JPH10339604A - ファイバ音響光学遅延時間走査干渉計 - Google Patents

ファイバ音響光学遅延時間走査干渉計

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JPH10339604A
JPH10339604A JP9185697A JP18569797A JPH10339604A JP H10339604 A JPH10339604 A JP H10339604A JP 9185697 A JP9185697 A JP 9185697A JP 18569797 A JP18569797 A JP 18569797A JP H10339604 A JPH10339604 A JP H10339604A
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JP
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fiber
interferometer
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light
light source
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JP9185697A
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Toshihiko Yoshino
俊彦 芳野
G Shinha Puranei
プラネイ・ジィ・シンハ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超高速、高安定、簡便な絶対計測が可能な干
渉センサを提供すること。 【構成】 ファイバ音響光学遅延時間走査機能装置(一
部)11〜14に干渉計31を具備している。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は、主として光路差の絶
対値を低コヒーレンス干渉計を用いて測定する装置に関
するものである。 【0002】 【従来の技術】従来より、光路差の絶対測定をするのに
低コヒーレンス干渉計を利用する計測方法が知られてい
る。低コヒーレンス干渉計では信号の検出に参照アーム
の光路差を走査する必要があるが、従来、走査法として
反射ミラーを移動する方式で行われ、また、干渉信号の
処理をコンピュータ処理で行っている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は光路差の走査が機械的なミラーの移動に依存している
ために、装置としての安定性や応答速度の面で問題があ
る。また、信号処理に複雑なコンピュータ処理を利用し
ていることによる応答速度の面で限界があった。 【0004】 【問題を解決するための手段】本発明は、光路差の走査
にファイバ音響光学遅延時間走査法を用いることで、機
械的に可動部のない光路差走査を超高速に行い、また干
渉計出力の信号処理に簡単な電子回路を利用することで
高速・実時間の計測を可能にさせるものである。 【0005】 【作用】2モードファイバでは、それぞれのモードの群
速度に差がある。 【0006】2モードファイバに2モードのビート長と
等しいかまたはそれに近いファイバ中波長をもつ音響振
動を印加すると、ファイバの2モード間でモード変換が
生じる。 【0007】印加音響振動を短パルスとすると、音響パ
ルスはファイバ軸に沿って等速移動する。 【0008】従って、2モードファイバに音響パルスを
照射すると、ファイバの長さ方向に沿ってモード結合点
が等速移動するので、等速移動ビームスプリッタとして
働き、光路差の走査を高速に行うファイバ音響光学遅延
時間走査素子機能をもつことになる。 【0009】一般に、低コヒーレンス光源で2光束干渉
計を構成すると、干渉フリンジのコントラストは2光束
の光路差がゼロの点で最大となり、光路差の増加と共に
急速に低下する。従って未知の光路差を含む被測定干渉
計と上記ファイバ音響光学遅延時間走査素子を接続する
と、干渉計とファイバ音響光学遅延時間走査素子の両者
の時間遅延が合致した点で干渉フリンジのコントラスト
が最大となる。 【0010】干渉フリンジのコントラストが最大となる
位置を検出するために、干渉出力信号をローパスフイル
タを通すことで、その包絡線を取り出す。 【0011】次に包絡線電気信号をアナログ微分電子回
路を通過させると、微分出力は包絡線のピーク位置即ち
被干渉計の光路差が補正された位置でゼロとなる。 【0012】従って、この微分信号がゼロとなる時間位
置を測定すれば、被干渉計の光路差が決定できる。 【0013】微分信号がゼロとなる時間位置の測定に
は、時間差計測器やメモリ−スコープを使う。 【0014】この一連の干渉信号処理にコンピュータを
利用することもできる。 【実施例】以下、本発明に関わる干渉計測装置とその応
用を詳細に説明する。 【0015】図1は、本発明の実施例を示すための全体
の構成図である。光源50から出射した光線を、2モー
ドファイバ音響光学遅延時間走査装置51、干渉計5
2、さらに信号処理部53に通す構成になっている。 【0016】図1に示す全体の構成で、構成の順序は、
干渉計52、ファイバ音響光学遅延時間走査装置51の
順序でもよい。 【0017】図2は、本発明の一実施例を詳細に示すた
めの構成図である。光源としてSLD(スーパールミネ
セントダイオード)光源1から出射した光線を単一モー
ドファイバ2を通して偏光子3およびファイバ偏光コン
トローラ4を通した後、センサファイバ5である高複屈
折ファイバに導く。 【0018】高複屈折センサファイバ5の速軸、遅軸に
は同光量が入射するように、偏光コントローラ4の方位
を調整する。 【0019】走査ファイバ9には等方性ファイバあるい
は高複屈折性ファイバを用いる。走査ファイバが高複屈
折ファイバの場合には、走査ファイバの速軸、遅軸それ
ぞれの偏光軸に同光量が入力するように、その偏光軸を
偏光コントローラ7で調整しセンサファイバと結合する
(両者の偏光軸を互いに45゜傾ける)。 【0020】走査ファイバ9としては、基本モードLP
01と一次高次モードLP11モードだけが使用光源波
長に対して伝搬できるようなファイバを選ぶ。 【0021】センサファイバ出力光で走査2モードファ
イバのLP01モード(基本モード)を選択励起する。
結合条件によってたまたま混入して励起された第1高次
モードLP11はモードストリッパ10で除去する。 【0022】走査ファイバ9のコーティングを一部除去
した部分11にアルミニウムホーン12の先端部を接着
する。アルミホーン12は圧電素子13に取付け、それ
をラジオ周波数のバースト電圧パルス発生電源14で励
振する。音波周波数は音波波長がLP01モードとLP
11モードのビート長(一波長の光路差を生じるファイ
バ長)と等しいかそれに近くなる周波数で励振する。 【0023】この音響振動によって効率よくモード結合
が行われるように、回転装置15、16を用いて無コー
ト走査ファイバ部11の偏光軸を音波振動の面と合致さ
せる。 【0024】走査ファイバの出力光17を光検出器18
で受光し、その電気出力19を増幅器20で増幅した
後、高周波カットのフイルタ21で包絡線を検出し、微
分回路22で微分する。 【0025】図3は、得られた微分電気信号の波形例で
ある。センサファイバ5に歪み6を印加すると、微分信
号のゼロクロスの時間位置がシフトする。シフト時間
は、時間差測定装置23で測定する。時間差測定装置に
は電子カウンターを用いるがメモリスコープなどによっ
ても読み取れる。 【0026】センサ複屈折ファイバに歪み、荷重、曲
げ、あるいは温度などの外乱6が加わると、その速軸、
遅軸の群速度の差、従って速軸、遅軸の光路差が変化す
る。 【0027】図4は、出力信号24であるシフト時間τ
と被測定信号6としてセンサファイバに印加した歪みの
関係を示す測定例である。測定値と計算値との良い一致
が見られる。 【0028】同様な原理で、圧力、変位、振動、音波、
荷重、曲げ、温度などが測定できる。これらの測定対象
は、静的なもの、動的変化するものいずれでもよく、特
に高速に変化するものでも測定できるのが本方式の特徴
である。 【0029】センサ高複屈折ファイバの光路差は、ファ
イバの長さによって変化するので、高複屈折ファイバの
任意点でファイバに曲げや振動を与えて、速軸、遅軸モ
ード間の変換を誘起すると、モード変換位置が検出で
き、位置検出の機能を有する。 【0030】本方式によるファイバ歪みセンサは、低コ
ヒーレンス干渉計を用いているので歪みの増加分ではな
く正負の絶対的な量が求められる。 【0031】本方式による歪みセンサは、ゼロクロス検
知に基づいているので光量の変動による誤差が少ない。 【0032】本発明に関わる干渉計は、絶対測定を目的
とした一般の低コヒーレンス干渉計に広く適用できる。 【0033】図5は、本発明に関わる低コヒーレンス干
渉計を物体の表面形状の計測に応用する場合の実施例で
ある。 【0034】図2の実施例で詳細に説明したファイバ音
響光学遅延時間走査装置の出力光30を、マイケルソン
干渉計31に入力する。干渉計31は、ビームスプリッ
タ32、参照ミラー33、被測定面34からなる。被測
定面に入射する光線は空間分解能を向上させるためレン
ズ35で絞る。 【0035】参照光36と信号光37を、ビームスプリ
ター32で再結合させて干渉縞を発生させ、その一部を
ピンホール38を通してその出力を図2の実施例と同様
な手法で信号処理する。 【0036】最終的な出力信号24は、ビームスプリッ
タ32から被測定面34に至る距離とビームスプリッタ
32から参照反射ミラー33に至る距離(固定)の差を
表す。従って、被測定面の高さが測定できる。 【0038】マイケルソン干渉計31あるいは被測定面
34を光線37に垂直な面内で2次元的に走査すると、
被測定面の表面形状が求められる。 【0039】図5に示す実施例の構成を用いることによ
って、被測定面の光軸方向の変位、振動も測定できる。 【0040】図5の実施例で使用する干渉計は、マッハ
ツエンダ干渉計、フイゾウ干渉計、ファブリペロ干渉計
などの種々の干渉計あるいはファイバ型の種々の干渉計
でもよい。 【0041】図6は、図5の実施例に基づく測定原理
を、生体組織、病巣など散乱性のある3次元物体の測定
に適用する際の干渉計の信号アーム部の構成を示す図で
ある。走査ファイバからの出力光線37は散乱体40で
多重散乱を受けて、検出すべき半透明物体41に入射
し、反射する。反射光の一部は光線37と同じ方向に戻
る。これを、図5の実施例と同様な手法で検出すると、
物体41の3次元形状が計測できる。 【0042】図7は、図5の実施例に基づく方式を、多
層構造を有する3次元物体に適用した実施例である。走
査ファイバの出力光線37は境界面42a、42b・・
で散乱反射し、一部は光線37と同じ方向に元に戻る。
これを、図5に示す実施例と同様な手法で検出すると、
多層膜の厚さが計測できる。 【0043】本発明に関わる干渉計は、絶対測定を目的
とした一般の低コヒーレンス干渉計に広く適用できる。 【0044】本方式は、従来の低コヒーレンス干渉計に
比べて、高速度、高安定、実時間で光路差の絶対測定が
可能となる。 【0045】 【発明の効果】本発明によると、簡単な構成によって、
高速度応答、高安定、実時間に優れた光路差の絶対測定
が可能となる。これは、従来の低コヒーレンス干渉計測
技術では実現されていないことであり、新しい計測技術
として広い応用範囲をもつ。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に関わる計測装置の実施例を説明するた
めの全体図である。 【図2】本発明に関わるファイバセンサの実施例を説明
するための構成図である。 【図3】本発明に関わる電気出力信号の実施例を示す図
である。 【図4】本発明に関わるファイバ歪みセンサの実施例を
示す図である。 【図5】本発明に関わる表面形状測定の実施例を説明す
るための構成図である。 【図6】本発明に関わる散乱性物体の3次元構造測定の
ための信号アーム部の構成図である。 【図7】本発明に関わる多層構造の膜厚測定のための信
号アーム部の構成図である。 【符号の説明】 1 光源 30 出力光 2 ファイバ 31 干渉計 3 偏光子 32 ビームスプリッ
タ 4 偏光制御素子 33 参照ミラー 5 センサファイバ 34 被測定面 6 被測定信号 35 レンズ 7 偏光制御素子 36 参照光 9 走査ファイバ 37 信号光 10 モード除去器 38 ピンホール 11 無コートファイバ 39 レンズ 12 ホーン 40 散乱体 13 圧電素子 41 被検物体 14 電源 42a、42b 境界面 15 回転装置 50 光源 16 回転装置 51 ファイバ音響光
学遅延時間走査装置 17 出力光 52 干渉計 18 光検出器 53 信号処理装置 19 電気出力 20 増幅器 21 フイルタ 22 微分回路 23 時間差測定器 24 出力信号

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 2モードファイバに音響パルスを照射
    し、2モード間の結合によって光の遅延時間を走査する
    ことを特徴とした装置。 【請求項2】 光源と、 【請求項1】に関わるファイバ音響光学遅延時間走査装
    置と、干渉計と、信号処理装置とからなることを特徴と
    した干渉計測装置 【請求項3】 【請求項2】に関わる干渉計測装置において、光源とし
    て低コヒーレンス光源を用い、当該干渉計の出力光強度
    に対応した電気信号を包絡線検知を目的としたアナログ
    電子回路と、包絡線のピーク位置をゼロクロス点として
    出力とすることを目的としたアナログ微分回路と、ゼロ
    クロス点間隔検知を目的とした電子カウンターなどの検
    波装置を具備すること、を特徴とする装置。 【請求項4】 【請求項3】に関わる干渉計測装置において、信号処理
    装置に関わる機能をコンピュータ処理によって行うこと
    を特徴とする装置。 【請求項5】 【請求項3】および 【請求項4】に関わる装置において、干渉計として高複
    屈折ファイバを用いて、その直交偏光モード間の光路差
    を誘起する歪み、圧力、温度などの外部刺激の大きさあ
    るいはそれらの発生位置を検出することを特徴とする装
    置。 【請求項6】 【請求項3】および 【請求項4】に関わる装置において、センサ素子として
    マイケルソン型他の干渉計を用い、それが空間走査機能
    を有し、物体の3次元物体形状を検出することを特徴と
    する装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2398867A (en) * 2003-02-03 2004-09-01 Sensor Highway Ltd Measuring a parameter in a region by determining the absolute optical path length between fibre optic arrayed reflectors located in that region
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CN115420388A (zh) * 2022-08-17 2022-12-02 长春理工大学 一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法

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