JPH0375801B2

JPH0375801B2 -

Info

Publication number: JPH0375801B2
Application number: JP28595985A
Authority: JP
Inventors: Masanori Watanabe; Masayuki Katagiri; Masaya Hijikigawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-12-18
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1991-12-03
Also published as: JPS62144033A

Description

【発明の詳細な説明】＜技術分野＞本発明は、光学的な手法により物理量を検知す
る、いわゆる光学式センサに関するものであり、
さらに詳しくは、フアブリ・ペロー型干渉装置を
用いた光学式センサに関する。

＜技来技術＞フアブリ・ペロー干渉装置を用いた光学式セン
サは、２つの平行な反射面を対面設置することに
よつて光の干渉効果を生起させ、この干渉効果に
基いて物理量を検出するものであり、光の波長よ
りも小さい変位によつて出力が変化する高感度な
センサとなるものであつて、種々の応用が考えら
れている。

フアブリ・ペロー干渉装置を用いた計測の原理
について第６図とともに説明する。HeNeレーザ
発振装置の様に単色で波長の安定なレーザ装置１
１より出力された光を、フアブリ・ペロー干渉装
置１２に入射し、その透過光量を受光装置１３に
よつて電気信号に変える。透過光量は、光の波
長、干渉装置１２の光路長及び干渉装置１２の反
射面の反射率等によつて決定される特定のある値
をとる。このような単純な構成のセンサでは、光
源より出力される光の波長が常に一定である必要
があり、現在小型のレーザ光源として市販されて
いる半導体レーザは性能的に十分でないため、通
常ガスレーザ等が使われる。しかしガスレーザ装
置は、測定系の大型化・高価格化を招くため、セ
ンサとしての実用性が著しく阻害される。この点
を解決するために発光ダイオード（LED）等の
小型で安価な発光源を使用し得る様に改良された
構成が、第７図に示すセンサである。第７図にお
いて、レーザ光より波長帯の広い光源２１より出
力された光は、被測定物理量によつて特性の変化
する第１のフアブリ・ペロー干渉装置２２から特
性の一定な第２のフアブリ・ペロー干渉装置２３
を経て受光装置２４に入射され、その光強度が受
光装置２４で電気信号に変換される。

以下、第７図に示す光学式センサの動作につい
て第８図とともに説明する。第８図Ａは光源２１
の発光スペクトル強度Ｉ（λ）、第８図Ｂは第１の
フアブリ・ペロー干渉装置２２の透過率T₁（λ）、
第８図Ｃは第２のフアブリ・ペロー干渉装置２３
の透過率T₂（λ）を表わす。T₁（λ）もT₂（λ）
も共に曲線ａで表わされるときすなわちT₁（λ）
とT₂（λ）の山と山が一致するときに第１と第２
のフアブリ・ペロー干渉装置２２，２３の合成透
過率T₁（λ）・T₂（λ）の波長に関する積分が最大
になる。一方、T₁（λ）が曲線ｂ、T₂（λ）が曲
線ａで表わされるときすなわちT₁（λ）の山とT₂
（λ）の谷が一致するときに合成透過率T₁（λ）・
T₂（λ）の積分は小なものとなる。発光スペクト
ル強度も導入して考えると、受光強度は第８図Ｄ
で示される曲線T₁，T₂の囲む面積となる。なお
厳密には受光素子の感度波長依存も考慮する必要
がある。

第９図は上記第７図に示した光学式センサを応
力センサとして利用した場合の出力波形を示す波
形図である。縦軸が光量、横軸が第１のフアブ
リ・ペロー干渉装置２２の内部光路長の変化量で
ある。得られる出力は内部光路長の変化に応じた
振動波形となる。このような振動波形を呈する場
合、光量がある値に定まつても内部光路長は一義
的に特定されない。また、光量が増減した場合に
はそれが内部光路長の増加によるものが減少する
ものかを識別するのは極めて困難である。従つて
従来型の光学式センサにおいては、一部の複雑な
構成のものを除き、主に次に示す２つの方法で測
定を行つていた。

その１つは、被測定物理量が測定時間内におい
て上昇のみまたは下降のみしか行なわないものに
限定をして測定を行う方法である。しかしながら
一般の被測定量の変化は任意であり、このような
限定条件を付すると用途が著しく制限されること
になる。

他の１つは、被測定物理量の変化を小さくして
光量と一義的に対応させて測定を行う方法であ
る。この場合、光量出力の変化が1/2周期の振動
を行なう部分に限定して測定するため、測定のダ
イナミツクレンジがとれないあるいは高精度な測
定データを得ることが難しいといつた問題を有し
ていた。

＜発明の目的＞本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされた
ものであり、フアブリ・ペロー型干渉装置の内部
光路長の増減を容易に検知することができる新規
なセンサ構成を具備することにより、広ダイナミ
ツクレンジで高精度の測定を可能とした光学式セ
ンサを提供することを目的とする。

＜実施例＞以下第１図乃至第５図に従つて本発明の実施例
を説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例を示す光学式
センサの構成図である。発光ダイオード４１より
出力された光は、被測定物理量によつて特性の変
化する第１のフアブリ・ペロー型干渉装置４２を
経由した後、回折格子４４によつて互いに傾きを
もつた複数の光束に分割される。本実施例におい
ては、回折格子４４から発する複数の光束のうち
０次光を第２のフアブリ・ペロー型干渉装置４３
に垂直に入射させた後その透過光をフオトダイオ
ド４５にて受光し、１次光を第２のフアブリ・ペ
ロー型干渉装置４３に斜め入射させた後、その透
過光をフオトダイオード４６にて受光した。各フ
オトダイオード４５，４６から出力される信号は
信号処理回路（図示せず）で比較処理され、被測
定物理量が求められる。

ここで、発光ダイオード４１は比較的スペクト
ル幅の広い各種光源、例えばハロゲンランプ等の
白色光源に置き換えてもよい。また、回折格子４
４は斜め入射光と垂直入射光を同時に得るための
１つの手段であつて、他の手段例えばハーフミラ
ーとプリズムもしくはミラーの組合せを用いて、
互いに角度をもつた複数の光束を得てもよい。ま
た、光線は実用的には光フアイバーを通した方が
便利な場合が多い。フアブリ・ペロー干渉装置４
２，４３を経由する光は、透過光または反射光の
いずれを採光してもよい。

第２のフアブリ・ペロー型干渉装置４３へ入射
角の異なる２本の光束を入射する理由は、第２の
フアブリ・ペロー型干渉装置４３を等価的に２つ
の異なる光路長をもつた干渉装置とするためであ
る。一般に、フアブリ・ペロー型干渉装置の干渉
に対しての有効光路長はnd cosθとなることが知
られている。ただし、ｎは対向する反射鏡間の媒
質の屈折率、ｄは対向する反射鏡間の距離、θは
反射鏡間での光の反射鏡への入射角である。本実
施例においては、フアブリ・ペロー型干渉装置と
して２板の透明な平行平板をスペーサーで所定間
隙に離間させて貼り合わせたものを使用した。こ
の場合、媒質の屈折率ｎは１とみなしてよく、ま
た外部からフアブリ・ペロー干渉装置への入射角
θexは前述の反射鏡間における入射角θに等しく
なる。

さて本実施例では、フアブリ・ペロー型干渉装
置４３への斜め入射角θexは垂直入射時の実効光
路長ndと斜め入射時の実効光路長nd cosθ差が、
発光ダイオード４１の中心波長をλ₀として nd（１−cosθ）＝λ₀／８ ……(1) となる様に設定した。前述の様にｎ＝１、θex＝
θであり、またｄ＝12μｍ、λ₀＝850nmとした。
このときθex＝7.6゜であるので、１次回折光がこ
の角度となる様な回折格子４４を作製した。

上記構造の光学式センサは原理的に第１のフア
ブリ・ペロー型干渉装置４２の光路長を変化させ
得る物理量をすべて検知することができる。ここ
では、第１のフアブリ・ペロー型干渉装置４２と
して第２図に示す様に片面に増反射膜３を蒸着し
た２枚のガラス板１及び２を増反射膜３が内側に
対向する様にスペーサ４を介して貼り合わせたも
のを使用した。ここで増反射膜３は金属膜とした
が、誘電体膜・誘電体多層膜でもよい。この干渉
装置は外部から加えられた力Ｆ（あるいは接触圧
や荷重）によつて一方のガラス板がわん曲し、内
部光路長が変化することによつて干渉特性が変化
するものである。尚、第１のフアブリ・ペロー型
干渉装置４２は透過型ではなく反射型の構成とし
た。すなわち光の入射及び出射はともに第２図に
示す光フアイバー６、マイクロレンズ５を介して
行つた。一方、第２のフアブリ・ペロー型干渉装
置４３は、第１のフアブリ・ペロー型干渉装置４
２と同じものを用いているが、透過型の構成とし
た。

本実施例の光学式センサを応力センサとして用
いた場合の出力例を第３図Ａに示す。この図でI₀
は第１図におけるフオトダイオート４５の出力、
I₁はフオトダイオート４６の出力である。I₀とI₁
は周期が1/4だけずれている。従つて、横軸に出
力I₀、縦軸に出力I₁をプロツトすると第３図Ｂに
示す曲線が描ける。ここで第３図Ｂでは第３図Ａ
におけるI₀の出力が、矢印Ａから矢印Ｅまで一周
期変化した際の様子を示している。今、仮に印加
された力がＣからＡまで変化したとすると、I₀は
最大から最小へと変化する。印加された力がＣか
らＥへ変化した場合にもI₀は同様の変化をする。
従つて、I₀を検知するのみでは印加された力の増
加減少を決定することができない。ここで、斜め
入射光による出力I₁があると、第３図Ｂのグラフ
より印加された力が増加または減少のいずれの状
態であるかを求めることができる。すなわち、Ｃ
→Ｂ→Ａと右回りに変化するなら減少、Ｃ→Ｄ→
Ｅと左回りに変化するなら増加である。以上よ
り、光量I₀，I₁の変化を連続的に追跡することに
よつて、印加された力あるいは一般には物理量の
値を連続的に追跡することができる。

尚、前述の(1)式において２つの光束のそれぞれ
に対するフアブリ・ペロー型干渉装置の有効光路
長差をλ₀／８にした理由は出力I₀とI₁の周期を1/
４だけずらすためである。このとき、第３図Ｂに
示す図が最も円に近くなるため、第３図Ｂにおい
て出力I₀，I₁の示す点の移動を追跡することが容
易になるからである。

第４図は本発明の第２の実施例を示す光学式セ
ンサの構成図である。発光ダイオード４１より出
力された光は、被測定物理量によつて特性の変化
する第１のフアブリ・ペロー型干渉装置４２を経
由した後、ビームスプリツタ４７、プリズム４８
によつて２本の互いに平行な光束に分割される。
この分割された２本の光束のうち第１の光束ａを
第２のフアブリ・ペロー型干渉装置４９の領域４
９Ａに入射した後、その透過光をフオトダイオー
ド４５にて受光し、また第２の光束ｂを第２のフ
アブリ・ペロー型干渉装置４９の領域４９Ｂに入
射した後、その透過光をフオトダイオード４６に
て受光した。なお各構成要素は第１の実施例の説
明に記載した通りの置き換えを行なうことができ
る。

第１のフアブリ・ペロー型干渉装置としては、
本実施例では第１の実施例と同じく第２図に示す
反射型の素子を用いた。一方、第２のフアブリ・
ペロー型干渉装置４９については第５図に示す構
成のものを用いた。第１図に示す様に、本装置は
ガラス板１及び厚さがλ₀／８のSiO₂膜８を一部
分形成したガラス板１０に、それぞれ増反射膜７
を形成し、さらにガラス板１０側にスペーサ４を
形成し、この２枚のガラス板１，１０を貼合せた
ものである。ここで、光束ａはガラス板１０上に
SiO₂膜８の存在しない領域４９Ａ、光束ｂは
SiO₂膜８の存在する領域４９Ｂを通過するよう
に設置する。このとき、光束ａにとつてフアブ
リ・ペロー型干渉装置４９の有効光路長をｄとす
ると、光束ｂにとつての有効光路長はｄ−λ₀／８
となる。第１の実施例に示した通り内部光路長が
λ₀／８だけ異なる第２のフアブリ・ペロー型干渉
装置４９Ａ，４９Ｂを通過した２つの光出力を
I₀，I₁とすると、この２つの出力の変化を知るこ
とにより第１のフアブリ・ペロー型干渉装置の内
部光路長の変化を知ることが可能となる。実際、
第２の実施例においても、第３図Ａ，Ｂに示され
ている第１の実施例における出力特性とほぼ同等
の結果が得られた。

尚、第２のフアブリ・ペロー型干渉装置４９を
領域４９Ａに相当する素子と領域４９Ｂに相当す
る素子とに分割し、独立に配置する構成とするこ
とも可能である。この場合配置条件について自由
度が増すため、例えばプリズム４８に相当する光
路変換素子を省略することができる。

第１及び第２の実施例において、第１のフアブ
リ・ペロー型干渉装置を経由した光束を一部分受
光し、その出力に対して受光素子４５及び４６の
出力を規格化することによつて、受光源光量変動
や光量の損失変動をほとんど打消し、安定な出力
を得ることが可能である。また、第１及び第２の
フアブリ・ペロー型干渉装置をどちらも空洞型と
したが、第１と第２のフアブリ・ペロー型干渉装
置を互いに別々の構成としてもよい。例えば第１
のフアブリ・ペロー型干渉装置は干渉計内部の媒
質の光路長ndが検知すべき物理量によつて変化
し得る様に構成し第２のフアブリ・ペロー型干渉
装置を空洞型としてもよい。また、フアブリ・ペ
ロー型干渉装置はシングルモード光フアイバーを
切断し、必要に応じて両端に増反射処理を施した
いわゆるフアイバーフアブリ・ペローであつても
よい。

なお、本実施例の構成は、内部が空洞のフアブ
リ・ペロー型干渉装置を用いて各種の力学量を検
出する力学センサ例えば圧力・接触圧、音響、振
動荷重センサ等に適用することができ、さらにフ
アブリ・ペロー干渉装置内部の媒質として熱膨張
率の大きい材料を使つて温度センサ、湿度によつ
て膨潤する材料を使つて湿度あるいは結露セン
サ、フアブリ・ペロー型干渉装置の半透光性ミラ
ーの一方を被測定物に設置して位置の変化を検出
する微小変化センサ等の如く種々のセンサとして
応用することができるものである。

また、反射鏡間隔がその他の物理量例えば電
気、磁気によつて変化する様に構成することとす
ればほとんどあらゆる物理量を検知することが可
能である。

＜発明の効果＞以上の様に、本発明の光学式センサは第１のフ
アブリ・ペロー型干渉装置を経由したただ１つの
光から非常に簡単な構造で２つの独立した信号を
得ることができ、それによつて何周期にもわたる
光量変化に対応する広ダイナミツクレンジの被検
出物理量を把えることができるという特徴を有す
る。これによつて、従来型の光学式センサに比べ
てはるかに簡単に高精度で広ダイナミツクレンジ
の光学式センサが得られ、その実用価値は非常に
大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す光学式セ
ンサの構成図である。第２図は第１及び第２の実
施例における第１のフアブリ・ペロー型干渉装置
４２の説明図である。第３図は第１図に示す実施
例によつて得られたフオトダイオードの特性を示
す特性図である。第４図は本発明の第２の実施例
を示す光学式センサの構成図である。第５図は第
４図における第２のフアブリ・ペロー型干渉装置
４９の構造図である。第６図及び第７図は従来の
光学式センサの構成を示す構成図である。第８図
は第７図に示す光学式センサの動作説明に供する
説明図である。第９図は第７図に示す光学式セン
サの特性を示す特性図である。４１……発光ダイオード、４２……第１のフア
ブリ・ペロー型干渉装置、４３，４９……第２の
フアブリ・ペロー型干渉装置、４４……回折格
子、４５，４６……フオトダイオード、４７……
ビームスプリツタ、４８……プリズム。

Claims

【特許請求の範囲】１異なる干渉特性に対して共にピークがでる程
度に、波長幅を有する光源と、被測定物の物理量
によつて干渉特性の変化する第１のフアブリ・ペ
ロー型干渉装置と、光束を分割する光分岐装置
と、２つの光束に対して結果的に異なる干渉特性
を有する第２のフアブリ・ペロー型干渉装置と、
前記光源より出力され前記第１のフアブリ・ペロ
ー型干渉装置及び前記光分岐装置を経由しかつ前
記光分岐装置によつて分割され前記第２のフアブ
リ・ペロー型干渉装置を経由した第１の光速を受
光する第１の受光素子と、前記光分岐装置によつ
て前記第１の光束とは異なる光束として分割され
前記第２のフアブリ・ペロー型干渉装置を経由し
た第２の光束を受光する第２の受光素子と、該第
１及び第２の受光素子からの出力信号を比較して
被測定物の物理量を求める回路と、を具備して成
ることを特徴とする光学式センサ。２前記第１及び第２の光束は前記第２のフアブ
リ・ペロー型干渉装置への入射角が異なる特許請
求の範囲第１項記載の光学式センサ。３異なる干渉特性に対して共にピークがでる程
度に、波長幅を有する光源と、被測定物の物理量
によつて干渉特性の変化する第１のフアブリ・ペ
ロー型干渉装置と、光束を分割する光分岐装置
と、２つの光束に対して結果的に異なる干渉特性
を有する第２及び第３のフアブリ・ペロー型干渉
装置と、前記光源より出力され、前記第１のフア
ブリ・ペロー型干渉装置及び前記光分岐装置を経
由しかつ前記光分岐装置によつて分割され前記第
２のフアブリ・ペロー型干渉装置を経由した第１
の光束を受光する第１の受光素子と、前記光分岐
装置によつて前記第１の光束とは異なる光束とし
て分割され前記第３のフアブリ・ペロー型干渉装
置を経由した第２の光束を受光する第２の受光素
子と、該第１及び第２の受光素子からの出力信号
とを比較して被測定物の物理量を求める回路と、
を具備して成ることを特徴とする光学式センサ。