検出され、第２の比較器５１によって出力信号に２の符
号が検出される。これら両者の符号の組合せは動作点の
判定器５２によって判定され動作点が最適化されるよう
に指示信号が出力され、その指示信号はアップダウンカ
ウンタ５３によって積算され、デジタルアナログ変換器
５４および積分器５５を介して冷却加熱器４１に加えら
れ、動作温度が制御される。

以下その動作の詳細について、第１３図〜第３９図を用
いて説明する。ここで、光源出射光ａの中心波長λは１
３００ナノメータ、発振器３４の発振周波数１ｍは１０
０キロヘルツ、発振器３４によるその波長の変調振幅Δ
λは０．０１ナノメータとする。また、ファブリ・ペロ
ー干渉系の第１および第２の媒質の反射率ｒ８は０．５
、物理量の入力の振動周波数ｊｖは５キロヘルツ、物理
量の入力によって生じた第２の媒質の振動振幅すなわち
ファブリ・ペロー干渉系の共振器長の振動振幅ΔＬは１
０ナノメータとする０以上の条件を図に示すと、第１３
図〜第１５図のようになる。第１３図はセンサヘッドの
動作曲線を示す図、第１４図は光源出射光ａの波長の時
間的変化を示す図、第１５図は物理量の入力によるファ
ブリ・ペロー干渉系の共振器長しの時間的変化を示す図
である。

第１３図においてｏｌ、Ｏｌ、０３．Ｏｓ、Ｏｓ。

Ｏｂ、ＯｑおよびＯｌは各動作点で、０．およびＯｌは
動作曲線の変曲点すなわち最適動作点、０、は極大値、
Ｏ２は極小値である。以下、第１６図〜第３９図に、０
１〜０゜の各動作点における信号Ｓ、信号に、および信
号に２の波形を順次示す、信号に１の波形を示す図にお
いて、枠外に記載した符号十および−は第１の比較器４
９の出力である。同様に、信号に２の波形を示す図にお
いて、枠外に記載した符号十および−は第２の比較器５
１の出力である。なお、ここでは上記符号の検出は発振
器５６に同期してその変調周波数ｆｍの４分の１周期ず
らせた点で検出しである。いま、各図において、これら
の符月について入力信号ｆｖの１周期に渡って積算する
と以下の様な結果が得られる。すなわち、動作点Ｏ１で
はに、およびに、の符号はそれぞれゼロと正、以下同様
にＯｌでは正と負、０．では正とゼロ、０４では正と正
、０、ではゼロと正、Ｏ４では負と正、Ｏ？では負とゼ
ロ、０．では負と負となる。この結果から明らかなよう
にその符号の組合せは領域Ａ、Ｂ、Ｃ。

Ｄと一対一に対応しており、その符号の組合せを検出す
ることによって一義的に動作点の位置が判定できる。な
お、上記では符号の検出は発振器５６に同期してその変
調周波数１ｍの４分の１周期ずらせた点で検出したが、
変調周波数ｆｍの４分の３周期ずらせた点で検出した場
合は、以上の結果と異なる符号が得られるが、その符号
の組合せを検出することによって一義的に動作点の位置
が判定できることに変わりはない、また、上記第２の実
施例においても定性的に本実施例と同様な結果が得られ
る。

以上のように本実施例によれば、連続波長可変光源がシ
ングルモード発振をしてかつ動作温度あるいは注入電流
を変えることにより連続的に波長を変えることができる
半導体レーザと、半導体し一ザへの帰還光を遮断する光
アイソレータとで構成された半導体レーザモジュールで
あり、かつ波長可変手段が半導体レーザの動作温度を制
御しその中心波長を変化する冷却加熱器と、半導体レー
ザの注入電流を変調しセンサヘッドに入射させる計測光
の波長を周期的に変化する変調信号を発生する発振器と
で構成されてあり、かつ第１の符号検出手段および第２
の符号検出手段が上記発振器と、センサヘッドから帰還
された信号光出力の中から変調信号に同期して変調信号
の基本波成分の符号を検出する第１のバンドパスフィル
タおよび第１の比較器と、同じく信号光出力の中から変
調信号に同期して変調信号の第２次高副波底分の符号を
検出する第２のバンドパスフィルタおよび第２の比較器
とで構成されてあり、変調信号の基本波成分の符号と第
２次高調波底分の符号との組み合わせ結果から冷却、加
熱を判定し、冷却加熱器を制御して半導体レーザの中心
波長を変化させることにより、動作点の現在値が判定で
きて一義的に制御方向が決定できることとなる。したが
って、センサヘッドの高感度化を図るためにファプリ・
ペロー干渉系の反射率を高くした場合においても、動作
点の制御が正確に行うことができ、センサヘッドの高感
度化が可能となる。また、センサヘッドへの物理量の入
力が大きい場合においても、動作点の制御が正確に行う
ことができ、センサヘッドのダイナミックレンジの拡大
が可能となる。また、動作点の最適化における収束性、
およびセンサヘッドが外乱を受けたときの動作点の最適
化における追従性も向上する。加えて、計測光内に含ま
れた振幅変調成分を除去しているため、誤動作が防止で
きることとなる。また、制御系に機械系を含んでいない
ため、応答速度の高い制御系が構築でき、高周波用の光
センサが実現できることとなる。

なお、第２の実施例において、波長選択器は、回折格子
にｍ械的な回転を与えて波長が選択できるモノクロメー
タか、共振器長を機械的に変えて波長が選択できるファ
ブリ・ペロー干渉計にすることにより、筒便に波長選択
ができるようになる。

また、第２の実施例において、連続スペクトル光源は、
センサヘッドの動作点をその動作曲線上で少なくとも一
周期以上変化できるスペクトル分布の幅を有する連続ス
ペクトル光源にすることにより、センサヘッドの動作点
が何処にあワても最適化できるようになる。

また、第３の実施例において、冷却加熱器はペルチェ素
子にすることにより、コンパクトな制御装置が可能とな
る。

また、第３の実施例において、半導体レーザは、波長が
その動作温度を変化することによりセンサヘッドの動作
点をその動作曲線上で少なくとも一周期以上変化できる
波長可変範囲を存するものにすることにより、センサヘ
ッドの動作点が何処にあっても最適化できるようになる
。

また、第３の実施例のように、センサヘッドからの信号
光出力を光源から出射分岐された参照光出力で割算しセ
ンサヘッドへの計測光に含まれた振幅変調成分の影響を
除去し、その正規化信号をもとに変調信号の上記基本波
成分の符号と上記第２次高調波底分の符号とを検出する
ことにより、計測光内に含まれた振幅変調成分の影響が
信号光の中から除去でき、誤動作が防止できることとな
る。

また、第２および第３の実施例において、発振器の変調
波形は正弦波としたが三角波あるいは鋸波でもよい。

また、第２および第３の実施例において、発振器の変調
周波数は計測の対象となる周波数よりも大きいことが望
ましい。

また、第１．第２および第３の実施例において、センサ
ヘッドの共振器長は、連続波長可変光源の波長可変幅に
対して、動作点を動作曲線上で少なくとも一周期以上変
化できる長さにすることにより、連続波長可変光源の波
長可変能力が緩和され、低コストの制御装置が実現でき
ることとなる。

発明の効果 以上のように、本発明は、外部制御によって連続して波
長を変えることができる連続波長可変光源と、連続波長
可変光源の波長を制御する波長可変手段と、波長可変手
段と同期してファブリ・ペロー干渉系からなるセンサヘ
ッドの動作曲線の第１次微分係数の符号を検出する第１
の符号検出手段と、同じくセンサヘッドの動作曲線の第
２次微分係数の符号を検出する第２の符号検出手段と、
第１の符号検出手段および第２の符号検出手段の符号の
組み合わせを判定し波長可変手段を制御する動作点の判
定器という構成を備えることにより、動作点の現在値が
判定できて一義的に制御方向が決定できることとなる。

したがって、センサヘッドの高感度化を図るためにファ
ブリ・ペロー干渉系の反射率を高くした場合においても
、動作点の制御が正確に行うことができ、センサヘッド
の高感度化が可能となる。また、センサヘッドへの物理
量の入力が大きい場合においても、動作点の制御が正確
に行うことができ、センサヘッドのダイナミックレンジ
の拡大が可能となる。また、動作点の最適化における収
束性、およびセンサヘッドが外乱を受けたときの動作点
の最適化における追従性も向上する。

また、本発明は、連続波長可変光源および波長可変手段
が連続スペクトル分布を有する連続スペクトル光源と、
連続スペクトル光源の出射光の中から特定の波長の光を
選択して取り出すことができる波長選択性をもった波長
選択器と、波長選択器の波長選択性を機械的に制御・す
る加振器とで構成されてあり、かつ第１の符号検出手段
および第２の符号検出手段が加振器の動作を変調しセン
サヘッドに入射させる計測光の波長を周期的に変化する
変調信号を発生する発振器と、センサヘッドから帰還さ
れた信号光出力の中から変調信号に同期して変調信号の
基本波成分の符号を検出する第１のバンドパスフィルタ
および第１の比較器と、同じく信号光出力の中から変調
信号に同期して変調信号の第２次高調波成分の符号を検
出する第２のバンドパスフィルタおよび第２の比較器と
で構成されてあり、変調信号の基本波成分の符号と第２
次高調波成分の符号との組み合わせを判定し波長選択器
の中心波長を変化させるという構成を備えることにより
、動作点の現在値が判定できて一義的に制御方向が決定
できることとなる。したがって、センサヘッドの高感度
化を図るためにファブリ・ペロー干渉系の反射率を高く
した場合においても、動作点の制御が正確に行うことが
でき、センサヘッドの高感度化が可能となる。また、セ
ンサヘッドへの物理量の入力が大きい場合においても、
動作点の制御が正確に行うことができ、センサヘッドの
ダイナミックレンジの拡大が可能となる。また、動作点
の最適化における収束性、およびセンサヘッドが外乱を
受けたときの動作点の最適化における追従性も向上する
。加えて、計測光内に振幅変調成分が含まれないため、
誤動作が防止できることとなる。また、−ｉに上記波長
可変手段は波長可変幅が大きく取れるため、センサヘッ
ドの共振器に対する制約は実使用上はとんど無くなる。

また、上記波長選択器は、回折格子に機械的な回転を与
えて波長が選択できるモノクロメータが、共振器長を機
械的に変えて波長が選択できるファブリ・ペロー干渉針
にすることにより、筒便に波長選択ができるようになる
。

また、上記連続スペクトル光源は、センサヘッドの動作
点をその動作曲線上で少なくとも一周期以上変化できる
スペクトル分布の幅を有する連続スペクトル光源にする
ことにより、センサヘッドの動作点が何処にあっても最
適化できるようになる。

さらに、本発明は、連続波長可変光源がシングルモード
発振をしてかつ動作温度あるいは注入電流を変えること
により連続的に波長を変えることができる半導体レーザ
と、半導体レーザへの帰還光を遮断する光アイソレータ
とで構成された半導体レーザモジュールであり、かつ波
長可変手段が半導体レーザの動作温度を制御しその中心
波長を変化する冷却加熱器と、半導体レーザの注入電流
を変調しセンサヘッドに入射させる計測光の波長を周期
的に変化する変調信号を発生する発振器とで構成されて
あり、かつ第１の符号検出手段および第２の符号検出手
段が上記発振器と、センサヘッドから帰還された信号光
出力の中から変調信号に同期して変調信号の基本波成分
の符号を検出する第１のバンドパスフィルタおよび第１
の比較器と、同じく信号光出力の中から変調信号に同期
して変調信号の第２次高調被成分の符号を検出する第２
のバンドパスフィルタおよび第２の比較器とで構成され
てあり、変調信号の基本波成分の符号と第２次高調被成
分の符号との組み合わせ結果から冷却、加熱を判定し、
冷却加熱器を制御して半導体レーザの中心波長を変化さ
せるという構成を備えることにより、動作点の現在値が
判定できて一義的に制御方向が決定できることとなる。

したがって、センサヘッドの高感度化を図るためにファ
ブリ・ペロー干渉系の反射率を高くした場合においても
、動作点のｌ制御が正確に行うことができ、センサヘッ
ドの高感度化が可能となる。また、センサヘッドへの物
理量の人力が大きい場合においても、動作点の制御が正
確に行うことができ、センサへγドのダイナミックレン
ジの拡大が可能となる。また、動作点の最適化における
収束性、およびセンサヘッドが外乱を受けたときの動作
点の最適化における追従性も向上する。加えて、計測光
内に含まれた振幅変調成分を除去しているため、誤動作
が防止できることとなる。また、制御系に機械系を含ん
でいないため、応答速度の高い制御系が構築でき、高周
波用の光センサが実現できることとなる。

また、上記冷却加熱器はペルチェ素子にすることにより
、コンパクトな制御装置が可能となる。

また、上記半導体レーザは、波長がその動作温度を変化
することによりセンサヘッドの動作点をその動作曲線上
で少なくとも一周朋以上変化できる波長可変範囲を有す
るものにすることにより、センサヘッドの動作点が何処
にあっても最適化できるようになる。

さらに、センサヘッドからの信号光出力を光源から出射
分岐された参照光出力で割算しセンサヘッドへの計測光
に含まれた振幅変調成分の影響を除去し、その正規化信
号をもとに変調信号の上記基本波成分の符号と上記第２
次高調被成分の符号とを検出するすることにより、計測
光内に含まれた振幅変調成分の影響が信号光の中から除
去でき、誤動作が防止できることとなる。

また、センサヘッドの共振器長は、連続波長可変光源の
波長可変幅に対して、動作点を動作曲線上で少なくとも
一周期以上変化できる長さにすることにより、連続波長
可変光源の波長可変能力が緩和され、低コストの制御装
置が実現できることとなる。

以上のように、使用環境の変化に追従してセンサヘッド
の動作点の最適化がおこなえて、高怒度。

低歪率の安定したファブリ・ペロー干渉型光センサを提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例におけるファブリ・ペロ
ー干渉型光センサの動作点の制御装置および該制御装置
を用いた光センサの構成ブロック図、第２図は本発明の
第２の実施例におけるファブリ・ペロー干渉型光センサ
の動作点の制御装置および該制御ｎ装置を用いた光セン
サの構成ブロック図、第３図は本発明の第３の実施例に
おけるフアプリ・ペロー干渉型光センサの動作点の制御
装置および該制御装置を用いた光センサの構成ブロック
図、第４図はファブリ・ベロー干渉系の基本構成図、第
５図は第４図のファブリ・ベロー干渉系からなるセンサ
ヘッドの動作曲線を示すグラフ、第６図はセンサヘッド
の入力波形と出力波形との関係を示すグラフ、第７図は
ｒ”　＝０．０５のときのセンサヘッドの動作曲線を示
すグラフ、第８図は第７図の第１次微分係数を示すグラ
フ、第９図は第７図の第２次微分係数を示すグラフ、第
１０図はｒ”＝０．０５のときのセンサヘッドの動作曲
線を示すグラフ、第１１図は第１０図の第１次微分係数
を示すグラフ、第１２図は第１０図の第２次微分係数を
示すグラフ、第１３図は本発明の第３の実施例における
センサヘッドの動作曲線を示すグラフ、第１４図は本発
明の第３の実施例における光源出射光ａの波長の時間的
変化を示す特性図、第１５図は本発明の第３の実施例に
おける物理量の入力によるファブリ・ベロー干渉系の共
振器長しの時間的変化を示す特性図、第１６図、第１９
図、第２２図、第２５図、第２８図、第３１図。 第３４図、及び第３７図はそれぞれ本発明の第３の実施
例における動作点Ｏ１，０２，０３、Ｏａ　。 ０、．０．．０．及び０．における信号Ｓの波形図、第
１７図、第２０図、第２３図、第２６図。 第２９図、第３２図、第３５図、及び第３８図はそれぞ
れ本発明の第３の実施例における動作点ｏ、、ｏ２．Ｏ
’３，０４．Ｏｓ、Ｏｈ、Ｏｔ及び０、における信号に
、の波形図、第１８図、第２１図、第２４図、第２７図
、第３０図、第３３図。 第３６図、及び第３９図はそれぞれ本発明の第３の実施
例における動作点０１．０□、０．．０．。 ０、．０．．０．及び０．における信号に２の波形図、
第４０図は従来のファブリ・ベロー干渉型光センサの動
作点の制御装置および該制御装置を用いた光センサの構
成ブロック図である。 ｌ・・・・・・連続波長可変光源、２・・・・・・光フ
アイバカップラ、３・・・・・・延長光ファイバ、４・
・・・・・センサヘッド、５・・・・・・光電変換器、
６・・・・・・第１の符号検出器、７・・・・・・第２
の符号検出器、８・・・・・・動作点の判定器、９・・
・・・・波長可変手段、２０・・・・・・連続スペクト
ル光源、２１・・・・・・波長選択器、２２・・・・・
・光フアイバカップラ、２３・・・・・・延長光ファイ
バ、２４・・・・・・センサヘッド、２５・・・・・・
光電変換器、２６・・・・・・第１のバンドパスフィル
タ、２７・・・・・・第１の比較器、２日・・・・・・
第２のバンドパスフィルタ、２９・・・・・・第２の比
較器、３０・・・・・・動作点の判定器、３１・・・・
・・アップダウンカウンタ、３２・・・・・・デジタル
アナログ変換器、３３・・・・・・積分器、３４・・・
・・・発振器、３５・・・・・・重畳器、３６・・・・
・・加振器、４０・・・・・・半導体レーザモジュール
、４１・・・・・・冷却加熱器、４２・・・・・・光フ
アイバカップラ、４３・・・・・・延長光ファイバ、４
４・・・・・・センサヘッド、４５・・・・・・第１の
光電変換器、４６・・・・・・第２の光電変換器、４７
・・・・・・割［１４８・・・・・・第１のバンドパス
フィルタ、４９・・・・・・第１の比較２ｆ、５０・・
・・・・第２のバンドパスフィルタ、５１・・・・・・
第２の比較器、５２・・・・・・動作点の判定器、５３
・・・・・・アップダウンカウンタ、５４・・・・・・
デジタルアナログ変換器、５５・・・・・・積分器、５
６・・・・・・発振器、５７・・・・・・直流電源、５
８・・・・・・重畳器、５９・・・・・・パワーアンプ
。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名ｆＡ４　　
図 第５図 Ｍ＋ム 第　６　図 ＼クゴテワ 第７図 ｎＬブ／２＼、 ｎＬｒ／へ ｎＬヴ入 第１０図 ｎＬＩ／尺 第１１　％ ｎ５１人 ｎＬｆ／入 第１３図 第１４図 第１５崗 第１６図 第１７内 第１８　図 方舟　ハｉ　（ミリわジ 第１９　タ１ 第２２図 第２３図 第２４図 第２５図 第２６図 第２７図 苛　バ４（ｑり考Ｓトノ ＠２８図 第３１図 第３４図 第３５図 第３６図 第３７図 第３８園 第３９□□□ １１　月５　（ミリ下Ｖ２）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）外部制御によって連続して波長を変えることがで
   きる連続波長可変光源と、連続波長可変光源の波長を制
   御する波長可変手段と、波長可変手段と同期してファブ
   リ・ペロー干渉系からなるセンサヘッドの動作曲線の第
   １次微分係数の符号を検出する第１の符号検出手段と、
   同じくセンサヘッドの動作曲線の第２次微分係数の符号
   を検出する第２の符号検出手段と、第１の符号検出手段
   および第２の符号検出手段の符号の組み合わせを判定し
   波長可変手段を制御する動作点の判定器とを備えたこと
   を特徴とするファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点
   の制御装置。
2. （２）連続波長可変光源および波長可変手段が連続スペ
   クトル分布を有する連続スペクトル光源と、連続スペク
   トル光源の出射光の中から特定の波長の光を選択して取
   り出すことができる波長選択性をもった波長選択器と、
   波長選択器の波長選択性を機械的に制御する加振器とで
   構成されてあり、かつ第１の符号検出手段および第２の
   符号検出手段が加振器の動作を変調しセンサヘッドに入
   射させる計測光の波長を周期的に変化する変調信号を発
   生する発振器と、センサヘッドから帰還された信号光出
   力の中から変調信号に同期して変調信号の基本波成分の
   符号を検出する第１のバンドパスフィルタおよび第１の
   比較器と、同じく信号光出力の中から変調信号に同期し
   て変調信号の第２次高調波成分の符号を検出する第２の
   バンドパスフィルタおよび第２の比較器とで構成されて
   あり、変調信号の基本波成分の符号と第２次高調波成分
   の符号との組み合わせを判定し波長選択器の中心波長を
   変化させる請求項（１）記載のファブリ・ペロー干渉型
   光センサの動作点の制御装置。
3. （３）波長選択器が回折格子に機械的な回転を与えて波
   長が選択できるモノクロメータである請求項（２）記載
   のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点の制御装置
   。
4. （４）波長選択器が共振器長を機械的に変えて波長が選
   択できるファブリ・ペロー干渉計である請求項（２）記
   載のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点の制御装
   置。
5. （５）連続スペクトル光源がセンサヘッドの動作点をそ
   の動作曲線上で少なくとも一周期以上変化できるスペク
   トル分布の幅を有する連続スペクトル光源である請求項
   （２）記載のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点
   の制御装置。
6. （６）連続波長可変光源がシングルモード発振をしてか
   つ動作温度あるいは注入電流を変えることにより連続的
   に波長を変えることができる半導体レーザと、半導体レ
   ーザへの帰還光を遮断する光アイソレータとで構成され
   た半導体レーザモジュールであり、かつ波長可変手段が
   半導体レーザの動作温度を制御しその中心波長を変化す
   る冷却加熱器と、半導体レーザの注入電流を変調しセン
   サヘッドに入射させる計測光の波長を周期的に変化する
   変調信号を発生する発振器とで構成されてあり、かつ第
   １の符号検出手段および第２の符号検出手段が上記発振
   器と、センサヘッドから帰還された信号光出力の中から
   変調信号に同期して変調信号の基本波成分の符号を検出
   する第１のバンドパスフィルタおよび第１の比較器と、
   同じく信号光出力の中から変調信号に同期して変調信号
   の第２次高調波成分の符号を検出する第２のバンドパス
   フィルタおよび第２の比較器とで構成されてあり、変調
   信号の基本波成分の符号と第２次高調波成分の符号との
   組み合わせ結果から冷却、加熱を判定し、冷却加熱器を
   制御して半導体レーザの中心波長を変化させる請求項（
   １）記載のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点の
   制御装置。
7. （７）冷却加熱器がペルチェ素子である請求項（６）記
   載のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点の制御装
   置。
8. （８）半導体レーザの波長がその動作温度を変化するこ
   とによりセンサヘッドの動作点をその動作曲線上で少な
   くとも一周期以上変化できる波長可変範囲を有する半導
   体レーザである請求項（６）記載のファブリ・ペロー干
   渉型光センサの動作点の制御装置。
9. （９）センサヘッドからの信号光出力を光源から出射分
   岐された参照光出力で割算することによりセンサヘッド
   への計測光に含まれた振幅変調成分の影響を除去し、そ
   の正規化信号をもとに変調信号の基本波成分の符号と第
   ２次高調波成分の符号とを検出する請求項（２）または
   請求項（６）記載のファブリ・ペロー干渉型光センサの
   動作点の制御装置。
10. （１０）連続波長可変光源の波長可変幅に対して、動作
    点を動作曲線上で少なくとも一周期以上変化できるファ
    ブリ・ペロー干渉系の共振器長を有するセンサヘッドで
    ある請求項（１）、請求項（２）または請求項（６）記
    載のファブリ・ペロー干渉型光センサの動作点の制御装
    置を用いた光センサ。