JP2013536411A - 物理的パラメータを測定するための外在光ファイバを有する干渉デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は物理的パラメータを測定するための外在光ファイバ・デバイス（１）に関し、外在光ファイバ・デバイス（１）は、
−中心波長λの光源（１０）と、
−光ファイバ（１３）と、
−決定される物理的パラメータに関する情報を含む干渉光信号を検出する手段（１５）と、
−光源によって放出される信号を変調する手段（１７）と、
−検出手段（１５）によって測定された干渉信号に基づいて物理的パラメータを計算する手段（１８）と
を備える。
【解決手段】
本発明によれば、光源（１０）からの変調信号は、変調手段によって生成された二重周波数変調を含む交流成分を含む。このデバイスの主要用途は目標物（２）の変位の測定である。
【選択図】図２

Description

本発明は光ファイバ・オプトエレクトロニック・デバイスの分野に関する。より具体的には、本発明は、目標物の変位などの物理的パラメータを測定するための外在ファブリ・ペロー型の光ファイバ干渉デバイスに関する。

光ファイバ干渉デバイスは多くの用途を有しており、例えば、温度、応力、圧力、または振動を測定するために使用することができる。

光ファイバ干渉デバイスは、２つのカテゴリー、すなわち、
−光ファイバがトランスデューサであり、所望の物理的寸法を定量化するのに使用される内在干渉デバイス、
−使用される光ファイバがトランスデューサでなく、ある場所から別の場所まで光ビームを送出するための媒体の役割のみを果たす外在干渉デバイスであって、それゆえにオプトエレクトロニクス構成要素を測定区域から外に遠ざけることができる外在干渉デバイス、
に分類することができる。

既存の外在干渉デバイスの中で、ＥＦＰＩデバイスと呼ばれる外在ファブリ・ペロー干渉デバイスを挙げることができ、それは２つの光ビームの組合せに基づき、２ビーム干渉計で近似することができる。マッハ・ツェンダーまたはマイケルソン型の干渉計とは対照的に、ファブリ・ペロー干渉計によれば、測定ファイバと呼ばれるファイバに対する外部妨害を克服することができる。

典型的なＥＦＰＩデバイスは、図１ａに示されるように、光源１０（一般にダイオードレーザ・タイプのレーザ光源）と、カプラ１２と、光ファイバ１３（好ましくは単一モード）と、コリメータ１９と、反射性目標物２と、光源に面する端部の反対側の光ファイバの端部１３１と目標物２とによって形成されるファブリ・ペロー光学測定キャビティと、干渉光信号を検出するための光検出器１５と、前記干渉信号を処理する手段３０とを含む。

ファブリ・ペロー・キャビティは拡大した図１ｂでより具体的に示される。

例えば、目標物の変位の測定が必要とされる場合、ＥＦＰＩデバイスの動作原理は以下の通りである。

光源１０は、準単色光ビームを一定パワーで光ファイバ１３を介して目標物２の方向に放出する。空気が媒体であり、その中に目標物２が配置されている場合、光ビームが光ファイバの端部１３１でファイバ−空気界面に到着すると、参照ビームと呼ばれるビームの一部が、図１ｂに示された前記ファイバ−空気界面において、反射係数Ｒ_Ｆで、ここでは参照強度と呼ばれる光強度Ｉ_Ｒで反射される。測定ビーム１０１と呼ばれる反射されていない光ビームは、ファブリ・ペロー光キャビティ内で、ファイバ−空気界面から距離ｄの位置に配置され、反射係数Ｒ_Ｓを有する反射性目標物２まで送出および伝搬される。測定ビーム１０１は、目標物によって反射され、ここでは測定強度と呼ばれる光強度Ｉ_Ｓで光ファイバ１３に再注入される。

目標物２が移動する場合、参照ビームと測定ビームとは干渉して、以下の式で与えられる光強度で正弦波信号または一連の干渉縞を生成する。
［式１］

ここで、θは参照強度Ｉ_Ｒと測定強度Ｉ_Ｓとの間の位相差である。

ファブリ・ペロー・キャビティの往復光路に対して、位相差θは、
［式２］

で計算することができ、ここで、ｎは光キャビティ媒体の屈折率であり（空気ではｎ≒１）、λは光源１０の波長である。

位相差θの測定により、目標物の距離ｄを決定することができるはずである。しかし、余弦式（１）によると、位相差θはπを法としてしか決定することができない。したがって、絶対距離ｄではなく、目標物の距離の変動、すなわち、変位Δｄしか決定することができない。さらに、この変位の方向、すなわち、目標物が光ファイバの端部の方に移動しているか、またはそれから遠ざかっているかを決定することができない。

光検出器１５は、目標物が移動する時前記ビーム（参照および測定）の干渉によって生成される光強度Ｉの変動を検出し、それを目標物の変位に応じた干渉縞を含む電気信号、例えば、電圧に変換する。

光検出器で測定される干渉信号は以下の式で表すことができる。
［式３］

ここで、Ｖは変換された干渉信号の電圧であり、Ｖ_０はＤＣ（直流）成分であり、Ｖ_ｍはＡＣ（交流）成分である。

好適な処理手段３０により、信号のＶを測定し、パラメータＶ_０およびＶ_ｍ、すなわち、
［式４］

を識別することによって前の関係式（３）に基づいて位相差θを決定することができ、ここで、Ｖ_ｍａｘ、Ｖ_ｍｉｎはそれぞれ信号Ｖの最大振幅および最小振幅である。

復調の原理に基づき且つ当業者には既知である多くの技法を使用して、目標物の変位の方向に関する曖昧さを除去することができる。直交位相と呼ばれるこれらの技法は、例えば、異なる波長の２つの光源、または偏光の使用に基づく。

一般に、直角位相技法によって、直角位相の状態で求められるように
［式５］

として表されて計算される、Ｖ_ｘおよびＶ_ｙと呼ばれる２つの信号を得ることができ、ここで、Ｖ_ｘは第１の信号の電圧であり、Ｖ_０ｘは第１の信号の直流成分であり、Ｖ_ｍｘは第１の信号の交流成分であり、Ｖ_ｙは第２の信号の電圧であり、Ｖ_０ｙは第２の信号の直流成分であり、Ｖ_ｍｙは第２の信号の交流成分である。

２つの関係式（５ａ）および（５ｂ）の４つのパラメータＶ_０ｘ、Ｖ_０ｙ、Ｖ_ｍｘ、およびＶ_ｍｙの識別と、信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙの測定値とにより、２πを法として位相差θを取得し、それにより、方向に関する曖昧さを除去することができる。

これらの４つのパラメータＶ_０ｘ、Ｖ_０ｙ、Ｖ_ｍｘ、およびＶ_ｍｙを決定するために、ある既知の方法では、電気信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙの最小値および最大値を測定することに基づく。したがって、４つのパラメータは以下の式
［式６］

から計算され、ここで、それぞれＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、およびＶ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}はそれぞれ電気信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙの最大振幅および最小振幅である。

既存の直角位相技法は、有利には、目標物の変位方向を決定できるが、少なくとも１つの完全な干渉縞がある状態でのみ機能するというように著しく制限される。この制限は、目標物の変位に関して光源の半波長を超える振幅をもつ変位に反映される。したがって、光源の半波長未満の目標物の変位の振幅では、目標物の変位も変位の方向も決定することができない。

さらに、これらの直角位相技法は、干渉デバイスに光学構成要素を追加しなければならないため、多大な追加コストが発生し、干渉デバイスの製造がより複雑になるという欠点を有する。

したがって、本発明の目的は、物理的パラメータが光源の半波長未満の変動の振幅を有する場合であっても、物理的パラメータとその方向を決定することができるデバイスを提案することである。

このために、本発明の主題は物理的パラメータを測定するための外在光ファイバ・デバイスであり、外在光ファイバ・デバイスは、
−目標物の方向に光ビームを生成するための中心波長λの光源と、
−光ビームを目標物の方に移送および導波するための測定ファイバと呼ばれる光ファイバと、
−決定される物理的パラメータに関する情報を含む干渉信号を検出する手段と、
−光源によって放出される信号を変調する手段と、
−検出手段によって測定された干渉信号に基づいて物理的パラメータを計算する手段と
を備える。

自由端部と呼ばれる、測定ファイバの一方の端部は目標物に面して置かれ、ファブリ・ペロー・キャビティと呼ばれるキャビティを前記目標物とともに形成する。

光源から来る光ビームはファブリ・ペロー・キャビティ中の光路を移動し、光路の変動は決定される物理的パラメータに依存する。

光路は、光ビームが移動する媒体の屈折特性による光ビーム移動の幾何学的距離として、すなわち、この幾何学的距離に媒体の屈折率を乗算することによって定義される。したがって、媒体が空気である一例では、光路は測定ファイバの自由端部と目標物との間の往復距離に相当する。

決定される物理的パラメータは、ファブリ・ペロー・キャビティ中のビームの光路を変更し、例えば、目標物が配置されている媒体の屈折率変動、および好ましくは、移動時の目標物の変位である。

本発明によれば、光源は物理的パラメータを決定するために波長変調信号（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ）を放出する。波長変調を生じさせるために、光源の電流の振幅が変えられる。実際には、所与の温度で、光源の波長は光源の電流に実質的に比例する。しかし、光源の信号電流変調には、前記光源のパワーの変動が伴い、それは、検出手段によって検出される電流の振幅の変動、すなわち寄生変動をもたらし、寄生変動は好適な手段によって克服されなければならない。

この変調信号は直流成分と交流成分とを含み、前記交流成分は、変調手段によって生成された二重波長変調と同等である二重周波数変調を含む。

光源によって放出された変調信号の交流成分の二重変調は、
−光源の電流の高周波数で低変調振幅の第１の変調と、
−光源の電流の低周波数で高変調振幅の第２の変調と
からなる。

この二重変調により、変動の振幅にかかわらず物理的パラメータおよびその方向を測定することができるようになる。

実際には、物理的パラメータおよびその方向を復調によって再構成するには、パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を得なければならない。

物理的パラメータの変動の振幅が光源の半波長を超える一般的な場合には、検出手段によって検出された干渉信号に少なくとも１つの完全な干渉縞が含まれるので、第１の（高周波）変調はそれ自体で十分である。パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}は直接測定することができ、このようにして目標物の変位およびその方向を再構成することができる。

物理的パラメータの変動の振幅が光源の半波長未満である特別な場合には、検出手段によって検出された干渉信号に完全な干渉縞が含まれない。パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}は直接測定することができない。変調信号の第２の（低周波）変調により、少なくとも１つの人工的に完全な干渉縞を生成して、パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を取得し、次に、目標物の変位およびその方向を再構成することができることになる。

第２の変調は、獲得の初めにまたは獲得の間に、連続的にまたは断続的に出すことができる。目標物の実際の変位を決定するには、測定した変位から人工的変位を減じるだけで十分である。

この説明を踏まえると、光源は単一であり、信号の二重周波数（および同等の波長）変調が光源に適用され、前記光源によって放出された光ビームが、光源に面して置かれた光ファイバに導入される前に、つまり、測定ファイバに導入される前に二重変調されることは明らかである。

光源は変調光ビームを放出し、変調光ビームは目標物の方向に測定ファイバを通ってその自由端部まで導波され、自由端部は参照ビームと呼ばれる変調光ビームのごく一部分を反射する。測定ビームと呼ばれる光ビームの残りのごく一部分がファブリ・ペロー光キャビティ中で目標物まで伝搬する。測定ビームは目標物によって反射され、測定ファイバに完全にまたは部分的に再注入され、測定ファイバ中で参照ビームとともに干渉を生成する。

したがって、変動の振幅にかかわらずデバイスが物理的パラメータおよびその方向を測定できるように二重変調を光源に直接に適用する場合、追加の光学構成要素（例えば、音響光学または電気光学変調器など）および／または機械的構成要素（例えば、圧電変換器など）を使用する必要がない。したがって、この測定デバイスにより、コスト、寸法、頑健性（脆弱な構成要素がなく、さらにこれらの構成要素の熱−機械的絶縁のない）、および実現の簡易さの点で利益が得られる。

有利なことには、二重変調により、変動の振幅が光源の半波長を超えるかまたは未満かに関係なく、物理的パラメータの変動のあらゆる振幅が測定できるようになる。

特に、光源に断続的または連続的に適用することができる第２の変調により、光源のパワーの変動に起因するパワー変動、および／または例えば、光源、光ファイバ、コネクタ、光学系（コリメートレンズ）などの使用する構成要素の経年変化や目標物の表面状態の劣化に起因するパワー変動、すなわち、第２の変調の周波数よりも非常に低い周波数、一般に１ヘルツ未満を有する変動を克服できるようになる。したがって、前述のパラメータ（Ｖ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}）を好適に検出して、ある時間にわたりより正確な復調を行うことができる。

好ましくは、光源はダイオードレーザ、例えば、ＤＢＲ（「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（分布ブラッグ反射器）」の頭文字）タイプ、またはＤＦＢ（「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ（分布帰還）」の頭文字）タイプであるが、例えばスーパルミネセント・ダイオードなどの任意の他のタイプの光源、または例えばチューナブル・レーザなどの別のレーザ源が使用可能である。

レーザ源とは、共振器と呼ばれる光キャビティに関連する光増幅器を含む光源を明白に意味する。レーザは誘導放出の原理に基づく。レーザ源からの出力部のビームは可干渉性ビームである。

ファブリ・ペロー光キャビティ中で測定ビームが移動する光路が変化する場合、参照ビームと測定ビームとは干渉し、目標物の変位に起因する光強度の変動を表す多重干渉信号が生成される。

検出手段、好ましくは光検出器は光強度の変動を検出し、それを、目標物の変位に応じた電気変調信号に変換する。この変換された信号は、例えば、電圧信号とすることができる。

次に、計算手段は、検出手段によって測定された信号と、変調手段によって生成された光源の高周波変調信号とを獲得し、それらを処理して物理的パラメータの測定値をその方向とともに得る。

計算手段は、
−２つの多重分離信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを得るために、検出手段によって測定された信号を、第１の変調と同期して、多重分離する手段と、
−多重分離信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを振幅補償する手段と、
−補償手段からの出力部で得られる信号を復調する手段と、
−物理的パラメータの振幅変動にかかわらず物理的パラメータおよびその方向を得るために、復調手段からの出力部で得られる信号を変換する手段と
を備える。

好ましい実施形態では、外在光ファイバ・デバイスは軸ＸＸ’に沿った目標物の変位の測定を可能にする。前記測定デバイスは、
−中心波長λの光源と、
−光ファイバと、
−決定される変位に関する情報を含む干渉信号を検出する手段と、
−光源によって放出される信号を変調する手段と、
−検出手段によって測定された干渉信号に基づいて変位を計算する手段と
を備える。

好ましくは、光源はレーザ源からなる。

一実現例では、レーザ源はダイオードレーザである。

光源からの変調信号は、変調手段によって生成された二重波長変調と同等の二重周波数変調を含む交流成分を含む。信号の二重変調は、有利には、光源に適用される。

本発明は、さらに、Ｎ個の物理的パラメータまたは１つの物理的パラメータをＮ回連結して測定するシステムに関し、ここで、Ｎは２以上である。測定システムは、
−中心波長λの光源と、
−Ｎ個の光ファイバと、
−干渉信号を検出するためのＮ個の手段であり、各干渉信号が、決定される物理的パラメータに関する情報を含む手段と、
−光源によって放出される信号を変調する手段と、
−Ｎ個の検出手段によって測定された干渉信号に基づいて物理的パラメータを計算する手段と
を備える。

光源からのビームはＮ個のビームに分割され、各ビームは、測定ファイバおよび壁の一方が測定ファイバの端部によって形成されるファブリ・ペロー光キャビティに伝搬する。

光源からの変調信号は、変調手段によって生成された、二重波長変調と同等の二重周波数変調を含む交流成分を含む。信号の二重変調は、有利には、光源に適用される。

このシステムでは、有利には、光源および変調手段は単一であり、Ｎ個の物理的パラメータの測定、または物理的パラメータのＮ回の測定に共通である。

この測定システムは、１つまたはＮ個の物理的パラメータの連結測定のためにＮ個の実質的に平行または異なる軸に沿って位置づけられたＮ個の光キャビティで形成される。

本発明の特徴および利点は、本出願の非限定の例で本発明の特徴を説明する以下の説明を通して明らかになるであろう。

説明は添付図に基づく。

前述の通り、以前の先行技術による目標物の変位を測定するデバイスの概略図である。 前述の通り、図１ａのファブリ・ペロー・キャビティの拡大図である。 本発明の第１の実施形態の測定外在光ファイバ・デバイスの概略図である。 ａ）は目標物が光源の半波長を超える変動の振幅で移動するときの一実現例において、検出手段によって検出された多重信号を示す図で、ｂ）は光源からの電流変調信号の第１の高周波変調を示す図で、ｃ）は検出手段によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｘを示す図である。また、ｄ）は検出手段によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｙを示す図で、ｅ）は本発明の第１の実施形態によるデバイスを介して再構成された目標物の変位信号を示す図であり、ｆ）は目標物の参照変位を示す図である。 図４のａ）からｆ）はそれぞれ図３のａ）からｆ）の取得区域の拡大図である。 図３ｃ）の信号Ｖ_ｘおよび図３ｄ）の信号Ｖ_ｙのリサージュ位相図である。 ａ）は目標物が光源の半波長未満の変動の振幅で移動する時の一実現例において、検出手段によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｘを示す図である。また、ｂ）はａ）と同様の実現例において、検出手段によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｙを示す図である。さらにｃ）はａ）と同様の実現例において、本発明の第１の実施形態によるデバイスを介して再構成された目標物の変位信号を示す図である。 図７のａ）からｃ）はそれぞれ図６のａ）からｃ）の取得区域の拡大図である。 図６ａ）の信号Ｖ_ｘおよび図６ｂ）の信号Ｖ_ｙのリサージュ位相図である。 本発明の別の実施形態による測定外在光ファイバ・デバイスの概略図である。

図２は、本発明の特定の実施形態による目標物２の変位を測定するための外在光ファイバ・デバイス１を概略的に示す。

測定デバイスの実現の例が目標物２の変位を測定する場合への適用で詳細に説明される。この選択は限定ではなく、本発明は、例えば、目標物が配置されている媒体の屈折率の変動などの他の物理的パラメータにも適用できる。

以下の説明は、空気中における目標物２の変位の特定の場合を測定できるようにする本発明によるデバイスの手段の物理的な、操作上の、およびレイアウトの特徴をより具体的に説明する。

本発明による外在光ファイバ・デバイス１は、図２に示されるように、
−光ビームを放出するための光源１０と、
−光源１０を制御するための電流源１６と、
−光ビームを移送および導波するための、光源１０からの出力部における第１の光ファイバ１１と、
−３ポート光ファイバ・カプラ１２であり、
・第１の光ファイバ用の入力ポート１２１、
・測定ファイバ１３と呼ばれる第２の光ファイバ用の第１の出力ポート１２２、
・第３の光ファイバ１４用の第２の出力ポート１２３
を備える、３ポート光ファイバ・カプラ１２と、
−第３の光ファイバ１４に接続された検出手段１５と、
−光源１０の電流源１６に接続および関連する変調手段１７と、
−目標物２の変位を計算するための手段１８と
を備える。

自由端部１３１と呼ばれる測定ファイバの一方の端部は、変位が測定される目標物２に面している。測定ファイバ１３の自由端部１３１は光軸ＸＸ’に実質的に垂直であり、目標物２から距離ｄの位置に置かれる。自由端部１３１と目標物２とはファブリ・ペロー・キャビティを形成する。

図２に示されるような単一の光源１０は、中心波長λの光ビームを放出するように設計される。

好ましくは、光源１０はＤＦＢタイプ・ダイオードレーザである。

ダイオードレーザ１０は電流源１６によって制御され、ある時間にわたって直流で電力供給される。ダイオードレーザ１０は、好ましくは、電流安定化される。

本発明の一実施形態では、ダイオードレーザ１０は、本質的に既知であるサーボ・システムによって温度安定化される。したがって、所与の温度で、波長はダイオードレーザ電流に実質的に比例する。

次に、変調手段１７によって生成された交流成分が、ダイオードレーザを変調するためにダイオードレーザ１０の直流に重畳される。

変調手段１７は、
−ダイオードレーザ１０の電流の高周波数で低変調振幅の第１の変調１７１を生成することができる第１の変調手段と、
−ダイオードレーザ１０の電流の低周波数で高変調振幅の第２の変調１７２を生成することができる第２の変調手段と
を含む。

光ファイバ１１に導入される前に、ダイオードレーザ１０からの出力部で放出されたビームは、波長変調されたビームである。しかし、ダイオードレーザの信号電流変調には、さらに、前記ダイオードレーザのパワーの変動が伴い、それにより、検出手段によって検出される電流の振幅が変動し、すなわち、寄生変動が生じ、その寄生変動は計算手段１８に含まれる補償手段によって克服される。

ダイオードレーザからのビームの二重変調を使用すると、変位の振幅にかかわらず、すなわち、ダイオードレーザの半波長を超えるかまたはそれ未満であるかどうかに関係なく目標物の変位およびその方向にも関する情報の取得が可能になることになる。

したがって、各変調の周波数および振幅の選択は重要である。

[ａ）第１の変調の電流振幅および周波数の選択]
信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを取得し、それらから目標物の変位およびその方向に関する情報を導き出すために、本発明で開発された変調技法は、高周波数で低振幅の電流変調の操作により、レーザ源の波長を中心波長λを中心とする２つの波長λ_１からλ_２に変調することからなる。

[周波数の選択]
周波数の選択は妥協からもたらされる。一方では、周波数は、第１に、目標物の迅速な変位を測定することができるように、第２に、可能な限り最も正確な（時間）多重分離を行うように可能な限り最も高いことが好ましい。他方では、ダイオードレーザのスペクトル応答時間を考慮に入れなければならない。

したがって、周波数の選択はダイオードレーザのスペクトル応答時間、一般に、数十マイクロ秒によって技術的に制限される。

実現の一例では、Ｍｏｄｕｌｉｇｈｔ（登録商標）ＭＬ１３５４タイプＤＦＢダイオードレーザの場合、周波数は２５ｋＨｚである。

[変調電流振幅の選択]
この変調の振幅は、位相直角状態を得るように調整しなければならない。次に、本質的に既知である、２つの信号用の位相直角復調技法を使用して、目標物の変位の方向に関する曖昧さを取り除くことができる。

[直角位相状態の決定]
２つの信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙは、検出手段によって測定される信号に時間多重されている。

前提として、多重分離された後に求められる信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙと、それぞれに対応するλ_１およびλ_２は、次のように表される。
［式７］

ここで、
［式８ａ］

および
［式８ｂ］

である。

したがって、θ_２−θ_１は、
［式９］

で与えられる。

放出された中心波長λに対してΔλ＝λ_２−λ_１が非常に小さいと見なされる場合、λ_１λ_２≒λ^２で近似することができる。

したがって、直角位相状態を得るには、
［式１０］

すなわち、
［式１１］

が必要である。

したがって、直角位相状態は、
［式１２］

で与えられる。

所与の温度で、波長はダイオードレーザの電流に実質的に比例することから、変調電流振幅を導き出すことができる。

[ｂ）第２の変調の電流振幅および周波数の選択]
先行技術で説明した制限を克服するために、すなわち、ダイオードレーザの半波長未満の目標物の変位の振幅を検出するために、本発明で開発された変調技法の本質は、低周波数でのダイオードレーザからの信号の高振幅の電流変調にある。この変調により、ダイオードレーザの半波長を超える振幅の人工的変位が生じ、それにより、ダイオードレーザの半波長未満の目標物の変位の振幅の場合でさえ信号の極値を測定できるようになる。

[周波数の選択]
低周波数は、好ましくは、第１の（高周波）変調の周波数よりも非常に低くなければならない。変調の低周波数の上限は、例えば、第１の変調の周波数の少なくとも１／１０から１／１０００の低さであり、好ましくは、２つの周波数を分離することができるように約１／１０００の低さである。変調の低周波数の下限は、例えば、ダイオードレーザのパワーの変動に起因するパワー変動、および／または例えば、ダイオードレーザ、光ファイバ、コネクタ、光学系（コリメートレンズ）などの使用される構成要素の経年変化、および目標物の表面状態の劣化に起因するパワー変動の周波数を超える周波数である。これらの変動は、一般に、１ヘルツよりも非常に小さい周波数を有する。変調の低周波数のこの下限により、パワー変動からのこれらの周波数を分離することができる。

周波数を選択する主な基準は、信号Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙのパラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}に対して最大限の精度を探すことである。したがって、この低周波数は、目標とする用途ならびに前述のパワー変動に応じた測定条件によって本質的に決まる。

一実施形態では、周波数は約１Ｈｚである。

[変調電流振幅の選択]
したがって、この人工的変位を生成するには、低周波変調の電流振幅は、目標物からの距離ｄに対して次の条件を満たさなければならない。
［式１３］

すなわち、
［式１４］

したがって、波長変動に関する条件は、
［式１５］

で与えられる。

所与の温度で、波長はダイオードレーザの電流に実質的に比例することから、変調電流振幅を導き出すことができる。

提案する実現例では、第１の（高周波）変調は矩形波変調であり、第２の（低周波）変調は三角波変調である。しかし、他の形状の変調を使用することができる。したがって、高周波変調は正弦波または三角波変調とすることもでき、低周波変調は正弦波変調とすることができる。

変調手段１７は本質的に既知であるため説明しない。

光ファイバ１１、１３、１４は、好ましくは、ダイオードレーザの波長で単一モードである。

光ファイバ１１、１３、１４、カプラ１２、および様々な要素を互いに連結するための手段（コネクタ）のすべては標準タイプであるため、ここでは説明しない。

コリメータ１９は、ファイバの端部と目標物との間に介在される。

好ましくは、コリメータ１９は、数ミリメートルを超える距離ｄの位置に配置された目標物の変位測定に使用される。数ミリメートル未満の距離ｄの場合は必要ない。

好ましくは反射防止処理を有するコリメータ１９は、第１に、測定ファイバ１３から来るビームを受け取り、目標物２の方向に前記ビームをコリメートし、第２に、目標物で反射されたビームのごく一部分を受け取り、それを測定ファイバ１３の方に合焦するように選ばれる。

コリメータの好ましい例では、前記コリメータは複レンズである。

別の例では、ファイバの端部１３１がレンズであり、コリメータとして働く。

目標物２は、一例として矢印２２によって概略的に示されるように光軸ＸＸ’に沿って移動中である。

したがって、本発明による測定デバイス１は、光軸ＸＸ’の方向に沿った目標物の変位の投影を測定するように設計される。

目標物２は、測定ファイバ１３から来る光ビームの少なくとも一部を受け取るように設計され、前記光ビームを反射するための表面２１を備える。

好ましくは、目標物２の表面２１は、最大限の精度を得るために実質的に平坦でかつ光軸ＸＸ’に実質的に垂直である。しかし、平坦な表面と光軸に対する垂直性は、本発明による目標物の変位の測定を達成するのに必須ではない。測定ファイバの方に測定ビームの少なくとも一部を反射するならば他の形態の表面を使用することができる。

変位が垂直でない場合には、目標物の変位の測定は、光軸ＸＸ’に沿った投影に従って行われることになる。

一実現例では、目標物２は、変位が測定されなければならない物体の一部とすることができる。

代替として、目標物２は、物体から離れて取り付けられていてもよく、その場合、目標物の変位の測定は物体の変位の測定と同等である。

目標物２が光軸ＸＸ’に沿って移動している場合、ダイオードレーザから来るビームが移動する光路は変化し、第１に、参照ビームと呼ばれるビーム（ファイバの端部で反射されたビームのごく一部分）と、第２に、測定ビームと呼ばれるビーム（目標物で反射されたビームのごく一部分）とは干渉し、目標物の変位に起因する光強度の変動を表す多重干渉信号が生成される。

測定手段１５は光強度の変動を検出し、それは、次に、検出された変動が目標物の変位に応じた電気変調信号に変換される。この信号は、例えば、電圧信号とすることができる。

測定手段１５は、好ましくは、光検出器である。

次に、計算手段１８は、光検出器１５によって測定された信号と、変調手段１７によって生成されたダイオードレーザ１０の変調信号とを獲得し、処理して変位測定値を得る。

計算手段１８は、
−２つの信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを得るために光検出器１５によって検出された信号を多重分離する手段１８１と、
−信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを振幅補償する手段１８４と、
−位相差θを得るための復調手段１８２と、
−変位を再構成する変換手段１８３と
を含む。

多重分離手段１８１は本質的に既知であるため説明しない。多重分離手段１８１により、２つの信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙは、第１の変調１７１の高周波数と同期して得られるようになる。

補償手段１８４により、ダイオードレーザの信号の電流変調の間のパワー変動に起因する振幅の寄生変動を補償することができるようになる。

次に、位相差θが、２つの振幅補償された信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙに基づいて復調手段１８２によって計算される。

一実現例では、復調手段１８２は、目標物２の変位およびその方向を再構成するために逆正接復調法を使用する。

２つの振幅補償された信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙは、
［式１６］

として表される。
［式１７］

の場合、
θは、
［式１８］

で計算される。

パラメータＶ_０ｘ、Ｖ_ｍｘ、Ｖ_０ｙ、Ｖ_ｍｙは関係式（６ａ）から（６ｄ）で与えられる式から計算される。したがって、パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を得る必要がある。

物理的パラメータの変動の振幅が光源の半波長を超える場合には、検出手段によって検出される干渉信号には少なくとも１つの完全な干渉縞が含まれ、それにより、パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を決定することができる。

物理的パラメータの変動の振幅が光源の半波長未満である場合には、検出手段によって検出された干渉信号には完全な干渉縞は含まれない。パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を直接測定することができない。変調信号の第２の（低周波）変調により、少なくとも１つの人工的に完全な干渉縞を生成してパラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を得ることができるようになる。

第２の変調は、獲得の初めにまたは獲得の間に、連続的にまたは断続的に出すことができる。目標物の実際の変位を決定するには、測定した変位から人工的変位を減じるだけで十分である。

次に、目標物２の変位およびその方向が変換手段１８３によって計算される。

一実現例では、変換手段１８３は、復調手段によって計算された位相差θから目標物の変位を再構築するのに「位相トラッキング復調」と呼ばれる増分法を使用する。

したがって、θ_ｎがステップｎで測定された位相差を表し、θ_ｎ−１がステップｎ−１で測定された位相差を表す場合、対応する再構成された増分位相差は次の関係式
［式１９］

で与えられ、ここで、Δ＝（θ_ｎ−θ_ｎ−１）およびδ＝（４πｎ／λ）である。

上述の関係式（１９）により、相対変位のみを計算でき、ここでθ_０＝０およびｄ_０＝０であることに留意されたい。

本発明による測定デバイス１から再構築された目標物２の変位を示すために、一実施例ではダイオードレーザの半波長を超える振幅の目標物の変位の再構成を示し、別の実施例ではダイオードレーザの半波長未満の振幅の目標物の変位の再構成を示す。

これらの２つの実施例では、
−レーザ光源１０は、１３１０ｎｍの中心波長λを放出するＭｏｄｕｌｉｇｈｔ（登録商標）ＭＬ１３５４タイプＤＦＢダイオードレーザである。ダイオードレーザは３０ｍＡの注入電流で電力供給され、６ｍＷの最大出力パワーを有する。
−ファイバ１１、１３、１４はＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）ＳＭＦ−２８タイプ・ファイバである。
−光カプラ１２はＣｈｉｎａ Ｄａｈｅｎｇ Ｇｒｏｕｐからの１×２ＳＭＦ２８カプラである。
−目標物２は測定ファイバ１３の端部から５０ｍｍの距離に位置づけられ、その変位は、Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（登録商標）（ＰＩ）Ｐ−７５３．２ＣＤタイプの圧電変換器によって生成される。この圧電変換器は、圧電変換器の変位を２ｎｍの静的精度で直接測定するために静電容量センサに結合される。

第１の（高周波）変調は２５ｋＨｚの周波数の矩形波変調である。

第２の（低周波）変調は周波数１．２Ｈｚの三角波変調である。

注入電流に対するレーザ源のスペクトル応答は約９．２ｐｍ／ｍＡ以下で測定されている。位相直角を得るのに必要とされる第１の変調の振幅は、測定ファイバ／目標物距離ｄ＝５０ｍｍ、および屈折率ｎ＝１の媒体、すなわち、空気の場合、ΔＩ≒０．４６６ｍＡ以下（したがって、Δλ＝４．２９ｐｍと同等）である。

[ダイオードレーザの半波長を超える振幅の目標物の変位]
結果を図３ａ）から図３ｆ）に示す。信号は１９０ミリ秒の測定範囲にわたって示される。

図３ａ）は、光検出器によって検出された多重信号を示す。

図３ｂ）は、ダイオードレーザの第１の（高周波）変調を表す信号を示す。

図３ｃ）は、光検出器によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｘを示す。

図３ｄ）は、光検出器によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｙを示す。

図３ｅ）は、目標物の再構成された変位信号を示す。

図３ｆ）は、目標物の変位の参照信号を示す。

図４ａ）から図４ｆ）は、それぞれ図３ａ）から図３ｆ）の測定範囲の区域の拡大図である。信号は２ミリ秒の測定時間にわたって示される。

目標物の再構成された変位信号が参照信号に非常に近いことが分かる。

図５は、図３ｃ）および図３ｄ）の信号Ｖ_ｘ−Ｖ_ｙを示すリサージュ図形である。この図形により、目標物の変位を示すことができる。実際には、目標物の変位がダイオードレーザの半波長と同等な振幅を有する場合、Ｖ_ｙ−Ｖ_ｘリサージュ図における表示はトレース５１で示され、完全な円と同等である。トレース５２は目標物の変位の振幅を表す。このトレース５２は円の少なくとも１回転を示すことが分かる。したがって、目標物の変位の振幅はダイオードレーザの半波長以上である。

[ダイオードレーザの半波長未満の振幅の目標物の変位]
結果を図６ａ）から図６ｃ）に示す。信号は２時間４６分４０秒の測定時間にわたって示される。

図６ａ）は、光検出器によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｘを示す。

図６ｂ）は、光検出器によって検出された信号を多重分離および補償するための手段で処理した後の多重分離信号Ｖ_ｙを示す。

図６ｃ）は、目標物の再構成された変位信号を示す。

図７ａ）から図７ｃ）は、それぞれ図６ａ）から図６ｃ）の測定範囲の区域の拡大図である。信号は５秒の測定時間にわたって示される。

図８は、図６ａ）および図６ｂ）の信号Ｖ_ｘおよびＶ_ｙを表すリサージュ図形である。この図形により目標物の小さい変位が明確に示される。実際には、目標物の変位がダイオードレーザの半波長と同等な振幅を有する場合、Ｖ_ｙ−Ｖ_ｘリサージュ図における表示はトレース７１で示され、完全な円と同等である。トレース７２は目標物の変位の振幅を表す。このトレース７２は四分円すら示していないことが分かる。したがって、目標物の変位の振幅はダイオードレーザの半波長未満である。不連続の点線で示されたトレース７３は、パラメータＶ_{ｘ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｘ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ｙ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ｙ＿ｍｉｎ}を決定するための第２の（低周波）変調によって生成された人工的変位を表す。

上記２つの実施例によって、本発明による測定デバイスは、変位の振幅にかかわらず、目標物の変位およびその方向を再構成できることが証明される。

実現化の変形例では、１つの単一目標物またはＮ個の目標物の連結測定のためにＮ個の実質的に平行または異なる軸に沿って位置づけられたＮ個の光キャビティで形成された測定システムを想定することができる。

このシステムの共通基盤はダイオードレーザ１０および変調手段１７である。

共通のダイオードレーザ１０からのビームは、１×Ｎポート・カプラ１２’を介してＮ個のビームに分割され、各ビームはファイバ１１を介してカプラ１２に伝搬し、次に、測定ファイバ１３およびファブリ・ペロー光キャビティに伝搬する。光キャビティの目標物の変位によって生成された干渉信号は光検出器１５で検出される。各光検出器１５で測定された信号は計算手段１８によって獲得され、それにより、処理の後にファブリ・ペロー光キャビティごとに１つまたは複数の目標物の探し求める１つまたは複数の変位が再構成される。

システムの第１の実施形態では、目標物２はファブリ・ペロー光キャビティごとに異なる。

Ｎ個のファブリ・ペロー光キャビティが、異なる軸に沿って、または実質的に平行な軸に沿って位置づけられる。

システムの別の実施形態では、目標物２はＮ個のファブリ・ペロー光キャビティのすべてに共通である。この態様により目標物の変位の冗長測定が可能になる。

Ｎ個のファブリ・ペロー光キャビティは、目標物の横変位の連結測定のための異なる軸に沿って、または実質的に平行な軸に沿って位置づけられる。

システムが２つのファブリ・ペロー光キャビティを含む図９に示すような特定の例では、前記ファブリ・ペロー光キャビティは同じ軸に沿って目標物２の両側に位置づけられる。このシステムは前記目標物の変位の差動測定を可能にする。このシステムは、さらに、ダイオードレーザの波長の小さい変動を補償するという利点を有する。

１ 外在光ファイバ・デバイス、測定デバイス
２ （反射性）目標物
１０ 光源、ダイオードレーザ、レーザ光源
１１ 第１の光ファイバ
１２ ３ポート光ファイバ・カプラ
１２’ １×Ｎポート・カプラ
１３ 第２の光ファイバ、測定ファイバ
１４ 第３の光ファイバ
１５ 光検出器、検出手段、測定手段
１６ 電流源
１７ 変調手段
１８ 計算手段
１９ コリメータ
２１ 目標物の表面
２２ 矢印
３０ 処理手段
５１、５２、７１、７２、７３ トレース
１０１ 測定ビーム
１２１ ３ポート光ファイバ・カプラの入力ポート
１２２ ３ポート光ファイバ・カプラの第１の出力ポート
１２３ ３ポート光ファイバ・カプラの第２の出力ポート
１３１ 光ファイバの端部、測定ファイバの自由端部
１７１ 第１の変調
１７２ 第２の変調
１８１ 多重分離手段
１８２ 復調手段
１８３ 変換手段
１８４ 補償手段

Claims (14)

1. 物理的パラメータを測定するための外在光ファイバ・デバイス（１）であって、
   −目標物の方向に光ビームを生成するための中心波長λの光源（１０）と、
   −前記光ビームを目標物の方に移送および導波するための、測定ファイバと呼ばれる光ファイバ（１３）であり、前記目標物に面して配置される前記光ファイバの一方の端部が前記目標物とともに光キャビティを形成する、光ファイバ（１３）と、
   −干渉信号を検出する手段（１５）であり、前記干渉信号が、決定される前記物理的パラメータに関する情報を含み、参照光ビームと測定ビームとの間の干渉によって生成され、前記参照光ビームが、前記ファイバの前記端部によって反射される前記光源からの前記光ビームのごく一部分に相当し、前記測定光ビームが、前記目標物によって反射されて前記光キャビティ中の光路を移動する前記光源からの前記光ビームのごく一部分に相当し、前記光路の変動が、決定される前記物理的パラメータに依存する手段（１５）と、
   −前記光源によって放出される信号を変調する手段（１７）と、
   −前記検出手段（１５）によって測定された前記干渉信号に基づいて前記物理的パラメータを計算する手段（１８）と
   を備える外在光ファイバ・デバイス（１）において、
   前記光源がレーザ源からなり、前記光源（１０）からの前記変調信号が、前記変調手段によって生成された二重周波数変調を含む交流成分を含むことを特徴とする外在光ファイバ・デバイス（１）。
2. 前記レーザ源がダイオードレーザである、請求項１に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
3. 前記二重周波数変調が第１の高周波変調と第２の低周波変調とを含む、請求項１または２に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
4. 前記第１の高周波変調が前記光源の電流の低変調振幅を含む、請求項３に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
5. 前記第２の低周波変調が前記光源の電流の高変調振幅を含む、請求項３または４に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
6. 前記計算手段（１８）が、前記検出手段によって測定された前記信号を多重分離する手段（１８１）と、前記多重分離手段（１８１）から来る前記多重分離信号を振幅補償する手段（１８４）とを含む、請求項１〜５に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
7. 前記計算手段（１８）が、前記補償手段（１８４）からの出力部で得られる信号を復調する手段（１８２）と、前記復調手段（１８２）からの出力部で得られる前記信号を変換する手段（１８３）とを含む、請求項６に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
8. 目標物（２）の変位を軸ＸＸ’に沿って測定するための外在光ファイバ・デバイス（１）であって、
   −目標物の方向に光ビームを生成するための中心波長λの光源（１０）と、
   −前記光ビームを目標物の方に移送および導波するための、測定ファイバと呼ばれる光ファイバ（１３）であり、前記目標物に面して配置される前記光ファイバの一方の端部が前記目標物とともに光キャビティを形成する、光ファイバ（１３）と、
   −干渉信号を検出する手段（１５）であり、前記干渉信号が、決定される前記変位に関する情報を含み、参照光ビームと測定ビームとの間の干渉によって生成され、前記参照光ビームが、前記ファイバの前記端部によって反射される前記光源からの前記光ビームのごく一部分に相当し、前記測定光ビームが、前記目標物によって反射されて前記光キャビティ中の光路を移動する前記光源からの前記光ビームのごく一部分に相当し、前記光路の変動が、決定される物理的パラメータに依存する手段（１５）と、
   −前記光源（１０）によって放出される信号を変調する手段（１７）と、
   −前記検出手段（１５）によって測定された前記干渉信号に基づいて前記変位を計算する手段（１８）と
   を備える外在光ファイバ・デバイス（１）において、
   前記光源がレーザ源からなり、前記光源（１０）からの前記変調信号が、前記変調手段によって生成された二重周波数変調を含む交流成分を含むことを特徴とする外在光ファイバ・デバイス（１）。
9. 前記レーザ源がダイオードレーザである、請求項８に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
10. 前記二重周波数変調が第１の高周波変調と第２の低周波変調とを含む、請求項７または８に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
11. 前記第１の高周波変調が前記光源の電流の低変調振幅を含む、請求項１０に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
12. 前記第２の低周波変調が前記光源の電流の高変調振幅を含む、請求項１０または１１に記載の外在光ファイバ・デバイス（１）。
13. Ｎ個の物理的パラメータを測定するためのシステムであって、
    −中心波長λの光源（１０）と、
    −測定ファイバと呼ばれるＮ個の光ファイバ（１３）であり、ここで、Ｎが２以上であり、前記光源からのビームがＮ個のビームに分割され、各ビームが測定ファイバ（１３）およびファブリ・ペロー光キャビティに伝搬する、Ｎ個の光ファイバ（１３）と、
    −干渉信号を検出するためのＮ個の手段（１５）であり、各干渉信号が、決定される物理的パラメータに関する情報を含む手段（１５）と、
    −前記光源によって放出される信号を変調する手段（１７）と、
    −前記Ｎ個の検出手段（１５）によって測定された干渉信号に基づいて前記物理的パラメータを計算する手段（１８）と
    を備えるシステムにおいて、
    前記光源がレーザ源からなり、前記光源（１０）からの前記変調信号が、前記変調手段によって生成された二重周波数変調を含む交流成分を含むことを特徴とするシステム。
14. 前記レーザ源がダイオードレーザである、請求項１３に記載のシステム。

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