(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023124125
(43)【公開日】2023-09-06
(54)【発明の名称】振動計及び振動測定方法
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20230830BHJP
G01B 9/02055 20220101ALI20230830BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 C
G01B9/02055
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022027723
(22)【出願日】2022-02-25
(71)【出願人】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141955
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100085419
【弁理士】
【氏名又は名称】大垣 孝
(72)【発明者】
【氏名】藤井 亮浩
(72)【発明者】
【氏名】木村 広太
【テーマコード（参考）】
2F064
2G064
【Ｆターム（参考）】
2F064AA04
2F064DD05
2F064FF01
2F064GG04
2F064GG12
2F064GG23
2F064GG38
2F064GG39
2F064GG53
2G064AB01
2G064AB02
2G064BA02
2G064BC05
2G064BC32
2G064CC41
2G064CC42
2G064DD02
(57)【要約】
【課題】照射距離がレーザー光源のスペクトル幅に依存せず、また、光ファイバに加わった外乱振動の影響を相殺する。
【解決手段】レーザー光源１０は、連続光を生成し、連続光を、第１偏波保持光ファイバ３０を伝搬させて光分配部４０に送る。光分配部は、連続光の一部を参照光として光路長調整部６０に送り、連続光の一部を測定光として測定対象物９０に照射する。測定光が測定対象物で散乱して生じる散乱光は、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。光路長調整部は、第２偏波保持光ファイバを備える。光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝播した後、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。参照光及び散乱光は、第１偏波保持光ファイバを伝搬して、干渉光学系２０に送られる。干渉光学系は、参照光及び散乱光を干渉させて干渉光を生成する。
【選択図】図１
【解決手段】レーザー光源１０は、連続光を生成し、連続光を、第１偏波保持光ファイバ３０を伝搬させて光分配部４０に送る。光分配部は、連続光の一部を参照光として光路長調整部６０に送り、連続光の一部を測定光として測定対象物９０に照射する。測定光が測定対象物で散乱して生じる散乱光は、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。光路長調整部は、第２偏波保持光ファイバを備える。光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝播した後、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。参照光及び散乱光は、第１偏波保持光ファイバを伝搬して、干渉光学系２０に送られる。干渉光学系は、参照光及び散乱光を干渉させて干渉光を生成する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー光源、第１偏波保持光ファイバ、光分配部、干渉光学系、光路長調整部、及び、検出部を備え、
前記レーザー光源は、連続光を生成し、前記連続光を、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させて前記光分配部に送り、
前記光分配部は、前記連続光の一部を参照光として前記光路長調整部に送り、前記連続光の一部を測定光として測定対象物に照射し、
前記測定光が前記測定対象物で散乱して生じる散乱光は、前記光分配部を経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、第２偏波保持光ファイバを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝播した後、前記光分配部を経て前記偏波保持光ファイバに送られ、
前記参照光及び前記散乱光は、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬して、前記干渉光学系に送られ、
前記干渉光学系は、前記参照光及び前記散乱光を干渉させて干渉光を生成し、
前記検出部は、前記干渉光を電気信号である干渉信号に変換し、前記干渉信号から、前記測定対象物の振動の情報を取得する
ことを特徴とする振動計。
前記レーザー光源は、連続光を生成し、前記連続光を、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させて前記光分配部に送り、
前記光分配部は、前記連続光の一部を参照光として前記光路長調整部に送り、前記連続光の一部を測定光として測定対象物に照射し、
前記測定光が前記測定対象物で散乱して生じる散乱光は、前記光分配部を経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、第２偏波保持光ファイバを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝播した後、前記光分配部を経て前記偏波保持光ファイバに送られ、
前記参照光及び前記散乱光は、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬して、前記干渉光学系に送られ、
前記干渉光学系は、前記参照光及び前記散乱光を干渉させて干渉光を生成し、
前記検出部は、前記干渉光を電気信号である干渉信号に変換し、前記干渉信号から、前記測定対象物の振動の情報を取得する
ことを特徴とする振動計。
【請求項2】
前記参照光と、前記測定光及び前記散乱光との光路長の差の絶対値が、前記レーザー光源のコヒーレンス長より小さい
ことを特長とする請求項１に記載の振動計。
ことを特長とする請求項１に記載の振動計。
【請求項3】
前記参照光と、前記測定光及び前記散乱光との光路長の差の絶対値が、０である
ことを特長とする請求項１に記載の振動計。
ことを特長とする請求項１に記載の振動計。
【請求項4】
前記光分配部は、ビームスプリッタと、λ／４板を備え、
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記λ／４板で直線偏光から円偏光に変換された後、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記λ／４板で円偏光から直線偏光に変換された後、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、ミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ミラーで反射され、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られる
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記λ／４板で直線偏光から円偏光に変換された後、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記λ／４板で円偏光から直線偏光に変換された後、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、ミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ミラーで反射され、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られる
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
【請求項5】
前記光分配部は、ビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、λ／４板及びミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記λ／４板を経て前記ミラーで反射され、前記λ／４板を経て、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、λ／４板及びミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記λ／４板を経て前記ミラーで反射され、前記λ／４板を経て、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
【請求項6】
前記光分配部は、ビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、ファラデーミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記前記ファラデーミラーで反射され、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られる
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
前記ビームスプリッタは、前記連続光を前記測定光と前記参照光に２分岐し、
前記測定光は、前記測定対象物に照射され、
前記散乱光は、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られ、
前記光路長調整部は、さらに、ファラデーミラーを備え、
前記光路長調整部に送られた参照光は、前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記前記ファラデーミラーで反射され、再び前記第２偏波保持光ファイバを伝搬して、前記ビームスプリッタを経て前記第１偏波保持光ファイバに送られる
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の振動計。
【請求項7】
前記干渉光学系は、偏光ビームスプリッタ、第１ビームスプリッタ、第２ビームスプリッタ、周波数シフタ、及び、λ／２板を備え、
前記偏光ビームスプリッタは、参照光を透過させて、前記第１ビームスプリッタに送り、前記散乱光を反射させて、第１光路を経て前記第２ビームスプリッタに送り、
前記第１ビームスプリッタに送られた参照光は、第２光路を経て前記第２ビームスプリッタに送られ、
前記周波数シフタは、前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられ、所定の周波数シフトを与え、
前記λ／２板は、前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられ、偏光の向きを９０度回転させる
ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の振動計。
前記偏光ビームスプリッタは、参照光を透過させて、前記第１ビームスプリッタに送り、前記散乱光を反射させて、第１光路を経て前記第２ビームスプリッタに送り、
前記第１ビームスプリッタに送られた参照光は、第２光路を経て前記第２ビームスプリッタに送られ、
前記周波数シフタは、前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられ、所定の周波数シフトを与え、
前記λ／２板は、前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられ、偏光の向きを９０度回転させる
ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の振動計。
【請求項8】
連続光を生成する過程と、
前記連続光を、第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記連続光を参照光及び測定光に２分岐する過程と、
前記測定光を測定対象物に照射し、前記測定光が前記測定対象物で散乱して生じる散乱光を、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記参照光を、第２偏波保持光ファイバを伝搬させて往復させた後、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記参照光及び前記散乱光を干渉させて干渉光を生成する過程と、
前記干渉光を電気信号である干渉信号に変換する過程と、
前記干渉信号から、前記測定対象物の振動の情報を取得する過程と
を備えることを特徴とする振動測定方法。
前記連続光を、第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記連続光を参照光及び測定光に２分岐する過程と、
前記測定光を測定対象物に照射し、前記測定光が前記測定対象物で散乱して生じる散乱光を、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記参照光を、第２偏波保持光ファイバを伝搬させて往復させた後、前記第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、
前記参照光及び前記散乱光を干渉させて干渉光を生成する過程と、
前記干渉光を電気信号である干渉信号に変換する過程と、
前記干渉信号から、前記測定対象物の振動の情報を取得する過程と
を備えることを特徴とする振動測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、振動計、例えば、レーザードップラー振動計と、振動測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
振動している物体に光を照射することにより散乱光を発生させると、散乱光にはドップラー効果による振動成分が重畳される。従って、振動している物体に光を照射した際に発生する散乱光を受光し、受光した散乱光を復調することによって、ドップラー効果由来の位相変動が検知され、物体の振動を測定できる。
【0003】
このように、光のドップラー効果を利用して非接触で振動を測定する振動計がレーザードップラー振動計である。
【0004】
従来、振動測定においては、接触型の振動計が広く用いられていた。接触型の振動計は、測定対象物が遠方にある場合の測定や、高温・高磁場下の測定が困難だった。また、接触型の振動計は、振動計自体が固有振動数を持つ。このため、ｋＨｚオーダー以上の振動を正確に測定できなかった。
【0005】
これに対し、レーザードップラー振動計は、非接触型の振動計であるため、遠方・高温・高磁場下での振動を測定できる。また、レーザードップラー振動計は、ｋＨｚオーダー以上の振動を正確に測定できる。
【0006】
非接触型の利点を活かせるレーザードップラー振動計は、工場やプラント内設備の予知保全用途や、インフラ・ストラクチャーの点検用途での活躍が、近年期待されている。
【0007】
【0008】
レーザー光源１１０は、中心周波数ｆ０で発振する直線偏光の連続光を生成して、その連続光を出射する。レーザー光源１１０から出射された連続光は、カプラ１２１に送られる。
【0009】
カプラ１２１は、連続光を２分岐する。２分岐された一方は、測定対象物１９０に照射するための測定光として用いられ、他方は、散乱光と干渉させるための参照光として用いられる。
【0010】
参照光は、周波数シフタ１２６において周波数シフトされた後、光位相検出回路１２２に送られる。測定光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）１２４を透過後、λ／４板１４４に送られる。λ／４板１４４は、測定光を直線偏光から円偏光に変換する。円偏光に変換された測定光は、光ファイバ１３０を伝搬し、対物レンズ１５０によって空間に出射され、測定対象物１９０に照射される。
【0011】
測定対象物１９０に照射された測定光が、測定対象物１９０で散乱して生じた散乱光の一部は、対物レンズ１５０で捕捉される。対物レンズ１５０で捕捉された散乱光は、光ファイバ１３０を伝搬してλ／４板１４４に送られる。λ／４板１４４は、散乱光を円偏光から直線偏光に変換する。λ／４板１４４で直線偏光に変換された散乱光は、ＰＢＳ１２
４に送られる。
４に送られる。
【0012】
ＰＢＳ１２４に送られる、直線偏光である散乱光の偏光の向きは、ＰＢＳ１２４に送られた、測定光の偏光の向きに対して直角である。従って、散乱光はＰＢＳ１２４で反射され、光位相検出回路１２２に送られる。光位相検出回路１２２への入射時の散乱光の複素信号は、以下の式（１）で与えられる。
【0013】
【数1】
【0014】
ここで、ｊは虚数単位である。また、ω０（＝２πｆ０）はレーザー光源１１０で生成される連続光の中心角周波数である。また、ｔは、時間であり、φ（ｔ）は測定対象物１９０の振動由来の光の位相変動成分である。
【0015】
一方、カプラ１２１で連続光が２分岐されて得られた参照光は、周波数シフタ１２６に送られる。図４は、周波数シフタ１２６の入出力光のスペクトルを示す模式図である。図４（Ａ）は、周波数シフタ１２６に入力される参照光のスペクトルを示し、図４（Ｂ）は周波数シフタ１２６から出力される参照光のスペクトルを示す。周波数シフタ１２６は、入力される周波数ｆ０の参照光に周波数ｆｓｈｉｆｔの周波数シフトを与える。周波数シフタ１２６において、周波数ｆｓｈｉｆｔの周波数シフトを受けた参照光は、光位相検出回路１２２に送られる。光位相検出回路１２２への入射時の参照光の複素信号は、以下の式（２）で与えられる。
【0016】
【数2】
【0017】
ここで、ωｓｈｉｆｔ（＝２πｆｓｈｉｆｔ）は周波数シフタ１２６の角周波数シフト量である。
【0018】
光位相検出回路１２２に送られた、散乱光と参照光は、光位相検出回路１２２において干渉して干渉光を生成する。光位相検出回路１２２への入射時の干渉光の複素信号は、以下の式（３）で与えられる。
【0019】
【数3】
【0020】
干渉光は、受光器１７２に送られる。受光器１７２は、干渉光を光電変換して、干渉電気信号を生成する。干渉電気信号は、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１７４に送られる。干渉電気信号は、ＡＤＣ１７４においてディジタル信号に変換された後、信号処理回路１７６に送られる。
信号処理回路１７６は、ディジタル信号から、測定対象物１９０の振動に由来する、散乱光の位相変動成分を算出し、振動の、周波数、変位、速度、加速度などの情報を得る。
信号処理回路１７６は、ディジタル信号から、測定対象物１９０の振動に由来する、散乱光の位相変動成分を算出し、振動の、周波数、変位、速度、加速度などの情報を得る。
【0021】
ここで、図３を参照して説明した、一般的なレーザードップラー振動計は、参照光と、測定光及び散乱光とが、異なる経路を経由する。このため、測定光及び散乱光がカプラ１２１から光位相検出回路１２２に到達するまでに、光ファイバ１３０に外乱振動が加わると、光ファイバ１３０の振動に由来する位相変動が干渉光に重畳され、本来の測定対象物１９０の振動測定が不正確になってしまう問題がある。
【0022】
この問題を解決するために、参照光と測定光を第１の光ファイバを伝搬させた後測定光を測定対象物に照射し、参照光と散乱光を第２の光ファイバを伝搬させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている技術では、第１の光ファイバを伝搬したレーザー光を、偏光軸が４５度傾いた状態でＰＢＳに入射し、互いに直交する参照光と測定光に分離する。参照光は、偏光軸が９０度回転した後、ＰＢＳに入射され透過する。一方、測定光が測定対象物で散乱して生じた散乱光は、測定光に対して偏光軸が９０度回転した状態で、ＰＢＳに入射され反射する。ＰＢＳを透過した参照光と、ＰＢＳで反射した散乱光は、第２の光ファイバを伝搬し、光位相検出回路に送られる。
【0023】
この特許文献２に開示されている技術では、第１の光ファイバや第２の光ファイバに外乱振動が加わったとしても、参照光と測定光には、同一の位相変動が生じ、参照光と散乱光にも、同一の位相変動が生じる。従って、測定対象物本来の振動を測定できる。
【0024】
しかしながら、上述の特許文献１に開示されている技術では、第１の光ファイバと第２の光ファイバの２本の光ファイバが必要となるため、系が複雑になり、高価になってしまう。
【0025】
一方、参照光と測定光を、光ファイバを伝搬させた後測定光を測定対象物に照射し、参照光と散乱光を、同じ光ファイバを伝搬させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。図５を参照して、特許文献３に開示されている振動計を説明する。図５は、特許文献３に開示されている振動計を説明するための模式図である。
【0026】
この特許文献３に開示されている技術では、レーザー光を偏波保持光ファイバ２３０を伝搬させた後ハーフミラー２４２で分離する。ハーフミラー２４２で反射した成分が参照光となり、ハーフミラー２４２を透過した成分が測定光となる。測定光は、測定対象物２９０で散乱する。測定対象物２９０で生じた散乱光は、測定光及び参照光に対して偏光軸が９０度回転した状態でハーフミラー２４２を通過する。この参照光及び散乱光は、レーザー光と同じ偏波保持光ファイバ２３０を伝搬して、光検出器２６０に送られる。
【0027】
この特許文献３に開示されている技術においても、光ファイバに外乱振動が加わったとしても、参照光と測定光には、同一の位相変動が生じ、参照光と散乱光にも、同一の位相変動が生じる。従って、測定対象物本来の振動を測定できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0028】
【特許文献1】特開２００１－１５９５６０号公報
【特許文献2】特開平４－２１８７３０号公報
【特許文献3】特開平４－２４９７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0029】
しかしながら、上述の特許文献３に開示されている技術では、測定光と参照光の間、及び、散乱光と参照光の間に光路差が生じる。ハーフミラー２４２と測定対象物２９０の間の距離（以下、照射距離とも称する。）をｄとすると、光路差の大きさは、２ｄである。
【0030】
一般的に、異なる光路を経由した光同士が干渉するためには、光路差が光のコヒーレンス長よりも小さいことが要求される。従って、上述の特許文献３に開示されている技術を用いて振動を測定するためには、以下の式（４）が満たされる必要がある。
【0031】
【数4】
【0032】
ここで、Ｌはレーザー光源２１０のコヒーレンス長、ｃは光速度、Δｆは、レーザー光源２１０のスペクトル線幅である。上記の式（４）から、照射距離ｄは、レーザー光源２１０のスペクトル線幅Δｆに依存し、レーザー光源２１０のスペクトル線幅Δｆが大きい場合、照射距離ｄを小さくしなければならないことがわかる。
【0033】
例えば、レーザー光源２１０のスペクトル線幅Δｆが１０ＭＨｚのとき、照射距離ｄは１５ｍ以下に制限される。
【0034】
ここで、レーザードップラー振動計の特長として、遠方の対象物に対しても振動測定が可能である点が挙げられる。従って、照射距離ｄが制限されることは好ましくない。
【0035】
一方、照射距離ｄを大きくするには、レーザー光源２１０のスペクトル線幅Δｆを小さくすればよいが、一般的に、レーザー光源２１０は、スペクトル線幅Δｆが小さいほど高価となる。
【0036】
また、偏波保持光ファイバ２３０に外乱振動が加わっているときに、測定光と参照光の間、及び、散乱光と参照光の間に光路差が生じると、測定光と参照光の間、及び、散乱光と参照光の間に生じる位相差により、上記の式（４）を満たしている場合でも、外乱の影響を相殺することが困難になってしまう。
【0037】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、照射距離がレーザー光源のスペクトル幅に依存せず、また、光ファイバに加わった外乱振動の影響を相殺することが可能な、振動計及び振動測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0038】
上述した目的を達成するために、この発明の振動計は、レーザー光源、第１偏波保持光ファイバ、光分配部、干渉光学系、光路長調整部、及び、検出部を備えて構成される。
【0039】
レーザー光源は、連続光を生成し、連続光を、第１偏波保持光ファイバを伝搬させて光分配部に送る。光分配部は、連続光の一部を参照光として光路長調整部に送り、連続光の一部を測定光として測定対象物に照射する。
【0040】
測定光が測定対象物で散乱して生じる散乱光は、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。
【0041】
光路長調整部は、第２偏波保持光ファイバを備える。光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝播した後、光分配部を経て第１偏波保持光ファイバに送られる。参照光及び散乱光は、第１偏波保持光ファイバを伝搬して、干渉光学系に送られる。干渉光学系は、参照光及び散乱光を干渉させて干渉光を生成する。検出部は、干渉光を電気信号である干渉信号に変換し、干渉信号から、測定対象物の振動の情報を取得する。
【0042】
この発明の振動計の好適実施形態によれば、参照光と、測定光及び散乱光との光路長の差の絶対値が、レーザー光源のコヒーレンス長より小さい。また、この発明の振動計のさらなる好適実施形態によれば、参照光と、測定光及び散乱光との光路長の差の絶対値が、０である。
【0043】
この発明の振動計の好適実施形態によれば、光分配部は、ビームスプリッタと、λ／４板を備え、ビームスプリッタは、連続光を測定光と参照光に２分岐する。測定光は、λ／４板で直線偏光から円偏光に変換された後、測定対象物に照射される。散乱光は、λ／４板で円偏光から直線偏光に変換された後、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。また、光路長調整部は、さらに、ミラーを備える。光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝搬して、ミラーで反射され、再び第２偏波保持光ファイバを伝搬して、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。
【0044】
また、この発明の振動計の他の好適実施形態によれば、光分配部は、ビームスプリッタを備え、ビームスプリッタは、連続光を測定光と参照光に２分岐する。測定光は、測定対象物に照射される。散乱光は、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。光路長調整部は、さらに、λ／４板及びミラーを備え、光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝搬して、λ／４板を経てミラーで反射され、λ／４板を経て、再び第２偏波保持光ファイバを伝搬して、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。
【0045】
また、この発明の振動計の他の好適実施形態によれば、光分配部は、ビームスプリッタを備え、ビームスプリッタは、連続光を測定光と参照光に２分岐する。測定光は、測定対象物に照射される。散乱光は、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。光路長調整部は、さらに、ファラデーミラーを備え、光路長調整部に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバを伝搬して、ファラデーミラーで反射され、再び第２偏波保持光ファイバを伝搬して、ビームスプリッタを経て第１偏波保持光ファイバに送られる。
【0046】
また、この発明の振動測定方法は、連続光を生成する過程と、連続光を、第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、連続光を参照光及び測定光に２分岐する過程と、測定光を測定対象物に照射し、測定光が測定対象物で散乱して生じる散乱光を、第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、参照光を、第２偏波保持光ファイバを伝搬させて往復させた後、第１偏波保持光ファイバを伝搬させる過程と、参照光及び散乱光を干渉させて干渉光を生成する過程と、干渉光を電気信号である干渉信号に変換する過程と、干渉信号から、測定対象物の振動の情報を取得する過程とを備える。
【発明の効果】
【0047】
この発明の振動計及び振動測定方法によれば、参照光が伝搬する第２偏波保持光ファイバ６２の長さを調整することで、レーザー光源のコヒーレンス長Ｌが小さい、すなわち、スペクトル幅Δｆが大きい場合であっても、遠方の測定対象物の振動検知が可能になる。したがって、スペクトル線幅Δｆが小さい、一般的には高価なレーザー光源を用いることなく、安価な構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】この発明の振動計を説明するための模式図である。
【図2】他の構成例を説明するための模式図である。
【図3】従来の振動計を説明するための模式図（１）である。
【図4】周波数シフタの入出力光を説明するための模式図である。
【図5】従来の振動計を説明するための模式図（２）である。
【発明を実施するための形態】
【0049】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。また、特許文献１～３などと共通の構成要素については、説明を省略することもある。
【0050】
【0051】
振動計は、レーザー光源１０、第１偏波保持光ファイバ３０、光分配部４０、光路長調整部６０、干渉光学系２０、及び、検出部７０を備えて構成される。
【0052】
光分配部４０は、例えば、ビームスプリッタ（ＢＳ）４２と、λ／４板４４を備える。光分配部４０は、連続光から参照光及び測定光を生成する。光路長調整部６０は、例えば、第２偏波保持光ファイバ６２と、ミラー６４を備える。
【0053】
また、干渉光学系２０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４、第１ビームスプリッタ（ＢＳ）２１、第２ビームスプリッタ（ＢＳ）２２、周波数シフタ２６、及び、λ／２板２８を備える。干渉光学系２０は、参照光と散乱光を干渉させて干渉光を生成する。
【0054】
レーザー光源１０は、中心周波数ｆ０で発振する直線偏光の連続光（レーザー光）を生成して、その連続光を出射する。
【0055】
レーザー光源１０から出射された連続光は、干渉光学系２０の第１ＢＳ２１及びＰＢＳ２４と、第１偏波保持光ファイバ３０を順に経て、光分配部４０のＢＳ４２に送られる。ＢＳ４２は、連続光を２分岐する。ＢＳ４２で２分岐された一方の光は、測定対象物９０に照射される測定光として用いられる。一方、ＢＳ４２で２分岐された他方の光は、測定対象物９０で生じる散乱光と干渉させるための参照光として用いられる。
【0056】
測定光は、ＢＳ４２からλ／４板４４に送られる。λ／４板４４は、測定光を直線偏光から円偏光に変換する。円偏光に変換された測定光は、対物レンズ５０によって空間に出射され、測定対象物９０に照射される。
【0057】
測定対象物９０に照射された測定光が、測定対象物９０で散乱して生じた散乱光の一部は、対物レンズ５０で捕捉される。対物レンズ５０で捕捉された散乱光は、λ／４板４４に送られる。λ／４板４４は、散乱光を円偏光から直線偏光に変換する。このλ／４板４４で直線偏光に変換された散乱光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して直交している。λ／４板４４で直線偏光に変換された散乱光は、ＢＳ４２を経て第１偏波保持光ファイバ３０に送られる。
【0058】
一方、参照光は、光路長調整部６０に送られる。光路長調整部６０に送られた参照光は、第２偏波保持光ファイバ６２を伝搬し、ミラー６４で反射される。ミラー６４で反射された参照光は、再び、第２偏波保持光ファイバ６２を伝搬して、光分配部４０に送られる。光分配部４０に送られた参照光は、ＢＳ４２を経て第１偏波保持光ファイバ３０に送られる。この参照光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して平行である。
【0059】
第１偏波保持光ファイバ３０に送られた、参照光及び散乱光は、第１偏波保持光ファイバ３０を伝搬して、干渉光学系２０のＰＢＳ２４に入射される。ＰＢＳ２４に入射した参照光の偏光方向が連続光と平行であり、ＰＢＳ２４に入射した散乱光の偏光方向が連続光と直交する。このため、ＰＢＳ２４に入射した参照光は、ＰＢＳ２４を透過し、第１ＢＳ２１に送られる。一方、ＰＢＳ２４に入射した散乱光は、ＰＢＳ２４で反射され、λ／２板２８に送られる。
【0060】
λ／２板２８は、ＰＢＳ２４で反射された散乱光の、偏光の向きを９０度回転させる。この結果、λ／２板２８から出力される散乱光の偏光の向きは、連続光及び参照光の偏光の向きに平行になる。λ／２板２８から出力される散乱光は、第２ＢＳ２２を反射又は透過して、検出部７０に送られる。
【0061】
第１ＢＳ２１に送られた参照光は、第１ＢＳ２１で反射された後、周波数シフタ２６に送られる。周波数シフタ２６は、入力される周波数ｆ０の参照光に周波数ｆｓｈｉｆｔの周波数シフトを与える。周波数ｆｓｈｉｆｔの周波数シフトを受けた参照光は、第２ＢＳ２２に送られる。
【0062】
第２ＢＳ２２に送られた参照光は、第２ＢＳ２２を透過又は反射して、検出部７０に送られる。第２ＢＳ２２に送られた、散乱光及び参照光は、偏光の向きが、互いに平行である。従って、検出部７０に入射される散乱光及び参照光は、干渉して、干渉光を生成する。
【0063】
ここで、ＰＢＳ２４から第２ＢＳ２２までの光路のうち、散乱光の光路を第１光路と称し、参照光の光路を第２光路と称する。この例では、λ／２板２８が第１光路に設けられる例を説明したが、λ／２板２８は、第１光路及び第２光路のいずれに設けられてもよい。すなわち、参照光及び散乱光のいずれの偏光の向きを９０度回転させてもよい。また、この例では、周波数シフタ２６が第２光路に設けられる例を説明したが、周波数シフタ２６は、第１光路及び第２光路のいずれに設けられてもよい。すなわち、参照光及び散乱光のいずれに周波数シフトを与えてもよい。
【0064】
検出部７０は、光検出器７２、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）７４及び信号処理回路７６を備えて構成される。光検出器７２は、参照光と散乱光が干渉して得られる干渉光から電流信号を得る、任意好適な受光素子を用いて構成することができる。
【0065】
図３を参照して説明した、従来のレーザードップラー振動計では、干渉光は上記の式（３）で与えられる。これに対し、この実施形態のレーザードップラー振動計では、干渉光は、以下の式（５）で与えられる。
【0066】
【数5】
【0067】
ここで、Δｄは、ＢＳ４２から測定対象物９０までの距離（照射距離）ｄ１と、ＢＳ４２からミラー６４までの距離、すなわち、第２偏波保持光ファイバ６２の長さｄ２との差、λはレーザー光源１０の中心波長である。光検出器７２で得られる電流信号は、ＡＤＣ７４に送られる。
【0068】
ＡＤＣ７４は、アナログ信号である電流信号を、所定の標本化周波数でサンプリングしてディジタル信号を得る。ＡＤＣ７４で生成されたディジタル信号は、信号処理回路７６に送られる。
【0069】
信号処理回路７６は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成される。信号処理回路７６は、ディジタル信号を処理する部分である。信号処理回路７６では、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）がプログラムを実行することにより、所望の機能が実現される。
【0070】
信号処理回路７６は、参照光と散乱光が干渉して得られる干渉光から得られるディジタル信号に信号処理を施す。測定対象物９０が振動状態にあると、散乱光にはドップラー効果により測定対象物９０の振動成分が付加される。信号処理回路７６は、干渉光から得られるディジタル信号を復調することによって、干渉光の位相変化を取得し、この位相変化に基づいて測定対象物９０の振動の周波数、変位、速度などの振動状態を算出することができる。
【0071】
ここで、上述の通り、参照光と散乱光が干渉するためには、２｜Δｄ｜＜Ｌを満たす必要がある。２｜Δｄ｜は、参照光と測定光及び散乱光との光路長の差の絶対値であり、Ｌ（＝ｃ／Δｆ）はレーザー光源１０のコヒーレンス長である。従って、２｜Δｄ｜＜Ｌを満たすように、第２偏波保持光ファイバ６２の長さを調整することで、レーザー光源１０のコヒーレンス長Ｌが小さい、すなわち、スペクトル幅Δｆが大きい場合であっても、振動検知が可能になる。したがって、スペクトル線幅Δｆが小さい、一般的には高価なレーザー光源を用いることなく、安価な構成にすることができる。
【0072】
さらに、｜Δｄ｜＝０、すなわち、ｄ１＝ｄ２となるように、第２偏波保持光ファイバ６２の長さを調整すれば、測定光と参照光の間、及び、散乱光と参照光の間の位相差を無視できる。この結果、第１偏波保持光ファイバ３０に加わった外乱の影響を相殺できる。
【0073】
このように、この発明の振動計では、第２偏波保持光ファイバ６２の長さを調整することによって、レーザー光源１０のスペクトル線幅Δｆに依存せずに照射距離ｄを任意に設定できるとともに、第１偏波保持光ファイバ３０に加わった外乱の影響を相殺できる。
【0074】
（他の構成例）
この発明の振動計の構成は、図１を参照して説明した上述の構成に限定されない。図２を参照して、他の構成例を説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の振動計の他の構成例を説明するための模式図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、光分配部及び光路長調整部を示している。
この発明の振動計の構成は、図１を参照して説明した上述の構成に限定されない。図２を参照して、他の構成例を説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の振動計の他の構成例を説明するための模式図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、光分配部及び光路長調整部を示している。
【0075】
（他の構成例１）
図２（Ａ）に示す他の構成例１では、λ／４板６６が、光分配部４０ａではなく、光路長調整部６０ａに設けられている点が図１を参照して説明した実施形態と異なっている。すなわち、他の構成例１では、光分配部４０ａは、ＢＳ４２を備えて構成され、光路長調整部６０ａは、第２偏波保持光ファイバ６２、λ／４板６６、及び、ミラー６４を備えて構成される。
図２（Ａ）に示す他の構成例１では、λ／４板６６が、光分配部４０ａではなく、光路長調整部６０ａに設けられている点が図１を参照して説明した実施形態と異なっている。すなわち、他の構成例１では、光分配部４０ａは、ＢＳ４２を備えて構成され、光路長調整部６０ａは、第２偏波保持光ファイバ６２、λ／４板６６、及び、ミラー６４を備えて構成される。
【0076】
図１を参照して説明した実施形態では、測定光と散乱光がそれぞれλ／４板４４を通過してＢＳ４２に送られる。このため、ＢＳ４２に入射される散乱光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して直交している。これに対し、他の構成例１では、光路にλ／４板を備えないので、ＢＳ４２に入射される散乱光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して平行である。
【0077】
また、図１を参照して説明した実施形態では、参照光が伝搬する光路にはλ／４板を備えないので、ＢＳ４２に入射される参照光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して平行である。これに対し、他の構成例１では、参照光が伝播する光路にλ／４板６６を備えるので、ＢＳ４２に入射される参照光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して直交する。
【0078】
このように、他の構成例１においても、ＢＳ４２に入射される参照光の偏光の向きと、散乱光の偏光の向きとが直交するので、図１を参照して説明した実施形態と同様に動作する。
【0079】
（他の構成例２）
図２（Ｂ）に示す他の構成例２では、λ／４板６６が、光分配部４０ａに設けられておらず、光路長調整部６０ｂが、ミラーに換えて、ファラデーミラー６８を備える点が図１を参照して説明した実施形態と異なっている。すなわち、他の構成例２では、光分配部４０ａは、ＢＳ４２を備えて構成され、光路長調整部６０ｂは、第２偏波保持光ファイバ６２、及び、ファラデーミラー６８を備えて構成される。
図２（Ｂ）に示す他の構成例２では、λ／４板６６が、光分配部４０ａに設けられておらず、光路長調整部６０ｂが、ミラーに換えて、ファラデーミラー６８を備える点が図１を参照して説明した実施形態と異なっている。すなわち、他の構成例２では、光分配部４０ａは、ＢＳ４２を備えて構成され、光路長調整部６０ｂは、第２偏波保持光ファイバ６２、及び、ファラデーミラー６８を備えて構成される。
【0080】
他の構成例２において、光分配部４０ａの構成は、他の構成例１と同様であり、ＢＳ４２に入射される散乱光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して平行である。
【0081】
他の構成例２では、光路長調整部６０ｂが、入射光の偏光の向きを９０度回転させるファラデーミラー６８を備えている。このため、ＢＳ４２に入射される参照光の偏光の向きは、レーザー光源１０で生成された連続光の偏光の向きに対して直交する。
【0082】
このように、他の構成例２においても、ＢＳ４２に入射される参照光の偏光の向きと、散乱光の偏光の向きとが直交するので、図１を参照して説明した実施形態と同様に動作する。
【0083】
１０、１１０、２１０ レーザー光源
２０ 干渉光学系
２１、２２、４２ ビームスプリッタ（ＢＳ）
２４、１２４、２２４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２６、１２６、２２６ 周波数シフタ
２８、２２８ λ／２板
３０ 第１偏波保持光ファイバ
４０ 光分配部
４４、６６、１４４、２４４ λ／４板
５０、１５０、２５０ 対物レンズ
６０ 光路長調整部
６２ 第２偏波保持光ファイバ
６４ ミラー
６８ ファラデーミラー
７０ 検出部
７２ 光検出器
７４、１７０、２７０ アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）
７６、１８０、２８０ 信号処理回路
９０、１９０、２９０ 測定対象物
１２１ カプラ
１２２ 光位相検出回路
１３０ 光ファイバ
１６０、２６０ 受光器
２３０ 偏波保持光ファイバ
２０ 干渉光学系
２１、２２、４２ ビームスプリッタ（ＢＳ）
２４、１２４、２２４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２６、１２６、２２６ 周波数シフタ
２８、２２８ λ／２板
３０ 第１偏波保持光ファイバ
４０ 光分配部
４４、６６、１４４、２４４ λ／４板
５０、１５０、２５０ 対物レンズ
６０ 光路長調整部
６２ 第２偏波保持光ファイバ
６４ ミラー
６８ ファラデーミラー
７０ 検出部
７２ 光検出器
７４、１７０、２７０ アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）
７６、１８０、２８０ 信号処理回路
９０、１９０、２９０ 測定対象物
１２１ カプラ
１２２ 光位相検出回路
１３０ 光ファイバ
１６０、２６０ 受光器
２３０ 偏波保持光ファイバ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】