(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単なデジタル手順により、低ノイズの光信号を得る方法と装置に関する。【解決手段】光ビームを２つの開口部に射出し、検出後、基本光信号２１と訂正光信号２２をそれぞれ生成する。得られた両方の光信号２１、２２を差し引き、その結果、低ノイズの光信号を形成する光信号を生成する。開口部は好ましくは、分光器の２つのスリットであり、光信号は波長に関して表現することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低ノイズの光信号を得る方法であって、
・開口部（１）を介して光ビームを射出することと、
・前記ビームが前記開口部（１）を通過した後の強度を検出することと、
・前記測定された強度を時間の関数として表す基本光信号（２１）を生成することとを含む方法において、
・前記光ビームを別の開口部（２）を介して射出することと、
・前記ビームが前記別の開口部（２）を通過した後の別の強度を検出することと、
・前記測定された別の強度を時間の関数として表す訂正光信号（２２）を生成することと、
・前記得られた両方の光信号（２１、２２）を差し引き、その結果低ノイズ光信号を形成する光信号（２３）を得ることとを特徴とする方法。
【請求項２】
前記開口部（１、２）は分光装置の２つのスリットであり、前記光信号（２１、２２）は波長に関して表現できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基本光信号（２１）は半値全幅（Ｌ）を有する強度（１５）のピークを含み、前記開口部（１、２）を、前記半値全幅（Ｌ）の２倍から４倍、好ましくは約３倍に対応するギャップ（Ｄ）だけ分離するように離して配置することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記基本光信号（２１）の強度のピーク（１５）のうち１つを目的のピークとし、前記光信号（２１、２２）を前記強度のピーク（１５）と、対応する訂正光信号（２２）の強度のピークの間のギャップ（Ｄ）よりわずかに大きな幅を有する間隔（Ｉ）に渡って生成し、前記値は好ましくは前記ギャップ（Ｄ）の１．２倍と１．５倍の間を含み、前記強度のピーク（１５，１６）をほぼカバーすることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記結果として得られる光信号（２３）を時間統合することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ビームが前記両方の開口部（１、２）を通過した後の強度を同時に検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ビームが前記両方の開口部（１、２）を通過した後の強度を交互に検出し、前記基本光信号（２１）と訂正光信号（２２）を好ましくは統合によって再構成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
低ノイズの光信号を得る装置であって、
・光ビームが横切るための開口部（１）と、
・前記ビームの強度を検出する手段（３、４、６、７）であって、前記開口部（１）の下流に配置され、前記測定された強度を時間の関数として表す基本光信号（２１）を生成することのできる手段（３、４、６、７）と、
・前記基本光信号（２１）を処理することのできる処理ユニット（５）とを備える装置において、
前記光ビームが横切るための別の開口部（２）を含み、
前記検出手段（３、４、６、７）は、前記ビームが前記別の開口部（２）を通過した後の別の強度も検出し、前記測定された別の強度を時間の関数として表す訂正光信号（２２）を生成するために備えられ、前記処理ユニット（５）を、結果として低ノイズの光信号を形成する光信号（２３）を生成するために、得られた両方の光信号（２１、２２）を差し引くようにレイアウトすることを特徴とする装置。
【請求項９】
前記開口部（１、２）は分光装置のスリットであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記検出手段は、前記ビームが前記両方の開口部（１、２）を通過した後それぞれ同時に検出するための２つのセンサ（３、４）を備えることを特徴とする請求項８または９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記検出手段はセンサ（７）と、前記センサ（７）と前記開口部（１、２）の間に配置されたチョッパ（６）を備え、前記チョッパ（６）は前記ビームが前記両方の開口部（１、２）を通過した後に前記センサ（７）に向けて交互に通過させることが目的である請求項８または９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記基本光信号（２１）と前記訂正光信号（２２）を再構成するようにレイアウトされた積分器を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低ノイズの光信号を得るための方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光法では、従来システムにおけるスペクトル測定は、このシステムによって送信されるかまたは送り戻された光ビームをスリットを介して通すことによって行なわれる。スリットの走査が選択したスペクトルドメインのカバーを可能にする。
【０００３】
したがって、得られた信号内に生成されたノイズは不利であるので、一般に異なるフィルタリング技術を行って満足な結果を得る。ノイズは、特に急速な変動、すなわち、信号のピークの帯域幅に対して小さな（特に帯域幅の５分の１よりも小さい）波長スケールに渡る変動を伴う成分と、変動の少ない成分、すなわち、ピークの帯域幅に対して大きな（特に５倍よりも大きい）波長スケールに渡って変動の少ない成分を含む。このノイズの第２の成分は特に、信号の強度レベルの他にスプリアス強度レベルを含むバックグラウンドノイズを含む。
【０００４】
ノイズのタイプが異なるので、一般に、ノイズの効果を低減することを目的とした異なるプロセスが必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複雑なフィルタリング技術に頼らず、非常に簡単なデジタル手順を使用してほとんど完全にバックグランドノイズを除去でき、低ノイズの光信号を得る方法に関する。
【０００６】
本発明の方法により、急速な変動を伴うランダムノイズまたはホワイトノイズを実質的に低減することもできる。
【０００７】
また本発明の方法により、有利には、測定と計算のインターバルがかなり低減できる。
【０００８】
本発明はまた、上記の利点を有する低ノイズの光信号を得るための装置に関し、この装置は市販の光学部品によって実現でき、また容易に実装できる
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この観点において、本発明は低ノイズの光信号を得る方法に関する。この方法においては、
・開口部を介して１つの光ビームを射出し、
・ビームが開口部を通過した後の強度を検出し、
・測定された強度を時間の関数として表す基本光信号を生成する。
【００１０】
本発明によれば、
・光ビームを別の開口部を介して射出し、
・ビームが別の開口部を通過した後の別の強度を検出し、
・測定された別の強度を時間の関数として表す訂正光信号を生成し、
・得られた両方の光信号を差し引き、その結果、低ノイズの光信号を形成する光信号を得る。
【００１１】
得られた両方の光信号を差し引くことにより、ほとんど完全にバックグラウンドノイズを除去することができる。さらに、バックグラウンドノイズがないため、強度基準は常に０であるので、測定と処理の間隔をかなり低減することができる。
【００１２】
さらに、二重の測定によりビーム上の補助的な情報の付加が、使用される両方の信号のホワイトノイズの累計よりも優先する。結果として得られる信号を統合することにより、約√２の信号／ホワイトノイズ比のゲインを得ることができる。
【００１３】
開口部は分光装置の２つのスリットであることが好ましく、これにより、光信号は波長に関して表現できる。
【００１４】
特に、分光装置は回転スリットモノクロメータを含む。こうして時間走査を波長走査に同化させる。
【００１５】
両方のスリットは走査平面に対応する同じ平面上に配置されるのが有利である。
【００１６】
両方の開口部の間のギャップは、好ましくは処理する信号に対して最適化される。有利な実施形態では、基本光信号は半値全幅を有する強度のピークを含み、開口部はこの帯域幅の２倍から４倍に対応するギャップ、好ましくは約３倍に等しいギャップだけ分離するように離して配置される。
【００１７】
両方の光信号の強度のピークは、ノイズが効率的に低減される程度に十分に近く、また、信号を差し引くことがこれらのピーク上の情報に影響を与えない程度に十分に離れている。
【００１８】
ついで、基本光信号の強度のピークのうち１つに焦点を当て、光信号をこの強度のピークと、対応する訂正光信号の強度のピーク間のギャップ（Ｄ）よりわずかに大きな幅を有する間隔（Ｉ）に渡って生成することが有利である。この値は好ましくはギャップ（Ｄ）の１．２倍と１．５倍の間を含み、これらの強度のピークをほぼカバーする。
【００１９】
所定のピークを識別し指定するにはこの間隔で十分であり、一方、バックグランドノイズがある場合には、強度のピークを抽出するためにかなり長い長さが必要となる。
【００２０】
結果として得られる信号は時間統合されていることが好ましい。
【００２１】
したがって測定された両方の光信号に関して得られた情報は、正のピークと負のピークの対の各々を単一の強度のピークで置き換えることによって関連づけられる。得られた信号は、信号／ホワイトノイズ比がルート２倍されており、従来のデジタル処理サイクルに役立つ。
【００２２】
分光応用を使用すると、時間統合はスペクトル統合に対応する。
【００２３】
第１の好ましい実施形態によれば、ビームの強度は両方の開口部を通過した後同時に検出される。
【００２４】
こうして両方の光信号について完全な情報が得られる。
【００２５】
第２の好ましい実施形態では、ビームの強度を両方の開口部を通過した後交互に検出し、基本光信号と訂正光信号は、好ましくは統合によって再構成される。
【００２６】
このタイムチョッピングが、２つのセンサではなく１つのセンサを使用を可能にする。ついでタイムチョッピングは両方の光信号を交互に検出するために慎重に選択されるべきである。所期の目的は、あまり複雑にせずにタイムチョッピングを実行しながら、交互のサイクルを遅くしないで、得られる情報にダメージを与えないことである。
【００２７】
本発明はまた、低ノイズの光信号を得るための装置に関する。この装置は、
・光ビームが横切るための開口部と、
・このビームの強度を検出する手段であって、この開口部の下流側に配置され、測定された強度を時間の関数として表す基本光信号を生成する手段と、
・前記基本光信号を処理する処理ユニットとを備える。
【００２８】
本発明によれば、この装置は光ビームが横切るための別の開口部を備え、また、この別の開口部を通過した後のビームの別の強度を検出し、測定された別の強度を時間の関数として表す訂正光信号を生成するための検出手段も備える。処理ユニットは、得られた両方の光信号を差し引き、この結果、低ノイズの光信号を形成する光信号を生成するようにレイアウトされる。
【００２９】
開口部は、分光装置のスリットであることが好ましい。
【００３０】
第１の好ましい実施形態では、検出手段は、両方の開口部を通過した後のビームをそれぞれ同時に検出するための２つのセンサを備える。
【００３１】
第２の好ましい実施形態では、検出手段は、センサと、センサと開口部の間に配置されたチョッパとを備える。チョッパは、ビームが両方の開口部を通過した後に、センサに向けてビームを交互に通過させることが目的である。
【００３２】
この第２の実施形態では、この装置は有利には基本光信号と訂正光信号を再構成するようにレイアウトされた積分器を備える。
【００３３】
本発明は、付随する図面を参照しながら特定の実施形態と実装例を参照するとよりよく理解し説明できるであろう。しかしこれらの実施形態と実装例は本発明を限定するものではない。
【００３４】
図１と図２において、同一の要素または同様な要素は同じ参照番号によって示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
第１の実施形態（図１）の分光装置は、ギャップｄだけ離れた２つのスリット１と２とを備える。これらのスリット１と２は、たとえば波長走査を行うための移動式スリットである。スリット１と２はそれぞれ２つのセンサ３と４とに接続され、２つのセンサ３と４は処理ユニット５に接続されている。
【００３６】
操作においては、光ビームはスリット１と２とを同時に通過し、このビームはスリット１と２を通過した後それぞれセンサ３と４とによって検出される。こうして、それぞれセンサ３と４が生成した２つのスペクトルカーブ２１と２２（図３）を得る。これらのカーブ２１と２２は検出された信号の強度（軸１２）を、波長または時間（軸１１）の関数として提供する。
測定したシステムを示す波長の存在において、カーブ２１と２２は半値全幅Ｌを有する強度１５と１６のピークをそれぞれ有する。これらのピーク１５と１６はギャップＤだけ離れ、それぞれ軸１３と１４を中心とする。このギャップＤはスリット１と２の間の距離ｄと直接関係し、また、スリット１と２の移動速度にも依存する。
【００３７】
ギャップＤが帯域幅Ｌの２倍と４倍の間の範囲になるように距離ｄを選択することが好ましい。例示的には、帯域幅Ｌは５ｐｍでありギャップＤは１５ｐｍである。
【００３８】
得られたカーブ２１と２２は両方ともホワイトノイズを含み、同時に、バックグラウンド強度Ｆに対応するバックグラウンドノイズも含む。このバックグラウンド強度Ｆは両方のカーブ２１と２２についてほぼ同じである。
【００３９】
ついで処理ユニット５により、カーブ２２をカーブ２１から差し引き、それぞれ軸１３と１４を中心とする正のピーク１７と負のピーク１８を示すカーブ２３を得る（図４）。カーブ２３は、すでにバックグラウンドノイズを含まなくなったという特徴を示し、ピーク１７と１８は無の強度に対応して軸１１上にベースを有する。
【００４０】
ついでカーブ２３を統合し、統合強度（軸２０）を波長の関数として生成するカーブ２４を得る（図５）。このカーブ２４は、軸１３と１４の間に頂点を有し、軸１３と１４との交点に２つの変曲点を有するピーク１９を示す。カーブ２４はカーブ２３などのバックグラウンドノイズを取り除かれ、係数ルート２だけ改善された信号／ホワイトノイズ比を有する。
【００４１】
波長の測定は、ピーク１５と１６を中心とする間隔Ｉにわたって、すなわちピーク１９の上だけで行い、これらのピーク２１と２２の直接の近辺だけに限定されるのが有利である（図３）。実際、バックグラウンドノイズがないので、この小さな幅の間隔Ｉで、必要な情報を得るのに十分である。たとえば帯域幅Ｌと空隙Ｄがそれぞれ５ｐｍと１５ｐｍの場合、間隔Ｉの幅はたった２０ｐｍである。
【００４２】
第２の実施形態の分光装置では（図２）、スリット１と２を両方とも単一のセンサ７に結合し、チョッパ６をセンサ７とスリット１と２の間に配置する。チョッパ６の機能は、スリット１と２から発したビームをセンサ７に交互に送信することである。センサ７自体は処理ユニット５に接続する。
【００４３】
動作においては、図３と同様なカーブが得られるが、ハッチされている。これには失われた部分のカーブの再構成を含む。このため、有利には積分器を使用する。ついで第１の実施形態と同様に進む。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による装置の第１の実施形態の概略図である。
【図２】本発明による装置の第２の実施形態の概略図である。
【図３】図１の装置の２つのスリットを通過した後にビームを測定することによってそれぞれ得られる強度の２つのスペクトルカーブを表す図である。
【図４】図３の両方のカーブの間の差し引きから得られた強度のスペクトルカーブを、強度のスケールを低減して表した図である。
【図５】図４のカーブのスペクトル統合に対応するスペクトルカーブを表す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  スリット
２  スリット
３  センサ
４  センサ
５  処理ユニット
６  チョッパ
７  センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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