JPS6138505A - 光学式計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、各種の物理量を計測するための装置に関する
ものであり、特にマツハツエンダ干渉計を利用した光学
式計測装置に関するものである。

〔従来技術〕

物理量の変化を精密に測定する方法の一つとして光学干
渉計を用いる方法が知られている。

このような光学干渉計の中でもマツハツエンダ干渉計は
典型的なものであり、光路として空間伝搬光路はもとよ
り光学結晶や光ファイバを用いたものが数多く提案され
ている。

光ファイバを用いたマツハツエンダ干渉計を用いた計測
装置は、２つの光路のうちの一方の光路（センサ光路）
を測定部に位置せしめ、このセンサ光路と他方の光路（
リファレンス光路）とを通過するそれぞれの光束の出射
光を互いに干渉させるものであり、センサ光路周囲の物
理的条件（温度、圧力等）が変化すると、その変化に応
じてセンサ光路の伝搬特性が変化し、干渉の様子が変化
することを利用したものである。

すなわち、２つの光路を通過するそれぞれの光束の出射
光を合致させて観測すると、センサ光路周囲の物理的条
件の変化により空間的に明暗の縞が移動するので、この
移動型を測定することにより測定対象である物理量の変
化を知ることが出来るものである。なお、明暗の縞の移
動を観測する代わりに一点における明暗の時間的変化を
観測しても同様に物理量の変化を測定できる。

ところで、この種装置において、測定対象である物理量
の変化が干渉の様子を変化せしめるのは、物理量の変化
がセンサ光路である光ファイバの屈折率および光路長に
影響を与えセンサ光路の位相に関する伝搬特性の変化を
誘起させるからであるが、実際には、電磁界振動面の変
化、伝搬モードのモード変換およびこれ°らに基づく強
度変化等、他の伝搬特性の変化を伴うことが多い。

この種装置において干渉以外の要因によって強度変化が
起こるということは、明暗の干渉縞のコントラストが変
化することを意味し、雑音として作用する。特に、一点
における明暗の時間的変化を観測する場合には、明暗の
変化が干渉の影響によるものか干渉以外の要因の影響に
よるものかの識別は困難であり、物理量変化の厳密な測
定をすることができるというこの種装置の特徴を十分に
生かすことができなかった。

〔発明の概要〕

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、光ファイバを光路とするマツハ
ツエンダ干渉計を利用した計測装置において、雑音とし
ての強度変化を除去して位相変化のみを抽出し、測定対
象である物理量の変化を正確に知ることができる装置を
提供することにある。

かかる目的を達成するために本発明は、光ファイバを光
路とするマツハツエンダ干渉計において、センサ光路お
よびリファレンス光路を通過するそれぞれの光の強度を
それぞれ第１の強度信号および第２の強度信号として取
り出し、センサ光路およびリファレンス光路を通過する
光を互いに干渉させた光の強度を干渉信号として取り出
し、干渉信号と第１．第２の強度信号とに基づいて所定
の演算を行なうことにより干渉信号から干渉による強度
変化以外の強度変化要素を除去するものである。

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

光源１０はコヒーレント光を照射する。分岐手段１２は
、光源１０からのコヒーレント光を２つの光束に分岐し
、それぞれをセンサ光路１４とリファレンス光路１６に
振り分ける。

センサ光路１４およびリファレンス光路１６はいずれも
光ファイバにより構成されており、他方の端部はハーフ
ミラ−１８および２０と対向している。

セ／ザ光路ｉ４の中央部は、測定部２２として被測定雰
囲気中に置かれ、測定対象である物理量の変化を光路の
伝搬特性の変化に変換する。

一方、リファレンス光路１６はセンサ光路１４と同一の
光路長にされると共に安定した雰囲気の中に置かれてい
る。

ハーフミラ−１８は、センサ光路１４から射出された光
を受けて透過光と反射光に分割し、透過光を検出器２４
に投光し、反射光を検出器２６に投光する。

同様に、ハーフミラ−２０は、リファレンス光路１６か
ら射出された光を受けて透過光と反射光に分割し、透過
光を検出器２８に投光し、反射光を検出器２６に投光す
る。

検出器２６では、ハーフミラ−１８からの反射光とハー
フミラ−２０からの反射光とが重ね合わせられ、検出器
２６はこの重畳された光を二乗検波してこの光の強度を
検出し、干渉信号Ｓ１として出力する。ただし、この干
渉信号には、干渉に基づく強度変化すなわち２つの光束
の位相差に基づく強度変化だけでなく、測定部２２での
直接的な影響による強度変化も含まれている。

検出器２４および２８は、それぞれハーフミラ−１Ｂお
よび２０からの透過光を受光して二乗検波し、その強度
を検出してそれぞれ強度信号５２゜Ｓ３として出力する
。

検出器２４．２６および２８の出力信号線はいずれも演
算装置３０に接続されており、演算装置３０ではこれら
の検出器の出力信号に基づいて後述する所定の演算を行
ない、異なる光路を通過した２つの光束の位相差変化の
みを示す信号を出力する。

つぎに、本実施例の動作を演算装置３０における演算過
程を中心に説明する。

リファレンス光路１６のハーフミラ−２０側端部におけ
る光の複素振幅をＡｅｘｐ（ｊφ「）とすると、センサ
光路Ｉ４のハーフミラ−１８側端部における光の複素振
幅は、測定部２２を通過するため位相および強度の変化
を受けてＫＡｅｘｐ（ｊφＳ）となる、ここで、Ａは光
源により定まる定数、φｒおよびφＳは位相、には測定
部２２における強度変化要素である。

検出器２６には、ハーフミラ−１８および２０双方から
の反射光が入射するため、ここでの入射光の複素振幅は （’Ａ　Ａｅｘｐ（ｊφｒ）　＋　’Ａ　Ｋ　Ａｅｘｐ
（ｊφｓ））となる。

複素振幅Δｅｘｐ（ｊφ）なる光の強度を求めることは
、Ａｅｘｐ（ｊφ）とその複素共役Ａｅｘｐ（−ｊφ）
との積をとることにほかならない。

したがって、複素振幅 （ＨＡｅｘｐ（ｊφｒ）　＋　’Ａ　Ｋ　Ａｅｘｐ（ｊ
φｓ））の強度■１は次のようになる。

１＋＝　（（％Ａｅｘｐ（ｊφｒ）　＋　’Ａ　Ｋ　Ａ
ｅｘｐ（ｊφ５））Ｘ　（’Ａ　Ａｅｘｐ（−ｊφｒ）
　＋　’Ａ　Ｋ　Ａｅｘｐ（−ｊφＳ））〕＝　（！４
Ａ）”Ｘ−（ｅｘｐ（ｊφｒ）　＋　Ｋｅｘｐ（ｊφ５
））ｘ　（ｃｘｐ（−ｊφｒ）　＋　Ｋｅｘｐ（−ｊφ
、））＝　（ＨＡ）”Ｘ　（１＋Ｋ”　＋Ｋ　（ｅｘｐ
（ｊ（φｒ−φＳ）＋ｅｘｐ（−ｊ　（φｒ−φ５））
） ＝（〃ＡνＸ　（１＋Ｋ”　＋　２　Ｋｃｏｓ（φｒ−
φｓ））・　・　・　・（１） 一方、検出器２４が入射する光の複素振幅は、’Ａ　Ｋ
　Ａｅｘｐ（ｊφＳ）であるから、その強度Ｉ２は、Ｉ
ｚ＝１／４　Ａ”　　−Ｋ”　　　　　　　・・・・（
２）となり、検出器２８が入射する光の複素振幅は、％
Ａｅｘｐ（ｊφｒ）であるから、その強度■、は、Ｉ、
＝１７４　Ａｚ　　　　　　　　　　　　　・　・　・
　・（３）となる。

演算装置３０に人力される干渉信号Ｓｔ、強度信号Ｓ２
．　Ｓ３は、それぞれ強度Ｔ、、　Ｉｔ、　１３を示す
信号であるから ■Ｓ３を４倍してその平方根をとれば、Ａを算出でき、 ■Ｓ２を３３で除してその平方根をとれば、Ｋを算出で
き、 ■Ｓ１からＳ２およびＳ３を滅じた後、■■の結果を利
用して！４Ａ”Ｋで除すればｃｏｓ　（φｒ−φＳ）を
算出できる。

ｃｏｓ　（φｒ−φＳ）は、センサ光路１４とリファレ
ンス光路１６を通った光の位１目差の余弦であり、この
値の変化から干渉による強度変化のみを知ることができ
、したがって、測定部２２における物理量変化を正確に
検出することができる。

第２図は本実施例装置を温度検出用として用いた場合の
概略構成図であり、第１図と同一部分に同一符号を何し
である。

センサ光路としての光ファイバ１４をコイル状に巻いて
、測定部２２に挿入している状態をしめしている。この
ようにセンサ光路をコイル状に巻くのは、被測定雰囲気
の中に置かれる光路長を長くするためであり、このよう
にすることによって、検出力を高めることができる。

リファレンス光路としての光ファイバ１６がコイル状に
巻かれているのは、センサ光路とその光路長を等しくす
るために他ならない。

第３図は本実施例装置を圧力検出用として用いた場合の
部分構成図である。

測定部２２において、測定対象である圧力によリセンサ
光路である光ファイバ１４にマイクロベントラ与え、マ
イクロベントによる伝搬特性の変化を検出すれば圧力変
化を計測することができる。

第４図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。

同図において、第１図と同一もしくは相当部分には同一
の符号をふしてその詳細な説明は省略する。

本実施（；ｉでは、センサ光路１４およびリファレンス
光路１６に光シャッタ４０および４２を設けると共に、
この光シャッタ４０．／１２を切り換えて干渉信号Ｓｔ
および強度信号Ｓ２．　Ｓ３を時分割に検出するもので
ある。

制御演算部４４はシャッタドライバ４４１．タイミング
制御手段４４２．バッファ４４３および演算装置４４４
を具備する。

シャッタドライバ４４１はタイミング制御手段４４２か
らの信号によって、光シャッタ４０．４２を駆動するわ
けであるが、まず、双方の光シャッタ４０．４２を開放
すると、検出器２６で２光束が干渉し、検出器２６は干
渉信号Ｓｔをバッファ４４３に対して出力する。

つぎに、光シャッタ４０をそのまま開放しておき、光シ
ャッタ４２のみを閉じる。すると、検出器２６の受光部
にはセンサ光路１４を通過した光だけが照射されるため
、検出器２６の出力信号はセンサ光路１４を通過した光
の強度信号Ｓ２としてバッファ４４３に入力される。

つぎに、光シャッタ４０を閉じξ光シャッタ４２を開く
と検出器２６の出力信号はリファレンス光路１６を通過
した光の強度信号Ｓ３としてバッファ４４３に人力され
る。

以上で、１サイクル−の光検出動作が終了し、バッファ
４４３から干渉信号Ｓ１２強度信号Ｓ２．　Ｓ３が演算
装置４４４に入力されて上述した第１実施例の演算装置
３０における演算と同様の演算を行なうことにより、ｃ
ｏｓ（φｒ−φＳ）の値を算出することができる。ただ
し、本実施例における干渉信号ＳＬ、強度信号Ｓ２．　
Ｓ３は前述の第１実施例における干渉信号Ｓ１．強度信
号Ｓ２．３３のそれぞれ２２倍すなわち４倍となってい
る。

この値から測定部２２における物理量変化を知ることが
できることは第１実施例と同様である。

なお、光シャフタにメカニカルシャッタを用いれば数ｍ
ｓのスイッチングは容易にでき、通常の物理量変化を知
るには十分であるが、さらに高速な減少を測定するには
光シャックに光スイフチまたは光変調器等を用いればよ
く、たとえば音響光学変調器によれば１μｓ程度のスイ
ッチングが可能ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光学式計測装置によれば
、センサ光路およびリファレンス光路を通過するそれぞ
れの光の強度を強度信号として取り出し、センサ光路お
よびリファレンス光路を通過する光を互いに干渉させた
光の強度を干渉信号として取り出し、干渉信号と強度信
号とに基づいて所定の演算を行なうことに−より干渉信
号から干渉による強度変化以外の強度変化要素を除去す
るので、センサ光路を通過する光とリファレンス光路を
通過する光の位相差の余弦を抽出することができ、種々
の物理量変化を極めて正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
本実施例装置を温度検出用として用いた場合の概略構成
図、第３図は本実施例装置を圧力−検出用として用いた
場合の部分構成図、第４図は本発明の他の実施例を示す
プロ、り図である。 １０・・・光源、１２・・・分岐手段、１４・・・セン
サ光路、１６・・・リファレンス光路、１８．２０・・
・ハーフミラ−１２２・・・測定部、２４，２６．２８
・・・検出器、３０，４４４・・・演算装置、４０．４
２・・・光シャッタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバを光路とするマッハツェンダ干渉計に
   おいて、センサ光路およびリファレンス光路を通過する
   それぞれの光の強度をそれぞれ第１の強度信号および第
   ２の強度信号として取り出し、センサ光路およびリファ
   レンス光路を通過する光を互いに干渉させた光の強度を
   干渉信号として取り出し、干渉信号と第１、第２の強度
   信号とに基づいて所定の演算を行なうことにより干渉信
   号から干渉による強度変化以外の強度変化要素を除去す
   ることを特徴とする光学式計測装置。
2. （２）干渉信号と第１、第２の強度信号とを同一の検出
   器により時分割に取り出す特許請求の範囲第１項記載の
   光学式計測装置。