JPH0310045B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光フアイバジヤイロスコープに関
し、特に回転光学系の角速度を求めるための光フ
アイバジヤイロスコープに関するものである。

［従来の技術］ 第１図は、従来から用いられている光フアイバ
ジヤイロスコープ（例えば第１インターナシヨナ
ル社から昭和58年８月19日に発行された「光フア
イバーセンサー技術資料集」の第263頁に記載さ
れている）の基本的な構成を示すブロツク図で、
レーサーなどの発光源１０から発射された光はビ
ームスプリツター１２ａ、偏光子１４、及びビー
ムスプリツター１２ｂを通過して集光レンズ１５
ｂにより単一モードの光フアイバループ１６に入
り集光レンズ１５ａを通り、今度は、ビームスプ
リツター１２ｂで反射して偏光子１４及びビーム
スプリツター１２ａを介して光検出器１８に入力
される。これは、光フアイバループ１６を光が図
の時計回りに伝搬した場合であるが、反時計回り
の場合は、ビームスプリツター１２ｂで反射され
て集光レンズ１５ａにより光フアイバループ１６
を伝搬し集光レンズ１５ｂを経てビームスプリツ
ター１２ｂを通過するところだけが異なつてい
る。

第１図に示す光学系が慣性空間に対して角速度
Ωで一方向に回転すると、光フアイバループ１６
内を伝搬する時計回り光と反時計回り光との伝搬
時間に差が生じ、その結果、サグナツク
（Sagnac）効果として知られる次の式で表される
位相差Δθが生じる。

Δθ＝4πla／cλ …(1) 但し、ｌ：光フアイバループの長さ ａ：光フアイバループの半径 ｃ：光速度（真空中） λ：光波長 従つて、時計回り光と反時計回り光とを干渉さ
せて光検出器１８で検出すれば光検出器１８の電
気信号出力はΔθの関数になり、その結果Δθが求
まり、最終的には目標の角速度Ωを求めることが
できる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、第１図の基本構成では光検出器
１６の出力はcosΔθに比例して変化することが分
かつており微小回転に対する感度が得られない。

このため、位相変調法、周波数変調法、光ヘテ
ロダイン法など色々な方法が試みられているが、
次のような問題を抱えている。

(イ) 時計回り光と反時計回り光とで光路に異なる
部分を有する別の方法では、その部分の光学系
の変動が問題となる。

(ロ) 出力がcosΔθでなくsinΔθに比例するように
した場合、角速度Ωとの非直線性に問題が有
る。

(ハ) 時計回り光と反時計回り光とが異なる周波数
を持つ場合、光フアイバループの温度変動が問
題となる。

(ニ) 音響光学変調器（等方ブラツグ回折を利用し
た光変調素子）により周波数変調を行う場合、
出力のビート周波数が音波の周波数となるため
電気的処理が複雑となる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の目的は、上記の問題点を解決し、かつ
構造及び電気的処理の簡単な光フアイバジヤイロ
スコープを提供することにある。

この目的を達成するするための手段として、本
発明にかかる光フアイバジヤイロスコープでは、 時間的にコヒーレントな光源１０から発射され
る光を第１及び第２の光に分割する第１手段１２
ａと、第１の光を第３及び第４の光に分割する第
２手段１２ｃと、第２の光を第５及び第６の光に
分割する第３手段１２ｂと、コイル状に巻いた光
フアイバループ１６と、光信号を電気信号に変換
する第１及び第２の光検出器１８ａ，１８ｂと、
前記第３の光を前記光フアイバループに通過させ
る第４手段１５ｂ，１５ａと、前記第４の光を通
過させる光変調器２０と、両前記光検出器に接続
された位相検出回路１７と、を備え、前記第３及
び第４の光を前記第３手段により前記第１の光検
出器１８ａに受光させて干渉させ、前記第５の光
を前記第４手段により前記第３の光と同一光路を
逆方向に通過させ、前記第６の光を前記光変調器
により前記第４の光と同一光路を逆方向に通過さ
せ、これら第５及び第６の光を前記第２手段によ
り前記第２の光検出器１８ｂで受光させて干渉さ
せ、前記第１及び第２の光検出器の出力から前記
位相検出回路により位相検出し、以て回転光学系
の角速度を得ることを特徴とした構成を備えてい
る。

［実施例］ 本発明の好ましい一実施例が第２図に示されて
いる。第２図に於いては、ビームスプリツター１
２ａ及びビームスプリツター１２ｂに加えてビー
ムスプリツター１２ｃを用い、光アイソレータ１
１、四つの偏光子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４
ｄ、二つの光検出器１８ａ，１８ｂ、光位相変調
器又は光周波数変調器などの光変調器２０、位相
検出回路１７、及び全反射鏡２２ａ，２２ｂ，２
２ｃを用いているところが第１図の構成と異なつ
た点である。尚、これらの素子は、既に市販され
ている周知のものを使用することができる。

まず、光変調器２０として光位相変調器を用い
た場合の動作を説明する。

発光源１０から発射された光は光アイソレータ
１１を経てビームスプリツター１２ａで光ＢとＣ
とに分割され、光Ｂは全反射鏡２２ｂ及び２２ｃ
で反射され、偏光子１４ｃを通過し、ビームスプ
リツター１２ｃで更に二つの光Ｄ及びＥに分割さ
れる。光Ｄは集光レンズ１５ｂにより偏波面保存
光フアイバループ１６へ送られ更に集光レンズ１
５ａを経た後、ビームスプリツター１２ｂで反射
され偏光子１４ｂを介して光検出器１８ａに入力
される。光Ｅは、光位相変調器２０及びビームス
プリツター１２ｂ及び偏光子１４ｂを経て光検出
器１８ａに入力される。従つて、光Ｂは光ＤとＥ
とに分割された後、互いに別の光路を通つて光検
出器１８ａに入力され相互に干渉することとな
る。この光検出器１８ａに入力されて干渉する光
を以下各々ベクトル〓₁及び〓₁と呼ぶ。

一方、光Ｃは全反射鏡２２ａで反射され偏光子
１４ａを透過した後、ビームスプリツター１２ｂ
で光D′及びE′に分割される。そして、今度は上記
と反対の光路を進む。即ち、光D′は集光レンズ
１５ａ、光フアイバーループ１６、及び集光レン
ズ１５ｂを介してビームスプリツター１２ｃで反
射され偏光子１４ｄを介して光検出器１８ｂに入
力され、光E′は光位相変調器２０及びビームスプ
リツター１２ｃ及び偏光子１４ｄを経て光検出器
１８ｂに入力され相互に干渉する。この場合の干
渉光を以下各々ベクトル〓₂及び〓₂と呼ぶ。

今、〓₁、〓₂、〓₁、及び〓₂の光を、 〓ｉ＝〓oi・exp｛ｊ［ωot＋φi］｝（ｉ＝１、２）
(2) 〓ｉ＝〓oi・exp｛ｊ［ωot＋i］｝（ｉ＝１、２）
(3) と表すものとする。ここに、〓ｉ、及び〓ｉは単
色平面波で周波数は皆等しいと仮定する。このよ
うな光は、発光源１０に単一モードレーザを使用
することにより容易に得ることができる。

このとき、光検出器１８ａの電気信号出力I₁、
及び光検出器１８ｂの電気信号出力I₂は、次の一
般式で与えられる。

Ii＝I_Ai＋I_Bi＋２√_{Ai Bi}cosΔφi （ｉ＝１、２） (4) ただし、I_Ai及びI_Biは各々〓ｉ及び〓ｉ単独の光
量であり、Δφiは、 Δφi＝φi−ψi（ｉ＝１、２） (5) である。ここで、位相差Δφ₁は光〓₁と〓₁の二つ
の光路中、光フアイバループ１６を通る光路と、
光フアイバループ１６を通らず光位相変調器２０
を通る光路との違いによつて生じたものであり、
位相差Δφ₂は光〓₂と〓₂の二つの光路中、光フア
イバループ１６を通る光路と、光フアイバループ
１６を通らず光位相変調器２０を通る光路との違
いによつて生じたものである。即ち、位相差Δφ₁
とΔφ₂は、伝搬方向は互いに逆であるが同一の光
路差によつて生じたものである。

従つて、もし第２図の光学系が慣性空間に対し
て静止していれば、 Δφ₁−Δφ₂＝０ (6) であり、この光学系が慣性空間に対して角速度Ω
で回転していれば、 Δφ₁−Δφ₂＝Δθ (7) となる。ここにΔθは、光フアイバループ１６を
互いに逆方向に伝搬する二つの光に対してサグナ
ツク効果により生じた位相差であり、前述のごと
く式(1)により表される。

今、光位相変調器２０を通過することによつて
制御される光の位相を次の式のように表す。

Δφi＝νt＋ηi（ｉ＝１、２） (8) この式(8)を式(4)に代入すれば、 I₁＝I_A1＋I_B1＋２√_{A1 B1}cos（νt＋η₁）(9) I₂＝I_A2＋I_B2＋２√_{A2 B2}cos（νt＋η₂） (10) が得られる。

一方、式(7)及び(8)から、 η₁−η₂＝Δθ （11） が得られるので、式(9)及び(10)の交流成分は位相差
Δθの信号となつている。従つて、式(9)及び(10)の
交流成分をそれぞれ光検出器１８ａ及び１８ｂの
出力信号から検出し、両方の出力信号の位相差を
周知の位相検出回路１７で検出することにより、
Δθを検出することができ、式(1)により第２図の
光学系の角速度Ωを求めることができる。

次に光変調器２０として光周波数変調器を使用
した場合の動作を説明する。

光周波数変調器２０は、これを通過する光の周
波数をｆだけシフトする。このため、式(3)は、 〓ｉ＝〓oi・exp｛ｊ［（ωo＋2πf）ｔ＋ψi］ （ｉ＝１、２） （12） となる。式(2)及び（12）より干渉後の光検出器１
８ａ及び１８ｂの電気的出力I₁及びI₂は、 I₁＝I_A1＋I_B2＋２√_{A1 B1}cos（2πft ＋Δφ₁） （13） I₂＝I_A2＋I_B2＋２√_{A2 B2}cos（2πft ＋Δφ₂） （14） となる。式（13）及び（14）においては式(7)の関
係が適用できるから、式（13）及び（14）の交流
成分は位相差Δθの同一周波数の信号となつてい
る。従つて、その交流成分の上記と同様に光検出
器１８ａ及び１８ｂの出力信号から取り出し電気
的に位相検出することによりΔθを検出すること
ができ、式(1)による角速度Ωを求めることができ
る。

尚、上述した事項のうち、最適な実施例とし
て、光フアイバに偏波面保存フアイバを用い、発
光源の出射部に光アイソレータを使用し、更に偏
光子並びに全反射鏡を適宜用いることは当業者に
とつて容易なことであり本発明の必須事項ではな
い。

［発明の効果］ 以上述べた本願発明による光フアイバジヤイロ
スコープの効果をまとめると次のようになる。

(イ) サグナツク効果を取り出すための光路に於い
て、時計回り・反時計回りの両回りの光は、単
一偏波面及び同一周波数で同一光路を通る。こ
のため、光フアイバの不均一性や温度特性の影
響を受けない。（第１図の場合は出力がcosΔθ
に比例するため感度が悪い） (ロ) 総ての光路は二つの光が通り、干渉の結果、
光路のドリフトを互いに打ち消し合うため光学
系の微小変動による影響を受けない。

(ハ) 出力としてΔθを取り出すことができるため
角速度Ωに対する直線性が良くダイナミツクレ
ンジが大きくとれる。

(ニ) 光周波数変調器として音響光学変調器を直列
に二つ使用すればシフト周波数ｆを十分小さく
することができ、電気処理が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光フアイバジヤイロスコープの
基本的な構成を示すブロツク図、そして第２図は
本願発明にかかる光フアイバジヤイロスコープの
好ましい一実施例の構成を示すブロツク図、であ
る。 図中、１０は発光源、１２ａ‐１２ｃはビーム
スプリツター、１５ａ，１５ｂは集光レンズ、１
６は光フアイバループ、１７は位相検出回路、１
８ａ，１８ｂは光検出器、２０は光変調器、であ
る。尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 時間的にコヒーレントな光源１０から発射さ
   れる光を第１及び第２の光に分割する第１手段１
   ２ａと、第１の光を第３及び第４の光に分割する
   第２手段１２ｃと、第２の光を第５及び第６の光
   に分割する第３手段１２ｂと、コイル状に巻いた
   光フアイバループ１６と、光信号を電気信号に変
   換する第１及び第２の光検出器１８ａ，１８ｂ
   と、前記第３の光を前記光フアイバループに通過
   させる第４手段１５ｂ，１５ａと、前記第４の光
   を通過させる光変調器２０と、両前記光検出器に
   接続された位相検出回路１７と、を備え、前記第
   ３及び第４の光を前記第３手段により前記第１の
   光検出器１８ａに受光させて干渉させ、前記第５
   の光を前記第４手段により前記第３の光と同一光
   路を逆方向に通過させ、前記第６の光を前記光変
   調器により前記第４の光と同一光路を逆方向に通
   過させ、これら第５及び第６の光を前記第２手段
   により前記第２の光検出器１８ｂで受光させて干
   渉させ、前記第１及び第２の光検出器の出力から
   前記位相検出回路により位相検出し、以て回転光
   学系の角速度を得ることを特徴とした光フアイバ
   ジヤイロスコープ。 ２ 前記光変調器が、光位相変調器である特許請
   求の範囲第１項記載の光フアイバジヤイロスコー
   プ。 ３ 前記光変調器が、光周波数変調器である特許
   請求の範囲第１項記載の光フアイバジヤイロスコ
   ープ。 ４ 前記光周波数変調器が二つ直列に接続されて
   いる特許請求の範囲第３項に記載の光フアイバジ
   ヤイロスコープ。