JPH0283402A - 多モード光ファイバーセンサおよび多モード光ファイバに沿う物理的動揺を検出する方法 - Google Patents

多モード光ファイバーセンサおよび多モード光ファイバに沿う物理的動揺を検出する方法

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JPH0283402A
JPH0283402A JP1146908A JP14690889A JPH0283402A JP H0283402 A JPH0283402 A JP H0283402A JP 1146908 A JP1146908 A JP 1146908A JP 14690889 A JP14690889 A JP 14690889A JP H0283402 A JPH0283402 A JP H0283402A
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interference pattern
intensity
multimode optical
multimode
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Jr William B Spillman
ウィリアム バート スピルマン, ジュニア
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Simmonds Precision Products Inc
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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、光ファイバセンサ、およびそれに関連する方
法に関する。本発明による下記に記述されるセンサおよ
び方法の例は多モード(multi−mode)の動作
を使用し、外部環境における動揺(perturbat
ion)に応答するモード間干渉パターンにおける変化
を検出する。
〔従来の技術、および発明が解決しようとする課題〕
光ファイバの6部(コア)を通して伝送される光エネル
ギは、単一モードのコアにおいても多モードのコアにお
いても、該ファイバの物理的動揺によって影響される。
典型的には、該物理的動揺は、コア材料の屈折率、およ
び被覆とコア間の屈折率差を、コアを通して伝達される
光エネルギが変化させられるような態様で、変化させる
はずである、物理的動揺は、例えば、引張りまたは圧縮
により誘起させられる歪み、およびファイバを小なる半
径の周りに屈曲させること(すなわち、ミクロ・ベンデ
ィング)又は大なる半径の周りに屈曲させること(すな
わちマクロ・ベンディング)により誘起させられる歪み
により生起させられることができる。したがって、光フ
ァイバは、出力エネルギの変化を環境の動揺に相関づけ
ることによって、物理的パラメータを測定するセンサと
して使用されることができる。
検出ファイバから出力されるエネルギは例えば、強度、
波長又は偏光状態における量的変化について解析されう
る。より複雑化した方式においては、出力光は基準光源
と干渉計的に比較され、干渉計パターンを発生させるこ
とができ、該干渉計パターンはファイバ動揺のパラメー
タと経験的に相関づけさせられることができる。この干
渉計の方式、例えばMach−Zender干渉計の方
式においては、コヒーレントな光源からの光は、1つの
干渉計パターンを形成するよう組合わされた2つの光路
からの光とともに基準光源および検出ファイバを通して
進行し、該干渉計パターンは該検出ファイバの通路に影
響を及ぼす動揺に機能的に関連する情報を提供するため
に解析される。
光ファイバ検出システムは特に航空宇宙の分野で、多く
の応用がある。例えば、航空機のまたは足部は「ファイ
バ化され、出力光が分析されて、構造体における応力レ
ベル、および疲労又は空気衝撃によって生起させられる
破砕前(pre−frac−ture)条件の存在また
は破砕の存在が決定される。
光ファイバ検出システムは特別に広い帯域幅の利点を有
しており、それにより該ファイバは検出機能とデータ伝
送機能の両方に役立つことができる。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、物理的動揺に応答するマルチモードの
光センサであって、光エネルギを、入力、出力間に、少
なくとも2つのモードで伝送させ、該モード間の干渉パ
ターンを形成させるマルチモード光ファイバ(14,2
4,44,78) 、干渉パターンが該光ファイバ(1
4,24,44,78)の物理的動揺に応答して変化す
る態様で少なくとも該2つのモードを該光ファイバ(1
4,24,44,78)に沿って伝播させるに十分なだ
け光エネルギを該光ファイバ(14,24,44,78
)の入力端子に供給する手段(12,22,42,72
) 、および、該光ファイバ(14,24,44,78
)の出力端子からの干渉パターンを検出し該動揺に機能
的に関係し該干渉パターンの少なくとも一部の強度変化
に応答する信号を発生させる手段(16,18; 2B
、 30.36 i 48.52 ; 8288)、を
具備することを特徴とする光ファイバセンサが提供され
る。
また、本発明によれば、入力端子と出力端子を有するマ
ルチモードの光ファイバ(14,24,44゜78)に
沿う物理的動揺を検出する方法であって、8亥マルチモ
ードの光ファイバ(14,24,44,78)の入力端
子にコヒーレントな放射線を入射しそれにより光ファイ
バセグメント(14,24,44,78)に沿い該放射
線が伝播するにつれて該2つのモードの間の干渉パター
ンを発生させる段階、該光ファイバセグメント(14,
24,44,78)の出力端子からの干渉パターンを検
出する段階、そして、複合干渉パターンの少なくとも一
部の強度の変化に応答して1つの信号を発生させる段階
、を具備することを特徴とする光ファイバに沿う物理的
動揺を検出する方法、が提供される。
本発明によるマルチモードの光ファイバセンサとその使
用方法は添付図面を参照して、以下に例示的に記述され
る。
以下に、マルチモードの光ファイバを通して伝播される
動揺に影響される光についての干渉計的なパラメータ解
析を用いての物理的動揺を測定するための、マルチモー
ド光ファイバセンサとその使用方法が記述される。該セ
ンサとその使用方法は多機能のマルチモード光ファイバ
を提供することによって該光ファイバの必要条件を減少
させ、該マルチモードの光ファイバにおいては、干渉計
的なパラメータ解析を用いての物理的動揺の測定は、デ
ータ伝送、情報伝達、制御、および遠隔測定を含む他の
機能と関連させて実行される。
より詳しくいえば、光エネルギ源からのコヒーレントな
単色の放射線が動揺の支配下にあるマルチモードの光フ
ァイバを通して通過するような、マルチモードの光ファ
イバセンサとその使用方法が記述される。光はコアを通
して伝導されるので、種々のモードが特有のモード間の
斑点状(スペックル、5peakle)パターンを有す
る送出出力と相互に建設的におよび破壊的に干渉する。
例えば2次元の方向性アレイのような検出器は、スペッ
クルパターンの強度分布に応じて電気的なアレイ信号を
出力する。ファイバ又はそのセグメントは動揺させられ
るので、該中間形態の干渉パターンと強度分布は該動揺
に機能的に関連するようにして変化する。該検出器の対
応出力は信号処理装置によって解析され、該動揺を表す
信号出力が提供される。
〔実施例〕
第1の実施例においては、レーザダイオードのような単
色性の光源が、周囲の動揺にさらされるマルチモードの
光ファイバセグメントにコヒーレントな光を入力する。
該コヒーレントな光は、該コアを通過するとき、最低の
オーダーと少なくとも1つのより高いオーダーのモード
を含む異なったモードを呈する。種々のモードが特定の
スペックルパターンを生成するために建設的にまた破壊
的に干渉し、該パターンは空間フィルタを通して光検出
器に送出される。その最も単純な形態においては、該空
間フィルタは光遮断性のシートによって形成され、該シ
ートは該光検出器に該スペックルパターンの部分集合を
通過させる1個以上の開口を有する。該光検出器の信号
出力は、空間フィルタによって光検出器にまで通される
スペックルパターンの部分の強度分布の変動に応じて変
化する。
該光検出器の出力は、検出された動揺に機能的に関連す
る強度分布の変化を伴って信号処理装置に供給される。
他の実施例においてはマルチモードの光ファイバからの
出力光は多数画素をもつCCDアレイに送出される。該
ccDアレイが走査されるとき、その出力は信号処理装
置に送られ、該信号処理装置は個々の画素出力を対応す
るディジタル値に変換し、該ディジタル化されたプレイ
出力を2個の相次ぐデータフレームとして記憶する。該
2個のデータフレームにおける対応する画素データポイ
ント間の変化の絶対値は、検出された動揺に機能的に関
連する信号出力を提供するために合計される。
更に他の実施例においては、ファイバの動揺(pert
urbation) 領域又は区域が規定され、その場
合、該マルチモードの光ファイバセンサは規定された領
域内においてのみ動揺を感知可能である。
このことは例えば、外乱にさらされ、また動揺を検出す
る中間部分のマルチモード光ファイバを、単一モードの
入力端および出力側光ファイバの間に設けることによっ
てなされる。光は空間フィルタおよび1個以上のレンズ
を通して他のマルチモードの光ファイバセグメントに出
力され、該セグメントは光を処理用の光検出器に送る。
上述されたセンサにおいては、コヒーレントな光の建設
的および破壊的干渉が、検出された動揺に機能的に関連
する信号を提供するのに有用な光情報を提供する。
マルチモード(mul ti−mode)光ファイバセ
ンサの機能が第1図に機能ブロック図で示されており、
該第1図中に符号10によって一般的に示されている。
図示されるようにレーザ又はレーザダイオードのような
単色性の(monochromatic)光源12がマ
ルチモードの光ファイバセグメントにコヒーレント(c
oheren t)な単色性の放射線を出力する。
光ファイバセグメント14は最低のオーダおよび少なく
とも1つ以上のより高いオーダーのモードに適応させる
に十分な大きさのコアを有し、このようにして複合した
干渉パターンを形成するために建設的におよびまた破壊
的に干渉する異なったモードを有するマルチモードのフ
ァイバとして機iする。光ファイバセグメントの一部は
、第1図に波状の部分によって示されるように、各モー
ドの光路長さとその結果として生ずる複合した干渉パタ
ーンに影響を及ぼす周囲の動揺(P erturba−
tfon)にさらされる。核外乱は該ファイバに印加さ
れる力Fの関数としての圧縮ひずみ、伸長ひずみ又はそ
の組合せの形態をとることができ、これらは該ファイバ
の曲がりによっであるいは周囲の温度又は圧力の変化の
結果としてひき起こされる。
光ファイバセグメント14からの出力放射は、2次元表
面上に投射されるとき、特有な斑点状(スペックル、5
peakle)パターンヲ示ス、該スペックルの強度分
布は時間とともに徐々に変化するけれども、トータルと
してのスペックルパターンの強度は実質的に一定に維持
される。光ファイバセグメント14が動揺を受けたとき
、該スペックルパターンの強度の分布は該動揺に応じて
変化し、一部のスペックルはより強くなり、また他の一
部のスペックルはより弱くなり、更に他のスペックルは
変化しないままとなる。検出器16は光ファイバセグメ
ント14の光出力をうけ、対応する光出力を信号処理装
置I8に出力する。
光ファイバセグメント14から出力されるスペックルパ
ターンの変化は、以下に第2.3.および4図に関連し
て説明されるように、該動揺に機能的に関連する情報を
提供するために解析される。
第1図に示される光ファイバセグメント14は、検出領
域の反対側において該ファイバセグメント14に結合さ
れたトランシーバX t/r間にデータを伝達するため
に多機能状態で使用されうる。該センサは特に光ファイ
バを“光による飛行(f/y −b y −light
) ”の場合において用いる航空機に適用しうることか
企図されており、該状況においては該ファイバはストレ
ス検出機能を果すと情報伝達、制御および遠隔測定機能
をも果す。
第1の具体例は第2図に通常の形態で示されており、符
号20によって該図中に示されている。
図示されるように、レーザダイオード22はコヒーレン
トな単色性の放射線をマルチモードの光ファイバセグメ
ント24に出力し、該セグメント24は繰り返し発生す
る双方向性の力Fyにさらされる構造体26にとりつけ
られるか又はその中に埋め込まれる。第2図においては
、該構造体26は片持ち梁とされたビームとして実線で
示されているけれども、適当な構造的応用によって航空
機の翼における応力(ストレス)を検出することもでき
る。光ファイバセグメント24はX軸に沿って配置され
ており、また外乱による力Fyの軸に垂直に配置されて
いる。構造体26はY方向に沿って動揺させられるので
、光ファイバセグメント24における各モードの光路長
さは、ファイバ・コアにおける光の複合した干渉計パタ
ーンにおける変化をひき起こすように影響される。複合
した干渉計パターンは光ファイバセグメント24から出
力され、空間的フィルタ(spatial filte
r)28を通して光検出器30に放出され、該光検出器
は2次元的な光電池の形態とすることができる。
該空間フィルタ28はその最も簡単な形態においては1
個以上の開口を有する不透明シートから製造され、それ
によって、符号32に示されるようなスペックル(斑点
状の干渉模様)パターンの一部はさえぎられ、またその
一部あるいはその部分集合は光検出器30にまで通過す
るようにされる。
該スペックルの一部の強度の平均的増加は該スペックル
の他部の強度の平均的減少と統計的に平均化されるので
、全体の(total)円形スペックルパターン32の
強度は実質的に一定であり、したがって、もし全体のス
ペックルパターン32が光検出器30に当てられたなら
ば、意味のある信号はえられない。したがって該空間フ
ィルタ28は該スペックルパターン32の一部又は部分
集合のみが該光検出器30に露出するように機能し、そ
れによって強度の変化が検出されうる。一般に空間フィ
ルタ28によって光検出器30に提供されるスペックル
パターン32の部分集合は、適切な信号対雑音比かえら
れるのに十分な大きさでなくて唸ならず、また統計的な
平均的効果がスペックルパターン32における外乱効果
の低い識別力を妨げないように十分に小さくなくてはな
らない。空間フィルタ28の開口の形状は第2図では円
形の開口34として示されているけれども、このような
形状は例えば円形穴による所定の方形のマトリックスを
形成するために変形することができる。
光検出器30は、空間フィルタ28を通して光検出器3
0上に映像されるスペックルパターン32の部分集合の
強度に応じて電気信号を出力し、それによって該強度の
変化が所定の出力を提供する。
信号処理装置3.6は光検出器30の出力を受入れ、外
乱に機能的に関連する情報信号を得るために該信号”を
処理する。光ファイバセグメント24の如何なる動きも
光検出器30上に映されるスペックルパターン320強
度に変化を起こさせるので、光ファイバセグメント24
の動きは、経験的に決定される機能的関係のもとに該光
検出器30の信号出力に所定の変化をひき起こす。
第2の具体例は第3図に示されており、符号40によっ
て総体的に示されている。該図中に示されるように、レ
ーザダイオード42はコヒーレントな単色性の放射線を
マルチモードの光ファイバセグメント44に出力し、該
セグメント44は外乱、例えば双方向性の外力Fyに応
じたY軸方向における周期的移動を受ける構造体46上
に載置されるか又は該構造体に取り付けられる。光ファ
イバセグメント44はX軸に沿って、またY軸と直角に
配置され、第2図に示される同じ態様で最大感度かえら
れるように配置される。光ファイバセグメント44によ
って生成される複合した干渉パターンは、特有のスペッ
クルパターン50としてCCDアレイ48上に出力され
る。該CCDアレイ48は好ましくは光ファイバセグメ
ント44の出力端から十分な距離に配置され、それによ
ってCCDアレイ48上における画素は平均したスペッ
クルの特長より小さくなり、次いで各画素は該画素上に
入射する放射線の強度に応じて信号を発生する。
信号処理装置52はCCDアレイ48の出力を受入れ、
動揺に機能的に関連する情報を提供する第1フレームと
その直前のフレームとの差異について順次相次ぐフレー
ムによって該情報を解析する。
より詳細には、CCDアレイ48の各画素によって検出
されたエネルギの強度はディジタイザ54によってディ
ジタル化され、第1のフレームバッファ56に記憶され
る。この初期のフレームデータはフレームデイレイバッ
ファ5日に転送され、該バッファ58は、他のデータフ
レームが該第1のデータフレームバッファ56に記憶さ
れるのと同様に、ある選択された期間中フレームデータ
を保持する。フレームデイレイバッファ5日における最
初のフレームデータは次いで第2のデータフレームバッ
ファ60に転送される。したがって、先行する(n−1
)番目のデータフレームはデータフレームバッファ60
に保持され、一方それにつづ<n番目のデータフレーム
はデータフレームバッファ56に保持される。各バッフ
ァは該CCDアレイ48における画素数に対応する多ビ
ット(マルチビット)のメモリ位置を有する通常のメモ
リの形態をとることができる。次いで弁別回路62は各
画素を基本としてデータフレームバッファ56および6
0の内容を比較し、該強度の差異を絶対値回路64によ
って対応する絶対値に変換し、該絶対値回路64は好ま
しくはCCDアレイ48の画素数に対応するメモリ位置
を含む。最後にtic(Jアレイ48の画素の強度変化
は最終値をうるために合計回路66において累積され、
該最終値はいくつかの記憶装置又はデイスプレィに出力
される。
相次ぐデータフレームの差異が決定されるので、最終値
出力は、検知ファイバセグメント44が動揺させられる
ときに変動する。このようにして、信号処理装置52は
、CCDアレイ48上におけるスペックルパターン50
の各スペックルの強度の変化を測定することによって、
光ファイバセグメント44の外乱を正確に測定すること
ができる。
第3図の実施例の場合におけるように、スペックルパタ
ーン50の一部又は部分集合は外乱に機能的に関連する
情報を提供するものとして評価される。空間フィルタは
第2図の場合と類似した方法で用いられうるけれども、
同様の機能的結果は、第3図の実施例においてCCDア
レイ48の画素数の選択されたパーセンテイジの出力を
無視するか又は読みとらないことによって得られること
ができ、それによって統計的平均がスペックルパターン
50における乱れを識別する能力に影響を及ぼさなくな
る。
第3の具体例は第4図に示されており、該図中に符号7
0によって示されている。図示されるように、光源72
はコヒーレントな放射線を単一モードの光ファイバセグ
メント74に送出し、該セグメント74は76において
検出されるべき外乱にさらされるマルチモードの光ファ
イバ78に結合され、それによって不所望の振動により
生ずる誤差を減少させる。所定の外乱がマルチモードの
光ファイバセグメント78によって検出された後、複合
した干渉パターンがマルチモードの光ファイバセグメン
′ドア8から空間フィルタ80を通して出力される。複
合した干渉パターンの部分集合は、空間フィルタ80を
通過し、レンズ82を通してマルチモードの光ファイバ
セグメント84に集束される。複合した干渉パターンは
マルチモードの光ファイバセグメント84に沿って光検
出器86に転送され、該光検出器86は空間フィルタ8
0を通過した該複合した干渉パターンの部分集合の強度
に応じて信号を出力する。該信号は第3図を参照して上
述した場合と同様の方法で解析を行うために信号処理装
置88に出力される。
上述したマルチモード光ファイバセンサは、検出された
動揺に機能的に関連する信号を提供するのに有用な光情
報を提供するためにマルチモードファイバにおけるコヒ
ーレントな光の建設的および破壊的干渉を使用する。該
センサは、応力が生ずる構造体、例えば航空機その他の
輸送装置、および例えば侵入検出用のもの、に関する情
報を検出するのに特に有用である。
当業者には明らかであるように、特許請求の範囲および
その均等物により決定される発明の精神および範囲から
逸脱することなく、種々の変形および修飾を、本発明の
図解されたマルチモードの光ファイバセンサとその使用
方法に対して施すことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明によるマルチモード光ファイバセンサ
の1例を概略的に示すブロック線図、第2図は、第1図
に示されるマルチモード光ファイバセンサの1具体例を
示すブロック線図、第3図は、第1図に示されるマルチ
モード光ファイバセンサの他の具体例を示すブロック線
図、第4図は、第1図に示されるマルチモード光ファイ
バセンサの更に他の具体例を示すブロック線図である。 (符号の説明) 10:多モード光ファイバセンサ、 20、40.70 :多モード光ファイバセンサの実施
形態、 12.22.42.72 :光源、 14、24.44.78 :マルチモード光ファイバ、
16、30.86:光検出器、 18、36.52.88:信号処理装置、28、48.
8旧交間的フィルタ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、物理的動揺に応答するマルチモードの光センサであ
    って、光エネルギを、入力、出力間に、少なくとも2つ
    のモードで伝送させ、該モード間の干渉パターンを形成
    させるマルチモード光ファイバ(14、24、44、7
    8)、干渉パターンが該光ファイバ(14、24、44
    、78)の物理的動揺に応答して変化する態様で少なく
    とも該2つのモードを該光ファイバ(14、24、44
    、78)に沿って伝播させるに十分なだけ光エネルギを
    該光ファイバ(14、24、44、78)の入力端子に
    供給する手段(12、22、42、72)、および、該
    光ファイバ(14、24、44、78)の出力端子から
    の干渉パターンを検出し該動揺に機能的に関係し該干渉
    パターンの少なくとも一部の強度変化に応答する信号を
    発生させる手段(16、18;28、30、36;48
    、52;82、88)、を具備することを特徴とする光
    ファイバセンサ。 2、該検出手段が、該光ファイバセグメント(24)の
    出力端子からの複合した干渉パターンの部分集合を光検
    出するための手段(30;48、52)、該複合した干
    渉パターンの部分集合の強度変化に応答して該信号を発
    生する光検出手段(30;48、52)、および、該出
    力端子と該光検出手段(30)に該複合した干渉パター
    ンの部分集合を供給するための該光検出手段(30)と
    の間に配置されたフィルタリング手段(28)、を具備
    する、請求項1に記載のセンサ。 3、該光検出手段が該複合した干渉パターンの2つの時
    間的にずれた部分集合の強度の差異を決定するための処
    理手段(48、52)を具備する、請求項2に記載のセ
    ンサ。 4、該フィルタリング手段(28)が該複合した干渉パ
    ターンの部分集合を通過させるための少なくとも1個の
    開口を有する不透明な表面を具備する、請求項2又は3
    に記載のセンサ。 5、該フィルタリング手段(28)は少なくとも1個の
    円形穴を有する不透明な表面を具備する、請求項4に記
    載のセンサ。 6、該検出手段は複数の画素を有するCCDアレイ(4
    8)をそなえており、該各画素は該複合した干渉パター
    ンの平均スペックルより小さくされている、請求項1か
    ら5までのいずれかに記載のセンサ。 7、該検出手段は複数の画素を有するCCDアレイ(4
    8)をそなえており、該各画素は該複合した干渉パター
    ンの平均スペックルより小さくされており、それによっ
    て時間に亘っての複合した干渉パターンの選択されたス
    ペックルの強度の差異を決定し、その差異の絶対値を合
    計するようにした、請求項2に記載のセンサ。 8、該マルチモードの光ファイバ(78)の入力側に結
    合された単一モードの光ファイバ(74)を有し、光エ
    ネルギを供給する手段が光エネルギをマルチモードの光
    ファイバ(78)に結合するための該単一モードの光フ
    ァイバ(74)の入力端子に供給するための手段(72
    )をそなえ、該光エネルギが該マルチモードファイバ(
    78)に沿って少なくとも該2つのモードにおいて伝播
    するのに十分なものとされている、請求項1から7まで
    のいずれかに記載のセンサ。 9、入力端子と出力端子を有するマルチモードの光ファ
    イバ(14、24、44、78)に沿う物理的動揺を検
    出する方法であって、該マルチモードの光ファイバ(1
    4、24、44、78)の入力端子にコヒーレントな放
    射線を入射しそれにより光ファイバセグメント(14、
    24、44、78)に沿い該放射線が伝播するにつれて
    該2つのモードの間の干渉パターンを発生させる段階、
    該光ファイバセグメント(14、24、44、78)の
    出力端子からの干渉パターンを検出する段階、そして、
    該干渉パターンの少なくとも一部の強度の変化に応答し
    て1つの信号を発生させる段階、を具備することを特徴
    とする光ファイバに沿う物理的動揺を検出する方法。 10、該干渉パターンを検出する段階が、該干渉パター
    ンの一部を検出するために該干渉パターンをフィルタリ
    ングする段階、そして該干渉パターンのフィルタされた
    部分の強度を光検出する段階を具備する、請求項9に記
    載の方法。 11、該光検出を行う段階は該干渉パターンの各スペッ
    クルの強度の光検出を行う段階を具備する、請求項10
    に記載の方法。
JP1146908A 1988-08-31 1989-06-12 多モード光ファイバーセンサおよび多モード光ファイバに沿う物理的動揺を検出する方法 Pending JPH0283402A (ja)

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