JPS6238380A - 光フアイバを用いた測定装置 - 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】 〔発明の分野〕 本発明は光ファイバを用い、物体の速度等を測定する光
ファイバを用いた測定装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

光ファイバを用いて例えば物体の速度を測定する光ファ
イバ速度計としては、光ファイバの先端から物体に照射
され反射されてきたレーザ光ど、レーザ光源からのレー
ザ光との光ビートによりドップラー効果に基づいて物体
の速度を測定する装置が知られている。第６図はこのよ
うな従来の光ファイバ速度計の一例を示すものである。

本図において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光源１より
得られるレーザ光が、レンズ２を介して偏光ビームスプ
リッタ３に与えられる。そのレーザ光が偏光ビームスプ
リッタ３を透過する方向にレーザ光源１の偏光を合わせ
ておくものとすると、レーザ光は偏光ビームスプリッタ
３を透過してレンズ４に与えられる。レーザ光はレンズ
４によって集光され、光ファイバ５に入射される。光フ
ァイバ５はマルチモードの光ファイバが用いられ、レー
ザ光が光ファイバを通過する際にランダム偏光となる。

光ファイバ５の先端は被測定物体が通過する領域にまで
延長されており、レーザ光は光ファイバ５を伝播してそ
の先端より放射される。

さて被測定物体６が図示のように光ファイバ５の先端に
接近してくるとすると、放射されたレーザ光はこの被測
定物体６によって反射されて再び光ファイバ５に照射さ
れる。−力先ファイバ５の先端面５ａだけに無反射コー
ティングを施さなければ先端面５ａに於いてもレーザ光
は反射される（以下このレーザ光を参照光という）。こ
こで、被測定物体６による反射光だけがドツプラー効果
により被測定物体６の速度に比例して周波数偏移（ドツ
プラーシフト）を受けることとなる。従ってこのレーザ
光には信号成分が含まれているので、以下このレーザ光
を信号光という。これらの参照光及び信号光は共に光フ
ァイバ５内を逆方向に進行し、レンズ４を介して再び偏
光ビームスプリッタ３に与えられる。参照光及び信号光
は共にランダム偏光となっているので、これらのレーザ
光のうち入射レーザ光と同一の偏光成分のレーザ光はい
ずれも偏光ビームスプリッタ３を透過し、これと直角の
偏光成分を有するレーザ光は偏光ビームスプリッタ３に
よって反射されて、光電変換器７に与えられる。光電変
換器７では、光ビートによりこれらの反射光の周波数の
差、即ちドツプラーシフトに基づく周波数の電気信号が
得られる。従って、この信号の周波数を周波数測定器８
・によって測定し、そのデータに基づいて信号処理部９
により信号処理することにより被測定物体６の速度を測
定することが可能となる。

しかしながら、このような従来の光ファイバ速度計にあ
っては、レーザ光源１から発振するレーザ光を光ファイ
バ５に伝えると共に被測定物からの反射光を光電変換器
７に与える偏光ビームスプリッタ３が必要である。しか
も信号光及び参照先の偏光面はランダムであるため偏光
ビームスプリッタ３によりその一部分だけが反射されて
光電変換器７に伝えられるため、信号レベルが低くなる
という問題点があった。又偏光ビームスプリンタ３を介
してレーザ光源１に戻る参照光や信号光がレーザ光源１
に悪影響を与え、レーザ光の発振強度や周波数等が変動
するという問題があった。特に全体を小型化するためレ
ーザ光源に半導体レーザを用いることが考えられるが、
半導体レーザはレーザ光の戻り光により発振モードが著
しい影響を受けるため、レーザ光源１とレンズ２との間
に高価なアイソレータを設けてレーザ光の戻り光を防止
しなければならず、装置が複雑になるという問題点があ
った。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の光ファイバを用いた測定装置
の問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光源よ
り出射されるレーザ光を直接光ファイバに与えることに
よって装置を小型・軽量化することができる光ファイバ
を用いた測定装置を提供することを目的とするものであ
る。

〔発明の構成と効果〕

本発明による光ファイバを用いた測定装置は、一方の端
面が光軸の垂直線から所定のテーパ角を傾けてテーパ面
として構成され、該テーパ角は外部力、６＋−／、あや
介Ｌ−ｃ光、−エカ、入射、光７，１イバ内よりテーパ
面に達した光ビームが該テーパ面で全反射する角度に選
択され、他方の端面が被測定領域に導かれた光ファイバ
と、光ファイバのテーパ面に対して所定の角度に配置さ
れ、レーザ光を光ファイバに入射させるレーザ光源と、
光ファイバを通過し被測定対象により反射され光ファイ
バを逆方向に伝播して光ファイバのテーパ面に達したレ
ーザ光の全反射光を受光し、光信号を電気信号に変換す
る光電変換器と、光電変換器の出力に基づいて信号処理
する信号処理部と、を具備することを特徴とするもので
ある。

このような特徴を有する本発明によれば、光ファイバの
端面をテーバ状に加工することによって偏光ビームスプ
リフタ等の高価な部品を用いることなく、入射光と出射
光とを分離することが可能である。又反射光は光ファイ
バのテーパ面で全反射されるためレーザ光源に戻る戻り
光がなくなり、レーザ光の発振に悪影響を与えることが
ない。そノタメアイソレータ等を設けることなくレーザ
光源として半導体レーザを用いることが可能である。

従って偏光ビームスプリフタが不要なことと合わせて装
置を極めて小型・軽量化することが可能となる。

〔実施例の説明〕

（発明の原理） 次に本発明の原理について説明する。本発明の光ファイ
バを用いた測定装置は第２図に示すように光ファイバの
端面を斜めに切断し切断面に対して鋭角でレーザ光を入
射させ、又切断面より反射光を出力させるようにしたも
のである。第２図において光ファイバｌＯのコア部の屈
折率をｎｌ＋　クラッド部の屈折率を０２とし光ファイ
バ１０の端面を切断した角（以下テーバ角という）をα
とする。

ここでこの光ファイバ１０の入射特性を考察するために
テーパ角αに対して適切な入射角を求める。通常光ファ
イバの許容入射角は開口数ＮＡにより定められる。開口
数ＮＡと光ファイバの内部の臨界角θｃとの間には次式
の関係が成立つことが知られている。

ＮＡ＝ｎ、　ｓｉｎθｃ　＃ａＩＸ　ｎ　、　　−・−
＝（１）但しΔは比屈折率差であり　（ｎｔ　−ｎｘ）
　／ｎ＋で表される。この式より屈折率ｎｌ及びＮＡか
ら臨界角θｃが求まる。例えば比屈折率差Δを０．０１
．開口数ＮＡを０．２とすると、屈折率ｎ１は１．４１
．臨界角θｃは約８．２°となる。

そしてこの光ファイバ１ｏのチー・パ面１０ａ（７）コ
アの中心にテーパ面の法線に対して夫々θ１゜θ２の角
度を有する光ビームが入射し、光ファイバ１０のコア内
で夫々α−θｃ１α＋θｃを成す方向に進んだものとす
ると、スネルの法則より次式が成り立つ。

但しθｌ、θ２〈π／２ 従って端面がテーパ面１０ａとして加工された光ファイ
バ１０に対しての入射角は・−の角度θ１と０２の間の
光ビームである必要があり、その許容入射角θｉ（−θ
２−０１）は次式で表される。

θｉ　＝ｓｉｎ−’（ｎ＋５ｉｎ（α＋θｃ））−ｓｉ
ｎ−’（ｎ＋５ｉｎ（＆−θｃ　））　−−−−−−＝
（３）そしてこのテーパ角αを１０’、３０°、４５”
としたときには許容入射角θｉを夫々第３図（ａ）、　
（ｂ）、　’（Ｃ）に示すように変化する＝そしてテー
パ角αが約４５″で許容入射角θｉの一部が光ファイバ
１ｏのテーパ面１０ａと一致するため、以後許容入射角
θｉが減少する。従ってテーパ角αに対す・る許容入射
角θｉの変化は第４図に示すものとなり、テーパ角が３
０°〜４５＠付近で急激に上昇し以後低下する。

そして光ビームを光ファイバ１０に入射させることがで
きなくなる限界角は、入射角θ１がテーパ面１０ａに一
致するとき、即ちθ１が９０＠の場合であるため第（２
）式よりテーパ角αの限界角は次式により求まる。

α−５ｉｎ（１／ｎυ＋θｃ 例えば前述の光ファイバでは限界角は５３．３７　”と
なっている。

次に第５図を参照しつつ光ファイバ１０のテーパ面１０
ａからの出射特性について考察する。光ファイバ１０の
コア内を通過する光は図示のように臨界角θｃ以下の反
射角を有している。そしてこの透過光が光ファイバ１０
のテーパ面１０ａで全反射する条件は次式で示される。

θ３　＞５ｉｎ（１／ｎ＋） θ３−α−θｃ　　　−−−−−−−４４１。

ここでコア部の屈折率ｎ、を１．４１とすると、α〉５
３．３７　＠のときに全反射することとな４゜又テーパ
面１０ａで全く反射が起こらない条件は次式で示される
。

θ４　＞５ｉｎ（１／ｎ＋） θ４−α＋θｃ−・−−−−−（５） 従って限界角は次式 ％式％） であり、この光ファイバではα＜　３６．９７°のとき
に反射が起こらないこととなる。そしてテーパ角αが５
ｉｎ（１／ｎｔ）−θｃと５ｉｎ（１／ｎ１）＋θｃの
角度の間（この例では３６．９７°〈α＜　５３．３７
°）にあれば、出射範囲角θ０は直線的に減少する。従
ってテーパ角αに対する出射角θ０の変化は第４図に示
すものとなる。そして第４図に入射角θｉ。

出射角θｃが重なり合うテーパ角αの範囲内で光ファイ
バ１０のテーパ面１０ａに対して入出射が行われること
となる。

（実施例の構成） 次に本発明の光ファイバを用いた測定装置の一実施例に
ついて説明する。第１図は本発明による光ファイバ速度
計の一実施例を示すブロック図である。本実施例ではレ
ーザ光源として半導体レーザ１１を用い、そのレーザ光
をレンズ１２によって集光してテーパ面１０ａを有する
光ファイバ１０に与える。このテーパ角αは前述したよ
うに許容入射角θｉと出射角θ０が重なり合う範囲、例
えば前述の光ファイバの例では３６．９７　’〜５３．
３７゜の間、好ましくは第４図の２つの曲線が交わるテ
ーパ角α（約５１＠）に選択するものとする。このとき
光ファイバ１０のテーパ角αからレーザ光が光ファイバ
１０内に入射されるような角度に半導体レーザ１１を配
置しておくものとする。そして光ファイバ１０の他方の
先端部１０ｂを被測定領域に配置する。−力先ファイバ
ＩＱのチー　パ面１０ａで全反射され、クラッド部を介
して外部に出射する光を受光するために、図示のように
テーパ面１０ａより大きい傾きを有する光軸上に集光レ
ンズ１３を介して光電変換器７を設ける。そして光電変
換器７より得られる電気信号の周波数を測定する周波数
測定器８、及びその測定値に基づいて被測定物体の速度
を演算する信号処理部９を設けることは従来例と同様で
ある。

（実施例の動作） 次に本実施例の動作について説明する。半導体レーザ１
１から得られるレーザ光は集束レンズ１２を介して光フ
ァイバ１０のテーパ面１０ａに与えられ。テーパ面１０
ａより光ファイバ１０に入射されて被測定領域にまで伝
送され他方の端面１０ｂより出射される。さて被測定領
域の光ファイバ１０の端面１０ｂの前方に被測定物体６
が通過した場合には、このレーザビームからの反射光が
端面１０ｂより再び光ファイバ１０に与えられる。

この反射されたレーザ光は被測定物体６の速度に比例し
たドツプラーシフト（Δｆ）を受けるため、信号光の周
波数はｆｏ＋Δｆとなる。又光ファイバ１０の端面１０
ｂには無反射コーティングが施されていないため、光フ
ァイバ１０を伝播したレーザ光の一部がそのまま反射さ
れて周波数ｆＯを有する参照光として信号光と共に光フ
ァイバ１０を逆方向に伝播する。そしてテーパ面１０ａ
に達すると、信号光及び参照光はテーパ面１０ａで前述
したよう−に全反射し、集光レンズ１３によって集光さ
れて光電変換器７に与えられる。光電変換器７では参照
光及び信号光の光ビームによるヘテロダイン検波が行わ
れ、これらのレーザ光の周波数の差、即ちドツプラーシ
フトに基づく周波数Δｆの電気信号が得られる。周波数
測定器８ではこの信号の周波数（Δｆ）を測定し、得ら
れたデータを信号処理部９によって処理することにより
速度情報を得ることができる。

尚、ここでは実施例を被測定物体の瞬時の速度を測定す
る装置として説明したが、瞬時速度を連続的に測定する
ことにより物体の振動を測定する装置として用いること
も可能である。

又本発明は物体の速度や振動を測定する装置の他に、光
ファイバを用いてレーザ光を双方向に通過させ、光ファ
イバの端面で出射光と入射光を分離する種々の装置に応
用することが可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による光ファ不バを用いた測定装置の一
実施例を示すブロック図、・第２図は光ファイバの端面
をテーパ面とした光ファイバの入射状態を示す原理図、
第３図（ａ）、第３図（ｂ）、及び第３図（Ｃ）はテー
パ角αに対する許容入射角の変化を示す図、第４図はテ
ーパ角αに対する許容入射角θｉ及び出射角θＯの変化
を示すグラフ、第５図は光ファイバのテーパ面からの出
射状態を示す原理図、第６図は従来の光ファイバを用い
た速度計の構成を示すブロック図である。 １・・−−−−−レーザ光源　　２．　４．　１２−・
−レンズ３−・−・・・偏光ビームスプリッタ　　５．
１０・・・−・・−光ファイバ　　１０ａ−・・・・−
テーパ面　　６−・・−・被測定物体　　７−・−・−
光電変換器　　８・−・−・周波数測定器　　９−−−
−−一信号処理部　　１１−−−−−−・半導体レーザ
　　１３−・・・−・−集光レンズ特許出願人　　日本
科学工業株式会社 代理人弁理士　岡本官喜（他１名） 第１図 １ｏ・−−・−−一先フフイＩぐ １０ａ−−−−−・チーｌぐ面 １０ｂ−−−−・・　九７テイＩ＜鳩品１１−・−−−
−−一半４弥し一す゛ 第２図 １゜ 第３図 ０ａ ０ａ 第４図 ３６．９７　　５３．３７ チーＩぐ＾　　び０ 第５図 ０ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の端面が光軸の垂直線から所定のテーパ角を
   傾けてテーパ面として構成され、該テーパ角は外部から
   テーパ面を介して光ビームが入射し光ファイバ内よりテ
   ーパ面に達した光ビームが該テーパ面で全反射する角度
   に選択され、他方の端面が被測定領域に導かれた光ファ
   イバと、前記光ファイバのテーパ面に対して所定の角度
   に配置され、レーザ光を前記光ファイバに入射させるレ
   ーザ光源と、 前記光ファイバを通過し被測定対象により反射され前記
   光ファイバを逆方向に伝播して前記光ファイバのテーパ
   面に達したレーザ光の全反射光を受光し、光信号を電気
   信号に変換する光電変換器と、 前記光電変換器の出力に基づいて信号処理する信号処理
   部と、を具備することを特徴とする光ファイバを用いた
   測定装置。
2. （２）前記レーザ光源は、半導体レーザであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ファイバを用い
   た測定装置。
3. （３）前記光ファイバのテーパ角αは、光ファイバのコ
   ア部の屈折率をｎ＿１、臨界角をθｃとしたときｓｉｎ
   （１／ｎ＿１）−θｃからｓｉｎ（１／ｎ＿１）＋θｃ
   の間に選択されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の光ファイバを用いた測定装置。