JPS60230299A - 光学的計測装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、被計測情報を光学的手段のみによりて検知
し、伝送するとともに、伝送された信号から電気的な信
号処理によって被計測情報を得る光学的計測装置に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

工業計測システムでは、計測器自体の安全性や防爆性な
どの点から光学的手段のみからなるセンサユニットを用
いた計測装置が注目されている。

光学的手段のみからなるセンサユニットを用いた計測装
置としては、種々のものが知られているが、その中でも
本出願人が既に出願した特願昭５８−２４７３２号で提
案されている光学的計測システムは、構造が簡単ながら
伝送路損失変動の影響を効果的に除去できるという大き
な利点を有している。

すなわち、この光学的計測装置は、第１図に示すように
、光源として波長掃引が可能な波長掃引レーザ１を用い
、この波長掃引レーザ１からの光波Ｐを、光学的手段の
みからなるセンサユニット２を介して光検出器３で検出
させるようにしたち・のである。センサユニット２は、
たとえばシリアル接続された３本の定偏波ファイバ４．
５．６と、検光子７とで構成される。定偏波ファイバ４
〜６および検光子７は、それぞれ隣接するファイバまた
は検光子の屈折率主軸方向を、たとえば４５°異ならせ
て配置されている。定偏波ファイバ４はその主軸方向を
レーザ１の直線偏光方向と一致させて設定されており、
レーザ１から出射される光を物理ｌ８１１Ｉ定点まで導
波する。定偏波ファイバ５は短寸法に設定されており、
物理量測定点において被計測物理量を検出するセンサ部
を構成する。また、定偏波ファイバ６は、長寸法に設定
されており、サブキャリア発生部を構成する。

いま、レーザ１から出射され、定偏波ファイバ４に導か
れた光波が定偏波ファイバ５へ直線偏光で入射すると、
定偏波ファイバ５内部における複屈折によって入射光は
楕円または円偏光される。

この時の複屈折率は、定偏波ファイバ５に印加される被
測定物理量、たとえば温度によって変化するので、定偏
波ファイバ５から出射される光の偏光状態も温度によっ
て変化する。一方、定偏波ファイバ６では、その＃１１
８１１に生ずる２つの主軸に関する電界の位相差が波長
掃引によって周期的に変化する。そして、この周期的変
化の変調度は入射する光の偏光状態で決定される。した
がって、上℃の周期的変化をサブキャリアとして用いれ
ば、゛このサブキャリアに温度情報を担わせて伝送させ
ることができる。

このような計測装置では、複数のセンサユニットをシリ
アルに接続しても、各センサユニットで発生するサブキ
ャリアの周波数を異なるものにすることができるので、
各センサ部で検出された情報を異なる周波数のサブキャ
リアに担わせて周波数分割多重化して伝送させることが
できる。この場合、伝送路の受信端では、可変トランス
バーサルフィルタや高滓フーリエ変換回路（ＦＦ７回路
）などを用いて各センサの情報が検知される。

ところで、波長掃引レーザ１は、パルス電流で駆動され
電流注入による温度上昇によって発振波長を掃引するも
のである。このような熱的変化を伴う場合、光の波長は
、第２図に示す如く、時間に対して非線形で変化するこ
とになる。このため、サブキャリア発生部での光強度の
周期的変化の速さも時間とともに変化するので、光検出
器６の出力は、第３図に示すようにチャーピングした波
形となる。したがって、フーリエ変換の際の演−の簡易
化を図るためには、Ａ／Ｄサンプリングのタイミングを
、波長に応じて変化させる必要がある。

そこで、第４図に示すように、波長モニタとしてマツハ
ツエンダ型干渉計１１を用いて、波長変化に応じたＡ　
、／′Ｄサンプリングのタイミングを与えることが考え
られている。すなわち、マツハツエンダ型干渉計１１で
得られた光強度の周期的変化は、サブキャリアの周波数
に対応しており、光検出器１２で検出され増幅器１３を
介してＡ／Ｄ変換器１４にサンプリングクロックとして
与えられる。光検出器３および増幅器１５を介してＡ／
Ｄサンプリング回路１４に入力された受信信号は、上記
サンプリングクロックのタイミングに従ってサンプリン
グおよびＡ／Ｄ変換される。ＣＰ　Ｕ　１６では、得ら
れたディジタル信号からフーリエ係数を算出する。

上記のようにセンサユニットを複数用いた比較釣人規模
な光学的測定システムでは、フーリエ変換による周波数
分割の手法は必須である。したがって、必然的に高速の
サンプリングが必要であり、しかも演算処理に時間がか
かるという欠点があった。しかし、たとえば甲−のセン
サユニットで限られた狭い空間内での測定をする場合や
、センサ部で検出した物理量の平均値のみを検知すれば
良い場合には、特にフーリエ変換の手法を用いる必要は
ない。したがって、この場合には、比較的簡易な構成で
しかも高速計測が可能な装置が望まれる。

そこで、第５図に示すように、増幅器２１を介して入力
された受信信号を、高域通過フィルタ（ＨＰ　Ｆ　）　
２２と低域通過フィルタ（Ｌ　Ｐ　Ｆ　）　２３とによ
って、それぞれ高域成分と低域成分とに分離して、高域
成分の振幅を包絡線検波器２５によってめる°ことによ
り、アナログ的にサブキャリアの振幅情報をめ、この振
幅情報とＬＰＦ２３の出力とから受信信号の変調度をめ
ることが考えられる。

ところが、半導体レーザを用いた装置では、波長掃引を
連続的に行なうことにはがなりの困難があり、通常、受
信信号は第６図中Ａに示すようにバースト的にならざる
を得ない。このため、このようなバースト的な受信信号
ＡがＨＰＦ２２およびしＰＦ２３を通過すると、イ（−
スト周波数成分が高域および低域成分に混入し、第６図
中ＢおよびＣに示すように、各フィルタ２２．２３で分
離された信号のバースト前縁部が歪んでしまうという問
題があった。このように各フィルタ出力信号のバースト
前後縁部が歪んでしまうと、各フィルタ出力信号の内、
バーストの中間部分でしか有効な情報が得られなくなる
という問題がある。

もちろん、バースト信号の中間部分だけで有効な情報が
十分に得られれば、大きな不都合はない。

ところが、波長掃引レーザでは、１回の駆動パルスによ
って注入される電流による温度上昇によりしきい値が変
化し、 （注入電流−しきいｔｉｌｌ　）　、、／　Ｌきい値の
値が時間とともに変化するので、１バ一スト期間の始め
から終わりにかけて半導体レーザがら出射される光のコ
ヒーレンスや光強度が変動する。

したがって、強度変調光の振幅も、時間とともに変動す
ることになる。したがって、このようなバースト信号か
ら精度の良い情報を得るためには、１つのバースト信号
に乗っている振幅情報をできるだ番ブ多く検出し平均化
演算をしなくてはならない。上記の方式では、バースト
期間の一部でしか情報を得ることができず、しかも、コ
ヒーレンスおよび光強度が最も高い、バースト前縁部か
らは全く情報を得ることができないという問題があった
。

〔発明の目的〕

この発明は上記の点に鑑みなされたもので、測定精度を
なんら低下させることなしに、信号処理回路の簡易化お
よび信号処理時間の短縮化を図ることができ、もって装
置全体の小形化および簡易化が図れるとともに高速計測
に適した光学的計測装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、受信信号から被計測物理量の計測情報を検知
する信号処理回路を次のように構成したことを特徴とし
ている。

すなわち、信号処理回路は、一方の入力端に前記受信信
号を入力しこの受信信号と他方の入力端に入力された信
号との差信号を出力する加算器と、この加算器の出力信
号を前記受信信号のバースト期間の少なくとも一部だけ
導通させるスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して
前記加算器の出力信号を積分する積分器と、この積分器
の出力信号を前記加算器の他方の入力端に帰還するルー
プと、前記加算器の出力信号の振幅と前記積分器の出力
信号とから受信信号の変調度を算出する手段とを具・備
してなることを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スイッチ回路を受信信号のバースト期
間の少なくとも一部だけ導通させるようにしているので
、積分器の出力は受信信号のバースト期間の情報のみに
よって得ることができる。

したがって、積分器の出力はバースト周期に影響される
ことがなく、常に受信信号のバースト部分の平均レベル
に追従させることができる。そして、このようにして得
られた平均値は、バースト全域にわたって略同じレベル
を維持するので、この平均値と受信信号との差信号から
は、バースト期間全域に亙っで有効な情報を得ることが
できる。

このように、本発明によれば、可変トランスバーサルフ
ィルタやＦＦＴ回路を用いた従来の装置のように、波長
掃引時の非直線特性を補正する必要もない。したがって
、装置の構成を極めて簡易化することができる。しかも
、得られた情報から加減算などの簡単な演算で計測情報
を得ることができるので、演算処理時間の短縮化を図る
ことができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第７図は、光学的サブキャリア発生部に定偏波ファイバ
を用いた実施例装置の構成を示したもので、図中３１は
、第１図、第４図および第５図に示したものと同様の波
長掃引レーザである。このレーザ３１は、たとえば回折
格子による分布帰還型半導体レーザで、パルス電流駆動
に起因した熱シフトによって単一モードで波長掃引が可
能なものである。このレーザ３１は、熱時定数よりも十
分に小さなパルス幅（たとえば数ｍ５ｅｃ　）のパルス
電流を発生するパルス発生器３２によって駆動される。

レーザ３１からの光はセンサユニツｉ〜３３を介して光
検出器３４によって受光される。

センサユニット３３は、縦続接続された３本の定偏波フ
ァイバ３５．３６．３７および検光子３８から構成され
ている。定偏波ファイバ３５は、レーザ３１から出射さ
れた光を温度測定点まで導波するためのもので、その主
軸方向が入射光の直Ｉｍ偏光方向と一致するように設定
されたものである。定偏波ファイバ３６は、温度や力な
どの被計測物理量を検出するセンサ部となるもので、そ
の主軸方向を上記定偏波ファイバ３５の主軸方向に対し
、たとえば４５゜傾斜するように設定されている。定偏
波ファイバ３７は、サブキャリア発生部を構成し、その
主軸方向が、定偏波ファイバ３６の主軸に対し、４５°
傾斜するように設定されている。さらに検光子３８も、
定偏波ファイバ３７の主軸に対し、４５°に設定される
。

このセンサユニット３３を介して光検出器３４に入射さ
れた強度変調光は、光電変換されて電気的な受信信号と
して信号処理回路３９に入力される。

信号処理回路３９は、次のように構成されている。

すなわち、受信信号が入力する側から順に増幅器４１、
加算器４２、同期スイッチ４３、積分器４４がこの順で
直列接続され、積分器４４の出力は加算器４２の他方の
入力端に帰還されている。同期スイッチ４３には、同期
信号としてバースト信号を検出するバースト検出回路４
５からのパルスが導入されている。

加算器４２の出力信号は、包絡線検波回路４６を介して
Ａ／Ｄサンプリング回路４７に導入されている。

積分器４４の出力は、Ａ／Ｄサンプリング回路４８に導
入されている。これらＡ／Ｄサンプリング回路４７、４
８から出力されるデータはそれぞれＣＰ　Ｕ　３６に導
入されている。

このように構成された本実施例に係る光学的計測装置の
動作について、第８図を参照しながら更に詳述する。

波長掃引レーザ１から出射される光は、バースト状であ
り、Ｄで示す如く、時間に対する波長変化は非線形であ
る。この光は、前述した如くセンサユニット２３で強度
変調されチャーピングした強度変調光となる。この強度
変調光の変調度は、センサ部に印加された被計測物理量
に対応している。

この強度変調光は、光検出器３４で検出される。光検出
器３４から出力される受信信号Ｅは、増幅器４１で所定
レベルまで増幅され、加算器４２の一方の入力端に導入
される。加算器４２の他方の入力端には、積分器４４の
出力信号がフィードバックされている。

いま、仮に積分器４４がリセット直後であり積分器４４
の出力信号が０レベルであるとすると、同期スイッチ４
３が“オン″（同図中Ｆの立上り部分）になった直後で
は、積分器４４の出力信号は、Ｇに示すように積分器４
４の時定数で決定される速度で受信信号の平均レベルに
追従する。平均レベルに達すると、加算器４２の出力信
号は、Ｈで示すように、受信信号からその平均値だけ差
し引いた信号となる。同期スイッチ４３が゛オフ″とな
ると、積分器４４は、その値を保持する。以後、積分器
４４の出力は、受信信号のバースト部分の平均値を追従
する。

加算器４２の出力信号Ｈは、包絡線検波回路４６に導入
されて検波された後、Ａ　、／　Ｄサンプリング回路４
６によって所定のサンプリングタイミングでＡ／Ｄ変換
され、振幅データａとなる。一方、積分器４４の出力信
号は、Ａ／Ｄサンプリング回路４８によって所定のサン
プリングタイミングでＡ／Ｄ変換され、平均値データｂ
となる。ＣＰ　Ｕ　４９では、ｍ＝ａ／ｂ　・・・（１
） なる演算によって、変調度ｍが算出される。かくして、
この変調度ｍから被計測物理量の計測値をめることがで
きる。

このように本実施例によれば、積分器４４によってアナ
ログ的に受信信号の平均値を得、この積分器４４の出力
と受信信号との差信号でアナログ的ににも拘らず、１バ
一スト信号に含まれる情報をほとんどムダにすることな
く精度の良い４測が可能である。

なお、本発明は、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、同期スイッチ４３を
駆動する同期信号を矩形波としたが、たとえば、第９図
中Ｊに示すように、同期信号を時間とともに徐々に増加
し徐々に減少するような窓関数を用いることによって、
Ｋで示すように加算器の出力信号のバースト前後縁の振
幅を抑えるようにしてもよい。このようにすれば、スペ
クトルの広がりを防止できるので、受信信号■のサブキ
ャリア位相変動による積分器出力の変動を少なくでき、
さらに精度の高い情報を得ることができる。また、同期
スイッチ４３を駆動する同期信号をパルス発生器３２か
ら得るようにしてもよい。さらに、変調度ｍの演算をア
ナログ回路で構成された割算器で行なうようにしてもよ
い。

また、上記実施例ではサブキャリア発生部に定偏波ファ
イバを用いた装置を例にとり説明したが、本発明は、サ
ブキャリア発生部に干渉計を用いた光学的計測装置にも
適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は波長掃引レーザを用いた光学的計測装置の基本
構成を示す図、第２図は同装置における“波長掃引レー
ザの時間に対する波長変化を示す図、第３図は同装置に
おける光検出器の出力信号を示、′ す波形図、第４図は干渉計を用いてサンプリングタイミ
ングを得るようにした従来の光学的計測装置の構成を示
す図、第５図は信号処理回路にフィルタを用いた従来の
光学的測定装置の構成を示す図、第６図は同装置の動作
を説明するための波形図、第７図は本発明の一実施例に
係る光学的計測装置の構成を示す図、第８図は同装置の
動作を説明するための波形図、第９図は本発明の他の実
施例に係る光学的計測装置の動作を説明するための波形
図であ菖。 １．３１・・・波長掃引レーザ、２，３３・・・センサ
ユニット、３．１２．３４・・・光検出器、４〜６．３
５〜３７・・・定偏波ファイバ、７．３８・・・検光子
、１１・・・干渉計、１３、　Ｉｓ、　２１．４１・・
・増幅器、１４．４７．４８・・・Ａ／Ｄサンプリング
回路、１６．４９・・・ＣＰＵ、２２・・・烏賊通過フ
ィルタ、２３・・・低域通過フィルタ、２５．４６・・
・包絡線検波回路、３２・・・パルス発生器、３９・・
・信号処理回路、４３・・・同期スイッチ、４４・・・
積分回路、４５・・・バースト検出回路。 出願人　工業技術院長　川田裕部 第１　図 １ ｊＩ２　図 入 第４＠ 第５図 第６図 第７ｗｔ 第８区

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長掃引しながらバースト状に光波を出射する光
   源と、この光源から出射された光波の偏光状態を被計測
   物理−の変化によって変化させる光学センサと、この光
   学センサを透過した光波に前記光源の波長掃引によって
   光強度の周期的変化を生じせしめてこの光波の入射時の
   偏光状態に応じた信号に変換する光電変換器と、この光
   電変換器から出力されたバースト的な受信信号の変調度
   から前記被計測物理量の計測情報を得る信号処理回路と
   を具備した光学的計測装置において、前記信号処理回路
   は、一方の入力端に前記受信信号を入力しこの受信信号
   と他方の入力端に入力された信号との差信号を出力する
   加算器と、この加算器の出力信号を前記受信信号のバー
   スト期間の少なくとも一部だけ導通させるスイッチ回路
   と、このスイッチ回路を介して前記加算器の出力信号を
   積分する積分器と、この積分器の出力信号を前記加算器
   の他方の入力端に帰還するループと、前記加算器の出力
   信号の振幅と前記積分器の出力信号とから前記変調度を
   算出する手段とを具備してなることを特徴とする光学的
   計測装置。
2. （２）前記光学的サブキャリア発生手段は、定偏波ファ
   イバである特許請求の範囲第１項記載の光学的計測装置
   。 （ａ　前記光学的サブキャリア発生手段は、干渉計であ
   る特許請求の範囲第１項記載の光学的計測装置。 １４）　前記スイッチ回路は、その導通特性が時間とと
   もに変化するものである特許請求の範囲第１項記載の光
   学的計測装置。