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２１ｋ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２１ｋ、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２１ｋ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２１１から光学センサチップ２１ＺまでのＺ個の光学センサチップ２１ｋ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２１ｋは、シート部材２３上で、光学センサチップ２１１から光学センサチップ２１Ｚ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２１ｋは、一つの光学センサチップ２１ｋから放射状に他の光学センサチップ２１ｋ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２１１から光学センサチップ２１ＺまでのＺ個の光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ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２１ｋのうち、一方の端部にある光学センサチップ２１１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２１１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２１１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２１１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２１ｋ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２１ｋのうち、他方の端部の光学センサチップ２１Ｚ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２１Ｚは、光学センサチップ２１１との間に連なった複数の光学センサチップ２１ｋを順に伝搬してきた光信号を光学センサチップ２１１に向けて折り返す。光学センサチップ２１Ｚにおいて折り返された光信号は、光学センサチップ２１１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２１１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２１１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２１ｋ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２１ｋが連なる方向に隣り合った光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ上に配置される。光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ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２１ｋが連なって接続されている。Ｚ個の光学センサチップ２１ｋのうち、光学センサチップ２１１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２１Ｚ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２１１から光学センサチップ２１Ｚへ光信号を伝搬する。導波路２１０４Ｂは、光学センサチップ２１Ｚから光学センサチップ２１１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２１ｋを順に伝搬し、光学センサチップ２１１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２１１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２１ｋを往復した光信号を、光学センサチップ２１１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２１１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２１１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２１ｋ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２１ｋ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２１１に送信する。
光学センサチップ２１１に入力された光信号は、光学センサチップ２１１から光学センサチップ２１Ｚまでの各光学センサチップ２１ｋ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２１Ｚ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２１１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２１Ｚから光学センサチップ２１１までの各光学センサチップ２１ｋ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２１ｋを光信号が順に伝搬している間、各光学センサチップ２１ｋ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２１１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２１１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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋには、光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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×λｋという関係を満たしている。ｍは整数である。λｋは、光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ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λｋが設定される。共振波長λｋの設定とは、導波路２１０６を、波長λｋ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２１ｋ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λｋが設定される。すなわち、光学センサチップ２１１が備える変化部２１０２Ａには波長λ１が設定され、光学センサチップ２１ｋが備える変化部２１０２Ａには波長λｋが設定され、光学センサチップ２１Ｚが備える変化部２１０２Ａには波長λＺ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λｋの光信号成分は、領域Ｂにおいて導波路２１０６に伝搬し、波長λｋ以外の波長λ（≠λｋ）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λｋ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λｋの光信号成分が水に吸収されるので、波長λｋ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２１ｋ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２１ｋに設定されたλ１からλＺまでの波長が多重化された光信号を、光学センサチップ２１１に送信する。光学センサチップ２１１に送信された光信号は、光学センサチップ２１１から光学センサチップ２１Ｚまで順に伝搬する。光学センサチップ２１ｋ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λｋ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λｋ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λｋ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λｋ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（≠λｋ）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２１ｋに出力される（ステップＳＴ６ｂ）。このように、光学センサチップ２１１から光学センサチップ２１Ｚまで順に伝搬した光信号は、光学センサチップ２１Ｚにおいて折り返されて、光学センサチップ２１Ｚから光学センサチップ２１１まで順に伝搬する。
光学センサチップ２１Ｚから光学センサチップ２１１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２１ｋに設定された共振波長λｋ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（≠λｋ）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２１１から光学センサチップ２１Ｚ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２１Ｚから光学センサチップ２１１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２１ｋ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λ１～λＺのＺ個の光信号の強度は、強度Ｐ０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２１ｋ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λｋの信号成分が吸収される。
例えば、波長λ２の信号成分は、検体１００が配置されていないときの強度Ｐ０よりも低い強度Ｐ１となっており、波長λｋの信号成分は、強度Ｐ０よりも低い強度Ｐ２となっている。これは、光学センサチップ２１１から光学センサチップ２１Ｚを往復した光信号のうち、光学センサチップ２１２に設定された共振波長λ２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２１ｋに設定された共振波長λｋ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２１ｋのそれぞれに設定された共振波長λｋの信号成分の強度の変化量（Ｐ０－Ｐ１およびＰ０－Ｐ２）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２１ｋ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２１１に送信した光信号のパルスと光学センサチップ２１１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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１１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２１１と光学センサチップ２１Ｚ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２１１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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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λｋ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２１ｋ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λｋ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λｋ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２１１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２１１に送信する。これにより、光信号は、光学センサチップ２１１と光学センサチップ２１Ｚ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２１１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２１１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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋと、Ｚ個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ファイバ２２と、Ｚ個の光学センサチップ２１ｋが設けられたシート部材２３を備える。
光学センサチップ２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１１に送信する。これにより、光学センサチップ２１１と光学センサチップ２１Ｚ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２１ｋ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２１ｋ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２１ｋ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２１１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２１１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２１１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、２１１，２１２，２１ｋ，２１ｋ－１，２１Ｚ－１，２１Ｚ 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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