JP2014533830A - 測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

測定システム（５）は、放射源（１０）及び検出システム（１５）を備え、放射源は、この放射源からの放射線が試料（２５）上に入射するように配置されている又は配置可能であり、検出システムは、試料を介して放射線の少なくとも一部分を受けるように構成されており、このシステムは、試料の少なくとも一部分を通過した後で、放射線が試料を通過する経路長及び／又は放射線が入射する少なくとも１つの表面の反射率を変えるように再構成可能である。試料の特性は、第１及び第２の測定値に少なくとも基いて決定され得る。

Description

本発明は測定装置及び方法に関する。具体的には、例えば、微粉末懸濁液及び／又は組織懸濁液の形態であり得る試料のバルク光学的特性の評価、及び／又は、モニタするための光学測定装置及び方法に関する。

医薬、食品、及び農業製品、化粧品、塗料及び染料、医療診断並びに環境制御などの業界において、近赤外線分光法及び他の光学的解析技術は、プロセスコントロール及び品質モニタリングなどの用途で一般に使用される。

このような用途で使用される装置としては、単一の測定値を作成するために作られた分光計が挙げられる。このような装置は、透過モードで動作可能なシステム又は反射モードで動作するシステムを含むことができる。

このような測定で使用される装置の例は米国特許第７，８６９，０４９号に記述されており、この特許は、試料から散乱する拡散光の一部分を阻止するために、試料の前で移動する光遮蔽スライダと併せて積分球を使用することについて説明する。スライダが定位置にある状態での拡散反射の測定値を、定位置にあるべきスライダがない拡散反射の測定値から差し引くことにより、光遮蔽スライダにより阻止される面積に対する試料の反射率を求めることができる。

米国特許第４，１８６，８３８号は、積分球内及びその外側で試料の測定値を別々に取得することにより試料の光学特性を測定する装置を記述している。

英国特許第１４３９１６５号は、測定値を第１及び第２の波長で取得することにより基準の反射に対する粉末試料の反射を測定することによって粉末の光学特性を決定することについて記述している。

このような測定データを解析するために、しばしば、経験的な方法を使用することによりソフトウェアツールを使用してもよい。これらの方法は、粉末及び懸濁液に対するよりも液体に対してよく機能する。更には、このような解析から、より広範囲の情報を抽出することが望ましい。

本発明の少なくとも１つの実施形態の少なくとも１つの目的は、試料の光学特性を決定するための改善された方法又は装置を提供することである。

米国特許第７，８６９，０４９号明細書 米国特許第４，１８６，８３８号明細書 英国特許第１４３９１６５号明細書

Ｓｉｒｉｔａ，Ｊ，；Ｐｈａｎｉｃｈｐｈａｎｔ，Ｓ，；Ｍｅｕｎｌｅｒ，ＦＣ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２００７，７９，３９１２−３９１８． Ｔｈｅｎｎａｄｉｌ，Ｓ．Ｈ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａａ−Ｏｐｔｉｃｓ ｉｍａｇｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｖｉｓｉｏｎ ２００８，．２５，１４８０−１４８５ Ｓｔｅｐｏｎａｖｉｃｉｕｓ，Ｒ．；Ｔｈｅｎｎａｄｉｌ，Ｓ．Ｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２０１１，８３，１９３１ Ｓｔｅｐｏｎａｖｉｃｉｕｓ，Ｒ．；Ｔｈｅｎｎａｄ！ｉ，Ｓ．Ｎ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２００９．８１，７７１３−７７２３ Ｂｏｈｒｅｎ，．Ｃ．Ｈ，；Ｈｕｆｆｍａｎ，Ｄ．Ｒ．Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｇｈｔｂｙｓｍ ａｌｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ

本発明の第１の態様によると、発明は、放射源及び検出システムを備える測定システムであって、放射源は、放射源からの放射線が試料、及び／又は、試料ホルダ上に入射するように配置される。検出システムは、試料及び／又は試料ホルダを介して放射線の少なくとも一部分を受けるように構成されるか、又は、構成可能である。システムは、試料の少なくとも一部分を通過した後で、放射線が試料を通過する経路長、及び／又は、放射線が入射する少なくとも１つの表面の反射率を変えるように再構成可能である。

測定システムは試料ホルダを備え、これは試料を受け入れるように構成され得る。測定システムは、放射源からの放射線の少なくとも一部分が、試料の少なくとも一部分を通過するように構成されてもよい。

放射線は電磁放射線を含んでもよい。好ましくは、本システムは光学システムを含み、放射線は光を含む。放射線は、スペクトルの赤外、近赤外、紫外及び／又は可視領域に存在し得る。

測定システムは、試料を通る少なくとも第１の経路長を通過し、及び／又は試料の少なくとも一部分を通過した後に、第１の反射率を有する表面から反射された放射線の少なくとも第１の測定値を収集するように構成されてもよい。測定システムは、試料を通る少なくとも第２の経路長を通過し、及び／又は試料の少なくとも一部分を通過した後に、第２の反射率を有する表面から反射された放射線の第２の測定値を収集するように構成されてもよい。測定システムは、第１及び第２の測定値に少なくとも基づいて試料の特性を決定するように構成されてもよい。第１の経路長は第２の経路長と異なってもよい。第１の反射率は第２の反射率と異なってもよい。

測定システムは複数の測定を行うように構成されてもよく、各測定は、少なくとも１つ及び好ましくは互いの測定値に対して、試料を通る異なる放射経路長及び／又は放射線が試料の少なくとも一部を通過した後に反射された表面の反射率と関連付けられる。

試料ホルダは、試料を保持するための試料チャンバを備えてもよい。試料ホルダは、キュベット又はセルを備えてもよい。試料チャンバは、例えば、試料中の経路長を変えるために、複数の部分に分割されるか又は分割可能であってもよい。試料ホルダは、例えば、試料を通る経路長、及び／又は、反射率を変えるために、試料チャンバを分割するための分割部材を受けるための少なくとも１つの係合部を備えてもよい。本システムは、試料チャンバを分割するための少なくとも１つの分割部材を備えてもよい。本システムは、少なくとも第１及び第２の経路長が異なる分割部材位置により定められるように構成されてもよい。

少なくとも１つの分割部材及び／又は試料ホルダの後壁は、放射源に対向するように構成されるか、又は構成可能である対向面を備えてもよい。対向面は、反射性又は鏡面化表面を含んでもよい。対向面は、拡散反射性表面を含んでもよい。分割部材は、不透明な又は黒化された表面を含んでもよい。分割部材は透過性又は透明な表面を含んでもよい。透過性又は透明な表面は、ガラス、石英等を含んでもよい。

分割部材は、例えば、試料を通る経路長を変えるために、試料チャンバ内で可動であってもよい。分割部材は、摺動可能又は並進可能であってもよい。分割部材は、プランジャ又はスライダなどの可動性部材に搭載されてもよい。プランジャは試料チャンバの壁を通過してよい。システムは、プランジャと試料チャンバ壁との間をシールするためのシールを含んでもよい。プランジャは、プランジャの移動の範囲をマークするための、少なくとも１つのマーカを含んでもよい。

プランジャは、分割部材の移動を試料チャンバ内の所定の位置で制限するための少なくとも１つの停止部材を含んでもよい。所定の位置は、試料チャンバの壁から遠い位置であってもよい。所定の位置は、第１の経路長を少なくとも部分的に定めてもよい。

分割部材は、分割部材の移動が制限される少なくとも更なる位置まで可動であってもよく、その位置は分割部材が、試料チャンバの後壁などの試料チャンバの一部に当接する位置であってもよく、この後壁は光源から最も遠い壁であり得る。更なる位置は、第２の経路長を少なくとも部分的に定めてもよい。

測定システムは、様々な寸法の互換性の試料ホルダを備えてもよい。少なくとも第１及び第２の経路長は、異なる試料ホルダの寸法により定められてもよく、及び／又は第１及び第２の反射率は、異なる試料ホルダの少なくとも１つの表面の異なる反射率により定められてもよい。

検出システムは積分球を備えてもよい。検出システムは、スペクトログラフ又は分光計を備えてもよく、これはモノクロメータ及び検出器又はＣＣＤ検出器アレイなどの検出器アレイを備えてもよい。

検出システムは、試料ホルダ及び／又は放射源に対して可動であってもよい。検出システムは、ガイド装置上に可動なように搭載されてもよい。検出システムは、可動性ガイド装置上に搭載されてもよい。ガイド装置はトラッカーレールを備えてもよい。可動性ガイド装置は旋回式部材及び／又はスイングアームを備えてもよい。

試料ホルダは可動又は取り外し可能であってもよい。ガイド装置又はハウジングは、試料ホルダを所定の位置及び／又は向きで搭載するための配置手段若しくは固定点を含んでもよい。例えば、試料ホルダ及びガイド装置又はハウジングは、取り外されたときに、試料ホルダがガイド装置又はハウジングに少なくとも１つの所定の位置及び／又は向きで再搭載され得るように、複数の突出部及び／又は対応する凹部などの相互に係合する部分を含んでもよい。

検出システムは、直線的に可動であってもよく及び／又は少なくとも２つの同一線上の位置の間で可動であってもよい。

検出システムは、反射検出側であり得る、放射源に向いた試料ホルダの側と、透過側であり得る、放射源と対向する又はそれから離れた試料ホルダの側との間で可動であってもよい。

ガイド装置は、対応する所定の位置における検出システムの移動を制限するための少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの停止手段を備えてもよい。

このようにして、装置は、検出システムが放射源と試料との間に位置する配置、すなわち拡散反射測定を行うための配置と、試料が放射源と検出システムとの間に位置する配置、すなわち拡散透過測定を行うための配置との間で単純に切り替えされ得る。この配置によって、２組のレンズ及び／又は積分球などの他の検出システム部品を必要とせずに、反射及び透過測定の両方を同一の装置により行うことが可能になる。更に、上述のシステムを用いて、試料ホルダ及び検出システムを、試料上に入射する放射線ビームが各測定に対して同一の大きさ及び形状となるように、放射源に対して所定の位置に繰り返し及び整合して位置してもよい。

装置は、処理装置を備える、又はそれと通信するように構成されていてもよい。処理装置は、プロセッサ、メモリ及び／又は通信手段を備えていてもよい。処理装置は、光学測定システムによって行なわれた２つ以上の測定値に基づいて、試料の少なくとも１つの特性を決定するように適合され、２つ以上の測定値のそれぞれは、異なる試料の経路及び／又は異なる反射率に関連付けられる。

処理装置は、試行モデルに基づく反射率及び／又は透過率などの理論的に計算される光学パラメータを、例えば、モンテカルロ法、焼きなまし法、部分的最小二乗法、ニューラルネットワークなどの手法を使用することにより、２つ以上の測定値に対してフィットすることによって、試料の少なくとも１つの特性を決定するように構成されてもよい。

処理装置は、測定データを、データベース又はルックアップテーブルに記憶され得る参照データと比較することにより、少なくとも１つの特性を決定するように構成されてもよい。参照データは、標準試料を用いて収集されたデータ及び／又はアディング−ダブリング方法を用いて計算されるデータなどの計算データを含んでもよい。

検出システムは少なくとも１つの光ファイバを備えてもよい。光ファイバの１つ以上が測定プローブ内に含まれてもよい。少なくとも１つの光ファイバは、少なくとも１つの他の光ファイバから間隔をあけて存在してもよい。少なくとも１つの光ファイバは、光ファイバの少なくとも１つの他方により検出される放射線に、試料を通る異なる経路長を通過した放射源からの放射線を受けるように向けられる及び／又は配置されてもよい。少なくとも１つの光ファイバは、例えば２つ以上の入射角度の測定を行ってもよいように、少なくとも１つの他の光ファイバに対して異なる角度で向けられてもよい。１つ以上の光ファイバは、マルチプレクサに接続される又は接続可能であってもよい。マルチプレクサは、スペクトログラフに接続されてもよく、これによりスペクトログラフは、マルチプレクサを用いて選択される光ファイバにより受光される放射線の強度を記録するように動作可能である。

測定プローブは、少なくとも１つの発光体を備えてもよく、これは光ファイバの末端を備え、光ファイバが放射源に接続されている又は接続可能である。少なくとも１つの発光体は、検出するために少なくとも１つの他の発光体及び／又は少なくとも１つの光ファイバに斜めに向きを付けられてもよい。

スペクトログラフは、放射線強度を多数の波長で測定するように構成されてもよい。所望により、複数のスペクトログラフはマルチプレクサに接続されてもよい。スペクトログラフの少なくとも１つは、例えば、検出可能な波長範囲を拡げるために、異なるスペクトル範囲にわたって他のスペクトログラフの少なくとも１つの範囲まで動作可能であってもよい。

スペクトログラフの少なくとも１つは、ＵＶ〜可視範囲のスペクトログラフを含んでもよい。スペクトログラフの少なくとも１つは、近赤外及び／又は赤外スペクトログラフを含んでもよい。

システムは、それぞれの第１及び第２の測定値に対応し得る反射及び透過放射線の両方を収集するように構成されてもよい。

本発明の第２の実施形態により、放射源及び検出システムを備える測定システムを用いて光学測定値を収集する方法であって、
放射源からの放射線が第１の経路長に沿って試料を通過し、及び／又は第１の反射率を有する表面から反射されるように、システムを構成することと、
第１の経路長を通過し、及び／又は第１の反射率を有する表面から反射された後に、試料からの放射線測定することを含む、少なくとも第１の測定を行うことと、
放射源からの放射線が第２の経路長に沿って試料を通過し、及び／又は第２の反射率を有する表面から反射されるように、システムを構成することと、
第２の経路長を通過し、及び／又は第２の反射率を有する表面から反射された後に、試料からの放射線を測定することを含む、少なくとも第２の測定を行うことと、
少なくとも第１及び第２の測定から試料の少なくとも１つの特性を決定することと、を含む方法である。

本発明の第３の態様に係る、放射源及び検出システムを含み、検出システムを少なくとも２つの同一線上の位置の間で移動させるためのガイドに検出システムが搭載される、光学測定システムである。

検出システムは直線的に可動であってもよい。

システムは試料ホルダを備えてもよい。

検出システムは、反射検出側であり得る、放射源に向いた試料ホルダの側と、透過側であり得る、放射源から離れた試料ホルダの側との間で可動であってもよい。

ガイドは、対応する所定の位置における検出システムの移動を制限するための少なくとも１つの、及び好ましくは少なくとも２つの停止手段を備えてもよい。

試料ホルダは可動又は取り外し可能であってもよい。

光学測定システムはハウジングを備えてもよい。

ガイド又はハウジングは、試料ホルダをガイドに所定の位置及び／又は向きで搭載するための配置手段又は固定点を含み得る。例えば、試料ホルダ及びガイド装置又はハウジングは、取り外されたときに、試料ホルダがガイド装置又はハウジングに少なくとも１つの所定の位置及び／又は向きで再搭載され得るように、複数の突出部及び／又は対応する凹部などの相互に係合する部分を備えてもよい。

本発明の第４の態様に係る、第１及び／若しくは第３の態様に記載の測定装置、又は第２の態様に記載の方法よる方法を用いて、測定値を処理するための処理システムである。

本発明の第５の態様に係る、第１、第３及び／又は第４の態様並びに／又は第２の態様の方法のシステムを実行するためのコンピュータプログラム製品である。

本発明の第６の態様に係る、第５の態様のコンピュータプログラム製品又は第５の態様のコンピュータプログラム製品が搭載されている計算又は処理装置を備えるコンピュータ読み取り可能媒体である。

本発明の第７の態様に係る、試料からの放射線を検出するための２つ以上の光ファイバを備えるプローブであって、光ファイバの少なくとも１つが、少なくとも１つの他の光ファイバから間隔をあけて配置され、及び／又は少なくとも１つの光ファイバが、光ファイバの１つの他のファイバと角度を形成している、センサプローブである。

放射線を検出するための少なくとも１つ、及び好ましくは各々の光ファイバは、スペクトログラフなどの検出器に結合されている、又は結合されるように構成されており、結合はマルチプレクサを介してであってもよい。

センサプローブは少なくとも１つの発光体を備えてもよい。発光体は光ファイバの末端を備えてもよく、そこで光ファイバが光源から光を受け取るように構成され、例えば、光ファイバが光源に接続されている又は接続可能でもよい。

センサプローブは、第１及び／又は第３の態様のシステムと共に使用するための及び／又は第２の態様の方法で使用するためのセンサプローブであってもよい。

本発明の第８の態様に係る、試料を保持するための試料チャンバを備える試料ホルダであって、試料チャンバが区分に分割されている又は分割可能であり、及び／又は試料ホルダが、試料チャンバの寸法を変えるための可動性分割部材を備える、試料ホルダである。

試料ホルダは、試料チャンバを分割するための分割部材を受けるための少なくとも１つの係合部を備えてもよい。試料ホルダは、試料チャンバを分割するための少なくとも１つの分割部材を備えてもよい。試料ホルダは、少なくとも第１及び第２の経路長が異なる分割部材位置により規定されるように構成されてもよい。

少なくとも１つの分割部材及び／又は試料ホルダの後壁は、対向面を備えてもよい。対向面は反射性又は鏡面化表面を含んでもよい。対向面は拡散反射性表面を含んでもよい。分割部材は、不透明な又は黒化された表面を含んでもよい。分割部材は、透過性又は透明な表面を含んでもよい。透過性又は透明な表面は、ガラス、石英等を含んでもよい。

分割部材は、摺動可能又は並進可能であってもよい。分割部材は、プランジャ又はスライダなどの可動性部材に搭載されてもよい。プランジャは試料チャンバの壁を通過してよい。試料ホルダはプランジャと試料チャンバ壁との間をシールするためのシールを含んでもよい。プランジャは、プランジャの移動の範囲をマークするための、少なくとも１つのマーカを含んでもよい。

プランジャは、分割部材の移動を試料チャンバ内の所定の位置で制限するための少なくとも１つの停止部材を含んでもよい。所定の位置は、試料チャンバの壁から遠い位置であってもよい。所定の位置は、第１の経路長を少なくとも部分的に定めてもよい。

分割部材は、分割部材の移動が制限される少なくとも更なる位置まで可動であってもよく、その位置は分割部材が、試料チャンバの後壁などの試料チャンバの一部に当接する位置であってもよい。更なる位置は、第２の経路長を少なくとも部分的に定めてもよい。

上記の態様のいずれかに関連して説明したものに類似の特徴は、他の態様のいずれにも等しく適用可能であり得るということは認識されよう。方法に関連して説明したものに類似の装置の特徴及び装置に関連して説明したものに類似の方法の特徴は、本発明の範囲に入ることを意図する。

本発明の実施例を以下の図面と関連付けて説明する。

光学測定システムの実施形態の概略である。 試料チャンバの実施形態の概略である。 （ａ）は、第１の構成の光学測定システムの実施形態の概略である。（ｂ）は、第２の構成における（ａ）の光学測定システムの実施形態の概略である。 光学測定システムの実施形態の概略である。 図４の光学測定システムのプローブの概略である。 図５のプローブの底面図である。 光学データを収集する方法のフローチャートである。 複数の経路長の設定からの測定例である。 図８（ａ）〜８（ｃ）中の測定から抽出されるバルク光学特性の結果の例である。

図１は、放射源１０、検出システム１５、及び試料２５を保持するための試料ホルダ２０を備えた光学測定システム５を示す。好適にプログラムされ及び構成されたコンピュータの形態の解析ユニット３０が検出システム１５に結合される。システム５は透過反射モードで使用されるように構成され、試料２５及び／又は分割板３５ａ、３５ｂ、又は試料ホルダ２０の後壁４０により反射される光は、検出システム１５により検出され、並びに放射線は反射される前に試料の少なくとも一部分を通るので、試料の中の光の透過に関連する試料の特性も検出される放射線から決定され得る。代替的又は付加的に、システム５を、透過又は反射モードで使用するように配置することができるということは認識されよう。

放射源１０は、選択された波長の光を放射するように構成された光源を備える。光源は、蒸気ランプ、ＬＥＤ、レーザなどの当該技術分野において既知の任意の好適な光源を備えてもよい。

検出システム１５は、積分球４５、及び積分球４５から検出開口部５５を介して発せられる放射線を検出するための分光計５０を備える。積分球４５は、光源１０からの光が光源開口部６０を介して積分球に入り、及び積分球４５を通過し、試料開口部６５から出るように、反射性内部表面及び対向する光源及び試料開口部６０、６５を有する球形の囲いを備える。

試料ホルダは、光源１０から試料開口部６５経由で放射線を受けるように試料開口部６５の近くに配置される。試料開口部６５も試料２５から反射及び／又は散乱される光が積分球４５に入ることができるように構成される。

少なくとも１つの測定開口部５５も積分球に設けられ、測定開口部５５が光源及び試料開口部８０、６５の軸に斜めに配置される。分光計５０は測定開口部５５から光を受けるように配置される。

試料ホルダ２０は、１つ以上の取り外し可能な分割板３５ａ、３５ｂを受けるためのスロットなどの複数の受け部（図示せず）を備えたキュベットを備える。試料ホルダ２０は、ガラス又は石英などの当該技術分野において既知の好適な材料から形成される。分割板３５ａ、３５ｂを受け部の中に挿入して、試料開口部８５経由で光源１０から受ける光の軸に垂直な面で試料ホルダ２０を分割することができるように、受け部は配置される。分割板３５ａ、３５ｂの表面は、分割板３５ａ、３５ｂを試料ホルダ２０の受け部の中に挿入したときに、光源１０に対向する。

システムは複数の分割板３５ａ、３５ｂを備え、各分割板３５ａ、３５ｂは異なる反射率を有する。光源１０に対面する、分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ及び／又は試料ホルダ２０の後壁４０の表面８５は、更なる測定の変形を得るように選択されてもよい。例えば、分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ又は試料ホルダ２０の後壁４０は、例えば、ガラス又は石英から形成される、反射性若しくは鏡面化された表面、又は拡散性反射性表面又は不透明な若しくは黒化された表面又は透過性若しくは透明な表面を備えることができる。

このようにして、試料２５の中の光の光学経路長及び光が試料の少なくとも一部分を通った後反射される表面の反射率は、選択された反射率を有する分割板３５ａ、３５ｂの選択された受け部中での挿入及び／又は取り外しにより制御可能である。

光の経路長を変えるための他の手法を使用してもよいということは理解されよう。

例えば、図２に示すように、試料ホルダ２０の中に挿入及びそれから取り外し可能な取り外し可能な分割板ｓ３５ａ、３５ｂの代わりに、摺動自在な分割板３５ｃを使用してもよい。例えば、プランジャ７０を動作させることにより、分割板３５ｃが試料チャンバ内で積分球４５の試料開口部６５に向けて及びそれから遠くに摺動可能なように移動できるように、分割板３５ｃは、シール７５経由で試料ホルダ２０の後壁４０から延在するプランジャ７０上に取り外し可能なように搭載される。特に、プランジャ７０は、分割板３５ｃの所定の位置に到達したということを指示するために、試料チャンバ２０の壁４０と係合するための少なくとも１つのマーク、溝又は停止部材８０が備わっており、この場合には、分割板３５ｃはそれが試料ホルダ２０の後壁４０と当接する位置と所定の位置との間で可動である。この配置は自動化システムに特に好適であり、プランジャ７０は、マーク、溝又は停止部材８０を必要としないような検量された移動を有し得るステッピングモーター又は電磁若しくは圧電アクチュエータなどのアクチュエータにより動作可能であり得る。

代替のアプローチでは、測定値の間の経路長を変えるために、寸法が異なる互換性の試料ホルダが提供されてもよい。各試料ホルダの壁は同一の材料から形成される。しかしながら、異なる試料ホルダを使用することは、セル表面での変動が顕著である可能性がある誤差を生じ得る欠点を有することが理解されよう。更には、異なるセルを使用することは、各試料ホルダを別々に充填しなければならないので同一の試料を測定しないということを意味する。

上記の配置を用いて、各測定を試料を通る光の異なる経路長及び／又は分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃ若しくは試料ホルダ壁４０の表面の反射率と関連付けることができる、一連の測定を行ってもよいということが理解されよう。例えば、分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃが拡散反射性表面を有し、各測定を異なる経路長（例えば、拡散反射性表面を異なる位置で有する分割板により）で行う２つ以上の測定を行ってもよい。別の例では、２つ以上の透過反射測定が行なわれ、ここでは分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃが鏡面化表面を有し、各測定は異なる経路長及び分割板位置で行われる。更なる例では、不透明な表面を有する分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃを使用し、各測定を異なる経路長及び分割板位置で行う２つ以上の測定を行ってもよい。追加の例では、透過性表面を有する分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃを準備し、異なる経路長及び分割板位置を有する２つ以上の測定を行うが、他の組合せが可能であるということは認識されよう。例えば、測定の少なくとも２つを、上述の４つの表面から選択される異なる表面を有する異なる分割板３５ａ、３５ｂ、３５ｃにより行い及び経路長／分割板位置が同一又は異なってもよい２つ以上の測定を行ってもよい。

試料を通る異なる経路長を有し、及び／又は異なる反射率を有する、複数のこのような測定値に基づく特性を決定することにより、試料、検出器又は光源を動かす必要なく、種の同定及び化学組成などの計量化学情報並びに粒子の大きさ及び分布及び安定性などの構造情報の両方を抽出することが可能である。これによって、良好な再現性を示しかつ時間のかかる再編成を行う必要なく、高度の情報を提供する測定システムが得られる。

しかしながら、使用者は、特別な反射及び透過測定を行うことを好む場合があり、ここでは透過測定のために試料２５を光源１０と積分球４５及び検出器５０との間に設ける一方で、反射測定のために分光計５０及び積分球４５を試料２５と光源１０との間に設ける。これを行うための装置を図３ａ及び図３ｂに示す。

図３ａ及び図３ｂの実施形態では、検出器システム１５は、積分球４５の上に搭載された分光計５０を備える。積分球４５は図１に関連して上述したものに類似している。しかしながら、本実施形態では、積分球４５は、光源１０に向かって及びそれから離れて直線的に可動なレール１０５上に摺動可能なように搭載された往復台１００に搭載される。レール１０５は、一対のストッパ１１０ａ、１１０ｂを有して、２つの両端の位置での往復台１００及び積分球４５の移動を制限する。このようにして、積分球４５は、往復台１００が第１のストッパ１１０ａに当接する光源１０により近い第１位置と、往復台１００が第２のストッパ１１０ｂに当接する光源１０から遠い第２の位置との間で再現性をもって可動である。

試料ホルダ２０は、光学測定システム５の搭載部分１１５に分離可能なように搭載されている。搭載部分１１５は、例えば、レール１０５又はハウジング（図示せず）から構成されてもよい。試料ホルダ２０は、搭載部分１１５の対応する部分に係合するように係合され、例えば、試料ホルダ２０を実質的に同一の位置及び向きで取り外し及び再取り付けして、問題を再現性よく最小化することができるように、試料ホルダ２０の１つ以上の突出部は、搭載部分１１５上の対応する凹部に係合してもよい。

第１の構成では、図３ａに示すように、往復台１００が光源１０から最も遠いストッパ１１０ｂに当接するように、すなわち、システムが検出システム１５が試料中を通った光を検出するように構成されている、透過モードで動作可能であるように、検出システム１５は、試料２５の光源１０から遠い側上に設けられる。その後、反射測定を必要とするならば、図６ｂに示すように、試料ホルダ２０を取り外し、光源１０に最も近いストッパ１１０ａに当接するように検出システム１５をレール１０５に沿って滑らすことができる。次いで、試料ホルダ２０を搭載部分１１５と係合することにより、試料ホルダ２０を再取り付けすることができる。この構成では、検出システム１５は、試料から反射された放射線を測定するように配置され、このように、システム５は、反射及び透過の構成の間で直截的及び再現的に切り替え可能である。

この方法の実施の更なる例が図４、図５及び図６に示され、ここではプローブ２００のセンシング表面２１５中に設けられた、複数の空間的に分離されたセンシング部位２０５及び１つ以上の（この例では５つの）発光体２１０ａ、２１０ｂを備える光学プローブ２００を示している。

センシング部位２０５の各々は、マルチプレクサ２２５と結合した対応する光ファイバ２２０の末端を備える。翻ってマルチプレクサ２２５は１つ以上のスペクトログラフ２３０に結合される。マルチプレクサ２２５は、光学データを選択されたセンシング部位２０５から関連した光ファイバ２２０経由で選択的に抽出し及びこれをスペクトログラフ２３０の１つ以上に測定のために提供するように構成される。

各発光体２１０ａ、２１０ｂは、光源１０からセンシング表面２１５上の発光体２１０ａ、２１０ｂに光を選択的に提供することができるように、光源１０に結合された光ファイバ２３５の末端を備える。発光体２１０ｂの少なくとも１つは、他の発光体２１０ａの少なくとも１つに対して異なる向きを与えられる。例えば、図５のプローブでは、複数の周辺の発光体２１０ｂがセンシング表面２１５の中心軸に斜めに及びそれに向いた向きを付けられる一方で、中央の発光体２１０ａは、センシング表面２１５に対して垂直に向きを付けられる。

使用時にはプローブ２００のセンシング表面２１５は、分析対象の試料２５に隣接又は近接して設けられる。選択された発光体２１０ａ、２１０ｂから光を選択的に提供し、及び受光した光を選択されたセンシング部位２０５で測定することにより、異なる測定パラメータを有する複数の測定を行ってもよい。発光体２１０ａ、２１０ｂの各々及びセンシング部位２０５は空間的に分離されているので、光が通過する試料２０の中の経路長は、発光体及び選択されたセンシング部位の組合せに依存するということが認識されよう。更に、発光体２１０ａ、２１０ｂ及びセンシング部位２０５の相対的な向きが測定の間で変わるように、異なる向きを有する発光体２１０ａ、２１０ｂを選択することにより、測定も変わり得る。このようにして、様々な経路長及び相対的な向きに関連付けられた複数の測定を行ってもよく、それから試料２５の特性を決定してもよい。

反射及び透過成分からの寄与は、選択される測定の配置（例えば、経路長、反射率など）に依存して変わる。このようにして、全範囲の種同定及び化学組成データ、更に粒径などの構造データ、分布及び安定性を抽出するために、測定データの適切な解析を行うことができる。

測定データからこのような特性を決定するのに使用され得る様々な手法が存在する。しかしながら、特に好適な手法を例として本明細書で説明する。

特性を決定する方法は、評価値を使用し（７０５）及び当該技術分野において既知の方法を用いて（７１０）、試行解に関連する反射率及び／又は透過率を求めるために、輻射伝達関数を解くのに評価値を使用して、試行解を構築することを含む。あるいは、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、参照文献１及び２に記述されているように、輻射伝達関数又はクベルカ−ムンク理論などの他の技術の変形又は近似を使用することができる。

例えば、引用により本明細書に組み込まれる、下記の参照文献３及び４に記述されているように全拡散反射及び透過を計算するために周知のアディング−ダブリング方法を用いて反射率及び／又は透過率を試行特性から決定することができる。しかしながら、この技術は極めて時間を消費する。

それゆえ、ルックアップテーブルを用いて、より迅速な処理を可能とさせる手法を使用することが一般に好ましい。この場合には、充分に小さい間隔でのバルク光学特性の値並びに対応する反射率及び／又は透過率を備えたルックアップテーブルが構築可能である。これらは、例えば、アディング−ダブリング「法又はモンテ−カルロシミュレーションなどの他の手法を使用することにより、前もって理論的に計算が可能である。

反射率及び／又は透過率の所定の組にルックアップテーブルを用いて、最近のテーブル化された値の補間によりバルク光学特性を見積もることができる。

あるいは、入力としてバルク光学特性の値（上記の逐次法における見積もられた試行値）を使用する較正モデルを構築することができ、これによって試料の光学特性が推測値と同一であるならば、測定値の組合せが有し得る値を予測する。モデルは、主成分分析、部分最小自乗法などの多変量較正技術を用いて、又はニューラルネットワークを用いて構築することができる。較正モデルは、使用される光伝播理論によって、アディング−ダブリング又はモンテ−カルロ法又は任意の他の好適な方法を用いて生成される較正セットを用いて構築される。

別のアプローチは、対象試料と類似の範囲の光学特性を有するであろう標準試料又はモデル試料を作製することである。これらのモデルシステムの光学特性は、十分に特性化されかつ制御可能であり、並びに、引用により本明細書に組み込まれる、下記の参照文献５に記述されている、Ｍｉｅ理論又は類似の方法を使用することにより、第１原理から計算することができる。標準システム又はモデルシステムについて測定を行い、光学特性及び対応する測定値のセットのルックアップテーブルを、これらの測定値を用いて構築する。このルックアップテーブルは、上述の他の方法のいずれによっても使用することができる。

次いで、試行特性から計算される反射率及び／又は透過率を対応する測定実験データと比較することができる（７１５）。試行特性から計算される反射率及び透過率と、各測定からの測定値との間の差異に依存するフィット関数の品質が求められる。

フィット関数の品質はしきい値と比較され（７２０）、フィットがしきい値以上ならば試行パラメータは排除される。次いで、逐次法を行い、試行特性を変えて（７２５）、新しい試行特性を発生させ、及び新しい試行特性に対する関連する透過率及び反射率を計算し（７１０）、及び行った測定の各々と比較する（７１５）。例えば、モンテ−カルロ疑似焼きなまし法、主成分分析、部分最小自乗法、ニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズムなどの手法を用いてこのプロセスを逐次的に反復して、繰り返して、フィット関数の品質を最小化する。フィット関数の品質がしきい値以下となったならば（７２０）、試行モデルの特性の値は試料に関連する値として受け取られる（７３０）。

例として、図１、３ａ及び３ｂに示すものなどの積分球を使用して、１ｍｍの試料厚さを用いる全拡散反射率（Ｒｄ１）、４ｍｍの試料厚さを用いる全拡散反射率（Ｒｄ４）、及び１ｍｍの試料厚さを複数の波長で用いる全拡散透過率の測定値をもたらす装置を検討する。そのようにして得られるスペクトルを図８（ａ）、８（ｂ）及び８（ｃ）に示す。この例における試料は１〜１０％の乳化豆乳でできたものであった。試料を異なる経路長のキュベット内に入れることにより、この場合でのスペクトルを得ると同時に、可変経路長の試料ホルダの設計により、図２に示すものなどの類似の結果を得ることができる。測定を行う各波長λにおいて、逆アルゴリズム（この例では、下記の参照文献３及び４で記述されている逆アディング−ダブリング法）を適用して、試料のバルク光学特性、すなわち、バルク吸収係数μａ（λ）、バルク散乱係数μｓ（λ）及び異方性係数ｇ（λ）を得る。測定を行った全ての波長に対してこのプロセスを繰り返す。試料の散乱の特性に関するバルク散乱係数及び異方性係数を還元バルク散乱係数μｓ'（λ）＝μｓ（１−ｇ）と呼ばれる単一のパラメータに一体化することが通常である。逆アディング−ダブリング法が、同一のセル中の試料の使用に対して得られる全拡散反射、全拡散性透過及びコリメート光透過からなる測定値の組に慣例的に適用されるということを特記すべきである。すなわち、試料厚さは上記の測定の全ての３つに対して同一である。本発明の例では、アディング−ダブリング法を改変して、２つの異なる試料厚さ、すなわち、１ｍｍ及び４ｍｍにおける反射率の値を計算した。

各波長において、試行パラメータ値を提供して、輸送方程式を解くためのアディング−ダブリング「法を用いて反射率（Ｒｄ１及びＲｄ４）及び透過率（Ｔｄ１）を計算することにより、図７に示す逐次法を開始する。次いで、計算及び測定反射率及び透過率を対応する測定値と比較する。計算及び測定値の間の差を使用して、試行パラメータ値を更新する。この目的に、標準的な最適化技術を使用することができる。

この例に対しては、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）最適化ツールボックスで入手可能な関数Ｆｍｉｎｃｏｎを使用した。予め設定した許容範囲内への収束に達するまで、繰り返しを行う。ここで考慮される試料に対して、図８（ａ）、８（ｂ）及び８（ｃ）に示すスペクトル測定から得られるバルク光学的特性μａ及びμｓをそれぞれ図９（ａ）及び９（ｂ）に示す。

上記の具体例は例示として提供されている。請求項により規定される本発明の範囲から逸脱せずに上記の例に対する変形を行ってもよいということが理解されよう。特に、有利なこととして、上記のシステム５は透過反射性構成のものとして記述されているが、この２つの間で切り替え可能な透過性若しくは反射性配置又はシステムも使用してもよいということが理解されよう。更に、光源１０からの光ファイバケーブル２３５を含む発光体２１０ａ、２１０ｂが記述されているが、ミクロＬＥＤ又は固体レーザなどの他の撥光手段を使用してもよいということが理解されよう。有利なこととして、上述のプローブ２００は、斜めに角度を付けた発光体２１０ｂを含むが、代替又は追加として、検出光ファイバ２０５をセンシング表面に対して斜めに角度を付けてもよいということが理解されよう。それゆえ、上記の具体例は例示としてのみ提供され、本発明の範囲は特許請求の範囲により規定される。

Claims (38)

1. 放射源と、
   検出システムと、
   を備え、
   前記放射源は、放射線を放射し、前記放射線が試料に入射するように配置されるか、又は、配置可能であり、
   前記検出システムは、前記試料を介して前記放射線の少なくとも一部分を受けるように構成されるか、又は、そのように構成することが可能であり、
   前記放射線が前記試料の少なくとも一部分を通過した後で、前記放射線の前記試料を通過する経路長、および、前記放射線が入射する少なくとも１つの表面の反射率の少なくともいずれか一方を変えるように再構成可能な測定システム。
2. 前記測定システムは、試料ホルダをさらに備え、
   前記試料ホルダは、前記放射源から放射線を受けるように配置されるか、又は、配置可能である請求項１記載の測定システム。
3. 前記放射源からの前記放射線の少なくとも一部分は、前記試料の少なくとも一部分を通過するように構成される請求項１または２に記載の測定システム。
4. 前記試料を通る少なくとも第１の経路長を通過し、及び／又は、前記試料の少なくとも一部分を通過した後に、第１の反射率を有する表面から反射された放射線の第１の測定値と、
   前記試料を通る少なくとも第２の経路長を通過し、及び／又は、前記試料の少なくとも一部分を通過した後に、第２の反射率を有する表面から反射された放射線の第２の測定値と、
   を少なくとも収集するように構成された請求項１〜３のいずれか１つに記載の測定システム。
5. 少なくとも前記第１の測定値および前記第２の測定値に基づいて、前記試料の特性を決定するように構成された請求項４に記載の測定システム。
6. 複数の測定を行うように構成され、
   各測定は、前記試料を通る異なる放射経路長、及び／又は、前記放射線が少なくとも１つの他の測定値に関連する前記試料の少なくとも一部を通過した後に反射された表面の反射率に関連付けられる請求項３又は請求項４に記載の測定システム。
7. 前記試料ホルダは、前記試料を保持するサンプルチャンバを備え、
   前記サンプルチャンバは、複数の部分に分割されるか、または、分割可能である請求項２〜６のいずれか一項に記載の測定システム。
8. 前記試料ホルダは、前記サンプルチャンバを分割する分割部材を受けるための少なくとも１つの係合部、及び／又は、前記サンプルチャンバを分割するための少なくとも１つの分割部材を備えた請求項７に記載の測定システム。
9. 少なくとも１つの分割部材、及び／又は、前記サンプルホルダの後壁は、前記放射源に対向するように構成されたか、又は、そのように構成可能である対向面を備え、
   前記対向面は、反射面もしくは鏡面、拡散性反射面、不透明もしくは黒化された表面、または、透過性若しくは透明な表面を含む請求項８に記載の測定システム。
10. 前記分割部材は、前記サンプルチャンバ内で可動である請求項７〜９のいずれか１つに記載の測定システム。
11. 前記分割部材は、可動性部材に搭載され、
    前記可動部材は、その可動範囲を示す少なくとも１つのマーカ、及び／又は、前記サンプルチャンバ中の予め定められた位置において前記分割部材の移動を制限するための少なくとも１つの停止部材を含む請求項１０に記載の測定システム。
12. 前記測定システムが、寸法を変えた互換性を有する複数のサンプルホルダを備え、
    少なくとも前記第１の経路長および前記第２の経路長は、前記サンプルホルダの寸法により区別され、及び／又は、前記第１の反射率および前記第２の反射率は、異なるサンプルホルダの少なくとも１つの表面の反射率により区別される請求項２〜１１のいずれか１つに記載の測定システム。
13. 前記検出システムは、前記サンプルホルダおよび前記放射源の少なくともいずれか一方に対して可動であるように、ガイド装置上に移動可能に搭載される請求項２〜１２のいずれか１つに記載の測定システム。
14. 前記サンプルホルダは、可動または取り外し可能であり、
    前記ガイド装置またはハウジングは、前記サンプルホルダを所定の位置および向きの少なくともいずれか一方に搭載するための配置手段または固定点を含む請求項２〜１３のいずれか１つに記載の測定システム。
15. 少なくとも前記第１の測定値および前記第２の測定値に基づいて、前記試料少なくとも１つの特性を決定することに適合した処理装置を備えるか、もしくは、処理装置と通信する請求項５〜１４のいずれか１つに記載の測定システム。
16. 前記処理装置は、トライアルモデルに基づいて理論的に計算されるパラメータを前記２つ以上の測定値に対してフィッティングすることにより、前記試料の少なくとも１つの特性を決定するように構成され、並びに／又は、データベース又はルックアップテーブルに記憶され得る参照データと測定データを比較することにより、少なくとも１つの特性を決定するように構成された請求項１５に記載の測定システム。
17. 測定プローブを備えた請求項１〜１６のいずれか１つに記載の測定システム。
18. 前記測定プローブは、複数の光ファイバを含み、
    少なくとも１つの光ファイバは、少なくとも１つの他の光ファイバから離間され、及び／又は、少なくとも１つの光ファイバは、少なくとも１つの他の光ファイバに対して異なる角度に向いた請求項１７に記載の測定システム。
19. 前記１つ以上の光ファイバは、マルチプレクサに接続されるか、または、接続可能であり、
    前記マルチプレクサは検出器に接続される請求項１８に記載の測定システム。
20. 前記測定プローブは、少なくとも１つの発光体を備える請求項１７〜１９のいずれか１つに記載の測定システム。
21. 少なくとも１つの発光体は、前記光ファイバの１つの端と、前記放射源に接続されるか、または、接続可能な前記光ファイバの他方の端を含む請求項２０に記載の測定システム。
22. 前記検出器は、多数の波長において放射強度を記録するように構成されている請求項１９〜２１のいずれか１つに記載の測定システム。
23. それぞれ第１の測定値および第２の測定値に対応する反射された放射線および透過された放射線の両方を収集するように構成された請求項４〜２２のいずれか１つに記載の測定システム。
24. 放射源及び検出システムを備える測定システムを用いて光学測定値を収集する方法であって、
    前記放射源からの放射線は、第１の経路長に沿って前記試料を通過し、及び／又は、第１の反射率を有する表面から反射されるように、前記システムを構成し、
    前記第１の経路長を通過し、及び／又は、前記第１の反射率を有する前記表面から反射された後に、前記試料からの放射線を測定することを含む第１の測定を少なくとも行い、
    前記放射源からの放射線が第２の経路長に沿って前記試料を通過し、及び／又は、第２の反射率を有する表面から反射されるように、前記システムを構成し、
    前記第２の経路長を通過し、及び／又は、前記第２の反射率を有する前記表面から反射された後に、前記試料からの放射線を測定することを含む第２の測定を少なくとも行い、
    少なくとも前記第１の測定および前記第２の測定から前記試料の少なくとも１つの特性を決定する方法。
25. 放射源と、
    検出システムと、
    を備え、
    前記検出システムは、少なくとも２つの同一線上の位置の間で該検出システムを移動させるためのガイドに搭載される光学測定システム。
26. 前記検出システムが直線的に可動である請求項２５に記載の光学測定システム。
27. サンプルホルダをさらに備え、
    前記検出システムは、前記サンプルホルダの前記放射源に向いた側と、前記サンプルホルダの前記放射源から遠ざかる側との間で可動である請求項２５または２６に記載の光学測定システム。
28. 前記ガイドは、予め決められた位置に対応した、前記検出システムの移動を制限するための少なくとも２つの停止手段を含む請求項２５〜２７のいずれか１つに記載の光学測定システム。
29. 前記サンプルホルダは、可動、または、取り外し可能であり、
    前記ガイド装置またはハウジングは、予め決められた位置および向きの少なくとも一方に前記サンプルホルダを搭載するための配置手段または固定点を含む請求項２５〜２８のいずれか１つに記載の光学測定システム。
30. 試料からの放射線を検出するための２つ以上の光ファイバを備え、
    前記光ファイバの少なくとも１つは、少なくとも１つの他の光ファイバから離間し、及び／又は、少なくとも１つの光ファイバは、前記光ファイバの少なくとも１つの他のファイバに対して傾いているセンサプローブ。
31. 前記センサプローブは、少なくとも１つの発光体を有し、
    前記発光体は、光源からの光を受けるための光ファイバの端を含む請求項３０に記載の測定プローブ。
32. 請求項１〜２３及び／若しくは請求項２５〜３１のいずれか１つに記載の装置、または、請求項２４に記載の方法を用いて収集される測定値を処理する処理システム。
33. 請求項１〜２３及び／若しくは２５〜３２のいずれか１つに記載のシステムに実装、または、請求項２４に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラム製品。
34. 請求項３３に記載のコンピュータプログラム製品を含むか、または、請求項３３に記載のコンピュータプログラム製品がロードされた場合に装置を動かすコンピュータ読み取り可能な媒体。
35. 前記試料を保持するためのサンプルチャンバを備え、
    前記サンプルチャンバは、複数の部分に分割されるか、または、分割可能であり、及び／又は、前記サンプルチャンバの寸法を変えるための可動分割部材を備えるサンプルホルダ。
36. 実質的に前記図面に示され、及び／又は、前記図面と関連付けて説明された測定システム。
37. 実質的に前記図面に示され、及び／又は、前記図面と関連付けて説明された測定プローブ。
38. 実質的に前記図面に示され、及び／又は、前記図面と関連付けて説明されたサンプルホルダ。

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