JP5259036B2 - 波長変化の測定 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、
各々が独自の波長を有する１つあるいはそれ以上の信号を含む光ビームを受光し、かつ光ビームの少なくとも一部を通過させる入口選択手段と、
光ビームの少なくとも一部を受光し、かつ波長に応じた角度で信号の各々を回折させて回折信号を得るように構成された回折手段と、
回折信号を受信し、かつ回折信号に応じて１つあるいはそれ以上の検出器出力信号を発生するように構成された複数の検出器素子を含む検出器手段と、
検出器手段に接続され、検出器出力信号を受信し、かつ信号の各波長を決定する処理手段と、
を備えた光波長分析装置に関する。

（従来技術）
この種の光波長分析装置は、構造体監視用途に基づいてファイバブラグ格子（ＦＢＧ）で使用するためのこのような装置が記載されている国際公開第９９／０９３７０号パンフレットにより公知である。このような用途では、歪み、温度、圧力等のような物理パラメータが、この構造体にわたって分布される複数の光ＦＢＧセンサを含むファイバネットワークによって測定される。ＦＢＧセンサは、前述のような物理パラメータの正確な絶対測定をすることができる。光ファイバネットワークに設置されたＦＢＧセンサは、式［１］によって示されるようなＦＲＧ周期性Λに関連する波長λを有する光ファイバを通って移動する光信号を反射する。すなわち、
λ＝２ｎΛ ［１］
ここで、λは、ＦＢＧセンサによって反射された光の波長であり、
ｎは、光ファイバの有効屈折率であり、かつ
Λは、ＦＢＧセンサの周期性である。

ＦＢＧで測定できる物理パラメータは、物理パラメータと格子の屈折率あるいは周期性との結合による反射波長に関連している。

構造体監視用途では、ファイバの光センサの信号から得られる１つあるいはそれ以上の特定物理パラメータの測定は、構造体（例えば、航空機の機体）の複数の位置で実行される。信号の発生源を識別するために、各光センサは、この位置のこのセンサに固有な波長を有する信号を発生する。したがって、各波長は、ネットワークの位置に対応する。信号の波長は間隔をおいて良好に分離される。この間隔は、センサ位置で測定された物理パラメータの変化によってセンサの反応が変化した時に、センサ信号が重ならないのに十分な値だけ、大きい。

したがって、ファイバネットワーク上のセンサによって反射された光ビームは、例えば、分光計手段によって分析されねばならない異なる波長を有する複数の信号を含む。

ＦＢＧセンサネットワークのような多数の光学用途では、入射光の波長は、波長に関連した物理パラメータを決定する目的を有する分光計装置によって測定される。

光センサによって発生される光の波長を決定する分光測定の方法は周知である。発生源（例えば、光センサ）から収集される光は、格子に投影される。光の波動特性および格子の周期性により、この光は、光の波長、入射角、および格子の周期性に関連されるようなその独自の方向を有する１つあるいはそれ以上の順序で格子によって回折される。分光計で回折方向の角度の測定によって、光の波長が決定される。当該技術で公知であるような分光計では、回折光は検出器アレイ（例えば、線形あるいは２次元ＣＣＤ系）に投影される。このような装置では、検出器上の投影光の位置は光の波長に比例する。この投影の位置は、数学モデルを検出器の素子によって測定されるような強度データに合わせることによって決定される。一般的には、この光ビームはできるだけ多くの光出力を収集するようにスリットに集束するため、分光計のスリットに入る入射光光ビームの空間強度分布は均一でないので、適合手順がここでは必要とされる。投影光ビームの空間強度プロフィールは、通常ピーク状曲線によって示される。この信号の重心を決定するために、ピークの形状を示すモデルは測定信号に合わせられる。空間強度分布の非線形性により、プロフィール内の複数のデータポイントが測定される場合だけ、役に立つ適合を行うことができる。検出器素子（「ピクセル」）のサイズよりも高い分解能を有する妥当な精度を得るために、検出器アレイに投影されたスポットは、その全てが適合手順でサンプルされねばならないアレイの十分に多数の素子をカバーしなければならない。一般的には、約１／１０ピクセルの分解能は、１０ピクセルの範囲で可能である。

例えば、５０倍より大きい測定範囲に関して、光ビームが投影される範囲は、５０個の検出器素子に拡張されねばならない。約１０個の検出器素子の信号間のクロストーク分離を考慮すると、この場合、この検出器上の６０個以上の検出器素子の範囲は１つの信号に対して必要とされる。通常、分光計が十分に大きい検出器アレイを備えることを必要とする分光計の用途では、多数の波長は、同時に測定されるべきである。例えば、３２個の信号が同時に測定されなければならない場合、検出器アレイは約２０００個の素子を必要とする。

国際公開第９９／０９３７０号パンフレットでは、各々が異なる波長を有する複数の信号を含む多数のファイバチャネルは、各ファイバチャネルのスペクトルがこのアレイの細長い領域上に投影される２次元検出器アレイを使用する分光計手段によって監視される。

当業者に公知であるように、このようなＦＢＧセンサネットワークでは、光信号の波長の測定は、ネットワークのＦＢＧセンサ数および例えばＦＢＧセンサネットワークによる構造体を監視する用途の種類に対する要求に対して十分に有効である速度で実行されねばならない。ピーク形状を合わせる方法の結果として、副素子精度を得る国際公開第９９／０９３７０号パンフレットの装置の欠点は、特に高サンプル速度が必要とされる場合、データを収集し、計算できる速度である。Ｓ．チェンら（Ｓ．Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．）著の「２次元分光計を使用する大規模ＦＢＧアレイの多重化」（ＳＰＩＥ ｖｏｌ．３３３０（１９９９）、ｐ．２４５〜２５２）の論文から、７×７の検出器素子の視野上の光ビームからの信号の投影の場合、素子の約１／５６の分解能を達成できる。

アレイの大量の検出器素子のために、このようなシステムでは、全サンプリング速度は約２５から１００Ｈｚのみのオーダーである。

（発明の概要）
本発明の目的は、高精度にて、簡単で、効果的で高速度な方法で信号の波長を決定するために信号の測定および処理手段による信号の処理を改善する装置および方法を提供することにある。

この目的は、
入口選択手段は、空間均一強度分布を有する光ビームを出力するように構成され、
回折手段は、各回折信号が検出器素子の異なるサブセットに突き当たるように信号の各々を回折させるように構成され、サブセットはそれぞれ、第１の信号部レベルを有する少なくとも第１の信号部を受信する少なくとも第１の検出器素子を含み、
処理手段は、各サブセットに対して第１の信号部レベルおよび較正値に応じて受信された回折信号の波長を決定するように構成される、
ことを特徴とする光波長分析装置によって達成される。

このような装置によれば、信号の空間強度プロフィールは、検出前に既に周知である。これは、検出手段によって検出されるような信号の波長を決定するために、検出手段は、この信号を測定する少なくとも１つのサブセット、最大で２つの検出器素子を必要とする。光ビームの均一分布および既知の一定光出力レベルの場合、信号のイメージの一部を含む単一検出器素子だけで十分である。しかしながら、光出力レベルが例えば変動により未知である場合、信号の全イメージを含む２つの隣接検出器素子のサブセットは、波長を決定するのに十分である。サンプルされる検出器素子が少数なために、本発明の装置の信号の波長の計算は非常に簡略化される。したがって、信号の波長を測定するのに必要とされる計算時間は非常に減少される。

したがって、本発明の装置の複数の信号の波長の測定は、先行技術から公知である時間よりも少ない時間しか必要としない。これは、信号を測定するのにより少ない検出素子しか必要としないので、この装置の検出手段は、先行技術から公知である検出素子の数よりも少ない検出素子数ですむからである。したがって、検出器アレイに対する全読み出し時間も減少される。

本発明はまた、
各々が固有の波長を有する１つあるいはそれ以上の信号を含む光ビームを受光するステップと、
波長に応じた角度で信号の各々を回折させるステップと、
回折信号を受信し、かつ回折信号に応じて複数の検出器素子によって１つあるいはそれ以上の検出器出力信号を発生するステップと、
信号の各波長を検出器出力信号から決定するステップと、
を備える光波長分析方法において、
光ビームは空間均一強度分布を有し、
各回折信号は検出器素子の異なるサブセットに突き当たるように信号の各々を回折させるステップであって、各サブセットは、第１の信号部レベルを有する少なくとも第１の信号部を受信する少なくとも第１の検出器素子を含むステップと、
各サブセット毎に第１の信号部レベルおよび較正値に応じて受信された信号の波長を決定するステップと、
を含むことを特徴とする光波長分析方法にも関するものである。

本発明はさらに、プロセッサ手段を含み、かつ検出器素子の１つあるいはそれ以上のサブセットを含む検出器手段から検出器出力信号を受信するように構成され、各サブセットは、空間均一強度分布を有する光ビームから得られる信号の第１の信号部レベルを有する第１の信号部を受信する少なくとも第１の検出器素子を有するコンピュータ装置において、各サブセット毎に、第１の信号部レベルおよび較正値に応じて受信された信号の波長を決定するようにプログラムされているコンピュータ装置にも関する。

さらに、本発明は、プロセッサ手段を含み、かつ検出器素子の１つあるいはそれ以上のサブセットを含む検出器手段から検出器出力信号を受信するように構成されたコンピュータ装置によってロードされるコンピュータプログラムプロダクトであって、サブセットはそれぞれ、空間均一強度分布を有する光ビームから得られた信号の第１の信号部レベルを有する第１の信号部を受信する少なくとも第１の検出器素子を有し、コンピュータ装置によってロードされた後、コンピュータプログラムプロダクトが、各サブセット毎に、第１の信号部レベルおよび較正値に応じて受信された信号の波長を決定する機能をコンピュータ装置に提供する、コンピュータプログラムプロダクトに関する。

さらに、本発明は、各々固有の波長を有する１つあるいはそれ以上の信号を含む光ビームを受光し、かつ光ビームの少なくとも一部を通過させるスリットを有する入口セレクタと、
光ビームの少なくとも一部を受光し、かつ信号の各々を波長に応じた角度で回折させる回折器と、
回折信号を受信し、かつ回折信号に応じて１つあるいはそれ以上の検出器出力信号を発生するように構成された隣接検出器素子の１つあるいはそれ以上の対を含む検出器と、
検出器に接続され、検出器出力信号を受宿し、かつ信号の各波長を決定するプロセッサと、
を備えた光波長分析器において、
入口セレクタは、空間均一強度分布を有する光ビームを受光するよう配置され、
回折器は、各回折信号が検出器素子の異なるサブセットに突き当たるように信号の各々を回折させるように構成され、各サブセットは、第１の信号部レベルを有する少なくとも第１の信号部を受信する少なくとも第１の検出器素子を含み、
プロセッサは、各サブセット毎に、第１の信号部レベルおよび較正値に応じて受信された回折信号の波長を決定するように構成されている、
光波長分析器に関するものである。

最後に、本発明は、上記に記載のコンピュータプログラムプロダクトを備えたデータキャリヤに関する。

以下に、説明の目的のみに意図され、かつ添付の特許請求の範囲で規定される保護の範囲を制限しないように意図された幾つかの図面を参照しながら、本発明を説明する。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、ＦＢＧセンサであってもよく、あるいは当該技術で公知であるような任意の他の種類の光センサであってもよい光センサからの信号の波長を簡単に、速く測定するための装置および方法に関する。

本発明では、測定される信号は、この信号が空間均一強度分布を有するようにして用いられる。信号の強度均一性はこのような信号の波長の測定を簡単にする。さらに、測定信号の波長に関連する計算は信号の空間均一性によって簡略化される。

図１では、本発明による装置の全体構成が概略的に示されている。図示の光波長分析装置１では、１つあるいはそれ以上の光センサから光信号の波長を測定するために分光計２が使用される。１つあるいはそれ以上のセンサからの信号を含む光は、例えば、分光計２の入口スリット４上の光ビーム３として光ビーム拡大器素子によって投影される。光ビーム３から、空間均一強度を有するより小さい光ビーム５を得る選択はスリット４によって行われる。この光ビームは、レンズ６によってスリット４からの焦点距離の所に、格子７のような分散素子上に投影される。この格子７は、入ってくる光ビームに対する回折角度で光ビームを回折させる。この回折角度は、波長、格子７の周期性、および格子７上の光ビームの入射角に依存する。したがって、この光ビームはそのスペクトル成分に分散される。このスペクトルは、検出器からの焦点距離にあるレンズ９によって検出器８に投影される。センサ１０および制御エレクトロニクス装置１１を含む検出器８は、位置が光の波長に相関される検出器８上の位置の関数としての投影スペクトルの光出力を測定することができる。この検出器８は、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳイメージャ、あるいは当該技術で公知であるような任意の他の可能である種類のセンサであってもよい。この光学装置を使用すると、検出器８上の単色光ビームの投影はスリット開口４のイメージである。レンズ６の焦点距離がレンズ９の焦点距離に等しい場合、このイメージはスリット開口の１対１のイメージである。

制御エレクトロニクス装置によって、検出器８は、検出器によって測定されるスペクトルを記録し、スペクトルの信号の波長を計算するコンピュータ２０に接続される。

図２は、周辺装置を有するプロセッサ手段２１を含むコンピュータ装置２０の概略図を示している。このプロセッサ手段２１は、命令およびデータを記憶するメモリ装置１８，２２，２３，２４、プロセッサ手段２１を検出器８の制御エレクトロニクス装置１１に接続するＩ／Ｏ接続部２５、１つあるいはそれ以上の読み出し装置２６（例えば、フロッピーディスク１９、ＣＤ ＲＯＭ２０、ＤＶＤ等を読み出すための読み出し装置）、入力装置としてのキーボード２７およびマウス２８、および出力装置としてのモニタ２９およびプリンタ３０に接続されている。

図示されたメモリ装置は、ＲＡＭ２２、（Ｅ）ＥＰＲＯＭ２３、ＲＯＭ２４およびハードディスク（ＨＤ）１８を含む。しかしながら、当業者に公知である以上のメモリ装置とは別に、またはそれらと併用して、他のメモリ装置を備えてもよいことを理解すべきである。さらに、必要とされる場合、１つあるいはそれ以上のこれらの装置は、プロセッサ手段２１から物理的に遠い所にあってもよい。プロセッサ手段２１は、１つのボックスとして示され、一方、これらの装置は、当業者に公知であるように、互いに離れた所にあってもよい１つの主プロセッサによって並列に作動するか、あるいは制御されるいくつかの処理装置を含んでもよい。さらに図示された装置（すなわち、キーボード２７、マウス２８、モニタ２９、プリンタ３０）以外の入出力装置が備えられてもよい。

図３は、本発明の第１の好ましい実施形態による検出器８上に投影された単色光信号の概略図を示す。検出器８の検出器素子３２，３３，３５，３６，３８，３９，４１，４２は行（ロウ）として配置されている。検出器素子３２，３３および３５，３６および３８，３９のそれぞれの間のインタフェース上の特定波長λ_０，λ_１，λ_２に対するスリットのイメージの中心の位置は、垂直破線によって示される。検出器８上で、スリット開口４の信号のイメージ３１は、図１に示されるように分光計２の光学機器によって投影される。

イメージ３１の形状は、矩形スリット開口４と適合している。投影系の設計によって、イメージ３１の幅Ｂは、検出器素子３２，３３の中の１つの幅Ｗよりも小さい。したがって、このイメージは、矢印Ｘによって示されるような１つの（例えば、水平）方向に検出器素子の両方を部分的にのみカバーする。素子３２，３３上のカバー長は、それぞれｘ３２，ｘ３３として示される。矢印Ｙによって示されるような他の直角をなす垂直方向の、イメージの高さＨも、検出器素子の高さｈよりも小さい。しかしながら、イメージの高さＨは検出器素子の高さｈよりも大きくして、この方向に検出器素子を完全にカバーする。

当該技術で公知であるような較正手順によって、検出器素子の位置は波長スケールに並進される。この較正手順によって、信号の波長は、検出器素子３２，３３上の信号のイメージの位置から決定することができる。図３では、破線は、素子３２と３３との間のインタフェースの波長λ_１に対するスリットのイメージの中心の位置を示す。そのそれぞれの波長λ_０およびλ_２を有する他の検出器素子対３５，３６および３８，３９が示される。検出器素子対の中間で、例えば１つあるいはそれ以上の未使用検出器素子４１，４２による間隔は、信号のクロストークを防止するために含まれる。未使用検出器素子４１，４２の代わりに、空のギャップは、検出器素子対（３２，３３）、（３５，３６）および（３８，３９）の間で実現されてもよいことに注目すべきである。

図４ａおよび図４ｂは、本発明の装置の検出器８上に投影された信号の位置および波長、並びにそのそれぞれの変化を計算する方法の実例を示すものである。

図４ａでは、一例として、イメージ３１の中心線は、検出器素子３２，３３上に投影され、２つの検出器素子のインタフェースと一致する。

イメージの空間均一強度が推定される場合、検出器素子３２，３３上に測定された光出力４３，４４は、方向Ｙの到達範囲は一定であるので、方向Ｘの到達範囲に正比例する素子上でカバーされる領域Ｈ＊ｘ３２、Ｈ＊ｘ３３に比例する。

光出力４３，４４間の差が決定される。光ビームの光出力の変動を補正するために、差は、光出力４３および４４の和によって正規化される。

この場合、ｘ３２はｘ３３に等しいので、測定される光出力４３，４４は、各素子で等しい。２つの素子間のインタフェースにイメージの中心を有するイメージは検出器素子上に対称的に投影されることを示す光出力の差はゼロである。したがって、信号の波長はλ_１に等しい。

図４ｂは、量δλだけλ_１とは異なる波長を有する信号のための検出器８上のイメージ３１の投影を示す。

検出器８上のイメージ３１の位置は、（較正されるように）投影イメージの波長に正比例するために、波長差δλは、イメージの中心線のシフトδｘに正比例する。イメージの中心線は、２つの素子３２，３３間のインタフェースに対する距離δｘにわたってシフトされて投影される。照明された幅ｘ′３２はｘ′３３に等しくないので、それぞれの検出器素子３２，３３上で測定され、光出力４５および４６の和によって除算された光出力４５および４６の正規化差は、ゼロに等しくない。

このように、信号の波長は、２つの隣接検出器素子によって受信された光出力の正規化差を決定することによって測定することができる。この測定は、限られた数の検出器素子を必要とし、この計算は、比較的短い計算時間を有するプロセッサ手段２１によるわずかな計算および簡単な計算しか必要としない。

図５では、図４ａおよび図４ｂに示されるような測定原理により、対をなす検出器素子に投影された信号の波長を決定するためにプロセッサ手段２１によって実行される本発明に関連する方法のブロック図が示されている。

ステップ５１では、プロセッサ手段２１は、測定のための２つの隣接検出器素子Ｅ_ｊ、Ｅ_ｊ＋１を選択する要求によって一連の手順に入る。

ステップ５２および５３では、コンピュータは、制御エレクトロニクス装置１１にアドレス指定し、素子Ｅ_ｊ、Ｅ_ｊ＋１の光出力Ｉ（Ｅ_ｊ）、Ｉ（_Ｅｊ＋１）を読み出し、可読フォーマットでデータをコンピュータに転送する。

ステップ５４では、信号が選択素子にあるかどうかが検査される。

光が測定される場合、結果が計算される。さもなければ、下記のステップ５５から５８がスキップされる。

ステップ５５は、光出力Ｉ（Ｅ_ｊ），Ｉ（Ｅ_ｊ＋１）の和によって正規化される素子Ｅ_ｊ，Ｅ_ｊ＋１間の光出力差を計算する。

ステップ５６は、検出器８上の対応するシフトδｘを計算する。

ステップ５７では、検出器素子Ｅ_ｊ，Ｅ_ｊ＋１間の中心線に対応する波長λ_１に対する波長シフトδ_λが、検出器のための波長較正データを使用することによってシフトδｘから計算される。

ステップ５８は、検出器素子中心線の位置に対応する波長λ_１に波長シフトδ_ｘを付加することによって測定波長を計算する。この波長λ_１は、検出器８のための波長較正データから得られる。

ステップ５９で、手順が終了する。このプロセッサ手段２１は、ステップ５１のための要求が測定波長の値によって生じるか、あるいは光出力が例えばこの状態の信号を送出するための所定の値、例えばゼロで検出器素子上で全く測定されない場合にこの手順に戻る。

時間の関数としての波長の変化は、所与の時間間隔で図５に示されるような手順を繰り返すことによって測定することができる。各測定では、信号の波長は図５の手順によって決定される。時間の関数としての第１の測定値に対する差δ_λは、計算し、記憶し、さらに処理することができる。

図６は、本発明の装置で実行できる信号の波長を測定する結果を示すものである。

波長が時間と正比例して変化する単色光源は、分光計のスリット開口４上に平行光ビームとして投影される。スリット開口４の光ビームの強度分布は、空間均一強度分布を有する。図６では、光源からの信号の正規化測定波長は時間の関数として示される。

このような装置の副検出器素子精度は、検出器素子の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）によって決まる。この装置では、市販の検出器を使用すると、１／５００の精度は、約数ｋＨｚの全サンプリング速度で得ることができる。

空間均一強度分布を有する光ビームを使用して波長変化を測定することは、第２の検出器素子の使用（あるいは必要性）なしに単一検出器素子上だけの回折信号の測定によってさえ行うことができることに注目すべきである。図４ａによって示されるように、回折信号は、一対の検出器素子の各々を厳密に部分的にカバーする。したがって、回折信号が波長の変化のためにシフトする場合、検出器素子３２上の信号の到達範囲３１は、ｘ３２から例えばｘ′３２へ変わり、測定光出力レベル４３から測定レベル４５への検出器素子上の測定光出力の変化を引き起こす。

光ビーム３の強度が時間とともに変化しない時間不変量である光出力レベルを有する場合、すなわち光ビームの強度が時の経つにつれて変わらない場合、正規化ステジプは全く必要なく、単一検出器素子３２に突き当たる回折信号の光出力レベルを測定するのに十分である。この場合、波長のシフトは、単一検出器素子３２上の測定光出力レベルと検出器素子３２上のその位置に対して較正された基準回折信号の光出力レベルとの差から計算することができる。後者の光出力レベルを得るこのような較正手順は当業者に公知である。実際、単一検出器素子によるこの種の測定に対する実施形態では、検出器素子対３２，３３の第２の素子３３は省略さえされてもよい。

したがって、用途に応じて、唯一の単一検出器素子を、あるいは波長を測定する装置の様々な位置に少数の検出器素子装置を別個に有することは可能であり得る。

さらに、光ビームの光出力レベルが例えば別個の検出器によって常に監視される場合、単一検出器素子だけによる測定は回折信号の波長を決定するのに十分である。ここで、波長のシフトは、較正のために使用される単一検出器素子３２上の測定光出力レベルおよび基準信号の光出力レベルの商から計算することができる。このような実施形態では、基準信号の光出力レベルは、回折信号の実際の光出力レベルによって除算されることによって補正されるべきである。

図７は、本発明の第２の好ましい実施形態による検出手段上に投影された信号の概略図を示している。

図７では、前述の図で使用されるのと同じ参照番号を有する要素は、これらの図で示されるのと同じ要素を示す。この第２の好ましい実施形態では、空間均一信号は、検出器８の２つ以上の検出器素子上にイメージ３１として投影される。さらに本実施形態では、上記に示されるようにかなり簡単で、高速な計算方式の長所は、ここでも大いに得ることができる。

検出器８の検出器素子３３ｄ，３４，３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３６，３７，３７ａは行の形に配置される。検出器８上で、スリット開口４の信号のイメージ３１は、図１に示されるように分光計２の光学機器によって投影される。

イメージ３１の形状は矩形スリット開口４に対応している。投影系の設計によって、イメージ３１の高さＨは、検出器素子３３ｄ，３４，３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３６，３７，３７ａの高さｈよりも小さい。したがって、矢印Ｘによって示されるような１つの（例えば水平）方向に、イメージ３１は、２つの外部検出器素子３５，３６が部分的にだけカバーされる複数のＮ個の検出器素子３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３６をカバーする。

しかしながら、イメージの高さＨは、検出器素子高さｈよりも大きくすることにより、検出器素子をこの方向に完全にカバーする。

この第２の好ましい実施形態では、イメージ３１の中心は、個別の検出器素子によって受信される信号の重み付けによって決定される。重み付けによって、イメージ強度分布の「重心」を計算することができる。「重心」の位置は実際の強度分布に依存する。空間均一強度分布の場合、重み付けの結果は、完全にイメージ３１の中心部である。

イメージ３１が検出器上のＮ個の検出器素子Ｅ_ｊ．．Ｅ_ｋ（３５、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３６）をカバーすると仮定すると、この範囲Ｅ_ｊ．．Ｅ_ｋ内の各素子Ｅは、強度Ｉ（Ｅ_ｊ）を測定し、イメージ３１の（水平）中心部Ｃは、下記の式、

によって計算することができる。

光ビーム３の均一強度分布の場合、検出器素子３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ（すなわち、Ｎ-２個の素子Ｅ_ｊ＋１．．．Ｅ_ｋ−１）上で測定される強度Ｉは、全検出器素子Ｅ_ｊ＋１．．．Ｅ_ｋ−１に対して同一である。外部の２つの素子Ｅ_ｊ、Ｅ_ｋ（３５、３６）上の強度だけは、イメージ３１によるそれぞれの素子Ｅ_ｊおよびＥ_ｋの実際の到達範囲によって決まる。したがって、中心部Ｃは、下記の式、

によって計算することができる。

光ビーム３が時間不変量である光出力レベルを有する場合、検出器素子３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの信号は、全てのこれらの素子３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄに対して同一であり、時が経っても一定である。この場合、項（Ｎ−２）＊Ｉは定数Ｑに等しい。したがって、この中心部Ｃは、下記の式、

によって計算することができる。

後者の２つの式の中の１つによる計算方式を使用すると、検出器８上の信号の中心部Ｃは、比較的簡単に得ることができる。

図８は、本発明の第３の好ましい実施形態による検出手段に投影された信号の概略図を示す。

図８では、前述の図で使用されたのと同じ参照番号を有する要素は、これらの図に示されたのと同じ要素を示す。この第３の実施形態では、検出器素子３３ｄ，３４，３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３６，３７，３７ａは、ＡおよびＢとして示された２つの想像上の検出器素子にグループ化される。

空間均一信号は、複数の検出器８のＮ個の検出器素子３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３６上にイメージ３１として投影される。２つの外部検出器素子３５，３６は、部分的にのみカバーされる。想像上の検出器素子ＡおよびＢの信号は、想像上の検出器素子Ａおよび想像上の検出器素子Ｂのそれぞれに属するそれぞれの検出器素子上で測定される強度の和である。

２つの検出器素子に対して図４ａおよび図４ｂで説明されるような計算方式は、２つの想像上の検出器素子Ａ，Ｂによってイメージ３１の信号の位置および波長を決定するために同様に使用することができる。以上の検出器素子はこのような計算でサンプルされる必要があるけれども、この実施形態では、上記に示されるようなかなり簡単で、比較的高速の計算方式の長所は、ここでも大いに得ることができる。

図９は、複数の信号セットは同時に測定される本発明の光波長分析装置を示している。この装置は、複数の光センサの中の１つからの信号が測定される必要がある用途で使用される検出系に重要な態様を多重分離する手段を備える本発明の可能性を示すものである。図９では、前述の図で使用されるのと同じ参照番号を有する要素は、これらの図に示されたのと同じ要素を示す。

図１に示されるような装置は、単一スリット開口を２つ以上のスリット開口と交換することによって測定できる光源数を拡大するように変更することができる。

図９では、一例として、スリット開口４が分光計の２つのスリット開口７４，７５と交換される装置が示されている。（例えば、ＦＢＧアレイネットワークからの）異なる波長の複数の信号を含む広帯域光源は、各スリット開口７４，７５上に投影される。各スリット開口７４，７５で発生される光ビームは空間均一分布を有する。図１に示された実施形態と同様に、それの特定の波長を有する各信号は検出器アレイ８の検出器素子対で投影される。スリット開口７４に対するスリット開口７５の変位のためにスリット開口７４からの光路は、スリット開口７５からの光路とは異なる。図９に示されるように、これは、それぞれのスリット開口７４，７５から生じる信号の付加的分離を生じる。スリット開口７４の光源からのスペクトルは、検出器８上でスリット開口７５の光源からのスペクトルに隣接して投影される。

図９に示されるような装置では、異なる波長の複数の信号を含む複数の広帯域光源を多重分離することは、前述されるような好ましい実施形態の１つによる１次元検出器アレイ８で実行することができる。

複数のスペクトルは、アレイ上で互いに隣接して投影される。適切に較正される場合、全スペクトルは、この特定の実施形態に対する対応する手順を使用して同時に分析することができる。

最後に、図１０ａないし１０ｄは、他の光学手段が利用される本発明の光波長分析装置を示している。図１０ａないし図１０ｄでは、前述の図で使用されるのと同じ参照番号を有する要素は、これらの図に示されたのと同じ要素を示す。

図１０ａは、回折手段のレンズ６，９が単一レンズ８１で結合される本発明の装置を示している。

当業者に公知であるように、レンズ８１は、別個の投影手段６，９および分散手段７を含む回折手段によって規定されるのと同じ機能性を有する凹形格子８２としての単一光学素子になるように分散手段７とも結合されてもよい。後者の装置は図１０ｂに示されている。

図１０ｃは、プリズム手段が用いられる本発明の光波長分析装置を示している。分散素子として格子７の代わりに、プリズム８３は、それぞれの信号の波長λ_１，λ_２，λ_３に応じた方向に各信号を再指向するために使用される。

改良された感度は、格子７を２つ以上の分散素子の組み合わせと交換することによって得ることができる。このような装置の例は図１０ｄに示される。

図１０ｄは、分散手段の組み合わせが利用される本発明の光波長分析装置を示している。それぞれ入口スリット４を通って入る波長λ_１，λ_２，λ_３を有する複数の信号を含む光ビームは、格子７上にレンズ６によって投影される。ここで、光ビームは、それぞれの信号の波長λ_１，λ_２，λ_３に応じる方向に回折される。この回折光ビームは、第２の分散素子８３、例えばプリズム上に投影される。このプリズムは、それの波長に応じる方向に各回折光ビームを再指向する。２つ以上の分散素子によって入来する光ビームを分散することによって、個別の信号問のより大きい分離を得ることができる。一般的には、この装置によって、この器具のより高い感度を得ることができる。

分散素子の他の組み合わせが同様な改良された感度に対して可能であることが分かる。

さらに、当業者に公知であるように、レンズ６，９は、光波長分析装置の機能性を変えないで凹面鏡（図示せず）のような反射光学素子と交換されてもよい。本発明では、ホログラフィ素子がプリズムあるいは格子と同じ機能性を有することにも注目される。

本発明による光波長分析装置の全体の配置構成を示す図である。 本発明に関するコンピュータ装置の概略構成を示すブロックである。 本発明の第１の好ましい実施形態による検出器手段に投影された信号の概略図を示す。 本発明の光波長分析装置の検出器手段に投影された信号の位置および波長、並びにそのそれぞれの変化を計算する方法を説明するための図である。 本発明の光波長分析装置の検出器手段に投影された信号の位置および波長、並びにそのそれぞれの変化を計算する方法を説明するための図である。 図４ａおよび図４ｂに示されたような方法によるコンピュータプログラムの手順を示す図である。 検出器手段に投影された信号の波長の変化が時間の関数として測定された実験の典型的な結果を示すグラフである。 本発明の第２の好ましい実施形態による検出器手段に投影された信号の概略図を示す。 本発明の第３の好ましい実施形態による検出器手段に投影された信号の概略図を示す。 異なる波長を有する複数セットの信号が同時に測定される本発明の光波長分所装置の概略図を示す。 回折手段の他のセットアップが用いられる本発明の光波長分析装置を示す図である。 回折手段が単一光学素子に結合される本発明の光波長分析装置を示す図である。 プリズム手段が用いられる本発明の光波長分析装置を示す図である。 分散手段の組み合わせが利用される本発明の光波長分析装置を示す図である。

Claims (20)

1. ― 各々が独自の波長を有する１つあるいはそれ以上の信号を含む光ビーム（３）を受光し、かつ前記光ビーム（３）の少なくとも一部を通過させる入口選択手段（４）と、
   ― 前記入口選択手段（４）を通過する前記光ビーム（３）の前記少なくとも一部を受光し、かつ前記波長に応じた角度で前記信号の各々を回折させて回折信号を得るように構成された回折手段（６，７，９）と、
   ― 前記回折信号を受信し、かつ前記回折信号に応じて１つあるいはそれ以上の検出器出力信号を発生するように構成された検出器手段（８）と、
   ― 前記検出器手段に接続され、前記検出器出力信号を受信し、かつ前記信号の各波長と、検出器素子と、前記検出器素子上に投影された前記入口選択手段のイメージの波長と、を関係づける較正値と、を決定する、処理手段（２１）と、
   を備えた光波長分析装置において、
   ― 矩形状の前記入口選択手段（４）は、空間均一強度分布を有する光ビームを出力するように構成され、
   ― 前記検出器手段（８）は、隣り合う第１の検出器素子（３２；３５；３８）と第２の検出器素子（３３；３６；３９）による対を少なくとも１つ有し、前記第１の検出器素子及び前記第２の検出器素子はそれぞれ複数の検出器デバイスを有しており、
   ― 前記回折手段（６，７，９）は、前記信号の各々を回折させるように構成され、それにより異なる検出器素子上において各回折信号は空間均一強度分布のイメージを有し、それにより各検出器素子はビームシフトの方向における前記各回折信号によって部分的にカバーされ、且つ、少なくとも１つの第１の検出器素子（３２；３５；３８）における外部検出器素子と少なくとも１つの第２の検出器素子（３３；３６；３９）における外部検出器素子とが前記各回折信号によってビームシフト方向に部分的に照射され、
   ― 前記第１の検出器素子は少なくとも第１信号部レベルの第１信号部を受信するものとして構成され、前記第１信号部レベルは前記空間均一強度分布に応じて波長シフトに比例しており、前記第１検出器デバイスの出力は前記第１信号部に関連しており、
   ― 前記第２の検出器素子（３３；３６；３９）は少なくとも第２信号部レベルの第２信号部を受信するものとして構成され、前記第２信号部レベルは前記空間均一強度分布に応じて波長シフトに比例しており、前記第２検出器デバイスの出力は前記第２信号部に関連しており、ここにおいて、
   ― 前記処理手段（２１）は、各前記対に対して、前記第１信号部レベルと前記第２信号部レベル及び計算値に基づいて、イメージ強度分布の重心計算により前記第１の信号部レベルおよび前記較正値に応じて受信された前記回折信号の波長を決定するように構成されている、
   ことを特徴とする光波長分析装置。
2. 前記重心は、
   

   

   ここで、
   Ｃ：中心部
   Ｅ_ｊ：検出器素子
   Ｅ_ｋ：検出器素子
   Ｎ：検出器素子の数
   Ｉ：検出器素子による強度
   によって決定される、請求項１に記載の光波長分析装置。
3. 前記光ビーム（５）は時間不変量である光出力レベルのものとして導入され、前記重心は、
   

   

   ここで、
   Ｃ：中心部
   Ｅ_ｊ：検出器素子
   Ｅ_ｋ：検出器素子
   Ｑ：定数
   Ｉ：検出器素子による強度
   によって決定される、請求項１に記載の光波長分析装置。
4. 前記入口選択手段はスリット（４）を含み、かつ前記回折手段は、所定の第１の焦点距離を有する第１のレンズ（６）を含み、かつ前記スリット（４）からの前記第１の焦点距離に等しい所定の第１の距離に配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
5. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）からの出力光ビームを受光し、かつ前記回折信号を発生するように構成される分散手段として回折格子（７）をさらに含む、請求項４に記載の光波長分析装置。
6. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）からの出力光ビームを受光し、かつ前記回折信号を発生するように構成される分散手段としてプリズム（８３）をさらに含む、請求項４に記載の光波長分析装置。
7. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）からの出力光ビームを受光し、かつ前記回折信号を発生するように構成される分散手段としてホログラフィック素子をさらに含む、請求項４に記載の光波長分析装置。
8. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）からの出力光ビームを受光し、かつ前記回折信号を発生するように構成される分散手段としての回折格子（７）およびプリズム（８３）の組み合わせ、あるいは前記回折格子（７）およびホログラフィック素子の組み合わせをさらに含む、請求項４に記載の光波長分析装置。
9. 前記回折手段は第２の焦点距離を有する第２のレンズ（９）をさらに含み、前記第２のレンズ（９）は、分散手段からの前記回折信号を受信するように構成され、かつ前記第２の焦点距離に等しい前記検出器手段（８）からの所定の第２の距離に配置される、請求項４ないし８のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
10. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）および前記第２のレンズ（９）の機能を組み合わせる単一レンズ（８１）を含み、所定の焦点距離を有する前記単一レンズ（８１）は、前記スリット（４）からの前記焦点距離に等しい所定の距離に配置され、かつ前記単一レンズ（８１）は、前記分散手段からの回折信号を受信するように構成され、かつ前記焦点距離に等しい前記検出器手段（８）からの等しい距離に配置され、かつ前記分散手段は、前記単一レンズ（８１）からの出力光ビームを受光し、かつ前記回折信号を発生するように構成されている、請求項９に記載の光波長分析装置。
11. 前記回折手段は、前記第１のレンズ（６）と前記第２の分散手段と前記第２のレンズ（９）とのそれぞれの機能を組み合わせる光学素子（８２）を含み、前記光学素子（８２）は所定の焦点距離を有し、前記光学素子（８２）は前記スリット（４）からの前記焦点距離に等しい所定の距離に配置され、かつ回折信号を発生するように構成され、かつ前記焦点距離に等しい前記検出器手段（８）からの等しい距離に配置されている、請求項１０に記載の光波長分析装置。
12. 前記検出器手段（８）は前記対の複数を含み、前記対と前記対の間に少なくとも１つの未使用検出器素子（４１，４２）を有する、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
13. 前記処理手段（２１）は、前記波長から他の物理的パラメータを決定するように構成されている、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
14. 前記処理手段（２１）は、所定の時間中に前記検出器出力信号を監視し、時間の関数として前記時間中に波長シフトを決定するように構成されている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
15. 前記入口選択手段（４）は複数のスリットを備え、各スリットは複数の異なる光ビームの中の１つを受光するように配置されている、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の光波長分析装置。
16. ― 各々が固有の波長を有し且つ矩形状の１つあるいはそれ以上の信号を含む光ビーム（３）を受光するステップと、
    ― 前記波長に応じた角度で前記信号の各々を回折させるステップと、
    ― 検出器手段（８）により前記回折信号を受信し、かつ前記回折信号に応じて複数の検出器素子（３２，３３，３５，３６，３８，３９）によって少なくとも１つの検出器出力信号を発生するステップと、
    ― 検出器素子と、前記検出器素子上に投影されるイメージの波長と、を関連づける較正値を供給するステップと、
    ― 前記信号の各波長を前記検出器出力信号から決定するステップと、
    を備える光波長分析方法において、
    ― 前記検出器手段（８）は、隣り合う第１の検出器素子（Ａ）と第２の検出器素子（Ｂ）の対を少なくとも有し、前記第１の検出器素子（Ａ）と前記第２の検出器素子（Ｂ）はそれぞれ複数の検出器デバイスを有し、
    ― 前記光ビームは空間均一強度分布を有し、
    ― 前記複数の信号のそれぞれを回折し、それにより各回折信号は、隣り合う異なる第１の検出器素子（Ａ）と異なる第２の検出器素子（Ｂ）による異なる対に影響を与える空間均一強度分布を有し、前記第１の検出器素子（Ａ）は空間均一強度分布に応じた第1シグナル部レベルを有する波長シフトに対応する第1シグナル部を受信するためのもので、前記第２の検出器素子（Ｂ）は空間均一強度分布に応じた第２シグナル部レベルを有する波長シフトに対応する第２シグナル部を受信するためのものであり、
    各検出器素子は各前記信号により部分的にビームシフト方向にカバーされ、且つ、少なくとも１つの第１の検出器素子（３２；３５；３８）における外部検出器素子と少なくとも１つの第２の検出器素子（３３；３６；３９）における外部検出器素子とが前記各回折信号によってビームシフト方向に部分的に照射され、
    前記第1の検出器素子の出力は前記第1シグナル部に関連づけられており、且つ前記第２の検出器素子の出力は前記第２シグナル部に関連づけられており、
    ― 各前記対に対して、前記第１シグナル部レベルと前記第２シグナル部レベル及び計算値に基づいて、
    イメージ強度分布の重心の計算により、受信信号の波長を決める、ステップと、を含むことを特徴とする光波長分析方法。
17. 前記重心は、
    

    

    ここで、
    Ｃ：中心部
    Ｅ_ｊ：検出器素子
    Ｅ_ｋ：検出器素子
    Ｎ：検出器素子の数
    Ｉ：検出器素子による強度
    によって決定される、請求項１６に記載の光波長分析方法。
18. 前記光ビーム（８）は時間不変量である光出力レベルのものが用いられ、前記重心の中心は、
    

    

    ここで、
    Ｃ：中心部
    Ｅ_ｊ：検出器素子
    Ｅ_ｋ：検出器素子
    Ｑ：定数
    Ｉ：検出器素子による強度
    によって決定される、請求項１６に記載の光波長分析方法。
19. コンピュータに格納されるコンピュータプログラムであり、前記コンピュータの処理装置に請求項１６−１８のいずれかの方法を実行させるものとして構成されている、コンピュータプログラム。
20. 請求項１９に記載のコンピュータプログラムを備えたデータ記憶媒体。

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