(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調信号に従って強度が変調される光を用いて材料を励起するように構成された光源であって、前記変調信号が、少なくとも２つの強度レベル間の複数の遷移を含み、少なくとも前記遷移の第１の隣接するシーケンスの時間が、確率論的又はランダム又は疑似ランダム符号の少なくとも１つに基づく不規則なパターンに従って選択される光源と、
前記励起に対する前記材料の応答を検出するように構成された検出器とを備える、測定を行う装置。
【請求項２】
前記材料をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記応答が、前記測定を行う環境の特性に影響を受けやすく、前記応答が少なくとも１つの時間パラメータによって特徴づけられ、前記不規則なパターンが、前記遷移の第１の隣接するシーケンスが続く期間にわたって前記時間パラメータ未満である、隣り合う遷移の間の平均時間と、前記時間パラメータの２倍より長い繰り返し周期とを有するパターンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記時間パラメータが、光によって励起された後の、前記材料からの蛍光放出の減衰を特徴づける指数時定数に基づいている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記変調信号が、前記遷移の第１の隣接するシーケンスが続く期間にわたって、２乗平均平方根強度レベルの１０倍未満であるピーク強度レベルを有し、前記不規則なパターンが、前記指数時定数の１０倍より長い繰り返し周期を有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記時間パラメータが、光によって励起された後の前記材料からの蛍光放射の減衰を特徴づける複数の前記指数時定数のうちの最長のものに基づいている、請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
前記時間パラメータが前記指数時定数の１０倍よりも大きい、請求項４〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記隣り合う遷移間の平均時間が前記時間パラメータの半分未満である、請求項３〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記不規則なパターンが、前記時間パラメータの２倍よりも長い繰り返し周期を有する、請求項３〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記環境の特性が分子の量を含む、請求項３〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記分子の量が前記分子のガスの分圧を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記不規則なパターンが、前記シーケンス内の隣り合う遷移の異なるそれぞれの対の間に少なくとも４つの異なる時間間隔を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記不規則なパターンが、確率論的プロセス又は疑似ランダム符号により決定されるパターンを含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記確率論的プロセス又は疑似ランダム符号による前記パターンの決定が、一連のランダム値又は疑似ランダム値をフィルタリングすること、及び時間間隔の倍数において、前記フィルタリングされたランダム値又は疑似ランダム値に基づく前記変調信号の強度値を生成することを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記フィルタリングが低域フィルタリングを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記低域フィルタリングの遮断周波数に反比例する時定数が、前記時間間隔の少なくとも２倍である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記変調信号が、２つの強度レベル間で遷移する２値信号である、請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記各遷移にかかる時間が、前記隣り合う遷移間の時間よりも短い、請求項１〜１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記不規則なパターンが、前記シーケンス内の隣り合う遷移の異なるそれぞれの対の間に少なくとも４つの異なる時間間隔を含む、請求項１〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
前記遷移の第１のシーケンスが続く期間にわたり、前記２つの強度レベルの低い方において費やされた時間の比が０．９未満である、請求項１７〜１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
前記遷移の第１のシーケンスが続く期間にわたり、前記２つの強度レベルの高い方において費やされた時間の比が０．１より大きい、請求項１７〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
前記２つの強度レベルの一方がゼロ強度レベルである、請求項１７〜２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
前記変調信号が、３つの強度レベル間で遷移する３値信号である、請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
前記各遷移にかかる時間が、前記隣り合う遷移間の時間よりも短い、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記不規則なパターンが、前記シーケンス内の隣り合う遷移の異なるそれぞれの対の間に少なくとも４つの異なる時間間隔を含む、請求項２３又は２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記遷移の第１のシーケンスが続く期間にわたり、前記３つの強度レベルのうちの最も低いものにおいて費やされた時間の比が０．９未満である、請求項２３〜２５のいずれかに記載の装置。
【請求項２７】
前記遷移の第１のシーケンスが続く期間にわたり、前記３つの強度レベルのうちの最も高いものにおいて費やされた時間の比が０．１より大きい、請求項２３〜２６のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
前記３つの強度レベルのうちの１つがゼロ強度レベルである、請求項２３〜２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
前記変調信号が、最多で１６個の強度レベル間の複数の遷移を含む、請求項１〜２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
変調信号に従って強度が変調される光を用いて材料を励起するステップであって、前記変調信号が、少なくとも２つの強度レベル間の複数の遷移を含み、少なくとも前記遷移の第１の隣接するシーケンスの時間が、確率論的又はランダム又は疑似ランダム符号の少なくとも１つに基づく不規則なパターンに従って選択されるステップと、
前記励起に対する前記材料の応答を検出するステップとを含む、測定を行う方法。
【請求項３１】
前記励起に対する前記材料の応答を検出することが、励起光が前記材料と非線形光相互作用することにより放出される光を検出することを含む、請求項１〜２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
前記測定を行うことが、前記励起に対する前記材料の応答を検出することに基づいて光感受性材料パラメータを計算することを含む、請求項１〜２９、及び３１のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記計算することが、励起光が前記材料のところに存在する期間中は指数関数的な応答性によって増大し、励起光が前記材料のところに存在しない期間中は指数関数的な応答性によって減衰する応答信号の変化を測定することを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記計算することが、検出された応答を前記不規則なパターンに基づいた予測応答と比較して非直線性を識別することを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記応答が、前記測定を行う環境の特性に影響を受けやすく、前記応答が少なくとも１つの時間パラメータによって特徴づけられ、不規則なパターンが、前記遷移の第１の隣接するシーケンスが続く期間にわたって前記時間パラメータ未満である、隣り合う遷移の間の平均時間と、前記時間パラメータの２倍より長い繰り返し周期とを有するパターンを含む、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦支援研究に関する声明
本発明は、国防総省から認められた契約番号Ｗ８１ＸＷＨ−１０−１−１０１３（Ｏ．Ｓ．Ｐ．Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｎｏ．６９２２７２９）、及びＮＩＨ／ＵＮＣから認められた契約番号Ｎｏ．５−５０７４１（Ｏ．Ｓ．Ｐ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｎｏ．６９２３４８２）の政府の支援により行われた。政府は、本発明の一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年５月１８日出願の「Stochastic Excitation of Optical Sensors」という名称の米国特許仮出願第６１／４８７，４２８号明細書、及び２０１２年５月１７日出願の「Irregular Excitation of Optical Sensors」という名称の米国特許仮出願第６１／６４８，２７９号明細書の利益を主張するものである。両出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
環境の諸特性を測定するのにセンサが使用されることがある。例えば光センサは、環境の様々なあり得る諸特性に影響を受けやすい光応答性を有する光感受性材料を含み得る。レーザ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源が、光感受性材料と相互作用する光をもたらすために使用される。例えば、その光の光スペクトルは、蛍光などの材料中の特定の光相互作用を励起するように選択することができ、この材料は、環境の１又は２以上の特性に依存する蛍光挙動（例えば、様々な励起状態減衰プロセス）に従って励起光に応答する。これらの特性についての情報は、その材料から放出される光を検出することによって得ることができる。
【発明の概要】
【０００４】
一態様では、一般に装置が、光源を使用して測定を行うように構成される。光源は、変調信号に従って強度が変調される光を用いて材料を励起するように構成され、変調信号は、少なくとも２つの強度レベル間の複数の遷移を含み、少なくとも第１の遷移の隣接するシーケンスの時間が不規則なパターンに従って選択される。装置はまた、励起に対する材料の応答を検出するように構成された検出器を含む。
【０００５】
別の態様では、一般に、測定を行う方法が、変調信号に従って強度が変調される光を用いて材料を励起するステップを含む。変調信号は、少なくとも２つの強度レベル間の複数の遷移を含み、少なくとも第１の遷移の隣接するシーケンスの時間が不規則なパターンに従って選択される。次に、励起に対する材料の応答が検出される。
【０００６】
諸態様は、以下の利点の１つ又は２つ以上を有し得る。
【０００７】
確率論的な又は疑似ランダムの励起強度パターンにより、総励起パワー（例えば、時間にわたって積分された励起光強度）を測定の継続時間にわたり拡散させることができる。こうすることにより、必要な最大励起強度が低減し、あるいは使用可能な励起強度が完全に利用される。さらに、確率論的な又は疑似ランダムの励起強度パターンにより、全放出減衰曲線を直接求めることが、基礎をなすモデルシステムについての想定を必要とせずに可能になる。確率論的２値パターン（すなわち、２つの強度レベルをもつパターン）は非直線性の影響を受けない。別法として、少なくとも３つの強度レベルをもつパターンにより、非直線性を識別することが可能になる。長い繰り返し周期、又は非繰り返し励起により、周波数領域の応答パラメータの分解能を高くすることができる。信号の不規則な変調により、相対的に少ないデジタル強度レベル（例えば、２つ又は３つのレベル）を用いることが可能になり、それによって変調回路が容易に簡単かつ小型になる。遷移間に複数の異なる時間があり、遷移間の平均時間（median time）が減衰時間パラメータ未満である変調信号により、ノイズを平均するために非常に長い時間待たなくても応答パラメータを効率的に計算することが可能になる。
【０００８】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の説明、及び特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】センサ装置のブロック図である。
【図２】センサ装置の回路図である。
【図３Ａ−３Ｂ】励起信号及び発光信号のグラフである。
【図４Ａ−４Ｂ】励起強度パターンの自己相関及び電力スペクトルそれぞれのグラフである。
【図５Ａ−５Ｂ】インパルス応答のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、センサ装置１００が、環境１０２の諸特性を測定するように構成されている。装置１００は、環境１０２内の光感受性材料１０４、光源１０６、及び検出器１０８を含む。この例では、光源１０６及び検出器１０８は環境１０２の外部にある。あるいは、光源１０６及び検出器１０８の一部分が環境１０２の中に含まれ、環境１０２の外部でシステム１００の残りの部分と結合されることもある（例えば、有線又は無線通信を介して）。環境１０２は、例えば、別のデバイス（例えば、バイオリアクター）内のある画定された容積であってよい。この例では、光感受性材料１０４は、第１の波長に中心があるスペクトルをもつ光１１０を、第１の波長よりも短い第２の波長に中心があるスペクトルをもつ光１１２によって励起されたことに応答して放出する蛍光材料である。その放出には、環境１０２の特性に依存する時間パラメータによって特徴づけられる時間的な挙動がある。この依存関係に従って、時間パラメータを測定することでその特性の測定が可能になる。蛍光材料中では、電子が励起光１１２の光子を吸収して励起状態に遷移するが、電子が１又は２以上の他の状態へ緩和するには様々な経路がある。これら緩和経路の１つには、放出光１１０の光子の放出が伴う。ルテニウム錯体蛍光材料では、この材料と酸素分子が衝突することにより別の緩和経路に、放出光の光子が放出されない選択的消光が伴う。したがって、検出される放出光１１０の時間的な挙動は、この例で測定される特性である酸素の分圧に影響を受けやすい。いくつかの例では、燐光（フォトルミネセンスの別の形態）又は他の非線形光相互作用を含む、蛍光以外の光感受性の形態を用いることもできる。
【００１１】
様々な種類の光感受性材料１０４を使用することができ、これらの材料は、測定されるべき環境１０２の特性に影響を受けやすい光応答性を有する。これらの材料は、合成又は天然に産出するものでよく、対象の環境に原産の場合もある。光感受性材料は、いくつかの異なる種類の相互作用によって、ある環境条件に影響を受けやすい可能性がある。例えば、光物理的挙動プロセスの量子収量（吸収された光子に対する放出された光子の比）は、対象の基質の密度に依存する可能性があり、あるいは温度に依存する可能性がある。その基質は、例えば消光剤であってよい。場合によって、光物理的挙動プロセスの量子収量は、励起状態減衰の様々な形態に依存し得る。量子収量は、励起状態減衰のすべての形態（消光、フェルスター共鳴エネルギー転移などを含め、放射性と非放射性の両方）の結合速度に対する放射減衰の速度の比としても同等に表すことができる。光感受性材料パラメータ（ＯＳＭ，optically sensitive materialパラメータ）という用語は、光感受性材料１０４を表す測定値、又は測定値のセットを指す。ＯＳＭパラメータは、対象の環境１０２の特性と相関させることができる。
【００１２】
光応答性の挙動をよりよく特徴づけるために（例えば、特にノイズの存在下で）、励起光１１２の強度は光源１０６によって制御される。いくつかの実施態様では、光源１０６は変調器（例えば、電子変調器）を含み、この変調器は、励起光１１２の強度を変調して、関連付けられた変調スペクトルをもつ時間変動のパターンを生成する。（波長という語が、電磁放射の光スペクトルについて記述する場合に用いられる。所与の波長の電磁放射と結び付く周波数もあるが、周波数という語は一般に、強度変調の比較的低周波数の変調スペクトルを特徴づけるのに用いられることに留意されたい。）いくつかの実施態様では、励起光１１２の時間パターンは、以下でより詳細に説明するように、特定の時間特性及び周波数特性を有するように選択される光強度の不規則なパターンである。場合によって、不規則な光強度パターンは、確率論的プロセスにより生成されるか、あるいは時間で変化する、又は時間で変化しない統計的特性をもつ疑似ランダム符号から（例えば、乱数発生器又はコンピュータを使用して）生成される。場合によって、不規則な光強度パターンは、それが測定期間にわたって非周期的になるように、あるいはパターンが繰り返すいずれの期間も比較的長くなるように（例えば、時間に関連したＯＳＭパラメータと比較して）、選択される。
【００１３】
検出器１０８は、検出器１０８で捕捉された放出光１１０の強度に比例する電子信号を生成する回路（例えば、フォトダイオード回路）を含む。次に、この信号は、記録及び記憶され、及び／又はさらなる処理のために別のデバイスに送られてよい。例えば、測定される環境１０２の特性と関連するＯＳＭパラメータを決定するために、信号によって表現された放出光１１０の強度パターンは、変調器によって施された既知の変調に基づいて、予想される応答と比較することができる。
【００１４】
図２は、センサ装置１００の一部分の一例であるデバイス２００を示す。デバイス２００は、スイッチ２０４（例えば、トランジスタ）によって変調される信号ＬＥＤ２０２を含み、スイッチ２０４は、制御モジュール（例えば、コンピュータ、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、クロック動作デジタルロジックなど）から供給されるＬＥＤ制御信号によって制御される。所望の強度変調を伴う信号ＬＥＤ２０２からの光は、入力レンズ２０６で集束され、その光を光ファイバ２１２に結合するカップリングレンズ２１０まで、ダイクロイックミラー２０８によって導かれる。光ファイバ２１２の一端は、検知材料としてのルテニウム層２１４を含む。この光ファイバ２１２の端部は、環境１０２の中に配置することができ、デバイス２００の残りの部分は、環境１０２の外部に配置することができる。
【００１５】
励起光はルテニウム層２１４を励起し、放出光がファイバ内を、カップリングレンズ２１０及びダイクロイックミラー２０８に向かう方向に伝搬する。ダイクロイックミラー２０８の透過率は、励起光が実質的に反射され、放出光が実質的に透過することが可能になるように選択される。例えば、ダイクロイックミラー２０８は、約６００〜８００ｎｍの間の波長を透過し、約５２０〜５５０ｎｍの間の波長を反射するように選定することができる。放出光は、出力レンズ２１６によって、電気応答信号を供給する検出器の上に合焦される。この例では、検出器は、フォトダイオード２２０及びフォトダイオード回路２２２を含み、フォトダイオード回路２２２は、フォトダイオード２２０からの出力電流を、解析モジュールのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）（図示せず）に送出される増幅電圧信号に変換するトランスインピーダンス増幅器である。増幅電圧信号はＡＤＣによってサンプリングされ、一連のデジタル値に変換される。検出された電気応答信号は、サンプリングされる前にフィルタリングして、サンプリング周波数の半分より高い信号周波数を除去することができる。解析モジュール及び制御モジュールは、同じデバイス内又は別々のデバイス内に実装することができ、変調信号又は測定解析と関連する計算を行うための命令を実行する１又は２以上のプロセッサと、光源及び検出器の残りの部分とインターフェースする回路とを含むことができる。
【００１６】
場合によっては、光ファイバを使用して励起光のスペクトルをさらに制御すること、及び検出された放出光が大量のノイズ（例えば、漏洩励起光）を含まないことを保証することができる。放出フィルタ及び励起フィルタは、それぞれのフィルタを通過することが可能な波長の範囲が重なり合わないように選択することができる。この例では、励起フィルタ２２４が使用されて、励起光の特定の波長（例えば、約５３５ｎｍ未満の波長）のみがルテニウム層２１４に到達するように、信号ＬＥＤ２０２から来る波長のある範囲が阻止される。放出フィルタ２２６が使用されて、放出光の特定の波長（例えば、約５９０ｎｍより長い波長）のみが検出器に到達するように、ある範囲の波長が阻止される。
【００１７】
他の例では、センサ装置の様々な部分の様々な代替実施態様を使用することができる。例えば、ＬＥＤ以外の光源を使用することができる（例えば、レーザなど）。不変の光源をシャッタ又は光変調器と組み合わせて使用して、光強度パターンを作り出すことが可能である。フォトダイオード以外の光検出器を使用することもできる（例えば、光電子倍増管、フォトトランジスタなど）。複数の光源を使用して、利用可能な励起強度レベルの数を増やすことができる。複数又は並列の光検出器を使用して、空間解像度又は時間解像度を向上させることができる。光源からの励起光は、検知材料の上に直接入射することができ、あるいはレンズを通して検知材料の上に合焦させることができ、あるいは上記の例のように、検知材料を光ファイバに付着させることができ、励起光が光源から光ファイバの中に集束される。光源からの励起光は、ダイクロイックミラーなどの、ある波長フィルタリング透過率スペクトルをもつミラーを含めた、１つのミラー又は２つ以上のミラーによって反射することができる。レンズは、光源と一体化することができ（例えば、ＬＥＤが、レンズとして機能するドームを有してよい）、また光検出器と一体化することもできる（例えば、フォトダイオードが一体化レンズを有してよい）。光フィルタは、ガラスの上にコーティングし単独型の構成要素として使用することができ、あるいは光源及び光検出器の上に直接コーティングすることもできる。
【００１８】
励起光の強度変調を決定する制御モジュールは、不規則な強度パターンを供給することができ、この強度パターンは、ランダム又は疑似ランダムに見える特性、又はランダムプロセス又は疑似ランダムプロセスにより導出される特性をパターンが有する、という意味で確率論的信号に基づいて生成される。確率論的信号は、時間で変化する、又は時間で変化しない統計的特性を有してよい。確率論的信号は、基本的なランダム信号から生成することができるが、ランダム信号と類似の、ある規則に従うと共に疑似ランダムである、統計的特性をもつ符号化信号を生成することが可能である。いくつかの実施態様では、強度パターンは、疑似ランダムデジタル信号を光源１０６の変調制御入力部に加えることによって生成される（例えば、変調信号をスイッチ２０４に供給するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ））。この信号により、制御入力部に加えられる信号の電子的バージョン（例えば、電圧又は電流）に基づく、励起光の強度の実質的に離散的な２つ以上のレベルが得られる。疑似ランダム符号と関連付けられた確率密度関数により、これらのレベルそれぞれでほぼ同等の確率になり、あるいは他のものに関連していくつかのレベルでより高い確率になり得る。確率密度関数は、いくつかの離散的状態を含有することができ、あるいは特定の範囲にわたって連続的であり得る。加えて、特に２つ以上の可能な励起強度レベルをもつ離散信号では、１つの強度レベルから次の強度レベルまでの遷移の間に複数の異なる時間間隔がある。例えば、２値信号の２つのレベル間の遷移が不規則な間隔で起こり、隣り合う遷移の異なるそれぞれの対の間に異なる時間間隔が生じる（例えば、少なくとも１０個の異なる時間間隔、又は少なくとも５個の異なる時間間隔、又は少なくとも３個の異なる時間間隔）。このような変調信号のスペクトルは、ある範囲の周波数を変調帯域幅内に含有する。変調信号は、検知材料の光相互作用と関連付けられた時間パラメータと比較して特定の時間特性を有するように選択することができる。例えば、変調信号は、信号が繰り返す最小の周期が、検知材料からの放出が減衰すると予想される時間（指数時定数のある倍数、例えば、時定数の少なくとも１０倍、１５倍、２０倍、５０倍又は１００倍として表される）よりも長くなるように選択することができる。変調信号がいかなる周期にわたっても繰り返さない場合、そのような信号の周期は無限大であるとみなされる。変調信号はまた、この信号の２乗平均強度が少なくとも最大信号強度の１０分の１になるように選択することもできる。あるいは、励起強度パターンは、測定時間の比較的短いパーセンテージ（例えば１０％〜２５％未満）が最低励起強度レベルで費やされるように設定することもできる。
【００１９】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、変調信号３００は、ゼロレベルと非ゼロレベルでほぼ等しい確率が得られる２値疑似ランダム符号に従ってゼロ振幅レベルと非ゼロ振幅レベル（１．０の正規化数の表示）の間で遷移する疑似ランダム２値信号である。検出放出光と関連付けられる、得られた正規化応答信号３０２は時間特性及び強度特性を有し、これらの特性を解析して、光感受性材料の光応答性に影響を及ぼす環境の諸特性についての情報を得ることができる。図３Ｂは、変調信号３００と、図３Ａの信号の特徴をより細部にわたって強調するために重ね合わされ拡大された正規化応答信号３０２とを示す。図３Ａ及び図３Ｂの両方から明らかなように、変調信号３００により、励起光が存在する（１．０レベル）又は存在しない（０．０レベル）長さの異なる期間が得られる。その結果の応答信号３０２は、励起光が存在する期間中は指数関数的な応答に従って増大し、励起光が存在しない期間中は指数関数的な応答に従って減衰する。
【００２０】
いくつかの実施態様では、不規則な変調信号は、ある規則的な時間間隔（ｄｔ）の不規則な倍数において、これらの強度レベル間で切り替わることが可能である（すなわち、そのパターンはレベルを切り替えること、又は各間隔の同じレベルにとどまることができるが、信号は各間隔の間で一定のままである）。この例では、パターンの周期の長さは２０４８０サンプルであり、サンプル間の時間間隔ｄｔは１０マイクロ秒である。適切な高速電子機器を使用すると、より速い励起状態減衰時間に対処するために、サンプル間の時間間隔を大幅に低減させることができる。
【００２１】
不規則なパターンは、例えば、ガウス確率密度関数を用いて、又は平均値がゼロの他の連続的若しくは離散的な確率密度関数を用いて、又は別の方法で確率論的プロセス又は疑似ランダムプロセスをサンプリングすることによって生成される。いくつかの実施態様では、このような符号から生成された値のシーケンスは、例えば、サンプル間隔（ｄｔ）の５倍の時定数をもつ低域フィルタ（ＬＰＦ）を使用してフィルタリングされる。次に信号は、すべての正値を非ゼロレベル（１．０）に割り当て、すべての負値をゼロレベル（０．０）に割り当てることによって、２値信号に変換（２つの可能レベルに限定）することができる。任意の数の離散レベルを含有する信号は、適切なステップサイズを選択して連続信号を離散信号に変換することによって生成することができる。パターンの長さが偶数であり、中間値が繰り返されない場合、連続信号を２値信号に変換する前にこの中間値をゼロに集めることにより、０．０及び１．０の確率値が０．５に等しい２値信号が得られる。この特性により、ＯＳＭパラメータを計算するアルゴリズムを簡単にすることができる。
【００２２】
ガウスランダム数に対応する値の最初のシーケンスは、平坦なパワースペクトルを有し、信号の自己相関はインパルス関数である。その結果得られる変調信号の確率論的性質により、ブスガンの定理（Bussgang's theorem）に基づくシステムにおいて静的な非直線性に対する耐性が改善する。ランダムガウス（確率論的）信号がＬＰＦにより畳み込まれると、得られる信号のパワースペクトルが変化して、サンプリング周波数に近い高い周波数において変調信号のエネルギーが減少する。次に、フィルタリングされた信号が、離散数の値（もはや連続的ではない）を含有する確率密度関数を有するように最初の連続ガウス確率密度関数から変換されると、２値信号（又は、３つ以上のレベルがある場合はデジタル信号）のパワースペクトルは、この変換によってさらに変化する。自己相関４００の一例、及び励起強度信号のパワースペクトル４０２がそれぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示されている。これらのグラフに対応する励起特性は、特定の時間パラメータ及びノイズ特性をもつ検知材料についてのみ最適である。
【００２３】
平坦なパワースペクトルをもつ最初は疑似ランダムの信号をフィルタにより畳み込むことによって、得られる入力信号のパワースペクトルは、周囲の環境条件に最も影響を受けやすいＯＳＭパラメータの観測が可能になるようにして、入力信号が光感受性材料を励起するように調整することができる。加えて、フィルタの選択は、各測定のための入力パターンが現在の環境についての最大限の情報を与えるものになるように、現在の環境条件に基づいて変えることができる。あるいは、サンプル間隔ｄｔを現在の環境条件に基づいて調整することもできる。これら２つの手法のうちの１又は２以上を用いると、センサは、リアルタイムで環境に適応できるものになり得る。
【００２４】
光感受性材料からの放出光の検出器１０８におけるサンプリングは、規則的なサンプル間隔（例えば、ナノ秒からマイクロ秒のある数値）にすることができ、またサンプル間隔は、変調信号がインクリメントするのと同じ間隔ｄｔにすることができる。あるいは、変調信号をインクリメントする間隔ｄｔは、検出器におけるサンプリング間隔の倍数にすることもできる。多数のサンプルを測定及び記録することができ（例えば、２０４８０サンプル）、あるいはサンプルは、それが生じたときに処理することもできる。
【００２５】
多数の測定値を得ることができ、したがってセンサは、環境条件を監視するのに使用することができる。この構成では、１つの測定と次の測定の間に明確な期間（すなわち、時間間隔）がある。励起信号の時間で変化する特性と関連付けられる測定値に対して、励起信号は、測定間の合間はいかなる任意の状態にも維持することができる。
【００２６】
解析モジュールでは、環境１０２の特性を決定するために、検出された応答信号を既知の変調信号に基づいて解析する。１又は２以上のＯＳＭパラメータは、環境条件に対して推定及び較正することができる。ＯＳＭパラメータの１つの可能な用途は、環境の状態を表すことであるが、入力の不規則な光強度パターンｕに基づいて光感受性材料ｙの測定応答を予測できる精度に基づきＯＳＭパラメータを計算することが有用であることが多い。この目的に利用可能ないくつかの技法がある。１つのモデルを選択することが、モデルの目的が既知の入力シーケンスに基づいて測定応答を予測することである場合に、可能である。例えば、有限インパルス応答ＦＩＲモデルは、以前の入力値の履歴に基づいて測定応答を予測するが、非パラメトリックモデルであり、あるいは外生入力付き自己回帰ＡＲＸモデルは、一連の以前の入力に加えて、以前の応答値に基づいて応答を予測する。ＯＳＭパラメータの組は、伝達関数ＴＦを構成することができ、例えば、利得及び２つの時定数（Ｇ，τ１，τ２）を含む組は、光感受性材料１０４を表す２次伝達関数である。いずれのモデル構造にも長所と短所があるが、推定のためのＯＳＭパラメータの選択は最終的には、選択されたパラメータが対象の環境条件にどれだけよく対応するかによって導かれるべきである。
【００２７】
適切なモデル構造を使用すると、モデルパラメータ値は、測定応答とモデルに基づく予測応答との間の誤差を最小にするように選択することができる。この目的のために最小２乗アルゴリズムを用いることができるが、他にも多くの技法がある。ＯＳＭパラメータのリアルタイム計算には、再帰的最小２乗アルゴリズムを用いることができる。
【００２８】
測定応答ｙを既知の不規則な変調信号に基づく予測応答と比較し、ＯＳＭパラメータの組を用いて、ＯＳＭパラメータの特性を決定することができる。この比較はまた、非直線性を識別するのにも有用となり得る。図５Ａは、測定されたデータ点（ドット５００）、及び対応する最良適合２次インパルス応答ｙ＝Ｇ（ｅｘｐ（−ｔ／τ１）−ｅｘｐ（−ｔ／τ２））（実線５０２）を示す。一般に、任意の次数Ｎの減衰曲線は
【００２９】
【数１】
0005980315.tif 000002
【００３０】
で表すことができる。
【００３１】
１又は２以上のＯＳＭパラメータは、対象の環境条件の範囲にわたって測定することができる。１つのＯＳＭパラメータ、又は選択されたＯＳＭパラメータの組合せは、対象の環境条件に対して較正することができる。図５Ｂは、ルテニウム錯体光感受性材料の例において、３〜２１ｋＰａの範囲にわたり、測定データ点及びインパルス応答が酸素分圧の変化に基づいて変化することがどのように予想されるかを示す。低酸素環境では、インパルス応答５０４は、高酸素環境での５０６よりもピークが高く尾部が長い。
【００３２】
ＯＳＭパラメータは、対象の環境条件の推定値を得るために、線形式又は非線形式によってさらに変換することができ、また較正値と組み合わせることができる。例えば、光物理的プロセスの量子収量がどれだけ基質又は消光剤（例えば、酸素）の分圧の影響を受けるかを表すシュテルン−フォルマーの式
Ｐ０２＝１／Ｋｓｖ（τ０／τ−１）
を用いることができる。この式を用いると、適切な較正により、測定されたＯＳＭパラメータ（この場合には、指数時定数τ）を酸素の分圧の推定値に変換することが可能である。
【００３３】
上述の技法は、デバイス又はモジュール（例えば、制御モジュール及び／又は解析モジュール）で実行するための命令を含むプログラムを用いて実施することができ、このデバイス又はモジュールには、その命令を実行する１又は２以上のプロセッサ又は他の回路が含まれる。例えば、命令は、１又は２以上のプログラムされた、又はプログラム可能な、計算デバイス上又はモジュール上で走るソフトウェア又はファームウェアの手順を実行し、これらの計算デバイス又はモジュールには、少なくとも１つのプロセッサ及び少なくとも１つの記憶システム（例えば、揮発性及び不揮発性メモリ、及び／又は記憶媒体を含む）が含まれる。プログラムは、汎用又は専用のプログラム可能コンピュータによって読取り可能な、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ可読記憶媒体によって提供されても、ネットワークなどの通信媒体を介して、プログラムが実行されるコンピュータまで送り出されてもよい。このようなそれぞれのプログラムは、プログラムの手順を実施するために記憶媒体がデバイスによって読み取られたときにデバイスを構成及び動作させるために、計算デバイスによって読取り可能な記憶媒体（例えば、固体のメモリ若しくは媒体、又は磁気媒体若しくは光媒体）に記憶又はダウンロードされてよい。
【００３４】
上記の説明は、添付の特許請求の範囲を含む本発明の範囲を示すものであり、限定するものではないことを理解されたい。他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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