JPS6367521A - 変位を測定する装置及び方法 - 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） 本発明は、対象の変位を測定する装置及び方法に関する
。

（従来の技術及びその問題点） 変位測定システムとしては、測定操作が単一波長に於け
る光強度の絶対測定であるものが知られている。そのよ
うなシステムは、特に光ファイバを用いるシステムは、
劣化し易く、しかも小さな欠陥によって信頼性が失われ
易い。

共振特性が変位の関数として変化する光学的共振構造を
用いた変位測定も知られている。しかし、そのような構
造は比較的複雑であり、しかも高価である。

本発明の目的は、従来のシステムに於ける問題点及び欠
陥を改善し得る変位を測定するための装置及び方法を提
供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の第１の面によって、複数の波長に於ける入射し
た放射の強度を検出できる検出器への通路に沿って多色
光信号を伝播する光源、及び対象と共に運動するように
該対象に機械的に結合された放射変調手段を備え、該対
象の変位によって、該検出器に到達する光の分布スペク
トル成分が変化するように該放射変調手段が該通路内で
変位するようにされている対象の変位を測定する装置が
提供され、そのことにより上記目的が達成される。

′　また、本発明の第２の面によって、対象と共に運動
可能に該対象に結合された放射変調手段に対して多色光
線を導くこと、該対象の変位によって、該放射変調手段
によって伝播された光の分布スペクトル成分が変化する
ように該放射変調手段が該光線の通路内で変位するよう
にされており、該放射変調手段によって伝播された光の
複数の異なった波長に於ける強度を検出して該変位を測
定することを包含する対象の変位を測定する方法が提供
され、そのことにより上記目的が達成される。

本明細書に於いて「多色光」とは、可視又は非可視の電
磁放射のいずれか或いはどちらをも含む多波長（ｍｕｌ
ｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）の電磁放射を包含するもの
とする。

多色光源は、例えば白色光信号を発することができる。

対象の変位は放射変調手段によって白色光信号の「色度
３ｍ　（ｃｏｌｏｕｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）Ｊとな
る。

そして、この「色変調」のスペクトル量が解析されて、
それを起こした対象の変位が測定される。

幾つかの実施態様では、検出器上流での「色分解」は、
プリズム、回折格子等の通常の手段によって行うことも
できる。そして、実際の検出は、電荷結合アレイ等の通
常の装置によって、或いは感光要素をスイープすること
によって行うことができる。検出器の電気的出力は、必
要ならばマイクロプロセッサ等により処理するようにし
てもよい。

信号解析の最も簡単な形態は、光の２個の別々の波長の
強度比のモニタである。他の可能な形態に於いては、検
出器に到達した光の実際の色が定量化される。マイクロ
プロセッサを用いたパターン認識処理を含む、より複雑
な解析では多重パラメータ又は多倍精度測定を含むこと
ができる。

光源から放射変調手段への及び放射変調手段から測定器
への光の伝播は、該放射変調手段が運動自在である間隙
によって一端が隔てられたそれぞれの光ファイバによっ
て行われるようにするのが好ましい。

最も簡単な場合では放射変調手段は、伝播された波長の
強度を異なった度合いにまで減衰させるフィルタストリ
ップ（ｓｔｒｉｐ　）を備えていてもよい。対象の運動
によって該フィルタが変位して、光源によって伝播され
た光信号を該フィルタが阻止する度合いが変わるように
されている。

フィルタは、高温及び／又は腐食性等の過酷な環境に於
いても耐えられるようにしておくのが好ましい。

そのようなフィルタの一例としては、光学的活性手段と
して高温セラミック膜（ｇｌａｚｅ）でコートされたガ
ラスを備えたものがある。そのような装置は、特別の設
備によらずとも容易に製作することができ、幅広く所望
のスペクトル特性が容易に得られ、高価でなく、しかも
、（科学用として通常用いられている高精度の帯域を有
し、微妙であり、高価な精密フィルタと比較して）劣化
しにくい。従って、白色光のスペクトル量を変える、即
ち、成る波長を他のものより多く減衰させ得る。

スペクトル量を測定すれば、較正することによって光信
号を伝播している光ファイバに対するフィルタの変位（
従って、対象の対応する変位）を測定することができる
。成る（普通は赤外の）波長はフィルタには影響されな
いので、これらの波長の光はシステムの状態を示す（ａ
ｄｄｒｅｓｓ）のに用いることができる。

変位の粗及び密の分解は、モニタする波長を適切に選択
することによってなされる。

直交して運動し、異なったスペクトル応答を有する２個
のフィルタを用いることにより、同一の検出システムに
より、そして光ファイバを付加することなしに同時にモ
ニタできる。これは、適当なソフトによる制御を用いる
ことにより、変位変換器の温度補償を達成する手段とし
て用いることができる。

「広帯域フィルタ変調」を与えるフィルタを用いること
が多くの場合に適切であっても、光フアイバ間の間隙内
に於けるフィルタの行程の始めに於いては不怒領域が存
在する。変位領域の部分に対する感度が欠けていること
が許されない、拡張された長さスケール等の他の応用分
野もある。

これらの問題を解消するために、単なるフィルタストリ
ップを有色（ｃｏ　ｔｏｕｒｅｄ）透明の球と置き換え
てもよい。これによって、（フィルタストリップの場合
と同様に）光のスペクトル量を変調するという目的に加
えて、同時に焦点又は集光（ｆｏ−ｃｕｓｓ　ｉｎｇ）
作用を行うという二重の目的が達成される。この焦点作
用は、濾波された波長の強度を減少する一方、球によっ
て伝播される波長の強度を増大するようにすることがで
きる。これによって、変位による相対強度の変化がより
線型となり、それにより、感度を損なうことなく範囲が
拡大される。

そのような有色球の複数個を用いて、複数の方向の変位
の測定や、単−球より大きい距離に対する変位の測定を
行うことができる。

そのような有色球の一例としては、所謂「ルビー球」が
ある。これは、入手が容易であり、寸法精度が良く、安
価である。

（実施例） 添付図面を参照して、本発明の実施例を以下に説明する
。

第１図には、広帯域電磁放射源１０及び凹面鏡１２が模
式的に示されている。それらの組合せによって、可視光
及び／又は非可視光の放射を含むことのできる多色光が
第１の光ファイバ１４の一端に照射される。第１の光フ
ァイバ１４の他端の近傍には青色フィルタ１６である放
射変調素子が配設されている。該フィルタは低い光特性
のものであり、セラミックの膜により着色されており、
安価で、耐久性が良く、耐食性及び高温の環境にも耐え
られるようにされている。該フィルタは、後述するよう
に、変位を測定すべき物体（不図示）に取り付けられて
いる。

該フィルタを通過後、光は第２の光ファイバ１８にそし
て屈折装置２０に入る。屈折装置２０は複数のプリズム
を有するものであり、光をその成分に分ける。各成分の
強度は、マイクロプロセッサ（不図示）にケーブル２４
によって接続されたＣＯＤアレイ等の通常の検出器２２
によって測定される。該マイクロプロセッサは、種々の
波長の入ってきた光の強度を計算する。

第２図（ａ）乃至第２図（ｅ）に模式的に示されている
ように、青色フィルタ１６は取り付けられている物体が
運動するにつれて運動する。第２図（ａｌでは、該フィ
ルタは光ファイバ１４．１８を通過している光路と交差
していない。第２図（ｂ）乃至第２図（ｄ）では、フィ
ルタは光路と（量はそれぞれ異なっているが）部分的に
交差している。第２図（ｅ）では、光ファイバ１４．１
８間を通る光の全てはフィルタ１６を通過している。

該フィルタの様々な変位Ｘに対する伝播された光の波長
λ耐強度■の関係をプロットしたものを第３図に示す。

第２図（ｂ）乃至第２図（ｅ）に於けるフィルタ１６の
変位に対応する位置をＸ、〜Ｘ、でそれぞれ示している
。この曲線と既知の変位とから較正曲線を得ることがで
きる。第４図にそのような４本の曲線を示す。

第４図は、変位に対する２種の波長の強度の比をプロッ
トしたものを示している。選択された２種の波長はＢ／
Ａ、、Ｃ／Ｂ、Ｄ／Ｃ１及びＥ／Ｄで示されている。こ
こで、Ｂ／Ａは波長Ｂ及び波長への強度の比である。Ｃ
／Ｂ、Ｄ／Ｃ１及びＥ／Ｄについても同様である。波長
Ａ−Ｅは第３図に示している。従って、強度の較正が一
度行われているならば、フィルタ１６の変位を計算する
ために必要なことは、発せられた光の異なる２種の波長
に於ける強度を測定することだけである。それらの比を
計算し、それと較正値とを比較するだけで変位が求めら
れる。

概略の操作範囲は第４図に示されている。異なった波長
を選択することによって、装置の感度が異なることが理
解されるであろう。例えば、波長Ｂと波長Ｃとを用いる
ならば、装置の感度は比較的粗いものとなる。一方、変
位軸の７〜８の範囲では、波長りと波長Ｃとによって感
度は細かいものとなる。

従って、第４図に於いて、比Ｃ／Ｂは粗い感度の測定に
用いることができ、Ｄ／Ｃの曲線の垂直に近い部分は細
かな感度の測定に用いることができ、略水平の比Ｂ／Ａ
は「システム状態」のモニタ用に用いることができ、更
には、比Ｅ／Ｄはクロスチェック（ｃｒｏｓｓｃｈｅｃ
ｋ）信号として用いることができる。

較正曲線を作成する代わりに、較正測定の結果をマイク
ロプロセッサ又はコンピュータに入力しておき、較正が
行われた波長の受は取った強度信号を比較することによ
ってフィルタの変位を計算できることが、理解されるで
あろう。また、変位の異なった範囲を測定するためには
異なった波長が用いられることも理解されるであろう。

本発明の第２の実施例を第５図に模式的に示す。

この装置では、変調素子である青色フィルタ１６がルビ
ー球１６゛　に代えられている点が第１図に示したもの
とは異なっている。この装置も第１の実施例と同様に用
いられ、ある波長領域内の選択的吸収によって変調が起
こされており、装置は既知の変位を用いて様々な波長に
対して較正されている。

変位の各種の既知の値に対する波長対強度をプロットし
たものを第６図に示している。それらの曲線から得られ
た、変位に対する２種の波長の強度の比の較正曲線を第
７図に示している。

第１の実施例と同様に、基準波長はＡ−Ｅとされており
（第１の実施例のものと同じである必要はない”）　、
Ｂ／ＡＳＣ／Ａ及びＤ／Ａ並びにＤ／Ｈの意味は第１の
実施例と同様である。

第６図から、核球のフィルタ機能によって波長Ａに於け
る強度の減少が起こり、核球の焦点機能によって波長Ｂ
に於ける強度の増大が起こっていることが判るであろう
。これらの２つのことが結合して、比ＩＡ／Ｉｎ　　（
ここで、■は強度を示す）が変位に対してより直線的に
変化するようになる。

この結果を第７図に示している。比Ｂ／Ａ、Ｃ／　Ａ　
、及びＤ／Ａの全ては第４図の曲線よりずっと直線的で
ある。比Ｄ／Ｅはここでも「システム状態」モニタ信号
となる。

第１の実施例と同様に、較正曲線を実際に作成する必要
はない。その代わりに、較正の情報をマイクロプロセッ
サ又はマイクロコンピュータに入力しておき、２種の波
長の強度の比を求めることによって変位の計算を得るよ
うにできる。

異なった色に着色された２個又は３個の球を用いて、２
又は３の変位を同時にモニタできるようにしてもよい。

必要なのは強度の「比」のみであって、強度そのものの
値ではないから、そのようなことが可能となることが判
るであろう。

本発明の第３の実施例を第８図及び第９図に示す。この
装置は、互いに接触している２個の異なった色の有色球
３６．３８が用いられている以外は、第５図のものと同
じである。これらの２個の球は異なったスペクトル特性
を有しているので、種々の波長の強度を測定し、適当な
比を計算し、そして各法に対する較正によって得られる
値を比較することによって、２方向に於ける球の変位を
確かめることができる。各々の球が伝播するが他の球は
伝播しない波長を検出することが好ましい。何故ならば
、他の球によって伝播されれた放射の量に対する補正が
測定では必要ではなくなるからである。

前述と同様に、強度の測定、比の計算、及び２方向に於
ける変位の計算をマイクロプロセッサ又はコンピュータ
によって行うこともできる。各法の較正も、同様にコン
ピュータによって行うことができる。

３以上の方向に於ける運動を検出したい場合には、それ
らの方向と同じ数の球が用いられる。例えば、３方向が
必要であれば、異なったスペクトル特性を有する３個の
球が使用される。

上述の変更例を第１１図に示す。この装置は、球１６°
が７個とされている以外は第５図のものと略同様である
。それらの７個の球は対象上に円形に配されている。該
対象はその円の中心を通る軸の回りを回動する。球には
符号Ａ−Ｄで示した４種類がある。各種類は、強度の比
について様々な角変位に対して較正されている。それら
の球のスペクトル特性が異なっていることと、配されて
いる互いの順序とによって、角変位と対象の回転の向き
（５ｅｎｓｅ）との両方を測定することが可能である。

本発明の第４の実施例を第１０図に示す。この装置は、
ルビー球に代えて複数のルビー球２８が用いられている
以外は、第５図のものと略同様である。

複数のルビー球２８は、スケール上の直状４３０内に挿
設されており、直線状に保持されている。第１０図には
、第１の光ファイバ１４と第２の光ファイバ１８も示さ
れている。

使用の際には、該スケールは矢印３２の方向に、即ち、
溝３０に沿って運動する。放射源とルビー球とは第５図
の実施例で用いられているものと同じであるので、該実
施例で得られた較正を以下の説明に於いて用いる。矢印
３２の方向の各法の運動によって、検出すべき波長の強
度、従って強度比が変化する。ルビー球の１個に対して
得られた較正（第７図参照）を用いて、マイクロコンピ
ュータ又はコンピュータ等によって、運動及び運動の方
向を計算できる。

説明した構成によれば、極めて精度の良い（２０μｍ以
上）、長いレンジ（数ｍのオーダー）のスケールとする
ことができる。適当な強度比を用い、異なった強度比を
用いてスケールの粗い運動を測定することによって、例
えば変位路の端部に対応する最後の球の上の極めて小さ
い変位を測定できる。例えば、第７図に於いて、各法に
対する強度比対変位曲線は対称的となるので、各法の通
過を検出及び計数でき、全体の変位計算を積み重ねるこ
とができるようになる。正確な（細かな感度の）測定が
必要なのは、最後の球のみである。

ルビー球スケールの他の利点は、運動の変位及び方向の
両方を、単一の光源と２個の光ファイバのみを用いて測
定できることである。

粗い変位の測定の他の方法のひとつは、溝に沿う一定間
隅のルビー球に代えて、異なって色付けされた球３４を
備えている。核球は、ルビー球によっては伝播されない
異なった波長を伝播させることができる。異なった波長
の検出は、通過した異なって色付けされた球の数を示す
ことになる。核球の直径は精密であるので、変位の粗い
予想は可能となる。粗い測定が行われたならば、精密な
測定は前述のように行うことができる。小さい変位の測
定に複数の波長の強度の比が用いることができるように
、異なって色付けされた球３４も較正する必要があるこ
とに注意されたい。

上の測定は、マイクロプロセッサを用いて自動的に行う
こともできる。マイクロプロセッサは、検出された異な
って色付けされた球の数を計数し、含まれている変位を
計算するのに用いることができる。粗い変位をストアし
ておき、その後に、前述のように強度比を用いた精密な
変位測定を用いて補正することができる。

本発明の応用例の概略図を第１２図に示す。第１２図に
は電圧測定装置が示されている。この装置は、互いに間
隔を置いて配されたセミメタライズドダイアフラム４０
と導電板４２とを備えている。該ダイアフラムと導電板
との間に電位差が与えられると、該ダイアフラムは振板
４２の方に変形する。それと共に、該ダイアフラムに取
り付けられているルビー球４４が運動する。第５図の装
置を用いて、該ダイアフラムの変位を得ることができる
。その変位は印加された電圧に比例するので、較正によ
り電圧値を得ることができる。

圧力変換器とした場合の他の応用例を第１３図に示す。

変換器のケーシング５０がゴム製ダイアフラム４８によ
って基準圧力部５２と圧力部５６とに分割されている。

基準圧力部５２は、ベント５４を介して基準圧力に通じ
ている。圧力部５６内には、圧力を測定すべき流体が轟
かれている。ルビー球５８は該ダイアフラムに固定され
ており、入口光ファイバ１４゛と出口光ファイバ１８″
　との間で運動可能である。

各光ファイバは保護スリーブ６０内に収容されている。

該装置の他の部分は第５図のものと同様である。

圧力部５６内の圧力が変化すると、該ダイアフラム及び
ルビー球は運動する。異なった波長の強度の比を測定す
ることによって、該ルビー球の変位を測定でき、較正に
よって測定すべき圧力値が得られる。

更に他の実施態様では、放射変調手段を光ファイバ等の
シリンダ状の素子とすることができる。

上述のルビー球と同じく、シリンダ状素子の曲率によっ
て焦点作用が生じ、装置の直線性及び／又は感度が増大
する。

変調素子の特に効果的な形状ば透明シリンダ状素子６２
であり、その密度及び／又は厚さが該素子の長さに沿っ
て変化している有色顔料を含有しているものである。一
つの態様（第１４図参照）では、着色フィルタ領域６４
と透明領域６６との間の変わり目が鋭い斜めのエッヂ６
８とされている。他の態様（第１５図参照）では、変わ
り目のエッヂは無く、フィルタの顔料の濃度は、着色端
６９ａから徐々に減少しており、透明端６９ｂで０にな
っている。

シリンダ状変調素子は、作用が球状素子のそれと同様で
ある横方向モード、又は運動がシリンダ長に平行である
縦方向モードのどちらでも用いることができ、（第１４
図又は第１５図のような）段階法を用いて、焦点効果を
保ちつつレンジが増大されていることに注目すべきであ
る。

第１６図は、第１図及び第５図の装置の更なる変更例を
示している。平板状或いは球状の変調素子の代わりに、
円錐状の変調素子７０が用いられている。円錐を用いる
ことによって、位置によってフィルタ材の厚さを変化さ
せることができる。前述と同様に、曲率は焦点効果を生
じさせるのに用いることができる。

第１７図は、第１４図の変調素子を使用した小型圧力セ
ンサの実施例を示している。この実施例に於いては、多
色光線はファイバガイド１４ａ　、１８ａの端の間を直
接通過するのではなく、光線が装置の同じ端から出入り
できるように、２個の斜めの鏡７２ａ　、７２ｂによっ
て１８０６曲げられている。斜めの界面６８によって分
けられた着色領域６４及び透明領域６６を有するシリン
ダ状変調素子６２は、本体７６の円柱状案内量ロア４内
に摺動自在に配されており、鏡７２ａ　、７２ｂ間で反
射された光線と交差するようにされている。該変調素子
の対向端はダイアフラム７８に取り付けられている。ダ
イアフラム７８は、本体７６の凹部８０を覆っており、
使用時には測定すべき圧力が加えられる。変調素子６２
の対応する変位は、検出システムによって測定され、圧
力測定がなされる。

第１７図に示された装置のための後者の実施例では、真
空密封して光学ギャップの汚染を防止するのが好ましい
。

装置の検出部を説明すると、第３図及び第４図並びに第
６図及び第７図に関連して上で説明した検出技術は、２
種の所定の波長に於ける入射した放射の比較を基礎とし
ている。本発明は、２波長を調べることによって達成さ
れる測定にのみ限定されるのではない。以下に他の測定
技術を説明する。この測定技術では、変調器から受は入
れた光信号の実際の色又は支配的な色が定量化され、そ
れによって、基本的には、異なった複数の波長の入射放
射が用いられる。

後述する測定器の実施例の概念の理解を容易にするため
に、色測定に関する通常の概念及び理論を先ず説明する
。

第１８図は通常の三次元色−スペースダイアグラムであ
り、彩度を半径方向に、色相を円周方向に、明るさを軸
方向に示している。後述する技術は原理的には、スペク
トルパワー分布（Ｐλ）によって概略を説明できる色相
及び彩度を測定するものである。

色の定量的な定義は通常は色度図によってなされる。色
度図は普遍的に認められているダイアグラムであり、所
謂ＣＴＥダイアグラムである。−例を第１９図に示す。

このダイアグラムでは純粋のスペクトル色は、後述のよ
うに色度座標によって規定されたｘｙ空間内の馬蹄形の
閉曲線上にあり、特定の波長の彩度又は優越の種々の程
度はこの境界内の位置によって決定される。白色は座標
（０，３３゜０．３３）の点に対応している。従って、
このダイアグラムを用いれば、どのような色も二次元空
間内の単一の点によって特定され得る。

色度座標（ｘ、　ｙ）は次のように定義されている。

ここで、Ｘ＝只Ｐλ又ｄλ、 Ｙ＝ふＰλ７ｄλ、 Ｚ＝ＳユＰλΣｄλ、 Ｐλ＝波長λに於けるスペクトルパワー分布内のパワー
、そして 又λ、ｙλ、ｌλは等色（ｃｏｌｏｕｒ　ｍａｔｃｈｉ
ｎｇ）関数、即ち、３個の別々の受容器（ｒｅｃｅｐ　
ｔｏｒ）の別個の応答に対応する３個の異なった波長の
関数である。

第２０図を説明する。第２０図は、関数又λ、ｙλ、ｉ
λを与える３個の受容器の必要な応答特性を示している
。等色関数のそれぞれは相対的に並列されていることに
気付くであろう。これらの等色関数は、マイクロプロセ
ッサによる分析のためにデジタル的にストアできる。そ
のような等色関数を与えるための適切な色のデータバン
クは既に設けられている。

従って、どのような特定の「不純な」色をも識別する通
常の技術は、第２０図の応答特性を有する３個の受容器
によってその色をサンプリングした後、又λ、ｙλ及び
７λの得られた値を用いて、その色に対応する色度図上
のＸ及びｙの値を計算することを包含している。

添付の第２１図は、色の変化が色度図上にどのようにし
て表されるかを示している。ダイアグラムの左側の図表
（第２１図（ａｌ〜（Ｃ））は、第１の色に対するΣ受
容器（上）、ｙ受容器（中）及び又受容器（下）の応答
を示している。ダイアグラムの右側の図表（第２１図（
ｄ１〜（ｆ））は、第２の色に対するそれら３個の受容
器の応答を示している。第１の色は、第２１図（ａ）〜
（Ｃ）の実線で示された強度対波長特性を有している。

各々の場合の応答曲線Σλ、ｙλ及び又λを鎖線で示し
ている。ｚ　　（＝５ｐＡΣλｄλ）の値は、第２１図
（ａｌの実線の曲線と鎖線の曲線とが重なった面積によ
って与えられの実線の曲線と鎖線の曲線とが重なった面
積によって与えられる。そして、Ｘ及びｙの値は式（１
）及び（２）を用いて計算され、第２１図ｆｇ）の色度
図中の点Ａとなる。

第２の色は第２１図（ｄｌ〜ｉｆ）に於いて実線で示さ
れ、応答曲線Σλ、ｙＡ及びＸλは鎖線で示されている
・ここでも・Ｘ及びｙの対応する値は式（１１及び（２
）を用いて計算され、第２１図（ｇ）の色度回申の点Ｂ
が特定される。

スペクトルの成る部分にパワーを加えたり減らしして色
を変えると、色度図上の直線Ａ−Ｂに沿う変化が生ずる
。第１図又は第５図に関連して上で説明したような白色
光線内への色フィルタの４人等の２個の成分の関連のあ
る変位の結果として色の変化がもたらされた場合には、
直４ｉ　Ａ　−Ｂに沿う色の変化は該相対的変位に関係
させることができ、その測定が与えられる。

２個の異なったパラメータに対応する２個の変位の測定
は、第２２図に示したように、前述の技術を用いて行う
ことができる。この構成では「白色」光源が用いられて
おり、Ｏ変位を表している。

「エメラルド」及び「ルビー」は、第１及び第２のパラ
メータをモニタするための第１及び第２の別個の変位の
両極端を表している。「エメラルド」の変位が０であれ
ば、「ルビー」の変位は、真のパラメータ２の状態の単
純な直線的に関連する指示となる。しかし、両パラメー
タ１及び２が０でないならば、観察された色はＡ（座標
ＸＡ　、ｙＡ　）であり、それからパラメータ１及び２
の値は記憶されている較正データによって特異的に決定
され得る。

上述の技術は、複数の光源を有するシステムにも適用可
能である。第２３図に示されているように、第４の光源
（例えば、青）を導入することによって範囲（ｇａｍｕ
　ｔ）が新たな領域に増大し、同一の測定システムによ
って同時に他のパラメータを検出することができるよう
になる。しかし、点Ａは、例えば、青色によって或いは
青色無しでアクセスできるので、点Ａは最早や特異的に
決定されない。

この曖昧さを解消するためには、２個のパラメータ（ｘ
、ｙ）のみによる通常の色表示から離れて、２パラメー
タをも導入することが必要である。

これにより、Ａに関する曖昧さを解決することができる
。

上の説明は、「色」の測定を行うことができ、対応する
数値表示を確立することのできる理論の概略を述べてい
る。上述の理論に従って「色」の測定をするための色検
出器を実現する幾つかの手段を次に説明する。

先ず、第２４図には色検出器が示されている。ここでは
、例えば、第１．５．８又は９〜１７図のいずれかに示
された形式の光変調装置から連なる光ファイバ９０を通
って光は検出器に到達する。光ファイバ９０からの入射
光は、３個の着色球９１〜９３に加えられる。着色球９
１〜９３の各々は、ホトダイオード等の対応する光検出
器９４〜９６の前方にそれぞれ位置している。着色球の
各々は、検出器９４〜９６の応答と結合して３個の等色
関数Ｘ、Ｙ、Ｚを結果として与えるようにされている異
なった色伝播特性を有している。３個の等色関数のそれ
ぞれは前述のように次式で表される。

Ｘ＝∫ＰλＸλｄλ Ｚ＝∫ＰＡｚλｄλ 関数ｘ＋ｙ＋ｚが計算され、それから必要な関が適当な
アナログ回路中に容易に得られる。それによって、色度
図上の点ｘ、ｙが確立され、入射色の数値表示が与えら
れる。

本質的には、上述の構成は、３個の等色関数又λ、ｙＡ
、Σλのアナログ（ａｎａ　ｌｏｇｕｅ）積分を行うも
のと見做すことができる。そのような検出器は「真の」
色を検出するので、前述の形式の変位センサから生ずる
変調に基づく光線中の色の変化をモニタするのに用いら
れる。

上述の検出器の応答時間は数μｓオーダーより良い。そ
のハードウェアは極めて安価とすることができ、極めて
コンパクトにすることができる。

必要な数学的計算は最少である。マイクロプロセッサを
設けることは任意であり、必須ではない。

そのような検出器は、２以上の信号入力、即ち、測定す
べき２以上のパラメータに於ける変動により生ずる色変
化の処理に同時に対処できる。従って、そのような検出
器は、例えば、「白−エメラレルド」パラメータを温度
変動性とすることによって、変位変換器中の自動温度補
償等を与えるのに用いることができる。

三要素検出を用いて、従来の色分析に用いられていた３
個の検出器と同じ働きをする上述の検出器は、システム
の減衰の増大による強度の変化を除去するだけでなく、
センサの変調よりもシステムの劣化に基づくスペクトル
シグネチュア（ｓｉｇｎａ−ｔｕｒｅ）の変化をも確認
することができる。これは、第１９図の簡略板である第
２５図に示されている。線Ａ−Ａは変調に基づく色変化
に対応しており、線Ｂ−Ｂはシステムによる色変化に対
応している。

この場合、検出器の出力の軌跡は二次元内で生ずる。

しかし、三要素検出は必須ではなく、第２６〜２８図に
示したように、ただ２個の光応答性素子を有する検出器
でも可能である。第２６図では、光ファイバ１００から
の光は２個の着色法１０１．１０２に加えられる。着色
法１０１．１０２の各々は、ホトダイオード等の対応す
る光応答性素子１０３．１０４の前方にそれぞれ位置し
ている。第１の素子１０３の波長に対する応答性は、第
２の素子１０４のそれとは異なるようにされている。該
２個の素子１０３．１０４からの信号より、検出器に入
射する放射のスペクトル分布が色度（ＣＩ　Ｅ）図上の
２個のパラメータの形で計算され得る。その後、該パラ
メータは分析され、求める対象の変位が決定される。

これは第２７図及び第２８図に示されている。第２８図
は、第１及び第２の光応答性素子１０３．１０４の応答
曲線η、（λ）及びη２（λ）並びに信号の振幅■（λ
）の例を示している。

演算（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ）部１０５．１０６によっ
てが得られる。

第２７図は、二要素検出のみが行われた場合の第２５図
のダイアグラムと等価である。線Ｃ−Ｃは、変調に基づ
く色の変化に対応している。即ち、検出された信号中の
支配的色はその線上にあり、その軌跡はｘ＋ｙ＝ｌであ
る。従って、線Ｃ−Ｃに沿う出力信号中のシフト（ｓｈ
ｉｆｔ）を検出することによって、支配的波長のシフト
の測定が行われる。

較正によって、変調素子が、従って、対象が移動した距
離の必要な測定が与えられる。

多重検出システムの他の実施態様では、（第２６図に示
されているような）並行サンプリングではなく、順次サ
ンプリングを用いている。実際の形態では、その出力信
号が新規に開発された電子回路によって処理される所謂
［色ダイオード（ｃｏｌｏｕｒｄｉｏｄｅ）　Ｊが用い
られており、極めて高い感度と長期間の安定性が与えら
れている。

更には、フーリエ変換分光計を用いて、変調素子の変位
の検出と測定を行うことも可能である。

これは第２９図に示されている。同図は模式化されり検
出システムの概略を示している。該システムでは、光源
Ｔからの光はセンサＳ（前述の変調素子のいずれをも含
むことができる）で変調され、振動する鏡Ｍ、と単一の
検出器りとを有する干渉計に入れられる。得られるスペ
クトル信号は後の処理及び定量化のために、時間的に変
化するシグネチュアに変換される。

（発明の効果） これまでの記述から本発明は、変位の測定が直接に用い
られ得るか、他のパラメータの測定のために変換され得
る広範囲の分野に応用できることが判るであろう。例え
ば、純粋の変位測定の他に、圧力、温度、電流、電圧、
質量流量、液体の深さ等がある。

既に述べた利点のみならず、本発明は次のような多くの
効果的な可能性を有している。

（１）上に列挙したような測定の全てに一つの共通のシ
ステムを用いることができる。測定すべきパラメータを
変えるために必要なのは、センサが取り付けられている
メンブレンの種類を変えることだけである。多数のパラ
メータを同時にモニタできる。

（２）自然に発生する光源からのスペクトル情報が必要
なシステムのために、伝播及び処理システムを前取て設
けておくことができる。原則としては、色変調装置から
の情報は、この既設のシステムによって伝播され、処理
され得る。そのようなシステムが有用な例としては、プ
ラズマ加工、燃焼（工業的規模と内燃エンジンの両方）
、及び電力用の開閉機器がある。

（３）波長比システムと異なって、色測定システムは放
射信号パワーをより効率的に用いているので、感度、精
度及びファイバ伝播長を大きく改善することができ、長
距離（数十ｋｍ以上）の工業的応用が可能である。

４、ｙ、　　　の　　゛な苦゛■ 第１図は本発明の第１の実施例による構成の概略図、 第２ａ図乃至第２ｅ図は第１図の矢印ＩＩ−ＩＩの方向
から見た各変位を示す側面図、 第３図は第１図及び第２図に示されたフィルタの種々の
変位に対する波長対強度をプロットした図、 第４図は第３図から得られた強度対変位の比をプロット
した図、 第５図は本発明の第２の実施例による構成の概略図、 第６図は第５図に示されたフィルタの種々の変位に対す
る波長対強度をプロットした図、第７図は第６図から得
られた強度対変位の比をプロットした図、 第８図は本発明の第３の実施例による変調構成の概略図
、 第９図は第８図の矢印ＩＸ−ＩＸの方向から見た側面図
、 第１０図乃至第１２図はそれぞれ本発明の第４乃至第６
の実施例による変調構成の概略図、第１３図は本発明の
第７の実施例による変調センサの構成の概略断面図、 第１４圀乃至第１７図はそれぞれ変調センサの他の実施
態様を示す概略図、 第１８図は通常の三次元色−空間ダイアグラム、第１９
図は所謂ＣＩＥ色度図、 第２０図は関数Ｘλ、ｙλ、及びΣλを与える３個の受
容器の応答特性を示す図、 第２１図（ａｌ〜（ｇｌは第１９図の色変化の色度図上
への表わし方の説明図、 第２２図は色度図上の２個の変位の測定を説明する図、 第２３図は色度図上への第４の色の組み込み方の説明図
、 第２４図は本発明によるシステム内で用いるための色検
出器の一例の構成を示す図、 第２５図は簡略化した色度図、 第２６図は本発明によるシステム内で用いるための色検
出器の第２の例の構成を示す図、第２７図及び第２８図
は第２６図の色検出器の動作を説明するための図、 第２９図は本発明によるシステム内で用いるための色検
出器の他の例の構成を示す図 である。

１０・・・光源、１４．１８・・・光ファイバ、１６・
・・フィルタ１６”・・・ルビー球、２０・・・屈折装
置、２２・・・検出器。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の波長に於ける入射した放射の強度を検出でき
   る検出器への通路に沿って多色光信号を伝播する光源、
   及び対象と共に運動するように該対象に機械的に結合さ
   れた放射変調手段を備え、該対象の変位によって、該検
   出器に到達する光の分布スペクトル成分が変化するよう
   に該放射変調手段が該通路内で変位するようにされてい
   る対象の変位を測定する装置。 ２、前記放射変調手段が、伝播された波長の強度を異な
   る度合いに減衰させるフィルタを備え、前記光源によっ
   て伝播されている放射信号を該フィルタが遮断する度合
   いが変化するように前記対象の運動によって該フィルタ
   が変位するように該フィルタが該対象に機械的に結合さ
   れている特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３、前記フィルタが、高温セラミック膜により覆われて
   いるガラスを備えている特許請求の範囲第２項に記載の
   装置。 ４、前記放射変調手段が、伝播された波長の強度を異な
   る度合いに減衰させる第２のフィルタを備え、該第２の
   フィルタは、前記光源によって伝播されている放射信号
   を該フィルタが遮断する度合いが物体又は対象の温度の
   変化によって変化するような関係で該物体又は対象に載
   置されるようにされている特許請求の範囲第２項又は第
   ３項に記載の装置。 ５、前記フィルタが、前記放射の変調のみならず焦点作
   用をも行う有色透明の球の形状である特許請求の範囲第
   ２項に記載の装置。 ６、前記フィルタが、延伸した列内に配設された複数の
   有色透明の球を備えている特許請求の範囲第５項に記載
   の装置。 ７、前記複数の球が直状の列に配設され、前記対象の変
   位によって前記通路に対する該球の列全体の長手方向の
   変位が生ずるように、該列内の隣接する球の周面が点接
   触又は点係合している特許請求の範囲第６項に記載の装
   置。 ８、前記複数の球が、回動可能な物体又は対象の角変位
   を検出するために、中心が該物体又は対象の回動軸上に
   ある円状路の回りに配設されており、隣接する球の周面
   が点接触又は点係合している特許請求の範囲第６項に記
   載の装置。 ９、前記有色透明の球が複数であり、異なったスペクト
   ル特性を有し、測定すべき複数の変位の各々に応じて前
   記通路内で複数の異なった方向に対応して運動するよう
   にされている特許請求の範囲第５項に記載の装置。 １０、前記フィルタが、入射放射に対して少なくとも部
   分的に透明であるシリンダ状素子を備えている特許請求
   の範囲第２項に記載の装置。 １１、前記シリンダ状素子の色吸収特性が該素子の長さ
   方向に沿って変化する特許請求の範囲第１０項に記載の
   装置。 １２、前記フィルタが、有色部分と透明部分とを有し、
   該有色部分と透明部分と間の変り目が該素子の長軸に対
   して斜めに延伸する鋭い端に現れるシリンダ状素子を備
   えている特許請求の範囲第１１項に記載の装置。 １３、前記フィルタが、有色顔料を有し、該有色顔料の
   密度が該素子の長さに沿って減少している透明なシリン
   ダ状素子を備えている特許請求の範囲第１１項に記載の
   装置。 １４、前記フィルタが、入射放射に対して少なくとも部
   分的に透明である円錐状素子を備えている特許請求の範
   囲第２項に記載の装置。 １５、前記光源から前記放射変調手段への伝播及び該放
   射変調手段から前記検出器への光の伝播が、該放射変調
   手段が運動自在である間隙によって一端が隔てられたそ
   れぞれの光ファイバによって行われる特許請求の範囲第
   １項から第１４項のいずれかに記載の装置。 １６、前記検出器が、前記放射変調手段が前記対象によ
   って移動させられるのに従って、２個の別々の所定の波
   長に於ける入射光の強度の比をモニタするようにされて
   おり、該２波長に於ける測定された比を該対象の予め較
   正された変位に等しくできるように、該対象の既知の変
   位を用いて予め較正されている特許請求の範囲第１項か
   ら第１５項のいずれかに記載の装置。 １７、前記検出器が、少なくとも２個の色受容器を用い
   て前記放射変調手段から入射する光の色をモニタするよ
   うにされ、該色受容器はそれぞれ、該受容器の出力信号
   Ｘ、Ｙがそれぞれ Ｘ＝∫Ｐλ＠ｘ＠λｄλ及びＹ＝∫Ｐλ＠ｙ＠λｄλに
   対応するような応答特性を有しており、そのために色度
   図中のｘ及びｙの値が後者の信号の簡単なアナログ処理
   によって計算することができ、Ｐλが波長λに於けるス
   ペクトルパワー分布であり、＠ｘ＠λ及び＠ｙ＠λが該
   受容器のそれぞれの応答特性に対応する等色関数である
   特許請求の範囲第１項から第１５項のいずれかに記載の
   装置。 １８、前記色受容器が並行して用いられる特許請求の範
   囲第１７項に記載の装置。 １９、前記色受容器が順次的に用いられる特許請求の範
   囲第１７項に記載の装置。 ２０、前記色受容器の各々が異なった色応答特性を有す
   る有色フィルタを備えている特許請求の範囲第１７項乃
   至第１９項のいずれかに記載の装置。 ２１、色度ダイアグラム中の値ｘ及びｙを確立する手段
   が、値ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）及び ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）をそれぞれ確立する処理素子を備え
   ている特許請求の範囲第２０項に記載の装置。 ２２、前記検出器がフーリエ変換分光計を備えている特
   許請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれかに記載の装
   置。 ２３、前記フーリエ変換分光計が、前記放射変調手段か
   ら光を受ける部分的に伝播性の振動する鏡、及び該振動
   する鏡の前方及び背後にそれぞれ離隔されている１対の
   鏡から光干渉パターンを受ける単一の検出器を備えてい
   る特許請求の範囲第２２項に記載の装置。 ２４、対象と共に運動可能に該対象に結合された放射変
   調手段に対して多色光線を導くこと、該対象の変位によ
   って、該放射変調手段によって伝播された光の分布スペ
   クトル成分が変化するように該放射変調手段が該光線の
   通路内で変位するようにされており、該放射変調手段に
   よって伝播された光の複数の異なった波長に於ける強度
   を検出して該変位を測定することを包含する対象の変位
   を測定する方法 ２５、前記放射変調手段によって伝播された光の所定の
   ２波長に於ける強度を測定すること、該２波長に於ける
   強度の比を計算すること、該比と、異なった変位に於け
   る比の較正された測定との比較によって該放射変調手段
   の変位を、従って、対象の変位を計算することを包含す
   る特許請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２６、必要な測定の感度に応じて、強度の複数の比が計
   算される特許請求の範囲第２５項に記載の方法。