JPH07248339A - 光学式センサ - Google Patents
光学式センサInfo
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- JPH07248339A JPH07248339A JP6038334A JP3833494A JPH07248339A JP H07248339 A JPH07248339 A JP H07248339A JP 6038334 A JP6038334 A JP 6038334A JP 3833494 A JP3833494 A JP 3833494A JP H07248339 A JPH07248339 A JP H07248339A
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- optical sensor
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- optical
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ポッケルス効果を利用する光学式センサにおる
温度依存性を低減して測定精度を向上させる。 【構成】光源１１から受光部１２間に形成される光路に
レンズ１３ａ、偏光子１４、ポッケルス素子１５、波長
板１６および検光子１７を配置してなる光学式センサで
あり、ポッケルス素子１５に対する入射光の入射角度を
周囲温度に対応して変化させる入射角調整手段１９を備
え、波長板１６の温度依存性に起因する出力変化率と入
射角度の変化に起因する出力変化率を互いに相殺して、
センサの温度依存性を低減させる。
温度依存性を低減して測定精度を向上させる。 【構成】光源１１から受光部１２間に形成される光路に
レンズ１３ａ、偏光子１４、ポッケルス素子１５、波長
板１６および検光子１７を配置してなる光学式センサで
あり、ポッケルス素子１５に対する入射光の入射角度を
周囲温度に対応して変化させる入射角調整手段１９を備
え、波長板１６の温度依存性に起因する出力変化率と入
射角度の変化に起因する出力変化率を互いに相殺して、
センサの温度依存性を低減させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ポッケルス効果を利用
した光電界センサ、光電圧センサ等の光学式センサに関
する。
した光電界センサ、光電圧センサ等の光学式センサに関
する。
【０００２】
【従来の技術】光学式センサの一形式として、例えば特
開平１−２４４３７６号公報に示されているように、光
源から受光部までの間に形成される光路にレンズ、偏光
子、ポッケルス素子、波長板および検光子等の光学部品
をを配置してなる光学式センサがある。当該光学式セン
サにおいては、光源から出射した光がレンズに入射さ
れ、レンズにて平行光とされて偏光子に入射され、直線
偏光とされてポッケルス素子に入射される。入射光はポ
ッケルス素子において、印加された電圧、電界に応じて
直線偏波成分間に複屈折現象に起因する位相差が発生
し、波長板にて位相差にバイアスが付与されて検光子に
入射される。入射光は検光子にて印加電圧、印加電界に
応じた強度の変調光として出射され、受光部にて受光さ
れる。受光部においては、変調光が電気信号に変換され
てその直流成分で規格化され、印加電圧または印加電界
に応じた出力が得られる。
開平１−２４４３７６号公報に示されているように、光
源から受光部までの間に形成される光路にレンズ、偏光
子、ポッケルス素子、波長板および検光子等の光学部品
をを配置してなる光学式センサがある。当該光学式セン
サにおいては、光源から出射した光がレンズに入射さ
れ、レンズにて平行光とされて偏光子に入射され、直線
偏光とされてポッケルス素子に入射される。入射光はポ
ッケルス素子において、印加された電圧、電界に応じて
直線偏波成分間に複屈折現象に起因する位相差が発生
し、波長板にて位相差にバイアスが付与されて検光子に
入射される。入射光は検光子にて印加電圧、印加電界に
応じた強度の変調光として出射され、受光部にて受光さ
れる。受光部においては、変調光が電気信号に変換され
てその直流成分で規格化され、印加電圧または印加電界
に応じた出力が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、当該光学式
センサにおいては、波長板の温度依存性に起因してセン
サ出力が温度により変化するため、特に温度の異なる雰
囲気、温度が変化する雰囲気で使用した場合には、印加
電圧、印加電界を高精度に測定することができないとい
う問題がある。本発明者等は、当該光学式センサにおい
て、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度が変化す
ると、同ポッケルス素子からの出射光の光強度（出力）
が変化するという現象を知得た。従って、本発明の目的
はかかる現象を利用して、当該光学式センサにおける温
度依存性に起因する上記した問題に対処することにあ
る。
センサにおいては、波長板の温度依存性に起因してセン
サ出力が温度により変化するため、特に温度の異なる雰
囲気、温度が変化する雰囲気で使用した場合には、印加
電圧、印加電界を高精度に測定することができないとい
う問題がある。本発明者等は、当該光学式センサにおい
て、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度が変化す
ると、同ポッケルス素子からの出射光の光強度（出力）
が変化するという現象を知得た。従って、本発明の目的
はかかる現象を利用して、当該光学式センサにおける温
度依存性に起因する上記した問題に対処することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、光源から受光
部までの間に形成される光路にレンズ、偏光子、ポッケ
ルス素子、波長板および検光子を配置してなる光学式セ
ンサであって、前記ポッケルス素子に対する入射光の入
射角度を周囲温度に対応して変化させる入射角調整手段
を備えていることを特徴とするものである。当該光学式
センサにおいては、前記入射角調整手段として、前記各
光学部品の少なくとも１つを基板に固定する合成樹脂性
接着剤を採用して、同接着剤の周囲温度による熱膨張お
よび熱収縮の作用により前記入射角度を変化される構成
とすること、または前記入射角調整手段として、周囲温
度を感知して前記レンズからの出射光の出射角度を変化
させる駆動手段を採用することができる。
部までの間に形成される光路にレンズ、偏光子、ポッケ
ルス素子、波長板および検光子を配置してなる光学式セ
ンサであって、前記ポッケルス素子に対する入射光の入
射角度を周囲温度に対応して変化させる入射角調整手段
を備えていることを特徴とするものである。当該光学式
センサにおいては、前記入射角調整手段として、前記各
光学部品の少なくとも１つを基板に固定する合成樹脂性
接着剤を採用して、同接着剤の周囲温度による熱膨張お
よび熱収縮の作用により前記入射角度を変化される構成
とすること、または前記入射角調整手段として、周囲温
度を感知して前記レンズからの出射光の出射角度を変化
させる駆動手段を採用することができる。
【０００５】
【発明の作用・効果】当該光学式センサにおいて、波長
板の温度特性を考慮した場合の受光部での変調光量Ｉ
は、光源からの出射光量をＩ0、ポッケルス効果による
変調に依存する項をΓZ、波長板が付与する位相角の温
度変化率をｋ、定温２５℃からの温度変化分をΔＴとす
ると、下記数１式が得られる。
板の温度特性を考慮した場合の受光部での変調光量Ｉ
は、光源からの出射光量をＩ0、ポッケルス効果による
変調に依存する項をΓZ、波長板が付与する位相角の温
度変化率をｋ、定温２５℃からの温度変化分をΔＴとす
ると、下記数１式が得られる。
【０００６】
【数１】Ｉ＝（Ｉ0／２）×（１−ΓZ−ｋ・ΔＴ） また、ポッケルス素子の常光屈折率をｎ0、ポッケルス
素子の光学定数をγ22、ポッケルス素子における電極間
距離をｄ、光路方向の電極長さをＬ、印加される交流電
圧をＶ、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度をθ
0＋θとし、受光部で得られる規格化出力をＩoutとする
と、下記数２式および数３式が得られる。
素子の光学定数をγ22、ポッケルス素子における電極間
距離をｄ、光路方向の電極長さをＬ、印加される交流電
圧をＶ、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度をθ
0＋θとし、受光部で得られる規格化出力をＩoutとする
と、下記数２式および数３式が得られる。
【０００７】
【数２】ΓZ＝（２π／λ）×｛ｎ0 3・γ22・（Ｌ／
ｄ）Ｖ・ｃｏｓ（θ0＋θ）｝
ｄ）Ｖ・ｃｏｓ（θ0＋θ）｝
【０００８】
【数３】Ｉout＝（−２π／λ）×｛ｎ0 3・γ22・（Ｌ
／ｄ）Ｖ・ｃｏｓ（θ0＋θ）｝／（１−ｋ・ΔＴ） 従って、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度（θ
0＋θ）を変化させることにより、温度変化ΔＴに依存
しない出力Ｉoutが得られる。図１に示すグラフは波長
板の温度に対する受光部における出力変化率を示すもの
であり、また図２に示すグラフはポッケルス素子におけ
る入射光の入射角度に対する出力変化率を示している。
図２に示す入射角度（θ0＋θ）は図３に示すように、
同図（ｂ）に示す入射光の入射角度θ0を基準として、
同入射角度θ0を同図（ａ）に示すように小さい方向へ
変化させ、または同図（ｃ）に示すように大きい方向へ
変化させたものである。これらのグラフからも明かなよ
うに、ポッケルス素子における入射光の入射角度を温度
変化に対応して変化させることにより、これら両者の出
力変化率を相殺して温度に依存しない出力Ｉoutを得る
ことができて、測定精度を著しく向上させることができ
る。
／ｄ）Ｖ・ｃｏｓ（θ0＋θ）｝／（１−ｋ・ΔＴ） 従って、ポッケルス素子に対する入射光の入射角度（θ
0＋θ）を変化させることにより、温度変化ΔＴに依存
しない出力Ｉoutが得られる。図１に示すグラフは波長
板の温度に対する受光部における出力変化率を示すもの
であり、また図２に示すグラフはポッケルス素子におけ
る入射光の入射角度に対する出力変化率を示している。
図２に示す入射角度（θ0＋θ）は図３に示すように、
同図（ｂ）に示す入射光の入射角度θ0を基準として、
同入射角度θ0を同図（ａ）に示すように小さい方向へ
変化させ、または同図（ｃ）に示すように大きい方向へ
変化させたものである。これらのグラフからも明かなよ
うに、ポッケルス素子における入射光の入射角度を温度
変化に対応して変化させることにより、これら両者の出
力変化率を相殺して温度に依存しない出力Ｉoutを得る
ことができて、測定精度を著しく向上させることができ
る。
【０００９】
【実施例】図４には本発明の第１実施例に係る光学式セ
ンサ１０が示されている。当該光学式センサ１０は光源
１１から受光部１２間に形成される光路に第１ロッドレ
ンズ１３ａ、偏光子１４、一対の電極を有するポッケル
ス素子１５、１／４波長板１６、検光子１７および第２
ロッドレンズ１３ｂを配置してなるもので、これらの光
学部品は基板上に接着されている。当該光学式センサ１
０においては、第１ロッドレンズ１２ａを基板１８に接
着させている合成樹脂性接着剤層１９が断面三角形を呈
するクサビ形状になってる。接着剤層１８はエポキシ系
の接着剤からなるもので、第１ロッドレンズ１３ａの光
軸がポッケルス素子１５の入射面と直交する線に対して
所定角度を保持する形状になっている。
ンサ１０が示されている。当該光学式センサ１０は光源
１１から受光部１２間に形成される光路に第１ロッドレ
ンズ１３ａ、偏光子１４、一対の電極を有するポッケル
ス素子１５、１／４波長板１６、検光子１７および第２
ロッドレンズ１３ｂを配置してなるもので、これらの光
学部品は基板上に接着されている。当該光学式センサ１
０においては、第１ロッドレンズ１２ａを基板１８に接
着させている合成樹脂性接着剤層１９が断面三角形を呈
するクサビ形状になってる。接着剤層１８はエポキシ系
の接着剤からなるもので、第１ロッドレンズ１３ａの光
軸がポッケルス素子１５の入射面と直交する線に対して
所定角度を保持する形状になっている。
【００１０】当該光学式センサ１０においては、光源１
１として波長λ＝８５０ｎｍの発光ダイオード、偏光子
１４および検光子１７として偏光ビームスプリッタ、ポ
ッケルス素子１５としてＬｉＮｂＯ3の単結晶からなる
Ｚ軸が光軸に平行で電極間距離ｄ＝２ｍｍ、光路方向電
極長Ｌ＝５ｍｍの素子、波長板１６として水晶からなる
１／４波長板で屈折率楕円体主軸方向を偏光子１４から
の直線偏光面とは４５度の角度となる関係に配置したも
の、受光部１２として変調光を電気信号に変換してその
直流成分で規格化し電圧Ｖに比例した出力を得るものを
採用した。
１として波長λ＝８５０ｎｍの発光ダイオード、偏光子
１４および検光子１７として偏光ビームスプリッタ、ポ
ッケルス素子１５としてＬｉＮｂＯ3の単結晶からなる
Ｚ軸が光軸に平行で電極間距離ｄ＝２ｍｍ、光路方向電
極長Ｌ＝５ｍｍの素子、波長板１６として水晶からなる
１／４波長板で屈折率楕円体主軸方向を偏光子１４から
の直線偏光面とは４５度の角度となる関係に配置したも
の、受光部１２として変調光を電気信号に変換してその
直流成分で規格化し電圧Ｖに比例した出力を得るものを
採用した。
【００１１】当該光学式センサ１０においては、定温
（２５℃）時ポッケルス素子１５における入射光の入射
角度θ0が７．５度となるように、かつ１０℃の温度変
化に対して入射角度が１度変化するように、接着剤層１
９の熱膨張係数およびその形状を特定した。なお、ポッ
ケルス素子の電極には、Ｘ軸方向に交流電圧Ｖ＝１０ｖ
を印加している。これにより、接着剤層１９は温度変化
により熱膨張および熱収縮して第１ロッドレンズ１３ａ
の光軸を基準の光軸に対して変化させて、ポッケルス素
子１５における入射光の入射角度を温度変化に応じて変
化させ、ポッケルス素子１５では温度変化による熱膨張
および熱収縮に起因して図５に示す出力変化率が得ら
れ、この結果当該光学式センサ１０においては温度に対
する出力変化率が図６のグラフの通りとなる。かかる結
果では、温度依存性を完全に解消し得たとはいえない
が、図１のグラフに示す従来の光学式センサの出力変化
率に比較して極めて低減していることを示している。か
かる結果は、第１ロッドレンズ１３ａに換えて第２ロッ
ドレンズ１３ｂに接着剤層１９を採用した場合にも同様
である。
（２５℃）時ポッケルス素子１５における入射光の入射
角度θ0が７．５度となるように、かつ１０℃の温度変
化に対して入射角度が１度変化するように、接着剤層１
９の熱膨張係数およびその形状を特定した。なお、ポッ
ケルス素子の電極には、Ｘ軸方向に交流電圧Ｖ＝１０ｖ
を印加している。これにより、接着剤層１９は温度変化
により熱膨張および熱収縮して第１ロッドレンズ１３ａ
の光軸を基準の光軸に対して変化させて、ポッケルス素
子１５における入射光の入射角度を温度変化に応じて変
化させ、ポッケルス素子１５では温度変化による熱膨張
および熱収縮に起因して図５に示す出力変化率が得ら
れ、この結果当該光学式センサ１０においては温度に対
する出力変化率が図６のグラフの通りとなる。かかる結
果では、温度依存性を完全に解消し得たとはいえない
が、図１のグラフに示す従来の光学式センサの出力変化
率に比較して極めて低減していることを示している。か
かる結果は、第１ロッドレンズ１３ａに換えて第２ロッ
ドレンズ１３ｂに接着剤層１９を採用した場合にも同様
である。
【００１２】図７には本発明の第２実施例に係る光学式
センサ２０が示されている。当該光学式センサ２０にお
いては、第１実施例の光学式センサ１０と同一の光学部
品で構成されているので、光学式センサ１０の光学部品
と同一の光学部品には２０番台の類似の符号を付してそ
の説明を省略する。しかして、当該光学式センサ２０に
おいては、ポッケルス素子２５の基板２８に対する接着
剤層２９として第１実施例の光学式センサ１０の接着剤
層１８と同様のものが採用されている。従って、当該光
学式センサ２０においては、ポッケルス素子２５自身が
温度変化による接着剤層２９の熱膨張および熱収縮に起
因してその傾きを変化して、入射光の入射角度を温度変
化に応じて変化させ、第１実施例の光学式センサ１０と
同様の作用効果を奏するものである。
センサ２０が示されている。当該光学式センサ２０にお
いては、第１実施例の光学式センサ１０と同一の光学部
品で構成されているので、光学式センサ１０の光学部品
と同一の光学部品には２０番台の類似の符号を付してそ
の説明を省略する。しかして、当該光学式センサ２０に
おいては、ポッケルス素子２５の基板２８に対する接着
剤層２９として第１実施例の光学式センサ１０の接着剤
層１８と同様のものが採用されている。従って、当該光
学式センサ２０においては、ポッケルス素子２５自身が
温度変化による接着剤層２９の熱膨張および熱収縮に起
因してその傾きを変化して、入射光の入射角度を温度変
化に応じて変化させ、第１実施例の光学式センサ１０と
同様の作用効果を奏するものである。
【００１３】図８には本発明の第３実施例に係る光学式
センサ３０が示されている。当該光学式センサ３０も第
１実施例の光学式センサ１０とは同一の光学部品で構成
されているもので、光学式センサ１０の光学部品と同一
の光学部品には３０番台の類似の符号を付してその説明
を省略する。しかして、当該光学式センサ３０において
は、光源３１と一体の第１ロッドレンズ３３ａの光軸を
基準角度に対して変化させる変化手段３９を備えてい
る。変化手段３９はポッケルス素子３５および波長板３
６の近傍の温度を検出する温度センサ３９ａと、第１ロ
ッドレンズ３３ａの角度調整する駆動手段３９ｂと、温
度センサ３９ａからの温度検出信号に基づき駆動手段３
９ｂを駆動させる駆動制御手段３９ｃからなり、駆動制
御手段３９ｃには図１のグラフに示す波長板３６の温度
特性、図２のグラフに示すポッケルス素子３５の出力変
化率、およびこれらの温度特性と出力変化率を相殺する
ための第１ロツドレンズ３３ａの傾斜角度が入力されて
いる。
センサ３０が示されている。当該光学式センサ３０も第
１実施例の光学式センサ１０とは同一の光学部品で構成
されているもので、光学式センサ１０の光学部品と同一
の光学部品には３０番台の類似の符号を付してその説明
を省略する。しかして、当該光学式センサ３０において
は、光源３１と一体の第１ロッドレンズ３３ａの光軸を
基準角度に対して変化させる変化手段３９を備えてい
る。変化手段３９はポッケルス素子３５および波長板３
６の近傍の温度を検出する温度センサ３９ａと、第１ロ
ッドレンズ３３ａの角度調整する駆動手段３９ｂと、温
度センサ３９ａからの温度検出信号に基づき駆動手段３
９ｂを駆動させる駆動制御手段３９ｃからなり、駆動制
御手段３９ｃには図１のグラフに示す波長板３６の温度
特性、図２のグラフに示すポッケルス素子３５の出力変
化率、およびこれらの温度特性と出力変化率を相殺する
ための第１ロツドレンズ３３ａの傾斜角度が入力されて
いる。
【００１４】従って、当該光学式センサ３０において
は、センサ部の使用雰囲気の温度変化に応じて第１ロッ
ドレンズ３３ａの基準線に対する傾きを調整してポッケ
ルス素子３５の入射光の入射角度を温度変化に応じて変
化させ、波長板３６の温度変化に起因する出力変化率と
ポッケルス素子３５の出力変化率を完全に相殺させて、
図９のグラフに示すようにセンサの出力変化率をほぼ零
にすることができる。
は、センサ部の使用雰囲気の温度変化に応じて第１ロッ
ドレンズ３３ａの基準線に対する傾きを調整してポッケ
ルス素子３５の入射光の入射角度を温度変化に応じて変
化させ、波長板３６の温度変化に起因する出力変化率と
ポッケルス素子３５の出力変化率を完全に相殺させて、
図９のグラフに示すようにセンサの出力変化率をほぼ零
にすることができる。
【図１】波長板の温度特性に基づくセンサの出力変化率
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図２】ポッケルス素子の入射光の入射角度に基づくセ
ンサの出力変化率を示すグラフである。
ンサの出力変化率を示すグラフである。
【図３】ポッケルス素子における入射光の入射角度の変
化状態を示す図である。
化状態を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る光学式センサの概略
構成図である。
構成図である。
【図５】同センサにおけるポッケルス素子の温度変化に
起因するセンサの出力変化率を示すグラフである。
起因するセンサの出力変化率を示すグラフである。
【図６】同センサの温度変化に起因する出力変化率を示
すグラフである。
すグラフである。
【図７】本発明の第２実施例に係る光学式センサの概略
構成図である。
構成図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る光学式センサの概略
構成図である。
構成図である。
【図９】同センサの温度変化に起因する出力変化率を示
すグラフである。
すグラフである。
【符号の説明】 １０，２０，３０…光学式センサ、１１，２１，３１…
光源、１２，２２，３２…受光部、１３ａ，２３ａ，３
３ａ…第１ロッドレンズ、１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ…第
２ロッドレンズ、１４，２４，３４…偏光子、１５，２
５，３５…ポッケルス素子、１６，２６，３６…波長
板、１７，２７，３７…検光子、１８，２８…基板、１
９，２９…接着層、３９…入射角調整手段。
光源、１２，２２，３２…受光部、１３ａ，２３ａ，３
３ａ…第１ロッドレンズ、１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ…第
２ロッドレンズ、１４，２４，３４…偏光子、１５，２
５，３５…ポッケルス素子、１６，２６，３６…波長
板、１７，２７，３７…検光子、１８，２８…基板、１
９，２９…接着層、３９…入射角調整手段。
Claims (3)
- 【請求項１】光源から受光部までの間に形成される光路
にレンズ、偏光子、ポッケルス素子、波長板および検光
子を配置してなる光学式センサにおいて、前記ポッケル
ス素子に対する入射光の入射角度を周囲温度に対応して
変化させる入射角調整手段を備えていることを特徴とす
る光学式センサ。 - 【請求項２】請求項１に記載の光学式センサにおいて、
前記入射角調整手段として、前記各光学部品の少なくと
も１つを基板に固定する合成樹脂性接着剤を採用して、
同接着剤の周囲温度による熱膨張および熱収縮の作用に
より前記入射角度を変化される構成としたことを特徴と
する光学式センサ。 - 【請求項３】請求項１に記載の光学式センサにおいて、
前記入射角調整手段として、周囲温度を感知して前記レ
ンズからの出射光の出射角度を変化させる駆動手段を採
用したことを特徴とする光学式センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6038334A JPH07248339A (ja) | 1994-03-09 | 1994-03-09 | 光学式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6038334A JPH07248339A (ja) | 1994-03-09 | 1994-03-09 | 光学式センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07248339A true JPH07248339A (ja) | 1995-09-26 |
Family
ID=12522390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6038334A Pending JPH07248339A (ja) | 1994-03-09 | 1994-03-09 | 光学式センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07248339A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001057487A1 (fr) * | 2000-01-31 | 2001-08-09 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Dispositif de controle de longueur d'onde, procede de reglage correspondant, source lumineuse stabilisee, et systeme de communication utilisant des sources lumineuses stabilisees |
| US6353494B1 (en) | 1999-07-29 | 2002-03-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical voltage sensor |
| US6798960B2 (en) | 2000-06-21 | 2004-09-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical device |
| US20170248807A1 (en) * | 2016-01-11 | 2017-08-31 | National Time Service Center, Chinese Academy Of Science | Electro-optical phase modulation system |
-
1994
- 1994-03-09 JP JP6038334A patent/JPH07248339A/ja active Pending
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