DE3877543T2 - Optischer fibersensor. - Google Patents

Optischer fibersensor.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Fasersensor, der einen Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt, einen optischen Sensorkopf entfernt von dem Übertragungs-/Empfangsabschnitt und eine optische Faser, die optisch den Übertragungs-/Empfangsabschnitt und den Sensorkopf verbindet, aufweist.
  • Als ein Verfahren zum Messen einer physikalischen Größe ist es vorgeschlagen, einen optischen Fasersensor zu benutzen der aufweist: einen Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Referenzstrahles von Licht und einen Meßstrahl von Licht, und einen Photosensor, der den Referenzstrahl empfängt, wobei der Meßstrahl durch einen Gegenstand beeinflußt wird zum Bestimmen der mit dem Gegenstand verknüpften physikalischen Größe; einen optischen Sensorkopf, der einen Transmissionsparameter des Meßstrahles im Verhältnis zu den externen Bedingungen ändert; und eine optische Faser zum Übertragen des Referenz- und Meßstrahles zwischen dem Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt und dem optischen Sensorkopf.
  • Ein Beispiel eines optischen Fasersensors eines optischen Homodyn-Types ist in Figur 13 gezeigt, bei dem ein Lichtstrahl 122, der durch eine Lichtquelle 120 erzeugt ist, in die "y"- Richtung polarisiert ist. Der Lichtstrahl 122 geht durch einen polarisierenden Strahlenteiler 124, der den y-polarisierten Strahl 122 durchläßt und einen x-polarisierten Strahl reflektiert. Der y-polarisierte Strahl 122 wird dann durch eine Konvergenzlinse 126 auf die Endfläche einer optischen Faser 128 fokussiert. Diese optische Faser ist in der Lage, eine polarisierten Lichtstrahl zu übertragen, während die Polarisationsebene aufrechterhalten bleibt. Es wird nämlich die Polarisationsebene des Strahles 122 nicht geändert, während er durch die optische Faser 128 übertragen wird. Dieser Typ von optischer Faser wird im folgenden als "optische Faser fester Polarsationsebene" bezeichnet. Die optische Faser 128 ist geeignet, den einfallenden Strahl 122 zu dem Sensorkopf in einem von zwei Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;X und HE&sub1;&sub1;Y zu übertragen, z. B. in HE&sub1;&sub1;y. In diesem Beispiel ist der optische Sensorkopf durch eine druckempflindliche optische Faser 132 fester Polarisationsebene dargestellt, in der ein dadurch übertragener Lichtstrahl gemäß einer Variation im Schalldruck phasenmoduliert wird. Diese druckempfindliche optische Faser 122 ist optisch mit der optischen Übertragungsfaser 128 so gekoppelt, daß die zwei Fasern 128, 132 gegeneinander um die optischen Achsen um 45º gedreht sind. Das heißt, es existiert eine Abweichung der Polarisationsebene von 45º zwischen den zwei Fasern 128, 132. Daher wird der einkommende Lichtstrahl, der durch die optische Faser 128 in einem der zwei Übertragungsmoden übertragen wird, durch die druckempfindliche optische Faser 132 in dem zwei Übertragungsmoden übertragen. Diese zwei Moden werden durch einen Reflektorfilm 134 auf der Endfläche der optischen Faser 132 reflektiert, und jede der reflektierten zwei Moden wird als die zwei Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y der optischen Übertragungsfaser 128 verteilt, wenn die zwei reflektierten Moden auf die optische Faser 128 auftreffen. Folglich kombinieren und interferieren die beiden reflektierten Moden, die durch die druckempflindliche optische Faser 132 übertragen sind. Daher funktioniert in diesem Beispiel die optische Faser 132 als ein Polarisator. Obwohl jeder der beiden Übertragungsmoden den HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y von der optischen Faser 128 von dem polarisierenden Strahlenteiler 124 empfangen werden kann, wird in diesem speziellen Beispiel der Figur 13 die Mode HE&sub1;&sub1;x als ein optisches Signal von dem Strahlenteiler 124 benutzt, so daß das optische Signal in ein entsprechendes elektrisches Signal durch einen Photosensor 136 gewandelt wird. Dieses elektrische Ausgangssignal des Photosensors 136 stellt eine Änderung in einem ausgewählten Transmissionsparameter des Meßstrahles dar, z. B. eine Änderung in der Phase des Strahles, die durch den Schalldruck verursacht wird, dem die optische Faser 132 ausgesetzt ist.
  • In dem optischen Homodyn-Typ eines optischen Fasersensors, wie er oben diskutiert wurde, ist eine automatische Einstellung der anfänglichen optischen Phase des Sensors nötig, damit der Sensor mit maximaler Erfassungs- oder Nachweisgenauigkeit versehen wird. Zu diesem Zwecke wird eine mechanische Spannung an die druckempflindliche optische Faser 132 angelegt, so daß eine anfängliche Phasendifferenz oder -winkel von π/2 zwischen den zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y z. B. in Figur 13 eingestellt wird. Das unter Spannung setzen der optischen Faser 132 kann z. B. dadurch erzielt werden, daß die Faser 132 mit einem piezoelektrischen Element versehen wird. In diesem Falle erhöht jedoch das piezoelektrische Element die Größe der optischen Faser 132 und benötigt Mittel zum Anlegen elektrischer Leistungs daran. Alternativ kann eine anfängliche Phasendifferenz von π/2 eingestellt werden, in dem die Wellenlänge des durch die Lichtquelle erzeugten Strahles gesteuert wird. Dieses alternative Verfahren ist jedoch vergleichsweise technisch schwierig durchzuführen.
  • Ein optischer Fasersensor eines optischen Hetero-Types ist in Figur 14 dargestellt, bei dem eine Lichtquelle 140 wie ein horizontaler HE-Ne-Zeeman-Laser ausgelegt ist zum Erzeugen zweier polarisierter Strahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinanderstehen, das heißt ein Meßstrahl mit einer Frequenz f1 und ein Referenzstrahl mit einer Frequenz f2, die sich geringfügig von der Frequenz f1 unterscheidet. Diese Strahlen werden durch eine optische Faser 142 fester Polarsationsebene übertragen und treffen auf einen Strahlenteiler 144 auf, so daß ein Teil der auftreffenden Strahlen durch den Strahlenteiler 144 übertragen wird, während der andere Teil der Strahlen durch den Strahlenteiler 144 reflektiert wird. Die reflektierten Strahlen werden von einem Photosensor 150 durch eine Polarisationsplatte 146 und eine optische EmpfangsFaser 148 aufgenommen. Der Photosensor 150 ist geeignet, eine Referenzstrahlüberlagerungsfrequenz f2 - f1 nachzuweisen. Von den zwei Strahlen, die durch den Strahlenteiler 144 übertragen werden, wird der Strahl mit der Frequenz f2 durch einen polarisierenden Strahlenteiler 152 reflektiert, dann geht er durch eine λ/4-Platte 154, wird durch einen Spiegel 156 reflektiert und geht wieder durch die λ/4-Platte, wodurch die Polarisationsebene des Strahles so gedreht wird, das der Strahl durch den polarisierenden Strahlteiler 152 durchgelassen wird und von einem Photosensor 158 durch eine Polarisationsplatte 157 und eine optische Empfangsfaser 164 aufgenommen wird. Der andere Strahl mit der Frequenz f1, der durch den Strahlenteiler 144 durchgelassen ist, geht durch den polarisierenden Strahlenteiler 152 und eine λ/4-Platte 160 und wird von einer Oberfläche eines Gegenstandes 162 reflektiert. Der reflektierte Strahl geht wieder durch die λ/4-Platte 160, wobei die Polarisationsebene gedreht wird. Der Strahl wird dann von dem polarisierenden Strahlenteiler 152 reflektiert und von dem Photosensor 158 durch die Polarisationsplatte 157 und die optische Faser 164 aufgenommen. Der von dem Photosensor 158 aufgenommene Strahl weist eine Frequenz von f1 ±Δf1 auf. Diese Frequenzverschiebung wird durch eine Versetzung des Gegenstandes 162 verursacht. Somit empfängt der Photosensor 158 den Strahl mit der Frequenz f2, der nicht von dem Gegenstand 162 beeinflußt worden ist, und den Strahl mit der Frequenz f1 + Δ f1, der von dem Gegenstand 162 beeinflußt ist. Der Photosensor 158 ist so ausgelegt, daß er eine Meßstrahlüberlagerungsfrequenz f2 - f1 ± Δf1 nachweist. Ausgangssignale der Photosensoren 150 und 158 werden an eine Phasendifferenzerfassungsschaltung 166 angelegt, so daß eine Phasendifferenz Δ f1 zwischen der Referenz- und Meßstrahlüberlagerungsfrequenz erfaßt wird. Diese Phasendifferenz stellt Information dar, die von dem empfangenen Referenz- und Meßstrahl getragen wird, das heißt der Betrag der Versetzung des Gegenstandes 162.
  • Im Gegensatz zu den optischen Fasersensor vom Homodyn-Typ benötigt der optische Fasersensor vom optischen Heterodyn-Typ keine automatische Einstellung der Phase. Jedoch werden die aufgeteilten Teile von sowohl dem Referenz- als auch Meßstrahl mit den entsprechenden Überlagerungsfrequenzen von dem optischen Sensorkopf zu den Photosensoren 150, 158 durch die zwei verschiedenen optischen Fasern 148, 164 übertragen.
  • Der japanische Patentabstracts, Band 11, Nr. 22 offenbart ein Meßsystem, in dem ein Teststrahl und ein Referenzstrahl von einer Quelle entlang einer optischen Faser zu einem Punkt, an dem die Messung durchgeführt werden soll übertragen wird und dann entlang der optischen Faser zu einem Detektor zurückkehrt. Der Sensorkopf weist eine Konvergenzlinse, einen polarisierenden Strahlenteiler, einen Bezugsspiegel und einen auf dem zu erfassenden Gegenstand angebrachten Spiegel auf.
  • Die GB-A-2 144 215 offenbart einen interferometrischen Detektor mit einem optischen Fasersensor, bei dem der Meßstrahl und der Referenzstrahl von der Quelle zu dem Sensor entlang eines optischen Faserkabels übertragen werden. An dem Sensor werden sie durch einen Teiler einer undefinierten Form getrennt und kehren entlang des optischen Faserkabels zu einem Detektor benachbart zu der Quelle zurück.
  • Die WO 87/01 438 offenbart ein Meßgerät mit gemeinsamen optischen Weg, bei dem ein Strahl in zwei geteilt wird und wieder vereint wird, nachdem ein optischer Weg mit einer Länge größer als die Kohärenzlänge der Quelle auf einen der Teile eingewirkt hat. Der kombinierte Strahl wird entlang einer optischen Faser zu einem Sensorkopf übertragen, wo er in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl unterteilt wird. Der Meßstrahl wird von einer bewegenden Oberfläche zurück reflektiert, und die Strahlen werden rekombiniert, nachdem eine weitere Wegdifferenz zum Wiederherstellen der Kohärenz hinzugefügt wurde.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Nachteile entwickelt, die bei dem Stand der Technik angetroffen wurden, wie oben beschrieben wurde. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verhältnismäßig in den Abmessungen kleinen, nicht teueren optischen Fasersensor vorzusehen, der eine optische Faser oder Fasern zum optischen Verbinden eines Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnittes und eines Sensorkopfabschnittes benutzt zum Übertragen eines Referenzstrahles und eines Meßstrahles dazwischen, und der in der Lage ist, sehr genau eine Änderung in einem Übertragungsparameter des Meßstrahles nachzuweisen, der an dem Sensorkopfabschnitt beeinflußt wird, auf der Grundlage des Referenzstrahles und des Meßstrahles, die an dem Übertragungs-/Empfängerabschnitt empfangen werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Fasersensor vorgesehen zum Erfassen einer Änderung in einem Übertragungsparameter eines Meßstrahles auf der Grundlage des Meßstrahles und eines Referenzstrahles, mit:
  • einer einzelnen optischen Faser, die einen Lichtstrahl in zwei Transmissionsmoden mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen so übertragen kann, daß die Polarisationsebenen der zwei Transmissionsmoden erhalten bleiben;
  • Einem Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt zum Erzeugen eines Lichtstrahles zum Erzeugen des Meßstrahles und des Referenzstrahles und zum Richten des Lichtstrahles auf die optische Faser so, daß der Lichtstrahl durch die optische Faser in einer der zwei Transmissionsmoden in einer ersten Richtung von einem nahen Ende der optischen Faser zu einem fernen Ende der optischen Faser davon übertragen wird, wobei der Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt zum Erfassen der Änderung in dem Übertragungsparameter des Meßstrahles betreibbar ist, auf der Grundlage des Meßstrahles und des Referenzstrahles, die durch die optische Faser in den zwei Transmissionsmoden in eine zweite Richtung von dem fernen Ende zu dem nahen Ende zurückkehren; und
  • einem Sensorkopfabschnitt, der zum Empfangen des durch die optische Faser in die erste Richtung übertragenen Lichtstrahles und zum Teilen des Lichtstrahles in den Meßstrahl und den Referenzstrahl betreibbar ist, wobei der Sensorkopfabschnitt bewirkt, daß der Übertragungsparameter von mindestens dem Meßstrahl durch eine Änderung in einem externen Gegenstand beeinflußt wird und der Meßstrahl und Referenzstrahl zu den Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt durch die optische Faser in der zweiten Richtung zurückkehren;
  • dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopfabschnitt eine Polarisations- und Phaseneinstelleinrichtung enthält zum Einstellen der Polarisation und der Phasen des Meßstrahles und Referenzstrahles vor dem Auftreffen auf das ferne Ende der optischen Faser, so daß der Meßstrahl und Referenzstrahl durch die optische Faser in die zweite Richtung in den zwei Transmissionsmoden zurückkehren als zwei linear polarisierte Strahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen und einer Phasendifferenz von 90º.
  • In dem auf die obige Weise konstruierten optischen Fasersensor wird der durch den Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt erzeugte Lichtstrahl zum Erzeugen des Meßstrahles und Referenzstrahles durch die optische Faser in die erste Richtung in einem der beiden Transmissionsmoden übertragen. Die an dem Sensorkopfabschnitt durch Teilen des durch die optische Faser in die erste Richtung übertragenen Lichtstrahles erhaltenen Meßstrahl und Referenzstrahl werden durch die Einstelleinrichtung als zwei linear polarisierte Strahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen und einer Phasendifferenz von 90º eingestellt, so daß der Meßstrahl und Referenzstrahl durch die optische Faser in die zweite Richtung in den entsprechenden zwei Transmissionsmoden zurückkehren. Folglich erleiden sowohl der Meßstrahl als auch der Referenzstrahl, die durch die optische Faser in die zweite Richtung zurückkehren, den gleichen Einfluß der Parameter der optischen Faser wie Temperatur, Vibration und Zug. In anderen Worten, der Einfluß der optischen Faser auf den Meßstrahl wird durch den Einfluß dergleichen auf den Referenzstrahl ausgeglichen. Folglich kann eine Änderung in dem Übertragungsparameter des Meßstrahles, der den Meßstrahl an dem Sensorkopfabschnitt aufgrund einer Änderung des externen Gegenstandes ausgeübt wird, genau durch den gegenwärtigen optischen Fasersensor erfaßt werden auf der Grundlage des Meßstrahles und Referenzstrahles, die von dem Sensorkopfabschnitt zu dem Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt zurückkehren und die eine Phasendifferenz von 90º haben. Die Benutzung der einzelnen optischen Faser, die optisch den Übertragungs- /Empfängerabschnitt verbindet, bewirkt eine Verringerung in Größe und Kosten des optischen Fasersensors als Ganzes.
  • Die obigen und optionalen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen in Betracht gezogen wird, in denen:
  • Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 2, 3, 4 und 5 Ansichten sind, die den Betrieb des Sensors von Fig. 1 erläutern;
  • Fig. 6, 7 und 8 Ansichten sind, die die Anwendungen des optischen Fasersensors von Fig. 1 erläutern, wobei sie Meßung der Geradheit, der Versetzung bzw. der Länge zeigen;
  • Fig. 9, 10, 11 und 12 Ansichten sind, die optische Sensorköpfe von entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
  • Fig. 13 und 14 Ansichten sind, die herkömmliche optische Fasersensoren darstellen.
  • Es sei Bezug genommen auf Fig. 1, dort ist eine Ausführungsform der Erfindung in der Form eines optischen Fasersensors des optischen Homodyn-Types dargestellt.
  • In Figur 1 geht ein durch eine Laserquelle 210 wie ein He-Ne- Laser erzeugter monochomatischer Laserstrahl durch einen polarisierenden Strahlenteiler 212, der um 45º um die optische Achse gedreht ist, ein Faradayeffekt-Element 214 und einen polarisierenden Strahlenteiler 216, und er wird durch eine konvergierende Linse 218 auf die Endfläche einer optischen Faser 220 fester Polarisationsebene gesammelt. Der polarisierende Strahlenteiler 212, das Faradayeffekt-Element 214 und der polarisierende Strahlenteiler 216 dienen als optischer Isolator zum Schützen der Laserquelle 210 vor reflektierten Strahlen. Der polarisierte Strahlenteiler 216 funktioniert auch zum Teilen des einfallenden Strahles in zwei Komponenten, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind. Der von dem Strahlenteiler 216 reflektierte Lichtstrahl wird von einem ersten Photosensor 224 über eine konvergierende Linse 222 empfangen. Der Lichtstrahl, der einmal durch den Strahlenteiler 216 in eine Richtung zu der optischen Faser 220 hin übertragen ist, kehrt als der reflektierte Strahl durch den Strahlenteiler 216 in die entgegengesetzte Richtung zurück und trifft auf das Faradayeffekt-Element 214, wodurch die Polarisationsebene des reflektierten Strahles um 45º um die optische Achse gedreht wird. Daher wird eine Komponente des reflektierten Strahles von dem polarisierenden Strahlenteiler 212 reflektiert und von einem zweiten Photosensor 228 über eine konvergierende Linse 226 empfangen. Bei der vorliegenden Ausführungsform stellen die Elemente (mit Ausnahme der optischen Faser 220), die beschrieben worden sind, einen Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt 100 des optischen Fasersensors dar. Ein Ende der optischen Faser 220 ist an einem Gehäuse des Übertragungs-/Empfängerabschnittes 100 befestigt. Die optische Faser 220 fester Polarisationsebene besteht aus einem Kern 230, ein Paar von Streß-Abschnitten 232, die den Kern 230 einschließen, und einen Mantel 234, der den Kern und die Streßabschnitte 232 bedeckt.
  • Die optische Faser 220 kann einen polarisierten Strahl so übertragen, daß die Polarisationsebenen der zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y, die senkrecht zueinander sind, aufrechterhalten werden. Da der linear polarisierte Strahl, der durch den Strahlenteiler 216 übertragen wird, auf die ferne Endfläche der optischen Faser 220 auftrifft, wird der auftreffende Strahl durch die optische Faser 220 in eine der beiden der Transmissionsmoden HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y übertragen.
  • Das ferne Ende der optischen Faser 220 ist an einem Rahmen eines optischen Sensorkopfabschnittes 102 angebracht. Der durch die optische Faser 220 in eine der zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y übertragene linear polarisierte Strahl wird von der fernen Endfläche der Faser 220 emittiert und parallele Strahlen umgewandelt. Die parallelen Strahlen werden durch einen nicht polarisierenden Strahlenteiler 238 in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl unterteilt. Der durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler 238 übertragene Meßstrahl wird durch eine λ /4- Platte 240 übertragen. Diese λ /4-Platte 240 ist in der Lage, die Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahles um 45º zu drehen, nachdem der Strahl zweimal die Platte 240 in entgegengesetzte Richtungen übertragen worden ist. Der durch die λ /4-Platte 240 übertragene Meßstrahl trifft auf eines des ersten und zweiten Eckwürfelprismas 52, 54 auf dem Gegenstand 50, in diesem Fall auf das zweite Prisma 54.
  • Der von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 238 reflektierte Referenzstrahl wird durch eine λ /8-Platte 248 übertragen und von einem Spiegel 250 zu dem anderen des ersten und zweiten Prismas 52, 54, in diesem Fall zu dem ersten Prisma 52 übertragen parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Meßstrahles von dem Strahlenteiler 238 zu dem zweiten Prisma 54. Die λ/8-Platte 248 ist in der Lage, einen linear polarisierten Lichtstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umzuwandeln, nachdem der linear polarisierte Lichtstrahl zweimal in entgegengesetzte Richtungen übertragen ist. Das erste und zweite Eckwürfelprisma 52, 54 sind mit einer Metallschicht so beschichtet, daß die Polarisationseigenschaften der von den Prismen 52, 54 reflektierten Strahlen nicht verändert werden.
  • In der Ausführungsform von Figur 1 stellen der nicht polarisierende Strahlenteiler 238 und der Spiegel 250 einen wesentlichen Teil des Sensorkopfabschnittes 102 dar, und die λ/4-Platte 240 und die λ/8-Platte 248 stellen Vorrichtungen dar, die an dem Sensorkopfabschnitt 102 vorgesehen sind zum Einstellen der Polarisationsebenen und Phasen des Referenzstrahles und Bezugsstrahles, so daß diese Strahlen durch die optische Faser 220 zurück zu den Übertragungs-/Empfängerabschnitt 101 als zwei Transmissionsmoden übertragen werden, deren Phasen gegeneinander um 90º verschoben sind und deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinanderstehen.
  • Ein Betrieb des vorliegenden optischen Fasersensors von Figur 1 wird unter Bezugnahme auf Figuren 2 bis 5 beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, geht der von der Laserquelle 210 emittierte linear polarisierte Laserstrahl durch den polarisierenden Strahlenteiler 212. Ein kurzer Pfeil in Fig. 2, der sich senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles erstreckt, zeigt die Polarisationsebene des Laserstrahles an. Der linear polarisierte Laserstrahl geht dann durch das Faradayeffekt- Element 214, wobei die Polarisationsebene des Strahles um 45º im Uhrzeigersinne gedreht wird. Der linear polarisierte Strahl wird durch den polarisierenden Strahlenteiler 216 übertragen und durch die konvergierende Linse 218 so konvergiert, daß der konvergierte Strahl in den Kern 2230 der optischen Faser 220 eintritt. Der auftreffende linear polarisierte Strahl wird durch die optische Faser 220 als eine der zwei Übertragungsmoden HE&sub1;&sub1;x, HE&sub1;&sub1;y übertragen.
  • Wie im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist, wird der von dem fernen Ende der optischen Faser 220 emittierte Laserstrahl in parallele Strahlen durch die konvergierende Linse 236 umgewandelt und durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler 238 in zwei Teile unterteilt. Dieser Strahlenteiler 238 ist notwendig zum Unterteilen des einfallenden Strahles in zwei Teile, die nicht nur gleiche Mengen optischer Energie aufweisen sondern auch Eigenschaften eines linear polarisierten Strahles zeigen. Kommerziell erhältliche nicht polarisierende Strahlenteiler erfüllen im allgemeinen diese Anforderungen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der durch den Strahlenteiler 238 übertragene linear polarisierte Strahl als Meßstrahl benutzt, der durch das Bezugszeichen 1e bezeichnet wird, während der von dem Strahlenteiler 238 reflektierte linear polarisierte Strahl als Referenzstrahl benutzt wird, der durch das Bezugszeichen 1c bezeichnet wird. Der Meßstrahl 1e wird elyptisch durch die λ/4-Platte 240 polarisiert, deren Kristallachse um 22,5º in Bezug auf die Polarisationsrichtung geneigt ist. Der elliptisch polarisierte Meßstrahl 1e wird auf das zweite Eckwürfelprisma 54 gerichtet. Der Bezugsstrahl 1c wird elyptisch durch die λ /8-Platte 248 polarisiert und von dem Spiegel 250 zu dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektiert.
  • Wie in Figur 4 gezeigt ist, wird der von dem zweiten Eckwürfelprisma 54 reflektierte elyptisch polarisierte Meßstrahl 1e wieder durch die λ/4-Platte 240 übertragen und er wird somit linear polarisiert. Die Polarisationsebene dieses linear polarisierten Strahles istb um 45º in Bezug auf den vor der Übertragung durch die λ/4-Platte 240 in die Richtung zu dem Prisma 54 übertragenen linear polarisierten Strahl geneigt. Der von dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektierte elliptisch polarisierte Referenzstrahl 1c ist zirkular polarisiert als Resultat der Übertragung durch die λ/8-Platte 248. Die obige Umwandlung des zirkular polarisierten Meßstrahl und Referenzstrahl in linear polarisierte Strahlen wird bewirkt, da die Achsen der λ/4-Platte 240 und λ/8-Platte 248 um 22,5º und 45º in Bezug auf die Polarisationsebenen des Meßstrahles als 1e und Referenzstrahles 1c während der Übertragung in die Richtung zu den Prismen 54 bzw. 52 geneigt sind. Der linear polarisierte Meßstrahl und Referenzstrahl von den Platten 240, 248 werden miteinander an dem Strahlenteiler 238 in gegenseitig interferierende Strahlen 1a, 1b kombiniert, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind und deren Phasen um 90º gegeneinander verschoben sind, wie in Figur 4 gezeigt ist. Diese interferierenden Strahlen 1a, 1b werden durch die optische Faser 220 als die zwei Moden HE&sub1;&sub1;x und HE&sub1;&sub1;y zu dem Übertragungs-/Empfängerabschnitt 100 übertragen.
  • Die von dem nahen Ende der optischen Faser 220 emittierten Strahlen 1a, 1b werden durch die konvergierende Linse 218 in parallele Strahlen umgewandelt und voneinander durch den polarisierenden Strahlenteiler 216 getrennt. Der linear polarisierte Strahl 1b der interferierenden Strahlen 1a, 1b, der durch die optische Faser 220 übertragen ist, wird von dem Strahlenteiler 216 reflektiert und von dem ersten Photosensor 224 empfangen, der ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Der linear polarisierte Strahl 1a wird durch den Strahlenteiler 216 übertragen, durch das Faradayeffekt-Element 214 und dem polarisierenden Strahlenteiler 212 übertragen und von dem zweiten Photosensor 228 empfangen, der ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Da die linear polarisierten Strahlen 1a, 1b eine Phasendifferenz von 90º haben, wie oben ausgeführt wurde, werden die von dem ersten und zweiten Photosensor 224, 228 erzeugten elektrischen Signale als Sinus- und Kosinuswellen erzeugt, die in 90º-Intervallen durch einen Pulszähler gezählt werden, der in einer Phasendifferenzerfassungsschaltung 260 vorgesehen ist. Wenn der Gegenstand 50 in einer Ebene parallel zu den Ebenen, die die Strahlen enthalten, die auf das erste und zweite Prisma 52, 54 auftreffen oder davon reflektiert werden, gedreht wird, kann der Rotationswinkel des Gegenstandes 50 genau als eine Änderung in der Phasendifferenz erfaßt werden, die durch die Zählrate des Pulszählers dargestellt wird.
  • Wenn die zwei Prismen 52, 54 auf jeder von zwei in einem Abstand voneinander vorgesehene Gegenständen 50, 50 vorgesehen sind, die auf der Oberflächenplatte 58 angeordnet sind, wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann die Geradheit der Oberfläche der Oberflächenplatte 58 genau durch das Ausgangssignal der Erfassungsschaltung 260 dargestellt werden.
  • Wenn das erste Prisma 52 auf dem Sensorkopfabschnitt 102' befestigt ist, während das zweite Prisma 54 auf dem bewegbaren Tisch 60 befestigt ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann der Betrag der Verschiebung des bewegbaren Tisches 60 relativ zu dem Sensorkopfabschnitt 102' durch die Erfassungsschaltung 260 erfaßt werden.
  • Wenn das zweite Prisma 54 an einem bewegbaren Teil einer Meßvorrichtung vom Kontakttyp wie ein Gleittaster oder Mikrometer befestigt ist, wie in Figur 8 gezeigt ist, können Längen von gewünschten Gegenständen genau durch die Erfassungsschaltung 260 bestimmt werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird der linear polarisierte Strahl zum Erzeugen des Referenzstrahles und Meßstrahles durch die optische Faser 220 zu dem Sensorkopfabschnitt als eine der zwei Transmissionsmoden übertragen, und der Referenzstrahl 1e und Meßstrahl 1c werden zurück durch die optische Faser 220 als die zwei Transmissionsmoden übertragen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen. Folglich schließt die vorliegende Ausführungsform einen Einfluß der Temperatur, des Zuges, der Spannung und andere externe Faktoren, die mit der optischen Faser 220 verknüpft sind, auf eine Änderung in dem Übertragungsparameter, das heißt einer Änderung in der Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl aus. Das heißt, die erfasste Änderung in der Phasendifferenz stellt nur den Betrag der relativen Versetzung des ersten und zweiten Prismas 52, 54 dar. Somit kann der Rotationswinkel des Gegenstandes 50, die Geradheit der Oberflächenplatte 58 und die Entfernung der Bewegung des bewegbaren Tisches 60 mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Wenn ein He-Ne-Laser als die Laserquelle 210 benutzt wird und das Zählen des Pulszählers in 90º-Intervallen bewirkt wird, kann der vorliegende Sensor eine Auflösegenauigkeit von 0,1 Mikrometer vorsehen.
  • Da bei der Übertragungs-/Empfängerabschnitt 100' und der Sensorkopfabschnitt 102 durch die einzelne optische Faser 220 optisch miteinander verbunden sind, kann der Sensor kompakt und klein ausgelegt werden. Zusätzlich werden die Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit nicht beeinflußt oder verschlechtert durch Luftströmungen, die den optischen Pfad umgeben.
  • Die obige Ausführungsform von Fig. 1 kann modifiziert werden, wie es notwendig ist. Bei der Ausführungsform von Figur 1 ist der Sensorkopfabschnitt 102 zum Bestrahlen des ersten und zweiten Eckwürfelprismas 52, 54 ausgelegt, die auf dem Gegenstand 50 befestigt sind.
  • Während die λ /4-Platte 240 und die λ /8-Platte 248 als Mittel zum Ändern der Phasen und Polarisationsebenen des Referenzstrahles und Meßstrahles funktionieren, können diese Platten durch andere optische Komponenten ersetzt werden, die die Phasen der Strahlen ändern können.
  • Der gegenwärtige optische Fasersensor kann zum Erfassen der Geradheit einer Oberflächenplatte 58 benutzt werden, in dem ein bewegbarer Gegenstand 50 benutzt wird, der das erste und zweite Eckwürfelprisma 52, 54 enthält. In diesem Fall wird der Gegenstand von der linken Seite zu der rechten Seite in Fig. 6 bewegt, während der Referenzstrahl und Meßstrahl 1a, 1b auf die Prismen 52, 54 auftreffen und von ihnen reflektiert werden. In diesem Fall stellt das Ausgangssignal der Phasendifferenzerfassungsschaltung 52 eine Phasendifferenz dar, die die Abweichung von der Geradheit der Oberfläche der Oberflächenplatte 58 anzeigt.
  • Der vorliegende optische Fasersensor kann modifiziert werden zum Erfassen des Betrages einer linearen Bewegung eines Gegenstandes. Wenn z. B. das erste Eckwürfelprisma 52 auf dem Sensorkopfabschnitt 102 befestigt ist, während das zweite Eckwürfelprisma 54 auf der Oberfläche eines bewegbaren Tisches 60 befestigt ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann der Betrag einer linearen Versetzung des Tisches 60 genau erfaßt werden auf der Grundlage eines Betrages der Änderung in der Phasendifferenz, die durch das Ausgangssignal der Phasendifferenzerfassungsschalltung 56 dargestellt wird.
  • Weiter kann die Distanz zwischen dem Sensorkopfabschnitt 102 und dem zweiten Eckwürfelprisma 54 auf dem Tisch 60 gemessen werden, in dem der Übertragungs-/Empfangsabschnitt 100 mit einem direkt modulierbaren Halbleiterlaser versehen wird und die Frequenz der Interferenzringe gemessen wird, die durch die Dreieckswellenmodulation des Laserstrahles gebildet werden, der von dem Halbleiterlaser erzeugt wird.
  • Wenn das zweite Eckwürfelprisma 54 auf einem bewegbaren Teil einer Längenmeßvorrichtung des Kontakttypes wie ein Gleittaster oder Mikrometer befestigt ist, wie in Fig. 8 dargestellt ist, können Längen auf der Grundlage der von der Erfassungsschaltung 56 erfassten Phasendifferenz gemessen werden.
  • Während der polarisierende Strahlenteiler 12, das Faradayeffekt-Element 14 und der polarisierende Strahlenteiler 16 als ein optischer Isolator funktionieren, wie oben beschrieben wurde, können der polarisierende Strahlenteiler 12 und das Faradayeffekt-Element 14 weggelassen werden, wenn die Lichtquelle 10 eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Superlumineszenzdiode (SLD) einsetzt, die weniger wahrscheinlich durch einen reflektierten Lichtstrahl beeinflußt werden. Wenn ein He-Ne-Laser zusammen mit einem Ultraschallmodulator benutzt wird, dessen Frequenz 2 GHz beträgt, kann der oben angegebene optische Isolator weggelassen werden, da die Frequenz des reflektierten Strahles außerhalb der Verstärkungsbandes des He-Ne-Lasers fällt. Wenn ein Halbleiterlaser oder eine andere direktmodulierbare Lichtquelle benutzt wird, kann der optische Isolator weggelassen werden, in dem die Lichtquelle abgeschaltet wird, während der reflektierte Strahl auf die Lichtquelle fällt, in dem eine Ausbreitungszeitverzögerung der optischen Faser 24 benutzt wird.
  • Bei der Anordnung von Fig. 9 werden der Referenzstrahl und Meßstrahl als die zwei verschiedenen Transmissionsmoden, die von der optischen Faser 24 imitiert werden, in parallele Lichtstrahlen durch die konvergierende Linse 42 umgewandelt, und die Polarisationsebenen der Strahlen werden durch das Faradayeffekt-Element 44 um 45º gedreht. Dann werden der Referenzstrahl und Meßstrahl voneinander durch den polarisierenden Strahlenteiler 56 so getrennt, daß der Referenzstrahl auf das erste Eckwürfelprisma 52 trifft, der auf dem Sensorkopfabschnitt 102 befestigt ist, während der Meßstrahl auf eine Oberfläche des Gegenstandes 50 konvergiert wird. Da die Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und Meßstrahl in Abhängigkeit der Oberflächenrauheit des Gegenstandes 50 verändert wird, kann die Oberflächenrauhigkeit auf der Basis der erfassten Änderung der Phasendifferenz gemessen werden.
  • Bei der Anordnung nach Figur 10 ist der Gegenstand 50 von Fig. 9 durch einen Fluidstrom 88 ersetzt. Die Geschwindigkeit des Flußes des Fluids wird auf der Grundlage der Tatsache gemessen, das die Phasendifferenz zwischen dem Meßstrahl und Referenzstrahl im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Fluidflußes geändert wird.
  • Bei der Anordnung von Fig. 11 breiten sich der Referenzstrahl und Meßstrahl durch einen Gegenstand 90 aus, dessen Brechungsindex geändert wird. Bei der Anordnung von Fig. 12 wird der Referenzstrahl von dem ersten Eckwürfelprisma 52 reflektiert, während der Meßstrahl durch den Gegenstand 90 übertragen wird und von dem zweiten Eckwürfelprisma 54 so reflektiert wird, daß der reflektierte Meßstrahl durch den Gegenstand 90 zurückkehrt. Das heißt, nur der Meßstrahl wird durch den Gegenstand 90 in entgegengesetzte Richtungen übertrgen. Bei diesen zwei Anordnungen ändert sich die Phasendifferenz des Meßstrahles in Bezug auf den Referenzstrahl im Verhältnis des Brechungsindex des Gegenstandes 90, wodurch eine Änderung in dem Brechungsindex des Gegenstandes 90 gemessen werden kann. Diese Anordnungen können zum Messen verschiedener Parameter gewünschter Gegenstände benutzt werden, auch andere als der Brechungsindex. Wenn der Gegenstand 90 aus einer Pockels-Zelle oder einem Pockels- Effektkristall LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; besteht, die den Brechungsindex in Beziehung zu einem elektrischen Feld oder einer Spannung ändern können, die daran angelegt sind, kann die elektrische Feldstärke oder Spannung gemessen werden. Wenn der Gegenstand 90 aus einer Substanz LiNbO&sub3; besteht, dessen Index der Doppelbrechung sich mit der Temperatur ändert, kann die Temperatur des Gegenstandes 90 gemessen werden. Wenn der Gegenstand 90 aus einer Substanz wie Pyrex-Glas oder Quarzglas besteht, die einen photoelastischen Effekt zeigen, können der Druck, die Vibration oder die Beschleunigung des Gegenstandes gemessen werden. Wenn der Gegenstand 90 aus einem durchsichtigen Behälter, der ein Gas enthält, besteht, kann die Konzentration des Gases gemessen werden. In diesem Fall erleidet der auf den Gegenstand 90 auftreffende Strahl keine Doppelbrechung, und daher kann der in Fig. 12 gezeigte Sensorkopfabschnitt 102 geeigneterweise eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Optische Fasersensor zum Erfassen einer Änderung in einem Übertragungsparameter eines Meßstrahles auf der Grundlage des Meßstrahles und eines Referenzstrahles, mit:
einer einzelnen optischen Faser (220), die einen Lichtstrahl in zwei Transmissionsmoden mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen so übertragen kann, daß die Polarisationsebenen der zwei Transmissionsmoden erhalten bleiben;
einem Lichtübertragungs-/Lichtempfängerabschnitt (100) zum Erzeugen eines Lichtstrahles zum Erzeugen des Meßstrahles und des Referenzstrahles und zum Richten des Lichtstrahles auf die optische Faser (220) so, daß der Lichtstrahl durch die optische Faser in einem der zwei Transmissionsmoden in einer ersten Richtung von einem nahen Ende des optischen Faser zu einem fernen Ende davon übertragen wird, wobei der Lichtübertragungs- /Lichtempfängerabschnitt zum Erfassen der Änderung in dem Übertragungsparameter des Meßstrahles betreibbar ist auf der Grundlage des Meßstrahles und Referenzstrahles, die durch die optische Faser in den zwei Transmissionsmoden in zweite Richtung von dem fernen Ende zu dem nahen Ende zurückkehren; und
einem Sensorkopfabschnitt (102), der zum Empfangen des durch die optische Faser in die erste Richtung übertragenen Lichtstrahles und zum Teilen des Lichtstrahles in den Meßstrahl und den Referenzstrahl betreibbar ist, wobei der Sensorkopfabschnitt bewirkt, daß der Übertragungsparameter von mindestens dem Meßstrahl durch eine Änderung in einem externen Gegenstand (50, 88, 90) beeinflußt wird und der Meßstrahl und Referenzstrahl zu dem Lichtübertragungs-/Lichtempfangsabschnitt durch die optische Faser in der zweiten Richtung zurückkehren;
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopfabschnitt (102') eine Polarisations- und Phaseneinstelleinrichtung (240, 248) enthält zum Einstellen der Polarisation und der Phasen des Meßstrahles und Referenzstrahles vor dem Auftreffen auf das ferne Ende der optischen Faser, so daß der Meßstrahl und Referenzstrahl durch die optische Faser in die zweite Richtung in den zwei Transmissionsmoden zurückkehren als zwei linear polarisierte Strahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen und einer Phasendifferenz von 90º.
2. Optischer Fasersensor nach Anspruch 1, bei dem der Lichtübertragungs-/Empfängerabschnitt (100') eine Laserquelle (210) zum Erzeugen eines linear polarisierten Laserstrahles, ein Paar von Photosensoren (224, 228) zum Empfangen des Meßstrahles und Referenzstrahles, die durch die optische Faser in die zweite Richtung in den beiden Transmissionsmoden zurückkehren, und eine Erfassungsschaltung (260), die die Ausgangssignale des Paares von Photosensoren empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Phasendifferenz zwischen den zurückkehrenden Meßstrahl und Referenzstrahl anzeigt, aufweist.
3. Optischer Fasersensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einstelleinrichtung (240, 248) eine λ/4-Platte (240), die einen von den Meßstrahl und Referenzstrahl dadurch überträgt, und eine λ /8-Platte (248), die den anderen des Meßstrahles und Referenzstrahles dadurch überträgt, aufweist.
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