JPH04504471A - 物理量を遠隔的に検出する反射作動型検出装置 - 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】 物理量を遠隔的に検出する反射作動型検出装置本発明は、物理量を遠隔的に検出 する反射作動型検出装置に関し、特に、インコヒーレント光の光源と、光ファイ バと、該光源に該ファイバを介して接続されるセンサとを含み、該センサが、被 測定量の影響で光のスペクトルが周期的変調を受けることにより該量を検知する 複屈折検知素子を含む装置に関する。

そのようなセンサは既に知られており（本出願人のフランス特許第２５９５８２ ０号）、温度、磁界１位置、移動等の物理量を遠隔的に測定するために使用され る。

このセンサにおいては、光ファイバの端がコリメータレンズの焦点に位置し、該 レンズの光軸が検知素子を通る。該センサが透過作動型である場合には、検知素 子の前方に偏光子が、後方に検光子が置かね、さらに、第２のコリメーションレ ンズにより透過光が光ファイバを介して光のスペクトルを分析する分析装置に導 かれる。

上記センサが反射作動型の場合には、検知手段の前方には同様に偏光子が置かれ るが、その後方には検光子ではなく鏡が置かれる。該鏡は受けた光束を反射し、 反射光はもう一度今回は逆向きに検知手段、偏光子、コリメータレンズを通過し 、さらに光ファイバに入射して、該光ファイバとＹカップラを介して接続された スペクトル分析装置に導かれる。

光ファイバのコアのサイズは極めて小さいので、極大量の光束を該光ファイバに 確実に戻すためには、反射鏡は該センサの光軸に対して極めて高い精度で垂直に 相対配置される必要がある。例えば、光が光ファイバへ再入射する際の損失をＩ ｄＢ未満とするためには、該光ファイバのコアの径が約０．１ｍｍでありコリメ ータレンズの焦点距離が１０ｍｍの場合には、反射鏡面に対して垂直な方向と本 センサの光軸方向とのなす角度が３分未満でなければならない。

鏡の配置にめられる上記のような高い精度はその達成自体が困難であるばかりで なく長い期間にわたって維持することが極めて困難である。

そしそこの問題を避けるため、従来は、光ファイバのコアを大きくするか、また は、コリメータレンズ光学系の焦点距離を小さくしていた。しかし、焦点距離特 表平４−５０４４７１　（２） を１ｍｍ未満にすることや、光ファイバのコアを０．２ｍｍより大きくすること は困難である。加えて、そのようにすれば、コリメートされる光線の発散が極め て大きくなり、また、コリメータレンズと鏡の間の距離が焦点距離に比較して大 きい場合には光束の顛著な損失につながる。

従来の他の解決手段として、光ファイバをコリメータレンズに対して焦点がずれ るように配置するという方法がある。しかしこの方法では、光束が光ファイバに 再入射する際の損失が大きくなってしまう。該損失は焦点のずれの程度の関数で あり、およそ５ｄＢ−１０ｄＢとなることがある。

本発明の目的は、最小の再入射損失を確保しながら、前記の問題の簡易かつ効果 的で信頼性の高い解決手段を提供することである。

本発明の他の目的は、前記の型のセンサの性能を改良することである。

そのために本発明は、スペクトル変調による光のエンコードの原理を利用して物 理量を遠隔的に測定する反射作動型検出装置であって、インコヒーレント光の光 源と、該光源に光ファイバを介して接続さね、かつ、被測定物理量の影響によっ て光のスペクトルが周期的な変調を受ける複屈折検知素子と、該複屈折検知素子 と前記光ファイバの間に設けられるコリメータレンズおよび偏光子とを含むセン サと、前記光ファイバから遠い側の前記センサの端部に設けられる光反射手段と を含む装置において、前記光反射手段が反射の方向と入射の方向が平行であるカ タジオブトリック（ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ）型であり、第２の偏光子が前記 センサと前記反射手段の間に設けられ、前記両側光子の光通過方向が交差するか または平行であり、前記センサの前記検知素子の中立軸と４５°をなすことを特 徴とする装置を提供する。

カタジオブトリックな反射手段の使用により、極大量の光束を光ファイバに再入 射させることができる。しかし、カタジオブトリック部材の複数の面上における 光束の全反射の結果、光源から出力された光束のスペクトル中にセンサによって 誘導される周期的な変調に干渉性の障害が発生し、その障害は補償が困難である 。そこで、反射体と検知手段の間に第２の偏光子が設（九反射体が検知素子に発 生する干渉現象の影響を受けないようにし、検知素子の行きと帰りの２回の通過 に関係したスペクトル透過を余分に大きな損失を伴わない連続的なものとする光 束の有効な変調振幅は、従来の透過作動型センサで得られるものと比べてそれ程 大きくは変化せず、また、信号の持続波（ｃｏｎＨｎｕｏｕｓ　ｗｖｅ　、　Ｃ Ｗ）バックグランドは減少するが、このことは作動周波数（ｗｏｒｋｆｎｇ　ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ　）においてより大きな変調率（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　１ｎ ｄｅｘ）を得ることと等価である。こうして作動周波数のおける変調の可視性（ ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）が改善される。さらに、光束の光ファイバへの再入射に 何ら問題はなく、容易に達成されると同時に長い期間に渡って維持され得る。

本発明の第１の実施態様においては、前記光反射手段が、頂点が前記センサと反 対側を向き前記センサの光軸上に位置するように設けられた立方体の角部によっ て構成される。

この場合に、前記第２の偏光子の２回μの通過後に光束が極大となるように、前 記立方体の角部の複数の面が、該第２偏光子に対して相対配置される。

ある変形例においては、前記光反射手段が、金属で被覆された後面を有するＰ／ ４型ないし３Ｐ／４型セルフオツクレンズ（Ｓｅｌｆｏｃ　１ｅｎｓ　）である 。

本発明の好適な実施態様においては、前記コリメータレンズ（セルフォック型） 、前記両側光子、前記検知素子および前記光反射手段のすべてが、金属ないし誘 電材料からなる一つの円筒形外筒ないしハウジング内に同軸的に収容され、その 外筒ないしハウジングが例えば細管によって構成される。

こうして得られるセンサ装置は構成が極めて簡単で、扱い易く、また小型であっ て（外径が約２〜４ｍｍ）、製作が容易である。

以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明するが、それにより本発明はより明 確に理解され、本発明の他の詳細、特徴、利点が明らかになるであろう。

図１は、従来の反射型センサの略図である。

図２は、本発明の反射型センサの略図である。

図３および図４はそれぞれ本発明の異なる実施例の縦断面の略図である。

図１は、反射を利用して作動する従来のセンサ装置の略図である。このセンサ装 置は、インコヒーレントの光源１２と多モード光ファイバ１０とを含み、さらに 、コリメータレンズ１６と偏光子１８と被測定量（温度等）に影響される複屈折 結晶２０と本装置の光軸２４と垂直をなす全反射平面鏡２２とを含むセンサとを 有する。

光ファイバｌＯはＹカップラ２６によって、光のスペクトルを分析する分析器１ ４（復調干渉計等）に接続される。

このセンサ装置は、以下のように作動する。

光源１２を発した光は光ファイバｌＯによって前記センサに伝えられ、偏光子１ ８を通過する際に直線偏光さね、結晶２０の遅い軸および速い軸に対して傾斜し た面に偏光されて結晶２０に達する。この傾斜角度は４５″が望ましい。結晶２ ０を通過する際に光束は２つの光波に分かオーそれぞれの波は互いに垂直な２つ の面に偏光され、互いに異なる速度で伝播し、結晶２０を出る際には時間ないし 位相にずれが生ずる。結晶２０を出た後光束は鏡２２によって反射され〜結晶２ ０および偏光子１８を逆方向に再び通過し、コリメータレンズ１６によって光フ ァイバｌＯに再度入射する。この光束は、最終的にスペクトル分析器１４に伝え られる。

前記センサを出る際、光束のスペクトル分布は、該センサ内の光路長差の関数で ある周波数で変調され、該光路長差は結晶２０に作用する物理量の関数として変 化する。

上記光路長差を測定することにより、初期キャリブレーションを条件として、結 晶２０に影響する物理量の値を決定することができる。

もっとも、前記したように、鏡２２は光軸２４に対して極めて高い精度で垂直に 保持されなければならない。というのは、その僅かな誤差が、スペクトル分析器 １４に伝えられる光束の極めて大きな低下につながるからである。

レンズ１６の焦点距離をｆ１光ファイバ１０のコアの半径をｒ１鏡２２の面に垂 直な方向と光軸２４の方向とがなす角をａとすると、鏡２２による反射の後に光 束が光ファイバｌＯに再入射する効率は、以下の式で与えられる。

Ｔ＝（２／π）（θ−ｃｏｓθ・ｓｉｎθ）、但しｒ　’　ｃｏｓθ＝ｆ−ａこ れより、例えば、焦点距離ｆが１０ｍｍ、光ファイバ１０の実質部の半径が０． ０５ｍｍの場合に再入射損失を１ｄＢ未満とするためには、角度ａを３分未満と する必要がある。

しかし、そのような精度を達成しまた維持することは極めて困難であり、鏡２２ の光軸２４に対する方向に誤差があれば、それはスペクトル分析器１４に到達す る情報量の損失につながる。

図２に示される本発明の装置は上記問題点を克服するものである。

前記装置と同様、本装置も、光ファイバｌＯの端に、コリメータレンズ１６と偏 光子】８と被測定物理量を検知する複屈折結晶２０とを含むセンサを有する。

これらの要素はすべて図１のセンサ装置のものと同じである。

本発明においては、鏡２２の代わりにカタジオブトリック型の反射体を用いる。

この反射体の特徴は、光の反射方向かその入射方向と常に平行ということである 。

図２の実施例では、この反射体が全反射立方体２８の角部から成り、該角部の頂 点３０が本装置の光軸２４上においてセンサと反対方向を向くように設けられる 。さらに、第２の偏光子３２が結晶２０と反射体２８の間に設けられる。第２偏 光子３２の光通過方向を第１偏光子１８の光通過方向と平行もしくは垂直とする ことによって、結晶２０の遅い軸および速い軸と４５６をなすように設けること が望ましい。

第２偏光子３２に対する立方体２８の角部の複数の面の方向は、立方体２８の角 部による反射の後に第２偏光子３２を通過する光束が極大（反射による位相のず れが最小）となるように決定される。

本装置は以下のように作動する。

光ファイバＩＯは、スペクトル分布Ｐａ（σ）の非偏光光束を導く。

第１偏光子（１８）を通過した後、該光束は１／２Ｐｏ　（σ）となる。

結晶２０と第２偏光子（３２）を通過した後、偏光された光束のスペクトル分布 は以下のようになる。

Ｐ＋　（ｃｙ）＝、（１／４）Ｐｏ　（（７）　（１＋ｃｏｓ２πσΔ〕但し、 Δ＝ｅ　（ｎ、　−ｎ６　）、ｅは結晶２０の厚さであり、ｎ、およびｎｏはそ れぞれ結晶２０の速い軸および遅い軸についての屈折率である。

立体２８の角部を通過しその面で反射された光束は楕円偏光される。この偏光の 方向と楕円率は波長と実質的に無関係である。

第２偏光子３２の２回目の通過によって、前記楕円偏光状態が該第２偏光子３２ の光通過方向に投射され、それにより、以下のようなスペクトル分布となる。

Ｐ’　１　Ｃσ）＝　（１／４）ＰＯ（（７）ｃｏｓ’　ａ　Ｃ１＋ｃｏｓ２ｙ ｒａΔ〕但し、σは小さく、波長と無関係である。

立方体２８の角部の第２偏光子３２に対する方向を適当に決定することにより、 ＣＯＳσΦ値を１に近づけることができる。

センサ素子（結晶）２０の２回目の通過により、以下のような最終的な光束分布 が得られる。

ＰＯ（ｃｙ）　＝　（１／８）　Ｐｏ　（ｃｙ）　ｃｏｓ”　ａ　Ｃ１＋ｃｏｓ ２ｙｒａΔ〕２−　（３／ｌ　６）ｃｏｓ’　ｃｙＰｏ　（ｃｒ）（１＋（４／ ３）ｃｏｓ２ｙｒｃｙΔ＋（１／３）ｃｏｓ４ｙｒａΔ〕比較により、図１のセ ンサの出力からは以下の分布が得られるであろう。

Ｐ’　＊　（（７）＝　（１／４）ＰＯ（（７）（１＋ｃｏｓ４πσΔ〕光束は 次いで、Δに近い光路長差Δ。を有する復調干渉計に導かね、以下の式で与えら れる信号Ｓが得られる。

Ｓ＝　（３／３２）ｃｏｓ”　ａ’ｆｆｏ　（Δ−Δｏ）（１＋（２／３）ｃｏ ｓ２πσ。（Δ−Δ。））但し、市。はＰｏのフーリエ変換を表し、σ。は光源 の中心波長を表す。

図１に示されるようなセンサを使用し、復調干渉計を周波数２Δに調節すること により、以下の信号Ｓ“が得られるであろう。

Ｓ’　＝　（１／８）實。（２Δ−Δ。）〔］＋（１／２）ｃｏｓ２πσ。（２ Δ−Δ。）〕信号Ｓと信号Ｓ′の比較により以下のことが明らかとなる。

ｌ）本発明の装置は、 （１／１６）？（Δ−Δｏ）’ｃｏｓ”　ａ・ｃｏｓ２ｙｒａｏ　（Δ−Δ。） に等しい有効な変調振幅を発生させる。

この有効な変調振幅は、鏡２２と光軸２４とが正確に垂直な場合（ｃｏｓ’σ＝ １と仮定）に図１の装置で得られる変調振幅と同一である。このことは、本発明 の装置においては、光ファイバｌＯへの再入射の際に有用な光束の損失が生じな いことを意味する。

２）信号のＣＷバックグランドはより小さく、作動周波数（ｌ／２ではなく２／ ３）でより高い変調指数に対応し、干渉現象のより良い可視性が得られる。

３）復調干渉計１４は、作動周波数がΔ（２Δではなく）を中心とする場合は、 検知手段２０を構成する結晶ど同一の厚さの結晶を含む。というのは、検出干渉 計は通常光束の単回通過で作動するからである。

４）光反射手段を高い精度で配置する問題が解消し、必要とされるただ１つの位 置合わせは立方体２８の角部の頂点３０を光軸２４に位置付けることとなる。

もっともこの調整も重大なものではなく、また、立方体２８の角部の面の方向に ついても同様のことが言える。

５）他に周波数２Δでの検出を行うことができ、それにより従来のマルチプレク ス技法を利用して２種類の情報を得ることができる（検出干渉計において、Δを 中心とする結晶と２Δを中心とする結晶の２つの調整結晶が使用される）。

２種類の情報を同時に検出することにより信号位相の決定を行い、また、本検出 装置の（特に、光源光波長に生じ得るドリフト補償の）ための一体化永久作動型 再ギヤリブレーション手段を得ることができる。

反射光線の方向が入射光線の方向と常に平行となる限り、立方体２８の角部の代 わりに、他のカタジオブトリック型反射体を使用することができる。例えば、後 面か金属被覆されたＰ／３ないし３Ｐ／４型セルフオツクレンズや、収斂レンズ とその焦点面に配置された平面鏡とを使用することができる。

反射性のまたは内部が金属で被覆された互いに垂直な３つの平面を有する立方体 の“中空”の角部や、または、互いに垂直な３つの面の外部か金属で被覆された 中実の立方体の角部を使用することも可能であろう。

図３および図４は、本発明の異なる実施例をそれぞれ示す。

図３の装置は円筒形の金属ハウジング３４を含む。金属ハウジング３４はその内 部に、セルフォックレンズからなるコリメータレンズ１６と、立方体２８の角部 と、センサの検知手段を構成する水晶結晶板２０とを収容する。光ファイバｌＯ は保持管（ｆａｒｒｕｌｅ）　３６によって保持され、該保持管３６を通ってハ ウジング３４の一方の端に入る。例えば、ハウジング３４の長さは約３０〜４０ ｍｍ、その直径は４ｍｍである。

図４において、コリメータ光学系を構成するセルフォックレンズ１６と、２つの 偏光子１８．３２と、方解石からなる検知素子２０と、後面４０が金属で被覆さ れたセルフォックレンズ３８のすべてが、ガラス細管４２の内部に保持される。

本装置の直径は２ｍｍを僅かに下回り、長さは約１０ｍｍである。

本発明においてはまた、変調の際のＣＷ酸成分減少させるために、光ファイバｌ Ｏに単層ないし多層の反射防止膜が適用される。

本発明は一般に、光束の重大な損失を伴うことなく反射を利用して作動するスペ クトル変調エンコードセンサを提供し、そのようなセンサの利用により、調整不 良や焦点ずれによる測定精度の低下の危険を伴なわないで過酷な媒体（振動、シ ョック、膨張）中の遠隔位置における測定を可能にする。

要約 本発明は、スペクトル変調による信号化を利用する反射作動型の光センサに関す る。本光センサは、光ファイバ（１０）によって光源と復調器とに接続され、コ リメータレンズ（１６）と、第１の偏光子（１８）と、被測定物理量の影響を受 ける検知素子（２０）と、第２の偏光子（３２）と、立方体の角部等のカタジオ ブトリック型反射手段とを含む。本発明の光センサによれば、全光束が干渉現象 の影響を受けることなくセンサ通過後光ファイバ（１０）に再入射する。

国際調査報告 国際調査報告 ＦＲ９１０００１５ ＳＡ　４４００７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スペクトル変調による光のエンコードの原理を利用して物理量を遠隔的に測 定する反射作動型装置であって、インコヒーレント光の光源（１２）と、該光源 に光ファイバ（１０）を介して接続され、かつ、被測定物理量の影響を受ける複 屈折検知素子（２０）と、該複屈折検知素子（２０）と前記光ファイバの間に設 けられるコリメータレンズ（１６）および偏光子（１８）とを含むセンサと、前 記光ファイバから遠い側の前記センサの端部に設けられる光反射手段とを含む装 置において、前記光反射手段（２８，３８，４０）が反射の方向と入射の方向が 平行であるカタジオプトリック型であり、第２の偏光子（３２）が前記検知素子 （２０）と前記反射手段（２８，３８，４０）の間に設けられ、前記両偏光子（ １８，３２）の方向が交差するかまたは平行であることを特徴とする装置。 ２．前記第１の偏光子（１８）の光通過方向が、前記センサの前記検知素子（２ ０）の遅い軸および速い軸と４５°をなす請求項１の装置。 ３．前記光反射手段が、頂点（３０）が前記センサと反対側を向き前記センサの 光軸（２４）上に位置するように設けられた立方体（２８）の角部によって構成 される請求項１ないし請求項２の装置。 ４，前記第２の偏光子（３２）の２回目の通過後に光束が極大となるように、前 記立方体（２８）の角部の複数の面が、該第２偏光子に対して相対配置される請 求項３の装置。 ５．前記光反射手段が、反射性のもしくは内部が金属で被覆された３つの面を有 する中空の立方体の角部によって構成されるか、または、外部が金属で被覆され た３つの垂直な面を有する中実の立方体の角部によって構成される請求項３ない し請求項４の装置。 ６．前記光反射手段が、収斂レンズと該レンズの焦点面に配置された平面鏡とに よって構成される請求項１ないし請求項２の装置。 ７．前記光反射手段が、金属で被覆された後面（４０）を有するＰ／４型ないし ３Ｐ／４型セルフォックレンズ（３８）である請求項１ないし請求項２の装置。 ８．前記光ファイバ（１０）が単層ないし複数層の反射防止膜を含む請求項１〜 ７の何れかの装置。 ９．前記コリメータレンズ（１６）、前記両偏光子（１８，３２）、前記検知素 子（２０）および前記光反射手段（２８，３８）のすべてが、金属のハウジング か、または、細管などの誘電材料からなる円筒形外筒（４２）の内部に収容され る請求項１〜８の何れかの装置。 １０．前記光源（１２）に関する中心波長のドリフトの可能性を除去するために 、前記センサによる変調周波数（Δ）と該周波数の２倍の周波数（２Δ）とに調 整された復調干渉計（１４）に関係付けられる請求項１〜９の何れかの装置。