JPH0843204A - Multiplex-frequency spectrometer - Google Patents

Multiplex-frequency spectrometer

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Publication number
JPH0843204A
JPH0843204A JP17936095A JP17936095A JPH0843204A JP H0843204 A JPH0843204 A JP H0843204A JP 17936095 A JP17936095 A JP 17936095A JP 17936095 A JP17936095 A JP 17936095A JP H0843204 A JPH0843204 A JP H0843204A
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JP
Japan
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frequency
light
sample
optical
spectrometer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP17936095A
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Japanese (ja)
Inventor
Dimitrios Papaioannou
パパイアノウ ディミィトリオス
Hooft Gert Wim T
ウィム ティホーフト ゲルト
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Electronics NV
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/44Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G01J3/4412Scattering spectrometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters

Abstract

PURPOSE: To perform a highly sensitive spectrometry for a rather opaque sample by positioning a light detecting device in order to detect the scattered light within a sample space. CONSTITUTION: A two-multiple frequency converter 4 is assembled by connecting a RF generator 6 operated at 1GHz and a signal generator 7 operated at 10MHz to a mixer 5, and the injection current is modulated at two adjacent FR frequencies. A spot 13 incident on a sample 10 scans the surface of the sample 10, and a mirror 12 functions as a sweeping means. An optical sensor 20 sensitive to infrared lights within the wavelength range of a semiconductor laser 1 is set up so as to shield the light scattered in backward scattering direction, and an aperture 30 changes the narrow range of scattering angle of the light collected by the optical sensor 20. A light detecting device 25 detects the light scattered within the sample 10, and supplies a monitor signal to a signal processing unit 26.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、少なくとも二つの周
波数をもつ光でサンプル空間の少なくとも一部を照明す
るための光源をもつ照明システム、前記サンプルを去る
光の検出のための光センサをもつ周波数感知型光検出装
置、前記サンプル空間内のサンプルを介して前記照明シ
ステムの出力面を前記光センサ上に結像するための光学
システム及び前記光センサからの電子検出信号を処理す
るための信号処理システムを有する多重周波数変調分光
計に関する。
FIELD OF THE INVENTION The invention relates to an illumination system having a light source for illuminating at least part of a sample space with light having at least two frequencies, and an optical sensor for detecting light leaving said sample. A frequency sensitive photodetector, an optical system for imaging the output surface of the illumination system onto the photosensor through a sample in the sample space, and a signal for processing an electronic detection signal from the photosensor. A multiple frequency modulation spectrometer having a processing system.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の装置は、「Frequency modulati
on spectroscopy at 1.3 μm usingInGaAsP lasers: a
prototype field instrument for atmospheric chemist
ryresearch」T.J.Johnson著 Applied Optics 30(1
991年)407頁乃至413頁の論文から既知であ
る。
2. Description of the Related Art This type of device is called "Frequency modulati
on spectroscopy at 1.3 μm usingInGaAsP lasers: a
prototype field instrument for atmospheric chemist
ry research ”by TJ Johnson Applied Optics 30 (1
991) pp. 407-413.

【0003】前記既知の装置は、出力光が二つの近接す
るRF周波数、すなわち461±1.5MHzで同時に
周波数変調される長波長(1.3μm)半導体レーザー
を有する。この周波数変調は、実際前記レーザーに供給
された注入電流の変調によりなされる。前記周波数変調
光は多重反射(白)セルの形状をもつサンプル空間を通
過する。前記白セルを出る当該光はフォトダイオードに
より検出され、当該フォトダイオードの検出信号から高
い周波数成分はローパスフィルタによりフィルタされ
る。続いて、前記検出信号に含まれる二つの近接するR
F信号の低周波数ビート信号は、前記半導体レーザーの
出力光のRF変調周波数の分離と等しい安定周波数、す
なわち3MHzをもつ信号に対する前記ローパスフィル
タの出力信号をビートするミキサにより発生される。前
記近接するRF信号のビート信号の振幅は、前記レーザ
ー光の高周波数変調の側波帯の片側での光周波数の光密
度間の差を表す。すなわち、前記近接するRF信号のビ
ート信号の振幅は、前記レーザー光の周波数を越える、
すなわち変調が適用されないとき前記半導体レーザーの
中心光搬送周波数を越える平均変調周波数での前記サン
プル内の吸収と前記中心搬送周波数より低い平均変調周
波数での吸収との差を表す。したがって、前記ビート信
号の振幅は前記サンプル材料の吸収スペクトルの情報を
提供する。前記ビート信号は前記近接する側波帯すなわ
ち3MHzの周波数間の差に等しい周波数をもつので、
前記検出器の応答スピードは1又は2、3MHzのオー
ダーである必要があるだけである。検出はこのように低
い周波数で実行可能なのでとても高い感度が達成でき、
前記サンプルの材料のとても小さな量による吸収及び/
又は前記サンプルの物質によるとても弱い吸収が測定で
きる。
The known device comprises a long wavelength (1.3 μm) semiconductor laser whose output light is simultaneously frequency modulated at two adjacent RF frequencies, ie 461 ± 1.5 MHz. This frequency modulation is actually done by modulation of the injection current supplied to the laser. The frequency-modulated light passes through a sample space having the shape of a multiple reflection (white) cell. The light exiting the white cell is detected by the photodiode and high frequency components from the detection signal of the photodiode are filtered by the low pass filter. Then, two adjacent Rs included in the detection signal are detected.
The low frequency beat signal of the F signal is generated by a mixer that beats the output signal of the low pass filter to a signal having a stable frequency equal to the separation of the RF modulation frequency of the output light of the semiconductor laser, ie 3 MHz. The amplitude of the beat signal of the adjacent RF signals represents the difference between the optical densities of the optical frequencies on one side of the high frequency modulation sidebands of the laser light. That is, the amplitude of the beat signal of the adjacent RF signal exceeds the frequency of the laser light,
That is, it represents the difference between the absorption in the sample at an average modulation frequency above the center optical carrier frequency of the semiconductor laser and the absorption at an average modulation frequency below the center carrier frequency when no modulation is applied. Therefore, the amplitude of the beat signal provides information on the absorption spectrum of the sample material. Since the beat signal has a frequency equal to the difference between the frequencies of the adjacent sidebands or 3 MHz,
The response speed of the detector need only be on the order of 1 or a few MHz. The detection can be performed at such a low frequency that very high sensitivity can be achieved,
Absorption and / or absorption by a very small amount of the sample material
Alternatively, a very weak absorption by the sample material can be measured.

【0004】当該既知の装置は大気化学での研究のため
に設計される。当該既知の装置は、微量のガスの僅かな
集まりの測定を可能とするために、光がとても長い路長
に沿ってサンプル空間を進むことを必要とする。前記引
用文献は多重反射により形成される200mの路長を述
べている。前記サンプルが強く光を散乱させるとき、光
はこのような長い路長に沿ってまっすぐな方向に進むこ
とはほとんどできない。前記サンプル空間に置かれた前
記サンプルが充分に透明でないとき、どんな光もほとん
ど前記白セルを出ないし、かなり大きなSN比をもつよ
うなビート信号は検出できない。前記サンプルはこのよ
うに不透明かもしれず、伝達された光の強度はとても小
さくさえあるかもしれないので、前記サンプルは前記フ
ォトダイオードの検知限以下のままである。したがっ
て、前記既知の装置は、前記レーザーにより射出された
当該光によりある程度まで不透明で散乱するサンプルに
ついて分光計を採用するのに適切でない。特に、前記既
知の装置は、例えばガンのような病巣の存在のため組織
を検査するために、及び悪性腫瘍と良性腫瘍とを区別す
るために、人物又は動物の組織について分光計を採用で
きない。
The known device is designed for studies in atmospheric chemistry. The known device requires light to travel through the sample space along a very long path length in order to be able to measure small collections of trace gases. The cited document describes a path length of 200 m formed by multiple reflections. When the sample scatters light strongly, the light can hardly travel straight along such long path lengths. When the sample placed in the sample space is not sufficiently transparent, almost no light exits the white cell and no beat signal with a significant signal-to-noise ratio can be detected. The sample may thus be opaque and the intensity of the transmitted light may even be very low, so that it remains below the detection limit of the photodiode. Therefore, the known device is not suitable for employing a spectrometer on samples which are to some extent opaque and scattered by the light emitted by the laser. In particular, the known device cannot employ a spectrometer on human or animal tissue for examining the tissue due to the presence of lesions such as cancer and for distinguishing malignant from benign tumors.

【0005】[0005]

【発明の目的及び概要】本発明の目的は、なかんずく分
光計の光源により射出された光に対する散乱により、高
い程度不透明であるサンプルについて分光測定法を実行
するための高感度の分光計を提供することである。
OBJECTS AND SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the invention, inter alia, to provide a highly sensitive spectrometer for performing spectroscopic measurements on samples that are highly opaque due to scattering by the light emitted by the light source of the spectrometer. That is.

【0006】この目的を達成するため、本発明による分
光計は光検出装置がサンプル空間内に散乱された光を検
出するために位置されることを特徴とする。
To this end, the spectrometer according to the invention is characterized in that a photo-detecting device is arranged for detecting the light scattered in the sample space.

【0007】前記サンプルが実質的に光源からの入射光
に対して不透明なとき、前記サンプルにより散乱された
光の強度は前記サンプルを通って伝達された光の強度よ
りはるかに大きい。したがって、散乱光を検出するため
のフォトセンサの位置づけは大きな検出信号の形成を可
能とする。さらに光検出装置は検出信号の異なる周波数
成分に敏感であり、前記検出信号の周波数成分間の違い
を表す信号を形成するように配される。例えば周波数感
知型光検出システムは、電子検出信号の周波数成分に敏
感である電子回路を具備し、前記検出信号の周波数成分
の低い周波数、例えばRF周波数でのビート信号を形成
するように配されてもよい。
When the sample is substantially opaque to the incident light from the light source, the intensity of the light scattered by the sample is much greater than the intensity of the light transmitted through the sample. Therefore, positioning of the photosensor to detect scattered light allows formation of a large detection signal. Furthermore, the photo-detecting device is sensitive to different frequency components of the detection signal and is arranged to form a signal representing the difference between the frequency components of said detection signal. For example, a frequency sensitive photodetection system comprises an electronic circuit that is sensitive to frequency components of an electronic detection signal and is arranged to form a beat signal at a low frequency of the frequency component of the detection signal, eg, an RF frequency. Good.

【0008】本発明による多重周波数分光計は特に非侵
害実時間医療検査に適している。
The multi-frequency spectrometer according to the invention is particularly suitable for non-intrusive real-time medical examinations.

【0009】照明システムが狭い光ビームでサンプル空
間の部分を照明するように設けられている本発明による
多重周波数分光計の実施例は、光センサが前記照明シス
テムからの前記狭い光ビームでサンプルに入射する方向
とは異なる方向に沿って前記サンプルにより散乱された
光を受けるように位置づけされることを特徴とする。
An embodiment of a multi-frequency spectrometer according to the invention in which an illumination system is arranged to illuminate a portion of the sample space with a narrow light beam is provided in which a light sensor is provided on the sample with the narrow light beam from the illumination system. It is characterized in that it is positioned to receive the light scattered by the sample along a direction different from the incident direction.

【0010】前記サンプルは、前記サンプルの大きさよ
り実質的に小さい横断断面をもつ相対的に狭い入射ビー
ムにより、選択的に及び局部的に照明される。前記入射
光が前記サンプル内の散乱中心で散乱されるとき、ほと
んどの散乱光は前記入射光に対する散乱角度で前記サン
プルを出る。前記散乱角度は、近似的に前記狭いビーム
の中心光線で散乱された光の角度である、なぜならば、
前記入射光ビームは狭いからである。入射光ビームに対
して真っ直ぐでない角度、即ち前方の伝搬方向に沿わな
い前記光センサの位置づけは、散乱角度の選択された範
囲にわたって前記サンプル内に散乱される光を前記光セ
ンサが遮ることを達成する。前記選択される角度は受容
される特性及び前記光センサの位置づけにより決められ
る。
The sample is selectively and locally illuminated by a relatively narrow incident beam having a cross section substantially smaller than the size of the sample. When the incident light is scattered at scattering centers within the sample, most scattered light exits the sample at a scattering angle with respect to the incident light. The scattering angle is approximately the angle of the light scattered in the central ray of the narrow beam, because
This is because the incident light beam is narrow. Positioning the photosensor at a non-straight angle to the incident light beam, i.e., not along the forward propagation direction, achieves that the photosensor blocks light scattered into the sample over a selected range of scattering angles. To do. The selected angle is determined by the characteristics received and the positioning of the photosensor.

【0011】本発明の目的はまた、前述の目的の高感度
結像分光計を実行するための装置を提供することであ
る。
It is also an object of the present invention to provide an apparatus for implementing the high sensitivity imaging spectrometer of the above object.

【0012】この目的を達成するため、本発明による分
光計の好ましい実施例は、光学システムが共焦点の光学
装置を具備することを特徴とする。
To this end, a preferred embodiment of the spectrometer according to the invention is characterized in that the optical system comprises confocal optics.

【0013】散乱は前記サンプル内で起こるので、照明
されたスポットで前記サンプルに入る光は、当該照明さ
れたスポットの外側の位置から前記サンプルを出るかも
しれない。前記共焦点光学装置は、前記サンプルの表面
又は表面下のはっきりしているサンプル部分を主に照明
し、前記サンプル部分だけからの光が鋭く前記光センサ
上に結像されることを提供する。他の改善は、前記光学
システムが前記サンプルと前記光検出システムとの間に
空間フィルタを具備するということで達成される。当該
空間フィルタは、前記サンプル部分の外側のサンプル部
分を去る光が前記光センサに到着することを妨げるため
に位置づけされる。前記共焦点配置内に、前述のサンプ
ル部分からの光が中間の焦点に集められる。前記共焦点
光学配置内の中間の焦点に位置される簡易ピンホールは
空間フィルタとして機能し、これは照明されたサンプル
部分以外の部分から前記サンプルを去る光が前記光セン
サに到達するということをほとんど完全に避ける。この
ように、前記サンプル上又は内の異なる位置から去る光
間のクロストークは実質的に避けられる。前記ピンホー
ルがより狭く作られるなら、散乱された光が前記光セン
サに達するかもしれない前記サンプル部分の大きさはよ
り小さく作られ、前記分光計の空間解像度は増大され
る。
Light that enters the sample at the illuminated spot may exit the sample from a location outside the illuminated spot because scattering occurs within the sample. The confocal optics primarily illuminate the surface of the sample or a well defined sample portion below the surface, providing that light from only the sample portion is sharply imaged onto the photosensor. Another improvement is achieved in that the optical system comprises a spatial filter between the sample and the photodetection system. The spatial filter is positioned to prevent light leaving the sample portion outside the sample portion from reaching the photosensor. Within the confocal arrangement, the light from the sample portion is collected at an intermediate focus. A simple pinhole located at an intermediate focus in the confocal optical arrangement functions as a spatial filter, which means that light leaving the sample from parts other than the illuminated sample part reaches the photosensor. Avoid almost completely. In this way, crosstalk between light leaving from different locations on or in the sample is substantially avoided. If the pinhole is made narrower, the size of the sample portion where scattered light may reach the photosensor is made smaller and the spatial resolution of the spectrometer is increased.

【0014】本発明による分光計の他の好ましい実施例
は、光学システムが前記サンプルの少なくとも一部に向
かって照明システムから光ビームを掃引させるための掃
引手段を具備することを特徴とする。
Another preferred embodiment of the spectrometer according to the invention is characterized in that the optical system comprises sweeping means for sweeping the light beam from the illumination system towards at least part of the sample.

【0015】前記入射光ビームは前記サンプルの異なる
ポイントに直射される。すなわち、前記入射光ビームは
前記サンプルの表面にわたって掃引される。結果として
掃引の間前記光センサにより続けて捕らえられた光が、
前記サンプル内の様々な散乱中心で散乱された。散乱中
心の違いは各これらにより散乱された光の強度の違いを
生じる。入射の各ポイントに対して、検出信号は前記光
センサにより発生される。検出信号の結果の収集は、前
記サンプルの内部構造の情報を、当該構造が空間配分及
び前記散乱中心の散乱特性を表す限りにおいて含む。信
号処理ユニットは、前記サンプルの内部構造の少なくと
も一部を表す像に対応する像信号を、検出信号の前述の
収集から引き出す。
The incident light beam is directed onto different points of the sample. That is, the incident light beam is swept across the surface of the sample. As a result, the light continuously captured by the photosensor during the sweep is
Scattered at various scattering centers within the sample. Differences in the scattering centers cause differences in the intensity of the light scattered by each of these. For each point of incidence, a detection signal is generated by the photosensor. The collection of the detection signal results includes information on the internal structure of the sample, as long as the structure represents the spatial distribution and the scattering properties of the scattering centers. The signal processing unit derives an image signal corresponding to an image representing at least a part of the internal structure of the sample from said collection of detection signals.

【0016】本発明による多重周波数分光計の他の好ま
しい実施例は、信号処理システムが電子検出信号の周波
数成分からビート信号を引き出すためのミキサを有する
ことを特徴とする。
Another preferred embodiment of the multifrequency spectrometer according to the invention is characterized in that the signal processing system comprises a mixer for deriving the beat signal from the frequency components of the electronic detection signal.

【0017】前記検出信号の周波数成分の相対的振幅
は、散乱の周波数依存及び/又は前記サンプル内の散乱
中心の吸収特性を表す。この周波数依存は例えば材料成
分、前述の散乱中心の形態構造の情報を含む。近接する
変調周波数成分の前記ビート信号の振幅は、前記光源か
らの前記光の中心周波数を越える平均変調周波数である
周波数での前記サンプル内での散乱及び/又は吸収と、
前述の中心周波数以下の平均変調周波数である周波数で
の散乱及び/又は吸収との間の差を表す。当該ビート信
号は、前記検出信号のそれぞれの周波数成分の周波数の
差である周波数をもつ。結果として、前記ビート信号は
前記検出信号自身に含まれる周波数より低いか、又はも
っと低くさえある周波数をもつ。したがって、前記ビー
ト信号は好ましくは他の信号処理のための入力として採
用される。なぜならば、複雑な及び高価な高周波数信号
処理回路を要求しないからである。
The relative amplitudes of the frequency components of the detection signal represent the frequency dependence of the scatter and / or the absorption properties of scatter centers in the sample. This frequency dependence includes, for example, information on the material composition and the morphological structure of the scattering center described above. The amplitudes of the beat signals of adjacent modulation frequency components are scattered and / or absorbed within the sample at a frequency that is the average modulation frequency above the center frequency of the light from the light source,
It represents the difference between scattering and / or absorption at a frequency that is the average modulation frequency below the aforementioned center frequency. The beat signal has a frequency that is the difference between the frequencies of the respective frequency components of the detection signal. As a result, the beat signal has a frequency that is lower or even lower than the frequency contained in the detection signal itself. Therefore, the beat signal is preferably taken as an input for other signal processing. This is because it does not require a complicated and expensive high frequency signal processing circuit.

【0018】本発明による多重周波数分光計の他の好ま
しい実施例は、光源が半導体レーザーであることを特徴
とする。
Another preferred embodiment of the multi-frequency spectrometer according to the invention is characterized in that the light source is a semiconductor laser.

【0019】多重周波数分光計内の光源として半導体レ
ーザーの選択は、前記半導体レーザーダイオードの活性
層を通過する注入電流の変調により周波数変調されるこ
とができるという利点をもつ。前記半導体レーザーの前
記注入電流の変調は、前記半導体レーザーの前記活性層
の屈折率の変調を生じさせる。結果として、前記半導体
レーザーの出力光は電流変調の変調周波数で周波数変調
される。さらにまた、半導体レーザーダイオードはとて
も小さい大きさなので、半導体レーザー光源の選択はコ
ンパクトな多重周波数分光計のデザインを付加する。
The choice of semiconductor laser as the light source in a multi-frequency spectrometer has the advantage that it can be frequency-modulated by modulation of the injection current passing through the active layer of the semiconductor laser diode. Modulation of the injected current of the semiconductor laser causes modulation of the refractive index of the active layer of the semiconductor laser. As a result, the output light of the semiconductor laser is frequency-modulated at the modulation frequency of current modulation. Furthermore, because semiconductor laser diodes are so small in size, the choice of semiconductor laser source adds to the design of a compact multi-frequency spectrometer.

【0020】光源により発生された光に作用して少なく
とも二つの周波数をもつ光を発生するための光学変調器
を有する照明システムを含む本発明による多重周波数分
光計の他の好ましい実施例は、前記光学変調器が周波数
変調器であることを特徴とする。
Another preferred embodiment of a multi-frequency spectrometer according to the invention comprising an illumination system having an optical modulator for acting on the light generated by a light source to generate light having at least two frequencies is described above. The optical modulator is a frequency modulator.

【0021】前記光源の多重周波数変調の当該使用は、
ビート信号が位相ノイズを実質的にもたないという利点
をもつ。特に二多重周波数伝達変調の分光法のために、
これは「Frequency Modulation (FM) Spectroscopy」G.
C.Bjorklund著 Applied Phy-sics B42(1983
年)145頁から152頁の論文により知られている。
二多重周波数分光計から得られるビート信号はほとんど
位相ノイズをもたないので、これらのビート信号は高い
S/N比をもつ像信号を形成するための信号処理ユニッ
トへの入力として適している。好ましくは、光源からの
光の周波数帯、すなわち当該光源の線幅は、前記光源の
変調周波数と前記光源の中心搬送周波数の帯の線幅内の
周波数との間の干渉を避けるため変調周波数より小さ
い。
The use of multi-frequency modulation of the light source is
It has the advantage that the beat signal has substantially no phase noise. Especially for dual multiple frequency transfer modulation spectroscopy,
This is `` Frequency Modulation (FM) Spectroscopy '' G.
Applied Phy-sics B42 (1983) by C. Bjorklund
Year) known from the papers 145 to 152.
Since the beat signals obtained from the two-multiple frequency spectrometer have almost no phase noise, these beat signals are suitable as an input to a signal processing unit for forming an image signal having a high S / N ratio. . Preferably, the frequency band of the light from the light source, that is, the line width of the light source is more than the modulation frequency in order to avoid interference between the modulation frequency of the light source and the frequency within the line width of the center carrier frequency band of the light source. small.

【0022】本発明による多重周波数分光計の他の好ま
しい実施例は、周波数変調器が光源により発生された光
の位相を変調するために配された光学位相変調器を有す
ることを特徴とする。当該変調装置は、光学的にとても
高い周波数(VHF)位相変調器を有する。この実施例
において、光源は連続モードで操作され、例えば1又は
数MHz帯域の狭い周波数帯での光を射出する。当該V
HF位相変調器及び例えば十又は数十MHzのRF周波
数で操作する低周波数(LF)周波数変調器を経由し
て、前記光源からの光は例えば300GHz±10MH
zの周波数での変調側波帯をもつ二多重周波数変調され
た光へ変換される。
Another preferred embodiment of the multi-frequency spectrometer according to the invention is characterized in that the frequency modulator comprises an optical phase modulator arranged to modulate the phase of the light generated by the light source. The modulator has an optically very high frequency (VHF) phase modulator. In this embodiment, the light source is operated in continuous mode, emitting light in a narrow frequency band, for example in the 1 or a few MHz band. The V
The light from the light source is, for example, 300 GHz ± 10 MH via an HF phase modulator and a low frequency (LF) frequency modulator operating at an RF frequency of, for example, tens or tens of MHz.
It is converted into two-multiplex frequency modulated light with modulation sidebands at the frequency of z.

【0023】前記VHF光位相変調器は、前記光源から
の光が通過することを許容するように配されたストレッ
チのファイバを有する。例えばデュアルの周波数ファイ
バレーザーを含む、高い周波数光振幅変調器は、振幅変
調された光でストレッチのファイバをポンプする。この
ような高い周波数光振幅変調器は、例えば前記デュアル
の周波数ファイバレーザーにより供給された二つの光学
的周波数のビートとして振幅変調を形成するデュアルの
周波数ファイバレーザーとして構成される。デュアルの
周波数ファイバレーザーは、「Dual frequency all fi
bre gratinglaser source」S.V.Chernikov著 Electro
nics Letters 29(1993年)1089頁、109
0頁の記事から知られている。振幅変調されたポンプ光
はストレッチのファイバの屈折率の変調を生ずる。これ
により、前記光源からの光は前記高い周波数光変調器の
変調周波数で位相変調され、当該ストレッチのファイバ
を去る光は前記高い周波数光変調器の変調周波数で周波
数変調される。VHF光位相変調器は、数百GHzで操
作する高い周波数光変調器を前記ストレッチのファイバ
へ結合することにより形成される。
The VHF optical phase modulator has a stretch of fiber arranged to allow light from the light source to pass through. High frequency optical amplitude modulators, including, for example, dual frequency fiber lasers, pump stretch fibers with amplitude modulated light. Such a high frequency optical amplitude modulator is configured, for example, as a dual frequency fiber laser which forms an amplitude modulation as the beat of two optical frequencies supplied by said dual frequency fiber laser. Dual frequency fiber lasers are
bre grating laser source ”Electro by SVC Hernikov
nics Letters 29 (1993) 1089, 109
Known from page 0 article. The amplitude-modulated pump light causes a modulation of the refractive index of the stretch fiber. Thereby, the light from the light source is phase-modulated at the modulation frequency of the high-frequency light modulator, and the light leaving the fiber of the stretch is frequency-modulated at the modulation frequency of the high-frequency light modulator. A VHF optical phase modulator is formed by coupling a high frequency optical modulator operating at several hundred GHz into the fiber of the stretch.

【0024】前記LF周波数変調器は好ましくは電子−
光学変調器である。例えば十又は数十MHzの周波数を
もって前記電子−光学変調器に供給される交流電圧は、
前記電子−光学変調器を通過する光であり、交流電圧の
周波数で周波数変調されるべき光を生じさせる。前記光
源からの光は、VHF及びLF光変調器により例えば3
00GHz±10MHzで変調側波帯をもつ二多重周波
数変調された光に変換される。
The LF frequency modulator is preferably electronic.
It is an optical modulator. For example, the alternating voltage supplied to the electro-optical modulator with a frequency of tens or tens of MHz is
The light that passes through the electro-optical modulator produces light that is frequency modulated at the frequency of the alternating voltage. The light from the light source is, for example, 3 by a VHF and LF light modulator.
The light is converted into light that is frequency-division-multiplexed with modulation sidebands at 00 GHz ± 10 MHz.

【0025】他の選択として、当該光源は十又は数十M
Hzの相対的に低い周波数で周波数変調され、前記VH
F光位相変調器は前記光源により作られる低い周波数変
調光にとても高い周波数変調を実行する。前記VHF光
位相変調器による屈折率変調の結果として、数百GHz
の領域、例えば300GHz±10MHzでの変調側波
帯をもつ二多重周波数変調された光は、第2の光学位相
変調器により発生される。
As another option, the light source is tens or tens of M
Frequency modulated at a relatively low frequency of
The F optical phase modulator performs very high frequency modulation on the low frequency modulated light produced by the light source. As a result of the refractive index modulation by the VHF optical phase modulator, several hundred GHz is obtained.
The dual-multiplex frequency-modulated light having the modulation sidebands in the region of, for example, 300 GHz ± 10 MHz is generated by the second optical phase modulator.

【0026】数百GHzのとても高い周波数での変調側
波帯を生じさせる前記光位相変調器の取り込みは、特に
医学画像のために設計された二多重周波数分光計におい
て好ましい。医学画像で人物又は動物の組織の散乱の分
光計は採用される。人物又は動物の組織は多くの液体部
を含むので、組織の吸収帯は数百GHzから数THzの
範囲の周波数帯をもつ典型的な液体の吸収帯である。こ
れらの吸収帯の効率的検出は、入射二多重周波数光の変
調周波数が吸収幅と同じ程度の大きさであるとき達成さ
れる。もしより低い周波数が使われたならば、検出はま
だ可能であるが、前記分光計の感度はそのとき減少する
だろう。
The incorporation of the optical phase modulator to produce modulation sidebands at very high frequencies of a few hundred GHz is preferred in a dual multifrequency spectrometer designed especially for medical imaging. A spectrometer for scattering of human or animal tissue in medical images is employed. Since human or animal tissue contains many liquid parts, the tissue absorption band is a typical liquid absorption band with a frequency band in the range of several hundred GHz to several THz. Efficient detection of these absorption bands is achieved when the modulation frequency of the incident bi-multiple frequency light is as large as the absorption width. If lower frequencies were used, detection would still be possible, but the sensitivity of the spectrometer would then be reduced.

【0027】本発明のこれら及び他のことは、これから
図を参照して述べられる実施例から明らかとなるであろ
う。
These and other aspects of the invention will be apparent from the embodiments described with reference to the figures.

【0028】[0028]

【実施例】図1は本発明による分光計の図を示す。光源
は例えば温度制御器2により温度が安定化されている半
導体レーザー1である。実際、当該温度制御器はペルチ
ェ効果的要素により形成され、前記半導体レーザーがそ
こへ搭載される。電流は電流源3により前記半導体レー
ザーへ注入される。前記半導体レーザーは、好ましくは
人物の組織に適当に入り込めるように750から850
nmの範囲の波長をもつ赤外光を射出する半導体レーザ
ーである。GaAs/AlGaAs半導体レーザーは、
例えばこの目的によく適している。780nmの波長は
特に人物又は動物の組織を調べるのに好ましく、なぜな
らば780nmでは水及び組織内の散乱による光の吸収
は低いからである。より長い波長でサンプルを出る光の
強度はより低くなり、なぜならば水のため吸収はより強
くなるからであり、より短い波長で前記サンプル内の散
乱はとても強くなり、なぜならばほとんどの光が前記サ
ンプルを離れられなくなるからである。
1 shows a diagram of a spectrometer according to the invention. The light source is, for example, the semiconductor laser 1 whose temperature is stabilized by the temperature controller 2. In fact, the temperature controller is formed by a Peltier-effect element, on which the semiconductor laser is mounted. A current is injected by the current source 3 into the semiconductor laser. The semiconductor laser is preferably 750 to 850 so that it can properly penetrate human tissue.
It is a semiconductor laser that emits infrared light having a wavelength in the range of nm. GaAs / AlGaAs semiconductor lasers
For example, it is well suited for this purpose. The wavelength of 780 nm is particularly preferred for studying human or animal tissues, because at 780 nm the absorption of light due to scattering in water and tissues is low. At longer wavelengths, the light exiting the sample will be less intense because the absorption will be stronger due to water, and at shorter wavelengths the scattering in the sample will be much stronger because most of the light will be This is because the sample cannot be removed.

【0029】前記半導体レーザー出力のFM変調は前記
注入電流の二多重周波数変調により成し遂げられる。こ
の目的のため、二多重周波数変調器4は、前記電流源3
と結合されている。前記二多重周波数変調器4は、1G
Hzで操作するRF発生器6及び10MHzで操作する
信号発生器7をミキサ5と結合して組み立てられてい
る。前記ミキサの信号の高い周波数成分は1GHz±1
0MHzの二つの近接するRF周波数を前記電流源3へ
供給するハイパスフィルタ8により選択されるので、前
記注入電流はこれらの二つの近接するRF周波数で変調
される。光源1、温度制御器2、電流源3及び前記二多
重周波数変調器4は照明システムを形成する。前記半導
体レーザーにより供給された光ビーム32はミラー12
を介してレンズ11によりサンプル10上にフォーカス
されるので、前記サンプルの小さなスポットが照明され
る。
FM modulation of the semiconductor laser output is accomplished by double-multiple frequency modulation of the injection current. For this purpose, the two-multiplex frequency modulator 4 comprises the current source 3
Is combined with The dual frequency modulator 4 is 1G
It is assembled by combining an RF generator 6 operating at Hz and a signal generator 7 operating at 10 MHz with a mixer 5. The high frequency component of the mixer signal is 1 GHz ± 1
The injection current is modulated at these two adjacent RF frequencies because it is selected by a high pass filter 8 which supplies two adjacent RF frequencies of 0 MHz to the current source 3. The light source 1, the temperature controller 2, the current source 3 and the dual frequency modulator 4 form an illumination system. The light beam 32 supplied by the semiconductor laser is the mirror 12
Is focused on the sample 10 by the lens 11 via, so that a small spot of the sample is illuminated.

【0030】例えば、前記サンプルはガンの存在を調べ
るべき女性の胸部であってもよい。本発明による分光計
はまた画像を見ながらの外科手術を実行するように用い
られてもよく、これは外科治療の間外科用器具と共に組
織を結像させるということである。前記サンプルに入射
する光は前記サンプルの表面及び下で散乱される。前記
サンプル内部から散乱される光の総量は、当該光が前記
サンプルに入り込む深さに依存する。前記入り込む深さ
は前記サンプルの材料特性及び前記入射光の波長に依存
する。前記ミラー12は好ましくは回転可能であり、前
記サンプルに入射する光ビームでのスポット13は前記
サンプル10の表面にわたってスキャンされ、したがっ
て前記ミラー12は掃引手段として機能する。
For example, the sample may be a female breast to be examined for the presence of cancer. The spectrometer according to the invention may also be used to perform image-seeking surgery, which is to image tissue with surgical instruments during a surgical procedure. Light incident on the sample is scattered on and under the surface of the sample. The total amount of light scattered from inside the sample depends on the depth at which the light enters the sample. The depth of penetration depends on the material properties of the sample and the wavelength of the incident light. The mirror 12 is preferably rotatable and the spot 13 of the light beam incident on the sample is scanned over the surface of the sample 10 so that the mirror 12 acts as a sweeping means.

【0031】図1の分光計において、半導体レーザー1
の波長範囲内の赤外光に感度のある光センサ20が、後
方散乱方向に顕著に散乱される光を遮るようにセットア
ップされる。前記光センサは例えば前記遮られた光を電
子検出信号に変換するフォトダイオード又はフォトマル
チプライアである。(前記光源1により発生された)当
該光は二多重周波数変調され、前記サンプル内での当該
散乱は周波数に依存するので、前記散乱光の光強度は前
記二多重周波数変調光の変調周波数の周りの周波数に合
わせて変化する。したがって、前記電子検出信号はフー
リエ変換で異なる振幅をもつ数個の側波帯を含む。前記
電子検出信号からビート信号は前記電子検出信号の前記
側波帯の振幅の差を表して形成される。この目的のた
め、前記電子検出信号は他の処理工程が実行される前に
この信号振幅を強調するためにプリアンプ27により増
幅され、当該信号振幅のいくつかはなくなるかもしれな
い。前記電子検出信号の数MHzまでの周波数をもつ低
い周波数成分は、ローパスフィルタ21へ前記電子検出
信号を印可することにより保持される。前記低い周波数
成分は、前記二多重周波数変調入射光の二つの周波数間
の差に等しい周波数での遅い時間的な変化に関係する。
前記ローパスフィルタは、10MHzの1又は2、3倍
の、例えば30MHzでのカットオフ周波数をもつの
で、前記変調側波帯の周波数の差に等しい周波数をもつ
前記電子検出信号の成分だけが前記ローパスフィルタ2
1を通過する。このように、1GHz±10MHzでの
変調側波帯の周波数をもつ前記電子検出信号の成分は、
前記ローパスフィルタ21により除去される。前記ロー
パスフィルタ21からの低い周波数成分は増幅器22で
増幅される。信号発生器7の10MHz信号は、20M
Hz振動信号を供給する周波数倍増器23で周波数倍増
される。前記電子検出信号の増幅された低い周波数成分
及び前記振動信号は、当該振動信号に対して前記増幅さ
れた低い周波数成分をビートする信号ミキサ24でミッ
クスされる。したがって、前記信号ミキサ24は、前記
二多重周波数変調入射光ビームの周波数成分に対する前
記サンプル10の散乱特性間の差に依存する振幅をも
ち、20MHzの周りのRF周波数の周波数帯域をもつ
低い周波数ビート信号を形成する。前記低い周波数ビー
ト信号は、例えば前記増幅器22及び前記プリアンプ2
7によりできた電子ノイズのために拡がった周波数にな
るかもしれない。このノイズを除去するため、前記低い
周波数ビート信号はほんの数kHzのカットオフ周波数
をもつローパスフィルタ28に供給される。前記ローパ
スフィルタ28は前記低い周波数ビート信号のDC成分
を表すモニタ信号を形成する。
In the spectrometer of FIG. 1, the semiconductor laser 1
An optical sensor 20 sensitive to infrared light in the wavelength range of 10 is set up to block light that is significantly scattered in the backscattering direction. The optical sensor is, for example, a photodiode or a photomultiplier that converts the blocked light into an electronic detection signal. Since the light (generated by the light source 1) is dual-frequency modulated and the scattering in the sample is frequency dependent, the light intensity of the scattered light is the modulation frequency of the dual-frequency modulated light. It changes according to the frequency around. Therefore, the electronic detection signal contains several sidebands with different amplitudes in the Fourier transform. The beat signal from the electronic detection signal is formed to represent a difference in amplitude of the sidebands of the electronic detection signal. For this purpose, the electronic detection signal may be amplified by a preamplifier 27 to emphasize this signal amplitude before other processing steps are carried out, some of which may be lost. A low frequency component having a frequency up to several MHz of the electron detection signal is held by applying the electron detection signal to the low pass filter 21. The low frequency component is associated with a slow temporal change at a frequency equal to the difference between the two frequencies of the two multi-frequency modulated incident light.
Since the low-pass filter has a cut-off frequency at 1 or a few times 10 MHz, for example at 30 MHz, only the component of the electronic detection signal having a frequency equal to the difference in the frequencies of the modulation sidebands. Filter 2
Pass 1. Thus, the component of the electronic detection signal having the frequency of the modulation sideband at 1 GHz ± 10 MHz is
It is removed by the low pass filter 21. The low frequency component from the low pass filter 21 is amplified by the amplifier 22. The 10 MHz signal of the signal generator 7 is 20M
The frequency is doubled by the frequency doubler 23 which supplies the Hz vibration signal. The amplified low frequency component of the electronic detection signal and the vibration signal are mixed by a signal mixer 24 that beats the amplified low frequency component with respect to the vibration signal. Therefore, the signal mixer 24 has an amplitude that depends on the difference between the scattering properties of the sample 10 with respect to the frequency components of the two-multiplex frequency modulated incident light beam, and has a low frequency with a frequency band of the RF frequency around 20 MHz. Form the beat signal. The low frequency beat signal is, for example, the amplifier 22 and the preamplifier 2
There may be spread frequencies due to electronic noise created by 7. To remove this noise, the low frequency beat signal is fed to a low pass filter 28 having a cutoff frequency of only a few kHz. The low pass filter 28 forms a monitor signal representing the DC component of the low frequency beat signal.

【0032】光検出装置25は光センサ20を含み、さ
らに前記ローパスフィルタ21、前記増幅器22、前記
周波数倍増器23及び前記信号ミキサ24の組み合わせ
を有する。前記光検出装置25は前記サンプル10内で
散乱された光を検出し、前記モニタ信号を信号処理ユニ
ット26へ供給する。前記光センサから前記電子検出信
号を処理するように配された信号処理システムは、前記
プリアンプ27、前記ローパスフィルタ21、前記増幅
器22、前記周波数倍増器23をもつ前記ミキサ24及
びローパスフィルタ28を有する。
The photo-detecting device 25 includes a photo-sensor 20, and further has a combination of the low-pass filter 21, the amplifier 22, the frequency doubler 23 and the signal mixer 24. The light detection device 25 detects the light scattered in the sample 10 and supplies the monitor signal to the signal processing unit 26. A signal processing system arranged to process the electronic detection signal from the optical sensor comprises the preamplifier 27, the lowpass filter 21, the amplifier 22, the mixer 24 with the frequency doubler 23 and a lowpass filter 28. .

【0033】前記サンプル10から出る散乱光の一部分
であり狭い範囲の散乱角度をもって前記光センサにより
捕らえられた光は、開口30により選択される。当該開
口30は、前記入射光ビームの中心光線からθの周りの
狭い範囲の角度をもつ伝搬方向で、前記サンプル10か
らの光を通過することを許容する円形スリット穴をも
つ。狭いビーム32の光で前記サンプル10が照らされ
るので、前記開口30を通過する光は散乱角度の狭い範
囲に対応する。さらに、前記開口30は偏向角φに関係
なく光を通過することを許容するために好ましくは円形
である。したがって、前記光センサ20により集められ
た光の強度は、最大の明るさ強度を集めるために前記偏
向角φに対して2πの範囲にわたって積分される。前記
開口30を通過した光は、前記光センサ20への光をフ
ォーカスするレンズ33により集められる。すなわち、
レンズ11及び33は前記サンプルを介して前記照明シ
ステムの出力面を前記光センサ上に結像する光学システ
ムを形成する。前記開口30は、前記光センサ20によ
り集められた光の散乱角度の前記狭い範囲を変化させる
ために好ましくは可変である。特にこれは機械的に前記
円形穴31を調整することにより達成される。
The portion of the scattered light emitted from the sample 10 which is captured by the photosensor with a narrow range of scattering angles is selected by the aperture 30. The aperture 30 has a circular slit hole that allows light from the sample 10 to pass in propagation directions having a narrow range of angles around θ from the center ray of the incident light beam. Since the light of the narrow beam 32 illuminates the sample 10, the light passing through the aperture 30 corresponds to a narrow range of scattering angles. Further, the aperture 30 is preferably circular to allow light to pass through regardless of the deflection angle φ. Therefore, the intensity of light collected by the photosensor 20 is integrated over a range of 2π with respect to the deflection angle φ to collect maximum brightness intensity. The light that has passed through the opening 30 is collected by a lens 33 that focuses the light to the photosensor 20. That is,
Lenses 11 and 33 form an optical system that images the output surface of the illumination system onto the photosensor through the sample. The aperture 30 is preferably variable to change the narrow range of scattering angles of the light collected by the photosensor 20. In particular this is achieved by mechanically adjusting the circular hole 31.

【0034】図2は本発明による分光計の他の実施例の
図を示す。半導体レーザー1はCWモードで当該半導体
レーザーを駆動するDC電流源3により駆動される。前
記半導体レーザー1を出る光は光ファイバ40に結合さ
れる。とても高い光周波数(VHF)変調器41及び低
い光周波数変調器42はそれぞれ前記光ファイバ40に
結合される。前記VHF光変調器41は好ましくはとて
も高い周波数(VHF)位相変調器41であり、数百G
Hz、例えば300GHzのとても高い変調周波数でレ
ーザー光の位相変調を実行するので、前記VHF光変調
器41は数百GHzの変調周波数で周波数変調をもつ高
い周波数のFM変調された光を作る。低い周波数(L
F)の周波数変調器42は十又は数十MHzのRF周波
数で、例えば10MHzで、前記高い周波数変調光への
低い周波数変調を実行する。したがって、前記LF周波
数変調器42は例えば300GHz±10MHzの変調
周波数をもつ二多重周波数変調された光を供給する。当
該二多重周波数変調された光は前に図1を参照に述べら
れたように、サンプル空間に入射をなし、前記サンプル
空間内で散乱された光はまた図1を参照して前に述べら
れたように検出される。
FIG. 2 shows a diagram of another embodiment of the spectrometer according to the invention. The semiconductor laser 1 is driven by a DC current source 3 that drives the semiconductor laser in the CW mode. The light exiting the semiconductor laser 1 is coupled into an optical fiber 40. A very high optical frequency (VHF) modulator 41 and a low optical frequency modulator 42 are each coupled to the optical fiber 40. The VHF optical modulator 41 is preferably a very high frequency (VHF) phase modulator 41, which may be several hundred G
Since the phase modulation of the laser light is performed at a very high modulation frequency of Hz, eg 300 GHz, the VHF light modulator 41 produces high frequency FM modulated light with frequency modulation at a modulation frequency of a few hundred GHz. Low frequency (L
The frequency modulator 42 of F) performs low frequency modulation to the high frequency modulated light at an RF frequency of tens or tens of MHz, for example, 10 MHz. Therefore, the LF frequency modulator 42 supplies the two-multiplex frequency modulated light having a modulation frequency of, for example, 300 GHz ± 10 MHz. The two multi-frequency modulated light is incident on the sample space as described above with reference to FIG. 1, and the light scattered in the sample space is also described above with reference to FIG. Detected.

【0035】前記VHF光位相変調器41は、数百GH
zの変調周波数で振幅変調された光を供給する高い周波
数光振幅変調器43を有する。このような高い周波数光
振幅変調器は、例えば周波数倍増ファイバレーザーによ
り供給される二つの光学的周波数のビートとして振幅変
調を形成するデュアルの周波数ファイバレーザーとして
構成される。デュアルの周波数ファイバレーザーの詳細
は、「Dual frequencyall fibre grating laser sourc
e」S.V.Chernikov著 Electronics Letters29(199
3年)の1089及び1090頁の論文により開示され
ている。
The VHF optical phase modulator 41 has several hundred GH.
It has a high frequency optical amplitude modulator 43 which supplies light which is amplitude modulated at the modulation frequency of z. Such high frequency optical amplitude modulators are configured, for example, as dual frequency fiber lasers which form the amplitude modulation as two optical frequency beats supplied by a frequency doubled fiber laser. For more information on dual frequency fiber lasers, see Dual frequency all fiber grating laser source.
e ”SVC Hernikov Electronics Letters 29 (199
3), pages 1089 and 1090.

【0036】前記振幅変調された光は光カプラ44によ
りファイバ40に結合される。前記振幅変調された光は
前記高い周波数光変調器43により供給された変調周波
数で変化する前記ファイバ40の屈折率を生じる。当該
屈折率変化は非線形電子光学結合の結果である。いいか
えれば、ファイバ材料の屈折率は前記ファイバへ結合さ
れる振幅変調された光と協同して電界の振幅度に依存す
る。変化する屈折率により、前記半導体レーザーからの
入射光の位相は前記高い周波数光変調器の変調周波数で
変調される。したがって、前記光カプラ44は光位相変
調器として機能する。結果として前記VHF光位相変調
器41の光は、当該光の中心光周波数から例えば300
GHzで変調側波帯をもつ高い周波数変調された光を供
給する。
The amplitude-modulated light is coupled into the fiber 40 by the optical coupler 44. The amplitude modulated light produces a refractive index of the fiber 40 which varies with the modulation frequency provided by the high frequency light modulator 43. The refractive index change is a result of non-linear electro-optic coupling. In other words, the index of refraction of the fiber material depends on the amplitude of the electric field in cooperation with the amplitude modulated light coupled into the fiber. Due to the varying refractive index, the phase of the incident light from the semiconductor laser is modulated at the modulation frequency of the high frequency light modulator. Therefore, the optical coupler 44 functions as an optical phase modulator. As a result, the light of the VHF optical phase modulator 41 is, for example, 300 from the center optical frequency of the light.
Provides high frequency modulated light with modulation sidebands at GHz.

【0037】前記高い周波数変調された光は、次にミラ
ー12を介してレンズ11により前記サンプル10にフ
ォーカスされる二多重周波数変調された出力光を発生す
るLF周波数変調器42へ供給される。前記LF周波数
変調器42は、十又は数十MHz例えば10MHzの周
波数で交流電圧を供給する電子−光学液晶46を含む電
子−光学変調器45を有する。当該交流電圧はAC源4
7により発生され、当該交流電圧の周波数での前記電子
−光学液晶46の屈折率の変調を生じさせる。前記電子
−光学液晶46の屈折率変調により、前記VHF光変調
器から前記高い周波数変調された光が十又は数十MHz
の周波数をともなって再び変調され、結果として前記V
HF光位相変調器41により供給された前記高い周波数
変調された光が例えば300GHz±10MHzの変調
側波帯をもつ二多重周波数変調された光に変換される。
好ましくは、前記半導体レーザーの線幅は前記二多重周
波数変調された光の変調周波数より低い。前記二多重周
波数変調周波数がともに近いとき、例えば20MHzの
複雑でも高価でもない高周波数の信号処理回路が必要と
される。しかしながら、光センサ及び約100MHzの
信号を処理するための信号処理回路は今日一般的に商業
的に使われるので、変調側波帯は100MHzまで離れ
てもよい。
The high frequency modulated light is then fed through a mirror 12 to an LF frequency modulator 42 which produces a double multiplexed frequency modulated output light which is focused on the sample 10 by a lens 11. . The LF frequency modulator 42 has an electro-optical modulator 45 including an electro-optical liquid crystal 46 that supplies an alternating voltage at a frequency of tens or tens of MHz, for example 10 MHz. The AC voltage is AC source 4
7 produces a modulation of the refractive index of the electro-optical liquid crystal 46 at the frequency of the alternating voltage. Due to the refractive index modulation of the electro-optical liquid crystal 46, the high frequency modulated light from the VHF light modulator is tens or tens of MHz.
Is modulated again with the frequency of
The high frequency modulated light supplied by the HF optical phase modulator 41 is converted into double multiplexed frequency modulated light having a modulation sideband of 300 GHz ± 10 MHz, for example.
Preferably, the line width of the semiconductor laser is lower than the modulation frequency of the two-multiple frequency modulated light. When the two multiplex frequency modulation frequencies are close together, a high frequency signal processing circuit of, for example, 20 MHz which is neither complicated nor expensive is required. However, because optical sensors and signal processing circuits for processing signals at approximately 100 MHz are commonly used today, modulation sidebands may be separated by up to 100 MHz.

【0038】高い周波数光振幅変調器43からの振幅変
調された光が前記サンプル10に到着することを避ける
ために、光学フィルタ48はレンズ11の前に置かれ
る。好ましくは、前記高い周波数振幅変調器43からの
振幅変調された光が前記二多重周波数変調された光の波
長と感知されるぐらい異なる波長をもち、前記光フィル
タ48の伝達特性が、二多重周波数変調される前記光源
1からの光を通過させ、しかし高い周波数光振幅変調器
により作られた振幅変調され及び前記光カプラ44での
屈折率変調を生じるようになされる光をブロックするこ
とを許容するように設けられている。他の選択として、
前記光フィルタ48は、前記二多重周波数変調された光
の波長がダイクロイックミラーの伝搬範囲にあり、一方
前記高い周波数光振幅変調器43から振幅変調された光
の波長が前記ダイクロイックミラーの反射範囲内である
ように配されるダイクロイックミラーにより形成されて
もよく、したがって、前記振幅変調された光は前記サン
プル10に達しない。
An optical filter 48 is placed in front of the lens 11 to prevent the amplitude-modulated light from the high frequency optical amplitude modulator 43 from reaching the sample 10. Preferably, the amplitude-modulated light from the high-frequency amplitude modulator 43 has a wavelength that is appreciably different from the wavelength of the two-multiplex frequency-modulated light, and the transfer characteristics of the optical filter 48 are two or more. Blocking the light from the light source 1 that is double frequency modulated, but blocking the light produced by the high frequency optical amplitude modulator and causing the index modulation in the optical coupler 44. It is provided to allow. As another choice,
In the optical filter 48, the wavelength of the two-multiplexed frequency modulated light is in the propagation range of the dichroic mirror, while the wavelength of the light modulated in amplitude from the high frequency optical amplitude modulator 43 is the reflection range of the dichroic mirror. It may be formed by a dichroic mirror arranged as in, so that the amplitude modulated light does not reach the sample 10.

【0039】図3は本発明による分光計のさらに他の実
施例を示した図である。光源1から光ビーム32aがコ
リメータレンズ15により平行ビーム32bに形成され
る。次に、前記光源1からの光が、収束ビーム32cに
より照明されるサンプルの小さな部分14上に、レンズ
11によりフォーカスされる。前述の小さい部分はレン
ズ11の焦点距離に等しいレンズ11からの光路長に位
置される。前記収束ビーム32cの光が集中される前記
サンプルの小さい部分は、二つの矢16に沿って移動可
能なレンズ11の位置を選ぶことにより選択される。前
記小さいサンプル部分14から前記サンプルを去り、円
形スリット穴31を通過する散乱光は、収集レンズ33
により平行ビーム34に形成される。前記レンズ11が
前記小さいサンプル部分上に入射光を集めるように位置
されるので、前記小さいサンプル部分14の周りの領域
は結局ほんの弱く照らされるだけである。前記収集レン
ズ33の後方に焦点レンズ35は、入射平行ビーム34
をピンホール絞り36上にフォーカスするように位置さ
れる。前記小さいサンプル部分14を去る光だけが前記
ピンホール絞り36を通過してもよく、前記小さいサン
プル部分14の外側から生じ、それにもかかわらず、前
記焦点レンズ35を通過した光は前記平行ビーム34と
は異なる伝搬方向をもって前記ピンホールの外側にフォ
ーカスされ、前記ピンホール絞り36によりブロックさ
れるだろう。前記ピンホール絞り36を通過した光は前
記小さいサンプル部分14だけから生じ、当該部分だけ
の散乱情報を含み、前記光センサ20の光感度面にフォ
ーカスするべき他のレンズ37により集められる。なぜ
ならば、前記小さいサンプル部分14だけがレンズ33
の焦点にあり、この部分だけが前記小さいサンプル部分
14の周りの領域からの光をほとんど受けない前記ピン
ホール絞り36上にシャープに結像されるからである。
前記レンズ11及び33は前記光学システムに組み込ま
れ、これらの共通の焦点で前記小さいサンプル部分14
をもつ共焦配置を形成する。図3による実施例におい
て、前記サンプル10を介して前記照明システムの出力
面を前記光センサ20上に結像するための前記光学シス
テムは、前記レンズ11、33またレンズ15、36、
37及び前記ピンホール絞り36を含む。前記サンプル
に関してレンズ11及び33の位置を調整することによ
り、前記小さいサンプル部分の位置は可変され、当該位
置から散乱光は前記光センサに集められる。結果とし
て、前記回転ミラー12と一緒に位置可変レンズ11及
び33は、前記サンプルにわたって光ビームを掃引する
ように配され、このように掃引手段の中に含まれる。し
たがって、レンズ33は二つの矢38により示されるよ
うに位置可変であるので、前記小さいサンプル部分14
はレンズ33の焦点距離に等しい前記レンズ33からの
距離にある。前記小さいサンプル部分の周りの領域から
のクロストークは空間フィルタとして動作する前記ピン
ホール絞り36によりさらに減らされる。
FIG. 3 is a view showing still another embodiment of the spectrometer according to the present invention. The light beam 32a from the light source 1 is formed into a parallel beam 32b by the collimator lens 15. The light from the light source 1 is then focused by the lens 11 onto a small portion 14 of the sample illuminated by the convergent beam 32c. The aforementioned small portion is located at the optical path length from the lens 11 equal to the focal length of the lens 11. The small portion of the sample where the light of the convergent beam 32c is focused is selected by choosing the position of the lens 11 movable along the two arrows 16. The scattered light leaving the sample from the small sample portion 14 and passing through the circular slit hole 31 is collected by the collecting lens 33.
To form a parallel beam 34. Since the lens 11 is positioned to collect the incident light on the small sample portion, the area around the small sample portion 14 is eventually only weakly illuminated. Behind said collecting lens 33, a focusing lens 35 is provided with an incident parallel beam 34
Is positioned so as to focus on the pinhole diaphragm 36. Only light leaving the small sample portion 14 may pass through the pinhole stop 36, originating from outside the small sample portion 14 and nevertheless passing through the focusing lens 35, the parallel beam 34. It will be focused outside the pinhole with a different propagation direction than and blocked by the pinhole diaphragm 36. Light passing through the pinhole diaphragm 36 originates only from the small sample portion 14 and contains scattering information for that portion only and is collected by another lens 37 to be focused on the light sensitive surface of the photosensor 20. Because only the small sample portion 14 is the lens 33.
, Which is sharply imaged on the pinhole diaphragm 36, which receives little light from the area around the small sample portion 14 and is at the focal point.
The lenses 11 and 33 are incorporated into the optical system and at their common focus the small sample portion 14
Form a confocal arrangement with. In the embodiment according to FIG. 3, the optical system for imaging the output surface of the illumination system through the sample 10 onto the photosensor 20 comprises the lenses 11, 33 or lenses 15, 36,
37 and the pinhole diaphragm 36. By adjusting the position of lenses 11 and 33 with respect to the sample, the position of the small sample portion is varied, from which scattered light is collected at the photosensor. As a result, the position-variable lenses 11 and 33 together with the rotating mirror 12 are arranged to sweep the light beam over the sample and thus included in the sweeping means. The lens 33 is therefore positionally variable, as indicated by the two arrows 38, so that the small sample portion 14
Is at a distance from the lens 33 equal to the focal length of the lens 33. Crosstalk from the area around the small sample portion is further reduced by the pinhole diaphragm 36 acting as a spatial filter.

【0040】前述のような二多重周波数変調光のかわり
に、分光計は3又はそれ以上の周波数多重変調された光
を使ってもよく、サンプルを調べるのに採用されてもよ
い。検出信号の周波数成分の相対的振幅は、前記サンプ
ル内の散乱中心の散乱及び又は吸収特性の周波数依存を
表す。より多重の変調周波数が使われて、散乱光のより
多くの空間情報が前記検出信号から引き出されることが
できる。
Instead of bi-multiplex frequency modulated light as described above, a spectrometer may use three or more frequency-multiplexed modulated lights and may be employed to interrogate the sample. The relative amplitude of the frequency components of the detected signal represents the frequency dependence of the scattering and / or absorption properties of scattering centers within the sample. More multiplexed modulation frequencies can be used, and more spatial information of scattered light can be extracted from the detection signal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明による分光計を表した図である。FIG. 1 shows a spectrometer according to the invention.

【図2】 本発明による分光計の他の実施例を表した図
である。
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the spectrometer according to the present invention.

【図3】 本発明による分光計のさらに他の実施例を表
した図である。
FIG. 3 is a diagram showing still another embodiment of the spectrometer according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:半導体レーザー、 2:温度制御器、
3:DC電流源、4:二多重周波数変調器、5:ミキ
サ、 6:RF発生器、7:信号発生器、
8:ハイパスフィルタ、 10:サンプル、
11:レンズ、 12:ミラー、
13:スポット、15:コリメータレンズ、20:光セ
ンサ、 21:ローパスフィルタ、22:増幅
器、 23:周波数倍増器、 24:ミキ
サ、25:光検出装置、 26:信号処理ユニッ
ト、 27:プリアンプ、28:ローパスフィルタ、3
0:開口、 31:円形穴、32:光ビー
ム、 33:収集レンズ、 34:平行ビ
ーム、35:フォーカスレンズ、36:絞り、
37:他のレンズ、40:光ファイバ、 4
1:VHF光変調器、 42:低周波数変調器、4
3:高周波数光振幅変調器、44:光カプラ、 4
5:電子−光変調器、46:電子−光液晶、 47:
AC源、 48:光フィルタ
1: semiconductor laser, 2: temperature controller,
3: DC current source, 4: dual frequency modulator, 5: mixer, 6: RF generator, 7: signal generator,
8: High-pass filter, 10: Sample,
11: lens, 12: mirror,
13: spot, 15: collimator lens, 20: optical sensor, 21: low-pass filter, 22: amplifier, 23: frequency doubler, 24: mixer, 25: photodetector, 26: signal processing unit, 27: preamplifier, 28 : Low-pass filter, 3
0: aperture, 31: circular hole, 32: light beam, 33: collecting lens, 34: parallel beam, 35: focus lens, 36: diaphragm,
37: other lens, 40: optical fiber, 4
1: VHF optical modulator, 42: low frequency modulator, 4
3: high frequency optical amplitude modulator, 44: optical coupler, 4
5: Electro-optical modulator, 46: Electro-optical liquid crystal, 47:
AC source, 48: Optical filter

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも二つの周波数をもつ光でサン
プル空間の少なくとも一部を照明するための光源(1)
をもつ照明システム(1、2、3、4)、前記サンプル
空間を去る光の検出のため光センサ(20)をもつ周波
数感知型光検出装置(25)、前記サンプル空間内のサ
ンプルを介して前記照明システムの出力面を前記光セン
サ上に結像するための光学システム(11、33)及び
前記光センサ(20)からの電子検出信号を処理するた
めの信号処理システム(27、28、22、23、2
4)を有する多重周波数分光計において、前記光センサ
が前記サンプル(10)により散乱された光を受けるよ
うに位置されることを特徴とする多重周波数分光計。
1. A light source (1) for illuminating at least part of a sample space with light having at least two frequencies.
With an illumination system (1, 2, 3, 4), a frequency sensitive photodetector (25) with an optical sensor (20) for detecting light leaving the sample space, via a sample in the sample space An optical system (11, 33) for imaging the output surface of the illumination system onto the photosensor and a signal processing system (27, 28, 22) for processing electronic detection signals from the photosensor (20). , 23, 2
4) A multi-frequency spectrometer having 4), wherein the photosensor is positioned to receive the light scattered by the sample (10).
【請求項2】 請求項1に記載の多重周波数分光計であ
り、当該多重周波数分光計内に前記照明システム(1、
2、3、4)が狭い光ビーム(32)で前記サンプル空
間の一部(13、14)を照明するように配された多重
周波数分光計において、前記光センサ(20)が前記照
明システム(1、2、3、4)からの前記狭い光ビーム
(32)の前記サンプルに入射する方向とは異なる方向
に沿って前記サンプル(10)により散乱された光を受
けるように位置されることを特徴とする多重周波数分光
計。
2. A multi-frequency spectrometer according to claim 1, wherein the illumination system (1,
In a multi-frequency spectrometer in which 2, 3, 4) are arranged to illuminate a portion (13, 14) of the sample space with a narrow light beam (32), the optical sensor (20) comprises the illumination system (20). Positioned to receive light scattered by the sample (10) along a direction different from the direction in which the narrow light beam (32) from (1, 2, 3, 4) is incident on the sample. Characteristic multi-frequency spectrometer.
【請求項3】 請求項1又は2に記載の多重周波数分光
計において、前記光学システム(33、35、36、3
7)が共焦点光学配置を具備したことを特徴とする多重
周波数分光計。
3. The multifrequency spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the optical system (33, 35, 36, 3).
7) A multi-frequency spectrometer characterized in that it comprises a confocal optical arrangement.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の
多重周波数分光計において、前記光学システム(33、
35、36、37)は前記サンプル(10)の少なくと
も一部にわたって前記照明システム(1、2、3、4)
からの前記光ビーム(32)を掃引するための掃引手段
(12、16、38)を具備したことを特徴とする多重
周波数分光計。
4. The multifrequency spectrometer according to claim 1, wherein the optical system (33,
35, 36, 37) is the illumination system (1, 2, 3, 4) over at least a portion of the sample (10).
A multi-frequency spectrometer, characterized in that it comprises sweeping means (12, 16, 38) for sweeping the light beam (32) from.
【請求項5】 請求項1乃至4の何れか一項に記載の多
重周波数分光計において、前記信号処理システム(2
7、21、22、23、24、28)は前記電子検出信
号の周波数成分からビート信号を取り出すためのミキサ
(24)を有することを特徴とする多重周波数分光計。
5. The multi-frequency spectrometer according to claim 1, wherein the signal processing system (2)
7, 21, 22, 23, 24, 28) has a mixer (24) for extracting a beat signal from the frequency component of the electronic detection signal.
【請求項6】 請求項1乃至5の何れか一項に記載の多
重周波数分光計において、前記光源(1)が半導体レー
ザーであることを特徴とする多重周波数分光計。
6. A multifrequency spectrometer according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the light source (1) is a semiconductor laser.
【請求項7】 請求項1乃至6の何れか一項に記載の多
重周波数分光計であり、前記照明システム(1、2、
3、4)が前記光源により発生された光に作用して前記
少なくとも二つの周波数をもつ光を発生するための光変
調器(41)を有する多重周波数分光計において、前記
光変調器が周波数変調器であることを特徴とする多重周
波数分光計。
7. The multi-frequency spectrometer according to claim 1, wherein the illumination system (1, 2,
A multi-frequency spectrometer, 3, 4) having a light modulator (41) for acting on the light generated by said light source to generate light with said at least two frequencies, wherein said light modulator is frequency modulated A multi-frequency spectrometer characterized by being a vessel.
【請求項8】 請求項7に記載の多重周波数分光計にお
いて、前記周波数変調器(41)が前記光源により発生
された前記光の位相を変調するよう配された光位相変調
器(44)を有することを特徴とする多重周波数分光
計。
8. A multi-frequency spectrometer according to claim 7, wherein the frequency modulator (41) comprises an optical phase modulator (44) arranged to modulate the phase of the light generated by the light source. A multi-frequency spectrometer characterized by having.
JP17936095A 1994-06-23 1995-06-22 Multiplex-frequency spectrometer Withdrawn JPH0843204A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002533142A (en) * 1998-12-23 2002-10-08 メディスペクトラ, インコーポレイテッド Systems and methods for optical testing of samples
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