JPH03100422A - Minimal displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分計］
本発明は、多モード光導波路を用いて微少変位量を検出
する微少変位センサに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Meter] The present invention relates to a minute displacement sensor that detects a minute amount of displacement using a multimode optical waveguide.
［従来の技術］
微少変位を光学的手法を用いて測定する従来技術、なら
びにそれら従来方法が有していた問題点を以下に述べる
。[Prior Art] Conventional techniques for measuring minute displacements using optical techniques, as well as problems associated with these conventional methods, will be described below.
（１）複数本のファイバを用いる方法
この方法は、第７図に示すように、３本の光ファイバ１
０１，１０２および１０３を用いてミラーの位置の変化
を求めることが特長であった。そのうち、−木の光ファ
イバ１０１は半導体レーザ１０４からアイソレータ１０
５およびレンズ１０６を介して受光した光を伝搬し、レ
ンズ１０７を経て２方向反射ミラー１０８に光を照射す
るための単一モードファイバである。その両側にある残
りの２木の光ファイバ１０２および１０３は２方向反射
ミラー１０８からの反射光をそれぞれレンズ１０９およ
び１１０を介して各光ファイバ１０２および１０３の端
に配置された光検出器１１１および１１２にそれぞれ導
くための多モード光ファイバである。この２木の多モー
ド光ファイバ１０２および１０３の出力光の強度より物
体の移動距離を求める。ここで使用されているミラー１
０８は、山形をした２方向に光を反射するミラーであっ
た。(1) Method using multiple fibers This method uses three optical fibers 1 as shown in Figure 7.
The feature was that the changes in the mirror position were determined using signals 01, 102, and 103. Among them, the wooden optical fiber 101 connects the semiconductor laser 104 to the isolator 10.
This is a single mode fiber for propagating the light received through 5 and lens 106 and irradiating the light to two-way reflection mirror 108 via lens 107. The remaining two optical fibers 102 and 103 on both sides pass the reflected light from the two-way reflection mirror 108 through lenses 109 and 110, respectively, to photodetectors 111 and 111 disposed at the ends of each optical fiber 102 and 103, respectively. 112, respectively. The moving distance of the object is determined from the intensity of the output light from these two multimode optical fibers 102 and 103. Mirror 1 used here
08 was a chevron-shaped mirror that reflected light in two directions.
この方法では、複数本の光ファイバが必要であり、かつ
２種類の光ファイバが必要でもあった。This method requires a plurality of optical fibers and two types of optical fibers.
さらにまた、実際に測定する物体は、２方向に光を反射
するとは限らず、さらに、被測定物体の反射率等をあら
かじめ校正しておく必要があるという問題点があった。Furthermore, there is a problem in that the object to be actually measured does not necessarily reflect light in two directions, and it is necessary to calibrate the reflectance of the object to be measured in advance.
（２）干渉計を用いる方法
この方法は、第８図に示すように、マイケルソン干渉計
を用いて、被測定物の微少変位量を求めるものであった
。コヒーレント光源１２１からの出力光をハーフ・ミラ
ー１２２によって２つのビームに分け、一方の光は固定
ミラー１２３で反射させ、もう一方の光は測定対象であ
る可動ミラー１２４で反射させ、両反射光をハーフ・ミ
ラー１２２により混合し、その干渉出力を検出器１２５
で受け、干渉出力の位相情報から変位量を求める。(2) Method using an interferometer In this method, as shown in FIG. 8, a Michelson interferometer is used to determine minute displacements of the object to be measured. The output light from the coherent light source 121 is divided into two beams by a half mirror 122, one beam is reflected by a fixed mirror 123, and the other beam is reflected by a movable mirror 124 which is the measurement target, and both reflected beams are combined. The interference output is mixed by a half mirror 122 and sent to a detector 125.
The amount of displacement is determined from the phase information of the interference output.
この方法では、位相角は０〜２πの範囲しか読み取るこ
とができないので、測定範囲が限定されるか、もしくは
測定感度、測定分解能が制限されるという問題点があっ
た。しかもまた、位相から変位量を求めるため、分解能
や測定範囲が使用する光源の波長に依存するという問題
点もあった。With this method, the phase angle can only be read in the range of 0 to 2π, so there is a problem that the measurement range is limited or the measurement sensitivity and measurement resolution are limited. Furthermore, since the amount of displacement is determined from the phase, there is a problem in that the resolution and measurement range depend on the wavelength of the light source used.
［発明が解決しようとする課題］
そこで、本発明の目的は、多モード光導波路を用いた光
学系において、高い分解能をもち、かつ外乱の彫りを受
けない微少変位センサを提供することにある。[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, an object of the present invention is to provide a minute displacement sensor that has high resolution and is not affected by disturbances in an optical system using a multimode optical waveguide.
［課題を解決するための手段］
このような目的を達成するために、本発明は、コヒーレ
ント光を受光する端部を有し、複数のモードの光を同時
に伝送可能な多モード光導波路であって、当該多モード
光導波路内において励振される各モード間の干渉により
、モードスペックル・パターンを生じさせることのでき
る多モード光導波路と、該多モード光導波路を伝搬する
光の光路の一部分に配設され、微少変位に応動して前記
光路の状態を変化させる可動部を有する検知手段と、該
検知手段によって、前記可動部での微少変位に応じて前
記多モード光導波路内でのモードスペックル・パターン
の変化に変換された光信号を受光し、その光信号の光の
強度分布を検出可能な光検出素子アレイと、前記光検出
素子アレイで得られた電気信号を受け、その電気信号に
基づいて前記微少変位の変位量を検出するようにしたニ
ューラル・ネットワークとを具えたことを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the present invention provides a multimode optical waveguide that has an end portion that receives coherent light and is capable of simultaneously transmitting light in a plurality of modes. A multimode optical waveguide capable of producing a mode speckle pattern due to interference between modes excited within the multimode optical waveguide, and a part of the optical path of light propagating through the multimode optical waveguide. a detection means having a movable part disposed and changing the state of the optical path in response to a minute displacement; and a mode specification within the multimode optical waveguide according to the minute displacement in the movable part, by the detection means. a photodetector element array capable of receiving an optical signal converted into a change in the light pattern and detecting the light intensity distribution of the optical signal; The present invention is characterized by comprising a neural network configured to detect the amount of the minute displacement based on the amount of the minute displacement.
また、前記多モード光導波路は固定された部分と可動の
部分とを有し、その可動部分によって前記検知手段を構
成し、前記多モード光導波路の一方の端部にコヒーレン
ト光を入射させ１．前記多モード光導波路の他方の端部
からの出射光を前記光検出器アレイに入射させることが
できる。The multimode optical waveguide has a fixed portion and a movable portion, and the movable portion constitutes the detection means, and coherent light is incident on one end of the multimode optical waveguide.1. Outgoing light from the other end of the multimode optical waveguide can be made incident on the photodetector array.
さらに、前記多モード光導波路は固定された部分と可動
の部分とを有し、その可動部分によって前記検知手段を
構成し、前記多モード光導波路の一方の端面に反射膜を
設け、前記コヒーレント光を方向性結合器を介して前記
多モード光導波路に入射させ、当該多モード光導波路か
らの出射光を前記方向性結合器を介して前記光検出器ア
レイに入射させることができる。Furthermore, the multimode optical waveguide has a fixed part and a movable part, the movable part constitutes the detection means, a reflective film is provided on one end surface of the multimode optical waveguide, and the coherent light can be made to enter the multimode optical waveguide via a directional coupler, and the light emitted from the multimode optical waveguide can be made to enter the photodetector array via the directional coupler.
さらにまた、前記多モード光導波路を固定し、その一方
の端部には方向性結合器を介して前記コヒーレント光を
入射させ、前記可動部は前記多モード光導波路の他方の
端部と対向して配置された前記微少変位に応動する反射
ミラーを有し、当該反射ミラーからの反射光を前記多モ
ード光導波路中を伝搬させ、当該多モード光導波路の前
記−方の端部からの出射光を前記方向性結合器を介して
前記光検出器アレイに入射させることができる。Furthermore, the multimode optical waveguide is fixed, the coherent light is made incident on one end of the multimode optical waveguide via a directional coupler, and the movable part faces the other end of the multimode optical waveguide. a reflecting mirror that responds to the slight displacement disposed at a distance, the reflected light from the reflecting mirror is propagated through the multimode optical waveguide, and the light is emitted from the negative end of the multimode optical waveguide. can be made incident on the photodetector array via the directional coupler.
［作 用］
本発明は、多モード光導波路を用い、多モード光導波路
にコヒーレント光を入射し、多モード光導波路内にモー
ド間干渉パターン、すなわちモードスペックル・パター
ンを発生させ、微少変位センシング部における微少変位
量をスペックル・パターンの変化に変換し、その多モー
ド光導波路からスペックル・パターンの変化に対応した
出力光信号を取出し、その光信号を受光素子アレイに人
力して電気信号を取出し、その受光素子アレイの出力電
気信号をニューラル・ネットワークに供給し、かかるニ
ューラル・ネットワークの処理により微少変位量を求め
る。[Function] The present invention uses a multimode optical waveguide, injects coherent light into the multimode optical waveguide, generates an intermode interference pattern, that is, a mode speckle pattern, within the multimode optical waveguide, and performs minute displacement sensing. Convert minute displacements in the speckle pattern into changes in the speckle pattern, extract an output optical signal corresponding to the change in the speckle pattern from the multimode optical waveguide, and input the optical signal to the photodetector array to generate an electrical signal. The output electric signal of the light receiving element array is supplied to a neural network, and the amount of minute displacement is determined through processing by the neural network.
本発明では、スペックル・パターンの変化から変位量を
求めるので、使用する光源の波長にはまフたく依存せず
測定を行うことができ、さらにまた使用する多モード光
導波路の横進や材料にもまったく依存しないという利点
を有し、微少変位センサを簡便かつ容易に実現できる。In the present invention, since the amount of displacement is determined from the change in the speckle pattern, the measurement can be performed without depending on the wavelength of the light source used, and also the lateral movement of the multimode optical waveguide used and the material used. It has the advantage that it does not depend on anything at all, making it possible to simply and easily realize a minute displacement sensor.
従来このようなニューラル・ネットワークを用いて微少
変位を測定するセンサは存在しない。Conventionally, there are no sensors that measure minute displacements using such a neural network.
［実施例］
以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。[Examples] Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第１図は、本発明の第１の実施例を示す。ここで、１は
コリメートされたコヒーレント光を集光するための結合
レンズである。２は多モード光導波路、３および５は多
モード光導波路２を固定するための、それぞれ、第１お
よび第２固定部であって、これら両固定部３と５とを所
定の間隔をあけて配置する。両固定部３と５との間では
、多モード光導波路２は固定されておらず、多モード光
導波路２の微少変位を感知するセンシング部４を構成す
る。多モード光導波路２からの出射光を結合レンズ７を
介して取り出した受信光信号６を、複数の光検出器（受
光素子）を１次元状または２次元状に配置した光検出器
アレイ８に入射させる。この光検出器アレイ８からの電
気信号出力をニューラル・ネットワーク１ｏに供給する
。このニューラル・ネットワークｌＯからの出力信号を
出力ポート１２より取り出す。FIG. 1 shows a first embodiment of the invention. Here, 1 is a coupling lens for condensing collimated coherent light. 2 is a multimode optical waveguide, and 3 and 5 are first and second fixing parts, respectively, for fixing the multimode optical waveguide 2, and these fixing parts 3 and 5 are separated by a predetermined distance. Deploy. The multimode optical waveguide 2 is not fixed between the two fixed parts 3 and 5, and constitutes a sensing part 4 that senses minute displacements of the multimode optical waveguide 2. A received optical signal 6 obtained by extracting the light emitted from the multimode optical waveguide 2 via a coupling lens 7 is sent to a photodetector array 8 in which a plurality of photodetectors (light receiving elements) are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Make it incident. The electrical signal output from this photodetector array 8 is supplied to a neural network 1o. The output signal from this neural network IO is taken out from the output port 12.
半導体レーザや気体・固体レーザ等のコヒーレント光源
から出射された光はレンズ１により、多モード光導波路
２に結合される。このとき多モード光導波路２内におい
ては、数多くのモードが励振される。多モード光導波路
２内に入射した光はコヒーレント光であるので、各モー
ドが干渉を起こし、モード間干渉パターン（モードスペ
ックル・パターン）が生成される。Light emitted from a coherent light source such as a semiconductor laser or a gas/solid-state laser is coupled to a multimode optical waveguide 2 by a lens 1 . At this time, many modes are excited within the multimode optical waveguide 2. Since the light incident on the multimode optical waveguide 2 is coherent light, each mode causes interference and an intermode interference pattern (mode speckle pattern) is generated.
ここで、第１固定部３を含みそれより左側にある光学系
と第２固定部５を含みそれより右側にある光学系との間
に微少な位置ずれが生じた場合、センシング部４におけ
る光導波路２に微少な曲げが生じ、モード変換が起こる
。そのため多モード光導波路中のスペックル・パターン
が変化する。Here, if a slight positional deviation occurs between the optical system including the first fixing part 3 on the left side and the optical system including the second fixing part 5 on the right side, the light guide in the sensing part 4 A slight bend occurs in the wave path 2, and mode conversion occurs. Therefore, the speckle pattern in the multimode optical waveguide changes.
そこで、この微少変位を光に変換した形態の光信号が光
導波路２から取り出される。この光信号は、レンズ７に
よりコリメートされ、光検出器アレイ８に入射する。こ
の光検出器アレイ８で、光−電気変換が行われ、電気出
力信号９が発生する。この電気信号９がニューラル・ネ
ットワーク１０を通して処理され、最終的な出力信号１
１が出力ポート１２より得られる。Therefore, an optical signal in the form of converting this minute displacement into light is extracted from the optical waveguide 2. This optical signal is collimated by lens 7 and incident on photodetector array 8 . This photodetector array 8 performs optical-to-electrical conversion and generates an electrical output signal 9. This electrical signal 9 is processed through a neural network 10 and the final output signal 1
1 is obtained from the output port 12.
第２図にこのようなニューラル・ネットワーク１０の代
表的な構成例を示す。ここで、１３は人力ボートである
。１４は処理エレメントであり、１５は処理エレメント
１４を構成する加算処理部、１６は同じく処理エレメン
ト１４を構成する非線形処理部である。１７は入力ボー
ト１３と処理エレメント１４との間、および処理エレメ
ント１４相互間を結合する結線エレメント、１８は出力
ポートである。FIG. 2 shows a typical configuration example of such a neural network 10. Here, 13 is a human-powered boat. 14 is a processing element, 15 is an addition processing section that constitutes the processing element 14, and 16 is a nonlinear processing section that also constitutes the processing element 14. 17 is a connection element that connects the input boat 13 and the processing elements 14 and between the processing elements 14, and 18 is an output port.
加算処理部１５は、それに接続されている複数の結線エ
レメント１７から入力されてくる信号に重み付けを行い
、それら重み付けされた信号を加算する機能を有してい
る。非線形処理部１６では、加算処理部１５から入力さ
れてくる信号に対して非線形処理を行う。すなわち、た
とえば人力信号のレベルが一定のしきい値より大きいと
きには出力信号゛１”を出力し、小さい時には“Ｏ″を
出力するような処理を行う。第２図の例では、入力ボー
ト１３と出力ポート１８とを分離した構造になっている
が、たとえばこれらボート１３と１８とが共用されたよ
うな他の構造のニューラル・ネットワークも提案されて
おり、かかるニューラル・ネットワークを用いることも
できる。The addition processing section 15 has a function of weighting signals inputted from a plurality of connection elements 17 connected thereto and adding the weighted signals. The nonlinear processing section 16 performs nonlinear processing on the signal input from the addition processing section 15. That is, for example, when the level of the human input signal is higher than a certain threshold, the output signal "1" is output, and when it is lower, the output signal "O" is output.In the example of FIG. Although the neural network has a structure in which the output port 18 is separated from the output port 18, other neural networks have been proposed in which the ports 13 and 18 are shared, and such neural networks can also be used.
ニューラル・ネットワークは、良く知られているように
、内部のパラメータを適当に設定することにより、入力
信号と出力信号との関係を自由に設定できる。また、ニ
ューラル・ネットワークでは、連想記憶や認識のような
機能に見られるように、入力信号のわずかな変化に対し
て出力信号を変化しないようにすることも可能であり、
逆に入力信号に対して敏感に出力信号を変化させること
もできる。As is well known, a neural network can freely set the relationship between input signals and output signals by appropriately setting internal parameters. Also, in neural networks, it is possible to keep the output signal unchanged in response to small changes in the input signal, as seen in functions such as associative memory and recognition.
Conversely, it is also possible to change the output signal sensitively to the input signal.
さらに、学習機能に見られるように、いくつかの人出力
信号の組み合わせをニューラル・ネットワークに例示す
るこ、とにより、自動的に内部パラメータを変化させて
、所望の入出力関係を有するようにすることもできる。Furthermore, as seen in the learning function, by exemplifying several combinations of human output signals to the neural network, internal parameters are automatically changed to have the desired input-output relationship. You can also do that.
したがって、第１図のような構成の場合、センシング部
４の変位量に対して出力されるスペックル・パターンを
ニューラル・ネットワークｌＯに学習させることにより
、微少変位センサを構成でき、感度の設定や測定範囲の
設定なども自由に行なえる。Therefore, in the case of the configuration shown in FIG. 1, a minute displacement sensor can be configured by having the neural network IO learn the speckle pattern output in response to the amount of displacement of the sensing section 4, and the sensitivity setting and You can also freely set the measurement range.
第３図は本発明の第２の実施例を示す。ここで、１９は
方向性結合器、２０は反射膜、２１はセンシング部、２
２は結合レンズである。FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. Here, 19 is a directional coupler, 20 is a reflective film, 21 is a sensing section, 2
2 is a coupling lens.
本実施例では、第１固定部３と第２固定部５とを所定の
間隔をあけて配置し、その間隔の部分では光導波路２は
固定されないようにして、センシング部２１を設ける。In this embodiment, the first fixing part 3 and the second fixing part 5 are arranged at a predetermined interval, and the sensing part 21 is provided in such a way that the optical waveguide 2 is not fixed in the part of the interval.
光導波路２の一端を第２固定部５上において終端させて
、その端面に反射膜２０を被着する。コヒーレント光を
方向性結合器１９で反射させてから結合レンズで集光し
て、第１固定部３上の光導波路２に導く。光導波路２を
伝搬する光は反射膜２０で反射されて再び光導波路２中
を戻り、レンズ２２を経て、方向性結合器１９を透過し
て光検出器アレイ８に導かれる。One end of the optical waveguide 2 is terminated on the second fixing part 5, and a reflective film 20 is applied to the end surface. The coherent light is reflected by the directional coupler 19, then condensed by the coupling lens, and guided to the optical waveguide 2 on the first fixed part 3. The light propagating through the optical waveguide 2 is reflected by the reflective film 20 and returns through the optical waveguide 2, passes through the lens 22, passes through the directional coupler 19, and is guided to the photodetector array 8.
コヒーレント光源からの光が方向性結合器１９および結
合レンズ１により多モード光導波路２に入射される。こ
のとき多モード光導波路２内においては、数多くのモー
ドが励振される。多モード光導波路２に入射した光はコ
ヒーレント光であるので、各モードが干渉を起こし、ス
ペックル・パターンが生成される。Light from a coherent light source is input into a multimode optical waveguide 2 by a directional coupler 19 and a coupling lens 1. At this time, many modes are excited within the multimode optical waveguide 2. Since the light incident on the multimode optical waveguide 2 is coherent light, each mode causes interference and a speckle pattern is generated.
ここで、第１固定部３を含みそれより右側にある光学系
と第２固定部５を含みそれより左側にある光学系との間
に微少な位置ずれが生じた場合、センシング部２１にお
ける光導波路２に微少な曲げが生じて、モード変換が起
こる。そのため、多モード光導波路２中のスペックル・
パターンが変化する。この構成では、第２固定部５上に
配置された多モード光導波路２の端面には反射膜２０が
施されており、光はここで反射し、再びセンシング部２
１において変化を受ける。反射膜２０により反射された
光は方向性結合器１９により光検出器アレイ８に結合さ
れる。この出力電気信号９がニューラル・ネットワーク
１０に入力され、このニューラル・ネットワークｌＯに
よって処理された結果が出力信号１１として出力ボート
１２に出力される。Here, if a slight positional deviation occurs between the optical system that includes the first fixing part 3 and is on the right side, and the optical system that includes the second fixing part 5 and is on the left side thereof, the light guide in the sensing part 21 A slight bend occurs in the wave path 2, and mode conversion occurs. Therefore, speckles and
The pattern changes. In this configuration, a reflective film 20 is provided on the end face of the multimode optical waveguide 2 placed on the second fixed part 5, and the light is reflected here and returned to the sensing part 2.
1 undergoes a change. The light reflected by the reflective film 20 is coupled to the photodetector array 8 by the directional coupler 19. This output electrical signal 9 is input to a neural network 10, and the result processed by this neural network 10 is outputted as an output signal 11 to an output port 12.
第４図は本発明の第３の実施例を示す。これは、第１の
実施例のセンシング部４が多モード光導波路２によって
構成されていたのに対して、第１および第２固定部３お
よび５の各々の上に多モード光導波路２Ａおよび２Ｂを
、それぞれ、配置し、画光導波路２＾と２Ｂとの間に空
間バスを配置し、この空間バスによってセンシング部３
１を構成したものである。残余の構成は第１の実施例と
同様である。FIG. 4 shows a third embodiment of the invention. This is because, while the sensing section 4 of the first embodiment was constituted by the multimode optical waveguide 2, multimode optical waveguides 2A and 2B are provided on each of the first and second fixed sections 3 and 5. are arranged respectively, a space bus is arranged between the image light guides 2^ and 2B, and the sensing section 3 is connected by this space bus.
1. The remaining configuration is similar to the first embodiment.
コヒーレント光源から出射された光は結合レンズ１によ
り、第１固定部３上に配設された多モード光導波路２＾
に結合される。このとき、多モード光導波路２＾内にお
いては、数多くのモードが励振される。多モード光導波
路２Ａ内に入射した光はコヒーレント光であるので、各
モードが干渉を起こし、干渉パターン（スペックル・パ
ターン）が生成される。The light emitted from the coherent light source is transmitted through the coupling lens 1 to the multimode optical waveguide 2^ disposed on the first fixed part 3.
is combined with At this time, many modes are excited within the multimode optical waveguide 2^. Since the light that has entered the multimode optical waveguide 2A is coherent light, each mode causes interference and an interference pattern (speckle pattern) is generated.
ここで、第１固定部３を含みそれより左側にある光学系
と第２固定部５を含みそれより右側にある光学系との間
に微少な位置ずれが生じた場合、第１固定部３上の多モ
ード光導波路２Ａの端面から出射した光が第２固定部５
上の多モード光導波路２Ｂに結合されるときの角度や強
度が変化する。それが、第２固定部５上の多モード光導
波路２Ｂ中のスペックル・パターンの変化として現れる
。このようにして微少変位量が光信号に変換される。こ
の光信号は、レンズ７によりコリメートされ、光検出器
アレイ８に入射する。ここで、光−電気変換が行われ、
出力電気信号９が発生する。この電気信号がニューラル
・ネットワークｌＯを通して処理され、最終的な出力信
号１１が出力ボート１２より得られる。Here, if a slight positional deviation occurs between the optical system that includes the first fixing part 3 and is located on the left side thereof, and the optical system that includes the second fixing part 5 and is located on the right side thereof, the first fixing part 3 The light emitted from the end face of the upper multimode optical waveguide 2A is transmitted to the second fixed part 5.
The angle and intensity when coupled to the upper multimode optical waveguide 2B change. This appears as a change in the speckle pattern in the multimode optical waveguide 2B on the second fixed part 5. In this way, minute displacement amounts are converted into optical signals. This optical signal is collimated by lens 7 and incident on photodetector array 8 . Here, light-to-electrical conversion takes place,
An output electrical signal 9 is generated. This electrical signal is processed through the neural network IO and the final output signal 11 is obtained from the output port 12.
第５図は本発明の第４の実施例を示す。ここで、４１は
センシング部であって、光導波路２と対向して配置され
た反射ミラー４２により構成される。符号４３は結合レ
ンズであって、反射ミラー４２と光導波路２との間に配
置され、反射ミラー４２からの反射光を集光して光導波
路２に導くようにし、以て反射光の結合効率を高める。FIG. 5 shows a fourth embodiment of the invention. Here, reference numeral 41 denotes a sensing section, which is constituted by a reflecting mirror 42 arranged opposite to the optical waveguide 2. Reference numeral 43 denotes a coupling lens, which is disposed between the reflection mirror 42 and the optical waveguide 2, and condenses the reflected light from the reflection mirror 42 and guides it to the optical waveguide 2, thereby increasing the coupling efficiency of the reflected light. Increase.
なお、このレンズ４３は省略することもできる。本実施
例は、第２の実施例における第２固定部５上の反射膜２
０付きの光導波路２およびセンシング部４１で置き換え
た構成であって、残余の部分は第３の実施例と同様であ
る。Note that this lens 43 can also be omitted. This embodiment is based on the reflective film 2 on the second fixing part 5 in the second embodiment.
The configuration is such that the optical waveguide 2 with 0 and the sensing section 41 are replaced, and the remaining parts are the same as in the third embodiment.
本実施例は、基本的には、第２の実施例のセンシング部
２１が空間に代え、および多モード光導波路２の端面に
施された反射膜２０の代わりに反射ミラー４２を設けた
ものである。コヒーレント光源からの光が方向性結合器
１９および結合レンズ２２により多モード光導波路２に
入射される。このとき多モード光導波路２内においては
、数多くのモードが励振される。多モード光導波路２に
入射した光はコヒーレント光であるので、各モードが干
渉を起こし、スペックル・パターンが生成される。Basically, in this embodiment, the sensing section 21 of the second embodiment is replaced with a space, and a reflective mirror 42 is provided in place of the reflective film 20 applied to the end face of the multimode optical waveguide 2. be. Light from a coherent light source is input into multimode optical waveguide 2 by directional coupler 19 and coupling lens 22 . At this time, many modes are excited within the multimode optical waveguide 2. Since the light incident on the multimode optical waveguide 2 is coherent light, each mode causes interference and a speckle pattern is generated.
ここで、反射ミラー４２の位置が前後方向および上下方
向に微少にずれた場合、第１固定部３上の多モード光導
波路２の端面からの出射光が反射ミラー４２で反射し、
再び多モード光導波路２に結合する光の入射角および入
射強度が変化する。Here, if the position of the reflection mirror 42 is slightly shifted in the front-rear direction and the vertical direction, the light emitted from the end face of the multimode optical waveguide 2 on the first fixed part 3 is reflected by the reflection mirror 42,
The incident angle and the incident intensity of the light coupled to the multimode optical waveguide 2 change again.
ここで、反射ミラー４ｚの反射面を鏡面仕上げではなく
、凹凸のある面に仕上げることによって、前後方向のみ
ならず上下方向の位置の変化も測定することができる。Here, by finishing the reflecting surface of the reflecting mirror 4z with an uneven surface instead of a mirror finish, it is possible to measure changes in position not only in the front-back direction but also in the up-down direction.
そのため多モード光導波路２中のスペックル・パターン
は、位置の変化が無い場合に比べて変化する。反射ミラ
ー４２によって反射された光は再び多モード光導波路２
中を伝搬し、方向性結合器１９により光検出器アレイ８
に結合される。その出力電気信号９がニューラル・ネッ
トワークｌＯに入力され、ニューラル・ネットワークｌ
Ｏによって処理された結果が出力信号１１として出力ボ
ート１２に出力される。Therefore, the speckle pattern in the multimode optical waveguide 2 changes compared to the case where there is no change in position. The light reflected by the reflection mirror 42 returns to the multimode optical waveguide 2.
the photodetector array 8 through the directional coupler 19.
is combined with The output electric signal 9 is input to the neural network lO, and the neural network lO
The result processed by O is output to the output port 12 as an output signal 11.
なお、本実施例の場合、反射ミラー４２だけが微少変位
するものとしたが、レンズ４３と反射ミラー４２との位
置関係を固定し、両者を一体のセンシングブロック部と
してセンサを構成することもできる。In the case of this embodiment, only the reflecting mirror 42 is slightly displaced, but the sensor may also be constructed by fixing the positional relationship between the lens 43 and the reflecting mirror 42 and using both as an integrated sensing block. .
さらに、波長多重したコヒーレント光と波長フィルタを
用いることにより、任意の多地点の微少変位量を測定す
ることも可能となる。この場合の本発明実施例を第５の
実施例として第６図に示す。ここで、５１．５２および
５３＾と５３Ｂは波長フィルタ、５４および５５は、そ
れぞれ、第１および第２固定部５６および５７上に配置
した多モード光導波路、５８および５９は反射ミラー、
６０〜６３は結合レンズ、６４および６５は方向性結合
器である。反射ミラー５９．波長フィルタ５２．レンズ
６０．光導波路５５゜レンズ６１．方向性結合器６５．
レンズ６２．光導波路５４、レンズ６３．方向性結合器
６４．波長フィルタ５３＾と５３Ｂおよび光検出器アレ
イ８をこの順序で縦続に接続する。方向性結合器６５に
は波長フィルタ５１および反射ミラー５８を結合させる
ように配置する。波長フィルタ５１および５３Ａは波長
λｌの光のみを通過させる。波長フィルタ５２および５
３Ｂは波長λ２の光のみを通過させる。波長フィルタ５
３Ａと５３Ｂとは同一平面状に二次的分布を以て配置さ
れて波長λ１とλ２の光を空間的に分離して取り出す。Furthermore, by using wavelength-multiplexed coherent light and a wavelength filter, it is also possible to measure minute displacements at arbitrary multiple points. An embodiment of the present invention in this case is shown in FIG. 6 as a fifth embodiment. Here, 51, 52, 53^ and 53B are wavelength filters, 54 and 55 are multimode optical waveguides arranged on the first and second fixed parts 56 and 57, respectively, 58 and 59 are reflection mirrors,
60 to 63 are coupling lenses, and 64 and 65 are directional couplers. Reflection mirror 59. Wavelength filter 52. Lens 60. Optical waveguide 55° lens 61. Directional coupler 65.
Lens 62. Optical waveguide 54, lens 63. Directional coupler 64. The wavelength filters 53^ and 53B and the photodetector array 8 are connected in series in this order. The wavelength filter 51 and the reflection mirror 58 are arranged to be coupled to the directional coupler 65. The wavelength filters 51 and 53A allow only light of wavelength λl to pass through. Wavelength filters 52 and 5
3B allows only light of wavelength λ2 to pass through. Wavelength filter 5
3A and 53B are arranged on the same plane with a quadratic distribution to spatially separate and extract light of wavelengths λ1 and λ2.
なお、反射ミラー５８および５９の反射面は鏡面仕上げ
ではなく、図示のような凹凸のある面に仕上げてもよい
。Note that the reflective surfaces of the reflective mirrors 58 and 59 may be finished with an uneven surface as shown in the figure instead of a mirror finish.
波長λｌとλ２を持つコヒーレント光を方向性結合器６
４に入射させ、さらにレンズ６３を介して多モード光導
波路５４に結合させる。多モード光導波路５４の中を伝
搬した光はこの多モード光導波路５４の端面から出射し
、レンズ６２を経て方向性結合器６５により２つに分け
られる。A directional coupler 6 transmits coherent light having wavelengths λl and λ2.
4 and further coupled to the multimode optical waveguide 54 via the lens 63. The light propagated through the multimode optical waveguide 54 exits from the end face of the multimode optical waveguide 54, passes through a lens 62, and is split into two by a directional coupler 65.
一方の光は、波長フィルタ５１を通り反射ミラー５８で
反射される。ここで、波長フィルタ５１は波長λｌの光
だけを透過するものとする。反射ミラー５８で反射され
た光はフィルタ５１を通して方向性結合器６５に戻り、
さらに多モード光導波路５４に結合され、逆方向に伝搬
する。One of the lights passes through the wavelength filter 51 and is reflected by the reflecting mirror 58. Here, it is assumed that the wavelength filter 51 transmits only light having a wavelength λl. The light reflected by the reflection mirror 58 passes through the filter 51 and returns to the directional coupler 65.
It is further coupled to the multimode optical waveguide 54 and propagates in the opposite direction.
一方、方向性結合器６５を透過した光は、レンズ６１を
介して、もうひとつの多モード光導波路５５に結合され
、この中を伝搬する。この多モード光導波路５５から出
射した光はレンズ６０および波長フィルタ５２を通り、
反射ミラー５９で反射される。この波長フィルタ５２は
波長λ２の光だけを透過するものとする。反射ミラー５
９で反射した光は多モード光導波路５５および５４を逆
方向に伝搬する。On the other hand, the light transmitted through the directional coupler 65 is coupled to another multimode optical waveguide 55 via the lens 61 and propagated therein. The light emitted from this multimode optical waveguide 55 passes through a lens 60 and a wavelength filter 52,
It is reflected by a reflecting mirror 59. It is assumed that this wavelength filter 52 transmits only light of wavelength λ2. Reflection mirror 5
The light reflected by 9 propagates through multimode optical waveguides 55 and 54 in opposite directions.
それぞれの反射ミラー５８および５９で反射した光は波
長フィルタ５３＾および５３Ｂに入射する。ここで、波
長フィルタ５３Ａは波長λ１の光を透過させ、波長フィ
ルタ５３Ｂは波長λ２の光のみを透過させる。これら波
長フィルタ５３＾および５３Ｂによってそれぞれの反射
ミラー５８および５９の微少変位の光信号が分離され、
光検出器アレイ８に入力される。The light reflected by the respective reflecting mirrors 58 and 59 enters the wavelength filters 53^ and 53B. Here, the wavelength filter 53A transmits light with a wavelength λ1, and the wavelength filter 53B transmits only light with a wavelength λ2. The wavelength filters 53^ and 53B separate the optical signals of minute displacements of the respective reflecting mirrors 58 and 59,
It is input to a photodetector array 8.
光検出器アレイ８の出力電気信号９は、ニューラル・ネ
ットワーク１０に人力され、このニューラル・ネットワ
ーク１０において処理される。The output electrical signal 9 of the photodetector array 8 is input to a neural network 10 and processed therein.
このように、本実施例では、２つの波長λ１とλ２を多
重化し、波長フィルタ５３Ａと５３Ｂによって２つの光
を分離することにより、任意の２つの地点での微少変位
を測定するように構成したが、波長の多重化数と波長フ
ィルタの個数を適切に設定することによって、任意所望
の各地点での微少変位量を測定することができる。In this way, in this embodiment, the two wavelengths λ1 and λ2 are multiplexed, and the two lights are separated by the wavelength filters 53A and 53B, so that minute displacements at any two points can be measured. However, by appropriately setting the number of wavelengths to be multiplexed and the number of wavelength filters, it is possible to measure minute displacements at any desired points.
［発明の効果］
以上説明したように、本発明によれば、多モード光導波
路を用い、多モード光導波路にコヒーレント光を入射し
、多モード光導波路内にモード間干渉パターン、すなわ
ちモードスペックル・パターンを発生させ、微少変位セ
ンシング部における微少変位量をスペックル・パターン
の変化に変換し、その多モード光導波路からスペックル
・パターンの変化に対応した出力光信号を取出し、その
光信号を受光素子アレイに入力して電気信号を取出し、
その受光素子アレイの出力電気信号をニューラル・ネッ
トワークに供給し、かかるニューラル・ネットワークの
処理により微少変位量を求めることによって、高い分解
能をもち、かつ外乱の影響を受けない微少変位センサを
構成することができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a multimode optical waveguide is used, coherent light is incident on the multimode optical waveguide, and an intermode interference pattern, that is, a mode speckle, is created in the multimode optical waveguide.・Generate a pattern, convert the minute displacement amount in the minute displacement sensing section into a change in the speckle pattern, extract an output optical signal corresponding to the change in the speckle pattern from the multimode optical waveguide, and convert the optical signal into Input into the photodetector array and extract the electrical signal,
By supplying the output electrical signal of the light-receiving element array to a neural network and determining the amount of minute displacement through processing by the neural network, a minute displacement sensor having high resolution and not being affected by external disturbances can be constructed. I can do it.
すなわち、本発明では、スペックル・パターンの変化か
ら変位量を求めるので、使用する光源の波長にはまった
く依存せず測定を行うことができ、さらにまた使用する
多モード光導波路の構造や材料にもまったく依存しない
という利点を有し、微少変位センサを簡便かつ容易に実
現できる。That is, in the present invention, since the amount of displacement is determined from changes in the speckle pattern, measurement can be performed completely independent of the wavelength of the light source used, and furthermore, it is possible to perform measurements without depending on the wavelength of the light source used. It has the advantage that it is completely independent of the above, and a minute displacement sensor can be realized simply and easily.
従来の方法では、３木の光ファイバを用い、その内の１
木は単一モードファイバ、残りの２本は多モードファイ
バを用いるようにしたが、本発明では２種類のファイバ
を必要としない。The conventional method uses three optical fibers, one of which
Although the tree is a single mode fiber and the remaining two are multimode fibers, the present invention does not require two types of fibers.
さらに、本発明では、波長の多重化を行うことによって
、任意所望の複数点での微少変位センサを容易に実現で
きる。Further, in the present invention, by performing wavelength multiplexing, minute displacement sensors at any desired plurality of points can be easily realized.
第１図は、本発明の第１実施例を示す構成図、第２図は
、ニューラル・ネットワークの代表例を示す構成図、
第３図は、本発明の第２実施例を示す構成図、第４図は
、本発明の第３実施例を示す構成図、第５図は、本発明
の第４実施例を示す構成図、第６図は、本発明の第５実
施例を示す構成図、第７図は、従来技術（１）の説明図
、
第８図は、従来技術（２）の説明図である。
１・・・結合レンズ、
２．２Ａ、２Ｂ・・・多モード光導波路、３・・・第１
固定部、
４・・・センシング部、
５・・・第２固定部、
６・・・受信光信号、
７・・・結合レンズ、
８・・・光検出器アレイ、
９・・・電気信号、
ｌＯ・・・ニューラル・ネットワーク、１１・・・出力
信号、
１２・・・出力ボート、
１３・・・入力ボート、
１４・・・処理エレメント、
１５・・・加算処理部、
１６・・・非線形処理部、
１７・・・結線エレメント、
１８・・・出力ボート、
１９・・・方向性結合器、
２０・・・反射膜、
２１・・・センシング部、
２２・・・結合レンズ、
３１・・・センシング部、
４１・・・センシング部、
４２・・・反射ミラー
４３・・・結合レンズ、
５１．５２，５３Ａ、５３Ｂ・・・波長フィルタ、５４
．５５・・・多モード光導波路、
５６．５７・・・固定部、
５８．５９・・・反射ミラー
６０．６１．８２．６３・・・結合レンズ、１０１・・
・単一モードファイバ、
１０２．１０３・・・多モードファイバ、１０４・・・
半導体レーザ、
１０５・・・アイソレータ、
１０６・・・結合レンズ、
１０７．１０９，１１０・・・結合レンズ、１０８・・
・２方向反射ミラー
１１１．１１２，１２５
１２１
・・・光源、
・・・光検出器、
２２
…ハーフ
・ミラー
２３
２４
・・・固定ミラー
・・・可動ミラーFIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing a typical example of a neural network, and FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention, FIG. 5 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a block diagram showing a fifth embodiment of the present invention. , FIG. 7 is an explanatory diagram of the prior art (1), and FIG. 8 is an explanatory diagram of the prior art (2). DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Coupling lens, 2.2A, 2B... Multimode optical waveguide, 3... First
Fixed part, 4... Sensing part, 5... Second fixed part, 6... Received optical signal, 7... Coupling lens, 8... Photodetector array, 9... Electric signal, lO...Neural network, 11...Output signal, 12...Output boat, 13...Input boat, 14...Processing element, 15...Addition processing unit, 16...Nonlinear processing Part, 17... Connection element, 18... Output boat, 19... Directional coupler, 20... Reflection film, 21... Sensing part, 22... Coupling lens, 31... Sensing unit, 41... Sensing unit, 42... Reflection mirror 43... Combining lens, 51.52, 53A, 53B... Wavelength filter, 54
．． 55... Multimode optical waveguide, 56.57... Fixed part, 58.59... Reflection mirror 60.61.82.63... Coupling lens, 101...
・Single mode fiber, 102.103...Multimode fiber, 104...
Semiconductor laser, 105... Isolator, 106... Coupling lens, 107.109, 110... Coupling lens, 108...
・Two-way reflecting mirror 111, 112, 125 121...Light source,...Photodetector, 22...Half mirror 23 24...Fixed mirror...Movable mirror
Claims (1)
ドの光を同時に伝送可能な多モード光導波路であって、
当該多モード光導波路内において励振される各モード間
の干渉により、モードスペックル・パターンを生じさせ
ることのできる多モード光導波路と、 該多モード光導波路を伝搬する光の光路の一部分に配設
され、微少変位に応動して前記光路の状態を変化させる
可動部を有する検知手段と、該検知手段によって、前記
可動部での微少変位に応じて前記多モード光導波路内で
のモードスペックル・パターンの変化に変換された光信
号を受光し、その光信号の光の強度分布を検出可能な光
検出素子アレイと、 前記光検出素子アレイで得られた電気信号を受け、その
電気信号に基づいて前記微少変位の変位量を検出するよ
うにしたニューラル・ネットワークと を具えたことを特徴とする微少変位センサ。 ２）前記多モード光導波路は固定された部分と可動の部
分とを有し、その可動部分によつて前記検知手段を構成
し、前記多モード光導波路の一方の端部にコヒーレント
光を入射させ、前記多モード光導波路の他方の端部から
の出射光を前記光検出器アレイに入射させるようにした
ことを特徴とする請求項１記載の微少変位センサ。 ３）前記多モード光導波路は固定された部分と可動の部
分とを有し、その可動部分によって前記検知手段を構成
し、前記多モード光導波路の一方の端面に反射膜を設け
、前記コヒーレント光を方向性結合器を介して前記多モ
ード光導波路に入射させ、当該多モード光導波路からの
出射光を前記方向性結合器を介して前記光検出器アレイ
に入射させるようにしたことを特徴とする請求項１記載
の微少変位センサ。 ４）前記多モード光導波路を固定し、その一方の端部に
は方向性結合器を介して前記コヒーレント光を入射させ
、前記可動部は前記多モード光導波路の他方の端部と対
向して配置された前記微少変位に応動する反射ミラーを
有し、当該反射ミラーからの反射光を前記多モード光導
波路中を伝搬させ、当該多モード光導波路の前記一方の
端部からの出射光を前記方向性結合器を介して前記光検
出器アレイに入射させるようにしたことを特徴とする請
求項１記載の微少変位センサ。[Scope of Claims] 1) A multimode optical waveguide having an end portion that receives coherent light and capable of simultaneously transmitting light in multiple modes,
A multimode optical waveguide that can generate a mode speckle pattern by interference between modes excited within the multimode optical waveguide, and a part of the optical path of light propagating through the multimode optical waveguide. a detection means having a movable part that changes the state of the optical path in response to minute displacement; a photodetection element array capable of receiving an optical signal converted into a pattern change and detecting the light intensity distribution of the optical signal; and a neural network configured to detect the amount of the minute displacement. 2) The multimode optical waveguide has a fixed part and a movable part, the movable part constitutes the detection means, and the coherent light is incident on one end of the multimode optical waveguide. 2. The minute displacement sensor according to claim 1, wherein the light emitted from the other end of the multimode optical waveguide is made incident on the photodetector array. 3) The multimode optical waveguide has a fixed part and a movable part, the movable part constitutes the detection means, a reflective film is provided on one end surface of the multimode optical waveguide, and the coherent light is made to enter the multimode optical waveguide via a directional coupler, and the light emitted from the multimode optical waveguide is made to enter the photodetector array via the directional coupler. The minute displacement sensor according to claim 1. 4) The multimode optical waveguide is fixed, the coherent light is incident on one end of the multimode optical waveguide via a directional coupler, and the movable part faces the other end of the multimode optical waveguide. It has a reflective mirror that responds to the minute displacement that is placed, the reflected light from the reflective mirror is propagated through the multimode optical waveguide, and the light emitted from the one end of the multimode optical waveguide is transmitted through the multimode optical waveguide. 2. The minute displacement sensor according to claim 1, wherein the light is made incident on the photodetector array via a directional coupler.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23712889A JPH03100422A (en) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | Minimal displacement sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23712889A JPH03100422A (en) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | Minimal displacement sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03100422A true JPH03100422A (en) | 1991-04-25 |
Family
ID=17010823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23712889A Pending JPH03100422A (en) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | Minimal displacement sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03100422A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005156178A (en) * | 2003-11-20 | 2005-06-16 | Kri Inc | Pressure evaluation method and optical waveguide type pressure sensor |
| CN111750793A (en) * | 2020-06-09 | 2020-10-09 | 上海交通大学 | Intensity demodulation strain sensing method based on neural network |
| JP2021032648A (en) * | 2019-08-22 | 2021-03-01 | 古河電気工業株式会社 | External force detector and optical fiber sensor |
-
1989
- 1989-09-14 JP JP23712889A patent/JPH03100422A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2005156178A (en) * | 2003-11-20 | 2005-06-16 | Kri Inc | Pressure evaluation method and optical waveguide type pressure sensor |
| JP2021032648A (en) * | 2019-08-22 | 2021-03-01 | 古河電気工業株式会社 | External force detector and optical fiber sensor |
| CN111750793A (en) * | 2020-06-09 | 2020-10-09 | 上海交通大学 | Intensity demodulation strain sensing method based on neural network |
| CN111750793B (en) * | 2020-06-09 | 2021-06-15 | 上海交通大学 | Intensity demodulation strain sensing method based on neural network |
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