JPH02227620A - 光学式測定装置 - 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】 ［発明の目的１ （産業上の利用分野） この発明は、電気光学効果（ポッケルス効果）ファラデ
ー効果、光弾性効果等により光学的検出媒体に生ずる偏
波状態の変化を検光子を用いて強度変化に変換し被測定
物理量の計測を行なう光学式ｎ１定装置の改良に関する
。

（従来の技術） 第５図は、従来の光学式測定装置の構成を示す模式図で
ある。

同図において、光源１より発せられた光は光ファイバ２
の中を進み、偏光子３により特定方向の直線偏光となる
。

検出部４の光学材料は、被測定物理量の影響で光学的に
異方性となるか、またはその異方性の状態が変化してい
る。

これは、例えば印加電圧による電気光学係数の差によっ
て生じたり、複屈折性結晶の常光線、異常光線に対する
温度変動による屈折率差の変化で生じる。このような材
料としては、ＬＩＮｂＯ３゜Ｌｉ　Ｔａ　０３等の光学
結晶がよく知られている。

これらの光学的異方状態となった媒質中に入射した直線
偏波はその出口ではその部材の光学的主軸間で位相差δ
を生じるため、−船釣には楕円偏光となる。

被測定物理量はこの光学的主軸間の位相差δとほぼ線形
関係にあるため、その楕円率を知ることにより位相差δ
を求めることができる。

この目的を達成するため、例えば媒質の光学的主軸と入
射直線偏光の方向とは４５＠傾けられ、検光子となる偏
光分離プリズム５では入射直線偏光方向とそれと垂直方
向との２つの成分を検出し、それぞれを別々の光ファイ
バ６ａ、６ｂで伝送し受光素子７ａ、７ｂにて電気信号
に変換して演算により位相差δに比例した信号を得れば
よいわけである。

ところが、検光子となる偏光分離プリズム５の出力光は
、Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれ となり、δに関し００８関数であるためδの変化に。

対する感度が小さくかつ非線形性が大きい。

これを改善するため一般的には１／４波長板９を検出部
４の前または後に配置して、あらかじめ光学主軸間に９
０＠の位相差を与えておくと、ＣＯＳ　　（δ＋９０”
）−−ｓｉｎδとなり、それぞれの出力はδのｓｌｎ関
数とじてとなる。

ｓｌｎ関数の場合、δ−０″近傍の直線性、感度共によ
い位置にバイアスされた状態となる。この時、 で、ｓｌｎδの値が求められる。

しかし、実際の構成においては、光源１の強度。

光ファイバ２の伝送損失、光コネクタの損失、受光素子
？ａ、７ｂの感度の変動の影響を考慮しなければならな
い。

すなわち、Ｐ偏光、Ｓ偏光の出力Ｖｐ、Ｖｓは従来は なる演算を用いて、Ｋ３−に４，５Ｌ−Ｓ２としてその
演算結果をｓ１ｎδとしていた。

しかし、その条件は一般には成立しがたく厳密な演算結
果は （１＋ｓｌｎ　　δ） （１−５ｉｎ　　δ） となる。ここでに１は入力側光ファイバ２の透過率、Ｐ
Ｏは光源１から光ファイバ２への結合パワに３はＳ偏光
出力側光フアイバ６ａの透過率。

Ｋ４はＰ偏光出力側光ファイバ６ｂの透過率、Ｓｌは増
幅器８轟のＳ偏光光／電気変換増幅率、Ｓ２は増幅器８
ｂのＰ偏光光／電気変換増幅率を表わす。

光学的主軸間の位相差δを求めようとすると、となり、
Δくく１の場合のみ ｌｌ〜ｓｌｎδ と近似することができる。

Δくく１が成立するためには、Ｋ３・Ｓｌ−に４・Ｓ２
の条件が必要となる。

しかし、Δの値はδが１＠以下の分解能で求めようとす
れば１／１０００オーダでなければならず、周囲温度の
変動等も含めそのような安定性を得ることは困難である
。

すなわち、従来の検出法では光源１の変動、入力側光フ
ァイバ２の伝送損失の変動は補償されているが、偏光子
である偏光分離プリズム５以後の光軸ずれによる損失や
受光素子７ａ、７ｂの感度の温度特性差の変動の影響は
補償されていないのである。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように、従来の光学式測定装置においては、光ｌ
Ｗ１の変動、入力側光ファイバ２の伝送損失の変動は補
償されているものの、検光子となる偏光分離プリズム５
以降の光軸ずれによる損失や受光素子感度の温度特性差
の変動の影響は補償されていないのである。

この発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、
その目的とするところは、この種の光学式測定装置にお
いて、検光子以後の損失変動、光／電気変換増幅係数の
影響をも補償することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、上記の目的を達成するために、光源からの
光を、１１１定対象となる物理量存在域まで導く入力側
光ファイバと、前記入力側光ファイバで導かれた光を偏
光させる偏光子と、測定対象となる物理量存在域に配置
され、前記偏光子からの偏光が入射される光学的検出媒
体と、前記光学的検出媒体から出射される光より偏光方
向の異なる２系統の偏光を分離する検光子と、前記検光
子で分離された２系統の偏光を受光素子へと導く出力側
光ファイバと、前記２系統の偏光に対応して受光素子か
ら得られる系統の出力に基いて測定対象となる物理量を
算出する演算部と、を備えた光学式測定装置において、
前記光学的検出媒体へ入射される偏光として、偏光方向
の異なる２系統の偏光を用いることを特徴とするもので
ある。

（作用） このような構成によれば、例えば実施例に示されるよう
に、第１．第２の光源を用意して検出部に対し偏光方向
が互いに９０°異なった直線偏光を入射し、その出射光
よりＰ偏光成分、Ｓ偏光成分をそれぞれ独立に検出する
ものとすれば、第１の光源を点灯した時のＰ偏光出力、
Ｓ偏光出力をＶｐｌ、Ｖｓｌ、第２の光源を点灯した時
のＰ偏光出力、Ｓ偏光出力をＶｌ）２．ＶＳ２とすれば
、検出部で与えられる光学的主軸間位相差δはとなり、
すなわち検光子以後の損失変動、光／電気変換増幅係数
の変動の影響をも補償することが可能となる。

（実施例） 第１図は、本発明に係わる光学式測定装置の一実施例を
示す模式図である。

なお、同図において前記第５図の従来例と同一構成部分
については、同符号を付して説明は省略する。

同図において、光源１ａ、ｌｂは、適当にそのスペクト
ル半値幅の狭い光源であればよく、特に高いコヒーレン
シーは必要としない。例えば、ＬＥＤ、ＬＤ等の半導体
光源等の駆動装置が簡便で使いよい。ただし、２つの光
源の発光中心波長はほぼ等しいことが必要である。

また、光ファイｔ＜２ａ　、２ｂ　、６ａ　、６ｂとし
ては、マルチモード、シングルモードの別を問わない。

受光素子７ａ、７ｂは光源の波長が受光できればよく、
その特性が揃っている必要はなく、それが本発明の特徴
の１つでもある。−船釣には、フォトダイオード等の半
導体受光素子が用いられる。

光ファイバ２ａ、２ｂより出射した光はそれぞれレンズ
１３ａ　、　　１３ｂによって平行ビームとなり、偏光
子である偏光ビームスプリッタ（Ｐ　ｏｌａｒｌｚｅｄ
　　Ｂ　ｅａｍ　　Ｓ　ｐＨｔｔｅｒ　）　３　ａの異
なる面に入射する。

偏光ビームスプリッタ３ａの反射面は、光ファイバ２ｂ
の光波に対してはＰ偏光透過光、光ファイバ２ａの光波
に対してはＳ偏光反射光の直線偏光となっている。

検出部４の手前には１／４λ板９が設けられて、あらか
じめ検出部光学結晶の光学的主軸間には９０＠の位相差
が与えられており、従って検出部４ヘの入射光は円偏光
となっている。

検出部４では電気光学結晶例えばＫＨ２ＰＯ４。

ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＬＩ　Ｎｂ　０３　、Ｌｉ　Ｔａ　
０３　。

Ｂ１１２Ｓ１０２．等がよく知られており、印加電界強
度に比例した位相差δをその光学的主軸間の光波に与え
る。

この位相差δにより、検出部出口の出射光は円偏光から
楕円偏光となっている。

光ファイバ２ｂのＰ偏光、光ファイバ２ａのＳ偏光は偏
光面が垂直であり、これは光学的主軸間の位相差にする
と１８０＠ずれていることになる。

すなわち１／４波長板９で９０″の位相バイアスを与え
られδに関するｓｌｎ関数でその出力が変化するように
組まれた検出系は入射光がＰ偏光かＳ偏光かにより位相
差が１８０＠異なるため、δの変化に対する符号が異な
る。

これは、出射楕円偏光のつぶれる方向がちょうど逆にな
っていることを意味する。

検光子である偏光ビームスプリッタ５はこの楕円偏光を
それぞれＰ偏光、Ｓ偏光に分離して再び光ファイバ６ａ
、６ｂに入射し、受光素子７ａ。

７ｂに光は伝送され、増幅器８ａ、８ｂにより所定のレ
ベルの電気出力信号Ｖに変換される。

この電気出力信号■は光源強度Ｐ、光学系透過率に、検
出部変調率、受光素子感度と増幅器のゲインの積Ｓの積
として表わすことができ、光源１ａを点灯した時のＳ偏
光出力Ｖｓｌ、Ｐ偏光出力Ｖｌ）ｓ、光源１ｂを点灯し
た時のＳ偏光出力Ｖｓ２、Ｐ偏光出力ＶＰ２はそれぞれ Ｖｐ　　唱　　− １／　２　・　Ｐ　１　・　Ｋ　１　・　Ｋ　３−　Ｓ
　２　（１−ｓＩｎ　δ　）Ｖｓｌ−一一一 １／２　１１　Ｐｌ　　・　Ｋ１□に４　　ａ　Ｓｌ　
　　（１＋ｓｌｎ　　δ　）ＶＯ２” １　／　２　・　Ｐ　２　（−Ｋ　２　・　Ｋ　４　・
　Ｓ　２　（１＋　ＳＩｎ　δ　）Ｖｓ２−畷一一 １／２　　・　Ｐ２　　・　Ｋ２　　・　Ｋ３　　・　
Ｓ　　１　　（１−５ｉｎ　　δ　）で表わすことがで
き、これらの式からｓｌｎδについて解くと、 が得られ、４つの電気出力信号Ｖｐ　１　、　Ｖｓ　Ｉ
Ｖ９２．ＶＢ２から検出部４における光学的主軸間位相
差δが求められる。

この演算は、光源１ａ、ｌｂを制御回路１２にて交番的
に点滅させ、信号処理記憶部１１でその値を記憶させ、
演算を実行させ、印加電界に比例した規格化信号として
出力すればよい。

本発明によれば、位相差δを光源の強度、伝送路の損失
、接続損失、受光素子感度の変動の影響を一切受けずに
求めることができる。

第２図は本発明の安定性を確認するために出力側光ファ
イバ６ａに損失を与えた場合の第５図における従来方式
と第１図における本発明の検出方式に対する得られる位
相差δの安定度を比較して示すグラフである。

検出部４としては入射面（００１）のニオブ酸リチウム
結晶を用いた電圧計を構成した。

従来方式では５０％の伝送路の透過率変化に対し４〜７
°の角度誤差が生じているが、本発明の信号処理では最
大でも０．２°以下とはるかに小さい値となり、本発明
方式が非常に優れた検出方式であることが確認される。

他の検出原理例えば光弾性についても同じ体系で検出す
ることができる。

光弾性の場合は、検出部の光学的主軸間に異なった応力
を発生させ複屈折を生じることにより、透過円偏波が楕
円偏波となる。

検出部４の部材としては、パイレックスガラス。

アクリル等が用いられる。

次に、１１１３図を用いてファラデー効果に代表される
偏波面旋回型の光フアイバセンサに対する本発明の別の
実施例について述べる。

ファラデー効果を応用する場合、検出部４に入射した直
線偏光はその出口では偏光面が回転した直線−波となっ
て出射する。

出射光がポッケルス効果のように楕円偏波ではなく直線
偏光で得られる点が大きく異なり、これはその原因が複
屈折のような異方性が原因ではなく、電子の回転運動の
磁場による向きによる違いが原因となっているためで、
すべての物質で観測される。

従って、ポッケルス効果の時に行った円偏波化による９
０＠の位相差をバイアスさせる手法は取ることができな
い。

しかし、一般には検光子と偏光子の角度を４５０回転さ
せることにより、透過光強度ＰはＰｏ會 （１−ｓｌｎ２　φ） Ｐ２　＝　ＰＧ　ｌ５ｌｎ　’θ と表わすことができる。ここでψはファラデー回転角で
ψ−ＶＨＬ（Ｖ、ヴエルデ定数Ｉ　Ｈｌ磁界強度Ｉ　　
Ｌ　ｌ光路長）である。

さて、第４図に示すような体系で、本発明をファラデー
効果を応用したセンサに適用することができる。

すなわち、第４図に示されるように、光ファイバ２ａか
らの入射光Ａ（強度Ｐｏに対する出射光Ａ、Ｂの強度Ｐ
雷、Ｐ２は Ｐ、　　− Ｐｏｌｅｏｓ　２　θ−Ｐ０１ｅＯ８”（ψ＋４５°　
）となる。

一方、入射光Ｂ（強度Ｐ０２）に対する出射光Ａ、Ｂの
強度ｐ、”、ｐ２　″は （ｌ＋５ｉｎ２　ψ） （１−ｓｌｎ２　φ） と得られ、第１の実施例と同様な数式となり、本発明が
有効であることが確認される。

すなわち となる。

このように以上の実施例によれば、２つの光源ｌａ、ｌ
ｂを用意して検出部４に対し偏光方向が互いに９０″異
なった直線偏光を入射し、その出射光からＰ偏光成分、
Ｓ偏光成分をそれぞれ独立に検出し、光源１ａを点灯し
た時のＰ偏光出力。

Ｓ偏光出力をＶｐｌ、ＶＳｌ、光源１ｂを点灯した時の
Ｐ偏光出力、Ｓ偏光出力をＶｐ　２　、　Ｖｓ　２とす
ると、検出部４で与えられる光学的主軸間位相差δは なる演算を行うことにより達成することが可能となり、
これにより偏光子以降の損失変動、光／電気変換増幅係
数の変動の影響をも補償することが可能となるのである
。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、この発明によれば、この
種の偏光状態の変化を利用する光学式測定装置において
、検光子以降の損失変動、光／電気変換増幅係数の変動
の影響を排除し、高精度の物理量測定を可能とすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式測定装置の一実施例を示す
模式図、第２図は本発明による測定結果を従来例による
測定結果と比較して示すグラフ、第３図は本発明の他の
実施例を説明するための模式図、第４図は同他の実施例
における作用を説明するためのグラフ、第５図は従来の
光学式測定装置の構成を示す模式図である。 ｌａ、ｌｂ・・・光源 ２ａ、２ｂ・・・入力側光ファイバ ３ａ・・・偏光ビームスプリッタ ４・・・検出部 ５・・−偏光分離プリズム ６ａ、６ｂ・・・出力側光ファイバ ７ａ、７ｂ・・・受光素子 ８ｍ、８ｂ・・・増幅器 ９・・・１／４λ板 １０ａ　、　　１０ｂ・・・駆動回路 １１・・・信号処理記憶部 １２・・・制御回路 １３ａ、・１３ｂ・・・レンズ １４ｔａ、１４ｂ−・・レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源からの光を測定対象となる物理量存在域まで導く入
   力側光ファイバと、 前記入力側光ファイバで導かれた光を偏光させる偏光子
   と、 測定対象となる物理量存在域に配置され、前記偏光子か
   らの偏光が入射される光学的検出媒体と、前記光学的検
   出媒体から出射される光より偏光方向の異なる２系統の
   偏光を分離する検光子と、前記検光子で分離された２系
   統の偏光を受光素子へと導く出力側光ファイバと、 前記２系統の偏光に対応して受光素子から得られる系統
   の出力に基いて測定対象となる物理量を算出する演算部
   と、を備えた光学式測定装置において、 前記光学的検出媒体へ入射される偏光として、偏光方向
   の異なる２系統の偏光を用いること、を特徴とする光学
   式測定装置。