JP3448779B2 - 光ファイバーセンサー - Google Patents
光ファイバーセンサーInfo
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- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
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- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は振動振幅，または距離変
化量の超精密測定の分野で利用する光ファイバーセンサ
ー及び光導波路センサーに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来から振動や距離変化量の精密測定に
は光の干渉測定法が用いられていた。その方法は測定対
象物に基準光を照射しその反射光または通過光（以後測
定光とする）と基準光を干渉させ，発生する干渉現象，
例えば干渉縞やビート出力により距離変化の測定を行っ
ていた。 即ち一つの状態の干渉縞を観測しその縞の
強弱が反転し，また同様に成るまで測定対象との相対距
離を移動すればその時の移動距離が光の波長に相当する
わけである。従って波長のわかっている光を用いれば基
準光と反射光の干渉現象を利用することにより相対距離
の移動量を知ることが出来る。また光を標的に照射する
ファイバーと反射光を受けるファイバ−はそれぞれ別々
に設けられていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】従来の光干渉法も光の
位相比較であるから高精度測定が可能であるが，一つの
干渉現象のみを観測した場合相対距離の変化は検出でき
ても，変化の方向は判別出来ないため別に移動方向を決
定する手段を必要とした。従って相対距離の変化の方向
が明かな場合は良いとしても，前後に振動する振動面を
測定する場合のように振動面が接近しつつあるのか，離
れつつあるのかを検出することは不可能であった。また
光を標的に照射するファイバーと反射光を受けるファイ
バーが別々であるため，受光側のファイバーに反射光を
入射させるためには特定の反射角を必要とし光ファイバ
ーセンサーを標的に接近させるには限界があり，充分接
近出来ないため受光感度も低下した。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明は課題を解決する
ための手段としてファイバー型の合分波器を４個使用
し，第図１に示すように接続した。第図１に於ては基
準光の入力路，は測定光の入力路，はそれぞれ合
分波器で，この場合は分波器として動作する。従って基
準光はでに分岐され，合分波器に導かれ
る。同様に測定光はで分岐されて▲１０▼の経路
を経て合波器に導かれる。，合波器に導かれた
基準光と測定光は，合成され▲１１▼▲１２▼に出力さ
れる。これらの合成された出力は基準光と測定光が干渉
し合い，それらの位相差に応じて出力光の強さが変化す
る。従って▲１１▼▲１２▼の出力を別々の 光検波器
▲１９▼▲２０▼に印加することによりこれらの出力光
の強弱の変化が検出出来る。本発明では光干渉法で一般
に用いられる基準光と測定光を干渉させる部分を２箇所
設け，双方に基準光と測定光を導き干渉させて２系統の
ビート出力を得られる様にしたことが特徴であり， 更
に４分の１波長位相の異なる比較部を設け，常に９０度
位相の異なる１対の干渉出力が得られる様にし，それら
をＸＹ座標上でリサージュを描いた場合の位相が進むか
遅れるかで変位の方向を検出することができる様にし
た。また標的に照射した光の反射光を容易に受光するた
め，送受間に光合分波器▲１４▼を挿入した。 【０００５】 【作 用】作用を第１図に沿って説明する。第１図
は， が光ファイバー合分波器▲１
０▼▲１１▼▲１２▼が光ファイパー線路であり，
は分波器として動作し，は合波器として動作する。
また▲１０▼の線路長は，が全く等しく，
▲１０▼のみは４分の１波長だけ長くしてある。いま線
路に光が伝搬した場合，合波器には系統入力
光が１／２づつ加わる。 次にの系統の入力は合波器
には振幅は１／２づつであるが，互いに９０度位相
が異なって加わる。 合波器の出力はファイバー線
路▲１１▼▲１２▼に導かれ光検波器▲１９▼▲２０▼
に加わり電流に変換される。 光検波器に２種類の光が
入射した場合の動作は干渉し２波のビート出力となる。
このとき入力波の１／４波長遅れ即ち９０度遅れ位相は
検波器出力にもビートの波長で９０度位相遅れと成って
出力されるから，▲１９▼▲２０▼のビート出力は互い
に直交した信号になる。従って両者をＣＲＴオッシロス
コープのＸ軸とＹ軸に各々印加すればこれらのビート出
力で円形リサージュ図形を描き，リサージュ図の回転方
向が位相の遅進即ち対象物との相対位置の変化の方向を
示すことになる。なお▲１０▼の長さは必ずしも４分の
１波長だけ長い必要はなく，ちょうど半波長の整数倍を
避ければ任意の長さでよい。この場合のリサージュは一
般に楕円となるが回転方向の判別は可能であり，本発明
の作用を達成できる。本発明は光ファイバーで構成する
だけでなく，固体化した光導波路集積回路でも同様な作
用が達成出来る。また先端部に光合分波器▲１４▼を挿
入し送受を一体化したことにより，照射光と反射光は同
一経路を通るため，標的の反射面と入射光の関係は常に
垂直でよくセンサー端面と反射面との距離は無条件とな
った。 【０００６】 【実施例】本発明の実施例を第２図に示す。
▲１０▼▲１１▼▲１２▼▲１９▼▲２０▼ま
では先に説明した通りである。▲１３▼▲１４▼▲１５
▼▲１６▼▲１７▼▲１８▼は実際に測定の為に追加し
た部分で，▲１３▼▲１４▼は光ファイバー分波器，▲
１５▼は光源からセンサー先端に光を導くファイバ−線
路，▲１６▼はレーザー光源で１．５５ミクロンのＤＦ
Ｂレーザーを使用した。▲１７▼は標的で矢印の方向即
ち反射面が光線と直交し変位の方向が光線と平行する方
向に設定した。▲１８▼はセンサー用ファイバーの先端
部で，合分波器▲１４▼を経て導かれた光は▲１８▼の
先端より発し標的▲１７▼で反射して戻り再び▲１８▼
を経てその一部が分波器▲１４▼でに導かれる。一方
レーザー光源▲１６▼からの光は分波器▲１３▼で分岐
されてを経て基準光となる。光検出器▲１９▼▲２０
▼の出力はＣＲＴオッシロスコープのＸ軸Ｙ軸にそれぞ
れ接続し標的▲１７▼を振動させたところ，ＣＲＴ面に
円形リサージュ図形が現れ振動変位量がレーザー光源の
半波長毎にリサージュが１回転することが確認出来た振
動変位の方向によりリサージュ図の回転方向が反転し予
想通りの結果が得られた。この結果から，標的▲１７▼
の振動変位量または距離変化量は上記のリサージュの回
転角度を計測することにより，また標的▲１７▼の接近
と後退の判別はこのリサージュの右回りか左回りかの回
転方向の計測により知ることが出来る。なおこれらの計
測は従来の方法を用いることができる。また▲１５▼の
線路に光方向性結合器を挿入して測定光が光源側に戻る
ことを阻止すれば更に良好になる。 使用した光ファイバー 外形 １２５ミクロン 石英を基本材質とした単一モード 適応波長１．３ミクロン〜１．６ミクロン用 測定条件 測定波長 １．５５ミクロン 光 源 半導体レーザー 【０００７】 【発明の効果】本発明実施の結果位相計とカウンターを
用い広範囲の超高精度測定が可能と成った。
化量の超精密測定の分野で利用する光ファイバーセンサ
ー及び光導波路センサーに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来から振動や距離変化量の精密測定に
は光の干渉測定法が用いられていた。その方法は測定対
象物に基準光を照射しその反射光または通過光（以後測
定光とする）と基準光を干渉させ，発生する干渉現象，
例えば干渉縞やビート出力により距離変化の測定を行っ
ていた。 即ち一つの状態の干渉縞を観測しその縞の
強弱が反転し，また同様に成るまで測定対象との相対距
離を移動すればその時の移動距離が光の波長に相当する
わけである。従って波長のわかっている光を用いれば基
準光と反射光の干渉現象を利用することにより相対距離
の移動量を知ることが出来る。また光を標的に照射する
ファイバーと反射光を受けるファイバ−はそれぞれ別々
に設けられていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】従来の光干渉法も光の
位相比較であるから高精度測定が可能であるが，一つの
干渉現象のみを観測した場合相対距離の変化は検出でき
ても，変化の方向は判別出来ないため別に移動方向を決
定する手段を必要とした。従って相対距離の変化の方向
が明かな場合は良いとしても，前後に振動する振動面を
測定する場合のように振動面が接近しつつあるのか，離
れつつあるのかを検出することは不可能であった。また
光を標的に照射するファイバーと反射光を受けるファイ
バーが別々であるため，受光側のファイバーに反射光を
入射させるためには特定の反射角を必要とし光ファイバ
ーセンサーを標的に接近させるには限界があり，充分接
近出来ないため受光感度も低下した。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明は課題を解決する
ための手段としてファイバー型の合分波器を４個使用
し，第図１に示すように接続した。第図１に於ては基
準光の入力路，は測定光の入力路，はそれぞれ合
分波器で，この場合は分波器として動作する。従って基
準光はでに分岐され，合分波器に導かれ
る。同様に測定光はで分岐されて▲１０▼の経路
を経て合波器に導かれる。，合波器に導かれた
基準光と測定光は，合成され▲１１▼▲１２▼に出力さ
れる。これらの合成された出力は基準光と測定光が干渉
し合い，それらの位相差に応じて出力光の強さが変化す
る。従って▲１１▼▲１２▼の出力を別々の 光検波器
▲１９▼▲２０▼に印加することによりこれらの出力光
の強弱の変化が検出出来る。本発明では光干渉法で一般
に用いられる基準光と測定光を干渉させる部分を２箇所
設け，双方に基準光と測定光を導き干渉させて２系統の
ビート出力を得られる様にしたことが特徴であり， 更
に４分の１波長位相の異なる比較部を設け，常に９０度
位相の異なる１対の干渉出力が得られる様にし，それら
をＸＹ座標上でリサージュを描いた場合の位相が進むか
遅れるかで変位の方向を検出することができる様にし
た。また標的に照射した光の反射光を容易に受光するた
め，送受間に光合分波器▲１４▼を挿入した。 【０００５】 【作 用】作用を第１図に沿って説明する。第１図
は， が光ファイバー合分波器▲１
０▼▲１１▼▲１２▼が光ファイパー線路であり，
は分波器として動作し，は合波器として動作する。
また▲１０▼の線路長は，が全く等しく，
▲１０▼のみは４分の１波長だけ長くしてある。いま線
路に光が伝搬した場合，合波器には系統入力
光が１／２づつ加わる。 次にの系統の入力は合波器
には振幅は１／２づつであるが，互いに９０度位相
が異なって加わる。 合波器の出力はファイバー線
路▲１１▼▲１２▼に導かれ光検波器▲１９▼▲２０▼
に加わり電流に変換される。 光検波器に２種類の光が
入射した場合の動作は干渉し２波のビート出力となる。
このとき入力波の１／４波長遅れ即ち９０度遅れ位相は
検波器出力にもビートの波長で９０度位相遅れと成って
出力されるから，▲１９▼▲２０▼のビート出力は互い
に直交した信号になる。従って両者をＣＲＴオッシロス
コープのＸ軸とＹ軸に各々印加すればこれらのビート出
力で円形リサージュ図形を描き，リサージュ図の回転方
向が位相の遅進即ち対象物との相対位置の変化の方向を
示すことになる。なお▲１０▼の長さは必ずしも４分の
１波長だけ長い必要はなく，ちょうど半波長の整数倍を
避ければ任意の長さでよい。この場合のリサージュは一
般に楕円となるが回転方向の判別は可能であり，本発明
の作用を達成できる。本発明は光ファイバーで構成する
だけでなく，固体化した光導波路集積回路でも同様な作
用が達成出来る。また先端部に光合分波器▲１４▼を挿
入し送受を一体化したことにより，照射光と反射光は同
一経路を通るため，標的の反射面と入射光の関係は常に
垂直でよくセンサー端面と反射面との距離は無条件とな
った。 【０００６】 【実施例】本発明の実施例を第２図に示す。
▲１０▼▲１１▼▲１２▼▲１９▼▲２０▼ま
では先に説明した通りである。▲１３▼▲１４▼▲１５
▼▲１６▼▲１７▼▲１８▼は実際に測定の為に追加し
た部分で，▲１３▼▲１４▼は光ファイバー分波器，▲
１５▼は光源からセンサー先端に光を導くファイバ−線
路，▲１６▼はレーザー光源で１．５５ミクロンのＤＦ
Ｂレーザーを使用した。▲１７▼は標的で矢印の方向即
ち反射面が光線と直交し変位の方向が光線と平行する方
向に設定した。▲１８▼はセンサー用ファイバーの先端
部で，合分波器▲１４▼を経て導かれた光は▲１８▼の
先端より発し標的▲１７▼で反射して戻り再び▲１８▼
を経てその一部が分波器▲１４▼でに導かれる。一方
レーザー光源▲１６▼からの光は分波器▲１３▼で分岐
されてを経て基準光となる。光検出器▲１９▼▲２０
▼の出力はＣＲＴオッシロスコープのＸ軸Ｙ軸にそれぞ
れ接続し標的▲１７▼を振動させたところ，ＣＲＴ面に
円形リサージュ図形が現れ振動変位量がレーザー光源の
半波長毎にリサージュが１回転することが確認出来た振
動変位の方向によりリサージュ図の回転方向が反転し予
想通りの結果が得られた。この結果から，標的▲１７▼
の振動変位量または距離変化量は上記のリサージュの回
転角度を計測することにより，また標的▲１７▼の接近
と後退の判別はこのリサージュの右回りか左回りかの回
転方向の計測により知ることが出来る。なおこれらの計
測は従来の方法を用いることができる。また▲１５▼の
線路に光方向性結合器を挿入して測定光が光源側に戻る
ことを阻止すれば更に良好になる。 使用した光ファイバー 外形 １２５ミクロン 石英を基本材質とした単一モード 適応波長１．３ミクロン〜１．６ミクロン用 測定条件 測定波長 １．５５ミクロン 光 源 半導体レーザー 【０００７】 【発明の効果】本発明実施の結果位相計とカウンターを
用い広範囲の超高精度測定が可能と成った。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の接続図である。
【図２】 第２図は本発明の実施例である。
【符号の説明】
： 分波器
： 分波器
： 合波器
： 合波器
： 基準光伝送路
： 測定光伝送路
： 分岐した基準光伝送路
： 分岐した基準光伝送路
： 分岐した測定光伝送路
▲１０▼： 分岐した測定光伝送路で１／４波長長くし
てあるもの ▲１１▼： 合波器と検出器間の伝送路 ▲１２▼： 合波器と検出器間の伝送路 ▲１３▼： 基準光の分波器 ▲１４▼： 入出力結合分波器 ▲１５▼： 基準光伝送線路 ▲１６▼： レーザー光源 ▲１７▼： 標的 ▲１８▼： センサー用ファイバーの先端部 ▲１９▼： 光検出器１ ▲２０▼： 光検出器２
てあるもの ▲１１▼： 合波器と検出器間の伝送路 ▲１２▼： 合波器と検出器間の伝送路 ▲１３▼： 基準光の分波器 ▲１４▼： 入出力結合分波器 ▲１５▼： 基準光伝送線路 ▲１６▼： レーザー光源 ▲１７▼： 標的 ▲１８▼： センサー用ファイバーの先端部 ▲１９▼： 光検出器１ ▲２０▼： 光検出器２
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 井上 善文
千葉県大網白里町北飯塚199番地６
(56)参考文献 特開 昭63−47602（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 9/00 - 11/30
G01D 5/26
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】基準光と、基準光と同一光源から取り出し
測定のための経路を経た測定光を干渉させてビートを得
る光干渉器において、基準光と測定光それぞれ分岐し、
その分岐出力を基準光と測定光で結合させた少なくとも
２組の結合出力端を持ち、その２組の結合出力間の位相
関係を検出する構造で、更に基準光と測定光それぞれの
分岐部分から結合部分に至る４系統の光線路長を３系統
はほぼ等しく、１系統のみ（波長／４）または、ちょう
ど半波長の整数倍を避けた任意の長さ相当分だけ長くす
るか、短くする事を特徴とした干渉型光ファイバー距離
センサー及び干渉型光導波路距離センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10835992A JP3448779B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | 光ファイバーセンサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10835992A JP3448779B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | 光ファイバーセンサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260426A JPH07260426A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3448779B2 true JP3448779B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=14482737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10835992A Expired - Fee Related JP3448779B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | 光ファイバーセンサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3448779B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103238093A (zh) * | 2010-12-01 | 2013-08-07 | 日本电气株式会社 | 光分支元件、使用光分支元件的光波导设备，以及制造光分支元件的方法，制造光波导设备的方法 |
| JP6204272B2 (ja) * | 2014-06-05 | 2017-09-27 | 日本電信電話株式会社 | 距離計測装置 |
-
1992
- 1992-03-17 JP JP10835992A patent/JP3448779B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07260426A (ja) | 1995-10-13 |
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