JPH04218730A - 光ファイバ・レーザドップラ振動計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源から射出さ
れたレーザ光を光ファイバで伝送した後、振動する被測
定体に照射し、該被測定体から反射された反射光（物体
光）を再度光ファイバで伝送し、またこの光ファイバと
干渉性のある参照光を生成し、これら物体光と参照光と
を干渉させることにより上記被測定体の振動状態に対応
するビート信号を得る光ファイバ・レーザドップラ振動
計に関する。

【従来の技術】

【０００２】振動する被測定体から反射した、該振動に
より周波数変調を受けたレーザ光（物体光）と該物体光
と干渉する一定周波数の参照光とを干渉させてうなりを
生じさせ、このうなりを光検出器で検出することにより
、上記被測定体の振動周波数や振幅に対応したビート信
号を得るレーザドップラ振動計が知られており、そのう
ち、該振動計本体と被測定体との位置関係にフレキシビ
リティを持たせるためにレーザ光を光ファイバで伝送す
るように構成した光ファイバ・レーザドップラ振動計と
呼ばれるものがある。図３は、従来の光ファイバ・レー
ザドップラ振動計の典型的な例を表わした概略構成図で
ある。以下、この図に沿って従来の技術について説明す
る。

【０００３】レーザ光源１から射出されたレーザ光２は
、ビームスプリッタ３により透過光と反射光とに２分割
される。このビームスプリッタ３は偏光ビームスプリッ
タ（以下、「ＰＢＳ」と略す）とは異なり、レーザ光２
の偏光方向に拘らず該レーザ光を２分割するものである
。このビームスプリッタ３を透過した光２ａはＰＢＳ４
に達する。このＰＢＳ４はもともと偏光しているレーザ
光２（透過光２ａ）を透過するように配置されており、
透過光２ａはこのＰＢＳ４を透過し、ファイバ入光用レ
ンズ５により集光され、偏波面保存光ファイバ６にその
一端面６ａから入射し、センサヘッド部２０に伝送され
る。ここで偏波面保存光ファイバとは、互いに直交する
所定の２方向に偏光している光が伝送される単一モード
光ファイバをいう。この偏波面保存光ファイバ６により
センサヘッド部２０に伝送された光は、該偏波面保存光
ファイバ６の端面６ｂから射出した後、λ／４板２１、
対物レンズ２２を通り、被測定体２３を照射する。ここ
で被測定体２３は、この照射光の光路に対し角度θだけ
傾いたＡ−Ｂ方向に繰り返し振動しているものとする。

【０００４】上記照射光は被測定体２３により反射され
、この反射光（この反射光を「物体光」と称する。）は
再び対物レンズ２２、λ／４板２１を通って偏波面保存
光ファイバ６にその端面６ｂから入射する。ここで被測
定体２３を照射する光はλ／４板２１を一度通過するこ
とにより円偏光に変換された光であり、この被測定体２
３から反射された物体光はλ／４板２１を再度通過する
ため、この物体光は偏波面保存光ファイバ６の端面６ｂ
から射出された光とはその偏光方向が９０度異なった直
線偏光光となる。この偏波面保存光ファイバ６に入射し
た物体光は、該偏波面保存光ファイバ６により伝送され
、その端面６ａから射出され、ファイバ入光用レンズ５
によりコリメートされ、ＰＢＳ４に入射する。この物体
光は前述したように偏光方向が９０度回転しているため
このＰＢＳ４で反射され、この物体光のうちビームスプ
リッタ７を透過した成分が信号処理部３０内の光検出器
３１に入射する。

【０００５】一方、ビームスプリッタ３で反射された光
は、物体光側の光路長とほぼ同一の光路長にして上記物
体光との干渉性を保持するため、以下の光路を経由して
光検出器３１に入射される。即ち、このビームスプリッ
タ３で反射された光（以下この光を「参照光」と称する
。）は、ＰＢＳ８を透過し、ファイバ入光用レンズ９に
より集光され、偏波面保存光ファイバ１０にその一端面
１０ａから入射し、センサヘッド部２０に伝送され、該
偏波面保存光ファイバ１０の他端面１０ｂから射出され
、λ／４板２４を通過することにより円偏光に変換され
、参照光用レンズ２５を通り、参照ミラー２６に照射さ
れる。この参照ミラー２６で反射された参照光は再び参
照光用レンズ２５を通り、λ／４板２４を通過して偏波
面保存光ファイバ１０へその端面１０ｂから入射する。 このとき参照光は、上記照射光（物体光）の場合と同様
に、偏波面保存光ファイバ１０の端面１０ｂから射出し
た光とはその偏光方向が９０度回転している。この偏波
面保存光ファイバー１０にその端面１０ｂから入射した
参照光は、この偏波面保存光ファイバ１０内を伝送され
、この偏波面保存光ファイバ１０の端面１０ａから射出
され、ファイバ入光用レンズ９によりコリメートされて
ＰＢＳ８に入射する。このＰＢＳ８に入射した参照光は
前述したように偏光方向が９０度回転しているためこの
ＰＢＳ８により反射され、信号処理部３０内のドライバ
ー３２により駆動される音響光学的光変調器１１を通過
することにより周波数がシフトされ、ビームスプリッタ
７により反射された成分が前述した物体光とともに光検
出器３１に入射する。上記のようにして光検出器３１に
入射した物体光と参照光はこの光検出器３１上で干渉し
、この干渉した光がこの光検出器３１で検出されること
により周波数ｆｂのビート信号が得られ、プリアンプ３
３で増幅された後、図示しない信号処理回路に入力され
、被測定体２３の振動周波数等が求められる。

【０００６】以上のように構成された光ファイバ・レー
ザドップラ振動計において、レーザ光源から射出された
レーザ光２の波長，周波数をそれぞれλ，ｆｏとし、被
測定体２３の振動速度をＶ（時刻ｔの関数）としたとき
、被測定体２３から反射された物体光のレーザ光２から
の周波数シフト量ｆｄは、 ｆｄ＝（２・Ｖ／λ）・ｃｏｓθ　　　　……　　（１
）と表わされ、従って物体光の周波数ｆｓは、 　　　　　　　　ｆｓ＝ｆｏ＋ｆｄ＝ｆｏ＋（２・Ｖ／
λ）・ｃｏｓθ　　　　……　　（２）となる。また参
照光は、前述したように音響光学的光変調器１１で周波
数シフトを受けるため、この音響光学的光変調器１１の
変調周波数をｆｍとすると、この音響光学的光変調器１
１を通過した後の参照光の周波数ｆｒは、ｆｒ＝ｆｏ＋
ｆｍ　　　　　　　……　　（３）となる。

【０００７】光検出器３１上では上記物体光と参照光と
が干渉するため、上記（２）式と（３）式との和の周波
数と差の周波数とが現われるが、光検出器３１ではこの
差の周波数が検出され、この差の周波数ｆｂは、上記（
２），（３）式から　　　　　　　　ｆｂ＝｜ｆｒ−ｆ
ｓ｜　　　　　　　　　　　＝｜ｆｍ−（２・Ｖ／λ）
・ｃｏｓθ｜　　　　　……　　（４）となる。この差
の周波数ｆｂがビート信号として検出され、これにより
被測定体２３の、照射光の光軸方向の速度Ｖｃｏｓθが
検出される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成によ
り、光ファイバ・レーザドップラ振動計が実現されるが
、上記偏波面保存光ファイバ６，１０に振動等の機械的
外乱が加わると参照光ないし物体光の位相が変化し、こ
の位相の変化が参照光と物体光とで独立に生じるとこれ
が上記ビート信号にノイズ成分として重畳され、測定誤
差の原因となるという問題点がある。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、光ファイバ
に振動等の機械的外乱が加わってもこの機械的外乱が測
定誤差の原因となりにくい構成を備えた光ファイバ・レ
ーザドップラ振動計を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計は、レー
ザ光源と、該レーザ光源から射出されたレーザ光を伝送
する第一の光ファイバと、該第一の光ファイバから射出
された前記レーザ光を参照光と被測定体を照射する照射
光とに分離するとともに、該照射光が被測定体から反射
されることにより得られた物体光と前記参照光とを合成
する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、該偏光ビーム
スプリッタにより合成された前記物体光と前記参照光と
の双方を伝送する第二の光ファイバと、該第二の光ファ
イバから射出された前記物体光と前記参照光とが干渉し
た光を検出してビート信号を得る光検出器と、を備えた
ことを特徴とするものである。

【００１１】ここで第一の光ファイバにより伝送される
レーザ光は、この第一の光ファイバに入射されるより前
に一旦参照光と照射光とに分離した後に合成した光であ
ってもよく、参照光と照射光との分離は第一の光ファイ
バから射出された後にのみ行なうこととし、この第一の
光ファイバには、レーザ光源から射出されたレーザ光を
参照光と照射光とに分離することなく入射するようにし
てもよい。

【００１２】

【作用】本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計は
、参照光と照射光（これら２つの光に分離する前のレー
ザ光を含む）を第一の光ファイバで一緒に伝送し、その
戻り光である参照光と物体光についても第二の光ファイ
バで一緒に伝送するようにしたため、第一もしくは第二
の光ファイバが振動しても参照光と照射光、ないし参照
光と物体光との双方に同時に位相変化が生じるだけであ
って参照光と照射光、ないし参照光と物体光との間で相
対的な位相変化は生じない。したがって光検出器では光
ファイバが振動したことによる、被測定体の振動の状態
を表わすビート信号に類似した疑似信号（ノイズ）はほ
とんど発生せず、したがって光ファイバの振動が測定誤
差の原因となることが防止され、高精度の振動測定を行
なうことができることとなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計の一
実施例の概略構成図である。レーザ光源５１から射出さ
れたレーザ光５２は、ファイバ入光用レンズ５３により
集光され、偏波面保存光ファイバ５４にその一端面５４
ａから入射し、この偏波面保存光ファイバ５４によりセ
ンサヘッド部７０にまで伝送され、この偏波面保存光フ
ァイバ５４の他端面５４ｂから射出される。この射出さ
れたレーザ光５２は、コリメートレンズ７１によりコリ
メートされた後ＰＢＳ７２に入射される。ここでこのレ
ーザ光２は、このＰＢＳ７２の偏光軸に対し４５度傾い
た状態でこのＰＢＳ７２に入射されるように調整されて
いる。これによりＰＢＳ７２に入射したレーザ光２は、
このＰＢＳ７２により互いに直交する方向に偏光した透
過光と反射光とに２分割される。

【００１４】このＰＢＳ７２を透過した透過光は、被測
定体１００を照射する照射光として用いられる。即ち、
この透過光は、λ／４板７３および対物レンズ７４を通
過した後被測定体１００に照射される。この被測定体１
００は、図３を用いて説明した従来例の場合と同様に照
射光の光軸に対し角度θだけ傾いたＡ−Ｂ方向に繰り返
し振動している。ここで、センサヘッド部７０と被測定
体１００との間の距離をあらかじめ定められた一定距離
にセットするため、非接触距離センサを用いたトラバー
ス装置を備えてその距離を制御するようにしてもよく、
また照射光が被測定体１００に常にピントのあった状態
で照射されるように、オートフォーカス機構を備えて対
物レンズ７４が常に最適位置となるように制御するよう
にしてもよい。

【００１５】この被測定体１００から反射された物体光
は、再度対物レンズ７４，λ／４板７３を通り、ＰＢＳ
７２に入射する。このときこの物体光はλ／４板７３を
往復した光であるため偏光方向が９０度回転しており、
したがってこのＰＢＳ７２で反射されファイバ入光用レ
ンズ７５で集光されて偏波面保存光ファイバ５５にその
端面５５ａから入射する。ここでこの物体光の周波数は
、前述した従来例の場合と同様に、被測定体１００の振
動に伴うドップラー効果により照射光の周波数を中心と
して繰り返し変化している。

【００１６】一方、ＰＢＳ７２で反射された参照光は、
λ／４板７６を通過して参照ミラー７７に照射され、そ
の反射光は再びλ／４板７６を通りＰＢＳ７２に入射す
る。この参照光もλ／４板７６を往復することで偏光方
向が９０度回転しているため今度はＰＢＳ７２を透過し
、その後上記物体光と共にファイバ入光用レンズ７５で
集光され、偏波面保存光ファイバ５５にその端面５５ａ
から入射する。

【００１７】上記のようにして偏波面保存光ファイバ５
５に入射した物体光と参照光は該偏波面保存光ファイバ
５５により伝送されその端面５５ｂから射出する。この
端面５５ｂから射出した物体光と参照光は、コリメート
レンズ５７によりコリメートされた後ＰＢＳ５８に入射
する。このＰＢＳ５８に入射した物体光と参照光のうち
の参照光５２ａはこのＰＢＳ５８で反射され、ミラー５
９によりさらに反射された後、信号処理部８０のドライ
バー８１により駆動される音響光学的光変調器６０を通
過することにより周波数シフトを受け、その後ビームス
プリッタ６１で反射された成分が光検出器８２に入射す
る。またＰＢＳ５８に入射した物体光と参照光のうちの
物体光５２ｂは、この偏光ビームスプリッタ５８を透過
し、λ／２板６２を通過することにより偏光方向が９０
度回転されて参照光５２ａと偏光方向が一致させられ、
ミラー６３で反射されビームスプリッタ６１を透過した
成分が光検出器８２に入射される。ここで物体光５２ｂ
が上記λ／２板６２を通過することにより参照光５２ａ
と物体光５２ｂの偏光方向が互いに一致することとなり
、これらの参照光５２ａと物体光５２ｂは光検出器８２
上で干渉することとなる。この干渉光がこの光検出器８
２で検出されたことにより得られたビート信号はプリア
ンプ８３を経由して図示しない信号処理回路に入力され
、被測定体１００の振動周波数等が求められる。

【００１８】ここで上記実施例では、レーザ光源５１か
ら射出された、参照光と照射光とに分離される前のレー
ザ光５２が偏波面保存光ファイバ５４により伝送され、
またセンサヘッド部７０で分離された参照光と照射光（
物体光）はともに偏波面保存光ファイバ５５により伝送
されるように構成したため、偏波面保存光ファイバ５４
もしくは偏波面保存光ファイバ５５がそれぞれ独自に振
動しても参照光と照射光（ないし物体光）との間で相対
的な位相変化が生じることはなく、したがって偏波面保
存光ファイバ５４，５５が振動しても光検出器８２に達
した参照光と物体光との干渉状態に悪影響を及ぼして被
測定体１００の振動と近似した疑似信号（ノイズ）が生
じてしまうことがなく、高精度の振動測定を行なうこと
ができることとなる。

【００１９】なお上記実施例では２本の光ファイバと５
４，５５とも偏波面保存光ファイバを用いたが、必ずし
も偏波面保存光ファイバを用いなければならないもので
はなく、効率の低下を許容し偏光板等を適切に配置すれ
ば例えば偏波面保存光ファイバ以外の単一モード光ファ
イバ等を用いてもよいものであり、従って本発明にいう
光ファイバは偏波面保存光ファイバに限られるものでは
ない。

【００２０】図２は、本発明の光ファイバ・レーザドッ
プラ振動計の他の実施例の概略構成図である。図１に示
した光ファイバ・レーザドップラ振動計の各構成要素と
対応する構成要素には図１の各構成要素に付した符号と
同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

【００２１】レーザ光源５１から射出されたレーザ光５
２は、ＰＢＳ６４に入射する。このときこのレーザ光５
２の偏光方向がこのＰＢＳ６４の偏光軸に対し４５度傾
いた状態で入射されるように調整されている。これによ
りこのＰＢＳ６４に入射したレーザ光５２は偏光方向が
互いに直交する透過光と反射光とに分離される。この透
過光は、後に被測定体１００を照射する照射光となる光
であり、ミラー６５で反射されＰＢＳ６６を透過した後
ファイバ入光用レンズ５３で集光されて偏波面保存光フ
ァイバ５４にその端面５４ａから入射される。一方ＰＢ
Ｓ６４で反射された光は、後に参照光となる光であり、
ミラー６７で反射された後音響光学的光変調器６０で周
波数シフトを受け、ＰＢＳ６６で反射された後偏波面保
存光ファイバ５４にその端面５４ａから入射する。その
後は図１に示した光ファイバ・レーザドップラ振動計の
場合と同様に、センサヘッド部７０′においてＰＢＳ７
２により２分割された後再度合成されるが、このＰＢＳ
７２で合成された参照光と物体光は偏光板７８に入力さ
れる。この偏光板７８は、その偏光軸が参照光と物体光
との双方に対して４５度傾いた角度で配置されており、
したがってこの偏光板７８を透過した物体光と参照光は
偏光方向が揃い、干渉を起こすこととなる。この干渉を
起こした物体光と参照光は光ファイバ入光用レンズ７５
により集光され、マルチモード光ファイバ６８にその端
面６８ａから入射され、該マルチモード光ファイバ６８
内を伝送されてその端面６８ｂから射出され、コリメー
トレンズ５７を経由して光検出器８２に入射し、物体光
と参照光との干渉により生じるビート信号がこの光検出
器８２により検出される。

【００２２】上記のようにこの図２に示す実施例におい
ても、光ファイバ５４，６８内を参照光と照射光（物体
光）との双方が同時に伝送され、従って各光ファイバ５
４，６８にそれぞれ独自に振動等の機械的外乱が加わっ
ても参照光と照射光（物体光）との間に相対的な位相変
化は生じず、従ってこれらの光ファイバ５４，６８に加
わった機械的外乱に起因する疑似信号（ノイズ）が発生
することが防止され、高精度の振動測定が可能となる。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
ファイバ・レーザドップラー振動計は、参照光と照射光
とに分離されるレーザ光を第一の光ファイバで伝送し、
参照光と物体光とを第二の光ファイバで一緒に伝送する
ようにしたため、第一の光ファイバもしくは第二の光フ
ァイバに振動等の機械的外乱が加わっても参照光と物体
光との間にこの光ファイバの振動に起因する相対的な位
相変化が生じることが防止され、従って被測定体の振動
に起因する信号と類似した、光ファイバの振動に起因し
た疑似信号が発生してしまうことが防止され、高精度の
振動測定を行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計の
一実施例の概略構成図

【図２】本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計の
他の実施例の概略構成図

【図３】従来の光ファイバ・レーザドップラ振動計の典
型的な例を表わした概略構成図

【符号の説明】

５１　　　　レーザ光源 ５２　　　　レーザ光 ５４，５５　　　　　　　　　　偏波面保存光ファイバ
５８，６４，６６，７２　　　　偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ）６０　　　　音響光学的光変調器 ６１　　　　ビームスプリッタ ７０，７０′　　　　　　　　センサヘッド部７７　　
　　参照ミラー ７８　　　　偏光板 ８２　　　　光検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源と、該レーザ光源から射出され
   たレーザ光を伝送する第一の光ファイバと、該第一の光
   ファイバから射出された前記レーザ光を参照光と被測定
   体を照射する照射光とに分離するとともに、該照射光が
   被測定体から反射されることにより得られた物体光と前
   記参照光とを合成する偏光ビームスプリッタと、該偏光
   ビームスプリッタにより合成された前記物体光と前記参
   照光との双方を伝送する第二の光ファイバと、該第二の
   光ファイバから射出された前記物体光と前記参照光とが
   干渉した光を検出してビート信号を得る光検出器と、を
   備えたことを特徴とする光ファイバ・レーザドップラ振
   動計。