JPS61264500A - 光・音響センサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、鉄鋼や化学プラント等、電磁誘導の強い場所
や防爆性の要求される場所等の計測情報伝送システムに
利用される光音響上ン丈に関する。

従来の技術 光フアイバ音圧センサは （１）光フアイバ自体が計測機能をもつセンサとなるも
のと、 （２）光ファイバは単に光伝送媒体として機能し、その
端面にセンサを附加して計測する場合とがある。

このような従来の光音響ファイバセンサの構成とその信
号の伝送方法について述べる。

従来の光・音響ファイバセンナの構成を第６図に示す。

ここに１は音波、２は先端が可動式の光ファイバ（以下
可動ファイバと言う）、３けフエ／ｌ／　−ル（７アイ
バ固定治具）、４け光ファイバ、５け光ファイバ４の固
定端（以下可動ファイバと言う）、６け入射光、７ｒ／
′ｉ出射光である。今、このセンサに音波１が入射する
と、可動ファイバ２が振動踵固定ファイバ６との間で軸
づれが起る。

そこテ光ファイバ４にレーザ光を入射すると、可動ファ
イバ４と固定ファイバ６との間の軸づれのたぬ、出射光
量γが変化する。この光量変化は音波１に比例する。

第７図は波長多重伝送の模式図でここに祖、８ｂ・・・
・・８ｎは波長λｉ・・λｎのレーザ光源、ｇａ、９ｂ
・・・９ｎけ光ファイバ、１０は光ファイバ９ａ、　９
ｂ、　９ｎのレーザ光を合成する光合波器、１１は光フ
ァイ／イ、１２け光分波器、１３ａ、　１３ｂ、−１３
ｎけ光分波器１２で分波されたレーザ光を伝送する光フ
ァイバでそれぞれ第６図の音響ファイバセンサに接続さ
れる。

今レーザ光源８より、波長久の異なるレーザ光を光ファ
イバ９ａ、９ｂ・・・９ｎに入射する。上記レーザ光を
光合波器１ｏで合波して１本の光ファイノく１１を介し
て伝送し、光分波器１２へ入射する。

光分波器１２を出射した波長の異なる光は光ファイバを
介して第１図の可動ファイバセンサの入射光６となる。

第８図は波長多重伝送の模式図（センサからの出射側）
である。第８図において９ａ、９ｂ、・・・９ｎは光フ
ァイバ、１ｏけ光合波器、１１は光ファイバ、１２け分
波器でありこれらは第７図の構成と同じである。１４１
Ｌ、　１４ｂ、・・１４ｎは分波器１２で分波された波
長λ１．λ２・・・λｎのレーザ光を検出する受光器で
ある。ここで第８図の動作を説明すると第６図の光音響
センサの出射光Ｔ（波長λ１〜λｎ）は、それぞれ光フ
ァイバ９１．９ｂ、・・・９ｎから光合波器１゜へ入射
され、光ファイバ１１へ入射され、伝送される。伝送さ
れた光ビームは光分波器１２へ入射され、各々の波長λ
１〜Ｘｎに分波され、受光器１４へ入射され、検出され
る。

発明が解決しようとする問題点 上記のとおり従来の光・音響センナでは入出力信号を伝
送する場合、伝送路は各センサについて入力１本出力１
本の計２本を使うのが通例であった。また上記のごとく
１本の伝送路で伝送系を波長多重で伝送する方法も提案
されているが、各センサには波長選択性がないため、分
Ｉ１．器、合波器がそれぞれ必要であった。光分波器、
合波器は干渉膜形、回折格子形等があるが、それ自身が
現状では高価であるとともに、充分な性能のものがない
のが実状である。

本発明は、上記従来の光フアイバ音圧センサで波長多重
伝送をする場合、各センサに波長選択性がなかったため
分波器や合波器が必要であった。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するたぬ本発明の光・音響センサはレ
ーザ光を第１の光分岐器に入射し、その出射光を伝送用
光ファイバで伝送した後、第２の光分岐器に入射し上記
分岐器の複数個の出射分岐路に、それぞれ光ファイバと
マイクロレンズを設け、そのレンズ端面と振動膜との間
の間隔が、それぞれ異る間隔で、レンズ端面に対向して
平行に振動膜を設けた平行平面干渉器を設け、上記光フ
ァイバとマイクロレンズを経た後上記平行平面干渉器ヘ
レーザ光を入射し１、上記平行平面干渉器からの反射光
を上記第２の光分岐器、伝送用光ファイバを経て第１の
光分岐器に入射し、その分岐された反射光を受光器で受
光する　また分光器を用いて分光した後、受光器を用い
て、出力を取り出すように構成されている。

作用 レーザ光を上記第２の光分岐器に入射し、その複数個の
出射分岐路にレンズ端面と振動膜との間の間隔がそれぞ
れ異なる間隔をもつ平行平面干渉器を設けてセンサを構
成し、平行平面干渉器にレーザ光を入射してその多重反
射（多光束干渉）を利用して振動膜の微少変位を検出す
るセンサで、上記センサの平行平面板間の間隔を入射す
るレーザ光の波長λ１〜λｎに合わせてそれぞれ異なる
間隔にあらかじめ調整したセンサで、センサ自身にλ１
〜λｎの波長選択性を持たせたセンサである。

入射光の波長を任意に変えることにより、遠隔地（入射
レーザ光源）から、波長久に対応したセンサを動作させ
、その反射光束を光源近くの第１の光分岐器を経た後、
波長λに対応したセンサ、出力を取り出すことにより遠
隔地から任意のセンサを選択的に動作できる。

また、波長の異なるλ１〜λｎレーザ光源のいくつかを
合波して伝送光ファイバで伝送し、上記複数のセンサを
動作させその反射光を第１の光分岐器に戻した後光分光
器で分光し、波長λとその出力を検出することにより、
どのセンサの出方かを区分できるものである。

実施例 本発明の構成とその動作を以Ｆ実施例において説明する
。第１図は本発明に関する光・音響上ンサ実施例の基本
構成を示すものである。ここに２１はレーザ光源、２２
はレーザ光源２１からのレーザ光と反射光を分岐させる
光分岐器、２３はレーザ光を伝送する光ファイバ、２４
けマイクロレンズ、２５は音響振動により振動する振動
膜、２６はマイクロレンズ２４と振動板２６との間の空
気層、２７け分波器２２からのレーザ光を検出する受光
器、２８は受光器２Ｔの信号を増幅する増幅器である。

また第２図は上記光・音響センナに関する動作原理を説
明するための図で、ここにたて軸は、光の反射係数を示
す。又、横軸は振動膜２６とマイクロｌ／クズ２４との
間の距離を示す。３゜け入力音の波形、３２は動作点、
３１け強度変調され走光出力である。

第１図でレーザ光源２１を出射したレーザ光は光分岐器
２２に入射し、光ファイバ２３を経てマイクロレンズ２
４に入射する。ここにマイクロレンズ２４の空気層２６
側の端面と振動膜２５の空気層２６側の面は、光反射を
生ずるようにメタル等をコートし、マイクロレンズ２４
と振動膜２６とを空気層２６をはさんで平行平面になる
ように配置して平行平面干渉器２９を形成している。こ
こにｄけ上記平行平面干渉器のマイクロレンズ２４と振
動膜２６の間隔である。マイクロレンズ２４を出射した
レーザ光は振動膜２５でその一部が反射され、マイクロ
レンズ２４へ入射ｆる。マイクロレンズ２４の端面でそ
の一部は透過しその一部は再び反射され振動膜２６へも
どり振動膜２５で再度反射されマイクロレンズ２４へ入
射スる。このようにレーザ光は空気層２６で反射をくり
返す。

反射された全光束は、光ファイバ、分岐器２２を経て受
光器２了へ入射し空気信号に変換される。

上記のように平行平面干渉器で反射された全光束は第２
図の特性３３のようになることが知られている。

上記平行平面干渉器２９０マイクロレンズ２４と振動膜
２６との間隔ｄを定め、動作点を３２のとおりに決める
。今、音波によって振動膜２６が３ｏの如く振動すると
その出力光け３１の如（変調されその出力光で、振動膜
２５の振動を検出することかできる。第３図は上記光・
音響センナの動作説明図である。ここに横軸は位相差δ
＝４“ｎｏ（！　である。

λ 尚、ｎＱは空気層２６の屈接率、λはレーザ光の波長、
ｄは平行平面干渉器２９のマイクロレンズ２４と振動膜
２６との間隔である。

周知のとおり、位相差δけ２π毎に繰返す周期関数であ
る。（ここにｍけ整数である。）たて軸汀入射光に対す
る反射光の強度反射係数でちる。

またｒけ、上記平行平ｍｌ干渉器２９において空気層２
６から振動膜２６、マイクロレンズ２４を見たときの振
巾反射率で、振巾反射率γ＝Ｏ１９、ｒ＝ｏ、６．１　
＝　０．３について求めたものである。

ここでマイクロレンズ２４と振動膜２５との間隔ｄを、
増加するとδ＝４πｎ　ｏ　ａ／　ン、であるからδは
第３図横軸に沿って増加する。今、反射係数γ＝０．９
として、マイクロレンズ２４と振動膜２５との間隔ｄを
設定し動作点を決める。今、動作点が点３４となるよう
に間隔ｄを設定し、振動膜に音圧を加えると、前述のと
おり強度変調された光出力が得られる。しかし、第３図
の点３５に動作点を設定すると、振動膜が振動しても、
光出力は変化しない。即ち上記ｄを変えることにより鋭
い波長選択性を持たせることができる。

第４図は本発明の光・音響センナの波長可変レーザを用
いた第１の実施例を示す。ここに３６け波長可変レーザ
、２２け第１の光分岐器、２３け光ファイバ、３Ｔけ第
２の光分岐器、３８ａ、　３８ｂ。

・・・３８ｎけ第１図で述べた平行平面干渉器、２了は
受光器である。尚、第１図の基本構成図で述べたものは
同一番号ケ付している。壕だ、平行平面干渉器３８ａ　
、　３８ｂ、・・３Ｂｎはマイクロレンズと振動膜の間
の間隔（ｉｉそれぞれｄ、〜ｄＮに変え、波長λ、〜λ
、に対し波長選択性を有するように構成しである。波長
可変レーザ光源３６からある波長λ。

を出射すると、レーザ光は光分岐器２２、光ファイバ２
３、第２の光分岐器３了を経て平行平面干渉器３８２Ｌ
に入射され、それが反射されて第１の分岐器２２まで戻
り、その分岐光は、受光器２７で検出される。

そこで波長可変レーザ光源３６の波長λ１．λ２゜・・
・八を任意に選択することにより、レーザ光の波長に対
応した間隔ｄ１．ｄ２．・・・ｄｎを有する。平行平面
干渉器３８ｚ　、３Ｂｂ、・・・３８１’ｌを動作させ
ることができ、その出力光を受光器２７で検出すること
により、レーザ光源側から任意のセンサを動作させるこ
とができる。光ファイバ２３を長くすることにより、遠
隔部の測定ができる。

第５図は、複数のレーザ光源を用いた本発明の第２の実
施例を示す構成図である。

第５図において、Ｎヶのレーザ光源で光源の波長１７の
λ１〜λＫがそれぞれ異なるものである。１８は第１の
光分岐器、１４け第２の光分岐器で１９は光分光器、２
０け波長λ、・・べｉに対応したＮヶの受光器である。

光源１を出たレーザ光λ７．λ２．・・・λＨは第１の
光分岐器１８で合波され、光ファイバ３に入射され第２
の光分岐器１４に達する。第２の光分岐器１４を出たレ
ーザ光は上記選択波長の異るセンサヘッド部１６で音声
信号により変調され返送される。返送された信号は光分
光器１９で分光され、受光器２ｏで検出される。

このように構成することにより、受光■λ１．λ２・・
・λＮの選択によって１本のファイバで任意のセンサλ
０・・・λ１ｏの動作さを選択をすることができる。

発明の効果 本発明の光・音響センサ汀、構成要素である光平行平面
干渉器の振動膜とマイクロレンズとの間隔ｄが異なる空
気層を設けることにより、レーザ光に対し、各センサに
波長選択性を持たせることができるもので、入射レーザ
光の波長λ１．λ２．・・・λｎを選択することにより
遠隔地より、波長に対応した希望するセンサを選択でき
るものである。

また複数の波長の異なるレーザ光源を合波し１本の光フ
ァイバで波長多重伝送したレーザ光源をセンサに供給す
るシステムでは、センサヘッド部に波長選択性を持つこ
とから、受光側で分光し波長選択することにより、その
波長に対応したセンサヘッド部を選択することかできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光・音響センサの基
本構成を示すブロック図、第２図は開光・音響センサの
動作原理を示す特性図、第３図は開光・音響センナの特
性図、第４図は開光・音響センサの波長可変レーザを用
いた構成を示すブロック図、第５図は同波長多重伝送光
・音響センサの構成を示すブロック図、第６図は従来の
可動形光ファイバセンサの断面図、第７図は従来の波長
多重伝送の入射光側のセンサのブロック図、第８図は、
従来の波長多重伝送の出射側センサのブロック図である
。 ２１・・・・・・レーザ光源側 アイバ、２４・・・・・・マイクロレンズ、２６・・・
・・・振動板、２６・・・・・・空気層、２７・・・・
・・受光器、２８・・・・・・増幅器、２９・・・・・
・平行平面干１５器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はか１名第１
図 第２図 第３図 ｔ？５　３１１ ？”ｌＴｒ　　　　　　　　２（Ｎすυ７Ｃｚ（ｔｎｔ
ｎ　ｙｒ　　　　　　　　２（ｙｓｍ　ｗイ之和え（り
　　　　　　　１談５東 第４図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を第１の光分岐器に入射し、その出射光
   を伝送用光ファイバで伝送して、第２の光分岐器に入射
   し、上記分岐器の複数個の出射分岐路に、それぞれ光フ
   ァイバとマイクロレンズを設け、そのレンズ端面と振動
   膜との間の間隔がそれぞれ異なる間隔で、レンズ端面に
   対向して平行に振動膜を設けた平行平面干渉器を設け、
   上記光ファイバ及び上記マイクロレンズを経て上記平行
   平面干渉器へレーザ光を入射し、上記平行平面干渉器か
   らの反射光を上記第２の光分岐器及び上記伝送用光ファ
   イバを経て第１の光分岐器へ入射し、その分岐された出
   力光を受光器を用いて出力を取り出す光・音響センサ。
2. （２）反射光を第１の分岐器から取り出し、光分光器を
   用いて分光し受光器を用いて出力を取り出す特許請求の
   範囲第１項記載の光・音響センサ。