(57)【要約】光ファイバセンサは、１つまたはそれより多くの光ファイバセンサプローブ、光ファイバセンサプローブに光を送り込むための光源、及び光ファイバプローブからの光を検出するための光検出器を備える。一実施形態において、光ファイバセンサプローブはレンズで終端される光ファイバを備える。別の実施形態において、光ファイバセンサプローブは、光ファイバ、レンズ、及び光ファイバとレンズの間に形成される細長領域を備える。
2005538361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズで終端されている光ファイバを備えることを特徴とする光ファイバセンサプローブ。
【請求項２】
エバネッセント波探測のための、前記光ファイバと前記レンズの間に形成される細長領域をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項３】
化学的刺激に反応して変化する光学特性を有する試薬をさらに備え、前記試薬が、前記細長領域の表面に施されているか、前記レンズの表面に施されているかまたは前記化学的刺激との相互作用のための半透膜を有するセル内に入れられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項４】
前記レンズまたは前記細長領域に近接する複屈折材料をさらに備え、前記複屈折材料が電気的刺激に応答して変化する偏光状態を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項５】
前記電気的刺激が電圧または電流の変化であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項６】
前記レンズまたは前記細長領域に近接する光共振器をさらに備え、前記光共振器が物理的刺激に応答して変化する光路差を有し、前記光共振器が間隔をあけて配置された一対の低反射ミラーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項７】
前記物理的刺激が、圧力の変化、力の変化または加速度の変化であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項８】
前記レンズまたは前記細長領域に近接する感温性材料をさらに備え、前記感温性材料が前記レンズとは異なる屈折率及びｄｎ/ｄＴ（ｎは屈折率、Ｔは温度）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサプローブ。
【請求項９】
レンズで終端されている光ファイバに、前記レンズ及び前記ファイバに光を送り込むように光結合されている光源、及び
レンズで終端されている前記光ファイバに、反射されて前記レンズ及び前記ファイバ内に入る光を検出するように光結合されている光検出器、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【請求項１０】
レンズで終端されている前記光ファイバが、第１のレンズ付ファイバ及び前記第１のレンズ付ファイバに光結合されている第２のレンズ付ファイバを備え、
前記第１のレンズ付光ファイバに光を送り込むように前記第１のレンズ付ファイバに光結合されている光源、及び
前記第２のレンズ付ファイバを通して送られる光を検出するように前記第２のレンズ付ファイバに光結合されている光検出器、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【請求項１１】
前記第１のレンズ付ファイバが前記第２のレンズ付ファイバの光軸と実質的に位置合わせされている光軸を有することを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバセンサ。
【請求項１２】
前記第１のレンズ付ファイバが、視野角が生じるように前記第２のレンズ付ファイバの光軸からずらされている光軸を有することを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には、刺激を検知及び検出するための方法及びデバイスに関する。さらに詳しくは、本発明は機能強化された光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは様々な用途、例えば、化学反応の反応器のその場モニタリング、酸性度測定及び（特に爆発性または引火性ガスの）ガス分析のような化学的用途、並びに、温度、圧力、電圧及び電流のモニタリング、粒子測定、動きモニタリング及び画像化のような物理的用途において、刺激を検知及び検出するために用いることができる。光ファイバセンサは、他のタイプのセンサに比較して、敵性環境不感受性、広帯域幅、小型及び高感度という利点を提供する。
【０００３】
一般に、光ファイバセンサは、１本またはそれより多くの光ファイバ、光源、光検出器並びに、光源及び光検出器を光ファイバに結合するための、１つまたはそれより多くの結合器を有することができる。光源は、検知（またはモニタ）されるべき環境に送られる光を発生し、光検出器は検知される環境から受け取られる光を検出して、解析する。光ファイバは検知される環境に及び検知される環境から光を送るために用いられる。
【０００４】
光ファイバセンサは、検知及び検出がどのように行われるかによって、外因センサまたは真性センサに分類することができる。外因性センサにおいては、検知がファイバ外部で行われ、ファイバは検知領域に、及び検知領域から光を送るために用いられる。真性センサにおいては、ファイバの物理特性が変化し、この変化が、ファイバを通して送られる光の振幅、位相、周波数または偏光状態をモニタすることによって検出される。
【０００５】
既存の光ファイバセンサは、何らかの形で改変されている光ファイバの使用に基づく。一手法は、ファイバのプローブ部に検知材料を与え、検知材料の光学特性の変化により、検知される環境のモニタリングを可能にすることを含む。この手法は一般に化学的環境のモニタリングに用いられる。図１Ａは光ファイバ２を有する化学センサのプローブ部１を示す。検知材料３、すなわち、光透過特性、例えば、モニタされている（１つまたは複数の）波長における、蛍光、屈折率または透過率が目標化合物と反応すると変化する試薬が光ファイバ２の終端に与えられる。
【０００６】
別の手法は、光ファイバのある区画からクラッド層を除去し、無クラッド領域における内部全反射により、検知される環境のモニタリングを可能にすることを含む。図１Ｂは光ファイバ５の終端における無クラッド領域４を示す。図１Ｃは光ファイバ７の中間部における無クラッド領域６を示す。図１Ｂに示される構成では、光が光ファイバ５の端面５Ａに送られ、同じ端面５Ａから検出される。図１Ｃに示される構成では、光が光ファイバの入力端面８に送られ、光ファイバ７の出力端面９で検出される。一般に、この手法は、検出がエバネッセント波だけで行われるため、頑健さに欠け、感度が低い。
【０００７】
別の手法は、ファイバに微小曲げと称される横変形を生じさせ、微小曲げから放射される光の強度の変化により、検知される環境のモニタリングを可能にすることを含む。この手法は化学的検知及び物理的検知のいずれにも用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の光ファイバセンサと比較して高い感度を有する光ファイバセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様において、本発明はレンズで終端された光ファイバを備える光ファイバセンサプローブに関する。
【００１０】
別の態様において、本発明は、エバネッセント波探測のための、光ファイバ、レンズ及び、光ファイバとレンズの間に形成される細長領域を備える、光ファイバセンサプローブに関する。
【００１１】
別の態様において、本発明は、レンズ付ファイバ、光をレンズ付ファイバに送り込むようにレンズ付ファイバに光結合される光源及び反射されてレンズ付ファイバに入る光を検出するようにレンズ付ファイバに光結合される光検出器を備える、光ファイバセンサに関する。
【００１２】
別の態様において、本発明は、エバネッセント波探測のための、光ファイバ、レンズ及び光ファイバとレンズの間に形成される細長領域を有するセンサプローブを備える光ファイバセンサに関する。本光ファイバセンサは、光を光ファイバに送り込む光源、反射されてレンズ及び細長領域に入る光を検出する光検出器並びに光源及び光検出器を光ファイバに結合するための結合器をさらに備える。
【００１３】
別の態様において、本発明は、第１のレンズ付ファイバ、第１のレンズ付ファイバに光結合される第２のレンズ付ファイバ、第１のレンズ付ファイバに光を送り込むように第１のレンズ付ファイバに光結合される光源、及び第２のレンズ付ファイバを通して送られる光を検出するように第２のレンズ付ファイバに光結合される光検出器を備える光ファイバセンサに関する。
【００１４】
別の態様において、本発明は、レンズで終端された光ファイバ、光ファイバに結合される光源及び光検出器及びレンズの光路に配置される試薬を備える化学センサに関し、試薬は化学的刺激に反応して変化する光学特性を有する。
【００１５】
別の態様において、本発明は、それぞれのセンサが検知のためのレンズ及び光信号を送るための光ファイバを有し、レンズが光結合されている、一対のセンサプローブを備える化学センサに関する。本化学センサは、一方のセンサプローブに結合される光検出器、他方のセンサプローブに結合される光源及びセンサプローブの光路に配置される試薬をさらに備え、試薬は化学的刺激に反応して変化する光学特性を有する。
【００１６】
別の態様において、本発明は、レンズで終端される光ファイバ、光ファイバに結合される光源及び光検出器、並びにレンズに近接する感温性材料を備える温度センサに関し、感温性材料はレンズとは異なる屈折率及びｄｎ/ｄＴを有する。ここで、ｎは屈折率、Ｔは温度である。
【００１７】
別の態様において、本発明は、レンズで終端される光ファイバ、光ファイバに結合される光源及び光検出器、並びにレンズに近接する複屈折材料を備える電気センサに関し、複屈折材料は電気的刺激に応答して変化する偏光状態を有する。一実施形態において電気的刺激は電圧の変化である。別の実施形態において電気的刺激は電流の変化である。
【００１８】
別の実施形態において、本発明は、レンズで終端される光ファイバ、光ファイバに光を送り込むように光ファイバに結合される光源並びに反射されて光ファイバに入る光の強度及び周波数を測定するように光ファイバに結合される変換器を備える動きセンサに関する。
【００１９】
別の態様において、本発明は、レンズで終端される光ファイバ、光ファイバに結合される光源及び光検出器、並びに物理的刺激に応答して変化する光路差を有する光共振器を備える機械センサに関する。一実施形態において、物理的刺激は圧力の変化である。別の実施形態において、物理的刺激は力の変化である。別の実施形態において、物理的刺激は加速度の変化である。
【００２０】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の説明及び添付される特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態は、従来の光ファイバセンサプローブと比較して高い感度を有する光ファイバセンサプローブを提供する。本発明の実施形態は、本発明の光ファイバセンサプローブを組み込んでいるセンサも提供する。本光ファイバセンサプローブの高められた感度はレンズ付ファイバの使用によって達成される。レンズ付ファイバはレンズで終端された光ファイバである。本光ファイバセンサプローブの感度は、レンズの形状寸法の調製及び／または反射膜または反射防止膜によるレンズの被覆によって調節される。
【００２２】
ここで、添付図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。
【００２３】
図２は本発明の一実施形態にしたがう光ファイバセンサプローブ１０を示す。センサプローブ１０は、平凸レンズ１２が光ファイバ１４の末端に取り付けられているかまたは末端に形成されているレンズ付ファイバである。レンズ１２の凸面１６は検知及び／または探測に用いられる。光ファイバ１４はコア１８及びコア１８を囲むクラッド２０を有し、コア１８は凸面１６にまたは凸面１６から光を送るためのものである。光ファイバ１４は、偏波保存ファイバ（ＰＭファイバ）または多モードファイバを含む、いずれかの単一モードファイバとすることができる。レンズ１２は注目する（１つまたは複数の）波長において透明な材料でつくることができる。レンズ１２はファイバコア１８と同様の屈折率を有することが好ましい。頑健性、すなわち、火炎、爆発及び腐食からの保護のため、レンズ１２はシリカまたはドープトシリカ、例えば、Ｂ２Ｏ３-ＳｉＯ２及びＧｅＯ２-ＳｉＯ２でつくられることが好ましい。
【００２４】
反射モードにおいて、センサプローブ１０は、検知されるべき環境に光を送るため及び検知されるべき環境からの光を検出するために用いられる。検出された光は検知される環境における変化を決定するために解読される。送受モードにおいては、一対のセンサプローブ１０が必要である。図３は送受構成にあるセンサプローブ１０ａ、１０ｂを示す。センサプローブ１０ａ、１０ｂのレンズ１２ａ、１２ｂは光結合される。センサプローブ１０ａは検知される環境に光を送るために用いられ、センサプローブ１０ｂは検知される環境からの光を検出するために用いられる。
【００２５】
図４は本発明の別の実施形態にしたがう光ファイバセンサプローブ２２を示す。センサプローブ２２は、コア２７をもつ光ファイバ２６を有する。光ファイバ２６はレンズ２４で終端されている無コアファイバ２８に永久接続される。レンズ付ファイバ２８はエバネッセント波探測のための拡大された表面積を提供する。レンズ付ファイバ２８は、エバネッセント波探測が行われる作用面積がセンサプローブ（図２の１０）に比較して広くなるように、より大径のファイバから形成することができよう。レンズ付ファイバ２８は、光ファイバ２６の直径と同じかまたはそれより小さい直径を有するファイバから形成することもできよう。センサプローブ２２は、高い、例えば−１０ｄＢより大きい、後方反射を有し、この結果、反射モードにおいてセンサプローブ（図２の１０）に比較して改善された感度が得られる。
【００２６】
センサプローブ１０、２２（図２、４参照）は、従来の光ファイバセンサプローブと比較するといくつかの利点を提供する。提供される利点の１つは、広範なレンズの形状寸法が可能であり、必要に応じてレンズ１２、２４（図２、４参照）を反射膜または反射防止膜で被覆できることである。すなわち、センサプローブ１０、２２の感度をレンズ１２、２４の形状寸法の調製及び／またはレンズ１２、２４の被覆によって調節することができる。提供される別の利点は、凸面１６、３０（図２、４参照）が、検知される環境との相互作用に対する広い表面積を生じることである。センサプローブ２２（図４参照）はセンサプローブ１０（図２参照）に比較してエバネッセント波探測のための拡大された表面積を提供する。提供される別の利点は、反射モードにおいて、反射膜を用いずに後方反射を所望の値に調製するためにレンズ１２、２４の特性を用い得ることである。
【００２７】
一般に、レンズ１２、２４（図２、４参照）は、検知構成及び検知される環境に応じて、コリメート、集束または発散するように設計することができる。一般に、反射モードに対しては凸面１６、３０（図２、４参照）における後方反射を最大化することが望ましい。発散レンズは反射モードに対して最も効率が高い、発散レンズは、反射膜を用いるかまたは用いずに、後方反射を所望の値に調製するために用いることができる。図５は、反射モードで動作させた反射膜をもたない発散レンズについての、レンズ厚及び曲率半径の関数としての後方散乱のグラフを示す。波長１５５０ｎｍ及びシリカ−空気界面について計算している。基板上への集束による探測の場合は、レンズ１２、２４を集束レンズとすることができる。
【００２８】
一般に、送受モードに対しては、凸面１６、３０（図２、４参照）における後方反射を最小限に抑えることが望ましい。レンズ１２、１４（図２、４参照）の形状寸法は、後方反射を所望の値に制限するように選ぶことができる。また、後方反射をさらに弱めるために、レンズ１２、１４上に施される反射防止膜を用いることができる。一般に、送受モードに対しては、送光センサプローブ、すなわち検知される環境に光を伝えるセンサプローブと、検出センサプローブ、すなわち検知される環境から光を受け取るセンサプローブの間の結合を最大化することが望ましい。したがって、センサプローブ１０、２２（図２、４参照）が送受モードで用いられる場合、レンズ１２、２４はコリメートレンズまたは集束レンズであることが好ましい。結合を最大化するようにレンズの寸法形状が選ばれ、後方反射を最小限に抑えるために反射防止膜が用いられることが好ましい。
【００２９】
センサプローブ１０、２２（図２、４参照）はモノリシックデバイスである。モノリシックセンサプローブを作成するための一方法を次に説明する。
【００３０】
モノリシックセンサプローブは３工程または４工程で作成することができる。位置合せ工程と称される、第１工程において、光ファイバとガラスファイバが対向する関係で位置合せされる。図６Ａはガラスファイバ３４に位置合せされた光ファイバ３２を示す。ガラスファイバ３４は無コアファイバであることが好ましい。ガラスファイバ３４の屈折率は光ファイバ３２のコアの屈折率と同様であることが好ましい。ガラスファイバ３４の直径は、光ファイバ３２の直径より小さくするか、光ファイバ３２の直径と等しくするか、または光ファイバ３２の直径より大きくすることができる。融着接続工程と称される第２工程は、ガラスファイバ３４を光ファイバ３２に融着する工程を含む。図６Ｂは光ファイバ３２に融着されているガラスファイバ３４を示す。本プロセスは、ガラスファイバ３４と光ファイバ３２の対向する端面を付き合わせる工程及び、対向する端面を加熱して融着するために、ヒーター３６、例えばタングステンフィラメントを用いる工程を含む。
【００３１】
ガラスファイバ３４を光ファイバ３２に結合した後、ガラスファイバは次いでレンズの形にされる。すなわち、テーパ付け工程と称される第３工程は、ガラスファイバ３４を整形してレンズにする工程を含む。図６Ｃに示されるように、テーパ付け工程は、ガラスファイバ３４にテーパを付けるためにヒーター３６をガラスファイバ３４に沿って移動させる工程を含む。テーパ付けを達成するため、ヒーター３６をガラスファイバ３４に沿って移動させながら、ガラスファイバ３４を光ファイバ３２から離れる方向に引っ張る。図６Ｄはテーパが付けられた後のガラスファイバ３４を示す。ガラスファイバ３４には、所望のレンズ厚及び曲率半径が得られるようなテーパが付けられる。一般に、テーパ付けで得られる曲率半径は小さい。曲率半径がより大きいレンズを作成するためには、メルトバックと称される、付加工程が必要である。図６Ｅに示される、メルトバック工程においては、点線で示されるような、より大きい曲率半径を形成するため、ガラスファイバ３４のテーパが付けられた末端に向けてヒーター３６が動かされる。
【００３２】
以下は、上述したセンサプローブを組み込んでいる光ファイバの様々な実施例である。
【００３３】
化学センサ
図７Ａはセンサプローブ１０を組み込んでいる化学センサ４０を示す。化学センサ４０は、光源４２、光検出器４４並びに光源４２及び光検出器４４をセンサプローブ１０に結合するための結合器４６、例えば二又ファイバを備える。多重波長がセンサプローブ１０を通して送られるべきであれば、光源４２は波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を備えることができる。この場合、検出器４４は多重波長を解析できる機能を有するべきである。
【００３４】
反射モードにおいて、光は光源４２からセンサプローブ１０に送られる。光はセンサプローブ１０を出て、モニタまたは分析されるべき化学的環境に入り、反射されてセンサプローブ１０内に戻る。本実施形態においては、化学的環境が反射光をなんらかの形で変性させるか、あるいはセンサプローブ１０の物理特性が化学的環境の変化に応答して変化することになろう。反射光は光検出器４４に進み、光検出器４４において化学的環境の変化を決定するために検出されて解読される。
【００３５】
化学センサ４０は、モニタされている（１つまたは複数の）波長における光透過特性、例えば、蛍光、屈折率または透過率が目標化合物との反応に際して変化する、検知材料または試薬（図７Ｂの４８）を必要に応じて有することができる。試薬（図７Ｂの４８）は、モニタ及び／または分析されている化学的環境が変化すると、反射されてセンサプローブ１０内に戻る光が変性するように、レンズ１２上に施すことができる。
【００３６】
あるいは、図７Ｃに示されるように、化学センサ４０は、上述したような試薬５２が入っている反応セル５０内に挿入することができる。セル５０は、検出されている化学物質がそれを通ってセル５０に流入することができる半透膜５３を備える。
【００３７】
化学センサ４０になされ得る別の改変は、図８Ａ〜８Ｃに示されるようにセンサプローブ１０をセンサプローブ２２で置き換えることである。センサプローブ２２は検知される環境との相互作用のための拡大された表面積を提供する。センサプローブ２２は、高反射損を有するから、反射モードに一層適してもいる。
【００３８】
図９Ａは送受構成の化学センサ５４を示す。本構成において、化学センサ５４は、一方は送光のためであり他方は検出のための、一対のセンサプローブ１０を備える。便宜上、送光センサプローブまたは送光センサプローブの部品の参照符号には添字“ａ”を与える。同様に、検出センサプローブまたは受光センサプローブの部品の参照符号には添字“ｂ”を与える。
【００３９】
化学センサ５４は、センサプローブ１０ａに結合される光源５６及びセンサプローブ１０ｂに結合される光検出器５８を備える。光源５６は、多重波長を用いる場合、ＷＤＭを備えることができる。この場合、検出器５８はスペクトルアナライザまたは多重波長の検出に適するその他の検出器とすることができる。センサプローブ１０ａ、１０ｂは、それぞれの光軸が実質的に位置合せされ、それぞれのレンズ１２ａ、１２ｂが隔てられて、レンズ１２ａ、１２ｂ間での光の結合を可能にするように、配置される。
【００４０】
送受モードにおいて、光は光源５６からセンサプローブ１０ａに送られる。光はセンサプローブ１０ａを出て、モニタ及び／または分析されている化学的環境に入る。本実施形態においては、化学的環境が光をなんらかの形で変性させるか、あるいはセンサプローブ１０ｂの物理特性が化学的環境の変化に応答して変化することになろう。次いで、光はセンサプローブ１０ｂを通して光検出器５８に送られ、光検出器５８において化学的環境の変化を決定するために検出されて解読される。
【００４１】
化学センサ５４は、必要に応じて、モニタされている（１つまたは複数の）波長における光透過特性、例えば、蛍光、屈折率または透過率が目標化合物との反応に際して変化する、検知材料または試薬（図９Ｂの６０）を有することができる。試薬（図９Ｂの６０）は、モニタ及び／または分析されている化学的環境が変化すると、センサプローブ１０ｂに入る光が変性するように、レンズ１２ｂ上に施すことができる（試薬はレンズ１２ａに施すこともできる）。
【００４２】
あるいは、図９Ｃに示されるように、試薬６４が入っている反応セル６２をレンズ１２ａ、１２ｂ間に配置することもできる。反応セル６２の窓６２ａ、６２ｂは注目する波長において透明であり、光がセンサプローブ１０ａからセル６２に送り込まれ、セル６２からセンサプローブ１０ｂに入ることを可能にする。あるいは、レンズ１２ａ、１２ｂをセル６２に埋め込み、透明窓６２ａ、６２ｂが必要ではないようにすることができる。反応セル６２は検出されている化学物質がそれを通ってセルに流入することができる半透膜６３を備える。
【００４３】
化学センサ５４になされ得る別の改変は、一対のセンサプローブ１０を一対の（図４に示される）センサプローブ２２で置き換えることである。センサプローブ２２は検知される環境との相互作用のための拡大された表面積を提供する。
【００４４】
温度センサ
図１０Ａはセンサプローブ１０を組み込んでいる光ファイバ温度センサ７０を示す。温度センサ７０は、光源７２、光検出器７４並びに光源７２及び光検出器７４をセンサプローブ１０に結合するための結合器７６、例えば二股ファイバを備える。レンズ１２は感温性材料７８に埋め込まれる。材料７８はレンズ材料とは異なる屈折率及び異なるｄｎ/ｄＴを有する。ここでｎは屈折率、Ｔは温度である。例として、材料７８は、一般に負のｄｎ/ｄＴを有する高分子材、または、正のｄｎ/ｄＴを有するゾル−ゲルのような、無機材料とすることができる。
【００４５】
動作中、光が光源７２からセンサプローブ１０に送られる。光は、凸面１６を出て材料７８に入り、反射されて、光検出器７４における検出のためにセンサプローブ１０内に戻る。反射されてセンサプローブ１０内に戻る光は、材料７８の屈折率の変化による影響を受け、材料７８の屈折率は検知される環境の温度によって変化する。図１０Ｂは、無限大の曲率半径を有し、高分子材（ｎ＝１.５５；ｄｎ/ｄＴ＝−１０−３/℃）に埋め込まれているシリカレンズ（ｎ＝１.４５７；ｄｎ/ｄＴ＝１０−３/℃）における温度変化による反射係数の変化の一例を示す。
【００４６】
電圧／電流センサ
図１１Ａは送受構成の電圧／電流センサ８０を示す。電圧／電流センサ８０は、一方が送光用のものであり他方が検出用のものである、一対のセンサプローブ１０（一対の図４のセンサプローブ２２を用いることもできる）を備える。便宜上、送光センサプローブまたは送光センサプローブの部品の参照符号には添字“ａ”を与える。同様に、検出センサプローブまたは受光センサプローブの部品の参照符号には添字“ｂ”を与える。電圧／電流センサ８０は、センサプローブ１０ａに結合される光源８２及びセンサプローブ１０ｂに結合される光検出器８４を備える。センサプローブ１０ａ、１０ｂは、それぞれの光軸が実質的に位置合せされ、それぞれのレンズ１２ａ、１２ｂが間隔をあけて配置されるように配列される。
【００４７】
一実施形態において、光源８２は偏光源であり、光ファイバ１４ａ、１４ｂはＰＭファイバであり、検出器８４は偏光アナライザである。レンズ１２ａ、１２ｂは、複屈折を示す検知材料８６、例えば強誘電体または液晶で満たされたセル８５内に浸される。電流及び／または電圧の変化は検知材料８６の偏光状態を変化させるであろう。この偏光の変化は、印加電磁場がない基準状態と比較した光強度の低下として検出器８４により検知されるであろう。あるいは、非偏光源を用いることができ、センサ８０は２つの偏光の相対比を評価することができる。
【００４８】
図１１Ｂは反射構成の電圧／電流センサ８８を示す。電圧／電流センサ８８は、センサプローブ２２に結合される光源９０及びセンサプローブ２２に結合される光検出器９２を備える（図２のセンサプローブ１０を用いることもできるが、センサプローブ２２は一般に反射モードにおいて高められた感度を提供する）。レンズ付ファイバ２８は複屈折材料９５で満たされたセル９４に挿入される。光検出器９２は、セル９４から反射されてセンサプローブ２２内に入る光の偏光状態を解析するための偏光アナライザとすることができよう。
【００４９】
動きセンサ
図１２は、結合器１０２によりセンサプローブ１０に結合される光源９８及び光検出器１００を備える、反射モードの動きセンサ９６を示す。一般に、光検出器１００は変換器である。センサプローブ１０は、コード化され、センサプローブ１０から出てくる光を変調する、移動している部品１０４の動きを検出する。光は再帰反射され、３ｄＢ方向性結合器のような結合器１０２を通過して、変換器１００内に戻る。変換器１００の出力、すなわち強度対周波数のグラフが本図に示されている。
【００５０】
ファイバ１４及びレンズ１２は、動きセンサ９６が過酷な環境にさらすことができるように、高純度シリカガラスでつくることができる。結合器１０２はレンズ１２から離れているから高分子材でつくることができ、よってセンサのコストが削減される。センサプローブ（図４の２２）をセンサプローブ１０の代りに用いることもできる。センサプローブ（図４の２２）は一般に、反射モードで用いられる場合に、センサプローブ１０に比較して高い感度を提供する。
【００５１】
機械センサ
図１３は、結合器１１２でセンサプローブ１０に結合される光源１０８及び検出器１１０を備える、反射モードの機械センサ１０６を示す。検知は、２つのミラー１１６、１１８からなるファブリ−ペロ共振器１１４における光路差変化のモニタリングに基づく。低反射膜１１６ａ、１１８ａがガラスあるいはその他の（例えば高分子材の）基板１１６、１１８のそれぞれに施される。光路差１２０の変化が干渉縞パターン解析を用いてモニタされる。干渉縞は（時間的干渉縞形成または空間的干渉縞形成を用いる）スペクトルドメイン処理または位相ドメイン処理を用いて解析することができる。ファブリ−ペロ共振器１１４における反射光パワーの往復位相シフトを測定することにより、光路差１２０を計算することができる。
【００５２】
本図に示されるように、ミラー１１６は、圧力に応答してミラー１１６とともに動く感圧ダイアフラム１２２の上に載せられる。すなわち、機械センサ１０６は圧力の変化を検知する。あるいは、ダイアフラム１１２を錘で置き換えれば、共振器１１４は加速度ないし、一般には力を検知することができる。
【００５３】
その他の改変
本発明の範囲内にある、いくつかの改変が上述したセンサになされ得る。本発明の基礎をなす原理は、高められた感度を得るためのレンズ付ファイバの使用である。なされ得る改変の一例は、レンズ付ファイバまたはセンサプローブが送受モードで配置される態様である。すなわち、センサプローブの光軸はかならずしも位置合わせされている必要はない。図１４は、視野角が生じるように、センサプローブ１２４、１２６の光ファイバ１２４ａ、１２４ｂの光軸がレンズ１２４ｂ、１２６ｂの曲率中心に対して意図的にずらされている別の構成を示す。このタイプの構成は、摩耗及び裂けがモニタされることが必要な機素のような、機素の表面特性の変化のモニタリングに特に適している。
【００５４】
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、本開示の恩恵を享受する当業者は、本明細書に開示される本発明の範囲を逸脱しないその他の実施形態が案出され得ることを認めるであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】従来技術の光ファイバセンサを示す
【図１Ｂ】従来技術の光ファイバセンサを示す
【図１Ｃ】従来技術の光ファイバセンサを示す
【図２】本発明の一実施形態にしたがう検知及び／または探測のための凸面を有する光ファイバセンサプローブを示す
【図３】送受構成の図２のセンサプローブを示す
【図４】本発明の別の実施形態にしたがう検知及び／または探測のための凸面及び延長誘導領域を有する光センサプローブを示す
【図５】反射モードで動作している発散レンズについてのレンズ厚及び曲率半径（Ｒｃ）の関数としての後方反射損失のグラフを示す
【図６Ａ】センサプローブを作成するための方法の位置合せ工程を示す
【図６Ｂ】センサプローブを作成するための方法の融着接続工程を示す
【図６Ｃ】センサプローブを作成するための方法のテーパ付け工程を示す
【図６Ｄ】テーパが付けられた後の図６Ｃのガラスファイバを示す
【図６Ｅ】センサプローブを作成するための方法のメルトバック工程を示す
【図７Ａ】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図７Ｂ】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図７Ｃ】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図８Ａ】反射構成で図４のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図８Ｂ】反射構成で図４のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図８Ｃ】反射構成で図４のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図９Ａ】送受構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図９Ｂ】送受構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図９Ｃ】送受構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ化学センサを示す
【図１０Ａ】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる光ファイバ温度センサを示す
【図１０Ｂ】無限大の曲率半径を有し、高分子材に埋め込まれているシリカレンズについての温度の関数としての反射係数のグラフを示す
【図１１Ａ】送受構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる電圧／電流センサを示す
【図１１Ｂ】反射構成で図４のセンサプローブを組み込んでいる電圧／電流センサを示す
【図１２】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる動きセンサを示す
【図１３】反射構成で図２のセンサプローブを組み込んでいる機械センサを示す
【図１４】送受構成のセンサプローブの別の配置を示す
【符号の説明】
【００５６】
１０    光ファイバセンサプローブ
１２    平凸レンズ
１４    光ファイバ
１６    凸面
１８    コア
２０    クラッド
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図１０Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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