JP2018535414A - 広帯域フィルタを用いた分光光度測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

特定の波長を有する複数の光を容易に選択し、検出するために、入射した光を拡散させる受光部、第１の広帯域フィルタの組、上記第１の広帯域フィルタの組を通過した光を検出する検出器を含み、第１の広帯域フィルタの組は、光の入射方向に対し第１の角度を有するように配置され、入射する光に第１の波長帯域を通過させる第１の広帯域フィルタ、光の入射方向に対し第１の角度とは異なる第２の角度を有するように配置され、第１の広帯域フィルタを通過した光に第２の波長帯域を通過させる第２の広帯域フィルタ、第２の広帯域フィルタを通過した光の経路を上記第１の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第１の経路補償手段を含み、第１の広帯域フィルタ、第２の広帯域フィルタ、および第１の経路補償手段は、光の入射方向に対し直列的に配置されることを特徴とする、分光光度装置が提供される。これにより、入射に対する出力光の効率を増加させるとともに、必要とする特定の波長を有する複数の光を同時に検出することができる。【選択図】図５ａ

Description

本発明は、広帯域フィルタを用いる分光光度測定装置に関し、より詳細には、波長選択が可能な広帯域フィルタを特殊に配置して光を分光し、それにより分光光度スペクトルを導き出す装置に関する。

広い波長領域を含む光を分光して単色光を抽出するための装置としては、分光素子として回折格子またはプリズムを用いる単色化装置（モノクロメーター）が知られている。回折格子を用いた従来の単色化装置は、選択された波長を有する光源を提供するための用途および検出器としてターゲットから検出されるべき光を選択的に検出するための用途として用いられてきた。光源を提供するための用途での単色化装置は、たとえば、分光光度計）内において、様々の帯域を含む光源から分析の対象となる光源の波長を選択するのに用いられる。韓国公開特許第２００８−００１５７５９号においては、特定の波長範囲と分解能を有するように、光を分離するための回折格子を有するモノクロメーターシステムを開示している。

回折格子を用いる通常の単色化装置１００について、図１に示している。図１の単色化装置１００は、回折格子１１０、光を制限的に通過させるためのスリット１２０、光の経路を調整するための平面または曲面のミラー１３０，１４０，１５０を含む。具体的に、広い波長帯域を有する光が単色化装置に提供されると、曲面ミラー１３０により当該光の進行経路が変更されて、当該光は回折格子１１０に入射される。回折格子１１０は、入射された光の波長を分離し、スリット１２０は、スリットの位置または幅などを調節して、分離された波長帯域の中の所望する波長帯域を選択的に通過させる。スリット１２０を通過した光は、曲面または平面のミラー１４０，１５０を経て、特定の波長を有する光が単色化装置から出力される。

しかし、回折格子を用いた従来の単色化装置は、入射された光が回折格子によって散乱され、または一つ以上のミラーに反射もしくは透過される過程で、当該装置に入射された光について、装置から出力される特定の波長の光の効率が相当に減少するという問題があった。

このような問題を解決するために、韓国登録特許第１，５２４，５５６号においては、広帯域フィルタを用いて光の波長を選択できる単色化装置について開示している。上記特許においては、回折格子を用いずに、通過させる光の波長帯域を異にする一つ以上の広帯域フィルタを直列的に配置して単色化装置を具現しており、それにより、回折格子を用いた従来の単色化装置と比較して、入射した光について単色化装置から出力される効率を相当に増加させることができることを開示している。

しかし、上記単色化装置においては、広帯域フィルタの回転角度を変更するために別途の電動機のような回転装置を必要とし、また、一組の広帯域フィルタのみを含むため、同時に複数の波長の光を出力することができないという問題がある。

本発明は、上述した回折格子を用いた単色化装置および広帯域フィルタの回転角度を変更する単色化装置の問題点を解決するためのものである。本発明の一目的は、回折格子または回転装置を用いることなく、通過させる光の波長帯域を異にする広帯域フィルタからなる広帯域フィルタの組を１つ以上配置して、複数の所望する中心波長および波長幅の光を同時に検出することを可能にする技術を提供することである。

ただし、本発明の解決しようとする課題は、これに限定されるものではなく、本発明の思想および領域から逸脱しない範囲において、多様に拡張され得るものである。

本発明の一目的を達成するために、本発明の実施形態による入射する光から特定の波長帯域の光を分析するための分光光度装置は、入射した光を拡散させる受光部、第１の広帯域フィルタの組および上記第１の広帯域フィルタの組を通過した光を検出する検出器を含み、第１の広帯域フィルタの組は、光の入射方向に対して第１の角度を有するように配置され、入射する光に第１の波長帯域を通過させる第１の広帯域フィルタ、光の入射方向に対して第１の角度とは異なる第２の角度を有するように配置されて、第１の広帯域フィルタを通過した光に第２の波長帯域を通過させる第２の広帯域フィルタおよび第２の広帯域フィルタを通過した光の経路を第１の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第１の経路補償手段を含み、第１の広帯域フィルタ、第２の広帯域フィルタおよび第１の経路補償手段は、光の入射方向に対して直列的に配置されてもよい。

一実施形態によれば、本発明の分光光度装置は、第２の広帯域フィルタの組をさらに含み、上記第２の広帯域フィルタの組は、光の入射方向に対して第３の角度を有するように配置されて、入射する光に第３の波長帯域を通過させる第３の広帯域フィルタ、光の入射方向に対し第３の角度とは異なる第４の角度を有するように配置されて、第３の広帯域フィルタを通過した光に第４の波長帯域を通過させる第４の広帯域フィルタおよび第３の広帯域フィルタを通過した光の経路を第４の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第２の経路補償手段を含み、第３の広帯域フィルタ、第４の広帯域フィルタおよび第２の経路補償手段は、光の入射方向に対し直列的に配置され、第１の広帯域フィルタの組と第２の広帯域フィルタの組は、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置されてもよい。

一実施形態によれば、本発明の分光光度装置は、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に第１の広帯域フィルタの組および第２の広帯域フィルタの組と一直線に配置されているＮ個の広帯域フィルタの組をさらに含み、１≦Ｎ≦２８であってもよい。

一実施形態によると、受光部は、第１の受光部および第２の受光部を含み、第１のフィルタの組には第１の受光部から光が入射され、第２のフィルタの組は第２の受光部から光が入射されるようにしてもよい。

一実施形態によると、第１の広帯域フィルタの組と検出器との間に、干渉を防止するための少なくとも一つ以上のレンズをさらに含み、上記少なくとも一つのレンズは、シリンドリカルレンズ、凸レンズまたはこれらの任意の組み合わせのうち少なくとも一つを含むものであってもよい。

一実施形態によると、検出器は、イメージセンサであってもよい。

本発明の実施形態による入射する光から特定の波長帯域の光を分析するための分光光度装置は、回折格子を用いた単色化装置を含む分光光度装置と比較して、入射した光に対する単色化装置から出力される光の効率を相当に増加させることができ、スキャン方式のイメージング以外に多様なイメージング方法に柔軟に活用され得る。

また、本発明の実施例による分光光度装置は、互いに異なる波長を出力する複数個の広帯域フィルタの組を、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置することを通じ、必要とする特定の波長を有する複数の光を同時に検出することができる。

併せて、本発明の実施形態による分光光度装置は、入射した光を拡散させる受光部を含むことを通じ、広帯域フィルタの回転のための別途の回転装置を必要としなくなるため、比較的高価な光学システムの設備費用を削減させることができるとともに、装置の小型化が可能であるという利点がある。

ただし、本発明の効果は、これらに限定されるものではなく、本発明の思想および領域から逸脱しない範囲で、多様に拡張され得るものである。

図１は、回折格子を有する従来の単色化装置を示したものである。 図２の（ａ）〜（ｄ）は、広帯域フィルタの回転角度に応じ透過された波長帯域の例示的な結果を示したものである。 図３ａは、本発明の一実施形態による分光光度装置を示したものである。 図３ｂは、図３ａの分光光度装置における光源の大きさおよび形状の変化を示したものである。 図４は、本発明の分光光度装置に含まれる補償器の原理を示したものである。 図５ａは、本発明の一実施形態による分光光度装置を示したものである。 図５ｂは、図５ａの分光光度装置における光源の大きさおよび形状の変化を示したものである。 図６ａは、本発明の一実施形態による特定の波長を選択する過程を示したものである。 図６ｂは、本発明の一実施形態による、２つの広帯域フィルタを用いて特定の波長を選択する原理を示したものである。

本文に開示されている本発明の実施形態について、特定の構造的ないし機能的説明は、本発明の実施形態を説明するための目的で単に例示されたものであって、本発明の実施形態は、多様な形態で実施されてよく、本文に説明されている実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。

本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示し、本文に詳細に説明することとする。しかし、これは、本発明を特定の開示形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されなければならない。

本出願において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味するものでない限り、複数の表現を含む。本出願において、“含む”または“有する”などの用語は、説示された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

異なって定義されない限り、技術的または科学的な用語を含め、ここで使用されるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味である。辞典に定義されているような、一般的に使用される用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味であるものと解釈されなければならず、本出願において明白に定義しない限り、理想的または過度に典型的な意味に解釈されない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。図面上の同一の構成要素については同一の参照符号を使用し、同一の構成要素について重複した説明は省略する。

図２の（ａ）〜（ｄ）は、図２の広帯域フィルタの回転角度に応じ通過した波長帯域の例示的な結果を示す。具体的に、図２（ａ）においては、光の入射方向に対する広帯域フィルタの角度を９０°に配置して光を通過させる場合を図示しており、通過された光の例示的な結果について図２（ｂ）に図示されている。図２（ｂ）を参照すると、光の入射方向に対する広帯域フィルタの角度を９０°に配置して光を通過させた場合に、６２８ｎｍの中心波長を有し、かつ、一定の幅の帯域幅を有する光のみが通過されることが分かる。また、図２（ｃ）は、光の入射方向に対する広帯域フィルタの角度を３０°に配置して光を通過させた場合を示し、図２（ｄ）に示されるように、５６２ｎｍの中心波長を有し、かつ、一定の幅の帯域幅を有する光のみが通過されることが分かる。このように、本発明に用いられる広帯域フィルタは、光の入射方向に対する広帯域フィルタの角度に応じて中心波長が異なる帯域通過フィルタであってよい。また、光の入射方向に対する角度に応じて中心波長および帯域幅がいずれも異なる帯域通過フィルタが用いられてもよい。

図３ａは、本発明の一実施形態による分光光度装置を示す。本実施形態の分光光度装置は、入射した光を分配する受光部３００を含む。光源から入射した光は、受光部３００を通過するときに拡散され、拡散された光は、後述する第１の広帯域フィルタの組へ入射する。本発明の分光光度装置における受光部３００として、たとえば、光ファイバー、ロッド、凹レンズなどが用いられてもよく、この他にも、入射した光を拡散させることができる物質が受光部として用いられてもよい。受光部を通過した光は、拡散されて広帯域フィルタの組へ入射されるので、本発明の分光光度装置においては、広帯域フィルタの回転角度を変更させるための別途の回転装置などを必要としない。

本実施形態の分光光度装置は、光の入射方向に対し第１の角度θ_１を有する第１の広帯域フィルタ３１０と、光の入射方向に対し第２の角度θ_２を有する第２の広帯域フィルタ３２０、および補償器３３０からなる第１の広帯域フィルタの組を含む。また、本実施形態の分光光度装置は、第１の広帯域フィルタの組を通過した光を検出する検出器３５０を含む。入射光Ｌは、第１の広帯域フィルタ３１０を通過しつつ、第１の角度θ_１による所定の帯域幅の波長のみを有する光Ｌ１となる。この光Ｌ１は、光の入射方向に対し第２の角度θ_２を有する第２の広帯域フィルタ３２０を通過することにより、第１の広帯域フィルタおよび第２の広帯域フィルタの通過帯域のうち共通した波長帯域のみをその波長として有する光Ｌ２となる。

一方、図４は、本発明の分光光度装置に含まれる補償器の原理を示す。光が広帯域フィルタを通過する際、光の経路は、フィルタの厚み、個数、入射角度などにより、変わる。たとえば、第１の広帯域フィルタおよび第２の広帯域フィルタを通過したＬ１およびＬ２は、図４に示されているように、入射光Ｌに比べ経路差が発生する。このように、広帯域フィルタの厚み、個数、角度などが異なる度に光の経路が異なれば、多様な波長範囲を選択するために、広帯域フィルタの様々な組み合わせを活用するにあたり大きな制約ともなり得る。したがって、本発明の分光光度装置は、補償器３３０を含み、第１の広帯域フィルタおよび第２の広帯域フィルタを通過することにより発生した光の経路の変化が、広帯域フィルタを通過する前の光の経路のそれと同一になるように、光の経路を補正する。これにより、補償器３３０を通過した光Ｌ３は、第１の広帯域フィルタおよび第２の広帯域フィルタにおいて共通に通過した波長帯域のみを有すると同時に、広帯域フィルタを通過していない入射光Ｌと同じ光の経路を有することができる。

一実施形態として、補償器３３０と検出器３５０との間に、干渉を防止するための少なくとも一つ以上のレンズが配置されてもよい。１つの広帯域フィルタの組を含む図３ａの分光光度装置においては、凸レンズ３４０が用いられてもよい。図３ｂは、進行段階ごとの光源の大きさおよび形状の変化を示す。補償器３３０を通過した後に放射する光Ｌ３は、凸レンズ３４０を通過するときに屈折して収斂する。屈折した光Ｌ４が収斂する位置に検出器３５０を配置して、より容易に光を検出することができる。

図５ａは、本発明の他の実施形態による分光光度装置を示す。本実施形態の分光光度装置は、図３ａの分光光度装置に加えて、光の入射方向に対し第３の角度θ_３を有する第３の広帯域フィルタ４１２と、光の入射方向に対し第４の角度θ_４を有する第４の広帯域フィルタ４２２、および第２の補償器４３２からなる第２の広帯域フィルタの組をさらに含む。第１の広帯域フィルタの組と上記第２の広帯域フィルタの組は、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置される。入射光Ｌは、それぞれ第１の広帯域フィルタの組と第２の広帯域フィルタの組へ入射し、第１の広帯域フィルタ４１１および第２の広帯域フィルタ４２１による波長を有する光と、第３の広帯域フィルタ４１２および第４の広帯域フィルタ４２２による波長を有する光に分離されて、検出器４６０により検出される。

一実施形態として、補償器４３１，４３２と検出器４６０との間に、干渉を防止するための少なくとも一つ以上のレンズが配置されてもよい。２つの広帯域フィルタの組を含んでいる図５ａの分光光度装置においては、シリンドリカルレンズ４４０および凸レンズ４５０が用いられてもよい。図５ｂは、進行段階ごとの光源の大きさおよび形状の変化を示す。補償器４３１，４３２を通過した後に放射するそれぞれの光Ｌ３は、シリンドリカルレンズ４４０を通過するときに楕円形状を帯びるようになり、また、凸レンズ４５０を通過した後に収斂する。凸レンズ４５０を通過した光Ｌ４が収斂する位置に検出器４６０を配置して、より容易に光を検出することができる。

また、本発明の分光光度装置は、第１の広帯域フィルタの組および第２の広帯域フィルタの組に加えて、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置されるＮ（１≦Ｎ≦２８）個の広帯域フィルタの組をさらに含んでもよい。光の入射方向に対し互いに異なる角度を有する複数個の広帯域フィルタの組を配置することにより、それぞれ異なる波長を有する広帯域フィルタの組の数だけ分離された光を同時に検出することもできる。

一実施形態として、本発明の分光光度装置は、光源を分配する複数個の光ファイバーを含んでもよい。たとえば、図５ａに示された分光光度装置において、第１の広帯域フィルタの組へ光が入射されるようにする第１の光ファイバーと、第２の広帯域フィルタの組へ光が入射されるようにする第２の光ファイバーを含んでもよい。光ファイバーの個数は、これに限定されず、光ファイバーは、光源を分配する広帯域フィルタの組の個数だけ含まれてもよい。

本発明の分光光度装置においては、異なるタイプの検出器が使用されてもよい。たとえば、イメージセンサ、ＰＭＴ（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイ検出器、ＣＭＯＳ検出器、およびフォトダイオードアレイ検出器といった検出器が使用されてよく、これに限定されない。

図６ａは、本発明の一実施形態による特定の波長を選択する過程を示す。単色化装置に、広い帯域の波長を有する光Ｌが提供される。第１の広帯域フィルタは、光の入射方向に対し角度θ_１を有するように配置されたとき、中心波長λ_ｃ１および帯域幅ｄ_１を有する第１の帯域通過フィルタとして動作する。光Ｌ１は、光Ｌが角度θ_１を有する第１の広帯域フィルタを通過した結果であり、中心波長λ_ｃ１および帯域幅ｄ_１を有する。第２の広帯域フィルタは、光の入射方向に対し角度θ_２を有するように配置されたとき、中心波長λ_ｃ２および帯域幅ｄ_２を有する第２の帯域通過フィルタとして動作する。光Ｌ１の波長のうち第２帯域通過フィルタに該当する部分のみが通過して光Ｌ２となる。これと関連して、図６ｂにおいては、中心波長λ_ｃ１および帯域幅ｄ_１を有する広帯域フィルタと、中心波長λ_ｃ２および帯域幅ｄ_２を有する広帯域フィルタに光を通過させて、特定の波長を選択する原理を示す。このような原理により、光Ｌ２は、結果的に中心波長λ_ｃおよび帯域幅ｄを有し、ここで、λ_ｃおよびｄは、それぞれ次の式１および式２により導き出される。

本発明の分光光度装置は、上記のような原理に基づき、光の入射方向に対する広帯域フィルタの角度を調整することにより、また、通過する波長帯域の中心波長および帯域幅を変更することにより、所望の波長を自由に選択することができる。さらに、複数個の広帯域フィルタの組を使用して、同時に複数個の波長の光を検出することができる。

上記においては、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解するであろう。

一実施形態によれば、本発明の分光光度装置は、第２の広帯域フィルタの組をさらに含み、上記第２の広帯域フィルタの組は、光の入射方向に対して第３の角度を有するように配置されて、入射する光に第３の波長帯域を通過させる第３の広帯域フィルタ、光の入射方向に対し第３の角度とは異なる第４の角度を有するように配置されて、第３の広帯域フィルタを通過した光に第４の波長帯域を通過させる第４の広帯域フィルタおよび第４の広帯域フィルタを通過した光の経路を第３の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第２の経路補償手段を含み、第３の広帯域フィルタ、第４の広帯域フィルタおよび第２の経路補償手段は、光の入射方向に対し直列的に配置され、第１の広帯域フィルタの組と第２の広帯域フィルタの組は、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置されてもよい。

Claims (6)

1. 入射する光から特定の波長帯域の光を分析するための分光光度装置であって、
   上記分光光度装置は、
   入射した光を拡散させる受光部；
   第１の広帯域フィルタの組；および
   上記第１の広帯域フィルタの組を通過した光を検出する検出器を含み、
   上記第１の広帯域フィルタの組は、
   光の入射方向に対し第１の角度を有するように配置され、上記入射する光に第１の波長帯域を通過させる第１の広帯域フィルタ；
   光の入射方向に対し上記第１の角度とは異なる第２の角度を有するように配置され、上記第１の広帯域フィルタを通過した光に第２の波長帯域を通過させる第２の広帯域フィルタ；および
   上記第２の広帯域フィルタを通過した光の経路を、上記第１の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第１の経路補償手段を含み、
   上記第１の広帯域フィルタ、上記第２の広帯域フィルタ、および上記第１の経路補償手段は、光の入射方向に対し直列的に配置されることを特徴とする、分光光度装置。
2. 第２の広帯域フィルタの組をさらに含む分光光度装置であって、
   上記第２の広帯域フィルタの組は、
   光の入射方向に対し第３の角度を有するように配置され、上記入射する光に第３の波長帯域を通過させる第３の広帯域フィルタ；
   光の入射方向に対し上記第３の角度とは異なる第４の角度を有するように配置され、上記第３の広帯域フィルタを通過した光に第４の波長帯域を通過させる第４の広帯域フィルタ；および
   上記第３の広帯域フィルタを通過した光の経路を、上記第４の広帯域フィルタを通過した光の経路と等しくなるように調整する第２の経路補償手段を含み、
   上記第３の広帯域フィルタ、上記第４の広帯域フィルタ、および上記第２の経路補償手段は、光の入射方向に対し直列的に配置され、
   上記第１の広帯域フィルタの組と上記第２の広帯域フィルタの組は、側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に一直線に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の分光光度装置。
3. 側面から見たときに、光の入射方向に対し垂直な方向に上記第１の広帯域フィルタの組および上記第２の広帯域フィルタの組と一直線に配置されるＮ個の広帯域フィルタの組と、をさらに含み、
   １≦Ｎ≦２８である、請求項２に記載の分光光度装置。
4. 上記受光部は、第１の受光部および第２の受光部を含み、
   上記第１の広帯域フィルタの組には、上記第１の受光部から光が入射され、
   上記第２の広帯域フィルタの組には、上記第２の受光部から光が入射されることを特徴とする、請求項２に記載の分光光度装置。
5. 上記第１の広帯域フィルタの組と上記検出器との間に、干渉を防止するための少なくとも一つ以上のレンズをさらに含み、
   上記少なくとも一つのレンズは、
   シリンドリカルレンズ；
   凸レンズ；または
   これらの任意の組み合わせ
   のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の分光光度装置。
6. 上記検出器は、イメージセンサであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光光度装置。
   
   

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