(57)【要約】【課題】簡単な方法で、複数の光検出手段の検出誤差を補正して測定精度を向上させることができる光センサ測定装置の提供。【解決手段】広帯域光源１０から波長変化型光センサ３０に入射された光の反射光を干渉させるマッハツェンダー干渉計５０と、このマッハツェンダー干渉計５０から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタ６０と、このビームスプリッタ６０で分岐された位相の異なる出力光を検出する第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３と、マッハツェンダー干渉計５０で干渉させないように光の強度を変調する光強度変調手段１と、この光強度変調手段１によって得られた干渉しない光の検出値を第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で求めて補正値とし、補正値に基づいて測定値を補正するＭＰＵ３とを備える。【選択図】図１
2010096597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定物に設置される波長変化型光センサと、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を入射するとともに前記反射光もしくは前記透過光を干渉させる干渉計と、この干渉計から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタと、このビームスプリッタで分岐された位相の異なる出力光を検出する複数の光検出手段と、前記干渉計で干渉させないように光の強度を変調する光強度変調手段と、この光強度変調手段によって得られた前記干渉計で干渉しない光の検出値を前記光検出手段で求めて補正値とし、この補正値に基づいて前記光検出手段で検出される測定値を補正する演算手段と、を備えたことを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載された光センサ測定装置において、
前記干渉計はマッハツェンダー干渉計であり、このマッハツェンダー干渉計は複数の光路を備え、これらの光路のうち一方の光路に前記光強度変調手段を設けたことを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された光センサ測定装置において、
前記光源は広帯域の波長の光を照射する光源であり、前記波長変化型光センサは異なる波長の光を反射あるいは透過させるものが複数あり、前記複数の光検出手段から１つの測定ユニットが構成され、これらの測定ユニットと前記光源との間には一定の波長領域で区切って分岐する分岐手段が設けられていることを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３のいずれかに記載された光センサ測定装置において、
前記光強度変調手段は、遮光物の挿入によるスイッチング素子を有することを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載された光センサ測定装置において、
前記光強度変調手段は、前記一方の光路を完全に遮断することを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載された光センサ測定装置において、
前記光源は光強度変調機能を有することを特徴とする光センサ測定装置。
【請求項７】
光源から出射される光を被測定物に設置される波長変化型光センサに入射し、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を干渉計で干渉させ、この干渉計から出力される出力光をビームスプリッタで位相の異なった光に分岐し、このビームスプリッタで分岐された位相の異なる出力光を複数の光検出手段で検出する光センサ測定方法であって、
測定前に、前記干渉計で干渉させないように光の強度を変調し、この干渉しない光を前記光検出手段で求めて補正値とし、この補正値に基づいて前記光検出手段で求められる測定値を補正することを特徴とする光センサ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、変位、傾斜などの物理量の測定を行う光センサ測定装置及びその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、主に通信用として広く利用されているが、計測分野においても広範囲にわたり研究が行われており、様々な光ファイバセンサが実用化されている。
その中でも、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と称される波長変化型光センサは、落雷・電磁ノイズに対して耐性に優れ、さらには、耐候性に優れるといった光ファイバセンサに共通する特長を有し、その上、波長多重伝送（ＷＤＭ)により複数の光センサが遠隔計測可能であり、かつ、歪計測精度が高くなる、という優れた特徴をも有する。これらの特徴を活かして光ファイバセンサのひずみ・変位計測への応用が数多く検討、さらには実用化されている。
【０００３】
この光ファイバセンサとしては、非特許文献１で示される従来例がある。この非特許文献１の従来例と同様構成の従来例が図１０に示されている。
図１０において、光センサ測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過するサーキュレータ２０と、このサーキュレータ２０で通過した光が入射し被測定物に設置されるＦＢＧ等の光センサ３０とを備えている。そして、光センサ３０で特定波長のみ反射または透過された光は再びサーキュレータ２０を通過して反射光を分波する光学素子４０に送られて２分岐され、マッハツェンダー干渉計５０に入射する。マッハツェンダー干渉計５０は、光路差を設けるための２つの光路５１，５２を有するものであり、異なる光路５１，５２を通過した光は再びビームスプリッタ６０で合波された後、３分岐される。３分岐された光は、それぞれ位相が（２π／３）異なっており、この光をビームスプリッタ６０にそれぞれ接続された３つの光電変換器７１，７２，７３で電気信号に変換した後、これらの光電変換器７１，７２，７３にそれぞれ接続された増幅器８１，８２，８３で増幅を行い、ＡＤ変換器９１，９２，９３でデジタル信号に変換してＭＰＵ１００で演算し測定値を求める。
光電変換器７１，７２，７３で検出される光強度は、光センサ３０の波長変化に伴い正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは、数式（１）で示すことができる。
【０００４】
【数１】
2010096597.tif 000003
【０００５】
数式（１）において、λは光センサの波長、ｎは光ファイバ屈折率、ｄは、マッハツェンダー干渉計５０の２本の光路５１，５２の光路長の差、Δλは光センサ３０の波長変化量である。
この数式（１）からわかる通り、位相変化がわかれば、逆に波長変化量を計算することができる。位相変化の復調は、増幅器８１，８２，８３の出力電圧を用いて行われる。増幅器８１，８２，８３は３つあり、それぞれの出力電圧Ｖｎは数式（２）で表すことができる。
【０００６】
【数２】
2010096597.tif 000004
【０００７】
数式（２）では、αｎは光の過渡的な強度変化による外乱成分、Ｃは光電変換器７１，７２，７３の暗電流と増幅器のＤＣ成分とが合算された数値、ｎは３つの増幅器８１，８２，８３の番号を示し、ｎ＝１〜３である。例えば、Ｖ１は増幅器８１の電圧値である。数式（３）を用いてこの３つの増幅器８１，８２，８３の出力から位相変化量を算出できる。
【０００８】
【数３】
2010096597.tif 000005
【０００９】
従って、ＭＰＵ１００で数式（３）の演算を行い、増幅器８１，８２，８３の３つの出力から位相変化量を算出し、続いて数式（１）の演算を行うことで、波長変化量を算出することができる。この波長変化量を光ファイバセンサが物理量に変換することで、測定値が求められる。
【００１０】
【非特許文献１】M.D.Todd,G.A.Johnson and C.C.Chang,  ”Passive, light intensity-independent interferometric method for fiber Bragg grating interrogation” ,ELECTRONINC LETTERS, 1999, Vol.35, No.22, p.1970-1971」（出版元：「Institution of Engineering and Technology;  Stevenage」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来例では、数式（３）の演算を行う前提条件として、増幅器８１，８２，８３からの出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は３つとも電圧の振幅量とオフセット位置が揃っている必要がある。
しかし、現実には、図１１に示される通り、増幅器８１，８２，８３のゲイン特性のばらつき、ビームスプリッタ６０の分岐特性のばらつき、光電変換器７１，７２，７３の特性のばらつき、さらには、測定対象となる光センサ３０の反射特性のばらつき等により、３つの電圧出力の振幅量とオフセット位置を揃えることはできず、測定精度の向上が十分に図れるものではない。
そこで、従来では、測定前に測定対象となる光センサ３０の波長を数式（１）の位相角度が３６０°以上回転するまで変化させ、増幅器８１，８２，８３からの出力特性を把握し、数式（３）による演算前に補正を施すことが行われている。
【００１２】
光センサ３０の波長を変化させるためには、光センサ３０が測定対象とする物理量、例えば、加速度等を変化させる必要があり、そのため、たとえば構造物に設置後の光加速度センサを従来方式の装置で測定しようとした場合、光センサ３０の接続後に実際に光センサ３０を揺らして、波長を変化させる必要がある。実際には、構造物が大きく光センサ３０を大きく加振できないことが多く、その結果、波長変化が不十分で、位相角度が３６０°以上回転したときの３つの増幅器８１，８２，８３からの出力特性を把握することができないために、数式（３）の演算を行うことができないという課題がある。
【００１３】
本発明の目的は、簡単な方法で、複数の光検出手段の検出誤差を補正して測定精度を向上させることができる光センサ測定装置及び光センサ測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の光センサ測定装置は、光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定物に設置される波長変化型光センサと、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を入射するとともに前記反射光もしくは前記透過光を干渉させる干渉計と、この干渉計から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタと、このビームスプリッタで分岐された位相の異なる出力光を検出する複数の光検出手段と、前記干渉計で干渉させないように光の強度を変調する光強度変調手段と、この光強度変調手段によって得られた前記干渉計で干渉しない光の検出値を前記光検出手段で求めて補正値とし、この補正値に基づいて前記光検出手段で検出される測定値を補正する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の光センサ測定方法は、光源から出射される光を被測定物に設置される波長変化型光センサに入射し、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を干渉計で干渉させ、この干渉計から出力される出力光をビームスプリッタで位相の異なった光に分岐し、このビームスプリッタで分岐された位相の異なる出力光を複数の光検出手段で検出する光センサ測定方法であって、測定前に、前記干渉計で干渉させないように光の強度を変調し、この干渉しない光を前記光検出手段で求めて補正値とし、この補正値に基づいて前記光検出手段で求められる測定値を補正することを特徴とする。
【００１６】
以上の構成の本発明では、測定の前に、光強度変調手段によって、干渉計での光の干渉をしないようにする。この状態で、光源から光を波長変化型光センサに入射し、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を干渉させない状態で干渉計を通過させる。そして、この干渉計から出力される出力光をビームスプリッタで分岐した後、複数の光検出手段で検出し、この検出値を補正値とする。
実際の測定にあたっては、まず、光強度変調手段によって、干渉計での光の干渉をさせるように設定し、その後、通常通り、測定作業を行う。つまり、光源から光を波長変化型光センサに入射し、この波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を干渉計で干渉させる。この干渉計から出力される出力光をビームスプリッタで位相差の異なった光に分岐した後、それぞれ分岐された光を光検出手段で検出する。この検出値は演算手段で演算されるが、この演算に際しては、補正値に基づいて補正された数値が算出される。
従って、本発明では、光強度変調手段によって、干渉計での光の干渉をさせないようにし、この状態で光検出手段で検出した検出値を補正値とし、この補正値に基づいて光検出手段で求められる測定値を補正するようにしたから、測定対象となる波長変化型光センサの波長を変化させることなく、適正な測定値を簡単に得ることができる。
なお、本発明において、干渉計として、マッハツェンダー干渉計やマイケルソン型干渉計（トワイマングリーン干渉計）を例示できる。
【００１７】
ここで、本発明では、前記干渉計はマッハツェンダー干渉計であり、このマッハツェンダー干渉計は複数の光路を備え、これらの光路のうち一方の光路に前記光強度変調手段を設けた構成が好ましい。
この構成の発明では、マッハツェンダー干渉計の一つの光路に光強度調節手段を設けるので、マッハツェンダー干渉計での光の非干渉を確実に達成することができることになり、より正確な測定値の補正をして測定精度の向上を図ることができる。
【００１８】
前記光源は広帯域の波長の光を照射する光源であり、前記波長変化型光センサは異なる波長の光を反射あるいは透過させるものが複数あり、前記複数の光検出手段から１つの測定ユニットが構成され、これらの測定ユニットと前記光源との間には一定の波長領域で区切って分岐する分岐手段が設けられている構成が好ましい。
この構成の発明では、光源から広帯域の波長の光が照射される。すると、それぞれ所定の波長において複数の波長変化型光センサが反応し、その波長に対応した光を反射あるいは透過する。反射あるいは透過された光はビームスプリッタで所定の領域毎に分岐され、例えば、高い波長領域と低い波長領域とに分岐され、それぞれの測定ユニットに入射される。各測定ユニットでは、高い波長領域と低い波長領域とで、それぞれ検出が行われる。そのため本発明では、波長領域を区分けして検出が行われるので、測定精度がより向上する。
【００１９】
前記光強度変調手段は、光ファイバのベンドロスを利用したスイッチング素子、ミラーによるスイッチングを利用したスイッチング素子、電気光学効果による屈折率変化を利用したスイッチング素子、音響光学効果によるスイッチングを利用したスイッチング素子、温度変化による屈折率変化を利用したスイッチング素子、遮光物の挿入によるスイッチング素子のいずれかでもよいが、このうち、遮光物の挿入によるスイッチング素子が好ましい。
遮光物の挿入によるスイッチング素子を用いれば、スイッチング素子の構造が簡易であり、かつ、確実に光のスイッチングが行える。
【００２０】
前記光強度変調手段は、前記一方の光路を完全に遮断する構成が好ましい。
この構成の発明では、マッハツェンダー干渉計の一つの光路を完全に遮断する構成であるため、マッハツェンダー干渉計での光の非干渉をより確実に達成することができることになり、測定精度の向上を図ることができる。
【００２１】
前記光源は光強度変調機能を有する構成が好ましい。
この構成の発明では、光検出手段で検出される値（電圧値）に光電変換器及び増幅器のオフセットレベルに変化がある場合には、精度の高い測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここで、各実施形態の説明において、同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
［第１実施形態］
図１には本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、第１実施形態の光センサ測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられたサーキュレータ２０と、光ファイバＦの他端部側に設けられた波長変化型光センサ３０とを備えている。広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦの内部にレーザ光を所定の周期をもって照射する。
【００２３】
波長変化型光センサ３０はＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と称される波長変化型光センサであり、図示しない被測定物に設置される。
サーキュレータ２０は光ファイバＦにも接続されており、広帯域光源１０から照射された光を波長変化型光センサ３０に送るとともに波長変化型光センサ３０で反射された所定の波長の反射光を光ファイバＦに送る。
この光ファイバＦには光学素子４０と、光路差を設けるための２つの光路５１，５２を有するマッハツェンダー干渉計５０と、ビームスプリッタ６０とが設けられている。
光学素子４０は、サーキュレータ２０から送られる反射光をマッハツェンダー干渉計５０の２つの光路５１，５２に分岐して送るビームスプリッタである。
マッハツェンダー干渉計５０はそれぞれ光ファイバからなる２つの光路５１，５２を備え、これらの光路５１，５２の光路差によって反射光を干渉させるものである。
【００２４】
マッハツェンダー干渉計５０の２つの光路５１，５２のうちいずれか一方、例えば、光路５２には光強度変調手段１が設けられている。
この光強度変調手段１はマッハツェンダー干渉計５０で反射光を干渉させないように光の強度を変調するものであり、その具体的な手段は問われない。例えば、図２に示される構成を採用することができる。
図２には光強度変調手段１の概略構成が示されている。
図２（Ａ）に示される光強度変調手段１は光ファイバのベンドロスを利用したスイッチング素子の例である。
図２（Ａ）において、光強度変調手段１は、光ファイバから構成される光路５２を略リング状に曲げておき、この曲げ半径ｒoを調整する構成である。光路５２の両側には図示しない引張手段が設けられており、光強度変調手段１を作動させる場合には、曲げ半径をｒ（ｒ＜ｒo）にして光路５２の内部を通過する光は遮断し、光強度変調手段１を作動させない場合には、引張手段を緩めて光路５２の内部の光の通過を許容する。光が遮断される場合の曲げ半径ｒは光路５２の直径にもよるが、１０ｍｍ以下である。
【００２５】
図２（Ｂ）で示される光強度変調手段１は遮光物の挿入によるスイッチング素子の例である。
図２（Ｂ）において、光強度変調手段１は、光ファイバから構成される光路５２を、光路５２Ａと光路５２Ｂとに２分割し、これらの光路５２Ａと光路５２Ｂとの間に遮蔽物１Ａを挿入あるいは抜出する構成である。遮蔽物１Ａは光を遮るものであれば、その材質や形状を問わない。
遮蔽物１Ａは図示しない進退機構、例えば、遮蔽物１Ａに固定されるナットと、このナットに螺合されるボールねじと、このボールねじに連結されるモータとを備え、光強度変調手段１を作動させる場合には、図２（Ｂ）の想像線に示される通り、遮蔽物１Ａを光路５２Ａと光路５２Ｂとの間に挿入し、光強度変調手段１を作動させない場合には、図２（Ｂ）の実線に示される通り、遮蔽物１Ａを光路５２Ａと光路５２Ｂとの間から抜き出す構成である。
【００２６】
図２（Ｃ）で示される光強度変調手段１はミラーによるスイッチングを利用したスイッチング素子の例である。
図２（Ｃ）において、光強度変調手段１は、光ファイバから構成される光路５２を、光路５２Ａと光路５２Ｂとに２分割し、これらの光路５２Ａと光路５２Ｂとをミラー１Ｂに対してそれぞれ角度β１，β２をもって配置した構成である。ミラー１Ｂは図示しないモータによって回動可能とされ、ミラー１Ｂに対する光路５２Ａからの光の出射角β１と、ミラー１Ｂから反射されて光路５２Ｂへ向かう光の反射角β２とはミラー１Ｂの回動角によって相違する。光強度変調手段１を作動させる場合には、図２（Ｃ）の想像線に示される通り、ミラー１Ｂは角度β１と角度β２とが一致しないようにする。これにより、光路５２Ａから出射された光はミラー１Ｂで反射されても光路５２Ｂに入射されることがなく、光を遮断する。これに対して、光強度変調手段１を作動させない場合には、図２（Ｃ）の実線に示される通り、ミラー１Ｂは角度β１と角度β２とが一致するようにする。これにより、光路５２Ａから出射された光はミラー１Ｂで反射された後光路５２Ｂに入射されることになる。
【００２７】
図２（Ｄ）で示される光強度変調手段１は、電気光学効果による屈折率変化を利用したスイッチング素子または温度変化による屈折率変化を利用したスイッチング素子である。
図２（Ｄ）において、光強度変調手段１は、光ファイバから構成される光路５２を、光路５２Ａと光路５２Ｂとに２分割し、これらの光路５２Ａと光路５２Ｂとの間に屈折率が異なる２種類の物質１ＣＡ，１ＣＢを設け、これらの物質１ＣＡ，１ＣＢの屈折率ｎＡ，ｎＢを変化させる構成である。物質１ＣＡ，１ＣＢの屈折率ｎＡ，ｎＢを変化させるために、電気光学効果による屈折率変化を利用する方法は、物質１ＣＡ，１ＣＢの一方に電場をかけるものであり、温度変化による屈折率変化を利用した方法は、物質１ＣＡ，１ＣＢの一方を加熱又は冷却するものである。
【００２８】
光強度変調手段１を作動させる場合には、図２（Ｄ）の想像線に示される通り、電気光学効果や温度変化を利用して、物質１ＣＡの屈折率ｎＡと物質１ＣＢの屈折率ｎＢとを相違させて光路５２Ａから出射した光を物質１ＣＡと物質１ＣＢとの境界面で全反射させるようにし、光強度変調手段１を作動させない場合には、図２（Ｄ）の実線に示される通り、電気光学効果や温度変化を利用して、物質１ＣＡの屈折率ｎＡと物質１ＣＢの屈折率ｎＢとを同じにして光路５２Ａから出射した光を物質１ＣＡと物質１ＣＢとの境界面を透過させて光路５２Ｂに入射させる。
なお、本実施形態では、図２で示される以外にも、光強度変調手段１として音響光学効果によるスイッチングを利用したスイッチング素子を採用することもできる。
【００２９】
図１において、ビームスプリッタ６０はマッハツェンダー干渉計５０から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するものであり、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３に接続されている。これらの第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３はビームスプリッタ６０で３つに分岐された位相が（２π／３）ずつ異なる出力光を検出するものであり、その検出信号は演算手段であるＭＰＵ３に送られる。
第１光検出手段２１は、ビームスプリッタ６０から送られた光を電気信号に変換する第１光電変換器７１と、この第１光電変換器７１から出力される信号を増幅する第１増幅器８１と、この第１増幅器８１で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第１ＡＤ変換器９１とを備えている。
第２光検出手段２２は、ビームスプリッタ６０から送られた光を電気信号に変換する第２光電変換器７２と、この第２光電変換器７２から出力される信号を増幅する第２増幅器８２と、この第２増幅器８２で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第２ＡＤ変換器９２とを備えている。
第３光検出手段２３は、ビームスプリッタ６０から送られた光を電気信号に変換する第３光電変換器７３と、この第３光電変換器７３から出力される信号を増幅する第３増幅器８３と、この第３増幅器８３で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第３ＡＤ変換器９３とを備えている。
【００３０】
ＭＰＵ３は、第１ＡＤ変換器９１、第２ＡＤ変換器９２及び第３ＡＤ変換器９３からそれぞれ出力された信号に基づいて所定の演算を行う。
この際、第１光電変換器７１、第２光電変換器７２及び第３光電変換器７３で検出される光強度は、波長変化型光センサ３０の波長変化に伴って正弦波を描くことになり、この正弦波の位相変化Δφは、前述の数式（１）で示すことができる。そして、前述の数式（２）から第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３のそれぞれの出力電圧Ｖｎを求めることができる。さらに、前述の数式（３）から、第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３の電圧出力に基づいて位相角度φ（ｔ）の算出を行う。
本実施形態のＭＰＵ３は、得られたマッハツェンダー干渉計５０で干渉しない光の検出値を第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で求めて補正値とし、この補正値に基づいて測定値を補正する補正工程を実施する。
そのため、光強度変調手段１を作動させてマッハツェンダー干渉計５０での干渉がないようにし、この干渉がない状態での第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３からの電圧出力をＶｎ-refとする。
【００３１】
【数４】
2010096597.tif 000006
【００３２】
変調の結果算出された出力電圧Ｖｎ-refは、そのまま、波長変化型光センサ３０からの反射光の強度及び波長変化型光センサ３０毎に異なるビームスプリッタ６０の分岐特性を示すものである。そのため、Ｖｎ-refを用いて特性を把握し、実際の測定時には、数式（４−１）（４−２）（４−３）を用いてＭＰＵ３での電圧出力の補正を行う。
【００３３】
【数５】
2010096597.tif 000007
【００３４】
数式（４）において、Ｖn-cは補正後の電圧値を示す。つまり、Ｖ１-cは補正後の第１増幅器８１の電圧値であり、Ｖ２-cは補正後の第２増幅器８２の電圧値であり、Ｖ３-cは補正後の第３増幅器８３の電圧値である。これらを数式（３）に適用することにより位相角度を算出することができる。
第１実施形態では、測定前に、光強度変調手段１を作動させてマッハツェンダー干渉計５０で干渉させないように光の強度を変調する。そして、干渉しない光を第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で求めて補正値とする。
その後、光強度変調手段１を作動させないでマッハツェンダー干渉計５０で干渉が生じる状態とし、通常の測定作業を行う。第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で検出された検出値は前述の補正値で補正されて正しい測定値としてＭＰＵ３で演算される。
【００３５】
ここで、本実施形態では、通常は、完全に光を遮断して強度変調後の電圧レベルをＶｎ-refとして、数式（４−１）（４−２）（４−３）を直接適用するが、完全に光を遮断できない変調方法、例えば、光強度変調手段１として図２（Ａ）に示されるベンドロスを利用する場合では、数式（５）を用いて数式（４−１）（４−２）（４−３）に使用する系数Ｖｎ-refを求めることができる。数式（５）において、Ｖｎ-refは干渉がない時の出力電圧（n=1,2,3）であり、Vnは強度変調を行う前の電圧値であり、Ｖｎ-attは強度変調を行ったときの電圧値であり、Attrは、強度変調比を示すものであり、その変化範囲は、０＜Attr≦１である。
つまり、数式（５）を用いることで、完全に干渉をなくさなくても、数式（４−１）（４−２）（４−３）を適用することが可能である。
【００３６】
従って、第１実施形態は次の作用効果を奏することができる。
（１）広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射される光が入射するとともに被測定物に設置される波長変化型光センサ３０と、この波長変化型光センサ３０に入射された光の反射光を入射するとともに反射光を干渉させるマッハツェンダー干渉計５０と、このマッハツェンダー干渉計５０から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタ６０と、このビームスプリッタ６０で分岐された位相の異なる出力光を検出する第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３と、マッハツェンダー干渉計５０で干渉させないように光の強度を変調する光強度変調手段１と、この光強度変調手段１によって得られた干渉しない光の検出値を第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で求めて補正値とし、この補正値に基づいて測定値を補正するＭＰＵ３とを備え、測定前に、マッハツェンダー干渉計５０で干渉させないように光の強度を変調して補正値を算出し、この補正値に基づいて第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で求められる測定値を補正する補正工程を実施するから、測定対象となる波長変化型光センサ３０の波長を変化させることなく、適正な測定値を簡単に得ることができる。そのため、従来のように、測定対象となる波長変化型光センサの波長を変化させることを要しないので、適正な測定値を簡単に得ることができる。
【００３７】
（２）マッハツェンダー干渉計５０は２つの光路５１，５２を備え、これらの光路５１，５２のうち一方の光路５２に光強度変調手段１を設けたから、マッハツェンダー干渉計５０での光の非干渉を確実に達成することができる。そのため、より正確な測定値の補正をして測定精度の向上を図ることができる。
【００３８】
（３）光強度変調手段１として、遮光物１Ａの挿入によるスイッチング素子を用いれば、スイッチング素子の構造が簡易となり、かつ、確実に光の遮蔽及び通過が行える。そのため、光強度変調手段１が確実に作動することになり、正確な補正値を求めて測定精度を向上させることができる。
【００３９】
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。
［第２実施形態］
図３には本発明の第２実施形態が示されている。第２実施形態は第１実施形態とは光検出手段の構成が相違するものであるが、他の構成は第１実施形態と同じである。
図３において、第２実施形態の光センサ測定装置は、光検出手段が第１光検出手段２１と第２光検出手段２２とから構成されており、サーキュレータ２０と光学素子４０との間にはサーキュレータ２０から送られる反射光を光学素子４０と第４光電交換器７４とに分岐する光学素子４１が設けられている。第４光電交換器７４は、光学素子４１から送られた光を電気信号に変換するものである。そのため、広帯域光源１０から出射された光は、サーキュレータ２０を通過し、波長変化型光センサ３０に入射するが、波長変化型光センサ３０で特定波長のみ反射された光は再びサーキュレータ２０を通過し、光学素子４１で第４光電変換器７４と光学素子４０に向かう光とに分岐される。光学素子４０に向かった光は、光学素子４０で２つに分岐され、マッハツェンダー干渉計５０に入射する。マッハツェンダー干渉計５０を通過した光はビームスプリッタ６０で合波され、再び２分岐される。２分岐された光は、それぞれ位相が（２π／３）異なっており、この位相の異なる光が第１光検出手段２１と第２光検出手段２２とで変換されてＭＰＵ３で演算される。
【００４０】
この際、第１光検出手段２１の第１光電変換器７１と第２光検出手段２２の第２光電変換器７２とで検出される光強度は、波長変化型光センサ３０での波長変化に伴い、正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは、数式（６−１）（６−２）及び数式（７）を用いて示すことができる。
第１増幅器８１と第２増幅器８２の出力信号のＤＣオフセットをVoffset-1とVoffset-2とし、振幅をVpp1とVpp2とし、測定時にはＭＰＵ３にて、数式（６−１）（６−２）の方法で測定データを処理し、数式（７）に示す方法で位相角度φ１及びφ２を算出する。
【００４１】
【数６】
2010096597.tif 000008
【００４２】
【数７】
2010096597.tif 000009
【００４３】
【数８】
2010096597.tif 000010
【００４４】
数式（６−１）（６−２）において、Ｖadiは処理後のデータを示し、Ｖ１は第１増幅器８１の出力電圧を示し、Ｖ２は第２増幅器８２の出力電圧を示す。数式（７）において、ＶppはＶadiの振幅、Ｖrefは第４光電変換器７４の出力を示す。
φ1及びφ２のうちどちらを測定データとして採用するかは、数式（８）のSelectFlag値が０以上であるか否かで決定する。
測定時に光量が変化すると誤差になってしまうため、第４光電変換器７４にて、光量をモニターし補正する。
第２実施形態では、第１実施形態と同様な手順で、補正、測定が実施される。
【００４５】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（４）光検出手段が第１光検出手段２１と第２光検出手段２２とから構成され、サーキュレータ２０と光学素子４０との間に光学素子４０と第４光電交換器７４とに光を分岐する光学素子４１を設けたから、第１実施形態で必要とされた第３光検出手段２３が不要とされるので、装置の構造が簡易となる。
【００４６】
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。
［第３実施形態］
図４には本発明の第３実施形態が示されている。第３実施形態は第１実施形態とは波長変化型光センサが異なる波長の光を反射するものが複数ある点並びに第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３から１つの測定ユニットが構成され、これらの測定ユニットと広帯域光源１０との間に分岐手段が設けられている点で第１実施形態と相違し、その他の構成は第１実施形態と同じである。
【００４７】
図４において、第３実施形態では、波長変化型光センサは、高い波長λ１の領域で反応する波長変化型光センサ３１と、低い波長λ２で反応する波長変化型光センサ３２との２種類が設けられている。
第３実施形態では、光学素子４０、マッハツェンダー干渉計５０、光強度変調手段１、ビームスプリッタ６０、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３から１つの測定ユニットが構成され、これらの測定ユニットは第１測定ユニット２Ａと、第２測定ユニット２Ｂとの２種類が設けられている。
これらの第１測定ユニット２Ａ及び第２測定ユニット２Ｂとサーキュレータ２０との間には一定の波長領域で２つに区切って分岐する分岐手段としてのＷＤＭカプラ４が設けられている。
【００４８】
このＷＤＭカプラ４は波長変化型光センサ３１で反応する波長λ１の反射光と波長変化型光センサ３２で反応する波長λ２の反射光とを分離し、波長λ１の反射光を測定ユニット２Ａ側の光学素子４０に送り、波長λ２の反射光を測定ユニット２Ｂ側の光学素子４０に送る。測定ユニット２Ａと測定ユニット２Ｂとでは、それぞれ第１実施形態と同様な手順で、補正、測定が実施される。なお、第３実施形態では、波長変化型光センサと測定ユニットとをそれぞれ２つとしたが、これに限定されるものではなく、測定対象に応じて３つ以上としてもよい。
【００４９】
従って、第３実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（５）反応する波長が異なる複数の波長変化型光センサ３１，３２を設け、波長変化型光センサ３１から反射された波長λ１の反射光と波長変化型光センサ３２から反射された波長λ２の反射光とを分岐するＷＤＭカプラ４を設け、このＷＤＭカプラ４で分岐された波長λ１に基づいて測定を行うために光学素子４０、マッハツェンダー干渉計５０、光強度変調手段１、ビームスプリッタ６０、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３から測定ユニット２Ａを構成し、ＷＤＭカプラ４で分岐された波長λ２に基づいて測定を行うために、光学素子４０、マッハツェンダー干渉計５０、光強度変調手段１、ビームスプリッタ６０、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３から測定ユニット２Ｂを構成した。そのため、１つの光ファイバＦに波長変化型光センサ３１，３２を直列接続して測定を行うことができる。
【００５０】
次に、本発明の第４実施形態について図５に基づいて説明する。
［第４実施形態］
図５には本発明の第４実施形態が示されている。第４実施形態は第３実施形態とはＷＤＭカプラ４の配置位置が相違するもので、他の構成は第３実施形態と同じである。
図５において、第４実施形態では、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３から１つの測定ユニットが構成され、これらの測定ユニットは第１測定ユニット２Ｃと、第２測定ユニット２Ｄとの２種類が設けられている。
これらの第１測定ユニット２Ｃ及び第２測定ユニット２Ｄとビームスプリッタ６０との間にはＷＤＭカプラ４が設けられている。
【００５１】
このＷＤＭカプラ４は波長λ１の反射光と波長λ２の反射光とを分離し、波長λ１の反射光を測定ユニット２Ｃに送り、波長λ２の反射光を測定ユニット２Ｄに送る。測定ユニット２Ｃと測定ユニット２Ｄとでは、それぞれ第１実施形態と同様な手順で、補正、測定が実施される。
【００５２】
従って、第４実施形態では、第３実施形態の（１）〜（３）（５）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（６）第１測定ユニット２Ｃ及び第２測定ユニット２Ｄとビームスプリッタ６０との間にはＷＤＭカプラ４を設けたので、光学素子４０、マッハツェンダー干渉計５０、光強度変調手段１及びビームスプリッタ６０を１セット用意すればよいから、第３実施形態に比べて、装置の構造が簡易なものとなる。
【００５３】
次に、本発明の第５実施形態について図６に基づいて説明する。
［第５実施形態］
図６には本発明の第５実施形態が示されている。第５実施形態は第１実施形態とは波長変化型光センサの構成が異なり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図６において、第５実施形態の波長変化型光センサ３３はファブリペロー干渉を利用したセンサであり、この波長変化型光センサ３３は光ファイバＦの所定位置に設けられている。
第５実施形態では、光ファイバＦの一端に広帯域光源１０から照射された光は波長変化型光センサ３３で反応して透過し、この透過光が光学素子４０に入ることになる。この光学素子４０では第１実施形態と同様に、透過光を２つに分岐し、この分岐された透過光がマッハツェンダー干渉計５０を通った後、ビームスプリッタ６０で（２／３π）位相をずらして第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３に送られる。これらの第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３において、第１実施形態と同様な手順で、補正、測定が実施される。
【００５４】
従って、第５実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（７）波長変化型光センサ３３はファブリペロー干渉を利用したセンサとし、このセンサの透過光を利用して測定を行ったので、第1実施形態に比べて、サーキュレータが不要とされるので、装置の構造が簡易となる。
【００５５】
次に、本発明の第６実施形態について図７に基づいて説明する。
［第６実施形態］
図７には本発明の第６実施形態が示されている。第６実施形態は第１実施形態とは広帯域光源の構成並びにＭＰＵ３での補正方法が異なり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図７において、第６実施形態の広帯域光源１１は光強度変調機能を有する光源である。この広帯域光源１１から照射された光はサーキュレータ２０を通過して特定波長の光が波長変化型光センサ３０で反応し、反射光としてサーキュレータ２０によって光学素子４０及びマッハツェンダー干渉計５０に送られる。そして、ビームスプリッタ６０で（２π／３）ずつ位相をずらして３つの光に分岐され、この分岐された光は第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３に送られてＭＰＵ３で演算処理される。
【００５６】
第６実施形態では、ＭＰＵ３での演算には数式（５）及び数式（４−１）（４−２）（４−３）を用いる。ここで、数式（４−１）（４−２）（４−３）の演算は第１光電変換器７１、第２光電変換器７２及び第３光電変換器７３の増幅回路が電圧のオフセットレベルに変化が発生しない条件でのみ成りたつ。オフセットレベルが変化する場合には、広帯域光源１１に強度変調を加えることによりオフセットレベル補正値を求め、数式（４−１）（４−２）（４−３）で求めたＶn-refにオフセットレベルの補正値を減算する。この補正値は数式（９）から求められる。
【００５７】
【数９】
2010096597.tif 000011
【００５８】
数式（９）において、Ｖn-offsetはオフセットレベル補正値を示し、ｎ＝１，２，３である。ｎ＝１は第1光電変換器７１のオフセットレベル補正値であり、ｎ＝２は第２光電変換器７２のオフセットレベル補正値であり、ｎ＝３は第３光電変換器７３のオフセットレベル補正値である。
Ｖn-sanは広帯域光源１１の強度変調後の第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３の電圧値を示し、ＳＡttrは光源の強度変調比を表し、０＜ＳＡttr＜１である。
以上の補正値を用いて、ＭＰＵ３での演算を実施する。
【００５９】
従って、第６実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（８）広帯域光源１１を光強度変調手段を有する光源としたから、第１光電変換器７１、第２光電変換器７２及び第３光電変換器７３の増幅回路が電圧のオフセットレベルに変化があっても、数式（９）に基づいて補正値を演算することで、精度の高い測定を行うことができる。
【００６０】
次に、本発明の第７実施形態について図８に基づいて説明する。
［第７実施形態］
図８には本発明の第７実施形態が示されている。第７実施形態は第１実施形態とは光源と波長変化型光センサ３０が設けられる光ファイバとの構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図８において、第７実施形態の光源は励起光源１２である。光ファイバＦの途中には希土類添加光ファイバＥＤＦが設けられており、この希土類添加光ファイバＥＤＦでは希土類が励起光により励起され、広帯域な自然放出光を発生させる。発生した自然放出光は波長変化型光センサ３０に入射する。この波長変化型光センサ３０で特定波長のみ反射された光は再びエルビウム等の希土類を添加した希土類添加光ファイバＥＤＦに入射する。ここで、希土類添加光ファイバＥＤＦは励起状態にあるので、特定波長の反射光が入射することにより誘導放出が起こる。誘導放出により光強度が増えた波長変化型光センサ３０からの反射光はサーキュレータ２０、光学素子４０及びマッハツェンダー干渉計５０に入射した後、ビームスプリッタ６０で３つに分岐され、第１光検出手段２１、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３で電気信号に変換された後、ＭＰＵ３で演算処理される。
【００６１】
従って、第７実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（９）光ファイバＦの途中には希土類添加光ファイバＥＤＦを設けることで、光源として励起光源１２を用い、高価な広帯域光源が不要とされ、装置のコストを低くできる。そして、広帯域光源を使用するのと比較して、１０ｄＢ以上の反射光量の増加が見込めるために、ＳＮ比の大きな光学系を構築することができる。
【００６２】
次に、本発明の第８実施形態について図９に基づいて説明する。
［第８実施形態］
図９には本発明の第８実施形態が示されている。第８実施形態は第１実施形態とは干渉計の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図９において、第８実施形態の干渉計はマイケルソン干渉計５３であり、このマイケルソン干渉計５３は２つの光路５１，５２と、これらの光路５１，５２から照射される光をそれぞれ反射させて光路５１，５２に戻すミラー５４とを備えている。光路５２には光強度変調手段１が設けられている。なお、本実施形態では、マイケルソン干渉計にはトワイマングリーン干渉計と称される干渉計も含まれる。
光路５１，５２の端部にはビームスプリッタからなる光学素子４０が設けられ、この光学素子４０はサーキュレータ２０を介して第１光検出手段２１に接続され、さらに、第２光検出手段２２及び第３光検出手段２３にそれぞれ接続される。
【００６３】
第８実施形態では、広帯域光源１０から出射された光はサーキュレータ２０を通過して波長変化型光センサ３０に入射する。この波長変化型光センサ３０で特定波長のみ反射された光は再びサーキュレータ２０を通過し、ビームスプリッタからなる光学素子４０で２つに分岐されて、マイケルソン干渉計５３に入射する。マイケルソン干渉計５３に入射した光は光路５１，５２を通りそれぞれミラー５４で反射して光学素子４０に戻る。この光学素子４０では光路５１と光路５２とから入射した光を合波した後、３つに分岐する。３分岐された光は位相が（２π／３）ずつ異なり、これらの光の１つはサーキュレータ２０を経由して第１光検出手段２１の第１光電変換器７１に送られ、残り２つは直接第２光検出手段２２の第２光電変換器７２及び第３光検出手段２３の第３光電変換器７３に送られる。そして、第１実施形態と同様に、ＭＰＵ３で演算処理される。
【００６４】
従って、第８実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（１０）干渉計としてマイケルソン干渉計５３を用いたので、全てを光ファイバ光学系で構築する場合に歩留まりが向上する。通常、マッハツェンダー干渉計の光路差を規定して作製する場合に光路差の交差は０．５ｍｍ程度である。しかし、融着接続によりビームスプリッタ同士を接続して０．５ｍｍの交差でマッハツェンダー干渉計を作製することは難しい。これに対して、マイケルソン干渉計を用いた場合には、融着接続工程が不要となり、０．５ｍｍの交差に抑えることは容易である。
【００６５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本発明では、前記各実施形態で用いられているサーキュレータ２０をビームスプリッタ（カプラ）に置き換えてもよい。サーキュレータ２０はビームスプリッタに比べて光量が増えるので、ＳＮ比の大きな光学系を構築することができる。これに対して、ビームスプリッタはサーキュレータに比べて価格が安いので、装置のコストを低くすることができる。本発明では、装置によってサーキュレータとビームスプリッタとを使い分ける。
また、本発明の干渉計は、波長変化型光センサに入射された光の反射光もしくは透過光を入射するとともに反射光もしくは透過光を干渉させる構成であれば、その具体的な構造は問わず、前述のマッハツェンダー干渉計やマイケルソン干渉計（トワイマングリーン干渉計）に限定されない。
さらに、波長変化型光センサを、第１実施形態から第４実施形態、第６実施形態、第７実施形態ではＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を利用したセンサとし、第５実施形態ではファブリペロー干渉を利用したセンサとしたが、本発明では、この逆、つまり、第１実施形態から第４実施形態、第６実施形態、第７実施形態ではファブリペロー干渉を利用したセンサとし、第５実施形態ではＦＢＧを利用したセンサとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、ひずみ、温度、加速度、変位、傾斜、圧力、音波等の物理量の測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態の概略構成図。
【図２】（Ａ）から（Ｄ）は異なる光強度変調手段を示す概略構成図。
【図３】本発明の第２実施形態の概略構成図。
【図４】本発明の第３実施形態の概略構成図。
【図５】本発明の第４実施形態の概略構成図。
【図６】本発明の第５実施形態の概略構成図。
【図７】本発明の第６実施形態の概略構成図。
【図８】本発明の第７実施形態の概略構成図。
【図９】本発明の第８実施形態の概略構成図。
【図１０】従来例の概略構成図。
【図１１】従来例における増幅器からの出力と時間との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６８】
１…光強度変調手段、１Ａ…遮光物、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…測定ユニット、３…ＭＰＵ（演算手段）、４…ＷＤＭカプラ（分岐手段）、１０…広帯域光源、１１…光強度変調機能を有する光源、２０…サーキュレータ、２１…第１光検出手段、２２…第２光検出手段、２３…第３光検出手段、３０，３１，３２，３３…波長変化型光センサ、５０…マッハツェンダー干渉計、５１，５２，５２Ａ，５２Ｂ…光路、５３…マイケルソン干渉計、６０…ビームスプリッタ、７１…第１光電変換器、７２…第２光電変換器、７３…第３光電変換器、７４…第４光電交換器、８１…第１増幅器、８２…第２増幅器、８３…第３増幅器、９１…第１ＡＤ変換器、９２…第２ＡＤ変換器、９３…第３ＡＤ変換器、Ｆ…光ファイバ、ＥＤＦ…希土類添加光ファイバ
【図１】
2010096597.tif 000012
【図２】
2010096597.tif 000013
【図３】
2010096597.tif 000014
【図４】
2010096597.tif 000015
【図５】
2010096597.tif 000016
【図６】
2010096597.tif 000017
【図７】
2010096597.tif 000018
【図８】
2010096597.tif 000019
【図９】
2010096597.tif 000020
【図１０】
2010096597.tif 000021
【図１１】
2010096597.tif 000022