JP4875062B2 - 調整可能な干渉フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、調整可能な干渉フィルタ、特に選ばれた範囲内の赤外線によるガス検出での使用のためのものに関わる。

ほとんどのガスが、ガス分子の振動遷移に対応するフォトンエネルギーをもった赤外線を吸収する。赤外光で気体濃度を測定する時、ガスを通して透過された光の２つの測定を行なうことが通常である：その１つの測定はガス吸収によって影響される（減少させられる）もので、もう１つはガスにより影響を受けない基準測定である。この測定方法はしばしば非分散赤外線（non-dispersive inflrared：ＮＤＩＲ）と言われる。

４．５〜５．０μｍの範囲の波長の関数としての透過を示す図１に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）の赤外スペクトルはほぼ周期的なラインパターンを持つ。メタン（ＣＨ_４）を含むいくつかのガスは類似の吸収線を持っている。ＣＯライン間の距離は波長の増加と共に増加するが、波長の短い間隔内で本質的には一定である。ＣＯの濃度を測定するために、図２に示すような組立体を使うことができる。赤外線源２１からの光は集光ミラー２２によってガスセル２３を通り、さらに変調されたフィルタ２４、例えばファブリーペローフィルタを通して送られ、固定帯域通過フィルタ２５、さらに新たな集光ミラー２６を通して検出器２７に送られる。上記このラインにおいて、変調されたフィルタの機能は２つの形状または設定の間で変更しうる。１つの設定ではＣＯが光を透過するスペクトル範囲の光を透過し（相関設定）、また他の設定ではＣＯが光を吸収する範囲の光を透過する（反相関設定）。このようにして、異なった設定を使った測定の間で連続的に変更することができる。２つの設定間の差は、ＣＯがガスセルに存在しないときには零となり、ＣＯ濃度の増加に伴って増加することになる。

ガススペクトルにおける一つのラインに適合させられるフィルタを使うことによって、いくつかの利点を得ることができる：
１）帯域通過フィルタが使われる場合と比較して、所定の気体濃度が、測定された信号における大きな相対的変化を与える。
２）同じ波長範囲内で吸収する領域に他のガスが存在するならば、それらは、同じ範囲であるが異なるラインのガスに対する感度を減らすので、測定に最小の影響を持つことになる。
３）ソース（源）の温度変化および他の擾乱が、同程度の測定の両方に影響を与えることにもなる。

これをうまく働かせるため、フィルタラインの位置以外のすべてを不変にしておかれなければならない。これは、光を可能な限り類似の進路を通るようにするによって得ることができる。好ましくは、測定に影響する全てが、同じ影響を有するべきである。他のガスに加えて、温度勾配、光学表面上への汚れ堆積、増幅回路のドリフト、機械的安定性などが影響でありうる。

ＣＯラインに直接適合するフィルタを作ることは難しい。表面間に距離ｄを有し、表面間の媒質が屈折率ｎである２つの平行な光学表面を持った干渉フィルタが良好な近似である。この時、フィルタを通じた透過は波数ν＝１／λの周期関数である。ここに、λは波長である。周期は１／２ｎｄである。ここに、ｎは屈折率である。今、周期がスペクトルの一範囲におけるＣＯラインと一致するように、距離ｄを選択することができる。光学波長ｓ＝ｎｄが波長の４分の１と共に変わる時、すなわちｓ±（Δｓ）＝ｓ±λ／４の時、フィルタの必要とされる変調が得られる。一定の屈折率では、これは厚さの変化ｄ±（Δｄ）＝ｄ±λ／４ｎに対応することになる。屈折率が１である時、Δｄは約２．３μｍとなる。

ＣＯスペクトルに適合させた反相関設定モードでの干渉フィルタを通じた透過を図１に示す。ここでは、いずれも波長の関数として、４．５〜５．０μｍの範囲で、上のラインがＣＯスペクトルを示し、下のラインがフィルタの透過スペクトルを示す。

図１に示すように、フィルタラインとガスラインの間に、中心波長から次第に外側に偏差の増加が起こることになる。帯域通過フィルタを追加することにより、使用される範囲を限定することができる。

干渉フィルタが調整可能な距離を有する２つの平行なミラーから成り立つならば、ミラー間の光学材料の選択は非常に限定される。つまり、空気、他のガス、あるいは場合によっては弾性で透明な材料である。干渉フィルタ内の光学材料は、入射する光においていかに大きな角度の広がりを持ちうるかに影響する。角度が増加する場合、有効な光学波長は、干渉光に対して減少することになり、入射角におけるｓの広がりは、透過スペクトルの汚染をもたらすことになる。高い屈折率はフィルタ中の低い最大屈折角をもたらす。可能な最大の角度はフィルタのエテンデュー(etendue)を決定することになる。エテンデューは、光束の面積と立体角の積であって、放射源が無制限な広がりを持つ時に、系を通過することが可能な光の量がどのくらいかの基準である。所定のスペクトル分解に対してエテンデューが屈折率の２乗に比例することを示すことができる。従って、共振器内の空気の代わりに、例えばシリコン（ｎ＝３．４）が使われるならば、１０倍多くの光を得ることができる。

課題は、高い屈折率を持ち、また相関設定モードと反相関設定モードの両方にフィルタを調整するのに十分に光学波長を変えることもできる干渉フィルタを作ることである。

［従来の業績］
このような干渉フィルタによって一酸化炭素を測定する原理は、１９７４年の特許文献１に記載されている。これも熱的に変調された透明な光学材料内のフィルタを作る可能性に言及しているが、シリコンまたは類似のものについては言及していない。

機械的な干渉計を作ることは高価になり、そのため、この測定方法は例えば国内市場のための火災警報器や焼却炉のプロセス監視での使用のための安価で大量生産向きのＣＯセンサには不適である。

１９９０頃に、Michael Zochbauerは、光学波長を変えるためのシリコンディスクの加熱に関するいくつかの実験を行った（Zochbauerの非特許文献１）。このように干渉フィルタは安価な部品になっている。加熱および冷却サイクルは遅くて、エネルギーを消費するということが分かった。やはり、ディスクにわたって均一な温度を達成することは難しかった。
米国特許第３,９３９,３４８号明細書（１９７４年：Barrett JJ） 米国特許第５，８８６，２４７号明細書（１９９７年：Rabbett MD） Zochbauer M著、「Technisches Messen 61」，１９９４年，１９５〜２０３頁

従って、可能な限り類似の状態の下で相関測定と反相関測定を、例えば２つの干渉状態間を高速スイッチングによって行なうこともできるようにする、調整可能な干渉フィルタに最大の光処理能力を提供することが、本発明の目的である。

これらの目的は添付の請求項による調整可能なフィルタを使って得られる。

例として本発明を例証している添付の図面を参照しながら、本発明を以下でさらに詳細に説明する。

図３Ｂおよび図３Ｃにおいて、干渉フィルタは２つのシリコンディスクＩ、ＩＩから成っているように示されている。フィルタ内で振動する光１０の支配的な干渉はシリコンと空気の間の２つの境界２の間にある。ディスクの反対側には反射防止層３が位置する。この結果、「見えない」空洞（キャビティ）以外は、干渉フィルタが一つのシリコンディスク１のように振舞うことになり、光学的に等価な状態が図３Ａで示されたもののようになる。そこ（図３Ａ）では、干渉フィルタが両側に反射面２を持ったシリコンディスク１として示されている。図３ＢのディスクＩ、ＩＩの間の距離を意味するキャビティを変えることによって、干渉を与える反射面の間の全体の光路長は変化することになる。次に、フィルタを、相関設定モードと反相関設定モードの両方に設定することができ、キャビティとミラーを使う干渉計の適応性を達成すると同時に、シリコン材料の利点、すなわち大きな入射角度と低減された全体厚さが維持される。低減された厚さと短いキャビティ距離は一般に平行な表面を作ることを容易にする。図面から明らかなように、図３Ｂと図３Ｃの違いは１つのシリコンディスクがひっくり返されたことだけであり、２つの反射面間の光路長に影響を与えるだけである。

キャビティは、実際の実施形態の許容誤差と安定性に応じて、λ／４からλ／２の範囲で実用的な調整を可能にするのに十分な大きさでなければならないのみである。

使われる材料は好ましくはシリコンであるが、他の材料でも良好な結果を達成することができる。１つの例はゲルマニウムであって、それはシリコンよりさらに高い屈折率を持つ。代案の実施形態では、さらに一層フィルタの効率を増やすために、可変のキャビティが、例えば適当な屈折率を持ったジェルで充填されうる。しかしながら通常の使用では、それは空気を収容することになる。

通常、反射層は、空気と材料の間の平らで本質的に平行な表面から成ることになる。シリコンに対してそれは約０．３の反射率を与えることになるが、フィルタのフィネスを調整するために異なった表面処理を考慮することができる。反射防止層または反射低減面は、異なった屈折率の１つ以上の層から成り立つことができる。これはそれ自体、既知の技術であって、ここではいかなる詳細な説明も行わないが、４．７５μｍの範囲の波長で動作する０．６５μｍのＳｉＯ_２の層として提供することができる。多孔性シリコン、または屈折率を次第に変える他の技術をも使うことができる。最も重要なのは、関連する波長範囲に対する最小の反射係数をそれが持つということである。残りの反射係数は、２つの測定に異なる影響を与えることになる。１つの層からの干渉は、図３Ｄに示すように粗で傾斜した１つの表面４を作ることによって、さらに一層多く減らされうる。

図４および図５は、ウェーハボンディングとマイクロ機械加工のためのそれ自体既知の解決法に基づいて、フィルタがどのように実施されうるかを示す。図４から明らかなように、ここでのフィルタは、基板上に選ばれた距離を保ったディスクを備えた基板６によって構成されている。フィルタ内に反射体の１つと透明な材料を構成しているシリコンディスク６と、第２の反射体を持った下にある基板７との間に電圧を印加することによって、静電気引力によりそれらの間の距離を調整することができる。従って、キャビティの厚さは単純な方法で変化する。図４では、異なる方向の寸法は、図示の目的から実際に実現可能な実施形態のための比率ではない。

図４は、適切な電圧源（図示しない）に接続された電極５を使用して、部材の静電気的動きによって調整可能なファブリーペローフィルタを有する本発明の好ましい実施形態の断面を示す。上に重なったディスク６と基板７との間の静電気引力により、ディスクは引き下ろされ、それらの間のキャビティは小さくなる。これは、ウェーハボンディングおよびポリッシング（研磨）に基づくフォトリソグラフィの大量生産によって実現すすることができる。

図５Ａおよび図５Ｂは別の原理を示し、そこではキャビティの厚さが圧電アクチュエータ１１を使って調整される。図５Ｂから明らかに、光が１つの側から入り、そして光の透過がフィルタの他の側で測定されるように、光１０がファブリィ−ペローを通過する。ディスクと基板とはいずれも、反射面を提供され、他の側に反射低減層を提供されうる。これらの配列はキャビティの長さに応じて変化させることができるだけでなく、少なくとも１つのシリコンのディスクが反射層の間に見出される。これらの考察はもちろん、図４に示した解決策と関連して行うこともできる。これらの解決策に加えて、既知の技術で説明されるように、関連する測定範囲に対する粗い調整が可能なように温度を選択することによって、反射層間の距離を調整することももちろんできる。従って、フィルタを通した光路長を調整するための結果的な手段は、温度と距離制御の組合せを有することになる。

ここで示された解決策に加えて、シリコンディスクには、例えば部材を通過する光の合焦点をさせるためのパターンを提供することができる。これは回折パターン、フレネルレンズ、または図６に示すようなゾーンプレート８とすることができる。そこでは、光がフィルタをも通過して、ある点に向かって合焦点される。これは、図２に示された光学システムにおける他のフィルタタイプに置き換えることができ、従って様々な部品間の複雑さおよび調整の必要性を減らすることができる。

本発明の他の実施形態によれば、追加または代替としてのシリコンディスクに、ディスク上の異なった位置での異なったキャビティ距離を提供するための、より大きな反射面パターンを提供することができる。このようにして、光スペクトルの異なった部分を、ディスク上の異なった位置において分析することができ、考えうる回折レンズが別個の解析のための異なった方向に光を向けることができる。これは、光における様々な範囲の波長の並行した分析の可能性を与えることになる。また参考文献としてここに組み入れられ、特に同時に出願されたノルウェー特許出願第２００５．１８５０と、該出願の優先権により出願された国際出願においてさらに扱われる。

上述のＣＯに対する、またファブリーペローフィルタに対する透過スペクトルを示す。 既知の技術に従ったガス測定を行なうための、上述の通常的な組立体を示す。 本発明の代案の実施形態と、さらにこの実施形態の光学等価物を示す。 本発明の代案の実施形態と、さらにこの実施形態の光学等価物を示す。 本発明の代案の実施形態と、さらにこの実施形態の光学等価物を示す。 本発明の代案の実施形態と、さらにこの実施形態の光学等価物を示す。 本発明のマイクロ機械の実施形態を示す。 本発明の代案の実施形態を示す。 本発明の代案の実施形態を示す。 表面上に合焦点パターンを持った本発明の実施形態を示す。

符号の説明

１ シリコンディスク
２ 反射面
３ 反射防止層
４ 表面
５ 電極
６ シリコンディスク
７ 基板
８ ゾーンプレート
１０ 光
１１ 圧電アクチュエータ
２１ 赤外線源
２２ 集光ミラー
２３ ガスセル
２４ フィルタ
２５ 固定帯域通過フィルタ
２６ 集光ミラー
２７ 検出器

Claims (10)

1. 選ばれた波長の範囲内の赤外線によるガス検出での使用のための調整可能な干渉フィルタであって、定義された光路と、該光路に位置して、光が間で振動しうる反射面によって区切られ共振器を定義する選ばれた距離によって分離された少なくとも２つの本質的に平行な反射面と、を有し、前記表面の少なくとも１つが共振器への、または共振器からの光の伝播に対して半透明であるような、干渉フィルタであり、該フィルタは、
   選ばれた厚さを備え、前記光路内の前記反射面間に置かれ、シリコンに匹敵するかまたはそれより大きな選ばれた屈折率を持つ第１の透明な材料と、
   第１の透明な材料と反射面の少なくとも１つとの間に空洞を定義するための分離手段、および、前記反射面間の距離を調整するための、従って共振器光路長を調整するための調整手段デバイスと、
   前記透明な材料と前記光路における前記空洞との間の境界表面であって、波長の前記範囲における前記境界表面の反射率を減らすための反射低減手段を備えた境界表面と、
   を有することを特徴とするフィルタ。
2. 第１の反射面は前記透明な材料の１つの側を構成し、前記境界表面はこれの反対側上に置かれた低減された反射率を持ち、第２の反射面は前記空洞の反対側上のキャリア材料上に置かれることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
3. 第１の反射面がディスクの上側にあり、反射低減層がディスクの下側に置かれるように、前記第１の透明な材料が前記第２の反射面の上に置かれたディスクによって構成されることを特徴とする請求項２に記載のフィルタ。
4. 電圧源と２つの反射面のそれぞれに対する電気的導体とに連結するための、従ってそれらの間の距離の静電的調整を提供するための手段を有することを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
5. 前記反射面の少なくとも１つは３次元パターンを有し、前記パターンは、例えば異なった方向における異なった波長を持った光の透過または反射のための、回折フィルタを有することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
6. 前記パターンは、異なった位置に向かって異なった波長を持つ光を合焦点するよう適合させられた、少なくとも１つの回折レンズを有することを特徴とする請求項５に記載のフィルタ。
7. 前記空洞は、柔軟な材料、例えば選ばれた屈折率を持ったジェルで充填されることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
8. 低減された反射率を持つ前記境界は、空洞および透明な材料の屈折率と異なった屈折率を持つ材料であって、波長の選ばれた範囲内の前記境界における反射を、既知の方法それ自体で減らすような厚さを備えた材料の、少なくとも１つの層を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
9. 前記第１の透明な材料は１つの側に反射面を、他の側に反射低減手段を備え、前記フィルタは、１つの側に反射面を、他の側に反射低減手段を持った第２の透明な材料をも有し、さらに、前記２つの透明な材料は、反射低減手段を備える表面が互いに直面するように向けられ、前記分離手段によって分離され、それらの間の距離が前記調整手段によって調整され、それによって共振器が２つの透明材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
10. 前記反射面間の距離が、検出されるガスを特徴付ける選ばれた吸収波長範囲に対応する波長範囲内での干渉を提供するように選ばれることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。

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