JPH0651040A - 光学式磁界測定装置 - Google Patents

光学式磁界測定装置

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JPH0651040A
JPH0651040A JP4201707A JP20170792A JPH0651040A JP H0651040 A JPH0651040 A JP H0651040A JP 4201707 A JP4201707 A JP 4201707A JP 20170792 A JP20170792 A JP 20170792A JP H0651040 A JPH0651040 A JP H0651040A
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JP
Japan
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light
polarized wave
linearly polarized
electric signal
magnetic field
Prior art date
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Application number
JP4201707A
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English (en)
Inventor
Kunio Miyahara
邦雄 宮原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 平行光線を角速度ωで回転する偏光子1に入
射して透過光Ea と反射光Eb に分離し、透過光Ea
ファラデ―効果材2を透過させて直線偏光波E1とし、
この直線偏光波E1 と反射光Eb を夫々電気信号に変換
して電気信号の位相差からファラデ―回転角を求める光
学式磁界測定装置。 【効果】 測定精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はファラデ―効果を利用し
て磁界強度の測定を行う光学式磁界測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のファラデ―効果を利用した光学式
磁界測定装置について図7を参照して説明する。
【0003】電界ベクトル成分E0 の直線偏光波(以下
直線偏光波E0 という)を出射する光源71の光軸上にフ
ァラデ―効果材72を配設する。ファラデ―効果材72は強
度Hの磁界中にあり、この磁界の影響を受けて直線偏光
波E0 はファラデ―効果材72を透過すると偏波面がファ
ラデ―回転角θだけ回転した直線偏光波E1 になる。こ
の直線偏光波E1 の光軸上に、直線偏光波E1 を偏波面
が直交する2つの直線偏光波Ex ,Ey に分離する検光
子73を配設する。検光子73は偏光ビ―ムスプリッタある
いはウオラストンプリズム等から成る。直線偏光波
x ,Ey の夫々の光軸上には直線偏光波Ex ,Ey
電気信号に変換する受光器74a,74b及び夫々の電気信
号を増幅する増幅器75a,75bを配設する。受光器74a
と増幅器75aは第1の光電変換器76aを構成し、受光器
74bと増幅器75bは第2の光電変換器76bを構成する。
光電変換器76a,76bの出力IX ,IY は演算回路77に
入力される。
【0004】このような従来の光学式磁界測定装置の動
作原理について説明る。光源71から出射された直線偏光
波E0 はファラデ―効果材72を透過することによって偏
波面がファラデ―回転角θだけ回転した直線偏光波E1
となる。磁界の強度Hとファラデ―回転角θの間には式
(1)の関係がある。
【0005】
【数1】θ=V・H・L …(1)
【0006】ここでVはヴェルデ定数と呼ばれ、物質に
より異なるファラデ―効果の感度を表す定数、Lはファ
ラデ―効果材72の磁界方向の長さである。直線偏光波E
1 と直交する2つの直線偏光波EX 、EY の間には、夫
【0007】
【数2】 の関係が成立する。直線偏光波Ex ,Ey は光電変換器
76a,76bによって夫々出力IX ,IY に変換される。
X ,KY を夫々の光電変換器76a,76bの利得とする
と、出力IX ,IY と直線偏光波Ex ,Ey の間には、
夫々
【0008】
【数3】 の関係が成立する。式(3)より以下に示す式(4)が
導かれる。
【0009】
【数4】
【0010】即ち、第1の光電変換器76aの出力IX
第2の光電変換器76bの出力IY を演算回路77に入力
し、式(4)の演算を行うことによってファラデ―回転
角θが求められる。式(4)から明らかなように、光源
71から出射される直線偏光波E0 の光強度が変動しても
出力比(IX /IY )は一定であるため、光源の光強度
とは無関係にファラデ―回転角θを求めることができ
る。求められたファラデ―回転角θを式(1)に代入し
て磁界の強度Hが得られる。
【0011】しかしながらこのような従来の光学式磁界
測定装置において正確な磁界測定を行うためには、2つ
の光電変換器76a,76bの利得の比(KY /KX )を一
定にしなければならない。光電変換器76a,76bの利得
X ,KY は検光子73から受光器74a,74bまでの光フ
ァイバ―などによる光損失,受光器74a,74bの経年変
化による感度のバラツキ,増幅器75a,75bの利得変化
またドリフト等の影響を受けて不規則に変化する。この
ため光電変換器の利得の変化によって測定精度が低下す
るという問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の光
学式磁界測定装置は光電変換器の利得が変化すると測定
精度が低下するという問題があった。そこで本発明の目
的は光電変換器の利得変化の影響を受けず、高精度の磁
界測定が可能な光学式磁界測定装置を提供することにあ
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、平行光線を出射する光源と、この
平行光線を直線偏光の反射光と直線偏光の透過光とに分
離する偏光子と、この偏光子を前記透過光の光軸を中心
に回転させる回転機構と、前記透過光を入射し直線偏光
波を出射するファラデ―効果材と、この直線偏光波から
特定の偏波面方位角成分の直線偏光波を抽出する検光手
段と、この抽出された直線偏光波を入射して電気信号に
変換する第1の受光手段と、前記反射光を入射して電気
信号に変換する第2の受光手段と、前記第1の受光手段
と前記第2の受光手段で変換された電気信号の位相差を
検出する位相検出手段とを備えたことを特徴とする光学
式磁界測定装置を提供する。
【0014】
【作用】本発明の作用について図4乃至図6を参照して
説明する。
【0015】図4に示すように、図示していない光源を
出射した無偏光の平行光線は直線偏光の透過光Ea の光
軸を中心に角速度ωで回転している偏光子1に入射す
る。偏光子1は平行光線を直線偏光の透過光Ea と直線
偏光の反射光Eb に分離するが、偏光子1の回転によっ
て透過光Ea の偏波面は、図5に示すように偏光子1と
同様に角速度ωで回転する。透過光Ea は図4に示すよ
うにファラデ―効果材2に入射し、図5に示すように透
過光Ea とは偏波面がファラデ―回転角θだけ異なる直
線偏光波E1 に変換される。直線偏光波E1 も透過光E
a と同様に角速度ωで回転する。回転している直線偏光
波E1 を、検出手段である検光子3に入射すると直線偏
光波E1 の光強度の余弦成分を振幅とし、特定の偏波面
方位角成分のみを有する直線偏光波E2 が出射される。
即ち、
【0016】
【数5】E2 =|E1 | cos(ωt−θ) …(5) の関係が成立する。この直線偏光波E2 の光強度P2
下記の式(6)で表わされる。
【0017】
【数6】 P2 =|E2 2 =E1 2 {1+ sin2(ωt−θ)}/2…(6) 光強度P2 の直線偏光波E2 は図4に示すように第1の
受光手段である光電変換器4に入射して電気信号V2
変換される。ここで光電変換器4の利得をKとすると電
気信号V2 は式(7)によって表される。
【0018】
【数7】 V2 =KP2 =KE1 2 {1+ sin2(ωt−θ)}/2 …(7) 式(7)からわかるように電気信号V2 は周期ω/πで
位相が2θ進んだ正弦波である。
【0019】一方反射光Eb は図4に示すように第2の
光電変換器5に入射して、パルスの電気信号REFに変
換される。電気信号REFは図6に示すように偏光子1
が1回転する毎に出力され、出力の周期は偏光子1の回
転周期と同様2π/ωである。
【0020】従って図6に示すように電気信号REFを
基準信号とし、電気信号V2 の2周期ごとのゼロクロス
信号を電気信号REFと比較すると、2つの電気信号V
2 ,REFの位相差2θが得られる。位相差2θはファ
ラデ―回転角θの2倍であるから、位相検出手段6で位
相差を検出してファラデ―回転角θを求めることができ
る。
【0021】
【実施例】以下に本発明による光学式磁界測定装置の一
実施例について図1乃至図3を参照して説明する。なお
図1において図4の構成要素と同一の要素については同
じ番号を付与し説明を省略する。
【0022】図1に示すように半導体レ―ザあるいは発
光ダイオ―ド等から成る光源7の出射光の光軸上に、こ
の出射光を平行光線に偏向するコリメ―タ8を配設す
る。平行光線の光軸上には、中空軸モ―タ9を接続した
偏光子1を配設する。偏光子1は平行光線を直線偏光の
透過光Ea と直線偏光の反射光Eb に分離し、この透過
光Ea の光軸を中心に中空軸モ―タ9によって一定の角
速度ωで回転させられている。透過光Ea の光軸上に
は、透過光Ea を偏波面がファラデ―回転角θだけ回転
した直線偏光波E1 に変換するファラデ―効果材2を配
設する。直線偏光波E1 の光軸上には直線偏光波E1
ら、特定の偏波面方位角成分の直線偏光波E2 を抽出す
る検光子3を配設する。直線偏光波E2 の光軸上には直
線偏光波E2を電気信号V2 に変換する第1の受光手段
である光電変換器4を配設する。光電変換器4には電気
信号V2 を、電気信号V2 のゼロクロス信号である電気
信号SIGに変換する波形成形回路6aを接続する。波
形成形回路6aは図2に示すようにAC増幅器61,コン
パレ―タ62及び単安定マルチバイブレ―タ62を直列に接
続して構成されている。
【0023】一方反射光Eb の光軸上には図1に示すよ
うに反射光Eb を電気信号REFに変換する、第2の受
光手段である光電変換器5を配設する。光電変換器5と
波形成形回路6a,波形成形回路6aと位相検出回路6
bを夫々電気的に接続する。波形成形回路6aと位相検
出回路6bは位相検出手段を構成する。次に作用につい
て説明する。
【0024】前述したように透過光Ea と直線偏光波E
1 は偏光子1の回転速度である角速度ωで回転してい
る。検光子3で抽出された直線偏光波E2 とファラデ―
効果材を透過した直線偏光波E1 との間には式(5),
(6),(7)の関係が成立し、直線偏光波E2 を光電
変換して得られた電気信号V2 は周期π/ωで位相が2
θ進んだ正弦波である。
【0025】図3(b)に示す波形の電気信号V2 は、
図2に示すAC増幅器61に入力され、交流成分のみが抽
出されて図3(c)に示す電気信号ACになる。電気信
号ACは電気信号V2 と同様に周期π/ωで位相が2θ
進んだ正弦波である。電気信号ACはコンパレ―タ62に
入力され、正極性期間の信号のみが方形波に変換された
図3(d)に示す電気信号CMPとなる。電気信号CM
Pは単安定マルチバイブレ―タ63に入力され、単安定マ
ルチバイブレ―タ63は電気信号CMPの立ち上がり時に
図3(e)に示す幅の狭いパルスの電気信号SIGを出
力する。即ち、電気信号SIGは電気信号V2 のゼロク
ロス信号に該当する。
【0026】図3(a)に示すパルスの電気信号REF
と電気信号SIGはフリップフロップ回路で構成される
位相検出回路6bに入力される。位相検出回路6bにお
いては、基準信号である電気信号REFの入力で出力が
立ち上がり、電気信号SIGの入力で出力が立ち下が
る。電気信号REF,SIGの位相差は2θであるか
ら、位相検出回路6bの出力信号である電気信号OUT
のパルス幅は図3(f)に示すように2θである。この
ように位相検出回路6bの出力信号のパルス幅からファ
ラデ―回転角θを求めることができ、式(1)から磁界
の強度がわかる。
【0027】以上のように本実施例によれば偏光子1を
透過光Ea の光軸を中心に回転させ、電気信号SIG,
REFの位相差からファラデ―回転角θを求める構成と
したため光電変換器4,5の利得変動には影響されずに
磁界の強度を正確に測定できる。また、従来の光学磁界
測定装置では出力が sin2θとして検出されるので、測
定精度を必要とする場合には検出範囲が狭くなり、その
対策として逆三角関数の演算回路が必要であったが、本
実施例では、電気信号OUTのパルス幅がファラデ―回
転角θに比例するので、演算回路は不要となる。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば偏光子を透
過光の光軸を中心に回転させ、第1及び第2の受光手段
で変換された電気信号の位相差からファラデ―回転角を
求める構成としたため光電変換器の利得変動に左右され
ず、高精度の磁界の測定を行うことができるという効果
を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す光学式磁界測定装置の
構成図
【図2】図1に示した波形成形回路及び位相検出回路の
詳細を示すブロック構成図
【図3】本発明の一実施例である光学式磁界測定装置の
タイミング波形図
【図4】本発明の磁界測定装置の基本構成を説明するブ
ロック構成図
【図5】図4における直線偏光波の偏波面方位角の関係
を示すベクトル図
【図6】図4の作用を説明するためのタイミング波形図
【図7】従来の光学式磁界測定装置のブロック構成図で
ある。
【符号の説明】
1…偏光子、2…ファラデ―効果材、3…検光子、4,
5…光電変換器、6a…波形成形回路、6b…位相検出
回路、7…光源、9…回転機構。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平行光線を出射する光源と、この平行光
    線を直線偏光の反射光と直線偏光の透過光とに分離する
    偏光子と、この偏光子を前記透過光の光軸を中心に回転
    させる回転機構と、前記透過光を入射し直線偏光波を出
    射するファラデ―効果材と、この直線偏光波から特定の
    偏波面方位角成分の直線偏光波を抽出する検光手段と、
    この抽出された直線偏光波を入射して電気信号に変換す
    る第1の受光手段と、前記反射光を入射して電気信号に
    変換する第2の受光手段と、前記第1の受光手段と前記
    第2の受光手段で変換された電気信号の位相差を検出す
    る位相検出手段とを備えたことを特徴とする光学式磁界
    測定装置。
JP4201707A 1992-07-29 1992-07-29 光学式磁界測定装置 Pending JPH0651040A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9982125B2 (en) 2012-02-16 2018-05-29 Eastman Chemical Company Clear semi-crystalline articles with improved heat resistance
CN113567351A (zh) * 2021-06-10 2021-10-29 四川大学 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法

Cited By (3)

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