(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象の振動或いは変位を非接触で測定する振動変位測定装置であって、
前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように周波数変調された連続光を出力する光源部と、
前記連続光をプローブ光と参照光とに分岐する分岐部と、
前記被測定対象で反射された前記プローブ光と前記参照光との干渉光を受光する受光部と、
前記受光部から出力される受光信号を用いて前記被測定対象の振動或いは変位を求める演算部と、
を備える振動変位測定装置。
【請求項２】
前記光源部は、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように、少なくとも変調周期及び変調振幅が設定されている、請求項１記載の振動変位測定装置。
【請求項３】
前記光源部の変調周期及び変調振幅は、前記被測定対象の測定部位が前記相関ピークの前半部、又は後半部に配置されるように設定されている、請求項２記載の振動変位測定装置。
【請求項４】
前記光源部の変調周期は、前記分岐部で分岐された前記プローブ光が前記被測定対象で反射されて前記受光部に至るまでの第１光路の長さと、前記分岐部で分岐された前記参照光が前記受光部に至るまでの第２光路の長さとの差を光速で除して得られる値の整数倍、或いは該整数倍に近い値に設定される、請求項３記載の振動変位測定装置。
【請求項５】
前記光源部の変調振幅は、前記被測定対象の測定部位の振動或いは変位の大きさに応じて設定される、請求項３又は請求項４記載の振動変位測定装置。
【請求項６】
前記分岐部で分岐された前記プローブ光を、前記被測定対象に向けて照射する位置である照射位置まで導く光ファイバを備える、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の振動変位測定装置。
【請求項７】
前記照射位置と前記被測定対象との間に配置され、前記光ファイバから射出される前記プローブ光を前記被測定対象の測定部位に集光し、或いは前記光ファイバから射出される前記プローブ光を平行光に変換して前記被測定対象の測定部位に照射するレンズを備える、請求項６記載の振動変位測定装置。
【請求項８】
前記演算部の演算結果を参照しつつ、前記光源部を制御する制御部を備える、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の振動変位測定装置。
【請求項９】
被測定対象の振動或いは変位を非接触で測定する振動変位測定方法であって、
前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように周波数変調された連続光を出力する第１ステップと、
前記連続光をプローブ光と参照光とに分岐する第２ステップと、
前記被測定対象で反射された前記プローブ光と前記参照光との干渉光を受光する第３ステップと、
前記第３ステップで得られる受光信号を用いて前記被測定対象の振動或いは変位を求める第４ステップと、
を有する振動変位測定方法。
【請求項１０】
前記被測定対象の振動或いは変位の測定に先立って行われ、
前記プローブ光の光路上における基準位置に設置された反射ミラーに前記プローブ光を照射し、前記受光信号が最大となる前記連続光の変調周波数を求める第１初期ステップと、
前記基準位置から前記反射ミラーが除去された状態で、前記被測定対象に前記プローブ光を照射し、前記連続光の変調周波数を変化させつつ前記受光信号の強度を測定する第２初期ステップと、
前記第２初期ステップの測定結果を用いて、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように前記連続光の変調周波数を決定する第３初期ステップと、
を有する請求項９記載の振動変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象の振動或いは変位を測定する振動変位測定装置及び振動変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動変位測定装置は、被測定対象の振動或いは変位を測定するために種々の分野で用いられている。例えば、プラントに設けられた各種機器（例えば、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等の回転機器、配管、その他の機器）や、種々のエンジン（自動車用、航空機用、船舶用、その他の用に供するエンジン）で生ずる振動や変位を測定するために用いられている。
【０００３】
このような振動変位測定装置は、接触型の振動変位測定装置と非接触型の振動変位測定装置とに大別される。接触型の振動変位測定装置の代表的なものとしては、圧電式や静電容量式の半導体加速度センサが挙げられ、非接触型の振動変位測定装置の代表的なものとしては、レーザ干渉計を利用したレーザ・ドップラー速度計（Laser Doppler Velocimeter、Velocimetry、或いはVibrometer：以下、「ＬＤＶ」という）が挙げられる。
【０００４】
接触型の振動変位測定装置の一種である圧電式半導体加速度センサは、小型であり、外部電源が不要であり、変位基準点の設置が不要であり、静的感度を持たないのでＤＣ成分（直流成分）によるゼロシフトがない等の特長がある。これに対し、非接触型の振動変位測定装置の一種であるＬＤＶは、離れた位置から測定できる、被測定対象の重量に影響を与えない、測定ダイナミックレンジが広い等の特長がある。尚、以下の特許文献１には、上述した圧電式半導体加速度センサの一例が開示されており、以下の非特許文献１には、上述したＬＤＶの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５４９４８０３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. Siegmund, “Sources of Measurement Error in Laser Doppler Vibrometers and Proposal for Unified Specifications”, Proc. SPIE, 7098, 70980Y
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した圧電式半導体加速度センサを用いて被測定対象の振動或いは変位を測定するには、圧電式半導体加速度センサを被測定対象に接触させる（取り付ける）必要がある。被測定対象の重量は、取り付けられた圧電式半導体加速度センサの重量の分だけ増加するため、被測定対象の振動の共振周波数が変わってしまう虞があるという問題がある。また、上述した特許文献１に開示された加速度センサのように、錘部が梁部に支持された構造を有するものは、錘部の最大変位量が制限されることから、測定ダイナミックレンジが限定されるという問題があった。
【０００８】
これに対し、上述したＬＤＶは、圧電式半導体加速度センサのような問題点（共振周波数が変わる、ダイナミックレンジが限定される）が無く、また、圧電式半導体加速度センサよりも測定精度が高いという利点を有する。しかしながら、ＬＤＶは、レーザ光の空間光路（一般的には、直線光路）を確保することが必要であることから、例えば直接目視することができない被測定対象の内部等を測定することはできないという問題がある。
【０００９】
また、上述した圧電式半導体加速度センサとＬＤＶとの双方に共通する問題点として、積分による誤差が生ずることが挙げられる。つまり、圧電式半導体加速度センサの場合には、変位量を求めるには検出結果（加速度を示す検出結果）を２回積分する必要があり、ＬＤＶの場合には、変位量を求めるには検出結果（速度を示す検出結果）を１回積分する必要があるが、何れの場合においても検出結果を積分する際に誤差が生じてしまう。このような測定結果の悪化が生じ得る積分演算を用いることなく、被測定対象の変位を直接測定することができれば、高い精度での測定が実現できると考えられる。
【００１０】
尚、ＬＤＶ以外の非接触型の振動変位測定装置として、光変調器を用いて光路差を可変掃引するレーザ干渉計がある。このようなレーザ干渉計は、高精度での変位測定を高速に行うことが可能であるというという極めて優れた特徴を有するものの、レーザ干渉計に設けられた光変調器が受動光学部品や半導体電子部品に比べると高価であるため、コストの面での問題もある。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広いダイナミックレンジを有し、従来よりも高精度の測定を行うことが可能な振動変位測定装置及び振動変位測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の振動変位測定装置は、被測定対象（ＤＵＴ）の振動或いは変位を非接触で測定する振動変位測定装置（１〜３）であって、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク（ＣＰ）内に配置されるように周波数変調された連続光（Ｌ１）を出力する光源部（１１）と、前記連続光をプローブ光（ＬＰ）と参照光（ＬＲ）とに分岐する分岐部（１２、２１）と、前記被測定対象で反射された前記プローブ光と前記参照光との干渉光を受光する受光部（１５）と、前記受光部から出力される受光信号（Ｓ１）を用いて前記被測定対象の振動或いは変位を求める演算部（１７）と、を備える。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記光源部が、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように、少なくとも変調周期及び変調振幅が設定されている。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記光源部の変調周期及び変調振幅が、前記被測定対象の測定部位が前記相関ピークの前半部（Ｈ１）、又は後半部（Ｈ２）に配置されるように設定されている。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記光源部の変調周期が、前記分岐部で分岐された前記プローブ光が前記被測定対象で反射されて前記受光部に至るまでの第１光路の長さと、前記分岐部で分岐された前記参照光が前記受光部に至るまでの第２光路の長さとの差を光速で除して得られる値の整数倍、或いは該整数倍に近い値に設定される。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記光源部の変調振幅が、前記被測定対象の測定部位の振動或いは変位の大きさに応じて設定される。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記分岐部で分岐された前記プローブ光を、前記被測定対象に向けて照射する位置である照射位置まで導く光ファイバ（Ｆ１０）を備える。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記照射位置と前記被測定対象との間に配置され、前記光ファイバから射出される前記プローブ光を前記被測定対象の測定部位に集光し、或いは前記光ファイバから射出される前記プローブ光を平行光に変換して前記被測定対象の測定部位に照射するレンズ（１４ａ、１４ｂ）を備える。
また、本発明の振動変位測定装置は、前記演算部の演算結果を参照しつつ、前記光源部を制御する制御部（１８）を備える。
本発明の振動変位測定方法は、被測定対象（ＤＵＴ）の振動或いは変位を非接触で測定する振動変位測定方法であって、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク（ＣＰ）内に配置されるように周波数変調された連続光（Ｌ１）を出力する第１ステップ（Ｓ２１）と、前記連続光をプローブ光（ＬＰ）と参照光（ＬＲ）とに分岐する第２ステップと（Ｓ２２）、前記被測定対象で反射された前記プローブ光と前記参照光との干渉光を受光する第３ステップ（Ｓ２３）と、前記第３ステップで得られる受光信号を用いて前記被測定対象の振動或いは変位を求める第４ステップ（Ｓ２４）と、を有する。
また、本発明の振動変位測定方法は、前記被測定対象の振動或いは変位の測定に先立って行われ、前記プローブ光の光路上における基準位置に設置された反射ミラーに前記プローブ光を照射し、前記受光信号が最大となる前記連続光の変調周波数を求める第１初期ステップ（Ｓ１１）と、前記基準位置から前記反射ミラーが除去された状態で、前記被測定対象に前記プローブ光を照射し、前記連続光の変調周波数を変化させつつ前記受光信号の強度を測定する第２初期ステップ（Ｓ１２）と、前記第２初期ステップの測定結果を用いて、前記被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように前記連続光の変調周波数を決定する第３初期ステップ（Ｓ１６）と、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被測定対象の測定部位が相関ピーク内に配置されるように光源部から出力される連続光を周波数変調し、連続光をプローブ光と参照光とに分岐し、被測定対象で反射されたプローブ光と参照光との干渉光を受光し、受光信号を用いて被測定対象の振動或いは変位を求めるようにしている。このため、従来の加速度センサのようにダイナミックレンジが制限されることはなく、また従来のように積分演算を行う必要がないことから、広いダイナミックレンジを有し、従来よりも高精度の測定を行うことが可能である、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態における相関ピークの一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態における相関ピークの拡大図である。
【図４】本発明の第１実施形態で行われる初期設定処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態において被測定対象が振動している場合に測定される受光信号の強度の一例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態で行われる測定処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第１〜第３実施形態における射出部の構成例を示す図である。
【図１０】本発明の第１〜第３実施形態における射出部の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による振動変位測定装置について詳細に説明する。
【００１６】
〔第１実施形態〕
〈振動変位測定装置の構成〉
図１は、本発明の第１実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の振動変位測定装置１は、光源部１１、合分岐部１２（分岐部）、反射部１３、射出部１４、受光部１５、取得部１６、演算部１７、制御部１８、及び偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４を備えており、被測定対象ＤＵＴに対してプローブ光ＬＰを照射して被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を非接触で測定する。尚、被測定対象ＤＵＴは、例えばプラントに設けられた各種機器や、種々のエンジン等が挙げられるが、特に制限されることはなく任意の物で良い。
【００１７】
光源部１１は、例えば分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feed-Back Laser Diode）等の半導体レーザ素子を備えており、制御部１８によって制御されて、周波数変調された直線偏波の連続光Ｌ１を出力する。詳細は後述するが、光源部１１から出力される連続光Ｌ１は、被測定対象ＤＵＴの測定部位（プローブ光ＬＰが照射される部位）が相関ピーク（Correlation Peak）内に配置されるように周波数変調されている。この光源部１１の出力端には偏波保持光ファイバＦ１が接続されており、光源部１１から出力された連続光Ｌ１は、偏波保持光ファイバＦ１を介して合分岐部１２に導かれる。
【００１８】
尚、図示は省略しているが、光源部１１には、半導体レーザ素子の射出端側に、半導体レーザ素子の動作を安定させるためのアイソレータが設けられている。半導体レーザ素子から射出された連続光Ｌ１は、アイソレータを介して光源部１１の外部に出力されるが、半導体レーザ素子への戻り光（例えば、連続光Ｌ１の反射光）は、アイソレータによって遮断される。半導体レーザ素子への戻り光がアイソレータによって遮断されることで、半導体レーザ素子の動作が安定する。
【００１９】
合分岐部１２は、偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４がそれぞれ接続された４つの入出力端を有しており、これら入出力端から入力される光の合波或いは分岐を行う。このような合分岐部１２としては、例えば光カプラや光サーキュレータを用いることができる。具体的に、合分岐部１２は、偏波保持光ファイバＦ１が接続された入出力端から入力される光（連続光Ｌ１）を、その偏波状態を保持しつつ参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐し、分岐した参照光ＬＲを偏波保持光ファイバＦ２が接続された入出力端から出力し、分岐したプローブ光ＬＰを偏波保持光ファイバＦ３が接続された入出力端から出力する。尚、合分岐部１２の分岐比は、任意に設定可能であるが、例えば参照光ＬＲとプローブ光ＬＰの強度比が１対１となるように設定されている。
【００２０】
また、合分岐部１２は、偏波保持光ファイバＦ２が接続された入出力端から入力される光（参照光ＬＲの反射光）と、偏波保持光ファイバＦ３が接続された入出力端から入力される光（プローブ光ＬＰの反射光）とを、その偏波状態を保持しつつ合波し、合波した光を偏波保持光ファイバＦ４が接続された入出力端から出力する。尚、合分岐部１２で合波された光は、偏波保持光ファイバＦ４が接続された入出力端のみから出力され、偏波保持光ファイバＦ１が接続された入出力端から出力されないようにすることが望ましい。
【００２１】
反射部１３は、偏波保持光ファイバＦ２の端部（或いは、その近傍）に配置されており、偏波保持光ファイバＦ２によって導かれた参照光ＬＲを、その偏波状態を保持したまま反射する。尚、参照光ＬＲの反射光は、偏波保持光ファイバＦ２に入射し、偏波保持光ファイバＦ２を介して合分岐部１２に導かれる。射出部１４は、偏波保持光ファイバＦ３を介して導かれたプローブ光ＬＰを、その偏波状態を保持したまま振動変位測定装置１の外部に射出する。射出部１４から射出されるプローブ光ＬＰは、被測定対象ＤＵＴの測定部位に集光される光であっても良く、コリメートされた光であっても良い。また、射出部１４には、被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰの反射光が入射される。
【００２２】
受光部１５は、例えばフォトダイオード、或いはアバランシェ・フォトダイオード等の受光素子を備えており、偏波保持光ファイバＦ４によって導かれた光（参照光ＬＲの反射光とプローブ光ＬＰの反射光との合波光）を受光する。ここで、偏波保持光ファイバＦ４によって受光部１５に導かれる光は、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとが干渉したものであるため、受光部１５からは、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの干渉強度を示す受光信号Ｓ１が出力される。
【００２３】
取得部１６は、受光部１５から出力される受光信号Ｓ１を、演算部１７で処理可能な信号に変換する。例えば、取得部１６は、受光信号Ｓ１を、アナログ電圧信号に変換し、或いはディジタル信号に変換する。この取得部１６としては、例えばオシロスコープ等のサンプリング装置、デジタイザ装置、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器等を用いることができる。
【００２４】
演算部１７は、取得部１６から出力される信号を用いて、被測定対象ＤＵＴの位置（変位量）を演算によって求める。この演算部１７は、従来の圧電式半導体加速度センサやＬＤＶ等のような積分演算を行うことなく、相関ピークの形状と取得部１６から出力される信号の大きさとに基づいて被測定対象ＤＵＴの位置を求める。尚、演算部１７で行われる演算の詳細については後述する。
【００２５】
制御部１８は、光源部１１に設けられた半導体レーザ素子に対する注入電流を制御することで、光源部１１の発光及び非発光を制御する。具体的に、制御部１８は、光源部１１を発光させる場合には、半導体レーザ素子の発光閾値を上回る直流電流が半導体レーザ素子に注入されるように制御しつつ、光源部１１から出力される連続光Ｌ１を周波数変調するための任意波形の交流電流が半導体レーザ素子に注入されるように制御する。尚、詳細は説明するが、制御部１８は、演算部１７の演算結果を参照しつつ光源部１１を制御することもある。
【００２６】
〈相関ピーク及び測定原理〉
次に、相関ピーク及び相関ピークを用いた被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位の測定原理について説明する。振動変位測定装置１は、参照光ＬＲの反射光とプローブ光ＬＰの反射光とを合分岐部１２で合波させることで参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとを干渉させ、その干渉強度を示す受光信号Ｓ１を得ている。仮に、光源部１１から出力される連続光Ｌ１の周波数が無変調である場合には、受光信号Ｓ１の強度変化の周期は、連続光Ｌ１の波長の１周期となる。
【００２７】
本実施形態では、光源部１１から出力される連続光Ｌ１を周波数変調しているため、受光信号Ｓ１の強度は、上記の周期（連続光Ｌ１の波長の１周期）とは異なる相関ピークの周期で変化することとなる。ここで、相関ピークは、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの相関が高い状態であることを示すものであり、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの光路差が、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとが強め合う状態になっている場合に現れる。特に、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの光路差が零である場合に現れる相関ピークを０次相関ピーク（0ｔｈ Order Correlation Peak）という。
【００２８】
いま、光源部１１から出力される連続光Ｌ１が、周波数ｆｍの正弦波で変調されているとする。まず、説明を簡単にするために、偏波保持光ファイバＦ２の長さが１［ｍ］であり、偏波保持光ファイバＦ３の長さが１１［ｍ］であるとする。これにより、合分岐部１２と反射部１３との間の往復光路長が２［ｍ］であり、合分岐部１２と射出部１４との間の往復光路長が２２［ｍ］であるとする。また、被測定対象ＤＵＴが射出部１４の端面に配置されており、射出部１４から被測定対象ＤＵＴまでの距離が０［ｍ］であるとする。
【００２９】
かかる状況において、０次相関ピークは、偏波保持光ファイバＦ３の一端（合分岐部１２に接続された端部）から１［ｍ］の位置に現れる。つまり、プローブ光ＬＰの往復光路長が、参照光ＬＲの往復光路長と等しくなる位置に０次相関ピークが現れる。この０次相関ピークが現れる位置で反射光やレイリー散乱光が生ずると、参照光ＬＲと干渉することから測定誤差となり得る。しかしながら、０次相関ピークは、偏波保持光ファイバＦ３の途中で現れているため反射光は生じず、またレイリー散乱光の強度は被測定対象ＤＵＴからの反射光の強度に比べて極めて小さいため、測定誤差は殆ど生じない。
【００３０】
また、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの光路差が連続光Ｌ１の変調周期（１／ｆｍ）のＮ倍（Ｎは整数）になる場合に現れる相関ピークをＮ次相関ピーク（Nｔｈ Order Correlation Peak）という。具体的には、以下の（１）式に示す通り、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの光路差（２Ｌ）を光速Ｖで除して得られる値が、連続光Ｌ１の変調周期（１／ｆｍ）のＮ倍と一致する場合に、Ｎ次相関ピークが現れる。尚、以下の（１）式中の光速Ｖは、光ファイバ中の光速である。
Ｌ＝Ｎ・Ｖ／（２・ｆｍ）    …（１）
【００３１】
例えば、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍが１０［ＭＨｚ］であり、光ファイバ中の光速Ｖが、例えば２×１０８［ｍ／ｓｅｃ］であるとすると、上記（１）式においてＮ＝１の場合の相関ピーク（１次相関ピーク）は、Ｌ＝１０［ｍ］の位置に現れる。つまり、１次相関ピークは、０次相関ピークが現れた位置から１０［ｍ］だけ離れた位置（即ち、射出部１４の位置）に現れる。上述の通り、射出部１４の端面には被測定対象ＤＵＴが配置されていることから、１次相関ピークが現れる位置で反射光（プローブ光ＬＰの反射光）が生ずる。このプローブ光ＬＰの反射光は、参照光ＬＲ（反射部１３で反射された参照光ＬＲ）と干渉し、受光部１５から出力される受光信号Ｓ１の強度が最大になる。このように、相関ピークが現れる位置に被測定対象ＤＵＴが配置されている場合には、相関ピークが現れる位置でプローブ光ＬＰの反射光が生ずるため、受光部１５から出力される受光信号Ｓ１の強度が最大になる。
【００３２】
図２は、本発明の第１実施形態における相関ピークの一例を示す図である。尚、図２においては、横軸に射出部１４の位置を原点とした被測定対象ＤＵＴの位置をとっており、縦軸に参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの相関度をとってある。尚、縦軸は、「受光信号Ｓ１の強度」と読み替えても良い。図２において、相関度がδ関数的に大きくなっている部分が相関ピークＣＰである。図２に示す例では、０［ｍ］の位置（原点）に１次相関ピークが現れており、１０［ｍ］の位置に２次相関ピークが現れており、以降１０［ｍ］おきに３次以降の相関ピークが周期的に現れている。
【００３３】
図３は、本発明の第１実施形態における相関ピークの拡大図である。尚、図３は、図２に示す２次相関ピークを拡大した図である。図３に示す通り、相関ピークＣＰは、左右対称の山形状（上に凸の形状）であり、相関ピークＣＰの両脇にはサイドローブと呼ばれる複数の山形状（高さは相関ピークＣＰの高さよりも低い）が繰り返し存在することが分かる。また、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１だけを見ると、相関ピークＣＰは、単調増加の直線に近い変化を示す部分があり、相関ピークＣＰの後半部Ｈ２だけを見ると、相関ピークＣＰは、単調減少の直線に近い変化を示す部分があるのが分かる。
【００３４】
本実施形態では、このような相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２における直線に近い変化を示す部分を利用し、被測定対象ＤＵＴの測定部位が相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２に配置されるようにして被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を精度良く測定している。例えば、静止状態にある被測定対象ＤＵＴの測定部位が、図３中に示す位置ＤＰ（相関度が０．５程度となる位置）になるように、前述した（１）式を用いて光源部１１の変調周波数ｆｍ及び整数Ｎの値を決定する。尚、変調周波数ｆｍを高くすれば整数Ｎの値は大きくなり、変調周波数ｆｍを低くすれば整数Ｎの値は小さくなる。
【００３５】
変調周波数ｆｍが一定に維持されている場合には、相関ピークＣＰの位置は変動しないため、被測定対象ＤＵＴの測定部位が振動変位測定装置１の射出部１４から遠ざかる方向（図３の紙面右方向）に変位すると、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの相関度が高くなって受光信号Ｓ１の強度は高くなる。これに対し、変調周波数ｆｍが一定に維持されている場合において、被測定対象ＤＵＴの測定部位が振動変位測定装置１の射出部１４に近づく方向（図３の紙面左方向）に変位すると、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの相関度が低くなって受光信号Ｓ１の強度は低くなる。このように、被測定対象ＤＵＴの測定部位の変位量に応じて受光信号Ｓ１の強度が変化するという現象を利用して、本実施形態では、受光信号Ｓ１の強度の測定結果を用いて被測定対象ＤＵＴの変位量を求めるようにしている。
【００３６】
ここで、図３に示す通り、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２において、相関度が高い部分（相関度が０．８程度以上の部分）では、相関ピークＣＰは曲線状に変化しており、この部分を利用すると測定精度が悪化する虞が考えられる。また、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２において、相関度が低い部分（相関度が０．２程度以下の部分）では、受光信号Ｓ１の強度が低くなっており、この部分を利用するとノイズ等の影響によって測定精度が悪化する虞が考えられる。
【００３７】
このため、図３中に示す位置ＤＰ（相関度が０．５程度となる位置）を基準とし、被測定対象ＤＵＴの変位量（振動の振幅を含む）が、図３中に示す位置ＤＬ（相関度が０．２程度となる位置）と図３中に示す位置ＤＨ（相関度が０．８程度となる位置）との間に収まるようにすれば、測定精度の悪化を防止できると考えられる。尚、以下では、図３中に示す位置ＤＰを「動作点ＯＰ」といい、図３中に示す位置ＤＬを「最小変位点ＯＬ」といい、図３中に示す位置ＤＨを「最大変位点ＯＨ」ということもある。
【００３８】
図３に示す相関ピークＣＰの形状は、光源部１１から出力される連続光Ｌ１の波長、偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４の屈折率、射出部１４から被測定対象ＤＵＴまでの光路の屈折率、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍ、変調振幅Δｆ、及び変調波形によって求めることができる。図１に示す演算部１７は、これらを用いて相関ピークＣＰの形状を求め、求めた相関ピークＣＰの形状と取得部１６から出力される信号とを用いて、被測定対象ＤＵＴの変位量を求めている。尚、被測定対象ＤＵＴの変位量を連続的に求めることによって、被測定対象ＤＵＴの振動を求めることができる。
【００３９】
〈振動変位測定方法〉
次に、振動変位測定方法について説明する。振動変位測定装置１によって被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位の測定を行うには、図３を用いて説明した通り、静止状態にある被測定対象ＤＵＴの測定部位が、図３中に示す動作点ＯＰになるように、光源部１１の変調周波数ｆｍ等を決定する必要がある。以下では、まず、光源部１１の変調周波数ｆｍ等を決定する処理（以下、初期設定処理という）について説明し、次に被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を測定する処理（以下、測定処理という）について説明する。
【００４０】
・初期設定処理
図４は、本発明の第１実施形態で行われる初期設定処理を示すフローチャートである。まず、図４に示す通り、振動変位測定装置１に設けられた射出部１４の端面（プローブ光ＬＰの光路上における基準位置）に不図示の反射ミラーを設置し、反射ミラーにプローブ光ＬＰを照射して、受光信号Ｓ１の強度が最大となる変調周波数ｆｍを決定する処理が行われる（ステップＳ１１：第１初期ステップ）。この処理は、偏波保持光ファイバＦ２，Ｆ３の長さを正確に把握することは実際上困難であるため、変調周波数ｆｍの調整によってプローブ光ＬＰと参照光ＬＲとの光路長差を正確に把握するために行われる。
【００４１】
射出部１４の端面に対する不図示の反射ミラーの設置は、例えば振動変位測定装置１の設置やメンテナンス等を行う作業者によって行われる。尚、反射ミラーとしては、例えば反射面が平面な平面ミラーを用いることができるが、射出部１４の端面から射出されるプローブ光ＬＰを反射して射出部１４に入射させることができるものであれば任意のミラーを用いることができる。
【００４２】
反射ミラーの設置が完了して、ステップＳ１１の処理が開始されると、制御部１８によって光源部１１が制御され、予め規定された変調周波数ｆｍで変調された連続光Ｌ１が光源部１１から出力される。光源部１１から出力された連続光Ｌ１は、偏波保持光ファイバＦ１を介して合分岐部１２に入射し、偏波状態が保持されつつ参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐される。
【００４３】
分岐された参照光ＬＲは、偏波保持光ファイバＦ２を伝播した後に反射部１３によって偏波状態が保持されたまま反射され、偏波保持光ファイバＦ２を逆方向に伝播した後に合分岐部１２に入射する。これに対し、分岐されたプローブ光ＬＰは、偏波保持光ファイバＦ３を伝播した後に射出部１４の端面に設置された不図示の反射ミラーによって偏波状態が保持されたまま反射され、偏波保持光ファイバＦ３を逆方向に伝播した後に合分岐部１２に入射する。
【００４４】
合分岐部１２に入射した参照光ＬＲの反射光及びプローブ光ＬＰの反射光は、偏波状態が保持されたまま合波される。合分岐部１２で合波された光は、偏波保持光ファイバＦ４を伝播した後に受光部１５で受光される。これにより、受光部１５からは、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの干渉強度を示す受光信号Ｓ１が出力される。受光部１５から出力された受光信号Ｓ１は、取得部１６において演算部１７で処理可能な信号に変換された後に演算部１７に入力されて受光信号Ｓ１の強度を測定する処理が行われる。
【００４５】
以上の処理が終了すると、制御部１８の制御によって連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍが予め規定された周波数だけ変更され、変更された変調周波数ｆｍにおける受光信号Ｓ１が取得部１６で変換されて演算部１７に入力されて受光信号Ｓ１の強度を測定する処理が行われる。以後、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍを予め規定された周波数だけ変更し、変更した変調周波数ｆｍにおける受光信号Ｓ１の強度を測定する処理が、制御部１８の制御の下で繰り返し行われる。このような繰り返し処理が終了すると、演算部１７で測定された受光信号Ｓ１の強度が最大となる変調周波数ｆｍを決定する処理が制御部１８で行われる。尚、ここで決定された変調周波数ｆｍは、相関ピークの１つ（例えば、１次相関ピーク）が、射出部１４の端面の位置に現れるようにするものである。
【００４６】
次に、射出部１４の端面に設置された不図示の反射ミラーを除去し、被測定対象ＤＵＴにプローブ光ＬＰを照射して、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍを変化させつつ受光信号Ｓ１の強度を測定する処理が演算部１７で行われる（ステップＳ１２：第２初期ステップ）。ここで、被測定対象ＤＵＴに照射されたプローブ光ＬＰは、被測定対象ＤＵＴで反射されて射出部１４の端面に入射するように設定されているものとする。尚、不図示の反射ミラーの除去は、例えば振動変位測定装置１の設置やメンテナンス等を行う作業者によって行われる。
【００４７】
ステップＳ１２の処理が開始されると、制御部１８の制御によって、まず連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍが、上述したステップＳ１１で決定された変調周波数ｆｍよりも予め規定された周波数だけ異なる周波数に設定される。例えば、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍが、ステップＳ１１で決定された変調周波数ｆｍよりも僅かに低い周波数に設定される。このような周波数に設定された場合には、前述した（１）式中におけるＬの値が僅かに大きくなる。これにより、射出部１４の端面に現れている相関ピーク（例えば、１次相関ピーク）は、射出部１４の端面から被測定対象ＤＵＴに向かう方向に移動した状態になる。そして、この状態における受光信号Ｓ１の強度の最大値（ピーク強度）を測定する処理が演算部１７で行われる。
【００４８】
以後同様に、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍを変化させつつ、受光信号Ｓ１のピーク強度を測定する処理が繰り返し行われる。つまり、変調周波数ｆｍを走査（スキャン）して相関ピークの位置を徐々に移動させながら、受光信号Ｓ１のピーク強度を測定する処理が行われる。このような処理が行われることで、振動変位測定装置１からの距離（射出部１４の端面からの距離）と、受光信号Ｓ１のピーク強度の変化との関係を示す受光強度分布が得られる。
【００４９】
ここで、被測定対象ＤＵＴが静止している場合には、上記の処理で得られる受光強度分布は、相関ピークの波形を示すものとなる。また、受光強度分布の最大値が得られる位置が、被測定対象ＤＵＴの測定部位が配置されている位置である。このため、上述した処理を行って受光強度分布を求めることにより、静止した状態にある被測定対象ＤＵＴの位置を求めることができる。
【００５０】
これに対し、被測定対象ＤＵＴが静止していない場合（例えば、振動している場合）には、変調周波数ｆｍが一定であったとしても、演算部１７で測定される受光信号Ｓ１の強度は時間的に変動する。図５は、本発明の第１実施形態において被測定対象が振動している場合に測定される受光信号の強度の一例を示す図である。尚、図５においては、図２，図３と同様に、縦軸を「受光信号Ｓ１の強度」と読み替えても良い。
【００５１】
例えば、被測定対象ＤＵＴの位置が、相関ピークの位置よりも紙面左側に移動した場合には、相関ピークが被測定対象ＤＵＴに対して相対的に紙面右側に移動したときの受光強度が得られる。これに対し、被測定対象ＤＵＴの位置が、相関ピークの位置よりも紙面右側に移動した場合には、相関ピークが被測定対象ＤＵＴに対して相対的に紙面左側に移動したときの受光強度が得られる。このように、被測定対象ＤＵＴが静止していない場合には演算部１７で測定される受光信号Ｓ１の強度は時間的に変動する。
【００５２】
本実施形態では、受光信号Ｓ１の強度の最大値（ピーク強度）を測定することで、被測定対象ＤＵＴの静止時位置（被測定対象ＤＵＴが静止している時に配置される位置）を求めるようにしている。具体的に、図５中の符号ＰＫを付した曲線が、演算部１７で測定されたピーク強度を示す曲線である。尚、ピーク強度は、例えば、変調周波数ｆｍがある周波数に設定されたときに、少なくとも被測定対象ＤＵＴの振動の一周期の間において、演算部１７で測定された強度の最大値を保持（ピークホールド）することによって求められる。
【００５３】
図５を参照すると、被測定対象ＤＵＴの振れ幅の分だけ、相関ピークの最大値が得られる範囲が拡がっていることとが分かる。つまり、図５に示す例では、図中符号Ｗを付した範囲において、相関ピークの最大値が得られている。このため、被測定対象ＤＵＴが静止していない場合には、演算部１７は、符号Ｗを付した範囲の中心位置Ｑを、被測定対象ＤＵＴの静止時位置として求め、符号Ｗを付した範囲の半分の長さを変位振幅として求めている。
【００５４】
次いで、受光信号Ｓ１の強度が最大となる位置（或いは、受光信号Ｓ１の強度が最大となる範囲の中心位置Ｑ）から、相関ピークの１つを被測定対象ＤＵＴの静止位置（或いは、静止時位置）に配置するための変調周波数ｆｍ０を決定する処理が演算部１７で行われる（ステップＳ１３）。また、符号Ｗの範囲から、変調振幅Δｆを決定する処理が演算部１７で行われる（ステップＳ１４）。
【００５５】
続いて、得られた変調周波数ｆｍ０と変調振幅Δｆとに基づいて、相関ピークの波形を算出する処理が演算部１７で行われる（ステップＳ１５）。この処理によって、例えば図３に示す相関ピークＣＰの波形が求められる。以上の処理が終了すると、静止している被測定対象ＤＵＴの測定部位、或いは静止時位置にある被測定対象ＤＵＴの測定部位が、図３中に示す動作点ＯＰになるよう、変調周波数ｆｍが調整される（ステップＳ１６：第３初期ステップ）。
【００５６】
・測定処理
図６は、本発明の第１実施形態で行われる測定処理を示すフローチャートである。処理が開始されると、制御部１８によって光源部１１が制御され、上述した初期設定処理で最終的に決定された変調周波数ｆｍ及び変調振幅Δｆで変調された連続光Ｌ１が光源部１１から出力される（ステップＳ２１：第１ステップ）。光源部１１から出力された連続光Ｌ１は、偏波保持光ファイバＦ１を介して合分岐部１２に入射し、偏波状態が保持されつつ参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐される（ステップＳ２２：第２ステップ）。
【００５７】
分岐された参照光ＬＲは、偏波保持光ファイバＦ２を伝播した後に反射部１３によって偏波状態が保持されたまま反射され、偏波保持光ファイバＦ２を逆方向に伝播した後に合分岐部１２に入射する。これに対し、分岐されたプローブ光ＬＰは、偏波保持光ファイバＦ３を伝播した後に射出部１４から偏波状態が保持されたまま振動変位測定装置１の外部に射出され、図１に示す光路を伝播した後に、被測定対象ＤＵＴの測定部位に照射される。被測定対象ＤＵＴに照射されたプローブ光ＬＰの反射光は、図１に示す光路を逆向きに伝播した後に射出部１４に入射し、偏波保持光ファイバＦ３を逆方向に伝播した後に合分岐部１２に入射する。
【００５８】
合分岐部１２に入射した参照光ＬＲの反射光及びプローブ光ＬＰの反射光は、偏波状態が保持されたまま合波される。合分岐部１２で合波された光は、偏波保持光ファイバＦ４を伝播した後に受光部１５で受光される（ステップＳ２３：第３ステップ）。これにより、受光部１５からは、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとの干渉強度を示す受光信号Ｓ１が出力される。受光部１５から出力された受光信号Ｓ１は、取得部１６において演算部１７で処理可能な信号に変換された後に演算部１７に入力される。
【００５９】
取得部１６からの信号が入力されると、演算部１７では、前述した通り、相関ピークＣＰの形状を求め、求めた相関ピークＣＰの形状と取得部１６から出力された信号とを用いて、被測定対象ＤＵＴの変位量を求める処理が行われる（ステップＳ２４：第４ステップ）。尚、このような被測定対象ＤＵＴの変位量を求める処理が連続して行われることで、被測定対象ＤＵＴの振動が求められる。
【００６０】
ここで、演算部１７は、相関ピークＣＰの形状を求めた場合に、求めた相関ピークＣＰの形状に対し、一般的に知られている最適化方法を用いて関数のフィッティングを行うようにしても良い。一般的に、フィッティングに用いられる関数は、１次関数或いは２次関数が多いが、より高次の関数であっても良く、非線形関数であっても良く、任意の関数を用いることができる。尚、フィッティングに１次関数を用いることができる場合には、極めて容易な演算で被測定対象ＤＵＴの変位量を求めることができる。
【００６１】
上記のフィッティングが演算部１７で行われる場合には、制御部１８が光源部１１を制御して、演算部１７でフィッティングされた関数の誤差が許容範囲に収まるように、図３に示す最小変位点ＯＬ及び最大変位点ＯＨを自動的に設定するようにしても良い。例えば、測定可能な距離レンジ（最小変位点ＯＬと最大変位点ＯＨとの間隔）が、被測定対象ＤＵＴの最大変位量よりも狭い場合には、制御部１８が光源部１１を制御して、相関ピークＣＰの形状を変えることで、測定可能な距離レンジを広げることができる。具体的に、連続光Ｌ１の変調が正弦波を用いて行われている場合には、その変調振幅Δｆを小さくすれば相関ピークＣＰの幅が広がるため、測定可能な距離レンジを広げることができる。
【００６２】
逆に、測定可能な距離レンジ（最小変位点ＯＬと最大変位点ＯＨとの間隔）が、被測定対象ＤＵＴの最大変位量よりも広すぎる場合には、相関ピークＣＰの傾斜のごく一部しか用いられないこととなる。このような場合には、制御部１８が光源部１１を制御して、相関ピークＣＰの形状を変えて測定可能な距離レンジを狭くすることで、被測定対象ＤＵＴの変位量の感度を向上させることができる。具体的に、連続光Ｌ１の変調が正弦波を用いて行われている場合には、その変調振幅Δｆを大きくすれば相関ピークＣＰの幅が狭くなって傾斜が急峻になるため、被測定対象ＤＵＴの変位量の感度を向上させることができる。
【００６３】
以上の通り、本実施形態では、被測定対象ＤＵＴの測定部位が相関ピークＣＰの前半部Ｈ１又は後半部Ｈ２に配置されるように光源部１１から出力される連続光Ｌ１を周波数変調し、連続光Ｌ１を合分岐部１２で参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐している。そして、反射部１３で反射された参照光ＬＲと被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰとを合分岐部１２で合波して受光し、得られた受光信号Ｓ１を用いて被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を求めるようにしている。
【００６４】
このため、本実施形態では、従来の加速度センサのようにダイナミックレンジが制限されることはなく、また従来のように積分演算を行う必要がないことから、広いダイナミックレンジを有し、従来よりも高精度の測定を行うことが可能である。また、本実施形態では、従来のレーザ干渉計のように光変調器を用いて光路差を可変掃引する必要もないことから、コストの大幅な上昇を招くことなく、低コストで振動変位測定装置１を実現することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、被測定対象ＤＵＴの測定に先立って、連続光Ｌ１の変調周波数ｆｍを走査（スキャン）することによって相関ピークが現れる位置を変えていき、相関ピークの１つを被測定対象ＤＵＴの静止位置（或いは、静止時位置）に配置するための変調周波数ｆｍ０を決定するようにしている。そして、決定された変調周波数ｆｍ０と変調振幅Δｆとに基づいて相関ピークの波形を算出し、静止している被測定対象ＤＵＴの測定部位、或いは静止時位置にある被測定対象ＤＵＴの測定部位が、図３中に示す動作点ＯＰになるよう変調周波数ｆｍを調整するようにしている。このように、本実施形態では、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を非接触で測定する上で必要な変調周波数ｆｍの調整を、短時間で自動的に行うことができる。
【００６６】
〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。尚、図７では、図１に示した構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図７に示す通り、本実施形態の振動変位測定装置２は、図１に示す振動変位測定装置１の射出部１４をコネクタ部ＣＮに代えた構成である。このような振動変位測定装置２は、例えば直接目視することができない被測定対象ＤＵＴの内部等のような部位であっても測定可能とするものである。
【００６７】
コネクタ部ＣＮには、一端に射出部１４が設けられた偏波保持光ファイバＦ１０（光ファイバ）の他端が取り付けられる。この偏波保持光ファイバＦ１０は、偏波保持光ファイバＦ３を介したプローブ光ＬＰを、被測定対象ＤＵＴに向けて照射する位置である照射位置まで導くためのものである。このような偏波保持光ファイバＦ１０を取り付け可能とすることで、被測定対象ＤＵＴに対して任意の位置、任意の方向からプローブ光ＬＰを照射することができ、また、被測定対象ＤＵＴの内部にもプローブ光ＬＰを導くことが可能になる。このため、上述した被測定対象ＤＵＴの内部等の部位の振動或いは変位も測定可能になる。
【００６８】
尚、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、被測定対象ＤＵＴの測定部位が相関ピークＣＰの前半部Ｈ１又は後半部Ｈ２に配置されるように光源部１１から出力される連続光Ｌ１を周波数変調し、連続光Ｌ１を合分岐部１２で参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐している。そして、反射部１３で反射された参照光ＬＲと被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰとを合分岐部１２で合波して受光し、得られた受光信号Ｓ１を用いて被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を求めるようにしている。このため、第１実施形態と同様に、広いダイナミックレンジを有し、従来よりも高精度の測定を行うことが可能である。
【００６９】
〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態による振動変位測定装置の要部構成を示すブロック図である。尚、図８では、図１に示した構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図８に示す通り、本実施形態の振動変位測定装置３は、図１に示す振動変位測定装置１の合分岐部１２、反射部１３、及び偏波保持光ファイバＦ２〜Ｆ４に代えて、分岐部２１、光サーキュレータ２２、合波部２３、及び偏波保持光ファイバＦ２１〜Ｆ２５を設けた構成である。このような振動変位測定装置３は、プローブ光ＬＰの損失（ロス）を低減して、Ｓ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ったものである。
【００７０】
分岐部２１は、偏波保持光ファイバＦ１が接続された１つの入力端と、偏波保持光ファイバＦ２１，Ｆ２２がそれぞれ接続された２つの出力端とを有しており、入力端から入力される光を２分岐して出力端からそれぞれ出力する。具体的に、分岐部２１は、偏波保持光ファイバＦ１が接続された入力端から入力される光（連続光Ｌ１）を、その偏波状態を保持しつつ参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐し、分岐したプローブ光ＬＰを偏波保持光ファイバＦ２１が接続された出力端から出力し、分岐した参照光ＬＲを偏波保持光ファイバＦ２２が接続された出力端から出力する。尚、分岐部２１の分岐比は、図１に示す合分岐部１２と同様に任意である。
【００７１】
光サーキュレータ２２は、偏波保持光ファイバＦ２１が接続された入出力端Ｐ１と、偏波保持光ファイバＦ２３が接続された入出力端Ｐ２と、偏波保持光ファイバＦ２４が接続された入出力端Ｐ３とを有する。この光サーキュレータ２２は、入出力端Ｐ１から入力される光を入出力端Ｐ２から出力し、入出力端Ｐ２から入力される光を入出力端Ｐ３から出力し、入出力端Ｐ３から入力される光を入出力端Ｐ１から出力する。尚、光サーキュレータ２２は、上記の光の入出力を、その偏波状態を保持しつつ行う。尚、偏波保持光ファイバＦ２３は、射出部１４にも接続されている。
【００７２】
合波部２３は、偏波保持光ファイバＦ２２，Ｆ２４がそれぞれ接続された２つの入力端と、偏波保持光ファイバＦ２５が接続された１つの出力端とを有する。この合波部２３は、偏波保持光ファイバＦ２２が接続された入力端から入力される光（参照光ＬＲ）と、偏波保持光ファイバＦ２４が接続された入力端から入力される光（プローブ光ＬＰの反射光）とを、その偏波状態を保持しつつ合波し、合波した光を偏波保持光ファイバＦ２５が接続された出力端から出力する。
【００７３】
次に、振動変位測定装置３の動作について簡単に説明する。動作が開始されると、第１，第２実施形態と同様に、制御部１８によって光源部１１が制御され、前述した初期設定処理で決定された変調周波数ｆｍで変調された連続光Ｌ１が光源部１１から出力される。光源部１１から出力された連続光Ｌ１は、偏波保持光ファイバＦ１を介して分岐部２１に入射し、偏波状態が保持されつつ参照光ＬＲとプローブ光ＬＰとに分岐される。
【００７４】
分岐されたプローブ光ＬＰは、偏波保持光ファイバＦ２１を伝播した後に光サーキュレータ２２の入出力端Ｐ１に入力し、偏波状態が保持されたまま光サーキュレータ２２の入出力端Ｐ２から出力される。そして、偏波保持光ファイバＦ２３を伝播した後に、射出部１４から偏波状態が保持されたまま振動変位測定装置３の外部に射出され、図８に示す光路を伝播した後に、被測定対象ＤＵＴの測定部位に照射される。他方、分岐された参照光ＬＲは、偏波保持光ファイバＦ２２を伝播した後に合波部２３に入力する。
【００７５】
被測定対象ＤＵＴに照射されたプローブ光ＬＰの反射光は、図８に示す光路を逆向きに伝播した後に射出部１４に入射する。この反射光は、偏波保持光ファイバＦ２３を逆方向に伝播した後に光サーキュレータ２２の入出力端Ｐ２に入力し、偏波状態が保持されたまま光サーキュレータ２２の入出力端Ｐ３から出力される。そして、偏波保持光ファイバＦ２４を伝播した後に合波部２３に入射して参照光ＬＲと合波される。合波部２３で合波された光（参照光ＬＲとプローブ光ＬＰの反射光との干渉光）は、偏波保持光ファイバＦ２５を伝播した後に受光部１５で受光される。
【００７６】
これにより、受光部１５からは、参照光ＬＲとプローブ光ＬＰの反射光との干渉強度を示す受光信号Ｓ１が出力される。受光部１５から出力された受光信号Ｓ１は、取得部１６において演算部１７で処理可能な信号に変換された後に演算部１７に入力される。そして、演算部１７では、前述した通り、相関ピークＣＰの形状を求め、求めた相関ピークＣＰの形状と取得部１６から出力された信号とを用いて、被測定対象ＤＵＴの変位量を求める処理が行われる。
【００７７】
以上の通り、本実施形態では、分岐部２１と射出部１４との間に光サーキュレータ２２を設け、光サーキュレータ２２の入出力端Ｐ２に入力したプローブ光ＬＰの反射光の全てを入出力端Ｐ３から出力するようにしている。これにより、第１，第２実施形態のように、プローブ光ＬＰの反射光が合分岐部１２で分岐されることがないため、プローブ光ＬＰの損失（ロス）を低減することができる。その結果として、Ｓ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ることができる。
【００７８】
次に、上述した第１〜第３実施形態で用いられている射出部１４の具体的な構成例について説明する。図９は、本発明の第１〜第３実施形態における射出部の構成例を示す図である。図９（ａ）に示す通り、射出部１４は、偏波保持光ファイバＦ３、偏波保持光ファイバＦ１０、或いは偏波保持光ファイバＦ２３（以下、偏波保持光ファイバＦ３等と略記する）の端部から予め規定された距離だけ離間して配置された両凸レンズ１４ａ（レンズ）を備える。この両凸レンズ１４ａは、偏波保持光ファイバＦ３等の端部から射出されたプローブ光ＬＰが、被測定対象ＤＵＴの測定部位に集光され、被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰが偏波保持光ファイバＦ３等の端部に集光されるように、偏波保持光ファイバＦ３等の端部と被測定対象ＤＵＴとの間に配置される。
【００７９】
尚、両凸レンズ１４ａの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）は、偏波保持光ファイバＦ３等の開口数と合致しているのが望ましい。また、偏波保持光ファイバＦ３等の端部と両凸レンズ１４ａとの位置関係がずれないように、偏波保持光ファイバＦ３等及び両凸レンズ１４ａは、モジュール化されているのが望ましい。偏波保持光ファイバＦ３等及び両凸レンズ１４ａをモジュール化する方法は、例えばプローブ光ＬＰの光路を遮らないように偏波保持光ファイバＦ３等及び両凸レンズ１４ａを樹脂で固める等の任意の方法を用いることできる。
【００８０】
ここで、図９（ｂ）に示す通り、両凸レンズ１４ａによって集光されるプローブ光ＬＰは、完全な一点に集光される訳ではなく、ある幅をもったスポット状に集光される。尚、スポットの径が最小になる位置がビームウェストＢＷであり、ビームウェストＢＷの半径に対してプローブ光ＬＰが所定の大きさまで広がる光軸方向の距離が焦点深度ＤＯＦである。
【００８１】
被測定対象ＤＵＴが、上記の焦点深度ＤＯＦ内で振動している場合は、被測定対象ＤＵＴから反射されるプローブ光ＬＰは、図９（ａ）に示す通り、両凸レンズ１４ａによって偏波保持光ファイバＦ３等の端部に集光されて、偏波保持光ファイバＦ３等に入射する。このため、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位が、焦点深度ＤＯＦ内に収まるような微小振動或いは微小変位である場合には、図９（ａ）に示す構成の射出部１４で良好に測定することができる。
【００８２】
これに対し、被測定対象ＤＵＴが、上記の焦点深度ＤＯＦを大きく外れる場合には、図９（ｂ）に示す通り、被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰが両凸レンズ１４ａの口径を超えて広がることがある。このように、両凸レンズ１４ａの口径を超えて広がったプローブ光ＬＰは、偏波保持光ファイバＦ３等の端部に集光されることはないため、プローブ光ＬＰの強度（受光信号Ｓ１の強度）に誤差が生じ、大きな振動或いは変位を高い精度で測定することができなくなる。
【００８３】
図１０は、本発明の第１〜第３実施形態における射出部の他の構成例を示す図である。図１０に示す通り、射出部１４は、偏波保持光ファイバＦ３等の端部から予め規定された距離だけ離間して配置されたシリンドリカルレンズ１４ｂ（レンズ）を備える。このシリンドリカルレンズ１４ｂは焦点位置が偏波保持光ファイバＦ３等の端部に配置されるように、偏波保持光ファイバＦ３等の端部と被測定対象ＤＵＴとの間に配置される。
【００８４】
シリンドリカルレンズ１４ｂは、偏波保持光ファイバＦ３等の端部から射出されるプローブ光ＬＰを平行光に変換し、被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰを偏波保持光ファイバＦ３等の端部に集光する。このようなシリンドリカルレンズ１４ｂを用いれば、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位が大きくなっても、被測定対象ＤＵＴで反射されたプローブ光ＬＰが、シリンドリカルレンズ１４ｂを外れてしまい、偏波保持光ファイバＦ３等の端部に集光されなくなるといった事態は生じない。このため、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位が大きい場合であっても、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位を高い精度で測定することができる。
【００８５】
以上、本発明の実施形態による振動変位測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記第１，第２実施形態では、光源部１１、合分岐部１２、反射部１３、射出部１４、及び受光部１５が偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４によって接続されている例について説明した。また、上記第３実施形態では、光源部１１、分岐部２１、光サーキュレータ２２、射出部１４、合波部２３、及び受光部１５が偏波保持光ファイバＦ１，Ｆ２１〜Ｆ２５によって接続されている例について説明した。しかしながら、偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４，Ｆ２１〜Ｆ２５に代えて光導波路を用いても良く、或いは空間伝送路を用いても良い。また、射出部１４は、屈折率分布を有する平面レンズ等を用いても良い。
【００８６】
また、上記実施形態では、被測定対象ＤＵＴの測定部位が、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２に配置されるように連続光Ｌ１が周波数変調されている例について説明した。しかしながら、被測定対象ＤＵＴの測定部位が、相関ピークＣＰ内に配置されていれば、被測定対象ＤＵＴの振動或いは変位の測定は可能である。例えば、被測定対象ＤＵＴの測定部位が、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１と後半部Ｈ２とを跨がるように振動していたとしても、振動の測定は可能である。但し、測定精度の観点からは、相関ピークＣＰの前半部Ｈ１或いは後半部Ｈ２における直線に近い変化を示す部分を利用するのが望ましい。
【００８７】
また、上記実施形態では、偏波保持光ファイバＦ１〜Ｆ４，Ｆ１０，Ｆ２１〜Ｆ２５を用いる例について説明した。しかしながら、これらに代えて偏波保持機能を有しない通常の光ファイバを用いることも可能である。但し、偏波保持機能を有しない通常の光ファイバを用いる場合には、偏波スクランブラ等を用いて参照光ＬＲ及びプローブ光ＬＰの偏波状態をスクランブルさせる必要がある。
【００８８】
最後に、光源から射出されるレーザ光（周波数変調されたレーザ光）を２つに分岐し、一方のレーザ光を光ファイバに入射させて得られる散乱光と他方のレーザ光とを干渉させ、光ファイバ内の状態に応じて生じる散乱光を分布的に観測する反射計は、光相関領域反射計（ＯＣＤＲ：Optical Correlation Domain Reflectometry）と呼ばれている。本発明の振動変位測定装置は、反射計ではなく干渉計であることから、光相関領域干渉計（ＯＣＤＩ：Optical Correlation Domain Interferometry）と呼ぶことができる。
【符号の説明】
【００８９】
１〜３    振動変位測定装置
１１      光源部
１２      合分岐部
１４ａ    両凸レンズ
１４ｂ    シリンドリカルレンズ
１５      受光部
１７      演算部
１８      制御部
２１      分岐部
ＣＰ      相関ピーク
ＤＵＴ    被測定対象
Ｆ１０    偏波保持光ファイバ
Ｈ１      相関ピークの前半部
Ｈ２      相関ピークの後半部
Ｌ１      連続光
ＬＰ      プローブ光
ＬＲ      参照光
Ｓ１      受光信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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