JPS62161003A - 光学式センサ - Google Patents
光学式センサInfo
- Publication number
- JPS62161003A JPS62161003A JP259586A JP259586A JPS62161003A JP S62161003 A JPS62161003 A JP S62161003A JP 259586 A JP259586 A JP 259586A JP 259586 A JP259586 A JP 259586A JP S62161003 A JPS62161003 A JP S62161003A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fabry
- interferometer
- reflectivity
- output
- perot
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
く技術分野〉
本発明は、光学的な手法により物理量を検知するいわゆ
る光学式センサに関するものであり、さらに詳しくは、
ファブリ・ペロー型干渉装置を用いた光学式センサに関
する。
る光学式センサに関するものであり、さらに詳しくは、
ファブリ・ペロー型干渉装置を用いた光学式センサに関
する。
〈従来技術〉
ファブリ・ペロー型干渉装置を用いた光学式センサは、
２つの平行する反射面を設置することによって容易に干
渉効果が得られ、光の波長よりも小さい変位によって出
力が変化する高感度なセンサとなるものであって、種々
の応用が考えられている。
２つの平行する反射面を設置することによって容易に干
渉効果が得られ、光の波長よりも小さい変位によって出
力が変化する高感度なセンサとなるものであって、種々
の応用が考えられている。
ファブリ・ペロー型干渉装置を用いた計測の原理を第３
図に示す。Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装置の様に単色で波長
の安定なレーザ装置８１より出力された光を、ファブリ
・ペロー型干渉装置３２に入射し、その透過光量を受光
装置３３によって電気信号に変える。透過光量は、光の
波長、干渉装置３２の光路長、干渉装置３２の反射面の
反射率等によって決定されるある値をとる。
図に示す。Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装置の様に単色で波長
の安定なレーザ装置８１より出力された光を、ファブリ
・ペロー型干渉装置３２に入射し、その透過光量を受光
装置３３によって電気信号に変える。透過光量は、光の
波長、干渉装置３２の光路長、干渉装置３２の反射面の
反射率等によって決定されるある値をとる。
この単純な構成では、光９波長が常に一定である必要が
あり、現在小型のレーザ光源として市販されている半導
体レーザは性能的に十分でないため、通常ガスレーザ等
が使われる。しかしガスレーザ等は、測定系の小型軽量
化、低価格化て極めて不向きであるため、発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）等の小型・安価な発光源を使える様に考え
られた構成が、第４図に示したものである。
あり、現在小型のレーザ光源として市販されている半導
体レーザは性能的に十分でないため、通常ガスレーザ等
が使われる。しかしガスレーザ等は、測定系の小型軽量
化、低価格化て極めて不向きであるため、発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）等の小型・安価な発光源を使える様に考え
られた構成が、第４図に示したものである。
第４図は、ファブリペロー干渉の原理を応用した従来の
力学量センサの構成図である。発光ダイオードｌより発
した光は、ビームスプリッタ４゜レンズ６、光ファイバ
８及びレンズ７を介して第１のファブリペロー型干渉装
置ＩＯに入射する。
力学量センサの構成図である。発光ダイオードｌより発
した光は、ビームスプリッタ４゜レンズ６、光ファイバ
８及びレンズ７を介して第１のファブリペロー型干渉装
置ＩＯに入射する。
ここで、第１のファプリペロー型干渉装置１０は、外部
から印加される力によって、その内部光路長が変化する
様な構造を有し、内部光路長及び対向する反射面１１０
反射率に応じた分光反射特性を示す。この分光反射率に
応じて波長変調された光は、再びレンズ７、ファイバー
８．レンズ６及びビームスプリッタ４を通過して第２の
ファブリーペロー型干渉装置２０に入射する。ここで第
２のファプリーペロー型干渉装置２０の対向する反射面
２１の反射率は第１の７アブリーペロー型干渉装置ｌＯ
と同一の値を有する。第２のファプリーペロー型干渉装
置２０を経由することによって強度信号に変換された光
はフォトダイオード５によって受光される。
から印加される力によって、その内部光路長が変化する
様な構造を有し、内部光路長及び対向する反射面１１０
反射率に応じた分光反射特性を示す。この分光反射率に
応じて波長変調された光は、再びレンズ７、ファイバー
８．レンズ６及びビームスプリッタ４を通過して第２の
ファブリーペロー型干渉装置２０に入射する。ここで第
２のファプリーペロー型干渉装置２０の対向する反射面
２１の反射率は第１の７アブリーペロー型干渉装置ｌＯ
と同一の値を有する。第２のファプリーペロー型干渉装
置２０を経由することによって強度信号に変換された光
はフォトダイオード５によって受光される。
上記第４図に示した力学量センサの出力を第５図に示す
。横軸は力（Ｋｇｆ）、縦軸はフォトダイオード５の出
力（リニアスケール）である。ただし、ファブリ・ペロ
ー型干渉装置１０．２０の対向する反射面１１及び２１
の反射率は各々３０％とした。
。横軸は力（Ｋｇｆ）、縦軸はフォトダイオード５の出
力（リニアスケール）である。ただし、ファブリ・ペロ
ー型干渉装置１０．２０の対向する反射面１１及び２１
の反射率は各々３０％とした。
第５図かられかるように、この従来型力学量センサの出
力は、最大値と最小値との比すなわちコントラストが小
さく、この出力を検出するためには光学系全体を十分安
定に設定せねばならない。
力は、最大値と最小値との比すなわちコントラストが小
さく、この出力を検出するためには光学系全体を十分安
定に設定せねばならない。
そのため全体のコストが高くなるという問題点を有して
いた。
いた。
〈発明の目的〉
本発明は、以上の様な点に鑑みてなされたものであって
、２つのファプリ拳ペロー型干渉装置を用いた光学式セ
ンサにおいて、その２つの干渉装置として互いに異なる
光学特性を有するものを用いることによって出力の最適
化を図り、ひいては光学系の精度に関する要求の緩和さ
れた安価な光学式センサを提供することを目的とする。
、２つのファプリ拳ペロー型干渉装置を用いた光学式セ
ンサにおいて、その２つの干渉装置として互いに異なる
光学特性を有するものを用いることによって出力の最適
化を図り、ひいては光学系の精度に関する要求の緩和さ
れた安価な光学式センサを提供することを目的とする。
〈実施例〉
以下第１図乃至第２図に従って本発明の詳細な説明する
。
。
第１図は、本発明の１実施例を示す光学式センサの構成
図である。発光ダイオード１より出力された光は、ビー
ムスプリッタ４．で反射された後し／ズ６より光ファイ
バー８及びレンズ７を経て、被測定物理量によって特性
の変化する第１のファブリ・ペロー型干渉装置１５に入
射する。ここで、第１のファブリ・ペロー型干渉装置１
５は、外部から印加される力によって、内部光路長が変
化する様な構造を有し、内部光路長、及び対向する反射
面１６の反射率に応じた分光反射特性を示す。この分光
反射率に応じて波長変調された光は、再びレンズ７、フ
ァイバー８．レンズ６及びビームスプリッタ４を通って
第２のファプリ拳ペロー型干渉装置２５に入射する。こ
こで、第２の７アプリ・ペロー型干渉装置２５の対向す
る反射面２６の反射率は、第１のファブリ・ペロー型干
渉装置１５０対向する反射面１６の反射率に対し、高く
なる様に設計されている。
図である。発光ダイオード１より出力された光は、ビー
ムスプリッタ４．で反射された後し／ズ６より光ファイ
バー８及びレンズ７を経て、被測定物理量によって特性
の変化する第１のファブリ・ペロー型干渉装置１５に入
射する。ここで、第１のファブリ・ペロー型干渉装置１
５は、外部から印加される力によって、内部光路長が変
化する様な構造を有し、内部光路長、及び対向する反射
面１６の反射率に応じた分光反射特性を示す。この分光
反射率に応じて波長変調された光は、再びレンズ７、フ
ァイバー８．レンズ６及びビームスプリッタ４を通って
第２のファプリ拳ペロー型干渉装置２５に入射する。こ
こで、第２の７アプリ・ペロー型干渉装置２５の対向す
る反射面２６の反射率は、第１のファブリ・ペロー型干
渉装置１５０対向する反射面１６の反射率に対し、高く
なる様に設計されている。
第２のファブリ・ペロー型干渉装置２５を経て強度信号
に変換された光は、フォトダイオード５によって受光さ
れ、電気的に処理される。
に変換された光は、フォトダイオード５によって受光さ
れ、電気的に処理される。
ここで、発光ダイオード１としては、中心波長８５０
ｎ ｍ を半値幅７０ｎｍのものを用いたが、比較的ス
ペクトル幅の広い各種光源に置きかえることができる。
ｎ ｍ を半値幅７０ｎｍのものを用いたが、比較的ス
ペクトル幅の広い各種光源に置きかえることができる。
また、ビームスプリッタ４は１本の光ファイバによって
第１のファプリペロー型干渉装置１５への入出力光を伝
送するために必要なものであって、光ファイバーを２本
用いる構成、または光ファイバーを用いない構成の場合
省略することができる。光ファイバー８及びレンズ６．
７も、単に光を伝送するための手段であり、省略するこ
とができる。
第１のファプリペロー型干渉装置１５への入出力光を伝
送するために必要なものであって、光ファイバーを２本
用いる構成、または光ファイバーを用いない構成の場合
省略することができる。光ファイバー８及びレンズ６．
７も、単に光を伝送するための手段であり、省略するこ
とができる。
ファブリ・ペロー型干渉装置の反射膜１６．２６は、金
属薄膜あるいは誘電体膜のいずれでもよい。
属薄膜あるいは誘電体膜のいずれでもよい。
本実施例においては、第１のファブリ・ペロー型干渉装
置１５に用いた反射膜１６は誘電体であるＴｉＯ２＋第
２のファプリ・ベロー型干渉装置２５に用いた反射膜２
６は誘電体であるＴｉＯ２と５ｉ０２の多層膜とした。
置１５に用いた反射膜１６は誘電体であるＴｉＯ２＋第
２のファプリ・ベロー型干渉装置２５に用いた反射膜２
６は誘電体であるＴｉＯ２と５ｉ０２の多層膜とした。
さて、本実施例の光学式力学量センサの出力を第２図（
ａ）に示す。ただし、図中の特性曲線は、第１のファブ
リ・ペロー型干渉装置１５の対向する反射面１６の反射
率Ｒ１を３０％とし、第２のファブリ・ペロー型干渉装
置２５の対向する反射面２６の反射率Ｒ２を４つの場合
すなわち８０，５０゜７０．９０％としたときの出力で
ある。また表１は第２図（ａ）を数値比して示すもので
ある９表 １ 力を印加したときの光量変化の第１周期について、光量
最大値をＩ ｍ ａ Ｘ ＋ 光量最小値をｌｍ１ｎと
し、コントラスト、光量変化幅を以下の様に定義する。
ａ）に示す。ただし、図中の特性曲線は、第１のファブ
リ・ペロー型干渉装置１５の対向する反射面１６の反射
率Ｒ１を３０％とし、第２のファブリ・ペロー型干渉装
置２５の対向する反射面２６の反射率Ｒ２を４つの場合
すなわち８０，５０゜７０．９０％としたときの出力で
ある。また表１は第２図（ａ）を数値比して示すもので
ある９表 １ 力を印加したときの光量変化の第１周期について、光量
最大値をＩ ｍ ａ Ｘ ＋ 光量最小値をｌｍ１ｎと
し、コントラスト、光量変化幅を以下の様に定義する。
光量変化幅 ＝ Ｉｍａｘ−１ｍｉｎただし光量変化
幅は、Ｒ１＝３０％、Ｒ２＝７０％の時の値を１００と
し、相対値で表わす。また、この定義によりコントラス
トは０〜ｌの間の値をとり、１に近いほど良好なコント
ラストとなる。
幅は、Ｒ１＝３０％、Ｒ２＝７０％の時の値を１００と
し、相対値で表わす。また、この定義によりコントラス
トは０〜ｌの間の値をとり、１に近いほど良好なコント
ラストとなる。
さて、コントラスト大という条件は、表１よりＲ２が大
きいほどすなわちＲ２＝９０＋ ７０，５０゜３０％の
順に良く満足する。光量変化幅大という条件は、Ｒ２＝
５０．３０．７０．９０％の順に良く満足する。この両
条件を加味すると、Ｒ２＝５０〜９０％、特に７０％が
比較的良好であるといえる。
きいほどすなわちＲ２＝９０＋ ７０，５０゜３０％の
順に良く満足する。光量変化幅大という条件は、Ｒ２＝
５０．３０．７０．９０％の順に良く満足する。この両
条件を加味すると、Ｒ２＝５０〜９０％、特に７０％が
比較的良好であるといえる。
ただし、この結論は実際に用いる光学部品及び処理回路
の性能等に依存するものであって、あくまでも一つの目
安にすき゛ない。
の性能等に依存するものであって、あくまでも一つの目
安にすき゛ない。
さて、以上の説明では、第１のファブリ・ペロー型干渉
装置１５における反射膜１６の反射率Ｒ１ば３０％と固
定して考えた。ここで、第２図（ａ）によって求めたＲ
２の最適値７０％を固定として、改めてＲ１の最適値を
求めることとする。Ｒ１として、！０，３０，５０．７
０％の４つの場合について出力を求めた結果を第２図（
ｂ）に、その結果を数値化して表２にそれぞれ示す。
装置１５における反射膜１６の反射率Ｒ１ば３０％と固
定して考えた。ここで、第２図（ａ）によって求めたＲ
２の最適値７０％を固定として、改めてＲ１の最適値を
求めることとする。Ｒ１として、！０，３０，５０．７
０％の４つの場合について出力を求めた結果を第２図（
ｂ）に、その結果を数値化して表２にそれぞれ示す。
表 ２
表２より、コントラストの高い順にＪ ＝ ８０ ＋１
０．５０．７０％光量変化幅の多い順に、Ｒ１＝５０．
３０，７０．１０％となる。これより、Ｒ１＝３０〜５
０％特にＲ１＝３０％が好ましいと結論できる。
０．５０．７０％光量変化幅の多い順に、Ｒ１＝５０．
３０，７０．１０％となる。これより、Ｒ１＝３０〜５
０％特にＲ１＝３０％が好ましいと結論できる。
以上の結果から、従来のＲ１＝Ｒ２の場合に比べて、Ｒ
１＜Ｒ２、例えばＲ１＝３０％・Ｒ２＝ ７０％の場合
、出力のコントラスト及び光量変化幅の両方の点からみ
て優れた出力が得られることがわかった。
１＜Ｒ２、例えばＲ１＝３０％・Ｒ２＝ ７０％の場合
、出力のコントラスト及び光量変化幅の両方の点からみ
て優れた出力が得られることがわかった。
本実施例においては、第１のファブリ・ペロー型干渉装
置１５に入射した光について、反射光を採光する構成と
した。これは、反射型の方が透過型に比べて出力のコン
トラストとして大きな値が得られるためである。ただし
、光学系の設定のしやすさ等全体のバランスを考慮して
、透過型の構成を用いる場合もある。透過型の構成につ
いても、Ｒ１＜Ｒ２の方が良好な出力を得られることが
、簡単な考察によってわかる。すなわち、Ｒ２が大きい
ほど出力のコントラストが大きくなるという性質は、Ｒ
２大のとき第２のファブリ・ペロー型干渉装置２５がフ
ァブリ・ペロー共鳴ピーク（複数）の波長のみを通す狭
帯域フィルタになっているという事実に基くものであり
、第１のファブリ・ペロー型干渉装置１５が透過である
か反射であるかには無関係である。
置１５に入射した光について、反射光を採光する構成と
した。これは、反射型の方が透過型に比べて出力のコン
トラストとして大きな値が得られるためである。ただし
、光学系の設定のしやすさ等全体のバランスを考慮して
、透過型の構成を用いる場合もある。透過型の構成につ
いても、Ｒ１＜Ｒ２の方が良好な出力を得られることが
、簡単な考察によってわかる。すなわち、Ｒ２が大きい
ほど出力のコントラストが大きくなるという性質は、Ｒ
２大のとき第２のファブリ・ペロー型干渉装置２５がフ
ァブリ・ペロー共鳴ピーク（複数）の波長のみを通す狭
帯域フィルタになっているという事実に基くものであり
、第１のファブリ・ペロー型干渉装置１５が透過である
か反射であるかには無関係である。
なお、本発明は、第１のファブリーペロー型装置として
内部が空洞のものを用いて各種の力学景を検出する力学
センサ例えば圧力・接触圧・音響・振動・荷重センサ等
に適用できるのみならず、熱膨張率の大きい材料を対向
する反射鏡間に配設して温度センサ、湿度によって膨潤
する材料を使って湿度あるいは結露センサ、ファプリー
ペロー型干渉装置の半透光性ミラーの一方を被測定物に
設置して位置の変化を検出する微小変位センサの如く種
々のセンサとして応用することができるものである。
内部が空洞のものを用いて各種の力学景を検出する力学
センサ例えば圧力・接触圧・音響・振動・荷重センサ等
に適用できるのみならず、熱膨張率の大きい材料を対向
する反射鏡間に配設して温度センサ、湿度によって膨潤
する材料を使って湿度あるいは結露センサ、ファプリー
ペロー型干渉装置の半透光性ミラーの一方を被測定物に
設置して位置の変化を検出する微小変位センサの如く種
々のセンサとして応用することができるものである。
また、反射鏡間隔がその他の物理量例えば電気・磁気に
よって変化する様に構成することとすればほとんどあら
ゆる物理量を検知することが可能である。
よって変化する様に構成することとすればほとんどあら
ゆる物理量を検知することが可能である。
〈発明の効果〉
以上の様に、本発明の光学式センサは２つの異なる光学
特性を有するファブリ・ペロー干渉装置を用いる事によ
って、出力を最適化し、それによって光学式センサの安
定化、高性能化及び低価格を図ったものであって、その
実用価値は非常に大きいものである。
特性を有するファブリ・ペロー干渉装置を用いる事によ
って、出力を最適化し、それによって光学式センサの安
定化、高性能化及び低価格を図ったものであって、その
実用価値は非常に大きいものである。
第１図は本発明の１実施例を示す光学式センサの構成図
である。第２図（ａ）、 （ｂ）は第１図に示す実施例
によって得られた反射鏡の反射率をパラメータとする光
出力特性図である。 第３図及び第４図は従来の光学式センサの構成を示す構
成図である。 第５図は従来の力学量センサの光出力特性図である。 ｌ・−発光ダイオード、５・・・フォトダイオード、１
０．１５・・・第１の７アプリ・ペロー型干渉装置、２
０．２５・・・第２のファブリ・ペロー型干渉装置、１
１．２１，１６．２６・・・反射膜。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）］ 第１図 ０ ７ ２ ３ １Ｐ
（ａ） 力（Ｋが） Ｏｌ ２ ３ ４（ｂ）
ガ（Ｋ１） 第２図 第３図 カ（Ｋ７ｆ） 第５図
である。第２図（ａ）、 （ｂ）は第１図に示す実施例
によって得られた反射鏡の反射率をパラメータとする光
出力特性図である。 第３図及び第４図は従来の光学式センサの構成を示す構
成図である。 第５図は従来の力学量センサの光出力特性図である。 ｌ・−発光ダイオード、５・・・フォトダイオード、１
０．１５・・・第１の７アプリ・ペロー型干渉装置、２
０．２５・・・第２のファブリ・ペロー型干渉装置、１
１．２１，１６．２６・・・反射膜。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）］ 第１図 ０ ７ ２ ３ １Ｐ
（ａ） 力（Ｋが） Ｏｌ ２ ３ ４（ｂ）
ガ（Ｋ１） 第２図 第３図 カ（Ｋ７ｆ） 第５図
Claims (1)
- １、光源と、被測定物の物理量によって干渉特性が変化
する第１のファブリ・ペロー型干渉装置と、該第１のフ
ァブリ・ペロー型干渉装置よりも高反射率の反射面を有
する基準用の第２のファブリ・ペロー型干渉装置と、前
記第１及び第２のファブリ・ペロー型干渉装置を経由し
た前記光源からの出力光を受光する受光素子とを具備し
て成ることを特徴とする光学式センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP259586A JPS62161003A (ja) | 1986-01-08 | 1986-01-08 | 光学式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP259586A JPS62161003A (ja) | 1986-01-08 | 1986-01-08 | 光学式センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62161003A true JPS62161003A (ja) | 1987-07-17 |
Family
ID=11533735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP259586A Pending JPS62161003A (ja) | 1986-01-08 | 1986-01-08 | 光学式センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62161003A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100362231B1 (ko) * | 2000-09-01 | 2002-11-23 | 민병진 | 선형 또는 비선형광학물질의 전기적 성질을 최대로 하는최적의 전자주게와 전자받게 및 경로길이 조사방법과경로길이 의존성 조사방법 |
| JP2010540943A (ja) * | 2007-10-04 | 2010-12-24 | アットキューブ システムズ アーゲー | 位置検出のための装置 |
-
1986
- 1986-01-08 JP JP259586A patent/JPS62161003A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100362231B1 (ko) * | 2000-09-01 | 2002-11-23 | 민병진 | 선형 또는 비선형광학물질의 전기적 성질을 최대로 하는최적의 전자주게와 전자받게 및 경로길이 조사방법과경로길이 의존성 조사방법 |
| JP2010540943A (ja) * | 2007-10-04 | 2010-12-24 | アットキューブ システムズ アーゲー | 位置検出のための装置 |
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