JPH0481753B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は光フアイバを用い、物体の速度等を測
定する光フアイバを用いた測定装置に関するもの
である。

〔従来技術とその問題点〕

光フアイバを用いて例えば物体の速度を測定す
る光フアイバ速度計としては、光フアイバの先端
から物体に照射され反射されてきたレーザ光と、
レーザ光源からのレーザ光との光ビートによりド
ツプラー効果に基づいて物体の速度を測定する装
置が知られている。第６図はこのような従来の光
フアイバ速度計の一例を示すものである。本図に
おいて、He−Neレーザ等のレーザ光源１より得
られるレーザ光が、レンズ２を介して偏光ビーム
スプリツタ３に与えられる。そのレーザ光が偏光
ビームスプリツタ３を透過する方向にレーザ光源
１の偏光を合わせておくものとすると、レーザ光
は偏光ビームスプリツタ３を透過してレンズ４に
与えられる。レーザ光はレンズ４によつて集光さ
れ、光フアイバ５に入射される。光フアイバ５は
マルチモードの光フアイバが用いられ、レーザ光
が光フアイバを通過する際にランダム偏光とな
る。光フアイバ５の先端は被測定物体が通過する
領域にまで延長されており、レーザ光は光フアイ
バ５を伝播してその先端より放射される。

さて被測定物体６が図示のように光フアイバ５
の先端に接近してくるとすると、放射されたレー
ザ光はこの被測定物体６によつて反射されて再び
光フアイバ５に照射される。一方光フアイバ５の
先端面５ａだけに無反射コーテイングを施さなけ
れば先端面５ａに於いてもレーザ光は反射される
（以下このレーザ光を参照光という）。ここで、被
測定物体６による反射光だけがドツプラー効果に
より被測定物体６の速度に比例して周波数偏移
（ドツプラーシフト）を受けることとなる。従つ
てこのレーザ光には信号成分が含まれているの
で、以下このレーザ光を信号光という。これらの
参照光及び信号光は共に光フアイバ５を逆方向に
進行し、レンズ４を介して再び偏光ビームスプリ
ツタ３に与えられる。参照光及び信号光は共にラ
ンダム偏光となつているので、これらのレーザ光
のうち入射レーザ光と同一の偏光成分のレーザ光
はいずれも偏光ビームスプリツタ３を透過し、こ
れと直角の偏光成分を有するレーザ光は偏光ビー
ムスプリツタ３によつて反射されて、光電変換器
７に与えらえる。光電変換器７では、光ビートに
よりこれらの反射光の周波数の差、即ちドラツプ
ラーシフトに基づく周波数の電気信号が得られ
る。従つて、この信号の周波数を周波数測定器８
によつて測定し、そのデータに基づいて信号処理
部９により信号処理することにより被測定物体６
の速度を測定することが可能となる。

しかしながら、このような従来の光フアイバ速
度計にあつては、レーザ光源１から発振するレー
ザ光をを光フアイバ５に伝えると共に被測定物か
らの反射光を光電変換器７に与える偏光ビームス
プリツタ３が必要である。しかも信号光及び参照
光の偏光面はランダムであるため偏光ビームスプ
リツタ３によりその一部だけが反射されて光電変
換器７に伝えられるため、信号レベルが低くなる
という問題点があつた。又偏光ビームスプリツタ
３を介してレーザ光源１に戻る参照光や信号光が
レーザ光源１に悪影響を与え、レーザ光の発振強
度や周波数等が変動するという問題があつた。特
に全体を小型化するためレーザ光源に半導体レー
ザを用いることが考えられるが、半導体レーザは
レーザ光の戻り光により発振モードが著しい影響
を受けるため、レーザ光源１とレンズ２との間に
高価なアイソレータを設けてレーザ光の戻り光を
防止しなければならず、装置が複雑になるという
問題点があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の光フアイバを用いた
測定装置の問題点に鑑みてなされたものであつ
て、レーザ光源より出射されるレーザ光を直接光
フアイバに与えることによつて装置を小型・軽量
化することができる光フアイバを用いた測定装置
を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成と効果〕

本発明による光フアイバを用いた測定装置は、
一方の端面が中心軸に対し垂直な線から所定のテ
ーパ角を傾けてテーパ面として構成され、該テー
パ角は外部からテーパ面を介して光ビームが入射
し光フアイバ内よりテーパ面に達した光ビームが
該テーパ面で全反射する角度に選択され、他方の
端面が被測定領域に導かれた光フアイバと、光フ
アイバのテーパ面に対して所定の角度に配置さ
れ、レーザ光を光フアイバに入射させるレーザ光
源と、光フアイバを通過し被測定対象により反射
され光フアイバを逆方向に伝播して光フアイバの
テーパ面に達したレーザ光の全反射光を受光し、
光信号を電気信号に変換する光電変換器と、光電
変換器の出力周波数を測定する周波数測定器と、
を具備することを特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、光フ
アイバの端面をテーパ状に加工することによつて
偏光ビームスプリツタ等の高価な部品を用いるこ
となく、入射光と出射光とを分離することが可能
である。又反射光は光フアイバのテーパ面で全反
射されるためレーザ光源に戻り戻る光がなくな
り、レーザ光の発振に悪影響を与えることがな
い。そのためアイソレータ等を設けることなくレ
ーザ光源として半導体レーザを用いることが可能
である。従つて偏光ビームスプリツタが不要なこ
とと合わせて装置を極めて小型・軽量化すること
が可能となる。

〔実施例の説明〕

（発明の原理） 次に本発明の原理について説明する。本発明の
光フアイバを用いた測定装置は、第２図に示すよ
うに、光フアイバ１０の中心軸１０ｃに対して垂
直な線１０ｖから所定のテーパ角αを傾けてテー
パ面１０ａとして端面を斜めに切断し、切断した
テーパ面１０ａに対して鋭角でレーザ光を入射さ
せ、又テーパ面１０ａで反射した光を出射させる
ようにしたものである。第２図において光フアイ
バ１０のコア部の屈折率をn₁、クラツド部の屈折
率をn₂とし光フアイバ１０の端面を切断した角
（以下テーパ角という）をαとする。

ここでこの光フアイバ１０の入射特性を考察す
るためにテーパ角αに対して適切な入射角を求め
る。通常光フアイバの許容入射角は開口数NAに
より定められる。開口数NAと光フアイバの内部
の臨界角θcとの間には次式の関係が成立つことが
知られている。

NA＝n₁sinθc≒√2×n₁ ……(1) 但しΔは比屈折率差であり（n₁−n₂）／n₁で表
される。この式より屈折率n₁及びNAから臨界角
θcが求まる。例えば比屈折率差Δを0.01、開口数
NAを0.2とすると、屈折率n₁は1.41、臨界角θcは
約8.2°となる。

そしてこの光フアイバ１０のテーパ面１０ａの
コアの中心にテーパ面の法線に対して夫々θ1、θ2
の角度を有する光ビームが入射し、光フアイバ１
０のコア内で夫々α−θc、α＋θcを成す方向に進
んだものとすると、スネルの法則より次式が成り
立つ。

n₁sin（α−θc）＝sinθ1 n₁sin（α＋θc）＝sinθ2 ……(2) 但しθ1、θ2＜π／２ 従つて端面がテーパ面１０ａとして加工された
光フアイバ１０に対しての入射角はこの角度θ1と
θ2の間の光ビームである必要があり、その許容入
射角θi（＝θ2−θ1）は次式で表される。

θi＝sin^-1（n₁sin（α＋θc）） −sin^-1（n₁sin（α−θc）） ……(3) そしてこのテーパ角αを10°、30°、45°としたとき
には、許容入射角θiは夫々第３図ａ，ｂ，ｃに示
すように変化する。そしてテーパ角αが約45°で
許容入射角θiの一部が光フアイバ１０のテーパ面
１０ａと一致するため、以後許容入射角θiが減少
する。従つてテーパ角αに対する許容入射角θiの
変化は第４図に示すものとなり、テーパ角が30°
〜45°付近で急激に上昇し以後低下する。そして
光ビームを光フアイバ１０に入射させることがで
きなくなる限界角は、入射角θ1がテーパ面１０ａ
に一致するとき、即ちθ1が90°の場合であるため
第(2)式よりテーパ角αの限界角は次式により求ま
る。

α＝sin（１／n₁）＋θc 例えば前述の光フアイバでは限界化は53.37°と
なつている。

次に第５図を参照しつつ光フアイバ１０のテー
パ面１０ａからの出射特性について考察する。光
フアイバ１０のコア内を通過する光は図示のよう
に臨界角θc以下の反射角を有している。そしてこ
の透過光が光フアイバ１０のテーパ面１０ａで全
反射する条件は次式で示される。

θ3＞sin（１／n₁） θ3＝α−θc ……(4) ここでコア部の屈折率n₁を1.41とすると、α＞
53.37°のときに全反射することとなる。又テーパ
面１０ａで全く反射が起こらない条件は次式で示
される。

θ4＞sin（１／n₁） θ4＝α＋θc ……(5) 従つて限界角は次式 α＝sin（１／n₁）−θc であり、この光フアイバではα＜36.97°のときに
反射が起こらないこととなる。そしてテーパ角α
がsin（１／n₁）−θcとsin（１／n₁）＋θcの角度の間
（この例では36.97°＜α＜53.37°）にあれば、出射
範囲角θoは直線的に減少する。従つてテーパ角
αに対する出射角θoの変化は第４図に示すもの
となる。そして第４図に入射角θi、出射角θcが重
なり合うテーパ角αの範囲内で光フアイバ１０の
テーパ面１０ａに対して入出射が行われることと
なる。

（実施例の構成） 次に本発明の光フアイバを用いた測定装置の一
実施例について説明する。第１図は本発明による
光フアイバ速度計の一実施例を示すブロツク図で
ある。本実施例ではレーザ光源として半導体レー
ザ１１を用い、そのレーザ光をレンズ１２によつ
て集光してテーパ面１０ａを有する光フアイバ１
０に与える。このテーパ角αは前述したように許
容入射角θiと出射角θoが重なり合う範囲、例えば
前述の光フアイバの例では36.97°〜53.37°の間、
好ましくは第４図の２つの曲線が交わるテーパ角
α（約51°）に選択するものとする。このとき光フ
アイバ１０のテーパ角αからレーザ光が光フアイ
バ１０内に入射されるような角度に半導体レーザ
１１を配置しておくものとする。そして光フアイ
バ１０の他方の先端部１０ｂを被測定領域に配置
する。一方光フアイバ１０のテーパ面１０ａで全
反射され、クラツド部を介して外部に出射する光
を受光するために、図示のようにテーパ面１０ａ
より大きい傾きを有する光軸上に集光レンズ１３
を介して光電変換器７を設ける。そして光電変換
器７より得られる電気信号の周波数を測定する周
波数測定器８、及びその測定値に基づいて被測定
物体の速度を演算する信号処理部９を設けること
は従来例と同様である。

（実施例の動作） 次に本実施例の動作について説明する。半導体
レーザ１１から得られるレーザ光は集束レズン１
２を介して光フアイバ１０のテーパ面１０ａに与
えられ。テーパ面１０ａより光フアイバ１０に入
射されて被測定領域にまで伝送され他方の端面１
０ｂより出射される。さて被測定領域の光フアイ
バ１０の端面１０ｂの前方に被測定物体６が通過
した場合には、このレーザビームからの反射光が
端面１０ｂより再び光フアイバ１０に与えられ
る。この反射されたレーザ光は被測定物体６の速
度に比例したドツプラーシフト（Δf）を受ける
ため、信号光の周波数はfo＋Δfとなる。又光フ
アイバ１０の端面１０ｂには無反射コーテイング
が施されていないため、光フアイバ１０を伝播し
たレーザ光の一部がそのまま反射されて周波数fo
を有する参照光として信号光と共に光フアイバ１
０を逆方向に伝播する。そしてテーパ面１０ａに
達すると、信号光及び参照光はテーパ面１０ａで
前述したように全反射し、集光レンズ１３によつ
て集光されて光電変換器７に与えられる。光電変
換器７では参照光及び信号光の光ビームによるヘ
テロダイン検波が行われ、これらのレーザ光の周
波数の差、即ちドツプラーシフトに基づく周波数
Δfの電気信号が得られる。周波数測定器８でこ
の信号の周波数（Δf）を測定し、得られたデー
タを信号処理部９によつて処理することにより速
度情報を得ることができる。

尚、ここでは実施例を被測定物体の瞬時の速度
を測定する装置として説明したが、瞬時速度を連
続的に測定することにより物体の振動を測定する
装置として用いることも可能である。

又本発明は物体の速度や振動を測定する装置の
他に、光フアイバを用いてレーザ光を双方向に通
過させ、光フアイバの端面で出射光と入射光を分
離する種々の装置に応用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光フアイバを用いた測定
装置の一実施例を示すブロツク図、第２図は光フ
アイバの端面をテーパ面とした光フアイバの入射
状態を示す原理図、第３図ａ、第３図ｂ、及び第
３図ｃはテーパ角αに対する許容入射角の変化を
示す図、第４図はテーパ角αに対する許容入射角
θi及び出射角θoの変化を示すグラフ、第５図は光
フアイバのテーパ面からの出射状態を示す原理
図、第６図は従来の光フアイバを用いた速度計の
構成を示すブロツク図である。 １……レーザ光源、２，４，１２……レンズ、
３……偏光ビームスプリツタ、５，１０……光フ
アイバ、１０ａ……テーパ面、６……被測定物
体、７……光電変換器、８……周波数測定器、９
……信号処理部、１１……半導体レーザ、１３…
…集光レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方の端面が中心軸に対し垂直な線から所定
   のテーパ角を傾けてテーパ面として構成され、該
   テーパ角は外部から該テーパ面を介して光ビーム
   が入射し、光フアイバ内より該テーパ面に達した
   光ビームが該テーパ面で全反射する角度に選択さ
   れ、他方の端面が被測定領域に導かれた光フアイ
   バと、 前記光フアイバのテーパ面に対して所定の角度
   に配置され、レーザ光を前記光フアイバに入射さ
   せるレーザ光源と、 前記光フアイバを通過し被測定対象により反射
   され前記光フアイバを逆方向に伝播して前記光フ
   アイバのテーパ面に達したレーザ光の全反射光を
   受光し、光信号を電気信号に変換する光電変換器
   と、 前記光電変換器の出力周波数を測定する周波数
   測定器と、を具備することを特徴とする光フアイ
   バを用いた測定装置。 ２ 前記レーザ光源は、半導体レーザであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光フア
   イバを用いた測定装置。 ３ 前記光フアイバのテーパ角αは、光フアイバ
   のコア部の屈折率をn₁、臨界角をθcとしたとき
   sin（１／n₁）−θcからsin（１／n₁）＋θcの間に選択
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光フアイバを用いた測定装置。