JPH04531B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学的変換手段（optical
transducer）およびこれを用いた測定に関するも
のである。

（従来技術） 光学的測定装置は種々の目的、例えば容器内の
圧力を測定するために用いられている。このよう
な装置は圧力変化に応じてこれを光ビームに変え
る光学的変換手段を必要とする。

米国特許第3273447号公報には、公知の一圧力
モニター装置が記載されており、そしてこの装置
においては光がある離れた光源から第１の光フア
イバを経て、変換手段に導かれ、そして第２の光
フアイバを経て上記の離れた位置にある受光手段
に戻される。この変換手段は、反射面を有する柔
軟な膜からなつている。第１の光フアイバからの
光は膜により第２の光フアイバへ反射され、そし
てこの膜は第２の光フアイバへ入射する第１の光
フアイバからの光の割合が膜面の変位の関数とな
るように配置してある。第２の光フアイバを経て
上記離れた位置にて受けた光の強度は、モニター
すべき圧力の大きさを与えるためにモニターされ
ている。

上記のタイプの測定装置では、光学系が不安定
であるため、正確な目盛り測定を続けることは非
常に難しい。システムの避けられない不安定さに
対する補正が行えるように、第２の光フアイバを
経て戻つて来た光の比較が行える光学的レフアラ
ンス信号を、離れた位置にて与えるために、何ら
かの手段が必要である。

英国特許第2010476号公報には、必要なレフア
ランス信号を与えようとした種々の測定装置が記
載してある。基本的には、記載された装置は、光
源すなわち離れた位置にある光源から変換手段に
伝送された光ビームから発生した２本の光ビーム
を離れた位置に戻している。ある一つの装置で
は、変換手段は単一ビームを横切つて測定される
パラメータに応答して動くようにしたミラーを備
えており、一方の帰還ビームはミラーにより反射
した光から作られ、他方の帰還ビームはミラーに
よつてさえぎられなかつた単一の光ビームの部分
から作られている。このようにして、両帰還ビー
ムはミラーにより効果的に、一方の強さが逆に他
方の強さになるように変調される。もう一つの装
置では二つの光ビームが与えられており、そのう
ちの一方だけを変調するように置かれ、そしてこ
の結果帰還ビームの一方だけが変調される。

英国特許第2010476号のシステムは、変調用ミ
ラーが変調されたビームの方向を横切つて動くと
き、ビーム自体の直径が小さいため、非常に小さ
いミラーの移動でも全面的な屈折を起こすという
問題を有している。したがつて、測定したパラメ
ータの変化に応答してミラーを動かす変換手段の
機構は非常に正確でなければならない。しかしな
がら、たとえ要求精度が達せられても、ビームを
横切るミラーの非常に小さな振動が出力に激しい
変動を引き起こすことがある。

米国特許第3327584号公報には、光ビームの軸
に平行に移動可能な物体の表面から光ビームを反
射させることによつて測定用信号を作り出すよう
にした光学的変換手段が記載されている。この結
果、物体の非常に小さい移動が変換手段の出力の
全面的な屈折を起こすことはない。また、米国特
許第3327584号において、予め定められた位置に
ある第２の反射面から光ビームの一部を反射さ
せ、そして反射させた光ビームを空間的に分離さ
れた帰還フアイバを経て伝えることによりレフア
ランス信号を与えることが提案されている。不幸
にして、このレフアランス信号を作り出す装置は
組立てるのが難しく、そして測定用およびレフア
ランス信号の双方とも、その強さが第２の反射面
の縁の位置に非常に敏感であるので、不安定さ引
き起こす振動を生じ易い。第２の反射面の縁の、
光ビーム軸を押切るわずかな移動が物体および第
２の反射面のそれぞれにより反射される光ビーム
の割合の劇的な変化をもたらし、その結果測定用
およびレフアランス用信号間の関係があてになら
なくなることがある。

米国特許第3327584号公報では、またレフアラ
ンス信号を作り出すための装置が記載されてお
り、そしてこの装置では、レフアランス信号が測
定用信号を得るために使われる伝送路から完全に
空間的に分離された伝送路により変換手段に伝え
られ、そしてこれから戻されて来ている。これは
光ビームの一部を反射する際に出くわす問題を避
けているが、測定用とレフアランス信号間の関係
をより疎遠にしており、したがつて、システムの
信頼性は低下している。

上記米国特許公報により示されるように長年の
間、光学的変換手段のシステムが知られて来たと
いう事実にも拘らず、そしてそれらの電気的な受
動性（electrical passivity）が、例えば石油化学
装置のような危険な装置において遠くから感知す
るのに明らかな利点を有しているにも拘らず、略
述した上記の問題がこれまで、そのようなシステ
ムを全般的に受入れるのに妨げとなつていた。

（発明の目的） 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、目盛り調べのための光学的レフ
アランス信号を放出し、さらに上記問題を除き、
あるいは緩和する光学的変換手段を提供すること
にある。

（発明の構成） 本発明によれば、光学的変換手段は、予め決め
られた光軸方向に光ビームを向けるように配置し
た入力レンズと、上記光軸上に中心を位置させ、
かつ光軸に平行に移動可能な変調用ミラーであつ
て、強度に関して入力レンズと変調用ミラーとの
間の距離に関係する測定用信号を入力レンズへ反
射させて戻すように配置した変調用ミラーと、こ
のレンズに対して相対的に定位置で、かつ上記の
光軸上に中心を置き、強度がレンズと変調用ミラ
ーとの間の距離に依存しないレフアランス信号を
出すように配置したもう一つの光学エレメントと
からなつている。

（発明の効果） 変調用ミラーおよびもう一つの光学エレメント
の両方が光軸上に中心を置いているので、これら
の構成要素の光軸を横切る移動が測定用およびレ
フアランス信号に与える影響は無視できる。さら
に、変調用ミラーが光軸に平行に移動可能である
ので、その方向における変調用ミラーおよびもう
一つの光学エレメントの振動は、測定用信号の全
面的な屈折に必要な移動に対して比較的小さく制
限することができる。このようにして、本システ
ムは正規の振動から生じる誤差の殆どを免れるよ
うになつている。

変調用ミラーは部分的に銀メツキした（part−
silvered）あるいはダイクロイツクミラーの形式
でもよく、ミラーを通過して来た光は出力レンズ
により受光され、あるいは入力レンズへ反射して
戻される。別のダイクロイツクミラーを入力レン
ズと変調用ミラーとの間に位置させてもよい。

好ましくは、測定用およびレフアランス信号は
発信器によつて作動する位相高感度検知（phase
sensitive detection）および比率解析（ratio
analysis）回路に結合されたｐ−ｉ−ｎフオトダ
イオードレシーバによつて受信されるのがよく、
この回路は、また変換手段に送るためのビームを
供給する発光ダイオードトランスミツタ（LED
transmitter）を作動させている。

（実施例） 第１図において、線１によつて周囲が示された
光ビームは、入力レンズ３から破線２によつて示
された軸に沿うように向けられている。出力レン
ズ４は入力レンズ３と同軸となるように、入力レ
ンズ３に対して相対的に一定の位置に固定されて
いる。変調用ミラー５はレンズ３と４との間に位
置しており、矢印６によつて示されるように軸２
に平行に移動可能となつている。

レンズ２は図示しない光フアイバに接続されて
おり、そしてこの光フアイバは光学的入力信号を
レンズに送り、かつ測定用信号をレンズから戻す
役割を果している。他の光フアイバがレンズ４に
接続されており、レンズ４からレフアランス信号
を送る役割を果している。

レンズ２から出た光ビームの一部は線７によつ
て示されるように変調用ミラーによつて反射する
一方、光ビームの一部は線８によつて示されるよ
うにレンズ４に向かつてミラー５を通過して送ら
れる。レンズ３と４は互いに相対的に一定位置に
固定されており、そしてミラー５を通過する光の
強さは、実質的にはミラー５の位置に依存しない
ので、レンズ４に当る光の量はレンズ３から出た
光に対して予め決められた割合を表わしている。
したがつて、レンズ４からこれに接続された光フ
アイバ（図示せず）を伝わつて送られ、レフアラ
ンス信号を形成する光はレンズ３から出た光の強
さを正確に表わしている。

他方、レンズ３とミラー５との間の距離が大き
くなればなるほど、レンズ３に当る反射光の割合
は小さくなる。したがつて、レンズ３に向かつて
反射された光から生じる測定用信号はレンズ３と
ミラー５との間の距離を正確に表示するものであ
る。それゆえ、ミラー５を例えばブルドン管に接
続することによつて、測定用信号はその管によつ
てモニターされる圧力の表示となる。明らかに、
ミラー５は、例えばダイヤフラム、ベロー装置
（ａ bellows arrangement）あるいはバイメタ
ル片（abi−metallic strip）のような何らかの感
応部材（sensing member）に機械的に接続して
もよい。

典型的なミラー５は数ミリメータの作動範囲を
有することになるであろう。したがつて、業務用
設備において、一般的に予想される大きさの振動
はミラー５の予想される動きより十分小さいオー
ダの大きさとなり、それゆえに当該装置は相対的
に振動による不正確さから逃れている。

第２図には、２つのグレーデツド形ロツドレン
ズ（two graded index rod lenses）３と４の間
に位置した部分的に銀メツキしたミラー５の形式
による第１図に示すタイプの変換手段を備えた光
学測定システムを示している。このミラー５はい
かなる入射光ビームでも、その20％を送信するよ
う配置されるのがよい。

入力光ビームは、離れた場所に位置する発光ダ
イオードトランスミツタ１１から光フアイバ９お
よび3dBカプラー１０を経てレンズ３に放たれて
いる。入力光ビームの一部は、ミラー５からレン
ズ３に反射して、測定用信号としてフアイバ９お
よびカプラー１０を経てｐ−ｉ−ｎフオトダイオ
ードレシーバ１２に送られている。入力光ビーム
の一部は、ミラー５を通過してレンズ４に送ら
れ、光フアイバ１４を経て離れた場所にあるｐ−
ｉ−ｎフオトダイオード１３にレフアランス信号
として送り戻されている。レシーバ１２と１３の
出力は位相高感度検出および比率解析回路１５に
よつてモニターされている。発光ダイオード１１
と回路１５は共通の発信器１６によつて作動して
いる。レシーバ１２と１３の出力は測定用および
レフアランス信号の強度の比の計算を可能とし、
発光ダイオード１１の出力の振動および発光ダイ
オードから変換手段までの光学的回路の減衰の際
の振動から独立したミラー５の位置の測定値を与
える。

光フアイバ９と１４は、一般的にはマルチモー
ドフアイバであり、そして発光ダイオードトラン
スミツタ１１によつて放射された光は、もちろん
インコヒーレントとなるであろう。しかしなが
ら、もし経済的に考えて好ましいならば単一モー
ドフアイバおよびコヒーレントな光源が使われる
ことは認められるであろう。

レンズ３と４は別のタイプのものであつてもよ
い。種々のレンズシステムは、ミラー５の数ミリ
メータの変位を許容するのに必要なビームの拡大
と照準（collimation）を提供するのに有効であ
る。例えば、球状および棒状レンズは、エキスパ
ンデツドビームコネクタ（expanded beam
connector）、スイツチ、絶縁器、波長によるマ
ルチプレクサおよび指向性カプラーのようなフア
イバに関する光学分野において幅広い用途が発見
されている。しかしながら、ビームの照準のため
に、四分の一ピツチのグレーデツド形ロツド（以
下、GRIN−rodという。）レンズの焦点がその端
面と一致し、光フアイバと容易かつ優れた接続を
可能とすることから、このレンズが有利であるこ
とがわかつている。

GRIN−rodレンズの端部（たて方向）の距離、
側面（横方向）のずれそして角度方向の傾きによ
るカプラー損失は理論的に得られている。商業的
に有効なGRIN−rodレンズの理論的な端部の離
隔による損失は、２つの重要な特徴を示してお
り、それは変位センサー機構に使用することに対
して魅力的な面を有している。それは、変位の重
要な範囲が利用でき、システムが変位全体にわた
つて線形であるということである。端部の離隔に
よる損失は、殆ど結合用フアイバの長さには依存
しない。これは、供給と帰還フアイバ双方におけ
るモードの出力分布に依存するフアイバとフアイ
バの直接結合と著しく異つている。

第２図の装置では、発光ダイオードトランスミ
ツタ１１は1KHzの方形波に変調され、放射光の
出力は、開口（aperture）0.24の数値を有する電
気通信規格50/125のマルチモードグレーデツド形
フアイバに投入されるのがよい。レンズ３と４は
セルフオツク（SELFOC）SLS−1.0−0.25pの商
品名で市場に出されたタイプのGRIN−rodレン
ズがよい。

ついで、第３図、第４図に示された構造物は、
第１図にしたがつて変換手段の構成要素を支持す
る一実施例である。この構造物は、任意の望む位
置に装着されることを可能とする取付け穴１８を
形成したアルミニウムブロツク１７を備えてい
る。このブロツク１７に、管状のハウジング２０
を位置的に定める２つの支持ブロツク１９が固定
されており、このハウジング２０内にはレンズ３
と４が支持されている。光フアイバ（図示せず）
は管状のハウジング２０内へ伸びてレンズ３と４
に結合されている。

ミラー５は、管状のハウジング２０の外側の表
面を支えるPTFEブツシユ２２を有する筒状のキ
ヤリツジ２１内に支持されている。したがつて、
キヤリツジ２１は、レンズ３と４に対して相対的
にミラー５の位置を調節できるように管状のハウ
ジング２０に対して相対的にスライド可能となつ
ている。ブラケツト２３は、例えばブルドン管の
ようなアクチユエータに接続するために設けられ
ている。

第５図では、第３図、第４図の構造とは別の構
造を示してある。入力レンズ３はフアイバ９に接
続され、かつ管状のハウジング２４内に支持され
ている。ミラー５は、管状のハウジング２４と同
軸上の筒状のハウジング２５内にスライド可能に
受け入れられている。出力レンズ４は入力レンズ
３と同軸上に、図示しない手段により独立に支持
されている。

第６図は、第３図、第４図に示された構造と別
のもう一つの例を示す。第６図の装置では、ミラ
ー５はキヤリツジ２１上に支持されているが、第
３図の装置と対照的にキヤリツジ２１は筒状のハ
ウジング２６内にスライド可能に受け入れられ、
レンズ３と４は端部用キヤツプ２９上に支持され
た管状のハウジング２７，２８内に支持されてい
る。ブラケツト２３は筒状のハウジング２６内へ
小孔を通つて至つている。

第７図に戻ると第１図に示すものの代りに変換
手段のための別の基本的な装置が示されている。
入力レンズ３はその端面上にダイクロイツクミラ
ー３０を支持し、かつミラー５は完全に反射させ
るものである。レンズ３は図示しない光フアイバ
により異なつた波長Ｗ１とＷ２の入力信号を受け
ている。ダイクロイツクミラー３０は波長Ｗ１の
信号に対しては完全に反射させるが、波長Ｗ２の
信号に対しては透明である。したがつて、入力レ
ンズ３を経て信号を供給する光フアイバに戻つた
信号は、ミラー３０から単に直接反射された波長
Ｗ１の第１成分と、レンズ３に対するミラー５の
相対的な位置の関数としての強度が変調される波
長Ｗ２の第２成分とからなつている。この装置
は、入力光信号と反射されたレフアランスおよび
測定用信号の双方を送るのに１本のフアイバがあ
ればよい点で有利である。入力レンズ上に別個の
ダイクロイツクミラー３０を支持するものとし
て、その他入力レンズでの出力端の表面が、その
まま用いられ、同様の効果を達成することができ
る。

第８図では、入力および出力レンズ３，４それ
ぞれが変調用ミラー５との関係において第１図の
実施例と同様に配置されている。しかしながら、
第１図の半銀メツキミラー５の代わりに、第８図
の変調用ミラー５はダイクロイツクミラーであ
る。波長Ｗ１およびＷ２の入力信号は入力レンズ
３を経て送られて来る。波長Ｗ１の信号はミラー
５により反射されて測定用信号となる。波長Ｗ２
の信号はミラー５を通過して、出力レンズ４によ
り捕えられ、レフアランス信号となる。

第９図では、第１図の装置とは別のもう一つの
装置が示されている。変調用ミラー５はダイクロ
イツクミラーの形式であり、そしてここでも入力
レンズ３により送られて来た入力信号は波長Ｗ１
とＷ２のものである。波長Ｗ１の信号は入力レン
ズ３に反射により戻され、測定用信号となる。波
長Ｗ２の信号はダイクロイツクミラー５を通過し
て、そして入力レンズ３に対して相対的に定位置
に固定された他の全銀メツキミラー３１によつて
反射させられる。ミラー３１によつて反射された
光はダイクロイツクミラー５を通つてレンズ３に
戻り、そしてレフアランス信号の基となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１光学的変換手段の概
略図、第２図は第１図の光学的変換手段を組み入
れた光学的測定システムを示す図、第３図は第１
図に示すタイプの光学的変換手段の断面図、第４
図は第３図の４−４線方向から見た図、第５図は
第１図に示すタイプのもう一つの光学的変換手段
の断面図、第６図は第１図に示すタイプのさらに
もう一つの光学的変換手段の断面図、第７図〜第
９図はそれぞれ本発明に係る第２、第３、第４光
学的変換手段の概略図である。 ２……破線、３，４……レンズ、５……ミラ
ー、９……光フアイバ、１０……カプラー、１１
……発光ダイオードトランミツタ、１２，１３…
…ｐ−ｉ−ｎフオトダイオードレシーバ、１４…
…光フアイバ、１５……位相高感度検出および比
率解析回路、１６……発振器、２０，２４〜２７
……ハウジング、３０……ダイクロイツクミラ
ー、３１……全銀メツキミラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 予め決められた光軸方向に光ビームを向ける
   ように配置した入力レンズと、上記光軸上に中心
   を位置させ、かつ光軸に平行に移動可能な変調用
   ミラーであつて、強度に関して入力レンズと変調
   用ミラーとの間の距離に関係する測定用信号を入
   力レンズへ反射させて戻すように配置した変調用
   ミラーと、このレンズに対して相対的に定位置
   で、かつ上記光軸上に中心を置き、強度がレンズ
   と変調用ミラーとの間の距離に依存しないレフア
   ランス信号を出すように配置したもう一つの光学
   エレメントとからなることを特徴とする光学的変
   換手段。 ２ 上記変調用ミラーが、光ビームの一部を入力
   レンズへ反射し、かつ光ビームの一部を上記もう
   一つの光学エレメントへ送るように配置されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光学的変換手段。 ３ 上記変調用ミラーが部分的に銀メツキされて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の光学的変換手段。 ４ 上記変調用ミラーがダイクロイツクミラー
   で、かつ光ビームが変調用ミラーによつて反射さ
   れる波長成分と変調用ミラーが実質的に透明とな
   る波長成分とからなることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の光学的変換手段。 ５ 上記もう一つの光学エレメントが出力レンズ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第２項か
   ら第４項のいずれかに記載の光学的変換手段。 ６ 上記もう一つの光学エレメントが、受けた光
   ビームの一部を入力レンズへ反射させて戻すよう
   に配置したミラーであることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項から第４項のいずれかに記載の光
   学的変換手段。 ７ 上記もう一つの光学エレメントが、入力レン
   ズと変調用ミラーとの間に位置するダイクロイツ
   クミラーで、かつ光ビームがダイクロイツクミラ
   ーによつて反射される波長成分と、ダイクロイツ
   クミラーが実質的に透明となる波長成分とからな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光学的変換手段。 ８ 上記入力および出力レンズが同軸上の管状の
   ハウジング内に支持され、かつ変調用ミラーが管
   状のハウジングにスライド可能に装着された管状
   キヤリツジ内に支持されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載の光学的変換手段。 ９ 上記入力レンズが管状のハウジング内に支持
   され、かつ変調用ミラーが管状のハウジングと同
   軸上にある筒状のハウジング内にスライド可能に
   装着されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第７項のいずれかに記載の光学的変換
   手段。 １０ 上記入力および出力レンズが同軸上の管状
   のハウジング内に支持され、かつ変調用ミラーが
   同軸上で、かつ管状のハウジングを支持する筒状
   のハウジング内にスライド可能に装着されている
   管状のキヤリツジ内に支持されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項に記載の光学的変換
   手段。 １１ 上記測定用およびレフアランス信号を受け
   るように接続したｐ−ｉ−ｎフオトダイオードレ
   シーバと、このレシーバに結合した位相高感度検
   出および比率解析回路と、上記光ビームを供給す
   る発光ダイオードトランスミツタと、上記解析回
   路および発光ダイオードトランスミツタを作動さ
   せる発振器とを有することを特徴とする上記第１
   項から第１０項のいずれかに記載の光学的変換手
   段。