KR20240049353A - 광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출 - Google Patents

광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출 Download PDF

Info

Publication number
KR20240049353A
KR20240049353A KR1020247009853A KR20247009853A KR20240049353A KR 20240049353 A KR20240049353 A KR 20240049353A KR 1020247009853 A KR1020247009853 A KR 1020247009853A KR 20247009853 A KR20247009853 A KR 20247009853A KR 20240049353 A KR20240049353 A KR 20240049353A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensor
signal
optical
optical sensor
physical
Prior art date
Application number
KR1020247009853A
Other languages
English (en)
Inventor
단화 자오
쟝강 주
란 양
존 매튜 총
Original Assignee
딥사이트 테크놀로지 인코퍼레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 딥사이트 테크놀로지 인코퍼레이티드 filed Critical 딥사이트 테크놀로지 인코퍼레이티드
Publication of KR20240049353A publication Critical patent/KR20240049353A/ko

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4836—Diagnosis combined with treatment in closed-loop systems or methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
    • A61B2560/02—Operational features
    • A61B2560/0242—Operational features adapted to measure environmental factors, e.g. temperature, pollution
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6885—Monitoring or controlling sensor contact pressure

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

다수의 물리적 특징을 검출하기 위한 시스템 및 방법이 본 명세서에 설명되어 있다. 방법은 측정 영역에 근접한 단일 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하는 단계, 센서 신호로부터 복수의 센서 응답을 결정하는 단계, 및 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 측정 신호의 각각은 측정 영역의 상이한 개별의 물리적 신호에 대응할 수 있다.

Description

광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 8월 24일에 출원된, 미국 가출원 번호 제 62,236,610호의 이익을 주장하며, 그의 내용은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
기술 분야
본 명세서의 디바이스, 시스템 및 방법은 광학 센서에 관한 것이다.
많은 애플리케이션에서, 다수의 종류의 물리적 파라미터를 검출하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 의료 기술 분야에서, 다중의 상이한 물리적 파라미터(예를 들어, 실시간으로 동시에 또는 거의 실시간으로)를 감지할 수 있는 센서를 갖는 의료 디바이스를 갖는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 심혈관 시술(cardiovascular procedure)용 절제 카테터(ablation catheter)는 치료되는 조직의 온도를 측정하는 온도 센서(temperature sensor)와 심장 절제 중에 동맥 벽에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서(force sensor)를 포함할 수 있다. 다양하고 상이한 종류의 파라미터를 모니터링하기 위해 다수의 종류의 센서를 단일 디바이스에 함께 통합하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 디바이스의 원하는 폼 팩터(form factor)에 다수의 센서를 장착하는 것이 더 어려울 수 있기 때문에, 추가 센서를 포함하는 것은 더 어려울 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 더 많은 센서의 포함은 상이한 센서의 각각의 적절한 기능을 가능하게 하는 추가 컴포넌트(예를 들어, 기계, 전기, 전력) 및 연결을 수용하는 데 더 많은 어려움들을 제기할 수 있다. 따라서, 복수의 물리적 파라미터를 감지하도록 구성된 광학 센서를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
광학 센서를 이용한 다차원 감지 방법 및 시스템이 본 명세서에 설명되어 있다. 일부 변형에서, 다차원 감지 방법은 측정 영역에 근접한 단일 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하는 단계, 센서 신호로부터 복수의 센서 응답을 결정하는 단계 및 상기 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 측정 신호는 측정 영역의 서로 다른 물리적 신호에 대응할 수 있다.
일부 변형에서, 복수의 센서 응답 중 센서 응답은 모드 시프트, 베이스라인 드리프트, 모드 분할, 모드 확장 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답은 공진 주파수, 깊이 변화, 형상 변화, 또는 이들의 조합 중 하나 이상의 변화를 포함하는 모드 시프트일 수 있다. 일부 변형에서, 환경의 물리적 신호는 환경의 온도, 압력 및 음파 중 적어도 2개일 수 있다.
일부 변형에서, 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 제1 기간 동안 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 센서 응답에 기초하여 제1 기간에 대한 제1 측정 신호가 생성될 수 있다. 복수의 센서 응답 중 제2 센서 응답은 제2 기간 동안 분석될 수 있다. 제2 센서의 반응에 기초하여 제2 기간에 대한 제2 측정 신호가 생성될 수 있다. 일부 변형에서, 방법은 제3 기간 동안 제3 센서 응답을 분석하고, 제3 센서 응답에 기초하여 제3 기간 동안 제3 측정 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 제1 응답은 모드 시프트를 포함할 수 있고, 제1 측정 신호는 온도에 대응할 수 있다. 제2 센서 응답은 베이스라인 시프트를 포함할 수 있고, 제2 측정 신호는 압력에 대응할 수 있다.
일부 변형에서, 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 목표 물리적 신호에 기초하여 환경을 선택적으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 목표 물리적 신호와 다른 물리적 신호 중 하나 이상을 억제하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 하나 이상의 물리적 신호를 억제하는 단계는 목표 물리적 신호와 다른 하나 이상의 물리적 신호가 광학 센서의 제1 감도 신호 영역 내에 있도록 환경을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 하나 이상의 물리적 신호를 억제하는 단계는 환경의 온도, 압력 및 음향 특성 중 적어도 하나를 수정하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 목표 물리적 신호에 대한 광학 센서의 감도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서의 감도를 증가시키는 단계는 목표 물리적 신호가 제1 감도 신호 영역과 다른 광 센서의 제2 감도 신호 영역 내에 있도록 센서의 환경을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 감도 신호 영역은 제1 감도 신호 영역보다 높을 수 있다. 일부 변형에서, 감도를 증가시키는 단계는 제1 감도 신호 영역과 관련된 제1 기간 동안 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 분석하고 목표 물리적 신호에 대응하는 제1 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 제1 물리적 신호와 연관시키고 복수의 센서 응답 중 제2 센서 응답을 제2 물리적 신호와 연관시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 신호 변환 함수를 복수의 센서 응답에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 신호 변환 함수는 신호 변환 행렬을 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서는 광학 센서의 어레이의 제1 광학 센서를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 센서 신호는 제1 센서 신호를 포함할 수 있고, 복수의 센서 응답은 제1 복수의 센서 응답을 포함할 수 있고, 방법은 광학 센서의 어레이의 제2 광학 센서로부터 제2 센서 신호를 수신하는 단계, 제2 광학 센서로부터의 복수의 제2 센서 응답을 결정하는 단계, 및 제1 물리적 신호를 나타내는 제1 측정 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 측정 신호는 제1 광학 센서에 대한 제1 복수의 센서 응답, 제2 광학 센서에 대한 제2 복수의 센서 응답 및 제1 물리적 신호 및 제2 물리적 신호에 대한 제1 및 제2 광 센서의 감도에 기초할 수 있다.
일부 변형에서, 복수의 측정 신호는 기준 센서로부터의 기준 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 생성될 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 간섭 기반 광학 센서를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 광학 공진기 또는 광학 간섭계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 마이크로버블 광학 공진기, 마이크로구체 공진기, 마이크로 토로이드 공진기, 마이크로 링 공진기, 마이크로 디스크 광학 공진기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 측정 영역의 다차원 감지를 위한 시스템이 본 명세서에 설명되어 있다. 시스템은 광학 센서와 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 신호 프로세서는 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하고, 센서 신호로부터 복수의 센서 응답을 결정하고, 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 각각의 측정 신호는 측정 영역의 서로 다른 물리적 신호에 대응할 수 있다.
일부 변형에서, 복수의 센서 응답 중 센서 응답은 모드 시프트, 베이스라인 드리프트, 모드 분할, 모드 확장 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답은 공진 주파수의 변화, 깊이의 변화, 형상의 변화, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함하는 모드 시프트일 수 있다.
일부 변형에서, 환경의 물리적 신호는 환경의 온도, 압력 및 음파 중 둘 이상을 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 간섭 기반 광학 센서를 포함할 수 있습니다. 일부 변형에서, 광학 센서는 광학 공진기 또는 광학 간섭계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 마이크로버블 공진기, 마이크로구체 공진기, 마이크로토로이드 공진기, 마이크로링 공진기, 마이크로병 공진기, 마이크로실린더, 또는 마이크로디스크 광학 공진기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 원형, 레이스트랙 및 타원의 단면 형상 중 하나 이상을 포함하는 마이크로링 공진기를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서는 광학 센서의 어레이의 제1 광학 센서를 포함할 수 있고, 시스템은 광학 센서의 어레이를 더 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서의 어레이는 제2 광학 센서를 포함할 수 있다. 제1 광학 센서는 제2 광학 센서보다 제1 물리적 신호에 대해 더 높은 감도를 가질 수 있고, 제2 광학 센서는 제1 광학 센서보다 제2 물리적 신호에 대해 더 높은 감도를 가질 수 있다. 제1 및 제2 물리적 신호는 서로 다를 수 있다.
일부 변형에서, 제1 광학 센서의 환경은 제1 물리적 신호를 향상시키도록 구성될 수 있거나, 제2 광학 센서의 환경은 제1 물리적 신호를 억제하도록 구성될 수 있거나, 둘 모두일 수 있다. 일부 변형에서, 제1 광학 센서의 환경은 제2 물리적 신호를 억제하도록 구성될 수 있거나, 제2 광 센서의 환경은 제2 물리적 신호를 향상시키도록 구성될 수 있으며, 또는 둘 모두일 수 있다. 일부 변형에서, 시스템은 측정 영역의 물리적 신호 중 하나 이상에 대응하는 기준 신호를 제공하도록 구성된 기준 센서를 더 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 기준 센서는 광학 센서를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 기준 센서는 비광학 센서를 포함할 수 있다.
도 1은 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 마이크로구체 공진기(microsphere resonator)의 예시적인 변형을 묘사한다.
도 2는 온도 및 압력과 같은 물리적 신호를 측정하도록 구성된 광학 센서를 포함하는 시스템의 예시적인 변형의 개략적인 블록도이다.
도 3은 복수의 물리적 신호를 감지하기 위한 시스템의 예시적인 변형의 개략적인 블록도이다.
도 4는 단일 광학 센서를 사용하여 복수의 물리적 신호를 감지하는 방법의 예시적인 변형의 흐름도이다.
도 5는 복수의 물리적 신호를 감지하기 위한 광학 센서의 예시적인 변형의 개략도이다.
도 6a내지6c는 광학 센서에 근접한 측정 영역에서의, 공칭 조건(nominal condition), 압력 변화 및 온도 변화에 개별적으로 응답하는 예시적인 광학 센서 신호를 묘사한다.
도 7a는 민감한 영역에 대한 센서 응답 곡선(sensor response curve)을 도시하는 예시적인 플롯이다.
도 7b는 둔감한 영역을 갖는 센서 응답 곡선을 도시하는 예시적인 플롯이다.
도 8은 센서에 의해 검출된 개별의 물리적 신호를 디커플링(decoupling)함으로써 다차원 감지를 수행하기 위한 시스템의 예시적인 변형의 개략적인 블록도이다.
도 9는 광학 센서의 환경을 변경함으로써 광학 센서에 의해 검출된 개별의 물리적 신호를 디커플링함으로써 다차원 감지를 수행하기 위한 시스템의 예시적인 변형의 개략적인 블록도이다.
도 10은 센서의 감도를 조정하기 위해 센서의 환경을 변경하도록 구성된 시스템의 예시적인 변형의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 11은 센서에 의해 검출된 복수의 물리적 신호를 구별함으로써 다차원 감지를 수행하기 위한 시스템의 예시적인 변형의 개략도이다.
도 12는 센서의 복수의 센서 응답을 조합함으로써 다차원 감지를 수행하기 위한 시스템의 예시적인 변형의 개략도이다.
본 발명의 다양한 양태 및 변형의 비제한적인 예는 본 명세서에 설명되어 있으며 첨부 도면에 예시되어 있다.
본 명세서에는 복수의 물리적 신호(예를 들어, 온도, 압력)를 감지(예를 들어, 검출, 측정, 결정)하기 위한 시스템 및 방법이 설명되어 있다. 예를 들어, 단일 광학 센서는 예를 들어, 단일 센서를 사용하여 실질적으로 동시에 복수의 물리적 신호의 정확한 측정을 가능하게 할 수 있는 복수의 물리적 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 물리적 신호는 물리적 시스템의 상태와 연관된 물리적 속성 또는 특성에 대응할 수 있다.
복수의 물리적 신호를 측정하도록 구성된 센서는 다양한 애플리케이션들에 대한 분야에 유용할 수 있다. 예를 들어, 심혈관 치료, 심혈관 모니터링 및 진단, 환자 모니터링 및 진단, 수술 치료 등과 같은 일부 의료 디바이스는 하나 이상의 물리적 신호의 검출을 요구할 수 있다. 마찬가지로, 소비자(예를 들어, 스마트 홈), 조직(예를 들어, 의료, 운송) 및 산업(예를 들어, 제조)에 애플리케이션을 갖는 사물 인터넷(IoT) 디바이스는 종종 하나 이상의 물리적 신호의 측정을 요구한다.
전통적으로, 디바이스 및 시스템은 다양한 물리적 신호를 검출하기 위해 다수의 상이한 센서를 통합하며, 여기서 각 센서는 별도의 개별의 물리적 신호를 검출하도록 구성된다. 예를 들어, 디바이스는 온도를 측정하는 온도 센서와 압력을 측정하는 별도의 압력 센서를 통합시킬 수 있다. 그러나, 상이한 물리적 신호를 검출하기 위해 별도의 센서를 갖는 것은 별도의 센서가 패키징을 위해 더 많은 물리적 체적을 요구하고 별도의 전자기기 및 연결을 필요로 할 수 있으므로 디바이스가 더 커지거나 및/또는 설계 문제들을 제기할 수 있다. 별도의 센서를 갖는 것은 손상 및 고장에 취약할 수 있는 추가 컴포넌트가 있으므로 디바이스의 신뢰성이 떨어질 수도 있다.
따라서, 디바이스 또는 시스템이 다차원 감지를 수행할 수 있는(예를 들어, 실시간으로 또는 거의 실시간으로 실질적으로 동시에 복수의 상이한 물리적 신호를 측정할 수 있는) 단일 센서를 갖는 것이 유리할 수 있다. 이러한 다차원 감지를 위한 시스템 및 방법이 본 명세서에 설명되어 있다. 이는 디바이스 및/또는 시스템의 크기, 에너지 요구사항, 신호 간섭 및 비용 중 하나 이상을 감소시킬 수 있다.
광학 센서 시스템
복수의 물리적 신호를 측정하도록 구성된 광학 센서 시스템은 하나 이상의 광학 센서를 일반적으로 포함할 수 있고 여기서 광학 센서(예를 들어, 단일 센서)는 모드 시프트(mode shift)(예를 들어, 주파수, 깊이, 반응 모양의 변화), 베이스라인 드리프트, 모드 분할 및 모드 확장과 같은 센서 응답을 분석함으로써 온도, 압력, 음파 등과 같은, 다수의 물리적 신호를 검출하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 광학 센서는 유리하게도 종래의 센서에 비해 높은 감도와 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서는 광학 간섭계(optical interferometer), 광학 공진기 등과 같은, 간섭-기반 광학 센서를 포함할 수 있다. 광학 간섭계의 예는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 파브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계, 사냑(Sagnac) 간섭계 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마하-젠더 간섭계는 2개의 거의 동일한 광학 경로(예를 들어, 섬유, 온-칩 실리콘 도파관)를 포함할 수 있다. 2개의 광학 경로는 음파의 존재 또는 크기를 검출하기 위해 마하-젠더 간섭계의 출력(들)에 광학 전력을 분배하도록 구성된 미세하게 조정된 음파(예를 들어, 음파로 인한 물리적 움직임, 음파로 인한 굴절률의 조정에 의해)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 광학 공진기는 미리 결정된 주파수의 광의 세트가 폐쇄된 루프(closed loop) 내에서 연속적으로 전파되도록 하고, 폐쇄된 루프에 미리 결정된 주파수의 광의 광학 에너지를 저장하도록 허용하는 폐쇄된 루프 투명 매체(transparent medium)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 공진기는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함할 수 있고, 여기서 WGM 공진기는 공진기의 원주를 따라 순환하는 미리 결정된 주파수에 대응하는 광학 공진기의 오목 표면을 이동하는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM)들(예를 들어, 파동)의 전파를 허용하도록 구성될 수 있다. WGM 공진기의 각 모드는 미리 결정된 주파수의 광으로부터 광의 주파수의 전파에 대응할 수 있다. 미리 결정된 주파수의 광과 광학 공진기의 품질 인자(quality factor)는 광학 공진기의 기하학적 파라미터의 세트, 투명 매체의 굴절률 및 광학 공진기를 둘러싸는 환경의 굴절률 세트에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.
일부 변형에서, WGM 공진기는 실질적으로 만곡된 부분(curved portion)(예를 들어, 구형 부분, 토로이드-형상(toroid-shaped) 부분, 링-형상(ring-shaped) 부분)을 포함할 수 있다. 실질적으로 만곡된 부분은 스템 부분에 의해 지지(예를 들어, 결합, 부착, 통합)될 수 있다. WGM 공진기의 형상(예를 들어, WGM 공진기의 실질적으로 만곡된 부분의 형상)은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 예를 들어, WGM 공진기의 형상은 구형(즉, 고체 구), 기포 형상(즉, 공동(cavity)이 있는 구형 형상), 원통형, 타원형, 링, 디스크, 토로이드 등일 수 있다. WGM 공진기의 일부 비제한적인 예는 마이크로링 공진기(예를 들어, 원형 마이크로링 공진기, 레이스트랙, 타원의 형상을 갖는 공진기와 같은 비원형 마이크로링 공진기), 마이크로병 공진기, 마이크로버블 공진기, 마이크로구체 공진기, 마이크로실린더 공진기, 마이크로디스크 공진기, 마이크로토로이드 공진기, 이들의 조합 등을 포함한다.
도 1은 WGM 마이크로구체 공진기(102)의 예시적인 변형이다. WGM 마이크로구체 공진기(102)는 실질적으로 만곡된 부분(102a)(예를 들어, 구형 부분)을 포함할 수 있다. 실질적으로 만곡된 부분(102a)은 스템 부분(102b)에 의해 지지될 수 있다. 일부 변형에서, WGM 마이크로구체 공진기(102)의 실질적으로 만곡된 부분(102a)은 WGM 마이크로구체 공진기(102)의 스템 부분(102b)의 단부에 결합되거나 통합될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, WGM 마이크로구체 공진기(102)는 미리 결정된 광의 주파수의 세트를 포획(예를 들어, 보유(hold), 포착, 유지(retain))하도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 광의 주파수의 세트는 WGM 마이크로구체 공진기(102)의 실질적으로 만곡된 부분(102a)에서 순환하도록 구성될 수 있고, 이에 따라 WGM 마이크로구체 공진기(102)의 표면을 따라(예를 들어, 실질적으로 만곡된 부분(102a)의 원주를 따라) 위스퍼링 갤러리 모드의 전파를 허용한다. 일부 변형에서, WGM 마이크로구체 공진기(102)에 의해 전파된 WGM의 각 세트는 WGM 마이크로구체 공진기(102) 내의 하나 이상의 평면에 국한될 수 있다.
도 1에 도시된 WGM 마이크로구체 공진기는 구형 형상을 갖지만, 실질적으로 만곡된 부분(102a)은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 일반적으로, WGM 공진기(102)의 하나 이상의 성능 특성은 그 형상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 더 구형인 마이크로구체는 WGM 공진기 내에 WGM을 국한시키는 데 더 효과적일 수 있다. WGM 마이크로구체 공진기(102)의 일부 적합한 변형은 타원형(예를 들어, 약 0과 약 0.9 사이와 같은, 일부의 편심을 가짐)일 수 있으며, 본 명세서에 설명된 바와 같다.
광학 센서를 사용하여 효율적으로 광을 감지하기 위해서, 입사 광과 공진 광 사이의 위상 정합(phase matching)이 요구될 수 있다. 일부 변형들에서, 위상 정합을 제공하도록 구성된 광학 도파관은 광을 광학 센서에 커플링하는 데 사용할 수 있다. 광학 도파관은 광학 센서의 감지 능력을 효율적으로 활용할 수 있는 제어 가능하고 견고한 광을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 일부 변형에서, 센서 시스템은 적어도 하나의 광학 도파관 및 하나 이상의 광학 센서를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 광학 도파관 및 광학 센서의 적어도 부분은 폴리머(polymer) 구조에 내장될 수 있고, 이에 따라 광학 도파관 및 광 센서를 캡슐화(encapsulating)할 수 있다. 폴리머 구조는 광학 센서가 특히 깨지기 쉽고 물리적 손상에 취약할 수 있는 물리적 손상으로부터 광학 센서 및 광학 도파관을 보호할 수 있다. 일부 변형에서, 폴리머 구조의 유효 굴절률은 광학 센서의 유효 굴절률보다 낮을 수 있다. 이는 패키징된 광학 센서가 광범위한 주파수에 반응하도록 허용할 수 있다.
다차원 감지에 사용될 수 있는 광학 시스템(예를 들어, 광학 센서의 유형, 광학 센서의 제조 및 패키징)의 추가 예는 국제 특허 출원 번호 PCT/US2020/064094, 국제 특허 출원 번호 PCT/US2021/022412 및 국제 특허 출원 번호 PCT/US2021/039551에 설명되어 있고, 이들의 각각은 참조로 본 명세서에 포함된다.
도 2는 복수의 물리적 신호를 감지하기 위한 시스템(200)의 예시적인 변형의 개략도이다. 시스템(200)은 광학 센서(202), 광학 도파관(204), 광원(206), 광검출기(photodetector)(208), 온도 프로세서(210), 압력 프로세서(212) 및 선택적 디스플레이(214)를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서(202)는 측정 영역 내에서 또는 그에 근접한 온도 및 압력과 같은, 복수의 물리적 신호를 측정하도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 센서(202)(예를 들어, WGM 공진기와 같은 광학 공진기)는 하나 이상의 광학 도파관(204)(예를 들어, 광학 섬유, 슬래브 도파관)을 통해 광원(206)(예를 들어, 레이저) 및 광검출기(208)(예를 들어, 광학 검출기, 광전자 방출)에 광학적으로 커플링(예를 들어, 광학 통신)되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(206)은 광학 도파관(204)을 통해 광학 센서(202)에 광을 송신하도록 구성될 수 있다. 광검출기(208)는 광학 도파관(204)을 통해 광학 센서(202)로부터 변조된 광 신호를 수신하고 광학 센서(202)로부터 수신된 광학 신호(예를 들어, 센서 신호)를 전기 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 광검출기(208)는 광검출기(208)(예를 들어, 온도 데이터를 결정하기 위한 온도 프로세서(210), 압력 데이터를 결정하기 위한 압력 프로세서(212))로부터의 전기 신호로부터 복수의 센서 응답(예를 들어, 측정 데이터)을 결정하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 프로세서(들)는 디스플레이(214), 메모리 디바이스(미도시) 등과 같은 데이터를 처리하기 위한 컴포넌트(예를 들어, 입력/출력 디바이스)에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서(202)는 전술한 것과 같은 임의의 적합한 광학 센서(예를 들어, WGM을 전파하도록 구성된 WGM 공진기)를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서(202)는 예를 들어, 약 200mm 미만의 직경을 포함할 수 있다.
단일 광학 센서(202)가 도 2에 도시되어 있지만, 일부 변형에서, 시스템(200)이 광학 센서 어레이를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 하고, 여기서 광학 센서(202) 중 적어도 하나는 복수의 물리적 신호에 대응하는 복수의 측정 신호를 생성하는 데 사용되는 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 따라서, 어레이가 다수의 광학 센서를 포함할 수 있지만, 어레이 내의 각각의(또는 적어도 하나의) 광학 센서는 복수의 물리적 신호를 측정할 수 있는 다차원 센서로서, 어레이 내의 다른 광학 센서와 독립적으로 및 단독으로 기능할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(206)은 광학 센서에 광을 송신하도록 구성될 수 있다. 광원(206)은 예를 들어, 광학 섬유와 같은 광학 도파관을 통해 센서에 연속파 또는 펄스형 레이저 에너지를 방출하는 레이저를 포함할 수 있다. 광학 센서가 WGM 공진기인 변형에서, 광원(206)으로부터의 광은 WGM 공진기 원주의 표면(예를 들어, 벽) 주위로 WGM의 제1 세트를 전파할 수 있다. WGM의 제1 세트의 전파는 WGM의 공진 주파수의 제1 세트에 대응하는 광학 신호의 제1 세트의 생성을 초래할 수 있다. WGM 공진기에 가까운 측정 영역의 온도 및/또는 압력이 변경됨에 따라, WGM 공진기의 반경 및/또는 굴절률 및/또는 WGM 공진기에 근접한 환경의 굴절률에 대한 일련의 변화가 유도될 수 있다. 일부 변형에서, 변경의 이러한 세트가 WGM 공진기 원주의 벽 주위에 WGM의 제2 세트를 전파할 수 있다. WGM의 제2 세트의 전파는 WGM의 공진 주파수의 제2 세트에 대응하는 광학 신호의 제2 세트의 생성을 초래할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 신호의 제1 세트 및 광학 신호의 제2 세트는 광학 도파관(204)에서 광검출기(208)로 전파되도록 구성될 수 있으며, 그 다음 이는 광학 신호를 센서 응답으로 처리한다(예를 들어, 광학 신호의 제1 세트를 전기 신호의 제1 세트로 변환하고, 광학 신호의 제2 세트를 전기 신호의 제2 세트로 변환한다).
일부 변형에서, 광검출기(208)는 센서 신호(예를 들어, 광검출기(208)로부터의 전기 신호)로부터 결정된 복수의 센서 응답에 기초하여, 복수의 물리적 신호에 대응하는 측정 신호를 생성하도록 구성된 하나 이상의 프로세서에 결합될 수 있다. 일부 변형에서, 프로세서 중 하나 이상은 도 3과 관련하여 아래에 설명된 것과 같은 신호 프로세서(signal processor)의 일부일 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 광검출기(208)는 온도 프로세서(210) 및 압력 프로세서(212)에 결합될 수 있다. 온도 프로세서(210)는 전기 신호의 제1 세트 및/또는 전기 신호의 제2 세트(예를 들어, 센서 신호)로부터 결정된 하나 이상의 센서 응답을 특성화하고 온도에 대응하는 측정 신호(들)를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 온도 프로세서(210)는 전기 신호의 제1 및 제2 세트 중 센서 응답에 기초하여 온도의 변화 및/또는 온도의 절대값을 나타내는 측정 신호(들)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 모드 시프트(예를 들어, 광학 신호의 제1 세트 내에 WGM의 공진 주파수의 제1 세트에서 광학 신호의 제2 세트 내에 WGM의 공진 주파수의 제2 세트로의 변화)는 측정 영역의 온도에 대응하거나 이를 나타낼 수 있다. 따라서, 온도 프로세서(210)는 모드 시프트를 분석함으로써 측정 영역의 온도 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 베이스라인 드리프트(예를 들어, 광학 신호의 제1 세트의 베이스라인 신호 값(들)에서 광학 신호의 제2 세트에 대한 변경)는 측정 영역의 압력에 대응하거나 이를 나타낼 수 있다. 따라서, 압력 프로세서(212)는 기준선 드리프트를 분석함으로써 측정 영역의 압력 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 모드 시프트는 공진 주파수의 시프트를 포함할 수 있다. 그러나, 모드 시프트는 주파수의 시프트, 파고(wave height)의 시프트(예를 들어, 깊이 변화), 파동 형상의 시프트(예를 들어, 형상 변화) 중 하나 이상을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
일부 변형에서, 복수의 물리적 신호(예를 들어, 온도 정보 및 압력 정보)에 대응하는 복수의 측정 신호는 예를 들어, 측정 영역의 실시간 모니터링을 위해 디스플레이(214)로 송신될 수 있다. 일부 변형에서, 디스플레이(214)는 대화형 사용자 인터페이스(예를 들어, 터치 스크린)를 포함할 수 있고 커맨드의 세트(예를 들어, 일시 중지, 재개 등)를 광원(206)에 송신하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 시스템(200)은 시스템(200)에 정보를 입력하거나 시스템(200)으로부터 정보를 출력하도록 구성된 보조 디바이스의 세트(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 보조 디바이스의 세트는 키보드, 마우스, 모니터, 웹캠, 마이크, 터치 스크린, 프린터, 스캐너, 가상 현실(VR) 헤드-마운트 디스플레이, 조이스틱, 생체 인식 리더기 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 변형에서, 시스템(200)은 하나 이상의 저장 디바이스(예를 들어, 로컬 또는 원격 메모리 디바이스(들))를 포함하거나 이에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
도 2는 2개의 개별 프로세서(즉, 온도를 측정하기 위한 온도 프로세서(210) 및 압력을 측정하기 위한 압력 프로세서(212))를 예시하지만, 일부 변형에서 단일 프로세서가 온도 정보 및 압력 정보를 추출하는 데 사용될 수 있다는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 더욱이, 일부 변형에서 다수의 프로세서는 온도 정보를 추출하는 데 사용될 수 있고 및/또는 다수의 프로세서가 압력 정보를 추출하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 상이한 측정 신호를 평균화할 목적으로). 즉, 측정된 물리적 신호에 대해 n:m 비율의 프로세서일 수 있으며 여기서 n은 m과 같거나, n은 m보다 작거나 또는 n은 m보다 크다. 또한, 프로세서(들)는 상이한 물리적 신호에 대응하는 다른 종류의 측정 데이터를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 변형에서 제3 프로세서(미도시)는 음파(예를 들어, 초음파 이미징)에 대응하는 센서 응답으로부터 측정 데이터를 결정하도록 구성될 수 있다.
도 3은 복수의 물리적 신호를 감지하기 위한 시스템(300)의 예시적인 변형의 개략도이다. 일부 변형에서, 시스템(300)은 광학 센서(302)에 근접한 측정 영역(316)를 포함하는 광학 센서(302)(예를 들어, WGM 공진기) 및 신호 프로세서(312)를 포함할 수 있다. 광학 센서(302)는 도 2와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 광검출기(도 3에 미도시)를 통해 신호 프로세서(312)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 전술한 것과 유사하게, 광학 센서(302)는 광학 검출기에 광학적으로 결합될 수 있다. 차례로 광학 검출기는 네트워크를 통해 신호 프로세서(312)에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
광학 센서(302)는 임의의 적합한 광학 센서일 수 있고, 본 명세서에 설명된 광학 공진기(예를 들어, WGM 공진기)의 임의의 것을 포함할 수 있다. 측정 영역(316)은 WGM 공진기를 패키징하는 폴리머 구조를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 신호 프로세서(312)는 하나 이상의 프로세서(예를 들어, CPU)(예를 들어, 도 2와 관련하여 전술한 프로세서와 유사함)를 포함할 수 있다. 프로세서(들)는 명령어 또는 코드의 세트를 작동 및/또는 실행하도록 구성된 임의의 적절한 처리 디바이스일 수 있고, 하나 이상의 데이터 프로세서, 이미지 프로세서, 그래픽 처리 유닛, 디지털 신호 프로세서 및/또는 중앙 처리 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(들)는, 예를 들어, 범용 프로세서, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC) 등일 수 있다. 프로세서(들)는 애플리케이션 프로세스 및/또는 시스템(300)과 연관된 다른 모듈, 프로세스 및/또는 기능을 작동 및/또는 실행하도록 구성될 수 있다.
일부 변형에서, 신호 프로세서(312)는 애플리케이션 프로세스 및/또는 다른 모듈을 작동 및/또는 실행할 수 있다. 프로세서에 의해 실행될 때 이러한 프로세스 및/또는 모듈은 특정 작업을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 특정 작업은 신호 프로세서(312)가 센서 응답을 분석하여, 이들의 각각이 물리적 신호를 나타낼 수 있는 다수의 측정 신호를 생성하도록 집합적으로 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 특정 작업은 신호 프로세서(312)가 측정 영역(316)의 온도, 압력, 음파(들) 등의 변화로 인해 야기되는 광학 센서(302)의 센서 응답에 기초하여 다수의 물리적 신호를 정확하게 검출하도록 가능하게 할 수 있다.
일부 변형에서, 애플리케이션 프로세스 및/또는 다른 모듈은 소프트웨어 모듈일 수 있다. 소프트웨어 모듈(하드웨어에서 실행됨)은 C, C++, Java®, Python, Ruby, Visual Basic® 및/또는 다른 객체-지향(object-oriented), 절차적 또는 다른 프로그래밍 언어 및 개발 도구를 포함한, 다양한 소프트웨어 언어(예를 들어, 컴퓨터 코드)로 표현될 수 있다. 컴퓨터 코드의 예는 마이크로 코드 또는 마이크로 명령어, 컴파일러에 의해 생성된 것과 같은 머신 명령어, 웹 서비스를 생성하는 데 사용되는 코드, 인터프리터(interperter)를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행되는 상위-레벨 명령어를 포함한 파일을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 컴퓨터 코드의 추가적인 예는 제어 신호, 암호화된 코드 및 압축된 코드를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
일부 변형에서, 신호 프로세서(312)는 데이터 및/또는 정보를 저장하도록 구성된 메모리를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 메모리는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 정적 RAM(SRAM), 동적 RAM(DRAM), 메모리 버퍼, 소거 및 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM), 전기적 소거가능 판독 전용 메모리(EEPROM), 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 이들의 조합 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 일부 변형은 다양한 컴퓨터 구현 동작을 수행하기 위한 명령어 또는 컴퓨터 코드를 갖는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(비일시적 프로세서 판독 가능 매체라고도 함)를 갖는 컴퓨터 저장 제품과 관련될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체(또는 프로세서 판독 가능 매체)는 일시적인 전파 신호 자체(예를 들어, 공간 또는 케이블과 같은 송신 매체에 정보를 전달하는 전파하는 전자기파)를 포함하지 않는다는 점에서 비일시적이다. 미디어 및 컴퓨터 코드(코드 또는 알고리즘이라고도 함)는 특정 목적 또는 목적들을 위해 설계되고 구성된 것일 수 있다.
측정 영역(316)의 변화에 응답하여, 광학 센서(302)는 광학 신호로서 하나 이상의 센서 신호(예를 들어, 모드 시프트, 베이스라인 드리프트, 모드 분할, 모드 확장)를 광학 검출기에 발송하도록 구성될 수 있다. 광학 검출기는 광학 신호를 복수의 센서 응답(예를 들어, 전기 신호)으로 변환하도록 구성될 수 있다. 센서 응답을 나타내는 전기 신호는 신호 프로세서(312)로 송신될 수 있다. 일부 변형에서, 광학 검출기(도 3에 미도시)는 컴퓨팅 디바이스 및/또는 네트워크(도 3에 미도시)를 통해 신호 프로세서(312)에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
일부 변형에서, 신호 프로세서(312)는 아래에 설명된 것과 같은 방법을 사용하여(예를 들어, 개별 물리적 신호 사이에서 디커플링하거나 달리 구별하고, 및/또는 개별 물리적 신호를 결정하기 위해 다수의 센서 응답을 집합적으로 분석함으로써) 센서 응답을 분석하도록 구성될 수 있다. 신호 프로세서(312)는 개별 물리적 신호에 대응할 수 있는(예를 들어, 나타낼 수 있는) 측정 신호를 생성하도록 추가로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 신호 처리기(312)는 복수의 물리적 신호를 검출하도록 구성될 수 있다.
다수의 물리적 신호를 검출하는 방법
일부 변형에서, 다수의 물리적 신호를 검출하기 위한 방법은 측정 영역에 근접한 단일 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 센서 응답은 센서 신호로부터 결정될 수 있다. 다수의 측정 신호는 다수의 센서 응답으로부터 생성될 수 있으며, 여기서 각 측정 신호는 측정 영역의 상이한 물리적 신호를 나타낼 수 있다. 이러한 다수의 측정 신호는 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 개별 물리적 신호를 디커플링하는 단계 및/또는 개별 물리적 신호를 결정하기 위해 다수의 센서 응답을 집합적으로 분석하는 단계와 같은, 다양한 기술에 의해 생성될 수 있다.
도 4는 단일 광학 센서를 사용하여 다수의 물리적 신호를 검출하기 위한 방법(400)의 예시적인 변형의 흐름도이다. 방법(400)은 측정 영역에 근접한 단일 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하는 단계(402), 센서 신호로부터 복수의 센서 응답을 결정하는 단계(404), 및 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호를 생성하는 단계(406)를 포함할 수 있다. 각 측정 신호는 측정 영역의 상이한 개별의 물리적 신호를 나타낼 수 있다. 방법은 예를 들어, 측정 영역에 근접한 단일 광학 센서(예를 들어, 광학 센서(도 1의 102, 도 2의 202 또는 도 3의 302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)로부터 센서 신호를 수신할 수 있는 신호 프로세서(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)에 의해 수행될 수 있다.
도 5는 다수의 물리적 신호를 검출하기 위한 광학 센서(502)의 예시적인 변형의 개략도를 예시한다. 광학 센서(502)에 근접한 측정 영역의 물리적 특징은 광학 센서(502)의 센서 응답에 반영될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서(502)는 음파(예를 들어, 반사된 음파), 온도 및 압력과 같은 측정 영역의 물리적 특징(예를 들어, 물리적 신호)을 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 특징은 물리적 신호(521a, 521b, 521n 등)(일반적으로 물리적 신호(521)라고 함)로 묘사된다. 물리적 신호에 응답하여, 광학 센서(502)는 모드 시프트, 베이스라인 드리프트, 모드 분할, 모드 확장 등과 같은 하나 이상의 센서 응답을 포함하는 센서 신호(525)를 생성할 수 있다. 이러한 센서 응답은 센서 응답(523a, 523b, 523m 등)(일반적으로 센서 응답(523)이라고 함)으로 묘사된다. 센서 신호(525)는 광학 센서(502)에 의해 출력되는 모든 센서 응답(523a, 523b, 523m 등)을 포함할 수 있다.
광학 센서(502)에 의한 다수의 물리적 신호의 검출은 다음과 같이 설명될 수 있다:
y i = T i (x 1, x 2, ... x n ), i = 1, 2, ... m (1)
여기서 {x i }는 물리적 신호를 나타내고, {y i }는 센서 응답을 나타내고, 및 {T i }는 시스템 변환을 나타낸다. 일반적으로, x i 또는 y i 는 시간의 함수일 수도 있지만, 또한 단순 변수일 수 있다. T i 는 선형이거나 비선형일 수 있다.
일부 변형에서, 각 센서 응답(523)은 미리 결정된 물리적 신호(521)와 연관될 수 있다(예를 들어, 더 민감하거나 반응할 수 있음). 예를 들어, 센서 응답(523a)은 물리적 신호(521a)에 더 민감할 수 있는 반면, 센서 응답(523b)은 물리적 신호(521b)에 더 민감할 수 있다(예를 들어, 더 밀접하게 연관될 수 있음). 일부 변형에서, 복수의 센서 응답은 미리 결정된 물리적 신호와 연관될 수 있다.
상이한 센서 응답이 어떻게 상이한 물리적 신호와 연관될 수 있는지에 대한 예시적인 예로서, 도 6a내지6c는 측정 영역에 대한 상이한 물리적 신호(온도 및 압력)에 응답하여 예시적인 WGM 공진기에 의해 생성된 3개의 예시적인 센서 신호를 예시하는 플롯을 묘사한다. 각 플롯의 수평 축은 파장(nm)을 나타내고 수직 축은 WGM 공진기 광학 출력의 진폭을 나타낸다.
도 6a는 온도 T = t 0 및 압력 P = p 0 인 측정 영역의 조건 하의 센서 신호를 묘사한다. 이 플롯에서 보이는 바와 같이, 센서 신호는 2개의 센서 응답을 가질 수 있고, 하나는 공진 주파수에 관련되고 다른 하나는 베이스라인 값에 관련된다. 예를 들어, 센서 신호는 약 932nm, 약 935.3nm, 약 938.7nm 및 약 942nm 위치에서 4개의 공진 주파수를 나타내는 제1 센서 응답을 가질 수 있으며, 제2 센서 응답은 약 590 유닛 진폭의 베이스라인을 나타낸다.
도 6b는 측정 영역의 압력 변화에 응답하는 센서 신호를 묘사한다: . 이 플롯에서 보이는 바와 같이, 베이스라인(예를 들어, 센서 응답)은 도 6a에 도시된 베이스라인 진폭에 비해 약 540 유닛의 진폭으로 크게 시프트된다. 그러나, 공진 주파수는 도 6a에 도시된 것과 비교하여 거의 감소하지 않았다. 따라서, 도 6b는 베이스라인 시프트가 모드 시프트보다 압력에 더 민감한 센서 응답임을 나타낸다. 즉, WGM 공진기 응답의 베이스라인이 압력 변화를 검출하는 데 더 적합할 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답(예를 들어, 베이스라인)은 압력 변화에 따른 센서 응답의 변화율로 표시될 수 있다. 예를 들어, 베이스라인은 에서 까지 베이스라인의 변화율로 표시될 수 있다.
도 6c는 측정 영역의 온도 변화에 응답하는 센서 신호를 나타낸다: . 도 6c에서, 공진 주파수는 각각 도 6a에 도시된 것에 비해 0.7nm 이상(예를 들어, 적어도 약 0.007%) 크게 감소한 반면, 베이스라인은 도 6a에 도시된 것에 비해 약 600 유닛의 진폭으로 아주 약간만 증가했다. 따라서, 도 6c는 모드 시프트가 베이스라인 시프트보다 온도에 더 민감한 센서 응답임을 나타낸다. 즉, 공진 주파수 시프트는 온도 변동을 검출하는 데 더 적합할 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답(예를 들어, 주파수 시프트)은 압력 변화에 따른 센서 응답의 변화율로 표시될 수 있다. 예를 들어, 모드 시프트는 에서 까지의 모드 시프트의 변화율로 표시될 수 있다.
특정 물리적 신호에 더 민감할 뿐만 아니라, 센서 응답은 물리적 신호에 대한 적어도 하나의 민감한 영역을 가질 수 있으며, 센서 응답은 물리적 신호의 변화에 응답하여 (미리 결정된 슬로프 임계치에 비해) 센서 응답이 특히 빠르게 변하는 영역을 가질 수 있다. 도 7a는 민감한 영역에 대한 예시적인 센서 응답 곡선을 도시하는 예시적인 플롯이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 값 A보다 낮은 물리적 신호 값에서, 센서 응답은 물리적 신호의 증가에 따라 천천히 증가한다. 그러나, 광학 센서의 민감한 영역(물리적 신호의 파라미터 값 A와 B에 대응하는 2개의 수직 막대로 나타난 센서 응답 곡선의 세그먼트)에서 센서 응답 곡선의 슬로프가 더 가파르게 되며, 이는 센서 응답이 물리적 신호의 값 A와 B 사이에서 물리적 신호의 유닛 증가에 따라 더 빠르게 증가한다는 것을 나타낸다. B 값보다 높은 물리적 신호 값에서, 센서 응답은 물리적 신호의 증가에 따라 다시 천천히 증가한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 센서 응답은 물리적 신호에 대해 적어도 하나의 둔감한 영역(insensitive region)을 가질 수 있는데, 센서 응답은 물리적 신호의 변화에 응답하여 센서 응답이 비교적 느리게 변하는 영역을 가질 수 있다. 도 7b는 둔감한 영역을 갖는 예시적인 센서 응답 곡선을 보여주는 예시적인 플롯이다. 도 7b에서 보이는 바와 같이, C 값보다 낮은 물리적 신호 값에서, 센서 응답은 물리적 신호의 증가에 따라 빠르게 증가한다. 그러나, 광학 센서의 둔감한 영역(물리적 신호의 파라미터 값 C와 D에 대응하는 2개의 수직 막대로 표시된 센서 응답 곡선의 세그먼트)에서, 센서 응답 곡선의 슬로프는 약 0이고, 이는 센서 응답이 물리적 신호의 단위 증가에 따라 거의 또는 전혀 없는 변화를 가지는 것을 나타낸다. D 값보다 높은 물리적 신호 값에서, 센서 응답은 물리적 신호의 증가에 따라 다시 더 빠르게 증가한다.
따라서, 전술한 바와 같이, 다차원 감지하는 방법은 센서 응답으로부터 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 이들 측정 신호의 각각은 개별의 물리적 신호를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 신호 프로세서는 공진 주파수 시프트(예를 들어, 모드 시프트)에 적어도 부분적으로 기초하여 온도 측정 신호 및 베이스라인 드리프트에 적어도 부분적으로 기초하여 압력 측정 신호를 생성할 수 있다. 개별의 물리적 신호를 디커플링하고 및/또는 개별의 물리적 신호를 결정하기 위해 다수의 센서 응답을 집합적으로 분석하는 것을 포함하여, 센서 응답으로부터 측정 신호를 생성하는 예시적인 변형이 아래에 더 자세히 설명되어 있다.
개별의 물리적 신호 디커플링하는 단계
위에서 논의된 바와 같이, 각 센서 응답은 미리 결정된 물리적 신호에 상대적으로 더 민감할 수 있다. 따라서, 일부 변형에서, 상이한 물리적 신호에 대한 측정 신호는 개별의 물리적 신호를 디커플링함으로써 생성될 수 있으며, 여기서 디커플링은 미리 결정된 시간 기간 동안 각 센서 응답을 분석하고 해당 센서 응답과 가장 관련성이 높은 물리적 신호에 대한 측정 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 이와 같이, 디커플링된 물리적 신호는 서로 구별될 수 있고, 디커플링된(예를 들어, 분리된) 센서 응답을 분석함으로써 별도로 분석될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 센서 응답은 특정 물리적 신호에 상대적으로 더 민감할 수 있다(예를 들어, 모드 시프트는 온도에 민감할 수 있고, 베이스라인 드리프트는 압력에 더 민감할 수 있다). 따라서, 다수의 물리적 신호를 감지하는 방법은 하나의 센서 응답을 하나의 물리적 신호에 연관시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 모드 시프트를 온도 측정과 연관시키는 단계 및 베이스라인 드리프트를 압력 측정과 연관시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 연관에 따라, 센서 응답(광학 센서의 출력)은 분석되는 센서 응답이 목표 물리적 신호(예를 들어, 광 검출기에 대한 입력)와 상관되도록 처리하기 위해 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 8은 개별의 물리적 신호를 디커플링하기 위한 시스템(800)의 예시적인 개략도이다. 시스템(800)은 신호 프로세서(812)(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)에 통신 가능하게 결합된 광학 센서(802)(예를 들어, 광학 센서(도 1의 102, 도 2의 202), 또는 광학센서(도 3의 302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)를 포함할 수 있다.
시스템은 또한 신호 프로세서(812)에 대한 센서 응답의 세트(예를 들어, 집합적으로 센서 응답이라고 함)로부터 하나 이상의 센서 응답의 선택 및 출력을 제어하도록 구성된 멀티플렉서(multiplexer)(828)를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 멀티플렉서(828)는 시분할 멀티플렉서를 포함할 수 있다. 따라서, 멀티플렉서(828)는 각 시간 구간마다 개별의 센서 응답 채널을 신호 프로세서(812)에 선택적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 멀티플렉서(828) 및 신호 프로세서(812)는 제1 기간 동안 제1 센서 응답을 출력하고, 제2 기간 동안 제2 센서 응답을 출력하도록 구성될 수 있다. 신호 프로세서(812)는 추가적으로 제3 기간 동안 제3 센서 응답 등을 출력하도록 구성될 수 있다.
따라서, 광학 센서(802)는 멀티플렉서(828)로 인해 하나 이상의 센서 응답을 생성하도록 구성될 수 있지만, 멀티플렉서(828)로 인해, 신호 프로세서(812)는 임의의 주어진 시간에 하나의 센서 응답만을 처리하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서, 신호 프로세서(812)는 시간 t 0 과 t 1 사이의 센서 응답(823a), 시간 t 1 과 t 2 사이의 센서 응답(823b), 및 시간 t m-1 과 t m 사이의 센서 응답(823m)을 처리하도록 구성될 수 있다. 센서 응답(823a)은 물리적 신호(821a)에 가장 민감할 수 있고, 센서 응답(823b)은 물리적 신호(821b)에 가장 민감할 수 있으며, 및 센서 응답(823m)은 물리적 신호(821n)에 가장 민감할 수 있다는 점을 고려한다. 따라서, 신호 프로세서(812)는 시간 t 0 및 t 1 동안 물리적 신호(821a)에 대한 측정 신호, 시간 t 1 및 t 2 동안 물리적 신호(821b)에 대한 측정 신호, 및 시간 t m-1 및 t m 동안 823m에 대한 측정 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답의 각각이 미리 결정된 지속기간 동안 적어도 한 번 처리된 후, 신호 프로세서(812)는 제1 센서 응답(823a)을 다시 처리하고 디커플링 프로세스가 종료될 때까지 응답을 계속 분석하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 신호 프로세서(812)는 적어도 두 가지 모드 - 연속 모드/무한 모드 또는 유한 지속기간 모드 중 하나로 센서 응답을 처리하도록 구성될 수 있다. 연속 모드에서, 센서 응답의 각각은 신호 프로세서(812), 광학 센서(802) 및/또는 시스템(800)이 (예를 들어, 사용자에 의해) 종료될 때까지 적어도 한 번 그리고 반복적으로 처리될 수 있다(예를 들어, 연속적으로, 또는 임의의 적절한 시리즈로 반복된 일련의 센서 응답(823a내지823m)). 유한 지속기간 모드에서, 신호 프로세서(812)는 미리 결정된 시간 동안 센서 응답을 분석하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모든 센서 응답은 적어도 한 번 처리될 수 있고 신호 프로세서(812)는 제1 응답(823a)을 다시 처리하고 미리 결정된 시간(예를 들어, 각 센서 응답이 처리되는 미리 결정된 횟수로 추가적으로 또는 대안적으로 표현될 수 있는, 2시간 또는 다른 적절한 기간)이 경과될 때까지 응답을 계속 분석하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 신호 프로세서(812)는 시분할 다중화를 사용하여 개별의 물리적 신호를 디커플링하도록 구성될 수 있다. 멀티플렉서의 스위칭 속도가 충분히 높으면, 정보 손실 없이 실시간 또는 거의 실시간으로 다수의 물리적 신호를 검출하는 것이 가능할 수 있다.
일부 변형에서, 신호 프로세서에 의한 처리를 위해 개별의 센서 응답을 선택하는 시퀀스는 미리 결정될 수 있다. 예를 들어, 신호 프로세서는 2개의 센서 응답 사이에 교번할 수 있거나, 또는 동일한 순차적 순서로 3개 이상의 센서 응답을 반복적으로 처리할 수 있다. 또 다른 예로서, 본질적으로 더 느린 변화율을 갖는 것으로 알려진 특정 물리적 신호는 처리를 위해 낮은 속도로 샘플링될 수 있다(예를 들어, 특정 종류의 측정 영역에 대한 일부 애플리케이션에서, 측정 영역의 온도 변화가 압력만큼 빠르게 변동될 수 없다는 것이 알려질 수 있다.) 또 다른 예로서, 일부 애플리케이션에서, 값이 실시간으로 측정하는 데 더 중요한 특정 물리적 신호는 측정을 위해 더 중요한 물리적 신호에 우선순위를 부여하기 위해, 덜 중요한 물리적 신호에 비해, 처리를 위해 더 높은 속도로 샘플링될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 각 센서 응답이 신호 프로세서에 의해 처리되는 기간(예를 들어, 분석 지속기간)은 미리 결정될 수 있다. 예를 들어, 모든 센서 응답이 동일한 기간 동안 처리될 수 있도록 미리 결정될 수 있다. 또 다른 예로서, 본질적으로 더 느린 변화율을 갖는 것으로 알려져 있거나 (적어도 일부 애플리케이션에서) 덜 중요한 특정 물리적 신호는 더 짧은 기간 동안 처리될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 신호 프로세서에 의한 처리를 위해 개별의 센서 응답을 선택하는 시퀀스 및/또는 각 센서 응답이 처리될 수 있는 시간의 양은 적어도 때때로 신호 프로세서(812)에 의해 실시간으로 결정될 수 있다. 일부 변형에서, 센서 응답이 처리되는 시퀀스 및/또는 각 센서 응답이 처리되는 시간의 양은 적어도 부분적으로 폐쇄된-루프 알고리즘에 기초할 수 있다. 예를 들어, 특정 시간 동안 물리적 신호의 변화율은 신호 프로세서가 물리적 신호에 대응하는 센서 응답을 처리하는 시간, 및/또는 신호 프로세서가 물리적 센서에 대응하는 센서 응답을 처리하는 전체 시간에 주파수를 동적으로 조정하기 위해 폐쇄된-루프 알고리즘에 입력될 수 있다. 예를 들어, 최근 급격히 변화하기 시작한 물리적 신호에 응답하여, 신호 프로세서는 물리적 신호를 실시간에 더 가깝게 모니터링하기 위해 물리적 신호에 대응하는 센서 응답을 더 자주 및/또는 더 오랜 시간 동안 처리할 수 있다.
도 11은 물리적 신호를 구별하기 위한 시스템(1100)의 또 다른 예시적인 변형이다. 시스템(1100)은 신호 프로세서(1112)(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함) 에 통신 가능하게 결합된 광학 센서(1102)(예를 들어, 도 1의 광학 센서(102), 도 2의 광학 센서(202), 또는 도 3의 광학 센서(302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)를 포함할 수 있다.
시스템은 또한 복수의 멀티플렉서, 예를 들어, 제1 멀티플렉서(1128)(예를 들어, 멀티플렉서(828)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함) 및 제2 멀티플렉서(1130)를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 멀티플렉서는 동기화될 수 있다. 예를 들어, 측정하려는 목표 물리적 신호가 온도인 경우, 제2 멀티플렉서(1130)는 온도를 검출하도록 스위칭될 수 있고, 제1 멀티플렉서(1128)는 처리/분석을 위한 센서 응답 모드 시프트를 선택하기 위해 제2 멀티플렉서(1130)와 동기화될 수 있다. 그러나, 목표 물리적 신호가 압력으로 측정된다면, 제2 멀티플렉서(1130)는 압력을 검출하도록 스위칭될 수 있고, 제1 멀티플렉서(1128)는 처리/분석을 위한 센서 응답 베이스라인 드리프트를 선택하기 위해 제2 멀티플렉서(1130)와 동기화될 수 있다. 이러한 방식으로, 목표 물리적 신호와 목표 센서 응답을 선택하기 위해 센서 응답을 물리적 신호에 상관시키고 멀티플렉서를 사용하는 것은 다른 물리적 신호로부터의 간섭을 감소 및/또는 최소화하고 시스템(1100)이 목표 물리적 신호를 정확하게 측정하는 것을 가능하게 할 수 있다.
일부 변형에서, 센서 응답은 다른 알려진 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 물리적 신호와 상관될 수 있다. 예를 들어, 일부 변형에서, 다수의 가능한 물리적 신호가 특정 센서 응답에 기여할 수 있지만, 이러한 물리적 신호에 대한 광학 센서의 상대적 감도가 알려질 수 있으며, 상이한 물리적 신호를 구별하거나 구분하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서는 본질적으로 온도와 음파 둘 모두에 대한 센서 응답(예를 들어, 모드 시프트)을 가질 수 있지만, 센서 주변 환경의 특성으로 인해 이러한 물리적 신호의 각각에 대해 알려진 감도가 다를 수 있다. 온도 신호는 예를 들어, 센서 응답의 변화율과 온도 및 압력에 대한 센서의 상대적 감도에 기초하여 음파 신호와 구분될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서가 단열된 환경에 배치되어 온도 변화에 다소 둔감한 경우, 모드 시프트에 대한 급격한 변화는 온도 신호보다 음파 신호를 더 잘 나타낼 수 있다. 대조적으로, 광학 센서가 감쇠 물질(damping material)에 인접하거나 그에 내장되어 있는 경우, 모드 시프트의 급격한 변화는 음파 신호보다 온도 신호를 더 잘 나타낼 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 변형에서, 상이한 물리적 신호를 구별하는 데 도움이 되도록 사용되는 다른 알려진 정보는 센서 응답의 일반적인 주파수 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 응답의 빈도에 대한 하나 이상의 미리 결정된 임계치는 상이한 물리적 신호를 구별하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다. 예시적인 예로서, 전술한 바와 같이, 광학 센서는 본질적으로 온도와 음파 둘 모두에 대한 센서 응답(예를 들어, 모드 시프트)을 가질 수 있다. 따라서, 일부 변형에서, 미리 결정된 임계치 초과(예를 들어, 약 500kHz 초과)의 주파수를 포함하는 모드 시프트(예를 들어, 주파수 시프트, 깊이의 변화, 형태의 변화)는 온도 신호보다 음파 신호를 더 잘 나타낼 수 있다. 대조적으로, 미리 결정된 임계치 미만(예를 들어, 약 500kHz 미만)의 주파수를 포함하는 모드 시프트는 음파 신호보다 온도 신호를 더 잘 나타낼 수 있다. 일부 변형에서, 미리 결정된 단일 임계치는 물리적 신호를 구별하도록 사용될 수 있다(예를 들어, 임계치 이상의 특성을 갖는 센서 응답은 제1 물리적 신호에 대응하거나 이를 나타내고, 동일한 임계치 미만의 특성을 갖는 센서 응답은 제2 물리적 신호에 대응하거나 이를 나타냄). 대안적으로, 일부 변형에서 다수의 미리 결정된 임계치는 물리적 신호를 구별하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 임계치 초과 특성을 갖는 센서 응답은 제1 물리적 신호에 대응(예를 들어, 이를 나타낼 수 있음)하고, 제1 임계치보다 낮은 제2 임계치 미만 특성을 갖는 센서 응답은 제2 물리적 신호를 나타낼 수 있다. 하지만, 제1 및 제2 임계치 사이의 특성을 갖는 센서 응답은 제1 또는 제2 물리적 신호를 나타내는 것으로 취급될 수 있고, 추가 분석(예를 들어, 본 명세서에 설명된 다른 방법 중 하나)은 제1 및 제2 물리적 신호를 추가로 구별하도록 사용될 수 있다.
일부 변형에서, 개별의 물리적 신호를 분리하는 것은 추가적으로 또는 대안적으로 환경을 목표 물리적 신호에 더 민감하게 만들거나 목표 물리적 신호 이외의 모든 물리적 신호에 덜 민감하게 만듦으로써, 목표 물리적 신호와 연관된 센서 응답의 중요성을 선택적으로 향상시키기 위해 광학 센서에 근접한 환경을 변경하는 것을 포함할 수 있다. 도 9는 광학 센서의 환경을 변경함으로써 개별의 물리적 신호를 디커플링하기 위한 시스템(900)의 예시적인 변형이다. 시스템(900)은 환경(916)(예를 들어, 폴리머 패키징, 다른 주변 패키징)에 있고 신호 프로세서(912)(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사한 신호 프로세서를 포함함)에 통신 가능하게 결합된 광학 센서(902)(예를 들어, 도 1의 광학 센서(102), 도 2의 광학 센서(202), 또는 도 3의 광학 센서(302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)를 포함할 수 있다. 광학 센서(902)는 환경(916)에 근접할 수 있다(예를 들어, 도 3의 측정 영역(316)과 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함).
도 9에서, 신호 프로세서(912)의 신호 프로세서는 먼저 물리적 신호에 대응하는 모든 센서 응답을 처리하고, 이러한 센서 응답을 분석하며, 적어도 하나의 목표 물리적 신호의 신원(identity)에 기초하여 환경의 하나 이상의 물리적 속성을 변경하기 위한 환경 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 신호 프로세서(912)는 목표 물리적 신호와 상이한 하나 이상의 물리적 신호가 억제되도록 환경(916)을 변경하라는 명령어를 시스템에 제공할 수 있다. 예를 들어, 물리적 신호의 억제(suppression)는 (측정을 위한 목표가 아님) 물리적 신호가 광학 센서의 상대적으로 낮은 감도 신호 영역 내에 있도록 환경을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 그 다음 신호 프로세서는 목표가 아닌 물리적 신호(들)의 억제 측면에서 더욱 두드러지는, 목표 물리적 신호(들)에 대한 측정 신호를 생성하기 위해 변경된 환경으로부터의 센서 응답을 처리할 수 있다.
예를 들어, 더 정확한 온도 측정을 가능하게 하기 위한 온도에 대한 물리적 신호를 더 두드러지게 만들기 위해, 센서 환경(916)에서 원하지 않는 압력 변동을 감소시키거나 제거함으로써 압력에 대한 물리적 신호를 억제하는 것이 유리할 수 있다. 환경 압력 변화의 감소 또는 제거는 예를 들어, 현재 압력을 검출한 다음 신호 프로세서(912)를 사용하여 피드백 방식(예를 들어, 광학 센서에 대한 베이스라인 센서 응답의 둔감한 영역 내에 있도록 환경 압력 레벨을 이동함)으로 그에 따라 환경 압력을 조정함으로써 수행될 수 있다. 환경 압력이 둔감한 영역에 있는 경우, 신호 프로세서는 온도와 연관된 센서 응답(예를 들어, 모드 시프트)에 기초하여 측정 신호를 생성할 수 있다. 환경 압력의 조절 방식은 센서 패키지의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 변형에서, 광학 센서는 공동 내에(또는 2개의 플레이트 사이) 배치될 수 있으며, 유체(가스, 액체)는 하나 이상의 제어 가능한 유체 밸브 및/또는 하나 이상의 가압 소스(예를 들어, 포지티브 펌프, 진공 펌프)를 사용하여 공동에서 선택적으로 유입 및/또는 회수될 수 있다. 이 예에서, 환경 압력은 추가 유체를 공동 내로 도입함으로써 증가 및/또는 공동으로부터 유체의 회수에 의해 감소될 수 있다. 또 다른 예로서, 일부 변형에서 광학 센서는 공동 내에(또는 2개의 플레이트 사이) 배치되고 유체(가스, 액체)로 둘러싸여 있을 수 있으며, 여기서 공동 체적은 하나 이상의 액추에이터(actuator)에 의해 조정 가능하다. 이 예에서, 환경 압력은 공동 체적의 감소(예를 들어, 공동 벽을 안쪽으로 이동, 변형 가능한 공동을 압축)에 의해 증가 및/또는 공동 체적을 증가시킴으로써(예를 들어, 공동 벽을 바깥쪽으로 이동) 감소될 수 있다.
또 다른 예로서, 더 정확한 압력 측정을 가능하게 하기 위한 압력에 대한 물리적 신호를 더 두드러지게 만들기 위해, 센서 환경에서 원하지 않는 온도 변동(fluctuation)을 감소시키거나 제거함으로써 온도에 대한 물리적 신호를 억제하는 것이 유리할 수 있다. 원하지 않는 온도 변동은 예를 들어, 신호 프로세서(912)를 갖는 광학 센서에 대한 모드 시프트 센서 응답의 둔감한 영역으로 온도 레벨을 이동시키기 위해 환경(916)을 조정함으로써 제거 및/또는 감소될 수 있다. 예를 들어, 신호 프로세서(912)는 온도 레벨이 둔감한 영역으로 이동될 수 있도록 환경을 변경하기 위한 피드백/명령어를 제공할 수 있다. 온도 레벨이 둔감한 영역에 도달하는 경우, 신호 프로세서는 압력을 측정하고 및/또는 압력과 상관된 센서 응답(예를 들어, 베이스라인 드리프트)으로부터 압력과 관련된 정보를 추출할 수 있다. 환경 온도의 조절 방식은 센서 패키지의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 변형에서 센서의 주변 환경의 온도는 주변 환경을 열로 단열함으로써 감소될 수 있다(예를 들어, 유리 섬유, 미네랄 울, 폴리우레탄과 같은 단열재를 사용하거나, 센서와 접촉하거나 그 근처에 열로 단열하는 속성을 갖는 유체를 통과시킴으로써). 또 다른 예로서, 일부 변형에서, 주변 환경의 온도는 주변 환경을 위해 열 전도성 물질(예를 들어, 구리(copper), 흑연(graphite) 또는 센서와 접촉하거나 그 근처에 열 전도성 속성을 갖는 유체를 통과시킴으로써) 증가될 수 있다.
또 다른 예로서, 일부 변형에서 음파(예를 들어, 측정 영역에서 반영된 음파)와 관련된 물리적 신호가 억제되도록, 센서의 환경의 음향 속성을 변경하는 것이 유리할 수 있고, 이는 또 다른 목표 물리적 신호(예를 들어, 온도, 압력)를 보다 정확하게 측정될 수 있도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 적절한 액추에이터는 그렇지 않으면 검출될 유입 음파가 대신 감쇠(예를 들어, 억제)되도록 감쇠 물질을 광학 센서 쪽으로 또는 그 근처로 이동시킬 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 특정 입력 물리적 신호에 대한 광학 센서의 감도를 증가시키는 것(예를 들어, 목표 물리적 신호에 대해 광학 센서를 "튜닝")이 가능할 수 있다. 예를 들어, 목표 물리적 신호에 대한 광학 센서의 감도는 목표 물리적 신호가 광학 센서의 상대적으로 더 높은 감도 신호 영역에 있도록 센서의 환경을 조정함으로써 적어도 부분적으로 증가될 수 있다.
예를 들어, 압력 검출의 감도는 환경(916)의 압력 레벨이 베이스라인 드리프트 곡선의 민감한 영역 내에 속하도록 환경(916)을 조정함으로써 증가될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 일부 변형에서 베이스라인 드리프트가 압력의 변화에 가장 민감한 센서 응답이다. 따라서, 신호 프로세서(912)는 환경의 압력 레벨이 센서의 응답 곡선의 민감한 영역 내에 속하도록 변경될 수 있도록 피드백/명령어를 제공할 수 있다. 환경 압력의 조절 방식은 센서 패키지의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 전술한 기술(예를 들어, 센서를 포함하는 공동 내부 및/또는 외부의 유체 제어, 센서를 포함하는 유체로 채워진 공동의 체적 제어) 중 임의의 것은 광학 센서의 민감한 영역에 놓이고 광학 센서는 더 큰 감도로 측정 영역의 압력을 측정하도록 튜닝될 수 있도록 환경 압력을 조절하기 위해 구현될 수 있다. 따라서, 일단 압력 레벨이 민감한 영역에 있으면, 신호 프로세서는 압력을 측정하고 및/또는 정보(예를 들어, 베이스라인 드리프트로부터의 압력과 관련된)를 추출할 수 있다.
도 10은 환경의 압력을 조정함으로써 환경을 변경하기 위한 시스템(1000)의 예시적인 변형을 예시한다. 일부 변형에서, 시스템(1000)은 광학 센서(1002), 신호 프로세서(1012), 디지털-아날로그 변환기(convertor)(1037) 및 전압-압력 변환기(1033)를 포함할 수 있다. 광학 센서(1002)(예를 들어, 도 1의 광학 센서(102), 도 2의 광학 센서(202), 또는 도 3의 광학 센서(302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)는 신호 프로세서(1012)(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 광학 센서(1002)는 환경의 압력 변화를 검출한 후 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있고 센서 신호를 신호 프로세서(1012)로 송신할 수 있다. 일부 변형에서, 신호 프로세서(1012)는 디지털 제어 명령어를 생성하기 위해 센서 신호를 처리하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 디지털 제어 명령어는 정확한 압력 또는 온도 측정을 위해 광학 센서(1002)의 감도를 증가시키거나 감소시키기 위해 압력 레벨을 조정함으로써 환경을 변경하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 디지털-아날로그 변환기(1037)는 디지털 제어 명령어를 아날로그 전압 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 아날로그 전압 신호는 전압-압력 변환기(1033)로 송신될 수 있다. 일부 변형에서, 전압-압력 변환기(1033)는 정확한 압력 또는 온도 측정을 위해 광학 센서(1002)의 감도를 증가시키거나 감소시키기 위해 원하는 압력(예를 들어, 디지털 제어 명령어에 포함된 목표 압력)을 생성하도록 구성될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 시스템(1000)이 온도의 정확한 감지를 요구하는 애플리케이션에 통합되는 경우, 둔감한 영역 내의 압력을 조정하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 시스템(1000)이 압력의 정확한 감지를 요구하는 애플리케이션에 통합되는 경우, 민감한 영역 내에서 압력을 조정하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 민감한 영역 내의 압력을 조절하기 위한 감도를 향상시키기 위해, 압력은 압력 변화와 동일한 방향으로 증가될 수 있다. 예를 들어, 환경의 압력이 100에서 101KPa로 증가되는 경우, 추가 2KPa의 압력은 압력이 민감한 영역 내에 속하도록 103KPa의 압력을 생성하기 위해 환경의 압력에 추가될 수 있다. 그러나, 압력이 둔감한 영역 내에 있도록 감도가 변경되는 경우, 압력은 압력 변화의 방향을 따르도록 감소될 수 있다. 예를 들어, 환경의 압력이 100KPa에서 98KPa로 감소되는 경우, 추가 1KPa의 압력은 99KPa의 압력을 생성하기 위해 환경의 압력에 추가될 수 있다. 일부 변형에서, 환경의 압력은 일정한 100KPa로 유지될 수 있다.
유사하게, 또 다른 예로서, 도 9를 다시 참조하면, 온도 검출의 감도는 환경의 온도가 모드 시프트 곡선의 민감한 영역 내에 있도록 환경(916)을 조정함으로써 증가될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 일부 변형에서, 모드 시프트는 온도의 변화에 가장 민감한 센서 응답이다. 따라서, 신호 프로세서(912)는 환경의 온도가 센서의 응답 곡선의 민감한 영역에 있도록 변경되도록 피드백/명령어를 제공하도록 구성될 수 있다. 온도 조절 방식은 센서 패키지의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 위에 설명된 시스템 또는 기술 중 임의의 것은 센서의 민감한 영역을 향해 센서 환경을 가열하거나 냉각하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 열로 단열하는 물질 또는 열 전도성 물질을 사용하여).
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 변형에서, 음파의 검출은 환경의 하나 이상의 음향 속성이 개선되거나 최적화되도록 환경을 조정함으로써 선택적으로 향상될 수 있다. 예를 들어, 일부 변형에서, 적합한 액추에이터는 투과율을 향상시키고 및/또는 검출하기 어려울 수 있는 유입 음파의 감쇠를 감소시키기 위해 광학 센서 쪽으로 또는 그 근처로 음향 매칭 물질을 이동시키도록 구성될 수 있다.
따라서, 디커플링은 측정될 목표 물리적 신호에 기초하여 환경을 선택적으로 변경하는 것을 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 환경을 변경하는 것은 둔감한 영역 내에서 억제될 물리적 신호를 조정함으로써 목표 물리적 신호가 아닌 물리적 신호를 억제하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 환경을 변경하는 것은 목표 물리적 신호의 감도를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 다르게 말하면, 환경은 목표 물리적 신호가 민감한 영역 내에 있도록 조정될 수 있다.
다수의 센서 응답을 집합적으로 분석
일부 변형에서, 다수의 센서 응답은 개별의 물리적 신호에 대한 측정 신호를 결정하기 위해 집합적으로 분석될 수 있다. 도 12는 개별의 물리적 신호를 결정하기 위해 다수의 센서 응답을 집합적으로 분석하기 위한 시스템(1200)의 예시적인 변형의 개략적인 블록도이다. 시스템은 신호 프로세서(1212)(예를 들어, 도 3의 신호 프로세서(312)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)에 통신 가능하게 결합된 광학 센서(1202)(예를 들어, 도 1의 광학 센서(102), 도 2의 광학 센서(202), 또는 도 3의 광학 센서(302)와 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사함)를 포함할 수 있다. 신호 프로세서(1212)는 파라미터 추정기(parameter estimator)(1250)에 결합될 수 있거나 신호 프로세서(1212)에 포함될 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서(1202)는 전술한 바와 같이 n개의 입력 물리적 신호를 m개의 상이한 출력 응답 신호로 변환할 수 있다. 신호 프로세서(1212)는 센서 신호의 증폭(amplification), 아날로그-디지털 변환 및 필터링을 포함하는 일련의 신호 처리 단계를 수행하도록 구성될 수 있다. 파라미터 추정기(1250)는 이론적 또는 경험적 모델을 사용하여 목표 물리적 신호 파라미터의 세트를 추정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, x i 와 y i 가 방정식 1과 관련되어 있는, 센서 응답 y i 를 사용하여 물리적 신호 x i 를 해결하는 것은 다수의 응답을 조합하는 프로세스를 나타낼 수 있다. 대안적으로, 물리적 신호 x i 는 다음으로 해결될 수 있다:
x i = T i -1 (y 1, y 2, ... y m ), i = 1, 2, ... n (2)
여기서 T i -1 은 역시스템 변환(transformation)을 나타낸다.
일부 변형에서, x i 및 y i 는 둘 모두는 단순 변수이지만, 실수 또는 복소수일 수 있다고 가정될 수 있다. 추가적으로, 도 5의 방정식 1에 의해 설명된 시스템이 선형이라고 가정될 수 있다.
제1 가정은 모든 신호가 상수이거나 또는 느리게 변하는 함수라는 것에 기초된다. 그러나, 빠르게 변하는 함수의 경우에도, 가정은 시간 간격이 충분히 짧다면 여전히 유효하다. 제2 가정은 시스템(1200)이 안정적이고 모든 신호의 범위가 선형성을 보장할 만큼 충분히 작다는 것에 기초한다. 넓은 범위의 신호의 경우, 넓은 비선형 범위는 여러 개의 작은 선형 영역으로 분할될 수 있다.
위의 두 가지 가정을 통해, 방정식 1은 다음과 같이 재작성될 수 있다:
(3)
여기서 a ij 는 다차원 센서에 의해 결정되는 계수이다. 방정식 3은 다음의 우아한 행렬 방정식(matrix equation)을 사용함으로써 더욱 단순화될 수 있다:
y = A x (4)
여기서 x 는 n 차원 벡터이고, y 는 m 차원 벡터이고, A 는 m x n 행렬이다.
m 과 n 의 값에 따라 달라지는 방정식 4를 해결하는 데에는 세 가지 별개의 시나리오가 있다. 각 시나리오는 상이한 접근법을 요구하며 상이한 결과를 초래한다.
시나리오 1: 과소결정된 시스템. 이 경우에서, n > m 이거나, 방정식보다 더 많은 미지수가 있다. 과소결정된 시스템은 솔루션이 없거나 또는 무한히 많은 솔루션을 가진다. 따라서, 이 시나리오는 유용한 결과가 실제 애플리케이션에 얻어질 수 없으므로 더 이상 고려되지 않을 수 있다.
시나리오 2: 중요한 시스템. 이 경우에서, n = m 이거나, 미지수의 개수와 같은 개수의 방정식이 있다. 모든 방정식이 서로 완전히 독립된 경우 중요한 시스템에 대한 고유한 솔루션이 항상 있다는 것이 수학적으로 입증될 수 있다. 중요한 시스템에 대한 솔루션은 다음을 통해 얻어질 수 있고
x = A - 1 y (5)
여기서 A - 1은 A 의 역수이다. 그러나, 종속 방정식(dependent equation)이 2개 이상 존재하는 경우, 중요한 시스템은 과소결정된 시스템으로 감소된다.
시나리오 3: 과결정된 시스템. 이 경우에서, n < m 이거나, 미지수보다 방정식이 더 많다. 선형 시스템 이론에 따르면, 과결정된 시스템은 일반적으로 솔루션을 가지지 않지만, 일부 경우에는 솔루션을 가질 수 있고, 예를 들어, 방정식의 일부는 완전히 독립적이지 않다. 과결정된 시스템은 포함된 종속 방정식의 개수에 따라 중요한 시스템 또는 과소결정된 시스템이 될 수 있다.
대부분의 실수 과결정된 시스템에 대한 정확한 솔루션은 없지만, 근접한 솔루션은 몇 가지 상이한 방법으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 최소제곱법을 사용하면, 근접한 솔루션은 다음과 같이 얻어질 수 있고
x = (A T A) - 1 A T y (6)
여기서 A T 는 A 의 전치이다.
위의 논의에 기초하여, 물리적 신호 또는 파라미터의 검출은 본질적으로 행렬 A, A - 1, A T 및 (A T A) - 1 A T 를 결정하는 것일 수 있다. 행렬은 이론적으로나 경험적으로 계산될 수 있다.
이론적 접근법은 세 가지 단계를 포함할 수 있다. 첫째, 물리적 또는 이론적 모델은 개발될 수 있다. 둘째, 방정식의 세트는 모델을 사용하여 도출될 수 있다. 셋째, 이러한 방정식은 선형화될 수 있다.
경험적 접근법은 또한 세 가지 단계를 포함할 수 있다. 첫째, 일반적인 선형 시스템 모델은 구축될 수 있다. 둘째, 실험은 데이터 생성을 위해 수행될 수 있다. 셋째, 시스템 방정식의 계수는 실험 데이터를 사용하여 추정될 수 있다.
광학 센서의 어레이
전술한 바와 같이, 일부 변형에서, 다차원 감지를 위한 시스템은 2개 이상의 다차원 광학 센서 어레이를 포함할 수 있으며, 이들의 각각은 본 명세서에 설명된 바와 같이 다차원 감지를 수행할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 단일 광학 센서로부터 광학 센서의 어레이로 확장될 수 있다.
일부 변형에서, 광학 센서의 어레이의 각 센서는 동일한 유형의 광학 센서일 수 있다. 예를 들어, 어레이의 각 센서는 다른 유형의 물리적 신호보다 한 유형의 물리적 신호(예를 들어, 온도, 압력, 음파)에 더 민감할 수 있는 광학 센서일 수 있다. 이러한 시나리오에서, 센서의 전체 어레이는 하나의 물리적 신호를 더 높은 정확도 또는 정밀도(precision)로 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서의 전체 어레이는 더 높은 정확도로 온도를 측정하도록 구성될 수 있거나, 또는 센서의 전체 어레이는 더 높은 정확도로 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 동일한 물리적 신호의 측정을 목표로 구성되는 2개 이상의 광학 센서를 갖는 것은 센서 신호 및/또는 시스템 중복성(redundancy)(예를 들어, 센서 고장 시 내결함성(fault tolerance))을 "강화(boost)"하기 위해 유사한 센서 신호를 함께 조합하는 것과 같이 유리할 수 있다.
대안적으로, 센서의 어레이의 일부 센서는 센서의 어레이의 나머지 센서(예를 들어, 전술한 바와 같이, 센서 주변 환경을 구성하는 것과 같은 다양한 물리적 신호에 대해 상이한 감도를 가짐)와는 상이한 물리적 신호의 측정을 목표로 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서의 제1 부분은 제1 물리적 신호(예를 들어, 온도)에 더 민감하도록 구성될 수 있는 반면, 광학 센서의 제2 부분은 제2 물리적 신호(예를 들어, 압력)에 더 민감하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 어레이의 임의의 적합한 수의 부분은 임의의 적합한 물리적 신호에 더 민감하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 추가적으로 광학 어레이의 제3 부분은 제3 물리적 신호에 더 민감할 수 있음).
동일한 물리적 신호에 민감한 적어도 일부 광학 센서는 함께 그룹화될 수 있다(예를 들어, 어레이의 한 라인 또는 센서 클러스터(cluster)는 제1 물리적 신호에 민감할 수 있고, 어레이의 제2 라인 또는 센서 클러스터는 제2 물리적 신호에 민감할 수 있다). 추가적으로 또는 대안적으로, 동일한 물리적 신호에 민감한 광학 센서 중 적어도 일부는 균등하거나 불균등하게(예를 들어, 산재되거나 교번하는 배열 또는 무작위로 분산) 분포될 수 있으며, 이는 예를 들어, 각 물리적 신호에 대한 감지 범위의 더 넓은 영역을 허용할 수 있다.
광학 센서의 감도는 하나 또는 다양한 물리적 신호에 대한 해당 광학 센서의 감도를 튜닝하기 위해(예를 들어, 물리적 신호에 더 민감하거나 덜 민감하도록) 각 광학 센서를 둘러싸는 환경의 구성과 같이, 본 명세서에 설명된 것을 포함하여 임의의 적합한 방식으로 변조될 수 있다. 이런 환경의 구성은 동적일 수도 있고(예를 들어, 원하는 측정 또는 감지 기능에 따라 실시간으로 동적으로 조정됨), 또는 어레이 설계에 영구적으로 내장될 수 있다(예를 들어, 광학 센서의 제1 부분은 항상 제1 물리적 신호에 더 민감하도록 구성되고, 광학 센서의 제2 부분은 항상 제2 물리적 신호에 더 민감하도록 구성됨).
일부 변형에서, 광학 센서 중 적어도 일부는 해당 광학 센서에 의해 측정될 물리적 신호를 향상시키는 주변 환경에 인접할 수 있다(예를 들어, 내장되거나 근접할 수 있음). 예를 들어, 적어도 일부 센서의 주변 환경은 주변 환경의 온도가 민감한 영역 내에 속하도록 열로 단열 및/또는 열 전도성으로 만들어져, 이러한 센서는 온도에 더 민감할 수 있다.
일부 변형에서, 어레이의 일부 센서(예를 들어, 동일한 유형의 센서 또는 상이한 유형의 센서 어레이)는 해당 광학 센서에 의해 측정될 물리적 신호 이외의 하나 이상의 물리적 신호를 억제하는 주변 환경을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 센서는 압력 변화로부터 보호될 수 있도록 견고한 장벽으로 보호될 수 있으며, 이러한 센서는 예를 들어, 온도 신호에 더 민감할 수 있다. 또 다른 예로서, 일부 센서는 음파로부터 센서를 보호하기 위해 감쇠 장벽으로 보호될 수 있으며, 이러한 센서는 예를 들어, 압력 신호에 더 민감할 수 있다.
일부 변형에서, 시스템은 기준 센서 신호를 제공하도록 구성된 하나 이상의 기준 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준 센서는 광학 어레이의 광학 센서(예를 들어, 동일한 유형의 센서 또는 상이한 유형의 센서의 어레이)일 수 있거나, 또는 비광학 센서(예를 들어, 열전대(thermocouple), 힘 변환기(force transducer), 압전 요소(piezoelectric element))일 수 있다. 기준 센서는 상이한 물리적 신호를 구별하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 기준 센서는 관심 있는 특정한 물리적 신호(예를 들어, 압력, 온도, 음파, 이들의 조합 등)에 대해 미리 결정되거나 알려진 감도를 가질 수 있다. 따라서 기준 센서는 광학 어레이의 하나 이상의 광학 센서를 교정하고 및/또는 광학 어레이의 다른 광학 센서의 감도를 확인하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준 센서가 미리 결정된 주파수 범위의 온도에 더 민감한 경우, 기준 센서의 출력은 미리 결정된 주파수 범위 내에서 센서 응답을 평가하도록 분석될 수 있다. 기준 센서와 유사할 수 있는 센서는 기준 센서의 센서 응답에 기초하여 교정될 수 있다.
일부 변형에서, 2개 이상의 센서를 사용하는 것은 2개의 물리적 신호를 구별하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 센서를 갖는 광학 어레이는 제1 센서 신호(및 제1 복수의 센서 응답)를 제공하도록 구성될 수 있고 제2 광학 센서는 제2 센서 신호(및 제2 복수의 센서 응답)를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 제1 및 제2 광학 센서는 상이한 물리적 신호에 대해 상이한 감도를 가질 수 있다. 이러한 광학 어레이를 사용하여, 다차원 감지 방법은 제1 물리적 신호(예를 들어, 목표 물리적 신호)를 나타내는 제1 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 측정 신호는 (i) 제1 광학 센서에 대한 제1 복수의 센서 응답, (ii) 제2 광학 센서에 대한 제2 복수의 센서 응답 및 (iii) 제1 물리적 신호 및 제2 물리적 신호에 대한 제1 및 제2 광학 센서의 감도에 기초한다. 또한, 방법은 (i), (ii) 및 (iii)을 사용하여 제2 물리적 신호를 나타내는 제2 측정 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 예로서, 압력 및 온도 신호 둘 모두에 응답할 수 있는 제1 광학 센서를 고려한다. 제1 센서의 센서 신호는 1 유닛 온도(온도 감도 S1T=1)의 변화에 따라 1 유닛 변화할 수 있고 또한 1 유닛 압력의 변화에 따라 1유닛씩 변화할 수 있다(압력 감도 S1P = 1). 이러한 시나리오에서, 제1 센서의 센서 신호가 2 유닛 변화하는 경우, 그 변화가 전적으로 온도의 2유닛 변화, 압력의 2유닛 변화 또는 온도와 압력의 각각 1유닛 변화에 의해 야기되었는지 식별하기 어려울 수 있다. 그러나, 제1 센서(온도 감도 S2T = 2)보다 온도에 대한 응답이 2배 더 강하지만 압력에 대해서는 제1 센서(압력 감도 S2P = 1)와 동일한 응답을 보이는 제2 센서를 사용하면, 제1 센서와 함께, 온도와 압력을 분리할 수 있다. 이에 대해서는 아래 표에 추가로 예시되어 있다.
위의 표에서 보이는 바와 같이, 1 유닛의 온도 변화와 1 유닛의 압력 변화에 응답하여, 제1 센서의 총 출력은 제2 센서의 총 출력과 상이하다. 온도 변화는 예를 들어, 아래 방정식의 시퀀스에 의해 결정될 수 있다: 먼저, 제1 센서와 제2 센서의 출력은 개별적으로, 방정식 (7) 및 (8)과 같이 표현될 수 있다:
(7)
(8)
방정식 (7) 및 (8)로부터:
(9)
(10)
방정식 (9)와 (10)을 동일시함으로써, 온도 변화는 다음과 같이 유도될 수 있다:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
유사하게, 압력 변화는 아래 방정식의 시퀀스에 의해 결정될 수 있다. 위의 방정식 (7)과 (8)로부터:
(16)
(17)
방정식 (15)와 (16)을 동일시함으로써, 압력 변화는 다음과 같이 유도될 수 있다:
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
방정식(15) 및 (22)는 방정식(15) 및 (22)의 분모(denominator)가 0이 아니도록() 제1 및 제2 광학 센서가 상이한 감도를 가질 때 해결가능 하다. 즉, 상이한 감도를 갖는 다수의 센서를 사용하는 차동 감지는 예를 들어, (i) 제1 물리적 신호에 대한 제1 센서의 감도와 제2 물리적 신호에 대한 제2 센서의 감도의 곱 및 (ii) 제1 물리적 신호에 대한 제2 센서의 감도와 제1 물리적 신호에 대한 제2 센서의 감도의 곱이 (i)와 (ii)는 서로 동일하지 않도록 될 때 가능하다. 따라서, 방정식 (15)가 해결가능한 경우, 에 대한 측정 신호는 센서 응답에서 생성될 수 있으며, 방정식 (22)가 해결가능한 경우, 에 대한 측정 신호는 센서 응답에서 생성될 수 있다. 유사한 접근법은 또한 다른 물리적 신호를 구별하도록 사용될 수 있다.
위의 방정식에서, S1T는 온도에 대한 제1 센서의 감도를 나타내며, S1P는 압력에 대한 제1 센서의 감도를 나타내며, S2P는 압력에 대한 제2 센서의 감도를 나타내며, S2T는 온도에 대한 제2 센서의 감도를 나타내고, O1은 제1 센서의 출력을 나타내고, O2는 제2 센서의 출력을 나타낸다. 는 온도 변화를 나타낸다. 압력의 변화를 나타내는, 는 와 유사한 방식으로 계산될 수 있다.
이러한 방식으로, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 단일 광학 센서를 사용하여 다수의 물리적 신호의 정확한 측정을 가능하게 한다. 본 명세서에 설명된 기술은 예를 들어, 수술이나 다른 의료 절차 중 디바이스에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 기술은 환자의 안전을 보장하기 위해 심장 수술 중에 실시간으로 환자의 다수의 활력 징후를 모니터링하는 것과 같이, 온도와 압력 변화가 동시에 검출되어야 하는 것을 요구하는 애플리케이션에 사용될 수 있다.
전술한 설명은 예시의 목적으로, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법(nomenclature)을 사용했다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 특정한 세부사항이 요구되지 않는다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되어 있다. 이는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 철저하게 하려거나 제한하려는 의도가 아니며; 분명히, 많은 수정 및 변형이 위의 교시를 고려하여 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리와 그 실제 애플리케이션을 설명하기 위해 선택되고 설명되었으며, 이를 통해 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정을 통해 본 발명과 다양한 실시예를 활용할 수 있게 되었다. 다음의 청구범위와 그 등가물은 본 발명의 범위를 정의하는 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. 다차원 감지(multi-dimensional sensing) 방법에 있어서, 상기 방법은:
    측정 영역(measurement region)에 근접한 단일 광학 센서(optical sensor)로부터 센서 신호(sensor signal)를 수신하는 단계;
    상기 센서 신호로부터 복수의 센서 응답(sensor response)을 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호(measurement signal)를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 측정 신호의 각각은 상기 측정 영역의 상이한 개별적 물리적 신호에 대응하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서 응답 중 센서 응답은 모드 시프트(mode shift), 베이스라인 드리프트(baseline drift), 모드 분할(mode split), 모드 확장(mode broadening) 및 이들의 임의의 조합 중 하나 이상으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서 응답은 공진 주파수(resonant frequency)의 변화, 깊이의 변화 및 형상의 변화 중 하나 이상을 포함하는 모드 시프트를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    환경의 상기 물리적 신호는 상기 환경의 온도, 압력, 음파 중 둘 이상을 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 상기 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링(decoupling)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는:
    제1 기간 동안 상기 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 분석하는 단계;
    상기 제1 센서 응답에 기초하여 상기 제1 기간 동안 제1 측정 신호를 생성하는 단계;
    제2 기간 동안 상기 복수의 센서 응답 중 제2 센서 응답을 분석하는 단계; 및
    상기 제2 센서 응답에 기초하여 상기 제2 기간 동안 제2 측정 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    제3 기간 동안 상기 복수의 센서 응답 중 제3 센서 응답을 분석하는 단계; 및
    상기 제3 센서 응답에 기초하여 상기 제3 기간 동안의 제3 측정 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 센서 응답은 모드 시프트를 포함하고, 상기 제1 측정 신호는 온도에 대응하며, 상기 제2 센서 응답은 베이스라인 시프트를 포함하고, 상기 제2 측정 신호는 압력에 대응하는, 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 목표 물리적 신호에 기초하여 상기 환경을 선택적으로 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 상기 목표 물리적 신호와 상이한 상기 물리적 신호 중 하나 이상을 억제하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 물리적 신호 중 하나 이상을 억제하는 단계는 상기 목표 물리적 신호와 상이한 상기 하나 이상의 물리적 신호가 상기 광학 센서의 제1 감도 신호 영역 내에 있도록 상기 환경을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 물리적 신호를 억제하는 단계는 상기 환경의 온도, 압력 및 음향 속성 중 하나 이상을 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 물리적 신호의 적어도 일부를 디커플링하는 단계는 상기 목표 물리적 신호에 대한 상기 광학 센서의 감도를 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광학 센서의 상기 감도를 증가시키는 단계는 상기 목표 물리적 신호가 상기 제1 감도 신호 영역과 상이한 상기 광학 센서의 제2 감도 신호 영역 내에 있도록 상기 광학 센서의 환경을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 감도를 증가시키는 단계는:
    상기 제1 감도 신호 영역과 연관된 제1 기간 동안 상기 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 분석하는 단계; 및
    상기 목표 물리적 신호에 대응하는 제1 측정 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 센서 응답 중 제1 센서 응답을 제1 물리적 신호와 연관시키는 단계, 및 상기 복수의 센서 응답 중 제2 센서 응답을 제2 물리적 신호와 연관시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 측정 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 센서 응답에 신호 변환 함수(signal transformation function)를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 신호 변환 함수는 신호 변환 행렬(signal transformation matrix)을 포함하는, 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광학 센서는 광학 센서의 어레이 중 제1 광학 센서를 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 센서 신호는 제1 센서 신호를 포함하고, 상기 복수의 센서 응답은 제1 복수의 센서 응답을 포함하며, 상기 방법은:
    상기 광학 센서의 어레이의 제2 광학 센서로부터 제2 센서 신호를 수신하는 단계;
    상기 제2 광학 센서로부터 제2 복수의 센서 응답을 결정하는 단계; 및
    제1 물리적 신호를 나타내는 제1 측정 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 측정 신호는 상기 제1 광학 센서에 대한 상기 제1 복수의 센서 응답, 상기 제2 광학 센서에 대한 상기 제2 복수의 센서 응답, 및 상기 제1 물리적 신호 및 제2 물리적 신호에 대한 상기 제1 및 제2 광학 센서의 감도에 기초하는, 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 측정 신호는 기준 센서로부터의 기준 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 생성되는, 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 광학 센서는 간섭-기반 광학 센서(interference-based optical sensor)를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 광학 센서는 광학 공진기(optical resonator) 또는 광학 간섭계(optical interferometer)를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 광학 센서는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함하는, 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 광학 센서는 마이크로버블(microbubble) 광학 공진기, 마이크로구체(microsphere) 공진기, 마이크로-토로이드(micro-toroid) 공진기, 마이크로-링(micro-ring) 공진기 및 마이크로-디스크(micro-disk) 광학 공진기 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  26. 측정 영역의 다차원 감지 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    광학 센서;
    신호 프로세서를 포함하고, 상기 신호 프로세서는:
    상기 광학 센서로부터 센서 신호를 수신하고;
    상기 센서 신호로부터 복수의 센서 응답을 결정하고; 및
    상기 복수의 센서 응답으로부터 복수의 측정 신호를 생성하도록 구성되며, 각각의 측정 신호는 상기 측정 영역의 상이한 개별의 물리적 신호에 대응하는, 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 센서 응답 중 센서 응답은 모드 시프트, 베이스라인 드리프트, 모드 분할 및 모드 확장 중 하나 이상으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 센서 응답은 공진 주파수의 변화, 깊이의 변화, 및 형상의 변화 중 하나 이상을 포함하는 모드 시프트를 포함하는, 시스템.
  29. 제26항에 있어서,
    환경의 상기 물리적 신호는 상기 환경의 온도, 압력 및 음파 중 둘 이상을 포함하는, 시스템.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 광학 센서는 간섭-기반 광학 센서를 포함하는, 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 광학 센서는 광학 공진기 또는 광학 간섭계를 포함하는, 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 광학 센서는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기를 포함하는, 시스템.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 광학 센서는 마이크로버블 공진기, 마이크로구체 공진기, 마이크로토로이드 공진기, 마이크로링 공진기, 마이크로병 공진기, 마이크로실린더 및 마이크로디스크 광학 공진기 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 광학 센서는 원형, 레이스트랙(racetrack) 및 타원의 단면 형상 중 하나 이상을 포함하는 마이크로링 공진기를 포함하는, 시스템.
  35. 제26항에 있어서,
    상기 광학 센서는 광학 센서의 어레이 중 제1 광학 센서를 포함하고 상기 시스템은 상기 광학 센서의 어레이를 더 포함하는, 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 광학 센서의 어레이는 제2 광학 센서를 포함하고, 상기 제1 광학 센서는 상기 제2 광학 센서보다 제1 물리적 신호에 대해 더 높은 감도를 갖고 상기 제2 광학 센서는 상기 제1 광학 센서보다 제2 물리적 신호에 대해 더 높은 감도를 가지며, 상기 제1 물리적 신호가 상기 제2 물리적 신호와 다른, 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 제1 광학 센서의 환경은 상기 제1 물리적 신호를 향상시키도록 구성되거나, 상기 제2 광학 센서의 환경은 상기 제1 물리적 신호를 억제하도록 구성되는, 시스템.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 제1 광학 센서의 환경은 상기 제2 물리적 신호를 억제하도록 구성되거나, 상기 제2 광학 센서의 환경은 상기 제2 물리적 신호를 향상시키도록 구성되는, 시스템.
  39. 제26항에 있어서,
    상기 측정 영역의 상기 물리적 신호 중 하나 이상에 대응하는 기준 신호를 제공하도록 구성된 기준 센서를 더 포함하는, 시스템.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 기준 센서는 광학 센서를 포함하는, 시스템.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 기준 센서는 비광학 센서를 포함하는, 시스템.
KR1020247009853A 2021-08-24 2022-08-23 광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출 KR20240049353A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163236610P 2021-08-24 2021-08-24
US63/236,610 2021-08-24
PCT/US2022/041252 WO2023028073A1 (en) 2021-08-24 2022-08-23 Multi-dimensional signal detection with optical sensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240049353A true KR20240049353A (ko) 2024-04-16

Family

ID=85323430

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247009853A KR20240049353A (ko) 2021-08-24 2022-08-23 광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4391899A1 (ko)
KR (1) KR20240049353A (ko)
CN (1) CN118139579A (ko)
WO (1) WO2023028073A1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8926509B2 (en) * 2007-08-24 2015-01-06 Hmicro, Inc. Wireless physiological sensor patches and systems
US8587426B2 (en) * 2009-01-15 2013-11-19 Medtronic, Inc. Implantable medical device with adaptive signal processing and artifact cancellation
US20180109325A1 (en) * 2016-02-10 2018-04-19 Washington University Opto-mechanical system and method having chaos induced stochastic resonance and opto-mechanically mediated chaos transfer
EP2627966B1 (en) * 2010-10-14 2018-08-01 Fibersonics Inc. Interferometer systems
US10610846B2 (en) * 2013-06-19 2020-04-07 Omega Optics, Inc. Two-dimensional photonic crystal microarray measurement method and apparatus for highly-sensitive label-free multiple analyte sensing, biosensing, and diagnostic assay
US10725360B2 (en) * 2018-05-10 2020-07-28 Ut-Battelle, Llc Gain balanced nonlinear optical interferometer

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023028073A1 (en) 2023-03-02
CN118139579A (zh) 2024-06-04
EP4391899A1 (en) 2024-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3642584B1 (en) Distributed pressure sensing
US9448312B1 (en) Downhole fiber optic sensors with downhole optical interrogator
US7810395B2 (en) Ultrasonic pressure sensor and method of operating the same
US6208776B1 (en) Birefringent fiber grating sensor and detection system
JP6167117B2 (ja) 光センサ
JP5855693B2 (ja) 振動検出装置及び振動検出方法
US11815372B2 (en) Distributed optical fibre vibration sensor
Pinet Fabry‐Pérot fiber‐optic sensors for physical parameters measurement in challenging conditions
Manzo et al. A photonic wall pressure sensor for fluid mechanics applications
GB2424067A (en) Dynamic optical waveguide sensor
US20220350082A1 (en) Ultrasound sensing and imaging based on whispering-gallery-mode (wgm) microresonators
Zou et al. Ultrafast Fabry–Perot fiber-optic pressure sensors for multimedia blast event measurements
KR102074945B1 (ko) 광 바이오센서 및 바이오 센싱 시스템
KR20220118431A (ko) 감지 응용분야용 위스퍼링 갤러리 모드 공진기
Rodriguez-Cobo et al. Speckle characterization in multimode fibers for sensing applications
KR20240049353A (ko) 광학 센서를 이용한 다차원 신호 검출
JP7131967B2 (ja) 光検査システム、光検査方法及び航空機構造体
GB2443575A (en) Dynamic optical waveguide sensor
JP4658163B2 (ja) センサ用に最適化された光共振装置
Diamandi et al. Distributed opto-mechanical sensing outside polyimide-coated fiber
RU2811364C1 (ru) Способ измерения гидростатического давления и волоконно-оптический датчик гидростатического давления
Setiono et al. Prototype fiber Bragg Grattings (FBG) sensor based on intensity modulation of the laser diode low frequency vibrations measurement
Li et al. Design and modeling of a graphene-based composite structure optical pressure sensor
Seng An Exploration in Fiber Optic Sensors
NL2026461B1 (en) Mach-Zehnder Interferometer sensor and measurement unit