JPS6134403A - 光干渉計 - Google Patents

光干渉計

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JPS6134403A
JPS6134403A JP15614684A JP15614684A JPS6134403A JP S6134403 A JPS6134403 A JP S6134403A JP 15614684 A JP15614684 A JP 15614684A JP 15614684 A JP15614684 A JP 15614684A JP S6134403 A JPS6134403 A JP S6134403A
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JP
Japan
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light
optical fiber
optical
output
photodetector
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Application number
JP15614684A
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English (en)
Inventor
Nagamitsu Oki
大木 永光
Motoo Shimizu
清水 基夫
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPS6134403A publication Critical patent/JPS6134403A/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02003Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using beat frequencies

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

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】 (′技術分野) 本発明は光干渉計に関し、%に光ファイバを用いること
により、光キ渉検出部、光諒および測定機器をそれぞれ
分離設置できるようにした光干渉計に関する。
(従来技術) 従来、光干渉法により距離測定や他の物理量を測定する
ことが行われている。第1図はある対象物までの距離(
全反射ミラー5から対象物3までの距離)ノを測定する
従来の光干渉計を示すブロック図である。図において光
源1よシ出射された光は、ハーフミラ第2で2分され、
その一方は対象物3の前方のコーナーキューブ4で反射
して折返す。(この折返し光を信号光と呼ぶものとする
)。
またもう一方の光は全反射ミラー6で反射され。
光周波数変調器(通常、超音波光変調器が用いられる)
7によって周波数fだけシフトされる(シフトされた光
を参照光と呼ぶものとする)。互いに周波数fだけ異な
った2つの光は全反射ミ2−5、ハーフミラ−8によっ
て合成され、光検出器9で受信される。
光検出器9で受信される光の振幅は、光源lの出射光の
角周波数をω(=2π、、 c :光速、λ:光波数)
とすると次式となる。
(信号光)=A6cos(ωを一ψ8第2π・T )−
(1)(参照光)=Arcos((ω+2πf)t−ψ
、)・・・(2)ζこで、2π・ダは対象物3までの光
の往復によシ与えられる位相量、φS、ψrは各光学部
品間の距離で決定される位相量であF)、As 、 A
rはそれぞれの光の振幅を示している。これら2つの光
はバー7ミ2−8によって合成され干渉する。
その干渉光の強度は次の様に表わすことができる。
AB  +Ar+2ABA1CO8(2πft+2π・
が−(ψ8−ψr))・・・(3) (3)式よシ光検出器9の出力信号のAC成分は周波数
fの信号であシ、その位相が距離lによシ変化する。こ
のため、光検出器9の周波数fの出力信号の位相を測定
することKより、位相量2π・7を検出することが可能
になル、この位相量から距離lが測定できる0 しかし、上述の光干渉計では、対象物3(コーナーキエ
ー、7・4)の位置によって、光源lの出射方向とハー
フミラ第2,全反射ミラー6の位置、全反射ミラー5と
ハーフミラ−8とを含む光結合部の位置および光検出器
9の位置カニ決められる0したがりてハーフミラ第2,
8、ミラー5.6の設置スペースを確保できない等の理
由で、光干渉計の各部を所定の設定位置とは別の場所に
設置して光干渉計を組立てようとする場合各光学系の位
置合せが非常に困難となる。 、 以上説明したように、従来は光干渉計の設置場所を自由
に選択することができないという欠点があった0 (発明の目的) 本発明の目的は、前述した従来方式の欠点を除去したも
ので、光路に光7アイバを用い、その自由な曲げ特性を
利用して光干渉計の各部分を結合することによシ設置場
所の自由度を改善した光干渉計を提供することにある0 (発明の構成) 本発明によれば、第1、第2、第3および第4の光ファ
イバと、互いに所定の周波数差fを有する第1および第
2の光をそれぞれ前記第1および第2の光ファイバに導
びく第1の光結合部と、前記第1の光ファイバからの出
力が所定距離伝搬して戻ってきた信号光と前記第2の光
ファイバから出力とを干渉するように合成し前記第4の
光7ア   −イバに導く第2の光結合部と、前記第3
の光7アイバから出力する干渉光を検出する第1の光検
出器と、前記第4の光ファイバから出力する干渉光を検
出する第2の検出器とを含み、前記第1.第2の光検出
器から出力する周波数fの電気信号の位相を測定するこ
とによって伝搬路の物理量を測定する干渉計が得られる
さらに本発明によれば、第1、第2および第3の光ファ
イバと、互いに所定の周波数差fを有する□第1および
第2の光をそれぞれ前記第1および第2の光ファイバに
導び〈第1の一光結合部と、前記第1の光ファイバから
の出力が所定距離伝搬して戻ってきた信号光と前記第2
の光ファイバからの出力とを干渉するよりに合成し前記
第3の光7 、アイパに導く第2の光結合部と、前記第
3の光ファイバから出力する干渉光を検出する光検出器
とを含み、前記、前記光検出器から出力する周波数fの
電気信号の位相を測定することによって伝搬路の物理量
を測定する干渉計が得られる。
(実施例の鋭IgJ) 次に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
第2図は、本発明の第1の実施例を示すプロ。
り図である。以下図中、矢印を附した集線は光、矢印の
内含は光の進行方向を示すものとする。光源1よシ出射
された光はハーフミラ第2で2分され、その一方がレン
ズ10を通して光ファイバ11(第1の光ファイバ)の
端面に集光される。
光ファイバ11を伝播した光はレンズ12で平行光に変
換され、対象物3の前方(設置されたコーナーΦユープ
4で全反射して戻ってくる。−一7ξラー2で2分され
た奄う一方の光は、ミラー6で全反射され、光周波数変
換器(たとえば超音波光変1Ill器)7で周波数fだ
けシフトする。シフトした光はレンズ13によって光フ
ァイバ14(第2の光ファイバ)の端面に集光され、光
7アイバ14を伝播vk、レンズ15によってコリメー
トされる。さらに全反射ミ2−16で反射されバー7ミ
ーラー22を透過後、ハーフミラ−17によってコーナ
キへ−プ4からの反射光と干渉するよう合成される0合
成された光#i集光レンズ18.光ファイバ19(第3
の光ファイバ)、レンズ20を通って纂1の光検出器9
へ導かれ、その合成光の強度が検出される。
一方、光ファイバ11及び14を伝播してきた光の一部
がハーフミ5第21.22で分離され、ハーフミラ第2
3で合成される。その合成光は集光レンズ24、光ファ
イバ25(第4の元ファイバ)、レンズ26を通じて、
第2の光検出器27へ入射する。
光検出器9.27の出力線(4)式に示すような周波数
fの信号である。
たとえば光検出器9の出力は、対象物3までの距離を全
反射ミラー17から対象物3までの距離!1 として表
わすと、次式のように表わされる。
As、 +As、+2As、As、cos(2gft+
〉’7’−にφS、→rρ)・・・(4) ただし、All、:コーナーキ、−プ4で折返される信
号光の振幅、A@、:全反射ミラー16で反射される参
照光の振幅、ψ111eψr1:信号光、参照光の光路
中の各光学部品間の距離で定まる位相量。
λ:光源1の出射光の波長である。光検出器9の出力信
号の位相は、対象物3とハーフミラ−17間の距離11
によって変化するが、光検出器27の出力信号の位相は
常に一定である。したがうて検出器9の出力信号の位相
変化量を、光検出器27の出力信号を基準として測定す
れば、対象物3までの距離を精度よく測ることができる
本実施例では4本の光ファイバを使用しているが、これ
らを1本の光フアイバケーブル28にまとめれば、配線
が容易とカシ、光源1.ミラー6゜ハーフミラ=1光周
波数変調器7およびレンズ10.13から成る第1の光
結合部と、光検出器9.27およびレンズ20.26か
ら成る光検出部と、レンズ12.15.1B、24.ハ
ーフミラ−17,21,22,23およびミラー16か
ら成る第2の光結合部とをそれぞれ分離設置する事がで
き、かつ能動素子を用いていない光結合部は小型化する
ことができるため、光干渉計の設置の自由率は飛躍的に
向上する。
カラスを素材とする光ファイバは一般に温度、外圧によ
ってその長さ、及び屈折率が変化するので、対象物3が
移動しなくても反射光の位相が変化してしまう0この割
合は1.仰えば石英ガラスの屈折率の温度変化は10−
5/”Oであるため、光ファイバの長さを100mとす
ると1度の温度変化に対して1μmの波長誤差を生じる
。信号光の光路と参照光の光路にそれぞれ光ファイバ1
1.14を配置したこの実施例ではおのおのの光フアイ
バ特性の変動に基づく位相量の変動を補償することがで
きる。
ところで第1の実施例では光ファイバ11.14の特性
の相違が、光検出器9の出力信号の位相変化として現れ
る。しかし光検出器27も光ファイバ11.14の出力
光、を合成して干渉した光を検出するので、光検出器2
7の出力信号の位相を基準として光検出器90位相変化
を測定すれば、自と光ファイバ11.14の特性の相違
にもとづくを通過したことKよる位相変化は完全に補償
されるO なお光ファイバ19.25を配置したことによる光検出
器9.27それぞれの出力信号に現れる位相変化の差は
、光ファイバ11.14を通過したことKよる位相変化
の差に比べれば無視できる程小さい。
第3図は本発明の第2の実施例を示すプロ、り図である
本実施例では、第1の光ファイバ11.第2の光ファイ
バ14を通過する光周波数差fの2つの光を第2の光結
合部であるハーフミラ−17で合成し、第3の光ファイ
バ19を介して光検出器9で受光する。この光検出器9
の出力信号の位相を検出して対象物3までの距離を測定
する0第1゜第2の光ファイバ11.14を用いた効果
は第1の実施例と同じである0 本実施例では光ファイバ11.14の特性の相違かはと
んど無視できる場合、光検出器27は光周波数変調器7
の温度特性によって現われる光検出器9の出力信号位相
の変動を補償するために使用されている。すなわち、ハ
ーフミラ−31,32゜34と全反射ミラー33で、周
波数差f02つの光信号の一部を取り出して合成し干渉
させ、その合成光を光検出器27で受光する。その出力
信号位相量には光周波数変調器7の特性変動による変化
分も含まれるので、光検出器27の出力信号の位相を基
準として光検出器9の出力信号位相変化を測定すれば、
自と光周波数変調器7を通過したことによる位相変化は
完全に補償される。もし、光周波数変調器7の特性が安
定していれば、光検出器27は不要である。
以上述べた第1.第2の実施例の光ファイバ11.14
としては位相特性のよいシングルモード光ファイバを使
用すれば、光検出部での信号の特性を改善することがで
きる。
なお、第2の結合、部で信号光と参照光を干渉させるた
め、光周波数変調器7で与える周波数差fはあまル大き
くてはいけない。たとえば光源1にHe−Neレーザ(
出射光の周波数を約400テラHz )を使用するとき
、fは40MHzとする。
また、第1の結合部に使用した光源11d、Jl、−波
長の光を発生するものであったが、光源1が所定の周波
数差fを有する第1.第2の光を発生するものであれば
、光周波数変調器7は不要となる。
上記実施例では、対象物までの距離を光検出器9の出力
信号位相iiに対応させて距離測定する場合について説
明したが、測定対象内の光路に温度変化によって光の位
相に変化を与える物体を配置すれば、塩度の測定ができ
、外部圧力によって光の位相が変化するものを配置すれ
ば、その圧力の測定が可能である。
(発明の効果) 以上詳述したように本発明によれば、一定の周波数差を
もった2種類の光を送出する光発生部と、参照光と信号
光とを干渉するよう合成する光結合部と、合成光を検出
する光検出部とがそれぞれ第1、第2.第3の光ファイ
バで分離されるので、光干渉計設置の自由度が増す。ま
た、使用する光7、アイバの特性変化が測定結果に及ぼ
すことがほとんどなく、高精度な測定が保証される。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の光干渉計を示すプロ、り図、第2図は本
発明の第1の実施例を示すプロ、り図、第3図は本発明
の第2の実施例を示すブロック図である。      

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1、第2、第3および第4の光ファイバと、互
    いに所定の周波数差fを有する第1および第2の光をそ
    れぞれ前記第1および第2の光ファイバに導びく第1の
    光結合部と、前記第1の光ファイバからの出力が所定距
    離伝搬して戻ってきた信号光と前記第2の光ファイバか
    らの出力とを干渉するように合成し前記第3の光ファイ
    バに導き、また前記第1の光ファイバからの出力と前記
    第2の光ファイバからの出力とを干渉するように合成し
    前記第4の光ファイバに導く第2の光結合部と、前記第
    3の光ファイバから出力する干渉光を検出する第1の光
    検出器と、前記第4の光ファイバから出力する干渉光を
    検出する第2の検出器とを含み、前記第1、第2の光検
    出器から出力する周波数fの電気信号の位相を測定する
    ことによって伝搬路の物理量を測定する干渉計。
  2. (2)第1、第2および第3の光ファイバと、互いに所
    定の周波数差fを有する第1および第2の光をそれぞれ
    前記第1および第2の光ファイバに導びく第1の光結合
    部と、前記第1の光ファイバからの出力が所定距離伝搬
    して戻ってきた信号光と前記第2の光ファイバからの出
    力とを干渉するように合成し前記第3の光ファイバに導
    く第2の光結合部と、前記第3の光ファイバから出力す
    る干渉光を検出する光検出器とを含み、前記光検 出器から出力する周波数fの電気信号の位相を測定する
    ことによって伝搬路の物理量を測定する干渉計。
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