JP2001280914A

JP2001280914A - 光干渉測定方法

Info

Publication number: JP2001280914A
Application number: JP2000092088A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Hashimoto; 孝晴橋本
Original assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】物理量に応じた干渉光信号における光路差、ひ
いては物理量を、簡略なシステム構成で幅広い範囲にわ
たって容易に把握することを可能とする光干渉測定方法
を提供する。【解決手段】干渉光信号を分光器１４で受光し、その分
光データをデータ処理装置１７に取り込む。データ処理
装置１７は、この分光データに変換処理を施して、光源
光が白色光であるとした場合の干渉光信号の波長分布デ
ータを推定的に求める。求めた波長分布データから、所
定波長差当たりの強度差の数列データを求める。この強
度差データとそれに関する自己回帰モデル形式の演算式
とを用いて干渉光信号の光路差に応じた位相成分と波長
差に応じた位相成分とを求め、それらの位相成分に基づ
いて、干渉光信号の光路差、ひいては、物理量を把握す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光路差を有する二
つの光の干渉現象を利用して、ひずみ、変位等の物理量
を測定する光干渉測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の光干渉測定では、単一の光源光
から、測定しようとする物理量に応じて変化する光路差
を有する二つの光を生成し、その二つの光を干渉させ
る。このとき、前記光路差に応じた干渉光信号が生成さ
れ、この干渉光信号に基づいて、前記光路差ひいては、
前記物理量を測定する。

【０００３】例えば、物理量としての測定対象物のひず
みを測定する手法として、所謂、ファブリ・ペロー（Fa
bry-Perot）型の光ファイバ式ひずみセンサを用いる手
法が知られている（例えば米国特許５２０２９３９や特
開平１０−１７０２３３号公報を参照）。

【０００４】この手法では、光の一部を反射可能な一対
の部分反射面を両端に有する共振器と、この共振器の一
方側の部分反射面から他方側の部分反射面に向かう光を
該共振器に導入するための光ファイバとを備える光ファ
イバ式ひずみセンサが用いられ、このひずみセンサの共
振器の両部分反射面の間隔が測定対象物のひずみに応じ
て変化するように該共振器が測定対象物に取付けられ
る。そして、ひずみ測定に際しては、ひずみセンサの共
振器に光ファイバを介して光を導入する。このとき、各
部分反射面での光の反射によって、両部分反射面の間隔
の二倍の光路差を有する二つの光が生成され、それらの
光の干渉が生じる。これにより、上記光路差に応じた干
渉光信号が生成され、該干渉光信号に基づいて上記光路
差、ひいては、両部分反射面の間隔（光路差の半分）を
把握することができる。そして、該共振器の両部分反射
面の間隔は、該共振器を取付ける測定対象物のひずみに
応じて変化するので、把握される両部分反射面の間隔の
変化量からひずみを測定することができる。

【０００５】ところで、上記のような干渉光信号に基づ
いて、その干渉光信号の基礎となる二つの光の光路差を
把握する手法としては、従来、所謂、白色光干渉方式や
位相検出方式（ヘテロダイン法）が一般に知られてい
る。白色光干渉方式の一例としては、例えば、前記米国
特許第５２０２９３９号に見られる手法が挙げられ、位
相検出方式の一例としては、例えば特開平１０−１７０
２３３号公報に見られる手法が挙げられる。

【０００６】前記白色光干渉方式では、光源光として白
色光（ここでは波長分布が比較的広いという意味での白
色光）を用いて、測定する物理量に応じた干渉光信号を
生成する。そして、この干渉光信号をフィゾー干渉計等
の干渉計に入力し、この干渉計によって、上記干渉光信
号における光路差を打ち消すような光路差を与える。つ
まり、該干渉計の出力が、干渉計への入力光が光路差を
有さない場合における干渉計の出力と同等になるよう
に、干渉計のパラメータ（干渉計への入力光に与える光
路差を規定するパラメータ）を調整する。このように干
渉計のパラメータを調整したとき、該パラメータにより
規定される光路差が、前記干渉光信号における光路差と
なり、これにより該光路差、ひいては、物理量が測定さ
れる。

【０００７】また、前記位相検出方式では、干渉光信号
の位相（これは、干渉光信号における光路差に応じたも
のとなる）を、位相変調器等を用いて検出し、その検出
した位相から、前記光路差、ひいては、物理量が測定さ
れる。

【０００８】しかしながら、従来のこれらの方式は、次
のような不都合を有するものであった。

【０００９】すなわち、従来の白色光干渉方式では、物
理量に応じた干渉光信号に光路差を与えるための干渉計
が必要となるため、測定システムの構成が煩雑なものと
なりやすい。また、光路差が小さ過ぎると、原理的に該
光路差を精度よく把握することが困難であると共に、物
理量に応じた前記干渉光信号を生成するための構成の制
約を受け易い。

【００１０】また、従来の位相検出方式では、物理量に
応じた干渉光信号の位相を検出するために位相変調器が
必要となるため、測定システムの構成が煩雑なものとな
りやすい。また、原理的に、検出可能な光路差の変化量
が範囲が比較的狭い範囲に限定され、幅広い範囲で、光
路差ひいては、物理量を測定することが困難であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる背景に
鑑みてなされたものであり、測定する物理量に応じた干
渉光信号における光路差、ひいては物理量を、簡略なシ
ステム構成で幅広い範囲にわたって容易に把握すること
を可能とする光干渉測定方法を提供することを目的とす
る。そして、特に物理量としてのひずみを測定する場合
に好適な光干渉測定方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】まず、本発明の光干渉測
定方法の基本原理について説明する。

【００１３】物理量に応じた光路差を有する二つの光の
元となる光源光（この光源光は、例えば前述のひずみ測
定に関していえば、前記共振器に入力する光である）
が、理想的な白色光であるとする。ここで、「白色光」
は、ある波長範囲（比較的広い波長範囲）においてその
範囲内の各波長の光の強度（波長分布）が均一であるよ
うな光を意味するものとする（以下、同様）。そして、
この白色光を光源光として用いて、ある値の物理量に応
じた光路差を有する二つの光を生成して干渉させ、該光
路差に応じた干渉光信号を生成した場合を想定する。

【００１４】このとき、上記波長範囲内における光源光
の各波長の強度をＩ（これは白色光では各波長において
同一である）、この光源光から生成される二つの光の干
渉度をＶ、その二つの光の光路差をＬとおくと、その二
つの光の干渉光信号の任意の波長値λ（上記波長範囲内
の波長値）における強度Ｉ(λ)は、一般的に次式（３）
により表される。

【００１５】

【数３】

【００１６】さらに、所定の単位波長差Δλづつ値が異
なる複数の波長値λ0、λ1（＝λ0＋Δλ）、λ2（＝λ
1＋Δλ）、…、λn（＝λn-1＋Δλ）、……を定める
と共に、その複数の波長値λn（ｎ＝０，１，２，…
…）のうちの一つ、例えばλ1（但し、λ1＞＞Δλ）を
特定して、それをλaとおく（λa＝λ1とおく。以下、
この所定波長値λaを基準波長値λaという）。このと
き、次式（４），（５）により定義するθ，αを導入す
ると、

【００１７】

【数４】

【００１８】

【数５】

【００１９】各波長値λn（ｎ＝０，１，２，……）に
おける干渉光信号の強度Ｉ(λn)は次式（６）により与
えられる。

【００２０】

【数６】

【００２１】ここで、式（４）により定義されるθは、
干渉光信号を組成する二つの光の光路差Ｌに比例する位
相であるので、該光路差Ｌに応じた位相成分としての意
味をもつ。また、式（５）により定義されるαは、光路
差Ｌに比例するものであると同時に、前記単位波長差Δ
λに比例する位相であるので、波長差に応じた位相成分
としての意味をもつ。以下、θを光路差位相成分と称
し、αを波長差位相成分と称する。

【００２２】次に、式（６）により与えられる強度Ｉ
(λn)（ｎ＝０，１，２，…）の数列において、前記単
位波長差Δλのある整数倍、例えば2倍の波長差（＝２
・Δλ）を有するものの組（Ｉ(λ0)，Ｉ(λ2)）、（Ｉ
(λ1)，Ｉ(λ3））、…、（Ｉ(λn+2)，Ｉ(λn)）、…
…を考え、それらの各組における二つの強度Ｉ(λn+
2)，Ｉ(λn)（ｎ＝０，１，２，…）の差（＝Ｉ(λn+2)
−Ｉ(λn)）をΔＩnとおく。このとき、この強度差ΔＩ
n（＝Ｉ(λn+2)−Ｉ(λn)、ｎ＝０，１，２…）は、式
（６）に基づいて、次式（７）により与えられる。

【００２３】

【数７】

【００２４】さらに、式（７）の右辺のsin（θ＋ｎ・
α）（ｎ＝０，１，２，…）を複素数により表現する
と、次式（８）が得られる。尚、式（８）中のexp（）
は、自然対数の底ｅの指数関数である。

【００２５】

【数８】

【００２６】ここで、次式（９）により定義する複素数
Ｚ1，Ｚ2，Ａ1，Ａ2を導入すると、

【００２７】

【数９】

【００２８】前記式（８）に与えられる強度差ΔＩnの
数列は、次式（１０）の漸化式によって、自己回帰モデ
ルの形式で表現される。

【００２９】

【数１０】

【００３０】このように強度差ΔＩn（ｎ＝０，１，
２，…）の数列を自己回帰モデルの形式で表現したと
き、強度差ΔＩnの複数の計測データが得られれば、そ
の計測データから最小二乗法や、Yule-Walker法、Burg
法等によって、自己回帰モデルの自己回帰係数としての
前記複素数Ｚ1，Ｚ2，Ａ1，Ａ2の値を求める（同定す
る）ことができる。

【００３１】さらに、このように自己回帰係数Ｚ1，Ｚ
2，Ａ1，Ａ2の値を求めたとき、前記式（９）の定義に
よって、それらの値（複素数値）から、次式（１１），
（１２）によって、それぞれ前記光路差位相成分θ及び
波長差位相成分αを求めることができる。

【００３２】

【数１１】

【００３３】

【数１２】

【００３４】尚、式（１１）に基づく光路差位相成分θ
の算出は、実際上は、複素数Ａ1／Ａ2の位相（＝２θ）
を例えば−π〜＋πの範囲で求め、その位相２θの半分
の値を求めることによって行われる。従って、求められ
る光路差位相成分θの範囲は、−π／２＜θ＜π／２で
ある。このことは波長差位相成分αについても同様であ
る。

【００３５】このように光路差位相成分θ及び波長差位
相成分αが求まれば、前記式（４），（５）の定義式に
基づいて、光路差Ｌは、光路差位相成分θを用いた次式
（１３）、あるいは、波長差位相成分αを用いた次式
（１４）によって求めることができることとなる。尚、
以下の説明では、式（１３），（１４）により求まる光
路長Ｌにそれぞれ参照符号Ｌp，Ｌaを付することがあ
る。

【００３６】

【数１３】

【００３７】

【数１４】

【００３８】ここで、光路差位相成分θ及び波長差位相
成分αは、位相であるので、光路差Ｌの変化に対して、
周期性を有する（図４（ａ），（ｂ）を参照。但し、図
４の横軸はＬ／２であることに注意）。すなわち、光路
差位相成分θは、その範囲（−π／２〜π／２）と前記
式（１３）とから明らかなように、光路差Ｌが前記基準
波長値λaの１／２（＝λa／２）だけ変化する毎に、同
一の値を採る（図４（ｂ）を参照）。また、波長差位相
成分αは、その範囲（−π／２〜π／２）と前記式（１
４）とから明らかなように、光路差Ｌがλa²／（２・Δ
λ）だけ変化する毎に、同一の値を採る（図４（ａ）を
参照）。

【００３９】このため、光路差位相成分θにより求めら
れる光路差Ｌ(＝Ｌp）及び波長差位相成分αの値により
求められる光路差Ｌ（＝Ｌa）は、より正確には、それ
ぞれ次式（１５），（１６）により与えらる。前記式
（１３），（１４）は、それぞれ式（１５），（１６）
の「ｍ」の値が「０」であるときに成立するものであ
る。

【００４０】

【数１５】

【００４１】

【数１６】

【００４２】従って、光路差位相成分θあるいは波長差
位相成分αの値から、光路差Ｌを把握するためには、式
（１５）あるいは式（１６）の「ｍ」の値を特定する必
要がある。

【００４３】この場合、光路差位相成分θの１周期当た
りの光路差Ｌの変化量λa／２よりも小さい分解能で光
路差Ｌの大きさを大略的に推測できる場合（光路差Ｌが
光路差位相成分θのどの周期内に属するかを推測できる
場合）には、前記式（１５）の「ｍ」の値を特定するこ
とができるため、式（１５）に従って、光路差位相成分
θの値から光路差Ｌを求めることができる。同様に、波
長差位相成分αの１周期当たりの光路差Ｌの変化量λa²
／（２・Δλ）よりも小さい分解能で光路差Ｌの大きさ
を大略的に推測できる場合には、前記式（１６）の
「ｍ」の値を特定することができるため、式（１６）に
従って、波長差位相成分αの値から光路差Ｌを求めるこ
とができる。

【００４４】尚、光路差Ｌの変化が例えば光路差位相成
分θの１周期内でのみ生じるような場合には、その光路
差Ｌの変化量は、前記式（１５）のθに係る係数（λa
／２）に、光路差位相成分θの変化量を乗算することに
より求められるので、式（１５）の「ｍ」の値を認識す
る必要はない。このことは、波長差位相成分αに関して
も同様である。

【００４５】また、例えば光源光が可視光であるとした
とき、その波長は、数百nmであるから、光路差位相成分
θの１周期当たりの光路差Ｌの変化量λa／２も、概ね
数百nm程度であり、比較的小さい。また、前記単位波長
差Δλを数nmとしたとき、波長差位相成分αの１周期当
たりの光路差Ｌの変化量λa²／（２・Δλ）は、概ね数
十〜数百μmであり、光路差位相成分θの１周期当たり
の光路差Ｌの変化量λa／２よりも十分に大きい。従っ
て、光路差位相成分θを用いることによって比較的微小
な光路差Ｌあるいは該光路差Ｌの微小な変化量を把握す
ることが可能となる。また、波長差位相成分αを用いる
ことによって、比較的大きな光路差Ｌあるいは、該光路
差Ｌの比較的大きな変化量を把握することが可能とな
る。さらに、波長差位相成分αに基づき把握される光路
差Ｌの分解能が、光路差位相成分θの１周期当たりの光
路差Ｌの変化量λa／２よりも小さく、波長差位相成分
αに基づき把握される光路差Ｌが光路差位相成分θのど
の周期内に属するかを把握することができる（このこと
は式（１５）の「ｍ」の値を特定できることを意味す
る）場合には、波長差位相成分αに基づいて光路差Ｌを
巨視的に把握しつつ、光路差位相成分θの複数周期にわ
たって、該光路差位相成分θの値に基づいて、高精度に
光路差Ｌやその変化量を把握することも可能である。

【００４６】このように、光路差位相成分θや波長差位
相成分αが求まれば、それらを選択的あるいは併用的に
用いることによって、光路差Ｌやその変化量を幅広い範
囲で把握することが可能となる。

【００４７】尚、前述の説明では、例示的にλa＝λ1と
した。また、前記単位波長差Δλの2倍の波長差を有す
る干渉光信号の強度Ｉ(λn+2)，Ｉ(λn)（ｎ＝０，１，
２，…）の差ΔＩn（＝Ｉ(λn+2)−Ｉ(λn)）を用い
て、式（８）の自己回帰モデルを構成した。但し、基準
波長値λaは、λ2、λ3等、他の波長値であってもよ
い。また、単位波長差Δλの１倍、３倍等、他の所定の
整数倍の波長差を有する強度の差を用いて、式（８）と
同様の自己回帰モデルを構築することも可能である。詳
細な説明は省略するが、いずれの場合でも、前述の説明
と同様の考え方によって、強度差の数列に関する自己回
帰モデル（但し、該自己回帰モデルの漸化式の形は、式
（８）と必ずしも同じではない）を構築することができ
る。そして、その自己回帰モデルの自己回帰係数を、各
波長λn（ｎ＝０，１，２，…）における干渉光信号の
強度の計測データから得られる強度差のデータから、最
小二乗法等を用いて求めれば、その自己回帰係数の値か
ら、前記光路差位相成分θや前記波長差位相成分αを求
めることができる。

【００４８】ところで、前述の説明では、光源光が理想
的な白色光であることを前提として説明を行った。しか
るに、前述の説明から明らかなように、基本的には単位
波長差Δλづつ値が相違する離散的な波長値λn（ｎ＝
０，１，２，…）のそれぞれにおける干渉光信号の強度
Ｉ(λn)のデータが得られれば良いので、例えば、波長
を可変的に設定できるレーザ光源を用いて、干渉光信号
の強度Ｉ(λn)（ｎ＝０，１，２，…）のデータを得る
ことも可能である。すなわち、レーザ光源の波長を波長
値λn（ｎ＝０，１，２，…）に順次設定して発光し、
その各波長値λnの光源光毎に、干渉光信号を生成し
て、その強度を検出する。このとき、レーザ光源の各波
長値λn毎の強度が同一であれば、光源光を理想的な白
色光とした場合と同様の、干渉光信号の強度Ｉ(λn)
（ｎ＝０，１，２，…）のデータを得ることが可能とな
る。

【００４９】一方、通常的な光源を用いて、理想的な白
色光を得ることは一般には困難である。また、通常的な
可変波長のレーザ光源では、各波長毎の光源光の強度
は、一般には同一の大きさにはならない。しかるに、通
常的な光源を用いた場合であっても、その波長分布がほ
ぼ一定であれば、その光源光を用いて生成される干渉光
信号の強度の波長分布データに対して、光源光の波長分
布に基づく所定の変換処理を施すことによって、光源光
が白色光であったと仮定した場合に得られると推定され
る干渉光信号の強度の波長分布データを得ることが可能
である。

【００５０】また、通常的な可変波長のレーザ光源を用
いた場合であっても、その各波長毎の光源光の強度がほ
ぼ一定であれば、その光源光を用いて生成される干渉光
信号の強度データに対して、光源光の波長分布に基づく
所定の変換処理を施すことによって、光源光が白色光で
あったと仮定した場合に得られると推定される干渉光信
号の強度の波長分布データを得ることが可能である。

【００５１】以上説明したことを基礎として、本発明を
次に説明する。尚、以下の説明では、本発明の理解の便
宜上、必要に応じて適宜、前述の参照符号を用いる。

【００５２】本発明の光干渉測定方法は、単一の光源光
から物理量に応じて変化する光路差Ｌを有する二つの光
を生成すると共にその二つの光を干渉させてなる干渉光
信号を生成し、その干渉光信号に基づき把握される前記
光路差から前記物理量を測定する光干渉測定方法であ
る。

【００５３】そして、本発明の第１の態様は、前記の目
的を達成するために、前記光源光を所定の波長分布を有
する光源光として、前記干渉光信号を生成する干渉工程
と、該干渉光信号を受光して分光し、該干渉光信号の各
波長毎の強度を表す分光データを得る分光工程と、前記
光源光の波長分布に基づく所定の変換処理を前記分光デ
ータに施すことにより、前記光源光が白色光であるとし
て前記干渉工程を実行した場合に前記分光工程で得られ
ると推定される分光データを変換分光データとして求め
る分光データ変換工程と、該変換分光データから、所定
の単位波長差Δλづつ値が異なる複数の波長値λ0，λ
1，…における干渉光信号の強度データＩ(λ0)，Ｉ(λ
1)，…を抽出すると共に、各波長値における各強度デー
タと該強度データに対して前記単位波長差Δλの所定整
数倍の波長差を有する強度データとを組データとし、そ
の各組データの二つの強度データの値の差を強度差デー
タΔＩ0，ΔＩ1，…として求める強度差データ生成工程
と、該強度差データに関してあらかじめ定めた演算式と
前記強度差データ生成工程で求めた強度差データとを用
いて、前記干渉光信号の前記光路差に応じた第１位相成
分θと、該干渉光信号の波長差に応じた第２位相成分α
とのうちの少なくとも一方の位相成分を求める位相算出
工程とを備え、その求めた位相成分に基づき前記光路差
を把握することを特徴とする。

【００５４】また、本発明の第２態様は、前記光源光を
所定波長を有する光源光として、前記干渉光信号を生成
すると共に、その干渉光信号の生成を、前記光源光の波
長を所定の単位波長差Δλづつ異なる複数の波長値λ
0，λ1，…に順次変化させて行う干渉工程と、前記光源
光の各波長に対応する各干渉光信号を受光し、該干渉光
信号の強度データを得る受光工程と、前記光源光の各波
長毎の強度に基づく所定の変換処理を前記各干渉光信号
の強度データに施すことにより、前記光源光の各波長毎
の強度が同一であるとして前記干渉工程を実行した場合
に前記受光工程で該光源光の各波長に対応して得られる
と推定される強度データを変換強度データＩ(λ0)，Ｉ
(λ1)，…として求める強度データ変換工程と、該変換
強度データのうちの前記光源光の各波長に対応する各変
換強度データと該変換強度データに対して前記単位波長
差Δλの所定整数倍の波長差を有する変換強度データと
を組データとし、その各組データの二つの変換強度デー
タの値の差を強度差データΔＩ0，ΔＩ1，…として求め
る強度差データ生成工程と、該強度差データに関してあ
らかじめ定めた演算式と前記強度差データ生成工程で求
めた強度差データとを用いて、前記干渉光信号の前記光
路差に応じた第１位相成分θと、該干渉光信号の波長差
に応じた第２位相成分αとのうちの少なくとも一方の位
相成分を求める位相算出工程とを備え、その求めた位相
成分に基づき前記光路差を把握することを特徴とする。

【００５５】本発明の前記第１の態様は、前記干渉光信
号を生成する干渉工程において、光源光として所定の波
長分布を有する光源光を用いるもので、前記干渉光信号
に対して前記分光工程及び前記分光データ変換工程を実
行することによって、前記光源光が白色光であるとして
前記干渉工程を実行した場合に前記分光工程で得られる
と推定される分光データとしての前記変換分光データが
得られる。つまり、光源光が白色光である場合に生成さ
れたと推定される干渉光信号の強度の波長分布のデータ
が前記変換分光データとして得られる。そして、前記強
度差データ生成工程において、上記変換分光データか
ら、所定の単位波長差Δλづつ値が異なる複数の波長値
λ0，λ1，…における干渉光信号の強度データを抽出す
ることによって、前記式（６）の強度Ｉ(λn)（ｎ＝
０，１，２，…）の数列の計測データが得られることと
なる。

【００５６】また、本発明の前記第２の態様は、前記干
渉光信号を生成する干渉工程において、光源光としてレ
ーザ光のような所定波長の光源光を用いるもので、その
光源光の波長を所定の単位波長差Δλづつ異なる複数の
波長値λ0，λ1，…に順次変化させ、その各波長値の光
源光毎に干渉光信号を生成する。そして、その各干渉光
信号に対して、前記受光工程及び前記強度データ変換工
程を実行することによって、前記光源光の各波長毎の強
度が同一であるとして前記干渉工程を実行した場合に前
記受光工程で該光源光の各波長に対応して得られると推
定される強度データとしての前記変換強度データ、すな
わち、前記式（６）の強度Ｉ(λn)（ｎ＝０，１，２，
…）の数列の計測データが得られる。

【００５７】さらに、本発明の第１及び第２の態様で
は、上記のように得られる各強度データＩ(λn)（第２
の態様では変換強度データと称したもの）に対し、前記
強度差データ生成工程において、各強度データと該強度
データに対して前記単位波長差Δλの所定整数倍の波長
差を有する強度データとの差を求める。これにより、式
（７）における強度差ΔＩ0，ΔＩ1，…の計測データに
相当する強度差データの数列が得られる。尚、このとき
得られる強度差データは、より正確には、前記所定整数
の値に依存し、該所定整数を「２」とした場合以外は、
式（７）の関係式が成立する強度差ΔＩ0，ΔＩ1，…の
計測データそのものを意味するものではないことはもち
ろんである。

【００５８】そして、本発明の第１及び第２の態様で
は、前記位相算出工程において、該強度差データに関し
てあらかじめ定めた演算式、すなわち、前記式（８）で
例示したような自己回帰モデルの形式の演算式（漸化
式）と、上述のように得られる強度差データΔＩ0，Δ
Ｉ1，…とを用いることによって、前述したようにして
干渉光信号の前記光路差に応じた第１位相成分としての
前記光路差位相成分θと、該干渉光信号の波長差に応じ
た第２位相成分としての前記波長差位相成分αとのうち
の少なくとも一方の位相成分を求める。

【００５９】このとき求められる光路差位相成分θ（第
１位相成分）及び波長差位相成分α（第２位相成分）
は、上記の強度差データに関する自己回帰モデルの形式
の演算式（漸化式）を構築する上であらかじめ定められ
る所定の基準波長値λaを用いて、それぞれ、干渉光信
号の物理量に応じた光路差Ｌと前記式（４），（５）の
関係を有する。従って、光路差位相成分θあるいは波長
差位相成分αに基づいて前記光路差ひいては、前記物理
量を把握することが可能となる。

【００６０】この場合、光路差位相成分θと波長差位相
成分αとは、それぞれ光路差Ｌあるいはその変化量に対
して前述したような特徴を有するため、該光路差位相成
分θ及び波長差位相成分αを選択的あるいは併用的に用
いることによって、光路差やその変化量、ひいては物理
量やその変化量を幅広い範囲にわたって測定することが
可能となる。

【００６１】また、本発明の第１の態様では、前記分光
工程で干渉光信号を分光器等によって受光して前記分光
データを得た後は、パソコン等を用いた単なるデータ処
理によって、光路差Ｌを把握するための前記光路差位相
成分θや波長差位相成分αを求めることができる。同様
に、本発明の第２の態様では、前記受光工程で複数の波
長値の光源光のそれぞれに対応する干渉光信号を受光器
等によって受光して、該光源光の各波長毎の前記強度デ
ータを得た後は、パソコン等を用いた単なるデータ処理
によって、前記光路差位相成分θや波長差位相成分αを
求めることができる。このため、測定システムの構成が
簡略なもので済む。

【００６２】従って、本発明の第１及び第２の態様によ
れば、測定する物理量に応じた干渉光信号における光路
差、ひいては物理量を、簡略なシステム構成で幅広い範
囲にわたって容易に把握することを可能となる。

【００６３】尚、本発明の第１の態様では、前記光源光
の波長分布が白色光の波長分布と略同一の波長分布であ
るとき、すなわち、光源光が理想的な白色光と同等の光
源光である場合には、前述の説明から明らかなように、
前記分光データ変換工程で、前記分布データに光源光の
波長分布に基づく変換処理を必ずしも施す必要はない。
従って、この場合には、前記分光データ変換工程では、
前記分光工程で得られた前記分光データを前記変換分光
データとして得ればよい。

【００６４】同様に、本発明の第２の態様では、前記光
源光の各波長毎の強度が略同一であるときには、前記強
度データ変換工程で、各波長毎の干渉光信号の強度デー
タに光源光の各波長毎の強度に基づく変換処理を必ずし
も施す必要はない。従って、この場合には、前記強度デ
ータ変換工程では、前記受光工程で得られた前記強度デ
ータを前記変換強度データとして得ればよい。

【００６５】前述した本発明の光干渉測定方法の第１及
び第２の態様は、種々様々の物理量の測定に適用するこ
とが可能であるが、その一つの適用形態として、ひずみ
測定を行う場合に好適である。この場合における本発明
の光干渉測定方法では、光の一部を反射可能な一対の部
分反射面を両端に相対向させて形成され、前記物理量と
しての測定対象物のひずみに応じて前記両部分反射面の
間隔が変化するよう該測定対象物に取付けられる共振器
と、前記両部分反射面の一方側から他方側に向かう光を
前記共振器にその外部から導入するための光ファイバと
を備えた光ファイバ式ひずみセンサを用いて前記測定対
象物のひずみの測定を行う。そして、前記干渉工程で
は、前記光源光を前記光ファイバを介して前記共振器に
導入して、該光源光の一部を該共振器の各部分反射面で
反射させることにより、前記両部分反射面の間隔の二倍
の光路差を有する二つの光を生成すると共に、その二つ
の光を干渉させてなる前記干渉光信号を生成する。

【００６６】すなわち、光源光を光ファイバを介してひ
ずみセンサの共振器に導入したとき、その光源光の一部
は共振器の前記一方側の部分反射面で反射されて光ファ
イバ内を戻る。また、一方側の部分反射面で反射されず
に共振器内に透過した光の一部は、他方側の部分反射面
で反射されて一方側の部分反射面に進行し、さらにその
光の一部が該部分反射面を透過して光ファイバ内を戻
る。このとき、一方側の部分反射面で反射された光と他
方側の部分反射面で反射された光とは、共振器の両部分
反射面の間隔の二倍の長さの光路差を有し、この二つの
光が干渉して、干渉光信号が生成される。従って、この
干渉光信号から、前述の処理によって求められる光路差
位相成分θ（第１位相成分）や波長差位相成分α（第２
位相成分）に基づいて把握される光路差の半分の値を、
共振器の両部分反射面の間隔として把握することができ
ることとなる。そして、測定対象物に取付けられる前記
共振器の両部分反射面の間隔は、基本的には該共振器の
取付け後に測定対象物に生じたひずみに比例した量だけ
変化するので、該間隔の変化量（これは光路差の変化量
の半分である）を把握することによって、ひずみ測定値
（これはひずみセンサの所定のゲージ長に対する両部分
反射面の間隔の変化量の比として与えられる）を得るこ
とができる。

【００６７】この場合、例えば前記光路差位相成分θを
用いることで、共振器の両部分反射面の間隔の比較的小
さな変化量を測定できるので、比較的小さなひずみを測
定することが可能となる。また、例えば前記波長差位相
成分αを用いることで、共振器の両部分反射面の間隔の
比較的大きな変化量を測定できるので、比較的大きなひ
ずみを測定することが可能である。

【００６８】このように、本発明の光干渉測定方法をひ
ずみ測定に適用する場合、前記ひずみセンサは、少なく
とも先端面の中心部に軸心と略直交する直交面があらか
じめ形成された第１の光ファイバと、先端面の中心部に
あらかじめ凹面が形成され、且つ該凹面の底部が軸心と
略直交する第２の光ファイバとを備えると共に、前記第
１の光ファイバの先端面の周縁部と前記第２の光ファイ
バの先端面の周縁部とが略同心に接合されて固着されて
おり、前記第１の光ファイバの先端面の中心部と前記第
２の光ファイバの凹面の底部とを前記両部分反射面とし
て前記共振器が構成してなるひずみセンサである場合に
好適である。そして、この場合、前記測定対象物のひず
み測定の開始前に、前記位相算出工程で前記第２位相成
分（波長差位相成分α）を求めて、該第２位相成分に基
づき把握される前記光路差の半分の値を前記ひずみセン
サのゲージ長として得ると共に、ひずみ測定時には、前
記位相算出工程で前記第１位相成分（光路差位相成分
θ）を求めて、該第１位相成分に基づき把握される前記
光路差の変化量により前記測定対象物のひずみに応じた
前記両部分反射面の間隔の変化量を把握し、その変化量
と前記ゲージ長の比によりひずみ測定値を得ることが好
適である。

【００６９】すなわち、上記のような構造のひずみセン
サでは、ひずみ測定に際しては、前記第１及び第２の光
ファイバの接合箇所の内部に密閉状態で形成される前記
共振器は、両光ファイバの接合箇所を測定対象物に取付
けることによって、該測定対象物に取付けられ、このと
き、該共振器の間隔が測定対象物のひずみに応じて変化
する。そして、この場合、前記共振器の両部分反射面の
当初の間隔、すなわち、第１の光ファイバの先端面の中
心部と、第２の光ファイバの先端面の凹面の底部との当
初の間隔がひずみセンサのゲージ長となる。すなわち、
このひずみセンサを用いたひずみ測定では、共振器の両
部分反射面の当初の間隔に対する該間隔の変化量の比の
値がひずみ測定値となる。従って、ひずみ測定を行うた
めには、上記ゲージ長があらかじめ判明している必要が
ある。

【００７０】そして、本発明では、ひずみ測定の開始前
に、前記位相算出工程で前記波長差位相成分を求めて、
該波長差位相成分に基づき把握される前記光路差の半分
の値を前記ひずみセンサのゲージ長として得る。この場
合、共振器の両部分反射面の当初の間隔であるゲージ長
は、測定対象物のひずみに伴う両部分反射面の間隔の変
化量に対して比較的大きいが、前記波長差位相成分αに
基づき把握可能な光路差、ひいては、両部分反射面の間
隔は比較的広いので、ひずみセンサのゲージ長を支障な
く求めることができる。このように、ひずみ測定の開始
前にひずみセンサのゲージ長を波長差位相成分αに基づ
いて求めることによって、前述のような構造のひずみセ
ンサの製造過程等において、共振器の両部分反射面の間
隔を厳格に管理する必要がなくなる。このため、前記第
２の光ファイバの凹面の形成等、ひずみセンサの製造工
程を比較的簡略化して行うことが可能となる。

【００７１】さらに、本発明では、上記のようにゲージ
長を求めた後のひずみ測定時には、前記位相算出工程で
前記第１位相成分（光路差位相成分θ）を求めて、該第
１位相成分に基づき把握される前記光路差の変化量によ
り前記測定対象物のひずみに応じた前記両部分反射面の
間隔の変化量を把握する。この場合、光路差位相成分θ
を用いることによって、前記光路差、ひいては、両部分
反射面の微小の変化量を把握することができるので、測
定対象物のひずみに伴う共振器の両部分反射面の間隔の
変化量を精度よく把握することができる。そして、その
変化量の前記ゲージ長に対する比の値として、精度のよ
いひずみ測定値を得ることができる。

【００７２】

【発明の実施の形態】本発明の光干渉測定方法の第１の
実施形態を図１〜図８を参照して説明する。本実施形態
は、例えば測定対象物のひずみを物理量として測定する
場合に関するものである。

【００７３】まず、図１を参照して本実施形態で用いる
光ファイバ式ひずみセンサを説明する。

【００７４】図１に示すように、本実施形態で用いる光
ファイバ式ひずみセンサ１は、その構成要素として、第
１光ファイバ２及び第２光ファイバ３を具備する。第１
光ファイバ２は、本実施形態では、例えば石英系のシン
グルモード光ファイバであり、参照符号２ａ，２ｂを付
した部分がそれぞれこの光ファイバ２のコア、クラッド
である。また、第２光ファイバ３は、例えば石英系のマ
ルチモード光ファイバ（より詳しくは、石英系のグレイ
デッド・インデックス・光ファイバ）であり、参照符号
３ａ，３ｂを付した部分がそれぞれこの光ファイバ３の
コア、クラッドである。

【００７５】第１光ファイバ２の先端面は、その全面に
わたって該光ファイバ２の軸心とほぼ直交する面に形成
されている。また、第２光ファイバ３の先端面には、そ
の中心部であるコア３ａ部分に、縦断面、略放物線形状
の凹面４が形成されており、この凹面４の底部４ａは、
該光ファイバ３の軸心とほぼ直交する。

【００７６】そして、これらの光ファイバ２，３の先端
面は、同心に突き合わされ、それらの周縁部を全周にわ
たって加熱・溶融して融着することによって、接合・固
着されている。これにより、第１及び第２光ファイバ
２，３は、実質的に一本の光ファイバから構成されてい
るように一体的に連接されている。

【００７７】このように構成されたひずみセンサ１で
は、両光ファイバ２，３の接合箇所の内部で第１光ファ
イバ２の先端面と第２光ファイバ３の凹面４との間で形
成された密閉された空間５（空洞）が、所謂、ファブリ
・ペロー型のひずみセンサとしてのひずみセンサ１の共
振器（詳しくは外部共振器）となり、この共振器５の一
対の部分反射面が、第１光ファイバ２の先端面の中心部
６（該先端面のコア２ａ部分）と、第２光ファイバ３の
凹面４の底部４ａとにより構成される。

【００７８】すなわち、両光ファイバ２，３のうち、例
えば第１光ファイバ２に共振器５に向かう光を導入する
と、その光の一部は、光ファイバ２の先端面の中心部で
ある部分反射面６で反射され、該光ファイバ２内を戻
る。また、第１光ファイバ２の先端面で反射されずに、
共振器５内に透過した光の一部が第２光ファイバ３側の
部分反射面４ａ（凹面４の底部）で反射されて、部分反
射面６側に戻り、さらにその一部が部分反射面６を透過
して第１光ファイバ２内に進入し、該第１光ファイバ２
内を戻る。そして、このように部分反射面４ａで反射さ
れて、第１光ファイバ２内を戻る光と、前述のように部
分反射面６で反射されて第１光ファイバ２内を戻る光と
が干渉し、それらの光の光路差（＝両部分反射面６，４
ａの間隔Ｄの二倍の長さ２Ｄ）に応じた干渉光信号が得
られる。

【００７９】また、両光ファイバ２，３の接合部分（共
振器５の箇所）を測定対象物に貼着すると、測定対象物
のひずみに応じて共振器５の両部分反射面６，４ａの間
隔Ｄが変化する。

【００８０】尚、本実施形態では、上記部分反射面６，
４ａは、第１光ファイバ２の先端面や、第２光ファイバ
３の凹面４に特別な反射皮膜層をコーティングすること
なく、各光ファイバ２，３のコア２ａ，３ｂそのものに
より形成されている。このため、それらの部分反射面
６，４ａで生じる光の反射は所謂、フレネル反射であ
り、その反射率は、約４％程度である。従って、本実施
形態のひずみセンサ１で構成される干渉系はフィゾー干
渉系である。

【００８１】上述した構成のひずみセンサ１は、例えば
次のように製造されている。

【００８２】すなわち、第１光ファイバ２の素材となる
素材光ファイバ（本実施形態では石英系のシングルモー
ド光ファイバ。以下、ここでは第１素材光ファイバとい
う）と第２光ファイバ３の素材となる素材光ファイバ
（本実施形態では石英系のグレイデッド・インデックス
・光ファイバ。以下、ここでは第２素材光ファイバとい
う）とを用意し、各素材光ファイバの先端面が軸心と直
交する面となるように、各素材光ファイバの先端部を公
知の工具等を用いて切断しておく。この切断によって、
第１素材光ファイバは、そのまま、第１光ファイバ２と
して得られる。

【００８３】次いで、第２光ファイバ３の素材となる第
２素材光ファイバの先端部をエッチング液に浸漬させ
て、該第２素材光ファイバの先端面にエッチング加工を
施す。この場合、エッチング液は、例えば弗化水素水溶
液、あるいは、これに弗化アンモニウム水溶液を混合し
たものを用いる。このエッチング加工によって、第２素
材光ファイバの先端面は、そのコア部分を中心にしてエ
ッチングされ、前記凹面４が形成される。これにより、
前記第２光ファイバ３が得られる。このとき、該凹面４
の深さは例えば４０μｍ程度である。

【００８４】上記のようにしてエッチング加工によっ
て、第２光ファイバ３を得た後、前述のように第１素材
光ファイバから得た第１光ファイバ２の先端面の周縁部
と第２光ファイバ３の先端面の周縁部とを同心に融着す
る。この融着は、両光ファイバ２，３の先端面を同心に
突き合わせ、この状態で、レーザやアーク放電によって
両光ファイバ３の先端面の周縁部を加熱して溶融させ、
その後、冷却することによってなされる。

【００８５】このような融着によって、両光ファイバ
２，３の先端面の周縁部が一体的に接合・固着され、こ
れにより、図１のひずみセンサ１が得られる。

【００８６】次に、ひずみセンサ１を用いてひずみ測定
を行う本実施形態の光干渉測定方法を図２〜図７を参照
して説明する。尚、本実施形態は、より詳しくは、本発
明の第１の態様に係わる実施形態である。

【００８７】図２に、本実施形態におけるひずみ測定シ
ステムの全体のシステム構成を示す。尚、同図２では、
前記ひずみセンサ１を模式化して記載している。

【００８８】本実施形態におけるひずみ測定システムで
は、所定の波長分布を有する光源光を放出する光源１０
に、投光側光ファイバ１１及び３dBカプラ１２を介し
て、ひずみセンサ１の第１光ファイバ２が接続されてい
る。また、カプラ１２には、受光側光ファイバ１３を介
して分光器１４が接続されている。

【００８９】尚、投光側光ファイバ１１及び受光側光フ
ァイバ１３は、第１光ファイバ２と同じシングルモード
光ファイバである。また、光源１０は、例えば発光ダイ
オードにより構成され、それが放出する光源光（投光側
光ファイバ１１に導入する光）の波長分布は、例えば図
３に実線ａで示すような略正規型の分布であり、その中
心波長は例えば８３０nmである。

【００９０】この構成により、光源１０から投光側光フ
ァイバ１１に光源光を導入すると、その光は、カプラ１
２及び第１光ファイバ２を介してひずみセンサ１の共振
器５に導かれる。そして、このとき、共振器５の部分反
射面６，４ａで前述のようにそれぞれ反射された二つの
光の干渉光信号が、第１光ファイバ２内をカプラ１２側
に戻り、該カプラ１２から受光側光ファイバ１３を介し
て分光器１４に導かれて受光される。

【００９１】分光器１４は、受光する干渉光信号を図示
しないグレーティングにより分光して、該干渉光信号の
強度の波長分布データを生成するもので、各波長の強度
に応じたレベルの信号を出力するＣＣＤ１５を備えてい
る。そして、このＣＣＤ１５は、その各素子の出力、す
なわち、受光した干渉光信号の各波長の強度を表す出力
をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１６を介してパソコン等
からなるデータ処理装置１７に接続されている。

【００９２】データ処理装置１７は、その主要な機能的
構成として、分光器１４のＣＣＤ１５から得られる波長
分布データに所定の変換処理を施す分布データ変換手段
１８と、この分布データ変換手段１８により得られるデ
ータ（変換分布データ）から、所定の波長差当たりの干
渉光信号の強度差の複数のデータ（前記式（７）の強度
差ΔＩ0，ΔＩ1，…のデータ）を求める強度差データ生
成手段１９と、その強度差データを用いて干渉光信号の
前記光路差位相成分θ（第１位相成分）及び波長差位相
成分α（第２位相成分）を求める位相算出手段２０と、
その位相成分を用いてひずみを算出する等の処理を行う
ひずみ算出手段２１とを具備している。分布データ変換
手段１８、強度差データ生成手段１９、及び位相算出手
段２０は、それぞれ本発明の第１態様における分布デー
タ変換工程、強度差データ生成工程、位相算出工程を実
行する手段に相当するものである。尚、これらの各手段
１８〜２１の処理のより具体的な内容については、本実
施形態のひずみ測定システムの作動の説明と併せて後述
する。

【００９３】ここで、本実施形態のひずみ測定システム
の作動を具体的に説明する前に、前記ひずみセンサ１の
共振器５の両部分反射面６，４ａの間隔Ｄ（以下、反射
面間隔Ｄという）と、前記光路差位相成分θ及び波長差
位相成分αとの関係について補則説明をしておく。

【００９４】ひずみセンサ１を用いたひずみ測定では、
共振器５の反射面間隔Ｄの大きさ及びその変化量を把握
する必要がある。この場合、共振器５に光を導入して、
干渉光信号を生成したとき、その干渉光信号を組成する
二つの光の光路差Ｌは、反射面間隔Ｄの二倍の長さであ
る。従って、干渉光信号の光路差位相成分θに基づき把
握される反射面間隔Ｄ（＝Ｄp）、及び波長差位相成分
αに基づき把握される反射面間隔Ｄ（＝Ｄa)は、前記式
（１５），（１６）から明らかなように、それぞれ次式
（１７），（１８）により与えられる。

【００９５】

【数１７】

【００９６】

【数１８】

【００９７】さらに、光路差位相成分θ及び波長差位相
成分αは、前述のように光路差Ｌの変化に対して周期性
を有するため、光路差Ｌの半分である反射面間隔Ｄの変
化に対しても周期性を有する。そして、その１周期当た
りの反射面間隔Ｄの変化量は、該１周期当たりの光路差
Ｌの変化量の半分となる。すなわち、光路差位相成分θ
は、図４（ｂ）に示す如く、共振器５の反射面間隔Ｄ
が、前記基準波長値λaの１／４（＝λa／４）だけ変化
する毎に、同一の値を採る。また、波長差位相成分α
は、図４（ａ）に示す如く、共振器５の反射面間隔Ｄ
が、λa²／（４・Δλ）だけ変化する毎に、同一の値を
採る。

【００９８】上述の説明を考慮しつつ、次に、本実施形
態におけるひずみ測定システムの作動を説明する。本実
施形態のひずみ測定システムによるひずみ測定は、次の
ように行われる。

【００９９】まず、ひずみセンサ１の共振器５の部分
（前記第１及び第２光ファイバ２，３の接合部分）を図
示しない測定対象物に貼着しておく。この場合、第１及
び第２光ファイバ２，３の接合部分は測定対象物と同じ
ひずみを生じるように接着剤等により直接的に測定対象
物に貼着される。

【０１００】そして、このようにひずみセンサ１を測定
対象物に貼着した直後のひずみ測定の開始前に、光源１
０から投光側光ファイバ１１、カプラ１２及び第１光フ
ァイバ２を介してひずみセンサ１の共振器５に光源光を
導入し、前述のように干渉光信号を生成する。このと
き、生成される干渉光信号は、ひずみセンサ１の測定対
象物への貼着直後の状態での共振器５の反射面間隔Ｄ
（この間隔Ｄはひずみセンサ１のゲージ長に相当するも
ので、以後に測定するひずみの基準長となるものであ
る。以下、これに参照符号Ｄ0を付する）の二倍の光路
差（＝２・Ｄ0）に応じた干渉光信号である。そして、
その干渉光信号を第１光ファイバ２からカプラ１２及び
受光側光ファイバ１３を介して分光器１４に導き、該分
光器１４で受光する。

【０１０１】このとき、分光器１４のＣＣＤ１５から、
例えば図３に実線ｃで示すような干渉光信号の波長分布
データが得られる。そして、この波長分布データ（干渉
光信号の各波長の強度データ）がＡ／Ｄ変換器１６によ
ってＡ／Ｄ変換され、データ処理装置１７に取り込まれ
る。尚、干渉光信号の波長分布データを得るに際には、
上述のような干渉光信号の生成及びその分光器１４によ
る受光を複数回行い、その各回の波長分布データの平均
値を求めるようにしてもよい。

【０１０２】データ処理装置１７は、この取り込んだ波
長分布データに対して、分布データ変換手段１８により
光源１０の光源光の波長分布に基づく変換処理を施す。
この変換処理は、光源光（共振器１０に導入される光源
光）が仮に白色光であったとして、前述のように干渉光
信号を生成した場合に分光器１４を介して得られると推
定される干渉光信号の波長分布データ（変換分布デー
タ）を、実際の波長分布データから推定的に求める処理
である。上記白色光は、図３の仮想線ｂで示すように、
少なくとも光源１０の実際の光源光の波長範囲で、各波
長における強度が均一となるような光である。

【０１０３】この場合、上記変換処理は例えば次のよう
に行われる。すなわち、データ処理装置１７は、実際の
光源光の波長分布（図３の実線ａ）のデータ（実際の光
源光の各波長値における強度のデータ）をあらかじめ記
憶保持している。そして、データ処理装置１７の分布デ
ータ変換手段１８は、実際に得られた干渉光信号の各波
長の強度データ（図３の実線ｃ）に対して、その波長値
における実際の光源光の強度の逆数、あるいはこの逆数
にあらかじめ定めた所定値（例えば実際の光源光のピー
ク強度）を乗算したものを乗算することにより、実際に
得られた干渉光信号の波長分布データを変換する。

【０１０４】このような変換を行うことによって、例え
ば図５に示すような正弦波形状の変換分布データ、すな
わち、光源光が白色光である場合の干渉光信号の波長分
布データが推定的に得られる。

【０１０５】尚、実際の光源光の各波長の強度がほぼ均
一で、その波長分布が白色光の波長分布とほぼ同一であ
る場合には、実際の干渉光信号の波長分布データに上記
のような変換処理を施しても、得られる変換分布データ
は、元の波長分布データとほぼ同一となる。従って、こ
のような場合には、実際の干渉光信号の波長分布データ
をそのまま変換分布データとして得るようにすればよ
い。

【０１０６】このようにして分布データ変換手段１８の
処理により変換分布データを得た後、データ処理装置１
７は、強度差データ生成手段１９によって、前記式
（７）の強度差ΔＩn（ｎ＝０，１，２，…）のデータ
を次のようにして得る。

【０１０７】すなわち、図６を参照して、強度差データ
生成手段１９は、まず、上記変換分布データから、あら
かじめ定めた波長値λ0を起点として、所定の単位波長
差Δλ（本実施形態では例えば２nm）づつ、値が相違す
る複数の波長値λ0，λ1，…，λn，…における干渉光
信号の強度Ｉ(λ0)，Ｉ(λ1)，…，Ｉ(λn)，…のデー
タ（これは、式（６）の強度Ｉ(λn)の計測データに相
当する）を抽出する。そして、これらの強度データＩ
(λ0)，Ｉ(λ1)，…，Ｉ(λn)，…において、前記単位
波長差Δλの所定整数倍、例えば2倍の波長差を有する
もの同士（Ｉ(λ0)，Ｉ(λ2)），（Ｉ(λ1)，Ｉ(λ
3）），…，（Ｉ(λn+2)，Ｉ(λn)），…をそれぞれ組
とし、その各組データの二つの強度データＩ(λn+2)，
Ｉ(λn)（ｎ＝０，１，２，…）の差ΔＩ0(＝Ｉ(λ2)−
Ｉ(λ0)），ΔＩ1（＝Ｉ(λ3)−Ｉ(λ1)），……，ΔＩ
n（＝Ｉ(λn+2)−Ｉ(λn)）…を強度差データ（これは
前記式（７）の強度差ΔＩnの計測データに相当する）
として求める。このようにして求められる強度差データ
ΔＩn（ｎ＝０，１，２，…）は、各強度差データΔＩn
に対応する波長値をλnとしたとき、例えば図７に示す
ように波長値に対して正弦波状に変化するものとなる。

【０１０８】尚、外乱等の影響を低減するために、上記
のように求められる強度差データΔＩn（ｎ＝０，１，
２，…）に対して、移動平均処理等によるローパス特性
のフィルタリング処理を施したものを改めて強度差デー
タΔＩnとして得るようにしてもよい。

【０１０９】次いで、データ処理装置１７は、位相算出
手段２０によって、前記光路差位相成分θ及び波長差位
相成分αの値を次のようにして求める。

【０１１０】すなわち、位相算出手段２０は、まず、上
述のようにして強度差データ生成手段１９により求めら
れた強度差データΔＩn（ｎ＝０，１，２，…）から、
例えば最小二乗法の処理によって、前記式（１０）の自
己回帰モデルの自己回帰係数としての複素数Ｚ1，Ｚ2，
Ａ1，Ａ2の値を求める。この場合、より具体的には式
（１０）の３段目の式で、（Ｚ１＋Ｚ2）及びＺ1・Ｚ2
を未知数として、最小二乗法の処理を行うことで、強度
差データΔＩn（ｎ＝０，１，２，…）から（Ｚ１＋Ｚ
2）及びＺ1・Ｚ2の値が求められ、それらの値から、複
素数Ｚ1，Ｚ2の値が求められる。そして、この複素数Ｚ
1，Ｚ2の値及び強度差データΔＩ1の値を式（１０）の
２段目の式に代入してなる式と、強度差データΔＩ0の
値を式（１０）の１段目の式に代入してなる式とを連立
方程式とし、その連立方程式を解くことによって、複素
数Ａ1，Ａ2の値が求められる。

【０１１１】次いで、位相算出手段２０は、式（１１）
に従って、複素数Ａ1，Ａ2の値から、前記光路差位相成
分θの値を求めると共に、式（１２）に従って、複素数
Ｚ1，Ｚ2の値から、前記波長差位相成分αの値を求め
る。このようにして求められた光路差位相成分θ及び波
長差位相成分αは、それぞれ、前記基準波長値λaをλa
＝λ1（本実施形態では例えばλa＝８４０n m）に定め
たとき、共振器５の現在の反射面間隔Ｄ（＝ゲージ長Ｄ
0）と前記式（１７），（１８）の関係を有するものと
なる。

【０１１２】このようにして光路差位相成分θ及び波長
差位相成分αを求めた後、次に、データ処理装置１７
は、ひずみ算出手段２１によって、前記波長差位相成分
αの値から、式（１８）に基づいて、共振器５の現在の
反射面間隔Ｄを求め、それをひずみセンサ１のゲージ長
Ｄ0として図示しないメモリに記憶保持する。

【０１１３】この場合、本実施形態では、式（１８）の
演算に必要な前記基準波長値λa及び単位波長差Δλ
は、それぞれ例えば８４０nm、２nmであり、波長差位相
成分αの１周期当たりの反射面間隔Ｄの変化量λa²／
（４・Δλ）は、８８．２μmである。また、本実施形
態では、ひずみセンサ１の前記凹面４の深さは、おおよ
そ４０μm程度である。従って、前記式（１８）でｍ＝
０とした式によってゲージ長Ｄ0を波長位相成分αから
求めることができる（図４（ｂ）を参照）。

【０１１４】尚、ゲージ長Ｄ0が８８．２μm以下で、波
長差位相成分αが負の値となるときには、前記式（１
８）でｍ＝１とした式によって、波長差位相成分αか
ら、ゲージ長Ｄ0を求めればよい。

【０１１５】さらに、データ処理装置１７のひずみ算出
手段２１は、前記のように位相算出手段２０が波長差位
相成分αと共に求めた光路差位相成分θの値を初期光路
差位相成分θ0（図４（ｂ）を参照）として図示しない
メモリに記憶保持する。

【０１１６】次に、測定対象物のひずみ測定を行う際に
は、前述のようにゲージ長Ｄ0及び初期光路差位相成分
θ0を求めた場合と全く同様にして、干渉光信号を生成
し、その干渉光信号の分光データから、前記データ処理
装置１７の分光データ変換手段１８、強度差データ生成
手段１９、及び位相算出手段１９の処理を順次行うこと
によって、光路差位相成分θ及び波長差位相成分αの値
を求める。

【０１１７】データ処理装置１７は、さらに、今回のひ
ずみ測定時に上記のように求めた光路差位相成分θの値
の前記初期光路差位相成分θ0からの変化量（θ−θ0）
をひずみ算出手段２１によって求める。そして、この変
化量（θ−θ0）から前記式（１７）に基づいて共振器
５の反射面間隔Ｄの当初の値（＝ゲージ長Ｄ0）からの
変化量ΔＤを求める。この場合、共振器５の反射面間隔
Ｄの現在値が例えば図４（ｂ）に示す「Ｄx」であると
し（但しここでは反射面間隔Ｄの変化が光路差位相成分
θの１周期内で生じるとする）、また、この反射面間隔
Ｄxに対応して求められた光路差位相成分θの値が「θ
x」であるとしたとき、共振器５の反射面間隔Ｄの変化
量ΔＤ（＝Ｄx−D0）は、ΔＤ＝（λa／４π）・（θx
−θ0）という式によって求めることができる。

【０１１８】そして、ひずみ算出手段２１は、このよう
にして求めた反射面間隔Ｄの変化量ΔＤの前記ゲージ長
Ｄ0に対する比ΔＤ／Ｄ0をひずみ測定値として算出す
る。これにより、ひずみセンサ１を用いたひずみ測定が
なされる。

【０１１９】図８に、測定対象物をアルミニウム材とし
て、該アルミニウム材の温度を変化させながら前述のよ
うにひずみ測定（アルミニウム材の温度ひずみの測定）
を行った場合の実測データのグラフを示す。同図１０に
示すように、ひずみ測定値は、温度変化に対してリニア
に変化している。そして、グラフの傾き（温度変化に対
するひずみ測定値の変化の割合）は２０．４ppm／℃
で、アルミニウム材の物理定数である線膨張係数２１pp
m／℃とほぼ同一の値が得られた。このことから、精度
の良いひずみ測定値が得られることが判る。

【０１２０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、測定対象物のひずみに応じた反射面間隔Ｄの変化量
ΔＤを光路差位相成分θに基づき把握するので、微小な
変化量ΔＤを把握することができ、精度のよいひずみ測
定値を得ることができる。また、反射面間隔Dの初期値
であるゲージ長Ｄ0は、基本的にはひずみに応じた反射
面間隔Ｄの変化量ΔＤよりも十分に大きな値であるもの
の、波長差位相成分αに基づいて支障なく把握すること
ができる。

【０１２１】また、光路差位相成分θ及び波長差位相成
分α、ひいては、ひずみ測定値は分光器１４の分光デー
タから、データ処理装置１７による単なる演算的な処理
によって求めることができので、該データ処理装置１７
は、マイクロコンピュータやパソコンを用いて構成する
ことができる。このため、ひずみ測定システムの構成を
簡易な構成とすることができる。

【０１２２】また、前記のようにひずみセンサ１のゲー
ジ長Ｄ0を波長差位相成分αに基づいて把握することが
できるため、ひずみセンサ１の製造に当たっては、前記
第２光ファイバ３の凹面４の深さ、あるいは共振器５の
反射面間隔Ｄをさほど厳格に管理する必要がない。この
ため、ひずみセンサ１の製造を前述したような少なく工
程数で容易に行うことができる。

【０１２３】尚、以上説明した実施形態では、測定対象
物のひずみに応じた反射面間隔Ｄの変化が光路差位相成
分θの１周期内で生じる場合について説明したが、例え
ば前記波長差位相成分αに基づき把握される反射面間隔
Ｄの分解能が、光路差位相成分θの１周期当たりの反射
面間隔Ｄの変化量λa／４よりも十分に小さければ、反
射面間隔Ｄの変化が光路差位相成分θの複数周期にわた
って生じるような場合でも、波長差位相成分αに基づ
き、巨視的に反射面間隔Ｄを把握しつつ、光路差位相成
分θに基づいて反射面間隔Ｄの変化量を求め、ひいては
高精度のひずみ測定値を得ることが可能である。

【０１２４】具体的には、波長差位相成分θを例えば
０．１degの分解能で求めるようにすると、波長差位相
成分αに基づき把握される反射面間隔Ｄの分解能は、前
記式（１８）から明らかなように、４９nm（但し、λa
＝８４０nm、Δλ＝２nmとする）である。そして、この
波長差位相成分αに基づく反射面間隔Ｄの分解能４９nm
は、光路差位相成分θの１周期当たりの反射面間隔Ｄの
変化量λa／４＝２１０nmよりも十分に小さいので、各
ひずみ測定時に得られる波長差位相成分αの値に基づき
把握される反射面間隔Ｄから、該反射面間隔Ｄの真値
が、光路差位相成分θのどの周期範囲に属するかを特定
することが可能である。すなわち、光路差位相成分θに
関する前記式（１７）中の「ｍ」の値を特定することが
可能である。

【０１２５】そして、このように式（１７）中の「ｍ」
の値を特定できれば、反射面間隔Ｄがその初期値Ｄ0
（＝ゲージ長）から光路差位相成分θの複数周期にわた
って変化するような場合にも、該光路差位相成分θの値
に基づいて反射面間隔Ｄの変化量ΔＤ、ひいては、ひず
み測定値を得ることができる。

【０１２６】この場合、ひずみセンサ１を測定対象物に
貼着した直後の反射面間隔Ｄ0（＝ゲージ長）において
求めた波長差位相成分αに基づく反射面間隔Ｄから把握
される式（１７）の「ｍ」の値をｍ0、ひずみ測定時に
求めた波長差位相成分αに基づく反射面間隔Ｄから把握
される式（１７）の「ｍ」の値をmxとおき、また、該ひ
ずみ測定時に求めた光路差位相成分θの値をθxとおく
と、反射面間隔Ｄの変化量ΔＤは、前記式（１７）から
明らかなように、次式（１９）により求めることができ
る。

【０１２７】

【数１９】

【０１２８】また、この場合、上記ｍ0の値を用いるこ
とによって、ゲージ長である当初の反射面間隔Ｄ0を式
（１７）に基づいて前記初期光路差位相成分θ0から、
より高精度に求めることもできる。

【０１２９】尚、式（１９）は、ｍx＝m0の場合、すな
わち、反射面間隔Ｄの変化が光路差位相成分θの１周期
内で生じる場合にも成立する式である。

【０１３０】次に、本発明の第２の実施形態を図９を参
照して説明する。本実施形態は、本発明の第２の態様に
係わる実施形態であり、前記第１の実施形態と同様に、
前記図１のひずみセンサ１を用いて物理量としての測定
対象物のひずみを測定するものである。尚、本実施形態
の説明では、第１の実施形態と同一構成あるいは同一機
能のものについては、第１の実施形態と同一の参照符号
を用いて詳細な説明を省略する。

【０１３１】図９は本実施形態におけるひずみ測定シス
テムの構成を示す図である。このシステムでは、所定波
長のレーザ光（実質的に単一波長からなる光）を光源光
として放出するレーザ装置２２に、投光側光ファイバ１
１及びカプラ１２を介して、ひずみセンサ１の第１光フ
ァイバ２が接続されている。また、カプラ１２には、受
光側光ファイバ１３を介して受光器２３が接続されてい
る。投光側光ファイバ１１、カプラ１２及び受光側光フ
ァイバ１３は前記図１のひずみ測定システムのものと同
一でよい。

【０１３２】この場合、レーザ装置２２は、放出するレ
ーザ光の波長を、例えば前記第１の実施形態における光
源光と同程度の波長範囲で可変的に設定・制御可能なも
ので、各波長のレーザ光の強度は、基本的には各波長毎
に一定である。また、受光器２３は、ＣＣＤ等により構
成されたもので、受光する光の強度に応じたレベルの信
号を出力する。そして、この受光器２３には、その出力
をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１６を介してパソコン等
からなるデータ処理装置２４に接続されている。

【０１３３】データ処理装置２４は、その主要な機能的
構成として、後述するようにレーザ装置２２のレーザ光
の波長を複数の波長値に可変的に制御しながらひずみセ
ンサ１の共振器５により干渉光信号を生成したときに受
光器２３から得られる各波長毎の干渉光信号の強度デー
タに所定の変換処理を施す強度データ変換手段２５と、
この強度データ変換手段２５により得られるデータ（変
換強度データ）から、所定の波長差当たりの干渉光信号
の強度差の複数のデータを求める強度差データ生成手段
２６と、その強度差データを用いて干渉光信号の前記光
路差位相成分θ及び波長差位相成分αを求める位相算出
手段２０と、その位相成分を用いてひずみを算出する等
の処理を行うひずみ算出手段２１とを具備している。さ
らに、データ処理装置２４は、レーザ装置２２のレーザ
光の波長を制御するためのレーザ波長制御手段２７を備
えている。

【０１３４】この場合、位相算出手段２０及びひずみ算
出手段２１が行う処理は、前記第１の実施形態のものと
全く同一である。また、強度データ変換手段２５、強度
差データ生成手段２６、及び位相算出手段２０は、それ
ぞれ本発明の第２態様における強度データ変換工程、強
度差データ生成工程、位相算出工程を実行する手段に相
当するものである。さらに、レーザ波長制御手段２７
は、本発明の第２の態様における干渉工程を制御するも
のである。

【０１３５】次に、本実施形態におけるひずみ測定シス
テムの作動を、データ処理装置２４の各手段の処理の具
体的な内容と併せて説明する。本実施形態のひずみ測定
システムによるひずみ測定は、次のように行われる。

【０１３６】まず、前記第１の実施形態と全く同様にひ
ずみセンサ１のひずみセンサ１の共振器５の部分を測定
対象物に貼着した後、ひずみ測定の開始前に、データ処
理装置２４は、レーザ波長制御手段２７によって、レー
ザ装置２２のレーザ光の波長を、例えば前記第１の実施
形態で説明した複数の波長値λ0，λ1，λ2，…（前記
単位波長差Δλづつ値が異なる波長値）に順番に所定時
間づつ制御し、その各波長値λn（ｎ＝０，１，２，
…）のレーザ光をひずみセンサ１の共振器５に投光側光
ファイバ１１、カプラ１２及び第１光ファイバ２を介し
て導入せしめる。

【０１３７】このとき、各波長値λnのレーザ光毎に、
共振器５の現在の反射面間隔Ｄ（＝ひずみセンサ１のゲ
ージ長Ｄ0）に応じた干渉光信号（反射面間隔Ｄの二倍
の光路差を有する二つの光の干渉光信号）が生成され、
それが受光器２３で受光される。さらに、各波長値λn
のレーザ光に対応する干渉光信号の強度のデータが受光
器２３からＡ／Ｄ変換器１６を介してデータ処理装置２
４に取り込まれる。

【０１３８】次いで、データ処理装置２４は、取り込ん
だ各波長値λnに対応する干渉光信号の強度データに対
して、強度データ変換手段２５によりレーザ装置２２の
各波長値λnの光源光（レーザ光）の実際の強度に基づ
く変換処理を施す。この変換処理は、前記第１の実施形
態における分布データ変換手段１８の変換処理と同様の
意義を持つものであり、レーザ装置２２の前記各波長値
λn（ｎ＝０，１，２，…）におけるレーザ光の強度が
仮に同一であったとした場合に、各波長値λnのレーザ
光に対応して生成される干渉光信号の強度データ（変換
強度データ）を推定的に求める処理である。

【０１３９】従って、上記変換処理は前記第１の実施形
態の場合と同様の考え方によって、例えば次のように行
われる。すなわち、データ処理装置２４は、レーザ装置
１２の実際のレーザ光（光源光）の各波長値λn（ｎ＝
０，１，２…）における強度のデータをあらかじめ記憶
保持している。そして、データ処理装置２４の強度デー
タ変換手段２５は、各波長値λnのレーザ光に対応して
実際に得られた各干渉光信号の強度データに、その波長
値における実際のレーザ光の強度の逆数、あるいはこの
逆数にあらかじめ定めた所定値（例えば実際のレーザ光
のピーク強度）を乗算したものを乗算することにより、
各波長値λnのレーザ光に対応して実際に得られた各干
渉光信号の強度データを変換する。

【０１４０】このような変換を行うことによって、レー
ザ装置２２のレーザ光の強度が各波長値λnにおいて同
一であるとした場合における各波長値λnのレーザ光に
対応する干渉光信号の強度データとしての変換強度デー
タが推定的に得られる。そして、このようにして得られ
る強度データは、前記式（４）の強度Ｉ(λn)（ｎ＝
０，１，２，…）の計測データに相当するものとなる。

【０１４１】尚、レーザ装置２２の実際のレーザ光の各
波長の強度がほぼ同一である場合には、上記のような変
換処理をレーザ光の各波長毎の干渉光信号の強度データ
に施す必要はない。従って、この場合には、受光器２３
からＡ／Ｄ変換器１６を介して得られる、レーザ光の各
波長に対応する干渉光信号の強度のデータをそのまま、
変換強度データとして得るようにすればよい。

【０１４２】このようにして強度データ変換手段２５の
処理により変換強度データＩ(λn)（ｎ＝０，１，２，
…）を得た後、データ処理装置２４は、強度差データ生
成手段２６によって、前記第１の実施形態における強度
差データ生成手段１９の処理と同様の処理によって、前
記式（７）の強度差ΔＩn（ｎ＝０，１，２，…）のデ
ータを得る。

【０１４３】すなわち、前記変換強度データＩ(λn)
（ｎ＝０，１，２，…）において、前記単位波長差Δλ
の例えば2倍の波長差を有するもの同士（Ｉ(λn+2)，Ｉ
(λn)）を組とし、その各組データの二つの強度データ
Ｉ(λn+2)，Ｉ(λn)の差ΔＩn（＝Ｉ(λn+2)−Ｉ(λ
n)）（ｎ＝０，１，２，…）を強度差データとして求め
る。このようにして求められる強度差データΔＩn（ｎ
＝０，１，２，…）は、前記第１の実施形態で強度差デ
ータ生成手段１９が求める強度差データと同様、前記式
（７）の強度差ΔＩnの計測データに相当するものであ
る。

【０１４４】このようにして、強度差データΔＩn（ｎ
＝０，１，２，…）を得た後には、データ処理装置２４
は、前記第１の実施形態の場合と全く同様に、位相算出
手段２０によって、前記式（１０）の自己回帰モデルの
自己回帰係数としての複素数Ｚ1，Ｚ2，Ａ1，Ａ2の値を
求め、さらに、それらの複素数Ｚ1，Ｚ2，Ａ1，Ａ2の値
から、前記式（１１），（１２）に従って、光路差位相
成分θ及び波長差位相成分αを求める。

【０１４５】さらに、データ処理装置２４は、前記第１
の実施形態の場合と全く同様に、ひずみ算出手段２１に
よって、前記波長差位相成分αの値から前記反射面間隔
Ｄの現在値であるゲージ長Ｄ0を求めて、それを図示し
ないメモリに記憶保持する。また、位相算出手段２０が
求めた光路差位相成分θの値を初期光路差位相成分θ0
として記憶保持する。

【０１４６】次に、測定対象物のひずみ測定を行う際に
は、前述のようにゲージ長Ｄ0及び初期光路差位相成分
θ0を求めた場合と全く同様にして、レーザ装置２２の
レーザ光の波長を前記複数の波長値λn（ｎ＝０，１，
２，）に順番に変化させて、各波長値λnのレーザ光毎
に、干渉光信号を生成し、その各干渉光信号の強度デー
タから、前記データ処理装置２４の強度データ変換手段
２５、強度差データ生成手段２６、及び位相算出手段２
０の処理を順次行うことによって、光路差位相成分θ及
び波長差位相成分αの値を求める。

【０１４７】さらに、データ処理装置２４は、前記第１
の実施形態の場合と全く同様にして、ひずみ算出手段２
１によって、ひずみ測定値を求める。すなわち、今回求
められた光路差位相成分θ（これをここではθxとお
く）の前記初期光路差位相成分θ0からの変化量（θx−
θ0）を求め、この変化量（θx−θ0）から前記式（１
７）に基づいて共振器５の反射面間隔Ｄの変化量ΔＤを
求める。そして、反射面間隔Ｄの変化量ΔＤの前記ゲー
ジ長Ｄ0に対する比ΔＤ／Ｄ0をひずみ測定値として算出
する。これにより、ひずみセンサ１を用いたひずみ測定
がなされる。

【０１４８】この場合、前記第１の実施形態に関して説
明したように、反射面間隔Ｄの変化が光路差位相成分θ
の１周期内で生じるような場合には、反射面間隔Ｄの変
化量ΔＤは、ΔＤ＝（λa／４π）・（θx−θ0）とい
う式（式（１９）でｍx＝m0とした式）によって求める
ことができる。また、反射面間隔Ｄの変化が光路差位相
成分θの複数周期に渡るような場合には、ひずみ測定時
に光路差位相成分θと共に求める波長差位相成分αの値
を用いて前記式（１７）の「ｍ」の値を特定することに
よって、反射面間隔Ｄの変化量ΔＤは、前記式（１９）
により求めることができる。

【０１４９】このように、干渉光信号を生成するための
光源光としてレーザ装置２２の可変波長のレーザ光を用
いる本実施形態においても、前記第１の実施形態と同様
に、光路差位相成分θ及び波長差位相成分αを求めて、
それらの位相成分θ，αの値から反射面間隔Ｄの大きさ
やその変化量を把握し、ひずみ測定を行うことができ
る。従って、前記第１の実施形態と同様の作用効果を奏
することができる。

【０１５０】尚、以上説明した第１及び第２の実施形態
では、前記基準波長値λa（＝λ1）の値や前記単位波長
差Δλを固定的に設定したが、それらの値を必要に応じ
て可変的に設定するようにしてもよい。

【０１５１】例えば前記光路差位相成分θに関しては、
前記式（１７）から明らかなように、基準波長値λa
（＝λ1）を変更すると、光路差位相成分θの１周期当
たりの反射面間隔Ｄの変化量ΔＤが変化する。従って、
基準波長値λaの値を適宜調整することによって、該光
路差位相成分θの１周期内で把握可能な反射面間隔Ｄの
変化量ΔＤの範囲や、該変化量ΔＤに対する光路差位相
成分θの感度を調整することができると共に、前記初期
光路差位相成分θ0の値を調整することもできる。

【０１５２】また、波長差位相成分αに関しては、前記
式（１８）から明らかなように、基準波長値λa（＝λ
1）あるいは単位波長差Δλを変更すると、波長差位相
成分αの１周期当たりの反射面間隔Ｄの変化量が変化す
る。従って、波長差位相成分αの値からひずみセンサ１
のゲージ長Ｄ0（当初の反射面間隔Ｄ）を把握する場合
に、例えば単位波長差Δλの値を適宜調整することで、
波長差位相成分αの１周期内で把握可能なゲージ長Ｄ0
の範囲や、該ゲージ長Ｄ0に対応して求められる波長差
位相成分αの値を調整することができる。この場合、波
長差位相成分αの値は、それがπ／２の近傍の値になる
ときに、ノイズ等の影響を受け難い。このため、ひずみ
センサ１のゲージ長Ｄ0を計測する場合に、波長差位相
成分αの値が、π／２の近傍の値になるように、単位波
長差Δλの値を調整しておけば、求められるゲージ長Ｄ
0の信頼性を高めることができる。

【０１５３】また、前記第１及び第２の実施形態では、
本発明の光干渉測定方法をひずみ測定に適用した場合を
例にとって説明したが、本発明の光干渉測定方法は、ひ
ずみ以外の物理量を測定する場合にも適用することが可
能である。

【０１５４】以下に、本発明（詳しくは本発明の第１の
態様）を物体の変位位置を測定する場合に適用した実施
形態（第３の実施形態）を図１０及び図１１を参照して
説明する。

【０１５５】図１０に本実施形態における測定システム
の全体構成を示す。図示のように、本システムでは、図
示しない保持具により先端部を水平に保持した測定用光
ファイバ２８が３dBカプラ２９及び投光側光ファイバ３
０を介して光源３１に接続されると共に、カプラ２９及
び受光側光ファイバ３２を介して分光器３３に接続され
ている。

【０１５６】測定用光ファイバ２８は、前記第１の実施
形態におけるひずみセンサ１の第１光ファイバ２と同
様、石英系のシングルモード光ファイバであり、その先
端面は、軸心と直交する面（鏡面）に形成されている。
また、カプラ２９、投光側光ファイバ３０、受光側光フ
ァイバ３２及び分光器３３は、本実施形態では、前記第
１の実施形態で用いたものと同一である。

【０１５７】そして、前記測定用光ファイバ２８の正面
には、本実施形態で変位位置を測定しようとする物体と
しての石英ブロックＷが配置され、この石英ブロックＷ
は、マイクロメータ３４によって、測定用光ファイバ２
８の先端部の軸方向に移動可能な可動ステージ３５上に
搭載されて固定されている。

【０１５８】この場合、石英ブロックＷの測定用光ファ
イバ２８に対向する面部は、垂直な鏡面状に形成されて
いる。

【０１５９】かかる構成によって、光源３１から投光側
光ファイバ３０に光源光を導入すると、その光は、カプ
ラ２９を介して測定用光ファイバ２８に導かれる。そし
て、測定用光ファイバ２８に導かれた光源光は、その一
部が測定用光ファイバ２８の先端面で反射して戻ると共
に、残部が石英ブロックＷに向かった進行する。そし
て、石英ブロックＷに進行する光の一部が石英ブロック
Ｗの表面で反射されて測定用光ファイバ２８側に戻り、
さらに、その一部が測定用光ファイバ２８の先端面を透
過して、該測定用光ファイバ２８内を戻る。このとき、
測定用光ファイバ２８の先端面で反射した光と、石英ブ
ロックＷの表面で反射した光とが、測定用光ファイバ２
８の先端面と石英ブロックＷとの間隔の二倍の光路差を
有して干渉し、その干渉光信号が測定用光ファイバ２８
から、カプラ２９及び受光側光ファイバ３２を介して分
光器３３に導かれて受光される。尚、本実施形態の説明
では、説明の便宜上、測定用光ファイバ２８の先端面と
石英ブロックＷとの間隔の参照符号として、前記第１の
実施形態における反射面間隔と同一の参照符号Ｄを用い
る。

【０１６０】さらに、本実施形態のシステムでは、分光
器３３に備えられたＣＣＤ３６、すなわち、分光器３３
が受光する干渉光信号の各波長成分の強度に応じたレベ
ルの信号を出力するＣＣＤ３６は、前記第１の実施形態
の場合と同様、Ａ／D変換器３７を介してパソコン等に
より構成されたデータ処理装置３８に接続されている。

【０１６１】この場合、データ処理装置３８は、第１の
実施形態におけるデータ処理装置１７の分光データ変換
手段１８、強度差データ生成手段１９、及び位相算出手
段２０とそれぞれ同じ処理を行う分光データ変換手段３
９、強度差データ生成手段４０、及び位相算出手段４１
を具備している。

【０１６２】かかる測定システムによる石英ブロックＷ
の変位位置の測定においては、本実施形態では、例えば
石英ブロックＷが測定用光ファイバ２８の先端面に当接
する位置を石英ブロックＷの原点位置とし、石英ブロッ
クＷと測定用光ファイバ２８の先端面との間隔Ｄを、石
英ブロックＷの変位位置として測定する。そして、石英
ブロックＷをマイクロメータ３４により複数の位置に順
次移動させて、その移動の都度、石英ブロックＷの変位
位置（間隔Ｄ）を測定する。

【０１６３】この場合、マイクロメータ３４による石英
ブロックＷの各移動位置での石英ブロックＷの変位位置
（間隔Ｄ）の測定は次のように行われる。

【０１６４】すなわち、前述のように光源３１の光源光
を測定用光ファイバ２８及び石英ブロックＷに導いて、
それらの間隔Ｄ（以下、測定物変位間隔Ｄという）の二
倍の光路差を有する光の干渉光信号を生成し、この干渉
光信号を分光器３３で受光する。そして、その分光器３
３のＣＣＤ３６から、Ａ／Ｄ変換器３７を介して、分光
器３３で受光された干渉光信号の波長分布データをデー
タ処理装置３８に取り込む。

【０１６５】このときデータ処理装置３８は、前記第１
の実施形態の場合と全く同様にして、分光データ変換手
段３９、強度差データ生成手段４０、及び位相算出手段
４１の処理を順次実行して、前記光路差位相成分θ及び
波長差位相成分αを求める。

【０１６６】そして、本実施形態では、データ処理装置
３８は、これらの位相成分のうちの例えば波長差位相成
分αの値から、前記式（１８）に基づいて、測定物変位
間隔Ｄを求める。

【０１６７】この場合、本実施形態では、マイクロメー
タ３４による石英ブロックＷの移動は、前記測定物変位
間隔Ｄが、例えば波長差位相成分αの１周期当たりの距
離λa²／（４・Δλ）（本実施形態では８８．２μm）
に収まる範囲で行う。このとき測定物変位間隔Ｄは、前
述のように求めた波長差位相成分αの値が「０」もしく
は正の値であるときには、前記式（１８）でｍ＝０とし
た式によって波長差位相成分αの値から求められる。ま
た、波長差位相成分αの値が負の値であるときには、前
記式（１８）でｍ＝１とした式によって、該波長差位相
成分αの値から求められる。

【０１６８】これにより、石英ブロックＷの各移動位置
において、石英ブロックＷの変位位置としての測定物変
位間隔Ｄが測定される。

【０１６９】図１１に、このような測定による測定物変
位間隔Ｄの測定データを例示する。この図１１では、横
軸は、マイクロメータ３４による測定物変位間隔Ｄの設
定値であり、縦軸は、波長差位相成分αに基づく測定物
変位間隔Ｄの測定値である。図示のように、測定物変位
間隔Ｄの測定値は、マイクロメータ３４による設定値と
精度よく合致する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２の実施形態で用いる光フ
ァイバ式ひずみセンサの構造を示す断面図。

【図２】本発明の第１の実施形態におけるひずみ測定シ
ステムのシステム構成図。

【図３】図２のシステムで干渉光信号の生成に用いる光
源光とその光源光を用いて生成される干渉光信号との波
長分布を示す図。

【図４】図２のシステムによるひずみ測定手法を説明す
るための図。

【図５】図２のシステムによるひずみ測定手法を説明す
るための図。

【図６】図２のシステムによるひずみ測定手法を説明す
るための図。

【図７】図２のシステムによるひずみ測定手法を説明す
るための図。

【図８】図２のシステムによるひずみ（温度ひずみ）の
実測データを示すグラフ。

【図９】本発明の第２の実施形態におけるひずみ測定シ
ステムのシステム構成図。

【図１０】本発明の第３の実施形態における測定システ
ムのシステム構成図。

【図１１】図１０のシステムによる実測データを示すグ
ラフ。

【符号の説明】

１…光ファイバ式ひずみセンサ、２…第１光ファイバ、
３…第２光ファイバ、４…凹面、５…共振器、４ａ，６
…部分反射面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一の光源光から物理量に応じて変化する
光路差を有する二つの光を生成すると共にその二つの光
を干渉させてなる干渉光信号を生成し、その干渉光信号
に基づき把握される前記光路差から前記物理量を測定す
る光干渉測定方法において、前記光源光を所定の波長分布を有する光源光として、前
記干渉光信号を生成する干渉工程と、該干渉光信号を受光して分光し、該干渉光信号の各波長
毎の強度を表す分光データを得る分光工程と、前記光源光の波長分布に基づく所定の変換処理を前記分
光データに施すことにより、前記光源光が白色光である
として前記干渉工程を実行した場合に前記分光工程で得
られると推定される分光データを変換分光データとして
求める分光データ変換工程と、該変換分光データから、所定の単位波長差づつ値が異な
る複数の波長値における干渉光信号の強度データを抽出
すると共に、各波長値における各強度データと該強度デ
ータに対して前記単位波長差の所定整数倍の波長差を有
する強度データとを組データとし、その各組データの二
つの強度データの値の差を強度差データとして求める強
度差データ生成工程と、該強度差データに関してあらかじめ定めた演算式と前記
強度差データ生成工程で求めた強度差データとを用い
て、前記干渉光信号の前記光路差に応じた第１位相成分
と、該干渉光信号の波長差に応じた第２位相成分とのう
ちの少なくとも一方の位相成分を求める位相算出工程と
を備え、その求めた位相成分に基づき前記光路差を把握すること
を特徴とする光干渉測定方法。
【請求項２】単一の光源光から物理量に応じて変化する
光路差を有する二つの光を生成すると共にその二つの光
を干渉させてなる干渉光信号を生成し、その干渉光信号
に基づき把握される前記光路差から前記物理量を測定す
る光干渉測定方法において、前記光源光を所定波長を有する光源光として、前記干渉
光信号を生成すると共に、その干渉光信号の生成を、前
記光源光の波長を所定の単位波長差づつ異なる複数の波
長値に順次変化させて行う干渉工程と、前記光源光の各波長に対応する各干渉光信号を受光し、
該干渉光信号の強度データを得る受光工程と、前記光源光の各波長毎の強度に基づく所定の変換処理を
前記各干渉光信号の強度データに施すことにより、前記
光源光の各波長毎の強度が同一であるとして前記干渉工
程を実行した場合に前記受光工程で該光源光の各波長に
対応して得られると推定される強度データを変換強度デ
ータとして求める強度データ変換工程と、該変換強度データのうちの前記光源光の各波長に対応す
る各変換強度データと該変換強度データに対して前記単
位波長差の所定整数倍の波長差を有する変換強度データ
とを組データとし、その各組データの二つの変換強度デ
ータの値の差を強度差データとして求める強度差データ
生成工程と、該強度差データに関してあらかじめ定めた演算式と前記
強度差データ生成工程で求めた強度差データとを用い
て、前記干渉光信号の前記光路差に応じた第１位相成分
と、該干渉光信号の波長差に応じた第２位相成分とのう
ちの少なくとも一方の位相成分を求める位相算出工程と
を備え、その求めた位相成分に基づき前記光路差を把握すること
を特徴とする光干渉測定方法。
【請求項３】前記分光データ変換工程は、前記光源光の
波長分布が白色光の波長分布と略同一の波長分布である
ときには、前記分光工程で得られた前記分光データを前
記変換分光データとして得ることを特徴とする請求項１
記載の光干渉測定方法。
【請求項４】前記強度データ変換工程は、前記光源光の
各波長毎の強度が略同一であるときには、前記受光工程
で得られた前記強度データを前記変換強度データとして
得ることを特徴とする請求項２記載の光干渉測定方法。
【請求項５】前記第１位相成分をθ、前記第２位相成分
をα、前記光路差をＬとしたとき、該第１位相成分θ及
び第２位相成分αは、それぞれ、前記光路差Ｌと次式
（１）、（２）の関係を有する位相成分であることを特
徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光干渉測
定方法。【数１】【数２】但し、λa：あらかじめ定めた所定の基準波長値、Δ
λ：前記単位波長差、ｋa：波長値λaに対応する波数
（＝２π／λa）。
【請求項６】前記光干渉測定方法は、光の一部を反射可
能な一対の部分反射面を両端に相対向させて形成され、
前記物理量としての測定対象物のひずみに応じて前記両
部分反射面の間隔が変化するよう該測定対象物に取付け
られる共振器と、前記両部分反射面の一方側から他方側
に向かう光を前記共振器にその外部から導入するための
光ファイバとを備えた光ファイバ式ひずみセンサを用い
て前記測定対象物のひずみの測定を行う光干渉測定方法
であり、前記干渉工程は、前記光源光を前記光ファイバを介して
前記共振器に導入して、該光源光の一部を該共振器の各
部分反射面で反射させることにより、前記両部分反射面
の間隔の二倍の光路差を有する二つの光を生成すると共
に、その二つの光を干渉させてなる前記干渉光信号を生
成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に
記載の光干渉測定方法。
【請求項７】前記ひずみセンサは、少なくとも先端面の
中心部に軸心と略直交する直交面があらかじめ形成され
た第１の光ファイバと、先端面の中心部にあらかじめ凹
面が形成され、且つ該凹面の底部が軸心と略直交する第
２の光ファイバとを備えると共に、前記第１の光ファイ
バの先端面の周縁部と前記第２の光ファイバの先端面の
周縁部とが略同心に接合されて固着されており、前記第
１の光ファイバの先端面の中心部と前記第２の光ファイ
バの凹面の底部とを前記両部分反射面として前記共振器
が構成してなるひずみセンサであり、前記測定対象物のひずみ測定の開始前に、前記位相算出
工程で前記第２位相成分を求めて、該第２位相成分に基
づき把握される前記光路差の半分の値を前記ひずみセン
サのゲージ長として得ると共に、ひずみ測定時には、前
記位相算出工程で前記第１位相成分を求めて、該第１位
相成分に基づき把握される前記光路差の変化量により前
記測定対象物のひずみに応じた前記両部分反射面の間隔
の変化量を把握し、その変化量と前記ゲージ長の比によ
りひずみ測定値を得ることを特徴とする請求項６記載の
光干渉測定方法。