JP2015517091A - 関連する物体の位置及び形状測定用の光学的感知システム - Google Patents

Abstract

本発明は、関連する物体（Ｏ）の位置及び／又は形状測定用の光学的感知システム（１）であって、システムは、一以上の光ファイバコア（９）を有するファイバ（１０）を有し、光ファイバコア（９）は、物体（Ｏ）の位置及び／又は形状が測定される全長に沿って延びる、一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，８）を有する、システムに関する。反射率計（ＲＥＦＬ，１２）は、光ファイバコアに沿って複数の採取点で変形を測定し、プロセッサ（ＰＲＯＣ，１４）は、複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づいて物体の位置及び／又は形状を測定する。（複数の）ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，８）は光ファイバコア（９）の全長に沿って延び、ファイバコアは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。したがって、（複数の）ファイバブラッグ格子は、光ファイバに沿って効果的に連続的であり、ギャップが残されておらず、全ての位置が検出可能な反射を生じさせ、かつ、反射スペクトルが、反射率計内の光源の波長スパン又は“スイープ”と同等の波長スパンを包含することが達成される。

Description

多くの低侵襲ヘルスケア処置において、ガイドワイヤ及びカテーテルのような医療装置を追跡することが有益である。光学的な形状感知は、細長い医療装置に組み込まれたマルチコア光ファイバの全ての位置から反射された光を測定及び分析することによって、これを可能にする。干渉計が使用される場合には、形状に変換され得るファイバに沿った変形、歪み又は曲がりの完全な分布が得られる。この方法の説明は、“Optical position and/or shape sensing”と表題が付けられた米国特許出願公開公報ＵＳ２０１１／０１０９８９８Ａ１（特許文献１）に見ることができる。光ファイバ内の光の後方散乱は、（１）内在的な現象すなわちレイリー散乱、及び（２）外来的な現象すなわちブラッグ格子の二つの分類に分類されることができる。そのとき第三の散乱作用すなわちブルリアン散乱は無視されることに留意されたい。ブルリアン散乱は、干渉計測技術に用いることができず、不十分な空間的解像度に導く。光学的形状感知の一つの実施は、レイリー散乱を用いる。これは、ファイバの引き上げ工程の後に追加的な製造ステップなしで光ファイバを使用するという利点を有する。

レイリー散乱の信号強度
遠隔通信ファイバの製造者らは、伝送損失は小さく、主にレイリー散乱によるという程度にまで、彼らの製品の品質を長年に渡って向上させてきた。このことは、形状感知のためには、信号強度がかなり低いという不都合をもつ。付記Ｉにおいて、ノイズ比への次の信号と一緒にその大きさが計算される。ノイズ比への小さな信号は、干渉測定システム内に追加的な予防措置を取るように駆り立てる。

ファイバの遠位端部の反射は、他の全ての信号を覆い隠し、大き過ぎ、少なくとも８０ｄｂまで低減されなければならない。そうするために、吸収ガラスが遠位端部へ癒着接続される。しかしながら、この末端は壊れやすく容易に破損してしまい、医療装置内へのファイバの統合は低い収率を持つ。その上に、この種類の末端は、ファイバの最後の５‐１０ｍｍは形状を追跡することができない、という副次的影響を持つ。

形状感知ファイバは、少なくとも４本のコアを含む。各コアは、別々の干渉計に接続される。したがって、システムは、個々の単一コアファイバーが一つの多数コアファイバーに取り付けられる要素、すなわちファンアウトを含む。ファンアウト及び感知ファイバ末端で、クロストーク（混線）が起こる。すなわち、ある特定のコア内でファイバを伝播する光がこれらの点で散乱され、検出器に向かってその他の複数のコアの一つの中に戻る。このクロストークは、４つの干渉計を互い違いの配列に構成することによって軽減され得る。“Interferometric measurement with crosstalk suppression”と表題が付けられた、米国特許出願公開公報ＵＳ２０１１／０３１０３７８Ａ１（特許文献２）を参照されたい。干渉計を互い違いにすることは、各干渉計の腕部内にかなりの量のファイバを組み込むことを伴う。全体で、システムは５００−６００ｍの追加的なファイバを含むものであり、システムを温度変化及び機械的振動に対してより敏感にしている。

各干渉計は、内臓の光サーキュレータを有する。この３ポートの装置によって、光源（ポート１）からの光が感知ファイバ（ポート２）に向かって方向付けられ、感知ファイバからの後方散乱された信号が検出器（ポート３）に向かって方向付けられる。ポート１に入る光はポート３に漏れるべきでなく、さもなくば真のレイリー信号を覆い隠し、検出器を飽和させることになる。大半のサーキュレータの除去率は、レイリー散乱を用いた感知のためには低すぎる。各サーキュレータは検査され、約１０％が適切な仕様を満たす。

低侵襲ヘルスケア用途において、干渉計は、特別な振動及び温度が安定化された箱内に組み込まれることがある。その組み込まれた形状感知ファイバを備える医療装置（カテーテル、ガイドワイヤ）は、カテーテル処置室の無菌部分で使用されることがある。その二つの間には、少なくとも一つの光パッチコードがあるであろう。これは、少なくとも二つの光マルチコアコネクタが存在することを意味する。これらのコネクタでの反射は、レイリー信号を低下させ、クロストーク効果を引き起こす傾向がある。現行のシステム（例えば、Luna第三世代）は、一つより多いマルチコアコネクタを有する場合には適切に機能することができないものである。

干渉計箱と形状感知ファイバとの間には、追加的なリードワイヤが存在することがある。それらのリードワイヤもレイリー散乱を引き起こすものであり、そのレイリー散乱は、感知ファイバからのレイリー信号と同程度の大きさのものである。その結果は、それらのリードワイヤからも同様に情報が集められなければならず、光周波数の関数としてのスペクトルから、遅延（すなわちファイバ位置）の関数としての信号へ変換した後にのみ、リードワイヤからの情報は処分されることができる。光源のサンプリング周波数及び周波数掃引速度が有限であることを前提にすれば、この事実はリードワイヤの長さの上限を与える。

レイリー散乱の位相回復
信号強度が小さいことによる影響とは別に、レイリー散乱は、以下に説明されるように、機械的な振動に対する高い感受性を持つ。

形状測定は、中心波長λ_ｂ（例えば、１５４０ｎｍ）の周りの波長範囲Δλ（例えば、２０ ｎｍ）に渡るスキャンを含む。スペクトルはフーリエ変換され、結果として遅延時間の関数としての複素信号を生じさせる。その信号は、ファイバの長さに沿った位置に対応又は照応させられる。フーリエ変換された信号は、ファイバが基準位置（例えば、直線状）にある時に測定された同様の信号と比較される。比較において、その二つの信号の位相における差異（複素平面における角度）は、ファイバ上の対応する位置で取得される。位置の関数としてのこの位相差の傾斜は、様々な変形成分に対応し、ファイバの形状に変換されることができる。所与の位置での変形の積分は、全体の統合されたファイバコアの長さ変化の大きさである。この長さ変化は、基準測定の対応する点が、形状測定に関して移動又は変化（シフト）したことを意味する。それ故に、形状測定と基準との間のコヒーレンス（可干渉性）を確かにする形状追跡アルゴリズムが、用いられなければならない。その上、基準測定の開始点は、パッチコードの長さ変化のため、最新の形状測定の開始点に対して測定ごとに移されるものである。パッチコードにおける長さ変化は、振動及び温度の変動によって引き起こされる。位相追跡アルゴリズムの開始で、対応する開始位置を発見するために、相互相関が実行されなければならない。常に位相信号のコヒーレンスを維持したまま、ファイバ上の二つの対応する位置が許容される差異には、上限が存在するものである。この上限は、ここで機械的な振動及び温度変動に対するシステムの感受性の大きさのために見積もられ、基準となる。

レイリー散乱は、固形化の瞬間に存在するガラス内の密度の変化に由来し、結果としてランダムな特質を有する。干渉法によるセットアップにおいて、ある特定の波長でのレイリー信号は、ファイバの長さに沿った全ての反射の総和である。その総和において、各寄与の蓄積された位相の遅れが考慮される。このことは、干渉スペクトルの尖った特質を生じさせる。そのフーリエ変換もまた、ガラス内の波長ごく一部の特徴的な長さスケールdｌで尖っている。しかしながら、フーリエ変換されたスペクトルは、ファイバに沿って探査された連続点の間のステップサイズの長さΔｚを持つ。

ここで、ｎは、ファイバ内の光モードの群の屈折率である。レイリー散乱の特徴的なコヒーレンスの長さdｌ（探査された期間と同程度と見積もられる、すなわちλ／２ｎ＝５００ｎｍ）は、ステップサイズの長さΔｚ（およそ４０μｍ又はマイクロメータ）よりもずっと小さい。図１は、測定された位相及びフーリエ変換されたレイリー信号を表示する。位相は、ステップサイズの長さスケールでさえ、完全にランダムである。幸運なことに、それは、基準信号に対する位相追跡が可能であるように、再生される。しかしながら、図１は、長さの微小な変化（シフト）が、形状測定と基準との間の位相差のコヒーレンスを完全に壊してしまうことを明らかにしている。

ファイバブラッグ格子
上述の課題の解決策は、感知ファイバの４本のコア内にブラッグ格子を書き込むことよって、外部の散乱信号を使用することである。散乱効率は、およそ１％の大きさであり、これはレイリー散乱の１０^−８（付記Ｉを参照）と比較されるべきである。干渉計の信号は、この比率の平方根すなわち１０^３又は６０ｄＢで増大する。形状感知ファイバの末端は、例えば８度の角度の研磨カットが十分であるように、少量の端部反射の抑制のみを必要とする。ファイバコア間のクロストーク、有限のサーキュレータの除去率及びマルチコアコネクタによる反射に関する全ての問題が、軽減される。さらに、リードワイヤは形状感知ファイバに対して無視できるほどの信号を持つであろう。リードワイヤの長さの増加は、同量のファイバ長を干渉計の基準アーム部に追加することによって、位相測定の統合性を損なうことなく容易に補償されることができる。

米国特許公報ＵＳ７，７８１，７２４（特許文献３）は、ファイバブラッグ格子を使用する形状／位置感知装置の例である。装置は光ファイバ手段を有する。光ファイバ手段は、少なくとも二つのシングルコア光ファイバか、又は少なくとも二つのファイバコアを有するマルチコア光ファイバのいずれかを有する。いずれの場合においても、ファイバコアは、ファイバコア間のモード結合が最小化されるように離間している。複数のファイバブラッグ格子（ＦＢＧｓ）の配列は各ファイバコア内に配置され、周波数領域反射率計は光ファイバ手段に対して操作可能な関係に配置される。使用において、装置は物体（目的物）に貼られるか、又は取り付けられる。光ファイバ上の変形又は歪みは測定され、変形又は歪みの測定は、局所的な曲がり測定に関連付けられる。局所的な曲がり測定は、物体の位置及び／又は形状を決定するために統合される。一つの特有の不都合は、典型的なＦＢＧ構成については、スペクトル帯の“ウィング”における情報を包含するために、反射率計の検出器は比較的大きなダイナミックレンジを持たなくてはならないことである。

本発明の発明者らは、改良された形状及び／又は位置感知システムは有益であることを正しく認識し、かつそれ故に本発明を考え出した。

米国特許出願公開公報ＵＳ２０１１／０１０９８９８Ａ１ 米国特許出願公開公報ＵＳ２０１１／０３１０３７８Ａ１ 米国特許公報ＵＳ７，７８１，７２４

改良された形状及び／又は位置検出システムを得ることは有益であろう。より安定及び／又は信頼性の高い形状及び／又は位置検出システムを可能にすることもまた望まれるであろう。概して、本発明は好ましくは、上述の課題の一つ又はそれ以上を単独又は組み合わせで軽減、緩和又は除去しようとする。特に、従来技術の上述の課題又は他の課題を解決する方法を提供することが、本発明の一つの目的として見られてもよい。

これらの関心事項の一つ又はそれ以上により良く対処するために、第一の態様において、本発明は関連する物体の位置及び／又は形状測定用の光学的感知システムに関する。そのシステムは、
- 関連する物体上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバ、
- 一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有する複数の光ファイバコアであり、ファイバブラッグ格子は、物体の位置及び／又は形状が測定される複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコア、
- 一以上の光ファイバに光学的に接続された反射率計であり、反射率計は、複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計される、反射率計、及び
- 複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく物体の位置及び／又は形状測定のために、反射率計に操作可能に接続される、プロセッサ、を有し、
- 反射率計は、周波数領域で作動している場合に、位置又は形状を測定するために中心波長の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光ファイバコアの全長に沿って延び、一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。

本発明は、具体的には、ただし排他的にではなく、（複数の）ファイバブラッグ格子が光ファイバに沿って効果的に連続的な、光学的感知システムを得るために有益である。ファイバブラッグ格子が連続的であるために、間隔（ギャップ）が残されておらず、全ての位置が検出可能な反射を生じさせ、かつ、反射スペクトルが、反射率計内の光源の波長スパン又は“スイープ”と同等の波長スパンを包含することが達成される。

本発明の文脈において、関連する物体とは、例えば医療用カテーテルであってもよい。医療用カテーテルは、本発明による光学的感知システム内に一体的に製造されてもよく、又は代替的に、光学的感知システムに機械的に固定されてもよい。

ＦＢＧの主要な特性は、特定の波長で光を反射する能力である。いくつかの用途において、格子の十分な性能は、その反射性、ｒ、が小さくないことを前提とする。この条件は、ＦＢＧの長さの下限、指標（index）振幅変調、及びまたその可能なチャープの上限を置く。ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、本発明の文脈において、ＦＢＧが特定の周波数を反射し、その他の周波数を透過させるような方法で光ファイバの光コア又は区分により実行される、一種の分布ブラッグ反射器として定義されてもよい。これは、入射光波と格子との間の干渉現象として直感的に理解されることができる。入射光波は、順方向において破壊的な光干渉を経験し、逆方向において建設的干渉を受け（経験し）、それ故に共振波長を持つ入射光波はＦＢＧと相互作用し、反射される。一本の光ファイバは、一つのファイバコア又はいくつかの光ファイバコアを持ってもよいことに留意されたい。コアは、必ずしも光ファイバの中心位置になくてもよいが、ある特別な場合として、光ファイバの中心位置に（すなわち、中心軸に沿って）一本のコアを有してもよい。

ＦＢＧｓは、本発明の文脈の中で、いくつかの方法で適用されることができる。一つの非包括的なリストは、チャープされたＦＢＧｓ（線形又は非線形）、陽極酸化ＦＢＧｓ、傾斜ＦＢＧｓ、超構造格子ＦＢＧｓ等を含む。

本発明の文脈の中で、用語‘全長’の意味は、形状及び／又は位置感知が望まれる（したがって関連する物体に相互接続される）光ファイバコアの、機能している（active）部分又は動かすことが可能な（displacable）部分として解釈されるべきであることを理解されることができる。それ故に、光ファイバコアは、文脈の中で適切であれば、いかなるＦＢＧｓも伴わない一つ又はそれ以上の部分を持つことができる。

本発明の文脈の中で、反射（ｒ）が‘光ファイバコアの全長に沿って空間的に調節され’ていることの意味は、およそ屈折率の二倍で除算された波長（λ／２ｎ）で見たときに、全長に沿って調整されるものとして解釈されるべきであることも、理解されることができる。したがって、当業者が理解できるように、（有意に）小さなスケールで、反射は、例えば傾斜機能の欠如によって調整されない。

一つの実施形態において、少なくとも一本の光ファイバコア（１０）は、物体の位置及び／又は形状が測定されるべき全長に沿って延びる単一のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，８）を有してもよく、場合により一つよりも多い光ファイバコアがその長さに沿って延びるＦＢＧを有してもよい。これは、本出願の文脈内で不均質（in- homogeneous）な解決策といわれるものであり、製造の比較的容易性により、数ある中でも、特に有益な解決策である。一つの更なる実施形態において、単一のファイバブラッグ格子は、光コア内の全ての採取点（サンプリングポイント）が有効な、別個の共振波長を有し、各採取点は波長スキャンにおいて検出可能であるように、全長に沿った複数の領域においてチャープされてもよい。チャーピング、すなわち格子の周期性の変化は、線形であっても、又は非線形的であってもよいことを留意されたい。一つの実施形態において、複数の領域は、互いに部分的に重なっていてもよい。重なり合う領域は、およそ同一の寸法であってもよく、又は一つの重なり合う領域と次の領域で異なってもよい。重なり合いは、複数の格子の間で起こり得る隙間が防止又は最小化されるため、変形の測定の安定性を有利に増大させる。

一つの有利な解決方法において、単一のファイバブラッグ格子は、全長に沿った複数の領域において線形的にチャープされてもよい。場合により、ごく一部の領域だけが線形的にチャープされる。

好ましくは、領域内のチャーピングの長さは、位相の対応するコヒーレンス長さが、連続する複数の採取点の間のステップ長さ（Δｚ）よりも長くなるように選択される。なぜなら、より詳細に後述するように、この構成は、振動及び／又は温度変動に対する感受性を有意に、例えば一桁分以上、低減するからである。

本発明の他の実施形態において、少なくとも一本の光コアは、全長に沿って延びる複数のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有し、各ファイバブラッグ格子は、他のファイバブラッグ格子と異なる共振波長を有し、各格子は採取波長又は光周波数に対応してもよい。この実施形態は、本出願の文脈の中でいわゆる均質な解決策として知られる。

一つの具体的な実施形態において、システムは、Ｎ次元の位置及び／又は形状を感知するように構成され、複数の光ファイバコアは、温度補償及び／又は引張り変形を可能にするように、追加的な光ファイバコアを使用して、Ｎ＋１と同等であってもよい。

他の実施形態において、複数の光ファイバコアは、一本の光ファイバ内に配置され、複数の光ファイバコアは、中心の形状及び／又は位置測定のための光ファイバコアの周りをらせん状に曲げられていてもよい。

本発明の教示及び文脈の中で、様々な用途が予期されることができる。そして、関連する物体の非包括的なリストは、医療用カテーテル、医療用検査プローブ、医療用センサ、建築検査用センサ、海中用センサ及び地質学用センサを含んでもよい。

第二の態様において、本発明は、関連する物体（Ｏ）の位置及び／又は形状を測定する方法に関する。その方法は、
- 関連する物体（Ｏ）上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバを提供するステップ、
- 一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有する複数の光ファイバコアであり、該ファイバブラッグ格子は、前記物体（Ｏ）の位置及び／又は形状が測定される複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコアを提供するステップ、
- 一以上の光ファイバに光学的に接続された反射率計（ＲＥＦＬ）であり、反射率計は、複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計される、反射率計を提供するステップ、及び
- 複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく物体の位置及び／又は形状測定のために、反射率計に操作可能に接続される、プロセッサ（ＰＲＯＣ）を提供するステップ、を含み、
- 反射率計は、周波数領域で作動している場合に、位置及び／又は形状を測定するための中心波長（λ_０）の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光ファイバコアの全長に沿って延び、一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。

第三の態様において、本発明は、関連する物体（Ｏ）の位置及び／又は形状検出用の、関連する光学的感知システムに適用される光学ユニットに関する。その光学ユニットは、
- 関連する物体（Ｏ）上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバ、及び
- 一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有する複数の光ファイバコアであり、ファイバブラッグ格子は、物体（Ｏ）の位置及び／又は形状が測定される複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコア、を有し、
- 光学ユニットは、反射率計（ＲＥＦＬ）に接続可能であり、反射率計は、複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計され、
- 関連するプロセッサ（ＰＲＯＣ）は、複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく物体の位置及び／又は形状測定のために、反射率計に更に接続可能であり、
- 反射率計は、周波数領域で作動している場合に、位置及び／又は形状を測定するための中心波長（λ_０）の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光ファイバコアの全長に沿って延び、一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。このように、光学ユニットは一つ又はそれ以上の光ファイバを有してもよい。

第四の態様において、本発明は、関連する物体の位置及び／又は形状を測定するための光学的感知システムに更に関連してもよい。そのシステムは、
本発明の第一の態様と同様に、関連する物体上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバを有する。ただし、一以上のファイバブラッグ格子を有するただ一つだけの光ファイバコアを有し、ファイバブラッグ格子は、物体の位置及び／又は形状が測定される光ファイバコアの全長に沿って延びる。

概して、本発明の様々な態様は、本発明の範囲内で如何なる方法でも組み合わされ、結合されることができる。本発明のこれらの及び他の態様、特徴及び／又は利点は、以下に記述される複数の実施例から明らかになり、これら複数の実施例を参照して説明されるであろう。

本発明の複数の実施形態は、ほんの一例として図面を参照して記述される。図面の内容は以下のとおりである。
図１は、レイリー信号について、ファイバに沿った位置の関数として、干渉計からフーリエ変換されたスペクトルの位相を示す。位置は、ファイバ指数として与えられる。 図２は、線形にチャープされた単一ファイバブラッグ格子の位相を、位置の関数として示す。 図３は、ファイバ上の正規化された位置に対比してテーパ関数の正規化された振幅を示す。テーパ関数は、０．００１の重なり合いを持つ４０の格子で構成される。 図４は、ファイバ上の正規化された位置に対比してテーパ関数の位相を示す。テーパは、０．００１の重なり合いを持つ４０の格子で構成される。正規化されたチャープ定数は、正規化された同調範囲と同等である。 図５は、離調に対比してフレネル反射係数の（任意の単位での）振幅を示す。反射係数の絶対値が上部に示され、矢印で示されるように実数部（ＲＥ）が濃い灰色に、そして虚数部（ＩＭ）が薄い灰色に示される。 図６は、線形にチャープされた４０の格子からの、正規化された反射スペクトル（図５も参照）の部分的な拡大を示す。 図７は、ファイバの０．００５の部分に渡る、０．１桁の極小変形を伴う変形による、図５の波長スペクトルの振幅の変化を示す。 図８は、フーリエ変換された、ブラッグ格子を備えたマルチコアファイバのスペクトルの位相を示す。 図９は、基準が指数１だけ動かされた場合の、ファイバブラッグ格子からの位相信号の変化を示す。 図１０は、本発明による光学的位置及び／又は形状感知システムの模式図を示す。 図１１は、本発明による光ファイバコアを有する光ファイバの模式的な斜視図を示す。 図１２は、本発明による光ファイバコアを有する光ファイバの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１３は、本発明による光ファイバコアを有する光ファイバの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１４は、本発明による光ファイバコアを有する光ファイバの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１５は、本発明によるＦＢＧｓを有する光ファイバコアの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１６は、本発明によるＦＢＧｓを有する光ファイバコアの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１７は、本発明によるＦＢＧｓを有する光ファイバコアの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。 図１８は、本発明による方法の流れ図を示す。

図１０は、本発明による光学的位置及び／又は形状感知システム１の模式図を示す。光学的感知システム１は、関連する物体Ｏの位置及び／又は形状測定用に適合される。システムは、関連する物体Ｏの上又は表面、物体Ｏの中、又は物体Ｏのへの固定に適する、一つ又はそれ以上の光ファイバ１０を有する。各光ファイバは、一つ又はそれ以上の光ファイバコアを有する（図１１及び以下を参照）。

さらに、本図では図示されていない複数の光ファイバコアが、物体又は対象物Ｏの位置及び／又は形状が測定される光ファイバコアの全長に沿って延びる、一つ又はそれ以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有している。

反射率計ＲＥＦＬ１２は、例えばその目的のために適合された補助光ファイバ１１を介して、一本又はそれ以上の光ファイバ１０に光学的に接続されている。反射率計１２は、複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計されている。場合により、一本より多い（２本以上の）補助的光ファイバ１１が適用されてもよい（例えば、本発明のこの態様に関する更なる詳細について米国特許第７，７８１，７２４号を参照）。

プロセッサＰＲＯＣ１４は、複数の光ファイバコア（本図では図示されていない）からの測定された変形に基づく物体Ｏの位置及び／又は形状測定のために、反射率計１２に操作可能に接続されている。

反射率計１２は、周波数領域で作動している場合に、位置又は形状を測定するために中心波長（λ₀）の周りの第一波長（λ_１）から第二波長（λ_２）へ波長スキャンを実行するように設計され、一つ以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光ファイバコアの全長に沿って延び、一つ又はそれ以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。波長スキャンは、例えば以下でΔλとも呼ばれるλ_１からλ_２へ実行される。

図１１は、本発明による４本の光ファイバコア９ａ，９ｂ，９ｃ，及び９ｄを含む光ファイバ１０の模式的な斜視図を示す。縦縞模様の記入によって表示されるように、コア９は、全長（破線によって表示されているように左側の末端部分は図示されていない）に沿って一つ又はそれ以上のＦＢＧｓを有する。

付記ＩＩＩにおいて説明されるように、光ファイバコア９の全長に沿った反射ｒのために、概して均質な解決策及び非均質な解決策が存在する。

非均質な解決策のために、少なくとも一本の光ファイバコア９は、物体Ｏの位置及び／又は形状が測定される全長に沿って延びる単一のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有する。

均質な解決策のために、少なくとも一本の光ファイバコア９は、全長に沿って延びる複数のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を有する。各ファイバブラッグ格子は他のファイバブラッグ格子と異なる共振波長を有する。

非均質な解決策及び均質な解決策の組合せも同様に実行され得ることが予測される。もちろん、反射率計は相応に適合されるべきである。

図１１及び以下の図面において、光コア９は光ファイバ１０の中心軸１０と平行に示されるが、いくつかの実施形態において、光コアは別の方法で配列されてもよい。一つの好ましい実施形態において光コア９の数は４本であり、それらは、中心の光コア９ｄが光ファイバ１０と平行に、そして他の３本のコア９が上記の中心コアの周りでらせん状に曲げられて配置されている（図示なし）。

図１１は、ファイバ１０内の４本のコア９ａ，９ｂ，９ｃ及び９ｄを表す。図１１に示されるように、複数のコア９は、ファイバの中心と平行に伸びる。そのような配列では、実際にはＸ及びＹ方向の横方向の曲げのみを測定することができ、ファイバの引張りも、らせん状の曲がり／ねじれも、測定／補償することができない。しかしながら、中心コア９ｄの周りにコア９ａ，９ｂ及び９ｃがらせん状に曲げられ又は縒り合されている場合は、これらの特性も測定することが可能である。しかしながら、この構成は図１１にも他の図面内にも明示的に示されていない。横断面Ａにおいて、複数のコア９の相対的な位置が示されている。

図１２乃至１４は、本発明による光ファイバコアを有する（複数の）光ファイバの様々な実施形態の模式的な断面図を示す。

図１２に、２本の光コア９ａ及び９ｄを有する光ファイバ１０が示される。いくつかの種類のセンシング、例えば、追加的なコアを温度補償に使用した一次元の変位測定のために、この構成は十分であり得る。

図１３において、２本の光コア９ａ’及び９ｂ’を有する他の光ファイバ１０が示される。模式的に示されるように、光コア９ａ’のみが、その長さに沿った一つ又はそれ以上のＦＢＳｓ（縦縞模様で記入された部分）を有し、他方の光コア９ｂ’は、他の種類の反射、例えばレイリー散乱を利用する。したがって、本発明の一つの別個の態様において、一方の光コア９ａ’のみがＦＢＳｓを有し、光コア９ａ’は、引張り感知の目的にかなった光反射を用いた他の種類の感知技術と組み合わされることができる。一つの特定の実施形態において、光コア９ａ’は、独立に又は他の光コアを伴わずに機能することもできる。

図１４において、光コア９ａ’’及び９ｂ’’が別個の光ファイバ１０’及び１０’’の中に配置される、一つの特定の実施形態が示される。この構成はもちろん、各ファイバが一本又はそれ以上のコア９を有する、複数の光ファイバ１０の如何なる組み合わせ、例えば、各ファイバが２本の光コアを有する２本の光ファイバにも更に一般化されることができる。

図１５乃至１７は、本発明によるＦＢＧｓを有する光ファイバコアを有する様々な実施形態の模式図を示す。

図１５において、上述の均質な解決策が模式的に示され、重なり合う複数のファイバブラッグ格子８ａ（ＦＢＧ１），８ｂ（ＦＢＧ２），８ｃ（ＦＢＧ３）…ＦＢＧｉが示される（より詳細な説明のために付記ＩＩＩも参照）。現実的な光ファイバのために、格子の数は典型的には約１０，０００であり、この解決策をいくらか複雑な状態にしているが、最近の技術を持ってすれば不可能ではなく、従って本発明の範囲及び教示の中に含まれる。このように、図１５に表される均質な場合は、完全に重なり合う複数の格子を示し、各格子は全ファイバ長さを有し、各格子はそれ自体の周期性を有する。この構成は、レイリー散乱におけるような類似の状況によく似ていると言えるが、人工的に作られている。この構成は、ある特定の平均間隔と共に一様でなくランダムな間隔をもつ一連の縦線によって、図で表現することができる。しかしながら、明りょうさの理由のために、図１５においてこの表現はなされていない。

図１６に、隣接するファイバブラッグ格子領域７ａ（ＦＢＧ Ｒ１），７ｂ（ＦＢＧ Ｒ２），７ｃ（ＦＢＧ Ｒ３）…ＦＢＧ Ｒｉの非均質な解決策が示される。各格子領域は、離調領域の全スパンに広がる、それ自身の共振波長を有する。この特定の実施形態において、光ファイバ１０の長さに沿って（左から右へ）高から低へ線形的に変化する、すなわちチャープされた格子領域は格子周期性（Λ）を有する。これは、光ファイバ１０の真下のグラフ内の反射性ｒについて模式的に示される。グラフの寸法は明りょうさのために誇張されており、下記の付記ＩＩＩで説明されるように、現実には小さな動揺又は変化であることに留意されたい。

図１６は、重なり合っていない複数のチャープされた格子を表示する。完全性のために、追加的な実施形態を加えてもよい。その追加的な実施形態は、互いに隣接し、それぞれが異なる共振波長を有する一連のチャープされていない格子であってもよい。このような方法によっても、波長スパンはカバーされ得る。それはかなりの数のマスクを必要とし、そのため干渉計製造方法又は他の適切な製造とともに実行されてもよい
このように、光コア内の全ての採取点が有効な、別個の共振波長を有し、各採取点又はサンプリング位置は波長スキャンにおいて検出可能であるように、全長に沿った複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，．．Ｒｉにおいて、単一のファイバブラッグ格子９はチャープされる。別個であることによって、それらは、スキャンにおける隣りのピークから識別可能であることが理解される。この要求を充足する如何なる種類のチャーピングでも、周期性を変化させるために適用され得る。

採取点は、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０又は１００マイクロメータ（μｍ）の、おおよその間隔Δｚで分散していてもよい。

また、どのようにして前記の領域Ｒ２及びＲ３内のチャーピング長さＣＬ６が規定されるか、及びチャーピング長さＣＬが、位相の対応するコヒーレンス長さが、連続する複数の採取点の間のステップ長さ（Δｚ）よりも長くなるように有利に選択され得るかが示される。この構成は、下記の付記IIにおいてより詳細に論証されるように、ノイズ及び温度の影響を有意に低減することができる。チャーピング長さ６は、典型的には異なる格子領域Ｒ１乃至Ｒｉで同じであるが、異なるチャーピング長さであり得ることも予期されている。

図１７は、図１６に類似する一つの実施形態を示す。ただし、図１７の実施形態では、ＦＢＧ Ｒ１及びＦＢＧ Ｒ３と両側でそれぞれ重なり合うＦＢＧ Ｒ２で模式的に示されるように、光コア９の長さに沿った複数の領域Ｒ１乃至Ｒｉが互いに部分的に重なっている。光ファイバ１０の下のグラフにおいて、重なり合う領域３ａ及び３ｂが指示されて、３ａ及び３ｂにおいて、二つのインターリーブされた格子に関して、反射率及びそれ故に共振波長が異なることを示している。この構成は、一般的にチャーピングの奇関数を用いて達成されることができるが、本実施形態においては線形的なチャーピングとして示されている。重なり合う範囲は、典型的には相対的に小さい（光ファイバ長さの１／１０００）が、図１７では明りょうさのためにより大きく示されていることに留意されたい。

図１８は、本発明による方法、すなわち関連する物体Ｏの位置及び／又は形状を測定する方法の流れ図を示す。その方法は、
Ｓ１ 関連する物体Ｏ上、物体内又は物体への空間的固定のための一本又はそれ以上の光ファイバ１０であり、各光ファイバは一本又はそれ以上の光ファイバコア９を有する、光ファイバ１０を提供するステップ、
Ｓ２ 一つ又はそれ以上のファイバブラッグ格子ＦＢＧ８を有する複数の光ファイバコアであり、ファイバブラッグ格子は、物体Ｏの位置及び／又は形状が測定される複数の光ファイバコア９の全長に沿って延びる、複数の光ファイバコアを提供するステップ、
Ｓ３ 一本又はそれ以上の光ファイバ１０に光学的に接続された反射率計ＲＥＦＬ１２であり、反射率計１２は、複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計される、反射率計１２を提供するステップ、及び
Ｓ４ 複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく物体の位置及び／又は形状測定のために、反射率計に操作可能に接続される、プロセッサＰＲＯＣ１４を提供するステップ、を含み、
反射率計は、周波数領域で作動している場合に、位置及び又は形状を測定するために中心波長λ_０の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、一つ又はそれ以上のファイバブラッグ格子ＦＢＧ８は、光ファイバコア９の全長に沿って延び、一本又はそれ以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射ｒを有する。

通常ブラッグ格子は、紫外線を使用してファイバコア及び位相マスクにライティングされる。位相マスクの有限な長さは、同じ有限な長さの格子を生じさせる。この長さは数ｃｍの大きさになることができ、感知ファイバの全長と同じ長さになることはできない。したがって、複数の格子が連結又は重ね合わせられ、ファイバ位置の関数としての信号が如何なる空隙も見せないような方法でライティングされるべきである（ＦＢＳ_Ｓの製造に関する当業者のために適切な更なる詳細のために、M.Sumetskyらの“Holographic methods for phase mask and fiber grating fabrication and characterization”を参照）。

良好な空間的解像度（例えば、４０ミクロン）を得るために、対応するスペクトルバンド幅がスキャンされなければならない（例えば、２０ｎｍ）。１ｍ長の感知ファイバに渡って連続的なブラッグ格子は、２０ｎｍよりもはるかに小さな、極めて鋭いスペクトルのピークを生じさせる。連続する複数の格子の間の位相跳躍はスペクトルを拡大し得るが、変形していないファイバの広いスペクトル幅は、それでもやはり１ｎｍよりもはるかに小さい。信号レベルが小さい、スペクトル帯のウィングにおける情報を得るために、検出器は大きなダイナミックレンジを持つ必要がある。この課題を軽減するために、（複数の）格子をチャープして、完全な測定されたスペクトルバンドのほどんどが満たされるようにする方がよい。感知ファイバが曲がることにより、結果として変形が起こり、続いて反射スペクトルが変化する。その変化は最大で数ｎｍである。インターロゲーション（呼びかけ信号又は信号解読）の間、スキャン範囲は変形していないスペクトル反射バンドのみでなく、変形によって起こり得る追加的な変化もまた、包含するべきである。

格子のチャープにより、基準測定の位相は一定ではなくなり、チャープに対して関数従属性を示す。線形的なチャープに関して、位相関数は二次方程式となる。この例は図１に与えられる。位相の全スパンは実質的（substantial）であるが、関数は連続的であり、レイリー散乱に関するように完全にランダムではない。変動の長さ寸法は、チャープのスペクトルバンドに対応する。２０ｎｍよりも小さな範囲にわたるチャーピングは、４０ミクロンよりも大きな、すなわち複数の連続する測定点の間のステップ長さよりも大きな、位相のコヒーレンス長さに対応する。その結果として、振動及び温度変動に対する感受性は、一桁分以上低減される。付記ＩＩ“ファイバブラッグ格子からの位相信号の実験データ”において、位置変化つまり振動に関して、ＦＢＧｓからの位相信号の頑健性（ロバスト性）の実証が与えられている。

本発明は、数ある中で、それぞれがチャープされた単一のブラッグ格子を有する複数のコアを持つ、ファイバを提案する。チャープの利点は、その空間分解能のために必要とされるスペクトルバンドがおおよそ均一に満たされることである。そのようなファイバは、光学的形状感知のために使用されることができる。

本発明は、数あるなかで、複数のチャープされたブラッグ格子を有し、格子の間には間隔が無い単一のコアを備えたファイバを提案する。チャープの利点は、その空間分解能のために必要とされるスペクトルバンドがおおよそ均一に致されることであり、間隔を持たないことの利点は、そのコアに沿った全ての位置がスキャンされ得ることである。そのような単一コアファイバは、分散型の温度及び／又は変形プロファイルが干渉法によってモニタされる用途において使用され得る。一つの改良において、本発明は、二つの連続するブラッグ格子の重なり合いを備えたコアを提案する。その重なり合いは、そのようなコアが、変形によって一つの格子の領域の外側に動かされた位置をスキャンすることを可能にする状態を作り出す。

本発明による装置の一つの実施形態は、
- 中心コア及びその中心コアの周りにらせん状に巻かれた少なくとも３本の外側コアを有する、形状感知マルチコアファイバ、
- 形状感知ファイバへ光を伝え、干渉法によってブラッグ格子からの反射信号を検出するためのインターロゲーションユニット、及び
- 測定された反射スペクトルを形状に変換するプロセッシングユニット及び付随するアルゴリズム、を有し、
- ファイバの全てのコアは、少なくとも一つのブラッグ格子を含み、
- 各コア内で、（複数の）格子は、位置の関数としての信号に間隔が生じないように、連続的な方法でライティングされ、
- 各コア内で、（複数の）ブラッグ格子のスペクトルは、必要とされる空間分解能に密接に対応するスペクトルバンド幅を持ち、
- 複数の類似のチャープされた格子が用いられる場合は、連続した格子は好ましくはその空間的領域において重なり合うと同時に、その重なり合いにおける共振周波数バンドは、そのスペクトルバンドの二つの反対側のウィングに対応する、
ことを特徴とする。

“ファイバブラッグ格子の理論的枠組み”と名付けられた付記ＩＩＩで説明されるように、我々の洞察の二つの要求を充足するように単一の又は一連のファイバブラッグ格子が設計される得る、無限量の方法が存在する。二つの要求とは、すなわち（１）（複数の）格子は、全ての位置が検出可能な反射を生じさせるように、ファイバに沿って連続的であり、間隔を残さない。（２）全体の反射スペクトルは、光源の掃引（スイープ）スパンのサイズに等しい波長スパンを包含する。スキャンのサイズは、数式１によって与えられるような適切な形状感知のために必要とされる分解能によって決定される。典型的な値は、１５４０ｎｍの周りの中心波長２０ｎｍの波長スパンであり、現実の空間における４０ミクロンのステップサイズに対応するものである。

完全性から遠ざかることなく、我々はここで、上記の二つの要求を充足する一つの例を示す。その設計は、等しいチャープ及び等しい中心波長を有する４０の格子を構成する。１ｍ長のファイバについて、したがって格子寸法は２５ｍｍである。これは、ライティング工程中の位相マスクの寸法として典型的な値である。格子は、感知ファイバの長さの０．００１倍の小さな重なり合いをもつ。すなわち、ファイバが１ｍ長である場合は、この重なり合いは１ｍｍである。各格子は線形的なチャープを有し、これは、位置及びランダムに選択された周波の絶対位相への位相の二次元の従属性を意味する。

図３によって与えられるような正規化された振幅及び図４によって与えられるような位相を有するテーパ関数を、付記ＩＩの数式９の数学的形式を使用してフーリエ変換した後、複素数のフレネル反射係数を得ることができる。その結果は図５に表されている。−３２０００から＋３２０００までの正規化された同調範囲は、１６ｎｍよりもわずかに大きな波長スパンに対応する。

図５のスペクトルは、興味のあるスペクトルバンドを完全に充足する、接近して詰められたピークの、急激に変化する関数である。スペクトルの拡大された一部が図６に示される。ランダムなオフセットで（実際に正確な状態であり得る）、各格子についてテーパ関数の絶対位相を選択することによって、レイリー散乱パターンのように、外見上スペクトルには何らの構造も存在しない。

反射スペクトルの全体の幅が全体の測定範囲に対応する設定を考慮されたい。変形は、測定範囲を超える変化である有限の可能性で、スペクトルの少なくとも一部を変化させる。その場合は、変形を伴う特定の格子の一部は、完全にモニタされることができず、ファイバに沿った変形の情報に間隔を生じさせる。この課題を軽減するため、連続する線形にチャープされた格子の重なり合いを増大させることができる。ファイバ上の各位置は、対応する共振波長を有する。一つの格子の最初及び最後は、最も極端に離れた共振波長を有する。一つの格子の、先頭での先の格子との重なり合い及び末端での次の格子との重なり合いは、二つの異なる共振波長を有する重なり合い領域を生じさせる。それら一方が測定範囲を超えて変化した場合は、他方は測定範囲の中心に向かってより大きく変化することができる。したがって、格子の重なり合いは、ファイバに沿った変形情報の連続性を確かにする。

また、変形への感受性を計算することもできる。図７に、ファイバの０．００５の部分の長さについての０．１マイクロの変形（１０^−７の長さ変化）に起因する反射スペクトルの振幅の変化が示されている。（レイリー散乱のような）完全に均質なテーパ関数の場合は、局部集中された変形に起因する変化は、全スペクトルバンドに渡って見られるものであった。一連のチャープされた格子に関して、テーパ関数はより均質でなく、その結果としてスペクトル変化は全体の離調範囲の一部分に関するのみである。しかしながら、図７は、ファイバの０．５％のみが変形される間に、同調範囲の少なくとも１５％に渡る変化を明らかにする。

単一コアファイバに関する本発明は、分散型の温度及び／又は変形プロファイルが干渉法によりモニタされる用途に使用されることができる。

マルチコアに関する本発明は、例えばガイドワイヤ、カテーテル及び同類のものなどの医療装置の追跡及び／又は位置の特定が重要な、全ての低侵襲処置において適用されることができる。

参考文献
US 2011/0109898, Mark E. Froggatt, Justin W. Klein, Dawn K. Gifford, and Stephen Tod Kreger, “ Optical position and/or shape sensing”.
US 2011/0310378, Mark E. Froggatt, Justin W. Klein, “Interferometric measurement with crosstalk suppression“.
US 7,781,724, Brooks A. Childers, Dawn K. Gifford, Roger G. Duncan, Matthew T. Raum, Michael E. Vercillino and Mark E. Froggatt, “Fiber optic shape sensing device and method relating thereto”.
H. Kogelnik, “Filter response of non uniform almost-periodic structures”, Bell System Techn. J. 55(1), 1976, 109
M. Sumetsky et al., “Holographic methods for phase mask and fiber grating fabrication and characterization” in Laser Micromachining for Optoelectronic Device Fabrication, Andreas Ostendorf, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4941 (2003)
上記の参考文献の全ては、参照によりそれらの全体が本明細書に取り込まれる。

付記I レイリー信号強度及び信号対ノイズ比
以下は、干渉法を使用したシングルモードファイバ内でのレイリー散乱信号の推定である。この推定を検証するため、信号対ノイズ比が計算され、Luna形状取得システムを起源とする経験値と比較される。ノイズレベルには二つの原因がある。一方は、検出機器に、具体的にはトランスインピーダンス増幅器内のフィードバック抵抗器の温度ジョンソンノイズに由来する。他方は、レーザー光源の相対強度ノイズに起因する。

レイリー散乱
通信ファイバにおける損失は、合計０．１５ｄＢ／ｋｍに達し、レイリー散乱が支配的である。これは、約３０ｋｍの後には光の半分が散乱してしまい、次の増幅器が組み込まれることを意味する。我々は、下記数式２の散乱パラメータを使用することができる。

散乱光は全立体角に分配され、小さな割合のみがファイバのモード内に捕捉される。この割合ｆ_ｓは、外部の開口数に対応する内角□_ＮＡによって決定される。

ファイバ内の入力パワーＩ_０及びLのファイバ長さについて、レイリー散乱の全体の出力Ｉ_ｒは次式のとおりである。

幸運なことに、干渉法による測定及びレイリー散乱光による測定は、大きさにおいてファイバ上の入力パワーに類似する、基準出力と混合され、その結果として、検出器上のＲＦ出力は次式のとおりである。

優れたインジウムガリウムヒ素ピンダイオードは、検出器電流ｉ_ＲＦが約０．３μＡに達することができるように、約１Ａ／Ｗの感度を有することができる
増幅器ノイズ
トランスインピーダンス増幅器において、検出器電流はフィードバック抵抗Ｒを押し通されて、信号電圧を生じさせる。フィードバック抵抗は、以下の方法において必要とされる周波数バンド幅によってサイズが制限される。浮遊容量Ｃは、フィードバック抵抗をインピーダンス１／（ωＣ）で短絡させ、Ｒがこの値よりも大きくならないようにする。１ｐＦより低い値まで浮遊容量を低減することは難しい。抵抗の熱ノイズは次式で与えられる。

上記の方程式の最終部において、浮遊容量Ｃによって与えられるものとして、抵抗Ｒについて最大値を取った。トランスインピーダンス増幅器のノイズフロアは、バンド幅から独立している。しかしながら、抵抗Ｒはバンド幅に反比例するため、信号はバンド幅に左右される。したがって、信号対ノイズ比はバンド幅に反比例する（また、上記の式が示唆するかもしれないように、バンド幅の平方根に反比例するのではない）。信号対ノイズ比は次式の通りである。

我々は増幅器を３０ＭＨｚに制限した。この値は、約６ＭＨｚのクロック周波数を生じさせる、２０ｍの遅延時間を持つクロック干渉計と共に、５００nm/sで掃引レーザ源を考慮することによって得られる。クロック信号内の変動について適切に補正するために、採取（サンプリング）レートは５倍に高く設定された。３０ＭＨｚ及び１ｐＦよりも大きくない浮遊容量で、フィードバック抵抗は、５ｋΩの値を持つことができる。３０の振幅での信号対ノイズ比は、また３０ｄＢの比率の出力に対応する。

レーザ相対強度ノイズ（ＲＩＮ）
干渉計において、検出器は、ＲＦ（無線周波数）信号とは別に基準アーム部からの力に対応するＤＣ（直流）信号も経験することがある。このＤＣ信号は、ＲＦ信号の周波数でも振幅ノイズを有することがある。この寄与又は貢献は、ノイズ比に有限の信号を生じさせることがある。良好な半導体レーザは、１２０ｄＢ／ＨｚのＲＩＮノイズレベルを示すことがある。ここでノイズはバンド幅に比例することにも留意されたい。これは、レーザ出力は検出器電流を生じさせ、その電力は光強度に比例するという事実に起因する。ノイズは測定の周波数において、例えばＭＨｚの範囲で知られなければならない。この周波数の周りでまとめられるバンド幅は、ステップ長さによって分けられた二つの隣接する点に対応する周波数の差である。これは、全体のスキャン長さの逆数、つまり１／４０ｍｓ＝２５Ｈｚと等しい。したがって、レーザのノイズレベルは−１０６ｄＢである。ＲＦレベルとＤＣレベルの比は次式のとおりである。

レーザノイズによるノイズレベルに対する信号は、ほんの３５ｄＢであると評価される。この値はかなり小さく、我々は全ての所有するレーザ（Lunaシステムを含む）についてＲＩＮレベルがどの程度かを検査すべきである。検出器ノイズと同様に、信号を増大させることは大いに助けになるであろう。

付記ＩＩ． ファイバブラッグ格子からの位相信号の実験データ
ファイバはマルチコアで構成される。すなわち、一本の中心コア、及び中心コアから５０ミクロンの距離で３本の外側コアで構成される。３本の外側コアは、およそ１８ｍｍのピッチで中心コアの周りにらせん状に巻かれる。各コアは、およそ２５‐３０ｍｍの長さ及び約１５４３ｎｍの共振波長を有するブラッグ格子を含む。ファイバが曲げられた場合に、外側コアは変形、歪み又は引張りを受ける（経験する）。変形は、それらのらせん状の巻き付きによる１８ｍｍの周期性を伴う、引張りから圧縮へ及びその反対に周期的変化することがある。４本のコアの反射スペクトルは、１５４０ｎｍの周りの２０ｎｍのスペクトル範囲に渡って干渉計で測定される。フーリエ変換は、遅延時間、すなわちファイバに沿った位置の関数としての複素信号を産出する。図８において、共振はスペクトルスキャンの中心ではないという事実から生じる一定の傾斜を減算した後の、この複素信号の位相が示されている。

らせん状の巻き付けと組み合わせて曲げることからの変形による振動を、明りょうに見ることができる。これは、図１に与えられるようなレイリー散乱の位相信号と比較されなければならない。ファイバが直線状にある基準測定の位相を減算することなく、レイリー信号は読み取られることができないが、一方でブラッグ格子は参照なく変形を明らかにする。これはそれ自体、既に、ファイバに沿った位置の小さな変化に対するブラッグ格子からの信号の頑健性の明らかな証拠であり、それ故に振動に対する頑健性の明らかな証拠である。直線状にあるファイバの測定を用いた位相信号の参照は、レイリー信号だけでなく、ファイバブラッグ格子の両方について変形情報を強化することができる。少しの量（ファイバ指数の割合）だけ基準が変化した場合に、レイリー信号の位相はそのコヒーレンスを失ってしまい、感知可能な変形情報は全く読み出すことができない。一方で、ファイバブラッグ格子からの信号は、基準データの変化に対してかなり頑健性が高い。図８に与えられるようなファイバに沿った位置の関数としての外側コアの位相信号を考慮し、基準測定の位相信号を減算されたい。基準の位相信号を１ファイバ指数（約４０ミクロン）だけ変化させて、同じ計算を繰り返す。これら二つの位相差信号は、所与の一定のオフセットから全く同じだけ離れている。これは図９に描かれており、この位相差の変化がファイバに沿った位置に対比してプロットされている。参照された位相信号は、（曲がりによる変形を加えずに）一定の値でのみ変化する。さらに、加えられた変化によるノイズは±０．１ラジアンよりも小さく、ブラッグ信号の頑健性を示している。

付記ＩＩＩ． ファイバブラッグ格子の理論的枠組み
Kogelnikは、ブラッグ格子に関して、一方の波長の関数としての反射性と、それに対する格子テーパ関数との間に単純な関係が存在することを示した。

ここで、Ωは、テーパ関数の振幅、すなわちファイバ内の前方への伝搬波と後方への伝搬波との間の結合強度であり、コアの誘電率の周期性から結果として生じる。φは、テーパ関数の位相である。振幅Ω及び位相φが一定の場合、それは格子の周期性Λが固定されており、その積分は結果としてδ＝０を中心とする同期（シンク）関数を生じることを意味する。一般的に、Ω及びφの両方は位置ｚ＊の関数であり、又は換言すれば、格子は不均一である。格子はほとんど周期的な構造を有する。すなわちテーパ関数は位置への小さな依存性のみを示し、波長依存性は中心の共振の周りの動揺又は変化として見られることができる。

上述の数式９において、離調パラメータδが使用される。離調パラメータδは、中心の共振からの波長変化を記述する。

さらに、上述の数式９において、非無次元量は、ファイバの長さＬでそれらを正規化することによって、無次元量に変換されている（δ^＊＝δ．Ｌ，Ω^＊＝Ω．Ｌ及びｚ^＊＝ｚ／Ｌ）。テーパ関数は、−∞から＋∞の範囲で積分が取れるように、ファイバの外側ではゼロである。その場合、上述の数式９はフーリエ積分の形式を持ち、指数内の追加的ファクタ２は、反射実験において光が前方及び後方へ伝搬して２倍の距離を進むという事実に起因する。

ここでの目的は、反射スペクトルが離調範囲Δδ^＊で特定のバンドを満たすようにテーパ関数を設計することである。このバンドの幅は、我々の都合の良いように選択されることができる。その設計において、我々は、均質分布と非均質分布との間で作用原理の選択をしなければならない。均質の場合において、我々は、それぞれがファイバの全長に渡って広がり、ただし全てが異なる共振波長及びランダムな異なる位相を有する多くの格子を作り出さねばならない。ファイバの全ての位置に全ての格子が存在し、したがってこの構成は、均質な分布であり、レイリー散乱の類似物に似ている。離調範囲Δδ^＊に渡ってゼロでない反射を持つために、我々は、格子の共振変化δｋ^＊が−Ｎ／２＜ｊ＜Ｎ／２の範囲で２πｊに等しい、Ｎ＝Δδ^＊／πの格子を選ばなければならない。

位相φ_ｊはランダムな数値であることに留意されたい。１ｍのファイバ長さ及び１５４０ｎｍを中心として周りに広がる２０ｎｍの波長バンドを伴う現実の状況において、ファイバの全長に渡ってライティングされなければならない格子の数Ｎは、非実用的な大きく、１０^４よりも大きな数値に達する。その結果として、我々はこの選択肢を重視しないつもりである。

非均質の場合において、我々は、ファイバ内の全ての位置が、離調範囲の全スパンをカバーするそれ自体の共振波長を有するような方法でチャープされた一つの格子を持つ。共振変化が位置に対して線形的である場合、テーパ関数の位相は、位置への二次の従属性を持つ必要がある。

離調の関数としての付随する反射は、次式によって与えられる。

上記の数式１４において、符号Ｃ及び符号Ｓは、フレネル積分を表す。均質な場合とは対照的に、線形的にチャープされたブラッグ格子は、複素フレネル反射係数を生じさせる。上記の数式１４は、次々に連結された複数のチャープされた格子の場合、すなわち等しくチャープされたＮ個の格子を有するが長さが小さいファイバについても使用され得る。これらの格子のそれぞれは、ファイバ上の位置に対応する追加的な位相因子を持つ、類似のフレネル反射係数を示すことができる。

このように、本発明は要するに、関連する物体（Ｏ）の位置及び／又は形状測定用の光学的感知システム（１）であって、システムは、一以上の光ファイバコア（９）を有するファイバ（１０）を有し、光ファイバコア（９）は、物体（Ｏ）の位置及び／又は形状が測定される全長に沿って延びる、一以上のファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，８）を有する、システムに関する。反射率計（ＲＥＦＬ，１２）は、光ファイバコアに沿って複数の採取点で変形を測定し、プロセッサ（ＰＲＯＣ，１４）は、複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づいて物体の位置及び／又は形状を測定する。（複数の）ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，８）は光ファイバコア（９）の全長に沿って延び、ファイバコアは、対応する反射スペクトルが波長スキャンにおいて検出可能であるように、光ファイバコアの全長に沿って空間的に変調された反射（ｒ）を有する。したがって、（複数の）ファイバブラッグ格子は、光ファイバに沿って効果的に連続的であり、ギャップが残されておらず、全ての位置が検出可能な反射を生じさせ、かつ、反射スペクトルが、反射率計内の光源の波長スパン又は“スイープ”と同等の波長スパンを包含することが達成される。

本発明は、図面及び先の記述において詳細に説明及び記述されたが、そのような説明及び記述は、説明的又は例示的であるり、限定的ではないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施例に対する他の変形は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求された発明の実践において、当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、単語“有する”は他の要素又はステップを排除せず、不定冠詞“一つ”又は“ある”は複数であることを排除しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲に列挙されるいくつかのアイテムの機能を充足してもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示唆しない。コンピュータプログラムは、光記憶媒体、又は他のハードウェアと共に又はその一部として供給されるソリッドステート媒体のような適切な媒体に記憶／分配されてもよいが、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するような、他の形態で分配されてもよい。請求項における如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. 関連する物体の位置又は形状測定用の光学的感知システムであって、当該システムは、
   関連する物体上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバ、
   一以上のファイバブラッグ格子を有する複数の光ファイバコアであり、該ファイバブラッグ格子は、前記物体の位置又は形状が測定される当該複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコア、
   前記一以上の光ファイバに光学的に接続された反射率計であり、該反射率計は、前記複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計される、反射率計、及び
   前記複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく前記物体の位置又は形状測定のために、前記反射率計に操作可能に接続される、プロセッサ、を有し、
   前記反射率計は、周波数領域で作動している場合に、前記位置又は形状を測定するために中心波長の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、前記一以上のファイバブラッグ格子は、前記光ファイバコアの前記全長に沿って延び、前記一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが前記波長スキャンにおいて検出可能であるように、前記光ファイバコアの前記全長に沿って空間的に変調された反射を有する、
   光学的感知システム。
2. 少なくとも一本の光ファイバコアは単一のファイバブラッグ格子を有し、該ファイバブラッグ格子は、前記物体の前記位置又は形状が測定される前記全長に沿って延びる、請求項１記載の光学的感知システム。
3. 前記単一のファイバブラッグ格子は、前記全長に沿った複数の領域においてチャープされており、光コア内のすべての採取点は有効な、別個の共振波長を有し、各採取点は前記波長スキャンにおいて検出可能である、
   請求項２記載の光学的感知システム。
4. 前記複数の領域は、互いに部分的に重なっている、請求項３記載の光学的感知システム。
5. 前記単一のファイバブラッグ格子は、前記全長に沿った前記複数の領域において線形的にチャープされている、請求項３記載の光学的感知システム。
6. 前記複数の領域内でのチャーピング長さは、位相の対応するコヒーレンス長さが、複数の連続する採取点間の前記ステップ長さよりも長くなるように選択される、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の光学的感知システム。
7. 少なくとも一本の光コアは、前記全長に沿って延びる複数のファイバブラッグ格子を有し、各ファイバブラッグ格子は他のファイバブラッグ格子と異なる共振波長を有し、各格子は採取波長に対応する、請求項１記載の光学的感知システム。
8. 当該システムは、Ｎ次元における位置又は形状の感知に適するように構成され、前記複数の光ファイバコアは、追加的な光ファイバコアを使用して温度補償又は引張り変形を可能にするために、Ｎ＋１に等しい、
   請求項１記載の光学的感知システム。
9. 前記複数の光ファイバコアは一本の光ファイバ内に配置され、前記光ファイバコアは、中心の光ファイバコアの周りをらせん状に曲げられている、請求項１記載の光学的感知システム。
10. 前記関連する物体は、医療用カテーテル、医療用検査プローブ、医療用センサ、建物検査用センサ、海中用センサ又は地質学用センサである、請求項１記載の光学的感知システム。
11. 関連する物体の位置又は形状の測定方法であって、当該方法は、
    関連する物体上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバを提供するステップ、
    一以上のファイバブラッグ格子を有する複数の光ファイバコアであり、該ファイバブラッグ格子は、前記物体の位置又は形状が測定される当該複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコアを提供するステップ、
    前記一以上の光ファイバに光学的に接続された反射率計であり、該反射率計は、前記複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計される、反射率計を提供するステップ、及び
    前記複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく前記物体の位置又は形状測定のために、前記反射率計に操作可能に接続される、プロセッサを提供するステップ、を含み、
    前記反射率計は、周波数領域で作動している場合に、前記位置又は形状を測定するために中心波長の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、前記一以上のファイバブラッグ格子は、前記光ファイバコアの前記全長に沿って延び、前記一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが前記波長スキャンにおいて検出可能であるように、前記光ファイバコアの前記全長に沿って空間的に変調された反射を有する、
    方法。
12. 関連する物体の位置又は形状測定用の、関連する光学的感知システムに適用するための光学ユニットであって、当該光学ユニットは、
    関連する物体上、物体内又は物体への空間的固定のための一以上の光ファイバであり、各光ファイバは一以上の光ファイバコアを有する、光ファイバ、及び
    一以上のファイバブラッグ格子を有する複数の光ファイバコアであり、該ファイバブラッグ格子は、前記物体の位置又は形状が測定される当該複数の光ファイバコアの全長に沿って延びる、複数の光ファイバコア、を有し、
    当該光学ユニットは、反射率計に接続可能であり、当該反射率計は、前記複数の光ファイバコアに沿った複数の採取点での変形の測定のために光学的に設計され、
    関連するプロセッサは、前記複数の光ファイバコアからの測定された変形に基づく前記物体の位置又は形状測定のために、前記反射率計に更に接続可能であり、
    前記反射率計は、周波数領域で作動している場合に、前記位置又は形状を測定するために中心波長の周りの第一波長から第二波長へ波長スキャンを実行するように設計され、前記一以上のファイバブラッグ格子は、前記光ファイバコアの前記全長に沿って延び、前記一以上の光ファイバコアのそれぞれは、対応する反射スペクトルが前記波長スキャンにおいて検出可能であるように、前記光ファイバコアの前記全長に沿って空間的に変調された反射を有する、
    光学ユニット。

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