JPH04218731A - 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４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Ｐ
ＢＳ８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Ｐ
ＢＳ８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３３
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１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
、上記光ファイバ・ドップラ振動計において、光ファイ
バ６は、往路では被測定体２３による変調を受ける前の
光（以下この光を「照射光」と呼ぶ。）を伝送し、復路
では被測定体２３で変調された光（以下この光を「物体
光」と呼ぶ。）を伝送する役割を担っている。ところが
、照射光が光ファイバ６にその端面６ａから入射する際
やその端面６ｂから射出する際にその照射光の一部が反
射し、また該照射光がλ／４板２１やレンズ２２に入射
する際やこれらλ／４板２１やレンズ２２から射出する
際にもその一部が反射し、その反射光が物体光と共に光
検出器３１まで伝送されてしまうこととなる。即ち光検
出器３１に戻った物体光に被測定体２３によるドップラ
ーシフトを受けていない光が混入してしまうこととなり
、この混入した光が参照光と干渉することにより周波数
の変化しないいわゆるキャリアが残ってしまい、これが
測定誤差につながるという問題点がある。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、物体光にド
ップラーシフトを受けていない光が混入して測定誤差と
なることを防止した光ファイバ・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
ザ光源から射出されたレーザ光を該レーザ光により被測
定体を照射し該被測定体から反射された物体光を得るた
めに伝送する、光ファイバを含む第一の伝送路と、前記
物体光を光検出器に導くための、光ファイバを含む第二
の光伝送路と、前記物体光と干渉性のある参照光を得て
該参照光を前記光検出器に導く第三の光伝送路とを備え
、前記光検出器に導かれた前記物体光と前記参照光との
干渉により前記被測定体の振動の状態を表わすビート信
号を得る光ファイバ・レーザドップラ振動計において、
前記第二の光伝送路に配置された光ファイバが、前記第
一の光伝送路に配置された光ファイバおよび前記第三の
光伝送路に配置された光ファイバのいずれとも異なる光
ファイバであることを特徴とするものである。

【００１１】なお、上記本発明においては、第一の光伝
送路に配置された光ファイバと第三の光伝送路に配置さ
れた光ファイバは互いに異なる光ファイバであってもよ
く、または互いに同一の光ファイバを兼用したものであ
ってもよい。

【００１２】

【作用】本発明の光ファイバ・レーザドップラ振動計は
、物体光を光検出器に導く第二の光伝送路に配置された
光ファイバが、レーザ光源から射出されたレーザ光を被
測定体に導く第一の光伝送路に配置された光ファイバと
は異なる光ファイバであることから、往路（第一の光伝
送路）の途中の光学素子で反射された、被測定体まで到
達していない光が復路（第二の光伝送路）に入り込んで
しまうことがほとんど防止される。また、上記第二の光
伝送路に配置された光ファイバは、参照光を得て該参照
光を光検出器に導く第三の光伝送路に配置された光ファ
イバとも異なるため、当然ながら参照光と物体光とが光
ファイバ内で互いに混入するいわゆるクロストークもな
い。したがって、上記本発明では、被測定体から反射さ
れた物体光以外のドップラーシフトを受けていない光が
物体光と同じ光伝送路を経て光検出器に入射されること
が防止され、測定誤差の少ない高性能の光ファイバ・レ
ーザドップラ振動計が実現される。

【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、ミラー５３で反射された後ＰＢＳ
５４で反射され、ファイバ入光用レンズ５５により集光
され、偏波面保存光ファイバ５６にその一端面５６ａか
ら入射し、この偏波面保存光ファイバ５６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５６の他端面５６ｂ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、λ／４板７２を透過した後、１０％反射９０％
透過の特性を有するミラー７３により透過光と反射光と
に２分割される。このミラー７３を透過した光は、λ／
４板７４を透過して再度直線偏光光に変換された後ＰＢ
Ｓ７５に入射する。このＰＢＳ７５はこの入射光を透過
するように配置されており、このＰＢＳ７５を透過した
光はλ／４板７６および対物レンズ７７を通過した後被
測定体１００に照射される。この被測定体１００は、図
４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７
４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。

【００１４】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７７，λ／４板７６を通り、ＰＢＳ
７５に入射する。このときこの物体光はλ／４板７６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ＰＢＳ７５で反射され、ファイバ入光用
レンズ７８で集光されて偏波面保存光ファイバ５７にそ
の端面５７ａ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。この偏波面保存光ファイ
バ５７に入射した物体光は、該偏波面保存光ファイバ５
７内を伝送してその端面５７ｂから射出し、コリメート
レンズ５８でコリメートされた後ミラー５９で反射され
、ビームスプリッタ６０を透過した成分が信号処理部９
０内の光検出器９１に入射する。ここで偏波面保存光フ
ァイバ５７は、その端面５７ｂから射出された物体光が
光検出器９１上で後述する参照光と干渉するように、そ
の長さ方向を軸とした回転方向が調整されている。なお
本実施例では、この偏波面保存光ファイバ５７を含む物
体光の光路が本発明にいう第二の光伝送路の一例である
。

【００１５】一方、センサヘッド部７０のミラー７３で
反射された光は、参照光として用いられる光であり、λ
／４板７２を再度透過することにより、往路のレーザ光
とはその偏光方向が９０度ずれ、その後コリメートレン
ズ７１で集光され、偏波面保存光ファイバ５６にその端
面５６ｂから入射し、該偏波面保存光ファイバ５６内を
伝送してその端面５６ａから射出する。このようにこの
偏波面保存光ファイバ５６は往路と復路との双方で利用
され、従ってこの偏波面保存光ファイバ５６は本発明に
いう第一の伝送路に配置された光ファイバと第三の光伝
送路に配置された光ファイバとの双方の役割を兼用した
光ファイバであると観念される。偏波面保存光ファイバ
５６の端面５６ａから射出された参照光は、ファイバー
入光用レンズ５５によりコリメートされ、ＰＢＳ５４に
入射する。ここでこの復路のレーザ光（参照光）は往路
のレーザ光とはその偏光方向が９０度異なっているため
、この参照光はＰＢＳ５４を透過し、その後信号処理部
９０内のドライバー９２により駆動される音響光学的光
変調器６１を通過することにより周波数シフトを受け、
ビームスプリッタ６０で反射した成分が前述した物体光
と共に光検出器９１に入射する。ここで、前述したよう
に、光検出器９１に入射した物体光と参照光とはその偏
光方向が一致するように偏波面保存光ファイバ５７の回
転方向が調整されているため、これら物体光と参照光は
光検出器９１上で干渉を生じることになる。この干渉光
がこの光検出器９１で検出されることにより得られたビ
ート信号は、プリアンプ９３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。

【００１６】ここで上記実施例では物体光を伝送する偏
波面保存光ファイバ５７は、この物体光の伝送にのみ用
いられており、したがって前述した従来例（図４参照）
のように物体光の伝送に用いる光ファイバ（図４に示す
光ファイバ６）を往路のレーザ光の伝送にも兼用した場
合と比べ、被測定体１００まで到達せずに途中で反射さ
れて物体光に混入する迷光等を十分に低く押さえること
ができる。また物体光は偏波面保存光ファイバ５７を経
由して光検出器９１に到達し、一方参照光は偏波面保存
光ファイバ５６を経由して光検出器９１に到達し、物体
光と参照光とでは互いに異なる光ファイバが用いられて
いるため、光ファイバ内で物体光と参照光とが互いに混
入し合うクロストークが生じることもなく、従って光検
出器９１上で互いに周波数の同一な光どうしが干渉を起
こしてしまうことによる測定誤差が防止される。

【００１７】ここで偏波面保存光ファイバ５６ないし偏
波面保存光ファイバ５７が互いに独立に振動すると、こ
の振動により物体光と参照光に相対的な位相変化を生じ
、これにより被測定体１００の振動に起因するビート信
号と類似した信号（ノイズ）が発生することがあるが、
これら２本の偏波面保存光ファイバ５６，５７を束ねて
おくこと等により互いに独立した振動はほぼ防止され、
これにより一層高精度の振動測定を行なうことが可能と
なる。

【００１８】なお上記実施例では２本の光ファイバと５
６，５７とも偏波面保存光ファイバを用いているが、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ることもでき、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。

【００１９】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センサヘッド部の概略構成図
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。

【００２０】この図に示すセンサヘッド部７０′におい
て、λ／４板８０は、図１に示すλ／４板７２に対応す
るが、そのλ／４板８０の偏波面保存光ファイバ５６側
から見た裏面８０ａに反射率１０％の反射膜がコーティ
ングされており、この反射膜が図１に示すミラー７３の
役割を担っている。これにより図１の場合と比べ反射面
の数が減ることとなり、偏波面保存光ファイバ５７に物
体光以外の光が混入した場合ほどの大きな影響はないも
のの、正規の参照光以外の光が偏波面保存光ファイバ５
６の復路に混入する割合を下げることができる。

【００２１】偏波面保存光ファイバ５６の端面５６ｂか
ら射出され、コリメートレンズ７１を通過し、さらに反
射膜の付されたλ／４板８０を透過した光は、図１に示
すλ／４板７４に相当するλ／４板８１を透過し、プリ
ズム８２内を通り、該プリズム８２の斜面８２ａに付さ
れたＰＢＳコート面を通過し、さらに図１に示すλ／４
板７６に相当するλ／４板８３を透過し、対物レンズ７
７を経て被測定体１００（図１参照）に照射される。ま
た該被測定体１００から反射された物体光は、対物レン
ズ７７を通り、λ／４板８３を通ってプリズム８４内を
通過し、プリズム８２の斜面８２ａ（ＰＢＳコート面）
で反射され、さらにプリズム８４内を通り、該プリズム
８４の面８４ａで全反射した後光ファイバ入光用レンズ
７８により集光されて偏波面保存光ファイバ５７にその
端面５７ａから入射する。

【００２２】ここで、λ／４板８１，プリズム８２，プ
リズム８４，λ／４板８３は、一体的なブロックとなる
ように貼り合わされており、従ってこのセンサヘッド部
７０を組み立てる際の作業が容易となる。またこのブロ
ックをわずかに斜めに配置することにより、迷光が偏波
面保存光ファイバ５６ないし偏波面保存光ファイバ５７
に混入する割合をさらに下げることができる。但し、偏
波面保存光ファイバ５６の端面５６ｂから射出されたレ
ーザ光にはプリズム８２の面８２ａ（ＰＢＳコート面）
で反射される成分がわずかに含まれている可能性がある
こと、ＰＢＳコート面ではそのＰＢＳコート面に入射し
た光を偏光方向が互いに直交する成分に純粋に分離する
ことはできず漏れがあること等により、この図２に示す
構成では、迷光がわずかながらこの図に破線で示す光線
Ａの光路を通って偏波面保存光ファイバ５７に入り込む
懸念が残ることとなる。

【００２３】図３は、本発明の光ファイバ・レーザドッ
プラ振動計のさらに異なる実施例のセンサヘッド部の概
略構成図である。図２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２の
各構成要素に付した符号と同一の符号を付し、説明は省
略する。

【００２４】この図３においては、プリズム８２とプリ
ズム８４との間にプリズム８５が挾まれている。またこ
のプリズム８５の面８５ａにはプリズム８２の面８２ａ
に付されたＰＢＳコートと同じ方向に偏光軸を持つＰＢ
Ｓコートが付されている。この場合、偏波面保存光ファ
イバ５６の端面５６ｂから射出されたレーザ光のうちの
、プリズム８２のＰＢＳコート面８２ａで反射されるべ
き成分のほとんどはこのＰＢＳコート面８２ａで反射さ
れるため、ＰＢＳコート面８５ａで反射される光（図３
に光線Ｂで示す光）は光線Ａの光と比べわずかとなり、
従って偏波面保存光ファイバ５７に入り込む迷光の量は
ほとんど無視しうるほどとなる。また、λ／４板８１，
８３，プリズム８２，８４，８５からなるブロックを光
軸に対しわずかに傾けることにより、偏波面保存光ファ
イバ５６，５７に混入する迷光をさらに減少させ得るこ
とは図２に示した実施例の場合と同様である。

【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、物体光を被測定
体側から光検出器側に戻す光ファイバを、他の光を伝送
する目的に用いることなしに、物体光の伝送にのみ用い
たため、該光ファイバに混入する迷光等を十分に減少さ
せることができ、従って高精度の振動測定が可能となる
。また例えば図２，図３に示すように、反射面の数をで
きるだけ減らすことにより、また光学部品を組み合わせ
てブロック化してやや斜めに配置することにより、迷光
等の混入をさらに下げることができる。

【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
他の実施例のセンサヘッド部の概略構成図

【図３】本発
明の光ファイバ・レーザドップラ振動計のさらに異なる
実施例のセンサヘッド部の概略構成図

【図４】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 ５６，５７　　　偏波面保存光ファイバ６１　　　　　
　音響光学的光変調器 ７２，７４，７６，８１，８３　　　　λ／４板７３　
　　　　　ミラー ７５　　　　　　偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８０
　　　　　　反射膜付きλ／４板 ８２，８４，８５　　　　　　　　　　プリズム１００
　　　　　被測定体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源から射出されたレーザ光を該レ
   ーザ光により被測定体を照射し該被測定体から反射され
   た物体光を得るために伝送する、光ファイバを含む第一
   の伝送路と、前記物体光を光検出器に導くための、光フ
   ァイバを含む第二の光伝送路と、前記物体光と干渉性の
   ある参照光を得て該参照光を前記光検出器に導く第三の
   光伝送路とを備え、前記光検出器に導かれた前記物体光
   と前記参照光との干渉により前記被測定体の振動の状態
   を表わすビート信号を得る光ファイバ・レーザドップラ
   振動計において、前記第二の光伝送路に配置された光フ
   ァイバが、前記第一の光伝送路に配置された光ファイバ
   および前記第三の光伝送路に配置された光ファイバのい
   ずれとも異なる光ファイバであることを特徴とする光フ
   ァイバ・レーザドップラ振動計。