JPS6040908A - Optical gyroscope - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To make the polarization characteristics of an output constant in time and to make light paths agree with each other, by forming an optical fiber coil by an optical fiber, whose difference in phase propagation velocities is large in the directions of optical main axes, which are crossed at a right angle; and inputting linearly polarized light beams, whose vibrating directions agree with the same optical main axis, into both ends of the coil. CONSTITUTION:An optical fiber coil is formed by an optical fiber, whose difference in phase propagation velocites is large in the directions of optical main axis (x) and (y), which are crossed at a right angle. The linearly polarized light in the direction of (y) from a laser 1 is applied to both input ends 7 and 8 of the coil through a half mirror 2 and lenses 4 and 5. The linearly polarized surfaces of both incident light beams agree with the direction of the same optical axis of the optical fiber. Therefore, the polarization characteristics of the light in the output becomes constant in time, and the light paths agree with other.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光ジヤイロスコープ、更に詳しく言えば、光フ
ァイバを伝播する光の位相がファイバの移動、回転等に
よって変ることを利用して、方位、位置を棋１］定する
装置に係る。[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention is an optical gyroscope, and more specifically, the present invention utilizes the fact that the phase of light propagating through an optical fiber changes as the fiber moves, rotates, etc. The present invention relates to a device for determining the position of chess player 1].

〔発明の背景〕[Background of the invention]

光ジヤイロスコープは円形に巻かれた光フアイバコイル
の両端から直線偏光を加え、上記コイルを伝播した２つ
の光の干渉光の強度を計測することによって、上記光フ
ァイバのコイルの回転角や自速ｉｖ検出するものである
。その例はＲ，Ｆ’。An optical gyroscope applies linearly polarized light from both ends of a circularly wound optical fiber coil, and measures the intensity of the interference light of the two lights propagating through the coil, thereby determining the rotation angle and rotation angle of the optical fiber coil. It performs rapid IV detection. Examples are R, F'.

Ｃａｈ目ｅｔ、　ａｌ、　”５ｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ　
ｐｈａｓｅ−ｎｕｌｌｉｎｇ　ｏｐｉｃａｌ　ｇｙｒｏ
　（Ａｐｐｌ、　Ｏｐｔ、　Ｖｏｌ。Cah, al, “5 solid-state
phase-nulling optical gyro
(Appl, Opt, Vol.

１９、Ｎｏ、１８．５ｅｐｔ、　１９８０、ｐ３０５４
〜３０５６）に示されている。19, No. 18.5 ept, 1980, p3054
~3056).

したがって、光ファイバのコイルを互いに逆方向に伝播
する２方向の光の偏波面は同一平面上になければならな
い。Therefore, the planes of polarization of light in two directions propagating in opposite directions through the coil of an optical fiber must be on the same plane.

従来上述のごとき光ジヤイロスコープを実現するため、
光ファイバとしては獣面が円形の単一モードファイバを
使用していた。しかしながら、単一モードファイバに直
線偏光の光を入射すると、その出力端における光はその
偏光特性がくずれ楕円偏光になったり、円偏光になった
り、また、たとえ直線偏光であっても偏光面の頌きは一
定しない。この原因は、光ファイバの小さな曲げ、振動
などによって容易に直交伝搬セード間でエネルギー交換
を行うためである。このため２つの出力光の偏波特性は
一定でなく時間的に変動する。この変動は元ファイバジ
ャイロスコープの計測ノイズとして現われ、測定可能な
最小の回転角や角速度を決定する。In order to realize the conventional optical gyroscope as described above,
A single-mode fiber with a circular shape was used as the optical fiber. However, when linearly polarized light is input into a single mode fiber, the polarization characteristics of the light at the output end are distorted and the light becomes elliptically polarized or circularly polarized, or even if it is linearly polarized, the plane of polarization changes. The ode is not constant. This is because energy is easily exchanged between the orthogonal propagation shades due to small bends, vibrations, etc. of the optical fiber. Therefore, the polarization characteristics of the two output lights are not constant and vary over time. This variation appears as measurement noise in the original fiber gyroscope and determines the minimum measurable rotation angle and angular velocity.

また従来の光ファイバは光学的主軸が光ファイバの曲げ
等で変動するため入射端より入れた光と他の入射端より
入れた光とが同一の光路を取って伝搬しているとは保証
出来ない。この事は、右廻りの光と左廻りの光が同一光
路長という条件を満たさず、角速度乙の絶対値をめるの
が難しくなる。そのため、現在、実用できる光ジヤイロ
スコープは実現されていない。In addition, in conventional optical fibers, the optical principal axis changes due to bending of the optical fiber, etc., so it cannot be guaranteed that light entering from the input end and light entering from other input ends are propagating along the same optical path. do not have. This does not satisfy the condition that the right-handed light and the left-handed light have the same optical path length, making it difficult to determine the absolute value of the angular velocity B. Therefore, a practical optical gyroscope has not yet been realized.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

したがって、本発明の目的は実用できる光ジヤイロスコ
ープを実現することである。すなわち、光コイルの出力
の偏波特性が時間的に一定し、かつ、２つの光の通路が
一致するようにした光ジヤイロスコープを実現すること
である。Therefore, an object of the present invention is to realize a practical optical gyroscope. That is, the objective is to realize an optical gyroscope in which the polarization characteristics of the output of the optical coil are constant over time and the paths of two lights coincide.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は上記目的を達成するため、光ファイバで形成さ
れたコイルの両端から直線偏光を入射し、その各出力光
の干渉光からコイルの回転速度や回転角を検出する光ジ
ヤイロスコープにおいて、上記元ファイバを光ファイバ
の直交する光学的主軸のそれぞれ沿った光の位相伝播速
度差が大きな光ファイバで構成し、かつ、光フアイバコ
イルの両端に加えられる直線偏光波の振動方向が共に上
記光ファイバの同一の光学主軸方向に一致して入射する
ように構成したことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention provides an optical gyroscope that inputs linearly polarized light from both ends of a coil formed of an optical fiber and detects the rotation speed and rotation angle of the coil from the interference light of each output light. The original fiber is constructed of an optical fiber in which the difference in phase propagation velocity of light along each of the orthogonal optical principal axes of the optical fiber is large, and the vibration directions of the linearly polarized light waves applied to both ends of the optical fiber coil are both the same as above. It is characterized in that it is configured to be incident in the same optical principal axis direction of the fiber.

本発明の光ジヤイロスコープによれば、光ファイバのコ
イルを右廻りおよび左端すする直線偏光が同一の光学主
軸を伝播するため、伝播する光の光路長が常に一定とな
り、安定しこ動作をする。According to the optical gyroscope of the present invention, the linearly polarized light passing through the optical fiber coil clockwise and at the left end propagates along the same optical principal axis, so the optical path length of the propagating light is always constant and stable gyroscope operation is possible. do.

又、光ファイバの直交する２つの光学的主軸における位
相速度が異なるときは、伝播途中において偏波面は、光
ファイバの曲げや振動などによって伝播モード間でエネ
ルギー変換など行なわず、安定した光ジヤイロスコープ
の動作を行なう。In addition, when the phase velocities in the two orthogonal optical principal axes of an optical fiber are different, the plane of polarization during propagation will not undergo energy conversion between the propagation modes due to bending or vibration of the optical fiber, resulting in a stable optical gyro. Perform scope operations.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained in detail using the drawings.

第１図は光ジヤイロスコープの原理的構成を示す図であ
る。FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of an optical gyroscope.

直線偏光の光Ａがレーザ（光源）１より発し、半透明鏡
によって２つのビームＡ１　、Ａ２　にわかれ、それぞ
れ集光レンズ４．５により光ファイバ６の両端７，８よ
り入射される。光ファイバ６はコイルを形成している。Linearly polarized light A is emitted from a laser (light source) 1, is split into two beams A1 and A2 by a semi-transparent mirror, and is incident on both ends 7 and 8 of an optical fiber 6 by a condenser lens 4.5, respectively. The optical fiber 6 forms a coil.

レンズ５で端面８に入射した光Ａ１　は光フアイバ中を
時計と反対方向に進み、光ファイバの他端７より出射し
半透明鏡で反射された光Ａ１′はスクリーン９に達する
。一方レンズ４で光ファイバ端７に入射した光Ａ２は時
計方向に光フアイバ内を送搬しファイバ端８より出射し
鏡３で反射された光Ａ２Ｉはスクリーン９に達する。こ
の時光ファイバのドラムが角速度・で回転していると光
Ａ□　とＡ２に−に比例した位相差を生じる。このため
スクリーン７上には干渉縞があられれる。この干渉縞は
ωによって生じた位相差によって強度が変化するため、
逆に強度変化を検出する事で角速度・が測定できる。The light A1 incident on the end face 8 of the lens 5 travels in the optical fiber in a counterclockwise direction, and the light A1' that is emitted from the other end 7 of the optical fiber and reflected by the semi-transparent mirror reaches the screen 9. On the other hand, the light A2 that enters the optical fiber end 7 through the lens 4 is transmitted clockwise within the optical fiber, exits from the fiber end 8, and is reflected by the mirror 3. The light A2I reaches the screen 9. At this time, when the optical fiber drum is rotating at an angular velocity of -, a phase difference proportional to - is generated between the lights A□ and A2. Therefore, interference fringes appear on the screen 7. The intensity of these interference fringes changes depending on the phase difference caused by ω, so
Conversely, by detecting changes in intensity, the angular velocity can be measured.

ここで、サブナ、り効果を考慮した計算から、ファイバ
の長さ、几：ファイバの曲げ半径、λ：光の波長、Ｃ：
光速）となる。スクリーン９上の中心点で強度変化を検
出した場合、光強度ｌは、１＝、ｃＯ８２Δ２の関係が
ある。したがって光強変型から・を逆にめることができ
る。Here, from calculations taking into account the sub-nano effect, the length of the fiber, 几: bending radius of the fiber, λ: wavelength of light, C:
speed of light). When an intensity change is detected at the center point on the screen 9, the light intensity l has a relationship of 1=cO82Δ2. Therefore, it is possible to reverse the light intensity transformation.

又、この角速度・をある基準時定から積分すれば、その
期間にコイルの回転した角度が測定できる０ なお、第１図は説明の都合上、光源１やハーフミラ−２
、反射鏡３、レンズ４，５等をコイルの外部に示してい
るが、実際にはコイルをまいたドラム内に装置してコイ
ルと一体となって回転できるように構成される。又スク
リーン９は受光器で構成され光の干渉輝度を電気信号と
して取り出すように構成される。Also, by integrating this angular velocity from a certain reference time constant, the angle at which the coil rotated during that period can be measured.
, the reflecting mirror 3, the lenses 4, 5, etc. are shown outside the coil, but they are actually arranged inside a drum around which the coil is wound so that they can rotate together with the coil. Further, the screen 9 is constituted by a light receiver and is configured to extract interference luminance of light as an electric signal.

本発明の特徴は上記光ファイバ６と、直線偏光Ａと上記
光ファイバ６の２つの入力端７．８の結合部にある。The feature of the invention lies in the optical fiber 6 and the coupling portion between the linearly polarized light A and the two input ends 7.8 of the optical fiber 6.

光ファイバ６は外部擾乱があっても直線偏光の劣化が小
さな光ファイバ（偏波面保存ファイバと１２′／を持つ
光ファイバで構成されており、この長軸ｙは、短軸Ｘに
対応する光学主軸面に沿って伝播する光の位相速度差／
８〜／、＝Δｌが有意（少なくとも７ｔがコイルの半径
より小さい）もΔβ のである。The optical fiber 6 is composed of an optical fiber (a polarization-maintaining fiber and an optical fiber with a 12'/ Phase velocity difference of light propagating along the principal axis plane/
8~/, = Δl is significant (at least 7t is smaller than the radius of the coil) as well as Δβ.

これらの光ファイバは本願発明者等によって先に開発さ
れたものであり、ジャケットとなる石英管の内壁にクラ
ッド又は第２のジャケットとなるＢ２Ｏ３を含むＳｉｎ
、層を形成し、さらに、コア又は光ファイバとなる材質
層を化学的気相沈積（ＣＶＤ）法によって形成し外気よ
り若干減圧しながら中実のロフトを作り、これを加熱線
引することによって容易に実現できる０ なお、第２図において、１２，１２７，１２　はジャケ
ット、１１．１１’はクラッド、１０゜１０′はコアを
形成し、層１０，１２．１１’、１２’はＳｉｎ、　、
層１１はＢ２Ｏ３を含むＳｉＯ□層１２′はＢ２０．と
Ｇｅｍ２’＜含む５ｉｎ２、層１０’はＧｅＯ□を含む
５ｉｎ２からなる。These optical fibers were developed earlier by the inventors of the present application, and include a cladding or a second jacket containing B2O3 on the inner wall of a quartz tube.
, a layer of material is formed, and a layer of material that will become the core or optical fiber is formed by chemical vapor deposition (CVD), a solid loft is created while the pressure is slightly reduced from the outside air, and this is heated and drawn. In addition, in FIG. 2, 12, 127, 12 form a jacket, 11.11' forms a cladding, 10°10' forms a core, and layers 10, 12.11', 12' form a Sin, ,
The layer 11 contains B2O3 and the SiO□ layer 12' contains B20. and Gem2'<5in2, and layer 10' consists of 5in2 containing GeO□.

本発明の第２の特徴は光源（レーザ）１からの直線偏波
面が上述の光ファイバで構成されたコイルの内入力端面
の同一光学的主軸に加えられることである。第３図はそ
の光入力部の様子を示すもので、第１図と同一の番号を
付す部分は同一の機伝、構成を持つ部分である。A second feature of the present invention is that the linearly polarized wave plane from the light source (laser) 1 is applied to the same optical principal axis of the inner input end face of the coil constituted by the above-mentioned optical fiber. FIG. 3 shows the state of the optical input section, and parts given the same numbers as in FIG. 1 are parts having the same mechanism and configuration.

レーザーからの光はｙ方向の直線偏光波である。The light from the laser is a linearly polarized wave in the y direction.

この光は半分はハーフミラ−２、レンズ４を介して光コ
イルの一方の端部７に加えられるが、この場合、光ファ
イバの光学主軸ｙ（又はＸ、図面ではｙ軸の場合を示し
ているがＸでも良い）と上記レーザからの直線偏波面と
一致するように結合させる。実際にはハーフミラ−とフ
ァイバ入力端７の間に一波長板を挿入し磨整する。又レ
ーザーからのは線側波光の他の半分はハーフミラ−２で
反射され、反射ミラー３、レンズ５を介して光フアイバ
コイルの他の入力端８に結合されるが、この場合入力端
７での結合が光学主軸ｙと一致させるようにした場合は
入力端８の結合も光学主軸ｙとなるように同一の光学主
軸に結合するように構成されている。Half of this light is applied to one end 7 of the optical coil via a half mirror 2 and a lens 4, but in this case, the main optical axis y (or may be X) and are coupled so as to match the linear polarization plane from the laser. Actually, a single wavelength plate is inserted between the half mirror and the fiber input end 7 for polishing. The other half of the linear sidewave light from the laser is reflected by the half mirror 2 and coupled to the other input end 8 of the optical fiber coil via the reflection mirror 3 and lens 5; When the coupling of the input end 8 is made to coincide with the optical principal axis y, the coupling of the input end 8 is also coupled to the same optical principal axis so as to become the optical principal axis y.

このよむにすると両ファイバ入力端より入射した光Ａ、
、Ａ２は光ファイバの同じ光主軸を通る事になり、回転
が生じていない時の全党路長は等しくなる。In this way, light A enters from both fiber input ends,
, A2 will pass through the same optical principal axis of the optical fiber, and the total path lengths will be equal when no rotation occurs.

上記光学主軸は第２図のような断面構造の光ファイバに
おいては、ジャケットやクラッドにおいて形成される楕
円形状の長軸、短軸と一致する。In an optical fiber having a cross-sectional structure as shown in FIG. 2, the optical principal axis coincides with the long axis and short axis of the ellipse formed in the jacket and cladding.

そして、各主軸ｘ、ｙ方向における元ファイバのコア部
の屈折率’ｅ　ｎ、　、　ｎ、　、光の波長をλとすＬ
が小さい程外部擾乱のえいきようが少ないので、光ファ
イバとしては、ｎ、−ｎ、（歪複屈折）の大きなものが
良いが、コイルの半径（＃ｉげ）との関が望ましい。こ
こで几。はコイルの半径を示す。Then, the refractive index of the core part of the original fiber in each principal axis x and y direction is 'e n, , n, , and the wavelength of light is λ L
The smaller the value, the less the effect of external disturbance, so the optical fiber should have a large value of n, -n, (strain birefringence), but the relationship with the radius of the coil (#i) is desirable. Rin here. indicates the radius of the coil.

る基本モード間でエネルギー変換が生ずるからである。This is because energy conversion occurs between the fundamental modes.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明により実用的にみて安全なジャイロスコープが提
供できるので実用効果は極めて大きい。Since the present invention can provide a gyroscope that is safe from a practical standpoint, the practical effects are extremely large.

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

第１図は本発明が適用される光ジヤイロスコープの一般
的構成を示す図、第２図は本発明による光ジヤイロスコ
ープに使用される光ファイバの一実施例の断面図、第３
図は本発明による光ジヤイロスコープの光源と光フアイ
バコイルの彫金の動作説明のための図である。 １・・・レーザ、２・・・ハーフミラ−１３・・・反射
鏡、４゜５・・・レンズ、６・・・光ファイバ、７，８
・・・端面、９・・・スクリーン（受光器）。FIG. 1 is a diagram showing the general configuration of an optical gyroscope to which the present invention is applied, FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of an optical fiber used in the optical gyroscope according to the present invention, and FIG.
The figure is a diagram for explaining the operation of engraving the light source of the optical gyroscope and the optical fiber coil according to the present invention. 1...Laser, 2...Half mirror 13...Reflector, 4°5...Lens, 6...Optical fiber, 7,8
...End face, 9...Screen (light receiver).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １、元ファイバで構成されたコイルの両端から直線偏波
を入射し、上記両端からの出力光の干渉輝度を検出する
ように構成された光ジヤイロスコープにおいて、上記光
ファイバが光ファイバの直交する光学的主軸に沿った光
の位相速度差が異なる光ファイバで構成され、かつ、上
記コイルの両端に加えられる直線偏光の偏光面が共に上
記光ファイバの同一光学主軸方向に一致して入射するよ
うに構成されたことを特徴とする光ジヤイロスコープ。1. In an optical gyroscope configured to input linearly polarized waves from both ends of a coil made up of original fibers and detect the interference brightness of output light from both ends, the optical gyroscope is configured such that the optical fiber is orthogonal to the optical fiber. the optical fibers have different phase velocities along their optical principal axes, and the polarization planes of the linearly polarized light applied to both ends of the coil are incident on the same optical principal axis direction of the optical fibers. An optical gyroscope characterized by being configured as follows.