JPS59218903A - Optical measuring device - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To reduce a measuring error induced by the wavelength variation of a light source by measuring the wavelenght variation of the light source by a reference optical system. CONSTITUTION:Light projected from the light source, e.g. a semiconductor laser L. D., is divided by a half mirror H.M.1, one is guided to a measuring interference optical system 21 and the other is guided to the reference optical system 22 constituted of a half mirror H.M.2, mirrors M1, M2, and a photodetector, e.g. a photodiode P. D. The ligh incident to the reference optical system 22 is divided into two optical pathes H.M.2-M1-H.M.2-M2-H.M.2 and synthesized again by the H.M.2 and the synthesized light is made incident ot the P. D. In said constitution, the output of the P. D. is output as a signal V3 indicating the quantity of wavelength variation through a wavelength variation measuring circuit 23. Thus, a measuring error due to the wavelength variation included in an output V2 of the measuring interference optical system 21 can be compensated by using the signal V3.

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技術分野 本発明は光の干渉を利用した精密測定（回転、振動、変
位、温度、圧力等）をする装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Technical Field The present invention relates to a device for precision measurement (rotation, vibration, displacement, temperature, pressure, etc.) using optical interference.

（２）従来技術とその問題点 従来から、光の干渉を利用した計測装置は、種々考案さ
れてきており、代表的なものに光ファイバ、ジャイロ、
光ファイバ、ハイドロフオン等がある。これらの計測装
置は、一般に測定対象物理量によって起こる測定光路に
おける光路長の変化を位相の変化として検出している。(2) Prior art and its problems Various measurement devices that utilize optical interference have been devised in the past, and representative ones include optical fibers, gyros,
There are optical fibers, hydrophons, etc. These measuring devices generally detect a change in optical path length in a measurement optical path caused by a physical quantity to be measured as a change in phase.

例えば、光ファイバ、ジャイロにおいては、第１図に示
すように、レーザ１からの光はビーム・スプリッタ２に
よって２つに分岐され、それぞれのレーザ光はループ状
の単一モード光ファイバ３の両端に送り込まれ、ビーム
スプリッタ２を通過して、受光器４．に送り込まれるよ
うにしである。For example, in an optical fiber gyro, as shown in FIG. , passes through the beam splitter 2, and enters the receiver 4. This is so that it will be sent to

ここで、同一光路中の右回り光と左回り光の回転時をζ
生じる位相の差を検出しているが、両光間に光路差が存
在すると、位相差は（１〕式で表わされる。Here, the rotation time of clockwise light and counterclockwise light in the same optical path is ζ
The resulting phase difference is detected, but if there is an optical path difference between the two lights, the phase difference is expressed by equation (1).

（１）式において第一項はサグナック効果による位相差
、第二項は光路差による位相差である（Ｌ；ファイバ長
、ａ；ループ半径、ｃ；光速、λ；波長、Ω；回転角速
度、Δｌ；光路差、ｎ；屈折率）。In equation (1), the first term is the phase difference due to the Sagnac effect, and the second term is the phase difference due to the optical path difference (L: fiber length, a: loop radius, c: speed of light, λ: wavelength, Ω: rotational angular velocity, Δl: optical path difference, n: refractive index).

（１）式より、波長がｄＡ　変動すると、位相差は　ｄ
４変動する。From equation (1), when the wavelength changes by dA, the phase difference is d
4 fluctuates.

一例として、λ＝（１８×ＩＱ−６ｍ　　ｃ＝３Ｘ１０
Ｂｍ／ｓ、　Ｌ　＝＝　２００ｍ、　ａ　＝　０．１　
ｍ、　　ｎ　＝　１．５　　とすると、（２）式は、 ｄＯ＝　−（１，３１ｘ　１ｏａｎ＋１．４７　ｘ　１
０１８△７７）　ｄＡ・−（３）静止（Ω＝０）の場合
、△Ｊ＝１μｍとすると、（３）式は、 ｄθ＝　−１，４７Ｘ　１０７　ｄＡ　・・・・“・・
・・・・・・・・・・　（４）航空機等の慣性航法の用
に供するためには、θとして、１０−５　ｒｏｏｄ、程
度のθの変化を検出する必要があるため、ｄθ＜１０−
５　　でなければならない。こｄＡ＜６．８　ｘ　１０
−１８　（ｍ）＝　６．８　ｘ　１０−８　（Ｘ）　　
”・（５）光源として、半導体レーザを使用すると、一
般にその波長は温度と共に変化し、 ｄλ／ｄＴ−４〜５λ／℃・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（６）チェ素子等が使われていたが、熱設計
が複雑で、装置が大型となり、また消費電力が非常に大
きい等、実用的な問題が多い。As an example, λ=(18×IQ-6m c=3X10
Bm/s, L == 200m, a = 0.1
m, n = 1.5, equation (2) is dO = - (1,31x 1oan + 1.47 x 1
018△77) dA・-(3) In the case of stationary (Ω=0), if △J=1 μm, equation (3) is, dθ= −1,47X 107 dA ・・・・“・・
(4) In order to use it for inertial navigation of aircraft, etc., it is necessary to detect a change in θ of the order of 10-5 rood, so dθ<10 −
Must be 5. dA<6.8 x 10
-18 (m) = 6.8 x 10-8 (X)
(5) When a semiconductor laser is used as a light source, its wavelength generally changes with temperature, and is dλ/dT-4~5λ/℃.
(6) Che elements have been used, but there are many practical problems such as complicated thermal design, large device size, and extremely high power consumption.

（３）発明の構成 本発明は、上記の従来の光フアイバジャイロの欠点を改
善する新たな装置を提供することを目的とするものであ
る。(3) Structure of the Invention The object of the present invention is to provide a new device that improves the drawbacks of the above-mentioned conventional optical fiber gyros.

本発明は、光源の波長変動によって引起される測定誤差
を小さくすることを目的とする。The present invention aims to reduce measurement errors caused by wavelength fluctuations of a light source.

以下、本発明を第２図において説明する。The present invention will be explained below with reference to FIG.

第２図において、光源、例えば半導体レーザ（Ｌ、Ｄ、
　）から出た光は、ハーフ・ミラーＨ，Ｍ、１によって
二分され、一方は測定用干渉光学系２１に、他方は、ハ
ーフ・ミラーＨ，Ｍ、２．ミラーＭ１＋　　ミラーＭ２
　　受光素子（例えば、フォトダイオード（Ｐ。In FIG. 2, a light source, for example a semiconductor laser (L, D,
) is split into two by the half mirrors H, M, 1, one of which is sent to the measurement interference optical system 21, and the other is sent to the half mirrors H, M, 2. Mirror M1+ Mirror M2
A light receiving element (for example, a photodiode (P.

Ｄ））νζよって構成される参照光学系２２に導かれる
。参照光学系２２として、図ではマイケルソン干渉系を
示しであるが、マツハ・ツエンダ−干渉系、ファプリー
・ペロー干渉系等でも可能である。参照光学系２２に入
った光は１．Ｈ，Ｍ、２で、ＨｏＭ、２−Ｍｉ　　Ｈ，
Ｍ、２　　と、Ｈ，Ｍ、　２−Ｍ２−Ｈ，Ｍ、　２　　
の二つの光路に分かれて伝搬した後、再びＨ，Ｍ、２で
合成され、Ｐ、Ｄ、　　に入射する。D)) is guided to a reference optical system 22 configured by νζ. Although a Michelson interference system is shown in the figure as the reference optical system 22, a Matsuha-Zehnder interference system, a Fapley-Perot interference system, etc. may also be used. The light entering the reference optical system 22 is 1. H, M, 2, HoM, 2-Mi H,
M, 2 and H, M, 2-M2-H, M, 2
After being split into two optical paths and propagating, it is combined again into H, M, 2, and enters P, D,.

なお、第２図のものに、第１図の光フアイバジャイロを
適用すると、Ｌ、Ｄ、には１が、Ｈ，Ｍ、１には２が、
２１には３が対応している。Furthermore, if the optical fiber gyro shown in Fig. 1 is applied to the one shown in Fig. 2, 1 is set for L, D, 2 is set for H, M, 1, and so on.
3 corresponds to 21.

このような構成においては、Ｐ、Ｄ、　　の受光面上で
干渉するときの位相差θ′は二元間の光路差を△ｌ′と
すると、（１）式第二項に対応して、測定物理量の影響
を受けないため、第一項は消えて、次式（７）となる。In such a configuration, the phase difference θ' when P, D, interfere on the light-receiving surface corresponds to the second term of equation (1), where the optical path difference between the two elements is Δl'. Since it is not affected by the measured physical quantity, the first term disappears and becomes the following equation (7).

また、波長変動による、θ′の変化は、次式（８）で表
わされる。Further, the change in θ' due to wavelength fluctuation is expressed by the following equation (8).

この場合、ｄθ′はＰ、Ｄ、の出力変化として現われ、
波長変化を測定することが可能である。Δｌ′はＭｌま
たはＭ２　　の位置を変えることによって、任意の値を
選べ、ｄＡ　の測定感度を向上させることが容易となる
。またＰ、Ｄ、　　出力は波長変化測定回路２３を通り
、波長変化量を表す信号Ｖ８　　として出力される。こ
の信号Ｖ８　　を持って、光源駆動回路２４の入力Ｖ１
　　に帰還することによって、光源の波長を一定に保つ
ことができる。例えば、半導体レーザの場合、注入電流
を変化させれば、波長は変化する。さらに、Ｖ３によっ
て、測定用干渉光学系の出力Ｖｉ１　　に含まれている
、波長変動を原因とする測定誤差を補正することも可能
である。In this case, dθ' appears as the output change of P, D,
It is possible to measure wavelength changes. Any value can be selected for Δl' by changing the position of Ml or M2, making it easy to improve the measurement sensitivity of dA. Further, the P, D and outputs pass through the wavelength change measuring circuit 23 and are output as a signal V8 representing the amount of wavelength change. With this signal V8, the input V1 of the light source drive circuit 24 is
By feeding back the light, the wavelength of the light source can be kept constant. For example, in the case of a semiconductor laser, changing the injection current changes the wavelength. Furthermore, by using V3, it is also possible to correct measurement errors caused by wavelength fluctuations included in the output Vi1 of the measurement interference optical system.

（４）発明の効果 本発明によって、従来の干渉光学系を利用した精密測定
装置における光源の波長変動に起因する測定誤差の問題
は全て解決される。特に光源の温度制御等を必要としな
いため、安価、小型、かつ高精度の測定装置が実現され
る。(4) Effects of the Invention The present invention solves all problems of measurement errors caused by wavelength fluctuations of the light source in conventional precision measurement devices using interference optical systems. Since there is no need to particularly control the temperature of the light source, an inexpensive, compact, and highly accurate measuring device can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は、従来の光フアイバジャイロの構成を示すため
の図であり、第２図は、本発明の詳細な説明するための
図である。 １　・・・レーザ ２・・・ビーム・スプリッタ ３・・・単一モート光フアイバループ ４・・・受光器 ２工・・・測定用干渉光学系 ２２・・・参照光学系 ２３・・・波長変化測定回路 ２４・・・光源駆動回路 代理人　弁理士　　上　代　哲　司　イニ゛・雪う・謁
１５・γFIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional optical fiber gyro, and FIG. 2 is a diagram for explaining the present invention in detail. 1...Laser 2...Beam splitter 3...Single mode optical fiber loop 4...Photo receiver 2...Measurement interference optical system 22...Reference optical system 23...Wavelength Change measurement circuit 24...Light source drive circuit agent Patent attorney Tetsuji Kashiro Ini, Yuki, Audience 15, γ

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）光の干渉を利用した物理量（回転、振動、変位、
温度等）の測定装置において、測定用光学系と同一の光
源からの光の一部を分離して作られた測定対象物理量の
影響を受けない（あるいは影響が小さいン別の干渉系（
以下「参照光学系」と呼ぶ）を有し、この干渉系におい
て光源の波長変化を測定することを特徴とする光学計測
装置。(1) Physical quantities using light interference (rotation, vibration, displacement,
In measuring equipment (such as temperature,
An optical measurement device characterized by having a reference optical system (hereinafter referred to as a "reference optical system"), and measuring changes in the wavelength of a light source in this interference system. （２）測定した波長変化が常に最小になるように光源の
発振状態を制御することを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の光学計測装置。(2) The optical measuring device according to claim 1, wherein the oscillation state of the light source is controlled so that the measured wavelength change is always minimized. （３）測定用光学系の出力信号における光源の波長変動
による測定誤差を、参照光学系で測定した波長変動で、
補正することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の光学計測装置。(3) Measurement errors due to wavelength fluctuations of the light source in the output signal of the measurement optical system can be calculated using the wavelength fluctuations measured by the reference optical system.
The optical measurement device according to claim 1, wherein the optical measurement device performs correction.