直交入力を有する光空洞システム
【課題】光路への入力の法線に平行の方向の光を提供するための光源を備えた閉ループ光路を有する光学システムを提供すること。
【解決手段】光は、回折機構を介して入力に提供することができる。本システムは、空洞リングダウンセンサまたは他の何らかの光デバイスであってもよい。光路は、レーザジャイロスコープ型空洞の中に形成することができる。光源は、空洞の入力の近傍のスポット、標識またはマークと整列したビームを有することができる。スポット、標識またはマークの位置は、回折機構および／または空洞のパラメータに従って決定することができる。光源を保持するためのフィクスチャは、フィクスチャ内の光源の配置によって自動的に光源が整列するように固着することができる。次に、回折機構を挿入し、光学システムの製造をさらに完成することができる。
【解決手段】光は、回折機構を介して入力に提供することができる。本システムは、空洞リングダウンセンサまたは他の何らかの光デバイスであってもよい。光路は、レーザジャイロスコープ型空洞の中に形成することができる。光源は、空洞の入力の近傍のスポット、標識またはマークと整列したビームを有することができる。スポット、標識またはマークの位置は、回折機構および／または空洞のパラメータに従って決定することができる。光源を保持するためのフィクスチャは、フィクスチャ内の光源の配置によって自動的に光源が整列するように固着することができる。次に、回折機構を挿入し、光学システムの製造をさらに完成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ様光路を有する光学システムに関し、詳細には、中に標本流体が挿入された光路に関する。より詳細には、本発明は、これらの光学システムの光路への光入力に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、現在は米国特許第７，１４５，１６５号である、２００４年９月２８日に出願した米国特許出願第１０／９５３，１７４号の一部継続出願である、２００６年１２月４日に出願した米国特許出願第１１／６３３，８７２号の一部継続出願である。
【特許文献１】米国特許第７，１４５，１６５号
【特許文献２】米国特許出願第１１／６３３，８７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
直交入力を有する光空洞システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ループ様光路を有する光学システムである。光学システムは、光路への入力と光学システムのための光源との間に配置された光回折機構であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１に示すように、同調可能レーザ６１は、３ミラー光リングダウン空洞６２に結合することができる。これらのミラーのうちの１つ、たとえばミラー７２は、安定性を改善し、光ビーム６６が空洞から外れないようにするために、若干大きい曲率半径を有することができる。空洞６２は、ブロックリング空洞であっても、あるいは別法として、必ずしも２つのレーザを通過させる必要はないが、レーザシステムの空洞と同様のリング空洞であってもよい。空洞６２は、様々な可能経路から選択される光路を空洞内の光に提供する２つのミラー、３つのミラー、４つのミラーあるいは他の任意の数のミラーを有することができる。指数的に減衰するリングダウン波形からリングダウン率を引き出すためのアナログ検出回路６３を備えることができる。ある技法を使用して、空洞リングダウン分光学セルすなわち空洞６２の連続波励起６４（ＣＷ−ＣＲＤＳ）を使用して、近赤外領域におけるガスの痕跡濃度を測定することができる。空洞リングダウン分光学は、光６４が高鮮鋭度光空洞６２の中に結合される吸収技法であってもよい。空洞６２は、空洞内の、感知され、かつ、定量的に測定されるガスの吸収線に同調させることができる。空洞６２は、光６６が入射光６４と同相になるように同調させることができる。光６６の光路長の調整などのこの同調は、２つのミラー、４つのミラー等々を備えた空洞などの他の種類の空洞にも適用することができる。ミラー７２で空洞を同調する際、アクチュエータ７９を使用した調整７７は、調整のための１つの方法であり得る。同様に、光源６１は、空洞内のガスの吸収線に同調された出力波長を有することができる。検出器６７を備えた検出回路６３を使用して空洞内の光６６の減衰速度をモニタすることにより、空洞６２内の特定のガスの濃度を決定することができる。検出される近赤外光６５には、場合によっては、ガスの様々な大気種の振動倍音遷移および禁制電子遷移が含まれている。システム６０は、ベールの法則に従うことができ、極めて正確な濃度決定を提供する。空洞内の光６６の有効光路長は、高度に反射性の誘電ミラー７１、７２および７３のため、セル６２の物理的なサイズより約１００倍長くすることができる。ミラー７２は、セル６２の光路長を光６６に同調させるための調整７７を有することができる。
【０００６】
Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＮＨ３、ＨＦ、ＨＣｌ、ＣＨ４およびＣ２Ｈ２などの臨界分子の痕跡ガス不純物を高速で測定することができる。このような測定は数秒で実施することができる。痕跡湿気濃度は、パートパービリオン（ｐｐｂ）のレベルからパートパートリリオン（ｐｐｔ）までのレベルで測定することができる。
【０００７】
トンネルレーザ６１は、連続波（または場合によってはパルス波）光信号をセル６２に送信することができる。信号６４は、ミラー７１からミラー７２へ、ミラー７２からミラー７３へ、ミラー７３からミラー７１へ、等々、信号６６が減衰するまでセル６２内をぐるぐると反射する信号６６と見なすことができる。場合によっては光６５の一部がセル６２から射出し、検出器６７に衝突する。検出器６７は、光信号６５を電気信号６８に変換することができる。変換された電気信号６８は、データ収集および解析ユニット６９に送られる。制御電子機器７４は、制御信号７５、７６および７７をそれぞれ同調可能レーザ６１、検出器６７およびデータ収集および解析ユニット６９に送信することができる。また、ミラー７２の可動サポート７９に制御信号９０を送信し、光６６に対する経路の同調可能性を提供している。サポート７９は、セル６２の光路長の同調および変調を可能にする圧電変換器であってもよい。
【０００８】
特定の周波数に近い遷移帯に同調されたレーザを使用して特定の流体を検出することができる。システム６２を使用して、何らかの媒体中の流体の濃度を測定することができる。特定の流体および関連する媒体をポート７８から流入させ、かつ、ポート７９から流出させることができる。ポート８１は、ポンプに接続するためのポートであってもよい。ポート８２は、ゲージ用に使用することができる。リング空洞への、また、リング空洞からの１本または複数本の中空光ファイバを使用して、リング空洞からガスを取り出すためのガスを提供することができる。ガスは、ブルースター窓を使用して空洞内で区分けすることができる。
【０００９】
システム６０を提供することにより、吸収を本質的に測定することができる。ＣＲＤＳの感度は、場合によっては、
（Δｔ／ｔ）（Ｌｏｐｔ／Ｌｃａｖ）（１／Ｆａｃｑ）１／２
に等しい。他の関係は、場合によっては、
Ｌｏｐｔ〜Ｌｃａｖ／［ｎｍｉｒｒｏｒ（１−Ｒ）］〜１０４Ｌｃａｖ
であってもよい。通常、感度は、多モード光の場合、約１０−６ｃｍ−１ないし１０−１０ｃｍ−１にすることができ、また、単一モード光の場合、約１０−９ｃｍ−１ないし１０−１２ｃｍ−１にすることができる。
【００１０】
システム６２は、ＭＥＭＳエタロンの強度、様々なレーザシステム技術およびＶＣＳＥＬに基づくことができる。
図２は、リング空洞７１１を有するセンサシステム７１０を示したものである。この空洞は、一片または複数片の固体材料から製造し、形成し、あるいは機械加工等々することができる。光源７１２は、空洞７１１の中に光７１３のビームを放出することができる。この光のビームは、空洞７１１の経路７１４を追従することができる。ここでは、光は、図面の平面に向かって反時計方向に伝搬することができる。検出器７１５は、光７１３が光源７１２から空洞７１１に入射する位置の直ぐ近くに配置することができる。光源７１２は、たとえば同調可能レーザであってもよい。
【００１１】
空洞７１１の隅にミラー７１６、７１７および７１８を備えることができる。ミラー７１６は、空洞内の光７１３の一部を反射させることができ、したがって検出器７１５は、空洞内の光の一部を検出して解析することができる。ミラー７１６は、その上に、光７１３を入力し、かつ、出力するための小さい孔を有することができる。その場合、ミラー７１６は、完全に反射型にすることができる。光７１３の検出は、時間、周波数および必要な他のパラメータに対する強度であることに留意されたい。検出器またはモニタ７１５の出力は、空洞７１１内の標本流体に関する情報を得るために、収集、解析および他の目的でデータ収集および解析回路７１９に送信することができる。目的の１つは、レーザ７１２を標本の吸収線に同調させることであってもよい。読出しおよび制御電子機器７２１への検出器の出力は、二重ＪＦＥＴ増幅器を使用して改善することができる。他の回路は、検出器の出力を処理するために利用することができる。読出しおよび制御電子機器７２１は、光源７１２を励起し、かつ、制御することができる。入力および出力は、プロセッサ７２２と、読出しおよび制御電子機器７２１と、データ収集および解析回路７１９との間の接続に対して、プロセッサ７２２へ、また、プロセッサ７２２から提供することができる。プロセッサ７２２は、システム７１０に送信され、また、システム７１０から出力される外部７２３信号に接続することも可能である。読出しおよび制御電子機器７２１および／または外部７２３を使用してユーザインタフェースを実現することができる。読出しおよび制御電子機器７２１、データ収集および解析回路７１９およびプロセッサ７２２は、電子機器モジュール７２４を構成することができる。電子機器モジュール７２４は、他のコンポーネントを有することができる。標本流体を空洞７１１に流入させ、また、空洞７１１から流出させるためのポート７２５を提供することができる。
【００１２】
図３は、システム３１２のビーム経路アライメントのためのミラーモニタリングデバイス３１０および手法を一括して示したものである。システム３１２は、システムフレームすなわちブロック３１４を備えている。ブロック３１４は、概ね三角形の形をしており、六角形の外周を備えている。この形は、正方形のような形、五角形のような形あるいは他の形にすることも可能であり、また、その周囲も様々な形にすることができる。六角形の外周には、それぞれ第１、第２および第３のミラー取付け表面３１６、３１８および３２０を形成している、隣接していない３つの平らな側面が含まれており、また、それらとは別に、隣接していない３つの平らな側面３２１、３２２および３２３がそれぞれ含まれている。取付け表面３１６、３１８、３２０および側面３２１、３２２、３２３は、それぞれブロック３１４の平らな頂部表面３２４および底部表面３２６の縁を形成している。ブロック３１４は、ブロック３１４の円形の内部境界３３０内の入力軸３２８（頂部表面３２４および底部表面３２６に対して直角をなしている）を中心にして心出しされている。ブロック３１４は、ガラスセラミックまたは同様の材料で形成されている。適切なブロック材料には、「Ｃｅｒｖｉｔ」および「Ｚｅｒｏｄｕｒ」（登録商標）の商標で販売されているガラスセラミック材料がある。適切なガラス材料は、「ＢＫ−７」の商標で販売されている。
【００１３】
図３から分かるように、ブロック３１４の内部光空洞３３２は、それぞれ３つの円筒形状の井戸３４０、３４２および３４４によって取付け表面３１６、３１８および３２０で相互接続されている、実質的に真直ぐな３つのボア３３４、３３６および３３８をそれぞれ備えている。ブロック３１４は、固形体であってもよく、その固形体を機械加工して、様々な形状、通路、孔、ボアおよび空間を動作面またはコンポーネントの配置に適応させることができる。ボア３３４および３３６は、それぞれ、所望の閉ループ光路を画定している開口３３５および３３７を備えている。ボア３３４、３３６、３３８および井戸３４０、３４２、３４４は、ブロック３１４内に穿たれており、三角形の形の閉ループ光路を形成している。取付け表面３１６、３１８および３２０は、この光路の隅に配置されている。
【００１４】
図３から分かるように、それぞれ平らな反射表面３６１および３６２を有している２つの平らなミラー３５８および３６０の各々は、それぞれ第２および第３のミラー取付け表面３１８および３２０に固着されている（たとえばオプティカルコンタクト、エポキシ結合またはフリッティングによって）。凹面反射表面３６４を有している湾曲したミラー３６３は、第１のミラー取付け表面３１６に結合されたミラー取付けデバイス３１０に固着されている（エポキシ結合またはフリッティングによって）。ミラー３５８、３６０および３６３の各々の反射表面３６１、３６２および３６４は、光空洞３３２によって画定された閉ループ光路のその個々の隅で１つまたは複数の光ビーム３４６を反射させている。ミラー３５８および／またはミラー３６０は、部分反射表面を有することができ、したがって、説明のための例の空洞リングダウンセンサのようなアプリケーションのためにその個々のポートを入力および／または出力として使用することができる。
【００１５】
極めて高い感度での痕跡ガスの検出および識別は、費用有効性の高い製造性を達成するためにリングレーザジャイロ製造およびアライメント技法と共に実施される空洞リングダウン技法を使用して達成することができる。
【００１６】
リングレーザジャイロ製造方法（レーザブロック、ミラー製造、アタッチメントおよびアライメント等々）を適合させる利点により、空洞リングダウンガス検出のための費用有効性の高いシステムを達成することができる。このシステムは、光をリング空洞の中に結合し、また、リング空洞から射出させるための手法を有している。詳細には、この手法によれば、空洞に対する光源のアライメントを容易にするために、光源からの光がリング空洞の光入力ポートに直角に入射するように導かれ、次に、光をリング空洞の中に導くためのプリズム結合モジュールを通過する。この手法の変形形態には、空洞内の光が同じく外部検出器に結合されるよう、光入力ポートの前段に導入された結合プリズムの修正が含まれており、したがって、反射光を光源に帰還させることなく、同じ空洞ポートを入力ポートおよび出力ポートの両方にすることができる。
【００１７】
図４は、光を空洞内をぐるぐると反射させるための３つの隅１０２および１０８を備えたリング空洞１０３の基本レイアウトを示したものである。これらの隅の各々は、研磨された外部表面１０６を有している。空洞１０３の内側の部分１２８は不要である。図に示されている光源１０１は、光１０５を有する入力として隅１０２と整列している。この光１０５は、入力１０２の法線にほぼ平行の方向に伝搬している。図５は、光源１０１（同調可能レーザなど）とリング空洞１０３の光入力ポート１０２とを整列させるための手法、および直角に入射する光を空洞に導くためのプリズム結合モジュール１０４を挿入するための手法を線図で示したものである。
【００１８】
図７〜１１は、特定の設計の例を示したものである。図８は、一組の特定の設計要求事項（つまりプリズム材料、空洞角度、プリズム角度等々）に合致する手法の確立を容易にすることができる、様々な媒体に対する光方位角を示したものである。
【００１９】
この手法およびシステムは、外部光源１０１（同調可能レーザなど）、入射光を速やかに消滅させるための機構、外部検出器、および反射率が大きいミラーを備えたリング空洞１０３から構成することができる。リング空洞は、光入力ポート、光出力ポート、ガス入口ポートおよびガス出口ポートを有していなければならない。光入力ポートおよび光出力ポートは、空洞内の同じ物理ポートであってもよい。空洞内の個々の入力ポートおよび出力ポートは、反射率が大きいミラーを使用して終端させることができる。リング空洞の光路には、反射率が大きい少なくとも１つのミラーを追加することができる。リング空洞は、複数のミラーを有することができる。
【００２０】
このシステムは、入力−出力プリズム１０４を使用して、リングダウン空洞光およびレーザ１０１から単一検出器への入力光の両方を感知することができる。このシステムは、場合によっては、とりわけ、光源によって放出される光１０１を空洞の光入力ポート１０２に対して直角にする必要がある。この機能を発揮することにより、空洞１０３に対するレーザ１０１のアライメントを容易に、かつ、正確に実施することができ、したがって総合コストが削減され、また、性能が改善される。アライメントが得られると、プリズム結合器１０４を空洞に取り付け、入射光１０５を空洞の中へ導くことができる。
【００２１】
空洞ブロックの表面１０６は、点線で示すことができ、ポート１０２および１０８の各々のための光学的に完成した（研磨された）平面を有している。光源１０１は、反射した光が光源に向かって反対方向に導かれるよう、空洞ポート１０２の表面１０６に直角にビームが入射するように設置し、かつ、調整することができる。光源１０１および空洞１０３が所定の位置に整列して固定されると、空洞ポート１０３の上にプリズム結合器１０４を設置することができる（それにより空洞ポート１０３が光入力ポートになる）。プリズム結合器１０４の内面は、表面１０６に隣接し、かつ、表面１０６に平行の、反射率が大きい光コーティング１０７を有することができる。次に、反射率が大きいミラー１１０を残りの空洞ポートに取り付けることができる。これらの複数のミラー１１０のうちの１つまたは複数は、空洞１０３の光安定性を促進するために若干の曲率半径を有することができる。これらの複数のミラー１１０のうちの１つまたは複数は、空洞を光共振に同調させるための変換器（圧電駆動変換器または他の変換器）を統合することができる。
【００２２】
図６は、屈折率「ｎ」に対する角度「α」の関係を示すグラフ１１５である。この角度は、図７に示されているように、入力ポート１０２の表面１０６に対するプリズムの外部表面１０９の角度であるか、あるいはプリズム１０４の外部表面１０９の法線１１１に対する入射光１０５の角度である。入射光１０５は、入力ポート１０２の表面１０６の法線１１２に平行であってもよい。光１０５は、光コーティング１０７に対して直角であってもよく、また、入力ポート１０２の表面１０６に対向し、かつ、隣接しているプリズム１０４の内部表面すなわち内面１１３に対して直角であってもよい。それは、光１０５のビームがポート１０２の表面１０６の法線１１２に平行であることを保障する問題にすぎない。ビーム１０５は、常に、法線１１２に平行のビームとして、つまり表面１０６、１１３および光コーティング１０７に対して直角のビームとして維持されるため、ビーム１０５を法線１１２に対して調整する必要はない。経路１１４を通過するように光ビームを整列させるための調整可能なファクタには、プリズム１０４の屈折率ｎおよびプリズム１０４の内部表面１１３に対する外部表面１０９の角度αを含めることができる。
【００２３】
図８は、複数のコンポーネントの幾何学上の関係および物理的な関係を線図で示したものである。θ１＝αを取ることができる。入射光１０５は、ポート１０２の表面１０６に対して直角にプリズムに入射することができる。プリズム１０４の表面１０９に対する法線１１１が存在していてもよい。入射光１０５の経路は、法線１１１に対して角度θ１にすることができる。入射光１０５がプリズム１０４に入射すると、入射光１０５は、法線１１１に対して角度θ２で位置している経路を取る光１１６になることができる。この角度は、スネルの法則を使用して、式、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２によって計算することができる。ｎ１は、空気またはある種の真空であってもよい媒体１１８の屈折率であり、また、ｎ２は、プリズム１０４の材料の屈折率である。光１１６の経路は、ポートの表面１０６の法線１１２に対して角度θ３を有することができる。θ１＝θ２＋θ３であることに留意されたい。光１１６は、プリズムの表面１１３でプリズム１０４から射出し、ポートの表面１０６でポート１０２に入射し、光１１７として、法線１１２に対して角度θ４を有する経路１１４を通って空洞１０３に入ることができる。角度θ４は、式、ｎ２ｓｉｎθ３＝ｎ３ｓｉｎθ４を使用して計算することができる。ｎ３は、空洞１０３内の媒体の屈折率である。図７に示されているポート１０２の表面１０６に位置している表面１１３の反射コーティングが、ｎ２またはｎ３とは異なる屈折率を有している場合であっても、反射コーティングの厚さが極端に薄いため、事実上、屈折率の相違が空洞１０３内における光１１７の経路に影響を及ぼすことはほとんどない。入射光をポート１０２の表面１０６に対して直角に入射させるためのこの手法の設計は、空洞１０３内を廻る経路を光１１７が追従するように光１１７を空洞１０３に入射させる角度と見なすことができる。図７に示されている説明のための例では、この角度は約３０度にすることができる。経路１１４が存在している空洞１０３媒体のｎ３、プリズム材料の屈折率ｎ２および光１０５の周囲環境の屈折率ｎ１を始めとする図７および８の情報を使用して、プリズムの表面１１３に対する表面１０９の角度θ１を一覧表に作成することができる。
【００２４】
また、入力ポート１０２は、図９に示されているように、空洞１０３の出力ポートであってもよい。入力および出力は、共通の光結合器またはポートの中に統合することができる。プリズムの表面１１３に施された高度に反射性のコーティング１０７は、空洞リング経路１１４を廻って移動する光１１７の大部分を維持することができる。しかしながら、光１１７の一部は、光１１９として、ポート１０２およびプリズム１０４を通過して空洞１０３から射出することができる。光１１９は、プリズム１０４の表面に隣接する検出器１２１に向かって直接移動することができる。光１１９は、プリズムから射出した後、検出器１２１によって感知される前に一定の距離だけ伝搬することができるため、検出器１２１は、プリズムから一定の距離を隔てて配置することも可能である。空洞から射出することができた光は、たとえ入射光１０５がリング空洞１０３のポート１０２の表面に対して直角の方向を有することができるとしても、事実上、空洞から光源１３１に向かって移動する光ではない。
【００２５】
図９では、プリズム１０４がない場合、光源１３１からの光ビーム１０５は、ポート１０２の表面１０６に対して直角の方向を維持することができる。ビーム１０５は、表面１０６の領域１３２に衝突することになる。ビーム１０５は、表面１０９でプリズム１０４を通り越したポイントでは、領域１３２の表面で反射したビームを含んだビーム１３３と見なすことができる。ビーム１３３は、プリズム１０４が存在しない場合、反射して光源１３１へ戻ることができる。光ビーム１０５および／または１３３がポート１０２の開口である領域１３４に入射しても、表面１０６は、開口領域１３４の上方まで展開することができるため、光１０５／１３３は、依然として反射して光源１３１に向かって戻ることができる。光ビーム１０５の距離１３５は、光１０５／１３３が１３４の外側の領域に衝突することができるよう、十分な距離でなければならない。領域１３２は、領域１３４の十分に外側にすることができる。光ビーム１０５／１３３は、開口領域１３４からほぼ距離１３６だけ離れた表面１０６に衝突させることができる。
【００２６】
光源１３１は、概ね空洞１０３を製造する時点で、あるいは空洞１０３が製造された後に所定の位置に整列して配置することができるが、プリズム１０４がポート１０２の表面１０６の所定の位置に配置されるのは、その後である。光源１３１のアライメントの次のステップは、法線軸１１２からのビーム１０５／１３３の距離である距離１３５の量を指示することであってもよい。距離１３５を決定するファクタには、プリズム１０４の屈折率、ビーム１０５がプリズムに入射する表面に対する表面１０９の角度α、ビーム１０５が法線１１２に平行の方向から表面１０９でプリズム１０４に入射するポイントと表面１０６との間の距離である距離１３７、空洞１０３内の物質の屈折率、および光ビーム１１７がプリズム１０４から射出し、ポート１０２を介して空洞に入射する、法線１１２に対する角度を含めることができる。ビーム１０５およびその後続するビーム１１６がプリズム１０４を通過して開口領域１３４のほぼ中心で表面１０６のラインに到達する場合、距離１３７を長くすることによって距離１３５を長くすることができる。空洞１０３の経路１１４の屈折率とプリズム１０４の屈折率が同じである場合、ビーム１１６は直線を維持し、ビーム経路１３８を取ることになる。しかしながら、独自の屈折率を有するプリズム１０４からビーム１１６が空洞１０３の空洞経路１１４に向かって射出すると、ビーム１１６は、空気の屈折率と同様の異なる屈折率を有する空洞１０３内のビーム１１７になることができる。経路１１４には、同じく空気の屈折率と同様の屈折率をもたらす標本ガスが存在していてもよい。したがって、空洞１０３内の様々な標本によって空洞内の屈折率が大きく変化することは全くない。
【００２７】
光源１３１を空洞１０３に対して整列させるために、所定のスポット、マークまたは他の何らかの標識を空洞１０３のポート１０２の表面１０６に提供することができる。光ビーム１０５／１３３が法線１１２に平行であるため、光源１３１は、表面１０６に平行の運動であるｘ方向および／またはｙ方向に移動させることができ、それにより領域１３２内のスポットにビーム１０５／１３３を衝突させることができる。そのスポットに衝突すると、ビーム１３３は、逆反射して光源１３１に向かって戻り、そのために光源がその影響を受け、あるいは光源の位置または光源１３１の内部に配置することができる何らかの種類の検出器がその影響を受けることになる。また、光源へのビーム１０５の経路に沿った光１３３の戻りは、光源の性能にも著しく影響することがあり、したがって適切なアライメントの必要性を示している。表面１０６の領域１３２内のスポットは、ミラーであっても、あるいは他の何らかの反射機構であってもよい。この領域は、光源１３１をその所定の位置に固定する前に光ビーム１０５を集束させることができる領域の中にノッチを有することができる。領域１３２内のアライメントスポットは、ミラーまたは他の何らかの反射機構の代わりに、何らかの種類の検出器であってもよい。光源１３１および／またはそのビーム１０５を整列させるための他の方法も可能である。光源１３１は、光源１３１を設置する際に自動的に整列させることができる予め準備済みのフィクスチャを有することができる。
【００２８】
光源１３１の所定のアライメントを達成することにより、この光空洞システムの費用有効性の高い製造性が提供される。また、リングレーザジャイロスコープのコンポーネントまたは製造を空洞１０３に使用することにより、このシステムを製造するための費用有効性を改善することも可能である。
【００２９】
プリズム１０４が所定の位置に配置され、また、ビーム１０５、１１６および１１７が、ほぼそれらの経路に沿って進行すると、反射性の光コーティング、膜またはミラー１０７の半透過性特性によって空洞１０３からプリズム１０４へ戻るビーム１１７の一部を、プリズム１０４を通過して空洞１０３から離れ、表面１３９を介してプリズム１０４から射出するビーム１１９として得ることができる。ビーム１１９は、ビーム１４１として出現することができる。ビーム１４１は、検出器１２１によって検出することができる。検出器１２１の出力は、この出力を解析し、計算し、解釈し、等々のためにプロセッサ（図示せず）などに接続することができる。
【００３０】
プリズム１０４は、ある角度で製造され、形状化され、あるいは切断された面すなわちプリズム１０４の表面１３９を有することができ、その結果ビーム１１９は表面１３９に直角に衝突する。したがってビーム１４１は、表面１３９の法線に平行にプリズム１０４から射出することができる。
【００３１】
図１０の場合、図９と比較すると、プリズム１０４をより薄くすることによって距離１３７が短くなると、距離１３５が短くなることに留意されたい。光源１３１のセットアップアライメントにおいてプリズム１０４が存在しない場合、光ビーム１０５／１３３は、ポート１０２の開口領域１３４に存在することになるため、図１０の場合、必ずしも図９に示されているセットアップの場合と同じようにアライメントを実施する必要はなく、表面１０６に依存して、プリズム１０４を設置する前に、反射体、マーク、検出器などに光源１３１のアライメントに対するビーム１０５／１３３を認知させることができる。しかしながら、プリズム１０４がより分厚くなって距離１３７が長くなると、距離１３５が長くなり、したがってアライメントビーム１０５／１３３は、開口領域１３４の外側の領域の空洞１０３ブロックの一部に衝突することになる。
【００３２】
図１０および図１１に示す線図は、互いに類似しているように見えるが、図１０のプリズム１０４の角度αは、図１１のプリズム１０４の角度αより小さいように見える。図１０のプリズムはケイ素であってもよく、一方、図１１のプリズムはガラスであってもよく、それぞれ約４．０および約１．５の屈折率を有している。角度αは、それぞれ約１１．３度および約５０．５度にすることができる。図６のグラフ１１５は、角度αとプリズムの屈折率ｎの間の関係を示したものである。
【００３３】
図１２および１３は、それぞれ図１０および１１に示されているプリズム１０４の実施態様であってもよい回折機構１２２および１２３の例を線図で示したものである。機構１２２または１２３は、図３に示されている機械加工ブロック空洞３１２などの空洞の入力に接着することができる。様々な種類の製造技法を使用して、空洞３１２の一部である機構１２２または１２３を製造することができる。
【００３４】
図１４は、空洞リングダウンセンサとして利用されている、本明細書において説明されているいくつかの図に示されているデバイスの空洞の一アプリケーションのグラフ１２４である。このグラフには振幅対時間が示されている。図９に示されているセットアップの検出器１２１は、多機能検出器であってもよく、そのうちの１つの機能を使用して、グラフ１２４の部分１２５で示されているように、空洞１０３に対する光の強度が感知される。検出器１２１の他の機能には、部分１２６で空洞に結合する機能、および結合部分１２６で空洞への光の供給が停止した後の部分１２７の後で、空洞内の光信号を測定する機能を含めることができる。部分１２７は、空洞リングダウンデバイスの空洞光振幅の減衰を示している。リングダウンの振幅および時間は、空洞１０３内に存在し得る標本流体に関する情報を提供することができる。また、光の波長および標本の吸収特性も場合によっては有用である。プロセッサ（たとえば、それぞれ図１および２に示されているプロセッサ６３または７２２）は、テーブルおよびアルゴリズムなどの他のアイテムと共に、標本に関する情報の決定を補助することができる。
【００３５】
本明細書においては、いくつかの内容は、他の方法または時制で記述されているが、場合によっては仮説的または予言的性質の内容になっている。
以上、本発明について、少なくとも１つの説明のための例に関連して説明したが、当業者には、本明細書を読めば多くの変形形態および改変が明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲は、従来技術に鑑みて、このようなすべての変形形態および改変を包含するべく、可能な限り広義に解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】リングダウン空洞を示す線図である。
【図２】一片または複数片の固体材料から製造し、形成し、機械加工等々することができるリング空洞を有するセンサシステムを示す線図である。
【図３】リング空洞のための機械加工様ブロックを組み込んだセンサシステムを示す線図である。
【図４】本発明の説明のための例に基づくことができるセンサの基本レイアウトを示す線図である。
【図５】光を導くための回折機構を備えた形態のセンサを示す線図である。
【図６】空洞のための光源から入射する光が法線入力の場合における、回折機構の材料の屈折率に対する、センサ空洞への入力表面に対する回折機構の表面の入射角を示すグラフである。
【図７】光源から回折機構を介した空洞内への光路を示す、センサ空洞への入力を示す線図である。
【図８】光源から回折機構を介したセンサ空洞内への光路の相対角を示す、図７と同様の線図である。
【図９】回折機構および検出器を組み込んだ入力および出力を示す線図である。
【図１０】屈折率が大きく異なり、かつ、入射光および空洞光路角が同じであるプリズムを有する入力を示す図である。
【図１１】屈折率が大きく異なり、かつ、入射光および空洞光路角が同じであるプリズムを有する入力を示す図である。
【図１２】図３に示す機械加工様ブロックと同様の機械加工ブロック空洞の入力上に形成することができる回折機構の例を示す線図である。
【図１３】図３に示す機械加工様ブロックと同様の機械加工ブロック空洞の入力上に形成することができる回折機構の例を示す線図である。
【図１４】空洞リングダウンセンサとして利用されているデバイスの空洞の一アプリケーションのグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ様光路を有する光学システムに関し、詳細には、中に標本流体が挿入された光路に関する。より詳細には、本発明は、これらの光学システムの光路への光入力に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、現在は米国特許第７，１４５，１６５号である、２００４年９月２８日に出願した米国特許出願第１０／９５３，１７４号の一部継続出願である、２００６年１２月４日に出願した米国特許出願第１１／６３３，８７２号の一部継続出願である。
【特許文献１】米国特許第７，１４５，１６５号
【特許文献２】米国特許出願第１１／６３３，８７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
直交入力を有する光空洞システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ループ様光路を有する光学システムである。光学システムは、光路への入力と光学システムのための光源との間に配置された光回折機構であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１に示すように、同調可能レーザ６１は、３ミラー光リングダウン空洞６２に結合することができる。これらのミラーのうちの１つ、たとえばミラー７２は、安定性を改善し、光ビーム６６が空洞から外れないようにするために、若干大きい曲率半径を有することができる。空洞６２は、ブロックリング空洞であっても、あるいは別法として、必ずしも２つのレーザを通過させる必要はないが、レーザシステムの空洞と同様のリング空洞であってもよい。空洞６２は、様々な可能経路から選択される光路を空洞内の光に提供する２つのミラー、３つのミラー、４つのミラーあるいは他の任意の数のミラーを有することができる。指数的に減衰するリングダウン波形からリングダウン率を引き出すためのアナログ検出回路６３を備えることができる。ある技法を使用して、空洞リングダウン分光学セルすなわち空洞６２の連続波励起６４（ＣＷ−ＣＲＤＳ）を使用して、近赤外領域におけるガスの痕跡濃度を測定することができる。空洞リングダウン分光学は、光６４が高鮮鋭度光空洞６２の中に結合される吸収技法であってもよい。空洞６２は、空洞内の、感知され、かつ、定量的に測定されるガスの吸収線に同調させることができる。空洞６２は、光６６が入射光６４と同相になるように同調させることができる。光６６の光路長の調整などのこの同調は、２つのミラー、４つのミラー等々を備えた空洞などの他の種類の空洞にも適用することができる。ミラー７２で空洞を同調する際、アクチュエータ７９を使用した調整７７は、調整のための１つの方法であり得る。同様に、光源６１は、空洞内のガスの吸収線に同調された出力波長を有することができる。検出器６７を備えた検出回路６３を使用して空洞内の光６６の減衰速度をモニタすることにより、空洞６２内の特定のガスの濃度を決定することができる。検出される近赤外光６５には、場合によっては、ガスの様々な大気種の振動倍音遷移および禁制電子遷移が含まれている。システム６０は、ベールの法則に従うことができ、極めて正確な濃度決定を提供する。空洞内の光６６の有効光路長は、高度に反射性の誘電ミラー７１、７２および７３のため、セル６２の物理的なサイズより約１００倍長くすることができる。ミラー７２は、セル６２の光路長を光６６に同調させるための調整７７を有することができる。
【０００６】
Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＮＨ３、ＨＦ、ＨＣｌ、ＣＨ４およびＣ２Ｈ２などの臨界分子の痕跡ガス不純物を高速で測定することができる。このような測定は数秒で実施することができる。痕跡湿気濃度は、パートパービリオン（ｐｐｂ）のレベルからパートパートリリオン（ｐｐｔ）までのレベルで測定することができる。
【０００７】
トンネルレーザ６１は、連続波（または場合によってはパルス波）光信号をセル６２に送信することができる。信号６４は、ミラー７１からミラー７２へ、ミラー７２からミラー７３へ、ミラー７３からミラー７１へ、等々、信号６６が減衰するまでセル６２内をぐるぐると反射する信号６６と見なすことができる。場合によっては光６５の一部がセル６２から射出し、検出器６７に衝突する。検出器６７は、光信号６５を電気信号６８に変換することができる。変換された電気信号６８は、データ収集および解析ユニット６９に送られる。制御電子機器７４は、制御信号７５、７６および７７をそれぞれ同調可能レーザ６１、検出器６７およびデータ収集および解析ユニット６９に送信することができる。また、ミラー７２の可動サポート７９に制御信号９０を送信し、光６６に対する経路の同調可能性を提供している。サポート７９は、セル６２の光路長の同調および変調を可能にする圧電変換器であってもよい。
【０００８】
特定の周波数に近い遷移帯に同調されたレーザを使用して特定の流体を検出することができる。システム６２を使用して、何らかの媒体中の流体の濃度を測定することができる。特定の流体および関連する媒体をポート７８から流入させ、かつ、ポート７９から流出させることができる。ポート８１は、ポンプに接続するためのポートであってもよい。ポート８２は、ゲージ用に使用することができる。リング空洞への、また、リング空洞からの１本または複数本の中空光ファイバを使用して、リング空洞からガスを取り出すためのガスを提供することができる。ガスは、ブルースター窓を使用して空洞内で区分けすることができる。
【０００９】
システム６０を提供することにより、吸収を本質的に測定することができる。ＣＲＤＳの感度は、場合によっては、
（Δｔ／ｔ）（Ｌｏｐｔ／Ｌｃａｖ）（１／Ｆａｃｑ）１／２
に等しい。他の関係は、場合によっては、
Ｌｏｐｔ〜Ｌｃａｖ／［ｎｍｉｒｒｏｒ（１−Ｒ）］〜１０４Ｌｃａｖ
であってもよい。通常、感度は、多モード光の場合、約１０−６ｃｍ−１ないし１０−１０ｃｍ−１にすることができ、また、単一モード光の場合、約１０−９ｃｍ−１ないし１０−１２ｃｍ−１にすることができる。
【００１０】
システム６２は、ＭＥＭＳエタロンの強度、様々なレーザシステム技術およびＶＣＳＥＬに基づくことができる。
図２は、リング空洞７１１を有するセンサシステム７１０を示したものである。この空洞は、一片または複数片の固体材料から製造し、形成し、あるいは機械加工等々することができる。光源７１２は、空洞７１１の中に光７１３のビームを放出することができる。この光のビームは、空洞７１１の経路７１４を追従することができる。ここでは、光は、図面の平面に向かって反時計方向に伝搬することができる。検出器７１５は、光７１３が光源７１２から空洞７１１に入射する位置の直ぐ近くに配置することができる。光源７１２は、たとえば同調可能レーザであってもよい。
【００１１】
空洞７１１の隅にミラー７１６、７１７および７１８を備えることができる。ミラー７１６は、空洞内の光７１３の一部を反射させることができ、したがって検出器７１５は、空洞内の光の一部を検出して解析することができる。ミラー７１６は、その上に、光７１３を入力し、かつ、出力するための小さい孔を有することができる。その場合、ミラー７１６は、完全に反射型にすることができる。光７１３の検出は、時間、周波数および必要な他のパラメータに対する強度であることに留意されたい。検出器またはモニタ７１５の出力は、空洞７１１内の標本流体に関する情報を得るために、収集、解析および他の目的でデータ収集および解析回路７１９に送信することができる。目的の１つは、レーザ７１２を標本の吸収線に同調させることであってもよい。読出しおよび制御電子機器７２１への検出器の出力は、二重ＪＦＥＴ増幅器を使用して改善することができる。他の回路は、検出器の出力を処理するために利用することができる。読出しおよび制御電子機器７２１は、光源７１２を励起し、かつ、制御することができる。入力および出力は、プロセッサ７２２と、読出しおよび制御電子機器７２１と、データ収集および解析回路７１９との間の接続に対して、プロセッサ７２２へ、また、プロセッサ７２２から提供することができる。プロセッサ７２２は、システム７１０に送信され、また、システム７１０から出力される外部７２３信号に接続することも可能である。読出しおよび制御電子機器７２１および／または外部７２３を使用してユーザインタフェースを実現することができる。読出しおよび制御電子機器７２１、データ収集および解析回路７１９およびプロセッサ７２２は、電子機器モジュール７２４を構成することができる。電子機器モジュール７２４は、他のコンポーネントを有することができる。標本流体を空洞７１１に流入させ、また、空洞７１１から流出させるためのポート７２５を提供することができる。
【００１２】
図３は、システム３１２のビーム経路アライメントのためのミラーモニタリングデバイス３１０および手法を一括して示したものである。システム３１２は、システムフレームすなわちブロック３１４を備えている。ブロック３１４は、概ね三角形の形をしており、六角形の外周を備えている。この形は、正方形のような形、五角形のような形あるいは他の形にすることも可能であり、また、その周囲も様々な形にすることができる。六角形の外周には、それぞれ第１、第２および第３のミラー取付け表面３１６、３１８および３２０を形成している、隣接していない３つの平らな側面が含まれており、また、それらとは別に、隣接していない３つの平らな側面３２１、３２２および３２３がそれぞれ含まれている。取付け表面３１６、３１８、３２０および側面３２１、３２２、３２３は、それぞれブロック３１４の平らな頂部表面３２４および底部表面３２６の縁を形成している。ブロック３１４は、ブロック３１４の円形の内部境界３３０内の入力軸３２８（頂部表面３２４および底部表面３２６に対して直角をなしている）を中心にして心出しされている。ブロック３１４は、ガラスセラミックまたは同様の材料で形成されている。適切なブロック材料には、「Ｃｅｒｖｉｔ」および「Ｚｅｒｏｄｕｒ」（登録商標）の商標で販売されているガラスセラミック材料がある。適切なガラス材料は、「ＢＫ−７」の商標で販売されている。
【００１３】
図３から分かるように、ブロック３１４の内部光空洞３３２は、それぞれ３つの円筒形状の井戸３４０、３４２および３４４によって取付け表面３１６、３１８および３２０で相互接続されている、実質的に真直ぐな３つのボア３３４、３３６および３３８をそれぞれ備えている。ブロック３１４は、固形体であってもよく、その固形体を機械加工して、様々な形状、通路、孔、ボアおよび空間を動作面またはコンポーネントの配置に適応させることができる。ボア３３４および３３６は、それぞれ、所望の閉ループ光路を画定している開口３３５および３３７を備えている。ボア３３４、３３６、３３８および井戸３４０、３４２、３４４は、ブロック３１４内に穿たれており、三角形の形の閉ループ光路を形成している。取付け表面３１６、３１８および３２０は、この光路の隅に配置されている。
【００１４】
図３から分かるように、それぞれ平らな反射表面３６１および３６２を有している２つの平らなミラー３５８および３６０の各々は、それぞれ第２および第３のミラー取付け表面３１８および３２０に固着されている（たとえばオプティカルコンタクト、エポキシ結合またはフリッティングによって）。凹面反射表面３６４を有している湾曲したミラー３６３は、第１のミラー取付け表面３１６に結合されたミラー取付けデバイス３１０に固着されている（エポキシ結合またはフリッティングによって）。ミラー３５８、３６０および３６３の各々の反射表面３６１、３６２および３６４は、光空洞３３２によって画定された閉ループ光路のその個々の隅で１つまたは複数の光ビーム３４６を反射させている。ミラー３５８および／またはミラー３６０は、部分反射表面を有することができ、したがって、説明のための例の空洞リングダウンセンサのようなアプリケーションのためにその個々のポートを入力および／または出力として使用することができる。
【００１５】
極めて高い感度での痕跡ガスの検出および識別は、費用有効性の高い製造性を達成するためにリングレーザジャイロ製造およびアライメント技法と共に実施される空洞リングダウン技法を使用して達成することができる。
【００１６】
リングレーザジャイロ製造方法（レーザブロック、ミラー製造、アタッチメントおよびアライメント等々）を適合させる利点により、空洞リングダウンガス検出のための費用有効性の高いシステムを達成することができる。このシステムは、光をリング空洞の中に結合し、また、リング空洞から射出させるための手法を有している。詳細には、この手法によれば、空洞に対する光源のアライメントを容易にするために、光源からの光がリング空洞の光入力ポートに直角に入射するように導かれ、次に、光をリング空洞の中に導くためのプリズム結合モジュールを通過する。この手法の変形形態には、空洞内の光が同じく外部検出器に結合されるよう、光入力ポートの前段に導入された結合プリズムの修正が含まれており、したがって、反射光を光源に帰還させることなく、同じ空洞ポートを入力ポートおよび出力ポートの両方にすることができる。
【００１７】
図４は、光を空洞内をぐるぐると反射させるための３つの隅１０２および１０８を備えたリング空洞１０３の基本レイアウトを示したものである。これらの隅の各々は、研磨された外部表面１０６を有している。空洞１０３の内側の部分１２８は不要である。図に示されている光源１０１は、光１０５を有する入力として隅１０２と整列している。この光１０５は、入力１０２の法線にほぼ平行の方向に伝搬している。図５は、光源１０１（同調可能レーザなど）とリング空洞１０３の光入力ポート１０２とを整列させるための手法、および直角に入射する光を空洞に導くためのプリズム結合モジュール１０４を挿入するための手法を線図で示したものである。
【００１８】
図７〜１１は、特定の設計の例を示したものである。図８は、一組の特定の設計要求事項（つまりプリズム材料、空洞角度、プリズム角度等々）に合致する手法の確立を容易にすることができる、様々な媒体に対する光方位角を示したものである。
【００１９】
この手法およびシステムは、外部光源１０１（同調可能レーザなど）、入射光を速やかに消滅させるための機構、外部検出器、および反射率が大きいミラーを備えたリング空洞１０３から構成することができる。リング空洞は、光入力ポート、光出力ポート、ガス入口ポートおよびガス出口ポートを有していなければならない。光入力ポートおよび光出力ポートは、空洞内の同じ物理ポートであってもよい。空洞内の個々の入力ポートおよび出力ポートは、反射率が大きいミラーを使用して終端させることができる。リング空洞の光路には、反射率が大きい少なくとも１つのミラーを追加することができる。リング空洞は、複数のミラーを有することができる。
【００２０】
このシステムは、入力−出力プリズム１０４を使用して、リングダウン空洞光およびレーザ１０１から単一検出器への入力光の両方を感知することができる。このシステムは、場合によっては、とりわけ、光源によって放出される光１０１を空洞の光入力ポート１０２に対して直角にする必要がある。この機能を発揮することにより、空洞１０３に対するレーザ１０１のアライメントを容易に、かつ、正確に実施することができ、したがって総合コストが削減され、また、性能が改善される。アライメントが得られると、プリズム結合器１０４を空洞に取り付け、入射光１０５を空洞の中へ導くことができる。
【００２１】
空洞ブロックの表面１０６は、点線で示すことができ、ポート１０２および１０８の各々のための光学的に完成した（研磨された）平面を有している。光源１０１は、反射した光が光源に向かって反対方向に導かれるよう、空洞ポート１０２の表面１０６に直角にビームが入射するように設置し、かつ、調整することができる。光源１０１および空洞１０３が所定の位置に整列して固定されると、空洞ポート１０３の上にプリズム結合器１０４を設置することができる（それにより空洞ポート１０３が光入力ポートになる）。プリズム結合器１０４の内面は、表面１０６に隣接し、かつ、表面１０６に平行の、反射率が大きい光コーティング１０７を有することができる。次に、反射率が大きいミラー１１０を残りの空洞ポートに取り付けることができる。これらの複数のミラー１１０のうちの１つまたは複数は、空洞１０３の光安定性を促進するために若干の曲率半径を有することができる。これらの複数のミラー１１０のうちの１つまたは複数は、空洞を光共振に同調させるための変換器（圧電駆動変換器または他の変換器）を統合することができる。
【００２２】
図６は、屈折率「ｎ」に対する角度「α」の関係を示すグラフ１１５である。この角度は、図７に示されているように、入力ポート１０２の表面１０６に対するプリズムの外部表面１０９の角度であるか、あるいはプリズム１０４の外部表面１０９の法線１１１に対する入射光１０５の角度である。入射光１０５は、入力ポート１０２の表面１０６の法線１１２に平行であってもよい。光１０５は、光コーティング１０７に対して直角であってもよく、また、入力ポート１０２の表面１０６に対向し、かつ、隣接しているプリズム１０４の内部表面すなわち内面１１３に対して直角であってもよい。それは、光１０５のビームがポート１０２の表面１０６の法線１１２に平行であることを保障する問題にすぎない。ビーム１０５は、常に、法線１１２に平行のビームとして、つまり表面１０６、１１３および光コーティング１０７に対して直角のビームとして維持されるため、ビーム１０５を法線１１２に対して調整する必要はない。経路１１４を通過するように光ビームを整列させるための調整可能なファクタには、プリズム１０４の屈折率ｎおよびプリズム１０４の内部表面１１３に対する外部表面１０９の角度αを含めることができる。
【００２３】
図８は、複数のコンポーネントの幾何学上の関係および物理的な関係を線図で示したものである。θ１＝αを取ることができる。入射光１０５は、ポート１０２の表面１０６に対して直角にプリズムに入射することができる。プリズム１０４の表面１０９に対する法線１１１が存在していてもよい。入射光１０５の経路は、法線１１１に対して角度θ１にすることができる。入射光１０５がプリズム１０４に入射すると、入射光１０５は、法線１１１に対して角度θ２で位置している経路を取る光１１６になることができる。この角度は、スネルの法則を使用して、式、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２によって計算することができる。ｎ１は、空気またはある種の真空であってもよい媒体１１８の屈折率であり、また、ｎ２は、プリズム１０４の材料の屈折率である。光１１６の経路は、ポートの表面１０６の法線１１２に対して角度θ３を有することができる。θ１＝θ２＋θ３であることに留意されたい。光１１６は、プリズムの表面１１３でプリズム１０４から射出し、ポートの表面１０６でポート１０２に入射し、光１１７として、法線１１２に対して角度θ４を有する経路１１４を通って空洞１０３に入ることができる。角度θ４は、式、ｎ２ｓｉｎθ３＝ｎ３ｓｉｎθ４を使用して計算することができる。ｎ３は、空洞１０３内の媒体の屈折率である。図７に示されているポート１０２の表面１０６に位置している表面１１３の反射コーティングが、ｎ２またはｎ３とは異なる屈折率を有している場合であっても、反射コーティングの厚さが極端に薄いため、事実上、屈折率の相違が空洞１０３内における光１１７の経路に影響を及ぼすことはほとんどない。入射光をポート１０２の表面１０６に対して直角に入射させるためのこの手法の設計は、空洞１０３内を廻る経路を光１１７が追従するように光１１７を空洞１０３に入射させる角度と見なすことができる。図７に示されている説明のための例では、この角度は約３０度にすることができる。経路１１４が存在している空洞１０３媒体のｎ３、プリズム材料の屈折率ｎ２および光１０５の周囲環境の屈折率ｎ１を始めとする図７および８の情報を使用して、プリズムの表面１１３に対する表面１０９の角度θ１を一覧表に作成することができる。
【００２４】
また、入力ポート１０２は、図９に示されているように、空洞１０３の出力ポートであってもよい。入力および出力は、共通の光結合器またはポートの中に統合することができる。プリズムの表面１１３に施された高度に反射性のコーティング１０７は、空洞リング経路１１４を廻って移動する光１１７の大部分を維持することができる。しかしながら、光１１７の一部は、光１１９として、ポート１０２およびプリズム１０４を通過して空洞１０３から射出することができる。光１１９は、プリズム１０４の表面に隣接する検出器１２１に向かって直接移動することができる。光１１９は、プリズムから射出した後、検出器１２１によって感知される前に一定の距離だけ伝搬することができるため、検出器１２１は、プリズムから一定の距離を隔てて配置することも可能である。空洞から射出することができた光は、たとえ入射光１０５がリング空洞１０３のポート１０２の表面に対して直角の方向を有することができるとしても、事実上、空洞から光源１３１に向かって移動する光ではない。
【００２５】
図９では、プリズム１０４がない場合、光源１３１からの光ビーム１０５は、ポート１０２の表面１０６に対して直角の方向を維持することができる。ビーム１０５は、表面１０６の領域１３２に衝突することになる。ビーム１０５は、表面１０９でプリズム１０４を通り越したポイントでは、領域１３２の表面で反射したビームを含んだビーム１３３と見なすことができる。ビーム１３３は、プリズム１０４が存在しない場合、反射して光源１３１へ戻ることができる。光ビーム１０５および／または１３３がポート１０２の開口である領域１３４に入射しても、表面１０６は、開口領域１３４の上方まで展開することができるため、光１０５／１３３は、依然として反射して光源１３１に向かって戻ることができる。光ビーム１０５の距離１３５は、光１０５／１３３が１３４の外側の領域に衝突することができるよう、十分な距離でなければならない。領域１３２は、領域１３４の十分に外側にすることができる。光ビーム１０５／１３３は、開口領域１３４からほぼ距離１３６だけ離れた表面１０６に衝突させることができる。
【００２６】
光源１３１は、概ね空洞１０３を製造する時点で、あるいは空洞１０３が製造された後に所定の位置に整列して配置することができるが、プリズム１０４がポート１０２の表面１０６の所定の位置に配置されるのは、その後である。光源１３１のアライメントの次のステップは、法線軸１１２からのビーム１０５／１３３の距離である距離１３５の量を指示することであってもよい。距離１３５を決定するファクタには、プリズム１０４の屈折率、ビーム１０５がプリズムに入射する表面に対する表面１０９の角度α、ビーム１０５が法線１１２に平行の方向から表面１０９でプリズム１０４に入射するポイントと表面１０６との間の距離である距離１３７、空洞１０３内の物質の屈折率、および光ビーム１１７がプリズム１０４から射出し、ポート１０２を介して空洞に入射する、法線１１２に対する角度を含めることができる。ビーム１０５およびその後続するビーム１１６がプリズム１０４を通過して開口領域１３４のほぼ中心で表面１０６のラインに到達する場合、距離１３７を長くすることによって距離１３５を長くすることができる。空洞１０３の経路１１４の屈折率とプリズム１０４の屈折率が同じである場合、ビーム１１６は直線を維持し、ビーム経路１３８を取ることになる。しかしながら、独自の屈折率を有するプリズム１０４からビーム１１６が空洞１０３の空洞経路１１４に向かって射出すると、ビーム１１６は、空気の屈折率と同様の異なる屈折率を有する空洞１０３内のビーム１１７になることができる。経路１１４には、同じく空気の屈折率と同様の屈折率をもたらす標本ガスが存在していてもよい。したがって、空洞１０３内の様々な標本によって空洞内の屈折率が大きく変化することは全くない。
【００２７】
光源１３１を空洞１０３に対して整列させるために、所定のスポット、マークまたは他の何らかの標識を空洞１０３のポート１０２の表面１０６に提供することができる。光ビーム１０５／１３３が法線１１２に平行であるため、光源１３１は、表面１０６に平行の運動であるｘ方向および／またはｙ方向に移動させることができ、それにより領域１３２内のスポットにビーム１０５／１３３を衝突させることができる。そのスポットに衝突すると、ビーム１３３は、逆反射して光源１３１に向かって戻り、そのために光源がその影響を受け、あるいは光源の位置または光源１３１の内部に配置することができる何らかの種類の検出器がその影響を受けることになる。また、光源へのビーム１０５の経路に沿った光１３３の戻りは、光源の性能にも著しく影響することがあり、したがって適切なアライメントの必要性を示している。表面１０６の領域１３２内のスポットは、ミラーであっても、あるいは他の何らかの反射機構であってもよい。この領域は、光源１３１をその所定の位置に固定する前に光ビーム１０５を集束させることができる領域の中にノッチを有することができる。領域１３２内のアライメントスポットは、ミラーまたは他の何らかの反射機構の代わりに、何らかの種類の検出器であってもよい。光源１３１および／またはそのビーム１０５を整列させるための他の方法も可能である。光源１３１は、光源１３１を設置する際に自動的に整列させることができる予め準備済みのフィクスチャを有することができる。
【００２８】
光源１３１の所定のアライメントを達成することにより、この光空洞システムの費用有効性の高い製造性が提供される。また、リングレーザジャイロスコープのコンポーネントまたは製造を空洞１０３に使用することにより、このシステムを製造するための費用有効性を改善することも可能である。
【００２９】
プリズム１０４が所定の位置に配置され、また、ビーム１０５、１１６および１１７が、ほぼそれらの経路に沿って進行すると、反射性の光コーティング、膜またはミラー１０７の半透過性特性によって空洞１０３からプリズム１０４へ戻るビーム１１７の一部を、プリズム１０４を通過して空洞１０３から離れ、表面１３９を介してプリズム１０４から射出するビーム１１９として得ることができる。ビーム１１９は、ビーム１４１として出現することができる。ビーム１４１は、検出器１２１によって検出することができる。検出器１２１の出力は、この出力を解析し、計算し、解釈し、等々のためにプロセッサ（図示せず）などに接続することができる。
【００３０】
プリズム１０４は、ある角度で製造され、形状化され、あるいは切断された面すなわちプリズム１０４の表面１３９を有することができ、その結果ビーム１１９は表面１３９に直角に衝突する。したがってビーム１４１は、表面１３９の法線に平行にプリズム１０４から射出することができる。
【００３１】
図１０の場合、図９と比較すると、プリズム１０４をより薄くすることによって距離１３７が短くなると、距離１３５が短くなることに留意されたい。光源１３１のセットアップアライメントにおいてプリズム１０４が存在しない場合、光ビーム１０５／１３３は、ポート１０２の開口領域１３４に存在することになるため、図１０の場合、必ずしも図９に示されているセットアップの場合と同じようにアライメントを実施する必要はなく、表面１０６に依存して、プリズム１０４を設置する前に、反射体、マーク、検出器などに光源１３１のアライメントに対するビーム１０５／１３３を認知させることができる。しかしながら、プリズム１０４がより分厚くなって距離１３７が長くなると、距離１３５が長くなり、したがってアライメントビーム１０５／１３３は、開口領域１３４の外側の領域の空洞１０３ブロックの一部に衝突することになる。
【００３２】
図１０および図１１に示す線図は、互いに類似しているように見えるが、図１０のプリズム１０４の角度αは、図１１のプリズム１０４の角度αより小さいように見える。図１０のプリズムはケイ素であってもよく、一方、図１１のプリズムはガラスであってもよく、それぞれ約４．０および約１．５の屈折率を有している。角度αは、それぞれ約１１．３度および約５０．５度にすることができる。図６のグラフ１１５は、角度αとプリズムの屈折率ｎの間の関係を示したものである。
【００３３】
図１２および１３は、それぞれ図１０および１１に示されているプリズム１０４の実施態様であってもよい回折機構１２２および１２３の例を線図で示したものである。機構１２２または１２３は、図３に示されている機械加工ブロック空洞３１２などの空洞の入力に接着することができる。様々な種類の製造技法を使用して、空洞３１２の一部である機構１２２または１２３を製造することができる。
【００３４】
図１４は、空洞リングダウンセンサとして利用されている、本明細書において説明されているいくつかの図に示されているデバイスの空洞の一アプリケーションのグラフ１２４である。このグラフには振幅対時間が示されている。図９に示されているセットアップの検出器１２１は、多機能検出器であってもよく、そのうちの１つの機能を使用して、グラフ１２４の部分１２５で示されているように、空洞１０３に対する光の強度が感知される。検出器１２１の他の機能には、部分１２６で空洞に結合する機能、および結合部分１２６で空洞への光の供給が停止した後の部分１２７の後で、空洞内の光信号を測定する機能を含めることができる。部分１２７は、空洞リングダウンデバイスの空洞光振幅の減衰を示している。リングダウンの振幅および時間は、空洞１０３内に存在し得る標本流体に関する情報を提供することができる。また、光の波長および標本の吸収特性も場合によっては有用である。プロセッサ（たとえば、それぞれ図１および２に示されているプロセッサ６３または７２２）は、テーブルおよびアルゴリズムなどの他のアイテムと共に、標本に関する情報の決定を補助することができる。
【００３５】
本明細書においては、いくつかの内容は、他の方法または時制で記述されているが、場合によっては仮説的または予言的性質の内容になっている。
以上、本発明について、少なくとも１つの説明のための例に関連して説明したが、当業者には、本明細書を読めば多くの変形形態および改変が明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲は、従来技術に鑑みて、このようなすべての変形形態および改変を包含するべく、可能な限り広義に解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】リングダウン空洞を示す線図である。
【図２】一片または複数片の固体材料から製造し、形成し、機械加工等々することができるリング空洞を有するセンサシステムを示す線図である。
【図３】リング空洞のための機械加工様ブロックを組み込んだセンサシステムを示す線図である。
【図４】本発明の説明のための例に基づくことができるセンサの基本レイアウトを示す線図である。
【図５】光を導くための回折機構を備えた形態のセンサを示す線図である。
【図６】空洞のための光源から入射する光が法線入力の場合における、回折機構の材料の屈折率に対する、センサ空洞への入力表面に対する回折機構の表面の入射角を示すグラフである。
【図７】光源から回折機構を介した空洞内への光路を示す、センサ空洞への入力を示す線図である。
【図８】光源から回折機構を介したセンサ空洞内への光路の相対角を示す、図７と同様の線図である。
【図９】回折機構および検出器を組み込んだ入力および出力を示す線図である。
【図１０】屈折率が大きく異なり、かつ、入射光および空洞光路角が同じであるプリズムを有する入力を示す図である。
【図１１】屈折率が大きく異なり、かつ、入射光および空洞光路角が同じであるプリズムを有する入力を示す図である。
【図１２】図３に示す機械加工様ブロックと同様の機械加工ブロック空洞の入力上に形成することができる回折機構の例を示す線図である。
【図１３】図３に示す機械加工様ブロックと同様の機械加工ブロック空洞の入力上に形成することができる回折機構の例を示す線図である。
【図１４】空洞リングダウンセンサとして利用されているデバイスの空洞の一アプリケーションのグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部ループ光路（１１４）を有し、かつ、前記光路（１１４）に結合された入力（１０２）を有する空洞（１０３）と、
前記入力（１０２）の法線（１１２）にほぼ平行の方向の光（１０５）を提供するための光源（１０１、１３１）と、
前記光源（１０１、１３１）と前記入力（１０２）の間に光学的に結合された光回折機構（１０４）と
を備えた光学システム。
【請求項２】
前記光源（１０１、１３１）が、前記入力（１０２）の近傍の前記空洞（１０３）上に位置しているアライメント標識（１３２）に対して整列された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アライメント標識（１３２）の位置が前記回折機構（１０４）のパラメータに従って決定され、また、
前記光源（１０１、１３１）が前記回折機構（１０４）の配置に先だって整列される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光路（１１４）に結合された出力（１０２）と、
前記出力（１０２）に光学的に接続された光検出器（１２１）と、
前記空洞（１０３）に接続された、流体標本を前記空洞（１０３）の中に入れるためのポート（７８）と、
前記光検出器（１２１）に接続された、前記光源（１０１、１３１）が光（１０５）の提供を停止した後に、前記光路（１１４）の光（１１７）の強度の減衰を測定するためのプロセッサと
をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記空洞（１０３）が材料の固まりの中に位置し、かつ、末端間接続された複数のボアを前記固まりの中に備え、
ボアから他のボアまでの前記光路（１１４）が、前記ボアとボアとの間に位置している反射機構（１１０）に接続され、
前記反射機構（１１０）が、前記光路（１１４）の長さを調整して前記光路（１１４）を特定の波長に同調させるように移動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
感知するための方法であって、
光源から閉光路（１１４）を有するチャンバ（１０３）の入力（１０２）まで、前記入力（１０２）の法線（１１２）に平行の方向に光（１０５）を提供するステップと、
前記チャンバ（１０３）の出力（１０２）を介して前記光路（１１４）からの光（１１７、１１９、１４１）を検出するステップと、を含み、
前記光（１０５）が回折光学系（１０４）および前記入力（１０２）を介して前記チャンバ（１０３）に提供される方法。
【請求項７】
前記入力（１０２）に対する前記光（１０５）の位置が前記入力（１０２）の近傍のアライメント標識（１３２）に従って決定され、かつ、
前記アライメント標識（１３２）が、前記回折光学系（１０４）の少なくとも１つまたは複数のパラメータに従って、前記入力（１０２）に対して位置決めされる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
流体標本を前記チャンバ（１０３）に注入するステップと、
前記チャンバ（１０３）の前記出力（１０２）から、前記流体標本の特性を示す前記光（１１７、１１９、１４１）の少なくとも１つのパラメータを測定するステップと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記回折光学系（１０４）が、光（１０５）が入射する第１の表面（１０９）および前記光（１０５）が前記チャンバの前記入力（１０２）に向かって射出する第２の表面（１１３）を有するプリズムであり、
前記第１の表面（１０９）と第２の表面（１１３）の間の第１の角度（α）が、前記光（１０５）が、前記チャンバ（１０３）の前記入力（１０２）から入射する際に前記光路（１１４）と整列する前記第２の表面（１１３）から前記光路（１１４）に入射するように設定された大きさを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
光（１１７）が伝搬するリング様経路（１１４）を有する空洞（１０３）と、
前記空洞（１０３）に接続された光入力（１０２）と、
前記入力（１０２）に光学的に接続された光回折プリズム（１０４）と、
前記入力（１０２）の法線（１１２）にほぼ平行の方向を有する光（１０５）を前記プリズム（１０４）に提供するための光源（１０１、１３１）と
を備えたセンサシステム。
【請求項１】
内部ループ光路（１１４）を有し、かつ、前記光路（１１４）に結合された入力（１０２）を有する空洞（１０３）と、
前記入力（１０２）の法線（１１２）にほぼ平行の方向の光（１０５）を提供するための光源（１０１、１３１）と、
前記光源（１０１、１３１）と前記入力（１０２）の間に光学的に結合された光回折機構（１０４）と
を備えた光学システム。
【請求項２】
前記光源（１０１、１３１）が、前記入力（１０２）の近傍の前記空洞（１０３）上に位置しているアライメント標識（１３２）に対して整列された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アライメント標識（１３２）の位置が前記回折機構（１０４）のパラメータに従って決定され、また、
前記光源（１０１、１３１）が前記回折機構（１０４）の配置に先だって整列される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光路（１１４）に結合された出力（１０２）と、
前記出力（１０２）に光学的に接続された光検出器（１２１）と、
前記空洞（１０３）に接続された、流体標本を前記空洞（１０３）の中に入れるためのポート（７８）と、
前記光検出器（１２１）に接続された、前記光源（１０１、１３１）が光（１０５）の提供を停止した後に、前記光路（１１４）の光（１１７）の強度の減衰を測定するためのプロセッサと
をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記空洞（１０３）が材料の固まりの中に位置し、かつ、末端間接続された複数のボアを前記固まりの中に備え、
ボアから他のボアまでの前記光路（１１４）が、前記ボアとボアとの間に位置している反射機構（１１０）に接続され、
前記反射機構（１１０）が、前記光路（１１４）の長さを調整して前記光路（１１４）を特定の波長に同調させるように移動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
感知するための方法であって、
光源から閉光路（１１４）を有するチャンバ（１０３）の入力（１０２）まで、前記入力（１０２）の法線（１１２）に平行の方向に光（１０５）を提供するステップと、
前記チャンバ（１０３）の出力（１０２）を介して前記光路（１１４）からの光（１１７、１１９、１４１）を検出するステップと、を含み、
前記光（１０５）が回折光学系（１０４）および前記入力（１０２）を介して前記チャンバ（１０３）に提供される方法。
【請求項７】
前記入力（１０２）に対する前記光（１０５）の位置が前記入力（１０２）の近傍のアライメント標識（１３２）に従って決定され、かつ、
前記アライメント標識（１３２）が、前記回折光学系（１０４）の少なくとも１つまたは複数のパラメータに従って、前記入力（１０２）に対して位置決めされる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
流体標本を前記チャンバ（１０３）に注入するステップと、
前記チャンバ（１０３）の前記出力（１０２）から、前記流体標本の特性を示す前記光（１１７、１１９、１４１）の少なくとも１つのパラメータを測定するステップと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記回折光学系（１０４）が、光（１０５）が入射する第１の表面（１０９）および前記光（１０５）が前記チャンバの前記入力（１０２）に向かって射出する第２の表面（１１３）を有するプリズムであり、
前記第１の表面（１０９）と第２の表面（１１３）の間の第１の角度（α）が、前記光（１０５）が、前記チャンバ（１０３）の前記入力（１０２）から入射する際に前記光路（１１４）と整列する前記第２の表面（１１３）から前記光路（１１４）に入射するように設定された大きさを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
光（１１７）が伝搬するリング様経路（１１４）を有する空洞（１０３）と、
前記空洞（１０３）に接続された光入力（１０２）と、
前記入力（１０２）に光学的に接続された光回折プリズム（１０４）と、
前記入力（１０２）の法線（１１２）にほぼ平行の方向を有する光（１０５）を前記プリズム（１０４）に提供するための光源（１０１、１３１）と
を備えたセンサシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２５２９８（Ｐ２００９−２５２９８Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−１７０８２０（Ｐ２００８−１７０８２０）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０８２０（Ｐ２００８−１７０８２０）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]