JP4076077B2 - アクティブ・マトリクス光学系を用いた分光計 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ・マトリクス光学系による応答適応性を有する分光計に関する。本発明の用途は、吸収、拡散、ラマン散乱、蛍光発光、燐光発光、放射といった諸研究分野における、光ビームのスペクトル解析を行う光学分光機器において見出される。
【０００２】
光学分光計は、光ビームの波長および周波数といったスペクトル内容の情報を選択し、提供することを目的とする測定機器である。それは特に、前記光ビームの放射に際して、また吸収に際して与える影響の解析から、単一または複数の物質について解析を行うことが可能である。前記分光計は、光ビームの様々な波長を、空間中で分散スペクトルの形態で、分離および拡散を行う分散エレメントを包含する。前記光ビームは実際には、その振動周期または波長を特徴とする光子から成る。全ての光子が同一の波長をもつ場合には、前記ビームは単色光であり、前記ビームのスペクトルは固有の波長の単一の線である。光ビームはより複雑なものであり、複数のスペクトル線および／またはスペクトルバンドを包含するであろう。
【０００３】
前記分散エレメントがプリズムまたは回析格子である分光計が知られている。前記分散エレメントの出力において、一般的には、光子をより迅速に解析および処理を行いうる電気信号に変換する光電デバイスといった測定手段が設けられている。前記光電デバイスとしては、光電倍増管、半導体または、荷重伝達デバイス（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳ、光ダイオード、光トランジスタ、レアアースといったソリッド・デバイスが知られている。これらの光電デバイスは、感度、分解能、速度、コストといった観点から、それぞれに利点と欠点とを示し、それらは用途に応じて選択を規定する。前記半導体またはソリッド・デバイスは、より小面積に多数の検出エレメントを備えたマトリクス型の形態で実現される場合に、特に利点をもつ。またそれらのマトリクス型デバイスは、光電倍増管型検出器を備えるものについては、一定の波長域にわたり高速で測定を行う高分解能の多チャンネル分光器を実現することができる。光電倍増管型検出器は、むしろ単一チャンネル分光器において用いられるものであり、一定の波長域にわたるスペクトルを得るためには、しばしば増設の機械デバイスを必要とする。
【０００４】
それらの実施される構成および、スペクトル分散手段に従って得られた前記スペクトル拡散は、前記スペクトルが分散する際の空間中の移動において前記波長の値が増大（または方向によっては減少）するのに対応し、また、前記システムの分解能の範囲内では、各々の異なった波長は光電デバイスの同一の検出エレメントに到達しないであろう。
【０００５】
さらに、微小電子機械デバイスは、集積回路の製造技術により得るものが知られており、顕微駆動部が実現可能である。特に、前記マトリクスの各々のエレメントが電気信号制御により、一般的にはスイッチが切り替えられ、明確に作動する一次元または二次元配置マトリクス型の鏡または回析格子が知られている。その他の微小電子機械デバイスにおいては、前記エレメントは平行移動され、この場合には、例えば干渉事象を利用した光信号の消去といった光学効果を得ることができ、この平行移動は、例えば波の１／４である。デジタルまたはアナログの制御信号に応じて、予期される前記の鏡または格子の移動により、それに到達する前記光ビームは、その方向に従って、異なる空間バンドに反射または屈折される。最も単純な場合では、それぞれの駆動部は、制御信号に応じて、二つの異なる位置を選択する。より高度なデバイスでは、前記駆動部は二つ以上の異なる位置をとり、それにより、前記制御信号に応じた反射または回析ビームによる、空間の全体的または部分的な走査が可能となり、ここで制御信号がそれらの異なる位置をコード化する。前記微小電子機械デバイスは、例えばワイドスクリーン・ビデオ・プロジェクターにおいて使用され、行×列の二次元型マトリクスが一般的に使用される。
【０００６】
本発明は、前記分散エレメントと光電測定デバイスの両者間に、微小電子機械コンポーネントを導入する事により、既知の単一チャンネル型ならびに多チャンネル型の各分光計の改良を提案するものである。ここで、特定の検出エレメントに到達する前記スペクトル成分は、前記スペクトル成分が混合しているか否かにかかわらず、アクティブな様態の選択がなされ、特定の検出エレメントに到達するか、あるいは消去される。こうして、単一の検出エレメント上で、各スペクトル成分を統合または混合させることができ、信号／ノイズ比、および／または測定感度を向上させることができる。混合または消去される前記スペクトル成分は、前記微小電子機械デバイスのマトリクスにおいて、電気制御信号により、屈折または回析エレメントに応じて任意に選択することができる。
【０００７】
従って、本発明は、スペクトル成分の集合からなる光ビームの分散エレメントを備えた分光計に関する。前記分散エレメントは、スペクトル成分の空間中への分散を、空間的に拡散する分散スペクトルとして発生する。前記分散の一点に対しては、少なくとも一つの検出エレメントを備えた少なくとも二つの光子検出器が配置される。
【０００８】
本発明によると、マトリクス型光学微小電子機械デバイスは、前記分散スペクトル中において、前記分散エレメントおよび前記検出器の両者間に導入される。前記微小電子機械デバイスは、複数の光学エレメントのマトリクスから成り、それらの各光学エレメントは、前記検出エレメントに対して、前記スペクトルの少なくとも一つのスペクトルバンド（サブ・アッセンブリ）を選択することを可能とするために、前記分散スペクトルの一部を制御信号に応じて、少なくとも二方向に返送する事ができる。
【０００９】
本発明の様々な実施例において、以下の手段がそれぞれ個別に、あるいは技術的に検討されうる全ての可能な組み合わせに応じて混合して用いられ、実施される。
‐複数の方向のうち少なくとも一つがいかなる光子検出器にも到達せず、またその他の方向の少なくとも一つが、少なくとも一つの検出エレメントに到達し、
‐前記光子検出器が光電倍増管であり、ここで前記検出器が一つの検出エレメントを備え、
‐前記光子検出器が、一次元または二次元配列マトリクス型半導体デバイスであり、ここで前記検出器が、少なくとも一つの検出エレメントを備え、
（前記マトリクス型半導体デバイスはまた、例えば光ダイオードといった単一の検出エレメントを備えた構成部をも範囲とすることが考慮される。）
‐前記マトリクス型光学微小電子機械デバイスが、一次元または二次元配列であり、
‐光学部材が、前記光学微小電子機械デバイスおよび前記光子検出器の両者間に配置され、前記の非アクティブな光学部材が、光屈折系、鏡、回析格子、絞りを有するマスクの中から選択され、
（前記回析格子は例えば、前記分散スペクトルのフィルター処理が行われる場合に検討され、使用される。また前記マスクは、特に光電倍増管が分散スペクトルから特定のスペクトル線またはバンドを選択する際に導入されるが、これらの場合のみに限定されるものではない。前記部材は、例えば、液晶型の制御マスクのように制御されるが、アクティブである。）
‐前記分光計が計算手段に加えて、各検出エレメントに対して、前記分散スペクトルの少なくとも一つのスペクトル線またはバンドの選択を可能とする、オートマティックまたはマニュアル・プログラムに応じる制御手段を包含する。
（前記オートマティック・プログラムは、例えば、詳細な識別を行う測定形態を確定しうるための、主要なスペクトル成分の解析に基づいた統計調査アルゴリズムであり、マニュアル・プログラムは、例えば、オペレーターによる特定の物質の探索による選択である。）
【００１０】
また本発明は、先行するあらゆる特性に基づいた一体化した分光計の操作方法に関するものであり、すなわち前記分散スペクトル中において、制御信号が、前記分散エレメントおよび前記検出器の両者間に配置する前記光学微小電子機械デバイスに送られ、前記微小電子機械デバイスが複数の光学エレメントのマトリクスで構成され、前記検出エレメントに対して、前記スペクトルのサブ・アッセンブリーを選択することを可能とするために、各々の光学エレメントが前記分散スペクトルの一部分を、制御電圧に応じることで少なくとも二方向に返送する事ができるような、分光計の操作方法に関する。
【００１１】
本方法の変形形態においては、前記の返送方向が、ある事象に関して予め定められた時点で変化する。（特に、物質についての蛍光または燐光測定は、前記物質の励起に応じて、予め定められた時点において実施され、励起中には前記検出エレメントは返送方向をとらず、前記光学エレメントは所定の時間の最後にスイッチが切り替えられ、そこで前記エレメントは、前記分散スペクトルの一部分を返送方向に位置をとる。特に興味深いケースにおいては、検出エレメントが《眩光》を放ち、それは場合によっては、復帰時間および／または前記検出器の応答時間に従う。）
【００１２】
最後に本発明は、分光光学特性を用いることにより、少なくとも一つの物質の検出を行う、先述の分光計の用途に関する。
【００１３】
前記スペクトルの「サブ・アッセンブリー」の用語が意味するものは、正確には集合部であり、すなわち検出エレメントは、前記検出エレメントに到達する前記スペクトルの全成分であるスペクトル全体を一体化する。また前記スペクトルのサブ・アッセンブリーという用語は、空集合をも意味し、すなわち検出エレメントに、前記スペクトル成分が全く到達しないために「ブラインド」状態となる。これらの両極端の状態の両者間で、検出エレメントは予め設定された単一または複数のスペクトル線またはバンドを受け取ることになる。例えば、前記微小電子機械デバイスは、一つの検出エレメントが、例えばAl、Cuといった、特定の物質に相当するスペクトル線および／またはスペクトルバンドを受光するように調整される。複数の物質を検出すべき場合には、前記スペクトル線および／またはバンドの間で際立った分布として一定のスペクトル線またはバンドが通常現れる場合に、特定の検出エレメントがそれぞれの物質に対して割り当てられた上で、検出エレメントが実施される。特に、検出されるべく与えられる物質には、一定のスペクトル線またはバンドが固有のものであり、前記測定はそれらのスペクトル線及び／またはバンドについてのみ行われることになる。一方では、前記検出エレメントのその他の部分もまた、参照として利用されるか、またはより一般的には、特定の物質または物質群のために用いられる。こうして、従来型のスペクトル解析や比較解析やその他の測定の目的に応じて、その働きを任意に適応させうる分光計を提供することが可能となる。
【００１４】
「検出エレメント」の用語は、例えば光電倍増管または単一光ダイオードまたは単一光トランジスタといった単一検出器、ならびにマトリクス型検出部材の単一のエレメントに対して用いられる。本発明のフレームワーク内においては、単チャンネルまたは多チャンネル構成部を実施することが可能である。各々の検出エレメントは、分散エレメントおよび各検出器が取り付けられた前記デバイスの分解能に従って、前記スペクトルの一部分を検出する事を可能とするアクティブ・サーフェイスを有し、ここでの前記分解能の波長範囲は、場合により数オングストロームから数μｍである。「アクティブ・サーフェイス」の用語は、正確には前記検出器ならびに、例えばスロット状のマスクと検出器のありうる組み合わせに対して用いられる。ここで、多チャンネル分光計の場合には、例えば一連の独立した検出器（光電倍増管または半導体等）または、一次元または二次元配列マトリクス（半導体または集積回路形態等）といった複数の検出エレメントが実施される。同様に、前記マトリクス型微小電子機械デバイスは、それらデバイスを構成する、各々の反射または屈折エレメントのサイズと関係する分解能を示す。前記適応性分光計の様々な部材の、各々の配置および光学特性に従って、前記分解能は変化する。好ましい態様として、様々な部材は、前記検出エレメントにおいて、分解能を最大限に利用するために配列される。
【００１５】
ここで本発明は、分光適応性フィルターを実施することを基礎とするものであり、その適応性は電気的およびコンピュータ手段によりプログラム化が可能である。ここで、情報を伝達するものは、前記スペクトル線またはバンドのみであり、望ましくは、特徴的な情報が一つまたは複数の検出エレメントに対して返送される。
本発明は、以下の説明により、より明確に理解されるが、限定されるものでない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
簡略化のために、本発明への付加的な手段、特に本分野（捕捉、信号処理、自働操作、計算、表示、結果の印刷等）における従来型の電子コンピューター回路は、各図に示されていない。
図１において、アクティブ・マトリクス光学系による応答適応性を有する第一の分光計１は、プリズムまたはその他の従来型のスペクトル分散エレメントからの供給の際に、空間中に規則的に間隔をとる分散スペクトル６を得ることを可能とするデバイス２を包含する。入射する光ビーム中に規則的に間隔をとる前記スペクトルのλ₁からλ_{n ‐ 1,}λ_nまでの波長は、入射ビームが到達した際に空間中の少なくとも二方向に返送するために、電気制御信号に応じて駆動部により置換される鏡または回析格子の組立部をその表面に有するマトリクス型微小電子機械デバイス３で受光される。より望ましくは、前記微小電子機械デバイスの同一エレメントが、前記入射ビームを前記制御信号に応じて複数の方向に返送することで、前記分散スペクトル６の特定のスペクトル線またはバンドに対応する同一の入射ビームが、前記制御信号に従って走査される空間バンドの特定の方向に返送される。検出器５の少なくとも一つの検出エレメント５１は、前記空間バンドの部分または全域にわたり配置される。示された例では、検出器５と微小電子機械デバイス３の間に増設光学デバイスが配置されている。ここで増設された光学デバイスは、反射鏡４である。他の実施例においては、増設光学デバイスは光屈折光学系および／または鏡および／またはフィルター（回析格子、マスク等）である。ここで示される検出器５は、多チャンネル分光計で用いられるマトリクス型である。前記微小電子機械デバイス３の各反射エレメントは、正確に位置付けられ、同一の前記検出エレメント５１が、単一または複数のスペクトル線またはバンドλ_ｉ、λ_ｊ、λ_ｋ等を受光し（必ずしも１つ受光するとは限らない）、微小電子機械デバイスの代わりに、反射デバイスが使用されていた。また、単一または複数のスペクトル線またはバンドλ_ｘ（図３ではλ’_ｘ）を、検出エレメントのない空間バンドに返送する事も可能である。その上、前記微小電子機械デバイスの光学エレメントは小型であり、また最新の電子計算および制御システムの処理能力によって、前記スペクトルの応答は即時的かつ迅速な適応能力をもつ。「制御信号」の用語は、デジタルまたはアナログの制御電圧に対応する。例えばゼロ電圧は前記光学エレメントおよびその駆動部のある特定の位置に相当し、また非ゼロ電圧は、前記光学エレメントの他方の特定の位置、さらには様々な反射方向に相当する。
【００１７】
本発明は、より一般的に、前記検出器５を使用可能なその他のデバイスまたは応用品により、置換または補完することで分光適応性の応答が実現される同様の方式により、分光装置に適用する事が検討される。これは本発明により、即時的に対応する、単一または複数のスペクトル線またはバンドを選択する分光フィルターを有することで可能となる。例えば図１では、スペクトル線またはバンドλ_ｘ（図３ではλ’_ｘ）が下流部で利用され、そこで検出器５（マトリクス型または非マトリクス型）が、スペクトル測定の参照として用いられる。
【００１８】
図２においては、例として光電倍増管といった多チャンネル分光計型の検出器５２が使用されている。また光屈折系ならびに、増設されたマスク型の光学デバイス４１が使用されている。ただし前記光学検出器が、満足できる分解能を提供するのに十分な小型の検出エレメントを示す場合には、前記マスクは省略されうる。先述のように、前記スペクトル線またはバンドλ_ｘは、より下流部においても利用され、場合により前期検出器は省略されうる。このように、前記スペクトル線またはバンドλ_ｘは受け付けられないか、または下流部で利用されるか、または前記微小電子機械デバイスのその他の制御設定において検出エレメントに対して返送されるかのいずれかである。このように、前記分散スペクトル集合は、前記微小電子機械デバイスのプログラミングに従い、利用されるか、または利用されない。特に、利用価値がないか、重要でない前記スペクトルの一部は、検出エレメントを飽和させないために消去することができる。
【００１９】
図３は、単一チャンネル型または多チャンネル型の構成部を有する、先述の諸例の組み合わせを示す。
【００２０】
これらの例で、検出器および検出エレメント５、５１、５２の数量は任意である。ただし前記スペクトル応答の適応性のために、波長および／または、感度および／または、速度および／またはコスト等の前記応答特性に関連して、例えば各型のうちの一つの最低限度の数量の検出器が使用される。
【００２１】
これらの例で、前記分散スペクトルは一次元または二次元中にあり、同様に、前記微小電子機械デバイスは、前記マトリクス検出器５と同様の一次元または二次元配列マトリクス型である。
【００２２】
前記微小電子機械デバイスの配置構成は即時的に制御され、時間および外部的事象に応じて、前記分光計の応答を調整する事が可能である。また前記分光計は、特定の物質を検出するよう特殊化することが可能であり、層別解析によりスペクトル中の二つ以上の物質の寄与分の分離が実現しうることにより、最大限の識別能を引き出せる前記微小電子機械デバイスの配置構成が選択される。前記解析は、放射ならびに吸収により実現される。上述のように、多チャンネル分光計の前記利点は、単独または複数の単一チャンネル検出器を使用することにより提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】アクティブ・マトリクス型光学系による応答適応性を有する第一の分光計を示す。
【図２】アクティブ・マトリクス型光学系による応答適応性を有する第二の分光計を示す。
【図３】アクティブ・マトリクス型光学系による応答適応性を有する第三の分光計を示す。
【符号の説明】
【００２４】
１ 分光計
２ 分散エレメント
３ マトリクス型光学微小電子機械デバイス
４ 光学部材（反射鏡）
４１ 光学部材、光学デバイス（マスク型）
５ 光子検出器
５１ 検出エレメント
５２ 光子検出器（多チャンネル型）
６ 分散スペクトル

Claims (8)

1. スペクトル成分の集合からなる光ビームの分散エレメント(2)を備え、前記分散エレメントが前記スペクトル成分の空間中への分散を、空間的に拡散する分散スペクトル(6)の形態で発生し、前記分散の一点には、少なくとも二つの光子検出器(5、52)が配置される分光計(1)であって、
   マトリクス型光学微小電子機械デバイス(3)が、前記分散スペクトル中において、前記分散エレメントおよび前記光子検出器の両者間に配置され、前記マトリクス型光学微小電子機械デバイスが複数の光学エレメントのマトリクスから成り、前記各検出エレメントに対して前記スペクトルの少なくとも一つのスペクトルバンドを選択することを可能とするために、各々の光学エレメントが制御信号に応じて少なくとも二方向に従って前記分散スペクトルの一部分を返送することが可能であり、
   前記少なくとも二つの光子検出器の少なくとも一つが光電倍増管であり、前記少なくとも二つの光子検出器の少なくとも一つが一次元または二次元配列型半導体デバイスである分光計(1)。
2. 複数の方向のうち少なくとも一つがいかなる光子検出器にも到達せず、またその他の方向の少なくとも一つが、少なくとも一つの検出エレメントに到達する請求項１の分光計。
3. 前記マトリクス型光学微小電子機械デバイスが、一次元または二次元配列である請求項１の分光計。
4. 光学部材(4、41)が前記マトリクス型光学微小電子機械デバイスおよび前記少なくとも二つの光子検出器の両者間に配置され、前記光学部材が光屈折系、鏡、回析格子、および絞りを有するマスクの中から選択されている請求項１の分光計。
5. 前記分光計が、計算手段に加えて、各検出エレメントに対して、前記分散スペクトルの少なくとも一つのスペクトル線および／またはバンドの選択を可能とする、オートマティックまたはマニュアル・プログラムに応じる制御手段を備えている請求項１の分光計。
6. 請求項１の分光計の操作方法であって、制御電圧が、前記分散スペクトル中において、前記分散エレメントおよび前記光子検出器の両者間に配置された前記光学微小電子機械デバイスに送られ、前記マトリクス型光学微小電子機械デバイスが複数の光学エレメントのマトリクスから成り、前記検出エレメントに対して前記スペクトルのスペクトルバンドを選択することを可能とするために、それらの各光学エレメントが、前記分散スペクトルの一部分を制御信号に応じて、少なくとも二方向に従って返送することが可能であるようにする分光計の操作方法。
7. 前記返送方向が、分光計の作動中に変更可能である請求項６の分光計の操作方法。
8. 請求項1から５のいずれかの分光計を使用する方法であって、少なくとも一つの物質の検出を行うために、該物質の分光光学特性を用いる方法。

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