JPH03113302A

JPH03113302A - 光センサー

Info

Publication number: JPH03113302A
Application number: JP1252596A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Fukuhara; 聡福原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1991-05-14

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）本発明は光センサーに関し、特に、レーザー光を利用し
て被ＣＩ定対象の微小な変位をＪＰ１定する光センサー
に関する。

（従来の技術）メカトロニクスや精密機械の分野では機器の高性能化、
高精密化により、微小な変位をとらえて解析することが
ますます重要になっている。

このような微小な変位をｎ１定するセンサーとして、例
えば第５図に示されるような干渉計型センサーが開発さ
れている。このセンサーは、ＩＩＰ１定対象物にミラー
（ターゲットシート）を貼付し、このミラーにレーザー
光を照射し、その反射光を利用して位置変化を検出する
ものである。この場合、位置変化による２光路の光路長
の変化により生じる干渉光の強度変化を求める。

第５図では、半導体レーザー１からレーザー光を照射し
、ビームスプリッタ２ならびにミラー３で反射して受光
素子４に入射される光と、ビームスプリッタ２を透過し
、ミラー５（被測定対象に貼付されている）で反射し、
再びビームスプリッタ２を経て受光素子４に入射される
光との干渉強度（すなわち光の位相差）を検出し、変位
を測定する。

（発明が解決しようとする課題）上述した従来の光センサーは、受光素子４のノイズや干
渉縞の変化のミスカウントにより誤差が蓄積していくと
いう問題点や半導体レーザーのスペクトル寿命やモード
ホップ等により位相のとびが生じた場合、変位が不定と
なり、測定不能となる危険性がある。後者の問題は重要
であるため、さらに詳しく説明する。

第６図は半導体レーザー１の発振モードがモードホップ
により変化した場合の位相変化を示した図である。

従来センサーは、ある位相点を基準点とし、この位相点
からの干渉縞の数（位相）を測定する相対的な測定方法
を採用しているため、第６図のように、光源自体の位相
が変化したのでは基準点そのものが不定となり、微小な
変位測定はほぼ不可能となる。

本発明は上述した従来技術の問題点を除去し、ノイズや
レーザー光源の不安定性の影響を受けにくく、信頼性の
高い新規な光センサーを提供することを目的としてなさ
れたものである。

（課題を解決するための手段）本発明の光センサーは、被測定対象の微小な物理量の変
化を測定する光センサーであって、被測定対象の物理量
の変化が光共振器の一方の共振端の変位あるいは共振器
内部の屈折率の変化となるように構成された測定系と、
レーザー光源を周波数変調する変調手段と、該変調手段
により周波数変調されたレーザー光を前記光共振器に導
くことにより得られる光共振器の透過信号を受光し、電
気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段から
得られるパルス間の時間間隔を測定する手段とを有し、
前記光共振器は、光の透過強度が所定の周波数間隔をお
いて周期的に増加する周波数特性を有し、前記所定の周
波数間隔は前記光共振器の共振端面間の距離ないし共振
器内部の屈折率の関数になっていることを特徴とする。

（作　用）測定系として従来の反射ミラーの代わりにファブリペロ
ーエタロンのような光共振器を用いる。

例えば変位検出の場合、被測定物の変位は光共振器の端
面の変位となり、結果的に共振器長の変位として把握さ
れる。この光共振器では、入力される光の透過強度が所
定の周波数間隔をおいて周期的に増加する周波数特性を
有し、この周波数特性（共振点間の周波数間隔）は共振
器長（あるいは内部材料の屈折率）に依存して変化する
。

このような光共振器に周波数変調されたレーザー光を入
力する。この周波数変調光の最大周波数偏移は、光変調
器の少なくとも２つの共振点を包含する範囲になってい
る。半導体レーザーの周波数は一定速度で掃引されるた
め、被測定物に位置変化がなければ、光共振器の透過光
の強度は一定の間隔をおいて増加するという周期的変化
を繰返す。

この状態で被測定物に変化が生じると、光共振器の周波
数特性が変化し、光共振器の透過光の強度の変化周期（
強度が増加してから次の増加点に至るまでの時間）が変
化する。この周期の変化を受光素子を用いて電気信号と
して検出し、光パルスの間隔をクロックを用いる等して
正確に測定して、被測定物の変位を測定する。

（実　施　例）次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

実施例　１第１図は本発明の光センサーの第１の実施例のブロック
図である。

本実施例では発振器６の発振出力を駆動回路７で周波数
変調し、直流電圧に重畳して半導体レーザー１を駆動す
る。この半導体レーザー１から出力されるレーザー光は
ビームスプリッタ２に導かれる。このビームスプリッタ
２はハーフミラ−となっており、一部のレーザー光は反
射して受光素子（フォトダイオード）８に人力し、その
他のレーザー光はビームスプリッタ２を透過してファブ
リペローエタロンＦＰＩ、ＦＰ２により構成される先具
振器入力される。ファブリペローエタロンＦＰ２は被測
定対象とともに変位し、この変位により共振器間間隔（
共振器長）ｇが変化する。

受光素子９で検出される測定光と受光素子８から出力さ
れるモニタ信号は割算器１０に入力され、それらの比が
検出される。このように光共振器を通過したｆｌＰＩ定
光のみを用いずモニタ光との比をとるのは、ゲート回路
１１に入力するゲート開閉用のパルス信号の振幅を規格
化し、電気的処理に支障のないようにするためである。

すなわち、半導体レーザー１を周波数変調する際、同時
に光強度変調もされてしまうため、受光素子９に人力さ
れる光パルスの強度が異なり、このままでは、その後の
処理に問題が発生する危険性があり、これを回避するた
めに規格化を行なっている。

割算器の出力パルスはゲート回路１１に人力され、２つ
のパルス間隔時間だけゲートが開き、クロックパルスジ
ェネレータ１３からのパルス数をカウンタ１２て計数す
る。この計数値が変位として出力される。

次に、第２図を参照して本実施例の動作を説明する。

前述したファブリペローエタロンは、光共振器として、 Δν峻２ｎｌ）で決定される周波数間隔（Ｆ、　　Ｓ、　Ｒ：　Ｆｒｅ
ｅＳ　ｐｅｅｔｏｌ　　Ｒａｎｇｅの略）で光の透過強
度が増加する。すなわち、第２図の中段に示すような周
波数特性を有している。

上述の式より明らかなように、光共振器の間隔ｇ　（な
いしは屈接率ｎ）が変化するとＦ、　　Ｓ、　　Ｒが変
化するため、被測定対象の変位はＦ、　　Ｓ、　　Ｒの
変化として把握することができる。

一方、周波数変調されたレーザー光の周波数掃引は一定
の速度で行なわれ、その最大周波数偏移は光共振器の２
つの共振点を含む範囲内に設定されている（第２図上段
）。

レーザー光の周波数掃引が一定速度で行なわれ、光共振
器長ｇに何らの変化がなければ、この光共振器の透過光
（７１１定光）を観測すると、２つの光パルスが一定の
間隔をおいて周期的にあられれる。

この状態で彼Δσ１定対象に変位が生じて光共振器長ｇ
が変化すると、光共振器の周波数特性が変化し、この結
末、２つの光パルスの間隔が変化する。この間隔の変化
をクロックパルスを用いて計測する。

すなわち、第１の光パルスが受光素子９に入力されると
、ゲート回路１１から出力されるゲート信号がオンして
ハイレベルとなり、カウンタ１２はりａツクパルス１３
のカウントを開始する。同様に、第２の光パルスが受光
素子９に人力されるとゲート信号がオフし、カウンタ１
２にょるクロックパルスの計数が終了する。クロックパ
ルスの計数値の変化は、光共振器のＦ、　　Ｓ、　Ｒの
変化を示すことになり、これにより、変位測定を行う。

本実施例では、光共振器の透過光の強度変化を践ΔＦＪ
Ｌ、２つの光パルスが現われる間隔を計′ＡＰｊするた
め、仮に半導体レーザー１にモードホッピングが生じた
としても、モードホップ後の状態で２つの光パルスの間
隔を測定すれば披δ−１定対象の変位を測定できる。す
なわち、本発明は、従来の基準点を定めて、そこからの
位相差を検出する相対的変位ＪＰＪ定と異なり、２つの
光パルスの間隔を測定することによる変位の絶対値の測
定法を採用するもので、従来技術と根本的に異なってい
る。

また、本実施例では、測定の分解能はクロックパルスで
決定されるため、従来例のような受光素子のノイズや干
渉縞の変化のミスカウントが問題とならず、測定精度を
格段に向上することができる。

実施例　２本発明の第２の実施例を第３図および第４図を参照して
説明する。

本実施例は、前述の実施例の光センサーを２つ札合わせ
、差動形の光センサーとし、得られる２つの出力を信号
処理回路で平均化するなどして最終出力を得るものであ
る。

第３図に示されるように、本実施例で使用される光共振
器は、ファブリペローエタロンを３個用いるものであり
、ＦＰＩとＦＰ２は台座３０上に固定されており、中央
のＦＰ３が変位する。

半導体レーザー１の出力光は、まず、ビームスプリッタ
１４で２分割され、さらにビームスプリッタ１５で２分
割される。ビームスプリッタ１５を透過した光はミラー
１６．１７、ファブリペローエタロンＦＰＩ、ＦＰ３を
介して受光素子１８に入力し、電気信号に変換される。

受光素子１８の出力は割算器１９に入力され、ビームス
プリッタ１４で反射して受光素子２９に人力された光と
の比が検出される。割算器１９の出力はゲート回路２２
に入力され、ゲート回路２２のゲート信号がオンすると
カウンタ２３はクロックパルスジェネレータ２７からの
クロックパルス数のカウントを開始する。

同様に、ビームスプリッタ１５で分割された他方のレー
ザー光は、ミラー２０、ファブリペローエタロンＦＰ２
．ＦＰ３を介して受光素子２１に人力し、割算器２４、
ゲート回路２５、カウンタ２６は同様の処理を行う。カ
ウンタ２３および２６の計数値は信号処理回路２８に入
力され、平均化されて出力される。

本実施例では、被測定物の変位を正の変位および負の変
位として捉え、２系統の処理を行って平均化するため、
より精度の高い測定が可能となる。

また、温度補償も行なえる。

以上、本発明を２つの実施例を用いて説明したが、本発
明はこれらに限定されるものではなく、種々変形可能で
ある。

例えば、レーザー光源としては、一般的なファブリペロ
−共振器形のものでもよい。さらに回折格子を用いたＤ
ＦＢ　（分布帰還型）レーザーを用いると周波数選択性
がよく、単一縦モード発振であり、周波数変調範囲を広
げることができる。また、光共振器としてはファブリペ
ローエタロンの他、リング共振器やグレーティングを利
用したものでもよい。

なお、前述の実施例においては被測定対象の変位の測定
するものについて説明したが、これに限るものではなく
、例えば、応力は屈折率の変化として測定できる。要す
るに、温度、圧力、応力等変位あるいは屈折率の変化と
して検出できる物理量の変化であればよい。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、以下の効果が得ら
れる。

（１）従来の干渉計センサーのように、変位の相対値を
測定するのではなく、変位の絶対値を測定する方法であ
るため、光源である半導体レーザーのモードホッピング
や受光素子のノイズ等に強く、正確な測定を行なえる。

（２）電気的処理により変位が測定され、測定の分解能
はクロックパルスで決定されるため高分解能であり、高
精度な測定が可能である。

（３）受光部分に電気的な信号を与えないため、遠隔測
定や電磁ノイズに強いセンサーが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光センサーの第１の実施例のブロック
図、第２図は第１の実施例の動作を説明するためのタイミン
グチャート、第３図は第２の実施例に用いられる差動形ファブリペロ
ーエタロン共振器の構造を示す図、第４図は第２の実施
例の構成を示す図、第５図は従来例の基本的構成を示す
図、第６図は半導体レーザーにモードホッピングが発生
した場合のレーザー光の位相変化を示す図である。１・・・半導体レーザー　　２・・・ビームスプリッタ
６・・・発振器　　　　　　７・・・駆動回路８．９・
・・受光素子　　　１０・・・割算器１１・・・ゲート
回路　　　１２・・・カウンタ１３・・・クロックパル
スジェネレータ１４．１５・・・ビームスプリッタ１６．１７．２０・・・反射ミラー１８．２１．２９・・・受光素子１９．２４・・・割算器２２．２５・・・ゲート回路２３．２６・・・カウンタ２７・・・クロックパルスジェネレータ２８・・・信号
処理回路　　３０・・・台座ＦＰＩ、ＦＰ２．ＦＰ３・
・・ファブリペローエタロン

Claims

【特許請求の範囲】被測定対象の微小な物理量の変化を測定する光センサー
であって、被測定対象の物理量の変化が光共振器の一方の共振端の
変位あるいは共振器内部の屈折率の変化となるように構
成された測定系と、レーザー光源を周波数変調する変調手段と、該変調手段
により周波数変調されたレーザー光を前記光共振器に導
くことにより得られる光共振器の透過信号を受光し、電
気信号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段から得られるパルス間の時間間隔を測定
する手段とを有し、前記光共振器は、光の透過強度が所定の周波数間隔をお
いて周期的に増加する周波数特性を有し前記所定の周波
数間隔は前記光共振器の共振端面間の距離ないし共振器
内部の屈折率の関数になっていることを特徴とする光セ
ンサー。