JPH01502052A - 光センサ及び光センサ用光ファイバ・ネットワーク - 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】 光センサ及び光センサ用光ファイバ・ネットワーク発明の分野 本発明は、光センサであって、その出力が光信号であり、この光センサを監視す る光ファイバ・ネットワークに各々が関連する光センサに関する。

背景技術 その出力信号が光ファイバを介して伝送される複数のセンサは既に提案されてい る。ある場合には、ファイバそれ自身がトランスジューサ素子として使用され、 また、他の場合には、効果を検知することが可能な光ファイバによりアドレスさ れる材料にて光学的効果に使用される。後者のグループは機械的なシャッター／ ミラー構成、例えば、米国特許第４、５４７．７２８　、光学的能動液晶を使用 する装置、を含む。

Ｇｒａｔｔａｎ　ｅｔ　ａｌ（Ｒｅｖ　Ｓｃｊ　Ｉｎｓｔｒｕｍ　５７　（６） 、　１１７５）はトランスジューサを使用するセンサを開示しており、このトラ ンスジューサは、その吸収プロフィールが目標の範囲を越えた測定可能な温度依 存であるドープされたガラスにより構成される。

この装置は伝送形態において動作し、基準波長を発生するネオジウムを利用する 。米国特許第４．６７１，６５１　、Ｔｙｏｄａ　ｅｔ　ａｌは、温度の関数と して特定周波数の光の諸量を吸収する半導体化合物Ｃｄ１ｎＧａＳ、の使用を提 案している。

このタイプの伝送モードセンサの重大な欠点は、その部品が入射ファイバから受 けた光の少なくとも適切な割合が検出ファイバの端面に到達するために充分に整 列されていることを確保するために、その構造上非常な精度を要求することであ る。例えば、上記の米国特許第４．６７１．６５１及び米国特許第４．６８９， ４８３　、！Ｇｅｉｎｂｅｒｇｅｒのように、もし、装置が単一＜７）７フイバ が入射と検出光の両方を伝送する反射モードに変換されるならば問題が残る。こ の場合、アセンブリ上あるいは使用上容易に生じる反射器のたとえ僅かな不整列 であっても、受信信号を厳しく減少させあるいは除去することができる。

米国特許第４．５７５，２５９　、Ｂａｃｃｉ　ｅｔ　ａｌは微変位装置、即ち 、熱クロム酸溶液の温度依存吸収特性を利用した光ファイバ・サーモメータを開 示している。光は熱クロム酸溶液を通過し反射性物質により反射された後、第一 の光ファイバの検知プローブに入る。反射された光のある量は、光を２本の個別 ビームにするビームスプリッタ又はスターカプラに接続された第２の光ファイバ により捕獲される。光ビームは個々のフィルタ及び温度の最終計算と比較のため の光検出器に分岐される。

米国特許第４，６７３，２９９　、Ｄａｋｉｎは温度検知アセンブリを開示し、 このアセンブリは温度の関数として伝送された光を吸収するドープされた光ファ イバを包含する。上記の引例と異なり、［１ａｋｉｎの装置は入射光を戻すため に反射面を使用していない。代わりに、自然発生する後方散乱光は波長分離器及 び検出素子に導かれる。各レーザは不純物濃度におけるいずれの変異に対しても 補償するために異なる波長の光を生じる。

検出器の読み取りと検出時間を比較することにより、光ファイバに沿ったいかな る位置においても温度を得ることができる。第２の実施例は、一つのレーザが光 放出ファイバ及び波長フィルタとの結合で使用される点を除き、同じ設計である 。

検知ファイバは、入射光を部分的に吸収しかつ２つの波長帯域をカバーする蛍光 を生じる材料でドープされる。波長フィルタはこれらの帯域を分離し相対的強度 はレシオメータで比較される。

この場合において、半導体結晶のランダム分布したチップのマ）ＩＪクスからの 後方散乱は、米国特許第４．２８８．１５９に当てはまる。米国特許第４，６５ ２，１４３　、Ｗｉｃｋｅｒｓｈｅｉａ＋　ｅｔ　ａｌは、目標の表面が温度感 知蛍光物質でコーティングされた温度測定装置を開示している。パルス発生器及 びランプからの入射光により励起されると、蛍光物質は特定波長の光を放出する 。

この光のある部分は同じ光ファイバにより捕獲され、この光は検出器に導かれる 。他のタイプの光学的温度プローブは、米国特許第４，１７６．５５１　、Ｈａ ｏｏｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ　及び米国特許第４、４３７．７６１　、Ｋｒｏｇｅｒ 　に開示されている。

米国特許第４．５６６、７５３は、グレーデッドインデックス−ロッドレンズ（ ＧＲＩＮレンズ）がファイバの結合された媒体として使用された光カプラを開示 している。３本のファイバが他の３本のファイバと結合される。各ファイバは、 ＧＲＩＮレンズの各端面に中心的に接続されたテーパ部分を有している。

ＧＲＩＮレンズを使用する利点は、高品質の結合が光ファイバ・ケーブルの正確 な相対的整列を必要とせずに達成されることである。

帰路のファイバにおける信号の最適な収集の必要性は、センサが光ファイバ・ネ ットワークにおいていくつかのセンサの一つとして採用されるとき厳しいものと なる。このようなネットワークは単一の入射及び検出ファイバが多重の光学的構 成要素、例えば、複数のセンサ、に対し、光ファイバ・カブラで整列されたファ イバ・ツリー・アセンブリによっテ伝達される。各信号は各センサから出て再び 戻りツリーを横切るので、一般的にカブラの各ブランチにて半分に減衰するよう な、実質的な減衰が発生し避けられない損失が生じるので、各センサにおける損 失を最小限に抑えることが望ましい。

上記の種類のネットワークにおける戻りパルスを識別する公知技術は、各センサ へのファイバの特定の長さから生じるパルスの時分割にある。しかしながら、入 出力の遷移時間及び振幅は、感度を増し再校正の周波数を減じるため、周辺条件 、特に温度により影響され、入射光は密な交番信号であるが分離した波長を具備 し、一つは試験波長を具備し他は基準波長を具備する。このようなことは、例え ば、米国特許第４．６７３，２９９　、Ｄａｋｉｎに記載されている。微分解析 が周辺条件の効果を減じるために採用される。しかしながら、本発明者の経験で は、周辺条件は過度の影響を結果的に生じ、光ファイバ・ネットワークの多くの 実際的応用に対し必要なレベル以下の精度を生じる。

米国特許第４．４０９．４７６は、離れて配置された複数の光学的温度センサを 利用する温度測定装置を開示している。駆動ユニットは温度センサに光パルスを 送る光放出ダイオード（ＬＥＤ）を動作する。温度センサは入射光により励起さ れて特定波長の光を放出する温度感知性の光ルミネツセンス物質を含む。

放出された光は、温度の最終計算に対する光の強度を測定する受信ユニットに経 路を定める。

発明の概要 本発明の目的は、高い精度の製造若しくはアセンブリ技術を要求しない光ファイ バと共に使用する改良された光センサを提供することにある。

従って、本発明は、光ファイバのような伸長する光伝送手段を含む光センサを提 供する。少なくとも近似的に半ピッチ長のレンズ手段が、そこからの発散錐体の 光放出を受け焦点を結ぶために、光伝送手段の入口において実質的に焦点面の一 つで位置される。反射手段は光伝送手段の入口に戻る焦点を結ぶ光を反射するた めに、レンズ手段の他の焦点面にて実質的に配置される。入口と反射手段の間の 光の経路における検出手段は、入口で戻された反射光が影響とそれによる条件を 検出するために監視されるような方法で外部条件に応答して光に影響を及ぼすよ うに配置される。

レンズ手段は、有利な条件として、一つ又はそれ以上のグレーテッド−インデッ クスレンズ、例えば、円筒形状のセグメントを具備する。

一実施例として、検出手段はレンズと反射器の間に挟まれる。二者択一的に、検 出器は各々が実質的に４分の１長のレンズ・セグメントの間に挟まれる。

さらに、センサは、好適には、レンズ手段について外側の保護チューブ及びチュ ーブとレンズとの相対的な僅かな動きを許容するチューブとレンズの間の軟性の 充填材を含む。

検出手段はセンサの応用により変化する。それは、例えば、選ばれた５ｃｈｏｔ ｔ　ガラスのような温度感知吸収フィルタを具備し、それにより、センサは、温 度センサ又は互いに軸の周囲を回転することによる変位に応答するため同軸上に 取りつけられる一対の間隔をもって相対する偏光プリズム板である。

本発明は、さらに、構成要素及び一つ又はそれ以上の光ファイバ・カブラと協働 する各光ファイバを介して、複数の光学的要素、例えば、センサ手段と結合する 入射ファイバ及び検出ファイバを具備する光ファイバ・ネットワークに伸長する 。ネットワークは、さらに、入射ファイバに沿って、密ではあるが分離した波長 の入射信号を伝送する手段を含む。手段は各々の基準信号としてファイバに沿っ て戻る各入射信号の一部を反射するために各光ファイバと協働する。

図面の簡単な説明 本発明は、添付図面に沿って、単なる一例としてさらに記載される。

第１図は、本発明による光学的温度センサの第１の実施例の軸方向断面図、 第２図は、第１図の２−２線に沿った断面図、第３図は、センサの光線ダイアダ ラム、第４図は、本発明による光学的温度センサの第２の実施例の軸方向断面図 、 第５図は、本発明による光学的変位センサの略構成図、及び 第６図は、本発明による光ファイバ・ネットワーク図である。

発明を実施するための最良の形態 第１．２図に示す温度センサ１０は、入射及び反射信号の両方を伝送する光ファ イバ・ケーブルの長手方向の端部に装着される。センサ１０は、円筒状のグレー デッド・インデックス（ＧＲＩＮ）レンズ１６の形態の光学的素子の一方の端部 １６ａに配置される検出素子１４を含む。ケーブル１２のファイバ１３は最も適 切な多重モードファイバであり、円筒状のフェルール１８に保持される裸の端部 を有する。フェルール１８はファイバからレンズ１６の他端１６ｂに入射を指向 し、レンズからの反射光を受けるファイバに位置する。素子１４は、一方に主要 面がレンズの端部１６ａに接する平円板であり、他方の主要面は平円板の外側に 硬質誘電性の反射性コーティング２０により形成される反射手段である。

フェルール１８、レンズ１６及び検出素子１４は保護用金属チューブ２６内にエ ポキシ樹脂接着材により同軸上に連続的に確保される。チューブ２６は一方の端 部においてフェルール１８により閉じられ、他方の端部にて周囲条件に検出素子 １４を曝すために開放される。チューブは図に示すように２７にて座ぐりされ、 これにより環状ギャップがチューブ２６をレンズ１６及び検出素子１４から分離 する。座ぐり２７従ってギャップは、チューブと関連したレンズ／検出素子アセ ンブリの、例えば、チューブの要素の熱膨張又は歪みによる比較的価かな動き、 を許容するために選択される軟性の温度導通充填材２３で充たされる。この目的 のための適切な充填材はシリコンのような温度導電性のゼリー又はグリースであ る。

検出素子１４は目標温度範囲を越えた温度感知である吸収フィルタを具備する。

０°から４００°の範囲における工業上の応用のための適切なフィルタは、軸方 向にｌｌｌ１ｍより小さい厚みのＲＧ８３０５ｃｈｏｔｔガラス（Ｓｃｈｏｔｔ は商標）のようなドープされたガラス平円板である。センサに対する適切な入射 放射は８３Ｏｒ＋ｍの試験波長λ、と室温における５ｃｈｏｔｔガラスの半伝送 波長を有し、一方、適切な基準光は波長λ３、例えば、９０４ｎｓであり、選択 された５ｃｈｏｔｔガラスは上記の温度範囲を越えて殆ど１００％を示す。

反射コーティング２０はこれら波長の最大反射の硬質誘電性コーティングで選択 される。両方の波長の交互の測定は、前述したように、外部雰囲気又は周辺の変 化の結果の影響を最小にする微分測定を許容する。

グレーデッド・インデックスレンズ１６は殆ど半ピツチ（０，５＞であり、焦点 面の一つは端Ｒ１６ｂ　、即ち、実質的にファイバからの光放出の発数錐体に受 け焦点を結ぶためのファイバ１３の入口１３ａである。他の焦点面は実質的に反 射コーティング２０であり、その結果、後者はファイバ１３の入口に戻る焦点光 を反射する。放物線状に屈折するインデックス・プロフィール形５２０−０２５ −０８３ＮＣを有するこの応用のためのグレーデッド・インデックスレンズはＮ １ｐｐｏｎ　５ｈｅｅｔ　Ｇｌａｓｓで製造されている。

ファイバ１３の入口からの入射光放出は、ファイバ１３の入口により受けるレン ズ１６を通して戻る光を反射する反射コーティング２０のファイバ入口の像を形 成するため、レンズによりコリメートされ結像さる。これらの両方の期間、光は 外部条件に応答して光を反射する平円板１４を通して通過し、その結果、ファイ バの入口で戻されて受ける反射光は影響とそれによる条件を検出するため監視さ れる。より特定的には、光は試験波長８３０ｎ！ＩＩにおけるフィルタの既知の 温度依存伝送プロフィールに従ってフィルタ平円板１４により減衰される。

レンズ１６は、たとえフィルタ平円板１４．ファイバ１３　及び／又はコーティ ング２０についての配置が角度又は位置的整列に関して精度が高くなくても特定 の特性を有し、フィルタ平円板を横断する光は低い損失でレンズ１６のファイバ 端部における元のソースに戻り焦点を結ぶ。これは第３図に示され、全光線レン ズ８はファイバ錐体の放出により決定される入射及び反射光の包絡線が全く一致 する理想的な場合を示す。もし、反射コーティング２０が完全に整列していない とき、即ち、センサの軸方向に対し９０°から僅かに異なる角度であるとき、反 射光の包絡線は入射光の包絡線と一致せず点線９のようになる。しかしながら、 反射は焦点面で生じファイバ入口は他方であるから、反射器の光はファイバ入口 で焦点を結ぶ。光の錐体が受けのファイバ錐体に正確に一致しないような僅かな 損失があるが、これは単に誤整列の第２次依存である。非常に小さな誤整列にお ける全信号の損失を生じる誤方向の反射の第１次効果はレンズにより補正され、 ファイバの受けの錐体との誤整合の第２次欠陥に変換される。

第４図は、本発明による温度センサ１０”の第２実施例を示し、ＧＲＩＮレンズ は４分の１ピツチ長の２つのＧＲＩＮレンズセグメン）　１６ａ、　１６ｂに分 割される。この場合、フィルタ平円板１４°はレンズセグメント間に挟まれ、反 射コーティング２０′はレンズセグメン）　１６ｂの外側端面である。この配列 の動作は第２，３図のそれと実質的に同じであり、光は外及び後の異なる点でフ ィルタ平円板を単に横断する。第２実施例はより過酷な応用に対してより強力に 収容される、樹脂界面２２及び樹脂プラグ２３ａ、　２３ｂは閉じられた保護チ ューブ２６′内にレンズセグメント・フィルタアセンブリに確保し位置し、適切 に伸長するフィラメントのいくつかのより線がケーブル１２０本体から樹脂プラ グ２３ａに伸長する。

第５図は、高対称性で、変位特に回転変位を監視するために適切な本発明に従っ て光学的センサ１０”の第３実施例を示す。センサは再度、入出力光に対し、４ 分の１ピツチのグレーデッド・インデックス・レンズセグメント１６ａ”、１６ ｂ”、誘電性反射コーティング２０”、及び光ファイバ１３”を含む。

この場合、以前の静的吸収フィルタの代わりに、検出素子１４”はレンズセグメ ントの各隣接端面にエポキシ樹脂により固定された偏光平円板対１４ａ、　１４ ｂを具備する。偏光平円板１４　ａ　、　１４ｂは軸方向に空間があり、各レン ズ／平円板対は互いに固定されず、しかしベアリング３２により結合される各カ ラー３０．３１において相対的軸回転に取りつけられる。平円板間の区間はイン デックス・マツチングゲル１４ｃにより充たされる。平円板１４ａ、　１４ｂの 偏光面は、平円板がいかなる光の伝送をも防止するゼロ移動平衡位置において互 いに９０°にセットさる。

偏光平円板の適切な材質はＰｏｌａｒｏｉｄ社のプラスチック積層偏光板Ｐｏ１ ａｒｏｉｄ　）ｌＮ３２（商標）である。

一般に、カラー３０．３１の一方はその位置に固定され、他方は正確な監視を必 要とする変位に応答して回転する。非偏光入射光はファイバ１３１からレンズ１ ６ａ″に適用され、レンズセグメント１６ａ”、偏光平円板１４ａ、　１４ｂ　 、インデックス・マツチングゲル１４Ｃルンズセグメント１６ｂ１、を経て進み 、レンズセグメント及び偏光平円板を経て反射面２０”からファイバ１３′の入 口に戻る。検出された光の大きさは平円板１４ａ、　１４ｂの相対的回転位置に 依存し、偏光面間の角度は９０″から減じ、検出光のＳＪは対応して０から増加 する。振幅は平円板の相対的変位の割合であり、平円板への変位が反応する。

第１の実施例として、試験波長λ、及び基準波長λ２を具備する交互の波長の入 射光がセンサに与えられることは適切である。波長は周辺効果の除去を最適にす るように合理的に密であるべきであるが、目標の変位範囲を越えて振幅の大きさ 及び変化の差を最適にするように選択されるべきである。

より特定的には、波長は、λ３における振幅の変化が、偏光平円板の相対的角度 位置が変化するとしてλ１よりも少ないように選択される。λ、はλ３よりも短 い傾向にあることがわかる。Ｐｏ１ａｒｏｉｄ　ＨＮ３２偏光平円板では、適切 な値はλｌ：８３０　ｎ　ｒｒ、ｏ及びλ、　＝９０４ｎＩＩ＋である。

第６図は、第１，４及び５図の例示される糧類の多重光センサが適切なパルス・ ダイオード送信器４４及び受信器４６に各々接続される単一の入射及び検出ファ イバ４０．４２を使用して活性化し監視される光ファイバ・ネットワークを示す 。一般に受信器は表示装置５０と協働するフォトディテクタ４７及び増幅器４８ を含む。ファイバ４０．４２は、例えば、４個のセンサ６０ａ、　６０ｂ、　６ ０ｃ、　６０ｄに結合され、これらの各々は、ファイバ４０゜４２を第１ブラン チ６６、６７に結合する第１の光ファイバ双円錐カブラ６４と、さらに４つのセ ンサファイバ間でブランチ６６゜６７を分割する双円錐カブラ対とを介して、協 働する入射光ファイバ６２ａ、　６２ｂ、　６２ｃ、　６２ｄを有する。もし、 センサファイバ６２ａ−６２ｂが可変長Ｌｌ−Ｌ４であるとき、ファイバ６２ａ −６２ｄに沿って戻る検出パルス０１−０４は時分割された受信パルスＲ１−Ｒ ４の列７０として、ファイバ４２を横切る。それ故、これらは時間軸解析により 区別される。

カプラ６４．６８．６９は理想的には結合係数５０％を示し、各パルスの振幅は カプラを横断するときの損失を許容すると半分以上であり、また各ファイバに沿 ったいくらかの損失をも示している。ネットワークが大きければ大きいほど送信 と受信の間のパルス減衰は大きくなる。感度を高め、周辺条件の変化、例えば、 パルスの伝送時間と振幅に影響を与える温度変化、を許容し実質的に通常の校正 の必要性を除去するため、２個の装置が差動的な監視を効果的にするため適合さ れる。

第１の、一方は試験波長、他方は基準波長を具備する密であるが分離した波長の 交互信号の伝送についてはすでに説明した。各センサファイバ６２ａ−６２ｄに 沿って条件の比率を補助する第２の装置は、センサに近いセンサファイバ６２ａ −６２ｄにさらにカプラの組８０ａ−８０ｄを設けることにより、各センサ６０ ａ−６０ｄに対する局部基準パルスの発生である。各カプラの一方のブランチは センサに接続され、他方は反射器８２に終端される。この反射器は、センサから の関連検出パルスの短い時間間隔内で、受信器に所望の局部基準パルスを戻す。

温度、カプラ損失と結合ファクタ、ファイバ損失と長さ、光送信器からの連続パ ルスの振幅間の差、のような周辺及び環境ファクタから実質的に独立した完全な 精度は、各検出パルスの振幅と各波長の関連する局部基準パルスとの間の比率と 、これらの２つの値の間の比率を決定することにより得られる。

精度は、検出パルスの多重の組み合わせを越える最終比率を平均することにより 実質的にさらに改善される。

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Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．伸長した光伝送手段、 少なくとも近似的に半ピッチ長のレンズ手段であって、前記レンズ手段からの発 散錐体の光放出を受け焦点を結ぶために光伝送手段の実質的に入口に焦点面の一 つが位置するもの、前記光伝送手段の入口に戻る焦点光を反射するために前記レ ンズ手段の実質的に他の焦点面に位置する反射手段、及び前記入口と前記反射手 段の間の光通路における検出手段であって、前記入口で戻され受ける反射光が影 響と条件を検出するために監視されるような方法で外部条件に応答して、光に影 響を及ぼすように配置されるもの、を具備する光センサ。
2. ２．前記レンズ手段は、一つ又はそれ以上のグレーデッド・インデックスレンズ のセグメントを具備する請求項１に記載の光センサ。
3. ３．前記検出手段は、レンズ手段と反射手段の間に挟まれる請求項１又は２に記 載の光センサ。
4. ４．前記検出手段は、前記レンズ手段を具備する各レンズセグメントと実質的に ４分の１ピッチ長の各々との間に挟まれる請求項１又は２に記載の光センサ。
5. ５．前記レンズ手段の周囲の外部保護チューブと、チューブとレンズ手段の間の 軟性充填材であってチューブに関してレンズ手段の相対的な僅かな動きを許容す るもの、とをさらに具備する先行請求項のいずれかに記載の光センサ。
6. ６．前記伸長した光伝送手段は光ファイバを具備し、前記入口にて終端するファ イバの終端部を包囲し配置するために設けられる先行請求項のいずれかに記載の 光センサ。
7. ７．ファイバの前記終端部を包囲し配置するための前記手段が、前記チューブ内 のフェルールである請求項５及び６に記載の光センサ。
8. ８．前記レンズ手段、反射手段及び検出手段、及びチューブ及びフェルールは軸 方向に対称かつ同軸である先行請求項のいずれかに記載の光センサ。
9. ９．前記反射手段は、レンズ手段又は検出手段の面上のコーティングである先行 請求項のいずれかに記載の光センサ。
10. １０．前記検出手段は、温度感知吸収フィルタ又はこれと同等であり、それによ りセンサが温度センサである先行請求項のいずれかに記載の光センサ。
11. １１．前記検出手段は、相対的に互いに軸の周囲を回転することにより変位に応 答するために同軸上に取りつけられ、間隔をもって相対する偏光平円板対である 請求項１乃至９のいずれか一つに記載の光センサ。
12. １２．構成要素及び一つ又はそれ以上の光ファイバ・カプラと協働する各光ファ イバを介して複数の光学的構成要素に結合された入射ファイバ及び検出ファイバ を具備する光ファイバ・ネットワークであって、さらに、密であるが分離した波 長の入射光を入射ファイバに沿って伝送する手段及び各基準信号としてファイバ に沿って戻る各信号の一部を反射するために各光ファイバと協働する手段を包含 する光ファイバ・ネットワーク。
13. １３．前記光ファイバの各々は光ファイバ・カプラの入力部に結合され、入力部 に関連する出力部は前記光学的要素及び反射手段に結合され、全体としてネット ワークに関係する光学的に隣接する請求項１２に記載の光ファイバ・ネットワー ク。
14. １４．前記光学的構成要素は光センサを具備する請求項１２又は１３に記載の光 ファイバ・ネットワーク。
15. １５．一つ又はそれ以上の光センサが請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の 光センサを具備する請求項１４に記載の光ファイバ・ネットワーク。