JPS6356923B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、光の導入と放出が可能である二つ
の結合部を持つ光伝送路を備え、両結合部を通し
て放出された光が重ね合わされて少くとも一つの
受光面に導かれ、一つの結合部に向つて送られる
光とこの結合部を通つて放出され受光面に導かれ
る光とが多数のモードの伝搬が可能である共通区
間内で重なり合つた通路を互に逆向きに進行する
リング干渉計に関するものである。

この種のリング干渉渉計的には不可逆的の走行
時間差を決定するための装置である。干渉計が慣
性系に対して静止するか等速並進運動を行つてい
るとき、光の伝搬は光伝送路においても空気区間
においても相反定理に従い、光の通路の光学距離
は二つの互に逆向きの伝搬方向において正確に等
しい。慣性系に対して静止するか等速並進運動を
行なう光伝送路を構成する総ての誘電材料は磁場
が存在しない場合常に相反定理に従つて挙動する
ことも公知である。上記のリング干渉計を組立て
る際予期されなかつた不可逆効果が観測されるこ
とがあるが、これは加速運動例えば回転運動と見
誤られるおそれがある。

この発明の目的は、冒頭に挙げた種類のリング
干渉計においてこのような予期されない不可逆効
果とそれによるいつわりの加速又は回転の作用を
打消すことである。

この目的は、光伝送路の一つの結合部に向つて
送られる光とこの結合部から放出されて受光面に
導かれる光が重なり合つて互に逆向きに進行する
通路にモード絞りを設けることによつて達成され
る。

この発明はその発明者によつて発見された新し
い事実、即ち観測された不可逆性が、リング干渉
計内で光が一度は一つの方向に次には逆の方向に
進行した空気区間において逆方向に進行するとき
前の進行区間といくらか異なつた路を通ることに
その原因があることを基礎にするものである。

モード絞りは理想的にはその名の示す通り唯一
のモードだけを通過させるもの、云い換えれば一
つの光路だけを可能にするものである。しかし空
気中を光が伝搬する場合にはリング干渉計の光学
軸に沿つて多数の光路が可能である。従つて空気
中ではリング干渉計の光学軸に沿つて高次モード
の発生が可能であると言うことができる。

回転その他の加速運動として誤認される誤りの
不可逆効果の原因は、空気中を伝搬する際高次の
モードが干渉計の光学軸に沿つて発生することに
あることが見出された。この高次モードの発生は
特に単モード光伝送路の結合の位置合せが理想的
に行われていないことが原因である。

この発明によればこのような高次モードが打消
されて受光面に達することなく、それによつて回
転その他の加速運動として誤認されるおそれはな
くなる。

この発明の特に有利な実施形態はモード絞りと
して単モード光伝送路を使用するものである。単
モード光伝送路は最もよく知られているモード絞
りである極めて小さい直径の孔を持つ孔絞り板よ
りは特性が優れ、実際上一つのモードだけが通過
し、その他のモードは通過不可能であるかあるい
は取り除かれる。単モード光伝送路の有効な実施
例は後で説明する。

結合部の一つを通して光伝送路に入れる光とこ
の結合部を通して放出され受光面に導かれる光を
もこの結合部に対するモード絞りを通過させると
効果的である。又別の受光面を追加し、この受光
面に両方の結合部から放出された光を別のモード
絞りを通して導くことも有利である。更に光伝送
路の結合部に補助の光を交互に二つのモード絞り
を通して導くようにし、一度は一つのモード絞り
を通し次には他のモード絞りを通して導くかある
いは一つの色の光を一つのモード絞りを通して入
射させると同時に他の色の光を別のモード絞りを
通して入射させることも効果的であるが、この場
合には位置合せに問題を生ずる。即ち光源から送
り出された光の光路中に設けられたモード絞りが
リング干渉計の光学軸を決定し、他方のモード絞
りはこの光学軸に対して正確な位置合せを行う必
要がある。この正確な位置合せが行われていない
と、このモード絞りは一つの高次モードを通過さ
せその他のモードを遮断するようになる。これに
よつて不可逆効果として誤認されることが起る。
別のモード絞りをリング干渉計の光学軸に対して
正確に位置合せすることは実際上困難であるが、
この発明の一つの実施例はモード絞りの位置合せ
の誤差が大きな誤差が大きな影響を及ぼさないよ
うに構成される。この場合誤認された位相のずれ
は打消されはしないが、回転運動の真の値をそれ
から引き出すことができる。

図面に示した実施例についてこの発明を更に詳
細説明する。

第１図に示したリング干渉計は光源６例えばレ
ーザーを含み、それから矢印Ｒの方向にレーザー
光束６０が送り出される。このレーザー光束中に
Ｒ方向に対して例えば45゜傾斜した鏡５０が設け
られ、レーザー光の一部を吸光板１０に向つて分
岐させる。

半透明鏡５０を通過し弱められた光束を６１は
集光レンズ３３によつて集められ、単モード光伝
送路３の一つの結合部３２上に焦点を結ぶ。光伝
送路３は結合部３２の外に結合部３１を持ち、こ
れらの結合部の双方を通して光の導入と放出が可
能である。この単モード光伝送路はコアの直径が
最高で少数μｍであるコア・クラツド型ガラスフ
アイバを巻いて構成するのが有利である。このガ
ラスフアイバの両端面が結合部３１，３２とな
る。

単モード光伝送路３の結合部３１から放出され
た光束の光路中に集光レンズ３１が設けられる。
このレンズは、単モード光伝送路の放出光束の理
想的な光点と見られる発生点がこのレンズの一つ
の焦点面内にあるように配置される。

レンズ３０を通して必ずしも方向Ｒとは一致し
ない方向Ｒ１は平行光束６１′が放出され、方向
Ｒ１に対して例えば45゜に傾斜して置かれた半透
明鏡５に当る。この半透明鏡は透過光と反射光が
それぞれ50％であるものが選ばれ、平行光束６
１′の一部を反射して部分光束６２′としてＲ１に
垂直方向に分岐させ、残りの部分は通過させて部
分光束６２としてＲ１方向に進ませる。

部分光束６２と６２′の光路中には伝搬方向に
直線偏光子Ｐ，P′と４分の１波長板２１，２１′
と集光レンズ８，８′が順次設けられている。直
線偏光子Ｐ，P′は直線偏光を作るものであるが、
図示の位置におけば偏光された光が偏光状態に戻
される危険が少ない。λ／４板２１，２１′は直
線偏光を円偏光に変えるものである。

回転運動の測定を媒質中を互に逆向きに進む二
つの光に対して媒質が回転しているときその回転
速度に比例する不可逆的の走行時間差ができると
いうサニヤツク効果だけに基いて実施する場合に
は、λ／４板２１，２１′を省略することができ
る。しかしサニヤツク効果の打消しその他の目的
のために光伝送路内にフアラデー効果を利用して
不可逆的の走行時間差を付加的に発生させる場合
には、フアラデー効果が円偏光だけで生ずるため
これらのλ／４板が必要となる。サニアツク効果
はこれに反して総ての偏光状態において生ずる。

レンズ８又は８′は平行光束に集束されている
部分光束６２又は６２′を光伝送路１の結合部１
１又は１１′上に集めて焦点を結ばせる。光伝送
路１も単モード光伝送路とし、コア・クラツド型
のガラスフアイバで構成するのが有利である。ガ
ラスフアイバのコアの直径は最高で少数μｍ程度
とし、両端面を結合部１１，１１′とする。

結合部１１又は１１′を通して光伝送路１に導
入された光は光伝送路内を他方の結合部１１′又
は１１に向つて進み、これらの結合部を通して放
出され、レンズ８′又は８によつて平行光束に集
束される。この平行光束はλ／４板２１′又は２
１、直線偏光子P′又はＰを通過した後45゜傾斜し
た半透明鏡５に当る。光伝送路１の一方の結合部
１１を通して放出された光は方向Ｒ１に対して逆
方向に平行光束として伝搬し、他方の結合部１
１′を通して放出された光は方向Ｒ１に垂直な方
向に平行光束として伝搬する。それぞれの平行光
束の一部は半透明鏡５を通過し前と同じ方向に進
むが、残りの部分は半透明鏡５で反射して入射方
向に対して90゜傾斜した方向に進む。この反射光
束は他方の平行光束の透過分と重なり合つて同一
方向に伝搬する。

結合部１１から来て半透明鏡５を通過した光と
結合部１１′から来て鏡５で反射された光とが重
なり合つた平行光束は第１図に２として示され、
結合部１１から来て鏡５で反射された光と結合部
１１′から来て鏡５を通過した光とが重なり合つ
た平行光束は２′として示されている。

平行光束２は平行光束６１′と重ね合わされる。
平行光速２はレンズ３０によつて単モード光伝送
路３の結合部３１上に焦点を結び、この結合部を
通して光伝送路３に導入される。光伝送路３の他
方の結合部３２から放出された光はレンズ３３に
よつて集束されて平行光束２０となり、45゜の角
度で半透明鏡５０に当る。光束２０の一部は平行
光束２１として垂直方向に進み、集光レンズ３４
に当る。この集光レンズの焦点面には例えば極め
て小さい直径の孔を持つ孔絞りの形の公知のモー
ド絞り３５が設けられている。このモード絞り３
５は障害となる反射光を除去するだけの目的に使
用される。

モード絞り３５を通り抜けた光は受光面４とし
ての検出器４０の感光面に当る。検出器４０は入
射光の積分強度を測定し、それに対するアナログ
信号を発生する。モード絞り３５は単モード光フ
アイバとしてもよい。

上記のリング干渉計はそれだけで完全に機能を
果し、回転運動検出器として使用することができ
る。この発明が除去しようとしている回転運動と
誤認される効果を第３図、第４図について詳細に
説明する。これらの図面は結合部１１となる端面
を持つ光フアイバ１の一端を拡大して示す。光フ
アイバの光学軸はＡであり、レンズ８は平行光束
６２を集めてフアイバ１の端面のコアＫ部分に焦
点Ｆを結ばせる。平行光束６２の光学軸A′は焦
点Ｆとレンズ８の中心を通る直線となる（ここで
はガウス結像を前提としている）。

光学軸A′が光学軸Ａと一致しているときリン
グ干渉計は理想的な整合状態にある。しかし実際
にはある程度の整合誤差は避けられないから、こ
れらの光学軸はある角度で傾斜する。これによつ
て第３図に示すように端面１１から出てレンズ８
によつて集束された平行光束の光学軸A″は平行
光束６２の光学軸A′と正確には一致せず、それ
に並んで平行に進むことになる。

平行光束６２の光学軸A′が端面１１において
光フアイバ１の軸Ａの横にずれていることもあり
得る。この場合第４図に示すように端面１１から
出てレンズ８で集束された平行光束の軸A″は平
行光束６２の軸に対して傾斜している。

平行光束６２の焦点Ｆが正確に端面１１上にな
いこともある。この場合端面１１から出た光はレ
ンズ８によつて平行光束とならず、発散光束又は
収斂光束となる。

上記の三つの場合において簡単のため理想的な
単モード光フアイバとした光伝送路１から出た光
の焦点の位置は端面１１上にあるものとする。

上記の三つの効果は多くの場合同時に発生す
る。それによつて平行光束６２が光伝送路の端面
を通して導入される結合効率が低下する。しかし
その結果はフアイバ中の減衰の増大として表わ
れ、回転として誤認されることはない。

他方の結合部１１′とレンズ８′および光束６
２′に関しても同様な考察が適用される。光束６
２′の光学軸の光束６２の光学軸に相対的な位置
は半透明鏡５によつて定められる。ここで考える
実例においては、光束６２′の光学軸は光束６２
の光学軸に垂直であるとする。

前にも述べたように結合部１１又は１１′から
放出され空気区間を通つて光源に戻る光は、光源
から出て光伝送路の結合部に導かれるときの光と
いくらか異なる光路を通過する。これによつて不
可逆効果が誤つて認められる。

この現象を防止するためこの発明は、光が多数
のモードの伝搬が可能である一つの共通区間を通
過するときの重なり合つた光路にモード絞り３又
は３′を設けることを提案する。

モード絞り３が高次のモードを強く減衰する場
合には、光源から来る光束の中結合部１１又は１
１′と光束を分割する半透明鏡５の間で結合部１
１又は１１′を通して導入された光束の光路長に
正確に等しい路を通つた光部分だけが受光面で受
取られる。この場合不可逆効果として誤認される
現象は無視できる程度になる。

第１図に示したリング干渉計では平行光束２′
によつて運ばれた光をも測定目的に使用すると効
果的である。従つてこの光の光路中に第二の光検
出器４０′の受光面４′を置く。光束２′で運ばれ
る光は光束２で運ばれる光と同様に上記の三つの
効果に基き測定値に誤りを生じさせる高次のモー
ドを含む。

上記の理由により高次のモードを強く減衰させ
るモード絞りを光束２′に対して設けることが効
果的である。第１図においてはそのために結合部
３１′，３２′を持つ単モード光伝送路３′が光束
２′に対して設けられている。平行光束２′はレン
ズ３０′によつて結合部３１′の端面に集められ、
光伝送路に導入される。他方の結合部３２′から
放出された光はレンズ３３′によつて集束されて
平行光束となり、受光面４′に当る。

しかしこの平行光束２′は平行光束６１′が重ね
られている平行光束とは原理的に異なつた挙動を
示す。結合部３１′の光学軸が第３図又は第４図
に示した光学軸A′と正確に一致している場合に
は光伝送路３と共に達成される特性と同等の良好
な特性が得られるが、これらの光学軸の整合は無
限の精度をつては行われないからこれらの光学軸
の間にはある偏差が存在し、結合部３１′を通し
て高次のモードが光伝送路３′に導入され、例え
ば回転運動として誤認されることになる。

光伝送路が高次のモードをも伝送するがあるい
はこの光伝送路が全然存在しない場合には、回転
運動として誤認される現象は著しく大きくなる。

単モード光伝送路３の導入は常にリング干渉計
の特性を改善するが、結合部３１′が適当に調整
されているときに限つて検出器４０′の信号によ
り回転運動速度を高い精度で測定することができ
る。このような調整は実際上極めて困難である。

一方光伝送路３の結合部３１は、光学軸A′が
結合部３１の位置によつて決定されるため常に光
学軸A′に対して整合状態にあることを注意する
必要がある。このことは結合部３１が干渉計の動
作に必要な光を送り出すものであるという事情に
よるものである。従つて検出器４０の信号により
一般に回転速度を高い精度で決定することができ
る。

光伝送路３′の結合部３１′の位置合せ誤差が測
定精度に影響を及ぼさないようにした第１図のリ
ング干渉計の改良型を第２図に示す。この改良型
においても誤認の原因となる位相のずれは消去さ
れないが、回転運動速度の真の大きさを求めるこ
とが可能となる。

第２図のリング干渉計の第１図の実施例に対す
る主要な相違は光源６′と半透明鏡５０′とレンズ
３４′と有害な反射を打消すモード絞り３５′が付
加されていることである。この外に直線偏光子Ｐ
１とＰ１′およびλ／４板２２，２３，２２′，２
３′が光路中に追加されている。

第二の光源６′は６と同じくレーザーであつて
R′の方向にレーザー光束６０′を送り出す。この
レーザー光束に対して半透明鏡５０′が45゜傾斜し
て設けられ、その一部を吸光板１０′に向けて反
射する。鏡５０′を通り抜けた部分光束６１′は
R′方向に進み、レンズ３３′を通つてモノモード
光伝送路３′の結合部３２′の端面に焦点を結び光
伝送路内に導入される。この導入された光は単モ
ード光伝送路３に入射した光と同様にリング干渉
計全体に伝搬する。

単モード光伝送路３′の結合部３２′を通して放
出された有害なモードを除かれた光は平行光束２
０′として半透明鏡５０′に当たり、そこで反射し
た部分光束２１′は追加されたレンズ３４′に当
る。このレンズの焦点面には追加モード絞り３
５′が設けられ、このモード絞りを通り抜けた光
はセンサ４０′の受光面４′に当る。

第２図のリング干渉計において光源６だけが使
用される場合には、一般に高次のモードが結合部
３１′を通して光伝送路３′に導入されるから、受
光面４′に到着する信号から一般に回転運動が無
視できない誤差を伴つて決定される。

次に光源６を遮断しその代りに光源６′を投入
すると結合部３１′と３１がその役目を交換し、
検出器４０の受光面４の信号が誤差を含む。しか
し対称性の関係でこの誤差は受光面４′上の信号
が含む誤差に対して逆になる。光源６と６′を交
互に投入し、受光面４′と４が受ける信号を評価
し組合わせることにより誤差を打消すことができ
る。この組合せは例えば平均値をとることであ
る。

光源６と６′を互に異なつた光を放出するもの
にすれば、それらを交互に投入遮断する必要はな
い。ただしこの場合には受光面４，４′の前にそ
れぞれ色フイルタ１４又は１４′を置き、フイル
タ１４は光源６′の色だけを通過させ、フイルタ
１４′は光源６の色だけを通過させるものとする。
これによつて受光面４は光源６′の放出光だけを
受け、受光面４′は光源６の放出光だけを受ける。
この場合直接平均値をとることができる。しかし
回転運動センサの場合に利用されるサニアツク効
果が波長に関係することを考慮しなければならな
い。

第２図において第１図のものに付加して設けら
れたλ／４板は有害な反射を防止するためのもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれこの発明の異なる実
施例の概念的の構成を示す図面、第３図と第４図
はそれぞれこれらの実施例の一部分の拡大図であ
る。第１図、第２図において６は光源、１は結合
部１１と１１′を持つ光伝送路、３と３′はモード
絞りとしての単モード光伝送路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二つの結合部を持つ一つの光伝送路を備え、
   この光伝送路の二つの結合部から放出された光が
   重ね合わされて少くとも一つの受光面に導かれ、
   光伝送路の一つの結合部に向つて送られる光とこ
   の結合部を通して放出され受光面に導かれる光と
   が多数のモードの伝搬が可能である一つの共通区
   間内の重なり合つた通路を互に逆向きに進行する
   リング干渉計において、光伝送路の一つの結合部
   に向つて進む光とこの結合部から放出されて受光
   面に導かれる光が重なり合つて互に逆向きに進行
   する通路にモード絞りが設けられていることを特
   徴とするリング干渉計。 ２ モード絞りが二つの結合部を持ち、それらを
   通して光の導入と放出が可能である単モード光伝
   送路から成ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のリング干渉計。 ３ 単モード光伝送路がコア・クラツド型ガラス
   フアイバであり、その両端面が結合部を構成する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のリ
   ング干渉計。 ４ ガラスフアイバの長さがその一方の端面から
   導入されて他方の端面に向つて進むクラツド伝送
   モードが他方の端面には到達しない大きさに選ば
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載のリング干渉計。 ５ クラツド伝送モードを取り去る装置が設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   又は第４項記載のリング干渉計。 ６ 単モード光伝送路が巻かれていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第５項の一つに
   記載のリング干渉計。 ７ 光伝送路の一つの結合部に向つて導かれる光
   の外に他方の結合部に向つて導かれる光とこの他
   方の結合部から放出されて受光面に導かれる光も
   一つの結合部に対するモード絞りを通り受光面に
   導かれることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第６項の一つに記載のリング干渉計。