JPH02238334A - スケールフアクタを安定化した干渉光学測定装置 - 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】 （１）技術分野 この発明は、光の干渉を利用し、回転角速度、移動体の
速度、水中音響の強さ、温度、圧力などの物理量を測定
する測定装置において、光の波長λの温度変動を求め、
これにより正しい測定値を得ようとするものに関する。

単色元を２つに分けて、異なる光路に通し、これを再び
合体させると、これらの光は干渉する。

２つの光の光路の差は、受光素子面に於ける位相差とし
て現われる。

物理的な条件が定まれば、ふたつの光の位相差θが定ま
る。

物理的な条件が変化すると、位相差θが変動する。位相
差θの変動は受光素子に入射する光量の増減として求め
る事ができる。従って、位相差θから、物理量が分る事
になる。

このようなものとして、光ファイバジャイロ、光ファイ
バハイドロフオン・、光ファイバレーザ速度計などがあ
る。

物理量の変動により光路差が変動する。

しかし、受光素子に入射した時、光量の変化をもたらす
のは、位相差θの変化による。位相差θは、光路差を光
の波長λで割ったものである。このため、波長λが温度
変動によって変化すると、光路差と位相差との比例定数
が変化することになる。

一般に、測定対象とする物理量の大きさと、測定装置の
出力の大きさの関係をスケールファクタと呼ぶ。

光の干渉を利用した測定系に於ては、スケールファクタ
に、波長λが入っている。このため、波長が変動すると
、スクールファクタが変化してしまう。

このような測定系につき、簡単に説明する。

（イ）光ファイバジャイロ シングルモード光ファイバを多数回コアに巻きつけた光
ファイバコイルの両端に、単色光を２つ分けて入れる。

これらの光は左廻りと、右廻りにコイルの中を伝搬する
。そして、それぞれ反対端に出るが、これらを合体させ
て受光素子に入射させる。

コイルが角速度Ωで回転していると、ふたつの光の間に
位相差θが生ずる。

である。λは単色光の波長、ｎは光ファイバのコア屈折
率、Ｌは光ファイバの全長、ａはコイル半径、Ｃは真空
中の光速である。θは例えば、単純に干渉させた場合、
受光素子出力にｃｏｓθの形で入ってくる。光ファイバ
ジャイロｋζは、その他の変形があるが、θが観測量と
なる。これと、測定対象となる物理量Ωの比がスケール
ファクタであるが、ここに光源が出す光の波長λが入っ
ている。

（ウ）　光ファイバハイドロフォン これも、シングルモード光ファイバをコイル状に巻いて
、一端から、単色光を入れ、他端から光を出す。このよ
うな同等なコイルをふたつ作り、一方のコイルを水中に
漬けてセンサコイルとする。

他方のコイルは一定条件下に保ち参照コイルとする。単
色光をビームスプリツタでふたつに分け、センサコイル
と参照コイルの両方のコイルの一端から入れる。他端か
ら出た光を合一させて干渉させる。

同等のコイルであるが、センサコイルの方ハ、水の圧力
により、屈折率変化＆、光路長変化Δｌを生ずる。この
ため、ふたつの光は位相差θを生じ、これは ？π θ　＝■（ｎΔ７＋７Δｎ　）　　　　　　　（２）λ によって与えられる。ここでｌはファイバコイルのファ
イバ全長、ｎは屈折率である。Δｌ、Δｎは、水の圧力
ｐに比例するので、θの変化の振幅から水中音波の強さ
が分る。（２）式も光の波長λがスケールファクタの中
に入っている。

このように、センサコイルと参照コイルを用い、単色光
をふたつに分けて、両コイルに通した後干渉させるもの
は、圧力、温度の測定にも用いる事ができる。圧力ｐ、
温度Ｔの変動ｋ；より、ｌ．　ｎが変化するからである
。

（ニ）光ファイバレーザ速度計 これ．は、ドップラー効果を用いて、物体の速度Ｖを測
定するものである。単色光を生ずる光源から出た光を、
光ファイバに通し、先端のマイクロレンズ系から出射し
て物体に当てる。物体からの反射光と、マイクロレンズ
系での反射光とが光ファイバの中を反対方向に戻る。こ
れをビームスプリツタで側方に取り出じ、受光素子に入
射させ干渉させる。

物体がレンズ光軸に対して、角度θをなす方向に、速度
Ｖで運動していると、ドップラー効果により、物体から
の反射光の周波数がずれる。この周波数のずれが干渉光
の強度変化の周波数（ビート周波数）に等しい。これは と書くことができる。この式の分母にもλが入っている
。

け）発明が解決しようとする問題点 これら干渉を用いた測定系の光源の波長の安定性が問題
である。単色光を出すものでなければならないし、或る
程度の可干渉性（コヒーレンシイ）がなければならない
。

気体レーザを光源とすると、波長の安定性は優れている
。しかし、大型の装置になってしまうので、実際には使
いにくいものになる。

半導体レーザや発光ダイオード（スーパールミネセント
ダイオード）を光源とすると、小型、軽量にすることが
できる。しかし、半導体の光源は、温度変化により、波
長λが変動してしまう。

波長λが変動するというのは、スケールファクタが変動
するという事である。

例えば、中心波長が７８０ｎｍのある半導体レーザで、
波長変化はＱ，３ｎｍ／℃である。使用される温度範囲
が例えば５０℃とすると、波長はこの範囲で１５ｎｍも
変化することになる。

つまり、スケールファクタがこの範囲で約２％変動する
。

温度変動が太きいと、スケールファクタが変わるので、
物理量の測定精度が悪くなる。

従来は、温度変化の少ない素子を選別して用いるか、或
は温度を一定に保つようにしていた。温度を一定にすれ
ば、λも一定になるからである。

しかし、半導体発光素子を常に一定温度に保つという事
は容易ではない。ベルチェ素子のように、発熱吸熱が自
在にできる素子に半導体発光素子゛を貼付け、温度変動
を打消す方向にペルチェ素子に通電する、という事がな
される場合もある。しかし、これは回路も複雑であって
、コスト高になる。

それに、時間遅れがあるので、急激な環境変化などに追
随できないことがある。

温度を一定に保たなくても、発振波長λが分かれば、ス
ケールファクタを補正できるはずである。

しかし、波長λを測ろうとすると、分光器を用いなけれ
ばならない。このための装置が大がかりになって容易に
実現できない。

波長λは測定し難い量である。

ａ）　　　目　　　　　　　的 半導体発光素子を光源として用いる干渉を利用した測定
装置レ；於て、温度変化による波長変動によってもたら
されるスケールファクタの変化を補正できるようにした
装置を与えることが本発明の目的である。

温度変化を抑制するのではなく、スケールファクタの変
動を抑制するのである。

（ホ）構　成 半導体レーザやスーパールミネツセントダイオ一ドは、
単一波長の光を出す事ができる。可干渉性が強い事が必
要であることもあり、そうでない事もある。それは、測
定方法による。

温度が上ると、半導体のバンドギャップが狭くなるし、
屈折率が高くなる。このため、温度が高くなると、発振
波長は長くなる。

ただし、半導体レーザの場合、共振器の長さが波長の整
数倍であるという条件があるので、波長が長くなると、
縦モードが変化する。このため、連続的に波長が長くな
るのではなく、ある波長で”とび”が生ずる。新しいモ
ードに於ても、温度が高くなると、波長は長《なってゆ
く。再び、ある点で”とび′゛が生ずる。

このようにとびとびに変化するので、温度は波長の一価
函数ではない。また、異なる縦モード間を遷移する場合
、ヒステリシスがある事もある。

こういう事があるが、ある温度範囲に限れば、温度とと
もに波長はリニャに増加する、という事ができる。

これは、簡単にλ一Ｔ特性という。

発光ダイオードの場合も、温度とともに、ある範囲で、
波長はリニャに増加する。

もうひとつ、半導体発光素子には、温度特性がある。そ
れは、発光量である。温度が高くなると、発光量が減少
する。

半導体レーザの場合は、閾値電流が高くなり、発振しに
くくなるし、閾値電流より多くの電流を流しても、発光
量は小さくなってしまう。

これは、発光ダイオードを；ついても言える事である。

この場合、閾値電流という概念は存在しないが、温度と
ともに、電流一発光量の関係は低下してゆく。温度が高
いと、ｐ％ｎの各領域で少数キャリャが増加するので、
非接合部での再結合が増加し、有効に使われる注入電流
が減少するからである。

そこで、もしも発光量Ｐを一定にするようｔて制御する
とすれば、温度Ｔが増加したとき、電流工を増加させな
ければならない。発光効率が温度上昇とともに低下する
からである。

すると、Ｐを一定にするという制御条件のもとに、ある
範囲で、温度Ｔは電流工とリニアな関係になる、という
事ができる。

これを、簡単にＩ−Ｔ特性という。

λ一Ｔ特性と、Ｐを一定にした制御条件でのエ−Ｔ特性
が分っていれば、λと工の関係が分る事になる。

発振波長λは測り難い量であるが、電流工は測り易い量
である。スケールファクタは分母にλを有する。電流Ｉ
から、波長λを求め、これによってスケールファクタを
補正する。これが本発明の原理である。

本発明の構成を第１図によって説明する。

これは、光源１、干渉光学系２、受光素子３、信号検出
回路４、制御部８、抵抗９、増幅回路１０、補正回路１
１などよりなる。

光源１というのは、半導体レーザ、スーパールミネツセ
ントダイオードなど単色光を出す半導体発光素子である
。

干渉光学系２というのは、単色光を、ミラービームスプ
リツタなどでふたつに分け、異なる経路を通した後これ
らを合体して干渉させる部分である。既に説明した、光
ファイバジャイロ、光ファイバハイドロフオン、光ファ
イバレーザ速度計などの干渉光学系の部分を表現してい
る。対象となる物理量は、角速度、水中音波、温度、圧
力、速度などである。

受光素子３は、干渉光の強度を電気信号に変換するもの
である。この強度には、干渉させたふたつの光の位相差
θがなんらかの形で含まれている。

光源１より出た単色光は、干渉光学系２に入る。

これが先述のように、ふたつの光に分けられ、異なる経
路を通り再び合体して、受光素子３に入るわけである。

受光素子３の出力は、信号検出回路４によって処理され
電気信号として出力される。これは、増幅回路などを含
んでいる。これによって得られるものは、干渉光の位相
差θである。

スケールファクタでθを割って、目的とする物理量が求
められる。従来は、スケールファクタを一定とみなして
いたので、θが目的となる物理量の大きさを表現してい
るという事ｋ；なり、信号検出回路４′！でで、装置が
完結していた。

本発明においては、スケールファクタを補正するための
補正回路１１を、信号検出回路４の後に設けている。

補正するために、波長λを知らなければならない。その
ための機構が、制御部８、抵抗９、増幅回路１０などで
ある。

制御部８は、半導体の光源１に電流Ｉを流し、これを発
光させる。制御部８と光源１の間には、抵抗９が直列に
接続されている。電線５、６がこれらを接続する。

制御部８は光源１の発光量Ｐを一定にするように制御す
る。これが重要である。このため、光源の強さをモニタ
しなければならない。たとえば、ハーフミラー１３、受
光素子１４によって発光量Ｐを知る。

温度Ｔが上れば、同じ発光量Ｐを生ずるための電流工は
自動的に増える。これは抵抗９の端子間電圧ＲＩの増加
となって現われる。これが増幅回路１０で増幅される。

ＲＩはある範囲で、温度にリニャである。λが温度にリ
ニャであるから，　ＲＩからλが分る。λの値により、
補正回路１１はスケールファクタを補正する。

（ク）作　用 光源１の発光量Ｐが一定になるように制御されている。

温度が低いと、注入電流■は小さくなるし、温度が高い
と、注入電流Ｉは大きくなる。

ある基準温度Ｔｏに於ける注入電流を工ｏとする。

ある範囲に於て、温度Ｔに於ける注入電流工は、■＝α
（”　　Ｔｏ）　＋　Ｉｏ　　　　　　　　（４）とな
る。これは、発光量Ｐを一定に保つという条件で成立つ
。αは正の定数である。素子ごとによって異なるので、
予め測定して求めておく。

一方、半導体光源の、基準温度Ｔｏにおける発振波長を
λ０とすると、温度Ｔにおいて λ　＝β（Ｔ−Ｔｏ）＋λｏ（５） という関係がなりたつ。βは正の定数である。βも素子
ごとに異なる。またこの式は、ある温度範囲に於てのみ
なりたつ。モードジャンプが起こらない範囲である。

（４）、（５）から温度Ｔを消去できて、となる。

電流Ｉは、制御部８が光源１に供給する電流である。こ
れは、抵抗９の端子間電圧ＲＩによって分る。（６）式
の演算は増幅回路１０によって直ちになされる。

補正回路１１では、（６）によって得られた波長λを得
て、信号検出回路４で得られた位相差θに、単にλ．を
乗じて、所望の物理量の測定値を得る。

（４１、（５）、（６）によって説明したものは、簡単
な線型関係にあるものである。

しかし、本発明の方法はこのような簡単な関係が成りた
たなければ適用できないという事ではない。（６）のか
わりに のような、２次の項があってもかまわない。

さらに複雑なものであってもよい。工とλの関係が予め
求められるものであるから、どのような函数関係であっ
てもよいのである。増幅回路１０が少し複雑シーなるが
、アナログ回路では難しいとしても、デジタル回路にし
てメモリに工とλの関係を記憶させればよいことである
。

ケ）効　果 半導体発光素子を用いた干渉光学装置に於ては、波長λ
が変動するとスケールファクタが変化する。

λは容易に測定できない量である。

本発明は、波長λを、注入電流工の変化ｋζよって求め
、スケールファクタを補正する事にしている。

簡単な構造でありながら、正確に物理量を測定する事が
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の干渉光学測定装置の概略構成１・・・
・・・光源 ２・・・・・・干渉光学系 ３・・・・・・受光素子 ４・・・・・・信号検出回路 ５，６・・・・・・電　線 ８・・・・・・制御部 ９・・・・・・抵　抗 １０・・・・・・増幅回路 １１・・・・・・補正回路 １３・・・・・・ハーフミラー １４・・・・・・受光素子 発明者 西　　　浦　　　洋 小　　　林　　　祥

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）単色光を生ずる光源１と、光源１で生じた光を２
   つに分割し異なる経路を通した後再び合一させて干渉さ
   せ物理量に応じた位相差θが干渉光に含まれるようにし
   た干渉光学系２と、干渉光学系２から出た干渉光を受光
   し電気信号に変換する受光素子３と、受光素子の出力か
   ら干渉光の位相差θを求める信号検出回路４と、半導体
   発光素子である光源１の発光量Ｐを一定にするように光
   源１に電流Ｉを供給する制御部８と、電流Ｉに比例する
   値を増幅して光源の発振波長λを求める増幅回路１０と
   、波長λにより位相差θと測定すべき物理量の関係を決
   めるスケールファクタを補正する補正回路１１とよりな
   る事を特徴とするスケールファクタを安定化した干渉光
   学測定装置。
2. （２）干渉光学系２が、Ｓａｇｎａｃ効果に基づき回転
   角速度を測定するものである事を特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載のスケールファクタを安定化した干
   渉光学測定装置。
3. （３）干渉光学系２が、移動体に照射した光または移動
   体から路面に照射した光のドップラ周波数シフトを利用
   し移動体の速度を測定するものである特許請求の範囲第
   （１）項記載のスケールファクタを安定化した干渉光学
   測定装置。
4. （４）干渉光学系２が、光ファイバに加わる音圧による
   歪のために発生する位相変化を検出して水中音響の検出
   を行なうようにした事を特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載のスケールファクタを安定化した干渉光学測
   定装置。