JP2022506029A - 光ファイバセンサ、光学システム及び光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、光ファイバの長さに沿って延在する少なくとも１つのファイバコア１４、１６、１８、２０を内部に埋め込まれた光ファイバを有する光ファイバセンサに関し、少なくとも１つのファイバコアは、少なくとも１つのファイバコア１４、１６、１８、２０に沿って直列に配列された複数の単一ファイバブラッググレーティング４０、４２、４４を有し、各ファイバブラッググレーティング４０、４２、４４は、少なくとも１つのファイバコア１４、１６、１８、２０の無歪状態において光でインタロゲートされる場合に単一反射ピーク波長の周りに単一反射スペクトルを有し、単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、少なくとも１つのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング４０、４２、４４間で異なる。また、光学システム及び光ファイバセンサをインタロゲートする方法も、記載される。

Description

本発明は、一般に、光ファイバセンサの分野に関する。特に、本発明は、光学形状感知において使用するのに適した光ファイバセンサに関する。また、本発明は、光ファイバセンサを有する光学システム、及び光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法にも関する。

光ファイバセンサは、特別な光ファイバの三次元形状がファイバ内の光の反射に基づく後方反射測定法を用いて再構成されることができる技術である、光形状感知（ＯＳＳ）に使用されてもよい。光学形状感知は、有害な放射線を使用することなく、光学的手段によって、ガイドワイヤ又はカテーテルのような細長い医療装置の形状を見つけようとするものである。この目的のために、光ファイバが、医療装置に組み込まれる。光は、ファイバセンサ内に送られ、後方反射光は、干渉計でモニタされる。このようにして、反射スペクトルは、ファイバセンサに沿った全ての位置で記録される。反射スペクトルのスペクトルシフトは、医療装置が外科的介入において使用される場合に光ファイバセンサに加えられ得る曲率、ねじれ、温度及び／又は軸方向歪みの変化であり得る、様々な刺激によって生じ得る。これらの刺激は、特別なファイバセンサの幾何学的形状を有することによって解きほぐされてもよい。通常、ファイバセンサは、光ファイバの断面の中心にあるファイバコアが、温度及び軸方向歪みに対してのみ感受性を持つのに対し、中心の周りに螺旋状に巻かれた３つの外側コアは、２方向の曲率及びねじれに対しても感受性を持つ。

文献ＵＳ８，７７３，６５０Ｂ１は、形状感知技術の基本原理を記載している。

光学形状感知では、分散歪み測定値が、マルチコアファイバセンサのファイバコアの各々に対して同時に実行され、そこから、ファイバセンサの長さに沿った各位置における光ファイバの特定の変形が、計算される。分散歪み測定は、例えば、レーザ、例えば単一モードレーザの波長が明確に規定された波長範囲にわたって単調に変化される、掃引源干渉法を用いて行われる。各ファイバコアは、それ自体の干渉計と通信している。光源からの光は、基準ブランチと測定ブランチを有する干渉計にフィードされる。測定ブランチは、被試験ファイバセンサを含む。検出器は、被試験ファイバセンサから反射された光と基準ブランチを横断する光との組み合わせを測定する。検出器信号は、光周波数の等距離ステップでサンプリングされる。フーリエ領域後方散乱反射測定法では、この干渉スペクトルが、フーリエ変換され、光遅延時間τ、すなわち装置上の位置ｚの関数としての信号を生じる（τ ＝２ｎｚ／ｃであり、光はファイバセンサ内を上下に進行するので係数２が考慮される）。

ガイドワイヤ又はカテーテルのような形状感知可能な医療装置は、外科的介入においてかなりの距離、すなわち多くの光波長にわたって移動される。しかしながら、光後方反射測定法は、サブ波長安定性を必要とする。振動感度を減らすために、反射スペクトルは、典型的には２ｍｓより小さい、短時間で記録される。時間が短いほど、少ない光量が、捕捉されることができ、したがって、信号対雑音比が、小さくなる。ガイドワイヤ及びカテーテルなどの医療装置は、使い捨てであるため、光コネクタを介して光インタロゲータに接続される。光コネクタは、特にマルチコアファイバセンサの場合、追加の光損失を生じる。上記のことを考慮すると、単一モードファイバ（レイリー散乱）に固有の単位長さ当たりの反射率の小さい量は、ロバストかつ正確な形状感知には十分ではないことが、明らかである。したがって、センサの反射率は、ファイバブラッググレーティングを組み込むことにより高められる。

ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバセンサは、ＷＯ２０１４／２００９８６Ａ１及びＵＳ９，４１７，０５７Ｂ１から知られている。これらの文献に記載されているようなファイバブラッググレーティング設計によれば、ファイバセンサの反射スペクトルは、幅広い。レイリー散乱に依存するファイバセンサにも同じことが成り立つ。反射スペクトルは、少なくともインタロゲータのスキャン範囲に及び、通常はその範囲を超える。このような広いスペクトルの結果は、２部分である。第一に、隣接するサンプル点、すなわちセンサに沿った位置の時間遅延領域における信号の位相は、広範囲に変化する。特定の測定の位相を、ファイバセンサが基準形状（通常は直線形状）にある基準測定の対応するものと比較することは、位置誤差に対して非常に小さいマージンしかない正確な同一場所に対して実行される必要がある。測定値のアラインメントは、単一のサンプルインデックスよりも十分に下でなければならない。この位相追跡のプロセスは、煩雑であり、誤差を起こしやすく、計算量が多い。第二に、ＷＯ２０１４／２００９８６Ａ１に開示されるようなレイリー散乱及び重複チャープファイバブラッググレーティングの場合、スペクトルは、センサに沿った任意の位置において広い。これは、それぞれの点が完全なスペクトルスキャン中に探査されることを意味する。フルスキャン中に、各位置は、サブ波長精度で安定したままであるべきであり、又は誤差が、発生する。換言すれば、広いスペクトルを持つセンサは、狭いスペクトルを持つセンサと比べて振動に対してより高い感受性を持つという欠点を持つ。他方で、狭い反射スペクトルを示すファイバセンサに対して、信号対雑音比は、時間遅延領域における信号データを考慮する場合に、減少される。

ＵＳ２０１５／００２９５１１号は、光ファイバに沿って効果的に連続的であるファイバブラッググレーティングを有する１つ又は複数のファイバコアを有する光ファイバセンサを開示している。反射スペクトルは、反射測定器における光源の波長スキャンに等しい波長スパンを包含し得る。

ＵＳ２０１８／０２６６８１３Ａ１は、コアを含む可撓性の光ガイドを有する曲率センサを開示し、ここで、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、コア内に設けられ、コアに沿った所定の位置でＦＢＧセンサグループを構成する。コア内のＦＢＧセンサは、第１のＦＢＧセンサと、その隣の第２のＦＢＧセンサとを含む。第１及び第２のＦＢＧセンサは、第１及び第２のピッチを有する格子を含み、第１のピッチは、第２のピッチよりも短く、かつ、第２のピッチよりも短いピッチを有する格子を含む、コア内に設けられた全てのＦＢＧセンサの格子の他のピッチよりも第２のピッチに近い。

ＵＳ２０１７／０１５３３８７Ａ１号は、超微弱なテラヘルツ範囲の反射器構造を使用する光ファイバ感知装置を開示している。狭帯域幅調節可能レーザインタロゲーションシステムは、光ファイバにインタロゲートし、光ファイバの物理的変化によって引き起こされる反射及び干渉パターンの変化を測定する。

したがって、振動に対して低い感度を持ち、それにもかかわらず、十分に大きな信号対雑音比を示し、したがって、改善された形状感知精度を有する光学形状感知における使用に適している改善された光ファイバセンサに対する要望が、依然として存在する。

本発明の目的は、向上された精度を持つ光学形状感知を可能にする光ファイバセンサを提供することである。

更なる目的は、光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、光ファイバセンサを有する光学システムを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、光ファイバセンサが提供され、光ファイバセンサは、光ファイバの長さに沿って延在する少なくとも１つのファイバコアを内部に埋め込まれた光ファイバを有し、少なくとも１つのファイバコアは、少なくとも１つのファイバコアに沿って直列に配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングを有し、各ファイバブラッググレーティングは、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態で光でインタロゲートされた場合に、単一反射ピーク波長の周囲に単一反射スペクトルを有し、該単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、少なくとも１つのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で異なる。

本発明による光ファイバセンサは、ファイバブラッググレーティングの特定の設計を利用する。本発明による光ファイバセンサの１つ又は複数のファイバコアは、それぞれ単一の共振波長を有する複数の単一ファイバブラッググレーティングを有し、共振波長は、ファイバブラッググレーティング間で異なる。特に、各ファイバブラッググレーティングは、その単一反射スペクトルが単一反射ピーク波長の周囲で狭くなるように構成されてもよい。換言すれば、各ファイバブラッググレーティングは、それぞれのファイバブラッググレーティングに沿って可能な限り一定である単一の共振波長を有し、異なるファイバブラッググレーティングの共振波長は、異なる。換言すれば、各ファイバブラッググレーティングは、光に応答して共振波長を有し、同じファイバコア内のファイバブラッググレーティングの共振波長は、互いに異なる。ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルは、好ましくは、ファイバコアをインタロゲートするのに使用されるスキャン波長範囲よりも狭い大きさである。このように本発明による光ファイバセンサは、好ましくは、光ファイバコアの長さに沿ってファイバブラッググレーティングにおいて複数の局所的に狭い反射スペクトルを有する。他方で、単一反射スペクトルにより張られた合計反射スペクトルは、単一ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの幅と比較して、実質的に広げられている。局所的に狭い反射スペクトルは、光遅延の関数として、滑らかで、ゆっくり変化する、又は一定の位相にさえ対応する。位相追跡中に、測定値及び基準をアラインさせる必要性は、したがって、それほど重要ではない。基準測定のための一定の位相の制限では、許容範囲が、最大化される。更に、スペクトルが局所的に狭い場合には、センサ上の対応する位置が、合計波長スキャンのほんのわずかの間に探索されることになる。事実上、局所スキャン時間が、減少されうる。したがって、サブ波長の安定性に対する要求は、減少された時間期間で満たされるだけで十分である。振動に対する全体的な感度は、本発明による光ファイバセンサにおいて低下される。

他方で、狭い合計反射スペクトルを示す光ファイバセンサ、例えば、その長さに沿って単一の共振波長を有するファイバセンサと比較して、本発明による光ファイバセンサは、全てのファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルによって張られる広げられた合計反射スペクトルのために、信号対雑音比が増加されるという利点を持つ。

ファイバブラッググレーティングは、ファイバコアを通って伝搬するモードに対して周期的に変化する屈折率によって形成されてもよい。単一反射スペクトルのスペクトル幅は、主にそれぞれのファイバブラッググレーティングの周期の合計数によって決定される。ファイバブラッググレーティングの周期の数が高いほど、ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの幅は小さくなる。

光ファイバセンサでは、単一反射スペクトルの反射ピーク波長が、少なくとも１つのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で単調にシフトされてもよい。反射ピーク波長は、ファイバコアの近位端から見た場合に、増加又は減少するように単調にシフトされてもよい。単一反射スペクトルの反射ピーク波長のシフト量は、小さくてもよいが、隣接するファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの実質的な重複を避けるのに十分な大きさであり、隣接するＦＢＧ間の望ましくない干渉効果及びＦＢＧ間の望ましくない多重反射を生じうる。ファイバブラッググレーティングの反射ピーク波長又は共振波長は、ファイバブラッググレーティング間で段階的にシフトされてもよい。

特に、隣接するファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの反射ピーク波長間の差は、隣接するファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルのスペクトル幅と等しいか、又はそれより僅かに大きくてもよい。この場合、単一の反射スペクトルは、互いに十分に分離されている。

ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルは、それぞれの場合において、３％未満、又は２％未満、又は１％程度、又は１％よりわずかに低い反射率振幅を有してもよい。

個々の単一周波数ファイバブラッググレーティングの各々の反射率（強度）が、このように制限される場合、多重反射の影響は、更に減少され、ファイバセンサの長さに沿った測定信号位相に対して無視できるほど小さくなり得る。反射事象の確率が大きい場合、光は、３回以上反射される有限確率を有してもよい。このような場合、光は、ファイバセンサを数回上下に跳ね返り、反射事象が発生した場所からの正確な位置が、分かりにくくされていることを意味する。これらの事象は、ファイバセンサに沿った奇数の場所において、及びそれを越えてさえも、準ランダムな信号を追加する。実際には、ファイバセンサの反射率が、数パーセントの値を超えるべきではない。反射率の量は、例えば、ファイバブラッググレーティングに沿った屈折率における変調の量によって調節されてもよい。その結果、ファイバブラッググレーティングに沿った屈折率の変調深さは、小さくなければならない。

それぞれの単一ファイバブラッググレーティングの長さに対する単一反射スペクトルの少なくとも１つのスペクトル幅の好適な比は、１０^-10乃至３×１０^-10の範囲であってもよい。

例えば、単一ファイバブラッググレーティングの長さは、約１００ｍｍであってもよく、ここで、この場合、それぞれの単一反射スペクトルのスペクトル幅は、１０ｐｍ乃至３０ｐｍの範囲であってもよい。それぞれのファイバコアに沿って配置される単一ファイバブラッググレーティングの数は、ファイバセンサの全長及び単一ファイバブラッググレーティングの個々の長さに応じて選択されてもよい。

上述のように、全てのファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルは、合計反射スペクトルにわたる。したがって、ファイバセンサの合計反射スペクトルのスペクトル範囲は、単一反射スペクトルの各々に対して広げられる。しかしながら、歪、特に曲げ歪によるファイバブラッググレーティングの共振波長の波長シフトが、考慮されるべきであるので、合計スペクトル範囲は、あまり大きすぎてはならない。ファイバセンサの曲げ半径が小さいほど、ファイバブラッググレーティングの反射ピーク波長の波長シフトは大きい。波長シフトは、ファイバセンサのインタロゲートに使用されるスキャン波長範囲に入るべきである。例えば、１５４５ｎｍの共振波長又は反射ピーク波長に対して、６ｍｍの曲げ半径は、合計で１４．４ｎｍの範囲に及ぶ、反射ピーク波長の＋／－７．２ｎｍの波長シフトを生じる。温度効果及び軸方向歪みは、共振をそれぞれ約１ｎｍだけより高い波長にシフトしてもよい。１６．７ｎｍの合計スキャン波長範囲に対して、これは、ＦＢＧ間の共振波長（反射ピーク波長）のステップ状シフトによるセンサの合計反射スペクトルのスペクトル広がりに対して約１．４ｎｍを残す。

したがって、実用的な場合には、ファイバブラッググレーティングは、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において、０．６ｎｍ乃至１．４ｎｍの範囲のスペクトル範囲を有する合計反射スペクトルに及んでもよい。合計スペクトル範囲は、また、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態で０．８ｎｍ乃至１．０ｎｍの範囲であってもよい。

好ましくは、ファイバブラッググレーティングは、少なくとも１つのファイバコアに沿って互いに隣接して配置される。隣接するファイバブラッググレーティング間にギャップが存在しない又は非常に小さなギャップが存在してもよい。換言すれば、ファイバブラッググレーティングは、好ましくは互いに連結されている。

隣接するファイバブラッググレーティング間のギャップにおいて、光学的後方反射信号の位相は、突然ジャンプしてもよい。ファイバブラッググレーティングの始点及び終点の近くで、連続するグレーティングの連結点におけるギャップの影響を低減するために、グレーティング強度（反射率）が、増減されることができる。

光ファイバは、光ファイバの長手方向軸の周囲に分散され、光ファイバの長さ方向に沿ってそれぞれ延在する少なくとも４つのファイバコアを内部に埋め込まれてもよく、少なくとも４つのファイバコアは、それぞれのファイバコアに沿って直列に配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングを有し、各ファイバコアの各ファイバブラッググレーティングは、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に、単一反射ビーム波長の周囲に単一反射スペクトルを有し、単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、それぞれのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で異なる。

少なくとも４つのファイバコアのうち、それぞれのファイバブラッググレーティングの構成は、好ましくは、ファイバコア毎に同じである。

前述の実施形態の１つ又は複数による光ファイバセンサは、形状感知において改善された精度を可能にするので、形状感知目的に特に適している。

本発明の第２の態様によれば、光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法が提供され、本方法は、
第１の態様の光ファイバセンサを提供するステップと、
少なくとも１つのファイバコア内に光を照射するステップであって、光が、スキャン波長範囲を通ってスキャンされる波長を有し、スキャン波長範囲は、実質的に、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態におけるファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲の中心波長である波長を中心にされる、ステップと、
少なくとも１つのファイバコアから反射光を受けるステップであって、反射光が、少なくとも１つのファイバコアのファイバブラッググレーティングから生じる、ステップと、
を有する。

スキャン波長範囲は、歪みの範囲が減少しないように、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態におけるＦＢＧの単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲と共に、増加されてもよい。

例えば、約１４．４ｎｍのスキャン波長範囲は、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態におけるＦＢＧの単一反射スペクトルにより張られる合計スペクトル範囲が０．８ｎｍ乃至１．０ｎｍの範囲にある場合に、１５．４ｎｍに増加されてもよい。

少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における単一ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲に対するスキャン波長範囲の比は、５乃至２０の範囲内であってもよく、約５、約１０、約１５、又は約２０であってもよい。

本発明の第３の態様によれば、光学システムが提供され、光学システムは、第１の態様の光ファイバセンサと、
インタロゲーションコンソールと、
を有し、前記インタロゲーションコンソールは、
少なくとも１つのファイバコア内に光を照射し、光は、スキャン波長範囲を通してスキャンされる波長を有し、スキャン波長範囲は、少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における少なくとも１つのファイバコアのＦＢＧの単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲の実質的に中心波長である波長を中心とし、
少なくとも１つのファイバコアから反射光を受け取り、反射光は、少なくとも１つのファイバコアのファイバブラッググレーティングから生じる、
ように構成される。

上述の光ファイバセンサの全ての実施形態は、任意の組み合わせで互いに、並びに第２の態様による方法及び第３の態様による光学システムと組み合わせられることができることを理解されたい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

形状感知用の光学システムの一例を示すブロック図を概略的に示す。 光ファイバセンサの一例の斜視図を概略的に示す。 図２の光ファイバセンサのファイバコアの一部を単一ファイバブラッググレーティングとともに概略的に示す。 狭い反射スペクトルを有する光ファイバセンサからの反射スペクトルの概略図を示す。 共振波長が段階的に変化するファイバブラッググレーティングを有する光ファイバセンサからの反射スペクトルの概略図を示す。 それぞれが１００ｍｍの長さを有する２８個のファイバブラッググレーティングを有する２．８ｍの長さの光ファイバセンサからの実験的に測定された反射スペクトルの図を示す。 図５の反射スペクトルを有する光ファイバセンサに沿った位置の関数としての２８個のＦＢＧの共振波長の図を示す。 図５の反射スペクトルをフーリエ変換することによって得られる、光ファイバセンサに沿った位置の関数としての干渉信号の振幅の図を示す。 ノイズを加えながら複素信号の位相の変化を示す概略図を示す。

図１は、光ファイバセンサ１２を感知するためのマルチチャネル光周波数領域反射率測定（ＯＦＤＲ）ベース及び分散歪み感知システムとして構成された光ファイバセンサシステム１０の複数の部分を概略的に示す。光ファイバセンサ１２は、クラッドを有し、複数のファイバコア１４、１６、１８、２０、本例では、１つの中心コア１６及び３つの外側コア１４、１８、２０を有する４つのコアを内部に埋め込まれた光ファイバを有する。ここで、光ファイバセンサ１２は、４つより多い、例えば、５つ、６つ、７つ、又はそれ以上のコアを有してもよいことに留意されたい。図２は、外側コア１４、１８、２０が中心コア１６から半径方向に離間され、螺旋状に配置されたファイバコア１４、１６、１８、２０を有するファイバセンサの一片の長さを示す。中心コア１６は、光ファイバセンサの中心軸上に配置される。外側ファイバコア１４、１８、２０は、光ファイバセンサ１２の長手方向中心軸の周りの方位方向において互いに対して角度的に離間される。本例における多数の３つの外側ファイバコアによれば、隣接する外側コア間の角度間隔は、１２０°であってもよい。

再び図１を参照すると、光学形状感知システム１０は、インタロゲーションコンソール２１を有する。インタロゲーションコンソール２１は、スキャン範囲とも称される、ある範囲の光周波数を通して掃引されることができる調節可能光源２２を有してもよい。光源２２によって放射された光は、光ファイバセンサ１２の複数のファイバコアによって、光チャネル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有する光干渉ネットワーク２４内に結合される。光ファイバセンサ１２が、４つ以上のコアを有する場合には、光干渉ネットワーク２４は、４つより多い光チャネルの対応する数を有してもよい。各チャネルは、ファイバコア１４、１６、１８、２０のうちの１つに対する干渉計を形成する。

調節可能光源２２が、ある範囲の光周波数を通して掃引される場合、各チャネル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、及び光ファイバセンサ１２の各ファイバコア１４、１６、１８、２０は、同時にかつ独立に光学的にインタロゲートされ、ファイバコア１４、１６、１８、２０の各々から戻ってくる光によって作り出される各干渉信号は、それぞれの光検出器２５を介して処理ユニット又はデータ取得ユニット２６に送られる。次いで、多重チャネルＯＦＤＲシステムを用いたファイバコア１４、１６、１８、２０からの分散歪み測定値は、更なる処理、特に光ファイバセンサ１２の三次元形状再構成のため、及び例えば再構成された三次元光ファイバセンサ１２の視覚的表示のために、ユニット２７にエクスポートされ得る。

光ファイバセンサ１２のファイバコア１４、１６、１８、２０は、波長感知反射構造であるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有する。各ファイバブラッググレーティングは、ファイバブラッググレーティングに沿った屈折率の周期的変動によって形成される。ＦＢＧは、特定の波長（共振波長とも称される）の光を反射し、他の全ての波長を透過する。共振波長は、本明細書では反射ピーク波長とも称される。光ファイバセンサ１２上に局所的な曲げが与えられる場合、共振波長は、歪みによってシフト（減少又は増加）され、ファイバに沿った任意の位置についての反射波長の測定値は、局所的な歪みを決定することを可能にする。

次に、本発明をより良く解明するために説明が与えられる。

光学形状感知では、分散歪み測定が、マルチコアファイバセンサ１２のファイバコア１４、１６、１８、２０の各々に対して同時に実行され、そこから、ファイバセンサの長さに沿った各位置における光ファイバの特定の変形が、計算される。分散歪み測定は、例えば、光源２２、例えば単一モードレーザの波長が、明確に規定された波長範囲にわたって単調に変化される、掃引光源干渉法の方法で、実行されてもよい。各ファイバコア１４、１６、１８、２０は、干渉ネットワーク２４の独自の干渉計と通信する。光源２２からの光は、基準ブランチ及び測定ブランチで干渉計にフィードされる。測定ブランチは、被試験ファイバセンサのファイバコアを含む。検出器２５は、被試験ファイバセンサのコアから反射された光と基準ブランチを横断する光との組み合わせを測定する。検出器信号は、光周波数の等距離ステップでサンプリングされる。

フーリエ領域後方散乱反射測定では、干渉スペクトルが、フーリエ変換され、光遅延時間τ、すなわち装置上の位置ｚの関数としての信号を生じる（τ ＝２ｎｚ／ｃであり、ここで、光はファイバセンサ内を上下に進行するので係数２が考慮される）。

フーリエ変換のために、合計周波数スキャン範囲Δν = cΔλ／λ²は、遅延の分解能に反比例し、その結果、スペクトル幅は、次式によって空間分解能δｚに関連付けられる。
δｚ＝(λ²)/(２ｎΔλ) （１）

観察されることができる最大の歪み量は、ファイバセンサがインタロゲートされる合計スキャン範囲によって制限される。これは、曲げ半径の最小量が、そのスキャン範囲によって制限されることを意味する。その結果、空間分解能は、装置が設計された意図された曲率範囲によって固定される。２つのフーリエ領域間の別の関係は、スペクトル分解能δλ、すなわち信号のサンプリング中の光周波数におけるステップサイズと、システムが特徴付けることができる被試験ファイバセンサの最大長Ｌとの間の１つである。
Ｌ＝(λ²)/(４ｎδλ) （２）

ここで、追加の係数２は、正及び負の遅延が干渉計において同様の信号を生じるという事実を表す。別の言い方をすれば、係数２は、ナイキスト定理の結果である。最大長の選択が与えられると、スペクトル分解能は固定され、したがって、観察されることができる最小の歪み量が固定される。最小の歪み量は、最大の曲げ半径を固定する。フーリエ変換に由来する第３の関係式は、一方では歪みの変化によるスペクトルのシフトδλ_shift、他方では時間領域の位相φの傾きの変化を扱う。
ｄΔφ/ｄｔ＝－２π(δλ_shift)/(Δλ) （３）

光学形状感知において、測定値は、ファイバセンサが通常直線である基準形状である場合の測定値と常に比較されることに留意されたい。式（３）の左側は、時間遅延領域におけるサンプル数インデックスｉに対する２つの測定値間の位相差の導関数を示す。インデックス番号ｉの増加は、式（１）で与えられるδｚの位置変化に対応する。式（３）は、形状の情報が時間領域における信号の位相によって表されるという事実を表す。更に、位相の差が評価されなければならないという事実は、２つの測定値が位置（時間領域）においてアラインされなければならないことを意味する。曲率、ねじれ、又はコモンモード効果（温度及び軸方向歪み）のいずれによるものであるかにかかわらず、歪みは、長さの変化を引き起こし、それによって位置の変化を引き起こす。被試験ファイバセンサの近位端から遠位端に進む場合、歪みは、任意の量まで蓄積されることができる。関連する位置シフトを補償するプロセスは、位相追跡と称される。ファイバセンサが基準形状にある間の測定値の位相の特性は、最も重要である。

前述のように、光学形状感知において、記録されたスペクトルは、時間遅延領域の信号にフーリエ変換される。フーリエ変換の間、パワーの合計量は保存されるが、その分布は、２つの領域において非常に異なることができる。比較的狭い反射スペクトルを、大幅に広いスキャン範囲にわたって記録する場合、サンプリングされたデータ点の一部のみが、かなりの量の光パワーを受け取る。フーリエ変換後、パワーの合計量が、ファイバセンサの全長を表す時間遅延領域内の全てのデータ点にわたって拡散される。対照的に、ノイズはインコヒーレントであり、一般に、両方のフーリエ領域に均等に分布するであろう。狭いスペクトルを示すファイバセンサでは、信号対雑音比は、時間遅延領域のデータを考慮する場合に減少される。

本発明は、センサ１２に沿った特定の位置における局所反射スペクトルを可能な限り狭く保ちながら、ファイバセンサ１２の合計反射スペクトルの有効幅を増加させることによって、これらの影響を軽減することを提案する。これは、好ましくはそれぞれのファイバコアのＦＢＧ間で段階的にシフトされる、それぞれ異なる共振波長を有する複数のファイバブラッググレーティングを、ファイバセンサ１２の各ファイバコア１４、１６、１８、２０に設けることによって、本発明にしたがって達成される。それにより、ファイバセンサの合計反射スペクトルの有効スペクトル幅は、ファイバセンサに沿った特定の位置における局所スペクトルを可能な限り狭く保ちながら増加される。

以下、本発明の原理による光ファイバセンサ１２の実施形態が、説明される。

光ファイバセンサ１２のファイバコア１４、１６、１８、２０の少なくとも１つ、好ましくは全てが、各々、それぞれのファイバコアに沿って直列に、好ましくは互いに隣接して、すなわち互いに連結されて、配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングを有する。各ファイバブラッググレーティングは、それぞれのファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に、単一反射ピーク波長の周囲に単一反射スペクトルを有する。単一反射スペクトルの反射ピーク波長（共振波長）は、それぞれのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で異なる。図３は、ファイバブラッググレーティング４０、４２、４４を持つファイバコア１４の一部の一例を、非常に概略的に、正しい縮尺ではなく、示す。各ファイバブラッググレーティング４０、４２、４４は、異なる周期を有してもよく、その結果、異なる個々の共振波長をもたらす。したがって、各ＦＢＧ ４０、４２、４４は、ファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に、単一反射ピーク波長の周囲に個々の単一反射スペクトルを有する。単一ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、好ましくは、ファイバコアに沿ってファイバブラッググレーティング間で、好ましくは段階的に、単調にシフトされる。単一ＦＢＧの数は、センサ１２の長さ及び単一ＦＢＧの長さに応じて、１０よりも大きくてもよく、２０よりも大きくてもよく、又はそれ以上であってもよいことを理解されたい。

ファイバブラッググレーティングの共振波長λ_Bは、ファイバ内の光モードの周期性Λ及び屈折率ｎにより、次のように決定される。
λ_B＝２ｎΛ （４）

係数２は、反射スペクトルが考慮され、光が前後に移動しているという事実に起因する。反射スペクトル又は共振の幅は、主に周期の合計数によって決定される。ファイバブラッググレーティングが長いほど、共振又は反射スペクトルの幅ΔλBは小さくなる。この効果に加えて、単一周波数グレーティングの反射スペクトルは、反射振幅又は反射率が１００％に近づく場合に広がる。

図４Ａは、全てのＦＢＧが同じ共振波長を有する場合のファイバコアの合計反射スペクトルを示す。図４Ａの例では、全てのファイバブラッググレーティングの反射振幅が、１％であると仮定している。

センサの長さにわたってこのような大域的に狭い反射スペクトルを有する光ファイバセンサは、時間遅延領域のデータを考慮する場合に、信号対雑音比が減少するという上述の欠点を有する。

図４Ｂは、対照的に、ファイバブラッググレーティング間で異なる反射ピーク波長を有する連結された単一ファイバブラッググレーティングを有するセンサが、図４Ａに示されるのと同じ反射ピーク波長を有するファイバブラッググレーティングを有するファイバコアと比較して広げられた合計反射スペクトルを示すことを概略的に示す。図４Ｂでは、例示的に４つの単一反射スペクトルが、示され、これは、ＦＢＧ間で小さなステップだけシフトされた異なる共振波長又は反射ピーク波長を有する４つのファイバブラッググレーティングから生じる。異なる共振波長は、図３に例示的に示されるように、式（４）にしたがって、周期性Λをファイバブラッググレーティング間で変化させることによって達成されることができる。

図４Ｂによれば、ファイバブラッググレーティングは、異なる共振波長を有するので、単一ファイバブラッググレーティングの全ての単一反射スペクトルの和である合計反射スペクトルが、広げられ、合計スペクトルがより幅広い一方で、最も高い反射率が図４Ａのように依然として１％以下に保たれうるので、図４Ａと比べてより多くの反射スペクトルのパワーが存在する。

上述のように、ファイバブラッググレーティングは、ＦＢＧの長さに沿ったファイバコア内の伝搬モードの周期的に変化する屈折率によって形成される。屈折率Δｎの変調量が、反射率の量を決定する。光学形状感知は、異なるファイバブラッググレーティング間の多重反射に関連する問題を回避するために、小さな反射率の体制で動作する。したがって、本発明の原理によれば、ＦＢＧの反射率又は単一反射スペクトルの反射振幅は、好ましくは３％未満、又は２％未満であり、更に小さくてもよい。したがって、屈折率の変調深さΔｎは、小さくするべきである。この体制では、単一のファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトル又は共振の幅が、次のように近似されることができる。
(Δλ_B)/(λ_B)≒√((Δｎ/２ｎ)²＋(Λ/ｌ)²) （５）

ここで、ｌは、ファイバブラッググレーティングの幾何学的長さである。

小さい反射率の極限において、すなわち小さい摂動Δｎ＜＜ｎに対して、ファイバブラッググレーティングの反射率は、テーパ関数のフーリエ変換の二乗である。テーパ関数は、光学モードの断面にわたって積分された伝搬方向における誘電率の変動である。前進波と後進波の結合係数を説明する。この限界Δｎ＜＜ｎでは、屈折率の変調深さを表す式（５）の右辺の第１項が、ファイバブラッググレーティングの周期数を記述する右辺の第２項よりも、反射率にほぼ等しい係数だけ小さい。１５５０ｎｍ周辺の共振波長（Ｃバンド内）及び例えばｌ＝１００ｍｍのファイバブラッググレーティングの長さｌに対して、ＦＢＧの単一反射スペクトルの幅は、約８ｐｍになるであろう。実際には、ファイバブラッググレーティングは、スペクトルが実際にはわずかに広く、通常は１５乃至２０ｐｍであるように、常に理想的な挙動を満たすとは限らない。

したがって、連続するファイバブラッググレーティングは、約２０ｐｍの共振波長差を有するべきである。単一ファイバブラッググレーティングの長さに対する単一反射スペクトルのスペクトル幅の比は、１０^-10乃至３×１０^-10の範囲内であってもよい。

実際には、単一反射スペクトルのスペクトル幅は、約１００ｍｍの単一ファイバブラッググレーティングの長さに対して１０ｐｍ乃至３０ｐｍの範囲内であってもよい。

一例として、２．８ｍの光ファイバセンサの全長及び１００ｍｍのファイバブラッググレーティングの長さに対して、必要とされるファイバブラッググレーティングの数は、２８であり、全てのファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルによって張られる全スペクトルの合計幅は、最小で５６０ｐｍ（２８×２０ｐｍ）であるべきである。このようにして、段階的な単一周波数ブラッググレーティング（例えば、図４Ｂ）を有するファイバセンサに対して、非段階的な場合（例えば、図４Ａ）に対して、２８倍多くの信号が利用可能である。

図５は、２８のファイバブラッググレーティングを持つ長さ２．８ｍのファイバコアの前述した例に対して、実験的に測定された合計反射スペクトルを示す。図５の各反射率ピークは、単一ＦＢＧに由来する。合計反射スペクトルのスペクトル幅は、隣接するファイバブラッググレーティング間の反射ピーク波長の分離が、平均して約３５ｐｍであるという事実によって引き起こされる０．９ｎｍである。一般に、隣接するファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルの反射ピーク波長間の差は、隣接するファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルのスペクトル幅に等しいか、又はそれより大きくてもよい。

図５に示されるように、単一反射スペクトルの反射率振幅は、３％未満であり、最大で約２％であり、いくつかのファイバブラッググレーティングについては、更に２％未満である。

合計スペクトルの充填率は、実際に測定された反射スペクトルの積分と、０．９ｎｍの全幅をカバーする理想的なスペクトルの表面積との比である。図５において、充填率の値は、約０．２である。これは、同量の反射率が、５倍狭いスペクトル内に入れられることができる、又は５倍多い反射率が、多重反射を防止するのに十分に低い任意の波長において最大反射を維持しながら、同じ帯域で得られてもよいことを意味する。小さい充填率の理由は、ファイバコアに沿った位置の関数としてセンサの共振波長を示す図６を参照して最もよく説明されるように、ファイバブラッググレーティングの書き込みプロセスの有限の再現性にある。 最適には、共振波長は、ファイバブラッググレーティングの全長にわたって一定であるように設計されるが、図６に示されるように、１つのファイバブラッググレーティング内の共振波長安定性は、書込みプロセスのロバスト性及び再現性のために、１０ｐｍ乃至２０ｐｍのオーダ内のみである。図６は、連続するグレーティング間の共振波長の段階的な挙動を示すが、単一ファイバブラッググレーティングの長さ内で時折の小さなチャープをも示す。図６において、囲まれた領域５０、５２、５４は、隣接するファイバブラッググレーティングの共振がスペクトルの重複を示す領域を表示する。これは、これらの隣接したファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルが、互いから十分に分離されない又は区別されないことを意味する。これらの重複は、波長に関連してファイバブラッググレーティング間の光学距離に応じて、強め合う又は弱め合うかもしれない干渉効果を生じうる。強め合う干渉は、反射率の高いピーク、及び多重反射の高められた確率をもたらす。多重反射は、避けられるべきであり、合計反射スペクトルの幅の最大化につながる。

ファイバコアに沿った反射スペクトルの合計スペクトル幅を可能な限り大きくすることが望ましいが、しかしながら、合計スペクトルのスペクトル幅は、幾つかの理由からあまり大きすぎないべきである。２．８ｍの長さに２８個のＦＢＧを有するセンサのこの例では、合計スペクトルのスペクトル幅は、約０．９ｎｍであり（図５参照）、これは、以下に説明されるように、超過されるべきではないか、又は少なくとも大幅に超過されるべきではない。

単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトルのスペクトル幅の上限は、例えば、センサの一方のファイバコアの信号データが、センサの他方のファイバコアの信号データにアラインされることができる、有限の精度によって決定される。共振周波数の単調な変化と組み合わせたミスアラインメントは、光学形状感知のデータ処理において擬似ねじれを生じさせ、その結果、形状の不正確さを生じる。これは、図５の信号データ、すなわち光周波数又は波長の関数としての反射スペクトルをフーリエ変換する場合に説明されることができる。フーリエ変換は、光学的遅延の関数としてのデータ又はセンサの長さに沿った位置の関数としてのデータを生じる。図５のフーリエ変換されたデータが、図７に示される。図７は、センサに沿った位置の関数としての干渉信号の振幅を示す。ファイバセンサの始点において、比較的高いピークが、観察されることができる。これは、ファイバセンサの始点における光コネクタによって引き起こされる。図１は、センサ１２のファイバコアを干渉ネットワーク２４に接続するために、センサ１２をインタロゲーションコンソール２１に接続するパッチコードのコネクタ３２に結合されたファイバセンサのコネクタ３０を例示的に示す。ファイバセンサ内の全てのファイバコアに対して、コネクタインタフェース３０／３２の物理的場所は、時間領域における同じ遅延にある。干渉計ネットワーク２４の異なる干渉計の光学素子における屈折率及び／又はファイバ長の変動のために、コネクタインタフェースは、ファイバセンサの異なるファイバコアに対して明らかに異なる遅延で現れる。一方のファイバコアのデータは、コネクタピークが重複するように他方のファイバコアに対してシフトされることができ、それによって、ファイバコアをアラインして、それらのデータが曲げ及びねじれに組み合わせられることができる。

コアアラインメント精度は、図７のピークを見つけるためのピーク発見アルゴリズムの精度と、上記の式（１）によって与えられる空間分解能と同じであるファイバセンサのインデックス長又はセグメント長とに応じて決定されてもよい。例えば、隣接するサンプリング点の間の距離の単位で約０．０３のピーク発見アルゴリズムの精度、及び１５４５ｎｍの中心波長を持つ１６．７ｎｍのスキャン波長範囲に対して、セグメント長は、４８μｍであり、コアアラインメント精度は、約１．５μｍである。

図６によれば、隣接するファイバブラッググレーティングは、異なる共振波長を有する。式（３）によれば、位相の傾きは、１つのファイバブラッググレーティングから次のファイバブラッググレーティングへの各ステップで変化する。位相の傾きが、ファイバセンサの長さに沿って線形に増加する場合、位相は、二次の挙動を示す。誤ってミスアラインされた２つのファイバコアの位相差は、位置の関数として線形依存性を示す。ねじれは、中心コア（例えば、図２のファイバコア１６）の位相に対する３つの外部コア（例えば、図２のファイバコア１４、１８、２０）の平均位相間の位相の差から計算される。ファイバコア間のミスアラインメントは、ファイバセンサの長さに沿った有効な線形疑似ねじれ信号を生じ、形状の誤差を引き起こす。有効な疑似ねじれの量は、以下の式から推定されることができる。
δθ_{pseudo twist}＝(２π/ＴＧ)(δλ_B/Δλ)δｉ （６）

量ＴＧは、ねじれ角と信号位相との比を記述する較正定数である。図５において測定された反射スペクトルを示すファイバセンサの例では、ＴＧの絶対値は、約４．２である。Δλ ＝１６．７ｎｍのスキャン波長範囲及びδλ_B＝０．９ｎｍのブラッグ波長の合計シフト（図５に示される合計反射スペクトルのスペクトル範囲）及びδi =０．０３のアライメント精度を仮定すると、ねじれ誤差は、ファイバセンサの先端において２ ｍｒａｄを超える。形状感知の目的では、ねじれの誤差は、先端位置の精度を数ｍｍ以内に保つために、更に増加されるべきではない。これにより、この要件は、ブラッグ共振波長における最大許容シフト、すなわち、合計反射スペクトルの最大スペクトル幅を効果的に制限する。

ファイバセンサの合計反射スペクトルの最大スペクトル幅に上限を設定する更なる態様が、存在する。

この態様は、ファイバブラッググレーティングの設計が、ファイバセンサが曲げ、ねじれ、温度、及び軸方向歪みを受ける場合に、反射スペクトルが、常にインタロゲータコンソール２１の光源２２の使用されるスキャン波長範囲内に入るようにすべきであるという状況に基づいている。ファイバブラッググレーティングの共振波長が、スキャン波長範囲外にシフトする場合、反射スペクトルは、測定されることができず、形状再構成は、失敗する。

全てのファイバコアにおいてファイバブラッググレーティングの共振波長又は反射ピーク波長に影響を及ぼすいくつかの効果、例えば、軸方向歪み及び温度、曲げ歪み及びねじれが、存在する。外側ファイバコア（図２のファイバコア１４、１８、２０）内のファイバブラッググレーティングは、曲げ歪みを受けやすく、曲げ歪みは、この曲げに対するそれぞれの外側ファイバコアの正確な位置に応じて、共振波長をより高い波長又はより低い波長にシフトさせる。ファイバコアの無歪状態における公称共振波長λ_BからのシフトΔλ_Bの大きさは、次式にしたがって曲げ半径Ｒ、ファイバセンサの中心軸からのファイバコアの距離ａ、温度差ΔＴ、及び軸方向歪みε_axialに依存する。
Δλ_B＝λ_B(０．７９６・[(ａ/Ｒ)＋ε_axial]・８．５９・１０^-6・ΔＴ) （７）

式（７）の数値は、典型的なガラス繊維の異なる材料特性によって与えられる。

本発明の原理による光ファイバセンサは、ガイドワイヤ又はカテーテルなどの医療装置に組み込まれてもよい。この場合、ファイバセンサは、６ｍｍ程度の小さな曲げ半径を再構成することができ、少なくとも５００マイクロストレインの下で動作し、室温と、環境よりも温度が約２０度高い人体内との両方で動作するべきである。式（７）から、λ_B＝１５４５ｎｍである場合、６ｍｍの曲げ半径は、＋／－７．２ｎｍの波長シフトΔλ_Bをもたらし、合計で１４．４ｎｍの範囲に及ぶことが計算されることができる。温度差及び軸方向歪は、共振をより高い波長にそれぞれ０．３ｎｍ及び０．６ｎｍシフトさせる。１６．７ｎｍの合計スキャン範囲では、これは、単一ファイバブラッググレーティングの単一反射スペクトルによって張られる合計反射スペクトルを広げるために１６．７－１４．４－０．３－０．６ ＝ １．４ｎｍを残し、これは、ファイバブラッググレーティング間でステップ状にシフトされ、又は換言すれば、隣接するファイバブラッググレーティング間の共振波長のステップ状のシフトによる。したがって、センサの反射スペクトルの合計スペクトル範囲は、好ましくは１．４ｎｍ未満であるべきである。

ファイバブラッググレーティング間で階段状になった単一共振波長ファイバブラッググレーティングを有するファイバコアを有する光ファイバセンサは、光遅延の関数としての信号データの信号対雑音比が増加するという利点を有する。以下では、この利点が、実際に本発明によって達成されることが、説明される。

再び図７を参照すると、３つの領域が、図７の図において区別されることができる。第１の領域６０は、ファイバセンサをインタロゲーションコンソール２１に接続するパッチコードからの反射を含む。その大きさは、－１１３ｄＢのレベルでのレイリー散乱によって決定される。中間領域６２は、２．８ｍの長さを有するファイバセンサ１２からの反射を含む。この信号の大きさは、領域６０内のパッチコードにおけるレイリー散乱からの信号よりも２８ｄＢ大きい。ファイバブラッググレーティングの反射係数は、平均で約２％である（図５参照）。干渉計信号は、強度反射の平方根に等しいフレネル係数に比例する。１００ｍｍ長のファイバブラッググレーティングのフレネル係数が、（０．０２）^1/2 ＝ ０．１４に等しい場合に、５０μｍのセグメント長からの反射は、ー８５ｄＢの観測値に対応する７×１０^-5に等しくなる。ファイバセンサ１２の先端を越える第３の領域６４は、約－１２０ｄＢのレベルのノイズのみを含む。ファイバブラッググレーティングからの反射だけでなく、ファイバセンサ１２から発生するレイリー散乱も、有用なデータを生成するであろうという仮定の下で、信号対雑音比は、約３５ｄＢである。

以下では、有限の信号対雑音比による形状検出精度の限界が、推定される。

光学形状感知において、ファイバセンサ１２の形状は、２方向の曲げ信号及びねじれ信号から再構成される。ねじれ信号は、大きさにおいて最小であり、誤差を最も発生しやすい。３つのファイバコア１４、１８、２０が中心コア１６の周りに螺旋状に巻かれている４つのファイバコア（例えば、図２のコア１４、１６、１８、２０）を有するファイバセンサ１２について、ねじれは、次式で４つのファイバコア信号の位相差から推測されることができる。
θ_twist＝(１/ＴＧ)((Δφ₁＋Δφ₂＋Δφ₃)/３－Δφ₀) （８）

ねじれ角の変動は、ファイバコア信号の位相の不正確さによって支配され、それらの信号対雑音比によって制限される。
δθ_twist＝(δφ/ＴＧ)√(４/３)≒(１/(ＴＧ・ＳＮＲ))√(２/(３Ｎ_avg)) （９）

ここで、位相のノイズは、１/(ＳＮＲ ２^1/2）に等しいと推定される。複素信号は、振幅及び位相を持ち、二次元空間において長さ及び方向を持つベクトルによって表されることができる。ノイズを加えることは、２つのベクトルを加えることと同様である。信号対雑音比は、２つのベクトルの長さの比によって表される。これは、図８に示される。ノイズの位相、すなわちノイズベクトルの方向は、ランダムに分布する。ノイズベクトルの方向が信号に垂直である場合、それは、合計信号の位相に対して最大の影響を持つ。平均では、その二乗平均平方根の影響は、２^1/2小さいベクトルである。形状を再構成する際に、ねじれ信号は、５０μｍのセグメント長の空間分解能で知られる必要はない。通常、これは、多数の点にわたってねじれを平均化することが許容されるように０．５ｍｍ乃至１ｍｍの空間分解能を維持するのに十分である。これは、追加の因子Ｎ_avg ^1/2を挿入することにより、（９）式で表される。ＴＧ＝４．２のねじれゲイン値、ＳＮＲ＝５６の信号対雑音、及びＮ_avg＝１６の平均長さを持つ例として、ねじれの推定される誤差は、δθ_twist＝１ｍｒａｄである。一例として、９０度の曲げを越えて１ｍ延びる形状が考慮される場合、ねじれ誤差は、１ｍｍの先端位置の不正確さを生じる。

レイリー散乱のみを用いるファイバセンサと比較して、各々が単一波長共振を有するファイバブラッググレーティングを有するファイバセンサの利点は、信号の増加及び位置の関数としての位相の滑らかさである。一方のファイバグレーティングから他方のファイバブラッググレーティングに共振波長をステップ化することによって反射スペクトルを広げることは、ファイバブラッググレーティングの連結点を除いて、これらの利点を変化させない。連結点において、位相は、突然ジャンプするかもしれない。更に、これらの連結点における信号強度の小さなギャップは、書込みプロセス中にファイバブラッググレーティングの有限な位置決めのために発生する。これらの問題は、平滑化プロセスによって、すなわち、上述のような平均化係数Ｎ_avgを使用することによって軽減され得、隣接するファイバブラッググレーティング間のギャップが係数Ｎ_avgによって表される平均化長よりもはるかに小さい限り、成功する。

光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法において、本発明の原理による光ファイバセンサが、提供され、光が、１つ又は複数のファイバコアに照射され、光は、スキャン波長範囲を通してスキャンされ、スキャン波長範囲は、１つ又は複数のファイバコアの無歪状態における単一の反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲の実質的に中心波長である波長を中心にされ、１つ又は複数のファイバコアからの反射光が、受け取られ、反射光は、１つ又は複数のファイバコアのファイバブラッググレーティングから発生する。

ファイバブラッググレーティング間で段階的に変化する単一共振波長を有する複数のファイバブラッググレーティングをそれぞれ有するファイバコアを有する光ファイバセンサは、以下のように製造されることができる。ファイバブラッググレーティングを光ファイバに書き込むために、例えばエキシマレーザからのＵＶ光がグレーティング構造を有する位相マスクを横切ってスキャンされる、スプール－ツー－スプール技術が、使用されることができる。光ファイバは、位相マスクの近傍に配置される。このようにして、マスクの周期性が、光ファイバのファイバコアに伝達される。光ファイバをクランプすることによって、書き込み中に明確に規定された量の歪みを加えることが可能である。光ファイバを解放した後、ファイバは、緩和し、有効な周期性は、元の位相マスクとはわずかに異なる。生成される各ファイバブラッググレーティングに対して、異なる量の歪が、光ファイバに加えられる。ファイバブラッググレーティングの長さは、位相マスクの長さによって決定される。ＵＶ光がマスクを横切ってスキャンされる速度は、変化されることができる。これは、グレーティングの強度（反射率）を任意の方法で操作する機会を与える。例えば、ファイバブラッググレーティングの始点及び終点の近くでは、連続するグレーティングの連結点におけるギャップの影響を低減するために、グレーティング強度は、増加又は減少されることができる。このような「ギャップ」は、弱め合う干渉を有する一方で、２つのファイバブラッググレーティングの共振を重複することからも生じうることに留意されたい。前述の製造プロセスは、可能な製造方法の一例に過ぎない。

位相マスクの代わりに、同じＵＶ線源からの２つの干渉ビームは、ロイドミラー又はロイドプリズム構成によって生成されることもできる。更に、干渉ビーム間の角度を変えることにより、ブラッググレーティングの周期性が、変更されることができる。これは、２つの調整可能なリレーミラーによって達成されることができる。位相マスクを横切ってレーザビームをスキャンし、複数のレーザパルスを使用する代わりに、振動の不安定性を避けるために、単一パルス照射が、使用されることができる。書込みプロセスの別の代替例は、逐点法である。ビームをグレーティング周期の半分のサイズに集束させ、ビームを中断し、その後にスポットを完全な周期だけ移動させることは、比較的遅い速度ではあるがほぼ無制限の可撓性を持つブラッググレーティングを作ることができる。

上記の説明は、ファイバコアに沿って直列に配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングをそれぞれ有する１つ又は複数のファイバコアを有する光ファイバセンサの利点を解明するために与えられたものであり、各ファイバブラッググレーティングは、ファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に単一反射ピーク波長の周りに単一反射スペクトルを有し、単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、ファイバコアに沿ってファイバブラッググレーティング間で異なることを理解されたい。

更に、上記の説明は、本出願に従属する特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、そのような図示及び説明は、説明的又は例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され、及び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するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を満たすことができる。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されることができないことを示すものではない。

請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバセンサは、光ファイバを有し、前記光ファイバは、前記光ファイバの長さに沿って延在する少なくとも１つのファイバコアを内部に埋め込まれ、前記少なくとも１つのファイバコアは、前記少なくとも１つのファイバコアに沿って直列に配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングを有し、各ファイバブラッググレーティングは、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に、単一反射ピーク波長の周囲に単一反射スペクトルを有し、前記単一反射スペクトルの反射ピーク波長は、前記少なくとも１つのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で異なり、全てのファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルは、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において０．６ｎｍ乃至１．４ｎｍの範囲の合計スペクトル範囲に及ぶ、光ファイバセンサ。
2. 前記単一反射スペクトルの前記反射ピーク波長は、前記少なくとも１つのファイバコアに沿ったファイバブラッググレーティング間で単調にシフトされる、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 隣接するファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルの反射ピーク波長間の差が、前記隣接するファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルのスペクトル幅以上である、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルは、それぞれの場合において、３％未満の反射率振幅を有する、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
5. 前記ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルは、それぞれの場合において、２％未満の反射率振幅を有する、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
6. 前記単一反射スペクトルのうちの少なくとも１つのスペクトル幅が、約１００ｍｍの前記単一ファイバブラッググレーティングの長さに対して１０ｐｍ乃至３０ｐｍの範囲内である、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
7. 全てのファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルが、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において０．８ｎｍ乃至１．０ｎｍの範囲の合計スペクトル範囲に及ぶ、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
8. 前記ファイバブラッググレーティングは、前記少なくとも１つのファイバコアに沿って互いに隣接して配置される、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
9. 前記光ファイバは、前記光ファイバの長手方向軸の周囲に分散され、前記光ファイバの長さ方向に沿って各々延在する少なくとも４つのファイバコアを内部に埋め込まれ、前記少なくとも４つのファイバコアは、それぞれの前記ファイバコアに沿って直列に配置された複数の単一ファイバブラッググレーティングを有し、前記ファイバコアの各々の各ファイバブラッググレーティングは、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態において光でインタロゲートされる場合に、単一反射ピーク波長の周囲に単一反射スペクトルを有し、前記単一反射スペクトルの前記反射ピーク波長は、前記それぞれのファイバコアに沿ってファイバブラッググレーティング間で異なる、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
10. 光ファイバセンサを光学的にインタロゲートする方法において、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光ファイバセンサを提供するステップと、
    前記少なくとも１つのファイバコア内に光を照射するステップであって、前記光は、スキャン波長範囲を通してスキャンされる波長を有し、前記スキャン波長範囲は、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における前記単一ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲の実質的に中心波長である波長を中心とする、ステップと、
    前記少なくとも１つのファイバコアからの反射光を受け取るステップであって、前記反射光は、前記少なくとも１つのファイバコアの前記ファイバブラッググレーティングから生じる、ステップと、
    を有する、方法。
11. 前記スキャン波長範囲は、少なくとも、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における前記ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルによって張られる前記合計スペクトル範囲とともに増大される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における前記単一ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルによって張られる前記合計スペクトル範囲に対する前記スキャン波長範囲の比は、５乃至２０の範囲内である、請求項１０に記載の方法。
13. 請求項１乃至９のいずれかに記載の光ファイバセンサを含む、細長い装置。
14. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光ファイバセンサと、
    インタロゲーションコンソールと、
    を有する光学システムにおいて、
    前記インタロゲーションコンソールは、
    前記少なくとも１つのファイバコアに光を照射し、前記光は、スキャン波長範囲を通してスキャンされる波長を有し、前記スキャン波長範囲は、前記少なくとも１つのファイバコアの無歪状態における前記少なくとも１つのファイバコアの前記ファイバブラッググレーティングの前記単一反射スペクトルによって張られる合計スペクトル範囲の実質的に中心波長である波長を中心にされ、
    前記少なくとも１つのファイバコアから反射光を受け取り、前記反射光は、前記少なくとも１つのファイバコアの前記ファイバブラッググレーティングから発生する、
    ように構成される、光学システム。

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