FILTRO DE INTERFERENCIA AJUSTABLE.

Filtro de interferencia ajustable para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido de longitudes de onda,

que comprende un camino de luz definido y al menos dos superficies reflectantes esencialmente paralelas colocadas en dicho camino de luz y separadas por una distancia escogida que define un resonador delimitado por las superficies reflectantes entre las que puede oscilar la luz, y siendo al menos una de dichas superficies semitransparente para la transmisión de luz hasta o desde el resonador, comprendiendo el filtro: un primer material transparente con un grosor escogido y que tiene un índice de refracción escogido comparable o superior al del silicio colocado entre dichas superficies reflectantes en dicho camino de luz, medios de separación para definir una cavidad entre el primer material transparente y al menos una de las superficies reflectantes, y dispositivo de medios de ajuste para ajustar la distancia entre dichas superficies reflectantes y ajustar así la longitud del camino óptico de los resonadores, y una superficie de interfase entre dicho material transparente y dicha cavidad en dicho camino de luz que comprende medios de reducción de la reflexión para reducir la reflexividad de dicha superficie de interfase en dicho intervalo de longitudes de onda

Esta invención se refiere a un filtro de interferencia ajustable, especialmente para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido.

La mayoría de los gases absorben luz infrarroja con energías de fotones correspondientes a las 5 transiciones de vibración de la molécula de gas. Cuando se miden las concentraciones de gases con luz infrarroja es habitual realizar dos medidas de la luz transmitida a través del gas: una medida que está influida (reducida) por la absorción del gas y una medida de referencia que no está afectada por el gas. Este procedimiento de medición se denomina a veces como infrarrojo no dispersivo (NDIR).

Según se ilustra en la fig. 1, que muestra la transmisión en función de la longitud de onda en el 10 intervalo de 4,5 a 5,0 m, el espectro infrarrojo del monóxido de carbono (CO) tiene un patrón lineal casi periódico. Varios gases, entre ellos el metano (CH4), tienen líneas de absorción similares. La distancia entre las líneas de CO aumenta al aumentar la longitud de onda, pero es esencialmente constante dentro de un pequeño intervalo de longitudes de onda. Con el fin de medir la concentración de CO se puede usar una estructura según se ilustra en la fig. 2. La luz de una fuente infrarroja 21 es enviada a través de 15 un espejo de enfoque 22 a través de una celda de gas 23 y además a través de un filtro modulado 24, por ejemplo un filtro de Fabry-Perot, y un filtro de paso de banda fijo 25, y adicionalmente a través de un nuevo espejo de enfoque 26 a un detector 27. En esta línea ascendente la función del filtro modulado consiste en desplazarse entre dos configuraciones o ajustes. En un ajuste transmite luz en el intervalo espectral en el que el CO transmite luz (ajuste de correlación) y en el otro ajuste transmite luz en el 20 intervalo en el que el CO absorbe luz (ajuste de anticorrelación). De esta forma es posible desplazarse continuamente entre medidas que usan los diferentes ajustes. La diferencia entre los dos ajustes será cero cuando el CO no esté presente en la celda de gas, y aumentará al aumentar la concentración de CO.

Usando un filtro que esté adaptado a líneas únicas en el espectro de gases pueden obtenerse 25 varias ventajas:

1) Una concentración dada de gas proporciona un cambio relativo mayor en la señal medida, comparado con el uso de un filtro de paso de banda.

2) Si hay otros gases presentes en el área que absorban en el mismo intervalo de longitud de onda, tendrán una influencia mínima sobre las medidas, ya que se reduce la sensibilidad para los gases 30 en el mismo intervalo pero con líneas diferentes.

3) Los cambios en la temperatura de la fuente y otras perturbaciones también afectarán a las medidas en el mismo grado.

Para que esto funcione, todo salvo la posición de las líneas del filtro debe mantenerse constante. Esto puede obtenerse dejando que la luz siga caminos lo más similares posible. 35 Preferentemente todo lo que afecta a las medidas debe tener la misma influencia sobre ellas. Además de otros gases, las influencias pueden ser gradientes de temperatura, suciedad depositada en las superficies ópticas, deriva en circuitos amplificadores, estabilidad mecánica, etc.

Es difícil conseguir que un filtro se ajuste directamente a las líneas de CO. Una buena aproximación es un filtro de interferencia que tiene dos superficies ópticas paralelas con una distancia d 40 entre las superficies, y un índice de refracción n para el medio entre las superficies. La transmisión a través del filtro es entonces una función periódica del número de ondas v = 1/, en el que  es la longitud de onda. El periodo es 1/2nd, en el que n es el índice de refracción. Entonces la distancia d puede elegirse de manera que el periodo se corresponda con las líneas de CO en un intervalo del espectro. Cuando la longitud de onda óptica s = nd se modifica por un cuarto de la longitud de onda: s ± 45 (s) = s ± /4, se obtiene la modulación requerida del filtro. Con un índice de refracción constante, esto se corresponderá con un cambio en el grosor d ± (d) = d ± /4n. Cuando el índice de refracción es 1, d será aproximadamente 2,3 m.

En la fig. 1 se ilustra la transmisión a través de un filtro de interferencia en modo de anticorrelación, adaptada al espectro de CO, en la que la línea superior muestra el espectro de CO y la 50 línea inferior muestra el espectro de transmisión del filtro, ambos como funciones de la longitud de onda, que está en el intervalo de 4,5 a 5,0 m.

Desde la longitud de onda central se producirá una desviación gradualmente creciente entre las líneas del filtro y las líneas del gas, según se muestra en la fig. 1. Añadiendo un filtro de paso de banda se puede delimitar el intervalo que se usa. 55

Si el filtro de interferencia consiste en dos espejos paralelos con una distancia ajustable, la elección en materiales ópticos entre los espejos es muy limitada: aire, otros gases o posiblemente un material transparente elástico. El material óptico en el filtro de interferencia dicta lo grande que puede ser la extensión angular en la luz de entrada. Cuando el ángulo aumenta, la longitud de onda óptica eficaz disminuirá para la luz de interferencia, y una extensión en los ángulos incidentes producirá una 5 aberración del espectro de transmisión. Un índice de refracción elevado dará un ángulo refractado máximo bajo dentro del filtro. El máximo ángulo permitido decidirá la expansión del filtro. La expansión es el producto del área por el ángulo sólido del haz luminoso, una medida de la luz que es posible obtener a través del sistema cuando la fuente de radiación tiene una extensión ilimitada. Puede demostrarse que para una resolución espectral dada la expansión es proporcional al cuadrado del índice de refracción. Así 10 se puede obtener 10 veces más luz si se usa, por ejemplo, silicio (n = 3,4) en lugar de aire en el resonador.

El reto es fabricar un filtro de interferencia con alto índice de refracción, que también pueda cambiar la longitud de onda óptica lo suficiente para ajustar el filtro en modos de correlación y anticorrelación. 15

Trabajo previo

El principio de medida del monóxido de carbono con dicho filtro de interferencia se describe en la patente de EE.UU. nº 3.939.348 de 1974. También se menciona la posibilidad de preparar un filtro modulado térmicamente en un material óptico transparente, pero no se menciona el silicio o similar.

Es caro fabricar un interferómetro mecánico, y por tanto este procedimiento de medida no ha 20 sido adecuado para sensores de CO económicos y producidos en masa para su uso, por ejemplo, en alarmas contra incendios para el mercado doméstico y la vigilancia de los procedimientos en incineradores.

Hacia 1990, Michael Zochbauer realizó algunos experimentos calentando un disco de silicio para cambiar la longitud de onda óptica [Zochbauer, artículo]. De esta forma, el filtro de interferencia se 25 convierte en un componente económico. El ciclo de calentamiento y enfriamiento demostró ser lento y consumía bastante energía. Además, era difícil conseguir una temperatura uniforme sobre el disco.

Así, un objeto de esta invención es proporcionar un filtro de interferencia ajustable con máxima producción de luz que también haga posible realizar medidas de correlación y anticorrelación en situaciones similares si fuera posible, por ejemplo con conmutación rápida entre dos condiciones de 30 interferencia.

Estos objetos se obtienen usando un filtro ajustable según las reivindicaciones adjuntas.

La invención se describirá en más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos que ilustran la invención por medio de ejemplos.

la fig. 1 ilustra según se ha mencionado anteriormente el espectro de transmisión para 35 CO, y para un filtro de Fabry-Perot;

la fig. 2 ilustra según se ha mencionado anteriormente una estructura habitual para realizar medidas de gases según la técnica conocida;

las fig. 3A-D ilustran realizaciones alternativas de la presente invención, así como el equivalente óptico de esta realización; 40

la fig. 4 ilustra una forma micromecánica de realización de la invención;

las fig. 5A-B ilustran una realización alternativa de la invención;

la fig. 6 ilustra una realización de...

1. Filtro de interferencia ajustable para uso en la detección de gases con luz infrarroja dentro de un intervalo escogido de longitudes de onda, que comprende un camino de luz definido y al menos dos superficies reflectantes esencialmente paralelas colocadas en dicho camino de luz y separadas por una 5 distancia escogida que define un resonador delimitado por las superficies reflectantes entre las que puede oscilar la luz, y siendo al menos una de dichas superficies semitransparente para la transmisión de luz hasta o desde el resonador, comprendiendo el filtro:

un primer material transparente con un grosor escogido y que tiene un índice de refracción escogido comparable o superior al del silicio colocado entre dichas superficies reflectantes en dicho camino de luz, 10

medios de separación para definir una cavidad entre el primer material transparente y al menos una de las superficies reflectantes, y dispositivo de medios de ajuste para ajustar la distancia entre dichas superficies reflectantes y ajustar así la longitud del camino óptico de los resonadores, y

una superficie de interfase entre dicho material transparente y dicha cavidad en dicho camino de luz que comprende medios de reducción de la reflexión para reducir la reflexividad de dicha superficie de 15 interfase en dicho intervalo de longitudes de onda.

2. Filtro según la reivindicación 1, en el que la primera superficie reflectante constituye un lado de dicho material transparente, y estando dicha superficie de interfase que tiene reflexividad reducida colocada en el lado opuesto de este, y la segunda superficie reflectante está colocada en un material portador en el lado opuesto de dicha cavidad. 20

3. Filtro según la reivindicación 2, en el que dicho primer material transparente está constituido por un disco colocado sobre dicha segunda superficie reflectante, de manera que la primera superficie reflectante está en el lado superior del disco y la(s) capa(s) de reducción del reflejo está(n) colocada(s) en el lado inferior del disco.

4. Filtro según la reivindicación 3, que comprende medios de acoplamiento para acoplarse a una 25 fuente de tensión y conductores eléctricos relacionados con cada una de las dos superficies reflectantes, para proporcionar así ajuste electrostático de la distancia entre ellos.

5. Filtro según la reivindicación 1, en el que al menos una de dichas superficies reflectantes comprende un patrón tridimensional, constituyendo dicho patrón un filtro de difracción por ejemplo para transmisión o reflexión de luz con diferentes longitudes de onda en diferentes direcciones. 30

6. Filtro según la reivindicación 5, en el que dicho patrón constituye al menos una lente de difracción adaptada para enfocar luz con diferentes longitudes de onda hacia diferentes puntos.

7. Filtro según la reivindicación 1, en el que dicha cavidad está llena de un material flexible, por ejemplo un gel que tiene un índice de refracción escogido.

8. Filtro según la reivindicación 1, en el que dicha interfase con reflexividad reducida comprende al 35 menos una capa de materiales que tienen un índice de refracción que es diferente del índice de refracción de la cavidad y del material transparente, y con un grosor que en una forma conocida de por sí reduce las reflexiones en dicha interfase dentro del intervalo escogido de longitudes de onda.

9. Filtro según la reivindicación 1, en el que al primer material transparente se le proporciona una superficie de reflexión en un lado y medios de reducción de la reflexión en el otro lado y el filtro 40 comprende también un segundo material transparente que tiene una superficie de reflexión en un lado y medios de reducción de reflexión en el otro lado, en el que los dos materiales transparentes están orientados de manera que las superficies proporcionadas con medios de reducción de la reflexión están enfrente una de otra, estando separadas por dichos medios de separación y estando la distancia entre ellas ajustada por dichos medios, incluyendo así el resonador dos materiales transparentes. 45

10. Filtro según la reivindicación 1, en el que la distancia entre las superficies reflectantes se escoge de manera que proporcionan interferencia dentro de un intervalo de longitudes de onda que corresponde a un intervalo de longitudes de onda de absorción escogidas que caracterizan al gas que se va a detectar.