JPS6014164Y2 - 光学的測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 本考案は特定の物理量変化に起因した変位を光学的に検
出して上記物理量の測定を行なう光学的測定装置に関す
る。

〔考案の技術的背景とその問題点〕

光学的手法を用いた情報の検出および伝送は、電気的手
法による情報検出および伝送に比し電気的雑音の介入が
ないという利点がある。

したがって最近は広範な利用が考えられつつある。

従来知られている光学的変位検出手段には、光の干渉性
を用いたものと、光をパルス化し、群遅延時間を測定す
るものとがある。

前者は光として可干渉性の光を用い、固定鏡と可動鏡と
で反射させた光を干渉させることにより干渉縞を生じさ
せ、この干渉縞の次数を測定するものである。

この手段においては変位情報に応じて動く可動鏡と、固
定鏡との光路差が干渉長以下でなくてはならないという
条件があるが、固定鏡の位置を適当に選ぶことによって
遠距離な位置においての微妙な変位をも測定可能である
。

しかし実際には長い距離を光が伝搬する際、媒質のゆら
ぎや光学系の振動やビームの集束性などが災いし、遠距
離な位置での微妙な変位を正確に測定することは困難で
ある。

後者は前者に比べ遠距離な位置における変位の測定には
格別な問題がないといえる。

しかし短い距離での変位測定を行なう場合や、長い距離
での微小変位の測定を行なう場合においては、非常に短
い光パルスを発生させるための高速変調技術やこのパル
スを高精度にカウントして時間測定を行なう技術等が必
要となり装置が高価格となる欠点がある。

そこで、光ファイバの先端と検出対象物との間の距離の
変化によって生じる光量変化を検出することによって、
微小変位を比較的簡易な構成で測定し得るようにしたも
のも提案されている。

しかしながら、この種の装置は遠距離な位置での変位測
定の場合には、光フアイバ内での損失が無視できなくな
る。

また、この損失によって生じる光フアイバ出射端での光
量の減少によって、周囲の光雑音の影響が大きくなり、
測定の信頼性に欠けるという問題があった。

したがって、この種の装置を用いて特定の物理量を測定
することは測定精度上の点から不可能であった。

〔考案の目的〕

本考案はこのような事情に基いてなされたもので、その
目的とするところは、近距離な位置の変位については勿
論、遠距離な位置での微小な変位をも、高精度に検出し
かつ伝送可能であると共に、装置自体は構成が簡単で安
価に製作することのできる光学的測定装置を提供するこ
とを目的とする。

〔考案の概要〕

本考案は情報伝送媒体として光学ファイバを用い、光源
として波長の異なる二つの光を照射するものを用い、さ
らに上記光学ファイバの先端に一波長に対しては反射特
性を他波長に対しては透過性特性を有する二色検鏡を設
けるとともに、前記光学ファイバの先端に、特定の物理
量に応じて該先端との距離が変化して上記光学ファイバ
の先端から前記二色検鏡を透過して出射された光を前記
光学ファイバの先端に反射する凹面反射鏡を対向配置し
て、上記凹面反射鏡によって反射され前記光学ファイバ
の先端に再入射して前記基端から出射する光と前記二色
性反射鏡で反射され前記光学ファイバの先端に再入射し
て前記基端から出射する光とを分離し、各波長の光量を
それぞれ光検出器で検出することにより、検出された二
つの波長光から前記特定の物理量を検知するようにした
ことを特徴としている。

〔考案の実施例〕

以下、本考案の詳細を図面に示す実施例によって明らか
にする。

図はこの考案を温度検出器に適用した一実施例であって
、１１は光源であり、１２は単一繊維からなる光学ファ
イバである。

光源１１は互いに波長の異なった二つの光を出射するも
のである。

上記光源１１と光学ファイバ１２の基端１２ａとの間に
は半透鏡１３と集光レンズ１４とが設置されている。

半透鏡１３は後述する凹面反射鏡１７および二色検鏡２
０によって反射されてきた光を二色検鏡１８を介して光
電変換素子等からなる二つの光検出器１５．１９に入射
させるためのもので、光軸に対して傾斜して設置されて
いる。

またレンズ１４は光源１１から出射された光および光学
ファイバ１２の基端から出射される後述の反射光の集光
をなすためのもので光軸上に設置されている。

光学ファイバ１２の先端１２ｂには線膨張係数の大きな
金属にて形成された筒体１６の開口端が嵌合している。

この筒体１６の前記開口端に対向する底部内面は半球面
状に湾曲した凹面反射鏡１７となっている。

上記凹面反射鏡１７の焦点距離は光学ファイバ１２の先
端１２ｂと凹面反射鏡１７の距離にほぼ等しく設定され
ている。

また、上記光学ファイバ１２の先端１２ｂには、上記光
源１１から出射される二つの波長の光のうち、−波長光
に対しては反射特性を、他波長に対しては透過特性を有
する二色検鏡２０が設置されている。

なお、二色検鏡１８も、上記二色検鏡２０と同様の透過
反射特性を有するものである。

このように構成された装置は次のように作動する。

測定に際して先ず筒体１６を検出すべき温度雰囲気中に
設置するかまたは被測定物に接触固定する。

そして、光源１１から互いに波長の異なった光り、 Ｍ
を出射する。

この時光りは二つの二色検鏡１８．２０に対して透過特
性を有する波長で、光Ｍは同反射特性を有する光である
とする。

この場合、光りは半透鏡１３を通ったのちレンズ１４で
集光され光学ファイバ１２の基端１２ａに入射する。

光学ファイバ１２内を伝送した光は光学ファイバ１２の
先端１２ｂから出射し、二色検鏡２０を透過して筒体１
６内の凹面反射鏡１７によって反射され、再び光学ファ
イバ１２の先端１２ｂに入射する。

この再入射した光は光学ファイバ１２内を逆方向に伝送
され光学ファイバ１２の基端１２ａから出射する。

この出射光はレンズ１４で集光されたのち半透過鏡１３
によって一部反射され二色検鏡１８を透過して光検出器
１５に入射し検出される。

一方、光源１１から出射された光Ｍは半透鏡１３を通っ
たのち、レンズ１５で集光されファイバ１２の基端１２
ａに入射する。

ファイバ１２内を伝送した光Ｍはファイバ１２の先端に
設置された二色検鏡２０によって反射させられ再びファ
イバ１２内を伝送される。

伝送された光Ｍはファイバ１２の先端に設置された二色
検鏡２によって反射させられ再びファイバ１２の基端１
２ａから出射し、レンズ１４で集光された後半透鏡１３
によって一部反射され、さらに二色検鏡１８によって反
射され光検出器１９に入射し検出される。

今、温度変化によって筒体１６が軸方向に伸縮したとす
る。

そうすると、光学ファイバ１２の先端１２ｂと凹面反射
鏡１７との距離が変化するため、凹面反射鏡１７によっ
て反射されて光学ファイバ１２の先端に再入射し伝送さ
れる光りの光量が変化する。

したがって光検出器１５によって検出される信号量が変
化し、温度が検出されるものである。

光学ファイバ１２の先端から出射した光りと、凹面反射
鏡１７によって反射され光学ファイバ１２の先端に再入
射して光学ファイバ１２内を伝送される光との割合が、
凹面反射鏡１７と光学ファイバ１２の先端１２ｂとの距
離の変化によってどのように変化するかは、光学ファイ
バ１２の構造によって異なる。

たとえば光学ファイバ１２が単一モードファイバか、多
モードファイ六か、あるいはコアとクラッドからなるス
テップインデックス構造のものであるか、さらには自己
集束性のものであるか等によって異なる。

しかしいずれの光学ファイバを用いた場合でも、本質的
に差異を有するわけではなく、前述の作動は同様に行わ
れる。

そこで、次にステップインデックス構造の多モードファ
イバを用いた場合について、光学ファイバ１２の先端１
２ｂと凹面反射鏡１７との間の距離と光量変化との関係
を述べる。

ステップインデックス構造の多モードファイバの先端よ
り放射される光の広がりの角の半角、すなわちニューメ
リカルアパアチュアＮ、Ａ、は近似的に次の式で表わさ
れる。

ｅ ＝Ｎ、Ａ、’； ｊ２ｎ−Δｎ
””（１）ここでｎはファイバの屈折率であり、Δｎは
ファイバのコアとクラッドの屈折率差である。

（１）式はファイバから出射される光の広がり角を示し
たものであるが反対にファイバに入射し、結合される光
は（１）式で与えられる角度以内のものとなる。

すなわちファイバの先端が焦点距離ｆの凹面反射鏡の焦
点上にあり、凹面反射鏡の口径りが、Ｄ≧ｆＸ２４五７
Ａｎ ・・・・・・（２）であれば凹
面反射鏡によって反射した光は、ファイバの先端で反射
される分を除いて、大部分ファイバ中に再入射される。

このときファイバと凹面反射鏡間の距離が微量分δだけ
増加したとするとファイバの先端より放射される光の広
がり角は（１）式にくらべて、 Δθ＝θ×δ／ｆ °°・・・・
（３）だけ増加する。

すなわち凹面反射鏡の位置がδだけ遠ざかったとき、フ
ァイバに再結合する光の量は、ファイバの先端が凹面反
射鏡の焦点上にある場合にくらべてδ／ｆだけ減少する
。

以上の論旨は、反射光の広がり角のみについて考慮した
ものであるが、ファイバの先端面におけるスポットサイ
ズについて考えてみる必要がある。

例えばスポットサイズがコア径より大きくなるとファイ
バへの反射光の再結合量は減少する。

以上の理論に基いて距離と光量変化が関係付けられる。

−力先Ｍは単にファイバの先端によって反射させられる
のみで、凹面反射鏡１７の位置にかかわらず光検出器１
９によって検出される光の強度は変化しない。

すなわちファイバの伝送路特性がファイバ１２の置かれ
た環境によって変化するときのみ変化する。

したがって光検出器１５．１９によって検出される検出
値の比あるいは差は、ファイバ１２の伝送路特性を補正
した形で検出されるものである。

したがってこの実施例における光学的変位検出装置は周
囲の光雑音に左右されず筒体１６の温度を正確に測定す
ることが可能である。

なお、本考案は、上述した実施例に限定されるものでは
ない。

たとえば、上記実施例では検出対象の熱膨張を利用して
温度の検出を行なう装置について説明したが、凹面反射
鏡を圧力に応動させるようにすれば、圧力測定装置とし
て本考案を適用することも可能である。

また、凹面反射鏡を支持する手段として、例えば線膨張
係数の大きな液体などを用いるようにしても良い。

〔考案の効果〕

以上説明したように本考案によれば、光源と光検出器以
外は全て非電気的な手段によって構成され、しかも情報
伝送媒体として光ファイバを用いていることから周囲の
電気的、光学的な雑音介入のおそれが少ないという利点
、パルス化を行なう必要がないため、装置が簡単になる
という利点等を有するのは勿論のこと、次のような本考
案特有の効果を得ることができる。

すなわち、本考案によれば、光ファイバの先端に凹面反
射鏡を設けているので、光ファイバの先端部に光を集束
させることができる。

したがって伝送光量が少ない場合でも、光ファイバの先
端部を凹面反射鏡の焦点位置に設置することによってそ
の再結合量を高めることができる。

従って、光源から出射された光の散乱、吸収等に起因し
た物理量の測定誤差を十分に吸収でき、測定レンジおよ
び精度を高めることができるうえ、光電力を有効に利用
できる。

また、本発明では互いに波長の異なる二つの光を用い、
一方の光を物理量に関係な（光ファイバの先端で反射さ
せ、他方を物理量に応じて変位する凹面反射鏡で反射さ
せるようにしているので、二つの光を参照することによ
って光ファイバの伝送路特性を補正した正確な検出値を
得ることができる。

したがって、高精度の物理量測定が可能である。

このように本考案によれば種々格別な利点を有する光学
的変位検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

図は本考案の一実施例の構成を示す図である。 １１・・・・・・光源、１２・・・・・・光学ファイバ
、１３・・・・・・半透過鏡、１４・・・・・・レンズ
、１５，１９・・・・・・光検出器、１６・・・・・・
筒体、１７・・・・・・凹面反射鏡、２０．１８・・・
・・・二色検鏡、Ｌ、 Ｍ・・・・・・光。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 波長の異なる二つの光を照射する光源と、この光源から
   出射した上記二つの光を基端に入射し、先端から出射す
   る如く設置された光学ファイバと、この光学ファイバの
   先端に設けられ一波長に対しては反射特性を他波長に対
   しては透過特性を有する二色検鏡と、前記光学ファイバ
   の先端に対向し、かつ特定の物理量に応じて上記光学フ
   ァイバの先端との距離が変化する如く設けられて上記光
   学ファイバの先端から前記二色検鏡を透過して出射され
   た光を前記光学ファイバの先端に反射する凹面反射鏡と
   、この凹面反射鏡によって反射され前記光学ファイバの
   先端に再入射して前記基端から出射する光と前記二色性
   反射鏡で反射され前記光学ファイバの先端に再入射して
   前記基端から出射する光とを分離する手段と、この手段
   で分離された前記各波長の光量をそれぞれ検出する光検
   出器とを具備し、上記光検出器で検出された二つの波長
   光から前記特定の物理量を検知するようにしたことを特
   徴とする光学的測定装置。