NO322438B1 - Justerbart interferensfilter - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen angår et justerbart interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område, omfattende minst to i det vesentlige parallelle reflekterende flater med en valgt innbyrdes avstand for derved å definere en kavitet avgrenset av de reflekterende flatene mellom hvilke lyset kan oscillere og der minst én av flatene er delvis transparent for transmisjon av lyset til eller fra kaviteten. Filteret omfatter et første transparent materiale med valgt tykkelse og med høy brytningsindeks, for eksempel silisium, plassert i kaviteten, avstandsmidler innrettet til 'a definere en avstand og dermed et hulrom mellom det første transparente materialet og minst én av de reflekterende flatene, og en justeringsanordning for regulering av denne avstanden og dermed tilveiebringe et hulrom med minst én valgbar dimensjon, og i grenseflaten mellom det transparente materialet og hulrommet minst et lag av materiale med en brytningsindeks som skiller seg fra hulrommets og det transparente lagets brytningsindekser, og med en tykkelse som på i og for seg kjent måte er valgt for å redusere reflekser ved nevnte grenseflate innen det valgte bølgelengdeområdet.

Description

Denne oppfinnelsen angår et justerbart interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område.

De fleste gasser absorberer infrarødt lys med fotonenergier som tilsvarer vibrasjons- og rotasjonsovergangene til gassmolekylet. Unntaket er gassmolekyler som består av to identiske atomer, slik som for eksempel oksygen (O2) og nitrogen (N2).

Ved måling av gasskonsentrasjon med infrarødt lys er det vanlig å gjøre to målinger av lyset som transmitteres gjennom gassen: En måling som blir påvirket (redusert) av gassabsorpsjonen, og en referansemåling som ikke påvirkes av gassen.

Som vist i figur 1, som viser transmisjon som funksjon av bølgelengde i området 4,5 - 5 um, har det infrarøde spekteret til karbonmonoksid (CO) et nesten periodisk linjemønster. Flere andre gasser, deriblant metan (CH4), har lignende absorpsjonslinjer. Avstanden mellom linjene øker med økende bølgelengde, men er tilnærmet konstant innenfor et lite bølgelengdeintervall. For å måle konsentrasjonen av CO kan man bruke et oppsett som vist i figur 2. Lys fra en infrarød kilde 21 sendes via et fokuserende speil 22 til gjennom en gasscelle 23 og deretter gjennom et modulerbart filter 24, for eksempel et Fabry-Perot-filter, og et fast båndpassfilter 25, videre via et nytt fokuserende speil 26 til en detektor 27.1 dette oppsettet er det modulerbare filterets funksjon å skifte mellom to konfigurasjoner eller innstillinger. I den ene innstillingen transmitterer det lys i de spektrale båndene hvor CO transmitterer (korrelasjonsinnstilling) og i den andre innstillingen transmitterer det lys der hvor CO absorberer (anti-korrelasjonsinnstilling). På den måten er det mulig å veksle kontinuerlig mellom målinger som bruker de ulike innstillingene. Differansen mellom de to målingene vil være null når det ikke er CO tilstede i gasscellen, og øke med økende konsentrasjon av CO.

Ved å bruke et filter som er tilpasset enkeltlinjene i gasspekteret oppnås flere fordeler: 1) En gitt gasskonsentrasjon gir relativt større signalendring når en bruker et båndpassfilter.

2) Om det finnes andre gasser som absorberer i det samme bølgelengdeområdet, så vil disse ha minimal innvirkning, siden man reduserer følsomheten for gasser innen samme område-men med forskjellige linjer. 3) Endringer i kildetemperatur og andre forstyrrelser vil også påvirke begge målingene like mye.

For at dette skal virke, så må alt annet enn posisjonen til filterets linjer holdes konstant. Dette kan oppnås ved å la lyset følge så lik bane som mulig. Fortrinnsvis skal alt som påvirker målingene påvirke begge målingene like mye. I tillegg til andre gasser, så kan det være temperaturgradienter, skitt som avsettes på optiske flater, drift i forsterkerkretser, mekanisk stabilitet og så videre.

Det er vanskelig å lage et filter som passer perfekt overens med CO-linjene. En god tilnærming er et interferensfilter som består av to parallelle optiske flater med en avstand d mellom flatene, og en brytningsindeks n for mediet mellom flatene. Transmisjonen gjennom filteret blir nå en periodisk funksjon av bølgetallet v = IA., der X er bølgelengden. Perioden blir 1/2w/, der n er brytningsindeksen. Nå kan avstanden d velges slik at perioden stemmer overens med CO-linjene på ett sted i spekteret. Når den optiske veilengden s = ndendres med en fjerdedel av bølgelengden: s±( As) = s±X/ 4, vil man få den ønskede modulasjonen av filteret. Ved konstant brytningsindeks vil dette tilsvare en endring i tykkelse d±(& d) = d± X/ 4n. Når brytningsindeksen er 1, vil Ad være omtrent 2,3 mikrometer.

Transmisjonen gjennom et interferensfilter i antikorrelasjonsmodus, tilpasset CO-spekteret, er vist i Figur 1, der den øvre linjen viser CO-spekteret og den nedre linjen viser transmisjonsspekteret til filteret, begge som funksjon av bølgelengden, som her ligger i området 4,5 til 5,0 um.

Ut fra senterbølgelengden vil det bli gradvis større og større avvik mellom filterlinjer og gasslifijer, som vist i figur 1. Ved å legge inn et båndpassfilter kan man avgrense området som benyttes.

Dersom interferensfilteret skal bestå av parallelle speil med avstand som kan endres, er valg av optiske materialer mellom speilene svært begrenset: Luft, andre gasser, eller eventuelt et elastisk, transparent materiale. Det optiske materialet i interferensfilteret bestemmer hvor stor spredning i vinkel man kan ha på det innkommende lyset. Når vinkelen øker, så vil den effektive optiske veilengden minke for lyset som interfererer, og en spredning i innfallsvinkler vil gi en utsmøring av transmisjonsspekteret. Høy brytningsindeks gir lav brytningsvinkel inne i filteret. Den maksimale tillatte vinkelen vil bestemme filterets etendue. Etendue er produktet av areal og romvinkel til lysbunten, altså hvor mye lys det er mulig å få gjennom systemet når strålingskilden har ubegrenset utstrekning. Det kan vises at for en gitt spektral oppløsning, så er etenduen proporsjonal med kvadratet av brytningsindeksen. Derfor vil man kunne få mer enn 10 ganger mer

lys om man bruker for eksempel silisium (n=3.4) i stedet for luft i resonatoren.

Utfordringen er å lage et interferensfilter med høy brytningsindeks, der man samtidig kan endre den optiske veilengden nok til å stille filteret inn i både korrelasjons- og antikorrelasjonsmodus.

Tidligere arbeid

Som nevnt over er bruk av Fabry-Perot-baserte filtre i for seg kjent innen en rekke sammenhenger, og silisiumbaserte løsninger for målinger av gasskomponenter med Ut-målinger er beskrevet i internasjonal patentsøknad WO 96/21140 og EP 693683, sistnevnte beskriver i likhet med DE 4334578 hvordan avstanden mellom de reflekterende flatene kan endres elektrostatisk. Ingen av dem beskriver imidlertid løsnigner som drar nytt av den høye brytningsindeksen i silisium-materialet eller den økte virkningsgraden man kan oppnå ved dette i kombinasjon med muligheten for å endre størrelsen på kaviteten i interferometeret.

Prinsippet med å måle karbonmonoksid med et slikt interferensfilter, er i utgangspunktet beskrevet i US patent 3,939,348 fra 1974. Der er også nevnt muligheten for å lage et termisk modulerbart filter i et transparent optisk materiale, men silisium eller tilsvarende er ikke nevnt.

Det er kostbart å lage et mekanisk interferometer, og denne målemetoden har derfor vært uegnet for rimelige, masseproduserte CO-sensorer til bruk i blant annet brannalarmer for hjemmemarkedet, og prosesstyring av forbrenningsovner.

Omkring 1990 gjorde Michael Zochbauer noen forsøk med oppvarming av en silisiumskive for å endre den optiske veilengden [Zochbauer, artikkel]. På denne måten blir interferensfilteret en billig komponent. Oppvarmings- og nedkjølingssyklusen viste seg å være langsom og energikrevende. Det er heller ikke enkelt å oppnå uniform temperatur over hele skiven.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et justerbart interferensfilter med maksimal lysgjennomgang som også muliggjør korrelasjons- og antikorrelasjonsmålinger under så like forhold som mulig, for eksempel ved raskt å kunne koble mellom to interferensforhold.

Disse formålene oppnås ved et justerbart filter som angitt i det selvstendige krav 1.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av ekspempler. Figur 1 illusterer som nevnt transmisjons-spekteret for CO, og for et Fabry-Perot- filter. Figur 2 illustrerer som nevnt et vanlig oppsett for utførelse av gassmålinger i

henhold til den kjente teknikk.

Figur 3 A-D illustrerer alternative utførelser av den foreliggende oppfinnelsen, samt

den optiske ekvivalenten til denne utførelsen.

Figur 4 illustrerer en mikromekanisk utførelse av oppfinnelsen.

Figur 5A-B illustrerer en alternativ utførelse av oppfinnelsen.

Figur 6 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen med fokuserende mønster på en

overflate.

I figur 3B og 3C illustreres et interferensfilter som består av to silisiumskiver 1,11. Den dominerende interferensen er mellom de to overgangene 2 mellom silisium og luft. På den andre siden av skivene det lagt et antireflekslag 3. Dette gjør at interferensfilteret vil fungere/se ut som en enkel silisiumskive 1, bortsett fra at det nå har et "usynlig" hulrom, slik at den optisk ekvivalente situasjonen blir slik som illustrert i figur 3A, der interferensfilteret er illustrert som en silisiumskive 1 med reflekterende overflater 2 på begge sider. Ved å endre hulrommet, dvs. avstanden mellom skivene 1,11 i figur 3B, endres total optisk veilengde mellom de flatene som interfererer. Da kan filteret stilles inn i både korrelasjons- og antikorrelasjonsmodus, slik at man oppnår fleksibiliteten til et interferometer som benytter hulrom og speil, samtidig som fordelene som silisiummaterialet gir beholdes, nemlig høye innfallsvinkler og redusert total tykkelse. Den reduserte tykkelsen og korte hulromsavstanden gjør det enkelt å lage parallelle flater. Som det fremgår av tegningene er forskjellen på figurene 3B og 3C bare at den ene silisiumskiven er snudd, noe som bare påvirker den optiske veilengden mellom de reflekterende lagene.

Hulrommet trenger bare å være så stort at det er praktisk mulig å endre det en avstand i området XIA til X/ 2, avhengig av toleransen og stabiliteten til den konkrete utførelsen.

Materialet som anvendes er fortrinnsvis silisium, men det er også mulig å oppnå gunstige resultater med andre materialer. Et aktuelt eksempel er germanium, som har en høyere brytningsindeks enn silisium. I en alternativ utførelse kan også det variable hulrommet fylles, for eksempel med et gel med en egnet brytningsindeks, for å øke brytningsindeksen og dermed effektiviteten til filteret ytterligere. I vanlige utførelser vil det imidlertid inneholde luft.

De reflekterende laget på vil normalt bestå av plane og i det vesentlige parallelle flater mellom luft og materialet, noe som for silisium gir en reflektans på omtrent 0,3, men forskjellige typer overflatebehandling kan også tenkes for å justere finessen til filteret. Antireflekslaget kan bestå av ett eller flere lag med ulike brytningsindekser. Dette er i og for seg velkjente teknikker og vil ikke bli beskrevet i detalj her, men kan utføres som et 0,65 um lag av SiO ved operasjon imed bølgelengder i området omkring 4,75 um. Andre teknikker som porøs silisium eller gradvise overganger i brytningsindeks kan også anvendes. Det viktigste er at det har minimal refleksjonskoeffisient for det aktuelle bølgelengdeområdet. Den resterende refleksjonskoeffisienten vil påvirke de to målingene ulikt. Interferens fra det ene sjiktet kan reduseres ytterligere ved å gjøre den ene flaten 4 ru eller skrå, slik som illustrert i figur 3D.

I figur 4 og 5 illustreres hvordan filteret er tenkt implementert med utgangspunkt i en prosess basert på i og for seg kjente teknikker for skive-bonding og polering. Som det fremgår av figur 4 utgjøres her filteret av et substrat 6 med en skive som holdes ved en bestemt avstand over substratet. Ved å påtrykke en elektrisk spenning mellom silisiumskiven 6, som utgjør den ene reflektoren og det transparente materialet i filteret, og det underliggende substratet 7 med den andre reflektoren, vil man kunne regulere avstanden mellom disse ved elektrostatisk tiltrekning. Dermed kan tykkelsen på hulrommet endres på en enkel måte. I figur 4 er dimensjonene i de forskjellige retningene ute av proporsjoner i forhold til en praktisk realiserbar utførelse, dette av hensyn til illustrasjonen. Figur 4 illustrerer et snitt av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfattende et justerbart Fabry-perot-filter med elektrostatisk bevegelse av elementene ved hjelp av elektrodene 5 tilkoblet egnet spenningskilder (ikke vist). Med elektrostatisk tiltrekning mellom den overliggende skiven 6 og substratet 7 trekkes skiven ned og hulrommet mellom dem blir mindre. Dette kan realiseres ved fotolitografisk masseproduksjon basert på skivebonding og polering. Figur 5A og 5B viser et alternativt prinsipp der tykkelsen på hulrommet reguleres ved hjelp av en piezoelektrisk aktuator 11. Som det fremgår i av figur 5B passerer lyset gjennom Fabry-Perofen, slik at lyset faller inn fra den ene siden og man kan måle lysgjennomgangen på den andre siden. Både henholdsvis skiven og substratet er forsynt med en reflekterende flate på den ene siden og et refleksreduserende lag på den andre siden. Rekkefølgen på disse vil selvsagt kunne varieres noe så lenge hulrommet samt minst én skive av silisium eller tilsvarende befinner seg mellom de reflekterende lagene. Disse vurderingene kan selvsagt også gjøres i forhold til løsningen som er illustrert i figur 4. I tillegg til disse løsningene kan selvsagt avstanden mellom de reflekterende flatene også justeres ved valg av temperatur, slik som angitt i den kjente teknikk, gjerne for grovjustering inntil det aktuelle måleområdet.

I tillegg til løsningene som er vist her kan silisiumskiven forsynes med et mønster, for eksempel for å fokusere lyset som passerer gjennom elementet. Dette kan være diffraktive mønstre, Fresnel-linser eller soneplater 8 og er illustrert i figur 6, der lyset også passerer gjennom filteret og fokuseres mot et punkt. Dette kan erstatte andre filtertyper i det optiske systemet illustrert i figur 2, og dermed redusere kompleksiteten og justeringsbehovet mellom de enkelte komponentene.

Ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen kan silisium-skiven, i tillegg eller alternativt, utstyres med et større mønster med reflekterende flater for å tilveie forskjellige kavitetsavstander på forskjellige steder på skiven. På den måten kan forskjellige deler av lysets spektrum analyseres på forskjellige steder på skiven, og eventuelle diffraktive linser kan rette lyset fira disse i forskjellige retninger for separat analyse. Dette vil gi mulighet for parallell analyse av forskjellige bølgelengdeområder i lyset, og er mer presist behandlet i samtidig innleverte norske patentsøknad nr 2005 (vår ref P2517NO00), som er inkluder her ved referanse.

Referanser

1. Barrett JJ. 1974. U. S. Patent No. 3, 939, 348

2. RabbettMD. 1997. U. S. Patent No. 5, 886, 247

3. Zochbauer M. 1994. Technisches Messen 61: 195-203,

Claims (7)

1. Justerbart interferensfilter, særlig for anvendelse ved gassdeteksjon med infrarødt lys innen et valgt område, omfattende minst to i det vesentlige parallelle reflekterende flater med en valgt innbyrdes avstand for derved å definere en kavitet avgrenset av de reflekterende flatene mellom hvilke lyset kan oscillere og der minst én av flatene er delvis transparent for transmisjon av lyset til eller fra kaviteten, der filteret omfatter et første transparent materiale med valgt tykkelse og med høy brytningsindeks, for eksempel silisium, plassert i kaviteten, karakterisert ved at det videre omfatter: avstandsmidler innrettet til å definere en avstand og dermed et hulrom mellom det første transparente materialet og minst én av de reflekterende flatene, og en justeringsanordning for regulering av denne avstanden og dermed tilveiebringe et hulrom med minst én valgbar dimensjon, og i grenseflaten mellom det transparente materialet og hulrommet minst et lag av materiale med en brytningsindeks som skiller seg fra hulrommets og det transparente lagets brytningsindekser, og med en tykkelse som på i og for seg kjent måte er valgt for å redusere reflekser ved nevnte grenseflate innen det valgte bølgelengdeområdet.

2. Filter ifølge krav 1, der den første reflekterende flaten utgjøres av den ene siden på nevnte første transparente materiale, at de refleksreduserende lagene er plassert på motsatt side i forhold til dette og at den andre reflekterende flaten er plassert på et bærermateriale på motsatt side nevnte hulrom.

3. Filter ifølge krav 2, der filteret er utført i en mikromekanisk silisium-enhet der det nevnte første transparente materialet utgjøres av en skive som strekker seg over den andre reflekterende flaten, slik at den første reflekterende flaten er på oversiden av bjelken og det/de refleksjonsreduserende laget(ne) er plassert på undersiden av bjelken.

4. Filter ifølge krav 3, omfattende tilkobling for en spenningskilde og elektriske ledere tilknyttet hver at de to reflekterende flatene, for derved å kunne endre avstanden mellom disse elektrostatisk.

5. Filter ifølge krav 1, der minst en av de reflekterende flatene omfatter et tredimensjonalt mønster, hvilket mønster utgjør et diffraktivt filter f.eks for transmisjon eller refleksjon av lys med forskjellige bølgelengder i forskjellige retninger..

6. Filter ifølge krav 5, der mønsteret danner minst en diffraktiv linse innrettet til å fokusere lys med forskjellige bølgelengder i forskjellige punkter.

7. Filter ifølge krav 1, der hulrommet er fylt med et fleksibelt materiale, for eksempel et gel med valgt brytningsindeks.