JP2020518787A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ホットスポット（２１）の熱放射を表す信号（Ｓ１）を放出するように構成される赤外線検出器（５０）と、好ましくはＵＶ又は可視波長窓において入射ビーム（Ｆ１）を放出するように構成される光源（１０）とを含む赤外線検出装置に関する。本発明は、赤外線検出装置が、前記光源（１０）及び前記赤外線検出器（５０）又は処理モジュール（６０）に接続され、且つ同期信号（ＳＹＮＣ）を放出するように構成される同期化装置（７０）を更に含み、赤外線検出器（５０）が、前記同期信号（ＳＹＮＣ）に依存してプリセット時間窓（ＦＴ）において作動されるように構成されることを本質的に特徴とする。

Description

本発明は、サンプルの撮像（顕微鏡法）、サーモグラフィ又は分光法のためのものであるかどうかにかかわらず、赤外線における超解像検出の分野に関する。

簡潔にするために、用語「赤外線」は、本発明において、任意の電磁界であって、その周波数又は均等に波長が赤外線帯域（近及び遠赤外線を含む）、テラヘルツ帯域又はマイクロ波帯域に含まれる、任意の電磁界を意味するように理解される。

赤外線スペクトルは、情報（分子振動、フォノン、半導体におけるプラズモン、熱放出等）に非常に富んでいる。従って、それは、サンプルを特徴付けることを可能にする。

赤外線分光法は、書籍Ｐｅｔｅｒ Ｒ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ ａｎｄ Ｊａｍｅｓ Ａ．Ｄｅ Ｈａｓｅｔｈ，Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｈｏｂｏｋｅｎ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，２００７），２ｎｄ ｅｄに説明されているように、サンプルによって反射、透過若しくは吸収されるか、又はその表面からの熱放射によって生成される赤外線放射スペクトルの研究に関する。また、この研究に説明されているように、サンプルの表面におけるスペクトルをマッピングすることを目的とする顕微分光測定は、赤外線分光計に結合された赤外線顕微鏡を使用する。サンプルは、２つの直交軸及び多数の走査ステップのそれぞれのために測定されたスペクトルに沿ってサンプルを平行移動するためのコンピュータ制御装置上に配置され得るか、又は代わりに、サンプルは、静止したままであり得、そのスペクトルは、マルチチャネルマトリックスアレイ検出器を用いて測定され得る。

この分野において、赤外線顕微鏡及び赤外線分光計などの従来の器具が知られており、これらの器具は、観察波長に直接関係する回折限界のために約１０マイクロメートルの空間解像度を有し、それは、これらの器具の本質的な限界である。

超解像技術は、顕微鏡法、分光法又は顕微分光法に適用されるかどうかにかかわらず、波長より優れた空間解像度で情報を取得するために回折限界を回避することを可能にする。

これまで、赤外線における解像限界を回避するために、走査可能な局所プローブとして原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）チップを用いた走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）を用いることが必要であり、プローブは、サンプルの表面に接して配置される。これは、ＡＦＭによって測定されたトポグラフィの解像度に近い解像度で赤外線において測定を行うことを可能にする。例えば、刊行物Ｆ Ｈｕｔｈ，Ｍ Ｓｃｈｎｅｌｌ，Ｊ Ｗｉｔｔｂｏｒｎ，Ｎ Ｏｃｅｌｉｃ，＆Ｒ Ｈｉｌｌｅｎｂｒａｎｄ，“Ｉｎｆｒａｒｅｄ−ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｎａｎｏｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｕｒｃｅ”，ＮＡＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏｌ．１０，３５２（２０１１）は、サンプルの表面に接するＡＦＭチップによって散乱された外部熱源の放射を用いるかかる装置を提示している。刊行物ＡＣ Ｊｏｎｅｓ，ＭＢ Ｒａｓｃｈｋｅ，“Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，ＮＡＮＯ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．１２，１４７５−１４８１（２０１２）は、サンプルの熱放出を局所的に増加させ、且つ前記放出を赤外線顕微分光装置の方へ散乱させる加熱ＡＦＭチップを用いる機器を提示している。

かかる顕微鏡は、効果的であるが、高価であり、且つ外部源を用いて励起された電磁界を散乱させることができるように、研究されるサンプルの表面に接して走査可能な局所プローブを配置することを必要とする。

ＩＲ−ＡＦＭと呼ばれるＳＮＯＭの代替方法は、ＡＦＭチップに対して熱機械効果を用いることを含む。この場合、赤外線放射は、サンプルによって吸収され、結果として生じる熱膨張は、サンプルの表面に接して配置されたカンチレバーＡＦＭチップの振動の振幅を介して測定される。それは、ここでもまたサンプルとの接触を要求し、変調された赤外線源を用いることを要求し、且つまた非常に高価である技術の問題である。

例えば、文献米国特許第４９４７０３４号明細書、米国特許出願公開第２００５０２５９２５２号明細書、米国特許第７９７７６３６号明細書及び国際公開第２００８１４３８１７号パンフレットにおいて、又は実際に刊行物Ａ Ｄａｚｚｉ，ＣＢ Ｐｒａｔｅｒ，Ｑ Ｈｕ，ＤＢ Ｃｈａｓｅ，ｅｔ ａｌ．，“ＡＦＭ−ＩＲ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ”，ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ Ｖｏｌ．６６，１３６５−１３８４（２０１２）において説明されているようなＳＮＯＭ及びＩＲ−ＡＦＭは、非常に高価である。なぜなら、それらは、スペクトルが赤外線において広いＡＦＭ及び外部源を必要とするからである。

更に、それらは、実施するのが難しく、且つサンプル表面の検査に制限される接触法である。

例えば、米国特許第８８７３１４０号明細書及び米国特許第５０９３５８０号明細書に説明されているようないわゆるＡＴＲ方法（ＡＴＲは、減衰全反射を表す）も知られている。赤外顕微鏡法において、ＡＴＲセルに接してサンプルを配置することにより、顕微鏡の解像度を向上させることが可能である。ＳＮＯＭ及びＩＲ−ＡＦＭ方法におけるように、サンプルとの接触を要求する欠点とは別に、解像度における向上は、ＡＴＲセルの屈折率ｎの値によって制限され、ＡＴＲセルは、一般にゲルマニウム（ｎ＝４）又はシリコン（ｎ＝３．４）で作製される。

米国特許第４９４７０３４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２５９２５２号明細書 米国特許第７９７７６３６号明細書 国際公開第２００８／１４３８１７号 米国特許第８８７３１４０号明細書 米国特許第５０９３５８０号明細書

Ｐｅｔｅｒ Ｒ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ ａｎｄ Ｊａｍｅｓ Ａ．Ｄｅ Ｈａｓｅｔｈ，Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｈｏｂｏｋｅｎ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，２００７），２ｎｄ ｅｄ Ｆ Ｈｕｔｈ，Ｍ Ｓｃｈｎｅｌｌ，Ｊ Ｗｉｔｔｂｏｒｎ，Ｎ Ｏｃｅｌｉｃ，＆Ｒ Ｈｉｌｌｅｎｂｒａｎｄ，"Ｉｎｆｒａｒｅｄ−ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｎａｎｏｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｕｒｃｅ"，ＮＡＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏｌ．１０，３５２（２０１１） ＡＣ Ｊｏｎｅｓ，ＭＢ Ｒａｓｃｈｋｅ，"Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ"，ＮＡＮＯ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．１２，１４７５−１４８１（２０１２） Ａ Ｄａｚｚｉ，ＣＢ Ｐｒａｔｅｒ，Ｑ Ｈｕ，ＤＢ Ｃｈａｓｅ，ｅｔ ａｌ．，"ＡＦＭ−ＩＲ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ"，ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ Ｖｏｌ．６６，１３６５−１３８４（２０１２）

本発明は、これらの制約を回避することを目的とする。

これに関連して、より正確には、本発明の第１の主題は、赤外線検出装置であって、
− 少なくとも１のホットスポット（２１）のセットによって放出された波長（Ｌ＿Ｆ２）の熱放射を表す信号（Ｓ１）を放出するように構成された赤外線検出器（５０）、
− 好ましくはＵＶ又は可視波長の窓において、波長（Ｌ＿Ｆ２）より短い波長（Ｌ＿Ｆ１）の入射ビーム（Ｆ１）を放出するように構成された光源（１０）、
− 前記入射ビーム（Ｆ１）を集束させるための装置（１１）であって、前記入射ビーム（Ｆ１）の集束は、少なくとも１つの焦点のセットを生成し、各焦点は、検出された赤外線熱放射の波長（Ｌ＿Ｆ２）のサイズより小さいサイズを有し、各焦点は、前記焦点がホルダ又はサンプル上に位置する場合にそれぞれのホットスポット（２１）を生成することができ、及び前記ホルダ又は前記サンプルにわたるホットスポット（２１）の拡散率は、既知である、装置（１１）、
− 少なくとも１の赤外線検出器（５０）に接続された処理モジュール（６０）、
− 前記光源（１０）、前記赤外線検出器（５０）及び前記処理モジュール（６０）のうちの少なくとも１つに接続された同期化装置（７０）
を含み、
− 同期化装置（７０）は、同期信号（ＳＹＮＣ）を放出するように構成され、
− 赤外線検出器（５０）又は処理モジュールは、前記同期信号（ＳＹＮＣ）及びホットスポットの拡散率に依存してプリセットされる時間窓（ＦＴ）において信号（Ｓ１）を測定するように構成される、赤外線検出装置である。

それは、処理モジュール（６０）が時間窓（ＦＴ）において信号（Ｓ１）を測定するように構成され、ホットスポット（２１）の拡散率の値を掛けられた時間窓（ＦＴ）の値が、前記ホットスポット（２１）によって放出された熱放射の赤外線波長（Ｌ＿Ｆ２）の値より低いことを本質的に特徴とする。

信号（Ｓ１）は、電気信号又は光信号であり得る。

同期化装置（７０）、光源（１０）、赤外線検出器（５０）及び処理モジュール（６０）間の接続は、電気的及び／又は光学的、例えば高速フォトダイオードであり得る。

一実施形態において、処理モジュール（６０）は、時間窓（ＦＴ）において信号（Ｓ１）を測定するように構成され、ホットスポット（２１）の拡散率の値を掛けられた時間窓（ＦＴ）の値は、前記ホットスポット（２１）によって放出された熱放射の赤外線波長（Ｌ＿Ｆ２）の値より低い。

この特徴により、このように生成された１つ又は複数のホットスポットのサイズは、熱放射の赤外線波長（Ｌ＿Ｆ２）より小さい。

好ましくは、少なくとも１のホットスポット（２１）のセットによって放出された熱放射の波長（Ｌ＿Ｆ２）は、中赤外線（３マイクロメートル〜５０マイクロメートル）及び遠赤外線（５０マイクロメートル〜１０００マイクロメートル）に含まれる。

試験は、７〜１２マイクロメートルに含まれるスペクトル範囲の検出器で実行された。

一実施形態において、
− 光源（１０）は、パルス源であって、それが作動される場合に少なくとも１つのパルスの列を放出するように構成されたパルス源であり、及び
− 同期信号（ＳＹＮＣ）は、前記少なくとも１つのパルスの列に依存して放出される。

好ましくは、処理モジュールは、ホットスポットの広がりが、検出される熱放射の赤外線波長より小さいような時間の長さのために、少なくとも１つのパルスの列の直後に赤外線検出器（５０）に達する熱放射に対応する信号（Ｓ１）をサンプリングするように構成される。

一実施形態において、
− 光源（１０）は、変調周波数（Ｆｍｏｄ）で時間変調される連続波又はパルス光源であり、
− 赤外線検出装置は、変調周波数（Ｆｍｏｄ）又はこの周波数の高調波において赤外線検出器（５０）から出力された信号（Ｓ１）を復調するように構成された復調器を更に含む。

一実施形態において、赤外線検出器（５０）は、
− 単一チャネル赤外線検出器又は赤外線イメージャ（５１）、及び
− 赤外線分光計（５２）
のうちの少なくとも１つを含む。

「赤外線イメージャ」によって意味されるものは、赤外線検出器のマトリックスアレイによって典型的に形成されたマルチチャネル赤外線検出器である。マルチチャネル検出器を用いて、ホットスポットの超局所化を達成することが可能である。即ち、ホットスポットは、赤外線イメージャの複数の画素によってサンプリングされ得る回折限界エアリーディスクを生成する。従って、ディスクの中心は、光活性化局在性顕微鏡法（ＰＡＬＭ）において知られているように、このディスクのプロファイルに二次元ガウス関数を適合させることにより、赤外線波長より優れた精度で決定され得る。

ホットスポット（２１）の熱放射（Ｆ２）を収集し、且つ前記赤外線検出器（５０）に熱放射（Ｆ２）を転送するように構成された光学対物レンズ（４０）が更に提供され得る。

処理モジュール（６０）は、時間窓（ＦＴ）において信号（Ｓ１）を測定するように構成され、ホットスポット（２１）の拡散率の値を掛けられた時間窓（ＦＴ）の値は、前記ホットスポット（２１）によって放出された熱放射の赤外線波長（Ｌ＿Ｆ２）の値より低いようになされ得る。

サンプルホルダ（３０）が更に提供され得、装置は、以下の構成：
− 光源（１０）及び赤外線検出器（５０）がホルダ（３０）の同じ側に配置される反射構成、及び
− 光源（１０）及び赤外線検出器（５０）がホルダ（３０）の両側に配置される透過構成
のいずれか１つを場合により採用する。

− ビーム（Ｆ１）の焦点及びサンプルホルダ（３０）の相対的位置を修正するように構成された走査装置
が更に提供され得る。

サンプル（２０）が更に提供され得、前記サンプルは、マイクロ流体細胞のマイクロ流体チャネル（２３）に任意選択的に含まれ、前記マイクロ流体細胞は、入射ビーム（Ｆ１）の励起波長（Ｌ＿Ｆ１）において透明な外層（２２）と、熱放射（Ｆ２）の波長（Ｌ＿Ｆ２）において透明な内層（２４）とを含む。

本発明の別の主題によれば、本発明は、本発明に従う装置を使用することができる赤外線検出方法であって、
− ホルダ（３０）上にサンプル（２０）を配置するステップと、
− 光源（１０）を作動させるステップと、
− 前記サンプル（２０）又は前記ホルダ（３０）によって放出された熱放射（Ｆ２）の局所的な増加を発生させるために、少なくとも１つの焦点ゾーン（２１）のセット内に光源（１０）のビーム（Ｆ１）を集束させるステップであって、少なくとも１つの焦点ゾーン（２１）の位置は、前記サンプル（２０）内、前記サンプルの表面上又は前記サンプル（２０）と前記ホルダ（３０）との間の界面にプリセットされ、且つ含まれる、ステップと、
− 赤外線検出器（５０）であって、
− 単一チャネル赤外線検出器又は赤外線イメージャ（５１）、及び
− 赤外線分光計（５２）
のうちの少なくとも１つを含む赤外線検出器（５０）と組み合わされる光学対物レンズ（４０）において、前記セットの各焦点ゾーン（２１）によって放出された前記熱放射（Ｆ２）を収集するステップと、
− 前記赤外線検出器（５０）によって検出された熱放射（Ｆ２）を表す出力信号（Ｓ１）を生成するステップと、
− 前記赤外線検出器（５０）及び前記光源（１０）を同期させるステップと、
− 光源（１０）の作動後にプリセット時間を開始するプリセット時間窓（ＦＴ）において出力信号（Ｓ１）を測定するステップと
を含む赤外線検出方法に関する。

方法は、
− 変調周波数（Ｆｍｏｄ）で前記連続波又はパルス光源（１０）を時間変調するステップと、
− 赤外線検出装置の復調器を用いて、変調周波数（Ｆｍｏｄ）又はその高調波の１つにおいて赤外線検出器（５０）から出力された信号（Ｓ１）を復調するステップと
を含み、好ましくは、
− 光源（１０）がパルス源である場合、光源（１０）は、立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのセットを含むパルス列を生成するように構成され、赤外線検出器（５０）を作動させるステップは、従って、遅くともパルス列の最後の立ち下がりエッジで赤外線検出器（５０）を作動させることを含むように更になされ得る。

光源（１０）がパルス光源である場合、時間窓の代わりに同期検出技術を用いて信号（Ｓ１）の復調を適用するようにすることも可能である。

以下の動作：
− 光源（１０）の作動後のプリセット時間に開始するプリセット時間窓（ＦＴ）において赤外線検出器（５０）を作動させることと、
− 赤外線検出器（５０）をアクティブに保持し、且つ光源（１０）の作動後のプリセット時間に開始するプリセット時間窓（ＦＴ）において生成される出力信号（Ｓ１）の部分のみをサンプリングすることと
の１つを含むように、プリセット時間窓（ＦＴ）において出力信号（Ｓ１）を測定することを含むステップが提供され得る。

光源（１０）が、立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのセットを含むパルス列を生成するように構成されたパルス源である場合、赤外線検出器（５０）を作動させるステップは、遅くともパルス列の最後の立ち下がりエッジにおいて赤外線検出器（５０）を作動させることを含むようになされ得る。

検出器が常にアクティブである場合、プリセット時間窓（ＦＴ）において出力信号（Ｓ１）をサンプリングするステップは、遅くともパルス列の最後の立ち下がりエッジにおいて開始する。

本発明により、ホットスポットであって、その赤外線熱放射（それが放出する波長（Ｌ＿Ｆ２）より小さいサイズのゾーンに極めて局所化される）が測定される、ホットスポットを生成するために、短波長（Ｌ＿Ｆ１）のパルス又は変調光源を用いることが可能である。従って、それは、この点で先行技術の解決法と異なる非接触の解決法である。

更に、本発明は、サンプルの表面の赤外線特性を精査することだけでなく、サンプルの表面下で精査することも可能にし、これは、ＳＮＯＭプローブでは可能でない。

本発明は、サンプル上に生成された（Ｌ＿Ｆ２）より小さいサイズのホットスポットから放出された赤外線熱放射を利用し得る。従って、サンプルは、赤外線自体の源であり、従って、本発明は、外部赤外線源を必要としない。同様に、本発明は、サンプルの下で生成されたホットスポットから放出された赤外線熱放射を利用し得る。この場合、ホルダは、赤外線源であり、従って再び、本発明は、外部赤外線源を必要としない。

更に、サンプルによって生成された赤外線放射は、広いスペクトルを有し、且つサンプルの特徴付けに対して興味深い全ての光周波数を本来包含し、これは、外部赤外線源を必要とするＳＮＯＭプローブに対して非常に有利であり、外部赤外線源は、提供されるサンプルの興味のある光周波数と重なっている。

本発明は、超解像撮像を可能にする。即ち、その空間解像度の撮像は、測定される熱放射（Ｌ＿Ｆ２）の波長より優れている。この場合、時間窓を調整することにより、解像度を焦点のサイズと等しくすることが可能である。

更に、本発明は、超解像顕微鏡法の概念をより長い波長（中赤外線、テラヘルツ周波数）に一般化することを可能にし、且つ検出される信号がサンプル自体の赤外線熱放射から到来するためにマーカなしに機能する。これは、可視及び近赤外線スペクトル領域に更に制限される超解像蛍光顕微鏡法技術から本発明を区別する。

本発明は、非常に安価であり、且つそれが非接触の技術であるため、サンプルの表面下を精査することを可能にする。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の説明を読むことでより明確に明らかになるであろう。以下の説明は、添付の図に関連して実例及び非限定的な例として与えられる。

本発明による装置の一実施形態を示す。 本発明による装置の反射構成を示す。 本発明による装置の透過構成を示す。 本発明による装置の反射構成を示す。 本発明による装置の透過構成を示す。 本発明によって取得された、この場合には１３マイクロメートルの厚さのガラス繊維の超解像赤外線画像を挿入面に含む従来の赤外顕微鏡法画像を示す。 赤外線信号Ｆ２の強度の傾斜曲線を時間の関数として示す。 本発明による分光計により、ガラスサンプル上で取得された赤外線スペクトルを示す。 本発明による分光計により、ＰＤＭＳサンプル上で取得された赤外線スペクトルを示す。

図１は、本発明による装置の一実施形態を示す。

装置は、光源１０を含み、光源１０は、入射光Ｆ１の励起ビームを生成するように構成され、入射光Ｆ１は、信号Ｆ１とも呼ばれる。

光源１０は、時間変調光源又はパルス光源である。例えば、入射光ビームＦ１は、レーザビームであり、光源１０は、可視スペクトルで放出するレーザである。簡潔にするために、「パルス」によって意味されるものは、単一パルス又はパルス列である。

光ビームＦ１は、好ましくは、短波長である。典型的には、波長は、可視窓又はＵＶ窓に含まれる。典型的には、以下で説明されるように、ビームＦ１の波長Ｌ＿Ｆ１は、サンプルの熱放射Ｆ２の波長Ｌ＿Ｆ２よりはるかに短いようになされる。「はるかに短い」によって意味されるものは、ビームＦ１の波長Ｌ＿Ｆ１と熱放射の波長Ｌ＿Ｆ２との間の比率がプリセット閾値より低いことである。典型的には、閾値は、１０以上である。

本発明に関連して、簡潔にするために、「その」波長Ｌ＿Ｆ２によって意味されるものは、ホットスポット２１によって放出された熱放射スペクトルの平均波長である。

好ましくは、Ｌ＿Ｆ２は、中赤外線を超え、即ち２．５μｍより長い。

サンプル２０は、例えば、ホルダ３０、典型的には顕微鏡（図示せず）のホルダ３０に配置される。

サンプル２０は、好ましくは、ほぼ一定の温度、典型的には室温の環境に配置される。光源１０が作動されない場合、この場合のサンプル２０の内部熱は、信号Ｆ２とも呼ばれる熱放射Ｆ２を生成し、その強度は、ほぼ一定である。

光源１０がアクティブである場合、入射ビームＦ１は、例えば、光源１０に任意選択的に統合される、光学対物レンズなど、入射ビーム１１を光学的に集束させるための装置により、サンプル２０の焦点ゾーン、その外面若しくは内面又はその内部に集束される。

ビームＦ１を焦点ゾーンに集束させることが可能であり、焦点ゾーンの相当直径は、ビームＦ２又は信号Ｆ２とも呼ばれる熱放射Ｆ２の波長Ｌ＿Ｆ２より小さい。この場合、焦点ゾーンの相当直径は、約１マイクロメートルであり、波長Ｌ＿Ｆ２は、約１０マイクロメートルである。

サンプル上に入射ビームＦ１を集束させることは、吸収によってサンプルの温度に局所的な上昇を発生させる。

所与の強度のビームＦ１に関し、焦点ゾーンが小さいほど、温度の局所的上昇がそれだけ大きい。

前記サンプルが入射ビームＦ１の波長において吸収性であり、従ってホットスポット２１を画定するのであれば、ビームＦ１の影響下において、焦点ゾーンの局所温度は、上昇し且つサンプルの残りの温度より高くなる。

ホットスポット２１は、単数であり得る。対応する単一の焦点は、幅の広い励起レーザビームにレンズを通過させることによって典型的に達成される。

例えば、ホットスポットセットを同時に生成し、且つ例えばマルチチャネル検出器により、熱放射の検出を並行して実行することが可能であり、これは、信号Ｆ２の測定を並行して実行し、且つ分析時間を低減することを可能にする。

複数のホットスポットは、幅の広い励起レーザビームに複数のマイクロレンズを通過させることによって多重化され得る。この原理は、いわゆるＳＤＣＬＭ（スピニングディスク共焦点レーザ顕微鏡法）方法を用いる共焦点蛍光顕微鏡法において用いられ、且つ例えばアドレスｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎｄｏｒ．ｃｏｍ／ｌｅａｒｎｉｎｇ−ａｃａｄｅｍｙ／ｓｐｉｎｎｉｎｇ−ｄｉｓｋ−ｃｏｎｆｏｃａｌ−ａ−ｔｅｃｈｎｉｃａｌ−ｏｖｅｒｖｉｅｗで説明されている。この場合、サンプルの表面を走査する単一のレーザスポットを用いる代わりに、複数のスポットは、マイクロレンズを設けられた回転ディスクを使用することによって同時に走査し、レーザは、マイクロレンズセットを同時に照射する。

次に、前記ホットスポット２１の周りのサンプルにおける温度の局所的な上昇は、サンプルにおける赤外線の熱放射Ｆ２の増加をもたらし、前記増加の大きさは、前記ホットスポットの周りで発生し、サンプルの熱放射における局所的な増加に対応する。

ホットスポット２１の位置は、既知であり、その空間範囲は、少なくとも入射ビームＦ１の焦点ゾーンに対応する。

経時的に、入射ビームＦ１のパルス後、熱は、ホットスポット２１の周りのサンプル２０を通って拡散し、従って広がる傾向がある。

それ自体知られている光学対物レンズ４０は、ホットスポット２１から熱放射Ｆ２を収集し、次に前記ビームＦ２を少なくとも１つの赤外線検出器５０、この場合、少なくとも、
− 単一チャネル赤外線検出器又は赤外線イメージャ５１、及び
− 赤外線分光計５２
のうちの１つに導く。

次に、赤外線検出器５０は、出力信号Ｓ１を生成し、出力信号Ｓ１は、熱放射Ｆ２を表し、且つ処理モジュール６０に送信される。

処理モジュール６０は、この場合、入射ビームＦ１の各パルスに基づき、光源１０によって処理モジュール６０に送信された電気パルスによって光源１０と同期される。

しかしながら、特に光源１０が連続波源である場合、サンプル２０に又はサンプル上に発生する熱拡散効果のリスクが存在する。従って、いずれかのサンプルに固有の熱拡散定数のために、光源１０を集束させることによって生成されたホットスポットは、時間と共により大きくなる傾向がある。

時間窓処理
この効果を回避又は少なくとも制限するために、ボックスカー積分としても知られている時間窓処理又は時間的選択を実行するようになされ、時間窓処理又は時間的選択は、赤外線検出器５０を作動させること、又は光源１０の作動後にプリセット時間を開始するプリセット時間窓ＦＴにおいて、赤外線検出器５０が生成する信号（Ｓ１）を選択することを含む。

赤外線検出器５０の作動期間、又は「窓幅」とも呼ばれる、赤外線検出器５０が生成する信号Ｓ１の選択期間に対応する熱放射Ｆ２の測定期間は、光学空間解像度を修正することを可能にする。

サンプルにおける熱拡散のために、窓が広いほど、空間解像度は、それだけ貧弱になり、これは、サンプルの細かい詳細を観察する能力を減少させる。同様に、時間窓ＦＴの初期化と光源１０の作動との間の時間が長いほど、空間解像度は、それだけ貧弱になる。従って、結果を最適化するために、光源の作動後にできるだけ早く時間窓ＦＴを初期化するか又は作動させること、及び窓幅を制限することが有利であり、これらの動作のそれぞれは、熱拡散の影響を制限することを可能にする。

好ましくは、時間窓ＦＴは、遅くとも光源１０、この場合にはパルス光源１０の作動の終了時、遅くともパルス列の最後の立ち下がりエッジにおいて初期化される。

好ましくは、窓幅は、サンプルの熱拡散定数に隷属する。特に、窓幅は、好ましくは、サンプルの熱拡散定数に反比例する。

この場合、光源１０及び赤外線検出器５０又は処理モジュール６０を同期させる装置７０が提供される。同期化装置７０は、処理モジュール６０に統合され得る。

一実施形態において、光源１０は、空間（ホットスポット２１）及び時間（パルス）において高度に局所化される加熱パルスを生成するパルス源である。

例えば、光源１０は、１ｋＨｚの最大繰り返し率で１ナノ秒毎にパルスを生成するＵＶレーザ源である。

好ましくは、ホットスポットの熱放射Ｆ２は、光源１０の加熱パルスが放出された直後に収集される。「直後」によって意味されるものは、遅くとも加熱パルスが放出された後、即ち光源が作動された後のプリセット時間である。

従って、熱拡散効果は、極端に制限され、熱放射を実際に放出するサンプルのゾーンは、ホットスポット２１にほぼ対応する。

例えば、赤外線検出器５０は、検出窓ＦＴにおいて作動され、検出窓ＦＴの期間は、プリセットされ、検出窓ＦＴの時間的位置は、加熱パルスの端部に隷属する。典型的には、検出窓ＦＴは、遅くとも加熱パルス列の最後の立ち下がりエッジ後に作動され、窓幅は、サンプルの性質に依存する。

一実施形態において、光源１０は、連続波源であり、その強度は、変調周波数Ｆｍｏｄ、好ましくは高周波において例えば正弦関数によって時間変調される。好ましくは、変調周波数Ｆｍｏｄは、熱拡散長さＬＤＴがホットスポット２１のサイズにほぼ対応する周波数ｆ以上であり、ここで、
ＬＤＴ＝√（ＤＴ／π．ｆ）
であり、ここで、ＤＴは、熱拡散率である。

信号Ｆ１の変調により、ホットスポットから出力された信号Ｆ２は、それ自体また同じ変調周波数Ｆｍｏｄ又はその高調波の１つで変調される。この場合、信号Ｆ１の変調は、音響光学変調器を用いて行われ得る。

次に、同期検出技術を用いてホットスポットの熱放射を検出するようになされる。即ち、変調周波数Ｆｍｏｄ又はその高調波の１つで赤外線検出器５０を用いて赤外線信号Ｆ２を捕捉するようになされる。特に、この場合、熱拡散によるホットスポットの空間範囲と変調周波数との間の関係が存在する。

赤外線検出器５０によって出力された場合、次に、信号Ｓ１は、典型的には復調器（図示せず）によって復調され得る。復調器は、処理モジュール６０に統合され得る。この場合、復調器は、ロックイン増幅器を含む。

従って、上記の実施形態のいずれか１つにおいて、信号Ｆ２は、時間領域又は周波数領域において検出され得る。

走査
ホットスポットのプリセット数に従って、ポイント毎にサンプルを走査し、且つ各ポイントで信号Ｆ２の強度を測定するようになされ得る。

走査は、ビームＦ１の焦点及びサンプル又はそのホルダのいずれかの相対的位置を修正することによって実行される。例えば、ビームＦ１の焦点の位置を修正し、サンプル（若しくはそのホルダ）の位置が不変のままであること、又はサンプル（若しくはそのホルダ）の位置を修正し、ビームＦ１の焦点の位置が不変のままであることが可能である。

従って、時間窓によって決定された解像度でポイント毎にサンプルの赤外線熱放射の画像を取得することが可能である。

信号Ｆ２は、赤外線分光計５２、例えばフーリエ変換赤外線分光計の入力部にも伝送され得る。

赤外線撮像及び赤外線分光法は、組み合わせ可能である。

例えば、走査によってサンプルの赤外線画像を生成し、次に前記赤外線画像において、位置が既知であり且つ興味深い少なくとも１つのホットスポットのセットを選択するように最初になされ得る。赤外線画像のこの分析により、次に少なくとも１つの選択されたホットスポットのための前記サンプルの分光分析を実行することが可能である。

有利には、走査によってサンプルの赤外線画像をポイント毎に同時に生成すること、及び各ホットスポットの赤外線分光分析を実行することも可能であり、これは、前記サンプルの非常に豊かな赤外線分析を取得することを可能にする。なぜなら、各ホットスポットのために、前記ホットスポットの熱画像と、別の次元で前記ホットスポットのために検出された信号Ｆ２のエネルギ（波長）依存性との両方が得られるからである。

本解決法は、２つの構成を有し得、その２つの構成は、以下で説明される。第１又は第２構成がどのようなものであっても、以下の３つの変形形態の１つが提供され得る。

図２に示されている第１の変形形態として、ビームＦ１の焦点は、サンプルの外面に置かれる。この種の構成は、本明細書で提案される解決法がサンプルに対して非接触であること以外にはＳＮＯＭプローブの原理に近い。

図３及び図５に示されている第２の変形形態として、ビームＦ１の焦点は、サンプルの内部に置かれる。

図４に示されている第３の変形形態として、ビームＦ１の焦点は、サンプルの内面に置かれる。

図２及び図４に示されている、反射構成と呼ばれる第１の構成において、光源１０及び赤外線検出器５０は、サンプルの同じ側、この場合にはサンプル２０の外側ＥＸＴに配置され、内側ＩＮＴは、例えば、ホルダと接触するようになされる。

図２において、サンプル２０は、入射ビームＦ１の波長Ｌ＿Ｆにおいて吸収性である。サンプル２０は、赤外線Ｆ２の源である。

図４において、サンプル２０は、入射ビームＦ１の波長Ｌ＿Ｆ１において透明であり、ホルダ３０（又は基板）は、入射ビームＦ１の波長Ｌ＿Ｆ１において吸収性である。この場合、ホルダ３０は、赤外線Ｆ２の源であり、この放射は、サンプル２０によって部分的に吸収される。好ましくは、サンプルは、ホルダ３０に配置され、その結果、それらは、互いに接触する。サンプル２０は、ホルダ３０によって生成された赤外線熱波長において吸収性であり、赤外線熱波長は、赤外線検出器５０によって検出される。ホルダ３０によって放出され、且つサンプル２０によって部分的に吸収される赤外線スペクトルを直接検出するようになされ得る。サンプルが存在する状態で赤外線検出器５０によって行われる検出と、前記サンプルが存在しない状態で赤外線検出器５０によって行われる検出との間の差動検出を実行するようにもなされ得る。

図３及び図５に示されている、透過構成と呼ばれる第２の構成において、光源１０及び赤外線検出器５０は、サンプルの両側に配置されるようになされる。

この場合、サンプルと光源との間の界面は、入射ビームの励起波長Ｌ＿Ｆ１に対して透明であり、サンプルと赤外線検出器５０との間の界面は、熱放射の波長Ｌ＿Ｆ２において透明である。この種の構成は、サンプルが層によって覆われなければならない場合に有利であり得る。特に、反射構成において、サンプルを覆うために用いられる層２２の材料は、励起波長Ｌ＿Ｆ１に対して透明であると共に熱放射Ｌ＿Ｆ２の波長に対して透明でなければならない。対照的に、透過構成において、２つの異なる界面を達成することが可能であり、各界面は、１つのそれぞれの波長に対して透明である。

この構成は、有利には、サンプルの表面下画像を生成することを可能にし、これは、ＳＮＯＭプローブでは不可能である。

図５は、励起波長Ｌ＿Ｆ１に対して透明な外層２２を含むマイクロ流体細胞と、例えば生物細胞２５を含むマイクロ流体チャネル２３と、熱放射の波長Ｌ＿Ｆ２に対して透明な内層２４との形式をとるサンプル２０を示す。

この場合、ビームＦ１は、マイクロ流体チャネルの細胞２５に集束される。マイクロ流体細胞は、ホットスポット２１を生成するために、可視又はＵＶで一方の側（外側ＥＸＴ）から照射され、且つ反対側（内側ＩＮＴ）、即ちそれを通って、放出された熱放射Ｆ２が検出される反対側（内側ＩＮＴ）で、ＩＲにおいて透明な基板２４に配置される。

構成のいずれが選択されるかは、例えばサンプルの性質、特に２つの波長Ｌ＿Ｆ１及びＬ＿Ｆ２におけるその吸収性に依存する。

実験結果
試験は、本出願人によって実行され、図６〜８に示されている。

図７は、ｔ＝０で、サンプル、この場合にはガラス繊維への熱パルスの印加後の、時間ｔの関数としての赤外線信号Ｆ２の強度の傾斜曲線を示す。パルスの影響下において、サンプルの局所温度は、最大へと非常に急速に上昇し、次にサンプルを通した熱拡散に依存する低下曲線で低下し、熱拡散は、サンプルの性質及びそのジオメトリと関係がある。従って、光源１０のパルスで始まる時間窓Ｆ２を設けることが好ましく、これは、信号Ｆ２の強度ピークが検出されることを保証する。

好ましくは、プリセット期間、例えば遅くとも熱拡散長さが入射ビームＦ１の焦点のサイズである値に時間窓の期間を制限するようになされ、これは、サンプルを通した熱拡散の影響を制限すること、及び従って熱波長Ｌ＿Ｆ２より小さい熱放射源の範囲を保持し、且つよりよい信号対雑音比を取得するために熱放射源の範囲を制限することを可能にする。

これらの特徴により、図６に示されているように、赤外線イメージャを用いて、いわゆる超解像画像を取得することが可能である。

図６は、従来の赤外顕微鏡法画像及び挿入面（図６の上部のフレームの）におけるガラス繊維の超解像赤外線画像を比較する。この場合、時間窓は、加熱パルス後の５０μｓであり、ガラス繊維は、１３マイクロメートルの厚さであった。図６の挿入面の画像の各ポイントは、位置の関数として、時間窓ＦＴにわたって平均された赤外線信号Ｆ２の強度値である。

図８Ａ及び図８Ｂは、ガラスサンプル及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）サンプルに関して取得された赤外線スペクトルをそれぞれ示し、前記スペクトルは、本発明による分光計によって取得される。

本発明は、熱波長Ｌ＿Ｆ２より小さいスケールにおける赤外線光学特性の非接触の特徴付けを可能にする。

上記のように、光源１０は、電子同期化装置７０及び処理モジュール６０のうちの少なくとも１つと組み合わされ、これは、使用される赤外線検出器から出力された信号Ｓ１に影響を及ぼすことを可能にする。これは、信号Ｆ２に寄与する、サンプルのホットスポットの周りの熱スポットの拡散を制限することを可能にする。従って、この放射の特性波長Ｌ＿Ｆ２より小さいサイズのゾーンから到来する、サンプルからの赤外線熱放射が検出される。このゾーンは、超解像赤外線撮像及び分光測定を行うためにサンプルの表面にわたって走査され得る。

同期化は、この場合には処理モジュール６０により、リアルタイム又は後処理で実行され得、これは、光源１０の作動とは無関係に赤外線検出器５０を作動させることを可能にする。

更に、サンプルの表面において、近接場熱放射の局所散乱体の役割を果たすナノ粒子を堆積するようにもなされ得る。

上記で分かるように、サンプルは、サブ波長サイズのホットスポット２１を生成できるように、波長Ｌ＿Ｆ１が、検出される熱放射Ｌ＿Ｆ２より短いスペクトル領域において吸収しなければならない。そうでなければ、サンプルを基板に配置し、且つこの基板とサンプルとの間の界面にホットスポットを形成することが可能である。例えば、サンプルが単純なガラススライドに配置される場合、ＵＶレーザビームとの界面でホットスポットを生成することが可能である。なぜなら、ＵＶレーザビームは、ガラスによって一層多く吸収されるからである。

本発明は、サンプルの表面にわたって走査され得る簡潔で（又は変調された）ポイント状の熱パルスに続いて、動的領域における伝熱を特に非接触で研究するために赤外線サーモグラフィにおいて実施され得る。ホットスポットに関して赤外線検出器を走査することにより、熱パルス後の様々な時点で熱の広がりを撮像すること、及び従って例えば熱伝導率における局所的差異の地図を取得することも可能である。

伝熱異常は、構造における欠陥を非破壊的に検出することを可能にし、これは、場合により生物組織、重合体、複合材料などのサンプルのために有用である。

Ｆ１ 励起波長Ｌ＿Ｆ１の入射ビーム
Ｆ２ ホットスポットにおける波長Ｌ＿Ｆ２の熱放射
Ｓ１ 赤外線検出器から出力された信号
１０ 光源
１１ 入射ビームを光学的に集束させるための装置
２０ サンプル
２１ ホットスポット
２２ 励起波長Ｌ＿Ｆ１に対して透明な層
２３ マイクロ流体チャネル
２４ 波長Ｌ＿Ｆ２に対して透明な界面
２５ 生物細胞
３０ サンプルホルダ
４０ サンプルの熱放射を収集するための光学装置（光学対物レンズ）
５０ 赤外線検出器
５１ 赤外線イメージャ
５２ 赤外線分光計
６０ 処理モジュール
７０ 同期化装置

Claims (9)

1. 赤外線検出装置であって、
   − 少なくとも１のホットスポット（２１）のセットによって放出された波長（Ｌ＿Ｆ２）の熱放射を表す信号（Ｓ１）を放出するように構成された赤外線検出器（５０）、
   − 好ましくはＵＶ又は可視波長の窓において、前記波長（Ｌ＿Ｆ２）より短い波長（Ｌ＿Ｆ１）の入射ビーム（Ｆ１）を放出するように構成された光源（１０）、
   − 前記入射ビーム（Ｆ１）を集束させるための装置（１１）であって、前記入射ビーム（Ｆ１）の前記集束は、少なくとも１つの焦点のセットを生成し、各焦点は、前記検出された赤外線熱放射の前記波長（Ｌ＿Ｆ２）のサイズより小さいサイズを有し、各焦点は、前記焦点がホルダ又はサンプルに位置する場合にそれぞれのホットスポット（２１）を生成することができ、及び前記ホルダ又は前記サンプルにわたる前記ホットスポット（２１）の拡散率は、既知である、装置（１１）、
   − 少なくとも１の赤外線検出器（５０）に接続された処理モジュール（６０）、
   − 前記光源（１０）、前記赤外線検出器（５０）及び前記処理モジュール（６０）のうちの少なくとも１つに接続された同期化装置（７０）
   を含み、
   − 前記同期化装置（７０）は、同期信号（ＳＹＮＣ）を放出するように構成され、及び
   − 前記赤外線検出器（５０）又は前記処理モジュールは、前記同期信号（ＳＹＮＣ）及び前記ホットスポットの前記拡散率に依存してプリセットされる時間窓（ＦＴ）において前記信号（Ｓ１）を測定するように構成される、赤外線検出装置において、
   − 前記処理モジュール（６０）は、時間窓（ＦＴ）において前記信号（Ｓ１）を測定するように構成され、前記ホットスポット（２１）の前記拡散率の値を掛けられた前記時間窓（ＦＴ）の値は、前記ホットスポット（２１）によって放出された前記熱放射の前記赤外線波長（Ｌ＿Ｆ２）の値より低いことを特徴とする赤外線検出装置。
2. − 前記光源（１０）は、パルス源であって、それが作動される場合に少なくとも１つのパルスの列を放出するように構成されたパルス源であり、及び
   − 前記同期信号（ＳＹＮＣ）は、前記少なくとも１つのパルスの列に依存して放出される、請求項１に記載の装置。
3. − 前記光源（１０）は、変調周波数（Ｆｍｏｄ）で時間変調される連続波又はパルス光源であり、
   − 前記赤外線検出装置は、前記変調周波数（Ｆｍｏｄ）又はその高調波の１つにおいて前記赤外線検出器（５０）から出力された前記信号（Ｓ１）を復調するように構成された復調器を更に含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記赤外線検出器（５０）は、
   − 単一チャネル赤外線検出器又は赤外線イメージャ（５１）、及び
   − 赤外線分光計（５２）
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. サンプルホルダ（３０）を更に含み、以下の構成：
   − 前記光源（１０）及び前記赤外線検出器（５０）が前記ホルダ（３０）の同じ側に配置される反射構成、及び
   − 前記光源（１０）及び前記赤外線検出器（５０）が前記ホルダ（３０）の両側に配置される透過構成
   のいずれか１つを場合により採用する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. − 前記ビーム（Ｆ１）の前記焦点及び前記ホルダ（３０）の相対的位置を修正するように構成された走査装置
   を更に含む、請求項５に記載の装置。
7. サンプル（２０）を更に含み、前記サンプルは、マイクロ流体細胞のマイクロ流体チャネル（２３）に任意選択的に含まれ、前記マイクロ流体細胞は、前記入射ビーム（Ｆ１）の前記励起波長（Ｌ＿Ｆ１）において透明な外層（２２）と、前記熱放射（Ｆ２）の前記波長（Ｌ＿Ｆ２）において透明な内層（２４）とを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 請求項５に記載の装置を使用することができる赤外線検出方法であって、
   − ホルダ（３０）上にサンプル（２０）を配置するステップと、
   − 光源（１０）を作動させるステップと、
   − 前記サンプル（２０）又は前記ホルダ（３０）によって放出された熱放射（Ｆ２）の局所的な増加を発生させるために、少なくとも１つの焦点ゾーン（２１）のセット内に光源（１０）のビーム（Ｆ１）を集束させるステップであって、前記少なくとも１つの焦点ゾーン（２１）の位置は、前記サンプル（２０）内、前記サンプルの表面上又は前記サンプル（２０）と前記ホルダ（３０）との間の界面にプリセットされ、且つ含まれる、ステップと、
   − 赤外線検出器（５０）であって、
   − 単一チャネル赤外線検出器又は赤外線イメージャ（５１）、及び
   − 赤外線分光計（５２）
   のうちの少なくとも１つを含む赤外線検出器（５０）と組み合わされる光学対物レンズ（４０）において、前記セットの各焦点ゾーン（２１）によって放出された前記熱放射（Ｆ２）を収集するステップと、
   − 前記赤外線検出器（５０）によって検出された前記熱放射（Ｆ２）を表す出力信号（Ｓ１）を生成するステップと、
   − 前記赤外線検出器（５０）及び前記光源（１０）を同期させるステップと、
   − 前記光源（１０）の前記作動後にプリセット時間を開始するプリセット時間窓（ＦＴ）において前記赤外線検出器（５０）を作動させるステップと
   を含む赤外線検出方法。
9. − 変調周波数（Ｆｍｏｄ）で前記連続波又はパルス光源（１０）を時間変調するステップと、
   − 前記赤外線検出装置の復調器を用いて、前記変調周波数（Ｆｍｏｄ）又はその高調波の１つにおいて前記赤外線検出器（５０）から出力された前記信号（Ｓ１）を復調するステップと
   を更に含み、好ましくは、
   − 前記光源（１０）がパルス源である場合、前記光源（１０）は、立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのセットを含むパルス列を生成するように構成され、前記赤外線検出器（５０）を作動させる前記ステップは、従って、遅くとも前記パルス列の最後の立ち下がりエッジで前記赤外線検出器（５０）を作動させることを含む、請求項８に記載の方法。

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