KR102261858B1 - 2차원 분광 시스템 및 분석 방법 - Google Patents

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Abstract

2차원 분광 시스템 및 분석 방법이 개시된다. 개시된 2차원 분광 시스템은, 제1펄스광을 복수개로 분할하며 분할된 제1펄스광 사이에 상대적인 시간 지연을 주는 광 전달 지연부와, 시간차를 두고 입력되는 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하는 반응 펄스파 생성부와, 제2펄스광을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 판독 펄스 어레이를 형성하는 광학 판독 펄스 어레이 형성부와, 복수의 반응 펄스파가 샘플에 조사됨에 따라 샘플에서 발생되는 신호에 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 판독부;를 포함한다.

Description

2차원 분광 시스템 및 분석 방법{System for 2D spectroscopy and method of 2D spectroscopic analysis}
분광 시스템 및 분석 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차원 분광 시스템 및 분석 방법에 관한 것이다.
2차원 분광법에는 적외선이나 가시광선을 사용하는 방식이 있다. 또한, 최근에는 큰 분자 및 결정질 고체에서 저주파 진동 모드의 측정을 위해 테라헤르쯔(THz) 흡수 분광이 사용되고 있다. 큰 스케일 운동을 하는 단백질을 포함하는 생체분자의 특징 및 식별을 위한 테라헤르쯔 스펙트럼은 테라헤르쯔 범위 (대략 0.2-2 THz)일 것으로 예상된다. 그러나, 많은 생체분자의 THz 흡수 스펙트럼은 넓은 특징을 보여, 생체분자의 특징 및 식별을 위해서는 개선이 필요하다.
본 개시는 다양한 물질의 특징 및 식별이 가능한 2차원 분광 시스템 및 분석 방법을 제공한다.
본 개시는 광학적 판독 펄스의 스캐닝을 제거하여 데이터 획득 시간이 감소될 수 있는 2차원 분광 시스템 및 분석 방법을 제공한다.
실시예의 2차원 분광 시스템은, 펄스광 제공부와; 상기 펄스광 제공부로부터 제공되는 펄스광을 제1펄스광과 제2펄스광으로 분기하는 빔 분리기와; 상기 제1펄스광을 복수개로 분할하며, 상기 분할된 제1펄스광 사이에 상대적인 시간 지연을 주는 광 전달 지연부와; 상기 광 전달 지연부로부터 시간차를 두고 입력되는 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하는 반응 펄스파 생성부와; 상기 제2펄스광을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 판독 펄스 어레이를 형성하는 광학 판독 펄스 어레이 형성부와; 상기 복수의 반응 펄스파가 상기 샘플에 조사됨에 따라 상기 샘플에서 발생되는 비선형 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 판독부와; 상기 판독부에 의해 판독된 신호 영상을 검출하는 영상 검출부와; 상기 영상 검출부에서 검출된 신호 영상을 처리하여 상기 샘플의 분광 분석 정보를 획득하는 신호처리부;를 포함한다.
상기 복수의 반응 펄스파는 2개 이상이고, 상기 비선형 신호는 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 상기 샘플에 조사 후에 발생될 수 있다.
상기 광 전달 지연부는 상기 상대적인 시간 지연이 제어가능하도록 마련될 수 있다.
상기 광학 판독 펄스 어레이 형성부는, 서로 크로스되게 배치된 한쌍의 에셜론에 의해 시간적 및 공간적으로 상기 제2펄스광을 2차원 어레이의 판독 펄스광으로 분할하도록 마련될 수 있다.
상기 반응 펄스파 생성부에서 생성된 반응 펄스파를 콜리메이팅하고 집속하여 상기 샘플에 포커싱하는 제1릴레이 포커싱부와; 상기 샘플에서 발생되는 비선형 신호를 콜리메이팅하고 집속하여 상기 판독부로 입력되도록 하는 제2릴레이 포커싱부;를 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2릴레이 포커싱부 중 적어도 어느 하나는 한쌍의 비축 포물경을 포함할 수 있다.
상기 판독부는, 상기 샘플에서 발생되는 신호와 상기 광학 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 전기-광학적 추출법(electro-optic(EO) sampling)에 의해 신호를 판독하는 전기-광학적 매질(electro-optic crystal);을 포함할 수 있다.
상기 판독부는, 상기 전기-광학적 매질을 통과한 신호의 편광을 바꾸어주는 사반파장판(quarter-wave plate)과; 상기 사반파장판을 경유한 신호를 편광에 따라 분리하는 편광분리기;를 더 포함할 수 있다.
상기 편광 분리기는 월라스톤 프리즘(Wollaston prism)일 수 있다.
상기 샘플은 반도체, 유전체, 생체분자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 반응 펄스파는 단일이나 복수 싸이클의 가시광, 적외선, 테라헤르쯔파 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 샘플은 생체의학 샘플이며, 상기 신호처리부는 상기 샘플로부터 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나에 대한 분광 피크의 식별 및 정량화를 사용하여 원하는 생체분자의 존재나 부존재를 식별할 수 있다.
상기 분광 분석 정보는 상기 샘플에 대한 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼이고, 상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환(Fourier transformation)으로부터 만들어질 수 있다.
실시예의 2차원 분광 분석 방법은, 펄스광 제공부로부터 제공되는 펄스광을 제1펄스광과 제2펄스광으로 분기하는 단계와; 상기 제1펄스광을 복수개로 분할하며, 상기 분할된 복수의 제1펄스광 사이에 상대적인 시간 지연을 주는 단계와; 상대적인 시간지연을 가지는 상기 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하는 단계와; 상기 제2펄스광을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 광학적인 판독 펄스 어레이를 형성하는 단계와; 상기 반응 펄스파가 상기 샘플에 조사됨에 따라 상기 샘플에서 발생되는 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 단계와; 판독된 신호 영상을 검출하는 단계와; 검출된 신호 영상을 처리하여 상기 샘플의 분광 분석 정보를 획득하는 단계;를 포함한다.
상기 복수의 반응 펄스파는 2개 이상이고, 상기 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 상기 샘플에 조사 후에 발생되는 상기 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독할 수 있다.
상기 반응 펄스파는 단일이나 복수 싸이클의 가시광, 적외선, 테라헤르쯔파 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광학 판독 펄스 어레이는 서로 크로스되게 배치된 한쌍의 계단형(stairstep) 에셜론(echelon)에 의해 서로 다른 시간 지연을 가지며 서로 공간적으로 분리되게 형성되며, 상기 샘플에 포커싱될 수 있다.
상기 샘플은 생체의학 샘플이며, 상기 샘플의 분석 정보를 획득하는 단계에서, 상기 샘플로부터 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를 얻고, 분광 피크의 식별 및 정량화를 사용하여 원하는 생체분자의 존재나 부존재를 식별할 수 있다.
상기 분광 분석 정보는 상기 샘플에 대한 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼이고, 상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환으로부터 만들어질 수 있다.
실시예에 따른 2차원 분광 시스템 및 분석 방법에 따르면, 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하고, 제2펄스광을 이용하여 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 광학적인 판독 펄스 어레이를 형성하고, 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파가 샘플에 조사됨에 따라 샘플에서 발생되는 신호에 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하여, 샘플의 분광 분석 정보를 획득한다. 따라서, 샘플에서 나오는 신호의 스캔을 한번에 처리할 수 있으므로, 신호의 스캔시간이 현저히 줄어들 수 있어 데이터 획득 시간이 감소될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 2차원 분광 시스템의 개략적인 블록도를 보여준다.
도 2는 도 1의 2차원 분광 시스템에 적용될 수 있는 광학계 구조를 예시적으로 보여준다.
도 3은 1차원(1D) 분광 방식으로 얻어지는 스펙트럼을 보여준다.
도 4는 2차원 분광 측정에 비균일 넓어짐(inhomogeneous broadening)의 요인을 결정하는데 필요한 테라헤르쯔 펌핑 펄스 배열의 예를 보여준다.
도 5는 도 4의 펄스 배열을 적용할 때의 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2)사이의 시간 간격 t1에 대한 시간 t3에서의 신호 필드 변화 및 이의 2차원 푸리에 변환(2D Fourier transform)을 보여준다.
도 6은 진동 모드들 사이의 커플링을 결정하는데 필요한 테라헤르쯔 펄스 배열의 예를 보여준다.
도 7은 도 6의 펄스 배열을 적용할 때의 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2)사이의 시간 간격 t1에 대한 시간 t3에서의 신호 필드 변화 및 이의 2차원 푸리에 변환(2D Fourier transform)을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 실시예에 따른 2차원 분광 시스템 및 분석 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 2차원 분광 시스템의 개략적인 블록도를 보여준다. 도 2는 도 1의 2차원 분광 시스템에 적용될 수 있는 광학계 구조를 예시적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 2차원 분광 시스템은, 펄스광 제공부(10)와, 빔 분리기(20)와, 광 전달 지연부(80)와, 반응 펄스파 생성부(30)와, 광학 판독 펄스 어레이 형성부(40)와, 판독부(50)와, 영상 검출부(60) 및 신호처리부(70)를 포함한다. 도 1 및 도 2에서는 영상 검출부(60) 및 신호처리부(70)를 별개의 구성으로 도시하였으나, 영상 검출부(60) 및 신호처리부(70)는 하나의 유니트로 구성될 수도 있다.
상기 펄스광 제공부(10)는 예를 들어, 펨토초(femtosecond) 광학 레이저 펄스광을 제공하도록 마련될 수 있다. 상기 펄스광 제공부(10)에서 제공되는 펄스광(11)은 상기 빔 분리기(20)에 의해 제1펄스광(21)과 제2펄스광(23)으로 분기될 수 있다.
상기 광 전달 지연부(80)는, 상기 제1펄스광(21)을 복수개로 분할하며, 상기 분할된 복수의 제1펄스광(21) 사이에 상대적인 시간 지연을 주도록 마련될 수 있다. 이때, 상기 광 전달 지연부(80)는 상기 상대적인 시간 지연 제어가 가능하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 전달 지연부(80)는 입력되는 제1펄스광(21)을 2개로 분할하여 제1경로와 시간 "T" 만큼 지연이 이루어지는 제2경로를 각각 따르도록, 빔분할기(beam splitter: 81)와 복수의 미러(mirror: 83,84,85,87), 제1경로와 제2경로를 경유한 2개의 제1펄스광(21)의 경로를 합치는 빔결합기(beam combiner: 88)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제1경로와 제2경로 상에는 각각 초퍼(chopper: 82,86)가 배치될 수 있다. 도 2에서는 제1경로 상에는 일회전당 광을 한번만 통과시키도록 마련된 초퍼(82)가 배치되고, 제2경로 상에는 일회전당 광을 두 번 통과시키도록 마련된 초퍼(86)가 배치된 경우를 보여주는데, 이는 예시적으로 보인 것이다. 상기 초퍼(82,86)의 회전 속도는 2개의 제1펄스광(21) 사이의 상대적인 시간 지연을 변화시키도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 초퍼(82,86)의 회전 속도 제어에 따라, 제1경로를 따르는 제1펄스광(21)과 제2경로를 따르는 제2펄스광(23)이 상기 반응 펄스파 생성부(30)에 도달하는 순서 및 시간차를 조절할 수 있다.
도 2에서는 제1펄스광(21)을 2개로 분할하고 상대적인 시간 지연을 준 다음 다시 합치는 경우를 보여주는데, 이는 광 전달 지연부(80)의 구성 예시를 보여주는 것일뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광 전달 지연부(80)는 입력되는 제1펄스광(21)을 3개 이상으로 분기하고, 분기된 3개 이상의 제1펄스광(21)에 대해 상대적인 시간 지연을 준 후 경로를 합치도록 마련될 수 있다. 이 경우, 추가적으로 빔분할기, 빔결합기, 미러, 초퍼 등이 추가적으로 더 구비될 수 있다.
상기 광 전달 지연부(80)에서 얻어진 상대적인 시간 지연을 가지는 복수의 제1펄스광(21)은 미러(26,25)에 의해 반사되고, 집광 렌즈(27)에 의해 집광되어 반응 펄스파 생성부(30)로 입력될 수 있다.
상기 반응 펄스파 생성부(30)는, 상기 광 전달 지연부(80)로부터 시간차를 두고 입력되는 복수의 제1펄스광(21)을 이용하여 분석하고자하는 샘플(100)이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파(35)를 생성하여 샘플(100)에 조사할 수 있도록 마련된다. 여기서, 상기 복수의 반응 펄스파(35)는 2개 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 반응 펄스파(35)는 3개나 4개일 수 있다. 상기 복수의 반응 펄스파(35)를 상기 샘플(100)에 조사함에 의해 생성되는 신호(101) 예컨대, 비선형 신호는 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파(35)를 상기 샘플(100)에 조사 후에 발생될 수 있다. 이때, 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파(35)가 3개인 경우, 예를 들어, 첫 번째 반응 펄스파는 샘플(100)의 조사 부분을 여기시키는 여기(excitation) 펄스파, 두 번째 반응 펄스파는 대기(waiting)하는 펄스파, 세 번째 반응 펄스파는 검출(detection) 펄스파로서 사용될 수 있다.
상기 반응 펄스파 생성부(30)는, 분석하고자하는 샘플(100)의 종류에 따라 예를 들어, 가시광, 적외선, 테라헤르쯔 대역의 반응 펄스파(35)를 생성하도록 마련될 수 있다. 여기서, 상기 샘플(100)은 반도체, 유전체, 생체분자 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플(100)이 생체의학 샘플이고, 분석하고자하는 생체분자가 저주파 진동 모드를 가지는 단백질 등인 경우, 상기 반응 펄스파 생성부(30)는 테라헤르쯔(THz)파를 생성하도록 마련될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 반응 펄스파(35)가 테라헤르쯔파인 경우를 예를 들어 설명한다.
예를 들어, 상기 반응 펄스파 생성부(30)는 입력되는 제1펄스광(21)에 대해 테라헤르쯔(THz)파를 생성하는 비선형 결정 예컨대, LiNbO3(Lithium Niobate) 결정으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 반응 펄스파(35)는 단일 싸이클 또는 복수 싸이클의 테라헤르쯔파일 수 있다. 이때, 상기 단일 싸이클의 테라헤르쯔파는 진동 모드들 사이의 커플링을 측정하는데 사용되도록 넓은 밴드(broadband)를 가질 수 있다. 또한, 상기 복수 싸이클의 테라헤르쯔파는 2차원 분광 측정이 비균일 넓어짐(inhomogeneous broadening)의 요인을 결정하는데 사용되도록 좁은밴드를 가질 수 있다. 여기서, 상기 반응 펄스파 생성부(30)에서의 반응 펄스파(35) 생성 효율을 높이도록, 상기 반응 펄스파 생성부(30) 앞단에는 입사되는 제1펄스광(21)의 편광을 변화시키는 반파장판(half-wave plate:29)을 더 구비할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 2차원 분광 시스템은 상기 반응 펄스파 생성부(30)에서 생성된 테라헤르쯔파를 모아 샘플(100)에 조사하도록 제1릴레이 포커싱부(90)를 더 구비할 수 있으며, 상기 샘플(100)에서 발생된 신호(101)를 모아 상기 판독부(50)로 입력시키는 제2릴레이 포커싱부(95)를 더 구비할 수 있다. 반응 펄스파 생성부(30)에서 생성된 테라헤르쯔파는 미러(93)에서 반사되어 제1릴레이 포커싱부(90)로 입력되도록 배치될 수 있다.
상기 제1릴레이 포커싱부(90)는, 상기 반응 펄스파 생성부(30)에서 생성된 테라헤르쯔파를 콜리메이팅(collimating)하고 집속하여 상기 샘플(100)에 포커싱하도록 한쌍의 비축 포물경(off-axis parabolic reflector: 91,92)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2릴레이 포커싱부(95)는, 상기 샘플(100)에서 발생되는 신호(101)를 콜리메이팅하고 집속하여 상기 판독부(50)로 포커싱하도록 한쌍의 비축 포물경(96,97)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 광학 판독 펄스 어레이 형성부(40)는, 상기 제2펄스광(23)을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 판독 펄스 어레이(45)를 형성하도록 마련될 수 있다. 상기 광학 판독 펄스 어레이 형성부(40)는 예를 들어, 서로 크로스되게 배치된 한쌍의 에셜론(Echelons:41,43)에 의해 시간적 및 공간적으로 상기 제2펄스광(23)을 2차원 어레이의 판독 펄스광으로 분할할 수 있다.
예를 들어, 상기 한쌍의 에셜론(41,43)이 각각 m,n개의 계단을 가질 때, 입력되는 제2펄스광(23)에 대해 m x n 개의 각각이 다른 경로를 가지므로 각각이 다른 시간 지연을 가지며 서로 공간적으로 분리된 판독 펄스 어레이(45)가 형성될 수 있다.
상기 광학 판독 펄스 어레이 형성부(40)에 의해 형성된 판독 펄스 어레이(45)는 단일 샷(single shot)에 의해 형성되는 것으로, 미러(46,48)에 의해 경로가 변경되어 판독부(50)에 상기 샘플(100)에서 발생된 신호(101)와 오버랩되게 입력될 수 있다.
상기 판독부(50)는 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파(35)가 샘플(100)에 조사됨에 따라 샘플(100)에서 발생되는 신호(101)에 상기 판독 펄스 어레이(45)를 오버랩하여 상기 신호(10)를 판독할 수 있도록 마련된다.
상기 판독부(50)는 상기 샘플(100)에서 발생되는 신호(101)와 상기 판독 펄스 어레이(45)를 오버랩하여 전기-광학적 추출법(electro-optic(EO) sampling)에 의해 신호를 판독하는 전기-광학적 매질(electro-optic crystal)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 판독부(50)는 ZnTe 결정으로 이루어진 전기-광학적 매질을 구비할 수 있다. 이러한 판독부(50)에 의하면 샘플(100)에서 발생되는 신호(101)와 상기 판독 펄스 어레이(45)가 상호 작용하여, 판독된 신호(105)가 얻어질 수 있다. 상기 판독부(50)에 의해 얻어진 판독된 신호(105)는 집광 렌즈(51)에 의해 집광되어 영상 검출부(60)로 입력된다.
상기 영상 검출부(60)는, 상기 판독부(50)에 의해 판독된 신호(105)의 영상을 검출하며, 상기 신호처리부(70)는 상기 영상 검출부(60)에서 검출된 신호 영상을 처리하여 샘플(100)의 분광 분석 정보를 획득하도록 한다.
상기 판독부(50)와 영상 검출부(60) 사이에는 판독부(50)에 의해 판독된 신호(105)의 편광을 바꾸어주는 사반파장판(53)과, 이 사반파장판(53)을 경유한 신호를 편광에 따라 분리하는 편광 분리기(55)를 더 포함할 수 있다. 상기 편광 분리기(55)는 예를 들어, 월라스톤 프리즘(wallaston prism)일 수 있다.
상기 신호처리부(70)에서 획득되는 샘플(100)의 분광 분석 정보는, 예를 들어, 상기 샘플(100)에 대한 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼일 수 있으며, 상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환으로부터 만들어질 수 있다.
상기한 바와 같은 2차원 분광 시스템은 다음과 같은 과정을 통해 분석 대상 샘플(100)에 대해 분광 분석 정보를 획득할 수 있다.
먼저, 펄스광 제공부(10)로부터 제공되는 펄스광은 빔 분리기(20)에 의해 제1펄스광(21)과 제2펄스광(23)으로 분기된다. 상기 제1펄스광(21)은 광 전달 지연부(80)에 의해 상대적인 시간 지연을 가지는 복수의 제1펄스광(21)으로 형성된다. 상대적인 시간지연을 가지는 상기 복수의 제1펄스광(21)은 반응 펄스파 생성부(30)로 입력되고, 이에 따라 분석하고자하는 샘플(100)이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파(35)가 생성된다. 한편, 상기 제2펄스광(23)은 광학 판독 펄스 어레이 형성부(40)에서 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할되고, 이에 의해 광학적인 판독 펄스 어레이(45)가 형성된다. 상기 복수의 반응 펄스파(35)가 상기 샘플(100)에 조사됨에 따라 상기 샘플(100)에서 발생되는 신호(101)는 판독부(50) 상에서 상기 판독 펄스 어레이(45)와 오버랩되어 상호 작용하게 되며, 이에 의해 판독된 신호(105)가 얻어진다. 판독된 신호(105)는 영상 검출부(60)에서 검출되고, 영상 검출부(60)에서 검출된 신호의 영상은 신호처리부(70)에서 처리된다. 이에 따라 신호처리부(70)는 상기 샘플(100)의 분광 분석 정보를 획득하게 된다. 예를 들어, 상기 샘플(100)이 생체의학 샘플(100)인 경우, 신호처리부(70)에서 상기 샘플(100)의 분광 분석 정보를 획득하는 단계에서, 상기 샘플(100)로부터 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼을 얻고, 분광 피크의 식별 및 정량화를 사용하여 원하는 생체분자의 존재나 부존재를 식별할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 펄스파(35)로 단일 싸이클이나 복수 싸이클의 테라헤르쯔파를 적용하는 경우, 저주파 모드로 진동하는 단백질과 같은 생체분자의 존재나 부존재를 식별할 수 있다. 이때, 상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환으로부터 만들어질 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따르면, 예를 들어, 한쌍의 에셜론(41,43)을 이용하여 예컨대, 수십 내지 수백개의 판독 펄스 어레이(45)를 생성하여, 샘플(100)에서 나오는 신호(101)의 스캔을 한번에 처리할 수 있다. 따라서, 신호(101)의 스캔시간이 현저히 줄어들 수 있어, 데이터 수집 시간이 줄어들게 되고 이에 따라 신호대잡음비가 개선될 수 있으며, 시-공간 분해능 확보와 매우 작은 신호의 측정도 가능하게 된다.
또한, 2차원 상관(2D correlation) 분광 구조를 나타내는 흡수 및 방출 스펙트럼 사이의 관계 및 진동 모드들이나 전자 전이들 사이의 커플링을 분석할 수 있게 된다. 또한, 생체의학 샘플로부터 흡수 또는 방출 스펙트럼이 얻어질 수 있으며, 분광 피크의 식별 및 정량화에 의해 어떤 생체분자의 존재 또는 부존재를 식별하는데 사용될 수 있어, 병의 스크리닝, 진단 및/또는 모니터링에 기여하는 정보를 제공할 수 있다. 이때, 시험관 내 또는 생체 내(in-situ) 생체의학 샘플(100)이 분석될 수 있으므로, 침습성 및 비침습성으로 분광 측정이 가능한 2차원 분광 시스템을 구현할 수 있다.
도 3은 1차원(1D) 분광 방식으로 얻어지는 스펙트럼을 보여준다. 하나의 넓은 피크 아래의 다수의 피크는 진동 주파수가 분자와 분자 사이에 서로 다르도록 유발하는 다소 다른 환경을 가지는 서로 다른 분자 상에서 같은 모드로부터의 많은 서로 다른 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 이러한 다수의 서로 다른 스펙트럼에 의해 1차원 분광 방식으로 얻어진 스펙트럼은 비균일하게 넓어지게 된다. 이러한 1차원(1D) 스펙트럼은 서로 다른 분자에 기인한 것인지, 아니면 진동 모드가 단순히 빠른 진동의 위상 어긋남(fast vibrational dephasing)이나 이완(relaxation)에 기인하여 본질적으로 넓은 스펙트럼을 가지는지 구분이 어렵다.
도 4는 2차원 분광 측정에 비균일 넓어짐(inhomogeneous broadening)의 요인을 결정하는데 사용될 수 있는 펄스 배열의 예를 보여준다. 도 4를 참조하면, 샘플(100)에 ωa에 중심을 둔 3개의 다중 싸이클 필드 예컨대, 테라헤르쯔(THz) 펄스(pulse1, pulse2, pulse3)가 순차로 조사될 수 있다. 세번째 다중 싸이클 필드 즉 펄스3(pulse3) 조사후에, 샘플(100)은 펄스3에 이어지는 시간 t1후에 신호(signal)를 방출한다. 상기 신호는 시간축 t3를 따라 서로 상대적으로 시간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할되고 지연된 광학적인 판독 펄스 어레이(45)로 판독된다. 이에 의해, 단일 측정 또는 단일 레이저 샷(shot)에 의해 만들어진 판독 펄스 어레이(45)로 상기 신호가 판독될 수 있다. 상기 샘플(100)에 대한 분광 측정은 시간 지연 t1 스캐닝에 의해 반복될 수 있다. 도 4에서, t2는 펄스2(pulse2)와 펄스3(pulse3) 사이의 시간 지연을 나타내며, t3는 단일 레이저 샷에 의해 만들어진 판독 펄스 어레이(45)를 이용하여 상기 신호를 판독하는 시간을 나타낸다. 즉, 단일 샷에 의한 판독 펄스 어레이(45)의 시간 t3의 함수로 상기 신호의 판독이 이루어질 수 있다.
상기와 같이 시간적 및 공간적으로 분할된 판독 펄스 어레이(45)를 샘플에서 발생되는 신호에 오버랩하여 상기 신호의 판독이 이루어지며, 이때 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2) 사이의 간섭 시간(coherent time) t1과 판독 펄스 어레이의 시간 t3에 의해 2차원(2D) 시간 기록(t1,t3)이 얻어지며, 따라서, 2차원 측정이 행해질 수 있다.
도 5는 도 4의 펄스 배열을 적용할 때의 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2)사이의 시간 간격 t1에 대한 판독 펄스 어레이의 시간 t3에서의 측정 신호 값의 변화 및 이의 2차원 푸리에 변환(2D Fourier transform)을 보여준다.
제1시간축은 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2)사이의 시간 간격 t1, 제2시간축은 판독 펄스 어레이의 시간 t3에서의 상기 신호 값의 변화에 대응한다. 2차원 푸리에 변환은 2차원 스펙트럼이 두개의 대응하는 주파수 축을 따르게 한다. "흡수(absorption)"축 ω1은 샘플(100)의 진동 반응을 초기화하도록 흡수되는 초기 필드의 주파수를 나타낸다. "방출(emission)" 주파수 ω3는 출사된 간섭성 신호의 주파수를 나타낸다. 상기 출사된 신호는 입사 신호보다 더 많은 싸이클을 포함하며, 2차원 푸리에 변환 그래프에서 볼 수 있듯이 그래프의 반 대각선 방향으로는 진동 모드의 균일한 위상 어긋남(homogeneous dephasing of vibrational mode)이 나타나며, 불균일한 라인폭(inhomogeneous linewidth: 2차원 푸리에 변환 그래프의 대각선 방향을 따라 연장된 신호에 의해 주어진다)보다 더 좁은 균일한 라인폭(homogeneous linewidth: 상기 스펙트럼의 반 대각선 방향을 따라 주어진다)이 나타난다. 이때, 대각선 방향으로는 비균일 넓어짐(inhomogeneous broadening)을 의미하며, 반 대각선 방향으로는 균일한 넓어짐(homogeneous broadening)을 의미한다.
따라서 2차원 스펙트럼은 1차원 스펙트럼보다 더 자세한 분광 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 많은 진동 모드들이 존재하는 경우, 이러한 진동 모드들은 1차원 스펙트럼에서는 오버랩되어 분리가 어렵지만, 2차원 스펙트럼에서는 분리될 수 있다.
도 6은 진동 모드들 사이의 커플링을 결정하는데 사용될 수 있는 펄스 배열의 예를 보여준다. 샘플(100)은 주파수 ωa, ωb 및 ωc를 포함하는 광대역(broadband) 단일 싸이클 테라헤르쯔(THz) 펄스들로 조사될 수 있다. 여기서, 상기 펄스들은 단일 싸이클이 될 필요는 없으며, 단지 3개의 주파수 모드를 포함하도록 충분히 넓은 밴드이면 된다. 세 번째 펄스 즉, 펄스3(pulse3) 후에, 상기 샘플(100)은 펄스3(pulse)을 따르는 시간 t1후에 신호를 출사한다. 상기 신호는 단일 샷에 의한 판독 펄스 어레이(45)의 시간 t3의 함수로 판독될 수 있다. 이러한 측정은 시간 t1의 스캐닝에 의해 반복될 수 있다. 상기 출사되는 신호는 주파수 ωa, ωb 및 ωc를 포함할 수 있으며, 주파수 ωc에서의 신호 필드 성분은 처음 두 펄스 사이의 시간 지연에 의존하며, 특히, 그 강도는 주파수 ωc 및 ωa에서 진동하게 된다.
도 7은 도 6의 펄스 배열을 적용할 때의 펄스1(pulse1)과 펄스2(pulse2)사이의 시간 간격 t1에 대한 판독 펄스 어레이의 시간 t3에서의 신호 값의 변화 및 이의 2차원 푸리에 변환(2D Fourier transform)을 보여준다.
2차원 시간 기록(t1,t3)에 있어서, 주파수 ωc인 신호 값의 성분은 첫 번째의 두 펄스들 사이의 시간 지연에 의존하며, 특히 그 강도는 주파수 ωc 및 ωa에서 진동한다. 따라서, 2차원 푸리에 변환후에, 2차원 스펙트럼은 (ωc,ωc)에서 대각선을 따르는 피크2를 보일 뿐만 아니라, (ωc,ωa)에서 대각선을 벗어난(off-diagonal) 피크4를 보인다. 그 피크들은 이들 두 주파수에서의 진동 모드들이 커플링되는 것을 나타내는데, 이는 보통 분자들이 근접할 때 나타난다. 주파수 ωb에서 모드는, 대각선을 벗어난 피크들(미도시)을 발생시키는 다른 모드들과 커플링될 수 있지만, 주파수 ωc 및 ωa와는 커플링되지 않았음을 보여준다. 따라서, 2차원 스펙트럼은 여러 주파수의 진동 모드들 뿐만 아니라 다른 모드로 커플링된 진동 모드들까지도 분석할 수 있다. 예를 들어, 지연 시간 t2는 변화될 수 있으며, 모드 ωc 및 ωa가 ωc인 고 주파수 모드에서 ωa인 저 주파수 모드까지 시간에 의존하는 이완(time-dependent relaxation)을 통하여 커플링되면, 피크3은 t2의 함수로써 점차 성장되는 커플링에 의해 발생하는 ωa에서의 신호 필드 방출을 보여준다. 따라서, 같은 모드로 커플링되는 다수의 모드들조차도 커플링 모드로의 이완 동력학(relaxation dynamics)에 의해 구별될 수 있다.
따라서, 비균일하게 넓혀진 스펙트럼을 분석할 수 있으며, 모드 커플링의 분석도 가능하게 된다. 따라서, 생체분자에 대하여, 1차원(1D) 스펙트럼이 너무 넓거나 파악이 매우 어려운 수많은 진동 모드들을 발견하는 것을 가능하게 한다.
10...펄스광 제공부 20...빔 분리기
30...반응 펄스파 생성부 40...광학 판독 펄스 어레이 형성부
50...판독부 60...영상 검출부
70...신호처리부 80...광 전달 지연부
90,95...제1 및 제2릴레이 포커싱부

Claims (19)

  1. 펄스광 제공부와;
    상기 펄스광 제공부로부터 제공되는 펄스광을 제1펄스광과 제2펄스광으로 분기하는 빔 분리기와;
    상기 제1펄스광을 복수개로 분할하며, 상기 분할된 제1펄스광 사이에 상대적인 시간 지연을 주는 광 전달 지연부와;
    상기 광 전달 지연부로부터 시간차를 두고 입력되는 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지며 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하는 반응 펄스파 생성부와;
    상기 제2펄스광을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 판독 펄스 어레이를 형성하는 광학 판독 펄스 어레이 형성부와;
    상기 복수의 반응 펄스파가 상기 샘플에 조사됨에 따라 상기 샘플에서 발생되는 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 판독부와;
    상기 판독부에 의해 판독된 신호 영상을 검출하는 영상 검출부와;
    상기 영상 검출부에서 검출된 신호 영상을 처리하여 상기 샘플의 분광 분석 정보를 획득하는 신호처리부;를 포함하는 2차원 분광 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 반응 펄스파는 2개 이상이고,
    상기 샘플에서 발생되는 신호는 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 상기 샘플에 조사 후에 발생되는 것으로, 상기 샘플에서 발생되는 신호를 처리하여 분석하는 2차원 분광 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 전달 지연부는 상기 상대적인 시간 지연이 제어가능하도록 마련되는 2차원 분광 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 판독 펄스 어레이 형성부는, 서로 크로스되게 배치된 한쌍의 에셜론에 의해 시간적 및 공간적으로 상기 제2펄스광을 2차원 어레이의 판독 펄스광으로 분할하는 2차원 분광 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응 펄스파 생성부에서 생성된 반응 펄스파를 콜리메이팅하고 집속하여 상기 샘플에 포커싱하는 제1릴레이 포커싱부와;
    상기 샘플에서 발생되는 신호를 콜리메이팅하고 집속하여 상기 판독부로 입력되도록 하는 제2릴레이 포커싱부;를 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 2차원 분광 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2릴레이 포커싱부 중 적어도 어느 하나는 한쌍의 비축 포물경을 포함하는 2차원 분광 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 판독부는,
    상기 샘플에서 발생되는 신호와 상기 광학 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 전기-광학적 추출법에 의해 신호를 판독하는 전기-광학적 매질;을 포함하는 2차원 분광 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 판독부와 영상 검출부 사이에,
    상기 판독부에 의해 판독된 신호의 편광을 바꾸어주는 사반파장판과;
    상기 사반파장판을 경유한 판독된 신호를 편광에 따라 분리하는 편광분리기;를 더 포함하는 2차원 분광 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 편광 분리기는 월라스톤 프리즘인 2차원 분광 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 샘플은 반도체, 유전체, 생체분자 중 어느 하나를 포함하는 2차원 분광 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반응 펄스파는 단일이나 복수 싸이클의 가시광, 적외선, 테라헤르쯔파 중 어느 하나를 포함하는 2차원 분광 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 샘플은 생체의학 샘플이며,
    상기 신호처리부는 상기 샘플로부터 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나에 대한 분광 피크의 식별 및 정량화를 사용하여 원하는 생체분자의 존재나 부존재를 식별하는 2차원 분광 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 분광 분석 정보는 상기 샘플에 대한 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼이고,
    상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환으로부터 만들어지는 2차원 분광 시스템.
  14. 펄스광 제공부로부터 제공되는 펄스광을 제1펄스광과 제2펄스광으로 분기하는 단계와;
    상기 제1펄스광을 복수개로 분할하며, 상기 분할된 복수의 제1펄스광 사이에 상대적인 시간 지연을 주는 단계와;
    상대적인 시간지연을 가지는 상기 복수의 제1펄스광을 이용하여 분석하고자하는 샘플이 반응하는 파장 대역을 가지고 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 생성하여 상기 샘플에 조사하는 단계와;
    상기 제2펄스광을 각각이 다른 시간 지연을 가지며 공간적으로 구별되는 다수의 영역으로 분할하여 광학적인 판독 펄스 어레이를 형성하는 단계와;
    상기 반응 펄스파가 상기 샘플에 조사됨에 따라 상기 샘플에서 발생되는 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 단계와;
    판독된 신호 영상을 검출하는 단계와;
    검출된 신호 영상을 처리하여 상기 샘플의 분광 분석 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 2차원 분광 분석 방법
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 반응 펄스파는 2개 이상이고,
    상기 상대적인 시간지연을 가지는 복수의 반응 펄스파를 상기 샘플에 조사 후에 발생되는 상기 신호에 상기 판독 펄스 어레이를 오버랩하여 판독하는 2차원 분광 분석 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 반응 펄스파는 단일이나 복수 싸이클의 가시광, 적외선, 테라헤르쯔파 중 어느 하나를 포함하는 2차원 분광 분석 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 판독 펄스 어레이는 서로 크로스되게 배치된 한쌍의 에셜론에 의해 서로 다른 시간 지연을 가지며 서로 공간적으로 분리되게 형성되며, 상기 샘플에 포커싱되는 2차원 분광 분석 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 샘플은 생체의학 샘플이며,
    상기 샘플의 분석 정보를 획득하는 단계에서, 상기 샘플로부터 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를 얻고, 분광 피크의 식별 및 정량화를 사용하여 원하는 생체분자의 존재나 부존재를 식별하는 2차원 분광 분석 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 분광 분석 정보는 상기 샘플에 대한 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 중 적어도 어느 하나의 스펙트럼이고,
    상기 스펙트럼은 검출된 신호 영상의 푸리에 변환으로부터 만들어지는 2차원 분광 분석 방법.
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