JPS5960699A - 光学センサ - Google Patents

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】 （発明の技術分［１ｌＩＰ） この発明は光を応用して被測定物理量を検出するセンサ
に関する。

（従来技術） 大規模化、多様化して情報量の増大したシステムや特殊
環境下における計測システムとして光応用計測システム
が有望視されている。これは光応用計測システムが誘導
やアース点の複雑化の影響を比較的受けにくいためであ
る。

光応用システムにおける基本要素技術の１つである光応
用センサは元ファイバを伝送路とする光フアイバ応用セ
ンサを中心にさまざまなものが考案されている。光ファ
イバを伝送路とする光応用センサにとって重要ｔ【こと
は、光フアイバ伝送系の損失変化や光源の出力変動が検
出信号に影響を与えないようにすることである。

この目的を達成するために従来はトランスデユーサ部に
おいて検出光と別ｔ【パスを設は被測定物理量の影響を
受げｔ仁い基準光を得る方法や、２つの異なる波長の光
を用い、被測定物理量の変化に対し変化率の界なる検出
信号を得てその比をもって被測定物ｆ！ＩＩ青を測定す
るという方法が用いられていた。

（従来技術の問題点） しかしこれらの従来の方法の欠点は、前者においてはト
ランスデユーサ部において検出光と基準光とが別のパス
を通っているため基準光のパス側でトランスデユーサ部
と異る外乱を受けることがあることである。

特に光ファイバの分岐部分での損失変化は微妙であり、
両者のパスが等しい外乱を受けているとはいえず、外乱
の影響は補償しキれないという欠点がある。

また後者においては、伝送路は共通であるが新たに波長
の違いによる特性の差を持ち込んだことにγＣす、それ
自体外乱を導入したことになる。

たとえその影響を小さくおさえたにしても、２栖１１ｒ
）光源の出力比を一定に保つかもしくはモニタする必要
があり、そのための分波器、合波器などの高価な光学部
品を多数必要とし、光応用センサの信頼性をさげかつコ
スト高にｔ（ってしまうという欠点がある。

（発明の目的） この発明の目的は、１つの波長の光源を用いしかも元フ
ァイバ伝送路の損失変化や光源の出力変動が検出信号に
影響を与えることのない光学センサを提供するにある。

（発明の概要） この発明の特徴ば、同一波長を持った２つの入力元をそ
れぞれ伝送する２つの入力元伝送路と、この２つの入力
元伝送路から入力した前記入力元を被測定物理１４の変
化に応じて変調し２つの出力光として出力する検出部と
、前記出力光をそれぞれ伝送する２つの出力光伝送路と
、前記出力光に処理を施して前記被測定物理量を算出す
る演算処理部とを有１２てｔ【る光学センサにおいて、
前記検出部が前記２つの入力光のおのおのを前記被測定
物理量の変化に応じて相異ｔ【る変化率で変化する２絹
の分割光とする分割手段を有しかつ相Ｒ７’：Ｃる糺に
属する前記分割光同志を前記２つの出力光に対応させ、
前記演算処理部が前記一方の入力元のみが与えられた時
の前記２つの出力光の比と前記他方の入力元のみが与え
られた時の前言上２つの出力光との比とを積算するよう
構成され、このｆｉｌｆ算値に基づいて前記被測定物理
量を鍔出する点にある。

以下この発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

（発明の実施例） 第１図はこの発明が適用される光学センサの構成図を示
したものである。３は検出部で、２つの入射口１，２と
２つの出力口４，５とを有している。入射口１および２
から入射された入力光は検出部３の内部で被測定物理量
６の影響を受けて減衰し、出力口４および５がら出射さ
れる。

検出口３の具体的構成は後に詳述するが、いづれの入射
口１，２がら入射された入力元も検出部３の内部におい
て２つの出力光に分割され出力口４．５から出射される
ように構成されている。すなわちおのおのの入射口がら
入力された入力光は検出部において被測定物理量の変調
を受けて出力光として出力口から出射されるのである。

７．８は光源でともに同一波長の光を発生する。

９．１０は入力元伝送路でそれぞれ光源８，７がらの元
を検出部の入射口１，２に伝送する役割を果す。光伝送
路の材料としては元ファイバ等が一般に用いられる。１
１　、１２は光検出器で、出力口４゜５から出力され、
出力光伝送路１４　、１３を介Ｉ−で伝送されてきた出
力光を検出してこれを電気信号に変換し受信回路１６に
伝達する役割を持っている。

１５は駆動回路で光源７，８を駆動する。１９は演算処
理部で受信回路１６を介して出力された受信信号１７　
、１８を後述する方法により処理する働きを有する。

なお検出部３において入力光は各入射口から２つの進行
方向を持った分割光に分割さねこの分割光の光量は検出
部３内において被測定物理量６が作用することによりお
のおの相異る変化率で変化する。２つの入射口１，２か
らのおのおのの分割光は進行方向が一致する光線同志が
それぞれ糾となり２つの出力光４，５から取り出される
。

次に動作νこついて説明するが、光学センサを構成する
各要素の伝送特性を次のように定める。

Ｐ：光源７０元出力 Ｐ２：光源８の光出力 に１：光伝送路１０およびその接続点における損失 に２：光伝送路９およびその接続点における千員失 に３：光伝送路１３およびその接続点における損失 に４：光伝送路１４およびその接続点における損失 １１：Ｊ検出器１１の電気信号への交換効率１□：光検
出器１２の′ｎｔ気信号への変換効率Ｘ：被測定物理量
６ ｍ、４（ｘ）　：検出部３において入射口１から出射口
４を通る光線が被測定物理量６によ りうける減衰率 ｍ＋５（Ｘ）　：検出部３において入射口１から出射口
５を通る光源が被測定物理量６によ りうける減衰率 ｍ２４（ｘ）：検出部３において入射口２から出射口４
を通る′ｙｔ、線が被測定物理量６によりうける減衰率 ｍ２５（ｘ）　：検出部３において入射口２から出射口
５を通る光線が被測定物理量６によ りうける減衰率 この発明によれば光源の光量変動や伝送路の損失変動の
影響をうけることなく検出部における被測定物理量によ
る減衰率だけを検出できるが、その原理について説明す
る。

光源７が発光した時の検出器１１０鴇：飯山力信号を８
７−１１とすると ８７−１ｌ−Ｐ−Ｋｔ　・ｍ２ｓ　・Ｋａ　・１１（１
）と表わすことができ、またその時の検出器１１２の電
気出力信号を８７−１２とすれば、 ”’７−１２　””　：ｐ１’　Ｋ１　”　ｍ２４°に
４°１２（２）と表わすことができる。また光源８が発
光した時の検出器１１の電気出力信号８Ｂ−１１は同様
に、８８−１１　”　Ｐ２°に２−”１５１Ｋａ４ｔ　
　　　（３）と表わすことができ、またその時の検出器
１２の電気出力信号を８８−１２とすれば、 ８８−１２　　”　ｐ２°に２°ｍ１４　°に４　°ユ
２　　　　　　　　（４）と表わすことができる。演算
処理部１９は上述した第（１）式から第（４）式で表わ
される電気出力信号Ｓ７−１１＋８７−１□５８８−１
１　＋　６８−１２をそれぞれ記憶しこれを次に示す第
（５）式による演算をおこなう。

その結果は、 とｔ〔す、光源７，８や元伝送路９，１０，１３，１４
の１ｈ失に関するファクタは含まれておらず、検出部３
における被測定物理骨６による減衰率だけからなる信号
を送ることができる。

この結果から判断でとるよ５ＶＣ”Ｊｔ、源の光例゛変
動や外乱による伝送路およびその接続点における損失変
動、検出器の効率変動における影響等を全て補償するこ
とができる。

第２図はこの発明に用いられる検出部３の実施例を示し
たものである。この実施例では検出部３は集束性ロッド
レンズ２１　、２２と回折格子２３とがらＭｎ成されて
いる。集束性ロッドレンズ２１には入力光１ａと２ａと
が入射され、集束性ロッドレンズ２２からは出力光４ａ
と５ａとが出射される。入力元２ａはロッドレンズ２１
の中心に、人力光１ａはロッドレンズ２１の中心より一
定の距離だけ離れたところに入射するよう構成されてい
る。また出力ｆＦ、４ａはロッドレンズ２２の中心に、
出力光５ａはロッドレンズ２１の中心から入力光１ａと
元軸に対し反対側に同じ距離だけ離れて出射するように
構成されている。

人カブ（１２ｅ−は集束性ロッドレンズ２１ニより２つ
のロッドレンズの光軸に平行プエビーム２４に変換され
、入力元１ａは入射口１の中心からのｔ＋ｍｔに比例し
た角度θを持ったビーム２５に変換されて回折格子２３
に入射する。回折格子のピッチを１次回折元の回折角が
θとなるように設定しておけば、平行ビーム２４は回折
格子２３によって平行ビームおよびＭ［θをもつ１次回
折光に分割されそれぞれ集束性ロッドレンズ２２を通過
して出力光４ａおよび５ａとなる。

同様に角度θを持ったビーム２５は回折格子２３により
角度θを持つビームと光軸と平行な１次回折元とに分割
され、前者は出力光５ａ眞、後者は出力ｆｔ、４ａとな
る。

ここで回折格子２３の回折効率が被測定物理り市６によ
って変化するように構成しておけばこの発明における検
出部３を実現することができる。たとえば回折格子２３
を特定領域だけを格子にしてその他を透明にしておけば
回折格子２３が集束性ロッドレンズ２１　、２２に対し
て変位することにより、光ビームが照らす面積のうち格
子の占める面積が変化し、実効的回折効率が変化する。

市販されている集束性ロッドレンズを用いた場合、元ビ
ーム伊は１市前後となり、ｌ　ｍｍ以下の変位を高感度
で測定できる。

また温度で透過率の変化する例えばＧａＡｓ　等の半導
体で回折格子２３を作製すれば温摩センザとすることが
できる。

また透過率ではｔｃ　＜て屈折率の変化するものを用い
てもよい。圧力変化によって透過率や屈折宅の変化する
材料で回折格子２３をつくれば圧力センサとなる。

第３図は検出部３の他の実施例を示Ｌ７たものである。

この実施例では被測定物理骨と１．て反射率と透過率を
検出する。人力光１ｂ　、　２ｂと接続された集束性ロ
ッドレンズ２７　、２８と出力光４ｂ　、　５ｂと接続
された集束性ロッドレンズ３（Ｊ　、　２９と、たとえ
ば温度変化により透過率の変化するＧａＡｓ等の半導体
により作られた半透鏡３１とにより検出部３は構成され
ていム。入力元１ｂは集束性ロッドレンズ２７により平
行ビームとなり、半透鋒３１により透過光←ｔロッドレ
ンズ２９を通り出力光５ｂとなり、反射光はロッドレン
ズ３ｏを通り出力″＃、４ｂとなる。

同様に入力光２ｂは、透過光が出力光４ｂとたり反射光
は出力光５ｂとなる。

枦：４図は検出部３のさらに他の実施例を示したもので
ある。この実施例では第３図に示した実施例における２
個の集束性ロッドレンズの働きを１個の集束性ロッドレ
ンズでおこｔ〔うようにしている。

３２　、３３は集束性ロッドレンズである。入力ｆｆ１
ｌｃ。

２Ｃと出力光４Ｃ、５ｃはロッドレンズ３２．３３の中
心から同じ距離だけは１【れた場所に接続されている。

集束性ロッドレンズの性質から入力元ＩＣは図中に矢印
で示した方向の元ビームとなり半透鉗３１に入射■１、
反射光は出力ｆＱ　４　ｃとｔｃ　リ透過光は出力光５
Ｃとなる。

同様に入力光２Ｃは矢印３５で示される方向の牟ビーム
となり、反射光は出力光５Ｃとなり透過光は出力ｆ４ｃ
となる。

第５図は検出部３のさらに他の実施例である。

入力光１ｄと出力光４ｄとは１本の光伝送路でつながっ
ている。

同様に入力光２ｄと出力光５ｄとが１本の光伝送路でつ
ｔ〔がっており、それぞれの伝送路の途中の部分３８と
３９とが互に接近しており光波が結合状態におかれてい
る。

２つの結合しあっている光導波路３８と３９との間には
温度で透過率が変化する、たとえばＧａＡ３等の半導体
結晶、またはアモルファスやまたは温度と圧力で屈折率
の変化するたとえば液晶からなる境界層４０が設けであ
る。

したがってこの境界層４００元学的定数が被測定物理）
げ６によって変化すれば結合比が変化し出力光４ａ　、
　５ｄの光出力が変化する。

結合部の形状はマイクロペンドを持たせたり、周期（１
４′造を持たせたりすることが考えられる。

また境界層４００光学的性質ばかりでなく形状的な性質
を変えることによっても結合比を変えることができる。

たとえば境界層４５を弾性体で構成することにより境界
層４０の厚さが圧力により変化し、結合比が変化するよ
うに構成することもできる。

また導波路を固定している部材３６　、３７が横方向に
ずれることにより結合している長さが変化するようにし
ても結合比を変化させることができる。

したがってこの実施例においては圧力、変位および撮動
が被測定物理量となる。

第６図は検出部３のさらに他の実施例である。

この実施例では第４図に示した実施例における集束性ロ
ッドレンズを取り去った構成となっている。

たとえば、温度で透過率の変化する半透鏡３１をはさん
で、４本の光伝送路が結合された形となっている。光伝
送路としては直径１２５μの石英光ファイバ等が使用で
きる。隣合っている光ファイバは直接接触しているか、
離れている場合にも１００μｍ以下の間隔に保たれてい
る。

また半透鏡３１との距離は数十μｍである。入力光１θ
、２ｅ、出力光４ｅ、５θの動作は第４図に示した実施
例と同様である。またこの実施例の場合には元ファイバ
と半透鏡３１との距離が変化することによっても反射光
の強度が変化する。

第７図し主この距離と光強度との関係を示した特性図で
ある。

（発明の効果〕 以上実施例に基づいて詳細に説明を−たようにこの発明
による光学センサでは同一波長の２つの光源から人力さ
れる人力光をそれぞれ２つの分割光に分割してそれぞれ
の分割光が被測定物理量の変化に応じて変調されるよう
に構成したので入力および出力の光伝送路の影卿や光源
の光七−変動等の影響を受けることなく被測定物理量の
検出をおこｔ【うことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明が適用される光年センサの構造を示し
た図、第２図〜第６図はこの発明に用いられる検出部の
実施例を示した図、第７図は第６図に示す検出部を用い
た場合の亀ファイバの出射面から半透鋤までの距離に対
する光強度の変化を示した特性図である。 １．２・・・入射口、３・・・検出部、４，５・・・出
力口、６・・・被測定物理量、７，８・・・光源、９，
１０・・・入力光伝送路、１３　、１４・・・出力光伝
送路、１９・・・演算処理部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）同一波長を持った２つの入力光をそれぞれ伝送す
   る２つの入力光伝送路と、この２つの入力光伝送路から
   入力した前記入力元を被測定物理量の変化に応じて変調
   し２つの出力光として出力する検出部と、前記出力光を
   それぞれ伝送する２つの出力光伝送路と、前記出力光に
   処理をほどこして前記被測定物理量を算出する演算処理
   部とを有してなる光学センサにおいて、前記検出部が前
   記２つの入力光の各々を前記被測定物理量の変化妊応じ
   て相異′ｆ、ｃる変化率で変化する２組の公害１１元と
   する分割手段を有しかつ相異なる組に属する前記分割光
   同志を前記２つの出力光に対応させ、前記演算処理部が
   前記一方の入力光のみが与えられた時の前記２つの出力
   光の比と前記他方の入力元のみが与えられた時の前記２
   つの出力光の比とを積算するよう構成され、この積算値
   に基づいて前記被測定物理量を算出する事を特徴とする
   光学センサ。 （２、特許請求の範囲第（１）項において、前君己分割
   手段として回折格子を用いかつこの回折格子の回折効藁
   を前記被測定物理−の変化にともｔ〔って変動させるよ
   う前記検出部を構成した事を特徴とする光学センサ。 （３）特許請求の範囲第（１）項において、前記分割光
   としてそれぞれ透過光と反射光を甲いがつ前記分割手段
   として前記被ｍ１１定物理量の変化にともなって透過ギ
   および反射系が変化する光学材料を用いて前記検出部を
   構成した事を特徴とする光学センサ。 （４）特許請求の範囲第（１）項において、前記分割光
   としてそれぞれ複屈折による常光線と異常光線を用いか
   つ前記分割手段として前記被ｍ１１定物理量の変化にと
   もなって前記両光線の充所が変化する光学材料を用いて
   前記検出部を構成した事を特徴とする光学センサ。 （５）％許請求の節囲第（１）項において、前記分割手
   段として前記被測定物理量の変化にともなって結合点の
   光学的性質および形状的変化が生ずることにより結合比
   が変化するように結合した２つの光導路を用いかつ前記
   分割光として結合光と非結合光とを用いて前記検出部を
   構成したことを特徴とする光学センサ。