JP2001516011A - 大規模な高速の、多重化された光ファイバセンサネットワーク - Google Patents

大規模な高速の、多重化された光ファイバセンサネットワーク

Info

Publication number
JP2001516011A
JP2001516011A JP2000509991A JP2000509991A JP2001516011A JP 2001516011 A JP2001516011 A JP 2001516011A JP 2000509991 A JP2000509991 A JP 2000509991A JP 2000509991 A JP2000509991 A JP 2000509991A JP 2001516011 A JP2001516011 A JP 2001516011A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wavelength
fiber
light
fbg
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000509991A
Other languages
English (en)
Inventor
チェン，シッピング
フ，イークン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Maryland at Baltimore
Original Assignee
University of Maryland at Baltimore
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Maryland at Baltimore filed Critical University of Maryland at Baltimore
Publication of JP2001516011A publication Critical patent/JP2001516011A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02195—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for tuning the grating
    • G02B6/022—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for tuning the grating using mechanical stress, e.g. tuning by compression or elongation, special geometrical shapes such as "dog-bone" or taper
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G02B6/02171—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes
    • G02B6/02176—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes due to temperature fluctuations
    • G02B6/0218—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for compensating environmentally induced changes due to temperature fluctuations using mounting means, e.g. by using a combination of materials having different thermal expansion coefficients
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0294—Multi-channel spectroscopy

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 ファイバ・ブラッグ格子センサを多重化するためのディジタル式空間および波長領域システムは、各々が複数個のファイバブラッグ格子を内蔵していて、各ファイバブラッグ格子は、ひずみに応じた対応する中心波長で光を反射または透過するための、ひずみに応じて変化する選択的な中心波長と、ファイバブラッグ格子に広帯域の光（１１０）を照射する手段と、光を選択された位置に伝搬するための各光ファイバのための手段と、各ファイバの選択された位置および波長分離された光が各光ファイバ内の各ファイバブラッグ格子に空間的に独立した信号を供給するように、各々のファイバからの光に応答して、各ファイバの位置に応じて各々の前記ファイバを中心波長に波長分離するための波長分散装置（１３６）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景 本発明は信号を多重化する方法および装置に関する。本発明は特に、ランダム
アクセス二次元撮像装置に光学的に結合された分散装置と、かつサブピクセル補
間のためのソフトウェアとを使用した、空間および波長領域で光信号を多重分離
するための方法および装置に関する。
【０００１】 光ファイバセンサシステムは、センサ当たりのコストを低減し、それによって
このようなシステムの競争力を高めるために、光源および処理用の電子機器を共
用できる多重化技術を使用している。加えて、構成部品の共用によってシステム
の総重量の軽量化に役立ち、頑丈さが増す。空間、波長、周波数および可干渉性
領域の多重化を含む多様な多重化技術が公知である。しかし、速度、クロストー
ク、信号／ノイズ比および波長の帯域幅を含む様々な要因によって、これらのど
の技術の多重化能力も一般に約１０個のセンサに制限される。あるシステムは多
重化能力を高めるために２つ、またはそれ以上の技術を利用している。特に空間
領域多重化は他の技術と組合わせることが有利であるが、その理由は一般に、そ
うしてもシステム性能が劣化しないからである。
【０００２】 光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は利用できる光ファイバセンサのなかで最
も成功したものの１つになっている。これらの装置は一般にコンパクトで、完全
な波長符号化がなされ、大量生産の可能性を有している。センサ信号は光強度の
符号化ではなく、波長符号化したものである。従って、検出された信号は光源の
出力変化と、システム損失に左右されない。加えて、ＦＢＧセンサのアレイは、
異なる中心波長を有する幾つかのＦＢＧをファイバに沿って接続することにより
容易に製造できる。各ＦＢＧは、波長領域内での波長多重化を利用して個々にア
ドレス指定できる。しかし、広帯域光源の光ファイバは制限された帯域幅しか有
していないので、波長領域自体には比較的少数のＦＢＧしか収容できない。従っ
て、システムの能力を高めるために、複合された多重化技術を利用することが望
ましい。
【０００３】 従来の空間多重化技術として、センサを多くのファイバチャネルに割り当て、
各チャネルごとに別個の電子信号処理ユニットを使用する構成が提供されている
。このようなシステムは、空間多重化の特殊な場合として光ファイバスイッチを
使用することで、複数のファイバチャネルが単一の処理ユニットを共用できるよ
うに改良可能である。しかし、各センサのサンプリング速度により測定されるシ
ステムの速度は、例えば１Ｈｚのサンプリング速度で６０個のＦＢＧのように光
学スイッチにより著しく低下する。航空宇宙構造の監視、プロセス制御、大量デ
ータ収集のような用途では、より高い多重化能力が必要であり、特により高いサ
ンプリング速度が望ましい。
【０００４】 多数のファイバチャネルを使用し、処理ユニットを共用しているディジタル式
の空間および波長領域多重化技術は本発明者らによって既に報告されている。複
数のＦＢＧを使用した単一チャネルシステムは分散装置および線走査カメラを利
用している。このシステムは単一領域の装置であり、一次元に制限されているの
で、制限された数のセンサしかアドレス指定できない。発明の概要 本発明は前述の従来の機構の欠点と制約を克服し、取り除くことを目的として
いる。本発明は特に、一方の軸上の複数のファイバチャネルと、他方の軸に沿っ
たＦＢＧ波長とを区別するために、分散装置と二次元（２Ｄ）画像センサとを使
用した波長および空間多重化がなされる大規模な高速の光ファイバセンサネット
ワークを備えることができるという発見に基づいている。例示的な１つの実施例
はランダムアクセス二次元撮像装置と、解像度を高めるためのサブピクセル補間
アルゴリズムとを利用している。
【０００５】 例示的な１つの実施例では、本発明は広帯域光源と、ファイバチャネルに沿っ
たファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を各々が含んでいるファイバチャネルに、光
源を配分するためのカップラとを備えている。各ファイバ内のＦＢＧは各々が異
なる中心波長を有し、各ＦＢＧからの反射信号はダウンリードファイバによって
伝搬される。ダウンリードファイバは波長選択分散装置の入力ポートで一次元ア
レイの線に沿って配列されている。反射光は、分散装置を通過する。この分散装
置は、波長によって反射光を分離し、光を二次元固体画像センサへと向ける。こ
の例示的な実施例では、二次元センサは、それによってデータ収集速度が高めら
れるランダムアクセス装置である。解像度を高めるためにサブピクセル補間アル
ゴリズムが用いられる。
【０００６】 別の実施例では、波長選択分散装置、二次元ランダムアクセス撮像装置および
インライン光ファイバ入力アレイをモジュールとして組合わせてもよい。広帯域
光源と、多数のファイバチャネルに配分するためのカップラを別のモジュールと
してもよい。これらのモジュールは別個に動作してもよく、単一のユニットに組
み合わさって動作してもしてもよい。
【０００７】 ＦＢＧセンサは一般に温度とひずみの双方に敏感である。本発明により、ＦＢ
Ｇアレイは温度とひずみ感度を組合わせて製造してもよく、別個に製造してもよ
い。ＦＢＧアレイはまた、ひずみ測定に容易に用いることのできる物理的特性を
検出するようにしてもよい。発明の説明 図１は、複数個のＦＢＧセンサ１６−１．．．１６−ｍを有するチャネル１４
−１，…，１４−ｎの光ファイバアレイ１２が出力１８−１，…，１８−ｎを発
生する、本発明の動作原理を一般的に示している。各出力中の光はそれぞれのＦ
ＢＧ１６−１，…，１６−ｍの中心波長に対応する選択された波長を中心とする
複数の離散波長を含む信号である。光ファイバチャネル１４−１，…，１４−ｎ
は並置され、図１Ａに示すように線Ｌに沿って空間的に分離されて配置されてい
る。同様に空間的に分離された光出力１８−１，…，１８−ｎは分散装置２０へ
と向けられ、この分散装置は各ファイバごとの信号を波長分離された複数の信号
２２−１，…，２２−ｍへと分離し、これらの信号は二次元画像センサ２４へと
向けられ、そこでスポット２５−１，…，２５−ｎを形成する。
【０００８】 センサ２４は内部にｋの列２６とｊの行２８のピクセル３０が形成された二次
元（２Ｄ）画像センサ２４であるが、ｋ及びｊはｍおよびｎよりもかなり大きい
ので、スポット２５はピクセル３０の集合（クラスタ）内に入る。図１Ｂに示す
ように、各チャネル内の波長分離されたスポット２５−１，…，２５−ｎは多か
れ少なかれ画像センサ２４の様々な列２６−１，…，２６−ｍ内に入り、アレイ
１２内の最初の光ファイバチャネル１４−１の位置に対応する行２８−１に沿っ
たピクセル３０のクラスタをカバーする。同様にして、行２８−２，…，２８−
ｎはそれぞれの光ファイバチャネル１４−２，…，１４−ｎの位置とそれぞれ対
応する。列２６は波長を表している。例えば、信号１８−１はＦＢＧの数に対応
する波長２２−１，…，２２−ｍへと分解され、図示のようにピクセル３０のク
ラスタをカバーする列２６−１，…，２６−ｍの近傍にスポットを形成する。セ
ンサ２４上の各々の一意的なピクセル座標（ｘｊ，ｙｋ）は、光ファイバアレイ
１２によって伝搬される対応する信号に関する情報を提供し、各スポット２５の
下のピクセル３０に入射する光の重み付き中心はその波長のメンバ（member）で
あり、ひいてはひずみの測定値を提供する。
【０００９】 図１、図１Ｂおよび図１Ｃに示した本発明の例示的な実施例では、センサ２４
はＣＭＯＳ撮像装置などのランダムにアクセス可能な装置でよく、それによって
、撮像装置全体で各ピクセルを順次走査する必要があるシステムとは異なり、選
択された任意のピクセル３０（ｘｊ，ｙｋ）またはピクセルのクラスタをランダ
ムにアドレス指定し、読出すことができる。
【００１０】 図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、光信号２２−１，…，２２−ｍは図示のよ
うに行と列に沿って、多少のピクセルクラスタ３０をカバーする画像センサ２４
上のスポット２５として現れる。プログラムされたコンピュータまたはマイクロ
プロセッサ３６によって適切に駆動されるドライバ装置３４は、スポット位置ま
たはその近傍に位置するピクセルクラスタ３０を選択的にアドレス指定すること
によって、センサのｘ、ｙ座標から選択的にデータを読み取る。対応する近傍の
ピクセルクラスタ３０の各々に対するスポット２５の位置に関する情報を処理し
て、ピクセルアレイ内のスポット３０の（ｘｊ，ｙｋ）における精密な中心位置
、すなわち重心３８を判定することができる。スポット２５の位置はサブピクセ
ル補間によって精密に判定できる。例示的な１つの実施例では、図１Ｂおよび図
１Ｃで十字として示された重心３８は、スポット２５の下で照射されるピクセル
の重み付き平均である。公知のアルゴリズムを用いたサブピクセル補間の技術に
よって、サブピクセルレベルでの解像が可能になり、ひいてはひずみが高い精度
で測定される。重心補間技術は、ピクセル３０上のスポット２５の重み付き平均
を表す重心３８を決定する。図１Ｄは、図１Ｃ用の重心補間をグラフで示してい
る。他のアルゴリズムとしては、曲線の当てはめや、一次または高次の補間が挙
げられる。
【００１１】 本発明により、光１８−１，…，１８−１ｎを構成する様々な成分の波長は測
定されたパラメータを表している。例えば、図１Ｅはｍ個のファイバブラッグ格
子１６−１，…，１６−１ｍを有する光ファイバ４０に結合された広帯域光源Ｓ
を示している。各々がコア４２の屈折率の変化として発生した対応ピッチΛ−１
，…，Λ−ｍを有している。ピッチはピッチΛ−１，…，Λ−ｍにそれぞれ比例
する対応する中心波長λ−１，…，λ−ｍに関連している。ＦＢＧ１６−１，…
，１６−ｍ上のひずみが変化すると、ピッチΛ−１，…，Λ−ｍも同様に変化し
て、対応する反射された信号２２−１，…，２２−ｎの中心波長もそれに応じて
変化する。波長の変化は、ＦＢＧのピッチの変化に対応するセンサ内のスポット
の位置の僅かなシフトとして反映される。温度もピッチを、ひいては波長を変化
させることが理解されよう。
【００１２】 複数のＦＢＧ１６−１，…，１６−ｍがファイバ４０のコア４２内に形成され
ると、複数の信号を伝搬するために同じファイバを使用して多数のパラメータを
検出できる。勿論、前述したように課題は、本発明の多重化技術を利用して様々
に反射された信号２２−１，…，２２−ｎを分離することにある。波長が変化す
ると、分散装置２０によってひずみの増減の表示に対応する波長分離信号の列位
置がシフトする。このようにしてセンサ２４上の各行２８−１，…，２８−ｎ内
のスポット２５−１，…，２５−ｍごとに、一意的なひずみ測定値が得られる。
【００１３】 図２は本発明による大規模な高速の、光ファイバセンサネットワーク１００の
例示的な実施例をさらに詳細に示している。このシステムは広帯域の光源１１０
を含んでいる。光源からの光はリードファイバ１１４によって星形カップラ１１
６に結合される。その光は分割され、各チャネルに１つずつの複数個の単一モー
ドファイバ１１８−１，…，１１８−ｎに送られる。各ファイバは複数個のファ
イバブラッグ格子（ＦＢＧ）１２０−１，…，１２０−ｍを有しており、その各
々が所定の異なる中心波長λ１，…，λｍをそれぞれ有している。図示した機構
では、各ファイバの端部は補償温度センサ１２２−１，…，１２２−ｎを有して
いる。各チャネル内でＦＢＧによって反射される光は各チャネル内のカップラ１
２６−１，…，１２６−ｎによってダウンリードファイバ１２５−１，…，１２
５−ｎに結合される。ファイバ１１８の自由端１２８−１，…，１２８−ｎは線
Ｌに沿って直線的なファイバ束のアレイ１２９に配列されている。例えば、ファ
イバが線Ｌに沿って並置されている図１Ａのファイバアレイ１２の端面図を参照
されたい。対応する各々のファイバ端部からの出力光１３０−１，…，１３０−
ｎは、図示のような反射面上で溝付きの格子１３８で形成されたミラーレンズ１
３６を含む分散ユニット１３４に向けられる。格子内の溝１４０はファイバの端
面の線Ｌと平行に配列されている。
【００１４】 ミラー１３６は、図示のような画像平面Ｐ上にファイバアレイの画像を形成す
ることができる。ｊ×ｋのピクセル１５２を含む固体画像センサ１５０が図示の
ように画像平面Ｐ内に配置されている。ピクセル行１５４は線Ｌに沿ってファイ
バ端部１２８−１，…，１２８−ｎによって確立されるチャネルの位置に対応し
ている。ピクセル列１５６は対応する波長λ１−λｎ内のファイバ格子ＦＢＧ１
，…，ＦＢＧｎの数に対応している。
【００１５】 センサ１５０は、ピクセル列１５６（ｙ軸）が格子１３８内の溝１４０と平行
であるように、またファイバの端面１２８−１，…，１２８−ｎの線Ｌと平行で
あるように位置決めされている。加えて、センサ１５０の表面は、ミラーレンズ
１３６の画像平面Ｐと一致している。 検出器１５０は、マイクロプロセッサ１６２によって処理されるようにインタ
ーフェース回路１６０に接続されている出力１５８を有している。格子とレンズ
は使用可能な散装置の１つであることを理解されたい。
【００１６】 本発明により、ｎ本のファイバチャネルおよび各ファイバに沿った異なる波長
のｍ個のＦＢＧは検出器アレイ１５０上のスポット１６４のｎ×ｍのマトリクス
を形成する。マトリクス内の各列１５６は異なるファイバチャネル内の同じまた
は類似した波長のＦＢＧを表し、各行は同じファイバに沿った異なるＦＢＧを表
している。言い換えると、ファイバチャネルの空間位置は検出器のｙ軸に沿った
位置へと符号化され、一方、波長はｘ軸に沿って符号化される。従って特定のチ
ャネル内のＦＢＧの精密な中心波長は、ｘ軸に沿った関連スポット１６４の正確
な位置を見つけることによって検出することができる。測定の解像度は、分散装
置と検出器アレイの空間解像度によって左右される。スペクトル分析器の出力は
一般に、ＦＢＧベースのシステムの要件を満たすには空間解像度が低すぎるもの
とみなされている。しかし、本発明によって、多くの公知のディジタル補間アル
ゴリズムのいずれか１つを利用することで、解像度を大幅に向上させることがで
き、それによってほぼミクロのひずみに近いひずみ測定の解像度を達成すること
ができる。
【００１７】 本発明により、ＦＢＧは通常はゲルマニウムをドーピングした（また、場合に
よってはほう素を同時にドーピングした）光ファイバを周期的な強度分布にさら
すホログラフ式、またはフェーズマスク技術を使用して製造される。これらのフ
ァイバは感光性であり、それらの屈折率は紫外線にさらされると変化することを
意味する。このような感光性のため、衝突する正弦強度分布によってファイバの
コアには正弦屈折率分布が生ずる。周期的屈折率分布の複合的効果は、「ブラッ
グ波長」として知られる極めて特殊な波長で光が反射することである。この波長
は平均屈折率η、および周期性のピッチΛによって、λB=２ηΛで予測すること
ができる。センサは、格子のピッチと屈折率の双方ともひずみと相関するという
事実を利用して、これらの格子から製造される。従って、格子上のひずみによっ
てブラッグ波長は左または右にシフトする。ＦＢＧの波長符号化される性質によ
って、光ファイバの単一の長さに沿った波長領域内で最大限に多重化される可能
性が得られる。多重化は、各々が異なるピッチΛk，ｋ＝１，２，３，…，ｎを 有する空間的に分離した一連のブラッグ格子を有する光ファイバを製造すること
によって達成される。従って、各々のピッチに関連して生ずるブラッグ波長はλ Bk =２ηΛk，ｋ＝１，２，３，…，ｎによって得られる。各ＦＢＧのひずみがな
いブラッグ波長は異なるので、各センサからの情報は波長スペクトルを吟味する
ことによって個々に判定される。例えば、格子１６−２（１２４−２）でのひず
み場がブラッグ波長λ２と摂動して一意的に符号化される場合、他の格子に関連
するブラッグ波長は不変のままに留まる。
【００１８】 ＦＢＧは、ホスト材料に取付けるかこれに埋設した場合には、引張ひずみの自
然なセンサである。しかし、ＦＢＧは関連するパラメータの変化をひずみに変換
することによって、広範な他の物理的パラメータを検出するようにすることがで
きる。例えば、水の吸収によって膨張し、ひいては湿気をひずみに変換するハイ
ドロゲル層でＦＢＧを被覆することによって湿度を測定するためにＦＢＧを使用
することができる。同様に、ＦＢＧは水素を吸収した後に膨張するパランジウム
層で被覆することによって水素センサになることができる。圧力検出のためのＦ
ＢＧの使用は、格子を側部の空洞を有するファイバ内に形成することによって達
成される。このファイバ構造は、側圧をファイバのコアにおける軸方向ひずみへ
と変換する。格子ピッチΛと、屈折率ηの双方とも温度と共に変化するので、Ｆ
ＢＧのブラッグ波長は約１．７ｐｍ／℃で温度によりシフトする。これによって
ＦＢＧは温度センサになる。しかし、ＦＢＧがどの測定値を検出するようにされ
ても、オリジナル信号が２０Ｈｚ未満である場合は、その出力は温度補償されな
ければならない。
【００１９】 電荷結合素子（ＣＣＤ）は、固体の画像検出に広く用いられてきた。しかし、
相補的な金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術に基づく画像センサは、固体撮像装
置の分野ではＣＣＤに対する主要な挑戦者になってきている。全ての固体画像セ
ンサは半導体基板上に集積された感光素子、すなわちピクセルの一次元または二
次元アレイを含む。各素子はピクセルに入射するフォトンエネルギーに応じて電
子の電荷を発生する。これらの電荷を電圧信号として読み取るために、同じ基板
上に追加の電子回路が構成される。ＣＣＤとＣＭＯＳ撮像装置との主要な相違点
は、これらのフォトンにより誘起される電荷パケットが読み取られる方法である
。ＣＣＤの場合は、電荷パケットはピクセルごとのポテンシャルウェルを直列に
連結することによって出力増幅器へと移動される。その結果、ＣＣＤは特定のピ
クセルでのフォトン信号を見出すためには、アレイ全体内の全てのピクセルを読
み取らなければならない。その結果、ＣＣＤ撮像装置のフレーム率はあまり速く
はなりえない。ほとんどの工業用ＣＣＤカメラの標準フレーム率は３０Ｈｚまた
は２５Ｈｚである。ＣＭＯＳ技術は個々に特定のピクセルにおける情報をランダ
ムにアクセスすることができ、このため、当該の領域が画像の小さい部分であり
、事象が急速過ぎて画像全体が読出されるのを待てないミサイルの追跡のような
ある種の特殊な用途には理想的である。このようにランダムにアクセスできるこ
とによって、ここに記載しているＦＢＧ識別機器の性能は大幅に増強される。
【００２０】 ＣＭＯＳ技術は、高出力のマイクロプロセッサからメモリチップにいたるＶＬ
ＳＩ回路のほぼ９０％よりも多くを製造するために使用されている半導体チップ
の製造では標準的な技術である。このため、ＣＭＯＳ画像センサにはＣＣＤと比
較して重要な利点がある。すなわち、低コスト、小型化、少ない電力消費量、お
よび機能性の増強である。
【００２１】 本発明の一実施例では、ＣＭＯＳランダムアクセス撮像装置は製造元がＩＭＥ
Ｃであり、発売元がＣ−カムテクノロジー（C-Cam Technologies）であるＦＵＧ
Ａ画像センサという商品名で市販されているものを用いた。ＦＵＧＡ１５ｃは１
２．５ｕ．ｍ．ピッチの５１２ｘ５１２平方のピクセルを有しており、９ビット
のｘおよびＹ座標のチップを備えることによって、入力信号および出力信号の双
方に、すなわち特定のピクセルにおける８ビットのグレースケールデータの完全
なディジタル動作を得ることができる。最大ピクセル率は５０ｍＷのワット損を
伴った５ＭＨｚであり、５０ｄＢよりも大きなダイナミックレンジで光強度から
電圧への対数変換がなされる。
【００２２】 カリフォルニア州のフォトビット社（Photobit Inc.）は科学グレード（１６ ビットのグレースケール）の、ランダムアクセスの５１２×５１２ピクセルのＣ
ＭＯＳ撮像装置を市販する計画を有している。カリフォルニア州のＮＡＳＡジェ
ット推進研究所（ＪＰＬ）は２０４８×２０４８型のこのようなチップを展示し
ている。更に、電荷注入素子（ＣＩＤ）と呼ばれるその他の画像センサ技術もあ
り、これも潜在的にピクセルへのランダムなアクセスが可能である。５１２ｘ５
１２ピクセルと、１６ビットのグレースケールを有する製品も展示されている。
これらの製品は、２、３年以内に市販されるものと見られる。
【００２３】 標的追跡の用途では、画像センサ上の標定点の厳密な位置を精密に測定しなけ
ればならない。図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、このような目標の強度プロフ
ァイルは通常は撮像装置上のピクセルのクラスタの上に拡がっている。プロファ
イルの中心をサブピクセル精度まで計算するためにこの強度分布を利用する補間
アルゴリズムは多数ある。その中でも、前述の重心アルゴリズムは、プロファイ
ルの「重心」を計算するだけであり、従って前もってプロファイルの形状を知る
必要がないので、最も成熟した、多目的な方法である。このアルゴリズムは、プ
ロファイルが安定していれば、それが非対称であっても有効である。二次元（２
Ｄ）重心方法を使用して、ｘ座標（ピクセル行）に沿った目標の精密な位置ｘc
は下記のように計算される。
【数１】 但しｉ、ｊは撮像装置内の特定のピクセルの列と行の数であり、ｇはグレースケ
ール、すなわちこのピクセルでのピクセル出力であり、全ての合計はクラスタの
境界内にある。
【００２４】 このアルゴリズムの精度は、強度プロファイルの安定性と形状、計算に用いら
れるピクセルクラスタのサイズおよび撮像装置のピクセルノイズと不均一性とに
よって左右される。低コストの工業用ＣＣＤカメラを使用した事前調査では１／
８３のピクセル解像度が達成され、また、１／１００のピクセル解像度が報告さ
れている。一般に、平均化作用によりスポットが大きいほど解像度が高くなる。
しかし、研究によれば、スポットが「最適クラスタサイズ」と呼ばれる特定のク
ラスタサイズよりも大きくなると、補間の解像度はそれ以上は高くならないこと
が判明している。勿論、（ピクセルノイズおよび不均一性に関して）撮像装置の
品質が高いほど、最適クラスタサイズは小さくなる。９ビットのグレースケール
の工業用ＣＣＤカメラの場合、最適クラスタを４×４ピクセルとしてテストされ
た。
【００２５】 （ピクセルの読出しおよび計算を含む）補間の処理速度はスポットクラスタの
サイズによって左右されるので、より小さい最適クラスタが有利である。上記の
方程式により、ｋ×ｋピクセルのサイズのスポットの場合、処理時間はＫ2にほ ぼ比例する。処理速度は、計算にピクセルを使用することによって高めることが
できる。明確な選択肢は、スポットの中心の近傍にある１行のピクセル（行ｊ）
だけを使用し、また下記のように表される別の一次元（１Ｄ）重心アルゴリズム
を利用することである。
【数２】 勿論、それに応じて補間の解像度は低下する。
【００２６】 図２に示すように、広帯域光源からの光は星型カップラによって多くの単一モ
ードファイバ（もしくは「ファイバチャネル」と呼ばれる）へと分割される。各
ファイバに沿って、予め定められた異なるブラッグ波長を有する多数のＦＢＧが
ある。しかし、異なるファイバ上のＦＢＧは同じ波長を有することがある。各フ
ァイバチャネル内のＦＢＧから反射された光は１×２カップラを介してダウンリ
ードファイバに結合され、識別機器へと送られる。この機器は基本的にはコンパ
クトな、二次元（２Ｄ）光ファイバ分光計である。その構造として２つが可能で
ある。第１の構造は図２に示されている。第２の構造は図３に概略的に示されて
おり、画像センサに到達する光はＦＢＧによって反射されるのではなくこれを通
過するので、「透過構造」と呼ばれている。双方の構造とも、２Ｄのランダムア
クセス画像センサが波長分散装置の出力ポートに配置されている。加えて、全て
のダウンリードファイバの端面は、入力ポートに位置する線Ｌを形成するように
構成されている。更に、画像センサチップは、そのピクセル列（Ｙ軸）が分光計
内のバルク格子の溝およびファイバの端面の線と平行になるように位置決めされ
ている。撮像装置のディジタル出力はコンピュータに送られて処理される。
【００２７】 分光計の撮像系は異なるファイバからの光を分光し、それらを２Ｄ画像センサ
のピクセル列（Ｙ軸）に沿って配分する。バルク格子分散装置の作用により、異
なる波長の光はｘ軸に沿った異なる方向に回折し、従って画像センサのピクセル
列に沿った異なる位置に明スポットを形成する。従って、システムがｍ本のファ
イバチャネルと、各ファイバに沿って異なる波長のｎ個のＦＢＧとを有していれ
ば、画像センサアレイ上に離散スポットのｍ×ｎのマトリクスが存在する。マト
リクス内のこのようなスポットの列は、異なるファイバチャネル内の同じまたは
類似した波長のＦＢＧを表し、行は同じファイバに沿った異なるＦＢＧを表して
いる。言い換えると、ファイバチャネルの空間位置は検出器のｙ軸に沿った位置
へと符号化され、一方、波長はｘ軸に沿って符号化される。従って特定のチャネ
ル内のＦＢＧの精密な中心波長は、撮像装置のピクセルアレイのｘ軸に沿った関
連スポットの正確な位置を見つけることによって検出することができる。
【００２８】 ＣＭＯＳ撮像装置のランダムなアクセス可能性を使用するので、ネットワーク
内のどのＦＢＧも、単に関連するピクセルだけを読出し、ｘ軸に沿ったその重心
を計算するだけで、真にランダムにアドレス指定することができる。この独特な
特徴によって用途に大きなフレキシビリティが加わるだけではなく、システムが
その資源を効率よく活用することができ、その結果、性能が大幅に増強される。
【００２９】 ＦＢＧのブラッグ波長は約１．７ｐｍ／℃で温度により変化し、８３０ｎｍ領
域での２με／℃の偽ひずみ信号へと移行する。望ましい信号が２０Ｈｚ未満で
ある用途では、このような温度に誘発される変化を補償する必要がある。温度と
ひずみに誘発される信号を同じポイントで分離する技術は報告されているが、そ
れらの技術は精密ではないか、またはＦＢＧをベースにしていない別のセンサを
必要とし、従って提案されているようなネットワークへと統合することは困難で
ある。最も実用的な用途は、少数の専用の温度検出ノードだけを使用して温度場
を有効に監視することができるので、スポット上での温度補償を必要としない。
図４Ａに示した１つの方法は、ＦＢＧを有する１つ、または２つのファイバチャ
ネルを直径が小さい（２ｍｍ）管に緩く収納し、管を構造に取付ける方法である
。このようにして、管内のＦＢＧは温度場によってのみ作用を受け、それらの出
力を別のＦＢＧの温度に誘発された変化を補償するために使用することができる
。この方法は多くの用途で有効である。しかし、用途によっては、全ての検出ノ
ードをホスト構造内に埋設する必要がある。場合によっては、管を使用した方法
は直径が比較的大きく、ホスト材料との協調性がないので使用できないことがあ
る。本発明により、それが材料内に埋設された場合でもその出力が構造のひずみ
によって影響されない専用の温度センサが製造される。
【００３０】 図４Ａに示すように、埋設可能なＦＢＧ温度センサ１２０は直径が８０μｍと
短いファイバ１２２上に製造されたＦＢＧを直径が１２５μｍのファイバ１２４
に接合され、それを２５０μｍのシリカ管１２６内に封入することによって製造
される。８０μｍのファイバの自由端１２８は、不要なフレネル反射を低減する
ために角度を呈している。このセンサ構造によって、ＦＢＧがホスト材料内に埋
設された場合でもそれが引張ひずみを受けないことが保証される。勿論、このよ
うなセンサは各々の検出用ファイバの端部にしか配置することはできない。従っ
て、センサネットワーク内の専用の温度検出ノードは最大でｎ個である。
【００３１】 あるいは、図４Ｂに示すように、インラインの温度補償されたひずみセンサ１
７０を管１７６内に複数個のＦＢＧ１７４Ａ、１７４Ｂを有するファイバ１７２
を充填することによって製造してもよい。ＦＢＧ１７４Ａは１７８の部位で管に
接着され、またはその他の手段で取付けられる。ちなみに、ＦＢＧ１７４Ｂは管
内に緩く配置されている。その結果、ＦＢＧ１７４Ｂの出力信号は応力を受けず
、温度に誘発されるＦＢＧ１７４Ａの信号の変化を補償するために使用すること
ができる。
【００３２】 バルク格子の溝の密度を適切に選択することによって、２Ｄ画像センサの幅は
光源の半値幅（ＦＷＨＭ）を有するスペクトル帯域をちょうどカバーすることが
できる。そこで、ＦＢＧ波長の測定のスペクトル解像度△λを下記の方程式で表
すことができる。すなわち、△λ＝ＷＥ／Ｃ、但しＷは光源のＦＷＨＭであり、
Ｃは画像センサチップ内の有効ピクセル列の総数であり、Ｅはサブピクセル補間
解像度である。ハードウェアレベルでは、解像度はＦＷＨＭがより小さい光源と
、ピクセル列がより多数ある撮像装置とを選択することによって増強することが
できる。しかし、ＦＷＨＭがより広いことによってより多くのＦＢＧをファイバ
チャネルに沿って組込むことができるので、規模に折り合いをつける必要がある
。ＣＭＯＳ撮像装置はシリコンをベースにしているので、感度ピークがおよそ８
００ｎｍである４００ｎｍ、１，０００ｎｍの特性感光領域を有している。６０
ｎｍに及ぶ広さのＦＷＨＭを有する超発光ダイオード（ＳＬＤ）をこの波長で利
用することができる。しかし、この領域のほとんどのＳＬＤの典型的なＦＷＨＭ
は１５ｎｍであり、より広いＦＷＨＭを有するＳＬＤよりもかなり強力である。
【００３３】 サブピクセル解像度Ｅとシステムの速度は、ＦＢＧによって生成される撮像装
置上の明スポットのピクセルクラスタのサイズによって折り合いが付けられる。
平均化効果によって、ピクセルクラスタが大きいほどＥは向上する傾向があるが
、スポットが読み取られ、処理される速度は必然的に低下する。スポットのサイ
ズをハードウェアの設計によって選択した場合でも、前記の折り合いの平衡点は
、重心計算のためにクラスタ内のピクセルの一部だけを意図的に読み取ることに
よって、広いマージンへとシフトさせることができる。
【００３４】 このシステムに適応できるＦＢＧを使用したセンサの最大数は、単一のファイ
バチャネルに沿って多重化できるＦＢＧの数、および識別機器によってアドレス
指定可能なファイバチャネルの数によって左右される。ＦＢＧをベースにしたセ
ンサシステムの動作原理を再び想起すると、ブラッグ波長λbのＦＢＧはＲeのひ
ずみ範囲に応答してＲeλbのスペクトル範囲内で移動する。多くのシステムは各
ＦＢＧに、固定のスペクトル窓しか付与することができない。ＦＢＧ間のクロス
トークを防止するため、これらの窓の幅は少なくともＲeλbでなければならない
。このように、ファイバチャネルに沿って多重化することができるＦＢＧの数Ｎ
はＮ＝Ｗ／（Ｒeλb）と表すことができる（但しＷは前述の場合と同様に光源の
ＦＷＨＭである）。Ｒe＝６０００με（３０００μｅ）、Ｗ＝３８ｎｍ、およ びλb＝８３０ｎｍとすると、ファイバチャネルに沿って多重化できるＦＢＧの 最大個数は７である。しかし、媒体の一次元の性質をフルに活用するには、ファ
イバに沿ったより多くのＦＢＧセンサを多重化することが極めて望ましい。実際
には、構造上の特定位置でのひずみはある程度の精度で推定することができる。
従って、同じファイバに沿った空間的に隣接する２つのＦＢＧの間のひずみの差
が非常に小さい範囲（△Ｒe＝１０００με）を越えないように、ＦＢＧを適切 に配置することが合理的に可能である。提案されているシステムのスペクトル窓
はピクセル行に沿って柔軟にシフトさせることができるので、上記の方程式のＲ e を△Ｒeで置換することができ、また、ファイバに沿って多重化可能なＦＢＧの
数を約４５まで増大することができる。
【００３５】 システムに適応できるファイバの最大数ＭはＭ＝Ｒ／（２Ｋ）と表すことがで
きる（但しＲは撮像装置内の行数であり、Ｋはスポットクラスタのサイズである
）。ＦＢＧ間のクロストークを防止するため、２行のスポット間の分離はスポッ
トのサイズの２倍に設定される。Ｋ＝５で、Ｒ＝５１２の場合、Ｍ＝５１である
。このことは、５１２×５１２の撮像装置を有する機器は総数でＭｘＮ＝２２９
５個のＦＢＧを多重化できることを意味している。
【００３６】 アレイ内のいずれかのＦＢＧへの最大サンプリング速度は、ピクセル上の光密
度と反比例する撮像装置の光受容体の時間定数によって制限される。メーカーが
提供するデータから、最大サンプリング速度はｆmx＝（ｄ／８）×１０5（Ｈｚ ）と表現することができる（但しｄは撮像装置上の明スポット内の平均光密度で
ある）。 本発明では、上記の密度は下記のように表される。
【００３７】
【数３】 但しＰは光源の全出力電力であり、ｗはＦＢＧのスペクトルＦＷＨＭであり、ｐ
はピクセルのピッチであり、ｅはカップラでの挿入損、バルク格子効率、および
その他の特徴を含む光学系全体の出力効率である。 １５ｎｍのＦＷＨＭで、単一モードのファイバをピグテールすると、ＳＬＤの
典型的な出力電力は４００μＷである。従って上記の２つの方程式を組合わせた
複合した光源の場合、ＰはＷ＝３８ｎｍの波長に亘って８００μＷであり、ｗ＝
０．２ｎｍ、Ｋ＝５、ｐ＝１２．６μｍ、およびｅ＝１０％であると想定すると
、最大サンプリング速度はｆmx＝３３１．５／Ｍ（ｋＨｚ）であると計算するこ
とができる。この方程式は最大速度と規模との折り合いを表している。最大規模
（Ｍ＝５１）の場合、最大サンプリング速度は６．５ｋＨｚである。
【００３８】 上記のスケールと速度の数値は最大値の例である。このシステムで実際に利用
できるスケールと速度は、システムの時間見積もりによって制約される公算が高
い。提案しているシステムの全てのＦＢＧセンサは独立してアドレス指定される
ことができるが、それらは全て重要なシステムの資源である時間の要因を満たし
ており、これは以下の数式を用いて見積もることができる。すなわちΣｆiti≦ １（秒）である（但し添字ｉはネットワーク内の特定のＦＢＧを示しており、ｆ
はそのＦＢＧのサンプリング速度であり、ｔは１つのサンプルに要する時間であ
る）。ｆは前述の最大サンプリング速度よりも小さくなければならないが、ｔは
撮像装置のピクセル率、または重心を計算するのに要する計算時間によって制限
される。データ収集と計算は並行して行われるので、双方の時間のうちの遅い方
が制限を設定する。ＦＢＧにアクセスするのに要する時間ｔはｔ＝Ｇ／ｆpと表 すことができる（但しｆpはＣＭＯＳ撮像装置のピクセル読取り速度であり、Ｇ はコンピュータが重心計算のために読み取らなければならないピクセルの総数で
ある）。光スポットは撮像装置のピクセル行に沿って常に移動しているので、コ
ンピュータは関連するピクセルを読み取る前に先ずクラスタの位置を見つけなけ
ればならない。これは、必要な動作オーバヘッドである。最小限のオーバヘッド
でクラスタの位置を見つけるには多くの方法がある。最も保守的な方法は、スポ
ットの中心の近傍のピクセル行を読取り、予め設定されたしきい値でクラスタの
位置を見つける方法であろう。その場合、位置を見つけるためにコンピュータが
読み取らなければならない平均ピクセル数はＲ／Ｎである（但しＲはＣＭＯＳ撮
像装置内のピクセル行の数であり、Ｎはファイバチャネルに沿ったＦＢＧの数で
ある）。クラスタの位置を見つけた後は、二次元の重心アルゴリズムを用いてい
る場合には、重心の計算を行う前に追加のＫ（Ｋ−１）のピクセルが読み取られ
なければならない。一次元の重心方法の場合は、それ以上ピクセルを読み取る必
要はない。
【００３９】 ＦＵＧＡ１５ｃは５ＭＨｚのピクセル率を有しており、Ｒ＝５１２である。Ｎ
＝４５で、Ｋ＝５と想定すると、Ｇ＝１２であると計算することができ、提案し
ているシステムで１個のＦＢＧへのアクセス時間は１Ｄまたは２Ｄの重心アルゴ
リズムを用いた場合、それぞれ２．４μ秒または６．４μ秒である。従って、セ
ンサのアクセス時間はおおよそサブピクセルの補間解像度と反比例する。
【００４０】 高水準言語のプログラムを用いて５×５のクラスタの重心を計算する時間はＭ
Ｍｘなしのペンティアム（Pentium）２００ＭＨｚのＰＣで約７．６μ秒である 。処理速度はプログラムの簡素化によって少なくとも４倍だけ高めることができ
ると予測される。マイクロプロセッサ技術の急速な進歩に伴い、充分な計算力を
利用することができるので、計算時間はＦＢＧへのアクセス時間よりも大幅に低
いレベルに容易に短縮することができ、従ってシステム速度がボトルネックにな
ることはない。 これまで本発明の例示的な実施例を説明してきた。本発明から逸脱することなく
様々な変更や修正が可能であることが当業者には理解されよう。添付の請求の範
囲は、本発明の真の精神および範囲に含まれる上記の変更や修正をも網羅するの
である。
【図面の簡単な説明】
次に本発明を添付図面を参照して説明する。図面において、
【図１】 本発明による波長および空間領域多重化装置の概略図。
【図１Ａ】 一次元ファイバ出力アレイの詳細図。
【図１Ｂ】 ランダムアクセス画像センサおよびドライバの概略図。
【図１Ｃ】 出力スポットおよびピクセルを示した画像センサの一部の断片図。
【図１Ｄ】 重み付きアルゴリズムを直線および対数形式で示したプロット。
【図１Ｅ】 ファイバブラッグ格子の動作の基本図。
【図２】 本発明により空間および波長領域多重化を達成するための装置のより具体的な
図。
【図３】 透過型アレイを示した実施例。
【図４Ａ】 ファイバの端部でひずみと温度が分離されたセンサの図。
【図４Ｂ】 ひずみと温度が分離されたインラインセンサの概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 チェン，シッピング アメリカ合衆国，メリーランド州 20770, グリーンベルト，6225 スプリングヒル コート 303 (72)発明者 フ，イークン イギリス，ロンドン エスイーアイ ６ア ールエル，ハーパー ロード，ブラムウェ ル ハウス 25 Ｆターム(参考） 2F065 AA17 AA65 FF48 JJ03 JJ26 LL03 LL12 LL42 MM22 UU05 UU08

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）センサを多重化するためのディジタル式空間
    および波長領域システムであって、 各々が複数個のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を内蔵していて、各ＦＢＧは
    ひずみに応じた中心波長で光を反射または透過するためのひずみに応じて変化す
    る選択的な中心波長を有している複数個の光ファイバと、 ＦＢＧに広帯域の光を照射する手段と、 選択された位置に光を伝搬するための各光ファイバのための手段と、 各ファイバの選択された位置および波長分離された光が各光ファイバ内の各Ｆ
    ＢＧに空間的に独立した信号を供給するように、各々のファイバからの光に応答
    して、各ファイバの位置に応じて各々の前記ファイバの光を中心波長に波長分離
    するための波長分散装置と、 を備えるディジタル式空間および波長領域システム。
  2. 【請求項２】 各々が中心波長を有する複数のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を含んでいる
    、複数個の光ファイバを備えたディジタル式空間波長領域システムであって、 各ＦＢＧを照射するための広帯域の光源を備え、 前記ＦＢＧの各々は前記ファイバに加えられる応力に応じた中心波長で光の一
    部を反射するように動作可能であり、 各ファイバと結合されかつ光に応答して前記各ファイバ内の光を各ＦＢＧの対
    応する波長で検出可能な信号に分離するための波長分散装置と、 検出可能な信号に空間的に応答して、信号を各波長で空間的に分離するための
    出力を生成するための感光性ソリッドステート手段と、 を備えてなるディジタル式空間波長領域システム。
  3. 【請求項３】 前記波長分散装置はバルク格子を含む請求の範囲第２項に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記格子は、焦点面と反射面上に配置された格子とを有するミラーレンズを含
    む請求の範囲第３項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記格子は反射面に形成された平行な溝を含む請求の範囲第４項に記載の装置
    。
  6. 【請求項６】 ファイバから前記波長分散装置へと光を伝搬するための、かつ線形アレイで位
    置合わせされた出力端部を有しているファイバ手段を更に備えている請求の範囲
    第２項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記感光手段は二次元アレイに配列された複数のピクセルを含むソリッドステ
    ート検出装置を含む請求の範囲第２項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 ピクセルにランダムにアクセス可能である請求の範囲第７項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記撮像装置は、二次元のピクセルアレイを含み、波長分離された光は選択さ
    れたピクセル位置でアレイに投射される請求の範囲第２項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記投射光からの光は、複数のピクセルをカバーする撮像装置上にスポットを
    形成し、前記各々のピクセル内の光を検出しかつ中心波長に対応する前記スポッ
    トの重心を判定するために光を重み付き平均する処理手段を更に含んでいる請求
    の範囲第９項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 選択された中心波長で温度校正信号を供給するために各ファイバごとに少なく
    とも１つのひずみに左右されないセンサ手段を備えている請求の範囲第２項に記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記ひずみに左右されないセンサ手段は光源から離れたファイバの自由端に位
    置している請求の範囲第１１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記ひずみに左右されないセンサ手段はファイバ内に配置されている請求の範
    囲第１２項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 重心の重み付けと、 曲線の当てはめと、 一次または高次の補間のうちの少なくとも１つに従って、各波長分離された信
    号ごとに中心波長の少なくとも１つを検出する手段を更に備えている請求の範囲
    第２項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 光を波長分離装置へと伝搬するための手段を更に備えている請求の範囲第２項
    に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記手段は各光ファイバごとのダウンリードファイバを含む請求の範囲第１５
    項に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記手段は光ファイバの自由端を含んでいる請求の範囲第１５項に記載の装置
    。
  18. 【請求項１８】 光を各光ファイバに分配する手段を更に備えている請求の範囲第２項に記載の
    装置。
  19. 【請求項１９】 前記手段は星型カップラである請求の範囲第１８項に記載の装置。
JP2000509991A 1997-08-19 1998-08-19 大規模な高速の、多重化された光ファイバセンサネットワーク Pending JP2001516011A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US5656097P 1997-08-19 1997-08-19
US60/056,560 1997-08-19
PCT/US1998/017142 WO1999009370A1 (en) 1997-08-19 1998-08-19 Large scale high speed multiplexed optical fiber sensor network

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2001516011A true JP2001516011A (ja) 2001-09-25

Family

ID=22005225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000509991A Pending JP2001516011A (ja) 1997-08-19 1998-08-19 大規模な高速の、多重化された光ファイバセンサネットワーク

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6492636B1 (ja)
EP (1) EP1005625B1 (ja)
JP (1) JP2001516011A (ja)
KR (1) KR20010023064A (ja)
AU (1) AU8913898A (ja)
CA (1) CA2301069C (ja)
DE (1) DE69813246T2 (ja)
WO (1) WO1999009370A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010502967A (ja) * 2006-09-06 2010-01-28 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 方向を持った軸線を有する回転可能な軸の監視のための光学的装置
JP2013504052A (ja) * 2009-09-04 2013-02-04 アストン ユニバーシティ 燃料中の水分センサ
JP2015508907A (ja) * 2012-03-02 2015-03-23 オーエフエス ファイテル，エルエルシー Ｔｄｍおよびｗｄｍベースのｆｂｇセンサアレイシステム
JP2015514973A (ja) * 2012-03-07 2015-05-21 オーエフエス ファイテル，エルエルシー 回折格子に基づくセンサ
WO2017085879A1 (ja) * 2015-11-20 2017-05-26 オリンパス株式会社 曲率センサ
WO2017085878A1 (ja) * 2015-11-20 2017-05-26 オリンパス株式会社 曲率センサ

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6271766B1 (en) 1998-12-23 2001-08-07 Cidra Corporation Distributed selectable latent fiber optic sensors
WO2001084098A1 (en) 2000-05-01 2001-11-08 Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurweten-Schappelijk Onderzoek Tno Method and means of measuring wavelength change
AU2001266643A1 (en) * 2000-06-02 2001-12-17 Lightchip, Inc. Optical performance monitor with optimized focus spot size
GB0021975D0 (en) * 2000-09-07 2000-10-25 Optomed As Filter optic probes
GB0021976D0 (en) * 2000-09-07 2000-10-25 Optomed As Multi-parameter fiber optic probes
CZ299647B6 (cs) * 2000-11-02 2008-10-01 Rieter Cz A. S. Zarízení pro bezdotykové merení lineárního textilního útvaru, napr. príze, niti, textilního vlákna,pramene vláken
WO2002077571A2 (en) * 2001-03-26 2002-10-03 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method of and a device for coupling optical fibres and opto-electronic components
JP2003028717A (ja) * 2001-07-13 2003-01-29 Advantest Corp 光波長測定装置、方法、プログラムおよび該プログラムを記録した記録媒体
FR2838187B1 (fr) * 2002-04-03 2004-05-21 Commissariat Energie Atomique Dispositif d'analyse de spectre optique
US7187049B2 (en) * 2002-05-13 2007-03-06 Micron Technology, Inc. Data download to imager chip using image sensor as a receptor
US20040008920A1 (en) * 2002-07-15 2004-01-15 Eric Endicott Optically sensed high density switch position sensor
FR2844874B1 (fr) * 2002-09-23 2004-12-10 Bidim Geosynthetics Sa Procede pour localiser et mesurer les deformations d'un ouvrage de genie civil
US7015458B2 (en) * 2002-10-10 2006-03-21 Emerging Manufacturing Technology, Inc. High density fiber optic output interface and system
US7119325B2 (en) * 2003-01-27 2006-10-10 Bookham Technology Plc System and method for monitoring environmental effects using optical sensors
US7532780B2 (en) * 2004-03-24 2009-05-12 Ten Cate Geosynthetics France Method for locating and measuring deformations in a work of civil engineering
US7492463B2 (en) 2004-04-15 2009-02-17 Davidson Instruments Inc. Method and apparatus for continuous readout of Fabry-Perot fiber optic sensor
US7532772B2 (en) * 2004-07-20 2009-05-12 Duke University Coding for compressive imaging
CN100380099C (zh) * 2004-09-09 2008-04-09 武汉光迅科技股份有限公司 光纤传感器
CN100420916C (zh) * 2004-10-13 2008-09-24 上海安文桥梁检测技术有限公司 一种光纤应变传感系统
EP1681540A1 (en) * 2004-12-21 2006-07-19 Davidson Instruments, Inc. Multi-channel array processor
EP1674833A3 (en) 2004-12-21 2007-05-30 Davidson Instruments, Inc. Fiber optic sensor system
EP1869737B1 (en) 2005-03-16 2021-05-12 Davidson Instruments, Inc. High intensity fabry-perot sensor
DE102005017797B4 (de) * 2005-04-13 2010-10-28 Fachhochschule Jena Schweissanordnung, insbesondere zum Verbinden von Werkstücken durch Widerstands- oder Pressschweissen
US7282698B2 (en) * 2005-09-08 2007-10-16 Baker Hughes Incorporated System and method for monitoring a well
US7684051B2 (en) 2006-04-18 2010-03-23 Halliburton Energy Services, Inc. Fiber optic seismic sensor based on MEMS cantilever
US7743661B2 (en) 2006-04-26 2010-06-29 Halliburton Energy Services, Inc. Fiber optic MEMS seismic sensor with mass supported by hinged beams
US8115937B2 (en) 2006-08-16 2012-02-14 Davidson Instruments Methods and apparatus for measuring multiple Fabry-Perot gaps
GB2441154B (en) * 2006-08-24 2009-02-18 Schlumberger Holdings Measuring brillouin backscatter from an optical fibre using channelisation
US7787128B2 (en) 2007-01-24 2010-08-31 Halliburton Energy Services, Inc. Transducer for measuring environmental parameters
KR100952054B1 (ko) * 2008-02-11 2010-04-07 전남대학교산학협력단 스팩트럼 추적을 이용한 브래그격자 센서 시스템
GB2464465A (en) 2008-10-14 2010-04-21 Insensys Ltd Method of operating a spectrometer detector array
DE102010014006B3 (de) * 2010-03-30 2011-09-29 Siemens Aktiengesellschaft Optische Sensoranordnung mit mehreren optischen Sensorfasern
WO2012150910A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Agency For Science, Technology And Research Fiber bragg grating (fbg) sensor
KR101063337B1 (ko) * 2011-05-27 2011-09-07 주식회사 지엠엔지니어링 다채널용 멀티 플렉서를 이용한 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템
WO2013169098A1 (en) 2012-05-07 2013-11-14 Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek Tno Optical sensor interrogation system a method of manufacturing the optical sensor interrogation system
CN103411633A (zh) * 2013-06-27 2013-11-27 陕西科技大学 基于fbg传感器的多物理量测量信号识别方法
US9359910B2 (en) * 2014-05-29 2016-06-07 Siemens Energy, Inc. Method and apparatus for measuring operational gas turbine engine housing displacement and temperature by a distributed fiber optic sensing system utilizing optical frequency domain reflectometry
KR102612412B1 (ko) * 2016-02-05 2023-12-12 한국전자통신연구원 이미징 센서 및 이의 제조 방법
CN106643484B (zh) * 2016-10-17 2018-12-07 南京航空航天大学 基于瞬态分形计算和类二维正态分布拟合的冲击定位方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2268581A (en) 1992-07-03 1994-01-12 Marconi Gec Ltd Optical fibre diffraction grating sensor
US5513913A (en) * 1993-01-29 1996-05-07 United Technologies Corporation Active multipoint fiber laser sensor
GB9317576D0 (en) * 1993-08-24 1993-10-06 British Aerospace Fibre optic damage detection system
GB9420397D0 (en) 1994-10-10 1994-11-23 South Bank Univ Entpr Ltd Sensing system
US5748312A (en) * 1995-09-19 1998-05-05 United States Of American As Represented By The Secretary Of The Navy Sensing apparatus and method for detecting strain between fiber bragg grating sensors inscribed into an optical fiber
US5798521A (en) * 1996-02-27 1998-08-25 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Apparatus and method for measuring strain in bragg gratings
US5818585A (en) * 1997-02-28 1998-10-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fiber Bragg grating interrogation system with adaptive calibration
US5982791A (en) * 1998-01-14 1999-11-09 Hewlett-Packard Company Wavelength tracking in adjustable optical systems
US6356684B1 (en) * 2000-04-14 2002-03-12 General Dynamics Advanced Technology Systems, Inc. Adjustable optical fiber grating dispersion compensators

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010502967A (ja) * 2006-09-06 2010-01-28 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 方向を持った軸線を有する回転可能な軸の監視のための光学的装置
JP2013504052A (ja) * 2009-09-04 2013-02-04 アストン ユニバーシティ 燃料中の水分センサ
US8873060B2 (en) 2009-09-04 2014-10-28 Aston University Water-in-fuel sensor
JP2015508907A (ja) * 2012-03-02 2015-03-23 オーエフエス ファイテル，エルエルシー Ｔｄｍおよびｗｄｍベースのｆｂｇセンサアレイシステム
JP2015514973A (ja) * 2012-03-07 2015-05-21 オーエフエス ファイテル，エルエルシー 回折格子に基づくセンサ
WO2017085879A1 (ja) * 2015-11-20 2017-05-26 オリンパス株式会社 曲率センサ
WO2017085878A1 (ja) * 2015-11-20 2017-05-26 オリンパス株式会社 曲率センサ
JPWO2017085878A1 (ja) * 2015-11-20 2018-09-06 オリンパス株式会社 曲率センサ
JPWO2017085879A1 (ja) * 2015-11-20 2018-10-18 オリンパス株式会社 曲率センサ
US10502558B2 (en) 2015-11-20 2019-12-10 Olympus Corporation Curvature sensor
US10619999B2 (en) 2015-11-20 2020-04-14 Olympus Corporation Curvature sensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE69813246D1 (de) 2003-05-15
AU8913898A (en) 1999-03-08
EP1005625A4 (en) 2000-11-02
EP1005625B1 (en) 2003-04-09
CA2301069A1 (en) 1999-02-25
DE69813246T2 (de) 2003-12-18
EP1005625A1 (en) 2000-06-07
CA2301069C (en) 2004-11-23
WO1999009370A1 (en) 1999-02-25
US6492636B1 (en) 2002-12-10
KR20010023064A (ko) 2001-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2001516011A (ja) 大規模な高速の、多重化された光ファイバセンサネットワーク
US7589312B2 (en) Physical quantity measuring system with fiber Bragg grating sensor and arrayed waveguide grating
US6285446B1 (en) Distributed sensing system
EP0885374B1 (en) Three-dimensional color imaging
US5862285A (en) Multichannel optical fiber bundle with ordered structure in its sensitive probe tip
US5191458A (en) Optical electronic multiplexing reflection sensor system
US5401958A (en) Optical temperature compensation of spectral modulation sensors by spectrographic interrogation having a dispersive element
CN114878858B (zh) 基于多芯光纤光栅的建筑拉索摆动加速度测量装置及方法
US20040046109A1 (en) Method and apparatus for high speed interrogation of fiber optic detector arrays
EP1969323A1 (en) Opto-electronic system and method for detecting perturbations
Li et al. SOI-based 12× 12 arrayed waveguide grating for fiber Bragg grating interrogation system
WO2001084098A1 (en) Method and means of measuring wavelength change
US20030048498A1 (en) Optical performance monitor
US5212392A (en) Optical sensing apparatus for detecting linear displacement of an object and method of operation thereof with detector matrix and centroid detection
EP4097423B1 (fr) Système de mesure d'une pluralité de paramètres physiques en un point de mesure par une fibre optique multimode
CN114563086A (zh) 基于光开关阵列的光谱测量方法及装置
JP7218946B2 (ja) 一対多光ファイバアレイの構造および方法
Chen et al. Multiplexing of large-scale FBG arrays using a two-dimensional spectrometer
JP2004037298A (ja) 面計測システム及び面測定用光ファイバの配置方法
WO2001084097A1 (en) Measuring weavelength change
Chen et al. Large-scale low-cost optical fiber strain sensor arrays
Christiansen et al. Digital spatial wavelength domain multiplexing (DSWDM) using a prism-grating-prism (PGP) and a CMOS imager: implementation and initial testing
JP3353285B2 (ja) 放射温度計を用いた多点計測装置
CN118548989A (zh) 一种多通道光谱仪及光波长获取方法
Engel Small-Computer Digital Image Analysis