(57)【要約】  例えば、応力感知用途又は形状検知用途に使用される光ファイバであって、歪み遅延レジストレーションを容易にするためにチャープ回折格子を有するオーバーラップ回折格子構成を使用する光ファイバが記載される。様々な実施形態によれば、ファイバコアは、例えば、第１のセットと第２のセットとの間でチャープの方向が異なるチャープ回折格子の２つのオーバーラップするセット、又は単一周波数回折格子とオーバーラップするチャープ回折格子のセットを有してもよい。また、オーバーラップする回折格子を有する光ファイバを使用する歪み検出システム及び関連する計算方法が記載される。
2021527197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバであって：
中に刻まれたオーバーラップする第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバコアであって、前記第１の回折格子のセットは、前記ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされていない、ファイバコアと；
前記ファイバコアを囲むクラッドと、
を有する、光ファイバ。
【請求項２】
前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子と反対方向にチャープされる、
請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子と前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子とは、共通の格子長を有する、
請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子は、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子に対して、前記共通の格子長の半分だけオフセットされる、
請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のチャープレートは、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子のチャープレートと大きさが等しい、
請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項６】
単一周波数回折格子をさらに有し、前記単一周波数回折格子及び前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子は連続回折格子である、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、単一周波数回折格子である、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記第１の回折格子のセットは、前記ファイバの前記セクションにわたって連続的に延びる複数の回折格子を含み、前記第２の回折格子のセットは、前記ファイバの前記セクションにわたって連続的に延びる複数の回折格子を含む、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記光ファイバは、少なくとも１つの追加のファイバコアを有し、前記追加のファイバコアのそれぞれについて、前記追加のファイバコアは、中に刻まれる２つのオーバーラップする回折格子のセットを有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のセットのうちの第１のものは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの第２のものは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの前記第２のものの前記１つ又は複数の回折格子は、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの前記第１のものの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされない、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記セクションは、前記光ファイバの全長に沿って実質的に延びる、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
光ファイバのファイバコア内に刻まれた第１及び第２の回折格子のセットを含む前記光ファイバに沿った歪みを測定する方法であって、前記第１の回折格子のセットは前記第２の回折格子のセットとオーバーラップし、前記第１の回折格子のセットは１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットは、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子のようにチャープされていない１つ又は複数の回折格子を有し、前記方法は：
前記第１及び前記第２の回折格子のセットからの複合反射から生じる第１の時間遅延依存反射スペクトルを得るように前記ファイバの基準状態において前記光ファイバにインテロゲートするステップであって、前記第１の時間遅延依存反射スペクトルの各時間遅延は、前記ファイバに沿った複数の位置の関連する位置に対応する、ステップと；
前記第１及び前記第２の回折格子のセットからの複合反射から生じる第２の時間遅延依存反射スペクトルを得るように前記ファイバの歪んだ状態において前記光ファイバにインテロゲートするステップと；
時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定するように前記第１の時間遅延依存反射スペクトルを前記第２の時間遅延依存反射スペクトルと相関させるステップであって、各前記相関極大値は、前記第１の時間遅延依存反射スペクトルのスペクトル及び前記第２の時間遅延依存反射スペクトルのスペクトルのペア、並びに、前記ペアの前記第１の時間遅延依存反射スペクトルと前記第２の時間遅延依存反射スペクトルとの間の周波数シフトに対応する、ステップと；
前記相関極大値の各々について、前記相関極大値に関連する前記周波数シフトから前記ペアの前記第１の時間遅延依存反射スペクトルに関連する前記ファイバに沿った位置における歪みを計算するステップと；
を含む、方法。
【請求項１２】
前記第１の時間遅延依存反射スペクトルを前記第２の時間遅延依存反射スペクトルと相関させるステップは、前記ファイバに沿った複数の位置の各々について、前記第２の時間遅延依存反射スペクトルの時間遅延にわたる及び前記ファイバに沿った当該位置の周波数にわたる相関極大値を決定するように、前記第１の時間遅延依存反射スペクトルの関連する１つを、複数の前記第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々と相関させるステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の時間遅延依存反射スペクトルを前記第２の時間遅延依存反射スペクトルと相関させるステップは、前記第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々について、前記第２の時間遅延依存反射スペクトルを複数の前記第１の時間遅延依存反射スペクトルの各々と、前記複数の第１の時間遅延依存反射スペクトルの時間遅延にわたる及び周波数にわたる相関極大値を決定するように、相関させるステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々について、前記複数の第１の時間遅延依存反射スペクトルに関連する時間遅延は、特定の解像度で、期待される最大時間遅延までの時間遅延の範囲をカバーし、前記時間遅延の範囲は、前記第１の時間遅延依存反射スペクトルに関連する前記時間遅延を取り囲む、
請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々について、時間及び周波数における前記相関極大値は、前記相関極大値の推定位置の近傍で実行される探索によって決定され、前記推定位置は、周波数にわたる相関極大値のペアから外挿によって得られ、各前記ペアは、前記複数の第１の時間遅延依存反射スペクトルのそれぞれについて決定され、前記第１の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値及び前記第２の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値を含む、
請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１６】
歪み測定システムであって：
中に刻まれたオーバーラップする第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバコアを有する光ファイバであって、前記第１の回折格子のセットは前記ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットは前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされていない、光ファイバと；
前記ファイバコアに結合され、前記第１及び前記第２の回折格子のセットからの複合反射から生じる反射信号を測定するように構成される掃引波長干渉計システムと；
計算処理ユニットであって、
測定された前記反射信号を時間遅延依存反射スペクトルに変換し
時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定するように、前記時間遅延依存反射スペクトルを時間遅延依存基準反射スペクトルと相関させ、各前記相関極大値は、前記時間遅延依存反射スペクトルのスペクトル及び前記時間遅延依存基準反射スペクトルのスペクトルのペアに、並びに前記ペアの前記時間遅延依存反射スペクトルと前記時間遅延依存基準反射スペクトルとの間の周波数シフトに対応し、
前記相関極大値の各々について、関連する周波数シフトからの前記相関極大値に対応する前記時間遅延依存基準反射スペクトルに関連する前記ファイバに沿った位置における歪みを計算する、
ように構成される、計算処理ユニットと；
を有する、
歪み測定システム。
【請求項１７】
前記光ファイバは、１つ又は複数の追加のファイバコアを有し、各前記追加のファイバコアについて、前記追加のファイバコアは、中に刻まれた２つのオーバーラップする回折格子のセットを有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のセットのうちの第１のものは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの第２のものは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を有し、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの前記第２のものの前記１つ又は複数の回折格子は、前記２つのオーバーラップする回折格子のうちの前記第１のものの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされない、
請求項１６に記載の歪み測定システム。
【請求項１８】
前記ファイバコアは、中央ファイバコアと、前記中央ファイバコアの周囲に螺旋状に巻かれた少なくとも３つの周辺ファイバコアとを有する、
請求項１７に記載の歪み測定システム。
【請求項１９】
前記計算処理ユニットは、
前記ファイバに沿った複数の位置の各々について、前記ファイバコア及び前記１つ又は複数の追加のファイバコアについて決定される関連する周波数シフトから、軸方向歪み、曲げ歪み、及びねじれ歪みを計算するように構成される、
請求項１８に記載の歪み測定システム。
【請求項２０】
前記セクションは、前記光ファイバの全長に沿って実質的に延び、前記計算処理ユニットは、前記光ファイバに沿った前記複数の位置の各々に対して計算された前記軸方向歪み、前記曲げ歪み、及び前記ねじれ歪みから、前記光ファイバの三次元形状を計算するようにさらに構成される、
請求項１９に記載の歪み測定システム。
【請求項２１】
前記掃引波長干渉計システムは、波長可変レーザを有する、
請求項１６に記載の歪み測定システム。
【請求項２２】
前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子と反対方向にチャープされる、
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の歪み測定システム。
【請求項２３】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子と前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子とは、共通の格子長を有する、
請求項２２に記載の歪み測定システム。
【請求項２４】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子は、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子に対して、前記共通の格子長の半分だけオフセットされる、
請求項２３に記載の歪み測定システム。
【請求項２５】
前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のチャープレートは、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子のチャープレートと大きさが等しい、
請求項２３に記載の歪み測定システム。
【請求項２６】
単一周波数回折格子をさらに有し、前記単一周波数回折格子及び前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子は連続回折格子である、
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の歪み測定システム。
【請求項２７】
カテーテルをさらに有し、前記光ファイバの前記セクションは前記カテーテルの内部に配置され、前記単一周波数回折格子は、前記カテーテルの先端近くに配置される、
請求項２６に記載の歪み測定システム。
【請求項２８】
前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、単一周波数回折格子を含む、
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の歪み測定システム。
【請求項２９】
１つ又は複数のハードウェアプロセッサによる実行のための命令を格納する非一時的機械可読媒体であって、前記命令は、実行されるとき、前記１つ又は複数のハードウェアプロセッサに、光ファイバで測定される時間遅延依存反射スペクトルを処理することによって、前記光ファイバに沿った歪みを決定するように動作を実行させ、前記光ファイバは、中に刻まれた第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバコアを有し、前記第１の回折格子のセットは、前記第２の回折格子のセットとオーバーラップし、前記第１の回折格子のセットは、前記ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットは、前記ファイバの前記セクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を有し、前記第２の回折格子のセットの前記１つ又は複数の回折格子は、前記第１の回折格子のセットの前記１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされておらず、前記動作は：
測定された前記時間遅延依存反射スペクトルの各前記測定された時間遅延依存反射スペクトルについて、
複数の時間遅延依存基準反射スペクトルのうちの少なくとも２つのそれぞれについて周波数にわたる相関極大値のペアを決定するステップであって、前記測定された時間遅延依存反射スペクトルを前記複数の時間遅延依存基準反射スペクトルと相関させ、前記相関極大値のペアは、前記第１の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値と前記第２の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値とを含む、ステップと；
前記測定された時間遅延依存反射スペクトルに関連する時間遅延及び周波数にわたる相関極大値の推定位置を決定するように、周波数にわたる前記相関極大値のペアから外挿するステップと；
前記測定された時間遅延依存反射スペクトルの前記推定位置近傍の前記時間遅延依存基準反射スペクトルとの相関を探索することによって時間遅延及び周波数にわたる前記相関極大値を決定するステップと；
前記時間遅延及び周波数にわたる前記相関極大値に関連する周波数シフトからの前記相関極大値での時間遅延依存基準反射スペクトルに関連するファイバに沿った位置での歪みを計算するステップと；
を含む、
非一時的機械可読媒体。
【請求項３０】
１つ又は複数のハードウェアプロセッサによる実行のための命令を格納する非一時的機械可読媒体であって、前記命令は、実行されるとき、前記１つ又は複数のハードウェアプロセッサに請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の方法を実行させる、非一時的機械可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年６月４日に出願された米国仮特許出願第62／680,217号に対する優先権の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、概して、光ファイバコアに刻まれた回折格子（gratings）に関し、より具体的には、歪み遅延レジストレーション（strain  delay  registration）のための回折格子構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバは、例えば、圧力、温度、及びファイバの二次元又は三次元形状などの光ファイバに関連する物理的パラメータを測定するために、多くの用途において分散型光学センサとして使用することができる。光ファイバ形状センシングは、例えば、ツールの一部を形状センシング光ファイバの一部と併置する（collocating）ことにより、ツールの位置の決定を容易にする工業的、レクリエーション、医療的、ロボット的、及び他の手順において有用である。さらなる例として、医療ツールを形状センシング光ファイバの一部と併置することは、ロボット及び非ロボット医療処置におけるツールの位置のより正確な決定を容易にする助けとなり得る。具体的な医学的例として、ロボット又は他のコンピュータ支援手術において、手術ツールを形状センシング光ファイバの一部と併置することは、３次元ファイバ形状に基づいて、患者の体外又は体内のツールの位置の正確な決定を容易にする。ファイバの形状は、光ファイバに沿った曲げ、ねじれ、及び軸方向の歪みから計算することができ、それらは、ファイバの複数のコアに沿った連続的な歪み測定に基づいて決定される。正確な形状決定のためには、歪みを正確に測定するだけでなく、各歪み測定が適用されるファイバの長さに沿った場所を知ることも重要である。
【０００４】
光ファイバをセンサとして使用する場合、ファイバに光を送り、ファイバに沿った様々な位置から受け取った反射を測定することによってファイバがインテロゲートされ（interrogated）、反射光のスペクトル特性を処理して、局所歪みのような局所ファイバ特性に関する情報を提供することができる。ファイバインテロゲーション（Fiber  interrogation）は、例えば、光周波数領域反射率測定（ＯＦＤＲ）によって達成することができ、これは、光入力信号を提供するために、指定された周波数範囲にわたって走査される波長可変レーザ（tunable  laser）を使用する。ＯＦＤＲは、ファイバに沿った光信号の飛行時間（time-of-flight）の正確な測定を可能にする。２つの測定の間のファイバのコアの伸び（Core  elongations）は、同じ光ファイバ片からの反射を２つの測定された信号において異なる時間遅延で現れさせることがあり、レーザ走査の間のファイバの動的変化は、同じ光ファイバ片からの反射を単一の測定された信号内の異なる時間遅延で現れさせることさえある。従って、歪み測定を、本明細書では歪み遅延レジストレーションと呼ぶ特定の遅延ではなく、光ファイバの特定の物理的ポイントにマッチングさせることは、困難な問題を構成する。
【０００５】
以前の歪遅延レジストレーションでは、レイリー（Rayleigh）散乱相関を利用した。光ファイバに固有のランダムな顕微鏡的密度変動からのレイリー散乱は、時間領域とスペクトル領域の両方においてデルタ相関である（すなわち、相関信号が明確な極大値を示す）特性を有する。この特性は、測定されたスペクトル（測定された時間領域反射信号から計算されたスペクトログラムの時間スライスに対応する）が、時間遅延とファイバに沿った物理的位置との間の既知の対応を有する基準（reference）スペクトルのセットに対する相関を介して、特定の基準スペクトル及び基準スペクトルに対する特定の周波数シフトに、従って、ファイバに沿った特定の位置及びその位置における特定の歪に、ユニークにマッピングされることを可能にする。しかし、このアプローチに関連する１つの問題は、ランダムな反射器が、反射信号が非常に低い振幅のファイバに沿った位置を含むことができることである。レイリー散乱信号の第２の問題は、正しい基準スペクトル及び測定されたレイリー散乱スペクトルと基準スペクトルとの間の正しい周波数シフトに対応しない相関信号内の任意の点において、相関極大値（相関最大値）（correlation  maximum）が存在せず、相関極大値がどこにあるか、又はどのくらい離れているかの指示が存在しないことである。従って、時間遅延及び周波数シフト空間の完全な探索のみが、相関極大値の位置特定をする（locate）ことができる。
【０００６】
従って、改善されたアプローチが望まれる。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書では、チャープ回折格子（chirped  gratings）を含むファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）のオーバーラップする構成を使用して、レイリー散乱に関連する欠点を回避しつつ、歪み遅延レジストレーションを容易にする光ファイバ（例えば、応力検知、温度検知、又は形状検知用途などの物理的パラメータの測定に使用される）が説明される。ＦＢＧは、ファイバコアの屈折率の少なくとも局所的に周期的な変動によって形成され、正確な歪み測定を可能にする強い反射信号を提供する。しかし、ファイバに沿って測定された歪みの位置を決定することは、均一な格子周期（grating  period）を有するＦＢＧでは、一般に困難である。なぜなら、このような均一な回折格子で取得された基準信号は、回折格子の長さに対応する時間遅延の範囲にわたって、反射信号の一定の周波数を生じるからである。対照的に、チャープ回折格子では、回折格子の周期性、従って反射信号の周波数は時間−遅延の、又はファイバに沿った位置の関数として変化する。その結果、チャープ回折格子は、ファイバに沿って歪みを空間的に分解することを容易にする。
【０００８】
チャープ回折格子自体は、基準信号と測定信号との間の歪み誘発周波数シフトをファイバの特定の物理的ピースによって（例えば、伸長の結果として）受けた時間遅延シフトと区別できないようにするが、同じ方法でチャープされない２つのオーバーラップする回折格子のセット（すなわち、共通のファイバ部分を占有する回折格子）の組み合わせは、この曖昧さを解決することができる。例えば、一対のカウンタチャープ回折格子（counter-chirped  gratings）（一方は所与の方向に格子周期を増加させ、他方は同じ方向に格子周期を減少させる）は、一般に２つの周波数で、ファイバに沿った特定の位置に対応する所与の時間遅延に対して反射ピークを有する。ファイバに沿ったその位置での歪みは、両方のピークの周波数を同じ方向にシフトさせ、一方、その位置のための時間遅延シフトは、反対方向の周波数シフトを生じる。別の例として、チャープ回折格子を単一周波数回折格子と組み合わせて、ファイバに沿った所与の位置に対して２つの反射ピークを提供することができる。この場合も、歪みは、両方のピークに対して同じ周波数シフトをもたらすが時間−遅延シフトは、チャープ回折格子の周波数ピークのみに影響する。
【０００９】
得られた相関信号において、回折格子がオーバーラップする光ファイバでは、所与の時間遅延における測定スペクトルを時間遅延の範囲にわたる基準スペクトルと相関させることにより（又はその逆）、相関極大値（相関最大値）（correlation  maxima）は、異なる各回折格子に対して異なる線上に位置し、異なるチャープを有する回折格子間で異なる線の傾きを有する。これらの線の交点は、共通の相関極大値に対応し、正確で曖昧性のない時間遅延と周波数シフトに現れる。共通の極大値は、測定スペクトルに対する最大の期待される時間−遅延シフトに及ぶ基準スペクトルの時間遅延の範囲にわたって、網羅的なサーチ（exhaustive  search）を行うことによって決定することができる。あるいは、様々な実施形態によれば、時間遅延における２つ以上の離散点における周波数にわたる相関極大値からの外挿に基づいて、共通極大値の位置を推定することによって、探索空間を減少させることができる。このようにして、チャープが同一でないオーバーラップ回折格子を使用することにより、例えばレイリー散乱ベースの技術と比較して、相関極大値を見つける計算コストを実質的に低減することができる。
【００１０】
従って、第１の態様では、本開示は、そこに刻まれたオーバーラップする第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバコアと、ファイバコアを囲むクラッドとを含む光ファイバに関する。第１の回折格子のセットは、ファイバのセクション（section）にわたって延びる（extending  over）１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、第２の回折格子のセットは、第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされないファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を含む。第１の回折格子のセット及び第２の回折格子のセットは、それぞれ、ファイバのセクションにわたって連続的に延びる複数の回折格子を含み得る。このセクションは、光ファイバの全長に沿って実質的に延び得る。いくつかの実施形態では、第２の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子は、単一周波数回折格子である。他の実施形態では、第２の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子は、第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子と反対方向にチャープされる（chirped）。第１のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子と第２のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子とは、共通の格子長を有し得、第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子は、第２の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子に対して、共通の格子長の半分だけオフセットされ得る。第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子のチャープレート（chirp  rate）は、第２の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子のチャープレートと大きさが等しくなり得る。光ファイバは、さらに単一周波数回折格子を含み得、単一周波数回折格子及び第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子は連続回折格子である。光ファイバは、マルチコアファイバであり得る、すなわち、少なくとも１つの追加のファイバコアを含み得る。追加のファイバコアのそれぞれについて、追加のファイバコアは、同様に、その中に刻まれる２つのオーバーラップする回折格子のセットを有し得、２つのオーバーラップする回折格子のセットのうちの第１のものは、ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、２つのオーバーラップする回折格子のうちの第２のものは、ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を含み、２つのオーバーラップする回折格子のうちの第２のものの１つ又は複数の回折格子は、２つのオーバーラップする回折格子のうちの第１のものの１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされない。
【００１１】
別の態様では、本開示は、光ファイバのファイバコア内に刻まれた第１及び第２の回折格子のセットを含む光ファイバに沿った歪みを測定する方法であって、第１の回折格子のセットは第２の回折格子のセットとオーバーラップし、第１の回折格子のセットは１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、第２の回折格子のセットは、第１の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子のようにチャープされていない１つ又は複数の回折格子を含む、光ファイバに沿った歪みを測定する方法を記載する。本方法は、第１及び第２の回折格子のセットからの複合反射（combined  reflections）から生じる第１の時間遅延依存反射スペクトル（time-delay-dependent  reflection  spectra）を得るようにファイバの基準状態（例えば、非歪状態）において光ファイバにインテロゲートする（問い合わせる）ステップを含み、第１の時間遅延依存反射スペクトルの各時間遅延は、ファイバに沿った複数の位置の関連する位置に対応する。本方法は、さらに、第１の回折格子及び第２の回折格子のセットからの複合反射から生じる第２の時間遅延依存反射スペクトルを得るようにファイバの歪んだ状態において光ファイバにインテロゲートするステップと、次いで、時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定するように第１の時間遅延依存反射スペクトルと第２の時間遅延依存反射スペクトルとを相関させるステップとを含み、各相関極大値は、第１の時間遅延依存反射スペクトルのスペクトル及び第２の時間遅延依存反射スペクトルのスペクトルのペア、並びに、ペアの第１の時間遅延依存反射スペクトルと第２の時間遅延依存反射スペクトルとの間の周波数シフトに対応する。相関極大値の各々について、ペアの第１の時間遅延依存反射スペクトルに関連するファイバに沿った位置における歪が、その後相関極大値に関連する周波数シフトから計算される。
【００１２】
第１の時間遅延依存反射スペクトルを第２の時間遅延依存反射スペクトルと相関させるために、本方法は、ファイバに沿った複数の位置の各々について、第２の時間遅延依存反射スペクトルの時間遅延にわたる及びファイバに沿ったその位置の周波数にわたる相関極大値を決定するように、第１の時間遅延依存反射スペクトルの関連する１つを、複数の第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々と相関させるステップを含み得る。代替的には、本方法は、第２の時間遅延依存反射スペクトルの各々について、その第２の時間遅延依存反射スペクトルを複数の第１の時間遅延依存反射スペクトルの各々と、第１の時間遅延依存反射スペクトルの時間遅延にわたる及び周波数にわたる相関極大値を決定するように、相関させるステップを含み得る。第１の場合における複数の第２の時間遅延依存反射スペクトル（又は第２の場合における複数の第１の時間遅延依存反射スペクトル）に関連する時間遅延は、特定の解像度で、期待される最大時間遅延シフトまでの時間遅延の範囲をカバーし得、時間遅延の範囲は、第１の（又は第２の）時間遅延依存反射スペクトルのそれぞれに関連する時間遅延を取り囲む。代替的には、時間遅延及び周波数にわたる相関極大値は、各々、それぞれの相関極大値の推定位置の近傍で実行される探索によって決定され得、推定位置は、周波数にわたる相関極大値のペアから外挿によって得られ、各ペアは、第１の場合における複数の第２の時間遅延依存反射スペクトル（又は第２の場合における複数の第１の時間遅延依存反射スペクトル）のそれぞれについて決定され、第１の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値及び第２の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値を含む。
【００１３】
さらなる態様は、１つ又は複数のハードウェアプロセッサによる実行のための、命令を格納する非一時的機械可読媒体に関し、命令は、プロセッサ（複数可）に上述の方法の計算動作を実行させる。いくつかの実施形態では、命令は、ハードウェアプロセッサ（複数可）に、光ファイバで測定される時間遅延依存反射スペクトルを効率的に処理することによって、光ファイバに沿った歪みを決定する動作を実行させる。光ファイバは、その中に刻まれた第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバコアを含み、第１の回折格子のセットは、第２の回折格子のセットとオーバーラップし、第１の回折格子のセットは、ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、第２の回折格子のセットは、ファイバのセクションにわたって延びる１つ又は複数の回折格子を含み、第２の回折格子のセットの１つ又は複数の回折格子は、第１の回折格子のセットの１つ又は複数のチャープ回折格子のようにチャープされない。
【００１４】
動作は、測定された時間遅延依存反射スペクトルの測定された時間遅延依存反射スペクトルの各々について、複数の時間遅延依存基準反射スペクトルのうちの少なくとも２つのそれぞれについて周波数にわたる相関極大値のペアを決定するように、それぞれの測定された時間遅延依存反射スペクトルを複数の時間遅延依存基準反射スペクトルと相関させることを含み、相関極大値のペアは、第１の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値と第２の回折格子のセットに関連する周波数にわたる相関極大値とを含む。さらに、動作は、測定された時間遅延依存反射スペクトルに関連する時間遅延及び周波数にわたる相関極大値の推定位置を決定するように、周波数にわたる相関極大値のペアから外挿することと；次いで、測定された時間遅延依存反射スペクトルの推定位置近傍の時間遅延依存基準反射スペクトルとの相関を探索することによって時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定することとを含む。この動作はまた、相関極大値に関連する周波数シフトからのその相関極大値での時間遅延依存基準反射スペクトルに関連するファイバに沿った位置での歪みを計算することを含む。
【００１５】
さらに別の態様では、歪み測定システムが記載される。システムは、上述したような光ファイバ（すなわち、コアがオーバーラップする第１及び第２の回折格子のセットを有するファイバであって、第１の回折格子のセットは１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、第２の回折格子のセットは第１の回折格子のセットのようにチャープされていない１つ又は複数の回折格子を含む、ファイバ）、ファイバコアに結合され、第１及び第２の回折格子のセットからの複合反射から生じる反射信号を測定するように構成される掃引波長干渉計システム、及び計算処理ユニットを含む。掃引波長干渉計システムは、波長可変レーザを含み得る。計算処理ユニットは、測定された反射信号を時間遅延依存反射スペクトルに変換し、時間遅延及び周波数にわたる相関極大値（各相関極大値は、ペアの時間遅延依存反射スペクトルのスペクトル及び時間遅延依存基準反射スペクトルのスペクトルに、並びに時間遅延依存反射スペクトルとペアの時間遅延依存基準反射スペクトルとの間の周波数シフトに対応する）を決定するように、時間遅延依存反射スペクトルを時間遅延依存基準反射スペクトルと相関させ、相関極大値の各々について、関連する周波数シフトからの相関極大値に対応する時間遅延依存基準反射スペクトルに関連するファイバに沿った位置における歪みを計算する。
【００１６】
光ファイバは、１つ又は複数の追加のファイバコアを含み得、各コアは、同様に、その中に刻まれた２つのオーバーラップする回折格子のセットを有する。いくつかの実施形態では、光ファイバのコアは、中央ファイバコアと、中央ファイバコアの周囲に螺旋状に巻かれた少なくとも３つの周辺ファイバコアとを含む。これらの４つのコアを用いた測定を用いて、計算処理ユニットは、ファイバに沿った複数の位置の各々について、ファイバコアについて決定される関連する周波数シフトから、軸方向歪み、曲げ歪み（bend  strain）、及びねじれ歪み（twist  strain）を計算し得る。第１及び第２の回折格子のセットは、光ファイバの全長に実質的に沿って延び得、計算処理ユニットは、光ファイバに沿った位置に対して計算された軸方向歪み、曲げ歪み、及びねじれ歪みから、光ファイバの三次元形状を計算するようにさらに構成され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、第２の回折格子のセットは、単一周波数回折格子である。他の実施形態では、第２の回折格子のセットの回折格子（複数可）は、第１の回折格子のセットのチャープ回折格子（複数可）と反対方向にチャープされる。この場合、第１及び第２の回折格子のセットは、共通の格子長を有し得、それらのチャープレートは、大きさが等しくなり得る。さらに、ファイバコアはまた、第１及び第２の回折格子のセットと連続する単一周波数回折格子を含み得る。システムは、カテーテルをさらに含み得、単一周波数回折格子は、カテーテルの先端近くに配置され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
前述の説明は、種々の例示の実施形態の以下の説明から、特に添付の図面と併せて考えると、より容易に理解できるであろう。
【００１９】
【図１Ａ】様々な実施形態による中に刻まれた一様なファイバ回折格子を有する例示的な光ファイバの概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａのファイバ回折格子の屈折率プロファイルのプロットである。
【図２Ａ】様々な実施形態によるチャープファイバ回折格子の屈折率プロファイルのプロットである。
【図２Ｂ】様々な実施形態による、図４Ａのものに対するカウンタチャープ回折格子の屈折率プロファイルのプロットである。
【図２Ｃ】様々な実施形態による複数の屈折率プロファイルの重ね合わせから得られる屈折率プロファイルのプロットである。
【図３Ａ】様々な実施形態による、チャープ回折格子を有する回折格子のオーバーラップするセットを光ファイバに刻むためのシステムの一部の概略斜視図である。
【図３Ｂ】様々な実施形態による位相マスクの図である。
【図４】様々な実施形態に従った、チャープ回折格子を有する回折格子のオーバーラップするセットを光ファイバに刻むための方法のフローチャートである。
【図５】様々な実施形態による、ファイバコアに刻まれた４つのオーバーラップする回折格子について、ファイバに沿った位置の関数としての回折格子波長を示すグラフである。
【図６Ａ】一連の等しくチャープされたオーバーラップするファイバ回折格子を含む光ファイバの例示の基準ブラッグ反射スペクトログラムを示す。
【図６Ｂ】図６Ａの基準反射スペクトログラムと、所与の時間遅延の間に同じ光ファイバで取得されたブラッグ反射スペクトルを相関させた結果生じる例示の相関信号を示す。
【図７Ａ】様々な実施形態による、オーバーラップするカウンタチャープファイバ回折格子のセットを含む光ファイバの例示の基準ブラッグ反射スペクトログラムを示す。
【図７Ｂ】図７Ａの基準反射スペクトログラムと、所与の時間遅延の間に同じ光ファイバで取得されたブラッグ反射スペクトルとを相関させた結果生じる例示的な相関信号を示す。
【図８Ａ】様々な実施形態による、単一周波数回折格子とオーバーラップするチャープファイバ回折格子のセットを含む、光ファイバの例示の基準ブラッグ反射スペクトログラムを示す。
【図８Ｂ】図８Ａの基準ブラッグ反射スペクトログラムと、所与の時間遅延の間に同じ光ファイバで取得されたブラッグ反射スペクトルとを相関させた結果生じる例示の相関信号を示す。
【図９】様々な実施形態によるオーバーラップするカウンタチャープファイバ回折格子のセットを含む光ファイバで取得されたブラッグ反射信号の信号振幅を、時間遅延の関数として示すグラフである。
【図１０Ａ】様々な実施形態による、単一周波数回折格子と連続するオーバーラップするカウンタチャープファイバ回折格子のセットを含む、光ファイバについての例示のブラッグ反射スペクトログラムを示す。
【図１０Ｂ】様々な実施形態による、単一周波数回折格子と連続するオーバーラップするカウンタチャープファイバ回折格子のセットを含む、光ファイバについての例示のブラッグ反射スペクトログラムを示す。
【図１１】様々な実施形態による、オーバーラップする回折格子を有する光ファイバに沿った歪みを測定する方法を示すフローチャートである。
【図１２】様々な実施形態による、例示の歪み測定システムのブロック図である。
【図１３】様々な実施形態による、測定信号と基準信号との間の相関に基づいてオーバーラップする回折格子を有する光ファイバに沿った歪みを計算するための例示的な計算システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示は、概して、ファイバ回折格子を有する光ファイバ、及び関連するファイバ光センシングシステム及び方法に関する。図１は、中に刻まれた単一の均一なファイバ回折格子を有する例示的な単一コア光ファイバ１００を示す。図示のように、光ファイバ１００は、クラッド１０４に囲まれたファイバコア１０２を含む。ファイバ１００は、ゲルマニウムなどのドーパントがコア１０２に添加されて、コア１０２の屈折率ｎ２をクラッド１０４の屈折率ｎ１に対して増加させ、コア１０２とクラッド１０４との間の界面における全内部反射によってコア１０２に光を導波させるように、シリカで作製され得る。オプションで、クラッド１０４は、ファイバ被覆（図示せず）によって囲まれ得る。
【００２１】
とりわけ、ゲルマニウムをドープしたファイバコアは感光性であり、紫外線（ＵＶ）光への曝露によって屈折率を変化させることができる。この特性は、ファイバの長手方向軸１０８に沿って、例えば、ｎ２と異なる屈折率ｎ３との間で、周期的に屈折率を変化させることによって、コア１０２内に回折格子１０６を形成するために使用することができる。回折格子１０６は、図示のように、一定の長さにわたるか、又はファイバの全長に沿って延び得る。格子周期Λ、すなわち、２つの隣接する屈折率極大値間の距離は、回折格子１０６が光を反射するピーク波長λＢ及び周波数ｆＢ（それぞれ「ブラッグ波長」及び「ブラッグ周波数」と呼ばれる）を決定する：λＢ＝２ｎｅΛ及びｆＢ＝ｃ／λＢ、ここで、ｎｅはファイバコア１０２の有効屈折率であり、ｃは光速である。様々な実施形態によれば、１５５０ｎｍ付近にブラッグ波長を有する回折格子が使用される。図１Ａは、方形波関数に従って、２つの離散値の間で変化する回折格子１０６内の屈折率を概略的に示す。実際には、図１Ｂの例示的な屈折率プロファイル（ファイバに沿った位置の関数としてプロット）によって示されるように、回折格子の屈折率プロファイルは、通常、正弦波により近い。図１Ａ及び図１Ｂに示すような均一なファイバ回折格子、すなわち、一定の格子周期を有する回折格子は、ブラッグ周波数及びファイバに沿った回折格子の位置に依存する特定の時間遅延において、狭い反射ピークを示す。
【００２２】
次に、図２Ａ〜２Ｃを参照すると、様々な実施形態に従って使用されるチャープファイバ回折格子の屈折率プロファイルが示されている。チャープ回折格子では、格子周期Λはファイバの軸に沿った位置の関数として変化する。格子周期Λの変化の結果として、ブラッグ波長λＢ及び周波数ｆＢは同様にファイバの軸に沿って変化し、その結果、例えば、図６Ａに示すように、周波数において変化する、より広い反射スペクトル及び時間依存反射信号をもたらす。図２Ａでは、格子周期Λは、右に向かって単調に減少する。図２Ｂは、図２Ａのものとカウンタチャープされている（counter-chirped）屈折率プロファイルを示す。すなわち、図２Ａの格子周期は右側に向かって減少（従ってブラッグ周波数が増加）するが、図２Ｂの格子周期は増加（従ってブラッグ周波数が減少）する。様々な実施形態によれば、カウンタチャープ回折格子は、光ファイバコアにオーバーラップして書き込まれる。例示のために、図２Ｃは、複数のカウンタチャープ屈折率プロファイルの重ね合わせから得られる屈折率プロファイルを示す。
【００２３】
ファイバコアにファイバ回折格子を刻むために、種々の良く知られた技術が利用可能である。均一な回折格子は、２ビーム干渉によって効率的に生成することができ、この場合、ＵＶレーザビームが、２つのビームに分割され、このビームは、ファイバの位置で干渉して、干渉パターンに沿って周期的な強度分布を生成する。屈折率変化の量は、（露光時間に加えて）光の強度に依存するため、この強度分布は、干渉パターンに対応する周期的な屈折率変化をもたらす。不均一な回折格子を形成するために、短い干渉パターンを、光ファイバがパターンに沿って平行移動されるにつれて変化させることができ、その結果、効果的に、小さい部分的にオーバーラップする回折格子のシーケンスが得られる。代替的には、適切な回折格子（典型的には位相マスクと呼ばれる溶融シリカ透過格子など）が、ＵＶ光源とファイバとの間に配置され得る。位相マスクは、＋１及び−１回折次数を用いてファイバの位置に２ビーム干渉パターンを好都合に生成する。更に別のオプションは、密に集束されたレーザビームを用いて、回折格子を点毎にファイバコアに書き込むことであり、点は所望の格子周期で離間される。この方法は、マルチコアファイバの異なるコアに異なる回折格子を書き込むことを可能にする。対照的に、２ビーム干渉又は位相マスクを使用して、同じ種類の回折格子が、ファイバのすべてのコアに同時に書き込まれる。
【００２４】
図３Ａは、様々な実施形態に従った光ファイバ内に、オーバーラップする回折格子のセット（１つ又は複数のチャープ回折格子のセットを含む）を効率的に刻み込むために、位相マスクを使用する例示的システム３００の部分を斜視図で概略的に示す。（図面は縮尺通りではないことに留意されたい。）図示のように、システムは、ＵＶレーザ３０２、可変開口３０４（例えば、マイクロメータによって駆動される）、並進ステージ（translation  stage）（図示せず）に取り付けられた位相マスクホルダ３０６、及びファイバガイド５１０を含む。位相マスクホルダ３０６は、１つ又は複数の位相マスクを保持し得る。例えば、図３Ｂに示す実施形態では、位相マスクホルダ３０６は、カラム内に配置された３つの水平に整列された（aligned）位相マスク３１２、３１３、３１４を保持する。位相マスク３１２、３１３、３１４は、例えば、クランプ機構によって所定の位置に保持され得る。
【００２５】
位相マスクホルダ３０６は、レーザ３０２によって生成されるＵＶビーム３１６内に配置され、その法線をビーム軸（ここではｘ方向）に平行に配向される。並進ステージを介して、位相マスクホルダ３０６は、例えば、モータ駆動され得るそれぞれのマイクロメータを使用して、ｙ及びｚ方向にビーム３１６に対して移動されることができる。ｚ方向の並進は、３つの位相マスク３１２、３１３、３１４のうちの１つを選択することを可能にする。位相マスクホルダ３０６に対して固定された横方向の位置に配置されるファイバガイド３１０は、選択された位相マスクの前（レーザ３０２の反対側）に固定された短い距離で、例えばファイバ３１８をファイバガイド３１０の水平方向の溝を通して通すことによって、光ファイバ３１８の水平方向の配向を確実にする。ファイバ３１８は、回折格子が異なるファイバ部分に書き込まれることを可能にするように、例えば、精密搬送機構（図示せず）を用いて、位相マスク３１２、３１３、３１４の前で、その長さに沿って（すなわち、ｙ方向に）移動可能である。ＵＶビーム３１６の中心に固定された位置で、レーザ３０２と位相マスクホルダ３０６との間に配置される可変開口３０４は、位相マスク３１２、３１３、又は３１４及びファイバ３１８を照射するために通されるビーム３１６の幅を調整することを可能にする。
【００２６】
図３Ｂに示す３つの位相マスク３１２、３１３、３１４のうち、１つの位相マスクのライン間隔は、位相マスク全体にわたって均一な周期を有し、他の２つの位相マスクのライン間隔はチャープされる、すなわち、その周期は、位相マスクの一方の側から他方の側へ増加又は減少する。チャープ位相マスク３１３、３１４は、同一であるが、一方は、位相マスクの平面内で他方に対して１８０°回転され（又は、言い換えると、逆さまに向けられ）、チャープの方向を逆にする。チャープ位相マスク３１３、３１４、したがって、それらが生成する回折格子は、チャープが直線状であり得る、すなわち、例えば、２ｎｍ／ｍｍの一定のチャープレートを有する。このチャープレートでは、例えば長さ１０ｃｍの回折格子が２００ｎｍの波長範囲をカバーする。所与のチャープレートで特定の波長範囲をカバーする回折格子を書くために、開口３０４を介してビーム幅を調整することによって対応する格子長を設定することができる。開口３０４の幅は、例えば、長さが２．５ｍｍであり、５ｎｍ幅の波長範囲にわたる回折格子を書き込むように、２．５ｍｍに設定され得る。利用可能なスペクトルに沿ったその５ｎｍ範囲の位置は、ビーム３１６を位相マスク３１３又は３１４のそれぞれの部分に位置決めするように並進ステージを用いて位相マスク３１３又は３１４をｙ方向に横方向に並進させることによって選択することができる。
【００２７】
図４は、様々な実施形態による、光ファイバの１つ又は複数のコアに、オーバーラップする回折格子のセット（チャープ回折格子を含む）を刻むための例示的な方法４００のフローチャートである。方法４００は、例えば、図３Ａ及び３Ｂのシステム３００を使用して実装され得る。一般に、方法４００は、ファイバの所与のセクション（例えば、いくつかの実施形態では、ファイバの全長）を通る複数のパス（passes）を含み、各パスは、当該セクションを越えて延びる回折格子のセットを生成する。異なるパスは、概して、刻まれた回折格子のチャープレート及び／又はカバーされたブラッグ波長範囲が異なる。格子長は、すべてのパスに対して同じであり得る（しかし、必ずしも必要ではない）。異なるパスに関連する波長範囲は、一緒に回折格子の複数のセットが特定の波長範囲をカバーするように選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、３０ｎｍの波長範囲は、各々が５ｎｍの波長範囲をカバーする６つの回折格子のセットで達成される。
【００２８】
すべてのパスに同じ格子長が使用されると仮定すると、方法４００は、所望の格子長を達成するために必要な幅に開口３０４を設定することによって開始する（動作４０２）。各パスについて、所望のチャープレート及び方向を有する位相マスクが、例えば、位相マスク３１２、３１３、３１４の中から、選択され（動作４０４）、ＵＶビーム３１６内に移動され（例えば、並進ステージ３０８のｚステージを使用して）、位相マスクは、位相マスクに沿って所望の波長範囲が選択されるように、開口に対して位置決めされる（動作４０６）。ファイバは、設定された長さ及び波長範囲の回折格子のセットをコアに書き込むように照射され（動作４０８）、次いで、ファイバは、次の回折格子を刻むためにファイバを所定の位置に配置するようにその軸に沿って移動される（動作４１０）；連続する回折格子を書き込むために、ファイバは、格子長だけ移動される。このプロセスは、ファイバの全セクションにわたって延びる回折格子のセットを順次書き込むために繰り返され、位相マスクを横切って、刻み（inscription）ステップの間の格子長の増分でファイバを移動させる。パスが完了した後、すなわち、セクションの端部に到達した（動作４１２）後、ファイバは、場合により、オフセット（例えば、図７Ａを参照して以下に示されるように）を伴って、セクションの開始部に戻される（動作４１４）。次のパスのための位相マスクがその後選択され、それが以前に使用された位相マスクと異なる場合、ＵＶビーム３１６に移動される（動作４０４）。必要に応じて、位相マスクは、次の波長範囲を選択するために横方向に並進される（動作４０６）。次いで、回折格子の次のセットが、交互に回折格子を書き込み、格子長だけファイバを並進させることによって、ファイバコアに書き込まれる（動作４０８、４１０）。（代替的には、ファイバを連続的に移動させ得、レーザは適当な位置に格子を書き込むようにファイバ位置の測定に基づいてパルス化され得る。例えば、１０ｎｓのパルス長では、ファイバの動きは事実上凍結される。）所望の数のオーバーラップする回折格子のセットを書き込むために、ファイバを通る追加のパスが生じる。
【００２９】
方法４００は、いくつかの方法で変化させることができる。例えば、パスの１つが、均一な（チャープされたものではない）回折格子を書くことを含む場合、動作４０８、４１０のより少ない反復回数でファイバのセクションをカバーすることを容易にするために格子長をより高い値（例えば、チャープ回折格子のセットの格子長の倍数）に調整することが有益であり得る。格子長調整は、各パスの開始時、例えば、（動作４０４、４０６における）位相マスクの選択及び位置決めの前又は直後に行われ得る。さらに、いくつかの実施形態では、位相マスクは、例えば、（例えば、図９及び１０に示されるように）非ゼロチャープ（非ゼロ位相変動）を有する格子に沿って均一な格子を書き込むように、所与のパス内で切り替えられ得る。代替的には、チャープ回折格子を書き込むときにファイバのサブセクションをスキップし、均一な格子をスキップされたサブセクションに別個のパスで書き込むことによって、同じ一連の回折格子を達成することができる。一般に、格子長以外の量だけファイバを並進させることによって、方法４００は、隣接する回折格子間のギャップ、又は反対に、同じパス内で書き込まれた回折格子間のオーバーラップを有する回折格子を非連続的に書き込むことを可能にする。しかし、様々な実施形態によれば、連続する回折格子は、セクションの全長に沿った歪みの決定を可能にするのに有益である。また、図４に示されるような方法４００におけるステップの正確な順序は、各実施形態において必ずしも従う必要はないことに留意されたい。例えば、正確に制御される並進ステージ３０８及び開口３０４を用いて、開口幅の調整（動作４０２）、位相マスクの選択及び垂直位置決め（動作４０４）、及び位相マスクの水平位置決め（動作４０６）は概して任意の順序で実行することができる。
【００３０】
図５は、ファイバに沿った位置の関数としての格子（又はブラッグ）波長のグラフにおける４つのオーバーラップするチャープ回折格子のセットを有する例示的な回折格子構成５００を示す。格子波長は垂直軸に沿って示され、ファイバの１ｃｍの長さのセクションに沿った位置は水平軸に沿って示される。このグラフは、後の節で説明するスペクトログラムの理想的な表現である。各個々の回折格子はグラフ内の斜めの線に対応し、ファイバセクションに沿った波長の減少又は増加を反映する。各々がファイバセクションを通過する間に形成される４つの回折格子のセットは、そのような斜めの線の４つのそれぞれの「列（rows）」として示されている。図から分かるように、回折格子の各列が５ｎｍの波長範囲に及ぶ（spans）ように、回折格子はすべて２．５ｍｍの共通の格子長及び２ｎｍ／ｍｍのチャープレートの大きさ（chirp-rate  magnitude）を共有している。４つの回折格子のセットに対応する波長範囲は連続的であり、４つの列は、集合的に、１５３０ｎｍから１５５０ｎｍの２０ｎｍの範囲に及ぶ。この波長範囲に沿って、ダウンチャープ回折格子（ファイバの長さとともに周波数が低下する）がアップチャープ回折格子（ファイバとともに周波数が上昇する）と交互に発生する。したがって、隣接する回折格子のペア内では、回折格子はカウンタチャープされる。さらに、示されるように、アップチャープ回折格子は、ダウンチャープ回折格子に対して、共通の格子長の半分だけオフセットされる。
【００３１】
図５の回折格子構成５００は、歪み及び歪みが発生するファイバに沿った位置の両方を正確且つ精密に決定するのに有用な構成の一例である。一般に、様々な実施形態によれば、歪み遅延レジストレーションを容易にする回折格子構成は、２つ以上のオーバーラップする回折格子のセットを含み、回折格子の少なくとも１つのセットがチャープされ、回折格子の異なるセットは、チャープの方向及び／又はチャープレートの大きさが異なる（チャープレートがゼロに等しい均一な非チャープ回折格子を許容する）。以下に説明するように、同じ方法でチャープされない回折格子のオーバーラップするセットは、概して、相関信号における時間遅延及び周波数シフトの範囲にわたって一意の極大値を生じ、歪み測定がファイバに沿った位置に一意的に関連付けられるのを容易にする。
【００３２】
以下では、種々の格子構成に対するブラッグ反射スペクトログラム及び関連する相関信号について説明する。これに従い、測定された時間領域反射信号は、通常、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）によって処理される。時間領域データ内の各点に対して、ＳＴＦＴは、その点に関連する（例えば、その点で始まる）時間領域信号の短いセグメントをフーリエ変換することによって反射スペクトルを生成する（すなわち、周波数の関数として信号振幅を計算する）。得られたスペクトルは時間次元に沿って積み重ねられて、一般にスペクトログラムと呼ばれる信号の二次元の時間−周波数画像を得る。
【００３３】
二次元関数ｓ（ｆ，ｔ）を時間遅延及び周波数の関数としての反射−信号振幅（すなわち、スペクトログラムの振幅）を示すとし、一次元関数ｓ（ｆ│ｔ）は、所与の時間遅延における反射スペクトル、すなわち、周波数の関数としての反射−信号振幅を示すとする。さらに、添え字の“ｒｅｆ”は基準信号又はスペクトルを示すとする。時間遅延ｔにおける反射スペクトルs（f│t）と時間遅延ｔ’における基準反射スペクトルｓｒｅｆ（ｆ│ｔ’）との間の相互相関は、その後次式で与えられる: 
【数１】
2021527197.tif 000003
これはスペクトルs（f│t）と基準スペクトルｓｒｅｆ（ｆ│ｔ’）との間の周波数シフトΔfの関数である。様々な実施形態によれば、測定信号の各（時間遅延依存）反射スペクトルｓ（ｆ│ｔ）は、測定スペクトルのそれぞれの時間遅延ｔを含む時間遅延ｔ’の範囲をまとめてカバーする複数の基準反射スペクトルｓｒｅｆ（ｆ│ｔ’）の各々と相互相関される（本明細書では簡単に「相関」される）。この範囲は、例えば、測定信号と基準信号との間の最大期待時間遅延シフトΔｔまでの対称範囲、ｔ−Δｔ≦ｔ’≦ｔ＋Δｔ、又は、時間遅延シフトが一方向のみに期待される場合には、非対称範囲、例えば、ｔ−Δｔ≦ｔ’≦ｔであり得る。相互相関は時間遅延ｔ’と周波数シフトΔfの関数として、時間遅延ｔ’の範囲にわたって相関信号に組み立てられる、ｃ（ｔ’、Δｆ│ｔ）。時間ｔに測定されたスペクトルが、ファイバの同じ位置から発生する基準スペクトルに関してΔｔだけ時間−遅延シフトされ、Δｆだけ周波数シフトされる場合、相関信号は、ｔ’＝ｔ−Δｔ、Δｆにおいてピーク、又は極大値を有する。従って、各測定スペクトルs（f│t）の相関信号ｃ（ｔ’、Δｆ│ｔ）における（ユニークな）相関ピークを同定することによって、測定信号は、基準信号の時間遅延ｔ’（ファイバ上の特定の位置に対応する）及び関連する周波数シフトΔｆ（その位置での歪みに対応する）のペアにマッピングされることができ、従って、ファイバに沿った位置の関数としての歪みにマッピングされることができる。いくつかの実施形態では、相関関数は、ある範囲の基準スペクトルとの単一の測定スペクトルの相互相関を反射する代わりに、ファイバに沿った特定の位置に対応する単一の基準スペクトルの、ある範囲の時間遅延をカバーする測定スペクトルとの相互相関を組み立てる。全ての基準スペクトルにわたって集計した結果、変化した相関信号ｃ（ｔ、Δｆ│ｔ’）はファイバに沿った歪みの同じ決定をもたらす。
【００３４】
相関信号は時間遅延、及び周波数シフトと幾つかの固定周波数オフセットの和に対応する周波数の関数として示され得る（ここではそう示される）ことに留意されたい。例えば、測定された反射スペクトルを単一周波数回折格子のスペクトルと相関させる場合、周波数シフトは、各相関ピークを、それぞれのファイバ位置において実際の反射ブラッグ周波数と関連付けるように、単一周波数回折格子のブラッグ周波数によってオフセットされ得る。相関ピークの周波数から、関連する周波数シフトは、もちろん、直接計算することができる。ここで、「周波数にわたって」スペクトルを相関すること、又は相関極大値を決定することへの言及は、「周波数シフトにわたって」、スペクトルを相関すること、又は相関極大値を決定することと同義であると理解されるものとする。
【００３５】
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、本明細書による、オーバーラップする異なってチャープされた回折格子のセットと比較するために、最初に、等しくチャープされたオーバーラップするファイバ回折格子のセットを含む光ファイバのブラッグ反射スペクトログラム及び関連する相関信号を考える。図６Ａのスペクトログラムでは、スペクトルピークは、ファイバに沿った位置に対応する時間遅延の関数として、チャープ回折格子のセットのような周波数を示す。図からわかるように、回折格子は部分的にオーバーラップし、各回折格子は、そのすぐ隣のもの（複数可）に対して１／３の格子長だけ並進され、チャープと共に、各時間遅延に対して３つのブラッグ反射ピークを生じる。
【００３６】
図６Ｂは、基準としての図６Ａのスペクトログラムと、特定の時間遅延に対する同じ光ファイバで取得されたブラッグ反射スペクトルを相関させた結果として生じる例示的な相関信号を示す。（図６Ｂ、７Ｂ、及び８Ｂに示される相関信号は、図６Ａ、７Ａ、及び８Ａに示される各基準反射スペクトログラムの全範囲をカバーすることに留意されたい。また、垂直軸は、任意のオフセットまでの周波数シフトのみを反映する。）相関信号は、図６Ａの反射信号における２つの隣接する回折格子の時間遅延距離だけ時間遅延において互いに対してシフトされた、中心セクションにおいて最も明るい平行な斜め線を形成する。この時間−遅延距離が、基準信号と測定信号との間の最大期待時間遅延（概して、最大期待歪みなどの物理的考慮のために制限される）よりも大きい場合、各測定スペクトルは、相関信号の線の１つの上にマッピングされることができる。しかし、これは、歪み効果と線によって提示される時間遅延効果との間のあいまいさを解決しない。従って、チャープ回折格子は、概して良好な解像度を与えるように広帯域反射信号を提供するが、歪み遅延レジストレーションを可能にしない。
【００３７】
次に、図７Ａ及び７Ｂを参照すると、様々な実施形態による、２つのオーバーラップするカウンタチャープされたファイバ回折格子のセットを含む光ファイバのブラッグ反射スペクトログラム及び例示の関連する相関信号が示されている。図７Ａに見られるように、２つの回折格子のセットの時間遅延依存ブラッグ周波数は「ヘリンボーン（herringbone）」パターンを形成し、アップチャープ回折格子のセットは第１の周波数範囲をカバーし、ダウンチャープ回折格子のセットは、第１の周波数範囲と連続する第２のより高い周波数範囲をカバーする。各セット内の隣接する回折格子は、格子長だけ並進される、すなわち、回折格子は、連続的である（オーバーラップすることなく）。２つのセットの間と同様に、回折格子はシフトされる。図７Ａ〜図７Ｂに示す例では、シフトは、格子長の半分であり、他の実装は、他のシフト量（例えば、１／３の格子長、１／４の格子長、１／５の格子長など）を有する回折格子のセットを使用してもよい。いくつかの実装では、２つの回折格子のセットは、ゼロシフトを有し得るが、これは、２つのオーバーラップする回折格子のブラッグ周波数が同じである位置で信号振幅にゼロが生じ、一方の回折格子の屈折率極大値が他方の回折格子のそれに対して格子周期の半分だけシフトされた場合に、反射光の破壊的干渉を引き起こす。従って、オーバーラップする格子をゼロでない量だけ横方向にオフセットすることが有益である。
【００３８】
図７Ｂに示されるように、基準として使用される図７Ａのスペクトルと所与の時間遅延におけるスペクトルの相関は、２つの回折格子のセットに対応する２つの平行線のセットを形成する。線の各セットは、各個々の回折格子に対して、それぞれの時間遅延範囲内の複数の（例えば、図示のように、２つの）線を含み得る。これらの線の間の垂直方向の間隔（例えば、時間遅延範囲７０４内の線７００、７０２の間の垂直方向の間隔）は、概して、特定の時間遅延、及び測定スペクトルが得られる反射パターンと対応する位置の関数として変化する。それらの異なる配向（又は勾配）のために、一方のセットからのいくつかの線は、他方のセットからのいくつかの線と交差し（例えば、線７０２は、線７０６、７０８と交差する）、格子長の半分に対応する間隔でのみ繰り返される時間遅延及び周波数（周波数シフトに対応する）において、明確な相関ピーク７１０を形成し、時間−遅延シフト及び周波数シフトの間の曖昧さを主に解決する。
【００３９】
直感的には、ファイバに沿った同じ位置から発生する測定反射スペクトルと基準反射スペクトルとの間の相互相関は、周波数にわたる単一の相関ピークをもたらし、周波数シフトは、その位置でのファイバ歪みから生じるピーク（もしあれば）に関連する。対照的に、ファイバに沿った２つの異なる位置で測定された２つの反射スペクトル（例えば、測定反射スペクトル及び基準反射スペクトル）の間では、一方は、概して、他方の反射ピークよりも離れた、又は互いに近い周波数で反射ピークを示す。図７Ａにおいて時間−遅延２５０における反射ピーク７２０、７２２は、時間遅延２００における反射ピーク７２４、７２６よりも近接している。結果として、ファイバに沿った２つの異なる位置から発生する測定反射スペクトルと基準反射スペクトルとの間の相互相関は、概して、周波数にわたる２つの相関ピークを生じる。回折格子の周期性のため、例外として、回折格子の長さの半分の倍数だけファイバに沿って変位される測定及び基準反射スペクトルについては、対応する反射ピークのペア（例えば、図７Ａでは、ピーク７２０、７２２のペア、及び左に回折格子の半分の周期のピーク７２８、７３０のペア）は、同じ周波数距離を有し、従って、周波数にわたる単一の相関ピークを生じる。しかし、格子長が、格子長の半分を超える時間遅延シフトが非物理的であるように選択される場合、相関ピークの結果として生じるあいまいさは、どのピークが正しい解であるかについての混乱（誤検知を引き起こす可能性があるような）を生じさせない。１ｍのセンシング長を有するファイバセンシング用途では、少なくとも２．５ｍｍの格子長が許容歪みを１２５０マイクロ歪み（microstrain）に制限する。
【００４０】
有利には、相関信号のほとんどの時間スライスにおける周波数にわたる少なくとも２つの相関ピークの存在は、時間遅延と周波数シフトの両方にわたる（より高い振幅の）相関ピークの位置を推定することを可能にする。すなわち、単に２つ以上の離散時間遅延について計算された相互相関から、推定される位置は、２つ以上の離散時間遅延についての相互相関において識別された相関ピークに２つの曲線を適合させること、及びそれらの交差を見つけるために外挿することによって見つけることができる。推定位置に基づいて、時間遅延及び周波数シフトにわたる相関ピークのための探索空間を低減することができ、計算コストを節約し、各測定スペクトルについてファイバに沿ったマッチング位置を識別する処理を高速化する。
【００４１】
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、種々の実施形態による格子構成の別の例として、単一周波数回折格子とオーバーラップするチャープ回折格子のセットを含む光ファイバについて、ブラッグ反射スペクトログラム及び関連する相関信号がそれぞれ示されている。図示された例では、図８Ａに見られるように、単一周波数回折格子のブラッグ周波数は、チャープ回折格子がまたがる（spanned）周波数の範囲内にある。図８Ｂの例示的な相関信号に示されるように、図８Ａの参照信号と、所与の時間遅延に対して同一の光ファイバで取得されたブラッグ反射スペクトルを相関させることから得られた相関信号は、水平線のペア（単一周波数回折格子に対応する）と交差する斜め線の平行ペアのセット（各線のペアの各々はチャープ回折格子の１つに対応する）を形成する。従って、相関信号は、すべての格子長を反復するピークのペアと明確な相関ピークを示す。各チャープ回折格子についての２つの相関ピークは、ある程度の曖昧さを生じさせるが、これらのピーク間の距離が、ピークのうちの１つのみを物理的にレンダリングするのに十分長い場合、すなわち、期待される時間−遅延シフトの範囲内であれば、この曖昧さを解決することができる。一般に、ピーク間の距離は、相関信号がそこから計算される測定スペクトルに関連する遅延の関数として変化し、その結果、相関信号のみに基づいて、いくつかの、しかし全てではないピークを明確にすることができる。相関ピークの残りのペアについては、相関ピークが時間遅延とともに連続的にシフトするという仮定に基づいて、近傍の曖昧性のないピークから外挿することによって、曖昧さの除去を達成することができる。
【００４２】
図７Ａ及び図８Ａの両方は、同じ長さ及びチャープレートの複数の連続した回折格子のセットを使用する回折格子の構成を示す。原則として、より小さいチャープレートを有する単一の回折格子（又はより少ない回折格子）で所望の周波数範囲をカバーすることは可能であるが、より高いチャープレートは、一般に、相関ピークを決定し、従って、測定された歪みの位置を決定する際に、より良好な精度を提供する。従って、格子長を小さな値に設定することは有益であり得るが、それでも、最大期待時間遅延シフトに関連する長さを超えるのに十分である。
【００４３】
本明細書に記載されるチャープ回折格子構成は、制御された広帯域特徴を意図的にファイバ内に導入し、測定信号と基準信号との間の時間遅延における対応する点を確立するために、均一な（すなわち、単一周波数の）回折格子における不完全性に依存する必要性を排除する。有利には、反射の全パワーを１つの周波数に集中させる欠陥から生じるランダム広帯域特徴と比較して、オーバーラップするチャープ回折格子から生じる制御された広帯域特徴は、一般に、より良い空間分解能を提供し、測定された信号のアナログ−デジタル信号変換に対する要求がより少ない。しかし、ある場合には、オーバーラップするチャープ回折格子によって導入される広帯域特徴は、均一な回折格子に固有の広帯域特徴よりも有用性が低い。例えば、単一のレーザ走査の間のファイバの形状変化の結果として生じるドップラー信号歪みの存在下での曲げ測定（２つのファイバコアの歪みから計算される曲げ）の文脈において、均一な回折格子は、基礎となる位相追跡アルゴリズムに対するドップラー信号歪みの影響の違いのために、よりロバストな曲げ測定を提供する。
【００４４】
この問題を例示するために、図７Ａに示すような「ヘリンボーン」回折格子構成で得られた反射信号の、時間の関数としての、振幅を示す図９を参照する。分かるように、振幅は、多数のゼロを含む。信号振幅がゼロの場合、良好な位相測定を行うには、基準信号及び測定信号を正確に整列させ、レーザ走査中にファイバが受ける形状変化の結果として生じるレーザ走査中の位相変調を時間においてほぼ線形にする必要がある。これは必ずしも良い仮定ではない。ファイバは、例えば、振動し、正弦波の時間遅延シフトを引き起こし得る、又は他の何らかの強力な非線形形状変化を受け得る。線形位相変調の条件が満たされない状況では、オーバーラップするチャープ回折格子は、均一な回折格子よりも精度が低い。
【００４５】
例えば、ロボットジョイント及び操縦可能なカテーテルの先端を制御するために用いられるように、フィードバック制御ループにおいて測定が用いられる場合、曲げ測定のロバスト性は非常に重要となる。特に、高速の制御ループ（例えば、約６００Ｈｚ以上で動作する）が高い力を発生する場合、不正確な曲げ測定は、制御されない運動のような劇的な結果をもたらす可能性がある。また、ジョイントにおけるロバストな曲げ測定も重要である。なぜなら、ファイバは、ジョイントにおいて、よりタイトな曲げを受け、より急速な曲げ変化を受けるからである。これらの場合、ファイバに沿った測定された歪みの位置におけるあるレベルの不確実性（すなわち、例えば、ジョイント又はカテーテル先端におけるファイバセクションのレジストレーションの喪失）は、それが曲げ角度の測定をよりロバストにするのに役立つならば、許容される。従って、ファイバ内の単一周波数回折格子をジョイント、操縦可能なカテーテル先端等に配置することが有益であり得る。
【００４６】
図１０Ａ及び１０Ｂは、様々な実施形態による、単一周波数回折格子と連続するオーバーラップするカウンタチャープファイバ回折格子のセットを含む、各光ファイバで取られた例示的なブラッグ反射スペクトログラムを示す。図１０Ａにおいて、単一周波数の回折格子は、チャープ回折格子のオーバーラップするセットを含む２つのファイバセクションの間の光ファイバの中央部分に位置する。単一周波数回折格子セクションは、例えば、ジョイントを通って配置され得る。典型的なジョイントは長さが３ｃｍから１０ｃｍの間であり、単一周波数回折格子の全長が、適切な位相マスクを用いて単一ステップで書き込まれることを可能にする。図１０Ｂは、光ファイバの端部（例えば、先端）に配置された単一周波数回折格子を示しており、そこでは、例えば、操縦可能なカテーテル先端が位置し得る。ほとんどの用途において、ファイバの単一周波数回折格子セクションは、ファイバの全長と比較して比較的短く（例えば、１０ｃｍ未満で）維持することができる。遅延はファイバの長さに沿って蓄積され、単一周波数回折格子を有するファイバの小さい長さは、それに対応して小さな量の遅延誤差を蓄積させる。
【００４７】
図１１は、様々な実施形態による、オーバーラップする回折格子のセットを有する光ファイバに沿った歪みを測定する方法１１００を示すフローチャートである。ファイバは、ファイバコア内に刻まれた少なくとも２つのオーバーラップする回折格子のセットを含み、回折格子のセットの第１のものは１つ又は複数のチャープ回折格子を含み、回折格子のセットの第２のものは、チャープされていないか又は第１のセットの回折格子（複数可）とは異なってチャープされている１つ又は複数の回折格子を含む。方法１１００は、２つ（又はそれより多く）の回折格子のセット（動作１１０２）からの複合反射から得られる第１の時間遅延依存反射スペクトル（「反射スペクトル」）を含む基準信号を得るために、ファイバの基準状態で光ファイバにインテロゲートする（問い合わせる）ステップを含み、これらの第１の時間遅延依存反射スペクトルの各時間遅延は、ファイバに沿った関連する物理的位置に対応する。方法１１００は、２つ（又はそれより多く）の回折格子のセットからの復号反射から同様に得られる第２の時間遅延依存反射スペクトル（「測定スペクトル」）を含む測定信号を得るために、ファイバの歪んだ状態で光ファイバにインテロゲートするステップをさらに含む（動作１１０４）。
【００４８】
基準反射スペクトルは、測定反射スペクトルと周波数において相互相関されて、時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定し、各相関極大値は、基準反射スペクトルのうちの１つ及び測定反射スペクトルのうちの１つのペア並びにそれらの間の周波数シフトに対応する（動作１１０６）。例えば、測定反射スペクトルの各々は、複数の基準反射スペクトルに関連する時間遅延及び周波数にわたる相関極大値を決定するために、各々の複数の基準スペクトル（各々の測定反射スペクトルに関連する時間遅延を含む時間遅延の範囲をカバーする）と相互相関され得る。あるいは、ファイバに沿った複数の位置のそれぞれについて、関連する基準反射スペクトルは、測定反射スペクトルの時間遅延及びファイバに沿ったその位置の周波数にわたる相関極大値を決定するために、複数の測定反射スペクトルと相関され得る。
【００４９】
いくつかの実施形態では、各相関信号ｃ（ｔ’，Δｆ│ｔ）又はc（ｔ，Δｆ│ｔ’）に対する相関極大値を識別するために、特定の解像度（時間遅延及び周波数シフトの増分に対応する）で、時間遅延シフト（基準スペクトルと測定スペクトルとの間の）及び周波数シフトの可能な全範囲にわたる完全なサーチが行われる。他の実施形態では、第１の回折格子のセットに関連する相関極大値と、第２の回折格子のセットに関連する相関極大値とを含む、周波数にわたる相関極大値が、それらの相関極大値から外挿することによって相関極大値の位置を推定する（動作１１１０）ために、２つ以上の離散時間遅延シフトに対して決定され（動作１１０８）、次に、相関極大値の推定位置の近傍で相関極大値の探索が行われる（動作１１０６において）。動作１１０６で決定された相関極大値の時間遅延及び関連する周波数シフトから、光ファイバに沿った歪みが計算され得る（動作１１１２）。いくつかの実施形態では、三次元ファイバ形状を決定するために、当技術分野で良く知られた技術に従って、単一ファイバの複数コアについての同時歪み測定がさらに処理される（動作１１１４）。
【００５０】
図１２は、様々な実施形態による例示的な歪み測定システム１２００のブロック図である。システム１２００は、掃引波長干渉法（ＯＦＤＲなど）を実装し、波長可変（tunable）光源１２０２（通常レーザ、しかし他の光源が使用されてもよい）、干渉インテロゲータ（interrogator）ネットワーク１２０４、レーザモニタネットワーク１２０６、分散センサとして機能する光ファイバ１２０８、データ取得ユニット１２１０、並びに、システムコントローラ及び計算処理ユニットとして機能する計算システム１２１２（したがって、本明細書では「計算処理ユニット１２１２」とも呼ばれる）を含む。計算システム１２１２は、ソフトウェアプログラムを実行する１つ又は複数の汎用ハードウェアプロセッサ（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ））などハードウェア及びソフトウェアの適切な組み合わせ及び／又は１つ又は複数の特殊目的ハードウェアプロセッサ又は回路（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）など）を含む。計算システム１２１２は、単一のデバイスとして、又は複数の（相互通信する）デバイス、例えば、光源１２０２及び／又は他の能動的に制御されるシステム構成要素の動作を制御するシステムコントローラ用の、及びデータ取得ユニット１２１０から受信した生データを処理する計算処理ユニット用の別個の装置として実装され得る。
【００５１】
光ファイバ１２０８は、その用途に応じて、シングルコアファイバ、又は図示のようにマルチコアファイバとすることができる。単一のファイバコアは、分散歪み検知のために使用されることができる。形状検知用途では、例えば、ファイバの中心軸の周りに配置された中心コア（又は導波管）と、そこから所与の半径方向距離で中心コアの周りに螺旋状に配置された３つ以上の外側コア（導波管）とを含むマルチコアファイバを使用することができる。各コアの長さに沿って行われる歪み測定は、形状検知ファイバの長さに沿ったコアの相対的位置の知識と併せて、（例えば、曲げ歪み、ねじれ歪み、軸方向歪みの測定を含む）ファイバの歪みプロファイルを得るために組み合わせることができ、それらからファイバの三次元位置及び配向を再構成することができる。本明細書による歪み遅延レジストレーションを容易にするために、光ファイバ１２０８の各コアは、チャープが異なる２つ以上のオーバーラップする回折格子のセットを含む。いくつかの実施形態では、回折格子は、ファイバ１２０８に沿った各位置での歪み測定を容易にするように、ファイバ１２０８の全長に沿って延びる。２つ以上のオーバーラップする回折格子のセットは、大きいファイバセクションにわたって延び得るが、オーバーラップは、例えば、図１０Ａ及び１０Ｂに関して説明したように、単一周波数回折格子のみを含む１つ又は複数の短いファイバセクション（例えば、ファイバ屈曲部又はファイバ先端部に位置する）において、中断されてもよい。種々の医療用途では、光ファイバの（遠位）セクションは、カテーテル内に位置し得る。医療機器（例えば、外科ツール）が位置し得るカテーテルの遠位端部は、操縦可能であり得る。その領域におけるロバストな歪み測定のために、単一周波数回折格子が、そのカテーテルの先端近くに位置し得る。
【００５２】
ＯＦＤＲ測定の間、光源１２０２は、ある範囲の波長（又は周波数）にわたって掃引される。光源１２０２によって放射される光は、光カプラの使用によって分割され、レーザモニタネットワーク１２０６及び干渉インテロゲータネットワーク１２０４にルーティングされる。レーザモニタネットワーク１２０６は、測定走査全体を通じて絶対波長基準を提供するシアン化水素（ＨＣＮ）ガスセル１２１４と、光源１２０２が波長範囲にわたって走査される際の調整レートの変動を測定するために使用される干渉計１２１６とを含み得る。干渉インテロゲータネットワーク１２０４は、一般に光ファイバ１２０８の各コアに対して１つである１つ又は複数の干渉インテロゲータを含み得る。図示された例示的なシステム１２００では、４つの干渉インテロゲータを有する４チャンネルのシステムが、形状検知に適したマルチコアファイバ１２０８にインテロゲートするために使用される。光は、干渉インテロゲータ（複数可）の測定アーム（複数可）１２１８を通って光ファイバ１２０８のコア（複数可）に入射する。光センシングファイバ１２０８内で後方散乱され、測定アーム（複数可）１２１８内に後方結合され、測定アーム（複数可）１２１８から出る光は、次に、干渉インテロゲータ（複数可）の基準アーム（複数可）１２２０に沿って移動し、そこを出る光と干渉される。１つ又は複数の光偏光ビームスプリッタが、得られた干渉パターン（複数可）をそれぞれ２つの直交偏光成分に分離し、それらは、取得ユニット１２１０の２つの検出器（例えば、フォトダイオード）によって測定される（２つの検出器が偏光分散光検出器を集合的に構成する）。干渉インテロゲータの各々は、光結合器を介して波長可変光源１２０２に結合されており、波長可変光源１２０２がある周波数範囲にわたって掃引されると、全てのチャンネルからの干渉パターンは、それぞれの偏波分散光検出器によって同時に測定され、独立して処理される。干渉インテロゲータネットワーク１２０４で生成された干渉パターン（複数可）を測定する光検出器、及びレーザモニタネットワーク１２０６のガスセル１２１４及び干渉計１２１６からの光信号を測定するためのデータ取得ユニット１２１０内の追加の検出器は、受信した光を電気信号に変換する。
【００５３】
計算処理ユニット１２１２は、例えば、各ファイバコアにおける歪みをファイバに沿った位置の関数として決定するように、２つの偏光状態に対して測定された干渉パターンから生じる電気信号を処理することができる。より詳細には、いくつかの実施形態では、データ取得ユニット１２１０は、光ファイバ１２０８の検出された干渉パターンを再サンプリングし、光周波数の一定の増分でサンプルを得るように、レーザモニタネットワーク１２０６からの情報を使用する。いったん再サンプリングされると、データは、計算処理ユニット１２１２によってフーリエ変換されて、光ファイバ１２０８の長さに沿った時間遅延の関数としての反射信号の振幅に対応する、時間領域内の反射信号を生成する。所与の時間増分で光が進む距離を使用して、この遅延は、センシングファイバ１２０８に沿った長さの尺度に変換されることができる。サンプリング期間は、空間分解能を決定し、波長可変光源１２０２が測定中に掃引された周波数範囲に反比例する。光ファイバ１２０８が歪むと、局所反射は周波数においてシフトする及び／又は光ファイバ１２０８は物理的長さが変化する。これらの歪みは、非常に再現性が高い。従って、光ファイバ１２０８に対する反射光のＯＦＤＲ測定値は、非歪み状態におけるセンシングファイバの基準信号として働くようにメモリ内に保持され得る。続いて、ファイバ１２０８が歪み下にあるときのその後の測定された反射信号は、上述の方法に従って、計算処理システム１２１２によってこの基準信号と相関されて、光ファイバ１２０８に沿った位置の関数として周波数シフトを決定し得る。
【００５４】
図１３は、測定信号と基準信号（図１１の動作１１０６〜１１１２に対応）との間の相関に基づいて、オーバーラップする回折格子を有する光ファイバに沿った歪みを計算するための例示的な計算システム１３００、すなわち、計算処理ユニット１２１２の計算機能を実装するシステムのブロック図である。システム１３００は、適切なソフトウェアを実行する汎用コンピュータハードウェアによって実装され得るが、専用ハードウェア（又は、汎用及び専用のハードウェアの組み合わせ）による実装も考えられる。図示のように、システム１３００は、１つ又は複数のプロセッサ１３０２（例えば、シングルコア又はマルチコアＣＰＵ又はグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ））、（揮発性）メインメモリ１３０４（例えば、ランダムアクセスメモリ）、１つ又は複数の非一時的機械可読媒体及び関連ドライブ（例えば、ハードディスク、光記憶装置など）を含む取り外し不可能及び／又は取り外し可能な永続的なデータストレージ１３０６、入出力デバイス１３０８（例えば、キーボード、マウス、表示装置、プリンタなど）、１つ又は複数のネットワークインターフェース１３１０、及び他のシステム構成要素を通信可能に相互接続する１つ又は複数のバス１３１２を含み得る。単一の装置として示されているが、システム１３００は、代替的には、１つ又は複数の有線又は無線ネットワークを介して互いに通信し、ネットワークインターフェース１３１０を介してネットワーク（複数可）に接続するマルチプル装置で実装されてもよい。
【００５５】
上述の計算機能を実装するために、適切なプロセッサ実行可能ソフトウェア命令１３１４、及びそれらが操作するデータ１３１６（例えば、測定された反射信号、基準スペクトル、計算結果）は、データストレージ１３０６内に、また、ソフトウェアの実行中に、メインメモリ１３０４内に記憶され得る。メインメモリ１３０４内でより詳細に示されるように（しかし、データストレージ１３０６にも適用可能である）、命令は、複数のソフトウェアモジュール又はコンポーネントにグループ化され得、各々は、全体の機能性の別個の部分を提供する。例えば、スペクトル発生器１３１８は、時間遅延及び周波数の関数として反射信号を計算するために、各測定で得られた生データを処理し得る；相関器１３２０は、スペクトルの任意のペア間の相互相関を計算し得る；ピークファインダ１３２２は、所定の時間遅延の周波数にわたる、又は周波数と時間遅延の両方にわたる、相関信号における相関極大値を決定し得る；ピーク推定器１３２４は、複数の離散時間遅延において決定された周波数にわたって、相関ピークに線を適合させ、時間遅延及び周波数シフトにわたる、相関ピークの近似的な位置を決定するために線の交点に外挿し得る；歪−プロファイル発生器１３２６は、相関ピークに基づいて、ファイバに沿って歪みを計算し得る；フローコントローラ１３２８は、例えば、どのスペクトルを相関させるかを相関器１３２０に指示するように、得られた一次元相関を２次元相関信号に組み立てるように、ピークファインダ１３２２によって極大値の探索が行われる周波数シフト及び時間遅延の範囲を決定するように等、他の構成要素の動作を調整し得る。もちろん、描かれた構成要素への編成は、多くの異なる可能性のうちの１つにすぎない。
【００５６】
当業者には容易に理解されるように、ソフトウェア構成要素１３１８-１３２８（又はそのいくつかのサブセット、又はそれらの機能の一部もしくは全部を提供する異なる構成要素のセット）は、計算システム１３００のようなシステムに統合されるか、又はそれらとは別に設けられるかにかかわらず、非一時的機械可読媒体上に具体化され得る。「機械可読媒体」という用語は、機械による実行のための命令を記憶し、符号化し、若しくは担持することができる、又は当該命令により使用され若しくは当該命令に関連するデータ構造を記憶若しくは符号化することができる有形媒体を含むと解釈されるものとする。「機械可読媒体」という用語は、したがって、固体メモリ並びに光学及び磁気媒体を含むが、これらに限定されない。機械可読媒体の特定の例としては、例えば、半導体メモリデバイス（例えば、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（EPROM）、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（EEPROM））及びフラッシュメモリデバイスを含む不揮発性メモリ；内部ハードディスク及びリムーバブルディスクなどの磁気ディスク；光磁気ディスク；ならびにCD-ROM及びDVD-ROMディスクが挙げられる。このような機械可読記憶媒体は全て、機械による使用を可能にするのに適した期間、データ及び／又は命令を記憶するのに適したハードウェア装置であり、従って、非一時的である。
【００５７】
開示された主題は、種々の例示的な実施形態に関して本明細書に記載及び説明されているが、これらの例は、例示的なものとしてのみ意図されており、限定的なものではない。主題の範囲から逸脱しない種々の修正、特徴の追加の組み合わせ、及び記載された実施形態のさらなる適用は、当業者には生じ得る。従って、本発明の主題の範囲は、以下の特許請求の範囲及び本開示によってサポートされるすべての追加の特許請求の範囲、ならびにそのような特許請求の範囲のすべての均等物によって決定されることになる。
【図１Ａ】
2021527197.tif 000004
【図１Ｂ】
2021527197.tif 000005
【図２Ａ】
2021527197.tif 000006
【図２Ｂ】
2021527197.tif 000007
【図２Ｃ】
2021527197.tif 000008
【図３Ａ】
2021527197.tif 000009
【図３Ｂ】
2021527197.tif 000010
【図４】
2021527197.tif 000011
【図５】
2021527197.tif 000012
【図６Ａ】
2021527197.tif 000013
【図６Ｂ】
2021527197.tif 000014
【図７Ａ】
2021527197.tif 000015
【図７Ｂ】
2021527197.tif 000016
【図８Ａ】
2021527197.tif 000017
【図８Ｂ】
2021527197.tif 000018
【図９】
2021527197.tif 000019
【図１０Ａ】
2021527197.tif 000020
【図１０Ｂ】
2021527197.tif 000021
【図１１】
2021527197.tif 000022
【図１２】
2021527197.tif 000023
【図１３】
2021527197.tif 000024
【国際調査報告】
2021527197.tif 000025
2021527197.tif 000026
2021527197.tif 000027