JP7159378B2 - 対象物の分光分析を行う装置及び方法 - Google Patents
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Description
第二に、狭く集束されたレーザ光は、いくらか繊細な試料に損傷を与える可能性がある。
第三に、レーザ光に対して透明ではない拡散性の散乱(diffusely scattering )試料については、この方法は、試料の表面層からのラマン散乱信号のみを測定することになる。表面下の材料の大部分には、ほぼ完全に到達できないだろう。
を形成するものであり、添付の図面は、様々な実施形態をさらに示し、本発明による全ての様々な原理及び利点を説明するのに寄与する。
102・202・302・402・432・602・702;反射キャビティ
104・204・404・434・604;第1の開口、106・206・306・406・436・606;第2の開口
108・208・308・408・508・608;試料、110;表面層、112;表面下層
114・214・414・514・614;励起光、118・218・418・618;容器
120・420・440・620;プローブ、122;光学素子
130;最初の照明領域、132;集光領域、134; 集束角
216・416・516・616;ラマン散乱光
220;光ファイバ又はファイバ束、222;光ファイバ、324;光学窓
400;光伝送装置、430・530;集光装置、601;反射コーティング、
603・703;固体の光学材料、701;他の面、726;端表面
本発明による実施形態を詳細に説明する前に、実施形態は、主に、試料のラマン散乱を
測定するための光伝送及び収集装置に関する方法のステップ、及び、装置の構成要素の組み合わせにあることと、認められるべきである。したがって、装置の構成要素及び方法のステップは、それが適切な場合には、図面おいて通常の記号(conventional symbols)により表されており、本発明の実施形態を理解することに関連する事柄についてのみ、具体的な詳細を示し、本明細書の説明の恩恵を受ける当業者に既に明らかな詳細事項により、本開示が不明瞭とならないようにしている。
第2の開口106は、好ましくは第1の開口104よりも十分に大きいサイズを有し、より好ましくは、第1の開口104の少なくとも2倍の面積を有し、少なくとも数平方ミリメートルの面積をカバーする。
(representation)を取得することを目標とする場合、サンプリング領域を、試料の粒子サイズの少なくとも数倍大きくする必要がある。包装材(packaging material)の層を通して表面下層の試料を測定することが目的である場合、サンプリング領域の線長さ (linear size)を、包装材の厚さの数倍にする必要がある。
するための反射キャビティの設計の留意事項(design consideration)を示す。プローブ120からの励起光ビーム114は、光学部品122により第1の開口104において集束され、続いて発散し、第2の開口106上に投射され、最初の照明領域130を覆う。プローブ光学系により収集可能な光ビーム116も同様に、集光領域(collection area)132に投射される。集光領域132及び最初の照明領域130は、サイズが異なっていても良い。プローブ光学系が固定された状態で、第1の開口104の最小サイズ、及び、両ビームの発散角が決定される。
除く。ファイバ束220は、複数の光ファイバ222を含んでもよい。例えば束の中心のファイバなどの一部のファイバは、励起光を伝送するために用いることができ、例えば束の周縁のファイバなどの他の部分のファイバは、ラマン散乱光を収集するために用いることができる。
せず)による分析に供する。光伝送装置400の反射キャビティ402は、試料によって散乱して戻された(scattered back)励起光及びラマン散乱光の大部分を、試料を透過するまで、試料内に反射して戻す(reflecting back)ことにより、ラマン励起及び収集の効率を高める。
(refractive index profile)を有してもよい。一例として、光学材料603は、光学レンズとして機能するように、屈折率が放物線状に変化する勾配屈折率(GRIN)プロファイルを有してもよい。このGRINレンズの有効焦点距離が反射キャビティ602の長さに等しいとき、第1の開口604からの励起光614は、GRINレンズにより、第2の開口606に到達したときにコリメートされるであろう。それで(in turn)、試料608への励起光の浸透(penetration)深さが増加する。
形例において、光伝送及び収集装置700は、湾曲した端表面726を有する固体の光学材料703により形成された反射キャビティ702を備える。光学材料703の端面726、及び、他の(the other)面701は、異なる波長で反射する反射コーティングを有してもよい。一例として、励起光及びラマン光が2つの異なる形状の反射キャビティによって反射されるように、端表面726が励起光を反射し、他の面701がラマン光を反射するようにしても良い。
paper envelope)を通したラマン分光法を用いて、材料同定(material identification)を可能とする方法を示す。図9Aは、茶封筒に含まれるD(+)-グルコース試料の測定されたラマンスペクトルを示し、これは図1に示す光伝送及び収集装置を用いて測定されたものである。図9Bは、該装置を用いることなく、茶封筒に励起光を集束させることにより、取得されたラマンスペクトルを示す。
0Bのスペクトルは、図1に示す構成を用いた反射モードで取得され、図10Cのスペクトルは、光伝送及び収集装置を利用しない反射モードで取得されたものである。
Claims (29)
- 対象物のラマン分光分析を行う装置であって、
第1の波長の励起光を生成する光源と、
反射表面を有する反射キャビティであって、反射キャビティの反対象物側に位置する第1の開口、及び、反射キャビティの対象物側に位置する第2の開口を有し、 ここで、第2の開口は、反射キャビティが、実質的に、対象物の領域を覆う包囲体を形成するように、対象物に適用されるように構成されている反射キャビティと、
励起光を反射キャビティの第1の開口に集束させて、励起光を反射キャビティ内に伝送するように構成されている1つ以上の光学部品と、
ここで、励起光は、反射キャビティの第2の開口に投射され、そして、覆われた対象物の領域に入射して、第2の波長の信号光を生成し、
ここで、反射キャビティは、対象物の覆われた領域から反射又は後方散乱された励起光及び信号光を反射し、また、反射された又は後方散乱された励起光及び信号光を、反射キャビティの第2の開口において対象物の覆われた領域に再入射させる、 ただし、反射キャビティの第1の開口を通って反射キャビティから出る、前記反射された又は後方散乱された励起光及び信号光を除く、
信号光の光スペクトルを集め測定する分光器と、を備える装置。 - 前記分光器が、反射キャビティの第1の開口から信号光を集める請求項1記載の装置。
- 前記反射キャビティが、励起光及び信号光に対して高い反射率を有する材料により形成されている請求項1に記載の装置。
- 前記反射キャビティが、励起光及び信号光に対して高い反射率を持った表面コーティングを有する請求項1に記載の装置。
- 前記表面コーティングが金属コーティングである請求項4に記載の装置。
- 前記表面コーティングが誘電体コーティングである請求項4に記載の装置。
- 前記反射キャビティが、少なくとも1つの追加の開口を備える請求項1に記載の装置。
- 前記反射キャビティの第2の開口が、前記反射キャビティの第1の開口の少なくとも2倍の面積を有する請求項1に記載の光伝送及び収集装置。
- 前記反射キャビティの第1の開口のサイズが、前記反射キャビティの第1の開口において集束された励起光のビームウエストのサイズと実質的に同じである請求項1記載の装置。
- 前記反射キャビティの第1の開口のサイズが、前記反射キャビティの第1の開口において集めることが可能な信号光のビームウエストのサイズと実質的に同じであり、
ここで、集めることが可能な信号光のビームウエストは、1つ以上の光学部品の焦点距離、及び、分光器のエタンデュ(etendue)により決定される請求項1記載の装置。 - 前記反射キャビティが、円柱形、円錐形、球形、又は放物面 (paraboloidal)形状である請求項1記載の装置。
- 前記反射キャビティの円錐角度が、実質的に、集束された励起光の発散角に一致する請求項11記載の装置。
- 前記反射キャビティの第2の開口を覆う光学窓をさらに備え、
該光学窓は励起光及び信号光に対して透明である請求項1に記載の装置。 - 前記反射キャビティが、反射コーティングを有する固体の光学材料によって形成されている請求項1記載の装置。
- 前記固体の光学材料が、空間的に不均一な屈折率分布を有する請求項14記載の装置。
- 対象物のラマン分光分析を行う方法であって、
第1の波長の励起光を生成する工程と、
反射表面を有する反射キャビティであって、反射キャビティの反対象物側に位置する第1の開口、及び、反射キャビティの対象物側に位置する第2の開口をする反射キャビティを提供する工程と、
反射キャビティの第2の開口を、反射キャビティが対象物の領域を覆う包囲体を実質的に形成するように、対象物に適用する工程と、
励起光を反射キャビティの第1の開口に集束させて、励起光を反射キャビティ内に伝送するように構成された1つ以上の光学部品を提供する工程と、
ここで、励起光は、反射キャビティの第2の開口に投射され、そして、覆われた対象物の領域に入射して、第2の波長の信号光を生成し、
ここで、対象物の覆われた領域から反射された又は後方散乱された励起光及び信号光を反射キャビティが反射し、そして反射された又は後方散乱された前記励起光及び信号光を、反射キャビティの第2の開口において覆われた対象物の領域に再入射させ、ただし、反射キャビティの第1の開口を通って反射キャビティから出る、前記反射された又は後方散乱された励起光及び信号光を除く、
信号光の光スペクトルを測定する工程と、を含む方法。 - 前記反射キャビティが、励起光及び信号光に対して高い反射率を有する材料により形成されている請求項16に記載の方法。
- 前記反射キャビティが、励起光及び信号光に対して高い反射率を持つ表面コーティングを有する請求項16に記載の方法。
- 前記表面コーティングが金属コーティングである請求項18に記載の方法。
- 前記表面コーティングが誘電体コーティングである請求項18に記載の方法。
- 前記反射キャビティの第2の開口が、前記反射キャビティの第1の開口の少なくとも2倍の面積を有する請求項16に記載の方法。
- 前記反射キャビティの第1の開口のサイズが、前記反射キャビティの第1の開口において集束された励起光のビームウエストのサイズと実質的に同じである請求項16記載の方法。
- 前記反射キャビティの第1の開口のサイズが、前記反射キャビティの第1の開口において集めることが可能な信号光のビームウエストのサイズと実質的に同じであり、
ここで、集めることが可能な信号光のビームウエストは、1つ以上の光学部品の焦点距離、及び、分光器のエタンデュ(etendue)により決定される請求項16記載の方法。 - 前記反射キャビティが、円柱形、円錐形、球形、又は放物面 (paraboloidal)形状である請求項16記載の方法。
- 前記反射キャビティの円錐角度が、実質的に、集束された励起光の発散角に一致する請求項24記載の方法。
- 前記反射キャビティが、反射コーティングを有する固体の光学材料によって形成されている請求項16記載の方法。
- 前記固体の光学材料が、空間的に不均一な屈折率分布を有する請求項26記載の方法。
- 対象物のラマン分光分析を行う方法であって:
第1の波長の励起光を生成する工程と、
対象物の第1の側に励起光を伝送して、該励起光を対象物に入射させて、第2の波長の信号光を生成する工程と、 ここで、励起光及び信号光は、少なくとも部分的に、対象物の第1の側から、該第1の側の反対側の第2の側に伝わり、
反射表面を有する反射キャビティであって、反射キャビティの反対象物側に位置する第1の開口、及び、反射キャビティの対象物側に位置する第2の開口を具備する反射キャビティを提供する工程と、
反射キャビティの第2の開口を、反射キャビティが対象物の第2の側の領域を覆う包囲体を実質的に形成するように、対象物の第2の側に適用する工程と、
ここで、前記伝わった励起光及び信号光を反射キャビティが反射し、前記伝わった励起光び信号光を反射キャビティの第2の開口において、覆われた対象物の領域に再入射する工程と、 ただし、反射キャビティの第1の開口を通って反射キャビティから出る、前記伝わった励起光及び信号光を除く、
反射キャビティの第1の開口から放射された信号光の光スペクトルを測定する工程と、を含む方法。 - 異なる材料の表面層及び表面下層を有する対象物のラマン分光分析を行う方法であって、
励起光を生成する工程と、
反射表面を有する反射キャビティであって、反射キャビティの反対象物側に位置する第1の開口、及び、反射キャビティの対象物側に位置する第2の開口を有する反射キャビティを提供する工程と、
反射キャビティが実質的に対象物の領域を覆う包囲体を形成するように、反射キャビティの第2の開口を対象物に適用する工程と、
励起光を、第1の開口を通して、反射キャビティの第2の開口に投射されるように伝送し、そして、覆われた対象物の領域に励起光を入射して、第1の信号光を生成する工程と、
ここで、覆われた対象物の領域から反射された又は後方散乱された励起光及び第1の信号光を反射キャビティが反射し、そして、前記反射された又は後方散乱された励起光及び第1の信号光を、反射キャビティの第2の開口において対象物の覆われた領域に再入射させ、 ただし、反射キャビティの第1の開口を通って反射キャビティから出る、前記反射された又は後方散乱された励起光及び第1の信号光を除いて、
第1の信号光を測定して、対象物の表面層及び表面下層の両方の情報を含む対象物の第1の光スペクトルを取得する工程と、
反射キャビティを取り除いて、励起光を対象物の表面層に集束させて、対象物からの第2の信号光を励起させ、第2の信号光を測定し、対象物の表面層の情報を主に含む対象物の第2の光スペクトルを取得する工程と、
第1の光スペクトルと第2の光スペクトルの差を分析して、表面下層の材料を識別する工程と、を含む方法。
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