JPS63273075A - 光応用計測装置 - 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］ この発明は、物理量の測定に際し光の偏光を応用した計
測装置に関するものである。

［従来の技術］ 第２図は例えば光フアイバセンサ資料集（第一インター
ナショナル株式会社発行）３８８〜３８９頁に示された
従来の光応用計測装置を示す構成図であり、図において
、３１は所要の波長を有する光を発する光源、３２は光
源３１からの光を伝送する光ファイバ、３３は光ファイ
バ３２の端部に設けられたマイクロレンズ、３４はマイ
クロレンズ３３を介し出射される光ファイバ３２からの
光を直線偏光にする第１の偏光ビームスプリッタ、３５
は第１の偏光ビームスプリッタ３４からの直線偏光を被
測定物理量（例えば磁界の強度）に応じて光変調する光
学素子としての光変調素子（例えばファラデー素子）、
３６は光変調素子３５を通過した光を直交する偏光２成
分に分岐して出射する第２の偏光ビームスプリッタ、３
７．３８は第２の偏光ビームスプリッタ３６で分岐され
た偏光２成分をそれぞれ集光するマイクロレンズ、３９
゜４０はそれぞれマイクロレンズ３７．３８に接続され
上記偏光２成分をそれぞれ伝送する光ファイバ、４１．
４２はそれぞれ光ファイバ３９．４０からの出射光を受
光し所要の電気信号に変換する光受信器、４３は光受信
器４１．４２からの出力電気信号を受けて所要の演算を
施すことにより被測定物理量に対応した電気信号を出力
する信号処理回路であり、この信号処理回路４３は、加
算器４３ａ、減算器４３ｂ、除算器４３ｃから構成され
ている。

次に動作について説明する。光源３１から出射された光
は、光ファイバ３２により伝送されマイクロレンズ３３
で平行ビームにされてから、偏光ビームスプリッタ３４
により直線偏光に変換される。そして、光変調素子３５
において磁場が加えられると、この磁場の作用によって
磁界の強度（被測定物理量）に応じ光変調素子３５を通
過する光の偏光面が回転する。

光変調素子３５を通過した光は、偏光ビームスプリッタ
３６により互いに直交する偏光２成分に分岐され、それ
ぞれの成分の光が、マイクロレンＸ３７．３８で集光さ
れて光ファイバ３９．４０により光受信器４１．４２へ
伝送され、各光受信器４１．４２により電気信号に変換
される。

このようにして得られた２つの出力電気信号の和および
差をそれぞれ加算器４３ａおよび減算器４３ｂにおいて
求めた後、除算器４３ｃにおいて差／和が求められる。

この値は、磁界の強度に対応するファラデー回転角に関
するもので、上述のような装置により、光源４１の変動
の影響を受けない、つまり光源４１の光強度によらない
磁界の強度に応じた電気信号が出力として得られる。

なお、以上では、光変調素子３５として、ファラデー素
子を用いた場合について示しているが、ポッケルス素子
を用いれば電界の強度を測定できるほか、光弾性素子を
用いれば圧力を測定できる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の光応用計測装置は以上のように構成されているの
で、光変調素子３５から信号処理回路４３まで２本の光
ファイバ３９．４０を用いて光変調された光を伝送する
ため、この２本の光ファイバ３９．４０での伝送中にお
ける光ロスの変動が測定誤差の原因となるという問題点
があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、光学素子から信号処理回路への光ファイバを
１本とし光フアイバ伝送中の光ロスの変動の影響を受け
ないようにして、直流成分まで精度よく測定できる光応
用計測装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る光応用計測装置は、所要の波長を有する
光を交互に発する第１および第２の光源と、これらの第
１および第２の光源からの光をそれぞれ伝送する第１お
よび第２の光ファイバと、これらの第１および第２の光
ファイバから出射される各光を直交する直線偏光にする
第１の偏光ビ−ムスプリツタと、同第１の偏光ビームス
プリッタからの直線偏光を被測定物理量に応じて光変調
する光学素子と、同光学素子を通過した光の一定偏光成
分をとり出す第２の偏光ビームスプリッタと、同第２の
偏光ビームスプリッタからの出力光を伝送する第３の光
ファイバと、同第３の光ファイバからの出射光を受光し
所要の電気信号に変換する第１の光受信器と、同第１の
光受信器の出力電気信号を上記第１の光源の発光タイミ
ングに同期してホールドする第１のサンプルホールド回
路と、上記第１の光受信器の出力電気信号を上記第２の
光源の発光タイミングに同期してホールドする第２のサ
ンプルホールド回路と、上記の第１および第２のサンプ
ルホールド回路からの各出力を受けて所要の演算を施す
ことにより上記被測定物理量に対応した電気信号を出力
する信号処理回路とをそなえるとともに、上記第１の偏
光ビームスプリッタから上記光学素子以外の方向へ出射
される光を受けて伝送する第４の光ファイバと、同第４
の光ファイバからの出射光を受光し所要の電気信号に変
換する第２の光受信器と、同第２の光受信器の出力電気
信号を上記第１の光源の発光タイミングに同期してホー
ルドする第３のサンプルホールド回路と、上記第２の光
受信器の出力電気信号を上記第２の光源の発光タイミン
グに同期してホールドする第４のサンプルホールド回路
と、上記の第３および第４のサンプルホールド回路から
の出力の比が所定の値に等しくなるように上記第１、第
２の光源の駆動電流を制御する制御回路とをそなえたも
のである。

［作　　　用］ この発明における光応用計測装置では、光学素子への入
射用に第１および第２の光ファイバの２本が設けられ、
これらの各光ファイバの独立した光ロスが、第４の光フ
ァイバでモニタされ、第２の光受信器、第３および第４
のサンプルホールド回路、制御回路により第１．第２の
光源の駆動電流を制御することで補償される。

また、上記光学素子からの出射用に第３の光ファイバの
１本が設けられ、上記光学素子を通過し第２の偏光ビー
ムスプリッタによりとり出された光の一定偏光成分が、
上記第３の光ファイバを伝送されて、この偏光成分に基
づき、第１の光受信器、第１および第２のサンプルホー
ルド回路、信号処理回路により被測定物理量に対応した
電気信号が得られる。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する０本実
施例は１本発明の装置を磁界の強度計測に適用する場合
について説明する。第１図において、１は所要の波長を
有する光を発する第１の光源、２は第１の光源ｌからの
光と同一波長を有し第１の光源１からの光に対し交互に
発光しうる第２の光源、３，４は光源１，２からの光を
それぞれ伝送する第１および第２の光ファイバ、５．６
は各光ファイバ３，４の端部に設けられたマイクロレン
ズ、７はマイクロレンズ５，６を介し出射される光ファ
イバ３，４からの各光を直交する直線偏光にする第１の
偏光ビームスプリッタ、８は偏光ビームスプリッタ７か
らの直線偏光を被測定物理量である磁界強度に応じて光
変調する光学素子としてのファラデー素子である。

また、９はファラデー素子８を通過した光の一定偏光成
分をとり出す第２の偏光ビームスプリッタ、１０は偏光
ビームスプリッタ９から一定偏光成分を集光するマイク
ロレンズ、１１はマイクロレンズ１０からの出力光を伝
送する第３の光ファイバ、１２は光ファイバ１１からの
出射光を受光し所要の電気信号に変換する第１の光受信
器、１３は光受信器１２からの出力電気信号を光源１の
発光タイミングに同期してホールドする第１のサンプル
ホールド回路、１４は光受信器１２からの出力電気信号
を光源２の発光タイミングに同期してホールドする第２
のサンプルホールド回路、１５はサンプルホールド回路
１３．１４からの各出力を受けて所要の演算を施すこと
により磁界強度に対応した電気信号を出力する信号処理
回路で、加算器１５ａ、減算器１５ｂ、除算器１５ｃか
ら構成されている。

そして、１６は偏光ビームスプリッタ７からフアラデー
素子８以外の方向へ出射される光を集光するマイクロレ
ンズ、１７はマイクロレンズ１６からの光を伝送する第
４の光ファイバで、光源１゜２が発した光の偏光ビーム
スプリッタ７に到達した時点での光強度（光フアイバ伝
送ロス）をモニタするものである。

１８は光ファイバ１７からの出射光を受光し所要の電気
信号に変換する第２の光受信器、１９は光受信器１８か
らの出力電気信号を光源１の発光タイミングに同期して
ホールドする第３のサンプルホールド回路、２０は光受
信器１８からの出力電気信号を光源２の発光タイミング
に同期してホールドする第４のサンプルホールド回路、
２１はサンプルホールド回路１９．２０からの各出力値
の比を演算する除算器、２２は除算器２１からの除算値
（比）が図示しない設定値調整つまみにより設定された
設定値に等しくなるように光源１の駆動電流を制御する
制御回路、２３．２４はそれぞれパルス発生器２５から
のパルスに同期して光源１．２を駆動する光源駆動回路
、２５は光源１゜２の発光タイミングやサンプルホール
ド回路１３゜１４．１９．２０のホールドタイミングを
決定すルハルスを発生するパルス発生器である。

次に本実施例の装置の動作について説明する。

光ファイバ３を通じて光源１から送られた光は、偏光ビ
ームスプリッタ７を透過し直線偏光となってファラデー
素子８を通過し、偏光ビームスプリッタ９で反射された
後、マイクロレンズ１０および光ファイバ１１を通って
光受信器１２で電気信号に変換される。一方、これとほ
ぼ同様に、光ファイバ４を通じて光源２から送られた光
は、偏光ビームスプリッタ７で反射され、光源１からの
光と直交する偏光面をもつ直線偏光となってファラデー
素子８を通過し、偏光ビームスプリッタ９で反射された
後、マイクロレンズ１０および光ファイバ１１を通って
光受信器１２で電気信号に変換される。なお、偏光ビー
ムスプリッタ９の偏光面は、偏光ビームスプリッタフの
偏光面に対して４５＠ずれている。

ここで、光源１の発光時の光強度をＰｌ、光源２の発光
時の光強度をＰ８、光ファイバ３の光減衰係数をＱい光
ファイバ４の光減衰係数をＱ２、マイクロレンズ５から
偏光ビームスプリッタ７゜ファラデー素子８．偏光ビー
ムスプリッタ９．マイクロレンズ１０までの光減衰係数
をＬｌ、同様にマイクロレンズ６から偏光ビームスプリ
ッタ７゜ファラデー素子８．偏光ビームスプリッタ９．
マイクロレンズ１０までの光減衰係数をＬよ、さらに、
マイクロレンズ５から偏光ビ〒ムスプリツタ７、マイク
ロレンズ１６までの光減衰係数をＬｌ。。

マイクロレンズ６から偏光ビームスプリッタ７゜マイク
ロレンズ１６までの光減衰係数をＬ２゜、光ファイバ１
７の光減衰係数をΩ、とする。また、光源１が発光して
いる時の光受信器１２．１８の起電力をそれぞれＰｌ。

、Ｐ１□、光源２が発光している時の光受信器１２．１
８の起電力をそれぞれＰ２゜、Ｐ２１とする。

このとき、ファラデー素子８に、強度Ｈの磁界が加えら
れると、ヴエルデ定数をにとすれば、光の偏光面はθ＝
に・Ｈだけ回転する。従って、光受信器１２の光電変換
係数をｋとすると、Ｐ　１ｇ１　＝Ｐ　１・Ｑ　ｚ・Ｌ
ｘ・ｋ　・（１＋　５ｘｎ２　ｘ　Ｈ）／　２ｐ２゜＝
　ｐ２ａ　ｍ、・Ｌ、・ｋ＠（１−５ｉｎ２ｘ　Ｈ）／
　２・・・・（１） となる、そして、光受信器１８の光電変換係数をに０と
すると、 となる。

磁界強度Ｈ＝Ｏの時、（１）式より、 であり、制御回路２２の設定値調整つまみをＰｌ。−Ｐ
２゜＝０ となるように調整する。このとき、（３）式より、Ｐｌ
・Ω１・Ｌｌ・ｋ／２＝Ｐ、・Ｑ２・Ｌ２・ｋ／２つま
り。

Ｐｌ・Ｑｔ／（ｐ２匂１）＝・Ｌ、／Ｌ１・・・・（４
）となるとともに、除算器２１の出力値（除算値）は、
（２）式より。

Ｐｕｔ／Ｐｚｚ＝Ｐｘ・Ω１・Ｌｌ。／（Ｐ２・Ｑよ・
Ｌ２゜）・・・・（５） となる、従って、　（４）、　（５）式より、設定値調
整つまみで設定する値（比）を、Ｌ２・Ｌｉ。／（Ｌｌ
・Ｌ２゜）とすれば、本実施例の装置が較正されたこと
になる。

つまり、この後、制御回路２２により、除算器２１の出
力ＰＬ、／Ｐ、、が常に所定の値Ｌ２・Ｌｌ。／（Ｌｌ
・Ｌ２゜）に等しくなるように、光源１の駆動電流を制
御することで、常に、 Ｐｌ・Ｑユ・Ｌ□・ｋ／２＝Ｐ、ｉ、−Ｌ、参に／２の
関係が保持されることになる。

一方、サンプルホールド回路１３．１４にホールドされ
ている値を、信号処理回路１５における加算器１５ａ、
減算器１５ｂ、除算器１５ｃを用いて計算すると、従来
と同様に。

Ｐ、。＋Ｐ！。

が得られ、磁界強度Ｈに比例して、光強度や光フアイバ
伝送ロスの変動の影響を受けることのない。

出力（被測定物理量）が得られる。

このように１本実施例によれば、ファラデー素子８への
入射用に２本の光ファイバ３，４が設けられ、これらの
各光ファイバ３，４の独立した光ロスを、光ファイバ１
７でモニタして、光受信器１８、サンプルホールド回路
１９，２０．除算器２１および制御回路２２により光源
１の駆動電流を制御することで補償する一方、ファラデ
ー素子８からの出射用には光ファイバ９が１本だけ設け
られ、従来のような光フアイバ伝送ロスの変動の影響を
受けないようにしたので、直流成分まで極めて精度よく
測定できるようになるのである。

なお、上記実施例では、光学素子としてファラデー素子
８を用いて磁界強度を被測定物理量として測定している
が、光学素子として、ポッケルス素子を用いれば電界の
強度を測定できるほか、光弾性素子を用いれば圧力を測
定できる。

また、上記実施例では、第１の光源１の駆動電流のみを
制御するようにしているが、第２の光源２の駆動電流の
みを制御するようにしてもよいし、第１および第２の光
源１．２の駆動電流を同時に制御するようにしてもよく
、いずれの場合も上記実施例と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、光学素子への入射用
に２本の光ファイバを設け、二九らの各光ファイバの独
立した光ロスを、制御回路などにより光源の駆動電流を
制御することで補償するようにして、光学素子からの出
射用の光ファイバが１本だけでも被測定物理量を測定で
きるように構成したので、従来のような光フアイバ伝送
ロスの変動の影響を受けなくなり、直流成分まで極めて
精度よく測定できる計測装置を得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光応用計測装置を示
すブロック図、第２図は従来の光応用計測装置を示すブ
ロック図である。 図において、１−第１の光源、２−第２の光源。 ３−第１の光ファイバ、４−第２の光ファイバ。 ７−第１の偏光ビームスプリッタ、８−光学素子として
のファラデー素子、９−第２の偏光ビームスプリッタ、
１１−第３の光ファイバ、１２−第１の光受信器、１３
−第１のサンプルホールド回路、１４−第２のサンプル
ホールド回路、１５−信号処理回路、１７−第４の光フ
ァイバ、１８−第２の光受信器、１９−第３のサンプル
ホールド回路、２〇−第４のサンプルホールド回路、２
２−制御回路。 なお、図中、同一の符号は同一、又は相当部分を示して
いる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所要の波長を有する光を発する第１の光源と、同第１の
   光源からの光と同一波長を有し同第１の光源からの光に
   対し交互に発光しうる第２の光源と、上記の第１および
   第２の光源からの光をそれぞれ伝送する第１および第２
   の光ファイバと、これらの第１および第２の光ファイバ
   から出射される各光を直交する直線偏光にする第１の偏
   光ビームスプリッタと、同第１の偏光ビームスプリッタ
   からの直線偏光を被測定物理量に応じて光変調する光学
   素子と、同光学素子を通過した光の一定偏光成分をとり
   出す第２の偏光ビームスプリッタと、同第２の偏光ビー
   ムスプリッタからの出力光を伝送する第３の光ファイバ
   と、同第３の光ファイバからの出射光を受光し所要の電
   気信号に変換する第１の光受信器と、同第１の光受信器
   の出力電気信号を上記第１の光源の発光タイミングに同
   期してホールドする第１のサンプルホールド回路と、上
   記第１の光受信器の出力電気信号を上記第２の光源の発
   光タイミングに同期してホールドする第２のサンプルホ
   ールド回路と、上記の第１および第２のサンプルホール
   ド回路からの各出力を受けて所要の演算を施すことによ
   り上記被測定物理量に対応した電気信号を出力する信号
   処理回路とをそなえるとともに、上記第１の偏光ビーム
   スプリッタから上記光学素子以外の方向へ出射される光
   を受けて伝送する第４の光ファイバと、同第４の光ファ
   イバからの出射光を受光し所要の電気信号に変換する第
   ２の光受信器と、同第２の光受信器の出力電気信号を上
   記第１の光源の発光タイミングに同期してホールドする
   第３のサンプルホールド回路と、上記第２の光受信器の
   出力電気信号を上記第２の光源の発光タイミングに同期
   してホールドする第４のサンプルホールド回路と、上記
   の第３および第４のサンプルホールド回路からの出力の
   比が所定の値に等しくなるように上記第１、第２の光源
   の駆動電流を制御する制御回路とをそなえて構成された
   ことを特徴とする光応用計測装置。