JPH0312360B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 この発明は、被計測情報を光学的手段のみによ
つて検知、伝送する光学的計測システムに関す
る。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 工業計測システムでは数多くのセンサがプロセ
ス制御装置に接続され、ケーブル輻輳問題は深刻
な技術的課題の一つになつている。このためセン
サネツトワークという概念において、複数のセン
サを“いもづる”式に接続してその各各の計測情
報を集線する方式が望まれる。また巨大システム
の安全性から、センサの本質的安全性や防爆性な
ど全体としての信頼性向上が望まれる。 光学的手段のみによるセンサシステムは以上の
観点から注目されている。このような光学的セン
サシステムとして、複数のセンサを並列接続し、
かつ各センサの情報を時分割多重化するものが知
られている。その基本構成を第１図に示す。図の
S₁，S₂，S₃はセンサとしての光スイツチであり、
例えばバルブのオン、オフに従つて光路のオン、
オフを行うものであつて、τ₂，τ₃は遅延光フアイ
バである。いまプロセス制御装置から光パルスを
送ると、光スイツチS₁〜S₃の計測情報は遅延光フ
アイバτ₂，τ₃によつて時分割多重化されて収集さ
れることになる。 しかしこの方式では、遅延光フアイバの遅延時
間が約1μsec／200mであつてコスト的制限から遅
延線長を余り長くすることができず、従つてタイ
ムスロツトが短かくなるため高精度のアナログセ
ンサには適合しない。 一方、高精度センサとしてのデイジタル化セン
サでは、各デイジツト毎の情報を多重化してプロ
セス制御装置まで伝送する手段がなく、空間分割
の並列伝送に頼らざるを得ないため実用性に問題
があつた。 〔発明の目的〕 この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、
計測情報の光伝送に新しい概念を導入して、周波
数分割多重化による高精度センシングを可能とし
た光学的計測システムを提供することを目的とす
る。 〔発明の概要〕 この発明においては、光学的手段のみによるセ
ンサの情報を多重化して１本のフアイバにてプロ
セス制御装置まで伝送するために、周波数分割多
重化の手法を用いる。即ちこの発明は、センサユ
ニツト内に、伝送される光波に光強度の周期的変
化を生ぜしめてこれをサブキヤリアとするサブキ
ヤリア発生部を設け、このサブキヤリアに被計測
情報を担わせることを骨子とする。この場合、光
学的手段のみによるセンサには電源等を含まない
ため、周波数分割多重化に必要なサブキヤリアの
発生は光源の波長掃引により行う。このようなサ
ブキヤリア発生部としては、波長（ないしは光周
波数）に対して周期的な伝達特性を有する光学素
子、例えば定偏波フアイバや干渉計を用いること
ができる。 それぞれ異なる周波数のサブキヤリアに各セン
サ情報を担わせて周波数分割多重化して伝送した
場合、プロセス制御装置の受信端では、可変トラ
ンスバーサルフイルタや高速フーリエ変換回路を
用いて周波数分離を行つて、各々のセンサ情報を
検知する。 〔発明の効果〕 この発明によれば、従来の時分割多重化方式の
ような技術的困難を伴うことがない。そして、直
列配置した複数のセンサユニツトでそれぞれ異な
る被計測情報をそれぞれ異なる周波数のサブキヤ
リアに担わせて周波数分割多重化して伝送、再生
するように構成すれば、高精度の光学的アナログ
センサシステムが実現できる。 また、複数個のセンサユニツトのセンス感度を
2^K（ｋ＝０，１，２，…）の配列で設定して、こ
れらに一つの被計測情報の各デイジツト情報を担
わせて同様に周波数分割多重化して伝送、再生す
るように構成すれば、光学的デイジタルセンサシ
ステムが実現できる。 〔発明の実施例〕 具体的実施例を説明する前に、サブキヤリア発
生部の原理的構成を説明する。 光源の波長掃引によつて光波に光源度の周期的
変化を生ぜしめるサブキヤリア発生部として、ま
ず定偏波フアイバがある。第２図に示すように、
定偏波フアイバの２つの主軸ｘ，ｙに対して45゜
をなす電界Ｅを有する光波を入射させると、出力
端で生ずる２つの主軸に関する位相差Ψは、 Ψ＝（β_x−β_y）Ｌ で表わされる。ここにβ_x，β_yは各々の主軸方向に
主な偏波方向のある光波の位相定数、Ｌは定偏波
フアイバの長さである。位相定数β_x，β_yは等価屈
折率N_x，N_yを用いて β_x＝2π／λN_x β_y＝2π／λN_y と書けるので、波長λの微小変化Δλに対してΨ
の変化量ΔΨは、 ΔΨ＝−Δλ／λ・2π／λ（N_x−N_y）Ｌ ＋2πL／λ・∂／∂λ（N_x−N_y）Δλ と表示できる。通常の定偏波フアイバでは上式の
右辺第２項は十分小さいので無視できる。この位
相変化は、2πを周期として、即ち偏波状態の回
転として周波数 ＝−Δλ／λ（N_x−N_y）Ｌ と捉えることができるから、これをサブキヤリア
として利用できることになる。 また、マイケルソン干渉計やマツハツエンダ干
渉計も波長掃引したとき２波の干渉として光強度
の周期的変化を生じるから、これをサブキヤリア
発生部として利用できる。即ち第３図に示すよう
に、互いに直交するミラーM₁，M₂とハーフミラ
ーHMで構成される干渉計においては、 即ち ｜Ｅ｜²＝１＋cos（2π／λΔL） として干渉効果が表示される。ここにΔLは光路
差２（L1−L2）である。 このような具体的手段により、センサユニツト
でサブキヤリアを発生することができ、かつその
サブキヤリア周波数（つまり波長掃引によつて生
ずる特性変化率）はフアイバ長や光路差によつて
任意に設定することができる。 サブキヤリア発生部に定偏波フアイバを用いた
具体的実施例のシステム構成を第４図に示す。図
において、１は光源としての波長掃引半導体レー
ザである。このレーザ１は例えば回折格子による
分布帰還型レーザで、熱時定数より十分小さい繰
返しのパルス電流で駆動し電流注入による温度上
昇によつて発振波長を掃引する。即ち半導体レー
ザ１は、通常の熱抵抗100℃／Ｗであるとすると
消費電力が200mW程度であれば20℃の温度上昇
があり、これにより20Å程度の波長掃引が可能で
ある。 波長掃引半導体レーザ１の出力は伝送用フアイ
バ３₁を介して（または直接）パイロツト信号発
生器２に入る。このパイロツト信号発生器２は定
偏波フアイバ２₁と検光子２₂とからなる。定偏波
フアイバ２₁は半導体レーザ１の出力光がその屈
折率主軸に対して45゜の直線偏波で入射するよう
に偏波面が設定され、検光子２₂も定偏波フアイ
バ２₁の屈折率主軸に対して45゜に設定される。従
つてこのパイロツト信号発生器２では、半導体レ
ーザ１の波長掃引により偏波状態が回転し、波長
掃引幅Δλの間のpサイクルの光強度の周期的変
化を生ずる。 パイロツト信号発生器２の出力光波は伝送用フ
アイバ３₂を介して第１のセンサユニツト４ａに
伝送される。この伝送用フアイバ３₂は定偏波フ
アイバであつて、検光子２₂により規定される直
線偏波面にその屈折率主軸を一致させており、こ
れにより不要な偏波面回転を抑制している。 第１のセンサユニツト４ａは、温度センサ部と
しての定偏波フアイバ４a₁とサブキヤリア発生部
としての定偏波フアイバ４a₂と検光子４a₃とから
構成される。定偏波フアイバ４a₁の直交した２つ
の屈折率主軸x₁，y₁方向の位相定数差は温度によ
つて変化し、その変化率は約2π／2m／℃程度、
つまり2mの場合に１℃の温度変化で約2πの位相
差変化をもたらす。この温度センサとしての定偏
波フアイバ４a₁は伝送用フアイバ３₂の主軸に対
して＋45゜回転して接続され、かつサブキヤリア
発生部としての定偏波フアイバ４a₂に対して更に
＋45゜回転して接続される。検光子４a₃は例えば
定偏波フアイバ４a₂の端面をブリユースター角に
切断研磨してここに誘電体多層膜を形成したもの
で、やはり定偏波フアイバ４a₂に対して＋45゜回
転して接続される。これらの接続関係は第５図に
拡大して示した。 この第１のセンサユニツト４の透光率特性は次
のとおりである。入射光波の電界Ｅに対し、出射
光波の位相定数項をのぞいた電界ベクトルE₃は、 ∴｜E_x｜² ₃ ＝E²／２｛sin²（₁＋₂）＋cos²（₁−₁）｝ ＝E²／２｛１＋sin2₁sin2₂｝ で与えられる。ここに、2₁は温度センサ部とし
ての定偏波フアイバ４a₁による位相差で温度にほ
ぼ比例する。2₂はサブキヤリア発生部としての
定偏波フアイバ４a₂での位相差である。 なお、サブキヤリア発生部の定偏波フアイバ４
a₂も温度の影響を受けるが、その影響は十分に小
さい。何故なら、サブキヤリア周波数の温度変化
は波長掃引に伴う位相変化量の温度特性として、 ₁＝−Δλ／λ・（N_x−N_y）Ｌ を用いて、 １／₁d₁／dT＝ １／（N_x−N_y）Ｌ・ｄ／dT｛（N_x−N_y）Ｌ｝ で表わすことができる。 即ち １／₁d₁／dT ＝１／ＬdL／dT＋１／N_x−N_yｄ／dT（N_x−N_y） となるが、石英フアイバ系ではdL／dTおよび ｄ（N_x−N_y）／ｄともに10^-5以下であり、十分に小さ い。 従つて第１のセンサユニツト４ａの透光率F₁
（ｘ）は次のように書くことができる。 F₁（ｘ）≡1/2｛１＋sin2₁（Ｔ）・sin（2π₁x＋
φ₁）｝ ただし、０ｘ１は波長掃引変数である。 即ちこの第１のセンサユニツト４ａにおいて
は、周波数₁のサブキヤリアが温度Ｔによつて
sin2₁（Ｔ）なる振幅変調を受け、これによりセ
ンサ情報がサブキヤリアによつて担われることに
なる。 第１のセンサユニツト４ａの出力光波は伝送用
フアイバ３₃を介して第２のセンサユニツト４ｂ
に伝送される。この伝送用フアイバ３₃も先の伝
送用フアイバ３₂と同様定偏波フアイバであつて、
検光子４a₃により規定される直線偏波面にその屈
折率主軸を一致させて不要な偏波面回転を抑制し
ている。 第２のセンサユニツト４ｂは別の測定点の温度
計測用であつて、やはり温度センサ部としての定
偏波フアイバ４b₁、サブキヤリア発生部としての
定偏波フアイバ４b₂および検光子４b₃から構成さ
れている。各部の偏波面の関係は第１のセンサユ
ニツト４ａにおけると同様である。ここでのサブ
キヤリア周波数を₂とすれば、この第２のセンサ
ユニツト４ｂの透光率F₂（ｘ）は F₂(x)≡1/2｛１＋sin2₂(T)・sin(2π₂x+φ₂)｝ と書くことができる。 以下同様に、この第２のセンサユニツト４ｂの
出力光波を伝送用フアイバ３₄を介して次々にセ
ンサユニツトに接続すると、全体としてセンサユ
ニツトがＮ個の場合、パイロツト信号発生部２を
含めて、 ^F(X) _Tptal＝_N 〓^m=0 1/2｛１＋sin2_n（Ｔ）・sin（2π_nｘ＋φ_n）｝ が波長掃引変数０ｘ１での出力光波の波形と
なる。 上式は、次の公式によつてフーリエ展開係数と
各々のセンサ情報分離が解析的にも表現が容易で
ある。 （−１）^(n-1)/22^n-1sinA₁sinA₂……sinA_o ＝S_o−S_o-1＋S_o-2−……＋（−１）^(n-1)/2S_(o+1)/2 （ｎ：奇数） （−１）^n/22^n-1sinA₁sinA₂……sinA_o ＝C_o−C_o-1＋C_o-2−……＋（−１）^n/2／２C_o/2 （ｎ：偶数） ここに、 S_o-n＝Σsin（A₁＋A₂＋…＋A_o-n −A_o-n+1−…−A_o） C_o-n＝Σcos（A₁＋A₂＋…＋A_o-n −A_o-n+1−……−A_o） S_nはｎ個の角A₁，A₂，……，A_oのうちｍ個に
＋符号、残りの（ｎ−ｍ）個に−符号をつけて加
えた角のsinを全ての組合せについてつくつたも
のの総和であり、C_nはｎ個の角A₁，A₂，…，A_o
のうちｍ個に＋符号、残りの（ｎ−ｍ）個に−符
号をつけて加えた角のcosを全ての組合せについ
てつくつたものの総和である。 サブキヤリア周波数mは下表の如く設定すれ
ば周波数分割多重の分離演算が容易となる。これ
はサブキヤリア周波数mを含む項が１つに限ら
れる条件となる。

【表】 … … … … … …

_Ｎ−１
N １ ３ ８ 21 55 …
………………… Σfi＋f_Ｎ−１＋f_１

^ｉ＝１
フーリエ係数a_n，b_nを次の様に定義する。 a_n＝∫¹ ₀2^NF(X) _Tptalsin2π_nxdx b_n＝∫¹ ₀2^NF(X) _Tptalcos2π_nxdx そうすると、 a_n＝sin2_n（Ｔ）∫¹ ₀sin（2π_nｘ＋φ_n）sin2π
_n
xdx ＝１／2sin2_n（Ｔ）∫¹ ₀｛cosφ_n−cos（4π_nｘ
＋
φ_n）｝dx ＝1/2sin2_n（Ｔ）cosφ_n 同じく b_n＝1/2sin2_n（Ｔ）sinφ_n 従つて sin2_n（Ｔ）＝√² _n＋² _n（０＜2_n（Ｔ）＜π
／４） となり、_n（Ｔ）即ち温度Ｔが求まる。 このフーリエ係数を求める方法はいくつかあ
る。例えば、 (1) 波長掃引出力波形^F(X) _TptalをＡ／Ｄ変換して高速
フーリエ変換する方法、 (2) 可変トランスバーサルフイルタにおいて、重
み係数ををsin（2π_nｘ）などに設定して^F(X) _Tptalの
デイジタル化データをとり組み、フーリエ係数
を求める方法、 などがある。 第４図には後者の方法によるシステム構成例を
示してある。即ち、センサユニツト４ａ，４ｂ，
…を透過して一本のフアイバにより伝送されてき
た出力光波をホトダイオード５で検知し、増幅器
６で増幅する。一方半導体レーザ１の出力の一部
をホトダイオード７で検知し、増幅器８で増幅し
てこれを基準信号とする。また半導体レーザ１の
出力の一部から波長掃引きざみ検出フイルタ９に
よつて各センサユニツトでのサブキヤリア周波数
に対応する波長成分出力を選択してホトダイオー
ド１０で検知し、これを増幅整形回路１１を通し
てサンプリングクロツクを生成する。この手段に
より、半導体レーザ１の波長掃引が時間について
の単調関数であれば、フーリエ係数を求める上で
の困難はないことを保証できる。そしてこのサン
プリングクロツクをCPU１２にタイミングパル
スとして入力すると共に、Ａ／Ｄコンバータ１
３，１４により増幅器６，８の出力をそれぞれデ
イジタル化し、規格化回路１５によつて各サンプ
リング点の出力信号を規格化して可変トランスバ
ーサルフイルタ１６に入力し、ROM１７によつ
て重み係数、即ちタツプ利得を設定する。これに
より、フーリエ係数a_n，b_nが求まり、従つて各
測定点の温度が求まる。 上記実施例は、複数の測定点での複数の計測情
報を周波数分割多重化して伝送するものであつ
た。この発明は、一つの計測情報をデイジタル化
してその各デイジツト情報を周波数分割多重化し
て伝送、再生する場合にも適用することができ
る。この場合、一つの測定点に複数のセンサユニ
ツトを設け、そのセンス感度を2^k（ｋ＝０，１，
２，…）の配列で異ならせることによつてデイジ
ツト情報を周波数分割多重化する。そのような実
施例を次に説明する。第６図はそのセンサユニツ
ト部の模式的構成である。 Ａは入力ポート、Ｂは出力ポートであり、０点
に分波−合波器があり、入力ポートＡからの光は
０点で一定の分岐比でポートP₀，P₁，P₂，P₃に
分岐され、各ポートP₀，P₁，P₂，P₃の反射点で
反射されて０点で合波され、出力ポートＢに出力
光波が得られるようになつている。P₀は基準位
相発生用ポートであり、このポートP₀に入り、
０点に戻つたときの合波電界E₀は E₀＝a₀ ²exp（ｊ2π／λ・2L₀） で表わされる。L₀〜はポートP₀の等価光路長であ
る。 ポートP₁，P₂，P₃はデイジタル化計測情封の
各デイジツト情報をサブキヤリアに担わせるセン
サユニツトを構成している。即ち、各ポートP₁，
P₂，P₃ではそれぞれ長さl₁，l₂，l₃の分布結合線
部分を介して反射点があり、それぞれの分布結合
線部分の位相定数変化を考慮した等価光路長を
L₁，L₂，L₃とすると、０点に戻つたときの各光
波電界は E₁＝a₁ ²cos²θ₁exp（ｊ2π／λ・２L₁〜） E₂＝a₂ ²cos²θ₂exp（ｊ2π／λ、２L₂〜） E₃＝a₃ ²cos²θ₃exp（ｊ2π／λ・２L₃〜） と表わされる。 従つて、一般にセンサユニツト数をＮ個とする
と、出力光波電界E_tは E_t＝a₀ ²exp（ｊ2π／λ・２L₀〜）＋_N 〓^m=1 a² _ncosθ_nexp（ｊ2π／λ・2L〓_n） と表わされる。いま絶対位相は問題としないと
し、a₀＝１とおけば、 E_t＝１＋_N 〓^m=1 a_n ²cos²θ_nexp（j_n） ここに_n＝4π／λ（L〓_n−L₀〜） ｜E_t｜²＝（１＋_N 〓^m=1 a² _ncos²θ_ncos_n）²＋_N 〓^m=1 a_n ²cos²θ_nsin_n）² ＝１＋_N 〓^m=1 a_n ⁴cos⁴θ_n＋_N 〓^m=1 a_n ²cosθ² _ncos_n ＋〓〓 ＋〓〓 ｍ≠ｎa_n ²a_o ²cos²θ_ncos²θ_o（cos_ncos_o＋sin_nsi
n_o） ∴｜E_t｜²＝（１＋_N 〓^m=1 a_n ⁴cos⁴θ_n）＋２_N 〓^m=1 a_n ²cos²θ_ncos_n ＋1/2〓〓 ｍ≠ｎa_n ²a_o ²cos²θmcos²θ_o・cos（_n−_o） 先の実施例と同様、光源の波長掃引 （λ→λ＋Δλ_s）を行つたとき、位相_nの変化
Δ_nは Δ_n≒−_n・Δλs／λ＝−2π・２（L〓_n−L₀／〜
）／λ・ Δλs／λ・ｘ となる。ここで位相回転率 _n≡２（L〓_n−L₀／〜）／λ・Δλs／λ を定義する。これは波長を０ｘ１の範囲で変
化させたときの周波数に比例する。 上記_nの配列は、上記｜E_t｜²の式での和差周
波数発生で同一周波数が生じない配列とする。例
えば下表のとおりである。

【表】 … … … … …
Ｍ １ ３ ５ ７ ………………… (2M〓1)
このように周波数配列を設定し、出力｜E_t｜²
≡Ｆ（ｘ）のフーリエ展開係数A_nを求める。 Ｆ（ｘ）＝（１＋_N 〓^m=1 a_n ⁴cos⁴θ_n）＋２_N 〓^m=1 a_n ²cos²θ_ncos（2π_nｘ） ＋1/2〓〓 ｍ≠ｎa_n ²a_o ²cos²θ_ncos²θ_ocos2π（_n−_o）ｘ A_n＝∫¹ ₀Ｆ（ｘ）cos2π_nxdx＝a_n ²cosθ_n 従つて、｛A_n｝が各々のしきい値｛a_n ²／２｝
に対して“０”か“１”かを割当て、θ_nの被計測
量に対する変化率（感度）を2^mの比で設定すれ
ば、グレイ・コード化デイジタルセンサとなる。 この実施例では、以上の説明の範囲ではA_nの
規格化手段が用意されておらず、伝送路などの損
失変動や光源変動の影響を受ける。この対策には
基準ポートを追加して周波数₀を割当て、一定フ
ーリエ展開係数A₀を用意し、規格化基準とすれ
ばよい。 またこの実施例の場合、_nの温度変化率は １／_nd_n／dT ＝１／（L_n−L₀）ｄ／dT（L〓_n−L₀〜） と表わされ、10^-6〜10^-4であつてΔT＝500℃でも
５％以下であり、これは十分に小さく問題はな
い。 以上実施例を挙げて説明したように、この発明
によれば、周波数分割多重化による伝送を可能と
した、光学的手段のみによる計測システムが実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の時分割多重化光学的センサシス
テムの基本構成を示す図、第２図および第３図は
この発明におけるサブキヤリア発生部の構成例を
示す図、第４図はこの発明の一実施例の温度セン
サシステムの構成を示す図、第５図はそのセンサ
ユニツトの動作を説明するための図、第６図は他
の実施例のセンサシステムにおけるセンサユニツ
ト部の構成を示す図である。 １……波長掃引半導体レーザ、２……パイロツ
ト信号発生部、２₁……定偏波フアイバ、２₂……
検光子、３₁〜３₄……伝送用フアイバ（定偏波フ
アイバ）、４ａ，４ｂ……センサユニツト、４a₁，
４b₁……定偏波フアイバ（温度センサ部）、４b₁，
４b₂……定偏波フアイバ（サブキヤリア発生部）、
５，７，１０……ホトダイオード、６，８……増
幅器、９……波長掃引きざみ検出フイルタ、１１
……増幅整形回路、１２……CPU、１３，１４
……Ａ／Ｄコンバータ、１５……規格化回路、１
６……可変トランスバーサルフイルタ、１７……
ROM。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源からの光波を一または二以上のセンサユ
   ニツトを介して伝送して被計測情報を収集する光
   学的計測システムにおいて、前記センサユニツト
   は、前記光源の波長掃引によつて光波に光強度の
   周期的変化を生ぜしめてこれをサブキヤリアとす
   るサブキヤリア発生部とこのサブキヤリアを被計
   測情報によつて変調するセンサ部とから構成し、
   受信端でサブキヤリアを選択して被計測情報を再
   生するようにしたことを特徴とする光学的計測シ
   ステム。 ２ 前記サブキヤリア発生部は定偏波フアイバで
   ある特許請求の範囲第１項記載の光学的計測シス
   テム。 ３ 前記サブキヤリア発生部は干渉計である特許
   請求の範囲第１項記載の光学的計測システム。 ４ 前記二以上のセンサユニツトは、それぞれ別
   個の被計測情報に対応して光路上に直列に配置さ
   れ、かつそれぞれ異なるサブキヤリア周波数を有
   する特許請求の範囲第１項記載の光学的計測シス
   テム。 ５ 前記二以上のセンサユニツトは、一つの被計
   測情報についてセンス感度を2^k（ｋ＝０，１，２，
   …）の配列で異ならせてセンスするものである特
   許請求の範囲第１項記載の光学的計測システム。