JPH02122206A - 光ファイバー干渉計およびその信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物体表面の微振動や位置の測定に用いる非接触
の光干渉による測定法に関する。例えばこの方法はマイ
クロホンの振動板の振動の計測、固体の音響光学的な振
動の計測、或いは振動センサー中の共鳴周波数の決定な
どに用いることが出来る。更にまた、この発明は位置セ
ンサー又は距離センサーとして用いることが出来る。

〔従来の技術〕

光干渉計は小さな変位の測定に適している。これは、測
定対象が波長の数分の１変位するだけで光干渉計の出力
が最大から最小まで変化するためである。

光干渉計に対する光ファイバーの使用は広く行われてい
る。光ファイバーの持つ利点は例えば、小型の計測端、
電気或いは磁気干渉に対する不感性、危険性の高い環境
や化学的に活性な環境における安全な使用性、或いは計
測器から遠く離れた所での使用が可能であることなどが
あげられる。

誘起された光の位相の変化に対する干渉計の感度は干渉
計の応答の周期的性質のため一定ではない。センサーと
してこの光干渉計を使用する場合、この変動する感度は
受は入れがたく、小さな周囲の温度変化や圧力変動ある
いは機器のクリープ変形などに起因して信号がフェーデ
ィングする原因となる。応答が光の位相変化に対して直
線的な関数とするために、そして信号のフェーディング
をさけるために、多数の技術が提案されている。単モー
ド光ファイバー干渉計に関するこれら幾つかの技術が、
例えばり、八０．Ｊａｃｋｓｏｎ、　Ｊ、Ｐｈｙｓ、Ｅ
、Ｖｏ１１８　ｐ９８１−１００１．１９８５に記載さ
れている。そのうち能動的ホモダイン技術においては、
位相変調器がマツハツエンダ−（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄ
ｅｒ）型干渉計の参照ファイバーアーム中に設置され、
干渉計の感度が最高になるようにサーボフィードバック
ループが形成されている。またヘテロゲイン技術におい
ては、干渉計の１つのアームが例えばＢｒａｇｇセルの
ような音響光変調器によって周波数シフトを受ける。干
渉計の出力は信号処理されて、干渉計の位相の信号へと
変換される。これらの方法は位相または周波数変調ユニ
ットを必要としコストを上昇させるとともに装置が繁雑
となる。能動システムにはこのような問題点のあること
から、このような問題点のない受動システムが発達して
来ている。

幾つかの単一モード光ファイバー干渉計受動システムが
Ｓ、に、Ｓｈｅｅｍ、　Ｔ、Ｇ、Ｇｉａｌｌｏｒｅｎｚ
ｉ　ａｎｄ　Ｋ、Ｋｏｏ。

＾ｐｐｌ＋ｅｄ　０ｐｔｒｃｓ、　Ｖｏｗ、２１　ｐ６
７８−６９３．１９８２に記載されている。また、光フ
ァイバーを使用しない受動システムがＡ、Ｄ、Ｋｅｒｓ
ｅｙ、　Ｄ、Ａ、’Ｊａｃｋｓ’ｏｎａｎｄＭ、Ｃｏｒ
ｋｅ、　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、
　Ｖｏｌ、１８．　ｐ３９２３９３、１９８２に記載さ
れている。これらのシステムにおいては、一般的に用い
られる方法と異なり、２つの出力信号がマツハツエンダ
−干渉計により得られる。２つの出力信号はπ／２ラジ
アンの位相差が保たれる。２つの出力信号を結合するこ
とにより小さな位相差（（２π）に比例した信号が得ら
れる。この信号は前述のような信号のフェーディングを
こうむらない。２つの出力信号のπ／２ラジアンの位相
差は種々の方法で作り出すことが出来る。ファイバーを
使用しないマンハツェンダー干渉計においては１／４波
長板が干渉計の参照アーム中の直線偏光の光を円偏光に
変えるために用いられる。ファイバー型のマツハツエン
ダ−干渉計においては、２つの異なった波長間のスイッ
チングにより、または複屈折単一モード光ファイバーで
２つの垂直の偏光を用いることにより、または２番目の
ビームスプリッタ−として３Ｘ３方向性結合器を用いる
ことによりπ／２の位相差かえられる。

しかしながら、マツハツエンダ−光ファイバー干渉計は
ファイバーケーブルのような光伝送路を用いて測定端を
光源や電子機器から分離することが必要である場合のフ
ァイバー光センサーに用いるには適していない。例えば
温度、圧力変化等によりもたらされるマツハツエンダ−
干渉計の光像送路周囲の変動は位相に受は入れがたい変
動をもたらすからである。

ファイバーを使用しないマイケルソン干渉計による位置
や変位の測定法がＴ、Ｋｕｂｏｔａ、　Ｍ、Ｎａｒａ　
ａｎｄＴ、Ｙｏｓｈｉｎｏ、　０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ、　Ｖｏｌ、１２．　Ｎｏ５．、ｐ３１０３１２
、１９８７で提案されている。ここではλ／８波長板を
用いてπ／２の位相差を干渉計に導入している。また偏
波面保存ファイバーを使った同様の技術がＴ、　Ｋｕｂ
ｏｔａ等（Ｔ、Ｋｕｂｏｔａ、Ｔ、Ｙｏｓｈｉｎｏ、　
Ｔ、Ｏｓｅ。

０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、９　ｐ３１
．１９８４）によって提案されている。それは流体の屈
折率変化を測定するためのものであり、２つの信号ビー
ムと参照ビームを作るために、ファイバーの出力端で２
つのレンズを用いる。ビームの１つはλ／８波長板を通
過する。これらのビームは２つの流体の入った容器を横
切る。そして、この流体の屈折率差が測定できる。この
マイケルソン干渉計の技術でファイバー中での位相のゆ
らぎの問題を解決できる。なぜならば信号ビームも参照
ビームも同じファイバーを通るからである。しかしなが
ら、ファイバーの曲がりや温度変化によるファイバーの
減衰の変化の影響はこのシステムでの受信信号を変化さ
せる。

実際のファイバー光干渉計は光伝送路における位相また
は信号強度の変動が相殺される補償システムが含まれる
べきである。偏光回転反射干渉計と称されているこのよ
うな補償システム付の干渉計がＡ、Ｂｎｏｋｉｈａｒａ
、　　Ｍ、Ｉｚｕｚｕ　ａｎｄ　Ｔ、５ｕｅｔａ、　　
Ｊ、ｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅ’Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、
　Ｖｏｌ　ＩＬＴ−５，ｐ１５８４−１５９０゜１９８
７に記載されている。彼等の方法は基本的にマイケルソ
ン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ’５’干渉計であり、単一モー
ド偏波面保存光ファイバーの偏光の直交する２つの固有
モードを使用するものである。彼等の方法の原理は２つ
の固有モードが両方ともファイバーの成る長さの端面に
おいて励振されることである。

光出力端面から出力された光はファイバーの偏光面にた
いして偏光面を４５度に傾けて配置した１／４波長板或
いは４５度ファラデー回転子の何れかを通過し、測定体
によって光の位相が変化して、再び上記１／４波長板ま
たはファラデー回転子によって偏光方向が変化しファイ
バーに再反射される。ファイバーの入力端面において、
戻って来た光はビームスプリッタ−により、混合され、
２つのファイバー固有モードの光は互いに干渉する。

偏光分離素子により２つの出力が得られ、ファイバー中
の損失や光源の強さに影響されない信号を与えるように
信号処理される。これらの方法は１／４波長板を使用し
た場合は磁場測定に適し、ファラデー回転子を使用した
場合は変位測定に適する。しかしながらこのシステムは
応答が位相の周期的なザイン曲線の関数であることから
信号がフェーディングするという不利益がある。

〔発明が解決すべき課題〕

上記のような問題点に鑑み、本発明は従来技術の欠点を
持たない新しく改良された干渉計を供給することを目的
とする。即ち、 ａ）信号のフェーディングを補償する受動的測定システ
ム ｂ）光伝送路の周囲の変動或いは光源のゆらぎの影響を
除く振動測定に対する補償システムについて提供するも
のである。

〔課題を解決すべき手段〕

この発明は物体の表面の振動或いは位置の非接触干渉法
を用いた測定方法を提供するものである。

即ぢ レーザからの平行光線化した偏光した光を光アイソレー
タを通過させ、次いで光学レンズで前記偏光した光を単
一モード偏波面保存光ファイバーの端面に集光して前記
単一モード偏波面保存光ファイバーの２つの偏光した光
を双方ともファイバー中を伝播させ、前記単一モード偏
波面保存光ファイバーを通過した光を方向性結合器９て
２つに分岐し、１方の光は単一モード偏波面保存光ファ
イバーを経由して前記単一モード偏波面保存光ファイバ
ーの端面から測定体に照射され、反射光がふたたび前記
単一モード偏波面保存光ファイバーの端面に入射し、他
方の光は単一モード偏波面保存光ファイバー７により前
記ファイバーのコアと屈折率の等しい光学的無反射終端
に照射させるとともに、前記再入射した反射光をホトダ
イオードで直交する２つの成分に分けて計測する方法に
おいて、前記単一モード偏波面保存光ファイバーの端面
と振動振幅δｚで振動している測定体の間にλ／８の奇
数倍の波長板を前記波長板の偏光軸が前記単一モード偏
波面保存光ファイバーの偏光軸に一致するように設置し
、前記単一モード偏波面保存光ファイバーに再入射した
光の直交する２つの偏光成分の位相差をπ／２ラジアン
または３π／２ラジアンとなし、前記直交する２つの偏
光成分の光強度をホトダイオードで測定し電気信号ｖ＋
（ｔ）　、　ｖ２（ｔ）を得、該Ｖ＋（ｔ）　、　Ｖ２
（ｔ）をソレソれハイパスフィルターに入力して交流信
号Ｖ　Ｉ　ａ　ｃ（ｔ）、　Ｖ２．Ｃ（ｔ）を得、前記
Ｖ１（ｔ）　、　Ｖ２（ｔ）をそれぞれローパスフィル
ターに入力して直流信号Ｖ　１ｄｃ（ｔ）、　Ｖ２ａｃ
（ｔ）を得て、前記Ｖ＋ａｃ　（ｔ）、　Ｖ２．ｃ（ｔ
）Ｖｌ、１゜（ｔ）、ｖ２ａ。（１）をマイクロプロセ
ッサ−に入力して Ｋ（ｔ）　−（Ｖ１ａｃ　（ｔ）・ｖ２ｄｃ（ｔ））／
（Ｖ２．ｃ（ｔ）・Ｖ１ａｃ　（ｔ）　）ｔａｎ　δ。

（１−ｖＳｌｎδ０）　／　（１−ｖｃｏｓδ。）の式
からＱ＜ｖ≦０．７０７の条件下で２個のδ。の解を求
めるとともに、前記Ｖ　＋　ａｃ（ｔ　）　、　Ｖ　２
□。（１）をロックインアンプリファイヤー入力して得
た信号Ｖ１ｒ（ｔ）、　ｖ２ｒ（ｔ）、ｌ、　　、　Ｗ
２をマイクロプロセッサ−に入力することにより正しい
δ。の解を計算で求めたのち、前記圧しいδ。の解と既
知のＶｇおよびλより振動振幅δｚを求めることを特徴
とする光干渉計による信号処理方法および本方法を具現
化するための各種装置である。

但し Ｖ１ａｃ　（ｔ） ｖ２６ｃ（ｔ） Ｖｌｄｃ　（ｔ） Ｖ２ｄｃ　（ｔ） Ｖｌ、（ｔ） Ｖ２ｒ（ｔ） ここで ＶＩＯ、Ｖ２ｏ：ホトダイオードで測定した光の強さを
示す電気信号 δ。：平均位相差 δｚ′振幅の振動　但し δバλ ｖ＋０（Ｌｙｒδｚｖ／λ）ｓｉｎδｏＳｌｎωｔＶ２
０（４ｆｆ　δｚｖ／λ）ｃｏｓδ。ｓｉｎ　ωしＶ　
＋　ｏ　（１ｖｃｏｓδ０） Ｖ２Ｏ（１−ｖｓｉｎδ０） ｇＶ＋０（４πδｚｖ／λ）ＩＳｌｎδＯｇＶ２ｏ　（
４πδｚｖ／λ）ｌｃｏｓδ０Ｖ　：信号のコントラス
ト（０＜Ｖ＜１）ω　：角周波数 ｔ　：時間 ψ１　・ψ２　：ロックインアンプリファイヤーからの
ＶｌａＣ（ｔ）、Ｖ２ａＣ（ｔ）より求めた位相出力 ｇ　：ロックインアンプリファイヤーの利得λ　：光の
波長 〔作　用〕 以下、本発明の作用について好適な実施例の図面を用い
て詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例に関する干渉計の模式図である
。レーザｌから平行光線化した光は光アイソレータ２を
通り、光学レンズ３により単一モード偏波面保存光ファ
イバーカプラー９の１つのアーム５の端面４に集光され
る。このカプラー９はアーム５に入射した光を２本の反
対側のアーム６及び７に分配する。ファイバー４の端面
はファイバーの偏光面がアイソレータから照射された入
力先の偏光方位に対して約４５度となるように配置され
る。或いは少なくとも直交する２つの固有モードが両方
とも励振するように配置される。アーム７の端面１６は
マツチング液あるいはファイバーコアと屈折率の等しい
無反射終端１７に浸漬される。この結果、アーム７から
カプラー９への光の反射は無くなる。アーム６には一定
長さの単一モード偏波面保存光ファイバーが接続される
。

この光ファイバーは光源や測定系をなす部分１０から計
測端１２まての光伝送路として作用する。

ファイバー６の端面１３は滑らかな表面を確保するため
に鏡面研磨あるいは切断法により調製する。

ファイバー６の端面１３の前面にλ／８の奇数倍の波長
板１４が設置される（λは光の波長）。この波長板１４
の光学軸はファイバー６の端面１３の軸と平行に設置す
る。振動の測定される物体の反射面１５はλ／８の奇数
倍の波長板１４の後面に設置される。λ／８の奇数倍の
波長板１４を通過した光は振動の測定される物体の反射
面１５に当たり、そして再びλ／８の奇数倍の波長板１
４を通過した光がファイバ一端面１３に再入射される。

一般的に、反射面１５とファイバ一端面１３との間の複
数回の反射はファイバーに再入射する光の出力にたいし
て影響をもたらす。本発明の現実施例においては、干渉
計の出力信号と振動面１５の変位との間の関係をサイン
曲線の関数とするために振動面１５からの２回目以降の
再反射を少なくする公知技術（Ｍ、Ｖ、Ａｎｄｒｅｓ、
　Ｍ、Ｊ、Ｔｕｄｏｒ　ａｎｄＫ、Ｗ、Ｈ，Ｆｏｕｌｄ
ｓ、　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　
Ｖｏｌ、２３゜ρ７７４−７’７５．１９８７）を適用
することが可能である。即ち、光ファイバー６の端面１
３と反射面１５の間の距離、この２つの面の角度、光フ
ァイバーの端面１３の反射係数、反射面１５の反射係数
と表面粗度を適当に選択することにより達成できる。本
発明においては更にλ／８の奇数倍の波長板１４からの
不要な反射があり、これに対してはλ／８の奇数倍の波
長板１４を光ファイバーの端面１３の平面にたいして傾
けることにより回避できる。

λ／８の奇数倍の波長板１４を使用するということは、
ファイバーの偏光軸に平行な偏光の２つの垂直成分はフ
ァイバーに再入射するにあたって、ファイバーを励起し
た時の位相差よりもさらにπ／２ラジアンまたは３π／
２ラジアンの位相差が追加された位相差となるというこ
とを意味している。ファイバーに再入射した光のこのよ
うな２つの成分は干渉計の２つの信号光成分となる。さ
らにファイバーの端面Ｉ３において反射してファイバー
内へ戻される光もあり、この光の２つの偏光成分はファ
イバーの偏光軸に平行であり、干渉計の２つの参照光成
分となる。

ファイバーカプラーのアーム８の計測端面１８において
、測定部１２から戻ってきた光はレンズ２０によって平
行光線化されたのち、偏光ビームスプリッタ−（ＰＢＳ
）　１９によってファイバー軸に対し平行および垂直の
成分に分割される。これらの光はフォトダイオード２１
．２２によって別々に計測される。尚ここでは信号光ビ
ームと参照光ビームは干渉する。

信号光および参照光が同じファイバー内を伝送するため
、ファイバー内での光の位相にだいする外部からの影響
は信号光、参照光とも同じとなる。

すなわち、信号測定への影響を無くすることが可能とな
る。マイケルソン干渉計において、２つのフォトダイオ
ードからの出力電圧Ｖ１およびＶ２は振動面の移動距離
にだいしサイン曲線となる。

しかし両者間のπ／２の位相差により、Ｖｌ　＝ｋＰ＋
ｏ　（１ｖｃｏｓδ）　　　　（１）Ｖｌ　＝　ｋ　Ｐ
２Ｏ（１ｖｓｌｎδ）　　　　（２）ここで に：フォトダイオードの入力にだいする電気信号への変
換効率 ｐｌＯ’ｐ２０：δの一周期に渡って平均した２つのフ
ォトダイオードに照射される平均の光パワーレベル ■二信号のコントラスト　（０くＶＳ２）δ　位相差 である。（２）式の負の符号はファイバー軸にだいする
波長板の方向によって正の符号となる。あるいは用いら
れる波長板の種類（例えばλ／８３λ／８．５λ／　８
　＝−）によっても異なってくる。

しかしこのことは信号の解析にかんする基本原理を変え
るものではなく、この技術分野の人にとっては自明のこ
とである。位相差は次式で与えられる。

δ二（４πＺ／λ）十重 ここで Ｚ：振動面１５とファイバ一端面１３の距離λ：光の波
長 ＩＰ＝波長板の厚みと屈折率に依存する一定の位相 上式はファイバー周囲の空気の屈折率を１として適用す
る。しかし、本発明はファイバーの周囲が如何なる透明
な媒質であっても勿論等しく適用可能となる。

この発明は特に２πラジアンより小さな位相変化または
振動の測定に適する。Ｚ；／ｌ＜Ｚ＝Ｚｏ＋△２　（こ
こでＺ。は初期の位置である。）とすると δ＝δｏ＋４π△Ｚ／λ ここてδ。−（４π２０／λ）＋９は初期の位相である
。λに比較して△２が小さいとき（１）（２）式は次の
ように近似される。

Ｖ＋＝Ｖ＋０（１−ｖｃｏｓδＯ）＋ＶＩＯ（４πΔ２
／λ）ｖｓｉｎδｏ　（３） ν２＝Ｖ２０（１−ｖｓｉｎδ０）　　Ｖ２Ｏ（４π△
２／λ）ｖｃｏｓδ。　（４） ここでＶ＋ｏ＝ｋＰ＋ｏ、Ｖ２ｏ＝ｋＰ２０である。δ
。

依存性の異なる信号が２つ存在するためフェーディング
のない出力信号を得ることが可能となる。

特に興味深いことはサイン曲線の振動の測定である・△
Ｚ−δｚｓｉｎω直ωは角周波数、δｚは振動の振幅）
であり Ｖｌ　（ｔ）　　＝Ｖ　１ｔ＋（１−ｖｃｏｓ（Ｊｏ　
＋−／Ｉ　　ｙｒ　　δｚｓｉｎ　ωｔ／　λ））Ｌ（
ｔ）　＝Ｖ２０（１−ｖｓｉｎ（δ。＋４πδｚｓｉｎ
ωｔ／λ））これらの式は次のように展開できる。

ｖ１（ｔ）　　−Ｖｌ［＋（１−ＶＪＯ（４πδｚ／λ
）ｃｏｓδ０）＋２Ｖ＋ｏｖＪ１（４ｒｒδｚ／λ）ｓ
ｉｎδｏｓｌｎωｊ＋高次高調波 Ｖ２（１−Ｖ２Ｏ（１−ＶＪＯ（４πδｚ／λ）ｓｉｎ
δ０）２Ｖ２０ＶＪｌ　（４７ｒδｚ／λ）ｃｏｓδｏ
　Ｓ　ｌ　ｎ　（Ｄ　ｔ＋高次高調波 ここてＪ。（Ｘ）　−Ｊ　ｌ　（Ｘ）はｘ＝４πδｚ／
λのときのそれぞれ０次および１次のベッセル関数であ
る。

与えられたＸが１より小さいとすれば、これらの式はＪ
０（ｘ）　＝　１−　Ｊ　１（Ｘ）　−Ｘ／　２を用い
て下式が得られる。

Ｖ１（ｔ）　−Ｖｌ０（１−ｖｃｏｓδ。）十υ、、（
４πδｚｖ／λ）ｓｉｎδ。ｓｉｎωｔ　　（５）Ｖ２
（ｔ）　　＝Ｖ２０（１−ｖｓｉｎδ０）Ｌ０（４ｙｒ
δｚｖ／λ）ｃｏｓδ。ｓｉｎωｔ　　（６）Ｖ　ｌ　
Ｏ””　Ｖ　２０の特殊な例において、例えば、八、　
Ｄ。

Ｋｅｒｓｅｙ　ｅｔａｌ、ｌＥ］ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ、　　Ｖｏｌ、１８ｐ３９２−３９３．
１９８２のような従来の信号処理で（５）。

（６）式をもちいて、位相差δ。、に無関係に信号を得
ることができた。そのようなシステムの一例を第２図ａ
）に示す。検知器２Ｌ２２からの（５）（６）式のπ／
２の位相差を有する信号はハイパスフィルター２３．２
４を通過し、直流（ｄｃ）信号を取り除き下記の交流（
ａｃ）信号をうる。

Ｖ＋、、（ｔ）　−ＶｌＯ（／Ｉ　　π　δｚｖ／　λ
）ｓｉｎ　δ、ｓｉｎ　ωｔ’　　　（７）Ｖ２Ｉｌ０
（ｔ）　−−Ｖ２ｏ　（４πδｚｖ／λ）ｃｏｓδ、ｓ
ｉｒ＋ｃｃ＋ｔ　（８）これらの信号は別々に周波数ω
の参照信号を供給されたロックインアンプリファイヤー
２５．２６に入力される。もしＶ　Ｉ　Ｏ”’　Ｖ　２
０ならば、ロックインアンプリファイヤーの２つの振幅
出力の２乗の和の平方根がδｚに比例した信号を与える
。他の従来技術の例を第２図ｂ）に示す。検知器２１　
、２２から（５）、’（６）式で与えられるπ／２の位
相差を有する信号がハイパスフィルター２３．２４を通
過する。

１つの信号はπ／２位相シフター２７に供給され、そし
てこの信号は周波数ωの参照信号を供給されたロックイ
ンアンプリファイヤー２５に他の信号とともに入力され
る。もしＶ　Ｉ　Ｏ−Ｖ　２０ならば、ロックインアン
プリファイヤーの振幅出力はδｚに比例し、位相の出力
はδ。である。

本発明においては、信号ｖ１（ｔ）　、　ｖ２（ｔ）は
光ファイバーの別々の２つの垂直偏光モードの光の伝達
によりもたらされる。そして一般的にファイバ−の先は
湾曲や温度変化のような周囲の動揺に起因して減衰する
。このことはこれら２つのモードそれぞれに減衰の影響
をもたらす。その結果、Ｖ　＋　ｏ　ｆ　Ｖ　２　Ｑと
なる。上記した従来技術の信号処理技術はこのような変
化にだいし安定した独立の出力を与えない。さらにレー
ザ光源の強さの変動の可能性もある。

本発明の新しい信号処理システムはこのような欠点を克
服するものであり、そのシステムを第３図に示す。干渉
計の２つの信号に相当するフォトダイオード２１．２２
からの信号はハイパスフィルター２３．２４を経て、（
７）、　　（８）式のａｃ倍信号与え、またフォトダイ
オード２１．２２からの信号は又ローパスフィルター２
８．２９も経てｄｃ倍信号次式）％式％（９） （７）〜（１０）式の４つの信号はマイクロプロセンサ
ー３０に入力され、そして次式のように合成される。

Ｋ　（ｔ）　−（Ｖ　ｌａ、、（１）ｖ２．＋ｃ（０）
／（Ｖ２．ｃ（ｔ）Ｖｌｄｃ（ｔ））ｔａｎδ０（１−
ｖｓｉｎδ０）　／　（１−ｖｃｏｓδ０）（ＩＬ定数
にはδ。、Ｖのみの関数である。■は測定により求めら
れる。δ０はマイクロプロセッサ−を用いて゛（１１）
式を解くことにより求められる。

ニニートンーラプソン法のような繰り返し法がこの式の
解を得るのに用いられる。ｖ　＝　０．５のときのδ。

の関数としてのＫのグラフを第４図に示す。

■が０７０７以下とすれば（１１）式を満足する値はδ
０が０〈δ。〈２πの範囲内で２つ存在する。

正しいδ。の値は以下に説明するａｃ倍信号位相を測定
することにより決定できる。■が０．７０７より大きい
場合、（１１）式はＫの解を求めることが出来ないため
、この方法はＶＳ２．７０７に制限される。この条件は
ファイバーの検出端の幾何学的な又は光学的パラメータ
を選択することにより容易に得られる。信号のコントラ
ストＶは前記パラメータにのみ従属し、Ｖ　＋　ｏやＶ
　２’Ｏからは独立である。

ａｃ倍信号位相は５ｉｎ（ωｔ＋φ）に比例した参前信
号を基準として測定される。ここでφは一定の位相差で
ある。上記参照信号は例えば発信器からのサイン信号か
ら得られる。信号を第３図のハイパスフィルター２３．
２４からロックインアンプリファイヤー２５．２６に入
力することで位相が測定される。Ｖ１ａｃ’（ｔ）、　
Ｖ２ａｃ（ｔ）　に相当する出力位相型、、ψ２は（７
）、　　（８）式かられかるようにδ。

の値に依存して、φまたはφ十πの値をとる。即ち、 ０くδ。〈π／２　　　ψ１＝φ、　　′ｌＩ２−φ十
ππ／２〈δｏくπ　　　ψ１−φ、　　甲。−φπく
δ。く３π／２　　　”＋＝φ十π、甲、−φ３π／２
くδ。〈２π　ψ１−φ＋π、ψ２−φ＋πもしφがわ
かれば、０から２πの間のどの領域にδ。が存在するか
π／２の範囲で求めることができる。かくすればＶＳ２
．７０７のとき、（１１）式における正しい解が求めら
れる。もしφが未゛知数で、φが成る知られている範囲
φ１−〜φｍ１ｎ（ここでφｍａＸ−φ□０．．〈πと
する）の間にある場合でさえ、まだ重、、ψ２の値から
δ。かどの領域に存在するかπ／２の範囲で求めること
ができ、φの値も求まる。例えば、ψ１　、ψ２ともφ
ｍａｘ　とφｍａｎの範囲に存在するならばπ／２〈δ
０〈πである。出力位相’Ｉ’、、’Ｐ２　はマイクロ
プロセッサーに入力され、（１１）式における正しい解
を求めるのに用いられる。

導き出されたδ。の値を用いてＶＩＯやＶ　２０は（９
）、　　（１０）式によりマイクロプロセッサ−で計算
を行う。ロックインアンプリファイヤーから信号Ｖ＋ａ
ｃ　ｃｔ）、　Ｖ２．６（ｔ）の振幅に比例するｄｃ出
力信号Ｖ＋ｒ（ｔ）、　Ｖ２ｒ（ｔ）がまたマイクロプ
ロセッサ−に入力される。

Ｖｌｒ（ｔ）　−ｇＶｌｏ　（４πδｚｖ／λ）　　ｊ
ｓｉｎδｏ１ν２ｒ（ｔ）　＝ｇＶ２ｏ　（４ｙｒδｚ
ｖ／λ）　　ｉ　ｃｏｓδ。

ｇはロックインアンプリファイヤーの既知の利得である
。」１式を既知のｇ　Ｖ　＋ｏ　２ｇ　Ｖ２Ｏで除し、
く４　π　δ　ｚｖ／　λ）　　Ｉ　Ｓ１ｎδ、１．（
４π　δ　Ｚ　　Ｘ１／λ）ＩＣＯ８δｏ　１が求釣ら
れる。このようにして得られた値は４πδｚｖ／λに比
例する信号を与えるべくそれぞれの値を２乗して和を求
め、この和の平方根を求める。λやＶは既知であるので
、振動振幅δｚが得られる。δｚなる出力はファイバー
の減衰、レーザの強度の変動のみならず位相δ。からも
独立の値となる。

ＶＩＯ１Ｖ２０あるいはδ。の変動を補償できる速さは
ロックインアンプリファイヤーの時定数設定により、ま
たマイクロプロセッサ−の計算時間により決定される。

〔実施例〕

実施例１ 以下、本発明について第１図以外の幾つかの実施例につ
いて述べる。第５図は本発明の他の実施例の１つを示す
模式図である。レーザ１から平行光線化した光がアイソ
レータ２およびビームスプリッタ−３１を通過し、単一
モード偏波面保存光ファイバー５の端面４上に光学レン
ズ３によす集光する。光学レンズ３と光フアイバ一端面
４は両者とも他の構成物からの反射光を避けるために無
反射コープインク材が蒸着される。光ファイバーの端面
４は光ファイバーの偏光面がアイソレータから出力され
た偏光面の軸にだいし約４５度になるように方向づける
。或いは少なくとも互いに直交する偏光モードの双方を
励振するように方向づける。また、測定部１２および測
定部を構成する１３．１４．１５は第１図に示した装置
と同じである。

測定部からの反射光はファイバ一端末４からビームスプ
リッタ−３１に達し、分岐され、偏光ビームスプリッタ
−１９に供給される。信号光と参照光とが干渉している
２つの光はフォトダイオード２１　、２２によってそれ
ぞれ計測される。このシステムはファイバーカプラーを
必要としないが、無反射コーティングが必要である。

実施例２ 第６図ａ）、ｂ）は本発明の他の例を示したものである
。第６図ａ）において光学レンズ３２がファイバ一端末
１３とλ／８の奇数倍の波長板１４との間に置かれる。

これはファイバ一端末１３からの光の平行度を改善する
ために設置するものである。試料位置のある微小部分を
測定するために、またファイバーへの反射光量を増加す
るために、試料面上の光のスポットサイズが絞られる。

もう１つの利点は試料位置の信号のコントラス）Ｖに対
する従属性が減少することであり、信号処理システムの
キャリブレーションを必要としない試料位置の幅が広が
ることである。光がファイバーから放出され、もどって
来るまでの最大の光路長はレーザのコヒーレント長ある
いは、ファイバーに戻る光強度を制限する回折によって
定まる。レンズは無反射コーティング材が蒸着されレン
ズからファイバーへの擬似の反射光を避けるためにわず
かに傾ける。波長板１４もまた傾けられ、無反射コーテ
ィング材が蒸着される。第６図ｂ）はレンズがλ／８の
奇数倍の波長板１４の後ろに置かれた例である。

実施例３ 第７図は本発明の他の実施例の１つである。この装置は
測定端１２が第１図のλ／８の奇数倍の波長板１４のか
わりに２つの偏光ビームスプリッタ−（ＰＢＳ）　３５
　、３６と２つのミラー３３．３４から構成されている
ものである。偏光ビームスプリッタ−はファイバーの光
学軸と平行に並べられる。光学レンズ３２はファイバ一
端末１３からの光の平行度を改善するためにファイバ一
端末１３とＰＢＳ３５の間に設置する。偏光モードの光
の１つはＰＢＳ３５３６を直進する。そしてファイバー
に同じ経路で反射されて戻ってくる。偏光モードの光の
他の１つはＰＢＳ３５によって反射され、引続きミラー
３３．３４で反射し、ＰＢＳ３６で他の光と再び一緒と
なる。この光は同じ経路で試料で反射されて戻ってくる
。

ミラー３３．３４を経由する別のパス長は（２ｎ＋１）
λ／４　（ｎ二０．１．２・・・）となるように調整さ
れる。これにより２つの干渉した光の間にπ／２の位相
差が与えられる。

実施例４ 第８図は本発明の他の実施例の１つである。この装置は
２つのレーザ１，１′が同じ波長で直交する偏光を与え
るために用いられる。レーザｌからの平行光線化した光
は光アイソレータ２を通過し、次いでＰＢＳ３７を通過
する。光アイソレータ２からの偏光した光は偏波面保持
カプラー９のアーム５の出力端面４の偏光軸の１つと平
行にする。

レーザ１′からの平行光線化した光は光アイソレータ２
′を通過する。光アイソレータ２′からの偏光した光は
光アイソレータ２の光と直交する。

そして光アイソレータ２からの光と同じようにＰＢＳ３
７で反射され、光学レンズ３を経てアーム５の出力端面
４に達する。この実施例は上記のように偏波面保持光フ
ァイバーへの２つの偏光した光を分離した２つのレーザ
から構成される装置であり、残りの設備は第１図に示し
た物と同じである。

この実施例の利点は偏波面保持光ファイバー内でのクロ
ストークが減少することである。２つの偏光のモード間
のファイバーにおける残留クロストークは１つのモード
から直交するモードへの光の漏れを意味する。これは例
えばファイバーの湾曲によって増加する。もしこの漏洩
光が直交する光に干渉しないならば、この信号の動揺効
果が最小化される。

２つのレーザ間の許容できる波長差の最大限はδλ（π
λ２／４ｚｏである。この範囲であれば、波長差による
位相の差はπ／２に比べ非常に小さくなることが保証さ
れる。

ＰＢＳ３７の代わりに、レーｆｌ、１’からの光の他の
合成法として偏波面保持光ファイバーカプラーがもう一
つ用いられる。このカプラーの出力端の１つはアーム５
の出力端面４に接続され、他の出力端は無反射終端に浸
漬される。

実施例５ 第９図は光マイクロフォンに本発明を適用した例である
。偏波面保持光ファイバー６がハウジング３８に接続さ
れる。λ／８の奇数倍の波長板１４がファイバ一端面１
３と振動板１５の間に固定される。振動板１５の振動数
が測定できる。空気抜孔３９がハウジング内外の圧力の
均一化をもたらす。この装置は例えば与えられた周波数
における圧力変動の測定に用いられる。

実施例６ 第１０図ａ）はシリコンマイクロセンサーのような共鳴
センサーに本発明を用いた例である。周波数ｆで強度変
調された励振光が光ファイバー４０から発せられる。光
は共鳴体１５上に照射され、周波数ｆの振動が励振され
る。偏波面保持光ファイバー６への光の授受は第１図の
例と同じである。即ち、ファイバ一端面１３からの光は
λ／８の奇数倍の波長板１４を通過し、そして表面が振
動する共鳴体から反射される。共鳴体の共鳴周波数は励
振光の変調周波数を走査して最高振動振幅を見出すこと
により決定される。このタイプのセンサーは共鳴周波数
が圧力により変化するシステムとすることにより圧力測
定に用いられる。

第１０図ｂ）は本発明における共鳴センサーに関する他
の実施例を示す。第１図において、アイソレータ２と光
学レンズ３の間に２色性ビームスプリッター４２を設置
したものである。これは励振レーザ４５からの光と測定
系レーザ１からの光を結合するものである。レーザ４５
からの光は周波数ｆで光を変調する強度変調器４６を通
過する。

レーザ４５の波長はレーザ１と異なる波長が選ばれる。

測定端１２で偏波面保存光ファイバー６は測定端１２に
固定される。ファイバ一端面１３から照射された変調励
振光は共鳴板１５に当たり、周波数ｆの振動を励振する
。レーザｌからの測定光は励振光と同じ経路に沿って照
射される。ファイバ一端面１３からλ／８の奇数倍の波
長板１４を通過し、振動板１５で反射し、λ／８の奇数
倍の波長板１４を再度通過し、ファイバーにもどる。

ファイバーの計測端面１８において、フィルタ４３がフ
ァイバーに存在している励振光を除くために挿入される
。尚、波長の異なる測定光は除かれない。この系の利点
は光源及び検出ンステムとセンサーのヘッドとを結合す
るのが１本のファイバーのみであることである。

実施例７ 第１１図は固体表面−にの表面波によって作り出される
小さな音響振動の測定のための本発明の他の実施例であ
る。偏波面保存光ファイバー６がハウジンク４４に固定
される。このハウジング４４は表面１５の上面に位置す
る。λ／８の奇数倍の波長板１４がハウジング内の偏波
面保存光ファイバー６の端面１３の前に設置される。

〔発明の効果〕 本発明により、従来の光ファイバーを使用した光干渉装
置における信号処理の欠点を改善し、ファイバー伝送線
周辺の環境の変動による影響を補償する機能を備えた干
渉装置を完成した。この装置は微小の振動や位置の測定
に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な光ファイバー干渉法による測
定法の模式図、第２図ａ）、ｂ）は本発明に用いられる
信号処理法の先行技術を示した図、第３図は本発明によ
る新しい信号処理方法を示した図、第４図は本発明の信
号処理方法に用いられた関数の解を示した図、第５図は
本発明の他の実施例を示す図、第６図ａ）、ｂ）は本発
明にファイバ一端面の前部に光学レンズを用いた例、第
７図、第８図は本発明の他の実施例を示す図、第９図は
本発明によるマイクロフォン振動板の振動数測定に関す
る実施例、第１０図ａ）、ｂ）は本発明による共鳴セン
サーに関する実施例を示す図、第１１図は本発明による
表面の音響振動測定に関する実施例を示す図である。 １・・・レーザ、　　　　　　２・・・光アイソレータ
、３　、２０　、３２・・・光学レンズ、４．１３．１
６．１８・・・単一モード偏波面保存光ファイバ一端面
、 ５．６．７．８・・・単一モード偏波面保存光ファイ　
ノく− ９・・・方向性結合器、 １０・光源および計測系、 １２・・測定部、 １４・・・λ／８の奇数倍の波長板、 １５・・測定体表面、　　　１７・・・無反射終端、１
９・・・偏光ビームスプリッタ− ２１、２２・・・フォトダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平行光線化した入射光線を供給するレーザと、該入
   射光線を単一モード偏波面保存光ファイバー（５）に集
   光するアイソレータ（２）および光学系レンズ（３）と
   、前記単一モード偏波面保存光ファイバー（５）からの
   光を分岐する方向性結合器（９）と、該方向性結合器（
   ９）から分岐された測定端末までの光伝送路を形成する
   単一モード偏波面保存光ファイバー（６）と、前記方向
   性結合器から分岐された光反射防止用の単一モード偏波
   面保存光ファイバー（７）および前記ファイバー（７）
   と屈折率の同じ光学的無反射終端を入れた容器と、前記
   方向性結合器から分岐された計測端に光を導く単一モー
   ド偏波面保存光ファイバー（８）と、前記単一モード偏
   波面保存光ファイバー（８）からの光を偏波面の直交す
   る２成分に分割する偏光ビームスプリッター（１９）と
   、前記偏光ビームスプリッター（１９）で分割された前
   記２成分の光をそれぞれ計測するホトダイオード（２１
   、２２）からなる光干渉測定装置において、測定体表面
   と前記単一モード偏波面保存光ファイバー（６）の端面
   （１３）との間にλ／８の奇数倍の波長板（１４）（λ
   ：前記入射光線の波長）を設置し、前記ホトダイオード
   （２１、２２）からの２つの電気信号を交流電気信号化
   する２個のハイパスフィルター（２３、２４）と、参照
   信号と前記交流電気信号を処理する２個のロックインア
   ンプリファイヤー（２５、２６）と、前記ホトダイオー
   ド（２１、２２）からの２つの電気信号を直流電気信号
   化する２個のローパスフィルター（２８、２９）と、前
   記２つの交流信号と前記２つの直流信号とから前記測定
   体の特性値を求めるマイクロプロセッサー（３０）とか
   らなることを特徴とする光ファイバー干渉計。 ２、単一モード偏波面保存光ファイバー（５）に平行光
   線化した光を供給する装置が、直交する２成分の光を供
   給する２個のレーザ（１、１′）および２個のアイソレ
   ータ（２、２′）と、１個の偏光ビームスプリッター（
   ３７）とからなることを特徴とする請求項１記載の光フ
   ァイバー干渉計。 ３、単一モード偏波面保存光ファイバー（５）に平行光
   線化した光を供給する装置が、レーザ（１）およびアイ
   ソレータ（２）と励振レーザ（４５）および一定周波数
   で変調させる強度変調器（４６）と２色性ビームスプリ
   ッター（４２）とからなり、ファイバーの計測端面１８
   の前面に前記励振レーザ（４５）からの光を除去するフ
   ィルター（４３）を設置することを特徴とする請求項１
   記載の光ファイバー干渉計。 ４、平行光線化した光を供給するレーザ（１）と、アイ
   ソレータ（２）と、ビームスプリッター（３１）と、無
   反射コーティング材を蒸着した光学レンズ（３）と、入
   射端面を無反射コーティング材を蒸着した単一モード偏
   波面保存光ファイバー（５）と、λ／８の奇数倍の波長
   板（１４）と、被測定体（１５）とを直列に配置すると
   ともに、前記ビームスプリッター（３１）から分岐され
   た光を偏波面の直交する２成分に分割する偏光ビームス
   プリッター（１９）とホトダイオード（２１、２２）か
   らなり、前記ホトダイオード（２１、２２）からの２つ
   の電気信号を交流電気信号化する２個のハイパスフィル
   ター（２３、２４）と、参照信号と前記交流電気信号を
   処理する２個のロックインアンプリファイヤー（２５、
   ２６）と、前記ホトダイオード（２１、２２）からの２
   つの電気信号を直流電気信号化する２個のローパスフィ
   ルター（２８、２９）と、前記２つの交流信号と前記２
   つの直流信号とから前記測定体の特性値を求めるマイク
   ロプロセッサー（３０）とからなることを特徴とする光
   ファイバー干渉計。 ５、λ／８の奇数倍の波長板（１４）前面または後面に
   光学レンズ（３２）を設置することを特徴とする請求項
   １、２、３または４記載の光ファイバー干渉計。 ６、λ／８の奇数倍の波長板（１４）が、光学レンズ（
   ３２）と１方向のみの偏光成分を分岐合成するビームス
   プリッター２個（３５、３６）と反射鏡２個（３３、３
   ４）から形成される系である請求項１、２、３または４
   記載の光ファイバー干渉計。 ７、単一モード偏波面保存光ファイバー（６）の端面が
   、１面が測定体から構成されている筐体（３８）の前面
   に固定され、前記ファイバー（６）の端面と、前記測定
   体の中間にλ／８の奇数倍の波長板（１４）を設置する
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の光フ
   ァイバー干渉計。 ８、単一モード偏波面保存光ファイバー（６）の端面が
   、１面をλ／８の奇数倍の波長板（１４）から構成され
   ている筐体（４４）の前面に固定されていることを特徴
   とする請求項１、２、３または４記載の光ファイバー干
   渉計。 ９、レーザ（１）からの平行光線化し光アイソレータ（
   ２）を通過した光又は２つのレーザ（１、１′）からの
   直交した偏光を偏光ビームスプリッター（３７）で合成
   した光又はレーザ（１）からの平行光線化した光と励振
   光とを２色性ビームスプリッター（４２）により合成し
   た光を、光学レンズ（３）で前記偏光した光を単一モー
   ド偏波面保存光ファイバー（５）の端面（４）に集光し
   て前記単一モード偏波面保存光ファイバーの２つの偏光
   した光を双方ともファイバー中を伝搬させ、前記単一モ
   ード偏波面保存光ファイバー（５）を通過した光を方向
   性結合器（９）で２つに分岐し、１方の光は単一モード
   偏波面保存光ファイバー（６）を経由して前記単一モー
   ド偏波面保存光ファイバー（６）の端面から測定体に照
   射され、反射光がふたたび前記単一モード偏波面保存光
   ファイバー（６）の端面に入射し、他方の光は単一モー
   ド偏波面保存光ファイバー（７）により前記ファイバー
   のコアと屈折率の等しい光学的無反射終端（１７）に照
   射させるとともに、前記再入射した反射光をホトダイオ
   ード（２１、２２）で直交する２つの成分に分けて計測
   する方法において、前記単一モード偏波面保存光ファイ
   バー（６）の端面と振動振幅δｚで振動している測定体
   の間にλ／８の奇数倍の波長板を前記波長板の偏光軸が
   前記単一モード偏波面保存光ファイバーの偏光軸に一致
   するように設置し、前記単一モード偏波面保存光ファイ
   バー（６）に再入射した光の直交する２つの偏光成分の
   位相差をπ／２ラジアンまたは３π／２ラジアンとなし
   、前記直交する２つの偏光成分の光強度をホトダイオー
   ド（２１、２２）で測定し電気信号Ｖ＿１（ｔ）、Ｖ＿
   ２（ｔ）を得、該Ｖ＿１（ｔ）、Ｖ＿２（ｔ）をハイパ
   スフィルター（２３、２４）に入力して交流信号Ｖ＿１
   ＿ａ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿２＿ａ＿ｃ（ｔ）を得、前記Ｖ＿
   １（ｔ）、Ｖ＿２（ｔ）をローパスフィルター（２８、
   ２９）に入力して直流信号Ｖ＿１＿ｄ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿
   ２＿ｄ＿ｃ（ｔ）を得て、前記Ｖ＿１＿ａ＿ｃ（ｔ）、
   Ｖ＿２＿ａ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿１＿ｄ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿２
   ＿ｄ＿ｃ（ｔ）をそれぞれマイクロプロセッサー（３０
   ）に入力して Ｋ（ｔ）＝（Ｖ＿１＿ａ＿ｃ（ｔ）・Ｖ＿２＿ｄ＿ｃ（
   ｔ））／（Ｖ＿２＿ａ＿ｃ（ｔ）・Ｖ＿１＿ｄ＿ｃ（ｔ
   ））＝−ｔａｎδ＿０（１−ｖｓｉｎδ＿０）／（１−
   ｖｃｏｓδ＿０） の式から０＜ｖ≦０．７０７の条件下で２個のδ＿０の
   解を求めるとともに、前記Ｖ＿１＿ａ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿
   ２＿ａ＿ｃ（ｔ）をロックインアンプリファイヤー（２
   ５、２６）に入力して得た信号Ｖ＿１＿ｒ（ｔ）、Ｖ＿
   ２＿ｒ（ｔ）、Ψ＿１、Ψ＿２をマイクロプロセッサー
   （３０）に入力することにより正しいδ＿０の解を計算
   で求めたのち、前記正しいδ＿０の解と既知のｖ、ｇお
   よびλより振動振幅δｚを求めることを特徴とする光フ
   ァイバー干渉計による信号処理方法。 但し Ｖ＿１＿ａ＿ｃ（ｔ）＝Ｖ＿１＿０（４πδｚｖ／λ）
   ｓｉｎδ＿０ｓｉｎωｔ Ｖ＿２＿ａ＿ｃ（ｔ）＝−Ｖ＿２＿０（４πδｚｖ／λ
   ）ｃｏｓδ＿０ｓｉｎωｔ Ｖ＿１＿ｄ＿ｃ（ｔ）＝Ｖ＿１＿０（１−ｖｃｏｓδ＿
   ０） Ｖ＿２＿ｄ＿ｃ（ｔ）＝Ｖ＿２＿０（１−ｖｓｉｎδ＿
   ０） Ｖ＿１＿ｒ（ｔ）＝ｇＶ＿１＿０（４πδｚｖ／λ）｜
   ｓｉｎδ＿０｜ Ｖ＿２＿ｒ（ｔ）＝ｇＶ＿２＿０（４πδｚｖ／λ）｜
   ｃｏｓδ＿０｜ ここで Ｖ＿１＿０、Ｖ＿２＿０：ホトダイオードで測定した光
   の強さを示す電気信号 δ＿０：平均位相差 δｚ：振動の振幅但しδｚ≪λ ｖ：信号のコントラスト（０＜ｖ＜１） ω：角周波数 ｔ：時間 Ψ＿１、Ψ＿２：ロックインアンプリファイヤーからの
   Ｖ＿１＿ａ＿ｃ（ｔ）、Ｖ＿２＿ａ＿ｃ（ｔ）より求め
   た位相出力 ｇ：ロックインアンプリファイヤーの利得 λ：光の波長