ES2277181T3 - Espectrofotometro con filtros opticos y obturadores electrostaticos. - Google Patents
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Abstract
Espectrofotómetro que comprende: - una fuente de luz (2); - unos medios de separación (20) para separar el haz de luz proveniente de la fuente (2) en diferentes componentes correspondientes a las distintas longitudes de onda; - unos medios de selección (7) para seleccionar uno o más de los componentes del haz de luz que se generan por dichos medios de separación (20); - unos medios de detección (24) para recibir el componente seleccionado por dichos medios de selección (7) y para emitir en la salida señales eléctricas que indiquen la longitud de onda de la radiación recibida; en el que: - dichos medios de separación están formados únicamente por una pluralidad de filtros ópticos (20) que pueden seleccionar diferentes longitudes de onda, y - dichos medios de selección comprenden una pluralidad de microobturadores (7), que se pueden accionar de forma independiente entre sí, a los que están asociados dichos filtros ópticos (20) respectivamente, de tal modo que el haz de luz no se separa en diferentes longitudes de onda corriente arriba de los medios de selección, estando dicho espectrofotómetro caracterizado porque: - dichos microobturadores (7) son unos microobturadores electrostáticos, - dichos microobturadores electrostáticos (7) comprenden: un sustrato común (8); una capa conductora eléctricamente (9) que funciona como un electrodo común, aplicada en una cara del sustrato (8); una capa aislante (10) dispuesta sobre el electrodo común (9); y una pluralidad de electrodos de película fina separados (11), presentando cada uno de los mismos un extremo fijado a la capa aislante (10) y la parte restante móvil entre una condición de descanso, en la que el electrodo (11) deja libre el paso de la luz (L) a través del sustrato (8), y una condición activada en la que es adherente al sustrato, en la que el paso de la luz queda obstruido, - dichos filtros ópticos (20) están dispuestos en el sustrato mencionado anteriormente (8), - dichos medios de detección consisten en un detector únicoformado, por ejemplo, por un detector piroeléctrico o un fotodiodo, - y porque están previstos unos medios para guiar la radiación separada por dichos microfiltros (20) hacia dicho único detector (24).
Description
Espectrofotómetro con filtros ópticos y
obturadores electrostáticos.
La presente invención se refiere a
espectrofotómetros.
El documento EP 1 243 902 A1 a nombre del
presente solicitante ilustra un espectrofotómetro que comprende:
- -
- una fuente de luz;
- -
- unos medios de separación para separar el haz de luz proveniente de la fuente en varios componentes que se corresponden con distintas longitudes de onda;
- -
- unos medios de selección para seleccionar uno o más de los componentes del haz de luz que se generan mediante dichos medios de separación; y
- -
- unos medios de detección para recibir el componente seleccionado por dichos medios de selección y para emitir señales eléctricas en la salida que indican la longitud de onda de la radiación recibida.
El espectrofotómetro conocido a partir de dicho
documento utiliza un elemento separador de cualquier tipo conocido
(por ejemplo un prisma o una rejilla) para separar el haz de luz en
la salida de la fuente en sus componentes que se corresponden con
diferentes longitudes de onda. La selección de uno o más de los
componentes del haz de luz que se han separado por medio de dicho
elemento separador se lleva a cabo por medio de una disposición
alineada o una disposición en matriz de microobturadores
electrostáticos. La radiación seleccionada por medio de los
microobturadores electrostáticos se realiza para converger en medios
de detección formados por un detector único, por ejemplo un único
fotodiodo, de manera que se eviten los costes elevados y las
complicaciones de las soluciones conocidas, que conciben unos medios
de detección formados por una matriz de fotodiodos.
El objetivo de la presente invención es proponer
una solución alternativa a la solución conocida descrita
anteriormente, que estará caracterizada por la sencillez en su
construcción, unos costes de producción bajos, así como unas
dimensiones extremadamente pequeñas, con la intención de favorecer
su utilización, por ejemplo, en aplicaciones tales como la detección
de la composición de gases de escape del motor de un vehículo
automóvil por medio de un espectrofotómetro provisto a bordo de
dicho vehículo.
Se conoce un espectrofotómetro según el
preámbulo de la reivindicación 1, a partir de la patente
US-B1-6 191 860.
En la reivindicación 1 se define un
espectrofotómetro según la presente invención.
Según otra característica preferida de la
invención, los medios de selección mencionados anteriormente
comprenden una pluralidad de microobturadores que se pueden accionar
independientemente el uno del otro.
Cada uno de dichos microfiltros está asociado a
un microobturador respectivo, de manera que se obtenga un conjunto
extremadamente compacto, capaz de seleccionar las longitudes de onda
que se deseen sin la necesidad de elementos adicionales para dividir
el haz en sus componentes, como en el caso de la solución conocida.
En un ejemplo de forma de realización, los microfiltros ópticos
mencionados anteriormente son del tipo de interferencia.
Están previstos unos medios de control
electrónico para recibir y procesar las señales en la salida desde
los medios de detección y para controlar el suministro de potencia
eléctrica a los microobturadores electrostáticos individuales, con
la intención de seleccionar las longitudes de onda que se deseen en
cada momento.
De acuerdo con otra característica importante de
la invención, están previstos unos medios para conducir la radiación
que sale de los filtros ópticos seleccionados por medio de los
microobturadores en la dirección de los medios de detección. Dichos
medios de guiado están formados, en un primer ejemplo de forma de
realización, por una serie de fibras ópticas que se extienden desde
las salidas de los microfiltros hasta los medios de detección
mencionados anteriormente. Obviamente, se prevén elementos de
acoplamiento, de cualquier tipo conocido, entre los extremos de las
fibras ópticas y los microfiltros ópticos, por una parte, y entre
los extremos de las fibras ópticas y los medios de detección, por
otra.
En una forma de realización alternativa, los
medios mencionados anteriormente para guiar la radiación desde los
filtros seleccionados hasta los medios de detección están formados
por un elemento para guiar la luz que aprovecha el fenómeno de la
reflexión interna total (T.I.R.). La propia subcapa podría funcionar
como una guía de luz si se depositase una capa dieléctrica con un
índice de refracción adecuado en la cara opuesta a la de los
microobturadores.
Otro objetivo de la invención es un
procedimiento para controlar el espectrofotómetro descrito
anteriormente. Según la invención, entre la selección de dos
microfiltros diferentes realizada por medio de los microobturadores,
se introduce una fase oscura, en la que se cierra la totalidad de
dichos microobturadores. De forma alternativa, se puede abrir y
cerrar uno y el mismo microobturador una pluralidad de veces antes
de pasar al siguiente. De este modo, no resulta necesario utilizar
un interruptor periódico, tal como se requiere en las soluciones
conocidas que utilizan ciertos tipos de detectores.
A partir de la descripción siguiente se pondrán
de manifiesto otras características y ventajas de la invención,
haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se proporcionan
meramente a título de ejemplo no limitativo, y en los que:
- la Figura 1 es una vista esquemática de un
espectrofotómetro según la técnica conocida ilustrado en el
documento EP 1 243 902 A1;
- la Figura 2 es una vista en sección
transversal parcial de un detalle de una forma de realización del
espectrofotómetro conocido;
- la Figura 3 ilustra una variante conocida del
espectrofotómetro de la Figura 2;
- la Figura 4 es una vista esquemática en
sección transversal de una primera forma de realización de
espectrofotómetro según la invención; y
- la figura 5 es una vista esquemática en
sección transversal de una segunda forma de realización del
espectrofotómetro según la invención.
Haciendo referencia a la Figura 1, el número de
referencia 1 designa, en general, un espectrofotómetro del tipo que
se ilustra en el documento EP 1 243 902 A1. Dicho espectrofotómetro
1 comprende una fuente de luz 2, y un elemento separador 3 de
cualquier tipo, concebido para separar el haz de luz que sale de la
fuente 2 en sus componentes que se corresponden con las diferentes
longitudes de onda. Corriente abajo del dispositivo separador 3, se
prevé un dispositivo microobturador electrostático 4 que se ilustra
en detalle a continuación. Dicho dispositivo está concebido para
seleccionar una única longitud de onda en el haz que se emite desde
el elemento separador 3. A continuación, la radiación emitida
converge mediante un elemento óptico 5 sobre un detector único 6, de
cualquier tipo conocido, por ejemplo un detector piroeléctrico o un
fotodiodo, concebido para emitir en la salida una señal eléctrica
que es una función de la energía luminosa recibida.
La Figura 2 ilustra una forma de realización del
dispositivo microobturador electrostático 4. Según dicha forma de
realización, se proporciona una disposición alineada de
microobturadores de pétalo móvil 7 dispuestos sobre un sustrato 8,
por ejemplo formada por un material transparente, como germanio,
silicona, cuarzo o vidrio, provisto de un grosor de unos pocos
milímetros o centímetros. Sobre el sustrato 8 se aplica una película
9 realizada en material conductor transparente, por ejemplo óxido de
indio-estaño (ITO), que presenta un grosor de unas
pocas decenas o centenas de nanómetros y se obtiene, por ejemplo,
por evaporación, recubrimiento por rotación, impresión mediante
serigrafía o inmersión. La película 9 constituye un primer electrodo
del dispositivo, que es común a todos los microobturadores. Está
recubierta con una capa de material aislante transparente 10 que
presenta un grosor, por ejemplo, del orden de unos pocos
micrómetros, obtenida con técnicas similares a las utilizadas para
la película 9. La capa 10 puede estar formada por un material
dieléctrico, preferentemente óxido de tántalo (Ta_{2}O_{5}), o
por un material ferroeléctrico, por ejemplo circonio titanato de
plomo (PZT) o similar (por ejemplo, lantano). Sobre la capa
dieléctrica 10, en un plano ortogonal con respecto a la dirección
del haz de luz, se dispone una serie alineada o una disposición de
matriz de pétalos móviles 11, cada uno de ellos formado, por
ejemplo, por una película dieléctrica, en los que se aplica una capa
metalizada 12 que funciona como un segundo electrodo. Cada uno de
dichos pétalos 11 tiene un extremo fijado a la capa 10 y, en su
condición no deformada, adopta una configuración enrollada, de
manera que permita el paso de luz a través de la parte del sustrato
8 respectiva. El dispositivo comprende unos medios de suministro de
energía eléctrica para aplicar una diferencia de potencial entre el
primer electrodo 9 y el segundo electrodo 12 de un pétalo 11
seleccionado. Después de la aplicación del voltaje, el pétalo se
extiende sobre la capa 10 adhiriéndose a la misma debido al efecto
electrostático, y, como resultado, obstruyendo el paso de luz a
través de la parte de sustrato respectiva. Controlando el suministro
de potencia eléctrica a los microobturadores electrostáticos 7 se
puede seleccionar una única longitud de onda deseada de la radiación
que sale del elemento separador 3.
La Figura 3 ilustra una variante en la que el
electrodo 9 se puede realizar en un material metálico no
transparente de bajo coste, en este caso, se prevé una microventana
13 en una posición que se corresponde con cada pétalo 11.
Igualmente, el sustrato 8 se puede realizar con un material no
transparente y provisto de una abertura 14 en una posición
correspondiente a cada pétalo. Finalmente, también la capa aislante
10 presenta preferentemente un orificio 15 enfrentado a las
aberturas 13, 14.
Haciendo referencia a continuación a la Figura
4, se describirá una primera forma de realización del
espectrofotómetro según la invención. Una diferencia importante del
espectrofotómetro según la invención comparado con el
espectrofotómetro conocido ilustrado en las Figuras 1 a 3 reside en
el hecho de que la separación del haz de luz que sale de la fuente 2
en sus componentes de distinta longitud de onda se obtiene
utilizando una pluralidad de microfiltros ópticos, estando cada uno
de los mismos concebido para permitir que pase únicamente una
longitud de onda determinada de la radiación de luz. En el caso de
la Figura 4, los filtros ópticos designados por el número de
referencia 20 están dispuestos, de acuerdo con una disposición
alineada o en matriz, en el mismo sustrato 8 del conjunto de
microobturadores electrostáticos 7. La estructura de
microobturadores 7 en su totalidad puede ser idéntica a la que se
ilustra en la Figura 2, así como en las Figuras 4, 5, las partes que
se corresponden con las ilustradas en las Figuras 1 a 3 se designan
con los mismos números de referencia. Los microobturadores 7
presentan una disposición idéntica a la de los microfiltros 20
(disposición alineada o en matriz), en un plano ortogonal a la
dirección del haz de luz L proveniente de la fuente (no visible en
las Figuras 4 y 5). En la forma de realización ilustrada, el
sustrato 8 puede estar realizado en un material no transparente, y
del mismo modo, puede aplicarse a la capa del electrodo 9 y a la
capa aislante 10, de manera que esta última presenta las aberturas
13, 15 y define microventanas en posiciones que se corresponden con
cada microfiltro 20. Tal como ya se ha explicado, cada microfiltro
20 está dispuesto en el sustrato 8, es decir, está montado en una
posición que se corresponde a una cavidad pasante realizada en el
sustrato, creando así una estructura compacta extremadamente
sencilla. Las salidas de los microfiltros ópticos 20 están
conectadas mediante unos elementos de acoplamiento 21 de cualquier
tipo conocido a los extremos respectivos de las fibras ópticas 22,
cuyos extremos opuestos convergen en un elemento de acoplamiento
óptico 23 que también puede ser de cualquier tipo conocido, para
acoplarse con unos medios de detección 24 de cualquier tipo
conocido, preferentemente formados por un único detector
piroeléctrico o por un único fotodiodo, cuyas señales de salida se
envían a una unidad de procesado y control 25, que también envía
señales 26 para controlar el suministro de energía eléctrica a los
distintos microobturadores 7, para permitir la selección de las
longitudes de onda deseadas, y señales 27 a medios de visualización
(que no se ilustran), para mostrar los resultados de las operaciones
del
proceso.
proceso.
En funcionamiento, la unidad de control 25 lleva
a cabo la activación de los microobturadores 7, con el fin de
seleccionar cada vez las longitudes de onda deseadas. Únicamente el
microobturador 7, que se encuentra cada vez en la condición abierta,
permite el paso de la luz L, que se somete al filtrado por el
microfiltro correspondiente 20. La fibra óptica correspondiente 22
conduce al detector 24 únicamente la radiación con la longitud de
onda deseada. Las señales en la salida de los medios de detección 24
se envían a la unidad de control 25 que visualiza los resultados
obtenidos.
Tal como ya se ha mencionado anteriormente,
preferentemente, entre la abertura de dos microobturadores 7
diferentes, se deja una fase oscura en la que se cierran la
totalidad de los obturadores. De forma alternativa, se puede abrir y
cerrar uno y el mismo microobturador 7 una pluralidad de veces antes
de pasar al siguiente. De este modo, no resulta necesaria la
utilización de un interruptor periódico adicional, tal como se
requiere en algunos tipos de detectores conocidos.
La Figura 5 ilustra una forma de realización
alternativa que difiere de la de la Figura 4 únicamente en el modo
en el que se guía la radiación que sale de los microfiltros 20 al
detector 24. En este caso, el sistema de fibra óptica 22 de la
Figura 4 se sustituye por un único elemento 28 que constituye una
guía para la luz, del tipo ya conocido, concebida para conducir el
fenómeno de aprovechamiento de luz de reflexión interna total
(T.I.R.). El detector 24 está dispuesto, en este caso, en un extremo
de la guía óptica 28 con la consecuente reducción de las dimensiones
de la totalidad del dispositivo. Con la intención de conseguir un
aprovechamiento correcto del fenómeno de reflexión interna total,
se prefiere que el haz de luz L dirigido a la matriz de
microobturadores presente una inclinación con respecto a la
dirección ortogonal al plano de la matriz de microobturadores, tal
como se ilustra en la Figura 5.
Tal como se pone de manifiesto claramente en la
descripción anterior, la ventaja fundamental de la presente
invención en comparación con la solución conocida descrita reside en
el hecho de que se elimina completamente la necesidad de un elemento
de prisma corriente arriba de la matriz de microobturadores para
seccionar el haz en sus componentes, obteniéndose la selección
realizada por los microobturadores ya en las longitudes de onda
específicas de la radiación, gracias al uso de microfiltros, con el
resultado de una estructura general del espectrofotómetro más
sencilla y compacta.
Obviamente, sin perjuicio para el principio de
la invención, los detalles de construcción, así como las formas de
realización pueden variar ampliamente con respecto a lo que se ha
descrito e ilustrado en la presente memoria meramente a título de
ejemplo, sin apartarse por ello del alcance de la presente
invención.
Claims (7)
1. Espectrofotómetro que comprende:
- -
- una fuente de luz (2);
- -
- unos medios de separación (20) para separar el haz de luz proveniente de la fuente (2) en diferentes componentes correspondientes a las distintas longitudes de onda;
- -
- unos medios de selección (7) para seleccionar uno o más de los componentes del haz de luz que se generan por dichos medios de separación (20);
- -
- unos medios de detección (24) para recibir el componente seleccionado por dichos medios de selección (7) y para emitir en la salida señales eléctricas que indiquen la longitud de onda de la radiación recibida;
en el que:
- -
- dichos medios de separación están formados únicamente por una pluralidad de filtros ópticos (20) que pueden seleccionar diferentes longitudes de onda, y
- -
- dichos medios de selección comprenden una pluralidad de microobturadores (7), que se pueden accionar de forma independiente entre sí, a los que están asociados dichos filtros ópticos (20) respectivamente,
de tal modo que el haz de luz no se separa en
diferentes longitudes de onda corriente arriba de los medios de
selección,
estando dicho espectrofotómetro
caracterizado porque:
- -
- dichos microobturadores (7) son unos microobturadores electrostáticos,
- -
- dichos microobturadores electrostáticos (7) comprenden: un sustrato común (8); una capa conductora eléctricamente (9) que funciona como un electrodo común, aplicada en una cara del sustrato (8); una capa aislante (10) dispuesta sobre el electrodo común (9); y una pluralidad de electrodos de película fina separados (11), presentando cada uno de los mismos un extremo fijado a la capa aislante (10) y la parte restante móvil entre una condición de descanso, en la que el electrodo (11) deja libre el paso de la luz (L) a través del sustrato (8), y una condición activada en la que es adherente al sustrato, en la que el paso de la luz queda obstruido,
- -
- dichos filtros ópticos (20) están dispuestos en el sustrato mencionado anteriormente (8),
- -
- dichos medios de detección consisten en un detector único formado, por ejemplo, por un detector piroeléctrico o un fotodiodo,
- -
- y porque están previstos unos medios para guiar la radiación separada por dichos microfiltros (20) hacia dicho único detector (24).
2. Espectrofotómetro según la reivindicación
1, caracterizado porque dichos medios de guiado están
formados por una serie de fibras ópticas (22) que se extienden desde
las salidas de los filtros ópticos (20) hasta los medios de
detección (23) mencionados anteriormente.
3. Espectrofotómetro según la reivindicación
2, caracterizado porque en los extremos de cada fibra óptica
(22) se proporcionan unos medios de acoplamiento óptico (21, 23)
para acoplarse, respectivamente, con un filtro óptico (20) y con los
medios de detección (24) mencionados anteriormente.
4. Espectrofotómetro según la reivindicación
1, caracterizado porque dichos medios de guiado están
formados por un elemento para guiar la luz (28) que aprovecha el
fenómeno de reflexión interna total (T.I.R.).
5. Espectrofotómetro según la reivindicación
4, caracterizado porque dichos medios para guiar la luz (28)
adoptan la forma de una placa dispuesta paralela y adyacente a la
disposición de los filtros ópticos (20) mencionados anteriormente,
estando dispuestos los medios de detección (24) en un extremo de
dicha placa (28).
6. Espectrofotómetro según cada una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los filtros
ópticos (20) son del tipo de interferencia.
7. Espectrofotómetro según la reivindicación
1, caracterizado porque está prevista una unidad de control
electrónico (25) para recibir y procesar las señales en la salida de
dichos medios de detección (24), para emitir en la salida unas
señales (27) a unos medios para visualizar los resultados de la
operación de procesado, y unas señales de control (26) para
controlar el suministro eléctrico a los microobturadores
electrostáticos (7).
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