JPS6273122A - 精密測定用光学装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学系を用いて物理量一般の精密測定を行う
ようにした精密測定用光学装置に関し、特に、携帯可能
の装置により物理量の変化の精密測定を自動的に行ない
得るようにしたものである。

（従来の技術） 一般の物理量、特に、本発明の好適な対象とする大気圧
の精密測定装置は、従来、固定式であり、その代表的な
ものとして水銀気圧計およびアネロイド気圧計がある。

前者は、測定精度が良好で高い信頼性を有しているが、
測定および取扱いは筒便とはいい難く、後者は、測定お
よび取扱いがかなり簡便であるが、前者はど良好な測定
精度が得られていない。

しかして、大気圧は、他の気象パラメータ、例えば降雪
量や湿度等に比して格段に良好な精度の測定値を必要と
し、例えば、降雪量は数％程度の測定誤差があっても実
用上問題はないが、大気圧の測定誤差は０．２〜０．３
ｍｂ以下に抑えなければならず、この誤差値は、測定値
を１０１００Ｏとすると、０．０３％程度の誤差に相当
し、降雪量の測定誤差より２桁も高い測定精度が要求さ
れることになる。

（発明が解決しようとする問題点） かかる高い測定精度が得られ、しかも、可搬式であって
簡便な取扱により自動測定をなし得る気圧測定装置は、
従来から強く要望されているにも拘らず、未だ開発され
ていない。特に、大気圧測定結果に関する情報伝達機構
および情報表示機構をも考慮して、これらの機構に適合
するように構成した高精度の気圧測定装置の開発が要望
されているが、従来、かかる要望も満たされていない。

高い測定精度を有する精密測定装置に関する上述した問
題点は、上述した気圧測定装置の例のみに留まらず、他
の流体圧力は勿論、温度などの物理量一般の精密測定装
置に共通する問題であり、高い測定精度と、簡便な取扱
い、可搬性、即時性、自動化、情報伝達性等の使い勝手
とを両立させた精密測定装置の開発が物理量一般につい
て要望されている。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明の目的は、上述した問題点を解決して、大気圧等
の物理量を高い精度で自動的に即時？ＪＩＩＩ定し得る
精密測定装置に光学系を巧みに利用した精密測定用光学
装置を提供することにある。

すなわち、本発明精密測定用光学装置は、大気圧に感応
するベローズ等の物理量センサのストロークなど機械的
出力量を回折格子の回転角に変換し、その回折格子によ
り分光したレーザ光のスペクトル分布の変化から被測定
物理量を算出するようにしたものであり、レーザ光源と
、そのレーザ光源から導いたレーザ光をそのレーザ光の
光路を含む面に垂直の軸の周りに回転可能に設けた回折
格子により分光する分光器と、被測定物理量の変化に応
じ前記回折格子を回転させてレーザ光の入射角を変化さ
せる機能素子と、前記分光器から導いたレーザ光の分光
によるスペクトル分布に対応させた電気信号に基づいて
前記被測定物理量を算出するスペクトル演算処理部とを
そなえたことを特徴とするものである。

（作用） したがって、本発明を大気圧測定に適用すれば可搬型自
動気圧精密測定装置を提供することができ、さらに、地
上高度差による大気圧の変化を即時に精密測定し得る自
動気圧測定システムを実現することができ、かかる高度
差気圧測定装置のほか、深度差水圧測定装置、ガス圧測
定装置、圧力開閉器、流量測定装置等、種々の物理量セ
ンサと巧みに組合わせて、種々の物理量の自動精密測定
装置を開発することができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明精密測定用光学装置の概略構成の例を第１
図に示す。図示の概略構成においては、長波長半導体レ
ーザあるいはＨｅ　−Ｎｅレーザなどのレーザ光源１の
出力レーザ光を２分岐し、一部の出力レーザ光を光スペ
クトルアナライザとパーソナルコンピータとを組合わせ
たスペクトル演算処理部６に直接導くとともに、他の出
力レーザ光を、単一モード光ファイバあるいは定偏波光
ファイバ等の光ファイバ２を介し、例えば、第４図（ａ
）〜（Ｃ）につき後述するように、大気圧に感応するへ
ローズ等の圧力センサに回折格子を組合わせてｉ、ｌ、
７成した簡易型分光器３に導いて、大気圧に応動した圧
カセンザのｎ械的出力に応じた量の分光を施し、その分
光したレーザ光を、光ファイバ４を介し、光パワーメー
タ５に導いてその出力をチェックしたうえで前述したス
ペクトル演算処理部６に入射させ、その分光出力レーザ
光のスペクトル分布を、前述したレーザ光源１からの入
力レーザ光のスペクトル分布と比較するとともに、分析
して、そのスペクトル分布に対応した被測定大気圧を算
出し、出力表示する。

つぎに、第１図示の全体構成における各ブロックの原理
的な詳細構成および動作原理をそれぞれの図面について
順次に説明する。

まず、長波長半導体レーザあるいは１ｌｅ−Ｈｅレーザ
を用いたレーザ光源１における出力レーザ光のパワース
ペクトル分布特性の例を第２図（ａｌあるいは同図（ｂ
）にそれぞれ示す。一般に、レーザ光源の良否の評価は
、かかるパワースペクトル分布に基づいてなされ、通常
は、スペクトル分布特性曲線の半値幅７あるいは８が狭
く、単一スペクトルに近い程優れたレーザ光源であると
される。しかしながら、本発明光学装置に用いるレーザ
光源１については、後述するように回折格子により分光
したレーザ光のスペクトル分布特性曲線における半値幅
の変化量から被測定大気圧を算出するのであるから、両
者間に明確な線形の対応が得易くなるように、スペクト
ル分布特性曲線が、広い半値幅を有するとともに、その
測定対象領域において良好な線形性を呈するようなレー
ザ素子を用いるのが好適である。

本発明光学装置においては、かかるスペクトル分布特性
を有する光源１からのレーザ光を、第３図（ａｌに示す
ように、マイクロレンズ９．１０の組合せによって光フ
ァイバ１２に注入するとともに、その出力端からマイク
ロレンズ１４により平行光ビーム１６として取出し、あ
るいは、第３図（ｂ）に示すように、他の光ファイバか
らの平行光ビームをマイクロレンズ１１によって光ファ
イバ１３に注入するとともに、その出力端からマイクロ
レンズ１５により平行光ビーム１７として取出し、それ
ぞれ、簡易型分光器３に入射させる。

その簡易型分光器３の本体は、例えば、第４図（ａｌに
示すように構成する。すなわち、上述したように、例え
ば単一モード光ファイバーよりなる光ファイバ１２から
一マイクロレンズ１４を介して取出した平行光ビーム１
６を、全反射ミラー１８および１９により順次に反射さ
せて回折格子２０に適切な角度で入射させ、回折格子２
０により回折して分光した平行光ビームを全反射ミラー
２１および２２により順次に反射させて、マイクロレン
ズ２３を介し、例えば単一モード光ファイバよりなる光
ファイバ２４に注入して器外に取出す。この分光出力光
ビームは、回折格子２０の回折作用により分光し、例え
ば第２図（ａｌ、　（ｂ）に示した光源出力光スペクト
ル分布よりさらに広い半値幅の分光出力光スペクトル分
布を呈し、しかも、そのスペクトル分布拡がりの程度は
回折格子２０に対する平行光ビーム１６の入射角に応し
て変化する。したがって、回折格子２０を平行光ビーム
１６の光路を含む面に垂直の軸の周りに回転させ、その
回転角を例えば大気圧などの被測定物理量の変化に応じ
て変化させれば、被測定物理量に対応した半値幅の分光
出力光スペクトル分布が得られ、その分光出力光スペク
トル分布に基づいて例えば大気圧などの被測定物理量を
算出し得ることになる。

上述した回折格子２０の回転角Δθを例えば大気圧とす
る被測定物理量の変化に応じて設定し得るようにするた
めには、例えば第４ｆｆｌ（ｂ）に示すように、センサ
ボックス２５を簡易型分光器３の本体に取りつける。そ
のセンサボックス２５には、例えば大気圧を被測定量と
する場合には気圧測定用ベローズ２６を設置し、そのベ
ローズ２６の機械的出力の変化分Δｌを、伝達金具２７
を介し、回折格子２０を上述したように回転し得るよう
に支持した回転支持台に伝達する。図示の金具２７によ
るセンサ出力伝達機構は、極めて原理的な構成を示した
ものであり、実際には、センサの機械的出力の微小変化
を精密かつ正確に回折格子の回転支持台に伝達する適切
な構成の伝達機構を用いる必要があり、具体的には種々
の構成が考えられる。

ここで、第４図（Ｃ１を参照して、分光出力光スペクト
ル分布特性曲線の半値幅Δλと回折格子２０の回転角Δ
θと気圧測定用ベローズ２６の機械的出力伸縮長Δｌと
の相互の関係を説明すると、上述した原理的構成によっ
て被測定物理量に感応する機能素子としてのベローズ２
６の伸縮長Δｌを回折格子２０の回転角Δθに対応させ
ると、回折格子２０による分光出力光スペクトル分布特
性曲線の半値幅Δλは回折格子２０の回転角Δθにほぼ
比例させておくことができるので、機能素子２６の機械
的出力変化Δｌとの間にΔ）■Δθ■Δｌなる比例関係
が得られる。

しかして、上述のような比例関係が忠実に成立つことは
困難であるとしても、回折格子２０の極めてわずかな角
度の回転により、第２図（ａ）、　（ｂ）に示したよう
な光源光のスペクトル分布が回折格子２０の分光作用を
受けて大幅に拡大された分光出力光スペクトル分布の半
値幅がほぼ比例して大幅に変化するので、かかる分光出
力光スペクトル分布曲線の半値幅が、ベローズ２６が伝
える大気圧の微妙な変化に敏感に対応し得ることになる
。したがって、たとい、上述した三者間に忠実な比例関
係を成立たせることは困難であるとしても、分光出力光
スペクトル分布の半値幅の変化量Δλと回折格子の回転
角Δθに対応したベローズ２６の伸縮長Δβとの対応関
係を予め正確に測定することによって較正しておけば、
任意の大きさの大気圧変動を極めて忠実かつ円滑に測定
することができる。

上述のように、被測定物理量としての大気圧の変化に忠
実かつ敏感に対応し得る簡易型分光器３の分光出力は、
光ファイバ４を介し、光パワーメータ５に導いて検出す
る。すなわち、第５図に示すように、回折格子２０によ
ってその回転角Δθに対応して分光された平行光ビーム
１６は、マイクロレンズ２８を介し、光ファイバ２９に
入射して伝賢し、マイクロレンズ３０により集光されて
光パワーメータ３１により検出される。なお、この光パ
ワーメータ３１は、使用する光源光の波長に応じて、例
えば、シリコン太陽電池あるいはゲルマニウム太陽電池
を適切に選定して用いる必要がある。

上述したように被測定物理量の情報を伝える分光出力光
は、さらに、光スペクトルアナライザとマイクロコンピ
ータとを兼ねたスペクトル演算処理部６に導いて光スペ
クトル分布の分析を施し、第６図に示す−ように、分析
結果の光スペクトル分光特性曲線を、光源光の分析結果
とともにスペクトルアナライザ３２に表示するとともに
、その半値幅に対応した被測定物理量としての例えば大
気圧をマイクロコンピュータ３３の出力にディジタル表
示する。すなわち、半導体レーザあるいは１ｉｅ−Ｎｅ
レーザよりなる光源１の出力レーザ光と光検出器５から
の分光出力光とをスペクトルアナライザ３２およびマイ
クロコンピータ３３によって解析し、高い精度で被測定
物理量、例えば、大気圧を求めるることができる。

つぎに、第４図（ｂｌに原理的構成の例を示した回折格
子に対するセンサ出力伝達機構の具体的構成の例を第７
図（ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ示す。第７図（ａ）に示す
構成例は間接定倍型としたものであり、ベローズ２６の
機械的出力のストロークを油圧ピストン３４により油圧
に変換して、チューブ３５を介し、油圧ピストン３６に
伝達し、支持台３７により回転可能に支持した回折格子
２０を回転さゼる。なお、油圧ピストン３４と３６との
径を異ならせば、ベローズ２６のストロークを数倍程度
増幅することができる。

また、第７図（ｂ）に示す構成例は、同図（ａｌにつき
上述した構成例とほぼ同様の構成による直接定倍型とし
たものであり、チューブ３５を介して伝達した油圧を円
形ケーシング３８内のベーン３９に伝え、ベローズ２６
のストロークを直接に回折格子２０の回転角に変換する
。

さらに、第７図ｆｃｌは連結棒４０．４１．４２の組合
わせにより、ベローズ２６のストロークを増幅して、回
折格子２０を支持する回転台４３のレバー４４を回動さ
せ、連結棒４０，４１．４２の長さを適切な比にして組
合わせることにより、ベローズ２６のストロークを任意
に増幅して連結棒４２のレバー４４を押すストロークに
変換している。

かかる構成による簡易型分光器３は５ｃｍ立方程度に小
型に構成することができ、回折格子２０を集積化して製
作すれば２ｃｍ立方程度にさらに小型化することも可能
である。

また、従来の水銀気圧計の読取り精度０．１ｍ１１ｇ、
アネロイド気圧計の読取り精度１ｍ１１ｇに対し、本発
明光学装置を用いた気圧計の測定精度は、回折格子の製
作精度によって異なるが、回折格子の製作精度を１２０
０本／ｌ■にして光スペクトルにして０．　Ｏ５ｎｍの
分解能が得られたときには、０．００１ｍ１１ｇ程度に
著しく向上させることができた。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、被測
定物理量に対応したセンサボックス内の機能素子の機械
的出力の変化を回折格子の回転に変換して光学的に忠実
に拡大することにより、被測定物理量の微妙な変化を高
い精度で忠実に測定することができ、センサボックス内
の機能素子を適切に選定することにより、大気圧のみな
らず、水圧、ガス圧、油圧、風圧あるいは蒸気圧など各
種の圧力の微細な変化、さらには、温度など他のあらゆ
る物理量の変化を高精度で測定することができ、例えば
、従来の圧力センサの機械的出力を同様に光学的に拡大
して高精度で測定し得るという格別の効果を挙げること
ができる。

特に、本発明精密測定用光学装置においては、光源とし
て、光パワースペクトル分布の半値幅の大きい、いわば
、あまり良質ではないレーザ光源を積極的に利用し、分
光器に取付けて組合わせる機能素子を適切に選択するこ
とによって任意所望の物理量を同様に測定することがで
き、さらに、光スペクトルアナライザとマイクロコンピ
ータとの組合わせにより物理量情報を高精度で解析して
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明測定用光学装置の概略構成の例を示すブ
ロック線図、 第２図（ａｌ、　（ｂｌはレーザ光のスペクトル分布特
性の例をそれぞれ示す特性曲線図、 第３図（ａｌ、　（ｂ）は本発明光学装置の一部の構成
例をそれぞれ示す線図、 第４図（ａ）、　（ｂ）および（Ｃ１は同じくその光学
装置における簡易型分光器の構成例および動作原理をそ
れぞれ示す線図、 第５図は同じくその光学装置の他の一部の構成例を示す
線図、 第６図は同一しくその光学装置のさらに他の一部の構成
例を示す線図、 第７図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は同じくその光学装
置におけるセンサ出力伝達機構の具体的構成例をそれぞ
れ示す線図である。 ■・・・レーザ光源 ２．４．１２，２４．２９・・・光ファイバ３・・・簡
易型分光器　　　５，３１・・・光パワーメータ６・・
・スペクトル演算処理部 ７．８・・・半値幅 ９．１０，１１，１４，１５，２３．２８．３０−ｔイ
クｏ　Ｌ／　７ス１６．１７・・・平行光ビーム　１８
．１９，２１．２２・・・ミラー２０・・・回折格子　
　　　　２５・・・センサボックス２６・・・ヘローズ
　　　　　２７・・・伝達金具３２・・・スペクトルア
ナライザ ３３・・・マイクロコンピュータ ３４．３６・・・油圧ピストン　３７・・・支持台３８
・・・ケーシング　　　　３９・・・ベーン４０．４１
．４２・・・連結棒　　　４３・・・回転台４４・・・
レバー 掘＋１ｇ 郁召々 第４図（ａ）　　　　第４図（ｂ） 第４図（Ｃ） 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光源と、そのレーザ光源から導いたレーザ光
   をそのレーザ光の光路を含む面に垂直の軸の周りに回転
   可能に設けた回折格子により分光する分光器と、被測定
   物理量の変化に応じ前記回折格子を回転させてレーザ光
   の入射角を変化させる機能素子と、前記分光器から導い
   たレーザ光の分光によるスペクトル分布に対応させた電
   気信号に基づいて前記被測定物理量を算出するスペクト
   ル演算処理部とを備えたことを特徴とする精密測定用光
   学装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光学装置において、前
   記機能素子を圧力センサにより構成し、少なくとも、大
   気圧、風圧、ガス圧、蒸気圧、水圧および油圧のいずれ
   かを測定し得るようにしたことを特徴とする精密測定用
   光学装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の光学装置において、前
   記圧力センサをベローズにより構成したことを特徴とす
   る精密測定用光学装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の光学装置において、前
   記機能素子を形状記憶合金により構成し、温度を測定す
   るようにしたことを特徴とする精密測定用光学装置。