JP5242142B2

JP5242142B2 - 面状センサ

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Publication number: JP5242142B2
Application number: JP2007310977A
Authority: JP
Inventors: 一則中村; 雅英小川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2009133760A

Description

本発明は、対象物のセンシング領域、例えば落石防止柵、侵入防止用の防護フェンス、船舶、航空機、自動車の外表面、ロボットや人形の表面に加わる外力を初めとする様々な物理量等をセンシングする面状センサに関する。

広域な場所（二次元のセンシング領域）をセンシングできる光センシングは近年の災害の多発や将来の安全・安心社会の構築に重要性を増す技術である。このようなセンシングにおいて、センシング対象の変化を捉えることと同時にどこで発生したか、を知ることが重要である。

従来はこのような目的のため、特に光ファイバを用いた光ファイバセンシングでは、OTDR(Optical time domain reflectometry)法と呼ばれる光ファイバ中の戻り光を検知する方式がよく用いられる。このOTDR法は、光ファイバの一端より光パルスを光ファイバ中に送り、光ファイバの各場所から戻ってくる光を検知し、時間の関数として距離すなわち場所を特定する方式である。

このOTDR法を用いた従来技術として、光ファイバセンサを用いた情報検出方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、特許文献２には、反射波長の等しいグレーティングが複数箇所に形成された光ファイバを用い、多数の計測点を有する光ファイバセンサが開示されている。

また、特許文献３には、ベースシートの上に周期の異なる複数のグレーティング構造を備えている光ファイバを、多数回ループを描いて渦巻き状に配置した面状センサが開示されている。各グレーティング構造は各特定波長を反射するので、歪みや温度変化により波長シフトが生じたときにセンサ面内のどの位置に歪みや温度変化が生じたかがわかり、２次元のセンシングマップを描くことができる。

さらに、特許文献４には、線状の心材に、多数のＵ字状に曲げた光ファイバを、その先頭部位を心材の軸方向に順次ずらせながら取り付けて線状センサを構成し、このセンサを山などの探査対象に縦横に配置し、光ファイバの破断により透過光が消失する現象を利用して光ファイバの損傷位置を特定する監視装置が開示されている。
特開２０００−０８９０４２号公報特開平８−１４５７３６号公報特開２００２−０７１３２３号公報特開２０００−１５５０４０号公報

ところで、特許文献１，２に開示された従来技術では、戻り光の強度が検知すべき距離によって変化し、遠方になるほど強度が低下し、その結果として感度の劣化、もしくは感度の劣化を防ぐための積算処理による計測時間の増大が発生する。

また、特許文献３に開示された従来技術では、複数のグレーティング構造が１本の光ファイバに形成され、この光ファイバを面状に一筆書きして面状センサを構成している。このため、グレーティング構造の数を増やして計測点を増やすと、グレーティング構造同士が近づき、感度の劣化が生じ、センサ面内のどのグレーティング構造からの反射光であるのかを区別するのが難しくなる。

また、特許文献４に開示された従来技術では、マトリクス状に配置した複数の光ファイバの各々に、光源と受光器をそれぞれ設ける必要があるので、広域な二次元のセンシング領域を多数の区間でセンシングしようとすると、構造が複雑になってコストが高くなる。また、複数の光ファイバにそれぞれ接続する複数の受光器の出力に基づいて光ファイバの損傷位置を特定するのに、探査対象に縦横に配置した複数の線状センサの位置情報を用いて電気的に処理する必要があるので、電気回路が複雑になり、処理時間が長くなる。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、対象物における二次元のセンシング領域を高感度でかつ高速にセンシング可能で、低コストの面状センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る面状センサは、複数の波長の光信号を送出する光源手段と、前記光源手段から送出される光信号が伝搬する複数の光路を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、前記光センサ部からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、前記複数の光路の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号を伝搬させることを特徴とする。

この構成によれば、対象物のセンシング領域に複数の光路が二次元的に配置された光センサ部において、複数の光路の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するようにしている。つまり、複数の光路を、各光路を伝搬する光信号の波長或いは波長の組合せを異ならせることで差別化している。このため、次のような効果を奏する。

（１）光信号検出手段で捕える波長毎の強度変化のパターンから、対象物のセンシング領域に二次元的に配置した複数の光路のうちの、反応した光路の位置を特定することができる。つまり、複数の光路のどの光路で反応したか（外力を受けたか或いは異常が発生したか）を特定することができる。

（２）複数の光路は、それぞれ独立して反応する（光信号の強度変化を検出する）センサとなっているので、光路数を増やしても、各光路間で互いに悪影響を及ぼすこともない。これにより、光信号検出手段における光信号のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。このため、感度の劣化を大幅に改善し、かつ応答時間も高速にすることができ、短時間の各光路での強度変化を捉えることができる。これにより、災害等の迅速なセンシングには特に有用となる。

（３）光源手段と光信号検出手段がそれぞれ一つで済み、特許文献４に開示された上記従来技術のように、マトリクス状に配置した複数の光路の各々に、光源と受光器をそれぞれ設ける必要がないので、構造が簡単になり、装置全体のコスト低減を図れる。

（４）強度変化のパターンから、二次元的に配置した複数の光路のうち、反応した光路（外力を受けた光路或いは異常が発生した光路）の位置を特定することができるので、特許文献４に開示された上記従来技術のように複数の線状センサの位置情報を用いる必要がない。これにより、電気回路の配線数が少なくなり、電気回路が簡単になり、処理時間が短くなる。

（５）波長の数（チャネル数）を増やすことにより、光路の数を増やすことができるので、対象物のセンシング領域における更に多くの箇所をセンシングすることができる。ここで、「対象物」とは、ある面（センシング領域）内の複数箇所で外力或いは異常（光路の破損など）の発生、もしくはそれ以外の物理・化学量などを検知される対象を言う。例えば地盤等の崩落、落石或いはこれらの予兆現象を監視するのに面状センサを用いる場合には、傾斜した地盤に設置される落石防止柵が対象物である。また、空港等の施設内への不法侵入を監視するのに面状センサを用いる場合には、防護フェンスが対象物である。また、「複数の光路が二次元的に配置された」は、複数の光路がセンシング領域内で交差することなく並列に配置される場合と、複数の光路がセンシング領域内で互いに交差して網状に配置される場合とを含む意味で用いる。

請求項２に記載の発明に係る面状センサは、複数の波長の光信号を送出する光源手段と、前記光源手段から送出される光信号が伝搬する複数の光路と該光路が交差する複数の交差部を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、前記光センサ部からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、前記光センサ部の複数の交差部に、前記複数の光路の各々に波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、分波手段或いは合波手段のいずれかが設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、光センサ部の複数の光路は、対象物のセンシング領域内で互いに交差部で交差して網状に配置される。複数の光路の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬する。このため、次のような効果を奏する。

（１）光信号検出手段で捕える波長毎の強度変化のパターンから、対象物のセンシング領域に網状に配置した複数の光路のうちの、反応した光路（区間）の位置を特定することができる。

（２）複数の光路は、それぞれ２つの交差部間にあって独立して反応する（光信号の強度変化を検出する）センサとなっているので、光路数（区間数）を増やしても、各光路間で互いに悪影響を及ぼすこともない。これにより、光信号検出手段における光信号のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。このため、感度の劣化を大幅に改善し、かつ応答時間も高速にすることができ、短時間の各光路（区間）での強度変化を捉えることができる。これにより、災害等の迅速なセンシングには特に有用となる。

請求項３に記載の面状センサは、前記複数の光路は、光ファイバで構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、光信号検出手段で捕える波長毎の強度変化のパターンから、複数の光路のどの光路で外力を受けたか、或いは外力による光ファイバの断線異常或いは曲げ損失が発生したかを特定することができる。

請求項４に記載の面状センサは、前記光源手段は、複数の波長の光信号を同時に或いは切り替えて発生することのできる光源であることを特徴とする。

ここで、複数の波長の光信号を同時に発生することのできる光源として、白色光源、スーパコンティニアス光源などの広帯域の光源、或いは複数のレーザ光源からそれぞれ送出される波長の異なる複数のレーザ光を合波した光源を用いることができる。また、複数の波長の光信号を切り替えて発生することのできる光源として、波長を数秒程度の短時間で走査できるチューナブルレーザを用いることができる。

上記課題を解決するために、請求項５に記載の面状センサは、複数の波長の光信号を送出する光源手段と、前記光源手段から送出される光信号が伝搬する光ファイバからなる複数の光路を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、前記光源から送出される前記複数の波長の光信号を偏光光に変換して前記光センサ部へ出射する偏光子と、前記光センサ部からの出力光が入射し、前記複数の波長の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波を出射するフィルタ手段と、前記フィルタ手段からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、前記複数の光路の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号を伝搬させることを特徴とする。

この構成によれば、光源手段から送出された複数の波長の光信号は偏光子により偏光光に変換されて光センサ部の各光路を伝搬する。対象物のセンシング領域に複数の光路が二次元的に配置された光センサ部において、複数の光路の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号（偏光光に変換された光波）が伝搬する。このように各光路を伝搬する偏光光の光信号には、各光路の光ファイバが外力を受けることにより偏波変動（偏光状態の変化）が生じ、フィルタ手段から光信号検出手段には、各波長の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波が出射される。

このように、偏光子とフィルタ手段とにより挟まれた光センサ部の複数の光路がそれぞれ偏波変動を検知する独立した偏波変動検知区間になっている。複数の光路の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するようにしている。つまり、光ファイバからなる複数の光路（２つの交差部間の区間）を、各光路を伝搬する光信号の波長或いは波長の組合せを異ならせることで差別化している。このため、次のような効果を奏する。

（１）光信号検出手段で捕える波長毎の偏波変動のパターンから、対象物のセンシング領域に二次元的に配置した複数の光路のうちの、反応した光路の位置を特定することができる。つまり、複数の光路のどの光路で反応したか（外力或いは振動を受けたか）を特定することができる。

（２）複数の光路は、それぞれ２つの交差部間にあって独立して反応する（光信号の偏波変動を検出する）センサとなっているので、光路数（区間数）を増やしても、各光路間で互いに悪影響を及ぼすこともない。これにより、光信号検出手段における光信号のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。このため、感度の劣化を大幅に改善し、かつ応答時間も高速にすることができ、短時間の各光路での偏波変動を捉えることができる。これにより、災害等の迅速なセンシングには特に有用となる。

請求項６に記載の面状センサは、複数の波長の光信号を送出する光源手段と、前記光源手段から送出される光信号が伝搬する光ファイバからなる複数の光路と該光路が交差する複数の交差部を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、前記光源から送出される前記複数の波長の光信号を偏光光に変換して前記光センサ部へ出射する偏光子と、前記光センサ部からの出力光が入射し、前記複数の波長の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波を出射するフィルタ手段と、前記フィルタ手段からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、前記光センサ部の前記複数の交差部に、前記複数の光路の各々に波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、分波手段或いは合波手段のいずれかが設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、光センサ部の複数の光路は、対象物のセンシング領域内で互いに交差部で交差して網状に配置される。また、複数の光路の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬する。このため、次のような効果を奏する。

（１）光信号検出手段で捕える波長毎の偏波変動のパターンから、対象物のセンシング領域に網状に配置した複数の光路のうちの、反応した光路（区間）の位置を特定することができる。つまり、複数の光路のどの光路で反応したか（外力或いは振動を受けたか）を特定することができる。

請求項７に記載の面状センサは、前記フィルタ手段は、偏光子であることを特徴とする。

請求項８に記載の面状センサは、前記フィルタ手段は、入射する光波を複数に分岐する分岐器と、該分岐器により分岐された複数の光路に配置され、角度の異なる偏光成分の光波のみを通過させる複数の偏光子とを含む偏光子モジュールであることを特徴とする。

次に、本発明に係る面状センサの原理を、図１および図２に基づいて説明する。
図１に示す面状センサ１０は、複数の波長（λ１〜λ３）の光信号を送出する光源手段としての光源１と、光源１から送出される光信号が伝搬する複数の光路b1〜b5と、光路が交差する複数の交差部a1〜a4と、対象物２に複数の光路b1〜b5が二次元的に配置された光センサ部３と、光センサ部３からの出力光を受けて、複数の波長の光信号（λ１〜λ３）を波長毎に検出する光信号検出手段としての波長計４と、を備える。光源１として、複数の波長を同時に或いは切り替えて発生することのできる光源、或いは複数の波長を個別に発生する複数の光源が用いられる。

光センサ部３は、複数の光路b1〜b5の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、複数の交差部a1〜a4に分波器（分波手段）或いは合波器（合波手段）のいずれかを設けてある。分波器としては、例えば、誘電体多層膜等の波長選択フィルタが使用され、合波器としては、例えば、カプラ（光結合器）が使用される。

合波器・分波器を適当に選択し、波長λ１、λ２、λ３の光信号の経路を図１のように設定する。例えば、交差部a1には、光源１から送出され光ファイバ５を伝搬した波長λ１、λ２、λ３の３つの光信号を、波長λ１の光信号と波長λ２、λ３の２つの光信号とに分波し、光路b1,b2へ送り出す分波器が、交差部a3には、波長λ２、λ３の２つの光信号を、波長λ２の光信号と波長λ３の光信号とに分波し、光路b5,b3へ送り出す分波器手段がそれぞれ設けられる。また、交差部a2には、別々の光路b1,b5から入ってくるλ１の光信号とλ２の光信号を合波し、光路b4へ送り出す分波器が、交差部a4には、別々の光路b4,b３から入ってくるλ１、λ２の２つの光信号とλ３の光信号を合波し、光ファイバ６へ送り出す分波器がそれぞれ設けられる。

このような構成を有する面状センサ１０では、複数の光路b1〜b5の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬する。具体的には、光路b1にはλ１の一つの光信号が、光路b2にはλ２とλ３の２つの光信号が、光路b3にはλ３の一つの光信号が、そして、光路b4にはλ１とλ２の２つの光信号がそれぞれ伝搬する。そして、波長計４では、光信号の波長毎に光信号をモニタする。例えば、光路b4の区間で外力を受け或いは異常（例えば光ファイバの断線や曲げ）が発生した場合は、波長計４で捕える波長毎の強度変化は、図２に示すようになる。この場合、ｔ１時点に、線６で示すλ１の光信号と線７で示すλ２の光信号の強度がそれぞれ低下し、線８で示すλ３の光信号の強度は変化していないことから、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ１の光信号とλ２の光信号が伝搬する光路b4の区間であることを特定することができる。このようにして、対象物２に光センサ部３を取り付けることで、波長計４で捕える波長毎の強度変化のパターンから、対象物２のセンシング領域内に複数の光路のどの光路で外力を受けたか或いは異常が発生したかを特定することができる。

本発明によれば、対象物における二次元のセンシング領域を高感度でかつ高速にセンシング可能で、低コストの面状センサを実現することができる。

次に、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る面状センサ１０Ａを図３および図４に基づいて説明する。

図３に示す面状センサ１０Ａは、複数の波長（λ１〜λ３）の光信号を送出する光源手段としての光源１Ａと、光源１Ａから送出される光信号が伝搬する複数の光路b1〜b5を有し、対象物２のセンシング領域に複数の光路b1〜b5が二次元的に配置された光センサ部３Ａと、光センサ部３Ａからの出力光を受けて、複数の波長の光信号（λ１〜λ３）を波長毎に検出する波長計４と、を備える。複数の光路b1〜b5は、それぞれ光ファイバで構成されている。各光路の光ファイバは、対象物２、例えば傾斜した地盤に設置される落石防止柵のセンシング領域に接触させて、或いは、他の部材を介して取り付けられている。光センサ部３Ａは、光路が交差する複数の交差部a1〜a4を有し、複数の光路b1〜b5はそれぞれ２つの交差部間に接続されている。これにより、光センサ部の複数の光路b1〜b5は、対象物２のセンシング領域内で互いに交差部a1〜a4のいずれかで交差して網状に配置されている。

光源１は、波長λ１，λ２，λ３を個別に発生する複数の半導体レーザ（ＬＤ）１１，１２，１３と、各半導体レーザからそれぞれ送出されるλ１，λ２，λ３のレーザ光（光信号）を合波するカプラ１４とを備える。このように、光源１は、複数の波長（λ１〜λ３）の光信号を同時に発生するこのできる光源として構成されている。

光センサ部３Ａは、複数の光路b1〜b5の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、複数の交差部a1〜a4に分波器（分波手段）或いは合波器（合波手段）のいずれかを設けてある。分波器としては、例えば、波長選択性を有する誘電体多層膜フィルタが使用され、分波器としては、例えば、カプラ（光結合器）が使用される。

誘電体多層膜フィルタとカプラを適当に選択し、波長λ１、λ２、λ３の光信号の経路を図３のように設定する。

具体的には、交差部a1には、光源１から送出され光ファイバ５を伝搬した波長λ１、λ２、λ３の３つの光信号を、波長λ１の光信号と波長λ２、λ３の２つの光信号とに分波し、光路b1,b2へ送り出す誘電体多層膜フィルタ２１が設けられている。交差部a3には、波長λ２、λ３の２つの光信号を、波長λ２の光信号と波長λ３の光信号とに分波し、光路b5,b3へ送り出す誘電体多層膜フィルタ２２がそれぞれ設けられる。また、交差部a2には、別々の光路b1,b5から入ってくるλ１の光信号とλ２の光信号を合波し、光路b4へ送り出すカプラ３１が設けられている。そして、交差部a4には、別々の光路b4,b３から入ってくるλ１、λ２の２つの光信号とλ３の光信号を合波し、光ファイバ６へ送り出すカプラ３２が設けられている。また、図３で、符号「５Ａ」，「５Ｂ」，「５Ｃ」、「５」および「６」は光ファイバである。

このような構成を有する面状センサ１０Ａでは、複数の光路b1〜b5の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬する。具体的には、光路b1にはλ１の一つの光信号が、光路b2にはλ２とλ３の２つの光信号が、光路b3にはλ３の一つの光信号が、そして、光路b4にはλ１とλ２の２つの光信号がそれぞれ伝搬する。そして、波長計４では、光信号の波長毎に光信号をモニタする。

例えば、光路b1の区間で外力を受け或いは異常（例えば光ファイバの断線や曲げ）が発生した場合は、波長計４で捕える波長毎の強度変化は、図４（ａ）に示すようになる。この場合、λ１の光信号の強度のみが低下或いは零になる。この図４（ａ）から、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ１の光信号が伝搬する光路b1の区間であることを特定することができる。なお、図４（ａ）〜（ｅ）において、一点鎖線で示す波形は、光信号の強度が低下或いは零になることを示している。

また、波長計４で捕える波長毎の強度変化が図４（ｂ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ２とλ３の光信号が伝搬する光路b2の区間であることを特定することができる。

また、波長計４で捕える波長毎の強度変化が図４（ｃ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ３の光信号が伝搬する光路b3の区間であることを特定することができる。

また、波長計４で捕える波長毎の強度変化が図４（ｄ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ１とλ２の光信号が伝搬する光路b4の区間であることを特定することができる。

そして、波長計４で捕える波長毎の強度変化が図４（ｅ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ２の光信号が伝搬する光路b5の区間であることを特定することができる。

このようにして、対象物２に光センサ部３Ａを取り付けることで、波長計４で捕える波長毎の強度変化のパターンから、対象物２のセンシング領域内に複数の光路b1〜b5のどの光路（区間）で外力を受けたか或いは異常が発生したかを特定することができる。

以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○対象物２のセンシング領域に複数の光路b1〜b5が網状に（二次元的に）配置された光センサ部３Ａにおいて、複数の光路b1〜b5の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するようにしている。つまり、複数の光路（２つの交差部間の区間）b1〜b5を、各光路を伝搬する光信号の波長或いは波長の組合せを異ならせることで差別化している。

このため、波長計４で捕える波長毎の強度変化のパターン（図４（ａ）〜（ｅ）参照）から、対象物２のセンシング領域に二次元的に配置した複数の光路b1〜b5のうちの、反応した光路（区間）の位置を特定することができる。つまり、複数の光路b1〜b5のどの光路で反応したか（外力を受けたか或いは異常が発生したか）を特定することができる。

○複数の光路b1〜b5は、それぞれ２つの交差部間にあって独立して反応する（光信号の強度変化を検出する）センサとなっているので、光路数（区間数）を増やしても、各光路b1〜b5間で互いに悪影響を及ぼすこともない。これにより、波長計４における光信号のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。このため、感度の劣化を大幅に改善し、かつ応答時間も高速にすることができ、短時間の各光路b1〜b5での強度変化を捉えることができる。これにより、災害等の迅速なセンシングには特に有用となる。

○光源１Ａと波長計４がそれぞれ一つで済み、複数の光路b1〜b5の各々に、光源と受光器をそれぞれ設ける必要がないので、構造が簡単になり、装置全体のコスト低減を図れる。

○強度変化のパターンから、二次元的に配置した複数の光路b1〜b5のうち、反応した光路（外力を受けた光路或いは異常が発生した光路）の位置を特定することができるので、電気回路の配線数が少なくなり、電気回路が簡単になり、処理時間が短くなる。

○波長の数（チャネル数）を増やすことにより、光路の数を増やすことができるので、対象物のセンシング領域における更に多くの箇所をセンシングすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る面状センサ１０Ｂを図５および図６に基づいて説明する。

図５に示す面状センサ１０Ｂは、図３に示す上記第１実施形態に係る面状センサ１０Ａにおいて、光源１Ａから送出される複数の波長（λ１〜λ３）の光信号を偏光光に変換して光センサ部３Ａへ出射する偏光子４１と、光センサ部３Ａからの出力光が入射し、複数の波長の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波を出射するフィルタ手段としての偏光子（検光子）４２と、を更に設けた構成を有する。

この面状センサ１０Ｂでは、光源１Ａから送出された複数の波長（λ１〜λ３）の光信号は偏光子２１によりそれぞれ偏光光に変換されて光センサ部３Ａの複数の光路b1〜b5を伝搬する。複数の光路b1〜b5の各々には、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号（偏光光に変換された光波）が伝搬する。このように各光路b1〜b5を伝搬する偏光光の光信号には、各光路b1〜b5の光ファイバが外力を受けることにより偏波変動（偏光状態の変化）が生じ、偏光子４２から波長計４には、各波長（λ１〜λ３）の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波が出射される。

このように、面状センサ１０Ｂでは、偏光子４１と偏光子４２とにより挟まれた光センサ部３Ａの複数の光路b1〜b5がそれぞれ偏波変動を検知する独立した偏波変動検知区間になっている。また、対象物２のセンシング領域に複数の光路b1〜b5が二次元的に配置された光センサ部３Ａにおいて、複数の光路b1〜b5の各々には、上記第１実施形態の面状センサ１０Ａと同様に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するようにしている。つまり、光ファイバからなる複数の光路（２つの交差部間の区間）b1〜b5を、各光路を伝搬する光信号の波長或いは波長の組合せを異ならせることで差別化している。

以上のように構成された第２実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○波長計４で捕える波長毎の偏波変動のパターンから、対象物２のセンシング領域に二次元的に配置した複数の光路b1〜b5のうちの、反応した光路（区間）の位置を特定することができる。つまり、複数の光路b1〜b5のどの光路で反応したか（外力或いは振動を受けたか）を特定することができる。

例えば、光路（光ファイバ）b1の区間で外力を受け或いは異常（光ファイバの断線や曲げ）が発生した場合は、波長計４で捕える波長毎の偏波変動は、図６（ａ）に示すようになる。この場合、λ１の光信号の偏波変動のみが大きい。この図６（ａ）から、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ１の光信号が伝搬する光路b1の区間であることを特定することができる。なお、図６（ａ）〜（ｅ）において、実線で示す矢印は、光信号の偏波変動を示している。

また、波長計４で捕える波長毎の偏波変動が図６（ｂ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ２とλ３の光信号が伝搬する光路b2の区間であることを特定することができる。

また、波長毎の偏波変動が図６（ｃ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ３の光信号が伝搬する光路b3の区間であることを特定することができる。

また、波長毎の偏波変動が図６（ｄ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ１とλ２の光信号が伝搬する光路b4の区間であることを特定することができる。

そして、波長毎の偏波変動が図６（ｅ）で示すようになる場合、外力を受け或いは異常が発生した区間は、λ２の光信号が伝搬する光路b5の区間であることを特定することができる。

○複数の光路b1〜b5は、それぞれ２つの交差部間にあって独立して反応する（光信号の偏波変動を検出する）センサとなっているので、光路数（区間数）を増やしても、各光路間で互いに悪影響を及ぼすこともない。これにより、波長計４における光信号のＳ／Ｎ比を十分に確保することができる。このため、感度の劣化を大幅に改善し、かつ応答時間も高速にすることができ、短時間の各光路（区間）での偏波変動を捉えることができる。これにより、災害等の迅速なセンシングには特に有用となる。

○光源１Ａと波長計４がそれぞれ一つで済むので、構造が簡単になり、装置全体のコスト低減を図れる。

○図６（ａ）〜（ｅ）に示すような偏波変動のパターンから、二次元的に配置した複数の光路b1〜b5のうち、反応した光路（外力或いは振動を受けた光路）の位置を特定することができるので、電気回路の配線数が少なくなり、電気回路が簡単になり、処理時間が短くなる。

○波長の数（チャネル数）を増やすことにより、光路の数を増やすことができるので、対象物のセンシング領域における更に多くの箇所をセンシングすることができる。
（第３実施形態）
第３実施形態に係る面状センサ１０Ｃを図７に基づいて説明する。

図７に示す面状センサ１０Ｃは、図３に示す上記第１実施形態に係る面状センサ１０Ａにおいて、光源１Ａに代えて、複数の波長（λ１〜λｎ）の光信号を同時に発生することのできる広帯域の光源１Ｃを用い、光センサ部３Ｃの光路数を面状センサ１０Ａの光センサ部３Ａよりも増やした構成を有する。

光センサ部３Ｃは、面状センサ１０Ａの場合と同様に、複数の光路b11〜byの各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、複数の交差部a11〜axに分波器或いは分波器のいずれかを設けてある。分波器としては、例えば、波長選択性を有する誘電体多層膜フィルタが使用され、分波器としては、例えば、カプラ（光結合器）が使用される。

誘電体多層膜フィルタとカプラを適当に選択し、波長λ１〜λｎの光信号の経路を図７のように設定する。

具体的には、複数の交差部a11〜axのうち、交差部a11,a13,a15,a17,…,ax-1（図示省略）には、図５に示す誘電体多層膜フィルタ２１と同様の誘電体多層膜フィルタが設けられている。一方、複数の交差部a12〜axのうち、交差部a12,a14,a16,…,axには、図５に示すカプラ３１と同様のカプラが設けられている。

この面状センサ１０Ｃでは、光路b11にはλ１の光信号が、光路b12にはλ２〜λｎの光信号が、光路b13にはλ２の光信号が、光路b14にはλ１，λ２の光信号が、光路b15にはλ３〜λｎの光信号が、光路b16にはλ３の光信号が,…,光路by-1にはλｎ光信号が、そして、光路byにはλ１〜λｎ-1の光信号がそれぞれ伝搬する。

以上のように構成された第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

○誘電体多層膜フィルタとカプラを適当に選択し、波長λ１〜λｎの光信号の経路を図７のように設定することで、対象物２の種類、対象物２の大きさやそのセンシング領域内でのセンシングする箇所の数に応じた面状センサを容易に作製することができる。
＜用途＞
上記各実施形態で説明した面状センサ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、例えば、以下のような用途に用いることができる。

（１）地盤変動による歪・振動や、落石の衝突によって発生する外力を検知する検知装置。この場合、地盤の崩落・地崩れ、落石等を防止する落石防止柵（対象物２）のセンシング領域に、上記各実施形態で説明した面状センサの光センサ部３Ａ，３Ｃを取り付ける。この装置により、落石等の外力が加わった位置を特定することができ、地盤の崩落・地崩れ、落石の予兆の検知等が可能になる。

（２）空港等の施設内への不法侵入者の有無を検知する検知装置。この場合、侵入防止のための防護フェンス（対象物２）のセンシング領域に、上記光センサ部３Ａ，３Ｃを取り付ける。この装置により、施設内への不法侵入者の侵入位置を特定することができる。

（３）潜水艦や各種船舶の船体外表面、航空機の機体表面、自動車等の車両表面に外力が加わった位置を検知し、傷等の発生位置を検出する装置。この場合、船体外表面（対象物２）のセンシング領域に、上記光センサ部３Ａ，３Ｃを取り付ける。この装置により、船体外表面、航空機の機体表面、車両表面等、広い表面における衝撃力を受けた位置を特定することができる。特に、潜水艦や各種船舶の船体外表面、航空機の機体表面のように、航行中或いは飛行中に見えない広い表面における衝撃力を受けた位置を特定するのに有効である。

（４）ロボットや人形の表面（皮膚）における外力が加わった位置を検知する装置。この場合、ロボットや人形の表面（対象物２）内部のセンシング領域に、上記光センサ部３Ａ，３Ｃを取り付ける。この装置によれば、ロボットや人形の一部或いは全身に皮膚感覚を持たせることができる。

（５）駐車場に設置して、駐車場の空き状況を監視する装置。

（６）ビルディング、橋梁、道路などの構造物において、例えば「梁」毎の振動等を検知することにより、構造物の保全・診断を行うことに有効である。
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。

・上記各実施形態では、光センサ部３Ａ，３Ｃは、光路が交差する複数の交差部を有し、複数の光路はそれぞれ２つの交差部間に接続されている。これにより、光センサ部３Ａ，３Ｃの複数の光路は、対象物２のセンシング領域内で互いに交差部で交差して網状に配置されている。しかし、本発明はこのような構成に限定されず、複数の光路がセンシング領域内で交差することなく並列に配置されることで、複数の光路が二次元的に配置される構成にも本発明は適用可能である。

・図３、図７に示す上記第１、第３実施形態では、光路として光ファイバを用いたが、光路としては周囲の状況に応じて空間でもパイプ等で区切られた光路でも良い。

・光信号を分波・合波する機器には光通信にすでに開発されている、各種の波長の合分波器や、アドドロップ、プリズム、などが利用できる。

・広い広帯域に渡った光信号を出射する光源には、白色光源や波長の異なる多くのレーザ光を合波した光源のほか、スーパコンティニアス光源やチューナブルレーザ、などが好適である。

・図７に示す第３実施形態において、図５に示す第２実施形態と同様に偏光子４１および偏光子（検光子）４２を配置することで、第２実施形態と同様の偏波変動方式の面状センサを構成できる。

・図５に示す第２実施形態において、フィルタ手段として偏光子（検光子）４２に代えて、入射する光波を複数に分岐する分岐器と、該分岐器により分岐された複数の光路に配置され、角度の異なる偏光成分の光波のみを通過させる複数の偏光子とを含む偏光子モジュールを用いても良い。

本発明の原理説明に用いた面状センサの概略構成を示すブロック図。波長計で捕える波長毎の強度変化を示す波形図。第１実施形態に係る面状センサの概略構成を示すブロック図。波長計で捕える波長毎の強度変化を示す波形図。第２実施形態に係る面状センサの概略構成を示すブロック図。波長計で捕える波長毎の偏波変動を示す波形図。第３実施形態に係る面状センサの概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｃ：光源
２：対象物
３，３Ａ，３Ｃ：光センサ部
４：波長計
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：面状センサ
b1〜b5，b11〜by：光路
a1〜a4，ａ11〜ax：交差部
２１，２２：誘電体多層膜フィルタ（分波手段）
３１，３２：カプラ（合波手段９
４１：偏光子
４２：偏光子（検光子）

Claims

複数の波長の光信号を送出する光源手段と、
前記光源手段から送出される光信号が伝搬する複数の光路を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、
前記光センサ部からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、
前記複数の光路の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号を伝搬させる面状センサであって、
前記光センサ部は、前記光路が交差する複数の交差部を有し、前記複数の光路はそれぞれ２つの前記交差部間に接続されており、
前記光センサ部の前記複数の交差部に、前記複数の光路の各々に波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、分波器或いは合波手段のいずれかが設けられていることを特徴とする面状センサ。
前記複数の光路は、光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面状センサ。
前記光源手段は、複数の波長の光信号を同時に或いは切り替えて発生することのできる光源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面状センサ。
複数の波長の光信号を送出する光源手段と、
前記光源手段から送出される光信号が伝搬する光ファイバからなる複数の光路を有し、前記複数の光路が対象物のセンシング領域に二次元的に配置された光センサ部と、
前記光源から送出される前記複数の波長の光信号を偏光光に変換して前記光センサ部へ出射する偏光子と、
前記光センサ部からの出力光が入射し、前記複数の波長の光信号に生じる偏波変動に応じた強度の光波を出射するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段からの出力光を受けて、前記複数の波長の光信号を波長毎に検出する光信号検出手段と、を備え、
前記複数の光路の各々に、波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号を伝搬させる面状センサであって、
前記光センサ部は、前記光路が交差する複数の交差部を有し、前記複数の光路はそれぞれ２つの前記交差部間に接続されており、
前記光センサ部の前記複数の交差部に、前記複数の光路の各々に波長の異なる一つの光信号或いは波長の組合せが異なる２以上の光信号が伝搬するように、分波器或いは合波手段のいずれかが設けられていることを特徴とする面状センサ。
前記フィルタ手段は、偏光子であることを特徴とする請求項４に記載の面状センサ。
前記フィルタ手段は、入射する光波を複数に分岐する分岐器と、該分岐器により分岐された複数の光路に配置され、角度の異なる偏光成分の光波のみを通過させる複数の偏光子とを含む偏光子モジュールであることを特徴とする請求項４に記載の面状センサ。