過冷却浮遊水滴のための飛行中に働く複数視野の検出器
【課題】本装置は、浮遊水滴の存在を検出し、かつ、レーザビームが雲を貫通したとき、そのビームの横方向散乱を測定することによって、それら水滴の直径のプロファイルを反映した情報を提供する。
【解決手段】飛行中に働く複数視野の水滴センサは、照射部と検出部とを備える。照射部は、光ビームを出力するように構成された、第１の光学的ビームエミッタを備える。検出部は、後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡と、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を有する複数視野のサブシステムと、後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムとを備え、第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。単一視野のサブシステムは、単一視野中の情報に基づき、液体水滴と氷晶の間を区別するためのデュアルチャネル円偏光検出器を備えることができる。
【解決手段】飛行中に働く複数視野の水滴センサは、照射部と検出部とを備える。照射部は、光ビームを出力するように構成された、第１の光学的ビームエミッタを備える。検出部は、後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡と、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を有する複数視野のサブシステムと、後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムとを備え、第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。単一視野のサブシステムは、単一視野中の情報に基づき、液体水滴と氷晶の間を区別するためのデュアルチャネル円偏光検出器を備えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊液体水滴を検出するための航空機搭載の飛行中に働くセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
浮遊水滴の検出および水滴サイズに従ったそれらの分類は、飛行中に働く着氷状態検出器の重要な機能である。膨らませて使う防護カバーなど、航空機上の現在の防除氷装置は、小さな水滴（たとえば、直径の平均値が＜５０μｍ）からの氷の蓄積に対して申し分なく適しているが、衝突する水滴が大きいとき、氷の蓄積を防ぐことができない恐れがある。
【０００３】
具体的には、過冷却の大きい水滴（ＳＬＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌａｒｇｅ ｄｒｏｐｌｅｔ）を正しく識別する能力は、着氷状態センサに求められるクリティカルな安全機能として、迅速に認められることになりつつある。ＳＬＤは、通常、直径が４０μｍより大きく、温度が水の氷結温度よりかなり低い。ＳＬＤが飛行機の翼の前縁に当たったとき、ＳＬＤは、前縁を越えて転がり、防氷装置がアクセスできないが、航空機の制御にクリティカルな位置で氷結しがちである。過冷却の大きい水滴は、１９９４年、インディアナ州ローズローン（Ｒｏｓｅｌａｗｎ）で起きたＡＴＲ−７２の致命的な墜落事故など、いくつかの航空機事故を引き起こしていると考えられる。
【０００４】
散乱場所の密度が高い（雲など）、柔軟な目標物をレーザビームによって調べたとき、それらは、複数の散乱を生じることになる。複数の散乱のために、光線は、ライダー受光器に戻る前に、２つ以上の散乱事象を被る。ライダーの複数の散乱のほとんどの解析は、検出された光線のそれぞれが、多数の小角度の前方散乱（ライダーから離れて伝搬し、およびそれに向かって伝搬する両方の間に）、およびライダー受光器に向かうその後方散乱に関与する、１つの単一の大角度（〜１８０°）の散乱事象を被る。小角度の前方散乱は、粒子のまわりの光の回折に主に起因し、これらの小角度は、レーザビームが柔軟な目標物を貫通したとき、受光される光の視野を増加させることに大いに関与する。複数の散乱の過程では、光線が、横方向に拡散し、受光される視野は、柔軟な目標物を構成する散乱粒子のサイズ分布および密度に依存して、レーザの発散を越えて拡大することになる。
【０００５】
粒子直径（ｄ）、レーザ波長（λ）および前方散乱回折角（β）の間の一般的関係は、次のようである。
【０００６】
【数１】
【０００７】
これは、水滴直径と散乱角度の間の単比例関係である。しかし、雲内では、水滴のサイズ分布が存在し、散乱角度は、この分布に従って変化することになる。しかし、一般的に言うと、小さな粒子は、大きな散乱角度を生じ、逆も同様である。
【０００８】
図１に、ライダービームが、受光器５２から距離Ｒに位置する雲５０中に距離ｘだけ貫通したときの視野の簡単化した図を示す。散乱角度がβである場合、視野θは、次の式から得ることができる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
、ただしθおよびβが小さい極限の場合 （２）
【００１１】
Ｒ＝１０００ｍ、ｘ＝２００ｍ、λ＝１μｍ、およびｄ＝５μｍ（水の雲の典型的な例）の場合、視野θは、ほぼ４０ｍｒａｄであり、それは、従来技術による複数視野のライダーシステムが用いる最大の視野に対応する。しかし、過冷却の大きい水滴の場合、水滴サイズは、５０μｍから１００μｍを超える範囲である。水滴が４０μｍの雲中では、視野は、５ｍｒａｄまで減少し、１００μｍ以上の場合、視野は、２ｍｒａｄより小さい。視野の水滴サイズとの逆比例関係は、互いに密接に凝集した、大きな水滴によって生成される複数の視野が、レーザビームの発散によって自然に生成される単一散乱の視野に近づくことを意味する。
【００１２】
図２に、後方散乱光を反射する水滴によって生成された複数の視野が、どのように焦点面に現れるのか示す。出射する平行光ビーム５４が水滴を照射し、水滴からの後方散乱光５６が１つまたは複数の受光器レンズ５８を通過し、その後、後方散乱光は、その全体が６０で示される、光軸Ａに沿って配置された検出器の領域中で受光される。検出器の焦点面６２の上側半分において、複数視野が、その全体を６４で示す同心リングにマッピングされる。
【００１３】
複数視野（ＭＦＯＶ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）検出器の背後にあるコンセプトは、複数の検出器要素を受光器オプティックの焦点面中に配置し、様々な視野からの後方散乱を同時に測定するということである。焦点面では、様々なＦＯＶ（ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ：視野）が、異なる空間位置を占め、光軸からの距離（ｙ）が、次の関係に従ってＦＯＶに比例する。
ｙ＝ｆ・θ （３）
【００１４】
ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離である。直径が２インチ（５．０８ｃｍ）で、受光器レンズがｆ／２．５であるライダーの場合、変位が、ライダーの光軸に対して角度０．５ｍｒａｄ毎に６３μｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，２３９，３５２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８９３，００３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に、ＭＦＯＶライダー後方散乱を検出するための、従来技術による受光器が開示されている。図３および４に、この従来技術による受光器７１が、光軸７４を有する受光器オプティック７２の焦点面「ｆ」中に配置された、複数要素の放射線検出器７３を有していることを示す。検出器７３は、いくつかの同心円形シリコン検出器要素（ＰＩＮダイオード）７３−１、７３−２、７３−３および７３−４からなる。４つの別々の検出器要素があることの結果として、受光器７１は、いくつかの視野間で、受光された後方散乱放射線の信号を区別することができる。ライダーのレーザビームの発散より大きい、いずれかの視野について受光された後方散乱信号は、複数の散乱に起因する。
【００１７】
検出器要素の帯域幅は、ビームが雲を貫通したとき、５メートルより小さいレンジ分解能を確保するように十分広い。この検出器中では、それぞれの検出器要素が視野の所与の範囲にわたって信号を積分し、単一値を生成する。４つの同心検出器要素は、次の視野をカバーする。
７３−１ ０〜３．７５ｍｒａｄ
７３−２ ３．７５〜１２．５ｍｒａｄ
７３−３ １２．５〜２５．０ｍｒａｄ
７３−４ ２５．０〜３７．５ｍｒａｄ
【００１８】
検出器要素７３−１は、全体の単一散乱信号と、その上多少の複数の散乱を測定し、検出器要素７３−２から７３−４は、複数の散乱だけを測定する。しかし、過冷却の大きな水滴の検出には、３．７５ｍｒａｄに固定されたＦＯＶを限界にすることができる。というのは、役立つ散乱情報のほとんどが、この単一ＦＯＶ内に完全に含まれることになり得、また、このＦＯＶは、単一散乱信号全体を含むからである。したがって、大きな水滴に起因する複数の散乱を、単一散乱に起因する複数の散乱から識別する方法がない。さらに、ＦＯＶは、固定され、再構成することができない。
【００１９】
特許文献２に、ファブリーペロー干渉計（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）とともに使用される、サークルツウライン干渉計光学システム（ＣＬＩＯ：ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）が開示されている。図５および６に見られるように、ＣＬＩＯシステムは、内側円錐形反射面８１を備える円錐形反射器セグメント８０を備える。円錐形反射面８１は、ファブリーペロー干渉計によって生成された円形干渉縞情報８２を含む入射平行光線８３を反射するように方向付けされる。光線８３は、円錐形反射器セグメント８０の円錐軸８４に実質的に平行な方向に伝搬する。円形干渉縞情報８２は、反射された光線８３が、分光分析に使用される種類の電荷結合素子など、従来の線形アレイの検出器８７によって受光されたとき、線形情報に変換される。干渉計の干渉縞の半径は、干渉計の反射面の間隔、分光計中に光を反射する粒子の速度、光の波長によって、および干渉計に入る光の位相コヒーレンスによって決定される。円錐の頂点は、円錐軸８４が円形干渉縞パターン８２の焦点面と交わるところに位置付けることができる。検出された円形干渉縞パターン８２の方位角は、ミラー８５の所定の配列を備える遠隔万華鏡８６（図６）を使用して減少させることができる。反射面８１を有する直角の円錐は、円形干渉縞情報を、検出器８７が配置された平面Ｐ上にラインとして反映する。図７に見られるように、入射角θiは、反射角θrで平面Ｐ上に反射され、それによって、円錐の頂点Ｖからの距離ｘにおいて検出される、円錐に入る円の半径ｙにおける情報と１対１のマッピングが生成される。したがって、交番する明るい領域と暗い領域を含む入射円形干渉縞情報が、線形アレイの検出器８７に沿った交番する明るい領域と暗い領域として検出される。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
一般的に言うと、本発明は、照射部および後方散乱光の検出部を備える、浮遊水滴センサを対象とする。本装置は、浮遊水滴の存在を検出し、かつ、レーザビームが雲を貫通したとき、そのビームの横方向散乱を測定することによって、それら水滴の直径のプロファイルを反映した情報を提供する。本装置が「大きな」水滴の存在を検出したとき、本装置は、その検出事項をプロセッサに伝えることができ、また、プロセッサは、外気温度を受け取り、水滴が過冷却の大きい水滴であると見なすことができるかどうかを決める。そうであった場合、関連したコンピュータが、パイロットに警報を送る、またはその状況に適したものになることができる、どのような防氷装置でも始動させるなど、適切な処置を取る。
【００２１】
一態様では、本発明は、照射部と検出部とを備える、飛行中に働く複数視野の水滴センサを対象とする。照射部は、光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える。検出部は、前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウと、前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズと、第１のレンズを通過した後方散乱光の第１の部分をサークルツウライン変換器（ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡と、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）のサブシステムと、第１のレンズを通過した後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野（ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）のサブシステムとを備え、第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。
【００２２】
単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を使用することができる。そのような場合、照射部は、光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素とをさらに備える。さらに、検出部は、ウインドウを通過した円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００２３】
本発明は、次のパラグラフの形で整理することができる。
【００２４】
パラグラフ１：
飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
照射部であって、
光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える、照射部と、
検出部であって、
前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウ、
前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズ、
第１のレンズを通過した後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡、
サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野のサブシステム、および
第１のレンズを通過した後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムを備える、検出部とを備え、
第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。
【００２５】
パラグラフ２：
パラグラフ１に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
サークルツウライン変換器の内側反射面と第１の検出器の間に配置されたファイバ光学プレートであって、そのファイバ光学プレートは、サークルツウライン変換器によって反射された光学像を転送するように構成される、ファイバ光学プレートをさらに備える。
【００２６】
パラグラフ３：
パラグラフ１乃至２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
複数視野のサブシステムは、第２の検出器であって、その第２の検出器は、また、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成される、第２の検出器をさらに備え、
第２の検出器は、第１の検出器によって検出される視野角より大きい視野角に対応して、反射された後方散乱光を検出するように構成される。
【００２７】
パラグラフ４：
パラグラフ３に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の検出器および第２の検出器のそれぞれが、検出器要素の線形アレイを備える。
【００２８】
パラグラフ５：
パラグラフ１乃至４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
サークルツウライン変換器の焦点面と第１の検出器の間に配置された光学的要素の第１のセットであって、その光学的要素の第１のセットは、サークルツウライン変換器からの小さな視野の反射を増幅する、光学的要素の第１のセットと、
サークルツウライン変換器の焦点面と第２の検出器の間に配置された光学的要素の第２のセットとをさらに備える。
【００２９】
パラグラフ６：
パラグラフ５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
光学的要素の第１のセットは、
少なくとも２つのレンズと、
２つのレンズの間に介装された帯域通過フィルタとを備える。
【００３０】
パラグラフ７：
パラグラフ１乃至６のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
サークルツウライン変換器は、勾配が変動する先細エリアを備え、
頂点に近い、先細エリアの内側反射面の勾配が１．０未満である。
【００３１】
パラグラフ８：
パラグラフ１乃至７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、ビームストップを備える。
【００３２】
パラグラフ９：
パラグラフ１乃至８のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、フォトダイオードを備える。
【００３３】
パラグラフ１０：
パラグラフ１乃至９のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
第１のレンズと単一視野のサブシステムの間に介装された平行化レンズをさらに備え、
平行化レンズの位置は、センサの光軸に沿って軸方向に調節可能である。
【００３４】
パラグラフ１１：
パラグラフ１乃至１０のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の光学的ビームエミッタは、
その出力が直線偏光される発光ダイオードと、
レーザとからなる群の少なくとも１つを備える。
【００３５】
パラグラフ１２：
パラグラフ１乃至１１のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
センサの光照射軸に沿って光ビームを反射するように構成された反射器をさらに備える。
【００３６】
パラグラフ１３：
パラグラフ１乃至１２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
複数視野のサブシステムおよび前記単一視野のサブシステムによって出力された信号を受け取り、かつ、２つのサブシステムからの前記信号に基づき、水滴の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサをさらに備える。
【００３７】
パラグラフ１４：
パラグラフ１乃至１３のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を用いる。
【００３８】
パラグラフ１５：
パラグラフ１乃至１４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
照射部は、
光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、
直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素とをさらに備え、
検出部は、
ウインドウを通過した、円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、
直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、
第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、
第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、
第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００３９】
パラグラフ１６：
パラグラフ１５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
第１の偏光ビームスプリッタと第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、その第２の直線偏光子は、第１の成分の光検出器による検出に先立ち、第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子をさらに備える。
【００４０】
パラグラフ１７：
パラグラフ１５または１６に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の円偏光要素は、第１の４分の１波長板を備え、
第２の円偏光要素は、第２の４分の１波長板を備える。
【００４１】
パラグラフ１８：
パラグラフ１５乃至１７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
センサの光照射軸に沿って円偏光された照射ビームを反射するように構成された反射器と、
第１の偏光ビームスプリッタと第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、その第２の直線偏光子は、第１の成分の光検出器による検出に先立ち、第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子と、
第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００４２】
パラグラフ１９：
パラグラフ１８に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
ウインドウと第２の円偏光要素の間に介装された第１のレンズと、
第１の直線偏光子と第１の成分の光検出器の間に介装された第２のレンズと、
第２の直線偏光子と第２の成分の光検出器の間に介装された第３のレンズと、
第１のレンズと第２の円偏光要素の間に介装された平行化レンズとをさらに備える。
【００４３】
パラグラフ２０：
パラグラフ１９に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第２のレンズおよび第３のレンズは、コンデンサレンズであり、
平行化レンズの位置は、センサの光軸に沿って軸方向に調節可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】雲中での複数の散乱の形状を示す図である。
【図２】水滴によって生成された複数の視野が、焦点面上の複数の同心リング上にどのようにマッピングされるのかを示す図である。
【図３】特許文献１に開示された、大気の後方散乱を検出するための従来技術による複数視野の検出器の透視側面図である。
【図４】同心検出器要素を示して、図３の従来技術による検出器の焦点面を示す図である。
【図５】特許文献２に開示された、従来技術による円錐形サークルツウライン干渉計検出器を示す図である。
【図６】図５の検出器と組み合わされた万華鏡状のミラーアセンブリを示す図である。
【図７】図５の検出器上への入射干渉縞パターンのマッピングを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による、後方散乱光を検出するためのシステムを示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による円錐形反射器を示す図である。
【図１０】図９の円錐形反射器に関し、完全なＭＦＯＶ光線軌跡パターンを示す図である。
【図１１】図９の円錐形反射器に関し、小角度のＭＦＯＶを求める検出器のピクセルを示す図である。
【図１２】図９の円錐形反射器に関し、大角度のＭＦＯＶを求める検出器のピクセルを示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、先細の円錐形反射器の頂点領域を示す図である。
【図１４】図１３の先細の円錐形反射器の横方向断面を示す図である。
【図１５】図１３の先細の円錐形反射器に関し、完全なＭＦＯＶ光線軌跡パターンを示す図である。
【図１６】本発明による、ＭＦＯＶ検出器アセンブリの一実施形態を示す図である。
【図１７】本発明による、ＭＦＯＶ検出器アセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図１８】浮遊水分の検出のためのデュアルチャネル円偏光センサの概略図である。
【図１９】図１８のデュアルチャネル円偏光センサに対応した、例示のレイアウトを示す図である。
【図２０】図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよびデュアルチャネル偏光センサを備える、統合システムの一実施形態を示す図である。
【図２１】図１７のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよびデュアルチャネル偏光センサを備える、統合システムの別の実施形態を示す図である。
【図２２】図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよび照射部を備える、単独型ＭＦＯＶシステムの一実施形態を示す図である。
【図２３】図１７のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよび照射部を備える、単独型ＭＦＯＶシステムの別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
上述した特許文献１および特許文献２は、参照によって、本発明を理解するために必要となる範囲で本明細書に組み込まれるものとする。
【００４６】
一般に、関連性がある水滴サイズの情報の大部分は、レーザビームの発散角に近接する、狭い範囲の角度内に含まれる。
【００４７】
図８に、水滴からの後方散乱光を検出するためのシステム１００について、全体的なコンセプトを示す。後方散乱光１０２は、最初、光学的に透明なウインドウ（図示せず）を通過し、次いで、合焦レンズ１０８がその後に続く平行化レンズ１０６を備えることができる受光器オプティックを通過することができる。合焦された後方散乱光１１０の一部分は、円錐形反射器１１４の円錐形内側反射面１１２に突き当たり、その反射器は、サークルツウライン変換器（ＣＬＣ：ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）として作用し、合焦された後方散乱光１１０を平面検出器１２０上に反射し、その検出器は、焦点面中に配置され、一実施形態では検出器要素の線形アレイを備える。
【００４８】
直角サークルツウライン変換器
図９に、システム１００中で用いることができる種類のＣＬＣ１１４の一実施形態を示す。説明の目的で、図９のＣＬＣは、円錐軸Ａを含む焦点面Ｐのまわりで対称である、完全な円錐として描かれていることを理解されたい。そのように、ＣＬＣは、完全な円錐として形成し、次いで、厚さが０．１ｍｍなど、最小限の材料損失を想定して、焦点面Ｐに沿って２つにスライスすることができる。
【００４９】
ＣＬＣ１１４は、円錐半径がＲcのベース１２６、所定の壁厚さがｔcで円錐高さがＨcである円錐形壁１２６、および頂点１３０を有する。一実施形態では、円錐半径Ｒcは、２５．４ｍｍであり、壁厚さｔcは、５ｍｍであり、円錐高さＨcは、２５．４ｍｍである。頂点１３０は、頂角εを有する。一実施形態では、頂角εは、ε＝９０°±０．５°など、許容誤差が限定された直角であり、したがって４５°の円錐角を与える。反射面１１２は、円錐軸Ａに沿った一定の勾配ｍを有する、つまり円錐角が４５°なので、勾配ｍ＝１である。
【００５０】
反射面１１２は、高度に反射性である（たとえば、１５５０ｎｍなどの関心がある波長および入射角４５°において、＞９５％、または実に＞９８％である）。さらに、表面形状（６０／４０またはそれより良い）によって、可視波長および近赤外線波長において良好な光学品質が確保される。円錐を製造する、いくつかの考えられる方法は、金属基材のワイヤ放電加工（ＥＤＭ）、精密加工されたマンドレルの上での金属円錐の電鋳法、および金属（好ましくはアルミニウム）基材のダイヤモンドによる旋盤加工である。円錐が製作された後、それは、保護されたアルミニウムまたは金など、適切な反射面で覆われる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、頂点１３０の近くに、光学的に透明な開口１３２が存在し、それは、長さｄAだけ円錐軸Ａに沿って頂点１３０から延在する。頂角が約９０°のＣＬＣ１１４では、光学的に透明な開口１３２の直径ｄ0は、おおよそ２ｄAである。光学的に透明な領域１３２は、反射性材料を欠いており、したがって円錐軸Ａに沿ってＣＬＣ１１４に入る光が、焦点面に向けて反射されるよりむしろ頂点１３０を通過することが可能になる。いくつかの実施形態では、光学的に透明な開口１３２は、円錐軸Ａに沿った長さ寸法ｄAが、約０．０５ｍｍである。
【００５２】
検出器１２０によって検出されるラインに変換される円形リング（図２参照）が、雲または霧の媒体内の光の散乱から生成される。光の波長、水滴のサイズ分布および水滴密度は、ＣＬＣ１１４に入る光の半径方向の広がりに影響を及ぼす。
【００５３】
表１に、円錐頂点１３２に対して、様々な視野によって生成されるラインの位置を示す。視野は、当初、１度の４分の１の分数で指定され、後に、ｍｒａｄに変換され、これは、その非整数の指定をｍｒａｄで示す。長さＬ＝５ｍｍの線形アレイのセンサ１２０が、ＣＬＣ１１４のために、ＦＯＶの全範囲を捉えるのに十分である。しかし、小さなＦＯＶ（すなわち、頂点１３０に近い）において要求される分解能は、困難だがやりがいのあるものになり得る。というのは、過冷却の大きい水滴が、５ｍｒａｄより小さいＦＯＶを生じる可能性があり、それは、円錐頂点から始めの０．７５ｍｍ内にすべて含まれるからである。線形アレイのセンサ１２０を覆う保護の光学ウインドウを取り除き、起こり得る汚染に検出器要素を晒すことに気が進まない場合、焦点面の中継画像化または束ねたファイバの画像転送装置の使用などの選択肢が、適切な代替方法になることができる。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図１０に、ＣＬＣ１１４のためにｆ／２．４の受光器オプティックを使用した、光線軌跡のシミュレーションを提示する。光線軌跡は、長手方向検出器軸がＡ’、長さがＬ、幅がＷである検出器１２０上に重ねられた、表１のＦＯＶラインを含む。長さが長さＬ＝５ｍｍである、検出器要素の線形アレイを備える検出器１２０は、図９のＣＬＣ１１４についてパラメータが指定されたと仮定すると、関心あるＦＯＶを捉えるのに十分である。最も大きいＦＯＶにおいて、できるだけ多く集光するために、検出器要素は、少なくとも幅ｗ＝２ｍｍとすべきである（すなわち、「幅」は、検出器軸Ａ’に対して垂直の方向で取られ、「長さ」を大いに超え、その長さは、検出器軸Ａ’に沿って取られる）。図１０に見られるように、検出器１２０は、大きい水滴の存在を検出するために、ＣＬＣ１１４の頂点１３０の極めて近くで光をサンプリングする。一実施形態では、検出器１２０の検出器要素は、円錐軸に沿った寸法で、および円錐軸に対して垂直な寸法に沿って円錐面に向けて、それらの両方で６０μｍ内まで頂点に接近する。
【００５６】
ラインの間隔に加えて、殊に頂点１３０の近くで、厚さおよび曲率の問題もあり、それらの両方は、分解能に影響を及ぼす。１．１ｍｒａｄのＦＯＶについてのライン１６０および３４．９ｍｒａｄのＦＯＶについてのライン１６２など、ＣＬＣ１１４によって生成されたＦＯＶラインは、焦点面Ｐ上に重ねられたとき、厚さが、検出器軸Ａ’に沿って有限であり、この厚さによって、検出器１２０の検出器要素に求められる最小限のピクセルサイズが限定される。また、ＦＯＶライン１６０および１６２は、わずかな量の曲率を示し、この曲率は、検出器１２０の角分解能の制限になる。
【００５７】
図１１に、それぞれのピクセル長さが検出器軸Ａ’に沿ってｗ11である、隣接したピクセルｘ１およびｘ２によって検出された、０．５４ｍｒａｄの小さなＦＯＶ１７０および０．６８ｍｒａｄの小さなＦＯＶ１７２における、ライン幅が限定された分解能を示す。２つのＦＯＶ間の０．１４ｍｒａｄの分離は、約２０μｍの直線間隔になると解釈される。ピクセル長さｗ11が２０μｍの間隔より小さい限り、１つのピクセルで１つのＦＯＶから検出される光は、他のＦＯＶから検出される光に流れ出ることがない。したがって、検出器１２０を構成する線形アレイのピクセルについて、ｗ11＝２０μｍがピクセル長さである場合、これら２つのはっきりと異なるＦＯＶ１７０および１７２から疑いもなく集光することが可能になる。ピクセル幅がｗ11＝２０μｍで、ＦＯＶのスペクトル全体（５ｍｍに相当）を受け入れるために、検出器１２０には、約２５０個のピクセルの線形アレイが必要になる。
【００５８】
大きなＦＯＶにおいては、ライン曲率によって、さらに分解能が低下する。図１２に、それぞれのピクセル長さが検出器軸Ａ’に沿ってｗ12である、隣接したピクセルｘ３およびｘ４によって検出された、３３．２ｍｒａｄの大きなＦＯＶ１７４および３４．９ｍｒａｄの大きなＦＯＶ１７６における、ライン幅が限定された分解能を示す。２つのＦＯＶ間の１．７ｍｒａｄの分離は、約２０４μｍの直線間隔になると解釈される。ピクセル長さｗ12が２０４μｍの間隔より小さい限り、１つのピクセルで１つのＦＯＶから検出される光は、他のＦＯＶから検出される光に流れ出ることがない。したがって、検出器１２０を構成する線形アレイのピクセルについて、ｗ12＝２０４μｍがピクセル長さである場合、これら２つのはっきりと異なるＦＯＶ１７４および１７６から疑いもなく集光することが可能になる。
【００５９】
ピクセル幅が２５μｍから３０μｍまでの、画像化するための線形アレイを入手でき、したがって、システムの本来の角分解能を小さな視野で活用することが可能である。２つの例は、ｔｈｅ Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｓ３９０２／Ｓ３９０３（これは、波長が３００から１１００ｎｍに適したシリコンセンサである）、およびｔｈｅ ＳＵＩ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙ（これは、波長が９００ｎｍから１８００ｎｍに適したＩｎＧａＡｓセンサである）である。個々の検出器要素の小さなサイズおよびそれに続く数の増加によって、検出される視野の幅および分布を、ソフトウェアを介して信号を適切にまとめることによって調整することが可能になる。たとえば、特定のＦＯＶの範囲が２つの隣接した検出器要素をカバーしている場合、その範囲は、４つの隣接した要素からの信号を加え合わすように、制御ソフトウェアを修正することによって、たやすく倍にすることができる。検出器要素の数が多くなるほど、特定サイズの分布の計算に入ってくる視野の位置および幅を選択する上で、柔軟性がますます増す。以下に述べるように、そのような市販の線形アレイを、他の光学的要素とともに使用することができる。また、用語「線形アレイ」は、ピクセルの一次元アレイも、装置が事実上一次元アレイとして機能するように、１方向に沿った（「行」または「列」）ピクセルが互いに電気的にグループにまとめられたピクセルの二次元アレイも指すことができることを理解されたい。
【００６０】
先細のサークルツウライン変換器
図１３に、本発明の別の実施形態による先細のＣＬＣ２１４のプロファイルを示す。先細のエリア２１４ａが頂点２３０の近くに主に存在し、そこでは内側の先細の反射面２１２は、勾配が１．０未満である。
【００６１】
図１４に、先細のＣＬＣ２１４の横方向断面を示す。先細のＣＬＣ２１４は、円錐軸Ａに沿って勾配ｍが変動する、内側の先細の反射面２１２を有する。より具体的には、先細のＣＬＣ２１４では、ある瞬間の勾配ｍ＜１が円錐軸Ａの近くで存在する。先細の反射面２１２のある瞬間の勾配ｍが１からはずれた場合、反射された光線は、ポイントＶからの距離ｌにおいて画像面に当たる。勾配がｍ＜１になることによって、反射されるスポットが左側に向けて移動し、一方勾配がｍ＞１になることによって、スポットが右側に向かって移動する。したがって、先細のＣＬＣ２１４は、反射されるスポットが、何らかの規定された関数ｌ（ｙ）に従ってポイントＶからの距離ｌに位置するように、鏡面仕上げの面のある瞬間の勾配を変化させる。
【００６２】
距離ｌ（ｙ）は、ある瞬間の勾配ｍに関して次のように表される。
【００６３】
ｌ（ｙ）＝ｘ−ｓ
＝ｙ−ｙｔａｎ（ψ） （４）
＝ｙ・（１−ｔａｎ（２・θi−π／２））
ｌ（ｙ）＝ｙ・（１−ｔａｎ（２・ｃｏｔ-1（ｍ）−π／２））
【００６４】
ただし、θiは、入射する合焦される光線２１６が内側の先細の反射面２０４に当たる角度であり、θrは、反射角である。ｙは、入射する合焦される光線２１６の半径（高さ）である。ｘは、光線２１６がそれに反射される焦点面Ｐ上のポイントＶからポイントＶ0までの距離であり、ただし内側の先細の反射面２１２のある瞬間の勾配が、ｍ＝１（Ｖ0は、光線２１６が内側の先細の反射面２１２に当たるところの直接下にある）と仮定するものである。ｓは、ｘとｌの間の差である。そして、ψ＝２θi−π／２である。
【００６５】
図９に見られるものなど、直角のＣＬＣ１１４は、先細のＣＬＣ２１４の極端な場合である。ｍ＝１である、簡単な円錐形のＣＬＣの場合、関数は、ｌ（ｙ）＝ｙである。水滴選別の場合、この関数は、大きな水滴に関する情報が、線形アレイによって分解が不可能な、小さい空間範囲に圧縮されないように、別の形を取ることが望ましく、たとえ、ある瞬間の勾配ｍを変更することが、画像面上に鋭く焦点を合わせるという反射器の能力を落とすことになっても望ましい。ｍ＝１の勾配によって、レンズの画像面が、ＣＬＣの画像面上に１対１でマッピングされることが保証され、そこに線形アレイが位置決めされる。いずれかの他の勾配によって、画像がピンぼけにされ、分解能を減少させる恐れがあり、したがって許容レベルまでピンぼけを抑えておくことが望ましい。
【００６６】
ｙ（これは、ＦＯＶ角度θに正比例する）の関数として、ＣＬＣの勾配を次第に減らすことによって、線形アレイの検出器上に対数で表された間隔を得ることが可能になる。規定された関数は、ｌ（ｙ）＝Ａｌｎ（ｙ）である。ただし、Ａは、とりわけ、検出器の特質によって決まる、ある定数である。ｌ（ｙ）＝Ａｌｎ（ｙ）を上記の式（４）に代入することによって、先細のＣＬＣ２１４に対するｙの関数として、ある瞬間の勾配ｍの解は、次のようになる。
【００６７】
【数３】
【００６８】
定数Ａは、先細のＣＬＣの勾配が１に等しい、特定のＦＯＶを決定付ける。画像ひずみが最も小さくなるのは、このＦＯＶの場合である。というのは、先細の円錐が、直角の反射性円錐を最も良く模擬することになるからであり、それは集光レンズの画像面を線形アレイの検出器上に直接マッピングする。このＦＯＶは、関心ある領域、および勾配が１からずれたとき、必ず生じるひずみに対する許容誤差に応じて、小さくまたは大きくすることができる。この場合、目標は、直径が大きい（＞４０μｍ）水滴を正確に選別することであり、したがって先細の円錐の線形領域が、約１０ｍｒａｄ、または（上記の表１から）ｙ〜１．５ｍｍになるように選択される。次いで、定数Ａは、１．５ｍｍ／ｌｎ（１．５）に等しい、または一般に次のようになる。
【００６９】
【数４】
【００７０】
ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離であり、θは、最も高い画像化忠実度が要求されるＦＯＶである。
【００７１】
図１４に、ＣＬＣ１１４でのシミュレーションと同じｆ／２．４の受光器オプティックに対して、先細のＣＬＣ２１４によって生成されたラインの光線軌跡のシミュレーションを示す。ラインは、ＣＬＣ１１４によって生成されたスペースと同じスペースを占める。次の表２では、ＣＬＣ１１４および先細のＣＬＣ２１４について、０．５４ｍｒａｄである最小のＦＯＶに対して、３つのはっきりと異なるＦＯＶ間の物理的間隔を比較している。
【００７２】
【表２】
【００７３】
表２に見られるように、５ｍｒａｄより小さい視野について（つまり、大きい水滴について）、間隔は、先細のＣＬＣの場合、増加する。しかし、それぞれのＦＯＶのひずみ（拡散）は、より大きくなることがある。したがって、２０μｍだけの間隔が、ＣＬＣ１１４では０．６８ｍｒａｄから０．５４ｍｒａｄを分離するために必要であったが、５０μｍかそれぐらいの間隔が、先細のＣＬＣ２１４では０．６８ｍｒａｄから０．５４ｍｒａｄを分離するために、必要になる可能性がある。
【００７４】
ファイバ光学プレートによる画像転送
図１６に、本発明によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０の一実施形態を示す。ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０は、入射する後方散乱光２４４を受光するための受光器オプティック２４２と、合焦された後方散乱光が受光器オプティック２４２から現れた後、それを誘導するための万華鏡２４６と、反射された画像を捉えるために、導かれ合焦された後方散乱光をＭＦＯＶサブシステム２５０の方向に反射するためのＣＬＣ２４８とを備える。この実施形態では、ＭＦＯＶサブシステム２５０は、ファイバ光学画像転送プレート２５４がその上に位置決めされた検出器２５２を備える。以下で述べるように、単一ＦＯＶサブシステム２６０が、単一散乱２６２からの光を捉え、そして簡単なビームストップ、１つまたは複数のフォトダイオード、またはデュアルチャネル偏光センサを備えることができる。
【００７５】
ＭＦＯＶサブシステム２５０および単一ＦＯＶサブシステム２６０の出力が、過冷却の水滴の１つまたは複数の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網２６４に供給される。一実施形態では、電気回路網２６４は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網２６４は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網２６４中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網２６４は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号２９９を出力することができる。
【００７６】
２つのサブシステム２５０および２６０の出力が、いくつかの処置を取る、または提案するために使用することができる、水滴のサイズ分布および他のパラメータを決定するように構成されたプロセッササブシステム（図１６に図示せず）に供給されることを理解されたい。
【００７７】
単一散乱に起因する光線を複数散乱に起因する光線から分離するために、ＣＬＣ２４８が円錐台の形状を有するように、ＣＬＣ２４８の頂点が除去される（ダイヤモンドによる旋盤加工またはワイヤＥＤＭなどによって）。円錐台の小さな端部における有効直径Ｄは、ｆ・Δθによって与えられる。ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離であり、Δθは、送られたレーザビームの遠距離場の発散である。円錐の頂点を光学的穴と置き換えることによって、単一散乱から受光された光は、検出器２５２中に反射されず、それによって、この光のランダムな散乱を減少させる。そのような実施形態では、ＣＬＣ２４８は、単一散乱に起因する散乱光から、雲から受光された多重に散乱された光を分離するように構成される。照射信号の発散は、この分離を実施するという、ＣＬＣ２４８の実用性を制限する恐れがある。というのは、極めて大きい水滴からの複数散乱は、レーザビームの発散角内に依然として止まることになり、単一散乱および複数散乱が互いに混じり合うことになるからである。
【００７８】
検出器２５２が、範囲に分解された、雲を貫通する強度プロファイルを生成するように十分広い帯域幅を有する場合、簡単なビームストップは、単一散乱を減衰させ、それが検出器２５２中に漏れ出ないように防止することができる。しかし、フレームレートが遅すぎる、線形ＣＣＤアレイを備える検出器の場合、ＣＬＣ２４８の背後に配置された高速フォトダイオードは、単一散乱信号が雲を通過したとき、その減少をモニタリングすることができる。範囲に応じた、この強度プロファイルは、雲の減衰係数、およびＭＦＯＶデータから得られた水滴のサイズ分布とともに、液体水含有量の推定に関する情報をもたらすことができる。
【００７９】
一実施形態では、ＣＬＣ２４８は、９０°の方位角範囲だけをカバーする。ＣＬＣ１１４および２１４が、全１８０°の方位角範囲を有するものとして示されているが、ほとんどの光学的検出器は、受光角が４５°を超えない。したがって、ＣＬＣの９０°の方位角区域または４分の１セクタは、検出器２５２が利用できるすべてになることがある。互いに対して直角に配置された、平坦な万華鏡状のミラー２４６ａおよび２４６ｂのペアを備える万華鏡２４６は、そうでなければ焦点面上の完全な円上に届くことになる光を、ＣＬＣ２４８の減少された方位角範囲（たとえば、９０°）に一致する、より小さい角度セグメントに変換する。検出器２５２の透視図から、同心視野が３６０°の方位角範囲にわたって現れる、すなわち９０°が受光器オプティック２４２から直接に、その他の２７０°が万華鏡状のミラー２４６ａおよび２４６ｂ中での反射から現れることが分かる。したがって、受光器オプティック２４２の全方位角視野は、９０°の方位角範囲中に折り重ねられ、それは、ＣＬＣ２４８が受け取り、検出器２５２に反射することができる。
【００８０】
ファイバ光学画像転送プレート２５４は、Ｈａｍａｍａｔｓｕのパーツナンバー Ｊ５７３４を使用して実現することができ、レンズを使用することなく画像を転送するために使用される。プレート２５４は、互いに束ねられた多数の光学的ファイバを備える。プレート内のファイバは、直径が小さく（通常３μｍ）、ほぼ９０°の受光角にわたって光を受光する。プレート２５４の表面は、画像がプレート２５４の下にある検出器２５２に直接転送されるように、ＣＬＣ２４８の焦点面上におかれるように配置される。
【００８１】
レンズ中継による画像転送
図１７に、本発明によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０の別の実施形態を示す。ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、受光器オプティック２４２、万華鏡２４６、ＣＬＣ２４８および単一ＦＯＶサブシステム２６０を含む、図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０と同じ構成要素の多くを備える。しかし、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０中に見られるＭＦＯＶサブシステム２５０と異なるＭＦＯＶサブシステム２８０を有する。
【００８２】
ＭＦＯＶサブシステム２８０は、ＣＬＣ２４８の焦点面の下に配置された光学的要素の複数のセット２８２および２９２を使用する。一実施形態では、光学的要素の第１のセット２８２は、ＣＬＣ２４８からの小さいＦＯＶ反射を増幅し、次いでそれは、第１の検出器２８８によって受光され、一方光学的要素の第２のセット２９２は、ＣＬＣ２４８からの大きいＦＯＶ反射を増幅して、第２の検出器２９８上に送る。
【００８３】
光学的要素の第１のセット２８２は、反射された光が最初それを通過する平行化レンズ２８４と、日光などの周辺光を軽減させるための帯域通過フィルタ２８６と、反射された光学的信号が第１の検出器２８８によって捉えられる前に、それを増幅するための拡大レンズ２８７とを備えることができる。光学的要素の第２のセット２８２は、同様に、平行化レンズ２９４と、帯域通過フィルタ２９６と、合焦レンズ２９７とを備えることができる。
【００８４】
拡大は、小角度における散乱を画像化するために殊に役立ち、そこには、大きい水滴の密度に関する情報の大部分が含まれる。それぞれのレンズ２８４および２９４は、ＣＬＣ２４８の焦点面を通り過ぎて発散する光線のいくらかの部分を集光し、それらを平行化する。（大きい水滴からの）小さいＦＯＶ反射のための第１の合焦レンズ２８７は、大きいＦＯＶ反射のための第２の合焦レンズ２９７より大幅に反射された信号を拡大するように構成することができる。というのは、大きいＦＯＶ反射は、検出に適切なサイズのものに、既になっていることがあるからである。いくつかの実施形態では、第２の合焦レンズ２９７は、完全に省略することができる。というのは、大きいＦＯＶ反射に対応する光線ラインは、十分なサイズおよび間隔のものになっていることがあるからである。
【００８５】
ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、日光中で使用されることになるので、帯域通過フィルタ２８６および２９６は、既知の波長の入射光に応答して生成された後方散乱光が通過することをなお可能にしながら、できるだけ多く周辺光を排除するように構成することができる。いくつかの実施形態では、帯域通過フィルタ２８６および２９６は、平行光に最良に働くように設計された薄膜コーティングを使用する。そのようなフィルタは、当業者によく知られている。また、レンズ２８４および２９４の平行化作用によって、平行化レンズ２８４および２９４と、合焦レンズ２８７および２９７の間隔は、クリティカルでなく、２つ以上の帯域フィルタの挿入が可能になるように、調節することができる。
【００８６】
また、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０の形状は、単一散乱光線を、受光器オプティック２４２の全開口にわたって集光することが可能なように構成される。光線２６２ａによって例示されるように、事実上、受光器オプティック２４２によって集光された単一散乱光線のいずれも、光学的要素のセット２８２および２９２よって、または検出器２８８および２９８によって遮られず、したがって事実上、受光器オプティック２４２全体からの単一散乱のすべてが、単一ＦＯＶサブシステム２６０、たとえばフォトダイオードまたはデュアルチャネル偏光センサに入る。
【００８７】
ＭＦＯＶサブシステム２８０および単一ＦＯＶサブシステム２６０の出力は、過冷却の水滴の１つまたは複数の存在、氷および他の天候状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網２６５に供給される。一実施形態では、電気回路網２６５は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網２６４は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網２６５中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。さらに他の実施形態では、検出器２８８および２９８上で受光された光の強度の空間的分布は、現在の天候状態に関して決定するために、基準データと比較することができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網２６５は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号２９９を出力することができる。
【００８８】
デュアルチャネル円偏光センサ
一般に、球状の水滴からの、レーザ光などの照射光の直接反射は、純粋に鏡面反射であるが、氷晶からの直接反射は、そうではない。
【００８９】
水滴は、理想的には、完全ミラーのように作用し、反射されたレーザ光を、偏光状態を変化させずにそれ自体の後方に散乱させる。入射光が水平に、または垂直に偏光されている場合、反射された光は、同様に水平に、または垂直に偏光される。したがって、脱偏光（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の程度が比較的低い後方散乱偏光は、液体水の雲を示す。円偏光の場合、回転電場の方向が反射時変化しないが、入射波のポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルの変化によって、円偏光の向き（ｓｅｎｓｅ）が変化する。したがって、右方向に円偏光された入射ビームは、反射時に左方向に円偏光されることになり、その逆も同様である。
【００９０】
他方では、氷晶は、反射光の偏光状態が、１つには、そのファセットからの複数の内部反射によって、および１つには氷の複屈折によって変化する傾向がある。浮遊氷晶からの反射された光は、入射光が純粋な偏光状態であるとき、２つの直交する偏光状態の混合になる。後方散乱光の、両方の直交する偏光状態をモニタリングすることによって、水滴を氷晶から区別することが可能になる。
【００９１】
しかし、雲の中では、光は、直接の後方散乱に加えて、水滴サイズのレーザ波長に対する比が１に近いが、または１よりわずかに大きいときはいつでも、かなりの小角度の前方散乱を被る。この過程は、ミー（Ｍｉｅ）散乱として知られている。ほとんどの雲の中では、水滴は１から１０μｍの範囲であり、一方通常の可視波長および近赤外線波長は、０．４から２．０μｍの範囲である。浮遊水滴は、可視および近赤外線の光学的センサに対してミー散乱を生じる。前方散乱光は、結局のところ、投射されたレーザビームと一致する光学的受光器に向けて後方散乱されることがある。それが生じたとき、その偏光状態は、光が前方散乱を被ることなく直接水滴から反射された場合、そうであるはずのものの域を越えて、変化することになる。単一後方散乱が付随して起きる、この一連の前方散乱事象は、複数散乱として知られており、それは、球状の水滴からの単一散乱事象によって生成される信号と全く似ていない、脱偏光された（ｄｅ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）信号を生じる。
【００９２】
円偏光は、水の雲と氷の雲の間を区別する助けになるように、浮遊水滴および氷晶センサ中で使用することができる。
【００９３】
雲が水滴から構成されている場合、円偏光の基本的な「向き（ｓｅｎｓｅ）」は、複数散乱の存在にかかわらず、変化しない。照射光が右方向に円偏光された場合（「ＲＨＣ（ｒｉｇｈｔ ｈａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）」）、純粋な水の雲からの後方散乱光は、左方向に円偏光された（「ＬＨＣ（ｌｅｆｔ ｈａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）」）成分だけを有することになる。複数散乱は、光を楕円偏光させる線形成分を導入することによって、この光の偏光純度を低下させることになる。しかし、光が、ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）成分に分解されたとき、円成分は、雲が完全に液体水滴から構成されている限り、なお左方向に円偏光されることになり、決して右方向に円偏光されない。
【００９４】
雲が完全に氷晶から構成されている場合、ストークスベクトルの円成分は、複数散乱によって、または氷晶の複屈折によって導入された他の線形成分の存在にかかわらず、右方向に円偏光されることになる。したがって、ストークスベクトルの４番目の成分をモニタリングした場合、純粋な氷晶の雲の存在があれば、円偏光の方向または向きの、はっきりと異なる疑いなしの「反転（ｆｌｉｐ）」を示すことになる。
【００９５】
図１８に、水と氷晶を区別するために、円偏光された光を用いるデュアルチャネル円偏光システム３００の概略図を示す。システム３００は、２つの直線偏光子３１４および３４８と、その機能を以下に述べる、２つの４分の１波長板の形態での２つの円偏光要素３１６および３３３とを備える。システム３００は、照射部３１０および検出部３３０を備える。
【００９６】
照射部３１０は、第１の光ビームを出力する光学的ビームエミッタ３１２を備える。光学的ビームエミッタ３１２は、レーザ、または代替え実施形態として、その出力が直線偏光される発光ダイオードを備えることができる。照射側直線偏光子３１４は、第１の光ビーム（これは、既に直線偏光されたものとすることができる）を光学的ビームエミッタ３１２から受光し、直線偏光された照射ビームを出力することによって、高偏光純度を確保する助けとなる。一実施形態では、照射側直線偏光子３１４は、モデルナンバーがＤＰ−０５０−ＮＩＲ２−２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、直線偏光された照射ビームは、第１の円偏光要素３１６に提供される前に、まず、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５（図１９参照）によって反射される。一実施形態では、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５は、モデルナンバーがＢＢ−０５０−ＩＲ２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９８】
第１の円偏光要素３１６は、直線偏光された照射ビームを受光し、それを円偏光された照射ビーム３１８に変形する。一実施形態では、円偏光要素３１６は、直線偏光された光を円偏光された光に変形する４分の１波長板を備える。一実施形態では、４分の１波長板３１６は、モデルナンバーがＣＰ−０５０−９０５であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９９】
示した実施形態では、また、照射部３１０は、システム３００の光照射軸Ａに沿って、かつ雲３０２の方向に、円偏光された照射ビーム３１８を反射するように構成された反射器３２０を備える。反射器３２０は、円偏光を変化させてはならない。一実施形態では、反射器は、一プロトタイプでは４００：１より良い円偏光純度をもたらした、標準の保護された金のミラーを備える。
【０１００】
システム３００は、円偏光された照射ビーム３１８を雲３０２の方向に向けるものとして示してあるが、システム３００は、使用の間、雲を通過していることがある航空機上に搭載されていることを理解されたい。また、システム３００は、通常、１０から２０メートルの範囲で雲の氷を検出するように構成されていることを、ここで留意されたい。当業者に知られているように、その範囲は、光学的ビームエミッタ３１２に印加されるパルスの持続期間およびタイミングによって決定され、そのタイミングは、検出部３３０と関連付けられる。
【０１０１】
円偏光された照射ビーム３１８は、雲３０２中のスペースのボリュームを照射する。それに応じて、雲３０２中のスペースのその瞬間のボリューム内の水分によって、円偏光された照射ビーム３１８の後方散乱が引き起こされ、それによって、円偏光された後方散乱光３２２が生じ、システム３００の方向に進む。
【０１０２】
システム３００の検出部３３０は、円偏光された後方散乱光３２２がそれを通過することを許すように構成されたウインドウ３３２を備える。示した実施形態では、円偏光された後方散乱光３２２は、まず、ウインドウ３３２を通過し、第２の円偏光要素３３３に向かい、それは、また、４分の１波長板とすることができる。
【０１０３】
第２の円偏光要素３３３は、ウインドウ３３２を通過した円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力する。後方散乱光３２２は、第２の円偏光要素３３３に到達する前に、後方散乱光３２２を合焦させるための第１のレンズ３３６および平行化レンズ３３８を通過する。
【０１０４】
一実施形態では、平行化レンズ３３８は、米国ニュージャージー州のＴｈｏｒ Ｌａｂｓ ｏｆ Ｎｅｗｔｏｎから入手できるパーツナンバーＳＭ１Ｖ１０など、可変長のレンズチューブ中に取り付けられる。可変長のレンズチューブは、第２の部分に対して軸方向に移動する、ネジ付きの第１の部分を有する。これによって、センサの光軸Ａに沿った平行化レンズの軸方向位置を、双頭の矢印３３８ａで示すように、調節することが可能になる。この特徴によって、ユーザーは、平行化レンズ３３８と第１のレンズ３３６の間の距離を制御し、それによって、一実施形態では約１０から約２０メートルである、その通常の動作範囲において、効率的に散乱光を集光するように、システム３００を構成することが可能になる。システム３００中の平行化レンズ３３８は、同様に軸方向に調節可能とすることができることを理解されたい。
【０１０５】
検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４が、第２の円偏光要素３３３からの直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０および第２の成分の直線偏光された後方散乱光３４０に分光するように構成される。
【０１０６】
一実施形態では、第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０は、検出側直線偏光子３４８、および第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０を第１の成分の光検出器３４４上に合焦させる第１のコンデンサレンズ３４２を通過する。同様に、第２の成分の直線偏光された後方散乱光３５０は、第２の成分の直線偏光された後方散乱光を第２の成分の光検出器３５４上に合焦させる第２のコンデンサレンズ３５２を通過する。
【０１０７】
成分光検出器３４４および３５４のそれぞれの出力は、一般に、当業者に知られるように、フィルタリングおよび増幅を含むことができる、追加の信号処理演算３４６および３５６を受ける。次いで、その出力は、雲３０２中の氷の存在を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網３６０に加えられる。一実施形態では、電気回路網３６０は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網３６０は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網３６０中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網３６０は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号３７０を出力することができる。
【０１０８】
図１９に、図１８に示す飛行中に働く雲の氷検出システム３００と実質的に同じ構成要素を有するシステム４００の例示のレイアウトを示す。図１９に見られるように、光学的ビームエミッタ３１２からの光を照射側直線偏光子３１４に結合するために、円形化し平行化するオプティック３１３を使用することができる。さらに、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５が、照射側直線偏光子３１４の出力を反射器３２０に向けて再誘導する。
【０１０９】
一実施形態では、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４は、送られたビームに対して大きいコントラスト比（２００：１）を有し、反射されたビームに対して小さいコントラスト比（２０：１）を有する。送られた光と同じように偏光された、かなりの量の光が常に受光されるので、この偏光は、コントラスト比が小さく、第１の成分の光検出器３４４と結合された、反射されたチャネル（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ）（「ＬＨＣチャネル」）中に渡される。氷晶の存在を特徴付ける、直交した偏光は、コントラスト比が大きく、第２の成分の光検出器３５４と結合された、直接チャネル（ｄｉｒｅｃｔ ｃｈａｎｎｅｌ）（「ＲＨＣチャネル」）中に入る。原理の説明としては、氷は、雲中では、液体水よりそれほど広くは存在していない可能性があり、氷の存在を正確に検出するために、高コントラストが必要であるということである。「水」チャネル中の低コントラスト比を補うために、追加の直線偏光子３４８が、その比を改善するために加えられる。プロトタイプシステムの偏光測定値によって、「氷」検出用（ＲＨＣ）チャネルについて４００：１より良いコントラスト比が示され、「水」検出用（ＬＨＣ）チャネルについて５０：１より良いコントラスト比が示されている。チャネルは、純粋な水滴の雲に対してより大きい信号を示すことが予想されるチャネル、および純粋な氷晶の雲に対してより大きい信号を示すことが予想されるチャネルに従って、「水検出用」および「氷検出用」と名前を付ける。これらは、直線偏光のスキームが「平行」である偏光チャネルおよび「垂直」である偏光チャネルにそれぞれ対応する。しかし、検出側直線偏光子３４８は、ＬＨＣチャネルについてのコントラスト比がより大きい場合、必要でないことがあることを理解されたい。
【０１１０】
希薄な水の雲について、照射ビームが右方向に円偏光された（「ＲＨＣ」）場合、反射された光は、左方向に円偏光される（「ＬＨＣ」）。さらに、４分の１波長板３３３は、適切に設定された場合（すなわち、板の「速軸」が、ビームスプリッタキューブの偏光軸に対して４５°の角度である）、受光される光のすべては、直線偏光された光に変換され、それは、第１の成分の光検出器３４４（「ＬＨＣ」）に入る。
【０１１１】
システム３００では、円偏光されていない、いずれかの光が、第２の円偏光要素３３３をなお通過することになり、その対応した平行および垂直の線形成分に分解されることになる。したがって、システム３００は、複数散乱が存在したとき、チャネル間で「クロストーク」をなお示す恐れがある。しかし、円偏光の方向は、雲が完全に水から構成されている場合、変化することがないキーパラメータである。
【０１１２】
４番目のストークス成分Ｖ（これは、円偏光の方向を指定する）は、２つの成分の光検出器３４４および３５４中の信号から、次の関係を使用して導き出すことができる。
【０１１３】
【数５】
【０１１４】
式中、ＩLHCおよびＩRHCは、成分の光検出器３４４および３５４で受け取られた強度にそれぞれ対応する。線形システムに対する、よく知られた脱偏光比（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）δに関して、次のようになる。
【０１１５】
【数６】
【０１１６】
Ｖについての式が示すように、Ｖの符号は、δ（２つの直交した信号の比）が１を通過したとき、変化する。２つの信号が比較器の入力に渡された場合、水から氷への遷移によって、浮遊氷晶の存在を示すために、光または音響の警報器など、簡単な指示器を起動することができる。さらに、比較器は、望まれているどのような状態（純粋な氷または混合相）についても閾値警報を生成するように、変更することができる。たとえば、純粋な氷晶の雲だけが飛行に危険であると考えられる場合、Ｖの値は、〜０．２７とすべきであり、比較器は、ＲＨＣ信号のＬＨＣ信号に対する比（δ）が１．７を超えたときだけ、警報を発することができる。
【０１１７】
警報についての閾値を設定する、１つの簡単な方法は、センサの光軸のまわりで、４分の１波長板３３３の速軸と検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の間の相対角度を変更することである。４分の１波長板３３３は、板の速軸の方向付けにかかわらず、円偏光を、直線偏光の２つの等しい直交した成分に変換する。しかし、４分の１波長板３３３の後にある検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の相対的な方向付けによって、２つの成分の光検出器３４４および３５４に入る直線偏光された光の成分の相対的割合が制御される。たとえば、完全に氷晶から構成された雲の場合、ＲＨＣ成分の光検出器３５４（氷検出用チャネル）における信号の、ＬＨＣ成分の光検出器３４４（水検出用チャネル）における信号に対する比は、１．７である。ただし、４分の１波長板３３３の速軸が、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の軸に対して４５°であるものとする。速軸の角度が、ＬＨＣ成分の光検出器３４４に向けて回転された場合、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４に入る光の直線偏光軸も回転し、２つの成分の光検出器３４４および３５４中で２つのほぼ等しい信号が生成されることになる。そのような場合、電気回路網３６０は、信号が等しく、氷の雲の存在を示すときはいつでも閾値警報を送る、極めて簡単で安価な比較器を備えることができる。４分の１波長板３３３の正確な回転角度は、実験によって決定すべきであるが、原理は、所望の閾値にかかわらず、同じである。
【０１１８】
ＭＦＯＶ／デュアルチャネル円偏光システムの実現
図２０に、図１６の実施形態によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０を、図１８および１９のデュアルチャネル円偏光センサ３００とともに備える、統合システム５００の一実施形態を示す。図２０に見られるように、両方のデュアルチャネル円偏光のために、およびＭＦＯＶ検出のためにも、デュアルチャネル円偏光センサ３００の照射部３１０を使用することができる。第１のレンズ３３６を通過した後方散乱光３２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２５０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２５２の出力は、図１６に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に誘導される。しかし、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４およびデュアルチャネル円偏光の電気回路網３６０は、単一の共通の回路に結合することができ、したがって決定信号２９９および３７０がそのような共通の回路から出力されることを理解されたい。
【０１１９】
図２１に、図１７の実施形態によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０を、図１８および１９のデュアルチャネル円偏光センサ３００とともに備える、統合システム５５０の別の実施形態を示す。やはり、両方のデュアルチャネル円偏光のために、およびＭＦＯＶ検出のためにも、デュアルチャネル円偏光センサ３００の照射部３１０を使用することができる。第１のレンズ３３６を通過した後方散乱光の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２８０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２８８および２９８の出力は、図１７に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に誘導される。しかし、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５およびデュアルチャネル円偏光の電気回路網３６０は、単一の共通の回路に結合することができ、したがって決定信号２９９および３７０がそのような共通の回路から出力されることを理解されたい。
【０１２０】
ＭＦＯＶの実現
図２２および２３に、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０および２７０をそれぞれ組み込み、デュアルチャネル円偏光センサ３００がない、単独型ＭＦＯＶシステム６００および６５０の実施形態を示す。したがって、システム６００および６５０は、偏光された光が必要でない。
【０１２１】
図２２および２３の両方に見られるように、照射部６１０は、第１の光ビームを出力する光学的ビームエミッタ６１２を備える。光学的ビームエミッタ６１２は、レーザ、または代替え実施形態として、その出力が直線偏光される発光ダイオードを備えることができる。照射側直線偏光子６１４が、光学的ビームエミッタ６１２から第１の光ビーム（これは、既に直線偏光されている可能性がある）を受光し、直線偏光された照射ビーム６１８を出力することによって、高偏光純度を確保する助けとなる。一実施形態では、照射側直線偏光子６１４は、モデルナンバーがＤＰ−０５０−ＮＩＲ２−２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【０１２２】
ＭＦＯＶシステム６００および６５０では、また、照射部６１０は、ＭＦＯＶシステム６００および６５０の光照射軸Ａに沿って、かつ雲６０２の方向に、直線偏光された照射ビーム６１８を反射するように構成された反射器６２０を備える。反射器６２０は、直線偏光を変化させてはならない。照射部６１０が、直線偏光された照射ビーム６１８を雲６０２の方向に誘導するものとして示されているが、ＭＦＯＶシステム６００および６５０は、使用中、雲を通過していることがある航空機上に搭載されることを理解されたい。また、ＭＦＯＶシステム６００および６５０は、通常、航空機のプロペラ後流を越えて、好ましくは航空機の外板から１０から２０メートルまでで、過冷却の液体水滴を検出するように構成されることを、ここで留意されたい。当業者に知られているように、範囲は、光学的ビームエミッタ６１２からのレーザパルスの送信とＭＦＯＶ検出器によるそのパルスの受信の間の時間遅延によって決定される。
【０１２３】
直線に照射するビーム６１８は、雲６０２中のスペースのボリュームを照射する。それに応答して、雲６０２中のスペースのその瞬間のボリューム内の水滴および氷晶によって、直線偏光された照射ビーム６１８の後方散乱が引き起こされ、それによって、後方散乱光６２２が生成され、それは、検出器アセンブリ２４０（図２２）および２７０（図２３）の方向に進む。後方散乱光は、ウインドウ６３２を通過し、次いで後方散乱光６２２を合焦させるための第１のレンズ６３６を通過する。
【０１２４】
単一散乱光を受光するように構成された平行化レンズ６３８は、米国ニュージャージー州のＴｈｏｒ Ｌａｂｓ ｏｆ Ｎｅｗｔｏｎから入手できるパーツナンバーがＳＭ１Ｖ１０など、可変長のレンズチューブ中に取り付けられる。可変長のレンズチューブは、第２の部分に対して軸方向に移動する、ネジ付きの第１の部分を有する。これによって、センサの光軸Ａに沿った平行化レンズの軸方向位置を、双頭の矢印６３８ａで示すように、調節することが可能になる。この特徴によって、ユーザーは、平行化レンズ６３８と第１のレンズ６３６の間の距離を制御し、それによって、一実施形態では約１０から約２０メートルである、その通常の動作範囲において、効率的に単一散乱光を集光するように、ＭＦＯＶシステム６００および６５０を構成することが可能になる。
【０１２５】
図２３に見られるように、ＭＦＯＶシステム６００では、第１のレンズ６３６を通過した後方散乱光６２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２５０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２５２の出力は、図１６に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に誘導される。その一方で、フォトダイオードまたはビームストップとして実装された単一ＦＯＶサブシステム２６０は、単一散乱２６２からの光を捉え、また、その出力をＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に送る。次いで、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４は、過冷却の水滴の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算し、かつ決定を示す、警報を信号で送るなどするために、信号２９９を出力する。
【０１２６】
図２３に見られるように、ＭＦＯＶシステム６６０では、第１のレンズ６３６を通過した後方散乱光６２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２８０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２８０の検出器２８８および２９８の出力は、図１７に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に誘導される。その一方で、フォトダイオードまたはビームストップとして実装された単一ＦＯＶサブシステム２６０は、単一散乱２６２からの光を捉え、その出力をＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に送る。次いで、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５は、過冷却の水滴の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算し、かつ決定を示す、警報を信号で送るなどするために、信号２９９を出力する。
【０１２７】
本発明は、本明細書で上記に複数の態様および実施形態に関して述べてきたが、これらの態様および実施形態は、例として提示され、本発明を限定する意図がないことを理解されたい。それゆえ、実施形態の様々な構成要素および態様を必要に応じて組み合わすことができることを、したがって理解されたい。それゆえ、本発明は、いずれかの具体的な実施形態に、または態様に限定すべきでなく、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲に記載されたものに従った広さおよび範囲によって解釈すべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊液体水滴を検出するための航空機搭載の飛行中に働くセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
浮遊水滴の検出および水滴サイズに従ったそれらの分類は、飛行中に働く着氷状態検出器の重要な機能である。膨らませて使う防護カバーなど、航空機上の現在の防除氷装置は、小さな水滴（たとえば、直径の平均値が＜５０μｍ）からの氷の蓄積に対して申し分なく適しているが、衝突する水滴が大きいとき、氷の蓄積を防ぐことができない恐れがある。
【０００３】
具体的には、過冷却の大きい水滴（ＳＬＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌａｒｇｅ ｄｒｏｐｌｅｔ）を正しく識別する能力は、着氷状態センサに求められるクリティカルな安全機能として、迅速に認められることになりつつある。ＳＬＤは、通常、直径が４０μｍより大きく、温度が水の氷結温度よりかなり低い。ＳＬＤが飛行機の翼の前縁に当たったとき、ＳＬＤは、前縁を越えて転がり、防氷装置がアクセスできないが、航空機の制御にクリティカルな位置で氷結しがちである。過冷却の大きい水滴は、１９９４年、インディアナ州ローズローン（Ｒｏｓｅｌａｗｎ）で起きたＡＴＲ−７２の致命的な墜落事故など、いくつかの航空機事故を引き起こしていると考えられる。
【０００４】
散乱場所の密度が高い（雲など）、柔軟な目標物をレーザビームによって調べたとき、それらは、複数の散乱を生じることになる。複数の散乱のために、光線は、ライダー受光器に戻る前に、２つ以上の散乱事象を被る。ライダーの複数の散乱のほとんどの解析は、検出された光線のそれぞれが、多数の小角度の前方散乱（ライダーから離れて伝搬し、およびそれに向かって伝搬する両方の間に）、およびライダー受光器に向かうその後方散乱に関与する、１つの単一の大角度（〜１８０°）の散乱事象を被る。小角度の前方散乱は、粒子のまわりの光の回折に主に起因し、これらの小角度は、レーザビームが柔軟な目標物を貫通したとき、受光される光の視野を増加させることに大いに関与する。複数の散乱の過程では、光線が、横方向に拡散し、受光される視野は、柔軟な目標物を構成する散乱粒子のサイズ分布および密度に依存して、レーザの発散を越えて拡大することになる。
【０００５】
粒子直径（ｄ）、レーザ波長（λ）および前方散乱回折角（β）の間の一般的関係は、次のようである。
【０００６】
【数１】
【０００７】
これは、水滴直径と散乱角度の間の単比例関係である。しかし、雲内では、水滴のサイズ分布が存在し、散乱角度は、この分布に従って変化することになる。しかし、一般的に言うと、小さな粒子は、大きな散乱角度を生じ、逆も同様である。
【０００８】
図１に、ライダービームが、受光器５２から距離Ｒに位置する雲５０中に距離ｘだけ貫通したときの視野の簡単化した図を示す。散乱角度がβである場合、視野θは、次の式から得ることができる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
、ただしθおよびβが小さい極限の場合 （２）
【００１１】
Ｒ＝１０００ｍ、ｘ＝２００ｍ、λ＝１μｍ、およびｄ＝５μｍ（水の雲の典型的な例）の場合、視野θは、ほぼ４０ｍｒａｄであり、それは、従来技術による複数視野のライダーシステムが用いる最大の視野に対応する。しかし、過冷却の大きい水滴の場合、水滴サイズは、５０μｍから１００μｍを超える範囲である。水滴が４０μｍの雲中では、視野は、５ｍｒａｄまで減少し、１００μｍ以上の場合、視野は、２ｍｒａｄより小さい。視野の水滴サイズとの逆比例関係は、互いに密接に凝集した、大きな水滴によって生成される複数の視野が、レーザビームの発散によって自然に生成される単一散乱の視野に近づくことを意味する。
【００１２】
図２に、後方散乱光を反射する水滴によって生成された複数の視野が、どのように焦点面に現れるのか示す。出射する平行光ビーム５４が水滴を照射し、水滴からの後方散乱光５６が１つまたは複数の受光器レンズ５８を通過し、その後、後方散乱光は、その全体が６０で示される、光軸Ａに沿って配置された検出器の領域中で受光される。検出器の焦点面６２の上側半分において、複数視野が、その全体を６４で示す同心リングにマッピングされる。
【００１３】
複数視野（ＭＦＯＶ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）検出器の背後にあるコンセプトは、複数の検出器要素を受光器オプティックの焦点面中に配置し、様々な視野からの後方散乱を同時に測定するということである。焦点面では、様々なＦＯＶ（ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ：視野）が、異なる空間位置を占め、光軸からの距離（ｙ）が、次の関係に従ってＦＯＶに比例する。
ｙ＝ｆ・θ （３）
【００１４】
ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離である。直径が２インチ（５．０８ｃｍ）で、受光器レンズがｆ／２．５であるライダーの場合、変位が、ライダーの光軸に対して角度０．５ｍｒａｄ毎に６３μｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，２３９，３５２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８９３，００３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に、ＭＦＯＶライダー後方散乱を検出するための、従来技術による受光器が開示されている。図３および４に、この従来技術による受光器７１が、光軸７４を有する受光器オプティック７２の焦点面「ｆ」中に配置された、複数要素の放射線検出器７３を有していることを示す。検出器７３は、いくつかの同心円形シリコン検出器要素（ＰＩＮダイオード）７３−１、７３−２、７３−３および７３−４からなる。４つの別々の検出器要素があることの結果として、受光器７１は、いくつかの視野間で、受光された後方散乱放射線の信号を区別することができる。ライダーのレーザビームの発散より大きい、いずれかの視野について受光された後方散乱信号は、複数の散乱に起因する。
【００１７】
検出器要素の帯域幅は、ビームが雲を貫通したとき、５メートルより小さいレンジ分解能を確保するように十分広い。この検出器中では、それぞれの検出器要素が視野の所与の範囲にわたって信号を積分し、単一値を生成する。４つの同心検出器要素は、次の視野をカバーする。
７３−１ ０〜３．７５ｍｒａｄ
７３−２ ３．７５〜１２．５ｍｒａｄ
７３−３ １２．５〜２５．０ｍｒａｄ
７３−４ ２５．０〜３７．５ｍｒａｄ
【００１８】
検出器要素７３−１は、全体の単一散乱信号と、その上多少の複数の散乱を測定し、検出器要素７３−２から７３−４は、複数の散乱だけを測定する。しかし、過冷却の大きな水滴の検出には、３．７５ｍｒａｄに固定されたＦＯＶを限界にすることができる。というのは、役立つ散乱情報のほとんどが、この単一ＦＯＶ内に完全に含まれることになり得、また、このＦＯＶは、単一散乱信号全体を含むからである。したがって、大きな水滴に起因する複数の散乱を、単一散乱に起因する複数の散乱から識別する方法がない。さらに、ＦＯＶは、固定され、再構成することができない。
【００１９】
特許文献２に、ファブリーペロー干渉計（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）とともに使用される、サークルツウライン干渉計光学システム（ＣＬＩＯ：ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）が開示されている。図５および６に見られるように、ＣＬＩＯシステムは、内側円錐形反射面８１を備える円錐形反射器セグメント８０を備える。円錐形反射面８１は、ファブリーペロー干渉計によって生成された円形干渉縞情報８２を含む入射平行光線８３を反射するように方向付けされる。光線８３は、円錐形反射器セグメント８０の円錐軸８４に実質的に平行な方向に伝搬する。円形干渉縞情報８２は、反射された光線８３が、分光分析に使用される種類の電荷結合素子など、従来の線形アレイの検出器８７によって受光されたとき、線形情報に変換される。干渉計の干渉縞の半径は、干渉計の反射面の間隔、分光計中に光を反射する粒子の速度、光の波長によって、および干渉計に入る光の位相コヒーレンスによって決定される。円錐の頂点は、円錐軸８４が円形干渉縞パターン８２の焦点面と交わるところに位置付けることができる。検出された円形干渉縞パターン８２の方位角は、ミラー８５の所定の配列を備える遠隔万華鏡８６（図６）を使用して減少させることができる。反射面８１を有する直角の円錐は、円形干渉縞情報を、検出器８７が配置された平面Ｐ上にラインとして反映する。図７に見られるように、入射角θiは、反射角θrで平面Ｐ上に反射され、それによって、円錐の頂点Ｖからの距離ｘにおいて検出される、円錐に入る円の半径ｙにおける情報と１対１のマッピングが生成される。したがって、交番する明るい領域と暗い領域を含む入射円形干渉縞情報が、線形アレイの検出器８７に沿った交番する明るい領域と暗い領域として検出される。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
一般的に言うと、本発明は、照射部および後方散乱光の検出部を備える、浮遊水滴センサを対象とする。本装置は、浮遊水滴の存在を検出し、かつ、レーザビームが雲を貫通したとき、そのビームの横方向散乱を測定することによって、それら水滴の直径のプロファイルを反映した情報を提供する。本装置が「大きな」水滴の存在を検出したとき、本装置は、その検出事項をプロセッサに伝えることができ、また、プロセッサは、外気温度を受け取り、水滴が過冷却の大きい水滴であると見なすことができるかどうかを決める。そうであった場合、関連したコンピュータが、パイロットに警報を送る、またはその状況に適したものになることができる、どのような防氷装置でも始動させるなど、適切な処置を取る。
【００２１】
一態様では、本発明は、照射部と検出部とを備える、飛行中に働く複数視野の水滴センサを対象とする。照射部は、光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える。検出部は、前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウと、前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズと、第１のレンズを通過した後方散乱光の第１の部分をサークルツウライン変換器（ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡と、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）のサブシステムと、第１のレンズを通過した後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野（ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）のサブシステムとを備え、第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。
【００２２】
単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を使用することができる。そのような場合、照射部は、光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素とをさらに備える。さらに、検出部は、ウインドウを通過した円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００２３】
本発明は、次のパラグラフの形で整理することができる。
【００２４】
パラグラフ１：
飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
照射部であって、
光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える、照射部と、
検出部であって、
前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウ、
前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズ、
第１のレンズを通過した後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡、
サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野のサブシステム、および
第１のレンズを通過した後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムを備える、検出部とを備え、
第２の部分は、サークルツウライン変換器によって反射されていない。
【００２５】
パラグラフ２：
パラグラフ１に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
サークルツウライン変換器の内側反射面と第１の検出器の間に配置されたファイバ光学プレートであって、そのファイバ光学プレートは、サークルツウライン変換器によって反射された光学像を転送するように構成される、ファイバ光学プレートをさらに備える。
【００２６】
パラグラフ３：
パラグラフ１乃至２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
複数視野のサブシステムは、第２の検出器であって、その第２の検出器は、また、サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成される、第２の検出器をさらに備え、
第２の検出器は、第１の検出器によって検出される視野角より大きい視野角に対応して、反射された後方散乱光を検出するように構成される。
【００２７】
パラグラフ４：
パラグラフ３に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の検出器および第２の検出器のそれぞれが、検出器要素の線形アレイを備える。
【００２８】
パラグラフ５：
パラグラフ１乃至４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
サークルツウライン変換器の焦点面と第１の検出器の間に配置された光学的要素の第１のセットであって、その光学的要素の第１のセットは、サークルツウライン変換器からの小さな視野の反射を増幅する、光学的要素の第１のセットと、
サークルツウライン変換器の焦点面と第２の検出器の間に配置された光学的要素の第２のセットとをさらに備える。
【００２９】
パラグラフ６：
パラグラフ５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
光学的要素の第１のセットは、
少なくとも２つのレンズと、
２つのレンズの間に介装された帯域通過フィルタとを備える。
【００３０】
パラグラフ７：
パラグラフ１乃至６のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
サークルツウライン変換器は、勾配が変動する先細エリアを備え、
頂点に近い、先細エリアの内側反射面の勾配が１．０未満である。
【００３１】
パラグラフ８：
パラグラフ１乃至７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、ビームストップを備える。
【００３２】
パラグラフ９：
パラグラフ１乃至８のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、フォトダイオードを備える。
【００３３】
パラグラフ１０：
パラグラフ１乃至９のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
第１のレンズと単一視野のサブシステムの間に介装された平行化レンズをさらに備え、
平行化レンズの位置は、センサの光軸に沿って軸方向に調節可能である。
【００３４】
パラグラフ１１：
パラグラフ１乃至１０のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の光学的ビームエミッタは、
その出力が直線偏光される発光ダイオードと、
レーザとからなる群の少なくとも１つを備える。
【００３５】
パラグラフ１２：
パラグラフ１乃至１１のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
センサの光照射軸に沿って光ビームを反射するように構成された反射器をさらに備える。
【００３６】
パラグラフ１３：
パラグラフ１乃至１２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
複数視野のサブシステムおよび前記単一視野のサブシステムによって出力された信号を受け取り、かつ、２つのサブシステムからの前記信号に基づき、水滴の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサをさらに備える。
【００３７】
パラグラフ１４：
パラグラフ１乃至１３のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を用いる。
【００３８】
パラグラフ１５：
パラグラフ１乃至１４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
照射部は、
光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、
直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素とをさらに備え、
検出部は、
ウインドウを通過した、円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、
直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、
第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、
第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、
第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００３９】
パラグラフ１６：
パラグラフ１５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
第１の偏光ビームスプリッタと第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、その第２の直線偏光子は、第１の成分の光検出器による検出に先立ち、第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子をさらに備える。
【００４０】
パラグラフ１７：
パラグラフ１５または１６に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第１の円偏光要素は、第１の４分の１波長板を備え、
第２の円偏光要素は、第２の４分の１波長板を備える。
【００４１】
パラグラフ１８：
パラグラフ１５乃至１７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
センサの光照射軸に沿って円偏光された照射ビームを反射するように構成された反射器と、
第１の偏光ビームスプリッタと第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、その第２の直線偏光子は、第１の成分の光検出器による検出に先立ち、第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子と、
第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサとをさらに備える。
【００４２】
パラグラフ１９：
パラグラフ１８に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサは、
ウインドウと第２の円偏光要素の間に介装された第１のレンズと、
第１の直線偏光子と第１の成分の光検出器の間に介装された第２のレンズと、
第２の直線偏光子と第２の成分の光検出器の間に介装された第３のレンズと、
第１のレンズと第２の円偏光要素の間に介装された平行化レンズとをさらに備える。
【００４３】
パラグラフ２０：
パラグラフ１９に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサでは、
第２のレンズおよび第３のレンズは、コンデンサレンズであり、
平行化レンズの位置は、センサの光軸に沿って軸方向に調節可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】雲中での複数の散乱の形状を示す図である。
【図２】水滴によって生成された複数の視野が、焦点面上の複数の同心リング上にどのようにマッピングされるのかを示す図である。
【図３】特許文献１に開示された、大気の後方散乱を検出するための従来技術による複数視野の検出器の透視側面図である。
【図４】同心検出器要素を示して、図３の従来技術による検出器の焦点面を示す図である。
【図５】特許文献２に開示された、従来技術による円錐形サークルツウライン干渉計検出器を示す図である。
【図６】図５の検出器と組み合わされた万華鏡状のミラーアセンブリを示す図である。
【図７】図５の検出器上への入射干渉縞パターンのマッピングを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による、後方散乱光を検出するためのシステムを示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による円錐形反射器を示す図である。
【図１０】図９の円錐形反射器に関し、完全なＭＦＯＶ光線軌跡パターンを示す図である。
【図１１】図９の円錐形反射器に関し、小角度のＭＦＯＶを求める検出器のピクセルを示す図である。
【図１２】図９の円錐形反射器に関し、大角度のＭＦＯＶを求める検出器のピクセルを示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、先細の円錐形反射器の頂点領域を示す図である。
【図１４】図１３の先細の円錐形反射器の横方向断面を示す図である。
【図１５】図１３の先細の円錐形反射器に関し、完全なＭＦＯＶ光線軌跡パターンを示す図である。
【図１６】本発明による、ＭＦＯＶ検出器アセンブリの一実施形態を示す図である。
【図１７】本発明による、ＭＦＯＶ検出器アセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図１８】浮遊水分の検出のためのデュアルチャネル円偏光センサの概略図である。
【図１９】図１８のデュアルチャネル円偏光センサに対応した、例示のレイアウトを示す図である。
【図２０】図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよびデュアルチャネル偏光センサを備える、統合システムの一実施形態を示す図である。
【図２１】図１７のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよびデュアルチャネル偏光センサを備える、統合システムの別の実施形態を示す図である。
【図２２】図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよび照射部を備える、単独型ＭＦＯＶシステムの一実施形態を示す図である。
【図２３】図１７のＭＦＯＶ検出器アセンブリおよび照射部を備える、単独型ＭＦＯＶシステムの別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
上述した特許文献１および特許文献２は、参照によって、本発明を理解するために必要となる範囲で本明細書に組み込まれるものとする。
【００４６】
一般に、関連性がある水滴サイズの情報の大部分は、レーザビームの発散角に近接する、狭い範囲の角度内に含まれる。
【００４７】
図８に、水滴からの後方散乱光を検出するためのシステム１００について、全体的なコンセプトを示す。後方散乱光１０２は、最初、光学的に透明なウインドウ（図示せず）を通過し、次いで、合焦レンズ１０８がその後に続く平行化レンズ１０６を備えることができる受光器オプティックを通過することができる。合焦された後方散乱光１１０の一部分は、円錐形反射器１１４の円錐形内側反射面１１２に突き当たり、その反射器は、サークルツウライン変換器（ＣＬＣ：ｃｉｒｃｌｅ−ｔｏ−ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）として作用し、合焦された後方散乱光１１０を平面検出器１２０上に反射し、その検出器は、焦点面中に配置され、一実施形態では検出器要素の線形アレイを備える。
【００４８】
直角サークルツウライン変換器
図９に、システム１００中で用いることができる種類のＣＬＣ１１４の一実施形態を示す。説明の目的で、図９のＣＬＣは、円錐軸Ａを含む焦点面Ｐのまわりで対称である、完全な円錐として描かれていることを理解されたい。そのように、ＣＬＣは、完全な円錐として形成し、次いで、厚さが０．１ｍｍなど、最小限の材料損失を想定して、焦点面Ｐに沿って２つにスライスすることができる。
【００４９】
ＣＬＣ１１４は、円錐半径がＲcのベース１２６、所定の壁厚さがｔcで円錐高さがＨcである円錐形壁１２６、および頂点１３０を有する。一実施形態では、円錐半径Ｒcは、２５．４ｍｍであり、壁厚さｔcは、５ｍｍであり、円錐高さＨcは、２５．４ｍｍである。頂点１３０は、頂角εを有する。一実施形態では、頂角εは、ε＝９０°±０．５°など、許容誤差が限定された直角であり、したがって４５°の円錐角を与える。反射面１１２は、円錐軸Ａに沿った一定の勾配ｍを有する、つまり円錐角が４５°なので、勾配ｍ＝１である。
【００５０】
反射面１１２は、高度に反射性である（たとえば、１５５０ｎｍなどの関心がある波長および入射角４５°において、＞９５％、または実に＞９８％である）。さらに、表面形状（６０／４０またはそれより良い）によって、可視波長および近赤外線波長において良好な光学品質が確保される。円錐を製造する、いくつかの考えられる方法は、金属基材のワイヤ放電加工（ＥＤＭ）、精密加工されたマンドレルの上での金属円錐の電鋳法、および金属（好ましくはアルミニウム）基材のダイヤモンドによる旋盤加工である。円錐が製作された後、それは、保護されたアルミニウムまたは金など、適切な反射面で覆われる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、頂点１３０の近くに、光学的に透明な開口１３２が存在し、それは、長さｄAだけ円錐軸Ａに沿って頂点１３０から延在する。頂角が約９０°のＣＬＣ１１４では、光学的に透明な開口１３２の直径ｄ0は、おおよそ２ｄAである。光学的に透明な領域１３２は、反射性材料を欠いており、したがって円錐軸Ａに沿ってＣＬＣ１１４に入る光が、焦点面に向けて反射されるよりむしろ頂点１３０を通過することが可能になる。いくつかの実施形態では、光学的に透明な開口１３２は、円錐軸Ａに沿った長さ寸法ｄAが、約０．０５ｍｍである。
【００５２】
検出器１２０によって検出されるラインに変換される円形リング（図２参照）が、雲または霧の媒体内の光の散乱から生成される。光の波長、水滴のサイズ分布および水滴密度は、ＣＬＣ１１４に入る光の半径方向の広がりに影響を及ぼす。
【００５３】
表１に、円錐頂点１３２に対して、様々な視野によって生成されるラインの位置を示す。視野は、当初、１度の４分の１の分数で指定され、後に、ｍｒａｄに変換され、これは、その非整数の指定をｍｒａｄで示す。長さＬ＝５ｍｍの線形アレイのセンサ１２０が、ＣＬＣ１１４のために、ＦＯＶの全範囲を捉えるのに十分である。しかし、小さなＦＯＶ（すなわち、頂点１３０に近い）において要求される分解能は、困難だがやりがいのあるものになり得る。というのは、過冷却の大きい水滴が、５ｍｒａｄより小さいＦＯＶを生じる可能性があり、それは、円錐頂点から始めの０．７５ｍｍ内にすべて含まれるからである。線形アレイのセンサ１２０を覆う保護の光学ウインドウを取り除き、起こり得る汚染に検出器要素を晒すことに気が進まない場合、焦点面の中継画像化または束ねたファイバの画像転送装置の使用などの選択肢が、適切な代替方法になることができる。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図１０に、ＣＬＣ１１４のためにｆ／２．４の受光器オプティックを使用した、光線軌跡のシミュレーションを提示する。光線軌跡は、長手方向検出器軸がＡ’、長さがＬ、幅がＷである検出器１２０上に重ねられた、表１のＦＯＶラインを含む。長さが長さＬ＝５ｍｍである、検出器要素の線形アレイを備える検出器１２０は、図９のＣＬＣ１１４についてパラメータが指定されたと仮定すると、関心あるＦＯＶを捉えるのに十分である。最も大きいＦＯＶにおいて、できるだけ多く集光するために、検出器要素は、少なくとも幅ｗ＝２ｍｍとすべきである（すなわち、「幅」は、検出器軸Ａ’に対して垂直の方向で取られ、「長さ」を大いに超え、その長さは、検出器軸Ａ’に沿って取られる）。図１０に見られるように、検出器１２０は、大きい水滴の存在を検出するために、ＣＬＣ１１４の頂点１３０の極めて近くで光をサンプリングする。一実施形態では、検出器１２０の検出器要素は、円錐軸に沿った寸法で、および円錐軸に対して垂直な寸法に沿って円錐面に向けて、それらの両方で６０μｍ内まで頂点に接近する。
【００５６】
ラインの間隔に加えて、殊に頂点１３０の近くで、厚さおよび曲率の問題もあり、それらの両方は、分解能に影響を及ぼす。１．１ｍｒａｄのＦＯＶについてのライン１６０および３４．９ｍｒａｄのＦＯＶについてのライン１６２など、ＣＬＣ１１４によって生成されたＦＯＶラインは、焦点面Ｐ上に重ねられたとき、厚さが、検出器軸Ａ’に沿って有限であり、この厚さによって、検出器１２０の検出器要素に求められる最小限のピクセルサイズが限定される。また、ＦＯＶライン１６０および１６２は、わずかな量の曲率を示し、この曲率は、検出器１２０の角分解能の制限になる。
【００５７】
図１１に、それぞれのピクセル長さが検出器軸Ａ’に沿ってｗ11である、隣接したピクセルｘ１およびｘ２によって検出された、０．５４ｍｒａｄの小さなＦＯＶ１７０および０．６８ｍｒａｄの小さなＦＯＶ１７２における、ライン幅が限定された分解能を示す。２つのＦＯＶ間の０．１４ｍｒａｄの分離は、約２０μｍの直線間隔になると解釈される。ピクセル長さｗ11が２０μｍの間隔より小さい限り、１つのピクセルで１つのＦＯＶから検出される光は、他のＦＯＶから検出される光に流れ出ることがない。したがって、検出器１２０を構成する線形アレイのピクセルについて、ｗ11＝２０μｍがピクセル長さである場合、これら２つのはっきりと異なるＦＯＶ１７０および１７２から疑いもなく集光することが可能になる。ピクセル幅がｗ11＝２０μｍで、ＦＯＶのスペクトル全体（５ｍｍに相当）を受け入れるために、検出器１２０には、約２５０個のピクセルの線形アレイが必要になる。
【００５８】
大きなＦＯＶにおいては、ライン曲率によって、さらに分解能が低下する。図１２に、それぞれのピクセル長さが検出器軸Ａ’に沿ってｗ12である、隣接したピクセルｘ３およびｘ４によって検出された、３３．２ｍｒａｄの大きなＦＯＶ１７４および３４．９ｍｒａｄの大きなＦＯＶ１７６における、ライン幅が限定された分解能を示す。２つのＦＯＶ間の１．７ｍｒａｄの分離は、約２０４μｍの直線間隔になると解釈される。ピクセル長さｗ12が２０４μｍの間隔より小さい限り、１つのピクセルで１つのＦＯＶから検出される光は、他のＦＯＶから検出される光に流れ出ることがない。したがって、検出器１２０を構成する線形アレイのピクセルについて、ｗ12＝２０４μｍがピクセル長さである場合、これら２つのはっきりと異なるＦＯＶ１７４および１７６から疑いもなく集光することが可能になる。
【００５９】
ピクセル幅が２５μｍから３０μｍまでの、画像化するための線形アレイを入手でき、したがって、システムの本来の角分解能を小さな視野で活用することが可能である。２つの例は、ｔｈｅ Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｓ３９０２／Ｓ３９０３（これは、波長が３００から１１００ｎｍに適したシリコンセンサである）、およびｔｈｅ ＳＵＩ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙ（これは、波長が９００ｎｍから１８００ｎｍに適したＩｎＧａＡｓセンサである）である。個々の検出器要素の小さなサイズおよびそれに続く数の増加によって、検出される視野の幅および分布を、ソフトウェアを介して信号を適切にまとめることによって調整することが可能になる。たとえば、特定のＦＯＶの範囲が２つの隣接した検出器要素をカバーしている場合、その範囲は、４つの隣接した要素からの信号を加え合わすように、制御ソフトウェアを修正することによって、たやすく倍にすることができる。検出器要素の数が多くなるほど、特定サイズの分布の計算に入ってくる視野の位置および幅を選択する上で、柔軟性がますます増す。以下に述べるように、そのような市販の線形アレイを、他の光学的要素とともに使用することができる。また、用語「線形アレイ」は、ピクセルの一次元アレイも、装置が事実上一次元アレイとして機能するように、１方向に沿った（「行」または「列」）ピクセルが互いに電気的にグループにまとめられたピクセルの二次元アレイも指すことができることを理解されたい。
【００６０】
先細のサークルツウライン変換器
図１３に、本発明の別の実施形態による先細のＣＬＣ２１４のプロファイルを示す。先細のエリア２１４ａが頂点２３０の近くに主に存在し、そこでは内側の先細の反射面２１２は、勾配が１．０未満である。
【００６１】
図１４に、先細のＣＬＣ２１４の横方向断面を示す。先細のＣＬＣ２１４は、円錐軸Ａに沿って勾配ｍが変動する、内側の先細の反射面２１２を有する。より具体的には、先細のＣＬＣ２１４では、ある瞬間の勾配ｍ＜１が円錐軸Ａの近くで存在する。先細の反射面２１２のある瞬間の勾配ｍが１からはずれた場合、反射された光線は、ポイントＶからの距離ｌにおいて画像面に当たる。勾配がｍ＜１になることによって、反射されるスポットが左側に向けて移動し、一方勾配がｍ＞１になることによって、スポットが右側に向かって移動する。したがって、先細のＣＬＣ２１４は、反射されるスポットが、何らかの規定された関数ｌ（ｙ）に従ってポイントＶからの距離ｌに位置するように、鏡面仕上げの面のある瞬間の勾配を変化させる。
【００６２】
距離ｌ（ｙ）は、ある瞬間の勾配ｍに関して次のように表される。
【００６３】
ｌ（ｙ）＝ｘ−ｓ
＝ｙ−ｙｔａｎ（ψ） （４）
＝ｙ・（１−ｔａｎ（２・θi−π／２））
ｌ（ｙ）＝ｙ・（１−ｔａｎ（２・ｃｏｔ-1（ｍ）−π／２））
【００６４】
ただし、θiは、入射する合焦される光線２１６が内側の先細の反射面２０４に当たる角度であり、θrは、反射角である。ｙは、入射する合焦される光線２１６の半径（高さ）である。ｘは、光線２１６がそれに反射される焦点面Ｐ上のポイントＶからポイントＶ0までの距離であり、ただし内側の先細の反射面２１２のある瞬間の勾配が、ｍ＝１（Ｖ0は、光線２１６が内側の先細の反射面２１２に当たるところの直接下にある）と仮定するものである。ｓは、ｘとｌの間の差である。そして、ψ＝２θi−π／２である。
【００６５】
図９に見られるものなど、直角のＣＬＣ１１４は、先細のＣＬＣ２１４の極端な場合である。ｍ＝１である、簡単な円錐形のＣＬＣの場合、関数は、ｌ（ｙ）＝ｙである。水滴選別の場合、この関数は、大きな水滴に関する情報が、線形アレイによって分解が不可能な、小さい空間範囲に圧縮されないように、別の形を取ることが望ましく、たとえ、ある瞬間の勾配ｍを変更することが、画像面上に鋭く焦点を合わせるという反射器の能力を落とすことになっても望ましい。ｍ＝１の勾配によって、レンズの画像面が、ＣＬＣの画像面上に１対１でマッピングされることが保証され、そこに線形アレイが位置決めされる。いずれかの他の勾配によって、画像がピンぼけにされ、分解能を減少させる恐れがあり、したがって許容レベルまでピンぼけを抑えておくことが望ましい。
【００６６】
ｙ（これは、ＦＯＶ角度θに正比例する）の関数として、ＣＬＣの勾配を次第に減らすことによって、線形アレイの検出器上に対数で表された間隔を得ることが可能になる。規定された関数は、ｌ（ｙ）＝Ａｌｎ（ｙ）である。ただし、Ａは、とりわけ、検出器の特質によって決まる、ある定数である。ｌ（ｙ）＝Ａｌｎ（ｙ）を上記の式（４）に代入することによって、先細のＣＬＣ２１４に対するｙの関数として、ある瞬間の勾配ｍの解は、次のようになる。
【００６７】
【数３】
【００６８】
定数Ａは、先細のＣＬＣの勾配が１に等しい、特定のＦＯＶを決定付ける。画像ひずみが最も小さくなるのは、このＦＯＶの場合である。というのは、先細の円錐が、直角の反射性円錐を最も良く模擬することになるからであり、それは集光レンズの画像面を線形アレイの検出器上に直接マッピングする。このＦＯＶは、関心ある領域、および勾配が１からずれたとき、必ず生じるひずみに対する許容誤差に応じて、小さくまたは大きくすることができる。この場合、目標は、直径が大きい（＞４０μｍ）水滴を正確に選別することであり、したがって先細の円錐の線形領域が、約１０ｍｒａｄ、または（上記の表１から）ｙ〜１．５ｍｍになるように選択される。次いで、定数Ａは、１．５ｍｍ／ｌｎ（１．５）に等しい、または一般に次のようになる。
【００６９】
【数４】
【００７０】
ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離であり、θは、最も高い画像化忠実度が要求されるＦＯＶである。
【００７１】
図１４に、ＣＬＣ１１４でのシミュレーションと同じｆ／２．４の受光器オプティックに対して、先細のＣＬＣ２１４によって生成されたラインの光線軌跡のシミュレーションを示す。ラインは、ＣＬＣ１１４によって生成されたスペースと同じスペースを占める。次の表２では、ＣＬＣ１１４および先細のＣＬＣ２１４について、０．５４ｍｒａｄである最小のＦＯＶに対して、３つのはっきりと異なるＦＯＶ間の物理的間隔を比較している。
【００７２】
【表２】
【００７３】
表２に見られるように、５ｍｒａｄより小さい視野について（つまり、大きい水滴について）、間隔は、先細のＣＬＣの場合、増加する。しかし、それぞれのＦＯＶのひずみ（拡散）は、より大きくなることがある。したがって、２０μｍだけの間隔が、ＣＬＣ１１４では０．６８ｍｒａｄから０．５４ｍｒａｄを分離するために必要であったが、５０μｍかそれぐらいの間隔が、先細のＣＬＣ２１４では０．６８ｍｒａｄから０．５４ｍｒａｄを分離するために、必要になる可能性がある。
【００７４】
ファイバ光学プレートによる画像転送
図１６に、本発明によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０の一実施形態を示す。ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０は、入射する後方散乱光２４４を受光するための受光器オプティック２４２と、合焦された後方散乱光が受光器オプティック２４２から現れた後、それを誘導するための万華鏡２４６と、反射された画像を捉えるために、導かれ合焦された後方散乱光をＭＦＯＶサブシステム２５０の方向に反射するためのＣＬＣ２４８とを備える。この実施形態では、ＭＦＯＶサブシステム２５０は、ファイバ光学画像転送プレート２５４がその上に位置決めされた検出器２５２を備える。以下で述べるように、単一ＦＯＶサブシステム２６０が、単一散乱２６２からの光を捉え、そして簡単なビームストップ、１つまたは複数のフォトダイオード、またはデュアルチャネル偏光センサを備えることができる。
【００７５】
ＭＦＯＶサブシステム２５０および単一ＦＯＶサブシステム２６０の出力が、過冷却の水滴の１つまたは複数の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網２６４に供給される。一実施形態では、電気回路網２６４は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網２６４は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網２６４中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網２６４は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号２９９を出力することができる。
【００７６】
２つのサブシステム２５０および２６０の出力が、いくつかの処置を取る、または提案するために使用することができる、水滴のサイズ分布および他のパラメータを決定するように構成されたプロセッササブシステム（図１６に図示せず）に供給されることを理解されたい。
【００７７】
単一散乱に起因する光線を複数散乱に起因する光線から分離するために、ＣＬＣ２４８が円錐台の形状を有するように、ＣＬＣ２４８の頂点が除去される（ダイヤモンドによる旋盤加工またはワイヤＥＤＭなどによって）。円錐台の小さな端部における有効直径Ｄは、ｆ・Δθによって与えられる。ただし、ｆは、受光器オプティックの焦点距離であり、Δθは、送られたレーザビームの遠距離場の発散である。円錐の頂点を光学的穴と置き換えることによって、単一散乱から受光された光は、検出器２５２中に反射されず、それによって、この光のランダムな散乱を減少させる。そのような実施形態では、ＣＬＣ２４８は、単一散乱に起因する散乱光から、雲から受光された多重に散乱された光を分離するように構成される。照射信号の発散は、この分離を実施するという、ＣＬＣ２４８の実用性を制限する恐れがある。というのは、極めて大きい水滴からの複数散乱は、レーザビームの発散角内に依然として止まることになり、単一散乱および複数散乱が互いに混じり合うことになるからである。
【００７８】
検出器２５２が、範囲に分解された、雲を貫通する強度プロファイルを生成するように十分広い帯域幅を有する場合、簡単なビームストップは、単一散乱を減衰させ、それが検出器２５２中に漏れ出ないように防止することができる。しかし、フレームレートが遅すぎる、線形ＣＣＤアレイを備える検出器の場合、ＣＬＣ２４８の背後に配置された高速フォトダイオードは、単一散乱信号が雲を通過したとき、その減少をモニタリングすることができる。範囲に応じた、この強度プロファイルは、雲の減衰係数、およびＭＦＯＶデータから得られた水滴のサイズ分布とともに、液体水含有量の推定に関する情報をもたらすことができる。
【００７９】
一実施形態では、ＣＬＣ２４８は、９０°の方位角範囲だけをカバーする。ＣＬＣ１１４および２１４が、全１８０°の方位角範囲を有するものとして示されているが、ほとんどの光学的検出器は、受光角が４５°を超えない。したがって、ＣＬＣの９０°の方位角区域または４分の１セクタは、検出器２５２が利用できるすべてになることがある。互いに対して直角に配置された、平坦な万華鏡状のミラー２４６ａおよび２４６ｂのペアを備える万華鏡２４６は、そうでなければ焦点面上の完全な円上に届くことになる光を、ＣＬＣ２４８の減少された方位角範囲（たとえば、９０°）に一致する、より小さい角度セグメントに変換する。検出器２５２の透視図から、同心視野が３６０°の方位角範囲にわたって現れる、すなわち９０°が受光器オプティック２４２から直接に、その他の２７０°が万華鏡状のミラー２４６ａおよび２４６ｂ中での反射から現れることが分かる。したがって、受光器オプティック２４２の全方位角視野は、９０°の方位角範囲中に折り重ねられ、それは、ＣＬＣ２４８が受け取り、検出器２５２に反射することができる。
【００８０】
ファイバ光学画像転送プレート２５４は、Ｈａｍａｍａｔｓｕのパーツナンバー Ｊ５７３４を使用して実現することができ、レンズを使用することなく画像を転送するために使用される。プレート２５４は、互いに束ねられた多数の光学的ファイバを備える。プレート内のファイバは、直径が小さく（通常３μｍ）、ほぼ９０°の受光角にわたって光を受光する。プレート２５４の表面は、画像がプレート２５４の下にある検出器２５２に直接転送されるように、ＣＬＣ２４８の焦点面上におかれるように配置される。
【００８１】
レンズ中継による画像転送
図１７に、本発明によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０の別の実施形態を示す。ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、受光器オプティック２４２、万華鏡２４６、ＣＬＣ２４８および単一ＦＯＶサブシステム２６０を含む、図１６のＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０と同じ構成要素の多くを備える。しかし、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０中に見られるＭＦＯＶサブシステム２５０と異なるＭＦＯＶサブシステム２８０を有する。
【００８２】
ＭＦＯＶサブシステム２８０は、ＣＬＣ２４８の焦点面の下に配置された光学的要素の複数のセット２８２および２９２を使用する。一実施形態では、光学的要素の第１のセット２８２は、ＣＬＣ２４８からの小さいＦＯＶ反射を増幅し、次いでそれは、第１の検出器２８８によって受光され、一方光学的要素の第２のセット２９２は、ＣＬＣ２４８からの大きいＦＯＶ反射を増幅して、第２の検出器２９８上に送る。
【００８３】
光学的要素の第１のセット２８２は、反射された光が最初それを通過する平行化レンズ２８４と、日光などの周辺光を軽減させるための帯域通過フィルタ２８６と、反射された光学的信号が第１の検出器２８８によって捉えられる前に、それを増幅するための拡大レンズ２８７とを備えることができる。光学的要素の第２のセット２８２は、同様に、平行化レンズ２９４と、帯域通過フィルタ２９６と、合焦レンズ２９７とを備えることができる。
【００８４】
拡大は、小角度における散乱を画像化するために殊に役立ち、そこには、大きい水滴の密度に関する情報の大部分が含まれる。それぞれのレンズ２８４および２９４は、ＣＬＣ２４８の焦点面を通り過ぎて発散する光線のいくらかの部分を集光し、それらを平行化する。（大きい水滴からの）小さいＦＯＶ反射のための第１の合焦レンズ２８７は、大きいＦＯＶ反射のための第２の合焦レンズ２９７より大幅に反射された信号を拡大するように構成することができる。というのは、大きいＦＯＶ反射は、検出に適切なサイズのものに、既になっていることがあるからである。いくつかの実施形態では、第２の合焦レンズ２９７は、完全に省略することができる。というのは、大きいＦＯＶ反射に対応する光線ラインは、十分なサイズおよび間隔のものになっていることがあるからである。
【００８５】
ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０は、日光中で使用されることになるので、帯域通過フィルタ２８６および２９６は、既知の波長の入射光に応答して生成された後方散乱光が通過することをなお可能にしながら、できるだけ多く周辺光を排除するように構成することができる。いくつかの実施形態では、帯域通過フィルタ２８６および２９６は、平行光に最良に働くように設計された薄膜コーティングを使用する。そのようなフィルタは、当業者によく知られている。また、レンズ２８４および２９４の平行化作用によって、平行化レンズ２８４および２９４と、合焦レンズ２８７および２９７の間隔は、クリティカルでなく、２つ以上の帯域フィルタの挿入が可能になるように、調節することができる。
【００８６】
また、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０の形状は、単一散乱光線を、受光器オプティック２４２の全開口にわたって集光することが可能なように構成される。光線２６２ａによって例示されるように、事実上、受光器オプティック２４２によって集光された単一散乱光線のいずれも、光学的要素のセット２８２および２９２よって、または検出器２８８および２９８によって遮られず、したがって事実上、受光器オプティック２４２全体からの単一散乱のすべてが、単一ＦＯＶサブシステム２６０、たとえばフォトダイオードまたはデュアルチャネル偏光センサに入る。
【００８７】
ＭＦＯＶサブシステム２８０および単一ＦＯＶサブシステム２６０の出力は、過冷却の水滴の１つまたは複数の存在、氷および他の天候状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網２６５に供給される。一実施形態では、電気回路網２６５は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網２６４は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網２６５中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。さらに他の実施形態では、検出器２８８および２９８上で受光された光の強度の空間的分布は、現在の天候状態に関して決定するために、基準データと比較することができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網２６５は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号２９９を出力することができる。
【００８８】
デュアルチャネル円偏光センサ
一般に、球状の水滴からの、レーザ光などの照射光の直接反射は、純粋に鏡面反射であるが、氷晶からの直接反射は、そうではない。
【００８９】
水滴は、理想的には、完全ミラーのように作用し、反射されたレーザ光を、偏光状態を変化させずにそれ自体の後方に散乱させる。入射光が水平に、または垂直に偏光されている場合、反射された光は、同様に水平に、または垂直に偏光される。したがって、脱偏光（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の程度が比較的低い後方散乱偏光は、液体水の雲を示す。円偏光の場合、回転電場の方向が反射時変化しないが、入射波のポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルの変化によって、円偏光の向き（ｓｅｎｓｅ）が変化する。したがって、右方向に円偏光された入射ビームは、反射時に左方向に円偏光されることになり、その逆も同様である。
【００９０】
他方では、氷晶は、反射光の偏光状態が、１つには、そのファセットからの複数の内部反射によって、および１つには氷の複屈折によって変化する傾向がある。浮遊氷晶からの反射された光は、入射光が純粋な偏光状態であるとき、２つの直交する偏光状態の混合になる。後方散乱光の、両方の直交する偏光状態をモニタリングすることによって、水滴を氷晶から区別することが可能になる。
【００９１】
しかし、雲の中では、光は、直接の後方散乱に加えて、水滴サイズのレーザ波長に対する比が１に近いが、または１よりわずかに大きいときはいつでも、かなりの小角度の前方散乱を被る。この過程は、ミー（Ｍｉｅ）散乱として知られている。ほとんどの雲の中では、水滴は１から１０μｍの範囲であり、一方通常の可視波長および近赤外線波長は、０．４から２．０μｍの範囲である。浮遊水滴は、可視および近赤外線の光学的センサに対してミー散乱を生じる。前方散乱光は、結局のところ、投射されたレーザビームと一致する光学的受光器に向けて後方散乱されることがある。それが生じたとき、その偏光状態は、光が前方散乱を被ることなく直接水滴から反射された場合、そうであるはずのものの域を越えて、変化することになる。単一後方散乱が付随して起きる、この一連の前方散乱事象は、複数散乱として知られており、それは、球状の水滴からの単一散乱事象によって生成される信号と全く似ていない、脱偏光された（ｄｅ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）信号を生じる。
【００９２】
円偏光は、水の雲と氷の雲の間を区別する助けになるように、浮遊水滴および氷晶センサ中で使用することができる。
【００９３】
雲が水滴から構成されている場合、円偏光の基本的な「向き（ｓｅｎｓｅ）」は、複数散乱の存在にかかわらず、変化しない。照射光が右方向に円偏光された場合（「ＲＨＣ（ｒｉｇｈｔ ｈａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）」）、純粋な水の雲からの後方散乱光は、左方向に円偏光された（「ＬＨＣ（ｌｅｆｔ ｈａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）」）成分だけを有することになる。複数散乱は、光を楕円偏光させる線形成分を導入することによって、この光の偏光純度を低下させることになる。しかし、光が、ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）成分に分解されたとき、円成分は、雲が完全に液体水滴から構成されている限り、なお左方向に円偏光されることになり、決して右方向に円偏光されない。
【００９４】
雲が完全に氷晶から構成されている場合、ストークスベクトルの円成分は、複数散乱によって、または氷晶の複屈折によって導入された他の線形成分の存在にかかわらず、右方向に円偏光されることになる。したがって、ストークスベクトルの４番目の成分をモニタリングした場合、純粋な氷晶の雲の存在があれば、円偏光の方向または向きの、はっきりと異なる疑いなしの「反転（ｆｌｉｐ）」を示すことになる。
【００９５】
図１８に、水と氷晶を区別するために、円偏光された光を用いるデュアルチャネル円偏光システム３００の概略図を示す。システム３００は、２つの直線偏光子３１４および３４８と、その機能を以下に述べる、２つの４分の１波長板の形態での２つの円偏光要素３１６および３３３とを備える。システム３００は、照射部３１０および検出部３３０を備える。
【００９６】
照射部３１０は、第１の光ビームを出力する光学的ビームエミッタ３１２を備える。光学的ビームエミッタ３１２は、レーザ、または代替え実施形態として、その出力が直線偏光される発光ダイオードを備えることができる。照射側直線偏光子３１４は、第１の光ビーム（これは、既に直線偏光されたものとすることができる）を光学的ビームエミッタ３１２から受光し、直線偏光された照射ビームを出力することによって、高偏光純度を確保する助けとなる。一実施形態では、照射側直線偏光子３１４は、モデルナンバーがＤＰ−０５０−ＮＩＲ２−２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、直線偏光された照射ビームは、第１の円偏光要素３１６に提供される前に、まず、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５（図１９参照）によって反射される。一実施形態では、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５は、モデルナンバーがＢＢ−０５０−ＩＲ２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９８】
第１の円偏光要素３１６は、直線偏光された照射ビームを受光し、それを円偏光された照射ビーム３１８に変形する。一実施形態では、円偏光要素３１６は、直線偏光された光を円偏光された光に変形する４分の１波長板を備える。一実施形態では、４分の１波長板３１６は、モデルナンバーがＣＰ−０５０−９０５であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【００９９】
示した実施形態では、また、照射部３１０は、システム３００の光照射軸Ａに沿って、かつ雲３０２の方向に、円偏光された照射ビーム３１８を反射するように構成された反射器３２０を備える。反射器３２０は、円偏光を変化させてはならない。一実施形態では、反射器は、一プロトタイプでは４００：１より良い円偏光純度をもたらした、標準の保護された金のミラーを備える。
【０１００】
システム３００は、円偏光された照射ビーム３１８を雲３０２の方向に向けるものとして示してあるが、システム３００は、使用の間、雲を通過していることがある航空機上に搭載されていることを理解されたい。また、システム３００は、通常、１０から２０メートルの範囲で雲の氷を検出するように構成されていることを、ここで留意されたい。当業者に知られているように、その範囲は、光学的ビームエミッタ３１２に印加されるパルスの持続期間およびタイミングによって決定され、そのタイミングは、検出部３３０と関連付けられる。
【０１０１】
円偏光された照射ビーム３１８は、雲３０２中のスペースのボリュームを照射する。それに応じて、雲３０２中のスペースのその瞬間のボリューム内の水分によって、円偏光された照射ビーム３１８の後方散乱が引き起こされ、それによって、円偏光された後方散乱光３２２が生じ、システム３００の方向に進む。
【０１０２】
システム３００の検出部３３０は、円偏光された後方散乱光３２２がそれを通過することを許すように構成されたウインドウ３３２を備える。示した実施形態では、円偏光された後方散乱光３２２は、まず、ウインドウ３３２を通過し、第２の円偏光要素３３３に向かい、それは、また、４分の１波長板とすることができる。
【０１０３】
第２の円偏光要素３３３は、ウインドウ３３２を通過した円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力する。後方散乱光３２２は、第２の円偏光要素３３３に到達する前に、後方散乱光３２２を合焦させるための第１のレンズ３３６および平行化レンズ３３８を通過する。
【０１０４】
一実施形態では、平行化レンズ３３８は、米国ニュージャージー州のＴｈｏｒ Ｌａｂｓ ｏｆ Ｎｅｗｔｏｎから入手できるパーツナンバーＳＭ１Ｖ１０など、可変長のレンズチューブ中に取り付けられる。可変長のレンズチューブは、第２の部分に対して軸方向に移動する、ネジ付きの第１の部分を有する。これによって、センサの光軸Ａに沿った平行化レンズの軸方向位置を、双頭の矢印３３８ａで示すように、調節することが可能になる。この特徴によって、ユーザーは、平行化レンズ３３８と第１のレンズ３３６の間の距離を制御し、それによって、一実施形態では約１０から約２０メートルである、その通常の動作範囲において、効率的に散乱光を集光するように、システム３００を構成することが可能になる。システム３００中の平行化レンズ３３８は、同様に軸方向に調節可能とすることができることを理解されたい。
【０１０５】
検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４が、第２の円偏光要素３３３からの直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０および第２の成分の直線偏光された後方散乱光３４０に分光するように構成される。
【０１０６】
一実施形態では、第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０は、検出側直線偏光子３４８、および第１の成分の直線偏光された後方散乱光３４０を第１の成分の光検出器３４４上に合焦させる第１のコンデンサレンズ３４２を通過する。同様に、第２の成分の直線偏光された後方散乱光３５０は、第２の成分の直線偏光された後方散乱光を第２の成分の光検出器３５４上に合焦させる第２のコンデンサレンズ３５２を通過する。
【０１０７】
成分光検出器３４４および３５４のそれぞれの出力は、一般に、当業者に知られるように、フィルタリングおよび増幅を含むことができる、追加の信号処理演算３４６および３５６を受ける。次いで、その出力は、雲３０２中の氷の存在を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算するための電気回路網３６０に加えられる。一実施形態では、電気回路網３６０は、特定用途向け集積回路またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、電気回路網３６０は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。アナログツウデジタル変換器なども、電気回路網３６０中にまだ組み込まれていない場合、備えることができることもさらに理解されたい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。他の、より複雑なパラメータも可能である。電気回路網３６０は、いずれかのそのようなパラメータを計算した後、決定を示す、警報を信号で送るなどするために、１つまたは複数の信号３７０を出力することができる。
【０１０８】
図１９に、図１８に示す飛行中に働く雲の氷検出システム３００と実質的に同じ構成要素を有するシステム４００の例示のレイアウトを示す。図１９に見られるように、光学的ビームエミッタ３１２からの光を照射側直線偏光子３１４に結合するために、円形化し平行化するオプティック３１３を使用することができる。さらに、照射側偏光ビームスプリッタキューブ３１５が、照射側直線偏光子３１４の出力を反射器３２０に向けて再誘導する。
【０１０９】
一実施形態では、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４は、送られたビームに対して大きいコントラスト比（２００：１）を有し、反射されたビームに対して小さいコントラスト比（２０：１）を有する。送られた光と同じように偏光された、かなりの量の光が常に受光されるので、この偏光は、コントラスト比が小さく、第１の成分の光検出器３４４と結合された、反射されたチャネル（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ）（「ＬＨＣチャネル」）中に渡される。氷晶の存在を特徴付ける、直交した偏光は、コントラスト比が大きく、第２の成分の光検出器３５４と結合された、直接チャネル（ｄｉｒｅｃｔ ｃｈａｎｎｅｌ）（「ＲＨＣチャネル」）中に入る。原理の説明としては、氷は、雲中では、液体水よりそれほど広くは存在していない可能性があり、氷の存在を正確に検出するために、高コントラストが必要であるということである。「水」チャネル中の低コントラスト比を補うために、追加の直線偏光子３４８が、その比を改善するために加えられる。プロトタイプシステムの偏光測定値によって、「氷」検出用（ＲＨＣ）チャネルについて４００：１より良いコントラスト比が示され、「水」検出用（ＬＨＣ）チャネルについて５０：１より良いコントラスト比が示されている。チャネルは、純粋な水滴の雲に対してより大きい信号を示すことが予想されるチャネル、および純粋な氷晶の雲に対してより大きい信号を示すことが予想されるチャネルに従って、「水検出用」および「氷検出用」と名前を付ける。これらは、直線偏光のスキームが「平行」である偏光チャネルおよび「垂直」である偏光チャネルにそれぞれ対応する。しかし、検出側直線偏光子３４８は、ＬＨＣチャネルについてのコントラスト比がより大きい場合、必要でないことがあることを理解されたい。
【０１１０】
希薄な水の雲について、照射ビームが右方向に円偏光された（「ＲＨＣ」）場合、反射された光は、左方向に円偏光される（「ＬＨＣ」）。さらに、４分の１波長板３３３は、適切に設定された場合（すなわち、板の「速軸」が、ビームスプリッタキューブの偏光軸に対して４５°の角度である）、受光される光のすべては、直線偏光された光に変換され、それは、第１の成分の光検出器３４４（「ＬＨＣ」）に入る。
【０１１１】
システム３００では、円偏光されていない、いずれかの光が、第２の円偏光要素３３３をなお通過することになり、その対応した平行および垂直の線形成分に分解されることになる。したがって、システム３００は、複数散乱が存在したとき、チャネル間で「クロストーク」をなお示す恐れがある。しかし、円偏光の方向は、雲が完全に水から構成されている場合、変化することがないキーパラメータである。
【０１１２】
４番目のストークス成分Ｖ（これは、円偏光の方向を指定する）は、２つの成分の光検出器３４４および３５４中の信号から、次の関係を使用して導き出すことができる。
【０１１３】
【数５】
【０１１４】
式中、ＩLHCおよびＩRHCは、成分の光検出器３４４および３５４で受け取られた強度にそれぞれ対応する。線形システムに対する、よく知られた脱偏光比（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）δに関して、次のようになる。
【０１１５】
【数６】
【０１１６】
Ｖについての式が示すように、Ｖの符号は、δ（２つの直交した信号の比）が１を通過したとき、変化する。２つの信号が比較器の入力に渡された場合、水から氷への遷移によって、浮遊氷晶の存在を示すために、光または音響の警報器など、簡単な指示器を起動することができる。さらに、比較器は、望まれているどのような状態（純粋な氷または混合相）についても閾値警報を生成するように、変更することができる。たとえば、純粋な氷晶の雲だけが飛行に危険であると考えられる場合、Ｖの値は、〜０．２７とすべきであり、比較器は、ＲＨＣ信号のＬＨＣ信号に対する比（δ）が１．７を超えたときだけ、警報を発することができる。
【０１１７】
警報についての閾値を設定する、１つの簡単な方法は、センサの光軸のまわりで、４分の１波長板３３３の速軸と検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の間の相対角度を変更することである。４分の１波長板３３３は、板の速軸の方向付けにかかわらず、円偏光を、直線偏光の２つの等しい直交した成分に変換する。しかし、４分の１波長板３３３の後にある検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の相対的な方向付けによって、２つの成分の光検出器３４４および３５４に入る直線偏光された光の成分の相対的割合が制御される。たとえば、完全に氷晶から構成された雲の場合、ＲＨＣ成分の光検出器３５４（氷検出用チャネル）における信号の、ＬＨＣ成分の光検出器３４４（水検出用チャネル）における信号に対する比は、１．７である。ただし、４分の１波長板３３３の速軸が、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４の軸に対して４５°であるものとする。速軸の角度が、ＬＨＣ成分の光検出器３４４に向けて回転された場合、検出側偏光ビームスプリッタキューブ３３４に入る光の直線偏光軸も回転し、２つの成分の光検出器３４４および３５４中で２つのほぼ等しい信号が生成されることになる。そのような場合、電気回路網３６０は、信号が等しく、氷の雲の存在を示すときはいつでも閾値警報を送る、極めて簡単で安価な比較器を備えることができる。４分の１波長板３３３の正確な回転角度は、実験によって決定すべきであるが、原理は、所望の閾値にかかわらず、同じである。
【０１１８】
ＭＦＯＶ／デュアルチャネル円偏光システムの実現
図２０に、図１６の実施形態によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０を、図１８および１９のデュアルチャネル円偏光センサ３００とともに備える、統合システム５００の一実施形態を示す。図２０に見られるように、両方のデュアルチャネル円偏光のために、およびＭＦＯＶ検出のためにも、デュアルチャネル円偏光センサ３００の照射部３１０を使用することができる。第１のレンズ３３６を通過した後方散乱光３２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２５０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２５２の出力は、図１６に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に誘導される。しかし、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４およびデュアルチャネル円偏光の電気回路網３６０は、単一の共通の回路に結合することができ、したがって決定信号２９９および３７０がそのような共通の回路から出力されることを理解されたい。
【０１１９】
図２１に、図１７の実施形態によるＭＦＯＶ検出器アセンブリ２７０を、図１８および１９のデュアルチャネル円偏光センサ３００とともに備える、統合システム５５０の別の実施形態を示す。やはり、両方のデュアルチャネル円偏光のために、およびＭＦＯＶ検出のためにも、デュアルチャネル円偏光センサ３００の照射部３１０を使用することができる。第１のレンズ３３６を通過した後方散乱光の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２８０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２８８および２９８の出力は、図１７に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に誘導される。しかし、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５およびデュアルチャネル円偏光の電気回路網３６０は、単一の共通の回路に結合することができ、したがって決定信号２９９および３７０がそのような共通の回路から出力されることを理解されたい。
【０１２０】
ＭＦＯＶの実現
図２２および２３に、ＭＦＯＶ検出器アセンブリ２４０および２７０をそれぞれ組み込み、デュアルチャネル円偏光センサ３００がない、単独型ＭＦＯＶシステム６００および６５０の実施形態を示す。したがって、システム６００および６５０は、偏光された光が必要でない。
【０１２１】
図２２および２３の両方に見られるように、照射部６１０は、第１の光ビームを出力する光学的ビームエミッタ６１２を備える。光学的ビームエミッタ６１２は、レーザ、または代替え実施形態として、その出力が直線偏光される発光ダイオードを備えることができる。照射側直線偏光子６１４が、光学的ビームエミッタ６１２から第１の光ビーム（これは、既に直線偏光されている可能性がある）を受光し、直線偏光された照射ビーム６１８を出力することによって、高偏光純度を確保する助けとなる。一実施形態では、照射側直線偏光子６１４は、モデルナンバーがＤＰ−０５０−ＮＩＲ２−２であり、米国コロラド州ＦｒｅｄｅｒｉｃｋのＭｅａｄｏｗｌａｒｋ Ｏｐｔｉｃｓから入手できる。
【０１２２】
ＭＦＯＶシステム６００および６５０では、また、照射部６１０は、ＭＦＯＶシステム６００および６５０の光照射軸Ａに沿って、かつ雲６０２の方向に、直線偏光された照射ビーム６１８を反射するように構成された反射器６２０を備える。反射器６２０は、直線偏光を変化させてはならない。照射部６１０が、直線偏光された照射ビーム６１８を雲６０２の方向に誘導するものとして示されているが、ＭＦＯＶシステム６００および６５０は、使用中、雲を通過していることがある航空機上に搭載されることを理解されたい。また、ＭＦＯＶシステム６００および６５０は、通常、航空機のプロペラ後流を越えて、好ましくは航空機の外板から１０から２０メートルまでで、過冷却の液体水滴を検出するように構成されることを、ここで留意されたい。当業者に知られているように、範囲は、光学的ビームエミッタ６１２からのレーザパルスの送信とＭＦＯＶ検出器によるそのパルスの受信の間の時間遅延によって決定される。
【０１２３】
直線に照射するビーム６１８は、雲６０２中のスペースのボリュームを照射する。それに応答して、雲６０２中のスペースのその瞬間のボリューム内の水滴および氷晶によって、直線偏光された照射ビーム６１８の後方散乱が引き起こされ、それによって、後方散乱光６２２が生成され、それは、検出器アセンブリ２４０（図２２）および２７０（図２３）の方向に進む。後方散乱光は、ウインドウ６３２を通過し、次いで後方散乱光６２２を合焦させるための第１のレンズ６３６を通過する。
【０１２４】
単一散乱光を受光するように構成された平行化レンズ６３８は、米国ニュージャージー州のＴｈｏｒ Ｌａｂｓ ｏｆ Ｎｅｗｔｏｎから入手できるパーツナンバーがＳＭ１Ｖ１０など、可変長のレンズチューブ中に取り付けられる。可変長のレンズチューブは、第２の部分に対して軸方向に移動する、ネジ付きの第１の部分を有する。これによって、センサの光軸Ａに沿った平行化レンズの軸方向位置を、双頭の矢印６３８ａで示すように、調節することが可能になる。この特徴によって、ユーザーは、平行化レンズ６３８と第１のレンズ６３６の間の距離を制御し、それによって、一実施形態では約１０から約２０メートルである、その通常の動作範囲において、効率的に単一散乱光を集光するように、ＭＦＯＶシステム６００および６５０を構成することが可能になる。
【０１２５】
図２３に見られるように、ＭＦＯＶシステム６００では、第１のレンズ６３６を通過した後方散乱光６２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２５０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２５０の検出器２５２の出力は、図１６に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に誘導される。その一方で、フォトダイオードまたはビームストップとして実装された単一ＦＯＶサブシステム２６０は、単一散乱２６２からの光を捉え、また、その出力をＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４に送る。次いで、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６４は、過冷却の水滴の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算し、かつ決定を示す、警報を信号で送るなどするために、信号２９９を出力する。
【０１２６】
図２３に見られるように、ＭＦＯＶシステム６６０では、第１のレンズ６３６を通過した後方散乱光６２２の少なくとも一部分は、万華鏡２４６に沿って誘導され、ＣＬＣ２４８から反射され、そしてＭＦＯＶサブシステム２８０によって検出される。ＭＦＯＶサブシステム２８０の検出器２８８および２９８の出力は、図１７に関して上記に述べた、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に誘導される。その一方で、フォトダイオードまたはビームストップとして実装された単一ＦＯＶサブシステム２６０は、単一散乱２６２からの光を捉え、その出力をＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５に送る。次いで、ＭＦＯＶ検出器の電気回路網２６５は、過冷却の水滴の存在、氷および他の環境および／または天候の状態を反映した、１つまたは複数のパラメータを計算し、かつ決定を示す、警報を信号で送るなどするために、信号２９９を出力する。
【０１２７】
本発明は、本明細書で上記に複数の態様および実施形態に関して述べてきたが、これらの態様および実施形態は、例として提示され、本発明を限定する意図がないことを理解されたい。それゆえ、実施形態の様々な構成要素および態様を必要に応じて組み合わすことができることを、したがって理解されたい。それゆえ、本発明は、いずれかの具体的な実施形態に、または態様に限定すべきでなく、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲に記載されたものに従った広さおよび範囲によって解釈すべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行中に働く複数視野の水滴センサにおいて、
照射部であって、
光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える、照射部と、
検出部であって、
前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウ、
前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズ、
前記第１のレンズを通過した前記後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡、
前記サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野のサブシステム、および
前記第１のレンズを通過した前記後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムを備える、検出部と
を備え、
前記第２の部分は、前記サークルツウライン変換器によって反射されていないことを特徴とする飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項２】
前記サークルツウライン変換器の前記内側反射面と前記第１の検出器の間に配置されたファイバ光学プレートであって、前記ファイバ光学プレートは、前記サークルツウライン変換器によって反射された光学像を転送するように構成される、ファイバ光学プレートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項３】
前記複数視野のサブシステムは、第２の検出器であって、前記第２の検出器は、また、前記サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成される、第２の検出器をさらに備え、
前記第２の検出器は、前記第１の検出器によって検出される視野角より大きい視野角に対応して、反射された後方散乱光を検出するように構成されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項４】
前記第１の検出器および前記第２の検出器のそれぞれが、検出器要素の線形アレイを備えることを特徴とする請求項３に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項５】
前記サークルツウライン変換器の焦点面と前記第１の検出器の間に配置された光学的要素の第１のセットであって、前記光学的要素の第１のセットは、前記サークルツウライン変換器からの小さな視野の反射を増幅する、光学的要素の第１のセットと、
前記サークルツウライン変換器の前記焦点面と前記第２の検出器の間に配置された光学的要素の第２のセットと
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項６】
前記光学的要素の第１のセットは、
少なくとも２つのレンズと、
前記２つのレンズの間に介装された帯域通過フィルタと
を備えることを特徴とする請求項５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項７】
前記サークルツウライン変換器は、勾配が変動する先細エリアを備え、
頂点に近い、前記先細エリアの内側反射面の勾配が１．０未満であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項８】
前記単一視野のサブシステムは、ビームストップを備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項９】
前記単一視野のサブシステムは、フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１０】
前記第１のレンズと前記単一視野のサブシステムの間に介装された平行化レンズをさらに備え、
前記平行化レンズの位置は、前記センサの光軸に沿って軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１１】
前記第１の光学的ビームエミッタは、
その出力が直線偏光される発光ダイオードと、
レーザと
からなる群の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１２】
前記センサの光照射軸に沿って前記光ビームを反射するように構成された反射器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１３】
前記複数視野のサブシステムおよび前記単一視野のサブシステムによって出力された信号を受け取り、かつ、前記２つのサブシステムからの前記信号に基づき、水滴の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１４】
前記単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を用いることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１５】
前記照射部は、
前記光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、
前記直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素と
をさらに備え、
前記検出部は、
前記ウインドウを通過した、円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、
前記直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、
前記第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、
前記第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１６】
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、前記第２の直線偏光子は、前記第１の成分の光検出器による検出に先立ち、前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１７】
前記第１の円偏光要素は、第１の４分の１波長板を備え、
前記第２の円偏光要素は、第２の４分の１波長板を備えることを特徴とする請求項１５または１６に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１８】
前記センサの光照射軸に沿って前記円偏光された照射ビームを反射するように構成された反射器と、
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、前記第２の直線偏光子は、前記第１の成分の光検出器による検出に先立ち、前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子と、
前記第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
をさらに備えることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１９】
前記ウインドウと前記第２の円偏光要素の間に介装された第１のレンズと、
前記第１の直線偏光子と前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２のレンズと、
前記第２の直線偏光子と前記第２の成分の光検出器の間に介装された第３のレンズと、
前記第１のレンズと前記第２の円偏光要素の間に介装された平行化レンズと
をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項２０】
前記第２のレンズおよび第３のレンズは、コンデンサレンズであり、
前記平行化レンズの位置は、前記センサの光軸に沿って軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１９に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１】
飛行中に働く複数視野の水滴センサにおいて、
照射部であって、
光ビームを出力するように構成された第１の光学的ビームエミッタを備える、照射部と、
検出部であって、
前記光ビームによって照射された水滴からの後方散乱光が、そこを通過することを許すように構成されたウインドウ、
前記後方散乱光が前記ウインドウを通過した後、その後方散乱光を合焦させるように構成された第１のレンズ、
前記第１のレンズを通過した前記後方散乱光の第１の部分を、サークルツウライン変換器の内側反射面に向けて導くように構成された万華鏡、
前記サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成された、少なくとも第１の検出器を備える複数視野のサブシステム、および
前記第１のレンズを通過した前記後方散乱光の第２の部分を受光するように構成された単一視野のサブシステムを備える、検出部と
を備え、
前記第２の部分は、前記サークルツウライン変換器によって反射されていないことを特徴とする飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項２】
前記サークルツウライン変換器の前記内側反射面と前記第１の検出器の間に配置されたファイバ光学プレートであって、前記ファイバ光学プレートは、前記サークルツウライン変換器によって反射された光学像を転送するように構成される、ファイバ光学プレートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項３】
前記複数視野のサブシステムは、第２の検出器であって、前記第２の検出器は、また、前記サークルツウライン変換器によって反射された光を受光するように構成される、第２の検出器をさらに備え、
前記第２の検出器は、前記第１の検出器によって検出される視野角より大きい視野角に対応して、反射された後方散乱光を検出するように構成されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項４】
前記第１の検出器および前記第２の検出器のそれぞれが、検出器要素の線形アレイを備えることを特徴とする請求項３に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項５】
前記サークルツウライン変換器の焦点面と前記第１の検出器の間に配置された光学的要素の第１のセットであって、前記光学的要素の第１のセットは、前記サークルツウライン変換器からの小さな視野の反射を増幅する、光学的要素の第１のセットと、
前記サークルツウライン変換器の前記焦点面と前記第２の検出器の間に配置された光学的要素の第２のセットと
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項６】
前記光学的要素の第１のセットは、
少なくとも２つのレンズと、
前記２つのレンズの間に介装された帯域通過フィルタと
を備えることを特徴とする請求項５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項７】
前記サークルツウライン変換器は、勾配が変動する先細エリアを備え、
頂点に近い、前記先細エリアの内側反射面の勾配が１．０未満であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項８】
前記単一視野のサブシステムは、ビームストップを備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項９】
前記単一視野のサブシステムは、フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１０】
前記第１のレンズと前記単一視野のサブシステムの間に介装された平行化レンズをさらに備え、
前記平行化レンズの位置は、前記センサの光軸に沿って軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１１】
前記第１の光学的ビームエミッタは、
その出力が直線偏光される発光ダイオードと、
レーザと
からなる群の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１２】
前記センサの光照射軸に沿って前記光ビームを反射するように構成された反射器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１３】
前記複数視野のサブシステムおよび前記単一視野のサブシステムによって出力された信号を受け取り、かつ、前記２つのサブシステムからの前記信号に基づき、水滴の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１４】
前記単一視野のサブシステムは、水と氷晶の間を識別するために、円偏光された光を用いることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１５】
前記照射部は、
前記光ビームを受光し、直線偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光子と、
前記直線偏光された照射ビームを受光し、円偏光された照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光要素と
をさらに備え、
前記検出部は、
前記ウインドウを通過した、円偏光された後方散乱光を受光し、直線偏光された後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光要素と、
前記直線偏光された後方散乱光を、第１の成分の直線偏光された後方散乱光および第２の成分の直線偏光された後方散乱光に分光するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の成分の光検出器と、
前記第２の成分の直線偏光された後方散乱光を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の成分の光検出器と、
前記第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１６】
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、前記第２の直線偏光子は、前記第１の成分の光検出器による検出に先立ち、前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１７】
前記第１の円偏光要素は、第１の４分の１波長板を備え、
前記第２の円偏光要素は、第２の４分の１波長板を備えることを特徴とする請求項１５または１６に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１８】
前記センサの光照射軸に沿って前記円偏光された照射ビームを反射するように構成された反射器と、
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２の直線偏光子であって、前記第２の直線偏光子は、前記第１の成分の光検出器による検出に先立ち、前記第１の成分の直線偏光された後方散乱光をさらに直線偏光するように構成される、第２の直線偏光子と、
前記第１の成分の光検出器および第２の成分の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１の信号および第２の信号を受け取り、かつ前記第１の信号および第２の信号に基づき、氷の状態を反映した、少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
をさらに備えることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれかに記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項１９】
前記ウインドウと前記第２の円偏光要素の間に介装された第１のレンズと、
前記第１の直線偏光子と前記第１の成分の光検出器の間に介装された第２のレンズと、
前記第２の直線偏光子と前記第２の成分の光検出器の間に介装された第３のレンズと、
前記第１のレンズと前記第２の円偏光要素の間に介装された平行化レンズと
をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【請求項２０】
前記第２のレンズおよび第３のレンズは、コンデンサレンズであり、
前記平行化レンズの位置は、前記センサの光軸に沿って軸方向に調節可能であることを特徴とする請求項１９に記載の飛行中に働く複数視野の水滴センサ。
【図１】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２７７４１（Ｐ２０１１−２７７４１Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６５９００（Ｐ２０１０−１６５９００）
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（５０６２８３９２７）ローズマウント・エアロスペース・インコーポレーテッド (26)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＳＥＭＯＵＮＴ ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（５０６２８３９２７）ローズマウント・エアロスペース・インコーポレーテッド (26)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＳＥＭＯＵＮＴ ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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