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JPS62144033A - Optical sensor - Google Patents

Optical sensor

Info

Publication number
JPS62144033A
JPS62144033A JP28595985A JP28595985A JPS62144033A JP S62144033 A JPS62144033 A JP S62144033A JP 28595985 A JP28595985 A JP 28595985A JP 28595985 A JP28595985 A JP 28595985A JP S62144033 A JPS62144033 A JP S62144033A
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JP
Japan
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light
fabry
interference device
perot
perot interference
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Application number
JP28595985A
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Japanese (ja)
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JPH0375801B2 (en
Inventor
Masanori Watanabe
昌規 渡辺
Masayuki Katagiri
片桐 真行
Masaya Hijikigawa
正也 枅川
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP28595985A priority Critical patent/JPS62144033A/en
Priority to US06/934,843 priority patent/US4859060A/en
Priority to GB8628157A priority patent/GB2186708B/en
Priority to DE3645238A priority patent/DE3645238C2/en
Priority to DE19863640340 priority patent/DE3640340C2/en
Publication of JPS62144033A publication Critical patent/JPS62144033A/en
Priority to GB8911757A priority patent/GB2217839B/en
Publication of JPH0375801B2 publication Critical patent/JPH0375801B2/ja
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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/266Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

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Abstract

PURPOSE:To make it possible to measure the physical quantity of an object to be measured within a wide dynamic range with high accuracy, by splitting light passing through a first Fabry-Perot interferometer into two luminous fluxes and guiding said luminous fluxes to a second reference Fabry-Perot interferometer. CONSTITUTION:The light emitted from a light emitting diode 41 passes through a first Fabry-Perot interferometer 42 changing in its characteristics by physical quantity to be measured and split into a plurality of luminous fluxes mutually having inclination by a diffraction lattice 44. After zero-order light among luminous fluxes was vertically incident to a second Fabry-Perot interferometer 43, the transmitted light thereof is received by a photodiode 45. After primary light was obliquely incident to the second Fabry-Perot interferometer 43, the transmitted light thereof is received by a photodiode 46. By comparing the signals outputted from the photodiodes 45, 46 by a signal processing circuit, all of physical quantities capable of changing the light path length of the first Fabry-Perot interferometer can be detected.

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シ、さらに詳しくは
、ファプリ・ペロー型干渉装置を用いた光学式センサに
関する。
[Detailed Description of the Invention] Technical Field> The present invention relates to a so-called optical sensor that detects a physical quantity using an optical method. Regarding sensors.

〈従来技術〉 ファブリ・ペロー干渉装置を用いた光学式センサは、2
つの平行な反射色を対面設置することによって光の干渉
効果を生起させ、この干渉効果に基いて物理量を検出す
るものであシ、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。
<Prior art> An optical sensor using a Fabry-Perot interference device has two
It is a highly sensitive sensor that creates a light interference effect by placing two parallel reflective colors facing each other, and detects a physical quantity based on this interference effect.The output changes with a displacement smaller than the wavelength of the light. Various applications are being considered.

ファブリ・ペロー干渉装置を用いた計測の原理について
第6図とともに説明する。HeNeレーザ発振装置の様
に単色で波長の安定なレーザ装置11よシ出力された光
を、ファブリ・ペロー干渉装置12に入射し、その透過
光量を受光装置13によって電気信号に変える。透過光
量は、光の波長。
The principle of measurement using the Fabry-Perot interferometer will be explained with reference to FIG. Light output from a monochromatic and wavelength-stable laser device 11, such as a HeNe laser oscillation device, enters a Fabry-Perot interference device 12, and the amount of transmitted light is converted into an electrical signal by a light receiving device 13. The amount of transmitted light is the wavelength of light.

干渉装置12の光路長及び干渉装置12の反射色の反射
率等によって決定される特定のある値をとる。このよう
な単純な構成のセンサでは、光源よシ出力される光の波
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、通常ガヌレーザ等が使われる。しかしガヌレー
ザ装置は、測定系の大型化・高価格化を招くため、セン
サとしての実用性が著しく阻害される。この点を解決す
るために発光ダイオード(LED)等の小型で安価な発
光源を使用し得る様に改良された構成が、第7図に示す
センサである。第7図において、レーザ光よシ波長帯の
広い光源21よシ出力された光は、被測定物理量によっ
て特性の変化する第1のファブリ・ペロー干渉装置22
から特性の一定な第2のファブリ・ペロー干渉装置23
を経て受光装置24に入射され、その光強度が受光装置
24で電気信号に変換される。
It takes a specific value determined by the optical path length of the interference device 12 and the reflectance of the reflected color of the interference device 12. In a sensor with such a simple configuration, the wavelength of the light output from the light source must always be constant, and the semiconductor lasers currently on the market as small laser light sources do not have sufficient performance, so Gannu laser is usually used. etc. are used. However, the Gannu laser device increases the size and cost of the measurement system, which significantly impedes its practicality as a sensor. In order to solve this problem, a sensor shown in FIG. 7 has an improved configuration that allows the use of a small and inexpensive light source such as a light emitting diode (LED). In FIG. 7, light outputted from a light source 21 having a wide wavelength band than a laser beam is transmitted to a first Fabry-Perot interferometer 22 whose characteristics change depending on the physical quantity to be measured.
A second Fabry-Perot interference device 23 with constant characteristics from
The light enters the light receiving device 24 through the light receiving device 24, and the light intensity thereof is converted into an electrical signal by the light receiving device 24.

以下、第7図に示す光学式センサの動作について第8図
とともに説明する。第8図CA)は光源210発光スペ
クトル強度I(λ)、第8図CB)は第1のファブリ・
ペロー干渉装置22の透過率Tl(λ)、第8図(C)
は第2のファブリ・ペロー干渉装置23の透過率T2(
λ)を表わす。TI(λ)もT2(λ)も共に曲線aで
表わされるときすなわちT、(λ)とT2(λ)の山と
山が一致するときに第1と第2のファブリ・ペロー干渉
装置22.23の合成透過率T+(λ)・T2 (λ)
の波長に関する積分が最大になる。一方、rt(λ)が
曲線す、T2(λ)が曲線aで表わされるときすなわち
TI(λ)の山とT2(λ)の谷が一致するときに合成
透過率TI (λ)・T2(λ)の積分は小なものとな
る。発光ヌベクトル強度も導入して考えると、受光強度
は第8図(D)で示される曲線T、、T2の囲む面積と
なる。なお厳密には受光素子の感度波長依存も考慮する
必要がある。
The operation of the optical sensor shown in FIG. 7 will be described below with reference to FIG. 8. Figure 8 CA) is the light source 210 emission spectrum intensity I (λ), Figure 8 CB) is the first Fabry
Transmittance Tl(λ) of Perot interference device 22, FIG. 8(C)
is the transmittance T2 of the second Fabry-Perot interference device 23 (
λ). When both TI(λ) and T2(λ) are represented by curve a, that is, when the peaks of T,(λ) and T2(λ) match, the first and second Fabry-Perot interferometers 22. Combined transmittance of 23 T+(λ)・T2(λ)
The integral with respect to the wavelength is maximized. On the other hand, when rt(λ) is a curve and T2(λ) is represented by curve a, that is, when the peak of TI(λ) and the valley of T2(λ) coincide, the combined transmittance TI(λ)・T2( The integral of λ) will be small. If the light emission intensity is also considered, the light reception intensity becomes the area surrounded by the curves T, , T2 shown in FIG. 8(D). Strictly speaking, it is also necessary to consider the sensitivity wavelength dependence of the light receiving element.

第9図は上記第7図に示した光学式センサを応力センサ
として利用した場合の出力波形を示す波形図である。縦
軸が光量、横軸が第1のファブリ・ペロー干渉装置22
の内部光路長の変化量である。得られる出力は内部光路
長の変化に応じた振動波形となる。このような振動波形
を呈する場合、光量がある値に定まっても内部光路長は
一義的に特定されない。また、光量が増減した場合には
それが内部光路長の増加によるものか減少するものかを
識別するのは極めて困難である。従って従来型の光学式
センサにおいては、一部の複雑な構成のものを除き、主
に次に示す2つの方法で測定を行っていた。
FIG. 9 is a waveform diagram showing the output waveform when the optical sensor shown in FIG. 7 is used as a stress sensor. The vertical axis is the light amount, and the horizontal axis is the first Fabry-Perot interference device 22.
is the amount of change in the internal optical path length of The resulting output has an oscillating waveform that corresponds to changes in the internal optical path length. When exhibiting such a vibration waveform, the internal optical path length cannot be uniquely specified even if the amount of light is determined to be a certain value. Further, when the amount of light increases or decreases, it is extremely difficult to distinguish whether the increase or decrease is due to an increase or decrease in the internal optical path length. Therefore, in conventional optical sensors, except for those with some complicated configurations, measurements are mainly performed using the following two methods.

その1つは、被測定物理量が測定時間内において上昇の
みまたは下降のみしか行なわないものに限定をして測定
を行う方法である。しかしながら一般の被測定量の変化
は任意であシ、このような限定条件を付すると用途が著
しく制限されることになる。
One of them is a method in which the measurement is performed by limiting the physical quantity to be measured to only rise or fall within the measurement time. However, in general, changes in the measured quantity are arbitrary, and if such limiting conditions are imposed, the applications will be significantly restricted.

他の1つは、被測定物理量の変化を小さくして光量と一
義的に対応させて測定を行う方法である。
The other method is to perform measurement by reducing changes in the physical quantity to be measured and making it uniquely correspond to the amount of light.

この場合、光量出力の変化が1//!周期の振動を行な
う部分に限定して測定するため、測定のグイナミノクレ
ンジがとれないあるいは高精度な測定データを得ること
が難しいといった問題を有していた。
In this case, the change in light output is 1//! Since the measurement is limited to the part that undergoes periodic vibration, there are problems in that it is not possible to obtain accurate measurement data or it is difficult to obtain highly accurate measurement data.

〈発明の目的〉 本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされたものであ
シ、ファブリ・ペロー型干渉装置の内部光路長の増減を
容易に検知することができる新規なセンサ構成を具備す
ることにより、広ダイナミツクレンジで高精度の測定を
可能とした光学式センサを提供することを目的とする。
<Object of the Invention> The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a novel sensor configuration that can easily detect an increase or decrease in the internal optical path length of a Fabry-Perot interference device. It is an object of the present invention to provide an optical sensor that enables highly accurate measurement over a wide dynamic range.

〈実施例〉 以下第1図乃至第5図に従って本発明の詳細な説明する
<Example> The present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 5.

第1図は、本発明の第1の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41より出力された光は
、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42を経由した後、回折格子44に
よって互いに傾きをもった複数の光束に分割される。本
実施例においては、回折格子44から発する複数の光束
のうち0次光を第2のファブリ・ペロー型干渉装置43
に垂直に入射させた後その透過光をフォトダイオド45
にて受光し、1次光を第2のファブリ・ペロー型干渉装
置43に斜め入射させた後、その透過光をフォトダイオ
ード46にて受光した。各フォトダイオード45.46
から出力される信号は信号処理回路(図示せず)で比較
処理され、m測定物理量が求められる。
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical sensor showing a first embodiment of the present invention. The light output from the light emitting diode 41 passes through a first Fabry-Perot interference device 42 whose characteristics change depending on the physical quantity to be measured, and then is split by a diffraction grating 44 into a plurality of mutually tilted light beams. In this embodiment, the 0th-order light among the plurality of light beams emitted from the diffraction grating 44 is transferred to the second Fabry-Perot interference device 43.
The transmitted light is transmitted perpendicularly to the photodiode 45.
After the primary light was obliquely incident on the second Fabry-Perot interference device 43, the transmitted light was received by the photodiode 46. Each photodiode 45.46
The signals output from the two are compared and processed by a signal processing circuit (not shown), and m measured physical quantities are determined.

ここで、発光ダイオード41は比較的スペクトル幅の広
い各種光源、例えばハロゲンランプ等の白色光源に置き
換えてもよい。また、回折格子44は斜め入射光と垂直
入射光を同時に得るための1つの手段であって、他の手
段例えばハーフミラ−とプリズムもしくはミラーの組合
せを用いて、互いに角度をもった複数の光束を得てもよ
い。また、光線は実用的には光ファイバーを通した方が
便利な場合が多い。ファブリ・ペロー干渉装置42゜4
3を経由する光は、透過光または反射光のいずれを採光
してもよい。
Here, the light emitting diode 41 may be replaced with various light sources having a relatively wide spectrum width, for example, a white light source such as a halogen lamp. Further, the diffraction grating 44 is one means for obtaining obliquely incident light and vertically incident light at the same time, and other means such as a combination of a half mirror, a prism, or a mirror may be used to obtain a plurality of light beams at angles to each other. You may get it. Furthermore, it is often more convenient for the light beam to pass through an optical fiber. Fabry-Perot interference device 42°4
The light passing through 3 may be either transmitted light or reflected light.

第2のファブリ・ペロー型干渉装置43へ入射角の異な
る2木の光束を入射する理由は、第2のファブリ・ペロ
ー型干渉装置43を等測的に2つの異なる光路長をもっ
た干渉装置とするためである。一般に、ファブリ・ペロ
ー型干渉装置の干渉に対しての有効光路長はndcos
θとなることが知られている。ただし、nは対向する反
射鏡間の媒質の屈折率、dは対向する反射鏡間の距離、
θは反射鏡間での光の反射鏡への入射角である。本実施
例においては、ファブリ・ペロー型干渉装置として2板
の透明な平行平板をスペーサーで所定間隙に離間させて
貼シ合わせたものを使用した。
The reason why two beams of light with different angles of incidence are incident on the second Fabry-Perot interference device 43 is that the second Fabry-Perot interference device 43 is isometrically formed into an interference device with two different optical path lengths. This is for the purpose of Generally, the effective optical path length for interference in a Fabry-Perot interference device is ndcos
It is known that θ. However, n is the refractive index of the medium between the opposing reflecting mirrors, d is the distance between the opposing reflecting mirrors,
θ is the angle of incidence of light between the mirrors. In this example, a Fabry-Perot type interference device was used in which two transparent parallel flat plates were pasted together with a predetermined gap between them with a spacer.

この場合、媒質の屈折率nは1とみなしてよく、また外
部からファブリ・ペロー干渉装置への入射角θexは前
述の反射鏡間における入射角θに等しくなる。
In this case, the refractive index n of the medium may be regarded as 1, and the incident angle θex from the outside to the Fabry-Perot interferometer is equal to the incident angle θ between the reflecting mirrors.

さて本実施例では、ファブリ・ペロー型干渉装置43へ
の斜め入射角θexは垂直入射時の実効光路長ndと斜
め入射時の実効光路長nd cosθ差が、発光ダイオ
ード41の中心波長をλ。とじてとなる様に設定した。
In this embodiment, the angle of oblique incidence θex to the Fabry-Perot interference device 43 is the effective optical path length nd at the time of normal incidence and the effective optical path length nd at the time of oblique incidence. I set it so that it would close.

前述の様にn=1.θex=θであり、またd=12μ
m、 λo=850nmとした。このときθexニア、
6°であるので、1次回折光がこの角度となる様な回折
格子44を作製した。
As mentioned above, n=1. θex=θ and d=12μ
m, λo=850 nm. At this time, θex near,
Since the angle is 6°, the diffraction grating 44 was manufactured so that the first-order diffracted light was at this angle.

上記構造の光学式センサは原理的に第1のファブリ・ペ
ロー型干渉装置42の光路長を変化させ得る物理量をす
べて検知することができる。ここでは、第1のファブリ
・ペロー型干渉装置42として第2図に示す様に片面に
増反射膜3を蒸着した2枚のガラス板1及び2を増反射
膜3が内側に対向する様にスペーサ4を介して貼シ合わ
せたものを使用した。ここで増反射膜3は金属膜とした
が、誘電体膜・誘電体多層膜でもよい。この干渉装置は
外部から加えられた力F(あるいは接触圧や荷重)によ
って一方のガラス板がわん曲し、内部光路長が変化する
ことによって干渉特性が変化するものである。尚、第1
のファブリ・ペロー型干渉装置42は透過型ではなく反
射型の構成とした。すなわち光の入射及び出射はともに
第2図に示す光ファイバー6、マイクロレンズ5會介し
て行った。一方、第2のファブリ・ペロー型干渉装置4
3は、第1のファブリーベロー型干渉装置42と同じも
のを用いているが、透過型の構成とした。
The optical sensor having the above structure can in principle detect all physical quantities that can change the optical path length of the first Fabry-Perot interference device 42. Here, as the first Fabry-Perot interference device 42, as shown in FIG. A material bonded together with a spacer 4 in between was used. Although the reflective film 3 is a metal film here, it may be a dielectric film or a dielectric multilayer film. In this interference device, one glass plate is bent by a force F (or contact pressure or load) applied from the outside, and the internal optical path length changes, thereby changing the interference characteristics. Furthermore, the first
The Fabry-Perot interference device 42 has a reflection type structure rather than a transmission type. In other words, both the input and output of light were performed through the optical fiber 6 and microlens 5 shown in FIG. On the other hand, the second Fabry-Perot interference device 4
3 uses the same device as the first Fabry-Bello type interference device 42, but has a transmission type configuration.

本実施例の光学式センサを応力センサとして用いた場合
の出力例ft、第3図(A)に示す、この図でI、は第
1図におけるフォトダイオード45の出力、IIはフォ
トダイオード46の出力である。
An output example ft when the optical sensor of this embodiment is used as a stress sensor is shown in FIG. 3(A). In this figure, I is the output of the photodiode 45 in FIG. This is the output.

Ioと11は周期が1/4だけずれている。従って、横
軸に出力IQ+縦軸に出力■1をプロットすると第3図
(B)に示す曲線が描ける。ここで第3図(B)では第
3図(A)におけるIOの出力が、矢印Aから矢印Eま
で一周期変化した際の様子を示している。今、仮に印加
された力がCからAまで変化したとすると、1Gは最大
から最小へと変化する。印加された力がCからEへ変化
した場合にも1、は同様の変化をする。従って、lot
”検知するのみでは印加された力の増加減少を決定する
ことができない。ここで、斜め入射光による出力11が
あると、第3図(B)のグラフよシ印加された力が増加
または減少のいずれの状態であるかを求めることができ
る。すなわち、C→B−Aと右回りに変化するなら減少
、C−+D→Eと左回りに変化するなら増加である。以
上よシ、光ff1Io 、I+の変化を連続的に追跡す
ることによって、印加された力あるいは一般には物理量
の値を連続的に追跡することができる。
The periods of Io and 11 are different by 1/4. Therefore, if the output IQ is plotted on the horizontal axis and the output ■1 is plotted on the vertical axis, the curve shown in FIG. 3(B) can be drawn. Here, FIG. 3(B) shows the situation when the output of IO in FIG. 3(A) changes by one cycle from arrow A to arrow E. Now, if the applied force changes from C to A, 1G changes from maximum to minimum. 1 changes similarly when the applied force changes from C to E. Therefore, lot
"It is not possible to determine whether the applied force increases or decreases only by sensing it. Here, if there is an output 11 due to obliquely incident light, the applied force will increase or decrease as shown in the graph of Figure 3 (B). In other words, if it changes clockwise from C to B-A, it is a decrease, and if it changes counterclockwise from C-+D to E, it is an increase. By continuously tracking the changes in ff1Io, I+, it is possible to continuously track the applied force or, in general, the value of the physical quantity.

尚、前述の(1)式において2つの光束のそれぞれに対
するファブリ・ペロー型干渉装置の有効光路長差をλ。
In the above equation (1), the effective optical path length difference of the Fabry-Perot interference device for each of the two light beams is λ.

/8にした理由は出力■。と■1の周期を’/4だけず
らすためである。このとき、第3図CB)に示す図が最
も円に近くなるため、第3図(8)において出力Io、
I+の示す点の移動を追跡することが容易になるからで
ある。
The reason for choosing /8 is the output ■. This is to shift the period of and ■1 by '/4. At this time, the diagram shown in Figure 3 (CB) is closest to a circle, so in Figure 3 (8), the output Io,
This is because it becomes easier to track the movement of the point indicated by I+.

第4図は本発明の第2の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41より出力された光は、
被測定物理量によって特性の変化する第1の7アプリ・
ベロー型干渉装置42を経由した後、ビームスプリッタ
47、プリズム48によって2木の互いに平行な光束に
分割される。
FIG. 4 is a configuration diagram of an optical sensor showing a second embodiment of the present invention. The light output from the light emitting diode 41 is
The first 7 applications whose characteristics change depending on the measured physical quantity.
After passing through the bellows interference device 42, the beam is split into two mutually parallel beams by a beam splitter 47 and a prism 48.

この分割された2木の光束のうち第1の光束at第2の
ファブリ・ベロー型干渉装置49の領域49Aに入射し
た後、その透過光をフォトダイオード45にて受光し、
また第2の光束bt−第2のファブリ・ペロー型干渉装
置49の領域49Bに入射した後、その透過光をフォト
ダイオード46にて受光した。なお各構成要素は第1の
実施例の説明に記載した通9の置き換えを行なうことが
できる。
Of the two divided light fluxes, the first light flux at enters the area 49A of the second Fabry-Bello interference device 49, and then the transmitted light is received by the photodiode 45,
Further, after the second light beam bt is incident on the region 49B of the second Fabry-Perot interference device 49, the transmitted light is received by the photodiode 46. Note that each component can be replaced as described in the description of the first embodiment.

第1のファブリ・ペロー型干渉装置としては、本実施例
では第1の実施例と同じく第2図に示す反射型の素子を
用いた。一方、第2のファブリ・ペロー型干渉装置49
については第5図に示す構成のものを用いた。瀉5図に
示す様に、水装置はガラス板1及び厚さがλO/Sの5
i02膜8を一部分形成したガラス板10に、それぞれ
増反射膜7を形成し、さらにガラス板101fllにヌ
ベーサ4を形成し、この2枚のガラス板1.10を貼合
せたものである。ここで、光束aはガラス板10上に5
i02膜8の存在しない領域49A、光束すはSiO,
+膜8の存在する領域49Bを通過するように設置する
。このとき、光束aにとってファブリ・ベロー型干渉装
置49の有効光路長をdとすると、光束すにとっての有
効光路長はd−λO/Sとなる。第1の実施例に示した
通シ内部晃路長がλO/S だけ異なる第2のファブリ
・ペロー型干渉装置49A、49Bを通過した2つの光
出力を1、、I、とすると、この2つの出力の変化を知
ることにより第1のファブリ・ペロー型干渉装置の内部
光路長の変化を知ることが可能となる。実際、第2の実
施例においても、第3図(A) (B)に示されている
第1の実施例における出力特性とほぼ同等の結果が得ら
れた。
As the first Fabry-Perot interference device, in this embodiment, a reflective element shown in FIG. 2 was used, as in the first embodiment. On the other hand, the second Fabry-Perot interference device 49
The configuration shown in FIG. 5 was used. As shown in Figure 5, the water device consists of a glass plate 1 and a thickness of λO/S.
A reflection enhancing film 7 is formed on each of the glass plates 10 on which the i02 film 8 is partially formed, a Nuvesa 4 is further formed on the glass plate 101fl, and these two glass plates 1.10 are bonded together. Here, the luminous flux a is 5 on the glass plate 10.
In the area 49A where the i02 film 8 does not exist, the light flux is SiO,
+It is installed so as to pass through the region 49B where the membrane 8 exists. At this time, if the effective optical path length of the Fabry-Bello interference device 49 for the light beam a is d, then the effective optical path length for the light beam I is d-λO/S. Let 1, I be the two optical outputs that have passed through the second Fabry-Perot interference devices 49A and 49B whose internal optical path lengths differ by λO/S shown in the first embodiment. By knowing the change in the two outputs, it becomes possible to know the change in the internal optical path length of the first Fabry-Perot interference device. In fact, in the second example, almost the same output characteristics as in the first example shown in FIGS. 3(A) and 3(B) were obtained.

尚、第2のファブリ・ペロー型干渉装置49を領域49
Aに相当する素子と領域49Bに相当する素子とに分割
し、独立に配置する構成とすることも可能である。この
場合配性条件について目出度が増すため、例えばプリズ
ム48に相当する光路変換素子を省略することができる
Note that the second Fabry-Perot interference device 49 is connected to the region 49.
It is also possible to adopt a configuration in which the device is divided into an element corresponding to region A and an element corresponding to region 49B, and arranged independently. In this case, the degree of visibility increases with respect to the alignment condition, so that the optical path converting element corresponding to the prism 48 can be omitted, for example.

第1及び第2の実施例において、第1のファブリ・ペロ
ー型干渉装置を経由した光束を一部分受光し、その出力
に対して受光素子45及び46の出力を規格化すること
によって、発光源光量変動や光量の損失変動をほとんど
打消し、安定な出力を得ることが可能である。また、第
1及び第2のファブリ・ペロー型干渉装置をどちらも空
洞型としたが、第1と第2のファブリ・ペロー型干渉装
置を互いに別々の構成としてもよい。例えば第1のファ
ブリ・ペロー型干渉装置は干渉計内部の媒質の光路長n
dが検知すべき物理量によって変化し得る様に構成し第
2のファブリ・ペロー型干渉装置を空洞型としてもよい
。また、ファブリ・ペロー型干渉装置はシングルモード
光ファイバーを切断し、必要に応じて両端に増反射処理
を施したいわゆるファイバーファブリ・ペローであって
もよい。
In the first and second embodiments, by receiving a portion of the light flux that has passed through the first Fabry-Perot interference device and normalizing the outputs of the light receiving elements 45 and 46 with respect to that output, the amount of light from the light source can be adjusted. It is possible to obtain stable output by almost canceling out fluctuations and fluctuations in light intensity loss. Further, although both the first and second Fabry-Perot interference devices are of the hollow type, the first and second Fabry-Perot interference devices may be configured separately from each other. For example, the first Fabry-Perot interferometer has an optical path length n of the medium inside the interferometer.
The second Fabry-Perot interference device may be of a cavity type and configured so that d can change depending on the physical quantity to be detected. Further, the Fabry-Perot type interference device may be a so-called fiber Fabry-Perot device in which a single mode optical fiber is cut and both ends are subjected to reflection enhancement treatment if necessary.

なお、木実雄側の構成は、内部が空洞のファブリ・ペロ
ー型干渉装置を用いて各種の力学量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
することができ、さらにファブリ・ペロー干渉装置内部
の媒質として熱膨張率の大きい材料を使って温度センサ
、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、ファブリ・ペロー型干渉装置の半透光性ミラー
の一方を被1111j定物に設置して位置の変化を検出
する微小変化センサ等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。
In addition, the configuration on the Kinomoto side can be applied to mechanical sensors that detect various mechanical quantities using a hollow Fabry-Perot interference device, such as pressure/contact pressure, acoustic, vibration load sensors, etc. Additionally, a material with a high coefficient of thermal expansion is used as a medium inside the Fabry-Perot interference device to create a temperature sensor, a material that swells with humidity is used to create a humidity or condensation sensor, and one of the semi-transparent mirrors of a Fabry-Perot interference device is created. It can be applied as a variety of sensors such as a minute change sensor that is installed on a fixed object to detect changes in position.

また、反射鏡間隔がその他の物理量例えば電λ、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。
Furthermore, if the reflector spacing is configured to vary depending on other physical quantities such as electric λ and magnetism, it is possible to detect almost any physical quantity.

〈発明の効果〉 以上の様に、木発明の光学式センサは第1のファブリ・
ペロー型干渉装置を経由したただ1つの光から非常に簡
単な構造で2つの独立した信号を得ることができ、それ
によって何周期にもわたる光量変化に対応する広ダイナ
ミツクレンジの被検出物理量を把えることができるとい
う特徴を有する。これによって、従来型の光学式センサ
に比ベテはルかに簡単に高精度で広ダイナミツクレンジ
の光学式センサが得られ、その実用価値は非常に大きい
ものである。
<Effects of the invention> As described above, the optical sensor invented by Kiyoshi is the first Fabry sensor.
It is possible to obtain two independent signals with a very simple structure from a single beam of light that has passed through a Perot-type interference device, which allows for detection of physical quantities over a wide dynamic range that corresponds to changes in light intensity over many cycles. It has the characteristic that it can be grasped. As a result, an optical sensor with high precision and a wide dynamic range can be obtained much more easily than conventional optical sensors, and its practical value is extremely large.

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

第1図は木発明の第1の実施例を示す光学式センサの構
成図である。 第2図は第1及び第2の実施例における第1の7アプリ
・ベロー型干渉装置42の説明図である。 第3図は第1図に示す実施例によって得られたフォトダ
イオードの特性を示す特性図である。 第4図は本発明の第2の実施例を示す光学式センサの構
成図である。 第5図は第4図における第2の7アプリ・ベロー型干渉
装置49の構造図である。 范6図及びπ7図は従来の光学式センサのI′IM成を
示す(1り成因である。 范8図は第7mに示す光学式センサの動作説明に供する
説明図である。 第9図は第7肉に示す光学式センサの特性を示す特性図
である。 41・・・発光タイオード、 42・・・第1のファブ
リ・ペロー型干渉装置、 43.49・・・第2のファ
ブリ・ペロー型干渉装置、 44・・・回折格子、  
45.46・・フォトダイオード、  47・・・ビー
ムスプリンタ、 48・・・プリズム。 代理人 弁理士  隔 士 愛 彦(他2名)第1図 (A)       力Ckgf) I (B) 第4図 第5し1 第6図 第7図 濠4ζ 51長t (D) Q/234 力(kgf) 第q[゛4
FIG. 1 is a block diagram of an optical sensor showing a first embodiment of the invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of the first seven-applied bellows type interference device 42 in the first and second embodiments. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the characteristics of the photodiode obtained by the example shown in FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of an optical sensor showing a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a structural diagram of the second seven-applied bellows type interference device 49 in FIG. Figure 6 and Figure π7 show the I'IM configuration of a conventional optical sensor (1 factor). Figure 8 is an explanatory diagram for explaining the operation of the optical sensor shown in Figure 7m. is a characteristic diagram showing the characteristics of the optical sensor shown in No. 7. 41... Light emitting diode, 42... First Fabry-Perot interference device, 43.49... Second Fabry-Perot type interference device. Perot type interference device, 44... diffraction grating,
45.46... Photodiode, 47... Beam splinter, 48... Prism. Agent Patent attorney Aihiko Kato (and 2 others) Fig. 1 (A) Force Ckgf) I (B) Fig. 4 Fig. 5 1 Fig. 6 Fig. 7 Moat 4ζ 51 length t (D) Q/234 Force (kgf) q [゛4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、光源と、被測定物の物理量によって干渉特性の変化
する第1のファブリ・ペロー型干渉装置と、光束を分割
する光分岐装置と、条件一定に設定された基準用の第2
のファブリ・ペロー型干渉装置と、前記光源より出力さ
れ前記第1のファブリ・ペロー型干渉装置及び前記光分
岐装置を経由しかつ前記光分岐装置によって分割され前
記第2のファブリ・ペロー型干渉装置を経由した第1の
光束を受光する第1の受光素子と前記光分岐装置によっ
て前記第1の光束とは異なる光束として分割され前記第
2のファブリ・ペロー型干渉装置を経由した第2の光束
を受光する第2の受光素子と、該第1及び第2の受光素
子からの出力信号を比較して被測定物の物理量を求める
回路と、を具備して成ることを特徴とする光学式センサ
。 2、前記第1及び第2の光束は前記第2のファブリ・ペ
ロー型干渉装置への入射角が異なる特許請求の範囲第1
項記載の光学式センサ。 3、前記第2のファブリ・ペロー型干渉装置は前記第1
及び第2の光束が経由する領域において異なる干渉特性
を有する特許請求の範囲第1項記載の光学式センサ。 4、光源と、被測定物の物理量によって干渉特性の変化
する第1のファブリ・ペロー型干渉装置と、光束を分割
する光分岐装置と、条件一定に設定された基準用の第2
及び第3のファブリ・ペロー型干渉装置と、前記光源よ
り出力され、前記第1のファブリ・ペロー型干渉装置及
び前記光分岐装置を経由しかつ前記光分岐装置によって
分割され前記第2のファブリ・ペロー型干渉装置を経由
した第1の光束を受光する第1の受光素子と、前記光分
岐装置によって前記第1の光束とは異なる光束として分
割され前記第3のファブリ・ペロー型干渉装置を経由し
た第2の光束を受光する第2の受光素子と、該第1及び
第2の受光素子からの出力信号を比較して被測定物の物
理量を求める回路と、を具備して成ることを特徴とする
光学式センサ。
[Claims] 1. A light source, a first Fabry-Perot interference device whose interference characteristics change depending on the physical quantity of the object to be measured, an optical branching device that splits the beam, and a reference device whose conditions are set to be constant. the second of
a Fabry-Perot interference device, and a second Fabry-Perot interference device that is output from the light source and is split by the first Fabry-Perot interference device and the optical branching device. A second light flux that is split into a different light flux from the first light flux by a first light-receiving element that receives the first light flux that has passed through the splitter and the optical branching device, and that has passed through the second Fabry-Perot interference device. an optical sensor comprising: a second light-receiving element that receives light; and a circuit that compares output signals from the first and second light-receiving elements to obtain a physical quantity of an object to be measured. . 2. The first and second light beams have different incident angles to the second Fabry-Perot interference device.
Optical sensor described in section. 3. The second Fabry-Perot interference device is connected to the first Fabry-Perot interference device.
The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor has different interference characteristics in the region through which the second light beam passes. 4. A light source, a first Fabry-Perot interference device whose interference characteristics change depending on the physical quantity of the object to be measured, a light branching device that splits the light beam, and a second reference device whose conditions are set constant.
and a third Fabry-Perot interference device; the light output from the light source passes through the first Fabry-Perot interference device and the optical branching device, and is split by the optical branching device to the second Fabry-Perot interference device; a first light receiving element that receives a first light beam that has passed through the Perot type interference device; and a light beam that is split by the light branching device into a different light beam from the first light beam that passes through the third Fabry-Perot type interference device; a second light-receiving element that receives the second light beam, and a circuit that compares output signals from the first and second light-receiving elements to obtain a physical quantity of the object to be measured. Optical sensor.
JP28595985A 1985-11-26 1985-12-18 Optical sensor Granted JPS62144033A (en)

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DE3645238A DE3645238C2 (en) 1985-11-26 1986-11-26 Variable Fabrv Perot type interferometer
DE19863640340 DE3640340C2 (en) 1985-11-26 1986-11-26 Variable interferometer arrangement
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007317451A (en) * 2006-05-24 2007-12-06 Matsushita Electric Works Ltd Organic el element
US9395504B2 (en) 2013-09-19 2016-07-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. System to control wavelength and method to control wavelength

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