JP7381087B2 - マイクロ広帯域分光分析装置 - Google Patents
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Description
本出願は、LT.S。の利点を主張する。2018年1月26日に提出された仮出願番号62/622,760およびLT.S.2018年2月27日に提出された仮出願番号62/623,009、上記の出願のすべての教示は、参照により本明細書に組み込まれる。
ほとんどのIR分光法は、フーリエ変換赤外(FTIR)分光技術を使用し、これは、好ましくは、スペクトルを分析するための可動ミラーを有する干渉計を必要とする。出力データに従うスペクトルデータを抽出するための変換アルゴリズムが必要である。しかし、他の分光分析装置/コンポーネントは、グレーティング、プリズム、及びファブリ-ペロー干渉計を使用することに依存する。一般に、格子ベースのスペクトル分析は、FTIRで使用される干渉計よりもはるかに高い解像力を有する。FPは、通常、非常に高い分解能で設計される。これらの種類の分光技術または装置の基本的な設計は、ほとんど共通点がない。グレーティングを用いた分光器は、グレーティング内の溝の数によって区別される。溝の数は、分光計の分解能に影響を及ぼすFTIR、グレーティングベース、及びファブリ-ペロー分光計は、完全に異なる技術であり、それらが動作する方法における基本的な相違に起因して組み合わされないことがある。
一実施形態では、装置は、1つ以上の分光入力ビームを受け取るように構成され、1つ以上の分光入力ビームに関連する光の少なくとも一部を透過するように構成された準有彩合フォーカシングエレメント を危うくする。シーケンシャル光学装置を含み、透過した光の少なくとも一部を受光し、透過した光の少なくとも一部がシーケンシャル光学装置に渡されることを可能にするように構成された可動または静止光開口部を含む。
いくつかの実施形態によれば、装置は、(i)散乱ノイズを除去することができる透過光の少なくとも一部からスペクトル帯域を透過させることを可能にするように構成されたチューナブル 能な空間ノッチフィルタと、(ii)透過光の少なくとも一部コリメートに構成されたコリメーティングレンズとを含み、コリメートレンズは、さらに、透過光の少なくとも一部をスペクトルアナライザに前進させるように構成されていると、透過光の少なくとも一部を分析するように構成された分光分析器ファブリ-ペロー干渉計装置または他の分光システムを含むスペクトルアナライザ)である。
いくつかの実施形態によれば、1つ以上の入力ビームは、レーザラマン散乱、赤外吸収、赤外反射、赤外可視(UV-Vis)吸収、紫外可視(UV-Vis)反射、蛍光散乱、および測色ビームのタイプの1つ以上のプローブビームを含むことができる。可動またはチューナブルレンズは、可動光開口を通して透過光の少なくとも一部を整列させるように構成することができる ノッチフィルタは、分光法のさらなる段階を実行するように構成されたチューナブル 能なノッチ-空間フィルタであってもよい。
別の実施形態によれば、装置は、フォトンシーブまたはピンホールシーブを含むふるい光学素子を含む。ふるい光学素子は、1つ以上の分光入力ビームを受け取り、1つ以上の分光入力ビームに関連する光の少なくとも一部を透過するように構成される。装置は、透過光の少なくとも一部を受光するように構成されたフォトセンサを含む 装置は、フォトセンサが透過光の少なくとも一部を受光することを可能にするように構成された可動光開口を含む。
さらに、関連する実施形態では、装置は、ふるい光学要素の焦点位置を調整するように構成された可動またはチューナブルレンズを含むことができる。可動光開口部はピンホールまたはスリットを含むことができる。準有彩合フォーカシングエレメント は、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、フォトンシーブ、ピンホールシーブ、およびチューナブル回折型合集素子のうちの少なくとも1つで構成されていてもよい。
いくつかの実施形態によれば、装置は、(i)散乱ノイズを除去することができる透過光の少なくとも一部からスペクトル帯域を透過させることができるように構成されたチューナブル 能な空間ノッチフィルタと、(ii)透過光の少なくとも一部コリメートに構成されたコリメーティングレンズと、を含み、コリメートレンズは、透過光の少なくとも一部をスペクトルアナライザに前進させるようにさらに構成されると、透過光の少なくとも一部を分析するように構成された分光分析器(ファブリ-ペロー干渉計装置または他の分光システムを含むスペクトルアナライザ)である。
いくつかの実施形態によれば、準有彩合フォーカシングエレメント は、広帯域動作状態において、透過光の少なくとも一部を合集させるように構成することができる。準有彩合フォーカシングエレメント および可動またはチューナブルレンズおよびフォトセンサのうちの少なくとも(1つ)は、少なくとも(1つ)の広帯域材料を含むことができる。
いくつかの実施形態によれば、装置は、可動光開口を通して光の少なくとも一部を合集させるように構成された少なくとも(1つ)のさらなる装置を含むことができる。少なくとも(1つ)のさらなる装置は、チューナブル 能な焦点回折素子、ピエゾ電気アクチュエータ、マイクロ電気機械システム(MEMS)光開口膜、DCリニアモータ、マイクロ電気機械システム(MEMS)光開口フォトセンサ、および可動またはチューナブルレンズのうちの1つ以上を含むことができる。
さらなる実施形態では、広帯域チューナブル空間ノイズフィルタが提供される。広帯域チューナブル空間ノイズフィルタは、1つ以上の分光プローブ入力ビームを受信するように構成された準有彩集束素子を含む。分光分析装置は、準有彩色集束光が光開口部自体を通過することを可能にするように構成された光開口部を含む。分光分析装置は、光開口部を通過した光の焦点を制御するように構成された集束モジュールを含む。
いくつかの実施形態によれば、分光分析装置は、分光プローブ入力ビームと、スペクトル帯域を透過させるためのノッチフィルタと、特定の準有彩光がを光開口部に通過させるための光開口部とを妥協する。また、この装置は、準有彩色焦点要素を光開口を通して合集させるように制御するための少なくとも(1つ)の手段と、光開口を透過した光を検出するためのフォトセンサと、スペクトル分析の第2段階のために光開口を通して透過された準有彩色光をコリメートするためのコリメーティングレンズと、第2段スペクトル分析を有するファブリ-ペロー干渉計装置とを備える 前記選択された少なくとも(1つ)の群の少なくとも(1つ)の部材が、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、フォトンシーブ、ピンホールシーブ、チューナブル 能焦点回折素子を含む。広帯域動作条件のための有彩色合フォーカシングエレメント は、例えば、セレン化亜鉛(ZnSe)(0.45μmおよび21.5μm)、フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11μm)からなる群のうちの少なくとも(1つ)の部材を含む材料を含むことができる 5 m)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(CSF)(0.25-55μm)及びダイヤモンド(0.225μm-THz)、並びにこれらに限定されないが、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびPMMAを含む有機材料が挙げられる。
いくつかの実施形態によれば、前記選択された群の少なくとも1つの部材は、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)、ZnO、ドープされたダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンおよびグラフェン酸化物を含む導電性電極を提供する。
いくつかの実施形態によれば、前記選択された群の部材は、セレン化亜鉛(ZnSe)(0.45μmおよび21.5μm)、フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)ダイヤモンド(0.225-THz)、有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびμm PMMAが挙げられるが、これらに限定されない。本発明の広帯域液晶レンズは、アゾベンゼン液晶、アゾベンゼン単量体、キラルアゾベンゼン色素、光配向性物質、高速アゾベンゼン液晶を含む群のうちの少なくとも1種を選択した液晶を含む。
いくつかの実施形態によれば、フォトセンサーと一体化されるとされる、第2段階のスペクトル分析のためのファブリ-ペロー干渉計装置。
いくつかの実施形態によれば、前記フォトセンサと一体化されることを特徴とする、MEMSピンホール装置。
いくつかの実施形態によれば、チューナブルレンズは広帯域チューニングのためのものであってもよく、DCリニアモータは広帯域チューニングのためのものであり、ピエゾ電気アクチュエータは微調整のためのものである。MEMS光開口は、超高速チューニングのためのものである。
いくつかの実施形態によれば、広帯域分光法のためのシーブは、外側リングのピンホールが分光法に使用される最長波長のオーダーであると言われてもよい。入力ビームは、レーザラマン散乱からのプローブビーム、IR吸収からのプローブビーム、UV-VIS吸収のプローブビーム、蛍光散乱からのプローブビーム、からなる群の少なくとも(1つ)のプローブビームを結合することができる。
いくつかの実施形態によれば、光開口部は、準有彩色光の焦点を通過させるように整列させることを制御する横方向の手段に配置することができる。分光法の第2段階用のチューナブル 能なノッチ空間フィルターは、特定の準クロマチック集束光が光開口部を通過できるようにするために、光開口部を妥協します。そして、準クロマティックフォーカス要素を制御するための少なくとも1つの手段は、光の開口部を通して焦点を合わせる。
。チューナブル 能なノッチ空間フィルターは、特定の準クロマチック集束光が光開口部を通過することを可能にするために光開口部を妥協する。準クロマチック集束要素が光開口部を通して集束することを制御するための少なくとも1つの手段。
光開口
* 球面光学用ピンホール
* シリンドリカル光学系用スリット
準有彩合フォーカシングエレメント
- フレネルレンズ
- 光子篩光子篩
- ピンホールシーブ
上記すべての伸縮可能バージョン
準有彩合フォーカシングエレメント としての機能と、手段としての機能
光開口部を通して、準有彩合フォーカシングエレメント の焦点を制御するため
準有彩合フォーカシングエレメント を制御する手段は、光開口を通して焦点を合わせる
* チューナブルレンズ
* 液晶レンズ
* エレクトロウェッティング、レンズ
* ボイスコイルチューナブルレンズのようなズームレンズ
* 伸縮性回折素
* ピエゾ電気結晶(m-100m)
* ピンホールMEMS(マイクロ電気機械システム)(または最良数ミクロン)
* リニアDCモータ(cm)
いくつかの実施形態によれば、MEMSピンホール装置は、フォトセンサと一体化されてもよく、広帯域チューニング用のチューナブルレンズ、DCリニアモータは広帯域チューニング用であってもよく、ピエゾ電気アクチュエータは、微調整用であってもよく、MEMS光開口は、超高速チューニング用であってもよい。
いくつかの実施形態によれば、フォトセンサ材料は広帯域動作ブランド材料(7)から選択することができ、広帯域スペクトル応答を達成するためのフォトセンサは、前記選択された少なくとも1つのメンバーが、以下からなるグループ:波長可変ハイブリッドパイロ検出器(0.1-1000μm)、サーモパイル検出器(300μm;PbS検出器(l50nm-2.6p)、
PbSe検出器(150nm-4.6p)、およびInGaAs(0.9-1.6p)。(8)高感度のフォトセンサは電子増幅器と一体化されている。(9)フォトセンサは冷却装置と一体化されている。(10)フォトセンサは冷却装置と一体化されている。(11)請求項7記載のフォトセンサは光検出器、電子増幅器および冷却システムまたは装置を妥協したものである。(12)広帯域液晶レンズは、(a)広帯域透明窓であって、前記選択された少なくとも(1つ)のグループのメンバーは、セレン化亜鉛(ZnSe)(0.45μm及び21.5pm)、フッ化バリウム(BaF2)(0.18~14pm)、フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)、塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)、ダイヤモンド(0.225-THz)、有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびPMMAが挙げられるが、これらに限定されるものではない。(b)前記選択された少なくとも1つのメンバーが、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)、ZnO、ドープされたダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンおよび酸化グラフェンである。(c)凸レンズであって、前記群から選択される、セレン化亜鉛(ZnSe)(0.45μmおよび21.5μm)、フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0)を含む群から選択される 21 -20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)(0.25-16μm)ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)ダイヤモンド(0.225-THz)、有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびPMMAが挙げられるが、これらに限定されない。
。
DFEの有彩色(又は準有彩色)焦点の間の平均焦点では、DFEの回折限界の順に直径を有するピンホールが配置される。有彩色焦点位置を横切るピンホール位置を調整することにより、そのスペクトル成分に光を分析することが可能である。ピンホール位置は、広帯域および有限のチューニング装置を使用することによって調整される。
測色法、蛍光体、原子分光法、IR分光法。
したがって、特定の波長のノッチフィルタをMWSADに合成/積分することが任意になる。
分光法は、いくつかの産業用部門、政府機関、および学術機関で使用される技術である。分光法の応用は、品質保証、試験、診断、および特徴付けを含む。分光機器は、石油化学、医薬品、ポリマー、防御、国土安全保障、化学、地質、食品、土壌、環境、農業など、幅広い産業で使用される。
マイクロ広帯域分光分析装置(MWSAD)は、可視から遠赤外線まで動作するように設計されている。mwsadは、ほぼ全ての種類の分子分光法を実施するための第1の統一プラットフォームである。この設計を基礎とする広角及び有限範囲の調整装置を備えたフレネルレンズ/ゾーンプレートのような回折集束要素(DFE)を結合/統合する。ワイドレンジ調整装置は、チューナブルレンズ及び/又は長ストロークリニアモータである。有限の調整装置は、MEMS/pztアクチュエータによって制御されるマイクロピンホールである。MEMS/pztアクチュエータは、フレネルレンズ/dfeの有彩色焦点を横切ってマイクロピンホール位置を有限にチューニングするために使用される長ストロークリニアモータは、クロマチック焦点を横切るピンホール位置を広範囲に調整させるために使用される。チューナブルレンズは、マイクロピンホール内の位置に焦点を合わせる広帯域調整のために使用される。光学ノッチフィルタは、ラマン分光用途のための蛍光およびレイリー散乱を回避するために、装置内で任意に一体化される。mwsadは、マイクロファブリペロー干渉計装置用のチューナブル 能なノッチフィルタとして使用されるmwsadとファブリペロー干渉計との組み合わせは、第1の高分解能広帯域分光分析装置を生成する。この装置には、極めて高い分解能と300nm-20μmの間の動作帯域を有する集束回折素子が設計されている。
合集回折素子
有限のチューニング性は、ラマン、UV-Visおよび蛍光のような短波長分光器に適している。一方、IR分光法には広い範囲の調整性が適している。さらに、有限調整性は、ユーザが任意の波長の分解能を増加(ズーム)することを可能にする。
ラマン、NIR、および赤外分光分析は、本質的に、振動および回転分光計であり、しばしば互いに相補的である。
これらの方式/装置は、他の特殊設計のために他のプローブおよび電子機器とMWSADを統合するために分解することができる。
キュベットに関する別の代替は、異なる材料からファセットを有するキュベットを設計することであり、各ファセットは、スペクトルの異なる帯域に対応する。
探査方式(SPS)を用いて送信容器内の試料を探査する場合には、ビームスプリッタ(121)から反射されたビームを出力に合焦させ、ビームスプリッタ(121)を透過したビームをシャッタ(123)で遮断すべきである探査スキームが反射で使用される場合、コンテナ(127)からの反射ビームは、2つの反射の後の出力で収集されるべきである:第1はビームスプリッタ(121)によって引き起こされ、第2はビームスプリッタ(129)上の統合ミラーによって引き起こされる。出力(SPS)には、不要光を除去するためのノッチフィルタ(131)がある。ノッチフィルタは、必要に応じてspsを組み立て又は分解するのが容易でなければならない。
プローブシステムからの出力は収集MWSAD((101)に収集される。MWSADは、任意のノッチフィルタ(133)と、エレクトロウェッティングレンズ(18)、(19(135)、回折光学素子(137)(この場合はフレネルレンズ(20)、マイクロピンホール(139)、ピエゾ電気アクチュエータ(141)、検出器(143)、マイクロ。cooer21((145)である。ノッチフィルタは、(SPS)によって既に組み立てられている場合には不要である。
フレネルレンズ(137)は、基本的には、異なる焦点で異なる光波長を合集させる同心プリズムであり、チューナブルレンズ(135)は、レンズに電圧を印加するだけで焦点距離を調整する能力を有する。レンズの第1焦点では、ピエゾ電気アクチュエータ(141)に取り付けられたピンホール(139)がある。ピンホールを透過した光は、冷却された広帯域高感度検出器(143)によって検出される 検出器は、マイクロクーラー(145)によって冷却される。これらの検出器は、以下でさらに説明される。フレネルレンズ(137)は、フレネル帯板、フォトンシーブ、ピンホールシーブなどの任意の焦点回折素子(DFE)に置き換えることができる。
チューナブルレンズ(135)は、構造体のレンズの焦点距離を大きな距離(数センチメートル)にわたって調整する能力を有し、ピエゾアクチュエータ(141)は、焦点(139)にわたって数ミクロンのピンホールを移動させることができる。有限調整性は、PZTアクチュエータ(141)を使用して、UV-Vis、ラマン、IRおよび蛍光に適したMWSAD((101)を作る分光計。広い範囲の調整性は、チューナブルレンズを使用し、(フーリエ変換分光法の代替として)中間および遠赤外分光法に適したMWSADを作る。本発明のシステムは、ラマン分光計として機能するために、隣接する有彩色()または準色収差)の焦点を横切って圧電変換器を作動させるのに十分である。IR分光法のためのシステムを使用する場合、広帯域IRソースがオンしている間に、可視レーザをオフに切り替えるべきである。
赤外及び可視スペクトルの両方で作動される装置では、フレネル。ゾーン。プレート又は光子-Sieve22、(23.)のような回折光学手段によってフレネルレンズを交換する方が良い。フレネル。ゾーン。プレートは、基本的には、不透明及び透明なリングを有するフレネルレンズのバイナリバージョンである。フォトンシーブは、回折光学手段装置である それは、フレネル帯板のリングと同様のパターンで配列されたピンホールを完全に有する平坦な材料のシートを含むことができる。フレネル、ゾーン、プレートと光子、ふるいの両方は、可視から遠赤外線まで広帯域透明基板上に作製されるべきである。
いくつかの実施形態によれば、ピエゾ電気アクチュエータとチューナブルレンズとの組み合わせは、広帯域チューニング性を達成するの方法であり、当業者に知られているように、他の方法を採用することができる。チューナブルレンズを使用せずに広帯域チューニング性を達成する他の方法は、ピエゾ電気アクチュエータ(141)を積層型ピエゾ電気アクチュエータによって置き換えることである。これらの積層されたピエゾ電気アクチュエータの一部は、200μmまで作動する。他の代替方法は、ピエゾ電気アクチュエータをDCリニアモータに置き換えることである。
実施形態では、図1Bは、多目的分光法用途のためのMWSADに基づく別の分光法システムを示している。この実装のMWSADは、広帯域調整可能ノッチ空間フィルター157と光センサースキーム160の2つの部分に分けることができます。
この実施形態では、準色フォーカシングエレメント(152)は、1つまたは複数の入力ビーム(150)を受け取り、準色フォーカシングエレメント(152)は、入力ビーム(150)からの光を、有彩色の準有彩色焦点(153)の離散的または連続的または組み合わせに焦点合わせし、次いで、光開口(156)および光センサ(160)を介して焦点()又は放出)光を前方及び前方に前進させることができる光開口部(154)を通る準色合焦要素の制御は、可動またはチューナブルレンズ(150)または移動モジュール(1584)のいずれであってもよく、移動モジュールは、有彩色焦点を光開口上に位置させるように横方向に移動するように構成することができる。特定の準有彩色焦点(153)で光開口(156)の位置を調整することができ、入力ビームの特定波長を光センサに向けて通過させることができる移動モジュール(158)は、本明細書に記載されるような任意のタイプのアクチュエータまたはモータを含むことができる。
いくつかの要因がMWSAD性能を制御する。焦点回折素子は、MWSADの分解能及び分解能を決定する。光学コンポーネント材料、選択された検出器、およびチューナブルレンズ材料およびウィンドウは、帯域幅を決定する。検出器はMWSADの感度を制限する。焦点回折素子。
焦点回折素子は、分光計の分解能及び動作帯域を決定するための重要な構成要素である。MWSAD実装のために、いくつかの焦点回折素子を考慮することができる。これらには、フレネルレンズ、フレネル帯板、フォトンシーブ、ピンホールシーブが含まれるが、これらに限定されない。
フレネルレンズ及びフレネル帯板。
解像力
高解像力を有するラマン分光法を実現するために、フレネルレンズは、高解像度、短焦点距離、および焦点深度が短いという特徴を有するべきである。
高い解像力を有するラマン分光を実現するために、フレネルレンズは、高解像度、短い焦点距離、および短い焦点深度を有するべきである
技術規格(1)によれば、ラマンに使用される典型的な格子は、より特殊化された格子(2400gr/mmおよび3600gr/mmを含む)を用いて、おそらく300gr/mm (低解像度)から800gr/mm (高解像度)まで変化する。これらの高密度溝は、0.27pm-3.3μmの範囲の溝幅に対応している。
ここで、Lは格子長であり、δgは格子溝寸法である。
フレネル帯板のようなフレネル手段は、fiが1次回折の焦点距離である(fi/3、fi/5、fi/7等)に位置するマルチ焦点を有する回折素子である。
式(1)と同様に、i番目の焦点のフレネル手段分光器解像力は次のようになる
現在、これらの範囲の溝を有するフレネル帯板は、x線光学系に使用され、市販されている。これらのフレネル帯板は、広帯域透明基板を用いて製造されるべきであり、広帯域分光測定に適したものとする。
フォトンシーブ及びピンホールシーブ。
フレネルレンズ用広帯域材料及び焦点回折素子。
同じ目的に用いることができる有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびPMMAが挙げられるが、これらに限定されない。これらの材料の問題は、吸収窓が少なく、その透過率が無機材料ほど平坦でないことである。
感度及び帯域幅。
マイクロ広帯域分光分析装置(MWSAD)。
図(3)は、任意選択のノッチフィルタ(301)の上部が損なわれているマイクロ広帯域分光分析装置(MWSAD)の好ましい実施形態を示しており、チューナブルレンズ(この例ではエレクトロウェッティングレンズ)(2425(303)はフレネル手段(305)と一体化または組み合わされている。装置の下部(307)には、円筒形のPZT((309)が光検出器(313)でフォーカシングしたマイクロピンホール(311)を制御する 遠赤外線検出のために、光検出器は、ペルチェ-熱電冷却器(315)のようなマイクロ冷却器によって冷却される(今日では、(1つ)のパッケージ内の増幅 器および冷却器と光検出器を一体化する市販品がある)。冷却器は、センサまたは検出器の下のプレートの周りにリング状にすることができる。上部および下部の両方は、筐体(317)内に封入される。上部および下部の両方は、鋸歯状の制御ドライバによって制御される 上部は(319)で駆動され、下部は(321)によって駆動される。より良好な解像度のために、フレネル手段(305)をフォトンシーブに置き換えることができる。
広帯域波長チューナブルレンズ
MWSADと共に使用するための2種類の広帯域チューナブルレンズが示されている。第1はエレクトロウェッティング技術に基づいており、第2は液晶技術に基づく。
広帯域エレクトロウェッティングレンズ。
窓のためには、フレネル帯板について上で示唆された材料の(1つ)を選択することが不可欠である。窓は、レンズ内の液体に対して良好な表面張力を与える材料で被覆されるべきである。水は、シリコンオイルに対して反発性のある他の導電性液体で置換されるべきである。
現在のオフシェルフエレクトロウェッティングレンズは、UVと近IR((300-1600nm)またはUV-短波長赤外(200nm)-2200nm)との間の動作バンドを提供する。これにより、MWSADの動作帯域がエレクトロウェッティングレンズの同じ動作帯域に制限される。より広い動作帯域のために、エレクトロウェッティングレンズ内の液体の一部を交換しなければならない。
広帯域可変液晶レンズ。
この設計において、(2つ)の電極(407、409)にバイアスが印加されると、液晶の異なる部分が凸部(413)および凹部(415)レンズの曲率に応じて異なるバイアスを受ける。このように、いくつかの実施形態は、レンズ(413)および((415)に従って液晶分子の配向を変化させ、液晶を介して光路長を変化させる。
図(3)のマイクロピンホールを制御するPZT((309)を、図(5)に示す検出器に集積されたマイクロピンホールアクチュエータによって置き換えることにより、装置をよりコンパクトに集積することができる。マイクロピンホールアクチュエータ(501)、フォトセンサ(505)、増幅器(507)、およびマイクロクーラ(509)は、(1つ)のユニットに組み込むことができる他の電子部品であってもよい。図(5)は、集積検出器、増幅器、及び冷却器に一体化されたマイクロピンホールアクチュエータを示す ファブリ-ペロー配置で光検出器と一体化されたマイクロ電気機械システム(MEMS)アクチュエータは、スタンドアロン型分光計として機能する。
集積されたフォトセンサを有するピンホールアクチュエータによる光検出器。図(6)では、チューナブルレンズをロングストロークリニアモータで置換することにより広帯域チューニングを達成することが検討された。
1つの可能な実施形態は、オプションのノッチフィルタ(703)、チューナブルレンズ(705)、焦点回折素子(707)、圧電制御ピンホール(709)、ピエゾ電気アクチュエータ(713)、およびリニアモータ(713)を含むことであり、図(7)は、フォトセンサ(711)およびリニアモータ(715)によってフォーカシング 化された任意のノッチフィルタ(703)、チューナブルレンズ(705)、回折合集手段(707)、ピンホール(709)、およびピエゾ電気アクチュエータ(713)を含むことができるMWSADのアセンブリを示す。
高分解能広帯域分光分析装置。
図(8)のMEMSfpピンホールアクチュエータ(807)は、マイクロピンホールアクチュエータとして、またはマイクロ分光計として利用することができるが、両方に使用することはできない。図には、この問題を克服するための別の設計が示されている。
図(9)のセットアップは、ノッチフィルタ(901)、チューナブルレンズ(905)、フレネル領域手段(907)、マイクロピンホール(909)、コリメート光学(911)、fp装置一体型フォトセンサ(915)、PZTアクチュエータ(917)、及びリニアモータ(917)を含む。fp装置は、MEMSfpフォトセンサであってもよいし、あるいはフォトセンサと一体化されたまたは組み合わされた代替のチューナブル液晶fpであってもよい。
この実装では、光は(3つ)のフィルタリングステージを通過する。まず、ノッチフィルタ(901)を通過し、第2に、マイクロピンホール(909)を通過し、第3に、(913)のファブリ-ペロー共振器で通過する。このファブリ-ペローは、(106)のオーダーの分解能を有するように設計することができ、スペクトル分析の第1段階は、(105)まで到達する分解能を有するように設計することができ、ノッチフィルタは、(109、106)までの分解能を提供することができ、これら全ての組み合わせは、順序(1017)において解像力を提供するはずである。
ノッチフィルタなしで、1011のオーダーの分解能を達成することができる。この分解能は、多くの複雑な環境でラマン分光法を実現するのに十分です。
ノッチフィルタを用いることなく、(1011)のオーダーの分解能を実現することができる。この分解能は、多くの複雑なラマン分光法を実現するのに十分である。
全ての図(3-9)において、ピンホール位置を調整するためのx-yナノ位置決め装置を含むことができる。
付録。
フレネルレンズ性能パラメータは、使用される波長、同心リングの数およびこの関係(32)を介した離散レベル2値化に関連し、依存する。
式(5)を式(6)に代入すると、ゾーンプレートのi番目の焦点深度が得られる。
i番目の次数のフレネル帯板の分解能(スポットサイズ)は、式(5)と組み合わされた標準レンズの解像度のレイリー基準から導出することができる。
高次回折を用いるという欠点は、オーダー番号の2乗が増加するにつれてゾーンプレートの効率が低下することである。
1. 本発明の分光分析装置は、以下のものを含む:
(a)分光プローブ入力ビーム
(b)スペクトル帯域を透過させるノッチフィルタ
(c)特定の準有彩光が前記光開口を通過することを可能にするための光開口
(d)準有彩焦点要素を制御するための少なくとも(1つ)の手段が、光開口を通して焦点を合わせる
(d)光開口を透過した光を検出するフォトセンサ
(e)分光分析の第2段階のために、光開口を通して透過された準有彩色光をコリメートするためのコリメートレンズ
(f)ファブリ-ペロー干渉計装置は、2段目のスペクトル分析を行う
前記選択された少なくともの部材は、フレネルレンズ、フレネル帯板、光子篩、ピンホールシーブ、チューナブル焦点回折素子を含む群の少なくとも一つの部材であることを特徴とする請求項1記載の準有彩合フォーカシングエレメント。
広帯域動作条件のための請求項(2)に記載の有彩色合集素子は、セレン化亜鉛(ZnSe)からなる群の少なくとも(1つ)の部材で選択された広帯域のマルウェア上に配置されることを特徴とする)フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)及びダイヤモンド(0.225-THz)を含むが、これらに限定されないが、これらに限定されるものではない。
1. 本発明の分光分析装置は、以下のものを含む:
(a)分光プローブ入力ビーム
(b)スペクトル帯域を透過させるノッチフィルタ
(c)特定の準有彩光が前記光開口を通過することを可能にするための光開口
(d)準有彩焦点要素を制御するための少なくとも(1つ)の手段が、光開口を通して焦点を合わせる
(d)光開口を透過した光を検出するフォトセンサ
(e)分光分析の第2段階のために、光開口を通して透過された準有彩色光をコリメートするためのコリメートレンズ
(f)ファブリ-ペロー干渉計装置は、2段目のスペクトル分析を行う
前記選択された少なくともの部材は、フレネルレンズ、フレネル帯板、光子篩,ピンホールふるい、チューナブル焦点回折素子 を含む群の少なくとも一つの部材であることを特徴とする請求項1記載の準有彩合フォーカシングエレメント。
広帯域動作条件のための請求項(2)に記載の有彩色合集素子は、セレン化亜鉛(ZnSe)からなる群の少なくとも(1つ)の部材で選択された広帯域のマルウェア上に配置されることを特徴とする)フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)及びダイヤモンド(0.225-THz)を含むが、これらに限定されないが、これらに限定されるものではない
さらなる実施形態は、以下の番号付きステートメントに従ったものである。
1. 本発明の分光分析装置は、以下のものを含む:
(a)分光プローブ入力ビーム
(b)スペクトル帯域を透過させるノッチフィルタ
(c)特定の準有彩光が前記光開口を通過することを可能にするための光開口
(d)準有彩焦点要素を制御するための少なくとも(1つ)の手段が、光開口を通して焦点を合わせる
(d)光開口を透過した光を検出するフォトセンサ
(e)分光分析の第2段階のために、光開口を通して透過された準有彩色光をコリメートするためのコリメートレンズ
(f)ファブリ-ペロー干渉計装置は、2段目のスペクトル分析を行う
前記選択された少なくともの部材は、フレネルレンズ、フレネル帯板、光子篩、ピンホールシーブ、チューナブル焦点回折素子 を含む群の少なくとも一つの部材であることを特徴とする請求項1記載の準有彩合フォーカシングエレメント。
広帯域動作条件のための請求項(2)に記載の有彩色合集素子は、セレン化亜鉛(ZnSe)からなる群の少なくとも(1つ)の部材で選択された広帯域のマルウェア上に配置されることを特徴とする)フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)及びダイヤモンド(0.225-THz)を含むが、これらに限定されないが、これらに限定されるものではない。
(4)請求項(1)において、前記選択された少なくとも(1つ)の部材は、チューナブルレンズ、チューナブル焦点回折素子、ピエゾ電気アクチュエータ、光開口膜を有するMEMS、DCリニアモータおよびMEMS光開口フォトセンサを含む群のうちの選択された少なくとも(1つ)の部材を含むことを特徴とする請求項(1)に記載の光開口部を中心にして準色合集素子を制御する手段
請求項1記載の光開口は、高分解能分光分析を達成するために、色収差補正要素の回折限界に近づく直径を有するように設計される
請求項(1)に記載のフォトセンサは、広帯域運転ブランド材料から選択される広帯域スペクトル応答を達成するための請求項1記載のフォトセンサであって、広帯域スペクトル応答を実現するためのフォトセンサであって、前記選択された少なくとも(1つ)のグループの少なくとも(1つ)の部材は、調節可能なハイブリッド。pyo検出器(0.1-1000μm)、サーモパイル検出器(300μm;pbs検出器(l50nm-2.6p)、pbse検出器(150nm-4.6p)、およびingaas(0.9-1.6p)を含む群の少なくとも一つの部材である
高感度のための請求項7記載のフォトセンサは、電子増幅器と一体化されている
請求項7記載のフォトセンサは、冷却装置と一体化されている
請求項(8)に記載のフォトセンサは、冷却装置と一体化されている
請求項7記載のフォトセンサは、光検出器、電子増幅器及び冷却装置を含む
請求項5記載の広帯域液晶レンズは、妥協する
(a)セレン化亜鉛(ZnSe)を含む群の少なくとも一つの部材が選択された広帯域透明窓)フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)ダイヤモンド(0.225-THz)、有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびμmPMMAが挙げられるが、これらに限定されるものではない
(b)錫ドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)、アルミニウム酸化亜鉛(AZO)。zno、ドープされたダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンおよびグラフェン酸化物
(c)セレン化亜鉛(ZnSe)(0.45μm、21.5μm)、フッ化バリウム(BaF2)(0.18-14μm)フッ化カルシウム(CaF2)(0.18-11.5μm)塩化カリウム(0.18-11.5μm)、塩化カリウム(0.21-20μm)、塩化ナトリウム(NaCl)0.25-16μm、ヨウ化セシウム(Csl)(0.25-55μm)ダイヤモンド(0.225-THz)を含む群から選択される凸レンズであって、有機材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン(pvdf)およびμm PMMAが挙げられるが、これらに限定されるものではない
(d)グループの少なくとも(1つ)のメンバーが選択された液晶
アゾベンゼン液晶と、アゾベンゼン単量体と、キラルアゾベンゼン色素と、光配向材料と、epaadアゾベンゼンを増強させた高速アゾベンゼン液晶と、を含むことを特徴とする分光分析の第2の段階のための請求項のファブリ-ペロー干渉計装置であって、前記フォトセンサと一体化されていることを特徴とするファブリ-ペロー干渉計装置
請求項(4)に記載のMEMSピンホール装置であって、前記MEMSピンホール素子は、前記フォトセンサと一体化されていることを特徴とするMEMSピンホール
請求項(4)に記載のチューナブルレンズは、広帯域チューニングのためのものであることを特徴とする
16. 請求項(4)に記載のDCリニアモータは、広帯域チューニングのためのものである
17. 請求項(4)に記載のピエゾ電気アクチュエータは、微調整のためのものであることを特徴とするピエゾ電気アクチュエータ
18. 請求項(4)に記載のMEMS光開口は、前記超高速チューニングのためのものであることを特徴とするMEMS光開口
19. 広帯域分光法のためのふるいは、外側リングのピンホールが、分光法に使用される最長波長のオーダーであることを意味する
20. (20)請求項1記載の入力ビームは、レーザラマン散乱からのプローブビーム、IR吸収からのプローブビーム、UV-VIS 吸収のプローブビーム、蛍光散乱からのプローブビームを含む、グループの少なくとも(1つ)のプローブビームを結合する
21. 請求項(1)に記載の光開口であって、前記光開口部は、前記準有彩色光の焦点合わせを制御するための手段上に配置されていることを特徴とする光開口
22. 請求項1記載のチューナブルノッチ-空間フィルタは、第2ステージの分光器である
妥協
(a)特定の準有彩光を前記光開口部に通過させるための光開口
(b)準有彩焦点要素を制御するための少なくとも(1つ)の平均が、光開口を通して焦点を合わせる
23. チューナブルノッチ-空間フィルタは妥協する
(a)特定の準有彩光を前記光開口部に通過させるための光開口
(b)準有彩焦点要素を制御するための少なくとも(1つ)の平均が、光開口を通して焦点を合わせる。
本明細書に引用された全ての特許、公開された出願および参考文献の教示は、その全体が参照により援用される。
Claims (13)
- 分光装置用の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターであって、
1つまたは複数の分光入力ビームを受け取るように構成され、前記1つまたは複数の分光入力ビームを分析し、前記1つまたは複数の分光入力ビームに関連する少なくとも一部の光を透過するように構成された準クロマチック回折集束要素であって、前記透過された少なくとも一部の光は、前記1つまたは複数の分光入力ビームのスペクトル空間成分を含む、準クロマチック回折集束要素と、
(i) 同時スペクトル空間フィルタリング用の光開口部を介して前記準クロマチック回折集束要素の焦点位置を調整するように構成された調整可能なレンズ、および (ii) 前記1つまたは複数の分光入力ビームを前記スペクトル空間成分に分析し、前記光開口部を通して前記準クロマチック回折集束要素のクロマチック集束の焦点を調整するように構成された伸縮性回折要素のうちの1つと、
順次光学装置と、
前記透過された光の少なくとも一部を受け取り、選択されたスペクトル空間帯域を前記光開口部を通して透過させて、前記透過された光の少なくとも一部を前記順次光学装置またはスペクトル検出分析装置に通過可能にするように構成された可動または固定の光開口部と、
を有する広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、
前記準クロマチック回折集束要素は、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、フォトンシーブ、ピンホールシーブ、及び、前記フレネルレンズ、前記フレネルゾーンプレート、前記フォトンシーブ及び前記ピンホールシーブのうちの少なくとも1つの伸縮可能なバージョン、のうちの少なくとも1つを備え、前記伸縮可能なバージョンは、前記分光入力ビームのスペクトル帯域に対して透明であるものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターであって、前記広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターは、一段階の分光法を実行するように構成され、
熱電ペルチェクーラーと統合されたフォトセンサーと、機械的アクチュエーター内に含まれる統合されたアンプとを有するものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項3記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、
前記フォトセンサーが、0.1から1000μmの波長で動作する調整可能なハイブリッドパイロ検出器、サーモパイル検出器、150nmから2.6μmまでの波長で動作するPbS検出器、150nm~4.6μmの波長で動作するPbSe検出器、0.9から1.6μmの波長で動作するInGaAs検出器からなる群の少なくとも1つから選択された広帯域動作バンド素材を有するものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、
前記広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターは、2段階の分光法を実行するように構成され、
前記可動または固定の光開口部を通過した準クロマチック光を調整するように構成された集束光学系をコリメートする、カプセル化された機械的アクチュエーターと、フォトセンサーと統合されたピンホールMEMSファブリペロー干渉計を含むメンブレンと、
を有するものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項1に記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、前記可動または固定の光開口部を通して前記少なくとも一部の光を集束させるように構成された少なくとも1つのさらなる装置をさらに備え、前記少なくとも1つのさらなる装置は、1つ以上の(調整可能レンズ)調整可能な焦点回折要素、圧電アクチュエータ、MEMS(MicroーElectro Mechanical Systems)光開口膜、リニアモーター、アクチュエーター、DCリニアモーター、MEMS(Micro ElectroーMechanical Systems)光開口フォトセンサー、および可動式または調整可能レンズを含むものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
- 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、
集束モジュールをさらに有し、この集束モジュールは、調整可能レンズ、液体結晶レンズ、エレクトロウェッティングレンズ、ズームレンズ、ボイスコイル調整可能レンズ、伸縮性回折要素のうちの少なくとも1つを含み、前記分光入力ビームのスペクトル帯域に対して透明な材料で作られたものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、前記可動または固定の光開口部がピンホールまたはスリットを有するものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
- 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、最適なスペクトル空間フィルタリングのために解像度が達成され、前記光開口部が前記回折集束要素の最良の集束能力に近づく直径または幅を有するように設計されるものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
- 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、前記回折集束要素は、外側形状の寸法が、試験される、より長い波長に関連する場合に、広帯域スペクトルが適用されるように構成されるものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
- 請求項1記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、前記可動または調整可能レンズは、広帯域透明窓、広帯域透明導電性電極、広帯域透明凸レンズ、広帯域透明液晶、広帯域液体材料、広帯域液体流体、調整可能回折集束素子、エレクトロウェッティングレンズ、液晶レンズのうちの少なくとも1つを含むものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
- 請求項6記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、
前記MEMS光開口フォトセンサーは、MEMS光開口フォトセンサー装置に結合されている、
前記可動または調整可能レンズは、前記透過された光の少なくとも一部の広帯域調整を実行するように構成される、
前記DCリニアモーターは、前記透過された光の少なくとも一部の広帯域調整を可能にするように構成される、
前記圧電アクチュエーターは、前記透過された光の少なくとも一部の前記レンズ及びリニアモーターよりも微調整できるように構成される、
前記MEMS光開口フォトセンサーは、前記透過された光の少なくとも一部のレンズやリニアモーターよりも微調整できるように構成されている、
のうち、1つである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。 - 請求項3記載の広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルターにおいて、1つまたは複数の分光入力ビームが、以下のタイプ:光ビーム、レーザーラマン散乱、赤外線吸収、赤外線反射、紫外可視(UVーVis)吸収、紫外可視(UVーVis)反射、蛍光散乱、および比色ビームのうちの1つまたは複数のプローブビームを含むものである、広帯域調整可能スペクトル空間ノッチノイズフィルター。
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