(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モード発振する半導体レーザ手段と、
前記半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で金属クラッドを介して２系統に分岐させるとともに、
該光導波路は、それぞれ出射端面までは延伸されておらず、数１００μｍ程度手前で終了され、
分岐された一方の光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を金属クラッドを介して出力することができるようにされた光導波路手段と、
前記変調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体からの反射光と前記無変調光を合成し、干渉光を検出することができるように光学素子が配されて成る光学系手段と、
から構成されることを特徴とする速度センサヘッド。
【請求項２】
単一モード発振する半導体レーザ手段と、
前記半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で金属クラッドを介して２系統に分岐させるとともに、
該光導波路は、それぞれ出射端面までは延伸されておらず、数１００μｍ程度手前で終了され、
分岐された一方の光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を金属クラッドを介して出力することができるようにされた光導波路手段と、
前記変調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体からの反射光と前記無変調光を合成し、干渉光を検出することができるように光学素子が配されて成る光学系手段と、
前記光学系手段から出力される合成光検出情報に対して所定の信号処理を行ない、被検体の速度を算出する速度算出手段と、
から構成されることを特徴とする速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い精度で速度測定結果を得ることができるレーザドップラ速度計となる速度計測装置及びその速度センサヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザドップラ速度計においては、被測定対象として例えば移動体の移動速度、振動体の振動速度、流体の流速等を測定するようになされたものがある（電子通信学会研究報告ＯＱＥ85-160、25頁〜30頁）。
すなわち、被測定対象（被検体）にレーザ光源から得られる光ビームを照射すると、被測定対象の速度に応じて周波数が偏移した反射光ビームを得ることができるため、被測定対象に照射した光ビームに対する反射光ビームの周波数偏移量を測定すれば被測定対象の速度を検出することができる。
【０００３】
このような測定原理に基づくレーザドップラ速度計の一種として、レーザ光源から得られる光ビームから所定の光変調を施した変調光と、変調を施さない無変調光を得、変調光を被検体に照射し、さらにその被検体からの反射光と無変調光を合成して干渉させ、干渉光を光検出器により電気信号として取り出すものがある。そして、光検出器からの信号に対して所定の処理を施すことで被検体の速度を得るようにしている。
【０００４】
ここで、このようなレーザドップラ速度計において被検体に光を照射するセンサヘッドとしては、図６〜図９のような構造例があった。
図６の例では、センサヘッド８０としてＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ８１と、干渉光学系８２が一体に設けられている。
干渉光学系８２には、光変調器、ビームスプリッタ、光検出器などの各種光学素子が設けられており、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１からの出射光から、変調光及び無変調光を生成する。そして変調光をレンズ部８４から被検体９０に照射し、またその反射光をレンズ部８４から取り込んだ後、反射光と無変調光を干渉させ、干渉信号を光検出器から信号ＳＤとして出力する構成となっている。
【０００５】
図７の例は、センサヘッド８０内にはＨｅ−Ｎｅレーザ８１は設けず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１からの光を光ファイバー８３で干渉光学系８２に供給する構成である。
さらに図８の例は、センサヘッド８０内にはＨｅ−Ｎｅレーザ８１や干渉光学系８２を設けず、被検体９０に対する光入出力端となるレンズ部８４のみをセンサヘッド８０としたものである。つまり、干渉光学系８２とレンズ部８４の間を光ファイバ８３により光が伝送されるようにしている。
また図９の例は、図６とほぼ同様であるが、光源として半導体レーザ８５を用いたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの構成例におけるセンサヘッド８０では以下のような問題があった。
まず図６のセンサヘッド８０では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１を内蔵することからセンサヘッド８０が大型で重量のあるものとなってしまい、ハンドリングが悪いという問題がある。また各種光学素子による干渉光学系８２を構成することから高価な光学部品を多数使用し、コスト的にも問題がある。特に光変調処理を光学系で実行することで、部品コストのアップや製造の困難化は避けられない。
【０００７】
また図７の場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１を内蔵しないことから或る程度小型軽量化が実現され、ハンドリングのよいものとなるが、光ファイバ８３に振動、応力が加わると、振動速度検出信号のＳ／Ｎが変化してしまうため、高精度の速度検出という点で難がある。また、干渉光学系８２及び光ファイバ８３によりコストアップも生じる。
【０００８】
図８の場合は、センサヘッド８０はレンズ部８４のみであるため、非常に小型軽量のものが実現でき、ハンドリングは極めて良いものとなるが、被検体９０からの反射光をレンズ部８４から光ファイバ８３に導くことは非常に難しく、製造上のアライメントが困難であるという問題がある。また干渉光学系８２に戻される反射光の光量も少なくならざるを得ず、このためＳ／Ｎは悪化する。さらに、図８、図７の場合と同様にコストの高いものとなってしまう。
【０００９】
図９の例では、半導体レーザ８５を用いることで小型軽量化が実現でき、ハンドリングは良いものとなるが、図６〜図７の場合と同様に干渉光学系８２における多数の光学部品によりコストアップは避けられないという問題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点にかんがみてなされたもので、センサヘッドとしての小型軽量化を実現するとともに、安価かつ容易に製造できるようにし、さらにＳ／Ｎの悪化を招かないようにすることを目的とする。
【００１１】
このため、単一モード発振する半導体レーザ手段と、前記半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で金属クラッドを介して２系統に分岐させるとともに、該光導波路は、それぞれ出射端面までは延伸されておらず、数１００μｍ程度手前で終了され、分岐された一方の光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を金属クラッドを介して出力することができるようにされた光導波路手段と、前記変調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体からの反射光と前記無変調光を合成し、干渉光を検出することができるように光学素子が配されて成る光学系手段と、から速度センサヘッドを構成する。
また、このような速度センサヘッドから出力される合成光検出情報に対して所定の信号処理を行ない、被検体の速度を算出する速度算出手段を設けて速度計測装置を構成する。
【００１２】
【作用】
レーザドップラ速度計において、半導体レーザ手段を用いることで小型軽量化が可能となる。また、光変調については光導波路上で変調を行なうようにすることで、製造の簡易化及びコストダウンを実現できる。
【００１３】
【実施例】
以下、図１〜図５により本発明の実施例を説明する。
図１はレーザドップラ速度検出装置におけるセンサヘッドの一実施例を示す構成図である。
このセンサヘッド２０においては、レーザ光源として半導体レーザ１が配されている。半導体レーザ１から出射された光はレンズ２を用いて光アイソレータ３に導かれ、光アイソレータ３を介して光導波路基板４に入射される。
【００１４】
光導波路基板４は図２のように構成されている。光アイソレータ３を介した入射光ＬINは光導波路基板４の入射端面４１に集光され、光導波路４２内を伝搬することになる。
なお、半導体レーザ１からの出射光を光導波路基板４に導く系において、光アイソレータ３は必ずしも必要ではないが、これは入射光ＬINのうち入射端面４１に反射した光成分が半導体レーザ１に戻らないようにするものであるため、光アイソレータ３を設けることが好適である。
【００１５】
光導波路４２内に導入された光は、金属クラッド４６により、光の偏光方向が揃えられたものとなる。即ち金属クラッド４６は結晶表面に対して光の垂直な成分を吸収するものであり、従って光導波路４２上で金属クラッド４６の部分を通過するのは光の平行成分のみとなる。
【００１６】
光導波路４２は分岐部４３で分岐され、光導波路４４，４５の２系統に分けられたものとなっている。つまり光導波路基板４上には全体で、Ｙ分岐型の光導波路が形成されたものとなっている。
分岐部４３から光導波路４４に進んだ光成分は、そのまま出射端面４９側に導かれる。
一方、光導波路４５側には光変調器４８が形成されており、分岐部４３から光導波路４５に進んだ光成分は、光変調器４８に印加される電界Ｓ2 により位相変調されてから、出射端面４９側に導かれることになる。
【００１７】
光導波路４４，４５は、それぞれ出射端面４９までは延伸されておらず、例えば出射端面４９より数１００μｍ程度手前で終了されている。これは光導波路４４，４５内を伝搬してきた光のうち端面反射される成分を減少させるためである。
また、光導波路４４，４５を伝搬してきた光は、金属クラッド４７を介してから出射端面４９に導かれるものとなっており、つまり直線偏光成分のみが出射端面４９からの出射光として取り出されることになる。
【００１８】
出射端面４９からの出射光としては、光変調器４８により位相変調を受けた変調光ＬOUT1と、光導波路４４を伝搬してきた、つまり変調処理を施されていない無変調光ＬOUT2が得られる。変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2はいづれも金属クラッド４７により直線偏光成分のみとなっているため、後述する干渉系で合成される際にＳ／Ｎの良い干渉信号を得ることができるようになる。
【００１９】
図１に戻って、光導波路基板４から出力される変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2は、出射端面４９からは拡散光として出力されるものであるが、これがコリメートレンズ５によって平行光とされる。またこのとき、変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2はそれぞれ異なる角度でコリメートレンズ５から出力されるようになされている。
【００２０】
変調光ＬOUT1はコリメートレンズ５によってその光軸方向に等しくなるようにコリメートされ、偏光ビームスプリッタ６に達し、これを透過する。そして１／４波長板７によって直線偏光から円偏光とされ、収光レンズ８によって被検体９０に収光される。
被検体９０は矢印方向に振動速度ｖで振動しているものとすると、被検体９０からの反射光ＬREF は、ドップラー効果により被検体９０の振動速度ｖに比例した周波数偏移（２ｖ／λ）をうけることになる。
【００２１】
このような周波数偏移を受けている反射光ＬREF は、収光レンズ８から１／４波長板７に導かれ、円偏光から直線偏光とされる。そして、このとき反射光ＬREF は、最初に偏光ビームスプリッタ６を通過したときの変調光ＬOUT1とは９０°回転した直線偏光となっているため、この反射光ＬREF は偏光ビームスプリッタ６によって偏光板１２側に反射されることになる。
【００２２】
一方、光導波路基板４から出力された無変調光ＬOUT2は、コリメートレンズ５によってその光軸方向に対して或る角度をつけられた状態にコリメートされ、光路長調整器９に入射される。
光路長調整器９には端面ミラー９ａが形成されているとともに、光路長調整器９近辺の所定位置にミラー１０が配されており、これにより光路長調整器９に入射された光は光路長調整器９内を数回伝搬することになる。つまり、無変調光ＬOUT2は光路長調整器９内を通って端面ミラー９ａによって反射される。そして光路長調整器９内を通って出射された後、ミラー１０に反射されて再び光路長調整器９内に入射される。このように所定回、光路長調整器９内を通過した後、光路長調整器９からミラー１１に達する。そしてミラー１１に達した無変調光ＬOUT2はミラー１１で反射された後、偏光ビームスプリッタ６を通過し、偏光板１２側に導かれる。
【００２３】
この光路長調整器９は、偏光ビームスプリッタ６の時点までにおける反射光ＬREF の光路長と無変調光ＬOUT2の光路長を一致させ、この２つの光を良好に干渉させるようにするものである。
つまり反射光ＬREF は、変調光ＬOUT1としてコリーメートレンズ５から被検体９０までの光路と被検体９０から偏光ビームスプリッタ６までの光路を足した距離（光路長）を進行してきており、この反射光ＬREF と無変調光ＬOUT2を合成させる際には、無変調光ＬOUT2の光路長も反射光ＬREF の光路長に一致させることが好適であるが、単純に空間上で無変調光ＬOUT2の光路を長くするにはそれだけ空間長が必要になり、光学系が大型にならざるを得ない。そこで本実施例では光路長調整器９内を所定回数往復させて無変調光ＬOUT2の光路長をかせぐようにしており、これにより無変調光ＬOUT2の伝送空間を小さくすることができ、光学系の小型化に寄与できることとなる。
なお、光路長調整器９において光の伝搬距離を空気中より長くするためには、光路長調整器９として屈折率の大きな材料を選べばよい。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ６に達した反射光ＬREF と無反射光ＬOUT2はともに偏光板１２に達することになる。
偏光ビームスプリッタ６に達した時点での反射光ＬREF と無反射光ＬOUT2は、互いに偏光方向が９０°異なっているため、そのままでは干渉は発生しない。そこで、偏光板１２としては、反射光ＬREF と無反射光ＬOUT2のそれぞれに対して偏光方向として４５°傾いた状態としておく。すると偏光板１２を通過した反射光ＬREF と無反射光ＬOUT2の各光成分は干渉した状態で合成され、これが光検出器１３によって干渉信号Ｓ0 が検出されることになる。
【００２５】
本実施例のセンサヘッド２０は以上のように構成されているが、ここで、このセンサヘッド２０におけるレーザ光の電界強度の変化について述べておく。
まず半導体レーザ１から出射される光の電界強度を式（１）であらわす。
Ａ1 sin(ω0t＋Φ0 ）                        ・・・・・・・・・・・・・・（１）
（ただし、Ａ1 ：強度，ω0 ：光の角周波数，Φ0 ：初期位相）
【００２６】
この光が光導波路基板４において分岐部４３で分岐され、光導波路４４，４５に導かれる。ここで、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 を、
Ｓ2 ＝Ａ2 sin(ω1t）                        ・・・・・・・・・・・・・・（２）
（ただし、Ａ2 ：強度，ω1 ：印加電圧の角周波数）
であるとすると、光変調器４８で変調された光の電界強度は式（３）であらわせられる。
Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t）＋Φ1 ）        ・・・・・・・・・・・・・・（３）
（ただし、Ａ4 ＝απＬｎ3 ｒＡ2 ／λｄ、Ｌ：変調器長、ｎ：導波路基板の屈折率、ｒ：電気光学定数、λ：光の波長、ｄ：変調器電極間隔、α：効率）
【００２７】
さらに、速度Ｖ(t) で振動している被検体からの反射光は、ドップラー効果により式（４）だけ周波数偏移する。
２Ｖ(t) ／λ                                ・・・・・・・・・・・・・・（４）
そしてこの周波数偏移した反射光ＬREF は式（５）で表わすことができる。
Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ1)  ・・・・・・（５）
【００２８】
この反射光ＬREF と無変調光ＬOUT2が干渉することにより、光検出器１３からは、式（６）で表わされる干渉信号Ｓ0 が得られる。
Ｓ0 ＝Ａ6 cos(Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ3)  ・・・・・・（６）
この干渉信号Ｓ0 は、即ち被検体９０の振動速度成分を含むものとなり、これにたいして所要の信号処理を行なうことで、被検体の速度を検出することができる。
【００２９】
図１、図２のセンサヘッド２０を有する本実施例の速度計測装置のブロック図を図３に示す。
駆動回路６０は、基準信号ＳC に基づいて上述した光変調器４８を駆動するための電圧Ｓ2 （正弦波信号）を発生させる。
センサヘッド２０から得られた干渉信号Ｓ0 は、バンドパスフィルタ５０及びバンドパスフィルタ５３に供給される。
【００３０】
バンドパスフィルタ５０は、光変調器４８の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 を中心周波数とするフィルタとされている。
一方、バンドパスフィルタ５３は、光変調器４８の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の２倍の角周波数２ω1 を中心周波数とするフィルタとされている。
バンドパスフィルタ５３の出力に対しては乗算回路５４において基準信号ＳC が乗算され、さらにその乗算出力信号は、中心周波数が角周波数ω1 と設定されたバンドパスフィルタ５５を介して出力される。
このため、バンドパスフィルタ５５の出力信号は、あたかも中心周波数が駆動電圧Ｓ2 の２倍の角周波数２ω1 で成る信号成分を、角周波数ω1 に低周波変換したと同様の信号となる。
【００３１】
増幅回路５１、位相回路５２、及び増幅回路５６、位相回路５７は、それぞれバンドパスフィルタ５０，５５の出力信号の信号レベルが互いに等しくなるように増幅した後、さらに互いの信号の位相合わせを行なって、加算回路５８に入力するものとなる。
【００３２】
そして、バンドパスフィルタ５０，５５の出力信号が同レベル及び同位相で加算される加算回路５８の出力は、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 の角周波数ω1 を中心周波数にして、被検体９０の変位に応じて周波数が変位した信号、即ち周波数変調信号が得られることになる。
従ってこの周波数変調信号をＦＭ復調回路５９で復調処理することにより、被検体９０の速度の測定結果ＤOUT が得られることになる。
【００３３】
本実施例のセンサヘッド２０及び速度計測装置は、以上のように構成されており、センサヘッド２０としては、光導波路基板４を用いることで複雑な光学系を搭載することが不要となる。即ちＹ分岐型の光導波路（４２，４３，４４，４５）で光路を２系統に分けることで、ビームスプリッタやこれに付随する光学系で光路を分けることが不要になり、また光変調器４８も光導波路基板４上で構成されることで、光学素子を用いた複雑な変調器は不要となる。そして光導波路基板４は半導体フォトリソグラフィ技術で製造することができ、容易にしかも安価に製造でき、さらに小型の基板とできるとともに、センサヘッド２０内への組込工程も非常に容易なものとなる。
さらに光源としては小型軽量な半導体レーザ１を用いている。
【００３４】
これらのことから、小型軽量でハンドリングが良く、しかも製造コストの低いセンサヘッド２０を実現することができ、また、小型軽量化のために図７、図８で例示したように光ファイバを用いる必要もないため、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になるということもない。
そして、このようなセンサヘッド２０を用いる速度計測装置としては、低コストで、操作性がよく、しかも測定精度の高いものを実現できる。
【００３５】
なお、本発明の速度計測装置の他の実施例として図４、図５の構成を説明しておく。
図４の実施例では、センサヘッド２０からの干渉信号Ｓ0 をバンドパスフィルタ６１に入力し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の信号成分と、その２倍の角周波数２ω1 の信号成分とを抽出して信号処理するようにしている。
増幅回路６８と位相回路６７は基準信号ＳC に対して増幅及び位相調整を行なう。また逓倍回路６６、増幅回路６５、位相回路６４は基準信号ＳC に対して２逓倍した後、増幅及び位相調整を行なう。
【００３６】
位相回路６４，６７の出力は合成されて乗算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６１の出力に対して乗算される。
乗算回路６２の出力はバンドパスフィルタ６３により角周波数ω1 と等しい中心周波数の信号成分が抽出されることになり、これは即ち、被検体９０の変位に応じて周波数が変位した周波数変調信号となる。そしてこの周波数変調信号をＦＭ復調回路５９で復調処理することにより、被検体９０の速度の測定結果ＤOUT が得られることになる。
【００３７】
次に図５の実施例でも、センサヘッド２０からの干渉信号Ｓ0 をバンドパスフィルタ６１に入力し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の信号成分と、その２倍の角周波数２ω1 の信号成分とを抽出して信号処理するようにしている。
この場合、逓降回路６９は基準信号ＳC に対して角周波数を１／２に逓降する。そして増幅回路７０、位相回路７１は、基準信号ＳC を逓降した信号について増幅及び位相調整を行なう。
位相回路７１の出力は乗算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６１の出力に対して乗算される。
【００３８】
この乗算回路６２の出力には角周波数ω1 に対して３／２倍の角周波数３ω／２の信号成分が含まれることになる。
このような乗算回路６２の出力は、角周波数３ω／２を中心周波数とするバンドパスフィルタ７２に供給される。そしてバンドパスフィルタ７２の出力は被検体９０の変位に応じて周波数が変位した周波数変調信号となり、この周波数変調信号をＦＭ復調回路５９で復調処理することにより、被検体９０の速度の測定結果ＤOUT が得られる。
【００３９】
なお、以上実施例を説明してきたが、本発明のセンサヘッド及び速度計測装置は上記実施例に限られず、その構成は、本発明の要旨の範囲内でさらに多種考えられる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、単一モード発振する半導体レーザ手段と、半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で複数系統に分岐させるとともに、分岐された一方の光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を出力することができるようにされた光導波路手段と、変調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体からの反射光と無変調光を合成し、干渉光を検出することができるように光学素子が配されて成る光学系手段とから速度センサヘッドを構成するようにしている。
そして、レーザ光の分岐及び変調に光導波路手段を用いること、及び半導体レーザ手段を用いることにより、センサヘッドとしてと小型軽量化が実現でき、ハンドリングの良いものとすることができるという効果がある。
【００４１】
また光導波路手段は半導体フォトリソグラフィ技術で製造することができ、容易にしかも安価に製造でき、センサヘッドとしての製造コストの低下や工程の能率化が促進されるという効果もある。
【００４２】
さらに、光ファイバを用いる必要もないため、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になるということもなく、この点でも製造の簡易化に適しており、そのうえ測定精度の悪化ももたらさないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のセンサヘッドの説明図である。
【図２】実施例のセンサヘッドの光導波路基板の説明図である。
【図３】本発明の実施例の速度計測装置のブロック図である。
【図４】他の実施例の速度計測装置のブロック図である。
【図５】さらに他の実施例の速度計測装置のブロック図である。
【図６】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図７】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図８】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図９】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【符号の説明】
１  半導体レーザ
４  光導波路基板
５  コリメートレンズ
６  偏光ビームスプリッタ
７  １／４波長板
８  収光レンズ
９  光路長調整器
１０，１１  ミラー
１２  偏光板
１３  光検出器
２０  センサヘッド
４１  入射端面
４２，４４，４５  光導波路
４３  分岐部
４６，４７  金属クラッド
４８  光変調器
４９  出射端面
５０，５３，５５，６１，６３，７２  バンドパスフィルタ
５４，６２  乗算回路
５１，５６，６５，６８，７０  増幅回路
５２，５７，６４，６７，７１  位相回路
５８  加算回路
５９  ＦＭ復調回路
【図１】
0003605881.tif 000002
【図２】
0003605881.tif 000003
【図３】
0003605881.tif 000004
【図４】
0003605881.tif 000005
【図５】
0003605881.tif 000006
【図６】
0003605881.tif 000007
【図７】
0003605881.tif 000008
【図８】
0003605881.tif 000009
【図９】
0003605881.tif 000010