JP7278504B1 - 光学センサ装置、測定システムおよび測定方法 - Google Patents

光学センサ装置、測定システムおよび測定方法 Download PDF

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Abstract

光学センサシート(2)は、入力した光信号の特性を検体(100)の状態に応じて変化させ、特性を変化させた光信号を出力する複数の光学センサチップ(21k)と、複数の光学センサチップ(21k)に入出力される光信号を伝搬する光経路と、複数の光学センサチップ(21k)が設けられたシート部材(23)と、を備える。

Description

本開示は、光学センサ装置、測定システムおよび測定方法に関する。
近年、検体の状態を非破壊で測定する技術が普及している。例えば、特許文献1には、検体のパルス信号に応じた磁界を非破壊で測定するセンサが記載されている。このセンサは、複数の磁界センサを有し、磁界センサごとにセンサ回路部を有する。磁界の検出信号は、電気配線を介して磁界センサからセンサ回路部に出力される。
特開2017-223570号公報
特許文献1に記載されたセンサは、磁界センサから出力される磁界の検出信号が電気信号であり、当該電気信号を用いて検体の磁界を測定するセンサ回路部が磁界センサごとに設けられている。このため、特許文献1に記載されたセンサは、消費電力が大きいという課題があった。
本開示は上記課題を解決するものであり、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することができる、光学センサ装置、測定システムおよび測定方法を得ることを目的とする。
本開示に係る光学センサ装置は、入力した光信号の特性を検体の状態に応じて変化させる1または複数の変化部を有し、特性を変化させた光信号を出力する複数の光学センサチップと、光学センサチップ間を接続し、複数の光学センサチップに入出力される光信号を伝搬する光ファイバと、複数の光学センサチップが設けられたチップ保持部材と、を備えた。
本開示によれば、入力した光信号の特性を検体の状態に応じて変化させ、特性を変化させた光信号を出力する複数の光学センサチップと、複数の光学センサチップに入出力される光信号を伝搬する光経路と、複数の光学センサチップが設けられたチップ保持部材と、を備える。光学センサチップ間で光経路を通して光信号を入出力するので、本開示に係る光学センサ装置は、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することができる。
実施の形態1に係る測定システムを示す構成図である。 図2Aは、光学センサシートを、図1のA-A線で切った断面を示す断面矢示図であり、図2Bは、検体が配置された光学センサシートを、図1のA-A線で切った断面を示す断面矢示図である。 光学センサシートの構成を示すブロック図である。 実施の形態1に係る測定方法を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る測定方法の詳細を示すフローチャートである。 変化部の変形例(1)を示す構成図である。 図6の変化部を備える光学センサチップの動作を示すフローチャートである。 検体が配置されていない光学センサシートの光学センサチップが備える変化部を伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。 検体が配置された光学センサシートの光学センサチップが備える変化部を伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。 検体が配置された光学センサシートの光学センサチップの位置と検体の水分量との関係を示すグラフである。 測定装置の構成例(1)を示すブロック図である。 実施の形態1に係る測定システムの変形例(1)を示す構成図である。 実施の形態1に係る測定システムの変形例(2)を示す構成図である。 変化部の変形例(2)を示す構成図である。 変化部の変形例(3)を示す構成図である。 測定装置の構成例(2)を示すブロック図である。 測定装置の構成例(3)を示すブロック図である。 図18Aは、測定装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図であり、図18Bは、測定装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態2に係る測定システムを示す構成図である。 実施の形態3に係る測定装置の構成を示すブロック図である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る測定システム1を示す構成図である。図1において、測定システム1は、光学センサシート2を用いて検体の状態を測定するシステムである。測定システム1は、固体、液体または気体の検体の状態を測定可能であり、検体は、人または動物といった生体であってもよい。検体の状態は、光学センサシート2に設けられた光学センサチップ21による光学測定が可能な状態であり、検体の内部の状態または検体の周辺の状態である。検体の状態は、例えば、検体の内部または検体の周辺の温度、検体の水分濃度または検体から加わる圧力である。
光学センサシート2は、複数の光学センサチップ21、光ファイバ22およびシート部材23を備えた光学センサ装置である。kは1以上Z以下のいずれかの自然数であり、図1において、光学センサシート2には、Z個の光学センサチップ21が設けられている。
シート部材23は、光ファイバ22を介して、光学センサチップ21から光学センサチップ21までのZ個の光学センサチップ21が設けられたチップ保持部材である。例えば、シート部材23は、平面状の絶縁シートである。以下の説明では、シート部材23として、検体の下に敷いて用いるか、または、検体に被せて用いる薄くて柔らかい部材を想定しているが、シート部材23は、剛性のある板状の部材であってもよい。
また、シート部材23は、平面状の絶縁シートの他に、変形可能なブリキ板であってもよいし、形状が固定されたお風呂の蓋であってもよい。
Z個の光学センサチップ21は、シート部材23上で、光学センサチップ21から光学センサチップ21までが連なって配置および配線されている。
また、Z個の光学センサチップ21は、一つの光学センサチップ21から放射状に他の光学センサチップ21が配置および配線されていてもよい。
実施の形態1に係る光学センサ装置は、シート部材23を備えず、検体の表面または検体が配置される面に、光ファイバ22を介して、光学センサチップ21から光学センサチップ21までのZ個の光学センサチップ21が連なって接続された装置であってもよい。このように構成された光学センサ装置であっても、光学センサチップ間では、光ファイバ22を通して光信号が入出力されるので、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することが可能である。
光ファイバ22は、送信用の光ファイバ22Aおよび受信用の光ファイバ22Bにより構成される。光ファイバ22は、シート部材23に貼り付けられてもよいし、埋め込まれてもよい。また、光ファイバ22は、送信用と受信用とを兼ねた1本の光ファイバであってもよい。
図1において、シート部材23は矩形であり、連なった複数の光学センサチップ21は、シート部材23に収まるように蛇行した状態で配置される。なお、シート部材23の形状は、矩形に限定されるものではなく、三角形であってもよいし、五角以上の多角形であってもよいし、円形であってもよい。さらに、シート部材23の形状は、検体の外形に合わせた形状であってもよい。例えば、検体が細長い外形である場合、シート部材23を細長い形状とする。
光学センサシート2で連なって接続されたZ個の光学センサチップ21のうち、一方の端部にある光学センサチップ21は、光送受信部3との間で光信号を入出力する第1の光学センサチップである。光ファイバ22Aおよび光ファイバ22Bは、光学センサチップ21と光送受信部3との間を光学的に接続する光経路である。
光送受信部3は、光送信部31および光受信部32を備える。光送信部31は、光ファイバ22Aを通じて光学センサチップ21に光信号を送信する。光受信部32は、光ファイバ22Bを通じて光学センサチップ21から光信号を受信する。光送信部31は、光源である発光素子から出射された光を光ファイバ22Aへ出力する。
また、光送信部31および光受信部32は、各光学センサチップ21と個別に配線されていてもよい。
光受信部32は、受光素子により光信号から変換された電気信号を取得する。発光素子と受光素子とは、別々に設けられてもよいし、発光素子および受光素子が一つに組み込まれた光学センサであってもよい。光送受信部3は、光学センサシート2とは別に設けられた測定装置に設けられてもよいし、光学センサシート2に設けられてもよい。例えば、光送受信部3は、光学センサシート2に設けられたInP基板に集積されてもよい。
光学センサシート2で連なって接続されたZ個の光学センサチップ21のうち、他方の端部の光学センサチップ21は、前段の光学センサチップから出力された光信号の特性を変化させ、特性を変化させた光信号を、折り返し前段の光学センサチップに出力する第2の光学センサチップである。
光学センサチップ21は、光学センサチップ21との間に連なった複数の光学センサチップ21を順に伝搬してきた光信号を光学センサチップ21に向けて折り返す。光学センサチップ21において折り返された光信号は、光学センサチップ21との間に連なった複数の光学センサチップを再び順に伝搬し、光学センサチップ21から光送受信部3へ出力される。
受信信号解析部4は、光送受信部3により光学センサチップ21から受信された光信号を解析することにより、検体の状態を測定する。表示部5は、受信信号解析部4から検体の状態の測定結果を入力し、入力した測定結果を上記測定装置が備えるディスプレイに表示させる。
図2Aは、光学センサシート2を、図1のA-A線で切った断面を示す断面矢示図である。また、図2Bは、検体100が配置された光学センサシート2を、図1のA-A線で切った断面を示す断面矢示図である。図2Aおよび図2Bに示すように、複数の光学センサチップ21は、それぞれ接着層24によってシート部材23に取り付けられる。複数の光学センサチップ21が連なる方向に隣り合った光学センサチップ21同士は、光ファイバ22Aおよび光ファイバ22Bによって接続されている。
光学センサシート2には、図2Bに示すように、検体100が光学センサチップ21上に配置される。光学センサチップ21は、例えば、シリコンフォトニクス技術に代表される微細加工技術を用いて製作された光導波路によって構成される。光学センサチップ21は、検体100の状態に応じて光信号の強度、位相または周波数の少なくとも一つを変化させる。
図3は、光学センサシート2の構成を示すブロック図である。図3において、光学センサシート2には、Z個の光学センサチップ21が連なって接続されている。Z個の光学センサチップ21のうち、光学センサチップ21から光学センサチップ21Z-1は、それぞれ、スポットサイズ変換部2101、変化部2102、スポットサイズ変換部2103、導波路2104Aおよび導波路2104Bを備えている。また、光学センサチップ21は、スポットサイズ変換部2101、変化部2102、導波路2104A、導波路2104Bおよび光路折り返し部2105を備えている。
スポットサイズ変換部2101およびスポットサイズ変換部2103は、光ファイバにおける光分布の広がりの大きさであるスポットサイズと、導波路におけるスポットサイズとを変換する光学素子である。スポットサイズ変換部2101およびスポットサイズ変換部2103は、例えば、導波路によって構成されたスポットサイズコンバータにより実現される。上記の導波路は、例えば、シリコン導波路である。
スポットサイズ変換部2101は、光ファイバ22Aを伝搬してきた光信号のスポットサイズを、導波路2104Aに合わせて変換し、スポットサイズを変換した光信号を、導波路2104Aに出力する。さらに、スポットサイズ変換部2101は、導波路2104Bを伝搬してきた光信号のスポットサイズを、光ファイバ22Bに合わせて変換し、スポットサイズを変換した光信号を、光ファイバ22Bに出力する。
スポットサイズ変換部2103は、導波路2104Aを伝搬してきた光信号のスポットサイズを、光ファイバ22Aに合わせて変換し、スポットサイズを変換した光信号を、光ファイバ22Aに出力する。さらに、スポットサイズ変換部2103は、光ファイバ22Bを伝搬してきた光信号のスポットサイズを、導波路2104Bに合わせて変換し、スポットサイズを変換した光信号を、導波路2104Bに出力する。
変化部2102は、入力した光信号の特性を、検体100の状態に応じて変化させて、特性を変化させた光信号を外部に出力する。光信号の特性には、光信号の強度特性、位相特性または周波数特性が含まれる。変化部2102は、入力した光信号の強度特性、位相特性または周波数特性の少なくとも一つを変化させてもよい。
また、変化部2102は、例えば、光導波路によって構成されたリング共振器によって実現される。リング共振器に限らず、変化部2102は、光信号の特性を、検体100の状態に応じて変化させればよく、光導波路によって構成された位相シフタ、周波数シフタあるいはこれらを組み合わせた光学素子であってもよい。
また、変化部2102は、リング共振器、マッハツェンダ干渉計(MZI)、または、これらを組み合わせたものであってもよい。このように構成された変化部2102であっても、光信号の特性を、検体100の状態に応じて変化させることが可能である。
さらに、変化部2102は、一つの光センサチップに複数設けられ、複数の変化部2102は、入力した光信号の特性を、検体100の互いに異なる複数の状態に応じて変化させてもよい。例えば、直列に接続された複数の変化部2102のうち、ある変化部2102は、入力した光信号の特性を、検体100の温度に応じて変化させ、別の変化部2102は、入力した光信号の特性を、検体100の水分濃度に応じて変化させ、さらに別の変化部2102は、入力した光信号の特性を、検体100から加わる圧力に応じて変化させる。このように構成された光学センサチップは、入力した光信号の特性を、検体100の互いに異なる複数の状態に応じて変化させることが可能である。
導波路2104Aおよび導波路2104Bは、スポットサイズ変換部2101と変化部2102との間を光学的に接続する細線導波路であり、スポットサイズが変換された光信号を伝搬するものである。例えば、導波路2104Aは、光学センサチップ21から光学センサチップ21へ光信号を伝搬する。導波路2104Bは、光学センサチップ21から光学センサチップ21へ光信号を伝搬する。
光路折り返し部2105は、変化部2102によって特性を変化させた光信号を、前段の光学センサチップ21Z-1に折り返すための反射部である。例えば、光路折り返し部2105は、ループミラーにより実現される。光路折り返し部2105により折り返された光信号は、光学センサシート2において連なって接続されているZ個の光学センサチップ21を順に伝搬し、光学センサチップ21から光送受信部3へ出力される。
図4は、実施の形態1に係る測定方法を示すフローチャートであり、光学センサシート2を用いた検体100の状態の測定方法を示している。光送受信部3は、検体100が配置された光学センサシート2における光学センサチップ21に光信号を送信する(ステップST1)。光送受信部3は、Z個の光学センサチップ21を往復した光信号を、光学センサチップ21から受信し、受信した信号を受信信号解析部4に出力する(ステップST2)。受信信号解析部4は、光送受信部3から入力した信号を解析することにより検体100の状態を測定する(ステップST3)。
図5は、実施の形態1に係る測定方法の詳細を示すフローチャートである。以下の説明では、光送受信部3、受信信号解析部4および表示部5は、光学センサシート2とは別に設けられた測定装置が備えるものとする。以下、表示部5による情報の表示は、当該測定装置が備えるディスプレイに情報を表示させることを意味する。
まず、光送受信部3が備える光送信部31は、光源が出射した光を用いて光信号を生成し、生成した光信号を光学センサチップ21に送信する(ステップST1a)。光信号の送信とは、光送信部31から光信号が光ファイバ22Aに出力され、光学センサチップ21が、光ファイバ22Aを伝搬した光信号を入力することを意味する。
例えば、検体100に含まれる水分を検出する場合、複数の光学センサチップ21には、それぞれ、水の吸収波長帯の波長が設定される。光送信部31は、Z個の光学センサチップ21に設定されたZ個の波長を多重化した光のパルス信号を、光学センサチップ21に送信する。
光学センサチップ21に入力された光信号は、光学センサチップ21から光学センサチップ21までの各光学センサチップ21が備える変化部2102を順に伝搬する(ステップST2a)。光信号は、光学センサチップ21に達すると、光路折り返し部2105によって光学センサチップ21側に折り返される(ステップST3a)。これにより、折り返された光信号は、光学センサチップ21から光学センサチップ21までの各光学センサチップ21が備える変化部2102を順に伝搬する(ステップST4a)。
Z個の光学センサチップ21を光信号が順に伝搬している間、各光学センサチップ21が備える変化部2102において、検体100の状態に応じて光信号の特性が変化される。例えば、変化部2102に水の吸収波長帯の波長が共振波長として設定されている場合、変化部2102において、波長多重された光信号のうち、水の吸収波長帯の波長を有した光信号成分は、検体100の内部または周辺に存在する水に吸収されてその強度が変化する。
光送受信部3が備える光受信部32は、光学センサチップ21から光信号を受信する(ステップST5a)。ここで、光信号の受信とは、光学センサチップ21から光ファイバ22Bに出力された光信号が、受光素子によって電気信号に変換され、この電気信号を光受信部32が入力することを意味する。受信信号解析部4は、光送受信部3から入力した信号を解析することにより、検体100の状態を測定する(ステップST6a)。
例えば、受信信号解析部4は、送信された光信号のパルスと受信した光信号のパルスとを用いてパルスの往復伝搬時間を算出し、当該往復伝搬時間に基づいて光学センサチップ21の位置を特定する。受信信号解析部4は、送信された光信号のパルスと受信した光信号のパルスとのパルスピーク値の差分を算出し、算出した差分の値を用いて検体100の内部または周辺における水分量を、光学センサチップ21ごとに測定する。例えば、光信号の強度は、水分量に比例して低下する。送信された光信号のパルスと受信した光信号パルスとのパルスピーク値の差分は、光学センサチップ21に割り当てられた波長の光信号成分の強度の変化量である。
表示部5は、受信信号解析部4から検体の状態の測定結果を入力し、入力した測定結果を表示する(ステップST7a)。例えば、受信信号解析部4が、光学センサシート2上の光学センサチップ21の位置を特定することで、検体100における水分量の2次元分布を測定することができる。これにより、表示部5は、検体100の水分量の2次元分布をグラフ表示することが可能である。
例えば、検体100からの圧力を検出する場合、複数の光学センサチップ21には、光学センサチップ21ごとに異なる共振周波数が設定される。すなわち、光学センサチップ21は、個々に設定された周波数で共振するように構成されている。光学センサチップ21の導波路に検体100から圧力が加わると、導波路が歪んで共振条件が変化する。これにより、光学センサチップ21に設定された周波数で共振する光信号の割合が変化する。この割合の変化を解析することにより、光学センサチップごとに検体100からの圧力を検出することが可能である。また、光学センサシート2上の光学センサチップ21の位置を特定することで、検体100からの圧力の2次元分布を測定できる。これにより、表示部5は、検体100からの圧力の2次元分布をグラフ表示することが可能である。
図6は、変化部2102の変形例(1)である変化部2102Aを示す構成図である。変化部2102Aは、リング共振器である。リング共振器は、図6に示すように、リング形状の導波路2106によって構成される。変化部2102Aには、導波路2106の曲率半径Rおよび導波路実効屈折率neffに応じた共振波長が設定されている。導波路実効屈折率neffは、導波路2106上にマイクロヒータを配置するか、シリコン以外の異なる磁性体を積層することにより、変更可能である。
変化部2102Aは、2π×R×neff=m×λという関係を満たしている。mは整数である。λは、光学センサチップ21が備える変化部2102Aに設定された共振波長である。Z個の光学センサチップ21のそれぞれが備える変化部2102Aには互いに異なる共振波長λが設定される。共振波長λの設定とは、導波路2106を、波長λで共振する曲率半径Rと、導波路実効屈折率neffとによって構成することを意味する。
例えば、光学センサシート2を用いて検体100の内部または周辺における水分を検出する場合、Z個の光学センサチップ21のそれぞれが備える変化部2102Aには、水の吸収波長帯の波長λが設定される。すなわち、光学センサチップ21が備える変化部2102Aには波長λが設定され、光学センサチップ21が備える変化部2102Aには波長λが設定され、光学センサチップ21が備える変化部2102Aには波長λが設定される。
図6において破線で囲んだ領域Bは、導波路2104Aと導波路2106とが近接している領域である。変化部2102Aに入射した光信号のうち、波長λの光信号成分は、領域Bにおいて導波路2106に伝搬し、波長λ以外の波長λ(≠λ)の光信号成分は、導波路2104Aをそのまま伝搬して変化部2102Aから出射される。
波長λの光信号は、導波路2106を周回して共振し、その間に、導波路2106上に配置された検体100または導波路2106に近接した検体100の周辺へ透過する。検体100の内部または検体100の周辺の箇所に水が存在する場合、透過してきた波長λの光信号成分が水に吸収されるので、波長λの光信号の強度は、水分量に比例して低下する。これにより、受信信号解析部4は、光信号の強度変化を解析することで、検体100の水分量を測定可能である。
図7は、変化部2102Aを備える光学センサチップ21の動作を示すフローチャートであり、光学センサシート2を用いて検体100の内部またはその周辺における水分を検出する場合を示している。光送受信部3は、Z個の光学センサチップ21に設定されたλからλまでの波長が多重化された光信号を、光学センサチップ21に送信する。光学センサチップ21に送信された光信号は、光学センサチップ21から光学センサチップ21まで順に伝搬する。光学センサチップ21が備えるスポットサイズ変換部2101は、前段の光学センサチップから出力された光信号のスポットサイズを、導波路2104Aに合わせて変換する(ステップST1b)。
スポットサイズが変換されて導波路2104Aを伝搬した光信号は、変化部2102Aに入射される。例えば、リング共振器である導波路2106は、変化部2102Aに入射された光信号が、波長λの信号成分であるか否かを特定して、抽出する(ステップST2b)。領域Bにおいて、変化部2102Aに入射された光信号から波長λの信号成分が抽出されると(ステップST2b;YES)、抽出された光信号成分は、導波路2106を周回して共振する(ステップST3b)。
リング共振器を周回する間、波長λの信号成分の強度は、水分濃度に比例して低下する(ステップST4b)。リング共振器を周回した信号成分は、再び、導波路2104Aに戻り、変化部2102Aから出射される。また、領域Bにおいて、波長λ以外の波長λの信号成分は抽出されず(ステップST2b;NO)、波長λ(≠λ)の信号成分はそのまま導波路2104Aを伝搬して変化部2102Aから出射される。
スポットサイズ変換部2103は、変化部2102Aから出射された光信号のスポットサイズを、光ファイバ22Aに合わせて変換する(ステップST5b)。スポットサイズが変換された光信号は、光ファイバ22Aを通じて後段の光学センサチップ21に出力される(ステップST6b)。このように、光学センサチップ21から光学センサチップ21まで順に伝搬した光信号は、光学センサチップ21において折り返されて、光学センサチップ21から光学センサチップ21まで順に伝搬する。
光学センサチップ21から光学センサチップ21までの光信号の伝搬路においても、図7に示したステップST1bからステップST6bまでと同様の処理が行われる。この場合、ステップST1bにおいて、スポットサイズ変換部2103が、前段の光学センサチップから出力された光信号のスポットサイズを、導波路2104Bに合わせて変換する。また、ステップST5bにおいて、スポットサイズ変換部2101が、変化部2102Aから出射された光信号のスポットサイズを、光ファイバ22Bに合わせて変換する。
ステップST4bにおいて、光学センサチップ21に設定された共振波長λの信号成分は、導波路2106を周回して共振し、検体100の水分量に比例して、その強度が低下する。また、波長λ(≠λ)の信号成分は、導波路2106に伝搬せずそのまま導波路2104Bを伝搬して変化部2102Aから出射される。すなわち、変化部2102Aにおいて、導波路2104Bは、図6に示した導波路2104Aと同様に、導波路2106に近接して設けられている。
光学センサチップ21から光学センサチップ21に向けて伝搬する過程で、光信号の特性は、検体100の内部または周辺に存在する水分量に応じて変化する。このため、光学センサチップ21から光学センサチップ21に向けて伝搬する光信号は、導波路2106に伝搬させずに、変化部2102Aをそのまま通過させてもよい。
図8は、検体100が配置されていない光学センサシート2の光学センサチップ21が備える変化部2102を伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。図8において、横軸は、光信号の波長であり、縦軸は、光信号の強度である。検体100が配置されておらず、検体100の内部または周辺に存在する水の吸収がないので、水の吸収波長帯の波長λ~λのZ個の光信号の強度は、強度Pで一定である。
図9は、検体100が配置された光学センサシート2の光学センサチップ21が備える変化部2102を伝搬する光信号の波長と強度との関係を示すグラフである。図9において、横軸は、光信号の波長であり、縦軸は、光信号の強度である。光学センサシート2に検体100が配置されていると、検体100の内部または周辺に存在する水分によって波長λの信号成分が吸収される。
例えば、波長λの信号成分は、検体100が配置されていないときの強度Pよりも低い強度Pとなっており、波長λの信号成分は、強度Pよりも低い強度Pとなっている。これは、光学センサチップ21から光学センサチップ21を往復した光信号のうち、光学センサチップ21に設定された共振波長λの信号成分が、検体100の内部または周辺に存在する水分に吸収され、光学センサチップ21に設定された共振波長λの信号成分が、検体100の内部または周辺に存在する水分に吸収されたことを意味する。
受信信号解析部4は、Z個の光学センサチップ21のそれぞれに設定された共振波長λの信号成分の強度の変化量(P-PおよびP-P)を解析することにより、検体100の内部またはその周辺に存在する水分量を測定することができる。
図10は、検体100が配置された光学センサシート2の光学センサチップ21の位置と検体100の水分量との関係を示すグラフである。受信信号解析部4は、光学センサチップ21に送信した光信号のパルスと光学センサチップ21から受信した光信号のパルスとを用いて、パルスの往復伝搬時間を算出し、往復伝搬時間に基づいて、光学センサシート2におけるXY座標系の光学センサチップ21の位置を特定する。
受信信号解析部4は、光学センサチップ21の位置ごとに検体100の水分量を測定し、光学センサチップ21の位置ごとの水分量を示す情報を、測定結果として表示部5に出力する。表示部5は、例えば、図10に示すように、光学センサシート2における、XY座標系の光学センサチップ21の位置ごとの検体100の水分量を示す3次元グラフを表示する。
なお、これまでの説明において、光学センサチップ21の位置ごとの検体100の水分量を検出する場合を示したが、Z個の光学センサチップ21は、入力した光信号の特性を、検体100の複数の種類の状態に応じて変化させてもよい。例えば、Z個の光学センサチップ21には、検体100の温度に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップ、検体100の水分量に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップおよび検体100からの圧力に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップが含まれていてもよい。
また、Z個の光学センサチップ21は、一部が、検体100の水分量に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップであり、残りが、検体100の温度に応じて光信号の特性を変化させる光学センサチップであってもよい。
さらに、変化部2102Aは、検体100の水分量に応じて光信号の特性を変化させるリング共振器と、検体100の温度に応じて光信号の特性を変化させるリング共振器とを備えてもよい。これにより、一つの光学センサチップに入力された光信号の特性を、検体100の複数種類の状態に応じて変化させることができる。
さらに、光学センサシート2は、光信号の特性を、検体100の複数種類の状態のそれぞれに応じて変化させる複数の光学センサチップを含むユニットが複数個連なって接続されたものでもよい。例えば、上記ユニットは、検体100の温度を検出する光学センサチップと、検体100の水分量を検出する光学センサチップと、検体100からの圧力を検出する光学センサチップとが、光ファイバ22を介して光学的に接続されたものであり、光学センサシート2には、このようなユニットが複数個連なって接続されたものである。
検体100の温度を検出する場合、変化部2102Aには、例えば、温度変化ΔTに伴って実効的な曲率半径Rが変化する導波路2106が用いられる。この場合は、曲率半径の変化量ΔRと共振波長のシフト量Δλとの対応関係を示す関係式である、2π×ΔR×neff=m×Δλを満たす導波路2106が用いられる。受信信号解析部4は、送信信号と受信信号との間における共振波長のシフト量Δλに基づいて、導波路2106の曲率半径の変化量ΔRを算出し、ΔRを用いて温度変化ΔTを算出する。
図11は、測定装置の構成例(1)を示すブロック図であり、図1に示した測定装置に変調信号生成部6を追加したものである。変調信号生成部6は、検体100の状態の測定に用いられる変調信号を生成する。例えば、変調信号は、位相変調信号または周波数変調信号である。光送受信部3が備える光送信部31は、変調信号生成部6によって生成された変調信号を搬送波として用いて変調した光信号を光学センサチップ21に送信する。
例えば、変調信号生成部6は、ToF(Time of Flight)ライダ方式に基づいて、位相変調したパルス信号を光送信部31に出力する。これにより、パルス信号は、光学センサチップ21と光学センサチップ21との間を往復する。受信信号解析部4は、光受信部32によって光学センサチップ21から受信された受信信号のパルスと送信信号のパルスとの相関値を算出し、算出した相関値に基づいて、検体100の状態を測定する。受信信号解析部4による測定結果は、表示部5に表示される。
また、図12は、測定システム1の変形例(1)である測定システム1Aを示す構成図である。図12に示すように、光学センサシート2は、ベッド200に敷設されており、検体は、ベッド200に横たわった人100Aである。人100Aがベッド200に横たわることによって、光学センサシート2上に人100Aが配置される。測定システム1Aは、ベッド200に横たわった人100Aの状態を測定する。
受信信号解析部4は、光学センサシート2の光学センサチップ21ごとの光信号の特性変化に基づいて、人100Aの体温、発汗量または寝相を測定することが可能である。例えば、受信信号解析部4は、光学センサチップ21の位置ごとの人100Aの発汗量およびその時間変化を測定し、その測定結果を表示部5に出力する。これにより、表示部5は、人100Aの発汗量の分布の時間変化をグラフ表示することが可能である。
さらに、図13は、測定システム1の変形例(2)である測定システム1Bを示す構成図である。図13に示すように、光学センサシート2は、農地に埋設され、検体は、農地の土壌100Bである。測定システム1Bは、農地の土壌の状態を測定する。例えば、受信信号解析部4は、光学センサシート2の光学センサチップ21ごとの光信号の特性変化に基づいて、土壌100Bの温度、水分量または栄養成分を測定する。
また、土壌100Bの二酸化炭素濃度またはカルシウム濃度を検出する場合、Z個の光学センサチップ21のそれぞれが備える変化部2102Aには、二酸化炭素またはカルシウムの吸収波長帯の波長λが設定される。検体100の水分量の測定と同様に、リング共振器を周回して共振した光信号の強度が、土壌100Bの二酸化炭素濃度またはカルシウム濃度に応じて低下する。受信信号解析部4は、光学センサチップ21の位置ごとの光信号の強度の時間変化に基づいて、土100Bの温度、水分量または栄養成分とそれらの時間変化とを測定し、この測定結果を、表示部5に出力する。これにより、表示部5は、土壌100Bの温度、水分量または栄養成分の分布の時間変化をグラフ表示することが可能である。
図14は変化部2102の変形例(2)である変化部2102Bを示す構成図である。図14において、変化部2102Bは、変化部2102Aに対して導波路2107を追加したものである。導波路2107は、リング共振器である導波路2106に近接して設けられた帯状の線路と、その端部に設けられたリング状の線路により構成される。
共振波長λの光信号成分は、導波路2104Aから導波路2106に伝搬して共振した後、導波路2107に伝搬し、矢印Cが指す方向に光路が折り返される。図14に示すように、折り返された光信号成分は、再度、導波路2106に伝搬して共振した後、波長λの出射光として、光送受信部3に向けて導波路2104Aを伝搬する。
図15は変化部2102の変形例(3)である変化部2102Cを示す構成図である。図15において、変化部2102Bは、導波路2104Aを伝搬する光信号の一部を外部に出力し、外部に出力された光が反射された反射光を入力する光学素子である。例えば、変化部2102Bは、グレーティングカプラにより実現される。
変化部2102Bから出射された光信号は、外部にある検体100の状態に応じて特性が変化され、検体100で反射されて、再び変化部2102Bに入力される。検体100の状態に応じて特性が変化された光信号は、導波路2104Aを伝搬してスポットサイズ変換部2103へ出力される。
図16は、測定装置の構成例(2)を示すブロック図である。図16において、測定装置は、光送受信部3A、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6を備えている。光送受信部3Aは、光送信部31、光受信部32、光分岐部33および光合波部34を備える。
例えば、変調信号生成部6は、FMCW(Frequency-Modulated-Continuous-Wave)ライダ方式に基づいて、チャープした正弦波などの周波数変調信号を、光送受信部3Aが備える光送信部31に出力する。光送信部31は、変調信号生成部6によって生成された周波数変調信号を搬送波として用いて、変調した光信号を光分岐部33に出力する。
光分岐部33は、光送信部31によって生成された光信号を、光学センサチップ21と光合波部34に分岐させる。光送信部31は、光分岐部33によって分岐された光信号を、光ファイバ22Aを介して光学センサチップ21に送信する。これにより、光信号は、光学センサチップ21と光学センサチップ21との間を往復する。
光合波部34は、光ファイバ22Bを介して、光学センサチップ21から受光した光信号と、光分岐部33によって分岐された送信用の光信号とを合波し、合波した光信号を光受信部32に出力する。受信信号解析部4は、光受信部32によって光学センサチップ21から受信された受信信号をフーリエ解析することで、送信信号と受信信号との間の振幅の変化量および周波数シフト量を算出し、算出した振幅の変化量および周波数シフト量に基づいて検体100の状態を測定する。測定結果は、表示部5に表示される。
図17は、測定装置の構成例(3)を示すブロック図である。図17において、測定装置は、光送受信部3B、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6を備える。光送受信部3Bは、光送信部31、光受信部32および光サーキュレータ35を備える。光サーキュレータ35は、光送信部31から入力した光信号の出力先を光ファイバ22Aに切り替え、光ファイバ22Bからの光信号の出力先を光受信部32に切り替える。これにより、光ファイバ22Aおよび光ファイバ22Bを1本の光ファイバに共用化することが可能である。
また、図6および図14に示したリング共振器は、位相シフタ機能または周波数シフタ機能を有する光学素子に置き換えてもよいし、当該リング共振器に位相シフタ機能または周波数シフタ機能を持たせてもよい。例えば、リング共振器である導波路2106に対して、当該導波路2106とは材質が異なる部材を積層したものである。変化部2102Aは、導波路2106に積層された部材の材質に応じて、光信号の特性を変化させる。
例えば、導波路2106に磁性体を積層させた場合、導波路2106の周辺に発生する磁界の強度に比例して、導波路2106を周回した光信号の位相が変化する。この光信号の位相変化に応じて導波路2106の導波路実効屈折率neffも変化する。受信信号解析部4は、導波路2106における、2π×R×Δneff=m×Δλの関係を用いて、送信信号と受信信号との間における共振波長のシフト量Δλを算出する。受信信号解析部4は、算出した共振波長のシフト量Δλを用いて、導波路2106の導波路実効屈折率の変化量Δneffを算出し、算出したΔneffを用いて磁界の強度を算出する。これにより、光学センサチップ21は、検体100からの磁界を検出可能である。
また、導波路2106は、グラフェン等のDNAと結合して導波路実効屈折率neffを変化させる部材が積層された導波路であってもよい。当該導波路2106の周辺にDNAが存在すると、導波路2106を周回した光信号の位相が変化する。この光信号の位相変化に応じて導波路2106の導波路実効屈折率neffも変化する。磁界を検出する場合と同様に、受信信号解析部4は、導波路2106における、2π×R×Δneff=m×Δλの関係を用いて、送信信号と受信信号との間における共振波長のシフト量Δλを算出する。受信信号解析部4は、共振波長のシフト量Δλを用いて、導波路2106の導波路実効屈折率の変化量Δneffを算出し、算出したΔneffを用いてDNAの結合量を算出する。これにより、光学センサチップ21は、検体100のDNAを検出可能である。
図11に示した測定装置における、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6の機能は、処理回路によって実現される。すなわち、上記測定装置は、図4に示したステップST1からステップST3までの処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)であってもよい。
図18Aは、図11に示した測定装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図18Bは、図11に示した測定装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図18Aおよび図18Bにおいて、入力インタフェース1000は、光学センサシート2からの信号に対応する電気信号を中継するインタフェースである。出力インタフェース1001は、ディスプレイへ出力される測定結果情報を中継するインタフェースである。
処理回路が図18Aに示す専用のハードウェアの処理回路1002である場合に、処理回路1002は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものが該当する。測定装置における、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6の機能は、別々の処理回路で実現されてもよいし、これらの機能をまとめて一つの処理回路で実現されてもよい。
処理回路が図18Bに示すプロセッサ1003である場合、測定装置における、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ1004に記憶される。
プロセッサ1003は、メモリ1004に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、測定装置における、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6の機能を実現する。例えば、測定装置は、プロセッサ1003によって実行されるときに、図4に示すフローチャートにおけるステップST1からステップST3の処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ1004を備えている。これらのプログラムは、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6が行う処理の手順または方法を、コンピュータに実行させる。メモリ1004は、コンピュータを、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。
メモリ1004は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(Electrically-EPROM)などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVDなどが該当する。
測定装置における、光送受信部3、受信信号解析部4、表示部5および変調信号生成部6の機能の一部は、専用のハードウェアで実現され、一部は、ソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。例えば、光送受信部3および受信信号解析部4の各機能は、専用のハードウェアである処理回路1002によって実現し、表示部5および変調信号生成部6の機能は、プロセッサ1003がメモリ1004に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより実現する。このように、処理回路はハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせにより上記機能を実現することができる。
以上のように、実施の形態1に係る光学センサシート2は、入力した光信号の特性を、検体100の状態に応じて変化させ、特性を変化させた光信号を出力する、Z個の光学センサチップ21と、Z個の光学センサチップ21に入出力される光信号を伝搬する光ファイバ22と、Z個の光学センサチップ21が設けられたシート部材23を備える。
光学センサチップ21と光学センサチップ21k-1との間で光ファイバ22を通して光信号を入出力するので、実施の形態1に係る光学センサ装置は、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することができる。これにより、特許文献1に記載されたセンサに比べて消費電力が低減される。
さらに、光学センサシート2には、シート部材23上にZ個の光学センサチップ21が配置されているので、検査対象(=検体100)の形状に合わせて多角的にセンシングすることが可能である。
また、Z個の光学センサチップ21は、シート部材23の上に設けられ、シート部材23の上に配置された検体100またはシート部材23の周辺に配置された検体100の状態に応じて、入力した光信号の特性を変化させる。このように構成された光学センサシート2においても、検体の状態の検出信号に電気信号を用いず、センサチップごとにセンサ回路部を設けなくても、検体の状態を検出することができる。なお、光ファイバ22を介して連なったZ個の光学センサチップ21を蛇行させることで、様々な形状のシート部材23に設けることができ、光学センサチップ21の配置自由度が高く、配置密度を向上する。これにより、光学センサシート2は、従来配置が困難であった狭い空間にも配置可能である。
実施の形態1に係る光学センサシート2において、Z個の光学センサチップ21は、シート部材23上に配置またはシート部材23の周辺に配置された検体100の状態に応じて、入力した光信号の特性を変化させる。光学センサチップ21の位置ごとに、検体100の状態を検出可能であるため、検体100の状態の測定範囲が拡大される。
実施の形態1に係る光学センサシート2において、Z個の光学センサチップ21は、検体100の複数種類の状態に応じて、入力した光信号の特性を変化させる。光学センサチップ21ごとに、検体100の複数種類の状態を検出可能であるため、検体100の状態の測定範囲が拡大される。
実施の形態1に係る光学センサシート2において、導波路2106には、導波路2106とは材質が異なる部材が積層される。変化部2102Aは、導波路2106に積層された部材の材質に応じて、光信号の特性を変化させる。光学センサチップ21ごとに、検体100の複数種類の状態を検出可能であるため、検体100の状態の測定範囲が拡大される。
実施の形態1に係る測定システム1は、光学センサシート2と、光学センサシート2における光学センサチップ21に光信号を送信し、光学センサシート2において連なって設けられたZ個の光学センサチップ21を伝搬してきた光信号を受信する光送受信部3と、光送受信部3によって受信された信号を解析することにより検体100の状態を測定する受信信号解析部4を備える。受信信号解析部4が、光学センサチップ21ごとに、検体100の状態を測定するので、検体100の状態の測定範囲が拡大される。
実施の形態1に係る測定システム1は、検体100の状態の測定に用いられる変調信号を生成する変調信号生成部6を備える。光送受信部3は、変調信号生成部6によって生成された変調信号を用いて光信号を変調し、変調した光信号を光学センサチップ21に送信する。これにより、光学センサチップ21と光学センサチップ21との間で光信号を高品質で往復させることが可能である。
実施の形態2.
図19は実施の形態2に係る測定システム1Cを示す構成図である。実施の形態1に係る測定システム1、1Aおよび1Bは、光学センサシート2を2次元配置して使用するものであったが、測定システム1Cは、光学センサシート2を、閉空間内に3次元配置して使用するものである。例えば、光学センサシート2を、円柱状の検体100Cを覆うように設けることで、測定システム1Cは、検体100Cの全体を測定箇所とすることが可能であり、測定範囲が拡大する。
図19において、光学センサシート2は、円柱状の検体100Cを覆ように設けられるため、箱400の全ての内壁面に取り付けられている。検体100Cを箱400の内部に配置することにより、光学センサシート2は、検体100Cの状態を検出することができる。例えば、光学センサシート2を2次元配置した場合、検体100Cのうち、光学センサチップ21が近接していない側の箇所では状態を検出することができないが、図19に示すように光学センサシート2を閉空間内に3次元配置することにより、検体100C全体を測定箇所とすることができる。
なお、箱400は、閉空間でなくてもよい。例えば、光学センサシート2は、配管またはトンネルといった一部が開放されている空間内に3次元配置されてもよい。この場合、開放された部分には光学センサシート2を配置できないが、この部分を除いた検体100Cの周囲に光学センサシート2を配置できる。このため、光学センサシステム1Cは、光学センサシート2と対向する検体100Cの全ての部分を測定箇所とすることが可能である。
また、閉空間は、内壁面に光学センサシート2を設けた段ボールであり、段ボールの内部に、食品が検体100Cとして配置され、光学センサチップ21は、例えば、食品の水分または段ボールの内部の湿度を検出する光学センサチップであるものとする。この場合、測定システム1Cは、光学センサシート2を用いて段ボールの内部の食品の水分分布または湿度分布を測定することが可能である。食品の管理者は、食品の水分分布または湿度分布の測定結果に基づいて、食品の水分分布または湿度分布の時間変化を認識することができる。また、測定結果は、食品の腐食発生の予測にも利用可能である。
さらに、閉空間は、壁面に光学センサシート2が設けられた浴室であり、浴室内部の雰囲気が検体100Cであってもよい。浴室内部に設けられた光学センサチップ21は、例えば、浴室内部の雰囲気の湿度を検出する光学センサチップである。測定システム1Cは、光学センサシート2を用いて浴室内部の雰囲気の湿度分布を測定する。これにより、浴室内部の雰囲気の湿度分布の時間変化を認識することができる。また、浴室内部の雰囲気の湿度分布の測定結果は、浴室壁面のカビの発生の予測にも利用可能である。
以上のように、実施の形態2に係る測定システム1Cにおいて、光学センサシート2は検体100Cを覆うように設けられている。これにより、測定システム1Cは、検体100C全体を測定箇所とすることが可能であり、測定範囲が拡大する。
実施の形態3.
図20は、実施の形態3に係る測定装置の構成を示すブロック図である。図20において、実施の形態3に係る測定装置は、送受信部7および外部機器8を備える。送受信部7および外部機器8は、無線信号を送受信可能に構成されている。送受信部7は、光送信部71、光受信部72、変調信号生成部73、変復調制御部74、受信信号解析部75および無線信号送受信部76を備える。例えば、送受信部7は、IoTセンサである。外部機器8は、無線信号送受信部81、光学センサ制御部82および表示部83を備える。例えば、外部機器8は、携帯電話端末、スマートフォン、PDA(Personal Digital Assistant)またはPC(Personal Computer)により実現される。
送受信部7において、光送信部71は、光ファイバ22Aを通じて、光学センサチップ21に光信号を送信する。光受信部72は、光ファイバ22Bを通じて、光学センサチップ21から光信号を受信する。光送信部71は、光源である発光素子から出射された光と、変調信号生成部73によって生成された変調信号とを用いて、送信用の光信号を生成し、生成した光信号を光ファイバ22Aへ出力する。
光受信部72は、受光素子によって光信号から変換された電気信号を取得する。発光素子と受光素子は別々に設けられてもよいし、発光素子および受光素子が一つに組み込まれた光学センサであってもよい。光送信部71および光受信部72を備える光送受信部は、光学センサシート2とは別に設けられた外部装置が備えてもよいし、光学センサシート2に設けられてもよい。例えば、当該光送受信部は、光学センサシート2に設けられたInP基板に集積されてもよい。
変調信号生成部73は、検体100の複数種類の状態のうち、制御信号によって指定された状態の測定に使用する変調信号を生成し、生成した変調信号を光送信部71に出力してもよい。光送信部71は、制御信号によって指定された状態の測定に対応する変調が施された光信号を生成する。これにより、指定された状態の測定に対応する変調を施した光信号を用いた検体100の状態の測定が可能である。例えば、変調信号生成部73は、制御信号によって検体100の水分量が指定された場合、位相変調信号を生成し、制御信号によって検体100の温度が指定された場合には、周波数変調信号を生成する。これにより、検体100の水分量を測定するために位相変調され、検体100の温度を測定するために周波数変調された光信号を生成することができる。
変復調制御部74は、無線信号送受信部76によって外部機器8から受信された制御信号を復調し、復調した制御信号を変調信号生成部73に出力する。例えば、変復調制御部74は、外部機器8から無線伝送された制御信号の信号品質の劣化を補償し、信号品質の劣化を補償した制御信号を、変調信号生成部73に出力する。例えば、変復調制御部74は、無線伝送中の信号の誤り検出を行い、検出した誤りを補正することにより、信号品質の劣化を補償する。
受信信号解析部75は、光受信部72によって光学センサチップ21から受信された光信号を解析することにより、検体100の状態を測定する。なお、光学センサシート2は、実施の形態1で示したように2次元配置されたものでもよいし、実施の形態2で示したように3次元配置されたものでもよい。
無線信号送受信部76は、外部機器8との間で無線信号を送受信するための無線通信部であり、例えば、Bluetooth(登録商標)に代表される近距離無線通信を行う通信装置、または、WiFiルータにより実現される。無線信号送受信部76は、受信信号解析部75が測定した測定結果情報を、外部機器8に送信する。
外部機器8において、無線信号送受信部81は、送受信部7との間で無線信号を送受信するための無線通信部であり、例えば、Bluetooth(登録商標)に代表される近距離無線通信を行う通信装置、または、WiFiルータにより実現される。無線信号送受信部81は、光学センサ制御部82から制御信号を送受信部7に送信し、送受信部7からの測定結果情報を受信する。
光学センサ制御部82は、検体100の状態を指定する制御信号を生成する制御部である。無線信号送受信部81は、光学センサ制御部82によって生成された制御信号を、無線通信により無線信号送受信部76に送信する。表示部83は、外部機器8に搭載されたディスプレイに情報を表示させる。例えば、表示部83は、無線信号送受信部81によって送受信部7から受信された測定結果情報を上記ディスプレイに表示させる。
以上のように、実施の形態3に係る測定装置は、光学センサ制御部82および表示部83を有した外部機器8との間で無線通信を行う無線信号送受信部76を備える。無線信号送受信部76は、受信信号解析部75が測定した測定結果情報を外部機器8に送信する。表示部83は、測定結果情報を表示する。光学センサ制御部82は、検体100の状態を指定する制御信号を生成する。変調信号生成部73は、制御信号によって指定された検体100の状態の測定に使用される変調信号を生成し、生成した変調信号を光送信部71に出力する。例えば、外部機器8を所持したユーザが、光学センサシート2および送受信部7を用いた検体100の状態の測定を遠隔地から制御することが可能である。また、表示部83に表示された測定結果に基づいて、検体100の任意の状態を指定することが可能である。
なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。
本開示に係る光学センサ装置は、様々な検体の状態の測定に利用可能である。
1,1A~1C 測定システム、2 光学センサシート、3,3A,3B 光送受信部、4,75 受信信号解析部、5,83 表示部、6,73 変調信号生成部、7 送受信部、8 外部機器、21,21,21,21k-1,21Z-1,21 光学センサチップ、22,22A,22B 光ファイバ、23 シート部材、24 接着層、31,71 光送信部、32,72 光受信部、33 光分岐部、34 光合波部、35 光サーキュレータ、74 変復調制御部、76,81 無線信号送受信部、82 光学センサ制御部、100,100C 検体、100A 人、100B 土壌、200 ベッド、400 箱、1000 入力インタフェース、1001 出力インタフェース、1002 処理回路、1003 プロセッサ、1004 メモリ、2101,2103 スポットサイズ変換部、2102,2102A~2102C 変化部、2104A,2104B,2106,2107 導波路、2105 光路折り返し部。

Claims (16)

  1. 入力した光信号の特性を検体の状態に応じて変化させる1または複数の変化部を有し、特性を変化させた光信号を出力する複数の光学センサチップと、
    前記光学センサチップ間を接続し、複数の前記光学センサチップに入出力される光信号を伝搬する光ファイバと、
    複数の前記光学センサチップが設けられたチップ保持部材と、を備えた
    ことを特徴とする光学センサ装置。
  2. 前記チップ保持部材は、形状が変形可能なシート部材である
    ことを特徴とする請求項1に記載の光学センサ装置。
  3. 複数の前記光学センサチップは、前記光ファイバを介してそれぞれ連なっている
    ことを特徴とする請求項1に記載の光学センサ装置。
  4. 複数の前記光学センサチップには、光送受信部との間で光信号を入出力する第1の光学センサチップと、前段の前記光学センサチップから出力された光信号の特性を変化させ、特性を変化させた光信号を折り返し前段の前記光学センサチップに出力する第2の光学センサチップと、が含まれ、
    前記第1の光学センサチップは、前記光送受信部からの光信号の特性を変化させ、特性を変化させた光信号を後段の前記光学センサチップに出力するとともに、前記第2の光学センサチップとの間にそれぞれ連なる複数の前記光学センサチップを伝搬してきた光信号を前記光送受信部に出力する
    ことを特徴とする請求項1に記載の光学センサ装置。
  5. 前記光学センサチップは、
    光信号を伝搬する導波路と、
    光信号のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部と、
    光信号の強度特性、位相特性または周波数特性の少なくとも一つを、前記検体の状態に応じて変化させる、1または複数の変化部と、を備えた
    ことを特徴とする請求項1に記載の光学センサ装置。
  6. 複数の前記光学センサチップは、入力した光信号の特性を、前記検体の複数種類の状態に応じて変化させる
    ことを特徴とする請求項1に記載の光学センサ装置。
  7. 前記第2の光学センサチップは、特性を変化させた光信号を前段の前記光学センサチップに折り返すための反射部を備えた
    ことを特徴とする請求項4に記載の光学センサ装置。
  8. 複数の前記変化部は、入力した光信号の特性を、前記検体の互いに異なる状態に応じて変化させる
    ことを特徴とする請求項5に記載の光学センサ装置。
  9. 前記スポットサイズ変換部は、導波路によって構成されたスポットサイズコンバータまたはグレーティングカプラである
    ことを特徴とする請求項5に記載の光学センサ装置。
  10. 前記変化部は、リング共振器、マッハツェンダ干渉計、これらが組み合わされたもの、または、前記導波路を伝搬する光信号の一部を外部に出力し、外部に出力された光が反射された反射光を入力する光学素子である
    ことを特徴とする請求項5に記載の光学センサ装置。
  11. 前記導波路には、当該導波路とは材質が異なる部材が積層され、
    前記変化部は、入力した光信号の特性を、前記導波路に積層された前記部材の材質に応じて変化させる
    ことを特徴とする請求項5に記載の光学センサ装置。
  12. 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光学センサ装置と、
    前記光学センサ装置における前記光学センサチップに光信号を送信し、前記光学センサ装置に設けられた複数の前記光学センサチップを伝搬してきた光信号を受信する光送受信部と、
    前記光送受信部によって受信された信号を解析することにより前記検体の状態を測定する受信信号解析部と、を備えた
    ことを特徴とする測定システム。
  13. 前記検体の状態の測定に用いられる変調信号を生成する変調信号生成部を備えた
    ことを特徴とする請求項12に記載の測定システム。
  14. 前記受信信号解析部は、前記光送受信部によって受信された信号を用いて複数の前記光学センサチップの位置をそれぞれ特定し、前記検体の状態を前記光学センサチップの位置ごとに測定する
    ことを特徴とする請求項12に記載の測定システム。
  15. 表示部および制御部を有した外部機器との間で無線通信を行う無線通信部を備え、
    前記無線通信部は、前記受信信号解析部が測定した測定結果情報を前記外部機器に送信することにより、前記表示部に前記測定結果情報を表示させ、
    前記制御部は、前記検体の状態を指定する制御信号を生成し、
    前記変調信号生成部は、前記制御信号によって指定された前記検体の状態の測定に使用される変調信号を生成し、生成した変調信号を前記光送受信部に出力する
    ことを特徴とする請求項13に記載の測定システム。
  16. 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光学センサ装置を用いた前記検体の状態の測定方法であって、
    光送受信部が、前記光学センサ装置における前記光学センサチップに光信号を送信するステップと、
    前記光送受信部が、前記光学センサ装置に設けられた複数の前記光学センサチップを伝搬してきた光信号を受信するステップと、
    受信信号解析部が、前記光送受信部によって受信された信号を解析することにより前記検体の状態を測定するステップと、を備えた
    ことを特徴とする測定方法。
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