JP2024505937A - 小型物質分析器 - Google Patents
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Abstract
態様は、光源、検出器、及び、モジュールであって、モジュールの第１側の第１光学窓と、第１側とは反対側のモジュールの第２側の第２光学窓と、光変調器と、を備えるモジュールを備える小型物質分析器に関する。光源は、第１光学窓を通じて光変調器に通過させられる高出力の入力光を生成する。光変調器は、入力光を減衰させ、入力光に基づいて変調光を生成し、かつ、第２光学窓を通じてサンプルに変調光を向けるように構成される。光変調器によって生成された変調光は、サンプルに対して低出力で安全なものである。検出器は、第２光学窓を通じて変調光との相互作用によって生成された出力光をサンプルから受け取り、かつ、出力光のスペクトルを検出するように構成される。【選択図】図２
Description
関連出願への相互参照
[0001] 本願は、２０２２年２月１日に米国特許商標庁に出願された非仮出願第１７，５９０，７８１号及び２０２１年２月２日に米国特許商標庁に出願された仮出願第６３／１４４，８４３号の優先権及び利益を主張し、その内容の全体は、以下にそれらの全体が完全に記載されているかのように、かつ、すべての適用可能な目的のために、参照によって本明細書に組み込まれる。
[0001] 本願は、２０２２年２月１日に米国特許商標庁に出願された非仮出願第１７，５９０，７８１号及び２０２１年２月２日に米国特許商標庁に出願された仮出願第６３／１４４，８４３号の優先権及び利益を主張し、その内容の全体は、以下にそれらの全体が完全に記載されているかのように、かつ、すべての適用可能な目的のために、参照によって本明細書に組み込まれる。
[0002] 後述する技術は、概して、小型化された統合変調光物質分析器に関し、特に、光源と試験体との間の物理的近接を回避する機構に関する。
[0003] 変調光が試験体と相互作用することを可能にし、かつ、生成された散乱光がその後に分析され得る、小型分光器などの小型物質分析器が開発されてきた。小型分光器の一例には、相補型の金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサチップと、凸レンズ及び反射回折格子を有するガラス配線基板と、が含まれる。深掘りエッチング技術が使用されてＣＭＯＳセンサチップに入口スリットを形成し得る一方で、ナノインプリント技術が使用されて反射回折格子を形成し得る。入力光は、スリット内に案内された後、格子によって回折される。分離波長は、その後、ＣＭＯＳリニアイメージセンサアレイに当たる。センサの各ピクセルは特定の波長の光を受け取ることができる。例えば、分光器は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサの使用によって制限される３４０ｎｍ～７８０ｎｍの波長範囲で動作することができる。ガラスレンズを格子チップに置換することによって、より小型バージョンが作成され得る。どちらの場合も、この概念を赤外線（ＩＲ）範囲に拡張すると、検出器のアレイを必要とするので、桁違いのコストがかかる。さらに、センサは、サンプルから直接来る光に依存するので、結果として、光源を包含していない。
[0004] 近赤外線（ＮＩＲ）で動作する小型分光器の別の例は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ファブリペロー干渉計に基づいて開発された。ファブリペロー干渉計は、波長可変フィルタとして機能することができる。フィルタの後にＩｎＧａＡｓ ＰＩＮフォトダイオード及び配線基板が続く。干渉計のエアギャップは、伝送応答を制御することができ、かつ、特定の波長を通過させることを可能にする。このデバイスでは、単一のＩＲ検出器が使用されるが、波長範囲（例えば、１５５０～１８５０ｎｍ）は、波長可変フィルタの自由スペクトル領域とフィルタミラーの多層構造とによって制限される。波長範囲とスペクトル分解能との間にはトレードオフもある。さらに、分光器はサンプルからの光の受け取りに依存するので、光源はセンサの一部ではない。
[0005] 他の小型化の努力も実行された。例えば、光検出器はＭＥＭＳベースのＩＲ検出器であってもよく、ＩＲ吸収層に入射する光は、温度上昇を引き起こし、かつ、容量変化によって検知可能な垂直変位を引き起こす。さらに、電子デバイス、光検出器、光源及び可動装置がすべて製造されるシリコンの薄層を含む統合型ダイレベル光干渉計システムが開発された。
[0006] さらに、ＭＥＭＳ干渉計と光方向変換構造とを含む統合装置が開発された。光源は、光方向変換構造上に統合され、かつ、入力光ビームを光方向変換構造の第１ミラーに直接放射してＭＥＭＳ干渉計に向かって光を向けることができる。ＭＥＭＳ干渉計からの出力光ビームは、その後、光方向変換構造の第２ミラーによって試験体（ＳＵＴ）の方向に変化させられ得る。その後、ＳＵＴを透過した及び／又はＳＵＴから反射された光は検出器に光学的に結合され得る。しかしながら、光源は、物理的近接に起因してＳＵＴの加熱を引き起こす可能性があり、かつ、検出器に物理的に近接している光方向変換構造の加熱を引き起こす可能性があるので、検出器の温度を上昇させる。
[0007] 以下に、本開示の１以上の態様の基本的な理解を提供するために、そのような態様の概要を提示する。この概要は、本開示の意図されるすべての特徴の広範な概要ではなく、本開示のすべての態様の肝要な又は重要な要素を特定することも、本開示の一部又はすべての態様の範囲を詳述することも意図していない。その唯一の目的は、本開示の１以上の態様のある概念を、後に提示するより詳細な説明への前置きとしての形態で提示することである。
[0008] 一例では、小型物質分析器デバイスが開示される。小型物質分析器デバイスは、入力光を生成するように構成された光源と、モジュールの第１側の第１光学窓、第１側とは反対側のモジュールの第２側の第２光学窓、及び、光変調器を含むモジュールと、を含む。光変調器は、第１光学窓を通じて光源から入力光を受け取り、入力光を減衰させ、かつ、入力光に基づいて変調光を生成するように構成される。光変調器は、第２光学窓を通じてサンプルに変調光を向けるようにさらに構成される。小型物質分析器デバイスは、第２光学窓を通じて変調光との相互作用によって生成されるサンプルからの出力光を受け取り、かつ、出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器をさらに含む。
[0009] 本発明のこれら及び他の態様は、以下の詳細な説明を検討することにより、より十分に理解されるようになる。本発明の他の態様、特徴及び実施形態は、添付の図面と併せて本発明の特定の例示的な実施形態についての以下の説明を検討することにより、当業者には明らかとなる。本発明の特徴は、以下の特定の実施形態及び図面に関連して説明され得るが、本発明のすべての実施形態は、本明細書で説明される有利な特徴のうちの１以上を含むことができる。言い換えると、１以上の実施形態が特定の有利な特徴を有するものとして説明され得る一方で、そのような特徴のうちの１以上が、本明細書で説明される本発明のさまざまな実施形態に従って使用されてもよい。同様に、例示的な実施形態は、デバイス、システム又は方法の実施形態として以下に説明されるが、そのような例示的な実施形態は、さまざまなデバイス、システム及び方法に実装可能であることを理解されたい。
[0040] 添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、さまざまな構成の説明となることを意図しており、かつ、本明細書に記載の概念が実施され得る構成のみを表すことを意図していない。詳細な説明には、さまざまな概念を十分に理解することができるようにするための具体的な詳細が含まれる。しかしながら、これらの概念は、それらの具体的な詳細がなくても実施され得ることが当業者には明らかである。場合によっては、そのような概念を曖昧にすることを回避するため、周知の構造及びコンポーネントがブロック図の形式で示される。
[0041] 本開示のさまざまな態様は、光源、光変調器及び検出器を含む小型物質分析器に関する。光源は、サンプルの損傷を回避するため、試験体を照明する前に、最初に光変調器を通過する高出力の電磁放射（例えば、入力光）を生成する。例えば、サンプルは皮膚サンプルなどの生物学的サンプルであってもよく、分析はインビトロ又はインビボで実行される。光変調器によって生成された変調光は、サンプルに当てられても安全である低出力のものである。光変調器による出力の減衰は電磁放射線の吸収量の形態であってもよく、電磁放射線を、サンプルに害を与えることなく放散可能な熱エネルギーに変換する。出力の減少は、透過されてサンプルに向けられる特定の波長の選択の形態でもあってもよい。出力の減少はさらに、光変調器における回折損失又は光スループット（エテンデュ）損失の形態のものであってもよい。
[0042] 変調光はサンプルと相互作用し、かつ、結果として生じた出力光が、検出器によって検出され、かつ、その後分析されてもよい。ある例では、分析は、直接吸収分光法、間接吸収分光法（例えば、光音響分光法）、光熱分光法又はラマン分光法などの分光技術に基づいてもよい。ある例では、光変調器には、マイケルソン干渉計又はファブリペローキャビティなどの分光器、回折格子、空間光変調器又は複屈折デバイスが含まれてもよい。ある例では、光変調器は、光微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスなどの光変調チップ上に実装されてもよい。
[0043] 図１は、ある態様に係る分光器１００を示す図である。分光器１００は、例えば、フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光器であってもよい。図１に示す例では、分光器１００はマイケルソンＦＴＩＲ干渉計である。他の例では、分光器はＦＴＩＲファブリペロー干渉計を含んでもよい。
[0044] ＦＴＩＲ分光器は単一ビームスペクトル（パワースペクトル密度（ＰＳＤ））を測定し、単一ビームスペクトルの強度は、検出器に到達する放射の出力に比例する。サンプルの吸光度を測定するため、最初に、バックグラウンドスペクトル（すなわち、サンプルが存在しない場合の単一ビームスペクトル）が測定されて機器伝達関数を補償する。その後、サンプルを透過した又はサンプルから反射した光の単一ビームスペクトルが測定されてもよい。サンプルの吸光度は、サンプルの透過率、反射率又は半反射率から計算されてもよい。例えば、サンプルの吸光度は、サンプルの透過光、サンプルからの反射光又は半反射光のスペクトルとバックグラウンドスペクトルとの比として計算されてもよい。
[0045] 干渉計１００は、固定ミラー１０４、可動ミラー１０６、ビームスプリッタ１１０及び検出器１１２（例えば、光検出器）を含む。分光器１００に関連付けられた光源１０２は、入力ビームを放射し、かつ、ビームスプリッタ１１０に入力ビームを向けるように構成される。光源１０２は、例えば、対象の波長範囲をカバーする発光装置のアレイを有する、レーザ光源、１以上の広帯域熱放射源又は量子源を含んでもよい。
[0046] ビームスプリッタ１１０は、入力ビームを２つのビームに分割するように構成される。一方のビームは固定ミラー１０４から反射されられてビームスプリッタ１１０に向かって戻る一方で、他方のビームは可動ミラー１０６から反射させられてビームスプリッタ１１０に向かって戻る。可動ミラー１０６は、ビームを反射させるための所望の位置に可動ミラー１０６を変位させるアクチュエータ１０８に結合されてもよい。その後、ミラー１０６の変位の２倍に実質的に等しい光路長差（ＯＰＤ）が反射ビーム間に生成される。ある例では、アクチュエータ１０８は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、熱アクチュエータ又は他のタイプのアクチュエータを含んでもよい。
[0047] 反射ビームは、ビームスプリッタ１１０で干渉して変調光（例えば、干渉パターン）を生成し、可動ミラー１０６によって提供される各々異なる光路長差（ＯＰＤ）において光の時間干渉性を測定することを可能にする。変調光に対応する信号はサンプル（図示せず）に向けられてもよく、かつ、サンプルからの出力光（散乱光）は、可動ミラー１０６の多くの離散位置で検出器１１２によって検出されて測定され、インターフェログラムを生成してもよい。ある例では、検出器１１２には、検出器アレイ又は単一ピクセル検出器が含まれてもよい。その後、ＯＰＤに対するインターフェログラムデータがプロセッサ（簡略化のため図示せず）に入力されてもよい。その後、スペクトルは、例えばプロセッサによって実行されるフーリエ変換を使用して取得されてもよい。
[0048] ある例では、干渉計１００は、ＭＥＭＳ干渉計１００ａ（例えば、ＭＥＭＳチップ）として実装されてもよい。ＭＥＭＳチップ１００ａはさらに、例えば、１以上のプロセッサ、メモリデバイス、バス及び／又は他のコンポーネントを含み得るプリント回路基板（ＰＣＢ）１１６に取り付けられてもよい。本明細書で使用される場合、ＭＥＭＳという用語は、微細加工技術を通じて共通のシリコン基板上に機械要素、センサ、アクチュエータ及び電子機器を統合することを指す。例えば、マイクロエレクトロニクスは通常、集積回路（ＩＣ）プロセスを使用して製造される一方で、マイクロメカニカルコンポーネントは、シリコンウエハの一部を選択的にエッチング除去する、又は、新しい構造層を追加して機械及び電気機械コンポーネントを形成する、互換性を有するマイクロマシニングプロセスを使用して製造される。ＭＥＭＳ素子の一例は、反射又は屈折モードで動作する誘電体又は金属化表面を有するマイクロ光学コンポーネントである。ＭＥＭＳ素子の他の例には、アクチュエータ、検出器溝（detector groove）、ファイバ溝が含まれる。
[0049] 図１に示す例では、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、固定ミラー１０４、可動ミラー１０６、ビームスプリッタ１１０、及び、可動ミラー１０６を移動可能に制御するためのＭＥＭＳアクチュエータ１０８を含んでもよい。加えて、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、入力ビームをビームスプリッタ１１０に向け、かつ、ビームスプリッタ１１０から検出器（例えば検出器１１２）に出力ビームを向けるためのファイバ１１４を含んでもよい。ある例では、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、ＳＯＩ基板に平行に伝播する自由空間光ビームを処理することができるマイクロ光学コンポーネント及び他のＭＥＭＳ素子を製造するため、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ上で深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用して製造されてもよい。例えば、電気機械設計がマスク上に印刷されてもよく、かつ、マスクが使用されて、フォトリソグラフィによってシリコン又はＳＯＩウエハ上に設計をパターン化してもよい。パターンは、バッチプロセスを使用して（例えば、ＤＲＩＥによって）エッチングされ、結果として生じたチップ（例えば、ＭＥＭＳチップ１００ａ）は、ダイシングされてパッケージ化されてもよい（例えば、ＰＣＢ１１６に取り付けられてもよい）。
[0050] 例えば、ビームスプリッタ１１０は、入力ビームからある角度（例えば、４５度）で配置されたシリコン／空気界面ビームスプリッタ（例えば、半平面ビームスプリッタ）であってもよい。その後、入力ビームは２つのビームＬ１及びＬ２に分割されてもよく、Ｌ１は可動ミラー１０６に向かって空気中を伝播し、Ｌ２は固定ミラー１０４に向かってシリコン内を伝播する。ここで、Ｌ１は、半平面ビームスプリッタ１１０からの入力ビームの部分反射から生じ、及びしたがって、ビーム入射角に等しい反射角を有する。Ｌ２は、半平面ビームスプリッタ１１０を通じた入力ビームの部分透過から生じ、かつ、スネルの法則によって決定される角度でシリコン内を伝播する。ある例では、固定ミラー１０４及び可動ミラー１０６は金属ミラーであり、ビームスプリッタ１１０を保護するために選択的メタライゼーション（例えば、メタライゼーションステップ中にシャドウマスクを使用する）が使用される。他の例では、ミラー１０４及び１０６は、例えばＤＲＩＥを使用して実現可能な垂直ブラッグミラーである。
[0051] ある例では、ＭＥＭＳアクチュエータ１０８は、コームドライブ及びバネから形成された静電アクチュエータであってもよい。例えば、コームドライブに電圧を印加することによって、アクチュエータ１０８の両端に電位差が生じ、それによって、アクチュエータ１０８内に静電容量が誘導され、駆動力及びバネからの復元力を生成し、それによって、所望の位置に可動ミラー１０６を変位させて、ビームスプリッタ１１０に向かってビームを戻すように反射させる。
[0052] 本開示のさまざまな態様において、図１に示される分光器１００又は他の適切な光変調器は小型物質分析器に組み込まれてもよい。図２は、ある態様に係る小型物質分析器デバイス２００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス２００は、パッケージ、ダイ又はコンポーネントなどのモジュール２０２と、光源２１６と、を含む。モジュールは、光変調器２０４、検出器２０６、第１光学窓２０８及び第２光学窓２１０を含む。光変調器２０４は、例えば、分光器（例えば、図１に示す）、回折格子、空間光変調器、複屈折デバイス、又は、光を変調するように構成された他の適切なデバイスを含んでもよい。例えば、光変調器２０４はＭＥＭＳチップを含んでもよい。ある例では、検出器２０６はモジュール２０２の外部にあってもよい。
[0053] 第１光学窓２０８はモジュール２０２の第１側２１２に配置され、第２光学窓２１０は第１側２１２の反対側のモジュール２０２の第２側２１４に配置される。光学窓２０８及び２１０は、例えば、ガラス、サファイア、セラミック、ダイヤモンド、溶融シリカ、石英、パイレックス、シリコン、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、ゲルマニウム、セレン化亜鉛及び／又はプラスチックの光学窓であってもよい。ある例では、第１光学窓２０８は、モジュール２０２のアパーチャ上に配置されてもよい。アパーチャのサイズ及び形状は、迷光を制御して最小限に抑えるように選択されてもよい。
[0054] 光源２１６は、入力光２２０を生成するように構成される。入力光２２０は、モジュール２０２の第１光学窓２０８を通じて光変調器２０４に向けられる。ある例では、入力光２２０は、反射器及び／又はレンズなどの１以上の光学素子を使用して、第１光学窓２０８を通じて光変調器２０４に向けられてもよい。光変調器２０４は、入力光２２０を減衰させ、かつ、入力光２２０に基づいて変調光２２２（例えば、干渉パターン）を生成し、かつ、第２光学窓２１０を通じて試験体２１８に変調光を向けるように構成される。変調光２２２は、入力光２２０に対する出力において、サンプル２１８の照明にとって安全なレベル（例えば、出力）（例えば、サンプル２１８による変調光２２２の吸収によるサンプル２１８への損傷を防止する出力レベル）への減衰量だけ減衰される。加えて、光源２１６からのサンプル２１８の加熱を防止するため、光源２１６は、モジュール２０２の第１側２１２の第１光学窓２０８に隣接し、かつ、サンプル２１８はモジュール２０２の第２側２１４の第２光学窓２１０に隣接する。例えば、光源２１６は、黒体放射に基づくものであってもよく、その結果、光源２１６の温度は十分な放射出力を生成するために高温になる可能性がある。
[0055] 図２に示す例では、小型物質分析器２００は反射モードで動作している。したがって、変調光２２２はサンプル２１８と相互作用し、結果として生じたサンプル２１８からの散乱反射光（例えば、出力光２２４）は、第２光学窓２１０を通じて検出器２０６に向けて戻される。他の例では、サンプル２１８からの出力光２２４は、拡散を考慮して、透過モード又は透過反射モードで検出器２０６によって受け取られてもよい。
[0056] ある例では、検出器２０６は、直径約２００～３００μｍの光検出器であってもよい。検出器２０６のサイズが小さいので、サンプル２１８からの散乱出力光２２４のすべてが検出器２０６に到達しない可能性があり、したがって、サンプル２１８の分析が制限される。したがって、さまざまな態様において、小型物質分析器デバイス２００は、集光素子などの集光機構をさらに含んでもよい。
[0057] 図３は、ある態様に係る、集光素子３１４を含む小型物質分析器デバイス３００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス３００は第１モジュール３０２及び第２モジュール３０４を含む。各モジュール３０２及び３０４はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。第１モジュール３０２は、光変調器３２８、検出器３１０、第１光学窓３０６、第２光学窓３０８及び集光素子３１４を含む。第２モジュール３０４は光源３１６を含む。
[0058] 第１モジュール３０２は、第１表面３３０と、第１表面３３０の反対側の第２表面３３２と、を有する第１基板３１２をさらに含む。第１基板３１２は第１モジュール３０２の第１側に配置される一方で、第２光学窓３０８は第１モジュール３０２の第２側に配置される。光変調器３２８、検出器３１０及び集光素子３１４は第１基板３１２の第１表面に配置される。第１光学窓３０６は、第１基板３１２の第２表面３３２に配置され、かつ、第１基板３１２の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）３３４を覆うように構成される。第２モジュール３０４は、光源３１６がその上に配置された第２基板３１８をさらに含む。
[0059] 光源３１６は、入力光３２２を生成するように構成される。入力光３２２は、第１モジュール３０２の第１光学窓３０６を通じて光変調器３２８に向けられる。光変調器３２８は、入力光３２２を減衰させ、かつ、入力光３２２に基づいて変調光３２４を生成するように構成される。光変調器３２８は、第２光学窓３０８を通じて試験体３２０に変調光３２４を向けるようにさらに構成される。変調光３２４はサンプル３２０と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル３２０からの散乱反射光（例えば、出力光３２６）は、第２光学窓３０８を通じて第１モジュール３０２内に戻るように向けられる。集光素子３１４は、散乱光（例えば、出力光３２６）を収集し、かつ、検出器３１０内に出力光３２６を向けるように構成された非結像コンポーネントである。ある例では、集光素子３１４は、検出器３１０と光変調器３２８との間の接地シールドとして機能する。
[0060] 図４は、ある態様に係る小型物質分析器デバイス４００の分散配置の一例を示す図である。図４に示す例では、小型物質分析器デバイス４００は、光変調モジュール４０２、光源モジュール４０４及び光検出モジュール４０６を含む。各モジュール４０２、４０４及び４０６はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。光変調モジュール４０２は、光変調器４０８、第１光学窓４１０及び第２光学窓４１２を含む。光源モジュール４０４は光源４１６を含む。光検出モジュール４０６は、検出器４２０及び集光素子４２２を含む。図４に示すように、検出器４２０を別個のモジュールに分離することによって、検出器４２０は、光変調モジュール４０２内の熱的アグレッサ（aggressor）から保護されることができる。加えて、冷却要素（図示せず）が検出器４２０にさらに統合されてもよい。
[0061] 光変調モジュール４０２は、光変調モジュール４０２の第１側に配置された第１基板４１４をさらに含む一方で、第２光学窓４１２は、光変調モジュール４０２の第２側に配置される。光変調器４０８は、第１基板４１４の第２光学窓４１２の反対側の第１表面に配置される。第１光学窓４１０は第１基板４１４の第２表面に配置される。第１光学窓４１０は第１基板４１４の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）をさらに覆う。
[0062] 光源モジュール４０４は、光源４１６がその上に配置された第２基板４１８を含む。光検出モジュール４０６は、光検出モジュール４０６の第１側に第３基板４２４を含み、かつ、光検出モジュール４０６の第２側に第３光学窓４２６を含む。検出器４２０及び集光素子４２２は、第３光学窓４２６の反対側の第３基板４２４に配置される。
[0063] 光源４１６は、入力光４３０を生成するように構成される。入力光４３０は、光変調モジュール４０２の第１光学窓４１０を通じて光変調器４０８に向けられる。光変調器４０８は、入力光４３０を減衰し、かつ、入力光４３０に基づいて変調光４３２を生成するように構成される。光変調器４０８は、第２光学窓４１２を通じて試験体４２８に変調光４３２を向けるようにさらに構成される。
[0064] 図４に示す例では、小型物質分析器４００は透過モードで動作している。したがって、変調光４３２はサンプル４２８と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル４２８からの散乱透過光（例えば、出力光４３４）は、第３光学窓４２６を通じて光検出モジュール４０６に向けられる。集光素子４２２は、散乱光（例えば、出力光４３４）を収集し、かつ、検出器４２０内に出力光４３４を向けるように構成される。
[0065] 図５は、ある態様に係る、光方向変換光学素子を含む小型物質分析器デバイス５００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス５００は第１モジュール５０２及び第２モジュール５０４を含む。各モジュール５０２及び５０４はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。第１モジュール５０２は、光変調器５０６、検出器５１２、第１光学窓５０８、第２光学窓５１０及び集光素子５１４を含む。第２モジュール５０４は光源５１８を含む。
[0066] 第１モジュール５０２は、第１モジュール５０２の第１側に配置された第１基板５１６をさらに含む一方で、第２光学窓５１０は第１モジュール５０２の第２側に配置される。光変調器５０６、検出器５１２及び集光素子５１４は第１基板５１６の第１表面に配置される。第１光学窓５０８は、第１基板５１６の第２表面に配置され、かつ、第１基板５１６の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール５０２は、第１反射器などの第１光学素子５２４と、第２反射器などの第２光学素子５２６と、をさらに含む。反射器５２４及び５２６は、光の光軸方向を変化させるように構成される。反射器５２４及び５２６の各々は、光結合効率を最大化するように構成された表面プロファイルを有する。反射器５２４及び５２６は、例えば、自由形状の光学部品であってもよく、かつ、大量生産のために成形可能であり得る。第２モジュール５０４は、光源５１８がその上に配置された第２基板５２０をさらに含む。
[0067] 光源５１８は、入力光５２８を生成するように構成される。入力光５２８は、第１モジュール５０２の第１光学窓５０８を通じて第１反射器５２４に向けられる。第１反射器５２４は、光変調器５０６に向かって入力光５２８の方向を変化させる。したがって、第１反射器５２４は、第１基板５１６の平面に対する面外方向から、光変調器５０６の光軸に対応する第１基板５１６の平面に対する面内方向に、入力光５２８の光軸方向を変化させる。光変調器５０６は、入力光５２８を減衰させ、かつ、入力光５３０に基づいて変調光５３０を生成するように構成される。光変調器５０６は、第２反射器５２６に変調光５３０を向けるようにさらに構成される。第２反射器５２６は、試験体５２２に向かって変調光５４０の方向を変化させる。したがって、第２反射器５２６から反射された変調光５３０は、第２光学窓５１０を通じてサンプル５２２に向けられる。
[0068] 変調光５３０はサンプル５２２と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル５２２からの散乱反射光（例えば、出力光５３２）は、第２光学窓５１０を通じて第１モジュール５０２に戻るように向けられる。集光素子５１４は、散乱光（例えば、出力光５３２）を収集し、かつ、検出器５１２内に出力光５３２を向けるように構成される。
[0069] 図６は、ある態様に係る、光方向変換光学素子を含む小型物質分析器デバイス６００の分散配置の一例を示す図である。図６に示す例では、小型物質分析器デバイス６００は、光変調モジュール６０２、光源モジュール６０４及び光検出モジュール６０６を含む。各モジュール６０２、６０４及び６０６はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。光変調モジュール６０２は、光変調器６０８、第１光学窓６１０及び第２光学窓６１２を含む。光源モジュール６０４は光源６１６を含む。光検出モジュール６０６は検出器６２０を含む。図６に示すように、検出器６２０を別個のモジュールに分離することによって、検出器６２０は、光変調モジュール６０２の熱的アグレッサから保護されることができる。加えて、冷却要素（図示せず）が検出器６２０にさらに統合されてもよい。
[0070] 光変調モジュール６０２は、光変調モジュール６０２の第１側に配置された第１基板６１４をさらに含む一方で、第２光学窓６１２は光変調モジュール６０２の第２側に配置される。光変調器６０８は、第２光学窓６１２の反対側の第１基板６１４の第１表面に配置される。第１光学窓６１０は、第１基板６１４の第２表面に配置される。第１光学窓６１０は、第１基板６１４の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）をさらに覆う。加えて、光変調モジュール６０２は第１反射器６３２及び第２反射器６３６をさらに含む。反射器６３２及び６３６は光の光軸方向を変化させるように構成される。
[0071] 光源モジュール６０４は、光源６１６がその上に配置される第２基板６１８を含む。光検出モジュール６０６は、光検出モジュール６０６の第１側に第３基板６２２を含み、かつ、光検出モジュール６０６の第２側に第３光学窓６２４を含む。検出器６２０は、第３光学窓６２４の反対側の第３基板６２２に配置される。さらに、レンズなどの光学集束素子６２６が第３光学窓６２４に統合されてもよい。他の例では、光学集束素子６２６は光検出モジュール６０６の内部にあってもよい。
[0072] 光源６１６は、入力光６３０を生成するように構成される。入力光６３０は第１反射器６３２に向けられる。第１反射器６３２は、光変調器６０８に向かって入力光６３０の方向を変化させる。したがって、第１反射器６３２は、第１基板６１４の平面に対する面外方向から、光変調器６０８の光軸に対応する第１基板６１４の平面に対する面内方向に、入力光６３０の光軸方向を変化させる。光変調器６０８は、入力光６３０を減衰させ、かつ、入力光６３０に基づいて変調光６３４を生成するように構成される。光変調器６０８は、第２反射器６３６に変調光６３４を向けるようにさらに構成される。第２反射器６３６は、試験体６２８に向かって変調光６３４の方向を変化させる。したがって、第２反射器６３６から反射された変調光６３４は、第２光学窓６１２を通じてサンプル６２８に向けられる。
[0073] 図６に示す例では、小型物質分析器６００は透過モードで動作している。したがって、変調光６３４はサンプル６２８と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル６２８からの散乱透過光（例えば、出力光６３８）は第３光学窓６２４を通じて光検出モジュール６０６内に向けられる。光学集束素子６２６は、検出器６２０内に出力光６３８を集束させるように構成される。
[0074] 図７は、ある態様に係る、光方向変換光学素子を含む小型物質分析器デバイス７００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス７００は第１モジュール７０２及び第２モジュール７０４を含む。各モジュール７０２及び７０４はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。第１モジュール７０２は、光変調器７０６、検出器７１２、第１光学窓７０８、第２光学窓７１０及び集光素子７１４を含む。第２モジュール７０４は光源７１８を含む。
[0075] 第１モジュール７０２は、第１モジュール７０２の第１側に配置された第１基板７１６をさらに含む一方で、第２光学窓７１０は第１モジュール７０２の第２側に配置される。光変調器７０６、検出器７１２及び集光素子７１４は第１基板７１６の第１表面に配置される。第１光学窓７０８は、第１基板７１６の第２表面に配置され、かつ、第１基板７１６の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール７０２は第１反射器７２６及び第２反射器７３０をさらに含む。反射器７２６及び７３０は、光の光軸方向を変化させるように構成される。第２モジュール７０４は、光源７１８がその上に配置された第２基板７２０をさらに含む。
[0076] 光源７１８は、入力光７２４を生成するように構成される。入力光７２４は、第１モジュール７０２の第１光学窓７０８を通じて第１反射器７２６に向けられる。第１反射器７２６は、光変調器７０６に向かって入力光７２４の方向を変化させる。したがって、第１反射器７２６は、第１基板７１６の平面に対する面外方向から、光変調器７０６の光軸に対応する第１基板７１６の平面に対する面内方向に、入力光７２４の光軸方向を変化させる。光変調器７０６は、入力光７２４を減衰させ、かつ、入力光７２４に基づいて変調光７２８を生成するように構成される。光変調器７０６は、第２反射器７３０に変調光７２８を向けるようにさらに構成される。第２反射器７３０は、試験体７２２に向かって変調光７２８の方向を変化させる。したがって、第２反射器７３０から反射された変調光７２８は、第２光学窓７１０を通じてサンプル７２２に向けられる。
[0077] 図７に示す例では、サンプル７２２は、第２光学窓７１０と第３反射器７３２（例えば、反射面）との間に配置される。したがって、第３反射器７３２は、サンプル７２２に隣接して第２光学窓７１０の反対側に配置されて示されている。第３反射器７３２は、例えば、鏡面反射面、拡散反射面、光キャビティ又は基準材料を含んでもよい。ある例では、第３反射器７３２は、サンプル７２２から検出器７１２によって受け取られる出力光７３４の量を最大化するように構成される。例えば、変調光７２８は、サンプル７２２と相互作用することができ、かつ、結果として生じた散乱光（例えば、出力光７３４）は、検出器７１２内に直接結合される、又は、第２光学窓７１０及び集光素子７１４を介して追加の散乱及び検出器７１２への方向変換のために第３反射器７３２によって反射されてサンプルに戻される。
[0078] 図８は、ある態様に係る、光方向変換光学素子を含む小型物質分析器デバイス８００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス８００は第１モジュール８０２及び第２モジュール８０４を含む。各モジュール８０２及び８０４はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。第１モジュール８０２は、光変調器８０６、検出器８１２、第１光学窓８０８、第２光学窓８１０及び集光素子８１４を含む。第２モジュール８０４は光源８１８を含む。
[0079] 第１モジュール８０２は、第１モジュール８０２の第１側に配置された第１基板８１６をさらに含む一方で、第２光学窓８１０は第１モジュール８０２の第２側に配置される。光変調器８０６、検出器８１２及び集光素子８１４は第１基板８１６の第１表面に配置される。第１光学窓８０８は、第１基板８１６の第２表面に配置され、かつ、第１基板８１６の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール８０２は、第１反射器８２６及び第２反射器８３０をさらに含む。反射器８２６及び８３０は、光の光軸方向を変化させるように構成される。第２モジュール８０４は、光源８１８がその上に配置された第２基板８２０をさらに含む。
[0080] 光源８１８は、入力光８２４を生成するように構成される。入力光８２４は、第１モジュール８０２の第１光学窓８０８を通じて第１反射器８２６に向けられる。第１反射器８２６は、光変調器８０６に向かって入力光８２４の方向を変化させる。したがって、第１反射器８２６は、第１基板８１６の平面に対する面外方向から、光変調器８０６の光軸に対応する第１基板８１６の平面に対する面内方向に、入力光８２４の光軸方向を変化させる。光変調器８０６は、入力光８２４を減衰し、かつ、入力光８２４に基づいて変調光８２８を生成するように構成される。光変調器８０６は、第２反射器８３０に変調光８２８を向けるようにさらに構成される。第２反射器８３０は、試験体８２２に向かって変調光８２８の方向を変化させる。したがって、第２反射器８３０から反射された変調光８２８は、第２光学窓８１０を通じてサンプル８２２に向けられる。
[0081] 図８に示す例では、第２光学窓８１０は、その上に配置された光学素子８３２を含む。光学素子８３２は、例えば、レンズ、プリズム又は回折格子などの光屈折又は回折素子であってもよい。光学素子８３２は、第１基板８１６の法線に対する変調光８２８の角度を増加させるように構成される。ある例では、光学素子８３２は、第２光学窓８１０上に堆積される又は第２光学窓８１０とともに成形される屈折レンズ又は回折レンズであってもよい。レンズ表面は、光の方向変換のためにプリズムの形態であり得る、又は、波面を変換するために曲面を有し得る。光学素子８３２は、光変調器８０６と検出器８１２との間の物理的分離を増加させて、それらの間の直接的な電磁結合を減少させるように構成される。
[0082] 光学素子８３２を介してサンプル８２２に向けられた変調光８２８は、サンプル８２２と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル８２２からの散乱反射光（例えば、出力光８３４）は、第２光学窓８１０を通じて第１モジュール８０２内に戻される。集光素子８１４は、散乱光（例えば、出力光８３４）を収集し、かつ、検出器８１２内に出力光８３４を向けるように構成される。
[0083] 図９は、ある態様に係る、光方向変換光学素子を含む小型物質分析器デバイス９００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス９００は第１モジュール９０２及び第２モジュール９０４を含む。各モジュール９０２及び９０４はパッケージ、ダイ又はコンポーネントであってもよい。第１モジュール９０２は、光変調器９０６、検出器９１２、第１光学窓９０８、第２光学窓９１０及び集光素子９１４を含む。第２モジュール９０４は光源９１８を含む。
[0084] 第１モジュール９０２は、第１モジュール９０２の第１側に配置された第１基板９１６をさらに含む一方で、第２光学窓９１０は第１モジュール９０２の第２側に配置される。光変調器９０６、検出器９１２及び集光素子９１４は、第１基板９１６の第１表面に配置される。第１光学窓９０８は、第１基板９１６の第２表面に配置され、かつ、第１基板９１６の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール９０２は第１反射器９２６及び第２反射器９３０をさらに含む。反射器９２６及び９３０は、光の光軸方向を変化させるように構成される。第２モジュール９０４は、光源９１８がその上に配置された第２基板９２０をさらに含む。
[0085] 光源９１８は、入力光９２４を生成するように構成される。入力光９２４は、第１モジュール９０２の第１光学窓９０８を通じて第１反射器９２６に向けられる。第１反射器９２６は、光変調器９０６に向かって入力光９２４の方向を変化させる。したがって、第１反射器９２６は、第１基板９１６の平面に対する面外方向から、光変調器９０６の光軸に対応する第１基板９１６の平面に対する面内方向に、入力光９２４の光軸方向を変化させる。光変調器９０６は、入力光９２４を減衰し、かつ、入力光９２４に基づいて変調光９２８を生成するように構成される。光変調器９０６は、第２反射器９３０に変調光９２８を向けるようにさらに構成される。第２反射器９３０は、試験体９２２に向かって変調光９２８の方向を変化させる。したがって、第２反射器９３０から反射された変調光９２８は、第２光学窓９１０を通じてサンプル９２２に向けられる。
[0086] 図９に示す例では、第２光学窓９１０は、第１モジュール９０２の不透明表面９３４の開口部９３６（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うレンズ付き光学窓である。レンズ付き光学窓９１０は、光変調器９０６と検出器９１２との間の物理的分離を増加させて、それらの間の直接的な電磁結合を減少させるように構成される。レンズ付き光学窓９１０を介してサンプル９２２に向けられた変調光９２８は、サンプル９２２と相互作用し、かつ、結果として生じたサンプル９２２からの散乱反射光（例えば、出力光９３２）は、不透明表面９３４を通じて第１モジュール９０２内に戻るように向けられる。集光素子９１４は、散乱光（例えば、出力光９３２）を収集し、かつ、検出器９１２内に出力光９３２を向けるように構成される。
[0087] 図１０Ａ及び図１０Ｂは、ある態様に係る集光素子１０００の一例を示す図である。集光素子１０００は反射型の複合集光器である。複合集光器１０００は、浅い外側集光器１００２によって取り囲まれた深い内側集光器１００４を含む。浅い外側集光器１００２は、リングトーラス又はアンカーリングの下半分の形態である。他の例では、外側集光器１００２は自由形態を有してもよい。複合集光器１０００は、サンプル１００８からより大きなスポットサイズを収集するように設計される。例えば、サンプル１００８からの第１散乱光１０１４ａは、内側集光器１００４によってサンプル１００８から検出器１００６に直接収集されてもよい。さらに、外側集光器１００２によって収集された光１０１０は、光リサイクルプロセスにおいて反射光１０１２としてサンプル１００８上に戻るように反射されてもよく、このプロセスにおいて、サンプル１００８に戻るように反射された光１０１２は、内側集光器１００４によって検出器１００６に収集され得る第２散乱光１０１４ｂを生成する。
[0088] 図１１Ａは、ある態様に係る、複数の検出器を含む光検出ユニット１１００の一例を示す図である。光検出ユニットは、図４及び／又は図６に示すような別個の光検出モジュールの形態であってもよく、若しくは、図２、図３及び／又は図７～図９に示すような光変調モジュール内に統合されてもよい。図１１Ａに示す例では、光検出ユニット１１００は、２以上の集光素子及び２以上の検出器を含む。例えば、光検出ユニット１１００は、サンプル１１０６から第１検出器１１０４ａへの出力光を収集するように構成された第１集光素子１１０２ａと、サンプル１１０６から第２検出器１１０４ｂへの出力光を収集するように構成された第２集光素子１１０２ｂと、を含む。他の例では、集光素子のアレイの形態で３以上の集光素子が存在してもよい。さらに、３以上の検出器があってもよい。
[0089] ある例では、集光素子１１０２ａ及び１１０２ｂは、角度間隔（angular space）を満たしてもよいが、サンプル１１０６に対して異なるように配向されてもよい。例えば、集光素子１１０２ａ及び１１０２ｂは、集光素子１１０２ａ及び１１０２ｂを互いに対して横方向にシフトさせることによって空間間隔（spatial space）を満たしてもよい。
[0090] ある例では、検出器１１０４ａ及び１１０４ｂは同じ波長範囲で動作してもよい。例えば、検出器１１０４ａ及び１１０４ｂは各々、サンプル１１０６からの出力光を同時に検出してもよく、検出器１１０４ａ及び１１０４ｂの各々から結果として生じた信号は組み合わせられてよい（加算されてもよい）。他の例では、検出器１１０４ａ及び１１０４ｂは、各々がスペクトルの異なる部分（例えば、可視範囲、ＮＩＲ及び中赤外（ＭＩＲ）スペクトル範囲）をカバーする、異なる波長範囲で動作してもよい。ＮＩＲで動作する検出器の一例には、ＩｎＧａＡｓ、拡張ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、又は、ＰｂＳフォトダイオードが含まれ得る。ＭＩＲで動作する検出器の例には、ＰｂＳｅ又はＭＣＴ光検出器若しくは熱検出器が含まれ得る。
[0091] ある例では、検出器１１０４ａ及び１１０４ｂは、サンプル１１０６の異なる空間的位置からの出力光を受け取るように配列されてもよい。例えば、図１１Ｂ及び図１１Ｃに示されるように、検出器は、（例えば、図１１Ｂに示されるように）サンプル１１０６の異なる深さ又は層及び／又は（例えば、図１１Ａ～図１１Ｃに示されるように）サンプル１１０６の異なる横方向位置からの出力光を受け取るように配列されてもよい。例えば、皮膚の表皮又は真皮層から光を収集する。２以上の検出器を使用してサンプル１１０６の異なる空間的位置から出力光を収集することによって、収集光のスループットを増加させてもよい。さらに、検出器から結果として生じた信号は、サンプル１１０６の特性が深さとともにどのように変化するかを決定するために使用されてもよい。
[0092] 図１２Ａ及び図１２Ｂは、ある態様に係る小型物質分析器デバイスの光変調モジュール１２１０ａ及び１２１０ｂの構成例を示す図である。ある例では、光変調モジュール１２１０ａ又は１２１０ｂは、セラミック層が構築される又は機械加工によって後処理されるセラミックパッケージであってもよい。図１２Ａに示す例では、光変調モジュール１２１０ａは、開口部１２０２ａをその中に有する基板１２００ａ（例えば、セラミック基板）と、第１（底部）光学窓１２０４ａと、光変調モジュール１２１０ａに対する蓋又はカバーとして機能し得る第２（上部）光学窓１２０６ａと、を含む。さらに、図１２Ｂに示す例では、光変調モジュール１２１０ｂは、開口部１２０２ｂを有する基板１２００ｂ（例えば、セラミック基板）、第１（底部）光学窓１２０４ｂ、及び、光変調モジュール１２１０ｂに対する蓋又はカバーとして機能し得る第２（上部）光学窓１２０６ｂを含む。
[0093] 開口部１２０２ａ又は１２０２ｂのサイズは、光変調モジュールに結合される光の量、適切に変調されない可能性がある迷光、及び、基板１２００ａ又は１２００ｂの機械的剛性の間でバランスをとるように構成される。図１２Ａに示すように、底部光学窓１２０４ａは、基板１２００ａの内面（内側）に配置されてもよい。図１２Ｂに示すように、底部光学窓１２０４ｂは、基板１２００ｂの外面（外側）に配置されてもよい。ある例では、光変調モジュール１２１０の他の光学コンポーネント（例えば、光変調器、反射器など）は底部光学窓１２０４ａ又は１２０４ｂ上に配置されてもよい。この例では、底部光学窓１２０４ａ又は１２０４ｂの窓材料は、熱膨張係数及び対象の波長範囲における光透過性が一致するように選択されてもよい。
[0094] 図１３は、ある態様に係る、他のコンポーネントと統合された小型物質分析器デバイス１３００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス１３００は、パッケージなどのモジュール１３０２を含む。モジュール１３０２は、光変調器１３０４、検出器１３１０、第１光学窓１３０６、第２光学窓１３０８及び集光素子１３１２を含む。第１光学窓１３０６は、モジュール１３０２の第１側の全長に沿って配置される一方で、第２光学窓１３０８は、モジュール１３０２の第２側の全長に沿って配置される。したがって、第１光学窓１３０６はモジュール１３０２のベース又は底部として機能し、第２光学窓１３０８はモジュール１３０２のカバー（蓋）又は上部として機能する。試験体１３１８は第２光学窓１３０８の外面に配置されてもよい。
[0095] モジュール１３０２は、第１表面及び第２表面を有する第１基板１３２６をさらに含む。光変調器１３０４、検出器１３１０及び集光素子１３１２は、第１基板１３２６の第１表面に配置される。第１光学窓１３０６は、第１基板１３２６の第２表面に配置され、かつ、第１基板１３２６の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、モジュール１３０２は第１反射器１３１４及び第２反射器１３１６をさらに含む。反射器１３１４及び１３１６は、光の光軸方向を変化させるように構成される。
[0096] モジュール１３０２は、第２基板（例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ））１３２０を介して他の電子部品１３２４と統合されてもよい。例えば、ＰＣＢ１３２０は、小型物質分析器デバイス１３００を他の電子部品１３２４と一緒に組み立てて接続するように構成されてもよい。一例では、モジュール１３０２は、ワイヤボンディング又は表面実装を使用してＰＣＢ１３２０に接続されてもよい。ＰＣＢ１３２０は、モジュール１３０２内に入力光を結合するための開口部（例えば、孔）１３２２をさらに含んでもよい。
[0097] 図１４は、ある態様に係る小型物質分析器デバイス１４００の積層構成の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス１４００は第１モジュール１４０２及び第２モジュール１４０４を含む。各モジュール１４０２及び１４０４は例えばパッケージであってもよい。モジュール１４０２及び１４０４は、パッケージ・オン・パッケージ（ＰｏＰ）構造で積層される。第１モジュール１４０２は、光変調器１４０６、検出器１４１２、第１光学窓１４０８、第２光学窓１４１０及び集光素子１４１４を含む。サンプル１４３２（例えば、皮膚）は第２光学窓１４１０に配置されてもよい。
[0098] 第１モジュール１４０２は、第１モジュール１４０２の第１側に配置された第１基板１４２０をさらに含む一方で、第２光学窓１４１０は、第１モジュール１４０２の第２側に配置される。光変調器１４０６、検出器１４１２及び集光素子１４１４は第１基板１４２０の第１表面に配置される。第１光学窓１４０８は、第１基板１４２０の第２表面に配置され、かつ、第１基板１４２０の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール１４０２は第１反射器１４１６及び第２反射器１４１８をさらに含む。反射器１４１６及び１４１８は、光の光軸方向を変化させるように構成される。
[0099] 第２モジュール１４０４は光源１４２２を含む。第２モジュール１４０４は第２基板１４２４及び第３基板１４２６をさらに含む。光源１４２２は第２基板１４２４に配置される。第３基板１４２６は、光源１４２２からの入力光を第１モジュール１４０２に通過させるための開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を含む。第２基板１４２４及び第３基板１４２６の各々は例えばＰＣＢであってもよい。ある例では、第１基板１４２０は、熱放散のためのフレームを有するインターポーザであってもよい。インターポーザ１４２０は、バンプ構造１４３０（例えば、はんだ／フラックス）を通じて第３基板（例えば、ＰＣＢ）１４２６に接続されてもよい。インターポーザ１４２０により、接続をより広いピッチに拡張（ファンアウト）すること、又は、接続を異なる接続に再配線することを可能にした。基板１４２０、１４２４及び１４２６の積層構成は、第１モジュール（パッケージ）１４０２のコンポーネント間、及び、第１モジュール１４０２のコンポーネントと第２モジュール１４０４のコンポーネントとの間の機械的及び電気的接続を提供する。
[0100] 図１５は、ある態様に係る小型物質分析器デバイス１５００の積層構成の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス１５００は第１モジュール１５０２及び第２モジュール１５０４を含む。各モジュール１５０２及び１５０４は例えばパッケージであってもよい。モジュール１５０２及び１５０４は、パッケージ・オン・パッケージ（ＰｏＰ）構造で積層される。第１モジュール１５０２は、光変調器１５０６、第１光学窓１５０８及び第２光学窓１５１０を含む。サンプル１５３２は第２光学窓１５１０に配置されてもよい。
[0101] 図１５に示す例では、第１モジュール１５０２は複数の検出器をさらに含む。例えば、第１モジュール１５０２は第１検出器１５１２ａ及び第２検出器１５１２ｂを含んでもよい。第１モジュール１５０２は、検出器１５１２ａ及び１５１２ｂの各々に対するそれぞれの集光素子１５１４ａ及び１５１４ｂをさらに含む。複数の検出器１５１２ａ及び１５１２ｂを有することによって、空間スループットが増加し得る、又は、スペクトル範囲が拡張され得る。
[0102] 第１モジュール１５０２は、第１モジュール１５０２の第１側に配置された第１基板１５２０をさらに含む一方で、第２光学窓１５１０は、第１モジュール１５０２の第２側に配置される。光変調器１５０６、検出器１５１２ａ及び１５１２ｂ並びに集光素子１５１４ａ及び１５１４ｂは、第１基板１５２０の第１表面に配置される。第１光学窓１５０８は、第１基板１５２０の第２表面に配置され、かつ、第１基板１５２０の開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を覆うように構成される。加えて、第１モジュール１５０２は第１反射器１５１６及び第２反射器１５１８をさらに含む。反射器１５１６及び１５１８は、光の光軸方向を変化させるように構成される。
[0103] 第２モジュール１５０４は光源１５２２を含む。第２モジュール１５０４は、第２基板１５２４及び第３基板１５２６をさらに含む。光源１５２２は第２基板１５２４に配置される。第３基板１５２６は、光源１５２２からの入力光を第１モジュール１５０２内に通過させるための開口部（例えば、孔又はアパーチャ）を含む。第２基板１５２４及び第３基板１５２６の各々は例えばＰＣＢであってもよい。ある例では、第１基板１５２０は、熱放散のためのフレームを有するインターポーザであってもよい。インターポーザ１５２０は、バンプ構造１５３０（例えば、はんだ／フラックス）を通じて第３基板（例えば、ＰＣＢ）１５２６に接続されてもよい。図１４に示す例のように、基板１５２０、１５２４及び１５２６の積層構成は、第１モジュール（パッケージ）１５０２のコンポーネント間、及び、第１モジュール１５０２のコンポーネントと第２モジュール１５０４のコンポーネントとの間の機械的及び電気的接続を提供する。
[0104] 図１６は、ある態様に係る、複数の光変調機構を含む小型物質分析器デバイス１６００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス１６００は第１モジュール１６０２及び第２モジュール１６０４を含む。モジュール１６０２及び１６０４の各々は、例えば、パッケージ又は他の統合デバイスであってもよい。第１モジュール１６０２は２以上の光変調器を含む。例えば、簡素化のため、第１光変調器１６０６ａ及び第２光変調器１６０６ｂが示されている。第１モジュール１６０２は、第１光学窓１６０８ａ、第２光学窓１６０８ｂ、第３光学窓１６１０及び第１基板１６１８ａをさらに含む。第１光学窓１６０８ａ及び第２光学窓１６０８ｂは第１モジュール１６０２の第１側に配置され、第３光学窓１６１０は第１モジュール１６０２の第２側に配置される。第１光学窓１６０８ａ及び第２光学窓１６０８ｂは、第１モジュール１６０２の第１側の第１基板１６１８ａのそれぞれの開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。サンプル１６３０は第３光学窓１６１０に配置されてもよい。
[0105] 第１モジュール１６０２は、検出器１６１２、集光素子１６１４、第１セットの反射器１６２４ａ、１６２４ｂ及び第２セットの反射器１６２８ａ、１６２８ｂをさらに含む。反射器１６２４ａ、１６２４ｂ、１６２８ａ及び１６２８ｂは、光の光軸方向を変化させるように構成される。第２セットの反射器１６２８ａ及び１６２８ｂは、例えば、集光素子１６１４を取り囲む湾曲した反射器であってもよい。
[0106] 第２モジュール１６０４は、光源１６１６と、第３セットの反射器１６２２ａ及び１６２２ｂと、を含む。第２モジュール１６０４は第２基板１６１８ｂをさらに含む。光源１６１６並びに反射器１６２２ａ及び１６２２ｂは第２基板１６１８ｂに配置されてもよい。
[0107] 光源１６１６は、複数の方向に入力光１６２０ａ及び１６２０ｂを生成して放射するように構成される。第３セットの反射器１６２２ａ及び１６２２ｂは、それぞれの入力光１６２０ａ及び１６２０ｂを、それぞれ、第１モジュール１６０２の第１光学窓１６０８ａ及び第２光学窓１６０８ｂを通じて、第１セットの反射器１６２４ａ及び１６２４ｂに向けるように構成される。第１セットの反射器１６２４ａ及び１６２４ｂは、それぞれの入力光１６２０ａ及び１６２０ｂの方向をそれぞれの光変調器１６０６ａ及び１６０６ｂに向かって変化させるように構成される。したがって、反射器１６２４ａは第１光変調器１６０６ａに入力光１６２０ａを向け、反射器１６２４ｂは第２光変調器１６０６ｂに入力光１６２０ｂを向ける。各光変調器１６０６ａ及び１６０６ｂは、それぞれの入力光１６２０ａ及び１６２０ｂを減衰し、かつ、それぞれの入力光１６２０ａ及び１６２０ｂに基づいてそれぞれの変調光１６２６ａ及び１６２６ｂを生成するように構成される。光変調器１６０６ａ及び１６０６ｂは、第２セットの反射器１６２８ａ及び１６２８ｂにそれぞれの変調光１６２６ａ及び１６２６ｂを向けるようにさらに構成される。第２セットの反射器１６２８ａ及び１６２８ｂは、変調光１６２６ａ及び１６２６ｂをサンプル１６３０に向かって方向変換させる。したがって、第２セットの反射器１６２８ａ及び１６２８ｂから反射された変調光１６２６ａ及び１６２６ｂは、第３光学窓１６１０を通じてサンプル１６３０に向けられる。複数の光変調器１６０６ａ及び１６０６ｂを使用することによって、サンプル１６３０に入射する変調出力の量を増加させ得る。
[0108] 変調光１６２６ａ及び１６２６ｂはサンプル１６３０と相互作用し、結果として生じたサンプル１６３０からの散乱反射光（例えば、出力光１６３２）が、第３光学窓１６１０を通じて第１モジュール１６０２内に戻るように向けられる。集光素子１６１４は、散乱光（例えば、出力光１６３２）を収集し、かつ、検出器１６１２内に出力光１６３２を向けるように構成される。検出器１６１２は、２つの反射された変調光ビーム１６２６ａ及び１６２６ｂの重ね合わせ（例えば、干渉パターン）を収集し、したがって信号対雑音比を２倍にする。ある例では、２つの光変調器１６０６ａ及び１６０６ｂ（例えば、ＭＥＭＳチップ）が、２つの干渉パターン１６２６ａ及び１６２６ｂの間の位相シフトを低減し、かつ、信号を最大化するために同期されてもよい。
[0109] 図１７Ａ及び図１７Ｂは、ある態様に係る、複数の光変調機構を含む小型物質分析器デバイス１７００の別の例を示す図である。図１７Ｂは、小型物質分析器デバイス１７００の両側の図を示す。小型物質分析器デバイス１７００は第１モジュール１７０２及び第２モジュール１７０４を含む。モジュール１７０２及び１７０４の各々は、例えば、パッケージ又は他の統合デバイスであってもよい。第１モジュール１７０２は、単一の光変調デバイス１７０６（例えば、ＭＥＭＳチップ）に統合された２以上の光変調機構を含む。例えば、光変調デバイス１７０６は第１光変調器１７０６ａ及び第２光変調器１７０６ｂを含んでもよい。
[0110] 第１モジュール１７０２は、第１光学窓１７０８、第２光学窓１７１０、検出器１７１２、集光素子１７１４、第１反射器１７２８ａ、第２反射器１７２８ｂ、第３反射器１７２４及び第１基板１７１６をさらに含む。第１光学窓１７０８は第１モジュール１７０２の第１側に配置され、第２光学窓１７１０は第１モジュール１７０２の第２側に配置される。第１光学窓１７０８は、第１モジュール１７０２の第１側で第１基板１７１６の開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。サンプル１７３０は第２光学窓１７１０に配置されてもよい。第２モジュール１７０４は光源１７１８及び第２基板１７２０を含む。光源１７１８は第２基板１７２０に配置される。
[0111] 光源１７１８は、入力光１７２２を生成するように構成され、かつ、第１光学窓１７０８を通じて第３反射器１７２４に入力光１７２２を放射するように第１光学窓１７０８に対して配向される。第３反射器１７２４は、光変調デバイス１７０６内に入力光１７２２を向けるように構成される。その後、入力光１７２２は、光変調デバイス１７０６内の光変調器１７０６ａ及び１７０６ｂの各々を通過して、入力光１７２２に基づいてそれぞれの変調光１７２６ａ及び１７２６ｂを生成する。光変調器１７０６ａ及び１７０６ｂの各々は、それぞれの変調光１７２６ａ及び１７２６ｂを第１反射器１７２８ａ及び第２反射器１７２８ｂのそれぞれ１つに向けるようにさらに構成される。例えば、第１変調器１７０６ａは、第１導波路１７３４ａを介して第１反射器１７２８ａに変調光１７２６ａを向けるように構成されてもよい。さらに、第２変調器１７０６ｂは、第２導波路１７３４ｂを介して第２反射器１７２８ｂに変調光１７２６ｂを向けるように構成されてもよい。第１反射器１７２８ａ及び第２反射器１７２８ｂは、サンプル１７３０に向かって、変調光１７２６ａ及び１７２６ｂの方向をそれぞれ変化させるように構成される。したがって、第１反射器１７２８ａ及び第２反射器１７２８ｂから反射された変調光１７２６ａ及び１７２６ｂは、第２光学窓１７１０を通じてサンプル１７３０に向けられる。
[0112] 変調光１７２６ａ及び１７２６ｂはサンプル１７３０と相互作用し、結果として生じたサンプル１７３０からの散乱反射光（例えば、出力光１７３２）は、第２光学窓１７１０を通じて第１モジュール１７０２内に戻るように向けられる。集光素子１７１４は、散乱光（例えば、出力光１７３２）を収集し、かつ、検出器１７１２内に出力光１７３２を向けるように構成される。図１６に示す例のように、検出器１７１２は、２つの反射された変調光ビーム１７２６ａ及び１７２６ｂの重ね合わせ（例えば、干渉パターン）を収集し、したがって信号対雑音比を２倍にする。
[0113] 図１８Ａ及び図１８Ｂは、ある態様に係る、マッハツェンダー干渉計を含む小型物質分析器デバイス１８００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス１８００は第１モジュール１８０２及び第２モジュール１８０４を含む。モジュール１８０２及び１８０４の各々は、例えば、パッケージ又は他の統合デバイスであってもよい。第１モジュール１８０２は、２つの相補ビーム／干渉パターンを生成するように構成されたマッハツェンダー干渉計１８０６（例えば、光変調器）を含む。
[0114] 第１モジュール１８０２は、第１光学窓１８０８、第２光学窓１８１０及び第１基板１８１８ａをさらに含む。第１光学窓１８０８は第１モジュール１８０２の第１側に配置され、第２光学窓１８１０は第１モジュール１８０２の第２側に配置される。第１光学窓１８０８は、第１モジュール１８０２の第１側で第１基板１８１８ａの開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。サンプル１８３０は、第２光学窓１８１０に配置されてもよい。第１モジュール１８０２は、第１検出器１８１２ａ、第２検出器１８１２ｂ、第１集光素子１８１４ａ、第２集光素子１８１４ｂ、第１反射器１８２８ａ、第２反射器１８２８ｂ及び第３反射器１８２４をさらに含む。第１反射器１８２８ａ及び第２反射器１８２８ｂは各々、第１集光素子１８１４ａ及び第２集光素子１８１４ｂのそれぞれ１つに統合されている。
[0115] 第２モジュール１８０４は光源１８１６及び第２基板１８１８ｂを含む。光源１８１６は第２基板１８１８ｂに配置される。光源１８１６は、入力光１８２２を生成するように構成され、かつ、第１光学窓１８０８を通じて第３反射器１８２４に入力光１８２２を放射するように第１光学窓１８０８に対して配向される。第３反射器１８２４は、マッハツェンダー干渉計１８０６内に入力光１８２２を向けるように構成される。マッハツェンダー干渉計１８０６は、入力光１８２２に基づいてそれぞれの変調光１８２６ａ及び１８２６ｂ（例えば、相補ビーム／干渉パターン）を生成するように構成され得る。マッハツェンダー干渉計１８０６は、それぞれの変調光１８２６ａ及び１８２６ｂを、第１反射器１８２８ａ及び第２反射器１８２８ｂのそれぞれ１つに向けるようにさらに構成される。例えば、マッハツェンダー干渉計１８０６は、第１導波路１８３４ａを介して第１反射器１８２８ａに変調光１８２６ａを向け、かつ、第２導波路１８３４ｂを介して第２反射器１８２８ｂに変調光１８２６ｂを向けるように構成されてもよい。第１反射器１８２８ａ及び第２反射器１８２８ｂは、サンプル１８３０に向かって変調光１８２６ａ及び１８２６ｂの方向をそれぞれ変化させるように構成される。したがって、第１反射器１８２８ａ及び第２反射器１８２８ｂから反射された変調光１８２６ａ及び１８２６ｂは、第２光学窓１８１０を通じてサンプル１８３０に向けられる。
[0116] 変調光１８２６ａ及び１８２６ｂの各ビームは、サンプル１８３０上の異なるスポット１８３０ａ及び１８３０ｂと相互作用して、サンプル１８３０の有効収集スポットサイズを増大させる。結果として生じたサンプル１８３０からの散乱反射光（例えば、出力光１８３２ａ及び１８３２ｂ）は、第２光学窓１８１０を通じて第１モジュール１８０２内に戻るように向けられる。第１集光素子１８１４ａは、第１スポット１８３０ａからの散乱光（例えば、出力光１８３２ａ）を収集し、かつ、第１検出器１８１２ａに出力光１８３２ａを向けるように構成される。第２集光素子１８１４ｂは、第２スポット１８３０ｂからの散乱光（例えば、出力光１８３２ｂ）を収集し、かつ、第２検出器１８１２ｂ内に出力光１８３２ｂを向けるように構成される。検出器１８１２ａ及び１８１２ｂは、それぞれの出力光１８３２ａ及び１８３２ｂを同時に収集するように構成されてもよく、したがって、サンプル１８３０の不均一性に起因した電気的及び空間的ノイズの平均化が改善されて信号対雑音比を増加させる。
[0117] 図１９は、ある態様に係る、統合光源を含む小型物質分析器デバイス１９００の一例を示す図である。小型物質分析器デバイス１９００は単一の統合モジュール１９０２（例えば、両面Ｈパッケージ）を含む。モジュール１９０２は、複数のコンポーネントをその上に有する基板１９３２を含む。基板は、第１表面１９１６ａ（例えば、上面）及び第２表面１９１６ｂ（例えば、裏面）を含む。モジュール１９０２は、光源１９１４、第１反射器１９２０、基板１９３２の第２表面１９１６ｂに配置された第１光学窓１９０６を含む。第１光学窓１９０６は、基板１９３２の開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。
[0118] モジュール１９０２は、基板１９３２の第１表面１９１６ａに配置された、光変調器１９０４、検出器１９１０、集光素子１９１２、第２反射器１９２２及び第３反射器１９２６をさらに含む。検出器１９１０は、基板１９３２の第１表面１９１６ａの凹部内に配置される。第３反射器１９２６は集光素子１９１２に統合されてもよい。
[0119] モジュール１９０２は、サンプル１９２８がその上に配置され得る第２光学窓１９０８をさらに含む。第１光学窓１９０６は、モジュール１９０２の第１側（例えば、基板１９３２の裏面１９１６ｂに対応する）に配置され、第２光学窓１９０８は、モジュール１９０２の第２側に配置される。図示していないが、封止のためにモジュール１９０２の第１側（例えば、底面）に蓋が追加されてもよい。さらに、電気接続は、パッケージキャスタレーション及び裏面パッド又はエポキシを使用して基板（例えばＰＣＢ）上にモジュール（パッケージ）１９０２をはんだ付けすることによって形成され得る。
[0120] 光源１９１４は、入力光１９１８を生成し、かつ、第１反射器１９２０に入力光１９１８を向けるように構成される。第１反射器１９２０は、第１光学窓１９０６を通じて第２反射器１９２２に入力光１９１８を向けるように構成される。第２反射器１９２２は、光変調器１９０４内に入力光１９１８を向けるように構成される。光変調器１９０４は、入力光１９１８を減衰し、かつ、入力光１９１８に基づいて変調光１９２４を生成するように構成される。光変調器１９０４は、第３反射器１９２６に変調光を向けるようにさらに構成される。第３反射器１９２６は、サンプル１９２８に向かって変調光１９２４の方向を変化させるように構成される。したがって、第３反射器１９２６から反射された変調光１９２４は第２光学窓１９０８を通じてサンプル１９２８に向けられる。
[0121] 変調光１９２４はサンプル１９２８と相互作用し、結果として生じたサンプル１９２８からの散乱反射光（例えば、出力光１９３０）は、第２光学窓１９０８を通じて戻るように向けられる。集光素子１９１２は、散乱光（例えば、出力光１９３０）を収集し、かつ、検出器１９１０内に出力光１９３０を向けるように構成される。
[0122] 図２０は、ある態様に係る、統合光源を含む小型物質分析器デバイス２０００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス２０００は、単一の統合モジュール２００２（例えば、両面Ｈ型パッケージ）を含む。モジュール２００２は、複数のコンポーネントをその上に有する基板２０３２を含む。基板は第１表面２０１６ａ（例えば、上面）及び第２表面２０１６ｂ（例えば、裏面）を含む。モジュール２００２は、光源２０１４、第１セットの反射器２０２０ａ及び２０２０ｂ、第１光学窓２００６ａ、並びに、基板２０３２の第２表面２０１６ｂに配置された第２光学窓２００６ｂを含む。第１光学窓２００６ａ及び第２光学窓２００６ｂは、基板２０３２のそれぞれの開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。
[0123] モジュール２００２は、第１光変調器２００４ａ、第２光変調器２００４ｂ、検出器２０１０、集光素子２０１２、第２セットの反射器２０２２ａ及び２０２２ｂ、並びに、基板２０３２の第１表面２０１６ａに配置された第３セットの反射器２０２６ａ及び２０２６ｂをさらに含む。検出器２０１０は、基板２０３２の第１表面２０１６ａの凹部内に配置される。第３セットの反射器２０２６ａ及び２０２６ｂは、集光素子２０１２を取り囲む湾曲した反射器であってもよい。
[0124] モジュール２００２は、サンプル２０２８がその上に配置され得る第３光学窓２００８をさらに含む。第１光学窓２００６ａ及び第２光学窓２００６ｂは、モジュール２００２の第１側（例えば、基板２０３２の裏面２０１６ｂに対応する）に配置され、第３光学窓２００８は、モジュール２００２の第２側に配置される。図示していないが、封止のためにモジュール２００２の第１側（例えば、底側）に蓋が追加されてもよい。
[0125] 光源２０１４は、入力光２０１８ａ及び２０１８ｂを生成して複数の方向に放射するように構成される。第１セットの反射器２０２０ａ及び２０２０ｂは、それぞれの入力光２０１８ａ及び２０１８ｂを、それぞれ、第１光学窓２００６ａ及び第２光学窓２００６ｂを通じて、第２セットの反射器２０２２ａ及び２０２２ｂに向けるように構成される。第２セットの反射器２０２２ａ及び２０２２ｂは、それぞれの入力光２０１８ａ及び２０１８ｂの方向をそれぞれの光変調器２００４ａ及び２００４ｂに変化させるように構成される。したがって、反射器２０２２ａは第１光変調器２００４ａに入力光２０１８ａを向け、反射器２０２２ｂは第２光変調器２００４ｂに入力光２０１８ｂを向ける。各光変調器２００４ａ及び２００４ｂは、それぞれの入力光２０１８ａ及び２０１８ｂを減衰し、かつ、それぞれの入力光２０１８ａ及び２０１８ｂに基づいてそれぞれの変調光２０２４ａ及び２０２４ｂを生成するように構成される。光変調器２００４ａ及び２００４ｂは、第２セットの反射器２０２６ａ及び２０２６ｂにそれぞれの変調光２０２４ａ及び２０２４ｂを向けるようにさらに構成される。第２セットの反射器２０２６ａ及び２０２６ｂは、サンプル２０２８に向かって変調光２０２４ａ及び２０２４ｂの方向を変化させる。したがって、第２セットの反射器２０２６ａ及び２０２６ｂから反射された変調光２０２４ａ及び２０２４ｂは、第３光学窓２００８を通じてサンプル２０２８に向けられる。
[0126] 変調光２０２４ａ及び２０２４ｂは、サンプル２０２８と相互作用し、結果とした生じたサンプル２０２８からの散乱反射光（例えば、出力光２０３０）は、第３光学窓２００８を通じて戻るように向けられる。集光素子２０１２は、散乱光（例えば、出力光２０３０）を収集し、かつ、検出器２０１０内に出力光２０３０を向けるように構成される。図１６及び図１７に示す例のように、検出器２０１０は、２つの反射された変調光ビーム２０２４ａ及び２０２４ｂの重ね合わせ（例えば、干渉パターン）を収集し、したがって信号対雑音比を２倍にする。
[0127] 図２１は、ある態様に係る、統合光源を含む小型物質分析器デバイス２１００の別の例を示す図である。小型物質分析器デバイス２１００は、単一の統合モジュール２１０２（例えば、両面Ｈパッケージ）を含む。モジュール２１０２は、その上に複数のコンポーネントを有する基板２１３２を含む。基板は第１表面２１１６ａ（例えば、上面）及び第２表面２１１６ｂ（例えば、裏面）を含む。モジュール２１０２は、基板２１３２の第２表面２１１６ｂ上に配置された、光源２１１４、第１反射器２１２０及び第１光学窓２１０６を含む。第１光学窓２１０６は、基板２１３２の開口部（例えば、アパーチャ又は孔）を覆うように配置される。さらに、モジュール２１０２は、基板２１３２の第２表面２１１６ｂ（例えば、裏面）上に組み立てられた制御電子機器２１３４（例えば、ＡＳＩＣ及び他の電子機器）を含む。
[0128] モジュール２１０２は、基板２１３２の第１表面２１１６ａに配置された、光変調器２１０４、検出器２１１０、集光素子２１１２、第２反射器２１２２及び第３反射器２１２６をさらに含む。検出器２１１０は、基板２１３２の第１表面２１１６ａの凹部内に配置される。第３反射器２１２６は集光素子２１１２に統合されてもよい。
[0129] モジュール２１０２は、その上にサンプル２１２８が配置され得る第２光学窓２１０８をさらに含む。第１光学窓２１０６は、モジュール２１０２の第１側（例えば、基板２１３２の裏面２１１６ｂに対応する）に配置され、第２光学窓２１０８はモジュール２１０２の第２側に配置される。モジュール２１０２は、封止のために第１側（例えば、底側）に蓋２１３６（例えば、ガラス蓋）をさらに含んでもよい。さらに、電気接続は、パッケージキャスタレーション及び裏面パッド又はエポキシを使用して基板（例えばＰＣＢ）上にモジュール（パッケージ）２１０２をはんだ付けすることによって形成され得る。
[0130] 光源２１１４は、入力光２１１８を生成し、かつ、第１反射器２１２０に入力光２１１８を向けるように構成される。第１反射器２１２０は、第１光学窓２１０６を通じて第２反射器２１２２に入力光２１１８を向けるように構成される。第２反射器２１２２は、光変調器２１０４内に入力光２１１８を向けるように構成される。光変調器２１０４は、入力光２１１８を減衰し、かつ、入力光２１１８に基づいて変調光２１２４を生成するように構成される。光変調器２１０４は、第３反射器２１２６に変調光を向けるようにさらに構成される。第３反射器２１２６は、サンプル２１２８に向けて変調光２１２４の方向を変化させるように構成される。したがって、第３反射器２１２６から反射された変調光２１２４は、第２光学窓２１０８を通じてサンプル２１２８に向けられる。
[0131] 変調光２１２４はサンプル２１２８と相互作用し、結果として生じたサンプル２１２８からの散乱反射光（例えば、出力光２１３０）は、第２光学窓２１０８を通じて戻るように向けられる。集光素子２１１２は、散乱光（例えば、出力光２１３０）を収集し、かつ、検出器２１１０に出力光２１３０を向けるように構成される。
[0132] 図２２Ａ及び図２２Ｂは、ある態様に係る光結合デバイス２２００の一例を示す図である。光結合デバイス２２００は、集光素子２２０２、第１反射器２２０４及び第２反射器２２０６を含む。集光素子２２０２と反射器２２０４及び２２０６とは、例えば、図５、図７～図９、図１３～図１６及び／又は図１８～図２１のいずれかに関連して上で図示及び説明した、単一の光変調器及び対応の単一の検出器用の集光素子及び反射器に対応し得る。
[0133] 図２２Ａ及び図２２Ｂに示す光結合デバイス２２００は、集光素子２２０２、第１反射器２２０４及び第２反射器２２０６の正確な位置合わせを保証するために単一の光学機械材料片から形成されてもよい。光結合デバイス２２００のコア材料は、例えば、金属又は成形可能なプラスチックであってもよい。光結合デバイス２２００は、例えば、３Ｄ印刷、光ステレオリソグラフィ、精密射出成形又は他の適切な製造プロセスによって製造されてもよい。光インタフェース（例えば、集光素子２２０２、第１反射器２２０４及び第２反射器２２０６）上に薄膜層２２０８のコーティングを含めることによって、光結合デバイス２２００の表面反射率を高めてもよい。さらに、光結合デバイス２２００は、迷光が１つの反射面（例えば、集光素子２２０２、第１反射器２２０４又は第２反射器２２０６）から別の反射面に通過することを阻止するように設計された吸収壁２２１０を含んでもよい。
[0134] 図２３Ａ～図２３Ｃは、ある態様に係る、光結合デバイス２３０２及び光変調器２３０４を含む小型物質分析器デバイス２３００の一例を示す図である。図２３Ａ～図２３Ｃは、小型物質分析器デバイス２３００の上面傾斜図である。
[0135] 光結合デバイス２３０２は、光変調器２３０４（例えば、ＭＥＭＳチップ）との受動的位置合わせのための光学位置合わせ特徴（例えば、位置合わせフィンガ）２３０６を含む。位置合わせフィンガ２３０６は、光変調器２３０４内への光結合デバイスの直接挿入をさらに容易にする。ある例では、光変調器２３０４上の相補位置合わせ特徴（図示せず）は雄－雌方式で光学位置合わせフィンガ２３０６と併せて使用されてもよい。光結合デバイス２３０２及び光変調器２３０４上の位置合わせ特徴は、位置合わせ誤差を最小限に抑えるためにデバイス全体に配置されてもよい。
[0136] 光変調器２３０４が、デバイス層２３１０と、その上にサンプルが配置され得るガラス窓（例えば、光学窓）を有するハンドル層２３１２と、を含むＳＯＩ基板上に製造される例では、位置合わせ特徴は、ＳＯＩ基板のデバイス層２３１０に形成されてもよい。ある例では、位置合わせフィンガ２３０６は、光変調器２３０４の１以上の光学部品（例えば、１以上のミラー）の機械的形状に基づいてもよい。ＭＥＭＳチップ（光変調器２３０４）に光結合デバイス２３０２を統合することによって、ほとんどのコンポーネントをチップ上に有する小型化された物質分析器デバイスが製造されてもよい。例えば、このような小型化された物質分析器デバイスはウェアラブル製品として実装されてもよい。
[0137] 図２４は、ある態様に係る、光結合デバイス２４０２及び光変調器２４０４を含む小型物質分析器デバイス２４００の別の例を示す図である。図２４は、検出器２４０８が見えている、小型物質分析器デバイス２４００の底部傾斜図である。ある例では、光結合デバイス２４０２は、組み立てプロセス中に検出器２４０８へのアクセスを可能にする開口部を含んでもよい。さらに、光結合デバイス２４０２は、検出器２４０８と光変調器２４０４との間の直接的な電磁結合を防止するように構成された電磁シールド壁２４０６をさらに含む。ある例では、電磁シールド壁２４０６は、金属又は厚い金属コーティングを有するプラスチックであってもよい。
[0138] 図２５は、ある態様に係る、光導波路を含む小型物質分析器デバイス２５００の一例を示す図である。図２５に示す例では、小型物質分析器デバイス２５００は、デバイス層を含むＳＯＩ基板のデバイス層２５０４及びハンドル層２５０６内に製造された単一のＭＥＭＳチップである。ＭＥＭＳチップは、光干渉計（図示せず）、サンプル２５１４（例えば、皮膚組織）に変調光を運ぶための導波路インタフェース２５１０を有する照明導波路２５０８、及び、サンプル２５１４から散乱された出力光を収集して検出器（図示せず）に出力光を導くための収集導波路２５１６を含む。ＭＥＭＳチップ２５００は、上部の機械加工ガラス２５０２及びその側面のガラス窓２５１２を使用して、保護のためにさらにパッケージ化される。ガラス窓２５１２は、導波路２５０８及び２５１６とサンプル２５１４との間のインタフェースとしてさらに機能してもよい。
[0139] 図２６は、ある態様に係る、光導波路２６００の一例を示す図である。図２６に示す光導波路２６００は、照明導波路であり、例えば、図２５に示す照明導波路２５０８に対応し得る。照明導波路２６００は、光学窓２６０６を通じて試験体２６０８（例えば、皮膚）に変調光を導くように構成される。図２６に示す例では、照明導波路２６００は、例えば屈折を使用して変調光を方向付けるように構成された導波路インタフェース２６０２を含む。ある例では、導波路インタフェース２６０２のステアリング角は、変調光の光出力を維持するために、シリコンと空気との間の臨界角よりも小さい。ステアリング角が臨界角よりも大きい場合、これは、導波路の内部で変調光が全反射する結果をもたらし得、光出力を低下させ得る。さらに、サンプル２６０８上のスポットサイズを制御するために、導波路インタフェース２６０２は、レンズ効果を生み出すために湾曲した形状（例えば、湾曲した導波路インタフェース）を有してもよい。
[0140] 図２７は、ある態様に係る、光導波路２７００の一例を示す図である。図２７に示す光導波路２７００は、収集導波路であり、かつ、例えば図２５に示す収集導波路２５１６に対応し得る。収集導波路２７００は、光学システムのスループットを増加させるために、上部収集導波路２７０２と、上部収集導波路２７０２に平行な下部収集導波路２７０４と、を含む。一例では、収集導波路２７００は、基板２７０６（例えば、ＳＯＩ基板などの埋め込み酸化物（ＢＯＸ）基板）内に作製されてもよい。例えば、収集導波路２７００は、ＭＥＭＳチップのＢＯＸ基板２７０６内に作製されてもよい。ここで、上部収集導波路２７０２は、基板２７０６のデバイス層２７１２内に作製（エッチング）され、下部収集導波路２７０４は、ＭＥＭＳチップの酸化物層の剥離から生じる上部導波路２７０２と下部導波路２７０４との間にギャップを有するように、基板２７０６のハンドル層２７１０内に作製（エッチング）される。これにより、検出器２７０８に対する出力光の結合を強化するために、２つの導波路２７０２及び２７０４を使用することになる。
[0141] さらに、サンプル２７１４から収集導波路２７００内への散乱光（出力光）の直接収集を容易にするために、収集導波路２７００はサンプル２７１４にできるだけ近接して配置されてもよい。サンプル２７１４と収集導波路２７００との間の最小距離は、サンプル２７１４に直接接触する光学窓（ガラス窓）２７１６によって境界が定められる。検出器２７０８への出力結合をさらに高めるために、光学窓２７１６が湾曲させられてレンズ付き光学窓を形成してもよい。レンズ付き光学窓２７１６は、漏れる光線の一部を集光導波路２７００の入力の方向に変化させることによって発散損失を低減し得る。図２５～図２７に示す光導波路の構成は、高い結合効率でサンプル（例えば、皮膚）から非侵襲的に測定するウェアラブルデバイスでＭＥＭＳテクノロジーを使用可能な、小型で統合されたコスト効率の高いソリューションを提供する。
[0142] 図２８Ａ～図２８Ｃは、ある態様に係る、フレーム２８０２を使用する統合物質分析器デバイス２８００の一例を示す図である。図２８Ａ～図２８Ｃに示す統合物質分析器デバイス２８００は、コストを削減しつつ能動的な位置合わせの必要性を排除すると同時に、チップ／コンポーネントを基板上に統合するためのソリューションを提供する。フレーム２８０２は、例えば、光学モールドであってもよい。フレーム２８０２は、検出器２８０６及び光変調器（例えば、ＭＥＭＳチップ）２８１０の挿入、固定及び位置合わせを容易にするように構成された特徴を含む。例えば、フレーム２８０２は、検出器２８０６、ＭＥＭＳチップ２８１０及びワイヤボンディングなどの任意の電気接続を物理的に収容するように構成されたサイズ及び形状を有する開口部を含んでもよい。さらに、フレーム２８０２は、第２光学窓２８０４（例えば、上部ガラス窓）の挿入及び固定を容易にするように構成された開口部２８３２を含む。フレーム２８０２は、第１光学窓２８０８（例えば、底部ガラス窓）の挿入及び固定のための追加の開口部（図示せず）をさらに含んでもよい。ある例では、図２２Ａ及び図２２Ｂに示す光結合デバイスなどの光結合デバイスが、自動位置合わせを保証してコストを削減するためにフレーム２８０２内に形成され得る。
[0143] フレーム２８０２は、組み立て及び位置合わせの各々のために基板２８１２（例えば、ＰＣＢ）の孔内に注入するための追加の特徴も含む。例えば、フレーム２８０２は、フレームの側面から延在する突出位置合わせ部２８１８と、ＰＣＢ２８１２上でフレーム２８０２を位置合わせするための複数の位置合わせピン２８２０と、を含んでもよい。ＰＣＢ２８１２は、突出位置合わせ部２８１８を受け入れるように構成された開口部２８１４（例えば、孔）と、複数の位置合わせピン２８２０を受け入れるように構成された複数の位置合わせ孔２８３２と、を含む。さらに、ＰＣＢ２８１２は、底部ガラス窓２８０８に位置合わせされた孔２８１６を含む。フレーム２８０２は、ＰＣＢ２８１２の第１表面２８２８（例えば、上面）上に組み立てられてもよく、突出位置合わせ部２８１８は、開口部２８１４を通じてＰＣＢ２８１２の第２表面２８３０（例えば、裏面）に挿入されてもよい。さらに、光源２８２２、反射器２８２４及びレンズ２８２６は、ＰＣＢ２８１２の第２表面２８３０上に統合されて、孔２８１６及び底部ガラス窓２８０８を通じてＭＥＭＳチップ２８１０に入力光を向けてもよい。
[0144] 図２９Ａ～図２９Ｃは、ある態様に係る、金属基板２９０２を使用する統合物質分析器デバイス２９００の一例を示す図である。精密な機械加工を施した金属基板２９０２が使用されて、物質分析器デバイス２９００のさまざまな部品を正確に配置することができる。特に、金属基板２９０２は、光変調器２９０６（例えば、ＭＥＭＳチップ）、検出器２９３０、第１光学窓２９３２（例えば、底部ガラス窓）及び光結合デバイス２９１０を位置合わせするように構成された位置合わせ特徴を含み得る。例えば、金属基板２９０２は、アライメントマークとしての機械開口部と、光結合デバイス２９１０を注入し、ＭＥＭＳチップ２９０６、検出器２９３０及び底部ガラス窓２９３２を配置し、かつ、さまざまなコンポーネントに対するワイヤボンドの電気接続を可能にする開口部と、を含んでもよい。フレーム２９０４は、金属基板２９０２上に挿入されてもよい（取り付けられてもよい）。フレーム２９０４は、第２光学窓２９０８（例えば、上部ガラス窓）を受け入れるように構成された開口部２９２８を含み得る。
[0145] 金属基板２９０２は、基板２９１２（例えば、ＰＣＢ）の第１表面２９２４（例えば、上側）に取り付けられ得る。ＰＣＢ２９１２は、底部ガラス窓２９３２に位置合わせされた開口部２９１６（例えば、孔）を含む。さらに、光源２９１８、反射器２９２０及びレンズ２９２２は、孔２９１６及び底部ガラス窓２９３２を通じてＭＥＭＳチップ２９０６に入力光を向けるように、ＰＣＢ２９１２の第２表面２９２６（例えば、裏面）に統合されてもよい（取り付けられてもよい）。
[0146] 以下に本開示の例の概要を示す。
[0147] 例１：小型物質分析器デバイスであって：入力光を生成するように構成された光源と；モジュールであって、前記モジュールの第１側の第１光学窓と、前記第１側とは反対側の前記モジュールの第２側の第２光学窓と、光変調器であって、前記光変調器は、前記第１光学窓を通じて前記光源から前記入力光を受け取り、前記入力光を減衰し、かつ、前記入力光に基づいて変調光を生成するように構成され、前記光変調器は、前記第２光学窓を通じてサンプルに前記変調光を向けるようにさらに構成される、光変調器と、を備えるモジュールと；前記第２光学窓を通じて前記変調光との相互作用から生成された出力光を前記サンプルから受け取り、かつ、前記出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器と、を備える、小型物質分析器デバイス。
[0148] 例２：前記モジュールが、第１表面及び第２表面を含む第１基板を備え、前記光変調器が前記第１基板の前記第１表面に配置される、例１に記載の小型物質分析器デバイス。
[0149] 例３：前記モジュールがその上面に配置された前記モジュールを有するプリント回路基板であって、前記光源から前記モジュール内に光を結合するように構成された孔を備えるプリント回路基板をさらに備える、例２に記載の小型物質分析器デバイス。
[0150] 例４：前記第１基板がインターポーザを備え、前記第１基板が前記プリント回路基板に取り付けられる、例３に記載の小型物質分析器デバイス。
[0151] 例５：前記第１光学窓は前記第１基板の前記第２表面に配置される、例２～４のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0152] 例６：前記光源が前記第１基板の前記第２表面に配置され、前記モジュールは第１反射器及び第２反射器を備え、前記第１反射器は、前記光源から前記入力光を受け取り、かつ、前記第１光学窓を通じて前記第２反射器に前記入力光を向けるように構成され、前記第２反射器は、前記光変調器に前記入力光を向けるように構成される、例５に記載の小型物質分析器デバイス。
[0153] 例７：前記モジュールは：第３光学窓と；追加の光変調器と；第３反射器と；第４反射器と、をさらに備え、前記第３反射器は、前記光源から前記入力光を受け取り、かつ、前記第３光学窓を通じて前記第４反射器に前記入力光を向けるように構成され、前記第４反射器は、前記追加の光変調器に前記入力光を向けるように構成され、前記追加の光変調器は、前記入力光に基づいて追加の変調光を生成し、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記追加の変調光を向けて、前記検出器に向けられた前記追加の変調光との相互作用から追加の出力光を生成するようにさらに構成される、例６に記載の小型物質分析器デバイス。
[0154] 例８：前記第１基板が開口部を備え、前記第１光学窓が前記開口部を覆う、例２～７のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0155] 例９：第２基板及び前記光源を備える光源モジュールをさらに備え、前記光源は前記第２基板に配置される、例２～５のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0156] 例１０：第３光学窓、第３基板及び前記検出器を備える光検出モジュールをさらに備え、前記検出器は、前記第３基板に配置され、かつ、前記第３光学窓を通じて前記サンプルから前記出力光を受け取るように構成される、例９に記載の小型物質分析器デバイス。
[0157] 例１１：前記光検出モジュールは、前記第３光学窓上にレンズをさらに備える、例１０に記載の小型物質分析器デバイス。
[0158] 例１２：前記検出器は、前記第１基板の前記第１表面に配置され、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルから前記出力光を受け取るように構成される、例２～９のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0159] 例１３：前記サンプルに隣接して前記第２光学窓の反対に配置された反射器であって、前記サンプルからの前記出力光を前記サンプルに戻すように反射させて前記検出器に前記出力光を向けるように構成された反射器をさらに備える、例１～９又は１２のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0160] 例１４：前記サンプルから前記出力光を収集し、かつ、前記検出器に前記出力光を反射するように構成された集光素子をさらに備える、例１～１３のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0161] 例１５：前記集光素子は、第１深さを有する内側集光素子と、前記第１深さよりも小さい第２深さを有する外側集光素子と、を備える複合集光素子であり、前記外側集光素子は、前記サンプルに前記出力光を戻すように反射して、前記検出器に反射するために前記内側集光素子によって収集される追加の出力光を生成するように構成される、例１４に記載の小型物質分析器デバイス。
[0162] 例１６：前記外側集光素子がリング形状を含む、例１５に記載の小型物質分析器デバイス。
[0163] 例１７：前記検出器が第１検出器及び第２検出器を備え、前記集光素子が、前記第１検出器に前記出力光の第１部分を向けるように構成された第１集光素子と、前記第２検出器に前記出力光の第２部分を向けるように構成された第２集光素子と、を備える、例１４～１６のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0164] 例１８：前記出力光の前記第１部分が前記サンプル上の第１空間的位置から受け取られ、前記出力光の前記第２部分が前記サンプル上の第２空間的位置から受け取られる、例１７に記載の小型物質分析器デバイス。
[0165] 例１９：前記出力光の前記第１部分が第１波長範囲を含み、前記出力光の前記第２部分が、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲を含む、例１７に記載の小型物質分析器デバイス。
[0166] 例２０：前記モジュールは、前記入力光を受け取り、かつ、前記光変調器に前記入力光を向けるように構成された第１光学素子と、前記変調光を受け取り、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記変調光を向けるように構成された第２光学素子と、をさらに備える、例１～１９のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0167] 例２１：前記モジュールは、前記第２光学窓に配置され又は前記第２光学窓内に形成され、かつ、前記第２光学素子から前記サンプルに前記変調光を向けるように構成された光学素子をさらに備える、例２０に記載の小型物質分析器デバイス。
[0168] 例２２：前記第１反射器と、前記第２反射器と、前記サンプルから前記出力光を収集し、かつ、前記検出器に前記出力光を反射するように構成された集光素子と、を備える光結合デバイスをさらに備え、前記光結合デバイスは材料の一体成形から形成される、例２０又は２１に記載の小型物質分析器デバイス。
[0169] 例２３：前記光結合デバイスが、前記光変調器に前記光結合デバイスを光学的に位置合わせするように構成された少なくとも１つの機械的位置合わせ特徴を備える、例２２に記載の小型物質分析器デバイス。
[0170] 例２４：前記光結合デバイスが、前記検出器と前記光変調器との間の直接の電磁結合を防止するように構成された電磁シールド壁を備える、例２２又は２３に記載の小型物質分析器デバイス。
[0171] 例２５：前記モジュールは、前記光源から前記入力光を受け取るように構成された追加の光変調器をさらに備え、前記追加の光変調器は、前記入力光に基づいて追加の変調光を生成し、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記追加の変調光を向けて、前記検出器に向けられた前記追加の変調光との相互作用から追加の出力光を生成するようにさらに構成される、例１～５又は８～２４のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0172] 例２６：前記モジュールは、前記モジュールの前記第１側の第３光学窓をさらに備え、前記追加の光変調器は、前記第３光学窓を介して前記光源から前記入力光を受け取るように構成される、例２５に記載の小型物質分析器デバイス。
[0173] 例２７：前記光変調器は、前記サンプル上の異なる空間的位置に各々が向けられる前記変調光及び追加の変調光を生成するように構成されたマッハツェンダー干渉計を備え、かつ、前記追加の変調光との相互作用によって生成される前記サンプルからの追加の出力光を受け取り、かつ、前記追加の出力光の追加のスペクトルを検出するように構成された追加の検出器をさらに備える、例１～５又は８～２４のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0174] 例２８：前記サンプルに前記変調光を導くように構成された照明導波路と、前記検出器に前記出力光を導くように構成された収集導波路と、をさらに備える、例１～５、８、９、１２、１３又は２０～２７のいずれか１つに記載の小型物質分析器デバイス。
[0175] 例２９：前記照明導波路が、湾曲した導波路インタフェースを備える、例２８に記載の小型物質分析器デバイス。
[0176] 例３０：前記第２光学窓は、前記収集導波路に前記出力光を結合するように構成されたレンズを備え、前記光変調器は、デバイス層、酸化物層及びハンドル層を備える基板に形成され、前記収集導波路は、前記デバイス層に形成された第１収集導波路と、前記ハンドル層に形成された第２収集導波路と、を備え、前記第１収集導波路と前記第２収集導波路とは平行である、例２８又は２９に記載の小型物質分析器デバイス。
[0177] 例３１：前記モジュールがフレームを備え、前記フレームが、前記光変調器及び前記検出器の挿入及び位置合わせを容易にするように構成されたそれぞれの特徴を備え、前記フレームが、前記第２光学窓の挿入を容易にするように構成された第１開口部と、前記フレームの側面から延在する突出位置合わせ部と、複数の位置合わせピンと、をさらに備え、前記物質分析器デバイスは、前記突出位置合わせ部を受け入れるように構成された第２開口部を備えるプリント回路基板と、前記複数の位置合わせピンを受け入れるように構成された複数の位置合わせ孔と、前記第２光学窓と位置合わせされた孔と、をさらに備える、例１に記載の小型物質分析器デバイス。
[0178] 例３２：前記光源が前記プリント回路基板の裏側に統合される、例３１に記載の小型物質分析器デバイス。
[0179] 例３３：前記モジュールが、金属基板であって、前記金属基板上に、前記光変調器、前記検出器及び前記第１光学窓を位置合わせするように構成された位置合わせ特徴を備える金属基板と、前記金属基板に取り付けられ、かつ、前記第２光学窓を受け入れるように構成された開口部を備えるフレームと、を備え、前記小型物質分析器デバイスは、前記第１光学窓に位置合わせされた孔を備えるプリント回路基板をさらに備え、前記金属基板は、前記プリント回路基板の第１表面に取り付けられ、前記光源は、前記プリント回路基板の第２表面に取り付けられる、例１に記載の小型物質分析器デバイス。
[0180] 本開示内では、「例示的な」という単語は、「一例、一実施例又は一実例として機能する」という意味で使用される。本明細書で「例示的な」として説明される実装又は態様は、必ずしも、本開示の他の態様よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。同様に、「態様」という用語は、本開示のすべての態様が、議論された特徴、利点又は動作モードを含むことを要求するものではない。「結合された」という用語は、本明細書では、２つのオブジェクト間の直接的又は間接的な結合を指すために使用される。例えば、オブジェクトＡがオブジェクトＢに物理的に接触し、かつ、オブジェクトＢがオブジェクトＣに接触した場合、オブジェクトＡ及びＣは、たとえそれらが互いに直接物理的に接触していないとしても、依然として互いに結合されているとみなされ得る。例えば、第１オブジェクトが第２オブジェクトに物理的に直接接触していない場合でも、第１オブジェクトは第２オブジェクトに結合され得る。「回路（circuit）」及び「電気回路（circuitry）」という用語は、広範に使用され、かつ、電気装置及び導体のハードウェア実装と、情報及び命令のソフトウェア実装と、の両方を含むことを意図しており、ハードウェア実装は、接続及び構成された場合に、電子回路のタイプに限定されることなく、本開示で説明される機能の実行を可能にし、ソフトウェア実装は、プロセッサによって実行された場合に、本開示で説明される機能の実行を可能にする。
[0181] 図１～図２９Ｃに示されるコンポーネント、ステップ、特徴及び／又は機能のうちの１以上は、単一のコンポーネント、ステップ、特徴又は機能に再配置及び／又は結合されてもよく、若しくは、いくつかのコンポーネント、ステップ又は機能で具体化されてもよい。本明細書に開示される新規な特徴から逸脱することなく、追加の要素、コンポーネント、ステップ及び／又は機能が追加されてもよい。図１～図２９Ｃに示される装置、デバイス及び／又はコンポーネントは、本明細書で説明される方法、特徴又はステップのうちの１以上を実行するように構成されてもよい。本明細書で説明される新規なアルゴリズムは、ソフトウェアに効率的に実装されてもよく、及び／又は、ハードウェアに埋め込まれてもよい。
[0182] 開示された方法におけるステップの特定の順序又は階層は、例示的なプロセスを例示するものであることを理解されたい。設計志向に基づいて、方法におけるステップの特定の順序又は階層がされてもよいことが理解される。添付の方法の請求項は、さまざまなステップの要素をサンプルの順序で提示しており、かつ、本明細書で特に記載がない限り、提示される特定の順序又は階層に限定されることを意図するものではない。
[0183] 前述の説明は、当業者が本明細書に記載のさまざまな態様を実施することができるようにするために提供される。これらの態様に対するさまざまな修正は当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は他の態様にも適用されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、特許請求の範囲の文言と一致する全範囲を与えられるべきであり、単数形での要素への言及は、そのように特に明記されていない限り「唯一のもの」を意味することを意図しておらず、むしろ「１以上」であることを意図している。特に明記しない限り、「いくつかの」という用語は１以上を指す。アイテムのリスト「のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の部材を含むそれらのアイテムの任意の組み合わせを指す。一例として、「ａ、ｂ又はｃのうちの少なくとも１つ」は：ａ、ｂ、ｃと：ａ及びｂと：ｂ及びｃと：ａ、ｂ及びｃとをカバーすることを意図している。当業者に知られている又は後に知られるようになる、本開示を通じて説明されるさまざまな態様の要素に対する構造的及び機能的な等価物はすべて、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、かつ、特許請求の範囲に包含されることが意図される。さらに、本明細書に開示されるものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかに関わらず、公衆に提供されることを意図したものではない。
Claims (33)
- 小型物質分析器デバイスであって、
入力光を生成するように構成された光源と、
モジュールであって、前記モジュールの第１側の第１光学窓と、前記第１側とは反対側の前記モジュールの第２側の第２光学窓と、光変調器であって、前記光変調器は、前記第１光学窓を通じて前記光源から前記入力光を受け取り、前記入力光を減衰させ、かつ、前記入力光に基づいて変調光を生成するように構成され、前記光変調器は、前記第２光学窓を通じてサンプルに前記変調光を向けるようにさらに構成される、光変調器と、を備えるモジュールと、
前記第２光学窓を通じて前記変調光との相互作用から生成された出力光を前記サンプルから受け取り、かつ、前記出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器と、を備える、小型物質分析器デバイス。 - 前記モジュールが、第１表面及び第２表面を含む第１基板を備え、前記光変調器が前記第１基板の前記第１表面に配置される、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記モジュールがその上面に配置された前記モジュールを有するプリント回路基板であって、前記光源から前記モジュール内に光を結合するように構成された孔を備えるプリント回路基板をさらに備える、請求項２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記第１基板がインターポーザを備え、前記第１基板が前記プリント回路基板に取り付けられる、請求項３に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記第１光学窓は前記第１基板の前記第２表面に配置される、請求項２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記光源が前記第１基板の前記第２表面に配置され、前記モジュールは、
第１反射器と、
第２反射器であって、前記第１反射器は、前記光源から前記入力光を受け取り、かつ、前記第１光学窓を通じて前記第２反射器に前記入力光を向けるように構成され、前記第２反射器は、前記光変調器に前記入力光を向けるように構成される、第２反射器と、を備える、請求項５に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記モジュールは、
第３光学窓と、
追加の光変調器と、
第３反射器と、
第４反射器と、をさらに備え、
前記第３反射器は、前記光源から前記入力光を受け取り、かつ、前記第３光学窓を通じて前記第４反射器に前記入力光を向けるように構成され、前記第４反射器は、前記追加の光変調器に前記入力光を向けるように構成され、前記追加の光変調器は、前記入力光に基づいて追加の変調光を生成し、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記追加の変調光を向けて、前記検出器に向けられた前記追加の変調光との相互作用から追加の出力光を生成するようにさらに構成される、請求項６に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記第１基板が開口部を備え、前記第１光学窓が前記開口部を覆う、請求項２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 第２基板及び前記光源を備える光源モジュールをさらに備え、前記光源は前記第２基板に配置される、請求項２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 第３光学窓、第３基板及び前記検出器を備える光検出モジュールをさらに備え、前記検出器は、前記第３基板に配置され、かつ、前記第３光学窓を通じて前記サンプルから前記出力光を受け取るように構成される、請求項９に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記光検出モジュールは、前記第３光学窓上にレンズをさらに備える、請求項１０に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記検出器は、前記第１基板の前記第１表面に配置され、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルから前記出力光を受け取るように構成される、請求項２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記サンプルに隣接して前記第２光学窓の反対側に配置された反射器であって、前記サンプルからの前記出力光を前記サンプルに戻すように反射して前記検出器に前記出力光を向けるように構成された反射器をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記サンプルから前記出力光を収集し、かつ、前記検出器に前記出力光を反射するように構成された集光素子をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記集光素子は、第１深さを有する内側集光素子と、前記第１深さよりも小さい第２深さを有する外側集光素子と、を備える複合集光素子であり、前記外側集光素子は、前記サンプルに前記出力光を戻すように反射して、前記検出器に反射するために前記内側集光素子によって収集される追加の出力光を生成するように構成される、請求項１４に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記外側集光素子がリング形状を含む、請求項１５に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記検出器が第１検出器及び第２検出器を備え、前記集光素子が、前記第１検出器に前記出力光の第１部分を向けるように構成された第１集光素子と、前記第２検出器に前記出力光の第２部分を向けるように構成された第２集光素子と、を備える、請求項１４に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記出力光の前記第１部分が前記サンプル上の第１空間的位置から受け取られ、前記出力光の前記第２部分が前記サンプル上の第２空間的位置から受け取られる、請求項１７に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記出力光の前記第１部分が第１波長範囲を含み、前記出力光の前記第２部分が、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲を含む、請求項１７に記載の小型物質分析デバイス。
- 前記モジュールは、
前記入力光を受け取り、かつ、前記光変調器に前記入力光を向けるように構成された第１光学素子と、
前記変調光を受け取り、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記変調光を向けるように構成された第２光学素子と、をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記モジュールは、前記第２光学窓に配置され又は前記第２光学窓内に形成され、かつ、前記第２光学素子から前記サンプルに前記変調光を向けるように構成された第３光学素子をさらに備える、請求項２０に記載の小型物質分析デバイス。
- 前記第１光学素子と、前記第２光学素子と、前記サンプルから前記出力光を収集し、かつ、前記検出器に前記出力光を反射するように構成された集光素子と、を備える光結合デバイスをさらに備え、前記光結合デバイスは材料の一体成形から形成される、請求項２０に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記光結合デバイスが、前記光変調器に前記光結合デバイスを光学的に位置合わせするように構成された少なくとも１つの機械的位置合わせ特徴を備える、請求項２２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記光結合デバイスが、前記検出器と前記光変調器との間の直接の電磁結合を防止するように構成された電磁シールド壁を備える、請求項２２に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記モジュールは、前記光源から前記入力光を受け取るように構成された追加の光変調器をさらに備え、前記追加の光変調器は、前記入力光に基づいて追加の変調光を生成し、かつ、前記第２光学窓を通じて前記サンプルに前記追加の変調光を向けて、前記検出器に向けられた前記追加の変調光との相互作用から追加の出力光を生成するようにさらに構成される、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記モジュールは、前記モジュールの前記第１側の第３光学窓をさらに備え、前記追加の光変調器は、前記第３光学窓を介して前記光源から前記入力光を受け取るように構成される、請求項２５に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記光変調器は、前記サンプル上の異なる空間的位置に各々が向けられる前記変調光及び追加の変調光を生成するように構成されたマッハツェンダー干渉計を備え、かつ、
前記追加の変調光との相互作用によって生成される前記サンプルからの追加の出力光を受け取り、かつ、前記追加の出力光の追加のスペクトルを検出するように構成された追加の検出器をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記サンプルに前記変調光を導くように構成された照明導波路と、
前記検出器に前記出力光を導くように構成された収集導波路と、をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記照明導波路が、湾曲した導波路インタフェースを備える、請求項２８に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記第２光学窓は、前記収集導波路に前記出力光を結合するように構成されたレンズを備え、
前記光変調器は、デバイス層、酸化物層及びハンドル層を備える基板に形成され、
前記収集導波路は、前記デバイス層に形成された第１収集導波路と、前記ハンドル層に形成された第２収集導波路と、を備え、前記第１収集導波路と前記第２収集導波路とは平行である、請求項２８に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記モジュールがフレームを備え、前記フレームが、前記光変調器及び前記検出器の挿入及び位置合わせを容易にするように構成されたそれぞれの特徴を備え、前記フレームが、前記第２光学窓の挿入を容易にするように構成された第１開口部と、前記フレームの側面から延在する突出位置合わせ部と、複数の位置合わせピンと、をさらに備え、前記物質分析器デバイスは、
前記突出位置合わせ部を受け入れるように構成された第２開口部を備えるプリント回路基板と、前記複数の位置合わせピンを受け入れるように構成された複数の位置合わせ孔と、前記第２光学窓と位置合わせされた孔と、をさらに備える、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。 - 前記光源が前記プリント回路基板の裏側に統合される、請求項３１に記載の小型物質分析器デバイス。
- 前記モジュールが、
金属基板であって、前記金属基板上に、前記光変調器、前記検出器及び前記第１光学窓を位置合わせするように構成された位置合わせ特徴を備える金属基板と、
前記金属基板に取り付けられ、かつ、前記第２光学窓を受け入れるように構成された開口部を備えるフレームと、を備え、前記小型物質分析器デバイスは、
前記第１光学窓に位置合わせされた孔を備えるプリント回路基板をさらに備え、前記金属基板は、前記プリント回路基板の第１表面に取り付けられ、前記光源は、前記プリント回路基板の第２表面に取り付けられる、請求項１に記載の小型物質分析器デバイス。
Applications Claiming Priority (5)
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