JPH0620093Y2 - 光フアイバジヤイロ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 【技術分野】

本考案は、航空機、ロボット、自動車等の移動体に取り
付けられ、その回転角速度を検出する光ファイバジャイ
ロにおいて問題となるレンズやファイバ端での反射によ
るノイズ光の受光器への入射の低減に関する考案であ
る。

【従来技術とその問題点】

従来の光ファイバジャイロの問題点を第２図に従って説
明する。第２図は光ファイバジャイロの基本原理図であ
る。光源１より発した光はビームスプリッタ４で二分さ
れ、レンズ２、３によってファイバコイル５に結合し、
ファイバコイル中を右回り、左廻りに伝搬する。ファイ
バをそれぞれ他端から出射した光は、ビームスプリッタ
４（Ｂ．Ｓ．という）で合成され、受光素子６に入射す
る。受光素子は左廻り光、右廻り光の干渉光の強度を検
出する。 ファイバコイルが静止していると右廻り光と左廻り光は
同じ伝搬時間でファイバ伝搬するが、回転が加えられる
と、右廻り光と右廻り光の間に位相差Δθが生じる。こ
れをSagnac効果という。位相差のある２つの光が受光素
子６上で干渉し、cosΔθに比例した受光素子出力が得
られる。 実際にはΔθをsinΔθの形で検出して、低速域での感
度を向上させるために、位相変調、周波数変調、等種々
の方法が考案されている。また、静止時の光路差を零に
するために、偏光子を挿入したり、Ｂ．Ｓ．をさらに１
個追加したり、また第３図に示すように双方向の光を平
行にして再び重ねあわせるためのレンズ２、３のデフオ
ーカスの影響を取り除くためにさらにファイバ７を挿入
したりしている。 本考案はこれらの各種方式に共通に応用が可能である
が、第２図に従って、従来技術の問題点を説明する。受
光器６に入射する光は本来ファイバコイルを通過した
後、レンズ２およびレンズ３で平行になった双方向の光
のみであるが、実際はファイバ５の両端面やレンズ２、
レンズ３で反射された光も入射する。反射光はビームス
プリッタによって光を２分し、これをレンズによってフ
ァイバ端に入射しているので生ずるのである。反射光は
信号となるファイバ５からの各伝搬光と干渉しあい、ノ
イズを発生する。その結果静止時の零点が変動し、角速
度の検出性能に悪影響を及ぼす。 より詳しく説明する。光の波動関数はsin（Ｋｘ−Ω
ｔ）の形に書ける。ここでＫは光の波数、ｘは進行方向
の座標、Ωは光の角周波数、ｔは時間である。レンズや
ファイバ端での反射光は、ファイバコイルの中を伝搬し
ていないので、 ψ＝Ｅ_Ｒsin（Ωｔ＋φ） （１） と書ける。φは位相の揺らぎである。つぎに信号を形成
する伝搬光であるが、右廻り光の伝搬光の波動関数をΨ
_ｒとすると、 Ψ_ｒ＝Ｅ_ｐsin（ＫｎＬ−Ωｔ＋Δθ／２） （２） と書ける。Ｌはファイバコイルのファイバ長で、ｎは屈
折率、Ｋは光の真空中での波数である。左廻り光の伝搬
光の波動関数をΨ_１とすると、 Ψ_１＝Ｅ_ｐsin（ＫｎＬ−Ωｔ−Δθ／２） （３） となる。ΔθはSagnac効果による回転角速度を与える量
である。 さて受光素子はこれらの波動関数の和の２乗を検出する
のであるからsin関数の交差項から cosΔθ （４） cos（ＫｎＬ＋Δθ／２−φ） （５） cos（ＫｎＬ−Δθ／２−φ） （６） 等の項が出てくる。φは反射光の位相である。これが問
題である。もしも光源のコヒーレント長が無限大であれ
ば、これは安定しているはずで一定値を取る。 回転していない時はΔθ＝０であるので、上記の式は一
定値を取る。受光素子の出力からこの一定値を差し引く
ように零点調整すれば正確にΔθの値が求められる。 ところが実際には偏波面の異なる光の間の干渉を避ける
為等の目的で、コヒーレント長の短い光源を用いるので
φは時間的に変動し零点がドリフトするのである。零点
が変動しΔθ＝０でも有限の出力が出るので角速度の測
定に誤差を生ずることになる。これをオフセットドリフ
トという。 但し上記の様に静的な式は実際には利用されず、周波数
変調、位相変調などの変調方式が採用される。しかしい
ずれにしても零点には上記の式で表される反射光と伝搬
光の干渉項が含まれるようになる。何れにしても零点変
動の問題が付いて回るのである。これを解決することが
本考案の目的である。

【考案の構成】

本考案の詳細な説明を第１図によって行う。 本考案ではレンズ２およびレンズ３によって平行にされ
重ね合わせられた双方向の光が受光器６に入射する前に
レンズ９によって小さく集光される。さらにその集光点
にピンホール１０または光ファイバからなるノイズ光除
去装置が設置されている。伝搬光はピンホールを通過し
た後、受光器６に入射する。伝搬光の集光点が狭いピン
ホールに合致しているから、伝搬光の全体が受光器６に
入る。 一方レンズ端面や光ファイバの端面で反射した光はファ
イバから出射した光とは出所が異なるためレンズ９によ
る集光点はファイバから出射した光（信号光）の集光点
と異なる。ピンホール以外の地点が反射光の集光点にな
る。従ってピンホールの直径や光ファイバのコア径を十
分小さくすれば信号光と反射光を分離でき信号光のみ受
光器に入射できる。このように本考案は、反射光と伝搬
光の幾何光学的な出射点、出射方向の相違に基づいて反
射光を除去する。

【作用】

第４図によってレンズに於ける反射光を説明する。この
レンズは、第１図中のレンズ２、３に対応する。ビーム
スプリッタが受光素子、受光素子とファイバの間に存在
するが図示を略している。これはビームスプリッタに関
して発光素子、受光素子に至る光路を対称に折り返した
ものである。発光素子からの光はＲによって示す。ビー
ムスプリッタが実際には存在しているのでファイバ端か
ら出た伝搬光は実効的にＲと同じ経路を反対向きに進む
ということになる。 光源から出た光はＲ→Ｏ→Ｆというように進み、一部は
レンズで反射し、残りはファイバの端面Ｆに集光する。
ファイバ端面でさらに一部が反射する。残りの光は、フ
ァイバコイルの中を伝搬する。ファイバの他端から出た
光はＦ→Ｏ→Ｒというように同一の経路を辿る。ところ
がレンズの面で反射されたものは、ＯＦ間の点Ｔから出
射した光であるかのように拡がる（Ｗ）。これはＲより
ずっと大きい拡がりである。 第５図によってファイバ端面における反射光を説明す
る。ファイバ中を伝搬する光はＬ→Ｓ→Ｑ或はＱ→Ｓ→
Ｌと進む。ファイバ端面は光軸に対し厳密に直角ではな
いので、反射光はＬ→Ｓ→Ｐというようになり、ＬＳと
ＰＳが異なる半直線となる。反射光はＳＰ、ファイバか
ら出た伝搬光はＳＬという経路を描く。 第６図は第４図のレンズ面からの反射光が、本考案の集
光レンズ９、ノイズ除去装置１０でカットされる事を示
す図である。ここではピンホールを例示しているが光フ
ァイバによって置き換える事もできる。光ファイバ内を
伝搬した光はピンホールの穴に一致するＹ点（通過点）
で収束する。しかしレンズで反射された光はより遠くの
Ｘ点で収束する。従ってピンホールには殆ど入らない。
レンズ反射光が受光素子には殆ど入らず遮断されるの
で、この反射光と伝搬光との干渉によるオフセットドリ
フトが無くなる。 第７図は第５図のファイバ端面からの反射光が本考案の
集光レンズ９、光ファイバよりなるノイズ除去装置１０
でカットされる事を示す図である。先例のピンホールを
光ファイバで置き換えたものである。光ファイバのコア
径は充分に小さいので、これを伝搬光の集光点に合致さ
せる。光ファイバ内を伝搬した光は集光レンズ９によっ
てノイズ除去用の光ファイバのコアＹ点に収束する。光
ファイバ端面のコアが伝搬光の通過点になる。 ファイバ端面で反射された光は、レンズの収差によって
他の点Ｚに収束する。だからコアに入らない。反射光は
ファイバのコアに収束しないので光ファイバに入射しな
い。反射光が受光素子に入るのを遮断できる。 たとえばレンズに収差がなくても、反射光は光軸からの
偏奇が大きく、ファイバの開口角θ（cosθ＝ｎ_２／ｎ
_１：ｎ_１コア屈折率、ｎ_２クラッド屈折率）に入らない
からノズル除去用光ファイバの中を伝搬できず散逸す
る。 本考案は、レンズと、ピンホールまたはファイバの両方
が必要であって、片一方だけでは効果が無い。これを説
明する。第８図はレンズが無い場合の、ファイバ端での
反射光と伝搬光の経路を示す図である。ファイバ内部を
伝搬してきた伝搬光はコア中心のＦ点から出射する。こ
れは拡散し一部の光のみが前方のピンホールＹを通る。
これが光Ｑである。しかしファイバ端面のＫ点での反射
光も同様に拡散し一部の光が前方のピンホールＹを通
る。これがＸである。ファイバ端での光の強度とピンホ
ールを通る光の強度の比率が、伝搬光、反射光について
同じである。従ってピンホールだけでは反射光を遮断で
きないということが分かる。 第９図はレンズとピンホールを持つ場合の図である。こ
れによれば伝搬光はファイバ端のＦ点から出射しレンズ
によってピンホールの中心Ｙ点に収束する。これは全光
量がピンホールを通過できる。しかしファイバ端面Ｔ点
での反射光はレンズで絞られてピンホールより外れた板
面に収束する。これはピンホールを全く通過できない。 何れの場合も、レンズやファイバ端面での反射光は集光
レンズ９、ノイズ除去装置１０によってカットされ、受
光器に到達しない。 本考案は伝搬光と反射光の幾何光学的相違を利用して両
者を分離するものであるので、レンズとピンホールある
いは、レンズと光ファイバが必須である。

【本考案の効果】

本考案は、ビームスプリッタと受光素子の間にレンズ
と、ピンホールまたはファイバによるノイズ除去装置を
設け、レンズによって伝搬光のみがノイズ除去装置の狭
い通過点を通ることができるようにしている。ファイバ
ジャイロの性能を制限するレンズやファイバ端での反射
によるノイズ光は光ファイバの中を伝搬した伝搬光と、
出射点、出射角など幾何光学的なパラメータが異なる。 考案はこの違いを有効に利用して反射光が受光素子に入
射するのを防ぐことができる。伝搬光と反射光の干渉に
よる零点変動を低減するものであり、光ファイバジャイ
ロの実用時において必須の技術である。 しかしながら本考案は、光ファイバ内部での不純物散乱
光やファイバの組成揺らぎに基づくレイリー散乱光が受
光素子に入射することによるノイズを除去することはで
きない。これらはファイバ内部を伝搬するので、幾何光
学的な手段によっては分離できない。しかしファイバ内
部での不純物散乱やレイリー散乱はファイバの品質を向
上することによって除くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施態様である光ファイバジャイロ
を説明するための図。 第２図は従来の光ファイバジャイロを説明するための
図。 第３図はレンズ２、３のデフオーカスによって生ずる光
路差の影響を除く工夫をした光ファイバジャイロを説明
するための図。 第４図はレンズに於ける反射光を説明する図。 第５図は光ファイバ端面に於ける反射光を説明する図。 第６図はレンズ反射光が集光レンズ、ピンホールで除去
される事を説明する図。 第７図は光ファイバ端面反射光が集光レンズ光ファイバ
で除去される事を説明する図。 第８図はレンズが無いとした場合に、伝搬光と反射光が
ともにピンホールを通過できることを示す図。 第９図はレンズが有る時の伝搬光と反射光の経路を示す
図。 １…光源 ２…集光レンズ ３…集光レンズ ４，４′…ビームスプリッタ ５…ファイバコイル ６…受光器 ７…デフオーカスに生じる光路差の影響を除くための光
ファイバ ８…集光レンズ ９…集光レンズ １０…ピンホール又は光ファイバからなるノイズ光除去
装置

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】単色光を生ずる光源と、シングルモード光
   ファイバを多数回巻き回してなり両端を有する光ファイ
   バコイルと、光源から出た光を２つに分け且つ光ファイ
   バコイルを伝搬した光を合一させる分波合波素子と、分
   波合波素子によって２つに分けられた光を集光して光フ
   ァイバコイルの両端に入射させるためのレンズと、光フ
   ァイバコイルから出射し分波合波素子で合一された光を
   集光させる集光レンズと、光ファイバ中を伝搬した光が
   分波合波素子を通り集光レンズによって結像する点に穴
   が一致するように置かれたピンホール又は前記結像する
   点に端面のコアが一致するように置かれた光ファイバか
   らなるノイズ除去装置と、ノイズ除去装置を通り抜けた
   左廻り光、右廻り光を受光し干渉させてその干渉光の強
   度を検出する受光器とよりなる事を特徴とする光ファイ
   バジャイロ。