JP2011513744A - バックグラウンド補償を有する光音響サンプル検出器 - Google Patents

Abstract

サンプル混合物中のサンプルの濃度を検出する光音響検出器であり、光音響検出器は、サンプルの分子を励起するための光ビームを生成する光源と、サンプル混合物に圧力バリエーションを生成するために、光ビームの強度を変調させる光変調器であって、圧力バリエーションの振幅がサンプルの濃度の尺度である、光変調器と、圧力バリエーションを増幅するための音響共振器を有する音響セルと、を有する。更に、光音響検出器は、音響共振器内の圧力バリエーションを検出器信号に変換する共振ピックアップ素子と、１）圧力バリエーションによって引き起こされるサンプル信号、及び２）光ビームによるピックアップ素子の直接の励起によって引き起こされるバックグラウンド信号、を生成するように、検出器信号を処理する処理セクションと、を有する。音響セル及びピックアップ素子は、バックグラウンド信号とサンプル信号との間の位相差が約９０°であるように構成される。

Description

本発明は、サンプル混合物中のサンプルの濃度を検出する光音響検出器であって、光源と、光変調器と、音響共振器を有する音響セルと、共振ピックアップ素子と、処理セクションと、を有する光音響検出器に関する。光源は、サンプルの分子を励起するための光ビームを生成する。光変調器は、サンプル混合物に圧力バリエーションを生成するために、光ビームの強度を変調させる。ここで、圧力バリエーションの振幅は、サンプルの濃度の尺度である。音響共振器は、圧力バリエーションを増幅する。ピックアップ素子は、圧力バリエーションを検出器信号に変換する。処理セクションは、圧力バリエーションによって引き起こされるサンプル信号を生成するように、検出器信号を処理する。

本発明は更に、このような光音響検出器を製造する方法に関する。

このような光音響検出器は、産業において微量気体モニタリングのために使用され、将来、呼吸テスト（喘息、アルコール、胃障害）又は空気汚染測定のためにも使用されることができる。

振幅変調される光音響検出の不利益は、変調レーザによって生成されるバックグラウンド信号が関心のあるサンプル信号と同じ周波数にあることである。これは、波長変調と対照的であり、波長変調の場合、レーザは、周波数ｆで変調され、信号は周波数２ｆで検出される。しかしながら、波長変調は、例えば青色ダイオードレーザによるＮＯ_２検出の場合は可能でなく、この理由は、４００ｎｍのＮＯ_２吸収スペクトルは、レーザダイオードの波長チューニングレンジよりずっと広いからである。最適な検出のために、音叉ピックアップ素子が、光経路に位置する場合、振幅変調された光の一部は、音叉の直接の励起を生じさせることができ、それによって、検出限界に対応する信号より大きい大きさのオーダでありうるバックグラウンド信号の生成をもたらす。バックグラウンド信号及びＮＯ_２信号は、同一の周波数を有するので、バックグラウンド信号は、ハイパスフィルタを使用してフィルタリング除去されることができない。検出限界を犠牲にせずにバックグラウンド減算を使用するには、非常に安定した、知られているバックグラウンド及び／又はＮＯ_２信号に対して小さいバックグラウンド信号を必要とする。

本発明の目的は、改善されたバックグラウンド補償を有する振幅変調される光音響検出器を提供することである。

本発明の第１の見地によれば、この目的は、冒頭の段落に従う光音響検出器であって、処理セクションが、圧力バリエーションによって引き起こされるサンプル信号及び光ビームによるピックアップ素子の直接の励起によって引き起こされるバックグラウンド信号を生成するように、検出器信号を処理するように構成され、音響セル及びピックアップ素子が、バックグラウンド信号とサンプル信号との間の位相差が約９０°であるように構成される、光音響検出器を提供することによって達成される。

追加の信号強調を与える共振ピックアップ素子は、音響共振器と組み合わされて、ピックアップ素子における光吸収によって生成されるバックグラウンド信号に対する圧力波信号の位相シフトをもたらす。このメカニズムは、音響共振器の壁において生成されることができる、結果的に光音響信号の位相に近い位相を有するバックグラウンド信号とは異なる。例えば、光ビームの直径及び音響共振器の直径の適当な組み合わせによって、壁バックグラウンド信号は、ピックアップ素子のバックグラウンド信号と比較して小さくされることができる。必要に応じて、共振ピックアップ素子の使用によって得られる信号強調は、この目的のために多少妥協されることができる。

減算によるバックグラウンド修正のために必要な振幅の安定性とは対照的に、信号とバックグラウンドとの間の９０°位相差に基づく方法は、位相の安定性のみを必要とする。バックグラウンド信号は、ｃｏｓθとして相対角度に依存するので、バックグラウンド位相の大きいバリエーションのみが、重要なバックグラウンド信号を生じさせる。一旦サンプル信号とバックグラウンド信号との間に約９０°の位相差が得られると、バックグラウンド信号は、位相センシティブな検出を使用して抑制されることができ、バックグラウンド信号のバリエーションは、もはやサンプル濃度検出の正確さに影響を与えなくなる。以下に説明されるように、サンプル信号とバックグラウンド信号との間の位相差を調整するためのいくつかの代替のやり方がある。

バックグラウンド位相バリエーションは、主にピックアップ素子の共振曲線によって決定され、光音響位相（ＰＡ位相）は、ピックアップ素子及び音響共振の双方によって決定される。その結果、共振の近くでは、バックグラウンド信号とＮＯ_２信号との間には一定の位相差がある。製造プロセスにおいて、ピックアップ素子共振周波数と合致するように音響共振周波数をチューニングすることによって、バックグラウンド信号とサンプル信号との間の９０°位相差が達成されることができ、ゆえにバックグラウンドの効果を低減することができる。代替として、セルは、製造後、ユーザによってピックアップ素子の共振周波数に調整されることができる。

本発明の一実施形態によれば、ピックアップ素子の共振周波数は、音響共振器の共振周波数に本質的に等しい。それら２つの共振周波数が等しい場合、位相差は９０°である。共振周波数は、音響共振器の形状及びピックアップ素子の形状に依存する。ピックアップ素子の共振周波数は、例えば、製造プロセスの間、正しい長さの音叉を注意深く選択し又は生成することによって、確立されることができる。

好適には、光音響検出器は更に、位相差を調整する位相調整手段を有する。例えば、ピックアップ素子の表面上の光ビームの光学パワー分布が、調整可能である。

本願発明者は、音叉に関するバックグラウンド信号の位相が、金属電極上の光学パワー分布に非常にセンシティブに依存することに気付いた。音叉のとがった先を通る最大光学パワー送信について最適化の後、光学パワーの量は、電極上に特定の分布を有する。電極感度と共に、これは、特定の位相角をもつバックグラウンド信号を生じさせる。レーザビームのアライメントを調整することによって、バックグラウンド信号の位相は、サンプル信号位相におけるバックグラウンド信号がゼロであるように、調整されることができる。バックグラウンド位相は、サンプル信号に対して９０°をなす。これは、光学送信の非常に小さい損失（〜１％）によって達成されることができ、従って、サンプル信号強度に影響を与えない。

代替として、音響共振器の共振周波数は、例えば音響セルにおけるバッファボリュームの長さを変更することによって、調整可能である。これは、例えば製造プロセスが、音響共振器及びピックアップ素子の共振特性にバリエーションを生じさせる場合、製造業者又はユーザが位相差を約９０°にし、位相差を調整することを可能にする。

本発明の別の見地によれば、光音響検出器を製造する方法であって、サンプルを含まない音響セルにサンプル混合物を充填するステップと、サンプル混合物に圧力バリエーションを生成するために、光ビームの強度を変調するステップと、共振ピックアップ素子から検出器信号を取得するステップと、バックグラウンド信号とサンプル信号との間に約９０°の位相差を得るために、サンプル信号が最小にされ、バックグラウンド信号が最大にされるように、音響セル及びピックアップ素子を構成するステップと、を含む、方法が提供される。

サンプル混合物がサンプルのゼロ又はほぼゼロの濃度を有する場合、サンプル信号は（ほぼ）ゼロであるべきであり、バックグラウンド信号は、検出器信号（の大部分）を占めるべきである。上述したように、音響セル及びピックアップ素子の構成は、それぞれ異なるやり方で実施されることができる。音響共振周波数がピックアップ素子共振周波数と合致するように、正しい長さの音叉を注意深く選択することによって、約９０°の位相差を生じさせることができる。代替として、ピックアップ素子の表面上の光ビームの光学パワー分布が、調整されることができ、又は音響セルが、適切なバッファボリュームを備えることができる。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

光音響検出器の一部分の斜視図。 バッファボリュームを有する光音響検出器の一実施形態を概略的に示す図。 本発明による光音響検出器のブロック図。 変調周波数のドリフトを補償する手段を有する光音響検出器のブロック図。 センサ感度のドリフトを補償する手段を有する光音響検出器のブロック図。

図１は、光音響検出器の一部分についての斜視図を示す。振幅変調されるレーザビーム１１は、気体混合物１４を通過する。気体混合物１４は、低い濃度のサンプル分子１５を含む。レーザビーム１１は、サンプル分子の一部を励起する。励起状態から基底状態に戻るサンプル分子は、局所的な温度上昇を引き起こす。レーザ光１１の変化する強度は、気体混合物１４に圧力波を引き起こす。圧力波は、例えば圧電音叉１０の形の、共振ピックアップ素子を使用して、音波として検出されることができる。音叉１０は、水晶音叉でありうる。音響共振器１２は、音波を増幅する。音叉１０は、サウンド信号を検出器信号１３に変換し、検出器信号１３は、処理ユニットに導かれる。これについては、図３及び図４を参照して詳しく記述される。

音叉１０の利点は、音叉１０が圧力波を検出するのにより一層センシティブ且つ正確であることである。マイクロフォンに代わる音叉１０の使用の不利益は、レーザビーム１１による音叉１０の直接の励起が、サンプル信号と同じ周波数でバックグラウンド信号を生成することである。本発明によれば、音叉１０からの電気信号１３は、圧力バリエーションを表すサンプル信号及びレーザビーム１１による音叉１０の直接の励起を表すバックグラウンド信号を生成するために使用される。処理セクションがこれらの２つの信号を生成するために、光音響検出器は、バックグラウンド信号とサンプル信号との間の位相差が約９０°であるように、構成される。これは、例えば音響共振器１２及び音叉１０の個々の共振周波数が本質的に等しくなるような形状及び寸法を有する該音響共振器１２及び音叉１０を使用することによって、達成されることができる。例えば、検出器の製造プロセスにおいて、音叉１０のとがった先の長さが、音響共振器１２の共振周波数に非常に近い共振周波数を有する音叉１０を得るように調整される。

好適には、光音響検出器は、製造プロセスの直後に位相差を調整する手段を有する。代替として、検出器が使用中である場合、調整は後で行われる。このような調整可能な検出器の一例は、図２に示され、以下に記述される。代替として、位相差は、音叉１０の表面上の光ビーム１１の光学パワー分布が、音叉１０の共振周波数が音響共振器１２の共振周波数と合致するようなものであるように、レーザビーム１１をアラインメントすることによって、調整されることができる。本願発明者は、バックグラウンド信号の位相が水晶音叉の金属電極上の光学パワー分布に非常にセンシティブに依存することに気付いた。

図２は、バッファボリューム２３を有する光音響検出器２０の一実施形態を概略的に示す。図２の光音響検出器２０は、図１に関してすでに上述したすべての構成要素を含む。原則として、共振ピックアップ素子１０は、圧力センシティブなカンチレバー又はメンブレンを組み込んだ共振ＭＥＭＳセンサとして、構成されることもできる。光音響検出器２０は更に、調整可能な側壁２４、気体引入口２１及び気体出口２２を有する２つのバッファボリューム２３を有する。この光音響検出器は、例えば呼吸解析のために使用されることができる。ユーザが息を吐き出すと、吐き出された息が、気体引入口２１を介して気体セルに入る。呼吸が、レーザビーム１１、ピックアップ素子１０及び音響共振器１２を使用して解析され、気体出口２２を介して光音響検出器２０を去る。音響共振器１２の両側に、音響共振器半径より大きい半径を有する小さい非共振ボリューム２３が、加えられる。ボリューム２３のうちの少なくとも一方の少なくとも１つの壁２４の位置が、調整可能である。これらのボリューム２３は、例えばセルの気体引入口２１及び出口２２に接続されることができる。これらのボリューム２３の長さに依存して、それらは、音響共振器１２に、弱く又はややより強く結合する。側壁２４の位置を適当に選択することによって、音響共振周波数は、ピックアップ素子共振周波数にファインチューニングされることができる（ゆえに、位相差を９０°にセットする）。例えば、音響共振器１２が、光強度の振幅変調周波数に対応する音響波長の半分に等しい又はそれに近い長さを有する場合、付加のボリューム２３の長さは、変調周波数に対応する波長の４分の１の長さ付近に調整されることができる。

図３は、本発明による光音響検出器のブロック図を示す。すでに上述した構成要素のいくつかに加えて、図３は、光ビーム１１を生成する光源３３及びレーザビーム１１の強度を変調させる光変調器３１を示す。光変調器は、光源３３を駆動するレーザドライバ３１１及びレーザドライバ３１１に必要な周波数を供給する周波数発生器３１２を有する。図３に示される他の部分３０１−３０５は、光音響検出器２０の処理セクションの構造的及び／又は機能的な構成要素を表す。図３は、単に、本発明による光音響の例示的な実施形態の概略図であることに留意すべきある。他の実施形態において、同様の機能が、代替手段によって及び別なやり方で、実施されることができる。

図３に示される実施形態において、増幅器３０１は、ピックアップ素子１０によって生成される電気信号１３を増幅する。増幅された信号は、第１の同期検出器３０２に向けられる。第１の同期検出器３０２は更に、（周波数発生器３１２からの）入力として変調周波数を有する。第１の同期検出器３０２は、検出器信号１３の同相検出のために使用される。バックグラウンド信号の９０°シフトされた位相により、第１の同期検出器３０２の出力信号は、サンプル濃度にのみ依存し、レーザ光１１による音叉１０の直接の励起には依存しない。９０°位相シフタ３０４及び第２の同期検出器３０５は、（位相がずれた）バックグラウンド信号を検出器信号１３から抽出するために使用される。同期検出器３０５からの信号は、信号及びバックグラウンドの９０°位相差を最適化するために、製造プロセスにおいて使用されることができる。通常動作の間は、同期検出器３０２からの信号のみが、図３に示される実施形態において使用される。

図４は、パワー変調周波数のドリフトを補償する手段を有する光音響検出器２０のブロック図を示す。水晶音叉ピックアップ素子１０の高い品質係数のため、レーザのパワー変調周波数は、最適な変調周波数から容易にずれてドリフトしうる。位相のずれた信号が、この周波数を制御するために、有利に適用されることができる。これは、実際のサンプル測定が実施される前の最適化ルーチンにおいて、又は連続的にアクティブな電子制御ループの形で、実現されることができる。

最初に、共振の近くでは、バックグラウンド信号の位相は、変調周波数に強く依存する。バックグラウンド信号のみ測定する場合、レーザの変調周波数は、バックグラウンド信号が一定の位相の（及びゆえにサンプル信号に対して９０°をなした）ままであるように、共振周波数に同調されることができる。代替として、最適な変調周波数は、（位相のずれた）バックグラウンド信号の最大から決定されることができる。

第２に、安定した電子制御ループが、図４に示されるように実現されることができる。レーザパワー変調用の周波数（数十ｋＨｚ）は、第２の周波数発生器３０８によって、周波数ｆ_１（数Ｈｚ乃至数十Ｈｚ）の（音叉）共振周波数付近で、数Ｈｚの周波数変調振幅を有して、変調される。音叉１０は、それが周波数変調に対する応答を渡すように、十分に「低い」Ｑを有するべきである。４０００の典型的なＱは、１０Ｈｚ変調に適した３０ｍｓの応答時間を得るために、例えば１０００まで低減されるべきである。サンプル信号は、「同相」同期検出及び（ｆ_１をフィルタアウトするための）ローパスフィルタリングの後、得られる。増幅器３０１は、（より低いＱの）音叉１０からの（低減された）信号及びノイズに追加のノイズを加えないものとすると、第１の同期検出器３０２の後のローパスフィルタ３０３により、信号対雑音は、元のレベルに戻されることができる。位相がずれた信号は、同期検出の後、基準としてｆ_１を使用して、第３の同期検出器３０７により、復調される。ちょうど共振において、フィードバック信号は、２＊ｆ_１であり、ｆ_１で復調された信号は、ゼロである。（第２のローパスフィルタ３０６からの）ローパスフィルタリングされた出力は、周波数発生器用の入力として使用されるＤＣ基準電圧３０９に対して、オフセットされたレベルを形成する。このような測定は、サンプル濃度を同時に測定しながら、実施されることができる。

図５は、センサ感度のドリフトを補償する手段を有する光音響検出器のブロック図を示す。図５は、図４のすべての構成要素を示し、加えて、レーザビーム１１のパワーを測定するフォト検出器３２及びセンサドリフト補償ユニット３１０を有する。バックグラウンド信号は、音叉１０の品質係数／ピックアップ感度及び光ビームの強度に依存する。従って、バックグラウンド信号は、センサピックアップドリフトを決定するために、有利に使用されることができる。センサピックアップドリフト補償ユニット３１０は、基準光パワーに対してバックグラウンド信号を正規化するために、フォト検出器３２からの検出されたレーザパワーを使用する。センサピックアップドリフト補償ユニットは、工場較正の間、初期バックグラウンド信号（基準光パワーで）で、正規化されたバックグラウンド信号を除算する。従って、サンプル測定中に使用されることができる補償係数が、得られる。

上述の実施形態は、本発明を説明するものであって、制限するものではなく、当業者であれば、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、多くの代替の実施形態を設計することが可能であることが留意されるべきである。請求項において、括弧内に置かれた任意の参照符号は、請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。「含む、有する」なる動詞及びその活用形の使用は、請求項に記述されるもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。構成要素に先行する「a」又は「an」なる冠詞は、このような構成要素の複数の存在を除外しない。本発明は、幾つかの別個の構成要素を有するハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって、実現されることが可能である。いくつかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、同じ一つのハードウェアアイテムによって具体化されることができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

Claims (11)

1. サンプル混合物中のサンプルの濃度を検出する光音響検出器であって、
   前記サンプルの分子を励起するための光ビームを生成する光源と、
   前記サンプル混合物に圧力バリエーションを生成するために、前記光ビームの強度を変調させる光変調器であって、前記圧力バリエーションの振幅が前記サンプルの濃度の尺度である、光変調器と、
   前記圧力バリエーションを増幅する音響共振器を有する音響セルと、
   前記音響共振器内の前記圧力バリエーションを検出器信号に変換する共振ピックアップ素子と、
   前記圧力バリエーションによって引き起こされるサンプル信号及び前記光ビームによる前記ピックアップ素子の直接の励起によって引き起こされるバックグラウンド信号を生成するように、前記検出器信号を処理する処理セクションと、
   を有し、前記音響セル及び前記ピックアップ素子は、前記バックグラウンド信号と前記サンプル信号との間の位相差が約９０°であるように構成される、光音響検出器。
2. 前記ピックアップ素子の共振周波数は、前記音響共振器の共振周波数に本質的に等しい、請求項１に記載の光音響検出器。
3. 前記位相差を調整する位相調整手段を更に有する、請求項１に記載の光音響検出器。
4. 前記位相調整手段は、前記ピックアップ素子の表面上の光ビームの光学パワー分布を調整する手段を有する、請求項３に記載の光音響検出器。
5. 前記位相調整手段は、前記音響共振器の共振周波数を調整する手段を有する、請求項３に記載の光音響検出器。
6. 前記音響セルは更に、少なくとも１つのバッファボリュームを有し、前記音響共振器の共振周波数を調整する前記手段が、少なくとも１つのバッファボリュームの長さを調整する、請求項５に記載の光音響検出器。
7. 前記処理セクションは、前記ピックアップ素子の共振周波数と合致するように前記光変調器の変調周波数を調整する、請求項１に記載の光音響検出器。
8. 前記光ビームのパワーを決定するパワーセンサを更に有し、
   前記処理セクションは更に、前記光ビームのパワー、前記バックグラウンド信号、並びに前記光ビーム及び前記バックグラウンド信号の基準値に基づいて、ある時間にわたる音叉感度の低下を決定する、請求項１に記載の光音響検出器。
9. 前記処理セクションは、前記サンプル信号及び前記バックグラウンド信号を生成するために、位相センシティブな検出を行う手段を有する、請求項１に記載の光音響検出器。
10. 前記共振ピックアップ素子は、圧電音叉である、請求項１に記載の光音響検出器。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光音響検出器を製造する方法であって、
    前記サンプルを含まない前記音響セルにサンプル混合物を充填するステップと、
    前記サンプル混合物に圧力バリエーションを生成するために、前記光ビームの強度を変調させるステップと、
    前記共振ピックアップ素子から前記検出器信号を取得するステップと、
    前記バックグラウンド信号と前記サンプル信号との間の約９０°の位相差を得るために、前記サンプル信号が最小にされ、前記バックグラウンド信号が最大にされるように、前記音響セル及び前記ピックアップ素子を構成するステップと、
    を含む方法。

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