JPS6347603A - 光フアイバ変位センサ - 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】 発明の要約 フィゾー型干渉計応用光ファイバ変位センサにおいて、
偏波面保存シングル・モード光ファイバの基本モードを
構成する互いに直交する２つの成分Ｅｘ、Ｅｙに異なる
屈折率を与える複屈折率物質を設け、これによってこれ
らの２つの成分ＥｘとＥｙとの間に位相差をもたせるよ
うにした。成分Ｅｘの干渉光と成分Ｅｙの干渉光とを偏
光ビーム・スプリッタで分離する。このようにして、１
本の光ファイバを用いて、変位量の測定のみならず変位
方向をも判別できるようにした。

発明の前景 技術分野 この発明は、フィゾー型光干渉計応用光ファイバ変位セ
ンサに関する。

先願発明 この種の光ファイバ変位センサは、光ファイバの一端か
ら光を導入し、この伝播光の一部を光ファイバの他端で
反射させる（参照光）。光ファイバの他端で反射せずに
出射した光は、被測定物体に連動する鏡面で反射して再
び上記他端から光ファイバに戻る（信号光）。光ファイ
バ内を戻る上記参照光と信号光とは相互に干渉し、この
干渉光はこれらの光の位相差に応じた光強度をもつ。

光ファイバの一端から出射したこの干渉光を光電変換し
、その強度変化を計数することによって被測定物体の変
位量を測定する。

このような光ファイバ変位センサにおいて、出願人はい
くつかの提案を既に行なっている。特願昭６０−９６７
８１号において出願人は、光ファイバの上記他端と上記
鏡面との間にコリメート・レンズを設けることを提案し
ている。光ファイバの上記他端からの出射光は広がりを
もつがこのコリメート・レンズによって平行化されて鏡
面に投射される。鏡面からの反射光も平行化されており
、この平行光は上記コリメート・レンズによって集光さ
れて光ファイバの上記他端に入射する。このコリメート
・レンズの焦点は光ファイバの上記他端にほぼ位置して
いる。このことによって、光ファイバに戻る信号光の光
量を確保することができるとともに、被測定物体（上記
鏡面）の変位量にかかわらず信号光のピーク強度をほぼ
一定に保つことができる。したがって、測定可能な変位
ごが増大する。

特願昭６０−９６７８２号では構造上、上記と矛盾した
提案を行なっている。すなわち、上記コリメート・レン
ズの焦点を光ファイバの上記他端から軸方向にずらして
コリメート・レンズを配置している。このような配置と
することによって、被測定物体（鏡面）の位置に応じて
光ファイバの上記他端に入射する信号光の光量が変わる
ようになる。

たとえば被測定物体が光ファイバの他端から遠ざかると
光量が減少し、逆に近づくと増加する。このことによっ
て、被測定物体の変位量のみならず変位（移動）方向の
判別も行なえるようになる。

しかしながら、後者の光ファイバ変位センサでは、出力
干渉光のＤＣレベルの増減によって被測定物体の移動方
向を判別しているので、ノイズ成分による誤差が生じや
すく、被測定物体が比較的長い距離にわたって変位した
ような場合にしか正確には方向が判別できないというう
問題がある。

上述したように前者のタイプの光ファイバ変位センサは
変位ａ！１定可能距離を長くすることができるという特
長をもつが、変位方向判別はできない。

発明の概要 発明の目的 この発明は、小さな変位に対してもその変位方向の判別
が可能となる光ファイバ変位センサを提供することを主
目的としている。またこの発明は、上述した前者のタイ
プの光ファイバ変位センサの特長、すなわち長い変位測
定が可能であるという特長をそのまま維持するものであ
る。

発明の構成と効果 この発明による光ファイバ変位センサは、偏波面保存シ
ングル・モード光ファイバ、上記光ファイバの基本モー
ドを構成する互いに直交する２つの成分Ｅｘ、Ｅｙがほ
ぼ等しい大きさで上記光ファイバ内を伝播するように、
上記光ファイバの一端に直線偏光の光を導入する光源、
上記光ファイバの他端と被測定物体に連動しかつ信号光
を反射させるための鏡面との間に設けられ、信号光を透
過させるとともに参照光を反射させるための反射手段、
上記反射手段と上記鏡面との間に設けられ、信号光中の
上記の互いに直交する２つの成分Ｅｘ、Ｅｙに対して異
なる屈折率を与える複屈折率物質、および上記光ファイ
バの他端から出射した信号光と参照光との干渉光を、上
記の互いに直交する２つの成分に分離させる偏光ビーム
・スプリッタを備えていることを特徴とする。

より簡略化した表現が許されるならば、この発明は上記
の前者のタイプの光ファイバ変位センサに上記複屈折率
物質および偏光ビーム・スブリッ夕を新たに設けたもの
である。

このようにしてこの発明によると２位相がずれた２つの
干渉光を得ることができるので、これらの干渉光の強度
変化の順序に基づいて被測定物体の変位方向を判別する
ことが可能となる。干渉光の強度変化の周期は使用して
いる光の波長の半分の長さに対応するから、サブミクロ
ン（１μｍ以下）の変位があってもその変位方向の判定
が可能である。

上述した後者のタイプの光変位センサのように信号光を
発散させる位置にレンズを配置する必要は全くなく、コ
リメート・レンズをその本来の目的、すなわち光ファイ
バの上記他端から出射する光をコリメートする位置にこ
のレンズを配置することができ、その方がより好ましい
ということになる。したがって、変位測定距離範囲を長
くすることができるという前者のタイプの光ファイバ変
位センサの特長を維持することができる。

実施例の説明 光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ１が用いられている（波長
λ−０，８３３μｍ）。このレーザ光はアイソレータ２
およびビーム・スプリッタ３を経て。

レンズ４によってシングル・モードの偏波面保存光ファ
イバ（シングル・ポラリゼーション・ファイバ）５にそ
の一端から入射する。アイソレータ２は反射光がレーザ
１に戻らないようにするためである。この直線偏光のレ
ーザ光は、その偏波面が偏波面保存光ファイバ５のＸ軸
およびｙ軸（第３図参照）に対して４５″の角度で入射
するようにレーザ１等の配置が定められている。したが
って、光ファイバ５内を伝播する光の基本モードの相互
に直交する成分Ｅｘ、Ｅｙの大きさは等しくなる。第３
図に示されているようにこの偏波面保存光ファイバ５は
中心のコア５ａのＸ軸方向の上下位置に応力発生用のガ
ラス・ファイバ５ｂがそのサポート内に挿入されてなり
、上記の２成分Ｅｘ、Ｅｙをその偏波面を一方向に保存
して伝播させることができる。

センサ部の構成が第２図に拡大して示されている。被測
定物体それ自体または被測定物体に取付けられもしくは
接触することによって被測定物体と連動するミラー８と
光ファイバ５の他端との間にロッドレンズ６が配置され
ている。光ファイバ５の出射端にロッドレンズ６の焦点
面が位置するようにレンズ６の位置が定められている。

このレンズ６とミラー８との間にはさらに複屈折率をも
つ物質、たとえばＳ　ｉＯ２結晶７が配置されている。

ロッドレンズ６のＳ　ｉｏ　２結晶７側の面には、ハー
フ・ミラーとして作用する金属薄膜６ａが形成（たとえ
ば蒸着）されている。この金属薄膜６ａは、レンズ６の
他の面または先ファイバ５の出射端に形成してもよい。

先ファイバ５の他端部とレンズ６と複屈折率結晶７とは
適当な手段により固定されている。

光ファイバ５内を伝播してきた光はその他端から出射し
、レンズ６によってコリメートされ平行光となり、その
一部は金属薄膜６ａで反射し、レンズ６によって集光さ
れ、光ファイバ５内に上記他端から入射し、再び光ファ
イバ５内を逆方向に伝播していく　（参照光）。残りの
光はレンズ６から出射し、複屈折率結晶７を経てミラー
８に向う。この平行光はミラー８で反射し、再び複屈折
率結晶７およびレンズ６を通過して集光され、光ファイ
バ５の他端から光ファイバ５内に入射する（信号光）。

さて、ＳｉＯ２結晶７は、第３図に示すようにそのＺ軸
方向およびＹ軸方向にそれぞれｎ　＝。

１．４８．　　ｎ　　−１，５２（λζ０，６μｍ）の
屈折率をもつ。ロッドレンズ６から出射した平行光が平
行平板のＳ　ｉ　０２結晶の面に垂直に入射し、この光
の成分Ｅｘ、Ｅｙにそれぞれ上述の屈折率ｎ　。

ｎ　が作用したとすると、これらの互いに１査交する成
分Ｅｘ、Ｅｙは異なる位ト目速度で結晶７内を伝播し、
結晶７をその厚さ方向に通過したときには９両者の間に
次の位相差が生じる。

Δ−（２πｄ／λ）　　（ｎ　　−ｎ　　）ｏ　　　　
　　　ｅ ここでｄは結晶７の厚さである。

直交する２成分Ｅｘ、Ｅｙの位相差は板厚ｄによって定
まり、　　ｄｌ−１５，８２５μｍで１波長分の位相差
が生じる。したがって、ｖｉｉ屈折率結晶７の厚さｄを
。

ｄ　＝　ｍ　ｄ　　＋　（ｄ　ｔ　／　Ｎ　）ｍは正の
整数 の厚さにすることによって１／Ｎ波長分の位相差が生じ
ることになる（１／Ｎ波長板）。

信号光は、複屈折率結晶７を通過し、ミラー８で反射し
て再びこの結晶７を通る。したがって、成分ＥｘとＥｙ
との位相差は２／Ｎ波長分［（２／Ｎ）２π］となる。

一方、金属薄膜６ａで反射する参照先の２成分Ｅｘ、Ｅ
ｙには位相差は生じない。

一方の成分Ｅｘについて考えてみると、金属薄膜６ａで
反射した参照先の成分Ｅｘとミラー８で反射した信号光
の成分Ｅｘとは光ファイバ５内で逆方向に伝播していく
ときに相互に干渉し、この干渉光にはこれら２つの光の
光路差に応じた光強度変化が生じる。同じように他方の
成分Ｅｙについてもその参照光と信号光とが干渉する。

これら各成分についての干渉光は、偏波面保存光ファイ
バ５内を直交する２つの偏波光としてその一端の方に伝
播していく。しかも、信号光の２成分の間には上述のよ
うに２／Ｎ波長分の位相差があるから、成分Ｅｘの干渉
光と成分Ｅ）／の干渉光との間にも２／Ｎ波長分の位相
差が生じていることになる。

これらの干渉光の強度は、第４図に示すように、光路差
の変化に対してλ（光の波長）の周期で正弦的に変化す
る。Ｎα１は成分Ｅｘの干渉光の強度変化を示し、Ｎα
２は成分Ｅｙの干渉光の強度変化を示している。信号光
は光ファイバ５の出力端とミラー８との間を往復するの
で光路差はミラー８の変位量の２倍に等しい。すなわち
、干渉光の一周期は光路差λに等しいが、これはミラー
８の変位量で表わすとλ／２となる 再び第１図および第４図を参照して、光ファイバ５を戻
ってきた成分Ｅｘの干渉光およびＥｙの干渉光は、光ビ
ーム・スプリッタ３で方向が変換される。これらの互い
に直交する偏波面をもつ２つの干渉光は、偏光ビーム・
スプリッタ９で分けられ、それぞれ受光素子１０Ａ、　
ＩＯＢで受光される。

これらの干渉光信号慎受光素子１０Ａ、　ＩＯＢでそれ
ぞれ電気信号に変、換されたのち、適当なスレシホール
ド・レベルをもつ回路１１Ａ、　ＩＩＢでそれぞれレベ
ル弁別され、２値化される。この２値化信号の立上りお
よび／または立下りがカウンタ１２Ａ、　１２Ｂによっ
て計数される。したがって、ミラー８の変位量はλ／２
またはλ／４単位で測定される。λ／４の場合には、約
０．１６μｍの分解能で変位量が測定できることになる
。第４図に示すＮα１またはＮα２の光信号のいずれか
一方のみを用いて変位量が測定できるのはいうまでもな
い。

他方、上記の２値化信号は微分回路１３Ａ、　１３Ｂで
その立上りおよび／または立下りが検出され。

この微分された信号が方向判別回路１４に入力する。

ミラー８が光ファイバ５の他端から遠ざかる方向に動く
ときには、たとえばスレシホールド参レベル回路１１Ａ
の出力信号の立上り（立下り）が同回路１１Ｂの出力信
号の立上り（立下り）よりも先に現われ、ミラー８が逆
方向に動くときにはこれらの２つの信号の変化の順序が
逆になる。２つの微分回路１３Ａ、　１３Ｂの出力の変
化が現われる順序に基づいてミラー８の移動方向が判別
回路１４により判別される。方向判別回路１４はＣＰＵ
によって構成することも可能である。

２つの干渉光信号（Ｎα１とＮｏ、　２　）の位相差は
π／８．π／４．π／２程度が好ましいが、π。

２π以外であればいかなる値でもよい。

ロッドレンズ６の出射側における光の反射率と透過率は
金属薄膜６ａの膜厚によって定まる。したがって、金属
薄膜６ａの厚さを制御することにより参照光と信号光の
強度の比を任意に定めることができ、これを１：１とす
ることもできる。このことにより、干渉光の光強度変化
の消光比を良好にすることができる。

光ファイバ５の出射端とミラー８との間にはレンズ６が
設けられ、光ファイバ５から出射した光はこのレンズ６
によって平行光に変換される。ミラー８が動くことによ
りレンズ６とミラー８との間の距離が変動しても、ミラ
ー８に向いかつ反射される光は平行光であるから拡散す
ることはない。また、ミラー８の反射光はレンズ６によ
り集光されて光ファイバ５に入射する。したがってミラ
ー８の位置にほとんど関係なく光ファイバ５に戻る反射
光強度をほぼ一定に保持することができる。ミラー８の
変位に対して信号光強度をほぼ一定に保持できるので正
確な変位測定が可能となるとともに、変位の測定可能範
囲が広くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すもので、全体的な構成
を示す構成およびブロック図、第２図はセンサ部を拡大
して示す側面図、第３図は光ファイバの軸方向と複屈折
率結晶の軸方向との関係を示す図、第４図は干渉光強度
信号とそれに基づいてつくられた二値化信号を示す波形
図である。 １・・・Ｈｅ−Ｎｅレーザ。 ５・・・偏波面保存光ファイバ。 ６・・・ロッドレンズ。 ６ａ・・・金属薄膜（反射手段）。 ７・・・複屈折率結晶（物質）。 ８・・・ミラー（鏡面）。 ９・・・偏光ビーム・スプリッタ。 以　　上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）偏波面保存シングル・モード光ファイバ、上記光
   ファイバの基本モードを構成する互いに直交する２つの
   成分Ｅｘ、Ｅｙがほぼ等しい大きさで上記光ファイバ内
   を伝播するように、上記光ファイバの一端に直線偏光の
   光を導入する光源、上記光ファイバの他端と被測定物体
   に連動しかつ信号光を反射させるための鏡面との間に設
   けられ、信号光を透過させるとともに参照光を反射させ
   るための反射手段、 上記反射手段と上記鏡面との間に設けられ、信号光中の
   上記の互いに直交する２つの成分Ｅｘ、Ｅｙに対して異
   なる屈折率を与える複屈折率物質、および 上記光ファイバの他端から出射した信号光と参照光との
   干渉光を、上記の互いに直交する２つの成分に分離させ
   る偏光ビーム・スプリッタ、を備えている光ファイバ変
   位センサ。
2. （２）上記光ファイバの他端と上記鏡面との間に、光フ
   ァイバの上記他端からの出射光をコリメートするための
   レンズが設けられている、特許請求の範囲第（１）項に
   記載の光ファイバ変位センサ。