WO2013073524A1 - 光学式センサ - Google Patents

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WO2013073524A1
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light
guide member
light guide
optical fiber
optical
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山本　英二
藤田　浩正
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オリンパス株式会社
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35345—Sensor working in transmission using Amplitude variations to detect the measured quantity

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor using a light guide member.
  • Non-Patent Document 1 discloses a bending sensor using an optical fiber.
  • a curvature detector is provided in a part of the optical fiber.
  • the optical fiber is composed of a core and a clad, and the curvature detection unit is formed by scratching a part of the clad.
  • the light reaching the curvature detection unit is scattered by the curvature detection unit, and a part of the light is radiated out of the optical fiber.
  • the amount of light radiated outside varies depending on the amount and direction of bending of the optical fiber. Therefore, the amount of bending of the optical fiber can be determined by measuring the light guide loss of the optical fiber.
  • Patent Document 1 discloses a bending sensor that can detect bending at a plurality of locations.
  • This bending sensor has one light supply fiber and a plurality of detection fibers.
  • the plurality of detection fibers are arranged around one light supply fiber.
  • One end of the light supply fiber and one end of the detection fiber are both covered with a single mirror, and light emitted from the light supply fiber is reflected by the mirror and enters the detection fiber.
  • Each detection fiber is formed with one curvature detection unit.
  • Two detection fibers form a set.
  • the detection fiber is provided with a curvature detection unit at a position in the longitudinal direction that is different for each group.
  • the bending detection portions of the two detection fibers of the same set are at the same position in the longitudinal direction, but the positions around the central axis are different from each other. Therefore, in this bending sensor, the amount of bending and the bending direction at a plurality of locations can be obtained by measuring the light guide loss of each optical fiber for detection.
  • Patent Document 1 In the bending sensor of Patent Document 1, it is necessary that light emitted from one light supply fiber be suitably distributed to a plurality of detection fibers. However, Patent Document 1 touches on the preferable distribution of light at all. Absent. Specifically, it is only described that the light emitted from the light supply fiber is reflected by the mirror and enters the detection fiber. As described above, in a configuration in which one end of the light supply fiber and one end of the detection fiber are both covered by a single mirror, a suitable distribution of light cannot be expected.
  • the present invention has been made in consideration of such a situation, and an object thereof is to provide an optical sensor capable of suitably distributing light to a plurality of light guide members for detection.
  • An optical sensor includes a plurality of detection guides each having a light source, a light supply light guide member optically coupled to the light source, and a characteristic detection unit whose optical characteristics change according to a physical and chemical state.
  • An optical member, a light distribution unit that distributes light from the light supply light guide member to the plurality of detection light guide members, and light guided by the plurality of detection light guide members are separately detected. It has a light separation detector.
  • an optical sensor capable of suitably distributing light to a plurality of detection light guide members.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of the optical sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 schematically shows a configuration example of the light distribution conversion unit of the light distribution unit shown in FIG.
  • FIG. 3 shows an optical fiber for supplying light and one optical fiber for detecting light in the light distribution section shown in FIG.
  • FIG. 4 schematically illustrates another configuration example of the light distribution conversion unit of the light distribution unit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 5 shows an optical fiber for light supply, a transparent member, and one optical fiber for light detection in the light distribution section shown in FIG.
  • FIG. 6 shows the overall configuration of the optical sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 7 shows the positional relationship in a cross section perpendicular to the optical axis of the optical fiber for supplying light and the optical fibers for detecting light shown in FIG.
  • FIG. 7 shows the positional relationship in a cross section perpendicular to the optical axis of the optical fiber for supplying light and the optical fibers for detecting light shown in FIG.
  • FIG. 7 shows the
  • FIG. 8 schematically illustrates a configuration example of the light distribution conversion unit of the light distribution unit illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 9 shows an optical fiber for light supply and one optical fiber for light detection in the light distribution section shown in FIG.
  • FIG. 10 schematically illustrates another configuration example of the light distribution conversion unit of the light distribution unit illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 11 shows an optical fiber for light supply, a transparent member, and one optical fiber for light detection in the light distribution unit shown in FIG.
  • FIG. 12 shows an example of the configuration of the optical folding section shown in FIG.
  • FIG. 13 shows another configuration example of the optical folding unit shown in FIG.
  • FIG. 14 shows another configuration example of the light distribution unit shown in FIG.
  • FIG. 15 shows another configuration example of the light distribution unit shown in FIG.
  • the optical sensor includes a light source 10, an optical fiber 20 optically coupled to the light source 10, an optical fiber bundle 40, and a light distribution unit 30 that distributes light from the optical fiber 20 to the optical fiber bundle 40.
  • a light separation detector 50 for separating and detecting the light guided by the optical fiber bundle 40 is provided.
  • the light source 10 includes a light emitting element 11 that emits light, and a coupling lens 12 that couples the light emitted from the light emitting element 11 to the optical fiber 20.
  • the optical fiber 20 functions as a light guide member for supplying light.
  • the optical fiber bundle 40 has a plurality of optical fibers 41A, 41B, 41C, 41D, 41E, and 41F.
  • Each of the optical fibers 41A to 41F has characteristic detectors 42A, 42B, 42C, 42D, 42E, and 42F whose optical characteristics change in accordance with the physicochemical state.
  • the optical fibers 41A to 41F function as a plurality of detection light guide members.
  • the optical fibers 41A to 41F are bundled by a binding band 43 at a plurality of locations spaced in the longitudinal direction.
  • the characteristic detectors 42A to 42F are formed on the optical fibers 41A to 41F on the optical path from the light distributor 30 to the light separation detector 50.
  • the characteristic detectors 42A to 42F can be constituted by, for example, scratches partially formed on the clads of the optical fibers 41A to 41F.
  • the characteristic detectors 42A to 42F are provided at different positions in the longitudinal direction of the optical fibers 41A to 41F, respectively. However, the characteristic detectors 42A to 42F may include those provided at the same position in the longitudinal direction of the optical fibers 41A to 41F.
  • the characteristic detection units 42A to 42F have, for example, a curvature detection function.
  • the characteristic detectors 42A to 42F bend with the bending of the optical fibers 41A to 41F, respectively, and the optical characteristics (typically, the light guide loss) change depending on the curved shape, and the optical fibers 41A to 41F.
  • the characteristic typically, the amount of light
  • the characteristic of the light guided by 41F is changed.
  • the optical separation detector 50 includes optical fibers 52A, 52B, 52C, 52D, 52E, and 52F connected to optical fibers 41A to 41F by fiber connectors 53, and a plurality of light receiving elements optically coupled to the optical fibers 52A to 52F, respectively. 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51F. Each of the light receiving elements 51A to 51F outputs an electrical signal reflecting the received light quantity.
  • the light distribution unit 30 includes a light distribution conversion unit 31 that converts light distribution characteristics of light emitted from the optical fiber 20 and couples the light to the optical fibers 41A to 41F.
  • the light distribution conversion unit 31 is made of a transparent material having a refractive index of 1 or more. This transparent substance functions to suppress the spread of light emitted from the optical fiber 20.
  • the optical fiber 20 is bent 180 degrees at the tip loop portion 21.
  • the light emitting end face of the optical fiber 20 and the light incident end faces of the optical fibers 41A to 41F are arranged so as to face each other through the light distribution conversion unit 31.
  • the light emitted from the optical fiber 20 is optically coupled to the optical fibers 41A to 41F via the light distribution conversion unit 31.
  • the light emitted from the light emitting element 11 is collected by the coupling lens 12, enters the optical fiber 20, and is guided by the optical fiber 20.
  • the light emitted from the light emitting end face of the optical fiber 20 is suppressed by the light distribution conversion unit 31 and is distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F.
  • the light distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F is guided to the light separation detector 50 by the plurality of optical fibers 41A to 41F, respectively.
  • the light separation detector 50 spatially separates and detects the light guided by the optical fibers 41A to 41F by the light receiving elements 51A to 51F connected to the optical fibers 41A to 41F, respectively.
  • the characteristic detectors 42A to 42F When the characteristic detectors 42A to 42F are bent due to the bending of the optical fibers 41A to 41F, the optical characteristics change depending on the magnitude and direction of the bending, so that the optical of the light output from the optical fibers 41A to 41F is changed.
  • the characteristic changes.
  • the characteristic detectors 42A to 42F are required to be curved by independently measuring the light amounts output from the optical fibers 41A to 41F by the light receiving elements 51A to 51F.
  • FIG. 2 schematically shows a configuration example of the light distribution conversion unit 31 of the light distribution unit 30.
  • the light distribution conversion unit 31 is configured by a space between the optical fiber 20 and the optical fiber bundle 40.
  • the light distribution conversion unit 31 is composed of a gas, for example, air, that exists between the light emitting end face of the optical fiber 20 and the light incident end face of the optical fiber bundle 40.
  • optical fibers 41A to 41C of the optical fiber bundle 40 are representatively drawn.
  • the optical fiber 20 and the optical fibers 41A to 41C are arranged so that the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20 and the optical axes of the optical fibers 41A to 41C at the light incident end faces of the optical fibers 41A to 41C are parallel to each other.
  • a curve 22 shows the intensity distribution in the AA ′ section of the light beam emitted from the optical fiber 20.
  • the gas constituting the light distribution conversion unit 31 has a refractive index of 1 or more, and functions to suppress the spread of light emitted from the optical fiber 20. Therefore, the light emitted from the optical fiber 20 can be efficiently distributed to the optical fibers 41A to 41C.
  • the light components L 1 , L 2 and L 3 emitted from the optical fiber 20 are distributed to the optical fibers 41B and 41A, respectively, but the light component L 3 is distributed to any of the optical fibers 41A to 41C. Loss is not distributed.
  • FIG. 3 shows the optical fiber 20 and one optical fiber 41 ⁇ / b> A in the optical fiber bundle 40.
  • the optical fiber 41 ⁇ / b> A representatively represents the optical fiber farthest from the center of the optical fiber bundle 40.
  • the maximum emission angle ⁇ max, prj of the light emitted from the optical fiber 20 is expressed by the numerical aperture NA prj of the optical fiber 20 and the transparent material existing in front of the light emission end face of the optical fiber 20 as shown in the following equation (1).
  • the light emission angle is intended to be the angle of the light emission direction with respect to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emission end face of the optical fiber 20.
  • the maximum incident angle ⁇ max, det of light that can enter the optical fiber 41A and propagate through the optical fiber 41A is expressed by the numerical aperture NA det of the optical fiber 41A and the optical fiber 41A as shown in the following equation (2). It is limited by the refractive index n of the transparent material existing before the light incident end face.
  • the incident angle of light is intended to be the angle of the incident direction of light with respect to the optical axis of the optical fiber 41A at the light incident end face of the optical fiber 41A.
  • d is the distance from the center of the light emitting end face of the optical fiber 20 to the center of the light incident end face of the optical fiber 41A in the direction perpendicular to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20
  • l is the optical fiber.
  • 20 is a distance from the light emitting end surface of the optical fiber 20 to the light incident end surface of the optical fiber 41 ⁇ / b> A in a direction parallel to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end surface of 20.
  • the expressions (3) and (4) need only be satisfied at the same time.
  • FIG. 4 schematically shows another configuration example of the light distribution conversion unit 31 of the light distribution unit 30.
  • the light distribution conversion unit 31 is composed of a transparent member 31A having two opposing surfaces parallel to each other.
  • the transparent member 31 ⁇ / b> A is disposed so that the opposed surface thereof is substantially perpendicular to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end surface of the optical fiber 20.
  • the transparent member 31A has, for example, a cylindrical shape.
  • the light emitting end surface of the optical fiber 20 is disposed so as to face one facing surface of the transparent member 31A, and the light incident end surface of the optical fiber 20 is disposed so as to face the other facing surface of the transparent member 31A. Yes.
  • optical fibers 41A to 41C of the optical fiber bundle 40 are representatively drawn.
  • the optical fiber 20 and the optical fibers 41A to 41C are arranged so that the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20 and the optical axes of the optical fibers 41A to 41C at the light incident end faces of the optical fibers 41A to 41C are parallel to each other.
  • a curve 23 shows the intensity distribution in the AA ′ section of the light beam emitted from the optical fiber 20.
  • the transparent member 31 ⁇ / b> A constituting the light distribution conversion unit 31 has a refractive index of 1 or more, and functions to suppress the spread of the light emitted from the optical fiber 20.
  • the transparent member 31A has a function of reflecting light by the side surface, and functions to deflect the outward light inward. Therefore, the light emitted from the optical fiber 20 can be distributed to the optical fibers 41A to 41C very efficiently.
  • the light components L 1 and L 2 reach the optical fibers 41B and 41A directly and are distributed to the optical fibers 41B and 41A, respectively.
  • the light component L 3 is a loss without being distributed also on one of the optical fibers 41A ⁇ 41C in the structure of FIG. 2, in the configuration of FIG. 4 is reflected by the side of the transparent member 31A, for example, optical fiber 41A Can be distributed.
  • FIG. 5 shows the optical fiber 20, the transparent member 31 ⁇ / b> A, and one optical fiber 41 ⁇ / b> A in the optical fiber bundle 40.
  • the optical fiber 41A representatively represents the optical fiber farthest from the center of the optical fiber bundle 40, as in FIG.
  • the discussion in the configuration of FIG. 3 can be applied to the configuration of FIG. 5 as it is. Accordingly, the maximum emission angle ⁇ max, prj of the light emitted from the optical fiber 20 is expressed by the above-described equation (1), and the maximum incident angle ⁇ max, det of the light that can enter the optical fiber 41A and propagate through the optical fiber 41A. Is represented by Equation (2) above. Furthermore, according to the geometrical relationship of FIG. 5, the condition for the light emitted from the optical fiber 20 to reach the optical fiber 41A directly is expressed by the above-described equation (3), and the light reaching the optical fiber 41A is the optical fiber 41A. The condition for propagating inside is expressed by the above-described equation (4).
  • the light emitted from the optical fiber 20 can be distributed not only to the component that directly reaches the optical fiber 41A, but also to the component reflected by the side surface of the transparent member 31A. Therefore, the condition for the light emitted from the optical fiber 20 to reach the optical fiber 41A only needs to satisfy the following expression (5) instead of satisfying the above expression (3).
  • the light distribution conversion unit 31 only needs to have a function of adjusting the light distribution so that the light emitted from the optical fiber 20 is coupled to the optical fiber bundle 40. For this reason, it is good for the light distribution conversion part 31 to have the function to suppress the spreading of light.
  • the light distribution conversion unit 31 is configured by a cylindrical transparent member 31A having a refractive index of 1 or more, that is, a transparent cylindrical rod, but the light distribution conversion unit 31 has a refractive index of 1 in addition thereto. You may comprise the above transparent conical rods, lenses (including refractive index distribution lenses on the rods, etc.), diffraction gratings or holograms for controlling light distribution.
  • the light emitted from the optical fiber 20 can be suitably distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F.
  • each of 42A to 42F is the same position in the longitudinal direction of the optical fibers 41A to 41F, but the positions around the central axis of the optical fibers 41A to 41F may be provided so as to be different by 90 degrees, for example.
  • the curved state of the characteristic detectors 42A to 42F is detected based on the light guide loss of the optical fibers 41A to 41F has been shown, it may be detected based on other characteristics such as the light wavelength and the optical phase.
  • the characteristic detection units 42A to 42F may have other detection functions.
  • the characteristic detectors 42A to 42F may have a function of detecting stress, temperature, electric field, magnetic field, and heat.
  • the characteristic detectors 42A to 42F are not limited to the curved shape of the characteristic detectors 42A to 42F, but also to the stress state and temperature of the characteristic detectors 42A to 42F, the electric field, magnetic field, and heat acting on the characteristic detectors 42A to 42F.
  • the optical properties may change.
  • the characteristic detection units 42A to 42F may have a function of detecting a chemical substance. In other words, the optical characteristics of the characteristic detectors 42A to 42F may change depending on the chemical substance in contact with the characteristic detectors 42A to 42F.
  • the light source 10 and the light separation detector 50 are arranged on the same side with respect to the light distribution unit 30 . Also good.
  • the optical sensor includes a light source 10, an optical fiber 20 optically coupled to the light source 10, an optical fiber bundle 40, and a light distribution unit 30 that distributes light from the optical fiber 20 to the optical fiber bundle 40.
  • a light separation detector 50 for separating and detecting the light guided by the optical fiber bundle 40 is provided.
  • the optical fiber bundle 40 has a plurality of optical fibers 41A, 41B, 41C, 41D, 41E, and 41F.
  • the optical fibers 41A to 41F are bundled together with the optical fiber 20 by a binding band 43 at a plurality of locations spaced in the longitudinal direction. As shown in FIG. 7, the optical fibers 41 A to 41 F are evenly arranged around the optical fiber 20.
  • the light distribution unit 30 includes a light distribution conversion unit 31 that converts light distribution characteristics of light emitted from the optical fiber 20 and couples the light to the optical fibers 41A to 41F.
  • the light distribution conversion unit 31 includes a transparent material having a refractive index of 1 or more. This transparent material has a refractive index of 1 or more, and functions to suppress the spread of light emitted from the optical fiber 20.
  • the light distribution unit 30 further includes a light folding unit 32 that turns the light propagation direction. Both the light emitting end face of the optical fiber 20 and the light incident end faces of the optical fibers 41A to 41F are disposed so as to face the light folding section 32 through the light distribution conversion section 31. The light emitted from the optical fiber 20 is optically coupled to the optical fibers 41A to 41F via the light distribution conversion unit 31 and the light folding unit 32.
  • the light generated by the light source 10 is guided by the optical fiber 20.
  • the light emitted from the light emitting end face of the optical fiber 2 propagates through the light distribution conversion unit 31 and reaches the light folding unit 32, the light propagation direction is folded by the light folding unit 32, and propagates again through the light distribution conversion unit 31. Then, it is distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F.
  • the light emitted from the light emitting end face of the optical fiber 20 is suppressed by the light distribution conversion unit 31 until it reaches the plurality of optical fibers 41A to 41F.
  • the light distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F is guided to the light separation detector 50 by the plurality of optical fibers 41A to 41F, respectively.
  • the light separation detector 50 separates and detects the light guided by the optical fibers 41A to 41F.
  • the characteristic detectors 42A to 42F are bent due to the bending of the optical fibers 41A to 41F, the optical characteristics change depending on the magnitude and direction of the bending, so that the amount of light output from the optical fibers 41A to 41F changes. To do. By independently measuring the amount of light output from the optical fibers 41A to 41F by the light separation detector 50, the curve of the characteristic detectors 42A to 42F is obtained.
  • FIG. 8 schematically shows a configuration example of the light distribution conversion unit 31 of the light distribution unit 30.
  • the light distribution conversion unit 31 is configured by a space from the optical fiber 20 to the optical fiber bundle 40 via the light folding unit 32.
  • the light distribution conversion unit 31 is composed of a gas, for example, air, which exists between the light emitting end surface of the optical fiber 20 and the light incident end surface of the optical fiber bundle 40 and the light folding unit 32.
  • optical fibers 41A and 41D of the optical fiber bundle 40 are representatively drawn.
  • the optical fiber 20 and the optical fibers 41A and 41D are arranged so that the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20 and the optical axes of the optical fibers 41A and 41D at the light incident end faces of the optical fibers 41A and 41D are parallel to each other.
  • a curve 24 shows the intensity distribution in the BB ′ section of the light beam emitted from the optical fiber 20.
  • the gas constituting the light distribution conversion unit 31 has a refractive index of 1 or more, and functions to suppress the spread of light emitted from the optical fiber 20. For this reason, the light emitted from the optical fiber 20 can be efficiently distributed to the optical fibers 41A and 41D.
  • the light components L 1 , L 2 , and L 3 emitted from the optical fiber 20 the light components L 1 and L 2 are all distributed to the optical fiber 41A, but the light component L 3 is distributed to both the optical fibers 41A and 41D. It is not lost.
  • FIG. 9 shows the optical fiber 20 and one optical fiber 41 ⁇ / b> A in the optical fiber bundle 40.
  • the optical fiber 41 ⁇ / b> A representatively represents the optical fiber farthest from the center of the optical fiber bundle 40.
  • the maximum emission angle ⁇ max, prj of the light emitted from the optical fiber 20 is expressed by the numerical aperture NA prj of the optical fiber 20 and a transparent substance existing before the light incident end face of the optical fiber 41A, as shown in the re-presented formula (1). Is limited by the refractive index n.
  • the maximum incident angle ⁇ max, det of light that can enter the optical fiber 41A and propagate through the optical fiber 41A is expressed by the numerical aperture NA det of the optical fiber 41A and the optical fiber 41A, as shown in Equation (2). It is limited by the refractive index n of the transparent material existing in front of the light incident end face.
  • d is the distance from the center of the light exit end face of the optical fiber 20 to the center of the light entrance end face of the optical fiber 41A in the direction perpendicular to the optical axis of the optical fiber 20 at the light exit end face of the optical fiber 20
  • L 1 is distance
  • L 2 from the light emitting end surface to the optical returning portion 32 of the optical fiber 20 with respect to the direction parallel to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20 is parallel to the optical axis of the optical fiber 41A in the light incidence end face of the optical fiber 41A
  • This is the distance from the light turn-back portion 32 to the light incident end face of the optical fiber 41A with respect to a specific direction.
  • FIG. 10 schematically shows another configuration example of the light distribution conversion unit 31 of the light distribution unit 30.
  • the light distribution conversion unit 31 is composed of a transparent member 31A having two opposing surfaces parallel to each other.
  • the transparent member 31 ⁇ / b> A is disposed so that the opposed surface thereof is substantially perpendicular to the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end surface of the optical fiber 20.
  • the transparent member 31A has, for example, a cylindrical shape.
  • the light emitting end face of the optical fiber 20 and the light incident end faces of the optical fibers 41A and 41B are both disposed so as to face one facing surface of the transparent member 31A, and the light return portion 32 is formed on the other facing surface of the transparent member 31A.
  • the light folding portion 32 may be configured as a member different from the transparent member 31A and disposed in contact with the plane of the transparent member 31A.
  • the light folding portion 32 may be formed on the plane of the transparent member 31A and configured as a member integrated with the transparent member 31A.
  • optical fibers 41A and 41D of the optical fiber bundle 40 are representatively drawn.
  • the optical fiber 20 and the optical fibers 41A and 41D are arranged so that the optical axis of the optical fiber 20 at the light emitting end face of the optical fiber 20 and the optical axes of the optical fibers 41A and 41D at the light incident end faces of the optical fibers 41A and 41D are parallel to each other.
  • a curve 25 shows the intensity distribution in the BB ′ section of the light beam emitted from the optical fiber 20.
  • the transparent member 31 ⁇ / b> A constituting the light distribution conversion unit 31 has a refractive index of 1 or more, and functions to suppress the spread of the light emitted from the optical fiber 20. Further, the transparent member 31A has a function of reflecting light by the side surface, and functions to deflect the outward light inward. For this reason, the light emitted from the optical fiber 20 can be very efficiently distributed to the optical fibers 41A and 41D.
  • the light components L 1 and L 2 reach the optical fiber 41A and are distributed to the optical fiber 41A.
  • the light component L 3 is an optical fiber 41A in the structure of FIG. 8, but also a loss without being distributed to any of 41D, in the configuration of FIG. 10 is reflected by the side of the transparent member 31A, for example, optical fiber 41A Can be distributed.
  • FIG. 11 shows the optical fiber 20, the transparent member 31 ⁇ / b> A, and one optical fiber 41 ⁇ / b> A in the optical fiber bundle 40.
  • the optical fiber 41A representatively represents the optical fiber farthest from the center of the optical fiber bundle 40, as in FIG.
  • the discussion in the configuration of FIG. 9 can be applied to the configuration of FIG. 11 as it is. Accordingly, the maximum emission angle ⁇ max, prj of the light emitted from the optical fiber 20 is expressed by the above-described equation (1), and the maximum incident angle ⁇ max, det of the light that can enter the optical fiber 41A and propagate through the optical fiber 41A. Is represented by Equation (2) above. Furthermore, according to the geometrical relationship in FIG. 11, the condition for the light emitted from the optical fiber 20 to reach the optical fiber 41A via the light turn-back portion 32 is expressed by the above-described equation (6), and the light that has reached the optical fiber 41A. The condition for propagating through the optical fiber 41A is expressed by the aforementioned equation (7).
  • the light emitted from the optical fiber 20 distributes not only the component that directly reaches the optical fiber 41A after passing through the light folding portion 32, but also the component reflected by the side surface of the transparent member 31A to the optical fiber 41A. Can be done. Therefore, the condition for the light emitted from the optical fiber 20 to reach the optical fiber 41A only needs to satisfy the following equation (8) instead of satisfying the above equation (6).
  • the light emitted from the optical fiber 20 can be suitably distributed to the plurality of optical fibers 41A to 41F.
  • the light folding unit 32 of the light distribution unit 30 can be configured by various optical elements.
  • the light folding unit 32 may be configured by a mirror 32A.
  • the light folding unit 32 may be formed of a reflective diffraction grating 32B as shown in FIG.
  • the reflection type diffraction grating 32B may have a function of adjusting the light distribution of the light emitted from the optical fiber 20.
  • the distribution of light emitted from the optical fiber 20 can be adjusted in addition to the transparent member 31A, and the reflective diffraction grating 32B can be adjusted, so that the light emitted from the optical fiber 20 can be more efficiently distributed to the optical fibers 41A and 41D. Can do.
  • the light folding portion 32 may be configured by a scattering member, and is configured by the plane itself on the opposite side of the plane of the transparent member 31A that faces the end surfaces of the optical fiber 20 and the optical fibers 41A and 41D. May be.
  • the light distribution unit 30 may have a configuration in which the optical fiber 20 is optically coupled to the center of the transparent member 31 ⁇ / b> B constituting the light distribution conversion unit 31.
  • the optical fibers 20, 41A, 41D have cores 20a, 41Aa, 41Da and claddings 20b, 41Ab, 41Db, respectively, and the core 20a of the optical fiber 20 extends over the entire length of the transparent member 31B. ing.
  • the light guided by the optical fiber 20 is emitted from the side surface of the core 20a located in the transparent member 31B into the transparent member 31B, and is distributed to the optical fibers 41A and 41D via the light turn-back portion 32.
  • the optical distribution unit 30 is configured such that the optical fiber 20 is optically coupled to the center of the transparent member 31C constituting the light distribution conversion unit 31, and the optical fibers 41A and 41D are disposed on the side surfaces of the transparent member 31C.
  • the structure may be optically coupled.
  • the optical fibers 20, 41A, 41D have cores 20a, 41Aa, 41Da and claddings 20b, 41Ab, 41Db, respectively, and the core 20a of the optical fiber 20 extends into the transparent member 31C, It terminates inside the transparent member 31C.
  • the side surfaces of the cores 41Aa and 41Da of the optical fibers 41A and 41D are in contact with the side surfaces of the transparent member 31C, whereby the optical fibers 41A and 41D are optically coupled to the side surfaces of the transparent member 31C.
  • the light guided by the optical fiber 20 exits into the transparent member 31C from the end face or side surface of the core 20a located in the transparent member 31C, passes through the light turn-back portion 32, and passes through the side surface of the transparent member 31C to the optical fibers 41A, 41A, 41C. It couple
  • SYMBOLS 10 Light source, 11 ... Light emitting element, 12 ... Coupled lens, 20 ... Optical fiber, 20a ... Core, 20b ... Cladding, 21 ... End loop part, 22, 23, 24, 25 ... Curve, 30 ... Light distribution part, 31 ... Light distribution conversion unit, 31A, 31B, 31C ... transparent member, 32 ... light folding unit, 32A ... mirror, 32B ... reflection diffraction grating, 40 ... optical fiber bundle, 41A, 41B, 41C, 41D, 41E, 41F ... optical fiber, 41Aa, 41Da ... core, 41Ab, 41Db ...
  • clad 42A, 42B, 42C, 42D, 42E, 42F ... characteristic detector, 43 ... binding band, 50 ... light separation detector, 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51F ... light-receiving element, 52A, 52B, 52C, 52D , 52E, 52F ... optical fiber, 53 ... fiber connector, L 1 L 2, L 3 ... light component.

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Abstract

　光学式センサは、光源（１０）と、光源（１０）に光学的に結合された光ファイバー（２０）と、光ファイバー束（４０）と、光ファイバー（２０）から光ファイバー束（４０）に光を分配する光分配部（３０）と、光ファイバー束（４０）によって導光された光を分離して検出する光分離検出器（５０）を有している。光ファイバー束（４０）は、複数の光ファイバー（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ）を有している。光ファイバー（４１Ａ～４１Ｆ）は、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部（４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ）を有している。

Description

光学式センサ
　本発明は、導光部材を用いた光学式センサに関する。
　非特許文献１は、光ファイバーを用いた湾曲センサを開示している。この湾曲センサでは、光ファイバーの一部に湾曲検出部が設けられている。光ファイバーはコアとクラッドで構成されており、湾曲検出部はクラッドの一部に傷をつけることにより形成されている。光ファイバーによって導光される光のうち、湾曲検出部に到達した光は湾曲検出部で散乱されて、その一部が光ファイバーの外に放射される。この外に放射される光の量は、光ファイバーの湾曲の量と方向に応じて変化する。したがって、光ファイバーの導光損失を測定することにより、光ファイバーの湾曲量を求めることができる。
　特許文献１は、複数の個所において湾曲を検出し得る湾曲センサを開示している。この湾曲センサは、一本の光供給用ファイバーと複数本の検出用ファイバーを有している。複数本の検出用ファイバーは、一本の光供給用ファイバーの周囲に配置されている。光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端は共に単一のミラーによって覆われており、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射するようになっている。
　各検出用ファイバーには、一つの湾曲検出部が形成されている。検出用ファイバーは二本で一組を形成している。検出用ファイバーには、組ごとに長手方向の異なる位置に湾曲検出部が設けられている。同じ組の二本の検出用ファイバーの湾曲検出部は、長手方向の同じ位置にあるが、中心軸周りの位置は互いに異なっている。したがって、この湾曲センサでは、各検出用光ファイバーの導光損失を測定することにより、複数の個所における湾曲量と湾曲方向を求めることができる。
特開２００７－４４４１２号公報
Lee A. Danisch, "Bend-enhanced fiber optic sensor", SPIE vol. 1795 Fiber Optic and Laser Sensors X (1992) pp. 204-214
　特許文献１の湾曲センサでは、一本の光供給用ファイバーから出射した光は複数本の検出用ファイバーに好適に分配される必要があるが、光の好適の分配について特許文献１はまったく触れていない。具体的には、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射すると説明するだけである。前述したように光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端が共に単一のミラーによって覆われた構成では光の好適な分配は望めない。
　本発明は、このような実状を考慮してなされたものであり、その目的は、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサを提供することである。
　本発明による光学式センサは、光源と、前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している。
　本発明によれば、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサが提供される。
図１は、第１の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。 図２は、図１に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。 図３は、図２に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。 図４は、図１に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。 図５は、図４に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。 図６は、第２の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。 図７は、図６に示された光供給用の光ファイバーと複数の光検出用の光ファイバーの光軸に垂直な断面での位置関係を示している。 図８は、図６に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。 図９は、図８に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。 図１０は、図６に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。 図１１は、図１０に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。 図１２は、図６に示された光折り返し部の一構成例を示している。 図１３は、図６に示された光折り返し部の別の構成例を示している。 図１４は、図６に示された光分配部の別の構成例を示している。 図１５は、図６に示された光分配部のまた別の構成例を示している。
　＜第１の実施形態＞
　以下に、本発明に係る第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図１に示す。
　図１に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
　光源１０は、光を発する発光素子１１と、発光素子１１から発せられる光を光ファイバー２０に結合する結合レンズ１２を有している。
　光ファイバー２０は、光供給用導光部材として機能する。
　光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ～４１Ｆは、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ～４１Ｆは、複数の検出用導光部材として機能する。光ファイバー４１Ａ～４１Ｆは、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。
　特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、光分配部３０から光分離検出器５０に至る光路上において光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに形成されている。特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、たとえば、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆのクラッドに部分的に形成された傷によって構成され得る。特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられている。しかし、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの長手方向の同じ位置に設けられたものを含んでいてもよい。
　特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、たとえば湾曲検出機能を有している。この場合、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの湾曲にともなって湾曲し、その湾曲形状に依存して光学特性（典型的には導光損失）が変化し、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆによって導光される光の特性（典型的には光量）に変化を与える。
　光分離検出器５０は、ファイバーコネクタ５３によって光ファイバー４１Ａ～４１Ｆにそれぞれ接続された光ファイバー５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆと、光ファイバー５２Ａ～５２Ｆにそれぞれ光学的に結合された複数の受光素子５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆを有している。受光素子５１Ａ～５１Ｆのおのおのは、受光した光量を反映した電気信号を出力する。
　光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質で構成されている。この透明物質は、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
　光ファイバー２０は、先端ループ部２１において１８０度曲げられている。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの光入射端面は配光変換部３１を介して互いに対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１を経て、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに光学的に結合する。
　発光素子１１から発せられた光は、結合レンズ１２によって集光されて光ファイバー２０に入射し、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられ、複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに分配される。複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆによって導光された光を、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆにそれぞれ接続された受光素子５１Ａ～５１Ｆによって空間的に分離して検出する。
　光ファイバー４１Ａ～４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ～４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆから出力される光の光学特性が変化する。本実施形態では、この変化する光学特性が光量である場合を例として示す。この場合は、受光素子５１Ａ～５１Ｆによって光ファイバー４１Ａ～４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ～４２Ｆの湾曲が求められる。
　図２は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０と光ファイバー束４０の間の空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー束４０の光入射端面の間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
　図２では、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ～４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ～４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ～４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ～４１Ｃの光軸が互いに平行になるように配置されている。
　図２において、曲線２２は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ－Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ～４１Ｃに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ～４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となる。
　図２の構成の配光変換部３１における好適な条件について図３を参照して考察する。図３は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
　光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、次式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー２０の光出射端面の前方に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の出射角は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対する光の出射方向の角度を意図している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、次式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の入射角は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に対する光の入射方向の角度を意図している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔよりも大きい入射角で光ファイバー４１Ａに入射する光は、光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得ない、言い換えれば、光ファイバー４１Ａによって導光され得ない。
　図３の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、ｌは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
　また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（３）と式（４）を同時に満足していればよい。
　図４は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面は、透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、光ファイバー２０の光入射端面は、透明部材３１Ａの他方の対向面に対向するように配置されている。
　図４では、図２と同様、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ～４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ～４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ～４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ～４１Ｃの光軸は互いに平行になるように配置されている。
　図４において、曲線２３は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ－Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ～４１Ｃに非常に高効良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに直接的に到達して光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図２の構成においては光ファイバー４１Ａ～４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となるが、図４の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
　図４の構成の配光変換部３１における好適な条件について図５を参照して考察する。図５は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図３と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
　図３の構成における議論は図５の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図５の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに直接的に到達するための条件は前述の（３）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（４）によって表される。
　図５の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（３）を満足する代わりに、次式（５）を満足してればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　配光変換部３１は、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー束４０に結合されるように配光を調整する機能を有していればよい。このため、配光変換部３１は、光の拡がりを抑制する機能を有しているとよい。ここでは、屈折率が１以上の円柱形状の透明部材３１Ａつまり透明円柱ロッドで配光変換部３１が構成される例を示したが、そのほかにも、配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明円錐ロッドや、レンズ（ロッド上の屈折率分布レンズなども含む）、配光を制御する回折格子やホログラムなどで構成されてもよい。また、円柱ロッドや円錐ロッドの側面で反射された光が側面を透過して外部に散逸しないために、円柱ロッドや円錐ロッドの側面に反射膜を形成することが望ましい。また、これと類似する効果を得るために、供給用光ファイバーのＮＡで規定される光線をすべて全反射するようにロッドの屈折率や形状を設定することが望ましい。
　この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに好適に分配され得る。
　この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。
　先の説明では、特性検出部４２Ａ～４２Ｆがそれぞれ光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられる例を示したが、たとえば、互いに直交する方向の湾曲成分を検出するために、特性検出部４２Ａ～４２Ｆの二つずつが、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの長手方向の同じ位置であるが、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの中心軸周りの位置がたとえば９０度異なるように設けられてもよい。
　特性検出部４２Ａ～４２Ｆの湾曲状態を光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの導光損失に基づいて検出する例を示したが、他の特性たとえば光波長や光位相などに基づいて検出してもよい。
　特性検出部４２Ａ～４２Ｆが湾曲検出機能を有する例を示した、特性検出部４２Ａ～４２Ｆが他の検出機能を有していてもよい。たとえば、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、応力や温度や電場や磁場や熱を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、特性検出部４２Ａ～４２Ｆの湾曲形状に限らず、特性検出部４２Ａ～４２Ｆの応力状態や温度、特性検出部４２Ａ～４２Ｆに作用する電場や磁場や熱に依存して光学特性が変化してもよい。このほか、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、化学物質を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ～４２Ｆは、特性検出部４２Ａ～４２Ｆに接する化学物質に依存して光学特性が変化してもよい。
　光源１０と光分離検出器５０が光分配部３０に対して同じ側に配置された例を示したが、光源１０と光分離検出器５０は光分配部３０に対して反対側に配置されてもよい。
　＜第２の実施形態＞
　以下に、本発明に係る第２の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図６に示す。図６において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第１の実施形態と同様である。
　図６に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
　光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ～４１Ｆは、光ファイバー２０と一緒に、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。図７に示すように、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆは、光ファイバー２０の周囲に均等に配置されている。
　光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質を有している。この透明物質は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
　光分配部３０は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部３２をさらに有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ～４１Ｆの光入射端面は共に配光変換部３１を介して光折り返し部３２に対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１と光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに光学的に結合する。
　光源１０で生成された光は、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１を伝搬して光折り返し部３２に到達し、光折り返し部３２によって光の伝搬方向が折り返され、配光変換部３１を再び伝搬して複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに分配される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに到達するまでの間、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられる。複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆによって導光された光を分離して検出する。
　光ファイバー４１Ａ～４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ～４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ～４１Ｆから出力される光量が変化する。光分離検出器５０によって光ファイバー４１Ａ～４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ～４２Ｆの湾曲が求められる。
　図８は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０から光折り返し部３２を介して光ファイバー束４０へ至る空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面および光ファイバー束４０の光入射端面と、光折り返し部３２との間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
　図８では、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸が互いに平行になるように配置されている。
　図８において、曲線２４は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ－Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はいずれも光ファイバー４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となる。
　図８の構成の配光変換部３１における好適な条件について図９を参照して考察する。図９は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
　光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、再掲の式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、再掲の式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図９の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、Ｌ１は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光折り返し部３２までの距離、Ｌ２は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に平行な方向に関する光折り返し部３２から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
　また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　したがって、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（６）と式（７）を同時に満足していればよい。
　図１０は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ，４１Ｂの光入射端面は共に透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、透明部材３１Ａの他方の対向面には光折り返し部３２が対向するように配置されている。たとえば、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａとは別の部材として構成され、透明部材３１Ａの平面に接して配置されてよい。別の例では、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａの平面に形成され、透明部材３１Ａと一体の部材として構成されてよい。
　図１０では、図８と同様、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸は互いに平行になるように配置されている。
　図１０において、曲線２５は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ－Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに非常に効率良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ａに到達して光ファイバー４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図８の構成においては光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となるが、図１０の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
　図１０の構成の配光変換部３１における好適な条件について図１１を参照して考察する。図１１は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図９と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
　図９の構成における議論は図１１の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図１１の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達するための条件は前述の（６）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（７）によって表される。
　図１１の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光折り返し部３２を経た後に光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（６）を満足する代わりに、次式（８）を満足してればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ～４１Ｆに好適に分配され得る。
　光分配部３０の光折り返し部３２は、さまざまな光学素子によって構成されて得る。たとえば、光折り返し部３２は、図１２に示すように、ミラー３２Ａで構成されてよい。別の構成例として、光折り返し部３２は、図１３に示すように、反射型回折格子３２Ｂで構成されてもよい。さらに反射型回折格子３２Ｂが、光ファイバー２０から出射した光の配光を調整する機能を有していてもよい。この構成例では、光ファイバー２０から出射した光の配光を、透明部材３１Ａに加えて反射型回折格子３２Ｂも調整し得るので、光ファイバー２０からから出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄにさらに効率良く分配し得る。さらに別の構成例として、光折り返し部３２は、散乱部材で構成されてもよく、また、光ファイバー２０や光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの端面に対向する透明部材３１Ａの平面の反対側の平面自体で構成されてもよい。
　この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。たとえば、第１の実施形態の説明で述べた変更や変形がそのまま適用されてもよい。
　そのほか、たとえば、光分配部３０は、図１４に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｂの中央に光学的に結合された構成であってよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｂの内部を全長にわたって延びている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｂ内に位置するコア２０ａの側面から透明部材３１Ｂ中に出射し、光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに分配される。
　また、光分配部３０は、図１５に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｃの中央に光学的に結合され、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている構成であってもよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｃの内部に延出し、透明部材３１Ｃの内部で終端している。光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａの側面は透明部材３１Ｃの側面に接しており、これにより、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｃ内に位置するコア２０ａの端面や側面から透明部材３１Ｃ中に出射し、光折り返し部３２を経て、透明部材３１Ｃの側面を介して光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａに結合する。
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
１０…光源、１１…発光素子、１２…結合レンズ、２０…光ファイバー、２０ａ…コア、２０ｂ…クラッド、２１…先端ループ部、２２，２３，２４，２５…曲線、３０…光分配部、３１…配光変換部、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…透明部材、３２…光折り返し部、３２Ａ…ミラー、３２Ｂ…反射型回折格子、４０…光ファイバー束、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ…光ファイバー、４１Ａａ，４１Ｄａ…コア、４１Ａｂ，４１Ｄｂ…クラッド、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ…特性検出部、４３…結束バンド、５０…光分離検出器、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ…受光素子、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ…光ファイバー、５３…ファイバーコネクタ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…光成分。

Claims (24)

  1. 　光源と、
    　前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、
    　物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、
    　前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、
    　前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している光学式センサ。
  2. 　請求項１において、前記光分配部は、前記光供給用導光部材から出射した光の配光特性を変換して、前記複数の検出用導光部材に光を結合する配光変換部を有している光学式センサ。
  3. 　請求項２において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
    　前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満足している光学式センサ。
  4. 　請求項３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     を満足している光学式センサ。
  5. 　請求項４において、前記光分配部は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部をさらに有し、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記配光変換部を介して前記光折り返し部に対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部と前記光折り返し部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
  6. 　請求項５において、前記透明物質は、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
  7. 　請求項５において、前記光折り返し部は、前記透明部材の一つの平面、ミラー、回折格子、散乱部材のいずれかで構成されている光学式センサ。
  8. 　請求項５において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記透明部材の一つの平面に対向するように配置されている光学式センサ。
  9. 　請求項８において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     を満足している光学式センサ。
  10. 　請求項９において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
  11. 　請求項９において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
  12. 　請求項２において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
  13. 　請求項２において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は前記配光変換部を介して互いに対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
  14. 　請求項１３において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
    　前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     を満足している光学式センサ。
  15. 　請求項１３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     を満足している光学式センサ。
  16. 　請求項１５において、前記透明物質は、面前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
  17. 　請求項１６において、前記光供給用導光部材の光出射端面は前記透明部材の一方の対向面に対向するように配置されており、前記検出用導光部材の光入射端面は前記透明部材の他方の対向面に対向するように配置されている光学式センサ。
  18. 　請求項１７において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
     を満足している光学式センサ。
  19. 　請求項１８において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
  20. 　請求項１８において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
  21. 　請求項１３において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
  22. 　請求項２において、前記特性検出部は、前記光分配部から前記光分離検出器に至る光路上において前記検出用導光部材に形成されている光学式センサ。
  23. 　請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部の湾曲形状、応力状態、温度、前記特性検出部に作用する電場、磁場、熱のいずれかひとつに依存して光学特性が変化する光学式センサ。
  24. 　請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部に接する化学物質に依存して光学特性が変化する光学式センサ。
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