JP7421478B2 - 凹面回折格子分光器の選択的分解能のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１７年１２月１５日に出願された米国特許第１５／８４４，０６９号に対して優先権を主張し、参照することによりその全体が本明細書に取り込まれる。

本開示は、概して、分光器の選択的分解能向上のためのシステム及び方法に関する。

凹面回折格子分光器のスペクトル分解能は、一般的に、回折格子照明の開口数（ＮＡ）及び分光器入力スリットサイズの増加とともに低下する。分解能は、凹面回折格子溝密度、入射スリットサイズ、及び回折格子からの光学収差に関連した分散の畳み込みであり、これは回折格子上の照射の程度に影響される。分散値を低いほど、波長間の距離が広がり、スペクトル分解能がより高くなる。低分散分光器は、通常、入力スリット又は入射スリットから回折格子までの距離が長く、回折格子の溝密度が高いことを必要とする。これにより高い分解能が得られるが、分光器の関連するサイズが嵩張ってしまう。さらに、高い溝密度のために、スペクトルカバレージ（spectral coverage）が制限されることがある。

コンパクトなサイズ（例えば１００ｍｍ未満の焦点距離等）で、且つ広いスペクトルカバレージ（例えば２００ｎｍ～１０００ｎｍまでの紫外可視近赤外の波長等）を備える分光器の場合、スペクトル線を分解する分解能は限られている。そのため、所望のスループット、分解能、スペクトルカバレージ等を実現するために、特定の用途のための装置性能パラメータを選択する際には、通常妥協が要求される。凹面回折格子分光器のより細かい分解能を提供するための既知の戦略は、例えば、回折格子及び／又は検出器を含む、分光器を構成する代替可能な要素の選択又は修正等を含む。一般的に汎用用途のために２００ｎｍ～１１００ｎｍまでの波長をカバーする科学的グレードの分光光度計では、２ｎｍ未満の分光器分解能が要求されることが多い。従って、これらのシステムは、２ｎｍ未満の分解能を達成するという課題があるため、コンパクトな凹面回折格子ベースの分光器を使用することはほとんどない。

工業用分光光度計や蛍光光度計のように、より細かいスペクトル分解能とコンパクトなサイズを必要とする用途には、ツェルニーターナー型の分光器が一般的に使用される。ツェルニーターナー型分光器で選択可能な分解能を実現するために、入力スリットサイズは電動のスリット開口部によって通常変化される。良好なスペクトル分解能を維持するために、典型的なツェルニーターナー型分光器は、Ｆ／４以下のＦナンバーで設計される。システムのスループット損失はほとんどの用途で許容できないため、分光器の分解能を向上するための格子照明面積（grating illumination area）のさらなる低減は避けられる。

１つ又は複数の実施形態では、光学システムは、サンプルの下流の入力光線の光路内に配置されるように構成されたアパーチャと、アパーチャの下流の入力光線の光路内に選択的に配置されるように構成された入射スリットを有するスリット板と、入射スリットを通過する入力光線の少なくとも一部を受け取り、光線を波長依存角度で回折するように配置された凹面回折格子と、凹面回折格子から回折された光を受け取るように配置され、凹面回折格子から回折された光に応じて信号を生成するように構成された検出器とを含む。

実施形態は、入力光線の一部のみを通過させるように構成されたハーフビームアパーチャと、共通の高さ及び互いに異なる幅を有する複数の入射スリットを含むスリット板とを含んでもよい。モータ又は他のアクチュエータ又は配置機構は、スリット板に関連付けられ、入力光線に対して複数の入射スリットのうちの選択された１つを配置するように構成されてもよい。凹面回折格子は、収差補正されたホログラフィック回折格子を備えてもよく、固定されてもよい。光学システムは、ハウジングを含んでもよく、凹面回折格子及び検出器がハウジング内に配置され、アパーチャがハウジングの外側に配置されてもよい。固定されたアパーチャは、入力ビームの光路内に選択的に配置可能でよく、又は光路から除去されてもよく、選択した入射スリット設定と組み合わせて分光器の分解能を調整するようにしてよい。様々な実施形態では、アパーチャは、調整可能な開口部を有するアイリスを備えてもよい。光学システムは例えば、コンパクトなサイズのために、１００ｍｍ未満の短い焦点距離を有するものでもよい。

一つ又は複数の実施形態では、入力光線を受け取り、当該入力光線を波長依存角度で回折するように配置された凹面回折格子と、凹面回折格子から回折された光を受け取り、凹面回折格子から受けた光に応じて信号を生成するように配置された検出器と、を含む分光器を有する光学システムを含んでもよい。システムは、試料を通過した後、スペクトログラフに入る前に、入力光線の光路内又は光路外のいずれかにアパーチャを選択的に配置するように構成された配置機構を含んでもよい。アパーチャは、分光器入力に光を集束させるレンズの上流又は下流のいずれかに配置されてもよい。複数の入射スリットを有するスリット板がアパーチャの下流に配置され、スリット板が複数の入射スリットの１つを入力光線の光路内に配置するようにアクチュエータによって移動可能に構成されていてもよい。またシステムは、検出器、配置機構及びアクチュエータに連結された制御装置を含んでもよく、制御装置が、配置機構及びアクチュエータを制御することにより、アパーチャとスリット板とを選択的に配置し、分光器の検出器により受光される光に対して選択可能な分解能を提供するように構成してもよい。分光器は、１００ｍｍ未満の焦点距離を有してよい。凹面回折格子は、ホログラフィック収差補正型回折格子を備えてもよく、この凹面回折格子は、分光器のハウジングに固定されていてもよい。スリット板は、共通の高さであり、互いに異なる幅を有する複数のスリットを有してもよい。アパーチャ板は、互いに異なるサイズの開口部を有する複数のアパーチャを含んでもよい。

様々な実施形態は、検出器への入力光線を回折するように構成された凹面回折格子を有する分光器の分解能を制御する方法を含む。制御装置は、より細かい分光器スペクトル分解能を要求する信号に応じて、サンプルを通過した後分光器に入る前の入力光線の光路内にアパーチャを配置する信号を生成し、より粗い分光器スペクトル分解能を要求する信号に応じて、入力光線の光路からアパーチャを外す信号を生成する。この方法は、複数のスリットを有するスリット板を位置決めするための信号を生成し、複数のスリットのうちの選択された１つを、アパーチャと分光器の凹面回折格子との間の入力光線の光路内に位置決めすることを含む。複数のスリットは、共通の高さ及び互いに異なる幅を有するスリットを含んでもよい。アパーチャは、入力光線の一部を通過させるように構成されてもよい。

本開示による１つ又は複数の実施形態は、関連する利点を提供することができる。例えば、外部光学素子を使用して分光器の分解能を選択的に制御することで、より多様な用途のための分解能とスループットを管理する柔軟性が向上する。入口スリット上流のアパーチャの選択的配置と、複数の入口スリットサイズの１つを選択することとの組み合わせにより、利用可能な入口スリット数よりも多くの帯域幅を選択することができる。これにより、スリット板に配置された入口スリット間の間隔が広くなり、コンパクトなサイズを維持し、同じ数の選択可能な帯域幅を提供しながら、隣接するスリット間のクロストークを低減又は排除することができる。分光器の入力の上流に自動制御を備えたアパーチャを使用すると、回折格子や検出器等の分光器の内部コンポーネントを変更することなく、より小さい入射スリットの設定に対するスペクトル分解能が向上することができる。本明細書に記載されている外部アパーチャによる分解能性能は、より大きなサイズ、重量及びコストを必要とするより長い焦点距離の光学システムの性能に匹敵するコンパクトな高性能パッケージを提供する。

当業者は、添付の図面と共に考慮される以下の詳細な説明に基づいて、１つ又は複数の実施形態の追加の特徴及び利点を認識することができる。

図１は、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、凹面回折格子分光器のための選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムを示すブロック図である。 図２Ａは、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、スペクトル分解能及び帯域幅を選択的に調整するための、凹面回折格子分光器の上流に配置されたアパーチャの効果を示す。 図２Ｂは、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、スペクトル分解能及び帯域幅を選択的に調整するための、凹面回折格子分光器の上流に配置されたアパーチャの効果を示す。 図３は、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、凹面回折格子分光器のための選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムにおいて使用するための代表的なスリット板を示す。 図４は本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、凹面回折格子分光器のための選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムの代表的な実施形態の動作を示すフローチャートである。 図５は、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による凹面回折格子分光器のための、選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムの別の代表的な実施形態の動作を示すフローチャートである。

本開示によるシステム及び方法の様々な代表的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、以下の代表的な実施形態は単なる例であり、本開示によるシステム及び方法は、様々な代替の形態で実施され得ることを理解されたい。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、いくつかの特徴は特定の構成要素の詳細を示すために誇張又は最小化されることがある。したがって、本明細書で開示される特定の構造及び機能の詳細は限定的に解釈されるべきではなく、単に、特許請求される主題を様々に使用するように当業者に教示するための代表的な基準として解釈されるべきである。システム又は方法の代表的な実施形態の動作を示すために、簡略化したフローチャートやブロック図を提供することがある。当業者は、ステップ又はプロセスの順序が特定の用途のために必要とされなくてもよく、いくつかのステップが図示及び説明を容易にするために省略されてもよく、ステップ又はプロセスが個別に、及び／又は図示されたステップ又はプロセスのサブセットとして繰り返されてもよいことを理解するのであろう。同様に、本明細書に記載された１つ又は複数の利点を提供するために、図示又は説明された全てのステップが必要とされるわけではないことに留意されたい。

当業者が理解するように、図面のいずれか１つを参照して図示及び説明されるような本開示の様々な特徴は、１つ又は複数の他の図面に示される特徴と組み合わされ、明示的に図示や説明されていない本開示の実施形態を生成してもよい。図示された特徴の組み合わせは、典型的な用途のための代表的な実施形態を提供する。しかしながら、本開示の挟持と一致する特徴の様々な組み合わせ及び修正が、特定の用途又は実装のために所望され得る。

図１は、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による、凹面回折格子分光器１１０のための選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システム１００を示すブロック図である。分光器１１０は多種多様な用途に使用することができるが、１つ又は複数の実施形態では分光器１１０を使用して、入力光線１１８の上流のサンプル（図示せず）を通過する光に関連する蛍光測定及び吸光測定を得ることができる。光学システム１００は、アパーチャ１１４を有するアパーチャ板１１２を含んでもよい。アパーチャ板１１２又は同様の光学デバイスは、モータ又は他のアクチュエータ１１６と関連付けられて、入力ビーム１１８の光路上又は光路外にアパーチャ１１４を選択的に配置（又は位置決め、位置調整、positioning）するように構成してよい。１つ又は複数の実施形態では、アクチュエータ１１６はフィルタホイールに関連付けられたステッパモータによって実現されてよく、フィルタホイールを回転させてアパーチャ１１４を配置し、及び／又は本明細書に記載された複数のアパーチャのうちの１つを選択するようにしてもよい。本明細書に記載されるアパーチャ板は、各々が異なるサイズのアパーチャを規定する複数の別個の要素によって実装されてもよい。あるいはフィルタホイールは、例えば、いかなる光学素子も含まない「ブランク」又は「エンプティ」の位置を含んでもよい。

以下において詳細に説明するように、アクチュエータ１１６はマイクロプロセッサベースのコンピュータ又は制御装置１２０によって制御され、分光器１１０が受光する光に対して選択可能な分解能を提供することができる。一実施形態では、アパーチャ板１１２は、アパーチャ１１２を通して入力ビーム１１８の約半分を通過させる単一のハーフビームアパーチャを含む。言い換えると、アパーチャ１１２は、アパーチャの光学中心線から所定の角度内の光線のみを通過させる。他の様々な実施形態は、異なる形状及び／又はサイズの複数の固定アパーチャを有するアパーチャ板１１２、又は例えばアイリス（iris）等の調整可能又は可変のアパーチャを有するアパーチャ板１１２を含むことができる。様々な実施形態ではアパーチャホイール、フィルタホイール又は同様の配置機構が、１つ又は複数の円形状の固定アパーチャ１１４（例えばハーフビームアパーチャ、クォータービームアパーチャ、３／４ビームアパーチャ等）を有するアパーチャ板１１２等の１つ又は複数の構成要素を含むことができる。例えば、ステッピングモータ又は他のコンピュータ制御モータによって実施され得るアクチュエータ１１６は、光源（図示せず）によって照射されるサンプルの下流の入力ビーム１１８の光路内に、選択したアパーチャ１１４を配置してよい。当業者には理解されるように、入力ビーム１１８よりも大きいサイズを有するアパーチャを選択することは、入力ビーム１１８の光路からアパーチャを除去することと実質的に同じである。光学システム１００は、アパーチャ１１４の下流に配置されたレンズ１３４のような集光素子を含んでもよい。別の例として、集光素子１３４は例えば、軸外球面ミラーによって実現されてもよい。集光素子又はレンズ１３４は、分光器１１０の入口でアパーチャ１１４を通過する光を集光させるように配置されてもよい。本明細書でより詳細に説明するように、レンズ１３４は、スリット板１３０の選択した入射スリットに入射光線１１８を集束させることができる。光学システム１００は、典型的には、光源、サンプルホルダ、折り畳みミラー等の追加の構成要素を含んでよく、これらは特定の構成要素として具体的に図示されていない。これらの構成要素の配置は、特定の用途と実用によって異なってよい。

図１の簡略化されたブロック図では単一のデバイスとして示されているが、制御装置１２０に関連するものとして説明された特徴又は機能は、特定の用途及び実装に応じて、光学システム１００の複数の構成要素を制御するために使用される複数の制御装置を用いて実現されてもよい。制御装置１２０は、概して、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＩＣ、メモリ（例えば、ＦＬＡＳＨ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ及び／又はＥＥＰＲＯＭ等）及びソフトウェアコードを含み、様々な機能を実行できるコンピュータ又は制御器であってよい。制御装置１２０は、１つ又は複数のシステムセンサ又はアクチュエータと、直接、及び／又は有線又は無線接続を使用してネットワークを介して通信することができる。

制御装置１２０は、本明細書で説明されるような、１つ又は複数のアルゴリズムを実行するように構成又はプログラムされてよい。制御装置１２０によって実行される制御論理、機能又はアルゴリズムは、例えば、図４及び図５のフローチャートのような、１つ又は複数の図のフローチャート又は同様の図によって表されてもよい。他の制御論理、機能又はアルゴリズムは、様々な実施形態の詳細な説明に基づいて、当業者には明らかであろう。図示及び説明された制御特性及び機能は、イベント駆動型、割り込み駆動型、マルチタスキング、マルチスレッディング等の１つ又は複数の処理戦略を用いて実行される、代表的な制御戦略及び／又は制御論理を提供する。したがって、図示された様々なステップ又は機能は、図示された順序で、並行して、又は場合によっては省略して実行され得る。必ずしも明示的に例示されているわけではないが、当業者は、例示されたステップ又は機能のうちの１つ又は複数が、使用されている特定の処理戦略に応じて繰り返し実行できることを認識するのであろう。同様に、処理の順序は、本明細書に記載される特徴及び利点を達成するために必ずしも必要ではなく、例示及び説明を容易にするために提供される。制御ロジックは、制御装置１２０等のマイクロプロセッサベースの制御装置によって実行されるソフトウェアで主に実現することができる。もちろん、制御ロジックは、前述の特定の用途に応じて、ソフトウェア、ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで、１つ以上の制御装置に実装してもよい。ソフトウェアで実現される場合、制御論理は、１つ又は複数のコンポーネントを制御し、データを処理し、ユーザ入力を受け付けるユーザインターフェースを提供するために、コンピュータによって実行されるコード又は命令を表すデータを記憶する、１つ又は複数の一時的でないコンピュータ可読記憶デバイス又はメディアに記憶されてもよい。コンピュータ可読記憶デバイス又はメディアは、実行可能な命令及び関連する較正情報、動作変数、測定データ、計算結果等を保持するために、電気、磁気及び／又は光学記憶デバイスを利用する、いくつかの既知の物理デバイスのうちの１つ又は複数を含んでもよい。

また、図１に図示されるように、分光器１１０は、少なくとも１つの入射スリットを有し、アパーチャ１１４の下流に配置された光学素子１３４によってフォーカスされたソース／サンプル像のサイズを選択するように構成されたスリット板１３０を、レンズの下流に含んでもよい。１つ又は複数の実施形態では、スリット板１３０は、異なるサイズ及び／又は形状を有する複数の入射スリットを含んでもよい。例えば、モータによって実現され得る関連アクチュエータ１３２は、制御装置１２０によって制御され、複数の入射スリットのうちの選択された１つを、入力ビーム１１８の光路上に配置するように構成されてよい。一実施形態では、アクチュエータ１３２が、スリット板１３０を回転させるステッピングモータによって実現され、５つのスリットのうちの１つを選択するようにしてもよい。スリットは長方形状であり、各スリットは２．５ｍｍの共通の高さを有し、０．０１２５ｍｍ～０．５３２ｍｍの範囲の互いに異なる幅長さを有している。アクチュエータ１３２の制御及びスリット板１３０の関連する配置は、アクチュエータ１１６及び関連するアパーチャ１１４の制御と連携し、分光器１１０が受光する光に対して、選択可能な分解能と、関連する帯域幅と、スループットとを提供するようにしてよい。

分光器（又は分光計）１１０は凹面回折格子１４０を含んでいる。この凹面回折格子１４０は、スリット板１３０の選択された入射スリットを通過する入力光線１１８の少なくとも一部を受け取り、且つ波長依存角度（at a wavelength-dependent angle）で検出器１４２に向かって光線を回折させるように配置されている。１つ又は複数の実施形態では、凹面回折格子１４０はハウジング１４４に直接又は間接的に固定され、分光器１１０の動作中は移動しない。一つ又は複数の実施形態では、凹面回折格子１４０は収差補正型回折格子を含み、これはホログラフィック収差補正型回折格子であってもよい。他の実施形態は、ブレーズド回折格子を含む様々なタイプの機械刻線回折格子又はホログラフィック回折格子を利用してもよく、これらは特定の用途に応じて収差を補正しても補正しなくてもよい。検出器１４２は、種々のタイプのリニアＣＣＤ（charge coupled devices）イメージ検出器及びフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）検出器によって実現されてよい。オーダーソーティングフィルタ（具体的には図示されない）が検出器１４２の前に配置され、システムの光学性能を劣化させることなく、より高次（high order）に関連する様々な問題を排除するようにしてよい。分光器１１０はまた、特定の用途に応じて、電力／駆動電子機器、バス又はネットワークインターフェース、及び検出器冷却を含んでもよい。

前述したように、凹面回折格子を有する分光器は、多くの用途に許容可能なスループットを提供するのに十分な開口数（ＮＡ）を有するコンパクトな焦点距離を提供する。例えば、凹面回折格子分光器は、０．２５ＮＡ（Ｆ／２）の開口数を有してもよい。本発明者らは、これらの分光器のより高いＮＡは、上流のアパーチャの利用を容易にし、入射スリットのサイズと数のみに依拠して利用可能な分解能設定又は調整の数を決定する従来の凹面回折格子分光計と比較して許容可能なスループットを維持しながらも、追加の又は向上した分解能を提供できることを見出した。このようなアパーチャの使用は例えば、ツェルニーターナー型分光器のような、小さなＮＡに依存して分解能性能を維持する機器には一般的には適用できない。

図１に図示されるように、分光器１１０は、ハウジング１４４内に、固定された凹面回折格子１４０及び検出器１４２を含む。入射スリット板１３０はハウジング１４４に取り付けられてもよいが、一般的にはハウジング１４４の外側に設けられる。アパーチャ板１１２及びアパーチャ１１４は、ハウジング１４４の外側であって、スリット板１３０の上流に配置されている。

１つ又は複数の実施形態では、分光器１１０は、１００ｍｍ未満の焦点距離を有する短焦点距離型の凹面回折格子分光器である。ある実施形態は、７０ｍｍの焦点距離を有する分光器１１０を含む。分光器１１０はまた、例えば０．２５ＮＡ（ｆ／２）より大きい（又はそれより速い）、高い開口数を有してもよい。一実施形態では、分光器１１０が、０．２２ＮＡ（ｆ／２．２）の開口数を有し、その結果、焦点面に配置された検出器１４２への高い光収集効率及び優れたスループットがもたらされる。

図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の１つ以上の代表的な実施形態による、アパーチャ１１４を凹格子分光器１１０の上流に配置し、スペクトル分解能及び帯域幅を選択的に調整する効果を示す。図２Ａは、入力ビーム１１８の光路内における、広く開いた開口２１０、又は実質的に開口がないもの（より大きいアパーチャ）を示す。図２Ｂは例えば、ハーフビームアパーチャ等、絞り込まれたアパーチャ、又はより小さなアパーチャ１１４を示す。一実施形態では、アパーチャ１１４は直径１５ｍｍの開口である。図２Ａ及び図２Ｂに図示されるように、結合光学系（図示される代表的な実施形態における集光レンズ１３４により実現される）の上流又は下流の入力ビーム１１８の光路内にアパーチャ１１４を配置することで、入射スリット板１３０を出て分光器１１０の固定された凹面回折格子を照射する光の立体角又は円錐角２２０、２２０’を小さくする。分光器１１０の入射スリット１３０の上流の入力ビーム１１８の光路におけるアパーチャ１１４の選択的な配置により、光学的中心軸の所定の角度内の光線のみを通過させる。図２Ａ及び図２Ｂでは平行ビームを有するレンズとして示されているが、他の実施形態では発散ビーム又は収束ビームを形成し、サンプルからの光を入射スリット１３０上に結合させる他の光学素子を含んでもよい。分光器入射スリット上に試験サンプルを結像するために使用される結合光学系は、発散又は収束ビームを形成する、凹面鏡、角度を付けて配置された球面鏡又はレンズ等の単一要素光学系、又は２つのレンズ間に平行ビームを形成するレンズ対などの２つの光学要素を使用して実施することができる。アパーチャは光学素子の前又は後に配置されてもよいが、単一の光学素子が使用される場合、光学的ビネットを回避するために、光学素子の近くに配置されるべきである。レンズ対の平行ビーム領域内に配置されている場合、アパーチャの位置は柔軟（フレキシブル）である。

前述したように、アパーチャディスク又はアパーチャ板１１２によって規定されるアパーチャ１１４は、分光器１１０の一部ではないが、制御装置１２０によって制御される光学系１００の一部として分光器１１０から間隔をあけて適合される。このようにして、入力ビーム１１８の中心光線のみがスペクトログラフ１１０に入射し、図２Ａの領域２４０、図２Ｂの領域２４０’によって示されるように、固定した凹面回折格子１４０の一部のみが入力ビーム１１８によって照射される。アパーチャ１１４の導入は光学システム１００の感度を低下させるが、光学分解能は特に、より狭い帯域幅で改善される。同様に、より小さなアパーチャ１１４の導入は光学システム１００の感度をさらに低下させるが、光学分解能をさらに向上させることができる。この制御装置によって活性化された分解能の向上は、可能な限り大きな立体角（ｆ／＃）を維持し、より良いスループットを提供し、かつより短い光路で小さな機器を作成できるようにしながらも、分光器１１０の性能を向上させる。本明細書に記載されるような外部アパーチャによる分解能性能は、コンパクトな高性能パッケージを提供する。これは、より大きなサイズ、重量及びコストを必要とする、より長い焦点距離光学システムの性能に匹敵する。

図２Ａ及び図２Ｂに例示され、当業者には一般に理解されるように、凹面回折格子は、光を回折することに加えて結像する。凹面回折格子は、入力焦点面と出射焦点面とを有するユニークな光学素子である。入射スリット１３０は、回折格子１４０の入力焦点面に配置される。検出器１４２は、回折格子１４０の出射焦点面に配置される。入射スリット１３０は、凹状回折格子１４０によって検出器１４２上に結像及び回折されるソース／オブジェクトとして機能する。入射スリット１３０の幅が減少すると、回折格子によって結像及び回折されるソースのサイズはそれに対応して減少する。したがって、回折格子のスペクトル分解能は向上するが、分光器のスループット／光パワーは低下する。開口数は、測定サンプル（図示せず）と入射スリット１３０との間に配置された上流の結合光学系によって決定されるため、入射スリット１３０の幅を変更しても、回折格子１４０の照射の開口数には影響しない。

凹面回折格子分光器１１０の分解能は、入射スリット１３０のサイズによって影響を受ける分散と、２４０及び２４０’で例示されるように、回折格子１４０上の照射の範囲によって影響を受ける像と、の畳み込みである。分光器のスペクトルは波長幅（バンドパス）／分解能を決定するために、以下の一般式を使用することができる：
バンドパス＝（ｄλ^２ _{（ｓｌｉｔ）}＋ｄλ^２ _{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}）^１／２
ｄλ_{（ｓｌｉｔ）}：有限分光器（finite spectrometer）のスリット幅と格子の逆線分散（linear dispertion）によって決定する分解能。
ｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}：分解能にはシステムの収差が含まれ、これは回折格子の幾何学的形状と回折格子照明の開口数とによって影響を受ける。

より具体的には、ｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}は、収差の量Δと回折格子の逆線分散との積であり、次のように表される。
ｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}＝Δ×逆線分散
凹面回折格子の収差量Δは、Alain Thevenonの論文“Aberrations Of Holographic Gratings”（SPIE Proceedings Vol.0399, Optical System Design, Analysis, and Production (1983)）（参照することにより、その開示の全体が本明細書に取り込まれる）に詳細に記載されているように計算することができる。

簡単に言えば、凹面回折格子における光学収差Δは、回折格子の開口数（ＮＡ_{ｇｒａｔｉｎｇ}）とそのユーザジオメトリの関数である。すなわち、Δ＝ｆ（ＮＡ_{ｇｒａｔｉｎｇ}，ユーザジオメトリ）、により表される。本実施形態による、入射スリットの上流及び試料の下流に配置され、測定試料を分光器の入力スリット上に結像させる結合光学系内の開口と、格子の開口数との間の関係は、次のように表すことができる。

（ケース１）コリメートされたビーム内に配置したアパーチャを持つレンズペアの場合

ここで、Ｄはアパーチャ開口の直径を表し、ＦＬは結合光学系における集光レンズの焦点距離を表す。

（ケース２）単一レンズ又は凹面鏡の場合

ここで、Ｄはアパーチャ開口の直径を表し、アパーチャが集光素子の前に配置される場合、Ｌはアパーチャから試験サンプルまでの距離を表す。集光素子の後にアパーチャが配置される場合、Ｌはアパーチャから入射スリットまでの距離を表す。従って、Ｄが減少すると回折格子照明（grating illumination）ＮＡが減少し、収差Δが減少する。その結果、分解能成分ｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}が低下する。

分光器のバンドパスの改善は、上記に基づくいずれかの方法を用いて達成することができる。スリット幅が狭くなると、対応するｄλ_{（ｓｌｉｔ）}が減少する。本明細書に記載されるように、結合光学系と入射スリット１３０との間に配置されたアパーチャ１１４を使用して、回折格子照明の開口数を低減すると、これに対応してｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}が減少する。スリット開口が大きい場合、ｄλ_{（ｓｌｉｔ）}が、分光器の分解能に影響を及ぼす主要な要素となる。対照的に、スリット開口が狭い場合には、画質（image quality）ｄλ_{（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）}が支配的な要素なる。後者の場合、分光器への入力ビームの光路上のアパーチャ１１４を、試料からの結合光学系と分光器の入射スリットとの間に配置すると、回折格子照明のＮＡが制限され、その結果、ビームの中心光線のみが分光器に入り、図２Ｂに示すように回折格子２４０’の一部のみが照明される。その結果、回折格子からの収差が減少する。アパーチャ１１４を使用すると、システムの感度を多少低下させるが、それは、特により狭い帯域幅で、光学分解能を改善する。

図１及び図２に概略的に示されるように、光学システム１００は、アパーチャ装置又はアパーチャ板１１２に関連する少なくとも２つのアパーチャ設定を含み、これは分解能及び関連するスループットを調整するように選択され得る。少なくとも２つのアパーチャ設定は、異なる量の入力光線１１８を通過させ、アクチュエータ１１６（これは例えば、関連するモータを有するフィルタホイールによって実現されてよい）によって制御される。少なくとも２つのアパーチャ設定は、入力光線１１８の一部のみを通過させるアパーチャを有し、分光器１１０の分解能を向上させる第１の設定と、アパーチャが光路から除去され、入力光線１１８の全てを分光器１１０に通過させる第２の設定とを含んでもよい。あるいは第２の設定は、光路内に大きな開口を配置することで、入力光線１１８の実質的に全てを通過させるように実施されてもよい。同様に、第１の設定は、アクチュエータ１１６によって光路内に配置された第１のサイズ（より小さい）の開口を有する第１アパーチャによって提供されてもよく、第２の設定は、第２のサイズ（より大きい）開口を有する第２アパーチャを、アクチュエータ１１６によって光路内に配置することにより提供されてもよい。前述のように、第１及び第２の設定は、関連する、調整可能又は可変なアパーチャ（例えばアイリス等）の（より小さい）第１の設定及び（より大きい）第２設定によって提供されてもよい。分光器１１０への入力の上流に設けられたアパーチャ１１４は実質的に円形状であってもよいが、入射スリット１３０に使用されるものは、図３により詳細に図示及び説明されるように、矩形状であってもよい。

当業者には理解されるように、分光器１１０のための入射スリット１３０及びアパーチャ１１４はいずれも開口であるが、光学システム１００内において異なる幾何学的形状、位置、及び機能を有する。入射スリット１３０は、凹面回折格子１４０及び検出器１４２のサイズに基づく高さを有する略矩形状のものであり、互いに異なる幅を有する複数の入射スリット１３０を有する。入射スリット１３０は、凹面回折格子１４０の入力焦点面に配置される。入射スリット１３０は、凹面回折格子１４０によって検出器１４２上に結像及び回折されるソース／オブジェクトのサイズ及び形状を規定する。前述のように、スリット幅をより小さくすると、分光器１１０のスペクトル分解能がより向上する。入射スリット１３０は、レンズ１３４のような結合光学系の焦点面に配置され、分光器１１０の入力上に試験サンプル（図示せず）を結像する。結合光学系の焦点面、凹面回折格子１４０の入力焦点面、及び入射スリットの一致は、光学システムの最高のスループットをもたらす。あるいは、試験サンプルとスリット１３０との間の光路にアパーチャ１１４を選択的に配置すると、凹面回折格子１４０内に入るであろう入力ビームの一部がブロックされる。アパーチャ１１４の配置によってより小さな角度の光線のみを通過させることによって、凹面回折格子１４０の収差を減少させ、入射スリット１３０のよりシャープなイメージが検出器１４２で形成される。その結果、検出器１４２が処理のために波長のグループを明確に分離する能力である分光器１１０の分解能が向上する。

本開示による入力ビームの光路にアパーチャを選択的に配置することにより、選択可能な帯域幅の数が増加する。その結果、選択可能な帯域幅の数は、分光器スリット板の入射スリットの数よりも大きくなる。一般に、スリット板の上流に選択可能なアパーチャを使用すると、スリット幅の増加に伴って帯域幅差が減少するが、スリット板のスリット数の２倍のスペクトル帯域幅が得られる。図３を参照してより詳細に説明されるように、５つの選択可能なスリット及びハーフビームアパーチャを有するスリット板を有する一実施形態では、顕著な差異を有する８つの選択可能な帯域幅が利用可能である。

図３は、本開示の１つ以上の代表的な実施形態による、凹面回折格子分光器の選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムで使用するための代表的なスリット板を示す。スリット板１３０は、１つ又は複数の入射スリット３１０を含む。図示された代表的な実施形態では、スリット板１３０は、同じ（共通の）高さ３２０を有し、幅３３０が異なる５つの入射スリットを含む複数の入射スリットを含む。他の実施形態は、異なる数のスリット１３０を含んでもよい。同様に、スリット１３０は、特定の用途及び実施に応じて、異なるサイズ及び／又は形状を有してもよい。図３の代表的な実施形態では、スリット板１３０は、弧状に配置されたスリット３１０を含んで構成されているため、関連するアクチュエータ又はアクチュエータアセンブリによってスリット板１３０を回転させ、分光器への入力ビームの光路に複数のスリット３１０の選択された１つを配置することができる。

またスリット板１３０は、図３に示す構成以外の大きさ及び形状で実施されてもよい。一実施形態ではスリット板１３０は、半円弧状又はセグメント状に配置された５つのスリット３１０を有する金属板である。この実施形態における各スリットは、２．５ｍｍの高さ３２０と、０．０１２５ｍｍ～０．５３２ｍｍの範囲の異なる幅とを有する。スリット板１３０は、分光器１１０の入口に配置され、制御装置１２０からの信号に応答して関連するステッパモータアクチュエータ１３２を介して回転され、選択可能な光学分解能及び帯域幅を提供する。一実施形態では、スリット板１３０は、より細かい分解能を要求する制御装置１２０と通信するユーザインターフェースからの入力に応じて回転され、複数のスリット３１０のうちの選択された１つを、より大きな開口（この例ではより広い幅）を有する第１のスリットから、より小さな開口（この例ではより狭い幅）を有する第２のスリットに変更する。選択されたスリット３１０の制御は、制御装置１２０によりスリット板１３０の上流のアパーチャの配置と調整され、分解能の選択的変化を提供するようにしてもよい。

図３の代表的な実施形態に図示されているように、各スリット３１０は、分光器１１０の所望の分解能に関連付けられ得る、特定の物理的な開口幅（及び高さ）を有する。次いでスリット板１３０は、スリットアームを有するアクチュエータアセンブリに取り付けられ、このスリットアームは、コンピュータ又は制御装置１２０と通信する関連するスリットステッパモータに連結される。コンピュータ制御システムは、複数のスリット３１０の１つを自動的に選択し、選択されたスリットを入力ビームの光路に移動するようにプログラム又は構成され、例えば、メモリに記憶されたルックアップテーブルや、又はユーザインターフェースを介した手動のユーザ選択により、分光器の分解能を設定するようにしてよい。凹面回折格子分光器の分解能は、前述のように、スリットサイズによって影響を受ける分散と、全凹面回折格子上の照射の程度に影響される結像との畳み込みである。より大きなスリット設定では、スリットの分散が支配的な要因となる。しかし、より小さいスリット開口では、結像の質（the image quality）が支配的因子となる。

入射スリットの上流の開口の選択的配置は、入射スリットサイズの１つを選択することと組み合わせて、前述の利用可能な数の入射スリットよりも多くの帯域幅の選択を提供する。これにより、入射スリットの数を減らしたり、スリット板に配置された入射スリット間の間隔を大きくしたりすることが容易になり、コンパクトなサイズを維持し、同じ数の選択可能な帯域幅を提供しながら、隣接するスリット間のクロストークを低減又は排除することができる。

分光器１１０の焦点距離は非常に短く、かつ受光角度が広いため、一実施形態では、最終的な分解能が約１．５ｎｍ（半値全幅（ＦＷＨＭ））に制限される。この制限は、選択された入射スリットに入るより高い角度の光線に部分的に起因し、最終的には検出器１４２の像平面に収差を生じさせる。本開示の１つ以上の実施形態によれば、１つ又は複数の固定アパーチャ（又は制御可能な可変アパーチャ）１１４を有するコンピュータ又は制御装置制御のアパーチャ板１１２は、より微細な分光器スペクトル分解能を要求する入力に応じて、入力光路内に配置されてもよい。これは、スリット板１３０の各物理的入射スリット幅に対して、２つの異なる円錐角（開口が光路内にあるか、又は光路内に開口がないことに対応する）を提供する。次の表は、５つの入射スリットと、位置調整可能なハーフビームアパーチャとを有する代表的な実施形態のための利用可能な分解能を示す。表に示すように、各入射スリットは、アパーチャ設定（アパーチャ有り又は無し）に基づいて、２つの異なる分解能を実現するのに使用することができる。これは、例えば、蛍光光度計を含む様々な用途向けの、より小さく且つより安価なシステムを容易にする。

前述したように、コスト、システムサイズ及び性能に関して、分光器に高い分解能を提供するためには、様々な設計上の妥協点が存在する。本発明者らは、本明細書に記載されるような上流アパーチャの使用により、コスト又は機器サイズにおいて関連する妥協なしに、改善された分解能を有する機器を提供できることを見出した。

図４及び図５は、本開示の凹面回折格子分光器のための選択的な分解能及び帯域幅を有する光学システムの代表的な実施形態の動作を示すフローチャートである。１つ又は複数の実施形態では、この光学システム又は方法は蛍光光度計で使用される。図４及び図５にそれぞれ示される制御ロジック又はアルゴリズム４００及び５００は、前述のように検出器への入力光線を回折するように構成された凹面回折格子を有する光学システムの１つ又は複数の構成要素を制御するように構成又はプログラムされた１つ又は複数の制御装置によって実施することができる。４１０に示すように、分光計又は分光器の特定の分解能の設定を要求する入力や、より細かい又はより粗い分解能の調整を要求する入力に応じて、４３０に示すように、制御装置は、制御装置によってアクセス可能なメモリに予め記憶したルックアップテーブルから、対応するアパーチャ設定及び／又は入射スリット設定を決定してよい。

５つの入射スリットと、関連するアクチュエータ又は配置機構によって、入力ビームの光路内に配置されるか（テーブル内に「有り」と表示される）、入力ビームの光路から除去されるか（テーブル内に「無し」と表示される）に対応するアパーチャ設定を備えた固定アパーチャとを有する実施形態に対する代表的なルックアップテーブルをいかに示す。他の実施形態は、異なるサイズの開口の固定アパーチャ、又は可変アパーチャの開口サイズ（例えば、入力ビームの光路における配置または光路からの除去と組み合わせて使用されてもよい）に対応するアパーチャ設定を有するルックアップテーブルを含んでもよい。前述のように、少なくとも２つのアパーチャ設定を利用できるため、各入射スリットに対して少なくとも２つの分解能が提供される。これは、例えば蛍光光度計等のような、様々な用途のための、より小さく、且つより安価なシステムを容易にする。

４３０で表されるように、制御装置が、関連するルックアップテーブルから対応するアパーチャ設定及び／又は入射スリット設定を決定した後、４５０で表されるように、決定された設定に基づいてアパーチャが配置される。４５２で表されるように、これは、関連する配置機構を使用して、試料の下流であって、かつ分光器への入口の前における入力ビームの光路内にアパーチャを配置する信号を生成することを含んでもよい。前述のように、アパーチャは集光素子の上流又は下流に配置されてもよい。同様に、４５４で表されるように、決定されたアパーチャ設定は、入力光線の光路からアパーチャを除去することに関連付けられてもよい。１つ又は複数の実施形態では、制御装置が、４５６に示すようにアパーチャサイズを選択するための信号を生成し、４５８に示すように可変又は調整可能なアパーチャを制御してもよいし、或いは４６０で示すように、複数の異なるサイズの固定アパーチャの１つを配置してもよい。複数の固定アパーチャが、回転又は平行移動されるアパーチャ板上に設けられ、選択したアパーチャを入力光線の光路内に配置するようにしてもよい。前述したように、実質的に全ての入力光線を通過するのに十分な大きさの開口を有するアパーチャを配置することは、アパーチャを光路から除去するのと同等である。

図４にも例示されているように、システム又は方法は、一般に４７０で表されるように、複数のスリットを有するスリット板を配置する信号を生成することで、入射スリット板を自動協調制御することを含み、４７２で表されているように、複数のスリットのうちの選択された１つを、アパーチャ位置と分光器の固定凹面回折格子との間の入力光線の光路内に配置するように構成されてよい。選択された入射スリット及び対応するスリット板の位置は、要求された分解能の設定又は調整に基づき、上述のように予め記憶されたルックアップテーブルを用いて決定されてもよい。

図５は、本開示の１つ又は複数の代表的な実施形態による光学システム又は方法の動作を示すフローチャートである。５１０で表されるように、分光器又は分光器のより微細な分解能を要求する入力に応じて、制御装置は、５２０で表されるように、サンプルの下流であって分光器に入る前における入力光線の光路内内にアパーチャを配置するための信号を生成してもよい。可変アパーチャを有する実施形態、又は複数の固定アパーチャを有するアパーチャ板を有する実施形態の場合、５２４に示すように、選択されたアパーチャ又はアパーチャサイズは光路上に配置されてよい。

また、図５に示されるように、５１０の「Ｎ」により表されるように、スループットの増加又は関連するより粗い分解能を要求する入力に応じて、５３０に示すように、制御装置は、分光器に入る前の入力光線の光路からアパーチャを除去するための信号を生成してもよい。可変アパーチャを有する形態、又は１つ又は複数の固定アパーチャを備えるアパーチャ板を有する形態に対しては、ステップ５３０は、より大きなアパーチャを選択し、前記したものと同様の結果を提供してもよい。また、このシステム又は方法は、スリットサイズを選択し（５４０）、複数のスリットを有するスリット板を配置する信号を発生する（５５０）ことにより表される入射スリット板の自動協調制御を含んでもよい。これにより、複数のスリットのうちの選択された１つが、アパーチャ位置と分光器の固定凹面回折格子との間の入力光線の光路内に配置される。制御装置は、ルックアップテーブル又は他の記憶されたメモリ構造を含み、対応するスペクトル分解能またはスループットを要求する信号に応じて、アパーチャ設定及びスリットサイズを決定してもよい。

当業者であれば理解するように、前述及び図示した実施形態の１つ又は複数は、外部光学素子を使用した分光器の分解能の選択的な制御を含む関連する利点を提供してよく、より多様な用途のための分解能及びスループットを管理するためのより大きな柔軟性を提供することができる。サンプルの下流および入射スリットの上流にあるアパーチャを選択的に配置し、いくつかの入射スリットサイズの１つを選択すると、使用可能な入射スリットの数よりも多くの帯域幅を選択できる。分光器の入力の上流に自動制御を備えたアパーチャを使用すると、回折格子や検出器等の分光器の内部コンポーネントを変更することなく、より小さい入射スリットの設定に対するスペクトル分解能が向上する。

代表的な実施形態を上記で説明したが、これらの実施形態は本開示による多孔質固体及び粉末材料の表面特徴付けのためのシステム又は方法のすべての可能な形態を説明することを意図するものではない。本明細書で使用される用語は限定ではなく説明の用語であり、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることを理解されたい。前述のように、様々な代表的な実施形態の特徴はさらなる実施形態を形成するために、明示的に図示又は説明されていない方法で組み合わせることができる。様々な実施形態が１つ又は複数の所望の特性に関して利点を提供するものとして、又は他の実施形態又は従来技術の実施形態よりも好ましいものとして説明されてきたが、当業者には理解されるように、１つ又は複数の特性は特定の用途及び実施に依存する所望のシステム属性を達成するために妥協され得る。これらの属性には、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、包装、サイズ、供用性、重量、製造性、組立の容易さ、操作の容易さ等が含まれるが、これらに限定されない。１つ又は複数の特性に関して他の実施形態又は従来技術の実装よりも望ましくないものとして本明細書で説明される任意の実施形態は、本開示の範囲外ではなく、特定の用途に望ましい場合がある。

Claims (17)

1. サンプルの下流の入力光線の光路内に円形状の視野絞りアパーチャを選択的に配置するように構成されたアパーチャ配置機構であって、制御装置により自動制御されるアパーチャ配置機構と、
   弧状に配置された複数の長方形状の入射スリットを有し、前記制御装置からの信号に応じてアクチュエータにより回転され、当該複数の長方形状の入射スリットの各々が、前記円形状の視野絞りアパーチャの下流の前記入力光線の光路内に選択的に配置され、光学系の分解能を調整するように構成されたスリット板と、
   前記複数の長方形状の入射スリットから選択された１つの長方形状の入射スリットを通過する前記入力光線の少なくとも一部を受け取り、当該入力光線を波長依存角度で回折するように配置された凹面回折格子と、
   前記凹面回折格子から回折された光を受光するように配置され、前記凹面回折格子から回折された光に応じて信号を生成するように構成された検出器と、
   を備える光学システム。
2. 前記アパーチャ配置機構は、前記入力光線の光路内に前記円形状の視野絞りアパーチャを選択的に配置するか、又は前記入力光線の光路から前記円形状の視野絞りアパーチャを除去するように構成されている、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記アパーチャ配置機構が、前記円形状の視野絞りアパーチャよりも大きい第２アパーチャを少なくとも含み、前記円形状の視野絞りアパーチャ又は前記第２アパーチャのうちの選択された１つを前記入力光線の光路内に配置する、請求項１に記載の光学システム。
4. 前記第２アパーチャが、前記入力光線の実質的に全てを通過させるようなサイズである請求項３に記載の光学システム。
5. 前記スリット板が、高さが共通であり、且つ互いの幅が異なる複数の長方形状の入射スリットを含む請求項１に記載の光学システム。
6. 前記スリット板に関連付けたモータをさらに備え、
   前記モータが、前記複数の長方形状の入射スリットのうちの選択された１つを前記入力光線に対して配置するように構成されている請求項５に記載の光学システム。
7. 前記凹面回折格子が、ホログラフィック回折格子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
8. 前記凹面回折格子が、ホログラフィック収差補正型回折格子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
9. ハウジングをさらに含み、
   前記凹面回折格子及び前記検出器が当該ハウジング内に配置され、
   前記凹面回折格子が前記ハウジングに固定され、
   前記アパーチャが前記ハウジングの外側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
10. 前記アパーチャが固定された開口部を有する請求項１に記載の光学システム。
11. 前記アパーチャが調整可能な開口部を有するアイリスを含む請求項１に記載の光学システム。
12. １００ｍｍ未満の焦点距離を有する請求項１に記載の光学システム。
13. 試料からの入力光線を受光し、前記入力光線を波長依存角度で回折するように配置された凹面回折格子と、
    前記凹面回折格子から回折された光を受光し、当該受光した光に応じて信号を発生するように配置された検出器と
    を含む分光器と、
    前記試料を通過した後、前記分光器に入る前に、前記入力光線の光路内又は光路外のいずれかに円形状の視野絞りアパーチャを選択的に配置するように構成された配置機構と、
    弧状に配置された複数の長方形状の入射スリットを有しており、当該複数の長方形状の入射スリットの各々がアクチュエータによって回転されて選択的に配置され、当該複数の長方形状の入射スリットの１つが前記入力光線の光路内に配置されるように構成されたスリット板と、
    前記検出器、前記配置機構及び前記アクチュエータに連結され、前記配置機構及び前記アクチュエータを制御することにより、前記円形状の視野絞りアパーチャと前記スリット板とを選択的に配置し、前記分光器の前記検出器により受光される光に対して選択可能な分解能を提供する制御装置と、を含む光学システム。
14. 前記分光器が１００ｍｍ未満の焦点距離を有する請求項１３に記載の光学システム。
15. 前記凹面回折格子が、前記分光器に固定されたホログラフィック収差補正型回折格子を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光学システム。
16. 前記複数の長方形状の入射スリットが、高さが共通であり、且つ互いの幅が異なっている請求項１３に記載の光学システム。
17. 前記配置機構は、前記入力光線の光路内に、複数のアパーチャのうちの１つを選択的に配置するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の光学システム。