JP2015055595A - 電磁界センサおよび電磁界センシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の偏光状態の変化を利用した電磁界センサにおける測定誤差を低減し、電磁界センサを構成する部品や装置に対する制約を低減する。【解決手段】本発明の電磁界センサは、単一偏光からなる複数の波長の光を出射することができる光源と、単一偏光からなる光の偏光面を外界の変化に感応して回転させて出射する光学素子と、光学素子が出射する偏光面が回転した偏光の２つの直交する偏光成分に対応した少なくとも２つの波長の光を、偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射する偏光波長出射器と、偏光波長出射器が出力する少なくとも２つの波長の光の強度を検出する波長別光強度検出装置とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁界センサおよび電磁界センシング方法に関し、特に、光の偏光状態の変化を利用した電磁界センサおよび電磁界センシング方法に関する。

光を用いたセンサは、低ノイズ、防爆性、無誘導、耐雷性、耐久性などの利点を持ち、様々な用途に使用されている。その一つに電界、磁界の大きさを測定する電界センサおよび磁界センサがある。

この磁界センサの一例が、特許文献１に記載されている。図８は、その基本構成を示すブロック図である。光源６０１から出射した非偏光の光を、入射口６０３およびレンズ６０４を介して、偏光子６０５に入射することで直線偏光としている。次に、この直線偏光となった入射光は、光学素子６０６、検光子６０７の順に通過した後、レンズ６０８、出射口６０９、光ファイバ６１０を介して、受光器６１１においてその光強度を検出する構成としている。ここで、光学素子６０６は、ポッケルス素子などの電気光学素子またはファラデー素子などの磁気光学素子としている。

光学素子６０６としてファラデー素子を用いた場合を例に挙げると、この素子に光の伝播方向と平行な方向に磁界がかかると、磁界の大きさに比例して直線偏光の偏光面が回転する。そして、この偏光面の回転は検光子を通過することで、光強度の変化に変換して検出することができるとしている。

より具体的には、偏光子６０５と検光子６０７の透過軸が平行に配置されており、そしてファラデー素子に磁界がかからない場合、ファラデー素子を透過した直線偏光はその偏光面が回転しない。従って、その光強度がほぼ維持されたまま検光子６０７から出力する。一方、磁界がかかるにつれて偏光面の回転が大きくなり、検光子６０７から出力する光強度は小さくなる。

また、偏光子６０５と検光子６０７の透過軸が直交して配置されており、ファラデー素子に磁界がかからない場合、検光子６０７から出力される光強度は最小となる。そして、磁界が強くなるにつれて検光子６０７から出力される光強度は大きくなる。このように、いずれの配置であっても検光子６０７から出力される光強度の変化から磁界強度を算出することができるとしている。

また、特許文献２には別の磁界センサの一例が記載されている。光学素子における偏光面の回転の程度が、光波長によって異なることに着目するものである。すなわち、波長の異なる複数の光を伝搬させ、これらの光が磁界により影響を受ける差異を演算処理することによって、磁界強度を算出するとしている。つまり、磁界強度の算出に関して、光強度そのものの変化ではなく、複数の光波長間の光強度の変化（光強度比）を用いるとしている。

特開昭５８−１４６８５９号公報 特開昭５９−０００６６９号公報

しかしながら、これらの特許文献に記載された関連する電磁界センサには次のような問題があった。

特許文献１に記載の電磁界センサは、光強度の変化から電界または磁界の大きさを算出するとしている。そのため、光強度が、電界または磁界以外の他の要因によって変化した場合に誤差が発生した。例えば、光源が非偏光ではなく、レーザダイオード（ＬＤ）やスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）のような直線偏光を出射する光源である場合、光ファイバ内での直線偏光の偏光面の回転によって、偏光子から出射する光の強度が変化する。これは、偏光子の透過軸と、偏光子に入射する直線偏光の偏光面との角度関係が一定にならないためである。このように、測定対象である電磁界の大きさの変化と光源の出力強度の変動を、区別するのが困難であり、誤差が生じる原因となった。

また、図９は、光ファイバ内での偏光面の回転による直線偏光の強度変化の発生を抑制する磁界センサの基本構成を示すブロック図である。単一偏光光源７０１から、光カプラ７０３、入射口７０５、レンズ７０６を介して、光学素子７０８に直線偏光が入射する。その際、光ファイバ内で偏光面が回転している直線偏光に対して、複屈折結晶７０７を使って直線偏光を２つの直交する偏光成分に分けた後、合成する構成である。つまり、２つに分けられた偏光成分が光学素子７０８中をそれぞれ伝搬し、反射鏡７０９でそれぞれ反射し、光学素子７０８中をそれぞれ再度伝搬し、再度複屈折結晶７０７にそれぞれ入射し合成して出射する。合波した偏光は、レンズ７０５、入射口７０６を通り、さらに光ファイバ７０４、光カプラ７０３、光ファイバ７１０を通って受光器７１１に到達する。ここで、複屈折結晶７０７は検光子としても作用し、偏光面の回転が光強度の変化として検出される。このような、いわゆる偏波ダイバーシティの構成によって、偏光面の回転の影響を無くすことができるとしている。つまり、偏光子から出射する光の強度は、光ファイバ内での直線偏光の偏光面の回転によっても変化しなくなる。しかしながら、光コネクタの接続不良や光ファイバの屈曲等による光挿入損失の変化と、測定対象である電磁界の大きさの変化とを区別するのが困難であった。即ち、測定値に誤差が含まれる恐れが残存した。

一方、特許文献２に記載の関連する電磁界センサは、複数の光波長間の光強度の変化（光強度比）を使って、電界または磁界の大きさを算出するとしている。従って、光強度の絶対値の変化ではなく、光強度の相対値の変化を用いるものであるので、電界または磁界の大きさを算出する際、上述のような原因による測定値への誤差の含有は減少する。しかしながら、光学素子における偏光変換作用の波長依存性を利用する原理であるため、１）光学素子に大きな波長依存性が必要、２）光源に互いに波長が離れた複数の光波長が必要、といった制約が発生していた。

以上のように、特許文献１および特許文献２に記載の関連する電磁界センサは、
電界または磁界の大きさを算出する際の誤差の発生、そして、誤差の発生を抑制しようとすると光学素子や光源に対する制約の発生、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、光の偏光状態の変化を利用した電磁界センサにおける測定誤差の低減、および電磁界センサを構成する部品や装置に対する制約の低減、という課題を解決する電磁界センサおよび電磁界センシング方法を提供することにある。

本発明の電磁界センサは、単一偏光からなる複数の波長の光を出射することができる光源と、単一偏光からなる光の偏光面を外界の変化に感応して回転させて出射する光学素子と、光学素子が出射する偏光面が回転した偏光の２つの直交する偏光成分に対応した少なくとも２つの波長の光を、偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射する偏光波長出射器と、偏光波長出射器が出力する少なくとも２つの波長の光の強度を検出する波長別光強度検出装置とを有する。

また、本発明の電磁界センシング方法は、単一偏光からなる複数の波長の光を生成し、単一偏光からなる光の偏光面を外界の変化に感応して回転させて出射し、出射した偏光面が回転した偏光の２つの直交する偏光成分に対応した少なくとも２つの波長の光を偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射し、出力した少なくとも２つの波長の光の強度を検出する。

本発明の電磁界センサおよび電磁界センシング方法によれば、光の偏光状態の変化を利用した電磁界センサにおける測定誤差を低減し、電磁界センサを構成する部品や装置に対する制約を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電磁界センサの基本構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る電磁界センサの具体的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光源のスペクトルと光フィルタの反射スペクトルの関係を説明するための特性図である。 本発明の第２の実施形態に係る電磁界センサの透過型の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る近接センサの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る近接センサの別の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る電磁界センサの構成を示すブロック図である。 関連する磁界センサの構成を示すブロック図である。 関連する磁界センサの別の構成を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号をつけ、その説明を省略する場合がある。
（構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る電磁界センサの基本構成を示すブロック図である。本実施形態の電磁界センサは、複数波長単一偏光光源１１、外界センサ２０、そして波長別光強度検出装置６０を備える。また、外界センサ２０は、光学素子３０と偏光波長出射器５０とを含む。

複数波長単一偏光光源１１は、単一偏光からなる複数の光波長の光を出射することが可能である。光学素子３０は、入射した偏光の偏光面を、外界の変化に感応して回転させ出射する。ここで、外界の変化とは、電界または磁界の変化、例えば、被測定物との位置変化などによる電界または磁界の変化である。また、光学素子のより具体的な例として、伝搬する光の偏光面が、磁界によって回転するファラデー素子等の磁気光学素子、電界によって回転するポッケルス素子等の電気光学素子などがある。

偏光波長出射器５０は、光学素子３０によって偏光面が回転した偏光の２つの直交する成分に対応した２つの波長の光を偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射する。波長別光強度検出装置６０は、偏光波長出射器５０が出力する２つの光の光強度を検出する。
（作用）
単一の直線偏光からなる複数の光波長の光が、上述の光学素子３０を透過する。
ここで直線偏光とするには、直線偏光発光素子を用いても、あるいは、偏光子を用いた構成でもよい。各光波長の直線偏光の偏光面は、光学素子３０において、外界の変化に感応してそれぞれ回転する。偏光波長出射器５０は、回転した各光波長の直線偏光を２つの直交する偏光成分にそれぞれ分解し、その後、各偏光成分に対応した２つの波長の光を各偏光成分の強度に応じた強度で出射する。このように、本実施形態の電磁界センサの作用は、「偏光間の強度変化（比）」を「波長間の光の強度変化（比）」に変換するものである。そうすることによって、外界の変化の大きさに関する情報を、光の伝搬に用いる光ファイバ内での偏光面の回転の影響を受けずに検出器まで伝えることができる。その後、後段の波長別光強度検出装置６０において、波長毎の光の強度を検出して、波長間の強度変化（比）を算出する。
（効果）
本発明の電磁界センサおよび電磁界センシング方法によれば、光の偏光状態の変化を利用した電磁界センサにおける測定誤差を低減することができる。そして、電磁界センサを構成する部品や装置に対する制約を低減することができる。なぜなら、関連する磁界センサの例のように、光学素子の波長依存性を利用する測定原理ではないからである。そのため、波長依存性の大きな光学素子、互いに波長が大きく離れた複数の光波長からなる光源、などが必要という制約はない。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る電磁界センサの具体的な構成を示すブロック図である。複数波長単一偏光光源１１に相当するのが、非偏光光源２０１、光ファイバ１０２、光カプラ１０３、光ファイバ１０４、入射口１０６、レンズ１０７、そして偏光子２０２である。ここで、非偏光光源２０１には、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。

光学素子３０に相当するのが、磁気光学素子または電気光学素子であり、本実施形態では磁気光学素子１０９の場合を例にとる。偏光波長出射器５０に相当するのが、偏光ビームスプリッタ（以後、ＰＢＳと呼ぶ）１１０、反射型光フィルタ１１１と１１２である。ここで、反射型光フィルタ１１１と１１２とは、互いに反射する光波長が異なる。最後に、波長別光強度検出装置６０に相当するのが、分光装置１１４と受光器１１５である。

偏光波長出射器５０に相当するブロックについて、以下詳細に説明する。前段の磁気光学素子１０９において、非偏光光源２０１から出射し偏光子２０２を透過した直線偏光の偏光面は回転する。直線偏光が磁気光学素子１０９を通過後、ＰＢＳ１１０は直線偏光を２つの直交する成分に空間的に分離する。例えば、ＰＢＳ１１０は、偏光子２０２の透過軸と平行な方向（Ｐａｒａｌｌｅｌ）の偏光（以後、Ｐ偏光と呼ぶ）を透過し、垂直な方向（Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ）の偏光（以後、Ｓ偏光と呼ぶ）を９０°反射する。透過方向には光フィルタ１１１が配置されており、９０°反射方向には光フィルタ１１２が配置されている。光フィルタ１１１と１１２とはそれぞれ異なる反射スペクトルを有している。磁気光学素子１０９において直線偏光の偏光面の回転が無い場合、偏光子２０２を通過した光はＰＢＳ１１０を直進して、反射型光フィルタ１１１に入射する。反射型光フィルタ１１１は、狭い透過スペクトルを有しており、非偏光光源２０１の発光スペクトルの一部を反射する。

一方、磁気光学素子１０９において直線偏光の偏光面の回転がある場合、すなわち一定の強度の磁界がある場合、Ｐ偏光の直線偏光の一部はＳ偏光に変換する。すると、偏光子２０２を通過した直線偏光のうち、Ｐ偏光成分はＰＢＳ１１０を直進し、Ｓ偏光成分はＰＢＳ１１０を９０°反射する。９０°反射したＳ偏光成分は反射型光フィルタ１１２に入射する。反射型光フィルタ１１２は狭い反射スペクトルを有しており、非偏光光源２０１の発光スペクトルの一部を反射する。また、直進したＰ偏光成分は反射型光フィルタ１１１に入射し、非偏光光源２０１の発光スペクトルの一部が反射する。ここで、反射型光フィルタ１１１と光フィルタ１１２において、発光スペクトルの一部を反射する光波長は互いに異なっている。

図３は、本発明に係る光源のスペクトルと光フィルタの反射スペクトルの関係を説明するための特性図である。横軸は光波長、縦軸は光強度である。非偏光光源２０１の広いスペクトルと、反射型光フィルタ１１１と１１２の狭いスペクトルが図示されており、反射型光フィルタ１１１と１１２とは互いに異なる波長域に反射スペクトルを有するものである。

ＰＢＳ１１０によって各偏光成分が空間的に分離された後の説明に戻る。その後、光フィルタ１１２を反射したＳ偏光成分は、ＰＢＳ１１０に入射する。また、光フィルタ１１１を反射したＰ偏光成分も同様に、ＰＢＳ１１０に入射する。Ｓ偏光成分は光フィルタ１１２を反射することで、Ｐ偏光成分は光フィルタ１１１を反射することで、各偏光成分は互いに異なる光波長域と１対１に対応つけられる。そして、ＰＢＳ１１０において２つの直交する偏光成分は合波する。合波した偏光は、再び磁気光学素子１０９に入射する。以後、偏光子２０２、レンズ１０７、入射口１０６、光ファイバ１０４、光カプラ１０３、分光装置１１４を介して受光器１１５に到達する。ここで、外界センサにおける偏光面の回転情報が伝搬する光について、その偏光面が光ファイバ内等において回転するにもかかわらず、外界センサにおける偏光面の回転情報は、互いに異なる光波長間の光強度変化（比）として維持され到達している。

このように、外界センサにおける「偏光間の強度変化（比）」情報を「波長間の強度変化（比）」情報に変換する作用を偏光波長出射器５０に相当するブロックは行う。そして、その強度変化（比）から光学素子に印加された磁界の強度を算出することができる。以上のように、本実施形態に係る電磁界センサは、第１の実施形態に係る電磁界センサと同等の効果を奏する。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電磁界センサの具体的な構成を示すブロック図である。本実施形態の構成が第１の実施形態と異なる点は、入射口と出射口とが同一である反射型ではなく、入射口と出射口とを別々である透過型となっている点である。具体的には、反射型光フィルタ１１１、１１２に代わって、透過型光フィルタ５０８、５０９を備える。また、反射鏡５１０およびＰＢＳ５１１、出射口５１２を新たに備える。そして、光カプラ１０３はここでは無い。それ以外の本実施形態の構成は第１の実施形態と同様である。

例えばＬＥＤのような非偏光光源５０１から出た光は、光ファイバ５０２、入射口５０３を介して、磁界センサへ入射する。光は入射口５０３から入射し、レンズ５０４により平行光化された後、偏光子５０５を透過して直線偏光となる。直線偏光は、磁気光学素子５０６を透過した後、ＰＢＳ５０７に入射する。ＰＢＳ５０７は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を９０°反射する。透過方向には、透過型光フィルタ５０８が配置されており、９０°反射方向には透過型光フィルタ５０９が配置されている。透過型光フィルタ５０８と５０９は、それぞれ異なる透過スペクトルを備えている。

まず、光学素子に磁界がかからない場合、偏光子５０５を通過した例えばＰ偏光の光は、偏光の回転面を維持したまま、磁気光学素子５０６およびＰＢＳ５０７を通過して、透過型光フィルタ５０８に入射する。透過型光フィルタ５０８は、狭い透過スペクトルを備えており、非偏光光源５０１の発光スペクトルの一部を透過する。この透過光は、ＰＢＳ５１１に入射する。ここで、ＰＢＳ５１１は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を９０°反射する。従って、この透過光は、ＰＢＳ５１１を直進したのち、出射口５１２、光ファイバ５１３、分光装置５１４を伝搬して受光器５１５に到達する。

一方、光の透過方向と平行な磁界が光学素子にかかった場合には、光学素子を透過する直線偏光の偏光面が回転する。すなわち、磁界がある一定の強度の場合には、偏光子２０２の透過軸と直交する偏光成分、ここではＳ偏光成分が発現する。この場合、磁気光学素子５０６を透過したＳ偏光成分の光は、ＰＢＳ５０７で９０°反射し、透過型光フィルタ５０９に入射する。透過型光フィルタ５０９は、透過型光フィルタ５０８とは異なる光波長域に狭い透過スペクトルを備えている。そのため、非偏光光源５０１の発光スペクトルのうち、偏光子５０５の透過軸と平行な偏波成分が透過する透過型光フィルタ５０８とは異なる光波長域の光であって、偏光子５０５の透過軸と直交する偏光成分の光が透過型光フィルタ５０９を透過する。

光フィルタ５０９を透過したＳ偏光成分は、反射鏡５１０を介して、ＰＢＳ５１１に入射する。また、光フィルタ５０８を透過したＰ偏光成分も同様に、ＰＢＳ５１１に入射する。Ｓ偏光成分は光フィルタ５０９を透過することで、Ｐ偏光成分は光フィルタ５０８を透過することで、各偏光成分は互いに異なる光波長域と１対１に対応つけられる。そして、ＰＢＳ５１１において２つの直交する偏光成分は合波する。合波した偏光は、出射口５１２、光ファイバ５１３、分光装置５１４を介して受光器５１５に到達する。

分光器５１４および受光器５１５を使用して、各透過型光フィルタからの異なる光波長域間の透過光の強度比を求めることができる。その理由は、透過型光フィルタ５０８と５０９は、図２と同等の狭いスペクトルの光を、互いに異なる光波長域において透過しているからである。そして、その強度比から光学素子に印加された磁界や電界の強度を算出することができる。以上のように、本実施形態に係る電磁界センサは、第１の実施形態に係る電磁界センサと同等の効果を奏する。そして、原理的に受光器に到達する光の光強度が略一定となるので、電磁界センサに至る光供給路の断線などの検知も容易となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る電磁界センサの構成を示すブロック図である。本実施形態では、電磁界センサを近接センサとして用いる場合について説明する。そして、電磁界センサとして、磁界センサを用いた場合を例にとる。

磁界センサ２０３に磁石３０３を備えた測定対象物３０２が接近した場合に、磁界センサ２０３が磁石３０３が生じる磁界を感知することにより、測定対象物３０２の接近を感知するものである。

具体的には、測定対象物３０２が磁界センサ２０３に近づくと、磁石３０３が発生する磁界によって、磁気光学素子１０９内を透過する直線偏光の偏光面の回転が生じる。特に、測定対象物３０２と磁界センサ２０３が接触する場合において、磁気光学素子１０９の特性、大きさ、そして磁石の磁力を、好適には磁気光学素子１０９での偏光面の回転が９０°となるように設定する。その理由は、測定対象物３０２と磁界センサ２０３とが互いに接触した場合と離れた場合とにおいて、２つの反射スペクトルについてそれぞれ片方のみが検出されることとなって、判別が容易となるからである。

近接センサにおいては、通常、近接センサと測定対象物（磁石）とが十分近接したか否か、すなわちＯＮ/ＯＦＦのみを判断する場合が多い。この測定対象物に、浮き、転倒枡、ワイヤーなどを取り付けることによって、液面センサ、雨量センサ、落石検知センサなどへの応用が可能となる。これらの近接センサは、センサ部に電源が不要であり、可動部もない。そのため、センサ部における故障率が低く、また、センサ部の保守点検も容易となる。さらに、防爆性に優れるため、化学プラント内などでも使用可能である。また、無誘導性であるため大きな電磁界が発生した場合でも故障しにくく、耐雷性に優れる。また、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）測定器を使って、複数の異なるセンサの情報を同一の光ファイバラインにて一度に計測することができる、などの利点を有する。

また、図６は、本発明の第３の実施形態に係る近接センサの別の構成を示すブロック図である。図５の近接センサでは、光の入射方向と対象物の近接方向とが直交しているのに対して、図６の近接センサでは、光の入射方向と対象物の近接方向とが平行である点において、両者は異なる。図６の近接センサでは、反射鏡３０４を使って光路を９０°曲げている。

以上述べたように、図５または図６に示す近接センサは、測定対象物３０２の位置変化を、異なる光波長間の光強度変化（比）によって検知する。そのため、ＦＢＧセンサ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ）と混在させたセンサ網において、１つの測定機器で複数種類のセンサ部の測定ができるという利点がある。より具体的には、関連するセンサと比較すると、上述の液面センサ、雨量センサ、そして落石検知センサには、光の強弱もしくはＯＮ/ＯＦＦによって状態を判別するＯＴＤＲなどの測定器が必要であった。また、上述のＦＢＧを用いた歪センサ、流速センサ、そして水位センサなどを用いた防災センサ網には、広帯域光源もしくは波長可変レーザを用いた波長変化を検知する測定器が必要であった。即ち、関連するセンサにおいては複数の測定器が必要であった。これに対し、本実施形態における電磁界センサを用いれば、波長変化を検知する測定機器のみで、複数のセンサからの情報を得ることができる。そのため、コスト低減が可能となる。特に、ＦＢＧセンサを既に運用しており、そこに近接センサを応用したセンサを追加する場合、新たな測定器の導入が不要となる。そのため、追加コストを大幅に抑えることができるという効果を奏する。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る電磁界センサの構成を示すブロック図である。例えば、ＳＬＤのような単一偏光光源１０１から出た光は、光ファイバ１０２、光カプラ１０３、光ファイバ１０４を伝搬して、磁界センサ１０５へ入射する。光は入射口１０６から入射し、レンズ１０７により平行光化された後、偏光変換素子（ＰＣＳ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）１０８を通り、互いに偏光面が直交する２つの直線偏光である偏光１と偏光２に分けられる。ここで、ＰＣＳ１０８を通過した直後において、偏光１はＰ波、偏光２はＳ波とする。偏光１と２は、磁気光学素子１０９を通って、ＰＢＳ１１０に入射する。本実施形態では磁気光学素子１０９の場合を例にとるが、電気光学素子を用いる構成も可能である。

ＰＢＳ１１０は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を９０°反射するものとする。偏光１の透過方向および偏光２の９０°反射方向にはそれぞれ光フィルタ１１１を配置する。一方、偏光１の９０°反射方向および偏光２の透過方向にはそれぞれ光フィルタ１１２を配置する。反射型光フィルタ１１１と１１２とはそれぞれ異なる狭い反射スペクトルを有している。

まず、光学素子に磁界や電界がかからない場合、偏光１と２とはそれぞれ偏光面の回転を維持したまま、磁気光学素子１０９を通過し、ＰＢＳ１１０に到達する。ここで、偏光１はＰ偏光、偏光２はＳ偏光であるので、ＰＢＳは偏光１を透過し、ＰＢＳは偏光２を９０°反射する。従って、いずれの偏光もフィルタ１１１で反射する。その後、偏光１と２の反射光は、入射時と逆の光路を通ってそれぞれＰＣＳ１０８に入射し、合波して出射する。合波した偏光は、レンズ１０７、入射口１０６を通り、さらに光ファイバ１０４、光カプラ１０３、光ファイバ１１３、分光装置１１４を通って受光器１１５に到達する。

他方、磁気光学素子１０９において直線偏光の偏光面の回転がある場合、すなわち一定の強度の磁界がある場合、偏光１においてはＰ偏光の直線偏光の一部がＳ偏光に変換し、偏光２においてはＳ偏光の直線偏光の一部がＰ偏光に変換する。従って、変換された直線偏光の一部はいずれの光線もフィルタ１１２で反射される。図７は、この状態を示して入る。ここで、光フィルタ１１２は光フィルタ１１１とは異なる光波長域に狭い反射スペクトルを有している。これらの反射光は、ＰＢＳ１１０を通って磁気光学素子１０９に再度入射する。その後、これら反射光は入射時と逆の光路でＰＣＳ１０８において合波し、合波した光は、前述と同様の光路を辿り、分光装置１１４を通って受光器１１５に到達する。

分光器１１４および受光器１１５により、各反射型光フィルタからの異なる光波長域間の反射光の強度比を求めることができる。そして、その強度比から光学素子に印加された磁界や電界の強度を算出することができる。

以上のように、本実施形態に係る電磁界センサは第１の実施形態に係る電磁界センサと同等の効果を奏する。加えて、本実施形態に係る電磁界センサは、第１の実施形態に係る電磁界センサの場合のような非偏光光源に留まらず、ＳＬＤのような単一偏光光源に対しても用いることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施方法は上記した形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。例えば、磁気光学素子に代えて電気光学素子を用いることも可能である。また、光カプラ１０３に代えて、光サーキュレータを用いることも可能である。また、ＰＣＳの代わりに複屈折結晶を用いて偏光を分離および合波することもできる。また、分光装置に代えて波長フィルタを使って異なる光波長域間の反射光を分離し、これら反射光をそれぞれ別の受光器で受光しても良い。さらに、ＳＬＤ光源に代えて波長可変レーザ光源を用いることも可能である。この場合には分光装置１１４は不要であり、波長可変レーザの発振波長を掃引して、波長が光フィルタ１１１の反射スペクトル内での反射光強度と光フィルタ１１２の反射スペクトル内での反射光強度とをそれぞれ記憶し、比較することとなる。

以上のように説明してきた本発明の各実施形態について、本発明は上記実施形態に限定されることはない。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

１０ 光源
１１ 複数波長単一偏光光源
１０１、７０１ 単一偏光光源
２０１、５０１、６０１ 非偏光光源
１０２、５０２、６０２、７０２、１０４、７０４、１１３、７１０、
５１３、６１０ 光ファイバ
１０３、７０３ 光カプラ
１０６、５０３、６０３、７０５ 入射口
１０７、５０４、６０４、７０６、６０８ レンズ
２０２、５０５、６０５ 偏光子
６０７ 検光子
２０ 外界センサ
１０５、２０３、３０１ 磁界センサ
３０ 光学素子
１０９、５０６、６０６、７０８ 磁気光学素子
１０８ ＰＣＳ
７０７ 複屈折結晶
１１１、１１２ 反射型光フィルタ
５０８、５０９ 透過型光フィルタ
３０２ 測定対象物
３０３ 磁石
１１０、５０７、５１１ ＰＢＳ
５０ 偏光波長出射器
３０４、５１０、７０９ 反射鏡
５１２、６０９ 出射口
１１４、５１４ 分光装置
１１５、７１１、５１５、６１１ 受光器
６０ 波長別光強度検出装置

Claims (10)

1. 単一偏光からなる複数の波長の光を出射することができる光源と、
   前記単一偏光からなる光の偏光面を外界の変化に感応して回転させて出射する光学素子と、
   前記光学素子が出射する偏光面が回転した偏光の２つの直交する偏光成分に対応した少なくとも２つの波長の光を、前記偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射する偏光波長出射器と、
   前記偏光波長出射器が出力する少なくとも２つの波長の光の強度を検出する波長別光強度検出装置と、
   を有することを特徴とする電磁界センサ。
2. 前記偏光波長出射器は、
   互いに直交する第一の偏光と第二の偏光を入射し、前記第一の偏光を第一の方向に出射し、前記第二の偏光を第二の方向に出射する偏光分離素子と、
   第一の波長を含むスペクトル幅を備えた第一の光フィルタと、
   第二の波長を含むスペクトル幅を備えた第二の光フィルタと、
   を少なくとも備え、
   前記第一の光フィルタは前記第一の偏光を入射し、前記第二の光フィルタは前記第二の偏光入射することを特徴とする請求項１に記載の電磁界センサ。
3. 前記光フィルタは、一の波長を反射し他の光波長を反射しない反射型フィルタであり、
   前記光学素子は、前記反射型フィルタで反射された前記第一の偏光および前記第二の偏光を入射する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電磁界センサ。
4. 前記第一の光フィルタは２個からなり、前記第一の方向と前記第二の方向にそれぞれ配置しており、
   前記第二の光フィルタは２個からなり、前記第一の方向と前記第二の方向にそれぞれ配置している
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の電磁界センサ。
5. 前記光源は、前記光フィルタのスペクトル幅よりも広い波長範囲の光を出射することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電磁界センサ。
6. 前記光源は、
   偏光依存性のない光を出射する発光素子と、
   前記偏光依存性のない偏光を入射し、所定の直線偏光を出射する偏光子と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁界センサ。
7. 前記光源は、
   直線偏光の光を出射する発光素子と、
   前記直線偏光を互いに直交する２つの偏光に変換して空間的に分離して出射する偏光変換素子と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁界センサ。
8. 前記光学素子は、前記外界の変化として、電界の変化および磁界の変化のいずれかに感応して前記偏光面を回転させる
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光センサ。
9. 前記光学素子は、磁界により偏光面を回転させる磁気光学素子、および、電界により偏光面を回転させる電気光学素子のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電磁界センサ。
10. 単一偏光からなる複数の波長の光を生成し、
    前記単一偏光からなる光の偏光面を外界の変化に感応して回転させて出射し、
    前記出射した偏光面が回転した偏光の２つの直交する偏光成分に対応した少なくとも２つの波長の光を、前記偏光成分の強度に応じた強度でそれぞれ出射し、
    前記出力した少なくとも２つの波長の光の強度を検出する
    ことを特徴とする電磁界センシング方法。

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