JPH03504047A - 物理量の検出測定方法および装置 - 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】 物理量の検出測定方法および装置 本発明は物理量の検出および測定方法およびそのための装置に関し、特に、被測 定物理量を感知する素子を含みかつその物理量の関数として変動するスペクトル 伝達関数を有するセンサを使用し、そのセンサを非干渉性光で照射し、センサか ら出力される光信号をスの値を決定する方法および装置に関する。

このような方法および装置は、例えば本出願人による国際出願ＷＯ３７１０５６ ９１とＷＯ３７１０５６９２に既に記載されている。ここで使用されているセン サは干渉計型式のもので、光スペクトルを被測定物理量の関数として変動する特 性変調周波数で周期的に変調して透過させるものである。また解析装置も干渉計 型式で、センサからの光束をフーリエ変換によって復調する。センサによって変 調された光束をこのように光学的にフーリエ変換することにより、センサの特性 変調周波数を検出することができ、それから、測定されるべき物理量の値を決定 することができる。

本発明の目的は、上記と同型ではあるがしかしセンサからの光束を解析する手段 において異なる方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記の型式であって、被測定物理量の影響を受ける複数の センサから出力される信号をマルチプレックスしまたデマルチプレックスするこ とのできる方法および装置を提供することである。

このために本発明は、物理量の検出および測定方法であって、被測定物理量を感 知する干渉計型式センサを照射するために非干渉性光の光源を使用し、前記セン サに入力する光束のスペクトルを前記被測定物理量の関数としての周波数に周期 的に変調し、前記センサから出力される光束を干渉計型式の復調手段によって静 的に復調し、その復調光束スペクトルを解析しそれから前記物理量の値を導く方 法において、前記センサと前記復調手段の何れから出力される変調周波数をも感 知しない光学的分解能を有する復調光束スペクトル解析装置を使用し、かつ、前 記センサによるスペクトル変調と前記復調手段によるスペクトル変調とのビート 周波数特性を示している復調信号中の変化のみを解析することを特徴とする方法 を提供する。

本発明の方法によれば、センサによる特性変調と固定の復調周波数とを組み合わ せることにより、直接的にその特性変調を解析する場合に比較して、相対的に低 い解像度のスペクトル解析装置を用いて被測定物理量の値を決定することができ る。

好適には、本方法は、前記ビート周波数が相対的に高く前記光源のスペクトル幅 の逆数よりも大きい場合は、前記復調信号中の前記特性変化の周期と位相とを測 定する。また、前記ビート周波数が相対的に低く前記光源のスペクトル幅の逆数 よりも小さい場合は、前記復調光束の色を測定する。

被測定物理量の値は、従来の位相／周期測定手段によっても得られるし、あるい は、本出願人によるフランス特許第２５８８６５６号に記載されている分光測色 手段によって決定してもよい。

好適な態様として、本方法は、前記復調手段からの光束の非変調部分の強度を、 その復調手段もしくは前記センサを調節することにより前記スペクトル解析装置 が前記ビート・周波数を感知しないようにすることによって測定し、その後、前 記センサが前記被測定物理量の影響を受けた状態で、前記復調光束にその光束の 非変調部分の逆数を掛けることによって、使用される一群の手段のスペクトル伝 達関数等と無関係な被解析信号を取得する。

また、本方法は、好適には、フーリエ平滑化処理によって前記被解析信号中の高 周波ノイズを除去し、その後、その信号をモデル化し、前記ビート周波数を算出 する。

上記操作は、好適には、データ処理システムによる演算にて行なわれる。

さらに、本方法は、好適には、前記光源と前記復調手段とを、並列に設けられか つ相互に異なる特性変調周波数を有する複数の前記センサに接続し、その復調手 段を各センサに逐次同調させる。

これにより、被測定物理量に従って作動する複数のセンサから出力される信号を マルチプレックスおよびデマルチブレックスする簡易な方法が提供される。

また、本発明は、上記の何れかの方法を実施することにより、物理量の検出およ び測定を行なう装置であって、非干渉性光の光源と、被測定物理量を感知し前記 光源から出力される光束をその被測定物理量の関数としての周波数に周期的にス ペクトル変調する干渉計型式センサと、前記センサを透過した光束を復調する復 調干渉計等の静的復調手段と、その復調光束をスペクトル解析する手段と、前記 光源、センサ、復調手段。

解析手段を接続する光ファイバとを含む装置において、前記解析手段の光学的分 解能が、その解析手段が前記センサと前記復調手段の何れから出力される変調周 波数をも感知せず、かつ、それらの周波数の差を感知するようにされていること を特徴とする装置を提供する。

本装置は、好適には、前記解析手段が、前記被解析信号にもとすいて、前記セン サによる変調と前記復調手段による変調とのビート周波数からその特性変化の周 期と位相とを算出する手段を含む。

また好適には、本装置は、前記復調光束の色を測定する手段を含む。

また好適には、本装置は、前記復調光束に関してフーリエ平滑化処理を行なう計 算手段等、復調光束中の高周波ノイズを除去する手段を含む。

また好適には、本装置は、前記光源と前記復調手段との間において並列に設けら れかつ相互に異なる特性変調周波数を有する複数の前記センサを含み、その復調 手段が各センサに逐次同調させられる。

例示としての以下の記載によって本発明はより良く理解され、本発明の他の詳細 、特徴、利点がより明瞭となるであろう。以下の記載中、・次の図面が参照され る。すなわち、 第１図は本発明の装置の略図であり、 第２図はその装置の好適な態様の略図であり、第３図は並列に設けられた複数の センサをマルチプレックスしまたデマルチブレックスする本発明の別の実施例の 略図である。

第１図において、符号１０は非干渉性光の光源である。

光源１０は光ファイバ１２を介して、たとえば干渉計型式のセンサ１４に接続さ れている。センサ１４は測定されるべき物理ｌを感知する。被測定物理量として は、例えば、温度、変位、電界を挙げることができる。

センサ１４は、光源１０から出力された光束を周期的にスペクトル変調する。光 束は変調により、被測定物理量の関数として変化する特性周波数とされる。セン サ１４は光ファイバ１６を介して、静的復調干渉計等の復調手段１８に接続され ている。復調システム１８はスペクトル解析手段２２に対して光ファイバ２０を 介して光信号を出力する。

前記のように、スペクトル解析手段２２は例えば、本出願人のフランス特許第２ ５８８６５６号に記載されている光フアイバ分光測色計で構成される。センサ１ ４から出力される光束は以下の等式で与えられる：Ｂ’　　（σ）　＝（１／２ ）　　・Ｂ（σ）・’ｒ＋（σ）（１＋ｃｏｓ２πσΔ（Ｘ）〕 但し、上式において、 Ｂ’　　（σ）；センサ１４から出力される光束、Ｘ；被測定物理量、 Δ（Ｘ）；センサ１４内の可変光路長差、σ；波数、 Ｂ（σ）；光源１０から出力された光束、Ｔ、　　（σ）；光ファイバ１２とセ ンサ１４とで構成される装置のスペクトル伝達関数 である。

同様に、復調手段１８から出力される光束は以下の式で示される： Ｂ”　（σ）＝（１／２）　　・Ｂ’　　（σ）・Ｔ２（σ）（１＋ｃｏｓ２π σΔ。〕 但し、上式において、 Ｂ”　（σ）；復調手段１８から出力される光束、Δ。；復調手段１８での固定 光路長差、σ；波数、 Ｔ、（σ）；光ファイバ１６と復調手段１日とで構成される装置のスペクトル伝 達関数 である。

上記の等式は以下のよ・うにも示される：Ｂ”　（σ）＝（１／４）　　・Ｂ（ σ）・Ｔ（σ）（１＋ｃｏｓ２πσΔ（ｘ）＋ｃｏｓ２πσΔ０十（１／２）　 ｃｏｓ２　ｒｔ　ａ　（Δ。−Δ（Ｘ））＋（１，／２）　ｃｏｓ２　πｅ；　 （Δ。＋Δ（ｘ）））但し、上式において、 Ｔ（σ）＝ＴＩ（σ）・Ｔ２　（σ）、である。

スペクトル解析手段２２は、その光学的分解能がセンサ１４と復調手段１８のそ れぞれから出力される変調周波数を感知できるほどに充分に高くないように設計 されている。すなわち、その光学的分解能は以下の条件で示される： 但し、本式において、 δσ；スペク）・ル解析手段２２の光学的分解能、である。

結局、スペクトル解析手段２２によって記録されるスペクトルは以下のように表 される： Ｓ（σ）　＝（１／４）　　・Ｂ（σ）・Ｔ（σ）（１＋ｃｏｓ２　πｔｙ’　 （Δ。＋Δ（ｘ）））スペクトル解析手段２２が感知するスペクトルには、セン サ１４と復調手段１８のそれぞれの光路長差の差に対応する特性周波数の変化が 含まれる。復調手段１８の光路長差は既知であるので、それからセンサ１４の光 路長差が導かれ、結局、被測定物理量Ｘの値をも導くことができる。

本装置は以下のようにして事前にキャリブレーションを行なうことができる。

復調手段１８を適当に操作することにより、センサ１４による変調と復調手段１ ８による変調とによるビート周波数を、スペクトル解析手段２２によって感知で きないように設定する。このとき以下の条件が成立つ： δσ・１Δ。−Δ（Ｘ）１〉〉ｊ それにより、スペクトル解析手段２２に入力する光束の非変調部分が以下のよう に得られる：（１／４）　　・Ｂ（σ）・Ｔ（σ） この測定値をメモリに一旦記憶しでおけば、その非変調部分の逆数を被解析光束 に掛けることにより、以下の形式の信号を得ることができる： １　＋（１／２）　　・ｃｏｓ２　ｒｃ　ａ　（Δ０−Δ（Ｘ））本式から１７ ２を差し引き、さらに因数の１／２を取り去れば、（１＋ｃｏｓ　（ａχ））と いう式が得られる。これは純粋な変調を示している。

このような正規化操作を打ちたならば、そのときの事情に応じて、例えば分光測 琶計を使用して、透過される光束の色（ａｐｐａｒｅｎｔ　ｃｏｌｏｒ）を測定 したり、あるいは、直接、被解析信号の周期的と−１−変調の周期や位相を測定 することができる。

光束の色は、ビート周波数が低く光源１０のスペクトル幅の逆数より小さい場合 に、つまり、Δ。−Δ（×）＜１／（Δσ） が成立つとき、有利に測定される。

逆に、ビート周波数が光ｔＸ１０のスペクト１し幅の逆数より大きい場合には、 そのビート周波数の周期や位相を測定することができる。

被解析信号からは−例えばフーリエ平滑化処理によって高周波ノイズを除去する ことができる。高周波はここで問題にする現象と全く無関係であり、しかも、ビ ート周波数の最大値は事前に予測することができるからである。その後、信号は （１＋ａ　−ｃ　ｏ　ｓ　（ｂ）　）の式にモデル化され、ビート周波数が例え ば最小二乗法等による補正によって決定される。

上記の正規化操作、測定操作、ビート周波数算出操作はすべて、データ処理手段 の演算によって行なわれる。

復調手段１８の光路長差は、被測定物理量が測定範囲内のどのような値を取った 場合でも、それが常にセンサ１４の光路長差よりも小さくなるように選択すると 有利である。それにより余弦関数が偶関数であることによる曖昧性を除くことが できるからである。

第２図は復調手段１８の好適な態様を示す略図である。本態様の復調手段１８は 複屈折型式であって、コリメート用の光学レンズ○、と、偏光子Ｐと、第一およ び第二複屈折結晶素子Ｃ＋、Ｃｚと、検光子Ａと、光学レンズＯ７とを含んでい る。コリメート用の光学レンズＯ９の焦点には光ファイバ１６の一端が位置する 。第一複屈折結晶素子ＣＩは厚さｅｌ＋複屈折率Δｎ、であり、その中立軸は偏 光子Ｐの光透過方向に対して４５度をなしている。第二複屈折結晶素子Ｃ２は厚 さｅ２＋複屈折率Δｎｚであり、この中立軸も偏光子Ｐの光透過方向に対して４ ５度をなしている。検光子Ａは偏光子Ｐに対して交差するかもしくは平行となる ように設けられる。光学レンズＯ７は光ビームを光ファイバ２０に集光する。

第一および第２複屈折結晶素子ＣＩ　＋　Ｃ２は、以下乙こ示す２つの光路長差 となるように２相互に調節することができる： Δ１　＝ｅ２　Δｎｚ　　−ｅ＋　　Δｎｌ（第一複屈折結晶素子ＣＩの低速側 軸が第二複屈折結晶素子Ｃ２の高速側軸と一致するとき）Δ２＝ｅ２Δｎ、　十 ｅ、Δｎ＋ （第一および第二複屈折結晶素子Ｃ，，Ｃ，の低速側軸が互いに一致するとき） 第一および第二複屈折結晶素子Ｃ，，Ｃ２の一方を９０度回転させることにより 、光路上にさらに光学素子を付加することなく、一方の光路長差を他方の光路長 差に変更することができる。

第一、第二複屈折結晶素子ＣＩ　、Ｃｚを適当に選択することにより、測定前に 行なわれる本装置の上記キャリブレーションを容易なものとすることができる。

例えば、同し光学素子にて構成される同一の復調手段１８を使用して、光路長差 Δ２をキャリブレーション用に利用し、光路長差Δ１を測定に利用する。

第３図に示されているように、本発明は複数のセンサ１４．〜１４．〜１４．か らの情報を、それらの特性変調周波数が相互に充分に異なっている限り、マルチ プレックスおよびデマルチブレックスすることができる。

第３図の装置は非干渉性光の光＃ｉ１０を含み、光源１０は光ファイバ１２を介 してスターカプラ２４に接続され、スターカプラ２４は光ファイバ２６を介して 、並列に設けられた複数のセンサ１４１〜１４ｉ〜１４１゜に接続されている。

複数のセンサ１４は光ファイバ２８とスターカプラ３０と光ファイバ１６とを介 して復調手段１８に接続され、復調手段１８はスペクトル解析手段２２に接続さ れている。

復調手段１８は、センサ１４．〜１４□〜１４．．の各々に同調することができ るように、すなわち、その光路長差が各センサの光路長差に対応した値を取り得 るように設計されている。この場合において、各センサによって検出される物理 量（一種類または複数種類）の値を逐次取得することができる。

具体例として、例えばセンサ（単数もしくは複数）１４としては本出願人による 前記国際特許出願に記載された型式のものを使用することができ、また、復調手 段１８としてはマイケルソン干渉計や第２図を用いて説明した複屈折干渉計を使 用することができる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物理量の検出および測定方法であって、被測定物理量を感知する干渉計型式 センサ（１４）を照射するために非干渉性光の光源（１０）を使用し、前記セン サ（１４）に入力する光束のスペクトルを前記被測定物理量の関数としての周波 数に周期的に変調し、前記センサ（１４）から出力される光束を干渉計型式の復 調手段（１８）によって静的に復調し、その復調光束スペクトルを解析しそれか ら前記物理量の値を導く方法において、前記センサ（１４）と前記復調手段（１ ８）の何れから出力される変調周波数をも感知しない光学的分解能を有する復調 光束スペクトル解析装置（２２）を使用し、かつ、前記センサ（１４）によるス ペクトル変調と前記復調手段（１８）によるスペクトル変調とのビート周波数特 性を示している復調信号中の変化のみを解析することを特徴とする方法。 ２．前記ビート周波数が相対的に高く前記光源（１０）のスペクトル幅の逆数よ りも大きい場合は、前記復調信号中の前記特性変化の周期と位相とを測定する請 求項１記載の方法。 ３．前記ビート周波数が相対的に低く前記光源（１０）のスペクトル幅の逆数よ りも小さい場合は、前記復調光束の色を測定する請求項１記載の方法。 ４．前記復調手段（１８）からの光束の非変調部分の強度を、その復調手段（１ ８）もしくは前記センサ（１４）を調節することにより前記スペクトル解析装置 （２２）が前記ビート周波数を感知しないようにすることによって測定し、その 後、前記センサ（１４）が前記被測定物理量の影響を受けた状態で、前記復調光 束にその光束の非変調部分の逆数を掛けることによって、使用される一群の手段 のスペクトル伝達関数等と無関係な被解析信号を取得する請求項１〜３の何れか に記載の方法。 ５．フーリエ平滑化処理によって前記被解析信号中の高周波ノイズを除去し、そ の後、その信号をモデル化し、前記ビート同波数を算出する請求項１もしくは請 求項４記載の方法。 ６．前記被解析信号に関する前記操作が、データ処理システムによる演算にて行 なわれる請求項１〜５の何れかに記載の方法。 ７．前記光源（１０）と前記復調手段（１８）とを、並列に設けられかつ相互に 異なる特性変調周波数を有する複数の前記センサ（１４ｌ〜１４ｉ〜１４ｎ）に 接続し、その復調手段（１８）を各センサに逐次同調させる請求項１〜６の何れ かに記載の方法。 ８．例えば前記請求項１〜７の何れかに記載の方法を実施することにより、物理 量の検出および測定を行なう装置であって、非干渉性光の光源（１０）と、被測 定物理量を感知し前記光源（１０）から出力される光束をその被測定物理量の関 数としての周波数に周期的にスペクトル変調する干渉計型式センサ（１４）と、 前記センサ（１４）を透過した光束を復調する復調干渉計等の静的復調手段（１ ８）と、その復調光束をスペクトル解析する手段（２２）と、前記光源（１０） ，センサ（１４），復調手段（１８），解析手段（２２）を接続する光ファイバ （１２，１６，２０）とを含む装置において、前記解析手段（２２）の光学的分 解能が、その解析手段が前記センサ（１４）と前記復調手段（１８）の何れから 出力される変調周波数をも感知せず、かつ、それらの周波数の差を感知するよう にされていることを特徴とする装置。 ９．前記解析手段（２２）が、前記被解析信号にもとずいて、前記センサ（１４ ）による変調と前記復調手段（１８）による変調とのビート周波数からその特性 変化の周期と位相とを算出する手段を含む請求項８記載の装置。 １０．前記復調光束の色を測定する手段を含む請求項８記載の装置。 １１．前記復調光束に関してフーリエ平滑化処理を行なう計算手段等、復調光束 中の高周波ノイズを除去する手段を含む請求項８記載の装置。 １２．前記光源（１０）と前記復調手段（１８）との間において並列に設けられ かつ相互に異なる特性変調周波数を有する複数の前記センサ（１４ｌ〜１４ｉ〜 １４ｎ）を含み、その復調手段（１８）が各センサに逐次同調させられる請求項 ８〜１１の何れかに記載の装置。 １３．前記復調手段（１８）が干渉計を含み、その干渉計が、偏光子（Ｐ）と、 透過方向が偏光子（Ｐ）の透過方向と交差するかもしくは平行な検光子（Ａ）と 、偏光子（Ｐ）と検光子（Ａ）との間にいずれの中立軸も偏光子（Ｐ）の透過方 向に対して４５度をなして設けられた２つの複屈折結晶素子（Ｃ１，Ｃ２）と、 その２つの複屈折結晶素子（Ｃ１，Ｃ２）を９０度相対回動させることによって 本干渉計の光路長差を事前のキャリプレーションに対応させまたは目的とする測 定に対応させる調節手段とを含む請求項８〜１２の何れかに記載の装置。