JPH0566992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、光フアイバを介して被測定雰囲気に
対し光波の送受光を行ない、この光波の位相遅れ
から光波を伝搬した被測定雰囲気の光路長を測定
する光路長測定器に関し、特に前記光フアイバ等
に起因する光路長測定値の誤差を補償する手段の
改良に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕

第３図は従来の光路長測定器の構成を示す系統
図である。変調信号源１の変調信号Ｓ１に応じて
発光源２から出射される光波３は、投光レンズ４
を透過して被測定雰囲気Ａ内を伝搬し、コーナー
チユーブ５にて反射し、受光レンズ６を透過して
受光部７に到達する。そして、この受光部７にて
電気信号Ｓ２に変換されたのち位相差検出部８に
送出される。この位相差検出部８においては、前
記変調信号源１から与えられる変調信号Ｓ１と上
記電気信号Ｓ２との位相差が検出され、この位相
差に基いて前記光波３が発光されてから受光され
るまでの伝搬時間が求められる。その結果、この
光波の伝搬時間に基いて光路長変換部９により被
測定雰囲気Ａの光路長が求められ、光路長測定器
本体１０の内部もしくは外部に設けられた表示部
１１に表示されるものとなつている。

しかるに、上述したような光路長測定手段で
は、発光源２として使用されるLEDや受光部７
の受光素子または増幅器による遅れ要素を含んだ
まま被測定雰囲気Ａの光路長を測定しており、測
定値には誤差が含まれている。

そこで、一般には、発光源２から出射された光
波３をチヨツパビームスプリツタ１２によつて時
間分割的に測定光波３ａと内部参照光波３ｂとに
分割し、両光波の位相差に基いて前記遅れ要素に
よる誤差を補償した後、被測定雰囲気Ａの光路長
を測定するものとなつている。

一方、前記被測定雰囲気Ａが爆発性のガス雰囲
気等のように電気的エネルギーが好ましくない雰
囲気A′の場合には、測定器本体１０を上記雰囲
気A′中に設置することはできない。また、前記
チヨツパビームスプリツタ１２も電気的エネルギ
ーを必要とするので同様である。したがつて、こ
のような場合には、第４図に示すように、チヨツ
パビームスプリツタ１２を含む測定器本体１０を
被測定雰囲気A′から離れた場所に設置し、この
本体１０から送受光用レンズ１３を備えた投光受
光光学系１４までを光フアイバ１５によつて連結
して光路の送受光を行ない、被測定雰囲気A′に
おける光路長測定を行なうものとなつている。

しかるに、上記光フアイバ１５は温度変化等の
環境変化に起因してフアイバ自体の光路長が変化
する。たとえば、光フアイバ１５の全長が100ｍ
以上の場合、数10度の温度変化が生じると、フア
イバ自体の光路長は数10mm程度変化する。したが
つて、被測定雰囲気A′の光路長を測定器本体１
０内の演算処理手段によつて算出しても、この算
出値は誤差を生じるおそれがあり、精度的に問題
があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情に基いてなされたもの
であり、その目的とするところは、光路長測定器
本体と投光受光光学系とを連結する光フアイバの
光路長変化を無視することができ、たとえ電気的
エネルギーの好ましくない被測定雰囲気であつて
も精度よく光路長を測定することができる光路長
測定器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、第１の
方向性結合器の一端の一方のポートに光フアイバ
を介して第１の発光手段を接続するとともに一端
の他方のポートに光フアイバを介して第２受光手
段を接続し、かつ他端の一方のポートに光フアイ
バーを介して第１の内部参照光用ミラーを接続す
るとともに他方のポートを投光受光手段に接続
し、 又、第２の方向性結合器の一端の一方のポート
に光フアイバを介して第２の発光手段を接続する
とともに一端の他方のポートに光フアイバを介し
て第１受光手段を接続し、かつ他端の一方のポー
トに光フアイバーを介して第２の内部参照光用ミ
ラーを接続するとともに他方のポートを投光受光
手段に接続する。

かかる構成において、第１の第２の発光手段を
発光制御手段により時間分割的に切り換えて駆動
すると、第１の発光手段から出射され第１の方向
性結合器を介して第１の内部参照光用ミラーで反
射して第２の受光手段に至る光波と第１の方向性
結合器を介して投光受光手段により被測定雰囲気
内に出射され第２の方向性結合器を介して第１の
受光手段に至る光波との位相差が位相差検出手段
により検出され、 又、第２の発光手段から出射され第２の方向性
結合器を介して第２の内部参照光用ミラーで反射
して第１の受光手段に至る光波と第２の方向性結
合器を介して投光受光手段により被測定雰囲気内
に出射され第１の方向性結合器を介して第２の受
光手段に至る光波との位相差が位相差検出手段に
より検出される。

これら位相差に基づいて制御演算処理手段によ
り被測定雰囲気の光路長が求められる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明を電気的エネルギーが好ましく
ない被測定雰囲気A′の光路長測定に適用した一
実施例の構成を示す系統図である。なお、第３
図、第４図と同一部分には同一符号を付し、詳し
い説明は省略する。第１図において２０は光路長
測定本体であつて、第１、第２の発光部２１，２
２および第１、第２の受光部２３，２４が設けら
れており、それぞれ発光素子２１ａ，２２ａおよ
び受光素子２３ａ，２４ａを備えている。すなわ
ち、第１、第２の発光部２１，２２に各発光素子
２１ａ，２２ａが備えられ、第１、第２の発光部
２１，２２の駆動により各発光素子２１ａ，２２
ａからそれぞれ光波が出射され、これら光波が後
述する各光フアイバ４１，４２に入射するものと
なつている。又、第１、第２の受光部２３，２４
に各受光素子２３ａ，２４ａが備えられ、これら
受光素子２３ａ，２４ａで後述する各光フアイバ
４３，４４を伝達してきた光波を受光するものと
なつている。そして、これら受光素子２３ａ，２
４ａより受光された光波が第１、第２の受光部２
３，２４により各電気信号Ｓ４，Ｓ５およびＳ
３，Ｓ６に変換されるものとなつている。上記光
路長測定器本体２０は被測定雰囲気A′から離れ
た場所に設置されており、上記被測定雰囲気
A′中に設けられる投光受光光学系３０とは光フ
アイバ４１，４２，４３，４４を介して次の如く
接続されている。すなわち、第１の発光部２１
は、前記投光受光光学系３０内の第１の２ポート
×２ポート方向性結合器（以下、第１のカプラと
略称する）３１における一端の一方のポートに前
記光フアイバ４１によつて接続され、第２の発光
部２２は、前記投光受光光学系３０内の第２の２
ポート×２ポート方向性結合器（以下、第２のカ
プラと略称する）３２における一端の一方のポー
トに前記光フアイバ４２を介して接続されてい
る。また、第１の受光部２３は、前記第２のカプ
ラ３２における一端の他方のポートに前記光フア
イバ４３によつて接続され、第２の受光部２４
は、前記第１のカプラ３１における一端の他方の
ポートに前記光フアイバ４４を介して接続されて
いる。

一方、上記第１のカプラ３１における他端の一
方のポートは、光フアイバ４５を介して第１の内
部参照光用ミラー３３に接続され、他方のポート
は光フアイバ４６を介して投光受光用ミラー３４
に接続されている。また、第２のカプラ３２にお
ける他端の一方のポートは、光フアイバ４７を介
して第２の内部参照光用ミラー３５に接続され、
他方のポートは光フアイバ４８を介して前記投光
受光用ミラー３４に接続されている。

この状態で、前記第１の発光部２１から出射さ
れた光波は、光フアイバ４１を介して第１のカプ
ラ３１に伝送され、さらに、光フアイバ４５およ
び４６を介して第１の内部参照光用ミラー３３お
よび投光受光用ミラー３４に伝送される。そし
て、上記第１の内部参照光用ミラー３３によつて
反射された光波は、内部参照光波として光フアイ
バ４５、第１のカプラ３１、光フアイバ４４を介
して第２の受光部２４に伝送され、ここで電気信
号Ｓ３に変換される。一方、投光受光用ミラー３
４によつて投光された光波は、外部測定光波とし
て投光受光用レンズ３６によつて所定方向に変換
されたのちコーナーミラー５に至り、このコーナ
ーミラー５にて反射されて上記投光受光用ミラー
３４に戻り、光フアイバ４８、第２のカプラ３
２、光フアイバ４３を介して第１の受光部２３に
伝送され、ここで電気信号Ｓ４に変換されるもの
となつている。

また、前記第２の発光部２２から出射された光
波は、光フアイバ４２を介して第２のカプラ３２
に伝送され、さらに、光フアイバ４７および４８
を介して第２の内部参照光用ミラー３５および投
光受光用ミラー３４に伝送される。そして、上記
第２の内部参照光用ミラー３５によつて反射され
た光波は、内部参照光波として光フアイバ４７、
第２のカプラ３２、光フアイバ４３を介して第１
の受光部２３に伝送され、ここで電気信号Ｓ５に
変換される。一方、投光受光用ミラー３４によつ
て投光された光波は、外部測定光波として投光受
光用レンズ３６によつて所定方向に変換されたの
ちコーナーミラー５に至り、このコーナーミラー
５にて反射されて上記投光受光用ミラー３４に戻
り、光フアイバ４６、第１のカプラ３１、光フア
イバ４４を介して第２の受光部２４に伝送され、
ここで電気信号Ｓ６に変換されるものとなつてい
る。

前記各電気信号Ｓ３〜Ｓ６は位相差検出部２５
に送出され、ここで電気信号Ｓ３とＳ４と位相差
Δφ１が検出されると共に、電気信号Ｓ５とＳ６
との位相差Δφ２が検出される。これら位相差Δφ
１，Δφ２は制御・演算処理部２６に与えられる。
この制御・演算処理部２６は、前記第１、第２の
発光部２１，２２を時間分割的に駆動させるため
の切換スイツチ２７を制御する機能を有すると共
に、上記位相差Δφ１，Δφ２に対して所定の演算
処理および補正を施すことにより被測定雰囲気
A′の光路長を求め、距離信号Ｓ７に変換して表
示部１１に出力する機能を有している。すなわ
ち、上記切換スイツチ２７及び制御・演算処理部
２６の機能により第１、第２の発光部２１，２２
を時間分割的に切り換えて駆動する発光制御手段
が構成されている。

次に本実施例の動作について説明する。まず、
制御・演算処理部２６の時間分割的な制御によつ
て切換スイツチ２７が端子２７ａ側に接続される
と、第１の発光部２１に対して変調信号源１から
変調信号Ｓ１が供給され、上記第１の発光部２１
が駆動する。そうすると、投光受光用ミラー３４
により外部測定光波が被測定雰囲気A′中に投光
され、コーナーミラー５によつて反射したのち所
定の経路を経て第１の受光部２３に受光され、電
気信号Ｓ４に変換される。また、同時に第１の内
部参照光用ミラー３３によつて内部参照光波が反
射され、所定の経路を経て第２の受光部２４に受
光され、電気信号Ｓ３に変換される。そして、位
相差検出部２５によつて両電気信号Ｓ３，Ｓ４の
位相差Δφ１が検出され、制御・演算処理部２６
に記憶される。

次いで、制御・演算処理部２６の時間分割的な
制御によつて切換スイツイ２７が端子２７ｂ側に
切換わると、第２の発光部２２に対して変調信号
源１から変調信号Ｓ１が供給され、上記第２の発
光部２２が駆動する。そうすると、投光受光ミラ
ー３４により外部測定光波が被測定雰囲気A′中
に投光され、コーナーミアー５によつて反射した
のち所定の経路を経て第２の受光部２４に受光さ
れ、電気信号Ｓ６に変換される。また、同時に第
２の内部参照光用ミラー３５によつて内部参照光
波が反射され、所定の経路を経て第１の受光部２
３に受光され、電気信号Ｓ５に変換される。そし
て、位相差検出部２５によつて両電気信号Ｓ５，
Ｓ６の位相差Δφ２が検出され、制御・演算処理
部２６に記憶される。その後、上記制御・演算処
理部２６によつて両位相差Δφ１，Δφ２に対し所
定の演算および補正が施されて距離信号Ｓ７に変
換された後、被測定雰囲気A′の光路長として表
示部１１に表示される。

このように、第１の発光部２１と第２の発光部
２２とを時間分割的に駆動し、それぞれの内部参
照光波と外部測定光波に応じた電気信号Ｓ３とＳ
４およびＳ５とＳ６の位相差Δφ１，Δφ２を検出
してこれらに所定の演算を施すと、発光部２１，
２２、受光部２３，２４および光フアイバ４１〜
４８による遅延を無視でき、被測定雰囲気A′に
よる位相遅延のみが求められる。

第２図は第１、第２の受光部２３，２４から送
出される電気信号Ｓ３〜Ｓ６の一例を示す図であ
る。同図においてｔ１〜ｔ４は第１、第２の発光
部２１，２２および第１、第２の受光部２３，２
４による信号の遅延時間、Ｔ１〜Ｔ４は光フアイ
バ４１〜４４による光路の遅延時間、Txは投光
受光用レンズ３６からコーナーミラー５までの被
測定雰囲気A′による光波の片道の遅延時間を示
している。なお、光フアイバ４５〜４８による遅
延時間は、この光フアイバ４５〜４８が前記光フ
アイバ４１〜４４に比べて十分に短く、光路長の
ドリフトが小さく無視できるため、定数として最
終的な結果から補正すればよい。

第２図から明らかなように、第１の発光部２１
を駆動した場合の第１の受光部２３における出力
（電気信号）Ｓ４の全遅延時間U11は U11＝t1＋T1＋T3＋t3＋2Tx ……(1) となる。また、このときの第２の受光部２４にお
ける出力（電気信号）Ｓ３の全遅延信号時間U12
は U12＝t1＋T1＋T4＋t4 ……(2) となる。したがつて、両者の遅延時間差ΔU１は ΔU1＝U11−U12＝T3＋t3＋2Tx −T4−t4＝ΔL＋2Tx ……(3) となる。ただし、ΔL＝T3＋t3−T4−t4とする。

同様に、第２の発光部２２を駆動した場合の第
１の受光部２３における出力（電気信号）Ｓ５の
全遅延時間U21は U21＝t2＋T2＋T3＋t3 ……(4) となる。また、このときの第２の受光部２４にお
ける出力（電気信号）Ｓ６の全遅延時間U22は U22＝t2＋T2＋T4＋t4＋2Tx ……(5) となる。したがつて、両者の遅延時間差ΔU2は ΔU2＝U21−U22＝T3＋t3−T4 −t4−2Tx＝ΔL＋2Tx ……(6) となる。

ここで、上記(3)式および(6)式に求めたΔU１，
ΔU２は第１図における位相差検出器２５の出力
であり、これら出力を制御・演算処理部２６にて
減算すると ΔU1−ΔU2＝4Tx ……(7) となる。したがつて、上記制御・演算処理部２６
にて処理された結果は、被測定雰囲気A′による
光波の遅延時間Txのみとなり、発光部２１，２
２、受光部２３，２４および光フアイバー４１〜
４４による遅延時間の変化に影響されない。

このように本実施例によれば、被測定雰囲気
A′による遅延時間Txのみに基いて制御・演算処
理部２６にて被測定雰囲気A′の光路長を測定し
ているので、例えば気温変化によつて光フアイバ
４１〜４４の光路長が変化しても何等影響され
ず、測定値に誤差が生じるおそれはない。したが
つて、爆発性のガス雰囲気等のように電気的エネ
ルギーが好ましくない雰囲気においても、光路長
測定を精度よく行なうことができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を越えない範囲で種々変形
実施可能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は、第１と第２の発
光手段を発光制御手段により時間分割的に切り換
えて駆動し、第１の発光手段から出射され第１の
方向性結合器を介して第１の内部参照光用ミラー
で反射して第２の受光手段に至る光波と第１の方
向性結合器を介して投光受光手段により被測定雰
囲気内に出射され第２の方向性結合器を介して第
１の受光手段に至る光波との位相差を位相差検出
手段により検出し、又、第２の発光手段から出射
され第２の方向性結合器を介して第２の内部参照
光用ミラーで反射して第１の受光手段に至る光波
と第２の方向性結合器を介して投光受光手段によ
り被測定雰囲気内に出射され第１の方向性結合器
を介して第の受光手段に至る光波との位相差を位
相差検出手段により検出し、これら位相差に基づ
いて制御演算処理手段により被測定雰囲気の光路
長を求めるようにしたものである。

したがつて本発明によれば、２つの方向性結合
器および２つの内部参照光用ミラーを用いること
により構成部品を少なくできてコストも低減で
き、さらに小形化も可能となり、光路長測定器本
体と投光受光光学系とを連結する光フアイバの光
路長変化および発光部、受光部の位相特性変化を
補償することができ、たとえ電気的エネルギーの
好ましくない被測定雰囲気であつても精度高く光
路長を測定できる光路長測定器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す系統
図、第２図は同実施例の作用効果を説明するため
の図、第３図および第４図は従来例を説明するた
めの図である。 １……変調信号源、５……コーナーミラー、１
１……表示部、２０……光路長測定器本体、２
１，２２……第１、第２の発光部、２３，２４…
…第１、第２の受光部、２５……位相差検出部、
２６……制御・演算処理部、３０……投光受光光
学系、３１，３２……第１、第２の２×２方向性
結合器（第１、第２のカプラ）、３３，３５……
第１、第２の内部参照光用ミラー、３４……投光
受光用ミラー、３６……投光受光用レンズ、４１
〜４８……光フアイバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１及び第２の発光手段と、 第１及び第２の受光手段と、 前記第１と第２の発光手段を時間分割的に切り
   換えて駆動する発光制御手段と、 両端にそれぞれ２ポートを有するもので、一端
   の一方のポートに光フアイバを介して前記第１の
   発光手段が接続されるとともに一端の他方のポー
   ト光フアイバを介して前記第２受光手段が接続さ
   れた第１の方向性結合器と、 両端にそれぞれ２ポートを有するもので、一端
   の一方のポートに光フアイバを介して前記第２の
   発光手段が接続されるとともに一端の他方のポー
   トに光フアイバを介して前記第１受光手段が接続
   された第２の方向性結合器と、 前記第１の方向性結合器の他端の一方のポート
   に対して光フアイバーを介して接続された第１の
   内部参照光用ミラーと、 前記第２の方向性結合器の他端の一方のポート
   に対して光フアイバーを介して接続された第２の
   内部参照光用ミラーと、 前記第１及び第２の方向性結合器における他端
   の他方の各ポートとそれぞれ接続され、これら第
   １及び第２の方向性結合器からの各光波を被測定
   雰囲気に出射するとともにその反射光波を受光し
   て前記第２及び第１の方向性結合器に伝達する投
   光受光手段と、 前記第１及び第２の受光手段から出力される各
   電気信号を受け、前記第１の発光手段から出射さ
   れ前記第１の方向性結合器を介して前記第１の内
   部参照光用ミラーで反射して前記第２の受光手段
   に至る光波と前記第１の方向性結合器を介して前
   記投光受光手段により前記被測定雰囲気内に出射
   され前記第２の方向性結合器を介して前記第１の
   受光手段に至る光波との位相差を検出し、かつ前
   記第２の発光手段から出射され前記第２の方向性
   結合器を介して前記第２の内部参照光用ミラーで
   反射して前記第１の受光手段に至る光波と前記第
   ２の方向性結合器を介して前記投光受光手段によ
   り前記被測定雰囲気内に出射され前記第１の方向
   性結合器を介して前記第２の受光手段に至る光波
   との位相差を検出する位相差検出手段と、 この位相差検出手段により検出された両位相差
   に基づいて前記被測定雰囲気の光路長を演算処理
   する制御演算処理手段と、 を具備したことを特徴とする光路長測定器。