(57)【要約】【課題】干渉計に加わる衝撃や温度変化があってもノイズ成分を抑えて物理量を精度良く測定することができる物理量測定装置の提供【解決手段】波長変化型光センサ３０から出力される波長λ１の出力光と基準光供給源１２から出射される波長λ２の基準光とが入射されるとともに干渉光を出力する干渉計５０と、干渉計５０から出力される干渉光を波長λ１に対応する光と波長λ２に対応する光とに分離する分離手段７０と、分離手段７０で分離された光から干渉信号を検出する光検出手段８０と、光検出手段８０で検出された信号から波長変化型光センサ３０の物理量を算出する演算手段９０と、波長変化型光センサ３０から出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２から光の干渉信号の演算結果との差分を求めて干渉計５０で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求める差分演算手段９５とを備える。【選択図】図１
2013148475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域な波長の光を放出する広帯域光源と、
この広帯域光源から放出される光を受けて物理量に応じた波長を出力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からの出力光を入射するとともに前記出力光を干渉させる干渉計と、
この干渉計に所定波長の基準光を出射する基準光供給源と、
前記干渉計から出力される干渉光を前記波長変化型光センサから出力される光と前記基準光供給源からの光とに分離する分離手段と、
この分離手段で分離された光から干渉信号を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出された干渉信号から前記波長変化型光センサの物理量を算出する演算手段と、
前記波長変化型光センサから出力される光の干渉信号の演算結果と前記基準光供給源からの光の干渉信号の演算結果との差分を求めることにより前記干渉計で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求める差分演算手段と、
を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載された物理量測定装置において、
前記基準光供給源は前記広帯域光源から放出される広帯域の波長の一部を狭帯域に加工する狭帯域加工機構を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された物理量測定装置において、
前記分離手段は、前記波長変化型光センサからの出力光に基づく干渉光と前記基準光供給源の光に基づく干渉光とを分離するために偏光分離手段を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載された物理量測定装置において、
前記分離手段は、前記波長変化型光センサからの出力光に基づく干渉光と前記基準光供給源の光に基づく干渉光とを分離するために波長分離手段を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項５】
広帯域光源から放出された広帯域な波長の光を被測定物に設置される波長変化型光センサに送り、この波長変化型光センサから物理量に応じた波長の出力信号と基準光供給源から放出される所定波長の基準光とを干渉計に送り、この干渉計で前記出力光を干渉させるとともに前記干渉計からの出力干渉光を前記波長変化型光センサの光と前記基準光供給源の光とに分離手段で分離し、この分離手段で分離された光を光検出手段で検出し、この光検出手段で検出された干渉信号から前記波長変化型光センサの物理量を演算手段で算出し、前記波長変化型光センサから出力される光の干渉信号の演算結果と前記基準光供給源からの光の干渉信号の演算結果との差分を差分演算手段で求めることにより前記干渉計で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求めることを特徴とする物理量測定方法。
【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物理量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、様々な波長変化型光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波長変化型光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波長変化型光センサのひずみ・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】
この波長変化型光センサを用いた物理量測定装置としては、特許文献１で示される従来例がある。
特許文献１で示される従来例は、広帯域光源と、この広帯域光源から出射された光が通過するサーキュレータと、このサーキュレータで通過した光が入射し被測定物に設置されるＦＢＧ等の波長変化型光センサとを備えている。波長変化型光センサで特定波長のみ反射又は透過された光は再びサーキュレータを通過して反射光を分波する光学素子に送られて２分岐され、マッハツェンダー干渉計に入射する。マッハツェンダー干渉計は、光路差を設けるための２つの光路を有するものであり、異なる光路を通過した光は再びビームスプリッタで合波された後、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にそれぞれ接続された３つの光電変換器で電気信号に変換した後、これらの光電変換器にそれぞれ接続された増幅器で増幅を行い、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換してＭＰＵで演算し測定値を求める。
光電変換器で検出される光強度は、波長変化型光センサの波長変化に伴い正弦波を描くことになり、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】
2013148475.tif 000003
【０００５】
数式（１）において、λは波長変化型光センサの波長、ｎは光ファイバ屈折率、ｄは、マッハツェンダー干渉計の２本の光路の光路長の差、Δλは波長変化型光センサ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、増幅器の出力電圧を用いて行われる。増幅器は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】
2013148475.tif 000004
【０００７】
数式（２）では、Ｃは光電変換器の暗電流と増幅器のＤＣ成分とが合算された数値、ｎは３つの増幅器の番号を示し、ｎ＝１〜３である。数式（３）を用いてこの３つの増幅器の出力から位相変化量を算出できる。
【０００８】
【数３】
2013148475.tif 000005
【０００９】
従って、ＭＰＵで数式（３）の演算を行い、３つの増幅器のそれぞれ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。この位相角度の復調を行ったときの位相角度分解能は数式4で表すことができる。
【００１０】
【数４】
2013148475.tif 000006
【００１１】
数式（４）において、ｎは検出器数、ＡＤbitはＡＤ変換器のビット数、ＶＮRMSはＡＤ変換器の入力前の信号成分のノイズの実行値を示し、位相角分解能は位相角度換算で通常0.01deg程度である。
数式（４）より１２bitのＡＤ変換器で電圧信号をデジタル信号に変換し、位相角度の復調を行うと、その分解能は約０．０４degであり、１６bitの場合には約０．０１degである。この波長の変化量から物理量を算出しセンシングが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−９６５９７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１で示される従来例では、位相の変化量は、干渉計に予め設けられた光路差が変化しなければ、波長変化型光センサの波長の変化のみに依存することになる。
しかし、実際には干渉計が納められた測定装置に加わる衝撃や、温度変化によって光路差が変化する。具体的には、光ファイバで製作された干渉計に衝撃が加わった場合、干渉計には衝撃によって応力が発生しひずみが加わる。このひずみによって、変化する光路差は、数式（５）のように、ひずみにより変化した光路差と光ファイバの屈折率の変化で表すことができる。
【００１４】
【数５】
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【００１５】
数式（５）において、ΔＬsは光路差の変化量、LOPDは変化前の光路差、ｎは光ファイバ屈折率、εは光ファイバのひずみ量、Pは光弾性係数である。数式（５）より、光路差５mmの干渉計において、１マイクロストレインのひずみが加わると、約４ｎｍの光路差が変化し、この結果、約０．８pmの波長変化として出力されることになる。また、同様の干渉計に温度変化が起きた場合、変化する光路差は温度変化による屈折率の変化と光ファイバの膨張で変化し、数式（６）で表すことができる。
【００１６】
【数６】
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【００１７】
ここで，ΔLTは、温度変化による光路差の変化量、ζは屈折率温度係数、αは光ファイバの線膨張係数である。実環境においては、衝撃による光路差の変化と、温度による光路差の変化が同時に加わるため、実環境光路差の変化量は数式（７）で表すことができる。
【００１８】
【数７】
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【００１９】
数式（７）において、ΔLは光路差の変化量である。数式（７）より、光路差５mmの干渉計において、１干渉計あたり温度が１度変化すると、約３０nmの光路差が変化することとなるため、約８pmの波長変化として出力されることになる。
数式（５）や数式（６）で示された光路差の変化は物理量測定時にノイズ成分として含まれ、無視できない大きさになる。そのため、これらのノイズ成分を抑える必要があった。
【００２０】
本発明の目的は、干渉計に加わる衝撃や温度変化があっても、ノイズ成分を抑えて物理量を精度良く測定することができる物理量測定装置及び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】
【００２１】
本発明は、波長が安定な基準光の供給源を追加することによってノイズ成分のみを検出し、物理量測定値から差分することによりノイズ成分を物理量測定値から除去して前記目的を達成しようとするものである。
即ち、本発明の物理量測定装置は、広帯域な波長の光を放出する広帯域光源と、この広帯域光源から放出される光を受けて物理量に応じた波長を出力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からの出力光を入射するとともに前記出力光を干渉させる干渉計と、この干渉計に所定波長の基準光を出射する基準光供給源と、前記干渉計から出力される干渉光を前記波長変化型光センサから出力される光と前記基準光供給源からの光とに分離する分離手段と、この分離手段で分離された光から干渉信号を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出された干渉信号から前記波長変化型光センサの物理量を算出する演算手段と、前記波長変化型光センサから出力される光の干渉信号の演算結果と前記基準光供給源からの光の干渉信号の演算結果との差分を求めることにより前記干渉計で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求める差分演算手段と、を備えたことを特徴とする。
この構成の本発明では、波長変化型光センサから出力される出力光は干渉計に入り、干渉計から出力される干渉光は分離手段及び光検出手段を介して演算手段に送られ、この演算手段で物理量が算出される。この算出された物理量は干渉計に加わる衝撃や温度変化があった場合には、この温度変化等に伴う誤差を含むことになる。本発明では、干渉計に所定波長の基準光を基準光供給源から出射し、干渉計から出力される干渉光を広帯域光源から波長変化型光センサを通じて送られる光と基準光供給源からの光とに分離手段で分離し、この分離手段で分離された光を光検出手段で検出し、この光検出手段で検出された干渉信号から波長変化型光センサの物理量を演算手段で算出するが、差分演算手段により、波長変化型光センサから出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源から光の干渉信号の演算結果との差分を求め、干渉計で発生したノイズ成分をキャンセルすることでセンサ出力光の波長が求められる。
従って、本発明では、干渉計に加わる衝撃や温度変化があっても、これらに伴う誤差をキャンセルすることで、物理量を精度良く測定することができる
【００２２】
本発明では、前記基準光供給源は前記広帯域光源から放出される広帯域の波長の一部を狭帯域に加工する狭帯域加工機構を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、標準光供給源として広帯域光源を利用することができるので、別途、標準光を供給するための光源を用いる必要がない。そのため、光源を別個に設けることに伴うコストを低減することができる。
【００２３】
前記分離手段は、前記波長変化型光センサの出力光に基づく干渉光と前記基準光供給源の光に基づく干渉光とを分離するために偏光分離手段を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、偏光ビームスプリッタ等の偏光分離手段は価格が比較的に安いので、装置のコストを低くすることができる。
【００２４】
前記分離手段は、前記波長変化型光センサからの出力光に基づく干渉光と前記基準光供給源の光に基づく干渉光とを分離するために波長分離手段を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラ等の波長分離手段は２つの干渉光を効率よく分離することができるので、測定精度を良好なものにすることができる。また、多数の波長に分離することが可能なため、多数のセンサを同時に測定できる。
【００２５】
本発明の物理量測定方法は、広帯域光源から放出された広帯域な波長の光を被測定物に設置される波長変化型光センサに送り、この波長変化型光センサから物理量に応じた波長の出力信号と基準光供給源から放出される所定波長の基準光とを干渉計に送り、この干渉計で前記出力光を干渉させるとともに前記干渉計からの出力干渉光を前記波長変化型光センサの光と前記基準光供給源の光とに分離手段で分離し、この分離手段で分離された光を光検出手段で検出し、この光検出手段で検出された干渉信号から前記波長変化型光センサの物理量を演算手段で算出し、前記波長変化型光センサから出力される光の干渉信号の演算結果と前記基準光供給源から光の干渉信号の演算結果との差分を差分演算手段で求めることにより前記干渉計で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求めることを特徴とする。
この構成の本発明では、前述の効果を奏することができる物理量測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる物理量測定装置の概略図。
【図２】合分波器の出力波形と分離手段の出力波形との関係を示すグラフ。
【図３】基準光供給源から供給される波長λ２の基準光に対応する干渉計出力のグラフ。
【図４】波長変化型光センサで反射された波長λ１の出力光に対応する干渉計出力のグラフ。
【図５】図４の波長変化型光センサの出力から図３の基準光の干渉計出力の差を演算したグラフ。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる物理量測定装置の概略図。
【図７】本発明の第３実施形態にかかる物理量測定装置の概略図。
【図８】本発明の第４実施形態にかかる物理量測定装置の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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から図５には第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成が示されている。
図１において、物理量測定装置１は、広帯域光源１１と、この広帯域光源１１から放出された光が通過するとともに途中で２つに分岐された光ファイバＦと、光ファイバＦの分岐点に設けられたサーキュレータ２０と、光ファイバＦの一方の分岐部の他端側に設けられた波長変化型光センサ３０と、光ファイバＦの他方の分岐部に設けられた光分岐器４０及び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に光分岐器４０を介して基準光を出射する基準光供給源１２と、マッハツェンダー干渉計５０から出力される出力光を合波するとともに位相の異なる３つの干渉光として分ける合分波器６０と、この合分波器６０で分けられた干渉光をそれぞれ２つに分離する分離手段７０と、この分離手段７０で分離された光を検出する光検出手段８０と、この光検出手段８０で検出された干渉信号から波長変化型光センサの物理量を算出する演算手段９０と、波長変化型光センサ３０から出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２から光の干渉信号の演算結果との差分を求める差分演算手段９５とを備えた構成である。
【００２８】
広帯域光源１１は所定の波長領域、例えば、１５３０ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長領域に渡って光ファイバＦの内部に光を照射する。
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）と称されるセンサであり、図示しない被測定物に１個設置される。本実施形態では、波長変化型光センサ３０は被測定物の振動や温度等の物理量を測定するものである。広帯域光源１１から放出された所定の波長領域の波長のうち所定の波長λ１、例えば、１５４０ｎｍ±１ｎｍ（１５３９ｎｍ以上１５４１ｎｎ以下）の波長のうち所定波長の光が反射する。
基準光供給源１２は広帯域光源１１で放出される光の波長λ１から外れる波長λ２（≠λ１）、例えば、広帯域光源１１の波長領域が１５３０ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長領域である場合、波長λ１に含まれない１５３０ｎｍの波長の出射光を光分岐器４０に送るもので、本実施形態では、広帯域光源１１とは異なるレーザ光源から構成される。
サーキュレータ２０は広帯域光源１１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分岐器４０に送る。
【００２９】
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の光路差によって出力光の位相がずらされる。
光分岐器４０は波長変化型光センサ３０で反射された波長λ１にある反射光と基準光供給源１２の波長λ２の基準光とを受けるとともにマッハツェンダー干渉計５０の２つの光路５１，５２に分岐するビームスプリッタである。
合分波器６０はマッハツェンダー干渉計５０の光路５１，５２から送られる出力光を合波して干渉を発生させるとともに干渉光を位相が（２π／３）ずつ異ならせて分岐するビームスプリッタである。
分離手段７０はマッハツェンダー干渉計５０から出力される干渉光を、波長変化型光センサ３０で反射して出力される波長λ１の光に対応するものと、基準光供給源１２から供給される波長λ２の光に対応するものとに分離するものであり、本実施形態では、ＷＤＭカプラ等の波長分離手段から構成される。
分離手段７０は合分波器６０で分岐された干渉光に合わせて第１波長分岐器７１、第２波長分岐器７２及び第３波長分岐器７３を備えている。
【００３０】
光検出手段８０は、第１波長分岐器７１から送られる干渉光を受ける第１光検出手段８１と、第２波長分岐器７２から送られる干渉光を受ける第２光検出手段８２と、第３波長分岐器７３から送られる干渉光を受ける第３光検出手段８３とを備えている。
第１光検出手段８１は、第１波長分岐器７１から送られた光を電気信号に変換する第１光電変換器８１１と、この第１光電変換器８１１から出力される信号を増幅する第１増幅器８１２と、この第１増幅器８１２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８１３とを備えている。
第１光電変換器８１１は、波長λ１に対応する第１光電変換器８１１Ａと、波長λ２に対応する第１光電変換器８１１Ｂとに分かれて構成される。第１増幅器８１２は波長λ１に対応する第１増幅器８１２Ａと、波長λ２に対応する第１増幅器８１２Ｂとに分かれて構成される。第１ＡＤ変換器８１３は波長λ１に対応する第１ＡＤ変換器８１３Ａと、波長λ２に対応する第１ＡＤ変換器８１３Ｂとに分かれて構成される。
【００３１】
第２光検出手段８２は、第２波長分岐器７２から送られた光を電気信号に変換する第２光電変換器８２１と、この第２光電変換器８２１から出力される信号を増幅する第２増幅器８２２と、この第２増幅器８２２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８２３とを備えている。第２光電変換器８２１は、波長λ１に対応する第２光電変換器８２１Ａと、波長λ２に対応する第２光電変換器８２１Ｂとに分かれて構成される。第２増幅器８２２は波長λ１に対応する第２増幅器８２２Ａと、波長λ２に対応する第２増幅器８２２Ｂとに分かれて構成される。第２ＡＤ変換器８２３は波長λ１に対応する第２ＡＤ変換器８２３Ａと、波長λ２に対応する第２ＡＤ変換器８２３Ｂとに分かれて構成される。
【００３２】
第３光検出手段８３は、第３波長分岐器７３から送られた光を電気信号に変換する第３光電変換器８３１と、この第３光電変換器８３１から出力される信号を増幅する第３増幅器８３２と、この第３増幅器８３２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８３３とを備えている。
第３光電変換器８３１は、波長λ１に対応する第３光電変換器８３１Ａと、波長λ２に対応する第３光電変換器８３１Ｂとに分かれて構成される。第３増幅器８３２は、波長λ１に対応する第３増幅器８３２Ａと、波長λ２に対応する第３増幅器８３２Ｂとに分かれて構成される。第３ＡＤ変換器８３３は、波長λ１に対応する第３ＡＤ変換器８３３Ａと、波長λ２に対応する第３ＡＤ変換器８３３Ｂとに分かれて構成される。
【００３３】
演算手段９０は、波長λ１に対応する信号を受領する第１演算器９１と、波長λ２に対応する信号を受領する第２演算器９２とを備えており、これらの第１演算器９１及び第２演算器９２で演算された結果の信号は差分演算手段９５に出力される。
第１演算器９１は、波長λ１の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が行われる。第１演算器９１で演算された波長λ1の位相角度の変化量Φλ１は数式（８）で示すように、波長変化型光センサ３０の波長変化量にマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分（ΔＬ／λ１）が加算されている。
【００３４】
【数８】
2013148475.tif 000010
【００３５】
数式（８）において、ΦFBGは波長変化型光センサ３０の波長変化のみに起因する干渉計の位相変化、ΔLはマッハツェンダー干渉計５０の光路差の変化量、λ１は波長変化型光センサ３０の波長である。
第２演算器９２は、波長λ２の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が行われる。第２演算器９２で演算された波長λ２の位相角度の変化量Φλ２は数式（９）で示すように、マッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分のみが示されている。
【００３６】
【数９】
2013148475.tif 000011
【００３７】
図２は、合分波器６０の出力波形と分離手段７０の出力波形との関係を示すグラフである。図２のグラフでは、出力波形とは時間と光強度との関係を示すもので、符号Ｑ０は合分波器６０から出力される波形を示し、符号Ｑ１は分離手段７０で分離された波長λ１に対応する出力波形を示し、符号Ｑ２は分離手段７０で分離された波長λ２に対応する出力波形を示す。
図２において、合分波器６０から出力される出力波形Ｑ０は、波長λ１に対応する出力波形Ｑ１と、波長λ２に対応する出力波形Ｑ２とに分離されることになる。
図３は基準光供給源１２から供給される波長λ２の基準光に対応する干渉計出力のグラフを示し、図４は波長変化型光センサ３０で反射された波長λ１の出力光に対応する干渉計出力のグラフを示す。
【００３８】
図３において、波長λ２の基準光の出力波形Ｑ２は放物線のようなカーブを描いている。これは基準光が変化したのではなく、マッハツェンダー干渉計５０が温度で変化しておりその変化を反映していることに起因する。マッハツェンダー干渉計５０の変化は全てのセンサ出力に影響を与える。
図４は波長変化型光センサ３０の干渉計出力である。波長変化型光センサ３０の出力の基線が図３に示した位相ノイズと同じ放物線上のカーブを描いていることがわかる。このため、図４の波長変化型光センサ３０の出力から図３の基準光の干渉計出力（位相ノイズ）の差をとることで、温度による影響をキャンセルすることができる。
【００３９】
そのため、本実施形態では、波長変化型光センサ３０から出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２からの基準光の干渉信号の演算結果との差分を求めることによりマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求める差分演算手段９５を設けた。
差分演算手段９５では、数式（１０）で示される通り、波長λ1の位相角度の変化量と波長λ2の位相角度の変化量に係数（λ２／λ１）を掛けた値の差分をとることにより波長変化型光センサ３０の波長変化量のみを算出できるようにした。なお、波長λ1の位相角度の変化量に係数（λ１／λ２）を掛けた値と波長λ2の位相角度の変化量との差分をとることにより波長変化型光センサ３０の波長変化量のみを算出するようにしてもよい。
【００４０】
【数１０】
2013148475.tif 000012
【００４１】
たとえば、波長変化型光センサ３０が温度センサであった場合、１℃の温度変化に対して波長が変化する割合は１０pmであるため、波長変化量を１℃当たり波長変化割合で除算することにより物理量である温度に変換する。
図５は図４の波長変化型光センサ出力から図３の基準光の干渉計出力（位相ノイズ）の差を演算したグラフである。
図５では、図４の波長変化型光センサ３０の出力に重畳されていた位相ノイズが除去されていることがわかる。この例では、わかりやすさのためにマッハツェンダー干渉計５０の温度による影響をキャンセルした例である。本実施形態では、温度変化に伴うノイズのキャンセル以外にも、振動による影響も９９％以上キャンセル可能である。
【００４２】
次に、本実施形態にかかる物理量測定方法について説明する。
広帯域光源１１から放出された広帯域な波長の光はサーキュレータ２０を通過して被測定物に設置される波長変化型光センサ３０に入射される。この波長変化型光センサ３０では、被測定物の歪等の物理量に応じた波長λ１の出力光が反射され、この反射光はサーキュレータ２０から光分岐器４０を介してマッハツェンダー干渉計５０に送られる。一方、基準光供給源１２から放出される波長λ２の基準光は光分岐器４０を介してマッハツェンダー干渉計５０に送られる。このマッハツェンダー干渉計５０では、波長λ１の出力光と波長λ２の基準光とが同時に入射され、光路差に基づいて、これらの光がそれぞれ干渉する。発生した干渉出力は互いに位相が2π/3ずれており、合分波器６０から第１波長分岐器７１、第２波長分岐器７２及び第３波長分岐器７３に分けて送られる。第１波長分岐器７１に送られた出力信号は第１光検出手段８１に送られ、第２波長分岐器７２に送られた出力信号は第２光検出手段８２に送られ、第３波長分岐器７３に送られた出力信号は第３光検出手段８３に送られる。
【００４３】
第１光検出手段８１では、第１波長分岐器７１から送られた光を第１光電変換器８１１で電気信号に変換して第１増幅器８１２で増幅した後、第１ＡＤ変換器８１３でアナログ信号からデジタル信号に変換し、この変換された信号が第１演算器９１と第２演算器９２とに分けて送られる。同様に、第２光検出手段８２では、第２波長分岐器７２から送られた光を第２光電変換器８２１で電気信号に変換して第２増幅器８２２で増幅した後、第２ＡＤ変換器８２３でアナログ信号からデジタル信号に変換し、この変換された信号が第１演算器９１と第２演算器９２とに分けて送られる。第３光検出手段８３では、第３波長分岐器７３から送られた光を第３光電変換器８３１で電気信号に変換して第３増幅器８３２で増幅した後、第３ＡＤ変換器８３３でアナログ信号からデジタル信号に変換し、この変換された信号が第１演算器９１と第２演算器９２とに分けて送られる。
【００４４】
第１演算器９１では、波長λ１の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が実施される。この演算結果には、マッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分が加算されていることになる。第２演算器９２では、波長λ２の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が実施される。この演算結果はマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分のみである。
これらの第１演算器９１と第２演算器９２とで演算された結果は、それぞれ差分演算手段９５に送られ、数式（１０）の演算が実施される。これにより、波長λ1の位相角度の変化量と波長λ2の位相角度の変化量の差分がとられることにより波長変化型光センサ３０の波長変化量のみが算出される。この算出結果は図示しない出力手段で出力される。
【００４５】
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）波長変化型光センサ３０から出力される波長λ１の出力光と基準光供給源１２から出射される波長λ２（≠λ１）の基準光とが入射されるとともに干渉光を出力す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から出力される干渉光を波長λ１に対応する光と波長λ２に対応する光とに分離する分離手段７０と、この分離手段７０で分離された光から干渉信号を検出する光検出手段８０と、この光検出手段８０で検出された干渉信号から波長変化型光センサ３０の物理量を算出する演算手段９０と、波長変化型光センサ３０から出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２からの光の干渉信号の演算結果との差分を求めることによりマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分をキャンセルしてセンサ出力光の波長を求める差分演算手段９５と、を備えて物理量測定装置を構成した。マッハツェンダー干渉計５０に加わる衝撃や温度変化があった場合には、演算手段９０で算出された物理量に温度変化等に伴う誤差を含むことになるが、差分演算手段９５により、波長変化型光センサ３０から出力される波長λ１の光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２から波長λ２の光の干渉信号の演算結果との差分を求め、前述のノイズ成分をキャンセルすることにしたので、物理量を精度良く測定することができる。
【００４６】
（２）分離手段７０は、波長変化型光センサ３０からの波長λ１の出力光に基づく干渉光と、基準光供給源１２の波長λ２の光に基づく干渉光とを分離するためにＷＤＭカプラ等の波長分離手段を用いたから、２つの干渉光を効率よく分離することができ、測定精度を良好なものにすることができる。また、多数の波長に分離することが可能なため、多数のセンサを同時に測定できる。
（３）基準光供給源１２を広帯域光源１１とは別に設けたレーザ光源としたので、基準光供給源１２から出力される基準光が広帯域光源１１の精度に影響することがない。
【００４７】
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。第２実施形態は基準光供給源の構成が第１実施形態の構成と異なるもので、他の構成は第１実施形態の構成と同じである。
図６は第２実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成が示されている。
図６において、物理量測定装置２は、第１実施形態の物理量測定装置１を構成する基準光供給源１２に代えて基準光供給源１３が用いられている。
基準光供給源１３は、広帯域光源１１と、この広帯域光源１１とサーキュレータ２０との間に配置された狭帯域加工機構としての波長分岐器１３１と、この波長分岐器１３１と光分岐器４０との間に設けられた温度補償ＦＢＧ１３２とを備えて構成される。
【００４８】
本実施形態では、広帯域光源１１は、所定の波長領域、例えば、１５３０ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長領域に渡って光ファイバＦの内部に光を照射するものである。
波長分岐器１３１は、広帯域光源１１から放出される光のうち１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の広帯域の波長の光を波長変化型光センサ３０に送り、１５３０ｎｍ以上１５３５ｎｍ未満の波長のうち所定波長λ２の光を温度補償ＦＢＧ１３２に送るもので、ＷＤＭカプラ等から構成される。
温度補償ＦＢＧ１３２は温度変化によって波長が変化せず、ファイバ・ブラッグ・グレーティングが形成された光学素子である。この光学素子として、例えば、負の線膨張係数の材料に、ＦＢＧ素子を接着固定したものを例示できる。
【００４９】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の方法で物理量の測定が行われる。
つまり、広帯域光源１１から放出された広帯域な波長の光は、その一部が波長分岐器１３１を通じてサーキュレータ２０に送られ、波長λ２の光が波長分岐器１３１を通じて温度補償ＦＢＧ１３２に送られる。
サーキュレータ２０に送られた所定領域の光は被測定物に設置される波長変化型光センサ３０で反射され、この反射された波長λ１の出力光はサーキュレータ２０から光分岐器４０を介してマッハツェンダー干渉計５０に送られる。一方、温度補償ＦＢＧ１３２に送られた波長λ２の光は光分岐器４０を介してマッハツェンダー干渉計５０に送られる。このマッハツェンダー干渉計５０から下流側の装置では、第１実施形態と同様の処理が実施され、差分演算手段９５により波長変化型光センサ３０の波長変化量のみが算出される。
【００５０】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（２）と同じ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）基準光供給源１３として、広帯域光源１１の広帯域の波長を一部の波長に加工する狭帯域加工機構としての波長分岐器１３１を備えたので、基準光供給源１３として別途、レーザ光源を用いることを要しないから、装置のコストを低いものにできる。
（５）基準光供給源１３として、温度補償ＦＢＧ１３２を備えて構成したから、マッハツェンダー干渉計５０に送られる基準光に温度変化に伴って波長が変化することがないので、精度の高い測定結果を得ることができる。
（６）波長分岐器１３１をＷＤＭカプラ等から構成したから、２つの干渉光を効率よく分けることができ、測定精度を良好なものにすることができる。
【００５１】
次に、本発明の第３実施形態を図７に基づいて説明する。第３実施形態は波長分岐器と分離手段との構成が第２実施形態の構成と異なるもので、他の構成は第２実施形態の構成と同じである。
図７は第３実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成が示されている。
図７において、物理量測定装置３は、第２実施形態の物理量測定装置２を構成する波長分岐器１３１に代えて波長分岐器１４１が用いられ、分離手段７０に代えて分離手段７５が用いられている。
【００５２】
波長分岐器１４１は、広帯域光源１１から放出される同一波長の光のうち異なる偏光面の光を波長変化型光センサ３０と温度補償ＦＢＧ１３２とにそれぞれ送る偏光分離手段を備えており、偏光分離手段は偏光ビームスプリッタから構成される。
分離手段７５は、第１及び第２実施形態と同様に、マッハツェンダー干渉計５０から出力される干渉光を、波長変化型光センサ３０で反射して出力される波長λ１の光に対応するものと、基準光供給源１３から供給される波長λ２の光に対応するものとに分離するものであるが、第１及び第２本実施形態とは異なり、偏光ビームスプリッタ等の偏光分離手段から構成される。
分離手段７５は合分波器６０で分岐された干渉光に合わせて第１偏光分離器７６、第２偏光分離器７７及び第３偏光分離器７８を備えている。
第３実施形態においても、第２実施形態と同様の方法で物理量の測定が行われる。
【００５３】
従って、第３実施形態では、第２実施形態の（１）（２）（４）（５）と同じ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）分離手段７５は、波長変化型光センサ３０からの、偏光に基づく干渉光と、基準光供給源１３の偏光に基づく干渉光とを分離するために、偏光ビームスプリッタ等の偏光分離手段から構成したから、２つの干渉光を効率よく分離することができ、測定精度を良好なものにすることができる。
（８）分離手段７５を偏光ビームスプリッタ等の偏光分離手段から構成したから、センサ数を増やす場合に好適である。即ち、波長をずらす必要がない。
【００５４】
次に、本発明の第４実施形態を図８に基づいて説明する。第４実施形態は波長変化型光センサの設置個数が複数個であり、これに伴って、光検出手段及び演算手段の構成が第１実施形態とは異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図８は第４実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成が示されている。
図８において、物理量測定装置４は、第１実施形態と同じ構成の広帯域光源１１、サーキュレータ２０、光分岐器４０、マッハツェンダー干渉計５０、基準光供給源１２及び合分波器６０の他に、複数個（図８では２個）の波長変化型光センサ３１，３２と、合分波器６０で分けられた干渉光をそれぞれ３つに分離する分離手段７０と、この分離手段７０で分離された光を検出する光検出手段８５と、この光検出手段８５で検出された干渉信号から複数の波長変化型光センサ３１，３２の物理量をそれぞれ算出する演算手段９３と、複数個の波長変化型光センサ３１，３２からそれぞれ出力される光の干渉信号の演算結果と基準光供給源１２から光の干渉信号の演算結果との差分を求める差分演算手段９６とを備えた構成である。
【００５５】
波長変化型光センサ３１と波長変化型光センサ３２とは被測定物の異なる設置場所に設けられている。
波長変化型光センサ３１は、広帯域光源１１から放出された所定の波長領域の波長のうち所定の波長λ１１、例えば、１５４０ｎｍ±１ｎｍ（１５３９ｎｍ以上１５４１ｎｍ以下）の波長のうち所定の波長の光が反射する。
波長変化型光センサ３２は、広帯域光源１１から放出された所定の波長領域の波長のうち所定の波長λ１２、例えば、１５５０ｎｍ±１ｎｍ（１５４９ｎｍ以上１５５１ｎｍ以下）の波長のうち所定の波長（λ１２≠λ１１）の光が反射する。
基準光供給源１２は広帯域光源１１で放出される光の波長λ１１，１２から外れる波長λ２（≠λ１１，λ１２）、例えば、広帯域光源１１の波長領域が１５３０ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長領域である場合、波長λ１１，１２に含まれない１５３０ｎｍの波長の出射光を光分岐器４０に送るものである。
【００５６】
分離手段７５はマッハツェンダー干渉計５０から出力される干渉光を、波長変化型光センサ３１で反射して出力される波長λ１１の光に対応するものと、波長変化型光センサ３２で反射して出力される波長λ１２の光に対応するものと、基準光供給源１２から供給される波長λ２の光に対応するものとに分離するものであり、ＷＤＭカプラ等の波長分離手段から構成される。
分離手段７０は合分波器６０で分岐された干渉光に合わせて第１波長分岐器７１、第２波長分岐器７２及び第３波長分岐器７３を備えている。
【００５７】
光検出手段８５は、第１波長分岐器７１から送られる干渉光を受ける第１光検出手段８６と、第２波長分岐器７２から送られる干渉光を受ける第２光検出手段８７、第３波長分岐器７３から送られる干渉光を受ける第３光検出手段８８とを備えている。
第１光検出手段８６は、第１波長分岐器７１から送られた光を電気信号に変換する第１光電変換器８６１と、この第１光電変換器８６１から出力される信号を増幅する第１増幅器８６２と、この第１増幅器８６２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８６３とを備えている。第１光電変換器８６１は、波長λ１１に対応する第１光電変換器８６１１Ａと、波長λ１２に対応する第１光電変換器８６１２Ａと、波長λ２に対応する第１光電変換器８１１Ｂとに分かれて構成される。第１増幅器８６２は、波長λ１１に対応する第１増幅器８６２１Ａと、波長λ１２に対応する第１増幅器８６２２Ａと、波長λ２に対応する第１増幅器８１２Ｂとに分かれて構成される。第１ＡＤ変換器８６３は、波長λ１１に対応する第１ＡＤ変換器８６３１Ａと、波長λ１２に対応する第１ＡＤ変換器８６３２Ａと、波長λ２に対応する第１ＡＤ変換器８１３Ｂとに分かれて構成される。
【００５８】
第２光検出手段８７は、第２波長分岐器７２から送られた光を電気信号に変換する第２光電変換器８７１と、この第２光電変換器８７１から出力される信号を増幅する第２増幅器８７２と、この第２増幅器８７２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８７３とを備えている。第２光電変換器８７１は、波長λ１１に対応する第２光電変換器８７１１Ａと、波長λ１２に対応する第２光電変換器８７１２Ａと、波長λ２に対応する第２光電変換器８２１Ｂとに分かれて構成される。第２増幅器８７２は、波長λ１１に対応する第２増幅器８７２１Ａと、波長λ１２に対応する第２増幅器８７２２Ａと、波長λ２に対応する第２増幅器８２２Ｂとに分かれて構成される。第２ＡＤ変換器８７３は、波長λ１１に対応する第２ＡＤ変換器８７３１Ａと、波長λ１２に対応する第２ＡＤ変換器８７３２Ａと、波長λ２に対応する第２ＡＤ変換器８２３Ｂとに分かれて構成される。
【００５９】
第３光検出手段８８は、第３波長分岐器７３から送られた光を電気信号に変換する第３光電変換器８８１と、この第３光電変換器８８１から出力される信号を増幅する第３増幅器８８２と、この第３増幅器８８２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８８３とを備えている。
第３光電変換器８８１は、波長λ１１に対応する第３光電変換器８８１１Ａと、波長λ１２に対応する第３光電変換器８８１２Ａと、波長λ２に対応する第３光電変換器８３１Ｂとに分かれて構成される。第３増幅器８８２は、波長λ１１に対応する第３増幅器８８２１Ａと、波長λ１２に対応する第３増幅器８８２２Ａと、波長λ２に対応する第３増幅器８３２Ｂとに分かれて構成される。第３ＡＤ変換器８８３は、波長λ１１に対応する第３ＡＤ変換器８８３１Ａと、波長λ１２に対応する第３ＡＤ変換器８８３２Ａと、波長λ２に対応する第３ＡＤ変換器８３３Ｂとに分かれて構成される。
【００６０】
演算手段９３は、波長λ１１に対応する信号を受領する第１演算器９３１と、波長λ１２に対応する信号を受領する第１演算器９３２と、波長λ２に対応する信号を受領する第２演算器９２とを備えており、これらの第１演算器９３１，９３２及び第２演算器９２で演算された結果は差分演算手段９６で受領される。
【００６１】
第１演算器９３１は、波長λ１１の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が行われる。第１演算器９３１で演算された波長λ1１の位相角度の変化量Φλ１は数式（８）で示すように、波長変化型光センサ３０の波長変化量にマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分が加算されている。同様に、第１演算器９３２は、波長λ１２の出力信号に基づいて、数式（３）の演算が行われる。第１演算器９３２で演算された波長λ1２の位相角度の変化量Φλ１は数式（８）で示すように、波長変化型光センサ３０の波長変化量にマッハツェンダー干渉計５０で発生したノイズ成分が加算されている。
【００６２】
本実施形態では、図４で示される干渉計出力は、波長変化型光センサ３１，３２毎に異なる波形となる。波長変化型光センサ３１の出力から図３の基準光の干渉計出力の差をとることで、温度による影響をキャンセルすることができる。同様に、波長変化型光センサ３２の出力から図３の基準光の干渉計出力の差をとることで、温度による影響をキャンセルすることができる。
差分演算手段９６では、数式（１０）で示される通り、波長λ1１の位相角度の変化量と波長λ2の位相角度の変化量の差分をとることにより波長変化型光センサ３１の波長変化量のみを算出できるようにし、波長λ１２の位相角度の変化量と波長λ２の位相角度の変化量の差分をとることにより波長変化型光センサ３２の波長変化量のみを算出できるようにした。
【００６３】
以上の第４実施形態では、波長変化型光センサの数は２個に限定されるものではなく、３個以上、例えば、４個としてもよい。この場合、波長変化型光センサは、波長λ１１，λ１２、λ１３、λ１４、…で反射される構成とされる。そして、第２光電変換器８７１は、波長λ２に対応する第２光電変換器８２１Ｂの他に、センサの数に応じて設けられることになる。同様に、第２増幅器８７２は、波長λ２に対応する第２増幅器８２２Ｂの他に、センサの個数に応じて設けられることになる。第２ＡＤ変換器８７３は、波長λ２に対応する第２ＡＤ変換器８２３Ｂの他に、センサの数に応じて設けられることになる。
【００６４】
従って、第４実施形態では、第１実施形態の（１）（２）と同じ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）波長変化型光センサ３１，３２を複数設けたので、これらのセンサの設置位置が異なることで、被測定物の異なる場所の物理量をより正確に測定することができる。また、多数の波長に分離することが可能なため、多数のセンサを同時に測定できる。
【００６５】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。
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。
【００６６】
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、前記実施形態では、波長変化型光センサを、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たが、本発明では、ファブリペロー干渉を利用したセンサや、誘電体多層膜を用いたものとしてもよい。
【００６７】
本発明では、使用するＷＤＭカプラのアイソレーションレシオは２０ｄＢ以上のものが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、ひずみ、温度、加速度、変位、傾斜、圧力、音波、水位、風速、流量、力等の物理量の測定に利用できる。
【符号の説明】
【００６９】
１，２，３，４…物理量測定装置、１１…広帯域光源、１２，１３…基準光供給源、２０…サーキュレータ、３０，３１，３２…波長変化型光センサ、４０…光分岐器、５０…マッハツェンダー干渉計、６０…合分波器、７０，７５…分離手段、７１…第１波長分岐器、７２…第２波長分岐器、７３…第３波長分岐器、７６…第１偏光分離器、７７…第２偏光分離器、７８…第３偏光分離器、８０，８５…光検出手段、８１，８６…第１光検出手段、８２，８７…第２光検出手段、８３，８８…第３光検出手段、９０，９３…演算手段、９１，９３１，９３２…第１演算器、９２…第２演算器、９５，９６…差分演算手段、１３１，１４１…波長分岐器、１３２…温度補償ＦＢＧ、Ｆ…光ファイバ
【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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