ES2354625T3 - Filtro de interferencia ajustable. - Google Patents
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Abstract
Filtro de interferencia ajustable para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido de longitudes de onda, que comprende un camino de luz definido y al menos dos superficies reflectantes esencialmente paralelas colocadas en dicho camino de luz y separadas por una distancia escogida que define un resonador delimitado por las superficies reflectantes entre las que puede oscilar la luz, y siendo al menos una de dichas superficies semitransparente para la transmisión de luz hasta o desde el resonador, comprendiendo el filtro: un primer material transparente con un grosor escogido y que tiene un índice de refracción escogido comparable o superior al del silicio colocado entre dichas superficies reflectantes en dicho camino de luz, medios de separación para definir una cavidad entre el primer material transparente y al menos una de las superficies reflectantes, y dispositivo de medios de ajuste para ajustar la distancia entre dichas superficies reflectantes y ajustar así la longitud del camino óptico de los resonadores, y una superficie de interfase entre dicho material transparente y dicha cavidad en dicho camino de luz que comprende medios de reducción de la reflexión para reducir la reflexividad de dicha superficie de interfase en dicho intervalo de longitudes de onda.
Description
Esta invención se refiere a un filtro de interferencia ajustable, especialmente para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido.
La mayoría de los gases absorben luz infrarroja con energías de fotones correspondientes a las 5 transiciones de vibración de la molécula de gas. Cuando se miden las concentraciones de gases con luz infrarroja es habitual realizar dos medidas de la luz transmitida a través del gas: una medida que está influida (reducida) por la absorción del gas y una medida de referencia que no está afectada por el gas. Este procedimiento de medición se denomina a veces como infrarrojo no dispersivo (NDIR).
Según se ilustra en la fig. 1, que muestra la transmisión en función de la longitud de onda en el 10 intervalo de 4,5 a 5,0 m, el espectro infrarrojo del monóxido de carbono (CO) tiene un patrón lineal casi periódico. Varios gases, entre ellos el metano (CH4), tienen líneas de absorción similares. La distancia entre las líneas de CO aumenta al aumentar la longitud de onda, pero es esencialmente constante dentro de un pequeño intervalo de longitudes de onda. Con el fin de medir la concentración de CO se puede usar una estructura según se ilustra en la fig. 2. La luz de una fuente infrarroja 21 es enviada a través de 15 un espejo de enfoque 22 a través de una celda de gas 23 y además a través de un filtro modulado 24, por ejemplo un filtro de Fabry-Perot, y un filtro de paso de banda fijo 25, y adicionalmente a través de un nuevo espejo de enfoque 26 a un detector 27. En esta línea ascendente la función del filtro modulado consiste en desplazarse entre dos configuraciones o ajustes. En un ajuste transmite luz en el intervalo espectral en el que el CO transmite luz (ajuste de correlación) y en el otro ajuste transmite luz en el 20 intervalo en el que el CO absorbe luz (ajuste de anticorrelación). De esta forma es posible desplazarse continuamente entre medidas que usan los diferentes ajustes. La diferencia entre los dos ajustes será cero cuando el CO no esté presente en la celda de gas, y aumentará al aumentar la concentración de CO.
Usando un filtro que esté adaptado a líneas únicas en el espectro de gases pueden obtenerse 25 varias ventajas:
1) Una concentración dada de gas proporciona un cambio relativo mayor en la señal medida, comparado con el uso de un filtro de paso de banda.
2) Si hay otros gases presentes en el área que absorban en el mismo intervalo de longitud de onda, tendrán una influencia mínima sobre las medidas, ya que se reduce la sensibilidad para los gases 30 en el mismo intervalo pero con líneas diferentes.
3) Los cambios en la temperatura de la fuente y otras perturbaciones también afectarán a las medidas en el mismo grado.
Para que esto funcione, todo salvo la posición de las líneas del filtro debe mantenerse constante. Esto puede obtenerse dejando que la luz siga caminos lo más similares posible. 35 Preferentemente todo lo que afecta a las medidas debe tener la misma influencia sobre ellas. Además de otros gases, las influencias pueden ser gradientes de temperatura, suciedad depositada en las superficies ópticas, deriva en circuitos amplificadores, estabilidad mecánica, etc.
Es difícil conseguir que un filtro se ajuste directamente a las líneas de CO. Una buena aproximación es un filtro de interferencia que tiene dos superficies ópticas paralelas con una distancia d 40 entre las superficies, y un índice de refracción n para el medio entre las superficies. La transmisión a través del filtro es entonces una función periódica del número de ondas v = 1/, en el que es la longitud de onda. El periodo es 1/2nd, en el que n es el índice de refracción. Entonces la distancia d puede elegirse de manera que el periodo se corresponda con las líneas de CO en un intervalo del espectro. Cuando la longitud de onda óptica s = nd se modifica por un cuarto de la longitud de onda: s ± 45 (s) = s ± /4, se obtiene la modulación requerida del filtro. Con un índice de refracción constante, esto se corresponderá con un cambio en el grosor d ± (d) = d ± /4n. Cuando el índice de refracción es 1, d será aproximadamente 2,3 m.
En la fig. 1 se ilustra la transmisión a través de un filtro de interferencia en modo de anticorrelación, adaptada al espectro de CO, en la que la línea superior muestra el espectro de CO y la 50 línea inferior muestra el espectro de transmisión del filtro, ambos como funciones de la longitud de onda, que está en el intervalo de 4,5 a 5,0 m.
Desde la longitud de onda central se producirá una desviación gradualmente creciente entre las líneas del filtro y las líneas del gas, según se muestra en la fig. 1. Añadiendo un filtro de paso de banda se puede delimitar el intervalo que se usa. 55
Si el filtro de interferencia consiste en dos espejos paralelos con una distancia ajustable, la elección en materiales ópticos entre los espejos es muy limitada: aire, otros gases o posiblemente un material transparente elástico. El material óptico en el filtro de interferencia dicta lo grande que puede ser la extensión angular en la luz de entrada. Cuando el ángulo aumenta, la longitud de onda óptica eficaz disminuirá para la luz de interferencia, y una extensión en los ángulos incidentes producirá una 5 aberración del espectro de transmisión. Un índice de refracción elevado dará un ángulo refractado máximo bajo dentro del filtro. El máximo ángulo permitido decidirá la expansión del filtro. La expansión es el producto del área por el ángulo sólido del haz luminoso, una medida de la luz que es posible obtener a través del sistema cuando la fuente de radiación tiene una extensión ilimitada. Puede demostrarse que para una resolución espectral dada la expansión es proporcional al cuadrado del índice de refracción. Así 10 se puede obtener 10 veces más luz si se usa, por ejemplo, silicio (n = 3,4) en lugar de aire en el resonador.
El reto es fabricar un filtro de interferencia con alto índice de refracción, que también pueda cambiar la longitud de onda óptica lo suficiente para ajustar el filtro en modos de correlación y anticorrelación. 15
Trabajo previo
El principio de medida del monóxido de carbono con dicho filtro de interferencia se describe en la patente de EE.UU. nº 3.939.348 de 1974. También se menciona la posibilidad de preparar un filtro modulado térmicamente en un material óptico transparente, pero no se menciona el silicio o similar.
Es caro fabricar un interferómetro mecánico, y por tanto este procedimiento de medida no ha 20 sido adecuado para sensores de CO económicos y producidos en masa para su uso, por ejemplo, en alarmas contra incendios para el mercado doméstico y la vigilancia de los procedimientos en incineradores.
Hacia 1990, Michael Zochbauer realizó algunos experimentos calentando un disco de silicio para cambiar la longitud de onda óptica [Zochbauer, artículo]. De esta forma, el filtro de interferencia se 25 convierte en un componente económico. El ciclo de calentamiento y enfriamiento demostró ser lento y consumía bastante energía. Además, era difícil conseguir una temperatura uniforme sobre el disco.
Así, un objeto de esta invención es proporcionar un filtro de interferencia ajustable con máxima producción de luz que también haga posible realizar medidas de correlación y anticorrelación en situaciones similares si fuera posible, por ejemplo con conmutación rápida entre dos condiciones de 30 interferencia.
Estos objetos se obtienen usando un filtro ajustable según las reivindicaciones adjuntas.
La invención se describirá en más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos que ilustran la invención por medio de ejemplos.
la fig. 1 ilustra según se ha mencionado anteriormente el espectro de transmisión para 35 CO, y para un filtro de Fabry-Perot;
la fig. 2 ilustra según se ha mencionado anteriormente una estructura habitual para realizar medidas de gases según la técnica conocida;
las fig. 3A-D ilustran realizaciones alternativas de la presente invención, así como el equivalente óptico de esta realización; 40
la fig. 4 ilustra una forma micromecánica de realización de la invención;
las fig. 5A-B ilustran una realización alternativa de la invención;
la fig. 6 ilustra una realización de la invención que tiene un patrón de enfoque en una superficie.
En las fig. 3B y 3C se ilustra un filtro de interferencia que consiste en dos discos de silicio I, II. 45 La interferencia dominante de la luz 10 que oscila en el filtro está entre las dos transiciones 2 entre silicio y aire. En el otro lado de los discos se coloca una capa de antirreflexión 3. El resultado de esto es que el filtro de interferencia actuará como un único disco de silicio 1, excepto para una cavidad “invisible”, de manera que la situación del equivalente óptico se convierte en la ilustrada en la fig. 3A, en la que el filtro de interferencia está ilustrado como un disco de silicio 1 con una superficie reflectante 2 en ambos lados. 50 Al cambiar la cavidad, es decir la distancia entre los discos I, II en la fig. 3B, cambiará la longitud total del camino óptico entre las superficies reflectantes que proporcionan la interferencia. A continuación puede ajustarse el filtro en modos de correlación y anticorrelación, de manera que se consiga la flexibilidad de un interferómetro que use la cavidad y los espejos, al mismo tiempo que se mantienen las ventajas del
material de silicio, es decir, altos ángulos de grosor total incidente y reducido. El grosor reducido y la distancia de cavidad corta facilitan por lo general la obtención de superficies paralelas. Como es evidente a partir de los dibujos, la diferencia entre las fig. 3B y 3C es sólo que se gira un disco de silicio, lo que afecta sólo a la longitud del camino óptico entre las dos superficies reflectantes.
La cavidad sólo tiene que ser lo suficientemente grande para permitir un ajuste práctico en el 5 intervalo de /4 a /2, dependiendo de la tolerancia y la estabilidad de la realización real.
El material usado es preferentemente silicio, aunque también es posible conseguir buenos resultados con otros materiales. Un ejemplo es el germanio, que tiene un índice de refracción todavía más elevado que el silicio. En una realización alternativa, la cavidad variable puede rellenarse, por ejemplo, con un gel que tenga un índice de refracción adecuado, con el fin de aumentar todavía más la 10 eficacia del filtro. En usos corrientes, sin embargo, contendrá aire.
La capa de reflexión consistirá normalmente en superficies planas y esencialmente paralelas entre el aire y el material, que para el silicio darán una reflectancia de aproximadamente 0,3, aunque pueden contemplarse diferentes tratamientos de superficie para ajustar la finura del filtro. La capa de antirreflexión o la superficie de reducción de la reflexión pueden consistir en una o más capas de 15 diferentes índices de refracción. Esta es una tecnología conocida de por sí y no se describirá aquí en detalle, aunque puede proporcionarse como una capa de 0,65 m de SiO con funcionamiento a longitudes de onda en el intervalo de 4,75 m. También pueden usarse otras técnicas como silicio poroso o transiciones graduales en índice de refracción. Lo más importante es que se tenga un coeficiente de reflexión mínimo para el intervalo de longitudes de onda de interés. El restante coeficiente 20 de reflexión afectará a las dos medidas de manera diferente. La interferencia de una capa puede reducirse todavía más haciendo una superficie 4 rugosa o inclinada, según se ilustra en la fig. 3D.
Las figs. 4 y 5 ilustran cómo se piensa que debe implementarse el filtro basándose en soluciones conocidas de por sí para unión y micromecanizado de obleas. Como resulta evidente a partir de la fig. 4 el filtro en este caso está constituido por un sustrato 6 con un disco que se sostiene a una 25 distancia escogida sobre el sustrato. Al aplicar una tensión eléctrica entre el disco de silicio 6, que constituye uno de los reflectores y el material transparente en el filtro, y el sustrato subyacente 7 con el segundo reflector, se puede ajustar la distancia entre ellos mediante atracción electrostática. Así el grosor de la cavidad se modifica de una forma sencilla. En la fig. 4 las dimensiones en las diferentes direcciones están desproporcionadas, para los fines de la ilustración, para una realización realizable en la 30 práctica.
La fig. 4 ilustra una sección de una realización preferida de la invención que comprende un filtro de Fabry-Perot ajustable con movimiento electrostático de los elementos que usan los electrodos 5 acoplados con fuentes de tensión adecuadas (no mostradas). Con la atracción electrostática entre el disco superior 6 y el sustrato 7 se tira del disco hacia abajo y la cavidad entre ellos se reduce. Esto 35 puede realizarse mediante producción en masa fotolitográfica basada en unión y pulido de obleas.
Las figs. 5A y 5B ilustran un principio alternativo en el que el grosor de la cavidad se ajusta usando un accionador piezoeléctrico 11. Como es evidente a partir de la fig. 5B, la luz 10 pasa a través del Fabry-Perot, de manera que la luz incide desde un lado y puede medirse la transmisión de luz en el otro lado del filtro. Al disco y al sustrato puede proporcionárseles una superficie reflectante y una capa de 40 reducción de reflejos en el otro lado. El orden de estos elementos puede hacerse variar siempre y cuando la cavidad y al menos un disco de silicio se encuentren entre las capas de reflexión. Estas consideraciones también pueden realizarse, naturalmente, en relación con la solución ilustrada en la fig. 4. Además de estas soluciones, la distancia entre las capas de reflexión puede ajustarse también, naturalmente, eligiendo la temperatura, según se describe en la técnica conocida, posible para ajuste 45 aproximado para el intervalo de medida de interés. Así, los medios resultantes para ajustar la longitud del camino óptico a través del filtro comprenderán una combinación de temperatura y control de distancia.
Además de las soluciones mostradas aquí, el disco de silicio puede estar provisto de un patrón, por ejemplo, para enfocar la luz que pasa a través del elemento. Pueden ser patrones de difracción, lentes de Fresnel o placas zonales 8 según se ilustra en la fig. 6 en la que la luz pasa también a través 50 del filtro y se enfoca hacia un punto. Esto puede sustituir a los otros tipos de filtros en el sistema óptico ilustrado en la fig. 2, y así se puede reducir la complexidad y los requisitos de ajuste entre los diferentes componentes.
Según otra realización de la invención, el disco de silicio, adicionalmente o como alternativa, puede estar provisto de un patrón mayor de superficies reflectantes para proporcionar diferentes 55 distancias de cavidad en diferentes posiciones en el disco. De esta forma, las diferentes partes del espectro luminoso pueden analizarse en diferentes posiciones del disco, y las posibles lentes de difracción pueden dirigir la luz a diferentes direcciones para un análisis independiente. Esto proporciona la posibilidad de análisis en paralelo para diferentes intervalos de longitudes de onda de la luz, y se trata más específicamente en la solicitud de patente noruega nº 2005.1850 registrada simultáneamente, y en 60
la solicitud internacional [publicación WO-2006/110041-A1] registrada con prioridad a partir de dicha solicitud.
Referencias
1. Barrett JJ. 1974. Patente de EE.UU. nº 3.939.348.
2. Rabbett MD. 1997. Patente de EE.UU. nº 5.886.247. 5
3. Zochbauer M. 1994. Technisches Messen 61:195-203.
Claims (10)
- REIVINDICACIONES1. Filtro de interferencia ajustable para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido de longitudes de onda, que comprende un camino de luz definido y al menos dos superficies reflectantes esencialmente paralelas colocadas en dicho camino de luz y separadas por una 5 distancia escogida que define un resonador delimitado por las superficies reflectantes entre las que puede oscilar la luz, y siendo al menos una de dichas superficies semitransparente para la transmisión de luz hasta o desde el resonador, comprendiendo el filtro:un primer material transparente con un grosor escogido y que tiene un índice de refracción escogido comparable o superior al del silicio colocado entre dichas superficies reflectantes en dicho camino de luz, 10medios de separación para definir una cavidad entre el primer material transparente y al menos una de las superficies reflectantes, y dispositivo de medios de ajuste para ajustar la distancia entre dichas superficies reflectantes y ajustar así la longitud del camino óptico de los resonadores, yuna superficie de interfase entre dicho material transparente y dicha cavidad en dicho camino de luz que comprende medios de reducción de la reflexión para reducir la reflexividad de dicha superficie de 15 interfase en dicho intervalo de longitudes de onda.
- 2. Filtro según la reivindicación 1, en el que la primera superficie reflectante constituye un lado de dicho material transparente, y estando dicha superficie de interfase que tiene reflexividad reducida colocada en el lado opuesto de este, y la segunda superficie reflectante está colocada en un material portador en el lado opuesto de dicha cavidad. 20
- 3. Filtro según la reivindicación 2, en el que dicho primer material transparente está constituido por un disco colocado sobre dicha segunda superficie reflectante, de manera que la primera superficie reflectante está en el lado superior del disco y la(s) capa(s) de reducción del reflejo está(n) colocada(s) en el lado inferior del disco.
- 4. Filtro según la reivindicación 3, que comprende medios de acoplamiento para acoplarse a una 25 fuente de tensión y conductores eléctricos relacionados con cada una de las dos superficies reflectantes, para proporcionar así ajuste electrostático de la distancia entre ellos.
- 5. Filtro según la reivindicación 1, en el que al menos una de dichas superficies reflectantes comprende un patrón tridimensional, constituyendo dicho patrón un filtro de difracción por ejemplo para transmisión o reflexión de luz con diferentes longitudes de onda en diferentes direcciones. 30
- 6. Filtro según la reivindicación 5, en el que dicho patrón constituye al menos una lente de difracción adaptada para enfocar luz con diferentes longitudes de onda hacia diferentes puntos.
- 7. Filtro según la reivindicación 1, en el que dicha cavidad está llena de un material flexible, por ejemplo un gel que tiene un índice de refracción escogido.
- 8. Filtro según la reivindicación 1, en el que dicha interfase con reflexividad reducida comprende al 35 menos una capa de materiales que tienen un índice de refracción que es diferente del índice de refracción de la cavidad y del material transparente, y con un grosor que en una forma conocida de por sí reduce las reflexiones en dicha interfase dentro del intervalo escogido de longitudes de onda.
- 9. Filtro según la reivindicación 1, en el que al primer material transparente se le proporciona una superficie de reflexión en un lado y medios de reducción de la reflexión en el otro lado y el filtro 40 comprende también un segundo material transparente que tiene una superficie de reflexión en un lado y medios de reducción de reflexión en el otro lado, en el que los dos materiales transparentes están orientados de manera que las superficies proporcionadas con medios de reducción de la reflexión están enfrente una de otra, estando separadas por dichos medios de separación y estando la distancia entre ellas ajustada por dichos medios, incluyendo así el resonador dos materiales transparentes. 45
- 10. Filtro según la reivindicación 1, en el que la distancia entre las superficies reflectantes se escoge de manera que proporcionan interferencia dentro de un intervalo de longitudes de onda que corresponde a un intervalo de longitudes de onda de absorción escogidas que caracterizan al gas que se va a detectar.
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