JP2021156771A - 物理量測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定分解能を向上でき、かつ、波長の絶対値を得ることができる物理量測定装置を提供すること。【解決手段】物理量測定装置１は、出射する光の波長を変更可能に構成された波長可変光源１０と、波長可変光源１０から出射される光を入射して、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する光学センサ５０と、光学センサ５０から出射された出力光を入射して、干渉光を出射する干渉計７０と、干渉計７０から出射される干渉光を検出する光検出部８０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、物理量測定装置に関する。
一対となるＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）から構成されたファブリペローエタロンを有する光ファイバセンサを備える物理量測定装置が知られている（例えば、特許文献１など）。
特許文献１の物理量測定装置では、広帯域光源から出射される光をファイバブラッググレーティング対によるファブリペローエタロンで構成された光ファイバセンサに入射し、当該光ファイバセンサの透過光を、当該透過光の波長ピークを中心とするバンドパスフィルタを介して、干渉計に入射させている。
これにより、光ファイバセンサの透過スペクトルの半値全幅を、従来のＦＢＧを用いた光ファイバセンサの反射スペクトルの半値全幅よりも小さくでき、光のコヒーレンス長が長くなるため、従来のＦＢＧを用いた場合よりも干渉計の光路長差を大きくすることができる。このため、測定分解能を向上することができる。
これにより、光ファイバセンサの透過スペクトルの半値全幅を、従来のＦＢＧを用いた光ファイバセンサの反射スペクトルの半値全幅よりも小さくでき、光のコヒーレンス長が長くなるため、従来のＦＢＧを用いた場合よりも干渉計の光路長差を大きくすることができる。このため、測定分解能を向上することができる。
しかしながら、特許文献１では、干渉計の出力として位相情報のみを測定しているため、光ファイバセンサの波長の絶対値を得ることができず、静的な測定に用いることができないといった問題がある。
本発明の目的は、測定分解能を向上でき、かつ、波長の絶対値を得ることができる物理量測定装置を提供することにある。
本発明の物理量測定装置は、出射する光の波長を変更可能に構成された波長可変光源と、前記波長可変光源から出射される前記光を入射して、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する光学センサと、前記光学センサから出射された前記出力光を入射して、干渉光を出射する干渉計と、前記干渉計から出射される前記干渉光を検出する光検出部と、を備えることを特徴とする。
本発明では、波長可変光源が出射する光の波長を掃引することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計出力の位相情報を光学センサの出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサは、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサの出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、光の波長を変更しながら光学センサに入射させるので、干渉光を時間的に解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、特許文献１において多重化に必要なＷＤＭフィルタや、透過光の狭帯域光を得るのに必要なバンドパスフィルタを不要にできる。
さらに、光の波長を変更しながら光学センサに入射させるので、干渉光を時間的に解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、特許文献１において多重化に必要なＷＤＭフィルタや、透過光の狭帯域光を得るのに必要なバンドパスフィルタを不要にできる。
本発明の物理量測定装置は、広帯域の光を出射する広帯域光源と、前記広帯域光源から出射される前記光を入射して、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する光学センサと、前記光学センサから出射された前記出力光を入射して、干渉光を出射する干渉計と、前記干渉計から出射される前記干渉光を分光する分光器と、前記分光器により分光された前記干渉光を検出する光検出部と、を備えることを特徴とする。
本発明では、干渉計から出射される干渉光を分光器にて分光することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計出力の位相情報を光学センサの出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサは、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサの出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、干渉光を分光して検出部に導入させるので、干渉光のスペクトルを解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
さらに、干渉光を分光して検出部に導入させるので、干渉光のスペクトルを解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
本発明の物理量測定装置において、前記光学センサは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有することが好ましい。
この構成では、光学センサは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有するので、測定用センサ素子から出射される光のスペクトルの半値全幅を小さくでき、測定分解能を向上させることができる。
この構成では、光学センサは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有するので、測定用センサ素子から出射される光のスペクトルの半値全幅を小さくでき、測定分解能を向上させることができる。
本発明の物理量測定装置において、前記光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有することが好ましい。
この構成では、光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有するので、測定用センサ素子から出射される光のスペクトルの半値全幅を小さくでき、測定分解能を向上させることができる。
この構成では、光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有するので、測定用センサ素子から出射される光のスペクトルの半値全幅を小さくでき、測定分解能を向上させることができる。
本発明の物理量測定装置において、波長ピークの中心がそれぞれ異なる複数の前記光学センサが設けられることが好ましい。
この構成では、中心波長が異なる光学センサを被測定部に複数配置することで、被測定物の異なる位置での物理量の変化や、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
この構成では、中心波長が異なる光学センサを被測定部に複数配置することで、被測定物の異なる位置での物理量の変化や、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
本発明の物理量測定装置において、複数の前記光学センサは、被測定物における同じ箇所に設けられることが好ましい。
この構成では、複数の光学センサが被測定物における同じ箇所に設けられるので、被測定物の同じ箇所において、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
この構成では、複数の光学センサが被測定物における同じ箇所に設けられるので、被測定物の同じ箇所において、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
本発明の物理量測定装置において、複数の前記光学センサは、被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられることが好ましい。
この構成では、複数の光学センサが被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられるので、被測定物の異なる位置での物理量の変化を正確に測定することができる。
この構成では、複数の光学センサが被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられるので、被測定物の異なる位置での物理量の変化を正確に測定することができる。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態の物理量測定装置１を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態の物理量測定装置１の概略構成を示す図である。なお、物理量測定装置１は、圧力、加速度、変位、傾斜などの物理量を測定可能に構成されている。
図１に示すように、物理量測定装置１は、波長可変光源１０と、サーキュレータ２０と、カプラ３０と、アイソレータ４０と、光学センサ５０と、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、光検出部８０とを備える。
本発明の第１実施形態の物理量測定装置１を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態の物理量測定装置１の概略構成を示す図である。なお、物理量測定装置１は、圧力、加速度、変位、傾斜などの物理量を測定可能に構成されている。
図１に示すように、物理量測定装置１は、波長可変光源１０と、サーキュレータ２０と、カプラ３０と、アイソレータ４０と、光学センサ５０と、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、光検出部８０とを備える。
［波長可変光源１０］
波長可変光源１０は、出射する光の波長を変更可能に構成されている。本実施形態では、波長可変光源１０は、例えば、広帯域を掃引可能なチューナブルレーザにより構成されており、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を出射可能に構成されている。
なお、波長可変光源１０は、例示した波長領域よりも広い波長領域の光を出射可能に構成されていてもよく、あるいは、例示した波長領域よりも狭い波長領域の光を出射可能に構成されていてもよい。
波長可変光源１０は、出射する光の波長を変更可能に構成されている。本実施形態では、波長可変光源１０は、例えば、広帯域を掃引可能なチューナブルレーザにより構成されており、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を出射可能に構成されている。
なお、波長可変光源１０は、例示した波長領域よりも広い波長領域の光を出射可能に構成されていてもよく、あるいは、例示した波長領域よりも狭い波長領域の光を出射可能に構成されていてもよい。
［サーキュレータ２０］
サーキュレータ２０は、波長可変光源１０から出射された光を入射して、カプラ３０およびアイソレータ４０を介して光学センサ５０に送る。さらに、サーキュレータ２０は、光学センサ５０から出力された透過光を入射して、ビームスプリッタ６０を介して干渉計７０に送る。
なお、サーキュレータ２０は、上記構成に限られず、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
サーキュレータ２０は、波長可変光源１０から出射された光を入射して、カプラ３０およびアイソレータ４０を介して光学センサ５０に送る。さらに、サーキュレータ２０は、光学センサ５０から出力された透過光を入射して、ビームスプリッタ６０を介して干渉計７０に送る。
なお、サーキュレータ２０は、上記構成に限られず、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
［カプラ３０］
カプラ３０は、サーキュレータ２０から出射された光を、アイソレータ４０を介して光学センサ５０に送るとともに、光学センサ５０から出力された透過光をサーキュレータ２０に送る光学素子である。
なお、カプラ３０は、上記構成に限られるものではなく、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
カプラ３０は、サーキュレータ２０から出射された光を、アイソレータ４０を介して光学センサ５０に送るとともに、光学センサ５０から出力された透過光をサーキュレータ２０に送る光学素子である。
なお、カプラ３０は、上記構成に限られるものではなく、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
［アイソレータ４０］
アイソレータ４０は、カプラ３０から出射された光を透過して、光学センサ５０に送る。また、アイソレータ４０は、光学センサ５０に入射された光のうち、反射された一部の光を遮断する。すなわち、アイソレータ４０は、カプラ３０から光学センサ５０に向かう方向の光のみを透過させる。
アイソレータ４０は、カプラ３０から出射された光を透過して、光学センサ５０に送る。また、アイソレータ４０は、光学センサ５０に入射された光のうち、反射された一部の光を遮断する。すなわち、アイソレータ４０は、カプラ３０から光学センサ５０に向かう方向の光のみを透過させる。
［光学センサ５０］
光学センサ５０は、図示略の被測定物に配置されており、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射可能に構成されている。本実施形態では、光学センサ５０は、アイソレータ４０を介してカプラ３０から出射された光を入射して、その透過光をカプラ３０に出力する測定用センサ素子５１を有する。
光学センサ５０は、図示略の被測定物に配置されており、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射可能に構成されている。本実施形態では、光学センサ５０は、アイソレータ４０を介してカプラ３０から出射された光を入射して、その透過光をカプラ３０に出力する測定用センサ素子５１を有する。
測定用センサ素子５１は、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングから構成され、ファブリペローエタロンを構成する。具体的には、測定用センサ素子５１を構成する一対のファイバブラッググレーティングは、所定の距離を隔てて形成されており、それぞれミラーの役割を有する。そして、一対のファイバブラッググレーティングは、所定の波長領域の光を反射する。これにより、当該一対のファイバブラッググレーティングは、ファブリペローエタロンを構成する。本実施形態では、前述したように、測定用センサ素子５１は、透過光をカプラ３０に出力する。
［ビームスプリッタ６０］
ビームスプリッタ６０は、入射した光を所定の分割比で複数の光に分波する、または、複数の光を合波する光学素子である。本実施形態では、ビームスプリッタ６０は、第１ビームスプリッタ６１と、第２ビームスプリッタ６２とを有する。
ビームスプリッタ６０は、入射した光を所定の分割比で複数の光に分波する、または、複数の光を合波する光学素子である。本実施形態では、ビームスプリッタ６０は、第１ビームスプリッタ６１と、第２ビームスプリッタ６２とを有する。
第１ビームスプリッタ６１は、サーキュレータ２０と干渉計７０との間に配置される。そして、第１ビームスプリッタ６１は、サーキュレータ２０から出射された光を２つの光に分波して、干渉計７０に入射させる。
第２ビームスプリッタ６２は、干渉計７０と光検出部８０との間に配置される。そして、第２ビームスプリッタ６２は、干渉計７０から出射された２つの光を合波させることで干渉させるとともに、当該干渉光を３つに分波して、光検出部８０に入射させる。なお、第２ビームスプリッタ６２により分波された３つの干渉光は、それぞれ位相が２π／３ずつ異なっている。
第２ビームスプリッタ６２は、干渉計７０と光検出部８０との間に配置される。そして、第２ビームスプリッタ６２は、干渉計７０から出射された２つの光を合波させることで干渉させるとともに、当該干渉光を３つに分波して、光検出部８０に入射させる。なお、第２ビームスプリッタ６２により分波された３つの干渉光は、それぞれ位相が２π／３ずつ異なっている。
［干渉計７０］
干渉計７０は、第１ビームスプリッタ６１から出射された２つの光を干渉させて、干渉光を出力する。本実施形態では、干渉計７０は、所謂マッハツェンダー型干渉計により構成されており、光路長差を設けるための２つの光路７１，７２を有する。
干渉計７０は、第１ビームスプリッタ６１から出射された２つの光を干渉させて、干渉光を出力する。本実施形態では、干渉計７０は、所謂マッハツェンダー型干渉計により構成されており、光路長差を設けるための２つの光路７１，７２を有する。
［光検出部８０］
光検出部８０は、干渉計７０から出射された干渉光を検出可能に構成されている。
本実施形態では、光検出部８０は、光電変換器８１と、増幅器８２と、ＡＤ変換器８３と、ＭＰＵ８４とを備える。
光検出部８０は、干渉計７０から出射された干渉光を検出可能に構成されている。
本実施形態では、光検出部８０は、光電変換器８１と、増幅器８２と、ＡＤ変換器８３と、ＭＰＵ８４とを備える。
光電変換器８１は、干渉計７０から出射された干渉光を入射して、電気信号に変換する。本実施形態では、第２ビームスプリッタ６２により分波された３つの干渉光に対応して、光電変換器８１が３つ設けられている。
増幅器８２は、光電変換器８１にて変換された電気信号を増幅させる。本実施形態では、増幅器８２は、光電変換器８１に応じて３つ設けられている。
ＡＤ変換器８３は、増幅器８２によって増幅された電気信号をデジタル信号に変換して、ＭＰＵ８４に入力させる。本実施形態では、ＡＤ変換器８３は、増幅器８２に応じて３つ設けられている。
ＭＰＵ８４は、所謂Micro Processing Unitであり、ＡＤ変換器８３から出力されたデジタル信号に基づいて所定の演算を行うことにより、被測定物に作用する物理量を算出する。ＭＰＵ８４による物理量の算出方法については、後述する。なお、ＭＰＵ８４は、上記構成に限られるものではなく、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）から構成されていてもよい。
増幅器８２は、光電変換器８１にて変換された電気信号を増幅させる。本実施形態では、増幅器８２は、光電変換器８１に応じて３つ設けられている。
ＡＤ変換器８３は、増幅器８２によって増幅された電気信号をデジタル信号に変換して、ＭＰＵ８４に入力させる。本実施形態では、ＡＤ変換器８３は、増幅器８２に応じて３つ設けられている。
ＭＰＵ８４は、所謂Micro Processing Unitであり、ＡＤ変換器８３から出力されたデジタル信号に基づいて所定の演算を行うことにより、被測定物に作用する物理量を算出する。ＭＰＵ８４による物理量の算出方法については、後述する。なお、ＭＰＵ８４は、上記構成に限られるものではなく、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）から構成されていてもよい。
［物理量の測定方法について］
次に、被測定物に作用する物理量の測定方法について説明する。
図２は、光学センサ５０から透過されるスペクトルと波長との関係を示す図であり、図３は、図２のスペクトルのピーク部を拡大した図であり、図４は、図２の３つのスペクトルを重ね合わせた図である。本実施形態では、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、図２、３に示すような干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。なお、図２に示す３つの波長スペクトル情報は、それぞれ３つの増幅器８２によって増幅された電気信号に対応するものである。また、これらの３つの増幅器８２によって増幅された電気信号を重ね合わせることによって、図４に示すスペクトル情報を得ることができる。
図４に示すように、光学センサ５０の測定用センサ素子５１から透過される透過光は、中心波長λ（λ＝１５５２ｎｍ付近）を透過率のピークとし、そのピーク値の短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域に渡り透過率がほぼ０となり、さらに、その波長帯域から短波長と長波長の両側にむけて透過率が上昇した後、減衰している。なお、光学センサ５０の上記中心波長λは例示であり、中心波長が上記と異なる光学センサ５０を用いてもよい。
ここで、光電変換器８１で検出される光強度は、光学センサ５０の波長変化に伴い正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは数式（１）で示すことができる。
次に、被測定物に作用する物理量の測定方法について説明する。
図２は、光学センサ５０から透過されるスペクトルと波長との関係を示す図であり、図３は、図２のスペクトルのピーク部を拡大した図であり、図４は、図２の３つのスペクトルを重ね合わせた図である。本実施形態では、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、図２、３に示すような干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。なお、図２に示す３つの波長スペクトル情報は、それぞれ３つの増幅器８２によって増幅された電気信号に対応するものである。また、これらの３つの増幅器８２によって増幅された電気信号を重ね合わせることによって、図４に示すスペクトル情報を得ることができる。
図４に示すように、光学センサ５０の測定用センサ素子５１から透過される透過光は、中心波長λ（λ＝１５５２ｎｍ付近）を透過率のピークとし、そのピーク値の短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域に渡り透過率がほぼ０となり、さらに、その波長帯域から短波長と長波長の両側にむけて透過率が上昇した後、減衰している。なお、光学センサ５０の上記中心波長λは例示であり、中心波長が上記と異なる光学センサ５０を用いてもよい。
ここで、光電変換器８１で検出される光強度は、光学センサ５０の波長変化に伴い正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは数式（１）で示すことができる。
数式（１）において、λは光学センサ５０の波長、ｎｅは光ファイバのコアの実効屈折率、ｄは干渉計７０の２本の光路７１，７２の光路長の差、Δλは光学センサ５０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８２の出力電圧を用いて行われる。３つの増幅器８２の出力電圧Ｖｎは数式（２）で表すことができる。
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８２の出力電圧を用いて行われる。３つの増幅器８２の出力電圧Ｖｎは数式（２）で表すことができる。
数式（２）では、αｎは光の経路損失や光電変換器８１の個体差等に起因する３つの増幅器８２それぞれの信号振幅を表す定数、Ｃは光電変換器８１の暗電流と増幅器８２のＤＣ成分とが合算された数値、ｎは３つの増幅器８２の番号を示し、ｎ＝１〜３である。例えば、Ｖ１は３つの増幅器８２のうちの１番目の増幅器８２電圧値である。数式（３）を用いてこの３つの増幅器８２の出力から位相変化量を算出できる。ここで、αｎは光の過渡的な強度変化による外乱成分であり、数式（３）において、α２は２番目の増幅器８２から出力された信号に含まれる光の過渡的な強度変化による外乱成分であり、α３は３番目の増幅器８２から出力された信号に含まれる光の過渡的な強度変化による外乱成分である。通常、光の過渡的な強度変化はα２およびα３に共通して発生するために、単に定数の１を入れて演算を行う。これは、光源の光強度揺らぎ、経路中の光ファイバに加わる外乱因子（応力変動、温度変動）による光ファイバ損失変動によって変化する。
したがって、ＭＰＵ８４で数式（３）の演算を行い、増幅器８２の３つ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。被測定物の物理量の変化の影響を受けるように取り付けられた光学センサ５０は、被測定物の物理量変化を出力するピーク波長の変化として出力する。この波長の変化量と物理量の変化量とは通常比例関係にあるため、物理量を求めることができる。
ここで、本実施形態では、図４に示すように、光学センサ５０は、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上できる。
さらに、スペクトルのうち光学センサ５０による信号以外の部分は、数式（４）に示すように、干渉計７０によって生じる三角関数状の波形となっている。そして、図２、３に示されるスペクトル情報から、カーブフィット等の手法を用いて干渉計７０の光路長差ｄを求めることができる。
さらに、スペクトルのうち光学センサ５０による信号以外の部分は、数式（４）に示すように、干渉計７０によって生じる三角関数状の波形となっている。そして、図２、３に示されるスペクトル情報から、カーブフィット等の手法を用いて干渉計７０の光路長差ｄを求めることができる。
数式（４）で求めた干渉計７０の光路長差ｄと、数式(３)とを用いて、以下の数式（５）により、波長の絶対値情報λＣも算出することができる。
さらに、光の波長を掃引しながら光学センサ５０に入射させるので、干渉光を時間的に解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
［第１実施形態の効果］
以上のような第１実施形態では、次の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計７０の出力の位相情報を光学センサ５０の出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサ５０は、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサ５０の出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、光の波長を変更しながら光学センサ５０に入射させるので、干渉光を時間的に解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
以上のような第１実施形態では、次の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計７０の出力の位相情報を光学センサ５０の出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサ５０は、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサ５０の出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、光の波長を変更しながら光学センサ５０に入射させるので、干渉光を時間的に解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
（２）本実施形態では、光学センサ５０は、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子５１を有するので、測定用センサ素子５１から出射される光のスペクトルの半値全幅を小さくでき、測定分解能を向上させることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の物理量測定装置１Ａについて図面に基づいて説明する。
第２実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから入射した光を反射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する点で第１実施形態と異なる。第２実施形態の説明において、第１実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第２実施形態の物理量測定装置１Ａについて図面に基づいて説明する。
第２実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから入射した光を反射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する点で第１実施形態と異なる。第２実施形態の説明において、第１実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
図５は、第２実施形態の物理量測定装置１Ａの概略構成を示す図である。
図５に示すように、物理量測定装置１Ａは、波長可変光源１０と、サーキュレータ２０Ａと、光学センサ５０Ａと、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、光検出部８０とを備える。
図５に示すように、物理量測定装置１Ａは、波長可変光源１０と、サーキュレータ２０Ａと、光学センサ５０Ａと、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、光検出部８０とを備える。
［サーキュレータ２０Ａ］
サーキュレータ２０Ａは、第１実施形態のサーキュレータ２０Ａと同様に構成されている。そして、本実施形態では、サーキュレータ２０Ａは、波長可変光源１０から出射された光を入射して、光学センサ５０Ａに送る。さらに、サーキュレータ２０Ａは、光学センサ５０Ａから出力された反射光を入射して、ビームスプリッタ６０を介して干渉計７０に送る。
なお、サーキュレータ２０Ａは、第１実施形態と同様に、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
サーキュレータ２０Ａは、第１実施形態のサーキュレータ２０Ａと同様に構成されている。そして、本実施形態では、サーキュレータ２０Ａは、波長可変光源１０から出射された光を入射して、光学センサ５０Ａに送る。さらに、サーキュレータ２０Ａは、光学センサ５０Ａから出力された反射光を入射して、ビームスプリッタ６０を介して干渉計７０に送る。
なお、サーキュレータ２０Ａは、第１実施形態と同様に、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
［光学センサ５０Ａ］
光学センサ５０Ａは、前述した第１実施形態と同様に、図示略の被測定物に配置されており、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射可能に構成されている。本実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから出射された光を入射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する。
光学センサ５０Ａは、前述した第１実施形態と同様に、図示略の被測定物に配置されており、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射可能に構成されている。本実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから出射された光を入射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する。
測定用センサ素子５１Ａは、前述した第１実施形態と同様に、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングから構成され、ファブリペローエタロンを構成する。本実施形態では、前述したように、測定用センサ素子５１Ａは、反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する。
［物理量の測定方法について］
次に、被測定物に作用する物理量の測定方法について説明する。
図６は、光学センサ５０Ａから反射されるスペクトルと波長との関係を示す図であり、図７は、図６のスペクトルの一部を拡大した図であり、図８は、図６の３つのスペクトルを重ね合わせた図である。本実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、図６、７に示すような干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。なお、図６に示す３つの波長スペクトル情報は、それぞれ３つの増幅器８２によって増幅された電気信号に対応するものである。また、これらの３つの増幅器８２によって増幅された電気信号を重ね合わせることによって、図８に示すスペクトル情報を得ることができる。
図８に示すように、光学センサ５０Ａの測定用センサ素子５１Ａから反射される反射光は、中心波長λ（λ＝１５５３ｎｍ付近）において反射率がほぼ０となり、その短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域に渡り反射率が０．７程度となり、さらに、その波長帯域から短波長と長波長の両側にむけて反射率が減衰している。つまり、前述した第１実施形態の透過光のスペクトルと、全く反対の傾向となっている。なお、光学センサ５０Ａの上記中心波長λは例示であり、中心波長が上記と異なる光学センサ５０Ａを用いてもよい。
ここで、光電変換器８１で検出される反射光の強度Ｉｍは、ファブリペロー干渉によって切り取られるごく狭帯域の部分を除いて、数式（６）で示すことができる。
次に、被測定物に作用する物理量の測定方法について説明する。
図６は、光学センサ５０Ａから反射されるスペクトルと波長との関係を示す図であり、図７は、図６のスペクトルの一部を拡大した図であり、図８は、図６の３つのスペクトルを重ね合わせた図である。本実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、波長可変光源１０が出射する光の波長を掃引することで、図６、７に示すような干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。なお、図６に示す３つの波長スペクトル情報は、それぞれ３つの増幅器８２によって増幅された電気信号に対応するものである。また、これらの３つの増幅器８２によって増幅された電気信号を重ね合わせることによって、図８に示すスペクトル情報を得ることができる。
図８に示すように、光学センサ５０Ａの測定用センサ素子５１Ａから反射される反射光は、中心波長λ（λ＝１５５３ｎｍ付近）において反射率がほぼ０となり、その短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域に渡り反射率が０．７程度となり、さらに、その波長帯域から短波長と長波長の両側にむけて反射率が減衰している。つまり、前述した第１実施形態の透過光のスペクトルと、全く反対の傾向となっている。なお、光学センサ５０Ａの上記中心波長λは例示であり、中心波長が上記と異なる光学センサ５０Ａを用いてもよい。
ここで、光電変換器８１で検出される反射光の強度Ｉｍは、ファブリペロー干渉によって切り取られるごく狭帯域の部分を除いて、数式（６）で示すことができる。
数式（６）では、ｍは３つの光電変換器８１の番号を示し、ｍ＝１〜３である。そして、図６、７に示されるスペクトル情報から、実際の光電変換器８１の実測信号Ｓｍに対して（Ｓｍ−Ｉｍ）２が最小となるようなカーブフィッティングを行うことにより、Ａｍ、ａ、ｂ、ｄを求めることができる。
ここで、数式（７）に示すように、数式（６）で求めたＩｍから実測信号Ｓｍを差し引くことで、透過光を用いた上記第１実施形態と同様の意味を持つ出力電圧Ｖｎを算出することができる。
ここで、数式（７）に示すように、数式（６）で求めたＩｍから実測信号Ｓｍを差し引くことで、透過光を用いた上記第１実施形態と同様の意味を持つ出力電圧Ｖｎを算出することができる。
これにより、前述した第１実施形態と同様に、数式（３）を用いてこの３つの増幅器８２の出力から位相変化量を算出できる。
したがって、ＭＰＵ８４で数式（３）の演算を行い、増幅器８２の３つ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。被測定物の物理量の変化の影響を受けるように取り付けられた光学センサ５０Ａは、被測定物の物理量変化を出力するピーク波長の変化として出力する。この波長の変化量と物理量の変化量とは通常比例関係にあるため、物理量を求めることができる。
さらに、前述した第１実施形態と同様に、数式（５）により、波長の絶対値情報λＣも算出することができる。
したがって、ＭＰＵ８４で数式（３）の演算を行い、増幅器８２の３つ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。被測定物の物理量の変化の影響を受けるように取り付けられた光学センサ５０Ａは、被測定物の物理量変化を出力するピーク波長の変化として出力する。この波長の変化量と物理量の変化量とは通常比例関係にあるため、物理量を求めることができる。
さらに、前述した第１実施形態と同様に、数式（５）により、波長の絶対値情報λＣも算出することができる。
［第２実施形態の効果］
以上のような第２実施形態では、上記（１）、（２）と同様の効果を奏することができるほか、次の効果を奏することができる。
（３）本実施形態では、光学センサ５０Ａの反射光を、サーキュレータ２０Ａを介して干渉計７０に入射させる。そのため、光学センサの透過光を干渉計に入射させる場合に比べて、カプラやアイソレータを不要にでき、物理量測定装置１Ａの構成を簡素化することができる。
以上のような第２実施形態では、上記（１）、（２）と同様の効果を奏することができるほか、次の効果を奏することができる。
（３）本実施形態では、光学センサ５０Ａの反射光を、サーキュレータ２０Ａを介して干渉計７０に入射させる。そのため、光学センサの透過光を干渉計に入射させる場合に比べて、カプラやアイソレータを不要にでき、物理量測定装置１Ａの構成を簡素化することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態の物理量測定装置１Ｂについて図面に基づいて説明する。
第３実施形態では、光源として、広帯域光源１１が用いられ、干渉計７０の二次側に分光器９０が配置される点で第１、２実施形態と異なる。第３実施形態において、第１、２実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第３実施形態の物理量測定装置１Ｂについて図面に基づいて説明する。
第３実施形態では、光源として、広帯域光源１１が用いられ、干渉計７０の二次側に分光器９０が配置される点で第１、２実施形態と異なる。第３実施形態において、第１、２実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
図９は、第３実施形態の物理量測定装置１Ｂの概略構成を示す図である。
図９に示すように、物理量測定装置１Ｂは、広帯域光源１１と、サーキュレータ２０と、カプラ３０と、アイソレータ４０と、光学センサ５０と、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、分光器９０と、光検出部８０とを備える。
図９に示すように、物理量測定装置１Ｂは、広帯域光源１１と、サーキュレータ２０と、カプラ３０と、アイソレータ４０と、光学センサ５０と、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、分光器９０と、光検出部８０とを備える。
［広帯域光源１１］
広帯域光源１１は、広帯域な波長の光を放出する光源である。広帯域光源１１は、例えば、ＳＣ（Super Continuum）光源であり、１２５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長領域の光を放出可能に構成されている。なお、広帯域光源１１は、上記構成に限られるものではなく、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源等を組み合わせたものであってもよい。さらに、広帯域光源１１は、例示した波長領域よりも広い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよく、あるいは、例示した波長領域よりも狭い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよい。
広帯域光源１１は、広帯域な波長の光を放出する光源である。広帯域光源１１は、例えば、ＳＣ（Super Continuum）光源であり、１２５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長領域の光を放出可能に構成されている。なお、広帯域光源１１は、上記構成に限られるものではなく、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源等を組み合わせたものであってもよい。さらに、広帯域光源１１は、例示した波長領域よりも広い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよく、あるいは、例示した波長領域よりも狭い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよい。
［分光器９０］
分光器９０は、干渉計７０から出射された干渉光を入射して分光する。本実施形態では、第２ビームスプリッタ６２により分波された３つの干渉光に対応して、分光器９０が３つ設けられている。
分光器９０は、干渉計７０から出射された干渉光を入射して分光する。本実施形態では、第２ビームスプリッタ６２により分波された３つの干渉光に対応して、分光器９０が３つ設けられている。
［物理量の測定方法について］
本実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、光学センサ５０の透過光を干渉計７０にて干渉させた干渉光を解析することにより、被測定物に作用した物理量を測定する。この際、本実施形態では、前述した第１実施形態とは異なり、干渉光を分光器９０にて分光することにより、干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。そのため、前述した第１実施形態と同様に、光学センサ５０の出力波長の絶対値情報λＣを得ることができる。
本実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、光学センサ５０の透過光を干渉計７０にて干渉させた干渉光を解析することにより、被測定物に作用した物理量を測定する。この際、本実施形態では、前述した第１実施形態とは異なり、干渉光を分光器９０にて分光することにより、干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。そのため、前述した第１実施形態と同様に、光学センサ５０の出力波長の絶対値情報λＣを得ることができる。
［第３実施形態の効果］
以上のような第３実施形態では、上記（２）と同様の効果を奏することができるほか、次の効果を奏することができる。
（４）本実施形態では、干渉計７０から出射される干渉光を分光器９０にて分光することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計出力の位相情報を光学センサ５０の出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサ５０は、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサ５０の出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、干渉光を分光して検出部に導入させるので、干渉光のスペクトルを解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
以上のような第３実施形態では、上記（２）と同様の効果を奏することができるほか、次の効果を奏することができる。
（４）本実施形態では、干渉計７０から出射される干渉光を分光器９０にて分光することで、干渉光の波長スペクトル情報を得ながら、干渉計出力の位相情報を光学センサ５０の出力光強度を用いた解析により得ることができる。また、光学センサ５０は、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する。そのため、測定分解能を向上でき、かつ、光学センサ５０の出力波長の絶対値の情報を得ることができる。
さらに、干渉光を分光して検出部に導入させるので、干渉光のスペクトルを解析することにより、検出に不要な波長領域をカットすることができる。そのため、波長領域をカットするための光学機器、例えば、バンドパスフィルタを不要にできる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態の物理量測定装置１Ｃについて図面に基づいて説明する。
第４実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから入射した光を反射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する点で第３実施形態と異なる。第４実施形態の説明において、第１実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第４実施形態の物理量測定装置１Ｃについて図面に基づいて説明する。
第４実施形態では、光学センサ５０Ａは、サーキュレータ２０Ａから入射した光を反射して、その反射光をサーキュレータ２０Ａに出力する測定用センサ素子５１Ａを有する点で第３実施形態と異なる。第４実施形態の説明において、第１実施形態の構成と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
図１０は、第４実施形態の物理量測定装置１Ｃの概略構成を示す図である。
図１０に示すように、物理量測定装置１Ｃは、広帯域光源１１と、サーキュレータ２０Ａと、光学センサ５０Ａと、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、分光器９０と、光検出部８０とを備える。
図１０に示すように、物理量測定装置１Ｃは、広帯域光源１１と、サーキュレータ２０Ａと、光学センサ５０Ａと、ビームスプリッタ６０と、干渉計７０と、分光器９０と、光検出部８０とを備える。
［物理量の測定方法について］
本実施形態では、前述した第２実施形態と同様に、光学センサ５０Ａの反射光を干渉計７０にて干渉させた干渉光を解析することにより、被測定物に作用した物理量を測定する。この際、本実施形態では、前述した第２実施形態とは異なり、干渉光を分光器９０にて分光することにより、干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。そのため、前述した第２実施形態と同様に、光学センサ５０Ａの出力波長の絶対値情報λＣを得ることができる。
本実施形態では、前述した第２実施形態と同様に、光学センサ５０Ａの反射光を干渉計７０にて干渉させた干渉光を解析することにより、被測定物に作用した物理量を測定する。この際、本実施形態では、前述した第２実施形態とは異なり、干渉光を分光器９０にて分光することにより、干渉光の波長スペクトル情報を得ることができる。そのため、前述した第２実施形態と同様に、光学センサ５０Ａの出力波長の絶対値情報λＣを得ることができる。
［第４実施形態の効果］
以上のような第３実施形態では、上記（２）〜（４）と同様の効果を奏することができる。
以上のような第３実施形態では、上記（２）〜（４）と同様の効果を奏することができる。
［変形例］
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前述した第１〜第４実施形態では、光学センサ５０，５０Ａは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子５１，５１Ａを有して構成されていたが、これに限定されない。例えば、光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有して構成されていてもよい。
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前述した第１〜第４実施形態では、光学センサ５０，５０Ａは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子５１，５１Ａを有して構成されていたが、これに限定されない。例えば、光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有して構成されていてもよい。
前述した第１〜第４実施形態では、干渉計７０は、マッハツェンダー型干渉計により構成されていたが、これに限定されない。例えば、干渉計は、マイケルソン型干渉計により構成されていてもよい。
前述した第１〜第４実施形態では、物理量測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃには、光学センサ５０，５０Ａが１個設けられていたが、これに限定されない。例えば、物理量測定装置には、波長ピークの中心がそれぞれ異なる複数の光学センサが設けられていてもよい。
この場合、複数の光学センサは、被測定物における同じ箇所に設けられていてもよい。このように構成することで、被測定物の同じ箇所において、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
また、複数の光学センサは、被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられていてもよい。このように構成することで、被測定物の異なる位置での物理量の変化を正確に測定することができる。
この場合、複数の光学センサは、被測定物における同じ箇所に設けられていてもよい。このように構成することで、被測定物の同じ箇所において、例えば、圧力および温度といった異なる物理量の変化を正確に測定することができる。
また、複数の光学センサは、被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられていてもよい。このように構成することで、被測定物の異なる位置での物理量の変化を正確に測定することができる。
前述した第１、第３実施形態では、物理量測定装置１，１Ｃは、カプラ３０およびアイソレータ４０を備えて構成されていたが、これに限定されない。例えば、物理量測定装置１，１Ｃは、カプラ３０およびアイソレータ４０に代えてサーキュレータを備えて構成されていてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…物理量測定装置、１０…波長可変光源、１１…広帯域光源、２０，２０Ａ…サーキュレータ、３０…カプラ，４０…アイソレータ，５０，５０Ａ…光学センサ、５１，５１Ａ…測定用センサ素子、６０…ビームスプリッタ、６１…第１ビームスプリッタ、６２…第２ビームスプリッタ、７０…干渉計、７１…光路、７２…光路、８０…光検出部、８１…光電変換器、８２…増幅器、８３…ＡＤ変換器、８４…ＭＰＵ、９０…分光器。
Claims (7)
- 出射する光の波長を変更可能に構成された波長可変光源と、
前記波長可変光源から出射される前記光を入射して、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する光学センサと、
前記光学センサから出射された前記出力光を入射して、干渉光を出射する干渉計と、
前記干渉計から出射される前記干渉光を検出する光検出部と、を備える
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 広帯域の光を出射する広帯域光源と、
前記広帯域光源から出射される前記光を入射して、被測定物に作用する物理量に応じて、半値全幅の小さい出力光を出射する光学センサと、
前記光学センサから出射された前記出力光を入射して、干渉光を出射する干渉計と、
前記干渉計から出射される前記干渉光を分光する分光器と、
前記分光器により分光された前記干渉光を検出する光検出部と、を備える
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１または請求項２に記載の物理量測定装置において、
前記光学センサは、互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有する
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１または請求項２に記載の物理量測定装置において、
前記光学センサは、フィゾー干渉型の測定用センサ素子を有する
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
波長ピークの中心がそれぞれ異なる複数の前記光学センサが設けられる
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項５に記載の物理量測定装置において、
複数の前記光学センサは、被測定物における同じ箇所に設けられる
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項５に記載の物理量測定装置において、
複数の前記光学センサは、被測定物における異なる箇所にそれぞれ設けられる
ことを特徴とする物理量測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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