(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基準アーム（28、100、114）と、
（ｂ）その中の温度および歪みに応答する光群遅延と光分散を有するセンサ・アーム（24、98、108）と、
（ｃ）放射源（12）と、
（ｄ）放射源（12）からの放射を、基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）にそれぞれ結合する手段（18）と、
（ｅ）放射経路中で基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）の一方に、他方に対して可変時間遅延を導入するために配置された遅延手段（66、70）と、
（ｆ）基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）から放射寄与分を受け取りそれを組み合わせて放射干渉図形を生成するために配置された合成手段（96、102、118〜112）と、
（ｇ）干渉図形を検出するための検出手段（124、126）と、
（ｈ）検出された干渉図形をあらわす信号を読み取るように検出手段（124、126）に接続され、センサ・アーム（24、98、108）に関連する光遅延および光分散から前記センサ・アームに関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置された処理手段（128）とを組み込んだ干渉計を組み込んだセンサ・アーム（10）であって、
（ｉ）放射源（12）が広帯域放射源であり、
（ｊ）合成手段（96、102、118〜122）が、広帯域放射干渉図形を生成するために配置され、
（ｋ）検出手段（124、126）が、変動する時間遅延の関数として広帯域干渉図形の変動を検出するために配置され、
（ｌ）処理手段（128）が、干渉図形の変動を変換し、それによってセンサ・アーム（24、98、108）に関連する光群遅延および光分散から前記アームに関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置されている
ことを特徴とする、センサ・システム（10）。
【請求項２】
基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）が、マッハ・ツェンダー構成で配設されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項３】
干渉図形が第１の干渉図形であり、システム（10）がまた、干渉計較正の目的で、狭帯域放射から第２の干渉図形を生成するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項４】
第１および第２の干渉図形が生成される元になる広帯域放射および狭帯域放射が、基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）内で互いに逆方向へ伝播するように構成されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項５】
センサ・アーム（210、216、218、220）および基準アーム（230、236）がタンデムに接続された干渉計（202、204）内に組み込まれることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項６】
センサ・アーム（210、216、218、220）が、部分反射鏡（216）を含み、入力光をセンサ・アーム（210、216、218、220）に向け、部分反射鏡（216）で透過させて逆反射鏡（220）に向かわせ、そこでファイバ（210）からの出力光を受けてファイバに送るように構成された、ある長さの光ファイバ（210）を組み込んでいることを特徴とする請求項５に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項７】
センサ・アーム（210、216、218、220）が、それぞれの異なる長さの複数のセンサ要素を直列に含み、各要素が、その入力端部に、前記部分反射鏡（216）と逆反射鏡（220）の間に配置され、２つの干渉計経路長（ｌ、ｍ）を定義するように構成された、第２の部分反射鏡（218）を組み込んでいることを特徴とする請求項６に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項８】
鏡（216、218、220）が、センサ・アームの光ファイバ（210）の開裂部に付着された反射コーティングを備えることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項９】
基準アーム（230、236）が基準干渉計（204）内に組み込まれ、システム（200）が、放射が基準干渉計（204）に向って伝播する際に、各干渉計経路長（ｌ、ｍ）からの光を組み合わせるように構成されることを特徴とする請求項７に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項１０】
センサ・システム（200）が、複数の基準干渉計を含み、各基準干渉計が、干渉経路長（ｌ、ｍ）のそれぞれから光を受け取るように構成されることを特徴とする請求項７に記載のセンサ・システム（200）。
【請求項１１】
システム（10）が、初期状態でセンサ・アーム（24）に関連する歪みおよび温度の既知の値に関してシステムを較正する較正手段（30〜44）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１２】
較正手段が、断絶囲壁（34）を含み、その囲壁（34）内にセンサ・アーム（24、98、108）が配置され、熱電対（42）が、センサ・アームの温度を測定するように構成されることを特徴とする請求項11に記載のセンサ・システム。
【請求項１３】
較正手段（30〜44）が、センサ・アーム（24、96、108）をクランプ固定するためのクランプ（30、32）を含み、クランプ（30、32）の一方が、センサ・アーム（24、98、108）に所定の歪みを加えるために他方に対して相対移動可能であることを特徴とする請求項11または請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
基準アーム（28、100、114）が、干渉図形の干渉じまの視認度を向上させるために放射の偏光を制御する手段（50）を含むことを特徴とする請求項１または請求項５に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１５】
放射の偏光を制御する手段（50）が、それぞれ、４分の１波長板に疑似の特性をもつように構成された、２つの光ファイバ・ループ（52、54）を備えることを特徴とする請求項14に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１６】
センサ・アーム（24、98、108）が、ガス・タービン・エンジンに取り付けられ、エンジン内の歪みおよび温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項15のいずれか一項に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１７】
センサ・アーム（24、98、108）が、航空機の機体またはエーロゾル構造に取り付けられ、構造上の歪みおよび温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項16のいずれか一項に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１８】
センサ・アーム（24、98、108）が、炭素繊維材料内に位置し、この材料上の歪みおよび温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項17のいずれか一項に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項１９】
基準アーム（28、100、114）およびセンサ・アーム（24、98、108）間の光路差を変動させる手段（66）が、基準アーム（28、100、114）中のエア・ギャップ（114）の長さを変動させるように構成された並進段であることを特徴とする請求項１または請求項５に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項２０】
遅延手段（66、70）が、基準アーム（28、100、114）を伸張できるように構成された移動可能なクランプであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・システム（10）。
【請求項２１】
処理手段（128）が、干渉図形から２πの不連続性を除去するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・システム（10）。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、歪みまたは温度、あるいはその両方を測定するセンサ・システムに関する。
従来技術では光ファイバ・センサが知られている。光ファイバ・センサは、光ファイバを使用して光を案内し、この光は、ファイバが位置する環境での温度や歪みの変化など外部の影響に応答して変調される。光ファイバは、マッハツェンダー干渉計などの干渉計のアームとして使用される。そのような干渉計では、ファイバ・アームが経験する歪みや温度などの測定量によって、光路長またはファイバの偏光特性が変化する。このため、干渉計から観測される干渉じま系が変化する。干渉じまの変化を分析することにより、変化をもたらす測定量に関する情報を推定することができる。干渉じまの視認度は、１つには干渉計システムを通過する光のコヒーレンスによって決定される。このため、単一モード光ファイバは、案内される光ビームの空間コヒーレンスを維持し、マルチモード光ファイバが、案内されるビームの空間コヒーレンスを維持しないため、干渉計で使用するうえで好ましい。
光源からの光が、２本の単一モード光ファイバに入力される２つの光ビームを形成するように分割される干渉計装置が知られている。一方の光ファイバは、測定量を経験するセンサを形成し、他方の光ファイバは基準を形成する。この基準は、安定な環境に位置する。２つの光ビームは、それぞれのファイバを通過し、ファイバから出た時点で再結合され干渉じま系を形成する。光ビームがセンサ・ファイバを通過する場合の光路と基準ファイバを通過する場合の光路の間の位相差は、観測される出力干渉じま強度から推定することができる。温度や歪みなどの物理的影響に対する干渉計の位相感度は特に高く、そのため、干渉システムは検知応用例に有用である。
光ファイバ・センサがファイバ上のすべての物理的影響を検知することは、光ファイバ・センサの欠点である。したがって、センサ出力は、いくつかの物理的影響の畳み込みに対応する。したがって、センサ上で歪みなど単一のパラメータを測定する際、干渉計からの出力には、温度など他の環境要因も含まれる。このパラメータ間の相互感度のために、測定中にパラメータを分離する必要がある。したがって、歪みの測定は、温度が制御された環境で行われ、温度の測定は、歪みが一定の環境で行われる。
F.Farahi等（"Simultaneous Measurement of Temperature and Strain:Cross−Sensitivity Considerations",Journal of Lightware Technology 8（２）:138ページないし142ページ,1990年２月）は、光ファイバ・センサの２つの偏光モードに関して旋光・干渉ファイバ装置の結合出力での位相を測定することにより、歪みと温度の区別を検討した。しかし、光ファイバを通過する光に対する光学的影響の歪み依存性と温度依存性の比が各偏光モードごとに類似しているので、歪みと温度の区別が良好でないことが判明した。
温度の測定と歪みの測定の区別は、A.M.Vengsarkar等によって行われた（"Fibre Optic Sensor for Simultaneous measurement of Strain and Temperature",Proc,SPIE″Fibre Optics and Laser Sensors VIII（1990）”の1367巻,249ページないし260ページ）。使用されたシステムは、二重モード楕円形コア光ファイバと２つの異なる波長の光ビームを使用する二重技法である。これらの光波長のうちの一方λ１はファイバの単一モード・カットオフ波長λｃよりも低く、他方の光波長λ２はそれよりも高い。旋光技法は、波長λ１の光による検知に使用され、２モード技法はλ２の光に使用される。２モード技法は、モード間の干渉に依存する。光が光ファイバ・センサを通過する際の歪みおよび温度の光に対する影響は、２つの異なる波長において異なる。したがって、光ファイバ・センサ出力に対する歪みおよび温度の寄与は、２つの波長での干渉計の出力から得た２つの別々の結果の分析から復元することができる。このシステムは、光ファイバ特性の歪み依存性と光ファイバ特性の温度依存性の比が、どちらの光波長でも類似したものになるので、歪みと温度の区別が良好ではないという欠点を有する。このため、光ファイバが経験する歪みの影響と温度の影響を分離するのが困難になる。
光ファイバ・センサ中の光の偏光に対する測定量の影響に基づくセンサの他の欠点は、偏光が比較的、環境の変化の影響を受けにくいということである。したがって、偏光の変化に基づく装置は、干渉装置よりも感度が低い。
歪みと温度を同時に測定する二重コア光ファイバ・センサは、DunphyおよびMeltzによって発表された（"Optical Fibre Sensor Development for Turbine Applications",AIAA−89−2914 25th Joint Propulsion Conference,3156ページ以降）。この装置は、近接して離隔された一致する２つのコアを有するファイバを備える。コア中の伝播は、対称二重コア・モードと非対称二重コア・モードの２つの基準モードに限られる。モードの伝播定数はわずかに異なり、このため、ファイバに沿って周期的に干渉が起こる。これにより、光が伝播中に一方のコアから他方のコアに完全に切り替わる。光出力切り替えまたはクロストークが行われるファイバの長さをビート長と呼ぶ。温度や歪みなど外部の影響によって、ファイバの長さが変化し、ビート長も変化し、そのため、２つのモード間の移相が発生する。モード間の相対位相は、使用する光の波長と、センサが経験する温度および歪みに依存する。歪みおよび温度に対する装置感度を較正することにより、装置を２つの異なる波長で同時に動作させることによって、センサが経験する温度および歪みを算出することができる。しかし、この装置は、非標準的であり、したがって高価な二重コア光ファイバで形成さたセンサを必要とするという欠点を有する。DunphyおよびMeltzの論文の装置では、装置の動的範囲を超える温度範囲にわたる動作時に位相があいまいになる。
温度および歪みを測定するための他の従来技術の装置が、欧州特許出願第0564034号に開示されている。この出願は、光ファイバを通過する単色光線を使用して干渉線を生成し、それから温度と歪みが決定できる、干渉計を開示している。
本発明の目的は、歪みの影響と温度の影響の区別が改良された代替センサ・システムを提供することである。
本発明は、干渉計を含み、
（ａ）基準アームと、
（ｂ）その中の温度および歪みに応答する光群遅延と光分散を有するセンサ・アームと、
（ｃ）放射源と、
（ｄ）放射源からの放射を各干渉計アームに結合する手段と、
（ｅ）放射経路中で一方の干渉計アームに他方のアームに対して可変時間遅延を導入するために配置された遅延手段と、
（ｄ）干渉計アームから放射寄与分を受け取りそれを組み合わせて放射干渉図形を生成するために配置された合成手段と、
れ
（ｅ）干渉図形を検出するための検出手段と、
（ｆ）センサ・アームに関連する光遅延および光分散から前記アームに関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置された処理手段とを組み込んだ干渉計を組み込んだセンサ・システムであって、
（ｇ）放射源が広帯域放射源であり、
（ｈ）合成手段が、広帯域放射干渉図形を生成するために配置され、
（ｉ）検出手段が、変動する時間遅延の関数として広帯域干渉図形の変動を検出するために配置され、
（ｊ）処理手段が、干渉図形の変動を変換し、それによってセンサ・アームに関連する光群遅延および光分散から前記アームに関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置されている
ことを特徴とする、センサ・システムを提供する。
本発明のシステムは、光群遅延および光分散から温度と歪みを得、その結果、歪みの寄与と温度の寄与が分離される。本発明は、温度と歪みを、低歪み温度横感度で同時に測定することができるという利点をもたらす。歪みと温度のうちの一方を、他方の変動にかかわらずに測定することもできる。
センサ・アームを、ガス・タービン・エンジンに取り付け、エンジン内の歪および温度を測定できるように構成することができる。
また、センサ・アームを航空機の機体またはエーロゾル構造に取り付け、構造上の歪および温度を測定できるように構成することもできる。
更には、センサ・アームを炭素繊維材料内に位置させ、この材料上の非積みおよび温度を測定できるように構成することもできる。
本発明は、初期状態のセンサ・アーム上の温度および歪みを判定し、センサ・システムの動作に関する検査を実施する較正・試験装置を含むことができる。
本発明は、一方の干渉計が検知機能を実施し、他方の干渉計が基準機能を実施するタンデム干渉システムを含むことができる。その場合、単一長の光ファイバ上でいくつかの検知要素を使用して歪みおよび温度の数回の測定を行うことができる。これは、同じ光ファイバ長を使用して数回の測定を行うことを可能にし、かつ精巧な航空宇宙材料などの応用分野で使用することができる。
処理手段は、干渉図形から２πの不連続を除去する手段を含むことが好ましい。この実施例は、システムをオフに切り替えても絶対相対位相が失われず、誘発される位相変化が２πを超える範囲にわたってシステムを操作するとき、位相を測定間に連続的に監視する必要がないという利点を提供する。
単色光源を組み込んだシステムでは、干渉計の出力部における強度は位相と共に周期的であり、したがって位相が２πだけ異なる出力読み取り値は区別できない。干渉計は、２πより大きな位相変化が可能な物理的影響に対して十分に敏感である。
本発明をより深く理解するために、添付の図面を参照しながら単なる例として以下に本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明のセンサ・システムの概略図である。
第２図は、第１図の装置と共に使用すべき較正装置の概略図である。
第３図は、第１図の装置で使用すべき偏光制御装置の概略図である。
第４図は、第１図の装置の出力から歪みおよび温度を判定するソフトウェア信号処理ステップのフローチャートである。
第５図は、本発明のタンデム干渉装置の概略図である。
第１図に、本発明による歪みと温度を測定するためのセンサ・システムの概略図を示す。センサ・システムは10で全体的に示してある。キセノン・アーク・ランプ12が、広い帯域幅の可視放射を放出する。ランプには、出力定格150Wである。口径38mm、焦点距離35mmの第１のレンズ14がランプ12から35mmの所にある。レンズ14は、システム内への光の結合を最大にするために、その光軸15がランプ12と整列している。焦点距離75mmの第２のレンズ16がレンズ14から80mmの所にある。このレンズ16は、その光軸17がレンズ14の光軸15と一致するように配置されている。指向性カップラ18は、光入力アーム20を有する。入力アーム20の一端２は、レンズ16の光軸17上にレンズ16から75mmの所にある。指向性カップラ18は、光入力アーム20、センサ・アーム24、検出アーム26、基準アーム28の４本のアームを有する。指向性カップラ18は市販されており、10μｍ以下の誤差で同じ長さになるようにした２組の円形コア光ファイバの20/24と26/28を含んでいる。各光ファイバは４μｍ径のコアと125μｍ径のクラッド層を有する。クラッド層はシリカ製である。コアは、４％のゲルマニアでドープしたシリカであり、この光ファイバの遮断波長は610nmである。この光ファイバは放射がモードで伝播するようにされる。一方のファイバ中を伝播した光は他方のファイバ中に結合される。指向性カップラ18は、波長633nmの光でファイバ20/24と26/28の間の結合がほぼ50％となるようにされる。
次に第２図をも参照すると、センサ・アーム24は２組のクランプ30と32の間を延びている。クランプ30はマイクロメータ駆動の並進ステージ31を有する。両方のクランプは887mmの間隔だけ離れている。クランプ30と32の間のセンサ・アーム24の長さ800mmのセクションは、温度制御された環境を構成する断熱囲壁34内にある。囲壁34内には抵抗加熱素子36があり、これは2Aの電流を供給可能な30Vの電源装置38に接続されている。囲壁34内のセンサ・アーム24と加熱素子36の間に一連のバッフル40がある。囲壁34内のバッフル40とセンサ・アーム24の間に一連の熱伝対42がある。熱電対42は、囲壁34内でセンサ・アーム24の長手方向に沿って等間隔で配置されている。熱電対42は温度に対して線形の応答を有し、0.5゜以下の誤差で再現可能な読み取りを行うことができる。各熱電対42は、断熱囲壁34内のセンサ・アーム24の領域の空気温度を測定するためデジタル式温度計44に接続されている。再度第１図を参照すると、光ファイバのセンサ・アーム24を形成する側の端部46は、レンズ48の焦点面内にある。レンズ48は倍率10倍の顕微鏡対物レンズであり、センサ・アーム24の端部46はレンズ48の光軸49上にある。
指向性カップラ18の基準アーム28は偏向制御装置50に接続されている。偏向制御装置50は第３図に詳しく示してある。偏向制御装置50の設計は、H.C.Lefevre（「Single Mode Fiber Fractional Wave Devices and Polarizationcontroller」、Electronics Letters,1980年９月25日,Vol.16,No.30,p.778−780）が記載する設計基準に基づいている。この偏向制御装置は、指向性カップラ18に使用されているものと同じタイプの光ファイバ、すなわちコア径４μｍ、クラッド層径125μｍ、４％ゲルマニアでドープしたシリカ製コアを有する光ファイバを含んでいる。この光ファイバは、支持体56と58の周りでそれぞれ２本のループ52と54を形成し、支持体56と58の直径は42mmであり。各支持体56、58は軸60の周りでそれぞれ独立に回転可能である。
ループ52と54はそれぞれ四分の一波長板の働きをする。軸60の周りでの支持体56と58の相対配向を調整することにより、基準アーム100の出力セクションにおける光の偏光状態を、２つのモード指向性カップラ96で再結合するセンサ・アーム98の出力セクションにおける光の偏光状態と一致させる。こうして観測される干渉図形の可視性を最大にすることができる。
端部64を有する光ファイバ62が偏光制御装置50から延びる。端部64は並進ステージ66上のレンズ68の焦点の所に装着される。レンズは倍率10倍の顕微鏡対物レンズであり、ファイバ端部64はレンズ68の光軸上にある。並進ステージ66は直流モータを備え、これは直流モータ制御装置で制御される。並進ステージ66は毎秒160μｍの速度で300μｍの距離にわたって移動することができる。この並進ステージは、軸72によって定義される正負のＸ方向に、300μｍ離れた末端位置74と76の間を移動する。軸72はファイバ端部64、110とレンズ68、112で定義される光軸と同一直線上にある。並進ステージ66は前記のように移動できる。並進ステージ66上に装着されたファイバ端部64とレンズ66も、同様に移動できる。
指向性カップラ18の検出アーム26の一端78は、レンズ80の光軸に沿ってレンズ80の焦点面内にある。レンズ80は倍率20倍の顕微鏡対物レンズである。帯域フィルタ82がレンズ80から50mmの距離の所にある。帯域フィルタ82は、632.8nmの波長を中心として11nmの帯域幅中の光を通過させる。レンズ80の第２の焦点面の所に光検出器84がある。この検出器84はシリコンPIN光ダイオードで、活性面積1mm2、レンズ80の光軸80上にその中心がある。
ヘリウム・ネオン・レーザ86が、波長632.8nmの直線偏光放射をビームとして光減衰器88に向けて放出するように配置されている。光減衰器88は、回転式直線偏光子である。レンズ90は倍率20倍の顕微鏡対物レンズである。全体的に96で示した指向性カップラの光ファイバ入力アーム94の端部92はレンズ90の光軸上でその焦点の所にある。指向性カップラ96は、前述の指向性カップラ18と同一である。指向性カップラ96は、入力アーム94、センサ・アーム98、基準アーム100、検出アーム102の４本の光ファイバ・アームを有する。センサ・アーム98の端部104は、レンズ106の光軸上でその焦点の所にある。レンズ106は倍率20倍の顕微鏡対物レンズである。レンズ106と48の光軸は一致し、長さ162mmの空気間隙108で分離されている。
基準アーム100の端部110はレンズ112の焦点にある。端部110はレンズ112の光軸111上にある。レンズ112は倍率20倍の顕微鏡対物レンズである。レンズ112とレンズ68の光軸111は一致する。レンズ112とレンズ68は空気間隙114で分離されている。レンズ68がレンズ112から最も離れた末端装置にあり、並進ステージ66が末端位置74にあるとき、空気間隙114は長さ163mmである。
検出アーム102の端部116は、レンズ118の焦点にある。端部116はレンズ118の光軸上にある。レンズ118は倍率20倍の顕微鏡対物レンズである。直線偏光子120がレンズ118から70mm離れた所にある。スペクトル・フィルタ122が、偏光子120から30mm離れた所にある。検出器124がレンズ118の第２の焦点面にある。検出器124は、活性面積1mm2のシリコンPIN光ダイオードであり、レンズ118の光軸上にその中心がある。
検出器84と124の出力はデジタル記憶式オシロスコープ126に入力される。オシロスコープ126は毎秒20メガサンプル可能な８ビット装置である。ホスト・コンピュータ128がオシロスコープ126とモータ制御装置70に接続されている。コンピュータ128は、オシロスコープ126に記憶された検出器84、124からの信号を読み取ることができる。オシロスコープ126からの信号は、コンピュータ128上の信号処理ソフトウェアに入力されるデータを構成する。この信号処理ソフトウェアについては後述する。この信号処理ソフトウェアは、センサ・アーム24が受ける歪みと温度を検出器84と124の出力から算出する機能を果たす。コンピュータ128はRS232インターフェースを介してモータ制御装置70にも接続され、並進ステージ66の動きに関する命令をデータ制御装置70に与える。
次に、センサ・システムの動作について一般的に説明する。詳細な理論的解析は後に示す。アーク・ランプ12からの広帯域光はレンズ14でコリメートされ、レンズ16で入力アーム20の端部22のコア上に収束される。この光は指向性カップラ18の入力アーム20に沿って伝播し、指向性カップラ18の基準アーム28とセンサ・アーム24中に結合される。指向性カップラ18は光波長が632.8nmのときスプリット比50:50であり、したがって光出力のほぼ半分が入力アーム20から基準アーム28に結合される。残りの光のかなりの部分がセンサ・アーム24に沿って伝播する。この光は、クランプ30と32の間、かつ断熱囲壁34内のアーム24の領域を伝播する。光はアーム24の端部46から出てレンズ48でコリメートされる。光線は空気間隙108を横切って伝播し、レンズ105によって、指向性カップラ96のセンサ・アーム98の端部104のコア上に収束される。
基準アーム28中に結合された光は偏光制御装置50に伝播する。光は偏光制御装置50の光ファイバ中を通って光ファイバ62の端部64から出る。端部64から出た光はレンズ68でコリメートされる。この光は可変空気間隙114を横切ってレンズ112に伝播し、そこで光ファイバの基準アーム100の端部110上に収束される。
センサ・アーム98に沿って伝播した光線と基準アーム100に沿って伝播した光線は、指向性カップラ96で結合して、２本の光線を形成し、それがアーム94と102に沿って伝播する。アーム102内の光は端部116から出て偏光子120を通過する。偏光子120は、１つの線形偏光モードであるため、光を選択的に通過させる。その後、光はスペクトル・フィルタ122を通過し、不要な波長の光が濾波除去される。その後、並進ステージ66が末端点74と76の間を移動するとき、広帯域干渉図形が検出器124で検出される。
ヘリウム・ネオン・レーザ86からの光の干渉図形は、干渉計中での経路長変化を正確に較正するため、次のようにして生成される。ヘリウム・ネオン光線と広帯域光線は干渉計中を逆の方向に移動する。ヘリウム・ネオン干渉図形と広帯域干渉図形が同時に生成されて記録される。ヘリウム・ネオン・レーザ86からの光は光減衰器88を通る。光減衰器88を回転させて、系の諸要素からの散乱または反射により検出器124に到達するレーザから86からの光の量を減らすことができる。レーザ光はレンズ90により指向性カップラ96の光入力アーム94の端部92でコア上に収束される。この光は指向性カップラのアーム94に沿って通過し、そこで50:50にスプリットされてセンサ・アーム98と基準アーム100に向かう。センサ・アーム96に沿って伝播した光は端部104から出てレンズ106でコリメートされ、空気間隙108を横切って伝播する。レンズ48は光線をセンサ・アーム24の端部46上に収束させる。この光は、センサ・アーム24に沿ってランプ30と32の間の囲壁34内の領域を通って伝播する。基準アーム100中の光は端部110から出て、レンズ112でコリメートされ、空気間隙114を横切って伝播する。レンズ68は、この光を光ファイバ62の端部64上に収束させる。この光は光ファイバ62に沿って偏光制御装置50へと伝播する。偏光制御装置50は、干渉計中を通る２本の光線の偏光状態が、再結合されたときに一致するように、光の偏光状態を調整し、これによって、得られる干渉図形のしまの可視性を向上させることができる。
偏光制御装置50から出た光は指向性カップラ18の基準アームへと伝播し、そこでセンサ・アーム24に沿って伝播した光と再結合されて、新しい２本の光線をもたらし、それがアーム20と検出アーム26に沿って伝播する。再結合された光はファイバ端部78から出ると、レンズ80と帯域フィルタ82を通過する。このフィルタ82は波長632.8nmを中心とする11nmの帯域幅の光を、検出器84へ通過させる。並進ステージ66が末端点74と76の間を移動するとき、検出器84によってヘリウム・ネオン干渉図形が測定され、オシロスコープ126で監視される。
ヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形からの光はまず初期基準状態でオシロスコープ126に記録される。この基準状態は、既知の歪みおよび温度条件をセンサ・アーム24で測定することによって較正される。歪みは、クランプ30のマイクロメータ駆動の並進ステージ31を使って加えられる。温度は、電源装置38を使って素子36を加熱し、センサ・アーム24の断熱囲壁34内の領域の温度を熱電対42で測定することによって決定する。基準状態の干渉図形の測定値は、並進ステージ66が末端位置74と76の間を動き、空気間隙114の長さを変えるとき、オシロスコープ126に記録される。こうして、空気間隙が走査されるとき、干渉図形が生成される。
ヘリウム・ネオン干渉図形と光帯域干渉図形の測定が行われ、干渉図形がオシロスコープ126に記録された後、断熱囲壁34とクランプ30、32がセンサ・アーム24の環境中での歪みと温度の測定から除去される。あるいは、歪みおよび温度を変更して行う次のテスト測定、または前述のように空気間隙114を走査して行うヘリウム干渉図形および広帯域干渉図形の次の測定のために、囲壁34とクランプ30、32を残しておくこともできる。センサ・アーム24の環境中での温度と歪みの測定は、クランプ30、32と囲壁34を除去し、前述のように干渉図形の毎回の測定ごとに空気間隙を走査して、ヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形を測定することによって行う。
次にセンサ・アーム24が受ける出力広帯域干渉図形からの歪みおよび温度の導出の理論的解析を示す。センサ・アーム24からの光線と基準アーム28からの光線の再結合によって生じる干渉計信号の強度は、複素コヒーレンス係数に依存する。周波数νの光では、これはγ12（ｐ）で表せる。ただし、
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上式で
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は光の正規化スペクトル密度、Φ（ν:p）は再結合時の２本の光線の位相差である。集合ｐは、２本のアーム内の光延長に影響を与える可能性のあるすべての物理パラメータを含む。これらのパラメータは、分散的変化を起こすことがある。すなわち、これらのパラメータによって生じる位相変化の光周波数νに関する導関数が、νの関数になる。これらのパラメータはまた、真空経路遅延や短い空気経路による遅延など非分散的変化を示すこともある。
並進ステージ66は、可変空気経路△Ｌを横切って位置74と76の間を移動し、非分散的時間遅延τを引き起こす。ただし、τ＝△L/C（Ｃは空気経路中での光速度）。この可変遅延が、Ｐの他の要素がすべて一定な期間中に既知の値域を走査される場合、検出器124における再結合光線の干渉図形の強度は次式で与えられる。
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式（２）で、Ｑは、τ以外のすべての要素が一定であるＰの部分集合、Ioは干渉計における光の合計強度、
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は複素関数γ12（Q;τ）の実数部を表す。入力元がすべての光周波数νでアーム24と28に均等に分割されるものと仮定する。この時間成分τを用いると、上式（１）は積
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の逆クーリエ変換（FT）として書き直すことができる。
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上式で、Φ（ν;Q）はγ12（Q:τ）のFTの位相、したがって
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となる周波数でのＩ（Q;τ）のFTの位相である。
次に、センサ・アーム24の一セクションを通る光路に対する温度と歪みの影響について考察する。集合Ｑは２つの集合ＳとＴに細分割される。集合Ｓは、センサ・アーム24の１セクションの光路長に直接影響を与えるＱの諸要素を含む。指向性カップラ18と96の基準セクションと感知セクションの全体における光路に影響を与えるＱの諸要素は、Ｒに含まれる。干渉計を較正するには、Ｒのすべての要素を固定しなければならない。干渉計の初期状態でＳの諸要素を構成する初期長さLinitをもつ感知セクションの初期歪みSinitと初期温度Tinitが定義されている場合、この初期状態から、初期位相差Φ（ν;Sinit,R）による初期基準干渉図形が関連付けられる。感知セクションに加えられる歪みと温度がその初期値からそれぞれβεおよびτだけ逸脱した場合、位相関係に変化が生じる。２つの位相Φ（ν；ε,R）とΦ（ν;T,R）ならびに相互感度項があり、後者は温度と歪みの変化が小さい場合は無視できる。こうして得られる位相差をΦ（ν；ε,T,R）で表す。
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良好な近似として、歪みおよび温度の変化が小さい場合、上式の最後の２項は、歪みおよび温度とそれぞれの分散性伝播定数βε（ν）およびβＴ（ν）の積で明示的に表すことができる。SinitとＲは固定したパラメータを表すので、式から消去することができ、そうすると位相関係は次のように書くことができる。
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上式で、Φinit（ν）は初期状態の位相関係である。
ある基準周波数νrefの周りの領域では、Φ（ν）はテイラー級数として表すことができ、次式のようにコンパクトに表される。
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ここで、Φ＝（Φ0,Φ1,Φ2,...）であり、ｉ番目の要素Φｉは、νrefで評価されたνに対するΦ（ν）のｉ次導関数によって与えられ、νのｉ番目の要素はνｉ＝（1/i）（ν−νref）ｉで与えられる。Φ（ν）の１次および２次導関数は、それぞれ群遅延および光分散を表す。Φ（ν）を１次導関数Φ１と２次導関数Φ２をそれぞれΦ’およびΦ”で表すと、１次および２次位相係数は次式によって歪みおよび温度と関係付けられる。
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あるいは、次式のように表すと便利である。
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εinitとTinitの基準値に対してεとＴの既知の値を独立に適用することによって実験的にβが見つかった後、式（８）の逆関数を用いて歪みと温度の値を求めることができる。
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βの数値逆行列が意味をもつためには、βの行列式中の推定分数誤差が小さくなければならない。このことは、この実施例で述べた装置を使った実験測定で実証されている。
このシステムは、較正装置を使った直接測定によって、またはシステムの事前の測定から、歪みと温度が既知である初期状態における広帯域干渉図形とヘリウム・ネオン干渉図形を生成する。その後、未知の歪み／温度に対する広帯域干渉図形とヘリウム・ネオン干渉図形が生成されるが、この未知状態では、センサ・アーム24上の歪みまたは温度あるいはその両方が初期状態と異なる。各状態のヘリウム・ネオン干渉図形を使って、走査長さの変動を考慮に入れて対応する広帯域干渉図形を補正する。補正済みの広帯域干渉図形を高速フーリエ変換にかけると、広帯域干渉図形のその位相に対する値が得られる。初期状態および測定した状態の広帯域干渉図形の３次位相に最小二乗多項式をあてはめると各干渉図形ごとに位相の４つの係数が得られる。１次および２次位相係数はそれぞれ群遅延と光分散に対応する。初期状態と測定状態における群遅延および光分散の差を比較することにより、この２つの状態の間での温度および歪みの差の一義的な値が得られる。したがって、歪みと温度の寄与が分解される。
第４図に、広帯域干渉図形からセンサ・アーム24が受ける歪みと温度を引き出す際に使用されるソフトウェアの流れ図を示す。このソフトウェアは、広帯域干渉図形とヘリウム・ネオン干渉図形を入力とし、これらの計算から式７で１次導関数Φ’を算出する。
式７のLinit、β’ε、β”ε、β'T、β"T、Φ'init、Φ"initの値は測定および較正から既知である。値Φ’とΦ”が算出されると、ソフトウェアは式９を使って歪みと温度の値を計算することができる。
第４図のボックス１に、ソフトフェアへのデータ入力としてのヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形を示す。ボックス２〜５は、ドリフトを除去するために干渉図形に加える操作、すなわち干渉図形における経路長変調が並進ステージ66の均一並進から逸脱した量の計算と除去を表す。このプロセスは、強度値間の間隔が群遅延τの等しい変化を表すようにヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形を内挿するものである。ヘリウム・ネオン干渉図形を微分し（ボックス２）、元のヘリウム・ネオン干渉図形と比較する（ボックス３）。この比較から、誘導位相の推定を行う。この誘導位相の変化が、位相を−πから＋πの領域内の値にすることができる。連続する位相値間でπより大きな位相差を除去するために位相値に２πの倍数を加える。このような不連続の除去は信号処理の分野で周知であり「アンラッピング」と呼ばれる。アンラッピングは、R.JonesおよびC.Wykes共著「Holographic cd Speckle Interferometry」（Cambridge University Press,London,1983）に記載されている。したがってヘリウム・ネオン干渉図形を使って、平均周波数を計算し、τの間隔を生成することができる。ドリフトを除去すると、「補正済みの」ヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形が得られる（ボックス５）。補正済み干渉図形は、複素高速フーリエ変換（FFT）ルーチンへのデータ入力として使用できる（ボックス６）形になっている。次に広帯域干渉図形のFFTの正周波数成分の位相を計算する（ボックス７）。次に３次の特異値分解（SVD）を用いて位相に最小二乗多項式をあてはめる。ソフトウェアは、広帯域干渉図形の位相についてΦ’とΦ”のテイラー係数（１次および２次係数）を計算する。次に、式７の左辺に示すように、広帯域干渉図形のテイラー係数Φ’およびΦ”から初期状態のテイラー係数Φ'initおよびΦ"initを差し引く。
第５図には、全体的に200で示すタンデム形干渉計の形の本発明の別の実施例を示す。タンデム形干渉計200は、感知用干渉計202と基準干渉計204を含んでいる。基準干渉計204は断熱囲壁（図示せず）内にある。
指向性カップラ206は、入力アーム208、感知アーム210、出力アーム212、終端アーム214を有する。アーム208〜214はすべて、光ファイバで形成されている。感知用干渉計202は感知アーム210の一端にあり、入力鏡216と第１感知鏡218と第２感知鏡220を有する。入力鏡216と第１感知鏡218は、入射光の実質50％を反射し残りを透過するように配置されている。鏡216と218は、感知アーム210のファイバを裂き、光ファイバの一面に反射性コーティングを付着し、ファイバを再度接合することによって形成する。鏡220は全反射性である。鏡216と218の分離間隔を１で表すと、鏡218と220の分離間隔ｍは１より大きい。
終端アーム214は、高帯域損を発生させるため、マンドレル（図示せず）の周りで端部を曲げることによって形成する。
基準干渉計204は指向性カップラ224を含み、指向性カップラ224は入力アーム226、反射アーム228、走査アーム230、出力アーム232を有する。アーム226〜232は光ファイバで形成されている。入力アーム226は指向性カップラ206の出力アーム212の延長部分である。反射アーム228は鏡234で終端する。走査アーム230も鏡236で終端する。走査アーム230はクランプ238、240によってその長さ上の２点で固定される。クランプ240は、走査アーム230を引き延ばすことのできる並進ステージ241を有する。出力アーム232の一端に検出器242がある。
オシロスコープ244が検出器242で接続されている。オシロスコープ244は、検出器242から受け取った信号を処理できるコンピュータ246に接続されている。コンピュータ246はまた、モータ制御装置249を介してクランプ240の並進ステージ241を制御する。
２個の光源248と250が、入力アーム208に光を注入するために配置されている。光源248は広帯域光源であり、光源250は狭い帯域幅で光を放出する。光源248と250からの光はビーム・スプリッタ254を介してアーム208に入る。出力アーム232内に第２のビーム・スプリッタ256を使用して、光源248と250からの光を多重化解除する。狭帯域フィルタ258は、広帯域光源248からの光が狭帯域検出器260に入らないようにする。検出器260はオシロスコープ244に接続されている。
次にこのタンデム形干渉計装置200の動作について説明する。光帯域光源248と狭帯域光源250は、前記実施例の対応する光源と同じ機能を課す。光源の光は感知アーム210に達し、反射されて鏡216と218を通過し、鏡220で反射される。光がファイバ中を鏡216と218の間および鏡218と220の間の伝播するとき、光ファイバのそれぞれのセクション上の歪みと温度の変化によって、群遅延および光分散が変化する。反射されて鏡218から感知アーム210に沿って戻る光は、鏡216から反射された光よりも長い距離21を移動する。また鏡220から反射された光は、鏡218から反射された光よりも長い2mを移動する。光はカップラ206に向かって逆に伝播され、そこで光の一部はアーム212に沿って基準干渉計204のアーム226へと伝播する。アーム226中を伝播する光の一部はアーム228中に接合され、一部はアーム230中に結合される。
アーム230のクランプ238と240の間の長さｌ−δのセクションは、クランプ240の並進により長さｍ＋δに伸びる。ここでδは、光源248のコヒーレント長より大きい任意の長さである。伸びる間に、鏡236から光が反射して、伸びた長さを走査する。基準干渉計204中の走査長さが感知用干渉計202中の走査長さに等しいとき、検出器242と260で干渉図形が生成される。すなわち、走査長さが、基準干渉計204中で2lまたは2mに等しい経路長の不均衡を生み出すとき、干渉図形が生成する。したがってどの走査でもそのような干渉図形が２個生成する。これらの干渉図形は、前記実施例の場合と同じ方法で解析することができる。
代替実施例では、ファイバ・アーム230の伸びを走査済み空気間隙で置き換えることができる。さらに別の実施例では、１つの入力鏡と１つの感知鏡を設け、ただ１つの感知素子を形成することができる。さらに別の実施例では、より多数の鏡をファイバ・アーム210に取り付けて、より多数の干渉図形を生成させることもできる。その場合は、鏡間のファイバの各セクションが感知素子となる。そうすると各感知用干渉計202に複数の感知素子を設けることができる。こうすると、感知用干渉計202を使って異なる場所でいくつかの測定を同時に行うことが可能になる。たとえば、航空機の機体構造中の異なる点に素子に配置することができる。あるいは各感知素子を独立した基準干渉計に接続することもできる。また、感知素子を基準干渉計204から脱着可能にして、同一の基準干渉計204と検出器242、260などの分析装置とオシロスコープ244とコンピュータ246を別の構造上の感知素子に対して使用することもできる。
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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