JPH08503301A - 調節段階格子を用いる光学的スペクトル分析器と符号器 - Google Patents
調節段階格子を用いる光学的スペクトル分析器と符号器Info
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Abstract
(57)【要約】
波長検出とパラメータ感知の装置と方法は、既知の磁界強度に対して回折光線の検出された輝度分布に基づいてスペクトル分析を実施するために、Faraday効果に依る薄い磁化可能の膜に印加される可変自在の磁界を使用する。印加される磁界の強度は、磁気回路に関与するパラメータに対応する回折される波長を生成するために、格子周囲に磁界を生成する磁気回路に固定された磁石に対する物理的パラメータの変更に依って調整されることもできる。
Description
【発明の詳細な説明】
調節段階格子を用いる光学的スペクトル分析器と符号器発明の分野
本発明は、光学的波長分析、特にスペクトル分析と符号化に依る物理的特性と
パラメータの決定に関する。発明の背景
帯状領域を有する薄い磁化可能な膜は磁気光学的回折格子として用いられてい
る。固定磁界の制御に基づくKerrとFaraday効果に依る回折の最終角度と薄膜の
磁化可能格子の帯状領域の分離と幅を変更することも知られている。このような
格子を集合光学的装置の光学的調整器とスイッチと多重化素子として使用するこ
とも開示されている。このような使用は、しかし、固定された波長信号を用いて
、印加磁界を固定値に設定することに依って、入射光線の回折の角度を制御する
ことに限定される。
即時応答式のスペクトル分析は数多くの方式のもとでいま行われていて、その
1つの方式は、未知のスペクトル分布を平行にし、それを機械的な回折格子に伝
搬するか或いはそれをそこから反射して、スペクトル成分を第1次数の角度に従
って分離し、相対スペクトル輝度を荷電結合素子(CCD)光検出器アレイを介し
て検出している。化学的分光分析に用いられる別の方法は、高価なCCD光検出器
アレイを単純な光検出器に代えて、回折格子を検出器に入射するスぺクトル成分
で機械的に回転している。検出光線は、従って格子の回転量に直接関係する。
高価なCCD基準システムと、このような化学的分光システムの限
られた速度と機械的な特質は、1つ或いは多重化された数多くの波長符号化セン
サの検出器として作動する機械的電気的に制御可能なスペクトル分析器を必要と
する。機械的な回折格子に依存する波長符号化光学的センサは、サイズと重量に
固有の欠点も備えていて、且つ実際の応用を難しくする光学的構造を一般的に要
求する。発明の要約
本発明は、波長符号化信号を用いて、スペクトルを分析し光学的に感知するた
めに、帯状領域を具備する薄膜の磁化可能回折格子を使用する装置と方法である
。発明は、格子から回折された光線の輝度または波長のような特性と、格子間隔
を制御する可変自在の磁界の特性を機能的に関連付ける新規の概念を採用してい
る。このように、このような格子から回折された光線のエネルギーは、格子に印
加される磁界に関して定量化できる。発明は、軽量で小型であり、且つ、対象と
するパラメータ情報は光学的に符号化され且つ調整される光学的特性を電気信号
に変換する変換電子機構が光学的検出位置から離れて位置できるので、電磁的な
干渉から特に効果的に回避される、スペクトル分析器または光学的センサあるい
はその両方の構成を可能にする。
発明の1つの形態においては、光学的波長検出器と方法はスペクトル信号の波
長を検出するために与えられていて、検出器は、可変自在の磁界を制御する手段
と、磁界の関数である格子間隔を具備する磁化可能な段階格子と、磁界が調整さ
れるのでスペクトル信号を格子に放射する手段を搭載している。
発明の他の形態においては、波長符号化光ファイバ・センサと方法は、物理的
パラメータに依って調整できる磁界を生成するための手段と、磁界の関数である
段階格子を形成する磁化可能な薄膜と、
物理的パラメータに対応する特性を有する格子からの光線を回折するために光線
を格子に放射する手段を搭載して与えられている。
本発明のこれらと他の形態と長所は、添付の図面を参照しながら詳細な説明を
読むと容易に認められると思われる。図面の簡単な説明
図1は本発明に従う装置に於いて与えられた磁界B強度で異なる波長の輝度I
を表すプロットであり、
図2は本発明に従う光学的スペクトル分析器の実施例を概略的に図示し、
図3は本発明に従う光学的スペクトル分析器の別の実施例を概略的に図示し、
図4は本発明に従う多重光ファイバ・センサと組み合わせた光学的スペクトル
分析器を概略的に図示し、
図5は非偏光性を分析する光学的スペクトル分析器の実施例を示し、
図6は本発明に従う波長符号化光ファイバ・センサの実施例を概略的に図示す
る。好適且つ代替の実施例の説明
例えば、ビスマス質希土類鉄ガーネットの層を備えた、薄膜の磁気回折格子は
、磁界の存在時に素材を伝搬する電磁放射に関与する或る特性を示す。面内印加
磁界の影響のもとで、このような膜は段階格子を形成する帯状領域構造を備えて
いる。帯状領域空間または格子間隔Sと最終回折角度θは、印加磁界Bを調整す
ることに依って変更できる。膜がzen磁界または直交磁界の影響を受ける時に、
領域はランダム(通常は螺旋状)になるが、それらの空間は依然と
して磁界の強度の関数になる。“薄膜磁気材料”という用語は、Faraday回転作
用を示す磁気応答領域を有する任意の材料または膜を広い意味で表している。薄
膜磁気材料は、段階格子を形成し且つ各々領域がFaraday回転を示す、磁化領域
境界をもつ。特に、発明は、段階格子作用を十分に与える薄さを特徴にし且つ各
々領域が具体的なFaraday回転も与える、磁気光学的材料または膜を好都合に用
いている。このような膜は、Mitsubishi Gas Chemical America,Inc.製の材料
AとB、Tokin America,Inc.製のGarnet LPE膜のような市販品もあるが、発明
はこのような膜だけの使用に限定されない。
段階格子の入射光線は、回折作用と、偏光回転作用、すなわち光線の偏光面の
回転を共に行う。本発明に従って、このような格子の使用はスペクトル分析に於
いて制御磁界の境界内の格子に入射するスペクトル信号を必要とする。帯状領域
格子に対して、スペクトル信号は、光検出器に対して角度θで第1次数で回折さ
れる(図2を参照)。光検出器に入射する回折されたスペクトル成分の波長は、
式1から与えられる。
λ=Ssinθ
ここでSは格子間隔である。磁界を周知の方式で制御すると、格子間隔Sは印加
磁界Bに依存するので、式2が導かれる。
λ=S(B)sinθ
ここでS(B)は格子間隔Sと磁界Bの間で定義可能な機能的な関係を表してい
る。I(検出輝度)と、回折光線(図2)を感知する光検出器のB(磁界)の関
係が、図1に、図2の格子に入射するスペクトル信号に相応して図示されている
。磁界が変えられると、格子間隔も変わるので、異なる波長の光線が光検出器20
に対して角度θで回折される。回折光線の検出輝度I(磁界Bの強度の関数とし
て)は、従って、Bとλの関係が、格子の式と回折角度θと既知の格子間隔Sの
関係に磁界Bの強度の関数として依存するので、対応する波長に変換できる。図
1のプロットで図示されるように、磁界Bの与えられた強度に於いて、異なる波
長の回折光線は、ピーク輝度Iを、角度θに離隔して固定された光検出器に於い
て生成する。輝度を既知の磁界強度に相応して対応することに依って、スペクト
ル分析器はスペクトル信号の波長を電気的に識別するように較正できる。
図2を見ると、スペクトル分析器10の1つの実施例が明確にするために単純に
して図示されていて、そこでは、平面を備えた磁化可能な薄膜12が与えられてい
る。可変自在の磁界Bは、格子間隔Sを備えた帯状領域段階格子の生成を意図さ
れた平面と一般的に平行の方向で膜12に印加される。磁界は、例えば、直列のコ
イルに流れる電流のように、通常の状態で生成できる。未知の波長を備えた好都
合に平行するスペクトル信号14は、格子の平面と平行に位置する偏光器16を介し
て格子の平面に一般的に直交して入射するように方向設定されている。対称して
相対する偏光器18を介して、第1次数の入射光線は、信号処理手段22に接続され
た光検出器20に対して角度θで回折される。スペクトル信号14は広い範囲または
選択された狭い範囲になる。偏光器の使用は、発明の実践にとって不可欠でない
が、格子に依って回折される異なる波長の光線のコントラストを改善するために
考えられた。指定の格子間隔Sを定める磁界Bの各々選択された強度に相応して
、スペクトル信号14は光検出器20に対して角度θで第1次数で回折される。光検
出器は、入射回折光線を、入射光線の輝度Iを表す電気信号に変換する。光検出
器20の輝度I信号は、信号処理手段22に送られて、与えられた磁界強度を生成す
るために用いられる既知の電流iと関係付けられる。磁界と輝度の
関係データは、例えば、異なる磁界強度で回折された波長の較正データを記憶す
るメモリに記憶されているルックアップ・テーブルを用いて、波長データに変換
される。
図3は、前述の輝度/波長を検出する方法を用いて、検出光線の成分波長を決
定する、センサ多重化解除装置24の実施例を示す。センサ24は、平らな薄膜の磁
化可能な格子12を、格子の相対する平らな側面で平行に位置するペアの偏光器16
と18と共に含んでいる。入射光線は光ファイバ26に依って照準レンズ28に案内さ
れる。電磁石30は、格子の平面と一般的に平行する磁界を生成するために格子12
の近くに位置している。電磁石30の電流は信号処理/制御手段34からの電流供給
ライン32に依って制御される。角度θで格子から回折された光線は、口径部36を
経由して、信号処理/制御手段34に接続された光検出器38に進む。前述のように
、磁界Bの強度が変えられるので、光線は、入力スペクトル信号の波長成分の関
数として角度θで第1次数で格子12に依って回折される。回折光線は口径部36を
経由して光検出器38に進み、それは入射回折光線の輝度を検出し且つ光線を電気
信号に変換する。光検出器出力は、信号処理手段34に依って受信されて、電磁石
30の既知の電流iと比較され、与えられた磁界Bの強度で回折された波長に適し
た較正値に整合されて、回折光線の波長を決定する。
図3を参照しながら説明された代表的な光学的スペクトル分析器は、図4に図
示される多重波長符号化センサ・アレイの信号の多重化を解除するために使用で
きる。多重光ファイバ・センサ40のアレイの各々は、例えば、狭い帯域の光信号
を、多重モード光ファイバ44に依って光ファイバ・センサ40に結合された光源42
の広帯域源スペクトルの部分の内部に生成する。多重光ファイバ・センサ40の出
力は、単一の多重モード光ファイバ46に再び結合されて、図3の分
析器のようなスペクトル分析器48に入力するために平行にされる。光ファイバ・
センサ40の各々の狭い帯域の信号の位置は、後で図6を参照しながら説明される
感知パラメータの測定を提供する。このような実施例は、多重光ファイバ・セン
サ40のアレイの各々の信号の同時検出と処理を提供する。
図5は、可変自在の磁界Bが環状リングの回折光線を生成するために格子12の
面に直交して印加される、スペクトル分析器50の別の実施例を示している。磁界
は膜の面と直交するので、磁気領域はランダムになり且つ螺旋構造になる傾向を
示す。これは円錐状の回折パターンを導き、回折は偏光器の使用を必要とせずに
行われる。分析器50の構成は図3と類似していて、格子12と大型光検出器54の間
に位置する空間フィルタ52が加えられている。前述のように、磁界Bは格子12の
面に直交して印加される。レンズ28に依って焦点が定められた光線は、格子12に
入射し且つ環状開口部56を具備する空間フィルタ52に円錐状回折パターンで回折
されて、光線は大型光検出器54に進む。この実施例の場合、格子の面に直交して
印加された磁界の僅かな変動は、与えられた波長に対して回折光線の半径に対応
する変動を導く結果になる。磁界は、空間フィルタ52の環状開口部を介して伝搬
される波長を調節するために低レベルでも調節できる。検出光線の波長は、この
実施例に依って前述と類似の状態で決定され、そこでは、空間フィルタ52の開口
部56を介して格子12に依って回折される光線の或る次数の輝度は、検出輝度値と
磁界の値を磁界強度に相応する波長の較正値に整合する信号処理手段に接続され
ている光検出器54に依って検出される。
本発明の別の形態に従って、格子の周囲の磁界を生成する磁気回路上で物理的
な作用に依って決定される角度と波長でFaraday格子から回折光線を生成する、
波長符号化光センサが与えられている。
格子間隔の関数として格子に依って回折される光線の波長は、式3の基本格子式
に依って定められる。
S[sinθi+sinθd]=mλここで、Sは格子間隔であり、θiは入射
角度であり、θdは回折角度であり、mは回折の次数であり、λは回折光線の波
長である。θi=θdでm=1の場合に、式4が導かれる。
帯状領域段階格子に対して、格子間隔は、印加される面内磁界Bの強度を変え
ると調節できる。磁界が対象とする物理的パラメータPに従って調節され、且つ
SとBおよびBとPの関係が既知の場合、対象とするパラメータは、回折光線の
波長λの単純な測定から求めることができる。このケースでは、式5が導かれる
。
S=S(B)=S(B[P])=S[P]
ここで、S(B)は磁界Bに対する格子間隔Sの依存性を示し、B[P]はパラ
メータPに依る磁界Bに対する影響を表しているので、式6が導かれる。
式6は、物理的パラメータが対応する調節磁界の制御のもとで調整格子間隔の
関数として波長符号化光信号に変換できることを示している。
図6を見ると、前述の原理で作動する波長符号化光センサ60の例が図示されて
いる。センサ60は薄膜の段階格子12の近くに位置する磁気回路62を含んでいるの
で、面内磁界Bは格子12の平面に平行に印加できる。磁気回路62は、ボディ65に
依って概略的に表される、対象とするパラメータが磁界特性に作用する、永久磁
石64を含んで
いるので、磁界Bの強度、格子の帯状領域の空間、従って、入射光線の回折の最
終的な角度を変えることができる。格子12は、偏光器68とレンズ70を介して入力
光ファイバ66に依って方向設定される光源で放射される。格子に依って回折され
た光線は、レンズ70に依って受信され、分析器69を介して、出力光ファイバ72の
平行構成に送られ、更なる処理装置74に送られる。このような実施例の場合、広
帯域光源からの光線は、光ファイバ66に依って偏光器68と照準レンズ70に送られ
、第1次数の回折光線がレンズ70且つ第2偏光器69を介して戻るように選択され
た角度で格子上に入射され、プロセッサ74に伝搬するためにファイバ72の出力に
光学的に結合される。回折された狭い帯域の信号の波長は、本発明に従うスペク
トル分析器のようなプロセッサが、式6に従って対象とするパラメータの強度を
決定することを可能にする。
図6を更に見ると、このような波長符号化光センサを使用する更に特殊な例が
、ボディ65に依って概略的に表される強磁性体物体の位置または近似センサとし
て存在する。ボディ65は永久回路磁石64から距離d1に位置しているので、対応
する磁界Bは、入射光線の回折角度θで回折された波長λ1になる、格子12の格
子間隔S1を生成する強度になる。ボディ65が強度d2で第2の位置にある時に、
永久磁石64に対するボディ65の強磁性体の作用は、格子12の周囲の磁界Bの強度
を変えて、回折角度θで回折される波長λ2になる第2の格子間隔S2を導く。角
度θで回折された光線の波長は、式6に依って対象とするパラメータの特性の強
度を決定するために、スペクトル分析器のようなプロセッサ74に依って決定でき
る。
センサとして、発明は、もちろん、図6の特殊な実施例に限定されない。或る
代替変形と応用事例は、反射モードよりむしろ伝搬に、ボディ65に依って表され
る対象とするパラメータとして移動する
磁石の活用に、磁気回路62に永久磁石64を使用せずに可変自在の磁界を検出する
センサの活用に於いて、センサの動作を含んでいる。センサとして実施されてい
る発明の更なる特徴と長所は、波長の符号化と、光源変動に対する相対的な解消
性と、磁界を調整して格子間隔に関与できる任意の物理的パラメータを感知する
機能を含んでいる。本発明に依って測定できる一部のパラメータに関して記載さ
れていないリストとして、磁界、電界、線形変位、回転変位、圧力、応力、歪み
、温度がある。
発明は其の好適な実施例に関連して説明されてきたが、その種々の変更は、明
細書を読むと当業者に明らかになると理解される。従って、ここで開示された発
明は、添付の特許請求の範囲に属するこのような変更も対象とすることを意図さ
れることが理解される。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.スペクトル信号の少なくとも1つの波長を検出する光学的波長検出器であ って、 可変自在の磁界を生成し制御する手段と、 前記の磁界の関数である格子間隔を有する段階格子と、 前記の磁界が変化されるように、前記の格子にスペクトル信号を放射する手段 を搭載する、前記の検出器。 2.前記の磁界は前記の格子の平面と平行する方向で前記の格子に印加される 請求の範囲第1項に記載の検出器。 3.前記の格子に依って回折された前記のスペクトル信号の部分を検出する手 段を更に含んでいる請求の範囲第1項に記載の検出器。 4.検出する前記の手段は前記の格子に対して固定された角度で位置する請求 の範囲第3項に記載の検出器。 5.前記の磁界の強度は予め設定された方法で調整される請求の範囲第1項に 記載の検出器。 6.前記のスペクトル信号は光ファイバ手段に依って前記の格子上に放射され る請求の範囲第1項に記載の検出器。 7.前記の格子とスペクトル信号入力の間で照準レンズと前記の格子の相対す る平面と一般的に平行に位置する偏光器を更に含んでいる請求の範囲第1項に記 載の検出器。 8.前記のスペクトル信号の部分を検出する前記の手段は光電装置を搭載して いる請求の範囲第3項に記載の検出器。 9.前記の光電装置は、回折された信号の輝度の検出値と、前記の磁界を生成 する前記の手段に対する電流の値を比較する、信号処理/制御手段に接続されて いる、請求の範囲第8項に記載の検出器 。 10.前記の信号処理/制御手段は、格子間隔を変えるために前記の格子周囲の 前記の印加された磁界を可変自在に制御する請求の範囲第9項に記載の検出器。 11.前記のスペクトル信号入力の各々に対応して前記の信号処理手段から出力 信号を受信するために、前記の検出器と多重化解除回路に対する多重スペクトル 信号入力を更に含んでいる、請求の範囲第9項に記載の検出器。 12.波長符号化センサであって、 物理的パラメータに依って調整できる磁界を生成する手段と、 前記の磁界の関数である段階格子を形成する磁化可能薄膜と、 前記の格子に依って回折された光線が前記の物理的パラメータに対応する波長 特性を有するように、光線を前記の格子に放射する手段を搭載する、前記の波長 符号化センサ。 13.前記の磁界は前記の格子の平面と平行する方向で生成される請求の範囲第 12項に記載のセンサ。 14.前記の格子周囲の前記の磁界は少なくとも1つの永久磁石を具備する磁気 回路に依って与えられる請求の範囲第12項に記載のセンサ。 15.前記の格子を放射する前記の手段は少なくとも1つの光ファイバと偏光器 とレンズを更に含んでいる請求の範囲第12項に記載のセンサ。 16.前記の格子から回折された光線を検出する手段を更に含んでいる請求の範 囲第12項に記載のセンサ。 17.スペクトル波長分析の方法であって、 前記の磁界の関数である間隔を有する回折格子を形成するために、薄膜の磁化 可能な段階格子の周囲に可変自在の磁界を生成し且つ 制御し、 前記の格子間隔の関数として光線を回折するために、スペクトル信号を前記の 格子に放射し、 前記の回折光線の部分を検出する、ステップを搭載する前記の方法。 18.前記の回折光線の検出輝度と前記の可変自在の磁界を比較するステップを 更に含んでいる請求の範囲第17項に記載の方法。 19.前記の格子の平面と平行する方向で前記の磁界を生成するステップを更に 含んでいる請求の範囲第17項に記載の方法。 20.前記の格子の相対する平面と平行に且つ前記のスペクトル信号の入射角度 と直交して偏光器の位置を設定するステップを更に含んでいる請求の範囲第17項 に記載の方法。 21.物理的パラメータを感知する方法であって、 磁界の関数である格子間隔を形成するために、薄膜の磁化可能な格子の周囲に 前記磁界を生成し、 波長依存性回折パターンを生成するために、スペクトル信号を前記の格子に放 射し、 前記の回折パターンが前記のパラメータに対応するように、前記の磁界を物理 的パラメータに対応して調整する、ステップを搭載する前記の方法。 22.前記の格子周囲の前記の磁界は永久磁石を具備する磁気回路に依って生成 される請求の範囲第21項に記載の方法。 23.前記の物理的パラメータは前記の永久磁石の磁束を調節する請求の範囲第 22項に記載の方法。 24.少なくとも1つの光ファイバからの広帯域スペクトル信号を前記の格子に 放射するステップを更に含んでいる請求の範囲第21項に記載の方法。 25.前記の格子から回折された光線を受信するステップを更に含んでいる請求 の範囲第21項に記載の方法。 26.光電装置に依って前記の格子から回折された光線を検出するステップを更 に含んでいる請求の範囲第25項に記載の方法。 27.波長符号化光信号を処理する装置であって、 磁界の関数である回折格子を形成するために、磁化可能な材料の薄膜を具備す るボディに印加される前記可変自在の磁界と、 前記の格子に入射する光線の光源と、 前記の格子に依って回折された光線を検出する手段を搭載し、 前記の回折光線は前記の回折光線の波長と前記の可変自在の磁界の間の関係を 特徴にする、前記の装置。 28.前記の装置はスペクトル分析器として用いられる請求の範囲第27項に記載 の装置。 29.前記の装置は波長符号化センサとして用いられる請求の範囲第28項に記載 の装置。
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