(57)【要約】【課題】従来よりも簡便な光路差の制御が可能な光干渉装置を提供する。【解決手段】レーザ光源と、該レーザ光源から入射したレーザ光を検査光と参照光とに２分岐させる光分岐器と、参照光の光路長を調節する光路長調節器と、検査光が通過する検出用光ファイバと、光路長調節器から出力される参照光と検出用光ファイバから出力される検査光とを干渉させた干渉光を生成し、当該干渉光を３分岐させる光カプラと、該光カプラから出力される第２の干渉光を光電変換する第１の光検出器と、光カプラから出力される第３の干渉光を光電変換する第２の光検出器と、第１の光検出器の出力及び第２の光検出器の出力に基づいて検出用光ファイバに作用した外力を演算する演算装置とを備え、光路長調節器は、光路長が異なる複数の導光路を備え、当該導光路を選択することにより参照光の光路長を設定する。【選択図】図１
2018205410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
該レーザ光源から入射したレーザ光を検査光と参照光とに２分岐させる光分岐器と、
前記参照光の光路長を調節する光路長調節器と、
前記検査光が通過する検出用光ファイバと、
前記光路長調節器から出力される前記参照光と前記検出用光ファイバから出力される前記検査光とを干渉させた干渉光を生成し、当該干渉光を３分岐させる光カプラと、
該光カプラから出力される第２の干渉光を光電変換する第１の光検出器と、
前記光カプラから出力される第３の干渉光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力及び前記第２の光検出器の出力に基づいて前記検出用光ファイバに作用した外力を演算する演算装置とを備え、
前記光路長調節器は、光路長が異なる複数の導光路を備え、当該導光路を選択することにより前記参照光の光路長を設定することを特徴とする光干渉装置。
【請求項２】
前記演算装置は、前記導光路の選択を示す光路長設定データを生成し、
前記光路長調節器は、前記光路長設定データに基づいて前記導光路を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項３】
前記導光路の選択を示す光路長設定データを手動設定する操作部をさらに備え、
前記光路長調節器は、前記光路長設定データに基づいて前記導光路を選択することを特徴とする請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項４】
前記レーザ光源は、所定の制御器から入力される操作信号に基づいて前記レーザ光の位相及び偏波が調節される外部操作型レーザ光源であり、
前記演算装置は、前記第１の光検出器の出力及び前記第２の光検出器の出力に基づいて前記干渉光に含まれる基本波長成分を抽出し、当該基本波長成分に基づく位相制御指令を前記制御器に出力することにより前記レーザ光源をフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光干渉装置。
【請求項５】
前記演算装置は、前記第１の光検出器の出力に含まれる基本波長成分と前記第２の光検出器の出力に含まれる基本波長成分とに所定の信号処理を施することにより前記レーザ光の位相に対して線形な制御量を取得し、当該制御量に基づいて前記位相制御指令を生成することを特徴とする請求項４に記載の光干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、被検査対象物から発生するＡＥ（超音波：Acoustic Emission）をセンサホルダの共振波として検出すると共に、その超音波の発生箇所を特定することにより、被検査対象物の腐食および疲労破壊等の箇所を特定することが可能な弾性波検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記弾性波検出装置は、被検査対象物を経由する光（検査光）と被検査対象物を経由しない光（参照光）とを光カプラを用いて干渉させることによって被検査対象物で発生する超音波（弾性波）を検出する光干渉装置の一応用例である。このような弾性波検出装置（光干渉装置）では、周知のように検査光と参照光とに関する偏波、位相差及び光路差を高精度に制御する必要があるが、このうち光路差の制御は、煩雑な光学調整が必要となる。したがって、より使い勝手の良い光干渉装置を実現するためには、簡便な光路差の制御技術を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡便な光路差の制御が可能な光干渉装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、光干渉装置に係る第１の解決手段として、レーザ光源と、該レーザ光源から入射したレーザ光を検査光と参照光とに２分岐させる光分岐器と、前記参照光の光路長を調節する光路長調節器と、前記検査光が通過する検出用光ファイバと、前記光路長調節器から出力される前記参照光と前記検出用光ファイバから出力される前記検査光とを干渉させた干渉光を生成し、当該干渉光を３分岐させる光カプラと、該光カプラから出力される第２の干渉光を光電変換する第１の光検出器と、前記光カプラから出力される第３の干渉光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力及び前記第２の光検出器の出力に基づいて前記検出用光ファイバに作用した外力を演算する演算装置とを備え、前記光路長調節器は、光路長が異なる複数の導光路を備え、当該導光路を選択することにより前記参照光の光路長を設定する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、光干渉装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記演算装置は、前記導光路の選択を示す光路長設定データを生成し、前記光路長調節器は、前記光路長設定データに基づいて前記導光路を選択する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、光干渉装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記導光路の選択を示す光路長設定データを手動設定する操作部をさらに備え、前記光路長調節器は、前記光路長設定データに基づいて前記導光路を選択する、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、光干渉装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記レーザ光源は、所定の制御器から入力される操作信号に基づいて前記レーザ光の位相及び偏波が調節される外部操作型レーザ光源であり、前記演算装置は、前記第１の光検出器の出力及び前記第２の光検出器の出力に基づいて前記干渉光に含まれる基本波長成分を抽出し、当該基本波長成分に基づく位相制御指令を前記制御器に出力することにより前記レーザ光源をフィードバック制御する、という手段を採用する。
【００１０】
本発明では、光干渉装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記演算装置は、前記第１の光検出器の出力に含まれる基本波長成分と前記第２の光検出器の出力に含まれる基本波長成分とに所定の信号処理を施することにより前記レーザ光の位相に対して線形な制御量を取得し、当該制御量に基づいて前記位相制御指令を生成する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来よりも簡便な光路差の制御が可能な光干渉装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る光干渉装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光干渉装置における光路長調節器の詳細構成を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光干渉装置における位相制御処理を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る光干渉装置は、マッハツエンダ型ホモダイン干渉計の一種であり、図１に示すようにレーザ発振器１（レーザ光源）、光分岐器２、検出用光ファイバ３、光路長調節器４、３×３光カプラ５、光検出器６（第１の光検出器）、光検出器７（第２の光検出器）、演算装置８及び制御器９を備えている。
【００１４】
レーザ発振器１は、所定波長かつ所定出力のレーザ光を発生させて光分岐器２に出射するレーザ光源であり、例えば半導体レーザ発振器である。このレーザ発振器１は、図示するように制御器９から入力される操作信号に基づいてレーザ光の位相及び偏波が調節される外部操作型レーザ光源である。
【００１５】
光分岐器２は、レーザ発振器１から入射したレーザ光を検査光と参照光とに２分岐させる光カプラであり、例えば２本の光ファイバの途中部位を融着させたファイバ型光カプラである。この光分岐器２は、検査光を検出用光ファイバ３に出射し、参照光を光路長調節器４に出射する。
【００１６】
検出用光ファイバ３は、検査光が通過する所定長（光路長）の光ファイバであり、検出対象物に対して固定された状態で敷設されている。この検出用光ファイバ３は、検出対象物に外力が作用すると、つまり自身に外力が作用すると、長さ（検査光の光路長）が実質的に変化する。このような検出用光ファイバ３は、一端から入射した検査光の位相を外力に作用に応じて変化させて、つまり検査光を外力によって位相変調させて他端から出射する。
【００１７】
例えば、外力が作用しない場合における検出用光ファイバ３の長さ（検査光の標準光路長）における検査光の伝搬時間を標準伝搬時間Ｔ０とした場合、検出用光ファイバ３に外力が作用した場合における検査光の伝搬時間は、外力によって検出用光ファイバ３の長さが変化した分だけ標準伝搬時間Ｔ０とは異なったものとなる。すなわち、検出用光ファイバ３の他端から３×３光カプラ５に向けて出射される検査光の位相は、外力の大きさに応じて変化する。
【００１８】
光路長調節器４は、一端から入射した参照光の光路長を略標準光路長に調節して他端から出射する光学機器である。この光路長調節器４は、図２に示すように、光路長が異なる複数の導光路４ａ〜４ｊと、参照光の各導光路４ａ〜４ｊへの通過／非通過を設定する光スイッチ４ｋとを備えている。導光路４ａ〜４ｊは、各々に異なる長さの光ファイバである。光スイッチ４ｋは、導光路４ａ〜４ｊの選択を示す光路長設定データに基づいて参照光の各導光路４ａ〜４ｊへの通過／非通過を選択的に設定する。
【００１９】
このような光路長調節器４は、参照光が通過する導光路４ａ〜４ｊを光スイッチ４ｋで任意に選択することによって参照光の光路長つまり参照光の伝搬時間を調節する。すなわち、光路長調節器４の他端から３×３光カプラ５に向けて出射される参照光は、光路長調節器４の一端から入射した参照光に対する遅延時間が光路長調節器４において適宜設定される。
【００２０】
この光路長調節器４は、一例として図２に示すように、合計１０個の導光路４ａ〜４ｊを備えている。また、この光路長調節器４は、一例として、導光路４ａの光路長が０．２ｍ、導光路４ｂの光路長が０．５ｍ、導光路４ｃの光路長が１．０ｍ、導光路４ｄの光路長が２，０ｍ、導光路４ｅの光路長が４．０ｍ、導光路４ｆの光路長が８．０ｍ、導光路４ｇの光路長が１６ｍ、導光路４ｈの光路長が３２ｍ、導光路４ｉの光路長が６４ｍ、また導光路４ｊの光路長が１２８ｍに設定されている。
【００２１】
３×３光カプラ５は、３つの入力ポートと３つの出力ポートとを備える光カプラであり、例えば３本の光ファイバの途中部位を融着させたファイバ型光カプラである。この３×３光カプラ５は、検出用光ファイバ３から入射した検査光と光路長調節器４から入射した参照光とを重ね合わせることにより干渉光を発生させると共に、当該干渉光を互いに１２０°（２π/３）の位相差を有する第１〜第３の干渉光Ｓ１〜Ｓ３として出力する。
【００２２】
この干渉光は、検査光及び参照光の基本波長成分λ（基本周波数成分ｆ）つまりレーザ光の波長成分（周波数成分）に加え、検出用光ファイバ３の光路長と光路長調節器４の光路長との光路差に起因して発生するうなり波長成分λｂ（うなり周波数成分ｆｂ）を含んでいる。
【００２３】
すなわち、第１〜第３の干渉光Ｓ１〜Ｓ３に各々含まれる基本波長成分λ（基本周波数成分ｆ）及びうなり波長成分λｂ（うなり周波数成分ｆｂ）は、互いに１２０°（２π/３）の位相差を有する。例えば基本波長成分λ（基本周波数成分ｆ）のみについて着目すると、この３×３光カプラ５は、下式（１）に示すように振幅Ｉ、位相θ（＝２πｆ）の入射光に対して第１〜第３の干渉光Ｓ１〜Ｓ３を出力する。
【００２４】
【数１】
2018205410.tif 000003
【００２５】
光検出器６は、このような３×３光カプラ５から出力される第１〜第３の干渉光Ｓ１〜Ｓ３のうち、第２の干渉光Ｓ２を光電変換する光電変換素子である。すなわち、光検出器６は、第２の干渉光Ｓ２の基本波長成分λに関する基本波信号Ｐ２に第２の干渉光Ｓ２のうなり波長成分λｂに関するビート信号Ｓｂが重畳された第１の検出信号を演算装置８に出力する。
【００２６】
これに対して、光検出器７は、３×３光カプラ５から出力される第１〜第３の干渉光Ｓ１〜Ｓ３のうち、第３の干渉光Ｓ３を光電変換する光電変換素子である。すなわち、光検出器７は、第３の干渉光Ｓ３の基本波長成分λに関する基本波信号Ｐ３に第３の干渉光Ｓ３のうなり波長成分λｂに関するビート信号Ｓｂが重畳された第２の検出信号を演算装置８に出力する。
【００２７】
演算装置８は、上記第１、第２の検出信号に含まれるビート信号Ｓｂに基づいて検出用光ファイバに作用した外力を演算する。この演算装置８は、例えばメモリ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び外部とデータの授受を行うインタフェース回路等を備えた一種のコンピュータであり、メモリに予め記憶された検出処理プログラムに基づいてＣＰＵで第１、第２の検出信号に所定の演算処理を施すことにより、検出用光ファイバに作用した外力を演算する。
【００２８】
また、この演算装置８は、上記検出処理プログラムに基づいてレーザ発振器１及び光路長調節器４を制御する。すなわち、この演算装置８は、第１の検出信号に含まれる基本波信号Ｐ２及び第２の検出信号に含まれる基本波信号Ｐ３に基づいて位相制御指令を生成して制御器９に出力することにより、レーザ発振器１が発振するレーザ光の位相及び偏光を一定に維持させる。また、この演算装置８は、上述した光路長設定データを生成して光路長調節器４に出力することにより、光路長調節器４における参照光の光路長を標準光路長の近傍に設定する。
【００２９】
制御器９は、一種のＰＩＤ制御器であり、演算装置８から入力される位相制御指令に基づいて操作信号を生成してレーザ発振器１に出力することにより、当該レーザ発振器１が発振するレーザ光の位相及び偏光を一定に維持させる。すなわち、制御器９は、演算装置８と共に２つの基本波信号Ｐ２，Ｐ３に基づいてレーザ発振器１の発振動作をフィードバック制御する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る光干渉装置の動作について、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。
【００３１】
演算装置８は、基本動作として第１、第２の検出信号からビート信号Ｓｂを出し、当該ト信号Ｓｂから検出用光ファイバ３に作用した外力を検出する。すなわち、外力が作用すると、検出用光ファイバ３を通過する検査光の光路長と光路長調節器４を通過する参照光の光路長との関係が変化する。この光路長関係の変化は、ビート信号Ｓｂを発生させる。
【００３２】
演算装置８は、このようなビート信号Ｓｂを検出することにより、検出用光ファイバ３に作用した外力つまり検出対象物に作用した外力を検出する。例えば、外力の作用によって検出対象物が弾性変形すると、当該弾性変形を示す弾性波がビート信号Ｓｂとして演算装置８に検出される。
【００３３】
ここで、演算装置８は、上述したビート信号Ｓｂの検出、つまり検出対象物に作用した外力の検出に際して、制御器９を介してレーザ発振器１をフィードバック制御すると共に、光路長設定データを生成して光路長調節器４における参照光の光路長を設定する。
【００３４】
最初にレーザ発振器１のフィードバック制御について説明すると、演算装置８は、第１の検出信号に含まれる第２の干渉光Ｓ２の基本波信号Ｐ２及び第２の検出信号に含まれる第３の干渉光Ｓ３の基本波信号Ｐ３を抽出し、これら２つの基本波信号Ｐ２及び基本波信号Ｐ３に基づいて位相制御指令を生成する。２つの基本波信号Ｐ２及び基本波信号Ｐ３について、式（１）に示される各係数をＢ１，Ｂ２，Ｂ３と置くと、各基本波信号Ｐ２，Ｐ３は、下式（２）のように表される。
【００３５】
【数２】
2018205410.tif 000004
【００３６】
演算装置８は、このような２つの基本波信号Ｐ２，Ｐ３について図３に示す信号処理を施す。すなわち、演算装置８は、一方の基本波信号Ｐ２に直流カット処理８ａを施することにより一方の基本波信号Ｐ２に含まれる直流信号成分Ｂ１を除去する。また、演算装置８は、他方の基本波信号Ｐ３に直流カット処理８ｂを施することにより他方の基本波信号Ｐ３に含まれる直流信号成分Ｂ１を除去する。この２つの直流カット処理８ａ，８ｂによって得られる２つの交流信号Ｐ２ａ，Ｐ３ａは、下式（３）によって表される。
【００３７】
【数３】
2018205410.tif 000005
【００３８】
演算装置８は、続いて加算処理８ｃによって上記２つの交流信号Ｐ２ａ，Ｐ３ａを加算して加算信号Ｐ４を生成し、また減算処理８ｄによって一方の交流信号Ｐ２ａから他方の交流信号Ｐ３ａを減算して減算信号Ｐ５を生成する。このような加算信号Ｐ４及び減算信号Ｐ５は、下式（４）によって表される。
【００３９】
【数４】
2018205410.tif 000006
【００４０】
演算装置８は、続いて微分処理８ｅによって上記加算信号Ｐ４を微分して一方の微分信号Ｐ４ａを生成し、また減算信号Ｐ５を微分して他方の微分信号Ｐ５ａを生成する。このような２つの微分信号Ｐ４ａ，Ｐ５ａは、下式（５）によって表される。
【００４１】
【数５】
2018205410.tif 000007
【００４２】
さらに、演算装置８は、乗算処理８ｇによって一方の微分信号Ｐ４ａに減算信号Ｐ５を乗算して一方の乗算信号Ｐ６を生成し、また乗算処理８ｈによって他方の微分信号Ｐ５ａに加算信号Ｐ４を乗算することによって他方の乗算信号Ｐ７を生成する。このような２つの乗算信号Ｐ６，Ｐ７は下式（６）によって表される。
【００４３】
【数６】
2018205410.tif 000008
【００４４】
そして、演算装置８は、加算処理８ｉによって２つの乗算信号Ｐ６，Ｐ７を加算することにより加算信号Ｐ８を生成する。この加算信号Ｐ８は下式（７）に示されるように角度θの変化率（１階微分値）に比例する量である。
【００４５】
【数７】
2018205410.tif 000009
【００４６】
そして、演算装置８は、このような加算信号Ｐ８に積分処理８ｊを施すことにより最終的な成果量である制御量Ｐ９を取得する。この制御量Ｐ９は、下式（８）に示されているように検査光及び参照光の基本波長成分λ（基本周波数成分ｆ）つまりレーザ光の波長成分（周波数成分）に対応する位相θに対して線形関係を有する量である。
【００４７】
【数８】
2018205410.tif 000010
【００４８】
演算装置８は、このように位相θに対して線形な制御量Ｐ９に基づいて位相制御指令を生成して制御器９に出力する。そして、制御器９は、上記位相制御指令に基づいて操作信号を生成してレーザ発振器１に出力することにより、レーザ発振器１に対して線形なフィードバック制御（線形制御）を行う。
【００４９】
このような本実施形態におけるレーザ発振器１（レーザ光源）の位相制御処理によれば、干渉光の基本波信号をそのまま用いてレーザ発振器１をフィードバック制御する場合よりも線形性に優れたフィードバック制御を実現することが可能である。したがって、本実施形態によれば、レーザ発振器１（レーザ光源）から出力されるレーザ光の位相及び偏光をより安定させることができるので、検出対象物に作用した外力をより精度よく検出することが可能である。
【００５０】
また、演算装置８は、上述した外力の検出に先立って、光路長調節器４における導光路４ａ〜４ｊの選択を示す光路長設定データを生成し、当該光路長設定データを光路長調節器４に出力することにより参照光の光路長を検出用光ファイバ３の標準光路長、つまり外力が作用していない状態における参照光の光路長の近傍に設定する。すなわち、演算装置８は、光路長調節器４における導光路４ａ〜４ｊの個数（図２では一例として１０個）に相当するビット数の２進符号を光路長設定データとして生成する。
【００５１】
例えば、図２に示す例では、演算装置８は、「０１００００１００１」つまり最上位ビットが「０」で最下位ビットが「１」の２進符号を光路長設定データとして生成して光路長調節器４の光スイッチ４ｋに出力する。そして、光スイッチ４ｋは、各導光路４ａ〜４ｊに対応する光路長設定データ（２進符号）のビットのうち、ビット値が「１」である導光路のみに参照光が通過するよう各導光路４ａ〜４ｊの接続状態を設定する。
【００５２】
この結果、図２に示す例では、参照光が最も光路長が短い０．２ｍの導光路４ａ、３番目に光路長が短い２．０ｍの導光路４ｄ及び２番目に光路長が長い６４ｍの導光路４ｉのみを通過し、他の導光路４ｂ，４ｃ，４ｅ〜４ｈ，４ｊには通過しない。すなわち、光路長調節器４は、光路長設定データによって６６．２ｍ（＝０．２＋２．０＋６４）の光路長に設定される。このような光路長調節器４の光路長は、外力が作用しない状態における検出用光ファイバ３の長さ（検査光の標準光路長）に近い光路長である。
【００５３】
このような光路長調節器４及び演算装置８を備える光干渉装置によれば、従来よりも簡便に光路長を設定することが可能である。すなわち、この光干渉装置によれば、参照光の光路長の検査光の標準光路長に対する光路差を簡便に制御（設定）することが可能である。したがって、本実施形態によれば、外力の検出に際して使い勝手の良い光干渉装置を提供することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、検出対象物に作用する外力を検出したが、本発明は、これに限定されない。本発明は、１つのレーザ光を分岐させて得られる検査光及び参照光の干渉現象を利用するマッハツエンダ型光干渉計であり、様々な用途に適用可能である。
【００５５】
（２）上記実施形態では、図１に示すようにホモダイン検波方式を採用するマッハツエンダ型光干渉計について説明したが、本発明はこれに限定されない。検出用光ファイバ３において外力に基づいて光位相変調された検査光の検波方式として、例えばヘテロダイン検波方式を採用しても良い。
【００５６】
（３）上記実施形態では、演算装置８が光路長設定データを生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、導光路４ａ〜４ｊの選択を示す光路長設定データを手動設定する操作部を別途備え、この操作部で人為的に設定された光路長設定データを光路長調節器４に供給して参照光の光路長を設定しても良い。
【００５７】
（４）上記実施形態では、光路長調節器４における導光路４ａ〜４ｊの個数を１０個としたが、本発明はこれに限定されない。また、各導光路４ａ〜４ｊにおける光路長は、図２に示す光路長に限定さない。
【００５８】
（５）上記実施形態における光路長調節器４は光路長設定データに基づいてデジタル的に参照光の光路長を設定するものなので、参照光の光路長を検査光の標準光路長に完全に一致させることが基本的に困難である。すなわち、光路長調節器４は、参照光の光路長を検査光の標準光路長の近傍に設定するものである。しかしながら、参照光の光路長の検査光の標準光路長に対する光路差は、導光路４ａ〜４ｊにおける各光路長及び導光路の個数を適宜設定することにより、実質的に問題にならないレベルまで小さくすることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  レーザ発振器（レーザ光源）
２  光分岐器
３  検出用光ファイバ
４  光路長調節器
４ａ〜４ｊ  導光路
４ｋ  光スイッチ
５  ３×３光カプラ
６  光検出器（第１の光検出器）
７  光検出器（第２の光検出器）
８  演算装置
９  制御器
【図１】
2018205410.tif 000011
【図２】
2018205410.tif 000012
【図３】
2018205410.tif 000013