JPS61118633A - 光フアイバセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光フアイバセンサに関し、特に光学式セン
サを用いて直流的な物理量を測定するものに関する。

〔従来の技術〕

従来この種の装置として第２図に示すものかあった。図
において、（１）は光送信手段、例えば光送信機、（２
）は光を発生する光源で、例えば発光グイオード（以下
、ＬＥＤと記す）、（３ａ）　、（３ｂ）　、（３ｃ）
は送信光路を構成する光ファイバ、（４ａ）　、（４ｂ
）、（４ｃ）は光コネクタ、（５ａ）　、（５ｂ）　は
偏光ビームスプリッタ、（６）は外部からの物理量に応
じて光学特性が変化する光学素子で、例えばポッケルス
素子や光弾性素子、（７）は１波長板、（８）は直角プ
リズム、（９ａ）　、　（９ｂ）　はホトダイオード、
（１０ａ）　、（１０ｂ）は光受信機、（１１）は加算
器、（１２）は引算器、（１３）は割算器１．（１４）
は光センサ部である。

次に動作について説明する。ＬＥＤ（２）から発生した
光は光ファイバ（３ａ）に結合され、光コネクタ（４ａ
）を介して光センサ部（１４）に導びかれる。光センサ
部（１４）では、光ファイバ（３ａ）からの光は、偏光
ビームスプリッタ（５ａ）で直線偏光に変換され、光学
素子（６）を通る。光学素子（６）として、ここでは光
弾性素子を例にとり、圧力検出の場合について説明する
。光弾性素子（６）は無応力状態では等方性であるが、
応力が印加されると複屈折性を示すものである。いま、
光弾性素子（６）への応力印加方向が、その素子（６）
内を伝搬する直線偏光波の偏光面と４５°の角度を成す
ようにしておけば、印加される圧力によって光弾性素子
（６）は複屈折性を呈するため素子（６）からの通過光
は欄内偏光となる。光弾性素子（６）への圧力印加は例
えば、両端を封じきったベローズを素子（６）上面に乗
せることにより行なよって７の位相パイマスを与えられ
たのち、偏光゛′ビームスプリッタ（５ｂ）で第１信号
光、例えば透過波（Ｐ波）と第２信号光、例えば反射波
（Ｓ波）に分離され、反射波を直接、光コネクタ（４ｂ
）を介して光ファイバ（３ｂ）へ導かれ、透過波は直角
プリズム（８）で反射され、光コネクタ（４０）を介し
て光ファイバ（３ｃ）へと導びかれる。光ファイバ（３
ｂ）　、（３ｃ）から出射する光は、それぞれホトダイ
オード（９ａ）（９ｂ）で電気信号に変換される。この
とき、ホトダイオード（９ａ）　、　（９ｂ）受光面−
ヒでの光強度を、それぞれ１十、■−とすれば、 ■＋＝工ｌ（］、＋５ｉｎｒｃｉ）　　　　　　　　−
（１）■−８工２　（１−ｓｉｎπ−）　　　　　　　
　−（２）Ｔン【 となる。上式中、■１．工２は無応力時の光・イワー、
Ｔは印加応力、旧は半波長応力である。これらの光をホ
トダイオード（９ａ）　、（９ｂ）　　で電気信号に変
換し、光受信機（Ｈｌａ）　、（１０ｂ）のゲインを調
節して、無応力時で２つの信号電圧を等しくすると、こ
れらの電圧はＡを定数として次のように表わされる。　
　　ＩＶ　２＝Ａ　（１−ｓｉｎπ−）　　　　　　　
　　＝　（４）Ｔπ この２つの信号を加算器（１１）と引算器（１２）に導
びき、和と差をとったのち、割算器（１３）でそれらの
比をとると、その出力はＢを定数として、次のように表
わされる。

・　’　　　　　　　＝　（５） ■””　Ｂ’Ｖｌ＋Ｖ２　”Ｂ”””　Ｔ７ｒ式（５）
によれば、圧力信号以外の直流成分は除去されていると
かわかる。従って光センサ部（１４）に加えられた外部
からの圧力が、割算器（１３）の出力をモニタすること
によって、検出できる・。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の直流信号検出用の光フアイバセンサは以上のよう
に構成されているので、光ファイバ（３ｂ）、（３ｃ）
が各々独立に曲げられると、その光伝搬損失が独立に変
化し、透過波及び反射波はそれぞれ独立に影響を受け、
大きな測定誤差を招く。また、光コネクタ（４ｂ）　、
（４ｃ）の結合損失が変動しても同様に、大きな測定誤
差を生ずるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、透過波及び反射波にそれぞれ独立して影響する光
伝搬損失及び結合損失などを除去し、これらに起因する
測定誤差をなくし、高精度で測定できる光フアイバセン
サを得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光フアイバセンサは、 λｌの波長の光を発生する光源、λ２の波長の光を発生
ずる光源、λｌの光とλ２の光を時分割多重で光ファイ
バを有する同一送信光路に送る手段、光ファイバからの
無偏光光を直線偏光に変換する偏光子、この偏光子から
の光を受け、外部からの物理量に応じて光学特性が変化
する光学素子、この光学素子を透過した光を入光する一
波長板、この１／８波長板からのλｌの光を透過し、λ
２の光を反射するダイクロイックミラー、このダイクロ
イックミラーからの光を入光する１波長板、この１波長
板を透過した光を反射するミラーを備え、 λ２の光はグイタロイックミラーで反射されて上記１／
８波長板、光学素子、及び偏光子を通り、送信光路をも
どって第１信号光となり、λ１の光はミラクミラー、１
波長板、光学素子、及び偏光子を通す、送信光路をもど
って第２信号光となり、第１、第２信号光をもとに演算
して外部からの物理量を測定する手段を備えたものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、λ１とλ２の光は同一光路を進む
ため、光ファイバの光伝搬損失及び結合損失は、λ１１
λ２に独立ではなく、同様に影響し、この伝搬損失及び
結合損失による測定誤差を除去することができる。

［実施例〕 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明を、例えば圧力センサに適用した時の構成
図である。図において、（ｌａ）、（ｌｂ）は光送信手
段で、例えば光送信機、（２ａ）、（２ｂ）はそれぞれ
光源で、例えば中心波長がλ１１λ２の光を発生する発
光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）　、　（３）はλ
１１λ２の送信光路を構成する光ファイバ、（６）は外
部からの物理量に応じて光学特性が変化する光学素子で
、例えば光弾性素子、（９）はホトダイオード、（ｌＯ
）は光受信機、（１３）は割算器、（１４）は屈折率分
布型レンズ、（１５）は偏光子、（１６）■ 過するダイクロイックミラー、（１８）は１波長板、（
１９）はλｌの光を反射するミラーで、例えば全反射ミ
ラー、（２０）は外部から加わった圧力を光弾性素子（
６）に伝えるベローズ、（２１ａ）　、　（２１ｂ）は
サンプルホールドアンプ、（２２ａ）は加算器、（２２
ｂ）は引算器、（２３）は光センサ部、（２４ａ）、　
（２４ｂ）ｌｄ　Ｌ　Ｅ　Ｄ　（２ａ）、（２ｂ）を時
分割多重で駆動する手段で、例えばパルサー、　　（２
５）は合波用グイクロイックミラー、（２６）はビーム
スプリッタである。割算器（１３）　、加算器（２２ａ
）　、及び引算器（２２ｂ）で演算手段を構成している
。

次に動作について説明する。中心波長がλ１１λ２（例
えば、λｌ〈λ２）のＬ　ＥＤ　（２ａ）、（２ｂ）は
パルプ−（２４ａ）　、（２４ｂ）により時分割多重で
交互にパルス駆　　　１動されている。この２つのＬ　
Ｅ　Ｄ　（２ａ）、（２ｂ）からの光は光合波用のダイ
クロイックミラー（２５）によって合波され、光ファイ
バ（３）を介して光センサ部、　（２３）へと瑯びかれ
る。光センサ部（２３）では、λ１１λ２の入射光は屈
折率分布型レンズ（１４）でコリメートされたのち、偏
光子（１５）で直線偏光に変換され、光弾性素子（６）
内を伝搬する。光弾性素子（６）への応力印加方向は、
素子（６）内を伝搬する直線偏光波の偏光面と４５°の
角度を成すように設定しておく。

光弾性素子（６）への応力印加はベローズ（２０）によ
って行なっている。すなわち、外部の圧力が大きくなれ
ば、ベローズ（２０）は縮み光弾性素子（６）には上向
きの力が働き、圧力が小さくなればベローズ（２０）が
伸びるため光弾性素子（６）には下向きの力が働く。光
弾性素子（６）に応力が印加された状態では、素子（６
）は複屈折性を呈するため、通過光の応力印加軸とそれ
と垂直な軸方向の成分間には次式で表わされる位相差Ｆ
が生ずる。

ここで、ＣＦｉ、光弾性定数、ｌは光弾性素子長、λは
光の波長である。いま、λ１ｚλ２（λｌ〈λ２）とな
るようにｘ、　ＥＤ　（２ａ）、（２ｂ）　　を選び、
ダイクロイックミラー（１７）はλ２の光を反射し、λ
ｌの光を透過するようにしておけば、λ２の光は１／８
波長板（１６）を再び通って送信光路をもどる。−？、
た、λｌの光は音波ラー（１９）で反射され、再び一波
長板（１６）と７波長板（１８）を通ることになる。こ
こで、２つの光の波長はλ１ｚλ２としであるので、２
つの波長板は、いずれの波長の光に対しても、それぞｒ
Ｌ、１波長板、１波長板として働く。これらの波長板（
１６）　、（１８）の光軸を、偏光子（１５）の光軸と
４５°傾けておけば、偏光子（１５）を通過して、波長
板（１６）　、（１８）を通る光の直交二成分間には、
λｌの光に対しては医π、λ２の光に対しては因の位相
差が与えられる。従って、反射されて再び偏光子（１５
）を通過する光の強度をλ１１λ２の波長の光について
各々Ｐ石、′λ２とすれば １λｌ＝工ｘｓｉｎ２（１）−”Ｄ（１−ｃｏｓ（／’
＋−π））＝エエ２　（１＋ｓ　ｉｎ／’）　　　　　
　　　　　　（９）となる。

ここで、工１、工２はそれぞれλ１１λ２に対する無応
力時の光パワー、Ｆは圧力により光弾性素子（６）内を
通る光に与えられる位相差である。λｌｚλ２のため、
Ｆはλ１、λ２の光に対しては等しい値である。通常、
Ｆく〈１が成立するので、式（８）、（９）はそれぞれ
次のように近似できる。

Ｐλ２：　’ｌ２（１＋／’）　　　　　　　　　　−
（１１）従って、これらの光を再び同一の光ファイバ（
３）ヲ介シて、ビームスプリッタ（２６）に導き、ホト
ダイオード（９）、光受信機（１０）で電気信号に変換
したのち、サンプルホールドアンプ（２１ａ）　、（２
１ｂ）でサンプルホールドすればλｌとλ２の第１１第
２信号光による第１１第２信号が分離できる。このサン
プルホールドアンプ（２１ａ）　、（２１ｂ）は、λ１
１λ２の光を発生するＬ　Ｅ　Ｄ　（２ａ）、（２ｂ）
を駆動するパルサー（２４ａ）　、（２４ｂ）に同期さ
れている。この発明では、λ１１λ２の光は同一光路を
通って、ホトダイオード（９）まで導びかれるため、コ
ネクタや光ファイバ（３）の曲げなどによる光損失は全
く同一となるため、サンプルホールドされた信号７λｌ
、Ｖλ２は次のようになる。

Ｘλｌ＝　ｋＩ　１（１−１’＞　　　　　　　　　　
　　（１２）ｙλ２＝］（工２　（１−ＩＪ’）　　　
　　　　　　　−（１３）式（１２）　、（１３）中の
ｋは定数であり、工１１工２もそれぞれ一定であるため
、この２つの信号が無応力時で同電位となるようにサン
プルホールドアンプ（２２ａ）、（２２ｂ）のゲインを
調節すれば、光弾性素子（６）に応力が加えられた状態
では、２つの信号はｙλ’ｔ　＝　ｍ　（１−Ｆ）　　
　　　　　　　　　−（１４）ｙλ’２　＝　ｍ　（１
＋／’　）　　　　　　　　　　−（１５）のように表
わされる。これらを加算器（２２ａ）　、引算器（２２
ｂ）に導びいたのち、割算器（１３）で両者の比をとれ
ば、その出力Ｖはａは定数として次式で与えられる。

すなわち、割算器（１３）からの出力Ｘは圧力により　
　　１生ずる位相差ｒに比例することになる。従って、
割算器（１３）からの出力をモニタすることにより、光
センサ部（２３）における外部からの圧力がわかる。

なお、上記実施例では光弾性素子を用いた圧力センサに
ついて説明したが、ポッケルス素子を用いた電圧センサ
にも、同一構成で応用することができる。また、圧力セ
ンサの場合、光弾性素子への応力印加はベローズを用い
て行なっているが、ダイヤプラムを用いても同様の効果
が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、 λｌの波長の光を発生する光源、λ２の波長の光を発生
ずる光源、λｌの光とλ２の光を時分割多重で光ファイ
バを有する同一送信光路に送る手段、光ファイバからの
無偏光光を直線偏光に変換する偏光子、この偏光子から
の光を受け、外部からの物理量に応じて光学特性が変化
する光学素子、この光学素子を透過した光を入光する一
波長板、この１波長板からのλｌの光を透過し、λ２の
光を反射するダイクロインクミラー、このグイクロイッ
クミラーからの光を入光する一波長板、この１波長板を
透過した光を反射するミラーを備え、 波長板、光学素子、及び偏光子を通り、上記送信光路を
もどって第１信号光となり、λｌの光はミララー、１／
８波長板、光学素子、及び偏光子を通り、上記送信光路
をもどって第２信号光となり、第１、第２信号光をもと
に演算して外部からの物理量を測定する手段を備えるこ
とにより、λｌとλ２の光を同一光路を通るようにして
光ファイバや光コネクタの損失変動などに起因する光強
度変化はλ１１λ２について全く同様となり、外部から
の物理量を精度良く測定することができる光フアイバセ
ンサを得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光フアイバセンサを
示す構成図、第２図は従来の光フアイバセンサを示す構
成図である。 （ｌａ）、（ｌｂ）−光送信手段、（２ａ）、（２ｂ）
　　−・・光源、（３）・・・送信光路（光７アイパ）
　、（６）・・・光学素子、（１３）・・・割算器、（
１５）・・・偏光子、（１６）・・・１波長板、（１７
）・・・グイクロイックミラー、（１８）・・・７波長
板、（１９）−・・ミラー、（２２ａ）−加算器、（２
２ｂ）　・・引算器、（２４ａ）　、（２４ｂ）・・・
時分割多重駆動手段。（割算器（１３）、加算器（２２
ａ）　、ＥＵ引算器（２２ｂ）で演算手段を構成してい
る。） なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 λ＿１の波長の光を発生する光源、λ＿２の波長の光を
   発生する光源、λ＿１の光とλ＿２の光を時分割多重で
   光ファイバを有する同一送信光路に送る手段、上記光フ
   ァイバからの無偏光光を直線偏光に変換する偏光子、こ
   の偏光子からの光を受け、外部からの物理量に応じて光
   学特性が変化する光学素子、この光学素子を透過した光
   を入光する１／８波長板、この１／８波長板からのλ＿
   １の光を透過し、λ＿２の光を反射するダイクロイック
   ミラー、このダイクロイックミラーからの光を入光する
   １／４波長板、この１／４波長板を透過した光を反射す
   るミラーを備え、 λ＿２の光は上記ダイクロイックミラーで反射されて上
   記１／８波長板、光学素子、及び偏光子を通り、上記送
   信光路をもどつて第１信号光となり、λ＿１の光は上記
   ミラーで反射されて再び上記１／４波長板、ダイクロイ
   ックミラー、１／８波長板、光学素子、及び偏光子を通
   り、上記送信光路をもどつて第２信号光となり、第１、
   第２信号光をもとに演算して外部からの物理量を測定す
   る手段を備えた光ファイバセンサ。