JP3249820B2 - ルミネッセンスを高速にディジタル信号処理するモジュール化された計測システム - Google Patents

ルミネッセンスを高速にディジタル信号処理するモジュール化された計測システム

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    • G01K11/3213—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering using changes in luminescence, e.g. at the distal end of the fibres

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般的には例えば温度などの物理的なパラメ
ータを光学技術をもって測定する技術に関連するもので
あり、そして、より詳しくいえば測定されているパラメ
ータに比例するルミネッセンスの減衰率を測定する装置
に関する。
ルミネッセンスセンサを用いて温度を測定する光学技
術は近年多くの応用に受け入れられ、そしていくつかの
製品が出現している。
あるルミネッセンス放射の温度依存特性が計られ、その
測定の結果からセンサの温度が決定される。
ある表面の温度はそのような小さいルミネッセンスセン
サと前記表面の直接接触により、またはルミネッセンス
材料を直接にそのような表面に塗ることにより、それか
らある種の遠隔方式または直接方式の光学システムを用
いることによって、ルミネッセンスの温度依存性を検出
する。
そのような光学システムは光学要素としてある長さの光
ファイバを用いることができる。このような技術は直接
に接触させることが困難な場合、例えば回転している機
械の部分の温度を測定するために特に優れて応用でき
る。
現在販売されている製品はしばしばルミネッセンスセ
ンサを、ある長さの光ファイバの先端に設けて温度セン
シングプローブを形成している。
温度センシングプローブは温度が測定されるべき物体に
直接接触する位置または温度が測定されるべき環境内に
配置される。そして、光ファイバの他端は測定装置に接
続される。センサも光ファイバも電気的な導体材料を含
まないので、他の計測システムにおいては妨害となる環
境，例えば高い電界，強力な電磁放射界，または電磁放
射ビームが存在しているところとか、センサまたは金属
リードを腐らせるであろう化学物質等を含んでいる雰囲
気における温度計測を可能にする。光ファイバプルーブ
は体内の液体または組織の温度を測定するために体内に
埋め込むことができる。光ファイバは電気を通さないか
ら可燃性または爆発性の材料であって、電気的に安全な
センサが必要なところに用いることができる。また、セ
ンサは非常に小さい質量をもち、さらにファイバは測定
位置から熱を電導により取り去らないから、より正確な
検出が可能になる。さらにそのような光ファイバプロー
ブは巨大で高価な電気設備，例えば発電機とか，パワー
トランスの中に恒久的に設置できる。センサと光ファイ
バケーブルが極めて小型なことと相まって、それが環境
要素に対して影響を受けにくいことから、より通常の温
度センシング技術の使用をしなくて済むようにし、広い
範囲の付加的な応用範囲に利用できる。
現在販売されているシステムで非常に好ましいものと
して用いられているルミネッセンスの温度依存特性はそ
の減少率が温度に感度を持つことである。
温度センサとして、用いられるルミネッセンス材料はル
ミネッセンスの発生を開始するパルス的な照射に応答し
て、前記パルス照射の終了後に、それらのルミネッセン
スの減衰を温度にしたがって、変わる率を持って開始す
る。
そのような用途で用いられるもっともとも好ましいルミ
ネッセンス材料は励起照射の終了後のルミネッセンス強
度の減衰がルミネッセンス強度の指数関数的な減少を示
す。このことにより、測定されるべき温度はルミネッセ
ンスの減衰“時定数”、すなわちτ，として通常参照さ
れる量であってそれは初期に測定された減衰ルミネッセ
ンスの値が1/eに達する時間として規定され、ここにお
いて“e"は自然対数で、2.71828...である。
ルミネッセンス減衰時間（またはその他のそれに関連す
るパラメータ）をモニタすることの利点は、計測が信号
の強度の変化，つまりそれは光電検出器や励起源の特性
が経時的に変わること，または光ファイバを曲げること
によって、それを通過する光の減衰量が変わることによ
って発生する強度の変化に対する影響を受けないことで
ある。その他のよりゆったりした光ファイバの伝送の変
化はファイバをイオン化させる放射にさらすことによっ
てある波長における吸収を増加させることにより、ファ
イバを種々の液体にさらし、そのクラッド層の屈折率を
変化させることによりその光ファイバの伝送率を変化さ
せることにより、またはファイバを熱的な環境に置くこ
とによって、相対的な光ファイバのコアと，クラッドの
反射率の相対的な割合を変化させることによって起こさ
れる。
ルミネッセンス減衰の温度依存性の特性を測定するた
めに種々のアナログ技術があり、それらは光検出器の出
力を異なった方法により処理している。
ある技術は減衰の過程において２回強度のレベルを測定
している。これらの例は米国特許第4,223,226−クイッ
ク等，（1980年）、4,652,143−ウイッカーシェイム
等，（1987年）、および第4,789,992−ウイッカーシェ
イム等（1988年）である。他の技術はルミネッセンス材
料のセンサをサイン波形による励起源により駆動し、そ
して励起信号と結果として表れるルミネッセンス信号の
位相を比較することである。この位相の差は温度依存性
を持つルミネッセンス減衰時間に依存している。
このことは再発行米国特許第31,832−サマルスキ（1985
年）および第4,437,772−サマルスキ（1984年）および
下記の刊行された文献に示されている：オウゴスチ等、
“レーザポンピングを用いた温度センサであって、アレ
キサンドライトのルミネッセンス減衰時間を用いた温度
測定”ジャーナル オブ ライトウェイブ テクノロジ
ー、LT−５巻No.6,1987年６月,759頁から762頁；グラタ
ン等、“光ファイバ形式におけるルビーのルミネッセン
ス減衰時間を用いた温度計",レビュー．サイエンティフ
ィック インスツルメンツ,59巻,No.8,1988年８月,1328
頁から1335頁；およびオウゴスティと“LEDポンピング
の光ファイバ温度センサ",IEEE トランスアクション
オン インスツルメンテイション アンド メジャメン
ト,37巻,No.3,1988年９月,470頁から472頁。照射された
ルミネッセンス材料の減衰時間に関連する酸素の受ける
影響を用いた自由酸素濃度測定方法において同じような
考えによるものが米国特許第4,716,363−デュークス等
（1987年）に示されている。
減衰時間を測定するための他の方法は光検出器の出力
をある時間積分することにより、減衰強度曲線の面積を
計算することである。積分の率は自己参照（強度に独
立）測定することによって提供される。このようにする
ことの提案はシュール等によって“生物学的な応用下に
おけるルミネッセンス減衰温度計",レビュー，サイエン
ス，インスツルメンツ,51巻,No.7,1980年７月,882頁か
ら884頁に示されている。他の積分および比率の技術は
米国特許第4,776,827−グリーブス（1988年）に記述さ
れている。
ごく最近の信号処理技術は閉ループを用い、そこでは
帰還回路を光検出器と励起源との間にフィードバック信
号が温度に比例するように用いられている。
そのようなシステムにおいて電圧制御発振器（VCO）が
測られようとする減衰時間によって決められる周波数に
よって励起光源を駆動する。このことはボーゼルマンに
よって“ルミネッセンス減衰時間を用いた光ファイバ温
度センサ",光ファイバセンサについての第２回国際会議
のプロシーディング,151頁から154頁で，英国特許第2,1
13,837号−ボーゼルマン等（1986年）、およびヨーロッ
パ特許出願公開第174,506号−フランケ等（1986年）に
記述されている。さらに他の閉ループシステムであっ
て、米国特許第4,816,687号−ファーレムバッハ等（198
9年）は帰還回路中に減衰時間，すなわち温度に比例す
る量を提供する積分器を用いている。
そのようなシステムに用いられるルミネッセンスセン
サは典型的にはフラッシュランプ，レーザ，または光放
射ダイオード（LED）が用いられる。
フラッシュランプは電気的なパルスに応答して、短い励
起エネルギーのバーストを提供する。LEDはより急速に
パルス化され、それらの出力はより精密に光強度の定常
性の観点から制御できる。
LEDは高価ではなく，組込が容易であり、長い寿命をも
っており、使用する動作のための使用電力が少なく、放
散する必要のある熱をあまり発生しない。
前述した閉ループ回路システムにおいてはLEDが周期的
な光のルミネッセンスセンサを励起する関数として周期
的に変動する光の強度を提供するために用いられてい
る。
最も効率の高いLEDは近赤外または赤外光放射を持っ
ているから、それらの使用にあたっては、使用されるセ
ンサのルミネッセンス材料の組成に対してある束縛が置
かれる。
選ばれたルミネッセンス材料はLEDによって放射された
波長領域を吸収し、結果としての僅かに長い波長のルミ
ネッセンスが高速で感度を持っている光検出器，例えば
光電子増倍管，またはフォトダイオードで検出されなけ
ればならない。
前述したアナログ技術とシステムは時間に対するある
非熱的な変化による影響を受けるのであるが、それは一
般的に不可欠なものとして受け入れられ、そしてそれは
しばしばシステムに再較正をすることによって補償され
る。ドリフトと時間変化に対してしばしば起こる変化は
アナログ電子部品，例えば増幅器，比較器等によって起
こる。
そこで本発明の主たる目的は安心して長い期間，正確
な結果が定常的に得られるようなルミネッセンスセンサ
による測定システムを提供することにある。
現在商業化されているアナログ技術に加えてディジタ
ル技術が提案されている。
それらの例は下記の文献に示されている：ドーエル等，
“信号処理オシロスコープにおける波形再生および分析
の精度の限界",リビュー．サイエンス．インスツルメン
ツ",58巻,No.7,1987年７月,1245頁から1250頁；ルッツ
等，“熱記録用リン：高温度におけるＫ型の熱電対の裸
線の代替品として",インダストリアル ヒーティング,5
4巻,No.10,1987年,10月,36頁から41頁；およびマニック
等、“発電機のロータの温度監視のためのリン温度計測
の応用",エレクトロ−オプティックセンシング アンド
メジャメント,ICALEO‘87 プロシーディングス,1987
年11月８−12日,23頁から27頁。
しかしながら、完全なディジタル的なアプローチは非常
に小さい経済的な計測装置においては、まだ完成してい
ない。このことは部分的にいえばディジタル処理チップ
であって充分なスピードと容量を持つものはごく最近に
なって漸く合理的な価格で利用できることになったこと
による。
そこで、本発明のさらに他の目的はディジタル信号処
理をそのシステムが非常に小型でコンパクトであって、
電力の需要が非常に低く、そして高い頑健さの程度を提
供するようなルミネッセンスセンサに準拠する計測シス
テムを提供することである。
本発明のさらに他の目的は小型であって、比較的低価
格のモジュールであって、それは可搬型またはOEMの装
置応用として用いることができるモジュールを提供する
ことである。本発明の他の目的はルミネッセンスセンサ
による測定技術であって、非常に低いコストの要素と多
くの異なった特定の用途に適する計測技術を提供するこ
とである。
本発明のさらに他の目的は短い時間内で、もし必要で
あれば、センサからのルミネッセンス強度が比較的に低
く、それは光ファイバの長さによるものや数多くの接
続，またはLEDの経年的な変化によって生ずるであろう
出力の低下があっても使用できる精密測定技術を提供す
ることである。
発明の要約 これらおよび付加的な本発明の目的はその多くの特徴
によって達成できるものであって、ここにおいて一般的
にいって、第１の特徴はルミネッセンスセンサは連続的
な光パルスの形態でLEDにより励起されるものであっ
て、これにより繰り返すルミネッセンス信号の減衰を光
検出器であって、その電気的出力が低雑音で広帯域の増
幅器を通過したときにディジタル化されるものである。
ルミネッセンス減衰のディジタルサンプルは曲線合わせ
技術，例えば最小二乗法によるアルゴリズムによってな
される。
好ましい実施形態においてはしかしながら、指数関数的
なルミネッセンス減衰曲線はまず初めに自然対数の減衰
関数として取り込まれ、これによってルミネッセンス強
度の時間減衰に比例する直線が得られる。
それらの計算に先立って処理されるべき減衰信号に存在
するところの背景信号によりディジタルデータが矯正さ
れる。
この背景光信号は励起とルミネッセンス信号が存在して
いないときに、周期的に測定される。LEDの励起はルミ
ネッセンス信号が、好ましいレベルを保つように調整さ
れる。
このようなシステムは低い雑音レベルを長い時間に渡
って安定的に保っており、その理由は非常に多くの個数
のデータ点が平均化され非常に小さいアナログ要素を用
いるからである。計測をするために必要な時間は極めて
短く、それにより極めて短い減衰時間を持つルミネッセ
ンス材料の使用を可能にしている。
測定されるべき温度または他のパラメータに比例するル
ミネッセンス減衰の定数または他の特徴を出力する前に
多くの計測の平均値を求めることによって精度をより一
層高めることができる。そのような多数の計測の平均に
も係わらず、高速データ出力を可能にしている理由はLE
Dを用いることによって高速の繰り返しパルスを用いる
ことができることおよび利用される好ましいルミネッセ
ンス材料の高速減衰による。非常に多くの個々のルミネ
ッセンス減衰時間が現実的に平均化されるので、装置と
ルミネッセンス材料間の光ファイバは小さいもので足
り、使用されるLEDは少ない電力で足り、その理由は低
いルミネッセンス信号レベルにおいて発生する誤差は減
少させられ、またはエラーはそのような多くのサンプル
のデータを平均化することにより、減少させられるかま
たは除去される。
適当な速いルミネッセンス減衰時間であって、それは
可視光の範囲の長い波長領域で励起可能であって、その
LEDまたはレーザダイオードがそれの励起用光源として
使用され、それが放出するルミネッセンス放射は励起照
射の波長よりも幾分長いものであるが、それにも係わら
ず速い感度を持つ光検出器，例えば光電子増倍管または
フォトダイオードによって検出可能なルミネッセンス材
料の例として種々の要素があり、それらは３価の希土
類、例えばネオジウム，または３価のクロムである。
クロムで活性化されたいくつかの無機化合物は先に示し
た文献に記述されているようにLEDでポンピングされた
温度計測装置として利用されることが予め提案されてい
る。
これらはクロムで活性化されたルテチウムアルミナムボ
レイト（ほう酸）と、クロムで活性化されたイットリウ
ムアルミニウムガーネットを含む。
これらの材料が説明されるシステムにおいて利用できる
のであるが、本発明のさらに他の特徴によれば、クロム
で活性化されたイットリウムガリウムガーネットの代わ
りに利用されることが好ましく、その理由はこの材料で
は好ましい活性中心の密度が容易に得られ、容易に均一
に分散させられ、その結果としての材料が減衰の特質が
比較的特定の製造方法や変化に影響されないものであ
り、そして励起および放射波長は特に現在使用されてい
る励起光源としてのLEDに適しているからである。
一方、異なったセンサ材料が特定の応用や温度範囲に対
しては好ましいことがある。
センサの材料は粉の形で焼かれた適当な高い温度で炉
中において酸化物に焼かれ、粉に挽かれて再度焼成され
ていくつかの材料の混ぜ合わせによって特定の要求され
る特性を得る。
そのような技術により高度に再現可能性を持つ特性であ
って、商業的なセンサを用いるために利用され、全ての
それらの測定された減衰時間はルミネッセンス粉末によ
って温度に変換され、電気光学的モジュールで標準的な
較正カーブで特に特殊な較正をすることなく誤差を１℃
に以内にすることができる。
このルミネッセンスセンサ材料は高い安定性を持って
おり、固有の減衰率であって測定されるべき温度または
他のパラメータに関連して良く相関を保った再現性を持
っている。減衰の測定は一時的には高い安定性を持って
いる水晶発振器の周波数に依存するものであるからこの
システムは前述したようなアナログ形の計測装置におい
てしばしば体験されたドリフトの影響を受けにくい。
本発明の他の特徴によれば前述された計測システムは
ほとんど全部が１つのプリント版であって、光学ヘッド
もまた設置されているものの上に組立てられる。光学的
なヘッドはLED光検出器，および光コネクタであって、
ルミネッセンスセンサに連絡している光ファイバの一端
を受け入れる。これは他の電子装置のサブアセンブリー
として容易に受け入れられるモジュール，電子器装置，
機器，または電気システムのサブアセンブリとして含ま
れるモジュールである。
光学ヘッドはいくつかの機能を持つものであって、光
源ビームスプリッタ，レンズ，ファイバコネクタおよび
適当な合わせによる検出器であって、ダイクロイックビ
ームスプリッタ経由で励起光を分離するフィルタとして
の機能を備え、ルミネッセンス放射を最低の信号損失で
行い、かつ感度の高い検出システムを他の環境の迷光か
ら遮蔽する。
検出セットに対する有効な光の量は一時的にシステムの
振る舞いに一次的な制限を与え、さらに光学ヘッドは最
小の労力で組立てられるものでなくてはならず、試験の
ための経費を最小にするものである。
光学的および機械的な要素は典型的に電子部品よりも高
価であり、その理由としてより良い要素は大量に他の用
途のためにも製造されるのに対し、光学的機械的な部品
はより顧客向けに生産されているものであって，少量に
作られるからである。したがって、光学ヘッドの設計は
システムデザインについて以下の点で重要である。
（１）PCボードに装着されるように充分小さいこと （２）極めて簡単であり、製造が容易であり、組立てお
よびテストのコストが比較的少ないサブアセンブリであ
ること，および （３）好ましい光学的な振る舞いが装置から装置の挙動
において実質的に調整を必要としないことである。
ボード上の電子システムは究極の温度または他の測定
されるべき他の要素を示す信号を供給できるものであ
る。換言すれば時定数とかその他のルミネッセンス減衰
の情報を提供されるべきホストコンピュータに対してイ
ンターフェイスするように設計することができる。前記
ホストコンピュータはルミネッセンス減衰の情報を温度
またはその他の測定されるべきパラメータに変換する。
大きなデータを処理するコントロールシステムから離れ
た所に小型のモジュールを使用することは他の可能性を
もたらす。
本発明のさらに他の特徴によれば改良された広帯域の
低い雑音の多段の増幅器が光検出器の出力をその信号が
アナログからディジタルに変換される前に用いられる。
最初のトランスコンダクタンス段階において、光検出器
からの電流は電圧に変換される。最初の段階のパラメー
タは雑音の発生をこの段階において極小にし、そのバン
ド幅を極大にすることを目的として選ばれる。
本発明のさらに他の特徴によれば、電子回路システム
の先端における固有に存在する有限の立ち上がり時間が
前記システムの短いルミネッセンス減衰時間に対しても
影響を与えないように実質的に除去される。
フロントエンドの立ち上がり時間特性は周期的にそのシ
ステムによって計測され、その結果の伝達関数がメモリ
に蓄積される。その伝達関数はそれから現実のルミネッ
センス減衰信号に対して実質的に有限の立ち上がり時間
の影響を除去するように関係づけられる。
これによりこの装置は励起照射パルスの終了の直後のル
ミネッセンス減衰信号を測定可能にするのであるが、こ
の補償なしでは不可能なものである。その結果として減
衰時間の測定は信号が高い値にあるときから可能であ
り、電子部品が安定するまで待つと信号減衰信号の強度
は正確な測定を困難にする程度に低くなってしまう。
他の目的および本発明の利点および種々の特徴は、好
適な実施例に関連して明らかにされるものであり、その
好適な実施例の説明は添付の図面を参照してなされる。
図面の簡単な説明 図１は本発明の好ましい具体例である計測システムに
おける電子および光学部品の関連を略図示した図であ
る。
図2A−2Eは図１のシステムの動作を種々の光学および
電子的信号を例にして、時間の関数として示した図であ
る。
図３は図１に示すシステムの好ましい動作順序を示す
流れ図である。
図4Aと図4Bは図１の計測システムで用いられる好まし
いルミネッセンス材料の特性を示す曲線図である。
図５は図１の計測システムのアナログ増幅器の電子的
な回路図である。
図６は図１の計測システムのプリント版のカードの配
列を示す図である。
図7A−7Dは図１に示すシステムによって電子部品のイ
ンパルス応答の制限を克服するために光学的な修正を行
った直線を示す図である。
好適な実施例の説明 まず、図１を参照すると光学ヘッド11は、これについ
ての物理的な特性は図６を参照して後述、フォトダイオ
ードまたは光電子増倍管の光検出器13と光放射ダイオー
ド（LED）15と励起光源として持っている。これから説
明されるシステムでLED15は赤の領域の可視スペクトル
中の光源であって、ピーク強度をほぼ650ナノメータ（n
m）の波長領域に持っている。そのようなLEDはヒュウレ
ット パッカード社の部品番号HP8104として市販されて
いる。その放射光はダイクロイックビームスプリッタ17
により反射されレンズ19を通過し、そして光ファイバコ
ネクタ22を介して光ファイバ伝送媒体21の端部に放射さ
れる。光ファイバ21はLED15からのルミネッセンスに基
づく温度または他のパラメータの検出素子に送り、その
ルミネッセンスは光学ブロック11に戻され、ビームスプ
リッタ17とレンズ23を検出器13に達する前に通過する。
検出器13は例えば高速応答のシリコンフォトダイオード
であって、浜松コーポレイションの部品No.S2618Kであ
る。ルミネッセンスに基礎を置く励起とルミネッセンス
波長は分離される必要があるのでダイクロイックビーム
スプリッタ17はLED15からの励起光の大部分を反射する
一方、フォトダイオード13へのルミネッセンス放射の大
部分を通過させる。
電子的な信号処理が用いられているので、これについ
ては後述する，光検出器13の前にはフィルタを必要とせ
ずこれにより問題となる光学信号の固有の減衰をなくす
ことができる。
光ファイバ媒体21はルミネッセンスに基礎を置くセン
サの種々の形態のものと通信することができる。図１に
示されている１つの形態は光ファイバ媒体21の自由端に
保持されるプローブ形式のセンサ25である。そのような
プローブは一般的に光ファイバ媒体21にルミネッセンス
材料を光学的に透明なバインダで付着させたものであ
る。これとは別にセンサのルミネッセンス材料をその温
度または他のパラメータが測定されようとしている表面
に付着させることもできる。光ファイバの自由端はルミ
ネッセンス材料に励起用の照射をするように向けられ、
結果としてのルミネッセンスをそれを介して受ける。光
ファイバ媒体端はコートされた表面からある距離を保っ
て配置されるか、またはそれと接触させられる。離れて
いる距離が大きい場合には、補助的な集光光学素子例え
ばレンズまたは鏡等を光ファイバ端を表面上に投影する
ために用いることができる。光ファイバ媒体21はファイ
バの束とすることができるが、好ましくは一本の光ファ
イバである。ここで説明されているこのシステムの１つ
の特徴は非常に小さく１本の光ファイバが光学ブロック
11からルミネッセンスに基礎を置くセンサに延ばされて
いるが、図１のシステムに充分な信号を正確に温度また
はその他のパラメータの測定に抽出することができる。
非常に高い割れやすい溶融シリカの光ファイバの代わり
に色々な形の光ファイバを使用することができる。
光検出器13からの線27中のアナログ信号出力はコンバ
ータ29によってアナログディジタル変換されるのである
が、その間にはできるだけ少ない部品が雑音の発生とバ
ンド幅の制限を少なくするために用いられる。しかしな
がら、あるアナログ増幅器は一般的にアナログディジタ
ル変換器29が充分な信号を供給することを要求してい
る。したがって入力増幅器31が設けられ線33の中に光検
出器13の出力の時間変化信号の増幅されたものを送り込
む。増幅器31の好適な回路を図５に示し後述する。
増幅された光検出器のディジタルとして表される信号
がシステムデータバス35に出力される。これは信号プロ
セッサ37のデータバスラインである。即納品としてのデ
ィジタル信号プロセッサはアナログデバイスインコーポ
レイテッドの部品No.ADSP2111である。この単一のシグ
ナルプロセッサ回路チップは別のアドレスバス39と種々
の周辺チップ制御線41を含んでいる。２つの出力ポート
が設けられており、１つは43に接続されている。他の種
々の出力接続が可能であってそれらのうちの１つは導線
45に接続されている。この特殊の信号処理シグナルプロ
セッサはホストコンピュータとのインターフェイス，例
えばインターフェイスバス47を持っている。シグナルプ
ロセッサ37はホストコンピュータから見た場合に１つの
周辺装置となる。
これとは別にもし分離されたホストコンピュータイン
ターフェイス47を使用したくないときにはより安価なも
のとしてアナログディバイスインコーポレイテッドのシ
グナルプロセッサNo.ADSP2105を用いることができる。
この後者のシグナルプロセッサはホストインターフェイ
スの規定を持たずに第２の出力ポートがシステムに繋が
るようになっており、それは図１においては使用されて
おらず、それを用いてホストコンピュータまたは他の利
用される装置に接続が可能である。いずれの場合におい
ても別のシステムクロック49が用いられる。
前述された市販されているシグナルプロセッサはかな
りの量のランダムアクセスメモリ（RAM）を含んでお
り、ここで用いられる計測システムには充分な量であっ
て外部のRAMは不要である。プログラマブルリードオン
リメモリ（PROM）51が用いられている。しかしながらこ
れはデータバス35とアドレスバス39の両方に接続されて
いる。システムオペレーティングプログラムはPROM51の
中に含まれている。シグナルプロセッサ37は立ち上げの
際にPROM51の内容を内部のRAMにその内容をロードす
る。
ここで説明されるシステムはセンサがルミネッセンス
を起こすようにルミネッセンス材料を励起用照射によっ
て繰り返し励起する。パルス間でルミネッセンスの減衰
の特性が望まれる温度またはその他のパラメータを表示
するものとして測定される。パルス状の駆動電流がLED1
5に電力制御回路55から回路53を介して供給される。電
力制御回路55は２つの入力端を持っている。１つはシグ
ナルプロセッサ37からの線45である。この線はLED15に
よって放射される光パルスの持続時間と周波数を規定す
る矩形波を含んでいる。これらのパルスの強度は線57で
あって、ディジタルアナログ変換器57の出力によって制
御される。線59中のアナログ信号のレベルはシグナルプ
ロセッサ37の出力ポートからの線43中のディジタル信号
によってセットされる。LED15の出力パルスの強度を制
御することにより結果として得られたルミネッセンス信
号は光検出器13に戻され、それは常に一定になるように
制御される。
適宜用いられる第２のLED61はオプティカル光学ヘッ
ド11の部分として図示されており、電力制御回路55から
の線63の電流によって駆動される。
LED61がもし使用されているときはそれはルミネッセン
スセンサを励起しない波長を持っているが、フォトダイ
オード13に対する感度を持つものが選ばれる。LED61の
使用目的は、より詳細に後述するようにこの電子システ
ムの内部のテストのために用いることである。そのよう
なテストのためにはセンサからのルミネッセンス信号が
出ていないことが望まれる。電力制御回路55は周期的に
LED61を線45内の信号にしたがってパルス駆動する。デ
ィジタルアナログ変換器59は出力57を持ち、それは線43
からの適当なディジタル信号によって正または負の両方
に駆動される。連絡制御回路55は線57内の正側の信号が
LED15または61の一方をその信号に比例する強度でパル
ス駆動する一方、負側のパルスは他の側のLEDを付勢す
る。
LED15または61のいずれか一方が一時点において駆動さ
れる。
光学ヘッド11はLED15の出力光であって、光検出器15
にあたる量を極小化するように設計されているのである
が、光検出器13に到達する全ての迷光を遮断することは
不可能である。ある励起用の波長はビームスプリッタ17
を介して戻される。これらの波長はセンサで反射され、
ファイバ端，またはコネクタで反射され、これにより光
検出器13への戻り信号として僅かに存在する。温度また
はその他のパラメータの測定はLED15がオフの間におい
てのみなされるのであるが、増幅回路31をLED15の励起
パルスがハイレベルの間にはドライブを避けることが望
まれる。その理由は増幅器のパワレール飽和回復タイム
のためである。
そのような理由で信号が減衰回路67から増幅回路に線65
を介して供給される。減衰器67は線45中の同じパルス信
号とLED15を制御するために用いられる線43中の信号レ
ベルを受け入れる。
その結果としてタイミングと信号の増幅器31に入る信号
の減衰量はルミネッセンスセンサ，励起パルスの間良好
に制御される。
図２の波形を参照して図１のシステムの動作の特徴を
説明する。図2AはLED15の励起光を示している。時間t0
からt1の間,LED15はその励起光をルミネッセンスに基礎
を置くセンサに対して放射するようにパルス駆動されて
いる。時間t1とt2の間はLED15はオフの状態にある。こ
れらのパルスは周期的に計測が行われている間中繰り返
される。50％のデューティサイクルのパルスが図示され
ている。
図2Aの励起照射に対するセンサのルミネッセンス信号
応答が図2Bに示されている。励起パルスの存在期間中，
ルミネッセンス出力は出力の強度が増加し、ルミネッセ
ンス強度は曲線71が示すように励起パルスの間,t0からt
1の間増加している。LED15が時間t1においてターンオフ
されるやいなや、センサのルミネッセンス強度は下降を
始める。パルスの間の時間，図2Bの時間t1からt2の間，
減少信号73が光検出器13によって観測される。時間t0か
らt1の励起パルスはセンサのルミネッセンスが実質的に
与えられた励起強度において最大になるのに充分な時間
だけ長く続けられる。ルミネッセンス材料はそのルミネ
ッセンス73の減衰が指数関数的であるものが選択され
る。これにより減衰の率の変化が温度またはその他の観
測されるべきパラメータの関数としてセンサによって容
易に測定される。
図2Bの信号はフォトダイオード13の出力電気信号とし
て示されている。その出力はもし充分な帯域幅が選択さ
れているならばルミネッセンス衝撃のレベルの強度の変
化に忠実に従うようになっている。
そのようなフォトダイオードは通常通信応用のために開
発され市販されているものである。これらの回路の中の
バンド幅が足りない場合には増幅回路31を通過するとき
にある歪みが発生する。図2BのLED15がターンオンされ
ている期間には上昇するルミネッセンス信号71のみが示
されている。LEDがフォトダイオード13を直接的に叩く
励起からの出力照射の効果は前述したように図2Bにおい
ては説明のために省略している。
測定されるべき温度または他のパラメータの情報を含
んでいる信号部分は減衰部分73である。これは各励起パ
ルスの後に計測される。数多くのそのような測定の結果
が雑音の影響を除去するために平均化される。平均され
た減衰関数はそれから温度または他の測定すべきパラメ
ータの特徴を知るために分析される。
図2Cにはアナログディジタル変換器29の動作が図解さ
れている。時間t1からt2の期間の動作が引き延ばされた
形で示されている。
アナログディジタル変換器29は時間t1からアナログディ
ジタル変換器29の減衰信号を繰り返しの形でサンプルす
る。しかしこれはs1とs3（150と350それぞれこの特殊な
例においては１つのサンプルが各々1.36ミリセコンドの
間サンプリング）サンプリングされるものであって、そ
のデータが用いられる。
これはt1からの固定の期間，サンプルs1が増幅器回路31
に応答するように提供される。サンプリングはサンプル
s3（この例においてはNo.350）で終了され、ここでは曲
線73の強度は極めて低くなっている。
曲線73は増幅回路31を通過した後でディジタル化され
て下記のように表される； Ae-at+C （１） ここにおいて“C"は光検出器および増幅器回路31によ
って発生させられるオフセット信号であり“e"は自然対
数，“t"は時間，“a"は指数関数的に減衰する曲線の時
定数の負の対応であり、“A"は指数関数的な減衰信号の
当初の値を示している。
シグナルプロセッサ37によってなされる処理はまず多
くのディジタル信号を指数関数的に減少する信号の中か
らとり出し、それを図2Dの指数関数の実線として示され
ている場合の部分のように結合することである。この結
合の過程において測定されたオフセットＣは引き算され
る。かくして合成された関数は次式のようにして表され
る； Ae-at （２） ａの量は測定しようとする時定数τの負の逆数であ
る。これはシグナルプロセッサ37によって任意の数の曲
線を合わせ技術によってなされるものであり、ここにお
いて指数関数的なパラメータは図2Dの合成されて得られ
た信号に指数関数的に適合するまで変更される。
少なくとも平方の技術がこのために有効である。しかし
それは計算の意図からは有効でなく、もし合成信号図2D
の自然対数がまず最初に図2Eに示されているように計算
されて用いられるならばそれは直線として表されるから
標準曲線の合わせ技術としてはより容易である。図2Eの
対数関数は次式により示される： LneA＋at （３） ここにおいて望まれる値ａは直線の傾斜であり、より簡
単に計算できる。
ディジタルデータの合成された形から量ａを計算する
というよりはむしろ各ディジタルデータのセットから得
られた１つの減衰信号から計算されたものを平均するこ
ともできる。
このためにはより高い計算速度が前述した平均技術より
もある状況下においては必要となる。
図１のシステムの動作は図３の流れ図に完全に図示さ
れている。図２に関連して議論した技術に関連する操作
および計算が図３のプロセスに示されている。このプロ
セスはPROM51に蓄積されている計算プログラムによって
制御される。
図３のステップ81はオフセットＣの測定であって、後
述するようにシステムが起動される場合に周期的に行わ
れるものである。ステップ83はこの装置の１サイクル動
作の初めのステップを示し，すなわち図2Aに示されてい
る励起パルスの照射を意味する。次のステップ85は図2B
に示されている信号73からディジタル的に取得するもの
である。既に説明したようにこれは減衰する信号から20
0のサンプルを得ることになる。
次のステップ87はオフセットＣをこれらのサンプルから
引くステップを示す。これに引き続いて修正されたデー
タサンプルを信号プロセッサ37のラム中に保存するので
あるが、これはステップ89として示されている。
１サイクルのディジタルデータが保存される。
多くのサイクルからのデータが結合されて、温度または
他のパラメータによる量の信号を得るためにこのプロセ
スがＮ回だけ繰り返される。ステップ91はデータ取得サ
イクルがＮ回に達するまで繰り返されることを示すステ
ップである。その後にステップ93に示されているように
Ｎ回のサイクルのデータが結合されて１セットのデータ
の平均が出される。この合成によって得られた信号は図
2Dに示されている。
次のステップは、この合成信号の時定数の計算を簡単
にするためのステップであり、95として示されており、
前記合成されたデータセットの自然対数を計算しその結
果は図2Eに示されている。
次のステップ97は必要な量ａを計算するステップであ
り、それは合成して得られた信号の時定数に対応し温度
または測定されようとする他のパラメータに比例する量
である。これに加えるに、合成された減衰信号（LneA）
の対数の開始時点ＡはデータＡの計算の結果としてチェ
ックの目的のために算出される。
曲線のパラメータの計算はいわゆる曲線合わせ技術と
して良く知られている。例えばプレス等により，数値的
な処方−化学的な計算のため，ケンブリッジ ユニバー
シティ プレス（1986年）の第14章の498頁から520頁に
そのような技術が一般的に示されており、これらを実行
するための特定のコンピュータプログラムが示してい
る。この本を参照文献として引用しておく。カーブ合わ
せ技術は当初議論したものはステップ93のデータ形成の
合成に直接利用できるのであるが、しかしながら、以前
に述べたようにより速い計算をするためにはステップ97
に示されている直線的なデータセットからステップ95の
対数計算によって成される。ステップ97は式（３）の２
つの定数LneAとａの計算をするものであって、それは図
2Eに示されている。
計算された減衰曲線の開始点LneAは選択的に用いられ
るステップ99で使用するために計算される。これは測定
されるべきデータではなく、直接励起照射が終了した直
後の減衰曲線からデータは得られるものではない。
もし、このシステムの操作において知られている変
化、例えば突然LED15からの励起光が増大することによ
り、量LneAがモニタされ、それが次のサイクルの変化を
知るために用いられる。この量は温度または測定される
べき他のパラメータから独立している。もしこの量が予
想されているように変わらなかったことが検出された場
合、例えば突然LED15の強度がもしこの量が予想されて
いるように変わらなかったことが検出された場合、例え
ば突然LED15の強度が変化したような場合はそれにより
ちょうどその時に得られ、分析された合成データが正確
でないものということを知ることができる。そのような
状況下においては増幅器31は飽和状態に駆動される。
そのような状態においてはデータは拒否され，そして
処理が再度ステップ83から開始される。しかしながら、
全然データに対して問題がなかった場合においては量ａ
の値が温度または他の測定されるべきパラメータの計算
にステップ101に示されているように利用される。量ａ
は直接的に温度に変換される。
例えば特殊なルミネッセンス材料が温度センサとして利
用された場合のルックアップテーブルを参照することに
よって直接的に温度に変換される。
光検出器13および増幅器31の信号出力レベルをそれら
が飽和状態または他の非直線動作領域にない範囲におい
てできるだけ高く保つためにLED15の励起光の強度が出
力からのフィードバックループの部分として制御され
る。既に述べたように図１のディジタルアナログ変換器
は電力制御回路55がLED15に提供し、かつその強度を制
御するであろう電流レベルを指定する。その強度はポー
ト線43のディジタル値によって決められる。もし出力信
号が希望するスレッシュホールドレベルよりも低けれ
ば、LED15の強度は増加させられる。これとは逆にもし
出力レベルが与えられたスレッシュホールドレベルより
高ければLED15の強度は減少させられる。
出力信号レベルは範囲内にあるのかないのかを決定す
るために合成されて取得された信号である図2Dのある領
域の絶対値が与えられたスレッシュホールドと比較され
る。その領域は好ましくは有効なデータサンプルがディ
ジタル化の過程において取得された直後に取得される。
図2Cを参照するとデータポイントはサンプルs1とs2の間
でこの目的のために利用される。
かくして再度図３を参照するとこのプロセスは合成さ
れたデータ出力を一緒にステップ93で比較する。もしそ
の値が定められた領域の外にあったならばステップ105
がLED15の強度を図１の線43中の駆動強度番号を変更す
ることによってLED15の強度を調節する。
図３のプロセスの中の最後のステップ107は減衰カー
ブの他のＮサイクルが取得され分析されるかを決める
か、ステップ83より始まるものを決めるか，またはオフ
セットＣを再度ステップ81で測定するかを決める。オフ
セットＣは各Ｍサイクルごとに周期的に測定される。こ
の計算は頻繁にする必要はない。
多分10分に１回かまたはその程度であってもよく、もし
実行されたときにステップ81がデータを取得するときと
同じようなモードで動作するが、LED15はパルス駆動さ
れていない。ステップ83は省略される。もちろんオフセ
ット引き算ステップ87も省略される。その他にステップ
81が光検出器13がＮサイクルの増幅器の出力データを取
得すると同様に動作する。これらのデータは新しいオフ
セットＣを計算するために用いられてそれは次のデータ
取得サイクルに利用される。
多くの固有のルミネッセンス材料成分が対象とする温
度の範囲および特定の応用のための他の要素に依存して
このシステムのセンサのために用いられる。この材料は
選ばれた材料は測られるべき回数と温度に対して充分に
安定なものでなければならない。選ばれたルミネッセン
ス成分は利用されるLEDの出力照射を吸収する必要があ
り、そして広いバンド幅（速い応答）を利用される光検
出器の波長領域の範囲にルミネッセンス照射をしなけれ
ばならない。ルミネッセンスセンサの組成は異なったセ
ンサ間の特性の相違を減少させるために容易に再現可能
性のあるものが選ばれなければならない。１つの測定モ
ジュールのためにそのモジュールを異なったセンサ特性
を再度較正することなく別のセンサを使用することが好
ましい。ルミネッセンス材料は好ましくは減衰の時定数
を１マイクロセコンドから１ミリセコンドの範囲内にお
いて持っている。この範囲内において電子システムに要
求させる要求はそんなに厳しいものではないが、繰り返
し測定は充分速いレートでされる必要がある。
多くの応用において好ましいルミネッセンス材料はク
ロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットで
あって、Y3（Ga1-xCrx +3）5O12,という化学式の特別な
構成をもっており、ここにおいてＸは実質的に0.032か
ら0.078の間にあり、酸化クロムのアクチベータの濃度
が、重量で2.0から4.5％であることを示している。図4A
はこの赤の領域にあるこの材料の吸収スペクトル111と
近赤外領域にあるその放射スペクトル113を示してい
る。励起照射吸収スペクトル111はそのピークを選ばれ
たLED15の放射強度波長領域の近くに有している。放射
スペクトラム113はフォトディテクタ13として利用され
る高速シリコンフォトダイオードのスペクトル感度に対
応している。このルミネッセンス材料の放射の減衰時定
数τは温度の関数であって図4Bに示されている。このτ
はルミネッセンス材料が室温（約20℃）に置かれたとき
に典型的に190から250マイクロ秒の間にある。
図4Bから分かるように減衰時定数は０℃で280マイクロ
秒からで300℃でほぼ60マイクロ秒である。
この温度レンジにおける計測の感度は優れており、１つ
の満足できるルミネッセンス材料センサの要求を満たし
ている。図４の曲線は３価のクロムで活性化されたイッ
トリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料であ
って、化学式中のｘは実質的に0.47であって、酸化のク
ロムの重量が３パーセントであることを示している。上
述した光電的システムの特徴はそれが短い減衰時間を持
って動作させられることである。図4Bに示されている好
ましい材料の特性は減衰時定数が、例えば−190℃から
＋400℃の全温度領域において１ミリセコンドよりも小
さいことである。計測されるべき時定数１または２ミリ
セコンド以下である場合においては、それらを使用する
光電気計測システムに大きな要求を与える。しかしなが
らこのような短い減衰時間を持つものが取り扱われると
きにそれらはここで記述されたシステム内において多数
回の減衰時間の計測が非常に短い時間間隔で行われると
いう利点がある。ここで説明される特定のシステムにお
いては減衰信号のディジタルサンプリングは図2B,図2C
に示されているように１マイクロ秒離れた間隔で行われ
る。図2Aに示されている励起信号のパルス繰り返し率は
毎秒100パルスを越えるものである。
図３のステップ91におけるファクタＮは容易に100また
はそれ以上多くの応用においてすることができる。すな
わち100減衰時間サイクルが測定され、平均されること
によって１つの減衰時定数に変換され、それから温度ま
たは決定されるべき他のパラメータが求められる。かく
して１つの時定数が毎秒計算され、その計算結果は100
回の個々の減衰時間測定に基づくものである。
各秒ごとに新しい計測サイクルを提供することは、真の
温度または他のパラメータのモニタを可能にし、数多く
のサンプルの平均において得られる雑音の減少を犠牲に
することなく多くの応用に用いられる。
多くの応用に適する他の特定のルミネッセンス材料は
３価のクロムでドープされたイットリウムアルミニウム
ガーネットであって、 式Y3（Al1-xCrx +3）5O12の化学式のものであって、ここ
においてＸは0.16から0.060の間にあり、これは３価の
クロムのドーパントが１から４重量％で含まれることを
示している。この材料のルミネッセンスは前述した好適
な具体例に比べて明るさが少なく、より長い時定数を持
っているが、高い温度の測定に適している。その励起お
よび吸収とルミネッセンスのスペクトルは非常に良く似
ている。
３価のクロムでドープされた希土類，アルミニウムボ
レイト材料はまたこのシステムに利用できる。
そして吸収およびルミネッセンス照射スペクトルは前述
した材料と極めて良く類似していることが知られてお
り、同等またはより大きなルミネッセンス輝度を持って
おり、短い減衰時定数を持っているのはあるイットリウ
ムアルミニウムガドリニュームアルミニウム及びルテチ
ュームアルミニウムポレイトである。
例として化学構造式Gd（Al1-xCrx +3）３（BO3）４およ
びLu（Al1-xCrx +3）３（BO3）４、この化学構造式を持
ちここにおいてｘは一般的に0.01から0.04の範囲内にあ
る。
図５は図１のシステムに使用される好ましい増幅器31
の回路図である。この設計の第１の目的とするところは
この増幅器で発生する雑音の量と望まれる帯域幅との良
好な交換をすることである。
一般的に言って、もしそのような増幅器が充分な帯域幅
を持とうとするならば、それは必然的にある量の雑音を
伴うこととなる。広い帯域幅は検出器13によって検出さ
れた減衰ルミネッセンス強度の高い周波数成分を通過さ
せるために必要となる。換言すれば、増幅器31は良いイ
ンパルス応答特性をもたなければならない。図５の回路
は温度の読みを１秒間隔の間で0.1℃の精度で提供する
ことができるのに必要なノイズレベルで充分な高い周波
数の応答を提供することができる。
雑音を減少するための１つの特徴はフォトダイオード
13の容量をカソードを正の電圧に供給源に抵抗R1を介し
て接続することにより逆バイヤスすることである。通常
カソードは接地電位に保たれている。
このような逆バイヤスは通常フォトダイオードのバンド
幅応答を増加させるために用いられる。しかしこの用途
においてはフォトダイオードが充分に速い応答を示すの
でその必要はない。
フォトダイオード13のアノードは線27によって演算増
幅器121の反転入力端子に接続されており、その演算増
幅器はダイオード13から流れる電流を比例する電圧とし
て出力端123に出力する。好ましい増幅器はバーブラウ
ン社の部品番号OPA627である。それは誘電体によって絶
縁された低雑音の電界効果トランジスタ増幅器であっ
て、高い入力インピーダンスと低いドリフトと低いイン
プットバイアス電流を持っている。帰還抵抗R2の抵抗値
はそれが望まれる帯域幅を持つように５メガオームから
20メガオームの範囲内に選ばれている。増幅器のバンド
幅はフィードバック抵抗R2の値にしたがって、直線的に
増大する。増幅器121によって発生させる雑音の量は抵
抗R2の値の平方根にしたがって増大する。かくして、こ
の抵抗は雑音を低下させるという観点からは希望するバ
ンド幅を満足する限りにおいてできるだけ低く保たれ
る。特定の値として10メガオームが用いられる。
フィードバック抵抗R2を低く保つことの他の効果はそ
の増幅率を減少させることである。もし、R2を充分高く
するならば単に増幅器121のみが必要となるが、その場
合にはこのシステムではノイズレベルが耐えられない程
度になってしまう。かくして線123の出力電圧は２つの
付加的に直列に接続された電圧増幅回路によって増幅さ
れる。第１段では演算増幅器125を用い、そして第２段
では演算増幅器127を用いる。123の出力は抵抗R4を通じ
て増幅器125の非反転入力端子に接続される。一対のシ
ョットキーダイオードD1とD2が増幅器125の非反転入力
端子と設置間に繋がれて、増幅器125がその飽和領域に
入る高い電圧に達することを妨げている。増幅器125の
出力は直列抵抗R7,R8を介して増幅回路127の反転入力端
子に接続されている。電圧制限ダイオードD3およびD4と
同様な配列が第２段の増幅器127の入力においても用い
られる。
この特定の実施例いおいて演算増幅器125と127はバー
ブラウン社の部品番号OPA27である。
増幅器125の出力端子とその反転入力端子間のフィード
バック回路は約10の利得を与えるように選ばれる。R9と
C2,増幅器127のR9とC2からなる帰還回路はこの最終段に
約15の利得を与える。
LED15がパルス駆動されている期間中に第１段の増幅
端121の利得を減少させるために、増幅器121の非反転入
力端子は抵抗R3を介して図１の減衰回路67に線65で接続
されている。ルミネッセンスの減衰信号が増幅回路31に
よって追従されているときに導線65が外されて、回路の
動作の影響がなくなる。しかし図１に関連して先に述べ
られたように、それは可変減衰器67でパルス励起の間中
接地されている。これが増幅器ステージ127がそのよう
なパルスによって過度に駆動されることを阻止してい
る。
図６を参照するとそこには図１から図５に関連して記
述されたシステムの光学および電気的要素の物理的な配
列が示されている。標準的なプリント回路カード131が
既に説明された全ての光学的，電気的要素を搭載してい
る。このボードは５インチ（127mm）の長さで３インチ
（76.2mm）の幅の極めて小さいものである。光学ヘッド
11はサーキットボード131に直接に設けられている。デ
ィジタルアナログ変換器59とLED電力制御回路55を含む
多くの部品がLED15が搭載されている光学ヘッド11に近
接する領域133に配置されている。同様にして図５に示
されている増幅器31の要素はフォトダイオード13が搭載
されている光学ヘッド11の横に極めて接近した領域135
に設けられている。アナログディジタル変換要素29は要
素135に近接して配置されている。ソケット137はホスト
コンピュータのインターフェイス接続47を提供してい
る。既に議論したように温度または最終的に他のパラメ
ータであって、最終的に決定されることが必要なものは
ボード131で計算され，そしてソケット137を介して出力
されるかまたはホストコンピュータにより値“a"により
計算されて、ソケット137からボード131のソケット33を
介して接続される。
図６に記述されているように低価格で小さいプリント
ボードを提供するためには光学ヘッド11の構造が重要と
なる。ヘッド11は好ましくはアルミニウムブロックから
図６に示されている光学的要素を指示し、示されている
光学経路をその間に保つために機械加工される。レンズ
19と23は極めて短い焦点を実現し、かくして光学ブロッ
ク11を小型化するために球の形状が用いられる。LED15
は好ましくはレンズがその一部として用いられているも
のを採用する。光学システムが製造されるときにしばし
ば問題となるレンズ合わせについての困難性はこの構造
においては問題にならない。その理由は完全な球面のレ
ンズ19と23が設けられる場合においては、方向に関係を
持たないからである。必要なことはアルミニウムブロッ
クに機械加工される座である。ビームスプリッタ17のた
めの保持表面がブロックのLED15がマウントさせている
反対側に孔を設けることによって形成される。
そのように精密な寸法で加工されたブロックを用いるこ
とによって光学要素は単にその場所に嵌められ、結合さ
れることによって付加的な調整は不要にし、製造時間と
コストは従前の同様な応用に用いられた光学ヘッドに比
較して著しく減少させられる。増幅器31が広い帯域幅を
持つように設計させられているにも係わらず、ルミネッ
センス強度曲線の最初の部分の高い周波数はそれによっ
て減少させられ，増幅されない。
その理由は図2Cと図2Dに関連して説明した各々の蛍光減
衰サイクルのデータ取得の期間の遅延によるものであ
る。もし、帯域幅が受け入れられない増幅器の雑音を増
加させることによって得られたとすると、ルミネッセン
ス減衰の測量はルミネッセンス信号がかなり大きいとき
からスタートできる。図７に示されているようにソフト
ウエアにおいて、このある技術を選択的に実現すること
ができる。図7Aは典型的なルミネッセンス強度の指数関
数的減衰を示す一方、図7Bは典型的なアナログ増幅器の
帯域幅による応答曲線を示している。ステップ関数のよ
うな入力で非常に高い周波数成分を持つものが増幅器に
入力されると増幅器の出力は図7Bに示すようにtAからゆ
るやかに立ち上がり、後のtBの時点に全出力レベルに達
する。
その結果増幅器の出力は図7Cに示すようになり、それは
図7Aに示すルミネッセンス強度を著しく歪めている。ル
ミネッセンス減衰時間を図7Cの増幅器の出力から測定す
ることができるのは、時間tBの後である。
しかしながらソフトウエアを用いることによって増幅
器の出力信号をほぼ図7Aのルミネッセンス強度入力の形
に適合させることができる。図１から図６に示されてい
る第２の光照射ダイオード61はこの目的で設けられたも
のである。図7Bに示されている増幅器31のインパルス応
答はLED61をパルス駆動することにより周期的に計測さ
れ増幅器31の入力に同じ形状の電子的なパルスを発生さ
せるために用いられている。LED61の出力中の波長成分
はルミネッセンスセンサが影響されないように選ばれて
いるからその出力パルスは単に光学的信号であって、フ
ォトダイオード13にこのテスト期間中に受け入れられた
ものとなる。
図7Bの増幅回路のインパルス応答が一度測られて記憶
装置に記憶されると、図7Cに示されている増幅器の出力
は図7Bの測定されたインパルス応答にドライブされるこ
とによって修正される。それからこの増幅器の制限され
た帯域幅は修正され、その帯域幅の制限された出力の減
衰信号を当初に説明された技術により各々の励起パルス
の終了直後に開始させられる。
これにより、より大きなルミネッセンス強度が利用でき
るようになる。これによりSN比を増大させるか、および
／またはシステムが弱い光の信号でも利用できるように
なり，例えばより小さい直径または長い光ファイバを用
いるときのような短い信号においても使用可能になる。
そしてこれは高い温度において減衰時間が極めて短い場
合の測定を許容する。
図7Dは、そのような周波数領域における補償の効果を
示している。曲線141は典型的な増幅回路の周波数応答
を示す急速にある周波数を越えると減少をする状態を示
している。破線の示す線143は効果的にソフトウエアに
よって増幅器のインパルス応答を前述したように補正し
たものである。
前述したシステムは広い範囲の特定の温度測定の応用
にその改良された特性と低価格性のために非常な利点を
持っている。多くの応用においてセンサからのルミネッ
センス信号は計測装置の光検出器に到達する前にかなり
減衰させられる。このことは例えば光ファイバ信号経路
が容器の壁であって、密閉性を保つ必要があるものを介
して延びている場合に起きる。特別な光学的な光透過要
素が壁の密閉性を保証するために壁に設けられるがそれ
が１または２以上の光ファイバのインターフェイス接続
を必要とし、信号の損失をもたらす。家庭用の電力トラ
ンスがこの例である。
ここにおいて光学的信号経路はトランスの外側のタンク
の壁を介してトランスフォーマの窓に設置されるセンサ
に導かれている。他の例は処理容器，例えば半導体製造
の過程において用いられる処理容器であって、そこでは
光学的経路は容器内に処理されている半導体ウエハの温
度を測定するために容器内に延ばされている。
高いレベルの減衰がセンサが光検出器から長い距離離れ
て配置される場合、例えば工業的なプロセスにおいて温
度センサの近くに電気的な要素の配置をすることができ
ない場合、例えば、爆発性をもつとかその他有害な環境
化の場合においてはかなりのレベルの減衰が存在する。
石油化学処理等がそのような例の１つである。
小さな径の光ファイバと多くのコネクタを光学経路に
用いるような場合、例えば医学的な応用において廃棄可
能な温度センサが患者の体内に用いられているような場
合においては光信号の減衰が起きる。
そのような医学的な応用においてはセンサが患者の温熱
処理の間中，組織の中に埋め込まれる場合がある。他の
応用においては、センサが人間の体の血管内に治療の過
程において配置されることがある。
さらに極めて弱いルミネッセンス信号が一般的にある
応用においては最善の状態でも得られない場合がある。
例えば、ルミネッセンス材料が表面に被覆されている可
動部の表面の測定においては、極めて弱い光ファイバと
か他の光学システムとこの結合しかできない。特定の応
用、例えば大きなモータまたは発電機のロータの巻線の
温度を測定したような場合にこのことが起きる。光ファ
イバまたは他の光学システムが可動表面に接触させるこ
とができない場合においては、充分な光学的結合がセン
サと光検出器の間に得られない。
さらに前記動きは通常不連続性を持ちやすくなる。
かくして、測定は迅速に観測できルミネッセンスが消滅
しないうちに成されなければならない。
既に説明した本発明システムと材料はそのような困難
な温度測定を高い精度を持って実現可能にしている。
これに加えるに、本発明の技術によれば、多くの応用
において必要とされる長い期間の安定性を保証できる。
そのような応用例の１つはセンサが恒久的に大きなトラ
ンスフォーマとか、発電機とか他の実用装置に備え付け
られて、それらは正確な温度に関する計測を20年,30年
またはそれ以上の年月に渡って続ける必要がある場合で
ある。本発明による計測システムはシステムの要素，例
えば励起LED,光検出器，光ファイバとかそのようなもの
が必然的に時間経過において起こる変化があっても安定
した精度を保つことができるものである。
この特徴、すなわち効果的な信号処理とコンパクトな
電子回路および光学ヘッドのデザインが１つのサーキッ
トカードに設けられていることにより、ルミネッセンス
に基礎を置くセンシングを従来は不可能であるとされて
いた応用領域において可能にしている。
その可能性によって，そのような計測により高価な装置
の方が壊れる前の警告をしたり、製造過程におけるより
良き制御をしたり、より良い収率を得るための結果をも
たらしたり、同様な効果的な結果をもたらすものであ
る。小型で低価格な１つの光電気ボードが容易に巨大な
装置システムの部品として設置できる。
さらにそのようなボードレベルの温度検出器のコストは
赤外照射とか他の競争関係にある技術に対して対抗でき
るものである。
ここにおいて説明された技術やシステムは温度パラメ
ータの測定に限定されるものではないが、温度の測定は
極めて重要な要素である。現在の技術とシステムは多く
の状況下、すなわち温度測定を媒介の要素として他のパ
ラメータを決定するようなところにも利用できる。例え
ば、電流はルミネッセンスセンサを抵抗的に加熱される
電流導体に配置することによりその結果センサの温度が
最終的なパラメータである電流に関連づけられることに
よって測定できる。他の応用例としては、流体の流れが
赤外線照射に接続することによってセンサが加熱される
のであるが、そのようなレーザダイオードのパルス繰り
返し率が流体温度を上昇させることになり、かくして流
体の流率を表示することができる。
同様にしてここで記述された技術とシステムは直接に
温度以外の他のパラメータをルミネッセンスに基礎を置
くセンサの減衰を調べることによって測定することがで
きる。前述した米国特許第4,716,363号においては蛍光
の減衰が自由酸素の濃度の密度の測定に利用されること
を示している。
本発明はその好適な実施例にしたがって、説明された
のであるが、本発明は添付の請求の範囲の全範囲によっ
て保護されるべきであると理解されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベクト デイビッド エル. アメリカ合衆国 95118 カリフォルニ ア州 サンホセ、キンバリー ドライブ 1305 (72)発明者 メレン ロバート イー. アメリカ合衆国 95070 カリフォルニ ア州 サラトガ、キルブリッジ ドライ ブ 20141 (56)参考文献 特開 平２−309220（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01K 11/20 A61B 5/00 101

Claims (42)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】あるパラメータのルミネッセンスセンサを
    励起してそれからのルミネッセンスの前記パラメータの
    大きさに比例する減衰率を測定するシステムであって以
    下を含む： 照射されたときに、ルミネッセンスを発生するセンサを
    励起するための光照射出力するダイオードと、 前記センサからの戻されたルミネッセンスを電気的信号
    に変換する光検出システムと、 前記センサと前記ダイオードと前記光検出システムの各
    々の間に光学的通信をするための手段と、 前記ダイオードに接続され、前記ダイオードが制御信号
    に強度的に対応する光のパルスを照射するように制御す
    る手段と、 前記光検出システムの信号を少なくとも前記ダイオード
    パルスの間でディジタル値に変換してそれにより、戻り
    ルミネッセンスの減衰強度をディジタル化するための受
    信手段と、 前記光検出システムの信号を、前記戻りルミネッセンス
    が実質的に存在しない時に信号のオフセットレベルを検
    出するために前記光検出システム信号を受信する手段
    と、 前記光検出システムの信号の減衰率を、前記ディジタル
    表現により、前記オフセットを調節し、前記減衰関数モ
    デルにしたがって前記デジタル表現と前記オフセットを
    受信する手段と、 前記励起パルスの終了からある固定時間後の強度を検出
    して、ディジタル表現を受信する手段と、 前記固定時間の強度を実質的に一定に保持する値をもつ
    前記ダイオード駆動手段に制御信号を供給するために前
    記固定時間の強度を受診する手段と、 を含む測定システム。
  2. 【請求項２】パラメータを測定するためのシステムであ
    って以下を含む： 光ブロックであって、 前記ブロック内に配置されていて、励起放射によりパル
    スされたのちに、被測定パラメータに比例する率で、他
    端の強度が減少する放射を放出することにより特徴づけ
    られるルミネッセンス材料のセンサと光学的通信状態に
    位置させられているある長さを光ファイバ伝送媒体の一
    端を終端する手段と、 出力を前記光ファイバの前記一端を介して前記光ファイ
    バに導くダイオードの光源と、 前記センサからの戻りルミネッセンスを光ファイバの一
    端を介して受け入れてそれに比例する信号を生成するた
    めの光検出システムと、 制御信号の強度に比例する光パルスを照射するように、
    前記ダイオードを駆動するために、前記ダイオードに接
    続されている手段と、 前記光検出システムの電気信号をディジタル化された形
    態を発生させるために、前記ダイオードの光パルスの間
    のある部分で受信し、これにより前記戻りルミネッセン
    スの減衰の強度をディジタル化するための受信手段と、 信号のオフセットレベルを測定するために、前記光検出
    システムの電気信号のいかなる戻りルミネッセンスも存
    在しない期間に受信する手段と、 前記ディジタル化されたものと前記オフセットを、前記
    光検出システムの電気信号の減衰率を測定するために前
    記ディジタル表現を前記オフセットを調整したのちに、
    減衰関数モデルに合わせるために受信する手段と、 前記励起光パルスの終わりから一定期間後に、前記強度
    レベルを決定するために、前記ディジタル表現を受信す
    る手段と、および 前記固定時間の強度レベルを実質的に一定に保持する値
    をもつ前記ダイオード駆動手段に制御信号を供給するた
    めに前記固定時間の強度レベルを受信する手段と、 これによって前記滅衰率が測定されるべきパラメータに
    比例している測定システム。
  3. 【請求項３】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、前記減衰率計算手段は最小二乗法フィッ
    トによる関数合わせを、前記ディジタル表現に適応する
    ことによって滅衰率の最適の値を決定する手段を含む測
    定システム。
  4. 【請求項４】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、前記減衰率計算手段は調整されたディジ
    タル表現の回数表現をとることによって、直線最小二乗
    法フィットを前記対数化されたものに適応することによ
    って、励起が終了した後にルミネッセンス材料が指数関
    数的に滅衰するルミネッセンス放射を行う場合で、前記
    減衰率が時定数である測定システム。
  5. 【請求項５】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間
    あたり少なくとも100回パルス駆動し、ここにおいて、
    前記計算手段は前記合成減衰信号のディジタル表現を多
    数から平均的な減衰信号のディジタル表現を経て、そし
    てそれを合成ディジタル減衰関数に表現することによっ
    て、減衰の平均を得る測定システム。
  6. 【請求項６】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間
    に少なくとも100回パルス駆動する手段を含み、前記シ
    ステムは付加的に前記計算された減衰率を個々の減衰率
    から得て、平均的な減衰曲線を得る測定システム。
  7. 【請求項７】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、測定されたパラメータを決定するために
    前記計算された減衰率を受信する手段をさらに含む測定
    システム。
  8. 【請求項８】請求項２記載のシステムにおいて、前記光
    ブロックは、前記駆動手段、前記ディジタル表現発生手
    段、前記オフセットの測定手段、前記減衰率計算手段、
    前記固定時間の決定手段と、前記制御信号提供手段はす
    べてひとつの回路カードに搭載されている測定システ
    ム。
  9. 【請求項９】請求項１または２のいずれかに記載のシス
    テムであって、前記センサを含み、前記センサのルミネ
    ッセンス材料は粉末であって、クロムによって活性化さ
    れたイットリウムガリウムガーネット粒子の全部を必須
    としてなる測定システム。
  10. 【請求項１０】請求項１または２のいずれかに記載のシ
    ステムにおいて、前記検出システムは、フォトダイオー
    ドまたは光電子増倍管が前記センサのルミネッセンスを
    受け入れるように配置されている測定システム。
  11. 【請求項１１】パラメータを測定するための光・電子的
    モジュールであって以下を含む： 一端でルミネッセンス材料のセンサと光学的に通信して
    おり、励起放射によりパルスされたのちに、強度が指数
    関数的に減少する光放射を発生し、それは被測定パラメ
    ータに比例する時定数であって、実質的に１ミリセコン
    ドより短いものである光放射を放出することに特徴づけ
    られるある長さの光ファイバ媒体と、 光ブロックであって、 前記光ファイバの他端を前記ブロックに保持するための
    手段と、 駆動電気信号に応答して、光を前記光ファイバの他端に
    向けて、照射できる位置に配置される１つのダイオード
    光源装置と、 前記光ファイバを介してルミネッセンス照射を受信する
    位置に配置されており、前記ルミネッセンス放射の強度
    変換に従う電気信号出力を製造する光検出器と、および 前記ダイオードの光出力の大部分を前記ファイバの一端
    に反射し、そして前記センサのルミネッセンス照射を前
    記他のファイバ端から光検出器に透過させるダイクロイ
    ックビームスプリッタと、 前記ダイオードが制御信号に比例した強度を持つ光パル
    スを100ヘルツを超える繰り返し率で発生するようにダ
    イオードを駆動するために前記ダイオードに電気的に接
    続されている手段であって、前記検出器の電気信号出力
    は連続して繰り返される励起パルス間の光信号の減衰に
    従い、 その電気信号出力を増幅するために前記光検出器に接続
    されている手段と、 前記増幅信号をディジタル化するために前記増幅された
    検出器出力信号を受信する手段と、 前記ルミネッセンス光照射が実質的に０のときに、前記
    ディジタル化された信号を受け入れることによって、オ
    フセット信号レベルを決定するための受信手段と、 前記オフセットを引算することによってオフセット修正
    ディジタル信号を生成するために前記ディジタル化され
    た信号を受信する手段と、 合成オフセット修正ディジタル信号を生成するために複
    数の前記オフセット修正ディジタル信号を蓄積する手段
    と、 対数計算を行うことによって、直線の関数をもたらすた
    めに前記合成された信号を受信する手段と、 前記指数関数的に減衰光信号の時定数と、開始時点の値
    に比例する強度を計算するために、前記直線関数を受信
    する手段と、および 強度に比例する当初の大きさの変化を監視することによ
    って、システムの誤動作を検出するために前記強度に比
    例する初期値を受信する手段と、 これによって、測定されるべきパラメータに比例する時
    定数が正確に決定される光・電子的モジュール。
  12. 【請求項１２】請求項11記載のモジュールであって、そ
    のモジュールは前記測定されるべきパラメータの大きさ
    をを計算するために、前記時定数を受信する手段を含む
    光・電子的モジュール。
  13. 【請求項１３】請求項12記載のモジュールであって、前
    記パラメータは温度である光・電子的モジュール。
  14. 【請求項１４】請求項11から13のいずれかに記載のモジ
    ュールであって、前記光ブロックのすべて、前記ダイオ
    ード駆動手段、前記増幅手段、前記ディジタル化手段、
    前記オフセット決定手段、前記合成信号手段、前記対数
    計算手段、前記直線最小二乗法計算手段および監視手段
    はすべてひとつの回路カードに搭載されている光・電子
    的モジュール。
  15. 【請求項１５】請求項11記載のモジュールであって、前
    記ルミネッセンス材料はクロムによって活性化されたイ
    ットリウムガリウムガーネットである光・電子的モジュ
    ール。
  16. 【請求項１６】請求項13記載のモジュールにおいて、前
    記ルミネッセンス材料は以下の構造を持ち、 Y3（Ga1-XCrX +3）5O12 ここにおいてＸは実質的に0.032から0.078の範囲にある
    光・電子的モジュール。
  17. 【請求項１７】請求項11から13のいずれかに記載のモジ
    ュールであって、前記センサは前記ルミネッセンス材料
    を粉末およびバインダの形態で保持し、前記粉末はクロ
    ムによって活性化されたイットリウムガリウムガーネッ
    ト粒子の全部を必須としてなる光・電子的モジュール。
  18. 【請求項１８】請求項11記載のモジュールにおいて、前
    記ダイオードパルスの終了後にあらかじめ定められた時
    間でディジタル化された信号を実質的に一定に保持する
    値をもつ前記ダイオード駆動手段に制御信号を供給する
    ために前記ディジタル化された信号を受信する手段をさ
    らに含む光・電子的モジュール。
  19. 【請求項１９】請求項11記載のモジュールにおいて、前
    記時定数と最小二乗法のアルゴリズムの開始時点を計算
    するために、前記直線関数を受信する手段を含む前記時
    定数計算手段である光・電子的モジュール。
  20. 【請求項２０】請求項11記載のモジュールにおいて、そ
    れは前記パルス光を発射している間に前記増幅手段の増
    幅率を有効に減少するために、前記ダイオード駆動手段
    を付加的に含む光・電子的モジュール。
  21. 【請求項２１】請求項11に記載のモジュールであって、
    前記合成オフセット修正ディジタル信号生成手段は、前
    記増幅手段の制限されたバンド幅を、修正することによ
    って曲線が前記ルミネッセンス減衰の初期の時間に始め
    られるように前記増幅手段のインパルス応答による合成
    オフセット修正ディジタル信号を駆動する手段を含む光
    ・電子的モジュール。
  22. 【請求項２２】請求項11記載のモジュールであって、前
    記光検出器はフォトダイオードを含み、そして前記増幅
    手段は以下を含む： 前記フォトダイオードを正方向にバイアスするために前
    記フォトダイオードに接続されている手段と、 入力が前記フォトダイオードと前記電圧出力に接続され
    ている演算増幅器の第１の制限された利得の演算増幅器
    と、および 前記ディジタル手段に増幅電圧出力を供給するために、
    前記第１の演算増幅器の電圧が入力に接続されている少
    なくともひとつの第２の演算増幅手段と、 を含む光・電子的モジュール。
  23. 【請求項２３】環境の温度を測定するためのシステムで
    あって以下を含む： 前記環境と熱的に関連するように配置されているある量
    のルミネッセンス材料であって、前記ルミネッセンス材
    料はクロムによって活性化されたイットリウムガリウム
    ガーネットであって、それが過渡的な照射をある波長領
    域で励起されたならばルミネッセンス放射の第２の波長
    領域を持っており、その強度は前記照射が終了したあと
    ルミネッセンス材料の温度に関連するものであるルミネ
    ッセンス材料と、 ひとつの光照射ダイオードが前記ルミネッセンス材料を
    励起照射するダイオードを含む手段と、 前記ルミネッセンス照射の減衰する強度に関連する量を
    決定して前記信号に比例する電気信号を発生するために
    前記ルミネッセンス材料のルミネッセンス照射を受け入
    れる手段と、および 前記材料を測定するために前記電気信号に応答する手段
    であってこれによりルミネッセンス材料の温度に対応す
    る量を得て、かくして前記環境の温度を得る環境の温度
    を測定するためのシステム。
  24. 【請求項２４】請求項23に記載のシステムであって、前
    記ルミネッセンス材料の量はクロムによって活性化され
    たイットリウムガリウムガーネットを必須としてなる環
    境の温度を測定するためのシステム。
  25. 【請求項２５】請求項23または24のいずれかに記載のシ
    ステムであって、前記クロムによって活性化されたイッ
    トリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料を必
    須とする Y3（Ga1-XCrX +3）5O12 式で表される組成物であって、 ここにおいてＸは実質的に0.032から0.078の間にある環
    境の温度を測定するためのシステム。
  26. 【請求項２６】温度センサは、一定の長さの光ファイバ
    であり、ある量の粉末状のルミネッセンス材料をバイン
    ダによって一端に設けられ、他端と光学的通信を保ち、
    前記ルミネッセンス材料粉末はクロムによって活性され
    たイットリウムガリウムガーネット粒子の全部を必須と
    してなる温度センサ。
  27. 【請求項２７】請求項26記載の温度センサであって、前
    記クロムによって活性化されたイットリウムガリウムガ
    ーネットのルミネッセンス材料を必須とする Y3（Ga1-XCrX +3）5O12 の式で表される組成物であって、 ここにおいてＸは実質的に0.032から0.078の間にある温
    度センサ。
  28. 【請求項２８】環境の温度を決定するための方法であっ
    て以下のステップを含む： ルミネッセンス材料はクロムによって活性化されたイッ
    トリウムガリウムガーネットであってそれが過渡的な照
    射によって励起された場合にルミネッセンス照射の強度
    は前記照射の終了後前記ルミネッセンス材料の温度に関
    連するものであるルミネッセンス材料を前記環境に熱的
    に連結するように位置させるステップと、 前記ルミネッセンス材料を過渡的な励起放射に露出させ
    これによりルミネッセンス材料の温度に関連する強度関
    数をもってルミネッセンスさせる前記ルミネッセンス材
    料を過渡的な励起放射に露出させるステップと、 前記ルミネッセンス強度関数を検出し、計測することに
    よってルミネッセンス材料の温度を測定し、それにより
    決定される環境の温度を決定するステップと、からなる
    環境の温度を決定するための方法。
  29. 【請求項２９】請求項28記載の方法において、ルミネッ
    センス材料を前記環境に熱的に連結するように位置させ
    るステップは、前記ルミネッセンス材料はクロムによっ
    て活性化されたイットリウムガリウムガーネットの全部
    を必須としてなる環境の温度を決定するための方法。
  30. 【請求項３０】請求項28または29のいずれかに記載の方
    法において、前記クロムによって活性化されたイットリ
    ウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料を必須と
    する Y3（Ga1-XCrX +3）5O12 の式で表される組成物であって、 ここにおいてＸは実質的に0.032から0.078の間にある環
    境の温度を決定するための方法。
  31. 【請求項３１】密封された容器内のパラメータを測定す
    るための方法であって、請求項11記載のモジュールを使
    用し、前記センサを容器の内部に配置することにより、
    そして、ルミネッセンスの経路は光ファイバを含みセン
    サから容器の壁を通過して、光ブロックに導く密封され
    た容器内のパラメータを測定するための方法。
  32. 【請求項３２】請求項31記載の方法において、前記密封
    された容器は電力トランスの外部タンクである密封され
    た容器内のパラメータを測定するための方法。
  33. 【請求項３３】請求項31記載の方法において、前記密封
    された容器は半導体処理容器である密封された容器内の
    パラメータを測定するための方法。
  34. 【請求項３４】表面のパラメータを測定するための方法
    であって、請求項11記載のモジュールを使用し、前記セ
    ンサを前記表面と接触状態に保ち前記光ファイバ媒体の
    一端を離れて配置する密封された容器内のパラメータを
    測定するための方法。
  35. 【請求項３５】請求項34記載の方法において、前記表面
    と前記センサは前記光ファイバ媒体に対して移動させら
    れる密封された容器内のパラメータを測定するための方
    法。
  36. 【請求項３６】パラメータのルミネッセンスセンサを用
    いる光・電子的ボードであって以下を含む： 自己支持型の基盤と、 前記基盤に付着された光学システムであって、 光照射出力を持つひとつのダイオードと、 光検出器、および 前記センサと前記ダイオードの各々と前記光検出器を前
    記ダイオードの照射出力が前記センサに受けられて前記
    ルミネッセンス材料を励起し、前記ルミネッセンスが前
    記光検出器に、導かれるようにする手段と、 電子部品であって、前記基盤に保持されて前記光検出器
    に近接して配置され、前記光検出器からの電気出力を受
    信して、増幅するように接続されている電子部品の第１
    のグループと、 電子部品であって、前記基盤に搭載され、前記ダイオー
    ドに近接して配置されて、前記ダイオードに電気的に接
    続されている電子部品の第２のグループと、 前記基盤に前記電子部品の第１のグループに近接して配
    置され、増幅された光検出器出力を受信することによ
    り、ディジタル化された増幅された光検出器出力をもた
    らす、電子的なアナログディジタル信号変換器と、 前記基盤に搭載されて、少なくとも前記電子部品の第２
    のグループと前記コンバータに、前記第２のグループの
    電子部品の同期動作に、同期して前記ディジタル化され
    た放電検出器出力が前記パラメータと関連する量である
    ことを計算すること、および 少なくとも前記同期および解析手段に電気的に接続され
    ることにより、前記ボードのシステムの接続可能性を提
    供し、ここにおいて前記パラメータは関連する量として
    利用される接続手段と、 からなる光・電子的ボード。
  37. 【請求項３７】請求項36記載のボードにおいて、前記パ
    ラメータは温度である光・電子的ボード。
  38. 【請求項３８】請求項36記載のボードにおいて前記光学
    システムの連絡手段は光学的に前記センサにある長さの
    光ファイバを介して接続されており、前記センサはクロ
    ムによって活性化されたガーネットルミネッセンス材料
    を含む光・電子的ボード。
  39. 【請求項３９】請求項38記載のボードにおいて、前記ル
    ミネッセンス材料を必須とする Y3（Ga1-XCrX +3）5O12 の式で表わされる組成物であって、 ここにおいてＸは0.032から0.078の間にある光・電子的
    ボード。
  40. 【請求項４０】請求項36記載のボードにおいて、前記同
    期および解析手段はディジタル化され増幅された光検出
    器出力の最小二乗法フィットによって適合させる手段を
    含む光・電子的ボード。
  41. 【請求項４１】請求項36記載のボードにおいて、前記同
    期および分析手段は前記ディジタル化され増幅された光
    検出器出力の対数をとるための手段を含み、そして、直
    線最小二乗法フィットを前記対数に対して行う光・電子
    的ボード。
  42. 【請求項４２】請求項36に記載のボードにおいて、前記
    同期および分析手段は、（１）前記センサからのパラメ
    ータに自主的に関連する光出力がない場合の前記ディジ
    タル化され増幅された光検出器出力のオフセットレベル
    を測定する手段とおよび、（２）前記オフセット信号を
    前記パラメータに関連する光の量を計算するために使用
    する手段とを含む光・電子的ボード。
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