JP2018009896A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】光干渉信号出力をセンサ信号とするセンサには、構成が簡単で、センサ部分の無電源化が可能なホモダイン干渉方式、あるいはマッハツェンダ干渉方式があるが、安定な動作を得るには、使用部品に対して厳しい工作精度と熱膨張対策が必要であると共に、センサ信号として変動できる位相範囲は±９０度以内に限られていた。また、コスト低減及び演算精度向上が望まれていた。【解決手段】光ファイバセンサに供給する光（レーザ光）を、一定の周期毎に、一定時間τだけ、その光の位相を９０度（π／２）変えると共に、この光を２分岐し、一方はそのまま、他方には時間τの遅延を与えて合成し、干渉出力Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を得、これらの計測結果を演算することにより、通常の干渉計の計測範囲（光の１／２波長）を超えた干渉計測を可能とすると同時に、光強度の変動に強い光ファイバセンサを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、外力により光路長を変化させる、或いは機械的に位置が変動する物体に反射ミラーを取り付ける等して、その物体の位置変動を光路長の変化として捉えることにより、そこを通過する光信号の位相が変化する特性を利用した光ファイバセンサに関する。

光ファイバセンサは、光センサ部分を無電源化できる等により、従来の電気センサに比べ、電磁環境の悪い場所、温度環境の悪い場所への適用に優れ、かつ光ファイバの有する低損失特性により、遠距離のセンシングにも優れた特性を発揮できる。

特許第５１１８２４６号公報

従来の光ファイバセンサの干渉方式では、参照光と計測光との位相差をθとすると、干渉出力（干渉光）は下記数１で示される。

ここで、ｉは干渉光から変換された電気信号の値（電気信号値）、ｒは参照光から変換された電気信号値、ｓは計測光から変換された電気信号値である。

上記数１からわかるように、真に得たいセンサ信号はθの値であるが、従来の干渉方式ではｉとしてのみ求められることから、伝送経路でのｒ及びｓの強度変動による変動誤差分を分離することができないという欠点があった。

また、従来の干渉方式では、参照光と計測光の位相関係において、位相差９０度に動作点の中心を置くことが最も直線性の良い設定となるが、参照光と計測光の光路長差を９０度に保つには、高い工作精度を要するとともに、熱膨張に対しても一定関係を保つ必要がある等、実用上の難しさがあった。

さらに、従来の干渉方式では、参照光と計測光の位相差９０度を動作範囲の中心としたとき、計測可能な位相の最大は±９０度（半波長）であり、これを超えることは原理上不可能であった。

これらの問題に対して、特許第５１１８２４６号公報（特許文献１）に開示されているような光ファイバセンサが提案されている。

特許文献１の光ファイバセンサは、周期Ｔでパルス幅３ｔの光パルスの前中半ｔ１、ｔ２と後半ｔ３との光位相差を９０度に位相変調した光パルスを計測用信号とし、計測用信号を分波し、ｔ時間遅延させて更に外力により光路長を変動させた光信号を計測光とし、もう一方の光信号を参照光として、干渉させている。これにより、参照光の前半ｔ１のみの部分（Ｒ）、計測光の前半ｔ１と参照光の中間ｔ２との干渉部分（Ｉ１）、計測光の中間ｔ２と参照光の後半ｔ３との干渉部分（Ｉ２）及び計測光の後半ｔ３のみの部分（Ｓ）を有する時分割多重光信号が生成され、Ｉ１及びＩ２での計測光と参照光との位相差θ１及びθ２を、各干渉部分の電気信号値ｒ、ｉ１、ｉ２及びｓを用いて、下記数２及び数３を基に求めている。

そして、１周期前に求めた位相差θ１ａ及びθ２ａとの差分Δθ１及びΔθ２を積算した値をセンサ出力としている。

特許文献１では、光信号、つまり参照光（Ｒ）、第１の干渉部分（Ｉ１）、第２の干渉部分（Ｉ２）及び計測光（Ｓ）の大きさが正確に計測できることを前提として正確な位相（ｉ）の演算結果が得られる。一般に光信号の大きさは半導体によるフォトダイオードにより光の強度を電気変換し検出する。しかし、フォトダイオードは、０．０１ｍＷ以下において、入力光信号電力に比例した出力電圧を発生するものであり、検出電圧が非常に小さいので、特殊な例を除き増幅して使用することが必要である。市販されている光／電気変換器には、フォトダイオードと共にフォトダイオード出力電圧を増幅する、高入力インピーダンスを有するトランスインピーダンス増幅器が内蔵されている。このトランスインピーダンス増幅器は、入力にコンデンサを直列に挿入した交流増幅器である。特許文献１における測定法では、Ｒ、Ｉ１、Ｉ２及びＳがこの順番に計測されるが、外力等によりセンサのＩ１が変化すると、その後のＩ２及びＳの検出電圧が、Ｉ１の電圧変化の影響を受け、この影響分が測定誤差となる。また、Ｉ２の変化は、Ｓの測定誤差を発生させる。特許文献１では、この誤差を無くす、或いは無視できる程度に減少させるには、光／電気変換器のフォトダイオード出力電圧を直流増幅する、或いはＩ１がＩ２及びＳに与える誤差並びにＩ２がＳに与える誤差を演算で予測し、取り除く等の面倒なプロセスが必要となる。

本発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、干渉させる光の強度変動及び干渉させた後の光の強度変動がセンサ出力に与える影響を除外し、更にセンサ信号として計測可能な位相範囲が±９０度を超えることを許容すると共に、光／電気変換後の電気増幅に交流増幅器を使用しても測定誤差が増大しない、コスト低減がなされた光ファイバセンサを提供することにある。

本発明の上記目的は、所定の時間間隔で区切られ、他の区間の位相に比べて９０度位相変調している直交位相区間を少なくとも１つ有する計測用光信号を生成する計測用光信号発生部と、前記計測用光信号の分波である計測光及び参照光の間に前記所定の時間間隔の整数倍の時間だけ遅延を設け、外力により光路長を変動させられた前記計測光と前記参照光を結合して干渉光信号を生成する光干渉部と、前記干渉光信号に基づいて、前記計測光と前記参照光の位相差を算出する位相差演算部とを備え、前記位相差演算部は、９０度位相変調していない同位相区間における前記計測光及び前記同位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号１と、前記同位相区間における前記計測光及び前記直交位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号２と、前記直交位相区間における前記計測光及び前記同位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号３を少なくとも用い、前記電気信号１及び前記電気信号２の差分並びに前記電気信号３及び前記電気信号１の差分より前記位相差を算出することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記位相差演算部は、前記電気信号１として、区間が異なる電気信号１１及び電気信号１２を用いることにより、或いは、前記計測用光信号発生部は、連続する４つの区間のうち、３番目の区間が前記直交位相区間で、他の３つの区間が前記同位相区間である前記計測用光信号を生成し、前記光干渉部は、前記計測光及び前記参照光の間に前記所定の時間間隔だけ遅延を設けることにより、或いは、前記計測用光信号発生部は、連続する５つの区間のうち、３番目の区間が前記直交位相区間で、他の４つの区間が前記同位相区間である前記計測用光信号を生成し、前記光干渉部は、前記計測光及び前記参照光の間に前記所定の時間間隔だけ遅延を設けることにより、或いは、ホモダイン型又はマッハツェンダ型であることにより、より効果的に達成される。

本発明によれば、光信号をフォトダイオードにより検波して得られた電気信号の計測値が、その電気信号を増幅する目的で挿入する交流アンプ内で直列に挿入されるキャパシタにより影響を受ける場合も、計測値間の差分を取ることにより、その影響を排除して正確で高性能な計測を可能とする。これにより、光源のレベル変動、伝送路の損失変動、光カプラの温度変動等が許容できるため、環境条件の厳しい場所での使用に適し、個々の部品の使用条件をゆるくできることから、製造コストを安くできる。

本発明によれば、直交する２つの参照光と計測光の位相差θを簡単に求めることが出来、また通常の干渉計では、計測範囲が１８０度（π）に制限されるのに対して、１計測周期内で計測位相が±９０度（π／２）以上変化しない条件の下で、計測範囲を拡大可能である。

また、光パルスの代わりに連続光線の使用が可能であるから、コスト低減を図ることができる。

本発明に係る光ファイバセンサの構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 本発明に係る光ファイバセンサの動作例（第１実施形態）を示すタイムチャートである。 第１実施形態の他の動作例を示すタイムチャートである。 本発明に係る光ファイバセンサの構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 本発明に係る光ファイバセンサの動作例（第２実施形態）を示すタイムチャートである。 本発明に係る光ファイバセンサの光干渉部の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 本発明に係る光ファイバセンサの光干渉部の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。 本発明に係る光ファイバセンサの光干渉部の構成例（第５実施形態）を示すブロック図である。 第４実施形態において反射ミラーを直接距離計測物表面に実装した構成例を示すブロック図である。 第４実施形態において反射ミラーの代わりにファラデーローテータミラーを使用した構成例を示すブロック図である。

本発明に係る光ファイバセンサは、高安定のレーザ発振器を光源として、周期Ｔで、例えば、その周期中に時間τをもつ計測区間ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４を設け、そのｔ３区間の相対位相をｔ１、ｔ２及びｔ４区間に対して９０度（進み或いは遅れのどちらでも良い）変化させたレーザ光を作成する。ｔ３区間が直交位相区間であり、ｔ１、ｔ２及びｔ４区間が同位相区間となる。光の位相はリチューム・ナイオベートを利用した位相変調器等により高速で変化可能である。

以下、ホモダイン型（マイケルソン型とも言う）干渉計を例として、本発明の原理について説明する。なお、マッハツェンダ型の場合も原理は同一である。

上記の計測用のレーザ光（計測用光信号）を光カプラにより２波に分波し、第１の分波を光遅延ファイバ等でτ／２時間遅延させた後に、センサ信号となる外力等により、その光路長を変化させて、ミラーにより全反射した戻り光を再度光遅延ファイバ等でτ／２時間遅延させて、上記の光カプラに戻した光をｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の順に、計測光（φ１ａ、φ２ａ、φ３ａ、φ４ａ）とする。第２の分波をミラーにより全反射させた戻り光を参照光（φ１ｂ、φ２ｂ、φ３ｂ、φ４ｂ）とし、上記の光カプラの戻り出力において、周期Ｔ内の計測区間ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４に対応して、参照光のｔ２（φ２ｂ）と計測光のｔ１（φ１ａ）との干渉部分（マイケルソン干渉部分）（Ｉ１）、参照光のｔ３（φ３ｂ）と計測光のｔ２（φ２ａ）との干渉部分（Ｉ２）、及び参照光のｔ４（φ４ｂ）と計測光のｔ３（φ３ａ）との干渉部分（Ｉ３）を有する時分割多重光信号（干渉光信号）を出力する。

上記の時分割多重光信号（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）をフォトダイオード検波により電気信号に変換し、その個々の電気信号値ｉ１、ｉ２及びｉ３を得て、各電気信号値に対応する干渉時の参照光と計測光との位相差をθ１、θ２及びθ３とすると、電気信号値ｉ１、ｉ２及びｉ３を、参照光の電気信号値ｒ及び計測光の電気信号値ｓを用いて表すと、フォトダイオード検波は２乗検波であるので、下記数４、数５及び数６となる。

ここで、干渉結果の電気信号間の差分ｉ１−ｉ２及びｉ３１−ｉ１を演算すると、下記数７及び数８となる。

数７を数８で除算すると、下記数９となる。

よって、計測される電気信号値ｉ１、ｉ２、ｉ３から計算される（ｉ１−ｉ２）及び（ｉ３−ｉ１）の逆正接計算から、参照光と計測光の位相差θ１を求めることが出来る。

なお、逆正接関数では±９０度（π／２）しか表現出来ないが、計測周期Ｔの間に計測値が±９０度の範囲を超えて変化しないという条件の下では、前回の計測から今回の計測の間に、計測値が＋９０度を超えた場合及び計測値が−９０度を下回った場合の判断は、簡単に可能である。これにより、本発明に係る光ファイバセンサは、±９０度を超える非常に大きな位相変化に対応した広範囲な干渉計測を可能とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサでは、レーザ光源を分岐した光信号の電気出力レベルを表すｒ及びｓは、演算結果には無関係で、ｒ及びｓが温度変化や経時変化等により変動した場合においても、この変動が計測結果に影響することはないという優位点を有する。

光／電気変換を行なうフォトダイオード検波器の出力電圧は非常に小さいため、出力電圧をトランスインピーダンスアンプ等により増幅して使用することが必要である。このような増幅器は、一般に高周波数においても高い増幅率が求められることから、増幅素子間にキャパシタを挿入した交流専用アンプが使用される。従って、実際にｉ１、ｉ２及びｉ３の正確な計測値を求めることが困難な場合が多い。しかし、本発明に係る光ファイバセンサは、上述のように、３つの計測値ｉ１、ｉ２及びｉ３を計測し、その差分を演算し、逆正接計算により参照光と計測光間の角度を求めており、実際に必要な値は、ｉ１、ｉ２及びｉ３の計測値ではなく、ｉ１−ｉ２及びｉ３−ｉ１という計測値間の差分である。よって、途中にキャパシタをシリーズに挿入した交流専用アンプを使用することにより、ｉ１、ｉ２及びｉ３の計測値が正確にその振幅を表さない場合も、その差分は正確であり、演算結果も正確である。

また、キャパシタ容量が非常に小さく、周期Ｔにおけるｉ１、ｉ２及びｉ３に交流アンプの影響がある場合は、周期Ｔ内に、例えば時間τをもつ計測区間ｔ１〜ｔ５を設け、そのｔ３区間の相対位相をｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ５区間に対して９０度変化させたレーザ光を作成する。この場合、ｔ３区間が直交位相区間であり、ｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ５区間が同位相区間となる。そして、第１の分波を計測光（φ１ａ、φ２ａ、φ３ａ、φ４ａ、φ５ａ）とし、第２の分波をミラーにより全反射させた戻り光を参照光（φ１ｂ、φ２ｂ、φ３ｂ、φ４ｂ、φ５ｂ）として、光カプラの戻り出力において、周期Ｔ内の計測区間ｔ２、ｔ３、ｔ４及びｔ５に対応して、参照光のｔ２（φ２ｂ）と計測光のｔ１（φ１ａ）との干渉部分（Ｉ１）、参照光のｔ３（φ３ｂ）と計測光のｔ２（φ２ａ）との干渉部分（Ｉ２）、参照光のｔ４（φ４ｂ）と計測光のｔ３（φ３ａ）との干渉部分（Ｉ３）、及び参照光のｔ５（φ５ｂ）と計測光のｔ４（φ４ａ）との干渉部分（Ｉ４）を有する時分割多重光信号（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）を生成する。そのＩ１〜Ｉ４の電気信号に変換された信号ｉ１〜ｉ４から、下記数１０を用いて、参照光と計測光の位相差θ１を求める。

これにより、キャパシタ容量が非常に小さく、計測される電気信号の大きさが計測区間の時間内で変動する状態においても、隣り合う電気信号間の差分は、原計測値に正確に比例し、その比例定数はキャパシタの容量により一義的に決定されるので、計測結果がキャパシタ容量の大小による影響を受けない光ファイバセンサを提供することが可能である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、ホモダイン型で、干渉部分がＩ１〜Ｉ３の場合の本発明に係る光ファイバセンサの構成例（第１実施形態）である。

レーザ光源１０１が発生する狭線幅の光信号Ｓｒに対して、光位相変調器１０２により、周期Ｔ中のｔ３区間のみの位相を、他のｔ１、ｔ２及びｔ４区間に比較して９０度変化させる。位相を変化させるタイミング及び変化させる時間τはパルス発生器１１３により管理される。間歇的に位相変化を与えられた光信号（計測用光信号）Ｓｒａ１は、光カプラ１０３に供給され２分岐される。光カプラ１０３は、ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成される。

光カプラ１０３の片方の分岐光信号は、コリメータ１０６により空間を進行し、反射ミラー１０８にて反射され、再度コリメータ１０６を経て光カプラ１０３に参照光ＳｒＲ１として帰ってくる。他方、光カプラ１０３で分岐された他の分岐光信号は光遅延ファイバ等の遅延線１０４によって、参照光ＳｒＲ１に対してτ／２の遅延を与えられた後、ファイバセンサ１０５に導かれる。ファイバセンサ１０５は、光ファイバに加えられた外圧により、ファイバの屈折率或いは実効長が変化するようなセンサである。ファイバセンサ１０５を通過した分岐光信号は、コリメータ１０７により空中を伝搬し、反射ミラー１０９で反射され、コリメータ１０７及びファイバセンサ１０５を経由し、遅延線１０４で再度τ／２の遅延を受けて計測光ＳｒＭ１として光カプラ１０３に供給される。なお、遅延線は、参照光側に挿入することも可能で、その場合も同じ光ファイバセンサを構成出来る。

コリメータ１０６からの参照光ＳｒＲ１及び遅延線１０４からの計測光ＳｒＭ１は、共に光カプラ１０３に加えられ、その合成光出力が干渉光信号Ｌｉ１として光／電気（Ｏ／Ｅ）変換器１１４に供給され、干渉光信号Ｌｉ１に応じた電気信号Ｅａ１を得る。光／電気変換器１１４は、光信号を２乗検波するダイオード検波器である。光／電気変換器１１４から出力される電気信号Ｅａ１は、ＲＦアンプ１１５で所要の大きさまで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１１６でアナログ信号からデジタル信号の電気信号Ｅｄ１に変換される。電気信号Ｅｄ１は、レジスタ１１７、１１８及び１１９に供給され、パルス発生器１１３から送られてくるタイミング信号に従って、後述するタイムチャートでの干渉部分Ｉ１、Ｉ２及びＩ３の電気信号値ｉ１、ｉ２及びｉ３を、それぞれのレジスタ上に得る。レジスタ１１７〜１１９に格納された電気信号値ｉ１〜ｉ３により、次の差分演算器１２１により、干渉位相を示す電気信号間の差分、つまりｉ１−ｉ２及びｉ３−ｉ１が計算される。差分演算器１２１で求められたｉ１−ｉ２及びｉ３−ｉ１よりＡＴＡＮ演算器１２２が、（ｉ１−ｉ２）／（ｉ３−ｉ１）の逆正接計算を行ない、数１０の関係から参照光ＳｒＲ１と計測光ＳｒＭ１の位相差θ１を計算する。ＡＴＡＮ演算器１２２の出力が求めている最終結果となる。

図１に示される構成例において、レーザ光源１０１及び光位相変調器１０２で計測用光信号発生部を構成し、光カプラ１０３、遅延線１０４、ファイバセンサ１０５、コリメータ１０６及び１０７、並びに反射ミラー１０８及び１０９で光干渉部を構成し、光／電気変換器１１４、ＲＦアンプ１１５、Ａ／Ｄ変換器１１６、レジスタ１１７〜１１９、差分演算器１２１及びＡＴＡＮ演算器１２２で位相差演算部を構成している。

このような構成において、その動作例を、図２のタイムチャートを参照して説明する。

図２は、第１実施形態の動作例を示すタイムチャートである。ａ１は周期Ｔにおける参照光ＳｒＲ１の位相を示し、ａ２は計測光ＳｒＭ１の位相を示し、ａ３は干渉結果として得られる干渉光信号Ｌｉ１の干渉部分（Ｉ１〜Ｉ３）の位相を示す。「０」は位相を変化させられていない基準位相を表わし、「９０」は９０度位相を変化させられた位相（以下、「９０度位相」とする）を表わし、「Ａ」は任意の位相を表わす。

ａ１に示すように、参照光ＳｒＲ１は周期Ｔ内のｔ１、ｔ２及びｔ４区間の位相が基準位相、ｔ３区間の位相が９０度位相になるように作成される。また、ａ２に示す計測光ＳｒＭ１は、参照光ＳｒＲ１を各区間の時間間隔であるτだけ遅延させたものとなる。ａ３は、上記ａ１に示す参照光ＳｒＲ１及びａ２に示す計測光ＳｒＭ１を干渉させた干渉光信号Ｌｉ１の様子を示している。干渉光信号Ｌｉ１のうち、参照光ＳｒＲ１のｔ２の位置と計測光ＳｒＭ１のｔ１の位置が干渉した結果が干渉部分Ｉ１であり、同様に、ｔ３とｔ２が干渉した結果が干渉部分Ｉ２、ｔ４とｔ３が干渉した結果が干渉部分Ｉ３である。これら干渉部分の電気信号値ｉ１、ｉ２及びｉ３から、参照光ＳｒＲ１と計測光ＳｒＭ１の位相差θ１が求められる。

なお、周期Ｔ中での９０度位相の区間は図２に示されるようなｔ３区間に限られず、干渉光信号において、参照光と計測光の位相の組み合わせとして「０−０」、「９０−０」及び「０−９０」の３パターンが形成されるのであれば、９０度位相の区間の位置を変えたり、同区間の数を増やしたりしても良い。例えば、図３（Ａ）に示されるように、ｔ２区間の位相を９０度位相としても良い。或いは、図３（Ｂ）に示されるように、ｔ３区間の位相を９０度位相とし、ｔ４区間の隣のｔ５区間の位相を基準位相とし、計測光の遅延を２τとして、干渉光信号中に「０−０」、「９０−０」及び「０−９０」の３パターンを形成するようにしても良い。

本発明の他の実施形態について説明する。

図４は、ホモダイン型で、干渉部分がＩ１〜Ｉ４の場合の本発明に係る光ファイバセンサの構成例（第２実施形態）である。

レーザ光源１０１が発生する狭線幅の光信号Ｓｒに対して、光位相変調器２０２により、周期Ｔ中のｔ３区間のみの位相を、他のｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ５区間に比較して９０度変化させる。位相を変化させるタイミング及び変化させる時間τはパルス発生器１１３により管理される。間歇的に位相変化を与えられた光信号（計測用光信号）Ｓｒａ２は、光カプラ１０３に供給され２分岐される。

光カプラ１０３の片方の分岐光信号は、コリメータ１０６により空間を進行し、反射ミラー１０８にて反射され、再度コリメータ１０６を経て光カプラ１０３に参照光ＳｒＲ２として帰ってくる。他方、光カプラ１０３で分岐された他の分岐光信号は遅延線１０４によって、参照光ＳｒＲ２に対してτ／２の遅延を与えられた後、ファイバセンサ１０５に導かれる。ファイバセンサ１０５を通過した分岐光信号は、コリメータ１０７により空中を伝搬し、反射ミラー１０９で反射され、コリメータ１０７及びファイバセンサ１０５を経由し、遅延線１０４で再度τ／２の遅延を受けて計測光ＳｒＭ２として光カプラ１０３に供給される。

コリメータ１０６からの参照光ＳｒＲ２及び遅延線１０４からの計測光ＳｒＭ２は、共に光カプラ１０３に加えられ、その合成光出力が干渉光信号Ｌｉ２として光／電気変換器１１４に供給され、干渉光信号Ｌｉ２に応じた電気信号Ｅａ２を得る。光／電気変換器１１４から出力される電気信号Ｅａ２は、ＲＦアンプ１１５で所要の大きさまで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１１６でアナログ信号からデジタル信号の電気信号Ｅｄ２に変換される。電気信号Ｅｄ２は、レジスタ１１７、１１８、１１９及び１２０に供給され、パルス発生器１１３から送られてくるタイミング信号に従って、後述するタイムチャートでの干渉部分Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３及びＩ４の電気信号値ｉ１、ｉ２、ｉ３及びｉ４を、それぞれのレジスタ上に得る。レジスタ１１７〜１２０に格納された電気信号値ｉ１〜ｉ４により、次の差分演算器２２１により、干渉位相を示す電気信号間の差分、つまりｉ１−ｉ２及びｉ３−ｉ４が計算される。差分演算器２２１で求められたｉ１−ｉ２及びｉ３−ｉ４よりＡＴＡＮ演算器１２２が（ｉ１−ｉ２）／（ｉ３−ｉ４）の逆正接計算を行ない、数１１の関係から参照光ＳｒＲ２と計測光ＳｒＭ２の位相差θ１を計算する。ＡＴＡＮ演算器１２２の出力が求めている最終結果となる。

このような構成において、その動作例を、図５のタイムチャートを参照して説明する。

図５は、第２実施形態の動作例を示すタイムチャートである。ｂ１は周期Ｔにおける参照光ＳｒＲ２の位相を示し、ｂ２は計測光ＳｒＭ２の位相を示し、ｂ３は干渉結果として得られる干渉光信号Ｌｉ２の干渉部分（Ｉ１〜Ｉ４）の位相を示す。「０」、「９０」及び「Ａ」の意味は、図２の場合と同じである。

ｂ１に示すように、参照光ＳｒＲ２は周期Ｔ内のｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ５区間の位相が基準位相、ｔ３区間の位相が９０度位相になるように作成される。また、ｂ２に示す計測光ＳｒＭ２は、参照光ＳｒＲ２を各区間の時間間隔であるτだけ遅延させたものとなる。ｂ３は、上記ｂ１に示す参照光ＳｒＲ２及びｂ２に示す計測光ＳｒＭ２を干渉させた干渉光信号Ｌｉ２の様子を示している。干渉光信号Ｌｉ２のうち、参照光ＳｒＲ２のｔ２位置と計測光ＳｒＭ２のｔ１位置が干渉した結果が干渉部分Ｉ１であり、同様に、ｔ３とｔ２が干渉した結果が干渉部分Ｉ２、ｔ４とｔ３が干渉した結果が干渉部分Ｉ３、ｔ５とｔ４が干渉した結果が干渉部分Ｉ４である。これら干渉部分の電気信号値ｉ１、ｉ２、ｉ３及びｉ４から、参照光ＳｒＲ２と計測光ＳｒＭ２の位相差θ１が求められる。

なお、周期Ｔ中での９０度位相の区間は図５に示されるようなｔ３区間に限られず、干渉光信号において、参照光と計測光の位相の組み合わせとして「０−０」、「９０−０」、「０−９０」及び「０−０」の４パターンが形成されるのであれば、９０度位相の区間の位置を変えたり、同区間の数を増やしたりしても良い。

第１実施形態及び第２実施形態はホモダイン型の構成例であるが、干渉計の構成方法には、ホモダイン型の他に、マッハツェンダ型がある。ホモダイン型は、入出力の分離が十分行えない場合があるが、マッハツェンダ型は、入出力で別の光カプラを使用するので、入出力の分離が容易である。

図６は、マッハツェンダ型センサでの光干渉部の概略の構成例（第３実施形態）である。光カプラ１０３に供給された間歇的に位相変化を与えられた光信号（計測用光信号）Ｓｒａは、光カプラ１０３で２分岐され、一方の分岐光信号は、次の光カプラ１１０に参照光ＳｒＲとして供給される。他方の分岐光信号は、τの遅延を有する遅延線２０４を経てファイバセンサ１０５に供給される。ファイバセンサ１０５は、光ファイバに加えられた外圧により、ファイバの屈折率或いは実効長が変化するようなセンサであり、検出すべき計測項目によりその光路長が変化するものである。ファイバセンサ１０５の出力光信号も、また計測光ＳｒＭとして光カプラ１１０に供給され、光カプラ１１０の出力として、ファイバセンサ１０５で位相変調された干渉光信号Ｌｉが得られる。

上述の実施形態（第１〜第３実施形態）は、ファイバが受ける各種の歪みで、計測すべき事象を検出する例である。これらに対して、図７に示す構成例は、本発明に係るホモダイン型光ファイバセンサにより、物体の相対位置変動を検出する光干渉部の構成例（第４実施形態）である。

光カプラ１０３に加えられた光信号Ｓｒａを同光カプラで２分岐し、一方の分岐光信号を、コリメータ１０６を介して空中伝搬させ、反射ミラー１０８で反射させ、再度空中を伝搬してコリメータ１０６を介して光カプラ１０３へ参照光ＳｒＲとして戻す。他方の分岐光信号はτ／２の遅延を有する遅延線１０４を経て、コリメータ１０７で空中を伝搬させられる。この空中を伝搬した光信号は、相対距離変動を計測すべき物体に固定した光学プリズム又はコーナーキューブ１１１により、その光学プリズム等に入射した光信号と同じ方向に反射させられる。この光学プリズム１１１で反射した光信号を、更に反射ミラー１０９で反射する。この反射波は、再度、光学プリズム１１１、コリメータ１０７及び遅延線１０４を通って、光カプラ１０３に計測光ＳｒＭとして戻される。光カプラ１０３は、参照光ＳｒＲ及び計測光ＳｒＭの両者を干渉させて、出力端子から干渉光信号Ｌｉを出力する。

図８は、図７に示される距離計測用ホモダイン型光ファイバセンサを、マッハツェンダ型に変更した光干渉部の構成例（第５実施形態）である。光カプラ１０３で２分岐された光信号の一方は、次の光カプラ１１０へ参照光ＳｒＲとして供給される。光カプラ１０３で２分岐された、他の一方の光信号は、τの遅延を有する遅延線２０４を介して、コリメータ１０７で空中を伝搬させられる。この空中を伝搬した光信号は、相対距離変動を計測すべき物体に固定した光学プリズム又はコーナーキューブ１１１により、その光学プリズム等に入射した光信号と同じ方向に反射させられる。この光学プリズム１１１で反射した光信号を別のコリメータ１１２で受波し、その光信号を計測光ＳｒＭとして光カプラ１１０に供給する。光カプラ１１０は、参照光ＳｒＲ及び計測光ＳｒＭの両者を干渉させて、出力端子から干渉信号Ｌｉを出力する。

図７に示される構成例では、コリメータ１０７から空間に出た計測光を、相対距離変動を計測すべき物体に固定した光学プリズム又はコーナーキューブ１１１で反射しているが、図９に示すように、光学プリズム又はコーナーキューブ１１１を削除して、反射ミラー１０９を直接距離計測物表面に実装することも可能である。

これまでの説明では光ファイバによる偏波変動が測定結果に及ぼす影響についての説明を行っていないが、光ファイバによる偏波変動は測定値に影響を与え、結果として誤差を生ずる場合がある。偏波変動による測定誤差を無くす、或いは小さくするには、光ファイバに偏波保持型のものを使用すれば良い。或いは、図７に示される構成例において、図１０に示すように、反射ミラー１０８及び１０９の代わりに、ファラデーローテータミラー２０８及び２０９を使用することにより、偏波保持型ファイバを使用しない、つまりシングルモードファイバを使用して、誤差の少ない測定が可能となる。

上述の実施形態（第１〜第５実施形態）では、計測対象の変化（つまり、光路長変化）が計測光のみに与えられる場合を例にして説明したが、参照光側と計測光側がお互いに逆相になるような変化、例えば、位置が変化する物体の表と裏の変化、を参照光と計測光の両方に与えることにより、センサの感度を２倍に向上することが可能である。

また、上述の実施形態では、計測用のレーザ光として連続光線を使用しているが、ｔ１〜ｔ４区間（又はｔ１〜ｔ５区間）に対応する光パルスを利用してシステムを構築することも可能である。この場合、コスト低減の効果は少なくなるが、周期Ｔ中に複数のｔ１〜ｔ４区間（又はｔ１〜ｔ５区間）の光パルスを収容すれば、１つのシステムで複数の計測を行う時分割多重測定が可能となる。

更に、上述の実施形態においては、ファイバの光路長変化を検出するセンサ、物体の相対変動を検出するセンサ（距離計や振動センサ）の例を示したが、本発明は、その他温度センサ等、多くのセンサに適用可能である。

本発明は、海底地震観測等、離れた場所、電源供給ができない場所、電磁雑音の影響を受け易い場所、温度環境が厳しい場所、引火の可能性がある場所等に設置するセンサシステムに適する。

１０１ レーザ光源
１０２ 光位相変調器
１０３、１１０ 光カプラ
１０４、２０４ 遅延線
１０５ ファイバセンサ
１０６、１０７、１１２ コリメータ
１０８、１０９ 反射ミラー
１１１ 光学プリズム
１１３ パルス発生器
１１４ 光／電気変換器
１１５ ＲＦアンプ
１１６ Ａ／Ｄ変換器
１１７、１１８、１１９、１２０ レジスタ
１２１、２２１ 差分演算器
１２２ ＡＴＡＮ演算器
２０８、２０９ ファラデーローテータミラー

Claims (5)

1. 所定の時間間隔で区切られ、他の区間の位相に比べて９０度位相変調している直交位相区間を少なくとも１つ有する計測用光信号を生成する計測用光信号発生部と、
   前記計測用光信号の分波である計測光及び参照光の間に前記所定の時間間隔の整数倍の時間だけ遅延を設け、外力により光路長を変動させられた前記計測光と前記参照光を結合して干渉光信号を生成する光干渉部と、
   前記干渉光信号に基づいて、前記計測光と前記参照光の位相差を算出する位相差演算部とを備え、
   前記位相差演算部は、９０度位相変調していない同位相区間における前記計測光及び前記同位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号１と、前記同位相区間における前記計測光及び前記直交位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号２と、前記直交位相区間における前記計測光及び前記同位相区間における前記参照光の結合により生成される前記干渉光信号の電気信号３を少なくとも用い、前記電気信号１及び前記電気信号２の差分並びに前記電気信号３及び前記電気信号１の差分より前記位相差を算出する光ファイバセンサ。
2. 前記位相差演算部は、前記電気信号１として、区間が異なる電気信号１１及び電気信号１２を用いる請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記計測用光信号発生部は、連続する４つの区間のうち、３番目の区間が前記直交位相区間で、他の３つの区間が前記同位相区間である前記計測用光信号を生成し、
   前記光干渉部は、前記計測光及び前記参照光の間に前記所定の時間間隔だけ遅延を設ける請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記計測用光信号発生部は、連続する５つの区間のうち、３番目の区間が前記直交位相区間で、他の４つの区間が前記同位相区間である前記計測用光信号を生成し、
   前記光干渉部は、前記計測光及び前記参照光の間に前記所定の時間間隔だけ遅延を設ける請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。
5. ホモダイン型又はマッハツェンダ型である請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバセンサ。

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