JP2022508813A - 小型２次元分光計 - Google Patents

Abstract

２次元分光計は、第１のミラー、プリズム、回折格子、レンズ、第２のミラー、及び２次元センサーを含む。第１のミラーは、光学入口から光信号を受け取り、光信号をプリズムに向けて反射するように構成されている。プリズムを通過した後、光信号は、回折格子に提供される。回折格子は光信号を回折して、プリズムに戻されるように配向される回折光信号を生成し、構成されたレンズは、回折光信号を第２のミラーに集束させる。第２のミラーは、回折光信号を２次元センサーに集光させるレンズを介して、回折光信号を反射する。【選択図】図２Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年１０月１７日に提出された米国特許出願第１６／１６３，０３７号の利益を主張し、その内容は引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本発明は、一般に、２次元分光計に関する。

レーザー誘起ブレークダウン分光法（「ＬＩＢＳ」）は、励起源として高エネルギーレーザーパルスを使用する原子発光分光法の一種である。レーザーを集光してプラズマを形成し、試料を霧化し励起する。原理的には、ＬＩＢＳは、固体、液体、又は気体などの物理状態を問わず、あらゆる物質を分析することができる。全ての元素は、十分に高温まで励起されたときに特性周波数の光を放出するので、ＬＩＢＳは、使用するレーザービームのパワーと、分光計及び検出器の感度及び波長範囲によってのみ制限され、全ての元素を検出できる。

ＬＩＢＳは、レーザービームを試料の表面の小領域に集束させることにより動作する。レーザービームが放出されるときに、ナノグラムからピコグラムの範囲で極めて少量の物質がアブレーションされ、１００，０００Ｋを超える温度のプラズマプルームを発生する。データ収集の間、典型的には局所的な熱力学的平衡が確立された後、プラズマ温度は、５，０００～２０，０００Ｋの範囲となる。初期プラズマ中の高温では、アブレーションされた材料は、励起イオン種と原子種に解離（分解）する。この間、プラズマは、存在する種についての何らかの有用な情報を含まない放射線の連続体を放出するが、極めて短い時間枠内で、プラズマが超音速で膨張して冷却される。この時点で、元素の特性的な原子発光線が観察することができる。

しかしながら、ＬＩＢＳシステムは、分光計を使用する必要がある。分光計の目的は、サンプルによって反射されたプラズマ放出光を受け取り、このプラズマ放出光を複数の異なる光学装置を使用してセンサーに提供し、該センサーが電気信号を生成して、デジタルアナライザにより解釈されて、分光計によるこの生成された電気信号の１又は２以上の分析を実行するようにすることができる。一般に、分光計は、１次元又は２次元とすることができる。１次元分光計は、一般的にサイズがかなり小さくすることができるという点で幾つかの利点がある。しかしながら、１次元分光計の分解能には限界があり、分光計によって生成されてスペクトル分析器に提供される情報のタイプは多少制限される。２次元分光計は、より多くの情報をスペクトル分析器に提供することができる。しかしながら、２次元分光計はサイズがかなり大きいのが欠点である。一般に、これらはサイズが極めて大きいため、特に、ＬＩＢシステムがハンドヘルドＬＩＢシステムである場合は、ＬＩＢシステムを含むハウジング内に収容することはできない。

米国特許第９，６４５，０８８号明細書

２次元分光計は、第１のミラー、プリズム、回折格子、レンズ、第２のミラー、及び２次元センサーを含む。第１のミラーは、光学入口からの光信号を受け取り、プリズムに向けて光信号を反射するように構成されている。プリズムを通過した後、光信号は、回折格子に供給される。回折格子は光信号を回折して、プリズムを通って配向して戻される回折光信号を生成し、ここで構成されたレンズは、回折光信号を第２のミラーに集束させる。第２のミラーは、レンズを通って回折光信号を反射して戻し、ここで回折光信号が２次元センサーに集光する。回折格子はエシェル格子とすることができる。

本発明の更なる目的、特徴、及び利点は、本明細書に添付され且つ本明細書の一部を形成する図面及び特許請求の範囲を参照して、以下の説明を検討すれば、当業者には容易に明らかになるであろう。

分光計を有するＬＩＢＳシステムのブロック図である。 図１のＬＩＢＳシステムの分光計を示す図である。 図２ＡのＬＩＢＳシステムのブロック図である。

図１を参照すると、スペクトル分析によってサンプル２０の材料組成を分析するためのシステム１０が示されている。その主要な構成要素として、システム１０は、サンプル２０の材料組成を分析するための装置１２を含む。サンプル２０は、その材料組成を分析できる何らかの試料とすることができる。ここで、サンプル２０は炭素鋼とすることができる。装置１２は、米国特許第９，６４５，０８８号において図示され説明された装置１２と同様とすることができ、当該米国特許文献は、引用により全体が本明細書に組み込まれる。

装置１２は、図２Ａ及び図２Ｂ並びに本明細書の後で記載される複数の構成要素を囲むことができるハウジング１４を含むことができる。例えば、ハウジング１４は、レーザービーム２２を生成するレーザー組立体１３と、レーザービーム２２をサンプル２０に配向するための光学組立体１７とを含むことができる。加えて、光学組立体１７は、プラズマ放出光２４（サンプル２０から反射された光）を光ファイバー２８を介して分光計３０に配向するように機能することができる。装置１２は、ハンドヘルド装置とすることができる。

装置１２は、レーザービーム２２のビーム成形及び送達を行い、また、分光計３０に送達するためプラズマからのプラズマ放出光２４を効率的に収集する。レーザービーム２２は、強力なプラズマプルームを生成するために、サンプル２０上で２０ミクロンの集束直径を有する単一モードレーザービームとすることができる。作動距離は約１０ｍｍ又はそれ以上とすることができる。

ハウジング１４の壁部１５は、開口部１６を形成することができる。開口部１６は、窓１８を含むことができる。窓１８は、レーザービーム２２及びプラズマ放出光２４など、装置１２との間で光の透過を可能にする透明窓とすることができる。ハウジング１４は、気密シールすることができ、また、不活性ガスを充填することができる。

前述のように、装置１２は、サンプル２０に向けてレーザービーム２２を放射するように構成されている。レーザービーム２２がサンプル２０に当たると、プラズマプルームが形成され、プラズマ放出光２４が反射して窓１８に戻る。図２Ａ及び２Ｂでより詳細に説明するように、プラズマ放出光２４は、光ファイバー２８を介して分光計３０に再配向される。ファイバーアダプター２６は、プラズマ放出光２４を光ファイバー２８に光学的に配向する。光ファイバー２８は、プラズマ放出光２４を分光計３０に配向する。

分光計３０は、プラズマ放出光２４の複数の異なるスペクトル分析を実行し、これらの光信号をデジタル分析器３２に提供される電気信号に変換することができる。

分光計３０は、モノクロメータ（走査型）又はポリクロメータ（非走査型）及び光電子増倍管又はＣＣＤ（電荷結合素子）検出器をそれぞれ含むことができる。分光計３０は、可能な限り広い波長範囲にわたって電磁放射線を収集し、特定の元素毎に検出される輝線の数を最大化する。分光計３０の応答は、１１００ｎｍ（近赤外線）から１７０ｎｍ（深紫外）とすることができる。

分光計３０は、ハウジング３１内に配置された２次元分光計システム２９とすることができる。分光計３０は、可能な限り小型化されて設計されているが、優れた分解能を備えている。例えば、分光計のハウジング３１は、１リットル未満の容積を有することができ、０．６リットル未満の容積を有することもできる。一例として、ハウジング３１は、約２．６ｃｍ×６ｃｍ×７．１ｃｍの寸法と、約０．４ｋｇの重量を有することができる。分光計３０のこの小型化のサイズに起因して、分光計３０は、図示のように、装置１２内に組み込むことができ、又は装置１２から別個に配置されてもよい。

分光計３０によって生成された電気信号は、ケーブル３４によってデジタル分析器３２に提供することができる。しかしながら、別個の装置からデジタルデータを送信するのに利用される複数の異なる方法論の何れかを使用できることを理解されたい。例えば、デジタル分析器３２は、無線プロトコルを利用して分光計３０と通信することができる。デジタル分析器３２は、出力装置３３と１又は２以上の入力装置３５とを有する専用装置とすることができる。出力装置３３は、ディスプレイとすることができ、入力装置３５はキーボード及び／又はマウスとすることができる。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、２次元分光計システム２９の例図が示されている。図２Ａは、２次元分光計の実際の図を示し、図２Ｂは、簡単且つ２次元分光計にて利用される構成要素を理解するために、２次元分光計システム２９のより簡略化されたブロック図を示している。簡潔にする目的で、両方の図を参照する。

その主要な構成要素として、分光計システム２９は、光学入口４０、第１のミラー４２、プリズム４４、回折格子４６、レンズ４８、第２のミラー５０、及び２次元センサー組立体５２を含む。

光学入口４０は、光信号を受け入れるように構成される。この光信号は、ファイバー２８を介して提供され、図番号１のＬＩＢＳシステム１２によって生成される。光学入口は更に、図１の装置１２から生じるファイバー２８によって提供される光を最大化するためだけに構成されるスリット５４を含むことができる。光ファイバー２８からスリット４０に入る光は、第１の光路５６に沿って第１のミラー４２に進む。第１のミラー４２は、光信号を受け取り、プリズム４４に向けて光信号を反射するように構成されている。第１のミラー４２は、軸外し放物面鏡とすることができる。

第１のミラー４２によって反射された後、光信号は、光路５８に沿ってプリズム４４に向かって進む。プリズムは、光信号を受け取り、光信号を回折格子４６に向けて進めることができるように構成されている。

回折格子４６は、プリズムから光信号を受け取り、回折光信号６０を生成するように構成される。回折格子４６はエシェル格子とすることができる。光信号は、最初に、回折格子４６上の１つの平面において分散され、次にプリズム４４とすることができる別の回折要素によって再び分散される。このように、回折格子４６によって回折された光は、プリズム４４に戻されて、回折格子４６によって実行される第１の回折の平面に垂直な平面にて起こる第２の回折を提供する。

プリズム４４から、回折光信号６０がレンズ４８に供給される。レンズ４８は、２つの曲面を有するメニスカスレンズとすることができる。レンズ４８は、内向き曲面６２及び外向き曲面６４を有することができる。内向き曲面は、プリズムからの回折光信号６０を受け取るように構成されている。外向き曲面６４は、概ね第２のミラー５０に面している。レンズ４８の内向き曲面６２は、レンズ４８の外向き曲面６４よりも小さな曲率を有することができる。

レンズ４８を通過した後、回折光信号６０は、第２のミラー５０に提供される。第２のミラー５０は、レンズ４８を通ってプリズム４４から回折光信号６０を受け取り、その後、回折光信号をレンズ４８に反射して戻すように構成される。第２のミラー５０は、放物面鏡又は非球面鏡とすることができる。ミラー５０が非球面鏡である場合、非球面鏡は回転対称でなくてもよい。

第２のミラー５０によって反射された後、回折光信号６０は、レンズ４８に戻され、レンズ４８は次に、センサー組立体５２に向けて光を集束させ、該センサー組立体５２は、レンズ４８を介して第２のミラー５０から回折光信号を受け取るように構成された２次元センサーとすることができる。

このようにして、光学入口４０から発せられて、最終的にセンサー組立体５２に提供される光信号は、本質的に３回折り返されることが分かる。第１の折り返しは、第１のミラー４２による光信号の反射により生じた。第２の折り返しは、回折格子４６による光信号の回折により生じた。第３の折り返しは、光学信号をセンサー組立体５２に反射して戻す第２のミラー５０によって発生した。

プリズム４４及びレンズ４８は、本質的に２つの機能を実行することに留意されたい。プリズム４４は、回折格子４６に提供される光を回折するとともに、回折格子４６から光も回折する。レンズ４８は、回折光信号をプリズム４４から第２のミラー５０に集束させるが、更に、第２のミラー５０によって反射された光をセンサー組立体５２に集束させるようにも機能する。プリズム４４及びレンズ４８に複数の光学動作を実施させることで、分光計は、前述のようにハウジング３１内にパッケージングすることができる。この場合も同様に、このハウジングの総容積は、１リットル以下、更には０．６リットル未満とすることができる。

この小型の分光計システム２９は、本質的に、分光計システム２９を極めて小さなパッケージに入れることを可能にし、又は図１のＬＩＢＳシステム１２内に配置することができる。こうすることで、レーザー誘起ブレークダウン及び分光計機能の両方を単一のハンドヘルド装置にて実行できるこのコンパクトなＬＩＢシステムが可能となる。第１のミラー４２、プリズム４４、回折格子４６、レンズ４８、第２のミラー５０、及びセンサー組立体５２は全て、単一のビーム６６に取り付けることができる。こうすることで、単一のビーム６６が、構成要素を正確に配置することができる。単一のビーム６６は、インバーで作ることができ、インバーは、過酷な熱的条件下でその形状を維持することが知られているので、このようなシステムに適した材料特性をする。過酷な熱的条件下でその形状を維持することにより、ビーム６６は、前述の要素を支持するだけでなく、動作中の要素の動きを防ぎ最小限に抑える。

光ファイバー２８と嵌合するように構成され、これにより光信号５６がシステム２９に提供できるようになるファイバーカプラー６８もまた、ビーム６６に取り付けることができる。図２Ａでは、ビーム６６は、４つの別個の側面を有する直方体として示されている。ここで、ファイバーカプラー６８は、光学入口４０のスリットと光連通しており、光ファイバー２８と嵌合するように構成され、これにより、光信号５６がシステム２９に提供されることを可能にし、また、ビーム６６に取り付けることもできる。

図２Ａでは、ビーム６６は、４つの別個の側面を有する直方体として示されている。ここで、第１のミラー４２、プリズム４４、回折格子４６、レンズ４８、第２のミラー５０、及びセンサー組立体５２は、全て第１の側面７０に配置することができ、ファイバーカプラー６８は、第２の側面７２に取り付けることができる。第２の側面７２は、第１の側面７０に対して定められる平面に実質的に垂直な平面を定義することができる。

当業者であれば容易に理解するように、上記の説明は、本発明の原理の実施の例証として意図されている。この説明は、本発明が、特許請求の範囲に定義されている本発明の精神から逸脱することなく、修正、変形、及び変更が可能であるという点で、本発明の範囲又は適用を限定することを意図するものではない。

Claims (20)

1. ２次元分光計であって、
   光信号を受け入れるための光学入口と、
   前記光学入口から光信号を受け入れるように構成された第１のミラーと、
   前記第１のミラーから反射された前記光信号を受け入れるように構成されたプリズムと、
   前記プリズムから光信号を受け取って回折光信号を生成するように構成され、該回折光信号を前記プリズムに配向するように構成された回折格子と、
   前記プリズムからの前記回折光信号を集束するように構成されたレンズと、
   前記レンズを通して前記プリズムから前記回折光信号を受け取り、該回折光信号を前記レンズに反射して戻すように構成された第２のミラーと、
   前記レンズを介して前記第２のミラーから前記回折光信号を受け入れるように構成された２次元センサーと、を備えている、
   ことを特徴とする２次元分光計。
2. ハウジングを更に備え、前記第１のミラー、前記プリズム、前記レンズ、前記第２のミラー、及び前記２次元センサーが、前記ハウジング内に配置される、
   請求項１に記載の２次元分光計。
3. 前記ハウジングが、１リットル未満の容積を有する、
   請求項２に記載の２次元分光計。
4. 前記ハウジングが、０．６リットル未満の容積を有する、
   請求項３に記載の２次元分光計。
5. 前記光学入口がスリットである、
   請求項１に記載の２次元分光計。
6. 前記スリットと光連通するファイバーカプラーを更に備え、前記ファイバーカプラーは、前記光信号を伝達する光ファイバーに接続するように構成されている、
   請求項５に記載の２次元分光計。
7. 前記第１のミラーが、軸外し放物面ミラーである、
   請求項１に記載の２次元分光計。
8. 前記回折格子がエシェル格子である、
   請求項１に記載の２次元分光計。
9. 前記レンズがメニスカスレンズである、
   請求項１に記載の２次元分光計。
10. 前記メニスカスレンズは、内向き曲面及び外向き曲面を有し、前記内向き曲面は、前記プリズムからの回折光信号を受け取るように構成される、
    請求項９に記載の２次元分光計。
11. 前記メニスカスレンズの外向き曲面は、前記第２のミラーに実質的に面する、
    請求項１０に記載の２次元分光計。
12. 前記メニスカスレンズの内曲面は、前記メニスカスレンズの外向き曲面よりも小さな曲率を有する、
    請求項１０に記載の２次元分光計。
13. 前記第２のミラーは、非球面ミラーである、
    請求項１に記載の２次元分光計。
14. 前記非球面ミラーが回転対称でない、
    請求項１３に記載の２次元分光計。
15. 支持ビームを更に備え、前記第１のミラー、前記プリズム、前記レンズ、前記第２のミラー、及び前記２次元センサーが、前記支持ビームの第１の面によって支持される、
    請求項１に記載の２次元分光計。
16. 前記光学入口と光学的に連通するファイバーカプラーを更に備え、前記ファイバーカプラーが、前記支持ビームの第２の面に取り付けられ、前記支持ビームの第２の面が前記第１の面によって定められる平面に実質的に垂直な平面を定める、
    請求項１５に記載の２次元分光計。
17. 前記支持ビームが、インバー上に形成される、
    請求項１５に記載の２次元分光計。
18. 前記２次元分光計のスペクトル分解能が、１９３ｎｍにて０．０２５ｎｍ未満から４２５ｎｍにて約０．４５ｎｍまでの範囲である、
    請求項１に記載の２次元分光計。
19. 光信号を受け入れるための前記光学入口が、レーザー誘起ブレークダウン分光測定システムに光学的に結合されるように構成される、
    請求項１に記載の２次元分光計。
20. 前記光学入口から前記２次元センサーまでの光路が、３回折り返されている、
    請求項１に記載の２次元分光計。

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