JP6371774B2 - 携帯型分光器 - Google Patents

Description

本発明は携帯型分光器に関し、詳細には、必要な電力およびサイズが最小限の、堅牢で高性能の携帯型分光器に関する。

過去１０年間にわたりＮＩＲ分光器が、製薬産業における生産および品質管理のための不可欠な分析ツールへといっそう発達した。定性ＮＩＲ調査が、入ってくる原材料の同一性分析においてしばしば利用されるのに対して、最終製品の定量分析は、製薬プロセス・チェーンにおける重要な段階である。しかし、薬剤の分析の大部分は依然として、生産現場から試料を採取し、それを遠隔の品質管理試験所まで輸送することによって実施されている。この、サンプリングと結果が入手できることの間の遅延により、分析の回数および生産ラインの最適化が制限される。したがって、ラインにおける、またはライン内でのプロセスの迅速な分析を実施できる新規の携帯型現場計測装置が、製薬産業の効率を進展させるための重要なツールとして考えられ得る。

２０１２年７月２６日公開のＯｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｉｎｃの米国特許出願公開第２０１２／０１８８５４１号、および２００５年１月１３日にＷｉｌｋｓ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ，Ｉｎｃ．の名前で公開の米国特許出願公開第２００５／０００７５９６号などで開示されているものなど、古いバージョンの小型分光器では一連の光路折畳み鏡を設けることによって、その設置面積を最小限にしようとしている。しかし残念なことに、折畳み鏡では、製造時に多大な位置合わせ手順が必要であり、また現場使用デバイス向けの非常に堅牢な構造体が得られず、結果として得られる性能は低いか、または予測できない。

歴史的に、光導管、ライト・パイプまたは光転送導管が、光ビーム整形または光方向変更といった用途に使用された。例としては、米国特許第７，２５２，３９９号および第７，０３３，０５６号、ならびに米国特許出願公開第２００６／００４４８３３号に開示されているものなど、表示装置または前面投射テレビ用途のための表示エンジン技術がある。２００２年７月１６日発行のＷｉｌｋｓらの米国特許第６，４２０，７０８号には、光を試料まで伝達するためではあるがフィルタまで伝達する反射光の整形するためではない、長方形ライト・パイプまたは結晶を含むスペクトラム・アナライザが開示されている。

米国特許第６，４７３，１６５号、第７，００６，２０４号および第７，１８４，１３３号は、光学干渉セキュリティ機能から反射される２つの異なる入射角の２つの別個の光ビームの反射率が測定および比較される自動検証システムに関連している。光を集め収束させるための、集束するテーパ付きライト・パイプが開示されている。

米国特許出願公開第２０１２／０１８８５４１号 米国特許出願公開第２００５／０００７５９６号 米国特許第７，２５２，３９９号 米国特許第７，０３３，０５６号 米国特許出願公開第２００６／００４４８３３号 米国特許第６，４２０，７０８号 米国特許第６，４７３，１６５号 米国特許第７，００６，２０４号 米国特許第７，１８４，１３３号

本発明の目的は、現場での試料試験デバイスに使用するための、広帯域光源および検出器アレイを含む高性能で堅牢、携帯型、低電力の分光器を提供することによって、従来技術の短所を克服することである。

したがって、本発明は、以下を備える携帯型分光器に関する。

試料に光を導くための照明源と、
試料と相互作用した光を第１の焦点比（focal ratio）で捕捉し、第１の焦点比より小さい第２の焦点比で光を送出するためのテーパ付き（tapered）ライト・パイプ（ＴＬＰ）と、

捕捉光を構成波長信号のスペクトルに分離するための線形可変フィルタ（ＬＶＦ）と、

構成波長信号のうちの１つの少なくとも一部分をそれぞれが受信するように配置された複数のピクセルを含む、各構成波長についてのパワー読取値（power reading）を与える検出器アレイ。

ＴＬＰは、試料に隣接して位置する第１の小さい端部と、ＬＶＦに隣接する第２の幅広で高い端部と、ＬＶＦ全体にわたって光を混合および拡散するために第１の端部から第２の端部に向かって広がる側壁とを含む。

本発明は、その好ましい実施形態を表す添付の図面に関連して、より詳細に説明される。

本発明による分光器システムの概略図である。 使用者の手の中にある図１ａの分光器の斜視図である。 図１ａの分光器システムの斜視図である。 図２ａおよび図２ｂは、図１ａの携帯型分光器の２つの異なる実施形態の側面図である。 図１ａの携帯型分光器の光源の１つの上面図である。 図１ａの携帯型分光器のハウジングの上面図である。 図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、図１ａの分光器のテーパ付きライト・パイプのそれぞれ等角図、側面図および上面図である。 ＴＬＰ有りおよび無しの分光器の、波長に対する透過率のグラフである。 図７ａおよび図７ｂは、それぞれ標準ＴＬＰおよびレンズ化ＴＬＰから入ってくる光線束および出て行く光線束を示す図である。 レンズ化ＴＬＰ有りおよび無しの分光器の、波長に対する透過率のグラフである。 図１ａの携帯型分光器のＴＬＰブーツの等角図である。 図１０ａおよび図１０ｂは、それぞれ本発明のＴＬＰブーツ有りおよび無しの分光器の、波長に対する応答のグラフである。 図１ａの携帯型分光器のＬＶＦの側面図である。 図１ａの携帯型分光器のＬＶＦおよび検出器アレイの概略図である。 図１３ａおよび図１３ｂは、本発明のＬＶＦと検出器アレイの間に７５０μｍ空隙および２００μｍ空隙をそれぞれ有する分光器の、波長に対する応答のグラフである。 本発明によるＬＶＦと検出器アレイの構造物の側面図である。 本発明による無線分光器システムの概略図である。 本発明による代替無線分光器システムの概略図である。

図１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａおよび２ｂに関連して、本発明による小型分光器１は、非常に小さく（例えば、電池無しで５ポンド未満、好ましく２ポンド未満、より好ましくは０．５ポンド未満、理想的には１００ｇ未満）、小型で（例えば６×６×２インチ未満、好ましくは６×３×１インチ未満、より好ましくは４×２×０．５インチ未満）、低コストの手持ち分光器であり、インジウム・ガリウム砒化物などの広帯域検出器アレイ３（例えば、５００ｎｍ超、好ましくは６００ｎｍ超、最も好ましくは７００ｎｍ超の幅）に取り付けられた光フィルタ２のまわりに構築される。光フィルタは、例えば回折ベース、位相ホログラフィック、漏れ全反射（ＦＴＲ）または線形可変フィルタ（ＬＶＦ）ベースの計器である、機能するのに特定の入力コーン角（cone angle）が必要な任意の形の分光計とすることができるが、ＬＶＦが好ましい。

ＬＶＦは、安定した高信頼性の光学構成要素を生産するための、よく知られている高エネルギープロセスを使用して堆積された誘電体薄膜ファブリ・ペロー帯域フィルタである。ＬＶＦのフィルタ・コーティングは、意図的に１つの方向にくさび形になっている。帯域フィルタの中心波長はコーティング厚の関数であるので、ピーク伝達波長は、くさびの方向に沿って連続的に変化する。ＬＶＦは通常、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５など、イオン・アシスト物理蒸着技法によって生成される無機材料から製作され、結果として高い信頼性および安定性を有する高密度コーティングが得られる。

理想的には、分光器１は完全にＵＳＢ電力供給される。すなわち、分光器は２．５Ｗ以下で電力供給されるが、後で詳述されるように、無線接続部を有する電池電源が本発明の範囲内にある。プロセッサおよび適切な非一時的メモリから成る制御システム４は、ＵＳＢコード６を受けるための適切なＵＳＢコネクタを含み、それによって、制御システム４とホスト・コントローラ・デバイス７（例えば、理想的には保護カバー８に収容されたラップトップ型、ノート型、ノートパッドまたは携帯情報端末）との間のデータ転送が可能になる。スイッチ１０によって起動される１つまたは複数の内蔵光源１２が使用されて光が試料１５の上に導かれ、その結果、散乱的に反射され、伝達され、または別途相互作用する放射が光収集光学部品（例えば、テーパ付きライト・パイプ（ＴＬＰ）１１）によって捕捉され、光フィルタ（例えば、ＬＶＦ ２）まで伝達されるようになる。

堅牢性および高性能を維持しながら分光器１のサイズおよび動作電力消費を最小限にするには、多くの問題が解決されなければならないが、これには、１）光路を可能な限り効率的にする、２）ＴＬＰ １１をファイバではなくトレーンの形で使用する、３）必要な光学部品を最小限にするために、ＬＶＦ ２を検出器３に近接して配置する、４）熱電冷却器の電力要求を回避するために、検出器アレイ３を非冷却のままにしておく、および５）消費する電力が可能な限り少なく、しかしなお広帯域照明（例えば、赤外領域内）が可能な１つまたは複数の光源１２を用意すること、が含まれる。

本発明による分光器１は、光源１２が２つ以上のランプから構成されている場合でも、動作時に消費する電力が２．５Ｗ未満である。近赤外では、光源１２は、好ましくは１つまたは２つの内蔵白熱ランプ（例えば、真空タングステン・ランプ）から構成され、これらは、例えば９００ｎｍから１７００ｎｍ範囲内、または９００ｎｍから２１５０ｎｍ範囲内のＮＩＲに対する計器の作動範囲にわたって、例えば５００ｎｍを超える、好ましくは７００ｎｍを超える、最も好ましくは１０００ｎｍを超える広帯域照明を可能にする。１つのランプ１２で十分であるが、２つのランプ１２ではより多くの光が試料と相互作用するように、それゆえに積分時間がより短くなるように加わる。しかし実際的な制限、すなわち空間制約、およびＵＳＢまたは電池の電力制限がある。

図２ａおよび図２ｂに関連して、光源１２には典型的に２つの構成がある。１つの構成では、試料１５は、試料１５に対する垂線から鋭角で（例えば、ＴＬＰ １１の長軸ＬＡから４５°）、１つ、２つまたは複数の光源１２からの比較的平行な光によって照明され、ＴＬＰ １１の端部が各ランプの間に等距離で配置されている。ＴＬＰ １１の長軸ＬＡは、ＬＶＦ ２の基板および検出器アレイ３に対して垂直である。別の構成では、試料１５は投光照明で照らされる。両方の配置で、ＴＬＰ １１の受光端部は、試料１５から実質的に垂直の入射角で、すなわち長軸ＬＡに沿って、光を受光するように配置される。光源１２は、試料１５からの鏡面反射を排除するように配置される。この４５°照明により、反射測定または透過反射測定が広まる。各光源１２は、理想的には、試料１５の上に５ｍｍの、好ましくは３ｍｍ以下のスポットを生成するための、レンズが先端に付いた真空タングステン・ランプを備える。図４を参照すると、光源１２およびＴＬＰ １１の端部は理想的に、デバイス１の主本体から外向きに延びるハウジング２０内の奥まったところに置かれている。ハウジング２０は、透明な（例えばサファイア）保護窓２１によって覆われた開口部を有し、この開口部を通して光が試料１５の上に投射され、その反射光がＴＬＰ １１によって捕捉される。ハウジング２０は、光源１２を破損から保護し、外部光源からの迷光がＴＬＰ １１の端部に入ることを防ぐ。試料１５が光源１２とＴＬＰ １１の間に置かれる反射モードおよび透過モードの両方が、それぞれ図２ａおよび図２ｂに示されるように実現可能である。

小型携帯用本体の構成概念はまた、それだけには限らないが、スペクトルを見るための後面の小型画面、簡単なボタンを押すだけのインターフェース、電池、スペクトルを保存するためのメモリ・カード、コンピュータ・インターフェース、フラッシュ装置または内蔵照明源、ならびにデータを後処理するための内蔵「アプリケーション」を構築、ローディングおよび使用するためのフレームワークを含むこともできる。

光源１２の第１の実施形態では、強力なＮＩＲ光を試料１５に与えるための、レンズが先端に付いた２つの真空タングステン・ランプの使用を取り入れる。理想的には、ランプの方向は、試料に対する垂線から鋭角（例えば４５°）で光が試料１５に当たり、かつ鏡面反射光が反対側のランプの中に反射されるように向けられる。理想的には、直径３ｍｍのスポットが試料１５の上に生成される。正常状態下では、直接鏡面反射光はＴＬＰ １１の入り口開口に入らない。これはなお実行可能な照明条件であるが、１つの短所がある。すなわち２つの投射ビームは、約５００μｍの「測定被写界深度」により１つの位置で一致する。大部分ではなくとも多くのＮＩＲ測定で、表面からの光だけでなく試料内の光も測定する。すなわち、透過深度は、場合によって１０ｍｍほどにも大きくなり得る。この照明は、鏡面反射を制御するには優れているが、不定の透過反射結果をもたらす可能性がある。試料１５がその表面だけで測定される場合、これは実行可能な照明配置である。

代替実施形態の光源１２は、無指向性ランプを用いた投光照明を取り入れる。投光照明では、「測定被写界深度」問題を軽減する非平行光で試料１５を覆う。すなわち、透過反射測定では表面測定だけでなく１０ｍｍまで覆う。投光照明ではまた、測定される試料１５までより多くのＮＩＲ光束を伝達することもできる。余分の自由度は、分光器１の前面保護窓２１からの寄生鏡面反射光の制御が必要になることを代価として生じる。これは、ＴＬＰ １１の入り口開口から見た視野を厳密に画定する段付きブーツ２５（図９参照）を使用することによって実現される。ランプ１２からＴＬＰ １１に入る不要な光の軽減は、ブーツ２５の入り口開口に対するランプ１２の位置、ブーツ２５が窓２１の後面からどれだけ近いか、窓２１がどれだけ厚いか、および鏡面反射を最小限にするために窓２１に付けられるコーティングによって、実現される。

ＴＬＰ １１は、所望の任意の波長のスペクトル光エネルギー（すなわち試料１５のランバート散乱面または透過半透明面から反射されたもの）を、検出器アレイ３まで伝達するためにＬＶＦ ２の入力面に与えるように設計された光収集光学部品を提供する。フィルタ２／検出器アレイ・アセンブリ２／３が効率的に動作するには、光が入るＬＶＦ ２は、０．２以下の最大受容ＮＡを有する必要がある。受容可能ＮＡを実現するために、測定される試料１５から集められる出力放射パターンにはレンズまたはテーパ付きライト・パイプが必要である。テーパ付きライト・パイプ１１は、スペクトル・エンジンまたは分光器動作パラメータに応じて、構造が中実（例えば、Ｓｃｈｏｔｔ Ｎ−ＢＫ７ガラス）または中空のものとすることができる。ＴＬＰ １１のテーパ角は、反射型または透過型サンプリングに対して、および／または光路長に対して、最適化することができる。ＴＬＰ １１は、中空または中実の設計のどちらでも反射コーティングを有し、またはコーティング無しとすることができる。テーパ付きおよびテーパ無しライト・パイプは、試料からの信号を増大させるための光再循環特性を有しても有さなくてもよい。分光器またはスペクトル・センサは、対象の波長領域を決定し、最終的にライト・パイプ設計を支配する。

図５、５ｂおよび５ｃに特定の例が示されているテーパ付きライト・パイプ（ＴＬＰ）１１は、ランバート光源からの光、すなわち高度に散乱する表面（例えば固体または液体の試料１５）からのランプ１２の反射を、第１の焦点比（例えばｆ／１）で、また例えば２０°から４０°の間であるが典型的には約３０°のコーン角で、第１の小さい端部で捕捉し、その反射光を、分光器１内のＬＶＦ ２がより良い動作に必要とする、必要な低焦点比ｆ／３（すなわち、約１０°以下のコーン角）になるように混合、散開および再整形する。テーパ付きライト・パイプ１１は、光を散開させ、電磁波がランバート照明表面からＬＶＦ ２を通って、第２の大きい方の端部（例えば、より高く幅が広い）から通過できるようにする、例えば４つの広がる側壁を有する分散器および光再整形デバイスとして機能する。したがって、ＴＬＰ １１は、一般に光ファイバを用いて小さい局部的な領域から発生する光を集める競合する技術とは対照的に、どのランバート散乱面からも光を集めて、相対的に大きい領域からの光を分光器１がサンプリングすることを可能にする。さらに、ＴＬＰ １１は、ＬＶＦ ２のサイズおよびピクセルアレイ３内のピクセルに対応するように光を混合し散開させる。この場合、ＬＶＦ ２は、垂線（すなわち、コーティング面および／またはＬＶＦ基板に対する垂線）からの逸脱が１０°未満である光を受け入れるように最適化することができ、それによって分解能および性能が大幅に改善する。

焦点比とは、望遠鏡の焦点距離とその口径の比である。これは、焦点距離を口径で割ることによって算出される。例えば、焦点距離が２０３２ｍｍで口径が８インチ（２０３．２ｍｍ）である望遠鏡は、１０（２０３２／２０３．２＝１０）すなわちｆ／１０の焦点比を有する。

ＴＬＰ １１は、光ビーム操作／再整形デバイスであり、これは、第１の（明るい）焦点比（例えばｆ／１）から第２のより小さい（より暗い）焦点比（例えばｆ／３）へと光学的光コーンを暗くする合成角を使用し、ＬＶＦ ２がスペクトル的に機能することを可能にする。これは、ＴＬＰ １１の入り口開口および出口開口のアスペクト比を制御することによって実現することができる。ＴＬＰ １１の長さは、光の十分な混合を達成するのに十分な長さで、かつ出口開口における適切な（より暗い）焦点比を達成するのに十分な長さである必要がある。図６は、ＴＬＰ １１が有り、または無しの分光器について、透過率（すなわち、ずっと小さい）と波長（すなわち、ずっと幅が広い）の差を示す。

ランプ１２に最も近いＴＬＰ １１の入り口開口は、１．５〜２．５ｍｍ（好ましくは２ｍｍ±０．１ｍｍ）×０．４〜０．６ｍｍ（好ましくは０．５ｍｍ±０．１ｍｍ）の小さい開口部を有する。ＬＶＦ ２に最も近い出口開口は、幅６〜７ｍｍ（好ましくは６．６±０．１ｍｍ）×長さ０．７５〜１．２５ｍｍ（好ましくは１．０±０．１ｍｍ）の大きい開口部を有する。ＴＬＰ １１の長さは１５〜２５ｍｍ（好ましくは２０±０．３ｍｍ）であり、入り口端部に向かって高さと幅の両方にテーパが付いている。したがって、テーパ角は、幅については側面ごとに長軸から６°から７°の間、合計が１２°から１３°の間になり、高さについては側面ごとに長軸から０．５°から１°の間、合計が１°から２°の間になる。

残念なことに、ＴＬＰ １１の結果として、ＴＬＰ １１を出て行く光線束はもはやＬＶＦ ２に対して垂直ではない。すなわち光線束は、検出器３のどちらの端部でも６°まで傾く（図７ａ参照）。結果として、検出器アレイ３の端部でより悪い２つの悪影響が生じる。すなわち、１）中心波長の減退を生じ、２）帯域幅（分解能）の広がりを生じる。図８中の短く幅広のグラフは、平坦なＴＬＰ １１を有する分光器の性能を示す。

傾斜光線束をまっすぐにするためにＴＬＰ １１にレンズ要素を導入することは、理想的には、ＴＬＰ １１に対しレンズ面２３の形になり得るが、別個のレンズ、および／またはＬＶＦ ２のレンズ入り口もまた実現可能である。典型的な光学材料を使用する円筒形レンズ２３（例えば６．４ｍｍの作動領域にわたり０．５ｍｍの垂下）では、検出器アレイ３の縁の傾斜光線をまっすぐにすることができ、これによりＭｉｃｒｏＮＩＲの光学性能（例えば、直線的な波長間隔および光学分解能）が回復するはずである。図８の高く細いグラフを参照されたい。

図９を参照すると、ＴＬＰ １１を支持するために、また、試料１５からの反射光が、第１の焦点比（例えば、約３０°のコーン角でｆ／１）によって規定される適切な受入れ角でＴＬＰ １１の入り口開口に与えられること、およびＴＬＰ １１の視野がＬＶＦ ２に約１０°のコーン角によって必要な第２の焦点比（例えば、ｆ／３）で与えられることを確実にする機能のために、ＴＬＰブーツ２５が設けられている。ブーツ２５は、ＴＬＰ １１の少なくとも先端、理想的にはＴＬＰ １１のすべてを、歪みを生じさせることなく支持する支持部２６を含み、それによってＴＬＰ １１を衝撃および振動から保護する。ブーツ２５はまたスペーサ部２７を含み、これは、ＴＬＰ １１を奥まったところに置き、かつＴＬＰ １１の入り口端部を保護窓２１から間隔をおいて配置することによって、保護窓２１からの、ＴＬＰ １１の入り口開口に達するランプ１２鏡面反射の量を低減させる。スペーサ部２７は、ＴＬＰ １１の入り口開口と直接接触しており、また、他のどの場所でもＴＬＰ １１に入るＮＩＲ光エネルギー（例えば、入力窓から反射される）を低減させるための、開口部のまわりに延び、かつＴＬＰ １１の長軸ＬＡに垂直の面と共に複数の平坦な長方形段２９がある、複数の階段付き内面２８を含む。スペーサ部２７の側壁は、その開口部から、ブーツ２５内に配置されるＴＬＰ １１の開口部に向けて、段階的に長さおよび幅が集束する。光が他の部位から入ると、結果としてシステムのスペクトル性能が悪くなる。段２９は、古いプレートカメラの焦点ベローに似ており、ＴＬＰ １１に入る不要な散乱孔を阻止および捕捉するのに非常に効果的である。これにより、分光器１では、検出器のダイナミック・レンジをより良く利用することに加えて、透過反射測定に関してより高いＯＤ測定が可能になる。

入り口開口でより大きい角度の光束がＴＬＰ １１に入る場合、結果として、スペクトル帯域通過、２次スペクトル・ピーク、スペクトル・プロファイル上の肩およびペデスタルの広がりが生じる。図１０ａおよび図１０ｂのグラフは、従来のブーツ（図１０ａ）と、ずっと高い分解能が得られる本発明のブーツ２５（図１０ｂ）とのレーザ線スペクトル・プロファイルの差を示す。

図１１および図１２を参照すると、本発明のＬＶＦ ２は、ＴＬＰ １１から収集光を受光し、ＬＶＦ ２の全長にわたって昇順または降順で直線的に変化する個々の波長帯域を伝達する。図示の実施形態では、ＬＶＦ ２は、当技術分野でよく知られているように、基板３３上の第１の反射器層３１と第２の反射器層３２の間にスペーサ層３０がある複数層スタックを備える。第１の反射器層３１および第２の反射器層３２は、断面でテーパが付いている（集束する、または広がる）厚さを有して堆積され、フィルタが厚ければ厚いほど伝達波長が長くなる。波長に対する％透過率の図示のグラフは、４００から７００までの波長を含むが、任意の範囲の波長が可能である。

中心波長は、ＬＶＦ ２の全長に沿って連続的に変化し、したがって、検出器ピクセルに当たる光は、ピクセルが「見る」ことができるＬＶＦ ２上のすべての点から出る帯域の重ね合わせになる（光のＦ／＃によって設定される）。伝達中心波長は、ＬＶＦ ２の全長にわたって直線的に変化する。この例では、ＬＶＦ ２の左末端は、青の波長（短い波長）だけの狭い範囲を伝達する。右側に進むにつれてＬＶＦ ２の厚さが増大し、より長い波長が伝達される。最終的に右端では、赤の光（長い波長）の狭い帯域だけが伝達される。

ＬＶＦ ２は、ある帯域の波長をそれぞれの位置で伝達するように設計される。帯域は、意図された全波長範囲をピクセルの数で割ったものに匹敵するように（通常はそれ未満であるが）設計される。例えば、１２８個のピクセルを有する既存の分光器１では、ＬＶＦ ２は、中心波長の約１％（１０００ｎｍの中心波長で１０ｎｍ）の帯域幅を伝達するように設計されている。ＬＶＦ技術の強みの１つは、各帯域が分離されないことであり、言い換えれば、ＬＶＦ ２に当たるすべての波長が検出平面のどこかで「見られる」ことである。

消費電力が大きく、かさばる冷却システムの代わりに、温度フィードバック・デバイス４１（例えば、サーミスタ）が、理想的には検出器アレイ３にごく近接して取り付けられる。温度フィードバック・デバイス４１は、温度と共に抵抗が変化するサーミスタ、または既知の温度依存性電圧を出力する高精度ＩＣとすることができる。温度フィードバック・デバイスのアナログ出力は、制御システム４のＣＰＵで読み取られる。次に、制御システム４は、不揮発性メモリに格納されている、温度フィードバック・デバイスからの温度に基づく最初の測定値を補正するルック・アップ・テーブルまたは式にアクセスすることによって、温度調整処理を実施して温度調整読取値を決定することができる。

検出器アレイ３の暗電流および応答性は温度に依存する。温度が安定している限り、再現可能な結果が実現可能であるが、一般通念として、ＬＶＦ ２および検出器アレイ３の温度は可能な限り低くすべきである。

すべての適用例で、ＬＶＦ ２と検出器アレイ３の間の空隙は、ＬＶＦ ２から放出されるどの波長のビーム拡散も最小限にするように設定されて、例えば、検出器アレイ３上の３つのピクセルのもとへのビーム拡散が最適になる。代替実施形態では、ＬＶＦ ２と検出器アレイ３の間でビームが２倍の大きさにならないことを確実にするように、間隔を置いて空隙が配置される。

図１２は、ＬＶＦ ２と検出器アレイ３の間の小さい空隙ｄの重要性を示す。ＴＬＰ １１から供給される光が、光がＬＶＦ ２に当たるときに同じコーン（cone）（すなわち、ｆ／３または９．５９°）を有すると想定すると、拡散Ｓは、ｄ×ｔａｎ９．５９°になる。１５０μｍの空隙ｄでは、拡散は２５μｍになる。したがって、ＬＶＦ ２上の単一の線が、検出器アレイ３上でピクセル幅の線を生成する。

１５０μｍの空隙では、ＬＶＦから出る光のすべての「線」が±９．５９°で広がり、検出器平面において±２５μｍ幅の線を生成する。これは、ピクセル・ピッチ（５０μｍ）に相当する。それゆえに、ＬＶＦ ２上のすべての線の波長−感度応答は、２つのピクセル間で重み付き分画に分割される。したがって、５００μｍ未満、好ましくは２００μｍ、より好ましくは５μｍから８０μｍの間の空隙が、必要とされる光学部品を最小限にするために好ましく、それによって、小さいパッケージ内にデバイスを提供することが可能になる。

図１３ａおよび図１３ｂは、７５０μｍ（図１０ａ）および２００μｍ（図１０ｂ）の空隙についてスペクトル性能の差を示し、小さい２００μｍ空隙では、ピクセル・クロストーク、スペクトル広がり、およびペデスタルが最小限になる。

理想的には、ＬＶＦ ２は、図１４に示されるように、検出器要素間のスペクトル・クロストークを軽減するために可能な限り検出器アレイ３に近接する。最適な状態は、光学的に透過性の接着剤５１を使用してＬＶＦ ２を検出器アレイ３のピクセル５２に直接取り付けることであるが、接着剤５１はまた、性質が非導電性または誘電性であること、検出器アレイ３への応力または破壊的な力に対して良好な接着強度を得ることによって機械的に中立であること、所望のスペクトル面積を伝達するために光学的に適合していること、空気とガラスの境界面で生成される反射を除去すること、ならびに硬化中および温度サイクル中に検出ピクセル５２に対する応力を最小限にするための妥当な熱膨張率特性を有することが必要とされる。したがって、この場合、ＬＶＦ ２は、検出器アレイ３の各ピクセル５２を異なる波長に理想的に応答させる。

例えば、検出器アレイ３（例えば、ＩｎＧａＡｓリニア・ダイオード・アレイ）の内部電子構成要素およびワイヤ５３は、検出器ピクセルまたはＣＭＯＳ処理チップ５４を短絡、損傷または破壊することになるいかなる導電材料にも非常に影響を受けやすい。この例においてこの問題を軽減する接着材料５１は、性質がＵＶ硬化性ではなく熱硬化性であるＥｐｏ−Ｔｅｋ ３５３ＮＤ（登録商標）である。この場合、検出器アレイ３上のピクセル５２に直接取り付けられるＬＶＦ ２上のコーティングはＵＶエネルギーを伝達しないので、熱硬化性が許容できる。さらに、ＥＰ３５３ＮＤ（クリアまたは黒）は、硬化処理の前後で優れた誘電体特性を有する。理想的に、ＥＰ３５３ＮＤクリアをＬＶＦ ２と検出器アレイ３の間の接着剤５１として、約５〜１５ミクロンの厚さで使用することが可能である。

「ガラス・カバー」５５、すなわちＬＶＦ ２の基板が、検出器アレイ３内のピクセル５２のほとんどを覆って設けられるが、環境的に影響を受けやすいセンサ搭載チップ５４の部分５３の上には設けられない。しかし、接着剤ＥＰ３５３ＮＤはまた、内部パッケージ全体のポッティング剤５６として使用できる不透明（例えば黒）の形態でも手に入る。不透明の接着剤５６は、パッケージ内で迷光問題を最小限にするようにＬＶＦ ２を取り囲むと共に影響を受けやすい検出器アレイ３の電気構成要素を覆う光アイソレータ、または光吸収カプセル材料もしくはバッフルとして機能する。接着ポッティング剤５６はまた、現在はカバー窓を必要とすることなく、パッケージ内の電子回路５３の環境保護剤としても機能する。クリア接着剤５１および黒ポッティング材料５６と同じ材料を使用することは、熱的に、光学的に、また製造において有利である。

したがって、各ピクセルが捉える分解能（波長の範囲）に影響を及ぼす３つの要因がある。第１には、ピクセル幅がＬＶＦ ２上の中心周波数の範囲に幾何学的に対応し、例えば、９００〜１７００ｎｍの範囲にわたるＬＶＦ付きの５０μｍピクセルは、６．３ｎｍの波長を捉える。第２には、ＬＶＦ ２は、設計と入射光のコーン角の組合せによって定まる生来の帯域幅を有する（例えば、位置によって決まる１％幅、すなわち９ｎｍ〜１７ｎｍ）。第３には、空隙およびコーン角が、ぼけ効果または重み付け効果を与える（例えば、重み付き平均として、１ピクセル幅、すなわち付加的な６．３ｎｍ）。計器の総合分解能（例えば、本発明者らの現在の計器において）１．１％を定めるのは、これらの重ね合わせである。

携帯型分光器１の可能な用途には、現場での脅威検出、薬剤、規制物質および食品の特定と検査、科学捜査、食品産業における工程監視（例えば、穀粒中の水分含量）、ならびにリサイクルするための製品の特定、および汚染検出が含まれる。近ＩＲ信号（構造）を有するものなら何でも、測定および判定することができる。

図１５に示されている代替実施形態では、手持ち小型分光器１は、電池パック５９に結合された光学パッケージと、遠隔の場所に用意された制御デバイス７（例えば、制御ハードウェアおよびソフトウェア）と通信するためのブルートゥース・チップまたはＷｉＦｉチップ６０とを含む。

使用者は、ＡｎｄｒｏｉｄもしくはＷｉｎｄｏｗｓベースの、またはＡｐｐｌｅ ｉＯＳベースのデバイス（すなわち制御デバイス７）に接続された小型分光器１をリアルタイム予測のために使用している。理想的には、制御デバイス７と小型分光器１は、ＵＳＢケーブル６、または独立型ブルートゥースもしくはＷｉＦｉ接続を介して通信する。すなわちこれらは、このローカル・ネットワーク上で２つしかないデバイスである。クラウド・インターフェースはない。使用者は、ハードコードされた方法で方法ファイル６２またはアプリケーションを制御デバイス７の非一時的メモリにアップロードし、制御デバイス７は、小型分光器１を制御すること、および格納された方法ファイル６２を実行することが予期される。方法ファイル６２は、小型分光器１の最終使用者に予測を送出するスペクトル・ライブラリから導出された事前処理と１つまたは複数のスペクトル・モデルとの組合せを参照する。方法ファイル６２は、適用例について複数の結果が望まれる場合には複数のモデルを含むことができる。方法ファイル６２はまた、所望の小型分光器構成（例えば、露光時間、平均するためのスキャン数）を規定すること、またはこれらの設定値を、計器セットアップ手順の一部として規定されるように残すこともできる。

事前処理は、ベースライン・オフセットまたは試料光散乱などの、測定スペクトルのセット中の様々な影響を取り除くための数学的データ取扱い（または処理）の技法である。技法には、派生物、散乱補正およびベースライン補正が含まれる。個別の選択の事前処理は、区別を強調するように、すなわち、同じ材料の複数のスペクトル間の差を最小限にするように、かつ同じではない材料のスペクトル間の差を最大限にするように選ばれる。

スペクトル・ライブラリは、制御デバイス７またはそれに接続されたサーバ６４の非一時的メモリに格納された様々な異なる物質、または単一の材種の複数のバージョンである、既知の「参照」材料についての一連のスペクトル測定値である。例は、白色粉末の異なる試料の一連の近赤外（ＮＩＲ）スペクトル、赤外（ＩＲ）スペクトルまたはラマン・スペクトルであり得る。スペクトル・ライブラリを使用して「スペクトル・モデル」が生成される。

「スペクトル・モデル」は、スペクトルの特定のセットから導出された数式を参照する。モデルは通常、スペクトル・ライブラリから統計的に導出される回帰ベクトルであり、これは未知のスペクトルの、ライブラリ中のスペクトルとの類似性を定量化する。例えば、「スペクトル・モデル」は、所与の材料に対応するスペクトル・ピークの波長、振幅、および幅を含むことができる。これらの波長、振幅、および幅は、測定された事前処理済みスペクトルの波長、振幅、および幅と比較される。この比較の結果は、ＩＤもしく合格／不合格適用例では定性的に、純度もしくは濃度の決定では定量的に、予測エンジン６３によって解釈することができる。

予測エンジンは、コンピュータ・ハードウェア、および／または制御デバイス７の非一時的メモリに格納されたソフトウェアから構成される。決定されたパラメータまたは結果は「予測」と呼ばれる。予測エンジン６３によって得られた予測は、小型分光器１に送出して使用者が確認することができ、または制御デバイス７の適切なグラフィック・ユーザ・インターフェースで簡単に確認することができる。あるいは、予測は、制御デバイス７の非一時的メモリに、または将来の見直しのために、遠隔のサーバ６４に格納することができる。

予測エンジン６３は、２つの方法のうちの１つで予測を行うことができる。すなわち、第１の、既知のモデルおよび事前処理を使用する簡単な方法は、分光器供給ソフトウェアで直接実施することができる。第２の、複雑な、またはサードパーティ所有権下にある方法は、サードパーティ・フォーマットでアップロードすることができ、制御デバイス７は、サードパーティ予測「エンジン」と通信してリアルタイム予測を実施する。サードパーティ・エンジンは、制御デバイス７に常駐している必要がある。データ整理技法または予測技法には、部分最小二乗法、主成分解析、主成分回帰、部分最小二乗判別解析、およびクラス類推のソフト独立モデル化（Ｓｏｆｔ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｃｌａｓｓ Ａｎａｌｏｇｙ）が含まれ得る。

一部の使用者は、スキャンおよび予測の履歴を保存することを望む。この目的のために、制御デバイス７は、スペクトルおよび予測を局地的に保存し、ネットワークとの（例えば、ＵＳＢ、ＷｉＦｉ、ブルートゥースまたは４Ｇネットワークを介する）接続によってサーバ６４と同期する機能を有する。制御デバイス７はまた、同期しているときにサーバ６４から更新された方法を受け取る機能を有する。このシナリオでは、適切な方法選択のためのバーコード・リーダが望まれる可能性がある。

方法ソフトウェア６２は、未知のスペクトルをさらなる評価または較正更新のために、サーバ６４を介してエンジニアリングに送出する機能を有する。

格納方法および実行方法に加えて、制御デバイス７の適用方法６２は、分光器１の正常性（例えば、動作基準測定値）を設定および検査することもできる。小型分光器１の「診断」機能には、外部波長精度規格（ＮＩＳＴ２０３６または等価物）の測定、および計器精度が損なわれていないことの検証が含まれる。測光ノイズおよび直線性の計算もまた必要である。診断スキャンは、初始動時に、または使用者要求によって行うことができる。

図１６に示されている代替構成では、小型分光器１および制御デバイス７が互いに接続され、また無線ネットワーク７２を介して使用者のサーバ７１と接続される。このようなシステムの一例は、製薬会社の受入れドックである。方法ファイル６２および予測エンジン６３は、制御デバイス７ではなくサーバ７１に格納される。インフラストラクチャ・モードでは、使用者は、分析されるべき試料１５のバーコード７３をスキャンすることができ、またはスキャンを求められることもある。非一時的メモリに格納され制御デバイス７で実行されるソフトウェアは、制御デバイス７のカメラで撮られた写真に対しバーコード認識アルゴリズムを使用し、バーコード７３を使用してサーバ７１から適切な方法を選択し、表示および格納のために、記録されたスペクトルおよび結果に適切にラベル表示する。次に使用者は、小型分光器１の内蔵スキャン・ボタンを押すことによって材料をスキャンする。使用者が、制御デバイス７からスキャンを命令することを望むこともあり得る。スキャンが完了すると、使用者は、予測された結果を制御デバイス７上で見て、この方法に基づく結果を認める。バーコード統合が使用者の場所で有効でない場合は、使用者は、小型分光器１を用いてスペクトル取得を実施する前に、サーバ７１に格納されたリストから適切な方法ファイルを選択する必要がある。

インフラストラクチャ・モード内の特別な場合では、操作者は、方法を選択することを含め、小型分光器１を構成し、次に、小型分光器１だけを携行して、単一の合格／不合格評価として試料をスキャンすることができる。このモードでは、分光器１は、制御デバイス７と通信し、ＷＬＡＮ７２を介して内蔵スキャン・ボタンによって起動され、合格／不合格についての可聴、可視または触覚（振動）のフィードバックが与えられる。

方法、スペクトルおよび結果はすべて、制御デバイス７ではなく、使用者データベース・サーバ７１に保存／格納される。加えて、方法は、ローカル・クラウド、すなわちサーバ７１で、使用者に透過的な、制御デバイス７に送り返された結果を用いて実行することができる。適正な特権を有する使用者は、ローカル・クラウドと対話することによって、複数の小型分光器１からの結果を見て複数の使用者に特権管理を提供する能力（例えば、方法を生成する能力、または単に使用するだけの能力）を有さなければならない。このシナリオでは、２１ＣＦＲ Ｐａｒｔ１１準拠ソフトウェアが必要であり、そのため、各使用者は、訓練を受けた操作者が許可された小型分光器１だけを使用することを可能にする、それぞれ異なる「管理上の」特権を有さなければならない。２１ＣＦＲ Ｐａｒｔ１１はまた、適正な権限がなくてはデータを削除または変更できない、データ信憑性に関する機構を提供する。ローカル・サーバ７１は、２１ＣＦＲ Ｐａｒｔ１１準拠の不可欠な部分になると予期される。

さらに別の、小型分光器１の適用例に非常に特有の構成では、クラウドベース・コンピューティングのコア・アーキテクチャが重要である。このコア・アーキテクチャおよび測定処理は、図１７に描写されたものと類似である。

この構成の使用者は初心者であり、ＮＩＲ技術または分光器１に関する経験を必ずしも有していない。使用者は単に、非常に明確なサンプリングおよび試験手順に基づいて答えをもたらす分光器１を探しているにすぎない。その典型的な専門語は「標準操作手順」すなわちＳＯＰである。警察官、危険物技師、または軍人が好例である。

制御デバイス７の高度なアプリケーションは、小型分光器１の初期化および構成によって使用者を案内する。このアプリケーションは、必要に応じて、遠隔の安全な場所に配置された分光器供給者のサーバ７１から更新データおよび方法を、例えば、インターネットなどの１つまたは複数のネットワークを介してダウンロードし、診断の報告を分光器供給者のサーバ７１へ返す。この構成では、ベースラインおよびゼロがもはや現場で実施されなくてもよく、かつセットアップが完全に自動になるところまで計器を十分に特徴づけ定期的に検査するオプションが提供される。

「クラウドベース動作モード」では、分光器供給者要員は、方法ソフトウェア６２を管理すること、ならびにシステムの正常性および動作を監視することに責任を負う。方法ソフトウェア６２は、分光器１の供給者が所有し管理する。そのため、方法ソフトウェア６２のいかなる更新データも、ローカル加入者ベースに「プッシュ」される必要がある。

同様に、分光器１によって生成された結果およびデータは、分光器供給者（またはその提携者）のサーバ７１へ中継して返され、今後の予想される使用のためにアーカイブされる。最終使用者の試料１５から分光器供給者サーバ７１に返ってくるデータは、現場からの結果と、分光器供給者サーバ７１で適用された方法によるアップロード・スペクトルのさらなる分析との両方に基づいて、統計的な類似性または特異性について選別される。試料が分光器供給者のライブラリと比較されたときに、類のないものと考えられる場合、そのスペクトルには、今後の方法更新データに加える可能性のあるものとしてフラグが立てられる（また使用者は、さらなる情報を提供するように通知され要求される）。本質的にこれは、既存の方法では現在のところ対応されないどんな多様性にも対処するよう、類のない試料を今後のモデルに含めるために集めることである。

１ 分光器、小型分光器、手持ち小型分光器
２ 光フィルタ、線形可変フィルタ、ＬＶＦ
３ 検出器アレイ
４ 制御システム
６ ＵＳＢケーブル
７ 制御デバイス、ホスト・コントローラ・デバイス
８ 保護カバー
１０ スイッチ
１１ テーパ付きライト・パイプ、ＴＬＰ
１２ 光源、ランプ
１５ 試料
２０ ハウジング
２１ 保護窓
２３ レンズ面、円筒形レンズ
２５ ブーツ
２６ 支持部
２７ スペーサ
２８ 内面
２９ 長方形段、段
３０ スペーサ層
３１ 第１の反射器層
３２ 第２の反射器層
３３ 基板
４１ 温度フィードバック・デバイス
５１ 接着剤、接着材料
５２ ピクセル、検出ピクセル
５３ センサ搭載チップの部分、電子回路
５４ 検出器ピクセルまたはＣＭＯＳ処理チップ、センサ搭載チップ
５５ ガラス・カバー
５６ ポッティング剤、ポッティング材料
５９ 電池パック
６０ ブルートゥース・チップまたはＷｉＦｉチップ
６２ 方法ファイル、ソフトウェア
６３ 予測エンジン
６４ サーバ
７１ 使用者のサーバ、使用者データベース・サーバ、ローカル・サーバ
７２ 無線ネットワーク
７３ バーコード

Claims (21)

1. 試料に光を導くための照明源と、
   前記試料と相互作用した光を第１の焦点比で捕捉し、前記第１の焦点比より小さい第２の焦点比で前記光を送出するためのテーパ付きライト・パイプ（ＴＬＰ）と、
   前記捕捉光を構成波長信号のスペクトルに分離するための線形可変フィルタ（ＬＶＦ）と、
   複数のピクセルを含む、各構成波長についてのパワー読取値を与える検出器アレイとを備える、携帯型分光器デバイスであって、
   前記複数のピクセルのそれぞれが、前記構成波長信号のうちの１つの少なくとも一部分を受信するように配置され、
   前記ＴＬＰが、前記試料に隣接して位置する第１の小さい端部と、前記ＬＶＦに隣接する第２の幅広で高い端部と、前記ＬＶＦ全体にわたって前記光を混合および拡散するために前記第１の小さい端部から前記第２の幅広で高い端部に向かって広がる側壁とを含み、
   前記ＬＶＦと前記検出器アレイが、光透過性接着剤を備える空隙で分離され、かつ不透明の接着剤が、前記ＬＶＦを取り囲むとともに前記検出器アレイの電気構成要素を覆う、携帯型分光器デバイス。
2. 前記ＴＬＰが、２０°から４０°の間のコーン角によるｆ／１の第１の焦点比で光を受け入れ、その反射光を前記ＬＶＦへ、１０°未満のコーン角によりｆ／３より暗い第２の焦点比で送出する、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
3. 前記ＴＬＰが、前記ＬＶＦへ送出するために傾斜光線束をまっすぐにするレンズ出口面を含む、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
4. 前記空隙が、スペクトル分解能を向上させるために２００μｍ未満である、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
5. 前記空隙により、前記ＬＶＦ上の単一の線が前記検出器アレイ上にピクセル幅の線を生成することを確実にする、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
6. 前記ＬＶＦが前記検出器アレイに直接接着され、前記光透過性接着剤が厚さ５〜１５μｍである、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
7. 前記ＴＬＰを支持するための支持部と前記試料から間隔をあけて配置されたスペーサ部とを含むＴＬＰブーツをさらに備え、それにより前記試料からの光が、約３０°のコーン角による第１の焦点比ｆ／１によって画定される所望の受入れ角で前記ＴＬＰに与えられることを確実にする、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
8. 前記スペーサ部が、前記ＴＬＰに達する鏡面反射を低減させるための段付き内壁を含む、請求項７に記載の携帯型分光器デバイス。
9. ハウジング、および前記ハウジング内の制御システムをさらに備え、前記制御システムが、プロセッサ、適切な非一時的メモリ、およびＵＳＢコードを受け前記プロセッサとホスト・コンピュータの間のデータ転送を可能とするためのＵＳＢコネクタを含む、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
10. 試験手順を送出し試験結果を受け取る、制御デバイスと通信するためのブルートゥース・チップまたはＷｉＦｉチップをさらに備える、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
11. 前記携帯型分光器デバイスに２．５Ｗ未満の電力を供給するための電池またはＵＳＢケーブル・コネクタをさらに備える、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
12. 前記照明源、前記ＴＬＰ、前記ＬＶＦおよび前記検出器アレイを囲むためのハウジングをさらに備え、前記ハウジングが２×２インチ未満である、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
13. 前記ハウジング、前記照明源、前記ＴＬＰ、前記ＬＶＦおよび前記検出器アレイの重量が０．５ポンド未満である、請求項１２に記載の携帯型分光器デバイス。
14. 前記照明源が、前記試料上にスポットを生成するために、前記ＬＶＦの長軸から鋭角で配置された少なくとも１つの光源を備え、光が前記試料から反射され前記長軸に沿って前記ＬＶＦに入る、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
15. 前記少なくとも１つの光源の各光源が、前記試料上に５ｍｍ未満のスポットを生成するための、レンズが先端に付いた真空タングステン・ランプを備える、請求項１４に記載の携帯型分光器デバイス。
16. 前記照明源が２つの光源を備え、前記ＴＬＰの端部が前記２つの光源の間に配置される、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
17. 環境温度に基づいて各構成波長のパワー読取値を調整するための温度フィードバック・システムをさらに備える、請求項１に記載の携帯型分光器デバイス。
18. 請求項１に記載の携帯型分光器デバイスと、
    前記携帯型分光器デバイスを制御するための、前記携帯型分光器デバイスに動作可能に結合された制御デバイスと、
    無線デジタル・ネットワークを介して前記携帯型分光器デバイスおよび前記制御デバイスと動作可能に結合された、スペクトルを格納するためのサーバとを備える、分光器システム。
19. 前記制御デバイスが、前記携帯型分光器デバイスからスペクトルを受け取るように、前記スペクトルをライブラリのスペクトルと比較するように、かつ前記比較の結果を表示装置に出力するように構成される、請求項１８に記載の分光器システム。
20. 前記サーバが、前記携帯型分光器デバイスからスペクトルを受け取るように、前記スペクトルをライブラリのスペクトル・モデルと比較するように、かつ前記比較の結果を出力するように構成される、請求項１８に記載の分光器システム。
21. 前記サーバが、スキャン特性およびスペクトル・モデルの記憶装置を含み、
    前記制御デバイスがバーコード・リーダを含み、前記バーコード・リーダが前記試料に対応するバーコードを読み取り、前記制御デバイスが前記バーコードに係る情報を前記サーバに伝え、前記サーバが、前記バーコードに基づく比較のために、前記スキャン特性およびスペクトル・モデルの記憶装置に含まれるスキャン特性およびスペクトル・モデルを選択する、請求項２０に記載の分光器システム。
    

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