JPS60216216A - 光学的変換手段 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学的変換手段（ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｒａｎ
ｓｄｕｃ−ｅｒ）およびこれを用いた測定に関するもの
である。

（従来技術） 光学的測定装置は種々の目的、例えば容器内の圧力を測
定するために用いられている。このような装置は圧力変
化に応じてこれを光ビームに変える光学的変換手段を必
要とする。

米国特許第３２７３４４７号公報には、公知の〜圧力モ
ニター装置が記載されており、そしてこの装置において
は光がある離れた光源から第１の光ファイバを経て、変
換手段に導かれ、そして第２の光ファイバを経て上記の
離れた位置にある受光手段に戻される。この変換手段は
、反射面を有する柔軟な膜からなっている。第１の光フ
ァイバからの光は膜により第２の光ファイバへ反射され
、そしてこの膜は第２の光ファイバへ入射する第１の光
ファイバからの光の割合が膜面の変位の関数となるよう
に配置しである。第２の光ファイバを経て上記離れた位
置にて受けた光の強度は、モニターすべき圧力の大きさ
を与えるためにモニターされている。

上記のタイプの測定装置では、光学系が不安定であるた
め、正確な目盛り測定を続けることは非常に難しい。シ
ステムの避けられない不安定さに対する補正が行えるよ
うに、第２の光ファイバを経て戻って来た光の比較が行
える光学的レフ７ランス信号を、離れた位置にて与える
ために、何らかの手段が必要である。

英国特許第２０１０４７６号公報には、必要なレファラ
ンス信号を与えようとした種々の測定装置が記載しであ
る。基本的には、記載された装置は、光源すなわち離れ
た位置にある光源から変換手段に伝送された光ビームか
ら発生した２本の光ビームを離れた位置に戻している。

ある一つの装置では、変換手段は単一ビームを横切って
測定されるパラメータに応答して動くようにしたミラー
を備えており、一方の帰還ビームはミラーにより反射し
た光から作られ、他方の帰還ビームはミラーによってさ
えぎられなかった単一の光ビームの部分から作られてい
る。このようにして、両帰還ビームはミラーにより効果
的に、一方の強さが逆に他方の強さになるように変調さ
れる。もう一つの装置では二つの光ビームが与えられて
おり、そのうちの一方だけを変調するように置かれ、そ
してこの結果帰還ビームの、一方だけが変調される。

英国特許第２０１０４７６号のシステムは、変調用ミラ
ーが変調されたビームの方向を横切って動くとき、ビー
ム自体の直径が小さいため、非常に小さいミラーの移動
でも全面的な屈折を起こすという問題を有している。し
たがって、測定したパラメータの変化に応答してミラー
を動かす変換手段の機構は非常に正確でなければならな
い。しかしながら、たとえ要求精度が達せられても、ビ
ームを横切るミラーの非常に小さな振動が出力に激しい
変動を引き起こすことがある。

米国特許第３３２７５８４号公報には、光ビームの軸に
平行に移動可能な物体の表面から光ビームを反射さｌる
ことによって測定用信号を作り出すようにした光学的変
換手段が記載されている。

この結果、物体の非常に小さい移動が変換手段の出力の
全面的な屈折を起こすことはない。また、米国特許第３
３２７５８４号において、予め定められた位置にある第
２の反射面から光ビームの一部を反射させ、そして反射
させた光ビームを空間的に分離された帰還ファイバを経
て伝えることによりレファランス信号を与えることが提
案されている。不幸にして、このレファランス信号を作
り出す装置は組立てるのが難しく、そして測定用および
レフ７ランス信号の双方とも、その強さが第２の反射面
の縁の位置に非常に敏感であるので、不安定さ引き起こ
す振動を生じ易い。第２の反射面の縁の、光ビーム軸を
押切るわずかな移動が物体および第２の反射面のそれぞ
れにより反射される光ビームの割合の釧的な変化をもた
らし、その結果測定用およびレファラン入用信号間の関
係があてにならなくなることがある。

米国特許第３３２７５８４号公報では、またレフγラン
ス信号を作り出すための装置が記載されており、そして
この装置では、レファランス信号が測定用信号を得るた
めに使われる伝送路から完全に空間的に分離された伝送
路により変換手段に伝えられ、そしてこれから戻されて
来ている。これは光ビームの一部を反射する際に出くわ
す問題を避けているが、測定用とレファランス信号間の
関係をより疎遠にしており、したがって、システムの信
頼性は低下している。

上記米国特許公報により示されるように長年の間、光学
的変換手段のシステムが知られて来た表いう事実にも拘
らず、そしてそれらの電気的な受動性（ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌ　ｐａｓｓｉｖｉｔｙ）が、例えば石油化学装置
のような危険な装置において遠くから感知するのに明ら
かな利点を有しているにも拘らず、略述した上記の問題
がこれまで、そのようなシステムを全般的に受入れるの
に妨げとなっていた。

（発明の目的） 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目
的は、目盛り調べのための光学的レファランス信号を放
出し、さらに上記問題を除き、あるいは緩和する光学的
変換手段を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、光学的変換手段は、予め決められた光
軸方向に光ビームを向けるように配置した入力レンズと
、上記光軸上に中心を位置させ、かつ光軸に平行に移動
可能な変調用ミラーであって、強度に関して入力レンズ
と変調用ミラーとの間の距離に関係する測定用信号を入
力レンズへ反のレンズに対して相対的に定位置で、かつ
上記の光軸上に中心を置き、強度がレンズと変調用ミラ
ーとの間の距離に依存しないレファランス信号を出すよ
うに配置したもう一つの光学エレメントとからなってい
る。

（発明の効果） 変調用ミラーおよびもう一つの光学エレメントの両方が
光軸上に中心を置いているので、これらの構成要素の光
軸を横切る移動が測定用およびレファランス信号に与え
る影響は無視できる。さら　゛に、変調用ミラーが光軸
に平行に移動可能であるので、その方向における変調用
ミラーおよびしう一つの光学エレメントの振動は、測定
用信号の全面的な屈折に必要な移動に対して比較的小さ
く制限することができる。このようにして、本システム
は正規の振動から生じる誤差の殆どを免れるようになっ
ている。

変調用ミラーは部分的に銀メッキした（ｐａｒｔ　−５
ｉｌｖｅｒｅｄ）あるいはグイクロイックミラーの形式
７７１士　？　ミ　丹一本通；品１１席１ナーキＬ十申
±１ノ・ノブにより受光され、あるいは入力レンズへ反
射して戻される。別のダイクロイックミラーを入力レン
ズと変調用ミラーとの間に位置させてもよい。

好ましくは、測定用およびレファランス信号は発信器に
よって作動する位相高感度検知（ｐｈａｓｅｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）および比率解析（ｒａ
ｔｉｏ　ａｎ−ａｌｙｓｉｓ）回路に結合されたｐ−１
−ｎフォトダイオードレシーバによって受信されるのが
よく、この回路は、また変換手段に送るためのビームを
供給する発光ダイオードトランスミッタ（ＬＥＤ　ｔｒ
ａ−ｎｓｍｉｔｔｅｒ）を作動させている。

（実施例） 第１図において、線ｌによって周囲が示された光ビーム
は、入力レンズ３から破線２によって示された軸に沿う
ように向けられている。出力レンズ４は入力レンズ３と
同軸となるように、入力レンズ３に対して相対的に一定
の位置に固定されている。変調用ミラー５はレンズ３と
４との間に位置しており、矢印６によって示されるよう
に軸２に平行に移動可能となっている。へ レンズ２は図示しない光ファイバに接続されており、そ
してこの光ファイバは光学的入力信号をレンズに送り、
かつ測定用信号をレンズから戻す役割を果している。他
の光ファイバがレンズ４に接続されており、レンズ４か
らレファランス信号を送る役割を果している。

レンズ２から出た光ビームの一部は線７によって示され
るように変調用ミラーによって反射する一方、光ビーム
の一部は線８によって示されるようにレンズ４に向かっ
てミラー５を通過して送られる。レンズ３と４は互いに
相対的に一定位置に固定されており、そしてミラー５を
通過する光の強さは、実質的にはミラー５の位置に依存
しないので、レンズ４に当る光の量はレンズ３から出た
光に対して予め決められた割合を表わしている。

したがって、レンズ４からこれに接続された光ファイバ
（図示せず）を伝わって送られ、レファランス信号を形
成する光はレンズ３から出た光の強さを正確に表わして
いる。

他方、レンズ３とミラー５との間の距離が太きくなれば
なるほど、レンズ３に当る反射光の割合は小さくなる。

したがって、レンズ３に向かって反射された光から生じ
る測定用信号はレンズ３とミラー５との間の距離を正確
に表示するものである。それゆえ、ミラー５を例えばブ
ルドン管に接続ずろことによって、測定用信号はその管
によってモニターされる圧力の表示となる。明らかに、
ミラー５は、例えばダイヤフラム、ベロー装ＲＣａｂｅ
ｌｌｏｗｓ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）あるいはバイメ
タル片（ａｂｉ−ｍｅｔａｌｌｉｃ　５ｔｒｉｐ）のよ
うな何らかの感応部材（ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｅｍｂｅｒ
）に機械的に接続してもよい。

典型的なミラー５は数ミリメータの作動範囲を有するこ
とになるであろう。したがって、業務用設備において、
一般的に予想される大きさの振動はミラー５の予想され
る動きより十分小さいオーダの大きさとなり、それゆえ
に当該装置は相対的に振動による不正確さから逃れてい
る。

第２図には、２つのグレーデッド形ロッドレンズ（ｔｗ
ｏ　ｇｒａｄｅｄ　１ｎｄｅｘ　ｒｏｄ　１ｅｎｓｅｓ
）３と４の間に４ｈ置した部分的に銀メ・ツキしたミラ
ー５の簀七オ１．−よる第１図に示すタイプの変換手段
を備えた光学測定システムを示している。このミラー５
はいかなる入射光ビームでも、その２０％を送信するよ
う配置されるのがよい。

入力光ビームは、離れた場所に位置する発光ダイオード
トランスミッタ１１から光ファイバ９および３ｄＢカプ
ラーｌＯを経てレンズ３に放たれている。入力光ビーム
の一部は、ミラー５からレンズ３に反射して、測定用信
号としてファイバ９およびカプラーＩＯを経てｐ−１−
ｎフォトダイオートレシーバ１２に送られている。入力
光ビームの一部は、ミラー５を通過してレンズ４に送ら
れ、光ファイバ１４を経て離れた場所にあるｐ　−ｉ　
−ｎフォトダイオード１３にレファランス信号として送
り戻されている。レシーバ１２と１３の出力は位相高感
度検出および比率解析回路１５によってモニターされて
いる。発光ダイオード１１と回路１５は共通の発信器１
６によって作動している。

レジ−／（１２と１３の出力は測定用およびレフ７ラン
ス信号の強度の比の計算を可能とし、発光ダイオード＋
１の出力の振動および発光ダイオードから変換手段まで
の光学的回路の減衰の際の振動から独立したミラー５の
位置の測定値を与える。

光ファイバ９と１４は、一般的にはマルチモードファイ
バてあり、そして発光ダイオードトランスミッタ１１に
よって放射された光は、もちろんインコヒーレントとな
るであろう。しかしながら、もし経済的に考えて好まし
いならば単一モードファイバおよびコヒーレントな光源
が使われることは認められるであろう。

レンズ３と４は別のタイプのものであってもよい。種々
のレンズシステムは、ミラー５の数ミリメータの変位を
許容するのに必要なビームの拡大と照準（ｃｏｌ　ｌ　
ｉｍａｔ　１ｏｎ）を提供するのに有効である。

例えば、球状および棒状レンズは、エキスパンデッドビ
ームコネクタ（ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｂｅａｍ　ｃｏｎｎ
ｅｃｔｏｒ）、スイッチ、絶縁器、波長によるマルチプ
レクサおよび指向性カプラーのようなファイバに関する
光学分野において幅広い用途が発見されている。しかし
ながら、ビームの照準のために、四分の一ピッチのグレ
ーデッド形ロッド（以下、ＧＲＩＮ−ｒｏｄという。）
レンズの焦点がその端面と一致し、光ファイバと容易か
つ優れた接続を可能とすることから、このレンズが有利
であることがわかっている。

ＧＲＴＮ−ｒｏｄレンズの端部（たて方向）の距離。

側面（横方向）のずれそして角度方向の傾きによるカプ
ラー損失は理論的に得られている。商業的に有効なＧＲ
ＩＮ−ｒｏｄレンズの理論的な端部の離隔による損失は
、２つの重要な特徴を示しており、それは変位センサー
機構に使用するごとに対して魅力的な面を有している。

それは、変位の重要な範囲が利用でき、システムが変位
全体にわたって線形であるということである。端部の離
隔による損失は、殆ど結合用ファイバの長さには依存し
ない。これは、供給と帰還ファイバ双方におけるモード
の出力分布に依存するファイバとファイバの直接結合と
著しく異っている。

第２図の装置では、発光ダイオードトランスミッタ１１
はｌＫＨ２の方形波に変調され、放射光の出力は、開口
（ａｐｅｒｔｕｒｅ）　０　、２４の数値を有する電気
通信規格５０／１２５のマルチモードグレーデッド形フ
ァイバに投入されるのがよい。レンズ３と４はセルフォ
ック（ＳＥＬＦＯＣ）ＳＬＳ−１，０−０，２５ｐの商
品名で市場に出されたタイプのＧ　ＲＩ　Ｎ　−ｒｏｄ
レンズがよい。

ついで、第３図、第４図に示された構造物は、第１図に
したがって変換手段の構成要素を支持する一実施例であ
る。この構造物は、任意の望む位置に装着されることを
可能とする取付は穴１８を形成したアルミニウムブロッ
ク１７を備えている。

このブロック１７に、管状のハウジング２０を位置的に
定める２つの支持ブロック１９が固定されており、この
ハウジング２０内にはレンズ３と４が支持されている。

光ファイバ（図示せず）は管状のハウジング２０内へ伸
びてレンズ３と４に結合されている。

ミラー５は、管状のハウジング２０の外側の表面を支え
るＰＴＦＥブツシュ２２を有する筒状のキャリッジ２１
内に支持されている。したがって、キャリッジ２１は、
レンズ３と４に対して相対的にミラー５の位置を調節で
きるように管状のハウジング２０に対して相対的にスラ
イド可能となっている。ブラケット２３は、例えばブル
ドン管のようなアクチュエータに接続するために設けら
れている。

第５図では、第３図、第４図の構造とは別の構造を示し
である。入力レンズ３はファイバ９に接続され、かつ管
状のハウジング２４内に支持されている。ミラー５は、
管状のハウジング２４と同軸上の筒状のハウジング２５
内にスライド可能に受け入れられている。出力レンズ４
は入力レンズ３と同軸上に、図示しない手段により独立
に支持されている。

第６図は、第３図、第４図に示された構造と別のもう−
っの例を示す。第６図の装置では、ミラー５はキャリツ
ノ２Ｉ上に支持されているが、第３図の装置と対照的に
キャリッジ２１は筒状のハウジング２６内にスライド可
能に受け入れられ、レンズ３と４は端部用キャップ２９
上に支持された管状のハウジング２７．２８内に支持さ
れてぃる。ブラケット２３は筒状のハウジング２６内へ
小孔を通って至っている。

第７図に戻ると第１図に示すものの代りに変換手段のた
めの別の基本的な装置が示されている。

入力レンズ３はその端面上にダイクロイックミラー３０
を支持し、かつミラー５は完全に反射させるものである
。レンズ３は図示しない光ファイバにより異なった波長
ＷｌとＷ２の入力信号を受けている。ダイクロイックミ
ラー３０は波長Ｗｌの信号に対しては完全に反射させる
が、波長Ｗ２の信号に対しては透明である。したがって
、入力レンズ３を経て信号を供給する光ファイバに戻っ
た信号は、ミラー３０から単に直接反射された波長Ｗｌ
の第１成分と、レンズ３に対するミラー５の相対的な位
置の関数としての強度が変調される波長Ｗ２の第２成分
とからなっている。この装置は、入力光信号と反射され
たレファランスおよび測定用信号の双方を送るのに１本
のファイバがあればよい点で有利である。入力レンズ上
に別個のダイクロイックミラー３０を支持するものとし
て、その他入力レンズでの出力端の表面が、そのまま用
いられ、同様の効果を達成することができる。

第８図では、入力および出力レンズ３．４それぞれが変
調用ミラー５との関係において第１図の実施例と同様に
配置されている。しかしながら、第１図の手帳メッキミ
ラー５の代わりに、第８図の変調用ミラー５はダイクロ
イックミラーである。

波長ＷｌおよびＷ２の入力信号は入力レンズ３を経て送
られて来る。波長Ｗｌの信号はミラー５により反射され
て測定用信号となる。波長Ｗ２の信号はミラー５を通過
して、出力レンズ４により捕えられ、レファランス信号
となる。

第９図では、第１図の装置とは別のもう一つの装置が示
されている。変調用ミラー５はダイクロイックミラーの
形式であり、そしてここでも入力レンズ３により送られ
て来た入力信号は波長Ｗ１とＷ２のものである。波長Ｗ
ｌの信号は入力レンズ３に反射により戻され、測定用信
号となる。波長Ｗ２の信号はダイクロイックミラー５を
通過して、そして入力レンズ３に対して相対的に定位置
に固定された他の金銀メッキミラー３１によって反射さ
せられろ。ミラ〜３１によって反射された光はダイクロ
イックミラー５を通ってレンズ３に戻り、そしてレファ
ランス信号の基となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１光学的変換手段の概略図、第
２図は第１図の光学的変換手段を組み入れた光学的測定
システムを示す図、第３図は第１図に示すタイプの光学
的変換手段の断面図、第４図は第３図の４−４線方向か
ら見た図、第５図は第１図に示すタイプのもう−っの光
学的変換手段の断面図、第６図は第１図に示すタイプの
さらにもう一つの光学的変換手段の断面図、第７図〜第
９図はそれぞれ本発明に係る第２．第３．第４光学的変
換手段の概略図である。 ２　・破線、３．４・・レンズ、５・・・ミラー、９・
・・光ファイバ、１０・・カプラー、１１・・発光ダイ
オードトランミッタ、１２．１３・・・ｐ−１−ｎフォ
トダイオードレシーバ、１４・・・光ファイ／（，１５
・・・位相高感度検−出および゛比率解析回路、＋６・
・・発振器。 ２０．２４〜２７・・・ハウジング、３０・・・ダイク
ロイックミラー、３１　・全銀メツキミラ〜。 特許出願人　モニセル・リミテッド 化　理　人　弁理士　前出　葆　はか１名手続補正書（
自発） 昭和６０年　４月１１日 １、事件の表示 昭和６０年特許願第　４３５５３　号 ２発明の名称 光学的変換手段・ ３補正をする者 ４代理人

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）予め決められた光軸方向に光ビームを向けるよう
   に配置した入力レンズと、上記光軸上に中心を位置させ
   、かつ光軸に平行に移動可能な変調用ミラーであって、
   強度に関して人力レンズと変調用ミラーとの間の距離に
   関係する測定用信号を入力レンズへ反射させて戻すよう
   に配置した変調用ミラーと、このレンズに対して相対的
   に定位置で、かつ上記光軸上に中心を置き、強度がレン
   ズと変調用ミラーとの間の距離に依存しないレファラン
   ス信号を出すように配置したもう一つの光学エレメント
   とからなることを特徴とする光学的変換手段。
2. （２）上記変調用ミラーが、光ビームの一部を入力レン
   ズへ反射し、かつ光ビームの一部を上記もう一つの光学
   エレメントへ送るように配置されての光学的変換手段。
3. （３）上記変調用ミラーが部分的に銀メッキされている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学的変
   換手段。
4. （４）上記変調用ミラーがグイクロイックミラーで、か
   つ光ビームが変調用ミラーによって反射される波長成分
   と変調用ミラーが実質的に透明となる波長成分とからな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学的
   変換手段。
5. （５）上記もう一つの光学エレメントが出力レンズであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項から第一項の
   いずれかに記載の光学的変換手段。
6. （６）上記もう一つの光学エレメントが、受けた光ビー
   ムの一部を入力レンズへ反射させて戻すように配置した
   ミラーであることを特徴とする特許請求の範囲第２項か
   ら第４項のいずれかに記載の光学的変換手段。
7. （７）上記もう一つの光学エレメントが、入力レンズと
   変調用ミラーとの間に位置するグイクロイッ−によって
   反射される波長成分と、グイクロイックミラーが実質的
   に透明となる波長成分とからなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の光学的変換手段。
8. （８）上記入力および出力レンズが同軸上の管状のハウ
   ジング内に支持され、かつ変調用ミラーが管状のハウジ
   ングにスライド可能に装着された管状キャリッジ内に支
   持されていることを特徴とする特許請求の範囲第５項に
   記載の光学的変換手段。
9. （９）上記入力レンズが管状のハウジング内に支持され
   、かつ変調用ミラーが管状のハウジングと同軸上にある
   筒状のハウジング内にスライド可能に装着されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項のいず
   れかに記載の光学的変換手段。
10. （１０）上記入力および出力レンズが同軸上の管状のハ
    ウジング内に支持され、かつ変調用ミラーが同軸上で、
    かつ管状のハウジングを支持する筒状のハウジング内に
    スライド可能に装着されている管状のキャリッジ内に支
    持されていることを特徴とする特許請求の範囲第５項に
    記載の光学的変換手段。
11. （１１）上記測定用およびレファランス信号を受けるよ
    うに接続したｐ−ｉ　−ｎフォトダイオードレシーバと
    、このレシーバに結合した位相高感度検出および比率解
    析回路と、上記光ビームを供給する発光ダイオードトラ
    ンスミッタと、上記解析回路および発光ダイオードトラ
    ンスミッタを作動させる発振器とを有することを特徴と
    する上記第１項から第１Ｏ項のいずれかに記載の光学的
    変換手段。