(57)【要約】【課題】  検出感度が高く、出力が安定な、偏波面変調を利用した振動計測装置を提供する。【解決手段】  光源１からコヒーレント光（レーザ光）を導波路２に送り込む。送り込まれたコヒーレント光は、分岐されて、第１導波部２３と第２導波部２４とに入り、それぞれ、信号光および参照光となる。  第１導波部２３における信号光は、伝搬の途中において、第１導波部２３のセンサ部２３１に加えられた振動に応じて、その偏波面が変調される。  第２導波部２４における参照光は、偏波面回転器３により、高速で、偏波面が回転される。  第１導波部２３を通過した信号光と、第２導波部２４を通過した参照光とは、合波されて、光検出器４に送られる。光検出器４では、いわゆるホモダイン検波が行われる。光検出器４の出力信号（強度信号および位相信号）は、振動により信号光が受けた変調を表す。【選択図】図１
2005283466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、導波路と、偏波面回転器と、光検出器とを備えており、
前記光源は、コヒーレント光を前記導波路に入射する構成となっており、
前記導波路は、前記入射されたコヒーレント光の一部を信号光として伝搬する第１導波部と、前記入射されたコヒーレント光の他の一部を参照光として伝搬する第２導波部とを備えており、かつ、前記導波路は、前記信号光と前記参照光とを前記光検出器に伝搬する構成となっており、
前記偏波面回転器は、前記信号光および参照光のうちのいずれかの偏波面を、その楕円率を実質的に変えないで回転させる構成となっており、
前記光検出器は、合波された前記信号光と前記参照光とに基づいて、前記信号光の強度および／または位相の変化を検出する構成となっている
ことを特徴とする振動計測装置。
【請求項２】
前記第１導波部は、前記信号光を伝搬するセンサ部を有しており、前記センサ部は、光ファイバにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
【請求項３】
前記光源は、レーザを用いた光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動計測装置。
【請求項４】
前記偏波面回転器は、測定対象である振動における角周波数より速い角周波数で前記偏波面を回転させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動計測装置。
【請求項５】
さらに低周波通過フィルタを備え、この低周波通過フィルタは、前記光検出器の出力側に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動計測装置。
【請求項６】
さらに位相検波器を備え、この位相検波器は、前記光検出器の出力側に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路中を伝搬するコヒーレント光を利用した振動計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバに振動等により応力がかかると光ファイバに複屈折状態の変化を生じ、光ファイバ内を通過する光の偏波面の状態が変化することがよく知られている。この原理に基づいた光ファイバセンサ振動計の実用化も行われている。
【０００３】
従来の、偏波面変調を利用した光ファイバセンサ振動計でよく用いられている手法は、変調を受けた光ファイバからの光出力を、直交したふたつの偏波に分け、各々における電界強度の比の変化から、偏波の位相角の変化を計算して変調の強さを求めるようなものである。
【０００４】
しかしながら、一般的に、光ファイバにおいては、センサ部のみならず、光路の全体で偏波の状態の変化が発生する。このため、光の伝送路全体において、高価な偏波面保存光ファイバを使用する等の対策が必要となる。
【０００５】
さらには、このような対策を講じても完全な対応は不可能であるため、偏波面が回転して、偏波面の位相角と検出素子の設定方位角が一致することもある。このときは、変調（すなわち測定対象としての振動）の検出ができなくなる可能性がある。
【０００６】
また、従来の方法では、光を光検出器により直接に電気信号に変換しているため、光ヘテロダイン検出や光ホモダイン検出に比較して検出感度が小さいという欠点も有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、検出感度が高く、出力が安定な、偏波面変調を利用した振動計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る振動計測装置は、光源と、導波路と、偏波面回転器と、光検出器とを備えている。前記光源は、コヒーレント光を前記導波路に入射する構成となっている。前記導波路は、前記入射されたコヒーレント光の一部を信号光として伝搬する第１導波部と、前記入射されたコヒーレント光の他の一部を参照光として伝搬する第２導波部とを備えている。さらに、前記導波路は、前記信号光と前記参照光とを前記光検出器に伝搬する構成となっている。前記偏波面回転器は、前記信号光および参照光のうちのいずれかの偏波面を、その楕円率を実質的に変えないで回転させる構成となっている。前記光検出器は、合波された前記信号光と前記参照光とに基づいて、前記信号光の強度および／または位相の変化を検出する構成となっている。
【０００９】
前記第１導波部は、前記信号光を伝搬するセンサ部を有していてもよい。前記センサ部を、光ファイバにより構成してもよい。
【００１０】
前記光源は、レーザを用いた光源であってもよい。
【００１１】
前記偏波面回転器は、測定対象である振動における角周波数より速い角周波数で前記偏波面を回転させるものであってもよい。
【００１２】
前記振動計測装置は、さらに低周波通過フィルタを備えていてもよい。この低周波通過フィルタは、前記光検出器の出力側に接続される。
【００１３】
前記振動計測装置は、さらに位相検波器を備えていてもよい。この位相検波器は、前記光検出器の出力側に接続される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の計測装置は、一つのコヒーレント光を信号光と基準光に分け、再度信号光と基準光を合波して光検出器で検波するホモダイン検波方式であるため、従来のような直接検波方式と比較して、Ｓ／Ｎ比を大幅に改善して検出感度を高めることができるという効果がある。
【００１５】
また、基準光または信号光の偏波面を、測定信号の周波数に対して高速で回転させることにより、安定な変調出力が得られるという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る振動計測装置を、図１を参照して説明する。この装置は、光源１と、導波路２と、偏波面回転器３と、光検出器４とを主要な構成として備えている。
【００１７】
光源１としては、この実施形態では、レーザ装置が用いられている。また、光源１は、導波路２の端部に接続されている。これにより、光源１は、コヒーレント光を導波路２に入射できるようになっている。ここで、コヒーレント光とは、目的とする振動計測に必要な程度に位相が揃った波であればよい。
【００１８】
導波路２は、導入部２１と、分岐部２２と、第１導波部２３と、第２導波部２４と、結合部２５と、接続部２６とを備えている。
【００１９】
導入部２１、第１導波部２３、第２導波部２４および接続部２６は、いずれも、光ファイバにより構成されている。使用する光ファイバの種類や構造は特に限定されない。ただし、光ファイバとしてシングルモードのものを用いれば、マルチモードのものの場合よりも、振動計測の精度を向上させることが可能である。
【００２０】
導入部２１は、光源１に接続されており、コヒーレント光を伝搬するものである。
【００２１】
分岐部２２は、導入部２１に接続されており、伝搬されてきたコヒーレント光を、第１導波部２３と第２導波部２４とに分岐させるものである。このような分岐部２２としては、市販の種々の分波器を用いることができる。
【００２２】
第１導波部２３は、分岐されたコヒーレント光を、結合部２５を介して光検出器４に送るものである。第１導波部２３に導入されたコヒーレント光を、この明細書では、信号光と称する。したがって、第１導波部２３は、コヒーレント光の一部を信号光として伝搬する構成となっている。
【００２３】
第１導波部２３に用いられる光ファイバとしては、振動を受けることができるものであることが好ましい。ただし、振動の伝達方法としては、対象物から直接伝達する方法でも、何かの媒介物を介して伝達する方法でも良い。
【００２４】
第１導波部２３は、一般には、振動の発生源または媒介物に固定されるが、振動伝達が可能であれば固定していなくても良いし、固定方法も任意である。
【００２５】
この実施形態では、第１導波部２３の一部がセンサ部２３１になっている。つまり、第１導波部２３の任意の一部が、センサ部２３１を構成している。これにより、この実施形態では、信号光を伝搬するセンサ部２３１が光ファイバにより構成されたものとなっている。センサ部２３１の延長方向は、直線でも円弧でもよい。
【００２６】
第２導波部２４は、第１導波部２３と同様に、分岐部２２で分岐されたコヒーレント光を、結合部２５を介して光検出器４に送るものである。第２導波部２４に導入されたコヒーレント光を、この明細書では、参照光と称する。したがって、第２導波部２４は、コヒーレント光の他の一部を参照光として伝搬する構成となっている。
【００２７】
結合部２５は、第１導波部２３と第２導波部２４とに接続されており、伝搬されてきた信号光および参照光を合波して光検出器４に送るものである。このような結合部２５としては、市販の種々の結合器を用いることができる。
【００２８】
接続部２６は、結合部２５で合波された光を光検出器４に送るものである。
【００２９】
偏波面回転器３は、この実施形態では、第２導波部２４に取り付けられている。偏波面回転器３は、第２導波部２４を通過する参照光の偏波面を、その楕円率を実質的に変えないで回転させる構成となっている。「楕円率を実質的に変えない」とは、楕円率の変化が、目的とする振動計測に支障のない程度であることを意味する。また、参照光の偏波は、円偏波でも楕円偏波でも良いことは当然である。
【００３０】
楕円率を実質的に変えない偏波面回転器３としては、代表的には、ファラデー素子に交流磁界をかけて偏波面を回転させる方式のものがある。ただし、これに限らず、例えば、機械的な方法で行う方式でもよい。要するに、光の周波数に変調を実質的に与えずに偏波面を回転させるものであれば、各種の方式のものが使用できる。
【００３１】
偏波面回転器３における偏波面の回転角周波数は、理論的には、振動の角周波数よりも速ければ、直接検波が可能である。偏波面の回転角周波数が速いほど、計測できる振動の周波数帯域の上限を上げることができる。ただし、必ずしも速くなくとも、適宜なフィルタや位相検波回路などの手段を用いることにより、振動計測は可能である。
【００３２】
光検出器４は、合波された信号光と参照光（つまり混合光）を受け取り、この混合光に基づいて、信号光の強度および位相の変化を検出するものである。詳しい動作原理は、第１実施形態の動作において説明する。光検出器４自体としては、光の強度変化における時間波形（つまり強度変化および位相変化）を検出できれば良いので、市販の種々の検出器（デジタル変換でもアナログ変換でもよい）を利用できる。
【００３３】
（第１実施形態の動作）
まず、第１導波路２３のセンサ部２３１を、計測対象に取り付ける。取付方法は、振動がセンサ部２３１に伝達できればどのような方法でもよい。
【００３４】
ついで、光源１からコヒーレント光（レーザ光）を導波路２の導入部２１に送り込む。送り込まれたコヒーレント光は、分岐部２２により分岐されて、第１導波部２３と第２導波部２４とに入る。第１導波部２３に入った光は信号光として利用され、第２導波部２４に入った光は参照光として利用される。したがって、分岐の時点では、信号光と参照光の位相は一致している。
【００３５】
第１導波部２３における信号光は、センサ部２３１での伝搬の途中において、センサ部２３１に加えられた振動に応じて、その偏波面が変調される。
【００３６】
第２導波部２４における参照光は、偏波面回転器３により、高速で、偏波面が回転される。
【００３７】
第１導波部２３を通過した信号光と、第２導波部２４を通過した参照光とは、結合部２５で合波されて混合光となり、光検出器４に送られる。光検出器４は、混合光に対応する電気信号を出力する。電気信号は、混合光の時間波形に実質的に対応する時間波形を有する。この電気信号は、アナログ値でもデジタル値でもよい。光検出器４においては、振動により信号光が受けた変調を、いわゆるホモダイン検波により、出力としての電気信号における強度信号および位相信号として取り出すことができる。
【００３８】
ここで、振動検出の原理を説明する。信号光の電界強度をＩｓ、基準光の電界強度をＩｒ、そして信号光と基準光の位相角の差をＡｐｍ（ｔ）とすると、光検出器４でのホモダイン検波における検出電流成分ｉは次のようになる。
【００３９】
ｉ＝Ｋ｛Ｉｓｃｏｓ（ωｔ＋Ａ１（ｔ））｝
×｛Ｉｒｃｏｓ（ωｔ＋Ａ２（ｔ））｝
×ｃｏｓ（Ａｐｍ（ｔ））
＝（１／２）Ｋ（Ｉｓ×Ｉｒ）
｛ｃｏｓ（２ωｔ＋Ａ１（ｔ）＋Ａ２（ｔ）
＋ｃｏｓ（Ａ１（ｔ）−Ａ２（ｔ））｝
×ｃｏｓ（Ａｐｍ（ｔ））            ----------------（式１）
この式において、Ｋは光検出器の電流変換係数、ωは光の角周波数、Ａ１（ｔ）は信号光の位相角、そしてＡ２（ｔ）は基準光の位相角である。
【００４０】
光源１から発するレーザ光の帯域が可視光から近赤外光であるとすれば、光の周波数は数百ＴＨｚとなる。一方、実際に測定する振動周波数の帯域は、せいぜいＭＨｚ以下である。このように、レーザ光の周波数ωは、振動周波数に対して非常に大きいことから、この検出電流の最大値Ｉｍａｘは次のように書ける。
【００４１】
Ｉｍａｘ＝（１／２）Ｋ（Ｉｓｍａｘ×Ｉｒｍａｘ）
×｛１＋ｃｏｓ（Ａ１（ｔ）−Ａ２（ｔ））｝
×ｃｏｓ（Ａｐｍ（ｔ））      -----------------（式２）
この式２においてＩｓとＩｒの最大値がそれぞれＩｓｍａｘおよびＩｒｍａｘである。
【００４２】
基準光を測定する振動周波数よりも、偏波面が高速で回転することを考えると、式２は次のようになる。
【００４３】
Ｉｍａｘ＝（１／２）Ｋ（Ｉｓｍａｘ×Ｉｒｍａｘ）
×｛１＋ｃｏｓ（Ａ１（ｔ）−Ａ２（ｔ））｝-----（式３）
この式３において、Ｉｓｍａｘの大きさは、信号光へ加えられた振動に基づく偏波面変調により、振動の周期（ないし周波数）に対応して変化する。
【００４４】
一方、導波路２への振動により、ドプラー周波数シフト変調と位相変調が発生し、｛１＋ｃｏｓ（Ａ１（ｔ）−Ａ２（ｔ））｝の項の値も、振動の周期に対応して変化する。
【００４５】
したがって、式３で表されるＩｍａｘ（つまり光検出器４の出力）の大きさと位相とに基づいて、第１導波部２３のセンサ部２３１に作用した振動の周波数を計測することができる。なお、前記の説明では、電流値の上限に着目したが、下限（Ｉｍｉｎ）に着目しても同様の計測が可能である。
【００４６】
本実施形態の計測装置は、一つのコヒーレント光を信号光と基準光に分け、再度信号光と基準光を合波して光検出器４で検波するホモダイン検波方式であるため、従来のような直接検波方式と比較して、Ｓ／Ｎ比を大幅に改善して検出感度を高めることができるという利点がある。
【００４７】
また、基準光または信号光の偏波面を、測定信号の周波数に対して高速で回転させることにより、導波路として偏波面保存ファイバを用いなくとも、偏波面への変調を安定して検波することができるという利点も有する。
【００４８】
なお、前記した第１実施形態においては、偏波面回転器３を第２導波部２４に取り付けたが、第１導波部２３に取り付けて、信号光の偏波面を回転させても良い。この場合も、前記と同様の原理によりホモダイン検波を行い、振動を計測することができる。
【００４９】
さらに、前記第１実施形態においては、分岐部２２を用いているが、要するに、第１導波部２３と第２導波部２４に光を分岐できれば、どのような構成であってもよい。例えば、分岐器２２を用いずに、空間内でハーフミラーなどの手段を用いて分波させてもよい。この場合は、空間が導波路２の一部を構成していることになる。
【００５０】
同様に、結合部２５についても、光を合波できれば、どのような構成であってもよい。さらには、結合部２５を用いず、光検出器４自体に信号光と参照光とを導入し、光検出器４で合波を行う構成でも良い。
【００５１】
また、本実施形態では、導波路２を、光ファイバを主体として構成したが、前記した機能を発揮できるのであれば、空間を伝搬させる構成であっても良い。また、基板中に形成された導波路を用いても良い。
【００５２】
さらに、前記実施形態では、光検出器４の出力を電気信号としているが、これは取り扱いの便宜のためであって、必須ではない。すなわち、光検出器４の出力は、振動検出が可能であれば、他の物理量（例えば磁気や光）で表されるものであってもよい。
【００５３】
また、前記実施形態では、第１導波路２３の全体を光ファイバにより構成したが、センサ部２３１のみを光ファイバとし、他の部分は光を空間伝播させる構成としても良い。この場合は、空間伝播部分では、振動による偏波面回転を生じにくいので、センサ部２３１での振動を高いＳ／Ｎ比で取得できる可能性があるという利点がある。要するに、第１導波路２３の任意の一部が光ファイバ等の導波路（振動を伝達できるもの）となっていれば、その一部を利用してセンサ部２３１とすることができる。他の部分は、導波路でも、空間伝播でも、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。
【００５４】
（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る振動計測装置を、図２に基づいて説明する。この実施形態では、光検出器４の後段に、低周波通過フィルタ６および増幅器７が配置されている。
【００５５】
式１に示されるように、光検出器４の出力ｉには、高周波成分が含まれる。この成分は、理論的には、Ｉｍａｘの測定に影響しないが、実際は、ノイズとして悪影響を及ぼすおそれがある。第２実施形態の装置によれば、このような高周波成分を除去できるので、振動計測データに対するノイズの影響を軽減できるという利点がある。低周波通過フィルタ６の出力は増幅器７で増幅される。
【００５６】
第２実施形態における他の構成および利点は、第１実施形態と同様なので、詳細についての説明を省略する。
【００５７】
（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係る振動計測装置を、図３に基づいて説明する。この実施形態では、光検出器４の後段に、低周波通過フィルタ５に代えて、位相検波器７が配置されている。
【００５８】
式２においてＡｐｍ（ｔ）は、偏波面回転器３の回転角速度と、振動に起因する偏波面変調により生じた偏波面位相角変化角速度とにより決定される。したがって、位相検波回路７により、偏波面回転器３の回転角速度とＡｐｍ（ｔ）とを比較検出して、その位相差を電気信号として出力する。この電気信号の大きさは、第１導波部２３が受けた振動の周期に対応して変化することになる。これにより、第１導波部２３が受けた振動を測定できる。第３実施形態における他の構成および利点は、第１実施形態と同様なので、詳細についての説明を省略する。
【００５９】
なお、前記第３実施形態では、低周波通過フィルタ５に代えて、位相検波器７を配置したが、両者を共に（例えば直列接続して）用いる構成であってもよい。
【００６０】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。
【００６１】
例えば、前記実施形態では、光源１からの光を二つに分岐したが、三つ以上に分岐しても良い。要するに、振動を受けた光（信号光）と基準光とを合波して振動を検出できればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る振動計測装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る振動計測装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る振動計測装置の概略的な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  光源
２  導波路
２１  導入部
２２  分岐部
２３  第１導波部
２３１  センサ部
２４  第２導波部
２５  結合部
２６  接続部
３  偏波面回転器
４  光検出器
５  低周波通過フィルタ
６  増幅器
７  位相検波器
【図１】
2005283466.tif 000003
【図２】
2005283466.tif 000004
【図３】
2005283466.tif 000005