JPH0633367Y2 - Light fiber gyro - Google Patents

Light fiber gyro

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JPH0633367Y2
JPH0633367Y2 JP1986035325U JP3532586U JPH0633367Y2 JP H0633367 Y2 JPH0633367 Y2 JP H0633367Y2 JP 1986035325 U JP1986035325 U JP 1986035325U JP 3532586 U JP3532586 U JP 3532586U JP H0633367 Y2 JPH0633367 Y2 JP H0633367Y2
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JP
Japan
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light
optical fiber
optical
face
optical element
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JPS62148914U (en
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満 西川
洋三 西浦
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工業技術院長
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Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、移動体の回転角速度を測定するための光ファ
イバジャイロに関するものであり、更に詳述するなら
ば、検出角速度の感度を劣化させる原因となる光分岐用
光学素子の出射面での反射光の影響を低減させた光ファ
イバジャイロに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical fiber gyroscope for measuring the rotational angular velocity of a moving body, and more specifically, it is a cause of deterioration of the sensitivity of the detected angular velocity. The present invention relates to an optical fiber gyro in which the influence of reflected light on the exit surface of the optical branching optical element is reduced.

従来の技術 現在、航空機、飛翔体、自動車、ロボットなどのナビゲ
ーションや姿勢制御のための角速度センサとしてジャイ
ロが使用されている。このジャイロを使用すれば、角速
度だけでなく、それを積分することにより方位などのデ
ータも得ることができる。
2. Description of the Related Art Currently, a gyro is used as an angular velocity sensor for navigation and attitude control of aircrafts, flying vehicles, automobiles, robots and the like. If this gyro is used, not only the angular velocity but also the data such as the azimuth can be obtained by integrating it.

そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、光
及びその光が伝搬する光ファイバが磁界や電界の影響を
受け難いため、シールドの問題なく、どのような環境で
も使用でき、また、可動部が全くなく且つ小型化が可能
であり、更に、最少検出可能角速度(感度)、ドリフ
ト、可測範囲(ダイナミックレンジ)、スケールファク
タの安定性の点において、従来のジャイロに比較して優
れているために、近年注目され開発されている。
Among such gyros, the optical fiber gyro can be used in any environment without the problem of shielding because the light and the optical fiber through which the light propagates are not easily affected by the magnetic field or the electric field. It is completely compact and can be downsized, and is superior to conventional gyros in terms of minimum detectable angular velocity (sensitivity), drift, measurable range (dynamic range), and stability of scale factor. Therefore, it has been noticed and developed in recent years.

そのような光ファイバジャイロの例は、例えば、ギャロ
レンジ テー.ジー.、ブカロ ジェー.エー.他『光
ファイバセンサ技術』アイ イー イー イー ジャー
ナル オブ カンタム エレクトロニクス(Giallorenz
i T.G.,Bucaro J.A.et al“Optical Fiber Sensor Tech
nology",IEEE J. of Quantum Electronics)QE−18,NO.
4,PP626−662(1982)やクラショウ及びアイ.ピー.ギ
レス『光ファイバジャイロスコープ』ジャーナル オブ
フィジクスエレクトロニクス サイエンス インスト
ルメント(Culshaw and I.P.Giles“Fiber Optic Gyros
copes"J.Phys.E:Sci Instrum.)16 pp5−15,(1983)
や、坪川、大塚「光ファイバジャイロスコープ」レーザ
研究,11,NO.12,pp889−902(1983)などに詳しく示さ
れている。
Examples of such fiber optic gyros are, for example, Gallorange. Gee. , Bukalogger. A. Other "Optical Fiber Sensor Technology" IE Journal of Quantum Electronics (Giallorenz
i TG, Bucaro JA et al “Optical Fiber Sensor Tech
nology ", IEEE J. of Quantum Electronics) QE-18, NO.
4, PP626-662 (1982) and krasho and eye. Pee. Gilles "Optical Fiber Gyroscope" Journal of Physics Electronics Science Instruments (Culshaw and IPGiles “Fiber Optic Gyros
copes "J.Phys.E: Sci Instrum.) 16 pp5-15, (1983)
Tsubokawa and Otsuka “Optical Fiber Gyroscope” Laser Research, 11 , NO.12, pp889-902 (1983).

ここで光ファイバジャイロの原理を第2図を参照して説
明する。
Here, the principle of the optical fiber gyro will be described with reference to FIG.

発光素子1からの光をビームスプリッタ2により分割し
て、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ4を巻
回した光ファイバループすなわちセンサコイル5の両端
に入力して、センサコイル5に右回り(CW)と左回り
(CCW)に光を伝搬させる。そのとき、センサコイル5
が角速度Ωで回転していると、右回り光、左回り光に位
相差Δθが生じ、Δθを測定することによって角速度Ω
を検出するものである。
The light from the light emitting element 1 is split by the beam splitter 2 and is input to both ends of an optical fiber loop, that is, a sensor coil 5 in which a single mode optical fiber 4 is wound in a coil shape many times, that is, a clockwise rotation to the sensor coil 5 ( Propagate light in CW) and counterclockwise (CCW). At that time, the sensor coil 5
Is rotating at an angular velocity Ω, a phase difference Δθ occurs between clockwise light and counterclockwise light, and the angular velocity Ω is measured by measuring Δθ.
Is to detect.

センサコイル5の中を右回りに伝搬した光及び左回りに
伝搬した光の電界の強さEcw、Eccwは、次のように表さ
れる。
Strength E cw electric field of light propagated in the optical and counterclockwise propagated clockwise through the sensor coil 5, E ccw is expressed as follows.

但し、Er、EL:左回り光及び右回り光の振幅 ω:光の角周波数 t:時間 Δθ:サニャック効果による位相差 そのように位相差Δθが生じた左回り光と右回り光とを
ビームスプリッタ2で合成して、受光素子3に入射す
る。その受光素子3の検出強度から、位相差Δθを知る
ことができる。その位相差Δθは、次のように表すこと
ができる。
However, E r , E L : amplitude of left-handed light and right-handed light ω: angular frequency of light t: time Δθ: phase difference due to Sagnac effect Left-handed light and right-handed light having such a phase difference Δθ Are combined by the beam splitter 2 and are incident on the light receiving element 3. The phase difference Δθ can be known from the detected intensity of the light receiving element 3. The phase difference Δθ can be expressed as follows.

但し、L:センサコイルのファイバ長 a:センサコイルの半径 c:真空中の光速度 λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをサニヤック効果という。 However, L: Fiber length of sensor coil a: Radius of sensor coil c: Light velocity in vacuum λ: Wavelength of light Ω: Angular velocity of rotation This is called the Sannyak effect.

考案が解決しようとする問題点 以上のような光ファイバにおいて、光分岐用光学素子を
構成しているビームスプリッタ2は、間に半反射面が形
成されるように重ね合わせた断面直角二等辺三角形の形
の2つのプリズムなどから構成されている。そして、受
光素子3で検出される光には、センサコイル5を左回り
および右回りに伝搬した光以外に、発光素子1からビー
ムスプリッタ2に入射して半反射面6を透過して出射端
面Aで反射して更に半反射面6で反射して受光素子3に
入射する光と、受光素子1からビームスプリッタ2に入
射して半反射面6で反射して出射端面Bで反射して更に
半反射面6を透過して受光素子3に入射する光とが含ま
れている。それらの反射光は、測定にとってノイズ光で
あり、それらが互に干渉して受光素子3で検出される
と、その合成光量はわずかな光路の変動によって微妙に
変化するため、角速度検出の感度が劣化する。
Problems to be Solved by the Invention In the above-described optical fiber, the beam splitter 2 forming the optical element for optical branching has a right-angled isosceles triangular cross-section that is superposed so that a semi-reflective surface is formed therebetween. It is composed of two prisms in the form of. In addition to the light propagating counterclockwise and clockwise in the sensor coil 5, the light detected by the light receiving element 3 enters the beam splitter 2 from the light emitting element 1, passes through the semi-reflective surface 6, and exits from the emitting end surface. Light reflected by A, further reflected by the semi-reflecting surface 6 and incident on the light receiving element 3, and light incident on the beam splitter 2 from the light receiving element 1, reflected by the semi-reflective surface 6, reflected by the emitting end surface B, and further Light that passes through the semi-reflective surface 6 and enters the light receiving element 3 is included. The reflected lights are noise lights for measurement, and when they interfere with each other and are detected by the light receiving element 3, the combined light amount slightly changes due to a slight change in the optical path, so that the sensitivity of angular velocity detection is high. to degrade.

そこで、本考案は、かかる欠点を解消し高感度な角速度
検出を実現する光ファイバジャイロを提供することを目
的とするものである。
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical fiber gyro that eliminates such drawbacks and realizes highly sensitive angular velocity detection.

問題点を解決するための手段 すなわち、本考案によるならば、入射した光を分岐およ
び合波する光学素子と、一部を多数回巻回されて形成さ
れたセンサコイル部分を含み第1および第2の1対の端
面を有する1本の光ファイバと、該光学素子を介して該
光ファイバの両端にそれぞれ注入する光を発生する発光
素子と、該光ファイバを伝播した後両端から出射される
光を該光学素子を介して受光する受光素子とを備え、更
に、該光学素子における光分岐点から該第1端面に対す
る該光学素子の出射端面までの光路長と、該光分岐点か
ら該第2端面に対する該光学素子の出射端面までの光路
長とが互いに異なるように構成された光ファイバジャイ
ロにおいて、該光学素子が、入射光を分岐または合波す
る半反射面を備え、且つ、該半反射面に直角な面による
断面形状が長方形であるプリズムビームスプリッタによ
り構成されていることを特徴とする光ファイバジャイロ
が提供される。
Means for Solving the Problems That is, according to the present invention, an optical element for branching and multiplexing incident light and a sensor coil portion formed by winding a part of a plurality of times are included. One optical fiber having a pair of two end faces, a light emitting element for generating light to be injected into both ends of the optical fiber via the optical element, and a light beam emitted from both ends after propagating through the optical fiber. A light receiving element for receiving light via the optical element, and further, an optical path length from the light branch point of the optical element to the emission end surface of the optical element with respect to the first end surface, and the optical branch point from the light branch point to the first end surface. In an optical fiber gyro configured such that the optical path lengths from the two end faces to the emission end face of the optical element are different from each other, the optical element includes a semi-reflecting surface that branches or combines incident light, and Right angle to the reflective surface Provided is an optical fiber gyro characterized by being configured by a prism beam splitter having a rectangular cross-sectional shape by a flat surface.

作用 以上のような構造の光ファイバジャイロにおいては、分
岐用光学素子が、光ファイバの一方のへの出射端面まで
の光路と、光ファイバの他方への出射端面までの光路と
の間に光路差がある。従って、発光素子から分岐用光学
素子に入射して、光ファイバの一方の端への分岐光とな
る光がその分岐用光学素子の端面で反射して戻って受光
素子に入射するまでの光路長さと、発光素子から分岐用
光学素子に入射して、光ファイバの他方の端への分岐光
となる光がその分岐用光学素子の端面で反射して戻って
受光素子に入射するまでの光路長さとに差ができる。従
って、ノイズとなる両反射光の位相が十分に離れ、干渉
を小さくすることができる。それ故、受光素子で検出さ
れるノイズ光の合成光量が一定値となり、検出感度への
影響を小さくすることができるので、光ファイバジャイ
ロの感度を高くすることができる。
In the optical fiber gyro having the above-described structure, the branching optical element causes the optical path difference between the optical path to the exit end face of one of the optical fibers and the optical path to the exit end face of the other optical fiber. There is. Therefore, the optical path length from the light emitting element entering the branching optical element to the light that becomes the branched light to one end of the optical fiber is reflected by the end face of the branching optical element and returns to enter the light receiving element. And the optical path length from the light emitting element entering the branching optical element to the light that becomes the branched light to the other end of the optical fiber is reflected by the end surface of the branching optical element and returns to enter the light receiving element. There can be a difference. Therefore, the phases of both reflected lights, which become noise, are sufficiently separated, and the interference can be reduced. Therefore, the combined light amount of the noise light detected by the light receiving element becomes a constant value, and the influence on the detection sensitivity can be reduced, so that the sensitivity of the optical fiber gyro can be increased.

実施例 以下、第1図を参照して本考案による光ファイバジャイ
ロの実施例を説明する。なお、第1図の実施例の各部分
で第2図に示す従来の光ファイバジャイロの各部と対応
するものには、同一の参照番号を付してある。
Embodiment An embodiment of the optical fiber gyro according to the present invention will be described below with reference to FIG. The parts in the embodiment of FIG. 1 corresponding to the parts of the conventional optical fiber gyro shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals.

第1図に示す光ファイバジャイロは、発光素子1からの
光を分岐するビームスプリッタ2Aとして、間に半反射面
が形成されるように重ね合わせた2つのプリズムから構
成されているが、そのプリズムは、第1図に示すよう
に、入射光と分岐光とを含み且つ分岐用半反射面に直角
な面による断面が長方形となるような直方体形状であ
る。
The optical fiber gyro shown in FIG. 1 is composed of two prisms stacked as a beam splitter 2A for splitting the light from the light emitting element 1 so that a semi-reflecting surface is formed therebetween. As shown in FIG. 1, is a rectangular parallelepiped shape in which the cross section of the plane including the incident light and the branched light and perpendicular to the branching semi-reflecting surface is rectangular.

そのようなビームスプリッタ2Aで分岐された光は、コイ
ル状に多数回シングルモード光ファイバ4を巻回した光
ファイバから構成されるセンサコイル5の両端に入力し
て、センサコイル5を右回り(CW)と左回り(CCW)に
伝搬する。
The light split by such a beam splitter 2A is input to both ends of a sensor coil 5 composed of an optical fiber formed by winding a single mode optical fiber 4 in a coil shape many times, and the sensor coil 5 is rotated clockwise ( Propagate to CW) and counterclockwise (CCW).

そして、センサコイル5の両端から出射した光は、再び
ビームスプリッタ2Aに結合されて合成され、受光素子3
に入射する。
Then, the light emitted from both ends of the sensor coil 5 is again combined with the beam splitter 2A to be combined, and the light receiving element 3
Incident on.

このような光ファイバジャイロにおいて、ビームスプリ
ッタ2Aが直方体となっているので、発光素子1からビー
ムスプリッタ2Aに入射して半反射面6すなわち分岐点O
を透過して端面A′で反射して更に半反射面6で反射し
て受光素子3に入射するノイズ光と、発光素子1からビ
ームスプリッタ2Aに入射して半反射面6すなわち分岐点
Oで反射して更に端面B′で反射して半反射面を透過し
て受光素子3に入射するノイズ光との間に大きな光路差
が生じる。一般に光ファイバジャイロの光源として用い
る半導体レーザのスペクトル幅は0.2nm程度であるため
可干渉距離は3mm程度となる。従って、端面A′および
B′で反射した光の光路差、すなわち、分岐点Oと端面
A′との間の距離の2倍と分岐点Oと端面B′との間の
距離の2倍との差が、3mm以上となるような直方体の形
状にすれば、それらは干渉せず、受光素子3で検出され
るノイズ光の合成光量は一定値となり検出感度にあまり
影響しない。
In such an optical fiber gyro, since the beam splitter 2A is a rectangular parallelepiped, it enters the beam splitter 2A from the light emitting element 1 and enters the semi-reflecting surface 6, that is, the branch point O.
Noise light which is transmitted through and is reflected by the end face A ′, further reflected by the semi-reflective surface 6 and incident on the light receiving element 3, and the light beam incident from the light emitting element 1 on the beam splitter 2A at the semi-reflective surface 6, that is, the branch point O A large optical path difference is generated between the reflected light, the reflected light at the end face B ′, the transmitted light through the semi-reflective surface, and the incident noise light on the light receiving element 3. In general, the spectrum width of a semiconductor laser used as a light source of an optical fiber gyro is about 0.2 nm, so the coherence length is about 3 mm. Therefore, the optical path difference of the light reflected by the end faces A'and B ', that is, twice the distance between the branch point O and the end face A'and twice the distance between the branch point O and the end face B'. If the shape of the rectangular parallelepiped is such that the difference is 3 mm or more, they do not interfere with each other, the combined light quantity of the noise light detected by the light receiving element 3 becomes a constant value, and the detection sensitivity is not significantly affected.

なお、ビームスプリッタ2Aの形状は、必ずしも直方体で
ある必要はなく、分岐点Oから出射端面までの距離が透
過側と反対側で異なるならば、どのような形状でもよ
い。
The shape of the beam splitter 2A does not necessarily have to be a rectangular parallelepiped, and may be any shape as long as the distance from the branch point O to the emitting end surface differs on the transmission side and the opposite side.

考案の効果 以上の説明から明らかなように、本考案による光ファイ
バジャイロにおいては、センサコイルの両端へ光を分岐
する光学素子が、その分岐点から2つの出射端面までの
光路に十分な光路差ができるようにされているので、そ
れら分岐用光学素子の出射端面で反射するノイズ光が干
渉しないめ、それらが受光器で検出されても一定光量を
与えるのみで雑音とはならない。したがって、高感度な
光ファイバジャイロを得ることができる。
Effect of the Invention As is apparent from the above description, in the optical fiber gyro according to the present invention, the optical element that branches the light to both ends of the sensor coil has a sufficient optical path difference in the optical path from the branch point to the two emission end faces. Since the noise lights reflected by the exit end faces of the branching optical elements do not interfere with each other, even if they are detected by the light receiver, they only give a certain amount of light and do not become noise. Therefore, a highly sensitive optical fiber gyro can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明を適用した光ファイバジャイロ説明図、 第2図は従来の光ファイバジャイロの原理図を示す。 (主な参照番号) 1……光源、 2,2A……ビームスプリッタ、 3……受光素子、4……光ファイバ、 5……センサコイル FIG. 1 is an explanatory diagram of an optical fiber gyro to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a principle diagram of a conventional optical fiber gyro. (Main reference numbers) 1 ... Light source, 2, 2A ... Beam splitter, 3 ... Photodetector, 4 ... Optical fiber, 5 ... Sensor coil

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】入射した光を分岐および合波する光学素子
と、一部を多数回巻回されて形成されたセンサコイル部
分を含み第1および第2の1対の端面を有する1本の光
ファイバと、該光学素子を介して該光ファイバの両端に
それぞれ注入する光を発生する発光素子と、該光ファイ
バを伝播した後両端から出射される光を該光学素子を介
して受光する受光素子とを備え、 該光学素子における光分岐点から該第1端面に対する該
光学素子の出射端面までの光路長と、該光分岐点から該
第2端面に対する該光学素子の出射端面までの光路長と
が互いに異なるように構成され、 該センサコイル部分が回転したときに、該第1端面から
入射して該第2端面から出射する第1伝播光と、該第2
端面から入射して該第1端面から出射する第2伝播光と
の間に生じる位相差から、該センサコイルの回転角速度
を検出する光ファイバジャイロにおいて、 該光学素子が、入射光を分岐または合波する半反射面を
備え、且つ、該半反射面に直角な面により断面形状が長
方形であるプリズムビームスプリッタであることを特徴
とする光ファイバジャイロ。
Claim: What is claimed is: 1. An optical element for branching and multiplexing incident light, and a single coil having a pair of first and second end faces including a sensor coil portion formed by winding a part of the light multiple times. An optical fiber, a light emitting element that generates light to be injected into both ends of the optical fiber through the optical element, and a light receiving element that receives light emitted from both ends after propagating through the optical fiber through the optical element An optical path length from the light branch point in the optical element to the exit end surface of the optical element with respect to the first end face, and an optical path length from the light branch point to the exit end surface of the optical element with respect to the second end face. Are configured to be different from each other, and when the sensor coil portion is rotated, the first propagating light that is incident from the first end face and is emitted from the second end face, and the second
In an optical fiber gyro that detects the rotational angular velocity of the sensor coil from the phase difference generated between the second propagating light that enters from the end face and exits from the first end face, the optical element branches or combines the incident light. An optical fiber gyro, which is a prism beam splitter having a corrugated semi-reflective surface and having a rectangular cross-section due to a surface perpendicular to the semi-reflective surface.
JP1986035325U 1986-03-13 1986-03-13 Light fiber gyro Expired - Lifetime JPH0633367Y2 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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