JPS60244808A - 光フアイバジヤイロスコ−プ - 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、光フアイバジャイロスコープに関し、特に回
転光学系の角速度をめるための光フアイバジャイロスコ
ープに関するものである。

［従来の技術１ 第１図は、従来から用いられている毘７アイバノヤイロ
スコープ（例えば第１インターナショナル社から昭和５
８年８月１９日に発行された１光フアイバーセンサー技
術資料集１の第２６３頁に記載されている）の基本的な
構成を示すブロック図で、レーサーなとの発光源１０か
ら発射された光はビームスプリッタ−＋２（１、偏光子
１４、及びビームスプリッタ−１２ｂを通過して集光レ
ンズ１５１〕により単一モードの光フアイバループ１６
に入り集光レンズ１５ａを通り、分度は、ビームスプリ
ッタ−１２１〕で反射して偏光子１４及びビームスプリ
ッタ−１２ｕを介して光検出器１８に入力される。これ
は、光フアイバルー１１６を光が図の時計回りに伝搬し
た場合であるが、反時計回りの場合は、ビームスプリン
ター１２ｂで反射されて集光レンズｉ５ａにより光フア
イバルー１１６を伝搬し集光レンズ１５ｂを経てビーム
スプリッタ−＋２ｂを通過するところだけが異なってい
る。

［１図に示す光学系が慣性空間に対して角速度Ωで一方
向に回転すると、光フアイバループ１６内を伝搬する時
計回り光と反時計回り光との伝搬時間に差が生じ、その
結果、サグナック（Ｓａｇｎａｃ）効果として知られる
次の式で表される位相差Δθが生じる。

但し、１：光フアイバループのＫ　％ ａ：ミニ光ファイバループ径 Ｃ：光速度（真空中） λ：光波長 従って、時計回り光と反時計回り危とを干渉させて光検
出器１８で検出すれば光検出器１８の電気信号出力は八
〇の関数になり、その結果Δθがまり、最終的には目標
の角速度Ωを一求めることができる。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、第１図の基本構成では光検出器１６の出
力はｃｏｓΔθに比例して変化することが分かっており
微小回転に対する感度が得られない。

このため、位相変調法、周波数変調法、光ヘテロゲイン
法など色々な方法が試みられているが、次のような問題
を抱えている。

（イ）時計回り光と反時計回り光とで光路に異なる部分
を有する別の方法では、その部分の光学系の変動が問題
となる。

（ロ）出力がｃｏｓΔθでな（ｓｉｎΔθに比例するよ
うにした場合、角速度Ωとの非直線性に問題が有る。

（ハ）時計回り光と反時計回り光とが異なる周波数−を
持つ場合、光フアイバループの温度変動が問題となる。

（ニ）音響光学変調器（等方ブラッグ回折を利用した光
変調素子）により周波数変調を行う場合、出力のビート
周波数が一庸波の周波数となるため電気的処理が複雑と
なる。

［問題点を解決するための手段１ 本発明の目的は、上記の問題点を解決し、かつ構造及び
電気的処理の簡単な光フアイバジャイロスコープを提供
することにある。

この目的を達成するするための手段として、本発明にか
かる光フアイバジャイロスコープでは、時間的にコヒー
レントな光源（１０）から発射される光を第１及び第２
の光に分割する第１手段（１２ａ）と、第１の光を第３
及び第４の光に分割する第２手段（１２Ｃ）と、第２の
光を第５及び第６の光に分割する第３手段（１２ｂ）と
、コイル状に巻いた光フアイバループ（１６）と、光信
号を電気信号に変換する第１及び第２の光検出器（１８
ａ、１８１１）と、前記第３の光を前記光フアイバルー
プに通過させる第４手段（１５ｂ、１５ａ）と、前記第
４の光を通過させる光変調器（２０）と、両前記光検出
器に接続された位相検出回路（１７）と、を備え、前記
第３及び＠４の光を前記第３手段により前記第１の光検
出器（１８ａ）に受光させて干渉させ、前記第５の光を
前記第４手段により前記第３の光と同一光路を逆方向に
通過させ、前記第６の光を前記光変調器により前記第４
の光と同一光路を逆方向に通過させ、これら第５及び第
６の光を前記第２手段により前記第２の光検出器（１８
１１）で受光させて干渉させ、前記第１及び第２の光検
出器の出力から前記位相検出回路により位相検出し、以
て回転光学系の角速度を得ることを特徴とした構成を備
えている。

［実施例］ 本発明の好ましい一実施例が第２図に示されている。第
２図に於いては、ビームスプリッタ−１２ａ及びビーム
スプリッタ−１２ｂに加えてビームスプリッタ−１２ｃ
を用い、光アイソレータ１１、四つの偏光子１４ａ、　
１４ｂ、　１４ｃ、　１４ｄ、二つの光検出器１８ａ、
　１８ｂ、光位相変調器又は光周波数変調器などの光変
調器２０、位相検出回路１７、及び全反射鏡２２ａ、２
２ｂ、２２Ｃを用いているところが第１図の構成と異な
った点である。尚、これらの素子は、既に市販されてい
る周知のものを使用することができる。

まず、光変調器（２０）として光位相変調器を用いた場
合の動作を説明する。

発光源１０から発射された光は光アイソレータ１１を経
てビームスプリッタ−］、２ａで光ＢとＣとに分割され
、光Ｂは全反射鏡２２ｂ及び２２ｃで反射され、偏光子
１４ｃを通過し、ビームスプリッタ−１２ｃで更に二つ
の光り及び］：に０分りされる。尤りは集光レンス１ン
ズ１５ａを経た後、ビームスプリンター１２１〕で反射
され偏光子１４１〕を介して光検出器１８ａに入力され
る。

光Ｅは、光位相変調器２０及びビームスプリッタ−１２
ｂ及び偏光”ｊ’　１４　ｂを経て光検出器１８ａに入
力される。従って、光Ｂは光りとＥとに分割された後、
ｎ、いに別の光路を通って光検出器１８ａに入力され相
互に干渉することとなる。この光検出器１８ａに入力さ
れて干渉する光を以下各々ベクトルＡ、及びＢ、と呼ぶ
９゜ 一方、光Ｃは全反射鏡２２ａで反射され偏光子１４１１
を透過した後、ビームスプリッタ−１２１）で光Ｄ゛及
びＥ゛に分割される。そして、今度は」−記と反対の光
路を進む。即ち、光Ｄ゛は集光レンズ１５ａ、光フアイ
バーループ１６、及び集光レンズ１５１〕を介してビー
ムスプリッタ−１２ｃで反射され偏光子＋４ｄを介して
光検出器１８ｂに入力され、光Ｅ′は光位相変調器２０
及びビームスプリッタ−１２ｃ及び偏光子１４ｄを経て
光検出器１８ｂに入力され相互に−干渉する１、この場
合の干渉光を以下各々ベクトルＡ２及びＩ３２と呼ぶ。

今、ＡＩ、Ａ２、Ｂ１、及び［３２の光を、Ａｉ＝　Ａ
ｏｉ−ｅｘｐ（ｊＩ　ωｏＬ＋φｉ］ｌ　（ｉ＝Ｌ２）
　（２）Ｂ　１＝Ｆ３ｏｉ　−ｅｘｐｌｊ［ωｏｔ十　
ψ　ｉｌｌ　（ｉ＝Ｌ２）　（３）と表すものとする。

ここに、Ａｉ、及びＩ３１は単色平面波で周波数は皆等
しいと仮定する。このような光は、発光源１０に単一モ
ードレーザを使用することにより容易に得ることができ
る。

このとき、光検出器１８ａの電気信号出力１．、及び光
検出器１８ｂの電気信号出力Ｉ２は、次の一般式％式％ （４） ただし、■、及び■８１は各々Ａｉ及びＢｉ単独の光量
へ１ であり、Δφｉは、 Δφｉ二φ１−ψｉ　（ｉ＝Ｌ２）　（５）である。こ
こで、位相差Δ°φ１は光Ａ１と璽３１の二つの光路中
、光フアイバループ１６を通る光路と、光フアイバルー
プ１６を通らず光位相変調器２０を通る光路との違いに
よって生じたものであり、位相差Δφ２は晃Ａ２とＩ３
２の二つの光路中、光フアイバループ１６を通る光路と
、元ファイバループ１６を通らず光位相変調器２０を通
る光路との違いによって生じたものである。即ち、位相
差Δφ１とΔφ２は、伝搬方向は互いに逆であるが同一
の光路差によって生じたものである。

従って、もし第２図の光学系が慣性空間に対して静止し
ていれば、 Δφ１−Δφ２＝Ｏ（６） であり、この光学系が慣性空間に対して角速度Ωで回転
していれば、 Δφ１−Δφ２＝Δθ　（７） となる。ここにΔθは、光フアイバルー１１６を互いに
逆方向に伝搬する二つの光に対してサグナンク効果によ
り生した位相差であり、前述のごとく式（１）により表
される。。

今、光位相変調器２０を通過することによって制御され
る光の位相を次の式のように表す、。

Δφ１＝νｔ＋１７　ｉ　い＝１．２）　（８）この式
（８）を式（４）に代入すれば、＋、＝■＋＋　＋２（
Ｔ７．）Ｂ、ｃｏｓ（１／　を十η＋）　（９）八、Ｉ
（１ ＋２＝ｌ　＋Ｉ　＋２ｒＷ■ｃｏｓ（νＬ＋η２）　（
ｔｏ）八、１３２ が得られる。

一方、式（７）及び（８）から、 ｌ、−η２−Δθ　（１１） が得られるので、式（９）及び（１０）の交流成分は位
相差へ〇の信号となっている。従って、式（９）及び（
１０）の交流成分をそれぞれ光検出器１８ａ及び１８　
ｂの出力信号から検出し、両方の出力信号の位相差を周
知の位相検出回路１７で検出することにより、Δθを検
出することができ、式（１）により第２図の光学系の角
速度Ωをめることができる。

次に光変調器２０として光周波数変調器を使用した場合
の動作を説明する。

光周波数変調器２０は、これを通過する光の周波数をｆ
だけシフトする。このため、式（３）は、Ｂｉ＝Ｂｏｉ
−ｅｘｐｉｊ［（ωｏ＋２　ｙ　ｆ）ｔ＋ψ１１（ｉ＝
　１．２）　（１２） となる。式（２）及び（１２）より干渉後の光検出器１
８ａ及び１８１）の電気的出力１１及び■２は、ｒ、＝
■＋１　＋２．／Ｔ肩ＩＢ、ｃｏｓ（２ｙ　ｒｔ十Δφ
、）　（１３）Δｌ　Ｂ＋ ｌ２＝Ｉ　＋Ｉ　＋２Ｑｃｏｓ（２πｆｔ＋Δφ２）　
（１４）八２　Ｂ２ となる。式（１３）及び（１４）においては式（７）の
関係が適用で外るから、式（１３）及び（１４）の交流
成分は位相差Δθの同一周波数の信号となっている。従
って、その交流成分を上記と同様に光検出器１８ａ及び
１８ｂの出力信−ち゛から取り出し電気的に位相検出す
ることによりΔθを検出することができ、式（１）によ
る角速度Ωをめることができる。

尚、上述した事項のうち、最適な実施例として、光ファ
イバに偏波面保存ファイバを用い、発光源の出射部に光
アイソレータを使用し、更に偏光子並びに全反射鏡を適
宜用いることは当業者にとって容易なことであり本発明
の必須事項ではない。

［発明の効果１ 以上述べた本願発明による光７フイバシ゛ヤイロスフー
プの効果をまとめると次のようになる。

（イ）サグナック効果を取り出すための光路に於いて、
時計回り・反時計回りの両回りの光は、単−偏波面及び
同一周波数で同一光路を通る。このため、光ファイバの
不均一性や温度特性の影響を受けない。（第１図の場合
は出力がｃｏｓΔθに比例するため感度が悪い） （ロ）総ての光路は二つの光が通り、干渉の結果、光路
のドー７７）を互いに打ち消し合うため光学系の微小変
動による影響を受けなし−４゜（ハ）出力として八〇を
取り出すことがでトるため角速度Ωに対する直線性が良
くダイナミ・ンクレンジが大きくとれる。

（ニ）光周波数変調器として音響光学変調器を直列に二
つ使用すればシフト周波数ｆを十分小さくすることがで
き、電気処理が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光フアイバジャイロスコープの基本的な
構成を示すブロック図、そして＠２図は本願発明にがか
る光フアイバジャイロスコープの好ましい一実施例の構
成を示すブロック図、である。 図中、１０は発光源、１２ａ−１２ｃはビームスプリッ
タ−１１５ａ、１５１３は集光レンズ、１６は光フアイ
バループ、１７は位相検出回路、１８ａ、　１８ｂは光
検出器、２０は光変調器、である。 尚、図中、同一符号は同一・又は相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）時間的にコヒーレントな光源（１０）から発射さ
   れる光を第１及び第２の光に分割する第１手段（１２ａ
   ）と、第１の光を第３及び第４の光に分割する第２手段
   （１２ｃ）と、第２の光を第５及び第６の光に分割する
   第３手段（１２ｂ）と、コイル状に巻いた光フアイバル
   ープ（１６）と、光信号を電気信号に変換する第１及び
   第２の光検出器（１８ａ、１８ｂ）と、前記第３の光を
   前記光フアイバループに通過させる第４手段（１５ｂ、
   １５ａ）と、前記第４の光を通過させる光変調器（２０
   ）と、両前記光検出器に接続された位相検出回路（１７
   ）と、を備え、前記第３及び第４の光を前記第３手段に
   より前記第１の光検出器（１８ａ）に受光させて干渉さ
   せ、前記第５の光を前記第４手段により前記第３の光と
   同一光路を逆方向に通過させ、前記第６の光を前記光変
   調器により前記第４の光と同一光路を逆方向に通過させ
   、これら第５及び第６の光を前記第２手段により前記第
   ２の光検出器（１８ｂ）で受光させて干渉させ、前記第
   １及び第２の光検出器の出力から前記位相検出回路によ
   り位相検出し、以て回転光学系の角速度を得ることを特
   徴とした光フアイバジャイロスコープ。
2. （２）前記光変調器が、光位相変調器である特許請求の
   範囲第１項記載の光フアイバジャイロスコープ。
3. （３）前記光変調器が、光周波数変調器である特許請求
   の範囲第１項記載の光フアイバジャイロスコープ。
4. （４）前記光周波数変調器が二つ直列に接続されている
   特許請求の範囲第３項に記載の光フアイバジャイロスコ
   ープ。