JPH0346054B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学系を用いて物理量一般の精密測
定を行うようにした精密測定用光学装置に関し、
特に、携帯可能の装置により物理量の変化の精密
測定を自動的に行ない得るようにしたものであ
る。

（従来の技術） 一般の物理量、特に、本発明の好適な対象とす
る大気圧の精密測定装置は、従来、固定式であ
り、その代表的なものとして水銀気圧計およびア
ネロイド気圧計がある。前者は、測定精度が良好
で高い信頼性を有しているが、測定および取扱い
は簡便とはいい難く、後者は、測定および取扱い
がかなり簡便であるが、前者ほど良好な測定精度
が得られていない。

しかして、大気圧は、他の気象パラメータ、例
えば降雪量や湿度等に比して格段に良好な精度の
測定値を必要とし、例えば、降雪量は数％程度の
測定誤差があつても実用上問題はないが、大気圧
の測定誤差は0.2〜0.3mb以下に抑えなければなら
ず、この誤差値は、測定値を1000mbとすると、
0.03％程度の誤差に相当し、降雪量の測定誤差よ
り２桁も高い測定精度が要求されることになる。

（発明が解決しようとする問題点） かかる高い測定精度が得られ、しかも、可搬式
であつて簡便な取扱により自動測定をなし得る気
圧測定装置は、従来から強く要望されているにも
拘らず、未だ開発されていない。特に、大気圧測
定結果に関する情報伝達機構および情報表示機構
をも考慮して、これらの機構に適合するように構
成した高精度の気圧測定装置の開発が要望されて
いるが、従来、かかる要望も満たされていない。

高い測定精度を有する精密測定装置に関する上
述した問題点は、上述した気圧測定装置の例のみ
に留まらず、他の流体圧力は勿論、温度などの物
理量一般の精密測定装置に共通する問題であり、
高い測定精度と、簡便な取扱い、可搬性、即時
性、自動化、情報伝達性等の使い勝手とを両立さ
せた精密測定装置の開発が物理量一般について要
望されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は、上述した問題点を解決して、
大気圧等の物理量を高い精度で自動的に即時測定
し得る精密測定装置に光学系を巧みに利用した精
密測定用光学装置を提供することにある。

すなわち、本発明精密測定用光学装置は、大気
圧に感応するベローズ等の物理量センサのストロ
ークなど機械的出力量を回折格子の回転角に変換
し、その回折格子により分光したレーザ光のスペ
クトル分布の変化から被測定物理量を算出するよ
うにしたものであり、レーザ光源と、そのレーザ
光源から導いたレーザ光をそのレーザ光の光路を
含む面に垂直の軸の周りに回転可能に設けた回折
格子により分光する分光器と、被測定物理量の変
化に応じ前記回折格子を回転させてレーザ光の入
射角を変化させる機能素子と、前記分光器から導
いたレーザ光の分光によるスペクトル分布特性曲
線の半値幅に対応させた電気信号に基づいて前記
被測定物理量を算出するスペクトル演算処理部と
を備えたことを特徴とするものである。

（作 用） したがつて、本発明を大気圧測定に適用すれば
可搬型自動気圧精密測定装置を提供することがで
き、さらに、地上高度差による大気圧の変化を即
時に精密測定し得る自動気圧測定システムを実現
することができ、かかる高度差気圧測定装置のほ
か、深度差水圧測定装置、ガス圧測定装置、圧力
開閉器、流量測定装置等、種々の物理量センサと
巧みに組合わせて、種々の物理量の自動精密測定
装置を開発することができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

まず、本発明精密測定用光学装置の概略構成の
例を第１図に示す。図示の概略構成においては、
長波長半導体レーザあるいはHe−Neレーザなど
のレーザ光源１の出力レーザ光を２分岐し、一部
の出力レーザ光を光スペクトルアナライザとパー
ソナルコンピータとを組合わせたスペクトル演算
処理部６に直接導くとともに、他の出力レーザ光
を、単一モード光フアイバあるいは定偏波光フア
イバ等の光フアイバ２を介し、例えば、第４図ａ
〜ｃにつき後述するように、大気圧に感応するベ
ローズ等の圧力センサに回折格子を組合わせて構
成した簡易型分光器３に導いて、大気圧に応動し
た圧力センサの機械的出力に応じた量の分光を施
し、その分光したレーザ光を、光フアイバ４を介
し、光パワーメータ５に導いてその出力をチエツ
クしたうえで前述したスペクトル演算処理部６に
入射させ、その分光出力レーザ光のスペクトル分
布を、前述したレーザ光源１からの入力レーザ光
のスペクトル分布と比較するとともに、分析し
て、そのスペクトル分布に対応した被測定大気圧
を算出し、出力表示する。

つぎに、第１図示の全体構成における各ブロツ
クの原理的な詳細構成および動作原理をそれぞれ
の図面について順次に説明する。

まず、長波長半導体レーザあるいはHe−Heレ
ーザを用いたレーザ光源１における出力レーザ光
のパワースペクトル分布特性の例を第２図ａある
いは同図ｂにそれぞれ示す。一般に、レーザ光源
の良否の評価は、かかるパワースペクトル分布に
基づいてなされ、通常は、スペクトル分布特性曲
線の半値幅７あるいは８が狭く、単一スペクトル
に近い程優れたレーザ光源であるとされる。しか
しながら、本発明光学装置に用いるレーザ光源１
については、後述するように回折格子により分光
したレーザ光のスペクトル分布特性曲線における
半値幅の変化量から被測定大気圧を算出するので
あるから、両者間に明確な線形の対応が得易くな
るように、スペクトル分布特性曲線が、広い半値
幅を有するとともに、その測定対象領域において
良好な線形性を呈するようなレーザ素子を用いる
のが好適である。

本発明光学装置においては、かかるスペクトル
分布特性を有する光源１からのレーザ光を、第３
図ａに示すように、マイクロレンズ９，１０の組
合せによつて光フアイバ１２に注入するととも
に、その出力端からマイクロレンズ１４により平
行光ビーム１６として取出し、あるいは、第３図
ｂに示すように、他の光フアイバからの平行光ビ
ームをマイクロレンズ１１によつて光フアイバ１
３に注入するとともに、その出力端からマイクロ
レンズ１５により平行光ビーム１７として取出
し、それぞれ、簡易型分光器３に入射させる。

その簡易型分光器３の本体は、例えば、第４図
ａに示すように構成する。すなわち、上述したよ
うに、例えば単一モード光フアイバよりなる光フ
アイバ１２からマイクロレンズ１４を介して取出
した平行光ビーム１６を、全反射ミラー１８およ
び１９により順次に反射させて回折格子２０に適
切な角度で入射させ、回折格子２０により回折し
て分光した平行光ビームを全反射ミラー２１およ
び２２により順次に反射させて、マイクロレンズ
２３を介し、例えば単一モード光フアイバよりな
る光フアイバ２４に注入して器外に取出す。この
分光出力光ビームは、回折格子２０の回折作用に
より分光し、例えば第２図ａ，ｂに示した光源出
力スペクトル分布よりさらに広い半値幅の分光出
力光スペクトル分布を呈し、しかも、そのスペク
トル分布拡がりの程度は回折格子２０に対する平
行光ビーム１６の入射角に応じて変化する。した
がつて、回折格子２０を平行光ビーム１６の光路
を含む面に垂直の軸の周りに回転させ、その回転
角を例えば大気圧などの被測定物理量の変化に応
じて変化させれば、被測定物理量に対応した半値
幅の分光出力スペクトル分布が得られ、その分光
出力スペクトル分布に基づいて例えば大気圧など
の被測定物理量を算出し得ることになる。

上述した回折格子２０の回転角Δθを例えば大
気圧とする被測定物理量の変化に応じて設定し得
るようにするためには、例えば第４図ｂに示すよ
うに、センサボツクス２５を簡易型分光器３の本
体に取り付ける。そのセンサボツクス２５には、
例えば大気圧を被測定量とする場合には気圧測定
用ベローズ２６を設置し、そのベローズ２６の機
械的出力の変化分Δlを、伝達金具２７を介し、
回折格子２０を上述したように回転し得るように
支持した回転支持台に伝達する。図示の金具２７
によるセンサ出力伝達機構は、極めて原理的な構
成を示したものであり、実際には、センサの機械
的出力の微小変化を精密かつ正確に回折格子の回
転支持台に伝達する適切な構成の伝達機構を用い
る必要があり、具体的には種々の構成が考えられ
る。

ここで、第４図ｃを参照して、分光出力スペク
トル分布特性曲線の半値幅Δλと回折格子２０の
回転角Δθと気圧測定用ベローズ２６の機械的出
力伸縮長Δlとの相互の関係を説明すると、上述
した原理的構成によつて被測定物理量に感応する
機能素子としてのベローズ２６の伸縮長Δlを回
折格子２０の回転角Δθに対応させると、回折格
子２０による分光出力光スペクトル分布特性曲線
の半値幅Δλは回折格子２０の回転角Δθにほぼ比
例させておくことができるので、機能素子２６の
機械的出力変化Δlとの間にΔλ∝Δθ∝Δlなる比例
関係が得られる。

しかして、上述のような比例関係が忠実に成立
つことは困難であるとしても、回折格子２０の極
めてわずかな角度の回転により、第２図ａ，ｂに
示したような光源光のスペクトル分布が回折格子
２０の分光作用を受けて大幅に拡大された分光出
力スペクトル分布の半値幅がほぼ比例して大幅に
変化するので、かかる分光出力光スペクトル分布
曲線の半値幅が、ベローズ２６が伝える大気圧の
微妙な変化に敏感に対応し得ることになる。した
がつて、たとい、上述した三者間に忠実な比例関
係を成立たせることは困難であるとしても、分光
出力スペクトル分布の半値幅の変化量Δλと回折
格子の回転角Δθに対応したベローズ２６の伸縮
長Δlとの対応関係を予め正確に測定することに
よつて較正しておけば、任意の大きさの大気圧変
動を極めて忠実かつ円滑に測定することができ
る。

上述のように、被測定物理量としての大気圧の
変化に忠実かつ敏感に対応し得る簡易型分光器３
の分光出力は、光フアイバ４を介し、光パワーメ
ータ５に導いて検出する。すなわち、第５図に示
すように、回折格子２０によつてその回転角Δθ
に対応して分光された平行光ビーム１６は、マイ
クロレンズ２８を介し、光フアイバ２９に入射し
て伝搬し、マイクロレンズ３０により集光されて
光パワーメータ３１により検出される。なお、こ
の光パワーメータ３１は、使用する光源光の波長
に応じて、例えば、シリコン太陽電池あるいはゲ
ルマニウム太陽電池を適切に選定して用いる必要
がある。

上述したように被測定物理量の情報を伝える分
光出力光は、さらに、光スペクトルアナライザと
マイクロコンピユータとを兼ねたスペクトル演算
処理部６に導いて光スペクトル分布の分析を施
し、第６図に示すように、分析結果の光スペクト
ル分光特性曲線を、光源光の分析結果とともにス
ペクトルアナライザ３２に表示するとともに、そ
の半値幅に対応した被測定物理量としての例えば
大気圧をマイクロコンピユータ３３の出力にデイ
ジタル表示する。すなわち、半導体レーザあるい
はHe−Neレーザよりなる光源１の出力レーザ光
と光検出器５からの分光出力光とをスペクトルア
ナライザ３２およびマイクロコンピユータ３３に
よつて解析し、高い精度で被測定物理量、例え
ば、大気圧を求めることができる。

つぎに、第４図ｂに原理的構成の例を示した回
折格子に対するセンサ出力伝達機構の具体的構成
の例を第７図ａ〜ｃにそれぞれ示す。第７図ａに
示す構成例は間接定倍型としたものであり、ベロ
ーズ２６の機械的出力のストロークを油圧ピスト
ン３４により油圧に変換して、チユーブ３５を介
し、油圧ピストン３６に伝達し、支持台３７によ
り回転可能に支持した回折格子２０を回転させ
る。なお、油圧ピストン３４と３６との径を異な
らせば、ベローズ２６のストロークを数倍程度増
幅することができる。

また、第７図ｂに示す構成例は、同図ａにつき
上述した構成例とほぼ同様の構成による直接定倍
型としたものであり、チユーブ３５を介して伝達
した油圧を円形ケーシング３８内のベーン３９に
伝え、ベローズ２６のストロークを直接に回折格
子２０の回転角に変換する。

さらに、第７図ｃは連結棒４０，４１，４２の
組合わせにより、ベローズ２６のストロークを増
幅して、回折格子２０を支持する回転台４３のレ
バー４４を回動させ、連結棒４０，４１，４２の
長さを適切な比にして組合わせることにより、ベ
ローズ２６のストロークを任意に増幅して連結棒
４２のレバー４４を押すストロークに変換してい
る。

かかる構成による簡易型分光器３は５cm立方程
度に小型に構成することができ、回折格子２０を
集積化して製作すれば２cm立方程度にさらに小型
化することも可能である。

また、従来の水銀気圧計の読取り精度
0.1mHg、アネロイド気圧計の読取り精度1mHg
に対し、本発明光学装置を用いた気圧計の測定精
度は、回折格子の製作精度によつて異なるが、回
折格子の製作精度を1200本／mmにして光スペクト
ルにして0.05nmの分解能が得られたときには、
0.001mHg程度に著しく向上させることができ
た。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、被測定物理量に対応したセンサボツクス内の
機能素子の機械的出力の変化を回折格子の回転に
変換して光学的に忠実に拡大することにより、被
測定物理量の微妙な変化を高い精度で忠実に測定
することができ、センサボツクス内の機能素子を
適切に選定することにより、大気圧のみならず、
水圧、ガス圧、油圧、風圧あるいは蒸気圧など各
種の圧力の微細な変化、さらには、温度など他の
あらゆる物理量の変化を高精度で測定することが
でき、例えば、従来の圧力センサの機械的出力を
同様に光学的に拡大して高精度で測定し得るとい
う格別の効果を挙げることができる。

特に、本発明精密測定用光学装置においては、
光源として、光パワースペクトル分布の半値幅の
大きい、いわば、あまり良質ではないレーザ光源
を積極的に利用し、分光器に取付けて組合わせる
機能素子を適切に選択することによつて任意所望
の物理量を同様に測定することができ、さらに、
光スペクトルアナライザとマイクロコンピユータ
との組合わせにより物理量情報を高精度で解析し
て測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明測定用光学装置の概略構成の例
を示すブロツク線図、第２図ａ，ｂはレーザ光の
スペクトル分布特性の例をそれぞれ示す特性曲線
図、第３図ａ，ｂは本発明光学装置の一部の構成
例をそれぞれ示す線図、第４図ａ，ｂおよびｃは
同じくその光学装置における簡易型分光器の構成
例および動作原理をそれぞれ示す線図、第５図は
同じくその光学装置の他の一部の構成例を示す線
図、第６図は同じくその光学装置のさらに他の一
部の構成例を示す線図、第７図ａ，ｂ，ｃは同じ
くその光学装置におけるセンサ出力伝達機構の具
体的構成例をそれぞれ示す線図である。 １…レーザ光源、２，４，１２，１３，２４，
２９…光フアイバ、３…簡易型分光器、５，３１
…光パワーメータ、６…スペクトル演算処理部、
７，８…半値幅、９，１０，１１，１４，１５，
２３，２８，３０…マイクロレンズ、１６，１７
…平行光ビーム、１８，１９，２１，２２…ミラ
ー、２０…回折格子、２５…センサボツクス、２
６…ベローズ、２７…伝達金具、３２…スペクト
ルアナライザ、３３…マイクロコンピユータ、３
４，３６…油圧ピストン、３５…チユーブ、３７
…支持台、３８…ケーシング、３９…ベーン、４
０，４１，４２…連結棒、４３…回転台、４４…
レバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光源と、そのレーザ光源から導いたレ
   ーザ光をそのレーザ光の光路を含む面に垂直の軸
   の周りに回転可能に設けた回折格子により分光す
   る分光器と、被測定物理量の変化に応じ前記回折
   格子を回転させてレーザ光の入射角を変化させる
   機能素子と、前記分光器から導いたレーザ光の分
   光によるスペクトル分布特性曲線の半値幅に対応
   させた電気信号に基づいて前記被測定物理量を算
   出するスペクトル演算処理部とを備えたことを特
   徴とする精密測定用光学装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の光学装置におい
   て、前記機能素子を圧力センサにより構成し、少
   なくとも、大気圧、風圧、ガス圧、蒸気圧、水圧
   および油圧のいずれかを測定し得るようにしたこ
   とを特徴とする精密測定用光学装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の光学装置におい
   て、前記圧力センサをベローズにより構成したこ
   とを特徴とする精密測定用光学装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の光学装置におい
   て、前記機能素子を形状記憶合金により構成し、
   温度を測定するようにしたことを特徴とする精密
   測定用光学装置。