JPH11508352A

JPH11508352A - ルミネッセンスを高速にディジタル信号処理するモジュール化された計測システム

Info

Publication number: JPH11508352A
Application number: JP4501083A
Authority: JP
Inventors: アールエム．ジェンセン; メイエイチ．サン; デイビッドエル．ベクト; ロバートイー．メレン
Original assignee: Luxtron Corp
Current assignee: Luxtron Corp
Priority date: 1990-12-04
Filing date: 1991-11-14
Publication date: 1999-07-21
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: WO1992010132A1; JP3249820B2; US5351268A; EP0560903A1; EP0560903A4; DE69128644T2; EP0560903B1; US5107445A; DE69128644D1

Abstract

(57)【要約】ルミネッセンスを用い、集積化された光学および電子システムであって、ルミネッセンスセンサの減衰時間から温度またはその他のパラメータを測定するための装置が示されている。広い帯域幅で低い雑音レベルの増幅器が検出された減衰するルミネッセンス信号をディジタルシステムに加えることにより、ディジタルシステムは信号を得て処理し、その温度または測定されるべき他のパラメータに関連する減衰時間特性を特定する。ディジタル信号処理はディジタル曲線合わせ技術を用いる。温度を測定するための好ましいルミネッセンス材料はクロームでドープしたイットリウムガリウムガーネットである。測定装置の光学および電子部分の全体は小型な１つの回路カードに収容されている。

Description

【発明の詳細な説明】ルミネッセンスを高速にディジタル信号処理するモジュール化された計測システム発明の背景本発明は一般的には例えば温度などの物理的なパラメータを光学技術をもって測定する技術に関連するものであり、そして、より詳しくいえば測定されているパラメータに比例するルミネッセンスの減衰率を測定する装置に関する。ルミネッセンスセンサを用いて温度を測定する光学技術は近年多くの応用に受け入れられ、そしていくつかの製品が出現している。あるルミネッセンス放射の温度依存特性が計られ、その測定の結果からセンサの温度が決定される。ある表面の温度はそのような小さいルミネッセンスセンサと前記表面の直接接触により、またはルミネッセンス材料を直接にそのような表面に塗ることにより、それからある種の遠隔方式または直接方式の光学システムを用いることによって、ルミネッセンスの温度依存性を検出する。そのような光学システムは光学要素としてある長さの光ファイバを用いることができる。このような技術は直接に接触させることが困難な場合、例えば回転している機械の部分の温度を測定するために特に優れて応用できる。現在販売されている製品はしばしばルミネッセンスセンサを、ある長さの光ファイバの先端に設けて温度センシングプローブを形成している。温度センシングプローブは温度が測定されるべき物体に直接接触する位置または温度が測定されるべき環境内に配置される。そして、光ファイバの他端は測定装置に接続される。センサも光ファイバも電気的な導体材料を含まないので、他の計測システムにおいては妨害となる環境，例えば高い電界，強力な電磁放射界，または電磁放射ビームが存在しているところとか、センサまたは金属リードを腐らせるであろう化学物質等を含んでいる雰囲気における温度計測を可能にする。光ファイバプルーブは体内の液体または組織の温度を測定するために体内に埋め込むことができる。光ファイバは電気を通さないから可燃性または爆発性の材料であって、電気的に安全なセンサが必要なところに用いることができる。また、センサは非常に小さい質量をもち、さらにファイバは測定位置から熱を電導により取り去らないから、より正確な検出が可能になる。さらにそのような光ファイバプローブは巨大で高価な電気設備，例えば発電機とか，パワートランスの中に恒久的に設置できる。センサと光ファイバケーブルが極めて小型なことと相まって、それが環境要素に対して影響を受けにくいことから、より通常の温度センシング技術の使用をしなくて済むようにし、広い範囲の付加的な応用範囲に利用できる。現在販売されているシステムで非常に好ましいものとして用いられているルミネッセンスの温度依存特性はその減少率が温度に感度を持つことである。温度センサとして、用いられるルミネッセンス材料はルミネッセンスの発生を開始するパルス的な照射に応答して、前記パルス照射の終了後に、それらのルミネッセンスの減衰を温度にしたがって、変わる率を持って開始する。そのような用途で用いられるもっもとも好ましいルミネッセンス材料は励起照射の終了後のルミネッセンス強度の減衰がルミネッセンス強度の指数関数的な減少を示す。このことにより、測定されるべき温度はルミネッセンスの減衰“時定数 ”、すなわちτ，として通常参照される量であってそれは初期に測定された減衰ルミネッセンスの値が１／ｅに達する時間として規定され、ここにおいて“ｅ” は自然対数で、２．７１８２８．．．である。ルミネッセンス減衰時間（またはその他のそれに関連するパラメータ）をモニタすることの利点は、計測が信号の強度の変化，つまりそれは光電検出器や励起源の特性が経時的に変わること，または光ファイバを曲げることによって、それを通過する光の減衰量が変わることによって発生する強度の変化に対する影響を受けないことである。その他のよりゆったりした光ファイバの伝送の変化はファイバをイオン化させる放射にさらすことによってある波長における吸収を増加させることにより、ファイバを種々の液体にさらし、そのクラッド層の屈折率を変化させることによりその光ファイバの伝送率を変化させることにより、またはファイバを熱的な環境に置くことによって、相対的な光ファイバのコアと，クラッドの反射率の相対的な割合を変化させることによって起こされる。ルミネッセンス減衰の温度依存性の特性を測定するために種々のアナログ技術があり、それらは光検出器の出力を異なった方法により処理している。ある技術は減衰の過程において２回強度のレベルを測定している。これらの例は米国特許第４，２２３，２２６−クイック等，（１９８０年）、４，６５２，１４３−ウイッカーシェイム等，（１９８７年）、および第４，７８９，９９２− ウイッカーシェイム等（１９８８年）である。他の技術はルミネッセンス材料のセンサをサイン波形による励起源により駆動し、そして励起信号と結果として表れるルミネッセンス信号の位相を比較することである。この位相の差は温度依存性を持つルミネッセンス減衰時間に依存している。このことは再発行米国特許第３１，８３２−サマルスキ（１９８５年）および第４，４３７，７７２−サマルスキ（１９８４年）および下記の刊行された文献に示されている：オウゴスチ等、“レーザポンピングを用いた温度センサであって、アレキサンドライトのルミネッセンス減衰時間を用いた温度測定”ジャーナルオブライトウェイブテクノロジー、ＬＴ−５巻No.６，１９８７年６月，７５９頁から７６２頁；グラタン等、“光ファイバ形式におけるルビーのルミネッセンス減衰時間を用いた温度計”，レビュー．サイエンティフィックインスツルメンツ，５９巻，No.８，１９８８年８月，１３２８頁から１３３５頁；およびオウゴスティと“ＬＥＤポンピングの光ファイバ温度センサ”，ＩＥＥＥトランスアクションオンインスツルメンテイションアンドメジャメント，３７巻，No.３，１９８８年９月，４７０頁から４７２頁。照射されたルミネッセンス材料の減衰時間に関連する酸素の受ける影響を用いた自由酸素濃度測定方法において同じような考えによるものが米国特許第４，７１６，３６３−デュークス等（１９８７年）に示されている。減衰時間を測定するための他の方法は光検出器の出力をある時間積分することにより、減衰強度曲線の面積を計算することである。積分の率は自己参照（強度に独立）測定することによって提供される。このようにすることの提案はシュール等によって“生物学的な応用下におけるルミネッセンス減衰温度計”，レビュー，サイエンス，インスツルメンツ，５１巻，No.７，１９８０年７月，８８２頁から８８４頁に示されている。他の積分および比率の技術は米国特許第４，７７６，８２７−グリーブス（１９８８年）に記述されている。ごく最近の信号処理技術は閉ループを用い、そこでは帰還回路を光検出器と励起源との間にフィードバック信号が温度に比例するように用いられている。そのようなシステムにおいて電圧制御発振器（ＶＣＯ）が測られようとする減衰時間によって決められる周波数によって励起光源を駆動する。このことはボーゼルマンによって“ルミネッセンス減衰時間を用いた光ファイバ温度センサ”，光ファイバセンサについての第２回国際会議のプロシーディング，１５１頁から１５４頁で，英国特許第２，１１３，８３７号−ボーゼルマン等（１９８６年）、およびヨーロッパ特許出願公開第１７４，５０６号−フランケ等（１９８６年）に記述されている。さらに他の閉ループシステムであって、米国特許第４，８１６，６８７号−ファーレムバッハ等（１９８９年）は帰還回路中に減衰時間，すなわち温度に比例する量を提供する積分器を用いている。そのようなシステムに用いられるルミネッセンスセンサは典型的にはフラッシュランプ，レーザ，または光放射ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。フラッシュランプは電気的なパルスに応答して、短い励起エネルギーのバーストを提供する。ＬＥＤはより急速にパルス化され、それらの出力はより精密に光強度の定常性の観点から制御できる。ＬＥＤは高価ではなく，組込が容易であり、長い寿命をもっており、使用する動作のための使用電力が少なく、放散する必要のある熱をあまり発生しない。前述した閉ループ回路システムにおいてはＬＥＤが周期的な光のルミネッセンスセンサを励起する関数として周期的に変動する光の強度を提供するために用いられている。最も効率の高いＬＥＤは近赤外または赤外光放射を持っているから、それらの使用にあたっては、使用されるセンサのルミネッセンス材料の組成に対してある束縛が置かれる。選ばれたルミネッセンス材料はＬＥＤによって放射された波長領域を吸収し、結果としての僅かに長い波長のルミネッセンスが高速で感度を持っている光検出器，例えば光電子増倍管，またはフォトダイオードで検出されなければならない。前述したアナログ技術とシステムは時間に対するある非熱的な変化による影響を受けるのであるが、それは一般的に不可欠なものとして受け入れられ、そしてそれはしばしばシステムに再較正をすることによって補償される。ドリフトと時間変化に対してしばしば起こる変化はアナログ電子部品，例えば増幅器，比較器等によって起こる。そこで本発明の主たる目的は安心して長い期間，正確な結果が定常的に得られるようなルミネッセンスセンサによる測定システムを提供することにある。現在商業化されるいるアナログ技術に加えてディジタル技術が提案されている。それらの例は下記の文献に示されている：ドーエル等，“信号処理オシロスコープにおける波形再生および分析の精度の限界”，リビュー．サイエンス．インスツルメンツ”，５８巻，No.７，１９８７年７月，１２４５頁から１２５０頁；ルッツ等，“熱記録用リン：高温度におけるＫ型の熱電対の裸線の代替品として”，インダストリアルヒーティング，５４巻，No.１０，１９８７年，１０月，３６頁から４１頁；およびマニック等、“発電機のロータの温度監視のためのリン温度計測の応用”，エレクトロ−オプティックセンシングアンドメジャメント，ＩＣＡＬＥＯ‘８７プロシーディングス，１９８７年１１月８−１２日，２３頁から２７頁。しかしながら、完全なディジタル的なアプローチは非常に小さい経済的な計測装置においては、まだ完成していない。このことは部分的にいえばディジタル処理チップであって充分なスピードと容量を持つものはごく最近になって漸く合理的な価格で利用できることになったことによる。そこで、本発明のさらに他の目的はディジタル信号処理をそのシステムが非常に小型でコンパクトであって、電力の需要が非常に低く、そして高い頑健さの程度を提供するようなルミネッセンスセンサに準拠する計測システムを提供することである。本発明のさらに他の目的は小型であって、比較的低価格のモジュールであって、それは可搬型またはＯＥＭの装置応用として用いることができるモジュールを提供することである。本発明の他の目的はルミネッセンスセンサによる測定技術であって、非常に低いコストの要素と多くの異なった特定の用途に適する計測技術を提供することである。本発明のさらに他の目的は短い時間内で、もし必要であれば、センサからのルミネッセンス強度が比較的に低く、それは光ファイバの長さによるものや数多くの接続，またはＬＥＤの経年的な変化によって生ずるであろう出力の低下があっても使用できる精密測定技術を提供することである。発明の要約これらおよび付加的な本発明の目的はその多くの特徴によって達成できるものであって、ここにおいて一般的にいって、第１の特徴はルミネッセンスセンサは連続的な光パルスの形態でＬＥＤにより励起されるものであって、これにより繰り返すルミネッセンス信号の減衰を光検出器であって、その電気的出力が低雑音で広帯域の増幅器を通過したときにディジタル化されるものである。ルミネッセンス減衰のディジタルサンプルは曲線合わせ技術，例えば最小二乗法によるアルゴリズムによってなされる。好ましい実施形態においてはしかしながら、指数関数的なルミネッセンス減衰曲線はまず初めに自然対数の減衰関数として取り込まれ、これによってルミネッセンス強度の時間減衰に比例する直線が得られる。それらの計算に先立って処理されるべき減衰信号に存在するところの背景信号によりディジタルデータが矯正される。この背景光信号は励起とルミネッセンス信号が存在していないときに、周期的に測定される。ＬＥＤの励起はルミネッセンス信号が、好ましいレベルを保つように調整される。このようなシステムは低い雑音レベルを長い時間に渡って安定的に保っており、その理由は非常に多くの個数のデータ点が平均化され非常に小さいアナログ要素を用いるからである。計測をするために必要な時間は極めて短く、それにより極めて短い減衰時間を持つルミネッセンス材料の使用を可能にしている。測定されるべき温度または他のパラメータに比例するルミネッセンス減衰の定数または他の特徴を出力する前に多くの計測の平均値を求めることによって精度をより一層高めることができる。そのような多数の計測の平均にも係わらず、高速データ出力を可能にしている理由はＬＥＤを用いることによって高速の繰り返しパルスを用いることができることおよび利用される好ましいルミネッセンス材料の高速減衰による。非常に多くの個々のルミネッセンス減衰時間が現実的に平均化されるので、装置とルミネッセンス材料間の光ファイバは小さいもので足り、使用されるＬＥＤは少ない電力で足り、その理由は低いルミネッセンス信号レベルにおいて発生する誤差は減少させられ、またはエラーはそのような多くのサンプルのデータを平均化することにより、減少させられるかまたは除去される。適当な速いルミネッセンス減衰時間であって、それは可視光の範囲の長い波長領域で励起可能であって、そのＬＥＤまたはレーザダイオードがそれの励起用光源として使用され、それが放出するルミネッセンス放射は励起照射の波長よりも幾分長いものであるが、それにも係わらず速い感度を持つ光検出器，例えば光電子増倍管またはフォトダイオードによって検出可能なルミネッセンス材料の例として種々の要素があり、それらは３価の希土類、例えばネオジウム，または３価のクロムである。クロムで活性化されたいくつかの無機化合物は先に示した文献に記述されているようにＬＥＤでポンピングされた温度計測装置として利用されることが予め提案されている。これらはクロムで活性化されたルテチウムアルミナムボレイト（ほう酸）と、クロムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットを含む。これらの材料が説明されるシステムにおいて利用できるのであるが、本発明のさらに他の特徴によれば、クロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットの代わりに利用されることが好ましく、その理由はこの材料では好ましい活性中心の密度が容易に得られ、容易に均一に分散させられ、その結果としての材料が減衰の特質が比較的特定の製造方法や変化に影響されないものであり、そして励起および放射波長は特に現在使用されている励起光源としてのＬＥＤに適しているからである。一方、異なったセンサ材料が特定の応用や温度範囲に対しては好ましいことがある。センサの材料は粉の形で焼かれた適当な高い温度で炉中において酸化物に焼かれ、粉に挽かれて再度焼成されていくつかの材料の混ぜ合わせによって特定の要求される特性を得る。そのような技術により高度に再現可能性を持つ特性であって、商業的なセンサを用いるために利用され、全てのそれらの測定された減衰時間はルミネッセンス粉末によって温度に変換され、電気光学的モジュールで標準的な較正カーブで特に特殊な較正をすることなく誤差を１°Ｃに以内にすることができる。このルミネッセンスセンサ材料は高い安定性を持っており、固有の減衰率であって測定されるべき温度または他のパラメータに関連して良く相関を保った再現性を持っている。減衰の測定は一時的には高い安定性を持っている水晶発振器の周波数に依存するものであるからこのシステムは前述したようなアナログ形の計測装置においてしばしば体験されたドリフトの影響を受けにくい。本発明の他の特徴によれば前述された計測システムはほとんど全部が１つのプリント版であって、光学ヘッドもまた設置されているものの上に組立てられる。光学的なヘッドはＬＥＤ光検出器，および光コネクタであって、ルミネッセンスセンサに連絡している光ファイバの一端を受け入れる。これは他の電子装置のサブアセンブリーとして容易に受け入れられるモジュール，電子器装置，機器，または電気システムのサブアセンブリとして含まれるモジュールである。光学ヘッドはいくつかの機能を持つものであって、光源ビームスプリッタ，レンズ，ファイバコネクタおよび適当な合わせによる検出器であって、ダイクロイックビームスプリッタ経由で励起光を分離するフィルタとしての機能を備え、ルミネッセンス放射を最低の信号損失で行い、かつ感度の高い検出システムを他の環境の迷光から遮蔽する。検出セットに対する有効な光の量は一時的にシステムの振る舞いに一次的な制限を与え、さらに光学ヘッドは最小の労力で組立てられるものでなくてはならず、試験のための経費を最小にするものである。光学的および機械的な要素は典型的に電子部品よりも高価であり、その理由としてより良い要素は大量に他の用途のためにも製造されるのに対し、光学的機械的な部品はより顧客向けに生産されているものであって，少量に作られるからである。したがって、光学ヘッドの設計はシステムデザインについて以下の点で重要である。（１）ＰＣボードに装着されるように充分小さいこと（２）極めて簡単であり、製造が容易であり、組立ておよびテストのコストが比較的少ないサブアセンブリであること，および（３）好ましい光学的な振る舞いが装置から装置の挙動において実質的に調整を必要としないことである。ボード上の電子システムは究極の温度または他の測定されるべき他の要素を示す信号を供給できるものである。換言すれば時定数とかその他のルミネッセンス減衰の情報を提供されるべきホストコンピュータに対してインターフェイスするように設計することができる。前記ホストコンピュータはルミネッセンス減衰の情報を温度またはその他の測定されるべきパラメータに変換する。大きなデータを処理するコントロールシステムから離れた所に小型のモジュールを使用することは他の可能性をもたらす。本発明のさらに他の特徴によれば改良された広帯域の低い雑音の多段の増幅器が光検出器の出力をその信号がアナログからディジタルに変換される前に用いられる。最初のトランスコンダクタンス段階において、光検出器からの電流は電圧に変換される。最初の段階のパラメータは雑音の発生をこの段階において極小にし、そのバンド幅を極大にすることを目的として選ばれる。本発明のさらに他の特徴によれば、電子回路システムの先端における固有に存在する有限の立ち上がり時間が前記システムの短いルミネッセンス減衰時間に対しても影響を与えないように実質的に除去される。フロントエンドの立ち上がり時間特性は周期的にそのシステムによって計測され、その結果の伝達関数がメモリに蓄積される。その伝達関数はそれから現実のルミネッセンス減衰信号に対して実質的に有限の立ち上がり時間の影響を除去するように関係づけられる。これによりこの装置は励起照射パルスの終了の直後のルミネッセンス減衰信号を測定可能にするのであるが、この補償なしでは不可能なものである。その結果として減衰時間の測定は信号が高い値にあるときから可能であり、電子部品が安定するまで待つと信号減衰信号の強度は正確な測定を困難にする程度に低くなってしまう。他の目的および本発明の利点および種々の特徴は、好適な実施例に関連して明らかにされるものであり、その好適な実施例の説明は添付の図面を参照してなされる。図面の簡単な説明図１は本発明の好ましい具体例である計測システムにおける電子および光学部品の関連を略図示した図である。図２Ａ−２Ｅは図１のシステムの動作を種々の光学および電子的信号を例にして、時間の関数として示した図である。図３は図１に示すシステムの好ましい動作順序を示す流れ図である。図４Ａと図４Ｂは図１の計測システムで用いられる好ましいルミネッセンス材料の特性を示す曲線図である。図５は図１の計測システムのアナログ増幅器の電子的な回路図である。図６は図１の計測システムのプリント版のカードの配列を示す図である。図７Ａ−７Ｄは図１に示すシステムによって電子部品のインパルス応答の制限を克服するために光学的な修正を行った直線を示す図である。好適な実施例の説明まず、図１を参照すると光学ヘッド１１は、これについての物理的な特性は図６を参照して後述、フォトダイオードまたは光電子増倍管の光検出器１３と光放射ダイオード（ＬＥＤ）１５と励起光源として持っている。これから説明されるシステムでＬＥＤ１５は赤の領域の可視スペクトル中の光源であって、ピーク強度をほぼ６５０ナノメータ（ｎｍ）の波長領域に持っている。そのようなＬＥＤはヒュウレットパッカード社の部品番号ＨＰ８１０４として市販されている。その放射光はダイクロイックビームスプリッタ１７により反射されレンズ１９を通過し、そして光ファイバコネクタ２２を介して光ファイバ伝送媒体２１の端部に放射される。光ファイバ２１はＬＥＤ１５からのルミネッセンスに基づく温度または他のパラメータの検出素子に送り、そのルミネッセンスは光学ブロック１１に戻され、ビームスプリッタ１７とレンズ２３を検出器１３に達する前に通過する。検出器１３は例えば高速応答のシリコンフォトダイオードであって、浜松コーポレイションの部品No .Ｓ２６１８Ｋである。ルミネッセンスに基礎を置く励起とルミネッセンス波長は分離される必要があるのでダイクロイックビームスプリッタ１７はＬＥＤ１５からの励起光の大部分を反射する一方、フォトダイオード１３へのルミネッセンス放射の大部分を通過させる。電子的な信号処理が用いられているので、これについては後述する，光検出器１３の前にはフィルタを必要とせずこれにより問題となる光学信号の固有の減衰をなくすことができる。光ファイバ媒体２１はルミネッセンスに基礎を置くセンサの種々の形態のものと通信することができる。図１に示されている１つの形態は光ファイバ媒体２１の自由端に保持されるプローブ形式のセンサ２５である。そのようなプローブは一般的に光ファイバ媒体２１にルミネッセンス材料を光学的に透明なバインダで付着させたものである。これとは別にセンサのルミネッセンス材料をその温度または他のパラメータが測定されようとしている表面に付着させることもできる。光ファイバの自由端はルミネッセンス材料に励起用の照射をするように向けられ、結果としてのルミネッセンスをそれを介して受ける。光ファイバ媒体端はコートされた表面からある距離を保って配置されるか、またはそれと接触させられる。離れている距離が大きい場合には、補助的な集光光学素子例えばレンズまたは鏡等を光ファイバ端を表面上に投影するために用いることができる。光ファイバ媒体２１はファイバの束とすることができるが、好ましくは一本の光ファイバである。ここで説明されているこのシステムの１つの特徴は非常に小さく１本の光ファイバが光学ブロック１１からルミネッセンスに基礎を置くセンサに延ばされているが、図１のシステムに充分な信号を正確に温度またはその他のパラメータの測定に抽出することができる。非常に高い割れやすい溶融シリカの光ファイバの代わりに色々な形の光ファイバを使用することができる。光検出器１３からの線２７中のアナログ信号出力はコンバータ２９によってアナログディジタル変換されるのであるが、その間にはできるだけ少ない部品が雑音の発生とバンド幅の制限を少なくするために用いられる。しかしながら、あるアナログ増幅器は一般的にアナログディジタル変換器２９が充分な信号を供給することを要求している。したがって入力増幅器３１が設けられ線３３の中に光検出器１３の出力の時間変化信号の増幅されたものを送り込む。増幅器３１の好適な回路を図５に示し後述する。増幅された光検出器のディジタルとして表される信号がシステムデータバス３５に出力される。これは信号プロセッサ３７のデータバスラインである。即納品としてのディジタル信号プロセッサはアナログデバイスインコーポレイテッドの部品No.ＡＤＳＰ２１１１である。この単一のシグナルプロセッサ回路チップは別のアドレスバス３９と種々の周辺チップ制御線４１を含んでいる。２つの出力ポートが設けられており、１つは４３に接続されている。他の種々の出力接続が可能であってそれらのうちの１つは導線４５に接続されている。この特殊の信号処理シグナルプロセッサはホストコンピュータとのインターフェイス，例えばインターフェイスバス４７を持っている。シグナルプロセッサ３７はホストコンピュータから見た場合に１つの周辺装置となる。これとは別にもし分離されたホストコンピュータインターフェイス４７を使用したくないときにはより安価なものとしてアナログディバイスインコーポレイテッドのシグナルプロセッサNo.ＡＤＳＰ２１０５を用いることができる。この後者のシグナルプロセッサはホストインターフェイスの規定を持たずに第２の出力ポートがシステムに繋がるようになっており、それは図１においては使用されておらず、それを用いてホストコンピュータまたは他の利用される装置に接続が可能である。いずれの場合においても別のシステムクロック４９が用いられる。前述された市販されているシグナルプロセッサはかなりの量のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含んでおり、ここで用いられる計測システムには充分な量であって外部のＲＡＭは不要である。プログラマブルリードオンリメモリ（ＰＲＯＭ）５１が用いられている。しかしながらこれはデータバス３５とアドレスバス３９の両方に接続されている。システムオペレーティングプログラムはＰＲＯＭ５１の中に含まれている。シグナルプロセッサ３７は立ち上げの際にＰＲＯＭ５１の内容を内部のＲＡＭにその内容をロードする。ここで説明されるシステムはセンサがルミネッセンスを起こすようにルミネッセンス材料を励起用照射によって繰り返し励起する。パルス間でルミネッセンスの減衰の特性が望まれる温度またはその他のパラメータを表示するものとして測定される。パルス状の駆動電流がＬＥＤ１５に電力制御回路５５から回路５３を介して供給される。電力制御回路５５は２つの入力端を持っている。１つはシグナルプロセッサ３７からの線４５である。この線はＬＥＤ１５によって放射される光パルスの持続時間と周波数を規定する矩形波を含んでいる。これらのパルスの強度は線５７であって、ディジタルアナログ変換器５７の出力によって制御される。線５９中のアナログ信号のレベルはシグナルプロセッサ３７の出力ポートからの線４３中のディジタル信号によってセットされる。ＬＥＤ１５の出力パルスの強度を制御することにより結果として得られたルミネッセンス信号は光検出器１３に戻され、それは常に一定になるように制御される。適宜用いられる第２のＬＥＤ６１はオプティカル光学ヘッド１１の部分として図示されており、電力制御回路５５からの線６３の電流によって駆動される。ＬＥＤ６１がもし使用されているときはそれはルミネッセンスセンサを励起しない波長を持っているが、フォトダイオード１３に対する感度を持つものが選ばれる。ＬＥＤ６１の使用目的は、より詳細に後述するようにこの電子システムの内部のテストのために用いることである。そのようなテストのためにはセンサからのルミネッセンス信号が出ていないことが望まれる。電力制御回路５５は周期的にＬＥＤ６１を線４５内の信号にしたがってパルス駆動する。ディジタルアナログ変換器５９は出力５７を持ち、それは線４３からの適当なディジタル信号によって正または負の両方に駆動される。連絡制御回路５５は線５７内の正側の信号がＬＥＤ１５または６１の一方をその信号に比例する強度でパルス駆動する一方、負側のパルスは他の側のＬＥＤを付勢する。ＬＥＤ１５または６１のいずれか一方が一時点において駆動される。光学ヘッド１１はＬＥＤ１５の出力光であって、光検出器１５にあたる量を極小化するように設計されているのであるが、光検出器１３に到達する全ての迷光を遮断することは不可能である。ある励起用の波長はビームスプリッタ１７を介して戻される。これらの波長はセンサで反射され、ファイバ端，またはコネクタで反射され、これにより光検出器１３への戻り信号として僅かに存在する。温度またはその他のパラメータの測定はＬＥＤ１５がオフの間においてのみなされるのであるが、増幅回路３１をＬＥＤ１５の励起パルスがハイレベルの間にはドライブを避けることが望まれる。その理由は増幅器のパワレール飽和回復タイムのためである。そのような理由で信号が減衰回路６７から増幅回路に線６５を介して供給される。減衰器６７は線４５中の同じパルス信号とＬＥＤ１５を制御するために用いられる線４３中の信号レベルを受け入れる。その結果としてタイミングと信号の増幅器３１に入る信号の減衰量はルミネッセンスセンサ，励起パルスの間良好に制御される。図２の波形を参照して図１のシステムの動作の特徴を説明する。図２ＡはＬＥＤ１５の励起光を示している。時間ｔ０からｔ１の間，ＬＥＤ１５はその励起光をルミネッセンスに基礎を置くセンサに対して放射するようにパルス駆動されている。時間ｔ１とｔ２の間はＬＥＤ１５はオフの状態にある。これらのパルスは周期的に計測が行われている間中繰り返される。５０％のデューティサイクルのパルスが図示されている。図２Ａの励起照射に対するセンサのルミネッセンス信号応答が図２Ｂに示されている。励起パルスの存在期間中，ルミネッセンス出力は出力の強度が増加し、ルミネッセンス強度は曲線７１が示すように励起パルスの間，ｔ０からｔ１の間増加している。ＬＥＤ１５が時間ｔ１においてターンオフされるやいなや、センサのルミネッセンス強度は下降を始める。パルスの間の時間，図２Ｂの時間ｔ１からｔ２の間，減少信号７３が光検出器１３によって観測される。時間ｔ０からｔ１の励起パルスはセンサのルミネッセンスが実質的に与えられた励起強度において最大になるのに充分な時間だけ長く続けられる。ルミネッセンス材料はそのルミネッセンス７３の減衰が指数関数的であるものが選択される。これにより減衰の率の変化が温度またはその他の観測されるべきパラメータの関数としてセンサによって容易に測定される。図２Ｂの信号はフォトダイオード１３の出力電気信号として示されている。その出力はもし充分な帯域幅が選択されているならばルミネッセンス衝撃のレベルの強度の変化に忠実に従うようになっている。そのようなフォトダイオードは通常通信応用のために開発され市販されているものである。これらの回路の中のバンド幅が足りない場合には増幅回路３１を通過するときにある歪みが発生する。図２ＢのＬＥＤ１５がターンオンされている期間には上昇するルミネッセンス信号７１のみが示されている。ＬＥＤがフォトダイオード１３を直接的に叩く励起からの出力照射の効果は前述したように図２Ｂにおいては説明のために省略している。測定されるべき温度または他のパラメータの情報を含んでいる信号部分は減衰部分７３である。これは各励起パルスの後に計測される。数多くのそのような測定の結果が雑音の影響を除去するために平均化される。平均された減衰関数はそれから温度または他の測定すべきパラメータの特徴を知るために分析される。図２Ｃにはアナログディジタル変換器２９の動作が図解されている。時間ｔ１からｔ２の期間の動作が引き延ばされた形で示されている。アナログディジタル変換器２９は時間ｔ１からアナログディジタル変換器２９の減衰信号を繰り返しの形でサンプルする。しかしこれはｓ１とｓ３（１５０と３５０それぞれこの特殊な例においては１つのサンプルが各々１．３６ミリセコンドの間サンプリング）サンプリングされるものであって、そのデータが用いられる。これはｔ１からの固定の期間，サンプルｓ１が増幅器回路３１に応答するように提供される。サンプリングはサンプルｓ３（この例においてはNo.３５０）で終了され、ここでは曲線７３の強度は極めて低くなっている。曲線７３は増幅回路３１を通過した後でディジタル化されて下記のように表される；Ａｅ^-at+Ｃ（１）ここにおいて“Ｃ”は光検出器および増幅器回路３１によって発生させられるオフセット信号であり“ｅ”は自然対数，“ｔ”は時間，“ａ”は指数関数的に減衰する曲線の時定数の負の対応であり、“Ａ”は指数関数的な減衰信号の当初の値を示している。シグナルプロセッサ３７によってなされる処理はまず多くのディジタル信号を指数関数的に減少する信号の中からとり出し、それを図２Ｄの指数関数の実線として示されている場合の部分のように結合することである。この結合の過程において測定されたオフセットＣは引き算される。かくして合成された関数は次式のようして表される；Ａｅ^-at （２）ａの量は測定しようとする時定数τの負の逆数である。これはシグナルプロセッサ３７によって任意の数の曲線を合わせ技術によってなされるものであり、ここにおいて指数関数的なパラメータは図２Ｄの合成されて得られた信号に指数関数的に適合するまで変更される。少なくとも平方の技術がこのために有効である。しかしそれは計算の意図からは有効でなく、もし合成信号図２Ｄの自然対数がまず最初に図２Ｅに示されているように計算されて用いられるならばそれは直線として表されるから標準曲線の合わせ技術としてはより容易である。図２Ｅの対数関数は次式により示される：Ｌｎ_e Ａ＋ａｔ（３）ここにおいて望まれる値ａは直線の傾斜であり、より簡単に計算できる。ディジタルデータの合成された形から量ａを計算するというよりはむしろ各ディジタルデータのセットから得られた１つの減衰信号から計算されたものを平均することもできる。このためにはより高い計算速度が前述した平均技術よりもある状況下においては必要となる。図１のシステムの動作は図３の流れ図に完全に図示されている。図２に関連して議論した技術に関連する操作および計算が図３のプロセスに示されている。このプロセスはＰＲＯＭ５１に蓄積されている計算プログラムによって制御される。図３のステップ８１はオフセットＣの測定であって、後述するようにシステムが起動される場合に周期的に行われるものである。ステップ８３はこの装置の１サイクル動作の初めのステップを示し，すなわち図２Ａに示されている励起パルスの照射を意味する。次のステップ８５は図２Ｂに示されている信号７３からディジタル的に取得するものである。既に説明したようにこれは減衰する信号から２００のサンプルを得ることになる。次のステップ８７はオフセットＣをこれらのサンプルから引くステップを示す。これに引き続いて修正されたデータサンプルを信号プロセッサ３７のラム中に保存するのであるが、これはステップ８９として示されている。１サイクルのディジタルデータが保存される。多くのサイクルからのデータが結合されて、温度または他のパラメータによる量の信号を得るためにこのプロセスがＮ回だけ繰り返される。ステップ９１はデータ取得サイクルがＮ回に達するまで繰り返されることを示すステップである。その後にステップ９３に示されているようにＮ回のサイクルのデータが結合されて１セットのデータの平均が出される。この合成によって得られた信号は図２Ｄに示されている。次のステップは、この合成信号の時定数の計算を簡単にするためのステップであり、９５として示されており、前記合成されたデータセットの自然対数を計算しその結果は図２Ｅに示されている。次のステップ９７は必要な量ａを計算するステップであり、それは合成して得られた信号の時定数に対応し温度または測定されようとする他のパラメータに比例する量である。これに加えるに、合成された減衰信号（Ｌｎ_eＡ）の対数の開始時点ＡはデータＡの計算の結果としてチェックの目的のために算出される。曲線のパラメータの計算はいわゆる曲線合わせ技術として良く知られている。例えばプレス等により，数値的な処方−化学的な計算のため，ケンブリッジユニバーシティプレス（１９８６年）の第１４章の４９８頁から５２０頁にそのような技術が一般的に示されており、これらを実行するための特定のコンピュータプログラムが示している。この本を参照文献として引用しておく。カーブ合わせ技術は当初議論したものはステップ９３のデータ形成の合成に直接利用できるのであるが、しかしながら、以前に述べたようにより速い計算をするためにはステップ９７に示されている直線的なデータセットからステップ９５の対数計算によって成される。ステップ９７は式（３）の２つの定数Ｌｎ_eＡとａの計算をするものであって、それは図２Ｅに示されている。計算された減衰曲線の開始点Ｌｎ_eＡは選択的に用いられるステップ９９で使用するために計算される。これは測定されるべきデータではなく、直接励起照射が終了した直後の減衰曲線からデータは得られるものではない。もし、このシステムの操作において知られている変化、例えば突然ＬＥＤ１５からの励起光が増大することにより、量Ｌｎ_eＡがモニタされ、それが次のサイクルの変化を知るために用いられる。この量は温度または測定されるべき他のパラメータから独立している。もしこの量が予想されているように変わらなかったことが検出された場合、例えば突然ＬＥＤ１５の強度がもしこの量が予想されているように変わらなかったことが検出された場合、例えば突然ＬＥＤ１５の強度が変化したような場合はそれによりちょうどその時に得られ、分析された合成データが正確でないものということを知ることができる。そのような状況下においては増幅器３１は飽和状態に駆動される。そのような状態においてはデータは拒否され，そして処理が再度ステップ８３から開始される。しかしながら、全然データに対して問題がなかった場合においては量ａの値が温度または他の測定されるべきパラメータの計算にステップ１０１に示されているように利用される。量ａは直接的に温度に変換される。例えば特殊なルミネッセンス材料が温度センサとして利用された場合のルックアップテーブルを参照することによって直接的に温度に変換される。光検出器１３および増幅器３１の信号出力レベルをそれらが飽和状態または他の非直線動作領域にない範囲においてできるだけ高く保つためにＬＥＤ１５の励起光の強度が出力からのフィードバックループの部分として制御される。既に述べたように図１のディジタルアナログ変換器は電力制御回路５５がＬＥＤ１５に提供し、かつその強度を制御するであろう電流レベルを指定する。その強度はポート線４３のディジタル値によって決められる。もし出力信号が希望するスレッシュホールドレベルよりも低ければ、ＬＥＤ１５の強度は増加させられる。これとは逆にもし出力レベルが与えられたスレッシュホールドレベルより高ければＬＥＤ１５の強度は減少させられる。出力信号レベルが範囲内にあるのかないのかを決定するために合成されて取得された信号である図２Ｄのある領域の絶対値が与えられたスレッシュホールドと比較される。その領域は好ましくは有効なデータサンプルがディジタル化の過程において取得された直後に取得される。図２Ｃを参照するとデータポイントはサンプルｓ１とｓ２の間でこの目的のために利用される。かくして再度図３を参照するとこのプロセスは合成されたデータ出力を一緒にステップ９３で比較する。もしその値が定められた領域の外にあったならばステップ１０５がＬＥＤ１５の強度を図１の線４３中の駆動強度番号を変更することによってＬＥＤ１５の強度を調節する。図３のプロセスの中の最後のステップ１０７は減衰カーブの他のＮサイクルが取得され分析されるかを決めるか、ステップ８３より始まるものを決めるか，またはオフセットＣを再度ステップ８１で測定するかを決める。オフセットＣは各Ｍサイクルごとに周期的に測定される。この計算は頻繁にする必要はない。多分１０分に１回かまたはその程度であってもよく、もし実行されたときにステップ８１がデータを取得するときと同じようなモードで動作するが、ＬＥＤ１５はパルス駆動されていない。ステップ８３は省略される。もちろんオフセット引き算ステップ８７も省略される。その他にステップ８１が光検出器１３がＮサイクルの増幅器の出力データを取得すると同様に動作する。これらのデータは新しいオフセットＣを計算するために用いられてそれは次のデータ取得サイクルに利用される。多くの固有のルミネッセンス材料成分が対象とする温度の範囲および特定の応用のための他の要素に依存してこのシステムのセンサのために用いられる。この材料は選ばれた材料は測られるべき回数と温度に対して充分に安定なものでなければならない。選ばれたルミネッセンス成分は利用されるＬＥＤの出力照射を吸収する必要があり、そして広いバンド幅（速い応答）を利用される光検出器の波長領域の範囲にルミネッセンス照射をしなければならない。ルミネッセンスセンサの組成は異なったセンサ間の特性の相違を減少させるために容易に再現可能性のあるものが選ばれなければならない。１つの測定モジュールのためにそのモジュールを異なったセンサ特性を再度較正することなく別のセンサを使用することが好ましい。ルミネッセンス材料は好ましくは減衰の時定数を１マイクロセコンドから１ミリセコンドの範囲内において持っている。この範囲内において電子システムに要求させる要求はそんなに厳しいものではないが、繰り返し測定は充分速いレートでされる必要がある。多くの応用において好ましいルミネッセンス材料はクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットであって、Ｙ₃（Ｇａ_1-xＣｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂，という化学式の特別な構成をもっており、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にあり、酸化クロムのアクチベータの濃度が、重量で２．０から４．５％であることを示している。図４Ａはこの赤の領域にあるこの材料の吸収スペクトル１１１と近赤外領域にあるその放射スペクトル１１３を示している。励起照射吸収スペクトル１１１はそのピークを選ばれたＬＥＤ１５の放射強度波長領域の近くに有している。放射スペクトラム１１３はフォトディテクタ１３として利用される高速シリコンフォトダイオードのスペクトル感度に対応している。このルミネッセンス材料の放射の減衰時定数τは温度の関数であって図４Ｂに示されている。このτはこのルミネッセンス材料が室温（約２０°Ｃ）に置かれたときに典型的に１９０から２５０マイクロ秒の間にある。図４Ｂから分かるように減衰時定数は０°Ｃで２８０マイクロ秒からで３００° Ｃでほぼ６０マイクロ秒である。この温度レンジにおける計測の感度は優れており、１つの満足できるルミネッセンス材料センサの要求を満たしている。図４の曲線は３価のクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料であって、化学式中のｘは実質的に０．４７であって、酸化のクロムの重量が３パーセントであることを示している。上述した光電的システムの特徴はそれが短い減衰時間を持って動作させられることである。図４Ｂに示されている好ましい材料の特性は減衰時定数が、例えば−１９０°Ｃから＋４００°Ｃの全温度領域において１ミリセコンドよりも小さいことである。計測されるべき時定数１または２ミリセコンド以下である場合においては、それらを使用する光電気計測システムに大きな要求を与える。しかしながらこのような短い減衰時間を持つものが取り扱われるときにそれらはここで記述されたシステム内において多数回の減衰時間の計測が非常に短い時間間隔で行われるという利点がある。ここで説明される特定のシステムにおいては減衰信号のディジタルサンプリングは図２Ｂ，図２Ｃに示されているように１マイクロ秒離れた間隔で行われる。図２Ａに示されている励起信号のパルス繰り返し率は毎秒１００パルスを越えるものである。図３のステップ９１におけるファクタＮは容易に１００またはそれ以上多くの応用においてすることができる。すなわち１００減衰時間サイクルが測定され、平均されることによって１つの減衰時定数に変換され、それから温度または決定されるべき他のパラメータが求められる。かくして１つの時定数が毎秒計算され、その計算結果は１００回の個々の減衰時間測定に基づくものである。各秒ごとに新しい計測サイクルを提供することは、真の温度または他のパラメータのモニタを可能にし、数多くのサンプルの平均において得られる雑音の減少を犠牲にすることなく多くの応用に用いられる。多くの応用に適する他の特定のルミネッセンス材料は３価のクロムでドープされたイットリウムアルミニウムガーネットであって、式Ｙ₃（Ａｌ_1-xＣｒ_x ⁺³）₅ Ｏ₁₂の化学式のものであって、ここにおいてＸは０．１６から０．０６０の間にあり、これは３価のクロムのドーパントが１から４重量％で含まれることを示している。この材料のルミネッセンスは前述した好適な具体例に比べて明るさが少なく、より長い時定数を持っているが、高い温度の測定に適している。その励起および吸収とルミネッセンスのスペクトルは非常に良く似ている。３価のクロムでドープされた希土類，アルミニウムボレイト材料はまたこのシステムに利用できる。そして吸収およびルミネッセンス照射スペクトルは前述した材料と極めて良く類似していることが知られており、同等またはより大きなルミネッセンス輝度を持っており、短い減衰時定数を持っているのはあるイットリウムアルミニウムガドリニュームアルミニウム及びルテチュームアルミニウムボレイトである。例として化学構造式Ｇｄ（Ａｌ_1-xＣｒ_x ⁺³）₃（ＢＯ₃）₄およびＬｕ（Ａｌ_1-xＣｒ_x ⁺ ³ ）₃（ＢＯ₃）₄、この化学構造式を持ちここにおいてｘは一般的に０．０１から０．０４の範囲内にある。図５は図１のシステムに使用される好ましい増幅器３１の回路図である。この設計の第１の目的とするところはこの増幅器で発生する雑音の量と望まれる帯域幅との良好な交換をすることである。一般的に言って、もしそのような増幅器が充分な帯域幅を持とうとするならば、それは必然的にある量の雑音を伴うこととなる。広い帯域幅は検出器１３によって検出された減衰ルミネッセンス強度の高い周波数成分を通過させるために必要となる。換言すれば、増幅器３１は良いインパルス応答特性をもたなければならない。図５の回路は温度の読みを１秒間隔の間で０．１°Ｃの精度で提供することができるのに必要なノイズレベルで充分な高い周波数の応答を提供することができる。雑音を減少するための１つの特徴はフォトダイオード１３の容量をカソードを正の電圧に供給源に抵抗Ｒ１を介して接続することにより逆バイヤスすることである。通常カソードは接地電位に保たれている。このような逆バイヤスは通常フォトダイオードのバンド幅応答を増加させるために用いられる。しかしこの用途においてはフォトダイオードが充分に速い応答を示すのでその必要はない。フォトダイオード１３のアノードは線２７によって演算増幅器１２１の反転入力端子に接続されており、その演算増幅器はダイオード１３から流れる電流を比例する電圧として出力端１２３に出力する。好ましい増幅器はバーブラウン社の部品番号ＯＰＡ６２７である。それは誘電体によって絶縁された低雑音の電界効果トランジスタ増幅器であって、高い入力インピーダンスと低いドリフトと低いインプットバイアス電流を持っている。帰還抵抗Ｒ２の抵抗値はそれが望まれる帯域幅を持つように５メガオームから２０メガオームの範囲内に選ばれている。増幅器のバンド幅はフィードバック抵抗Ｒ２の値にしたがって、直線的に増大する。増幅器１２１によって発生させる雑音の量は抵抗Ｒ２の値の平方根にしたがって増大する。かくして、この抵抗は雑音を低下させるという観点からは希望するバンド幅を満足する限りにおいてできるだけ低く保たれる。特定の値として１０メガオームが用いられる。フィードバック抵抗Ｒ２を低く保つことの他の効果はその増幅率を減少させることである。もし、Ｒ２を充分高くするならば単に増幅器１２１のみが必要となるが、その場合にはこのシステムではノイズレベルが耐えられない程度になってしまう。かくして線１２３の出力電圧は２つの付加的に直列に接続された電圧増幅回路によって増幅される。第１段では演算増幅器１２５を用い、そして第２段では演算増幅器１２７を用いる。１２３の出力は抵抗Ｒ４を通じて増幅器１２５の非反転入力端子に接続される。一対のショットキーダイオードＤ１とＤ２が増幅器１２５の非反転入力端子と設置間に繋がれて、増幅器１２５がその飽和領域に入る高い電圧に達することを妨げている。増幅器１２５の出力は直列抵抗Ｒ７，Ｒ８を介して増幅回路１２７の反転入力端子に接続されている。電圧制限ダイオードＤ３およびＤ４と同様な配列が第２段の増幅器１２７の入力においても用いられる。この特定の実施例において演算増幅器１２５と１２７はバーブラウン社の部品番号ＯＰＡ２７である。増幅器１２５の出力端子とその反転入力端子間のフィードバック回路は約１０の利得を与えるように選ばれる。Ｒ９とＣ２，増幅器１２７のＲ９とＣ２からなる帰還回路はこの最終段に約１５の利得を与える。ＬＥＤ１５がパルス駆動されている期間中に第１段の増幅端１２１の利得を減少させるために、増幅器１２１の非反転入力端子は抵抗Ｒ３を介して図１の減衰回路６７に線６５で接続されている。ルミネッセンスの減衰信号が増幅回路３１によって追従されているときに導線６５が外されて、回路の動作の影響がなくなる。しかし図１に開連して先に述べられたように、それは可変減衰器６７でパルス励起の間中接地されている。これが増幅器ステージ１２７がそのようなパルスによって過度に駆動されることを阻止している。図６を参照するとそこには図１から図５に関連して記述されたシステムの光学および電気的要素の物理的な配列が示されている。標準的なプリント回路カード１３１が既に説明された全ての光学的，電気的要素を搭載している。このボードは５インチ（１２７ｍｍ）の長さで３インチ（７６．２ｍｍ）の幅の極めて小さいものである。光学ヘッド１１はサーキットボード１３１に直接に設けられている。ディジタルアナログ変換器５９とＬＥＤ電力制御回路５５を含む多くの部品がＬＥＤ１５が搭載されている光学ヘッド１１に近接する領域１３３に配置されている。同様にして図５に示されている増幅器３１の要素はフォトダイオード１３が搭載されている光学ヘッド１１の横に極めて接近した領域１３５に設けられている。アナログディジタル変換要素２９は要素１３５に近接して配置されている。ソケット１３７はホストコンピュータのインターフェイス接続４７を提供している。既に議論したように温度または最終的に他のパラメータであって、最終的に決定されることが必要なものはボード１３１で計算され，そしてソケット１３７を介して出力されるかまたはホストコンピュータにより値“ａ”により計算されて、ソケット１３７からボード１３１のソケット３３を介して接続される。図６に記述されているように低価格で小さいプリントボードを提供するためには光学ヘッド１１の構造が重要となる。ヘッド１１は好ましくはアルミニウムブロックから図６に示されている光学的要素を指示し、示されている光学経路をその間に保つために機械加工される。レンズ１９と２３は極めて短い焦点を実現し、かくして光学ブロック１１を小型化するために球の形状が用いられる。ＬＥＤ１５は好ましくはレンズがその一部として用いられているものを採用する。光学システムが製造されるときにしばしば問題となるレンズ合わせについての困難性はこの構造においては問題にならない。その理由は完全な球面のレンズ１９と２３が設けられる場合においては、方向に関係を持たないからである。必要なことはアルミニウムブロックに機械加工される座である。ビームスプリッタ１７のための保持表面がブロックのＬＥＤ１５がマウントさせている反対側に孔を設けることによって形成される。そのように精密な寸法で加工されたブロックを用いることによって光学要素は単にその場所に嵌められ、結合されることによって付加的な調整は不要にし、製造時間とコストは従前の同様な応用に用いられた光学ヘッドに比較して著しく減少させられる。増幅器３１が広い帯域幅を持つように設計させられているにも係わらず、ルミネッセンス強度曲線の最初の部分の高い周波数はそれによって減少させられ，増幅されない。その理由は図２Ｃと図２Ｄに関連して説明した各々の蛍光減衰サイクルのデータ取得の期間の遅延によるものである。もし、帯域幅が受け入れられない増幅器の雑音を増加させることによって得られたとすると、ルミネッセンス減衰の測量はルミネッセンス信号がかなり大きいときからスタートできる。図７に示されているようにソフトウエアにおいて、このある技術を選択的に実現することができる。図７Ａは典型的なルミネッセンス強度の指数関数的減衰を示す一方、図７Ｂは典型的なアナログ増幅器の帯域幅による応答曲線を示している。ステップ関数のような入力で非常に高い周波数成分を持つものが増幅器に入力されると増幅器の出力は図７Ｂに示すようにｔ_A からゆるやかに立ち上がり、後のｔ_Bの時点に全出力レベルに達する。その結果増幅器の出力は図７Ｃに示すようになり、それは図７Ａに示すルミネッセンス強度を著しく歪めている。ルミネッセンス減衰時間を図７Ｃの増幅器の出力から測定することができるのは、時間ｔ_Bの後である。しかしながらソフトウエアを用いることによって増幅器の出力信号をほぼ図７Ａのルミネッセンス強度入力の形に適合させることができる。図１から図６に示されている第２の光照射ダイオード６１はこの目的で設けられたものである。図７Ｂに示されている増幅器３１のインパルス応答はＬＥＤ６１をパルス駆動することにより周期的に計測され増幅器３１の入力に同じ形状の電子的なパルスを発生させるために用いられている。ＬＥＤ６１の出力中の波長成分はルミネッセンスセンサが影響されないように選ばれているからその出力パルスは単に光学的信号であって、フォトダイオード１３にこのテスト期間中に受け入れられたものとなる。図７Ｂの増幅回路のインパルス応答が一度測られて記憶装置に記憶されると、図７Ｃに示されている増幅器の出力は図７Ｂの測定されたインパルス応答にドライブされることによって修正される。それからこの増幅器の制限された帯域幅は修正され、その帯域幅の制限された出力の減衰信号を当初に説明された技術により各々の励起パルスの終了直後に開始させられる。これにより、より大きなルミネッセンス強度が利用できるようになる。これによりＳＮ比を増大させるか、および／またはシステムが弱い光の信号でも利用できるようになり，例えばより小さい直径または長い光ファイバを用いるときのような弱い信号においても使用可能になる。そしてこれは高い温度において減衰時間が極めて短い場合の測定を許容する。図７Ｄは、そのような周波数領域における補償の効果を示している。曲線１４１は典型的な増幅回路の周波数応答を示し急速にある周波数を越えると減少をする状態を示している。破線の示す線１４３は効果的にソフトウエアによって増幅器のインパルス応答を前述したように補正したものである。前述したシステムは広い範囲の特定の温度測定の応用にその改良された特性と低価格性のために非常な利点を持っている。多くの応用においてセンサからのルミネッセンス信号は計測装置の光検出器に到達する前にかなり減衰させられる。このことは例えば光ファイバ信号経路が容器の壁であって、密閉性を保つ必要があるものを介して延びている場合に起きる。特別な光学的な光透過要素が壁の密閉性を保証するために壁に設けられるがそれが１または２以上の光ファイバのインターフェイス接続を必要とし、信号の損失をもたらす。家庭用の電力トランスがこの例である。ここにおいて光学的信号経路はトランスの外側のタンクの壁を介してトランスフォーマの窓に設置されるセンサに導かれている。他の例は処理容器，例えば半導体製造の過程において用いられる処理容器であって、そこでは光学的経路は容器内に処理されている半導体ウエハの温度を測定するために容器内に延ばされている。高いレベルの減衰がセンサが光検出器から長い距離離れて配置される場合、例えば工業的なプロセスにおいて温度センサの近くに電気的な要素の配置をすることができない場合、例えば、爆発性をもつとかその他有害な環境化の場合においてはかなりのレベルの減衰が存在する。石油化学処理等がそのような例の１つである。小さな径の光ファイバと多くのコネクタを光学経路に用いるような場合、例えば医学的な応用において廃棄可能な温度センサが患者の体内に用いられているような場合においては光信号の減衰が起きる。そのような医学的な応用においてはセンサが患者の温熱処理の間中，組織の中に埋め込まれる場合がある。他の応用においては、センサが人間の体の血管内に治療の過程において配置されることがある。さらに極めて弱いルミネッセンス信号が一般的にある応用においては最善の状態でも得られない場合がある。例えば、ルミネッセンス材料が表面に被覆されている可動部の表面の測定においては、極めて弱い光ファイバとか他の光学システムとこの結合しかできない。特定の応用、例えば大きなモータまたは発電機のロータの巻線の温度を測定したような場合にこのことが起きる。光ファイバまたは他の光学システムが可動表面に接触させることができない場合においては、充分な光学的結合がセンサと光検出器の間に得られない。さらに前記動きは通常不連続性を持ちやすくなる。かくして、測定は迅速に観測できルミネッセンスが消滅しないうちに成されなければならない。既に説明した本発明システムと材料はそのような困難な温度測定を高い精度を持って実現可能にしている。これに加えるに、本発明の技術によれば、多くの応用において必要とされる長い期間の安定性を保証できる。そのような応用例の１つはセンサが恒久的に大きなトランスフォーマとか、発電機とか他の実用装置に備え付けられて、それらは正確な温度に関する計測を２０年，３０年またはそれ以上の年月に渡って続ける必要がある場合である。本発明による計測システムはシステムの要素，例えば励起ＬＥＤ，光検出器，光ファイバとかそのようなものが必然的に時間経過において起こる変化があっても安定した精度を保つことができるものである。この特徴、すなわち効果的な信号処理とコンパクトな電子回路および光学ヘッドのデザインが１つのサーキットカードに設けられていることにより、ルミネッセンスに基礎を置くセンシングを従来は不可能であるとされていた応用領域において可能にしている。その可能性によって，そのような計測により高価な装置の方が壊れる前の警告をしたり、製造過程におけるより良き制御をしたり、より良い収率を得るための結果をもたらしたり、同様な効果的な結果をもたらすものである。小型で低価格な１つの光電気ボードが容易に巨大な装置システムの部品として設置できる。さらにそのようなボードレベルの温度検出器のコストは赤外照射とか他の競争関係にある技術に対して対抗できるものである。ここにおいて説明された技術やシステムは温度パラメータの測定に限定されるものではないが、温度の測定は極めて重要な要素である。現在の技術とシステムは多くの状況下、すなわち温度測定を媒介の要素として他のパラメータを決定するようなところにも利用できる。例えば、電流はルミネッセンスセンサを抵抗的に加熱される電流導体に配置することによりその結果センサの温度が最終的なパラメータである電流に関連づけられることによって測定できる。他の応用例としては、流体の流れが赤外線照射に接続することによってセンサが加熱されるのであるが、そのようなレーザダイオードのパルス繰り返し率が流体温度を上昇させることになり、かくして流体の流率を表示することができる。同様にしてここで記述された技術とシステムは直接に温度以外の他のパラメータをルミネッセンスに基礎を置くセンサの減衰を調べることによって測定することができる。前述した米国特許第４，７１６，３６３号においては蛍光の減衰が自由酸素の濃度の密度の測定に利用されることを示している。本発明はその好適な実施例にしたがって、説明されたのであるが、本発明は添付の請求の範囲の全範囲によって保護されるべきであると理解されるべきである。

【手続補正書】【提出日】１９９８年１０月１６日【補正内容】〔特許請求の範囲〕１．あるパラメータのルミネッセンスセンサを励起してそれからのルミネッセンスの前記パラメータの大きさに比例する減衰率を測定するシステムであって以下を含む：照射されたときに、ルミネッセンスを発生するセンサを励起するための光照射出力するダイオード、前記センサからの戻されたルミネッセンスを電気的信号に変換する光検出システムと、前記センサと前記ダイオードと前記光検出システムの各々の間に光学的通信をするための手段と、前記ダイオードに接続され、前記ダイオードが制御信号に強度的に対応する光のパルスを、照射するように制御する手段と、前記光検出システムの信号を少なくとも前記ダイオードパルスの間でディジタル打ちに変換してそれにより、戻されたルミネッセンスの減衰強度をディジタル化するための受信手段と、前記光検出システムの信号を、前記ルミネッセンスの戻りが実質的に存在しない時に信号のオフセットレベルを検出するために前記光検出システム信号を受信する手段と、前記光検出システムの信号の減衰率を、前記ディジタル表現により、前記オフセットを調節し、前記減衰関数モデルにしたがって前記デジタル表現と前記オフセットを受信する手段と、前記励起パルスの終了からある一定の決められた時間後の強度を検出して、ディジタル表現を受信する手段と、前記固定時間の強度を前記コントロール信号を前記ダイオードをフローする手役に前記固定時間帯の強度が実質的に一定になるように受信する手段と、を含む測定システム。２．パラメータを測定するためのシステムであって以下を含む：他方端がルミネッセンス材料センサであって放射強度が減衰するし、放射強度が励起照射によってパルス駆動された後に、一定の測定されるべき比例する率で減少する放射をするルミネッセンス物質に接続されている伝達手段の他方を終端するための手段と、出力を前記光ファイバを介して光ファイバの前記一端に位置付けるダイオード光源装置と、前記戻りセンサからの、戻りルミネッセンスを光ファイバの一方端を介して受け入れてそれに比例する信号を生成するための光検出システムと、コントロール信号の強度に比例する光パルスを照射するように、前記ダイオードを駆動するために、前記ダイオードに接続されている手段と少なくとも前記ダイオードパルスの間に、前記光検出手段の電気信号を受け入れることによって、前記ルミネッセンスの強度の減衰をディジタル化するために受信する手段と、前記光検出システムの電気信号を前記基幹ルミネッセンスが存在しない基幹に信号のオフセットレベルを測定するために受信する手段と、前記ディジタル化されたものと前記オフセットを、前記光検出システムの電気信号の減衰率を測定するために前記ディジタル的表現を前記オフセットを調整したのちに、減衰関数モデルに合わせるために受信する手段と、前記励起光パルスの終わりから一定期間後に、前記丁度レベルを決定するために、前記ディジタル表現を受信する手段とおよび前記ダイオードを駆動手段に、前記一定時間経過後のレベルが、実質的に一定になるように制御信号を発生するために前記固定時間の強度レベルを受け入れる手段と、これによって前記減衰率が測定されるべきパラメータに比例している測定システム。３．請求項１または２のいずれかにしたがうシステムであって、前記減衰率計算手段は最小二乗による開数合わせを、前記ディジタル表現に適応することによって減衰率の最適の値を決定する手段を含む測定システム。４．請求項１または２のいずれかにしたがうシステムであって、前記減衰率計算手段は調整されたディジタル表現の回数表現をとることによって、直線の最小二乗合致を前記対数化されたものに適応することによって、励起が終了した後にルミネッセント材料が指数開数的に減衰するルミネッセンス放射をに行う場合で、前記減衰率が時定数でる測定システム。５．請求項１または２にしたがうシステムであって前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間あたり１００回パルス駆動することにより、前記計算手段は前記合成懸垂信号のディジタル表現を多数から平均的な牽制信号のディジタル表現を経て、そしてそれを合成ディジタル減衰関数に表現することによって、減衰の平均を得る測定システム。６．請求項１または２にしたがうシステムであって前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間に１００回パルス駆動する手段を含み、前記システムは付加的に前記計算された減衰率を個々の減衰率から得て、平均的な減衰曲線を得る測定システム。７．請求項１または２のいずれかのシステムに従う装置であって、前記計算された減衰率を測定されたパラメータを決定するための手段を含む測定システム。８．請求項２記載のシステムにおいて前記光学ブロックは、前記ドライビング手段、前記ディジタル表現発生手段、前記オフセット発生手段、前記減衰率計算手段、前記固定時間決定手段と、前記制御信号提供手段はすべて前記ひとつのサーキット回路に搭載されている測定システム。９．請求項１または２のいずれかに従属するシステムであって、センサを含み前記センサのルミネッセンス材料は粉末であって実質的に、クロムによって活性化されたイットリウムガリウムガーネットである測定システム。１０．請求項１または２のシステムにおいて、前記検出システムは、ホトダイオードまたは光電子像倍管が前記センサのルミネッセンスを受け入れるように配置されている測定システム。１１．パラメータを測定するための光・電子的モジュールであって以下を含む：一つのルミネッセンスと材料のセンサであって、光の照射にパルス的に照射された後で指数関数的に減衰する光を放射し、その乗除数が測定されようとするパラメータに比例するものであって、実質的にジミジセコンドより短いルミネッセンス材料に光学的に通信可能なある長さの光ファイバ媒体で、光ブロックは以下を含む：前記光ファイバの他端を前記ブロックに保持するための手段と、電気駆動信号応答して、光を前記光ファイバの他端に向けて、照射できる位置に配置される１つのダイオード光源装置と、電気光ファイバを介してルミネッセンス照射を受信する位置に配置されており、前記ルミネッセンス放射の強度変換に従う電気信号の波形を製造する光検出器と、および前記ダイオードの光出力の大部分を前記ファイバの一方端に反射し、そして前記センサのルミネッセンス照射を前記他のファイバ端からホトディテクタに透過させるダイクロイクビームスプリッタと、前記ダイオードがコントロール信号に比例した強度を持つ光パルスを１００ヘルツを超える繰り返し率で発生するようにダイオードを駆動するために前記ダイオードに接続されている電気手段であって電気ディテクタの電気信号出力は連続して繰り返される励起パルス管の光信号の減衰に従いその電気信号出力を増幅するために電気ホトディテクタに接続されている手段と前記増幅器の信号をディジタル化するために、前記増幅された検出出力信号を受信する手段と、前記ルミネッセンス光信号が実質的に０なときに、前記ディジタル化された信号を受入れることによってオフセット信号レベルを決定するための受信手段と、前記オフセットを引算することによってオフセット補正されたディジタル信号を生成するために前記ディジタル化された信号を受信する手段と、オフセット修正されたディジタル信号の合成を生成するために複数の前記オフセット修正されたディジタル信号を蓄積する手段と、回数計算を行うことによって、直線の関数をもたらすために前記合成された信号を受信する手段と、前記指数関数的に減衰する光信号の次定数と、開始時点の値に比例する大きさを計算するために、前記直線関数をおよび、強度に比例する当初の大きさを変化を監視することによってシステムの誤動作を検出するために前記強度に比例する初期値を受信する手段と、これによって、測定されるべきパラメータに比例する次定数が正確に決定される光・電子的モジュール。１２．請求項１１によるモジュールであって、そのモジュールは前記測定されるぺきパラメータの大きさをを計算するために、前記次定数を受け入れる手段を含む光・電子的モジュール。１３．請求項１２記載のモジュールであって、前記パラメータは温度である光・電子的モジュール。１４．請求項１１から１３のいずれか１つに従属するモジュールであって、前記光学ブロックのすべて前記ダイオード駆動手段，前記ディジタル化手段，前記オフセット決定手段，前記合成信号手段，前記対数計算手段，前記直線最小二乗計算手段およびモニタリング手段はすべて１枚のサーキットカードに搭載されている光・電子的モジュール。１５．請求項１１記載のモジュールであって、前記ルミネッセンスの材料はクロムによって活性化されたイヒトリウム，ガリウム，ガーネットであること。１６．請求項１３記載のモジュールにおいて前記ルミネッセンス材料は以下の構造を持ちＹ₃ （Ｇａ_1-xＣｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂ ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の範囲にあること。１７．請求項１１から１３のいずれかにしたがうモジュールであって、前記センサは前記ルミネッセンス材料を粉末およびバインダの形態で保持し、前記粉末は実質的にクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットである光・電子的モジュール。１８．請求項１１記載のモジュールにおいて、前記ダイオードドライビング手段にディジタル信号を自主的に一定のダイオードパルスの終了から予め定められた一定期間後に自主的に一定になるように制御信号を供給するために前記定着化された信号を受信する手段を含む光・電子的モジュール。１９．請求項１１記載のモジュールにおいて、前記次定数と最小二乗回数の開始時点を計算するために、前記直線関数を受信する手段も前記次定数計算手段は含む光・電子的モジュール。２０．請求項１１記載のモジュールにおいてそれは前記パルス光を発射している間に前記増幅手段の増幅手段の増幅率を有効に減少するために、前記ダイオード応答手段する手段を付加的に含む。２１．請求項１１に従うモジュールであって、前記合成オフセット修正ディジタル信号生成手段は、前記増幅手段の制限されたバンド幅を、修正することによって曲線が前記ルミネッセンス減衰の初期の時間に始められるように前記増幅手段のインパルス応答による修正されたディジタル信号をオフセット補正合成信号を駆動する手段を含む光・電子的モジュール。２２．請求項１１記載のモジュールであって、前記光電検出器はホトダイオードを含み、そして前記増幅手段は次を含む：前記ホトダイオードを正方向にバイアスするために前記ホトダイオードに接続されている手段と、入力が前記ホトダイオードと、前記電圧出力に接続されている演算増幅器の第１の制限された利得の第１の演算増幅器とおよび、前記ディジタル手段に出力電圧を供給するために、前記第１の演算増幅器の電圧が入力に接続されている少なくともひとつの第２の演算増幅手段とを含む光・電子的モジュール。２３．パラメータを計測するための光・電子的ボードであって、以下を含む：自己支持型の基盤と、前記基盤に接続された光学組立であり，その第１の側面に配置された光検出器，第２の側面に位置され光照射出力を持つ光ダイオードおよびある長さの光ファイバで一方の終端が端が第３の側面に結合され他方端が前記パラメータの光センサと効果的に結合している光ファイバを含み，前記光学ブロックはその中に前記ホトデテクタと前記ダイオードに前記オプティカルファイバの一方端に結合する光学システムを含み，前記光学システムはダイクロイックビームスプリッタ前記ダイオードの出力を前記光ファイバの一端に大部分を反射し，前記光ファイバの一端からの前記センサの大多数の出力を前記光検出器に照射する光学組立と、電子部品であって、前記基盤の前記第１の光学ブロックの側に前記前記光検出器からの電気出力を受信して増幅するように接続されている電子部品の第１のグループと、電気部品であって、前記サブストレートの前記第２の光学組立の側に配置され、前記ダイオードを駆動するために設けられている第２の電子部品のグループと前記基盤上で前記第１のグループの電子部品に近接して配置され増幅された光電検出器の出力を受信してそれにより、光検出器出力を増幅された光検出出力のディジタル化されたものを提供する電子的にアナログ信号をディジタル信号に変換する手段と、前記基盤に支持されて少なくとも前記第２グループの電子部品と前記信号に変換する手段に接続されて、前記第２のグループの電子的要素に同期動作をして、前記ディジタル化されて増幅された光検出器信号を前記パラメータの一定量に計算するための手段と、および前記同期手段および解析手段に接続されることにより、それによって電子回路の中のシステムに接続可能性をもっているコネクタと、よりなる光・電子的ボード。２４．請求項２３に従うボードであって、そこにおいて電気光学手段はひとつのブロックの中に含まれており、前記固体の不透明の材料が前記光学システムが前記光学システムを外部の光からの連絡を遮断しており、さらに前記光学システムは第１のレンズ球を電気ブロック内の電気光検出器に近接して配置し、電気第２の球状のレンズが電気ブロックの光ファイバ終端に近接して配置されている光・電子的ボード。２５．環境の温度を測定するためのシステムであって以下を含む：前記環境と熱的に関連するように配置されているある量のルミネッセンス材料であって、前記ルミネッセンス材料はクロムに活性化されたイットリウムガリウムガーネットであって、それが過渡的な照射をある波長領域で励起されたならばルミネッセンス放射の第２の波長バンドを持っており、その強度は前記照射が終了したあとルミネッセンス材料の温度に関連するものであるルミネッセンス材料と、ひとつの光照射ダイオードが前記ルミネッセンス材料を励起照射するダイオードを含む手段と、前記ルミネッセンス照射の減衰する強度に関連する量を決定して前記信号に比例する電気信号を発生するために前記ルミネッセンス材料のルミネッセンス照射を受け入れる手段とおよび前記材料を測定するために前記電気信号に応答する手段であってこれによりルミネッセンス材料の温度に対応する量を得て、かくして前記環境の温度を得る環境の温度を測定するためのシステム。２６．請求項２５に従うシステムであって、前記ルミネッセンス材料の量は実質的にクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットを含む環境の温度を測定するためのシステム。２７．前記請求項２５または２６に従うシステムにあって、前記クロムに活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂，の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にある環境の温度を測定するためのシステム。２８．温度センサであって、一定の長さの光ファイバであって、アール上の粉末状のルミネッセンス材料をバインダによって一端に放電光学的に結合させ、光学的に他端に接続し、前記ルミネッセンス材料粉末は実質的にクロム活性されたイットリウムガリウムガーネットである温度センサ。２９．請求項２８記載の温度センサであって、前記クロム活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂ の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にある温度センサ。３０．環境の温度を決定するための方法であって次のステップを含む：ルミネッセンス材料はクロムによって活性化されたイットリウムガリウムガーネットであってそれが過渡的な照射によって励起された場合にルミネッセンス照射の強度は前記照射の終了後前記ルミネッセンス材料の温度に関連するものであるルミネッセンス材料を前記環境に熱的に連結するように位置させるステップと、前記ルミネッセンス材料を過渡的な励起放射に露出させこれによりルミネッセンス材料の温度に関連する半数の強度をもってルミネッセンスさはる前記ルミネッセンス材料を過渡的な励起放射に露出させるステップと、前記ルミネッセンス強度関数を検出し、計測することによってルミネッセンス材料の温度を測定しそれにより決定される環境の温度を決定するステップと、からなる環境の温度を決定するための方法。３１．請求項３０記載の方法において、ルミネッセンス材料を前記環境に熱的に連結するように位置させるステップは、前記ルミネッセンス材料は実質的に全体がクロム活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料である環境の温度を決定するための方法。３２．請求項３０記載の方法において、前記配置ステップは前記熱的に環境と関連するところにルミネッセンス材料が実質的に請求項３０または３１記載の方法において、前記クロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃（Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂ の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．３２から０．７８の間にある環境の温度を決定するための方法。３３．密封された容器内のパラメータを測定するための方法であって、請求項１１記載のモジュールを使用し前記センサを容器の内部に配置することによる方法であって、ルミネッセンスの経路を光ファイバを含みセンサから容器の壁を通過して、光学ブロックに導く密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３４．請求項３３記載の方法において、前記密封された容器は連続トランスの外部タンクである密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３５．請求項３３記載の方法において、前記密封された容器は半導体処理容器である密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３６．表面のパラメータを測定するための方法であって、請求項１１に記載するモジュールを使用して前記センサを前記表面と接触状態に保ち前記光ファイバの光ファイバ媒体の一端を離れて配置する密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３７．請求項３６記載の方法において、前記表面と前記センサは前記光ファイバ媒体に対して移動させられる密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３８．人体内のパラメータを測定する方法であって、請求項１１に記載するモジュールを使用し、前記センサを人体内に配置する人体のパラメータを測定するための方法。３９．請求項３８記載の方法において、前記センサは前記身体内の組織に温熱処置中に埋め込む人体のパラメータを測定するための方法。４０．請求項３８記載の方法において、前記センサは人間の血管内に治療の過程で埋め込まれる人体のパラメータを測定するための方法。４１．請求項２３または２４記載に従うボードであって、それは付加的に前記光学結合手段と前記光ファイバ端において連携し、前記センサはクロムで活性化されたガーネットルミネッセンス材料を粉の形で含んでいるボード。４２．請求項２３または２４記載のボードであって、付加的に前記光学センサに結合されて前記光ファイバ端に結合されるセンサであって前記センサはルミネッセンス材料でＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂，の式の組成を持っていて、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にあるボード。４３．請求項２３または２４記載のボードであって、前記パラメータは温度を含む。４４．請求項２３または２４のいずれか記載に従うボードであって、前記動機または解析手段は少なくともディジタル化され増幅されている光検出器出力を最小二乗法によって適合させるボード。４５．請求項２３または２４記載のボードであって動機および分析手段はディジタル化された光検出器出力の対数をとることにより、直線二乗適合を前記対数に対して行うボード。４６．請求項２３または２４に従うボードであって、前記同期および分析手段は（１）前記ディジタル化されたセンサからのパラメータに関連する光信号が実質的に存在しないときに、光検出出力をディジタル化したもののオフセットを測定する手段と（２）前記オフセット信号から前記パラメータの量を計算するための手段を含むボード。４７．ルミネッセンスセンサのパラメータを用いる光電的ボードであって、以下を含む：自己支持型の基盤と、光学システムであって前記基盤に付着されるものであって以下を含む：光照射出力を持つひとつのダイオード、光検出器、および前記センサと前記ダイオードの濃度を前記光検出器を前記ダイオードの照射出力が前記センサに受けられて前記ルミネッセンス材料を励起し、前記ルミネッセンスが前記光検出器に、導かれるようにする手段電子要素であって、前記基盤に保持されて前記光検出器に近接して配置され、前記光検出器からの電気出力を受信して、増幅するように接続されている第１のグループの電子部品と、電子部品グループであって、前記基盤に搭載され、前記ダイオードに近接して配置されて、前記ダイオードに電気的に接続されている電子部品の第２のグループと、前記基盤に前記第１の電子部品要素に近接して配置され、前記光検出器出力の増幅されたものを受信することによりディジタル化された光検出器出力をもたらす、電子的なアナログディジタル信号変換器と、前記基盤に搭載されて、少なくとも前記電子部品の第２のグループと前記コンバータに、前記第２の部品の電子部品の動機動作に、同期して前記ディジタル化された放電検出器出力が前記パラメータと関連する量であることを計算する：および少なくとも前記動機および解析手段に電気的に接続されることにより、前記ボードのシステムの接続可能性を提供し、ここにおいて前記パラメータは関連する量として利用される接続手段と、からなる光電的ボード。４８．請求項４７記載のボードにおいて、前記パラメータは温度である光電的ボード。４９．請求項４７記載のボードにおいて前記光学システムの連絡手段は光学的に前記センサにある長さの光ファイバを介して接続されており、前記センサはクロムで活性化されたガーネットルミネッセンスー材料を含む光電的ボード。５０．請求項４９記載のボードにおいて、前記ルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂，の式の示す組成を持っていて、ここにおいてＸは０．０３２から０．０７８の間にある光電的ボード。５１．請求項４７記載のボードにおいて前記同期および解析手段はディジタル化され増幅された光電検出器出力の平方適合をさせる手段を含む光電的ボード。５２．請求項４７記載のボードにおいて前記同期および分析手段は前記光検出器出力の増幅されディジタル化された信号の対数をとる手段を含み、直線最小二乗合わせを前記対数にして行う光電的ボード。５３．請求項４７に従うボードにおいて、前記同期および分析手段は（１）前記センサからのパラメータに自主的に関連する光出力がない場合の光検出器の増幅されたディジタル信号のレベルのオフセットを測定する手段とおよび（２）前記オフセット信号を前記パラメータの関連する量を知るために計算する手段を含む光電的ボード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ベクトデイビッドエル. アメリカ合衆国 95118 カリフォルニア州サンホセ、キンバリードライブ 1305 (72)発明者メレンロバートイー. アメリカ合衆国 95070 カリフォルニア州サラトガ、キルブリッジドライブ 20141

Claims

【特許請求の範囲】１．あるパラメータのルミネッセンスセンサを励起してそれからのルミネッセンスの前記パラメータの大きさに比例する減衰率を測定するシステムであって以下を含む：照射されたときに、ルミネッセンスを発生するセンサを励起するための光照射出力するダイオード、前記センサからの戻されたルミネッセンスを電気的信号に変換する光検出システムと、前記センサと前記ダイオードと前記光検出システムの各々の間に光学的通信をするための手段と、前記ダイオードに接続され、前記ダイオードが制御信号に強度的に対応する光のパルスを、照射するように制御する手段と、前記光検出システムの信号を少なくとも前記ダイオードパルスの間でディジタル打ちに変換してそれにより、戻されたルミネッセンスの減衰強度をディジタル化するための受信手段と、前記光検出システムの信号を、前記ルミネッセンスの戻りが実質的に存在しない時に信号のオフセットレベルを検出するために前記光検出システム信号を受信する手段と、前記光検出システムの信号の減衰率を、前記ディジタル表現により、前記オフセットを調節し、前記減衰関数モデルにしたがって前記デジタル表現と前記オフセットを受信する手段と、前記励起パルスの終了からある一定の決められた時間後の強度を検出して、ディジタル表現を受信する手段と、前記固定時間の強度を前記コントロール信号を前記ダイオードをフローする手段に前記固定時間帯の強度が実質的に一定になるように受信する手段と、を含む測定システム。２．パラメータを測定するためのシステムであって以下を含む：他方端がルミネッセンス材料センサであって放射強度が減衰するし、放射強度が励起照射によってパルス駆動された後に、一定の測定されるべき比例する率で減少する放射をするルミネッセンス物質に接続されている伝達手段の他方を終端するための手段と、出力を前記光ファイバを介して光ファイバの前記一端に位置付けるダイオード光源装置と、前記戻りセンサからの、戻りルミネッセンスを光ファイバの一方端を介して受け入れてそれに比例する信号を生成するための光検出システムと、コントロール信号の強度に比例する光パルスを照射するように、前記ダイオードを駆動するために、前記ダイオードに接続されている手段と少なくとも前記ダイオードパルスの間に、前記光検出手段の電気信号を受け入れることによって、前記ルミネッセンスの強度の減衰をディジタル化するために受信する手段と、前記光検出システムの電気信号を前記基幹ルミネッセンスが存在しない基幹に信号のオフセットレベルを測定するために受信する手段と、前記ディジタル化されたものと前記オフセットを、前記光検出システムの電気信号の減衰率を測定するために前記ディジタル的表現を前記オフセットを調整したのちに、減衰関数モデルに合わせるために受信する手段と、前記励起光パルスの終わりから一定期間後に、前記丁度レベルを決定するために、前記ディジタル表現を受信する手段とおよび前記ダイオードを駆動手段に、前記一定時間経過後のレベルが、実質的に一定になるように制御信号を発生するために前記固定時間の強度レベルを受け入れる手段と、これによって前記減衰率が測定されるべきパラメータに比例している測定システム。３．請求項１または２のいずれかにしたがうシステムであって、前記減衰率計算手段は最小二乗による関数合わせを、前記ディジタル表現に適応することによって減衰率の最適の値を決定する手段を含む測定システム。４．請求項１または２のいずれかにしたがうシステムであって、前記減衰率計算手段は調整されたディジタル表現の回数表現をとることによって、直線の最小二乗合致を前記対数化されたものに適応することによって、励起が終了した後にルミネッセント材料が指数関数的に減衰するルミネッセンス放射をに行う場合で、前記減衰率が時定数でる測定システム。５．請求項１または２に従うシステムであって、前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間あたり１００回パルス駆動することにより、前記計算手段は前記合成懸垂信号のディジタル表現を多数から平均的な牽制信号のディジタル表現を経て、そしてそれを合成ディジタル減衰関数に表現することによって、減衰の平均を得る測定システム。６．請求項１または２に従うシステムであって、前記駆動手段は前記ダイオードを１秒間に１００回パルス駆動する手段を含み、前記システムは付加的に前記計算された減衰率を個々の減衰率から得て、平均的な減衰曲線を得る測定システム。７．請求項１または２のいずれかのシステムに従う装置であって、前記計算された減衰率を測定されたパラメータを決定するための手段を含む測定システム。８．請求項２記載のシステムにおいて前記光学ブロックは、前記ドライビング手段、前記ディジタル表現発生手段、前記オフセット発生手段、前記減衰率計算手段、前記固定時間決定手段と、前記制御信号提供手段はすべて前記ひとつのサーキット回路に搭載されている測定システム。９．請求項１または２のいずれかに従属するシステムであって、センサを含み前記センサのルミネッセンス材料は粉末であって実質的に、クロムによって活性化されたイットリウムガリウムガーネットである測定システム。１０．請求項１または２のシステムにおいて、前記検出システムは、ホトダイオードまたは光電子像倍管が前記センサのルミネッセンスを受け入れるように配置されている測定システム。１１．パラメータを測定するための光・電子的モジュールであって以下を含む：一つのルミネッセンスと材料のセンサであって、光の照射にパルス的に照射された後で指数関数的に減衰する光を放射し、その乗除数が測定されようとするパラメータに比例するものであって、実質的にジミジセコンドより短いルミネッセンス材料に光学的に通信可能なある長さの光ファイバ媒体で、光ブロックは以下を含む：前記光ファイバの他端を前記ブロックに保持するための手段と、電気駆動信号応答して、光を前記光ファイバの他端に向けて、照射できる位置に配置される１つのダイオード光源装置と、電気光ファイバを介してルミネッセンス照射を受信する位置に配置されており、前記ルミネッセンス放射の強度変換に従う電気信号の波形を製造する光検出器と、および前記ダイオードの光出力の大部分を前記ファイバの一方端に反射し、そして前記センサのルミネッセンス照射を前記他のファイバ端からホトディテクタに透過させるダイクロイクビームスプリッタと、前記ダイオードがコントロール信号に比例した強度を持つ光パルスを１００ヘルツを超える繰り返し率で発生するようにダイオードを駆動するために前記ダイオードに接続されている電気手段であって電気ディテクタの電気信号出力は連続して繰り返される励起パルス管の光信号の減衰に従いその電気信号出力を増幅するために電気ホトディテクタに接続されている手段と、前記増幅器の信号をディジタル化するために、前記増幅された検出出力信号を受信する手段と、前記ルミネッセンス光信号が実質的に０なときに、前記ディジタル化された信号を受入れることによってオフセット信号レベルを決定するための受信手段と、前記オフセットを引算することによってオフセット補正されたディジタル信号を生成するために前記ディジタル化された信号を受信する手段と、オフセット修正されたディジタル信号の合成を生成するために複数の前記オフセット修正されたディジタル信号を蓄積する手段と、回数計算を行うことによって、直線の関数をもたらすために前記合成された信号を受信する手段と、前記指数関数的に減衰する光信号の次定数と、開始時点の値に比例する大きさを計算するために、前記直線関数をおよび、強度に比例する当初の大きさを変化を監視することによってシステムの誤動作を検出するために前記強度に比例する初期値を受信する手段と、これによって、測定されるべきパラメータに比例する次定数が正確に決定される光・電子的モジュール。１２．請求項１１によるモジュールであって、そのモジュールは前記測定されるべきパラメータの大きさをを計算するために、前記次定数を受け入れる手段を含む光・電子的モジュール。１３．請求項１２記載のモジュールであって、前記パラメータは温度である光・電子的モジュール。１４．請求項１１から１３のいずれか１つに従属するモジュールであって、前記光学ブロックのすべて前記ダイオード駆動手段，前記ディジタル化手段，前記オフセット決定手段，前記合成信号手段，前記対数計算手段，前記直線最小二乗計算手段およびモニタリング手段はすべて１枚のサーキットカードに搭載されている光・電子的モジュール。１５．請求項１１記載のモジュールであって、前記ルミネッセンスの材料はクロムによって活性化されたイヒトリウム，ガリウム，ガーネットであること。１６．請求項１３記載のモジュールにおいて前記ルミネッセンス材料は以下の構造を持ちＹ₃ （Ｇａ_1-xＣｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂ ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の範囲にあること。１７．請求項１１から１３のいずれかにしたがうモジュールであって、前記センサは前記ルミネッセンス材料を粉末およびバインダの形態で保持し、前記粉末は実質的にクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットである光・電子的モジュール。１８．請求項１１記載のモジュールにおいて、前記ダイオードドライビング手段にディジタル信号を自主的に一定のダイオードパルスの終了から予め定められた一定期間後に自主的に一定になるように制御信号を供給するために前記定着化された信号を受信する手段を含む光・電子的モジュール。１９．請求項１１記載のモジュールにおいて、前記次定数と最小二乗回数の開始時点を計算するために、前記直線関数を受信する手段も前記次定数計算手段は含む光・電子的モジュール。２０．請求項１１記載のモジュールにおいてそれは前記パルス光を発射している間に前記増幅手段の増幅手段の増幅率を有効に減少するために、前記ダイオード応答手段する手段を付加的に含む。２１．請求項１１に従うモジュールであって、前記合成オフセット修正ディジタル信号生成手段は、前記増幅手段の制限されたバンド幅を、修正することによって曲線が前記ルミネッセンス減衰の初期の時間に始められるように前記増幅手段のインパルス応答による修正されたディジタル信号をオフセット補正合成信号を駆動する手段を含む光・電子的モジュール。２２．請求項１１記載のモジュールであって、前記光電検出器はホトダイオードを含み、そして前記増幅手段は次を含む：前記ホトダイオードを正方向にバイアスするために前記ホトダイオードに接続されている手段と、入力が前記ホトダイオードと、前記電圧出力に接続されている演算増幅器の第１の制限された利得の第１の演算増幅器とおよび、前記ディジタル手段に出力電圧を供給するために、前記第１の演算増幅器の電圧が入力に接続されている少なくともひとつの第２の演算増幅手段とを含む光・電子的モジュール。２３．パラメータを計測するための光・電子的カードであって、以下を含む：自己支持型の基盤と、前記基盤に接続された光学組み立てであり、その第１の側面に配置された光検出器，第２の側面に位置され光照射出力を持つ光ダイオードおよびある長さの光ファイバで一方の終端が端が第３の側面に結合され他方端が前記パラメータの光センサと効果的に結合している光ファイバを含み、前記光学ブロックはその中に前記ホトデテクタと前記ダイオードに前記オプティカルファイバの一方端に結合する光学システムを含み、前記光学システムはダイクロイックビームスプリッタ前記ダイオードの出力を前記光ファイバの一端に大部分を反射し、前記光ファイバの一端からの前記センサの大多数の出力を前記光検出器に照射する光学ブロックと、電子部品であって、前記基盤の前記第１の光学ブロックの側に前記前記光検出器からの電気出力を受信して増幅するように接続されている電子部品の第１のグループと、電気部品であって、前記サブストレートの前記第２の光学組立の側に配置され、前記ダイオードを駆動するために設けられている第２の電子部品のグループと前記基盤上で前記第１のグループの電子部品に近接して配置され増幅された光電検出器の出力を受信してそれにより、光検出器出力を増幅された光検出出力のディジタル化されたものを提供する電子的にアナログ信号をディジタル信号に変換する手段と、前記基盤に支持されて少なくとも前記第２グループの電子部品と前記信号に変換する手段に接続されて、前記第２のグループの電子的要素に同期動作をして、前記ディジタル化されて増幅された光検出器信号を前記パラメータの一定量に計算するための手段と、および前記同期手段および解析手段に接続されることにより、それによって電子回路の中のシステムに接続可能性をもっているコネクタと、よりなる光・電子的カード。２４．請求項２３に従うカードであって、そこにおいて電気光学手段はひとつのブロックの中に含まれており、前記固体の不透明の材料が前記光学システムが前記光学システムを外部の光からの連絡を遮断しており、さらに前記光学システムは第１のレンズ球を電気ブロック内の電気光検出器に近接して配置し、電気第２の球状のレンズが電気ブロックの光ファイバ終端に近接して配置されている光・電子的カード。２５．環境の温度を測定するためのシステムであって以下を含む：前記環境と熱的に関連するように配置されているある量のルミネッセンス材料であって、前記ルミネッセンス材料はクロムに活性化されたイットリウム、ガリウム、ガーネットであって、それが過渡的な照射をある波長領域で励起されたならばルミネッセンス放射の第２の波長バンドを持っており、その強度は前記照射が終了したあとルミネッセンス材料の温度に関連するものであるルミネッセンス材料と、ひとつの光照射ダイオードが前記ルミネッセンス材料を励起照射するダイオードを含む手段と、前記ルミネッセンス照射の減衰する強度に関連する量を決定して前記信号に比例する電気信号を発生するために前記ルミネッセンス材料のルミネッセンス照射を受け入れる手段とおよび前記材料を測定するために前記電気信号に応答する手段であってこれによりルミネッセンス材料の温度に対応する量を得て、かくして前記環境の温度を得る環境の温度を測定するためのシステム。２６．請求項２５に従うシステムであって、前記ルミネッセンス材料の量は実質的にクロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットを含む環境の温度を測定するためのシステム。２７．前記請求項２５または２６に従うシステムにあって、前記クロムに活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂，の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にある環境の温度を測定するためのシステム。２８．温度センサであって、一定の長さの光ファイバであって、アール上の粉末状のルミネッセンス材料をバインダによって一端に放電光学的に結合させ、光学的に他端に接続し、前記ルミネッセンス材料粉末は実質的にクロム活性されたイットリウムガリウムガーネットである温度センサ。２９．請求項２８記載の温度センサであって、前記クロム活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x ⁺³）₅Ｏ₁₂ の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．０３２から０．０７８の間にある温度センサ。３０．環境の温度を決定するための方法であって次のステップを含む：ルミネッセンス材料はクロムによって活性化されたイットリウムガリウムガーネットであってそれが過渡的な照射によって励起された場合に、ルミネッセンス照射の強度は前記照射の終了後前記ルミネッセンス材料の温度に関連するものであるルミネッセンス材料を、前記環境に熱的に連結するように位置させるステップと、前記ルミネッセンス材料を過渡的な励起放射に露出させ、これによりルミネッセンス材料の温度に関連する半数の強度をもってルミネッセンスされる前記ルミネッセンス材料を過渡的な励起放射に露出させるステップと、前記ルミネッセンス強度関数を検出し、計測することによってルミネッセンス材料の温度を測定しそれにより決定される環境の温度を決定するステップと、からなる環境の温度を決定するための方法。３１．請求項３０記載の方法において、ルミネッセンス材料を前記環境に熱的に連結するように位置させるステップは、前記ルミネッセンス材料は実質的に全体がクロム活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料である環境の温度を決定するための方法。３２．請求項３０記載の方法において、前記配置ステップは前記熱的に環境と関連するところにルミネッセンス材料が実質的に請求項３０または３１記載の方法において、前記クロムで活性化されたイットリウムガリウムガーネットのルミネッセンス材料は実質的にＹ₃ （Ｇａ_1-x Ｃｒ_x+3）₅Ｏ₁₂ の式で表される組成物であって、ここにおいてＸは実質的に０．３２から０．７８の間にある環境の温度を決定するための方法。３３．密封された容器内のパラメータを測定するための方法であって、請求項１１記載のモジュールを使用し前記センサを容器の内部に配置することによる方法であって、ルミネッセンスの経路を光ファイバを含みセンサから容器の壁を通過して、光学ブロックに導く密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３４．請求項３３記載の方法において、前記密封された容器は連続トランスの外部タンクである密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３５．請求項３３記載の方法において、前記密封された容器は半導体処理容器である密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３６．表面のパラメータを測定するための方法であって、請求項１１に記載するモジュールを使用して前記センサを前記表面と接触状態に保ち前記光ファイバの光ファイバ媒体の一端を離れて配置する密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３７．請求項３６記載の方法において、前記表面と前記センサは前記光ファイバ媒体に対して移動させられる密封された容器内のパラメータを測定するための方法。３８．人体内のパラメータを測定する方法であって、請求項１１に記載するモジュールを使用し、前記センサを人体内に配置する人体のパラメータを測定するための方法。３９．請求項３８記載の方法において、前記センサは前記身体内の組織に温熱処置中に埋め込む人体のパラメータを測定するための方法。４０．請求項３８記載の方法において、前記センサは人間の血管内に治療の過程で埋め込まれる人体のパラメータを測定するための方法。