JPH01203906A - 光ファイバセンサ装置 - Google Patents

光ファイバセンサ装置

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JPH01203906A
JPH01203906A JP63029313A JP2931388A JPH01203906A JP H01203906 A JPH01203906 A JP H01203906A JP 63029313 A JP63029313 A JP 63029313A JP 2931388 A JP2931388 A JP 2931388A JP H01203906 A JPH01203906 A JP H01203906A
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JP
Japan
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light
polarization
optical fiber
linearly polarized
optical
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JP63029313A
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English (en)
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Michio Kondo
道雄 近藤
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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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】 技術分野 本発明は、光送受信部と光センサヘッド部との間におい
て光を伝送するために光ファイバを用いる形式の光ファ
イバセンサ装置に関するものである。
従来技術 参照光および計測光を発生させるための光源と、長さ、
角度、圧力などの物理量を計測するためにそれら参照光
および計測光を受ける受光部とを有する光送受信部と、
この光送受信部から送られた参照光および計測光の少な
くとも一方の伝送パラメータを外部条件に関連して変化
させる光センサヘッド部とを備え、高い精度にて長さ、
角度、圧力などの物理量を計測する光計測装置が考えら
れている。
たとえば、第10図に示す装置では、レーザ同調回路6
9によってフィードバック制御される波長安定化型のH
e−Neレーザ70から出力された、偏波面が互いに直
交し且つ2種類の周波数fIおよびf2を有する直線偏
光成分を含むレーザビームは、基準ビームスプリッタ7
1により分割され、この基準ビームスプリッタ71によ
り反射された光はビームスプリッタ66により分割され
て一方がフィードハック用光センサ、67により検出さ
れるとともに他方がミラー68を経て基準光センサ72
により検出される。基準ビームスプリンタ71を透過し
た光は、偏光ビームスプリッタ73により、周波数がr
2の参照光と周波数がflの計測光とに分割される。そ
して、参照光は固定鏡74により反射させられるととも
に計測光が移動鏡75により反射させられた後、それら
が上記偏光ビームスプリッタ73において合成されて第
1光センサ76により検出される。この第1光センサ7
6により合成光のビート周波数が検出されるのであるが
、計測光には移動鏡75の移動に伴うドツプラシフトに
よる周波数変化Δ「1が含まれているから、実際には周
波数fz   (f+  ±Δr、)が検出される。一
方、前記基準光センサ72にはビート周波数r、−r、
の光が検出される。
上記第1センサ76および基準光センサ72により検出
された周波数の差Δf1が出力装置77内のパルスコン
バータにより移動鏡75のπ/2に相当する移動毎に1
パルスを発生させ且つそれをカウンタに計数させるので
、このパルスの計数値に基づいて移動距離が正確に求め
られるのである。
すなわち、本装置では偏光ビームスプリッタ73、固定
鏡74、および移動鏡75を除いた部分が光送受信部を
構成し、この光送受信部から所定距離離隔した位置に光
センサヘッド部に相当する偏光ビームスプリッタ73、
固定鏡74、移動鏡75が配設される。
発明が解決すべき問題点 しかし、上記従来の光計測装置では、光送受信部と光セ
ンサヘッド部との間において、光が空間を伝送させられ
る形式であったため、それら光送受信部と光センサヘッ
ド部との間の空間を遮ることができず、また、光路にお
ける空気のゆらぎのために安定した計測を行うことがで
きず、これに対処するために上記光路にカバーを設けた
場合には、装置が大型かつ高価となる欠点があった。
問題点を解決するための手段゛ 本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、光送受信部と光センサヘッド
部とを光ファイバにて連結し、且つ光送受信部において
参照光と計測光とに基づいて光センサヘッド部において
付与されてきた伝送パラメータの変化を高い精度にて検
、出するようにし、小型且つ安価な光ファイバセンサ装
置を提供することにある。
斯る目的を達成するため、本発明の要旨とするところは
、+al偏波面が互いに直交する2伝送モードにて光を
伝送する伝送用定偏波光ファイバと、(bl偏波面が互
いに直交し且つ周波数が異なる2種類の直線偏光を含む
レーザ光を前記定偏波光ファイバへ出力し、その2種類
の直線偏光を定偏波光ファイバ内において前記2伝送モ
ードにて伝送させるとともに、その定偏波光ファイバを
通して戻されたレーザ光に含まれる直線偏光をそれぞれ
検出する光送受信部と、(C)前記光送受信部から前記
定偏波光ファイバを通して伝送された2種類の直線偏光
を含むレーザ光を参照光および計測光に分離した後、そ
れら参照光および計測光を合波して上記定偏波光ファイ
バへ戻すとともに、被測定量の変化に関連して少なくと
もその計測光の伝送パラメータを変化させる光センサヘ
ッド部と、(dlその光センサヘッド部に設けられ、前
記参照光および計測光の一方に含まれる2種類の直線偏
光の偏波面をそれぞれ90°反対方向に回転させる偏波
面変更手段とを、含むことにある。
作用 このようにすれば、定偏波光ファイバを通して伝送され
た偏波面が直交し且つ波長が異なる2種類の直線偏光を
含むレーザ光が光センサヘッド部において分割されるこ
とにより、それら2種類の直線偏光をそれぞれ含む参照
光および計測光とされるとともに、それら参照光および
計測光の一方における一対の偏波面が偏波面変更手段に
よりそれぞれ90°反対方向に回転させられる。このた
め、参照光および計測光が合波され且つ伝送用定偏波光
ファイバにより光送受信部へ伝送されたレーザ光に含ま
れる各直線偏光には、往路のレーザ光を構成する2種類
の直線偏光成分がそれぞれ含まれる。この結果、その2
種類の直線偏光の周波数をf、+およびf2 “とし、
2種類の直線偏光成分が伝送用定偏波光ファイバ内の往
路伝送中においてそれぞれ受ける周波数シフトをΔf、
lおよびΔf、lとし、参照光および計測光として伝播
中にそれらを構成する直線偏光がそれぞれ受ける周波数
シフトをΔr、およびΔf、とすると、復路のレーザ光
を構成する各直線偏光の相互のビート信号では、fl、
、fl□、ΔfllsΔf°2がそれぞれ消去され、光
センサヘッド部において受けた周波数シフト(Δf、−
Δrb)成分によって構成される。そして、そのビート
周波数の差動を計数することにより、計測光が受けた周
波数シフト、換言すれば計測光が照射される被測定物の
変位量、回転角度や、計測光が通過させられる屈折率の
変化などが高精度に測定され得る。
発明の効果 したがって、本発明によれば、定偏波光ファイバによっ
て光送受信部と光センサ部とが接続されているので、空
気のゆらぎに影響されることがなく、カバーなどが不要
となるので装置が小型かつ安価となる。
また、その定偏波光ファイバによって往路を伝送された
後において計測光あるいは参照光を構成する直線偏光の
偏波面が互いに反対方向へ90゜回転させられることか
ら、その後において計測光および参照光が合波されるこ
とにより、その合波光を構成する直線偏光を表す信号の
ビート信号から、定偏波光ファイバによって往路を伝送
される過程でうける周波数シフトが除去されるのである
実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
第1図において、横ゼーマンHe−Neレーザなどの直
交2周波レーザ光源10からは、互いに偏波面が直交し
且つ周波数が異なる2種類の直線偏光を含むレーザ光が
出力されるようになっている。このレーザ光は、直交2
周波レーザ光源10のレーザ発振が戻り光に起因して不
安定となることを防止するための超音波変調器12、無
偏光ビームスプリッタ14、および集光レンズ16を通
して定偏波光ファイバ18の端面に入射させられる。上
記無偏光ビームスプリッタ12は、上記レーザ光の一部
を反射により分割し、集光レンズ20を通してモニタ用
光センサ22へ入射させる。
また、上記超音波変調器12は、たとえば、二酸化テル
ルやモリブデン酸塩などの単結晶またはガラスから成る
音響光学効果を有する基板と、この基板に弾性表面波を
発生させる圧電素子とを備えており、圧電素子により基
板表面に発生させられる表面弾性波によって周期的な屈
折率変化により透過光がたとえばラマン−ナス回折など
により回折させられるとともに、回折光が超音波による
一種のドツプラ効果を受けて超音波の周波数の整数倍だ
け周波数シフトさせられるようになっている。
したがって、上記超音波変調器12を一旦通過したレー
ザ光が戻されて再び超音波変調器12を通過して直交2
周波レーザ光源10へ到達したレーザ光の周波数は直交
2周波レーザ光源10におけるレーザ光の発振周波数と
大幅に異なっているので、直交2周波レーザ光源10に
おける発振が不安定となることが解消される。
定偏波光ファイバ18から戻されたレーザ光(合成光)
は、集光レンズ16により平行光とされるとともに無偏
光ビームスプリッタ14により反射された後、偏光ビー
ムスプリッタ24によって偏波面毎に分割され、一方の
偏光が集光レンズ26を通して第1光センサ28によっ
て受けられるとともに、他方の偏光が集光レンズ30を
通して第2光センサ32によって受けられるようになっ
ている。本節例では、以上の光学素子および光センサが
、光送受信部100を構成しており、この光送受信部1
00の図示しない機枠に定偏波光ファイバ18の一端部
が固定されている。
上記定偏波光ファイバ1Bは、コア34とこのコア34
を挟む一対の応力付与部36と、それらを覆うクラッド
38とから構成されており、たとえば互いに直交する偏
波面にて光を伝送するHE11”モードおよびHE +
 + ’モードの2伝送モードにて偏波面を保存しつつ
偏光を伝送する。前記のように定偏波光ファイバ18の
一端部に入射させられるレーザ光は互いに直交する偏波
面を有し且つ周波数が異なる直線偏光であるから、定偏
波光ファイバ18内においては上記HE、、”モードお
よびHE + +νモードの2伝送モードにて伝送され
る。
上記定偏波光ファイバ18の他端部は光センサヘッド部
102の図示しない機枠に固定されており、前記2伝送
モードにて伝送され且つ定偏波光ファイバ1Bの他端部
から放射された互いに直交する直線偏光は集光レンズ3
9を通って平行光に変換された後、無偏光ビームスプリ
ッタ40により上記直線偏光をそれぞれ含む参照光と計
測光とに分離される。この無偏光ビームスプリンタ40
により反射された計測光は、ミラー42によって反射さ
れた後、往復2回の透過により直線偏光の偏波面を90
’回転させるλ/4板44を通過させられて、被測定物
46上に取り付けられた一対の第1コーナキユーブプリ
ズム48および第2コーナキユーブプリズム50のうち
の一方である第1コーナキユーブプリズム48へ向かっ
て投射される。
無偏光ビームスプリッタ40を透過した参照先は、計測
光と互いに平行になり、被測定物46上に取り付けられ
た第2コーナキユーブプリズム50へ向かって投射され
る。なお、上記第1コーナキユーブプリズム48および
第2コーナキユーブプリズム50の反射面は金属コート
されており、反射によって偏光特性が変化させられない
ようになっている。
本実施例では、上記集光レンズ39、無偏光ビームスプ
リッタ40、ミラー42などが光センサヘッド部102
に対応する。また、上記λ/4仮44は、光センサヘッ
ド部102に設けられて、計測光を構成する2つの直線
偏光の偏波面をそれまでの往路の偏波面に対して互いに
反対向きに90°回転させて互いに直交した直線偏光と
することにより、計測光を構成する直線偏光が往路と反
対の伝送モードにて定偏波光フプイバ18の復路を伝送
されるようにする偏波面変更手段に対応する。
以下、本実施例の作動を説明する。
直交2周波レーザ光源10から発射されたレーザ光は互
いに偏波面が直交し且つ周波数が異なる直線偏光f、 
、ftから構成されており、超音波変調器12を通過さ
せられることにより周波数がシフトさせられて直線偏光
fI ′、rt ′とされる。直線偏光f、I、r2 
“は、第2図に示すように、無偏光ビームスプリッタ1
4により一部が反射されてモニタ光センサ22により検
出される。
このモニタ光センサ22からの信号は直交2周波レーザ
光源lOの出力を表すものであるから、図示しない出力
制御装置はその信号に基づいて直交211波レーザ光源
10の出力を安定化させる。また、無偏光ビームスプリ
ッタ14を通過させられた直線偏光f1 °、f2 °
は、集光レンズ16により集光されて定偏波光ファイバ
18に入射させられ且つ偏波面が保存されつつ2種類の
HE + + ”モードおよびHE++’モードにてそ
れぞれ伝送される。第2図における光の進行方向と直交
する短い矢印は直線偏光の偏波面を示している。
第3図に詳しく示すように、定偏波光ファイバ18から
出たレーザ光は、集光レンズ39により平行光とされる
。この状態におけるレーザ光は定偏波光ファイバ10に
おける伝送中においてコア34の歪などによる周波数シ
フトΔf1 ′およびΔft fを受けるので、そのレ
ーザ光を構成する直線偏光の周波数がそれぞれf、%+
Δf、l、f、e+Δ(t eとなる。このようなレー
ザ光が無偏光ビームスプリッタ40により2ビームに分
割されると、分割後のレーザ光には、周波数f11+Δ
r、’および(、v+Δf、lをそれぞれ備えた直線偏
光が含まれる。本実施例では、無偏光ビームスプリッタ
40により反射されたビームが計測光1eであり、無偏
光ビームスプリンタ40を透過したビームが参照光IC
であるが、反対であってもよい。
上記計測光1eに含まれる2つの直線偏光は、互いに直
交しているので、λ/4板44を透過させられることに
より進行方向に対して右まわりおよび左まわりの円偏光
に変換された後、第1コーナキユーブプリズム48によ
り反射される。また、参照光1cに含まれる2つの直線
偏光はそのまま第2コーナキユーブプリズム50により
反射される。
第4図に示すように、第1コーナキユーブプリズム48
により反射された計測光1eは、往路と同様に進行方向
に対して右まわりおよび左まわりの円偏光から構成され
ており、再びλ/4板44を透過させられることにより
往路の偏波面に対して90°それぞれ反対方向へ回転し
た2つの直線偏光に変換される。すなわち、λ/4仮4
4を往復透過させられることにより、往路において水平
であった周波数12 ′+Δf21の直線偏光が復路に
おいて垂直となり、往路において垂直であった周波数r
1 “+Δr1 °の直線偏光が復路において水平とな
るのである。しかし、第2コーナキユーブプリズム50
により反射された参照光ICは、往路と同様に垂直な直
線偏光と往路と同様に水平な直線偏光とから構成されて
いる。そして、上記参照光1cおよび計測光1eは、第
1コーナキユーブプリズム48および第2コーナキユー
ブプリズム50によりそれぞれ反射されることにより、
被測定物46の移動や回転に関連して周波数シフトΔf
、およびΔf、をそれぞれ受ける。このため、λ/4板
44を透過させられた計測光leは、周波数f2 °+
Δf2 °+Δf、の垂直な直線偏光と周波数f、l+
Δf1 °+Δf、の水平な直線偏光とから構成される
とともに、第2コーナキユーブプリズム50により反射
された参照光ICは、周波数f、f+Δ「、′+Δf□
の垂直な直線偏光と周波数f2 °+Δ「2 °+Δf
1の水平な直線偏光とから構成される。
したがって、無偏光ビームスプリッタ40により上記参
照光ICおよび計測光1eが合波されると、光波の干渉
により、それら参照光ICおよび計測光1eに含まれる
垂直な直線偏光が合波された垂直な直線偏光と、参照光
ICおよび計測光leに含まれる水平な直線偏光が合波
された水平な直線偏光とから構成される光が合成され、
この合成光が定偏波面光ファイバ18を通して戻される
このような合成光は、伝送用の定偏波光ファイバ18内
において前記2種類のHEzXモードおよびHE、、’
モードにてそれぞれ伝送されると、第5図に示すように
、無偏光ビームスプリンタ14により反射された後、偏
光ビームスプリフタ24により合成光を構成する垂直な
直線偏光と水平 □な直線偏光とに分割される。それぞ
れの直線偏光は、定偏波光ファイバ18における復路の
伝送中においてコア34の歪などによる周波数シフトΔ
f1パおよびΔf2″を受けるので、垂直な直線偏光を
構成する2つの直線偏光の周波数がr、  “+Δf、
  ’+Af、  +Δf、TI、f、l +Δ「2 
′+Δfb+Δf1′′となり、水平な直線偏光を構成
する2つの直線偏光の周波数がfl °+Δf、l+Δ
f、トΔf!″、「21+Δ(z + +Δf、+Δf
2”となる。それらが干渉し、垂直な直線偏光の振幅強
度は次式+11に示す周波数で変調されたものとなり、
また水平な直線偏光の振幅強度は次式(2)に示す周波
数で変調されたものとなるので、光の強度変化をそれぞ
れ検出する第1光センサ28および第2光センサ32に
よって、(11式の周波数の第1光信号Psiおよび(
2)式の周波数の第2光信号PS2に変換される。
fl”+Δf、1+Δf、+Δf1°“−(f2′+Δ
f21+Δf、+Δf1′)−(f+’−fzo)+(
Δ(、l−Δft’)+(Δf、−Δ「、)・・・(1
1 f、’+Af、’+Afb+Δft”−(fz’十Δf
2°+ΔF、+Δf21)= (fl’−f!’)+(
Δr、l−Δfz’L(Δf、−Δtb )・・・(2
) 測定回路52においては、上記第1光信号ps1および
第2光信号PS2の差動(位相差)が検出されるととも
に、たとえばそれらの差動量に対応した時間だけ開かれ
るゲートを介して一定周波数のクロック信号を計数する
カウンタによりそれら信号の差動量が高分解能に計数さ
れ、第1コーナキユーブプリズム48および第2コーナ
キユーブプリズム50の変位量の差、換言すれば被測定
物46の回転■が上記差動■に基づいて算出される。す
なわち、前記(11式および(2)式において表された
2周波数の信号の差動量 が変位量差に対応するのである。
以上のように、本実施例によれば、光送受信部100と
光センサヘッド部102との間が1本の定偏波光ファイ
バ18により接続されるだけでよいので、それらの間の
空間を遮っても差支えなく、また、光路における空気の
ゆらぎのために計測の安定性が損なわれることがないの
で、カバーが不要となって装置が小型かつ安価となるの
である。
また、往路の定偏波光ファイバ1Bにおいて発生するコ
ア34の歪などに起因した周波数シフトΔf 、  I
およびΔf、Iが、λ/4板44によって計測光1eを
構成する直線偏光を反対向きに90°回転させ、且つ計
測光1eおよび参照光1cの戻り光を無偏光ビームスプ
リッタ40により合波することにより、第1光信号Ps
iおよび第2光信号PS2のビート信号において打ち消
される利点がある。
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお以下の説明
において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を
付して説明を省略する。
第6図の実施例においては、一対の往路用の定偏波光フ
ァイバ18aおよび復路用の定偏波光ファイバ18bが
設けられており、周波数f、Iおよび(%の直線偏光が
集光レンズ16aによって一方の定偏波光ファイバ18
aの一方の端面に集光されることによりその定偏波光フ
ァイバ18aを通して光センサヘッド部102へ伝送さ
れる。
定偏波光ファイバ18aの他方の端面から出た光は、前
述の実施例と同様に、集光レンズ39aによって平行ビ
ームに変換された後、無偏光ビームスプリッタ40によ
り計測光1eおよび参照光ICに分割される。それら計
測光1eおよび参照光1cは、第1コーナキユーブプリ
ズム48および第2コーナキユーブプリズム50により
反射された後、無偏光ビームスプリッタ40を透過する
計測光1eと無偏光ビームスプリッタ40により反射さ
れる参照光1cとが合波され、その合波光は、ミラー4
2bにより反射された後、集光レンズ39bにより他方
の定偏波光ファイバ18bの一方の端面に集光されるこ
とによりその定偏波光ファイバ18bを通して光送受信
部100へ伝送される。この定偏波光ファイバ18bを
通して伝送された合波光は、前述の実施例と同様に、集
光レンズ16bにより平行ビームに変換された後、それ
を構成する垂直な直線偏光と水平な直線偏光とが偏光ビ
ームスプリンタ24により分離されるとともに、第1光
センサ28および第2光センサ32により検出される。
本実施例においては、光送受信部100と光センサヘッ
ド部102との間におけるレーザ光の伝送が往路専用の
定偏波光ファイバ18aと復路専用の定偏波光ファイバ
18bとを用いて行われる点が前述の実施例と異なり、
他の部分の構成および作用は前述の実施例と同様である
ので、前述の実施例と同様の作用効果が得られる。また
、本実施例によれば、前述の実施例における無偏光ビー
ムスプリッタ14が不要となるとともに、それに起因し
て第1光センサ28および第2光センサ32によって検
出される信号光の強度が4倍となる利点がある。
また、第1図の光センサヘッド部102において、第7
図に示すように、2個のコーナキューブプリズム48.
50を有する被測定物46を定盤62上に載置すれば、
測定回路52では前記カウンタの計数値に基づいて被測
定物46の回転角度、換言すれば定盤62の真直度を高
い精度で検出することができる。
また、第8図に示すように、第1コーナキユーブプリズ
ム48を光センサヘッド部102に固定するとともに第
2コーナキユーブプリズム50を移動テーブル64上に
固定すれば、測定回路52における計数値に基づいて移
動テーブル64の光センサヘッド部102に対する変位
量が高い精度で検出される。
また、上記と同様の装置において、第9図に示すように
、第2コーナキユーブプリズム50を摺動可能に設は且
つノギスやマイクロメータのような接触式の測長器の移
動体と連結すれば、前記測定回路52における位相差に
対応する計数値により、長さを高い精度にて測定できる
以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明はその他
の態様においても適用される。
たとえば、前述の実施例における光センサヘッド部10
2は、被測定物46或いは光センサヘッド部102の図
示しないハウジングに固定された第1コーナキユーブプ
リズム48および第2コーナキユーブプリズム50に向
かって計測光および参照光を発射する形式であったが、
一端面に反射膜を備えたセンサ用の定偏波光ファイバを
有する形式であってもよい。この場合には、前述の実施
例と同様の計測光および参照光がセンサ用の定偏波光フ
ァイバ内を往復させられる過程で、このセンサ用の定偏
波光ファイバに加えられる音圧、振動などの外的な刺激
に対応して位相などの伝送パラメータが変化させられ、
この変化が光送受信部lOOにおいて検出される。
また、前述の実施例では、λ/4板44が偏波面変更手
段を構成していたが、偏波面を変化させる他の光学部品
により構成されてもよいのである。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその精神を逸脱しない範囲において種々変更
が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成を説明する図である。 第2図、第3図、第4図、および第5図は、第1図の実
施例の作動を説明する図である。 第6図は本発明の他の実施例の構成を説明する図である
。第7図、第8図、および第9図は、第1図の実施例の
他の適用例をそれぞれ説明する図であって、第7図は定
盤の真直度の測定、第8図は変位の測定、第9図は長さ
の測定に適用された例を示している。第10図は従来の
光ファイバセンサ装置の構成を示す図である。 18.18a、18tz定偏波光ファイバ44:λ/4
板(偏波面変更手段) 100:光送受信部 102:光センサヘッド部 出願人  ブラザー工業株式会社 第1= 寸 第6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 偏波面が互いに直交する2伝送モードにて光を伝送する
    伝送用定偏波光ファイバと、 偏波面が互いに直交し且つ周波数が異なる2種類の直線
    偏光を含むレーザ光を前記定偏波光ファイバへ出力し、
    該2種類の直線偏光を該定偏波光ファイバ内において前
    記2伝送モードにて伝送させるとともに、該定偏波光フ
    ァイバを通して戻されたレーザ光に含まれる直線偏光を
    それぞれ検出する光送受信部と、 前記光送受信部から前記定偏波光ファイバを通して伝送
    された2種類の直線偏光を含むレーザ光を参照光および
    計測光に分離した後、それら参照光および計測光を合波
    して該定偏波光ファイバへ戻すとともに、被測定量の変
    化に関連して少なくとも該計測光の伝送パラメータを変
    化させる光センサヘッド部と、 該光センサヘッド部に設けられ、前記参照光および計測
    光の一方に含まれる2種類の直線偏光の偏波面をそれぞ
    れ90°反対方向に回転させる偏波面変更手段と、 を含むことを特徴とする光ファイバセンサ装置。
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