JP2020519864A - 自動ドリフト制御機能および高ダイナミックレンジを具備する補償光学アナライザ - Google Patents

Abstract

光源、光の操作もしくは構造化に用いる少なくとも１つの静的光学エレメント、少なくとも２つの補償光学エレメントおよび少なくとも１つの検出器を含む、分光器。少なくとも２つの補償光学エレメントは、ルーティング、減衰および／もしくはエンコードの少なくとも１つの光学的機能から、スペクトルソーティングの光学的機能を分けるように構成される。光源、少なくとも１つの静的光学エレメント、少なくとも２つの補償光学エレメントは、光源からの光を第１および第２の別個の光チャネルに導くように構成され、第１の光チャネルは、分析対象サンプルを含む。

Description

この特許出願は著作権保護対象となるデータを含んでいる。著作権者は、特許・商標庁のファイルや記録について行われるあらゆる特許開示による複製に対して異議を申し立てない。ただし、その他の場合は全ての著作権を保持する。

本発明は一般的に分光学とスペクトル分析の分野、特に補償光学エレメントおよび別個の光チャネルを使用する分光器別個に関連している。実施形態において、本発明は、光学計測、または、サンプルと参照チャネルを提供することでリアルタイムで計測または標準化を行うためのマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）、ピエゾ素子型ミラー（ＰＥＭ）、ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）などの補償光学エレメント（ＡＯＥ）を利用する他のスペクトル計測のためのデバイスを含んでいる。

分光測色機、分光計、分光蛍光光度計やスペクトラムアナライザなどの分光器はテストサンプル（ＳＵＴ）のスペクトルの特徴を検出し、表示するために様々な状況で使用されている。これらの特徴は学術または産業分野における分析のためのサンプルの構成分析に利用される。広範囲にわたるサンプルとソースの情報を提供する能力により、分光器は犯罪捜査における鑑識から科学分析、産業用モニタリング装置までさまざまな事業やその他の活動に使用されている。残念ながら分光器はＳＵＴを分析またはスキャンする際、較正した状態にあるために分光器そのものの能力が重要になる。全ての分光器は周囲の状況変化に敏感で、徐々にドリフトしていく傾向があるため、分光器は、様々な状況に対する調整、継続的なチェックと較正の再設定のために、オペレーターによる常時の介入が必要である。これは多くの産業への応用において商業的実行可能性を制限している。

本発明者の以前の米国特許番号７，７１９，６８０と７，４４０，０９８は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。近年の技術革新において、本発明者はリアルタイムでドリフトを補正し信号を標準化するためのスペクトルソーティングおよびルーティングの両方の機能を有するシングルＡＯＥを利用する光学アナライザにて長期ドリフトの問題を処理する光学システムを開発した。この技術革新は、ここ２０年の分光学分野における産業的に実現可能な初の技術革新になりうる一方、各スペクトルバンドをスペクトル的にソーティング、ルーティング、エンコード、減衰するために必要な光学エレメントの数の問題から、弱い光学信号を精査する能力が限られている。スペクトル的にソーティングされたバンドは、リアルタイムで減衰させるために使われるそれぞれのスペクトルバンドの利用できるミラーの数を制限するマイクロミラーアレイに同時に映される事で、高ＳＮ比（ＳＮＲ）を維持する間、ＨＤＲ搭載の信号を分析する能力がよりいっそう制限されている。

少なくとも２つの補償光学エレメント（ＡＯＥ）と２つの別個光チャネルとそれらと結びついた探知機や少なくとも１つのＡＯＥが利用される探知機を利用するために設計された分光器は、光ルーティング、スペクトルのエンコード、スペクトル減衰やそれらのいかなる組み合わせにも少なくとも２つの目視できる光チャネルの間で使用されている。ＡＯＥが調和して機能する場合、技術革新は時間と環境刺激の変化によってドリフトする光信号のリアルタイムないしほぼリアルタイムでの計測と標準化を可能にし、スペクトルの特徴が測光ダイナミックレンジを超え、４０年を超える高ＳＮ比（ＳＮＲ）の光学システムを要求する光信号の最適化を可能にする。

発明の前述の他の対象、特徴、利点は、以下に示す、図面とともに示すより詳細な好ましい形態の説明により明らかにする。それらの特徴は、様々な観点から同じ部分に言及している。図面は必ずしも原寸大ではなく、発明の原理的な大きさよりも強調して描かれている。

図１は以前の技術革新による分解図である。

図２は本発明による分解図である。

図３Ａは本開発者の過去の技術革新よりも光を減衰させる能力を向上させた本発明を示している。 ３Ｂは本開発者の過去の技術革新よりも光を減衰させる能力を向上させた本発明を示している。

図４は現在開示されているそれぞれの光チャネルの共通の検出器を利用する発明の別の分解図である。

図５Ａは現在開示されているそれぞれの光チャネルの共通の検出器を利用する発明の別の分解図である。

図５Ｂは現在開示されているそれぞれの光チャネルの別の検出器を利用する発明の別の分解図である。

図６Ａは現在開示されている反射分光学のためのそれぞれの光チャネルの別の検出器を利用する発明の分解後の図である。

図６Ｂは簡略化された透過分光学のためのそれぞれの光チャネルの別の検出器を利用する発明の分解後の図である。

本発明の好ましい形態に関する詳細な参照を行う。その例は、添付の図面に記載されている。以下の説明および図面は実例であり、制限と解釈されるべきではない。多くの特定の詳細が、全体を理解するために示される。ただし、特定の例において、広く知られているもしくは慣習的な詳細については説明が不明瞭になることを避けるため示されない。開示における形態の参照は、必ずしも同じ形態についての参照ではなく、そのような参照は少なくとも１つを意味する。

この補正における「ある形態」もしくは「その形態」の参照は、形態と関連して表現された特定の機能、構造もしくは特徴を意味し、また少なくとも一つの開示の形態に含まれている。あらゆる場所で出現する「ある形態における」段階は必ずしも同じ形態に言及しておらず、また他の形態と互いに排他的な別のまたは新しい形態でもない。さらに様々な特徴はいくつかの形態のみで描写されている。同じように、様々な要件はいくつかの形態のための要件のみで描写されている。

好ましい形態において、この技術革新は光ソーティングおよびルーティング機能を２つの独立した光チャネルの間のスペクトルルーティングおよび減衰のためのマイクロミラーアレイと連結したスペクトルソーティングのためのＦＰＩを使用して分ける。第１の光チャネルはテストサンプルと相互作用しており、第２の光チャネルは開かれたままか、安定した標準目盛と接続しています。好ましい形態ではＦＰＩによって光はスペクトルにソーティング（フィルター）されており、デジタルミラーデバイスによって優先的にサンプル（分散後光アナライザ）と接続されている。

図１において従来技術の形態によるシステムが表されている。この形態においては、シングルＡＯＥは、スペクトルソーティング、ルーティング、エンコード、減衰の光学的機能を果たしている。図１に示された形態による光学的経路は以下の通りである。光は光源（１）を出て、レンズ（２）を通過し、サンプル（３）を通過し、第２のレンズ（４）を通過し、スリット（５）を通過し、格子（６）を通過し、オーダーソーティングフィルター（７）を通過し、全ての光学的機能を果たすＡＯＥ（８）を通過し、格子（９）を通過し、第２のレンズ（１０）を通過し、そして最後に検出器（１１）に当たる。

ソーティングとルーティングの機能を分けることにおいて、本技術革新はよりダイナミックレンジを持つシステムを可能にする。

図２は本発明の形態によるシステムを表している。形態による光学的経路は以下の通りである。光（広帯域もしくは狭帯域であり得る）は、光源（２１）を出て、レンズ（２２）を通過し、第１のソーティング用のＡＯＥ（２３）を通過し、ルーティング、エンコーディング、および／または減衰用の第２のＡＯＥ（２４）を通過し、サンプル（２５）を通過し、第２のレンズ（２６）を通過し、検出器（２７）に当たる。レンズ（２２）の代替もしくはそれに加えて、本発明では、スリットおよび格子、マスクおよび格子もしくはミラーを使用してもよい。ＡＯＥは、例えばピエゾ素子型ミラー、ファブリ・ペロー干渉計、もしくはシリコン格子光弁もしくはピエゾ素子型チルト格子などの動的な格子などでもよい。ＡＯＥは、機械的に動作する回転フィルターホイールやスキャンモノクロメータなどのバルク光学デバイスを含むことができる。

本技術革新は感度を大きく向上させ、ＨＤＲにより入力を減衰させる能力（すなわちスケール）を２〜３倍向上させる。図２に示されている形態には、システムのダイナミックレンジを２〜３倍に拡大させる能力は、１つ以上のＡＯＥを用いてスペクトルソーティング、および光ルーティングという光学的機能を分ける直接的な結果をもたらす。

図３は、シングルＡＯＥとデュアルＡＯＥ両方の構成要素を示している。図には、スペクトルソーティングおよび光ルーティングという光学的機能が、どのようにして分光器の物理的なダイナミックレンジを３桁も拡大しているかが示されている。

さらに、図３Ａおよび３Ｂでは、スペクトルソーティングおよびルーティングという光学的機能を分離させることが、光をスペクトルバンドにスペクトル的にソートする能力がＡＯＥのサイズおよび構造により物理的に制限されている図１の機器よりも、明らかに多くのスペクトルチャネルを分析できるスペクトラムアナライザ製作につながるかが示されている。図３Ａは、以前の技術革新によるシングルＡＯＥが、どのようにソーティング、減衰、ルーティングという光学的機能を果たしていたかを示している。図３Ｂは、本発明によるダブルＡＯＥが、どれだけソーティング、減衰、ルーティングの光学的機能を分け、以前の技術革新に対して、分光器が光を減衰させる能力を大きく強化したことを示している。

図２の好ましい形態は分散前であるものの、本技術革新を利用した分散後のデザインを提示することも可能である。分散後のシングル検出器およびダブル検出器の形態は、図５Ａと図５Ｂにそれぞれ示されている。

図６Ａは、それぞれの光チャネルに対し、反射分光学のために別個の検出器を利用する、開示される発明の分散前の形態を示している。図６Ｂは、それぞれの光チャネルに対し、透過分光学のために別個の検出器を利用する、開示される発明の分散前の簡素化された形態を示している。

当業者は、本発明によって、ＭＭＡはすでに光のスペクトル的なソーティングに必要ないことから、同時的もしくは連続的に、スペクトルバンドをダブル検出器形態における両方の光チャネルに向けてルーティングする、もしくは、同時的もしくは連続的にスペクトルバンドをシングル検出器形態における両方の光チャネルに向けてルーティング、およびエンコードすることができると理解する。

さらに、当業者は、シングルエレメントＰＲＭなどの第３のＡＯＥを、スペクトルバンドをエンコードする独立したパルス幅変調（ＰＷＭ）に用いることができる可能性があり、減衰およびルーティングについて同等の結果を出せる可能性があると理解する。

Claims (22)

1. 分光器であって：
   スペクトルを持つ光線を放射する光源、
   光の操作もしくは構造化に用いる少なくとも１つの静的光学エレメント、
   ルーティング、減衰、エンコードの群から選択される少なくとも１つの光学的機能から、スペクトルソーティングの光学的機能を分けるために構成される少なくとも２つの補償光学エレメント、および
   少なくとも１つの検出器を含み、
   前記光源、少なくとも１つの静的光学エレメント、少なくとも２つの補償光学エレメントは、光源からの光を第１および第２の別個の光チャネルに導くように構成され、第１の光チャネルは、分析対象サンプルを含む、前記分光器。
2. 前記少なくとも１つの検出器が、少なくとも２つの検出器を含み、少なくとも２つの補償光学エレメントが、スペクトルバンドを前記第１および第２の光チャネルへルーティングするように構成される、請求項１に記載の分光器。
3. 前記少なくとも１つの検出器が、シングル検出器を含み、少なくとも２つの補償光学エレメントが、スペクトルバンドを第１および第２の光チャネルへルーティングおよびエンコードするように構成される、請求項１に記載の分光器。
4. 光源が広帯域光源である、請求項１に記載の分光器。
5. 光源が狭帯域光源である、請求項１に記載の分光器。
6. 第２の光チャネルが、分析対象サンプルを含まない、請求項１に記載の分光器。
7. 前記第２の光チャネルからの出力が、その他の別個の光チャネルの出力のための参照に用いられる、請求項１に記載の分光器。
8. 少なくとも１つの静的光学エレメントが、スリットおよび格子を含む、請求項１に記載の分光器。
9. 少なくとも１つの静的光学エレメントが、マスクおよび格子を含む、請求項１に記載の分光器。
10. 少なくとも１つの静的光学エレメントが、屈折用光学エレメントを含む、請求項１に記載の分光器。
11. 屈折用光学エレメントが、レンズを含む、請求項１０に記載の分光器。
12. 少なくとも１つの静的光学エレメントが、反射用光学エレメントを含む、請求項１に記載の分光器。
13. 反射用光学エレメントが、ミラーを含む、請求項１に記載の分光器。
14. 補償光学エレメントが、マイクロミラーアレイを含む、請求項１に記載の分光器。
15. 補償光学エレメントが、ピエゾ素子型ミラーを含む、請求項１に記載の分光器。
16. 補償光学エレメントが、ファブリ・ペロー干渉計を含む、請求項１に記載の分光器。
17. 補償光学エレメントが、動的な格子を含む、請求項１に記載の分光器。
18. 動的な格子が、シリコン格子光弁を含む、請求項１７に記載の分光器。
19. 動的な格子が、ピエゾ素子型チルト格子を含む、請求項１７に記載の分光器。
20. 補償光学エレメントが、機械的に動作するバルク光学デバイスを含む、請求項１に記載の分光器。
21. 機械的に動作するバルク光学デバイスが、回転フィルターホイールを含む、請求項２０に記載の分光器。
22. 機械的に動作するバルク光学デバイスが、スキャンモノクロメータを含む、請求項２０に記載の分光器。