DE112014000683T5

DE112014000683T5 - Faseroptische Sonde für die Fernspektroskopie

Info

Publication number: DE112014000683T5
Application number: DE112014000683.1T
Authority: DE
Inventors: Rafal Pawluczyk; Paul Fournier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: WO2014121389A1; JP2016505148A; US20150377701A1; JP6397431B2; US9599507B2; DE112014000683B4

Abstract

Faseroptische Sondenanrodnung wird bereitgestellt. Die Sonde umfasst ein erstes optisches System und ein zweites optisches System, einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zum Übermitteln von Anregungsstrahlung von einer an einem proximalen Ende des Lichtleiters angeordneten Strahlungsquelle an das erste optische System. Das erste optische System umfasst ein oder mehr als ein erstes optisches Element zur Bildung eines im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahls aus der Anregungsstrahlung. Eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle ist über dem ersten optischen System angeordnet, um das erste optische System und den Übertragungslichtleiter vom zweiten optischen System optisch zu isolieren. Das zweite optische System umfassend ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von einer Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl. Ein Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser empfängt den Sammelstrahl und übermittelt den Sammelstrahl an einen Analysator. Die ersten und zweiten optischen Systeme sind in einem Gehäuse angeordnet, so dass ein Emissionskegel des ersten optischen Systems und ein Aufnahmekegel des zweiten optischen Systems im Wesentlichen überlappen. Ein spektroskopisches Messsystem umfassend die optische Fasersonde wird auch bereitgestellt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sonde. Die faseroptische Sonde kann mit Linsen und Filtern versehen sein und zwei koaxiale, aber optisch isolierte und unabhängige Strahlenpfade umfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die schnelle und verlässliche Analyse von chemischen Substanzen ist ein kritisches Erfordernis in vielen Industrien. Viele gegenwärtig verfügbare analytische Techniken gehen mit einer Wechselwirkung von optischer Strahlung mit der untersuchten Substanz einher, wobei die Moleküle der Substanz zumindest etwas von der Energie der einfallenden Strahlung absorbieren. Diese Energie kann dann wiederabgestrahlt werden durch: diffuse Reflexion (starkes Signal bei der gleichen Wellenlänge, fast sofortig); Raman-Streuung (sehr schwaches Signal bei einer leicht verschobenen Wellenlänge, fast sofortig); und Fluoreszenz (schwaches Signal bei einer längeren Wellenlänge, zeitverzögert, mit der Zeit verfallend).
Insbesondere Raman-Spektroskopie ist zur chemischen Analyse und Überwachung geeignet. Raman-Frequenzverschiebungen sind spezifisch für die molekularen Schwingungen. Das Vorliegen bestimmter Gipfel in einem Raman-Spektrum ist für bestimmte molekulare Bindungen bezeichnend und liefert daher einen „Fingerabdruck” eines bestimmten Moleküls. Die Intensitäten von Raman-Gipfeln sind proportional zur chemischen Konzentration jenes Moleküls. Daher kann Raman-Spektroskopie verwendet werden, um die Probenzusammensetzung sowohl qualitativ als auch, mit einer geeigneten Kalibrierung, quantitativ zu bestimmen.
Viele Anwendungen von chemischer Analyse betreffen wässrige Proben. Raman-Spektroskopie ist geeignet für diese Anwendungen, da Wasser eine sehr geringe Absorption in der spektralen Region hat, wo sich die meisten Raman-Verschiebungen ereignen. Raman-Spektroskopie erfordert auch keine besondere Probenvorbereitung und kann nichtinvasiv verwendet werden (zum Beispiel durch ein Röhrchen). Das macht sie ideal für Messungen in biomedizinischen, Umwelt- und Prozesskontroll-Anwendungen, besonders, wenn sie mit faseroptischer Probennahme verbunden wird.
Optische Fasern, einschließlich solcher, die auf synthetischem Quarzglas basieren, sind für die Durchführung spektroskopischer Messungen nützlich. Optische Fasern übertragen optische Strahlung effizient über beträchtliche Entfernungen und ermöglichen Fernmessungen, zum Beispiel in gefährlichen Umgebungen, durch Entkoppeln des Messinstruments von der zu messenden Probe. Die Designparameter der optischen Fasern wie etwa Kerndurchmesser, numerische Apertur und Übertragungsreichweite können ausgewählt werden, um den Charakteristika sowohl der Probe als auch des verwendeten Instruments am besten zu entsprechen. Wegen der Größe und Flexibilität der optischen Fasern sind Messungen von kleinen Proben in beengten Räumen (wie etwa bei der Umweltüberwachung, In-Line-Prozesskontrolle oder biomedizinischen in-vivo-Anwendungen) möglich. Optische Fasern können mit zusätzlichen Komponenten wie Linsen, Filtern, Spiegeln in anwendungsspezifische faseroptische Sonden verpackt werden.
In einem typischen Raman-Spektroskopiesystem, bestehend aus Spektrograph, Vorderoptik, Faserbündeln und Fernfasersonde, ist es gewöhnlich entweder der Spektrograph oder das Faserbündel, das den Gesamtdurchsatz (oder „Étendue”) bestimmt. Deshalb bringt es keinen Vorteil, Licht zu sammeln, das später nicht durch den Spektrographen eingefangen wird. Jedoch kann das Design einer Fernsonde optimiert werden, um den Fähigkeiten des Spektrographen und des Bündels am besten zu entsprechen.
Daher ist es relevant, unter anderem mehrere Faktoren beim Design von faseroptischen Sonden für die Fernspektroskopie zu bedenken: effiziente Sammlung zurückgestreuter Strahlung (Durchsatz); effiziente Abweisung der Anregungsstrahlung; die Notwendigkeit, mit falschen Signalen wie Rayleigh-Streuung und Quarz-Raman, das von der Faser selbst kommt und nützliches gesammeltes Signal oft übertüncht, umzugehen; und optimale Kopplung von der Sonde zu anderen Teilen des Systems.
Faseroptische Raman-Designs, in denen eine optische Faser die Anregungsstrahlung zur Probe lieferte und eine oder mehr Sammelfasern das gesammelte Signal zum analytischen Instrument leiteten, sind bekannt. Die Sammelfasern sind parallel in einem oder mehr konzentrischen Ringen angeordnet, die die Anregungsfaser umgeben, was zu einer geringen Überlappung zwischen ihren jeweiligen Emissions- und Sammelzonen führt, mit einer Zone von null Überlappung nahe der Anregungsfaser, wo die Anregungsstrahlung am intensivsten ist. US Pat. 4,573,761 (McLachlan) beschreibt ein Design, das durch Kippen der Fasern an der Sondenspitze die Zone von null Überlappung verringert. US. Pat. 5,420,508 (O'Rourke) beschreibt Winkelpolieren, um die Überlappung zu verbessern und die Zone von null Überlappung zu verringern.
Während sie kompakt und robust sind, haben diese Designs mehrere Unzulänglichkeiten. Da der Anregungsstrahl sich nach Austritt aus der Lieferfaser ausdehnt, ist das Messgebiet auf der Probe ziemlich groß, während die Anregungsstrahlungsdichte niedrig ist. Daher ist die nützliche Schärfentiefe der Sonde beschränkt. Zusätzlich nehmen die Sammelfasern das (nützliche) Raman-Signal und auch Rayleigh-Streuanregungsstrahlung auf, die gewöhnlich das Raman-Signal übertüncht. Des Weiteren erzeugt die Wechselwirkung der Anregungsstrahlung mit synthetischem Quarz ein Quarz-Ramansignal, das sich über die Länge der Faser ansammelt. Bei Sonden mit mehreren Meter Länge kann Quarz-Raman eine Hauptkomponente der gesammelten Spektraldaten sein. Diese Probleme können bis zu einem gewissen Grad durch Verwendung zusätzlicher optischer Komponenten in der Sonde gelindert werden, um sowohl Anregungs- als auch Sammelstrahlen zu manipulieren und zu filtern, wodurch die Qualität des gesammelten Signals verbessert wird. Im Allgemeinen funktionieren Sonden, die solche zusätzlichen optischen Komponenten umfassen, durch Abbilden der Anregungsfaserfläche auf einem Feld auf der Probe und dann Wiederabbilden dieses Feldes auf die Sammelfasern und werden daher Abbildungssonden genannt.
Es ist vorteilhaft, Filtern so nah an der Probe wie möglich durchzuführen. Ein konventioneller Ansatz ist die Verwendung einer schmalen Laserbandpasskomponente nahe am Ende des Anregungsstrahlenpfads und einer Ausschlusskomponente, die zwischen der Probe und dem Sammelstrahlenpfad angeordnet ist. Der Laserbandpass stellt sicher, dass nur Laserstrahlung einer einzigen Frequenz an die Probe abgegeben wird, während das Quarz-Raman-Signal wie auch das Rayleigh-Streulicht aus der Faser entweder in die Faser zurück oder aus dem System hinaus reflektiert werden. Nach der Wechselwirkung der Anregungsstrahlung mit der Probe enthält das zurückgestreute Signal sowohl nicht verschobenes Rayleigh-Streuanregungslicht als auch verschobenes Raman-Signal. Das Rayleigh-Signal ist viel stärker (gewöhnlich um mehrere Größenordnungen) und sollte am Eintritt in den Sammelstrahlenpfad gehindert werden. Dies kann durch verschiedene Typen von Komponenten wie etwa Kerb- oder Langpassfilter erreicht werden.
Mehrere Designs des Standes der Technik werden in den folgenden Review-Artikeln diskutiert. F. Cooney, et al., Appl. Specrosc. 50 (7), 836–848 (1996); T. F. Cooney, Appl. Spectrosc. 50 (7), 849–860 (1996); I. R. Lewis, und P. R. Griffths, Appl. Spectrosc. 50 (10), 12A–30A (1996); und U. Utzinger, und R. R. Richards-Kortum, J. Biomed. Opt. 8, 121–147 (2003).
U. S. Pat. 5,112,127 (Carraba, et al.; siehe 1) lehrt ein Design, das optische Komponenten (einen Bandpassfilter, um die Anregungsstrahlung zu säubern, einen dichroitischen Filter, um die zwei Strahlenpfade zu kombinieren, und einen Langpassfilter, um Quarz-Raman aus dem gesammelten Signal herauszufiltern) umfasst, um selektiv ungewollte Streuung aus dem gesammelten Signal zu entfernen. Dieses Design erfordert einen dichroitischen Filter sehr hoher Leistung, der ein schmales Band von Anregungsstrahlung zur Probe überträgt und ein breites Band an Wellenlängen effizient in den Sammelpfad reflektiert. Solche Komponenten sind schwierig herzustellen und ihre Leistung variiert mit der Wellenlänge, was die relative Stärke der beobachteten Raman-Gipfel beeinflusst. Die physische Anordnung der Sonde macht diese auch ziemlich massig, annehmbar für industrielle und Laborverwendung, aber unpraktisch für biomedizinische in-vivo-Arbeit.
US. Pat. 5,377,004 (Owen et al.; 2) lehrt ein Sondendesign mit einem Sammelstrahlenpfad in Linie mit der Probe und mit einem Anregungspfad, der von der Seite in die Hauptsondenachse gefaltet ist. Das Strahlenkombinationselement muss über ein schmales Band hochreflektierend und anderswo durchlässig sein. Die Sonde verwendet holographische optische Elemente, um Strahlen zu filtern und zu kombinieren.
U. S. Patent 5,615,673 (Berger, et al.) lehrt ein Design, das für biomedizinische Anwendungen verwendet werden kann, wo sehr niedrige Signale beobachtet werden. Um die Sammeleffizienz zu verbessern, wird eine zusätzliche parabolische Komponente vor die Sonde gesetzt, die die gesammelte Strahlung aus einem stark gewinkelten in einen fast parallelen Strahl umwandelt, der mit Sammelfaseraufnahmewinkel kompatibel ist. Der Abstrich ist, dass das Sammelbündel größer wird und zusätzliche Umformatierung an der Instrumenteneingabe erfordert.
U. S. Patent 5,953,477 (Wach, et al.) lehrt viele Techniken, die bei faseroptischen Raman-Sonden angewendet werden können. Insbesondere offenbart es ein Sondendesign, in dem die Sammelfasern teilweise gemahlen und mit reflektierenden Schichten ummantelt werden, um ihre Sammelkegel von der Faserachse weg zu formen und so die Überlappung zwischen den Anregungs- und Sammelvolumina zu verbessern (während zugleich der Totraum von null Überlappung beinahe eliminiert wird), was zu einer fünffachen Verbesserung der Signalintensität gegenüber einem Sondendesign mit einer abgeschrägten Fläche führt. Die Sonde umfasst auch kleine Filterelemente, die direkt auf die Fasern geschichtet werden, um manche der Vorteile von mit Filtern versehenen Sonden in einem kompakten Paket bereitzustellen. Jedoch ist es schwierig, mit der gegenwärtigen Technologie Hochleistungsfilter auf optischen Faserflächen zu erzeugen. Zusätzlich arbeiten solche Filter suboptimal, da sie in konvergenten Lichtstrahlen platziert werden. Daher konnten diese Sonden die Leistung von Abbildungssonden nicht erreichen.
U. S. Patent 6,038,363 (Slater, et al.; 3) offenbart eine Sonde mit reduzierter Hintergrundlumineszenz. Dies wird durch Einführung eines durchlässigen Kombinierers erreicht, der im Sammelstrahl platziert wird, mit einer kleinen reflektierenden Öffnung in der Mitte, die im Anregungsstrahl in den optischen Pfad der Sonde faltete. Anders als die vorherigen Abbildungssondendesigns wird die Strahlenkombinierung nicht in Amplitude (durch Wegfiltern von Teilen des Lichts in ausgedehnten Strahlen), sondern nach Wellenfront (durch Blockieren eines Teils der Sondenöffnung) durchgeführt.
U. S. Patent 7,647,092 (Motz, et al.; 4) offenbart ein Nicht-Abbildungssondendesign mit integralem Filtern, umfassend einen torusförmigen Langpassfilter zum Sammeln und einen sehr kleinen runden Bandpassfilter zum Anregungsfiltern. Strahlensteuerung wird durch Hinzufügen einer Balllinse an der Sondenspitze erreicht. Die gesamte Sonde ist unter 2 mm im Durchmesser und kompatibel mit der Verwendung in endoskopischen medizinischen Anwendungen.
In oben beschriebenen Abbildungssonden werden die überlappten Anregungs- und Sammelstrahlen unter Verwendung eines gemeinsamen finalen Linsenelements auf die Probe fokussiert. Diese Anordnung erfordert, dass die zwei Strahlen in der gleichen Entfernung von der Sonde fokussiert werden, was zu einer optimalen Überlappung zwischen Anregungs- und Sammelvolumina führt.
Der Gesamtdurchsatz dieser Sonden ist oft entweder durch die Lichtsammelfähigkeit (gekennzeichnet durch die relative Apertur, oder f-Zahl F/#) des verwendeten Spektrographen oder den Aufnahmewinkel der Sammelfasern (gekennzeichnet durch die numerische Apertur, kNA) beschränkt. In Prinzip sollte zur effizienten Kopplung in den Spektrographen der Aufnahmekegel einer Sammelfaser dem Aufnahmekegel des Spektrographen angepasst werden. Dies hat Implikationen für das Design der Sonde selbst, da die relative Apertur der Sammeloptik an die Fasern angepasst sein sollte. Die schnellsten kommerziellen Spektrographen haben F/# von 1,8. Optische Fasern mit entsprechender NA von 0,28 sind verfügbar, aber weniger häufig als die 0,22 NA Fasern (äquivalent zu F/# von 2). Konstruktion eines Abbildungssystems mit solch niedrigen F/# erfordert Mehrlinsenanordnungen. So gibt es in konventionellen Designs einen Kompromiss zwischen dem von dem Anregungskanal beleuchteten Volumen, dem festen Winkel, aus dem dieselbe Optik das zurückgestreute Signal sammeln kann, und Koppeln dieses gesammelten Lichts in den Spektrographen
In konventionellen Abbildungssondendesigns werden die Anregungs- und Sammelpfade in getrennten Fasern geführt und die Anregungs- und Sammelstrahlen werden expandiert und innerhalb des Sondenkörpers überlappt. Um ihre Überlappung zu erreichen, werden strahlenkombinierende Komponenten eingesetzt, wie etwa ein dichroitischer Filter, ein schmaler Bandpassfilter, ein Beugungsgitter oder ein Spiegel mit partieller Apertur. Etwas Verlust des gesammelten Signals findet in allen oben diskutierten Sodendesigns statt. Auch wird, da die optischen Pfade überlappen, die Anregungsstrahlung in die Sonde zurückgestreut, was ihr Hintergrundniveau erhöht.
Ein Ansatz, in dem die zwei optischen Pfade isoliert und unabhängig sind, ist in U. S. Patenten 6,411,838 und 6,760,613 (Nordstrom et al.) offenbart. Dieses System verwendet eine im Wesentlichen koaxiale und konfokale Konfiguration von optischen Emissions- und Sammlelsystemen, die optisch isoliert sind. Die Beleuchtungs- und Detektionssysteme sind koaxial und so angeordnet, dass das Anregungssystem eine zentrale Verdeckung innerhalb des Beleuchtungssystems darstellt, was zu einem zentralen Feld ohne Signal in der Bildebene des Beleuchtungssystems führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sonde. Die faseroptische Sonde kann mit Linsen und Filtern versehen sein und zwei koaxiale, aber optisch isolierte und unabhängige Strahlenpfade umfassen. Die faseroptische Sonde kann in Fernspektroskopie verwendet werden.
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, eine verbesserte faseroptische Sonde bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine faseroptische Sondenanordnung bereitgestellt umfassend ein Gehäuse zum Beherbergen eines ersten optischen Systems und eines zweiten optischen Systems, einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zur Übertragung von Anregungsstrahlung von einer Strahlenquelle, die am proximalen Ende des Lichtleiters angeordnet ist, auf das erste optische System, das erste optische System umfassend ein oder mehr als ein optisches Element, das eine oder mehr als eine erste optische Element zur Bildung eines im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahls aus der Anregungsstrahlung, eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle, die am ersten optischen System angebracht ist, um das erste optische System und den Lichtleiter vom zweiten optischen System zu isolieren, so dass die durch den Lichtleiter übertragene Anregungsstrahlung durch eine Austrittsfläche des ersten optischen Systems austritt, das zweite optische System umfassend ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von von einer Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl, einen Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser zur Aufnahme des Sammelstrahls und Übertragung des Sammelstrahls an einen Analysator, die ersten und zweiten optischen Systeme sind innerhalb des Gehäuses so angeordnet, dass ein Emissionskegel des ersten optischen Systems und ein Aufnahmekegel des zweiten optischen Systems im Wesentlichen überlappen.
Die Offenbarung stellt auch die oben beschriebene faseroptische Sonde bereit, wobei das eine oder mehr als eine zweite optische Element ein optisches Kollimationselement zur Kollimation des Sammelstrahls, um einen kollimierten Strahl zu erzeugen, und ein optisches Fokussierungselement zur Fokussierung kollimierten Strahls in den Sammellichtleiter umfasst. Das eine oder mehr zweite optische Element kann weiter ein oder mehr als ein Filterelement umfassen, das zwischen dem optischen Kollimationselement und dem optischen Fokussierungselement angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter die oben beschriebene faseroptische Sonde bereit, wobei das eine oder mehr als eine erste optische Element ein optisches Kollimationselement zur Kollimation der Anregungsstrahlung, um einen kollimierten Beleuchtungsstrahl zu erzeugen, und ein optisches Fokussierungselement zur Fokussierung des kollimierten Beleuchtungsstrahls umfasst. Das eine oder mehr erste optische Element kann weiter ein oder mehr als ein Filterelement umfassen, das zwischen dem optischen Kollimationselement und dem optischen Fokussierungselement angeordnet ist. Des Weiteren kann das eine oder mehr als eine erste optische Element des ersten optischen Systems ausgewählt sein aus einer optischen Refraktionslinse und einer optischen Gradientenindexlinse.
Die faseroptische Sonde wie oben beschrieben kann weiter umfassend ein optisch transparentes Fensterelement angeordnet an einer Probenfläche des zweiten optischen Systems, das Fensterelement empfängt die von der Probe gestreute optische Strahlung und isoliert die faseroptische Sonde von der Probe.
Die oben beschriebene faseroptische Sonde, wobei der Übertragungslichtleiter, der Sammellichtleiter oder sowohl der Übertragungslichtleiter als auch der Sammellichtleiter aus einer optischen Multimodusfaser besteht. Der Sammellichtleiter kann auch aus einer Vielzahl von optischen Multimodusfasern bestehen, die in einem parallelen Bündel angeordnet sind. Die faseroptische Sonde kann auch einen festen Abschluss an einem proximalen Ende des Sammellichtleiters umfassen, wobei individuelle optische Fasern des Sammellichtleiters in einer linearen Anordnung Seite an Seite angeordnet sind, um an die Analysevorrichtung zu koppeln.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein spektroskopisches Messsystem bereit umfassend
eine faseroptische Sondenanordnung umfassend ein Gehäuse zum Beherbergen eines ersten optischen Systems und eines zweiten optischen Systems, einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zur Übertragung von Anregungsstrahlung von einer Strahlenquelle, die am proximalen Ende des Lichtleiters angeordnet ist, auf das erste optische System, das erste optische System umfassend ein oder mehr als ein optisches Element, das eine oder mehr als eine erste optische Element zur Bildung eines im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahls aus der Anregungsstrahlung, eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle, die am ersten optischen System angebracht ist, um das erste optische System und den Lichtleiter vom zweiten optischen System zu isolieren, so dass die durch den Lichtleiter übertragene Anregungsstrahlung durch eine Austrittsfläche des ersten optischen Systems austritt, das zweite optische System umfassend ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von von einer Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl, einen Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser zur Aufnahme des Sammelstrahls und Übertragung des Sammelstrahls an einen Analysator;
die Strahlungsquelle in optischer Kommunikation mit einem proximalen Ende des Übertragungslichtleiters,
der Analysator umfassend einen Spektrographen mit einer Eintrittsöffnung und einem Strahlungsdetektor, die Eintrittsöffnung angeordnet in einer Objektebene des Spektrographen und gekoppelt an das proximale Ende des Sammellichtleiters, der Strahlungsdetektor angeordnet in einer Bildebene des Spektrographen.
Die Eintrittsöffnung des oben beschriebenen spektroskopischen Messsystems kann rechteckig und in einer Dimension gestreckt sein. Des Weiteren kann der Sammellichtleiter aus einer Vielzahl von gleichen optischen Fasern bestehen, angeordnet in einem dicht hexagonal gepackten kreisförmigen Bündel an einem distalen Ende des Sammellichtleiters und in einer dicht gepackten linearen Anordnung am proximalen Ende des Sammellichtleiters. Das spektroskopische Messsystem kann weiter gekennzeichnet sein mit einer niedrigen numerischen Eingangsapertur des zweiten optischen Systems, um eine Überlappung eines vom kollimierten Beleuchtungsstrahl des ersten optischen Systems erzeugten Beleuchtungsvolumens und eines Sammelvolumens des zweiten optischen Systems zu erzeugen, die für Messungen von schwach streuenden Proben geeignet ist.
Das oben beschriebene spektroskopische Messsystem kann weiter ein optisch transparentes Fenster umfassen, das an einer Probenfläche des faseroptischen Sondenkörpers angeordnet ist
Die vorliegende Offenbarung betrifft faseroptische Sonden, wo Anregungs- und Sammelkanäle vollständig optisch isoliert sind, um Streulicht zu verringern, und Filterkomponenten zur optimalen Leistung in kollimierten Strahlenpfaden platziert sind. Die faseroptische Sonde umfassen zwei optisch isolierte, unabhängige optische Systeme, die koaxial angeordnet sind: 1) ein Anregungssystem, um Anregungsstrahlung, zum Beispiel Laserstrahlung, zur Probe zu übertragen, und 2) ein Sammelsystem, um die gestreute Strahlung nach Wechselwirkung mit der Probe, zum Beispiel Raman-Signale, in ein Sammelbündel zu koppeln.
Die Brennweite, Feldgröße und Schärfentiefe kann unabhängig für die Anregungs- und Sammelsysteme eingestellt werden, Gesamtsondendurchsatz und Effizienz werden optimiert. Anregungs- und Sammelstrahlen werden außerhalb des Sondenkörpers selbst überlappt, und der Grad der Überlappung kann je nach Anwendung durch Auswählen geeigneter optischer Komponenten kontrolliert werden.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch „Étendue-Management” durch Entkoppeln von optischen Systemen zur Sammlung und Anregung. „Étendue” beschreibt die grundlegende Strahlensammelfähigkeit eines optischen Systems als Produkt des festen Winkels, unter dem das beobachtete Objekt am Eingang der Pupille sichtbar ist, und der Pupillenfläche. Es ist der begrenzende Faktor des Systemdurchsatzes. In Systemen, in denen Strahlung beschränkt ist, wird gewöhnlich großer Aufwand unternommen, um Étendue zu erhalten. Da die meisten optischen Systeme aus mehreren Teilen bestehen, ist die Gesamtsystemleistung beschränkt durch das Teil mit der höchsten Étendue. Das Sammelsystem kann als eine Reihe von Modulen angesehen werden (Sondenoptik, Faserbündel, Kopplungsoptik, Spektrograph, Detektor, usw.), und das Anregungssystem als eine andere Reihe (Strahlungsquelle, Kopplungsoptik, Übertragungsfaser, Sondenoptik, usw.). Die vorliegende Offenbarung betrifft die unabhängige Optimierung dieser beiden Systeme.
Raman-Streuung ist in den meisten Proben ein ungerichteter Prozess (Ramanverschobene Strahlung wird in alle Richtungen gleichmäßig gestreut), daher hängt der Durchsatz der Strahlung in einer Sonde hauptsächlich von einer Feldgröße auf der Probe und dem Aufnahmewinkel ab. Im Allgemeinen wird der Durchsatz des gesamten spektroskopischen Systems durch das Sammelsystem beschränkt. In manchen Situationen kann es vorteilhaft sein, einen beinahe kollimierten Anregungsstrahl zu haben, um das Volumen, in dem Anregungsstrahlung mit der Probe wechselwirkt, zu vergrößern und Strahlung aus einem größeren festen Winkel sammeln zu können. Die faseroptische Sonde der vorliegenden Offenbarung ermöglicht dies zum Beispiel unter Verwendung einer F/8-Linse, um den Anregungsstrahl langsam zu fokussieren, und einer schnelleren F/2-Linse von größerem Durchmesser, um das Signal aus einem größeren Volumen zu sammeln. Für andere Arten von Proben kann es vorteilhaft sein, die Anregungsstrahlung eng auf ein kleines Feld fokussiert zu haben, aber dennoch Licht aus einem großen festen Winkel sammeln zu können. Diese Konfiguration ist mit der vorliegenden Offenbarung auch möglich.
In der vorliegenden Offenbarung sind zwei Strahlenpfade entkoppelt und unabhängig voneinander. Zum Beispiel können die zwei Kanäle konzentrisch und parallel zueinander sein, wobei ein Anregungskanal durch eine Öffnung in der Frontkomponente eines Sammelkanals austritt. Mit dieser Konfiguration ist das Sammellinsensystem demnach teilweise verdeckt (zentrale Verdeckung).
Weil diese Verdeckung in einem Pupillenraum stattfindet, ist die Verdeckung an einer Bildebene des Sammelsystems (an der Sammelbündel-Endfläche befindlich) nicht sichtbar. Die zentrale Verdeckung hindert die Rayleigh-Streuanregungsstrahlung am Eintreten in den Sammelpfad. Dies dient zur Verringerung des Gesamtsondenhintergrunds und ist für hochreflektierende Proben nützlich. Die zentrale Verdeckung dient als eine Sperre und erzeugt einen toten Bereich vor der Sonde, in dem es keine Überlappung zwischen den Anregungs- und Sammelstrahlen gibt. Ein in diesem Bereich platziertes Objekt, wie etwa ein Schutzfenster an der Sondenspitze oder Wand einer Küvette, wird für die Sonde unsichtbar sein. Selbst wenn ein Raman-Signal nach Aussetzen gegenüber der Anregungsstrahlung von diesem Objekt erzeugt wird, wird es nicht von der Sonde gesammelt werden. Dies ermöglicht zum Beispiel Messungen innerhalb von Behältern oder Tiefenmessung innerhalb von festen Objekten wie dem Inneren einer Pille durch ihre Beschichtung.
Während die zentrale Verdeckung das gesammelte Signal verringert, verringert sich der Anteil des durch die Verdeckung blockierten Signals schnell, wenn ein Verhältnis des Sammel- zu Anregungskanaldurchmessers ansteigt.
Die Überlappungszone, wo die Anregungs- und Sammelstrahlen überlappen, beginnt erst bei einer gewissen Entfernung von einem letzten Linsenelement. In Situationen, in denen schnelle Sammeloptiken (F/# unter 2) eingesetzt werden, beginnt die Überlappungszone nahe zu einer Brennebene beider optischen Systeme (des Anregungs- und des Sammelsystems) und kann seicht sein – ihre Tiefe kann mit der Feldgröße selbst vergleichbar sein. Dies erlaubt „quasi-konfokale” Verwendung der Sonde, wobei Signal nur aus einer dünnen Schicht der Probe detektierbar ist.
Da das optische Sammelsystem der vorliegenden Offenbarung ein Abbildungssystem ist, wird es ein Bild des Feldes erzeugen, auf das die Sonde fokussiert ist, an der Eintrittsfläche des Sammelfaserbündels. Raman-gestreute Strahlung aus einer bestimmten Region der Probe wird auf einen bestimmten Fleck der Sammeloptik-Bildebene fokussiert werden, und daher in eine bestimmte Faser. Vorausgesetzt, die Fasern sind von ausreichend kleiner Größe und ihre Position innerhalb des Sammelbündels korreliert mit ihrer Position in einem Eintrittsschlitz eines Abbildungsspektrographen, kann eine spektrale Karte der Probe regeneriert werden.
Wie hierin beschrieben, wird die Anregungsstrahlung mittels einer oder mehr, zum Beispiel einer einzigen, optischen Faser übertragen. Diese Faser wird durch einen Kanal an einer Außenseite des optischen Sammelkanalsystems geleitet und wird dann in die Mitte des Sammelkanals gefaltet. Um den erforderlichen Platz zu minimieren und scharfe Krümmungen der Anregungsfaser zu erlauben, wird die Anregungsfaser von einer optisch undurchsichtigen Röhre mit kleinem Durchmesser beherbergt, die in die erforderliche Form gebogen ist. Die Röhre dient mehreren Zwecken: sie fixiert die gebogene Faser im Raum, schützt sie vor mechanischen Erschütterungen und isoliert sie optisch vom Rest der Sonde.
Die Isolierung des Anregungsstrahlenpfads wird zum Beispiel durch Umhüllen verschiedener Abschnitte mit optisch undurchlässigen Materialien über den ganzen Körper der Sonde hinweg erreicht. Die Anregungsfaser wird innerhalb einer optisch undurchlässigen Röhre mit kleinem Durchmesser hinauf zu einer Austrittsendfläche geführt. Lichtleckage aus der Anregungsfaser wird dann weiter durch eine zusätzliche optisch undurchlässige Hülse und ein größeres optisch undurchlässiges Gehäuse für die optische Anordnung des Anregungspfades weiter blockiert. In der gesamten Anordnung werden optisch undurchlässige, lichtabsorbierende Klebstoffe verwendet.
Die hierin beschriebene faseroptische Sonde eignet sich leicht zur Miniaturisierung. Beispielsweise, was nicht auf irgendeine Art als beschränkend ausgelegt werden soll, kann die Sonde einen Gesamtdurchmesser unter 4 mm und eine feste Länge von 30 mm haben. Wie einem Fachmann ersichtlich, können längere Versionen solcher Sonden nach Bedarf hergestellt werden, indem ein zusätzlicher Abschnitt fester Röhre über den Anregungs- und Sammelfasern hinzugefügt wird. Verringerung der Größe mancher Komponenten kann verwendet werden, um einen Gesamtsondendurchmesser von beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, unter 2 mm oder unter 1 mm oder unter 0,5 mm oder jeglichen Wert dazwischen zu erreichen. Bei dieser Größe kann der feste Abschnitt der Sonde zum Beispiel, das nicht als beschränkend betrachtet werden soll, weniger als 10 mm lang oder weniger als 5 mm lang oder weniger als 2 mm lang sein, oder jeglicher Wert dazwischen, wodurch endoskopische in-vivo-Anwendungen ermöglicht werden.
Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung, der zu weiterer Verbesserung des Durchsatzes führt, ist die Anordnung der Sammelfasern am distalen Ende der Sonde in einer linearen Anordnung, die eng dem Eintrittsschlitz des Spektrographen entspricht. Dies stellt sicher, dass Strahlung von allen Sammelfasern in den Spektrographen eintritt.
Zusätzliche Fasern können auch zu linearer Anordnung hinzugefügt werden, die Referenz- oder Kalibrierungszwecken dienen können, zum Beispiel um den Laserausstoß zu quantifizieren oder sicherzustellen, dass jederzeit die richtige Wellenlängenkalibrierung erreicht wird.
Jedes der optischen Übertragungs-(erstes) und Sammel-(zweites)Systeme der hierin beschriebenen faseroptischen Sonde umfassen ein optisches Element zur Kollimation des Sammelstrahls, um einen kollimierten Strahl zu erzeugen, und ein optisches Fokussierungselement zur Fokussierung des kollimierten Strahls. Im optischen Übertragungssystem wird der fokussierte kollimierte Strahl auf eine Probe gerichtet, während im optischen Sammelsystem der kollimierte Strahl in den Sammellichtleiter fokussiert wird. Der Abstand zwischen diesen optischen Elementen kann angepasst werden, um den Strahl geeignet wie erforderlich zu fokussieren (d. h. auf die Probe und in den Sammellichtleiter). Die ersten und zweiten optischen Systeme können auch ein Filterelement umfassen, das zwischen dem optischen Kollimationselement und dem optischen Fokussierungselement platziert ist.
Die hierin beschriebenen mit Linsen und Filtern versehenen faseroptischen Sonden bestehen aus zwei koaxialen aber isolierten und unabhängigen Strahlenpfaden. Diese Sonden bieten verbesserte Kontrolle über spektroskopische Lichtstreuungsmessungen durch Trennen der optischen Anregungs- und Sammelpfade, die dann unabhängig für eine gegebene Anwendung optimiert werden können.
Die hierin beschriebenen grundlegenden Prinzipien können leicht an verschiedene Modalitäten von spektroskopischen Fernmessungen angepasst werden.
Die hierin beschriebenen faseroptischen Sonden bieten Kontrolle über spektroskopische Lichtstreuungsmessungen durch Trennen der optischen Anregungs- und Sammelpfade, die dann unabhängig für eine gegebene Anwendung optimiert werden können.
Diese und andere Merkmale der faseroptischen Sonde, einschließlich Aufbau und Kombinationen von Komponenten, werden unten weiter beschrieben. Es versteht sich, dass bestimmte Apparate und Systeme, die die hierin beschriebene faseroptische Sonde verkörpern, nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht als beschränkend angesehen werden sollen. Die Prinzipien und Merkmale der faseroptischen Sonde können in vielen verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle Merkmale der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung besser ersichtlich werden, in der auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 ein schematisches Diagramm einer faseroptischen Sonde des Standes der Technik zeigt ( U. S. Patent 5,112,127 ; Carraba, et al.).
2 ein schematisches Diagramm einer Sonde des Standes der Technik zeigt ( U. S. Patent 5,377,004 ; Owen, et al.).
3 ein schematisches Diagramm einer Sonde des Standes der Technik zeigt ( U. S. Patent 6,038,363 ; Slater, et al.).
4A und 4B schematische Diagramme von Sonde des Standes der Technik zeigen ( U. S. Patent 7,647,092 ; Motz, et al.). 4A zeigt einen Längsschnitt des Endes der Sonde. 4B zeigt eine Querschnittsansicht der Sonde.
5A bis 5F die Effekte der Modifizierung der optischen Fasern veranschaulicht, um ihre Aufnahmekegel zu ändern, und das Konzept der Überlappung von Anregungs- und Sammelkegeln (siehe Beschreibung für weitere Einzelheiten).
6 ein schematisches Diagramm eines nicht beschränkenden Beispiels einer faseroptischen Sonde der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7 eine Querschnittsansicht eines nicht beschränkenden Beispiels einer faseroptischen Sonde der vorliegenden Offenbarung zeigt, ungefähr maßstabsgetreu, in der der Anregungsstrahl im Wesentlichen kollimiert ist.
8A bis 8C schematische Diagramme von alternativen Ausführungsformen des optischen Anregungs-Untersystems der vorliegenden Offenbarung zeigen und verschiedene Wege zur Ausdehnung und Fokussierung des Anregungsstrahls zeigen.
9A bis 9C schematische Diagramme zur Demonstration des Prinzips von Étendue und die Wirkung der Verkürzung der Brennweite der Sammellinse auf den Sammelwinkel und die Feldgröße zeigen.
10A bis 10C schematische Diagramme zeigen, die einen Vorteil der Ausbildung des Spektrometer-Endes des Sammelfaserbündels in einem linearen Schlitzformat zeigen, das der Größe des Spektrometer-Eintrittsschlitzes nahekommt.
11 ein Blockdiagramm eines typischen Raman-Spektroskopiesystems zeigt, das eine generische faseroptische Raman-Sonde enthält.
12A und 12B schematische Diagramme von zwei Verfahren zur Durchführung von Abbildungsspektroskopie durch Kartieren der aufeinanderfolgenden Fasern aus dem Sammelbündel auf aufeinanderfolgende Positionen im linearen Austrittsschlitz zeigen.
13A bis 13D schematische Diagramme von verschiedenen alternativen Beispielen der faseroptischen Sonde der vorliegenden Offenbarung zeigen, die für verschiedene Messungsanforderungen konfiguriert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sonde. Die faseroptische Sonde kann mit Linsen und Filtern versehen sein und zwei koaxiale, aber optisch isolierte und unabhängige Strahlenpfade umfassen.
Die folgende Beschreibung ist die einer bevorzugten Ausführungsform.
Die angegebenen Überschriften sollen die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht beschränken. Begriffe wie „umfasst”, „umfassend”, „umfassen”, „einschließt”, „einschließlich” und „einschließen” sind nicht als beschränkend beabsichtigt. Zusätzlich umfasst die Verwendung des Singulars den Plural und „oder” bedeutet „und/oder”, falls nicht anders angegeben. Falls hierin nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie der gewöhnliche Fachmann normalerweise versteht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine faseroptische Sondenanordnung umfassend ein erstes optisches System und ein zweites optisches System bereit. Die ersten und zweiten optischen Systeme sind optisch isoliert und bestehen aus getrennten optischen Komponenten. Das erste optische System überträgt Anregungsstrahlung auf eine Probenoberfläche und umfasst einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zur Übermittlung von Anregungsstrahlung von einer Strahlungsquelle, die an einem proximalen Ende des Lichtleiters angeordnet ist, zum ersten optischen System. Der Lichtübertragungsleiter steht in optischer Kommunikation mit einem oder mehr als einem ersten optischen Element, das einen im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahl aus der Anregungsstrahlung bildet. Eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle ist über dem ersten optischen System angebracht, um das erste optische System und den Übertragungslichtleiter vom zweiten optischen System optisch zu isolieren und der vom Übertragungslichtleiter übermittelten Anregungsstrahlung zu erlauben, durch eine Austrittsfläche des ersten optischen Systems auszutreten und mit einer Probe zu wechselwirken, die im Pfad des kollimierten Beleuchtungsstrahls platziert ist. Das zweite optische System umfasst ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von von der Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl. Der Sammelstrahl wird durch einen Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser an einen Analysator übermittelt. Die ersten und zweiten optischen Systeme sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet, so dass ein Emissionskegel des ersten optischen Systems und ein Aufnahmekegel des zweiten optischen Systems im Wesentlichen überlappen.
1 veranschaulicht ein Design einer faseroptischen Raman-Sonde aus dem Stand der Technik, offenbart in U. S. Pat. 5,112,127 (Carraba et al.). Anregungsstrahlung 13 tritt durch optische Beleuchtungsfaser 10 in die Sonde ein, wird durch Linse 20 kollimiert und trifft auf einen schrägen Filter 90 auf. Die Funktion dieses Filters ist es, ein schmales Band an Wellenlängen, das um die Wellenlänge der Anregungsquelle zentriert ist, durchzulassen und alle anderen Wellenlängen wegzureflektieren, und so jegliche innerhalb der Faser durch die Anregungsstrahlung erzeugte falsche Strahlung abzuweisen. Gefilterte Anregungsstrahlung 94 passiert dann eine erste Fokussierungslinse 30 und trifft auf die Probe 100. Zurückgestreutes Licht 104 von der Probe wird gesammelt und durch die Linse 30 kollimiert, um kollimierte zurückgestreute Anregungsstrahlung 32 zu bilden, und wechselwirkt wieder mit dem schrägen Filter 90. Dieses Mal passiert die kollimierte zurückgestreute Anregungsstrahlung 96 direkt den Filter, wohingegen verschobene Raman-Strahlung 76 jetzt außerhalb der Bandpasses des Filters fällt und zu einem zweiten Filterelement 80 reflektiert wird. Das zweite Filterelement 80 hat eine zum ersten gegenteilige Funktion – es reflektiert ein schmales Band an Wellenlängen, das um die Anregungswellenlänge zentriert ist, und lässt Strahlung außerhalb jenes Bandes durch. Daher wird die verbleibende Anregungsstrahlungs-Komponente des gesammelten Signals weiter abgeschwächt. Das gesammelte Raman-Signal wird durch Prisma 70 gebündelt, um einen kollimierten Signalstrahl 72 zu erzeugen, und durch zweite Fokussierungslinse 60 in Sammelfaser 50 gekoppelt.
In dieser Konfiguration sind die Beleuchtungs- 10 und Sammel- 50 Fasern parallel und können zusammen in einem einzigen Kabel geführt werden. Außerdem sind die optischen Pfade in diesem Design teilweise überlagert, da die Anregungsstrahlung 13 und gefilterte Anregungsstrahlung 94 (gemeinsam der Anregungspfad) in Linie sind mit der Probe 100 und dem Sammelpfad umfassend die verschobene 72 und abgeschwächte Anregungsstrahlung, entfaltet. Eine solche Anordnung erfordert Breitbandreflektor mit sehr hoher Leistung (Filter 90) mit einem schmalen Transmissionsband, eine schwer zu erreichende Komponente, die im Verhältnis zum Strahl in einer schrägen Position platziert wird, was Streulicht innerhalb der Sonde verstärkt.
Eine in U. S. Pat. 5,377,004 (Owen et al.) beschriebene Vorrichtung des Standes der Technik ist in 2 gezeigt. In dieser Konfiguration ist der Sammelpfad in Linie mit der Probe und der Anregungspfad ist in ihn gefaltet. In diesem Fall wird ein holographischer Schmalband-Reflektor (Filter) 90 eingesetzt, um den Anregungsstrahl 13 in den Sammelpfad zu falten. Diese Komponente (90) reflektiert die Anregungsstrahlung 13 effizienter als das in 1 gezeigte Design, was dazu führt, dass mehr gefilterte Strahlung 94 zur Probe übertragen wird. Auf dem Rückweg passiert die gesammelte Strahlung den Reflektor 90, wobei nur das schmale Band um die Anregungswellenlänge 94 in Richtung der Anregungsfaser zurückgeworfen wird und das gesammelte verschobene Raman-Signal 76 zur Sammelfaser 50 gelenkt wird. In solcher Konfiguration könnten zusätzliche Elemente hinzugefügt werden, um die Signalqualität weiter zu verbessern, wie etwa ein holographischer Kerbfilter 85, der jegliches verbleibende Anregungslicht zusätzlich entfernt und im Wesentlichen nur Raman-verschobene Strahlung 72 belässt.
3 zeigen eine in U. S. Pat. 6,038,363 (Slater et al.) beschriebene Vorrichtung des Standes der Technik. In dieser Konfiguration ist der Anregungsstrahl 13 von kleinerer Ausdehnung und in den Sammelpfad gefaltet, unter Verwendung einer reflektierenden Komponente 92 wie etwa eines Spiegels oder eines Prismas, das zentral im Sammelpfad auf einem transparenten Fenster 98 angebracht ist, so dass die zwei Strahlen die Öffnung teilen und nicht die Amplitude, wie in obigen Designs.
Mit Bezug auf 4 ist eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik gezeigt, die von Motz et al. ( U. S. Pat. 7,647,092 ) gelehrt wird. In diesem Design stößt die Anregungsfaser 10 an einen kleinen, zylindrischen Schmalbandpassfilter 12. Der Anregungskanal ist optisch vom Rest der Sonde durch eine optisch undurchlässige Röhre 62 isoliert. Die Sammelfasern 50 stoßen an einen ringförmigen Schmalbandlangpassfilter 80. Der Anregungskanal wird durch das zentrale Loch des Langpassfilters geleitet. Strahlensteuerung und Überlappung wird durch Verwendung einer kleinen Balllinse 30 erreicht. Dieselbe Balllinse wird verwendet, um Anregungsenergie zu einer Probe zu übertragen und gestreute Strahlung von der Probe zu sammeln. Die gesamte Sonde ist in einem undurchsichtigen Außenschlauch 64 verpackt.
Mit Bezug auf 11, die die wesentlichen Komponenten eines Fern-Raman-Spektroskopiesystems in einem Blockdiagramm anzeigt, zusammen mit dem spektralen Gehalt an verschiedenen Positionen im System. Die Anregungsstrahlung wird durch einen Einzelfrequenzlaser 150 erzeugt und in Anregungsfaser 10 gekoppelt. Am Eintritt in die Faser enthält die Strahlung bei im Wesentlichen einer Wellenlänge, wie das Spektrum 11 zeigt. Während der Übertragung durch die Faser 10 wechselwirkt Laserstrahlung mit dem synthetischen Quarzglas, was zu einem Quarz-Raman-Signal führt, das in Spektrum 14 als zusätzliche Gipfel um die ursprüngliche Anregungswellenlänge sichtbar ist. Sie passiert dann den Bandpassfilter 40, der nur einen schmalen, um die Laserlinie zentrierten Bereich von Wellenlängen durchlässt und alle anderen Wellenlängen reflektiert, was zu einem Spektrum 16 führt, das im Wesentlichen ähnlich zu dem ursprünglichen Laserausstoß ist. Nach Passieren der Anregungsoptik 21, die den Strahl gewöhnlich zu einer gewünschten Größe und Arbeitsentfernung ausdehnt und neu fokussiert, trifft der Strahl auf Probe 100, wo das Raman-Signal von Interesse erzeugt wird. Dieses Signal wird durch die Sammeloptik 32 aufgenommen, die es kollimiert. Das gesammelte Signal besteht aus ursprünglicher Rayleigh-gestreuter Laserstrahlung sowie dem Raman-Signal, wie in Spektrum 18 gezeigt. Im Allgemeinen ist die Rayleigh-Streuung um mehrere Größenordnungen stärker als das Raman-Signal. Wenn man ihr erlaubte, in die Sammelfaser einzutreten, würde sie noch mehr Quarz-Raman erzeugen, das schwierig herauszufiltern wäre, ohne das Raman-Signal aus der Probe zu beeinträchtigen. Daher passiert die gesammelte Strahlung einen Laserabweisungsfilter 82, der effektiv ein schmales, um die Anregungslinie zentriertes Band blockiert und nur das in Spektrum 22 gezeigte gesammelte Raman-Signal passieren lässt. Dieses Signal wird dann in die Sammelfaser 50 gekoppelt und zur Analyse zum Spektrographen 200 geleitet.
5A bis 5F veranschaulichen das Konzept von Sammel- und Anregungskegel-Überlappung für Nicht-Abbildungs-Fasersonden. 5A zeigt eine optische Standardfaser mit Kern 10 und Mantel 15. In eine solche Faser gekoppeltes Licht (angenommen, dass der ganze Aufnahmekegel der Faser gefüllt wird) wird an der Endfläche (angenommen als flach poliert, bei 90 Grad zur Achse der Faser 17) in einem symmetrischen, divergierenden Kegel austreten. Der Winkel der Divergenz 16 wird durch die numerische Apertur (NA) der Faser selbst bestimmt.
Wenn eine solche Faser jetzt in einem Winkel poliert ist, wie in 5B gezeigt, so dass ihre Endfläche um einen bestimmten Winkel 24 (jetzt weniger als 90 Grad) zur Achse geneigt ist, verhält sie sich wie ein Prisma und der Austrittskegel ist letztlich von der Achse in Richtung der spitzeren Spitze weggeneigt. Der Austritt ist nicht mehr symmetrisch, sondern im Verhältnis zur Achse geneigt, weg vom Winkel 19 und divergiert langsamer als in einer flach polierten Faser. Dies erlaubt einen gewissen Grad der Strahlsteuerung.
Mit abnehmendem Neigungswinkel 24 (so dass die Spitze der Faser spitzer wird) wird der Zustand erreicht, wo die Strahlung nicht mehr in der Faser gehalten werden kann und durch die Seiten zu entweichen beginnt. Um sie einzudämmen, kann eine reflektierende Beschichtung 9 auf die teilweise polierte Faser wie in 5C gezeigt aufgetragen werden. Die Strahlung wird von der Beschichtung reflektiert und tritt durch die flache Facette 5 in einem noch geneigteren und abgeflachteren Kegel aus.
5D bis 5F veranschaulichen das Konzept von überlappenden Emissions- und Sammelvolumina und zeigen Wege, die Überlappung zu manipulieren. Zum Beispiel zeigt 5D eine Standardanordnung von flachem Faserbündel gleichartiger Fasern, wobei Übertragungsfaser 10 die waagrecht schraffierte Region 23 beleuchtet. Die Sammelfasern 50 sind typischerweise in einem Ring um die Übertragungsfaser angeordnet, aber der Klarheit halber sind nur die zwei Fasern unmittelbar an den Seiten der Anregungsfaser gezeigt. Die Sammelfasern haben jeweils Aufnahmekegel 34 und 42, angedeutet durch schräge Schraffierung in der Figur. Mit zunehmender Divergenz der Kegel von ihren entsprechenden Fasern beginnen sie, miteinander zu überlappen. Mehrere getrennte Regionen können beobachtet werden: eine Region mit null Überlappung mit dem Anregungskegel 23, zwei Regionen teilweiser Überlappung 54 und 61, wo ein Kegel eines der Sammelfasern den Anregungskegel schneidet, und schließlich die doppelte Überlappungsregion 91, wo sich alle drei Kegel schneiden, wie durch die dunklere Schraffierung angedeutet. Dies ist die Region, in der das erzeugte Raman-Signal am wirksamsten eingefangen wird. Es ist klar, dass diese Region in einer gewissen Entfernung von den Fasern beginnt und fortfährt, sich in Richtung der Ausbreitung der Strahlung auszudehnen. Leider wird das Signal von Interesse am wirksamsten in der Region mit der höchsten Anregungsstrahlungsdichte erzeugt, die in unmittelbarer Nähe der Anregungsfaserendfläche liegt.
5E zeigt eine Verbesserung, die durch Polieren der Sammelfasern 50 in einem Winkel, wie in der Diskussion von 5B oben beschrieben, und ihre Anordnung in einem Ring um die flach polierte Anregungsfaser 10 erzielt wird, so dass alle spitzen Enden in der zur zentralen Faser nächsten Position sind. Die Sammelkegel 34 und 42 (wieder mit schräger Schraffierung angedeutet) sind jetzt in Richtung der Achse der Anregungsfaser geneigt, was zu einer verringerten Zone von null Überlappung führt. Die anderen Einzelüberlappungszonen 54, 53, 61, 63 sind kleiner und näher an der Anregungsfaser 10 gelegen. In diesem Beispiel hat die doppelte Überlappungszone 91 ein endliches Volumen. In dieser Konfiguration wird signifikant mehr Signal von der Probe gesammelt werden, mit einer besseren Tiefenauftrennung als vorher.
5F veranschaulicht zusätzliche Verbesserung, die durch teilweises Polieren der Sammelfasern 50 in einem Winkel und Beschichten der abgeschrägten Fläche mit einer reflektierenden Oberfläche 9 erzielt wird, wie oben für 5C diskutiert. In diesem Beispiel ist die doppelte Überlappungszone kleiner als die in 5E gezeigte und näher an der Endfläche der Anregungsfaser 10 gelegen, wodurch die Quantität des erzeugten Signals erhöht wird. Die Sammelkegel 34 und 42 sind in solchen Winkeln geneigt, dass sie den Anregungskegel 23 nur über eine beschränkte Entfernung hinweg schneiden, was zu einer klar beschränkten Tiefenantwort der Sonde führt. Alle Überlappungsregionen 54, 53, 61, 63 und 91 sind kleiner als in den vorherigen, in 5D bis 5E gezeigten Fällen.
6 zeigt eine schematische Ansicht der optischen Anordnung eines Beispiels der vorliegenden Offenbarung. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Raman-Spektroskopiemessungen konfiguriert, die Designprinzipien, die dieser Konfiguration zu Grunde liegen, sind auch auf andere Messungsmodalitäten anwendbar. Manche jener Modalitäten können zum Beispiel überhaupt keine Filter oder andere Arten von Filtern erfordern. Es wird dem Fachmann klar sein, dass die Wahl von einzelnen Filtern oder anderen optischen Elementen den Umfang der Offenbarung nicht beeinflusst.
Die Anregungsstrahlung 13 wird mittels Übertragungslichtleiter (Anregungsfaser) 10 zur Sonde übertragen. Dieser Lichtleiter kann aus einer oder mehr optischen Fasern jeglichen geeigneten Typs bestehen, vorzugsweise ist sie eine multimodale Stufenindexfaser aus synthetischem Quarz. Ihr Kerndurchmesser sollte zur Übermittlung von Strahlung, die von der für die Anregung eingesetzten Quelle erzeugt wird, angemessen und im Allgemeinen zwischen 10 und 1500 μm oder jeglicher Wert dazwischen sein, zum Beispiel 10, 20, 25, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 90, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 μm oder jeglicher Wert dazwischen, mit numerischer Apertur von zwischen 0,06 und 0,53 oder jeglichem Wert dazwischen, zum Beispiel 0,06, 0,11, 0,16, 0,22, 0,26, 0,28, 0,34, 0,37, 0,39, 0,48 oder jeglicher Wert dazwischen, in solcher Kombination, dass eine erforderliche Feldgröße an der Probe erzeugt werden kann. Andere Arten von Lichtleitern, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Einzelmodusfaser, photonische Kristallfaser, aus anderen Materialien als synthetischem Quarz hergestellte Fasern und auch Bündel solcher Fasern und dergleichen können auch verwendet werden, wie durch den gewünschten Spektralgehalt der Anregung und der verwendeten Quelle diktiert; diese Alternativen sind vom Umfang der vorliegenden Offenbarung umfasst.
Der Übertragungslichtleiter 10 wird entlang der Außenseite des optischen Sammelsystems (durch die gestrichelte Linie 140 umrissen) geführt und ist geeignet geformt (z. B. 9), um den Lichtleiter in die Mitte der Sonde zu bringen, so dass er im Wesentlichen zentriert und im Wesentlichen koaxial mit der optischen Achse 130 des Sammelsystems ist. In einer Ausführungsform besteht das Verfahren zur Bildung der multimodalen Anregungsfaser darin, sie in einer Röhre mit kleinem Durchmesser einzuhüllen und in die geeignete sigmoidale Form zu biegen. Jedoch werden für den Fachmann andere Ansätze leicht ersichtlich sein, wie etwa Verwendung von einem oder mehr Faltelementen, einem oder mehr reflektierenden Elementen oder einem oder mehr Wellenleitern anstatt der gebogenen Faser.
An diesem Punkt ist der Lichtleiter 10 mit dem optischen Anregungssystem gekoppelt, das von einem optisch isolierenden röhrenförmigen Gehäuse umhüllt ist (durch gestrichelte Linie 120 umrissen). Der durch den Lichtleiter 10 übertragene Anregungsstrahl 13 divergiert und trifft auf das Kollimationselement 20. Jetzt kollimiert, durchquert es den Bandpassfilter 40, der das im Übertragungslichtleiter 10 erzeugte falsche Quarz-Raman-Signal eliminiert. Filter 40 wird empfohlen, wenn eine für Raman-Messungen konfigurierte Sonde verwendet wird, aber dieses Element kann optional sein, wenn andere Modalitäten verwendet werden, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, lichtgestreute Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Reflexionsspektroskopie, zeitbasierte Messungen (Beobachten von Signaländerung mit der Zeit) und dergleichen. Der Anregungsstrahl passiert dann ein Fokussierungselement 31 und wird zu einem Strahl fokussiert, der einen festen Winkel 28 ausfüllt und ein Feld 102 auf der Probe 100 beleuchtet. Im gezeigten Beispiel befindet sich das gesamte optische Anregungssystem 120, das in seinem optisch undurchlässigen röhrenförmigen Gehäuse 74 enthalten ist, in einer kreisförmigen Öffnung 25 von geeigneter Größe, die in dem optischen Frontelement 33 des optischen Sammelsystems 140 realisiert ist. Auf diese Weise sind die beiden Systeme optisch isoliert. Daher passiert der optische Pfad des Anregungsstrahls einen Teil des optischen Sammelpfads, ohne mit ihm zu wechselwirken.
Wie vom Fachmann erkannt würde, kann die kreisförmige Öffnung im ersten Sammelelement 33 durch viele Verarbeitungsverfahren erreicht werden, zum Beispiel aber nicht beschränkt auf, Laserverarbeitung, Ultraschallfräsen, Diamantbohren, chemisches Ätzen und andere. Ein äquivalentes Element kann auch aus zwei oder mehr Segmentteilen gebaut werden, die bei Zusammenbau eine ringförmige Komponente mit einer kreisförmigen Öffnung bilden.
Während in der gezeigten Ausführungsform der Übertragungskanal im Wesentlichen koaxial innerhalb des Sammelkanals positioniert ist, ist das kein Erfordernis. Manche Messungsmodalitäten können eine Beleuchtung abseits der Achse erfordern. In einem solchen Fall kann sich das Öffnungsloch 35 überall innerhalb der physischen Ausdehnung des ersten Sammelelements (optisches Frontelement 33) des optischen Sammelsystems befinden, und seine mechanische Achse muss nicht parallel sein zur optischen Achse des optischen Sammelsystems.
Im gezeigten Beispiel bildet die kreisförmige Öffnung 35 im ersten Sammelelement 33 ein zentrales Verdeckungsgebiet im Sammelsystem. In anderen Ausführungsformen der Offenbarung, wo die physischen Dimensionen der faseroptischen Sonde nicht kritisch sind, mag es nicht notwendig sein, die relative Größe des Verdeckungsgebiets im Verhältnis zur Gesamtfläche der Sammelelemente zu minimieren. Zum Beispiel belegt ein Loch mit 1 mm Durchmesser in einem Element mit 10 mm Durchmesser nur 1 Prozent der gesamten Fläche, mit einem vernachlässigbaren Effekt auf den Gesamtdurchsatz. Jedoch kann es bei Anwendungen, wo miniaturisierte Ausführungsformen erforderlich sind, wie etwa in-vivo-Endoskopie, praktische Begrenzungen der Dimension der Öffnung geben. Die Größe des Lochs wird durch den Durchmesser der Anregungskanalkomponenten, und insbesondere den Bandpassfilter, bestimmt.
Für endoskopische Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine Sonde zu haben, die in einen Standard-Endoskopinstrumentenkanal eingeführt werden kann, der typischerweise in der Größenordnung von 2 mm Durchmesser ist. Die tatsächliche Sonde sollte etwas kleiner sein, 1,8 mm zum Beispiel oder 1,0 mm oder 0,5 mm. Unter Berücksichtigung der Isolation zwischen den beiden Kanälen wäre das Loch, in das ein Anregungskanal mit 500 μm Durchmesser passen würde, etwa 700 μm, was zu einem Verdeckungsfaktor von 15% der gesamten Sammelfläche führen würde.
Es ist möglich, dass andere Techniken die erfolgreiche Herstellung sogar noch kleinerer Filter mit angemessener Leistung erlauben. Ultraschnelle Lasermikroverarbeitung hat viel Potenzial auf diesem Gebiet, unter anderem. Die Offenbarung hierin ist nicht an eine bestimmte Größe oder Messung gebunden.
Jetzt wird mit 6 fortfahrend eine Ausführungsform gezeigt, wobei die Anregungsstrahlung mit der Probe 100 wechselwirkt, was dazu führt, dass gestreute Photonen in alle Richtungen emittiert werden. Das Ringelement 33 sammelt das gestreute Signal zusammen mit zurückgestreuter Anregungsstrahlung aus dem festen Winkel 38 und kollimiert es. Das Signal passiert einen Anregungsabweisungsfilter 82 und wird in den Sammellichtleiter 50 fokussiert. Der Sammellichtleiter kann aus einer oder mehr optischen Fasern gleichen Typs wie die im Übertragungslichtleiter 10 eingesetzten bestehen, aber kann mehr Fasern enthalten. Diese Fasern können auch verschiedene Kerndurchmesser und numerische Aperturen haben, je nach Bedarf.
In der gezeigten Ausführungsform sind alle Kollimations- und Fokussierungselemente 20, 31, 33 und 60 achromatische Dublettlinsen. Jedoch wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass eine vergleichbare Leistung von vielen alternativen optischen Komponenten erhalten werden kann, zum Beispiel aber nicht beschränkt auf, asphärische Linsen, Balllinsen, GRIN-Linsen, diffraktive Optiken, holographische optische Elemente, gekrümmte Spiegel und dergleichen, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Zur verbesserten Leistung könnten manche der Dublettlinsen auch durch komplexere Verbundlinsen wie Tripletts oder Mikroskopobjektive ersetzt werden. Wiederum sind solche Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
In der in 6 gezeigten Ausführungsform können, da die beiden optischen Strahlenpfade isoliert sind, sie unabhängig konfiguriert werden, um ihren Durchsatz zu optimieren. Die beiden Strahlen werden an der Probe auf ein Feld 102 derselben Größe fokussiert. Jedoch kann die Winkelausdehnung der beiden Strahlen unterschiedlich sein. Im Übertragungskanal (Beleuchtungsfaser 10) können die Konstruktionsparameter des optischen Übertragungssystems 120 so gewählt werden, dass das Bild des beleuchteten Feldes 102 auf der Probe der Fläche und dem Divergenzwinkel des Übertragungslichtleiters entspricht.
Auf der Sammelseite können die Parameter des optischen Sammelsystems 140 so gewählt werden, dass das Bild des beleuchteten Feldes 102 auf der Probe der Fläche und dem Sammelwinkel des Sammelbündels entspricht.
Auch ist ersichtlich, dass die Sammeloptiken den zentralen Abschnitt des möglichen Sammelkegels nicht aufnehmen, da er durch den Übertragungskanal blockiert (zentral verdeckt) ist. Während das die Menge an gesammeltem Signal verringert, wie oben diskutiert, hindert es auch die Rayleigh-rückgestreute Anregungsstrahlung daran, in die Sammeloptik einzutreten, und beschränkt die Überlappungszone der beiden Strahlen auf ein kleines Volumen nahe dem gemeinsamen Brennpunkt.
Ein zusätzlicher Vorteil liegt bei reflektierenden Proben vor, welche bei normaler Beleuchtung einen beträchtlichen Teil der Anregungsstrahlung in Richtung Quelle zurückleiten. In der vorliegenden Ausführungsform trifft dieser zurückreflektierte Teil der Strahlung auf den Übertragungskanal und nicht auf den Sammelkanal, was das Hintergrundsignal der Sonde weiter verringert.
Eine andere Eigenschaft des zentral verdeckten Systemdesigns wie hierin beschrieben ist das Erfordernis für einen „Abstand”. Die hierin beschriebene Sonde erfordert eine bestimmte Mindestentfernung zwischen den Übertragungs- und Sammelsystemen und der Probe, da kein Signal aus der von der Verdeckung erzeugten toten Zone gesammelt werden kann. Dies ermöglicht Messungen durch Behälter oder Gefäße, wo Signal nur von der Probe in einer bestimmten Entfernung aufgenommen wird, während die Verpackung oder der Behälter für die Sonde im Wesentlichen unsichtbar bleiben.
Es sollte auch bemerkt werden, dass, weil die zentrale Verdeckung und die gebogene Faserröhre im Pupillenraum der Sammeloptik platziert werden, sie keine scharfen Bilder an der Eintrittsfläche des Sammellichtleiters bilden, sondern eher den das Bündel erreichenden Gesamtfluss verringern. Dies führt zu einer gleichmäßigen Beleuchtung über den Sammellichtleiter hinweg, der dann den Eintrittsschlitz des Spektrographen gleichmäßig beleuchten kann.
Die optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle kann in einem Längsloch durch die Frontkomponente des zweiten optischen (Sammel-)Systems angeordnet sein, wobei die zentrale Achse des Lochs im Wesentlichen kolinear mit der zentralen Achse des zweiten optischen Systems ist und das distale Ende der optisch undurchlässigen röhrenförmigen Hülle im Wesentlichen mit der Frontoberfläche der Frontkomponente zusammenfällt, so dass die optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle die Hinterkomponente des zweiten optischen Systems teilweise verdeckt, so dass der Teil des Beleuchtungsstrahls, der spiegelnd von der Probe reflektiert wird, in das erste optische (Übertragungs-)System zurückreist und nicht von dem zweiten optischen System gesammelt wird, was die Hintergrundsignatur der Sonde weiter verringert.
Die Sonde kann weiter ein optisch transparentes Fensterelement mit einer zentralen Achse und einer Dicke umfassen, angeordnet zwischen dem optischen Frontelement des optischen Sammel-, Übertragungs- oder sowohl Sammel- als auch Übertragungssystems und der Probe, zur Isolierung des Sondenkörpers von der Probe.
Wie dem Fachmann offensichtlich wäre, kann das oben beschriebene Design der optischen Sonde für bestimmte Zwecke und Anwendungen verwendet werden, um spektrale Information aus einer Probe zu bestimmen. Zum Beispiel kann die Sonde zur Verwendung in industriellen Anwendungen angepasst sein, wie In-Line-Prozesskontrolle. Sie könnte auch an Anwendungen in feindlichen oder gefährlichen Umgebungen angepasst sein, die unwirtliche Bedingungen, Strahlung, giftige Chemikalien und infektiöse Agenzien enthalten. Sie könnte auch zur Verwendung in beengten Räumen wie etwa in-vivo-Endoskopie oder Katheterverwendung für medizinische diagnostische Anwendungen angepasst sein.
Das in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Design der optischen Sonde kann auch für Anwendungen angepasst sein, die andere Arten von Lichtmessungen betreffen, die mit Streulicht verbunden sind, wie etwa Fluoreszenz oder Reflexionsmessungen. Fachanwender auf den relevanten Gebieten könnten einfach die Anregungslichtquelle und die optischen Filter der vorliegenden Ausführungsform austauschen, um jene anderen Modalitäten zu erreichen.
Im in 7 gezeigten Beispiel umfasst ein optisches Übertragungssystem eine Anregungsfaser 10, zum Beispiel Stufenindexfaser mit einem 100 μm Kern, 120 μm Mantel und ultra-wenig OH^–, entworfen zur Übermittlung in der sichtbaren und nah-infraroten Spektrenregion. Um den Rest der Sonde vor der in ihrem Inneren propagierenden Anregungsstrahlung abzuschirmen, wird die Faser über die gesamte Sonde hinweg von schwarzem Polymer ummantelt und von einer rostfreien Stahlröhre 5 mit kleinem Durchmesser von ungefähr 300 μm Durchmesser über die letzten 10–15 mm innerhalb des Sondenkörpers 4 umhüllt. Die Röhre 5, die die Anregungsfaser 10 enthält, ist in eine sigmoidale Form gebogen, mit sanften Biegungen, die den Krümmungsradius der Faser im Inneren respektieren. Der dickere Mantel der Faser (120 μm) verringert die Biegungsverluste der Anregungsfaser. Mit dieser Konfiguration kann Übertragung von über 85% der einfallenden Anregungsstrahlung erreicht werden. Die Röhre 5 endet mit einer kleinen Hülse 3, die die Faser 10 in der optischen Achse des optischen Übertragungssystems zentriert.
Das optische Übertragungssystem wie im Beispiel von 7 gezeigt umfasst eine Gradientenindex-(GRIN)-Linse 24, die ausgewählt ist, die Anregungsstrahlung auszudehnen und im Wesentlichen zu kollimieren, wodurch sie einen Strahl mit ungefähr 600 μm Durchmesser produziert, kombiniert mit einem Dielektrikumstapel-Laserlinien-Bandpassfilter 40. Die Filterkomponente kann ausgewählt sein, um 785 nm Anregungswellenlänge effektiv zu säubern und zu einem Durchmesser von ungefähr 1 mm verarbeitet sein. Sie wird so montiert, dass die Filteroberfläche zur GRIN-Linse blickt, wobei ein kleiner Luftspalt beide trennt. Die zwei Komponenten werden in einer Stahlröhre 74 mit ungefähr 1,27 mm Durchmesser und 6 mm Länge zusammen verpackt, die zugleich als strukturelle Unterstützung für das optische Anregungssystem und als ein optischer Isolator zwischen den Sammel- und Anregungskanälen dient. Die Anordnung von Anregungsfaser 40, Röhre 5 und Hülse 3 wird in die Röhre 74 eingeführt und an der hinteren Fläche der GRIN-Linse 24 befestigt.
Die gesamte Anregungskanalanordnung wird in der Öffnung 35 der vorderen Sammellinse 30 platziert und fixiert, so dass ihre Frontoberflächen zusammenfallen. Die ringförmige Sammellinse 30 ist zum Beispiel 3 mm im Durchmesser mit einem Loch von 1,27 mm Durchmesser durch sie hindurch. Daher verdeckt der Anregungskanal beinahe 18 Prozent ihrer Fläche. Auf diese Weise angeordnet überlappen die zwei Strahlen bei ungefähr 4,3 mm von der Sondenoberfläche und bilden ein Feld 102 mit einem Durchmesser von ungefähr 600 μm.
Der Platz, der erforderlich ist, damit die gebogene Anregungsfaser den Sammelkanal verlassen kann, wird durch einen Abstandshalter 73 erzeugt, der zwischen die Sammellinse 30 und den auf Substrat 83 angebrachten Rayleigh-Abweisungsfilter (Anregungsabweisungsfilter) 82 eingeführt wird. Dieser Abstandshalter 76 ist längs geschlitzt, wobei die Anregungsfaserröhre 5 längs durch ihn hindurch platziert ist. Auf diese Weise erhöht die Röhre den Gesamtdurchmesser der Sonde nicht. Das jetzt gefilterte Signal, das nur nützliche Raman-Signatur enthält, wird durch eine Fokussierungslinse 60 auf die distale Endfläche 55 des Sammellichtleiters (Sammelfaser) 50 fokussiert.
In dieser Ausführungsform sind die zwei Linsen im Sammelpfad (30 und 60) im Wesentlichen identisch, mit Ausnahme des kreisförmigen Lochs, das in der Mitte von einer von ihnen (30) realisiert ist. Daher führt das Sammelsystem 1-zu-1-Abbildung des Feldes auf der Probe auf die distale Endfläche 55 des Sammelbündels durch. Das Sammelbündel besteht aus 19 110-μm-Fasern mit 100 μm Kern, die dicht in eine kreisförmige Öffnung mit ungefähr 600 μm Durchmesser gepackt sind, was der Feldgröße auf der Probe entspricht.
Die am häufigsten verwendeten optischen Fasern sind von zylindrischer Form mit runden Querschnitten, und die vorteilhafteste Weise, eine Vielzahl von solchen Fasern anzuordnen, ist in einem Bündel, das aus hexagonal gepackten Fasern besteht, was die Verluste an Totraum zwischen den einzelnen Fasern minimiert. In den letzten Jahren sind optische Fasern mit nichtkreisförmigem Querschnitt hergestellt worden. Zusätzliche Gewinne an Effizienz können realisiert werden, wenn kreisförmige Fasern des Sammelbündels durch quadratische, sechseckige oder achteckige Fasern ersetzt werden.
Der Sammellichtleiter wird in einer Stahlhülse 76 gehalten, die am Hauptgehäuse 4 befestigt ist. In diesem Beispiel hat die Sondenspitze ungefähr 4 mm Durchmesser und etwa 35 mm Länge.
Am distalen Ende der Sonde, am Eingang zum Spektrographen, können die 19 Sammelfasern zu einer linearen Anordnung mit ungefähr 2,3 mm Höhe und 100 μm Breite umgeordnet werden.
Die Komponenten für beide optischen Systeme werden so ausgewählt, dass optische Standardtechniken der Linsenzylinderanordnung verwendet werden können, in denen die Linsen, Filter und Abstandhalter einfach in der passenden Reihenfolge in die Hüllen gesenkt werden und durch Klebstoff an Ort und Stelle gehalten werden. Optisch undurchlässige Klebstoffe werden in der gesamten Anordnung, wo nötig, verwendet.
8A bis 8C zeigen mehrere alternative Ausführungsformen des optischen Anregungssystems. Der Klarheit halber ist der gebogene Abschnitt der Übertragungsfaser nicht angegeben. 8A veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Anregungsstrahlung durch Faser 10 übertragen wird. Nach Austritt aus der Faser divergiert sie und trifft auf Linse 20, die den Strahl im Wesentlichen kollimiert. Sie passiert dann den Bandpassfilter 40 und wird durch Linse 23 auf die Probe fokussiert. Durch Variieren der Parameter der zwei Linsen 20 und 23 können je nach Erfordernis verschiedene Vergrößerungsverhältnisse und Feldgrößen erreicht werden.
8B veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, wie in der in 6 beschriebenen Ausführungsform verwendet. In diesem Fall wird die Kollimationslinse 20 (von 6) durch eine geeignet ausgewählte Viertelperioden-GRIN-Linse 26 ersetzt. Dieser Komponententyp ist besonders geeignet für miniaturisierte Sonden, da seine zylindrische Form Aufbau und Ausrichtung vereinfacht. Die GRIN-Linse 26 erzeugt im Wesentlichen kollimierten Strahl, der dann den Bandpassfilter 40 passiert und zur Probe 100 weiterläuft, was zu einer Feldgröße von ungefähr 500 μm führt.
8C veranschaulicht eine fokussierte Version der Anordnung von in 8B verwendeten Komponenten, wo der durch die GRIN-Linse 26 erzeugte kollimierte Strahl durch Fokussierungslinse 23 auf die Probe refokussiert wird. Es wird Fachleuten auf den betreffenden Gebieten klar sein, dass andere Kombinationen von Refraktionslinsen, GRIN-Linsen oder anderen geeigneten optischen Komponenten eingesetzt werden können, um dieselbe Funktion innerhalb des Anregungskanals zu erreichen.
9A bis 9C demonstrieren das Prinzip von Étendue, wie es auf die vorliegende Offenbarung anwendbar ist, und veranschaulichen, wie Parameter der optischen Anregungs- und Sammelsysteme unabhängig ausgewählt werden können, um den Gesamtsystemdurchsatz zu optimieren.
9A zeigt eine schematische Darstellung eines willkürlichen optischen Systems 900, das ein Objekt 921 mit Fläche S₁ auf ein Bild 922 mit Fläche S₂ abbildet. Wie durch das optische System gesehen, spannt das Objekt einen festen Winkel 911 auf, angegeben durch Ω₁, und das Bild spannt einen festen Winkel 912 auf, angegeben durch Ω₂. Étendue, die die Lichtsammelfähigkeit dieses optischen Systems repräsentiert, ist das Produkt der Objektfläche und des festen Winkels. In einem perfekten optischen System sollte Étendue des Bildes identisch zu Étendue der Quelle sein, wie durch Gleichung 950 angegeben. In der Praxis wird die Étendue eines aus multiplen Komponenten bestehenden komplexen optischen Systems auf die Komponente mit der niedrigsten Étendue beschränkt.
9B zeigt eine schematische Darstellung eines spezifischen optischen Systems 902, gekennzeichnet dadurch, dass es ein Objekt 921 auf ein Bild 922 mit Einheitsvergrößerung abbildet. In diesem Beispiel sind die festen Winkel Ω₁ und Ω₂ wie auch Flächen S₁ und S₂ gleich, wie durch Gleichungen 960 gezeigt. In diesem besonderen System sind Arbeitsweite 931 l₁ und Bildweite 932 l₂ ebenfalls gleich.
9C zeigt, wie optische Systemparameter (Brennweite, Objektgröße, Vergrößerung, Arbeitsweite) ausgewählt werden können, um zu einer bestimmten Anwendung zu passen. Ein Objekt 921 hat eine bestimmte Fläche S₁ und ein Empfänger 908 hat eine bestimmte Fläche 922 S₂ und Aufnahmewinkel Θ₂, der einem festen Sammelwinkel 912 Ω₂ entspricht. Um Étendue zu erhalten, kann das optische System 904 dann mit einem festen Sammelwinkel 911 Ω₁ entworfen werden, der durch Gleichungen 970 definiert ist. Das Erfüllen dieser Gleichungen definiert die anderen Systemparameter, wie Vergrößerung oder Brennweite.
Als ein Beispiel kann das optische System so konfiguriert werden, dass das am Empfänger 908 erzeugte Bild eine Fläche S₂ hat, die genau das Vierfache der Objektfläche S₁ ist. Das bedeutet, dass der feste Sammelwinkel des Bildes Ω₂ ¼ des festen Winkels des Objekts Ω₁ sein wird. Ein Weg, das zu erreichen, ist die Verkürzung der Entfernung l₁ zwischen dem Objekt und dem optischen System, wie in 9C gezeigt. In diesem besonderen Fall wäre die Entfernung l₁ die Hälfte der Entfernung l₂ zwischen dem optischen System und dem Empfänger.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sowohl die Anregungs- als auch die Sammelkanäle unabhängige getrennte optische Systeme aufweisen, von denen jedes unabhängig konfiguriert werden kann, um in einer gegebenen Anwendung optimal zu funktionieren.
10A bis 10C zeigen mehrere verschiedene mögliche Realisierungen der Kopplung des Sammellichtleiters in den Eintrittsschlitz einer Lichtmessvorrichtung, typischerweise eines Dispersionsspektrographen. Ein in einem optisch undurchlässigen Substrat realisierter schmaler Eintrittsschlitz ist typischerweise in der Richtung senkrecht zur Dispersionsachse des Spektrographen angeordnet. Der Spektrograph bildet ein Bild des Eintrittsschlitzes für jede vorliegende Wellenlänge. Die Überlagerung all dieser Bilder führt zu einem Spektrum in der Bildebene des Spektrographen, wo es durch einen geeigneten Detektor aufgezeichnet werden kann. Die Breite des Schlitzes beeinflusst die spektrale Auflösung des Spektrographen – je schmaler der Schlitz, desto höher die Auflösung. Jedoch verringert Verschmälern des Schlitzes die Menge des Lichts, das die Bildebene erreicht.
10A zeigt ein Beispiel, wo der Sammellichtleiter aus einer einzelnen optischen Großkernfaser 116 mit einem Kern 112 von Durchmesser d 130 besteht, der mit einem rechteckigen Schlitz 110 von Breite w 120 in Kontakt steht. Der Durchmesser der Faser ist größer als die Breite des Schlitzes, was dazu führt, dass die diagonal schraffierten Regionen des Faserkerns vom Schlitz blockiert werden. Nur Strahlung aus der waagrecht schraffierten Region 114 kann tatsächlich in den Spektrographen eintreten, was zu einer ineffizienten Kopplung des gesammelten Lichts in den Spektrographen führt.
Ersetzen der einzelnen Großkernfaser durch mehrere Fasern mit kleinerem Kern ist in 10B gezeigt. In diesem Fall ist die Kopplungseffizienz vergleichbar zu der in 10A beschriebenen Situation. Nur manche der Kerne, angezeigt durch waagrechte Schraffierung innerhalb der Region 114, überlappen mit dem Schlitz 110 und werden in den Spektrographen gekoppelt.
10C zeigt einen alternativen Weg, Strahlung aus einem Sammelleiter zu koppeln, der aus einer Vielzahl von optischen Fasern 50 mit Kerndurchmesser d 130 besteht. Der Faserdurchmesser d wird so ausgewählt, dass er der Breite w 120 des Schlitzes 110 eng angepasst ist. Die Fasern des Sammelbündels sind in einer dicht gepackten linearen Anordnung angeordnet, deren längere Richtung an der Länge des Schlitzes ausgerichtet ist. In dieser Anordnung kann Strahlung aus allen Kernen den Schlitz passieren und wird effizient in den Spektrographen gekoppelt, vorausgesetzt, dass die numerische Apertur der optischen Fasern zur numerischen Apertur des Spektrographen passt.
Fortfahrend nun mit 12A, die ein nicht beschränkendes Beispiel einer effizienten Kopplung von durch einen Sammellichtleiter gesammelter Strahlung in einen Spektrographen zeigt, wobei der Sammellichtleiter 50 aus einer Vielzahl von gleichen individuellen Fasern besteht, die in einem dicht gepackten hexagonalen Bündel angeordnet sind. In einem solchen Bündel können konzentrische Ringe von Fasern identifiziert werden, wobei die zentrale Faser 521 durch die Ziffer 1 identifiziert wird, umgeben von 6 Fasern des zweiten Ringes 541, identifiziert durch die Ziffern 2 bis 7, 12 Fasern des dritten Ringes 561, identifiziert durch die Ziffern 8 bis n, und so weiter. Die Zahl m der in dem Sammellichtleiter vorhandenen Fasern ist typischerweise ein Kompromiss zwischen der diagonalen Größe des Bildes, das durch das optische Sammelsystem der Sonde erzeugt wird, und der Höhe des Eintrittsschlitzes des Spektrographen, welche wiederum mit dem verwendeten Detektor zusammenhängt.
Am proximalen Ende des Sammellichtleiters wird das Bündel von Fasern 50 in eine dicht gepackte lineare Anordnung 601 umgeordnet. Zusätzlich werden die einzelnen Fasern durch einen Kartierungsprozess 301 von dem runden Bündel zu der linearen Anordnung kartiert, so dass Fasern aus aufeinanderfolgenden Ringen in am distalen Ende in einer geordneten Reihenfolge nebeneinander platziert werden. So wird die zentrale Faser 521 an einem Ende der Anordnung bei 152 platziert, gefolgt von Fasern 2, 3, ..., 7 des ersten Ringes 541, angegeben als die Region 154, gefolgt von Fasern 8 bis n (des zweiten Ringes 561), angegeben als die Region 156, und so weiter hinauf bis Faser m an der rechten Seite der Anordnung.
Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass die Fasern, die am distalen Ende des Lichtleiters nahe zueinander platziert sind, auch am proximalen Ende nahe beieinander liegen. So wird Querrauschen zwischen Fasern, die Strahlung aus verschiedenen Regionen des vom optischen Sammelsystem gebildeten Bildes sammeln, minimiert.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass Kenntnis der Kartierungsordnung 301 eine ungefähre Rekonstruktion des von der Sonde betrachteten Feldes auf der Probe ermöglicht und der Sonde so einige Abbildungsfähigkeiten verleiht, die nur durch die Anzahl der eingesetzten einzelnen Fasern beschränkt ist.
12B zeigt eine alternative Anordnung, in der die einzelnen Fasern am distalen Ende des Sammelbündels 50 in einer dicht gepackten rechteckigen Anordnung von m × n Fasern angeordnet sind. Die ersten n Fasern, angegeben durch Ziffern 1 bis n, werden in der Spalte ganz links 522 in der Anordnung angeordnet, mit den zweiten n Fasern, angegeben durch Ziffern 2l bis 2n, in einer Spalte 542 unmittelbar rechts davon, und so weiter bis zu der ganz rechten, m-ten Spalte 582, die Fasern ml bis mit enthält. Die Fasern werden wieder am proximalen Ende durch einen Kartierungsprozess 302 umgeordnet, so dass die Fasern jeder Spalte aufeinanderfolgend in der linearen Anordnung 602 angeordnet sind, mit den ersten n Fasern aus der Spalte 522 jetzt im Segment ganz links 152 der Anordnung, den zweiten n Fasern aus der Spalte 542 im benachbarten Segment 154, und so weiter, bis zu den letzten n Fasern aus der Spalte 582 im mten Segment 158 rechts angeordnet sind.
Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft für Fasern mit quadratischer oder rechteckiger Geometrie, wo effizientere Verpackung mit beinahe keinen Hohlräumen zwischen den Fasern erreicht werden kann. Jedoch gibt es sogar für aus einer Vielzahl von kreisförmigen Fasern bestehende Bündel einen Vorteil, da das gemessene Feld der Probe jetzt rechteckig ist, was die Bildrekonstruktion einfacher macht.
Fortfahrend nun mit 13A bis 13D, die mehrere alternative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen, die an verschiedene Anwendungen angepasst werden können. Der Einfachheit halber zeigen alle Figuren schematische Ansichten der verschiedenen Ausführungsformen, wobei gleiche Elemente auf gleiche Art bezeichnet sind. Das optische Sammelsystem 140a und optische Übertragungssystem 120a werden auf eine vereinfachte Art als getrennte Volumina dargestellt, wobei das Anregungssystem voll im Sammelsystem enthalten, aber von ihm getrennt ist. Vom Sammelsystem gesammelte Strahlung wird zu einem fokussierten Strahl (Sammelstrahl) 56 geformt, der auf den Sammellichtleiter 50 trifft.
13A zeigt eine schematische Ansicht der in 6 und 7 oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform. Der Anregungsstrahl 28 tritt aus dem optischen Übertragungssystem 120a aus und wird auf ein Feld 102 auf der Probe 100 fokussiert. Dieses Feld entspricht der Objektgröße des optischen Sammelsystems 140a bei einem Abstand 160d. Die zurückgestreute Strahlung von der Probe bildet einen Strahl 38, der dem festen Sammelwinkel des Sammelsystems entspricht. Diese Strahlung wird in einen Sammelstrahl 56 formatiert und auf den Sammellichtleiter 50 fokussiert. Diese Konfiguration ist gut angepasst für Messungen von stark streuenden, lichtabsorbierenden Proben wie etwa kleinen Partikeln von Feststoffen, Pillen, Tropfen undurchsichtiger Flüssigkeiten und vielen anderen.
13B zeigt eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform, die für die Messung von Proben vorteilhaft ist, die engen Kontakt zur Sonde erfordern. Der Abstand d 160 wird in dieser Ausführungsform durch Zugabe eines optisch transparenten Fensters 77 in der Front der Sonde verringert. Der Anregungsstrahl 28 wird dann auf ein Feld 102 gerade jenseits der äußeren Oberfläche des Fensters fokussiert. Das Fenster trägt nicht zum Hintergrundsignal der Sonde bei, weil es im Schatten des optischen Übertragungssystems platziert ist und jegliche Oberflächenreflexionen vom Fenster wieder in den Übertragungskanal selbst zurückkehren. Diese Ausführungsform funktioniert gut bei pulverförmigen festen Proben und biologischen Geweben wie Haut, Knochen und anderen.
13C zeigt eine schematische Ansicht eines anderen Beispiels, das zur Messung von schwach streuenden Proben wie optisch klaren Flüssigkeiten und Gasen vorteilhaft ist. Das optische Übertragungssystem 120a ist konstruiert, einen im Wesentlichen kollimierten Anregungsstrahl 28 zu erzeugen. Das optische Sammelsystem 140a ist konfiguriert, eine lange Arbeitsweite zu haben, so dass die Anregungs- und Sammelvolumina über eine beträchtliche Pfadlänge durch eine niedrig streuende Probe 100 überlappen. Dieses Überlappungsvolumen wird durch die diagonal schraffierte Region 106 veranschaulicht. Über die Region 106 hinweg erzeugte zurückgestreute Strahlung wird durch das optische Sammelsystem 140a gesammelt.
13D zeigt eine schematische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform, in der das optische Übertragungssystem 120a konstruiert ist, einen langsam divergierenden Anregungsstrahl 28 zu erzeugen. Das optische Sammelsystem 140a ist afokal konfiguriert und ist so in der Lage, Strahlung aus einem unendlichen Kegel vor der Sonde zu sammeln. Die Anregungs- 28 und Sammel- 38 Strahlen überlappen über einen großen Fleck 102 auf der Oberfläche der Probe 100. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich für Proben, die nur Anregungslicht niedriger Intensität ausgesetzt werden können, um Schäden zu vermeiden, wie lebende Gewebe und empfindliche chemische Verbindungen.
Die gegenwärtig erhältlichen typischen Detektoren haben Höhen von grob 3, 6, 12 und 25 mm, zum Beispiel. Typische Durchmesser für die Optik im optischen Übertragungssystem wären 125, 250, 500, 1000, 1800, 2500 Mikrons, und jeglicher Wert dazwischen. Die entsprechenden Lochdurchmesser in der ersten Linse des optischen Sammelsystems wären ungefähr 250, 350, 700, 1250, 2100, 3000 Mikrons, und jeglicher Wert dazwischen. Typische Kern-/Mantel-Durchmesser für die Anregungsfasern wären 25/125, 50/125, 100/120, 200/240, 300/330, 400/440 für multimodale Fasern. Typische Kern-/Mantel-Durchmesser für die Sammelfasern wären 25/30, 35/42, 50/60, 100/110, 200/220, 300/330, 400/440 und 600/660. Typische numerische Aperturen für sowohl Sammel- als auch Anregungsfasern wären 0,06, 0,10–0,12, 0,16, 0,22, 0,26–0,28, 0,34, 0,37–0,39, 0,48, 0,53 und jeglicher Wert dazwischen. Typische Durchmesser für die optischen Komponenten im optischen Sammelsystem wären 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10,0, 12,7, 20, 25, 38, 50 mm, und jeglicher Wert dazwischen.
Es wird dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet klar sein, dass die in 13A–D veranschaulichten Ausführungsformen nur manche der möglichen Sondenkonfigurationen sind. Andere Ausführungsformen, geeignet für bestimmte Messungsanforderungen, können basierend auf den in dieser Offenbarung beschriebenen Prinzipien erzeugt werden, ohne ihren Umfang zu verlassen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein spektroskopisches Messsystem bereit, umfassend
eine faseroptische Sondenanordnung umfassend ein Gehäuse zum Beherbergen eines ersten optischen Systems und eines zweiten optischen Systems, einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zur Übertragung von Anregungsstrahlung von einer Strahlenquelle, die am proximalen Ende des Lichtleiters angeordnet ist, auf das erste optische System, das erste optische System umfassend ein oder mehr als ein optisches Element, das eine oder mehr als eine erste optische Element zur Bildung eines im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahls aus der Anregungsstrahlung, eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle, die am ersten optischen System angebracht ist, um das erste optische System und den Lichtleiter vom zweiten optischen System zu isolieren, so dass die durch den Lichtleiter übertragene Anregungsstrahlung durch eine Austrittsfläche des ersten optischen Systems austritt, das zweite optische System umfassend ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von von einer Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl, einen Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser zur Aufnahme des Sammelstrahls und Übertragung des Sammelstrahls an einen Analysator;
die Strahlungsquelle in optischer Kommunikation mit dem proximalen Ende des Übertragungslichtleiters,
der Analysator umfassend einen Spektrographen mit einer Eintrittsöffnung und einem Strahlungsdetektor, die Eintrittsöffnung angeordnet in einer Objektebene des Spektrographen und gekoppelt an das proximale Ende des Sammellichtleiters, der Strahlungsdetektor angeordnet in einer Bildebene des Spektrographen.
Alle Zitate sind hiermit mittels Verweis eingegliedert.
Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf eine oder mehr Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch wird es Fachleuten ersichtlich sein, dass eine Anzahl von Variationen und Modifikationen gemacht werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung wie in den Ansprüchen definiert abzuweichen.

Claims

Faseroptische Sondenanordnung umfassend, ein Gehäuse zum Beherbergen eines ersten optischen Systems und eines zweiten optischen Systems, einen Übertragungslichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Übertragungsfaser zum Übermitteln von Anregungsstrahlung von einer an einem proximalen Ende des Lichtleiters angeordneten Strahlungsquelle an das erste optische System, das erste optische System umfassend ein oder mehr als ein erstes optisches Element, das eine oder mehr als eine erste optische Element zur Bildung eines im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungsstrahls aus der Anregungsstrahlung, eine optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle, die über dem ersten optischen System angeordnet ist, um das erste optische System und den Übertragungslichtleiter vom zweiten optischen System optisch zu isolieren, so dass die vom Übertragungslichtleiter übermittelte Anregungsstrahlung durch eine Austrittsfläche des ersten optischen Systems austritt, das zweite optische System umfassend ein oder mehr als ein zweites optisches Element zum Sammeln von von einer Probe gestreuter optischer Strahlung und Formen der optischen Strahlung zu einem Sammelstrahl, einen Sammellichtleiter umfassend eine oder mehr als eine optische Sammelfaser zur Aufnahme des Sammelstrahls und Übermittlung des Sammelstrahls an einen Analysator, die ersten und zweiten optischen Systeme sind im Gehäuse angeordnet, so dass ein Emissionskegel des ersten optischen Systems und ein Aufnahmekegel des zweiten optischen Systems im Wesentlichen überlappen.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei das eine oder mehr als eine zweite optische Element ein optisches Kollimationselement zur Kollimation des Sammelstrahls, um einen kollimierten Strahl zu erzeugen, und ein optisches Fokussierungselement, um kollimierten Strahl in den Sammellichtleiter zu fokussieren, umfasst.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 2, wobei das eine oder mehr zweite optische Element weiter ein oder mehr als ein Filterelement umfasst, das zwischen dem optischen Kollimationselement und dem optischen Fokussierungselement angeordnet ist.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei die optisch undurchlässige röhrenförmige Hülle den Übertragungslichtleiter von einer zentralen Achse des ersten optischen Systems zu einer äußeren Peripherie des zweiten optischen Systems leitet und unterstützt.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei das eine oder mehr als eine erste optische Element ein optisches Kollimationselement zur Kollimation der Anregungsstrahlung, um einen kollimierten Beleuchtungsstrahl zu erzeugen, und ein optisches Fokussierungselement zur Fokussierung des kollimierten Beleuchtungsstrahls umfasst.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 5, wobei das eine oder mehr erste optische Element weiter ein oder mehr als ein Filterelement umfasst, das zwischen dem optischen Kollimationselement und dem optischen Fokussierungselement angeordnet ist.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei das eine oder mehr als eine erste optische Element des ersten optischen Systems ausgewählt ist aus einer optischen Refraktionslinse und einer optischen Gradientenindexlinse.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, weiter umfassend ein optisch transparentes Fensterelement angeordnet an einer Probenfläche des zweiten optischen Systems, das Fensterelement empfängt die von der Probe gestreute optische Strahlung und isoliert die faseroptische Sonde von der Probe.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei jener Übertragungslichtleiter aus einer optischen Einzelmodusfaser mit einer Grenzwellenlänge, die für die eingesetzte Anregungsstrahlung geeignet ist, besteht;
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei der Übertragungslichtleiter, der Sammellichtleiter oder sowohl der Übertragungslichtleiter als auch der Sammellichtleiter aus einer optischen Multimodusfaser besteht.
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, wobei der Sammellichtleiter aus einer Vielzahl von optischen Multimodusfasern besteht, die in einem parallelen Bündel angeordnet sind;
Die faseroptische Sonde aus Anspruch 1, weiter umfassend einen festen Abschluss an einem proximalen Ende des Sammellichtleiters, wobei individuelle optische Fasern des Sammellichtleiters in einer linearen Anordnung Seite an Seite angeordnet sind, um in die Analysevorrichtung zu koppeln.
Ein spektroskopisches Messsystem umfassend: eine faseroptische Sonde aus Anspruch 1; die Strahlungsquelle in optischer Kommunikation mit dem proximalen Ende des Übertragungslichtleiters, der Analysator umfassend einen Spektrographen mit einer Eintrittsöffnung und einem Strahlungsdetektor, die Eintrittsöffnung angeordnet in einer Objektebene des Spektrographen und gekoppelt an das proximale Ende des Sammellichtleiters, der Strahlungsdetektor angeordnet in einer Bildebene des Spektrographen.
Das spektroskopische Messsystem aus Anspruch 13, wobei die Eintrittsöffnung rechteckig und in einer Dimension gestreckt ist.
Das spektroskopische Messsystem aus Anspruch 13, wobei der Sammellichtleiter aus einer Vielzahl von gleichen optischen Fasern besteht, angeordnet in einem dicht hexagonal gepackten kreisförmigen Bündel an einem distalen Ende des Sammellichtleiters und in einer dicht gepackten linearen Anordnung am proximalen Ende des Sammellichtleiters.
Das spektroskopische Messsystem aus Anspruch 13, weiter umfassend ein optisch transparentes Fenster, das an einer Probenfläche des faseroptischen Sondenkörpers positioniert ist
Das spektroskopische Messsystem aus Anspruch 13, wobei eine numerische Eingangsapertur des zweiten optischen Systems niedrig ist, um eine Überlappung eines vom kollimierten Beleuchtungsstrahl des ersten optischen Systems erzeugten Beleuchtungsvolumens und eines Sammelvolumens des zweiten optischen Systems zu erzeugen, die für Messungen von schwach streuenden Proben geeignet ist.