JP6091052B2 - 光学式曲がり測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式曲がり測定装置に関する。

図１６〜図１８は、特開昭５７−１４１６０４号に開示されている光ファイバーを使用した曲率測定装置を示している。図１６は、この曲率測定装置の屈曲前の光学ファイバーの状態を示している。図１７は、この曲率測定装置の屈曲時の光学ファイバーの状態を示している。

光ファイバーは、ガラスや透明プラスチックなどから成るコア部５０１を有している。コア部５０１の外周の一部は光吸収部５０３によって覆われており、残りの部分はクラッド部５０２によって覆われている。コア部５０１とクラッド部５０２の境界面に全反射角よりも大きい角度で入射する光はそこで全反射される。

このような光ファイバーを伝搬する光は、次のような状況と成る。すなわち、図１６に示される屈曲前の状態では、内壁に平行に入射した光線５０４はすべて伝達される。内壁に非平行に入射した光のうち、光吸収部５０３に入射した光線５０５はそこで吸収されて伝達されない。また光線５０６の様に緩い角度で入射して光吸収部５０３を避けた光は、吸収されずに伝達される。

図１７に示される屈曲時の状態では、光は直進するため、光線５０４，５０５，５０６はいずれも光吸収部５０３に入射し、そこで吸収されて伝達されない。

図１８は、このような曲率測定装置が鉄道のレールの曲がり測定に適用された例を示している。光ファイバー束５０９は、鉄道のレール５０８に沿って配置され、その一方の端部はレーザー光源５１０に接続され、他方の端部は光電変換装置５１１に接続される。

光ファイバー束５０９は、レール５０８の測定すべき三個所に対応して、光吸収部５０３を備えた三本の光ファイバーからなり、光ファイバーの光吸収部５０３はそれぞれ測定個所に配置される。三本の光ファイバーを介した伝達された光の減衰量をそれぞれ測定して、三個所の測定個所の曲率をそれぞれ求めている。

また三本の光ファイバーを使用せずに、一本の光ファイバーを使用して測定してもよく、この場合、光吸収部５０３をレール５０８に沿ってずらせて三度測定することにより同様の結果を得ている。さらに一本の光ファイバーの三個所に光吸収部５０３を設けてもよく、この場合、光の減衰量は、三個所の光減衰が乗算された値として得ている。

以上のように、従来の曲率測定装置は、光の減衰量の測定から、レールの曲率や列車の通過中のレールの沈み具合を測定している。

特開昭５７−１４１６０４号公報

前述の従来の装置では、一本の光ファイバーを介して得られる曲率は一個所の値か複数個所の乗算値である。複数個所の独立した値を得るためには、一本の光ファイバーの設置と測定を繰り返しおこなうか、複数の光ファイバーを設置して測定する必要がある。

このような手法は、測定対象がレールのように複数本の光ファイバーを設置することに体積的に問題が生じない場合であればよいが、複数本の光ファイバーを測定対象に設置することが体積的に困難な場合や、設置状況を変更することが容易でない場合には採用できない。また従来の装置では、一本の光ファイバーによって、複数個所の曲率をそれぞれ独立した値として得ることはできない。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、複数本の光ファイバーを設置し難い測定対象に対しても適用でき、測定対象の複数個所の特定方向の曲がり量を独立に測定し得る光学式曲がり測定装置を提供することである。

本発明の一実施形態による光学式曲がり測定装置は、測定光を供給する光源ユニットと、前記測定光を伝達する光伝達体と、前記光伝達体から出射する光を反射して前記光伝達体に戻す反射部材と、前記光伝達体の延在方向の一部に設けられた複数の光学特性変化部材と、前記光伝達体から出力される光を検出する光検出ユニットを備えている。前記複数の光学特性変化部材は、前記光伝達体の周方向の異なる複数の位置に設けられている。各光学特性変化部材は、これが設けられた前記光伝達体の部分の特定方向の曲がり量に応じてこれに入射した光に対して光学特性変化部材ごとに対応づけられた光成分の強度を波長を変えることなく低下させる。前記光検出ユニットは、光学特性の変化を受けた光を前記光成分ごとに分離して検出し、その分離された前記光成分ごとの検出光強度に基づいて前記光伝達体の複数の部分の曲がりの方向と曲がり量を独立に測定する。

本発明によれば、複数本の光ファイバーを設置し難い測定対象に対しても適用可でき、測定対象の複数個所の特定方向の曲がり量を独立に測定し得る光学式曲がり測定装置が提供される。

第一の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。 第二の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。 図２の光検出ユニットが検出する各光成分の強度の変化を示している。 図２の光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの部分の断面構造を示している。 図４の光学特性変化部材に代えて別の光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 長さ寸法が異なる光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 複数の要素から成る光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 光学特性変化部材の好適な吸収特性を示している。 光学特性変化部材の不適切な吸収特性を示している。 図４の光学特性変化部材に代えて別の配置形態で光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 図４の光学特性変化部材に代えてまた別の配置形態で光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 図４の光学特性変化部材に代えてさらに別の配置形態で光学特性変化部材が設けられた光ファイバーの断面構造を示している。 第三の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。 第四の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。 時刻ｔ０において供給される測定光の強度と、各時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において検出される光の強度を示している。 従来例の曲率測定装置の屈曲前の光学ファイバーの状態を示している。 従来例の曲率測定装置の屈曲時の光学ファイバーの状態を示している。 従来例の曲率測定装置の使用例を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、第一の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。図１に示されるように、光学式曲がり測定装置は、測定光を供給する光源ユニット１１０と、測定光を伝達する光伝達体たとえば光ファイバー１２０と、光ファイバー１２０の異なる複数の部分に設けられた複数の光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎと、光ファイバー１２０から出力される光を検出する光検出ユニット１４０を有している。

各光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎは、これが設けられた光ファイバー１２０の部分の特定方向の曲がり量に応じて、これに入射した光に光学特性の変化を与える。さらに、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎが光学特性の変化を与える光成分はそれぞれ異なっている。たとえば、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎは、それぞれ、波長λａ，λｂ，…，λｎの光成分に対して光学特性の変化を与える。つまり、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎが与える光学特性変化は互いに独立している。

光検出ユニット１４０は、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎによって光学特性の変化を受けた光成分ごとに分離して検出し、各光成分の強度に基づいて光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎが設けられた光ファイバー１２０の複数の部分の特定方向の曲がり量を独立に測定する。

一例では、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎは、たとえば、光ファイバー１２０の延在方向または長手方向の異なる位置に設けられている。ここで、光ファイバー１２０の延在方向または長手方向とは、光ファイバー１２０内を伝搬する光の経路に沿った方向をいう。この延在方向または長手方向との用語は、後述する実施形態の説明においても同様の意味である。この場合、光検出ユニット１４０は、光ファイバー１２０の延在方向または長手方向の異なる各位置における特定方向の曲がり量を測定し得る。各位置における特定方向は同じであっても異なっていてもよい。

別の例では、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎは、光ファイバー１２０の延在方向または長手方向の同じ位置において周方向の異なる位置に設けられている。ここで、光ファイバー１２０の周方向とは、光の伝搬経路を（たとえば垂直に）横切る断面において、光ファイバー１２０の外周に沿った方向をいう。この周方向との用語は、後述する実施形態の説明においても同様の意味である。この場合、光検出ユニット１４０は、光ファイバー１２０の延在方向または長手方向の同じ位置における曲がりの方向と曲がり量を測定し得る。

もちろん、前述の二つの例は組み合わされてもよい。つまり、光学特性変化部材１５０Ａ，１５０Ｂ，…，１５０Ｎは、いくつかが光ファイバー１２０の延在方向または長手方向の異なる位置に設けられ、いくつかが光ファイバー１２０の周方向の異なる位置に設けられていてもよい。

このような構成をしているため、本実施形態の光学式曲がり測定装置は、たとえば光ファイバーを一本しか設置できないような細い管や狭い場所に対しても、測定対象の複数の個所の特定方向の曲がり量、たとえば、特定の個所の曲がりの方向や複数の個所の曲がり量を測定することができる。

＜第二の実施形態＞
図２は、第二の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。図２に示されるように、光学式曲がり測定装置は、測定光を供給する光源ユニット２１０と、測定光を伝達する光伝達体たとえば光ファイバー２２０と、光ファイバー２２０から出る光を反射して光ファイバー２２０内に戻す反射部材２３０と、光ファイバー２２０の異なる複数の部分に設けられた複数の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃと、光ファイバー２２０から出力される光を検出する光検出ユニット２４０を有している。

光源ユニット２１０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）などの光源２１２と、光ファイバーに入射させる光の効率を向上させるための凸レンズなどの光学部材２１４を有している。

光ファイバー２２０は、一方の側に二つの端部２２０ａ，２２０ｂを有し、反対側に一つの端部２２０ｃを有している二分岐構造体で構成されている。光ファイバー２２０は、たとえば光量の比率を１：１に分岐する二分岐ファイバーで構成される。端部２２０ａは、光源ユニット２１０と光学的に結合されており、光源ユニット２１０から供給される光が端部２２０ａに入力される。端部２２０ａは、光検出ユニット２４０と光学的に結合されており、端部２２０ｂから出力される光が光検出ユニット２４０に入力される。端部２２０ｃは、反射部材２３０と光学的に結合されており、反射部材２３０は、端部２２０ｃから出力される光を反射して端部２２０ｃ内へ戻す。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂは、光ファイバー２２０の延在方向または長手方向に関して同じ位置に配置されている。光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂはまた、周方向に関して異なる位置に配置されている。たとえば、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂは、中心軸の周りに９０度異なる位置に配置されている。ここで、中心軸とは、光の伝搬経路の中心に沿って延びる仮想的な線を意味している。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｃは、光ファイバー２２０の延在方向または長手方向に関して異なる位置に配置され、周方向に関して異なる位置に配置されている。

図２には、三つの光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが設けられた例が示されているが、光学特性変化部材の個数は二つ以上いくつであってもよい。

各光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、光ファイバー２２０の延在方向または長手方向に延びており、これが設けられた光ファイバー２２０の部分の特定方向の曲がり量に応じて、これに入射した光に光学特性の変化を与える。たとえば、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｃは、それぞれ、これらが設けられた光ファイバー２２０の部分の上下向の曲がり量に応じて、これらに入射した光に光学特性の変化を与える。また光学特性変化部材２５０Ｂは、これが設けられた光ファイバー２２０の部分の左右方向の曲がり量に応じて、これに入射した光に光学特性の変化を与える。

さらに、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが光学特性の変化を与える光成分はそれぞれ異なっている。たとえば、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、それぞれ、波長λａ，λｂ，λｃの光成分に対して光学特性の変化を与える。

前記光検出ユニット２４０は、光ファイバー２２０の端部２２０ｂから出力される光を、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによってそれぞれ光学特性の変化を受けた光成分に分離する分離光学素子２４２と、分離光学素子２４２によって分離されたそれぞれの光成分の強度を検出する光検出器２４４を有している。

本構成では、光ファイバー２２０を二分岐ファイバーとしたが、反射部材２３０の位置に光検出器ユニット２４０を配置した構成でも同様の効果を得ることができる。

図３は、光検出ユニット２４０が検出する各光成分の強度の変化を示している。Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は、それぞれ、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂが設けられた光ファイバー２２０の部分が上下方向（上１下１方向）に曲げられたときの、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光の強度の変化を示している。また、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は、それぞれ、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂが設けられた光ファイバー２２０の部分が左右方向に曲げられたときの、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光の強度の変化を示している。Ａ３，Ｂ３，Ｃ３は、それぞれ、光学特性変化部材２５０Ｃが設けられた光ファイバー２２０の部分が上下方向（上２下２方向）に曲げられたときの、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光の強度の変化を示している。

図３からわかるように、たとえば、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂが設けられた光ファイバー２２０の部分が上下方向に曲げられたとき、光学特性変化部材２５０Ａによって光学特性の変化を受けた光だけが強度の変化を示し、他の光学特性変化部材２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受け得る光は強度の変化を示さない。光検出ユニット２４０は、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光成分ごとに分離して検出する。この場合であれば、光検出ユニット２４０は、光学特性変化部材２５０Ａによって光学特性の変化を受けた光の強度だけが変化していることから、光学特性変化部材２５０Ａが設けられた光ファイバー２２０の部分が上下方向に曲げられたことを検知し、さらに、その光の強度の変化量に基づいてその曲がり量を測定する。

つまり、光検出ユニット２４０は、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光成分ごとに分離して検出し、その検出光強度に基づいて光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが設けられた光ファイバー２２０の複数の部分の特定方向の曲がり量を独立に測定する。たとえば、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂによって光学特性の変化を受けた光成分が共に強度変化を示す場合、光検出ユニット２４０は、両者の比に基づいて曲がりの方向と曲がり量を測定する。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが与える光学特性の変化としては以下の例があげられる。

第一の例は、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが光を吸収することによる光強度の低下である。この場合、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、それぞれ、互いに異なる波長の光を吸収する光吸収部材で構成される。光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、それぞれ、それらが設けられた光ファイバーの部分の特定方向の曲がり量に応じて、互いに異なる特定の波長λａ，λｂ，λｃの光だけを吸収する。その結果、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃを経由した光は、その分、各波長の光成分の強度が低下する。

この場合、光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光を含む波長帯域の広い光たとえば白色光を供給する。または光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光が合成された光を供給する。または光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光を時分割で供給する。たとえば、光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光をそれぞれ時間間隔ｔａ，ｔｂ，ｔｃで繰り返し供給する。

また、光検出ユニット２４０の分離光学素子２４２は、光ファイバー２２０から出力される光を複数の波長λａ，λｂ，λｃの光に分離し、光検出器２４４は、分離光学素子２４２によって分離された複数の波長λａ，λｂ，λｃの光の強度をそれぞれ検知する。このような光検出器２４４は、たとえば、ＰＤを集積したチップであるラインセンサーやＣＣＤといったエリアセンサーなどで構成され得るが、これらに特に限定されるものではない。光の集光や反射防止などの効果を有する光学コートが施してあると、より好適である。また分離光学素子２４２は、たとえば、ブレーズミラーなどの分光特性を有する素子で構成され得る。また、光源ユニット２１０が時分割で光を供給する構成であれば、ミラーの角度を変えて複数の波長λａ，λｂ，λｃの光をそれぞれ別の光電変換素子に方向付ける素子で構成されてもよい。

図４に示されるように、たとえば、光ファイバー２２０は、中心に延びるコア２２２と、その周囲に配置されたクラッド２２４とで構成されている。光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂは、光ファイバー２２０のコア２２２に接するようにクラッド２２４の中に配置されている。図４には、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂだけが図示され、光学特性変化部材２５０Ｃは図示されていないが、光学特性変化部材２５０Ｃの配置形態も同様である。

光学特性変化部材の構成はさまざまな形態で最適化が図られてもよい。たとえば、光ファイバー２２０の中心軸の周りに９０度異なる位置に二つの光学特性変化部材を配置する構成では、図４の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂに代えて、図５に示されるように、それらよりも周方向の寸法が短い光学特性変化部材２５２Ａ，２５２Ｂが設けられてもよい。この場合、曲がり量の検出感度は低下するが、曲がりの方向の検出感度は向上する。

また、供給される各波長の光の強度の違いや各光学特性変化部材の材質の光吸収度の違いなどを考慮して、図６に示されるように、光ファイバー２２０の長手方向の寸法が異なる光学特性変化部材２６２，２６４，２６６が光ファイバー２２０に設けられてもよい。また、各光学特性変化部材は、単一の部材で構成される必要はなく、図７に示されるように、複数の要素から成る光学特性変化部材２７２，２７４が光ファイバー２２０に設けられてもよい。

そのほか、特定の二方向の曲がり量だけを測定できさえすればよいのであれば、偏光を利用して検出することも可能である。この場合、二つの曲がり方向を横切る光ファイバー２２０の周方向の異なる位置に光吸収部材を配置し、二つの曲がり方向の両方に非平行な直線偏光を光源ユニット２１０から供給する。直線偏光は、二つの曲がり方向成分がそれぞれの光吸収部材によって、光ファイバー２２０のその部分の曲がり量に応じて吸収される。光検出ユニット２４０は、直線偏光の二つの曲がり方向成分を分離して検出することにより、光ファイバー２２０の二方向の曲がり量を独立に測定する。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが与える光学特性の変化の第二の例は波長変換である。この場合、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、それぞれ、入射光を互いに異なる別の波長の光に変換する波長変換部材たとえば蛍光体で構成される。光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、測定光を受光して、測定光の波長とそれぞれ異なる波長の光を発生する。光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、異なる波長の光を受光して異なる波長の光をそれぞれ発生しても、同じ波長の光を受光して異なる波長の光をそれぞれ発生してもよい。つまり、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、波長λａ，λｂ，λｃの光を受光して、それぞれ、波長λａ’，λｂ’，λｃ’の光を発生してもよいし、あるいは、波長λ０の光を受光して、それぞれ、波長λａ’，λｂ’，λｃ’の光を発生してもよい。

この場合、光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光を含む波長帯域が広い光たとえば白色光を供給する。または光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光が合成された光を供給する。または光源ユニット２１０は、複数の波長λａ，λｂ，λｃの光を時分割で供給する。あるいは、光源ユニット２１０は、単一の波長λ０の光またはそれを含む光を供給する。

ここで、波長λａ，λｂ，λｃ，λａ’，λｂ’，λｃ’，λ０の光とは、それらの単一波長の光を意味しているわけでなく、それらの波長を中心波長として波長の広がりを有する光を意味している。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃはいずれも、変換された波長λａ’，λｂ’，λｃ’の光（特に中心波長付近の光）を吸収しない吸収特性を有している。

一例として、光学特性変化部材２５０Ｂの好適な吸収特性と不適切な吸収特性を、それぞれ、波長λ０，λａ’，λｂ’の光と一緒に図８と図９に示す。

図８に示される光学特性変化部材２５０Ｂの好適な吸収特性２８２は、光学特性変化部材２５０Ａから発生される波長λａ’の光Ｌａ’と重なっていないので、光学特性変化部材２５０Ｂは、波長λ０の光Ｌ０を吸収して波長λｂ’の光Ｌｂ’を発生するが、波長λａ’の光Ｌａ’を吸収して波長λｂ’の光Ｌｂ’を発生することはない。

一方、図９に示される光学特性変化部材２５０Ｂの不適切な吸収特性２８４は、波長λａ’を超えて延びており、光学特性変化部材２５０Ａから発生される波長λａ’の光Ｌａ’と相当に重なっている。このため、光学特性変化部材２５０Ｂは、波長λ０の光Ｌ０を吸収して波長λｂ’の光Ｌｂ’を発生するほかに、波長λａ’の光Ｌａ’を吸収して波長λｂ’の光Ｌｂ’を発生してしまう。その結果、光学特性変化部材２５０Ａの曲がり量を正確に求めることが困難になってしまう。

ここでは、光学特性変化部材２５０Ｂの吸収特性についてだけ述べたが、他の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｃの吸収特性についても同様である。すなわち、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃの吸収特性はいずれも、実質的に波長λａ’，λｂ’，λｃ’の光と重なっていない。

また、光検出ユニット２４０は、検出する光の波長がλａ，λｂ，λｃからλａ’，λｂ’，λｃ’に変わる設計変更を除いては、光吸収部材の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃに適用された構成が採用され得る。

波長変換部材の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃもまた、光吸収部材の光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃと同様に、図５〜図７を参照して説明した前述の手法によって最適化が図られてもよい。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃが与える光学特性の変化の別の例は位相情報の変化であってもよい。この場合、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、それぞれ、それらが設けられた光ファイバーの部分の特定方向の曲がり量に応じて、互いに異なる波長の光の位相情報を変化させる。

光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃは、図４において、光ファイバー２２０のクラッド２２４の中に配置されている例を示したが、光学特性変化部材２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃの配置形態は、これに限定されるものではなく、同等の構造体を構成しさえすればよく、さまざまな他の配置形態が適用されてもよい。図１０〜図１２は、そのような他の配置形態を示している。図１０に示される例では、光学特性変化部材２５４Ａがクラッド２２４と同じまたはそれ以上の厚さを有し、その外側にクラッド２２４の補助層２２６が設けられていてもよい。また、補助層２２６の機能を空気に任せて補助層２２６が省かれてもよい。図１１に示される例では、光学特性変化部材２５６Ａ，２５６Ｂが、光ファイバー２２０のクラッド２２４に接するようにコア２２２の中に配置されている。図１２に示される例では、光学特性変化部材２５８Ａ，２５８Ｂが、光ファイバー２２０のコア２２２とクラッド２２４の両方にまたがるように配置されている。

このような構成をしているため、本実施形態の光学式曲がり測定装置は、たとえば光ファイバーを一本しか設置できないような細い管や狭い場所に対しても、測定対象の複数の個所の特定方向の曲がり量、たとえば、特定の個所の曲がりの方向や複数の個所の曲がり量を測定することができる。

＜第三の実施形態＞
図１３は、第三の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。図１３に示されるように、光学式曲がり測定装置は、測定光を供給する光源ユニット３１０と、測定光を伝達する光伝達体たとえば光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂと、光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂから出る光を反射して光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂ内に戻す反射部材３３０と、光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂの異なる複数の部分に設けられた複数の光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂと、光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂから出力される光を検出する光検出ユニット３４０を有している。

光ファイバー３２０Ａ，３２０Ｂは、二分岐構造の光ファイバー３２０Ａと、非分岐構造の光ファイバー３２０Ｂとを有している。光学特性変化部材３５０Ａは、二分岐構造体の光ファイバー３２０Ａと非分岐構造体の光ファイバー３２０Ｂの間に配置され、光学特性変化部材３５０Ｂは、非分岐構造体の光ファイバー３２０Ｂと反射部材３３０の間に配置されている。

さらに光学式曲がり測定装置は、非分岐構造体の光ファイバー３２０Ｂと、それの二分岐構造体の光ファイバー３２０Ａの側に位置する光学特性変化部材３５０Ａとの間に配置された反射伝達部材３６０をさらに備えている。反射伝達部材３６０は、それよりも二分岐構造体の光ファイバー３２０Ａの側に位置する光学特性変化部材３５０Ａによって光学特性の変化を受けた光を反射し、それよりも反射部材３３０の側に位置する光学特性変化部材３５０Ｂによって光学特性の変化を受け得る光を透過する。

二分岐構造の光ファイバー３２０Ａと非分岐構造の光ファイバー３２０Ｂは光学特性変化部材３５０Ａと反射伝達部材３６０を介して接続されている。また、非分岐構造の光ファイバー３２０Ｂと反射部材３３０は光学特性変化部材３５０Ｂを介して接続されている。

二分岐構造の光ファイバー３２０Ａの構成は、第二の実施形態の光ファイバー２２０と同様である。また、光源ユニット３１０の構成と光検出ユニット３４０の構成は、それぞれ、第二の実施形態の光源ユニット２１０の構成と光検出ユニット２４０と同様である。さらに、二分岐構造の光ファイバー３２０Ａと光源ユニット３１０の構成と光検出ユニット３４０の相互間の関係も同様である。つまり、二分岐構造の光ファイバー３２０Ａの一つの端部は光源ユニット３１０と光学的に結合され、別の一つの端部は光検出ユニット３４０と光学的に結合されている。また、残る一つの端部は、光学特性変化部材３５０Ａと反射伝達部材３６０と非分岐構造の光ファイバー３２０Ｂと光学特性変化部材３５０Ｂを介して、反射部材３３０と光学的に結合されている。

たとえば、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂは光吸収部材で構成される。光源ユニット３１０は、それぞれ、波長λａ，λｂの光またはそれらを含む光を供給する。光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂは、それぞれ、それらの曲がり量に応じて波長λａ，λｂの光を吸収する。その結果、波長λａ，λｂの光の強度が減少する。波長λａの光は、反射伝達部材３６０によって反射されて光検出ユニット３４０へ向かう。また波長λｂの光は、反射部材３３０によって反射されて光検出ユニット３４０へ向かう。光検出ユニット３４０は、第二の実施形態で説明した手法によって、波長λａ，λｂの光を分離して検出して、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂの曲がり量を独立に測定する。

あるいは、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂは波長変換部材で構成されてもよい。その場合、たとえば、光源ユニット３１０は、波長λａ，λｂの光またはそれらを含む光を供給し、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂは、それぞれ、それらの曲がり量に応じて波長λａ’，λｂ’の光を発生する。あるいは、光源ユニット３１０は、λ０の光またはそれを含む光を供給し、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂは、それぞれ、それらの曲がり量に応じて波長λａ’，λｂ’の光を発生してもよい。波長λａ’の光は、反射伝達部材３６０によって反射されて光検出ユニット３４０へ向かう。また波長λｂ’の光は、反射部材３３０によって反射されて光検出ユニット３４０へ向かう。光検出ユニット３４０は、第二の実施形態で説明した手法によって、波長λａ’，λｂ’の光を分離して検出して、光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂの曲がり量を独立に測定する。光学特性変化部材３５０Ａ，３５０Ｂが波長変換部材で構成されるこの例では、反射伝達部材３６０は省略されてもよい。

このような構成をしているため、本実施形態の光学式曲がり測定装置は、たとえば光ファイバーを一本しか設置できないような細い管や狭い場所に対しても、測定対象の複数の個所の特定方向の曲がり量、たとえば、特定の個所の曲がりの方向や複数の個所の曲がり量を測定することができる。

＜第四の実施形態＞
図１４は、第四の実施形態による光学式曲がり測定装置の概略構成を示している。図１４に示されるように、光学式曲がり測定装置は、測定光を供給する光源ユニット４１０と、測定光を伝達する光伝達体たとえば光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃと、光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃから出る光を反射して光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃ内に戻す反射部材４３０と、光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃの異なる複数の部分に設けられた複数の光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃと、光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃから出力される光を検出する光検出ユニット４４０を有している。

光ファイバー４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃは、二分岐構造の光ファイバー４２０Ａと、非分岐構造の光ファイバー４２０Ｂ，４２０Ｃとを有している。光学特性変化部材４５０Ａは、二分岐構造体の光ファイバー４２０Ａと非分岐構造体の光ファイバー４２０Ｂの間に配置され、光学特性変化部材４５０Ｂは、非分岐構造体の光ファイバー４２０Ｂ，４２０Ｃの間に配置され、光学特性変化部材４５０Ｃは、非分岐構造体の光ファイバー４２０Ｃと反射部材４３０の間に配置されている。

さらに光学式曲がり測定装置は、各非分岐構造体の光ファイバー４２０Ｂ，４２０Ｃと、それの二分岐構造体の光ファイバー４２０Ａの側に位置する光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂとの間に配置された反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂをさらに備えている。各反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂは、入射光を部分的に反射し部分的に透過する。

二分岐構造の光ファイバー４２０Ａと非分岐構造の光ファイバー４２０Ｂは光学特性変化部材４５０Ａと反射伝達部材４６０Ａを介して接続され、非分岐構造の光ファイバー４２０Ｂ，４２０Ｃは光学特性変化部材４５０Ｂと反射伝達部材４６０Ｂを介して接続されている。また、非分岐構造の光ファイバー４２０Ｃと反射部材４３０は光学特性変化部材４５０Ｃを介して接続されている。

二分岐構造の光ファイバー４２０Ａの構成は、第二の実施形態の光ファイバー２２０と同様である。二分岐構造の光ファイバー４２０Ａの一つの端部は光源ユニット４１０と光学的に結合され、別の一つの端部は光検出ユニット４４０と光学的に結合されている。また、残る一つの端部は、光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃと反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂと光ファイバー４２０Ｂ，４２０Ｃを介して、反射部材４３０と光学的に結合されている。

たとえば、光源ユニット４１０は、単一の波長のパルス状の測定光を供給する。光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃは、測定光を吸収する光吸収部材で構成され、それぞれ、それらの曲がり量に応じて測定光を吸収する。その結果、測定光の強度が減少する。光源ユニット４１０から供給された測定光の一部Ｌ１は、反射伝達部材４６０Ａによって反射されて光検出ユニット４４０へ向かう。測定光の別の一部Ｌ２は、反射伝達部材４６０Ａを通過した後、反射伝達部材４６０Ｂによって反射されて光検出ユニット４４０へ向かう。測定光のまた別の一部Ｌ３は、反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂを通過した後、反射部材４３０によって反射されて光検出ユニット４４０へ向かう。

反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂと反射部材４３０によって反射された光が光検出ユニット４４０に到達する時刻はそれぞれ異なる。光検出ユニット４４０は、反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂと反射部材４３０によって反射された光を、時間に基づいて分離して検出して、光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃの曲がり量を独立に測定する。

図１５は、時刻ｔ０において光源ユニット４１０から供給される測定光の強度と、各時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において光検出ユニット４４０によって検出される光の強度を示している。光検出ユニット４４０は、時刻ｔ１において反射伝達部材４６０Ａによって反射された光を検出し、時刻ｔ２において反射伝達部材４６０Ｂによって反射された光を検出し、時刻ｔ３において反射部材４３０によって反射された光を検出する。

光検出ユニット４４０は、時刻ｔ１における検出光の強度に基づいて、光学特性変化部材４５０Ａの曲がり量を算出する。また、時刻ｔ２における検出光の強度に基づいて、光学特性変化部材４５０Ｂの曲がり量を算出する。その際には、光学特性変化部材４５０Ａの曲がり量の影響を減算する。さらに、時刻ｔ３における検出光の強度に基づいて、光学特性変化部材４５０Ｃの曲がり量を算出する。その際には、光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂの曲がり量の影響を減算する。

光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃは波長変換部材で構成されてもよい。その場合、反射伝達部材４６０Ａ，４６０Ｂは省略されてもよい。

このような構成をしているため、本実施形態の光学式曲がり測定装置は、たとえば光ファイバーを一本しか設置できないような細い管や狭い場所に対しても、測定対象の複数の個所の特定方向の曲がり量、たとえば、特定の個所の曲がりの方向や複数の個所の曲がり量を測定することができる。また、光検出ユニット４４０は、光学特性変化部材４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃによって光学特性の変化を受けた光を時間に基づいて分離して検出しており、分離光学素子を必要としないので安価に構成され得る。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。

１１０…光源ユニット、１２０…光ファイバー、１４０…光検出ユニット、１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ…光学特性変化部材、２１０…光源ユニット、２１２…光源、２１４…光学部材、２２０…光ファイバー、２２２…コア、２２４…クラッド、２２６…補助層、２３０…反射部材、２４０…光検出ユニット、２４２…分離光学素子、２４４…光検出器、２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃ，２５２Ａ，２５２Ｂ，２５４Ａ，２５６Ａ，２５６Ｂ，２５８Ａ，２５８Ｂ，２６２，２６４，２６６，２７２，２７４…光学特性変化部材、２８２…好適な吸収特性、２８２…不適切な吸収特性、３１０…光源ユニット、３２０Ａ，３２０Ｂ…光ファイバー、３３０…反射部材、３４０…光検出ユニット、３５０Ａ，３５０Ｂ…光学特性変化部材、３６０…反射伝達部材、４１０…光源ユニット、４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃ…光ファイバー、４３０…反射部材、４４０…光検出ユニット、４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃ…光学特性変化部材、４６０Ａ，４６０Ｂ…反射伝達部材、５０１…コア部、５０２…クラッド部、５０３…光吸収部、５０４…光線、５０５…光線、５０６…光線、５０８…レール、５０９…光ファイバー束、５１０…レーザー光源、５１１…光電変換装置。

Claims (13)

1. 測定光を供給する光源ユニットと、
   前記測定光を伝達する光伝達体と、
   前記光伝達体から出射する光を反射して前記光伝達体に戻す反射部材と、
   前記光伝達体の延在方向の一部に設けられた複数の光学特性変化部材であって、前記光伝達体の周方向の異なる複数の位置に設けられた複数の光学特性変化部材と、
   前記光伝達体から出力される光を検出する光検出ユニットを備え、
   各光学特性変化部材は、これが設けられた前記光伝達体の部分の特定方向の曲がり量に応じてこれに入射した光に対して光学特性変化部材ごとに対応づけられた光成分の強度を波長を変えることなく低下させ、
   前記光検出ユニットは、光学特性の変化を受けた光を前記光成分ごとに分離して検出し、その分離された前記光成分ごとの検出光強度に基づいて前記光伝達体の複数の部分の曲がりの方向と曲がり量を独立に測定する光学式曲がり測定装置。
2. 前記複数の光学特性変化部材は、前記光伝達体の延在方向の異なる位置に設けられている、請求項１に記載の光学式曲がり測定装置。
3. 前記複数の光学特性変化部材は、それぞれ、互いに異なる波長の光を吸収する、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
4. 前記光源ユニットは、前記複数の光学特性変化部材がそれぞれ光学特性の変化を与える複数の波長の光成分を含む波長帯域の広い光を供給する、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
5. 前記光源ユニットは、前記複数の光学特性変化部材がそれぞれ光学特性の変化を与える複数の波長の光が合成された光を供給する、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
6. 前記光源ユニットは、前記複数の光学特性変化部材がそれぞれ光学特性の変化を与える複数の波長の光を時分割で供給する、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
7. 前記光検出ユニットは、前記光伝達体から出力される光を複数の波長の光に分離する分離光学素子と、前記分離光学素子によって分離された前記複数の波長の光の強度をそれぞれ検知する光検出器とを備えている、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
8. 前記光伝達体は、一方の側に第一の端部と第二の端部を有し、反対側に第三の端部を有している二分岐構造体を有し、前記第一の端部は、前記光源ユニットと光学的に結合され、前記第二の端部は、前記光検出ユニットと光学的に結合されており、
   前記光学式曲がり測定装置は、前記第三の端部と光学的に結合された、前記光伝達体から出る光を反射して前記光伝達体内へ戻す前記反射部材を備えている、請求項１または２に記載の光学式曲がり測定装置。
9. 前記光伝達体は、前記二分岐構造体と前記反射部材の間に配置された非分岐構造体をさらに有し、前記光学特性変化部材は、前記二分岐構造体と前記非分岐構造体の間と、前記非分岐構造体と前記反射部材の間に配置されている、請求項８に記載の光学式曲がり測定装置。
10. 前記光伝達体は、前記二分岐構造体と前記反射部材の間に配置された複数の非分岐構造体をさらに有し、前記光学特性変化部材は、前記二分岐構造体と前記非分岐構造体の一つの間と、前記非分岐構造体の相互間と、前記非分岐構造体の一つと前記反射部材の間に配置されている、請求項８に記載の光学式曲がり測定装置。
11. 各非分岐構造体と、それの前記二分岐構造体の側に位置する光学特性変化部材との間に配置された少なくとも一つの反射伝達部材をさらに備え、
    各反射伝達部材は、それよりも前記二分岐構造体の側に位置する光学特性変化部材によって光学特性の変化を受けた光を反射し、それよりも前記反射部材の側に位置する光学特性変化部材によって光学特性の変化を受け得る光を透過する、請求項９または１０に記載の光学式曲がり測定装置。
12. 前記光源ユニットは、パルス状の測定光を供給し、前記光検出ユニットは、時間に基づいて光学特性の変化を受けた光を分離して検出し、前記光伝達体の複数の部分の曲がり量を独立に検出する、請求項９または１０に記載の光学式曲がり測定装置。
13. 各非分岐構造体と、それの前記二分岐構造体の側に位置する光学特性変化部材との間に配置された、入射光を部分的に反射し部分的に透過する少なくとも一つの反射伝達部材をさらに備えている、請求項１２に記載の光学式曲がり測定装置。

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