KR102381930B1

KR102381930B1 - 광학 간섭 장치

Info

Publication number: KR102381930B1
Application number: KR1020167028123A
Authority: KR
Inventors: 사샤 피에르 허슬러; 허버트 오스카 모저; 알록 퍼닥
Original assignee: 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2022-04-04
Also published as: JP6513697B2; EP3117191A4; SG11201607441TA; TW201538958A; JP2017508160A; WO2015137880A1; TWI670483B; SG10201807071TA; KR20160132936A; US20170016770A1; US20210123809A1; US10760971B2; EP3117191A1

Abstract

광학 간섭 장치(100)는 여기서 개시된다. 기술된 실시예에서, 광학 간섭 장치(100)는 광의 시준된 빔을 수용하기 위한 위상 변위기 어레이(108)를 포함한다. 위상 변위기 어레이(108)는 다양한 위상 변위들을 가지는 적어도 몇몇의 광학 광 채널들과, 광의 시준된 빔의 각각의 선으로부터 광학 광 채널들을 생산하기 위해 셀들(128)의 어레이를 포함한다. 광학 간섭 장치(100)는 초점 거리를 가지고 광학 탐지기(116)에 의한 탐지를 위한 위상 변위기 어레이(108)의 하류에 이미지 및 그것의 초점거리에서 광의 집중된 빔을, 광학 광 채널들로부터, 동시에 생산하도록 배열되는 포커싱 렌즈(110)를 더 포함한다. 또한, 광학 간섭 장치(100)는 광학 탐지기(116)에 의한 탐지를 위해 영차수에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 생산하도록 광의 집중된 빔을 여과하도록 배열되고 포커싱 렌즈(100)의 초점 거리에서 배열되는 광학 공간 필터(122)를 포함한다. 또한, 공간적으로 분포되는 간섭 광 패턴을 생산하기 위한 방법은 개시된다.

Description

광학 간섭 장치{AN OPTICAL INTERFERENCE DEVICE}

본 발명은 광학 간섭 장치에 관한 것이다.

광학 간섭 장치(optical interference device)의 예시는 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 특정 부분을 넘어서 광의 스펙트럼 특성(spectral properties)을 평가하도록 일반적으로 이용되는 격자 분광계(grating spectrometer)이다. 분광학(spectroscopy)에서 이용될 때, 측정은 그 때 광에 노출되는 물질들의 특성(characteristics of materials)을 측정(determine)하도록 분석될 수 있다.

그러나, 현존하는 분광계들은 만약 그것들이 작다면, 그것들은 낮은 스펙트럼 분해능(low spectral resolution)뿐만 아니라 낮은 광 처리량(throughput)으로 고통 받거나, 상대적으로 크기가 큰 것 중 하나이다.

종래의 단점 중 적어도 하나를 다루는 광학 간섭 장치를 제공하는 것과 및/또는 유용한 선택을 대중에게 제공하는 것은 본 발명의 목적이다.

제1 양태에서는 : 광의 시준된 빔(collimated beam)을 수용하기 위한 위상 변위기 어레이(phase shifter array), 위상 변위기 어레이는 광의 시준된 빔 각각의 선들(respective rays)로부터 광학 광 채널들(optical light channels)을 생산하기 위한 셀들의 어레이를 가지고, 적어도 몇몇의 광학 광 채널들은 다양한 위상 변위(phase shifts)를 가짐; 광학 탐지기(optical detector)에 의한 탐지를 위해 위상 변위기 어레이 하류의(downstream) 이미지(image)와 그것의 초점 평면(focal plane) 내에 광의 집중된 빔(focused beam of light)을, 광학 광 채널들로부터, 동시에 생산하도록 배열되고 초점거리(focal distance)를 가지는 포커싱 요소(focusing element); 및 포커싱 요소의 초점 거리에서 배열되고 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 영 차수에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 생산하는 광의 집중된 빔을 여과하도록 배열되는 광학 공간 필터;를 포함하는 광학 간섭 장치가 제공된다.

기술된 실시예의 이점은 그것이 동일한 광학 평면 상에 배열되도록 광학 간섭 장치의 구성요소들을 이용할 수 있는 것이고, 따라서 매우 소형인 광학 간섭 장치는 달성된다.

포커싱 요소가, 몇몇의 광학 광 채널들 또는 각각의 광학 광 채널을 수용하도록 배열되는 각 렌즈렛을 구비하는, 렌즈렛 어레이를 포함할 수 있다는 것은 예상(envisaged)된다. 이러한 일 실시예에서, 공간 필터는, 렌즈렛 어레이의 각각의 렌즈렛의 초점거리에서 배열되는 각각의 구멍을 구비하는, 구멍 어레이(aperture array)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 셀들의 어레이의 적어도 몇몇의 셀들은 각각의 빈 셀들 상에 입사하는(incident) 선들의 위상에 영향을 미치지(affect) 않는 빈 셀들일 수 있다. 이는 소스 균일성(source uniformity)을 평가하기에 특히 유용하고 정보는 불-균일한 조명(illumination)을 위해 보상되도록 이용될 수 있다.

위상 변위기 어레이는 다양한 구성 형태들(configurations) 및 치수들(dimensions)을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 셀들의 어레이의 적어도 몇몇 셀들은 층상 구조(lamellar)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 층상 구조는 번갈아서(alternately) 승강된(raised) 및 우묵한 표면들(recessed surfaces)을 포함할 수 있다. 층상 구조는 짝수(even number) 또는 홀수(odd number)의 승강된 및 우묵한 표면들을 가질 수 있다. 다른 예로, 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들은 동심원 패턴(concentric pattern)을 형성할 수 있다.

명확하게, 포커싱 요소는 포커싱 렌즈 또는 거울일 수 있다. 광학 시준기(optical collimator)는 광의 시준된 빔을 생산하도록 배열된다. 또한, 광학 간섭은 광학 시준기 방향으로 입사광(incident light)을 향하게 하기 위하여 입구 구멍을 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 인터페로그램(interferogram)은 공간적으로 분포되는 간섭 광 패턴으로부터 유도될(derived) 수 있고, 스펙트럼은 일차 방정식(linear equations)의 시스템을 이용함에 의해 인터페로그램으로부터 유도될 수 있다. 일차 방정식은 역행렬(matrix inversion)을 이용하는 것을 포함할 수 있다.

광학 간섭 장치는 다양한 응용들에서 이용될 수 있고, 따라서 광학 간섭 장치는 라만 분광계(Raman spectrometer) 또는 푸리에 분광기(Fourier spectrometer)로써 응용될 수 있다.

또한, 광학 간섭 장치는 동일한 시간에 두 개의(또는 이상의) 분광계 평가 채널들(spectroscopic channels)을 탐지하도록 응용될(adapted) 수 있다. 따라서 광학 간섭 장치는 위상 변위기 어레이에 인접하게 배열된 위상 변위기 어레이를 더 포함할 수 있고, 여기서 다른 위상 변위기 어레이는 광의 참조 빔을 수용하도록 배열된다.

그것의 매우 작은 크기에 의해, 광학 간섭 장치는 전달 또는 흡광도 평가(absorbance measurements)를 위해 손바닥 크기(handheld) 또는 휴대용 장치들(portable devices)과 이용되도록 응용될 수 있다. 따라서, 제2 양태에서는 포커싱 렌즈 및 공간 필터, 위상 변위기 어레이 및 광학 시준기를 포용하기 위한 광학 하우징을 포함하는 광학 간섭 장치를 구비하는 위에서 기술된 바와 같은 광학 간섭 장치인 조합된 제품을 제공하고, 휴대용 계산 장치는 카메라 또는 초점 평면 어레이의 형상 내의 광학 탐지기를 가지며, 광학 하우징은 카메라 또는 초점 평면 어레이에 맞춰지도록 응용되며 여기서 카메라는 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 탐지하도록 구성된다.

제3 양태에서는 광의 시준된 빔을 수용하기 위한 위상 변위기 어레이가 제공되고, 위상 변위기 어레이는 광의 시준된 빔의 각각 선으로부터 광학 광 채널들을 생산하기 위한 셀들의 어레이를 가지고, 적어도 몇몇 광학 광 채널들은 다양한 위방 변위들을 가진다; 여기서 셀들의 어레이는 각각의 빈 셀들 상에 입사하는 선들의 위상에 영향을 주지 않는 적어도 몇몇 빈 셀들을 포함하고; 층상 구조는 다양한 위상 변위들을 가지는 광학 광 채널들을 생산하기 위해 다양한 깊이의 셀들을 가진다.

소스 균일성이 기술된 실시예의 이점은 동시에 평가될 수 있게 하고 그 후 이러한 정보는 불-균일 조명을 위하여 보상하도록 이용될 수 있는 것이다. 이러한 방법으로, 스펙트럼 정보가 계산될 수 있다.

바람직하게, 빈 셀들은 일반적으로 평탄할 수 있다. 일 실시예에서, 층상 구조는 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들을 포함할 수 있다. 층상 구조는 짝수 또는 홀수의 승강되고 우묵한 표면들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들은 동심원 패턴을 형성할 수 있다.

네 번째 양태에서는 공간적으로 분포되는 간섭 광 패턴을 생산하기 위한 방법이 제공되고, 이는 : 광의 시준된 빔을 수용하는 단계, 수용된 광의 시준된 빔의 각각의 선들로부터 광학 광 채널들을 생산하는 단계, 적어도 몇몇의 광학 광 채널들은 다양한 위상 변위들을 가짐; 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 하류에 이미지 및 그것의 초점 평면에서 광의 집중된 빔을, 광학 광 채널들로부터, 포커싱 요소에 의해, 생산되는 단계; 및 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 영 차수에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 생산하도록 광학 공간 필터에 의해 광의 집중된 빔을 필터링하고 포커싱 요소의 초점 거리에서 광학 공간 필터를 제공하는 단계;를 포함한다.

하나의 양태에 관련된 특성이 또한 다른 양태에 관련되는 것은 이해될 것이다.

본 명세서에 개시되어 있음.

실시예들은 첨부된 도면들을 참조로 하여 기술될 것이다.
도 1은 바람직한 실시예를 따르고 위상 변위기 어레이를 포함하는 분광계의 형상에서의 광학 간섭 장치의 개략도이다.
도 2는 도1의 분광계의 측면도이다.
도 3은 도 1의 위상 변위기 어레이의 확대도이다.
도 4는 도 3의 위상 변위기 어레이의 셀 부분의 확대도이다.
도 5는 도 4의 셀 부분의 예시적인 셀로서 빈 셀의 형상으로 단일 셀을 도시한다.
도 6은 도 4의 셀 부분의 예시적인 셀로서 제1 층상구조를 가지는 단일 셀을 도시한다.
도 7은 도 4의 셀 부분의 예시적인 셀로서 제2 층상구조를 가지는 단일 셀을 도시한다.
도 8은 도 4의 셀 부분의 예시적인 셀로서 동심원 패턴을 가지는 단일 셀을 도시한다.
도 9는 셀의 두 측면들(facets)을 통과하여 이동하는 것이 도시되는 평면 광파(plane light waves)와 도 6의 단일 셀을 도시한다.
도 10은 도 9의 두 측면들의 단면도이다.
도 11은 복수개의 렌즈렛을 포함하고 도 1 및 도 2에서 도시된 것과는 다른 분광계 배열의 개략도이다.
도 12는 도 11의 다른 분광계 배열의 상부 단면도를 도시한다.
도 13은 복수 개의 렌즈렛을 포함하는 도 1 및 도 2에서 도시된 것과는 또 다른 분광계 배열의 계략도이다.
도 14는 350nm 파장에서 10nm부터 0.5nm까지의 범위의 스펙트럼 분해능을 위한 도1의 분광계 및 예시적인 분광계를 위한 시준 각도를 위한 요구 사항들을 비교하는 그래프이다.
도 15는 도 1의 분광계 및 예시적인 분광계의 시준 각도 요구사항의 비율을 구분하는 그래프이다.
도 16은 도 15 에서 제안되는 바와 같은 분광계의 감소하는 크기의 가능성을 설명하기 위해 2nm 스케일에 관하여 도 1의 분광계의 예시적인 크기를 도시한다.
도 17은 스마트 폰의 카메라에 부착되는 도 16의 분광계를 도시한다.
도 18은

_min = 350 nm 파장에서 스펙트럼 분해능의 기능으로서 T_MCFTS/ T_Grating의 처리량 비율을 구분하는 그래프이고, 여기서 T_MCFTS 은 도 1의 분광계(100)의 처리량이고 T_Grating 는 예시적인 격자 장치의 처리량이다.
도 19 내지 도 23은 도 1의 위상 변위기 어레이의 다른 예시적인 모양들과 구조들을 도시한다.

도 1은 바람직한 실시예에 따른 분광계(100)의 형상 내 광학 간섭 장치의 개략도이다. 분광계(100)는 시준 렌즈(collimating lens; 106), 위상 변위기 어레이(108), 포커싱 렌즈(focusing lens; 110)의 형상 내의 포커싱 요소, 출구 구멍(exit aperture 114)을 가지는 출구 광학 공간 필터(112), 및 입구 구멍(entrance aperture; 104)을 가지는 입구 광학 공간 필터(entrance optical spatial filter; 102)를 포함한다.

입구 광학 공간 필터(102)는 광원(light source; 미도시된)으로부터 광을 수용하도록 배열되고 입구 광학 공간 필터(102)는 광원으로부터 시준 렌즈(106)로 광을 향하고(direct) 제한하도록 배열된다. 시준 렌즈(106)은 광의 시준된 빔의 각각의 선들로부터 광한 광 채널들을 생산하는 위상 변위기 어레이(108)를 위한 광의 시준된 빔 내로 광을 시준한다. 적어도 몇몇의 광학 광 채널들이 다양한 위상 변위를 가지는 것은 이해되어야 한다.

포커싱 렌즈(110)는 위상 변위기 어레이(108)로부터 광학 광 채널들을 수용하고 그것의 초점 평면 내의 광의 집중된 빔을 생산하도록 배열된다. 출구 광학 공간 필터(122)(즉, 출구 구멍(114))는 포커싱 렌즈(110)의 초점거리에서 배열되고, 포커싱 렌즈(110)로부터 광의 집중된 빔을 수용하고 광학 탐지기(116)에 의한 탐지를 위해 영 차수(in zeroth order)에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴(spatially distributed interference light pattern)을 생산하도록 배열된다.

광의 집중된 빔에 추가적으로, 포커실 렌즈가 또한 광학 탐지기(116)에 의한 탐지를 위해 이미지를 투사하고(projecting) 동시에 위상 변위기 어레이(108)의 이미지를 생산하도록 배열되는 것은 주목되어야 한다.

광학 탐지기(116)는 픽셀화 간섭 패턴(pixelated interference pattern)를 기록하고 광의 스펙트럼 조성(spectral composition)을 계산하기 위한 처리 모듈(processing module)에 이러한 픽셀 정보를(this pixel information) 보낼 수 있다.

도 3은 도1의 분광계의 위상 변위기 어레이(108)의 확대도(close up view)이고 위상 변위기 어레이(108)는 유리 또는 플라스틱과 같은 마이크로-조직인(micro-structured; 즉 마이크로-위상 변위기 어레이 또는 MPSA와 같이 아주 적절하게 명명되는) 투명한 물질(parent material)로 제작된다. 이러한 실시예에서, 위상 변위기 어레이(108)는 위상 변위기 어레이(108)를 가로지르는 다섯 개의 수직 및 수평줄무늬들(vertical and horizontal stripes; 120,122)로 형성된 격자 구조와 같이 배열되는 복수 개의 빈 셀들(118)을 포함한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 빈 셀들(118)의 격자 구조는 많은 수의 셀 부분들(cell sections; 126)을 포함하는 각 어레이 부분(array section; 124)을 구비하는 6 x 6 어레이 부분들(124; 비록 그에 따라서 수가 바뀌더라도) 내로 위상 변위기 어레이(108)를 분리한다.

도 4는 셀 요소들(cell elements) 또는 N x M 셀들을 가지는 셀 구역들(126) 중 하나의 확대도이다. 이러한 실시예에서, 셀 부분(126)은 몇몇의 빈 셀들(118)과 인접한 4 x 4셀들(128)로 제작될 수 있다. 각 셀은 그것의 상단 및 하단 릿지들(top and bottom ridges) 사이에서 그것의 개별적인 구조 깊이(individual structural depth)에 의해 그것의 이웃하는 셀과 다를 수 있다. 이는 변화하거나 다양한 구조 깊이(도 4에서 계단으로 도시되는)의 결과이고 따라서 각 개별적인 셀(128)은 다른 광학 위상 특성들을 보인다. 시준된 렌즈(collimated lens; 106)로부터 광의 시준된 빔이 위상 변위기 어레이(108) 상으로 향할 때, 셀들(128)은 각각의 광학 광 채널들(또는 평가 채널들)을 생산한다. 빈 셀들(118; 또는 다른 셀들(128)과 비교할 때의 "제로 깊이" 셀들)은 위상 변위기 어레이를 가로질러 광 원천의 공간적 강도 분포를 기록하도록 이용된다. 이러한 빈 셀들(118)이 이러한 빈 셀들(118) 상에 입사하는 시준된 빔의 선들의 위상에 영향을 받지 않지만(but rather), 이러한 빈 셀들(118)이 (선들의 위상에 영향을 받음 없이) 강도(intensity)를 평가하도록 이용되는 것은 인식될 것이다. 스펙트럼 정보의 평가 또는 계산을 위한 것은 언급될 것이고, 필요한 정보는 :

a) 위상 변위기 어레이(108)에 의해 생성되는 간섭 패턴;

b) 분광계(100)의 위상 변위기 어레이(108)의 조명의 불-균일성;

이다.

빈 셀(118)에서, 소스 균일성을 평가하는 것과 불-균일 조명을 위해 보상하도록 이 정보를 이용하는 것은 가능하다. 입사하는 광선의 위상 변화를 야기하는 광 셀들의 조합(128)과 위상 변위기 어레이(108)의 빈 셀들(118)은 동일 시간에 위상 변위기 어레이를 비추는(illuminating) 소스 분포를 모니터링하는 것을 허락한다.

또한, 공간적 강도 분포(spatial intensity distribution)는 불-균일 조명을 위하여 보상하기에 유용하다. 하나 또는 두 개의 수직하는 방향 내의 수백 개의 개별적인 셀들(128)을 배열하는 것은 스펙트럼을 연산하기 위한 도 3의 위상 변위기 어레이(108)를 구성하는 빈 셀들(118)을 포함한다. 이는 특히 소스 균일성을 탐지하도록 이용되는 별개의 빈 시트(separate blank sheet)를 위한 필요를 피하는 것으로써 유용하다.

도 4는 많은 빈 셀들(118)에 인접하게 배열된, 셀 부분(126)이 열 여섯 개의 개별적인 셀들(128)로 구성되는 수단들인 4 x 4 셀 부분(126)을 도시한다. 도 5는 모든 표면들(118a) 상에 평면이거나 일반적으로 평탄한 빈 셀들(118) 중 하나의 구조를 도시한다.

셀들(128)이 얻어지는 평가(measurements)에 의존하는 다른 모양들, 크기들 및 구조들에 따라올 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 도 6은 조명 표면(130a) 상에 배치되는 층상 구조(130b)를 구비하는 조명 표면(130a)을 가지는 제1 예시 셀(130)을 도시한다. 이러한 제1 예시 셀(130)에서, 층상 구조(130b)는 실질적으로 동일한 폭들을 가지는, 같은 수의 번갈아서 승강된 표면들(130c)과 우묵한 표면들(130d)를 가진다. 이러한 경우에서, 그것들은 짝수인 네 개의 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들(130c, 130d)이다. 말할 필요도 없이, 또한 우묵한 표면들(130, 130d)의 수는 홀수일 수 있다.

도 7은 조명 표면과 또한 조명 표면(132a) 상에 배치된 층상 구조(132b)를 가지는 제2 예시 셀(132)을 도시한다. 제1 예시 셀(130)과는 달리, 층상구조(122b)는 다른 수의 번갈아서 승강된 표면들(132c)과 우묵한 표면들(132d)을 가지고 그것들 승강되고 우묵한 표면들(132c, 132d)의 폭들은 또한 서로로부터 다르다.

셀의 층상 구조는 다른 구조들과 치수들을 가질 수 있는 것이 예상되고 일 예시는 도 8에서 도시되며, 이는 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들(134b, 134c)을 구비하는 동심원 층상 구조(concentric lamellar structure; 134a)를 가지는 제 3 예시 셀(134)이다.

셀들(128) 중에 배치된 빈 셀들(118)의 이용은 동시에 위상 변위기 어레이를 비추는 소스 분포의 모니터링을 허용한다. 이는 보상되도록 불-균일 조명을 가능하게 할 수 있다.

다음에, 어떻게 위상 변위기 어레이(108)가 위상 변위기 어레이(108)를 통해서 전송하는 선들로써 광선들을 굴절(refracts)시키는지를 논의하는 것은 적절할 것이다. 편의상(For simplicity), 도 9는 셀(130)의 제1 및 제2 면들(136, 138; first and second facets)을 통해 도시된 이동하는 것으로 도시된 평면 광선들(u_1j, u_2j)을 구비하는 도 6의 단일 셀(130)을 도시한다. 설명의 편의를 위해, 두 면들(136, 138) 사이의 깊이를 생성하여, 제1 면(136)은 승강된 표면들(130c) 중 하나이고 제2 면(138)은 우묵한 표면들(130d) 중 하나일 것이다. 도 10은 그려진 X 및 Y 축을 구비하는 도 9의 두 면들(136, 138)의 단면도이다.

스펙트럼 범위에서 굴절 인덱스(refractive index)의 분산(dispersion)을 알기 위하여, 평면파(plane waves; u_1j,u_2j)가 각각의 두께(respective thicknesses; L, d_j) (즉, 셀의 길이)를 가지는 두 면들(136, 138)을 구비하고 셀(130)의 두 면들(136, 138)을 통해 X-축 방향으로 이동하는 것은 추정(assumed)된다.

도 10의 두께(L)에서, 두 광파 또는 빔들의 감소된 진폭은 아래와 같이 계산된다 :

(식 : 1-1)

(식 1-2)

여기서,

k₀= 진공 파수(진공을 표현하는 아래글자(subscript) "0");

L = 제1 면(136)의 최대 두께;

d_j = 제2 면(138)의 두께;

j = 위상 변위기 어레이(108)의 각 개별적인 셀(128)을 카운트하는 자연수; 및

t = 시간;이다.

정의를 이용(Using the definition) :

(식 : 1-3)

여기서,

n' = 실제 굴절률; 및

K = 소멸 상수(extinction constant)이다.

이에서, 두 광 빔들(u_1j,u_2j) 사이의 간섭은 아래에 의해 계산된다 :

(식 1-4)

식 : 1-4로부터의, 전력에 비례하는 두 광 빔들(u_1j,u_2j)의 진폭의 합(sum of the amplitudes)의 절대값 제곱(absolute square)은 아래로부터 계산된다 :

(식 1-5)

그것은 K=0, 인 비-흡수 물질(non-absorbing material)의 단순화된 경우를 따른다 :

(식 1-6)

결과적으로, j^th셀의 설계 스펙트럼 범위(design spectral range;

,

= 1, 2, ...

; 및

은 셀의 수) 내부의 N x M 파수 값(wave number values)을 위한 스펙트럼 전력(spectral power )은 아래에 의해 계산된다 :

(식 1-7)

여기서, j = 1, 2, ...

이고

는 광 소스의 스펙트럼 전력 분포(spectral power distribution)이다.

식 1-7로부터의, 일차 방정식(linear equations)의 시스템은 셀(130)에 의해 발생되는 간섭 패턴을 얻도록 역행렬(matrix inversion)을 이용하여 해결될(solved) 수 있게 계산될 수 있다. 푸리에 변환(Fourier transformation)의 방법들에 의한 인터페로그램의 평가(evaluation)의 경우에, 주파수 스펙트럼의 추가적인 수정은 파수 의존 피크 위치 위상(wave number dependent peak position shift)을 위해 보상되도록 요구될 수 있다.

비록 위의 설명이 셀(130)을 기반으로 하지만, 설명이 전체 위상 변위기 어레이(108)에 유사하게 적용하는 것은 명백하다.

포커싱 요소가 단지 도 1 및 도 2에서 도시된 포커싱 렌즈(110)가 아닌, 다른 형상을 가질 수 있는 것은 명백하다. 예를 들어, 전체 위상 변위기 어레이(108)를 이미지화 하는 단일 포커싱 렌즈(110)를 이용하는 것 대신에, 각 위상 변위기 어레이 셀(128)은 개별적인 렌즈렛에 의해 이미지화 될 수 있고, 이러한 제1 대란 분광계 배열(first alternative spectrometer arrangement; 200)는 도 11(설명의 편의를 위해 생략된 몇몇 다른 구성요소들을 구비하는)에서 도시되고, 도 12는 도 11의 배열의 상단면도이다.

제1 대안 분광계 배열(200)는 도 1에서 도시된 것과 유사하지만 도 6의 셀들(130)의 어레이(즉, 층상 구조(130b)를 구비하는)와 빈 셀들(118)을 포함하는 대안적인 위상 변위기 어레이(202)를 포함한다. 단일 포커싱 렌즈(110) 대신에, 대안적인 분광계 배열(200)는 각각의 셀(130; 또는 케이스일 수 있는, 빈 셀(118))로부터 광학 광 채널(208)을 수용하도록 배열되는 각 렌즈렛(206)을 구비하는 복수 개의 렌즈렛들(206)을 포함하는 렌즈렛 어레이(204)를 포함한다. 이러한 광학 광 채널(208)은 도 11에서 음영된(shaded)과 같이 도시된다. 대신에, 각 렌즈렛(206)이 각 셀들(130; 또는 케이스일 수 있는 빈 셀(118))에 의해 생산되는 몇몇의 광학 광 채널들을 수용하도록 배열될 수 있는 것은 또한 예상된다.

제1 대안 분광계 배열(200)은 렌즈렛 어레이(204)의 초점 거리에서 배열되는 구멍 어레이(aperture array; 210)의 형상인 광학 공간 필터(optical spatial filter)를 더 포함한다. 각 슬릿 구멍(212; slit aperture)과 복수 개의 슬릿 구멍들(212)을 포함하는 구멍 어레이(210)는 대응하는 렌즈렛(206)의 초점 거리에서 배열된다. 또한, 구멍 어레이(210)와 렌즈렛 어레이(204)의 하류(downstream)에서, 제1 대안적인 분광계 배열(200)은 또한 복수 개의 2차적인 렌즈렛들(216)을 포함하는 2차적인 렌즈렛 어레이(214; secondary lenslet array), 및 탐지기 어레이(218)의 형상인 광학 탐지기를 포함한다.

도 12에서 도시된 바와 같이, 2차적인 렌즈렛들(216)은 탐지기 어레이(218)의 각각의 탐지기들(220)에 의한 탐지를 위하여 단일 픽셀 또는 빈드 픽셀(binned pixels)의 그룹으로써 구멍 어레이(210)로부터 광 빔을 재집중(refocus) 하도록 배열된다.

렌즈렛 어레이(204)의 이용에서, 매우 소형 분광계를 성취하는 것은 가능하다. 렌즈렛 어레이(204; 및 2차적인 렌즈렛 어레이(214))가 도 11에서 도시된 단일 렌즈렛 어레이 대신에 두 개로 교차된 원통형 렌즈렛 어레이들(two crossed cylindrical lenslet arrays)와 같이 함께 조합된 두 개 이상의 개별적인 렌즈 어레이에 의해 형성될 수 있는 것은 이해되어야 한다. 말할 필요도 없이, 대안적인 위상 변위기 배열(202)은 다른 형상을 가질 수 있고, 다른 예시는 도 13에서 도시되며, 이는 제2 대안 분광계 배열(second alternative spectrometer arrangement; 300)을 도시한다.

제2 대안 분광계 배열(300)은 도 11에서 도시된 것과 유사하지만 빈 셀들(118)과 도 8의 셀들(134)의 어레이(즉, 동심원 구조(134a)를 구비하는)를 포함하는 대란적인 위상 변위기 어레이(302)를 포함한다. 유사하게, 렌즈렛 어레이(304)는 탐지기 어레이(310), 2차적인 렌즈렛 어레이(308), 및 렌즈렛 어레이(304)의 초점 거리에서 배열되는 구멍 어레이(306) 및 또한 하류에 배열된다.

위상 변위기 어레이(302)의 동심원 구조의 도면에서, 도 11의 배열과는 다르세, 구멍 어레이(306)는 위상 변위기 어레이(302)로부터 (굴절된) 광 빔을 수용하는 많은 원형(circular) 또는 핀홀 구멍(pinhole apertures; 312)을 포함한다.

실시예 및 대안적인 배열들은 많은 이점들을 가지고, 수 많은 문제들을 해결한다. 예를 들어 :

넓은 자유 스펙트럼 작업 범위(Broader Free Spectral Working Range) :

격자들 또는 프리즘과 같은 분산 요소는, 자유 스펙트럼 범위로써 참조되는, 장치의 스펙트럼 대역폭(bandwidth)을 제한하는 것을 의도한다. 예를 들어, 정상 입사(normal incidence)에서의 격자의 분산식(dispersion formula)은 아래 공식으로 기술된다 :

(식 2-1)

여기서,

d = 슬릿의 간격(slit spacing), 소위 격자 상수(grating constant);

m = 회전 차수(diffraction order);

θ_m = m^th 회절 차수의 회절 각도(diffraction angle of the m^th diffraction order);

α = 격자 정상을 참조로 하는 입사 각도(incidence angle with reference to the grating normal); 및

λ = 파장;이다.

따라서, α=0을 위해, 회절된 빔qm (diffracted beam), 제1(m=1)과 같은 회절 차수, 및 고정된 격자 공간(d)의 주어진 회절 격자는 각도θ_m ₌₁ = sin^-1 (λ/d)를 위해 최대로 형성한다. λ/2의 파장 및 m=2의 경우를 위한 동일 적용들은, 회절 격자들을 위한 자유 스펙트럼 범위가 일 옥타브(one octave) 작업 대역((λmax / λmin < 2)에 제한된다는 것을 암시한다. 결과로, 종래의 격자 분광계들은 격자의 작업 대역을 넘어서 파장들의 필터링을 요구한다.

반면, 실시예에서 기술된 광학 간섭 장치는 파장의 필터링이 요구되지 않고 광학 탐지기에 의해 설정되는 스펙트럼 대역폭 곳곳에서(throughout) 작동하도록 맞춰질(tailored) 수 있으며, 이는 일반적으로 중요성(magnitude) 순서일 수 있다.

낮은 제조 허용 오차(Lower Manufacturing Tolerances) :

격자들은 홀로그래피(holography)에 의해 또는 기계적인 판정(mechanical ruling)에 의해 생산될 수 있다. 기계적인 판정의 경우에, 격자의 제조 요구 사항들은 많다(tremendous). 격자의 각 그루브 면(groove facet)이 λ_min /10 보다 작은 스케일 상에서 불규칙으로부터 자유롭고 부드러운 직선 가장자리(smooth straight edges)와 평탄할 것임은 알려진다. 그루브 공간(groove spacing)은 파장의 대략 1% 내에서 유지될 것이다. 예를 들어 300nm의 λ_min과 10 x 10 mm²의 크기의 격자를 위해 이러한 요구 사항은 10mm의 그루브의 전체 길이에 걸쳐서 30nm의 제조 허용 오차를 필요로 한다(necessitates). 이는 3μrad의 면을 따르는 각도 허용 오차 및 30nm 훨씬 아래의 표면 거칠기(surface roughness)와 동일하다.

홀로그래픽 생산의 경우에, 요구 사항들은 격자 패턴이 두 개의 간섭성 레이저 빔들의 간섭을 통해 생성되는 바와 같이 더 자연스럽게 실현되고, 그러나, 홀로그래픽 격자들은 쉽게 불타지(blazed) 않을 수 있고 지배된 격자들(ruled gratings)보다 상당히 낮은 효율을 가질 수 있다.

기술된 실시예에서, 개별적인 셀들(130, 132, 134)은 위상 변위기 어레이(108)를 형성하도록 이용되는 것은 제안되고, 즉 전체 표면은 작은 표면 요소들 내로 분할됨과 같이 고려될 수 있고 표면 평탄도(surface planarity)의 용어인 많이 낮은 허용 오차를 요구한다. 300nm의 파장을 위한 두 타입들을 비교하여, 기술된 실시예를 위한 표면 평탄성 상의 허용 오차는 30μrad의 범위에 오직 있을 수 있고, 이는 표면 거칠기(surface roughness) 상에서 유사한 요구 사항을 유지하는 동안 덜 엄격한 네 개의 중요도의 순서(four orders of magnitude less stringent)일 수 있다.

위-광학-축 시스템(On-optical-axis system) :

격자들은 일반적으로 전달(굴절) 또는 반사 모드 중 하나에서 축-외(off-axis)으로 이용된다. 비교에서, 기술된 실시예는 일반 광학 축 상의 모든 광학 구성요소들을 가지는 것의 이점을 제한하는 (상기 기술된 바와 같은) 전달 설정(transmission setup)을 제안한다. 이는 낮은 광학 수차(optical aberrations)의 결과이고 즉 광학 요소들의 최소 수를 구비하는 소형 장치는 성취된다. 기술된 실시예가 반사 설정들에 유사하게 의도되는 것은 예상된다.

매우 작은 광학 간섭 장치에서, 스마트 폰과 같은 휴대용 전자 장치들과 이용을 위한 장치를 맞추는 것은 가능하다. 실제로, 그렇게 함으로써(in doing so), 스마트 폰-통합 분광계들의 준비 가능성 및 유비쿼터스의 존재에 의해, 본 발명은 다른 종래의 분광 방법들에 걸쳐서 분광학의 모든 이점들을 제공하는 동안 일상 생활, 상업, 산업, 과학, 의학, 화장용, 생물학 분야 에서 분광학의 이용을 위한 임계값(threshold)을 대폭 낮춘다.

소형 장치 크기(Compact device size) :

실시예에서 기술된 분광계(100)는 시준의 높은 정도를 요구하지 않을 수 있고 따라서 소형 짧은 초점 길이 시준기(compact short focal length collimators) 및 크기를 위해 허용한다.

시준기를 가지는 종래의 격자 분광계에서, 입구 구멍 크기 및 시준기의 초점 길이는 스펙트럼 분해능 상에 상당한 영향을 가질 수 있다.

시준 각도

아래의 식에 의해 주어진다 :

= tan^- ¹(

/2f) (식2-2)

여기서,

= 소스 지정의 직경; 및

f = 시준기의 초점 길이;이다.

스펙트럼에서 두 개의 파장들을 분리하기 위하여, 격자는 예를 들어 (△θ = θ_m,

₂ - θ_m _,

₁ >

)

,

등의 정의를 위한 식 : 2-1d으로 나타나는, 시준 각도보다 큰 각도들로 인입 빔(incoming beam)을 반드시 분산한다.

따라서, 스펙트럼 분해능 (두 개의 이웃하는 해결되는 스펙트럼 라인들(two neighbouring resolved spectral lines) 사이의 차이, △

=

₂ -

₁)는 시준 각도

에 의해 불가피하게 제한된다. 이는 구별짓는(differentiating) 식 :2-1에 의해 추정될 수 있다 :

△

/△θ = d cos(θm)/m (식 : 2-3)

가정 △θ ≥

는 아래의 결과이다 :

작은 시준 각도를 위한 △

>=

d cos(θ_m)/m= tan^-1(

/2f)d cos(θ_m)/m ≡ (

/2f)d cos(θ_m)/m (식 2-4)

또는

≤△

m / (d cos(θ_m))이다.

식 2-4의 결과와 같이, 격자 분광계들은 더 높은 분해능(△

의 더 작은 값)를 얻는 최소에서

를 반드시 유지하고 따라서 작은 입구 구멍들(작은

) 또는 낮은 수용 각도들을 구비하는 광학적으로 긴 시준기 배열(큰 초점 길이 f) 중 하나를 요구한다.

도 1의 기술 된 실시예에서 스펙트럼 분해능은 간섭하는 빔들 사이에 생성되는 최대 광학 경로 차이(maximum optical path difference) 상에 의존된다. 시준 각도

는 위상 변위기 어레이 셀의 간섭하는 빔이 경사 각도(inclined angles) 때문에 위상의 밖의 π일 때(조건 1) 또는 시준 각도가 가장 짧은 파장의 제1 차수 및 가장 긴 파장의 제 영 차수를 겹치도록 클 때(조건 2) 이중 하나를 제한하는 분해능을 배치한다.

이는 아래를 따른다 :

= 최소[조건 1, 조건 2]와(min[condition 1, condition 2] with) :

조건 1 : φ = cos^-1(1 -λ/2δ_max) (식:2-5)

와(with) △λ = λ²/(2δ_max) 이를 따르는(it follows) :

조건 2 :

= cos^- ¹(√((P/λ_min)²/ (1+ P/λ_min)²))) (식:2-6)

여기서

P = 위상 변위기 어레이의 기간(period of the phase shifter array); 및

λ_min = 스펙트럼 내의 최소 파장(minimum wavelength in the spectrum)이다.

또한, P는 위상 변위기 어레이(100)의 편광 효과(polarization effects )를 최소화하고 피하도록 P = 3 내지10 λ_max(3 to 10 λ_max)의 범위에서 선택될 수 있다. 3 λ_max 아래의 기간을 구비하는 의도적으로-디자인된(purposely-designed) 위상 변위기 어레이들이 기술된 실시예의 범위의 부분이고 편광 의존 탐지 및 편광 민감성 평가들을 제한하는 것은 언급될 것이다.

도 14는 350nm 파장에서 10nm부터 0.5nm에 이르기까지의 스펙트럼 분해능을 위한 기술된 실시예(도 14 에서의 MC MTS)의 분광계(100)와 예시적인 분광계를 위하여 시준 각도를 위한 요구 사항들을 비교하는 그래프이다. 예시적인 분광계는 1200라인/밀리미터(1200 lines per millimeter)의 종래의 격자를 가지고 라인 AA는 이러한 분광계를 위한 시준 각도의 요구 사항들을 표시한다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 10nm의 분해능을 위해 이러한 분광계의 격자는 0.013 rad 보다 작은 시준 각도를 요구한다. 반면에, 기술된 실시예의 분광계(100)는, 엄격한 12보다 작은 인자(factor of 12 less stringent)인, P = 3 λ_max (즉, 이러한 예시에서 700nm인 최대 파장)의 기간에서 0.16 rad으로 조건 2에 의해 제한되고, 이는 도 14에서 선 BB로 도시된다. 기술된 실시예의 분광계(100)를 위해, 시준 각도는 조건 1 또는 2(식 2-5 또는 2-6) 어느 것 보다 더 작은 것 하나로 주어진다.

기술된 실시예의 분광계(100) 및 예시적인 분광계를 대조하기 위해, 도 15는 도 1의 분광계와 350nm의 파장에서 10nm에서부터 0.1nm에 이르기까지의 스펙트럼 분해능을 위한 예시적인 분광계의 시준 각도 요구 사항의 비율을 구분하는 그래프이다. 도 15의 그래프는 크기 축소 뿐만 아니라 처리량 이점(throughput advantage)의 용어인 분광계(100)의 잠재성(potential)을 설명한다. 특히 더 높은 분해능에서 분광계(100)가 한 두 자리수의 예시적인 분광계들 보다 우수한(outperforms) 것은 보여질 것이다. 예시와 같이 : 350nm의 최소 파장에서 1nm의 분해능을 위해, 10 λ_max의 기간을 구비하는 분광계(100)는 40-배(40-fold) 더 큰 시준 각도

를 허용한다. 식 2-2에 따라서, 이는 구멍 크기가 분광계들 둘 모두의 사이에서 일정하게 유지될 때, 시준기 초점 길이의 축소를 40-배 허용한다. 시준기 길이에서의 축소가 전체 시스템 사이즈를 줄이는 반면 이러한 것이 동시에 즉 집광 능력(the light collection ability)인 분광계를 들어가는 방사선(radiation)을 위한 전체 수광각(acceptance angle)을 크게 개선하는 것은 이해될 것이다. 이는 탐지기들이 처리량 이점을 강조하는 스마트 폰에서 CMOS 탐지기의 경우에서와 같이 덜 민감할 때 또는 라만 분광계과 같은 부족한 광 적용들을 위한 중요한 이점이다.

도 16은 기술된 실시예의 차원적인 이점을 도시하는 2mm 스케일에 관련하여 분광계(100)의 확대된 실시 물리적 크기를 도시한다. 또한, 도 17은 스마트 폰(400)의 길이 방향 축(142)에 실질적으로 수직한 분광계(100)의 주 광학 축(main optical axis; 140)을 구비하는 종래의 스마트 폰(400)의 카메라에 부착되고 광학적인 하우징 내에 첨부되는 도 16의 분광계(100)를 도시한다. 이것이 아닐 수도 있는 것은 관찰(envisaged)되고, 또한 분광계(100)가 스마트 폰(400)의 길이방향 축(142)에 실질적으로 평행한 그것의 주 광학 축(140)과 부착될 수 있는 것은 관찰된다. 또한, 분광계(100)의 크기가 특히 도 11에서 제안된 바와 같은 렌즈렛 어레이(204)를 구비하여, 더 감소될 수 있어서, 분광계(100)가 스마트 폰의 하우징 내부에 통합될 수 있는 것은 관찰된다.

높은 광 처리량(High light throughput) :

광학 시스템의 기하학적 넓이(geometrical extent) 또는 처리량(T)가 빔의 단면 영역(A) 및 그것의 투사 입체 각(projected solid angle (Ω)의 생산에 의해 주어진다 :

T= A Ω (식: 2-7)

주사 입체 각은 다음에 의해 주어진다 :

Ω = π sin²(Θ ) (식 : 2-8)

이에 의해 Θ 는 광학 시스템을 통과할 수 있는 자오선(meridional rays)의 가장 큰 원뿔(largest cone)의 절반 각도를 설명한다.

처리량은 광학 시스템을 통해 방사선(radiation)을 전송하고 수집하도록 장치의 능력을 설명하는 공로(merit)의 결정적인 도면(decisive figure)이다. 후속 유도에서, 판단(estimation)은 종래의 격자 분광계 장치들을 통해 이점에 대해 주어진다. 전술한 바와 같이, 처리량은 탐지기들이 덜 민감할 때 또는 신호를 캡처(capture)하는 통합 시간(integration times)이 짧을 때 라만 분광계와 같이 부족한 광 적용들을 위해 중요하다

분광계(100)을 위해, 처리량은 시준 각도를 위해 기술되는 바와 같이 동일한 조건들을 따른다. 따라서, Θ 는 주어진 분해능(resolution; 이전의 구역에서)을 위해 요구되는 시준 각도 (조건 1) 또는 분광계(100; MCFTS와 같이 표시되는)로부터 발산하는 가장 짧은 파장(λ_min)의 첫번째 회절(1^st diffraction)의 각도 (조건 2) 둘 중 더 작은 하나에 의해 제한된다. 이는 아래를 따른다 :

T_MCFTS = min [T_MCFTS,1 T_MCFTS,2]

조건 1 : 식 2-5, 2-7 및 2-8과 Θ ≤

를 위한 요구사항 설정을 조합하는, 처리량은 다음에 의해 주어진다 :

(식 2-9)

조건 2 : sin(θ) = λ_min / P (식:2-10)

여기서

θ = 제1차 회절 각도(the first order diffraction angle) ; 및

P 는 격자 셀들의 기간(P the period of the grating cells)이다.

식 2-7, 2-8 및 2-10과, Θ ≤ θ을 위한 요구사항 설정을 조합하여, 처리량은 아래에 의해 주어진다 :

(식 2-11)

여기서 :

A = 전체 시스템 처리량의 경우에 위상 변위기 어레이(108; MPSA) 구조의 전체 영역은 고려되거나 이는 각 검사 채널이 개별적으로 고려되는 경우에 단일 셀 요소의 영역에 의해 주어진다.

식 2-9 및 식 2-11을 유도하기 위해, 두 공식들 sin²(cos^-1(x))=1-x²와 sin²(sin^-1(x))=x²는 각각 X의 작은 값을 위해 단순화 된다.

격자 장치와 같이 종래의 분광계를 구비하는 처리량(T)를 조합하여, T_Grating는 공식 2-1, 2-4, 2-7 및 2-8을 조합함으로써 추측될(estimated) 수 있다. cos(sin^-1(x)) = √(1-x²)의 단순화를 이용하여, 이러한 격자 장치 상으로 수직으로 입사하는 방사선을 위한 처리량이 아래에 의해 주어지는 것 :

(식:2-12)

이 뒤따른다.

여기서 :

A = 격자 영역 조명(grating area illuminated)

△λ = 파장 분해능(wavelength resolution)

m = 회절 차수(diffraction order)

λ = 프로브 빔의 파장(wavelength of the probing beam), 및

d = 격자 장치의 그루브 기간(groove period)이다.

시준 요구사항 상에 논의에 있는 바와 같이 동일한 가정들(assumptions)을 이용하여, 두 장치의 처리량 T_MCFTS/ T_Grating 은 두 조명 영역(illuminated areas; A)이 of P = 100

, P = 10

, and P = 3

에 관해서 두 장치들을 위해 동일한 주어진 경우를 위해 λ_min = 350 nm 파장(λ_max 는 700 nm으로 설정된)에서 스펙트럼 분해능의 기능과 같은 T_MCFTS/ T_Grating의 처리량 비율을 구분함으로써 비교된다. 결과는 기술된 실시예의 분광계(100)의 처리량 이점을 설명하는 도 18에서 도시된다. 특히, 고 분해능에서 분광계(100)는 1200 라인 격자 장치(1200 lines grating device)에 비교되는 4 자릿수 이상(up to 4 orders of magnitude)의 광 처리량을 증가시킬 수 있다. 이는 라만 분광계와 같은 부족한 광 적용들에서 또는 광학 탐지기가 덜 민감한 경우에 큰 이점일 수 있다. 조속 시그널(fast signals)의 탐지를 위해 동일하게 중요한, 분광계(100)와 같이 시스템의 스피드 성능을 개선하는 더 높은 광 처리량은 시간의 주어진 기간 동안에 더 많은 광자들을 모을 수 있고 따라서 더 짧은 통합 시간을 허용한다.

공간 필터링 (Spatial filtering) :

알려진 기술들과 달리, 공간 필터링 기술은 위상 변위기 어레이(108)와 조합된다. 도 1에서 제시된 바와 같이, 출구 광학 공간 필터(112; 원형 구멍 어레이 또는 단일 슬릿 구멍을 가질 수 있는)는 유입하는 광학 탐지기(116)로부터 공간 필터 더 높은 회절 차수(spatially filter higher diffraction orders)로 포커싱 렌즈(110)의 초점(focal point)에 위치된다. 유사하게, 만약 렌즈렛 어레이(204)와 구멍 어레이(210)가 이용된다면 동일하게 언급될 수 있다. 이는 (소예르-시준기와 같은)공지된 기술들의 복잡성을 피하고 즉 광학 구성요소들과 시스템 비용을 줄인다.

분광기는 적용의 매우 넓은 범위를 가질 수 있고 결정 요인은 스펙트럼 범위이다. 예를 들어, 리드-아웃(read-out) 및 계산 도구(computation tool)와 같은 스마트 폰 카메라의 이용 및 가시 분광학의 분야에서, 이러한 적용들은 개별적인 스마트 폰 유저들을 포함하는 산업용 적용들을 넘어 확장할 수 있다. 스마트 폰 시장은 이제까지 확대되고 있고, 따라서 스마트 폰 분광계들은 일광욕을 위한 UV과 암 위험을 결정(determine)하거나 예측하도록 이용될 수 있는 UVA(ultraviolet A)의 검사로 혈액 산소 수치(blood oxygen levels) 또는 혈당 수치(blood sugar levels)의 탐지와 같이 거대한 잠재력을 제안할 수 있다. 또한, 스마트 폰 플랫폼(smart phone platforms)과 분광법을 결합하는 것, 이는 낮은-비용 현장-진단(point-of-care) 센싱 솔루션들을 제안하고, 이는 웹을 통해 보내도록 정보를 허용하며, 이는 위치 동일성(location identification), 데이터 로깅을 이용하는 클라우드 서비스들(logging utilizing cloud services) 및 피드백을 포함할 수 있다.

일반적으로, 가시 분광계는 아래에 관한 정보를 제공한다 :

● 원자(atoms)에서 전자(electron)로 전이(transitions) - 원자 정보(atomic information) > 추가로 적외선에 민감하게 제공되는 분자정보(infrared providing molecular information)

● 형광 분광법, 흥분된 상태(excited states)에서 기저 상태(excited states)로 전이

● 라만 분광법, 분자 정보는 얻어질 수 있음 > 높은 충격(high impact)

○ 레이저 자극(laser excitation)을 이용함, 고 분해능 위상 변위기 어레이는 IR 내의 라만 공명(Raman resonances)을 계산하도록 스마트 폰을 더한 가시 광 스펙트럼에 맞게 만들어짐. 감지되기 어려운 매우 낮은 신호 강도.

● 비색법(Colorimetry) : 예를 들어 pH 지표(pH indicators)와 같은 메틸 오렌지 색(methyl orange color)인 산도(acidity) 또는 농도(concentration)로 변화를 나타내는 표시 에이전트(labeling agents)의 색 변화를 포함하는, 색의 정확한 결정. 측면 흐름(Lateral flow)은 색 변화가 채워짐(pregnancy)과 같은 확실한 이벤트를 기록하도록 분광계(100)에 의해 읽힐 수 있는 것에 의해 시험된다.

○ 농도 모니터링 : 가시 분광계는 알려지지 않은 샘플들을 통해 광을 통과함으로써 농도를 정량화(quantifying concentrations)하는 것과 들어오는(sent in) I₀와 전송되는 I를 비교함으로써 전송을 계산하는 것을 허락한다. 투과율(T)로부터, 흡광도 A= log (1/T)는 계산된다.

● 베에르의 법칙은 A = εC l를 통해 농도를 계산하는 것을 허락하고, A는 흡광도(absorbance), ε은 몰 흡광 계수(molar absorptivity coefficient; L/mol cm), C는 흡수 종류의 농도(concentration of absorbing species; mol/L), 및 "l"는 경로 길이(the path length; cm)이다.

● 화학적인 표시 - 가시 광 스펙트럼에서, 발색단(chromophores)을 크게 흡수하고 따라서, 탐지되는 것이 필요한 분자들에 발색단을 부착시키는 것은 가능하다.

● 농도비(Concentration rate)는 (모든 살아있는 셀들에 존재하는 단백질) 효소(Enzymes)를 연구하도록 검사함. 효소들은 UV/가시에 반응하는 표시하는 분자(molecules)를 부착함으로써 검사됨.

○ 조직(tissue) 손상을 위한 지표로서 의약품(medicine)에서 넓게 이용함. 셀들이 질병에 의해 손상되었을 때, 효소들은 혈류(bloodstream) 내로 누출하고 양의 존재(amount present)는 조직 손상의 정도를 표시함.

● 전이 금속 이온들의 솔루션들의 정량적 결정은 매우 생물학적 거대 분자(biological macromolecules) 및 유기 화학물(organic compounds)로 크게 결합됨.

● 전이 금속 이온들의 솔루션은 색이 있을 수 있음. 금속 이온 솔루션들의 색은 강하게 영향을 받을 수 있음.

● 의학적인(Medical) :

○ 손가락을 통해서 전송된 빛을 측정하고 혈중 산소 농도(blood oxygen content)를 검사하는, 펄스 산소측정기(Pulse oximeter).

○ 종양들(tumors)의 비-침습성 탐지(Non-invasive detection) : 다른 광학 특성 및 그것들의 증가된 자가형광(autofluorescence)에 의해 건강한 조직(healthy tissue)으로부터 종양을 구별함.

기술되는 실시예들은 제한적인 것으로써 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 다양한 프로파일 깊이(varying profile depth)의 개별적인 셀들(128)을 배열하는 것은 도 3 및 4에서 도시된 바와 같은 구형의 위상 변위기 어레이(108)를 초래하고, 위상 변위기 어레이(108) 곳곳의 빈 요소들의 배열은 임의의 형상일 수 있다 : 사각형 격자, 원형 또는 랜덤으로 분포된다. 요구되는 많은 빈 셀들은 균일한 조면의 예상도(expected degree)에 의존한다. 셀(128)은 격자 셀일 수 있다.

광학 탐지기(116)는 탐지되도록 (UV와 같은) 광을 위한 CCD 또는 CMOS 광자 검출기들과 같은 전자기 방사선에 민감한 어떠한 장치일 수 있다. 적외선(infrared radiation)을 위한 MCT(수은 카드뮴 텔루라이드 또는 HgCdTe) 및/또는 열 탐지기는 이용될 수 있다. 분광계를 포함하는 광학 구성요소들의 스펙트럼 특성들 및 탐지기 물질(detector material)은 스펙트럼 작업 대역을 결정한다. 가시 분광계의 경우에, 현존하는 분광계는 간섭 패턴을 읽도록(read) 타블렛(tablets)과 같은 스마트 폰이나 다른 전자 장치들의 카메라 시스템을 이용할 수 있다. 또한, 스마트 폰의 프로세서(processor)는 스펙트럼 정보를 얻도록 역행렬 또는 푸리에 변환을 필수적으로 계산하도록 이용될 수 있다. 이러한 배열은 도 17에서 도시된다.

분광계(100) 및 다양한 구성 요소들(예를 들어, 입구 광학 필터(102), 시준 렌즈(106), 위상 변위기 어레이(108) 등)의 크기는 디자인되고 최적화될 수 있으며, 또한 분광계(100)가 스마트 폰의 광학 시스템의 부품으로써 통합되는 것은 가능하다. 또한, 스마트폰(400) 내에서 출구 광학 공간 필터(112)의 출구 구멍(114)로부터 도달하는(coming) 빔을 시준하는 제3 렌즈와 같은 추가적인 광학(additional optics)이 시스템의 크기를 더 줄일 수 있도록 이용될 수 있다. 추가적인 시준 렌즈의 경우에, 위상 변위기 어레이(108)의 이미지는 그 후 "무한"으로 형성되고 반면에 스마트 폰의 카메라 광학은 탐지기 평면에서 위상 변위기 어레이(108)의 이미지로 형성되도록 "무한(infinity)" 초점에서 잠길 것이다. 또한, 만일 분광계(100)가 스마트 폰의 길이 방향 축(142)에 평행하게 배열된다면, 거울(mirrors)은 매우 소형 분광계 설정을 허락하도록 스마트 폰(400)의 길이 방향 축의 광학 경로를 따라서 배열될 수 있다. 렌즈 시스템에 의해 도입된 색수차(chromatic aberrations)를 피하기 위해, 무색의 렌즈(achromatic lenses)이 이용될 수 있다.

만약 스마트 폰(또는 테블렛과 같은 이동식 전자 장치)가 간섭 패턴을 처리하도록 이용된다면, 스마트 폰의 카메라는 광학 탐지기(116)과 같은 기능을 할 수 있고 이러한 방법으로, 카메라는 분광계(100)에 의해 생성되는 픽셀화된 간섭 패턴을 기록할 수 있고, 스마트 폰의 프로세서는 스펙트럼 구조가 결과를 표시하도록 역행렬 또는 푸리에 변환을 통해 계산되는 것으로부터 인터페로그램과 같은 이러한 정보를 구분할 수 있다.

또한, 서로의 옆에 둘 (또는 이상의) 동일한 위상 변위기 어레이들(108)을 배열하거나 구성하는 것은 가능하고 이는 동시에 둘 (또는 이상의) 분광계 평가 채널들을 탐지하는 것을 허용한다. 이는 전달 또는 흡광도 평가를 위해 특히 중요한 부분일 수 있다. 예를 들어, 하나의 위상 변위기 어레이는 광의 샘플 빔(sample beam)을 위해 이용될 수 있다. 다른 위상 변위기는 광의 참조 빔(reference beam)을 위해 이용될 수 있다. 이는 다른 위상 변위기 어레이 옆에 배치된 하나의 위상 변위기 어레이와 도 1에서와 같은 유사한 출구 구멍 및 포커싱 렌즈를 이용하여 이행될 수 있고 두 위상 변위기 어레이들은 CCD 상에 다른 위치 상으로 이미지화된다. 또한, 유사한 평가는 도 11의 렌즈렛 어레이(204)를 이용하여 이행될 수 있다. 전달 평가의 경우에, 샘플 및 참조 빔은 그 후 샘플 빔을 위한 위상 변위기 어레이 앞에 시준된 빔에 샘플을 배치시킴으로써 동시에 평가될 수 있는 반면에 참조 빔 경로는 방해 받지 않는다.

도 1에서 도시된 분광계(100)의 몇몇 구성요소들은 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어 시준 렌즈(106)가 필요하지 않을 수 있는 것이 예상된다.

위상 변위기 어레이(108)는 다른 모양들 및 치수들로 제작될 수 있다. 예를 들어, 위상 변위기 어레이(108)는 대각선 또는 삼각 단면으로 확장하는 단 표면(stairstep surface)를 가질 수 있다. 도 19 내지 23은 위상 변위기 어레이(108)의 다른 예시적인 모양들 및 표면들을 도시하고, 이는 계단식 정-면 표면들, 계단식 후-면 표면들 또는 둘의 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 19는 정면 긴 그루브들(506)에 의해 인터리브(interleaved)되는 긴 정면 승강된 부재들(504)을 가지는 투과성 층상 구조(transmissive lamellar structure; 502; 전달을 도시하는 빔 CC)를 가지는 제1 위상 변위기 어레이 변형(first phase shifter array variation; 500)를 도시한다. 또한, 층상 구조(502)는 후면 긴 우묵한 부재들(510)과 후면 긴 승강된 부재들(508)을 포함한다. 정면 긴 승강된 부재들(504)이 이러한 변형 및 다양한 높이(Y-축에서 확장하는)를 가지는 것은 이해되어야 하고, 정면 긴 상승된 부재들(504)의 높이는 도 19에서 도시된 바와 같은 즉, Y-축에 수직하는 X-축을 따라서 증가한다. 또한, 층상 구조(502)는 층상 구조의 Z-축을 따라서 점진적인 계단들(progressive steps)를 구비하는 후면 계단식 표면(512)을 포함한다.

또 다른 변형에서, 도 20은 우묵한 요소들(536)과 인터리브되는 일련의 정면 승강된 요소들(a series of front side raised elements; 534)을 포함하는 반사적인 층상 구조(reflective lamellar structure; 532)를 가지는 제2 위상 변위기 어레이 변형을 도시한다. 정면 승강된 요소들(534)이 다양한 높이를 가지는 것은 이해되어야 하고, 이는 또한 도 20의 방향(DD)에서 제2 위상 변위기 어레이 변형(530)의 단면도(end view)인 도 21로부터 관찰될 수 있다. 또한, 우묵한 요소들(536)이 계단 방식(step manner; 538)으로 배열되는 것은 이해될 수 있다. 이러한 변형에서, 정면 승강된 요소들(534)과 우묵한 요소들(536)의 표면들은 반사적인 층(reflective layer)으로 코팅되고 광이 상단을 통과하여 들어갈 때(광선들(EE)에 의해 도시된 바와 같은), 광선이 정면 승강된 요소들(534) 또는 우묵한 요소들(536) 중 하나에 의해 반사된다.

다른 변형에서, 도 22는 매질 1과 같은 공기 및 매질 2와 같은 PMMA와 같은 - 다른 매질들(different media)의 형성된 반사적인 층상 구조(552)를 가지는 제 3 위상 변위기 변형(550)이다. 층상 구조(552)는 정면 우묵한 표면들 사이에 배열되는 정면 돌출 부재(front side protruding members; 554)를 포함하고, 또한 정면 돌출 부재들(554)은 다양한 높이의 프로파일(profiles)을 가진다. 제 3 위상 변위기 변형(550)은 도 23에서 도시된 바와 같이 비스듬하게 연장하는 점진적인 계단들을 구비하는 계단-식 구조(560)을 가지는 뒤 표면(back surface; 558)을 가지고, 이는 도 22의 제 3 위상 변위기 변형(500)의 배면도(back view)이다. 상면 돌출 부재들(554)의 상단 면들은 반사 코팅(562)으로 코팅되고, 뒤 표면(558)은 유사하게 반사 코팅(564)으로 코팅된다. 이러한 방법으로, 정면 돌출 부재(554)의 상단 표면 상에 떨어지는 광선은 화살표 FF로 도시된 바와 같이 반사 코팅(562; 매질 2를 통과함 없이)에 의해 반사되는 반면에, 광선들은 매질 2를 통해 전송하는 정면 우묵한 표면들(556) 상에 떨어지지만, 화살표 GG에 의해 도시되는 바와 같이 뒤 반사 코팅(56)에 의해 반사된다.

위상 변위기 어레이(108)의 다른 구조들 및 구성들이 이용되는 것은 이러한 변형으로부터 인식될 것이다.

이제 본 발명을 충분히 설명하였고, 많은 변경들은 청구된 바와 같은 범위로부터 벗어남 없이 본원에 제작될 수 있는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

100 : 분광계
102 : 입구 광학 공간 필터
104 : 입구 구멍
106 : 시준렌즈
108 : 위상 변위기 어레이
112 : 출구 광학 공간 필터
114 : 출구 구멍
116 : 광학 탐지기
118 : 빈 셀
120 : 줄무늬
122 : 줄무늬
124 : 어레이 부분
126 : 셀 구역
128 : 셀

Claims

광의 시준된 빔을 수용하기 위한 위상 변위기 어레이로서, 상기 위상 변위기 어레이는 상기 광의 시준된 빔의 각각의 선들로부터 광학 광 채널들을 생성하기 위한 셀들의 어레이를 갖고, 상기 광학 광 채널들 중 적어도 일부의 광학 광 채널은 다양한 위상 변위들을 가지는, 상기 위상 변위기 어레이;
초점 거리를 갖는 포커싱 요소로서, 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 상기 위상 변위기의 하류의 이미지 및 광의 초점 평면에서 광의 집중된 빔을, 상기 광학 광 채널로부터, 동시에 생산하도록 배열된 포커싱 요소;
상기 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 영 차수에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 생성하기 위해 상기 광의 집중된 빔을 필터링하도록 배열되고 상기 포커싱 요소의 상기 초점 거리로 배열된 광학 공간 필터;
를 포함하는 광학 간섭 장치.
제1항에 있어서,
상기 포커싱 요소는 렌즈렛 어레이를 포함하고, 각각의 렌즈렛은 상기 광학 광 채널들 중 일부의 광학 광 채널 또는 각각의 광학 광 채널을 수용하도록 배열된 광학 간섭 장치.
제2항에 있어서,
상기 광학 공간 필터는 구멍 어레이를 포함하고, 각각의 구멍은 상기 렌즈렛 어레이의 각각의 렌즈렛의 초점 길이로 배열된 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀들의 어레이의 셀들 중 적어도 일부의 셀은 빈 셀들이고, 상기 빈 셀들은 각각의 빈 셀들 상에 입사하는 상기 선들의 위상에 영향을 미치지 않는 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀들의 어레이의 셀들 중 적어도 일부의 셀은 층상 구조를 포함하는 광학 간섭 장치.
제5항에 있어서,
상기 층상 구조는 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 광학 간섭 장치.
제6항에 있어서,
상기 층상 구조는 짝수의 상기 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 광학 간섭 장치.
제6항에 있어서,
상기 층상 구조는 홀수의 상기 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 광학 간섭 장치.
제6항에 있어서,
상기 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들은 동심원 패턴을 형성하는 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포커싱 요소는 포커싱 렌즈 또는 거울인 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광의 시준된 빔을 생성하도록 배열된 광학 시준기를 더 포함하는 광학 간섭 장치.
제11항에 있어서,
상기 광학 시준기를 향해 입사하는 광을 지향하기 위한 입구 구멍을 더 포함하는 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
인터페로그램은 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴으로부터 유도되고, 스펙트럼은 일차 방정식들의 시스템을 이용함으로써 상기 인터페로그램으로부터 유도되는 광학 간섭 장치.
제13항에 있어서,
상기 일차 방정식들은 역행렬을 이용하는 것을 포함하는 광학 간섭 장치.
푸리에 분광계의 형상의 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광학 간섭 장치.
라만 분광계의 형상의 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 변위기 어레이에 인접하게 배열된 추가적인 위상 변위기 어레이를 더 포함하고, 상기 추가적인 위상 변위기 어레이는 광의 참조 빔을 수용하도록 배열된 광학 간섭 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광학 간섭 장치로서,
광의 시준된 빔을 생성하도록 배치된 광학 시준기, 상기 위상 변위기 어레이, 상기 포커싱 요소 및 상기 공간 필터를 수용하기 위한 광학 하우징; 및
카메라 또는 초점 평면 어레이의 형상인 상기 광학 탐지기를 갖는 휴대용 계산 장치로서, 상기 광학 하우징은 상기 카메라 또는 상기 초점 평면 어레이에 맞춰지도록 되고, 상기 카메라는 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 탐지하도록 구성된, 상기 휴대용 계산 장치;
를 포함하는 상기 광학 간섭 장치.
광의 시준된 빔을 수용하기 위한 위상 변위기 어레이에 있어서,
상기 위상 변위기 어레이는 상기 광의 시준된 빔의 각각의 선들로부터 광학 광 채널들을 생성하기 위한 셀들의 어레이를 갖고, 상기 광학 광 채널들 중 적어도 일부의 광학 광 채널은 다양한 위상 변위들을 갖고,
상기 셀들의 어레이는 적어도 일부의 빈 셀들 및 층상 구조를 포함하고, 상기 빈 셀들은 각각의 빈 셀들 상에 입사하는 선들의 위상에 영향을 주지 않고, 상기 층상 구조는, 다양한 위상 변위들을 갖는 상기 광학 광 채널들을 생성하기 위한 다양한 깊이들의 셀들을 가지는 위상 변위기 어레이.
제19항에 있어서,
상기 빈 셀들은 일반적으로 평탄한 위상 변위기 어레이.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 층상 구조는 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 위상 변위기 어레이.
제21항에 있어서,
상기 층상 구조는 짝수의 상기 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 위상 변위기 어레이.
제21항에 있어서,
상기 층상 구조는 홀수의 상기 승강되고 우묵한 표면들을 포함하는 위상 변위기 어레이.
제21항에 있어서,
상기 번갈아서 승강되고 우묵한 표면들은 동심원 패턴을 형성하는 위상 변위기 어레이.
공간적으로 분포되는 간섭 광 패턴을 생성하기 위한 방법에 있어서,
광의 시준된 빔을 수용하는 단계;
수용된 상기 광의 시준된 빔의 각각의 선들로부터 광학 광 채널들을 생성하는 단계로서, 상기 광학 광 채널들 중 적어도 일부의 광학 광 채널은 다양한 위상 변위들을 갖는, 상기 광학 광 채널들을 생성하는 단계;
초점 거리를 갖는 포커싱 요소를 제공하는 단계;
광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 하류의 이미지 및 광의 초점 평면에서의 광의 집중된 빔을, 상기 광학 광 채널들로부터, 상기 포커싱 요소에 의해, 동시에 생성하는 단계; 및
광학 공간 필터를 제공하는 단계로서, 상기 광학 탐지기에 의한 탐지를 위해 영 차수에서 공간적으로 분포된 간섭 광 패턴을 생성하기 위해 상기 광학 공간 필터에 의한 상기 광의 집중된 빔을 필터링하고 상기 포커싱 요소의 초점 거리에 상기 광학 공간 필터를 제공하는 단계;
를 포함하는 방법.