JPH04500409A - 物理量の離隔測定のためのオプトエレクトロニック装置 - 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】 物理量の離隔ｆｆｉ［のためのオプトエレクトロニック装置本発明１戴物理量を 離隔測定するオプトエレクトロニック装置に関し、光源と、被測定物理量の影響 下において該物理量に対応する周波数に前記光源から受けた光束をスペクトル変 調するセンサと、該センナから伝えられた光束を分析しそのこのような方法及び 装置は既に知られており、被測定物理量を感知するために複屈折素子を含んだセ ンナか使用される。分析手段は一般へセンサに合わせて調節された復ｐ日老−十 を含み、センサによるスペクトル変調と該干渉計によるスペクトル変調とのビー ト周波数のｍ士等を分析する。

本発明Ｃ表離れて物理量を測定する装置であって、被測定物理量を感知して該物 理量ｄ直に対応する周波数（こ光束をスベクトノ￥ｍ−るセンサと、静的かつ小 型で、極めて精度の良い分析手段とを含む装置を提供することを目的とする。

本発明はまた、上記の装置であって、前記分析１重ｄ１頭にセンナから伝えられ た光束の絶対位相を決定するものを提供することを目的とする。

本発明は更（ｌ：、上記の装置であって、同−領域若しくは異なる領域に設けら れた同−型若しくは異なる型の複数の光センサをマルチブレクスするものを提供 することを目的とする。

本発明１表物理量の離隔測定のためのオプトエレクトロニック装置であって、光 源と、被測定物理量の影響下において該物理量に対応する周波数に前記光源から 受けた光束を周期的にスペクトル変調するセンサと、該センナから伝えられた手 段か静的であって、かつ、光電検出器と組合わされた偏光分離キューブと、該光 電検出器に接続されて該分析手段の前記複屈折エレメントから伝えられた分析信 号のモジューロ２π位相をめるデータ処理手段とを含み、前Ｅｆ１ｗ文異なる２ つの波長に中心を持つ異なる光束をそれぞれ１功する２つの光源を含み、本装置 か更（：、該２つの光源の交互的操作を制御する手段を含み、その２つの光源の 中心波長の差が、前記複屈折素子から伝えられた信号の位相差の絶対値が前記被 測定物理量の値の所定の範囲内においてπ未満となるようにされている、ことを 特徴とする装置を提供する。

前記センサからの光束を受けた前記偏光分離キューブＩＬ　Ｉ±ＣＯＳψ及び／ 又は１±ｓｉｎψの形式の信号（係数を除く）を出力する。この信号の位相につ いてはモジューロ２πが決定され得るが、２にπの不確定性（良中心波長の比較 的近い２つの光源を交互に使用することによって解消され得る。こうして、測定 されるべき物理量の同一の値に対して、それら２つの光源に対応する各信号の位 相差力（２π未満とさね、その位相差の演淀により、前記センナから出力された 信号の絶対位相の決定における２にπの不確定性の問題を克服することができる 。

その絶対位相の値を知ることにより、センサにて誘導されたスペクトル変調周波 数を決定することが可能となり、更にキャリブレーションにより、被測定物理量 の値を決定することができる。

前記分析手段は完全に静的であり、可動性のエレメントを一切含まず、従って、 極めてコンパクトに構成され得る。

号をそれぞれ２つの分析チャンネルに伝える第一偏光分離キューブと、該２つの 分析チャンネルに設けられた前記複屈折エレメントと、その２つの分析チャンネ ルの一方のみに設けられた四分の一波長板と、その２つの分析チャンネルにそれ ぞれ設けられた他の２つの第一偏光分離キューブと、該２つの第一偏光分離キュ ーブの各々の２つの出力部に設けられた合計４つの光電検出器とを記載の順序で 含む。

そのような構成によれば、前記４つの光電検出器によって、係数についてはさて おき、Ｉ＋ｃｏｓψ、１−ｃｏｓψ、１＋５ｉｎＬｐ、１−ｓｉｎψの形式の信 号を取得することができ、それらの信号に基づいて、前記センサとＸの複屈折エ レメントから伝えられた信号のモジューロ２π位相が容易に決定され得る。また 、前記センサ力）ら伝えられた光束が２１ｆｌで’Ｉｆ用されるので、前記複屈 折エレメントが前記２つの分析チャンネルに共通に使用さね、装置前記分析手段 かその光束全体について作用する。

好適（；（戴前記第−偏光分離キューブは各々その出力部の一つに設けられた第 二偏光分離キューブと組み合わさね、各第一偏光分離キューブから出力された直 接の光束と対応する各第二偏光分離キューブから出力された光束とが互いに平行 に同一方向に伝播させられる。

その結果、前記４つの光電検出器を同一線上に設けることができるようになり、 それにより、それらをプリント回路上若しくは共通の温度補償回路基板五に設け ることが容易となる。

本発明の他の特徴によれ（Ｌ前記四分の一波長板が無色性である。

それにより、光信号の位相の正弦及び余弦１戴信号のエンヴエローブの異なるン トは温度変化こ無感応であり、そのスペクトル従属性が極めてΦ工〜好適に（戴 上記複屈折エレメントは密接した２つの板からなり、その低速側軸と高速側軸と が互いに交差する。。

更に好適に（戴上記２つの板がそれぞれＫＤＰと方解石とからなる。

本発明の装置において使用される光源１；ｔ、温度補償回路と組み合わされた発 光ダイオード苦しくは超発光〇碩反吋とも言う）ダイオードであってよく、又１ 叙フイラメントランズ　アークランプ等のスペクトル幅の大きな共通の光源と、 ２つの所定の波長の伝播のための干渉フィルタと、それらフィルタの温度調節の ための手段とを含むものであってよ（一 本発明の装置ｔｌｊＬ、更鳳前記光源と前記分析手段の間の直接接続チャンネル と、キャリブレーションセンサと前記分析手段の間の接続チャンネルと、その２ つのチャンネルと前記測定センサ力）ら前記分析手段に向かう測定チャンネルと にそれぞれ設けられるシャッタとを存するキャリプレーン３ン回路を含んでよし 一本発明はまた、複数のセンサをマルチプレクスするように構成され得る。例え １′Ｌ、本発明の装置１′！、並行に設けられて、ｆヨ嘗すべき光束に対して異 なるスペクト月凌調周波数を有する複数のセンサと、並行に設けられて、それぞ れ該複数のセンサの中の対応するセンサに適合するように調節された複屈折エレ メントを含む該センサと同数の分析１段とを含み、その複数のセンナが共通の光 ファイ／ｉび光カップラによって前記分析手段に接続される。

ある態様においては、異なるスペクトル変調周波数を有する複数のセンナが、並 行に設けら扛九カップラ及び共通の光ファイバによって共通の分析手段に接続さ ね、該分析千Ｅいく、該センサの各々に逐次同調される＝ｇ′）複屈折ニレメン Ｉ・を含む。

才だ他の態様において１表前記分析ｆ段が、共通の光フｒイバを介して、互いに 所定比離隔てられた複数のセンサに接続されることにより、該セソ勺勢噛の複数 の信号かＥ’Ｔ？ｉ！ｃｌＱ−から出力された光パルスの幅によって決定される 測定時間の間に時間的に分割される。

例示としての以下のに載により本発明はより明確に理解さね、本発明の他の特徴 、詳細、利、、：、７’）；月らかとなるであろう。その中て以下の図か参照さ れる。

図１（Ｌ本発明の装置の概略図である。

図２１表本装置をキャリプレートするための回路の四略図である。

図３及び図４（訳本発明の装置において複数のセンサをマルチブレクスする２つ の態様を示す図である。

図５９図６及び図７はそれぞわ、複屈折板の異なる構成例を示す図である。

図８１表複数のセンサをマルチブレクスする他の態様を示す図である。

図１に１表本発明による、物理量の離隔測定のためのオブトエレクトロニ・ンク 装置の４勲υＩす頷りに示されている。

本装置は２つの光源１０．１２を含む。光源１０．１２が出力する光束の中心波 長は互いに比較的近く（例えば、 また、それらのスペクトル幅は以下の関係を有する：但し、Δ。ＩＬ分析手段の 複屈折エレメントによる光路長差であり、ｋｔ；！、　２と５の間の整数である 。

光源１０．＋２１ｆ、光ファイバ１４．１４とＹカップラ１６とによって、共通 の光ファイバ１８に接続されている。光ファイバ１８は長いものであってよく、 干渉計型のセンサ２０に達し２ている。センサ２０ｔＬ被測定物理量Ｘを感知す る工し／メントを含んている。

センサ２０は、光ファイバ２２によって、分析手段２４に接続されている。

分析手段２４は’１０系２６を含み、光ファイバ２２の一端が光学系２６の焦点 に（する。光学系２６（戴受けた光を微かに開いた光ビームとして第一偏光分離 キューブ２８に伝える。第一偏光分離キューブ２８は２つの出力光を出力し、そ の一方の出力光３０は紙面に平行に偏光された光信号であり、他方の出力光３２ は紙面に対して垂直に偏光された光信号である。出力光３２（表第−偏光分離キ ューブ２Ｂと同様に構成され且つ同様に光を分離する第二偏光分離キューブ３４ に伝播さ扛ギューブ３４は受けた出力光３２を直角方向に反射するので、キュー ブ３４を出た光信号はキューブ２８の出力光３０と同じ方向に伝播される。

偏光分離キューブ２８．３４の出力側には複屈折エレメント３６が設けられてい る。複屈折エレメント３６の軸は出力光３０．３２の偏光軸に対してそれぞれ４ ５°を成す。キューブ２８．３４を出た各出力光３０．３２が複屈折エレメント ３６を通過する際に１戴エレメント３６の厚みと複屈折性とに対応した光路長差 力くそれらの光に与えられる。後述するよう１′−、複屈折エレメント３６（戴 それによる光路長差と被側定重量Ｘの影響下によりセンサ２０において生じる光 路長差とのＡφ％ｌ−ｒるよう、センサ２０に対して調節される。

第二偏光分離キューブ３４を経た出力光３２に対応する分析チャンネルの複屈折 エレメント３６の下流側に＋飄　１／４波長板３８が設けられている。この１／ ４波長板３８の軸は複屈折エレメント３６の軸ど→致させられている。

複屈折エレメント３６（及び１／４波長板３８）を出た各チャンネルに１戴同し 廁第二偏光分離キューブ４４．４６にそれぞれ組み合わされた第一偏光分離キュ ーブ４０．４２が設けられている。これら４つの偏光分離キューブ４０〜４６の 出力光は互いに平行であり、カつ、同し方向を向いている。各それらの出力光路 に（表光電検出器５０と組み合わされた光学系４８かそれぞれ設けられている。

各光電検出器５０の感知面は比較的広く、例え１′Ｌ光フアイバ２２の断面像の ５〜ＩＯ倍であり、その結果、アラインメントのずれによる絞り力ＱＪＸさくな るという問題は完全に回避さね、アジャストメントの作業が容易である。４つの 光電検出器５０（戴例えば単一のブ１ルト回路等に一列に設けら扛それぞれ読み 取り回路５２に接続されている。読み取り回路５２１１Ａ−Ｄ変換器５４を介し て、演算手段を含むデータ処理手段５６に接続されている。

次に本装置の作動を説明する。

光源１０．１２の一方か作動すると、それか出力する光束は光ファイノく１４と 、Ｙカップラ目と、光ファイバ１８とによってセンサ２０に伝えられる。センサ ２０１戴被測定物理量Ｘの影響下に置かね、それを感知する状態にある。センサ ２０の感知エレメント１表例えば複屈折エレメント又はマーイケルソン干渉計で あり、それによる光路長差は光源１０．１２の可干渉距離（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ 　ｌｅｎｇｔｈ）に比へて大きなものとされている。センサ２０１表光源１０． １２から受けた光束を周期的にスペクトル変調するのである力（その変調周波数 １ｉ、被測定物理量Ｘの簡単な関数となっている。

センサ２０によって変調された光束（表光ファイバ２２によって分析手段２４に 伝播さ托まず、第−質尤分離キューブ２８に達し、そこで、互いに垂直な２つの 面に偏光されて２つの光信号に分離さね、次いで、複屈折エレメント３６を通過 する。この際、複屈折エレメント３６１ｔ、通過する各光信号へセンサ２０によ って導入された光路長差と近似するように選択された光路長差を導入し、その結 果各光信号は、センサ２０によるスペクトル変調周波数に近い周波数で周期的ス ペクトル変調を受ける。複屈折エレメント３６を通過する２つの光信号の一方は 直接第一（光分離キューブ４０に達し、該キューブ４０によって互いに垂直な２ つの面に偏光に分離さオにその一方の光信号は第二偏光分離キューブ４４によ〕 で第一の光電検出器５０へ伝播ざ顔他方の光信号はキューブ４０によって第二の 光電検出器５０ヘイ云１される。

複屈折エレメント３６を通過する他の光信号（戴四分の一波長板３８を通過した 後、第一偏光分離キューブ４２によって互いに垂直な２つの面に偏光されて２つ の光信号に分離さね、その一方の光信号は直接第三の光電検出器５０へ伝播さオ ー他方の光信号は第二偏光分離キューブ４６によって第四の充電検出器５０へ伝 播される。

Ｌ　［＋＋ｍ（φ）ｃｏｓφ］　Ｉ＠　［１＋ｍ’　（φ）ｓｉｎφ］Ｉ６　［ １ｍ（φ）ｃｏｓφ］　Ｉｓ　［１ｍ’　（φ）ｓｉｎφ］イ旦し、ｍ（φ）と ｍ’　（φ）１戴使用される光源の低コヒーレンスとセンサ及び検出手段の特性 の両者による可視率（ｖｔｓｉｂｉｌｉｆｙ　ｆａｃｔｏｒｓ）であり、φは信 号の絶対位相であり、■。は信号の強度である。

単色（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）の１／４波長板３８を正弦チャンネルに設けるこ とにより、可視滓ψ）Ｉ？ｌ生をｍ（φ）＝ｍ’（φ）とすることができる。

上記光電検出器５０の出力信号をそれぞれ差動Ｗすることにより、以下の信号を 得る： ２１　ｏ　ｒｎ　（φ）ｃｏｓφ　及び　２表ｍ’（φ）ｓｉｎφそして、前者 で後者を割ることにより：ｍ’　（φ）ｓｉｎφ　ｍ’　（φ）・ｔａｎφｍ（ φ）ｃｏｓφ　ｍ（φ） 従って、無色の１／４波長板３８を使用して可視率の特性を保障することを条暫 十二　ｔａｎφに帖１１Ｃきる。

こうして、信号の位相１′！、、２πの倍数の不確定を伴うものの、正接関数の 偏角と、正弦関数と余弦関数の符号とから決定され得る。

前記絶対位相とそのモジューロ２π値との間には以下の関係が存在する：φ＝ψ ＋２にπ、　但しＫは整数。

そして絶対位相φｌ戴以下の関係式により、被測定物理量Ｘの値と関係付けられ る： 但し、Δ（Ｘ）＝センサ２０による光路長差、Δ。＝エレメント３６による光路 長差、λ＝光源が出力した光束の中心波長、である。

以上のことからから、信号の絶対位相を知ることにより被測定物理量の影響）゛ にあるセンサ２０による光路長差を決定し、更（：、センサ２ｏの簡単なキヤリ ブレーシヨンを行なうことにより、当該物理量の値を決定することができること が理解される。

２にπの不確定問題を解決し、信号の絶対位相を決定する手法を以下に説明する 。

２つの光源１０．１２を、それらが出力する波長λ１．λ、が互いに極く僅かし か違わないように選択すると、それぞれに対応した（被測定物理量の同じ値に対 する）絶対位相は被測定物理量ＸＩの値の所定の範囲の全体において、以下の条 件を満たす・ １Δφ１＝１φ、−φ、１くπ 前述の式より、以下の式を得る。

φ、＝ψ、　＋２に＋π φ、＝ψ、＋２ｋｔπ Δφ＝Δψ±２π ａ）Δ（Ｘ）かスペクトル従属性を示さず、Δ。のスペクトル従属性か無視し得 ると見なされる場合。

Δφ＝Δψ＝φ、−φ。

同様（ミ ｂ）Δ（Ｘ）とΔ。とが共に無視し得ないスペクトル従属性を示す場合。

キャリブレーション乃至計算により、以下の曲線を得る・Δψ−Ｆ（ｘ）、　そ の逆関数を取って、Ｘ＝Ｆ″１（Δψ）この式より、Δ　のすへての値（：対し て、パラメータＸの適当な値を関係付けることができ、その適当な値をに１及び に！の決定（ツリ用する。

異なる（直　ψ１．ψ、、に、、に、が実際に相方〕にコンパチブルであるがど うか１戴同様な計算によって確かめることができる。

測定の不精確さによるΔの変動の結果、ｋ、とに、の値は常に整数になるとは限 らない。そこで、計算結果に最も近い整数値を選択する。例えＩＬＬ　ｋ＋の計 算の結果として得た値か５．０５てあったならば、ｋｌは整数の５とする。

このよう（：、光源ＩＯ又は１２の作動に対応する信号の絶対位相の値をめるこ とができ、その値からセンサ２０による光路長差の値をめ、更へ被測定物理量の 値を決定することができる。

実用上、本発明の装置は更（：、図２に四路的に示された制御／キャリブレーシ ョン回路を含む。図１の実権例においてはセンサ２０１２型であった力＼図２の センサ２０は反射型である。このような変更は容易に為さ托技術的には等価であ り、本発明の機能若しくは効果に何等の影響も与えない。

図２に示された制御／キャリブレーン３ン回路ｉ飄　５０１５０型の光カップラ ５８を含んでいる。光カップラ５８の人力部は光ファイバ１４を介して光源１０ ゜１２に接続さ托他方その出力部の一つは５０１５０型の他の光カップラ６０に 接続さ札他の出力部はシャッタ６４を介して１０／９０型の光カップラ６２に接 続されている。光カップラ６０を出た光ファイバ（表シャッタ６６を介してセン サ２０に接続さね、それの他の出力部はシャッタ７０を介してキャリブレーショ ンセンサ６８に接続されている。光カップラ６２の出力部は分析手段２４へと導 か扛分析手段２４はデータ処理手段５６に接続されている。データ処理手段５６ は光源１０．１２及びンヤッタ６４，６６．７０の作動をｉ＋１３１する手段を 含一般１：、検出器５０の受ける信号は以下の形式のものである：５ａ＝Ｉ。［ Ｉ＋ｍ＠ＨＭ（φ）ｃｏｓφ］Ｓ＋　＝１＋　［１ｍ＋　’Ｍ　（φ）ｃｏｓφ ］ｓ、＝ｒ、目十廂　・Ｍ（φ＋ε）ｓｉｎ（φ＋ε）］Ｓｓ　＝＋！　［１− ｍ５　’Ｍ（φ＋ε）ｓｉｎ（φ＋ε）］但し、Ｍ（φ）１戴光源１０．１２の 低コヒーレンスと使用センサ２ｏの特性との合成効果による変調の可視性であり 、εは１／４波長板３８の不完全性による残留逍角位相誤差（ｒｅｓｉｄｕａｌ 　ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｅｒｒｏｒ　）である。

シャッタ６４か開き、シャッタ６６．７０が閉じてぃれｌ１１４つの分析チャン ネルには何れも周波数変調されない信号、即ちそれぞれ　■。、ｉ、、ｒ、、ｒ 。

力ｑ見わ、る。

ここで補正係数を次式のようにめる。：αＩ　＝１．／１．；α、＝１゜／Ｉｔ ：α、＝１．／ｒ。

これらの係数を利用して各検出器５ｏで検知される平均信号レベルを等しくする ことができ、その結果、以下の補正後の差をめることができる：Ｓｏ　−ａｔ　 Ｓｔ　＝Ｉ。（ｍｅ　＋ａ、ｍ＋　）Ｍ　（φ）ｃｏｓφαｓ　Ｓｔ　−（Ｚｓ 　Ｓｓ　＝　１゜（ａｔ　ｍｅ　＋αｓ　ｍ、）Ｍ（φ＋ε）ｓｉｎ（φ＋ε） これらの補正後の差の間の比Ｒは： シャッタ６４．６６を閉じ、シャッタ７ｏを開くことにより、キャリブレーショ ンセンサ６８によって変調された信号が分Ｆｍ２４に送られる。この信号につい ての合成位相（ｒｅｓｕｌｔａｎｔ　ｐｈａｓｅ　）　φは良く知られている。

ｌ／４波長板３８の特性が適当ならば（無色性及び移相トレランス）、充分な精 度で以下の関係か成立する： Ｍ（φ＋ε）＝Ｍ（φ） そこで、得られた信号は以下のようになる：始ζミε＝０と仮定する。この条件 の下で１表キヤリプレーションセンザ６８の使用により以下のような比が測定さ れる：ａｔｍｔ＋αオｍゴ　ｌ こうして、バランス補正係数Ｋかめられる。

ここから１戴以下のような形式の信号を用いる：（但し、εは既知であり、その 測定は工場において既に行われている）。

こうして本キャリブレーション回路は検出システムのドリフトを克服し、一定時 間毎（ミ 一連続的バックグラウンド■正係数α０．α３．α、と、−バランス補正係数に と を決定して行く。

更１ミキャリブレーションセンサ６８力匁連続的に切り換えられる２つの独立し たエレメントからなり、それらによる２つの位相φ、φ′力曵φ゛＝φ＋π／２ であるとすれ１ｆ、補正された係数の決定により以下の信号が得られる：そこで 、 これにより、φを知れ１戴バランス補正係数とは無関係にεを決定することがで きる。

この直角位相誤差（表マイケルソン型のキャリブレーションセンサによっても決 定することが可能であり、その場合に１戴一つのミラーが従属的圧電運動によっ て精確に並行移動させられる。λを超える直線運動の間の補正と差動増幅の後に 得られる信号を記録することにより、εとＫとを決定し、それらの値を装置の“ Ｊ薄”ギヤリプレージョン用の値として使用することができる。

キャリブレーションセンサ６８（表板下のエレメントから構成されるものであっ てもよいニ ー偏光子と、 一分析システムで使用されるエレメント３６ど同じ補償型（ｅａｎｐｅｎｓａｔ ｅｄ　）複屈折板（検光子に対して４５″を成す）と、−一つの軸か検光子の軸 と一一致する無色性１／４波長板と、−軸方同調ｔＲＦｉＴ＃Ｖ、に回転偏光子 と、である。

このセンサてｌｉｔ、信号のみかけの位相か回転偏光子の回転角βの２倍で変化 するので、位相変化を制御して出力することができる。

光路長差（ｉ、複屈折エレメントのみに対応することもあるしくβ＝０）、正弦 と余弦とのチャンネル交換によりεとＫを決定するためそれにπ／２力功口えら れること（β二π）もある。

史番ミ　シャッタ６４．７０を閉じ、シャッタ６６を開くことにより、センサ２ ０による浬淀カイνｊわれる。

また、使用される光源の有効中心波長λ。←定時間毎にキャリプレートすること か必要な場合かある。この波長変化の考えられる原因としてはニー光源のエイラ ンプと、 一同一光源の残留熱ドリフトと、 −センサ／接続フィルタ／検光子の構成全体のスペクトル伝播特性の変化＠関１ ｆｉｃａｔｉｏｎ）と、かある。

これを行なう−−−ノ解決策（戴絶対位相φを互いに独立して２部１淀すること である５ 一第一の沖淀（Ｌ光路長差Δ。で特徴付けられる復調器で行なわれニー第二の測 定１戴Δ、と異なる光路長差Δ°。て特徴付けられる復調器で行なわれる： Δ。とΔ′　。どの差＋ｉ／Ｊ）さく、且つ安定で、λ。と、演１淀範囲に等し いパラメータの偏差の間でのセンサによる光路長差の変化との間の値から知られ る。

２つの値φ、φ′を比較するため、まず未知のΔ（Ｘ）を消去してΔ。をめ、更 にΔ。とΔ′。どの差を決定する。

以上の測定を、本システムに採用された２つの波長λ１．λ２の両方について独 立し７て行うことにより、λ、とλ、及びビート波長Δと一定時間毎にギヤリブ レートすること力ぐＣきる。

絶対位相φの二重決定は以下のようにして為され得るニー互いに並列に作動して 光路長差Δ。、Δ′。によって特徴付けられる２つの復調システムによるか、又 １．ｔ。

一複屈折エレメント３６の手前（：、互いに９０°離れた２つの位置の間で回転 可能であって光路長差δの小さい複屈折板を、その各使用位置（０°、９０°） で、その複屈折板の低速側軸と高速側軸とが複屈折エレメント３６の中性軸と＝ 致する　ように挿入するか、である。

その場合において、２つの光路長差１ｉ、低複屈折板の２つの双安定位置を利用 することにより連続的に決定され得る、例えば：位置１（０°）；Δ。＝Δ＋δ 位置２（９０’）：Δ′。＝Δ−δ ゆえ（ミΔ。−Δ′。＝２６ 更（二次のような板が復調光学系中に存在し利用される測定において１表その板 はそれぞれ指向角０６，４５°及び９０°に対応する３つの安定位置で使用され 得る： 位置＋（０°）Δ。＝Δ＋６ 位置２（９０’）Δ。＝Δ−δ イイクＪフーｊ３（４５°）Δ。＝Δ 但し、Δ１戴エレメント３６の固在光路長差である。

そこで、板δの静止位置１戴センサ２０による有効光路長差の関数として選択す ることができ、他方、キヤリプレーシジン位１１戴最ａ敗を得るための隣接する アクセス可能な位置となる。

その結果１戴 一センサによる平均光路長差の値に関するトレランスの緩和か許容されて該セン サの製造か容易となるか、又（戴 一復調周波数が必要に応じて±δだけシフトされて有用作動範囲か増大する力＼ であろう。

測定に際してζ良光源１０．１２は高速、連続的に制御さね、例えＥ以下の４つ の測定からなるサイクルを１ミリ秒で行なう：光源１０の作動中の測定と、光源 ＩＯの清澄中の測定と、光源１２の作動中のｆｆ１Ｋと、光源１２の清澄中の測 定と、である。差をとることにより、バックグラウンドノイズや近傍ライトから の影響を除去することができる。

光源１０，１２１１例えば、温度補償回路と組み合わされた発光ダイオ−Ｐであ って、出力光の中ＩＣもωφｍ変化こ影響されないようになっている。また、フ ィラメントランプやアークランプ等のスペクトル幅の大きな光源を使用すること もできる。その場合にＩＬ光源は干渉フィルタと組み合わされてランプの出力す るスペクトルから２つの所望の波長が取り出される。干渉フィルタを温度補償回 路と組み合わせて使用すれば、それらの波長か温度変（Ｖ）ＫＲを受けなし〜光 源として用いられる発光若しくは超放射ダイオード１戴ベルチェ素子により約０ ゜１℃の精度で温度調節され得る。この精度は波長にして０、Ｏ３ｎｍのオーダ の精度に対応する。干渉フィルタと組み合オ〕されたスペクトル幅の大きい光源 を使用しこ場合に１戴干渉フィルタｍを約１℃の精Ｉ−３テえ１ｆ、上記と同じ ０、Ｏ３ｎｍの波長精度を得ることができる。

分析手段２４の一部を成す複屈折エレメント３６についても、温度変化の影響を 受けないことが要求さｔ′ＬＳ更（ミスベクトル従属性が著しく低いことがめら れる。これらの結果１戴エレメント３６を２つの板を組み合わせて構成すること により達成される。即ち、ＫＤＰ　（１ｍ素燐酸カリウム）（若しくは水素原子 が重水素原子で置換されたＫｃｌ＊Ｐであってもよい）からなる板と、方解石（ ＣａＣ。

、）からなる板とを組み合わせ、それら２つの板の低速側軸と高速側軸とを交差 させる。

こうして得られたエレメント３６は相当に強い複屈折性を有し、しかも、温度変 化こ完全に無感応であり（２つの板のｍ＜等しく打ち消し合う）、また、そのス ペクトル従属性は極めて低い（２つの板のスペクトル従属性が少なくとも一次の オーダで打ち消し合う）。

ｅ、力坊解石の厚さを示し、ｅ、がＫＤＰの厚さを示すとすわＪｆ、複屈折エレ メント３６の全複屈折率（お以下の式で表される：Ｂ＝ｅ　ＩΔｎ、−ｅｘΔｎ ！ 熱無感応化のＢ４＝ｌ　＆第一次近似（熱膨張は無視し寿るとする）として以下 の式で表される： この式より厚さの比ｋを決定することができる：更１：、各板の正確な厚さＬＬ パラメータＸの範囲の中央における調節条件によって決定される。

この値をＸｏとし、Δｃ（Ｘｏ、λ）をそれに関連したセンサの中の光路長差ま た、（λ）ごΔｃ　（Ｘｅ　、λ）−Δ。（λ）但し、λ。は光源の中心波長で ある。

こうしてΔ。を決定する１＝とができ、それから、センサに対応するＫＤＰど方 解石の２つの板についての正確な値をめることができる。

Ｋの値か選択されると、複屈折板３６の相対的スペクトル従属性か極めて小さい ことが理解される 更に、複層エレメント３６の背後に設置ｊられる１、／４波長板３８１訟正弦関 数と余弦関数とを光信号のエンヴエローブの同一点て測定し孕るよう（ミ無色で ある必要かある。そうすることにより、光路差の範囲の全体で高い測定精度と優 れた扁額創生と力９重慣される。

そのために（戴十、記した調節条件を、センサによるベース差の同一の値に対し 、２つのチャンネルか満たす必要がある。

余弦チャンネルについては以下の通りである６＝０ 正弦チャンネルについて（戴以下の通りである。

但し、δ（λ）ｔＬＬ／４波長板その池の光路長差を示すまｌこ、 Δ（λ）＝λ／４、　すべてのλについて。

こうして、無色性１／４波長板か特徴付けられる。

図１に杷−赦りに示されているよう１：、光ファイバ２２か比較的短い多モード ファイバである場合に（戴偏光エレメント７２を、分析手段２４の入力光学系２ ６ど第一偏光分離キューブ２８との間に挿入してもよい。実漿センサ２ｏが偏光 型であってそれの分析手段２４への接続が数メー（・ルのオーダである場合に１ 訳分析手段に伝播される光信号中（ミ第−傭九分離ギューブ２８による分離に影 響を与え得る残留偏光が含すれることがある。第−一一光分離ギューブ２８と４ ５゜を成す偏光ニレメン１フ２１表被分析信号の偏光状態の如何に関わらず、２ つの分析チャンネルを相４にバランスさせ、それにより、それらの強度の比を基 金に安定化させる。

センサ２０と分析手段２４との間の接続を極めて長い多モード光ファイバを用い て行なう場舘こ（表光ｆ；！、それか分析手段２４に達する時には完全に偏光上 清されてしまい、エレメント７２はもはや無用となる（それは３ｄＢのゲインに 相当する）。

本発明の装置１戴以下のような重要な利点を有する。

−２つの分析チャンネルに対して一つの複屈折エレメント３６を用いる、−光束 の損失かない（光束の２つの偏光状態を利用する）−小型である（信号取Ａ工１ ノクトロニックデマルチブレクシング及びＡ−Ｄ変換手段を含む分析手５功＜、 ２ｘｌＯｘ５ｃｍ’の寸法のケースに収まる）、−極めて高い精度を存する（１ つのセンサのみを用いる場合で２０００００点の分解能が得ら扛これは温度にし て摂氏の１度の１０００分の１のオーダの精度に対応し、位相シフトにして波長 の２０００分のｌのオーダの精度に対応する）、 −マルチブレクス能カカ吠きい（センサ１０（１！１；ｌｈ）。

マルチプレクスの異なる態様か図３９図４及び図８に示されている。

図３て（戴複数の２０か光ファイバ７２を介して光カップラ７４に接続さね、光 カップラ７４は光ファイバ７Ｇを介して同望式の他の光カップラ７８に接続され ている。また、センサ２０と同数の検出手段２４が、光ファイバ８ｏを介して光 カップラ７８に接続されている。対応する１つのセンサと組み合わされた各検出 手段２旧戴該センサ２０に適合するように調節された複屈折エレメントを含んで いる。

図４の実施伊１において：戴復数のセンサ２０力恍フアイバ７２を介して光カッ プラ７４に接続さね、光カップラ７４は光ファイバ７６を介して検出手段２４に 接続されている。本実施例においてＩＬ検出手段２４？飄複合板３６と同じ型式 の一１洋の複屈折エレメントを含み、各複屈折エレメントはそれらに対応する各 センサ２０に適合するように逐次調節され得る。

この機能については複数の実施態様をとることができる。

ａ）各センサに適合させた３６の型式の複屈折板を、並行移動（例えばスライド による）若しくは回転（フィルタホイール切によって光ビームの通路へ導き入れ る（若しくｌお血洛外へ移動させる）ようにする。

ｂ）ある例（図５）で（戴各センザに関連する光路長差を、理想的な性質と厚さ とを有する一群の板８２の複屈折率の算術加算によって決定するようにし、抜板 をスライド等で光ビーム８４の通路へ導き入れる（若しくは通路外へ移動させる ）ようにする。

Ｃ）ある例（図６）てＩＬ各センサに関連する光路長差を、理想的な性質と漸増 する厚さとを有する（り板８６．　８８．　９０．　、　、　、の複屈折率の代 数加算によって決定するようにし、各板をビームの軸８４の回りに回転可能とし 、互いに９０°離れた２つの安定位置によって特徴付け、板の低速側軸と高速（ ！！鵬とを常に一致させ、一つの板の回転によってその他の板の合成複屈折率に 該一つの板の複屈折率が加えられるか若しくは差し引かれる（低速側軸と高速側 軸との娘）ようにする。

ｄ）ある例（図７）てＩｔ、各センサに関連する光路長差を、漸増する厚さを有 する一群の板８６．８８．９０の複屈折率の代数加算によって決定するようにし 、その加算若しくは減算操作を挿入された二分の一波長板９２の電気制御によっ て誘導し、抜板９２の軸を調節エレメントの軸と４５°を成すようにする。

この二分の一波長板９２（戴弾性光７材料、電気光ｒ材料若しくはその他の種類 の材料から構成さ扛それらの複屈折率（Ｌ制御基準値に対応して０若しくはλ／ ２の値をとる。

また、図８に四路的に示されているよう１ミ分析手段２４に導かれる単一の光学 ライン（光ファイノつ７６に接続された複数のセンサ２０からの信号を時間的に マルチブレクスすることができる。本実施例において（戴各センサ２０から出力 されるパルス（ぬ異なるセンサ若しくは異なる群のセンサから出力される信号を 時間て微分することができるよう（ミ各センサ若しくは各群のセンサの離隔距離 に対し、充分に短いものでなければならない。各センナから送られるデータの処 理態様１転既に記載したものと同じである力＼但し、データカ匁ライン７６に供 給される光パルスの長さによって決まる測定時間中に異なるセンサから同期して 出力されるデータである点が異なる。

セニノサの１５１１１μ唾！＝Ｉこ一１徊杓なものであり得る。

このマルチプレラス法は、連続測定の場合について記載した方法と組み合わせて 使用することができる。

本発明によれ１−１．物理量を、伝播ラインに影響を与えることなく、例えば３ ｋｍ以上も遠く離れて測定することができ、しかもその精度は高く、センサー個 のみを使用した場合で２０００００点の分解能であり、８個のセンサを単一の伝 播ラインに接続して使用した場合には１０００点の分解能である。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源（１０，１２）と、被測定物理量（Ｘ）の影響下において該物理量（Ｘ ）に対応する周波数に前記光源から受けた光束を周期的にスペクトル変調するセ ンサ（２０）と、該センサ（２０）から受けた光束を分析する手段（２４）とを 含み、該分析手段が、前記センサ（２０）に合わせて調節されかつ該センサによ る光路長差に近い光路長差を与える複屈折エレメント（３５）を含む物理量の離 隔測定のための電子光学装置であって、前記分析手段（２４）が静的であって、 かつ、光電検出器（５０）と組合わされた偏光分離キューブ（２８，４０，４２ ）と、該光電検出器に接続されて該分析手段の前記複屈折エレメント（３６）か ら点られた光信号のモジューロ２π位相を決定するデータ処理手段とを含み前記 光源が、異なる２つの波長に中心こ持つ異なる光束をそれぞれ出力する２つの光 源、（１０，１２）を含み、本装置が更に、該２つの光源（１０，１２）の交互 的操作を制御する手段を含み、その２つの光源の中心波長の差が、前記複屈折エ レメント（３６）から伝えられた信号の位相差の絶対値が前記被測定物理量（Ｘ ）の値の所定の範囲内においてπ未満となるようにされている、ことを特徴とす る装置。 ２．前記分析手段（２４）が、前記センサ（２０）から伝えられた光束の伝播の 方向において、直交する２つの面にそれぞれ偏光された２つの光信号をそれぞれ ２つの分析チャンネルに伝える第一偏光分離キューブ（２８）と、該２つの分析 チャンネルに設けられた前記複屈折エレメント（３６）と、その２つの分析チャ ンネルの一方のみに設けられた１／４波長板（３８）と、その２つの分析チャン ネルにそれぞれ設けられた他の２つの第一偏光分離キューブ（４０，４２）と、 該２つの第一偏光分離キューブ（４０，４２）からの各々の２つの出力光を受け る合計４つの光電検出器（５０）とを順次含も請求項１の装置。 ３．前記第一偏光分離キューブ（２８，４０，４２）はその出力側の一つに各々 設けられた第二偏光分離キューブ（３４，４４，４６）と組み合わされ、各第一 偏光分離キューブ（２８，４０，４２）から出力された直接の光束と各第二偏光 分離キューブ（３４，４４，４６）から出力された光束とが互いに平行に同一方 向に伝播される請求項２の装置。 ４．前記４ｚの光電検出器か同一線上に設けられる請求項３の装置。 ５．前キ／４波長板（３８）が無色性である請求項１〜４の何れかの装置。 ６．前記複屈折エレメント（３６）は温度変化こ無感応であり、そのスペクトル 従属性が極めて低い請求項１〜５の何れかの装置。 ７．前記複屈折エレメント（３６）は組み合わされた２つの板からなり、その低 速側軸と高速側軸とが互いに交差する請求項６の装置。 ８．前記２つの板がそれぞれＫＤＰと方解石とからなる請求項７の装置。 ９．前記光源（１０，１２）が、温度補償回路と組み合わされた発光ダイオード 若しくは超発光ダイオードである請求項１〜８の何れかの装置。 １０．前記光源が、フィラメントランプ，アークランプ等のスペクトル幅の大き な共通の光源と、温度補償回路と組み合わされた、２つの所定の波長の伝播のた めの干渉フィルタとを含も請求項１〜８の何れかの装置。 １１．前記光源（１０，１２）を制御する回路が、例えば約１ｋＨｚの頻度で、 ４種類の測定（各光源の点灯時と非点灯時における測定）から成るサイクルを繰 り返すように構成されている請求項１〜１０の何れかの装置。 １２．前記センサ（２０）が多モード光ファイバを介して前記分析手段（２４） に接続され、該多モード光ファイバの出力部に、その分析手段（２４）の前記第 一偏光分離キューブ（２８）に対して４５°を成す偏光エレメント（７２）が設 けられる請求項１〜１１の何れかの装置。 １３．更に、前記光源（１０，１２）と前記分析手段（２４）の間の直接接続チ ャンネルと、キャリブレーションセンサ（６８）と前記分析手段（２４）の間の 接続チャンネルと、該２つのチャンネルと前記測定センサ（２０）から前記分析 手段（２４）に向かう測定チャンネルとにそれぞれ設けられるシャッタ（６４， ７０，６６）とを有するキャリブレーション回路を含も請求項１〜１２の何れか の装置。 １４．前記キャリブレーション回路の前記キャリブレーションセンサが、位相差 π／２の信号を逐次出力し、かつ、角度方向の制御可能な回転式偏光子を含む請 求項１３の装置。 １５．更に、前記各光源（１０，１２）の中心波長をキャリブレートする手段を 含み、該キャリプレート手段が、並行に設けられて極めて近い光路長差（Δｏ及 びΔ′ｏ）を与える複数の複屈折エレメント（３６）、若しくは前記エレメント （３６）と組み合わされ所定の位置の間で回転可能とされた光路長差の小さな複 屈折板を含む請求項１〜１４の何れかの装置。 １６．並行に設けられ、異なるスペクトル変調周波数を有する複数のセンサ（２ ０）と、並行に設けられ、それぞれ該複数のセンサの中の対応するセンサに合わ せて調節された複屈折エレメント（３６）を含む該センサと同数の分析手段（２ ４）とを含み、その複数のセンサが共通の光ファイバ（７６）及び光カップラ（ ７４，７８）によって前記分析手段に接続される請求項１〜１５の何れかの装置 。 １７．更に、異なるスペクトル変調周波数を有し、かつ、並行に設けられて光カ ップラ（７４）及び共通の光ファイバ（７６）によって共通の分析手段に接続さ れる複数のセンサ（２０）を含み、その分析手段が、該センサ（２０）の各々に 逐次同調される一群の複屈折エレメント（３６）を含む請求項１〜１５の何れか の装置。 １８．前記分析手段（２４）が、光ファイバ（７６）を介して、互いに所定距離 隔てられた複数のセンサ（２０）に接続されることにより、該センサからの複数 の信号が前記光源（１０，１２）から出力される光パルスの幅によって決定され る測定時間の間に時間的に分割される請求項１〜１５の何れかの装置。