KR102500358B1 - 물질의 비접촉 감지를 위한 레퍼런스 스위치 아키텍처 - Google Patents

물질의 비접촉 감지를 위한 레퍼런스 스위치 아키텍처 Download PDF

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미카 엠. 캉가스
마크 알란 아르보어
데이비드 아이. 사이먼
마이클 제이. 비숍
제임스 힐렌달
로버트 첸
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애플 인크.
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Abstract

본 내용은 샘플링 계면에서 샘플(620) 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 시스템(600) 및 방법에 관한 것이다. 시스템(600)은 광원(602), 하나 이상의 광학체(606, 610, 612), 하나 이상의 변조기(634, 636), 레퍼런스(608), 검출기(630), 및 제어기(640)를 포함한다. 개시된 시스템 및 방법은 상이한 측정 광 경로들 사이의 하나 이상의 컴포넌트를 공유함으로써 광원, 하나 이상의 광학체, 및 검출기로부터 비롯된 드리프트를 해결할 수 있다. 추가적으로, 시스템은 광원과 샘플 또는 기준 재료 사이에 하나 이상의 변조기를 배치함으로써 상이한 유형의 드리프트를 분별하고 미광(stray light)으로 인한 잘못된 측정을 배제할 수 있다. 또한, 시스템은 검출기 픽셀 및 마이크로광학체를 샘플 내의 위치 및 깊이로 맵핑함으로써 샘플 내의 다양한 위치 및 깊이를 따라 물질을 검출할 수 있다.

Description

물질의 비접촉 감지를 위한 레퍼런스 스위치 아키텍처 {REFERENCE SWITCH ARCHITECTURES FOR NONCONTACT SENSING OF SUBSTANCES}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 9월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/213,004호, 및 2016년 8월 29일 출원된 PCT 특허 출원 제PCT/US2016/049330호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원들은 그 전문이 본 명세서에 참조로서 포함된다.
기술분야
이는 일반적으로 샘플링 계면에서 샘플 내의 하나 이상의 물질을 검출할 수 있는, 더 구체적으로는, 샘플 내의 하나 이상의 광학 경로를 재구성할 수 있는 레퍼런스 스위치 아키텍처에 관한 것이다.
흡수 분광법은 샘플링 계면에서 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용될 수 있는 분석 기법이다. 흡수 분광법을 위한 종래 시스템 및 방법은 샘플에 광을 방출하는 것을 포함할 수 있다. 광이 샘플을 투과함에 따라, 광 에너지의 일부분이 하나 이상의 파장에서 흡수될 수 있다. 이 흡수는 샘플을 벗어나는 광의 속성들에 변화를 일으킬 수 있다. 샘플을 벗어나는 광의 속성들은 레퍼런스 재료를 벗어나는 광의 속성들과 비교될 수 있고, 이러한 비교에 기초하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형이 결정될 수 있다.
비교는 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있지만, 측정 및 결정은 미광에 대한 분별 및 보상 능력 부족, 및 수많은(예컨대, 수십 또는 수백) 샘플 포인트들이 측정 이후가 아닌, 측정 초기의 변동, 드리프트, 및 변이로 인해 잘못될 수 있다. 또한, 일부 종래 시스템 및 방법은 샘플 내의 여러 곳에서 농도를 측정하지 못할 수 있다. 여러 곳에서 농도를 측정할 수 있는 시스템 및 방법은 복잡한 컴포넌트들 또는 샘플 내의 위치의 깊이 또는 샘플을 벗어나는 광의 경로 길이를 연관시키는 검출 기법을 요구할 수 있다.
본 발명은 샘플 내의 농도가 낮거나 또는 SNR이 낮을 때(예컨대, SNR < 10-4 또는 10-5) 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 개시된 시스템 및 방법은 샘플 광학 속성들을 측정하기 위한 광 경로와 기준 재료 광학 속성들을 측정하기 위한 광 경로 사이에서 하나 이상의 컴포넌트를 공유함으로써 시스템 내의 광원, 하나 이상의 광학체, 및 검출기로부터 비롯된 변동, 드리프트, 및/또는 변이의 원인을 밝힐 수 있다. 추가적으로, 시스템은 광원과 샘플 또는 기준 재료 사이에 하나 이상의 변조기를 배치함으로써 상이한 유형의 드리프트를 분별할 수 있고 미광으로 인한 잘못된 측정을 배제할 수 있다. 또한, 시스템은 검출기 어레이 내의 검출기 픽셀 및 마이크로광학체 유닛 내의 마이크로광학체를 샘플 내의 위치 및 깊이로 맵핑함으로써 샘플 내의 다양한 위치 및 깊이를 따라 물질을 검출할 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 다중 검출기를 포함하는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 예들에 따른 다중 검출기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 공유 검출기를 포함하는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 예들에 따른 공유 검출기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하기 위한 흡광도 측정치의 예시적인 플롯을 예시한다.
도 6은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위하여 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 예들에 따른 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위하여 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 예시적인 시스템을 예시한다.
도 9는 본 개시내용의 예들에 따른 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용되는 흡광도 측정치의 예시적인 플롯들을 예시한다.
도 11은 본 개시내용의 예들에 따른 보정 과정 동안 예시적인 공정 흐름을 예시한다.
도 12는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 상이한 위치들에서 비롯되는 복수의 광학 경로를 재건할 수 있고 복수의 광학 경로 중 상이한 경로 길이들을 분해할 수 있는 예시적인 시스템의 예시적인 블록도를 예시한다.
도 13은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 상이한 위치들을 측정할 수 있고 샘플 내의 상이한 위치들과 연관된 상이한 광 경로들을 분해할 수 있는 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 본 개시내용의 예들에 따른 공유 광학체를 이용하여 샘플 내에 위치한 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도들을 예시한다.
도 15는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성되고 샘플-시스템 계면에서 광 반사 또는 산란을 감소 또는 억제하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다.
도 16a는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다.
도 16b는 본 개시내용의 예들에 따른 예시적인 편광 감응형 시스템의 단면도를 예시한다.
도 17은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다.
도 18 및 도 19는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성된 예시적인 시스템의 표면의 평면도들을 예시한다.
예들의 다음 설명에서, 첨부된 도면들이 참조되며, 실시될 수 있는 특정 예들이 도면들 내에서 예시로서 도시된다. 다양한 예들의 범주를 벗어나지 않으면서 다른 예들이 이용될 수 있고 구조적 변경이 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시내용에 따른 방법들 및 장치들의 대표적인 응용들이 이 섹션에 기술된다. 이 예들은 단지 맥락을 부가하고 기술된 예들의 이해를 돕기 위하여 제공된다. 따라서, 기술된 예들이 구체적인 세부사항들의 일부 또는 전부가 없어도 실시될 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 다른 적용예들도 가능하며, 따라서 이하의 예들을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
다양한 기술들 및 프로세스 흐름 단계들이 첨부된 도면들에 도시된 예들을 참조하여 상세히 기술될 것이다. 이하의 설명에서, 본 명세서에 기술되거나 언급된 하나 이상의 양태 및/또는 특징의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 기재된다. 그러나, 본 명세서에 기술되거나 언급된 하나 이상의 양태 및/또는 특징이 이 구체적인 세부사항들의 일부 또는 전부 없이 실시될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조들은 본 명세서에 기술되거나 언급된 양태들 및/또는 특징들의 일부를 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다.
또한, 프로세스 단계들 또는 방법 단계들이 순차적인 순서로 기술될 수 있지만, 이러한 프로세스들 및 방법들은 임의의 적합한 순서로 동작하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 본 개시내용에 기술될 수 있는 단계들의 임의의 시퀀스 또는 순서는, 그 자체로는, 단계들이 그 순서대로 수행되어야 한다는 요구사항을 나타내지는 않는다. 게다가, 일부 단계들은 (예컨대, 하나의 단계가 다른 단계 후에 기술되기 때문에) 비동시적으로 발생하는 것으로서 기술되거나 암시되어 있음에도 불구하고, 동시에 수행될 수 있다. 또한, 프로세스를 도면에 도시하는 것에 의해 프로세스를 예시하는 것은 예시된 프로세스가 그에 대한 다른 변형들 및 수정을 제외한다는 것을 암시하지 않고, 예시된 프로세스 또는 그의 단계들 중 임의의 것이 예들 중 하나 이상에 필요하다는 것을 암시하지 않으며, 예시된 프로세스가 선호된다는 것을 암시하지 않는다.
본 개시내용은 샘플링 계면에서 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 예들에서, 샘플 내의 농도가 낮을 수 있거나, 또는 SNR이 낮을 수 있다(예컨대, SNR < 10-4 또는 10-5). 시스템은 광원, 광학체, 하나 이상의 변조기, 레퍼런스, 검출기, 및 제어기(또는 로직)를 포함할 수 있다. 개시된 시스템 및 방법은 샘플 광학 속성들을 측정하기 위한 광 경로와 기준 재료 광학 속성들을 측정하기 위한 광 경로 사이에서 하나 이상의 컴포넌트를 공유함으로써 광원, 하나 이상의 광학체, 및 검출기로부터 비롯된 변동, 드리프트, 및/또는 변이의 원인을 밝힐 수 있다. 추가적으로, 시스템은 광원과 샘플 또는 기준 재료 사이에 하나 이상의 변조기를 배치함으로써 상이한 유형의 드리프트를 분별할 수 있고 미광(stray light)으로 인한 잘못된 측정을 배제할 수 있다. 또한, 시스템은 검출기 어레이 내의 검출기 픽셀 및 마이크로광학체 유닛 내의 마이크로광학체를 샘플 내의 위치 및 깊이로 맵핑함으로써 샘플 내의 다양한 위치 및 깊이를 따라 물질을 검출할 수 있다.
샘플 내의 물질들에 대하여, 각각의 물질은 소정 파장 영역 내의 특징을 가질 수 있고, 이는 하나 이상의 흡광도 피크의 위치에 의해 표시된다. 일 예시적인 파장 영역은 단파장 적외선(SWIR)일 수 있다. 물질은 하나 이상의 파장에서 더 많은 양의 에너지를 흡수할 수 있고, 다른 파장들에서 더 적은 양의 에너지를 흡수할 수 있어서, 물질의 고유한 분광 지문을 형성한다. 이 분광 지문에 하나 이상의 흡광도 피크의 패턴을 매칭함으로써 샘플 내의 물질의 유형의 결정이 수행될 수 있다. 추가적으로, 물질의 농도는 흡수량에 기초할 수 있다.
샘플링 계면에서의 샘플은 광 입사를 변경할 수 있는 다수의 물질들을 포함할 수 있다. 다수의 물질들 중, 하나 이상의 물질이 관심 물질일 수 있고 다른 물질들은 관심 외일 수 있다. 일부 예들에서, 관심외 물질들은 관심 물질보다 더 많은 입사광을 흡수할 수 있다. 추가적으로, 분광 아티팩트들이 하나 이상의 관심 물질의 흡광도 피크를 "가릴" 수 있다. 분광 아티팩트 및 관심외 물질들의 흡수는 둘 모두 관심 물질의 검출을 어렵게 만들 수 있다. 또한, 샘플 내의 하나 이상의 물질의 불균일한 분포가 있을 수 있는데, 이는 샘플의 광학 속성들(예컨대, 선형 복굴절, 광학 활성, 광학적 감쇠(diattenuation)의 변이를 일으킬 수 있다.
흡수 분광법은 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용될 수 있는 분석 기법이다. 광은 광원으로부터 방출되어 샘플에 입사할 때 초기 세기 또는 에너지를 가질 수 있다. 광이 샘플을 투과함에 따라, 에너지의 일부분이 하나 이상의 파장에서 흡수될 수 있다. 이 흡수는 샘플을 벗어나는 광의 세기에 변화(예컨대, 손실)를 일으킬 수 있다. 샘플 내의 물질의 농도가 증가함에 따라, 더 많은 양의 에너지가 흡수될 수 있고, 이는 측정된 흡광도에 의해 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020098773886-pat00001
여기서 T는 샘플을 빠져나가는 광의 투과율이다.
물질에 의해 적어도 부분적으로 흡수된 이후에 샘플을 벗어나는 광의 양은 샘플 내의 물질의 농도가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소될 수 있다. 수식(1)에 언급된 흡광도와 투과율의 관계를 고려하면, 흡광도와 샘플 내의 물질의 농도 사이에 선형 관계과 존재할 수 있다. 이 관계를 이용하여, 샘플 내의 물질의 농도는 레퍼런스 및 비례식을 이용하여 계산될 수 있고, 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure 112020098773886-pat00002
여기서 A샘플 및 A레퍼런스는 각각 샘플 흡광도 및 레퍼런스 흡광도이고, C샘플 및 C레퍼런스는 각각 샘플 및 레퍼런스 내의 물질의 농도이다. 일부 예들에서, 물질은 하나 이상의 화학 성분을 포함할 수 있고, 측정치는 샘플 내에 존재하는 각각의 화학 성분의 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 1은 예시적인 시스템을 예시하고, 도 2는 본 개시내용의 예들에 따른 다중 검출기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다. 시스템(100)은 제어기(140)에 의해 신호(104)를 통해 제어되는 광원(102)을 포함할 수 있다. 광원(102)은 다중대역 또는 다중파장 광(150)을 모노크로메이터(106)를 향해 방출할 수 있다(프로세스(200)의 단계(202)). 모노크로메이터는 다중파장 광(150)으로부터 하나 이상의 개별 파장을 선택할 수 있는 컴포넌트이다. 일부 예들에서, 모노크로메이터(106)는 원치않는 광 또는 미광을 배제하도록 구성된 입구 슬릿을 포함할 수 있다. 모노크로메이터는 파장 선택을 위한 하나 이상의 간섭 또는 흡수 필터, 프리즘, 또는 회절 격자와 결합될 수 있다. 모노크로메이터(106)는 광(150)을 광(152)을 형성하는 하나 이상의 개별 파장으로 분리할 수 있다(프로세스(200)의 단계(204)). 광(152)은 빔스플리터(110)에 입사할 수 있다. 빔스플리터는 광의 빔을 다수의 광의 빔들로 분할할 수 있는 광학 컴포넌트이다. 여기서, 빔스플리터(110)는 광(152)을 2개의 광 빔: 광(154) 및 광(164)으로 분할할 수 있다(프로세스(200)의 단계(206)).
광(154)은 샘플(120)에 입사할 수 있다. 광의 일부분은 샘플(120) 내의 물질에 의해 흡수될 수 있고, 광의 일부분은 샘플(120)을 투과할 수 있다(프로세스(200)의 단계(208)). 샘플(120)을 투과하는 광의 일부분은 광(156)으로 표현될 수 있다. 광(156)은 검출기(130)의 활성 영역에 충돌할 수 있는 광자들의 세트를 포함할 수 있다. 검출기(130)는 활성 영역에 충돌하는 광 또는 광자들에 대응 또는 측정할 수 있고(프로세스(200)의 단계(210)) 전기 신호(158)를 생성할 수 있으며, 이는 광(156)의 속성들을 나타낼 수 있다(프로세스(200)의 단계(212)). 전기 신호(158)는 제어기(140)에 입력될 수 있다.
광(164)은 거울(112)을 향해 인도될 수 있다(프로세스(200)의 단계(214)). 거울(112)은 광을 레퍼런스(122)를 향하여 지향하거나 또는 재지향할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 광 재지향을 위하여 비반사 컴포넌트(들)(예컨대, 구부러진 도파관)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 시스템(100)은 다른 유형들의 광학체, 예컨대, 도광체, 회절 격자, 또는 반사판을 포함할 수 있다. 광(164)은 레퍼런스(122)에 입사할 수 있다. 광(164)의 일부분은 레퍼런스(122) 내의 물질에 의해 흡수될 수 있고, 광(164)의 일부분은 광(166)과 같이 레퍼런스(122)를 투과할 수 있다(프로세스(200)의 단계(216)). 광(166)은 검출기(132)의 활성 영역에 충돌할 수 있는 광자들의 세트를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(130) 및 검출기(132)는 매칭된 검출기들일 수 있다. 즉, 검출기(130) 및 검출기(132)는 검출기의 유형, 동작 조건, 및 성능을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 유사한 특성들을 가질 수 있다. 검출기(132)는 활성 영역에 충돌하는 광 또는 광자들에 대응 또는 이들을 측정할 수 있고(프로세스(200)의 단계(218)), 광(166)의 속성들을 나타내는 전기 신호(168)를 생성할 수 있다(프로세스(200)의 단계(220)). 전기 신호(168)는 제어기(140)에 입력될 수 있다.
제어기(140)는 신호(158) 및 신호(168)를 둘 모두 수신할 수 있다. 일부 예들에서, 신호(158)는 샘플 흡광도(수식(2)에서 A샘플로 표시됨)를 포함할 수 있고, 신호(168)는 레퍼런스 흡광도(수식(2)에서 A레퍼런스로 표시됨)를 포함할 수 있다. 제어기(140)는 샘플 흡광도를 레퍼런스 흡광도로 나눠 비율을 구할 수 있다. 레퍼런스(122) 내의 물질의 농도는 사전결정되거나 또는 알려진 값일 수 있다. 따라서, 제어기(140)는 샘플 흡광도과 레퍼런스 흡광도의 비율 및 알려진 레퍼런스 내의 물질의 농도를 이용하여 샘플 내의 물질의 농도를 결정할 수 있다(프로세스(200)의 단계(222)).
시스템(100)(도 1에 도시됨)을 이용하여 샘플 내의 물질의 조성을 결정하는 한 가지 장점은 광원으로부터 야기되지만, 물질의 조성 변화로부터 야기되지 않는 변동, 드리프트, 및/또는 변이가 보상될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 광원(102)으로부터 방출된 광(152)의 속성들이 예상치 않게 변하는 경우, 광(154) 및 광(164)은 둘 모두 이 예상치 못한 변화에 동일하게 영향을 받을 수 있다. 결과적으로, 광(156) 및 광(166)은 또한 둘 모두 동일하게 영향을 받아서 제어기(140)가 신호(158)를 신호(168)로 나누면 광의 변화는 상쇄될 수 있다. 그러나, 시스템(100)은 흡광도 측정을 위하여 2개의 상이한 검출기(예컨대, 검출기(130) 및 검출기(132))를 포함하기 때문에, 검출기들 자체에서 비롯되는 변동, 드리프트, 및/또는 변이는 보상되지 않을 수 있다. 검출기(130)와 검출기(132)가 매칭될 수 있더라도(즉, 동일한 특성을 갖더라도), 물질과 관련없는 다양한 요인들, 예컨대 환경 조건들이 상이한 검출기들에 갖는 비율 또는 효과는 동일하지 않을 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 특성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상이한 검출기들에 상이한 영향을 주는 경우, 두 신호가 아닌, 오직 하나의 신호만 동요할 수 있다. 제어기(140)는, 물질에 관련이 없으면서, 오직 하나의 신호를 동요시킨 요인이 있다고 인식하지 않고, 제어기(140)는 이 동요를 레퍼런스(122)에 비교한 샘플(120)의 농도의 차이로서 잘못된 계산을 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어기(140)는 동요로 인해 분광 지문에 변화가 생기는 경우 물질의 유형을 오인할 수 있다.
많은 변동, 드리프트, 및 변이의 원인이 있을 수 있다. 일 예시적인 드리프트는 컴포넌트들의 "워밍 업"으로 인한 초기화 드리프트일 수 있다. 그러한 초기화 드리프트가 안정화될 때까지 사용자가 소정 시간을 대기할 수 있지만, 이는 소정 애플리케이션들에서는 적합한 해결책이 아닐 수 있다. 예를 들어, 저전력 소비가 요구되는 시스템에서, 소정 컴포넌트들은 사용하지 않을 때는 꺼서 전력을 아끼고, 사용할 때 켜질 수 있다. 컴포넌트들이 워밍 업하는 것을 대기하는 것은 사용자가 안정화에 시간이 얼마나 걸리느냐에 따라 불만스러울 수 있다. 또한, 대기하는 동안 소비되는 전력은 전력을 소비하여 컴포넌트들을 끄는 것이 무의미하게 만들 수 있다. 다른 예시적인 드리프트의 원인은 노이즈일 수 있다. 예를 들어, 1/f 노이즈는 무작위로 변화하는 전극의 비저항 접촉 및/또는 컴포넌트 내의 표면 상태 트랩의 영향으로 인해 나타날 수 있다. 무작위로 변하기 때문에, 변화는 예측불가능할뿐만 아니라, 상이한 검출기들에 상이한 방식으로 영향을 줄 수 있다. 다른 예시적인 드리프트는 주변 환경의 온도 및/또는 습도의 변이로 인한 열 드리프트일 수 있고, 이는 또한 상이한 검출기들에 상이한 방식으로 영향을 줄 수 있다.
변동, 드리프트, 및 변이의 원인에 상관없이, 검출기가 샘플을 측정하고 상이한 검출기가 레퍼런스를 측정하게 하는 효과는 감도, 검출능, 및/또는 흡광도 스펙트럼에 원치 않는 변화를 야기할 수 있다. 샘플을 통과하는 광 경로가 레퍼런스를 통과하는 광 경로와 상이할 수 있고, 많은 비공유 컴포넌트들 또는 두 경로 사이에 맵핑되지 않는 연관성이 있을 수 있기 때문에, 광 경로들 사이의 미스매칭으로 인한 신호의 임의의 변화는 관심 물질로 인한 신호의 변화와 차별화되지 않을 수 있다.
시스템(100)의 광원(102)이 공유될 수 있기 때문에, 광원(102)에서 비롯된 드리프트 및 불안정성은 보상될 수 있다. 그러나, 두 광 경로를 따르는 공유되지 않는(즉, 공용이 아닌) 컴포넌트들에서 비롯된 드리프트 또는 불안정성은 보상되지 않을 수 있다. 또한, 검출기들이 산탄 노이즈에 제한적인 경우들에는 시스템의 측정 역량이 제한적일 수 있다. 산탄 노이즈는 이동 전하 캐리어들의 무작위 생성 및 흐름으로 인해 발생되는 노이즈 또는 전류이다. 산탄 노이즈에 제한적인 검출기들이 있는 경우, 상이한 검출기들은 무작위 및/또는 상이한 노이즈 플로어를 가질 수 있다. 결과적으로, 시스템(100)(도 1에 도시됨)은 고감도 또는 낮은 신호 측정에 적합하지 않을 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 예들에 따른 예시적인 시스템을 예시하고, 도 4는 공유 검출기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다. 시스템(300)은 제어기(340)에 의해 신호(304)를 통해 제어되는 광원(302)을 포함할 수 있다. 광원(402)은 다중파장 광(350)을 모노크로메이터(306)를 향해 방출할 수 있다(프로세스(400)의 단계(402)). 모노크로메이터(306)는 다중파장 광(350)을 광(352)을 포함하는 광의 하나 이상의 개별 파장으로 분리할 수 있다(프로세스(400)의 단계(404)). 광(352)은 빔스플리터(310)를 향해 지향될 수 있고, 빔스플리터(310)는 이어서 광을 2개의 광 빔: 광(354) 및 광(364)으로 분할할 수 있다(프로세스(400)의 단계(406)).
광(354)은 샘플(320)에 입사할 수 있다. 광의 일부분은 샘플(320) 내의 물질에 의해 흡수될 수 있고, 광의 일부분은 샘플(320)을 투과할 수 있다(프로세스(400)의 단계(408)). 샘플을 투과하는 광의 일부분은 광(356)으로서 지칭될 수 있다. 광(356)은 거울(314)을 향해 지향될 수 있다. 거울(314)은 선택기(324)를 향하여 광(356)의 전파 방향을 변경할 수 있다(프로세스(400)의 단계(410)).
광(364)은 거울(312)에 입사할 수 있다. 거울(312)은 레퍼런스(322)를 향하여 광의 전파 방향을 변경할 수 있다(프로세스(400)의 단계(412)). 광(364)의 일부분은 레퍼런스(322) 내의 화학 물질에 의해 흡수될 수 있고, 광(364)의 일부분은 레퍼런스(322)를 투과할 수 있다(프로세스(400)의 단계(414)). 레퍼런스(322)를 투과하는 광의 일부분은 광(366)으로서 지칭될 수 있다.
광(356) 및 광(366)은 둘 모두 선택기(324)에 입사할 수 있다. 선택기(324)는 광 빔을 이동 또는 선택하여 단속기(334)를 향해 지향되게 할 수 있는 임의의 광학 컴포넌트일 수 있다. 단속기(334)는 주기적으로 광 빔을 차단하는 컴포넌트일 수 있다. 시스템(300)은 시간적으로 번갈아서 단속기(334)로 광(356)을 변조하고 광(366)을 변조할 수 있다. 단속기(334)를 투과한 광은 검출기(330)의 활성 영역에 입사할 수 있다. 광(356) 및 광(366)은 둘 모두 각각 검출기(330)의 활성 영역에 충돌하는 광자들의 세트를 포함할 수 있다. 검출기(330)는 활성 영역에 충돌하는 광 또는 광자들에 대응 또는 측정할 수 있고, 광의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다.
제1 시기에, 단속기(334)는 광(356)을 변조할 수 있다(프로세스(400)의 단계(416)). 검출기(330)는 샘플(320)을 투과하는 광(356)을 측정할 수 있고(프로세스(400)의 단계(418)), 광(356)의 속성들을 나타내는 전기 신호(358)를 생성할 수 있다(프로세스(400)의 단계(420)). 제2 시기에, 단속기(334)는 광(366)을 변조할 수 있다(프로세스(400)의 단계(422)). 검출기(330)는 레퍼런스(322)를 투과하는 광(366)을 측정할 수 있고(프로세스(400)의 단계(424)), 광(366)의 속성들을 나타내는 전기 신호(368)를 생성할 수 있다(프로세스(400)의 단계(426)).
제어기(340)는 상이한 시간에 신호(358) 및 신호(368)를 둘 모두 수신할 수 있다. 신호(358)는 샘플 흡광도(A샘플)를 포함할 수 있고, 신호(368)는 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)를 포함할 수 있다. 제어기(340)는 샘플 흡광도(A샘플)를 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)로 나누어 비율을 구할 수 있다(프로세스(400)의 단계(428)). 레퍼런스(322) 내의 물질의 농도는 사전결정되거나 또는 알려진 값일 수 있다. 샘플 흡광도와 레퍼런스 흡광도의 비율 및 레퍼런스(322) 내의 물질의 농도를 이용하여, 수식(2)은 샘플(320) 내의 물질의 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
시스템(300)(도 3에 도시됨)은 공유 검출기로 인해 검출기의 작은 변동, 드리프트, 및/또는 변이를 보상할 수 있음에도 불구하고, 드리프트의 상이한 유형들을 구분하는 것은 어려울 수 있다. 여러 유형의 드리프트, 예컨대 영점 드리프트(zero drift) 및 이득 드리프트(gain drift)가 있을 수 있다. 영점 드리프트는 시간 경과에 따른 영(0) 레벨이 변화하여, 시간과 일정한(수평한) 관계를 방해받는 것을 지칭한다. 이득 드리프트는 생성된 전자-정공 쌍 당 전자 캐리어의 평균 개수의 변화를 지칭한다. 즉, 이득 드리프트는 생성된 전자-정공 쌍과 검출기의 전류 응답의 효율성 또는 비율의 변화를 지칭한다. 영점 드리프트와 이득 드리프트를 구분하기 위하여, 시스템은 한 유형의 드리프트를 안정화시킨 뒤 다른 드리프트를 측정할 수 있어야 한다. 예를 들어, 광원으로부터 이득 드리프트를 결정하기 위하여, 시스템은 DC 안정화되어야 한다(즉, 안정적인 영점 드리프트). 그러나, 시스템(300) 내의 한 유형의 드리프트를 안정화시킬 수 있는 능력이 부족하여, 일부 경우들에서, 영점 드리프트와 이득 드리프트를 구분하는 것이 어려울 수 있다.
일부 경우들에서, 검출기에 의해 측정될 수 있는 미광의 존재는 잘못된 신호 및 물질의 농도 또는 유형에 대한 잘못된 결정을 야기할 수 있다. 시스템(300)에서, 광이 샘플(320) 또는 레퍼런스(322)를 투과한 후에 단속기(334)를 배치하는 것은 미광이 샘플(320) 또는 레퍼런스(322)에 도달하는 것을 야기할 수 있다. 미광은 분광 신호에 기여하지 않을 수 있어서, 미광이 샘플(320) 또는 레퍼런스(322)에 도달하게 함으로써, 미광에 포함된 광자들은 검출기(330)에 의해 검출될 수 있다. 미광의 광자들이 검출기(330)의 활성 영역에 충돌하는 것은 신호(358) 또는 신호(368) 중 어느 하나의 잘못된 변화를 야기할 수 있다. 신호(358) 또는 신호(368)의 변화를 이용하여, 제어기(340)는 이 변화가 미광 때문인지 또는 광원(302)의 변이 때문인지 또는 그것들이 얼마만큼인지 결정하지 못할 수 있다. 따라서, 시스템(300)은 무시할 수 없는 양의 미광이 존재할 수 있는 경우들에는 적합하지 않을 수 있다.
샘플 내에 낮은 농도의 관심 물질이 있으면, 시스템(100)(도 1에 도시됨) 및 시스템(300)(도 3에 도시됨)에 비교하여 정확도 및 감도가 증가된 시스템이 바람직할 수 있다. 물질의 농도를 측정하기 위하여, 시스템(100)(도 1에 도시됨) 및 시스템(300)(도 3에 도시됨)은 샘플 및 레퍼런스를 여러 차례 측정할 수 있다. 도 5는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하기 위한 흡광도 측정치의 예시적인 플롯을 예시한다. 시스템은 보정 위상(570)으로 시작하며, 시스템 내의 하나 이상의 컴포넌트는 최적화, 보정, 및/또는 동기화되어 오차를 최소화할 수 있다. 보정 위상(570)은, 예를 들어, 레퍼런스 흡광도를 측정하는 것만 포함할 수 있다. 대안적으로, 샘플이 위치하는 광 경로에 알려진, 안정적인 농도의 물질을 갖는 샘플이 배치될 수 있다. 시스템은 켜 있거나 또는 꺼져 있을 수 있다. 제어기는 흡광도를 결정할 수 있고 "영 레벨"을 이 흡광도에 동일하게 설정할 수 있다. 신호가 심각한 드리프트로 인해 포화되거나 고정되는 경우, 제어기는 신호가 더 이상 포화되지 않을 때까지 광원 방출 속성들을 조정할 수 있다.
보정 위상(570)이 완료되고 영 레벨이 결정되면, 시스템은 측정 위상(572)으로 진행할 수 있다. 측정 위상(572)에서, 샘플 내의 물질의 농도는 샘플링에 의해 여러 차례 측정되어 복수의 샘플 포인트(574)를 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은 수십 내지 수백 개의 샘플 포인트(574)를 측정할 수 있다. 소정 개수의 샘플 포인트들(574)이 획득되면, 제어기는 샘플 포인트들(574)의 값들의 평균을 구하여 흡광도를 측정할 수 있다. 다중 샘플 포인트들을 획득하고 평균을 결정하는 것이 필요할 수 있는데, 그 이유는, 도면에 예시된 바와 같이, 흡광도 측정치들은, 고려하지 않는 경우에 물질의 농도의 결정에 오차를 야기할 수 있는 작은 동요들을 포함할 수 있기 때문이다. 일부 예들에서, 보정 위상(570)은 광원이 방출 파장을 변경할 때, 또는 연속적인 보정 위상들 사이의 사전결정된 시간이 경과한 이후에, 또는 사전결정된 개수의 샘플 포인트들이 측정된 이후에 영 레벨을 다시 영으로 만들도록 반복될 수 있다.
일부 경우들에서, 도 5에 예시된 측정 과정은 연속적인 보정 위상들 사이에서 긴 시간을 가질 수 있는데, 이는 실제 영 레벨로부터 드리프트된 설정된 영 레벨로 인해 부정확한 평균 신호 측정을 야기할 수 있다. 도면은 영점 드리프트 또는 이득 드리프트를 예시하고, 흡광도 신호는 실제 영 레벨 또는 실제 이득 레벨로부터 각각 멀리 드리프트된 영 레벨 또는 이득 레벨로 인해 시간과 일정한(또는 수평한) 관계를 벗어나기 시작할 수 있다. 연속적인 보정 위상들 사이의 시간이 단축될 수 있지만, 샘플 포인트 값들의 평균이 샘플 내의 물질의 농도을 정확하게 나타도록 하는 데 필요할 수 있는 최소 개수의 샘플 포인트들로 인해 보정 위상들 사이의 최소 기간에 한계가 있을 수 있다. 이는 SNR이 낮은 경우들에서 특히 사실일 수 있는데, 이런 경우에 어느 정도 정확한 평균 흡광도 값을 얻기 위하여 수십 내지 수백 개의 반복 측정을 필요로 할 수 있다.
도 6은 예시적인 시스템을 예시하고, 도 7는 본 개시내용의 예들에 따른 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다. 시스템(600)은 제어기(640)에 결합된 광원(602)을 포함할 수 있다. 제어기(640)는 신호(604)를 광원(602)으로 송신할 수 있다. 일부 예들에서, 신호(604)는 전류 또는 전압 파형을 포함할 수 있다. 광원(602)은 필터(606)를 향해 지향될 수 있고, 신호(604)는 광원(602)이 필터(606)를 향하여 광(650)을 방출하도록 할 수 있다(프로세스(700)의 단계(702)). 광원(702)은 램프, 레이저, 발광 다이오드(LED), 유기 LED(OLED), 전자발광(EL) 광원, 초발광 다이오드, 섬유 기반 광원을 포함하는 임의의 초연속체(super-continuum) 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 광을 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(602)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(602)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 복수의 파장은 서로 가깝거나 또는 인접하여 연속적인 출력 대역을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(602)은 SWIR 및 MWIR 범위 둘 모두의 적어도 일부분에서 광을 방출할 수 있는 초연속체 광원일 수 있다. 초연속체 광원은 복수의 파장을 출력하는 임의의 광대역 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(602)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다.
필터(606)는 구동 주파수를 동조시킴으로써 단일 파장 또는 다수의 개별 파장들을 동조 또는 선택할 수 있는 임의의 유형의 필터일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(606)는 음향-광학 동조가능 필터(acousto-optic tunable filter, AOTF)일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(606)는 각도 동조가능 협대역통과 필터(angle tunable narrow bandpass filter)일 수 있다. 도면에 예시되지 않았지만, 필터(606)는 제어기(640)에 결합될 수 있고, 제어기(640)는 필터(606)의 구동 주파수를 동조시킬 수 있다. 일부 예들에서, 필터(606)는 선택적으로 하나 이상의 연속적인 대역(즉, 파장 범위)의 광이 투과하도록 구성된 전송 대역 필터일 수 있다. 광(650)은 다중 파장들을 포함할 수 있고(프로세스(700)의 단계(702)) 필터(606)를 투과한 이후에, 하나 이상의 개별 파장을 포함하는 광(652)을 형성할 수 있다(프로세스(700)의 단계(704)). 일부 예들에서, 광(652)은 광(650)보다 더 적은 파장의 광을 포함한다. 광(652)은 빔스플리터(610)를 향해 지향될 수 있다. 빔스플리터(610)는 입사하는 광을 다수의 광 빔들로 분할할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 빔스플리터(610)에 의해 분할된 각각의 광 빔은 동일한 광학 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 빔스플리터(610)는 광(652)을 2개의 광 빔: 광(654) 및 광(664)으로 분할할 수 있고(프로세스(700)의 단계(706)), 이는 도면에 예시된 바와 같다.
광(654)은 단속기(634)를 투과할 수 있고, 단속기(634)는 광(654)의 세기를 변조할 수 있다(프로세스(700)의 단계(708)). 단속기(634)는 입사하는 광 빔을 변조할 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(634)는 광학 단속기일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(634)는 기계적 셔터일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(634)는 변조기 또는 스위치일 수 있다. 광(654)은 광학체(616)를 투과할 수 있다(프로세스(700)의 단계(710)). 광학체(616)는 광(654)의 거동 및 속성들, 예컨대 빔 스팟 크기 및/또는 전파 각도를 변경하도록 구성된 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 광학체(616)는 렌즈 또는 렌즈 배열, 빔 지향 요소, 시준 또는 초점 요소, 회절 광학체, 프리즘, 필터, 확산기, 및 도광체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 광학체(616)는 분해된 경로 샘플링(RPS) 시스템, 공초점 시스템, 또는 샘플(620) 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기에 적합한 임의의 광학 시스템과 같은 임의의 배열로 배치될 수 있다. 광학체는 여러 각도의 샘플 표면 상의 입사 및 상이한 경로 길이의 복수의 광학 경로를 분해할 수 있는 광학 시스템일 수 있다. 일부 예들에서, 광학 시스템은 경로 길이들의 범위 내의 경로 길이 및 각도들의 범위 내의 입사 각도를 갖는 하나 이상의 입사광선을 수용하고, 경로 길이들의 범위를 벗어나는 경로 길이 및 각도들의 범위를 벗어나는 입사 각도를 갖는 광학 경로들을 거부하도록 구성된다.
광(654)은 샘플(620)을 투과할 수 있다. 하나 이상의 파장의 에너지는 샘플(620) 내의 물질에 의해 흡수되어, 샘플을 빠져나가는 광(656)의 속성들의 변화를 야기할 수 있다(프로세스(700)의 단계(712)). 일부 예들에서, 광(656)은 샘플 내에 위치한 물질의 반사 또는 산란에 의해 형성될 수 있다. 광(656)은 거울(614)에 입사할 수 있고, 거울(614)은 선택기(624)를 향해 광(656)을 재지향시킬 수 있다(프로세스(700)의 단계(714)). 거울(614)은 광의 전파 방향 또는 각도를 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 예를 들어, 거울(614)은 오목 거울일 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 광 재지향을 위하여 비반사 컴포넌트(들)(예컨대, 구부러진 도파관)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
광(664)은 거울(612)에 입사할 수 있다(프로세스(700)의 단계(716)). 거울(612)은 검출기(630)를 향해 광(664)을 재지향시킬 수 있다. 거울(612)은 광의 전파 방향 또는 각도를 변경할 수 있는 임의의 거울일 수 있다. 일부 예들에서, 거울(612)은 거울(614)과 동일한 광학 속성들을 가질 수 있다. 광(664)은 단속기(636)를 투과할 수 있고, 단속기(636)는 광(664)의 세기를 변조할 수 있다(프로세스(700)의 단계(718)). 일부 예들에서, 단속기(634)와 단속기(636)는 동일한 단속기 특성들, 예컨대 단속 주파수 및 디스크 구성을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 단속기 특성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 단속기(636)는 셔터, 예컨대 마이크로전자기계적(MEMS) 셔터일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(636)는 변조기 또는 스위치일 수 있다. 변조된 광은 필터(608)를 투과하여 광(666)을 생성할 수 있다(프로세스(700)의 단계(720)). 필터(608)는 선택적으로 광을 투과시킬 수 있는 임의의 유형의 필터일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(608)는 중성 농도 필터, 블랭크 감쇠기, 또는 광의 모든 파장들의 세기를 감쇠 또는 감소시키도록 구성된 필터일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(608)는 사전결정된 또는 알려진 일정한 값 또는 감쇠 지수에 따라 광을 감쇠시킬 수 있다.
광(656) 및 광(666)은 둘 모두 선택기(624)에 입사할 수 있다. 선택기(624)는 광 빔을 이동 또는 선택하여 검출기(630)를 향해 지향되게 할 수 있는 임의의 광학 컴포넌트일 수 있다. 시스템(600)은 시간적으로 번갈아서 한번은 광(656)이 검출기(630)의 활성 영역에 입사하도록 하고 또 한번은 광(666)이 검출기(630)의 활성 영역에 입사하도록 할 수 있다. 두 경우 모두, 광(656) 및 광(666)은 각각 광자들의 세트를 포함할 수 있다. 광자들은 검출기(630)의 활성 영역에 충돌할 수 있고, 검출기(630)는 입사광의 속성들 또는 충돌하는 광자들의 개수를 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기(630)는 그것의 활성 영역에 충돌하는 광(656)으로부터 광자들의 세트를 측정할 수 있고(프로세스(700)의 단계(722)) 전기 신호(658)를 생성할 수 있다(프로세스(700)의 단계(724)). 신호(658)는 광(656)의 속성들을 나타낼 수 있고, 이는 관심 물질에 의해 흡수되지 않는 광(654)의 에너지를 표현할 수 있다. 검출기(630)는 그것의 활성 영역에 충돌하는 광(666)으로부터 광자들의 세트를 측정할 수 있고(프로세스(700)의 단계(726)) 전기 신호(668)를 생성할 수 있다(프로세스(700)의 단계(728)). 신호(668)는 필터(608)에 의해 흡수되지 않아서 레퍼런스의 역할을 할 수 있는 광(664)의 속성들을 나타낼 수 있다.
검출기(630)는 광 또는 광자들을 측정하거나 응답할 수 있는 임의의 유형의 검출기, 예컨대 광다이오드, 광전도체, 볼로미터, 초전형(pyroelectric) 검출기, 전하 결합 소자(CCD), 써모커플, 써미스터, 광기전체, 및 광전자배증관(photomultiplier tube)일 수 있다. 검출기(630)는 단일 검출기 픽셀 또는 검출기 어레이, 예컨대, 다중대역 검출기 또는 초점 평면 어레이(FPA)를 포함할 수 있다. 검출기 어레이는 기판 상에 배치된 하나 이상의 검출기 픽셀을 포함할 수 있다. 검출기 픽셀은 공통 풋프린트를 갖는 하나 이상의 검출기 요소를 포함할 수 있다. 검출기 요소는 광의 존재를 검출하도록 설계된 요소일 수 있고, 검출된 광을 나타내는 신호를 개별적으로 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(630)는 SWIR의 광을 검출할 수 있는 임의의 유형의 검출기일 수 있다. 예시적인 SWIR 검출기들은 수은 카드뮴 텔루륨(HgCdTe), 인듐 안티몬(InSb), 및 인듐 갈륨 비소(InGaAs)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 검출기(630)는 확장된 파장 범위(최대 2.7 μm)에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다.
제어기(640)는 신호(658) 및 신호(668)를 둘 모두 수신할 수 있고, 각각의 신호는 상이한 시간에 수신될 수 있다. 신호(658)는 샘플 흡광도(A샘플)를 포함할 수 있고, 신호(668)는 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)를 포함할 수 있다. 제어기(640)는 샘플 흡광도(A샘플)를 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)로 나누어(또는 차감하여) 비율을 구할 수 있다(프로세스(700)의 단계(730)). 필터(608)에 의해 유발되는 세기의 감소량은 사전결정되거나 또는 알려진 값 또는 감쇠 지수일 수 있다. 샘플 흡광도와 레퍼런스 흡광도의 비율 및 필터(608)에 대한 감쇠 지수를 이용하여, 수식(2)은 샘플(620) 내의 관심 물질의 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(640)는 레퍼런스 흡광도를 룩업 테이블 또는 메모리에 저장된 하나 이상의 흡광도 값과 비교하여 샘플 내의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다. 수식(2) 및 상기 논의가 흡광도의 맥락에 제공되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 광학 속성, 예컨대 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 및 산란 이방성을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
시스템(600)은 시스템(100)(도 1에 도시됨) 및 시스템(300)(도 3에 도시됨)에 대안적일 수 있다. 시스템(600)은 샘플(620) 및 필터(608)를 통해 광을 측정하기 위한 공유 검출기(예컨대, 검출기(630))를 가질 수 있다. 공유 검출기를 활용함으로써 상이한(또는 무작위) 변동, 드리프트, 및/또는 변이로 인한 감도, 검출능, 및/또는 흡광도의 예측불가능한 변화를 억제 또는 완화할 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 변동, 드리프트, 및/또는 변이는 두 검출기들에 상이한 방식으로 영향을 줄 수 있는 초기화, 1/f 노이즈, 및/또는 환경적 변화로 인한 것일 수 있다. 추가적으로, 시스템(600)은 샘플(620) 및 필터(608)에 각각 입사하기 이전에 광 경로 상의 단속기(634) 및 단속기(636)의 배치로 인한 무시할 수 없는 양의 미광을 허용하고 구별할 수 있다. 또한, 시스템(100) 및 시스템(300)과 다르게, 시스템(600)은 광원(602) 및 검출기(630) 둘 모두로부터 비롯된 임의의 변동, 드리프트, 및/또는 변이를 해결할 수 있다.
일부 예들에서, 입사하는 광의 필터(608)에 의한 사전결정된 또는 알려진 일정한 값만큼의 감쇠는 광(656)(즉, 샘플(620)을 투과하는 광)과 광(666)(즉, 필터(608)를 투과하는 광) 사이의 미스매치를 야기할 수 있다. 이 미스매치는 상이한 파장들에서 상이한 흡광도로 인한 것일 수 있다. 하나 이상의 파장에서, 샘플(620) 내의 물질은 큰 비율의 광을 흡수할 수 있고, 따라서, 필터(608)에 대하여 낮은 감쇠 지수가 이러한 하나 이상의 파장에 적합할 수 있다. 다른 파장들에서, 동일한 물질 및 샘플(620) 내의 동일한 농도의 물질은 매우 작은 광을 흡수할 수 있고, 따라서, 필터(608)에 대하여 높은 감쇠 지수가 적합할 수 있다. 필터(608)는 모든 관심 파장들에 대하여 일정한 값만큼 감쇠시킬 수 있기 때문에, 시스템(600)의 정확한 측정은 오직 하나 또는 소수의 파장에 제한적일 수 있다. 또한, 블랭크 감쇠기 또는 중성 농도 필터는 감쇠 지수가 최적화되지 않은 경우 샘플 내의 낮은 농도의 관심 물질을 검출 할 때 효과적이지 않을 수 있다. 따라서, 샘플(620) 내의 파장의 흡광도의 변이를 해결할 수 있고 샘플 내의 낮은 농도의 물질을 검출할 수 있는 시스템이 바람직할 수 있다.
도 8은 예시적인 시스템을 예시하고, 도 9는 본 개시내용의 예들에 따른 광원과 샘플 사이에 위치하는 변조기를 포함하는 시스템을 이용하여 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 예시적인 공정 흐름을 예시한다. 시스템(800)은 제어기(840)에 결합된 광원(802)을 포함할 수 있다. 제어기(840)는 신호(804)를 광원(802)으로 송신할 수 있다. 일부 예들에서, 신호(804)는 전류 또는 전압 파형을 포함할 수 있다. 광원(802)은 필터(806)를 향해 지향될 수 있고, 신호(804)는 광원(802)이 광(850)을 방출하도록 할 수 있다(프로세스(900)의 단계(902)). 광원(802)은 광(850)을 방출할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(802)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(802)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 예시적인 광원은 램프, 레이저, LED, OLED, EL 광원, 초발광 다이오드, 초연속체 광원, 섬유 기반 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 복수의 파장은 서로 가깝거나 또는 인접하여 연속적인 출력 대역을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(802)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(802)은 SWIR 및 MWIR 둘 모두의 적어도 일부분에서 광을 방출할 수 있는 초연속체 광원일 수 있다.
필터(806)는 구동 주파수를 동조시킴으로써 단일 파장 또는 다수의 개별 파장들을 동조 및 선택할 수 있는 임의의 필터일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(806)는 AOTF일 수 있다. 일부 예들에서, 필터(606)는 각도 동조가능 협대역통과 필터일 수 있다. 도면에 예시되지 않았지만, 필터(806)는 제어기(840)에 결합될 수 있고, 제어기(840)는 필터(806)의 구동 주파수를 동조시킬 수 있다. 일부 예들에서, 필터(806)는 선택적으로 하나 이상의 연속적인 대역(즉, 파장 범위)의 광이 투과하도록 구성된 전송 대역 필터일 수 있다. 광(850)은 다중 파장들을 포함할 수 있고, 필터(806)를 투과한 이후에, 하나 이상의 개별 파장을 포함하는 광(852)을 형성할 수 있다(프로세스(900)의 단계(904)). 일부 예들에서, 광(852)은 광(850)보다 더 적은 파장들의 광을 포함한다. 광(852)은 빔스플리터(810)를 향해 지향될 수 있다. 빔스플리터(810)는 입사하는 광을 다수의 광 빔들로 분할할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 빔스플리터(810)에 의해 분할된 각각의 광 빔은 동일한 광학 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도면에 예시된 바와 같이, 빔스플리터(810)는 광(852)을 2개의 광 빔: 광(854) 및 광(864)으로 분할할 수 있다(프로세스(900)의 단계(906)).
광(854)은 단속기(834)를 투과할 수 있고, 단속기(834)는 광(854)의 세기를 변조할 수 있다(프로세스(900)의 단계(908)). 단속기(834)는 입사하는 광 빔을 변조 또는 주기적으로 차단할 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(834)는 광학 단속기일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(834)는 기계적 셔터, 예컨대 MEMS 셔터일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(834)는 변조기 또는 스위치일 수 있다. 광(854)은 광학체(816)를 투과할 수 있다(프로세스(900)의 단계(910)). 광학체(816)는 광(854)의 거동 및 속성들, 예컨대 빔 스팟 크기 및/또는 전파 각도를 변경하도록 구성된 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 광학체(816)는 렌즈 또는 렌즈 배열, 빔 지향 요소, 시준 또는 초점 요소, 회절 광학체, 프리즘, 필터, 확산기, 및 도광체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 광학체(816)는 임의의 유형의 광학 시스템, 예컨대, RPS 시스템, 공초점 시스템, 또는 샘플(820) 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하기에 적합한 임의의 광학 시스템을 포함할 수 있다.
광(854)은 샘플(820)을 향해 지향될 수 있다. 샘플(820)은 광(854)의 일부분을 흡수할 수 있고 하나 이상의 파장에서 광(854)의 일부분을 투과시킬 수 있다(프로세스(900)의 단계(912)). 광(854)의 일부분은 샘플(820) 내의 물질에 의해 흡수될 수 있고, 광(854)의 일부분은 샘플(820)을 투과할 수 있다. 샘플(820)을 투과하는 광(854)의 일부분은 광(856)으로서 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 광(856)은 샘플(820) 내에 위치한 물질의 반사 또는 산란에 의해 형성될 수 있다. 광(856)은 거울(814)을 향해 지향될 수 있고, 거울(814)은 거울(814)을 향해 광(856)을 재지향시킬 수 있다(프로세스(900)의 단계(914)). 거울(814)은 광 전파의 방향을 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 거울(814)은 광 전파의 방향을 90°만큼 변경하도록 구성된 오목 거울일 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 광 재지향을 위하여 비반사 컴포넌트(들)(예컨대, 구부러진 도파관)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
광(852)을 분할하는 빔스플리터(810)에 의해 형성된 제2 광 경로는 광(864)으로 지칭될 수 있다. 광(864)은 거울(812)을 향해 지향될 수 있다. 거울(812)은 광(864)의 전파의 방향을 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 거울(812)은 광(864)의 전파의 방향을 90°만큼 변경함으로써 선택기(824)를 향해 광(864)을 재지향시킬 수 있다(프로세스(900)의 단계(916)). 일부 예들에서, 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 광 재지향을 위하여 비반사 컴포넌트(들)(예컨대, 구부러진 도파관)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
광(864)은 단속기(836)를 투과할 수 있고, 단속기(836)는 광(864)을 변조할 수 있다(프로세스(900)의 단계(918)). 단속기(836)는 입사하는 광 빔의 세기를 변조할 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(834)와 단속기(836)는 동일한 단속 특성들, 예컨대 단속 주파수 및 디스크 구성을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 단속 특성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 단속기(836)는 기계적 셔터, 예컨대 MEMS 셔터일 수 있다. 일부 예들에서, 단속기(834)는 광학 변조기 또는 스위치일 수 있다. 광(864)은 광학체(818)를 투과할 수 있다(프로세스(900)의 단계(920)). 광학체(818)는 하나 이상의 렌즈, 빔 지향 요소, 시준 또는 초점 요소, 회절 광학체, 프리즘, 필터, 확산기, 도광체, 또는 하나 이상의 이러한 광학 요소의 조합을 포함할 수 있고, 샘플(820) 또는 레퍼런스(822) 내의 물질의 농도 및 유형을 측정하는 데 적합한 임의의 배열(예컨대, RPS 시스템 또는 공초점 시스템)로 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(818)는 광학체(816)와 동일한 컴포넌트들, 배열, 및/또는 특성들을 가질 수 있다.
광학체(818)를 벗어나는 광은 레퍼런스(822)에 입사할 수 있다(프로세스(900)의 단계(922)). 레퍼런스(822)는 의도한 샘플의 분광 속성들에 매칭되도록 선택될 수 있는 하나 이상의 알려진 분광 속성(예컨대, 산란 특성, 반사 특성, 또는 둘 모두)을 가질 수 있다. 예를 들어, 레퍼런스(822)는 표피 조직의 분광 속성들에 매칭되는 하나 이상의 분광 속성을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스(822)는 샘플(820)의 복사본 또는 "팬텀" 복제품일 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스(822)의 흡수 스펙트럼은 샘플(820)의 흡수 스펙트럼과 동일할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 흡수 스펙트럼이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광의 일부분은 레퍼런스(822)에 의해 흡수될 수 있고, 광의 일부분은 레퍼런스(822)를 투과하여, 광(866)을 형성할 수 있다. 레퍼런스(822)를 투과한 후에, 광(866)은 선택기(824)를 향해 지향될 수 있다.
선택기(824)는 광 빔을 이동 또는 선택하여 검출기(830)를 향해 지향되게 할 수 있는 임의의 광학 컴포넌트일 수 있다. 일부 예들에서, 선택기(824)는 제어기(840)에 결합될 수 있고, 제어기(840)는 신호(도시되지 않음)를 송신하여 선택기(824)의 이동을 제어할 수 있다. 한번은, 선택기(824)는 광(856)이 검출기(830)의 활성 영역에 입사하도록 할 수 있다. 광(856)은 광자들의 세트를 포함할 수 있고, 검출기(830)는 광(856) 내의 광자들의 개수를 측정할 수 있다(프로세스(900)의 단계(924)). 검출기(830)는 광(856)의 속성들(또는 광자들의 개수)을 나타내는 전기 신호(858)를 생성할 수 있다(프로세스(900)의 단계(926)). 신호(858)는 제어기(840)에 송신될 수 있고, 제어기는 신호를 저장 및/또는 프로세싱할 수 있다. 다른 한번은, 선택기(824)는 광(866)이 검출기(830)의 활성 영역에 입사하도록 할 수 있다. 광(866)은 또한 광자들의 세트를 포함할 수 있고, 검출기(830)는 광(866) 내의 광자들의 개수를 측정할 수 있다(프로세스(900)의 단계(928)). 검출기(830)는 광(866)의 속성들(또는 광자들의 개수)을 나타내는 전기 신호(868)를 생성할 수 있다(프로세스(900)의 단계(930)). 신호(868)는 제어기(840)에 송신될 수 있고, 제어기는 측정된 신호를 저장 및/또는 프로세싱할 수 있다.
검출기(830)는 단일 검출기 픽셀 또는 검출기 어레이를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(830)는 SWIR의 광을 검출할 수 있는 임의의 유형의 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(830)는 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 단일 검출기 또는 FPA일 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(830)는 최대 2.7 μm의 확장된 파장 범위에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다.
제어기(840)는 신호(858) 및 신호(868)를, 그러나 상이한 시간에 둘 모두 수신할 수 있다. 신호(858)는 샘플 흡광도(A샘플)를 포함할 수 있고, 신호(868)는 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(840)는 샘플 흡광도(A샘플)를 레퍼런스 흡광도(A레퍼런스)로 나눠(또는 차감하여) 샘플(820) 내의 관심 물질의 농도를 결정할 수 있다(프로세스(900)의 단계(932)). 일부 예들에서, 제어기(840)는 레퍼런스 흡광도를 룩업 테이블 또는 메모리에 저장된 하나 이상의 흡광도 값과 비교하여 샘플(820) 내의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 신호(858)는 광원(802), 검출기(830) 또는 둘 모두로부터의 신호(868)와 드리프트의 양만큼 상이할 수 있다. 제어기(850)는 신호(858)를 신호(868)로 나눠(또는 차감하여) 드리프트의 양을 결정할 수 있다. 수식(2) 및 상기 논의가 흡광도의 맥락에 제공되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 광학 속성, 예컨대 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 및 산란 이방성을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
시스템(800)은 시스템(600)의 장점을 모두 포함하면서, 또한 파장과 관련된 샘플(820)의 흡광도의 변이를 해결할 수 있다. 위에서 논의한 시스템은 하나 이상의 컴포넌트, 예컨대 단속기, 광학체, 거울, 샘플, 광원, 필터, 및 검출기를 예시하지만, 통상의 기술자는 예시적인 도면들에 예시된 컴포넌트들에만 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 또한, 통상의 기술자는 그러한 컴포넌트들의 위치 및 배열이 예시적인 도면들에 예시된 위치 및 배열에만 한정되지 않는다는 점을 이해할 것이다.
시스템의 이상적인 레이아웃 또는 배열은 샘플을 경유하는 광 경로와 레퍼런스를 경유하는 광 경로 사이에서 공유되는 모든 컴포넌트들을 가질 수 있는 반면, 그와 같은 배열은 물리적으로 가능하거나 또는 실현가능성이 없을 수도 있다. 본 개시내용의 예들은 드리프팅에 민감한 하나 이상의 컴포넌트를 공용 또는 2개의(또는 다중) 광 경로들 사이에서 공유되도록 컴포넌트들을 위치시키고, 드리프팅에 민감하지 않은 컴포넌트들(즉, 안정적인 컴포넌트들)은 비공유 또는 2개의(또는 다중 광 경로들) 사이에 공유되지 않게 위치시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 드리프팅에 민감한 컴포넌트들은 임의의 전자 또는 광전자 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 드리프팅에 민감하지 않은 컴포넌트들은 광학체를 포함할 수 있다. 도 6의 시스템(600) 및 도 8의 시스템(800) 둘 모두에 예시된 바와 같이, 광원(예컨대, 광원(602) 및 광원(902)) 및 검출기(예컨대, 검출기(630) 및 검출기(830))는 드리프팅에 민감할 수 있고, 따라서 두 광 경로들(예컨대, 광(656) 및 광(666); 광(856) 및 광(866)) 사이에서 공유될 수 있다. 다른 한편으로, 단속기들(예컨대, 단속기(634), 단속기(636), 단속기(834), 및 단속기(836)) 및 광학체들(예컨대, 광학체(616), 광학체(916), 및 광학체(918))은 안정적이고 드리프팅에 민감하지 않을 수 있어서, 각각의 광 경로에 개별적일 수 있다.
도 10a는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용되는 흡광도 측정치의 예시적인 플롯을 예시한다. 흡광도 측정은 복수의 프레임(1076)을 포함할 수 있다. 각각의 프레임(1076)은 하나 이상의 보정 위상(1070) 및 하나 이상의 측정 위상(1072)을 포함할 수 있다. 각각의 보정 위상(1070)은 노이즈 플로어, 미광 누설, 또는 둘 모두를 측정하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템 내의 광원은 광이 샘플 또는 레퍼런스에 입사하지 않도록 꺼지거나 또는 비활성화될 수 있다. 검출기는 암전류 및 미광 누설의 양을 결정하기 위하여 측정을 수행할 수 있다. 일부 예들에서, 이 측정치는 영 레벨을 결정하는 데 사용될 수 있다. 검출기는 이 측정치를 제어기에 송신할 수 있고, 제어기는 측정치 및/또는 관련 정보를 메모리에 저장할 수 있다. 제어기는 이 정보를 이용하여 샘플 또는 레퍼런스 내의 물질의 실제 흡광도를 결정할 수 있거나, 또는 이 정보를 이용하여 영 레벨을 설정할 수 있다.
측정 위상들(1072)은 보정 위상들(1070) 사이에 산재될 수 있다. 측정 위상들(1072)은 한번은 샘플의 흡광도 스펙트럼을 측정한 뒤 다른 한번은 레퍼런스의 흡광도 스펙트럼을 측정하는 것을 포함할 수 있고, 이는 위에서 논의한 바와 같다. 일부 예들에서, 흡광도를 대신하여, 또는 추가적으로 임의의 광학 속성(예컨대, 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 및 산란 이방성)이 측정될 수 있다. 제어기는 샘플의 흡광도 스펙트럼을 필터/레퍼런스의 흡광도 스펙트럼으로 나눌 수(또는 차감할 수) 있다. 일부 예들에서, 제어기는 레퍼런스 흡광도를 룩업 테이블 또는 메모리에 저장된 하나 이상의 흡광도 값과 비교하여 샘플 내의 물질의 농도를 결정할 수 있다. 측정은 각각의 측정 위상(1072) 내에서 여러 차례 반복되어 복수의 샘플 포인트(1074)를 생성할 수 있고, 샘플 포인트들(1074)의 평균이 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제어기는 평균 신호 값을 결정할 때 다수의 프레임들(1076)로부터 샘플 포인트들(1074)을 종합할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 측정 위상(1072)의 듀레이션은 사전결정된 또는 고정된 샘플 포인트들(1074)의 개수에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 측정 위상(1072) 내의 샘플 포인트들(1074)의 개수는 10 미만일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 측정 위상(1172) 내의 샘플 포인트들(1074)의 개수는 100 미만일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 측정 위상(1072)의 듀레이션은 레퍼런스의 안정성(즉, 10% 이상 드리프팅하기 전의 시간)에 기초할 수 있다. 예를 들어, 레퍼런스가 60초 동안 화학적으로 안정적인 경우, 측정 위상(1072)의 듀레이션은 또한 60초일 수 있다. 일부 예들에서, 측정 위상(1072)의 듀레이션은 공유 컴포넌트들(예컨대, 광원 및 검출기)의 안정성에 기초할 수 있다. 측정 위상(1072)이 완료되면, 제어기는 다음 프레임(1076)으로 진행할 수 있다.
더 자주 보정함으로써, 영점 드리프트 및 이득 드리프트는 둘 모두 해결될 수 있다. 추가적으로, 도 5에 예시된 과정과 다르게, 드리프트는 모든 프레임마다 교정될 수 있고, 이는 영 레벨로부터 임의의 심각한 편차를 방지할 수 있다. 또한, 임의의 변동 및/또는 변이는 신호가 일탈하기 시작 전에, 그 중간에 또는 직후에 보상될 수 있다. 변동, 드리프트, 및/또는 변이를 보상하고, 수십 또는 수백 개의 샘플 포인트들이 측정된 이후에 하는 대신에, 초기에 영 레벨을 다시 0으로 만들어서, 평균 신호 값은 더 정확해질 수 있다. 일부 예들에서, 측정 위상(1072) 동안 취해진 샘플 포인트들(1074)의 개수는 측정 위상(572)(도 5에 도시됨) 동안 취해진 샘플 포인트들(574)의 개수보다 적을 수 있다. 일부 예들에서, 측정 위상(1072)은 측정 위상(572)보다 더 짧을 수 있다.
일부 예들에서, 보정 위상(1070)은 필터를 레퍼런스로서 이용하는 이 시스템(예컨대, 도 6에 예시된 시스템(600)의 필터(608))에 대하여 감쇠 지수의 조정을 포함할 수 있다. 도 11은 본 개시내용의 예들에 따른 보정 과정 동안 예시적인 공정 흐름을 예시한다. 광원은 광을 방출하도록 켜지거나 또는 활성화될 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1102)). 제1 기간에서, 두 광 경로를 따르는 단속기들(예컨대, 단속기들(634, 636))은 꺼져서 변조되지 않은 광(예컨대, 광(654) 및 광(664))이 샘플(예컨대, 샘플(620)) 및 필터(예컨대, 필터(608))를 투과하도록 할 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1104)). 검출기는 샘플 및 레퍼런스를 투과하는 변조되지 않은 광을 측정하고 이들을 나타내는 전기 신호들의 제1 세트를 생성할 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1106)). 제2 시기에, 두 광 경로를 따라 위치한 단속기들은 단속기들이 광을 변조하도록 켜지거나 또는 활성화될 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1108)). 검출기는 샘플 및 레퍼런스에 의해 흡수되지 않은 변조된 광을 측정하고, 이들을 나타내는 전기 신호들의 제2 세트를 생성할 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1110)). 변조되지 않은 광의 흡광도가 변조된 광의 흡광도와 동일하거나 근접한 경우(예컨대, 10% 이내)(프로세스(1100)의 단계(1112)), 시스템은 광(예컨대, 광원(602)으로부터 방출된 광)의 속성들을 증가시키거나 또는 계속해서 증가시킬 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1114)). 일부 예들에서, 전기 신호들의 제1 세트의 흡광도(즉, 변조되지 않은 광)가 전기 신호들의 제2 세트의 흡광도(즉, 변조된 광)에 더 이상 (예컨대, 10% 이내로부터) 근접하지 않을 때까지 증가는 발생할 수 있다. 이러한 단계들 중 임의의 시간에 광원의 한계가 다다른 경우(프로세스(1100)의 단계(1116)), 광원의 속성들을 조정하는 대신에 감쇠 지수가 조정될 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1118)). 광원으로부터 방출된 광의 속성들, 감쇠 지수 또는 둘 모두 최적화되면, 보정 위상은 완료될 수 있다(프로세스(1100)의 단계(1120)). 그와 같은 보정 과정을 이용하여 미광이 샘플을 투과한 광보다 우위를 차지하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 그와 같은 보정 과정은 더 우수한 드리프트 안정화를 만드는데, 그 이유는 드리프트가 확인되고, 따라서, 보상될 수 있다.
일부 예들에서, 소정 개수의 샘플 포인트들(1074)을 측정하기 위한 전체 시간은 산재된 보정 위상들(1070)로 인해 (도 6에 예시된 방법을 사용하여) 동일한 개수의 샘플 포인트들(574)를 측정하기 위한 전체 시간보다 길 수 있다. 그러나, 도 5에 예시된 과정은 SNR 값이 높은 측정에 제한적일 수 있고, 이는 위에서 논의한 바와 같다. 전체 시간이 더 길 수 있지만, 낮은 SNR에서 측정하는 역량은 더 긴 전체 시간과의 타협보다 중요할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은 SNR 값이 사전결정된 임계치보다 크면 도 5에 예시된 과정을 이용하고, SNR 값이 사전결정된 임계치보다 작으면 도 10에 예시된 과정을 이용하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 사전결정 임계치의 차수는 10-5 일 수 있다. 일부 예들에서, 정확한 평균 신호 값에 필요한 샘플 포인트들(1074)의 개수는 더 낮을 수 있는데, 그 이유는 더 빈번한 보정 위상들은 심각한 일탈 및 드리프트를 방지하기 때문이다.
도 10b는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용되는 흡광도 측정치의 예시적인 플롯들을 예시한다. 측정은 보정 위상들(1070)이 산재된 복수의 측정 위상(1072)을 포함할 수 있다. 도 10b의 상부는 샘플에 대한 예시적인 흡광도 측정을 예시하고, 도 10b의 하부는 레퍼런스에 대한 예시적인 흡광도 측정치를 예시한다. 주어진 보정 위상(1070)의 경우, 신호는 서브변조될 수 있고, 이는 도면에 예시된 바와 같다. 유사하게, 주어진 측정 위상(1072)의 경우에, 신호는, 추가적으로 또는 대안적으로, 서브변조될 수 있다. 신호를 서브변조함으로써, 흡광도 값들은 서브변조가 없을 때보다 빨리 측정될 수 있다. 따라서, 드리프트는 해결될 수 있고, 측정된 값들은 측정 위상(1072)의 완료를 대기하는 대신에 더 초기에(또는 측정 위상(1072) 내에) 제어기에 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 도 10b에 예시된 방법은 변조에 추가되거나 또는 시간 경과에 따라 주파수를 변경할 수 있다.
도 10c는 본 개시내용의 예들에 따른 물질의 농도 및 유형을 결정하는 데 사용되는 흡광도 측정치의 예시적인 플롯을 예시한다. 일부 예들에서, 레퍼런스 스위칭이 일시적으로 설정될 수 있다. 도면에 예시된 바와 같이, 측정 위상(1072)은 측정 위상(1073)과 교번할 수 있고, 보정 위상(1070)은 측정 위상(1072)과 측정 위상(1073) 사이에 산재될 수 있다. 측정 위상(1072)은 샘플의 흡광도 스펙트럼을 측정하는 것을 포함할 수 있고, 측정 위상(1073)은 레퍼런스의 흡광도 스펙트럼을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템이 보통의 주파수에서 동작하도록 구성되면 2차원 드리프트(예컨대, 이득 및 오프셋)가 교정될 수 있고, 시스템이 높은 주파수에서 동작하도록 구성되면 1차원 드리프트(예컨대, 이득 또는 오프셋)가 교정될 수 있다.
샘플 내의 물질들의 농도의 불균일한 성질로 인해, 소정 애플리케이션들은 다수의 상이한 영역들을 따라 측정을 요구할 수 있고 각각의 영역의 위치 및 경로 길이는 시스템 내의 광학 컴포넌트들에 대하여 상이할 수 있다. 따라서, 다수의 상이한 영역들을 측정할 수 있고, 광학 컴포넌트들에서 샘플까지 경로 길이들의 실제 차이 또는 상대적 차이를 인식할 수 있는 시스템이 바람직할 수 있다.
도 12는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 다수의 상이한 위치들을 측정할 수 있고 상이한 위치들과 연관된 상이한 경로 길이들, 입사 각도들, 또는 둘 모두를 인식할 수 있는 예시적인 시스템의 예시적인 블록도를 예시한다. 시스템(1200)은 계면(1280), 광학체(1290), 광원(1202), 검출기(1230), 및 제어기(1240)를 포함할 수 있다. 계면(1280)은 입력 영역들(1282), 계면 반사광(1284), 레퍼런스(1208), 및 반사광(1256)을 포함할 수 있다. 광학체(1290)는 흡수기 또는 광 차단기(1292), 마이크로광학체(1294), 및 광 수집 광학체(1216)를 포함할 수 있다. 샘플(1220)은 시스템(1200) 근처에, 가까이, 또는 시스템(1200)의 일부분을 터치하도록 위치할 수 있다. 광원(1202)은 제어기(1240)에 결합될 수 있다. 제어기(1240)는 광원(1202)을 제어하여 샘플-시스템 계면을 향해 광을 방출하도록 신호(예컨대, 전류 또는 전압 파형)를 송신할 수 있다. 시스템이 샘플 내의 물질을 측정하고 있는지 또는 레퍼런스 내의 물질을 측정하고 있는지에 따라, 광원(1202)은 입력 영역들(1282) 또는 레퍼런스(1208)를 향해 광을 방출할 수 있다.
입력 영역들(1282)은 광이 시스템(1200)을 빠져나가 샘플(1220)에 입사하도록 구성될 수 있다. 광은 샘플(1220) 안으로 소정 깊이만큼 파고들어갈 수 있고 시스템(1200)을 향해 다시 반사될 수 있다. 반사광은 출력 영역들(1256)을 통해 다시 시스템(1200) 안으로 진입할 수 있고 광 수집 광학체(1216)에 의해 수집될 수 있는데, 광 수집 광학체(1216)는 반사광을 재지향, 시준 및/또는 확대시킬 수 있다. 반사광은 검출기(1230)를 향해 지향될 수 있고, 검출기(1230)는 샘플(1220) 안으로 파고들어갔다가 다시 시스템(1230) 안으로 반사된 광을 측정할 수 있다. 검출기(1230)는 제어기(1240)에 결합될 수 있고, 반사광을 나타내는 전기 신호를 제어기(1240)로 송신할 수 있다.
광원(1202)은, 추가적으로 또는 대안적으로, 레퍼런스(1208)를 향해 광을 방출할 수 있다. 레퍼런스(1208)는 마이크로광학체(1294)를 향해 광을 반사시킬 수 있다. 마이크로광학체(1294)는 검출기(1230)를 향해 반사광을 재지향, 시준, 및/또는 확대시킬 수 있다. 검출기(1230)는 레퍼런스(1208)로부터 반사된 광을 측정할 수 있고, 이 반사광을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 제어기(1240)는 반사광을 나타내는 전기 신호 및 레퍼런스(1208)로부터 반사된 광을 나타내는 전기 신호를 둘 모두 검출기(1230)로부터 수신하도록 구성될 수 있다.
시스템이 샘플 및 레퍼런스 내의 물질을 측정하는 두 경우 모두, 광원(1202)으로부터 방출된 광은 샘플-시스템 계면에서 반사될 수 있다. 샘플-시스템 계면에서 반사된 광은 계면 반사광(1284)으로 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 계면 반사광(1284)은 샘플(1220) 또는 레퍼런스(1208)에서 반사되지 않은 광원(1202)으로부터 방출된 광일 수 있고 광 산란에 의한 것일 수 있다. 계면 반사광(1284)은 원치 않을 수 있기 때문에, 흡수기 또는 광 차단기(1292)는 계면 반사광(1284)이 마이크로광학체(1294) 및 광 수집 광학체(1216)에 의해 수집되는 것을 방지할 수 있는데, 이는 계면 반사광(1284)이 검출기(1230)에 의해 측정되는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 상이한 위치들에서 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정할 수 있고, 샘플 내의 상이한 위치들과 연관된 광학 경로들의 속성들을 밝힐 수 있는 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 관심 물질의 농도가 샘플 내에서 다른 관심 물질들보다 낮을 수(예컨대, 규모가 한 차수 이상 낮음) 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 물질의 농도는 낮은 SNR(즉, SNR < 10-4 또는 10-5)을 야기할 수 있다. 시스템(1300)은 샘플(1320)에 근접하거나, 터치하거나, 샘플(1320) 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 샘플(1320)은 관심 물질이 측정될 수 있는 하나 이상의 위치, 예컨대, 위치(1357) 및 위치(1359)를 포함할 수 있다.
시스템(1300)은 광원(1302)을 포함할 수 있다. 광원(1302)은 광(1350)을 방출하도록 구성될 수 있다. 광원(1302)은 램프, 레이저, LED, OLED, EL 광원, 초발광 다이오드, 초연속체 광원, 섬유 기반 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 광을 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1302)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1302)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1302)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다. 시스템(1300)은 샘플(1320) 또는 시스템의 에지에 가까이 또는 근접하게 위치한 입력 영역(1382)을 포함할 수 있다. 입력 영역(1382)은 윈도, 광학 셔터, 및 기계적 셔터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 투명 컴포넌트에 의해 형성될 수 있다.
광(1350)은 입력 영역(1382)을 통해 시스템(1300)을 빠져나갈 수 있다. 샘플(1320)의 위치(1357)에서 지향되는 광은 광(1352)으로서 지칭될 수 있다. 광(1352)은 샘플(320)을 파고들어 위치(1357)에 입사할 수 있다. 일부 예들에서, 위치(1357)에서의 광(1352)의 입사 각도는 45°일 수 있다. 일부 예들에서, 광(1352)은 시준된 빔일 수 있다. 위치(1357)는 일정 농도의 관심 물질을 포함할 수 있다. 광(1352)은 위치(1357)에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 광(1354)과 같이 부분적으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 광(1354)은 샘플(1320)을 투과하는 광에 의해 형성될 수 있다. 광(1354)은 샘플(1320)을 파고들어 렌즈(1310)의 위치(1313)에서 시스템(1300)에 진입할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1310)는 샘플(1320)에 접촉하거나 또는 근접할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1310)는 입사하는 광의 거동 및 속성들을 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학 컴포넌트일 수 있다. 렌즈(1310)는 광이 시스템(1300)에 진입할 수 있는 복수의 위치, 예컨대, 위치(1311), 위치(1313), 위치(1315), 및 위치(1317)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1310)는 투명 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1310)는 프레즈넬 렌즈 또는 큰 어퍼처(예컨대, 입사하는 광 빔의 크기보다 큰 어퍼처) 및 짧은 초점 길이로 구성된 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1310)는 규소 렌즈일 수 있다.
시스템(1300)은 입사하는 광 빔을 확대 또는 투사하는 광학체를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체는 샘플-시스템 계면에서 입사하는 광의 이미지를 다른 위치로 다시 상을 만들거나 투사할 수 있는 시스템일 수 있다. 예를 들어, 시스템은 상기 각도의 입사광 및 상기 위치의 입사광을 다른 평면(예컨대, 검출기 어레이(1330)에 더 가까이 위치한 평면)에 다시 상을 만들 수 있다. 시스템(1300)은 광(1354) 및 광(1355)의 상을 다시 만들기 위해 구성된 렌즈(1312) 및 렌즈(1314), 및 광(1364)의 상을 다시 만들기 위한 렌즈(1316) 및 렌즈(1418)를 포함할 수 있다. 렌즈(1312), 렌즈(1314), 렌즈(1316), 및 렌즈(1318)는 초점의 중간 평면들을 생성하도록 구성될 수 있다. 초점의 중간 평면의 경우, 초점의 길이가 연장될 수 있다. 예를 들어, 샘플-시스템 계면의 광학 경로들을 검출기 어레이(1330)에 확대 없이 다시 상을 만들기 위하여, 위치(1357)는 렌즈(1310)로부터 거리(f)만큼 떨어져 위치할 수 있다. 거리(f)는 렌즈(1310)의 초점 길이와 동일할 수 있다. 렌즈(1312)는 렌즈(1310)로부터 거리(2f)(즉, 초점 길이의 2배)만큼 떨어져 위치할 수 있고, 렌즈(1314)는 렌즈(1312)로부터 거리(2f)만큼 떨어져 위치할 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(1329)는 렌즈(1314)로부터 거리(2f)만큼 떨어져 위치할 수 있고, 검출기 어레이(1330)는 마이크로렌즈 어레이(1329)로부터 거리(f)만큼 떨어져 위치할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1300)의 광학체는 이미지를 계수, 예컨대 2.5x 또는 5x만큼 확대할 수 있다.
광(1354)은 렌즈들(1312, 1314)을 투과할 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(1329)에 포함된 마이크로렌즈(1323)에 입사할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(1329)는 기판에 부착된 복수의 마이크로렌즈, 예컨대, 마이크로렌즈(1321), 마이크로렌즈(1323), 마이크로렌즈(1325), 마이크로렌즈(1327)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈(1321), 마이크로렌즈(1323), 마이크로렌즈(1325), 및 마이크로렌즈(1327)는 임의의 유형의 렌즈일 수 있고, 종래 렌즈에 사용되는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈는 소형 렌즈 또는 종래 렌즈보다 더 작은 렌즈(예컨대, 직경 1 mm 미만의 렌즈)일 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈 어레이(1329)에 포함된 마이크로렌즈들 중 둘 이상은 동일한 광학 및/또는 물리적 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들 및 동일한 물리적 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광(1354)은 마이크로렌즈(1323)를 투과할 수 있고 검출기 픽셀(1333)에 입사할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈 어레이(1329)는 하나 이상의 어퍼처 또는 어퍼처들에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈 어레이(1329)는 패터닝된 어퍼처, 예컨대, 인접한 마이크로렌즈들 사이의 위치들이 불투명하여 광 혼합을 막는 어퍼처에 결합될 수 있다.
검출기 픽셀(1333)은 검출기 어레이(1330)에 포함될 수 있다. 검출기 어레이(1330)는 복수의 검출기 픽셀, 예컨대, 검출기 픽셀(1331), 검출기 픽셀(1333), 검출기 픽셀(1335), 및 검출기 픽셀(1337)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기 어레이(1330)는 단일 검출기 픽셀 검출기를 포함하는 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 검출기 어레이(1330)에 포함된 다른 검출기 픽셀들로부터 독립적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 SWIR의 광을 검출할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 2.2 ― 2.7 μm 사이에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 계열 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 일정 위치 및/또는 일정 각도의 입사하는 광 빔을 검출할 수 있다. 검출기 픽셀(1333)은 광(1354)을 검출할 수 있고, 광(1354)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1430)는 전기 신호를 제어기(1340)에 전송할 수 있다. 제어기(1340)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
시스템(1300)은 반사기(1322)를 포함할 수 있다. 광원(1302)은 광(1364)을 방출할 수 있다. 광(1364)은 반사기(1322)에 지향될 수 있다. 반사기(1322)는 적어도 부분적으로 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 반사 재료는 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 니켈 크롬(NiCr), 티타늄 텅스텐(TiW), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 금(Au), 및 은(Ag)을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 반사기(1322)의 두께는 광의 파장, 재료의 유형, 및/또는 조성에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1322)의 크기 및 형상은 광(1364)에 포함된 광 빔의 크기 및/또는 형상과 동일하거나 또는 더 크게 구성될 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 크기 및 동일한 형상이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 반사기(1322)는 광(1364)의 반사율이 75%보다 클 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1322)는 광(1364)의 반사율이 90%보다 클 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1322)의 크기 및 형상은, 0이거나 또는 최소(예컨대, 10% 미만)량의 광(1364)이 반사기(1322)를 투과하고 광(1364)이 샘플(1320)을 파고들지 못하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1322)는 경면 반사와 같이 광(1364)을 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1322)는 분광적으로 중성 차단기일 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스는 샘플(1320)과 레퍼런스 사이에서 광(1364)을 차단함으로써 형성될 수 있다(예컨대, 반사기(1322)).
광(1364)은 반사기(1322)에서 렌즈(1316)를 향해 반사될 수 있다. 렌즈(1312) 및 렌즈(1314)와 유사하게, 렌즈(1316) 및 렌즈(1318)는 입사하는 광의 이미지를 샘플-시스템 계면에 다시 상을 만들거나 또는 투사할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1316) 및 렌즈(1318)는 샘플-시스템 계면의 광학 경로들의 복제 상이 다른 평면(예컨대, 검출기 어레이(1330)가 위치한 평면)에 확대 없이 생성되도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1316) 및 렌즈(1318)는 배율, 예컨대 2.5x 내지 5x 배율이 복제 상에 도입될 수 있도록 구성될 수 있다. 광(1364)은 렌즈(1316)를 투과해 렌즈(1318)를 향할 수 있다. 광(1364)은 렌즈(1318)를 투과할 수 있고, 렌즈(1319)에 입사할 수 있다.
렌즈(1319)는 입사하는 광 빔을 확산하도록 구성된 임의의 유형의 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 오목 렌즈일 수 있고, 이는 초점 길이가 음(negative)인 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 프리즘일 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 검출기 어레이(1330) 내의 각각의 검출기 픽셀에 대하여 웨지 각도를 이루는 상이한 프리즘을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1300)은 입사하는 광을 확산하는 빔스플리터로 구성될 수 있다. 렌즈(1319)는 광을 다수의 빔들, 예컨대, 광(1365), 광(1366), 광(1367), 및 광(1368)으로 확산 또는 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 광을 확산하여 각각의 광 빔이 검출기 어레이(1330) 상의 상이한 검출기 픽셀에 지향되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 광을 균일하게 확산하여 각각의 광 빔의 광학 속성들이 동일하도록 할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 광 빔을 확산하여 적어도 2개의 광 빔의 세기들이 상이하도록 할 수 있다. 예를 들어, 광(1365), 광(1366), 및 광(1367)의 세기는 광(1364)의 세기의 20%와 동일할 수 있는 반면, 광(1368)의 세기는 광(1364)의 세기의 40%와 동일할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(1319)는 다수의 렌즈들 또는 마이크로렌즈들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 크기 및/또는 렌즈(1319)의 크기는 검출기 픽셀들의 개수 및/또는 렌즈(1319)를 빠져나가는 하나 이상의 광 빔의 세기에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 어퍼처는 렌즈(1319)에 결합되어 렌즈(1319)를 빠져나가는 광의 세기 및/또는 방향을 제어할 수 있다. 일부 예들에서, 미광 또는 배경 광이 렌즈(1319)에 입사할 수 있더라도, 렌즈(1319) 또는 시스템(1300)은, 샘플(1320)의 표면 또는 시스템(1300)의 에지에서 반사되는 광(즉, 샘플(1320)을 투과하지 않은 광)이 시스템 안으로 다시 반사되고 렌즈(1319)에 입사하지 못하도록 구성될 수 있다.
광(1364)은 렌즈(1319)를 투과하여 광(1366)을 형성할 수 있다. 광(1366)은 검출기 픽셀(1333)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1333)은 광(1366)을 검출할 수 있고, 광(1366)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 전기 신호는 검출기 어레이(1330)에서 제어기(1340)로 전송될 수 있다. 제어기(1340)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1340)는 광(1354)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 샘플(1320) 내의 위치(1357)에 위치하는 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1366)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1322)의 속성들을 결정할 수 있다. 위에서 논의한 방법들 중 임의의 것을 이용하여, 제어기(1340)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 샘플(1320) 내에 위치한 위치(1357)의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다.
샘플 내의 하나 이상의 물질의 불균일한 분포가 있을 수 있는데, 이는 샘플의 광학 속성들(예컨대, 선형 복굴절, 광학 활성, 광학적 감쇠)의 변이를 일으킬 수 있다. 따라서, 샘플(1320) 내의 여러 곳을 측정할 수 있는 시스템 및 대응하는 측정이 유리할 수 있다. 상이한 위치, 예컨대, 위치(1357)와 상이한 위치(1359)를 측정하기 위하여, 광원(1302)은 입력 영역(1382)을 향해 광(1350)을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1300)은 다수의 어퍼처들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(1300)은 적어도 2개의 어퍼처를 포함할 수 있고, 광(1352)은 하나의 어퍼처를 빠져나갈 수 있고 광(1353)은 다른 어퍼처를 빠져나갈 수 있다. 위치(1359)에서 지향되는 광은 광(1353)으로서 지칭될 수 있다. 광(1353)은 샘플(1320)을 파고들어 위치(1359)에 입사할 수 있다. 광(1353)은 위치(1359)에서 임의의 입사 각도, 예컨대, 45°를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 광(1353)은 시준된 빔일 수 있다. 위치(1359)는 일정 농도의 하나 이상의 관심 물질을 포함할 수 있다. 광(1353)은 위치(1359)에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 광(1355)과 같이 부분적으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 광(1355)은 샘플(1320)을 투과하는 광에 의해 형성될 수 있다. 광(1355)은 샘플(1320)을 경유하여 렌즈(1310)의 위치(1317)에서 시스템(1300)에 진입할 수 있다. 광(1355)은 렌즈(1310)를 투과해 렌즈(1312)를 향해 지향될 수 있다. 광(1355)은 렌즈(1312) 및 렌즈(1314)를 투과할 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(1329)의 마이크로렌즈(1327)를 향해 지향될 수 있다. 도면에 예시된 바와 같이, 렌즈(1312) 및 렌즈(1314)는 광(1354) 및 광(1355)(즉, 상이한 광 빔)에 의해 공유될 수 있지만, 광(1354) 및 광(1355)이 렌즈(1312) 및 렌즈(1314)에 입사하는 위치들은 상이할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광(1354) 및 광(1355)은 상이한 시간에 렌즈들을 이용함으로써 렌즈(1312) 및 렌즈(1314)를 공유할 수 있다.
광(1355)은 마이크로렌즈(1327)에 입사할 수 있고, 마이크로렌즈(1327)를 투과할 수 있고, 검출기 어레이(1330)의 검출기 픽셀(1337)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1337)은 광(1355)을 검출할 수 있고, 광(1355)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1330)는 전기 신호를 제어기(1340)에 전송할 수 있다. 제어기(1340)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
위에서 주어진 논의와 유사하게, 레퍼런스 신호는 반사기(1322)를 이용하여 측정될 수 있다. 광원(1302)은 반사기(1322)를 향해 광(1364)을 방출할 수 있다. 반사기(1322)는 검출기 어레이(1330)를 향해 광(1364)을 반사하도록 구성될 수 있다. 광(1364)은 렌즈(1316) 및 렌즈(1318)를 투과할 수 있다. 광(1364)은 렌즈(1319)에 입사할 수 있고, 렌즈(1319)는 입사하는 광 빔을 확산하도록 구성될 수 있다. 렌즈(1319)는 광(1367)을 형성할 수 있고, 광(1367)은 검출기 픽셀(1337)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1337)은 광(1367)을 검출할 수 있고, 광(1367)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 전기 신호는 검출기 어레이(1330)에서 제어기(1340)로 전송될 수 있다. 제어기(1340)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1340)는 광(1355)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1359)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1367)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1322)의 속성들을 결정할 수 있다. 제어기(1340)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 위치(1359)의 물질의 농도를 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(1340)는 반사기(1322) 또는 검출기 픽셀(1333)에 입사하는 광(1366) 및 검출기 픽셀(1337)에 입사하는 광(1367)의 속성들을 별도의 측정을 필요로 하지 않고 동시에 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 위치(1357) 및 위치(1359)의 깊이는 샘플(1320)의 표면으로부터 동일할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 깊이들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 위치(1357) 및 위치(1359)의 깊이는 샘플(1320)의 표면으로부터 상이할 수 있다. 제어기(1340)는 위치(1357) 및 위치(1359) 둘 모두에서 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 산란 이방성, 흡광도, 또는 광학 속성들의 임의의 조합을 측정할 수 있고, 측정된 값들의 평균을 구할 수 있다. 도면 및 위 논의는 샘플 내의 두 위치에 관련되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 개수의 위치들을 포함할 수 있고 하나 또는 두 위치에 한정되지 않는다.
검출기 어레이(1330)는 입사광의 각도 또는 위치를 검출하도록 구성될 수 있지만, 제어기(1340)는 검출기 어레이(1330)에 포함된 검출기 픽셀에 기초하여 이 정보를 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1302)에서 방출된 광은 잘 형성된(즉, 방향성 및 선명성) 광 빔일 수 있고, 샘플(1320)로부터의 반사광은 경면일 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(1329)에 포함된 하나 이상의 마이크로렌즈는 샘플(1320) 내의 상이한 위치에 대응할 수 있다. 추가적으로, 검출기 어레이(1330)에 포함된 하나 이상의 검출기 픽셀은 마이크로렌즈 어레이(1329) 내의 마이크로렌즈와 연관될 수 있다. 예를 들어, 제어기(1340) 또는 검출기 어레이(1330)가 검출기 픽셀(1337)에 입사되는 광을 측정할 때, 시스템(1300)은 검출기 픽셀(1337)과 위치(1359)의 연관성으로 인해 입사광이 샘플(1320) 내의 위치(1359)로부터 비롯되었음을 결정할 수 있다. 추가적으로, 제어기(1340) 또는 검출기 어레이(1330)가 검출기 픽셀(1333)에 입사되는 광을 측정할 때, 시스템(1300)은 검출기 픽셀(1333)과 위치(1357)의 연관성으로 인해 입사광이 위치(1357)로부터 비롯되었음을 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기 픽셀(1331) 및 검출기 픽셀(1435)은 샘플(1320) 내의 추가적인 위치들(도시되지 않음)에 연관될 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 제어기에 의해 수신되는 전기 신호에 유입될 수 있는 변동, 드리프트, 및/또는 변이로 인해, 샘플을 경유하는 하나 이상의 광 경로 및 반사기에서 반사되는 광 경로 사이의 컴포넌트들을 공유하는 것이 유리할 수 있다. 도 14a는 본 개시내용의 예들에 따른 공유 광학체를 이용하여 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 관심 물질의 농도가 샘플 내에서 다른 관심 물질들보다 낮을 수(예컨대, 규모가 한 차수 이상 낮음) 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 물질의 농도는 낮은 SNR(예컨대, SNR < 10-4 또는 10-5)을 야기할 수 있다. 시스템(1400)은 샘플(1420)에 근접하거나, 터치하거나, 샘플(1420) 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 샘플(1420)은 물질이 측정될 수 있는 하나 이상의 위치, 예컨대, 위치(1457) 및 위치(1459)를 포함할 수 있다.
시스템(1400)은 광원(1402)을 포함할 수 있다. 광원(1402)은 광(1450)을 방출하도록 구성될 수 있다. 광원(1402)은 램프, 레이저, LED, OLED, EL 광원, 초발광 다이오드, 초연속체 광원, 섬유 기반 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 광을 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1402)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1402)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1402)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다. 시스템(1400)은 샘플(1420) 또는 시스템의 에지에 가까이 또는 근접하게 위치한 입력 영역(1482)을 포함할 수 있다. 입력 영역(1482)은 윈도, 광학 셔터, 또는 기계적 셔터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 투명 컴포넌트에 의해 형성될 수 있다.
광(1450)은 입력 영역(1482)을 통해 시스템(1400)을 빠져나갈 수 있다. 시스템(1400)을 빠져나가서 위치(1457)까지 샘플(1420)을 경유하는 광은 광(1452)으로서 지칭될 수 있다. 광(1452)은 위치(1457)에서 임의의 입사 각도, 예컨대, 45°를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 광(1450)은 시준된 빔일 수 있다. 위치(1457)는 일정 농도의 관심 물질을 포함할 수 있다. 광(1452)은 위치(1457)에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 광(1454)과 같이 부분적으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 광(1454)은 샘플을 투과하는 광에 의해 형성될 수 있다. 광(1454)은 샘플(1420)을 파고들어 광학체(1410)의 위치(1413)에서 시스템(1400)에 진입할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1410)는 샘플(1420)의 표면과 접촉하거나 또는 근접할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1410)는 입사하는 광의 거동 및 속성들을 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학 컴포넌트일 수 있다. 광학체(1410)는 광이 진입할 수 있는 복수의 위치, 예컨대, 위치(1413) 및 위치(1417)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1410)는 투명 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1410)는 프레즈넬 렌즈 또는 큰 어퍼처(예컨대, 입사하는 광 빔의 크기보다 큰 어퍼처) 및 짧은 초점 길이로 구성된 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1410)는 규소 렌즈일 수 있다.
시스템(1400)은 입사하는 광 빔을 확대 또는 투사하는 광학체를 포함할 수 있다. 도 13에 예시된 시스템(1300)에 대하여 예시되고 논의된 광학체와 유사하게, 시스템(1400) 내의 광학체는 시스템(1400)의 에지에서 검출기 어레이(1430)에 더 가까운 다른 평면으로의 광학 경로들, 예컨대, 경로 길이들, 입사 각도들, 및 탈출 위치들의 상을 다시 만들 수 있다. 샘플(1420)을 파고들어가는 광 경로(예컨대, 광(1452) 또는 광(1453))와 레퍼런스(예컨대, 반사기(1422))에서 반사되는 광 경로 사이의 임의의 변동, 드리프트, 및/또는 변이의 차이를 감소시키기 위하여, 시스템(1400)은 두 상이한 광 경로 사이의 광학체를 공유할 수 있다. 시스템(1400)은 샘플(1320)을 경유한 광 및 레퍼런스 신호로서 사용되는 광 둘 모두의 상을 다시 만들기 위한 광학체(1416) 및 광학체(1418)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1416) 및 광학체(1418)는 시스템의 에지에 위치한 이미지의 복제 상이 다른 평면(예컨대, 검출기 어레이(1430)가 위치하는 평면)에 확대 없이 생성되도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1416) 및 광학체(1418)는 배율, 예컨대, 2.5x 내지 5x 배율을 복제 상에 도입하도록 구성될 수 있다.
도 14b는 입사광 및 반환광 또는 반사광 둘 모두에 대하여 공유되는 광학체를 포함하는 시스템을 예시한다. 광학체(1416)는 광원(1402)으로부터 방출된 광(1450) 및 광(1464), 샘플(1420)을 경유한 광(1454) 및 광(1455), 및 반사기(1422)에서 반사된 광(1564)에 의해 공유될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1416) 및/또는 광학체(1418)에서의 광(1454), 광(1455), 광(1464), 및 광(1450)의 입사 각도들 중 적어도 2개는 상이할 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 광(1454)은 광학체(1416) 및 광학체(1418)를 투과할 수 있고, 마이크로광학체 유닛(1429)에 포함된 마이크로광학체(1423)에 입사할 수 있다. 마이크로광학체 유닛(1429)은 기판에 부착된 복수의 마이크로렌즈, 예컨대, 마이크로광학체(1423) 및 마이크로광학체(1427)를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈는 소형 렌즈 또는 종래 렌즈보다 더 작은 렌즈(예컨대, 직경 1 mm 미만의 렌즈)일 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈들은 임의의 유형의 렌즈일 수 있고, 종래 렌즈에 사용되는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈들 중 둘 이상은 동일한 광학 및/또는 물리적 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들 및 동일한 물리적 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광(1454)은 마이크로광학체(1423)를 투과할 수 있고 검출기 픽셀(1433)에 입사할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1429)은 하나 이상의 어퍼처 또는 어퍼처들에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1429)은 패터닝된 어퍼처, 예컨대, 인접한 마이크로광학체들 사이의 위치들이 불투명하여 광 혼합을 막는 어퍼처에 결합될 수 있다.
검출기 픽셀(1433)은 검출기 어레이(1430)에 포함될 수 있다. 검출기 어레이(1430)는 복수의 검출기 픽셀, 예컨대, 검출기 픽셀(1433), 및 검출기 픽셀(1437)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기 어레이(1430)는 단일 검출기 픽셀 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 검출기 어레이(1430)에 포함된 다른 검출기 픽셀들로부터 독립적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 SWIR의 광을 검출할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 2.2 ― 2.7 μm 사이에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 계열 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 일정 경로 길이, 입사 각도, 및/또는 탈출 위치의 입사하는 광 빔을 검출할 수 있다. 검출기 픽셀(1433)은 광(1454)을 검출할 수 있고, 광(1454)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1430)는 전기 신호를 제어기(1440)에 전송할 수 있다. 제어기(1440)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
시스템(1400)은 반사기(1422)에서 반사된 광으로부터의 정보와 함께 샘플을 파고드는 광으로부터의 정보를 활용함으로써 샘플(1420) 내의 물질의 농도를 결정할 수 있다. 광원(1402)은 반사기(1422)에 지향될 수 있는 광(1464)을 방출할 수 있다. 반사기(1422)는 적어도 부분적으로 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 반사 재료들은 Ti, Co, Nb, W, NiCr, TiW, Cr, Al, Au, 및 Ag를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 반사기(1422)의 두께는 광의 파장, 재료의 유형, 및/또는 조성에 기초하여 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1422)의 크기 및 형상은 광(1464)에 포함된 광 빔의 크기 및/또는 형상과 동일하거나 또는 더 크게 구성될 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들 및 동일한 물리적 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 반사기(1422)는 광(1464)의 75%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1422)는 광(1464)의 90%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1422)의 크기 및 형상은, 0이거나 또는 최소(예컨대, 10% 미만)량의 광(1464)이 반사기(1422)를 투과하고 광(1464)이 샘플(1420)을 경유하지 못하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1422)는 경면 반사와 같이 광(1464)을 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1422)는 분광적으로 중성 차단기일 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스는 샘플(1420)과 레퍼런스 사이에서 광(1464)을 차단함으로써 형성될 수 있다(예컨대, 반사기(1422)).
광(1464)은 반사기(1422)에서 광학체(1416)를 향해 반사될 수 있다. 광(1464)은 광학체(1416)를 투과해 광학체(1418)를 향할 수 있다. 광(1464)은 광학체(1418)를 투과할 수 있고, 광학체(1419)에 입사할 수 있다. 광학체(1419)는 입사하는 광 빔을 확산하도록 구성된 임의의 유형의 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 오목 렌즈일 수 있고, 이는 초점 길이가 음인 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 프리즘일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 검출기 어레이(1430) 내의 각각의 검출기 픽셀에 대하여 웨지 각도를 이루는 상이한 프리즘을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1400)은 입사하는 광 빔을 확산하는 빔스플리터로 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 광을 다수의 빔들, 예컨대, 광(1466), 및 광(1467)으로 확산 또는 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 광을 확산하여 각각의 광 빔이 상이한 검출기 픽셀에 지향될 수 있도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 광을 균일하게 확산하여 각각의 광 빔의 광학 속성들이 동일할 수 있도록 할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 광 빔을 확산하여 적어도 2개의 광 빔의 세기들이 상이하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1419)는 다수의 광학체들 또는 마이크로광학체들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 크기 및/또는 광학체(1419)의 크기는 검출기 픽셀들의 개수 및/또는 광학체(1419)를 빠져나가는 하나 이상의 광 빔의 속성들에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처는 광학체(1419)에 결합되어 광학체(1419)를 빠져나가는 광의 속성들 및/또는 방향을 제어할 수 있다. 일부 예들에서, 미광 또는 배경 광이 광학체(1419)에 입사할 수 있더라도, 광학체(1419) 또는 시스템(1400)은, 샘플(1420)의 표면 또는 시스템(1400)의 에지에서 반사되는 광(즉, 샘플(1420)을 투과하지 않은 광)이 시스템 안으로 다시 반사되고 광학체(1419)에 입사하지 못하도록 구성될 수 있다.
광(1464)은 광학체(1419)를 투과하여 광(1466)을 형성할 수 있다. 광(1466)은 검출기 픽셀(1433)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1433)은 광(1466)을 검출할 수 있고, 광(1466)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1430)는 전기 신호를 제어기(1440)에 전송할 수 있다. 제어기(1440)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1440)는 광(1454)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1457)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1466)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1422)의 속성들을 결정할 수 있다. 위에서 논의한 방법들 중 임의의 것을 이용하여, 제어기(1440)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 샘플(1420) 내에 위치한 위치(1457)의 물질의 농도를 결정할 수 있다.
위치(1557)의 물질의 농도를 측정하는 것과 유사하게, 동일한 컴포넌트들이 위치(1559)의 물질의 농도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 광원(1502)은 광(1550)을 방출할 수 있고, 이는 입력 영역(1582)에서 시스템(1500)을 빠져나와 광(1553)을 형성할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1500)은 다수의 어퍼처들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(1500)은 적어도 2개의 어퍼처를 포함할 수 있고, 광(1552)은 하나의 어퍼처를 빠져나갈 수 있고 광(1553)은 다른 어퍼처를 빠져나갈 수 있다. 광(1553)은 위치(1559)에 입사할 수 있고 광(1555)으로서 시스템(1500) 안으로 다시 반사될 수 있다. 광(1555)은 위치(1517)에서 광학체(1510)를 통해 시스템(1500)에 진입할 수 있다. 광(1555)은 광학체(1516) 및 광학체(1518)를 투과할 수 있고 마이크로광학체(1527)에 입사할 수 있다. 광(1555)은 마이크로광학체(1527)를 투과할 수 있고 검출기 어레이(1530)에 포함된 검출기 픽셀(1537)에 의해 검출될 수 있다. 검출기 픽셀(1537)은 광(1555)을 검출할 수 있고, 검출된 광(1555)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 전기 신호는 검출기 어레이(1530)에서 제어기(1540)로 전송될 수 있다. 제어기(1540)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1440)는 광(1455)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1459)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1467)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1422)의 속성들을 결정할 수 있다. 제어기(1440)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 위치(1459)의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(1440)는 반사기(1422) (또는 검출기 픽셀(1433)에 입사하는 광(1466)) 및 검출기 픽셀(1437)에 입사하는 광(1467)의 속성들을 별도의 측정을 필요로 하지 않고 동시에 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 위치(1457) 및 위치(1459)의 깊이는 샘플(1420)의 표면으로부터 동일할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 깊이들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 위치(1457) 및 위치(1459)의 깊이는 샘플(1420)의 표면으로부터 상이할 수 있다. 제어기(1440)는 위치(1457) 및 위치(1459) 둘 모두에서 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 산란 이방성, 흡광도, 또는 광학 속성들의 조합을 측정할 수 있고, 측정된 값들의 평균을 구할 수 있다. 도면 및 위 논의는 샘플 내의 두 위치에 관련되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 개수의 위치들을 포함할 수 있고 하나 또는 두 위치에 한정되지 않는다.
도면에 예시된 바와 같이, 시스템(1400)은 복수의 마이크로광학체 및 복수의 검출기 픽셀을 포함할 수 있고, 각각의 마이크로광학체는 검출기 픽셀에 결합될 수 있다. 각각의 마이크로광학체-검출기 픽셀 쌍은 샘플 내의 위치와 연관될 수 있다. 일부 예들에서, 연관성은 샘플 내의 하나의 위치에 대한 하나의 마이크로광학체-검출기 픽셀 쌍일 수 있다. 예를 들어, 마이크로광학체(1423) 및 검출기 픽셀(1433)은 위치(1457)와 연관될 수 있고 마이크로광학체(1427), 및 검출기 픽셀(1437)은 위치(1459)와 연관될 수 있다. 제어기(1450)는 검출기 픽셀(1433) 및 검출기 픽셀(1437)을 상이한 위치(예컨대, 위치(1457) 및 위치(1459))와 연관시킬 수 있기 때문에, 제어기(1450)는 샘플(1420)의 상이한 영역들에 대한 물질의 상이한 농도를 결정 및 위치파악할 수 있다.
시스템(1300)(도 13에 도시됨) 및 시스템(1400)(도 14에 도시됨)은 공유 컴포넌트들(예컨대, 광원, 렌즈, 및/또는 검출기 어레이)로 인해 변동, 드리프트, 및/또는 변이를 해결할 수 있지만, 이러한 시스템들은 시스템의 에지에서 반사 및/또는 산란하는 광을 해결하지 못할 수 있다. 도 15는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하도록 구성되고 시스템의 에지에서의 광 반사 또는 산란을 감소 또는 억제하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다. 시스템(1300) 및 시스템(1400)에 유사하게, 시스템(1500)은 다수의 컴포넌트들, 예컨대 광원(1502), 광학체(1510), 광학체(1516), 광학체(1518), 마이크로광학체 유닛(1527), 검출기 어레이(1530), 및 제어기(1540)를 포함할 수 있다. 이 컴포넌트들은 시스템(600), 시스템(800), 시스템(1300), 및 시스템(1400)에 포함된 컴포넌트들을 참조하여 위에서 논의된 하나 이상의 속성을 포함할 수 있다.
위치(1557)에서의 물질의 농도는 입력 영역(1582)을 통해 시스템(1500)을 빠져나오는 광(1550), 광(1552), 및 위치(1557)에서 반사됨으로써 형성되는 광(1554)을 이용하여 측정될 수 있다. 광(1554)은 위치(1513)에서 시스템(1500)에 진입할 수 있고. 광학체(1510), 광학체(1516), 광학체(1518), 및 마이크로광학체 유닛(1529)에 포함된 마이크로광학체(1523)를 투과할 수 있다. 검출기 어레이(1530)에 포함된 검출기 픽셀(1533)은 광(1554)을 검출할 수 있고, 광(1554)의 광 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 위치(1559)에서의 물질의 농도는 입력 영역(1582)을 통해 시스템(1500)을 빠져나오는 광(1550), 광(1553), 및 위치(1559)에서 반사됨으로써 형성되는 광(1555)을 이용하여 측정될 수 있다. 광(1555)은 위치(1517)에서 시스템(1500)에 진입할 수 있고. 광학체(1510), 광학체(1516), 광학체(1518), 및 마이크로광학체 유닛(1529)에 포함된 마이크로광학체(1527)를 투과할 수 있다. 검출기 어레이(1530)에 포함된 검출기 픽셀(1537)은 광(1555)을 검출할 수 있고, 광(1555)의 광 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 레퍼런스 또는 반사기(1522)의 광학 속성들은 반사기(1522)에서 반사되고, 광학체(1516), 광학체(1518), 및 광학체(1519)를 투과하는 광(1564)을 이용하여 결정될 수 있다. 광(1564)은 광학체(1519)에 의해 확산되어 검출기 픽셀(1533)에 입사하는 광(1566) 및 검출기 픽셀(1537)에 입사하는 광(1567)을 형성할 수 있다. 제어기(1540)는 위치(1557), 위치(1559), 및 반사기(1522) 에서 반사되는 광을 나타내는 전기 신호들을 수신하여 샘플(1520) 내의 하나 이상의 위치에서의 물질의 농도를 결정할 수 있다.
광(1550)은 입력 영역(1582)을 향해 지향될 수 있고 시스템(1500)을 빠져나가도록 구성될 수 있지만, 일부 예들에서, 광(1550)은 하나 이상의 위치(예컨대, 입력 영역(1582)과 반사(1522) 사이의 위치)에서 시스템(1500)의 에지에서 산란 또는 반사될 수 있다. 시스템의 에지에서 산란 또는 반사되어 다시 시스템(1500) 안으로 들어오는 광은 광(1584)으로서 지칭될 수 있다. 광(1584)은 시스템(1500) 안으로 다시 반사되는 미광을 포함할 수 있기 때문에, 광(1584)의 일부분 또는 전부는 하나 이상의 마이크로광학체(예컨대, 마이크로광학체(1523) 또는 마이크로광학체(1527))에 입사할 수 있다. 마이크로광학체에 입사하는 광은 검출기 어레이(1530)에 포함되는 하나 이상의 검출기 픽셀(예컨대, 검출기 픽셀(1633) 또는 검출기 픽셀(1637))에 전송될 수 있다. 결과적으로, 미광은 검출기 어레이(1530)에 의해 측정될 수 있고, 이는 검출기 어레이(1530)가 생성하고 제어기(1540)에 전송될 수 있는 전기 신호를 잘못 변경할 수 있다. 미광으로 인한 전기 신호의 임의의 변경은 샘플(1520) 내의 물질의 농도의 오류 측정 또는 결정을 야기할 수 있다.
따라서, 광(1584)이 검출기 어레이(1530)에 의해 검출되는 것을 방지하기 위하여, 시스템(1500)은 광(1584)을 광학체(1516) 및 광학체(1518)를 향해 지향시킬 수 있다. 광(1584)은 광학체(1516) 및 광학체(1518)를 투과할 수 있고 광 차단기(1592)에 입사할 수 있다. 광 차단기(1592)는 광을 흡수 또는 차단할 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광 차단기(1592)는 입사광이 반사되는 것을 방지하는 임의의 재료(예컨대, 반사방지 코팅)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광 차단기(1592)는 검출기 어레이(1530)의 검출 파장과 상이한 파장들에서 반사하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1500)은, 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템의 에지를 따라 하나 이상의 위치에서 반사방지 코팅을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 예들은 다른 유형들의 광학체 또는 광학체 시스템을 포함할 수 있고, 도 13, 도 14a 및 도 14b, 및 도 15에 예시된 시스템에 한정되지 않는다. 추가적으로, 본 개시내용의 예들은 샘플 내의 상이한 깊이에서의 샘플의 농도를 측정하는 것을 포함할 수 있는데, 상이한 깊이는 상이한 경로 길이를 갖는 광학 경로들을 야기할 수 있다. 도 16a는 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내의 상이한 깊이에 위치한 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 관심 물질의 농도가 샘플 내에서 다른 관심 물질들보다 낮을 수(예컨대, 규모가 한 차수 이상 낮음) 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 물질의 농도는 낮은 SNR(즉, SNR < 10-4 또는 10-5)을 야기할 수 있다. 시스템(1600)은 샘플(1620)에 근접하거나, 터치하거나, 샘플(1620) 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 샘플(1620)은 물질이 측정될 수 있는 하나 이상의 위치, 예컨대, 위치(1657) 및 위치(1659)를 포함할 수 있다. 위치(1657)는 시스템의 에지로부터 깊이(1661)만큼 멀리 떨어져 위치할 수 있고, 위치(1659)는 시스템의 에지로부터 깊이(1663)만큼 멀리 떨어져 위치할 수 있다. 일부 예들에서, 깊이(1661)는 깊이(1663)와 상이할 수 있다.
시스템(1600)은 광원(1602)을 포함할 수 있다. 광원(1602)은 광(1650)을 방출하도록 구성될 수 있다. 광원(1602)은 램프, 레이저, LED, OLED, EL 광원, 초발광 다이오드, 초연속체 광원, 섬유 기반 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 광을 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1602)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1602)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1602)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다. 시스템(1600)은 샘플(1620) 또는 시스템의 에지에 가까이 또는 근접하게 위치한 입력 영역(1682)을 포함할 수 있다. 입력 영역(1682)은 윈도, 광학 셔터, 또는 기계적 셔터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 투명 컴포넌트에 의해 형성될 수 있다.
광(1650)은 입력 영역(1682)을 통해 시스템(1600)을 빠져나갈 수 있다. 시스템(1600)을 빠져나가서 위치(1657)로 이동하는 광은 광(1652)으로서 지칭될 수 있다. 광(1652)은 위치(1657)에서 임의의 입사 각도, 예컨대, 45°를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 광(1650)은 시준된 빔일 수 있다. 위치(1657)는 일정 농도의 관심 물질을 포함할 수 있다. 광(1652)은 위치(1657)에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 광(1654)과 같이 부분적으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 광(1654)은 샘플을 투과하는 광에 의해 형성될 수 있다. 광(1654)은 샘플(1620)을 파고들어 광학체(1610)의 위치(1613)에서 시스템(1600)에 진입할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1610)는 샘플(1620)에 접촉하거나 또는 근접할 수 있다. 광학체(1610)는 입사하는 광의 거동 및 속성들을 변경할 수 있는 임의의 유형의 광학 컴포넌트일 수 있다. 광학체(1610)는 광의 진입이 허용되는 복수의 위치, 예컨대, 위치(1613, 1617)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1610)는 투명 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1610)는 프레즈넬 렌즈 또는 큰 어퍼처(예컨대, 입사하는 광 빔의 크기보다 큰 어퍼처) 및 짧은 초점 길이로 구성된 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1610)는 규소 렌즈일 수 있다.
시스템(1600)은 광학체, 예컨대, 공초점 시스템을 포함할 수 있다. 공초점 시스템은 샘플 내의 다수의 광학 경로들의 경로 길이, 입사 각도, 탈출 위치, 또는 이러한 속성들의 임의의 조합을 풀어내도록 구성된 임의의 유형의 광학 시스템일 수 있다. 일부 예들에서, 광학 시스템은 경로 길이들의 범위 내의 경로 길이 및 각도들의 범위 내의 입사 각도를 갖는 하나 이상의 입사광선을 수용하고, 경로 길이들의 범위를 벗어나는 경로 길이 및 각도들의 범위를 벗어나는 입사 각도를 갖는 광학 경로들을 거부하도록 구성된다. 공초점 시스템은 광학체(1616) 및 광학체(1618)를 포함할 수 있다. 광학체(1616) 및 광학체(1618)는 대물 렌즈일 수 있다. 대물 렌즈는 입사광을 수집하고 광 빔을 확대할 수 있는 반면, 짧은 초점 길이를 갖는 렌즈일 수 있다. 광학체(1616)는 광(1654)을 수집하고 광(1654)을 어퍼처(1686) 내에 포함된 어퍼처를 향해 지향시킬 수 있다. 어퍼처(1686)는 광이 투과하도록 구성된 개구(1685)와 같은 하나 이상의 어퍼처를 포함할 수 있다. 어퍼처(1686)는 하나 이상의 특정 경로 길이, 입사 각도, 또는 둘 모두를 갖는 광을 선택하고, 다른 경로 길이 또는 입사 각도를 갖는 광은 거부하거나 또는 감쇠시킬 수 있다. 경로 길이, 입사 각도, 또는 둘 모두에 기초한 광의 선택 및 거부는 어퍼처 크기(즉, 어퍼처 평면 내의 어퍼처의 크기)를 조정함으로써 최적화될 수 있다. 선택된 광(즉, 하나 이상의 특정 경로 길이, 입사 각도, 또는 둘 모두를 갖는 광)은 어퍼처 평면 내의 어퍼처에 도달하면 초점이 맞을 수 있고, 선택된 광은 초점을 벗어날 수 있다. 초점이 벗어난 광은 어퍼처 크기보다 큰 빔 크기를 가질 수 있거나, 수집 영역 밖의 입사 각도를 가질 수 있거나, 또는 둘 모두일 수 있고, 따라서 거부될 수 있다. 초점이 맞는 광은 경로 길이들의 범위 및 수집 각도의 범위 내의 광 빔을 가질 수 있고, 따라서 어퍼처 평면을 투과하도록 허용될 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은 하나 이상의 변조 요소, 예컨대 마이크로거울, 음향-광학 변조기, 또는 전자-광학 변조기를 포함할 수 있다.
개구(1685)를 빠져나가는 광(1654)은 광학체(1618)를 투과할 수 있고, 마이크로광학체 유닛(1629)에 포함된 마이크로광학체(1623)에 입사할 수 있다. 마이크로광학체 유닛(1629)은 기판에 부착된 복수의 마이크로렌즈, 예컨대, 마이크로광학체(1623) 및 마이크로광학체(1627)를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈는 소형 렌즈 또는 종래 렌즈보다 더 작은 렌즈(예컨대, 직경 1 mm 미만의 렌즈)일 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈들은 임의의 유형의 렌즈일 수 있고, 종래 렌즈에 사용되는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로렌즈들 중 둘 이상은 동일한 광학 및/또는 물리적 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들 및 동일한 물리적 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광(1654)은 마이크로광학체(1623)를 투과할 수 있고 검출기 픽셀(1633)에 입사할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1629)은 하나 이상의 어퍼처 평면에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1629)은 패터닝된 어퍼처, 예컨대, 인접한 마이크로광학체들 사이의 위치들이 불투명하여 광 혼합을 막는 어퍼처에 결합될 수 있다.
검출기 픽셀(1633)은 검출기 어레이(1630)에 포함될 수 있다. 검출기 어레이(1630)는 복수의 검출기 픽셀, 예컨대, 검출기 픽셀(1633, 1637)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기 어레이(1630)는 단일 검출기 픽셀 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 검출기 어레이(1630)에 포함된 다른 검출기 픽셀들로부터 독립적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 SWIR의 광을 검출할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 2.2 ― 2.7 μm 사이에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 계열 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 일정 경로 길이, 입사 각도, 및/또는 탈출 위치의 입사하는 광 빔을 검출할 수 있다. 검출기 픽셀(1633)은 광(1654)을 검출할 수 있고, 광(1654)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1630)는 전기 신호를 제어기(1640)에 전송할 수 있다. 제어기(1640)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
시스템(1600)은 반사기(1622)에서 반사된 광으로부터의 정보와 함께 샘플을 경유하는 광으로부터의 정보를 활용함으로써 샘플(1620) 내의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다. 광원(1602)은 반사기(1622)에서 반사될 수 있는 광(1664)을 방출할 수 있다. 반사기(1622)는 적어도 부분적으로 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 반사 재료들은 Ti, Co, Nb, W, NiCr, TiW, Cr, Al, Au, 및 Ag를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 반사기(1622)의 두께는 광의 파장, 재료의 유형, 및/또는 조성에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1622)의 크기 및 형상은 광(1664)에 포함된 광 빔의 크기 및/또는 형상과 동일하거나 또는 더 크게 구성될 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 크기 및 동일한 형상이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 반사기(1622)는 광(1764)의 75%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1622)는 광(1764)의 90%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1622)의 크기 및 형상은, 0이거나 또는 최소(예컨대, 10% 미만)량의 광(1664)이 반사기(1622)를 투과하고 광(1664)이 샘플(1620)을 경유하지 못하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1622)는 경면 반사와 같이 광(1664)을 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1622)는 분광적으로 중성 차단기일 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스는 샘플(1620)과 레퍼런스 사이에서 광(1664)을 차단함으로써 형성될 수 있다(예컨대, 반사기(1622)).
광(1664)은 반사기(1622)에서 광학체(1616)를 향해 반사될 수 있다. 광(1664)은 광학체(1616)를 투과해 어퍼처(1686)를 향할 수 있다. 일부 예들에서, 광(1664)의 경로 길이는 알려진 값일 수 있고, 따라서 어퍼처(1686)는 광(1664)이 투과할 수 있는 크기 및 형상을 갖는 개구(1689)를 포함하도록 구성될 수 있다. 어퍼처 평면(1668)을 빠져나가는 광(1664)은 광학체(1618)에 입사할 수 있다. 광(1664)은 광학체(1618)를 투과할 수 있고, 광학체(1619)에 입사할 수 있다. 광학체(1619)는 입사하는 광 빔을 확산하도록 구성된 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 오목 렌즈일 수 있고, 이는 초점 길이가 음인 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 프리즘일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 검출기 어레이(1630)에 포함된 각각의 검출기 픽셀에 대하여 웨지 각도를 이루는 상이한 프리즘을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1600)은 입사하는 광 빔을 확산하는 빔스플리터로 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 광을 다수의 빔들, 예컨대, 광(1666), 및 광(1667)으로 확산 또는 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 광을 확산하여 각각의 광 빔이 검출기 어레이(1630)에 포함된 상이한 검출기 픽셀에 지향되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 광을 균일하게 확산하여 각각의 광 빔의 하나 이상의 광학 속성들이 동일하도록 할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 광 빔을 확산하여 적어도 2개의 광 빔의 세기들이 상이하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1619)는 다수의 광학체들 또는 마이크로광학체들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 크기 및/또는 광학체(1619)의 크기는 검출기 픽셀들의 개수 및/또는 광학체(1619)를 빠져나가는 하나 이상의 광 빔의 속성들에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처는 광학체(1619)에 결합되어 광학체(1619)를 빠져나가는 광의 속성들 및/또는 방향을 제어할 수 있다. 일부 예들에서, 미광 또는 배경 광이 광학체(1619)에 입사할 수 있더라도, 광학체(1619) 또는 시스템(1600)은, 샘플(1620)의 표면 또는 시스템(1600)의 에지에서 반사되는 광(즉, 샘플(1620)을 투과하지 않은 광)이 시스템 안으로 다시 반사되고 광학체(1619)에 입사하지 못하도록 구성될 수 있다.
광(1664)은 광학체(1619)를 투과하여 광(1666)을 형성할 수 있다. 광(1666)은 검출기 픽셀(1633)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1633)은 광(1666)을 검출할 수 있고, 광(1666)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1630)는 전기 신호를 제어기(1640)에 전송할 수 있다. 제어기(1640)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1640)는 광(1654)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1657)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1666)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1622)의 속성들을 결정할 수 있다. 위에서 논의한 방법들 중 임의의 것을 이용하여, 제어기(1640)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 위치(1657)에서의 물질의 농도 및 유형을 결정할 수 있다.
위치(1657)에서 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하는 것과 유사하게, 동일한 컴포넌트들은 위치(1659)에서 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하는 데 사용될 수 있다. 광원(1602)은 광(1650)을 방출할 수 있고, 이는 입력 영역(1682)에서 시스템(1600)을 빠져나와 광(1653)을 형성할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1600)은 다수의 어퍼처들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(1600)은 적어도 2개의 어퍼처를 포함할 수 있고, 광(1652)은 하나의 어퍼처를 빠져나갈 수 있고 광(1653)은 다른 어퍼처를 빠져나갈 수 있다. 광(1653)은 위치(1659)에 입사할 수 있고 광(1655)으로서 시스템(1600) 안으로 다시 반사될 수 있다. 광(1655)은 위치(1617)에서 광학체(1610)를 통해 시스템(1600)에 진입할 수 있다. 광(1655)은 광학체(1616)를 투과할 수 있고, 어퍼처(1686)에 입사할 수 있다. 어퍼처(1686)는 광(1655)(및 광(1655)과 동일한 경로 길이를 갖는 임의의 광)이 투과하도록 구성된 개구(1687)를 포함할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 경로 길이들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 위치(1657)는 위치(1659)의 깊이(1663)와 상이한 깊이(1661)에 위치할 수 있기 때문에, 어퍼처(1686)는 상이한 어퍼처 크기를 갖는 적어도 2개의 어퍼처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 개구(1685)는 광(1654)의 경로 길이에 기초한 어퍼처 크기로 구성될 수 있고, 개구(1687)는 광(1655)의 경로 길이에 기초한 어퍼처 크기로 구성될 수 있다. 광(1655)은 개구(1687)를 투과할 수 있고, 광학체(1618)를 투과할 수 있고, 마이크로광학체(1627)에 입사할 수 있다. 광(1655)은 마이크로광학체(1627)를 투과할 수 있고 검출기 어레이(1630)에 포함된 검출기 픽셀(1637)에 의해 검출될 수 있다. 검출기 픽셀(1637)은 광(1655)을 검출할 수 있고, 광(1655)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1630)는 제어기(1640)에 전송될 수 있는 전기 신호를 전송할 수 있고, 제어기(1640)는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
제어기(1640)는 광(1655)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1659)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1667)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1622)의 속성들을 결정할 수 있다. 제어기(1640)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 위치(1659)의 물질의 농도를 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(1640)는 반사기(1622) (또는 검출기 픽셀(1633)에 입사하는 광(1666)) 및 검출기 픽셀(1637)에 입사하는 광(1667)의 속성들을 별도의 측정을 필요로 하지 않고 동시에 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 위치(1657) 및 위치(1659)의 깊이는 샘플(1620)의 표면으로부터 동일할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 깊이들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 위치(1657) 및 위치(1659)의 깊이는 샘플(1620)의 표면으로부터 상이할 수 있다. 제어기(1640)는 위치(1657) 및 위치(1659) 둘 모두에서 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 산란 이방성, 흡광도, 또는 광학 속성들의 임의의 조합을 측정할 수 있고, 측정된 값들의 평균을 구할 수 있다. 도면 및 위 논의는 샘플 내의 두 위치에 관련되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 개수의 위치들을 포함할 수 있고 하나 또는 두 위치에 한정되지 않는다.
도면에 예시된 바와 같이, 시스템(1600)은 복수의 어퍼처, 복수의 마이크로광학체, 및 복수의 검출기 픽셀을 포함할 수 있고, 각각의 어퍼처 및 마이크로광학체는 검출기 픽셀에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 어퍼처-마이크로광학체-검출기 픽셀 트리오는 샘플 내의 위치와 연관될 수 있다. 일부 예들에서, 연관성은 샘플 내의 하나의 위치에 대한 하나의 어퍼처-마이크로광학체-검출기 픽셀 트리오일 수 있다. 예를 들어, 개구(1685), 마이크로광학체(1623), 및 검출기 픽셀(1633)은 위치(1657)와 연관될 수 있다. 유사하게, 개구(1687), 마이크로광학체(1627), 및 검출기 픽셀(1637)은 위치(1659)와 연관될 수 있다. 제어기(1650)는 검출기 픽셀(1633) 및 검출기(1637)를 샘플(1620) 내의 상이한 위치들(예컨대, 위치(1657) 및 위치(1659))과 연관시킬 수 있기 때문에, 제어기(1650)는 샘플(1620) 내의 상이한 위치들에 대한 물질의 상이한 농도를 결정 및 위치파악할 수 있다. 일부 예들에서, 상이한 물질들은 상이한 위치들에 위치할 수 있고, 제어기(1650)는 위치들을 상이한 물질들에 연관시킬 수 있다.
일부 예들에서, 시스템(1600)은 편광 감응형일 수 있다. 일부 샘플들에 대하여, 샘플에 입사하는 편광된 광은 편광의 심각한 변화를 겪지 않고 샘플의 표면에서 강하게 반사할 수 있다. 일부 예들에서, 이 반사광은 대부분 경면일 수 있다. 대조적으로, 샘플에 진입하여 하나 이상의 층에서 반사한 편광된 광은 샘플에 입사할 때 초기 편광을 가질 수 있지만, 샘플 내의 하나 이상의 물질로부터의 산란에 의해 점진적으로 탈편광될 수 있다. 편광의 정도는 후방산란 이전에 광이 샘플 안으로 이동하는 깊이를 결정하는 데 사용될 수 있다. 후방산란 이전에 광이 샘플 안으로 이동하는 깊이는 광학 경로의 경로 길이를 추정하는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 광학 경로의 경로 길이는 산란 깊이의 2배와 동일할 수 있다. 일부 예들에서, 샘플을 경유하여 다시 반사하는 광의 편광의 정도는 또한 샘플의 성질에 관한 정보를 제공할 수 있다.
일부 예들에서, 시스템(1600)은 하나 이상의 편광 필터를 포함함으로써 편광 상태의 변화를 측정하도록 구성될 수 있다. 제1 편광 필터는 광원(1602)과 샘플(1620) 사이에 위치할 수 있고, 제2 편광 필터는 샘플(1620)과 검출기(1630) 사이에 위치할 수 있다. 일부 예들에서, 제2 편광 필터는 제1 편광 필터는 투과시키는 편광을 갖는 편광된 광을 차단하도록 구성될 수 있다는 점에서 제2 편광 필터는 제1 편광 필터와 상이할 수 있다. 그와 같은 방식으로, 샘플(1620)의 표면에서 반사되는 광은 샘플(1620) 내의 위치에서 반사되는 것으로부터 공간적으로 분리될 수 있다.
도 16b는 본 개시내용의 예들에 따른 예시적인 편광 감응형 시스템의 단면도를 예시한다. 시스템(1601)은 위에서 그리고 도 16a에서 논의된 시스템(1600)에 포함된 컴포넌트들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템(1601)은 빔스플리터(1606) 및 검출기(1632)를 추가로 포함할 수 있다. 빔스플리터(1606)는 광(1655)을 2개의 광 경로로 분할할 수 있고, 하나의 광 경로는 검출기 어레이(1630)에 포함된 검출기 픽셀(1637)에 의해 측정될 수 있고, 다른 광 경로는 검출기(1632)에 의해 측정될 수 있다. 검출기 픽셀(1637)은 검출기(1632)와 상이한 편광을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 검출기 픽셀(1637)은 p-편광을 측정하도록 구성될 수 있는 반면, 검출기(1632)는 s-편광을 측정하도록 구성될 수 있다.
일부 예들에서, 빔스플리터(1606)는 편광 빔스플리터일 수 있다. S-편광된 광은 빔스플리터(1606)의 표면에서 반사할 수 있고, 검출기(1632)에 의해 검출될 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(1632)는 그것의 표면에 위치한 와이어 그리드 편광기를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(1630)는 표면에 위치한 와이어 그리드 편광기를 포함할 수 있다. P-편광된 광은 빔스플리터(1606)를 투과할 수 있고 검출기 픽셀(1637)에 의해 검출될 수 있다. s-편광된 광(예컨대, 검출기(1632)에 의해 검출된 광)과 p-편광된 광(예컨대, 검출기 픽셀(1637)에 의해 검출된 광)의 비율에 기초하여, 샘플 내의 하나 이상의 물질의 농도 및 유형이 결정될 수 있다.
일부 예들에서, 광(1653)이 위치(1617)에서 산란되는 광(1655)의 입사 각도와 상이하게 위치(1659)에서 입사 각도를 갖도록 구성함으로써 샘플 안으로 들어가지 않은 광의 경면 반사율은 측정치로부터 배제되거나 또는 제거될 수 있다. 일부 예들에서, 경면 반사율은 광을 흑색 흡수 재료(예컨대, 블랙 마스크) 상으로 지향시킴으로써 폐기될 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1601)은 위치(1659)와 검출기 픽셀(1637) 사이에 위치한 편광기를 포함할 수 있다. 편광기는 하나 이상의 편광을 갖는 광을 배제하도록 구성될 수 있다.
일부 예들에서, 산란되는 양은 샘플 내의 산란 물체들의 크기에 따라 달라질 수 있다. 결과적으로, 산란되는 양 및 피크 산란 각도는 파장의 함수일 수 있다. 예를 들어, 1.5 내지 2.5 μm에서, 샘플로부터 산란되는 큰 비율의 광(예컨대, 30% 초과)의 산란 각도는 40 내지 60°일 수 있다. 산란 각도는 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질의 크기에 관련될 수 있다. 산란 각도를 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질의 크기와 연관시킴으로써, 샘플 내의 상이한 유형의 물질들이 식별되고 구분될 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1601)은 40 내지 60° 사이의 산란 각도를 갖는 광을 검출하기 위하여 넓은 파장 대역(예컨대, 1200 nm 초과 스펙트럼 범위) 반사방지(AR) 코팅을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1601)은 시스템(1601)에 의해 검출되는 산란 각도의 범위를 제한하기 위하여 하나 이상의 마스킹 재료를 포함할 수 있다.
도 17은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 결정하도록 구성된 예시적인 시스템의 단면도를 예시한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 관심 물질의 농도가 샘플 내에서 다른 관심 물질들보다 낮을 수(예컨대, 규모가 한 차수 이상 낮음) 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 물질의 농도는 낮은 SNR(즉, SNR < 10-4 또는 10-5)을 야기할 수 있다. 샘플(1720)은 하나 이상의 물질이 측정될 수 있는 하나 이상의 위치, 예컨대, 위치(1757) 및 위치(1759)를 포함할 수 있다.
시스템(1700)은 샘플(1720)에 근접하거나, 터치하거나, 샘플(1720) 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1700)은 컴팩트한, 휴대용 전자 디바이스일 수 있다. 컴팩트한, 휴대용 전자 디바이스는 더욱 사용자 친화적이고 심미적으로 매력적인 더 작고, 더 얇고, 가벼운 설계에 대한 요구가 증가하면서 까다로운 크기 요구조건을 가질 수 있다. 위에서 개시되는 예들의 기능성을 구현하기 위하여, 시스템(1700)은 컴포넌트들, 예컨대, 광원(1702), 마이크로광학체 유닛(1729), 검출기 어레이(1730), 및 제어기(1740)를 포함할 수 있다. 특징부들을 다른 컴포넌트들 또는 광학체에 통합하고 통합된 컴포넌트들을 샘플의 표면 또는 시스템의 에지에 더 가까이 배치함으로써 하나 이상의 컴포넌트 또는 광학체가 제거될 수 있다.
광원(1702)은 광(1752)을 방출하도록 구성될 수 있다. 광원(1702)은 램프, 레이저, LED, OLED, EL 광원, 초발광 다이오드, 초연속체 광원, 섬유 기반 광원, 또는 이러한 광원들 중 하나 이상의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는 광을 생성할 수 있는 임의의 광원일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1702)은 단일 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1702)은 복수의 파장의 광을 방출할 수 있다. 일부 예들에서, 광원(1702)은 SWIR 특징을 생성할 수 있는 임의의 동조가능 광원일 수 있다. 광원(1702)은 상이한 어퍼처들, 예컨대, 입력 영역(1782) 및 입력 영역(1791)에 지향되는, 다수의 광 빔들, 예컨대, 광(1752) 및 광(1753)을 방출하기 위한 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 입력 영역(1782) 및 입력 영역(1791)은 샘플(1720) 또는 시스템의 에지(1700)에 가깝게 또는 근접하게 위치할 수 있다. 시스템(1700)은 하나 이상의 어퍼처, 예컨대, 입력 영역(1782), 입력 영역(1791), 출력 영역(1793), 및 출력 영역(1795)을 또한 포함할 수 있고, 각각의 어퍼처는 윈도, 광학 셔터, 및 기계적 셔터를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 하나 이상의 투명 컴포넌트를 포함할 수 있다.
광(1752)은 입력 영역(1782)을 통해 시스템(1700)을 빠져나갈 수 있다. 광(1752)은 샘플(1720)을 파고들어 위치(1757)에 입사할 수 있다. 광(1752)은 위치(1757)에서 임의의 입사 각도, 예컨대, 45°를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 예들에서, 광(1752)은 시준된 빔일 수 있다. 위치(1757)는 일정 농도의 관심 물질을 포함할 수 있다. 광(1752)은 위치(1757)에서 부분적으로 흡수될 수 있고, 광(1754)과 같이 부분적으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 광(1754)은 샘플을 투과하는 광에 의해 형성될 수 있다. 광(1754)은 샘플(1720)을 파고들 수 있고 출력 영역(1793)을 통해 시스템(1700)에 진입할 수 있다.
광(1754)은 마이크로광학체 유닛(1729)의 마이크로광학체(1723)에 입사할 수 있다. 마이크로광학체 유닛(1729)은 기판에 부착된 복수의 마이크로광학체, 예컨대, 마이크로광학체(1723, 1727)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체들은 임의의 유형의 렌즈일 수 있고, 종래 렌즈에 사용되는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1729)에 포함된 마이크로광학체들 중 둘 이상은 동일한 광학 및/또는 물리적 속성들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들 및 동일한 물리적 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광(1754)은 마이크로광학체(1723)를 투과할 수 있고, 검출기 어레이(1730)의 검출기 픽셀(1733)에 입사할 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1729)은 하나 이상의 어퍼처 또는 어퍼처들에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로광학체 유닛(1729)은 패터닝된 어퍼처, 예컨대, 인접한 마이크로광학체들 사이의 위치들이 불투명하여 광 혼합을 막는 어퍼처에 결합될 수 있다.
검출기 픽셀(1733)은 검출기 어레이(1730)에 포함될 수 있다. 검출기 어레이(1730)는 복수의 검출기 픽셀, 예컨대, 검출기 픽셀들(1733, 1737)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 검출기 어레이(1730)는 단일 픽셀 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 검출기 어레이(1730) 내의 다른 검출기 픽셀들로부터 독립적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 SWIR의 광을 검출할 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 2.2 ― 2.7 μm 사이에서 동작할 수 있는 SWIR 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 계열 검출기일 수 있다. 일부 예들에서, 적어도 하나의 검출기 픽셀은 일정 위치 및/또는 일정 각도의 입사하는 광 빔을 검출할 수 있다. 검출기 픽셀(1733)은 광(1754)을 검출할 수 있고, 광(1754)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1730)는 전기 신호를 제어기(1740)에 전송할 수 있고, 이는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다.
광원(1702)은 또한 광(1764)을 방출하여 반사기(1722)의 광학 속성들을 측정할 수 있다. 반사기(1722)는 부분적으로 광을 반사하거나 또는 큰 비율의 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료, 예컨대, Ti, Co, Nb, W, NiCr, TiW, Cr, Al, Au, 및 Ag를 포함할 수 있다. 반사기(1722)의 두께는 광의 파장, 재료의 유형, 및/또는 조성에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1722)의 크기 및 형상은 광(1764)의 크기 및/또는 형상과 동일하거나 또는 더 크게 구성될 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 크기 및 동일한 형상이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 반사기(1722)는 광의 75%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1722)는 광의 90%보다 많이 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1722)의 크기 및 형상은, 0이거나 또는 최소(예컨대, 10% 미만)량의 광(1764)이 반사기(1722)를 투과하고 광(1764)이 샘플(1720)을 파고들지 못하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1722)는 경면 반사와 같이 광(1764)을 반사하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1722)는 분광적으로 중성 차단기일 수 있다. 일부 예들에서, 레퍼런스는 샘플(1720)과 레퍼런스 사이에서 광(1764)을 차단함으로써 형성될 수 있다(예컨대, 반사기(1722)).
광(1764)은 반사기(1722)에서 광학체(1719)를 향해 반사될 수 있다. 광학체(1719)는 입사하는 광 빔을 확산하도록 구성된 임의의 유형의 광학체일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 오목 렌즈일 수 있고, 이는 초점 길이가 음인 렌즈일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 프리즘일 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 검출기 어레이(1730)에 포함된 각각의 검출기 픽셀에 대하여 웨지 각도를 이루는 상이한 프리즘을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 시스템(1700)은 입사하는 광 빔을 확산하는 빔스플리터로 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 광을 다수의 빔들, 예컨대, 광(1766, 1767)으로 확산 또는 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 광을 확산하여 각각의 광 빔이 검출기 어레이(1730)에 포함된 상이한 검출기 픽셀에 지향되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 광을 균일하게 확산하여 각각의 광 빔의 하나 이상의 광학 속성들이 동일하도록 할 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 광학 속성들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 광 빔을 확산하여 적어도 2개의 광 빔의 세기들이 상이하도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 광학체(1719)는 다수의 광학체들 또는 마이크로광학체들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 크기 및/또는 광학체(1719)의 크기는 검출기 픽셀들의 개수 및/또는 광학체(1719)를 빠져나가는 하나 이상의 광 빔의 속성들에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처는 광학체(1719)에 결합되어 속성들을 제어 및/또는 광학체(1719)를 빠져나가는 광을 지향시킬 수 있다. 일부 예들에서, 미광 또는 배경 광이 광학체(1719)에 입사할 수 있더라도, 광학체(1719) 또는 시스템(1700)은, 샘플(1720)의 표면 또는 시스템(1700)의 에지에서 반사되는 광(즉, 샘플(1720)을 투과하지 않은 광)이 시스템 안으로 다시 반사되고 광학체(1719)에 입사하지 못하도록 구성될 수 있다.
광(1764)은 광학체(1719)를 투과하여 광(1766)을 형성할 수 있다. 광(1766)은 검출기 픽셀(1733)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1733)은 광(1766)을 검출할 수 있고, 광(1766)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1730)는 전기 신호를 제어기(1740)에 전송할 수 있고, 이는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1740)는 광(1754)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1757)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1766)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1722)의 속성들을 결정할 수 있다. 위에서 논의한 방법들 중 임의의 것을 이용하여, 제어기(1740)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 위치(1757)에서의 물질의 농도를 결정할 수 있다.
위치(1757)의 물질의 농도를 측정하는 것과 유사하게, 동일한 컴포넌트들이 위치(1759)의 물질의 농도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 광원(1702)은 광(1753)을 방출할 수 있고, 이는 입력 영역(1791)에서 시스템(1700)을 빠져나올 수 있다. 광(1753)은 위치(1759)에 입사할 수 있고 광(1755)으로서 시스템(1700) 안으로 다시 반사될 수 있다. 광(1755)은 출력 영역(1795)에서 시스템(1700)에 진입할 수 있다. 광(1755)은 마이크로광학체 유닛(1729)에 포함된 마이크로광학체(1727)에 입사할 수 있다. 광(1755)은 마이크로광학체(1727)를 투과할 수 있고 검출기 어레이(1730)에 포함된 검출기 픽셀(1737)에 입사할 수 있다. 검출기 픽셀(1737)은 광(1755)을 검출할 수 있고, 광(1755)의 속성들을 나타내는 전기 신호를 생성할 수 있다. 검출기 어레이(1730)는 전기 신호를 제어기(1740)에 전송할 수 있고, 이는 전기 신호를 프로세싱 및/또는 저장할 수 있다. 제어기(1740)는 광(1755)에서 측정된 신호 정보를 이용하여 위치(1759)의 물질의 반사율 또는 농도를 결정할 수 있고, 광(1767)으로부터의 신호 정보를 이용하여 반사기(1722)의 속성들을 결정할 수 있다. 제어기(1740)는 두 신호 정보를 프로세싱하여 샘플(1720) 내에 위치한 위치(1759)의 물질의 농도를 결정할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기(1740)는 반사기(1722) (또는 검출기 픽셀(1733)에 입사하는 광(1766)) 및 검출기 픽셀(1737)에 입사하는 광(1767)의 속성들을 별도의 측정을 필요로 하지 않고 동시에 결정할 수 있다. 제어기(1740)는 위치(1757) 및 위치(1759) 둘 모두에서 반사율, 굴절률, 밀도, 농도, 산란 계수, 산란 이방성, 흡광도, 또는 이러한 광학 속성들의 조합을 측정할 수 있고, 측정된 값들의 평균을 구할 수 있다. 도면 및 위 논의는 샘플 내의 두 위치에 관련되지만, 본 개시내용의 예들은 임의의 개수의 위치들을 포함할 수 있고 하나 또는 두 위치에 한정되지 않는다.
도면에 예시된 바와 같이, 시스템(1700)은 복수의 마이크로광학체 및 복수의 검출기 픽셀을 포함할 수 있고, 각각의 마이크로광학체는 검출기 픽셀에 결합될 수 있다. 각각의 마이크로광학체-검출기 픽셀 쌍은 샘플 내의 위치와 연관될 수 있다. 일부 예들에서, 연관성은 샘플 내의 하나의 위치에 대한 하나의 마이크로광학체-검출기 픽셀 쌍일 수 있다. 예를 들어, 마이크로광학체(1723), 및 검출기 픽셀(1733)은 위치(1757)와 연관될 수 있다. 마이크로광학체(1727), 및 검출기 픽셀(1737)은 위치(1759)와 연관될 수 있다. 제어기(1750)는 검출기 픽셀(1733) 및 검출기 픽셀(1737)을 샘플 내의 상이한 위치들(예컨대, 위치(1757) 및 위치(1759))과 연관시킬 수 있기 때문에, 제어기(1750)는 샘플(1720) 내의 상이한 위치들에 대한 물질의 상이한 농도를 결정 및 위치파악할 수 있다.
도 18은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질을 측정하도록 구성된 예시적인 시스템의 평면도를 예시한다. 시스템(1800)은 샘플에 근접하거나, 터치하거나, 샘플 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 시스템(1800)은 복수의 유닛(1899)으로 나뉠 수 있다. 각각의 유닛(1899)은 하나 이상의 반사기(1822) 및 복수의 어퍼처(1882)를 포함할 수 있다. 반사기(1822)는 적어도 부분적으로 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1822)는 평면도에서 보이지 않을 수 있지만, 도면에 표시된 것과 동일한 위치에 배치될 수 있다.
복수의 어퍼처(1882) 중 하나 이상은 광이 시스템(1800)의 상부 표면에 진입하거나 또는 빠져나가도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광학 컴포넌트, 예컨대, 광원, 렌즈, 마이크로렌즈, 검출기 픽셀, 또는 검출기 어레이는 복수의 어퍼처(1882) 중 하나 이상에 가까이, 그 아래, 또는 그 위에 위치할 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처들(1882) 및/또는 반사기(1822)는 원형이거나 또는 금속점(metal dot)일 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처들(1882) 및 반사기(1822)는 갭 또는 광학 격리 재료로 분리되어 광 혼합을 방지할 수 있다. 도면은 복수의 어퍼처(1882)가 유닛(1899)의 한 측면 상에 위치한 반사기(1822)와 열과 행 포맷으로 배열된 것처럼 예시하지만, 복수의 어퍼처(1882)는 임의의 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 반사기(1822)는 중심에 위치할 수 있고, 둘러싸는 어퍼처들(1882) 및 대응하는 컴포넌트들과 연관될 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1822)는 동일한 유닛(1899) 내에 위치한 광학 컴포넌트들과 연관될 수 있다. 예를 들어, 반사기(1822)로부터의 레퍼런스 측정은 오목 렌즈(또는 프리즘 또는 빔스플리터)에 의해 동일한 유닛(1899) 내의 광학 컴포넌트들에 분배될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 입력 또는 출력 영역(1882)은 렌즈 또는 마이크로렌즈와 연관될 수 있다. 입력 또는 출력 영역(1882) 또는 렌즈 또는 둘 모두의 크기 및/또는 형상은 검출기 어레이 내의 연관된 검출기 픽셀의 위치에 기초할 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 입력 또는 출력 영역(1882)은 샘플의 표면 아래의 깊이 및/또는 입사하는 광의 입사 각도와 연관될 수 있다.
일부 예들에서, 어퍼처들의 작은 크기로 인해, 위에서 개시된 시스템들 중 임의의 것은 10 내지 100 개의 어퍼처 및 반사기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 어퍼처의 직경은 100 내지 900 μm일 수 있고, 각각의 유닛의 길이(또는 폭)는 약 5mm일 수 있다. 다수의 어퍼처 및 반사기들을 이용하여, 시스템은 샘플 내의 복수의 위치를 측정할 수 있다. 일부 예들에서, 복수의 어퍼처는 동일한 깊이를 갖는 위치들을 측정하도록 구성될 수 있고, 제어기는 샘플 내의 상이한 위치들에 따라 존재할 수 있는 불균등성을 해결하기 위해 평균을 구할 충분한 개수의 값들을 가질 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 깊이들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예들에서, 복수의 어퍼처는 상이한 깊이들을 갖는 위치들을 측정하도록 구성될 수 있고, 시스템은 샘플의 깊이에 따라 존재할 수 있는 불균등성을 해결할 수 있다. 일부 예들에서, 어퍼처들의 제1 세트는 제1 물질을 측정하도록 구성될 수 있고, 어퍼처들의 제2 세트는 제1 물질과 상이한 제2 물질을 측정하도록 구성될 수 있다.
도 19은 본 개시내용의 예들에 따른 샘플 내에 위치한 하나 이상의 물질의 농도 및 유형을 측정하도록 구성된 예시적인 시스템의 평면도를 예시한다. 시스템(1900)은 샘플에 근접하거나, 터치하거나, 샘플 위에 놓이거나, 또는 부착될 수 있다. 시스템(1900)은 복수의 유닛(1999)으로 나뉠 수 있다. 각각의 유닛(1999)은 하나 이상의 반사기(1922) 및 복수의 입력 또는 출력 영역(1982)를 포함할 수 있다. 반사기(1922)는 적어도 부분적으로 광을 반사할 수 있는 임의의 유형의 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1922)는 평면도에서 보이지 않을 수 있지만, 도면에 표시된 것과 동일한 위치에 배치될 수 있다. 통상의 기술자는 동일한 위치들이 15% 편차를 야기하는 허용오차들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
복수의 입력 또는 출력 영역(1982) 중 하나 이상은 광이 시스템(1900)의 상부 표면에 진입하거나 또는 빠져나가도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광학 컴포넌트, 예컨대, 광원, 렌즈, 마이크로렌즈, 검출기 또는 검출기 어레이는 복수의 입력 또는 출력 영역(1982) 중 하나 이상에 가까이, 그 아래, 또는 그 위에 위치할 수 있다. 시스템(1900)은 시스템(1800)과 동일한 컴포넌트들을 가질 수 있지만, 정사각형의 격자처럼 배열된다. 일부 예들에서, 입력 또는 출력 영역들(1982) 및 반사기(1922)는 갭 또는 광학 격리 재료로 분리되어 광 혼합을 방지할 수 있다. 일부 예들에서, 반사기(1922)는 동일한 유닛(1999) 내의 입력 또는 출력 영역들(1982) 및 대응하는 광학 컴포넌트들과 연관될 수 있다.
위에서 설명하고 예시한 예들 중 일부는 별도로 논의되었지만, 통상의 기술자는 예들 중 하나 이상은 단일 시스템 및/또는 방법으로 조합 및 포함될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 시스템(1500)(도 15에 도시됨)은 광 차단기(1592)를 포함하고 시스템(1600)(도 16a 및 도 16b에 도시됨)은 어퍼처(1686)를 포함하지만, 두 예 모두 단일 시스템으로 조합 및 포함될 수 있다.
전술한 기능들 중 하나 이상은 예를 들어, 메모리에 저장되고 프로세서 또는 제어기에 의해 실행되는 펌웨어에 의해 수행될 수 있다. 펌웨어는 또한 명령어 실행 시스템, 장치 또는 디바이스로부터 명령어들을 페치하여 명령어들을 실행할 수 있는 컴퓨터 기반 시스템, 프로세서 포함 시스템, 또는 다른 시스템과 같은, 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 임의의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체 내에서 저장 및/또는 전송될 수 있다. 본 명세서와 관련하여, "비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함하거나 저장할 수 있는 (신호를 제외한) 임의의 매체일 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치 또는 디바이스, 휴대용 컴퓨터 디스켓(자기), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(자기), 판독 전용 메모리(ROM)(자기), 소거가능 프로그래머블 판독 전용 메모리(EPROM)(자기), CD, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-R, 또는 DVD-RW와 같은 휴대용 광학 디스크, 또는 콤팩트 플래시 카드, 보안 디지털 카드, USB 메모리 디바이스, 메모리 스틱과 같은 플래시 메모리 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 본 명세서의 맥락에서, "전송 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 전달, 전파, 또는 전송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 전송 판독가능 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 또는 적외선형 유선 또는 무선 전파 매체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
위에서 논의한 바와 같이, 본 개시내용의 예들은 샘플링 계면에서 샘플 내의 물질의 농도를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 샘플은 사용자의 적어도 일부분을 포함할 수 있고, 추가적인 정보는 측정된 정보, 분석, 또는 관심있을만한 임의의 기타 콘텐츠를 사용자들에 잘 전달하는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 측정된 정보, 분석, 또는 기타 콘텐츠는 사용자를 고유하게 식별할 수 있는(예컨대, 사용자와 연락하거나 위치를 파악하는 데 사용될 수 있는) 정보와 같은 개인 정보를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 개인 정보는 지리 정보, 인구통계 정보, 전화 번호, 이메일 주소, 우편 주소, 집 주소, 또는 기타 식별 정보를 포함할 수 있다. 그러한 개인 정보의 사용은 사용자의 이익에 사용될 수 있다. 예를 들어, 개인 정보는 측정된 정보, 분석, 또는 기타 콘텐츠를 사용자에게 전달하는 데 사용될 수 있다. 개인 정보의 사용은 측정된 정보의 시기적으로 적절한 그리고 제어된 전달을 가능하게 하는 것을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
본 개시내용은 또한 개인 정보를 측정, 수집, 분석, 공개, 전달, 및/또는 저장할 수 있는 개체는 잘 확립된 프라이버시 정책들 및/또는 프라이버시 관례들을 준수할 것이라는 것을 고려한다. 이러한 프라이버시 정책들 및/또는 관례들은 사적이고 안전한 개인 정보에 대한 산업적 또는 행정적 요건들을 충족하는(또는 넘어서는) 것으로 일반적으로 인식될 수 있고, 이는 구현되고 지속적으로 이용되어야 한다. 예를 들어, 개인 정보는 적법하고 합리적인 목적(예컨대, 측정된 정보를 사용자에게 전달)을 위해 수집되어야 하고, 이러한 목적들을 벗어나 공유(예컨대, 판매)되어서는 안된다. 또한, 개인 정보 수집은 사용자(들)의 통지된 동의를 수신한 후에만 발생해야 한다. 프라이버시 정책들 및/또는 관례들을 고수하기 위하여, 개체들은 개인 정보에 대한 외부 액세스를 보호하고 안전하게 지키는 데 필요한 임의의 단계들을 취할 수 있다. 일부 예들에서, 개체들은 개체들이 잘 설립된, 일반적으로 인식되는 프라이버시 정책들 및/또는 관례들을 고수하고 있는지 증명하기 위하여 제3자 평가(들)에 자처할 수 있다.
일부 예들에서, 사용자(들)는 개인 정보에 대한 액세스 및/또는 사용을 선택적으로 차단 또는 제한할 수 있다. 측정 시스템은 사용자(들)가 개인 정보에 대한 액세스 및/또는 사용을 선택적으로 차단 또는 제한하도록 하는 하나 이상의 하드웨어 컴포넌트 및/또는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 시스템은 사용자들이 등록 시 개인 정보를 수집할 때 광고 전달 서비스에 "동의함" 또는 "동의하지 않음"을 선택할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 사용자는 어떤 정보(예컨대, 지리적 위치)를 제공할 지 그리고 어떤 정보(예컨대, 전화 번호)가 배제될 지 선택할 수 있다.
본 개시내용의 예들은 사용자의 개인 정보의 사용을 이용하여 물질의 농도를 측정하기 위한 시스템 및 방법을 포함할 수 있지만, 본 개시내용의 예들은 또한 사용자의 개인 정보 없이 하나 이상의 기능 및 동작을 수행할 수 있다. 개인 정보의 전부 또는 일부분이 없다고 해도 시스템 및 방법을 작동불능하게 만들지 않을 수 있다. 일부 예들에서, 콘텐츠는 비사용자 특정 개인(예컨대, 공개적으로 이용가능한) 정보에 기초하여 선택되고/되거나 사용자에 전달될 수 있다.
일부 예들에서, 샘플링 계면에서 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은: 하나 이상의 파장을 포함하는 제1 광을 방출하도록 구성된 광원; 하나 이상의 광학체; 제1 광의 적어도 일부분을 변조하도록 구성된 하나 이상의 변조기 - 하나 이상의 변조기는 하나 이상의 광학체와 샘플링 계면 사이에 위치함 -; 하나 이상의 분광 속성을 포함하는 레퍼런스; 제1 광의 적어도 일부분을 검출하도록 구성된 제1 검출기; 및 로직(logic)을 포함하며, 로직은: 광원에 하나 이상의 제1 신호를 송신하고, 제1 검출기로부터 하나 이상의 제2 신호를 수신하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 하나 이상의 변조기는 광원과 샘플링 계면 또는 레퍼런스 사이에 위치하는 광학 단속기를 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 중성 농도 필터, 블랭크 감쇠기, 및 반사기 중 적어도 하나이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 티타늄(Ti), 코발트(Co), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 니켈 크롬(NiCr), 티타늄 텅스텐(TiW), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 금(Au), 및 은(Ag) 중 적어도 하나로 만들어진 반사기이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 광원으로부터 방출된 제1 광의 크기보다 크거나 같은 크기로 구성된 반사기이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 금속점을 포함하는 반사기이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 경면 반사기이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스는 반사기이고, 제1 광의 일부분은 반사기에 입사한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 시스템은 필터를 추가로 포함하고, 필터는 음향-광학 동조가능 필터(AOTF), 각도 동조가능 협대역통과 필터, 또는 복수의 서브필터 중 적어도 하나를 포함하며, 각각의 서브필터는 상이한 스펙트럼 범위를 갖고, 광원과 빔스플리터 사이에 위치하며, 필터는 광원으로부터 방출된 제1 광의 하나 이상의 파장 중 하나 이상의 개별 파장을 선택하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 시스템의 에지는 샘플-시스템 계면에 위치하고, 추가로 하나 이상의 광학체는 규소 대물 렌즈를 포함하며, 규소 대물 렌즈는 샘플-시스템 계면에서 제1 광의 적어도 일부분의 반사를 수집하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 검출기는 복수의 검출기 픽셀을 포함하고, 추가로 하나 이상의 광학체는 제1 광의 일부분을 복수의 검출기 픽셀 중 하나 이상의 검출기 픽셀에 분배하도록 구성된 광학체를 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 광학체는 오목 렌즈, 프리즘, 및 빔스플리터 중 적어도 하나이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 광의 일부분을 분배하는 것은 제1 광의 일부분을 다수의 광 빔들로 분할하는 것을 포함하며, 각각의 광 빔은 복수의 검출기 픽셀의 세트에 포함된 상이한 검출기 픽셀로 지향된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 복수의 검출기 픽셀의 세트의 각각의 검출기 픽셀은 샘플 내의 상이한 위치들과 연관되며, 각각의 위치는 샘플 내의 동일한 경로 길이를 갖는다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 복수의 검출기 픽셀의 세트에 포함된 각각의 검출기 픽셀은 샘플 내의 상이한 경로 길이들과 연관된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 광의 일부분을 분배하는 것은 제1 광의 일부분을 다수의 광 빔들로 분할하는 것을 포함하며, 다수의 광 빔들 중 적어도 하나는 다수의 광 빔들 중 다른 광 빔과 동일한 하나 이상의 속성을 갖도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 하나 이상의 광학체는 마이크로광학체 유닛을 포함하고, 마이크로광학체 유닛은 복수의 마이크로렌즈를 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 샘플은 복수의 위치를 포함하고, 추가적으로 제1 검출기는 복수의 검출기 픽셀을 포함하고, 각각의 검출기 픽셀은 복수의 마이크로광학체 중 하나의 마이크로광학체 및 복수의 위치 중 하나의 위치와 연관된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 검출기는 1.4 내지 2.7 μm 중 적어도 일부분의 단파장 적외선(SWIR)을 측정하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 검출기는 2.2 내지 2.7 μm 중 적어도 일부분의 단파장 적외선(SWIR)을 측정하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제1 검출기는 HgCdTe, InSb, 또는 InGaAs 계열 검출기이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 시스템은 시스템의 에지로부터 반사된 광을 흡수 또는 차단할 수 있는 광 차단 재료를 추가로 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 로직은 추가로: 수신된 하나 이상의 제2 신호가 물질의 분광 지문과 매칭되는지 결정하고; 분광 지문의 매칭에 기초하여 샘플링 계면에서 물질의 농도를 결정하도록 구성된다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 하나 이상의 광학체는 광원으로부터 방출된 제1 광의 적어도 일부분을 적어도 제2 광 및 제3 광을 포함하는 다수의 빔들로 분할하도록 구성된 빔스플리터를 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 시스템은 제3 광의 제1 편광을 검출하도록 구성된 제2 검출기를 추가로 포함하고, 제1 검출기는 제2 광의 제2 편광을 검출하도록 구성되고, 제2 편광은 제1 편광과 상이하다.
일부 예들에서, 제1 이미지를 투사하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은: 제1 평면 상에 위치한 제1 이미지를 제1 평면과 상이한 제2 평면 상에 위치한 제2 이미지로 상을 다시 만들도록 구성된 하나 이상의 광학체를 포함하며, 하나 이상의 광학체 중 적어도 하나는 제1 평면과 제2 평면 사이에 위치한 초점의 중간 평면을 생성하고, 제1 이미지는 복수의 농도 값을 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 제2 이미지는 제1 이미지의 배율을 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 하나 이상의 광학체는 사전결정된 경로 길이와 동일한 경로 길이를 갖거나 또는 사전결정된 경로 길이들의 범위 안에 있는 제1 광을 선택하고, 사전결정된 경로 길이와 상이한 경로 길이를 갖거나 또는 사전결정된 경로 길이들의 범위를 벗어나는 제2 광을 거부할 수 있다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 시스템은 어퍼처를 추가로 포함하며, 어퍼처는 각각 제4 광을 선택하고 제5 광을 거부하도록 구성된 하나 이상의 어퍼처를 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 어퍼처는 상이한 크기들의 적어도 2개의 어퍼처를 포함한다.
일부 예들에서, 샘플링 계면에서 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 방법으로서, 보정 위상 동안: 광원 및 변조기를 비활성화하는 단계, 검출기를 이용하여 암전류 또는 미광 또는 둘 모두의 양을 검출함으로써 레벨을 결정하는 단계, 및 레벨에 동일하게 영(0) 레벨을 설정하는 단계; 및 측정 위상 동안: 샘플링 계면의 동일한 위치에서 흡광도, 반사율, 또는 투과율 값을 측정하여 광학 값을 결정하는 단계; 레퍼런스에서 흡광도, 반사율, 또는 투과율 값을 측정하여 레퍼런스 광학 값을 결정하는 단계, 및 광학 값을 레퍼런스 광학 값으로 나눠 샘플링 포인트를 획득하는 단계, 광학 값의 결정 및 레퍼런스 광학 값의 결정을 반복하여 복수의 샘플링 포인트를 획득하는 단계, 및 복수의 샘플링 포인트의 평균을 구해 샘플링 계면에서의 물질의 농도를 결정하는 단계를 포함하고, 연속적인 측정 위상 내의 복수의 샘플링 포인트의 개수는 100 미만이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 복수의 샘플링 포인트의 개수는 10과 같거나 작다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 방법은 복수의 프레임을 추가로 포함하고, 각각의 프레임은 하나의 보정 위상 및 하나의 측정 위상을 포함하며, 샘플링 계면에서 물질의 농도를 결정하는 단계는 복수의 프레임 중 적어도 2개로부터의 복수의 샘플링 포인트의 평균을 구하는 것을 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 측정 위상의 듀레이션은 레이저 및 검출기 중 적어도 하나의 안정성에 기초한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 측정 위상의 듀레이션은 60초 미만이다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 방법은 광원 및 검출기 둘 모두로부터의 영점 드리프트 및 이득 드리프트를 해결할 수 있다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 방법은 미광을 제거할 수 있다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 레퍼런스 광학 값을 결정하는 것은 샘플과 레퍼런스 사이에서 광을 변조하는 것을 포함한다. 위에서 개시된 하나 이상의 예에 대하여 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 측정 위상은 복수의 광학 값 및 복수의 레퍼런스 광학 값을 포함하고, 추가로 복수의 광학 값 및 복수의 레퍼런스 광학 값은 측정 위상 내의 상이한 시간에 측정된다.
개시된 예들이 첨부의 도면들을 참조하여 충분히 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 다양한 변경들 및 수정들이 명백할 것이라는 것에 주목하여야 한다. 그러한 변경들 및 수정들은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 개시된 예들의 범주 내에 포함되는 것으로서 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 측정을 수행하기 위한 시스템으로서,
    샘플로 광을 출력하도록 구성되는 광원;
    상기 시스템의 계면에 위치하고 상기 샘플 내의 제1 위치로부터 상기 광의 제1 부분과 상기 샘플 내의 제2 위치로부터 상기 광의 제2 부분을 수신하도록 구성되는 렌즈;
    검출기; 및
    마이크로렌즈 어레이 - 상기 마이크로렌즈 어레이는,
    상기 샘플 내의 상기 제1 위치로부터 상기 광의 상기 제1 부분을 수신하고 상기 검출기로 상기 광의 상기 제1 부분을 지향하도록 구성되는 제1 마이크로렌즈; 및
    상기 샘플 내의 상기 제2 위치로부터 상기 광의 상기 제2 부분을 수신하고 상기 검출기로 상기 광의 상기 제2 부분을 지향하도록 구성되는 제2 마이크로렌즈
    를 포함함 -
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 레퍼런스를 추가로 포함하며,
    상기 광은 상기 샘플로 출력되는 제1 광과, 상기 레퍼런스로 출력되는 제2 광을 포함하며,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 추가적으로 제3 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 제3 마이크로렌즈는:
    상기 레퍼런스로부터 상기 제2 광을 수신하고,
    상기 검출기로 상기 제2 광을 지향하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 검출기는 복수의 검출기 픽셀을 포함하고,
    상기 제3 마이크로렌즈는:
    상기 레퍼런스로부터의 상기 제2 광을 분할하고,
    상기 복수의 검출기 픽셀 중 적어도 두 개의 검출기 픽셀로 상기 분할된 제2 광을 지향하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3 마이크로렌즈는 상기 제1 마이크로렌즈 및 상기 제2 마이크로렌즈와는 다른 유형의 렌즈이며,
    상기 제3 마이크로렌즈는 오목 렌즈 또는 프리즘 웨지 중 하나를 포함하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템의 상기 계면에 위치하는 하나 이상의 입력 영역을 추가적으로 포함하며,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 제4 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 제4 마이크로렌즈는:
    상기 광원으로부터의 상기 광을 수신하고;
    상기 광원으로부터 상기 하나 이상의 입력 영역으로 상기 광을 지향하도록 구성되는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 제1 검출기 픽셀 및 제2 검출기 픽셀을 포함하는 복수의 검출기 픽셀을 포함하며,
    상기 제1 마이크로렌즈는 상기 제1 위치로부터 상기 제1 검출기 픽셀로 상기 광을 지향하며,
    상기 제2 마이크로렌즈는 상기 제2 위치로부터 상기 제2 검출기 픽셀로 상기 광을 지향하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 불투명 영역을 포함하는 패터닝된 어퍼처(aperture)를 추가로 포함하며,
    상기 하나 이상의 불투명 영역 중 적어도 하나가 상기 제1 마이크로렌즈와 상기 제2 마이크로렌즈 사이에 위치하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    광학체 유닛을 추가적으로 포함하고, 상기 광학체 유닛은:
    상기 렌즈로부터 상기 광을 수신하고 상기 렌즈로부터 상기 검출기로 상기 광을 지향하는 제1 광학체; 및
    상기 렌즈로부터 상기 광을 수신하고 상기 렌즈로부터 상기 검출기로 상기 광을 지향하는 제2 광학체
    를 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    어퍼처를 추가적으로 포함하고, 상기 어퍼처는:
    상기 제1 위치로부터 상기 광을 수신하도록 구성되는 제1 개구; 및
    상기 제2 위치로부터 상기 광을 수신하도록 구성되는 제2 개구를 포함하고,
    상기 제1 개구는 상기 제1 위치로부터 상기 검출기로 상기 광을 선택적으로 지향하고,
    상기 제2 개구는 상기 제2 위치로부터 상기 검출기로 상기 광을 선택적으로 지향하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 검출기와 빔스플리터를 추가적으로 포함하고,
    상기 빔스플리터는 상기 제1 위치로부터의 광을 분할하고,
    상기 빔스플리터에 의해 분할되는 상기 광의 적어도 일부가 상기 제2 검출기로 지향되는, 시스템.
  11. 장치를 이용하여 샘플의 측정을 수행하기 위한 방법으로서,
    샘플 계면을 향해 상기 장치로부터 광을 방출하는 단계;
    상기 장치의 계면에 위치하는 렌즈에서 상기 샘플 내의 제1 위치로부터 상기 광의 제1 부분과 상기 샘플 내의 제2 위치로부터 상기 광의 제2 부분을 수신하는 단계;
    마이크로렌즈 어레이의 제1 마이크로렌즈를 사용하여 상기 렌즈로부터 검출기로 상기 광의 상기 제1 부분을 지향하는 단계; 및
    상기 마이크로렌즈 어레이의 제2 마이크로렌즈를 사용하여 상기 렌즈로부터 상기 검출기로 상기 광의 상기 제2 부분을 지향하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광을 방출하는 단계는:
    상기 샘플 계면을 향해 제1 광을 방출하는 단계; 및
    레퍼런스를 향해 제2 광을 방출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방법은 광학체를 사용하여 상기 레퍼런스로부터 상기 검출기로 상기 제2 광을 지향하는 단계를 추가적으로 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    레퍼런스로부터 수신되는 광을 분할하는 단계; 및
    상기 검출기에 포함되는 적어도 두 개의 검출기 픽셀로 상기 분할된 광을 지향하는 단계
    를 추가적으로 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 검출기는 제1 검출기 픽셀 및 제2 검출기 픽셀을 포함하고;
    상기 렌즈로부터 상기 광의 상기 제1 부분을 지향하는 단계는, 상기 광의 상기 제1 부분을 상기 렌즈로부터 상기 제1 검출기 픽셀로 지향하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈로부터 상기 광의 상기 제2 부분을 지향하는 단계는, 상기 광의 상기 제2 부분을 상기 렌즈로부터 상기 제2 검출기 픽셀로 지향하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈로부터의 광을 어퍼처를 통해 상기 검출기로 통과시키는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광을 상기 어퍼처를 통해 통과시키는 단계는 상기 광의 입사각 또는 경로 길이 중 하나 이상을 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 검출기는 제1 검출기이며, 상기 방법은,
    빔스플리터를 사용하여 상기 렌즈로부터 상기 광을 분할하는 단계; 및
    제2 검출기로 상기 분할된 광의 적어도 일부를 지향하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  18. 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 시스템으로서,
    상기 샘플로 제1 광을 출력하고 레퍼런스로 제2 광을 출력하도록 구성되는 광원;
    상기 샘플의 위치로부터 상기 제1 광의 일부를 수신하도록 구성되는 렌즈;
    검출기 - 상기 검출기는:
    제1 검출기 영역; 및
    제2 검출기 영역을 포함함 - ; 및
    마이크로렌즈 어레이 - 상기 마이크로렌즈 어레이는:
    상기 렌즈로부터 상기 제1 광을 수신하고 상기 렌즈로부터 상기 제1 검출기 영역으로 상기 광을 지향하도록 구성되는 제1 마이크로렌즈; 및
    상기 레퍼런스로부터 상기 제2 광을 수신하고 상기 제2 검출기 영역으로 상기 제2 광을 지향하도록 구성되는 제2 마이크로렌즈
    를 포함함 -
    를 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 검출기는 추가적으로 제3 검출기 영역을 포함하고,
    상기 위치는 제1 위치이며,
    상기 렌즈는 상기 제1 위치로부터 상기 제1 광의 제1 부분을 수신하고 상기 샘플의 제2 위치로부터 상기 제1 광의 제2 부분을 수신하도록 구성되며,
    상기 마이크로렌즈 어레이는, 상기 렌즈로부터 상기 제1 광의 상기 제2 부분을 수신하고 상기 제3 검출기 영역으로 상기 제1 광의 상기 제2 부분을 지향하도록 구성되는 제3 마이크로 렌즈를 추가적으로 포함하는, 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2 마이크로렌즈는:
    상기 제2 검출기 영역으로 상기 제2 광의 제1 부분을 지향하고,
    상기 제2 광의 제2 부분을 상기 제1 검출기 영역으로 지향하도록 구성되는, 시스템.
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