JPH085462A - 物理量を光学的に求める方法および装置 - Google Patents
物理量を光学的に求める方法および装置Info
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Abstract
ファイバケーブルF1、コリメータK1、偏光器P1、
ビームスプリッタ1、ガラスプレート2,3を介して電
気光学結晶4へ直線偏光されて入射される。この結晶の
終端面に、ミラー7として作用する層電極6を有する第
3のガラスプレート5が設けられている。電気光学結晶
4の中に入射する光を後方反射し、反射光の部分ビーム
T1はビームスプリッタ1と、偏光器P1を介して光検
出器D1へ達する。部分ビームT2はλ/4遅延プレー
ト9、第2の偏光器D2、90°プリズム、コリメータ
K2、第2のガラスファイバケーブルF2を介して光検
出器D2へ達する。光強度I1とI2はマイクロプロセッ
サ14を用いて評価される。両方の位相偏移された光信
号を1つの共通の光チャンネルから導出することによ
り、電気光学結晶4の真性複屈折が光信号の位相差に影
響を与えなくなる。
Description
に示された、物理量を光学的に求める方法および装置に
関する。
米国特許第A−4904931号公報に示されている。
この公報には2つの互いに平行の光ビームが第1の偏光
器、次に電気光学結晶、各1つのλ/8プレート、すな
わち+45°、−45°の位相偏移を有する遅延プレー
ト、次に両方の光ビームに共通の第2の偏光器を通過す
るように、送られる。出力信号はフォトダイオードを用
いて別個に検出され、電気信号へ変換されて評価され
る。電気光学結晶として、KH2PO4から成る結晶が用
いられる。光伝播の方向と平行にこの結晶は4重の回転
対称形を有する:1つの平面においてこの主方向に垂直
にこの結晶は2つの電気光学主軸を有する。この主軸は
互いに直角に配向されている。結晶に電圧が光伝播方向
に加わる時に、これらの主軸に沿って光が相異なる速さ
で伝播する。相異なる伝播速度の差は電圧に比例するた
め、走行時間差から電圧が測定できる。光源として用い
られる両方の発光ダイオードは、90°だけ位相のずら
された、受信ダイオードの両方の出力信号に依存する。
電圧が大きい場合、電圧により生じる光の位相偏移は電
気光学結晶の中を通過の際複数の周期にわたり生じる。
その結果、ただ1つの光ビームの測定される光強度Iの
評価の場合、出力信号と測定されるべき電圧との間の関
係が不明瞭になってしまう。Iに対しては次の式が当て
はまる: I=I0・(1+sin Γ)/2 (1) ただしI0は、結晶、偏光器等における損失は別とし
て、第1の偏光器に入射する光の強度であり、Γは誘起
された複屈折により生ぜしめられた光学的偏移−これは
印加された電界に比例する−を示す。正弦波交流電圧の
場合はΓ(t)=Γ0・sin(ω・t)である。ただ
しω=角周波数、tは時間である。電圧のピーク値が関
数sinΓ(t)の極値と一致する時は、電圧の増加、
減少の方向を一義的に測定することは別の構成がなけれ
ばできない。米国特許第A−4904931号において
この問題点は、センサに第2の光学的チャンネルを設け
たことにより、解決される。2つの45°遅延プレート
を用いて両方のチャンネルの間に位相差90°が設定さ
れる。
電子装置により、出力信号として結晶に加わる交流電圧
の時間的な相似波形が形成されるように、処理される。
大部分の光学部材の個数が、即ち光源、ガラス、ファイ
バーケーブル、コリメータ、偏光器の個数が2倍にな
り、そのためセンサのコストが著しく増加する。凍結し
た(固定的に取り込まれた)機械的ひずみと欠陥に起因
する結晶の無視できないことの多い複屈折は通常は両方
のチャンネルに対して相異なる。その結果、両方のチャ
ンネル間の実際の位相差は90°とは異なりさらに温度
に依存する。両方のチャンネル用の光学部材は著しく大
きい所要スペースを有し、さらに相応に大きい結晶断面
を必要とする。しかし大きい結晶横断面は装置全体の耐
電気的絶縁破壊に対して不利に作用し、さらに結晶コス
トを増加させる。
回避するために、冒頭に述べた形式の物理量を光学的に
求める方法および装置を、物理量を形成するための位相
のずらされた両方の信号を1つの共通の光学的チャンネ
ルから導出可能にするように、開発することである。
の特徴部分に示された較正により解決されている。本発
明の具体的な構成が従属形式の請求項に示されている。
方の信号間の位相差に対してもはや何の影響も与えない
ことにある。さらに必要とされる光学部材の個数が低減
される。唯1つの光源しか必要とされない。所要スペー
スの減少により結晶横断面積は低減できる。
る。
信路を有するセンサ構造の2つの実施例を示す。図1に
示されたセンサ構造の場合、光源Lたとえばレーザダイ
オードから放出された光は光ファイバービームスプリッ
タないしファイバカプラFKを通過し、次にファイバケ
ーブルたとえばガラスファイバケーブルF1を通過し、
これを通過して光はセンサヘッドへ伝送される。ここで
光は第1コリメータK1によりコリメートされ、次に後
置接続の第1偏光器P1により直線的に偏光される。光
は次に相次いでビームスプリッタ、第1、第2のガラス
プレート2,3、および電気的光学的結晶4を通過す
る。この結晶は片側で導電性、光反射性、鏡面化された
ガラスプレート5により終端されている。6で層電極が
示されている。第2のガラスプレート3の上の層電極は
電気的にアースされた透明なインジウム酸化亜鉛層であ
る。7で鏡が示されている。第3のガラスプレート5に
おいて層電極6は鏡7として用いられる;層電極6はゴ
ールド化クロム層から成る。クロム層は第3のガラスプ
レート5を囲む。第3のガラスプレート3において光ビ
ームはそれ自体の中へ戻り反射される。その結果、光ビ
ームは電気的光学的結晶4をもう一度、通過する。ビー
ムスプリッタ1において光ビームは2つの部分ビームT
1,T2へ分割される。第1の透過された部分ビームT
1は第1の偏光器P1−これは検光子として作用する−
を介して、第1コリメータK1とガラスファイバケーブ
ルF1を通過して、ファイバカプラーFKへ走行する。
ここから、結合比により定められる光成分は光学的電気
的検出器へ即ち第1の光検出器D1へ達する。第1の光
検出器は出力側で、受信された光強度に比例する電気信
号I1を評価電子装置または計算器すなわちマイクロプ
ロセッサ14へ供給し、マイクロプロセッサの出力側か
ら測定結果信号Sが取り出される。
分ビームT2はまず位相遅延プレートたとえばλ/4遅
延プレート9を通過し、次に第2の偏光器P2、偏向プ
リズムすなわち90°プリズム10、第2のコリメータ
K2を通過する。コリメータはこの部分ビームT2を第
2のガラスファイバーケーブルF2へ入力結合する。こ
のガラスファイバケーブルF2により部分ビームT2は
最終的に第2の光検出器D2へ達する。この光検出器は
出力側で、受信された光強度に比例する電気信号I2を
マイクロプロセッサ14へ供給する。
の基本動作にとっては重要ではない。実際はこれらのガ
ラスプレートは蒸着された層電極6のための支持素子お
よび基板として用いられる。層電極には検出されるべき
電圧である高電圧8が加えられる。第1のガラスプレー
トは介在素子としてだけ用いられる。熱により生ぜしめ
られる張力をできるだけ小さく保つために、3つのガラ
スプレート2,3,5のガラスは電気的光学的結晶4と
同様の熱膨張係数を有するようにすべきである。
ネルと出力チャンネルとが入れ替わっていることであ
る。
光学部材の角度配向を示す。第1の偏光器P1の偏光方
向は、ビームスプリッタ1の底面の互いに直交する両方
の線U,Vの1つに平行である。ビームスプリッタ1の
第3のWは他の両方の縁と直交する。そのため偏光はビ
ーム分割の際の当該の光入射面に対して平行または垂直
である(P偏光は偏光方向Xであり、S偏光は偏光方向
Yである、すなわち偏光はそれぞれの光入射平面に平行
および垂直である)。これらの直線偏光はビームスプリ
ッタを透過する際に得られる。第1の偏光器P1を別の
ように配向すれば、光はだ円偏光状態へ移行する、何故
ならばS成分とP成分はビームスプリッタ1を透過する
際に通常は相異なる位相偏移作用を受けるからである。
電気光学軸H1,H2はビーム方向に対して垂直であ
り、かつビーム方向における電気光学結晶4の第3の光
軸H3に対しても垂直である。第1、第2の電気光学軸
H1,H2は入射光の偏光方向と共に角度45°を形成
する。電気光学結晶4の端面もビーム方向に対して垂直
である。λ/4遅延プレート9の主軸は、ビームスプリ
ッタ1で反射された光ビームの方向に垂直であり、さら
にビームスプリッタ1の辺V,Wの方向と共に角度+4
5°または−45°を形成する;そのため主軸は同時
に、電気光学結晶4の電気光学軸の1つの射影に対して
平行である。第2の偏光器P2の偏光方向はλ/4遅延
プレート9の主軸に対して45°の角度を成す。90°
プリズム10の縁U,V,Wはビームスプリッタ1の相
応の縁に対して平行である。
光学部材の配向を示す。
号I1,I2の相対位相Γと変調コントラストK1,K2へ
障害として作用する影響を考察する。この影響から得ら
れる、光学部材の配置と角度配向のための結論を次に説
明する。
が、P偏光とS偏光に対して、反射においても透過にお
いても相異なる位相偏移を持ちこむ。
て通常は相異なる。
同じく位相差を持ちこむ。さらに不正確なλ/4遅延プ
レート9に基づいて、および/または光学部材の不正確
な角度調整に起因する障害の影響が付加される。
次の式で表わせる: I1(t)=I0・[A1+B1・cos(Γ−ε1)]/2 (3) I2(t)=I0・[A2+B2・cos(Γ+π/2−ε2)]/2 (4) 式(3)はλ/4遅延プレート9のないチャンネルに適
用され、式(4)はλ/4遅延プレート9を有するチャ
ンネルに適用される。A1,B1およびA2,B2は、変調
コントラストK1,K2を測定するための係数であり、K
=B1/A1,K2=B2/A2である。Γは電気光学位相
偏位、ε1,ε2は90°位相差からずれを生ぜさせる付
加的な位相項である。
およびε1=ε2=0となる。
プレート9のないチャンネルにおいて、コントラストと
90°位相偏移への上述の障害作用は、すなわちA1=
B1=1、ε1=0、その結果:I1=I0・[1+cos
Γ]/2のλ/4遅延プレート9を有するチャンネルと
特別な場合δ1≠0、as=apに対しては、A2=1、B
2=cosδ1、ε2=0であり、次の式が当てはまる。
しビームスプリッタ1の第2の透過後のS−,P偏光の
場合の光の強さの振幅であり、δ1はビームスプリッタ
1により生ぜさせられた、S偏光とP偏光との間の位相
偏移である。δ1は通常は反射の場合と透過の場合とは
相異なる。
低減される。90°位相偏移は影響されない(ε2=
0)。
に対して、かつ一般的にδ1≠0、as≠apに対して次
の式が得られる: A2=(as 2+ap 2)/2 (6) B2=[as 2・ap 2・cos2δ1+(as 2−ap 2)2/4]0.5 (7) ε2=arc tan(as 2−ap 2)/(±2・as・ap・cosδ1) (8) ±の極性はλ/4遅延プレート9の配向に関する、即ち
偏光方向Xから±45°の軸線に関する。この場合、基
本的に変調コントラストK2も90°位相偏移もビーム
スプリッタ1により影響される。
|を、ビームスプリッタ1の相対位相遅延δ1の関数と
して、振幅比as/ap=0.5、0.9、1.0の場合
に示す。図示されているように、振幅as,apがS−お
よびP偏光に対して等しい(短い破線)時は、相対位相
遅延δ1は90°位相偏移へ何の影響も与えない。他
方、振幅が等しくない時は常にエラーが存在する(長い
鎖線と実線)。
して、図3で示された3つの振幅比as/ap=0.5、
0.9、1.0の場合に示す。ビームスプリッタ1にお
ける相対移動遅延δ1が10°よりも小さい時は、振幅
比as/apにほとんど依存することなく、変調コントラ
ストK2はわずかしか影響を受けない。
ッタ層を有する立方体状のビームスプリッタ1のために
次の値が選定された: 透過=δ1=1°、as/ap=0.954、 反射=δ1=6°、as/ap=1.049。
はほとんどない。
調コントラストK2は係数0.986(透過分岐におけ
るλ/4遅延プレートの場合)だけ、および0.981
(反射分岐におけるλ/4遅延プレート9)だけ低減さ
れる。90°位相偏移は角度ε2=2.70°、ε2=
2.71°だけ障害を受ける。そのため障害の影響は無
視できるくらい小さい。
プリッタの場合は振幅比as/apは1とは著しく異な
り、それに応じて大きい影響を変調コントラストと90
°位相偏移を有する。図5と図6を参照。
相遅延δ1が0の近傍にあるビーム機種が選定される。
透過と反射の場合の相対遅延が著しく相異なる時は、λ
/4遅延プレート9を有するチャンネルを、相対位相遅
延δ1のより小さい値を有する分岐の中へ置く。
付加的な影響:実際に生じ得ることは、前述の障害の影
響に付加的に、λ/4遅延プレート9による位相遅延
は、90°位相差よりもエラー角度λ3だけずれる。係
数A2,B2と90°エラーε2の場合、第1の偏光器P2
(分析器)は偏光方向yに平行に配向されている(図3
と図4に示されているS偏向)場合が当てはまる: A2=(as 2+ap 2)/2−(as 2−ap 2)・sinδ3/2 (9) B2={as 2・ap 2・cos2δ1・cos2δ3 +[(as 2−ap 2)−(as 2+ap 2)・sinδ3]2/4}0.5 (10) ε2=arc tan[(as 2−ap 2)−(as 2+ap 2)・sinδ3]/ (±2・as・ap・cosδ1・cosδ3) (11) 第1の偏光器P2が偏光方向Xに平行な時は、式(4)
においてB2とε2の極性は変わる、即ち: I2(t)=I0・[A2−B2・cos(Γ+π/2+ε2)]/2 (12) それに応じて式(2)において第2の極性、式(12)
において第3の極性、式(11)において第2の極性が
変化する。
°とas/ap=0.954において90°位相偏移から
の次の値だけのずれとなる: ε2=0.90°、第2偏光器(P2)‖xおよび ε2=4.49°、第2偏光器(P2)‖y。
4遅延プレート9のエラー角度δ3は、偏移位置に応じ
て上述のδ3=0°の場合に算出された2.7°の90
°エラーが加算または減算される。そのため90°エラ
ーは初期の選定によりδ3から0へ補償できる。
びYからXへの旋回は、90°位相偏移および変調コン
トラストへは作用しない。
れる障害の影響は考慮されない。実際に角度設定は、こ
れらの障害の影響が何の役割も果たさないように、正確
に行なわれる。
場合、90°プリズム10においてS偏光とP偏光との
間に、プリズムの屈折率1.5の場合に位相偏移36.
9°が生ずる。
レート9のない受信チャンネルに設けられている場合
は、図4に示されている角度配向の場合のこの位相偏移
は、センサ信号に対して影響を与えない。図1と図3に
示された90°プリズム10がλ/4遅延プレート9を
有する光路に設けられている時は、λ/4遅延プレート
9と第2の偏光路P2は90°プリズムの手前に即ち9
0°プリズム10とビームスプリッタ1との間に設ける
必要がある。90°プリズム10とコリメータK2との
間に配置すれば、このチャンネルにおける変調コントラ
ストは係数、約0.8だけ低下してしまう。
ームスプリッタ1においても理想的な、損失のないかつ
分割比が1:1の場合の、相対的な光学的なエネルギ状
態を示す。光源LにおいてガラスファイバーケーブルF
1の中へ入力結合された光エネルギは100%と前提さ
れる。ファイバカプラFKの出力側ではそのうちのなお
50%が残っている。光は偏光されずに第1の偏光器P
1に到来するため、光エネルギは第1の偏光器P1によ
りもう1度半減されてもとの光エネルギの25%にな
る。ビームスプリッタ1の2回の通過の後に、光強度は
6.25%へ低減されている。これは、I1(t)とI
2(t)により与えられる電気光学的変調の最大値に相応
する最大の光エネルギである。この光エネルギは分析器
P1,P2により受信チャンネルの中へ達する。チャン
ネルにおいてこの光エネルギはファイバカプラFKによ
りさらに1回半減される。その結果、光検出器D1,D
2において変調の最大値において、最終的にもとの光エ
ネルギのなお3.125%および6.25%が入射す
る。
反射との比が2:1のビームスプリッタ1を用いると、
両方の光検出器D1,D2へ入射する最大の光エネルギ
を等しくできる。この光エネルギはもとのエネルギのそ
れぞれ5.55%の値を有する(括弧の中の値を比較の
こと)。
し、この場合、送信路と受信路が分離されている。この
場合もセンサの各々は唯1つの光源Lしか必要としな
い。両方の90°位相偏移は電気光学結晶4における1
つの共通の光路から導出される。そのため電気光学結晶
の複屈折は90°位相偏移に影響を与えない。90°位
相偏移を形成する光学部材は図1、図2、図3の場合と
同じである。第2のガラスプレート3は第3のガラスプ
レート5と同様に光信号を透過させる層電極6である。
入力光ビームの偏向はミラー7により行なわれるのでは
なく、第3のガラスプレート5の上の90°プリズムに
より行なわれる。
1と図2によるセンサ実施例の場合、第1の光検出器D
1において信号バックグラウンドノイズが不所望の反射
に起因して光学的装置から発生する。この種の反射の原
因は境界面における、特にファイバ区間における屈折率
の跳躍的変化である。図8と図9によるセンサ構成の場
合、この種の反射はほとんどなく、または著しく減衰さ
れた形式で検出器へ達するため、それほど障害とはなら
ない。ファイバプラグの品質はより小さくなり得る。
より高い。
信器側/受信器側とセンサヘッドとの間に付加的なガラ
スファイバ接続体が必要とされる。
が必要とされる。
そのため必要とされる、電気光学結晶4の最小横断面積
よりもより大きくなる。
と図2の場合と同じことが当てはまる。付加的に第3の
ガラスプレート5の上面における90°プリズム11に
おける2回の反射の場合の相対位相偏移は、S偏光とP
偏光との間のそれぞれの角度ψ2だけ考察される。この
場合、90°プリズム11の屈折率1.5の場合にψ2
=36.9°の値となる。この位相偏移が90°位相偏
移の相対位相へ、および変調コントラストへ影響を与え
ないようにするために、プリズム底面の縁は電気光学結
晶4の電気光学軸に平行に方向づけるべきである。90
°位相偏移の両方の信号は共通に同じ位相角度2ψ2だ
け変位される。しかしそれらの相対位相は変化されな
い。光強度I1とI2の場合の信号は式(3)と式(4)
の変形式で示される: I1(t)=I0・[A1+B1・cos(Γ−ε1)−2・ψ2]/2 (13) I2(t)=I0・[A2+B2・cos(Γ+π/2−ε2)−2・ψ2]/2 (14) 式(13)はλ/4遅延プレート9を有しないチャンネ
ルに当てはまり、式(14)はλ/4遅延プレート9を
有するチャンネルに当てはまる。
界すなわち高電圧8に比例する光学的位相偏移Γが求め
られる。このことは前述の米国特許第A−490493
1号公報に示されている。所期の電圧振幅すなわち測定
結果信号Sは光学的位相偏移Γに依存して較正により定
められる。
い。所望の場合はセンサ特性は、遅延2ψ2を有する各
1つの付加的な遅延プレートにより両方のチャンネルに
おいて補償できる。
で、電気光学結晶4の電気光学軸H1、H2に配向すれ
ば、90°プリズム11の相対位相遅延に付加的な障害
となる影響を生ぜしめることになる。
的で、入力光ビームを、電気光学結晶4の第3の電気光
学軸H3に、わずかに斜めに走行させて、次に再び第3
のガラスプレート5の鏡面7において反射させることが
できる。このことは図10に記入されている光路12に
示されている。13で、ビームスプリッタ1、λ/4遅
延プレート9、偏光器P1,P2,P3、コリメータK
1,K2,K3および90°プリズム10から成る光学
部材を示す。
場合に同じであり、図11において損失のない理想的な
場合が示されている。電気光学的変調の最大値におい
て、両方の光検出器D1,D2にもとの光出力のそれぞ
れ25%が到来する。
場合に干渉の影響が生じないようにする目的で、光源L
は例えば短いコヒーレント長さを有すべきである。干渉
の影響は高められたノイズにより、測定された光強度I
1とI2へ障害として作用することがある。例えば光を放
出する半導体ダイオードLEDまたはマルチモードレー
ザダイオードが用いられる。
ードファイバケーブルF1,F2である。レーザダイオ
ードを光源Lとして用いる場合、送信路用のガラスファ
イバケーブルF1は少なくとも次の長さ(通常は数10
m)に選定される。すなわちセンサヘッドに到来する光
が十分に偏光解除されさらに十分に非コヒーレントであ
るように、選定される。その目的は、偏光の変動と干渉
の影響に起因する信号変動とノイズを阻止するためであ
る。図8と図9に示されているように送信路と受信路と
の分離の場合、マルチモードレーザダイオードが光源L
として選定される時は、偏光形成用のモノモードファイ
バF3も適する。発光半導体ダイオードを用いるとする
と、モノモードファイバへ入力結合される光エネルギは
小さすぎる。センサヘッドにおいてファイバ軸線は、偏
光方向が入力偏光器P3の順方向に平行になるように、
方向づけられる。
信路の場合、モノモードファイバは不適切である。何故
ならばファイバへの光の再入力結合の目的で、センサ構
造の機械的な安定性に対する要求は、小さいファイバ直
径に起因して著しく大きくなるからである。
わらない時は複屈折する結晶族と結晶配向が次の表1に
示されている。
中もシェーンフリース表記法で示されている。
らない時は複屈折性である。真性複屈折の主軸は電気光
学主軸と一致する。その結果、真性複屈折は一定の残存
する調整偏差として、電界により誘起される複屈折へ加
算される。
基本的に積分にも適するであろうが、真性複屈折の軸と
電界により生ぜされる複屈折の軸とは異なる方向を有す
る。この結晶族についてはこれ以上は説明しない。
る偏光を有する光は、電気光学軸H1に対して40°〜
50°の範囲において例えば45°で電気光学結晶4の
中へ入射されることである。電気光学結晶4の2回の通
過(往復)の後に光はビームスプリッタ1において2つ
の部分ビームT1,T2へ分解される。第1の部分ビー
ムT1の中に偏光器P1が設けられており、この偏光器
はこのチャンネル用の分析器として作用する。第2の部
分ビームT2は、両方のチャンネルの間に90°位相偏
移を形成するλ/4遅延プレートを介して走行し、次に
分析器P2も走行する。ビームスプリッタ1において反
射された光ビームはさらに90°プリズム10を介して
偏向される。その結果、両方のチャンネルに対して平行
なビーム方向が得られる。このことがコンパクトな構造
を可能にする。光学部材の特性、配向および配置は次の
ように選定されている。すなわち境界面(ビームスプリ
ッタ1、90°プリズム10)における透過と反射の際
のS偏光とP偏光の場合の相異なる位相偏移が、両チャ
ンネル間の位相差と変調コントラストに実質的に影響を
与えないように、選定されている。
ち光強度I1とI2は通常のように温度に依存する。Bi
4(GeO4)3(BGO)の場合は尺度となる電気光学係数
の温度係数は約2.4 10~4K~1の値を有する、すな
わち温度が100Kだけ上昇すると信号は、印加電圧が
一定の場合は2.4%だけ上昇する。そのため正確な電
圧測定のために付加的な温度測定が必要とされる。別個
の温度センサを回避する目的で、λ/4遅延プレート9
が用いられる。このプレートの遅延作用は適切な大きさ
の温度依存性を有する。両方の電気光学信号I1,I2の
位相差Δφの測定からλ/4遅延プレート9とそれの近
傍の温度が求められる。電圧信号すなわち測定結果信号
Sは相応に補正できる。温度が50Kだけ変化する時
に、水晶から成る0次のλ/4遅延プレートの場合、波
長633mmの場合の遅延は約0.5°だけである。よ
り大きい温度依存性はより高い次数のλ/4遅延プレー
ト9の使用により得られる。なぜならば温度により定め
られる位相変化は次数と共に増加するからである。例え
ば2.25次の、すなわち2.25波長の相対遅延を有
するλ/4遅延プレート9の場合は、温度が50Kだけ
変化する時に4.5°だけ遅延が変化する。
Δφの測定を図9を用いて説明する。図9にこの電気光
学信号I1,I2は時間tに依存して示されている。
Δφは、λ/4遅延プレート9により生ぜしめられた遅
延に相応する。遅延は温度に依存する。位相差Δφは、
I2とI1がImax/2を通過する時点t0,t1,t
2の測定から次の式を用いて求められる。
φ′=Δφ−90°。
K)の場合のΔφを90°に、従ってΔφ′=0になる
ように設計すべきである。Δφ′は次のように絶対温度
Tに依存する: Δφ′(T)=γ・(T−293) (16) ただしγはλ/4遅延プレート9の温度係数である。
2.25次のλ/4遅延プレートの場合は次の値を有す
る。
光学信号I1,I2から得られた測定結果信号Sは温度T
に関して補正できる: SK=S・δ(T) (19) ただしδ(T)は次の式で与えられている: δ(T)=1+ε(T−293) (20) εは電気光学位相差の温度係数である。Bi4(GeO4)
3(BGO)の場合は、εは約2.4・104K~1の値を
有する。
K)=1の場合に所望の信号Sが形成されるように、行
なわれる。センサが力測定のために用いられる(以下参
照)時は、機械的に生ぜしめられる複屈折の温度係数が
式(20)において用いられる。
の場合、この複屈折の温度依存性を温度測定のために用
いることができる。複屈折の変化が、両方の電気光学信
号I1,I2の付加的な緩慢な位相偏移を生ぜさせる。こ
の位相偏移は両方の電気光学信号I1,I2に対して大き
さが等しい。さらにλ/4遅延プレート9の温度依存性
にもとづく、I1,I2の相対位相の温度に依存する変化
が加わる。しかしこの変化は絶対偏移に比較して無視で
きるくらい小さい。
のインクリメントで、両方の電気光学信号I1,I2の零
点通過の合計数から求められる。
点通過と、負の極性を有する負の位相偏移の場合の零点
通過とを計数すると、交流電圧(8)の各々の完全な周
期の後の印加された交流電圧8にもとづく累積された零
点通過は=0となる。付加的に発生した全部の零点通過
は温度変化または直流電圧成分に起因する。しかし直流
電圧による零点通過の個数は温度により生ぜしめられた
零点通過に比較して無視できるくらい小さい。
光学結晶を2回通過した際に次に式で与えられる: ΔΓ=4・π・L・Δn/λ (21) ただしLは結晶の長さ、λは光の波長、Δnは複屈折の
場合の屈折率の差である。
化する。
(ΔT)からπ/2すなわち90°のインクリメントで
次の式により求められる: δΓ(T)=N(ΔT)・π/2 (23) 温度依存性は次の式で示されている:
る。初期温度Taはセンサの作動開始ごとに新たに次の
ように入力する必要がある: T=Ta+ΔT (25) 数値例
めにも使用できる。そのための構成は図10に示されて
いる。力15は光伝播方向X1に平行に作用する。結晶
族と結晶配向の適切な選定の下で、光伝播方向X1に沿
って伝播する光のための電気光学結晶4は複屈折性であ
る。族23(T)またはm3(Th)の立方結晶4の場
合、光伝播方向X3は3つの立体軸の1つと一致する。
立体軸に平行な偏光方向のための3つの主屈折率は次の
ように変化する: Δn1=−n0 3・π11・σ/2 Δn2=−n0 3・π13・σ/2 Δn3=−n0 3・π12・σ/2 ただしn0は力15の加わらない場合の屈折率、σは単
位面積当りに加えられる力15、πijは光弾性係数を示
す。3つの別の立方族43m,432,m3m(Td,
0,0n)のうちの1つに所属する電気光学結晶の場合
はπ12=π13であり、そのためΔn2=Δn3である。そ
のためこれらの族は図10に示された構成における圧力
測定のためには適切ではない。
えられる: Δn=Δn2−Δn3=−n0 3・(π13−π12)・σ/2 入射光の偏光方向はX2軸とX3軸により例えば角度45
°を形成する。長さLの電気光学結晶4を2回通過した
際のX2とX3に平行な両方の直交する偏光成分が累積す
る合成の位相差は式(26)により与えられている。
/Nのオーダーを有する。n0=2、L=0.1m、σ
=106N/m2、λ=780nmの場合、ΔΓ=6.4
4ラジアンすなわち360°となる。
もできる。
なく、横方向へ横断面の示されているガラスロッド16
へ作用させることもできる。このこともできる。入射す
る光の偏光は力15の方向と例えば45°の角度にする
必要があろう。H1とH2は生ぜしめられた複屈折の主
軸を示す。
成体の構造図である。
成体の構造図である。
配向図である。
配向図である。
されるセンサ構成体のビームスプリッタにおけるS偏光
とP偏光との間の位相遅延の関数として示す線図であ
る。
気光学変調のコントラストを、ビームスプリッタにおけ
るS偏波とP偏波との間の相対位相遅延の関数として示
す線図である。
エネルギを示す線図である。
体の構造図である。
体の構造図である。
プリズムではなくミラーを用いた場合の電気光学結晶に
おける光路図である。
ビームスプリッタの分割比が1:1の下での相対光エネ
ルギを示す図である。
時間の関数として示す信号ダイヤグラム図である。
めのセンサ構成図である。
構成図である。
ト、 4 電気光学結晶、 6 層電極、 7 ミラ
ー、 8 高電圧、 9 位相遅延プレート、 10,
11 90°プリズム、 12 光路、 13 光学部
材、 14 評価電子装置、 15 力、 16 ガラ
スロッド
Claims (10)
- 【請求項1】 光ビームが光学的媒質(4,16)を通
過する際に光の位相偏移を生ぜしめる物理量を光学的に
求める方法であって、 a)3つの特性軸(H1,H2,H3)を有する電気光
学結晶(4)の第1の電気光学特性軸(H1)からの所
定の第1の偏向角度を有する直線偏波された入力光ビー
ムを、電気光学結晶(4)の中を案内し、 b)電気光学結晶(4)から出てゆく2つの第1および
第2の部分ビーム(T1,T2)を検出し、 c)第1の電気光学特性軸(H1)もこれと直角の第2
の電気光学特性軸(H2)も、第3の特性軸(H3)に
直角に配向されている平面内に設けられており、該平面
において、電界または力の場が存在しない時は、光は偏
光に依存して伝播し、電界または力の場が電気光学結晶
(4)へ作用すると、光は、第2の電気光学特性軸(H
2)の方向へ伝播するよりも第1の電気光学特性軸(H
1)の方向へ一層速く伝播する形式の前記の方法におい
て、 d)この入力光ビームを反転後にこの電気光学結晶
(4)の中を戻り路へ変向させ、 e)次にビームスプリッタ(1)と第1の偏光器(P
1)を通過させて一方では第1の光電検出器(D1)へ
案内し、該光電検出器は出力側で第1の位相信号(I1)
を供給し、 f)他方では所定の第1の移相作用を有する移相器
(9)と第2の偏光器(P2)を介して第2の光電検出
器(D2)へ案内し、該光検出器は出力側に第1の位相
信号(I1)に対して位相の偏移された第2の位相信号
(I2)を供給することを特徴とする、物理量を光学的
に求める方法。 - 【請求項2】a)第1の偏光角が30°〜60°の範囲
にあり、 b)例えば40°〜50°の範囲にある、請求項1記載
の方法。 - 【請求項3】 電気光学結晶(4)の中へ送り込まれた
入力光ビームと、反転されて電気光学結晶(4)の中を
帰還案内された光ビームを、電気光学結晶(4)の中の
相異なる光路(12)へ案内する、請求項1または2記
載の方法。 - 【請求項4】 第1および第2の位相信号(I1,I2)
から導出された測定結果信号Sをその温度依存性に関し
て式SK=S・δ(T)に従って補正し、ただしδ
(T)=1+ε(T−293)、ε=電気光学位相偏移
の温度係数、T=Δφ′/γ+293=ケルビン度で表
わした移相器(9)の温度、γ=その温度係数、Δφ′
=180°・(t0−t1)/(t2−t1)−90
°、t1,t2=第1の位相信号(I1)がImax/
2を相次いで通過する時刻、t0=第2の位相信号(I
2)がImax/2を通過する時刻、t1<t0<t
2,Imax=(I1,I2)の最大振幅である、請求項
1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項5】 第1および第2の位相信号(I1,I2)
から導出された測定結果信号Sをその温度依存性に関し
て式SK=S・δ(T)に従って補正し、 【外1】 請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項6】 物理量を光学的に求める方法を実施す
る、電気光学センサに位相の偏移される信号を発生する
装置であって、該装置は、 a)光源(L)を備え、 b)該光源は第1の偏光器(P1,P3)を介して c)電気光学結晶(4)の第1の光入射面と光学的に結
合されており、 d)少なくとも1つの位相遅延板(9)を有し、 e)少なくとも1つの第2の偏光器(P2)を、電気光
学結晶(4)の第1の光出射面と、光信号を電気信号
(I2)へ変換する少なくとも1つの光検出器(D2)
との間に備えている形式の前記の装置において、 f)第1の光入射面に対向する第2の面の上の電気光学
結晶が、電気光学結晶(4)の中の光を反転させる装置
(7,11)と結合されており、 g)第1の光入射面が第1の光出射面と同じであること
を特徴とする、物理量を光学的に求める装置。 - 【請求項7】 電気光学結晶(4)の第1の光出射面が
ビームスプリッタ(1)を介して、 a)一方では位相遅延プレート(9)と結合されてお
り、 b)他方では偏光器(P1)を介して、光信号を電気信
号(I1)へ変換する少なくとも1つの別の光検出器
(D1)と光学的に結合されている、請求項6記載の装
置。 - 【請求項8】 ビームスプリッタ(1)が90°プリズ
ム(10)を介して、光検出器(D1,D2)のうちの
1つと光学的に結合されている、請求項7記載の装置。 - 【請求項9】 電気光学結晶(4)の中で光を反転する
装置(7,11)が a)ミラー(7)であるか、または b)90°プリズム(11)である、請求項6から8ま
でのいずれか1項記載の装置。 - 【請求項10】a)電気光学結晶(4)はその第1の光
入射面が、ならびにその対向する第2の面が、導電性の
層電極(6)と結合されており、 b)例えば第1の光入射面における該層電極(6)が透
光性である、請求項6から9までのいずれか1項記載の
装置。
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