JPWO2018209251A5

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Publication number: JPWO2018209251A5
Application number: JP2019559745A
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Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2038-05-11

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この特許出願は著作権保護対象となるデータを含んでいる。著作権者は、特許・商標庁のファイルや記録について行われるあらゆる特許開示による複製に対して異議を申し立てない。ただし、その他の場合は全ての著作権を保持する。 This patent application contains material which is subject to copyright protection. The copyright owner has no objection to the reproduction of any patent disclosure made in the Patent and Trademark Office files or records. However, in all other cases, all copyrights are retained.

本発明は一般的に分光学とスペクトル分析の分野、特に補償光学エレメントおよび別個の光チャネルを使用する分光器に関連している。実施形態において、本発明は、光学計測、または、サンプルと参照チャネルを提供することでリアルタイムで計測または標準化を行うためのマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）、ピエゾ素子型ミラー（ＰＥＭ）、ファブリ・ペロー干渉計（ＦＰＩ）などの補償光学エレメント（ＡＯＥ）を利用する他のスペクトル計測のためのデバイスを含んでいる。 The present invention relates generally to the fields of spectroscopy and spectral analysis, and more particularly to spectrometers using adaptive optical elements and separate optical channels. In embodiments, the present invention uses micromirror arrays (MMAs), piezo-element mirrors (PEMs), Fabry-Perot interferometers for optical metrology or for real-time metrology or normalization by providing sample and reference channels. This includes devices for other spectral measurements that utilize adaptive optics elements (AOEs), such as photometers (FPIs).

分光測色機、分光計、分光蛍光光度計やスペクトラムアナライザなどの分光器はテストサンプル（ＳＵＴ）のスペクトルの特徴を検出し、表示するために様々な状況で使用されている。これらの特徴は学術または産業分野における分析のためのサンプルの構成分析に利用される。広範囲にわたるサンプルとソースの情報を提供する能力により、分光器は犯罪捜査における鑑識から科学分析、産業用モニタリング装置までさまざまな事業やその他の活動に使用されている。残念ながら分光器はＳＵＴを分析またはスキャンする際、較正した状態を維持することが分光器そのものの能力に左右される。全ての分光器は周囲の状況変化に敏感で、徐々にドリフトしていく傾向があるという事実により、分光器は一般的に、様々な状況に対する調整、継続的なチェックおよび／または較正の再設定のために、オペレーターによる常時の介入が必要である。これは多くの産業への応用において商業的実行可能性を制限している。 Spectrometers, such as spectrophotometers, spectrometers, spectrofluorometers, and spectrum analyzers, are used in a variety of contexts to detect and display spectral features of a test sample (SUT). These features are used to analyze the composition of samples for analysis in academic or industrial fields. Due to their ability to provide information on a wide range of samples and sources, spectrometers are used in a variety of commercial and other activities, from forensics in criminal investigations to scientific analysis to industrial monitoring equipment. Unfortunately, the spectrometer relies on its own ability to remain calibrated while analyzing or scanning the SUT. Due to the fact that all spectrometers are sensitive to changes in their surroundings and tend to drift over time, spectrometers are commonly adjusted, continually checked and/or recalibrated for different conditions. requires constant intervention by the operator. This limits commercial viability in many industrial applications.

本発明者の以前の米国特許番号７，７１９，６８０と７，４４０，０９８は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。近年の技術革新において、本発明者はリアルタイムでドリフトを補正し信号を標準化するためのスペクトルソーティングおよびルーティングの両方の機能を有するシングルＡＯＥを利用する光学アナライザにて長期ドリフトの問題を処理する光学システムを開発した。この技術革新は、ここ２０年の分光学分野における産業的に実現可能な初の技術革新になりうる一方、各スペクトルバンドをスペクトル的にソーティング、ルーティング、エンコード、減衰するために必要な光学エレメントの数の問題から、弱い光学信号を精査する能力が限られている。スペクトル的にソーティングされたバンドは、リアルタイムで減衰させるために使われるそれぞれのスペクトルバンドの利用できるミラーの数を制限するＭＭＡに同時に映されるという事実から、高ＳＮ比（ＳＮＲ）を維持する間、ＨＤＲ搭載の信号を分析する能力がよりいっそう制限されている。 The inventor's previous US Pat. Nos. 7,719,680 and 7,440,098 are hereby incorporated by reference in their entireties. In a recent innovation, the inventors have developed an optical system to handle the problem of long-term drift in an optical analyzer that utilizes a single AOE that has both spectral sorting and routing functions to correct drift and normalize signals in real time. developed. While this innovation could be the first industrially viable innovation in the field of spectroscopy in the last 20 years, the number of optical elements required to spectrally sort, route, encode, and attenuate each spectral band is limited. Due to numbers, the ability to probe weak optical signals is limited. While maintaining a high signal-to-noise ratio (SNR), the fact that spectrally sorted bands are simultaneously imaged into the MMA limits the number of available mirrors for each spectral band used for real-time attenuation. , the ability to analyze HDR-equipped signals is even more limited.

少なくとも２つの補償光学エレメント（ＡＯＥ）と少なくとも２つの別個光チャネルとそれらと結びついた１つまたは複数の検出器を利用するために設計された分光器であって、少なくとも１つのＡＯＥがスペクトルソーティングのために利用され、少なくとも１つのＡＯＥが光ルーティング、スペクトルのエンコード、またはスペクトル減衰、またはそれらの任意の組み合わせのために、少なくとも２つの別個光チャネルの間で使用されている。ＡＯＥが調和して機能する場合、技術革新は時間と環境刺激の変化によってドリフトする光信号のリアルタイムないしほぼリアルタイムでの計測と標準化を可能にし、スペクトルの特徴が４ディケード（decades）を超える測光ダイナミックレンジで高ＳＮ比（ＳＮＲ）の光学システムを要求する光信号の最適化を可能にする。 A spectrometer designed to utilize at least two adaptive optics elements (AOEs) and at least two separate optical channels and one or more detectors associated therewith, the at least one AOE for spectral sorting . and at least one AOE is used between at least two separate optical channels for optical routing, spectral encoding or spectral attenuation , or any combination thereof. When AOEs work in concert, the innovation enables real-time to near-real-time measurement and normalization of optical signals that drift with changes in time and environmental stimuli, and photometric dynamics with spectral features greater than four decades. It allows optimization of optical signals that demand high signal-to-noise ratio (SNR) optical systems at range.

本発明の前述および他の対象、特徴、利点は、以下に示す、図面とともに示すより詳細な好ましい実施形態の説明により明らかにする。それらの特徴は、様々な観点から同じ部分に言及している。図面は必ずしも原寸大ではなく、代わりに発明の原理を説明することに重点が置かれている。 The foregoing and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments accompanied by the drawings. The features refer to the same part from different points of view. The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon explaining the principles of the invention.

図１は以前の技術革新による分散後の実施形態を示している。FIG. 1 shows an embodiment after dispersion according to previous innovations.

図２は本発明による分散前の実施形態を示している。FIG. 2 shows an embodiment before dispersion according to the invention.

図３Ａは本開発者の以前の技術革新の１つよりも光を減衰させる本発明の強化された能力を示している。FIG. 3A illustrates the enhanced ability of the present invention to attenuate light over one of the developer's previous innovations. 図３Ｂは本開発者の以前の技術革新の１つよりも光を減衰させる本発明の強化された能力を示している。 FIG. 3B illustrates the enhanced ability of the present invention to attenuate light over one of the developer's previous innovations.

図４は、それぞれの光チャネルに共通の検出器を利用する、現在開示されている発明の代替の分散前の実施形態を示している。 FIG . 4 shows an alternative pre-dispersion embodiment of the presently disclosed invention that utilizes a common detector for each optical channel.

図５Ａは、それぞれの光チャネルに共通の検出器を利用する、現在開示されている発明の代替の分散後の実施形態を示している。 FIG . 5A shows an alternative post-dispersion embodiment of the presently disclosed invention that utilizes a common detector for each optical channel.

図５Ｂは、それぞれの光チャネルに別の検出器を利用する、現在開示されている発明の代替の分散後の実施形態を示している。 FIG . 5B shows an alternative post-dispersion embodiment of the presently disclosed invention that utilizes separate detectors for each optical channel.

図６Ａは、反射分光学のためにそれぞれの光チャネルに別々の検出器を利用する、開示されている発明の分散前の実施の一実施形態を示している。 FIG . 6A shows one embodiment of a pre-dispersion implementation of the disclosed invention that utilizes separate detectors for each optical channel for reflectance spectroscopy.

図６Ｂは、透過分光学のためにそれぞれの光チャネルに別々の検出器を利用する、開示されている発明の分散前の実施の簡略化された実施形態を示している。 FIG . 6B shows a simplified embodiment of a pre-dispersion implementation of the disclosed invention utilizing separate detectors for each optical channel for transmission spectroscopy.

本発明の好ましい実施形態に関する詳細な参照を行う。その例は、添付の図面で示されている。以下の説明および図面は実例であり、制限と解釈されるべきではない。多くの特定の詳細が、全体を理解するために記載される。ただし、特定の例において、広く知られているもしくは慣習的な詳細については説明が不明瞭になることを避けるため記載されない。本開示における１つまたは１つの実施形態の参照は、必ずしも同じ実施形態についての参照ではなく、そして、そのような参照は少なくとも１つを意味する。 Reference will now be made in detail to preferred embodiments of the present invention . Examples are shown in the accompanying drawings. The following description and drawings are illustrative and should not be construed as limiting. Many specific details are set forth for a thorough understanding. However, in certain instances, well-known or customary details are not described to avoid obscuring the description. References to one or one embodiment in this disclosure are not necessarily references to the same embodiment , and such references mean at least one.

この明細書における「ある実施形態」もしくは「その実施形態」の参照は、実施形態と関連して記載された特定の機能、構造もしくは特徴が、本開示の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。本明細書のあらゆる場所での「ある実施形態における」というフレーズの出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を言及するものではなく、また他の実施形態と互いに排他的な別々のまたは代替の実施形態でもない。さらに、いくつかの実施形態で発現し、他の実施形態で発現しない可能性がある様々な特徴が記載されている。同じように、いくつかの実施形態のための要件となるが他の実施形態のための要件とはならない可能性がある様々な要件が記載されている。 References in this specification to "an embodiment " or "the embodiment " mean that the particular function, structure or feature described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the disclosure. mean . The appearances of the phrase "in an embodiment " in various places in this specification do not necessarily all refer to the same embodiment , nor to separate or alternative implementations that are mutually exclusive of other embodiments. Not even form. Moreover , various features are described which may be exhibited in some embodiments and not in others . Similarly , various requirements are described that may be requirements for some embodiments but not others .

好ましい実施形態において、この技術革新は、光ソーティングおよびルーティング機能を、２つの独立した光チャネルの間のスペクトルルーティングおよび減衰のためのＭＭＡと連結したスペクトルソーティングのためのＦＰＩを使用して分ける。第１の光チャネルはＳＵＴと接続されており、第２の光チャネルは開かれたままか、安定した標準目盛と接続されている。好ましい実施形態において、光は、サンプル（すなわち、分散前光アナライザ）と接続する前に、ＦＰＩによってスペクトルにソーティング（フィルター）されて、ＭＭＡによりルーティングされる。好ましい実施形態において、スペクトルにソーティングされた光は、ＭＭＡがスペクトルルータに加えて光減衰器の機能を果たすことができるように、１つより多いマイクロミラーにわたってＭＭＡ上でコリメートされ、映される。 In a preferred embodiment , this innovation separates the optical sorting and routing functions using FPI for spectral sorting coupled with MMA for spectral routing and attenuation between two independent optical channels. A first optical channel is connected to the SUT and a second optical channel is either left open or connected to a stable standard scale. In a preferred embodiment , the light is spectrally sorted (filtered) by the FPI and routed by the MMA before coupling with the sample (ie, pre-dispersion light analyzer) . In a preferred embodiment, the spectrally sorted light is collimated and imaged onto the MMA across more than one micromirror so that the MMA can act as an optical attenuator in addition to a spectral router.

図１において先行発明の実施形態によるシステムが表されている。この実施形態においては、シングルＡＯＥは、スペクトルソーティング、ルーティング、エンコード、減衰の光学的機能を果たしている。図１に表された実施形態による光学的経路は以下の通りである。光は光源（１）を出て、レンズ（２）を通過し、サンプル（３）を通過し、第２のレンズ（４）を通過し、スリット（５）を通過し、格子（６）を通過し、オーダーソーティングフィルター（７）を通過し、全ての光学的機能を果たすＡＯＥ（８）を通過し、格子（９）を通過し、第２のレンズ（１０）を通過し、そして最後に検出器（１１）に当たる。 In FIG. 1 a system according to an embodiment of the prior invention is represented. In this embodiment , a single AOE performs the optical functions of spectral sorting, routing, encoding and attenuation. The optical path according to the embodiment depicted in FIG. 1 is as follows. The light exits the light source (1), passes through the lens (2), passes through the sample (3), passes through the second lens (4), passes through the slit (5) and passes through the grating (6). through an order sorting filter (7), through an AOE (8) that performs all optical functions, through a grating (9), through a second lens (10) and finally Hit the detector (11).

ソーティングとルーティングの機能を分けることにおいて、本技術革新は大幅に拡大されたダイナミックレンジを持つシステムの構造を可能にする。 In separating the sorting and routing functions, this innovation allows the construction of systems with greatly expanded dynamic range.

図２は本発明の実施形態によるシステムを表している。表された実施形態による光学的経路は以下の通りである。光（広帯域もしくは狭帯域であり得る）は、光源（２１）を出て、レンズ（２２）を通過し、第１のソーティング用のＡＯＥ（２３）を通過し、ルーティング、エンコーディング、および／または減衰用の第２のＡＯＥ（２４）を通過し、サンプル（２５）を通過し、第２のレンズ（２６）を通過し、検出器（２７）に当たる。レンズ（２２）の代替としてもしくはそれに加えて、本発明では、スリットおよび格子、マスクおよび格子もしくはミラーを使用してもよい。ＡＯＥは、例えばピエゾ素子型ミラー、ファブリ・ペロー干渉計、もしくはシリコン格子光弁もしくはピエゾ素子型チルト格子などの動的な格子などでもよい。ＡＯＥは、回転フィルターホイールやスキャンモノクロメータなどの機械的に動作するバルク光学デバイスを含むことができる。 FIG. 2 depicts a system according to an embodiment of the invention. The optical paths according to the illustrated embodiment are as follows. Light (which can be broadband or narrowband) exits the light source (21), passes through the lens (22), passes through the first sorting AOE (23), and is routed, encoded, and/or attenuated. It passes through a second AOE (24), passes through a sample (25), passes through a second lens (26) and hits a detector (27). Alternatively or in addition to the lens (22), the present invention may use slits and gratings, masks and gratings or mirrors. The AOE may be, for example, a piezo-type mirror, a Fabry-Perot interferometer, or a dynamic grating such as a silicon grating light valve or a piezo-type tilt grating. AOEs can include mechanically operated bulk optical devices such as rotating filter wheels and scanning monochromators.

本技術革新は感度の大幅な向上、およびＨＤＲにより入力を減衰させる（すなわちスケール）能力の２～３桁の向上を提供することができる。図２に表されている実施形態において、システムのダイナミックレンジを２～３桁拡大させる能力は、１つより多いＡＯＥの使用を通じてスペクトルソーティングおよび光ルーティングという光学的機能を分けることの直接的な結果である。 This innovation can provide a significant improvement in sensitivity and two to three orders of magnitude improvement in the ability to attenuate ( ie scale) inputs with HDR. In the embodiment depicted in FIG. 2, the ability to extend the dynamic range of the system by two to three orders of magnitude is directly due to separating the optical functions of spectral sorting and optical routing through the use of more than one AOE. This is a reasonable result.

図３は、シングルＡＯＥとデュアルＡＯＥ両方の実施形態の構成要素を表している。図は、スペクトルソーティングおよび光ルーティングという光学的機能を分離することが、どのようにして分光器のダイナミックレンジを物理的に３ディケード（decades）以上拡大しているかを示している。 FIG. 3 represents the components of both single and dual AOE embodiments . The figure shows how separating the optical functions of spectral sorting and light routing physically extends the dynamic range of the spectrometer by more than three decades .

さらに、図３Ａおよび３Ｂでは、スペクトルソーティングおよびルーティングという光学的機能を分離させることが、光をスペクトルバンドにスペクトル的にソートする能力がＡＯＥのサイズおよび構造により物理的に制限されている図１の機器よりも、明らかに多くのスペクトルチャネルを潜在的に分析できるスペクトラムアナライザ製作につながるかが示されている。図３Ａは、以前の技術革新におけるシングルＡＯＥが、どのようにソーティング、減衰、ルーティングという光学的機能を果たしていたかを示している。図３Ｂは、本発明によるダブルＡＯＥが、どのようにソーティング、減衰、ルーティングの光学的機能を分け、以前の技術革新に対して、分光器が光を減衰させる能力を大きく強化したかを示している。 Further, in FIGS. 3A and 3B, separating the optical functions of spectral sorting and routing may be useful in the case of FIG. 1, where the ability to spectrally sort light into spectral bands is physically limited by the size and structure of the AOE. It has been shown to lead to the creation of spectrum analyzers that can potentially analyze many more spectral channels than instruments. FIG. 3A shows how a single AOE in previous innovations performed the optical functions of sorting, attenuation, and routing. FIG. 3B shows how our double AOE separates the optical functions of sorting, attenuation, and routing, greatly enhancing the spectrometer's ability to attenuate light over previous innovations. ing.

図２の好ましい実施形態は分散前であるものの、本技術革新を利用した分散後のデザインを提示することも可能である。シングル検出器およびダブル検出器の分散後の実施形態は、図５Ａと図５Ｂにそれぞれ表されている。 Although the preferred embodiment of FIG. 2 is pre-dispersion, it is also possible to present a post-dispersion design utilizing this innovation . The single- detector and double-detector post-dispersion embodiments are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively.

図６Ａは、それぞれの光チャネルに対し、反射分光学のために別々の検出器を利用する、開示される発明の分散前の実施形態を示している。図６Ｂは、それぞれの光チャネルに対し、透過分光学のために別々の検出器を利用する、開示される発明の分散前の実施の簡素化された実施形態を示している。 FIG. 6A shows a pre-dispersion embodiment of the disclosed invention utilizing separate detectors for reflectance spectroscopy for each optical channel. FIG. 6B shows a simplified embodiment of a pre-dispersion implementation of the disclosed invention utilizing separate detectors for transmission spectroscopy for each optical channel.

当業者は、本技術革新によって、ＭＭＡはもはや光のスペクトル的なソーティングに必要ないことから、同時的もしくは連続的に、スペクトルバンドをダブル検出器実施形態における両方の光チャネルに向けてルーティングする、もしくは、同時的もしくは連続的に、スペクトルバンドをシングル検出器実施形態における両方の光チャネルに向けてルーティング、およびエンコードすることができると理解するだろう。 Those skilled in the art will recognize that with the present innovation , MMA is no longer required for spectral sorting of light, thus simultaneously or sequentially routing spectral bands to both optical channels in a double detector embodiment . Alternatively, it will be appreciated that spectral bands can be routed and encoded to both optical channels in a single detector embodiment , either simultaneously or sequentially.

さらに、当業者は、シングルエレメントＰＲＭなどの第３のＡＯＥを、スペクトルバンドをエンコードする独立したパルス幅変調（ＰＷＭ）に用いることができる可能性があり、減衰およびルーティングについて同等の結果を出せる可能性があると理解するだろう。
Additionally, those skilled in the art may be able to use a third AOE, such as a single-element PRM, for independent pulse width modulation (PWM) encoding spectral bands, which may yield comparable results in terms of attenuation and routing. You will understand that there is a gender.