JP2010512503A - 光パワーエンハンスメントキャビティをもつ安定な光音響希ガス検出器 - Google Patents

Abstract

気体混合物における希ガスの濃度を検出する光音響希ガス検出器１００が提供される。光音響希ガス検出器は、光源１０１、光キャビティ１０４ａ及び１０４ｂ、割合調節手段１０５，１１１及びトランスデューサ１０９を有する。光キャビティは、前記気体混合物を含み、光強度を増幅する。光ビームの波長と光キャビティの長さの割合が共振値を有するときに最大の増幅が与えられる。割合調節手段は、光ビームを、音波を生成するために光パルスの系列に変換するため割合を調節する。音波の振幅は、希ガスの濃度の測定値である。トランスデューサは、音波を電気信号に変換する。

Description

本発明は、気体混合物における希ガスの濃度を検出する光音響希ガス検出器に関し、光音響希ガス検出器は、光ビームを生成する光源、気体混合物を含み、光ビームの光強度を増幅する光キャビティであって、光ビームの波長と光キャビティの長さの割合が共振値を有するときに最大の増幅を与える光キャビティ、前記割合を調節する割合調節手段、及び、気体混合物における音波を電気信号に変換するトランスデューサを有する。

係る検出器は、Rossi等による文献“Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity”Applied Physics Lattersから知られている。ここで記載される検出器は、音響セルに含まれるガスを通して刻まれたレーザビームを送出する。レーザビームは、光ビームを周期的に遮断する回転するディスクチョッパにより刻まれる。レーザ波長は、ガスの特定の分子を高いエネルギーレベルに励起するために同調される。この励起は、熱エネルギーの増加を齎し、音響セル内の局所的な温度及び圧力の上昇を招く。チョッピング周波数が音響セルの共振周波数に整合する場合、圧力の変動は、音の定在波を生じる。これらの音波は、音響セルにおけるマイクロフォンにより検出される。係る音響セルの共振周波数は、典型的に、数ｋＨｚのオーダである。Ｒｏｓｓｉ等の検出器では、２．６ｋＨｚのチョッピング周波数が使用される。

また、Ｒｏｓｓｉ等は、キャビティ長のレーザ波長をロックすることで、音響セルにおける光強度を増幅するファブリペローキャビティを使用することを記載している。検出器の感度がレーザパワーに比例するため、増幅は非常に有利である。フィードバック信号は、ファブリペローキャビティの背後に位置されるフォトダイオードから得られる。フィードバック信号を生成するため、レーザ波長は、微小な正弦波波形を電源電流に加えることで弱く変調される。レーザビームは、光キャビティを通過し、フォトダイオードに局所化される。フォトダイオード信号は、次いで、レーザ波長をキャビティ長にロックするため、レーザ波長に関するフィードバックのために使用される。

光音響希ガス検出器の重要な応用は、呼気検査である。呼気検査は、医療技術の有望な領域である。呼気検査は、非破壊の、ユーザフレンドリであって低コストである。呼気検査の主要な例は、ぜんそくのモニタ、アルコール呼気検査、並びに、胃の障害及び急性の臓器の拒否反応の検出である。最初の臨床試験は、乳癌及び肺癌のプレスクリーニングにおける可能な用途を示す。これらの揮発性のバイオマーカは、１億分の１のレンジで典型的な濃度を有する。酸化窒素（ＮＯ）は、人間の呼吸における最も重要な気化ガスのうちの１つであり、上昇された酸化窒素の濃度は、ぜんそく患者で発見することができる。現在、ｐｐｂ濃度での息を吐き出されたＮＯレベルは、化学発光又は光吸収の分光学に基づいた高価且つ大きな機器を使用してのみ測定される。コンパクト、ハンドヘルド、及び低コストのＮＯセンサは、気道の炎症を診断及びモニタすることができ、診療所で且つ家庭での治療の制御向けに使用することができる有用な装置を形成する。

"Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity", Rossi et all, Applied Physics Latters

これらハンドヘルド気体分析装置にとって、十分に高い感度（ｐｐｂレベル）を、シンプルなデザイン且つ高いロバスト性をもつ小型の携帯装置と組み合わせることが必要とされる。現在の光音響希ガス検出器は、小型ファクタのレーザ（すなわちダイオードレーザ）は希ガスの検出のために必要とされる感度に到達するため、十分なレーザパワーを有さないという問題点を有する。Ｒｏｓｓｉ等により記載された光パワーエンハンスメントキャビティの使用は、光パワーを増加する。しかし、Ｒｏｓｓｉ等の設計は、高いロバスト性を保持しつつ、携帯できる大きさに容易にスケーリング可能ではない。

本発明の目的は、より簡単な設計をもつ開始節に従う光音響希ガス検出器（a photo acoustic trace gas detector）を提供することにある。

本発明の第一の態様によれば、開始節に係る光音響希ガス検出器を提供することで、上記目的は達成される。割合調節手段は、光ビームを、音波を生成する光パルスの系列に変換する割合を調節し、音波の振幅は、希ガスの濃度の測定値である。

割合を調節することで、光キャビティにおける光強度の振幅も調節される。割合が共振値を有するたびに、増幅は最大となる。割合が共振値から離れるとき、増幅は最小である。割合の調節の範囲は、気体混合物において音波を発生するために十分な光強度で光パルスを発生するために十分に選択される。音波は、そこから希ガスの濃度を導出可能であるために十分な振幅を有する必要がある。生成される音の量は、関心のある希ガスの濃度に依存する。好ましくは、割合は、最小の増幅と最大の増幅の間で増幅が変動するように調節される。光強度の調節の振幅が高くなると、希ガスの検出の精度が高くなる。本発明に係る光音響検出器は、チョッパを必要としないが、キャビティの固有な特性を使用してチョッパの代わりにキャビティにおける励起電力を調節する。これにより、少ないコンポーネントにより、移動部分を殆ど要しないシンプルな設計となる。

好ましくは、割合の調節手段は、共振値の前後で割合を調節する。調節のそれぞれの期間の間、共振値は、割合が増加するときに１度、割合が減少するときに１度で２度取得される。結果的に、共振値の前後で、周波数ｆで割合を調節するとき、光パルスは、周波数２ｆで、光キャビティで生成される。また、光音響信号は、周波数２ｆで生成される。共振値の前後の調節の利点は、キャビティにおけるパワーが高く、光音響信号が強いことである。

好適な実施の形態では、検出器は、増幅を調整するフィードバックループを更に有し、フィードバックループは、光パルスの光強度を測定する光検出器を有する。また、検出器は、光検出器及び割合調節手段に結合され、測定された光強度に依存して、共振値の前後で実質的に対称に調節が実行されるように割合の平均を調節する。

この実施の形態によれば、割合は、最適値の前後で対称に保持され、光パルスは、規則的な時間間隔で形成される。結果として、気体混合物における圧力の変動は、規則的な時間間隔で生成され、これにより希ガスの検出が支援される。

好ましくは、調節手段は、測定された光強度の周波数成分を計算する。測定された光強度の周波数成分を計算することで変調周波数ｆの倍数で、送信された信号の振幅成分は決定される。最適値の前後で正確に対称に調節が行なわれる場合、周波数２ｆで規則的な時間間隔で光パルスが生成され、フォトダイオード信号は、変調周波数の偶数倍の周波数ｆ（２ｆ，４ｆ,．．．，２ｎｆ）での振幅成分のみを含む。最適値の前後で正確に対称的に実行されない場合、周波数の奇数倍の周波数ｆ（１ｆ，３ｆ，．．．，（２ｎ＋１）ｆ）がフォトダイオード信号に含まれる。これら奇数の周波数成分は、変調が最適な割合で正確にセンタリングされるときにゼロである。奇数の周波数成分が検出されたとき、調節手段は、共振値の前後で実質的に対称に調節が行なわれるように割合の平均を調節する。フィードバックの方向を決定するため、奇数の周波数信号の位相が使用される場合がある。

割合の変調は、光ビームの波長を調節するか、又は光キャビティの長さを調節することで行なわれる。光キャビティの長さを調節することは、より高速に且つより正確に行われるという利点を有する。光ビームの波長を調節することは、検出器が移動部分を必要としないという利点を有し、これは、ロバスト且つ小型の携帯用の検出器の製造にとって非常に有利である。

好適な実施の形態では、トランスデューサは水晶発振子である。水晶発振子は、先の従来技術のシステムで使用されるマイクロフォンよりも感度が高い。結果的に、高感度の光音響希ガス検出器が得られる。更なる利点として、高感度の水晶発振子は、音響セルの使用を不要にし、これにより、検出器の構築を簡単にする。

更なる実施の形態では、水晶発振子は、水晶音さである。水晶音さは、高い精度を有する。さらに、水晶音さは、たとえばデジタル時計の製造のために、大型で使用されるために高価ではない。

本発明の第二の態様によれば、光ビームを発生するステップ、光ビームを気体混合物における音波を生成する光パルスの系列に変換するステップを有する方法が提供され、この音波の振幅は、希ガスの濃度の測定値であり、光ビームの波長と光キャビティの長さの割合が共振値を有するときに光キャビティは最大の振幅を与える。本方法は、音波を電気信号に変換するステップを含む。変換するステップは、割合を変調するステップを含む。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施の形態を参照して明らかにされるであろう。

本発明に係る光音響希ガス検出器の実施の形態を示す図である。 光キャビティの長さに関する光キャビティにおける光強度の依存性を示す図である。 割合の調節の間の光キャビティにおける光強度の時間依存性を示す図であり、変調は最適値の前後で対称的に実行される。 図３ａに示される測定された光強度の周波数スペクトルを示す図である。 割合の調節の間の光キャビティにおける光強度の時間依存性を示す図であり、調節は最適値の前後で対称的に実行されない。 図４ａに示される測定された光強度の周波数スペクトルを示す図である。 本発明に係る方法のフローチャートである。

図１は、本発明に係る典型的な光音響希ガス検出器１００を示す。光源１０１は、連続波の光ビームを供給する。好ましくは、光源１０１は、レーザビームを供給する。光ビームは、光キャビティに送出され、この光キャビティは、２つの半透明なミラー１０４ａ及び１０４ｂにより定義される。光ビームは、入力ミラー１０４ａを通して光キャビティに入力し、２つのキャビティミラー１０４ａと１０４ｂの間で多数回にわたり反射される。２つのミラー１０４ａ及び１０４ｂの間の距離がレーザの波長に一致する場合、定在波が生じ、光強度が増幅される。キャビティミラー１０４ａ，１０４ｂのうちの１つに取り付けられた、たとえば圧電アクチュエータといったアクチュエータは、光キャビティの長さを調節するために使用される。光キャビティの長さを調節することで、レーザの波長とキャビティの長さとの割合が調節される。光強度の最大の増幅は、その割合の共振値で達成される。調節エレクトロニクス１１１は、アクチュエータ１０５を制御し、周波数ｆで最大の増幅を提供する長さの前後でキャビティの長さを変更する。キャビティの長さの調節のそれぞれの期間の間、キャビティの長さは、光ビームの波長に２度整合する。光パルスは、周波数２ｆで生成される。代替的に、調節エレクトロニクス１１１は、アクチュエータ１０５が検出器で必要とされないケースである光ビームの波長を変更するか、キャビティの長さと波長の両者を変更することで割合を変える。

出力ミラー１０４ｂにより送出される光は、光検出器１１０で測定される。光検出器１１０からの信号は、光ビームの波長又は光キャビティの長さについてフィードバック信号として使用される。最適値の前後で調節が正確に対称的に行なわれる場合、周波数２ｆで規則的な時間間隔で光パルスが生成され、光検出器信号は、変調周波数の偶数倍の周波数ｆ（２ｆ，４ｆ，．．．，２ｎｆ）での振幅成分のみを含む。最適値の前後で調節が正確に対称的に行なわれない場合、光検出器信号には、変調周波数の奇数倍の周波数ｆ（１ｆ，３ｆ，．．．，（２ｎ＋１）ｆ）での振幅成分が含まれる。調節が最適な割合に関して正確にセンタリングされるとき、これら奇数の周波数成分はゼロである。奇数の周波数成分が検出されるとき、調節エレクトロニクス１１１は、調節エレクトロニクス１１２により制御され、共振値の前後で実質的に対称に再び調節が行なわれるように、割合の平均が調節される。

光キャビティ内部で、検査されるべき気体混合物を含むため、ガスセル１０６が位置される。任意に、ガスセル１０６は、ガスセル１０６を通してガスの流れを可能にするため、ガスの吸気口１０７及びガスの排気口１０８を有する。レーザ波長が分子遷移、すなわちＥＩ→ＥＫになる場合、下位レベルＥＩにおけるガスの分子の幾つかは、上位レベルＥＫに励起される。他の原子又は分子との衝突により、これら励起された分子は、それらの励起エネルギーを、衝突相手の並進、回転又は振動エネルギーに移す。熱平衡で、これは、熱エネルギーの増加を引き起こし、ガスセル１０６内の局所的な温度及び圧力の上昇となる。それぞれの光のパルスは、圧力に於ける上昇を引き起こし、その後、圧力は、次のパルスが到達する前に再び減少する。この圧力の増加及び減少により、上述されたように、変調周波数の２倍の周波数を有する音波が得られる。ガスセル１０６の中央には、たとえばガスにおける吸収光により生成される音波を受けるマイクロフォンといったトランスデューサ１０９が配置される。好ましくは、トランスデューサ１０９は、ガスにおける吸収光により生成される音波を拾い上げる共振周波数をもつ、たとえば水晶音さといった水晶発振子である。水晶発振子の使用により、Ｒｏｓｓｉ等により使用される音響セルが不要となる。

図２は、光キャビティの長さ（ｘ軸）に対する光キャビティにおける光強度（ｙ軸）の依存度を示す。キャビティの長さが光ビームの波長の倍数に整合するとき、キャビティ内で光は共振し、キャビティ内の光パワーが増加する。キャビティの長さが共振の長さよりも短くなるか又は長くなるとき、キャビティにおける光パワーは、最大パワーの一部分に減少する。同じ効果は、光ビームの波長を変えるか、代わりに又は更にキャビティの長さを変えることで得られる。

割合の調節は、最小値と最大値との間で光強度が変化されるように行なわれることが好ましい。中央において共振値をもつレンジ２１を通して調節を行なうことが好ましい。共振値の周辺での調節は、安定なフィードバックループを可能にする。共振の長さ５０の前後で５の振幅（任意の単位）によりｆ＝２０ｋＨｚでキャビティの長さが調節されたとき、キャビティは、共振の内外となる。これにより、図３ａに示されるような送出された信号が得られる。図３ａは、割合の調節の間に光キャビティにおける光強度（ｙ軸）の時間依存（ｘ軸）を示す。キャビティの長さの調節のそれぞれの期間の間、キャビティの長さは、光ビームの波長の倍数に２度整合し、一度は、キャビティの長さが４５から５５になるときであり、一度は、キャビティの長さが５５から４５に戻るときである。光パルスは、周波数２ｆで生成される。割合の共振値の周辺で対称的に調節が実行されるため、光パワーにおけるピークは、規則的なインターバル３１で生じる。結果として、気体混合物における圧力の変動は、規則的な時間間隔で生成される。トランスデューサ１０９は、音波を検出し、それらを気体混合物における希ガスの濃度に関する情報を含む電気信号に変換する。

図３ｂは、図３ａで示される測定された光強度の周波数スペクトルを示す。周波数スペクトルは、測定された光強度のフーリエ変換を計算することで得られる。図３ｂにおいて、変調周波数ｆの倍数での送信された信号の振幅成分が決定される。図３ａ及び図３ｂに示される状況の場合のように、最適値の前後で対称的に調節が行われる場合、周波数２ｆで規則的な時間間隔で光パルスが生成され、フォトダイオード信号は、変調周波数の偶数倍の周波数ｆ（２ｆ，４ｆ，．．．，２ｎｆ）での振幅成分のみを含む。

好ましくは、フォトダイオード信号が近似的に正弦波となるように調整が行なわれる。結果として、大部分のパワーは、最も低い高調波（２ｆ）で集中される。これは、光音響信号の大部分がこの周波数で生成されるという利点を有する。このことは、光音響にとって、信号強度は高い周波数で弱くなるので重要である。

図４ａは、割合の調節の間の光キャビティにおける光強度の時間依存を示し、この割合は、最適値の前後で対称的に実行されない。図４ａに示される例では、調節のレンジのオフセットが与えられる。キャビティの長さは、長さ５２の前後で５の振幅で調節され、共振の長さは、５０である（図２参照）。送出された信号の応答は、図３ａに示された応答とは全く異なる。信号は、むしろ非対称的となり、奇数の周波数成分が存在することとなる。

図４ｂは、図４ａで示された測定された光強度の周波数スペクトルを示す。オフセットのため、奇数倍の変調周波数（ｆ，３ｆ，．．．，（２ｎ＋１）ｆ）がフォトダイオード信号に含まれることが図４ｂから明らかである。奇数の周波数成分が検出されたとき、調節エレクトロニクス１１２は、共振値の前後で実質的に対称的に調節が再び行なわれるように、割合の平均を調節する。共振の調節のバンドは、奇数周波数で測定される信号成分を低減することで発見及び保持される。奇数周波数の１つ又は任意の組み合わせは、エラー信号を生成するために使用される。この信号がゼロになるとき、最適な位置が発見される。駆動の調節に関するこの成分の移動は、エラー信号の符号を与える。先に記載される実施の形態では、エラー信号を発生するためにフーリエ変換が実行される。当業者であれば、所定の周波数成分を選択して、フィードバック信号を生成するために復調及び位相の感度の高い検出と組み合わされる、たとえば電子的なフィルタが使用されることが分るであろう。代替的に、所定の周波数成分の振幅及び位相を測定するため、ロックイン技術が使用される場合がある。

図５は、本発明に係る方法５０のフローチャートである。気体混合物における希ガスの濃度を検出する方法５０は、光ビームを生成する光生成ステップ５１を含む。好ましくは、光ビームは、希ガス分子における分子遷移となる波長での連続波のレーザビームである。光ビームは、光キャビティに送出される。変換ステップ５２では、光ビームは、気体混合物において音波を生成するため、光パルス系列に変換される。音波の振幅は、希ガスの濃度の測定値である。この変換は、光ビームからの光が、交互に共振となり、共振から外れるように、キャビティの長さの調節に作用する。好ましくは、キャビティの共振値の前後で調節が行なわれる。共振により、気体混合体を含む光キャビティにおける光の振幅となる。キャビティで生じる最も高い強度レベルと最も低い強度レベルとの間の差が十分に大きい場合、光パルスは、圧力の変動を引き起こす場合がある。検出ステップ５３で、圧力の変動は、音波として検出され、希ガスの測定された濃度を表す電気出力信号に変換される。フィードバック５４で、フォトダイオード１１０は、光キャビティの背後の光強度を測定し、フォトダイオード信号に依存して、共振値の前後で正確に調節が行なわれるかが判定される。必要な場合、フォトダイオード信号に依存して、変換ステップ５２におけるキャビティの長さの調節は、更に正確な希ガスの検出５３を提供するために行なわれる。

なお、光キャビティ及び水晶発振子の有利な組み合わせは、原理的に、異なるフィードバックループ及び／又は調節スキームを使用して希ガス検出器で達成される。マイクロフォンの代わりに、水晶発振子が使用されるとき、水晶発振子の共振周波数に整合する変調周波数を使用することが重要である。

上述された実施の形態は、本発明を限定するものではなく例示するものであり、当業者であれば、特許請求の範囲から逸脱することなしに、多くの代替的な実施の形態を設計することができる。請求項では、括弧間に配置される参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。動詞「有する“comprise”」及びその派生の使用は、請求項で述べた以外のエレメント又はステップの存在を排除するものではない。エレメントに先行する冠詞“a”又は“an”は、複数の係るエレメントの存在を排除しない。本発明は、幾つかの個別のエレメントを有するハードウェアにより、適切にプログラムされたコンピュータにより実現される。幾つかの手段を列挙した請求項では、これら手段の幾つかは、同一アイテムのハードウェアにより実施される場合がある。所定の手段が多数の異なる従属の請求項で引用される事実は、これらの手段の組み合わせを使用することができないことを示すものではない。

Claims (9)

1. 気体混合物における希ガスの濃度を検出する光音響希ガス検出器であって、
   光ビームを生成する光源と、
   前記気体混合物を含み、前記光ビームの光強度を増幅する光キャビティであって、前記光ビームの波長と前記光キャビティの長さの割合が共振値を有するときに最大の増幅を与える光キャビティと、
   前記割合を調節する割合調節手段と、
   前記気体混合物における音波を電気信号に変換するトランスデューサとを有し、
   前記割合調節手段は、前記光ビームを光パルスの系列に変換して前記音波を生成するために前記割合を調節し、前記音波の振幅は、前記希ガスの濃度の測定値である、
   ことを特徴とする光音響希ガス検出器。
2. 前記割合調節手段は、前記共振値の前後で前記割合を調節する、
   請求項１記載の光音響希ガス検出器。
3. 前記増幅を調整するフィードバックループを更に有し、
   前記フィードバックループは、
   前記光パルスの光強度を測定する光検出器と、
   前記光検出器と前記割合調節手段とに結合され、前記測定された光強度に依存して、前記共振値の前後で実質的に対称的に前記調節が行なわれるように前記割合の平均を調整する調整手段とを有する、
   請求項１記載の光音響希ガス検出器。
4. 前記調整手段は、前記測定された光強度の周波数成分を計算する、
   請求項３記載の光音響希ガス検出器。
5. 前記割合調節手段は、前記光ビームの波長を調節する、
   請求項１記載の光音響希ガス検出器。
6. 前記割合調節手段は、前記光キャビティの長さを調節する、
   請求項１記載の光音響希ガス検出器。
7. 前記トランスデューサは、水晶発振子である、
   請求項１記載の光音響希ガス検出器。
8. 前記水晶発振子は、水晶音さである、
   請求項７記載の光音響希ガス検出器。
9. 気体混合物における希ガスの濃度を検出する方法であって、
   光ビームを生成するステップと、
   前記光ビームを、前記気体混合物において音波を発生するために光パルスの系列に変換するステップと、前記音波の振幅は、前記希ガスの濃度の測定値であり、
   前記気体混合物を含む光キャビティで光を増幅するステップと、前記光キャビティは、前記光ビームの波長と前記光キャビティの長さの割合が共振値を有するときに最大の増幅を与え、
   前記音波を電気信号に変換するステップとを含み、
   前記変換ステップは、前記割合を調節するステップを含む、
   ことを特徴とする方法。

Images