JP2024508147A - マルチスペクトル発光装置及びこの装置を備えるマルチスペクトルセンサー - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの広帯域光源１と、複数のスペクトルフィルターによるフィルターアレイ４と、光源１から放射された光のフィルターアレイ４の通過を制御する光スイッチングデバイス２とを備えるマルチスペクトル発光装置に関する。一形態において、光スイッチングデバイス２は、マイクロミラー１６又はマイクロ絞りによるアレイによって形成され、光源１から放射された光を、フィルターアレイ４の１つ以上の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して導くことができるように構成及び配置される。本発明は、そのようなマルチスペクトル発光装置を備えるマルチスペクトルセンサーにも関する。本装置は、多数のスペクトルチャネルを有する小型構造で安価なマルチスペクトルセンサーの実現を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、一の（或る）スペクトル範囲の光を放射する少なくとも１つの広帯域光源と、光源のスペクトル範囲内にある一の（或る）スペクトル幅を有する複数のスペクトルフィルターによるフィルターアレイと、光源から放射された光のフィルターアレイの通過を制御する光スイッチングデバイスとを備える、マルチスペクトル発光装置に関する。本発明は、この装置を備えるマルチスペクトルセンサーにも関する。

例えば、液体又は気体の媒体を選択的に分析する数多くの用途では、可変の波長又は波長範囲を有する光放射の使用が必要である。吸収分光法又は光音響分光法がその一例である。それぞれのガスは、１つ以上の吸収ピークを有する特徴的な吸収スペクトル（フィンガープリント）を有する。光音響分光法では、吸収ピークにおける特定の吸光によって媒体中の圧力変化又は音波が生じ、これが検出され、電気信号に変換される。検出器として、例えば、マイクロフォンを使用することができる。検出された圧力変化は、対応するガスの濃度に対する尺度となる。光音響ガスセンサー（ＰＧＳ）により、様々な集合状態にある多数の物質を非常に低濃度で測定することができる。ただし、測定には、照射される光の波長又は波長範囲を測定対象のガスに適合させる必要がある。励起波長は、例えば、スペクトルフィルターを用いて又は波長可変レーザーの使用によって調整することができる。光音響ガスセンサーによって同時に測定することができるガスの数は、このガスセンサーの光スペクトルチャネルの数に相関する。

例えば、特許文献１は、広帯域ＩＲ（赤外）光源の光がバンドパスフィルターを通して、測定対象のガスを伴う測定チャンバー内に導かれる光音響ガスセンサーを示している。光バンドパスフィルターは、光スペクトルの特定の部分のみを通過させる。フィルターの中心波長は、検出対象のガスの吸収極大に適合される。ＩＲ光源を最大１００Ｈｚで時間的に変調することにより、ガス中での光の吸収によって測定チャンバー内に音波が発生し、この音波が、測定チャンバーにおける高感度圧力センサーを介して測定される。測定された振幅は、吸収ガスの濃度に比例する。多くの用途では、そのようなガスセンサーは、僅かな体積、すなわち、小型化された形態である必要があり、これは、その単純な構造から、特許文献１に記載されているセンサーによっても実現可能である。しかしながら、特許文献１のガスセンサーは、スペクトルフィルターのみを備えるため、対応するフィルター波長において吸収極大を有するガスしか検出することができない。

原理的には、励起波長を変更するために、励起光源と測定チャンバーとの間にフィルターホイールを使用することが可能である。同時に測定することができるガスの数は、利用可能な光スペクトルチャネルの数、すなわち、スペクトルフィルターの数に相関する。しかしながら、フィルターホイールにおける異なるフィルターの数は限られる。機械的な構造サイズにより、小型化は非常に複雑となり、測定時間は設置されるフィルターの数に伴って増加する。フィルターホイールの更なる欠点は、常に一度に１つのフィルターしか使用することができないことである。

波長可変レーザー、特に量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）を光源として使用する場合、スペクトルフィルターは必要とされない。波長は、レーザーの調整範囲内で自由に調整することができる。例えば、複数の量子カスケードレーザーの組み合わせにより、より広いスペクトル範囲をもれなくカバーし、それにより、多数のガスを測定することができる。しかしながら、量子カスケードレーザーは、比較的高価である。広いスペクトル範囲をカバーするために複数の量子カスケードレーザーを必要とすることで、更にコストが上がる。このようなレーザーでは、更なる小型化は可能でない。

したがって、現在のところ、安価な光音響センサーは、上述の特許文献１におけるような単一のバンドパスフィルターを備えるものしか知られておらず、それでは、通常、１つのガスしか測定することができない。光音響センサーによって可能であるようなサブｐｐｂ領域にもなる複雑なサンプルの選択的分析については、小さなフォームファクターで利用可能な費用対効果の高い解決策はない。

欧州特許第３５０８８３６号

本発明の課題は、小型構造で安価に実現することができるマルチスペクトル発光装置及びそれに基づくマルチスペクトルセンサーを提供することである。本装置は、特に、放射波長の簡単かつ迅速な適合又は変更を可能にするものである。

上記課題は、請求項１及び２に記載の装置、並びに請求項１１に記載のマルチスペクトルセンサーによって解決される。本装置及びマルチスペクトルセンサーの有利な形態は、従属請求項の主題であるか、又は以下の記載及び例示の実施形態に見出すことができる。

提案されるマルチスペクトル発光装置は、少なくとも１つの広帯域光源と、フィルターアレイと、光源から放射された光の少なくとも一部のフィルターアレイの通過を制御するスイッチングデバイスとを備える。広帯域光源は、特定のスペクトル範囲の光を放射する。フィルターアレイのスペクトルフィルターは、少なくとも一部が光源のスペクトル範囲内にある、対応する小さなスペクトル幅を有する。スペクトルフィルターのスペクトル幅は、１μｍ未満であることが好ましい。

提案される装置の第１の代替形態において、スイッチングデバイスは、光スイッチングデバイスとして構成され、光源、フィルターアレイ、及び光スイッチングデバイスは、光源から放射された光が光スイッチングデバイスを介して、場合によっては、例えば、偏向素子又はレンズ等の更なる光学素子、及びフィルターアレイも介して装置の出口に導かれ、この出口において、対応してフィルタリングされた光が装置から出射するように配置される。ここでは、光スイッチングデバイスは、マイクロミラー又はマイクロ絞り（アパーチャ）によるアレイを備え、光源から放射された光を、フィルターアレイの１つ以上の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して装置の出口に狙いどおりに（選択的に）導くことができるように構成及び配置される。このために、光スイッチングデバイスを対応して制御することができる。

第２の代替形態において、光源は、スイッチングデバイスを介して個別に制御可能な発光器のアレイを備え、スイッチングデバイスを介した発光器の制御により、光源から放射された光を、フィルターアレイの１つ以上の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して狙いどおりに（選択的に）導くことができるように構成及び配置される。この第２の代替形態の別の形態において、光源は、単一の発光器によって形成され、スイッチングデバイスは、このシングルエミッター又はフィルターアレイのための機械的なＸＹ調整デバイスを備え、このＸＹ調整デバイスにより、光源から放射された光を、フィルターアレイの任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して狙いどおりに（選択的に）導くことができるように、シングルエミッターをフィルターアレイの異なるフィルターの下に位置決めすることができる。本装置のこの第２の代替形態において、発光器の光照射面は、フィルターアレイの個々のスペクトルフィルターの横寸法よりも大きくないことが好ましい。

好ましい形態において、フィルターアレイの個々のスペクトルフィルターは、１０ｍｍ×１０ｍｍ以下の小さな横寸法を有する。フィルターアレイは、スペクトルフィルターがフィルターアレイにおいて行列形式で配置されるように構成されることが好ましい。しかしながら、原理的に、フィルターアレイにおける個々のフィルターの他の配置、例えば、同心円状の配置、純粋に線状の配置、又は完全に任意の配置も可能である。フィルターアレイの個々のスペクトルフィルターの配置は、第１の代替形態のマイクロミラー若しくはマイクロ絞りの配置又は第２の代替形態の発光器によるアレイの個々の発光器の配置に相関し、したがって、これらはそれぞれ同様に配置される、すなわち、例えば、対応して行列形式で配置されることが好ましい。光スイッチングデバイス又は光源の側にあるユニット（マイクロミラー、マイクロ絞り、発光器）の数は、好ましくは、フィルターアレイのスペクトルフィルターの数に対応し、それにより、各ユニットがスペクトルフィルターに割り当てられ、このスペクトルフィルターを通して、割り当てられたユニットから出る光のみが導かれる。フィルターの数は、このユニットの数よりも大きくなるように選択することも可能であり、この場合、各ユニットには、それぞれ、隣り合って配置されるスペクトルフィルターの群、例えば、２つ又は４つのフィルターが割り当てられる。さらに、フィルターの数は、このユニットの数よりも小さくなるように選択することが可能であり、この場合、各フィルターには、それぞれ、隣り合って配置される複数のユニットが割り当てられる。

提案される装置は、フィルターアレイの異なるフィルターの数及び特性に対応して、放射された光放射線の波長又はスペクトル分布の適合又は変動を可能にする。それにより、放射された光のスペクトル分布をそれぞれの用途に適合させることができる。選択された構造により、フィルターアレイ及び光源は、光スイッチングデバイスと同様に小型化して構成することができる。本装置は、高価な光源を必要としない。

サブ波長構造に基づくフィルター又はプラズモンフィルターが、フィルターアレイにおいて使用されることが好ましい。それにより、多数のフィルターを最小の空間で安価に実現することができる。これにより、例えば、個々の光チャネル又はフィルターの適切な組み合わせによって、すなわち、スペクトルフィルターのうちの複数を通して光を同時に導くことにより、ほぼ全ての物質の吸収スペクトルを再現することが可能である。フィルターは、干渉フィルターとして構成することができ、偏光フィルターと組み合わせることもできる。フィルターアレイ内のこのフィルタータイプの構成も、原理的には可能である。

第１の代替形態において、光スイッチングデバイスは、光源とともに１つのモジュールとして、又は光源とは別個に実現することができる。第２の代替形態において、アレイ状の光源は、同じく、フィルターアレイとともに１つのモジュールとして構成することができるか、又はフィルターアレイとは別個に構成することができる。加えて、双方の代替形態において、光源とフィルターアレイとの間のビーム経路には、個々の光チャネル間の光クロストークを回避する、例えば、適切に構成された絞りアレイ及び／又はレンズアレイの形態のデバイスを配置することもできる。

提案される装置により、装置から出射した光が結合される測定チャンバーと、１つ以上の検出器とを備えるマルチスペクトルセンサーを実現することができ、それにより、測定チャンバーに結合された光と測定チャンバーに導入された媒体との相互作用の結果を検出可能である。したがって、マルチスペクトルセンサーは、例えば、光音響ガスセンサーとして構成することができ、その場合、検出器のうちの少なくとも１つは、圧力センサー、例えば、マイクロフォンである。この例において、測定チャンバーに結合された光が測定対象のガスにおいて吸収されることで音波が生成されるように、提案される装置の光源は、測定時に適切に時間的に変調される。このガスセンサーにより、フィルターアレイのフィルターの数に対応して、より多数のガス又はガス成分を測定することができる。また、例えば、光音響分光法と組み合わせた吸収分光法等の他の用途も、そのようなマルチスペクトルセンサーによって実現することができる。

提案される装置及びこの装置を備えるマルチスペクトルセンサーは、多くの応用分野、例えば、医療、環境分野、プロセスエンジニアリング、及び民間安全保障において使用することができる。これには、例えば、産業プロセス及びパラメーターの分析（プロセス監視）、品質保証、火災の早期検知、芳香分析、異臭の検出、呼吸ガス分析、安全保障用途、環境分析、反射測定による非破壊表面検査、電子鼻又は電子舌としての使用が含まれる。当然ながら、これは完全（網羅的）なリストではない。

以下、提案される装置及びこの装置を備えるマルチスペクトルセンサーを、図面と併せて例示の実施形態に基づいてより詳細に説明する。

光スイッチングデバイスを備える本発明に係るマルチスペクトルセンサーの概略図である。 提案される装置を用いた測定対象のガスの吸収スペクトルへの光スペクトルの柔軟な適合の一例を示す図である。 アレイ状の光源を備える本発明に係るマルチスペクトルセンサーの概略図である。 アレイ状の光源に基づく提案される装置の形態の一例を示す図である。 アレイ状の光源に基づく提案される装置の形態の更なる例を示す図である。 光スイッチングデバイスとしてマイクロ絞りアレイを備える、提案される装置の形態の一例を示す図である。 機械的なＸＹ調整デバイスを備えるシングルエミッターに基づく提案される装置の形態の一例を示す図である。 提案されるマルチスペクトルセンサーの構造の第１の例を示す図である。 光スイッチングデバイスとしてマイクロミラーアレイを備える、提案される装置の形態の一例を示す図である。 フィルターアレイのスペクトルフィルターがマイクロミラーに適用されるマイクロミラーアレイの一例を示す図である。 提案されるマルチスペクトルセンサーの構造の第２の例を示す図である。 複数の測定チャンバーを備える、提案されるマルチスペクトルセンサーの形態の一例を示す図である。 提案される装置において使用可能なフィルターアレイの一例を示す図である。 提案される装置において使用可能な偏光フィルターを備えるフィルターアレイのスペクトルフィルターの形態の一例を示す図である。

図１において、提案されるマルチスペクトル発光装置１４と測定デバイス１５とが組み合わされた、本発明に係るマルチスペクトルセンサーの構造が非常に概略的に示されている。装置１４から生じた所望のスペクトル分布の光は、図に示されているように、本装置の出口から出射し、測定デバイス１５に入射する。マルチスペクトル発光装置１４は、広帯域光源１と、以下で光スイッチアレイ２と呼ばれるデバイスと、フィルターアレイ４とを備える。測定デバイス１５は、測定チャンバー５と、１つ以上の受信器６と、信号処理及び評価を行う電子デバイス７とを備える。光源１の光は、光スイッチアレイ２（光スイッチングデバイス）を介してフィルターアレイ４に導かれる。光スイッチアレイ２は、１つ以上の選択されたフィルター４（Ａ）、４（Ｂ）、４（Ｃ）に光を導くように構成される。

透過を行う場合、光スイッチアレイ２は、マイクロ絞りアレイによって実現され、ここで、以下で光スイッチとも呼ばれる各要素３（Ａ）、３（Ｂ）、３（Ｃ）は、それぞれ互いに独立して開閉を制御することができるマイクロ絞りを表す。開口直径（絞り開口の開放時）を変更するための制御も可能であることが好ましい。それぞれ選択されたマイクロ絞りを介して、フィルターアレイ４のフィルターのうちの１つ以上に光が導かれる。残りの絞りは閉鎖している。

反射を行う場合、光スイッチアレイ２は、マイクロミラーアレイとして構成される。スイッチアレイの各要素は、マイクロミラーである。ミラーもまた、入射光がフィルターアレイ４の１つ以上のフィルター４（Ａ）、４（Ｂ）、４（Ｃ）に向けられるように個別に制御することができる。別のミラーは、入射光がフィルターアレイ４に向けられないように調整される。マイクロミラー（又は上記例ではマイクロ絞り）の間の領域は、光を透過しないように構成される。

フィルターアレイ４は、複数のスペクトルフィルターからなる。図１に示されている例において、フィルター又はフィルター要素４（Ａ）、４（Ｂ）、４（Ｃ）のみが露光（露出）され、それにより、これらのフィルターのフィルター特性に対応する特定の波長のみが通過して、測定チャンバー５に入射することができる。光スイッチアレイ２を用いると、それぞれの測定タスクに最適なスペクトルを生成するために、フィルターアレイ４の任意のフィルターに順次に又は同時に光を透過させることができる。一例として、モノクロメーターによる測定時のように、必要とされるフィルターを順番に制御又は露光することができる。一例として、フィルター４（Ａ）が対応して狭帯域を有して構成される場合、フィルター４（Ａ）の露光のために要素３（Ａ）を単独で制御することにより、単一の波長の光を生成することができる。

更なる形態において、図３と併せて以下でより詳細に説明するように、光源１は、発光器のアレイとして構成することができる。フィルターアレイ４の１つ以上のフィルターに光を狙いどおりに導くために、個々の発光器を任意に制御することができる。ここでは、光源及びフィルターアレイは、１つのユニットを形成することが好ましい。この形態において、光スイッチアレイ２は必要とされない。

測定対象のサンプルは、測定チャンバー５内に置かれる。サンプルは、様々な集合状態で、例えば、液体又は気体として存在し得る。測定は、反射又は透過において行うことができる。受信器６として、異なる物理的な測定原理を用いる異なるセンサー又は検出器を使用することができる。吸収分光法用のＩＲ検出器、又は、例えば、光音響分光法における１つ以上のＭＥＭＳマイクロフォンの形態の圧力センサーがその一例である。複数の検出器又はセンサーの組み合わせ、例えば、光透過測定チャンバー内の圧力センサーを測定チャンバーの外部の吸光検出器と併せて使用することも可能である。

測定時、スイッチアレイ２、又は発光器によるアレイの場合には発光器を適切に制御することにより、フィルターアレイ４の１つ以上のフィルターを任意に使用することができ、所望のスペクトル分布、例えば、単一の波長のみ又は特定の波長の重ね合わせを生成し、用途に応じて使用することができる。このスペクトル分布の変更は、別の制御によっていつでも可能である。制御、検出データの出力、信号処理及び評価は、電子機器及びソフトウェアを介して実現される。

提案される装置によって生成される光スペクトルは、測定チャンバー内のサンプルの吸収スペクトルに柔軟に適合することができる。図２において、そのような柔軟な適合の一例が示されている。これに関して、図２ａは、測定対象の物質の抽象的な吸収スペクトルを示している。この物質は、３つの特徴的な吸収ピーク（Ａ１、Ａ２、Ａ３）を有する。この吸収スペクトルは、光スイッチアレイ２及びフィルターアレイ４の適切な要素の組み合わせによって再現することができる。本例において、光スイッチ３（Ａ）、３（Ｂ）、３（Ｃ）は開放しており、それにより、フィルターアレイ４によるフィルター４（Ａ）、４（Ｂ）、及び４（Ｃ）が露出（露光）される。特定の形態において、個々の吸収ピークの位置を再現するだけでなく、ピーク間の振幅比も調整することができる。図２ｂは、フィルター４（Ａ）、４（Ｂ）、４（Ｃ）の３つの個々のスペクトルを示している。フィルターアレイ４の同時に露光されるフィルターは、図２ｄにおいて白色で示され、露光されないフィルターは、黒色で示されている。図２ｃは、フィルターアレイ４の後の光の完全なスペクトル４（Ａ）＋４（Ｂ）＋４（Ｃ）を示している。この光スペクトルは、図２ａに示されている測定対象の物質の吸収スペクトルに最適に適合される。強度の適合は、例えば、光スイッチアレイを用いずに発光器アレイを使用する場合では個々の発光器の電流等のパラメーターを適合させることによって、又は光スイッチアレイの透過率を介して調整することができる。後者は、特に、適合可能な絞り開口を備えるマイクロ絞りアレイの使用、又は透過率を設定可能な液晶ベースのマイクロ絞りアレイの使用に関する。

図３は、光源１が多数の個別の発光器１（Ｎ）によるアレイによって形成される、提案されるマルチスペクトルセンサー及びそこで使用されるマルチスペクトル発光装置の形態の一例を示している。ここでは、左側の部分図において、マルチスペクトルセンサーの構造が概略的に示され、右側の部分図において、関連する装置の構造が示されている。この形態において、図１のような光スイッチングデバイスは必要とされない。アレイ状の光源１の個々の発光器は、必要に応じて、個別に制御する、又はオン・オフを切り替えることができる。これにより、図１及び図２と併せて既に説明したものと同様に、装置によって放射された光スペクトルを、測定対象のサンプルの吸収スペクトルに柔軟に適合させることが可能である。図３の例において、２つの発光器１（Ａ）、１（Ｂ）はオンであり、光源１の残りの発光器はオフである。それにより、図に概略的に示されているように、上方に配置されたフィルターアレイ４上で、フィルター４（Ａ）及び４（Ｂ）のみが露光する。この例において、図３の右側の部分図に示されているように、発光器１の発光面は、フィルターアレイ４のフィルター４（Ｎ）の寸法よりも小さい面積を有する。フィルターアレイ４と光源１との間の距離が十分小さいことにより、個々の発光器１（Ｎ）を適切に制御することで、フィルターアレイ４のうち、それぞれの発光器の真上にあるフィルターのみをそれぞれ露光させることができる。

ここでは、光源７として、１μｍ～１５μｍのスペクトル範囲の光を放射するＩＲ光源によるアレイが使用されることが好ましい。これにより、例えば、測定チャンバー５内の気体サンプルを光音響分光法によって測定することができる。また、受信器６として、例えば、１つ以上のマイクロフォンの形態の１つ以上の圧力センサーが使用される。したがって、図３に係る形態において、例えば、L.D. Williams他「Design and characterization of a microheater array device fabricated with SwIFT-Lite^TM」J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7(4), 043035 (2008)に記載されているような、アレイ状の光源、例えば、いわゆるマイクロヒーターによるアレイを使用することができる。そのようなアレイは、ＭＥＭＳ技術を用いて製造することができる。

図４は、アレイ状の光源を備えるマルチスペクトル発光装置の更なる例を示している。そのような装置は、図３に係るマルチスペクトルセンサーにも使用することができる。この例において、フィルターアレイ及びアレイ状の光源は、１つのユニットを形成する。これに関して、図４は、モノリシックに構成されたスペクトルチャネルによるアレイを示している。スペクトルチャネルは、光源又は発光器９（１）、９（２）、・・・、９（ｎ）と、フィルターアレイのフィルター４（１）、４（２）、・・・、４（ｎ）とによる組み合わせである。図４に示されているアレイは、半導体技術又は後処理によって製造することができる。このようにして、基板２０上には、所望の数のスペクトルチャネルをアレイとして配置することができる。例えば、プラズモンフィルター又はサブ波長構造に基づくフィルターとして形成することができる個々のフィルターと、例えば、ＭＥＭＳマイクロヒーターの形態の光源との双方を、半導体技術において実現することができる。ここでは、フィルターは、１つ以上の構造化された金属層又は誘電層からなることができる。図４は、そのようなユニットの断面を示している。図から、半導体プロセスにおいて度々使用されるような、貫通接点又はビア２６を有する複数の層２１～２５による層状構造を基板２０上に明確に見て取れる。この例において、層２２は、発光器９（１）、９（２）、・・・、９（ｎ）を備えるＩＲ光源アレイを表す。ＩＲ光源は、例えば、マイクロスパイラル又はマイクロヒーターによって実現することができる。フィルター４（１）、４（２）、・・・、４（ｎ）を備えるフィルターアレイは、最上層２５において実現される。各フィルターは、１つ以上の単層から構成することができる。フィルター層は、少なくとも１つのアレイ状のサブ波長寸法で構造化された金属層又は誘電層から構成することができる。フィルター特性は、スペクトルチャネルごとに自由に規定することができる。フィルターの光学特性は、構造サイズ、構造形態（例えば、穴又は島）、及び周期性に依存し、フィルター設計によって規定することができる。光スイッチングデバイスを備える形態におけるフィルターアレイは、このようにして実現することもできる。層２１は、半導体プロセスにおける典型的な層構造の層のうちの１つを表し、例えば、層２２における光源のための反射材としても機能することができる。層２３、２４には、光の通過に適した開口が形成される。これらの層は、通常、金属材料からなり、誘電層によって互いに分離される。ビア２６は、このアレイにおける個々のスペクトルチャネル間を光が通過するのを防止する。

適切な赤外線光フィルターの例は、I.J.H. McCrindle他「Infrared plasmonic filters integrated with an optical and terahertz multi-spectral material」Phys. Status Solidi A 212, No. 8, 1625-1633 (2015)及びA. Wang他「Mid-infrared plasmonic multispectral filters」Scientific Reports (2018) 8: 11257に見出せる。これらの出版物に示されているフィルターは、構造化された金属層に基づいており、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法によってモデル化することができる。シミュレーションによって、所望のスペクトル透過、帯域幅、及び中心波長の位置のためのフィルターの設計を決定することができる。

図５は、図３のマルチスペクトル発光装置の変更形態を示している。この装置において、光源１及びフィルターアレイ４は別々に製造され、一方が他方の上方に配置されるため、光源１とフィルターアレイ４との間に自由空間が生じる。個々の光チャネル間の光クロストークを防止するために、図５の例では、この自由空間内に、個々のチャネル間の光クロストークの防止に対して適切に設計された絞りアレイ又はレンズアレイ８が配置される。この絞りアレイ又はレンズアレイ８がなければ、発光器の光は、場合によっては、その真上にあるフィルターだけでなく、隣接するフィルターにも当たる可能性がある。そのため、例えば、発光器１（Ｂ）からの光は、この絞りアレイ又はレンズアレイ８を使用することにより、上方にあるフィルター４（Ｂ）のみに当たる。絞りアレイ又はレンズアレイ８がない場合、発光器１（Ｂ）の大きな照射角度に起因して、その光が隣接するフィルター、例えばフィルター４（Ｃ）にも当たり得る。

図６において、光源１の上方の光スイッチアレイ２としてマイクロ絞りアレイが使用される、マルチスペクトル発光装置の一例が示されている。そのようなマイクロ絞りアレイは、例えば、ＭＥＭＳ技術において製造することができ、これは、例えば、M.J. Li他「Fabrication of Microshutter Arrays for Space Application」Proceedings of SPIE vol. 4407 (2001), 295-303から既知である。図６の例において、シャッター又はマイクロ絞り２（Ａ）及び２（Ｂ）が開放しており、フィルター４（Ａ）及び４（Ｂ）が露光される。残りのマイクロ絞りは閉鎖しており、それに関連するフィルターは露光されない。絞りアレイの要素は、個別に又は群として開閉を制御することができる。これにより、上記の例と同様に、装置によって放射された光スペクトルを、サンプルの吸収スペクトルに柔軟に適合させることができる。マイクロ絞りアレイ又は光スイッチアレイ２及びその下方にある光源１は、１つのユニットとして実現することができる。個々のチャネル間のクロストークを回避するために、ここでも、図６の左側の部分図に示されているように、光源１と光スイッチアレイ２との間だけでなく、光スイッチアレイ２とフィルターアレイ４との間にも更なる絞りアレイ又はレンズアレイ８を配置することができる。

図７は、提案されるマルチスペクトル発光装置の可能な形態の更なる例を示している。図７の例において、フィルターアレイ４の下方の機械的なＸＹ調整器１２を介して移動することができる単一の発光器が光源１として使用される。ここでも、光クロストークを回避するために、上記の例示の実施形態のうちのいくつかにおけるような絞りアレイ又はレンズアレイ８を更に統合することができる。これにより、照射角度が制限され、それぞれ隣接するフィルターが不所望に露光されない。本例において、光源の光に対して透明な、例えば、ＩＲ光源の場合はＳｉ製の基板上に、フィルターアレイ４が配置される。光源１は、ＸＹ調整器１２上に配置される。フィルターアレイ４は、所望のフィルター又はそれによって生じるスペクトル特性に応じて、光源１によって走査される。それにより、フィルターアレイ４の上面図である図７の左側の部分図に概略的に示されているように、異なるスペクトル特性を順次もたらすことができる。フィルターアレイ４の個々のフィルターの対応する小さな横寸法におけるＸＹ調整器の小さな移動は、例えば、ピエゾ駆動によって実現することができる。代替的に、光源１を固定的に配置し、光源の上方のフィルターアレイ４を動かしてもよい。図７の例において、フィルターアレイ４のフィルターＦ１～Ｆｘが順次走査される。

図８は、本発明によって実現することができる光音響ガスセンサー（ＰＧＳ）の一例を示している。図８においてモジュール１３によって実現されるマルチスペクトル発光装置は、原理的には、上記に説明した例示の実施形態のうちの１つと同様に実現することができ、この例ではマイクロ絞りアレイ１１を光スイッチングデバイスとして備えることができる。この例では、光源１とマイクロ絞りアレイ１１との間には、レンズアレイ８が配置され、これにより、個々のスペクトルチャネル間のクロストークが防止される。このレンズアレイ８のレンズは、光源１によって放射される光をそれぞれのマイクロ絞りの方向にコリメート又は集束する。この例において、ガスセンサーの電子部品（機器）は、測定チャンバー５によって分離される。測定チャンバーは、励起放射線を結合するための光学窓１０を有する。この例において、光フィルターアレイ４のフィルター基板が光学窓１０として使用される。この場合、フィルターアレイのフィルターは、この光学窓の上方又は下方に配置することができる。本例において、フィルターは、光学窓１０の上方に、すなわち、測定チャンバー５内に配置される。測定チャンバー５内には、例えばＭＥＭＳマイクロフォンの形態の圧力センサーが受信器６として存在する。このマイクロフォンの出力信号は、信号処理及び評価デバイス７（電子機器、ソフトウェア）において評価される。図８の左側の部分図において、フィルターアレイ４の上面図が示されている。フィルターアレイ上で、例えば、フィルター４（Ａ）が露光する（スポット４２）。フィルターアレイ４の他のフィルターは、露光されない。当然ながら、上記の例示の実施形態において説明したように、複数のフィルターを同時に露光させることもできる。ＰＧＳセンサーの場合、光源１として、１μｍ～１５μｍの波長範囲の光を放射するＩＲ光源が使用されることがほとんどである。測定チャンバー５は、サンプルを供給するための少なくとも１つの注入口を有する。測定チャンバー５内には、例えば、温度及び湿度用の更なるセンサーを入れることもできる。

図９は、本発明に係るマルチスペクトル発光装置の更なる例を示している。この例において、マイクロミラーアレイ１６が光スイッチアレイとして使用される。このミラーアレイ１６は、例えば、ＤＬＰモジュール（ＭＥＭＳ）とすることができる。このモジュールにおいて、個々のミラー又はミラー領域、すなわち、複数のミラーを備える領域のオン・オフを切り替え、又は対応して傾けることができる。モジュールの個々のミラーは、例えば、１０μｍ×１０μｍのように非常に小さい寸法で構成することができる。図９の例において、ミラーアレイ１６の個々のミラーは、光を方向１又は方向２のいずれかに導く。ここでは、光源１からの光は、ミラーアレイ１６に照射される。方向２に偏向する場合、それぞれの光ビームは、光学系１８、例えば、凹面ミラーを介して、光フィルターアレイ４に導かれ、例えば、図９に概略的に示されるように、フィルター４（Ａ）を露光する。光学系１８は、レンズ光学系又はミラー光学系のいずれかに基づく。ミラーコーティングにより、非常に広いスペクトル範囲にわたって吸収を非常に少なくできるため、ミラー光学系が好ましい。フィルターアレイ４の個々のフィルターの選択は、光学ミラーアレイの領域をオンに切り替えることによって行われる。本例において、ミラー又はミラー領域１６（Ａ）がオンにされ、したがって、入射光が方向２に偏向される。ミラー又はミラー領域１６（Ｂ）は、オフにされ、したがって、単数又は複数の関連するミラーが光を方向１において吸光器１７に向かって偏向させ、そこで、偏向された光が吸収される。ミラーアレイの個々のミラーを適切に制御することにより、フィルターアレイ４のそれぞれ望ましいフィルターを露光させることができる。

代替的に、図１０に概略的に示されているように、個別のフィルター、好ましくはプラズモンフィルターを備えるフィルターアレイ４を、ミラーアレイ１６のミラーに直接適用してもよい。図９の左側部分におけるような別個のフィルターアレイ４は必要とされない。

ここでは、フィルターアレイ及びＭＥＭＳミラーアレイは、半導体技術においてまとめて実現することができる。それぞれのフィルターは、１つ以上の構造化された金属層又は誘電層で構成することができる。図１０は、フィルターが適用されたそのようなマイクロミラーアレイ１６の一例を上面図で示している。この例において、それぞれ４つのミラーが、１つの群又はミラー領域１６（Ａ）、１６（Ｂ）、・・・、１６（ｎ）にまとめられ、それぞれ同じフィルターによってコーティングされる。これは、図１０において、それぞれのパターンによって示されている。ここでは、フィルターとして、サブ波長構造に基づくフィルター又はプラズモンフィルターが使用されることが好ましい。これにより、異なるミラー領域１６（Ａ）、１６（Ｂ）、・・・、１６（ｎ）の組み合わせによって、ほぼ全ての測定対象の物質の反射スペクトルを再現することができる。これに関して、対応するミラーをオンにするだけで、測定チャンバーへの入射放射線が反射される。ここでは、各ミラー領域には、特定の波長に対して最適化された特定のフィルターを適用することができる。ミラー領域は、１つ以上のミラーで構成することができ、図１０の例においては４つのミラーで構成することができる。

図１１は、図９又は図１０に示されているマルチスペクトル発光装置を備える光音響ガスセンサーの形態の一例を示している。この例において、電子部品（機器）及び光学系は、測定チャンバー５から分離される。測定チャンバーは、この例では光フィルターアレイ４のフィルター基板によって形成される光学窓１０を備える。フィルターアレイのフィルターは、ここでも光学窓１０の上方又は下方に配置することができる。本例において、フィルターは、光学窓１０の下方、すなわち、測定チャンバーの外部に配置される。測定チャンバー５内には、ＭＥＭＳマイクロフォンとして構成することができる少なくとも１つの圧力センサーが受信器６として配置される。この圧力センサーの出力信号は、信号処理及び評価デバイス７（電子機器、ソフトウェア）において評価される。図１１の左側の部分図において、フィルターアレイ４の上面図が示されている。フィルターアレイ上で、例えば、フィルター４（Ａ）が露光する（スポット４２）。アレイの他のフィルターは、露光されない。当然ながら、上記の例示の実施形態において示されているように、複数のフィルターを同時に露光させることもできる。ＰＧＳセンサーの場合、通常、光源１として、１μｍ～１５μｍという広い範囲で発光するＩＲ光源が使用される。測定チャンバー５は、ここでも、サンプルを供給するための少なくとも１つの注入口１９を有する。測定チャンバー内には、例えば、温度及び湿度を測定する更なるセンサーを入れることもできる。

図１２は、２つ以上の測定チャンバーが使用される、本発明に係るマルチスペクトルセンサーの構造の一例を示している。この例において、３つの測定チャンバー５（Ａ）、５（Ｂ）、５（Ｃ）が直列に設置されている。これは、ガスの測定時、ガスの吸収が弱いため、測定チャンバーに照射された励起光が測定チャンバーを通過する際に僅かしか弱められないことから可能である。測定チャンバーは、光学窓３５（Ａ）、３５（Ｂ）、３５（Ｃ）、３５（Ｄ）をそれぞれ有する。マルチスペクトル発光装置から放射されたビーム束３７は、個々のチャンバー５（Ａ）、５（Ｂ）、５（Ｃ）を通って伝播する。最後のチャンバーの後ろに、放射線受信器２７を設置することができる。これにより、光出力の変動を測定することができる。測定チャンバーには、様々なサンプルを供給することができる。これらは、未知のガス又は較正ガスであり得る。較正ガスは、規定の濃度及び既知のスペクトルを有する。複数の測定チャンバーを使用することによって、マルチポートサンプラーを実現することができる。放射線受信器２７として、例えば、ＩＲ検出器又はフォトダイオードを使用することができる。

図１３は、提案される装置及び提案されるマルチスペクトルセンサーにおいて同様に使用することができるフィルターアレイの一例を示している。本例では、例えば、Vortex Optical Coatings Ltd.社によって市販されているような「赤外線リニア可変フィルター（Infrared Linear Variable Filter）」の形態であるそのようなフィルターアレイは、薄膜技術において製造することができる。この種のフィルターは、複数のスペクトルチャネル（バンドパスフィルター）を有し、特定のスペクトル範囲に対して最適化することができる。上記の例示の実施形態によるフィルターアレイ４は、そのようなフィルターに置き換えることができる。フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆｎは、光スイッチを介して個別に又は群として露光させることができる。

提案されるマルチスペクトル発光装置及び関連するマルチスペクトルセンサーにおいて、スペクトルフィルターを偏光フィルターと組み合わせることもできる。そのため、図１４は、スペクトルフィルターと複数の偏光フィルターとによる組み合わせを示している。物質の吸収スペクトル及び散乱スペクトルは、光の偏光状態に依存し得る。このため、偏光スペクトル照明を通じて、物質についての追加の情報を得ることができる。上記の例示の実施形態において、いずれの場合も非偏光の光が使用された。本例において、スペクトルチャネル又はフィルター４（Ａ）は、複数の偏光フィルター４０（Ａ）、４０（Ｂ）、４０（Ｃ）と組み合わされる。位置４１に偏光フィルターはない。この位置は、非偏光の光を有する基準チャネルを表す。光スイッチアレイを介して、フィルター４０（Ａ）、４０（Ｂ）、４０（Ｃ）を順次露光させることができる。この例において、スポット４２は偏光フィルター４０（Ａ）上にある。スペクトルフィルター４（Ａ）の後の光は、常に同じスペクトルを有するが、局所的な露光に応じて異なる偏光を有し得る。右側の部分図において、半導体技術におけるそのようなフィルターの構造の一例が示されている。基本的な構造は、図４と併せて既に説明した。この例において、金属層２３には格子状の構造が実現される。これらの格子状の金属ウェブは、角度に応じて光を偏光させる。本例において、＋９０度、＋４５度、及び－４５度の角度が使用される。スペクトルフィルター４（Ａ）は、その上の層２５において構成される。このフィルターは、例えば、サブ波長構造に基づくことができる。

１ 光源
１（Ｎ） 発光器
２ 光スイッチアレイ
２（Ｎ） マイクロ絞り
３（Ｎ） スイッチアレイの要素
４ フィルターアレイ
４（Ｎ） 選択されたフィルター
５ 測定チャンバー
６ 受信器
７ 信号処理及び評価デバイス
８ レンズアレイ又は絞りアレイ
９（Ｎ） 発光器
１０ 光学窓
１１ マイクロ絞りアレイ
１２ ＸＹ調整器
１３ モジュール
１４ マルチスペクトル発光装置
１５ 測定デバイス
１６ マイクロミラーアレイ
１６（Ｎ） マイクロミラー、マイクロミラー領域
１７ 吸光器
１８ 光学系
１９ 注入口
２０ 基板
２１～２５ 層
２６ 貫通接点（ビア）
２７ 放射線受信器
３５ 光学窓
３７ ビーム束
４０ 偏光フィルター
４１ スペクトルフィルター上の位置
４２ 露光スポット

Claims (14)

1. マルチスペクトル発光装置であって、少なくとも、
   一のスペクトル範囲の光を放射する広帯域光源（１）と、
   少なくとも部分的に前記光源（１）の前記スペクトル範囲内にあるスペクトル幅を有する複数のスペクトルフィルターによるフィルターアレイ（４）と、
   前記光源から放射された前記光の前記フィルターアレイ（４）の通過を制御する光スイッチングデバイス（２）であって、該光スイッチングデバイス（２）は、前記光源（１）から放射された前記光を該光スイッチングデバイス（２）及び前記フィルターアレイ（４）を介して該装置の出口に導くように配置される、光スイッチングデバイス（２）と、
   を備え、
   前記光スイッチングデバイス（２）は、マイクロミラー（１６）又はマイクロ絞りによるアレイを備え、前記光源（１）から放射された前記光を、前記フィルターアレイ（４）の１つ以上の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して、選択的に該装置の出口に導くことができるように構成及び配置される、マルチスペクトル発光装置。
2. マルチスペクトル発光装置であって、少なくとも、
   一のスペクトル範囲の光を放射する広帯域光源（１）と、
   少なくとも一部が前記光源（１）の前記スペクトル範囲内にあるスペクトル幅を有する複数のスペクトルフィルターによるフィルターアレイ（４）と、
   前記光源（１）から放射された前記光の前記フィルターアレイ（４）の通過を制御するスイッチングデバイスと、
   を備え、
   前記光源（１）は、
   前記スイッチングデバイスを介して個別に制御可能な発光器のアレイを備え、前記スイッチングデバイスを介して前記発光器を制御することにより、前記光源（１）によって放射された前記光を、前記フィルターアレイ（４）の１つ以上の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して導くことができるように構成及び配置されるか、又は、
   少なくとも１つのシングルエミッターによって形成され、前記スイッチングデバイスは、前記シングルエミッター又は前記フィルターアレイ（４）のためのＸＹ調整デバイス（２１）を備え、前記ＸＹ調整デバイス（２１）により、前記光源（１）によって放射された前記光を、前記フィルターアレイ（４）の任意に設定可能なスペクトルフィルターのみを通して導くことができるように、前記シングルエミッターを前記フィルターアレイ（４）の異なるフィルターを介して位置決めすることができる、マルチスペクトル発光装置。
3. 前記フィルターアレイ（４）は、前記スイッチングデバイスを介して個別に制御可能な発光器の前記アレイの真上に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. １つ以上の発光器と、その真上に配置される前記フィルターアレイ（４）のスペクトルフィルターとの各組み合わせが、光チャネルをなし、前記スイッチングデバイスを介して個別に制御可能な発光器のアレイと前記フィルターアレイ（４）との間に、前記光チャネル間の光クロストークを回避するデバイスが配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記光スイッチングデバイス（２）の１つ以上の要素（３）と、前記フィルターアレイ（４）の関連するスペクトルフィルターとの各組み合わせが、光チャネルをなし、前記光源（１）と前記フィルターアレイ（４）との間に、前記光チャネル間の光クロストークを回避するデバイス（８）が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記フィルターアレイ（４）の前記個々のスペクトルフィルターは、１０ｍｍ×１０ｍｍ以下の小さな横寸法を有することを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記フィルターアレイ（４）は、サブ波長構造に基づくフィルターアレイ又はプラズモンフィルターアレイであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記スペクトルフィルターは、前記フィルターアレイ（４）において行列形式で配置されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記光スイッチングデバイス（２）をマイクロミラー（１６）によるアレイとして形成する場合、前記フィルターアレイ（４）の前記フィルターは、前記マイクロミラーの真上に適用されることを特徴とする、請求項１及び請求項１と併せた請求項５～８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記フィルターアレイ（４）における前記スペクトルフィルターは、偏光フィルター（４０）と組み合わされることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
11. 請求項１～１０のうちの１つ以上に記載の装置と、
    前記装置から出射した光が結合される測定チャンバー（５）と、
    前記測定チャンバー（５）に結合された前記光と前記測定チャンバー（５）に導入された媒体との相互作用の結果を検出可能である１つ以上の検出器（６）と、
    を備える、マルチスペクトルセンサー。
12. 前記測定チャンバー（５）の入射窓（１０）は、前記装置の前記フィルターアレイ（４）のキャリア基板によって形成されることを特徴とする、請求項１１に記載のマルチスペクトルセンサー。
13. 光音響センサーとして、特に光音響ガスセンサーとして構成される、請求項１１又は１２に記載のマルチスペクトルセンサー。
14. 吸収センサーとして又は吸収センサー及び光音響センサーの組み合わせとして構成される、請求項１１又は１２に記載のマルチスペクトルセンサー。

Images