JPH06507489A - 音響光学デバイスを使用する測定のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 響゛−デバイスを　用−る測　のための　゛　び本発明は音響光字測定デバイス の使用、及び特にこのようなデバイスを使用する微分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ ｌ）光学測定に関する。

非常に広範な測定テクノロジで光学技術が開発されている。測定の重要な要素は 、測定される物理的性質の小さな変化に対する感度である。従って、幾つかの型 の光学測定の感度を高めることのできる発明には多数の潜在的用途がある。

本発明の特徴は、直接微分光学測定を行うために位相感知式検出技術と組み合わ せて音響光字を使用することである。音響光学デバイスはある透明材料内での光 波と音波との相互作用に依存する。このデバイスは、光の強度、波長及びビーム 方向を調′整するために光学系で広範に使用されている０本発明で使用する２つ の型の音響光学デバイスは音響光学偏向器及び音響光学チューナプルフィルタで ある。

その名が意味するように、音響光学偏向器はデバイス通過時での光ビームの偏向 角度を電子的に調整し、音響光学チューナプルフィルタはデバイスによって透過 される光の波長を調整する。これらのデバイスの重要な特徴はその非常に速い走 査速度及び連続的な走査範囲である。これら２つの点で、音響光学デバイスは同 等の電気機械デバイスよりも優れている。但し角度及び波長の走査範囲が制限さ れる。

本発明に基づいて、音響光学デバイスと、試料又はセンサ素子の光学的性質の微 分を直接測定するための位相感知式検出技術とを含む多数のタイプの光学測定の 感度を高めるための装置を提供する。

添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

図１は溶融石英プリズム上の銀層の反射率を示す。

図２は微分反射率の測定に使用する装置の概略図である。

図３は屈折率の高いガラスプリズム上の銀層の反射率を示す。

図４は過マンガン酸カリウム溶液の微分透過率の測定を概略的に示す。

図５は過マンガン酸カリウム溶液の光の透過率を示す。

図６は光学的性質の小さなシフトの測定に使用する装置の概略図である。

図７は銀層上で凝縮する水蒸気によるプラズモン角度のシフトを示す。

図８〜図１１は説明のための図である。

図１２は遠隔測定用光ファイバを含む装置の概略図である。

図１３は微分分光法で使用する装置の概略図である。

図面によれば、光学測定システムは、試料又はセンサ素子を探査するために使用 されている光ビームの入射角又は波長を変えるために音響光学偏向器又は音響光 学チューナプルフィルタを使用している。試料の光学的性質が角度（運　・二動 量）又は波長（運動量若しくはエネルギ）に依存するならば、適切に配置された 光検波器は音響光学変調と同一周波数で変調信号を受信する。この信号は、音響 光学変調周波数を基準として使用するロックイン増幅器に供給され得る。一般に 試料の光学的性質の変動による光検波器の信号のこの成分のみが次に増幅される 。増幅器からの出力信号のサイズは光検波器の信号の変調に比例するので、これ は実際には、角度又は波長に対する試料の光学的性質の微分の直接的測定である 。

これを図１に示す。図１の点線は溶融石英プリズム上の銀層の角度の関数として の反射率を示している０反射率の下降は銀／空気のインタフェースの通常の表面 プラズモン−ポラリトン（ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）共振によって引き起こされる。

実線はこの反射率の微分（ｄＲ／ｄθ）を示している。これは図２に示すような 入射角を変えるための音響光学偏向器を使用して直接測定した。図２では、Ｈｅ 　Ｎ　ｅレーザ２からの放射ビーム１は、電圧制御された周波数源４から出る周 波数の変調された駆動信号によって制御される音響光字偏向器３を通過する。部 分的に反射するミラー５は放射線を基準ビーム６とプローブビーム７とに分割す る。基準ビームはホトダイオード８によって検出され且つアナログディバイダ回 路９の一方の入力へと至る。プローブビームはコンピュータ制御された回転式ス テージ１２上に装着されたプリズム１１の一面１０上の銀層から反射される。プ ローブビームは次いで、アナログディバイダ回路９の他方の入力に結合されたホ トダイオード１３へと至る。基準電圧に対する信号の比率を表す信号が、ディバ イダ回路からロックイン増幅器１４の入力に通過する。ロックイン増幅器は、周 波数変調信号をＶＣＦＳに提供する信号発生器１５からも供給を受ける。微分信 号はロックイン増幅器からマイクロコンピュータ１６に通過する。

真の微分の測定の重要性は、通常大きく、恐らく雑音のあるバックグラウンド信 号によって支配される非常に弱い光学的性質の測定を可能とすることである１位 相感知式検出を伴う従来のビーム振幅変調も雑音を減少させるが、大きなバック グラウンド信号の効果は除去しない。

角度の変化に対する微分測定の力を図３に示す。屈折率の高いガラスプリズム上 に付着した厚い銀フィルムの反射率を標準的な振幅変調検出システムを用いて測 定すると、反射率は入射角範囲に対して一定であるように思えた。しかしながら 、音響光学偏向器で入射角を変えかつ非常に高い利得（雑音を引き起こす）にセ ットされたロックイン増幅器を用いると、非常に弱い表面プラズモン共振の存在 を微分反射能から解明することができる。

本発明は更に、微分液体分光測定のような波長走査に適用される１通常微分液体 分光計では、問題の溶液を含んでいるセルの吸収を単なる水の基準セルの吸収と 比較する。

波長に対するこの比較吸収の微分を測定するために図４に示すシステムを使用し た。白色光ビーム２０は音響光学チューナプルフィルタ２２に入射する。Ｐ波し た出力ビーム２４は、プローブビーム３０及び基準ビーム３２を発生させるため に過マンガン酸カリウムを含む試料セル２６及び水を含む基準セル２８を通過す る。これらのビームは、ミラー３４．３６での反射後に、それぞれ信号ホトダイ オード３８及び基準フォトダイオード４０によって検出される。

これらのダイオードからの出力は、アナログディバイダ回路４２、ロックイン増 幅器４４及びマイクロコンピュータ４６に供給される。信号発生器４８はＶＣＦ Ｓ５０に周波数変調信号を提供し、ロックイン増幅器には基準信号を提供する。

マイクロコンピュータは音響光学チューナプルフィルタを駆動するＶＣＦＳに付 加的な波長走査信号を提供する。

図５は、非常に希薄な過マンガン酸力゛リウム溶液を含んでいるセルの透過率の 微分が比較信号の弱い吸収性をどれほど大きく強調するかを示している。

本発明の他の実施例によって、試料の光学的性質の非常に小さな変化を測定する ことができる。この用途は、フェーズロックドループの光学アナログを構成する 必要がある。

実際にはこれは、図６に示すようにロックイン増幅器がら、音響光字デバイスを 駆動する電圧制御された周波数源に出力をフィードバックすることを意味する。

図６では、Ｈｅ　Ｎ　ｅレーザ６２がらの放射線ビーム６ｏは、電圧制御された 発振器６６がら出る周波数の変調された駆動信号によって調整される音響光学偏 向器６４を通過する。部分的に反射するミラー６８は放射線を基準ビーム７０と プローブビーム７２とに分割する。基準ビームはホトダイオード７４によって検 出され且つアナログディバイダ回路７６の一方の入力へと至る。プローブビーム は、コンピュータ制御された回転式ステージ８２上に装着されたプリズム８０の 一面７８上の銀層から反射される。プローブビームは次いで、アナログディバイ ダ回路７６の他方の入力に結合されたホトダイオード８４へと至る。基準電圧に 対する信号の比率を表す信号が、ディバイダ回路がちロックイン増幅器８８の入 力に通過する。ロックイン増幅器は、電圧制御された周波数源を変調する信号発 生器９０がらち供給を受ける。フィードバック信号が更にロックイン増幅器から 電圧制御された周波数源に通過する。電圧制御された周波数源の出力周波数を周 波数カウンタ９２で連続的に測定し且つマイクロコンピュータ９４によって記録 する。

フィードバック位相を正確に調整すれば、システムは特定の光学的性質が生じる 角度又は波長にロックオンさせることができる。

例えばレーザビームが音響光学偏向器による偏向後に、最小反射率の角度で図１ の銀層に入射するときには、（音響光学偏向器の変調周波数にセットされた）ロ ックイン増幅器からのフィードバック信号はゼロである。しかしならば、表面プ ラズモン角度が試料の物理的変化に応じてシフトすれば、大きい信号が増幅器か ら電圧制御された周波数源にフィードバックされる。この信号は空（ｎｕｌｌ） 信号を復元するために、電圧制御された周波数源の中心周波数を、従ってレーザ ビームの偏向角度を引出す（ｐｕｌｌ）。

このようにして、入射角は表面プラズモン共振にロックされ、この角度の任意の シフトは電圧制御された周波数源の中心周波数のシフトとして測定する。

光学的性質の角度又は波長の変化がシステムによって、電圧制御された周波数源 の周波数の変化に変わると、光学測定の感度が大幅に増ず。音響光学偏向器の通 常の駆動周波数は３０〜７０ＭＨｚであり、音響光学チューナプルフィルタの駆 動周波数は８０〜１６０ＭＨｚである。一般にこれらの周波数は数Ｈｚの精度で 測定することができ、１／１０７の潜在精度が得られる。これは、通常角度又は 波長を直接測定して得ることができるよりも大きい桁である。

この技術は、銀層上に凝縮する不飽和蒸気によって引き起こされるプラズモン角 度の小さなシフトを感知することによって実証された。通常の結果を図７に示す 、実際の機械振動では、空気流及び熱流（ｄｒｉｆｔ）は測定の感度を１０−４ 度のシフトに制限した。しかしながら、これは、この実験で予め得られた感度に 比べて２桁の改善である。更には、デバイスの設計に注意を払って、雑音を発生 する要因全てを少なくすることができる。ひとつの可能性は、音響光学デバイス とセンサとを単一の結晶ブロックに集積することである。

図８及び図９は、金属表面上の薄い上層の検出に使用する実施例を示している。

これらの図では、放射ビーム１００はプリズム１０４又は格子１０６の表面上の 金属層１０２によって反射される。あるいは、図１０及び図１１は、誘電体１０ ８の上層、即ち導波路をどのように図８及び図９のプリズム又は格子に加えるこ とができるがを示している。誘電体の光学的性質の小さな変化は大−きな精度で 測定される。図１２は、入射ビームの経路でのミラー１１０の方向の小さな変化 δθの測定を示す図８の実施例の変形例である。

光ファイバを使用する遠隔測定装置を示す図１３にょれば、音響光字チューナプ ルフィルタ１２２をｒ波した放射線ビーム１２０をミラー１２４，１２６によっ て２つの成分ビームに分割する。成分ビームは光ファイバ１２８゜１３０によっ てそれぞれプローブ格子１３２及び基準格子１３４を通過し、次に他のファイバ １３６，１３８によってホトダイオード１４０，１４２を通過する。ホトダイオ ードの出力信号は図４の装置と同様に処理され得る。

図１４は、試験中の試験片で試料セル１４４を使゛用し、標準溶液で基準セル１ ４６を使用する微分分光法で使用するアナログ装置を示している。

本発明は多数の光字測定技術に適用され得る。可能性としては、入射角く光子運 動量）に対する微分を使用する用途及び波長く光子エネルギ）に対する微分を使 用する用途が含まれる。

特殊な微分用途には、金属面上の薄い上層（単層の１０１より小）の検出及び上 層、即ち導波路の誘電率の小さな変化の検出が含まれ、電気化学、ガス感知、バ イオセンサ、クロマトグラフィ及び集電赤外センサに適用される。

波長微分用途には、ファイバの光導波路の端部で遠隔的に行うことのできる測定 、分光法、強いバックグラウンド上での弱い特徴の検出及び場合によっては監視 のための波長の異なる光信号へのロックオンが含まれる。

国際調査報告　。ｒ丁／ｌ’！Ｑ　Ｍ／ｎｎＣや１輔ｉＩ＾−１＋ｍＮｅ　ＰＣ Ｔ／ＧＢ　９２１００６６５フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，’　識別記号　庁内整理番号ＧＯＩＮ　２１／４７ 　Ｚ　７３７０−２Ｊ／／ＧＯＩＢ　１１／３０　Ｚ　９１０８−２ＦＧＯＩＮ 　２１１００　Ａ　７３７０−２Ｊ（７２）発明者　サンプルズ、ジョン・ロイ イギリス国、デポン・イー・エックス・１７・５・エフ・エフ、フレブイトン、 コツプルストーン、シャーリイ・ハウス（番地なし） Ｉ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学測定装置であって、 前記位相感知式測定手段の感度を高めるための音響光学手段（３）を含んでいる ことを特徴とする光学測定装置。
2. ２．前記装置が、光ビーム（１）のパラメータを変えるのに適した音響光学手段 と、前記光ビームを基準ビーム（６）とプローブビーム（７）とに分割するため のビーム分割手段（５）と、試験中の素子の調査後にそれぞれ前記基準ビーム及 び前記プローブビームを検出するための検出手段（８１３）と、前記プローブビ ームによって測定された前記素子の光学的性質の微分を測定するための測定手段 （９，１４，１５）とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の位相感知 式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学測定装置。
3. ３．前記測定手段が、光ビーム変調手段（１３）から供給を受ける増幅手段（１ ４）にプローブ信号と基準信号との比率を表す信号を提供するのに適した前記検 出手段（８，１３）から供給を受けるディバイダ手段（９）を含んでいることを 特徴とする請求項２に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む 光学測定装置。
4. ４．前記増幅手段（１４）からの出力が、音響光学手段（１３）を駆動する電圧 制御された周波数源（６６）にフィードバックされることを特徴とする請求項３ に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学測定装置。
5. ５．音響光学手段及び検出手段（８，１３）が単一の素子に集積されることを特 徴とする請求項１に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光 学測定装置。
6. ６．音響光学手段（３）が音響光学偏向器であることを特徴とする請求項１に記 載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学測定装置。
7. ７．プローブビームが最小反射率に選択された角度で入射することを特徴とする 請求項６に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学測定装 置。
8. ８．音響光学偏向器が３０〜７０ＭＨｚの範囲の周波数で駆動されることを特徴 とする請求項６に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４，１６）を含む光学 測定装置。
9. ９．音響光学手段が音響光学チューナブルフィルタであることを特徴とする請求 項１に記載の位相感知式測定手段（８９，１４，１６）を含む光学測定装置。
10. １０．音響光学チューナブルフィルタが８０〜１６０ＭＨｚの範囲の周波数で駆 動されることを特徴とする請求項１に記載の位相感知式測定手段（８，９，１４ ，１６）を含む光学測定装置。