(57)【要約】  光位相スクランブラが、レーザ光源に連結されて光位相をランダムに変調する。光位相は、光路に形成されたエタロン干渉計の出力で、ランダムに連続して変化しているので、干渉における２つ以上の要素は、互いにある一定の時間遅延を常に有し、互いの間にランダム位相差をもたらす。したがって、干渉の後、フリンジ振幅は、同様にランダムに変動する。そして、レシーバ側では、フリンジノイズは、該フリンジノイズが時間平均化された後、大きく低減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ分光法使用における干渉計の光フリンジ形成要素の前に光位相スクランブラを配置し、
前記フリンジ要素に向けられた光ビームに前記位相スクランブラによってランダム位相変調を連続して行い、
前記フリンジ要素の光出力からランダム光位相差を検出し、
前記フリンジ要素からの出力のランダム光位相差を示す電気信号を時間平均化することを含み、前記平均化が前記干渉計による高速振幅変動またはフリンジノイズの低減を可能にする、方法。
【請求項２】
前記干渉計が、エタロンタイプである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記配置することが、検知または測定のための光路に前記位相スクランブラを配置することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
光源に連結される、前記光源を連続してランダムに変調する光位相スクランブラと、
前記位相スクランブラによる前記ランダム変調に応答してランダム位相差を有する光出力を有する、前記光位相スクランブラに連結された干渉計と、
前記干渉計からの光出力を電気信号に変換し、前記電気信号を時間平均化して前記干渉計によるフリンジノイズの低減を可能にするためのコントローラと、を有する、装置。
【請求項５】
前記干渉計が、エタロンタイプよりなる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記位相スクランブラが、検知または測定のための光路に配置されることを備えている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
光源に連結される、前記光源を連続してランダムに変調する光位相スクランブラと、前記位相スクランブラによる前記ランダム変調に応答してランダム位相差を有する光出力を有する、前記光位相スクランブラに連結された干渉計とによるレーザ分光法に応答するコントローラを有し、
前記コントローラは、
前記フリンジ要素の光出力からランダム光位相差を検出し、
前記フリンジ要素からの出力のランダム光位相差を示す電気信号を時間平均化することを備え、前記平均化が前記干渉計による高速振幅変動またはフリンジノイズの低減を可能にする、コントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願情報
本願は、２０１４年４月１０日に出願された、「Fringe reduction method in linear spectroscopy」と題された仮出願第６１/９７８，０６９号の優先権を主張し、２０１４年４月１０日に出願された、「Optic Fiber-Based Remote Gas Leakage Monitoring with Sensor Identifier」と題された仮出願第６１／９７８，０４４号の優先権を主張し、その内容を参照により本明細書に取り込む。
本発明は、一般に光学に関し、より詳細には、レーザ分光法におけるフリンジ低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
微量ガス検知のためのレーザ分光法において、レーザスペクトルへのエタロンフリンジの影響は、スペクトルにわたる、送信レーザ出力における周期的リップルからなる主要なノイズ源である。このフリンジノイズは、通常は、微量ガス濃度のレーザ分光法測定の感度を制限する。
【０００３】
干渉フリンジの影響の最小化は、いくつかの手法によって行われてきた。ツートーン変調などの付加的波長変調方法が、フリンジ振幅を低減するために使用されてきた。そのような方法は、フリンジの特徴的幅がガス分子の吸収線と異なる場合のみ有効である。もう１つの手法は、圧電変換器またはモータを使用してフリンジ形成要素、たとえばレンズ、を振動させることである。フリンジ形成条件、すなわち光路長、の速い変化は、フリンジパターンの振幅および周期を常に変化させ、これは時間平均化することで低減できる。しかし、付加的な可動部分が、システムの維持をより難しくし、環境の変化に対する頑強性を低下させる。干渉フリンジの影響を最小化するためのさらにもう１つの手法が報告され、フリンジが生じる光学面間で略ブルースター角でビーム路において透過プレートを使用する。時間平均ベースでフリンジを低減するように、透過プレートは角度的に振動し、フリンジ形成面の間の光路長を連続して変動させる。前の手法と同じ可動部分の欠点以外に、この手法の主な欠点は、付加的プレートが光路内に挿入され、それがビームの実質的変位を生じさせ、特にマルチパスセルの設計の複雑さを増大させることである。
【０００４】
したがって、レーザ分光法におけるフリンジ低減の改善が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、レーザ分光法使用において干渉計の光フリンジ形成要素の前に光位相スクランブラを配置し、前記フリンジ要素に向けられた光ビームにランダム位相変調を位相スクランブラによって連続して行い、前記フリンジ要素の光出力からランダム光位相差を検出し、前記フリンジ要素からの出力のランダム光位相差を示す電気信号を時間平均化することを含み、該平均化が干渉計による高速振幅変動またはフリンジノイズの低減を可能にする、方法を対象とする。
【０００６】
本発明の同様の態様では、光源に連結される、該光源を連続してランダムに変調する光位相スクランブラと、該位相スクランブラによるランダム変調に応答してランダム位相差を有する光出力を有する、該光位相スクランブラに連結された干渉計と、該干渉計からの光出力を電気信号に変換し、該電気信号を時間平均化して該干渉計によるフリンジノイズの低減を可能にするためのコントローラとを含む装置が提供される。
【０００７】
本発明のさらにもう１つの同様の態様では、光源に連結される、前記光源を連続してランダムに変調する光位相スクランブラと、前記位相スクランブラによる前記ランダム変調に応答してランダム位相差を有する光出力を有する、前記光位相スクランブラに連結された干渉計とによるレーザ分光法に応答し、前記フリンジ要素の光出力からランダム光位相差を検出し、前記フリンジ要素からの出力のランダム光位相差を示す電気信号を時間平均化することを備え、前記平均化が前記干渉計による高速振幅変動またはフリンジノイズの低減を可能にする、コントローラが提供される。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによって当業者には明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明による、レーザ分光法におけるフリンジ低減のための光位相スクランブリングを示す。
【図２】図２は、媒体のレーザ分光法検知における光スクランブリングを有するコントローラを示す。
【図３】図３は、本発明によるレーザ分光法の重要な態様の流れ図である。
【図４】図４は、レーザ分光法における本発明のフリンジ低減を実装するための例示的コンピュータまたはコントローラの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、レーザ光源の次に配置されて光位相をランダムに変調する光位相スクランブラを提供する。光位相は、光路に形成されたエタロン干渉計の出力で、ランダムに連続して変化しているので、干渉における２つ以上の要素は、互いにある一定の時間遅延を常に有し、互いの間にランダム位相差をもたらす。したがって、干渉の後、フリンジ振幅は、同様にランダムに変動する。そして、レシーバ側では、フリンジノイズは、該フリンジノイズが時間平均化された後、大きく低減される。
【００１１】
図１は、レーザ分光状態における本発明のフリンジ低減の適用例を示す。
【００１２】
位相スクランブラが、レーザビーム光源とエタロン干渉計との間に配置される。エタロン干渉計は、２つの表面、たとえば、２つの非理想的に透過なレンズ、によって形成される。その干渉計は、直接光出力と、エタロン干渉計内部の２回の反射の後の光出力とを生成する。
【００１３】
また、位相スクランブラは、エタロンがマルチパスセルを形成することが可能な光路、たとえば２つの非理想的に透過なレンズ、の前に配置される。入射するレーザビームの光位相は、ランダムに位相スクランブラによって連続して変調される。したがって、位相スクランブラの後に、レーザビームは、ランダムに変化する位相を有する。エタロンでは、直接通過光ビームは、表面の非理想的透過性のために、エタロンにおける２回（またはそれ以上）の反射の後に通過光と干渉する。直接通過光は、他の通過光成分とはエタロン内での異なる移動時間を経験するので、それらの通過光は、互いに経時ランダム位相差を有する。そして、干渉の後、光位相は、同様に、時間とともにランダムに変化している。したがって、エタロンによるフリンジノイズは、経時的な検出後の電気信号を平均化することによって、大きく低減することができる。
【００１４】
図２は、微量ガス検知などの媒体を検知するためのレーザ分光法適用例における位相スクランブラの適用例を示す。
【００１５】
図３は、レーザ分光法における本発明のフリンジ低減の重要な態様を示す。レーザ分光法で述べたように、フリンジノイズは、主要な原因であり、測定の感度を制限する。フリンジノイズを低減するように、フリンジ形成光要素の前の本発明の光位相スクランブリングを使用して光位相をランダムに連続して変調する。光位相スクランブラは、光路に挿入される。その位相スクランブラは、通常は検知または測定のための光路において、フリンジを形成することが可能な光路の前に配置されなければならない。ランダム位相変調が、位相スクランブラによって光ビームに連続して行われる。検出の後、電気信号は、エタロンにおける干渉による高速振幅変動をなくするために、時間平均化される。
【００１６】
本発明は、光学要素、コントローラ／コンピュータハードウェア、ファームウェアもしくはソフトウェア、またはそれら３つの組合せにおいて実装されてもよい。好ましくは、本発明のデータ処理態様は、プロセッサと、データストレージシステムと、揮発性および不揮発性メモリおよび／またはストレージ要素と、少なくとも１つの入力デバイスと、少なくとも１つの出力デバイスとを有するプログラム可能コンピュータまたはコントローラで実行されるコンピュータプログラムにおいて実装される。さらに詳しくは、参照によりその内容を本明細書に組み込む、米国特許第8380557号で論じられている。
【００１７】
例として、本発明をサポートするコンピュータまたはコントローラのブロック図が、次に図４で論じられる。コンピュータまたはコントローラは、好ましくは、ＣＰＵバスによって連結されたプロセッサ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、プログラムメモリ（好ましくは、フラッシュＲＯＭなどの書込み可能な読取り専用メモリ（ＲＯＭ））、および、入力／出力（Ｉ／Ｏ）コントローラを含む。コンピュータは、ハードディスクおよびＣＰＵバスに連結されたハードドライブコントローラを適宜含んでもよい。ハードディスクは、本発明などのアプリケーションプログラムおよびデータを記憶するために使用されてもよい。別法として、アプリケーションプログラムは、ＲＡＭまたはＲＯＭに記憶されてもよい。Ｉ／Ｏコントローラは、Ｉ／Ｏバスを用いてＩ／Ｏインターフェースに連結される。Ｉ／Ｏインターフェースは、シリアルリンク、ローカルエリアネットワーク、ワイヤレスリンク、およびパラレルリンクなどの通信リンクを介してアナログまたはデジタル形式でデータを受信および送信する。適宜、ディスプレイ、キーボードおよびポインティングデバイス（マウス）がＩ／Ｏバスに接続されてもよい。別法として、別個の接続（別個のバス）が、Ｉ／Ｏインターフェース、ディスプレイ、キーボードおよびポインティングデバイスのために使用されてもよい。プログラム可能処理システムは、事前にプログラムされてもよく、または、プログラム可能処理システムは、別のソース（たとえば、フロッピディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または別のコンピュータ）からプログラムをダウンロードすることによってプログラム（および再プログラム）されてもよい。
【００１８】
各コンピュータプログラムは、ストレージ媒体またはデバイスが、本明細書に記載の手続きを実行するためにコンピュータによって読み取られるときに、コンピュータの動作を構成および制御するために、汎用または専用プログラム可能コンピュータによって読取り可能な機械可読のストレージ媒体またはデバイス（たとえば、プログラムメモリまたは磁気ディスク）に有形に記憶される。本発明のシステムはまた、コンピュータプログラムで構成された、コンピュータ読み取り可能なストレージ媒体において具現化されると考えることができ、そのように構成されたストレージ媒体は、コンピュータを特定および所定の方式で動作させて本明細書に記載の機能を実行させる。
【００１９】
前述より、本発明は、付加的可動部分を追加することまたは測定のための光路を修正することなしに、レーザ分光法におけるフリンジノイズを大きく低減し、これは、達成が容易であり、他の手法より環境の変化に対してより頑強であり、複雑でないことを理解されたい。無用なガスが生命にとっての重大なリスクとなり得る微量ガス検知の適用分野において、そのような状況におけるレーザ分光法の改善は、生命または財産を救うことが可能である。
【００２０】
前述したことは、あらゆる点で、例証および例示であり、限定ではないものとして理解されるべきであり、本明細書で開示される本発明の範囲は、詳細な説明からではなく、特許法によって許可される全内容に従って解釈されるように特許請求の範囲から判定されるものとする。本明細書に記載および図示された実施態様は、本発明の原理の例示に過ぎず、当業者は、本発明の範囲および趣旨を逸脱することなしに、様々な修正形態を実装し得ることが理解されよう。当業者は、本発明の範囲および趣旨を逸脱することなしに、様々な他の特徴の組合せを実装し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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