DE112017007750T5

DE112017007750T5 - Ferninfrarot-Spektralvorrichtung und Ferninfrarot-Spektralverfahren

Info

Publication number: DE112017007750T5
Application number: DE112017007750.8T
Authority: DE
Inventors: Mizuki Mohara; Kei Shimura; Kenji Aiko
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2020-04-02
Also published as: JPWO2019038823A1; US20210131957A1; JP6742527B2; WO2019038823A1; US11016023B1

Abstract

Bei einem IS-TPG-Verfahren, bei dem Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen verwendet werden, um wellenlängenvariables Licht im fernen Infrarot zu erzeugen, wird ein Licht im fernen Infrarot (TPG-Licht), das eine instabile Ausgabe bei einer breiten Wellenlänge aufweist, gleichzeitig mit nur einem Laserlicht geringfügig erzeugt. Das erzeugte IS-TPG und das TPG-Licht werden nach dem Durchgehen durch eine Probe innerhalb eines nichtlinearen optischen Kristalls zur Detektion in Licht im nahen Infrarot umgesetzt und durch einen Detektor beobachtet. Die Signallichtausgabe des IS-TPG-Lichts wird aufgrund des TPG-Lichts instabil. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das TPG-Licht mittels eines Spalts und dergleichen (Filters) unmittelbar vor der Probe entfernt und wird nicht in den nichtlinearen optischen Kristall zur Detektion eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt wird unter Verwendung einer Änderung der Emissionsrichtung, wenn die Frequenz des IS-TPG-Lichts geändert wird, das Filter in Übereinstimmung mit der Frequenz bewegt, so dass nur das IS-TPG-Licht hindurchgeht (siehe Fig. 1C).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung und ein Ferninfrarot-Spektralverfahren.
Technischer Hintergrund
Ein ferner Infrarotbereich wird außerdem als eine Terahertz-Welle bezeichnet, in dem eine Substanz transparent ist und ein für das Substrat spezifisches Absorptionsspektrum gegeben ist. Es wird deshalb erwartet, dass eine Substanz, die weniger sichtbares Licht oder Infrarotlicht durchlässt, oder eine Substanz, die durch eine Abschirmung eingeschlossen ist, durch das Bestrahlen der Substanz mit Licht im fernen Infrarot analysiert werden kann, um ein Absorptionsspektrum zu erhalten, (siehe z. B. die Patentliteratur 1 und die Nicht-Patentliteratur 1).
Ein Spektroskopieverfahren im Zeitbereich (TDS-Verfahren) ist z. B. als eine Technik auf diesem Gebiet bekannt, durch die die Identifikation von Komponenten oder die quantitative Analyse der wirksamen Komponenten von Medikamenten ausgeführt werden kann. Das Spektroskopieverfahren im Zeitbereich weist jedoch nachteilig einen schmalen Dynamikbereich der Photometrie auf. Falls andererseits die Spitzenleistung des Messlichts in einem auf der Ferninfrarot-Spektroskopie basierenden Analyseverfahren stark ist, kann eine Tablettenprobe mit einer Dicke von mehreren Millimetern analysiert werden. Ein Verfahren mit einem parametrischen „Injection-Seeded“-THz-Generator (IS-TPG-Verfahren) ist z. B. als ein photometrisches Verfahren mit starker Spitzenleistung bekannt.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2015-152405
Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: Terahertz Technology Forum (2007), Handbook of Terahertz Technology, S. 426-456: NGT Ltd., veröffentlicht am 29. November 2007.
Nicht-Patentliteratur 2: Shikata (2002) „THz-Wave Parametric Generation and Its Linewidth Control", The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. C, J85-C, 2, S. 52-63.

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die quantitative Analyse einer in einem Medikament enthaltenen wirksamen Komponente wird in der industriellen Verwendung eines Ferninfrarot-Spektrometers erwartet. Für die quantitative Analyse einer in dem Medikament enthaltenen wirksamen Komponente ist eine genaue quantitative Messung erforderlich. Um eine derartige genaue quantitative Messung auszuführen, ist es wichtig, dass eine Signalintensität des in einem Ferninfrarot-Spektrometer erzeugten Detektionslichts während kurzer und langer Zeiträume stabil ausgeführt wird.
Die vorliegende Offenbarung, die angesichts einer derartigen Situation gemacht worden ist, schafft eine Technik, um die Stabilität der Intensität des Detektionslichts bei der Ferninfrarot-Spektralanalyse zu verbessern.
Lösung für das Problem
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, schafft eine beispielhafte Ausführungsform der Offenbarung eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung, die eine wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle, die Licht im fernen Infrarot erzeugt, eine Beleuchtungsoptik, die eine Probe mit schmalbandigem Licht im fernen Infrarot beleuchtet, das in dem von der wellenlängenvariablen Ferninfrarotlichtquelle ausgegebenen Licht im fernen Infrarot enthalten ist, ein Filter, das das gleichzeitig mit dem schmalbandigen Licht im fernen Infrarot erzeugte breitbandige Licht im fernen Infrarot entfernt, und ein Photodetektionssystem, das das durch die Probe durchgelassene Licht detektiert, enthält.
Weitere Merkmale der Offenbarung werden durch die Beschreibung dieser Anmeldung und die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Einige Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die Elemente oder Kombinationen verschiedener Elemente gemäß der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Modi der beigefügten Ansprüche erreicht.
Es ist notwendig, zu verstehen, dass die Beschreibung der Anmeldung lediglich durch ein typisches Beispiel gegeben wird und dass sie nicht die offenbarten Ansprüche oder Anwendungsbeispiele in irgendeiner Bedeutung einschränkt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Offenbarung kann die Stabilität der Intensität des Detektionslichts bei der Ferninfrarot-Spektralanalyse verbessert werden.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung, die keine technische Maßnahme zum Stabilisieren der Ausgabe des Detektionslichts erhält, veranschaulicht.
1B ist eine Seitenansicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
1C ist eine Draufsicht, die die beispielhafte Konfiguration der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
1D veranschaulicht einen Ausgangswinkel θ des IS-TPG-Lichts in jeder Ausführungsform.
2A ist eine Seitenansicht einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
2B ist eine Draufsicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der zweiten Ausführungsform.
2C ist eine Ansicht zum Erklären einer Beziehung zwischen einer Fleckform des Lichts im fernen Infrarot und eines Flecks des Pumplichts.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration einer Detektionsoptik einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung einer dritten Ausführungsform.
4A ist eine Seitenansicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Detektionsoptik einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
4B ist eine Draufsicht, die die beispielhafte Konfiguration der Detektionsoptik der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
5A ist eine Seitenansicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform veranschaulicht.
5B ist eine Draufsicht, die die beispielhafte Konfiguration der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform veranschaulicht.
5C veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform.
5D ist eine Seitenansicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer Modifikation der fünften Ausführungsform veranschaulicht.
6A veranschaulicht eine Konfiguration einer ersten Modifikation einer Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform.
6B veranschaulicht eine Konfiguration einer zweiten Modifikation der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform.
6C veranschaulicht eine Konfiguration einer dritten Modifikation der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
Einige Ausführungsformen der Offenbarung beziehen sich auf eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung zur Analyse einer Probe unter Verwendung von Licht in einem fernen Infrarotbereich bei der quantitativen Analyse des Komponentengehalts einer chemischen Substanz in der Probe, bei der qualitativen Analyse der chemischen Substanz oder in einem Untersuchungsschritt einschließlich der Untersuchung von Fremdstoffen und beziehen sich auf ein Spektralverfahren unter Verwendung der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung. Im Folgenden werden die Ausführungsformen bezüglich der Zeichnungen beschrieben.
Betrachtung einer Abbildungsvorrichtung unter Verwendung von Licht im fernen Infrarotbereich
1A ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung, die Licht in einem fernen Infrarotbereich verwendet und keine technische Maßnahme, um die Ausgabe des Detektionslichts zu stabilisieren, erhält, veranschaulicht. Im Ergebnis der Untersuchungen an einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung unter Verwendung von Licht in einem normalen fernen Infrarotbereich haben die Erfinder verschiedene Probleme gefunden, die nicht berichtet worden sind. Derartige Probleme werden nun beschrieben.
In einem IS-TPG-Verfahren werden zwei Typen von Laserlicht, d. h., ein Pumplicht 115 mit einer hohen Pulsenergie und ein „Seed“-Licht 125 mit einer einzigen Wellenlänge, in einen nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung eingeleitet, um gepulstes wellenlängenvariables Licht im fernen Infrarot (IS-TPG-Licht) 250 mit einer einzigen Wellenlänge parametrisch zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 variiert, wobei ein Einfallswinkel des „Seed“-Lichts 125 auf den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung durch einen Einfallswinkel-Einstellmechanismus 121 für das „Seed“-Licht eingestellt wird, wobei folglich die Frequenz des erzeugten IS-TPG-Lichts variiert werden kann. Andererseits wird außerdem Licht im fernen Infrarot mit einer breitbandigen Wellenlänge (TPG-Licht) nur durch das Pumplicht 115, das eine hohe Pulsenergie aufweist, geringfügig erzeugt.
Das erzeugte IS-TPG-Licht und das erzeugte TPG-Licht werden durch eine Probe 200 durchgelassen und dann in einem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion in Licht im nahen Infrarot (Detektionslicht) 300 umgesetzt und durch einen optischen Detektor 290 beobachtet. Weil die Frequenz des TPG-Lichts nicht gesteuert ist, ist die Ausgabe des TPG-Lichts instabil. Ferner ist die Ausgabe des von dem TPG-Licht abgeleiteten Lichts im nahen Infrarot außerdem instabil. Eine derartige Instabilität des TPG-Lichts beeinflusst die Ausgabe des Detektionslichts 300 und verursacht ein Problem der instabilen Ausgabe des Detektionslichts. Insbesondere wird bei einer Frequenz, bei der der Erzeugungswirkungsgrad des IS-TPG-Lichts gering ist, eine größere Menge des TPG-Lichts erzeugt, was zu einer geringen Stabilität der Ausgabe des IS-TPG-Lichts führt.
Zusätzlich kann sich eine Basis, die die Optik darauf aufweist, zusammen mit einer Variation der Umgebungstemperatur ausdehnen und zusammenziehen. Eine derartige Ausdehnung und Kontraktion der Basis verursacht eine Änderung der Lichtachse der Optik, die wiederum eine Variation des Erzeugungswirkungsgrades des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot oder des Detektionslichts 300 verursacht. Im Ergebnis wird die Ausgabe des Detektionslichts 300 nachteilig instabil.
Bei der Beobachtung des Transmissions-/Absorptionsspektrums einer zu analysierenden Probe kann das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot durch Partikel auf der Oberfläche oder im Inneren der Probe 200 gestreut werden, was zur Erzeugung von Streulicht führt. Die Ausgabe des Detektionslichts 300 kann durch eine Messposition der Probe, die Partikelgröße eines Messobjekts, einen Brechungsindex oder eine Wellenlänge des Lichts im fernen Infrarot aufgrund des Speckle-Rauschens, das durch derartiges Streulicht verursacht wird, geändert werden, wobei folglich die Ausgabe des Detektionslichts nachteilig instabil wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Stabilisieren der Ausgabe des Detektionslichts in jeder Ausführungsform ausführlich beschrieben.
Erste Ausführungsform
Die 1B bis 1D sind Ansichten zum Erklären eines Beispiels der Gesamtkonfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. 1B ist eine Seitenansicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung. 1C ist eine Draufsicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung. 1D veranschaulicht einen Ausgangswinkel θ des IS-TPG-Lichts in jeder Ausführungsform (nicht auf die erste Ausführungsform eingeschränkt).
Zusammenfassung der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung
Die in den 1B und 1C gezeigte Ferninfrarot-Spektralvorrichtung verwendet das durch die Probe 200 durchgelassene Licht, um ein Absorptionsspektrum der Probe 200 zu messen. Die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung enthält z. B. eine wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100, eine Beleuchtungsoptik 150, einen TPG-Licht-Entfernungsspalt 205, einen automatischen Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspaltes, die den TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 trägt, eine automatischen Bühne 202 zur Probenbewegung, die die Probe 200 trägt, die Ferninfrarotoptik 170, einen nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion, der das durch die wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100 erzeugte Pumplicht und das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot von der Ferninfrarotoptik 170 verwendet, um Licht im nahen Infrarot zu erzeugen (das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot in das Licht im nahen Infrarot umzusetzen), ein Si-Prisma 142, das das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot von der Ferninfrarotoptik 170 in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion einleitet, den Photodetektor 290, der das durch die Umsetzung des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot erzeugte Licht im nahen Infrarot detektiert, eine Signalverarbeitungseinheit 400, die wenigstens eine Verarbeitung des Berechnens eines Absorptionsspektrums der Probe 200 aus dem Licht (z. B. dem Licht im nahen Infrarot), das durch den Photodetektor 290 detektiert wird, und eine Steuereinheit 500, die den Betrieb der automatischen Bühne 202 zur Probenbewegung steuert und wenigstens eine Verarbeitung des Anzeigens eines von dem Photodetektor 290 empfangenen Detektionssignals ausführt. Die Ferninfrarotoptik 170, das Si-Prisma 142, der nichtlineare optische Kristall 132 zur Detektion und der Photodetektor 290 können gemeinsam als ein Photodetektionssystem oder eine Detektionsoptik bezeichnet werden.
Die wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100 enthält eine Pulslaser-Lichtquelle 110 des Pumplichts, eine wellenlängenvariable Laserlichtquelle 120, den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung, einen Halbspiegel 127, der das Licht, das von der Pulslaser-Lichtquelle 110 ausgegeben wird, in zwei aufteilt, den Einfallswinkel-Einstellmechanismus 121 für das „Seed“-Licht, der den Einfallswinkel des „Seed“-Lichts 125 auf den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung einstellt, ein Si-Prisma 140, um das Licht im fernen Infrarot zu extrahieren, und einen Dämpfer 240, um das überschüssige Licht mit Ausnahme des Lichts im fernen Infrarot zu erfassen. Eine Ferninfrarotlichtquelle, die als das IS-TPG-Verfahren bekannt ist, wird als die wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100 verwendet. Die Ferninfrarotlichtquelle in dem IS-TPG-Verfahren ermöglicht, dass das Pumplicht 115 und das „Seed“-Licht 125, die verschiedene Wellenlängen aufweisen, auf den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung einfallen, um Licht im fernen Infrarot durch eine Differenzfrequenzerzeugung oder parametrische Erzeugung zu erzeugen. Im Folgenden wird das durch dieses Verfahren erzeugte Licht im fernen Infrarot als IS-TPG-Licht (schmalbandiges Licht im fernen Infrarot) bezeichnet.
MgO:LiNbO₃ kann z. B. als der nichtlineare optische Kristall 130 zur Erzeugung verwendet werden, wobei ein Kurzpuls-YAG-Laser mit Güteschalter als die Pulslaser-Lichtquelle 110 des Pumplichts 115 verwendet werden kann. Das Licht von der wellenlängenvariablen Laserlichtquelle 120 wird als das „Seed“-Licht 125 in den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung injiziert, wobei folglich Licht im fernen Infrarot durch parametrische Erzeugung produziert werden kann. Das Si-Prisma 140 ist z. B. an dem nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung befestigt, wobei folglich das erzeugte Licht im fernen Infrarot effizient extrahiert werden kann. Eine Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 wird etwa zwischen 1066 und 1076 nm variiert, wobei der Einfallswinkel des „Seed“-Lichts 125 auf den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung eingestellt wird, so dass die Frequenz des erzeugten Lichts im fernen Infrarot (IS-TPG-Lichts) etwa im Bereich von 0,5 bis 3 THz variiert werden kann. Die Frequenz ω_T des erzeugten Lichts im fernen Infrarot, die Frequenz ω_P des Pumplichts und die Frequenz ω_S des „Seed“-Lichts erfüllen die Beziehung nach Formel (1). Variationen der Wellenlänge bedeuten Variationen von ω_S. $ω_{T} = ω_{P} - ω_{S}$
Die Wellenzahl k_T des Lichts im fernen Infrarot, die Wellenzahl kp des Pumplichts und die Wellenzahl ks des „Seed“-Lichts erfüllen die Beziehung nach Formel (2). Variationen des Einfallswinkels bedeuten Variationen von k_S . $k_{T} = k_{P} + k_{S}$
Wenn die Wellenlänge des Lichts im fernen Infrarot durch das Wobbeln der Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 variiert wird, wie in 1C gezeigt ist, variiert der Ausgangswinkel θ des erzeugten IS-TPG-Lichts gemäß Formel (2).
Das erzeugte wellenlängenvariable Licht im fernen Infrarot (IS-TPG-Licht) wird unter Verwendung der Beleuchtungsoptik 150 auf die Probe 200 geworfen. Das Licht im fernen Infrarot (IS-TPG-Licht) wird durch die Probe 200 durchgelassen, wobei dann seine Wellenlänge durch den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion in Licht im nahen Infrarot (Detektionslicht 300) mit einer Wellenlänge von etwa 1066 bis 1076 nm umgesetzt wird. Derartiges Licht im nahen Infrarot wird durch den Photodetektor 290, der eine Empfindlichkeit für Licht im nahen Infrarot aufweist, photoelektrisch umgesetzt und als ein Detektionssignal detektiert. Der Photodetektor (Sensor) 290 für Licht im nahen Infrarot kann ein Photodetektor (1D-Anordnungs-Photodetektor), der mehrere Lichtempfangselemente enthält, die in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind, oder ein Photodetektor (2D-Anordnungs-Detektor), der mehrere Lichtempfangselemente enthält, die in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, sein. Sowohl der 1D-Anordnungs-Detektor als auch der 2D-Anordnungs-Detektor für Licht im nahen Infrarot sind relativ leicht verfügbar, weisen eine hohe Ansprechgeschwindigkeit auf und können bei normaler Temperatur verwendet werden. Die Detektoren sind deshalb für industrielle Anwendungen geeignet.
Wirkung des TPG-Lichts und technische Maßnahme zum Eliminieren der Wirkung
Andererseits erzeugt die wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100 außerdem, aber geringfügig, Licht im fernen Infrarot (TPG-Licht (breitbandiges Licht im fernen Infrarot)), das ein breites Frequenzband aufweist, das nur durch das Pumplicht 115 in dem nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung erzeugt wird. Falls die in den 1 gezeigte Konfiguration verwendet wird, wird deshalb das erzeugte TPG-Licht zusammen mit dem IS-TPG-Licht durch die Beleuchtungsoptik 150, die Probe 200 und die Ferninfrarotoptik 170 durchgelassen. Das TPG-Licht und das IS-TPG-Licht, die durch derartige Komponenten durchgelassen werden, werden in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet, wobei die Wellenlänge von jedem zusammen mit dem Detektionspumplicht 235 in Licht im nahen Infrarot umgesetzt wird, das eine breite Frequenz aufweist und durch den Photodetektor 290 detektiert wird. Dieses Signal wirkt als Rauschen für ein durch das IS-TPG-Licht erzeugtes Detektionssignal, wobei es folglich die Stabilität des Detektionssignals beeinflusst. Weil die Ausgabe des TPG-Lichts instabil ist, wird zusätzlich der Umsetzungswirkungsgrad des IS-TPG-Lichts in dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion instabil, wobei folglich die Ausgabe des Detektionslichts 300 nachteilig nicht stabil beobachtet werden kann.
Insbesondere tritt bevorzugt die Erzeugung des von dem TPG-Licht abgeleiteten Lichts im nahen Infrarot auf, wobei die Ausgabe des Detektionslichts 300 in einem Frequenzband, in dem der Erzeugungswirkungsgrad des IS-TPG-Lichts in dem nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung gering ist, in einem Frequenzband, in dem der Umsetzungswirkungsgrad des IS-TPG-Lichts in Licht im nahen Infrarot in dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion gering ist, oder bei einer Frequenz, bei der das Licht im fernen Infrarot in der Probe 200 stark absorbiert wird, aber schwach durch die Probe 200 durchgelassen wird, weiter instabil wird, (Beispiele derartige Frequenzbänder enthalten ein Frequenzband von 1 THz oder kleiner und ein Frequenzband von 3 THz oder größer). Weiterhin verbraucht die Umsetzung des TPG-Lichts in Licht im nahen Infrarot die Energie des Pumplichts 115, wobei folglich die Wellenlängenumsetzung von dem IS-TPG-Licht in das Licht im nahen Infrarot hinsichtlich des Energieerhaltungssatzes nicht effizient ausgeführt werden kann. Im Fall der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung, die die Konfiguration nach 1A aufweist, wird deshalb das Detektionslicht in einem anderen Frequenzband als einem Frequenzband beobachtet, in dem der Umsetzungswirkungsgrad in das Licht im nahen Infrarot gering ist (z. B. einem Frequenzband von 1 THz oder kleiner und einem Frequenzband von 3 THz oder größer, wie oben beschrieben worden ist). Im Fall des Lichts in dem Frequenzband, in dem der Umsetzungswirkungsgrad in das Licht im nahen Infrarot gering ist, z. B. des Lichts im Frequenzband von 1 THz oder kleiner, ist jedoch z. B. die Durchlässigkeit durch eine Substanz (z. B. die Probe) hoch. Bei der Spektroskopie ist das Licht in einem höheren Frequenzband für die Analyse vorteilhafter, weil mehr verschiedene Spitzen des Lichts detektiert werden können. Falls z. B. Licht mit einer Frequenz von größer als 3 THz verwendet werden kann, kann folglich der Analysewirkungsgrad verbessert werden. Die erste Ausführungsform schafft deshalb eine Maßnahme, um zu ermöglichen, dass das Frequenzband, das unbenutzt gewesen ist, weil der Umsetzungswirkungsgrad in das Licht im nahen Infrarot darin gering ist, nutzbar ist, d. h., sie schafft ein Mittel zum Entfernen des TPG-Lichts.
Obwohl das IS-TPG-Licht von dem Prisma 140 in einem Winkel ausgegeben wird, der der Frequenz des Lichts im fernen Infrarot entspricht, wie durch Formel (2) ausgedrückt ist, wird der Ausgangswinkel des TPG-Lichts nicht variiert, selbst wenn die Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 variiert wird, weil das TPG-Licht eine Lichtkomponente enthält, die durch das Pumplicht 115 verursacht wird. Wenn das IS-TPG-Licht und das TPG-Licht, die verschiedene Ausgangswinkel aufweisen, durch eine Ferninfrarotlicht-Kondensorlinse 156 auf der Probe 200 kondensiert werden, sind die Kondensationsflecken zwischen dem IS-TPG-Licht und dem TPG-Licht räumlich verschieden. Das TPG-Licht wird deshalb unter Verwendung des TPG-Licht-Entfernungsspalts 205, der unmittelbar vor der Probe 200 auf der automatischen Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspaltes vorgesehen ist, ausschließlich entfernt. Das TPG-Licht weist die gleiche Polarisation wie das IS-TPG-Licht auf und kann folglich nicht durch einen Polarisator oder dergleichen entfernt werden, wobei ähnlich gepulste Lichtstrahlen zwischen den beiden Typen des Lichts zeitlich erzeugt werden; folglich wird es als bevorzugt betrachtet, das TPG-Licht wie in diesem Verfahren räumlich zu entfernen. Zusätzlich zu dem Spalt können eine Irisblende, eine Lochblende, eine Messschneide und dergleichen, die im Allgemeinen als ein „TPG-Licht-Entfernungsfilter“ oder ein „breitbandiges Infrarotlicht-Entfernungsfilter“ bezeichnet werden können, für ein Verfahren zum Entfernen des TPG-Lichts verwendet werden. Die Spaltbreite, die Öffnung der Irisblende oder die Größe der Lochblende sind bis zu dem Ausmaß, dass das IS-TPG-Licht nicht entfernt wird, erwünscht so klein wie möglich gemacht. Weiterhin kann ein Material des Spalts ein Harz, das das Licht im fernen Infrarot absorbieren kann, oder ein Metall, das das Licht im fernen Infrarot reflektiert, sein.
Wenn anschließend die Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 variiert wird, um die Frequenz des IS-TPG-Lichts zu variieren, wird die Verschiebung Δy des Strahlflecks des Lichts gemäß der Formel (3) variiert, weil das Licht durch die Ferninfrarotlicht-Kondensorlinse 156, die eine Brennweite f aufweist, auf der Probe 200 kondensiert wird. $Δ y = f Δ θ'$
In Formel (3) repräsentiert f die Brennweite der Ferninfrarotlicht-Kondensorlinse 156. Der Ausgangswinkel θ' des Lichts im fernen Infrarot variiert in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts im fernen Infrarot. Wenn z. B. ω_T von 1 bis 3 THz variiert wird, während eine Linse mit f = 100 mm verwendet wird, variiert der Ausgangswinkel θ' durch Δθ' = θ'(1 THz) - θ'(3 THz) = 3,5 Grad (0,58 rad), so dass Δy = 5,8 mm gegeben ist.
Wenn der TPG-Licht-Entfernungsspalt 205, der die TPG-Lichtkomponente abschirmt, durch die automatische Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspaltes für jede Frequenz gemäß Formel (3) bewegt wird, kann immer nur ein IS-TPG-Licht mit einer gewünschten Frequenz extrahiert werden. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Probe 200 durch die automatische Bühne 202 zur Probenbewegung gleichzeitig bewegt wird, wird eine Position des auf die Probe 200 einfallenden IS-TPG-Lichts nicht variiert (die Steuereinheit 500 steuert die Bewegung der automatischen Bühne 202 zur Probenbewegung so, dass die jeweiligen Strahlen des IS-TPG-Lichts mit verschiedenen Frequenzen auf dieselbe Position auf der Probe 200 geworfen werden), wobei das Licht bei allen Frequenzen an derselben Position auf der Probe 200 gemessen werden kann.
In dieser Weise wird das TPG-Licht nicht in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet. Es wird nur das IS-TPG-Licht in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet. Folglich wird nur die Wellenlänge des IS-TPG-Lichts umgesetzt, wobei folglich eine stabile Ausgabe des Detektionslichts 300 erzeugt werden kann. Zusätzlich wird die Energie des Pumplichts 235 während der Wellenlängenumsetzung nicht für die Umsetzung des TPG-Lichts in das Licht im nahen Infrarot verbraucht. Folglich kann der Umsetzungswirkungsgrad des IS-TPG-Lichts vergrößert werden, wobei folglich das Detektionslicht sogar in einem Frequenzband beobachtet werden kann, in dem die Ausgabe des Lichts im fernen Infrarot schwach ist, was vorteilhaft zu einer Erweiterung eines detektierbaren Frequenzbands führt.
Modifikationen
Fall unter Verwendung einer Abbildungsoptik als die Beleuchtungsoptik
In der ersten Ausführungsform konfiguriert die Beleuchtungsoptik 150 keine Abbildungsoptik. Obwohl der TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 unmittelbar vor der Probe 200 angeordnet ist, kann folglich der TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 an irgendeiner Position im Lichtweg des Lichts im fernen Infrarot angeordnet sein, wobei er in Übereinstimmung mit einer relevanten Frequenz an jeder Position bewegt wird. Wenn andererseits eine Abbildungsoptik als die Beleuchtungsoptik 150 verwendet wird, ist der TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 zum Entfernen des TPG-Lichts bevorzugt unmittelbar vor einer Linse 152 angeordnet, weil das IS-TPG-Licht und das TPG-Licht durch die Ferninfrarotlicht-Kondensorlinse 156 an derselben Position kondensiert werden.
Verarbeitung durch die Signalverarbeitungseinheit
Es ist erwünscht, eine Verringerung des Rauschabstands (S/N) aufgrund des Rauschens, wie z. B. des Rauschens im Photodetektor 290 selbst oder des durch das Streulicht des sichtbaren Lichts oder des Lichts im nahen Infrarot im Inneren der Vorrichtung verursachten Rauschens, und aufgrund einer nur durch den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion erzeugten TPG-Komponente zu verhindern. Die Signalverarbeitungseinheit 400 kann deshalb eine Signalintensität, die erhalten wird, wenn das Licht im fernen Infrarot blockiert wird, von einer Intensität eines gemessenen Signals (detektierten Signals) vor der Verarbeitung abziehen. Wenn die Größe des Detektionslichts im Vergleich zur Größe des Detektors klein ist, kann die Signalverarbeitungseinheit 400 einen Wert, der durch das Integrieren der Lichtintensität über eine spezifische Fläche mit Detektionslicht auf dem Detektor erhalten wird, als die Detektionslichtintensität an die Steuereinheit 500 senden. Weil weiterhin eine Strahlposition des Detektionslichts variiert, wenn die Frequenz gewobbelt wird, kann die Signalverarbeitungseinheit 400 eine Steuerung ausführen, um einer Fläche eines zu verarbeitenden Signals zu folgen. Weil die Rauschkomponente außerdem in Abhängigkeit von den Positionen verschiedene Intensitäten aufweist, muss wie bei dem Detektionslicht das Rauschen in einem entsprechenden Bereich für jede Frequenz gemessen werden.
Zweite Ausführungsform
2 enthält Ansichten, die ein Beispiel der Gesamtkonfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Offenbarung veranschaulichen. 2A ist eine Seitenansicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der zweiten Ausführungsform. 2B ist eine Draufsicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der zweiten Ausführungsform. 2C ist eine Ansicht zum Erklären einer Beziehung zwischen einer Fleckform des Lichts im fernen Infrarot und einem Fleck des Pumplichts. Wie im Folgenden beschrieben wird, macht es die zweite Ausführungsform möglich, die Ausgabe des Detektionslichts gegenüber einer Temperaturänderung während eines langen Zeitraums zu stabilisieren und eine für die industrielle Verwendung geeignete Ferninfrarot-Spektralvorrichtung zu schaffen.
Reaktion auf eine Winkelvariation der Lichtachse aufgrund einer Variation der Umgebungstemperatur
In der zweiten Ausführungsform sind die Beleuchtungsoptik 150, die Ferninfrarotoptik 170, die Pulslaser-Lichtquelle 110 und die wellenlängenvariable Laserlichtquelle 120 alle auf einer Basisplatte in einer y-z-Ebene vorgesehen. Falls die Umgebungstemperatur variiert wird, wird eine Lichtachse des Laserlichts von der Pulslaser-Lichtquelle 110 oder der wellenlängenvariablen Laserlichtquelle 120 aufgrund der durch die Wärmeausdehnung der Basisplatte verursachten Ablenkung oder dergleichen (insbesondere in der x-Richtung) variiert. Falls z. B. eine Temperaturvariation auftritt, wird die Lichtachse in einer Richtung (x-Richtung) senkrecht zum Boden in den Merkmalen einer Halterung für optische Elemente im hohen Maße variiert. Falls in einer derartigen Situation das Licht im fernen Infrarot durch eine Linse auf dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion isotrop kondensiert wird, wird die Lichtachse aufgrund einer Variation der Umgebungstemperatur in der x-Richtung verschoben, wobei eine Kopplungsbedingung zwischen dem Pumplicht 235 und dem wellenlängenvariablen Licht 250 im fernen Infrarot in dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion geändert wird, wobei folglich der Erzeugungswirkungsgrad des Detektionslichts variiert wird, was zu einer Änderung der Ausgabe des Detektionslichts führt. Falls insbesondere ein Winkel der Lichtachse des Pumplichts 235 auf einer stromaufwärts gelegenen Seite (z. B. im Inneren oder in der Umgebung der wellenlängenvariablen Ferninfrarotlichtquelle 100) variiert wird, beeinflusst die Winkelvariation der Lichtachse die optische Überlappung zwischen dem Pumplicht 235 und dem wellenlängenvariablen Licht 250 im fernen Infrarot in dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion, weil die Lichtweglänge von der Pulslaser-Lichtquelle 110 bis zu dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion mehrere Meter lang ist, was zu einer Änderung des Erzeugungswirkungsgrads des Detektionslichts 300 führt. Im Ergebnis ist die Ausgabe des Detektionslichts 300 während eines langen Zeitraums instabil.
Bei der Einleitung des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion wird deshalb eine zylindrische Ferninfrarotlicht-Linse 180 anstelle einer isotropen konvexen Linse 179, die in der ersten Ausführungsform verwendet wird, verwendet, um es zu ermöglichen, dass das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot nur in der y-Richtung anstatt in der x-Richtung kondensiert wird, so dass die Ausgabe des Detektionslichts 300 gegen eine Strahlverschiebung des Pumplichts 235 in einer senkrechten Richtung (x-Richtung) unempfindlich wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Fleckgröße 251 des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot, das in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion und das Si-Prisma 142 eingeleitet wird, auf dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion bevorzugt so festgelegt, dass sie eine Größe aufweist, die mehrmals größer als eine Kristallgröße in der x-Richtung ist. Dies macht es möglich, die Ausgabe des Detektionslichts während eines langen Zeitraums ohne eine signifikante Variation des Wirkungsgrads der Umsetzung in das Licht im nahen Infrarot zu erzeugen, selbst wenn sich das Pumplicht 235 in einem Bereich in der x-Richtung der Fleckgröße 251 des Lichts im fernen Infrarot bewegt.
Der Strahl des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot kann unter Verwendung einer isotropen Linse kondensiert werden, während ein Strahldurchmesser des Pumplichts 235 in der x-Richtung aufgeweitet wird. In einem derartigen Fall ist jedoch eine Kristallbeschädigung ein Bedenken, wobei angenommen wird, dass eine Kopplungsbedingung des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot mit dem Pumplicht 235 verschlechtert ist. Folglich wird die beispielhafte Konfiguration der zweiten Ausführungsform erwünscht verwendet.
Modifikation (Photodetektor)
Das Detektionslicht 300 wird durch den Photodetektor 290 gemessen, der aus dem 1D-Anordnungs-Detektor oder dem 2D-Anordnungs-Detektor konfiguriert ist. Obwohl die Ausgabe des Detektionslichts 300 unter Verwendung der beschriebenen zylindrischen Ferninfrarotlicht-Linse 180 stabilisiert werden kann, wird eine Strahlposition verschoben. Um darauf zu reagieren, kann deshalb der Photodetektor 290 an einer automatischen Bühne angebracht sein, so dass der Photodetektor 290 in Übereinstimmung mit einer Variation der Strahlposition des Detektionslichts bewegt werden kann. Alternativ kann ein Bild des in dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion erzeugten Lichts im nahen Infrarot unter Verwendung einer Linse auf dem Photodetektor 290 erzeugt werden, so dass ein Bild des Detektionslichts immer an derselben Position erzeugt wird.
Dritte Ausführungsform
Eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform weist mit Ausnahme einer Konfiguration der Detektionsoptik die gleiche Konfiguration wie die der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der ersten Ausführungsform auf. 3 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration der Detektionsoptik der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der dritten Ausführungsform. 3 zeigt jedoch eine Konfiguration anschließend an den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion (ein Spiegel 241 und ein Dämpfer 240 sind weggelassen).
Konfiguration der Detektionsoptik
Die Detektionsoptik enthält den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion, eine konkave zylindrische Linse 250, ein Neutraldichtefilter (ND-Filter) 275, eine automatische Drehbühne 276, um das ND-Filter 275 zu drehen, und den Photodetektor (Anordnungsdetektor) 290. Wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform verwendet die Detektionsoptik den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion, um unter Verwendung des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot und des Pumplichts 235 Licht im nahen Infrarot parametrisch zu erzeugen, wobei sie es folglich möglich macht, das Licht im fernen Infrarot mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren. Weil jedoch die Ausgabe des Detektionslichts im nahen Infrarot hoch ist, wird in der Detektionsoptik der dritten Ausführungsform das Pumplicht 235 durch den Spiegel 241 getrennt, wobei es dann durch das ND-Filter 275 oder dergleichen geeignet gedimmt wird, so dass ein Signal zu dem Photodetektor 290 nicht gesättigt ist, wobei dann das gedimmte Licht in den Photodetektor 290 eingeleitet wird. Weil die Intensität des Detektionslichts in Abhängigkeit von der Absorbanz im fernen Infrarot der Probe 200 verschieden ist, muss das ND-Filter 275 mehrere ND-Filter enthalten, die verschiedene Dichten aufweisen. Die ND-Filter mit verschiedenen Dichten (ND-Filter, die verwendet werden, um Licht zu dämpfen, das eine äußerst hohe Leuchtdichte aufweist, sind in Abhängigkeit von den Proben verschieden) sind an der automatischen Drehbühne 276 angebracht und werden verwendet, während sie von einem zum anderen gewechselt werden, wobei dadurch verschiedene Typen von Proben genau analysiert werden können. Ein einziges Filter mit einer allmählich variierenden Dichte kann als das ND-Filter 275 verwendet werden. Wenn ein ND-Filter 275 mit einer geringen Dichte verwendet wird, wird das durch die Rückseite des ND-Filters 275 reflektierte Licht abermals durch dessen Oberfläche reflektiert und in den Photodetektor 290 eingeleitet, wobei es mit dem Detektionslicht 300 interferieren kann. Um dies zu verhindern, kann auf eine oder beide Seiten des ND-Filters 275 eine Entspiegelungsschicht (AR-Schicht) aufgetragen sein.
Verringerung der Messzeit
Eine große Anzahl des Wechselns zwischen den ND-Filtern 275 kann zu einer langen Messzeit des Lichts im nahen Infrarot führen. Weil es jedoch in der industriellen Verwendung wichtig ist, die Messzeit zu verringern, ist die Anzahl des Wechselns zwischen den ND-Filtern 275 bevorzugt so klein wie möglich. Es ist wichtig, dass verhindert wird, dass das durch den Photodetektor 290 detektierte Signal gesättigt ist, um die Anzahl des Wechselns zwischen den ND-Filtern 275 zu verringern. Die Erfinder haben deshalb in Betracht gezogen, dass der Strahldurchmesser des Detektionslichts 300 eingestellt wird, um die Energiedichte in der Strahlmitte des Detektionslichts 300 zu verringern.
Der Strahldurchmesser des Detektionslichts 300, das in den Photodetektor 290 eingeleitet wird, beträgt z. B. in Übereinstimmung mit dem Strahldurchmesser des Pumplichts 235, das in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet wird, etwa 1 bis 2 mm. Der Strahldurchmesser dieser Größe weist eine hohe Energiedichte in der Mitte des Detektionslichts 300 auf. Die Erfinder haben deshalb die konkave zylindrische Linse 270 zwischen dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion und dem ND-Filter 275 eingefügt, um den Strahldurchmesser in der x'-Richtung aufzuweiten, wobei sie dadurch die Energiedichte in der Strahlmitte des Detektionslichts 300 verringert haben und folglich erfolgreich waren, es zu ermöglichen, dass ein Signal von dem Photodetektor 290 weniger wahrscheinlich gesättigt ist. Im Ergebnis kann das Detektionslicht 300 über einen weiten Energiebereich beobachtet werden, selbst wenn die Dichte des ND-Filters 275 nicht häufig gewechselt wird. Obwohl in der dritten Ausführungsform die konkave zylindrische Linse 270 verwendet wird, kann ein Homogenisator oder dergleichen verwendet werden, um einen Zylinderstrahl zu bilden, um die Energiedichte in der Strahlmitte zu verringern.
Beziehung zwischen der Pumplichttrennung und der Aufweitungsrichtung des Strahldurchmessers
Das Pumplicht 325 muss vor dem Einleiten des Detektionslichts 300 in den Photodetektor 290 räumlich von dem Detektionslicht 300 getrennt werden. Falls z. B. anstelle der konkaven zylindrischen Linse eine isotrope konkave Linse verwendet wird, wird der Strahldurchmesser außerdem in der y'-Richtung aufgeweitet. Im Ergebnis ist es schwierig, das Pumplicht 235 von dem Detektionslicht 300 zu trennen. Es ist deshalb wichtig, den Strahl in der x'-Richtung aufzuweiten.
Alternativ kann das Detektionslicht nach der Trennung des Pumplichts 235 isotrop aufgeweitet werden. In einem derartigen Fall sind jedoch die detektierbaren Frequenzen durch die Größe des Photodetektors 290 in der y-‚-Richtung begrenzt. Um den oben beschriebenen Grund gemeinsam zu berücksichtigen, ist es deshalb wichtig, dass dieses Ferninfrarot-Spektralanalyseverfahren die konkave zylindrische Linse 270 verwendet, um das Detektionslicht nur in der x‘-Richtung aufzuweiten.
Vierte Ausführungsform
Eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform weist mit Ausnahme einer Konfiguration der Detektionsoptik die gleiche Konfiguration wie die der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der ersten Ausführungsform auf. Die 4 enthalten Ansichten, die eine beispielhafte Konfiguration der Detektionsoptik der Ferninfratot-Spektralvorrichtung der vierten Ausführungsform veranschaulichen. 4A ist eine Seitenansicht der Detektionsoptik, während 4B eine Draufsicht von ihr ist. Die 4 zeigen jedoch eine Konfiguration anschließend an den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion (ein Spiegel 241 und ein Dämpfer 240 sind weggelassen)
Konfiguration der Detektionsoptik
Die Detektionsoptik enthält den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion, die konkave zylindrische Linse 270, eine Detektionslicht-Abbildungsoptik 271, die eine Lichtkondensationsposition des Detektionslichts 300 korrigiert, das ND-Filter 275, die automatische Drehbühne 276, die das ND-Filter 275 dreht, und den Photodetektor (Anordnungsdetektor) 290.
Die Detektionsoptik schneidet das Pumplicht 235 durch den (in den 4 nicht gezeigten, siehe 1B und dergleichen) Spiegel 241 ab, um zu verhindern, dass starkes Pumplicht 235 in den Photodetektor 290 eintritt. Um dies zu erreichen, muss der Spiegel 241 mehrere zehn Zentimeter von dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion entfernt gehalten werden, so dass das Detektionslicht 300, das in einem Winkel erzeugt wird, der von dem Winkel des Pumplichts 235 geringfügig verschieden ist, von dem Pumplicht 235 räumlich getrennt werden kann. Weil der Photodetektor 290 so angeordnet ist, dass ein Abstand von dem nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion bis zu dem Photodetektor 290 größer als der Abstand von mehreren zehn Zentimetern ist, sind zu diesem Zeitpunkt die detektierbaren Frequenzen nachteilig durch die Größe in der y'-Richtung des Photodetektors 290 begrenzt. Um einen derartigen Nachteil zu überwinden, verwenden die Erfinder eine Konfiguration, wo, nachdem das Pumplicht 235 getrennt ist, ein Bild des Detektionslichts 300 unmittelbar nach dem Hindurchgehen durch den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion nur in der y'-Richtung auf dem Photodetektor 290 durch die Detektionslicht-Abbildungsoptik 271 erzeugt wird. Im Ergebnis kann das Detektionslicht 300 an derselben Position ohne eine Verschiebung der Strahlposition des Detektionslichts 300 auf dem Photodetektor 290 beobachtet werden, selbst wenn die Frequenz des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot und die Frequenz des Detektionslichts 300 jede in Übereinstimmung mit einer Variation der Frequenz des „Seed“-Lichts 125 variiert werden. Folglich sind ungleich zur dritten Ausführungsform die detektierbaren Frequenzen nicht durch die Größe in der y'-Richtung des Photodetektors 290 begrenzt. Gemäß der vierten Ausführungsform kann der traditionell verwendete 2D-Anordnungs-Sensor durch einen 1D-Anordnungs-Sensor in der x'-Richtung ersetzt sein, wobei folglich das
Detektionslicht bei der industriellen Verwendung bei geringen Kosten detektiert werden kann.
Weil der Strahldurchmesser in der x'-Richtung aufgeweitet werden muss, um einen Dynamikbereich wie in der dritten Ausführungsform sicherzustellen, ist es wichtig, dass die Detektionslicht-Abbildungsoptik 271 eine Abbildungsoptik nur in der y'-Richtung ist.
Fünfte Ausführungsform
Obwohl in der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung in jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot in dem Photodetektionssystem in Licht im nahen Infrarot umgesetzt wird, verwendet eine Ferninfrarot-Spektralvorrichtung einer fünften Ausführungsform eine Konfiguration, in der das Photodetektionssystem das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot ohne Umsetzung direkt detektiert. Obwohl jede der ersten bis vierten Ausführungsformen die Instabilität der Ausgabe des Detektionslichts 300 aufgrund der Optik löst, löst die fünfte Ausführungsform die Instabilität der Ausgabe des Detektionslichts aufgrund des Streulichts auf einer Oberfläche oder im Inneren der Probe 200.
Einfluss des Streulichts
Bei der Beobachtung eines Transmissions-/Absorptionsspektrums wird das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot, das eine Wellenlänge von mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometern aufweist, auf der Probe 200 kondensiert. Wenn die in der Probe 200 enthaltenen Partikel einen Durchmesser aufweisen, der gleich der oder größer als die Wellenlänge ist, kann folglich das auf der Probe 200 kondensierte wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot auf der Oberfläche oder im Inneren der Probe 200 stark gestreut werden. Eine pharmazeutische Tablette enthält z. B. oft Partikel, wobei jede einen Durchmesser aufweist, der gleich der oder größer als die Wellenlänge des Lichts im fernen Infrarot ist.
Wenn der auf der Probe 200 kondensierte Teil des Lichts im fernen Infrarot auf der Oberfläche oder im Inneren der Probe 200 gestreut wird, weist das Licht im fernen Infrarot eine räumlich zufällige Intensitätsverteilung (Speckle-Rauschen) auf. Wenn die Wellenlängen des Lichts im fernen Infrarot mit dem Speckle-Rauschen und des Pumplichts 235 durch den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion in Licht im nahen Infrarot umgesetzt werden, übernimmt das aus der Umsetzung resultierende Licht im nahen Infrarot das Speckle-Rauschen. Wenn eine Position der Probe 200 geändert wird, wird die Ausgabe des Detektionslichts außerdem geändert, weil das Speckle-Rauschen ebenso geändert wird. Obwohl der nichtlineare optische Kristall 132 zur Detektion einen Polarisationswinkelbereich (zulässigen Bereich für die Polarisation) aufweist, innerhalb dessen das Licht im fernen Infrarot in Licht im nahen Infrarot umgesetzt werden kann, kann weiterhin die Wellenlänge des objektiven Lichts im fernen Infrarot nicht umgesetzt werden, wobei es folglich nicht beobachtbar (undetektierbar) wird, falls sich die Polarisation aufgrund der Streuung über den zulässigen Bereich hinaus dreht. Weil zusätzlich das Speckle-Rauschen nicht nur in Abhängigkeit von der Position der Probe 200, sondern von der Partikelgröße oder dem Brechungsindex der Probe 200 oder einer Wellenlänge des Lichts im fernen Infrarot variiert wird, beeinflusst das Speckle-Rauschen die Beobachtung des Absorptionsspektrums im hohen Maße.
Wenn das durch die Probe 200 durchgelassene Licht beobachtet wird, kann nur durch die Informationen des durchgelassenen Lichts nicht unterschieden werden, ob das Licht aus der Absorption oder der Streuung durch die Probe resultiert. Es ist deshalb notwendig, das Streulicht zu detektieren, um die Menge der Absorption durch die Probe 200 für die Analyse genau zu detektieren.
Die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform weist deshalb eine Konfiguration auf, durch die derartiges Streulicht effektiv detektiert werden kann.
Konfiguration der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung
Die 5 enthalten Ansichten, die eine beispielhafte Konfiguration der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform veranschaulichen. 5A ist eine Seitenansicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung (die aber nur eine Konfiguration anschließend an den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung veranschaulicht), während 5B eine Draufsicht der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung ist. 5C veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik. 5D ist eine Seitenansicht, die eine beispielhafte Konfiguration einer Ferninfrarot-Spektralvorrichtung (aber nur eine Konfiguration anschließend an den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung veranschaulicht) gemäß einer Modifikation der fünften Ausführungsform veranschaulicht.
Grundkonfiguration
Die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der fünften Ausführungsform enthält z. B. die wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle 100, die Beleuchtungsoptik 150, den TPG-Licht-Entfernungsspalt 205, die automatische Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspalts, die den TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 trägt, die automatische Bühne 202 zur Probenbewegung, die die Probe 200 trägt, eine Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik, die das durch die Probe 200 durchgelassene wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot abbildet, eine automatische Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik, die die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 trägt, einen Ferninfrarot-Photodetektor 295, der das durch die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 abgebildete wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot detektiert, und eine automatische Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor 296, die den Ferninfrarot-Photodetektor 295 trägt. Die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 und der Ferninfrarot-Photodetektor 295 können gemeinsam als ein Photodetektionssystem oder eine Detektionsoptik bezeichnet werden.
Wie in den 5A und 5B gezeigt ist, weist ungleich zu den ersten bis vierten Ausführungsformen die fünfte Ausführungsform eine Konfiguration auf, bei der die Wellenlänge des auf der Probe 200 kondensierten Lichts im fernen Infrarot nicht in das Licht im nahen Infrarot umgesetzt wird, wobei das Licht im fernen Infrarot unter Verwendung der auf der automatischen Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik vorgesehenen Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 auf dem Ferninfrarot-Photodetektor 295 abgebildet wird und folglich direkt detektiert wird, um zu ermöglichen, dass das Streulicht von der Probe 200 effizient detektiert wird. Wenn in dieser Konfiguration die Frequenz des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot variiert wird, werden die automatische Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und die automatische Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor 296 verwendet, um die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 und den Ferninfrarot-Photodetektor 295 zusammen mit dem TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 und der Probe 200 in der y-Richtung zu bewegen, wobei folglich das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot in dem Ferninfrarot-Photodetektor 295 effektiv erfasst wird. Wenn die Frequenz des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot variiert wird, wird ausführlicher wenigstens eine der Positionen der automatischen Bühne 202 zur Probenbewegung, der automatischen Bewegungsbühne 206 des TPG-Licht-Entfernungsspaltes, der automatischen Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und der automatischen Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor 296 durch die Steuereinheit 500 eingestellt (wird die Bühne bewegt, um die räumliche Position einer durch die Bühne getragenen Komponente zu ändern), weil ein Einfallswinkel des „Seed“-Lichts 125 auf den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung und die Wellenlänge des „Seed“-Lichts 125 eingestellt werden. Dies macht es möglich, das TPG-Licht durch das Filter (den TPG-Licht-Entfernungsspalt 205) genau abzuschneiden und das Licht im fernen Infrarot (IS-TPG-Licht) an derselben Stelle auf der Probe 200 zu kondensieren. Weiterhin ist es möglich, das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot (IS-TPG-Licht) durch die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 auf dem Ferninfrarot-Photodetektor 295 genau abzubilden und folglich das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot effizient zu detektieren.
Wie in 5C gezeigt ist, enthält die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 eine Kombination aus den Ferninfrarotlicht-Linsen 191 und 192, so dass das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot, das auf der Probe 200 kondensiert wird, kollimiert und dann auf dem Ferninfrarot-Photodetektor 295 kondensiert werden kann. Die Verwendung einer derartigen Konfiguration macht es möglich, das vorwärtsgestreute Licht effizient zu beobachten.
Andererseits kann z. B. ein pyroelektrischer Sensor oder ein Bolometer mit einem Lichtempfangselement oder ein Photodetektor (1D-Anordnungs-Detektor), der Lichtempfangselemente enthält, die in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind, oder ein Photodetektor (2D-Anordnungs-Detektor), der mehrere Lichtempfangselemente enthält, die in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, als der Ferninfrarot-Photodetektor 295 verwendet werden, um das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot zu detektieren. Weil eine Signalausgabe von dem Ferninfrarot-Photodetektor 295 äußerst schwach ist, ist eine Detektion mit einem Lock-in-Verstärker wahrscheinlich geeignet.
Modifikation
5D ist die Seitenansicht, die die beispielhafte Konfiguration der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung (aber nur die Konfiguration anschließend an den nichtlinearen optischen Kristall 130 zur Erzeugung veranschaulicht) gemäß der Modifikation der fünften Ausführungsform veranschaulicht. Die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung der Modifikation enthält die in den 5A und 5B gezeigte Konfiguration, wobei sie überdies eine Diffusorplatte (Diffusorkomponente) 210 enthält, so dass sie durch das durch das Streulicht verursachte Speckle-Rauschen nicht beeinflusst wird. Die Diffusorplatte 210 ist z. B. zwischen der Probe 200 und der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 auf der Achse des Lichts im fernen Infrarot eingefügt. Obwohl das Speckle-Rauschen durch das Bewegen oder Drehen der Diffusorplatte 210 mit hoher Geschwindigkeit entfernt werden kann (weil das Streulicht nicht vollständig detektiert werden kann, wird die Diffusorplatte gedreht, um es zu ermöglichen, dass ein zeitliches und räumliches Zufallsrauschen (Speckle-Rauschen), das durch das Streulicht verursacht wird, zeitlich gemittelt und beobachtet wird), können vorteilhafte Wirkungen außerdem unter Verwendung dieser Konfiguration in der fünften Ausführungsform wahrscheinlich erwartet werden. Ein Mechanismus, der die Probe 200 mit hoher Geschwindigkeit bewegt oder dreht, kann anstelle der Diffusorplatte 210 vorgesehen sein.
Modifikationen der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik
Während 5C die Grundkonfiguration der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 veranschaulicht, veranschaulichen die 6 Konfigurationen der Modifikationen der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190. Die 6A bis 6C veranschaulichen die Konfigurationen der ersten bis dritten Modifikationen der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190.
Erste Modifikation
In der ersten Modifikation (6A) ist ein elliptischer Spiegel 193 für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 verwendet. In der ersten Modifikation werden wie bei der oben beschriebenen Grundkonfiguration, wenn die Frequenz des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot variiert wird, die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 und der Ferninfrarot-Photodetektor 295 bevorzugt zusammen mit dem TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 und der Probe 200 in der y-Richtung bewegt, so dass das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot effizient im Photodetektor erfasst wird.
Zweite Modifikation
Obwohl eine größere Menge des Streulichts, die sich in einem weiten Winkel ausbreitet und schwierig zu beobachten ist, unter Verwendung der oben beschriebenen Grundkonfiguration gesammelt werden kann, kann das vorwärtsgestreute Licht außerdem durch das Hinzufügen einer Ferninfrarotlicht-Linse 194 zu der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik der ersten Modifikation (6A) detektiert werden, wie in 6B gezeigt ist.
Dritte Modifikation
Wie in 6C gezeigt ist, weist die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 der dritten Modifikation eine Konfiguration auf, die eine Kombination aus zwei zusammengesetzten Parabolspiegeln (Winston-Kegeln) 195 enthält. In dem Fall der Verwendung einer derartigen Konfiguration werden wie bei der oben beschriebenen Grundkonfiguration, wenn die Frequenz des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot variiert wird, die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 und der Ferninfrarot-Photodetektor 295 zusammen mit dem TPG-Licht-Entfernungsspalt 205 und der Probe 200 erwünscht in der y-Richtung bewegt, so dass das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot effizient im Photodetektor erfasst wird. Die Verwendung einer derartigen Konfiguration macht es möglich, das sich in einem weiten Winkel ausbreitende Streulicht und das vorwärtsgestreute Licht effizient zu sammeln.
Schlussfolgerung
(i) Diese Ausführungsformen schaffen eine Technik, um die kurz-/langfristige Stabilität der Intensität des Detektionslichts und die Stabilität der Intensität des Detektionslichts unabhängig von der Partikelgröße oder einem Brechungsindex der Probe in der Ferninfrarot-Spektralvorrichtung unter Verwendung des IS-TPG-Verfahrens zu verbessern.
(ii) In den Ausführungsformen wird das TPG-Licht durch das Filter (z. B. den TPG-Licht-Entfernungsspalt 205), das auf der automatischen Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspalts unmittelbar vor der Probe 200 vorgesehen ist, entfernt, so dass das TPG-Licht nicht in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet wird. Wenn eine Wellenlänge des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot variiert wird, wird, weil eine Erzeugungsrichtung dieses Lichts im fernen Infrarot variiert wird, eine Position des TPG-Licht-Entfernungsspalts 205 bevorzugt durch die automatische Bühne 206 zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspalts bewegt, so dass ausschließlich das IS-TPG-Licht durchgelassen wird, während das TPG-Licht entfernt wird.
Eine Änderung der Umgebungstemperatur kann zu einer Deformation (Ausdehnung und Kontraktion) aufgrund der Temperaturänderung (der Änderung der Tragebene) einer Optikbasis führen, die die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung trägt. In einem derartigen Fall kann eine Lichtachse des in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleiteten Pumplichts 235 im hohen Maße in einer senkrechten Richtung (x-Richtung in 2C) bezüglich der Optikbasis verschoben werden. Wenn das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot in den nichtlinearen optischen Kristall 132 zur Detektion eingeleitet wird, wird folglich das Licht im fernen Infrarot unter Verwendung der zylindrischen Ferninfrarotlicht-Linse 180 kondensiert, so dass der Strahldurchmesser des wellenlängenvariablen Lichts 250 im fernen Infrarot ausreichend größer als der Betrag der Strahlverschiebung des Pumplichts 235 gemacht wird. Im Ergebnis kann erwartet werden, dass der Erzeugungswirkungsgrad des Detektionslichts 300 vorteilhaft weniger wahrscheinlich geändert wird, selbst wenn ein Strahl des Pumplichts 235 in der x-Richtung verschoben wird.
Ferner kann aufgrund des Streulichts auf der Oberfläche oder im Inneren der Probe 200 ein Speckle-Rauschen auftreten, was zu einer instabilen Ausgabe des Detektionslichts 300 führt. Um den Einfluss einer derartigen instabilen Ausgabe zu verringern, wird das wellenlängenvariable Licht 250 im fernen Infrarot unter Verwendung der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190, die auf der automatischen Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik vorgesehen ist, und des Ferninfrarot-Photodetektors 295, der auf der automatischen Bühne 296 für den Ferninfrarot-Photodetektor vorgesehen ist, ohne die Verwendung des nichtlinearen optischen Kristalls 132 zur Detektion detektiert. Wenn die Frequenz des IS-TPG-Lichts variiert wird, werden die Positionen der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik 190 und des Ferninfrarot-Photodetektors 295 in wenigstens einer Richtung in Übereinstimmung mit der Frequenz unter Verwendung wenigstens einer der automatischen Bühne 178c für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und der automatischen Bühne 296 für den Ferninfrarot-Photodetektor bewegt, um eine effiziente Beobachtung zu ermöglichen.
(iii) In dieser Weise nimmt die Ausgangsstabilität des Detektionslichts während kurzer und langer Zeiträume zu, was es möglich macht, die Genauigkeit der quantitativen Analyse des Ferninfrarot-Spektrometers zu verbessern.
Bezugszeichenliste

100: wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle
110: Pulslaser-Lichtquelle
120: wellenlängenvariable Laserlichtquelle
121: Einfallswinkel-Einstellmechanismus für das „Seed“-Licht
115: Pumplicht
125: „Seed“-Licht
127: Halbspiegel
130: nichtlinearer optischer Kristall zur Erzeugung
132: nichtlinearer optischer Kristall zur Detektion
140,: 142 Si-Prisma
150: Beleuchtungsoptik
156: Ferninfrarotlicht-Kondensorlinse
170: Ferninfrarotoptik
178c: automatische Bühne für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik
180: zylindrische Ferninfrarotlicht-Linse
190: Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik
191, 192, 194: Ferninfrarotlicht-Linsen
193: elliptischer Spiegel
195: zusammengesetzter Parabolspiegel (Winston-Kegel)
200: Probe
202: automatische Bühne zur Probenbewegung
205: TPG-Licht-Entfernungsspalt
206: automatische Bühne zum Bewegen des TPG-Licht-Entfernungsspalts
210: Diffusorplatte
235: Detektionspumplicht
250: wellenlängenvariables Licht im fernen Infrarot
271: Fleckgröße des Lichts im fernen Infrarot
270: konkave zylindrische Linse
271: Detektionslicht-Abbildungsoptik
275: ND-Filter
290: Photodetektor
295: Ferninfrarot-Photodetektor
296: automatische Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor
300: Detektionslicht
400: SignaIverarbeitungseinheit
500: Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Terahertz Technology Forum (2007), Handbook of Terahertz Technology, S. 426-456: NGT Ltd., veröffentlicht am 29. November 2007 [0004]
Shikata (2002) „THz-Wave Parametric Generation and Its Linewidth Control“, The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. C, J85-C, 2, S. 52-63 [0004]

Claims

Ferninfrarot-Spektralvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle, die Licht im fernen Infrarot erzeugt; eine Beleuchtungsoptik, die eine Probe mit schmalbandigem Licht im fernen Infrarot beleuchtet, das in dem von der wellenlängenvariablen Ferninfrarotlichtquelle ausgegebenen Licht im fernen Infrarot enthalten ist; ein Filter, das das gleichzeitig mit dem schmalbandigen Licht im fernen Infrarot erzeugte breitbandige Licht im fernen Infrarot entfernt; und ein Photodetektionssystem, das das durch die Probe durchgelassene Licht detektiert.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Photodetektionssystem das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot in Licht im nahen Infrarot umsetzt und das Licht im nahen Infrarot detektiert.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Photodetektionssystem Folgendes enthält: einen nichtlinearen optischen Kristall, der das schmalbandige Licht im fernen Infrarot basierend auf dem von der wellenlängenvariablen Ferninfrarotlichtquelle ausgegebenen Pumplicht in Licht im nahen Infrarot umsetzt; und einen Photodetektor, der das Licht im nahen Infrarot detektiert.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: eine Filterbühne, die das Filter trägt und eine räumliche Position des Filters ändert; einen Probentisch, der die Probe trägt und eine räumliche Position der Probe ändert; und eine Steuereinheit, die die Bewegung sowohl der Filterbühne als auch des Probentischs steuert, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, wenigstens eines der Filterbühne und des Probentischs gemäß einer Änderung des Ausgangswinkels des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot bei einer Änderung der Frequenz des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot anzutreiben und folglich eine räumliche Position wenigstens eines des Filters und der Probe zu ändern, um zu ermöglichen, dass nur das schmalbandige Licht im fernen Infrarot durch das Filter durchgelassen wird.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner eine Ferninfrarotoptik umfasst, die das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot nur in einer vorgegebenen Richtung bezüglich einer Oberfläche, auf der die Ferninfrarot-Spektralvorrichtung vorgesehen ist, kondensiert, wobei das Photodetektionssystem das nur in der vorgegebenen Richtung kondensierte schmalbandige Licht im fernen Infrarot in das Licht im nahen Infrarot umsetzt.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Photodetektionssystem ferner ein optisches Element enthält, das das Licht im nahen Infrarot nur in einer vorgegebenen einen Richtung aufweitet und das nur in der vorgegebenen einen Richtung aufgeweitete Licht im nahen Infrarot detektiert.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Photodetektionssystem ferner eine Nahinfrarot-Abbildungsoptik enthält, die das Licht im nahen Infrarot, wobei das Licht im nahen Infrarot nur in der vorgegebenen einen Richtung aufgeweitet wird, entlang einer Richtung orthogonal zu der vorgegebenen einen Richtung abbildet.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Photodetektionssystem einen Ferninfrarot-Photodetektor enthält, der das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot detektiert.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Photodetektionssystem ferner eine Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik enthält, die ein Bild des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot durch die Probe auf dem Ferninfrarot-Photodetektor erzeugt.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Photodetektionssystem ferner Folgendes enthält: eine Bühne für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik, wobei die Bühne die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik trägt und eine räumliche Position der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik ändert; und eine Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor, wobei die Bühne eine räumliche Position des Ferninfrarot-Photodetektors ändert; und eine Steuereinheit, die die Bewegung sowohl der Bühne für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik als auch der Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor steuert, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, wenigstens eine der Bühne für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und der Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor gemäß einer Änderung des Ausgangswinkels des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot bei einer Änderung der Frequenz des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot anzutreiben und folglich eine räumliche Position wenigstens einer der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und des Ferninfrarot-Photodetektors zu ändern, um das schmalbandige Licht im fernen Infrarot in dem Ferninfrarot-Photodetektor zu erfassen.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 9, die ferner Folgendes umfasst: eine Lichtdiffusorkomponente, die es ermöglicht, dass das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot zerstreut wird; und einen Mechanismus, der es ermöglicht, dass die Probe oder die Lichtdiffusorkomponente bewegt oder gedreht wird.
Ferninfrarot-Spektralvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes umfasst: eine Filterbühne, die das Filter trägt und eine räumliche Position des Filters ändert; und einen Probentisch, der die Probe trägt und eine räumliche Position der Probe ändert; wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, wenigstens eine der Filterbühne, des Probentischs, der Bühne für die Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und der Bühne für den Ferninfrarot-Photodetektor gemäß einer Änderung des Ausgangswinkels des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot bei einer Änderung der Frequenz des schmalbandigen Lichts im fernen Infrarot anzutreiben und folglich eine räumliche Position wenigstens eines des Filters, der Probe, der Ferninfrarotlicht-Abbildungsoptik und des Ferninfrarot-Photodetektors zu ändern, um zu ermöglichen, dass nur das schmalbandige Licht im fernen Infrarot durch das Filter durchgelassen wird, und um das schmalbandige Licht im fernen Infrarot in dem Ferninfrarot-Photodetektor zu erfassen.
Ferninfrarot-Spektralverfahren, das Folgendes umfasst: Erzeugen von Licht im fernen Infrarot unter Verwendung einer wellenlängenvariable Ferninfrarotlichtquelle; Entfernen des in dem Licht im fernen Infrarot enthaltenen breitbandigen Lichts im fernen Infrarot unter Verwendung eines Filters; Beleuchten einer Probe nur mit schmalbandigem Licht im fernen Infrarot, das in dem Licht im fernen Infrarot enthalten ist, unter Verwendung einer Beleuchtungsoptik; und Detektieren des durch die Probe durchgelassen Lichts unter Verwendung eines Photodetektionssystems.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Photodetektionssystem das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot in Licht im nahen Infrarot umsetzt und das Licht im nahen Infrarot detektiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Photodetektionssystem das durch die Probe durchgelassene schmalbandige Licht im fernen Infrarot unter Verwendung eines Ferninfrarot-Photodetektors detektiert.