DE112013001138B4

DE112013001138B4 - Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts und Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung

Info

Publication number: DE112013001138B4
Application number: DE112013001138.7T
Authority: DE
Inventors: c/o Tokyo University of Agricultu Ikushima Kenji
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP6025074B2; JPWO2013125571A1; US9638580B2; DE112013001138T5; US20150014540A1; WO2013125571A1

Abstract

Vorrichtung (100) zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, umfassend eine Messzelle (10) mit einer Basis (16), die eine eine Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlassende Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, wobei es sich bei dem Messobjekt (12) um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, eine erste Linse (20) mit einer ebenen Fläche, in der ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass die Schnittfläche die ebene Fläche bildet, wobei die Messzelle derart angeordnet ist, dass dann, wenn die Basis der Messzelle an der ebenen Fläche der ersten Linse anliegt, der Brennpunkt einer zweiten Linse, die die erste Linse und die Basis umfasst, zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse, mit wenigstens einem Teil des Messobjekts, das auf der Basis liegt oder an die Basis angrenzt, übereinstimmt, wobei die Vorrichtung weiterhin umfasst: einen Positionssteuerabschnitt (60), der entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt in Richtung der optischen Achse derart steuert, dass beide aneinander anliegen und sich voneinander entfernen sein können; einen Schwingungssteuerabschnitt (40), der entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt schwingen lässt und weiterhin die Schwingungsfrequenz steuert; und einen Detektionsabschnitt (70), der über die erste Linse die Wärmeabstrahlung detektiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, ein Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts und eine Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung und andere haben bereits Studien zu Messtechnik für Wärmeabstrahlung unter Nutzung von Infrarotlicht betrieben und diese offengelegt (Ikushima et al., „Mikrothermografie mittels Festkörper-Immersionslinse”, Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan, 3.3.2011, 66 (1), Bd. 4, 731). Eine passive Infrarotlichtsammelvorrichtung, die eine Festkörper-Immersionslinse mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM: Atomic Force Microscopy) kombiniert, wurde von dem Erfinder der vorliegenden Anmeldung und anderen offenbart ( Japanische Patentschrift 3760195 ). Allerdings setzen alle genannten Techniken mehr oder minder voraus, dass es sich beim Messobjekt um ein Feststoffmaterial handelt.
Das räumliche Auflösungsvermögen kommerziell allgemein erhältlicher passiver Infrarotmikroskope (z. B. Thermografiemikroskop) hängt von der Diffraktionsgrenze in der Luft oder der Größe des Arraysensors ab, und es lässt sich kein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielen. Da sich die bisher erforschten und entwickelten Techniken wie bereits erwähnt auf Feststoffmaterialien als Messobjekte richteten, ist es zudem schwierig, diese Techniken unverändert anzuwenden, wenn das Messobjekt eine Flüssigkeit oder ein flüssigkeitshaltiger Körper ist. Insbesondere wenn die Wärmeabstrahlung einer Flüssigkeit oder eines flüssigkeitshaltigen Körpers gemessen wird, können Temperaturinformationen nur von der Oberfläche der Flüssigkeit oder des flüssigkeitshaltigen Körpers gewonnen werden, die bereits aufgrund der Verdampfungswärme abgekühlt ist, weshalb es nicht möglich ist, Informationen zur tatsächlichen genauen Wärmeerzeugung des Messobjekts zu erlangen. Wenn ein besonders kleiner Körper (beispielsweise eine Zelle) als Messobjekt gemessen wird, nimmt zudem die Abstrahlungsstärke im Verhältnis zur Abstrahlungsfläche ab, so dass es extrem schwierig ist, in einem so genannten passiven Verfahren ein hohes räumliches Auflösungsvermögen zu erzielen. Um beispielsweise eine Beobachtung der inneren Bewegungen in den Molekülen eines Organismus oder eine Temperaturabbildung vom Inneren der Zelle zu ermöglichen, wird ferner eine Technik benötigt, die zwischen so genannter Hintergrundstrahlung, die unvermeidlich in einem Messsystem entsteht, und dem Zielsignal des Messobjekts (Wärmeabstrahlung) genauer unterscheidet.
Wenn ein übliches Messverfahren unter Anwendung von Infrarotlicht genutzt wird, wird bei der Messung außerdem ein starkes externes Licht eingestrahlt, was bei Messobjekten wie den Molekülen eines Organismus oder Zellen dazu führen kann, dass das Messobjekt durch das externe Licht angeregt wird. Dabei ist es extrem schwierig, das äußerst schwache Zielsignal vom Messobjekt selbst zu detektieren.
Es bestehen also noch zahlreiche technische Aufgaben bezüglich der Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens und der Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) für den Fall, dass das Messobjekt eine Flüssigkeit oder ein flüssigkeitshaltiger Körper ist. Außerdem steht die Erzielung eines hohen räumlichen Auflösungsvermögens durch ein passives Verfahren, das keine Einstrahlung von externem Infrarotlicht erfordert, mit der Schaffung einer starken Nachfrage im Bereich der Industrie und der Medizin in Verbindung.
Dabei sind bekannte Vorrichtungen und Verfahren beispielsweise in den Schriften US 7,042,647 B2 , JP 2008-170969 A und US 6,381,013 B1 beschrieben.
Indem die vorliegende Erfindung wenigstens eine der beschriebenen Aufgaben löst, trägt sie wesentlich zur Weiterentwicklung der Technik zum Messen der Wärmeabstrahlung von Messobjekten bei, indem sie für den Fall, dass das Messobjekt eine Flüssigkeit oder ein flüssigkeitshaltiger Körper ist, ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt und/oder eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal erreicht.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat zur Lösung der genannten technischen Aufgaben eigenständige Forschungen und Analysen betrieben. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass bei der Messung durch Ergreifen einer besonderen Maßnahme zur geschickten Steuerung des Verhältnisses zwischen einem Messobjekt, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, und einer Linse, bei der ein Querschnitt bei Wegschneiden eines Teils einer Kugel eine ebene Fläche ist, auch ohne Einstrahlen von außen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt und zugleich eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal erreicht werden kann. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat ermittelt, dass eine Parallelität in Bezug auf die Linse und eine Einstellung der Entfernung zur Linse, die bei der tatsächlichen Messung erforderlich sind, um ein hohes räumliches Auflösungsvermögen und die Extraktion eines zuverlässigen Zielsignals zu ermöglichen, einfacher werden, wenn Interferenzlicht des Messobjekts und der Linse genutzt wird. Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage dieser Erkenntnis getätigt.
Eine Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung zum Detektieren von Wärmeabstrahlung eines Messobjekts. Konkret ist diese Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung wie in Anspruch 1 beschrieben ausgestaltet.
Gemäß dieser Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung ist die Messzelle derart angeordnet, dass dann, wenn die Basis an der Messzelle eng an der ebenen Fläche der ersten Linse (z. B. Objektivlinse) anliegt, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, der Brennpunkt der zweiten Linse (umfasst die erste Linse und die Basis) zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse mit wenigstens einem Teil des Messobjekts übereinstimmt. Zur Erläuterung anhand eines repräsentativen Beispiels ist es möglich, eine Funktion als Festkörper-Immersionslinse (ein Beispiel für die zweite Linse) zu erzielen, wenn die ebene Fläche der ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, eng an der Basis an der Messzelle anliegt. Gemäß der Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung wird somit zum Messen der Wärmeabstrahlung einer Flüssigkeit oder eines flüssigkeitshaltigen Körpers nicht an der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche gemessen, sondern die Wärmeabstrahlung wird an der Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche gemessen, weshalb die Abkühlungswirkung aufgrund der Verdampfungswärme vom Messobjekt unterdrückt werden kann. Zusätzlich weist die Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung einen Positionssteuerabschnitt, der eins von dem Messobjekt und der ersten Linse in Bezug auf das andere in Richtung der optischen Achse daran in Anlage gelangend und von diesem entfernend steuert, und einen Schwingungssteuerabschnitt auf, der eins von dem Messobjekt und der ersten Linse in Bezug auf das andere schwingen lässt und die Schwingungsfrequenz steuert. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das Wärmeabstrahlungssignal (als repräsentatives Beispiel etwa ein Infrarotsignal) als eine Funktion der Entfernung zwischen der Basis an der Messzelle und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu messen. Dadurch ist es möglich, bei Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) ein Interferenzphänomen des Infrarotlichts zwischen der Basis und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu beobachten. Da, wie erwähnt, gemäß der vorliegenden Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung die Basis und die erste Linse zusammen die Funktion einer Festkörper-Immersionslinse (ein Beispiel für die zweite Linse) erfüllen können, ist es möglich, eine kürzere Wellenlänge zu nutzen, als sie sich in Vakuum oder in Atmosphäre fortpflanzt, wodurch sich das räumliche Auflösungsvermögen verbessert.
Vorzugsweise sind zusätzlich zu der beschriebenen Konfigurierung der Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung die Basis und die erste Linse aus einem Material mit einem geringen Absorptionskoeffizienten und einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet, wie dies beispielsweise in Anspruch 2 beschrieben ist, so dass zum einen eine unerwünschte Abschwächung des Messobjektsignals vermieden und zum anderen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden kann. Wenn die ebene Fläche der ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, eng an der Basis an der Messzelle anliegt, bewirkt die Auslegung, wobei die sphärische Aberration im Wesentlichen beseitigt wird (im Folgenden auch als „aberrationsfreie Auslegung” bezeichnet), eine weitere Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens.
Ein Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung ist ein Messverfahren zum Detektieren von Wärmeabstrahlung eines Messobjekts. Konkret ist dieses Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung wie in Anspruch 5 beschrieben ausgestaltet.
Gemäß diesem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung wird eine Messzelle derart benutzt, dass dann, wenn die Basis an der Messzelle eng an der ebenen Fläche der ersten Linse (z. B. Objektivlinse) anliegt, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, der Brennpunkt der zweiten Linse (umfasst die ersten Linse und die Basis) zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse mit wenigstens einem Teil des Messobjekts übereinstimmt. Zur Erläuterung anhand eines repräsentativen Beispiels ist es möglich, eine Funktion als Festkörper-Immersionslinse (ein Beispiel für die zweite Linse) zu erzielen, wenn die ebene Fläche der ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, eng an der Basis an der Messzelle anliegt. Gemäß dem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung wird zum Messen der Wärmeabstrahlung einer Flüssigkeit oder eines flüssigkeitshaltigen Körpers nicht an der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche gemessen, sondern die Wärmeabstrahlung wird an der Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche gemessen, weshalb die Abkühlungswirkung aufgrund der Verdampfungswärme vom Messobjekt unterdrückt werden kann. Zusätzlich bringt das Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eins von dem Messobjekt und der ersten Linse in Bezug auf das andere in Richtung der optischen Achse in Anlage daran oder entfernt es von diesem, und lässt eins von dem Messobjekt und der ersten Linse in Bezug auf das andere schwingen, wodurch über die erste Linse die Wärmeabstrahlung detektiert wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das Wärmeabstrahlungssignal (als repräsentatives Beispiel etwa ein Infrarotsignal) als eine Funktion der Entfernung zwischen der Basis an der Messzelle und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu messen. Dadurch ist es möglich, bei Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) ein Interferenzphänomen des Infrarotlichts zwischen der Basis und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu beobachten. Da, wie erwähnt, gemäß dem vorliegenden Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung die Basis und die erste Linse zusammen die Funktion einer Festkörper-Immersionslinse (ein Beispiel für die zweite Linse) erfüllen können, ist es möglich, eine kürzere Wellenlänge zu nutzen, als sie sich in Vakuum oder in Atmosphäre fortpflanzt, wodurch sich das räumliche Auflösungsvermögen verbessert.
Vorzugsweise sind zusätzlich zum beschriebenen Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung die Basis und die erste Linse aus einem Material mit einem geringen Absorptionskoeffizienten und einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet, wie dies beispielsweise in Anspruch 6 beschrieben ist, so dass zum einen eine unerwünschte Abschwächung des Messobjektsignals vermieden und zum anderen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden kann. Wenn die ebene Fläche der ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, eng an der Basis an der Messzelle anliegt, bewirkt die Auslegung, wobei die sphärische Aberration im Wesentlichen beseitigt wird (im Folgenden „aberrationsfreie Auslegung”), eine weitere Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens.
Eine Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung der vorliegenden Erfindung ist eine Messzelle zum Detektieren der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts. Konkret ist diese Messzelle für Wärmeabstrahlung wie in Anspruch 10 beschrieben ausgestaltet.
Gemäß dieser Messzelle für Wärmeabstrahlung ist die Messzelle derart angeordnet, dass dann, wenn die Basis an der Messzelle eng an der ebenen Fläche der ersten Linse (z. B. Objektivlinse) anliegt, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, der Brennpunkt der zweiten Linse (umfasst die erste Linse und die Basis) zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse mit wenigstens einem Teil des Messobjekts übereinstimmt. Zur Erläuterung anhand eines repräsentativen Beispiels ist es möglich, eine Funktion als Festkörper-Immersionslinse (ein Beispiel für die zweite Linse) zu erzielen, wenn die ebene Fläche der ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, eng an der Basis an der Messzelle angrenzt. Gemäß der Messzelle für Wärmeabstrahlung wird zum Messen der Wärmeabstrahlung einer Flüssigkeit oder eines flüssigkeitshaltigen Körpers nicht an der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche gemessen, und stattdessen kann eine Messung der Wärmeabstrahlung an der Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche erreicht werden, weshalb die Abkühlungswirkung aufgrund der Verdampfungswärme vom Messobjekt unterdrückt werden kann. Darüber hinaus ist bei der Messzelle für Wärmestrahlung eins von dem Messobjekt und der ersten Linse in Bezug auf das andere derart angeordnet, dass es in Richtung der optischen Achse in Anlage daran gelangen oder davon entfernt werden kann und schwingen kann. Auf diese Weise ist es beim Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse beispielsweise möglich, das Wärmeabstrahlungssignal (als repräsentatives Beispiel etwa ein Infrarotsignal) als eine Funktion der Entfernung zwischen der Basis an der Messzelle und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu messen. Dadurch ist es bei der Messzelle für Wärmeabstrahlung möglich, bei Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) ein Interferenzphänomen des Infrarotlichts zwischen der Basis und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu beobachten.
Vorzugsweise ist zusätzlich zu der beschriebenen Konfigurierung der Messzelle für Wärmeabstrahlung die Basis aus einem Material mit einem geringen Absorptionskoeffizienten und einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet, wie dies beispielsweise in Anspruch 11 beschrieben ist, so dass zum einen eine unerwünschte Abschwächung des Messobjektsignals vermieden und zum anderen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden kann.
Gemäß einer Vorrichtung zum Messen einer Kennlinie eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung oder gemäß einem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung ist es möglich, beispielsweise ein Signal der Wärmeabstrahlung vom Messobjekt, wobei es sich um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, als eine Funktion einer Entfernung zwischen einer Basis einer Messzelle, die eine Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, die die Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlässt, und einer ebenen Fläche einer ersten Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt die ebene Fläche bildet, zu messen. Dadurch ist es möglich, bei Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) ein Interferenzphänomen des Infrarotlichts zwischen der Basis und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu beobachten. Da es gemäß der Vorrichtung zum Messen einer Kennlinie eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung oder gemäß dem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine kürzere Wellenlänge zu nutzen, als sie sich in Vakuum oder in Atmosphäre fortpflanzt, verbessert sich das räumliche Auflösungsvermögen.
Gemäß einer Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise beim Messen von Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, wobei es sich um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, über eine erste Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass der Querschnitt eine ebene Fläche bildet, möglich, ein Signal der Wärmeabstrahlung als eine Funktion einer Entfernung zwischen einer Basis der Messzelle, die eine Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, die die Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlässt, und der ebenen Fläche der ersten Linse zu messen. Dadurch ist es möglich, bei Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal (Wärmeabstrahlung) ein Interferenzphänomen des Infrarotlichts zwischen der Basis und der ebenen Fläche an der ersten Linse zu beobachten.
1 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Apsekts einer Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines weiteren Aspekts einer Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Parallelitätseinstellabschnitts der Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4(a) und 4(b) sind Schnittansichten, die Vorgänge eines Herstellungsprozesses für eine Messzelle eines Messobjekts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
5 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen einer aberrationsfrei ausgelegten Objektivlinse und einer Basis gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6(a) ist eine vereinfachte Ansicht zur Erläuterung der Interferenz von Wärmeabstrahlung von einem Messobjekt gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 6(b) ist eine erläuternde Ansicht der Stärkeverteilung (oben) von Interferenzlicht, das für die Wärmeabstrahlung des Messobjekts vorausgesagt wird, und eines Signals (unten) bei Detektion der Wärmeabstrahlung durch einen Lock-in-Verstärker gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 6(c) ist ein Graph, der das Verhältnis der Stärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts (Wasser) zur Entfernung in einem vorbereitenden Versuch gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Graph, der das Ergebnis einer Messung des Differentials der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts (Wasser) im Verhältnis zur Entfernung zwischen einer Basis 16 und einer Objektivlinse 20 vor einer Parallelitätseinstellung an unterschiedlichen Positionen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Graph, der den Unterschied der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts (Wasser) und eines Referenzmessobjekts (PDMS) im Verhältnis zur Entfernung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Aspekts einer Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Aspekts einer Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben werden. In der gesamten Beschreibung sind in allen Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Außerdem sind in den Figuren die Elemente der Ausführungsform nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
<Erste Ausführungsform>
1 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Aspekts einer Vorrichtung 100 zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts gemäß der vorliegenden Ausführungsform (im Folgenden kurz „Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100”). 2 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines weiteren Aspekts der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100. Der Unterschied zwischen 1 und 2 liegt darin, ob eine Basis 16 einer Messzelle 10 an eine Oberfläche einer Objektivlinse 20 (ein Beispiel für die erste Linse) angegrenzt ist oder nicht. Da es sich um eine vereinfachte Ansicht handelt, wird in 1 auf die Darstellung von Halteabschnitten zum Halten der verschiedenen Komponenten und Peripherievorrichtungen und -geräte wie etwa der im Folgenden beschriebenen Kühlvorrichtung verzichtet. 3 ist eine vereinfachte Konfigurierungsansicht eines Parallelitätseinstellabschnitts 50, der einen Teil der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform bildet.
Wie in 1 gezeigt, ist die Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform in drei Komponenten unterteilt.
Die erste Komponente weist die Messzelle 10, einen Schwingungssteuerabschnitt 40, den Parallelitätseinstellabschnitt 50 und einen Positionssteuerabschnitt 60 auf. Der Positionssteuerabschnitt 60 und der Schwingungssteuerabschnitt 40 der vorliegenden Ausführungsform sind jeweils mit einem Computer 90 verbunden, der die Verarbeitung des Positionssteuerabschnitts 60 und des Schwingungssteuerabschnitts 40 überwacht oder gemeinsam steuert. Konkret wird der Schwingungssteuerabschnitt 40 von einem Funktionsgenerator 45 gesteuert, der ein Steuersignal vom Computer 90 empfängt, und der Positionssteuerabschnitt 60 wird von einer Gestellsteuereinrichtung 65 gesteuert, die ein Steuersignal vom Computer 90 empfängt.
Der Schwingungssteuerabschnitt 40 der vorliegenden Ausführungsform versetzt mittels eines Piezoelements die Messzelle 10 (oder genauer ein Messobjekt 12) in Schwingung und steuert die Schwingungsfrequenz. Beispielsweise übt der Schwingungssteuerabschnitt 40 der vorliegenden Ausführungsform auf die Messzelle 10 in einer Richtung der optischen Achse (in 1 und 2 der Z-Richtung) Mikroschwingungen von etwa 30 Hz (etwa 1 μm) aus.
Wie in 2 gezeigt, steuert der Positionssteuerabschnitt 60 der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise mithilfe eines Piezobetätigungsgestells die Messzelle 10 derart, dass sie in Richtung der optischen Achse an eine im Folgenden beschriebene Objektivlinse 20 in Anlage gelangt und sich von dieser entfernt. 2 zeigt einen Zustand, in dem die Messzelle 10 in einer Entfernung D1 von der Objektivlinse 20 angeordnet ist.
Der Parallelitätseinstellabschnitt 50 der vorliegenden Ausführungsform dient dazu, durch Messen der Neigung der Messzelle 10 (oder genauer der Basis 16) in Bezug auf die Richtung der optischen Achse der Objektivlinse 20 die Parallelität der Messzelle 10 und der Objektivlinse 20 zu korrigieren. Wie in 3 gezeigt, kann der Parallelitätseinstellabschnitt 50 mithilfe von Mikrometern 54a, 54b eine Feineinstellung des Winkels eines Kippgestells 52 vornehmen.
Das Messobjekt 12 in der vorliegenden Ausführungsform ist Wasser. Das Messobjekt 12 ist in einem Unterbringungsabschnitt aufgenommen, der aus einer Basis 16, die ein Substrat aus plattenförmigem Germanium (Ge) ist, und einer Schutzabdeckung 18 aus Polydimethylsiloxan (PDMS) gebildet ist. Eine Wand des Unterbringungsabschnitts ist daher in der vorliegenden Ausführungsform durch die Basis 16 gebildet, die eine Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlässt.
Das Wasser in der vorliegenden Ausführungsform ist nicht auf das Wasser, das in Berührung mit der Basis 16 im Unterbringungsabschnitt steht, also anders ausgedrückt das Wasser an der Grenzfläche zwischen Wasser und Basis 16 beschränkt. So kann in der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise auch Wasser, das nicht mit der Basis 16 in Berührung steht, sondern an die Basis 16 angrenzt, das Messobjekt sein. Daher ist die Messzelle 10 vorzugsweise derart angeordnet, dass der Brennpunkt der Objektivlinse 20 zum Detektieren der Wärmeabstrahlung vom Messobjekt 12 über die Objektivlinse 20 mit wenigstens einem Teil des Messobjekts 12 übereinstimmt. Ein Verfahren zum Herstellen der Messzelle 10 wird im Folgenden beschrieben.
4(a) und 4(b) sind Schnittansichten, die Vorgänge eines Herstellungsprozesses für eine Messzelle 10 eines Messobjekts 12 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigen. Zunächst wird PDMS auf Glas aufgetragen und bei normaler Temperatur etwa einen Tag ruhen gelassen, um das PDMS aushärten zu lassen. Als nächstes wird das PDMS, wie in 4(a) gezeigt, geformt, um die Schutzabdeckung 18 herzustellen. Wie in 4(b) gezeigt, wird nun die Basis 16 derart an die Schutzabdeckung 18 aus PDMS geklebt, dass sie eine Fläche des Unterbringungsabschnitts bildet.
Da PDMS ein für lebende Organismen geeignetes Material ist, weist es die Eigenschaft auf, nur geringen Einfluss etwa auf Zellen oder Gewebe auszuüben. Außerdem benötigt PDMS keine Ätzbehandlung für Verarbeitung oder Erwärmung auf hohe Temperaturen für eine Verbindung mit einem anderen Material und ist zudem ein Material, das sich leicht fein formen lässt, weshalb es für die Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung 100 der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Objektivlinse 20 fixiert und die Messzelle 10 wird derart gesteuert, dass sie in Richtung der optischen Achse daran in Anlage gelangt und sich davon entfernt, doch ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf diesen Aspekt beschränkt. Beispielsweise besteht ein weiterer anwendbarer Aspekt darin, dass die Messzelle 10 fixiert ist und die Objektivlinse 20 (beispielsweise ein Linsenhalter 30, der die Objektivlinse 20 hält) derart gesteuert wird, dass sie in Richtung der optischen Achse daran in Anlage gelangt und sich davon entfernt. Ein weiterer anwendbarer Aspekt ist der, dass anstelle der Messzelle 10 die Objektivlinse 20 in Schwingung versetzt wird.
Die zweite Komponente umfasst die Objektivlinse 20, die vor allem Infrarotlicht, das aus der Wärmeabstrahlung vom Messobjekt 12 resultiert (im Folgenden der Einfachheit halber als Wärmeabstrahlungslicht bezeichnet), erfasst, und mehrere Linsen 32a, 32b, 32b zum Bündeln des Wärmeabstrahlungslichts, das durch die Objektivlinse 20 tritt, auf einem Detektionsabschnitt 70, der an späterer Stelle beschrieben wird. Zu Beschreibungszwecken ist der Weg des Wärmeabstrahlungslichts vom Messobjekt 12 in 1 als gestrichelte Linie dargestellt.
Die Objektivlinse 20 der vorliegenden Ausführungsform ist dabei eine Linse, wobei ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass die Schnittfläche eine ebene Fläche bildet, und ist aus Germanium (Ge, Brechzahl von etwa 4) gebildet, das eine hohe Dielektrizitätskonstante (und damit eine hohe Brechzahl) aufweist. Da die Absorptionsrate von Germanium, worum es sich bei der Basis 16 der vorliegenden Ausführungsform handelt, äußerst klein ist, eignet es sich ausgezeichnet für die Messung von Wärmeabstrahlung in der vorliegenden Ausführungsform. Konkret liegt die Absorptionsrate eines Substrats aus Germanium, das beispielsweise 0,4 mm dick ist, bei 5% oder weniger. Wenn die Basis 16 der Messzelle 10 in der vorliegenden Ausführungsform eng an der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 anliegt, wie in 1 gezeigt, kann eine Funktion als Festkörper-Immersionslinse (solid immersion lens) erzielt werden. Die Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 für ein Messobjekt der vorliegenden Ausführungsform ist derart aufgebaut, dass bei engem Anliegen an der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 ein Brennpunkt einer „Verbundlinse”, die die Objektivlinse 20 und die Basis 16 umfasst und dazu dient, die Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 über die Objektivlinse 20 zu detektieren, mit wenigstens einem Teil des Messobjekts 12 übereinstimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform werden eine Basis 16 und eine Objektivlinse 20 aus Germanium benutzt, doch ist auch ein Aspekt anwendbar, wobei eine Basis 16 und/oder eine Objektivlinse 20 aus Silizium (Si) benutzt werden, das einen geringen Absorptionskoeffizienten und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Solange der Aufbau derart ist, dass dann, wenn die Basis 16 der Messzelle 10 eng an der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 anliegt, wie in 1 gezeigt, der Brennpunkt der Verbundlinse, die dazu dient, die Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 über die Objektivlinse 20 zu detektieren, übereinstimmt, können die Objektivlinse 20 und die Basis 16 auch unterschiedliche Materialien sein. Unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Auslegung des Optiksystems sind die Objektivlinse 20 und die Basis 16 jedoch vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet.
Indem in der vorliegenden Ausführungsform die Basis 16 und die Objektivlinse 20 aus Germanium (Ge) benutzt werden, wird der Vorteil erzielt, dass der Wellenlängenbereich (mittleres Infrarotlicht), bei dem der später beschriebene Detektionsabschnitt 70 am empfindlichsten ist, nicht oder kaum absorbiert wird. Indem die Basis 16 und die Objektivlinse 20 aus Germanium (Ge) benutzt werden, wird ferner, wie später beschrieben werden soll, ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt.
Die mehreren Linsen 32a, 32b, 32c der vorliegenden Ausführungsform sind Meniskuslinsen aus Germanium (Ge) und werden von einem ersten externen Linsenhalter 34 und einem internen Linsenhalter 36 gehalten, die den Linsenhalter 30 bilden. Die Objektivlinse 20 wird vom ersten externen Linsenhalter 34 und einem zweiten externen Linsenhalter 38, der den Linsenhalter 30 bildet, gehalten. Indem in der vorliegenden Ausführungsform die Objektivlinse 20 und die Linsen 32a, 32b, 32c aus Germanium (Ge) benutzt werden, wird der Vorteil erzielt, dass der Wellenlängenbereich (mittleres Infrarotlicht), bei dem der später beschriebene Detektionsabschnitt 70 am empfindlichsten ist, nicht oder kaum absorbiert wird. Indem die Objektivlinse 20 und die Linsen 32a, 32b, 32c aus Germanium (Ge) benutzt werden, wird ferner, wie später beschrieben werden soll, ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt.
An der Objektivlinse 20 und den Linsen 32a, 32b, 32c ist jeweils eine Antireflexionsschicht ausgebildet, um die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von etwa 10 μm zu erhöhen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Objektivlinse 20 und Linsen 32a, 32b, 32c aus Germanium (Ge) benutzt, doch ist auch ein Aspekt anwendbar, wobei eine Objektivlinse 20 und/oder Linsen 32a, 32b, 32c aus Silizium (Si) benutzt werden, das einen geringen Absorptionskoeffizienten und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Auslegung des Optiksystems und unter dem Gesichtspunkt der Realisierung der besseren Gewährleistung einer aberrationsfreien Auslegung sind die Objektivlinse 20 und die Linsen 32a, 32b, 32c vorzugsweise aus demselben Material gebildet. Um eine noch bessere Gewährleistung einer aberrationsfreien Auslegung zu realisieren, ist in der vorliegenden Ausführungsform auch eine gekrümmte Fläche der Linse 32a auf der Seite der Objektivlinse 20, die der Objektivlinse 20 am nächsten ist, durch Realisieren eines Verhältnisses, das dem später beschriebenen gemäß 5 entspricht, im Wesentlichen frei von sphärischer Aberration.
Darüber hinaus ist die Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform derart aufgebaut, dass in der vorliegenden Ausführungsform bei engem Anliegen der Basis 16 der Messzelle 10 an der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 der Brennpunkt der Verbundlinse zum Detektieren der Wärmeabstrahlung bei Realisierung einer aberrationsfreien Auslegung übereinstimmt. Es verdient Erwähnung, dass gemäß dem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung zum Messen der Wärmeabstrahlung einer Flüssigkeit oder eines flüssigkeitshaltigen Körpers nicht an der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche gemessen wird, sondern die Wärmeabstrahlung an der Flüssigkeit-Feststoff-Grenzfläche gemessen wird, weshalb die Abkühlungswirkung aufgrund der Verdampfungswärme vom Messobjekt unterdrückt werden kann.
5 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der aberrationsfrei ausgelegten Objektivlinse 20 und der Basis 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie in 5 gezeigt, ist ein Wert (a/n), wobei der Radius (in 5 „a”) einer Kugel einer so genannten hyperhemisphärischen Linse, die von der Objektivlinse 20 und der Basis 16 gebildet wird, durch die Brechzahl (in 5 „n”) der Objektivlinse 20 und der Basis 16 geteilt wird, mit einer Entfernung vom Mittelpunkt der Kugel (in 5 „o”) bis zur Grenzfläche zwischen dem Messobjekt 12 und der Basis 16 im Wesentlichen gleich. Bei der aberrationsfrei ausgelegten Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform kann zugleich auch die Wirkung erzielt werden, dass der Brennpunkt auch dann nicht unscharf wird, wenn in 5 beispielsweise der Wert von θ größer ist. Wenn der Wert von θ größer ist, kann an der Brennpunktposition die Wärmeabstrahlung über einen breiten Abstrahlungswinkel erlangt werden, wodurch ein „helleres” Optiksystem erzielt wird.
Das räumliche Auflösungsvermögen (ΔX) gemäß dem Rayleigh-Kriterium kann daher anhand der folgenden Gleichung berechnet werden.
[Gleichung 1]

ΔX = 0.61 × λ / nsinθ

Wie in der Gleichung 1 angegeben, nimmt das räumliche Auflösungsvermögen zu, wenn der Wert von θ größer wird, weshalb die aberrationsfrei ausgelegte Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform ein vorteilhafter Aspekt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist λ etwa 10 μm, während n die Brechzahl von Germanium (4,005) ist, aus dem die Objektivlinse 20 und die Basis 16 gebildet sind, und θ ist 38,7°. Als Ergebnis ist das räumliche Auflösungsvermögen (ΔX) in der vorliegenden Ausführungsform etwa 2,5 μm, was ein extrem hohes räumliches Auflösungsvermögen ist.
Der Begriff „im Wesentlichen” im Ausdruck „im Wesentlichen frei von sphärischer Aberration ausgelegt” in der vorliegenden Anmeldung drückt die Berücksichtigung des mathematischen Verschwindens der sphärischen Aberration und der Differenz zur sphärischen Aberration bei der tatsächlichen Messung aus. Konkret verschwindet die sphärische Aberration mathematisch, wenn die Objektivlinse 20 genau positioniert ist, wie in 5 gezeigt, doch da es selten ist, dass beispielsweise die Verarbeitungsgenauigkeit der Linse oder die Genauigkeit der Linsenanordnung perfekt ist, kann der Begriff „im Wesentlichen” in einer Messumgebung, die unter Beachtung dieses Umstands gestaltet wurde, einen Fehler in einem Bereich umfassen, bei dem nicht mehr vom Verschwinden der sphärischen Aberration gesprochen werden kann.
Die dritte Komponente der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform umfasst den Detektionsabschnitt 70 für das gebündelte Wärmeabstrahlungslicht, einen Vorverstärker (Vorverstärker für Rauscharmut) 75, der das detektierte Licht verstärkt, und einen Lock-in-Verstärker 80, der das Referenzsignal vom Funktionsgenerator 45 empfängt und aus dem verstärkten Licht ein Signal für das Messobjekt extrahiert. Der Lock-in-Verstärker 80 ist mit dem Computer 90 verbunden, der die Verarbeitung durch den Lock-in-Verstärker 80 überwacht oder diesen integrierend steuert.
Der Detektionsabschnitt 70 der vorliegenden Ausführungsform weist ein hochempfindliches Quecksilber-Kadmium-Tellur-(HgCdTe)-Lichtleiterelement, hergestellt von Hamamatsu Photonics K. K., auf. Um also den Detektionsabschnitt 70 bei Temperaturbedingungen von 77 Kelvin zu betreiben, ist, wie in 1 gezeigt, ein Fenster 39 vorgesehen, das aus Zinksulfid (ZnS) gebildet ist, um ihn mittels Vakuum von der Raumtemperatur zu isolieren. Die Wellenlänge, bei der der Detektionsabschnitt 70 am empfindlichsten ist, liegt bei etwa 10,3 μm (mittleres Infrarotlicht). In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Fläche des Brennpunkts des Detektionsabschnitts 70 etwa 625 μm² (etwa 25 μm × etwa 25 μm). Indem in der vorliegenden Ausführungsform die Größe des Brennpunkts des Wärmeabstrahlungslichts, das in den Detektionsabschnitt 70 fällt, etwa gleich wie die Lichtempfangsfläche des Detektionsabschnitts 70 gebildet ist (beispielsweise eine runde Fläche mit einem Durchmesser von etwa 37,7 μm), können eine höhere Detektionsempfindlichkeit und ein höheres räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden.
Der Detektionsabschnitt 70 detektiert nicht nur das Zielsignal vom Messobjekt 12 (genauer das Signal des Wärmeabstrahlungslichts), sondern auch ein Signal der Wärmeabstrahlung (Hintergrundstrahlung) von anderen Körpern als dem Messobjekt. Wenn in der vorliegenden Ausführungsform durch den Schwingungssteuerabschnitt 40 das Messobjekt 12 beispielsweise bei einer Frequenz von 26,8 Hz in Richtung der optischen Achse in Mikroschwingungen (etwa 1 μm) versetzt wird, ist es möglich, das Zielsignal zu messen, indem nur das Signal des Wärmeabstrahlungslichts extrahiert wird, das mithilfe des Lock-in-Verstärkers 80 durch die Frequenz von 26,8 Hz moduliert wird.
<Vorbereitender Versuch für die Wärmeabstrahlungsmessung>
6(a) ist eine vereinfachte Ansicht zur Erläuterung der Interferenz von Wärmeabstrahlung vom Messobjekt 12 in der vorliegenden Ausführungsform. 6(b) ist eine erläuternde Ansicht der Stärkeverteilung (oben) von Interferenzlicht, das für die Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 vorausgesagt wird, und eines Signals (unten) bei Detektion der Wärmeabstrahlung durch den Lock-in-Verstärker 80 in der vorliegenden Ausführungsform.
Wie oben beschrieben, wird bei der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform mithilfe des Schwingungssteuerabschnitts 40 die Messzelle 10 (und damit das Messobjekt 12) in Mikroschwingungen versetzt, während die Entfernung in Z-Richtung aus 6(a) vom Positionssteuerabschnitt 60 verändert wird. Die Brechzahl der Objektivlinse 20 in der vorliegenden Ausführungsform ist etwa 4, während die Brechzahl der Luft etwa 1 ist. Daher ergibt sich, wie in 6(a) gezeigt, für das Wärmeabstrahlungslicht (vor allem Infrarotlicht) des Messobjekts 12 eine Interferenz zwischen dem Licht, das über die Objektivlinse 20 direkt beim Detektionsabschnitt 70 eintrifft, und dem Licht, das nach dem Reflektieren am fixierten Ende zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 beim Detektionsabschnitt 70 eintrifft, Durch Berücksichtigung der Bedingungen für eine Verstärkung des Lichts bzw. eine Abschwächung des Lichts aufgrund der Interferenz (6(a)) wird daher der in 6(b) oben gezeigte Graph vorausgesagt.
Wenn dabei der Lock-in-Verstärker 80 der vorliegenden Ausführungsform benutzt wird, wird das Differential der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung (also dI/dz) erlangt, wie in 6(b) unten gezeigt.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat deshalb als vorbereitenden Versuch Wasser als Messobjekt 12 benutzt und das Messobjekt 12 bei 26,8 Hz in Richtung der optischen Achse in Mikroschwingungen (etwa 1 μm) versetzt und dabei das durch den Lock-in-Verstärker 80 der vorliegenden Ausführungsform extrahierte Zielsignal (also das Signal des Interferenzlichts der Wärmeabstrahlung des Wassers) gemessen.
6(c) ist ein Graph, der das Verhältnis der Stärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts (Wasser) 12 zur Entfernung im vorbereitenden Versuch in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie in 6(c) gezeigt, stimmt das durch den Lock-in-Verstärker 80 der vorliegenden Ausführungsform extrahierte Zielsignal im Wesentlichen mit dem Graphen aus 6(b) unten überein.
<Einstellung der Parallelität>
Wenn mit der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform die Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 gemessen wird, wird vorzugsweise die Parallelität zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 so weit wie möglich erhöht. Wenn eine hohe Parallelität erreicht wird, ist es möglich, die Schwingungen bei verringerter Entfernung zwischen der Basis 16 (und also dem Messobjekt 12) und der Objektivlinse 20 zu erzeugen.
7 ist ein Graph, der das Ergebnis einer Messung des Differentials der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 im Verhältnis zur Entfernung zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 an unterschiedlichen Positionen vor der Parallelitätseinstellung durch den Parallelitätseinstellabschnitt 50 in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Das zum Einstellen der Parallelität in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Messobjekt 12 ist Wasser.
Konkret ist der Graph (A) aus 7 das Differential der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung bei Messung mithilfe der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform und Anordnung der Messzelle 10 an einer bestimmten Referenzposition. Der Graph (B) aus 7 ist das Differenzial der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung gemessen nach Verschiebung aus der Position für Graph (A) um 200 μm in die orthogonale Richtung zur Papieroberfläche in 1 (X-Richtung). Der Graph (C) aus 7 ist das Differenzial der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung gemessen nach Verschiebung aus der Position für Graph (A) um 200 μm in die orthogonale Richtung zur Papieroberfläche in 1 (X-Richtung), allerdings in einer Richtung, die der Richtung für Graph (B) entgegengesetzt ist.
Wie in 7 gezeigt, wird deutlich, dass sich vor der Einstellung der Parallelität zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 durch die Verschiebung der Messzelle 10 um 200 μm in X-Richtung aus 1 die Spitzenposition der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung um etwa 2 μm verlagert. Als Ergebnis zeigt die folgende Gleichung, [Gleichung 2]
dass die Basis 16 gegenüber der optischen Achse um etwa 0,3° geneigt ist. Mit anderen Worten, es wird deutlich, dass die Parallelität zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 etwa 0,3° beträgt.
Indem, wie oben beschrieben, das Differenzial der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 im Verhältnis zur Entfernung zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 an voneinander verschiedenen Positionen der Messzelle 10 gemessen wird, kann die Neigung der Basis 16 in Bezug auf die optische Achse mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden. Indem der Vorgang der Einstellung der Neigung der Basis 16 mithilfe des Parallelitätseinstellabschnitts 50 und der Vorgang des Messens des Differenzials der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 an voneinander verschiedenen Positionen der Messzelle 10 wiederholt werden, wird es auf diese Weise möglich, die Parallelität der Basis 16 und der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 fein zu korrigieren.
Es zeigte sich, dass die Parallelität der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform durch die oben beschriebenen Vorgänge bei ±0,06° gehalten werden konnte. Es verdient deshalb Erwähnung, dass es gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Zustand, in dem die Einstellung der einzelnen Komponenten der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 bereits abgeschlossen wurde, beispielsweise unmittelbar vor der tatsächlichen Messung, möglich ist, eine Parallelität zu erzielen, die höher als im Stand der Technik (repräsentiert durch eine Parallelität mithilfe eines bekannten CCD-Mikroskops usw.) ist. Wenn bei Steuerung der Entfernung zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 die Entfernung um 1 μm beträgt, ist es nicht möglich, Veränderungen zu ignorieren, die sich durch eine Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung der Komponenten aufgrund von Temperaturveränderungen in dem Raum ergeben, in dem die Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform lässt sich daher die geeignete Parallelität entsprechend der Messumgebung oder der Messsituation ohne weiteres prüfen. Im genannten Beispiel für die Einstellung der Parallelität wurde eine Parallelität beschrieben, die anhand der X-Richtung aus 1 ermittelt wurde, doch kann die Einstellung der Parallelität anstelle der X-Richtung auch anhand der Y Richtung aus 1 durchgeführt werden.
Ein vorteilhafter Aspekt besteht somit darin, dass sich die Parallelität zwischen der Basis 16 und der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 korrigieren lässt, indem vor der Detektion bzw. Messung der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 die durch Messen der Interferenz der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 und der Wärmeabstrahlung, die von der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 und der Basis 16 reflektiert wird und auf die Objektivlinse 20 fällt, erlangte Neigung der Basis 16 in Bezug auf die optische Achse gemessen wird.
Nach dem Korrigieren der Parallelität in der vorliegenden Ausführungsform wird vor dem Detektieren bzw. Messen der Wärmeabstrahlung des Messobjekts 12 anhand der durch das Messen der Interferenz erlangten Entfernung zwischen der Basis 16 und der ebenen Fläche der Objektivlinse 20 ein Schritt der Annäherung der Basis 16 an die Objektivlinse 20 durchgeführt. Als Ergebnis ist es möglich, die Basis 16 (und also das Messobjekt 12) bei äußerst geringer Entfernung zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 in Mikroschwingungen zu versetzen.
<Ausführungsbeispiel>
Als nächstes wurde ein Versuch durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Wärmeabstrahlung der Oberfläche der Basis 16, also des Messobjekts 12, mithilfe der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der ersten Ausführungsform klar von der Wärmeabstrahlung der Umgebung einschließlich des Referenzmessobjekts (PDMS) unterschieden werden kann.
8 ist ein Graph, der den Unterschied der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung des Messobjekts und des Referenzmessobjekts im Verhältnis zur Entfernung im vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 12 Wasser, und das Referenzmessobjekt, das so genannte Hintergrundstrahlung erzeugt, ist PDMS. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde das Differential der Interferenzstärke der Wärmeabstrahlung der Messzelle 10 im Verhältnis zur Entfernung zwischen der Basis 16 und der Objektivlinse 20 nach der Parallelitätseinstellung durch den Parallelitätseinstellabschnitt 50 in der ersten Ausführungsform an unterschiedlichen Positionen gemessen. Zusätzlich wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Messung vorgenommen, während das Messobjekt 12 beispielsweise bei 26,8 Hz in Richtung der optischen Achse in Mikroschwingungen (etwa 1 μm) versetzt wurde.
Als Ergebnis wurde, wie in 8 gezeigt, festgestellt, dass in einem Bereich, in dem sich die Messzelle 10 und die Objektivlinse 20 aneinander annähern (beispielsweise mit einer Entfernung D1 aus 2 von 1 μm oder weniger), die Signalstärke bei Übereinstimmung des Brennpunkts mit dem Messobjekt (Wasser) 12 etwa drei Mal größer war als die Signalstärke in dem Fall, dass der Brennpunkt mit dem Referenzmessobjekt (PDMS) übereinstimmt. Da die gesamte Messzelle 10 sich in einem Zustand der Wärmebalance befindet, spiegelt das beschriebene Phänomen keinen Unterschied der Temperatur wider, und es wird vielmehr der Unterschied in der Wärmeabstrahlung aufgrund der materialeigenen Abstrahlungseffizienz unterschieden. Es konnte festgestellt werden, dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wärmeabstrahlung der Oberfläche der Basis 16 (also des Messobjekts 12) klar von der Wärmeabstrahlung der Umgebung einschließlich des Referenzmessobjekts (PDMS) unterschieden werden konnte.
Gemäß der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform kann somit kontaktfrei und zerstörungsfrei ein hohes räumliches Auflösungsvermögen und/oder eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal erreicht werden. Außerdem verdient es Erwähnung, dass es auch gelungen ist, ein Verfahren zum vorbereitenden Einstellen der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung für das Erzielen eines hohen räumlichen Auflösungsvermögens und/oder einer zuverlässigen Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal zu ermitteln.
<Weitere Ausführungsform>
9 zeigt eine vereinfachte Konfigurierungsansicht in Entsprechung zu 1, die eine Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 200 für ein Messobjekt gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt. Mit Ausnahme dessen, dass bei der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 200 der vorliegenden Ausführungsform die Messzelle 10 der ersten Ausführungsform durch eine Messzelle 210 ersetzt wurde, entspricht sie der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 100 der ersten Ausführungsform. Auf wiederholende Beschreibungen kann somit verzichtet werden.
Bei der Messzelle 210 der Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 200 ist im Unterbringungsabschnitt, der durch die Basis 16 und die Schutzabdeckung 18 aus PDMS gebildet ist, ein Messobjekt 212 aufgenommen, wobei es sich um zwei Arten von Lösungen handelt, die chemisch miteinander reagieren können. Auch der Aspekt, dass mithilfe des Detektionsabschnitts 70 auch die Wärmeabstrahlung, die bei einer chemischen Reaktion im Inneren des Unterbringungsabschnitts abgegeben wird, in einer Zeitreihe gemessen wird, wie es in dieser Ausführungsform geschieht, ist möglich. Auch für den Fall, dass das Messobjekt 212 nur aus einer Flüssigkeit gebildet ist, kann somit die gleiche Wirkung wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden. Durch Abtasten des Positionssteuerabschnitts 60 (in der vorliegenden Ausführungsform des Piezobetätigungsgestells) ist es möglich, die räumliche Verteilung der Wärmeabstrahlung, also die Temperaturverteilung, der Flüssigkeit zu messen, die an die Basis 16 angrenzt.
Als weiterer Aspekt ist es auch möglich, wie bei einer Wärmeabstrahlungsmessvorrichtung 300, die in 10 gezeigt ist, anstelle des Messobjekts 12, 212 Zellen im Inneren der Messzelle 310 (beispielsweise Ameba proteus oder eine Art von Krebszellen (HeLa-Zellen) als Messobjekt 312 zu benutzen. Das Messobjekt 312 wird in diesem Fall in einer Nährflüssigkeit 314 gezüchtet, die im Unterbringungsabschnitt aufgenommen ist, der von der Basis 16 und der Schutzabdeckung 18 aus PDMS gebildet wird. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Zellen, die das Messobjekt 12 bilden, zusammen mit der Nährflüssigkeit 14 auf der Basis 16 angeordnet, weshalb zu dem Zeitpunkt, ab dem die Basis 16 an der Schutzabdeckung 18 anhaftet, das Messobjekt 12 im Unterbringungsabschnitt eingeschlossen ist. Wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Wärmeabstrahlung der das Messobjekt 312 bildenden Zellen gemessen wird, wird die Wärmeabstrahlung der Zellen, die an der Basis 16 anhaften, über die Basis 16 gemessen.
Unter dem Gesichtspunkt der leichten Züchtbarkeit werden in der vorliegenden Ausführungsform die Zellen, die das Messobjekt 312 bilden, auf der Basis 16 gezüchtet, doch ist die Ausführungsform nicht auf diesen Aspekt beschränkt. Beispielsweise liegt ein weiterer anwendbarer Aspekt darin, dass das Messobjekt 312 nicht auf der Basis 16, sondern an einer Position angrenzend an die Basis 16 im Unterbringungsabschnitt angeordnet wird. Daher ist die Messzelle 10 vorzugsweise derart angeordnet, dass der Brennpunkt der Objektivlinse 20 zum Detektieren der Wärmeabstrahlung vom Messobjekt 312 über die Objektivlinse 20 mit wenigstens einem Teil des Messobjekts 312 übereinstimmt.
In den vorliegenden Ausführungsformen sind der Schwingungssteuerabschnitt 40 und der Positionssteuerabschnitt 60 gesondert ausgebildet, doch sind die Ausführungsformen nicht auf diesen Aspekt beschränkt. Beispielsweise können durch Verwendung eines auch in Z-Richtung in 1 schwingungsfähigen Piezobetätigungsgestells, das den Positionssteuerabschnitt 60 bildet, der Schwingungssteuerabschnitt 40 und der Positionssteuerabschnitt 60 einstückig ausgeführt werden. Auch im Falle der Anwendung eines solchen Aspekts kann die gleiche Wirkung wie in den beschriebenen Ausführungsformen erzielt werden.
Die Offenbarung der beschriebenen Ausführungsformen erfolgte zum Zweck der Beschreibung dieser Ausführungsformen und schränkt die vorliegende Erfindung in keiner Weise ein. Auch Abwandlungsbeispiele innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, die andere Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen einschließen, fallen in den Umfang der Ansprüche.
Gemäß der Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, dem Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts und der Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung der vorliegenden Erfindung kann für den Fall, dass es sich beim Messobjekt um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, kontaktfrei und zerstörungsfrei ein hohes räumliches Auflösungsvermögen und/oder eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Hintergrundstrahlung und Zielsignal erreicht werden. Die Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, das Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts und die Zelle zum Messen der Wärmeabstrahlung der vorliegenden Erfindung können daher auf den verschiedensten technischen Gebieten angewandt werden, etwa in der Pharmazie, in der Chemie oder auf dem Gebiet der Grundlagenforschungsmessgeräte für die Biowissenschaft.
Bezugszeichenliste

10, 210, 310: Messzelle
12, 212, 312: Messobjekt
16: Basis
18: Schutzabdeckung
20: Objektivlinse
30: Linsenhalter
32a: Linse
32a: Linsen
34: externer Linsenhalter
36: interner Linsenhalter
38: externer Linsenhalter
39: Fenster für Detektionsabschnitt
40: Schwingungssteuerabschnitt
45: Funktionsgenerator
50: Parallelitätseinstellabschnitt
52: Kippgestell
54a, 54b: Mikrometer
60: Positionssteuerabschnitt
65: Gestellsteuereinrichtung
70: Detektionsabschnitt
75: Vorverstärker (Vorverstärker für Rauscharmut)
80: Lock-in-Verstärker
90: Computer
100, 200, 300: Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung des Messobjekts
314: Nährflüssigkeit

Claims

Vorrichtung (100) zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, umfassend eine Messzelle (10) mit einer Basis (16), die eine eine Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlassende Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, wobei es sich bei dem Messobjekt (12) um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, eine erste Linse (20) mit einer ebenen Fläche, in der ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass die Schnittfläche die ebene Fläche bildet, wobei die Messzelle derart angeordnet ist, dass dann, wenn die Basis der Messzelle an der ebenen Fläche der ersten Linse anliegt, der Brennpunkt einer zweiten Linse, die die erste Linse und die Basis umfasst, zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse, mit wenigstens einem Teil des Messobjekts, das auf der Basis liegt oder an die Basis angrenzt, übereinstimmt, wobei die Vorrichtung weiterhin umfasst: einen Positionssteuerabschnitt (60), der entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt in Richtung der optischen Achse derart steuert, dass beide aneinander anliegen und sich voneinander entfernen sein können; einen Schwingungssteuerabschnitt (40), der entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt schwingen lässt und weiterhin die Schwingungsfrequenz steuert; und einen Detektionsabschnitt (70), der über die erste Linse die Wärmeabstrahlung detektiert.
Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 1, wobei die Basis (16) und die erste Linse (20) aus einem Material mit einer Absorptionsrate von 5% oder weniger bei einer Materialdicke von 0,4 mm und einer Brechzahl von 4 oder aus Germanium oder Silizium gebildet sind.
Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 1 oder 2, wobei dann, wenn die Basis (16) der Messzelle (10) an der ebenen Fläche der ersten Linse (20) anliegt, der Brennpunkt einer zweiten Linse zum Detektieren der Wärmeabstrahlung derart fokussiert wird, dass die sphärische Aberration verschwindet.
Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Größe des Brennpunkts des Wärmeabstrahlungslichts gleich der Lichtempfangsfläche des Detektionsabschnitts ist.
Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Linse (20) und die Basis (16) aus dem gleichen Material gebildet sind.
Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Messzelle (10) mit einer Basis (16), die eine eine Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlassende Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, wobei es sich bei dem Messobjekt (12) um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, wobei in einer ersten Linse (20) ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass die Schnittfläche eine ebene Fläche bildet, und wobei die Messzelle derart angeordnet ist, dass dann, wenn die Basis der Messzelle an der ebenen Fläche der ersten Linse anliegt, der Brennpunkt einer zweiten Linse, die die erste Linse und die Basis umfasst, zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse, mit wenigstens einem Teil des Messobjekts, das auf der Basis liegt oder an die Basis angrenzt, übereinstimmt, wobei Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse unter Verwendung der Messzelle indem entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt in Richtung der optischen Achse aneinander in Anlage gebracht und voneinander entfernt werden und entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt in Schwingung versetzt wird.
Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 6, wobei die Basis (16) und die erste Linse (20) aus einem Material mit einer Absorptionsrate von 5% oder weniger bei einer Materialdicke von 0,4 mm und einer Brechzahl von 4 oder aus Germanium oder Silizium gebildet sind.
Vorrichtung zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 6 oder 7, wobei dann, wenn die Basis (16) der Messzelle (10) an der ebenen Fläche der ersten Linse (20) anliegt, der Brennpunkt einer zweiten Linse zum Detektieren der Wärmeabstrahlung derart fokussiert wird, dass die sphärische Aberration verschwindet.
Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Basis (16) ein flaches Substrat ist, und vor dem Detektieren der Wärmeabstrahlung durch Messen einer Neigung des Substrats in Bezug auf die optische Achse, die erlangt wird, indem die Interferenz der Wärmeabstrahlung des Messobjekts und der Wärmeabstrahlung, die von der ebenen Fläche und dem Substrat reflektiert wird und auf die erste Linse (20) fällt, gemessen wird, die Parallelität zwischen dem Substrat und der ebenen Fläche korrigiert wird.
Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 9, wobei nach dem Schritt des Korrigierens vor dem Detektieren der Wärmeabstrahlung anhand der Entfernung zwischen dem Substrat und der ebenen Fläche, die anhand der Messung der Interferenz erlangt wird, ein Schritt des Annäherns des Substrats an die erste Linse durchgeführt wird.
Verfahren zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die erste Linse (20) und die Basis (16) aus dem gleichen Material gebildet sind.
Messzelle zum Detektieren der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts, umfassend: das Messobjekt (12), bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder einen flüssigkeitshaltigen Körper handelt, und eine Basis (16), die eine eine Wellenlänge der Wärmeabstrahlung durchlassende Wand eines Unterbringungsabschnitts zum Unterbringen des Messobjekts ist, wobei die Messzelle derart angeordnet ist, dass dann, wenn die Basis der Messzelle an der ebenen Fläche einer ersten Linse (20) anliegt, in der ein Teil einer Kugel derart weggeschnitten ist, dass die Schnittfläche die ebene Fläche bildet, der Brennpunkt einer zweiten Linse, die die erste Linse und die Basis umfasst, zum Detektieren der Wärmeabstrahlung über die erste Linse, mit wenigstens einem Teil des Messobjekts, das auf der Basis liegt oder an die Basis angrenzt, übereinstimmt, und wobei: entweder das Messobjekt in Bezug auf die erste Linse oder die erste Linse in Bezug auf das Messobjekt in Richtung der optischen Achse aneinander in Anlage gebracht und voneinander entfernt werden kann und schwingbar angeordnet ist.
Messzelle zum Messen der Wärmeabstrahlung eines Messobjekts nach Anspruch 12, wobei die Basis (16) aus einem Material mit einer Absorptionsrate von 5% oder weniger bei einer Materialdicke von 0,4 mm und einer Brechzahl von 4 oder aus Germanium oder Silizium gebildet ist.