JP4970031B2 - ファブリペロー干渉計のミラー間の距離の電圧感度を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファブリペロー干渉計のミラー間の距離の電圧感度を決定するための、請求項１のプリアンブルによる方法に関する。

本発明はまた、この方法を実施するコンピュータ−ソフトウェア製品に関する。

電気的に調整可能なファブリペロー干渉計（ＦＰＩ）は、とりわけ、光学的な含有量測定における調整可能なバンドパスフィルタとして一般に使用される。この方法を使用することにより、性能、特に、長期安定性においてかなりの改善が達成される。本発明による方法を使用することにより、ＦＰＩバンドパスフィルタのミラー間の距離の制御電圧感度を正確に決定することが可能になり、したがって、さらに、ＦＰＩ技術の測定精度が改善される。

たとえば、二酸化炭素（ＣＯ２）の測定の長期安定性は、単一のチャネルにおいて、２つの波長帯域、すなわち、吸収帯域（ＡＢＳ４．２６μｍ）及び基準帯域（ＲＥＦ３．９μｍ）を測定することに基づいている。これらの２つの帯域は通常、調整可能なマイクロ機械式(micro-mechanical)光学ＦＰＩバンドパスフィルタを使用して選択され、フィルタの通過帯域は電圧を使用して選択することができる。これらの帯域に対応するＦＰＩ制御電圧は、Ｖａｂｓ及びＶｒｅｆと記される。含有量又は含有量に比例する量は、これらの２つの帯域から受け取られる信号の比（Ｔｘ／Ｒｘ）に基づいて計算される。すなわち、Ｔｘ信号値はＶａｂｓ電圧を使用して測定され、Ｒｘは、それに応じて、Ｖｒｅｆ電圧を使用して測定される。

たとえば、二酸化炭素トランスミッタの安定性についての第１の等価な条件は、工場調整中にメモリに記憶されたＦＰＩ電圧、すなわち、吸収及び基準電圧に対応する電圧制御、及び、それらに対応する通過帯域が、短期間及び長期間にわたって変わらないままであることである。たとえば、制御電圧の不安定性及び温度の急激な変化は、ＦＰＩ通過帯域の変位をもたらし、それによって、変化が現れる場合がある。

本発明は、先に述べた技術の性能を改善すること、また、このために、ファブリペロー干渉計のミラー間の距離の電圧感度を決定する全く新しいタイプの方法を作成することを目的とする。

本発明は、ＦＰＩ要素の製造に関連して、基準ガスの信号−制御電圧感度について少なくとも２つの測定点を記録すること、及び、これらの点を使用して、「仮想」基準−ガス曲線、たとえば、直線を定義することに基づいている。基準ガスとして、被測定ガスと同じ選択された波長帯域において光を実質的に吸収しないガスが使用される。ＣＯ２の測定では、こうした基準ガスは、たとえば、Ｎ２である。被測定ガスの含有量が十分である場合、環境における選択された吸収最小値及び／又は最大値の信号値が測定され、これらの信号値、及び、基準−ガス曲線の対応する信号値から比が形成され、この比に基づいて、自然定数、すなわち、吸収最小値及び／又は最大値の制御電圧の等値が定義される。この方法は、測定条件において通常存在する測定ガスの場合に特に適用することができる。たとえば、この方法は、ＣＯ２ガスが環境における主背景ガスの１つであるため、ＣＯ２ガス測定でうまく使用することができる。

より具体的には、本発明による方法は、請求項１の特徴部分で述べられることを特徴とする。

本発明を使用してかなりの利点が得られる。

本発明を使用して、可能性のあるＦＰＩの波長−帯域ドリフトを、効率的に、且つ、確実に検出し、なくすことができる。

較正方法は信頼性がある。それは、較正方法が、自然定数、実際のガスの実際の吸収最大値又は最小値の使用に基づいているため、ドリフトが基準値では起こらないためである。そのため、電子部品の制御電圧及びシステムの他の部品の不完全さが、不変の自然定数によりなくなる。

当該方法は、実際のガス測定中及び較正中の両方で使用することができる。製造プロセスの不完全さを較正手順によって補償することができるため、ＦＰＩ部品の製造を単純化することができる。以下では、本発明が、例を使用して、添付図面を参照して検討される。

ファブリペロー干渉計は、光学部品であり、信号の経路内に２つのほぼ平行な半反射ミラーを備え、その距離は、ミラー内の電極間の電圧を変更することによって調整される。ミラー間の距離の変化は、フィルタの通過帯域を変える。この適用形態では、制御電圧という用語は、ミラー間の距離を調整することを目的とする、まさに電圧のことを言うのに使用される。

このＦＰＩ技術は、とりわけ、米国特許第５，５６１，５２３号及び第５，６４６，７２９号に開示される。

ファブリペロー干渉計の基本方程式は、
２ｄ＝ｎλ １
であり、ｄは共振器のミラー間の距離であり、ｎは整数（＝次数）であり、λは波長である。ミラー間の物質の屈折率の値は、１であると仮定される。いわゆる、長い干渉計では、ｎは通常、１００〜１０００００である。本発明は、ｎが１〜３であり、まさしく短い干渉計に関して有利である。干渉計の通過帯域の幅Ｂ（＝ＦＷＨＭ）は、ミラーの反射係数ｒ及びｄの値によって決まる。すなわち、
Ｂ＝（１−ｒλ^２）／√ｒ２πｄ ２
である。

異なる次数の間の自由スペクトル範囲ＦＳＲは、隣接する通過帯域間の距離のことを言う。ＦＳＲは、ｎｎ及びｎ＋１の値について方程式（２）から計算することができる。すなわち、
λ_ｎ−λ_ｎ＋１＝２ｄ／ｎ−２ｄ／（ｎ＋１）＝２ｄ／ｎ（ｎ＋１） ３
である。

ｎが減少するとＦＳＲが増加することが方程式（３）から見てわかる。大きなＦＳＲであれば、たとえば、バンドパスフィルタを使用して、隣接する次数を除去することが容易になるであろう。表面マイクロ機械工学(mechanics)を使用して作られた干渉計の値ｄは、２．１μｍであり、ｎ＝１である可能性がある。そのため、ＦＳＲは値２．１μｍを受け入れる。

以下は、図１及び図２に従って、本発明による基本的な解決法について説明する。

実際に基準ガスを使用することなく、常に、基準曲線（たとえば、Ｎ２基準曲線）が確実に分析に利用できるようにするために、「仮想」Ｎ２基準曲線、すなわち、最も単純には、信号−ＦＰＩ直線が形成される。この直線は、図１に従って、工場の較正から取得され、デバイスのメモリに記録された基準ガス（たとえば、Ｎ２）の較正値（Ｖａｂｓの）Ｔ０及び（Ｖｒｅｆの）Ｒ０によって形成される。直線の代わりに、工場の較正中に定義され、デバイスのメモリに記憶されることができる、いくつかの点から形成される基準曲線を使用することも可能である。そのため、工場の較正では、被測定ガス（この場合、ＣＯ２）の最大吸収（Ｖａｂｓ）についての、また、それに応じて、基準電圧（Ｖｒｅｆ）についての、並びに、基準ガス中でのそれらに対応する信号値についての制御電圧の値が、基準ガス（この場合、Ｎ２）を使用して決定される。必要に応じて、これらの制御電圧の値に対応する値はまた、ミラー間の距離として計算される可能性がある。Ｎ２ガスが使用される場合、図２によれば、仮想曲線を使用して取得した透過曲線は、実際のＮ２ガスを使用して決定されたＶａｂｓ電圧の近傍で透過曲線によく対応していることが示される可能性がある。

仮想基準曲線が形成されると、被測定ガス（たとえば、ＣＯ２）は、先に一致した制御電圧ステップの端部、並びに、被測定ガス及び仮想曲線の信号値の比から吸収帯域（ＡＢＳ）の環境で測定される。これらの比に基づいて、新しい最小値（図３）が見出され、その位置が、二酸化炭素の吸収最大値に対応する制御電圧についての補正値（Ｖａｂｓ）を与える。Ｖｒｅｆは、後で述べる方法で、この値から計算により形成される。

実際には、ＦＰＩ電圧値（Ｖａｂｓ及びＶｒｅｆ）は、最新のＦＰＩ電圧値である。これは、本明細書で開示する方法に従うＦＰＩ電圧−スケール補正後に、「Ｎ２仮想直線」もまた、新しいＶａｂｓ及びＶｒｅｆに従ってスケーリングされるため、使用される値Ｔ０及びＲ０は、これらの新しい電圧値に対応するであろう。信号値Ｔ０及びＲ０は常に、利用可能な最新のＮ２較正値である。

種々の自己分析手順
たとえば、以下の手順の一部を適用することによって、性能目的及び利用可能な機器に従って、ＦＰＩ自己分析を常に行うことができる。
１．特定のリズム（たとえば、１０／１）を有する、測定と分析の連続自動交互サイクル、すなわち、たとえば、１０回の測定の１サイクル後に、自動的に、分析を含む１回の測定が行われ、その後、標準的な測定が続く。分析は、サイクルに従って続く。迅速な応答時間が要求されない場合、分析はまた一回で終了できる。
２．特定の分析間隔（たとえば、時間、日、週、又は月）が規定され、その後、分析が自動的に開始する。分析は一回で終了する。
３．条件限度を超えた時（圧力、温度、ＲＨ等）。
４．ユーザのイニシアチブで。
５．ユーザが、エラー報告、及び、おそらくは制御電圧を補正するための命令を受け取るように、先に述べた手順（１〜４）の任意の手順を利用して。
６．制御電圧が自動的に補正されるように、先に述べた手順（１〜４）の任意の手順を利用して。

手順にかかわりなく、分析の一部を形成する測定中の出力結果は、通常、受け取られた最後の測定値に固定される。

Ａ．自己分析条件
さらに、分析のための適当な時間を規定し、分析結果の信頼性を確保するために、たとえば、以下の条件もまた必要とされる。以下の条件は、必要に応じて適用される可能性がある。
^＊説明する分析は、被測定ガスが存在することを必要とするため、ガスの含有量が十分である条件を必要とする。これは、吸収条件、たとえば、Ｔｘ／Ｔ０＜０．９５として提示される可能性がある。値はセンサタイプに固有である。
^＊分析は、変化状態がはっきりしている間（ガス含有量が急激に変化するか、又は、センサ信号のノイズが著しく多い間）は実行することができない。すなわち、被測定信号は、十分に安定でなければならない。分析に基づく補正は、安定性条件が満たされた時に一回だけ行われる。こうした条件には、たとえば、以下のものがある。
^＊含有量条件：Ｔｘ／Ｒｘ（又は、Ｔｘ／Ｔ０）は、分析の前後で特定の限度内になければならない。
^＊ノイズ条件：たとえば、分析の前後における標準的な測定（たとえば、１分）と並行した連続ノイズ測定。ノイズレベルは十分に低くなければならない。
^＊ＦＰＩにおけるＶａｂｓ変化に対する下限は、Ｖａｂｓの連続する非常に小さな変化による、出力ノイズの増加を防止するように（たとえば、分析の吸収−電圧ステップと同じであるように）規定されなければならない。
^＊さらに、累積的なＶａｂｓ補正に対する上限が必要とされ、それによって、元のＶａｂｓ特性推定を、完全な形で行うことが可能になるであろう。
^＊１つの分析はいくつかの分析サイクルを含む可能性があり、それによって、選択された新しいＶａｂｓが、実際に新しい吸収最大値であることが確実になるであろう。さらに、取得された新しいＶａｂｓ値から、平均が計算される可能性がある。平均が使用される場合、信頼性を確保するために、見出されたＶａｂｓの発散について条件が設定されなければならない。

Ｂ．図３に従った被測定ガスのＦＰＩ吸収最大電圧（Ｖａｂｓ）の決定
^＊センサタイプ固有電圧ステップ（たとえば、０．２Ｖ）が、自己分析のために選択される。
^＊実際に、使用されるＶａｂｓに加えて、１電圧ステップの距離にある電圧点（たとえば、Ｖａｂｓ−０．２Ｖ、図の左側の点）が選択される。この点の信号値は、Ｎ２仮想直線の対応する電圧の値で除算される。取得された比がＶａｂｓにおいて計算された対応する比より大きい場合、Ｖａｂｓ＋０．２Ｖ制御電圧（図の左から３番目の点）を使用して新しい比を計算することによって分析が続けられる。この比もまた、Ｖａｂｓにおいて計算された対応する比より大きい場合、分析は終了し，Ｖａｂｓ電圧は補正されない。制御電圧Ｖａｂｓ＋０．２Ｖによる比が、図３と同様に、Ｖａｂｓにおいて計算された対応する比より小さい場合、分析は、図の右にさらに続く。すなわち、制御電圧Ｖａｂｓ＋０．４Ｖについて信号値が測定され、これと、直線の対応する値との比が上記のように計算される。分析は、こうして、新しいＶａｂｓが見出されるまで、すなわち、新しいＦＰＩ制御電圧が最大吸収に対応するまで続く。上述した分析における測定点を測定するシーケンスは、変更できる。

Ｃ．新しいＦＰＩ基準電圧の定義
^＊新しいＶａｂｓに対応する新しいＶｒｅｆが、ここで計算される。上部ミラーの静電気力と弾性力の間の均衡条件から生ずる、ＦＰＩ制御電圧とそのボイド間隔の間の関係が導出される。新しいＶａｂｓ及びＶｒｅｆ（又は、それらに対して行った補正の大きさ）は、メモリに記憶され、測定時に利用される。

本発明による方法は、通常、機器内のプロセッサ内で、コンピュータプログラムを使用して実施される。

ＦＰＩを通過する信号の関数として、本発明による方法において使用されるＦＰＩ制御電圧についてのデータのグラフである。 数値が互いに比例している図である。 本発明による吸収−最大値探索アルゴリズムの一例のグラフである。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの吸収最大値（ＡＢＳ）又は最小値が知られている、所定のガスを測定することを目的とする、ファブリペロー干渉計内のミラー間の距離の電圧感度を決定する方法において、
   −少なくとも２つの較正点は、該較正点（ＡＢＳ）の少なくとも１つが、前記被測定ガスの１つの吸収最大値（ＡＢＳ）についての制御電圧信号対に関する情報を含み、他のものが、基準測定値（ＲＥＦ）についての対応する対に関する情報を含むように、制御された条件でＮ_２のような基準ガスを使用してデバイス固有に定義され、
   −対応する制御電圧信号対の信号−制御電圧定義が、前記被測定ガスについて行われる方法であって、
   −「仮想」信号−制御電圧感度曲線は、前記基準ガスを使用して形成された前記較正点を使用して形成され、
   ―前記信号値は、前記被測定ガスの存在下で、前記予め選択された吸収最大値（ＡＢＳ）及び／又は最小値の付近で測定され、
   ―比が、前記被測定ガスの前記信号値及び前記基準ガスの前記信号値から形成され、
   ―少なくとも１つの最小値又は最大値に対応する前記制御電圧値が、前記比から定義され、
   その場合、前記被測定ガスの前記吸収最小値又は最大値の波長に基づいて、前記ミラー間の前記距離の前記電圧感度を明確に定義することができ、Ｖａｂｓ及びＶｒｅｆのＦＰＩ電圧値に対して必要な補正を行うことができる、
   ここで、Ｖａｂｓは吸収帯域（ＡＢＳ４．２６μｍ）に対応するＦＰＩ制御電圧であり、及びＶｒｅｆは基準帯域（ＲＥＦ３．９μｍ）に対応するＦＰＩ制御電圧である、
   ことを特徴とするファブリペロー干渉計内のミラー間の距離の電圧感度を決定する方法。
2. 前記被測定ガスは、二酸化炭素（ＣＯ_２）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基準ガスは窒素（Ｎ_２）であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記定義は、前記デバイスの始動と関連して自動的に実行されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記定義は、規則的な時間間隔で実行されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記定義は、特定数の測定の後に実行されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記定義は、前記測定ガスの特定の含有量条件が満たされる時に実行されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記定義は、圧力、温度及び湿度の環境条件の変化に基づいて実行されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記定義は、ユーザがそうしたいと望む時にはいつでも実行されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. ＦＰＩ電圧値が、前記測定ガスの含有量について設定されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. Ｖａｂｓの下限及び／又は上限が、変数Ｖａｂｓ及びＶｒｅｆの変化の大きさについて設定されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 多点基準曲線が、前記基準ガスから形成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ファブリペロー干渉計の基本方程式：
    ２ｄ＝ｎλ １
    ここで、ｄは共振器のミラー間の距離であり、ｎは整数（＝次数）であり、λは波長である、において、ｎが１〜３である短いファブリペロー干渉計と共に使用されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 新しいＶａｂｓ値に対応する新しいＶｒｅｆ値は、上部ミラーの静電気力と弾性力の間の均衡条件から前記ＦＰＩ制御電圧とボイド間隔の間の関係を導出することによって計算されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに１項に記載の方法。
15. ユーザは、制御電圧補正を行うための命令を必要とする状況で、エラーメッセージを常に与えられることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記制御電圧補正は自動的に行われることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。

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