JPS6230921A

JPS6230921A - 光学式センサ

Info

Publication number: JPS6230921A
Application number: JP17041285A
Authority: JP
Inventors: Masanori Watanabe; 昌規渡辺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1985-07-31
Publication date: 1987-02-09
Also published as: DE3625703A1; GB2179146A; GB8618479D0; GB2179146B; DE3625703C2

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】く技術分野〉本発明は、光学的な手法により物理量を検知する、いわ
ゆる光学式センサに関するものであり、さらに詳しくは
、ファブリ・ペロー型干渉装置を用いた光学式センサに
関する。

〈従来技術〉ファブリ・ペロー干渉装置を用いた光学式センサは、２
つの平行する反射面を設置することによって容易に干渉
効果が得られ、光の波長よりも小さい変位によって出力
が変化する。高感度なセンサとなるものであって、種々
の応用が考えられている。

ファブリ・ペロー干渉装置を用いた計測の原理を第４図
に示す。Ｈｅ　Ｎ　ｅレーザ発振装置の様に単色で波長
の安定なレーザ装置１１より出力された光を、ファブリ
・ペロー干渉袋ｆｉｉ１２に入射し、その透過光量を受
光装置１３によって電気信号に変える。透過光量は、光
の波長、干渉装置１２の光路長、干渉装置１２の反射面
の反射率等によつ　　　　　　。

て決定されるある値をとる。

この単純な構成では、光の波長が常に一定である必要が
あシ、現在小型のレーザ光源として市販　　　　　　二
されている半導体レーザは性能的に十分でないため、通
常ガスレーザ等が使われる３、しかしガスレーザ等は、
測定系の小型軽音化、低価格化に極めて不向きであるた
め、発光ダイオード（ＬＥＤ　）等の小型・安価な発光
源を使える様に考えらり、た構成が、第５図に示したも
のである１、第５図において、比較的波長帯の広い光源
２１より発した光は、被測定物理量によって特性の変化
する第１のファブリ・ペロー干渉装置２２、特性の一定
な第２のファブリ・ペロー干渉装置２３を経て、受光装
置２４に入射さ八、その光強度か受光装置２４で電気信
号に変換される。

第５図に示す光学式センサの動作に関する説明を第６図
に従って行う。

第６図（、へ）は光源２１の発光スペクトル強度Ｉ　（
λ）、第６図（Ｂ）は第１のファブリ・ペロー干渉装ｈ
Ｑ　２２の透過率Ｔ１（λ）、第６図（Ｃ）は第２のフ
ァブリ・ペロー干渉装置２３の透過率Ｔ２（λ）を表わ
す。Ｔ１（λ）もＴ２（λ）も共に曲線αで表わされる
時すなわちＩｌｌ、　（λ）とＴ２（λ）の山と山が一
致する時、第１と第２の７アプリ・ペロー干渉装置２２
．２３の合成透過率Ｔ１（λ）・Ｔ２（λ）の波長に関
する積分が最大になる。−）Ｊ、　Ｔｌ　（λ）か曲線
す、’ｒ２（λ）か曲線αで表わされる時すなわちＴ１
（λ）の山とＴ２（λ）の谷か一致する時、合成透過率
Ｔ０（λ）・Ｔ２（λ）の積分は小さなもの上なる４、
発光スペク！・ル強度も導入［７て考えると、受光強度
に１第６図（Ｔ））で示される曲、ｉ泉１．．１２の囲
む面債古なる。なお厳密には受光素子の感度波長依存も
考慮する必要がある。

さて、第５図に示した２つのファプリーペロー干渉装置
２２．２３を用いた光学式センサけ、被測定物理量を光
量変化に変換して］毘え得るものであるが、この構成の
′Ｉ土までは発光強度の変化あるいは光学系にレンズ、
光ファイバ一番の光学素子を挿入した際に生ずる結合損
失のばらつき等に起因して受光強度か変化してし斗うた
め、安定なセンサ出力を得らＪ″Ｌないという問題；か
あった。

〈発明の目的〉本発明は、以」−の様な点に鑑みてなされたものであっ
て、２つのファブリ・ペロー干渉装置を用いた光学式セ
ンサにおいて、発光強度の変動、結合損失のばらつき等
に対しても十分安定な信号を得ることのできる新しい構
成の光学式センサを提供することを目的きする。

〈実施例〉以下第１図乃至第３図に従って本発明の詳細な説明する
。

第１図は、本発明の１実施例を示す光学式センサの構成
図である、発光ダイオード４１より出力された光は、被
測定物理量によって特性の変化する第１のファブリ・ペ
ロー型干渉装置４２を透過した後、ビームスプリンタ４
４によって２方向に分岐され、一方の光は第２のファブ
リ・ペロー型干渉装置４３を透過した後フォトダイオー
ド４５に入射し、もう一方の光は直接フォトダイオード
４６に入射する。各フォトダイオード４５．４６から出
力される信号は信号処理回路（図示せず）で比較処理さ
れ、被測定物理量か求められる。

ここで、発光ダイオード４１は比較的スペクトル幅の広
い各種光源に置きかえることができる。

まだ、ビームスプリッタ４４は光束を２つに分割するこ
とかできハ５げ特に使う必要はなく、例えは光束の上半
分、ド半分と分けて」１記動作を行なってもよい。また
、光線は実用的には光ファイバーを通した方か便利な場
合か多い。ファブリ・ペロー干渉装置４２．４３からの
光は、透過光でなく反射光を採光してもよい。このよう
な構成とすれば、フォトダイオード４６に達する光量の
被測定物理量依存性を、フォトダイオード４５に達する
光量の被測定物理量依存性に対して大幅に小さくするこ
とが可能となる。即ち、フォトダイオード４５の出力を
フォトダイオード４６の出力で割ることによって、発光
強度変動、結合損失のばらつきを除去することができる
。また、フォトダイオード４６の出力が一定となるよう
に発光ダイオード４１の発光強度を調整することにより
、フォトダイオード４５の出力をそのままセンサ出力と
して取りだしてもよい。

ここで、フォトダイオード４６の出力が、第１のファブ
リ・ペロー型干渉装置４２の特性によらず、一定となる
だめの条件は、光源の発光スベクトルの半値幅△λに、
できるだけ多くの７アプリ・ペロー共鳴ピークか含まれ
ることである。

しかし、実用上の見地からすると、発光ダイオードを使
う場合半値幅△λはあまり大きくないこと及びファブリ
・ペロー干渉装置の対向する反射鏡間隔ｔを犬きくする
上で技術的困難があることから、光源の半値幅Δλ内に
含まれるファブリ・ペロー共鳴ピークの数を必要最小限
に抑えることが望ましい。

以下第２図に従って、フォトダイオード４６の出力が、
第１のファブリ・ペロー型干渉装置４２の特性によらず
一定とみなせる様に構成するために必要な、第１のファ
ブリ・ペロー型干渉装置４２の内部光路長ｎｔについて
考察を行なう。尚、第２図は発光ダイオードの発光スペ
クトル強度ヲ、横軸に１／λをとって表わしたものであ
る。ここで、発光スペクトルの形について、次のような
仮説を設ける。その１つは、スペクトル形か横軸を１／
λ　にとった時中心軸１／λ０に対して対称であること
、他の１つは、発光スペクトル強度がピーり値の１／２
　となる点Ｂを中心として、曲線ＡＢと曲線ＢＣが点対
称であるという条件である。次にこの形状の発光スペク
トル分布の中に、ファブリ・ペロー干渉に基〈共鳴ピー
クが含まれる状態を考察する。

ファブリ・ペロー干渉装置に関して、対向する　　　　
　　５反則鏡開の距離をり、その間の屈折率をｎとする
　　　　　　□と、ファブリ・ペロー干渉装置の透過率
Ｔ（λ）は、次式で表わされる波長λｍごとに最大にな
る。

λｍ−、（ｍ＝１．２．３・・・）２ｍ　　２ｎｔ共鳴ピーク波数間隔は、次式で表わされる。

ここで、共鳴ピーク波数間隔１／２ｎｔの変化は、共鳴
ピーク次数ｒｎが大きい場合無視して考えることができ
る。これは、ｎｔがわずかλ／２　だけ変化することに
よってファブリ・ペロー干渉装置の出力が１サイクル変
化する高感度なものであることによる。

第２図で、ｍ次共鳴ピークの波数の示す点をｂとする。

この時、この共鳴ピークを透過する光量は、共鳴ピーク
が十分鋭い場合、およそ線分Ｂｂに比例すると考えてよ
い。このｂの位置がずれると線分Ｂｂの長さはＢ’ｂ’
　　の様に変化する。この変化を打消すためには、点Ｂ
と傾きの大きさが同じで符号が逆の点りの下に共鳴ピー
クの波数を示す点ｄがあればよい。このとき線分Ｂ’　
ｂ’　十線分Ｄ’　ｄ’は、Ｂ′の位置がＡからＣまで
変化しても不変である。あるいは逆に、共鳴ピークの位
置が不変で、発光スペクトル分布が平行移動した場合に
も、線分Ｂ’　ｂ’十線分Ｄり　ｄ’　　は不変である
。

ただし、これは発光スペクトル分布として、対称的な形
状を仮説したことによる理想的な場合の結果である。ま
た、共鳴ピーク波数間隔は、この図で線分ｂ’　ｄ’と
して表わされるが、これが共鳴ピークの移動によらず一
定であることも仮定している。

詳しい証明は省略するが、発光スペクトル分布の半値幅
内に前述の２本の共鳴ピークがある場合　　　　　　、
。

の他、３，４．・・・本すなわち整数水の共鳴ピーク　
　　　　　１、がある場合もファブリ・ペロー干渉装置
の特性変化によらず、光量は不変である。以上の説明を
整　　　　　　理すると、中心波長λ。、半値幅△λの
光源に対して１つの７アプリ・ペロー装置を透過した光
量が　　　　　　□一定になるためには、　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　：□ しを中心としてファブリ・ペロー型干渉装置の光路　　　
　　　１□ 長ｎｔが変化する様な構成をとればよい・ここで　　　
　　　：αは、半値幅Δλ内に存在する共鳴ピーク数か
ら１を引いたものである。

実際に、λ（１＝８５０ｎｍ、△λ＝　５０　ｎｍ　の
□ 光源を用いる場合、ｎｔ　＝７．２　、１４．４−）’
ｍと　　　　　　１すればよい。ただし、このｎｔはそ
れほど厳密なものではなく、一応の目安にすぎない。尚
、ｎｔが太きければそれだけ安定度か増すので、技術的
に可能な範［７ｎで極力大きなｎｔの値を採用するのが
望１しｂｏさて、本実施例としてけ、上記光学式センサを温度セン
サとして利用している。第１図における構成におりで、
発光ダイオード４１はλ−８５０ｎｒｎ。

△λ−５０ｎｍ　　のものとし、ファブリ・ベロー型干
渉装置４２及び４３はｎｔ＝６．８．ｕｍの比較的熱膨
張率の高い有機膜の両側に半透光性Ｓラーを形成したも
ので構成する。第１のファブリ・ペロー型干渉装置４２
け被測定温度と同一、第２の７アブリ・ベロー干渉装置
４３は２５℃、一定の条件としだ。この時のフォトダイ
オード４６の出力を第３図に曲線凸　として、フォトダ
イオード４５の出力を第３図に曲線１２　として示す。

ここで第３図の横軸は第１のファブリ・ペロー型干渉装
置４２の周囲の温度値である。曲線１１はわずかに温度
依存をもっているが、曲線１２に比べて十分に小さな値
であり、この曲線１１の出力古曲（１工）線ｅ２　との出力の比から温度を測定することかり能で
ある３゜なお、本実施例の構成は、熱膨張率の人きシ）イイ科を
使って温度センサにできるのみならず、ｉ＋Ｉｌ！度に
よって膨潤する旧材を使って湿度あるいは結露センサ、
ファブリ・ペロー型干渉装置の半透光性ミラーの一方を
被測定物に設置して位置の変化を検出する微小変位セン
サ、内部か空洞のファブリ・ペロー型干渉装置を用いて
各種の力学量を検出する０学センサ例えば圧力・接触圧
、γｆ響、振動。

荷重センサ等の如く種々のセンサとして応用することか
できるものである。

寸た、反射鏡間隔かその他の物理量例えば電気。

磁気によって変化する様に構成することとすればほとん
どあらゆる物理量を検知することが可能である。

〈発明の効用〉以上の様に、本発明の光学式センサは簡単な構成で光源
の発光強度、波長変化あるいは光学系の各種損失例えは
光フアイバーレンズ等の挿入による損失のばらつきに対
して影響を受けることなく極Ｖ）で安定な出力か得らノ
１、その実用価値は非常に大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す光学式センサの構成図
である。第２図υ」第１図において適切な出力を得るだ
めの動作に関する説明図である。第３図は第１図に示す
実施例によって得らｈたンＡトダイオードの特性を示す
特性図である。第４図及び第５図は従来の光学式センサの構成を示す構
成図である。第６図は第５図に示す光学式センサの動作説明に供する
説明図である。４１・・・発光ダイオード、　４２・・・第１の７アプ
リ・ペロー型干渉装置、　　４３・・第２のファブリ・
ペロー型干渉装置、　　４４・・・ビームスプリンタ、
４５．４６・・・フォトダイオード。代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）第１図 ■ Ｃ・＠２　図逼／ｌ（°Ｃ）第４竪

Claims

【特許請求の範囲】

１、光源と、被測定物の物理量によって干渉特性の変化
する第１のファブリ・ペロー型干渉装置と、条件一定に
設定された基準用の第２のファブリ・ペロー型干渉装置
と、前記第１のファブリ・ペロー型干渉装置を経由した
前記光源からの出力光を受光する第１の受光素子と、前
記第１及び第２のファブリ・ペロー型干渉装置を経由し
た前記光源からの出力光を受光する第２の受光素子と、
該第１及び第２の受光素子からの出力信号を比較して被
測定物の物理量を求める回路と、を具備して成ることを
特徴とする光学式センサ。