JPS63113337A - ファイバオプティックセンサにおけるファイバオプティックリ−ド損失およびコネクタ損失を補償する方法および装置 - 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】 本発明はファイバオプティックセンサ装置の分野に関し
、特にその装置におけるファイバオプティックリードお
よびコネクタの損失や光源の出力変動を補償する分野に
関する。

ファイバオプティック技術は急速に発展してきた。この
ファイバオプティック技術の発展に伴って、光学的装置
の検出装置への応用もより広範になってきた。例えば、
ファイバオプティックセンサは、音波、回転速度、加速
、圧力、電界および磁界、温度、応力および歪などの現
象を検出する手段として提案されている。しかし、これ
らファイバオプティック検出装置のすべてに固有の問題
は、光信号が光ファイバケーブル自体とそのコネクタと
によって著しく減衰されることである。また、光源にお
ける出力変動も、そのような装置からの有用な信号をあ
いまいにしてしまう。このため、印加される現象を検出
しそれを正確に測定することは非常に困難であり、ファ
イバオプティックセンサを応用できる利用分野は極めて
制限されてしまう。

第１図は、検出された光出力と印加された現象（応力）
との従来のファイバオプティックセンサ装置における関
係を示す。検出された光度はＩｓであり、この検出され
た光度が応力レベルＳＬ。

＄２、またはＳ３に対応するかどうかは不明である。こ
の理由は、光ファイバケーブル系におけるリードとコネ
クタとの損失量が極小から極大まで変化するためである
。検出された信号を所定の応力レベルに相関させること
は困難である。このような不確実性は、ファイバオプテ
ィックセンサ装置を適切に応用するに当って致命的であ
る。

この問題に帯する一つの解答が米国特許第４．３６８．
６４５号に提案されている。この特許は光学的圧力セン
サを開示しており、このセンサはリード／コネクタ損失
と光源出力変動とを、ある程度くすべてではない）補償
することができる。この装置において、光源はビームを
発生し、そのビームが光ファイバケーブルに入力される
。この光ファイバケーブルは前記光源ビームをレンズに
向かわせ、このレンズによって前記光源ビームは平行ビ
ームにされる。この平行ビームは、線形偏光子と１／４
波長プレートとを通され、円形に偏光される。この円形
に偏光されたビームは、次に光変換器に導入される。こ
の光変換器は、前記偏光されたビームをその光変換器に
印加される圧力に基づき変調する。この変調されたビー
ムは、偏光ビームスプリッタに送られ、第１と第２の成
分に分割される。各分割された成分は、レンズによって
、別個の光ファイバケーブルに集束される。これら光フ
ァイバケーブルは、前記第１および第２の成分を光検出
器装置に案内し、この装置によって前記第１と第２の成
分の強さが検出される。前記二つの成分の強さは光弾性
変換器に印加される圧力に依存するので、その圧力は、
光学的不整合に依存する二次誤差を有する方法によって
測定できる。

前記二つの成分の強さにおける差は、前記二つの成分の
強さの合計によって除算されることにより、変換器まで
案内するための光ファイバケーブルにおけるリード／コ
ネクタ損失が除去される。しかしこのような方法は、変
換器の出力から光検出器装置までのリード／コネクタ損
失に対処していない。このため前記装置は、やはり光フ
ァイバのり−ド／コネクタ損失の影響を受けやすく、出
力用の光ファイバケーブルにおける前記損失が大きけれ
ば、前記装置は適切な機能を果たさない。

光ファイバケーブルの減衰における感度変動と光源およ
び光検出器のドリフトとを補償するための他の解決法は
、米国特許第４，４９３，９９５号に提案されている。

この解決法において、光源は搬送波として使用される単
一波長の光源ビームを提供する。この搬送波は一つまた
はそれ以上の低周波数において、光変換器が検出した現
象に基づき変調される。この光変換器内に存在する物質
は、ビームの変調周波数に応じて異なって応答するが、
それ自体の搬送周波数（波長）には依存しない。この光
検出器の物質の異なる変調周波数における応答は、次に
検出される現象をリードおよびコネクタの損失に無関係
に決定するために使用できる。

しかし、このような装置は、搬送波を変調する必要があ
るため、複雑であって高価である。また、復調用の電子
装置が必要となり、さらに装置の複雑さとコストとを押
し上げる。

従って、光センサ装置における光ファイバのり一ド／コ
ネクタ損失と光源の変動とを補償するための安価で正確
な解決法が必要である。

この目的のため、本発明の提供する検出方法および装置
において、光源は複数のスペクトル成分を有する広帯域
光源、ビームを提供し、各スペクトル成分は異なる波長
を有する。この光源ビームは、偏光・多重波遅延・変換
器装置に、通常は少なくとも１本の光ファイバケーブル
を介して伝送される。

この偏光・多重波遅延・変換器装置は、前記光源ビーム
を受光し、それを偏光し、その偏光されたビーム中の複
数のスペクトル成分を遅延し、その遅延・されたビーム
を外部的に印加される現象に基づいて変調し、その変調
されたビームを検光して、ある光度を存する出力ビーム
を提供する。この光度は、各スペクトル成分が外部的に
印加される現象に応じて変化しても、全体としてはその
現象に対して実際的に左右されない。

前記偏光・多重波遅延・変換器からの出力ビームは、通
常、追加の光ファイバケーブルを介してフィルタ装置に
伝送される。このフィルタ装置はビームスプリッタを含
み、このビームスプリッタは出力ビームを第１と第２の
部分に分割する。前記第１の部分は狭帯域フィルタに提
供され、この狭帯域フィルタは、前記出力ビームのスペ
クトル成分の一つのみを通過させる。こめ一つのスペク
トル成分は、検出された現象に基づいて変化するもので
ある。フィルタを通過した信号は、次に光検出器に提供
される。この光検出器は、検出された現象とともに変化
するスペクトル成分の強さを検出する。

一方、前記分割された出力ビームの第２の部分は、第２
の光検出器に直接提供される。この第２の光検出器は、
この第２の部分の光度を検出する。

この第２の部分は、出力ビームのすべてのスペクトル成
分を含んでいるので、全体として実質的に検出された現
象の影響を受けないままである。前記第１と第２の光検
出器は、前記分割ビームの第１と第２の部分の強さに対
応する電気信号を各々提供する。これら電気信号は、次
に処理装置に提供される。この処理装置は、前記第１と
第２の電気信号の比率に対応する出力信号を提供する。

このような方法で、出力電気信号は、光検出器によって
検出された現象に基づいて変化するが、光ファイバケー
ブルおよびコネクタにおける信号減衰と光源の出力変動
とに実質的に影響されないままである。

好適実施例において、偏光・多重波遅延・変換器手段は
、光源ビームを受光するために配置される偏光子と、複
数の遅延プレートを含む多重波遅延器と、検出された現
象に基づきビームの偏光を変調する光弾性変換器と、光
度変調を伴うスペクトル成分を有する出力ビームを提供
する検光子とを備える。

本発明の利点および特徴は、本発明を限定しない好適実
施例の詳細説明を添付図面とともに参照することにより
、容易に理解されるであろう。

要約すれば、本発明は、光学的遅延を含む変換器機構を
使用するファイバオプティックセンサに使用される技術
である。この技術の要点は、広帯域光源を使用してビー
ムを光ファイバおよび変換器に通すことである。光源の
波長範囲は、波長によって変化する遅延効果を発生させ
る。十分なスペクトル幅を有する光源は、“ゼロ和”の
効果をもたらす、つまり全波長を平均化する。検光子か
らの出力ビームの光度は、検出された現象に実質的に影
響されないままとなる。検出器の光出力を分割し、一方
の検出信号を合計広帯域伝送に比例させ、他方の検出信
号を変換器光学系に一致した狭帯域フィルタを通過させ
れば、これら信号の比率は、変換器機構によって変化す
るようになるが、光ファイバリードにおける損失や広帯
域光源における出力変動に比較的左右されないものとな
る。

このようにして、安価なファイバオプティックセンサで
も、検出された現象の正確な測定を提供でき、しかも光
ファイバケーブルやコネクタにおける損失や、光源にお
けるドリフトによる減衰を伴わない。

本発明は圧力を検出するための光検出器装置に関連して
説明する。ただし、本出願の開示内容は、音波、回転速
度、加速、圧力、磁界および電界、温度、応力および歪
、およびその他ファイバオプティックセンサによって検
出可能な現象を検出するための光検出器装置に応用でき
る。従って、本出願に基づく開示内容は、ファイバオプ
ティックセンサの応用の広い範囲をカバーするものであ
る。

本発明の好適実施例は、光弾性変換器を利用する。この
光弾性変換器は、そこを通過するビームを、その光弾性
材料に印加される現象に基づいて変調する。このような
光弾性変換器は当業者に知られており、例えば“光弾性
効果に基づく多モードファイバオプティックセンサ（Ｍ
ｕｌｔｉｍｏｄｅ　ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃ　５ｅｎｓｏ
ｒｓ　Ｂａ５ｅｄ　Ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｐｈｏｔｏｅｌａｓ
ｔｉｃ　Ｅｆｆｅ−ｃｔ）″と題した本発明者とディー
ジニーマクマホン（Ｄ、Ｊ、ＭｃＭａｈｏｎ）とによる
論文に説明されている。

この論文は１９８３年４月にヴアージニア（Ｖｉｒｇｉ
ｎｉａ）州アーリントン（Ａｒｌｉｎｇｔｏ口）におけ
るニス　ビーアイ　イーテクニカル・シンポジウム・イ
ースト（ＳＰＩＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｓｙｍｐｏｓ
ｉｕｍ　Ｅａｓｔ）において提出されたものである。

光弾性は、光学的に透明な材料中における複屈折によっ
て生起される応力（または歪）の現象である。これら材
料の多くは、応力を印加されない場合、等方性である。

しかし−軸応力が印加されると、応力の方向とそれに直
交する方向との間に屈折率の差が生ずる。このため前記
材料は複屈折を示し、その複屈折は印加された応力に依
存する。

またそれら材料は遅延プレートと見なすことができ、そ
れらの遅延はそれに印加される一軸応力の量に依存する
。

本発明は、広帯域光源を、特別に構成された光弾性変換
器と共に使用する。この変換器は、変換器信号調整の一
部として多重波遅延を使用する。

前記光弾性材料に印加される応力は、光源（ｔ’！送）
信号の様々な波長成分に対して様々な方法で影響を及ぼ
すので、前記材料に応力が印加された時の各成分の変化
は互いに大きく異なるにも関わらず、これら成分の合計
は一定にとどまる。光検出器において、光弾性変換器か
ら戻ったビームは、二つの部分に分割される。光源成分
の合計を代表する第１の部分は、フォトダイオードまた
は他の検出器によって電気信号に変換される。第２の部
分はフィルタを通され、広帯域光源の単一の成分のみが
通過されて第２の検出器に到達する。この第２の信号は
、リード／コネクタ損失、光源の出力変動、および光弾
性材料の応力変調に基づいて変化する。前記第１の信号
は、リード／コネクタ損失および光源の出力変動によっ
てのみ変化する。従って、第２の信号の第１の信号に対
する比率は、変換器材料の変調による伝送中の変化の測
定であり、リード／コネクタ損失および光源のドリフト
は相殺される。

広帯域光源を多重波遅延と共に使用する一般的な論理は
、“光弾性センサ特性におけるスペクトル線の幅の依存
関係（Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｌｆｎｅ　Ｗｆｄｔｈ　Ｄｅ
ｐｅｎ−ｄｅｎｃｅ　Ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｓｔｉｃ
　５ｅｎｓｏｒ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）’と題し本
発明者、ディーアールバトリクインＣＤ、Ｒ。

Ｐａｔｒｉｑｕｉｎ）、およびピーアールクライン（Ｂ
、Ｒ。

Ｋ１１ｎｅ）によって書かれた論文に説明されている。

この論文は、５ＰＩＥ第５６６巻光ファイバとレーザセ
ンサ（Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　ａｎｄ　Ｌａ５ｅｒ　
５ｅｎｓｏｒｓ）　ＩＩＩ（１９８５）の１４１−１４
６ページに掲載されている。

第２図は、本発明に基づく第１実施例を示す。

第２図において、広帯域光源は広帯域波長を有する光源
ビームを提供する。例えば１００ナノメートルよりも大
きな波長帯域は、十分な広帯域光源ビームを好適実施例
に対して提供することが分かっている。

この光源ビームは、光ファイバケーブル１２に入射され
、次に偏光子１４に伝送される。光ファイバケーブル１
２は、実際には、多数の光ファイバケーブルと光ファイ
バコネクタ１６とを、特定のセンサの応用事例に応じて
有する。前記光源ビームは、光ファイバ、光ファイバコ
ネクタ１６、および光ファイバケーブル１２に取り付け
られる他の構成部品によって減衰される。

前記光源ビームは偏光子１４の位置に到達すると、光フ
ァイバから取り出され、光学的に偏光子１４に結合され
る。この偏光子１４は前記光源ビームを偏光して偏光ビ
ームを提供する。この偏光ビームは、異なる波長を有す
る複数のスペクトル成分を有する。

前記偏光ビームは、次に多重波遅延装置１８に送られる
。この多重波遅延装置１８は、複数の遅延プレートを含
む。遅延装置の機構の詳細は後述する。

複数の遅延成分を有する遅延ビームは、次に光弾性変換
器２０に与えられる。この光弾性変換器２０は、遅延ビ
ームの遅延成分の偏光を変調する。

これら変調は、光弾性変換器２０によって検出される圧
力に応じて実施される。各遅延成分についての変調の程
度は、該成分の波長によって異なる。

変調ビームは次に検光子２２に与えられる。検光子２２
は、前記光源ビームのスペクトル成分に対応する複数の
検光成分を含む出力光信号を提供する。各検光成分は、
光弾性変換器によって発生された変調によって異なる。

しかし合計検光信号の光度変調はゼロ和を有するため、
検光信号は実際上、光弾性変換器２０に印加された圧力
に影響されない。

検光ビームは次に光ファイバケーブル２４に入射される
。この光ファイバケーブル２４は、複数の光ファイバケ
ーブルとコネクタ２６とを含む。

その出力ビームは、次にビームスブリフタ２８に送られ
る。ビームスブリフタ２８は、前記出力ビームを第１の
部分３０と第２の部分３２とに分割する。第１の部分３
０は狭帯域フィルタ３４に送られる。狭帯域フィルタ３
４は、検光ビームの選択された一つの成分のみを通過さ
せる。この選択された一つの成分は、光弾性変換器２０
に印加される圧力に基づいて変化するものである。この
フィルタを通された光信号は、第１の光検出器３６に与
えられ、そこで前記−つの成分の光度が検出される。次
に電気信号が第１の光検出器３６から処理装置３８に出
力される。この電気信号は、光弾性変換器２０に印加さ
れる圧力に応じて、および伝送損失と光源出力変動とに
応じて変化する。

ビームスブリフタ２日で分割された出力ビームの第２の
部分は、第２の光検出器４０に直接与えられる。この第
２の光検出器４０に与えられる光信号は、検光ビームの
すべてめ検光成分を含んでいるので、その光信号は光弾
性変換器２０に印加される圧力に比較的影響されない、
従って、第２の光検出器４０の出力する電気信号は、伝
送損失と光源出力変動とによって変化するが、変換器に
よって生起される変動によっては変化されない。

第２の光検出器４０は、この電気信号を処理装置３８に
出力する。処理装置３８は、次に、光検出器３６および
４０から受信した第１と第２の電気信号の比率に対応す
る出力信号を提供する。このため、光検出器３６および
４０からの両電気信号の比率により提供される出力信号
は、光弾性変換器２０に印加される圧力に応答するが、
実質的に伝送損失および光源出力変動の影響を受けない
ものである。

本発明に基づく原理を第３図〜第１１図を参照してさら
に詳細に説明する。多重波遅延技術は二つの事実に基づ
いている。第１は、多重波バイアス遅延器を光弾性変換
器の構成に使用すると、光の各種の波長がその中で様々
にバイアスされることである。通常の光弾性センサの設
計では、多重波バイアス遅延を使用しない。第２は、適
切に選択された広帯域光源を使用すると、光源ビームの
スペクトル成分の各種バイアスが、変換器の合計出力を
、変換器の初期動作の関数として、各スペクトル成分が
同一の範囲にわたって急速に変化しても、極めてゆっく
りと変化させることである。

第３図は、偏光子、遅延器、光弾性検出要素、および検
光子の特徴を示す詳細図である。光度Ｉ。

を有する光源ビームは、光ファイバケーブル１２から与
えられる。この光源ビームは、偏光子１４に送られる。

偏光子１４はＸ軸に対して＋π／４の伝送軸を有する。

Ｚ軸を光軸と定義すれば、Ｘ−Ｙ平面はこの光軸に直交
するものであり、偏光子１４と同一平面上にある。偏光
されたビームは次に多重波遅延器１８に向かう。

遅延器１８は一片の複屈折−軸材料を含む。この材料内
において、常光線および異常光線は異なる速度において
移動する。このため一方の光線は他方の光線に対して遅
延される。このため遅延プレートは、光線ビーム内のス
ペクトル成分に位相差を導入する。第３図に示すように
、遅延プレー）１Ｂの固着軸はＸ軸に平行である。

遅延されたビームは次に、光弾性°変換器２０に与えら
れる。この変換器は、遅延されたビームのスペクトル成
分の偏光を、実質的にＸ軸に平行に光弾性変換器２０に
印加される圧力に基づいて、変調する。

この変調されたビームは次に検光子２２を通される。こ
の検光子２２はＸ軸に対して約−π／４の伝送軸を有す
る。この検光子２２は、光弾性変換器２０に印加される
圧力に応じて変化する複数の検光成分を含む検光ビーム
を提供する。この場合、光弾性変換器２０と検光子２２
とを通過する広帯域ビームからの光出力は、波長に多少
なりとも依存して遅延されたスペクトル成分を有する。

各種の波長について効果の平均化があるので、検光ビー
ムの合計伝達光度は、光弾性変換器２０内において加え
られた遅延によって変化されない。

第４図は、本発明の変更実施例を示し、この実施例にお
いて広帯域光源ｌＯはＬＥＤである。このＬＥＤが出力
するビームは、レンズ１１によって集束され、光源ビー
ムを提供する。チョッパ１３は次にこの光源ビームをチ
ョップする。チョップされた光源ビームは、第２図の実
施例と同様に、偏光子１４と多重波遅延器１８とに与え
られる。補償器１９は、多重波遅延器１８と光弾性変換
器２０との間に挿入される。補償器１９はバビネーソレ
イユ補償板である。補償されたビームは次に光弾性変換
器２０に送られる。この光弾性変換器２０は、それに印
加される圧力に基づいてビームを変調する。変調された
ビームは、第２図に基づ〈実施例と同様に、検光子２２
、ビームスプリッタ２８、フィルタ３４、およびフォト
ダイオード３６　、４０に向かう。

フォトダイオード３６　、４０は、ロックイン増幅器４
１に結合される。ロックイン増幅器４１は、チョッパ１
３を制御する。ロックイン増幅器４１とチョッパ１３と
は、本発明を十分に照明された環境で使用する場合、周
囲光の効果を中和するために使用される。ロックイン増
幅器４１はデジタル電圧計４３に結合され、適切な出力
信号を提供する。

本発明の広帯域多重波遅延の基本式は、次のように定義
できる。

１−　（Ｉｏ／４）　（１−ｃｏｓ（（Ａ　Ａ　ｏＳ／
λ）　＋（２πＲ／λ））〕定数Ａは、光弾性変換器２
０に使用される特定の変換器材料についての定数であり
、この光弾性変換器２０を通る光路の長さに依存する。

λ０は基準波長であリナノメートルで表される。定数Ｒ
は遅延器の遅延値でありやはリナノメートルで表される
。定数Ｓは光弾性変換器２０に印加される応力であり、
メートル法で与えられる。

第５図は、光源ビームの帯域を広げることによる検出光
出力に対する効果を示す。第５図において遅延値Ｒは４
００ナノメートルに設定され、基準波長λ０は８００ナ
ノメートルに設定される。曲線５０は、検出された光出
力と、約１０ナノメートルの線幅を有する光源ビームに
ついての応力との関係を示すグラフである。検出された
光出力は印加される応力によって大きく変わることが分
かる。

曲線５２は、検出された光出力に対する、光源ビームが
約６００ナノメートルの線幅を有する場合の応力の影響
を示す。検出された光出力は、印加された応力に対して
おだやかに変化している。最後に曲線５４は、約８００
ナノメートルの線幅を有する光源ビームについて、検出
された光出力と応力との関係の変化を示す。この場合、
検出された光出力は印加された応力に対してさらにゆっ
くりと変化している。

第６図は、検出された光出力に対する多重波遅延の効果
を示す。光源ビームの線幅は一定の２００ナノメートル
とする。基準波長λ０は広帯域光源の近似中心波長であ
り、約８００ナノメートルである。曲線６２は、検出さ
れた光出力が、遅延値Ｒが４００ナノメートルに等しい
場合、印加応力によって大きく変化することを示す。曲
線６４は、検出された光出力が、遅延値Ｒが２，０００
ナノメートルである場合、印加応力によっておだやかに
変化することを示す。一方、曲線６６は、検出された出
力が、遅延値Ｒが３．６００ナノメートルである場合、
応力によってごくわずかに変化することを示す。

第７図は、検出された光出力に対する応力の影響を、光
源の線幅と最適多重波遅延とについて示す。光源基準波
長λ０は８００ナノメートルを選択し、遅延値Ｒは２，
５４５ナノメートルを選択した。

図から分かるように、光源の線幅が５０ナノメートルの
みである場合、検出された光出力は応力に対して単線形
的に変化する。同様に、光源の線幅が約２５０ナノメー
トルである場合、検出された光出力は、応力が上昇して
も比較的それに影響されないままである。従って、光源
の線幅を適切に選択することにより、および検光子から
出力される検光ビームを適切なフィルタに通すことによ
り、装置内における光ファイバリードとコネクタとの損
失を除去できるような二つの信号を得ることが可能であ
る。特に、光源の線幅を２５０ナノメートルに選択した
場合、および検光ビームをフィルタに通して５０ナノメ
ートル帯域にした場合、得られる二つの検出された光出
力信号は、印加応力に対して一方は変化し、他方は比較
的変化しないものとなる。これら得られる信号間の比率
を形成することにより、光ファイバケーブルおよび結合
器における信号減衰の影響と光源のドリフトの影響とを
除去することが可能となる。

第８ａ図および第８ｂ図は、二つの光信号が二つの光検
出器に衝突する際の、該二つの光信号のスペクトル分布
を示すグラフである。第８ａ図において、スペクトル成
分の狭帯域だけが狭帯域フィルタ３４を通って伝送され
る。このフィルタを通された信号の帯域が例えば５０ナ
ノメートルである場合、検出される光出力は、第７図に
示すように応力によって変化する。第８ｂ図は、フィル
タを通されず、従ってフィルタ未通過成分の広いスペク
トル帯域を含む光信号を示す。光源の線幅が例えば２０
０ナノメートルである場合、合計検出光出力は、第７図
に示したように、応力の変化に対して比較的影響を受け
ないままである。

光源の線幅の実際的な限度を確定し、フィルタを通過さ
せた光信号の帯域の限度を確定するために、コンピュー
タモデルを、遅延値と光源の線幅とフィルタを通過させ
た光信号の線幅とを変化させて実施した。このコンピュ
ータモデルの結果は、第９ａ図、第９ｂ図、および第９
Ｃ図に示す通りである。第９ａ図は、中心光源波長の全
波遅延（Ｒ＝１λ）について、光源の線幅の拡張は、印
加応力に対する信号の有効範囲を減少することを示す。

このため、２００ナノメートルの線幅の光源は、１０ま
たは３０ナノメートルの帯域幅を有するフィルタを通さ
れた光信号からほとんど区別できない、同様に、光源の
線幅が１００ナノメートルである場合、それは１０また
は３０ナノメートルの帯域幅を有するフィルタを通され
た信号からほとんど区別できない。

しかし、光学系にＲ＝３λの多重波遅延を導入すると、
応答曲線は第９ｂ図に示すように著しく変化し始める。

第９ｂ図において２００ナノメートルの曲線は平坦化が
顕著である。１０または３０ナノメートルの帯域によっ
てフィルタを通された光信号は、光源が１００または２
００ナノメートルに選択された場合、フィルタを通さな
い信号から普通に区別できる。

最後に、系における多重波遅延がＲ＝８λに上昇される
と、２００ナノメートル幅の光源は平坦な応答を示すが
、３０および１０ナノメートルの曲線は依然として印加
応力に対して著しい変化を示す。また１００ナノメート
ルの曲線は著しい平坦化を示し、やはり１０または３０
ナノメートルの帯域幅を有するフィルタを通された信号
から容易に区別できる。

このコンピュータモデルは、本好適実施例について、光
源の線幅は１００ナノメートルに等しいか大きくなけれ
ばならず、フィルタ３４の通過帯域は３０ナノメートル
に等しいか小さくなければならないことを示している。

もちろんこれらの数字は、光検出器の感度が上昇するに
連れて、または光弾性変換器の感度が上昇するに連れて
、あるいは光電変換器の感度が上昇するに連れて変える
ことができる０本発明の開示内容は、光源またはフィル
タを通された光信号の特定の線幅によって制限されるも
のではない。

コンピュータモデルの結果を定性的に立証するために、
第４図に示す装置を使用して実験を行った。オーガツト
社（Ａｕｇａｔ）の６９８−　ＡＲＪ　−Ｅ１２のＬＥ
Ｄからの光を、平行ビームにし、チョップし、ポラロイ
ド（Ｐｏｌａｒｏｉｄ）　（登録商標）タイプのＨＲ偏
光フィルタを通した。次にビームを多数のポラロイド（
登録商標）の遅延プレート、バビネーソレイユ補償板、
−片のＰＳＭ−４ポリウレタン光弾性材料、および第２
の偏光フィルタに通した。最後にビームをアール・シー
・ニー社（！？ＣＡ）のＣ３０８０９フオトダイオ一ド
ロツクイン増幅器の組み合せによって検出した。測定に
よっては１０ナノメートルの通過帯域光干渉フィルタを
光検出器の前に置くことができる。

オーガツト（Ａｕｇａｔ）のＬＥＤからの出力は８２０
ナノメートルを中心とし、その１　／　ｅにおける全幅
は５０ナノメートルであった。第４図の実験構成を（干
渉フィルタを使用せずに）使用し、装置の応答を、その
装置における多重波遅延の値を様々に変化させて決定し
た。光弾性変換器についてはＸ軸に沿った負荷を増加さ
せた。最初に多重波遅延装置１８の遅延値を変化させた
。この実験の結果は、一般に第９ａ図、第９ｂ図、およ
び第９Ｃ図に示した関係を確認するものであった。特に
遅延値を上昇させると、応答曲線はより平坦になった。

次にＬＥＤの光源の線幅を変化させ、遅延値は一定に保
持した。この場合も結果は、第９ａ図、第９ｂ図、およ
び第９ｃ図に示した関係を確認した。特に、狭帯域光信
号は、印加応力に対して大きく変化したが、広帯域光信
号は印加応力に対して、より平坦な応答曲線を示した。

従って光源の線幅、スペクトルフィルタ通過帯域、およ
び遅延値を適切に選択すれば、狭いスペクトル成分につ
いて、検出された光出力が印加応力に対して大きく変化
し、しかも広帯域光源信号の検出された光出力が印加応
力に比較的影響を受けないままであるような装置を提供
することができる。この関係を第１０図に示す。

第１０図は、狭帯域のフィルタを通された波長λ１を有
する検出された光出力が、応力によって著しく変化する
ことを示す。一方、波長λ２を中心とする広帯域光源信
号の検出された光出力は、印加応力によっても比較的変
化せずにとどまる。

第１０図の関係は、第１１図において、処理装置３８か
らの出力信号を提供するために使用される。検出された
光信号の比率、例えばＩλ１／Ｉλ２を形成する場合、
こσ比率は光弾性変換器２０に印加される応力によって
変化する。しかし、両信号ＩλｌおよびＩλ２ともに、
光ファイバケーブルおよびコネクタの損失と光源の出力
変動とによって変化する成分を含むので、その比率信号
はこれらの影響を相殺する。このためその比率信号は、
印加応力によってのみ変化し、出力変動や光ファイバ系
における伝送損失によっては変化しない。従って、光変
換器２０に印加される圧力のより正確な測定が得られる
。

このため、広帯域光源の選択されたスペクトル成分と、
それら成分に異なって作用する光ファイバ変換器機構と
を使用すれば、その変換器までのおよびその変換器から
の光学的損失と光源におけるドリフトとに左右されずに
動作するファイバオプティックセンサが可能となる。従
って本発明は、光変換器を広範なセンサ応用分野に適用
する際に経験される実際的な問題に対する解決法を提供
する。

以上説明したように、本発明は、光ファイバの伝送損失
や光源出力の変動による信号損失を有効に除去する光変
換器によって、印加された現象を検出する安価でしかも
正確な装置および方法を提供する。

本発明は、現在において最も実際的で好適と思われる実
施例に基づき説明してきたが、本発明はここに開示した
実施例に限定されるものではな（、添付の特許請求の範
囲を逸脱しない各種の変更形態および類似の構成を含む
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の光センサ装置における検出された光学
的出力に対する光ファイバのり−ド／コネクタ損失の影
響を示す図、 第２図は、本発明に基づ（装置の第１実施例を示す図、 第３図は、第２図に示した本発明に基づ〈実施例の偏光
子と遅延装置と光弾性検出素子と検光子とを示す図、 第４図は、本発明に基づく第２実施例を示す図、第５図
は、本発明に基づく、検出された光学的出力に対する光
源の帯域の影響を示す図、第６図は、本発明に基づく、
検出された光学的出力に対する多重波遅延の影響を示す
図、第７図は、本発明に基づく、検出された光学的出力
に対する最適光源帯域と多重波遅延との効果を示す図、 第８ａ図および第８ｂ図は、分割された出力ビームの第
１と第２の部分を示し、印加される現象に基づいて変化
する一つのスペクトル成分と、全体としてその印加され
る現象に対して比較的感応しない複数のスペクトル成分
とを示す図、第９ａ図、第９ｂ図、および第９Ｃ図は、
光源ビームの追加の多重波遅延によって得られる利点を
示す図、 第１０図は、検出された現象に基づいて変化するスペク
トル成分の検出された出力と、検出された現象に基づい
て変化しない複数の検光成分の検出された出力を示す図
、 第１１図は、検出された現象に応答するが、リード／コ
ネクタ損失と光源における出力変動とには応答しない、
処理装置の出力信号を示す図。 １０・・・広帯域光源、 １２　、２４・・・光ファイバケーブル、１４・・・偏
光子、 １６　、２６・・・光ファイバコネクタ、１８・・・多
重波遅延器、 １９・・・補償器、 ２０・・・光弾性変換器、 ２２・・・検光子、 ２８・・・ビームスプリッタ、 ３４・・・狭帯域フィルタ、 ３６・・・第１の光検出器、 ３８・・・処理装置、 ４０・・・第２の光検出器。 以下余白 検出された光出力 応力 λ□ Ｆｔａ、８ｔσ人 ＦＩＧ、８（ｂλ 手続補正書（方式） 昭和６２年１１月Ｚｔ日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １、事件の表示 昭和６２年特許願第２０４２８２号 ２、発明の名称 ファイバオプティックセンサにおけるファイバオプティ
ックリード損失およびコネクタ損失を補償する方法およ
び装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　サイモンズブリシジャンプロダクツ。 インコーホレイティド ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、
補正命令の日付 ６、補正の対象 （１）願書の「出願人の代表者」の欄 （２）委　任　状 （３）明　細　書 （４）図　　面 ７、補正の内容 （１）　（２）　　別紙の通り （３）　　明細書の浄書（内容に変更なし）（４）　　
図面の浄書（内容に変更なし）８、添付書類の目録 （１）訂正願書　　　　　１通 （２）　　委任状及び訳文　　　　　　　　　各１通（
３）浄書明細書　　　　　　　１通 （４）浄書図面　　　　　１通

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各々が異なる波長を有する複数のスペクトル成分を
   含む広帯域光源ビームを提供する光源手段と、 前記光源ビームを受光してそれを偏光し、前記複数のス
   ペクトル成分を含む偏光ビームを提供する偏光子手段と
   、 前記偏光ビームを受光し、前記複数のスペクトル成分を
   遅延させ、複数の遅延成分を有する遅延ビームを提供す
   る多重波遅延手段と、 （ａ）前記遅延ビームを受光し、（ｂ）各前記遅延成分
   を、外部的に印加される条件に基づき、前記各遅延成分
   に付随する波長に応じた量によって変調し、（ｃ）複数
   の変調成分を有する出力ビームを提供する光変換器手段
   と、 前記出力ビームを受光し、前記複数の変調成分に対応す
   る複数の検光成分を有する検光ビームを提供し、しかも
   前記検光ビームの合計光度が前記外部的に印加される条
   件に実際的に影響されない検光子手段と、 （ａ）前記検光ビームを受光し、（ｂ）前記検光成分の
   一部のみを有する第１の光信号を提供し、前記一部が前
   記外部的に印加される条件に基づき変化する一つの検光
   成分を含み、（ｃ）前記複数の検光成分を含む第２の光
   信号を提供するフィルタ手段と、 （ａ）前記第１と第２の光信号を受信し、（ｂ）前記両
   光信号を電気信号に変換し、（ｃ）前記第１の光信号の
   強さに対応する第１の電気信号を提供し、（ｄ）前記第
   ２の光信号の強さに対応する第２の電気信号を提供する
   光検出器手段と、 前記第１と第２の電気信号を受信し、前記第１と第２の
   電気信号の比率に対応する出力信号を提供する処理手段
   とを備える光センサ装置。 ２、前記光源ビームを前記光源手段から前記偏光子手段
   に案内する第１の光案内手段と、 前記検光ビームを前記検光子手段から前記フィルタ手段
   に案内する第２の光案内手段とを有する特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。 ３、前記第１と第２の光案内手段は光ファイバケーブル
   を含む特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ４、前記フィルタ手段は、 前記検光ビームを受光してそれを第１と第２の部分に分
   割し、それら各部分が前記検光成分を含み、前記第２の
   部分が前記第２の光信号からなるビームスプリッタ手段
   と、 （ａ）前記第１の部分を前記ビームスプリッタ手段から
   受け取り、（ｂ）前記検光成分の前記一部を通過させる
   と共に残りの検光成分を実質的に阻止し、（ｃ）前記第
   １の光信号を提供する、狭帯域フィルタ手段とを備える
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ５、前記光検出器手段は、 前記第１の光信号を前記狭帯域フィルタ手段から受け取
   って前記第１の電気信号を提供する第１の光検出器手段
   と、 前記第２の光信号を前記ビームスプリッタ手段から受け
   取って前記第２の電気信号を提供する第２の光検出器手
   段とを備える特許請求の範囲第４項に記載の装置。 ６、前記光変換器手段は光弾性変換器を含む特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 ７、前記光弾性変換器は前記遅延成分を、外部的に印加
   される圧力に基づいて変調させる特許請求の範囲第６項
   に記載の装置。 ８、前記偏光子手段と前記検光子手段とは同軸であって
   相互に直交偏光し、前記光弾性変換器は前記偏光子手段
   と前記検光子手段との伝送軸に対して実質的に４５°に
   おいて印加される圧力に応答すべく配置される特許請求
   の範囲第７項に記載の装置。 ９、前記光源手段は実際上１００ナノメートルより大き
   な波長帯域を有する前記光源ビームを提供する特許請求
   の範囲第１項に記載の装置。 １０、前記多重波遅延手段は、実際上１λより大きな遅
   延係数Ｒを有し、前記λは前記広帯域光源ビームの近似
   中心波長である特許請求の範囲第１項に記載の装置。 １１、各々が異なる波長を有する複数のスペクトル成分
   を含む光源ビームを提供する光源手段と、（ａ）前記光
   源ビームを受光し、（ｂ）前記光源ビームを偏光し、前
   記複数のスペクトル成分を含む偏光ビームを提供し、（
   ｃ）前記偏光ビーム中の前記複数のスペクトル成分を遅
   延し、複数の遅延成分を有する遅延ビームを提供し、（
   ｄ）前記遅延ビームを外部的に印加される圧力に基づき
   変調し、前記複数の遅延成分に対応する複数の変調成分
   を有する変調ビームを提供し、（ｅ）前記変調ビームを
   検光し、前記外部的に印加される圧力に実際的に影響さ
   れない合計光度を有する出力ビームを提供し、前記出力
   ビームが前記複数の変調成分を有する偏光・多重波遅延
   ・変換器手段と、 （ａ）前記出力ビームを受光し、（ｂ）前記複数の変調
   成分の一部のみを有する第１の光信号を提供し、前記一
   部が前記外部的に印加される圧力に基づき変化するもの
   であり、（ｃ）前記影響されない合計光度に対応する第
   ２の光信号を提供するフィルタ手段と、 前記第１と第２の光信号を受信し、前記第１と第２の光
   信号の光度に各々対応する第１と第２の電気信号を提供
   する光検出器手段と、 前記第１と第２の電気信号を受信し、前記第１と第２の
   電気信号の比率に対応する出力信号を提供する処理手段
   とを備える光センサ装置。 １２、前記光源手段は実際上１００ナノメートルより大
   きな波長帯域を有する前記光源ビームを提供し、前記フ
   ィルタ手段は実際上５０ナノメートルより小さな波長帯
   域を有する前記第１の光信号を提供する特許請求の範囲
   第１１項に記載の装置。 １３、前記偏光・多重波遅延・変換器手段は、前記光源
   ビームを偏光する偏光子手段と、 前記複数のスペクトル成分を遅延する多重波遅延手段と
   、 前記遅延ビームを変調する光弾性変換器手段と、前記変
   調ビームを検光する検光子手段とを備える特許請求の範
   囲第１１項に記載の装置。 １４、前記多重波遅延手段は複数の波長遅延プレートを
   含む特許請求の範囲第１３項に記載の装置。 １５、光軸は前記光源ビームと前記偏光ビームと前記変
   調ビームと前記出力ビームとの各投射経路によって定義
   され、Ｘ軸とＹ軸とを有するＸ−Ｙ平面は前記光軸に直
   交して定義され、 前記偏光子手段は前記Ｘ軸に対して実質的に＋π／４で
   ある伝送軸を有し、 前記光弾性変換器手段は前記Ｘ軸に沿って印加される圧
   力に感応し、 前記検光子手段は前記Ｘ軸に対して実質的に−π／４で
   ある伝送軸を有する特許請求の範囲第１３項に記載の装
   置。 １６、前記光源手段と前記偏光子手段との間に光学的に
   結合されるチョッパと、 前記多重波遅延手段と前記光弾性変換器手段との間に光
   学的に結合される補償器とを有する特許請求の範囲第１
   ３項に記載の装置。 １７、前記光源ビームを前記光源手段から前記偏光・多
   重波遅延・変換器手段に伝送する第１の光ファイバケー
   ブルと、 前記出力ビームを、前記偏光・多重波遅延・変換器手段
   から前記フィルタ手段に伝送する第２の光ファイバ手段
   とを有する特許請求の範囲第１１項に記載の装置。 １８、前記フィルタ手段が、 前記出力ビームを受光してそれを第１および第２の部分
   に分割し、それら各部分が前記複数の変調成分を含むと
   共に前記第２の部分が前記第２の光信号に対応する、ビ
   ームスプリッタ手段と、（ａ）前記第１の部分を前記ビ
   ームスプリッタ手段から受け取り、（ｂ）前記複数の変
   調成分の前記一部を伝送すると共に前記複数の変調成分
   の残りの部分を実質的に阻止し、（ｃ）前記第１の光信
   号を提供する狭帯域フィルタ手段とを備える特許請求の
   範囲第１４項に記載の装置。 １９、前記光検出器手段は、 前記第１の光信号を受信し前記第１の電気信号を提供す
   る第１の光検出器手段と、 前記第２の光信号を受信し前記第２の電気信号を提供す
   る第２の光検出器手段とを備える特許請求の範囲第１１
   項に記載の装置。 ２０、各々が異なる波長を有する複数のスペクトル成分
   を含む光源ビームを提供し、 前記光源ビームを偏光し、前記複数のスペクトル成分を
   有する偏光ビームを提供し、 前記偏光ビームを遅延し、前記複数のスペクトル成分に
   対応する複数の遅延成分を有する遅延ビームを提供し、 前記遅延ビームを外部的に印加される条件に基づき変調
   し、前記複数の遅延成分に対応する複数の変調成分を有
   する変調ビームを提供し、前記変調成分は各遅延成分に
   付随する波長に対応する量によって変調され、 前記変調ビームを検光し、前記変調成分に対応する複数
   の検光成分を有する検光ビームを提供し、前記検光ビー
   ムの合計光度は前記外部的に印加される条件に実際的に
   影響されず、 前記検光ビームをフィルタに通し、（ａ）前記検光成分
   の一部のみを有する第１の光信号を提供し、前記一部は
   前記外部的に印加される条件に応じて変化する一つの検
   光成分を含み、（ｂ）前記複数の検光成分を含む第２の
   光信号を提供し、前記複数の検光成分の合計は前記外部
   的に印加される条件に実質的に影響されず、 前記第１と第２の光信号を検出し、（ａ）前記第１の光
   信号の光度に対応する第１の電気信号を提供し、（ｂ）
   前記第２の光信号の光度に対応する第２の電気信号を提
   供し、 前記第１と第２の電気信号を処理して、前記第１と第２
   の光信号の比率に対応する出力信号を提供する各段階を
   備える検出方法。 ２１、前記光源ビームを提供する段階は実際上１００ナ
   ノメートルより大きな波長帯域を有する光源ビームを提
   供する段階を含み、前記フィルタを通す段階は前記検光
   ビームをフィルタに通して実際上５０ナノメートルより
   小さな波長帯域を有する前記第１の光信号を提供する段
   階を含む特許請求の範囲第２０項に記載の方法。 ２２、前記フィルタを通す段階は、 前記検光ビームを分割して第１および第２のビーム部分
   を提供し、前記第２のビーム部分は前記第２の光信号に
   対応し、 前記第１のビーム部分をフィルタに通して前記検光成分
   の前記一部を伝送すると共に残りの検光成分を実質的に
   阻止して前記第１の光信号を提供する各段階を含む特許
   請求の範囲第２０項に記載の方法。 ２３、前記検出する段階は、 第１の光検出器手段によって前記第１の光信号を検出し
   て前記第１の電気信号を提供し、 第２の光検出器手段によって前記第２の光信号を検出し
   て前記第２の電気信号を提供する各段階を含む特許請求
   の範囲第２０項に記載の方法。 ２４、第１の光ファイバケーブルによって前記光源ビー
   ムを伝送し、 第２の光ファイバケーブルによって前記検光ビームを伝
   送する各段階を備える特許請求の範囲第２０項に記載の
   方法。 ２５、前記変調する段階は外部的に印加される圧力に基
   づいて前記遅延ビームを変調する段階を含む特許請求の
   範囲第２０項に記載の方法。 ２６、前記遅延させる段階は実際上１λよりも大きな遅
   延係数Ｒを有する多重波遅延手段によって前記偏光ビー
   ムを遅延させる段階を含み、前記λは前記光源ビームの
   近似中心波長である特許請求の範囲第２０項に記載の方
   法。 ２７、各々が異なる波長を有する複数のスペクトル成分
   を含む広帯域光源ビームを提供し、 少なくとも第１の光ファイバケーブルによって前記光源
   ビームを伝送し、 前記伝送された光源ビームを偏光し、前記複数のスペク
   トル成分を有する偏光ビームを提供し、前記偏光ビーム
   を遅延し、前記複数のスペクトル成分に対応する複数の
   遅延成分を有する遅延ビームを提供し、各前記遅延成分
   は異なる波長を有し、 光弾性変換器によって圧力を検出し、 前記光弾性変換器によって前記遅延ビームを変調し、前
   記複数の遅延成分に対応する複数の変調成分を有する変
   調ビームを提供し、 前記変調ビームを検光し、前記複数の変調成分に対応す
   る複数の検光成分を有する検光ビームを提供し、前記検
   光ビームは前記圧力における変化に実質的に影響されな
   い合計光度を有し、 少なくとも第２の光ファイバケーブルによって前記検光
   ビームを伝送し、 前記伝送された検光ビームを第１と第２の部分に分割し
   、それら各部分は前記複数の検光成分を有するとともに
   前記第２の部分は第１の光信号を構成し、 前記第１の部分をフィルタに通し、前記検光成分の一部
   のみを通過させるとともに残りの検光成分を実質的に阻
   止し、前記一部は前記圧力における変化に応答しかつ第
   ２の光信号を構成し、第１の光検出器によって前記第１
   の光信号を検出し、その信号に対応する第１の電気信号
   を提供し、 第２の光検出器によって前記第２の光信号を検出し、そ
   の信号に対応する第２の電気信号を提供し、 前記第１と第２の電気信号を処理して、前記第１と第２
   の電気信号の比率に対応する出力信号を提供する各段階
   を備える、圧力を光学的に検出する方法。