JP2015512521A - 流体の吸収スペクトルを高速取得するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１のスペクトル領域の放射を第１の放射経路（１１）に沿って放出する第１の放射源（１）と、当該第１の放射経路（１１）に位置する第１の測定区間（５）と、当該第１の放射経路（１１）に配置されたチューニング可能なファブリペロー干渉計と、前記第１のスペクトル領域の放射の強度を測定するための第１の検出器（９；３５）とを有する、流体の吸収スペクトルを取得するための装置であって、前記放射は前記第１の測定区間（５）に沿って前記流体を通過し、前記ファブリペロー干渉計（７）は可変のバンドパスフィルタとして、前記第１のスペクトル領域の放射を透過させる、装置に関する。本発明では前記装置は、放射のスペクトル変調を行うための第１のエタロン（３）を有し、当該第１のエタロン（３）は第１の放射経路（１１）に配置されており、第１のスペクトル領域において複数の最大透過率（１７）を示し、さらにファブリペロー干渉計（７）は、前記第１のエタロン（３）による放射のスペクトル変調を、当該放射の強度の時間的変調として第１の検出器（９，３５）により測定できるように、当該ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域全体にわたって調整できるように構成されている。

Description

本発明は、第１のスペクトル領域の放射を第１の放射経路に沿って放出する第１の放射源と、当該第１の放射経路に位置する第１の測定区間と、当該第１の放射経路に配置されたチューニング可能なファブリペロー干渉計と、前記第１のスペクトル領域の放射の強度を測定するための第１の検出器とを有する、流体の吸収スペクトルを取得するための装置であって、前記放射は前記第１の測定区間に沿って前記流体を通過し、前記ファブリペロー干渉計は可調整のバンドパスフィルタとして、前記第１のスペクトル領域の放射を透過させる、装置に関する。本発明はさらに、流体の吸収スペクトルの取得方法にも関する。

医療技術分野ではしばしば、呼吸気中の選択した成分の濃度を測定ないしは監視しなければならないことが多い。たとえば、患者に麻酔をかけたときに、呼吸気中に含まれる使用されている麻酔ガスの濃度を一呼吸のたびに何回も測定したり、または、自動車の運転者の検問時に呼気中のアルコール含有量を測定する。各成分の濃度を測定するためには、分光分析法を用いる。こうするためには通常、複数の個別のフィルタを用いて、ガスが吸光を示す波長帯域で信号を取得して基準値と比較する。これにより、特定のガスに特徴的なこの波長での信号の変化から、呼吸気中のガスの濃度を推定することができる。

従来技術から、選択された波長での吸光測定、または、スペクトル領域にわたる吸光測定を行うことにより、たとえば呼吸気等の気体または流体中の選択された成分の濃度を測定するための装置が多数公知である。このような装置は、選択された連続的なスペクトル領域にわたって放射を放出する放射源を有する。放射源と、これより下流に位置する、放射が流体を通過するときに通る測定区間との間には、濃度測定を行う対象であるガスの成分に特徴的な波長に前記放射のスペクトルを制限する光学的バンドパスフィルタが配置されている。以下、この光学的バンドパスフィルタを単に「フィルタ」と称する。放射が上述のフィルタと測定区間とを通過した後に、適切な検出器を用いてこの放射の強度を測定する。ここで、当該成分の濃度が既知である参照流体における参照測定に対する強度の減衰から、流体中の当該成分の濃度を推定することが可能となる。

複数の成分の濃度を測定しようとする場合、各成分ごとに専用の適切なフィルタを用いる必要がある。複数の異なる成分の濃度を短時間で‐可能な限り一呼吸で、いわゆる一呼吸単位での測定として‐測定するためには、複数の異なるフィルタをいわゆるフィルタホイールに配置する。フィルタホイールとは、複数のフィルタを高速のシーケンスで、放射源と検出器との間の放射経路に入れるようにした回転盤である。しかしその欠点は、検査できる成分の数が少数であることである。というのも、各成分ごとに専用のフィルタを設けなければならず、また、フィルタホイールの大きさが限られているからである。その上、機械的な部品を用いることも一般的には不利である。というのも、この機械的部品によって保守にかかるコストが増大し、また、機械的部品は故障しやすいからである。

完全な吸収スペクトルは、ＤＥ１０２００６０４５２５３Ｂ３に記載されているように、チューニング可能なファブリペロー干渉計を用いて取得することができる。こうするためには、放射源と検出器との間の放射経路に、フィルタを配置する代わりにファブリペロー干渉計を配置する。ファブリペロー干渉計は、相互に平行に配置された２つの部分透過性のミラーを有する装置であり、これら２つのミラーの、反射性コーティングが施された鏡面が相互に対向している。両鏡面の相互間の距離が、ファブリペロー干渉計により透過される狭帯域の波長領域、ないしは、ファブリペロー干渉計が透過性を示す狭帯域の波長領域を決定する。ファブリペロー干渉計により透過される波長領域の幅はスペクトル分解能と称され、波長に依存する。チューニング可能なファブリペロー干渉計の場合、鏡面間の距離を変化させることにより、透過される波長領域をシフトすることができる。よってファブリペロー干渉計は、当該ファブリペロー干渉計のスペクトル分解能に相当する帯域を有する可変のバンドパスフィルタとなる。選択したスペクトル領域全体にわたって流体の吸収スペクトルを完全に検出しようとする場合には、この選択したスペクトル領域においてのみファブリペロー干渉計をチューニングすればよい。

鏡面に適切なコーティングを施すと、ファブリペロー干渉計を２つの異なる波長領域に対して同時に透過性とすることも可能になる。よって、流体の吸収スペクトルをこれら２つの波長領域で同時に記録することができる。このようなファブリペロー干渉計を用いて流体の吸収スペクトルを取得するための装置は、ＤＥ１０２００９０１１４２１Ｂ３から公知である。

流体の各成分の濃度を求めるためには、検出器により記録されたスペクトルと参照測定結果とを比較する必要がある。こうするためには通常、ロックイン増幅器を用いる。ロックイン増幅器では、測定した信号に参照信号を乗算し、この乗算結果をローパスにおいて積分する。つまり、ロックイン増幅器は、測定された信号と参照信号との相互相関を形成する。

しかしロックイン増幅器を使用できるようにするためには、検出器から出力された信号を時間的に変調することにより、放射源から放出される放射を時間的変調しなければならない。ここで時間的変調とは、放射の強度を時間と共に変化させることを指す。最も簡単なケースでは、放射源をオンオフ切替することにより、または、放射源と検出器との間の放射経路を繰り返し遮断するチョッパを後置することにより、上述の時間的変調を行うことができる。

呼吸気中に含まれる選択した成分の吸光度は、有利には２μｍ〜１５μｍの間の波長で測定される。この波長領域の、使用可能な広帯域放射源は、通常は熱放射光源である。一呼吸単位での測定に必要な周波数である１００Ｈｚ以上の周波数で、この熱放射光源を電気的に時間的変調する場合、強度の相対変調度は観察対象の波長に大きく依存し、短波長から長波長になるほどこの変調度が低下していく。２μｍ〜１５μｍのスペクトル領域では、１００Ｈｚ以上の周波数の場合、波長が長くなると強度変調度は大きく低下し、ロックイン増幅器と共に用いるのに十分な強度変調度ではなくなってしまう。

機械的なチョッパを用いることは基本的には可能であるが、これも機械的部品であり、これを保守するのは面倒である上、小型化が困難である。

前記検出器として光音響センサまたは焦電型センサを用いる場合にも同様の問題が生じる。というのもこれら２種類のセンサは、放射の強度が時間的に変化するときしか使用できないからである。

したがって課題は、光音響センサまたは焦電型センサを測定区間に配置して検出器として用いることができるほど高速に、放射源から放出される放射を、選択したスペクトル領域全体にわたって時間的変調できるようにすることである。さらに本発明の課題は、測定された吸収スペクトルと参照スペクトルとを比較するために、ロックイン増幅器を後置して動作できるほど高速に、放射を時間的変調できるようにすることである。

前記課題は、放射のスペクトル変調を行うための第１のエタロンを有し、当該第１のエタロンは第１の放射経路に配置されており、第１のスペクトル領域において複数の最大透過率を示す装置により解決される。さらに、ファブリペロー干渉計は、前記第１のエタロンによる放射のスペクトル変調を、当該放射の強度の時間的変調として第１の検出器により測定できるように、当該ファブリペロー干渉計により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域全体にわたって調整できるように構成されている。

前記装置はまず第一に、前記第１のスペクトル領域で放射を放出する第１の放射源を有する。この放射は、有利には連続スペクトルを有する。呼吸気中の成分の濃度を測定するためには、前記第１の放射源としてはたとえば、２μｍ〜２０μｍの間の波長領域の連続スペクトルを有するダイヤフラム放射体が適している。これに代えて択一的に、上述のスペクトル領域を放出する高出力のフィラメント放射体や他の熱放射光源を使用することも可能である。前記放射源から放出された放射は、有利にはレンズ構成体または反射器により十分にコリメートされ、第１の放射経路に沿って前記装置を通るように導光される。

第１の放射経路上において放射の伝搬方向で見て検出器より上流に、第１の測定区間と、ファブリペロー干渉計と、第１のエタロンとが配置されている。放射が第１の測定区間とファブリペロー干渉計と第１のエタロンとを通過する順序は任意である。

第１の放射経路に配置される第１の測定区間は、たとえば、検査対象である流体を内部に配置したキュベットとすることができる。

エタロンとはここでは、鏡面間の距離を変化させることができないファブリペロー干渉計、ないしは、測定中は当該距離を変化させないファブリペロー干渉計を指す。エタロンとしてはたとえば、コーティング処理されていない研磨された薄いウェハであって、シリコンまたはゲルマニウムから成るかないしは主にシリコンまたはゲルマニウムを含むウェハを用いることができる。これに代えて択一的に、たとえば金属コーティングまたは誘電体コーティングが施された透光性のガラス板をエタロンとして用いたり、または、相互に平行になるよう離隔されたコーティング処理またはコーティング未処理の２つのプレートを用いることができる。また、エタロンを用いる代わりに、櫛状の透過特性または反射特性を有する光学部品を用いることもできる。この光学部品はたとえば、特定のプラスチックフィルム、または、顕著な櫛状の吸光特性を有するガスを充填したキュベット等である。

第１のエタロンは、第１のスペクトル領域において複数の最大透過率を示す。これより後、第１のエタロンを通過した広帯域の放射は、当該エタロンに固有の最大強度と最小強度との変化を特徴とするスペクトル変調を示す。スペクトル変調とはここでは、放射の強度が波長ないしは周波数に依存することを指す。たとえば１００μｍの厚さのシリコンウェハは、４μｍ〜５μｍの間のスペクトル領域において３５個の最大透過率と、これと同数の最小透過率とを示す。８μｍ〜１１μｍの間のスペクトル領域では、同じウェハでも２５個の最大透過率を示す。

第１のエタロンは、当該第１のエタロンの複数の最大透過率のうち少なくとも複数が、流体中の濃度検査対象である成分に特徴的な波長を含むように構成することが可能である。このようにして、特徴的な吸収線が狭い、流体の各成分の濃度の測定を最適化することができる。

有利には前記第１のエタロンは、前記複数の各最大透過率間の間隔が、第１のスペクトル領域におけるファブリペロー干渉計のスペクトル分解能よりも大きくなるように構成されている。ファブリペロー干渉計のスペクトル分解能が各最大透過率間の間隔より広幅であると、スペクトルの不所望の平滑化が生じてしまう。換言すると、ファブリペロー干渉計を用いて走査を行うと、第１のエタロンにより生成される最大強度はより広幅かつより平坦になって観察されてしまう。

不所望のエタロン効果の増大を回避するのに有利なのは、第１のエタロンの表面の向きは、放射の伝搬方向で見て当該第１のエタロンの直ぐ上流と直ぐ下流とに配置された要素の表面に対して平行でないことである。

第１の放射経路にはさらに、鏡面間の距離を調整できるファブリペロー干渉計が配置されている。このファブリペロー干渉計の鏡面間の距離は、前記第１のスペクトル領域において当該ファブリペロー干渉計が可変のバンドパスフィルタとなるように調整することができる。このファブリペロー干渉計により形成されるバンドパスフィルタは、第１のエタロンによるスペクトル変調が、放射の強度の時間的変調として第１の検出器により測定されるように、前記第１のスペクトル領域全体にわたって‐有利には連続的に‐シフトすることができる。換言すると、前記第１のエタロンによる放射のスペクトル変調はファブリペロー干渉計のチューニングによって放射の時間的な強度変調に転換され、かつ、これに付随するバンドパスフィルタのシフトも、放射の時間的な強度変調に転換される。このようにして、各時点におけるファブリペロー干渉計の既知の幅に基づき、伝送波長を推定することができ、これにより放射の波長を推定することも可能になる。

たとえば、４μｍから５μｍまでのスペクトル領域において３５個の最大透過率および最小透過率を有する、１００μｍの厚さのシリコンウェハから成る第１のエタロンを備えた装置の場合、当該スペクトル領域全体において１秒あたり５回、最小波長から最大波長まで往復してファブリペロー干渉計をチューニングすると、これは、３５０Ｈｚの周波数での放射の強度変調に相当する。８μｍ〜１１μｍの間の波長を有するスペクトル領域では、同じシリコンウェハでも、たとえば２５個の最大透過率および最小透過率を有する。したがって、このスペクトル領域全体にわたってファブリペロー干渉計を双方向に５回チューニングすると、これは、２５０Ｈｚの周波数での放射の強度変調に相当する。

さらに、前記装置は第１の検出器を有し、この第１の検出器は、放射が前記第１のエタロンとファブリペロー干渉計と第１の測定区間とを透過した後に、当該放射の強度を測定できるように配置されている。この第１の検出器は、たとえば半導体センサ、サーモパイル、サーミスタ、焦電型センサまたは光音響ガスセンサとすることができる。最後に挙げたセンサは、有利には第１の測定区間に配置される。

このような装置が有利である理由は、当該装置がマクロメカニカル要素を何ら有さないこと、および、それにもかかわらず一呼吸単位での測定に十分に高い周波数で、幅広いスペクトル領域にわたって放射の強度を変調できることである。マクロメカニカル部品を省略できるので、前記装置はほぼ摩耗無しで動作することができ、このことにより、従来技術から公知の装置と比較して保守コストを格段に削減することができ、寿命を長くすることができる。

１つの有利な実施形態では、第１の検出器により測定された放射の強度から流体の吸収スペクトルを求めるために、第１のロックイン増幅器が設けられている。このロックイン増幅器は、前記第１のセンサから出力された測定信号と参照信号との相互相関関数を形成し、強いノイズを含む信号でも、測定信号と参照信号との偏差が僅かであってもこれを検出できる、特に狭帯域のバンドパスフィルタとなる。それゆえこのロックイン増幅器は、流体の吸収スペクトルを記録するのに特に有利なものである。

他の１つの有利な実施形態では前記装置は、第２の放射経路に沿って第２のスペクトル領域の放射を放出する第２の放射源と、第２の測定区間と、当該第２のスペクトル領域の放射の強度を測定するための第２の検出器とを有し、前記第２の放射源から放出された放射は、当該第２の測定区間を辿って流体を通過する。この実施形態では、前記第１の放射経路および前記第２の放射経路は、当該第１の放射経路および第２の放射経路に前記ファブリペロー干渉計が位置するように設けられている。ファブリペロー干渉計は可変のバンドパスフィルタとして、前記第２のスペクトル領域の放射を透過させることができる。前記装置はさらに、放射のスペクトル変調を行うための第２のエタロンを有し、当該第２のエタロンは第２の放射経路に配置されており、第２のスペクトル領域において複数の最大透過率を示す。さらに、ファブリペロー干渉計は、前記第２のエタロンによる放射のスペクトル変調を、当該放射の強度の時間的変調として第２の検出器により測定できるように、当該ファブリペロー干渉計により形成されるバンドパスフィルタを前記第２のスペクトル領域全体にわたってシフトできるように構成されている。

上述の有利な実施形態にて設けられる第２の放射源が放出する放射の第２のスペクトル領域は有利には、前記第１のスペクトル領域の波長とは異なる波長を含む。たとえば、第１のスペクトル領域は２μｍ〜６μｍの間の波長を‐有利には４μｍ〜５μｍの間の波長を‐含み、第２のスペクトル領域は７μｍ〜１５μｍの間の波長を‐有利には８μｍ〜１１μｍの間の波長を‐含むことができる。また、前記第１の放射源と第２の放射源とが同一の波長スペクトルにわたって放射を放出し、対応するバンドパスフィルタによってのみ、それぞれのスペクトル領域に制限可能とすることもできる。

前記装置はさらに、前記第２の放射経路に配置された第２のエタロンを有し、当該第２のエタロンは第２のスペクトル領域の放射を、前記第１のエタロンが第１のスペクトル領域の放射を変調するのと同様に変調する。特に、第２のエタロンは前記第２のスペクトル領域において複数の最大透過率を示し、これら複数の各最大透過率間の間隔は有利には、第２のスペクトル領域におけるファブリペロー干渉計の帯域幅またはスペクトル分解能より大きい。また、第２のエタロンの複数の最大透過率のうち少なくとも複数が、流体中の濃度検査対象である成分に特徴的な波長を含むように、当該第２のエタロンを構成することも可能である。

不所望のエタロン効果の追加を回避するためには、第２のエタロンの表面の向きが、放射の伝搬方向で見て当該第２のエタロンの直ぐ上流と直ぐ下流とに配置された要素の表面に対して平行でないようにすることも有利である。

この有利な実施形態はさらに、前記第２の放射源により放出された放射が流体を通過するときに辿る第２の測定区間も有する。この構成では、第１の測定区間と第２の測定区間とが等しい長さを有することも可能である。ここで測定区間の長さとは、前記放射が当該測定区間を辿って流体を通る区間を指す。１つの有利な実施形態では、前記第１の測定区間は第２の測定区間と一体を成すように形成されている。つまり、前記第１の測定区間と第２の測定区間とは一致するか、または、両測定区間は同一経路を通って流体を通過する。このような装置が特に有利である理由は、流体中の吸収スペクトルを同一の測定区間において２つのスペクトル領域で測定することができ、これにより、濃度測定が各成分の濃度の空間的差異に影響を受けないことを保証できることである。

しかし、第１の測定区間と第２の測定区間とが異なる長さを有することも可能である。後者は特に、流体が吸光する程度が第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とで異なる場合に有利である。たとえば、流体中の濃度測定対象である成分が第１のスペクトル領域において吸光する程度が、ごく僅かのみであるようにすることも可能である。しかし、第１の検出器が測定できるような、吸光度の変化実現するためには、第１の測定区間をより長くして使用する。その逆に、たとえば、低濃度でも第２のスペクトル領域における吸光率が既に高い、流体中の成分の濃度を測定対象とすることも可能である。この場合、これに応じて第２の測定区間を短くし、かつ、高濃度でも第２の検出器によって未だ検出可能である変化が吸光度に生じるように選択することができる。

本発明の上述の有利な実施形態では、ファブリペロー干渉計は第１の放射経路と第２の放射経路とに配置される。換言すると、前記第１の放射源が放出した放射も、前記第２の放射源が放出した放射も、双方ともファブリペロー干渉計を通過し、第１の放射経路と第２の放射経路とが平行に、またはほぼ平行に、または相互に重なってファブリペロー干渉計を通過する。

たとえば、放射が各エタロンを通過した後は、第１の放射経路と第２の放射経路とが同一のビームスプリッタに入射することが可能である。その際にはたとえば、第１の放射源が放出した放射のうち、前記ビームスプリッタにより透過された成分が、ファブリペロー干渉計において前記第１の放射経路を成し、かつ、第２の放射源が放出した放射のうち、当該ビームスプリッタが反射した成分が当該ファブリペロー干渉計において前記第２の放射経路を成すように、当該ビームスプリッタを配置する。

前記装置はさらに第２の検出器も有し、当該第２の検出器は、前記放射が第２のエタロンと第２の測定区間と前記ファブリペロー干渉計とを通過した後に当該放射を前記第２のスペクトル領域において測定するのに適したものである。

前記ファブリペロー干渉計はさらに、前記第２のスペクトル領域において当該ファブリペロー干渉計が、シフト可能なバンドパスフィルタとなるように当該ファブリペロー干渉計の鏡面間の距離が調整可能であるように構成されている。このファブリペロー干渉計により形成されるバンドパスフィルタは、第２のエタロンによるスペクトル変調が、放射の強度の時間的変調として第２の検出器により測定されるように、前記第２のスペクトル領域全体にわたって‐有利には連続的に‐シフトすることができる。換言すると、前記第２のエタロンによる放射のスペクトル変調はファブリペロー干渉計のチューニングによって放射の時間的な強度変調に転換され、かつ、これに付随するバンドパスフィルタのシフトも、放射の時間的な強度変調に転換される。

１つの有利な実施形態では前記ファブリペロー干渉計は、前記第１のスペクトル領域と前記第２のスペクトル領域とにおいて同時に放射を透過させるように構成されており、かつ、前記第１のエタロンと前記第２のエタロンとによる放射のスペクトル変調を当該放射の強度の時間的変調として前記第１の検出器および第２の検出器が測定できるように、当該ファブリペロー干渉計により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域と前記第２のスペクトル領域とにわたって同時にシフトできるように、当該ファブリペロー干渉計は構成されている。換言すると、ファブリペロー干渉計が第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域において同時にバンドパスを成すように、当該ファブリペロー干渉計の両鏡面間の距離を調整することができる。このようにして、第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とを同時に走査し、両スペクトル領域において流体の吸収スペクトルを特に短時間で取得することができ、このことにより、非常に短時間で組成が変化してしまう、流体中の成分の濃度を測定することが可能になる。

他の１つの有利な実施形態では、第２の検出器により測定された放射の強度から流体の吸収スペクトルを求めるために、第２のロックイン増幅器が設けられている。

さらに、第１のエタロンが第２のエタロンと一体を成すように構成することも有利である。換言すると、第１のエタロンと第２のエタロンとを設ける代わりに、前記第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とにおいて複数の最大透過率を示すエタロンを１つのみ設ける。たとえば、４μｍ〜５μｍの間のスペクトル領域では３５個の最大透過率を示し、かつ８μｍ〜１１μｍの間のスペクトル領域では２５個の最大透過率を示すシリコン製の厚さ１００μｍのウェハを使用することができる。これにより、装置の構造サイズを格段に縮小することができる。

その際に特に有利なのは、放射の伝搬方向で見て第１の放射経路と第２の放射経路とが第１のエタロンより下流において平行であるように、当該第１のエタロンが当該第１の放射経路と第２の放射経路とにおいてビームスプリッタとして配置されていることである。換言すると、第１のエタロンおよび第２のエタロンに代えて、同時にビームスプリッタにもなるように構成された１つの共用のエタロンであって、放射の伝搬方向で見て当該エタロンより下流に位置するファブリペロー干渉計を、前記第１の放射源により放出された放射と前記第２の放射源により放出された放射とが平行に通過するように前記第１の放射経路と第２の放射経路とをまとめるエタロンを設ける、ということである。このようにして特にコンパクトな構成を実現できるので、上述の装置は特に有利である。

また、第１の検出器が第２の検出器と一体を成すように構成することも有利である。換言すると、第１の検出器および第２の検出器に代えて、前記第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域の双方において前記放射の強度を測定する検出器を１つのみ設ける。このことにより、装置の構成を特にコンパクトにすることが可能となる。

さらに、前記第１の放射源を前記第２の放射源と同一とすることも有利である。換言すると、２つの放射源を設ける代わりに、第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とにおいて放射を放出する放射源を１つのみ設ける。このことによっても、特にコンパクトな構成を実現することができる。

１つの有利な実施形態では、前記第１の放射源は、前記両スペクトル領域のうち１つのスペクトル領域における放射の強度の相対変化が、他方のスペクトル領域における当該相対変化よりも顕著に現れるように、強度を時間的に高速変調できる熱放射光源である。放射源が１つのみ設けられており、かつ、当該１つの放射源が熱放射光源である場合、当該放射源の強度を時間的に高速に変調するのが有利である。

変調周波数が十分に高い場合、強度変調が影響を及ぼすスペクトル領域は、前記両スペクトル領域のうち短波長のスペクトル領域のみとなり、長波長のスペクトル領域は実質的に変調されない。１つの検出器が前記第１のスペクトル領域の吸収スペクトルと第２のスペクトル領域の吸収スペクトルとの重なりを記録する場合、上述の付加的な、短波長のスペクトル領域の変調を用いて、第１の吸収スペクトルと第２の吸収スペクトルとを相互に分離できるという格別な利点が奏される。

前記装置はまた、別のスペクトル領域における流体の吸光率を測定できるように構成することもできる。こうするためには、前記装置は前記別のスペクトル領域ごとに、各スペクトル領域において放射を放射経路に沿って放出する放射源を有する。各放射経路上にはそれぞれ測定区間とエタロンと検出器とが配置されており、放射は各放射経路を通って前記流体を通過し、各エタロンは、各スペクトル領域の放射を変調するために複数の最大透過率を有し、各検出器は、各スペクトル領域の放射の強度を測定するように構成されている。上記構成において各放射経路は、どの放射経路にもファブリペロー干渉計が位置するように構成されている。前記ファブリペロー干渉計は、どのスペクトル領域においても可変のバンドパスフィルタとして放射を透過するように構成されており、前記エタロンによる放射のスペクトル変調を当該放射の強度の時間的変調として、前記検出器が測定できるように、各バンドパスフィルタは前記スペクトル領域全体にわたってシフト可能であるように構成されている。上述の構成の装置の場合、すべての放射源を、および／または、すべてのエタロンを、および／または、すべての測定区間を、および／または、すべての検出器を相互に一体として構成することにより、広帯域の吸収スペクトル取得装置を特にコンパクトな構成で実現できるようにすることが可能である。

前記課題はさらに、本発明の装置を使用する方法であって、前記第１のエタロンによる前記放射のスペクトル変調を当該放射の強度の変調として前記第１の検出器により測定されるように、前記ファブリペロー干渉計により形成されたバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域全体にわたってシフトさせるように当該ファブリペロー干渉計をチューニングする方法によっても解決される。

１つの有利な実施形態では、前記第１のスペクトル領域における吸収スペクトルを測定するために、前記第１のロックイン増幅器を用いて、前記第２の検出器が出力した測定信号と基準信号とを比較する。

上記比較のために必要な基準信号を決定する種々の手法が数多く存在する。前記第１のエタロンおよびファブリペロー干渉計により生成される、前記放射の最大強度間の間隔は、通常は時間的に一定ではない。それゆえ通常は、周波数が一定である外部の基準信号を用いることができない。しかし、強度変調された前記放射の最大値が時間的に等間隔で生じるように、ファブリペロー干渉計の制御を適応調整することができる。このようにして、周波数が一定である基準信号を用いることが可能となる。

上述の実施形態に代えて択一的に、まず最初に第１のスペクトル領域の全体の吸収スペクトルを記録し、評価ユニットを用いて、最大強度が時間的に等間隔となるように当該吸収スペクトルを変換することもできる。このようにして生成された測定信号も、外部で生成した基準信号と比較することができる。

また、まず最初に、前記第１の測定区間および第２の測定区間に、既知の組成の参照流体を充填した状態、または両測定区間を真空化した状態の吸収スペクトルを取得し、このときに検出器が出力した測定信号を、後続の測定用の基準信号として用いることも可能である。

ロックイン増幅器を用いない場合、前記検出器により測定された最大強度を積分して、吸収スペクトルを測定することも可能である。最大強度が現れる時点におけるファブリペロー干渉計の幅が既知である場合、当該時点から、当該ファブリペロー干渉計のこの設定で透過される波長を推定することができ、この透過波長の推定により、当該最大強度が生じたときの波長を推定することもできる。ここで、１つの最大強度すべてを積分すると、すなわち、１つの最大強度から次の最大強度まで積分を行うと、この積分の値と参照測定値とを比較することにより、前記波長における相対吸光度を推定することができ、ロックイン増幅器を必要とすることなく、第１のスペクトル領域における吸収スペクトルを完全に作成することができる。

他の１つの有利な実施形態では、前記第２のエタロンによる放射のスペクトル変調が当該放射の強度の時間的変調として、前記第２の検出器により測定されるように、前記ファブリペロー干渉計により形成されたバンドパスフィルタを前記第２のスペクトル領域全体にわたってシフトさせるように当該ファブリペロー干渉計をチューニングする。この実施形態においても、前記第２のスペクトル領域における吸収スペクトルを測定するために、前記第２のロックイン増幅器を用いて、前記第２の検出器が出力した測定信号と基準信号とを比較すると、さらに有利である。

さらに、前記第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とにおいて流体の吸収スペクトルが同時に測定されるようにファブリペロー干渉計をチューニングすることも特に有利である。この実施形態は、前記第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域の流体の吸収スペクトルを特に短時間で記録できるという格別な利点を奏する。

このことは特に、第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とにおける前記放射の強度を測定するために使用する検出器を１つだけ用いる場合にも実現可能である。というのも、一体（すなわち一部品）とすることも可能である第１のエタロンおよび第２のエタロンによって、放射の強度変調が行われるからである。まず最初に、１つの検出器が前記第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とにおける前記吸収スペクトルの重なりを測定する。しかし、２つまたは１つの前記エタロンを通過した後の前記放射の最大強度間の間隔は、スペクトル領域に依存して異なるので、記録後に各吸収スペクトルを簡単に分離することができる。この分離は電子的に、フーリエ解析を用いて行うか、または、各スペクトル領域に特徴的である異なった基準信号を用いる２つのロックイン増幅器を用いて前記分離を行うことができる。つまりこの場合には、ロックイン手法のために振幅変調を使用する他に、信号列のフーリエ解析のために周波数変調を使用することができる。

以下、４つの実施例を示す図面に基づき、本発明を説明する。

本発明の装置の第１の実施例を示す。 本発明の装置の第２の実施例を示す。 本発明の装置の第３の実施例を示す。 本発明の装置の第４の実施例を示す。 本発明の装置の第５の実施例を示す。 検出器により出力された測定信号から吸収スペクトルを求める方法を示す。 第１の実施例のエタロンの第１のスペクトル領域の透過スペクトルを示す。 第１の実施例のエタロンの第２のスペクトル領域の透過スペクトルを示す。 図７および８に示した透過スペクトルを重ね合わせたものを示す。

図１に、本発明の第１の実施例の装置を示す。この装置は、第１の放射源１と、第１のエタロン３と、第１の測定区間５と、ファブリペロー干渉計７と、検出器９とを有し、これらは第１の放射経路１１上に配置されている。第１の放射源１は、２μｍ〜２０μｍのスペクトル領域にわたって連続スペクトルを有する熱放射光源（たとえばダイヤフラム放射体、フィラメント放射体またはネルンストピン）であり、この連続スペクトルの最大は、約５μｍにおいて現れる。

放射の伝搬方向で見て放射源１より下流に配置されたエタロン３は、第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域において放射を透過する１００μｍの厚さのシリコンウェハから成り、このシリコンウェハは前記２つのスペクトル領域において、複数の最大透過率を示す。４μｍ〜５μｍの波長を含む第１のスペクトル領域におけるエタロン３の計算された透過率を、図７に示す。同図中、横軸１３には波長を単位ｍで示しており、縦軸１５には相対透過率を示す。第１のスペクトル領域では、エタロン３は３５個の最大透過率１７と、同数の最小透過率１９とを示す。図８に、８μｍ〜１１μｍの波長を含む第２のスペクトル領域におけるエタロン３の計算された透過率を示す。全図において、同一記載の構成要素には、同一の符号を使用している。図８中、横軸１３には波長を単位ｍで示しており、縦軸１５にはエタロン３の相対透過率を示す。第２のスペクトル領域では、エタロン３は２５の最大透過率１７と、同数の最小透過率１９とを示す。

第１の放射経路１１上における放射の伝搬方向で見て第１の測定区間５が配置されている。この第１の測定区間５は、たとえば呼気を充填したキュベットである。キュベットとエタロン３との間に不所望のエタロン効果が生じるのを回避するため、エタロン３は、キュベットの表面の方を向いた表面２１が当該キュベットの表面に対して平行にならないように配置される。

その次に、第１の放射経路１１にはファブリペロー干渉計７が配置されている。このファブリペロー干渉計７は第１の鏡面２３および第２の鏡面２５を有し、第１の鏡面２３は第２の鏡面２５に対して平行であり、かつ、当該第２の鏡面２５の方を向いている。ファブリペロー干渉計７により形成されるバンドパスフィルタが第１のスペクトル領域の放射と第２のスペクトル領域の放射とを同時に透過できるように、ファブリペロー干渉計７の両鏡面２３，２５間の距離を調整することができる。

放射の伝搬方向で見て下流には、エタロン３と第１の測定区間５とファブリペロー干渉計７とを通過した後の放射の強度を測定する検出器９も配置されている。この検出器９はたとえば、量子検出器とするか、または、たとえば焦電センサ等の熱検出器とすることができる。

第１の測定区間５に位置するガスの吸収スペクトルを取得するためには、ファブリペロー干渉計７により形成されるバンドパスフィルタが第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とを同時にサンプリングできるように、両鏡面２３，２５間の間隔を連続的に変化させる。各時点において検出器９は放射の強度を記録し、ファブリペロー干渉計７の鏡面２３，２５間の距離を介して、ファブリペロー干渉計７により形成されたバンドパスフィルタがこの距離で透過ないしは通過させることができる波長に、上述の記録された強度を各時点において割り当てることができる。したがって検出器９は、第１のスペクトル領域で放出された放射と第２のスペクトル領域で放出された放射とが重畳されたものを測定する。

図９に、第１のエタロン３の、第１のスペクトル領域の透過スペクトルと第２のスペクトル領域の透過スペクトルとが上述のようにして重畳されたものを示しており、同図中、上方の横軸２７は第１のスペクトル領域の波長を単位ｍで示しており、下方の横軸２９は第２のスペクトル領域の波長を示しており、縦軸３１は、検出器９にて測定された放射の相対強度を示す。

本発明の第１の実施例は、マクロメカニカル部品を用いる必要なく、２つのスペクトル領域の強度変調された放射を同時に用いて流体の吸収スペクトルを記録できる特にコンパクトな装置を実現することができるので、特に有利である。このような装置は、低メンテナンス性および長寿命であり、かつ、製造コストが低い。

第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域の吸収スペクトルを得るためには、検出器９が出力した測定信号３３を分離しなければならない。こうするためには、第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域の最大透過率１７が現れる頻度を用いることができる。この各頻度は異なっており、かつ、最大透過率１７の各位置は既知である。たとえば、前記装置は第１のロックイン増幅器および第２のロックイン増幅器（図示されていない）を有することができ、これら２つのロックイン増幅器を用いて、測定信号３３をそれぞれスペクトル領域に適した基準信号と比較する。前記基準信号としてはたとえば、各スペクトル領域での参照測定の測定信号３３を用いることができる。

また、フーリエ解析を用いて第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とを分離することも可能であり、その際にも、両スペクトル領域の最大透過率が現れるそれぞれ異なる頻度を利用する。

図２に、本発明の第２の実施例の装置を示す。この実施例は、ファブリペロー干渉計７および第１の測定区間５の順序を入れ替えたものである。さらに、検出器３５は広帯域の光音響センサ（たとえばマイクロフォン、カンチレバー、音叉形水晶発振器等）であり、この光音響センサは、前記第１の測定区間５を形成するキュベット３７内に配置されている。光音響センサを用いると、幅広い波長領域およびダイナミクス領域にわたって吸収スペクトルを検出できるので有利である。また、吸収性の流体が実際に存在するときだけ信号が生成されるという利点も奏される。それゆえ、小信号すなわち弱い吸収も、良好なコントラストで検出することができる。

第３の実施例を図３に示しており、同図では、第１の放射源１の他に第２の放射源３９も設けられている。第１の放射源１および第２の放射源３９は双方とも広帯域の熱放射光源であり、これらの光源の光は適切なバンドパスフィルタ４１，４３によって第１のスペクトル領域と第２のスペクトル領域とに制限される。第２の放射源３９から放出された放射は、第２の放射経路４５に沿って前記装置を通るように導光される。

第１の放射経路１１および第２の放射経路４５上には、伝搬方向で見て前記バンドパスフィルタより下流に第１のエタロン３および第２のエタロン４７が配置されており、これらのエタロンは、第１のスペクトル領域ないしは第２のスペクトル領域において複数の最大透過率を示す。

第１の放射源および第２の放射源から放出された放射は同じビームスプリッタ４９に入射する。このビームスプリッタ４９は、それより下流にて第１の放射経路と第２の放射経路とが相互に重なるように、または平行に、第２の測定区間と一体を成すように形成された（第２の測定区間と一致する）第１の測定区間５と、ファブリペロー干渉計７とを通過し、同じ検出器９に当たるように配置されている。

図３に示した実施例は、第１の放射源１と第２の放射源３９とを相互に依存せずにスイッチングすることができ、このスイッチングにより、両スペクトル領域のうち一方のスペクトル領域のみの吸収スペクトルを容易に記録することができるので、有利である。また、異なる厚さのエタロン３および４７を用いることもできる。これにより、第１のスペクトル領域および第２のスペクトル領域の各変調をそれぞれ別個に、流体の吸収スペクトルに合わせて調整することができる。

図４に、図３に示された第３の実施例を変更したものである第４の実施例を示す。第１のエタロン３と第２のエタロン４７とビームスプリッタ４９を用いる代わりに、ビームスプリッタとして機能すると同時に、第１および第２のスペクトル領域においてエタロンとしても機能する第１のエタロン３のみを用いる。この実施例では、エタロンが放射を反射する場合、バンドパスフィルタの機能も有することを利用する。図４に示した本発明の装置は、２つの独立した放射源を有するにもかかわらず、特にコンパクトな構成を有するという格別な利点を奏する。

図５に第５の実施例を示しており、同図では、内部にてガスが流れているキュベット３７より上流に第１のエタロン３および第２のエタロン４７を用いている構成を示している。両エタロン３，４７内では、第１の測定区間５および第２の測定区間５’に沿って放射がガスを通過し、第１の測定区間５および第２の測定区間５’の長さは相違する。この構成の利点は、より長い経路上で、小さい有効吸収断面でガスを検出することができ、かつ、より短い経路上で、大きな有効吸収断面でガスを幅広い濃度領域にわたって検出できることである。

最後に図６に、測定信号から吸収スペクトルを求める方法を概略的に示す。図６中の上方のグラフの横軸５１上には波長を示しており、縦軸５３上にはエタロンおよびファブリペロー干渉計の透過率を示している。破線の曲線５５はエタロンの透過率を表しており、実線の曲線５７はファブリペロー干渉計の透過率を表しており、これは、短波長から長波長にシフトさせている。吸収スペクトルを求めるためには、測定信号を記録している間、最大強度および最小強度を積分する。これを、図６中の下方のグラフに概略的に示している。同グラフにおいても、横軸５１上に波長を示しており、縦軸５９上には測定信号６１を積分したものを示している。位置が既知である最小値ないしは最大値について積分した値と参照測定結果とを比較することにより、吸収スペクトルを求めることができ、これにより、流体中に含まれる成分の濃度が分かる。この方法は、ロックイン増幅器を用いる必要なく流体の吸収スペクトルを求めることができるという格別な利点を奏する。

１ 第１の放射源
３ 第１のエタロン
５ 第１の測定区間
７ ファブリペロー干渉計
９ 検出器
１１ 第１の放射経路
１３ 横軸
１５ 縦軸
１７ 最大透過率
２１ 第１のエタロンの、キュベットの方を向いた表面
２３ 鏡面加工面
２５ 鏡面加工面
２７ 上方の横軸
２９ 下方の横軸
３１ 縦軸
３３ 測定信号
３５ 検出器
３７ キュベット
３９ 第２の放射源
４１ バンドパスフィルタ
４３ バンドパスフィルタ
４５ 第２の放射経路
４７ 第２のエタロン
４９ ビームスプリッタ
５１ 横軸
５３ 縦軸
５５ エタロンの透過曲線
５７ ファブリペロー干渉計の透過曲線
５９ 縦軸
６１ 積分された測定信号

Claims (15)

1. 第１のスペクトル領域の放射を第１の放射経路（１１）に沿って放出する第１の放射源（１）と、
   前記第１の放射経路（１１）に配置された第１の測定区間（５）と、
   前記第１の放射経路（１１）に配置されたチューニング可能なファブリペロー干渉計（７）と、
   前記第１のスペクトル領域の放射の強度を測定するための第１の検出器（９，３５）と
   を有する、流体の吸収スペクトルを取得するための装置であって、
   前記放射は前記第１の測定区間（５）に沿って前記流体を通過し、
   前記ファブリペロー干渉計（７）は可変のバンドパスフィルタとして、前記第１のスペクトル領域の放射を透過させる装置において、
   前記装置は、前記放射のスペクトル変調を行うための第１のエタロン（３）を有し、
   前記第１のエタロン（３）は前記第１の放射経路（１１）に配置されており、前記第１のスペクトル領域において複数の最大透過率（１７）を示し、
   前記ファブリペロー干渉計（７）は、前記第１のエタロン（３）による前記放射のスペクトル変調を、当該放射の強度の時間的変調として前記第１の検出器（９，３５）により測定できるようにするため、当該ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域全体にわたってシフトできるように構成されている
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の検出器（９，３５）により測定された前記放射の強度から前記流体の吸収スペクトルを求めるために、第１のロックイン増幅器が設けられている、
   請求項１記載の装置。
3. 第２の放射源（３９）が第２の放射経路（４５）に沿って、第２のスペクトル領域の放射を放出し、
   前記装置は、前記第２のスペクトル領域の放射の強度を測定するための第２の検出器を有し、
   前記第２の放射経路（４５）に、前記第２の放射源（３９）が放出した放射が前記流体を通過するときに通る第２の測定区間（５’）が配置されており、
   前記第１の放射経路（１１）および前記第２の放射経路（４５）は、当該第１の放射経路（１１）および第２の放射経路（４５）に前記ファブリペロー干渉計（７）が位置するように設けられており、
   前記ファブリペロー干渉計（７）は可変のバンドパスフィルタとして、前記第２のスペクトル領域の放射を透過させ、
   前記装置は、前記放射をスペクトル変調するための第２のエタロン（４７）を有し、
   前記第２のエタロン（４７）は前記第２の放射経路（４５）に配置されており、前記第２のスペクトル領域において複数の最大透過率（１７）を有し、
   前記第２のエタロン（４７）による前記放射のスペクトル変調が、当該放射の強度の時間的変調として前記第２の検出器により測定できるようにするため、前記ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第２のスペクトル領域にわたってシフトできるように、当該ファブリペロー干渉計（７）は構成されている、
   請求項１または２記載の装置。
4. 前記ファブリペロー干渉計（７）は、前記第１のスペクトル領域と前記第２のスペクトル領域とにおいて同時に放射を透過させるように構成されており、
   前記第１のエタロン（３）と前記第２のエタロン（４７）とによる放射のスペクトル変調を当該放射の強度の時間的変調として前記第１の検出器および第２の検出器（９，３５）が測定できるようにするため、当該ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域と前記第２のスペクトル領域とにわたって同時にシフトできるように、当該ファブリペロー干渉計（７）は構成されている、
   請求項３記載の装置。
5. 前記第２の検出器により測定された前記放射の強度から前記流体の吸収スペクトルを求めるために、第２のロックイン増幅器が設けられている、
   請求項３または４記載の装置。
6. 前記第１のエタロン（３）は、前記第２のエタロン（４７）と一体を成すように構成されている、
   請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記第１の測定区間（５）は前記第２の測定区間（５’）と一致する、
   請求項３から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記第１の検出器（９，３５）は、前記第２の検出器と一体を成すように構成されている、
   請求項３から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記第１の放射源（１）は、前記第２の放射源（３９）と一体を成すように構成されている、
   請求項３から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記第１の放射源（１）は熱放射光源であり、
    前記両スペクトル領域のうち１つのスペクトル領域の放射の強度の相対変化が、他方のスペクトル領域の放射の強度の相対変化より顕著に現れるように、前記第１の放射源（１）の強度は時間的に高速で変調される、
    請求項９記載の装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置を用いて、第１のスペクトル領域における流体の吸収スペクトルを取得する方法において、
    前記第１のエタロン（３）による放射のスペクトル変調が当該放射の強度の時間的変調として前記第１の検出器（９，３５）により測定されるように、前記ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第１のスペクトル領域にわたってシフトさせるように、前記ファブリペロー干渉計（７）をチューニングする
    ことを特徴とする方法。
12. 前記第１のスペクトル領域における吸収スペクトルを求めるため、前記第１のロックイン増幅器を用いて、前記第１の検出器（９，３５）により出力された測定信号（３３）と基準信号とを比較する、
    請求項２を引用する請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２のエタロン（４７）による前記放射のスペクトル変調が当該放射の強度の時間的変調として前記第２の検出器により測定されるように、前記ファブリペロー干渉計（７）により形成されるバンドパスフィルタを前記第２のスペクトル領域にわたってシフトさせるため、当該ファブリペロー干渉計（７）をチューニングする、
    請求項３を引用する請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記第２のスペクトル領域における吸収スペクトルを求めるため、前記第２のロックイン増幅器を用いて、前記第２の検出器により出力された測定信号（３３）と基準信号とを比較する、
    請求項５を引用する請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１のスペクトル領域と前記第２のスペクトル領域とにおいて同時に前記流体の吸収スペクトルを測定できるようにするため、前記ファブリペロー干渉計（７）をチューニングする、
    請求項４を引用する請求項１３または１４記載の方法。

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