JPH03261802A - 光センサー - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は光センサーに関し、更に詳しくは、レザー光を
利用して被測定対象物の微少な物理量の変化を測定する
光センサーに関する。

〈従来の技術〉 メカトロニクスや精密機械の分野では、機器の高性能化
、高精密化により、微少な変位等（物理量の変化）をと
らえて解析することがますます重要になっている。

このような微少な変位等を測定するセンサーとして、例
えば第６図に示すような干渉計型センサーか開発されて
いる。このセンサーは、測定対象物にミラー（ターゲッ
トンート）を貼付し、このミラーにレーザー光を照射し
、その反射光を利用して位置変化を検出するものである
。この場合、位置変化による２光路の光波長の変化によ
り生しる干渉光の強度変化を求める。

第６図では、半導体レーザー１からレーザー光を照射し
、ビームスプリッタ２ならびにミラー３で反射して受光
素子４に入射される光と、ビームスプリッタ２を透過し
て被測定対象物に貼付されているミラー５で反射し、再
びビームスブリ、ツタ２を経て受光素子４に入射される
光との干渉強度。

すなわち光の位相差を検出し、変位等を測定する。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述した従来の光センサーは、受光素子４のノイズや干
渉縞の変化のミスカウントにより誤差が蓄積していくと
いう問題点や半導体レーザーのスペクトル寿命やモード
ホップ等により位相の飛びが生した場合、変位が不定に
なり、測定不能となる危険性がある。後者の問題は重要
であるため、さらに詳しく説明する。

第７図は半導体レーザー１の発振モードがモトホップに
より変化した場合の位相変化を示した図である。

従来のセンサーは、ある位相点を基準とし、この位相点
からの干渉縞の数（位相）を測定する相対的な測定方法
を採用しているため、第７図のように光源自体が変化し
たのでは基準点そのものが不定となり、微少な変位測定
はほぼ不可能になる。

本発明は上述した従来技術の問題点を除去し、ノイズや
レーザー光源の不安定性の影響を受けに＜＜、信頼性の
高い新規な光センサーを提供することにある。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決する本発明は、 被測定対象の微少な物理量の変化を測定する光センサー
であって、 発振周波数を変化させることが可能な少なくとも２つの
レーザー光源及びこれらの駆動回路と、被測定対象の物
理量の変化が共振器の長さの変化あるいは共振器内部の
屈折率の変化になるように構成された第１の光共振器と
、 該第１の光共振器とは異なる共振条件を実現する少なく
とも１つの第２の光共振器と、前記各レーザー光源の出
力光を対応する各光共振器に入射させることにより得ら
れる各光共振器の出力光を対応する各レーザー光源に帰
還させて各レーザー光源の出力光周波数を対応する各光
共振器の共振周波数にロックさせる手段と、前記各レー
ザー光源の出力光を合成する手段と、該合成された光の
ビート信号周波数を測定することにより前記物理量の変
化を検出する信号処理手段とで構成されたことを特徴と
する。

く作用〉 本発明の光センサーにおいて、測定系として従来の反射
ミラーの代わりにファブリペローエタロンのような光共
振器を用いる。例えば物理量として変位を検出する場合
、被測定対象の変位は光共振器の端面の変位となり、結
果的に共振器長の変位として把握される。

一方、この光共振器とは別に少なくとも１つの基準とな
る光共振器を用意する。この光共振器の光共振周波数は
測定系の光共振器の光共振周波数と異なっている。

これらの光共振器では、人力される光の反射強度が所定
の周波数間隔をおいて周期的に威少する周波数特性を有
し、この周波数特性（共振点間の周波数間隔）は共振波
長（あるいは内部材料の屈折率）に依存して変化する。

そこで、このような光共振器のそれぞれに人力されるレ
ーザー光の周波数が光共振条件を満たすように各レーザ
ー光源の駆動電流を制御し、各レザー光源の出力光周波
数を対応する各光共振器の共振周波数にロックさせる。

ここで、これら各光共振器の共振周波数の差は、各レー
ザー光源の出力光を合成することにより得られる光のビ
ート信号周波数を測定することにより求められる。

この状態で被測定対象に変位が生じると、測定系の光共
振器の共振周波数が変化する。したかって、被測定対象
の微少な物理量の変化を各レーザー光源の出力光を合成
することにより得られる光のビート信号周波数の変化と
して測定することができ、極めて高感度のセンサーを実
現することかできる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。

図において、半導体レーザー１１は帰還回路を有する駆
動回路１２により駆動され、半導体レーザー１３は帰還
回路を有する駆動回路１４により駆動される。該半導体
レーザー１１．１３としては単一縦モード発振が可能で
、駆動電流により発振周波数を変化させることができる
ものを用いる。

レンズ１５．１６は各半導体レーザー１１．１３のレー
ザー光を平行光にするために設けられている。ビームス
プリッタ１７はレンズ１５を介して出力されるレーザー
光をレンズ１８で集光して光ファイバ１９に加えられる
光と１００％反射のミラー２０で反射されてビームスプ
リッタ２１に加えられる光に分割するために設けられ、
ビームスプリッタ２２はレンズ１６を介して出力される
レザー光をレンズ２３て集光して光ファイバ２４に加え
られる光とビームスプリッタ２１に加えられる光に分割
するために設けられている。ビームスプリッタ２１はビ
ームスプリッタ１７で分割されミラー２０で反射される
光とビームスプリッタ２２て分割された光を合成して光
電変換素子２５に加える。該光電変換素子２５の出力信
号は周波数測定回路２６に加えられる。

ビームスプリッタ１７て分割されレンズ１８を介して光
ファイバ１つに加えられた光はレンズ２７で平行にされ
た後２枚の数％の光を透過させる部分透過ミラー２８．
２９で構成されるファブリペロ−形の第１の光共振器３
０に加えられ、ビームスプリッタ２２で分割されレンズ
２３を介して光ファイバ２４に加えられた光はレンズ３
］で平行にされた後２枚の部分透過ミラー３２．３３で
構成されるファプリーへロー形の第２の光共振器３４に
加えられる。ここで、第１の光共振器３０の共振器長は
被測定対象の変位に対応して変化するように構成され、
第２の光共振器３４の共振器長は被測定対象の変位に拘
らず一定になるように構成されている。すなわち、第１
の光共振器３０はセンサー用光共振器として機能し、第
２の光共振器３４は基準用光共振器として機能する。

第１の光共振器３０の出力光はレンズ２７．光フアイバ
１つ　レンズ１８及びビームスプリッタ１７よりなる光
学系を通って光電変換素子３５に加えられて電気信号に
変換され、駆動回路１２の帰還回路に加えられる。第２
の光共振器３４の出力光はレンズ３１．光ファイバ２４
．レンズ２３及びビームスプリッタ２２よりなる光学系
を通って光電変換素子３６に加えられて電気信号に変換
され、駆動回路１４の帰還回路に加えられる。

このように構成される光センサーは、第１の光共振器３
０と第２の光共振器３４で構成されるセンサ一部Ａとレ
ーザー光源１１．１３や周波数測定回路２６などのその
他の部分で構成される信号処理部Ｂが２本の光ファイバ
１９．２４で接続されていることになる。

次に、具体的な動作を説明する。

半導体レーザー１１の出力光はレンズ１５．ビームスプ
リッタ１７．レンズ１８．光ファイバ１つ、レンズ２７
よりなる光学系を通って第１の光共振器３０に入射され
、半導体レーザー１３の出力光はレンス］６．ビームス
プリッタ２２．レンズ２３．光フアイバ２４．レンス３
１よりなる光学系を通って第２の光共振器３４に入射さ
れる。

ここで、光共振器における光の共振条件は、光共振器の
内部の光路長、つまり光共振器の内部の屈折率の変化ま
たは共振器の間隔の変化で決まる。

第２図はある一定の光路長を持つ光共振器の反射光Ｘの
信号強度特性を点線で示し、透過光Ｙの信号強度特性を
実線で示したものである。図から明らかなように、反射
光Ｘは光周波数に対して特定のデイツプを有し、透過光
Ｙは光周波数に対して特定のピークを有している。第３
図は第１図の光電変換素子３５の受光強度特性側図であ
る。光電変換素子３５は反射光Ｘを受光するので、光の
強度は第３図のようにデイツプ特性を持つ。また、実線
の曲線と点線の曲線は、第１の光共振器３゜の光路長の
変化により共振周波数が変化して光の周波数に対する光
の強度か変化することを示している。

ところで、半導体レーザーから構成される装置イー光の
周波数は、駆動電流を制御することによって変化させる
ことができる。そこで、半導体レーザー１１の系統ては
、光電変換素子３５の出力信号が最小になるように、す
なわち半導体レーザー１１から出力されるレーザー光の
周波数が第１１の光共振器３０の共振周波数と等しくな
るように駆動回路１２て半導体レーザー１１の駆動電流
を変化させる。これにより、半導体レーザー１１の発振
周波数を第１の光共振器３０の共振周波数にロックさせ
ることができる。一方、半導体レーザー１３の系統では
、光電変換素子３６の出力信号が最小になるように、す
なわち半導体レーザー１３から出力されるレーザー光の
周波数が第２の光共振器３４の共振周波数と等しくなる
ように駆動回路１４で半導体レーザー１３の駆動電流を
変化させる。これにより、半導体レーザー１３の発振周
波数を第２の光共振器３４の共振周波数にロックさせる
ことができる。該第２の光共振器３４の光路長は一定値
に固定されていて、主にセンサ部Ａの温度補償の役目を
果たしている。

半導体レーザー１１．１４の出力光の一部はビームスプ
リッタ１７．２２で分割されてビームスプリッタ２１で
合成される。該ビームスプリッタ２１で合成される半導
体レーザー１１．１４の出力光の光周波数は、上述のよ
うにそれぞれの系統の光共振器３０．３４の共振周波数
にロックされている。したがって、光電変換素子２５で
はこれら半導体レーザー１１．１４の出力光の光周波数
のビート信号周波数が検出されることになり、被測定対
象の微少な物理量の変化を光のビート信号周波数の変化
として測定することができる。このとき、半導体レーザ
ー１１．１４の出力光の光周波数自体は数１００７Ｈｚ
と非常に高いため光電変換素子２５では検出されない。

なお、本発明で用いるレーザー光源は周波数掃引ができ
るものであればよく、半導体レーザー以外の例えば色素
レーザーなどでもよい。

また、センサ一部Ａを構成する光共振器の構造は実施例
に限定されるものではない。例えば第４図に示すような
リング共振器を用いてもよい。第４図において、導波路
基板になるセンサーチップ４０の表面には一端に光ファ
イバ１９．２４が接続されて他端にミラー４１が結合さ
れる２木の平行な先導波路４２．４３が形成されるとと
もに２個のリング状の先導波路４４．４５が形成されて
いる。そして、一方のリング状の先導波路４４の裏面の
一部はダイアフラム４６を形成するように切除されてい
る。このようなセンサ一部を用いることにより、圧力を
測定することができる。いずれにしても、センサ一部を
構成する光共振器は、反射光強度が光周波数にしたがっ
て変化していればよい。

また、光学系は第５図に示すように先導波路構造になっ
ていてもよい。図において、５０は信号処理部Ｂの光学
系が形成される導波路基板、６０はセンサ一部Ａの光学
系が形成される導波路基板であり、これら基板５０．６
０間は光ファイバ１９．２４で接続されている。基板５
０の表面には一端に結合される半導体レーザー１１．１
３の出力光を他端に接続される光ファイバ１９．２４に
伝送する２本の平行な先導波路５１．５２が形成されて
いる。そして、これら先導波路５１．５２の間にはＹ形
分岐結合器を含む先導波路５３が形成されている。該光
導波路５３のＹ形分岐結合器の分岐路の各端面には光電
変換素子３５．３６かそれぞれ結合され、分岐路の途中
部分は先導波路５１．５２との間でそれぞれ方向性結合
器ＤＣを形成するように近接配置され、結合路の端面に
は光電変換素子２５が結合されている。基板６０の表面
には一端に光ファイバ１９．２４が接続される２本の平
行な先導波路６１．６２が形成されていて、基板６０の
両端面には部分透過ミラーコー）６３．６４が形成され
ている。そして、一方の先導波路６１の裏面の一部はダ
イアフラム６５を形成するように切除されている。この
ように構成することにより、第４図に示したセンサ一部
と同様に圧力を測定できる。

また、被測定対象は変位のみに限定されるものではない
。応力や電気光学効果に屈折率の変化などの測定にも有
効である。

また、３系統以上のレーザー光源や光共振器を組み合わ
せることも可能である。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明は、センサ一部に光
のみを用いて物理量の変化を検出しているので電磁ノイ
ズに強く、本質安全防爆構造になる。

また、本発明によれば、光ファイバを用いた遠隔計測が
可能であり、さらにその際２本の光ファイバたけてセン
サ一部の温度補償も行える。そして、光ファイバが２本
でよいことから、光学系及び光ファイバとの接続が簡単
になり、信頼性は高くなってコストは低くなる。

また、光共振器の共振周波数は物理量の小さな変化でも
大きく変化することから、非常に感度の高いセンサーが
実現できる。

また、信号処理部には機械的な駆動部分がないことから
信頼性は高くなる。

さらに、光源としては光共振器の共振周波数に合った発
振周波数の光を用いればよいことから一般的な多モード
のレーザーも利用でき、コストの低いセンサーが実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は光共
振器の光信号強度の説明図、第３図は第１図の光電変換
素子３５における受光強度の説明図、 第４図は光共振器の他の具体例の説明図、第５図は本発
明の他の実施例の要部の構成図、第６図は従来の光セン
サーの一例を示す構成図、第７図は半導体レーザーにモ
ードホッピングが発生した場合のレーザー光の位相変化
の説明図である。 １１．１３・・・半導体レーザ １２．１４・・・駆動回路 １５．１６，１８，２３，２７．３１・・・レンズ１７
．２１．２２・・・ビームスプリッタ１９２４・・・光
ファイバ ２０・・・ミラー（１００％反射） ２５．３５．３６・・・光電変換素子 ２６・・周波数測定回路 ２８．２９，３２．３３・部分透過ミラ３０・第１光共
振器（センサー用） ３４・・第２光共振器（基準用） 第 ２ 図 ×（反射光） 光周波数 第 図 光１７１１波数 第 図 モ トホップ債

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定対象の微少な物理量の変化を測定する光センサー
   であって、 発振周波数を変化させることが可能な少なくとも２つの
   レーザー光源及びこれらの駆動回路と、被測定対象の物
   理量の変化が共振器の長さの変化あるいは共振器内部の
   屈折率の変化になるように構成された第１の光共振器と
   、 該第１の光共振器とは異なる共振条件を実現する少なく
   とも１つの第２の光共振器と、 前記各レーザー光源の出力光を対応する各光共振器に入
   射させることにより得られる各光共振器の出力光を対応
   する各レーザー光源に帰還させて各レーザー光源の出力
   光周波数を対応する各光共振器の共振周波数にロックさ
   せる手段と、 前記各レーザー光源の出力光を合成する手段と、該合成
   された光のビート信号周波数を測定することにより前記
   物理量の変化を検出する信号処理手段とで構成されたこ
   とを特徴とする光センサー。