JPS61219803A - 物理量測定装置 - 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） 本発明は物理量の測定装置に関し、特に光を用いた微小
な物理量の測定装置に関する。

（発明の背景） 光を用いた微小な物理量の測定装置としては各種の方式
のものが知られていＺｏ 第４図は従来知られた光を用いた物理量の測定装置の一
例を示す。

第４図に於いて、ｌは）ｌｅ−Ｎｅ横ゼーマンレーザよ
りなる光源、２は偏光保持ファイバ、２２は前記光源ｌ
からの出力光を前記偏光保持ファイバ２へ導入する光学
系、２４はコリメータレンズ、２５はセンサ部で、磁気
光学結晶、電気光学結晶。

磁気光学ガラス（例えばＦＲ−５等）９等外界の磁場や
電界や温度等の物理量を光路長に変換するトランスジュ
ーサである。第４図では四角柱状のトランスジユーサで
相対する面には内面反射面を形成する様反射膜が設けら
れる。

２５ａは裏面反射部で裏面全面が反射面となっている。

２５ｂは表面反射部で中央部が反射面となっている。

２６ａ、２６ｂは偏光板であって、センサ部から反射す
る２つの光の偏光面に対して偏光板の偏光軸方向が共に
４５°になる様装置される。

これによってそれぞれ偏光板２６ａ、２６ｂによって２
つの偏光即ち２つの波長の光の同じ偏光軸方向の成分同
士をほぼ等量ずつ合成する。

２３ａ、２３ｂは光ファイバであつてそれぞれ偏光板２
６ａ、２６ｂからの光をディテクタ２７ａ。

２７ｂに導く。

２８は位相計であってディテクタ２７ａ、２７ｂにて受
光された光の位相差を検出する。

コリメータ２４から出射する平行光は直交する２つの偏
光面内に振動する２つの波長の光で成り立っているが、
それらの偏光面の１つはセンサ部２５の入射面と一致す
る様に配置されている。その平行光の一部はセンサ部２
５の表面で反射し偏光板２６ａ、光ファイバ２３ａを通
過してディテクタ２７ａに入射し、残りの一部は裏面反
射部材２５ａと表面反射部材２５ｂとの間で複数回反射
した後偏光板２６ｂ、光ファイバ２３ｂを通過してディ
テクタ２７ｂに入射し、ディテクタ２７ａと２７ｂとの
出力信号の位相差を位相計１０によって検出する。この
位相差は勿論センサ部に与えられる物理量と一定の関係
がある事が予め分かっているので、該位相差を位相計１
０によって検出する事によって物理量が測定される。

この様な物理量測定装置ではセンサ部２５からの反射光
を光ファイバ２３ａ、２３ｂに導入する為に精密な調整
機構が必要となる。その為装置の小型化が困難であった
。

又、遠隔で測定（リモートセンシング）する為光ファイ
バ２３ａ、２３ｂを長くすると、伝送路（光ファイバ）
に加わる局部的な力や局部的温度変化によるノイズが増
加すると言う欠点もあった。

従って上記の如き検出原理を用いた小型で且つ遠隔測定
可能の物理量測定装置を得る事は出来なかった。

（発明の目的） 本発明は光を用いた物理量測定装置に於いて小型化を目
的とし、且つ精度の高い遠隔測定を可能とする事を目的
とする。

（発明の概要） 本発明は光源に横ゼーマンレーザ等出力光の縦横の偏光
の間での周波数（波長）の異なるレーザを使い、再出力
光によってビートを発生させてこれを参照ビートとし、
又偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、）λ仮、及び物理
量に応じて光路長を変化するセンサを含むマイケルソン
干渉計からも前記ｖ４周波数によってビートを発生させ
てこれを信号ビートとし、前記参照ビートと信号ビート
とをそれぞれ光フアイバ遠隔の測定点へ伝送し、前記参
照ビートと信号ビートとの位相差を検出して物理量を測
定するものである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例であり、第４図と同符号は同
効物を示す、尚、実施に当たっては通常偏光保持ファイ
バ２の両端部には光源ｌからの光を該偏光保持ファイバ
２に効率良く導いたり、また該偏光保持ファイバ２を通
って来た光を効率良く次段の光学系に導く為に一般的に
良く用いられる光学系が付加されるがここでは省略する
。

光源ｌの２つの波長の光は直交する偏光成分として出射
するが、その直交する偏光成分が、偏光保持ファイバ２
の雨漏光軸に一致する様に調整されている。又、偏光保
持ファイバ２の雨漏光軸はビームスプリッタ３以降の光
学系で定まる紙面と平行な面内の偏光と、それに直交す
る偏光とのそれぞれの軸に一敗するように調整されてい
る。

３はビームスブリックで偏光に影響されず、入射光を反
射及び透過する。ここでビームスブリック３は反射光、
透過光各々約５０％のものが好ましい、４は偏光ビーム
スプリッタ（ＰＢＳ）　、６１゜６２は＋λ板であって
６１は参照光用、６２は信号光用である。該＋λ仮６１
．６２はいずれも入射光の偏光面に対してＩλ板の軸が
４５°になる様装置される。これにより＋λ板６１．６
２に入射した光は円偏光となり、反射部材で逆の円偏光
になって＋λ板を再度入射し、出射した時は入射の偏光
面と直角の直線偏光になる為、始めにＰＢＳを反射した
ものは反射部材７１で反射し、その光はＰＢＳで透過す
る。一方始めにＰＢＳを透過したものは反射部材７２で
反射しその光はＰＢＳで反射する。

反射部材７１はＰＢＳ４の参照光用）λ仮６１に設けら
れ、７２はトランスジェーサ即ち磁気光学結晶、電気光
学結晶、磁気光学ガラス（例えばＦＲ−５等）２反射部
材又はコーナーキユーブ等よりなり、センサ部７３の一
部を構成する。８１゜８２は偏光板で、該偏光板の偏光
軸は２つの直交する偏光面に対して４５°に設定されて
いる。８３．８４はそれぞれ参照ビート用、信号光用ビ
ートファイバで例えばマルチモード光ファイバやライト
ガイドで構成される。

前記光ファイバ８３．８４のそれぞれの両端部には入射
光を効率良く光ファイバに導入し、又前記参照ビート用
、信号ビート用光ファイバ８３．８４を通って来た光を
効率良く次段に導く為の光学系が付加される０例えば分
布屈折率型レンズや球レンズ等が該レンズ等の焦点位置
に光ファイバのコアが配置される様付加される。

以上の如く構成された本発明の測定装置の動作は以下の
通りである。

光源ｌから出力される２つの波長のレーザ光は偏光保持
ファイバ２を通ってビームスプリッタ３に入射する。ビ
ームスブリフタ３では入射光量の約半分が反射され１．
約半分が透過される。ここでビームスプリッタ３は偏光
に関係が無い為反射された光は２つの直交する偏１（紙
面と平行な偏光と紙面と垂直な偏光）にそれぞれ含まれ
ている異なる波長の光の両方がほぼ等置台まれている。

ビームスプリッタ３の反射光の後に配置される偏光板８
１は、その偏光軸方向が２つの直交する偏光面に対して
４５°になる様装置されているので、それぞれの偏光の
成分が合成される。ここで２つの光は波長が異なるから
合成によってビートが発生する。このビームスプリッタ
３の反射した光の偏光板８１によるビート信号は、参照
ビート用光ファイバ８３を介してディテクタ２７ａに参
照ビートとして入力される。

一方ビームスプリッタ３で透過した光は偏光ビームスプ
リッタ４に入射する。

ここで偏光ビームスプリッタ４はその入射、透過、反射
の面に対して垂直又は平行な方位が偏光保持ファイバ２
の偏光保持の方位に一敗する様に既に配置されている。

従って偏光保持ファイバ２からの偏光の一方即ち光源ｌ
の出力光の内の一方の波長の出力光は偏光ビームスプリ
ッタ４に対してＰ偏光（紙面に平行な偏光）となり透過
し、他方の波長の出力光はＳ偏光（紙面に垂直な偏光）
となり反射する。

透過したＰ偏光、反射したＳ偏光は偏光ビームスプリッ
タ４、＋λ仮６１．６２、反射部材７１゜７２、で構成
されるマイケルソン干渉計のそれぞれ信号光、参照光と
なる。

反射したＳ偏光は＋λ仮６１を通り円偏光となり反射部
材７１で反射して位相が１８０°シフトした後再度）λ
板６１を通過し、再び偏光ビームスプリッタ４に入射す
る。この時はＰ偏光となっている為偏光ビームスプリッ
タ４を透過し信号ビート用光ファイバ８４に入射する。

一方偏光ビームスプリッタ４で透過したＰ＠光は奢λ仮
６２を通過し円偏光となリセンサ部７３に入射され、セ
ンサ部７３の反射部材７２で反射される。

この間°にセンサ部７３において測定すべき物理量に応
じた光路長の変化がある。

センサ部７３を反射部材７２のみにすれば、該反射部材
７２の光軸方向の変位や振動や圧力や音響がマイケルソ
ン干渉計の信号光の光路長の変化即ち位相差に変換され
る。センサ部７３を磁気光学効果（ファラデー効果、カ
ー効果）を持つ結晶やガラスとし、裏面に反射部材をコ
ーティングすれば６ｉ場の変化が位相差に変換される。

又、セン４ノ部７３を電気光学効果を持つ結晶とし、裏
面に反射部材をコーティングすれば、電場の変化が位相
差に変換される。

反射部材７２で反射された光は位相が１８０°シフトし
た後再度ｆＡ仮６２を通って偏光ビームスプリッタ４に
再入射する。この時光はＳ偏光に変換されて入射するの
で偏光ビームスプリッタ４で反射されて該偏光ビームス
プリッタ４の後に配置される偏光板８２を通り、偏光板
８２で合成された信号ビートは信号ビート用光ファイバ
８４に入射する。

咳信号ビートは前記信号ビート用光ファイバ８４を介し
てディテクタ２７ｂで検出される。

ここでディテクタ２７ａで検出される参照ビートとディ
テクタ２７ｂで検出される信号ビートとは同一周波数で
あるがセンサ部７３による光路長の変位に応じて位相が
異なるので両ディテクタの出力の位相差を位相計１０で
検出すればセンサ部７３による光路長の変位が求まり、
該変位を予め求めた変換代で変換する事によってもとめ
る物理量を測定する。

尚、上記実施例ではリモートセンシングに好適な実施例
の為光源からの光をビームスプリッタに導入する為に偏
光保持ファイバを、又参照ビート及び信号ビートのディ
テクタへの導入に光ファイバを用いたが、リモートセン
シングの必要が無い場合はこれら光ファイバは省略出来
る事は言う迄も無い。

第２図は光源部の他の実施例で２つの波長の出力光を横
ゼーマンレーザを用いずに半導体レーザを用いて作るも
のである。

第２図（ａ）で１１は半導体レーザ、１２はコリメータ
、１３．１５は偏光ビームスプリッタ、１４は音響光学
素子等光の波長をシフトするもの、１６は偏光保持ファ
イバ２へ光を効率良く導入する光学系、１７はＳ偏光用
シングルモード光ファイバである。

前記参照充用偏光保持ファイバ１７の代わりにミラーを
２枚を第２図（ｂ）のごとく構成しても良い。

第２図（ｂ）のうち１１．１２．１３．１４．１５゜１
６．２は第２図（ａ）と同効部材である。

１７１．１７２は直角プリズム又はミラー等の反射部材
、１７３はガラスブロックでスペーサとして装置全体を
安定して構成する為のもので省略しても差支え無い。

第２図（ａ）に示す光源部の動作を以下に説明する。

半導体レーザ１１の出力光はコリメータ１２でほぼ平行
光束となり、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。偏
光ビームスプリッタ１３を透過したＰ偏光は音響光学素
子等に入射して波長が変換され、偏光ビームスプリッタ
１５を透過して光学系１６より偏光保持ファイバ２の１
つの偏光軸に導入される。

尚、偏光保持ファイバ２の偏光軸は偏光ビームスプリッ
タ１５の偏光軸と一致する様に調節されている。

一方偏光ビームスブリソクＩ３で反射したＳ偏光は前記
Ｓ偏光用シングルモード光ファイバ１７に入射して偏光
ビームスプリッタ１５で反射して前記光学系１６より前
記偏光保持ファイバ２の他方の偏光軸に導入される。

第２図（ｂ）に示す光源部の動作を以下に説明する。

半導体レーザの出力光はコリメークＩ２でほぼ平行光束
となり、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。ｉＢ光
ビームスプリッタ１３を透過したＰ偏光は音響光学素子
停に入射して波長が多少シフトされ、反射部材１７１で
反射して偏光ビームスプリッタ１５を透過して光学系１
６より偏光保持ファイバ２の１つの偏光軸に導入される
。尚、偏光保持ファイバ２の偏光軸は偏光ビームスデリ
ック１５の偏光軸と一敗する様に調節されている。一方
偏光ビームスプリッタ１３７反射したＳ偏光は反射部材
１７２で反射し、ガラスブロック１７３を通り前記偏光
ビームスプリッタ１５で反射して前記光学系１６より前
記偏光保持ファイバ２の他方の偏光軸に導入される。

第３図は第１図に示す実施例の一部の構成を変えた実施
例であって、２つの波長の光をビームスブリック３に入
射する為、偏光保持ファイバ２を用いず通常のシングル
モード光ファイバを用いた例である。

２１は偏光ビームスプリッタで横ゼーマンレーザ１のそ
れぞれの波長の偏光面に合致する様に配置される。２２
．２３は各々シングルモード光ファイバ、２２’、２３
’はシングルモード光ファイバ２２．２３に導光する為
の光学系、２２”。

２３″はコリメータ、２４．２５は偏光板であり、偏光
板２４はシングルモード光ファイバ２２を通った光のう
ちＰ偏光のみをビームスプリッタ２６に通し、偏光板２
５はシングルモード光ファイバ２３を通った光のうちＳ
偏光のみをビームスプリッタ２６に通す。

ビームスプリッタ２６でＰ偏光とＳ偏光とは合波される
。

ビームスプリッタ２６を偏光ビームスプリッタに変えた
時は、偏光板２４．２５は省略される。

ビームスプリッタ２６の出力面にはビームスブリフタ３
が設けられ、これ以降は第１図と同様の構成で物理量が
計測される。

（発明の効果） 以上説明の如く本発明によれば、光を用いた物理量測定
装置に於いて導光の為の厳密な調整機構を必要とせず、
小型化が可能であり、且つリモートセンシングの為に導
光用ファイバを長くしてもその間に加わる局部的な力や
温度変化によって生ずる強度の変化が物理量測定の際の
ノイズとならない為、測定の精度を損なう事が無い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例、第２図第３図は本発明の他
の実施例、第４図は従来の光を用いた物理量の測定装置
の一例である。 （主要部分の符号の説明）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２波長の光源と、 該光源からの２波長の光が入射されるビームスプリッタ
   と、 該ビームスプリッタで分けられた光の一方が入射される
   偏光ビームスプリッタと、 該ビームスプリッタで分けられた光の他方が入射される
   ４５°偏光板と、 前記偏光ビームスプリッタによって分けられた一方の光
   の光路に設けられる１／４λ板と反射部材と、該偏光ビ
   ームスプリッタによって分けられた他方の光の光路に設
   けられる１／４λ板と物理量を光路長に変換する、反射
   部材を含むトランスジューサと、 前記偏光ビームスプリッタの出射側にもうけられる４５
   °偏光板と 前記ビームスプリッタで生じる第１のビート信号と前記
   偏光ビームスプリッタで生じる第２のビート信号との位
   相差を検出する位相計と、 よりなる物理量測定装置。