JP6656914B2 - Detector, interrogator, and strain detection system - Google Patents
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本発明は、ファイバブラッググレーティング(FBG)センサ用の検出装置及びインテロゲータ、並びにFBGセンサを含むひずみ検出システムに関する。 The present invention relates to a detection device and an interrogator for a fiber Bragg grating (FBG) sensor, and a strain detection system including the FBG sensor.
温度やひずみの変化を光を用いて検出する光ファイバセンサの一つとして、FBGセンサが知られている。FBGセンサは、円筒状のコアと、コアの一部に形成されたファイバブラッググレーティングとを有する。ファイバブラッググレーティングにおいては、コアの屈折率はコアの軸方向に周期的に変化している。 An FBG sensor is known as one of optical fiber sensors that detect changes in temperature and strain using light. The FBG sensor has a cylindrical core and a fiber Bragg grating formed on a part of the core. In a fiber Bragg grating, the refractive index of the core changes periodically in the axial direction of the core.
FBGセンサのコアに軸方向の一方から入射した光のうち、所定の波長(中心波長)を有する光はファイバブラッググレーティングにより反射されて戻り光となり、その他の波長成分を有する光はファイバブラッググレーティングを通過する。そして、FBGセンサにひずみや温度変化が生じると、ファイバブラッググレーティングの周期が変化し、ファイバブラッググレーティングによって反射される戻り光の波長は中心波長からシフトする。したがってFBGセンサに広帯域光を入射し、戻り光の波長の中心波長からのシフト量を計測することでFBGセンサに生じた温度やひずみの変化を検知することができる。 Of the light that has entered the core of the FBG sensor from one side in the axial direction, light having a predetermined wavelength (center wavelength) is reflected by the fiber Bragg grating to be return light, and light having other wavelength components is reflected by the fiber Bragg grating. pass. When strain or temperature change occurs in the FBG sensor, the period of the fiber Bragg grating changes, and the wavelength of the return light reflected by the fiber Bragg grating shifts from the center wavelength. Therefore, a change in temperature or strain generated in the FBG sensor can be detected by inputting broadband light to the FBG sensor and measuring a shift amount of the wavelength of the return light from the center wavelength.
また、異なる中心波長を持つ複数のFBGセンサを1本の光ファイバ内に直列に組み込んで、複数の位置における温度やひずみの変化を1本の光ファイバを介して検知することも行われている。FBGセンサは、具体的には例えば、空港や港湾、プラント等のフェンスの乗り越えや不法侵入を検知する侵入検知システムや、ダム、河川、下水道などの水位をリアルタイムに監視する水位監視システム、航空・宇宙用の圧力計測システム等に活用されている。 In addition, a plurality of FBG sensors having different center wavelengths are incorporated in series in one optical fiber, and changes in temperature and strain at a plurality of positions are detected through one optical fiber. . Specifically, the FBG sensor is, for example, an intrusion detection system that detects overbreaks or illegal intrusions of airports, ports, plants, etc., a water level monitoring system that monitors the water level of dams, rivers, sewers, etc. in real time, It is used for pressure measurement systems for space.
特許文献1は、FBGセンサからの反射光をファイバ状のひずみ計測用光学フィルタで透過光と反射光に分離し、透過光の強度と反射光の強度との和及び差に基づいて戻り光の波長を求めるFBGセンシング装置を開示している。特許文献2は、直列に接続された複数のFBGセンサを用いた多点計測の例を示している。
FBGセンサからの戻り光を分析する検出装置はコンパクトであることが望ましい。特に、複数のFBGセンサからの戻り光を分析する検出装置は構成が複雑となり大型化する傾向があるため、これをコンパクトな構成とすることが望まれる。 It is desirable that the detection device for analyzing the return light from the FBG sensor be compact. In particular, since a detection device for analyzing return light from a plurality of FBG sensors has a complicated configuration and tends to be large, it is desired that the detection device has a compact configuration.
本発明の目的の一つは、FBGセンサからの戻り光の波長を検出するためのコンパクトな検出装置、並びに該検出装置を備えるインテロゲータ及びひずみ検出システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a compact detection device for detecting the wavelength of the return light from the FBG sensor, and an interrogator and a strain detection system including the detection device.
本発明の第1の態様に従えば、
光ファイバ内に直列に配置された複数のFBGセンサからの複数の戻り光の波長をそれぞれ検出するための検出装置であって、
前記複数の戻り光を複数の光線に分割するビームスプリッタと、
前記複数の光線の各々を透過光と反射光に分離する光分離面、及び前記透過光又は前記反射光を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面を各々有する複数のプリズムと、
前記複数のプリズムからの前記透過光をそれぞれ受光する複数の透過光受光部と、
前記複数のプリズムからの前記反射光をそれぞれ受光する複数の反射光受光部とを備え、
前記複数のプリズムの前記光分離面の透過率は、互いに異なる波長幅の領域で変化している検出装置が提供される。
According to a first aspect of the present invention,
A detection device for respectively detecting the wavelengths of a plurality of return lights from a plurality of FBG sensors arranged in series in an optical fiber,
A beam splitter that divides the plurality of return lights into a plurality of light beams,
A plurality of light separation surfaces each of which separates each of the plurality of light beams into transmitted light and reflected light, and a plurality of reflection surfaces each of which reflects the transmitted light or the reflected light and makes the transmitted light and the reflected light substantially parallel to each other; And the prism of
A plurality of transmitted light receiving units that respectively receive the transmitted light from the plurality of prisms,
A plurality of reflected light receiving units that respectively receive the reflected light from the plurality of prisms,
A detection device is provided in which the transmittance of the light separating surface of the plurality of prisms changes in regions having different wavelength widths.
第1の態様の検出装置において、前記複数の透過光受光部及び前記複数の反射光受光部のうち、前記複数のプリズムの各々からの一対の前記透過光及び前記反射光を受光する一対の透過光受光部及び反射光受光部は、それぞれ同一平面上に配置されていてもよい。 In the detection device according to the first aspect, a pair of transmissions that receive a pair of the transmitted light and the reflected light from each of the plurality of prisms among the plurality of transmitted light receiving units and the plurality of reflected light receiving units. The light receiving unit and the reflected light receiving unit may be respectively arranged on the same plane.
第1の態様の検出装置において、前記一対の透過光受光部及び反射光受光部は、単一の光検出器の単一の受光面上に画成されていてもよい。 In the detection device according to the first aspect, the pair of transmitted light receiving units and reflected light receiving units may be defined on a single light receiving surface of a single photodetector.
第1の態様の検出装置において、前記複数のプリズムの光分離面にはそれぞれ誘電体多層膜が設けられていてもよく、前記光分離面の各々の透過率の変化は直線的であってもよい。 In the detection device according to the first aspect, a dielectric multilayer film may be provided on each of the light separating surfaces of the plurality of prisms, and a change in transmittance of each of the light separating surfaces may be linear. Good.
第1の態様の検出装置において、前記複数のプリズムが一体に接合されていてもよい。 In the detection device according to the first aspect, the plurality of prisms may be integrally joined.
第1の態様の検出装置において、前記ビームスプリッタは波長分割面を含んでもよく、前記複数の戻り光を複数の光線に波長分割してもよい。 In the detection device according to the first aspect, the beam splitter may include a wavelength division surface, and the plurality of return lights may be wavelength-divided into a plurality of light beams.
第1の態様の検出装置は、前記複数の戻り光をP偏光とS偏光に分離し、前記P偏光を前記ビームスプリッタへ入射する偏光分離面を更に備えても良い。 The detection device according to the first aspect may further include a polarization separation surface that separates the plurality of return lights into P-polarized light and S-polarized light, and that enters the P-polarized light into the beam splitter.
第1の態様の検出装置において、前記偏光分離面はプリズム内に形成されていてもよく、前記ビームスプリッタはプリズムとして形成されていてもよく、前記ビームスプリッタと、前記偏光分離面が形成されたプリズムと、前記複数のプリズムと、前記複数の透過光受光部と、前記複数の反射光受光部とが一体に接合されていてもよい。 In the detection device according to the first aspect, the polarization separation surface may be formed in a prism, the beam splitter may be formed as a prism, and the beam splitter and the polarization separation surface are formed. The prism, the plurality of prisms, the plurality of transmitted light receiving units, and the plurality of reflected light receiving units may be integrally joined.
本発明の第2の態様に従えば、
FBGセンサに広帯域光を照射する光源と、
第1の態様の検出装置と、
前記複数の透過光受光部と前記複数の反射光受光部からの検出信号に基づいて前記複数の戻り光の波長をそれぞれ算出する算出部とを備えるインテロゲータが提供される。
According to a second aspect of the present invention,
A light source for irradiating the FBG sensor with broadband light;
A detection device according to the first aspect,
An interrogator is provided, comprising: a plurality of transmitted light receiving units; and a calculating unit that calculates respective wavelengths of the plurality of return lights based on detection signals from the plurality of reflected light receiving units.
本発明の第3の態様に従えば、
FBGセンサからの戻り光の波長を検出するための検出装置であって、
前記戻り光を透過光と反射光とに分離する光分離面と、
前記透過光又は前記反射光の一方を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面と、
前記光分離面からの前記透過光を受光する透過光受光部と、
前記光分離面からの前記反射光を受光する反射光受光部とを備え、
前記光分離面の透過率が所定の波長幅の領域で変化している検出装置が提供される。
According to a third aspect of the present invention,
A detection device for detecting the wavelength of the return light from the FBG sensor,
A light separating surface for separating the return light into transmitted light and reflected light,
A reflecting surface that reflects one of the transmitted light or the reflected light to make the transmitted light and the reflected light substantially parallel,
A transmitted light receiving unit that receives the transmitted light from the light separation surface,
A reflected light receiving unit that receives the reflected light from the light separation surface,
A detection device is provided in which the transmittance of the light separation surface changes in a region of a predetermined wavelength width.
第3の態様の検出装置において、前記透過光受光部と前記反射光受光部とが同一平面上に配置されていてもよい。 In the detection device according to a third aspect, the transmitted light receiving unit and the reflected light receiving unit may be arranged on the same plane.
第3の態様の検出装置において、前記透過光受光部及び前記反射光受光部は、単一の光検出器の単一の受光面上に画成されていてもよい。 In the detection device according to the third aspect, the transmitted light receiving unit and the reflected light receiving unit may be defined on a single light receiving surface of a single photodetector.
第3の態様の検出装置において、前記光分離面と前記反射面とが同一のプリズム内に画成されていてもよい。 In the detection device according to the third aspect, the light separation surface and the reflection surface may be defined in the same prism.
本発明の第4の態様に従えば、
FBGセンサに広帯域光を照射する光源と、
第3の態様の検出装置と、
前記透過光受光部と前記反射光受光部からの検出信号に基づいて前記戻り光の波長を算出する算出部とを備えるインテロゲータが提供される。
According to a fourth aspect of the present invention,
A light source for irradiating the FBG sensor with broadband light;
A detection device according to a third aspect,
There is provided an interrogator including: the transmitted light receiving unit; and a calculating unit that calculates a wavelength of the return light based on a detection signal from the reflected light receiving unit.
第2の態様又は第4の態様のインテロゲータにおいて、前記算出部は、前記算出結果に基づいて前記FGBセンサのひずみ量を求めてもよい。 In the interrogator according to the second aspect or the fourth aspect, the calculation unit may obtain a strain amount of the FGB sensor based on the calculation result.
本発明の第5の態様に従えば、
FBGセンサと、
第2の態様又は第4の態様のインテロゲータとを備えるひずみ検出システムが提供される。
According to a fifth aspect of the present invention,
An FBG sensor,
A strain detection system comprising the interrogator of the second aspect or the fourth aspect is provided.
本発明によれば、FBGセンサからの戻り光の波長を検出するためのコンパクトな検出装置、並びに該検出装置を備えるインテロゲータ及びひずみ検出システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a compact detection device for detecting the wavelength of return light from the FBG sensor, and an interrogator and a strain detection system including the detection device.
<実施形態>
本発明の実施形態のインテロゲータについて、図1〜図8を参照して説明する。
<Embodiment>
An interrogator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示す通り、本実施形態のインテロゲータ100は、光源10と、カプラ20と、検出部(検出装置)30と、算出部40とを主に有する。
As shown in FIG. 1, the
光源10は、掃引型レーザや、掃引型レーザの波長範囲をカバーするような広帯域光源であり、限定はされないが、本実施形態では約1520nm〜約1580nm程度の波長の光を照射する。
The
カプラ20は、2本の光ファイバを融着した1×2カプラであり、第1の端部が光ファイバOF1を介して光源10と、第3の端部が光ファイバOF3を介して検出部30と接続されている。また第2の端部から延びる光ファイバOF2には、複数のFBGセンサ201、202、203が直列に組み込まれている。
The
カプラ20は、光源10からの光をFBGセンサ201、202、203に送ると共に、光ファイバOF2内で重畳されたFBGセンサ201、202、203の各々からの戻り光を検出部30に送る。カプラ20は市販の光ファイバカプラを使用することができる。
The
検出部30は、図2、図3、図4に示す通り、光ファイバOF3と検出部30の光ファイバ31aを接続するフェルール31と、フェルール31及び光ファイバ31aを介して検出部30に入射された光をP偏光とS偏光とに分離する偏光プリズム32と、偏光プリズム32からのP偏光を、異なる波長帯域に属する3つの光に分離(分割)するビームスプリッタ33と、ビームスプリッタ33から出射される3つの光の各々を透過光と反射光に分離して平行に出射するフィルタプリズム34を主に備える。検出部30は更に、フィルタプリズム34から出射される3対の平行光の各々を受光する第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3を備える。第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3は、この実施形態ではフォトダイオードが使われる。
As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the
以下では、光ファイバ31aから出射される光の進行方向を「検出部の光軸方向」又は単に「光軸方向」と呼ぶ。
Hereinafter, the traveling direction of the light emitted from the
偏光プリズム32は光ファイバ31aからの出射光をP偏光とS偏光とに分離する偏光ビームスプリッタであり、本実施形態では、偏光フィルタとして機能する偏光膜32fを挟んで直角プリズムを2つ組み合せたキューブ形のプリズムである。2つの直角プリズムの、偏光膜32fが介在された接合面は偏光分離面である。
The
偏光プリズム32の偏光膜32fは、検出部30の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように、垂直方向に沿って設けられている。これにより、光ファイバ31aからの出射光は、偏光膜32fに対して45°の入射角で入射し、偏光膜32fを透過して光軸方向に進むP偏光と、偏光膜32fに反射されて光軸方向に直交する水平方向に進むS偏光とに分離される(図2、図4参照)。
The
ビームスプリッタ33は、偏光プリズム32から出射されるP偏光を、波長約1540nm未満の光、波長約1540nm以上、約1560nm未満の光、及び波長約1560nm以上の光に分離する。本実施形態では、ビームスプリッタ33は1つの直角プリズムと2つの平行四辺形プリズムにより構成された複合プリズムであり、第1の平行四辺形プリズムPPAL1の一対の側面の一方に直角プリズムPRECの斜面が、他方に第2の平行四辺形プリズムPPAL2の側面が接合されている。直角プリズムPRECと第1の平行四辺形プリズムPPAL1との接合面(波長分割面)には、波長約1540nm未満の光を透過するローパスフィルタとして機能する第1膜33f1が介在されている。第1の平行四辺形プリズムPPAL1と第2の平行四辺形プリズムPPAL2との接合面(波長分割面)には、波長約1560nm以上の光を透過するハイパスフィルタとして機能する第2膜33f2が介在されている。第2の平行四辺形プリズムPPAL2の接合面と対向する面は反射面33rである。
The
ビームスプリッタ33の第1膜33f1は、検出部30の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように、水平方向に沿って設けられている。また、第2膜33f2及び反射面33rは、第1膜33f1と平行に設けられている。
The first film 33f1 of the
偏光プリズム32から出射されたP偏光は、第1膜33f1に対して45°の入射角で入射し、第1膜33f1を透過して光軸方向に進む透過光と、第1膜33f1に反射されて光軸方向に直交する垂直方向に進む反射光とに分離される。第1膜33f1は波長約1540nm未満の光を透過するため、透過光の波長帯域は約1540nm未満であり、反射光の波長帯域は約1540nm以上である。
The P-polarized light emitted from the
第1膜33f1に反射された反射光は、第2膜33f2に対して45°の入射角で入射し、第2膜33f2に反射されて光軸方向に進む反射光と、第2膜33f2を通過して垂直方向に進む透過光とに分離される。第2膜33f2は波長約1560nm以上の光を透過し、波長約1560nm未満の光を反射するため、反射光の波長帯域は約1540nm以上、約1560nm未満であり、透過光の波長帯域は約1560nm以上である。 The reflected light reflected by the first film 33f1 is incident on the second film 33f2 at an incident angle of 45 °, is reflected by the second film 33f2 and travels in the optical axis direction, and is reflected by the second film 33f2. It is separated into transmitted light that passes through and travels in the vertical direction. Since the second film 33f2 transmits light having a wavelength of about 1560 nm or more and reflects light having a wavelength of about 1560 nm or less, the wavelength band of the reflected light is about 1540 nm or more and less than about 1560 nm, and the wavelength band of the transmitted light is about 1560 nm. That is all.
第2膜33f2を通過した透過光は、反射面33rにより全反射されて光軸方向に進む。
The transmitted light that has passed through the second film 33f2 is totally reflected by the
フィルタプリズム34は、ビームスプリッタ33から光軸方向に出射される互いに平行な3つのP偏光、即ち波長約1540nm未満のP偏光、波長約1540nm以上、波長約1560nm未満のP偏光、及び波長約1560nm以上のP偏光のそれぞれを、透過光と反射光とに分離する。
The
なお、後に詳述するが、本実施形態ではFBGセンサ201からの戻り光は波長約1540nm未満のP偏光、FBGセンサ202からの戻り光は波長約1540nm以上、約1560nm未満のP偏光、FBGセンサ203からの戻り光は波長約1560nm以上のP偏光に属する。
As will be described later in detail, in this embodiment, the return light from the
フィルタプリズム34は、1つの直角プリズムと1つの平行四辺形プリズムをそれぞれ含む3組のプリズム対PP1、PP2、PP3を接合した複合プリズムである。プリズム対PP1は、直角プリズムの斜面と、平行四辺形プリズムの一対の側面の一方とを接合した構造を有し、接合面には誘電体多層膜34f1が介在されている。また、平行四辺形プリズムの一対の側面の他方は反射面34r1である。
The
プリズム対PP2、PP3も同様に、直角プリズムの斜面と平行四辺形プリズムの一対の側面の一方とを接合した構造を有し、接合面には誘電体多層膜34f2、34f3が介在されている。また、平行四辺形プリズムの一対の側面の他方は反射面34r2、34r3である。プリズム対PP1、PP2、PP3は、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3が連続面となり、反射面34r1、34r2、34r3が連続面となるように一列に接合されている。 Similarly, the prism pair PP2, PP3 has a structure in which the inclined surface of the right-angle prism and one of the pair of side surfaces of the parallelogram prism are joined, and the joining surfaces are interposed with the dielectric multilayer films 34f2, 34f3. The other of the pair of side surfaces of the parallelogram prism is a reflection surface 34r2, 34r3. The prism pairs PP1, PP2, and PP3 are joined in a row so that the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 form a continuous surface, and the reflecting surfaces 34r1, 34r2, and 34r3 form a continuous surface.
誘電体多層膜34f1、34f2、34f3はそれぞれ、例えばSiO2(n=1.46)、TiO2(n=2.40)、MgF2(n=1.38)等の膜材料から形成されており、蒸着、スパッタリング等を用いて直角プリズムの斜面上にこれらの材料を積層させて形成されている。誘電体多層膜34f1、34f2、34f3はそれぞれ光分離フィルタとして機能する。誘電体多層膜34f1、34f2、34f3の光分離特性(フィルタ特性)については、後に詳述する。 The dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 are each formed of a film material such as SiO 2 (n = 1.46), TiO 2 (n = 2.40), MgF 2 (n = 1.38). These materials are formed by laminating these materials on the slope of the right-angle prism using vapor deposition, sputtering, or the like. Each of the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 functions as a light separation filter. The light separation characteristics (filter characteristics) of the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 will be described later in detail.
プリズム対PP1の誘電体多層膜34f1は、検出部30の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように、垂直方向に沿って設けられている。ビームスプリッタ33から出射された波長約1540nm未満のP偏光は、誘電体多層膜34f1に対して45°の入射角で入射し、誘電体多層膜34f1を透過して光軸方向に進む透過光と、誘電体多層膜34f1に反射されて光軸方向に直交する水平方向に進む反射光とに分離される。また反射光は、誘電体多層膜34f1と平行な反射面34r1に全反射されて光軸方向に進む。即ち、透過光と反射光とは互いに平行な一対の光としてプリズム対PP1から出射される。
The dielectric multilayer film 34f1 of the prism pair PP1 is provided along the vertical direction so as to be located at an angle of 45 ° with respect to the optical axis direction of the
プリズム対PP2の誘電体多層膜34f2は、検出部30の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように、垂直方向に沿って設けられている。ビームスプリッタ33から出射された波長約1540nm以上、約1560nm未満のP偏光は、誘電体多層膜34f2に対して45°の入射角で入射し、誘電体多層膜34f2を透過して光軸方向に進む透過光と、誘電体多層膜34f2に反射されて光軸方向に直交する水平方向に進む反射光とに分離される。また反射光は、誘電体多層膜34f2と平行な反射面34r2に全反射されて光軸方向に進む。即ち、透過光と反射光とは互いに平行な一対の光としてプリズム対PP2から出射される。
The dielectric multilayer film 34f2 of the prism pair PP2 is provided along the vertical direction so as to be located at an angle of 45 ° with respect to the optical axis direction of the
プリズム対PP3の誘電体多層膜34f3は、検出部30の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように、垂直方向に沿って設けられている。ビームスプリッタ33から出射された波長約1560nm以上のP偏光は、誘電体多層膜34f3に対して45°の入射角で入射し、誘電体多層膜34f3を透過して光軸方向に進む透過光と、誘電体多層膜34f3に反射されて光軸方向に直交する水平方向に進む反射光とに分離される。また反射光は、誘電体多層膜34f3と平行な反射面34r3に全反射されて光軸方向に進む。即ち、透過光と反射光とは互いに平行な一対の光としてプリズム対PP3から出射される。
The dielectric multilayer film 34f3 of the prism pair PP3 is provided along the vertical direction so as to be located at an angle of 45 ° with respect to the optical axis direction of the
第1光検出器PD1は、受光面DS1(図3、図4)が光軸方向と直交するように配置されており、フィルタプリズム34のプリズム対PP1から出射される光のうち、誘電体多層膜34f1を透過した透過光は受光面DS1の第1領域DS11(透過光受光部)に、誘電体多層膜34f1及び反射面34r1で反射された反射光は受光面DS1の第2領域DS12(反射光受光部)に入射する。なお、プリズム対PP1からの一対の光はそれぞれ、不図示の集光レンズによって集光されて受光面DS1に入射する。
The first photodetector PD1 is disposed such that the light receiving surface DS1 (FIGS. 3 and 4) is orthogonal to the optical axis direction, and of the light emitted from the prism pair PP1 of the
第2光検出器PD2は、受光面DS2が光軸方向と直交するように配置されており、フィルタプリズム34のプリズム対PP2から出射される光のうち、誘電体多層膜34f2を透過した透過光は受光面DS2の第1領域DS21(透過光受光部)に、誘電体多層膜34f2及び反射面34r2で反射された反射光は受光面DS2の第2領域DS22(反射光受光部)に入射する。なお、プリズム対PP2からの一対の光はそれぞれ、不図示の集光レンズによって集光されて受光面DS2に入射する。
The second photodetector PD2 is disposed so that the light receiving surface DS2 is orthogonal to the optical axis direction, and of the light emitted from the prism pair PP2 of the
第3光検出器PD3は、受光面DS3が光軸方向と直交するように配置されており、フィルタプリズム34のプリズム対PP3から出射される光のうち、誘電体多層膜34f3を透過した透過光は受光面DS3の第1領域DS31(透過光受光部)に、誘電体多層膜34f3及び反射面34r3で反射された反射光は受光面DS3の第2領域DS32(反射光受光部)に入射する。なお、プリズム対PP3からの一対の光はそれぞれ、不図示の集光レンズによって集光されて受光面DS3に入射する。
The third photodetector PD3 is disposed such that the light receiving surface DS3 is orthogonal to the optical axis direction, and of the light emitted from the prism pair PP3 of the
第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3は、受光面DS1、DS2、DS3が同一平面上に広がるように配置されている。また、第1領域DS11、DS21、DS31と第2領域DS12、DS22、DS32とは、それぞれ同一の受光面上に画成されているため互いに同一平面上にある。 The first photodetector PD1, the second photodetector PD2, and the third photodetector PD3 are arranged so that the light receiving surfaces DS1, DS2, and DS3 spread on the same plane. Further, the first regions DS11, DS21, DS31 and the second regions DS12, DS22, DS32 are on the same plane because they are defined on the same light receiving surface.
第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3は、それぞれ光エネルギーを電流に変換する光電変換部(不図示)及び、電流を電圧に変換するIVアンプ(不図示)を介して、算出部40に接続されている。
The first photodetector PD1, the second photodetector PD2, and the third photodetector PD3 each include a photoelectric conversion unit (not shown) for converting light energy into a current, and an IV amplifier (not shown) for converting a current into a voltage. ) Is connected to the
算出部40は、第1光検出器PD1の受光面DS1の第1領域DS11から光電変換部及びIVアンプを介して入力される電圧信号の強度と、第2領域DS12から光電変換部及びIVアンプを介して入力される電圧信号の強度とを比較することで、FBGセンサ201からの戻り光の波長を算出する。算出部40は同様に、第2光検出器PD2の受光面DS2の第1領域DS21からの電圧信号の強度と第2領域DS22からの電圧信号の強度とを比較してFBGセンサ202からの戻り光の波長を算出し、第3光検出器PD3の受光面DS3の第1領域DS31からの電圧信号の強度と第2領域DS32からの電圧信号の強度とを比較してFBGセンサ203からの戻り光の波長を算出する。FBGセンサ201、202、203からの戻り光の波長の算出については後に詳述する。
The calculating
次に、インテロゲータ100とFBGセンサ201、202、203とを用いて、被計測物のひずみの多点計測を行う方法を説明する。
Next, a description will be given of a method of performing multi-point measurement of the distortion of the measured object using the
被計測物に生じるひずみを複数の点(本実施形態では3点)において計測する際には、まず被計測物に複数のFBGセンサを取り付ける。本実施形態では、3つのFBGセンサ201、202、203を取り付けるものとする。次いで光源10から約1520nm〜約1580nmの波長帯域を有する広帯域光を照射し、光ファイバOF1、カプラ20、光ファイバOF2を介してFBGセンサ201、202、203に入射させる。
When measuring the strain generated in the measured object at a plurality of points (three points in this embodiment), first, a plurality of FBG sensors are attached to the measured object. In the present embodiment, it is assumed that three
FBGセンサ201、202、203はそれぞれ、図5に示す通り、屈折率がnである光ファイバコアCを有し、光ファイバコアCの一部にはファイバブラッググレーティング部fbgが形成されている。ファイバブラッググレーティング部fbgにおいては、光ファイバコアCの屈折率は、光ファイバコアCの軸方向に周期長Λで周期的に変化している。
As shown in FIG. 5, each of the
光ファイバコアCに、光ファイバコアCの軸方向の一方、例えば図5の左側から入射する入射光は、波長λb=2nΛを満たす光のみがファイバブラッググレーティング部fbgで干渉により図5の左側に戻り光として戻され、その他の波長の光は、ファイバブラッググレーティング部fbgを通過して図5の右側に送られる。 As for the incident light that enters the optical fiber core C in one of the axial directions of the optical fiber core C, for example, from the left side in FIG. The light of other wavelengths returned as return light passes through the fiber Bragg grating section fbg and is sent to the right side in FIG.
本実施形態では、FBGセンサ201にひずみが生じていない場合には、FBGセンサ201からの戻り光の波長はλb=1530nmである。また、FBGセンサ202にひずみが生じていない場合には、FBGセンサ202からの戻り光の波長はλb=1550nmであり、FBGセンサ203にひずみが生じていない場合には、FBGセンサ203からの戻り光の波長はλb=1570nmである。このような、FBGセンサにひずみが生じていない状態での戻り光の波長をFBGセンサの中心波長と呼ぶ。
In the present embodiment, when no distortion occurs in the
光ファイバOF2を介してFBGセンサ201に入射した広帯域光は、FBGセンサ201にひずみが生じていない状態では、中心波長1530nmの光のみがファイバブラッググレーティング部fbgによって反射され、戻り光として光ファイバOF2に戻される。その他の波長の光はFBGセンサ201のファイバブラッググレーティング部fbgを通過する。なお、戻り光の波長は厳密には1530nmのみではなく、図6に実線で示すように、中心波長1530nmをピークとして長波長側及び短波長側に所定の拡がりを有して分布している。
In the broadband light incident on the
FBGセンサ201を通過した光は、光ファイバOF2を介してFBGセンサ202に入射する。FBGセンサ202に入射した広帯域光は、FBGセンサ202にひずみが生じていない状態では、中心波長1550nmの光のみがFBGセンサ202のファイバブラッググレーティング部fbgによって反射され、戻り光として光ファイバOF2に戻される。その他の波長の光はFBGセンサ202のファイバブラッググレーティング部fbgを通過する。なお、戻り光の波長は厳密には1550nmのみではなく。中心波長1550nmをピークとして長波長側及び短波長側に所定の拡がりを有して分布している。
Light that has passed through the
FBGセンサ202を通過した光は、光ファイバOF2を介してFBGセンサ203に入射する。FBGセンサ203に入射した広帯域光は、FBGセンサ203にひずみが生じていない状態では、中心波長1570nmの光のみがFBGセンサ203のファイバブラッググレーティング部fbgによって反射され、戻り光として光ファイバOF2に戻される。その他の波長の光はFBGセンサ203のファイバブラッググレーティング部fbgを通過する。なお、戻り光の波長は厳密には1570nmのみではなく。中心波長1570nmをピークとして長波長側及び短波長側に所定の拡がりを有して分布している。
Light that has passed through the
FBGセンサ201、202、203の各々から光ファイバOF2に戻された戻り光は、光ファイバOF2内で重畳された重畳光として、カプラ20及び光ファイバOF3を介して検出部30に送られ、検出部30の光ファイバ31aから光軸上を偏光プリズム32に向けて出射される。次いで、偏光プリズム32の偏光膜32fによってP偏光とS偏光とに分離され、偏光膜32fを透過したP偏光は、ビームスプリッタ33のローパスフィルタとして機能する第1膜33f1に入射する。なお、偏光膜32fで反射されたS偏光は、本実施形態のインテロゲータ100及び検出部30では使用されない。
Return light returned from each of the
偏光膜32fを通過したP偏光は、第1膜33f1に入射し、透過光と反射光に分離される。ここで、第1膜33f1は、波長約1540nm未満の光を透過し、その他の光を反射する。従って、FBGセンサ201、202、203からの戻り光のうち、中心波長1530nm近傍の光であるFBGセンサ201からの戻り光のみが第1膜33f1を通過して光軸方向に進み、FBGセンサ202、203からの戻り光は第1膜33f1に反射されて光軸方向に直交する垂直方向に進む。
The P-polarized light that has passed through the
第1膜33f1で反射されたFBGセンサ202、203からの戻り光は、次いで第1膜33f1と平行な第2膜33f2に45°の入射角を有して入射し、透過光と反射光に分離される。ここで、第2膜33f2は、波長約1560nm以上の光を透過し、その他の光を反射する。従って、FBGセンサ202、203からの戻り光のうち、中心波長1550nm近傍の光であるFBGセンサ202からの戻り光は第2膜33f2に反射されて光軸方向に進み、中心波長1570nm近傍の光であるFBGセンサ203からの戻り光は第2膜33f2を通過して光軸方向に直交する垂直方向に進む。
The return light from the
第2膜33f2を通過したFBGセンサ203からの戻り光は、次いで第2膜33f2と平行な反射面33rに反射されて光軸方向に進む。
The return light from the
ビームスプリッタ33の第1膜33f1を透過したFBGセンサ201からの戻り光は、フィルタプリズム34のプリズム対PP1の誘電体多層膜34f1に入射し、誘電体多層膜34f1によって透過光と反射光とに分離される。ここで、誘電体多層膜34f1のフィルタ特性は図7(a)に示す通り、波長1525nm以下の光に対する透過率が約10%、波長1535nm以上の光に対する透過率が約90%である。また、波長1525nmから波長1535nmの区間では、光の波長が長くなるに従って透過率が高くなり、波長1530nmの光に対する透過率がほぼ50%である。誘電体多層膜34f1は、所定の波長幅の領域、例えば、少なくとも5nm、少なくとも8nm、又は少なくとも10nmの波長幅を有する領域で直線的に透過率が変化するフィルタ特性を有するのが望ましい。
The return light from the
FBGセンサ201からの戻り光は、中心波長1530nmをピークとする波長分布を有するため、誘電体多層膜34f1に入射するP偏光の波長も同様に、中心波長1530nm付近にピークを有し、短波長側と長波長側とに対称に分布している(図6)。従って、誘電体多層膜34f1に入射するP偏光は、その約50%が誘電体多層膜34f1を透過し、残りの約50%が誘電体多層膜34f1によって反射される。誘電体多層膜34f1によって反射された反射光は、次いで反射面34r1によって反射されて、誘電体多層膜34f1を透過した透過光と平行になる。
Since the return light from the
誘電体多層膜34f1を透過した透過光と、誘電体多層膜34f1及び反射面34r1によって反射された反射光は、それぞれ、第1光検出器PD1の受光面DS1の第1領域DS11、第2領域DS12によって検出され、光電変換部、IVアンプを介して、受光した光量に応じた電圧信号に変換される。ここでは、透過光と反射光の光量がほぼ同一であるため、誘電体多層膜34f1の透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号はほぼ等しくなる。 The transmitted light transmitted through the dielectric multilayer film 34f1 and the reflected light reflected by the dielectric multilayer film 34f1 and the reflection surface 34r1 are respectively the first region DS11 and the second region DS1 of the light receiving surface DS1 of the first photodetector PD1. The signal is detected by the DS 12 and converted into a voltage signal corresponding to the amount of light received via the photoelectric conversion unit and the IV amplifier. Here, since the light amounts of the transmitted light and the reflected light are substantially the same, the voltage signal corresponding to the light amount of the transmitted light of the dielectric multilayer film 34f1 is substantially equal to the voltage signal corresponding to the light amount of the reflected light.
算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号との比に基づいて、FBGセンサ201からの戻り光の波長を求める。ここでは、算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号がほぼ同一であるとの結果に基づき、FBGセンサ201からの戻り光の波長が中心波長1530nmであると決定する。
The
ビームスプリッタ33の第2膜33f2で反射されたFBGセンサ202からの戻り光は、フィルタプリズム34のプリズム対PP2の誘電体多層膜34f2に入射し、誘電体多層膜34f2によって透過光と反射光とに分離される。ここで、誘電体多層膜34f2のフィルタ特性は図7(b)に示す通り、波長1545nm以下の光に対する透過率が約10%、波長1555nm以上の光に対する透過率が約90%である。また、波長1545nmから波長1555nmの区間では、光の波長が長くなるに従って透過率が高くなり、波長1550nmの光に対する透過率がほぼ50%である。誘電体多層膜34f2は、所定の波長幅の領域、例えば、少なくとも5nm、少なくとも8nm、又は少なくとも10nmの波長幅を有する領域で直線的に透過率が変化するフィルタ特性を有するのが望ましい。
The return light from the
FBGセンサ202からの戻り光は、中心波長1550nmをピークとする波長分布を有するため、誘電体多層膜34f2に入射するP偏光の波長も同様に、中心波長1550nm付近にピークを有し、短波長側と長波長側とに対称に分布している。従って、誘電体多層膜34f2に入射するP偏光は、その約50%が誘電体多層膜34f2を透過し、残りの約50%が誘電体多層膜34f2に反射される。誘電体多層膜34f2に反射された反射光は、次いで反射面34r2によって反射され、誘電体多層膜34f2を透過した透過光と平行になる。
Since the return light from the
算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号との比に基づいて、FBGセンサ202からの戻り光の波長を求める。ここでは、算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号がほぼ同一であるとの結果に基づき、FBGセンサ202からの戻り光の波長が中心波長1550nmであると決定する。
The
ビームスプリッタ33の第2膜33f2を透過し、反射面33rで反射されたFBGセンサ203からの戻り光は、フィルタプリズム34のプリズム対PP3の誘電体多層膜34f3に入射し、誘電体多層膜34f3によって透過光と反射光とに分離される。ここで、誘電体多層膜34f3のフィルタ特性は図7(c)に示す通り、波長1565nm以下の光に対する透過率が約10%、波長1575nm以上の光に対する透過率が約90%である。また、波長1565nmから波長1575nmの区間では、光の波長が長くなるに従って透過率が高くなり、波長1570nmの光に対する透過率がほぼ50%である。誘電体多層膜34f3は、所定の波長幅の領域、例えば、少なくとも5nm、少なくとも8nm、又は少なくとも10nmの波長幅を有する領域で直線的に透過率が変化するフィルタ特性を有するのが望ましい。
The return light from the
FBGセンサ203からの戻り光は、中心波長1570nmをピークとする波長分布を有するため、誘電体多層膜34f3に入射するP偏光の波長も同様に、中心波長1570nm付近にピークを有し、短波長側と長波長側とに対称に分布している。従って、誘電体多層膜34f3に入射するP偏光は、その約50%が誘電体多層膜34f3を透過し、残りの約50%が誘電体多層膜34f3に反射される。誘電体多層膜34f3に反射された反射光は、次いで反射面34r3によって反射され、誘電体多層膜34f3を透過した透過光と平行になる。
Since the return light from the
算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号との比に基づいて、FBGセンサ203からの戻り光の波長を求める。ここでは、算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号がほぼ同一であるとの結果に基づき、FBGセンサ203からの戻り光の波長が中心波長1570nmであると決定する。
The
被計測物にひずみが生じた場合、被計測物に取り付けられたFBGセンサ201、202、203にもひずみが生じ、FBGセンサ201、202、203の各々のファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λが変化する。例えば被計測物にひずみが生じ、FBGセンサ201が長手方向に延ばされた場合には、FBGセンサ201のファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λも延びるため、ファイバブラッググレーティング部fbgでの干渉条件λb=2nΛにより、生じる戻り光の波長λbは中心波長よりも長波長側にシフトする。一例として、図6に破線で示す通り、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長のピークは1531nmとなる。反対に、被計測物に圧縮ひずみが生じ、FBGセンサ201が長手方向に圧縮された場合には、ファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λも縮むため、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長λbは短波長側にシフトする。一例として、図6に一点鎖線で示す通り、FBGセンサ201のファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長のピークは1529nmとなる。
When distortion occurs in the object to be measured, distortion also occurs in the
誘電体多層膜34f1は、図7(a)に示す通り、波長が1531nmの光に対して約60%の透過率を有する。したがって、FBGセンサ201からの戻り光の波長のピークが1531nmにシフトしている場合には、誘電体多層膜34f1に入射するP偏光の約60%が誘電体多層膜34f1を透過し、残りの約40%が誘電体多層膜34f1により反射される。それゆえ、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比は約6対4となる。算出部40は、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比が約6対4であるとの比較結果に基づいて、FBGセンサ201からの戻り光の波長のピークが1531nmであると求める。
As shown in FIG. 7A, the dielectric multilayer film 34f1 has a transmittance of about 60% for light having a wavelength of 1531 nm. Therefore, when the peak of the wavelength of the return light from the
同様に、FBGセンサ201からの戻り光の波長のピークが1529nmにシフトしている場合には、誘電体多層膜34f1に入射するP偏光の約40%が誘電体多層膜34f1を透過し、残りの約60%が誘電体多層膜34f1により反射される。したがって、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比は約4対6となり、算出部40は、この比較に基づいて、FBGセンサ201からの戻り光の波長のピークが1529nmであると求める。
Similarly, when the peak of the wavelength of the return light from the
算出部40は、上記のように求めたFBGセンサ201からの戻り光の波長に基づいてFBGセンサ201に生じたひずみの量を計測することができる。また、算出部40は、FBGセンサ201を例に上記で説明したのと同様の方法によりFBGセンサ202、203に生じたひずみの量も計測することができる。
The
上記のように、フィルタプリズム34によりFBGセンサ201、202、203からの戻り光を分別することでひずみ量を計測しているが、偏光プリズム32によりフィルタプリズム34への入射光の偏光方向を調整することでより高精度な計測を実現している。
As described above, the amount of distortion is measured by separating the return light from the
図8は、本実施形態で用いた誘電体多層膜34f1の非偏光の入射光に対するフィルタ特性を示す。図8に示すフィルタ特性を、同一の誘電体多層膜34f1のP偏光の入射光に対するフィルタ特性(図7(a))と比較すると、P偏光の入射光に対する誘電体多層膜34f1のフィルタ特性は透過率が所定の波長幅(少なくとも5nm)で直線的に且つ急峻に変化するのに対し、非偏光の入射光に対する誘電体多層膜34f1のフィルタ特性は、透過率が曲線的に変化するだけである。 FIG. 8 shows the filter characteristics of the dielectric multilayer film 34f1 used in the present embodiment with respect to non-polarized incident light. Comparing the filter characteristics shown in FIG. 8 with the filter characteristics of the same dielectric multilayer film 34f1 for the P-polarized incident light (FIG. 7A), the filter characteristics of the dielectric multilayer film 34f1 for the P-polarized incident light are as follows. While the transmittance changes linearly and steeply with a predetermined wavelength width (at least 5 nm), the filter characteristic of the dielectric multilayer film 34f1 with respect to the unpolarized incident light is such that the transmittance changes only in a curve. is there.
したがって、FBGセンサ201からの戻り光の波長のピークが中心波長1530nmからシフトした場合、入射光がP偏光であれば、透過光と反射光の量は入射光の波長のシフト量に比例して直線的に変化するが、入射光が非偏光であれば、透過光と反射光の量は、入射光の波長のシフト量には比例せずにランダムな変化を示す。よって、偏光プリズム32を用いてP偏光の入射光をフィルタプリズム34に入射することで、誘電体多層膜34f1のフィルタ特性において、スロープを直線的とすることができ、ひいては算出部40による被計測物のひずみの計測を容易とすることができる。同様に、偏光プリズム32を用いてP偏光の入射光をフィルタプリズム34に入射することで、誘電体多層膜34f2、34f3のフィルタ特性において、スロープを直線的とすることができ、ひいては算出部40による被計測物のひずみの計測を容易とすることができる。
Therefore, when the peak of the wavelength of the return light from the
本実施形態の検出部30、及びこれを備えるインテロゲータの効果を以下にまとめる。
The effects of the
本実施形態の検出部30においては、フィルタプリズム34の誘電体多層膜34f1で反射された反射光を、反射面34r1により再度反射し、誘電体多層膜34f1を透過した透過光と平行としている。したがって、誘電体多層膜34f1を透過した透過光と誘電体多層膜34f1で反射された反射光とを単一の光検出器である第1光検出器PD1の検出面DS1のみを用いて検出することができる。本実施形態の検出部30は、このように誘電体多層膜34f1からの透過光と反射光を2つの光検出器を用いて検出する必要がないためコンパクトな構成とすることができる。また、製造も容易となり、製造コストも抑制できる。
In the
本実施形態の検出部30においては、誘電体多層膜34f1からの透過光を受光する第1領域DS11と、誘電体多層膜34f1からの反射光を受光する第2領域DS12とが同一平面上に画成されている。したがって、本実施形態の検出部30によれば、算出部40における、FBGセンサ201からの戻り光の波長の算出を簡略化し、算出の精度を向上させることができる。また、第1領域DS11の調整と第2領域DS12の調整とを一括して行うことができるため、検出部30の調整も簡素化され容易となる。
In the
本実施形態の検出部30においては、第1光検出器PD1〜第3光検出器PD3の検出面DS1〜DS3が同一平面上に配置されており、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3からの透過光及び反射光がすべて同一平面上で受光されている。したがって本実施形態の検出部30によれば、コンパクトな構成が可能となり、かつFBGセンサ201、202、203からの戻り光の波長の算出を簡略化し、算出の精度を向上させることができる。
In the
本実施形態の検出部30においては、プリズム対PP1を用いて、誘電体多層膜34f1と反射面34r1とを一体に形成している。同様に、プリズム対PP2を用いて誘電体多層膜34f2と反射面34f2とを一体に形成しており、プリズム対PP3を用いて誘電体多層膜34f3と反射面34f3とを一体に形成している。本実施形態の検出部30は、このように光フィルタとして機能する誘電体多層膜と反射面を一体として形成し、全体の構成をコンパクトとしている。
In the
本実施形態の検出部30が有する誘電体多層膜34f1、34f2、34f3は、直角プリズムの斜面上に、スパッタリングや蒸着等により形成されている。従って、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3のフィルタ特性が温度変化によって変化することがなく、FBGセンサ201、202、203を用いたひずみ計測において温度変化による誤差の発生を抑制することができる。
The dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 included in the
本実施形態の検出部30のビームスプリッタ33は、複数のFBGセンサからの複数の戻り光を含む偏光プリズム32からのP偏光を、ローパスフィルタとして機能する第1膜33f1、ハイパスフィルタとして機能する第2膜33f2を用いて波長分割している。このように、異なる波長帯域に属する複数の戻り光を、各々のエネルギーを減衰させることなく波長分割するため、戻り光の波長を算出するのに十分なエネルギーを有する光をフィルタプリズム34の複数の光フィルタ(誘電体多層膜)の各々に送ることができ、各々の戻り光について精度の高い検出を行うことができる。
The
本実施形態の検出部30は、偏光プリズム32を用いてP偏光のみをフィルタプリズム34に入射させている。したがって、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3のフィルタ特性においてスロープが直線的になり、ひいては算出部40におけるFBGセンサ201、202、203からの戻り光の波長を求めるための演算が容易である。
The
本実施形態のインテロゲータは本実施形態の検出装置30を含むため、本実施形態の検出装置30と同様の効果を奏することができる。
Since the interrogator of the present embodiment includes the
上記の実施形態で具体的に説明した以外に、次の変形態様を採用することもできる。 In addition to those specifically described in the above embodiment, the following modified embodiments can be adopted.
上記の実施形態では、偏光プリズム32、ビームスプリッタ33、フィルタプリズム34は互いに分離した3つの複合プリズムであったが、図9に示す通り、これらを一体化した単一の複合プリズムCPを用いてもよい。また、複合プリズムに、第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3を接合又は接触して配置してもよい。この構成によれば、検出器30をよりコンパクトとすることができる。なお、偏光プリズム32とビームスプリッタ33のみを一体化して単一の複合プリズムとしてもよく、ビームスプリッタ33とフィルタプリズム34のみを一体化して単一の複合プリズムとしてもよい。
In the above embodiment, the
上記の実施形態では、3つのFBGセンサ201、202、203を用いて被計測物上の3カ所においてひずみを計測するものとし、検出器30も偏光プリズム32からのP偏光を3つの光に波長分割するビームスプリッタ33と3つのプリズム対PP1〜PP3を有するフィルタプリズム34とを有するものとしたがこれには限られない。被計測物上の計測箇所の数yは1を含む任意の数であってよく、それぞれy個のFBGセンサとこれに対応した検出器30を用いて行うことができる。対応する検出器30とは具体的には、偏光プリズム32からのP偏光を少なくともy個の光に波長分割するビームスプリッタと、少なくともy個のプリズム対を有するフィルタプリズムとを有する検出器である。なお、y=1の場合にはビームスプリッタは不要である。
In the above embodiment, it is assumed that the strain is measured at three places on the object using three
上記の実施形態では、偏光プリズム32は、直角プリズムを2つ組合せたキューブ形の偏光ビームスプリッタであったが、これに代えて、平板状の偏光ビームスプリッタ等、任意の偏光ビームスプリッタを使用することもできる。また上記の実施形態及び変形例において、偏光プリズム32を省略することもできる。
In the above embodiment, the
上記の実施形態では、ビームスプリッタ33は、ローパスフィルタとして機能する第1膜33f1とハイパスフィルタとして機能する第2膜33f2とにより偏光プリズム32からのP偏光を波長分割していたがこれには限られない。ビームスプリッタ33はローパスフィルタのみを用いて波長分割を行ってもよく、ハイパスフィルタのみを用いて波長分割を行ってもよく、バンドパスフィルタを用いても良い。すなわち、ビームスプリッタ33は、複数のFBGセンサからの戻り光を適切に波長分割できる構成であればよい。
In the above embodiment, the
また、ビームスプリッタ33は、ローパスフィルタやハイパスフィルタなどの波長分割フィルタではなく、ハーフミラーを用いて複数のFBGセンサからの戻り光を分離してもよい。この場合、ハーフミラーを透過した光又はハーフミラーで反射された光のエネルギーは、透過又は反射の前に比べて半減するため、ハーフミラーを用いたビームスプリッタで戻り光を分離する場合には、限定はされないが、例えば第1光検出器PD1、第2光検出器PD2、第3光検出器PD3が光源10からの光出力の1/10程度のエネルギーの光を検出できる場合には、計測点の数(即ちFBGセンサの数)を約3箇所以下とすることが望ましい。このように、複数のFBGセンサからの戻り光をハーフミラーで分離した場合であっても、分離された各々の光にはすべての戻り光が含まれているため、フィルタプリズム34の光フィルタで分離して透過光と反射光の光量を検出することで、所望の戻り光の波長を算出することができる。
The
上記の実施形態では、プリズム対PP1〜PP3は、それぞれ、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3で反射された反射光を反射面34r1、34r2、34r3で反射して透過光と反射光を平行としていたがこれには限られない。プリズム対PP1〜PP3はそれぞれ、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3を透過した透過光を反射面で反射して透過光と反射光とを平行とする構成であってもよい。この構成は、具体的には例えば、平行四辺形プリズムの対向する面のうち、一方に誘電体多層膜を設け、他方に反射面を設けることで実現することができる。 In the above embodiment, the prism pairs PP1 to PP3 reflect the reflected light reflected by the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 on the reflecting surfaces 34r1, 34r2, and 34r3, respectively, and make the transmitted light and the reflected light parallel. Was not limited to this. Each of the prism pairs PP1 to PP3 may have a configuration in which the transmitted light transmitted through the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 is reflected by a reflection surface to make the transmitted light and the reflected light parallel. This configuration can be specifically realized, for example, by providing a dielectric multilayer film on one of the opposing surfaces of the parallelogram prism and providing a reflective surface on the other.
上記の実施形態では、3つのプリズム対PP1〜PP3が一体となった複合プリズムであるフィルタプリズム34を用いていたが、これには限られない。フィルタプリズム34に代えて、互いに分離した複数のプリズム対を用いることもできる。またこの場合、複数のプリズム対を、これらが有する誘電体多層膜が同一平面上に広がるように配置することは必須ではなく、これらが有する反射面が同一平面上に広がるように配置することも必須ではない。例えば図2においてプリズム対PP1〜PP3を互いに分離した構成が可能であり、更にプリズム対PP1〜PP3の各々を光軸方向を中心に90°回転させた構成も可能である。このような構成によっても、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3からの透過光及び反射光を平行とできるため、検出部30をコンパクトにすることができる。
In the above embodiment, the
また、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3をそれぞれ平板状の光フィルタとし、反射面34r1、34r2、34r3をそれぞれ平板状のミラーとすることもできる。このようなプリズム対を用いない構成によっても、光フィルタからの透過光と反射光を平行とすることができる。この場合、プリズム対を用いる構成に比べて構成要素の点数が増えるため、検出部30の大型化を防ぐため計測点の数(即ちFBGセンサの数)を約2箇所以下とすることが望ましい。ただし、好ましい計測点の数は平板状の光フィルタやミラーの大きさにも依存して変化するため必ずしも2箇所以下には限定されない。
Alternatively, the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 may be formed as flat optical filters, and the reflecting surfaces 34r1, 34r2, 34r3 may be formed as flat mirrors. Even with such a configuration that does not use the prism pair, the transmitted light and the reflected light from the optical filter can be made parallel. In this case, since the number of components increases as compared with the configuration using the prism pair, the number of measurement points (that is, the number of FBG sensors) is desirably set to about two or less in order to prevent the
上記の実施形態においては、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3からの透過光及び反射光をそれぞれ単一の光検出器で検出していたがこれには限られない。例えば、第1光検出器PD1に代えて、誘電体多層膜34f1からの透過光を受光する透過光検出器と、誘電体多層膜34f1からの反射光を受光する反射光検出器とを用いても良い。第2光検出器PD2、第3光検出器PD3についても同様である。この場合も、透過光検出器と反射光検出器とを同一基板上に配置できるため、検出部30のコンパクト化が可能である。
In the above-described embodiment, the transmitted light and the reflected light from the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 are each detected by a single photodetector. However, the present invention is not limited to this. For example, instead of the first photodetector PD1, a transmitted light detector that receives transmitted light from the dielectric multilayer film 34f1 and a reflected light detector that receives reflected light from the dielectric multilayer film 34f1 are used. Is also good. The same applies to the second photodetector PD2 and the third photodetector PD3. Also in this case, since the transmitted light detector and the reflected light detector can be arranged on the same substrate, the
または、第1光検出器PD1〜第3光検出器PD3に代えて単一の光検出器を用い、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3からの透過光及び反射光を当該光検出器の単一の受光面上の異なる領域で受光してもよい。また、第1領域DS11と第2領域DS12とは互いに同一平面上になくても良い。第1領域DS21と第2領域DS22、第3、第1領域DS31と第2領域DS32についても同様である。 Alternatively, a single photodetector is used instead of the first photodetector PD1 to the third photodetector PD3, and the transmitted light and the reflected light from the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, and 34f3 are used as the single photodetectors. Light may be received in different regions on one light receiving surface. Further, the first region DS11 and the second region DS12 do not have to be on the same plane. The same applies to the first area DS21 and the second area DS22, and to the third and first areas DS31 and the second area DS32.
上記の実施形態においては、FBGセンサ201、202、203の中心波長はそれぞれ1530nm、1550nm、1570nmであったがこれには限られない。計測に使用するFBGセンサの波長は互いに異なっていれば任意である。
In the above embodiment, the center wavelengths of the
上記の実施形態及び変形態様においては、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3を透過した透過光と、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3で反射された反射光とは平行とされていたが、これには限られず、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3を透過した透過光と、誘電体多層膜34f1、34f2、34f3で反射された反射光とは略平行とされてもよい。ここで略平行とは、例えば、透過光の進行方向と反射光の進行方向との間の角度が約5°以下である場合をいう。 In the above embodiments and modifications, the transmitted light transmitted through the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 and the reflected light reflected by the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 are parallel. The present invention is not limited to this, and the transmitted light transmitted through the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3 may be substantially parallel to the reflected light reflected by the dielectric multilayer films 34f1, 34f2, 34f3. Here, “substantially parallel” means, for example, a case where the angle between the traveling direction of the transmitted light and the traveling direction of the reflected light is about 5 ° or less.
本明細書では、プリズムの、光フィルタとして機能する面を光分離面と呼ぶ。光フィルタの機能は、上記実施形態及び変形例のように誘電体多層膜を形成することにより付与されてもよく、その他回折格子などを光分離面として形成してもよい。 In this specification, the surface of the prism that functions as an optical filter is called a light separation surface. The function of the optical filter may be provided by forming a dielectric multilayer film as in the above-described embodiments and modified examples, or a diffraction grating or the like may be formed as a light separating surface.
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 As long as the features of the present invention are maintained, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other forms that can be considered within the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. .
本発明の検出装置、インテロゲータ、及びひずみ検出システムはコンパクトであるため、使用者はこれらを容易に搬送、設置して、所望の計測を行うことが可能となる。 Since the detection device, the interrogator, and the strain detection system of the present invention are compact, the user can easily transport and install them and perform desired measurement.
10 光源
20 カプラ
30 検出部
32 偏光プリズム
32f 偏光膜
33 ビームスプリッタ
33f1 第1膜
33f2 第2膜
33r 反射面
34 フィルタプリズム
34f1、34f2、34f3 誘電体多層膜
34r1、34r2、34r3 反射面
40 算出部
100 インテロゲータ
200 FBGセンサ
DS1 DS2、DS3 受光面
PD1 第1光検出器
PD2 第2光検出器
PD3 第3光検出器
PP1、PP2、PP3 プリズム対
Claims (17)
前記複数の戻り光を複数の光線に分割するビームスプリッタと、
前記複数の光線の各々を透過光と反射光に分離する光分離面、及び前記透過光又は前記反射光を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面を各々有する複数のプリズムと、
前記複数のプリズムからの前記透過光をそれぞれ受光する複数の透過光受光部と、
前記複数のプリズムからの前記反射光をそれぞれ受光する複数の反射光受光部とを備え、
前記複数のプリズムの前記光分離面の透過率は、互いに異なる波長幅の領域で変化しており、
前記複数の透過光受光部及び前記複数の反射光受光部のうち、前記複数のプリズムの各々からの一対の前記透過光及び前記反射光を受光する一対の透過光受光部及び反射光受光部は、それぞれ同一平面上に配置されている検出装置。 A detection device for respectively detecting the wavelengths of a plurality of return lights from a plurality of FBG sensors arranged in series in an optical fiber,
A beam splitter that divides the plurality of return lights into a plurality of light beams,
A plurality of light separation surfaces each of which separates each of the plurality of light beams into transmitted light and reflected light, and a plurality of reflection surfaces each of which reflects the transmitted light or the reflected light and makes the transmitted light and the reflected light substantially parallel to each other; And the prism of
A plurality of transmitted light receiving units that respectively receive the transmitted light from the plurality of prisms,
A plurality of reflected light receiving units that respectively receive the reflected light from the plurality of prisms,
The transmittance of the light separating surface of the plurality of prisms has been changed in regions of different wavelength widths ,
Among the plurality of transmitted light receiving units and the plurality of reflected light receiving units, a pair of transmitted light receiving units and a reflected light receiving unit that receive a pair of the transmitted light and the reflected light from each of the plurality of prisms are , Detection devices arranged on the same plane .
前記複数の戻り光を複数の光線に分割するビームスプリッタと、 A beam splitter that divides the plurality of return lights into a plurality of light beams,
前記複数の光線の各々を透過光と反射光に分離する光分離面、及び前記透過光又は前記反射光を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面を各々有する複数のプリズムと、 A plurality of light separation surfaces for separating each of the plurality of light beams into transmitted light and reflected light, and a plurality of reflection surfaces each of which reflects the transmitted light or the reflected light and makes the transmitted light and the reflected light substantially parallel to each other; Prism and
前記複数のプリズムからの前記透過光をそれぞれ受光する複数の透過光受光部と、 A plurality of transmitted light receiving units that respectively receive the transmitted light from the plurality of prisms,
前記複数のプリズムからの前記反射光をそれぞれ受光する複数の反射光受光部とを備え、 A plurality of reflected light receiving units that respectively receive the reflected light from the plurality of prisms,
前記複数のプリズムの前記光分離面の透過率は、互いに異なる波長幅の領域で変化しており、 The transmittance of the light separating surface of the plurality of prisms is changed in regions of different wavelength widths,
前記複数の戻り光をP偏光とS偏光に分離し、前記P偏光を前記ビームスプリッタへ入射する偏光分離面を更に備える検出装置。 A detection apparatus further comprising: a polarization separation surface that separates the plurality of return lights into P-polarized light and S-polarized light, and that enters the P-polarized light into the beam splitter.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の検出装置と、
前記複数の透過光受光部と前記複数の反射光受光部からの検出信号に基づいて前記複数の戻り光の波長をそれぞれ算出する算出部とを備えるインテロゲータ。 A light source for irradiating the FBG sensor with broadband light;
A detection device according to any one of claims 1 to 8,
An interrogator comprising: a plurality of transmitted light receiving units; and a calculating unit that calculates a wavelength of each of the plurality of return lights based on detection signals from the plurality of reflected light receiving units.
前記戻り光を透過光と反射光とに分離する光分離面と、
前記透過光又は前記反射光の一方を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面と、
前記光分離面からの前記透過光を受光する透過光受光部と、
前記光分離面からの前記反射光を受光する反射光受光部とを備え、
前記光分離面の透過率が所定の波長幅の領域で変化しており、
前記透過光受光部と前記反射光受光部とが同一平面上に配置されている検出装置。 A detection device for detecting the wavelength of the return light from the FBG sensor,
A light separating surface for separating the return light into transmitted light and reflected light,
A reflecting surface that reflects one of the transmitted light or the reflected light to make the transmitted light and the reflected light substantially parallel,
A transmitted light receiving unit that receives the transmitted light from the light separation surface,
A reflected light receiving unit that receives the reflected light from the light separation surface,
The transmittance of the light separating surface is changed in a region of a predetermined wavelength width ,
A detecting device, wherein the transmitted light receiving unit and the reflected light receiving unit are arranged on the same plane .
前記戻り光を透過光と反射光とに分離する光分離面と、 A light separating surface for separating the return light into transmitted light and reflected light,
前記透過光又は前記反射光の一方を反射して前記透過光と前記反射光とを略平行とする反射面と、 A reflecting surface that reflects one of the transmitted light or the reflected light to make the transmitted light and the reflected light substantially parallel,
前記光分離面からの前記透過光を受光する透過光受光部と、 A transmitted light receiving unit that receives the transmitted light from the light separation surface,
前記光分離面からの前記反射光を受光する反射光受光部とを備え、 A reflected light receiving unit that receives the reflected light from the light separation surface,
前記光分離面の透過率が所定の波長幅の領域で変化しており、 The transmittance of the light separating surface is changed in a region of a predetermined wavelength width,
前記戻り光をP偏光とS偏光に分離し、前記P偏光を前記光分離面へ入射する偏光分離面を更に備える検出装置。 A detection device further comprising a polarization separation surface that separates the return light into P-polarized light and S-polarized light, and that enters the P-polarized light into the light separation surface.
請求項10〜14のいずれか一項に記載の検出装置と、 The detection device according to any one of claims 10 to 14,
前記透過光受光部と前記反射光受光部からの検出信号に基づいて前記戻り光の波長を算出する算出部とを備えるインテロゲータ。 An interrogator comprising: the transmitted light receiving unit; and a calculating unit that calculates a wavelength of the return light based on a detection signal from the reflected light receiving unit.
請求項9、15、16のいずれか一項に記載のインテロゲータとを備えるひずみ検出システム。 A strain detection system comprising the interrogator according to any one of claims 9, 15, and 16.
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