(57)【要約】本願が開示する光センサは、１つまたは複数の感知干渉素子を有している。第１検出機能部は、例えば、検出された干渉スペクトルの離散フーリエ変換を用いて、粗光路差信号を生成する。第２検出機能部は、精緻光路差信号を生成する。この生成に際し、前記粗光路差信号とともに、例えば、複数の周期伝達関数からなる少なくとも１つの組と前記干渉スペクトルとの相互相関が用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが光路差を有する１つまたは複数の感知干渉素子と、
前記１つまたは複数の感知干渉素子にプローブ光を送信するように構成された光源と、
前記１つまたは複数の感知干渉素子から受信したプローブ光における干渉スペクトルを検出するように構成されたスペクトルエンジンと、
前記干渉スペクトルから１つまたは複数の粗光路差信号を生成するように構成された第１検出機能部であって、前記１つまたは複数の粗光路差信号が、前記１つまたは複数の感知干渉素子それぞれの前記光路差に対応している、第１検出機能部と、
前記干渉スペクトル及び対応する前記１つまたは複数の粗光路差信号から、１つまたは複数の精緻光路差信号を生成するように構成された第２検出機能部であって、前記１つまたは複数の精緻光路差信号が、前記１つまたは複数の感知干渉素子それぞれの前記光路差に対応している、第２検出機能部と、を備える光センサ。
【請求項２】
前記第１検出機能部は、
前記干渉スペクトルから光路差関数を導出するとともに、
前記光路差関数における１つまたは複数のピークを探し出すように構成されており、前記１つまたは複数のピークの各々は、前記１つまたは複数の感知干渉素子の１つに対応しており、
さらに前記第１検出機能部は、対応する前記ピークから前記１つまたは複数の粗光路差信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記光路差関数は、前記干渉スペクトルから導出され、その導出に、離散フーリエ変換、及び、前記干渉スペクトルの相互相関の包絡線、のうちの少なくとも１つが用いられる、請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記第２検出機能部は、１つまたは複数の周期伝達関数からなる少なくとも１つの組と前記干渉スペクトルとの相互相関を用いて、前記１つまたは複数の精緻光路差信号を生成するように構成されており、前記周期伝達関数の各組は、前記１つまたは複数の感知干渉素子のうちから選択された１つの感知干渉素子に対する精緻光路差信号を生成するように選択される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の光センサ。
【請求項５】
前記第２検出機能部は、各感知干渉素子に対する粗光路差信号に基づいて、前記１つまたは複数の周期伝達関数の組を選択するように構成されている、請求項４の光センサ。
【請求項６】
前記第２検出機能部は、前記１つまたは複数の感知干渉素子うち、対応する一つの感知干渉素子のみの光路差を含む光路差範囲に対応する周期伝達関数の組を選択するように構成されている、請求項４又は５に記載の光センサ。
【請求項７】
前記第２検出機能部は、周期伝達関数の各組に対する前記相互相関におけるピークを探し出すとともに、前記相互相関における当該ピークの位置に基づいて前記１つまたは複数の精緻光路差信号を生成するように構成されている、請求項４、５、又は６に記載の光センサ。
【請求項８】
前記第２検出機能部は、周期伝達関数の各組を選択するに際し、当該組を用いた相互相関が一つのピークのみを含むように選択する、請求項４〜７のいずれか１つに記載の光センサ。
【請求項９】
前記粗光路差信号のうち少なくとも１つに可変オフセットを適用し、対応する感知干渉素子における分散に起因する粗光路差信号及び精緻光路差信号のそれぞれの変化率を補償するように構成されている、請求項４〜８のいずれか１つに記載の光センサ。
【請求項１０】
少なくとも二つの感知干渉素子に対応する、少なくとも二つの粗光路差信号及び少なくとも二つの精緻光路差信号を生成するように構成されている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の光圧力センサ。
【請求項１１】
各感知干渉素子毎に、当該感知干渉素子での測定量を示す信号を出力するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光圧力センサ。
【請求項１２】
測定量を示す前記信号には、温度、圧力及び加速度から選択される物理パラメータを示す少なくとも１つの信号が含まれている、クレーム１１に記載の光センサ。
【請求項１３】
測定量を示す前記信号には、圧力を示す信号及び温度を示す信号が含まれている、請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１４】
更に、前記精緻光路差信号のうちの一つである第１の信号を用いて、前記精緻光路差信号のうちの一つである第２の信号を補償し、その結果である、物理パラメータを示す補償信号を出力するように構成されている、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１５】
更に、前記精緻光路差信号のうちの一つである第１の信号と、前記精緻光路差信号のうちの一つである第２の信号とを組み合わせて、その結果である、測定量を示す信号を導出して出力する、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１６】
センサヘッドを更に備える構成において、前記１つまたは複数の干渉素子は、それぞれ当該センサヘッドに形成された光キャビティである、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の光センサ。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の干渉素子は、それぞれ前記センサヘッドに形成されているファブリ・ペロー共振器である、請求項１６に記載の光センサ。
【請求項１８】
前記センサヘッドは、圧力感知光キャビティを更に備えており、当該圧力感知光キャビティは、前記センサヘッドに形成された物理キャビティである、請求項１６又は１７に記載の光圧力センサ。
【請求項１９】
前記センサヘッドにおける圧力を示す信号を出力するように構成された第３検出機能部を更に備える、請求項１８に記載の光センサ。
【請求項２０】
前記センサヘッドに形成された加速度感知光キャビティと、前記センサヘッドにおける加速度を示す信号を出力するように構成された第３検出機能部とを更に備える、請求項１６又は１７に記載の光センサ。
【請求項２１】
前記精緻光路差信号は、前記センサヘッドにおける温度を示すものであり、当該光センサは、当該温度に対して前記加速度を示す信号を補償するように構成されている、請求項２０に記載の光センサ。
【請求項２２】
前記光源は、ブロードバンドプローブ光を前記１つまたは複数の感知干渉素子へ送信するように構成されている、請求項１〜２１に記載の光センサ。
【請求項２３】
１つまたは複数の感知干渉素子それぞれの光路差を検出する方法であって、
前記１つまたは複数の感知干渉素子にプローブ光を送信し、
前記１つまたは複数の感知干渉素子から受信したプローブ光における干渉スペクトルを検出し、
前記干渉スペクトルから、前記１つまたは複数の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、１つまたは複数の粗光路差信号を生成し、
前記干渉スペクトル及び対応する前記粗光路差信号から、前記１つまたは複数の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、１つまたは複数の精緻光路差信号を生成する、ことを含む方法。
【請求項２４】
前記１つまたは複数の精緻光路差信号は、１つまたは複数の周期伝達関数から成る少なくとも１つの組と前記干渉スペクトルとの相互相関を用いて生成されたものであり、周期伝達関数の各組は、前記１つまたは複数の感知干渉素子のうち、選択された１つの感知干渉素子に対して前記精緻光路差信号を生成するように選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
センサヘッドと加速度検出機能部とを備える加速度計であって、
前記センサヘッドは、加速度に反応する試験質量と、加速度に反応する前記試験質量の動きに応答する第１光路差を有する加速度感知干渉素子と、を備えており、加速度に対する前記試験質量の反応は、前記センサヘッドにおける温度に影響されるものであり、前記センサヘッドは、当該センサヘッドにおける温度に応答するが加速度には影響されない少なくとも１つの温度感知素子を更に備えており、
前記加速度検出機能部は、前記第１光路差から、前記センサヘッドでの加速度を検出するとともに、対応する加速度出力を提供するように構成されている、加速度計。
【請求項２６】
前記加速度検出機能部は、前記温度感知素子の検出に基づく前記センサヘッドにおける温度に応じて、検出された前記加速度を補償するように構成されている、請求項２５に記載の加速度計。
【請求項２７】
前記温度感知素子から、前記センサヘッドにおける温度を検出するとともに、対応する温度出力を提供するように構成されている、請求項２５に記載の加速度計。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの温度感知素子は、温度感知干渉素子であり、この温度感知干渉素子は、前記センサヘッドにおける温度に応答するが加速度には影響されない第２光路差を有している、請求項２５に記載の加速度計。
【請求項２９】
前記加速度検出機能部は、前記第２光路差に基づいて、前記センサヘッドにおける温度に応じて、検出された加速度を補償するように構成されている、請求項２８に記載の加速度計。
【請求項３０】
前記第２光路差から、前記センサヘッドにおける温度を検出し、対応する温度出力を提供するように構成されている、請求項２８に記載の加速度計。
【請求項３１】
前記温度感知素子は、前記センサヘッドに形成されているファブリ・ペロー共振器を備えており、このファブリ・ペロー共振器は前記センサヘッドの材料を含んでいる、請求項２５〜３０のいずれか１つに記載の加速度計。
【請求項３２】
前記温度感知素子は、ファイバーブラッググレーティングを備える、請求項２５〜２７のいずれか１つに記載の加速度計。
【請求項３３】
前記センサヘッドは、光ファイバを介して前記加速度検出機能部に結合されており、前記ファイバーブラッググレーティングは前記光ファイバに刻まれている、請求項３２に記載の加速度計。
【請求項３４】
前記ファイバーブラッググレーティングは、少なくとも部分的に前記センサヘッド内に位置する、請求項３３に記載の加速度計。
【請求項３５】
前記第１感知素子は、前記センサヘッドに形成されているファブリ・ペロー共振器であり、前記第１感知素子は、前記センサヘッドにおける物理キャビティを備えている、請求項２５〜３４のいずれか１つに記載の加速度計。
【請求項３６】
前記加速度感知干渉素子及び前記温度感知素子は、空間的に重複していない、請求項２５〜３５のいずれか１つに記載の加速度計。
【請求項３７】
前記センサヘッドは、前記第１光キャビティの境界を提供するダイヤフラムを備えており、前記試験質量は加速度に反応して前記ダイヤフラムを撓ませるように構成されている、請求項２５〜３６のいずれか１つに記載の加速度計。
【請求項３８】
前記試験質量は、前記ダイヤフラムと一体的に形成されているか、前記ダイヤフラムの内部に含まれている、請求項３６に記載の加速度計。
【請求項３９】
加速度の前記検出に対して、請求項１〜２２に基づく光センサを用いて温度に応じた補償がなさる加速度計であって、前記少なくとも１つの温度感知素子は、前記１つまたは複数の感知干渉素子により提供され、前記加速度出力に対して、前記少なくとも１つの温度感知素子からの前記精緻光路差信号を用いて、前記センサヘッドにおける温度に応じた補償がなされる、請求項２５〜３８のいずれか１つに記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサに関し、例えば、センサヘッドに配される一以上のファブリ・ペロー共振器又は他の干渉素子の光路差の変化を利用して、温度、圧力及び／又は加速度等の一以上の測定量を測定する光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
感知干渉素子を用いて実施される光圧力センサとしては、例えば英国特許出願公開第２００２９３６号明細書に記載されているファブリ・ペロー共振器が知られており、２ミラーファブリ・ペロー圧力センサヘッドへの呼掛けが、光ファイバに沿って送信される二つの異なる波長を有する光を用いて実現される。戻り反射光における二つの波長について検出された波長強度の比率は、光源から直接受け取る参照フィードを用いて適宜正規化されており、加えられる圧力に応答するセンサヘッドでの光路差を示す指標として用いられる。
【０００３】
センサヘッドにおけるファブリ・ペロー共振器に基づく他の光圧力センサは、国際公開第２００５/０９８３８５号及び国際公開第２００９/０７７７２７号に記載されている。これらの文献は、高温で使用されるセンサヘッドに関し、シリカガラスやシリコン等の材料は適切ではない旨が記載されており、これらの代替として、サファイアを用いて形成されたセンサヘッドが提案されている。いくつかの例では、センサヘッド又はその近傍で終端するサファイア製光ファイバを通じて、当該センサヘッドが光学的に呼掛けられる。このようなファブリ・ペローセンサヘッドでは、センサヘッド内の物理的キャビティの少なくとも１つの反射面が圧力により撓むことにより、圧力が測定される。温度の測定は、センサヘッドの材料で形成されたキャビティの光路長の変化の原因となる、熱膨張及び屈折率の熱応答により測定される。
【０００４】
このようなセンサにおける感知干渉素子に対し、様々なブロードバンドプローブ光及び白色光干渉技術を用いて、呼掛けを行うことが知られている。しかしながら、例えば１℃よりも又は１０００Ｐａよりも優れた微小スケールでの正確性を維持しながら、例えば、数十又は数百℃の温度範囲及び数気圧の圧力範囲等の、感知素子の光路差の変化がより大きな範囲でこのような技術を確実に実施することは困難である。
【０００５】
また、センサの起動時に光路差の正確な値、ひいては物理パラメータを特定できるような方法で上述した技術を実際に用いることは困難である。
【０００６】
関連する先行技術におけるこれらの及び他の問題に対処し、その一方で、例えば、センサヘッドでの二以上の物理パラメータを同時に測定するために、又は、圧力若しくは加速度の測定に対する温度の影響等の、一の物理パラメータの測定に対する他の物理パラメータの影響に応じた補償を提供するために、複数の感知干渉素子を同時に評価できる技術を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明により提供される光センサは、それぞれが光路差を有する一以上の感知干渉素子と、前記一以上の感知干渉素子にプローブ光を送信するように構成されている光源と、前記一以上の感知干渉素子から受信したプローブ光における干渉スペクトルを検出するように構成されているスペクトルエンジンと、前記干渉スペクトルから、前記一以上の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、一以上の粗光路差信号を生成するように構成されている第１検出機能部と、前記干渉スペクトル及び前記対応する粗光路差信号から、前記一以上の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、一以上の精緻光路差信号を生成するように構成されている第２検出機能部と、を備える。
【０００８】
光源は、例えばスーパールミネッセントダイオード等を用いて、一以上の感知干渉素子にブロードバンドプローブ光を送信するように構成されていてもよい。代替的には、光源は、例えば走査レーザー光源等を用いて、周波数範囲を走査される狭帯域プローブ光を送信するように構成されていてもよい。
【０００９】
光センサは、一以上の測定量又は物理パラメータの基となる光路差を、複数の感知干渉素子から同時に測定するために用いられてもよい。また、当該光センサは、測定量毎に、広いダイナミックレンジにおいて高分解能を達成するために用いられてもよい。複数の感知干渉素子は、例えば、加速度及び温度、圧力及び温度、又は二つの温度の組み合わせを測定するために、例えば単一のセンサヘッド内で互いに組み合わされてもよい。
【００１０】
光センサは、例えばセンサヘッドの二つの部分、例えばダイヤフラム及び基部における温度を同時に測定するために用いられてもよい。これにより、センサヘッドの他の部分、例えばダイヤフラム及び基部の間に挟まれている圧力感知キャビティを用いて行われた測定値を補償するための温度測定をより正確に行うことができる。また、本発明は、同時に二以上の測定量を測定することにより、交差感度に対する補正を提供するとしてもよく、例えば圧力測定値又は加速度測定値に対する温度補正を提供するとしてもよい。光センサヘッドにおける温度の変化に対して圧力測定値を補正する方法は、例えば、本出願と同じ譲受人／出願人により、本出願と同じ日に英国知的財産庁に出願された「光圧力センサ」と題された同時係属中の特許出願に記載されている。同時係属中の特許出願の内容は、その全てが、参照により本明細書に含まれるものとする。
【００１１】
また、光センサは、第２若しくは第３測定量の測定を容易にするための、又は、第１若しくは第２検出機能部からの光路差信号を用いて補正する若しくは補正した測定量を測定するための、例えば、二波長検出機能部等の第３検出機能部を備えていてもよい。
【００１２】
上述した第１検出機能部は、干渉スペクトルから光路差関数を導出し、一以上の感知干渉素子それぞれに対応する一以上のピークを光路差関数から探し出し、当該対応するピークから一以上の粗光路差信号を生成するように構成されていてもよい。対応するピークの光路差信号は、例えば干渉スペクトルの位相の詳細から決定されてもよい。
【００１３】
具体的には、光路差関数は、例えば離散フーリエ変換等の数学的関数変換、又はその他のスペクトル法を用いて干渉スペクトルから導出されてもよい。この技術は、例えば、高速フーリエ変換を用いた場合、計算速度が向上するという利点がある。第１検出機能部は、光路差についての広いダイナミックレンジにおいて、容易に使用できるとしてもよい。しかしながら、達成される分解能及び精度は制限される。第２検出機能部を追加することにより、広いダイナミックレンジを維持しつつ、分解能及び精度を向上させることができる。
【００１４】
他の実施形態において、光路差関数は、包絡線、又は干渉スペクトルの相互相関を平滑化したものを用いて導出されてもよい。
【００１５】
第２検出機能部は、干渉スペクトルの相互相関を用いて上記一以上の精緻光路差信号を生成するように構成されていてもよい。例えば、これは干渉スペクトルと、一以上の周期伝達関数のうちの一以上の組とを相互相関させることによって実行される。周期伝達関数の各組は、上記一以上の感知干渉素子のうち、選択された感知干渉素子に対して精緻光路差信号を得るために選択されてもよい。具体的には、第２検出機能部は、対応する感知干渉素子に対する粗光路差信号に基づいて、一以上の周期伝達関数の組を選択するように構成されていてもよい。第２検出機能部は、上記感知干渉素子うち、対応する一つの感知干渉素子のみの光路差を含む光路差範囲に対応する周期伝達関数の組を選択するように構成されており、より具体的には、その組を用いた相互相関には単一のピークのみが含まれるように周期伝達関数の組を選択する。
【００１６】
第２検出機能部は、周期伝達関数の各組について、相互相関におけるピークを探し出し、当該ピークの位置に基づいて前記一以上の精緻光路差信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１７】
上述した光センサは、粗光路差信号のうち少なくとも１つに可変オフセットを適用し、対応する感知干渉素子における分散に起因する粗光路差信号及び精緻光路差信号のそれぞれの変化率を補償するように構成されていてもよい。一以上の可変オフセットは、例えば、一以上の粗光路差信号の関数として提供されてもよい。
【００１８】
上記光センサは、少なくとも二つの感知干渉素子に対応する、少なくとも二つの粗光路差信号及び少なくとも二つの精緻光路差信号を生成するように構成されていてもよい。
【００１９】
上記光センサは、各感知干渉素子毎に、当該感知干渉素子での測定量又は物理パラメータを示す信号を出力するように構成されていてもよい。測定量又は物理パラメータを示す上記信号のうち少なくとも１つは、温度、圧力、及び加速度のうちの一以上を示す信号であってもよい。例えば、上記センサは、圧力及び温度の両方を示す複数の信号、感知干渉素子での温度の影響に応じて補償された圧力信号、複数の感知干渉素子での温度を示す複数の信号、感知干渉素子での温度の影響に応じて補償された加速度信号、及び測定量についての他の組み合わせを出力するように構成されていてもよい。
【００２０】
上記光センサは、センサヘッドを更に備え、上記一以上の干渉素子は、それぞれ当該センサヘッドに形成されている光キャビティであってもよい。一以上の干渉素子は、センサヘッドに形成されている一以上のファブリ・ペロー共振器であってもよい。センサヘッドは、サファイア、シリコン、ガラス、ポリマープラスチック、又は他の材料で形成されていてもよい。
【００２１】
上記センサヘッドは、圧力感知光キャビティを更に備え、この圧力感知光キャビティは、当該センサヘッドに形成される物理キャビティを備えており、上記光センサは、上記圧力感知光キャビティに起因するプローブ光の干渉に基づき、センサヘッドでの圧力を示す信号を出力するように構成されている第３検出機能部を更に備えていてもよい。代替的には、上記センサヘッドは、内部に加速度感知光キャビティを備えており、例えば、当該センサヘッドは、検出される加速度下で、加速度感知キャビティの光路長を変更する試験質量を含んでいてもよい。この場合、上記光センサは、上記加速度感知光キャビティに起因するプローブ光の干渉に基づき、センサヘッドでの加速度を示す信号を出力するように構成されている第３検出機能部を更に備えていてもよい。いずれの場合においても、出力信号は、例えば第１及び第２検出機能部を用いて、センサヘッドにおいて検出される温度に応じて補償されるとしてもよい。
【００２２】
圧力が上記第１及び第２検出機能部を用いて検出される場合、圧力感知干渉素子は、光路差分布におけるピークとして視認可能な、十分に大きな光路差を有している必要がある。これにより、圧力は、例えば、温度感知干渉素子を用いて決定される温度変化に応じて適切な補償を行うことにより、高分解能且つ広いダイナミックレンジで検出可能である。
【００２３】
また、本発明により提供される加速度計は、加速度に反応する試験質量と、加速度に反応する前記試験質量の動きに応答する、第１光路差を有する加速度感知干渉素子とを備えるセンサヘッドであって、加速度に対する前記試験質量の反応は、前記センサヘッドでの温度にも敏感であり、センサヘッドでの温度に応答する少なくとも１つの温度感知素子（これは、温度感知干渉素子であってもよく、センサヘッドでの温度に応答する第２光路差を有していてもよい）を更に備えるセンサヘッドを備える。この場合、上記加速度計は、第１光路差から、センサヘッドでの加速度を検出するように構成されている加速度検出機能部を提供してもよい。上記加速度計は、温度感知素子に基づいて、例えば温度感知素子の第２光路差に基づいて、センサヘッドでの温度に応じた補償がなされた加速度出力を提供してもよい。代替的には、加速度出力及び温度出力は、それぞれ別の出力として提供されてもよい。
【００２４】
第１及び第２感知干渉素子は、それぞれセンサヘッドに形成されているファブリ・ペロー共振器であってもよい。第１感知干渉素子は、センサヘッドにおける物理キャビティを備えていてもよく、第２感知干渉素子はセンサヘッドの材料を含んでいてもよい。代替的には、温度感知素子は、ブラッググレーティングにより提供されてもよく、このブラッググレーティングは、例えばセンサヘッドと呼掛器を結合する光ファイバに設けられていてもよい。当然ながら、他の様々な構成を用いて加速度干渉素子を提供し、試験質量に対して当該加速干渉素子が応答するようにしてもよい。この試験質量は、加速度干渉素子の一部であってもよく、当該素子上に形成されていてもよく、又は加速度干渉素子の任意の部分とは別に形成されているが当該部分と結合した状態で形成されていてもよい。
【００２５】
一つの例示的な構成では、センサヘッドは、第１光キャビティの境界を提供するダイヤフラムを備えており、試験質量は加速度に反応してダイヤフラムを撓ませるように構成されている。上述したようないくつかの例では、試験質量は、ダイヤフラムと一体的に形成されているか、ダイヤフラムの内部に含まれている。
【００２６】
加速度の検出に対して、上述した光センサの態様を用いて温度に応じた補償がなされてもよく、少なくとも１つの温度感知干渉素子は、上記一以上の感知干渉素子により提供され、加速度出力に対して、上記少なくとも１つの温度感知素子からの精緻光路差信号を用いて、センサヘッドでの温度に応じた補償がなされるとしてもよい。
【００２７】
本発明は、更に、上述した装置に対応する方法を提供しており、例えば、一以上の感知干渉素子それぞれの光路差を検出する方法であって、前記一以上の感知干渉素子にプローブ光を送信し、前記一以上の感知干渉素子から受信したプローブ光における干渉スペクトルを検出し、前記干渉スペクトルから、前記一以上の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、一以上の粗光路差信号を生成し、前記干渉スペクトル及び前記対応する粗光路差信号から、前記一以上の感知干渉素子のそれぞれの前記光路差に対応する、一以上の精緻光路差信号を生成する、ことを含む方法を提供している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の実施形態につき、単なる例示として且つ以下の添付図面を参照しつつ説明する。
【図１】本発明に係る光圧力センサを示す模式図である。
【図２】図１の感知干渉素子を提供するために使用可能な感知光キャビティを備えるセンサヘッドの断面図である。
【図３】図１の構成に第３検出機能部を含んだ変形例を示す図であり、第３検出機能部は、例えば、二波長呼掛方式等の技術を用いて、センサヘッドでの圧力又は他のパラメータを検出する。
【図４】図１又は３のスペクトルエンジンで検出された干渉スペクトルを示す。
【図５】高速フーリエ変換を用いて図４の干渉スペクトルから導出される光路差分布を示す。
【図６】光路差分布を表す透過関数又は伝達関数の組を用いて図４の干渉スペクトルから導出される相互相関を示す。
【図７】図６のグラフの一部をより詳細に示す図である。
【図８】図６のグラフの一部をより詳細に示す図である。
【図９】図６のグラフの一部をより詳細に示す図である。
【図１０】感知干渉素子の光路差を追跡する相互相関方法における、異なる微細相互相関ピーク間のジャンプについての問題を示す。
【図１１Ａ】比較用の熱電対測定値と、図１又は３に示す第１及び第２検出機能部を用いて生成される粗光路差信号及び精緻光路差信号から導出される温度とを比較する図である。
【図１１Ｂ】比較用の熱電対測定値と、図１又は３に示す第１及び第２検出機能部を用いて生成される粗光路差信号及び精緻光路差信号から導出される温度とを比較する図である。
【図１２】は、図１又は３に示す第１及び第２検出機能部を用いて生成される粗光路差信号及び精緻光路差信号を比較する図であり、感知干渉素子での分散が第２検出機能部による相関ピークの追跡における誤差につながっていることを示す。
【図１３】精緻光路差信号の段が取り除かれていることを示す、図１２に対応する図である。
【図１４】図１２に示す段の形成を避ける目的で、粗光路差信号の調整用に適用されるオフセット信号を示す。
【図１５】圧力の代わりに加速度を検出するために用いられる試験質量を含むことを除いては、図２に示すものと同様に構成されているセンサヘッドを示す断面図である。
【図１６】図１５に示すようなセンサヘッドを用いて達成可能な理論的加速度計応答を示す。
【図１７】図１又は３に示す呼掛器と連動して用いられる図１５に示すセンサヘッドに基づいた、実験的な加速度計応答を示す。
【図１８】本発明の実施形態における感知干渉計の別の構成を示す。
【図１９】ファイバーブラッググレーティングを用いて温度が検出される場合における、加速度を検出するセンサヘッドの別の構成を示す。
【図２０】検出された干渉内でのファイバーブラッググレーティングに対する応答を示す。
【図２１】二波長呼掛器を用いた加速度感知光キャビティと、スペクトルエンジンを用いたファイバーブラッググレーティングとによって行われる検出を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明に基づく光センサを模式的に示している。呼掛器５は、光源１０を含んでいる。当該光源は、光結合器１２を経由して、プローブ光を、例えば呼掛器から離れたセンサヘッド１８に含まれている一以上の感知干渉素子１４、１６まで、複数の光ファイバ１７を用いて送信する。感知干渉素子１４、１６は、それぞれ光路差を有しており、当該光路差は、センサヘッド１８から反射して、結合器１２により結合され、呼掛器５のスペクトルエンジンへ向かうプローブ光の干渉特性の起因となる。スペクトルエンジン２０は、一以上の感知干渉素子１４、１６から生じた、プローブ光における干渉スペクトルを検出する。
【００３０】
光源は、スーパールミネッセントダイオード等のブロードバンド光源であってもよく、その場合には、スペクトルエンジン２０は、スペクトル計を備えていてもよい。スーパールミネッセントダイオードは、１５５０ｎｍの領域に中心波長を有し、約８０ｎｍの光学帯域幅を有していることが好ましい。代替的には、より狭い光学帯域幅を有するレーザ源を用いてもよい。当該レーザー源は、周波数走査型であり、この場合、光源１０とスペクトルエンジン２０との間のリンクと組み合わせて、フォトダイオード等の検出器が、スペクトルエンジンにより用いられる。これにより、走査された周波数領域における反射プローブ光のスペクトルが得られる。スペクトルエンジンは、通常、光源の波長域に略対応する強度スペクトル又はパワースペクトルを出力してもよい。このとき、例えば、この波長域において、等間隔に存在する５１２個又は１０２４個のスペクトルデータポイントを用いてもよい。
【００３１】
干渉スペクトルは、スペクトルエンジン２０から、第１検出機能部２２へ送られる。当該第１検出機能部は、干渉スペクトルに貢献する感知干渉素子１４、１６それぞれに対して粗光路差信号を生成するように構成されている。粗光路差信号は、第２検出機能部２４へ送られる。当該第２検出機能部は、この信号と干渉スペクトルを用いて、精緻光路差信号又は微細光路差信号を生成する。精緻光路差信号は、第２検出機能部２４又は呼掛器５の他の機能により用いられてもよく、例えば、センサヘッド１８での一以上の測定量、より具体的には、一以上の感知干渉素子１４、１６での一以上の測定量を示す一以上の信号、例えば図１に示すセンサヘッド１８での温度Ｔの出力等を生成するために用いられる。第１及び第２検出機能部の操作については、以下で詳細に説明する。
【００３２】
図１に示す一般構成は、センサヘッドにおける一以上の測定量を表す一以上の信号を様々な組み合わせで提供するために用いられてもよい。温度、圧力又は加速度等の、センサヘッドでのいずれか一つの測定量を表す信号を提供することに加え、単一の出力信号が二以上の測定量を組み合わせたものであるとしてもよい。この例として、温度に応じて補償された圧力信号又は加速度信号、二以上の個々の温度測定値に基づいた温度勾配又は他の複合温度信号、静圧補償された動的又は音響圧力信号等がある。また、センサヘッドでの二以上の測定量、例えば、温度と圧力、静圧と動圧、温度と圧力と加速度、又は他の適切な組み合わせ等を表す複数の信号を生成して、出力してもよい。
【００３３】
一つの特定の例においては、センサヘッドにおける複数の公知の物理特性を用いて、センサヘッドの二つの異なる部分における、二以上の温度測定量を組み合わせることにより、熱束信号を出力してもよい。
【００３４】
干渉素子は、ファブリ・ペロー共振器、マイケルソン干渉素子、マッハ・チェンダー干渉素子等の様々な形態をとり、プローブ光の反射及び透過の一方又は両方により動作する。二以上の干渉素子が用いられる場合、これらの素子は共通のセンサヘッドに設けられていてもよいし、別々の物理ユニットに設けられていてもよく、また、互いに近接、隣接、又は離間していてもよい。これらの干渉素子は、互いに離間、隣接及び／又は重複していてもよい。
【００３５】
図１の光圧力センサでの使用に適したセンサヘッド１８の例を図２に示す。類似のセンサヘッドは、参照により本明細書に含まれる国際公開第２００５／０９８３８５号及び国際公開第２００９／０７７７２７号に記載されている。例えば１０００℃を超える高温での操作においては、国際公開第２００５／０９８３８５号及び国際公開第２００９／０７７７２７号に記載されているように、センサヘッドは、サファイアから形成されてもよい。しかしながら、センサヘッドは、必要な動作温度で、プローブ光に対して十分に透過的であれば、他の誘電材料から形成されてもよい。この場合、所望の用途及び動作条件に基づいて、シリコン、その他の半導体、ガラス材料、及びポリマープラスチック材料等を誘電材料として用いてもよい。
【００３６】
図２に例示されたセンサヘッドは、凹部４２がエッチングされた又は形成された基板４０を備えている。当該凹部は、通常、基板４０と同じ材料で形成される膜又はダイヤフラム層４４で覆われている。凹部４２には、例えば、低圧不活性ガスが充填されている。センサに対する外圧により、基板４０に対して膜４４が撓み、これによって若干凹部４２の深さが変化する。凹部の深さは通常数μｍから数十μｍであり、基板の厚さは通常数百μｍとすることができる。膜４４の厚さは、その直径、使用する材料の機械的特性、及び測定する圧力の範囲に応じて選択されてもよい。これは、呼掛器５により適切に検出される圧力の範囲内で撓み範囲を提供するためである。通常、当該膜の厚みは、数十μｍから数百μｍであり、直径は、数千μｍである。
【００３７】
センサヘッド１８は、光ファイバ１７の端部と直接接触することにより、又は光ファイバ１７と融着等により接合された別の光ファイバの端部と直接接触することにより呼掛器５と結合していてもよいし、様々な方法、例えば国際公開第２００９／０７７７２７号に記載されているような方法で、光ファイバの端部から離れていてもよい。
【００３８】
図２に例示するセンサヘッド１８では、圧力感知光キャビティ３２は、膜に覆われた凹部４２により形成されるキャビティの複数の対向主表面で形成されるファブリ・ペロー共振器により提供される。同図に示すように、一以上の温度検出キャビティ３４は、基板の光学的反射面及び／又は一以上のファブリ・ペロー共振器を形成する膜４４の光学的反射面により提供される。
【００３９】
図２に示すダイヤフラム又は膜４４が厚みｔを有し、加えられる圧力ｐにより撓み、その結果である、非撓みキャビティサイズｃに対する中央撓みｙが、キャビティサイズ（ｃ−ｙ）として光学的に測定されるとする。この場合、ｙ＜＜ｔであれば、加えられる圧力と中央撓みとの関係は、撓みが比較的小さい範囲において線形であり、以下の等式が成り立つ。
【数１】
2015514977.tif 000003
【００４０】
ここで、Ｒは、ダイヤフラム半径であり、Ｅ及びｖは、それぞれ、ダイヤフラム材料のヤング係数及びポアソン比である。しかしながら、キャビティｃの絶対サイズは、主に、周縁材料の熱膨張により影響される温度関数でもある。したがって、センサが絶対圧力センサとして機能するためには、温度情報が必要となる。本明細書の他の部分で説明しているように、一方又は両方の温度感知光キャビティ３４の光路差を測定することにより、温度も同時に計測することが可能である。したがって、温度を正確に計測することにより、温度に起因する絶対圧力の測定誤差の補償を容易に行うことができる。
【００４１】
より一般的には、センサヘッド１８により提供される様々な光キャビティは、様々な方法でセンサヘッド１８に形成されてもよい。上述した少なくとも１つの温度感知光キャビティは、通常、その一部又は全体が、センサヘッドの固形材料により提供されるため、光路長は、圧力の変化に左右されず、熱膨張による温度影響及び固形材料の屈折率に対する温度影響を受けて変化する。圧力感知光キャビティ３２もまた、膜４４を支持する基板４０の固形材料の熱膨張等の温度変化の影響を受けて、長さが変化する。
【００４２】
センサヘッド内に存在するファブリ・ペロー共振器、他の光キャビティ、又は他の感知干渉素子の様々な表面は、それら表面の反射特性を変更もしくは向上させるために磨いてもよいし、及び／又は１回以上コーティングを施してもよい。ファブリ・ペロー又は他の種類の光キャビティの表面は、センサヘッドを形成する材料の境界により形成されてもよいし、センサヘッド内の異なる材料間の境界、例えば、それぞれが異なる屈折率を有する二つの材料の境界により適切な位置に形成されてもよい。
【００４３】
図２に例示するように、一以上の温度感知光キャビティ３４は、圧力感知キャビティ３２に隣接して配されてもよい。通常、膜４４の外表面４６は、センサヘッド全体の温度勾配が顕著になるほどの高い温度に晒される可能性がある。圧力感知キャビティの近くに温度感知キャビティを配することで、圧力感知キャビティ３２の光路長に影響を与える温度をより正確に測定して温度検出を行うことができる。例えば図２に示すように、二以上の温度感知キャビティを圧力感知キャビティの両側に配することにより、圧力感知キャビティ３２の光路長に影響を与える温度をより正確に測定できる。この場合、例えば、二つの温度感知キャビティを用いて測定した温度に対して、その平均値を求めるようにしてもよいし、より複雑な計算結果を用いるようにしてもよい。
【００４４】
図３は、図１の構成を拡張したものを示しており、この構成においては、図２に示すような圧力感知干渉素子を有するセンサヘッド１８が用いられ、圧力感知光キャビティ３２が第３検出機能部によって呼掛けられている。第１及び／又は第２干渉素子１４、１６は、それぞれ図２に示す温度感知光キャビティ３４によって提供され、これらのキャビティの光路差に対する呼掛けが、スペクトルエンジン２０と、第１及び第２検出機能部２２、２４とを用いて行われ、センサヘッド１８での温度が導出される。これは、温度に起因するキャビティの物理長及び屈折率の変化に基づく、単一の温度感知光キャビティの温度、又は二つの温度感知キャビティの温度の組み合わせ若しくは平均であってもよい。
【００４５】
圧力感知光キャビティ３２は第３検出機能部３０によって呼掛けられ、当該第３検出機能部は、図１に示したものとは別の技術を用いて光路差の変化を検出するように構成されている。特に、カプラ１２により第３検出機能部へ送られるプローブ光は、二つの光検出器が個々に行う検出用の、二つの異なる波長を検出するためにフィルタリングされる。これらの光検出器からの信号は、必要に応じて、センサヘッド１８に送信されなかったプローブ光から導出される同種の信号を用いて正規化される。この正規化は、光検出器からの信号が比較器に送られ、当該比較器において、センサヘッド１８の圧力感知光キャビティ３２の光路長及び／又は光路長の変化を示す圧力感知キャビティ出力信号６９を生成するための分析が行われる前に行われる。この構成は、同図に詳細に示してはいないが、例えば、英国特許出願公開第２２０２９３６号明細書等の先行技術に教示される以下の技術により達成される。圧力感知光キャビティ３２の光路長を表す信号が導出されると、当該信号に対して、第１又は第２検出機能部の出力から又は当該出力から導出される温度信号を用いて、温度に起因するキャビティ長の変化の調整又は補償が行われる。続いて、呼掛器５は、補償された信号を用いて、センサヘッド１８での圧力Ｐを表す信号又はそれに類似した信号を出力してもよい。
【００４６】
第３検出機能部は、組み合わせて又は単独で用いられてもよく、また、一以上の測定量信号の他の様々な組み合わせを出力するために、第１及び第２検出機能部に追加して用いられてもよい。例えば、呼掛器５は、第３検出機能部で圧力信号を精緻化するために用いられる第１及び第２検出機能部からの温度信号に基づいて、圧力信号のみを出力してもよいし、同様に、第３検出機能部で圧力信号を精緻化するために用いられる第１及び第２検出機能部からの温度信号に基づいて、加速度信号のみを出力してもよいし、第１及び第２検出機能部から出力された一以上の測定量信号に追加して、第３検出機能部から出力された精緻化信号、加速度信号、又はその他の信号を出力してもよいし、本明細書の他の部分において説明されている、別途検出された、相互補償された、又は組み合わされた測定量のグループを出力してもよい。
【００４７】
図４は、スペクトルエンジン２０によって検出された干渉スペクトルを示しており、当該スペクトルエンジンは、例えば、ブロードバンドプローブ光を発するプローブ光源１０と、図２に示すようなセンサヘッドとに結合されている。干渉スペクトルは、本質的には、周期関数の重ね合わせにより成り立っており、各周期関数は、感知干渉素子１４、１６の一方の光路差に対応する周期を有している。図１及び３に関連して既に説明したように、スペクトルエンジン２０により検出された干渉スペクトルは、第１検出機能部２２に送られて、この第１検出機能部が、感知干渉素子毎に粗光路差信号を生成する。これは、例えば、離散フーリエ変換を干渉スペクトルに適用して、図５に示すような光路差分布を得ることにより実現できる。粗光路差信号の決定に用いられる光路差分布を生成する他の方法としては、例えば後述するように、第２検出機能部の動作に関連して相互相関関数を用いて、その包絡線のピークを計算するものがある。この計算には、例えば、以下で詳しく説明するヒルベルト変換を用いることができる。
【００４８】
図５は、図４の干渉スペクトルから導出される、マイクロメートル単位での光路差の測定に対する相対振幅としてプロットされた光路差分布を示す。尚、この分布の光路差尺度と、グラフに示す感知干渉素子の実際の光路差との関係は、概算にすぎない。同図において、６３０μｍ及び１６７０μｍの光路差を有する二つの感知干渉素子１４、１６に対応する二つのピークが明確に視認できる。図２に示す圧力感知光キャビティ３２の、より小さい光路差に対応すると考えられるピークは、グラフ左側の直流成分の寄与に含まれるため視認できない。
【００４９】
例えば、第１検出機能部は、光路差分布を用いて、一以上の検出された感知干渉素子に対応するピークを探し出し及び／又は分離し、当業者に既知の数値法を用いて、各ピークの中央又は最高点を探し出し、検出された各感知干渉素子毎にピーク位置に対応する粗光路差信号を生成する。粗光路差信号を生成するための、より具体的な方法であって、且つ精度が高いと考えられる方法は、例えば、Liu and Fernando, Review of Scientific Instruments, volume 71, page 1275, 2000年3月、又は、Y. Jiang, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20, No. 2, 2008年1月, p75にしたがって実施可能である。そのような方法の一つとして、Egorov et al., Proc SPIE, vol 3201, 44 (1997年)には、以下が記載されている。まず、スペクトルエンジンから出力される干渉スペクトルに用いられる波長アレイから、等間隔に並ぶ光周波数アレイを作成し、この新たなアレイにおけるスペクトルの新たな振幅を補間により計算する。続いて、補間スペクトルの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより、光路差分布を提供する。対象とする感知干渉素子の選択は、他のピークをフィルタリングすることにより行われる。当該フィルタリングは、各素子の概算のサイズが分かっていれば、困難なく自動的に行うことができる。フィルタリング後、逆ＦＦＴが行われ、自然対数を求めることにより、複素数のアレイが得られる。これらの複素数それぞれの虚数部分は、各光周波数点の光位相を表す。位相アンラッピングアルゴリズムを適用することにより、位相と周波数との線形関係が得られる。この勾配は、選択されたピーク及び感知干渉素子の光路差に比例している。
【００５０】
図１及び３に関連して既に説明したように、スペクトルエンジン２０により検出された干渉スペクトルは、各感知干渉素子に対して精緻光路差信号を生成するために、各感知干渉素子の粗光路差信号と共に第２検出機能部２４にも送信される。これは、干渉スペクトルと、選択された複数の周期伝達関数との間の相互相関を用いて実現できる。通常、このような周期伝達関数は、感知干渉素子の簡易理論透過率関数又は反射率関数であり、相互相関を実行するための適切な技術は、例えばZhengou and Qingxu, Proceedings of the 6th International Symposium on Test and Measurement, Dalian, China 1-4 2005年6月, volume 4, page 3509, 2005年に記載されている。
【００５１】
相互相関は、例えば、以下のように表される。
【数２】
2015514977.tif 000004
ここで、Ｔは、プローブ光λの各波長での特定の光路差ＯＰＤに対応する周期伝達関数であり、ＣＣＦは、相互相関関数であり、Ａiは、i＝０からN−１の範囲での各波長λiにおける干渉スペクトルの振幅である。
【００５２】
全ての感知干渉素子の全光路差に対応する周期伝達関数の組を用いた、干渉スペクトルの相互相関の結果を、図６に示す。同図において、各感知干渉素子のピークは、図５の光路差分布における各ピークに対応する位置に存在する。図５に関して、横座標は、光路差で表されており、縦座標は相互相関の結果の正規化値である。図７は、約１６７０μｍの光路差を有する感知干渉素子の位置に略対応するように選択された周期伝達関数の組を用いた相互相関の結果を示す。相互相関の結果が、一連の微細相関ピークであることが分かり、その包絡線のみが図６に示されている。複数の微細相関ピークは、ブロードバンドプローブ光の使用に起因しているか、又は、干渉スペクトルを提供するために、波長帯域全体において、プローブ光を走査することに起因する。図８は、１６７０マイクロメータのピーク付近の、より限定して選択された周期伝達関数の結果を示すものであり、図９は、上述した複数の微細相関ピークのうちの一つを含む複数の光路差に対応する周期伝達関数の組を用いて、相互相関を実行した結果である。図９に示すデータから、０．０１μｍ、０．００１μｍ、又はそれ以下での光路差の変化は、第２検出機能部が変化ピークの動きを追跡することにより、容易に検出できる。
【００５３】
第２検出機能部により、様々な方法で相互相関を実施することができる。追跡すべき微細相関ピークの近似位置が、例えば粗光路差信号に基づき妥当な精度で分かっている場合、ごく限られた組の周期伝達関数を用いて、微細相関ピークの位置を追跡することができる。原則的には、相関ピークの片側の信号の立ち上がりと立ち下がりを監視することにより、そのような関数を一つだけ用いることができる。このような周期伝達関数を二つ又は三つ用いることにより、非常に高い精度でピーク位置を確立することができる。通常、第２検出機能部が微細相関ピークの追跡に使用する伝達関数の組は、そのようなピークの一つの光路差範囲あるいはそれ以下の範囲に対応している。
【００５４】
当然ながら、図９に示す１６６７μｍ付近の微細相関ピークのフィネスを用いて、非常に高い精度で、選択された感知干渉素子の光路差を特定することもできる。この場合、通常、第１検出機能部からの粗光路差信号のみを用いた場合に比べて、ずっと精度が上がる。例えば、近赤外波長のサファイア光キャビティ等の、非分散型又は分散度が非常に低い感知干渉素子の場合、相互相関ピークのうち選択された一つのピークは、第１検出機能部により用いられる光路差分布において対応するピークと非常に密接に対応して移動する。上述した感知干渉素子のうち一つ以上が分散型である場合、付加的な技術を利用して、第２検出機能部による単一の相互相関ピークの追跡精度を向上させることができる。
【００５５】
上記離散フーリエ変換に基づく方法を用いて第１検出機能部が使用する光路差分布を導出する代わりに、干渉スペクトルと、当該干渉スペクトルにおいて、感知干渉素子に対応するピークの少なくとも一部分の範囲における複数の光路差を示す複数の周期伝達関数との間の相互相関の包絡線を用いて第１検出機能部が使用する光路差分布を作成することができる。適切な相互相関については、図６、７及び８と、第２検出機能部とに関連して既に説明した通りである。適切な相互相関包絡線は、図８において、曲線５０で示されている。粗光路差信号を提供するための、干渉スペクトルの相互相関の実行対象として適切な光路差範囲は、一又は数個の相互相関関数のピークの間の距離であってもよく、例えば、図８においては、範囲Ｒで示される距離である。
【００５６】
第１検出機能部によって用いられる適切な光路差範囲における、相互相関の適切な包絡線は、例えば、“Signal Analysis", A. Papoulis, McGraw-Hill 1977年に記載されている、ヒルベルト変換Ｈ（）を用いて計算可能である。相互相関関数の非振動部分が１であるから（図７参照）、定数値である１を減算することにより、非振動部分を分離することができる。特定の光路差を表す伝達関数との相互相関をxとした場合、可変部分はｘ−１である。ヒルベルト変換を適用すると、ｘ−１曲線は、π／２だけ位相シフトすることになる。したがって、元のｘ−１部分及び位相シフトしたＨ（ｘ−１）部分を２乗すると、対応するサイン及びコサイン部分の前の共通包絡因子が分離される。したがって、包絡線は、以下のように計算することができる。
【数３】
2015514977.tif 000005
【００５７】
エッジ効果により非物理的振動が大きくなることを避けるために、広い範囲の相互相関、例えば、図７に示す範囲の略全体に対してヒルベルト変換を適用する必要がある場合もある。
【００５８】
適切な包絡線を得るための他の方法は、例えば、Kieran G. Larkin, 'Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry' J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, No. 4, 1996年4月, p.832等の文献に記載されている。
【００５９】
干渉スペクトルの相互相関の包絡線を用いて、適切な光路差分布が確立されると、例えば、関連する感知干渉素子に対応する包絡線におけるピーク位置を検出することにより、粗光路差信号を生成することができる。
【００６０】
相互相関から測定可能な光路差における近似位置及び近似変化を提供するために第１検出機能部を用いない場合、第２検出機能部が確実に単一の相互相関ピークを追跡することは困難であると考えられる。この先行技術における欠点から生じた結果を図１０に示す。同図は、単一の相互相関ピークを確実に追跡するための粗光路差信号を使用しない場合の、図１及び３に示すものと同様の相互相関構成についてのキャリブレーションテストの結果を示す。感知干渉素子が３００〜５５０℃の範囲で上昇するキャリブレーション温度に晒された際に、相互相関方式を用いて特定された光路差は、二つの相互相関ピークの一方の追跡にかなりの時間を費やしており、キャリブレーションの他の部分は、この二つのピークの間をジャンプしていることが分かる。図１０に示す全体的な結果としては、数十℃を超える広い温度範囲では、この例で使用している弱分散型の感知干渉素子でさえも、光路差の追跡は、約１．５μｍまでの範囲のみにおいて正確であるといえる。
【００６１】
第１及び第２検出機能部を用いることにより、センサの起動時に、呼掛器は、追跡すべき微細相関ピークを正しく特定することができる。また、感知干渉素子がどの物理パラメータに反応するように設計されているかによるが、例えば、幅広い温度及び／又は圧力の変化により生じる幅広い光路差の変化範囲において、正しい微細相関ピークを確実に追跡することができる。
【００６２】
感知光キャビティの光路差の測定値が特定されると、センサヘッド１８での温度又は圧力等の物理パラメータが、呼掛器５によって決定され、出力される。例えば、サファイアで形成されたセンサヘッドの場合、サファイアの群屈折率と、サファイア材料で形成された光キャビティの幾何学的厚みとが、どちらも明瞭な温度関数であることに注目することにより、温度測定を実現できる。結果として、精緻光路差信号を、適用キャリブレーション温度の関数として特定することにより、キャリブレーションを確立することができる。他のパラメータは、圧力及び応力等の、感知干渉素子の適切な設計によって決定できる。図２に示すようなセンサヘッドに関して、圧力測定は、本明細書において既に説明したように、ダイヤフラム又は膜の動きに基づき行うことができる。
【００６３】
図２に示すものと同様のサファイアセンサヘッドを用いたキャリブレーションテストにおいて、第１検出機能部及び第２検出機能部からそれぞれ出力される粗光路差信号及び精緻光路差信号から直接導出される温度を、図１１A及び１１Bに示す。予想通り、精緻光路差信号に基づいた温度は、粗信号に基づいた場合に比べて雑音が非常に少ないことが分かる。同時に行った熱電対を用いた測定を比較用に示す。温度測定において、精緻OPD信号は、粗OPD信号に比べて１０倍の改善をもたらしている。これは、個々の相互相関ピークが、FFT又は相互相関の包絡線におけるピークに比べて、より正確に追跡されるからである。
【００６４】
図２に示すようなセンサヘッドにおける二以上のファブリ・ペロー共振器等の、二以上の感知干渉素子の光路差を同時に検出するために、図１及び３の構成を容易に適用することができる。スペクトルエンジン２０によって検出された単一の干渉スペクトルは、二以上のセンサ干渉キャビティに対応する、二以上の粗光路差信号及び二以上の精緻光路差信号を第１及び第２検出機能部が同時に提供するために用いることができる。これにより、例えば、それぞれ異なる位置での二つの温度測定値、又は温度及び圧力の組み合わせ等の、二以上の物理パラメータを同時に検出することができる。
【００６５】
複数の感知干渉素子のうち一つ以上が高レベルの分散型である場合、付加的な技術を利用して、第２検出機能部による単一の相互相関ピークの追跡精度を向上させることができる。これは、例えば、サファイアの代わりにシリコンでセンサヘッド１８を形成した場合に起こり得る。第１検出機能部により検出され、且つ特定の感知干渉素子に対応している、フーリエ変換におけるピークの動き又は干渉スペクトルの相互相関における適切な包絡線は、主に、その素子の群屈折率に関係する。一方、第２検出機能部により用いられる相互相関関数における微細ピークの動きは、主に、その素子の位相屈折率に関係する。したがって、干渉素子の分散が十分に大きい場合、つまり、群屈折率と位相屈折率との差分が十分に大きい場合、第１検出機能部によって検出されたピークは、第２検出機能部によって検出されたピークとは著しく異なった割合で移動する。その結果、第２検出機能部は、光路差の変化が広範囲にわたる場合、単一のピークを追跡できなくなってしまう。この影響は、図１０に示すものに類似しているが、異なる点は、高分散性材料の場合、第２検出機能部は、光路差の広い範囲においてより多くのピーク間をジャンプする可能性があるということである。残念ながら、第２検出機能部による一つの相関ピークから次の相関ピークへの厳密なジャンプ位置は、正確に再現できないため、容易にキャリブレートを行うことができない。
【００６６】
この問題は、粗光路差信号のうち少なくとも１つにオフセットを適用し、対応する感知干渉素子における分散に起因する粗光路差信号及び精緻光路差信号のそれぞれの変化率を補償することで解決できる。特に、オフセットは、調整後の粗光路差信号を得るための可変オフセットとしてもよく、当該オフセットは、粗光路差信号に対して線形に変化又は増加してもよいし、他の解析関数によって表現される曲線に沿って変化してもよい。これにより、可変オフセットは、感知干渉キャビティにおける光路差の広い範囲において、調整後の粗光路差信号が、第２検出機能部に、単一の相関ピークを追跡させることを保証するものとなる。可変オフセットは、温度変化等の同じ駆動パラメータ変化の下で、感知干渉素子の位相及び群項における光路差の変化率の間の差分を効果的に補償する。通常、可変オフセットは、粗光路差信号及び精緻光路差信号の各々に対し異なるように設定される。可変オフセットは、第２検出機能部が受信する粗光路差信号が既にオフセットを含むように、第１検出機能部によって適用されてもよい。
【００６７】
可変オフセットは、例えば以下の方法でキャリブレートされてもよい。図１２は、シリコン等の分散材料で形成された感知干渉キャビティを有するセンサヘッドに対して行われたキャリブレーションテストの結果を示す。当該テストは、オフセットを適用せず、４０〜１８０℃の温度範囲において行われた。粗OPD信号キャリブレーション曲線で表された粗光路差信号が、ほぼ一直線状であるのに対し、精緻OPD信号キャリブレーション曲線で表された精緻光路差信号は、第２検出機能部による一つの相関ピークから他の相関ピークへのジャンプにより生じる一連の段を形成していることが分かる。これらの段は、精緻OPD信号キャリブレーション曲線から取り除かれ、図１３に示すような連続した精緻OPD信号キャリブレーション曲線が形成される。同図から分かるように、段が取り除かれた精緻OPDキャリブレーション曲線は、粗OPD曲線よりも勾配が緩い。この時点で、オフセット関数を導出することができるが、当該関数の導出は、粗光路差信号に適用すると、調整後の粗信号が精緻光路差信号を辿るように行う。この結果、調整後の粗信号は、設計された動作範囲全体に渡って、第２検出機能部に、単一の相関ピークを追跡させる。図１３のデータから導出されたオフセット関数を図１４に示す。同図において、「OPD_FFT」と書かれている横座標は、未調整粗光路差信号を表しており、「オフセット」と書かれている縦座標は、オフセット値を表しており、当該オフセット値は、第２検出機能部が、単一の相関ピークの追跡を確実に行うための調整粗光路差信号を得るために適用される値である。
【００６８】
本発明によれば、加速度を検出する光センサを構成することも可能である。図１５は、図２に示すセンサヘッドを上述した構成用に改変したものを模式的に示す。具体的には、改変されたセンサヘッド５８においては、試験質量(proof mass)６０が膜４４に対して追加されている。これは、当初から一部が厚肉部された膜を用いたり、膜に他の素子を接着したり、膜の中央部を厚く変形する等して実現することができる。試験質量は、膜の内側、外側、又は両側に形成してもよい。このようにして、加速度感知光キャビティ６２が、膜及び／又は試験質量と、物理キャビティ４２の内面との間に形成される。また、複数の温度感知光キャビティ３４を、図２と同じ方法で形成してもよいし、他の方法で形成してもよい。
【００６９】
例えば、加速度感知光キャビティ６２は、より一般的には加速度を感知する干渉素子により提供されてもよい。当該加速度感知干渉素子は、例えば、センサヘッドでの加速度に応じて移動する少なくとも１つの表面によって区画された、センサヘッドにおける物理キャビティ（空洞）であってもよい。このような物理キャビティには、通常、低圧ガスが充填される。加速度感知干渉素子は、ファブリ・ペロー共振器又はそれに類似したものであってもよい。温度感知光キャビティは、より一般的には温度干渉素子であってもよく、例えば、加速度感知キャビティ又は加速度感知干渉素子と空間的に重ならないキャビティ又は干渉素子により提供されてもよい。より具体的には、温度感知干渉素子及び加速度感知干渉素子の両方が光キャビティにより提供される場合には、例えば、これらの光キャビティは、物理的に分離された非重複キャビティであるが、これらの一部を、例えば図１５に示すように、共通の反射面により規定する構成であってもよい。加速度感知干渉素子とは対照的に、温度感知干渉素子は、通常、加速度に応答又は反応せず、また、加速度に応答する加速度感知干渉素子のいずれの面によっても規定されない。
【００７０】
軸Aの方向におけるセンサの加速度により試験質量が変位し、当該変位は、上述したように、呼掛器を用いて加速度感知光キャビティ６２の光路長における変化から検出される。センサヘッド５８の材料の温度変化に起因する当該材料の弾性特性又はバルク特性の変化は、特定の加速度の下では、試験質量の変位動作が変化する原因ともなる。したがって、検出されたセンサヘッド５８の温度を用いて呼掛器５により出力された加速度信号を補償し、温度が変化しても一貫性を保つようにしてもよい。出力する加速信号を補償するための温度感知は、具体的には、適切なスペクトルエンジンと組み合わせて、少なくとも第１検出機能部、任意により更に第２検出機能部を用いて実行してもよい。一方、加速感知キャビティの光路長からの加速度の検出は、例えば、図３に関連して既に説明した、圧力を検出するための二波長方式、又は当業者に既知の他の方式を用いて実行してもよい。
【００７１】
より一般的には、本発明の実施形態は、加速度・温度同時センサを提供するとしてもよい。加速度の測定は、共振周波数ｆ0でばね質量系を形成し、キャビティサイズ（ｄ１−ｙ）に基づき、結果として得られる相対変位ｙを測定することにより達成されてもよい。このようなばね質量系の一例として適切なものは、既に図１５に示されている。同図において、錘は試験質量６０によって、ばねは膜４４によってそれぞれ提供されているが、カンチレバーを含むシステム等、他のばね質量系を容易に使用することもできる。通常、作用する加速度毎の相対変位ｙとして定義される加速度計感度S、すなわちS＝ｙ／ａは、（加速度）信号周波数の関数である。図１６は、６ＫＨｚの共振周波数を用いたばね質量系における、当業者によく知られた３つの異なるＱ因子の値での理論的感度を示している。同図から分かるように、共振周波数をはるかに下回る信号周波数では、感度は信号周波数の影響をほとんど受けておらず、以下の式で表すことができる。
【数４】
2015514977.tif 000006
【００７２】
この場合、上述した圧力の感知と同様に、相対変位を測定して加速度を判定することができる。加速度感知光キャビティ６２は、空気キャビティであってもよいし、任意の低圧ガスで充填されていてもよい。また、温度の判定は、複数の光キャビティ３４のうちの一方又は両方の光路差を測定することにより達成されてもよい。共振周波数は温度に依存するため、感度の変化を補償する目的で温度情報が同時に必要になる場合もある。しかしながら、提供されるセンサは、加速度信号及び温度信号を別々に出力してもよく、温度測定に基づく加速度補正は、必要に応じて他のタイミングで実行してもよい。
【００７３】
図１５に示すセンサヘッド及び図３に示す呼掛器を用いて、加速度・温度同時センサのプロトタイプを構築し、当該プロトタイプにおいて、図３の圧力感知機能を加速度検知に応用した。プロトタイプのテストは、参照加速度計及び図１５に示すセンサヘッドの両方を振動台に装着し、１ｋＨｚまでの周波数範囲において０．５ｇ、０．８ｇ、及び１ｇの加速度レベルを適用することにより実施された。図１７は、１ｇでの参照センサの読み取り及び光加速度センサの測定結果を示す。ほぼ平坦な周波数応答が観測され、出力は加速レベルに比例している。
【００７４】
加速度・温度同時センサを実施するにあたって、上述した二波長呼掛器（ＤＷＩ）方式を用いて加速度検出光キャビティ６２の測定が行われ、例えば図１及び３に関連して既に説明したスペクトル法を用いて一以上の温度感知光キャビティ３４の測定が行われるようにセンサヘッド５８を設計することができる。加速度は、スペクトルエンジンのスピードを超える高い信号帯域幅を必要とする可能性がある動的測定であるため、上述した設計は非常に有用である。ＤＷＩ方式は、高い帯域幅を提供可能であり、加速度、圧力、又はそれ以外の高い信号帯域を必要とする測定量にも適用可能である。
【００７５】
図１５の加速度計センサヘッドの改変例を図１８に示す。同図に示す構成において、図２及び１５に示す要素に対応するものは、同じ参照符号を用いて示されている。図１５に示す例では、温度感知は、基板の材料により提供される温度感知光キャビティを用いたが、図１８に示す例では、センサヘッド６８での温度感知は、光ファイバ１７のコアに刻まれたファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）７０を用いて実行される。高温度での応用に特に重点を置いた、ＦＢＧのセンシング応用に関する先行技術は、S.J. Mihailov, 'Fiber Bragg Grating Sensors for Harsh Environments', Sensors Vol. 12, pp. 1898-1918 (2012年)に記載されている。
【００７６】
好適には、ＦＢＧ７０は、センサ本体との良好な熱接触を確保するために、少なくともその一部が光ファイバ１７においてセンサヘッド６８内又はその近傍に配されている。加速度感知光キャビティは、膜及び／又は試験質量と、光ファイバ１７の末端との間に形成してもよい。光ファイバの末端は、適切な部分反射を提供するために、劈開、研磨、又は加工されていてもよい。
【００７７】
ＦＢＧ７０は、いわゆるブラッグ波長で狭い反射ピークを提供する。波長１．５５μｍの場合、ピークの位置は、ガラス光ファイバ内において、大気温度により通常約１３ｐｍ／℃の割合でシフトする。温度測定性能は、例えば、図１及び３に示す上述のスペクトルエンジン２０、又は図２０に示すスペクトルエンジン８８を用いてブラッグ波長を測定した後、適切なキャリブレーションを用いてブラッグ波長を温度に変換することにより、確立できる。
【００７８】
図１８のセンサヘッド６８を構築する際には、反射強度及びＦＢＧ７０の初期ブラッグ波長を適切に設定するように注意を払う必要がある。これは、ＦＢＧに基づく温度測定と、例えば既に説明した方法で実施可能なその他のフーリエ変換及び／又は相互相関関数に基づく測定性能との間で過度な干渉を発生させないようにするためである。これは、例えば、図１９に示されるように、ブラッグ波長７２がプローブ光スペクトルの一端付近に位置するような高い反射率を有するグレーティングを選択することにより達成される。なお、図１９は、加速度感知光キャビティ６２に起因する干渉スペクトルであり、スペクトルエンジンによって検出された例を示している。
【００７９】
ＦＢＧ７０の高反射率により、プローブ光スペクトルのエッジにおける低い光レベルを補償することが可能であり、これにより、プローブ光スペクトルのピーク付近で記録され、通常、加速感知光キャビティ６２に用いられ、低反射率ファブリ・ペロー共振器から生成される戻りパワーと同様の戻りパワー値を得ることができる。したがって、利用可能な波長空間は、図１９の左側に示すＦＢＧ測定用の辺縁領域７４と、加速度感知光キャビティ６２の計測用の主領域７６とに分けられる。
【００８０】
辺縁領域７４内において、ＦＢＧピークは、ＦＢＧでの温度関数として波長シフトする。このピークの波長における位置は、特定の閾値を超えた範囲での読み取りを考慮すれば確立することができる。これにより、ＦＢＧ測定に対する加速度感知キャビティ６２の影響を抑えられる。一方、加速度感知光キャビティ６２の測定用の主領域７６は、ＦＢＧピーク７２を含んでいない。したがって、加速度感知キャビティに関する光路差は、本明細書の他の部分において説明されているように計算することができる。
【００８１】
図１８に示す加速度感知光キャビティに対しては、スペクトルエンジンと、任意により、図１及び３に示される第１及び第２検出機能部とを用いて呼掛けを行うことが可能であるが、これらの代わりに、上述したＤＷＩ読み出し方式を用いて検出されてもよい。この構成は、図２０に模式的に示されている。デマルチプレクシングフィルタ８０は、カプラ１２を介してセンサヘッド６８から戻されるブロードバンドプローブ光信号から、二つの異なる波長帯域λ１及びλ２を生成するために用いられる。これらの二つの帯域に含まれる光パワーは、それぞれ二つの異なるフォトダイオード８２、８４によって検出される。これらのフォトダイオードからの信号は、ＤＷＩアナライザ８６に送られ、加速度感知光キャビティの光路差ＯＰＤAを示す、二つのフォトダイオードからの読み出しの割合である出力が提供される。
【００８２】
二つのＤＷＩ波長帯域λ１及びλ２と干渉しないように、第３の異なる波長帯域λ３をプローブ光に追加する。この追加的な波長帯域は、ＦＢＧ波長を含んでおり、また、温度により生じるＦＢＧピークの予測波長シフトを完全に包含できるように広く設定される。ＦＢＧピーク波長の読み出しは、ＦＢＧピーク検出器９０による分析用に出力を提供するスペクトルエンジン８８を導入することにより達成される。ＦＢＧピーク検出器９０は、必要に応じて直接温度出力Ｔを提供、及び／又は、感知された温度を用いて補償を行うことにより補正加速度出力Ａを生成する加速度検出器９２に出力を提供してもよい。
【００８３】
スペクトルエンジン８８の適切な実施態様の例としては、ピーク検出性能を有するか又はレシオメトリック復調方式のスペクトルアナライザがあり（例えば、S.M. Melle et al., 'Practical fiber-optic Bragg grating strain gauge system', Applied Optics, Vol. 32, pp. 3601-3609, 1993年を参照）、これによって、送信パワーが、フィルタスロープに対するＦＢＧ波長の位置に依存することになる。
【００８４】
当業者であれば、説明した実施形態に対して、いくつかの変更及び変形が可能であることは明白であろう。例えば、上述した技術は、同じセンサヘッド１８、５８、６８内で同時に測定される測定量に限らず、空間的に分離しているが同時に測定される複数のパラメータにも適用可能である。一例として、図２１は、直列に配置された複数のファブリ・ペローキャビティｄ１、ｄ２、ｄ３・・・を示している。これらのキャビティは、光学距離ｌ１、ｌ２・・・を空けて配置されており、ｄ１、ｄ２、ｄ３・・・＜＜ｌ１、ｌ２、・・・である。これは、個々のキャビティ自体のみを光によって認識可能とするためであり、認識される対象が複合キャビティｄ１＋ｌ１、・・・とならないようにするためである。複数のファブリ・ペロー共振器の代わりに、直列配置された複数のマッハ・チェンダー干渉計を用いてもよいし、これら両タイプの混合を用いてもよい。あるいは、直列および並列に配置された複数の干渉計の組みを用いることも可能である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015514977.tif 000016
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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