KR102589652B1

KR102589652B1 - 공간 분해 광음향을 수행하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102589652B1
Application number: KR1020227001479A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 포프
Original assignee: 트룸프 에스이 + 코. 카게
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2023-10-13
Also published as: DE102019210073A1; KR20220020957A; WO2021005068A1; US20220128457A1; CN114080541A; DE102019210073B4

Abstract

본 발명은 요약하자면, 동기화된 방식으로 서로 연속적인 복수의 광 빔(14b)으로 샘플(12)을 조명하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 광 빔(14b)에 의해, 샘플(12) 상에 생성된 음파가 전기 음향 변환기(20)에 의해 검출된다. 광 빔(14b)의 동기 시퀀스는 적어도 하나의 빔 감속기(40a-40d), 바람직하게는 복수의 빔 감속기(40a-40d)를 갖는 빔 감속 디바이스(36)에 의해 달성될 수 있다. 빔 감속기(40a-40d)는 각각 통과하는 광 빔(14b)의 개별적인 지연, 즉 다른 빔 감속기(40a-40d)와는 상이한 지연을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 샘플(12)의 넓은 표면적이 각각의 조명 위치에 할당될 수 있는, 신속하게 서로 연속적인 광 빔(14b)에 의해 스캔될 수 있다. 빔 감속 디바이스(36)는 빔 스플리터(32)에 의해 조명될 수 있다. 빔 스플리터(32) 및/또는 빔 감속 디바이스(36)는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 장치(10)는 광원(28)으로부터 빔 감속 디바이스(36)의 광학 헤드 밖으로의 광 빔의 출구까지 주로 광섬유 구성 요소, 특히 완전히 광섬유 구성 요소를 포함한다.

Description

공간 분해 광음향을 수행하기 위한 장치 및 방법

본 발명은 공간 분해 광음향을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

샘플의 검사를 위해, 광음향 분광법 또는 광음향 이미징을 사용하는 것이 공지되어 있다. 이 경우, 이러한 방법은 샘플의 구조적 분석, 기능적 분석 및/또는 분자 분석을 가능하게 하는 비-침습적인 방법이다.

이러한 방법은 광음향 효과, 즉 전자기파의 흡수를 통해 빛을 음파로 변환하는 것을 기반으로 한다. 이 경우, 빛의 국부적 흡수는 샘플의 급격한 국부적인 가열 및 이로부터 발생되는 열팽창으로 이어진다. 이를 통해, 특히 초음파 범위의 음파가 생성된다. 음파의 측정은 전기 음향 변환기에 의해 수행된다. 다시 말하면, 예를 들어 샘플의 결함을 검출하기 위해, 검사될 샘플은 빛에 의해 여기되고, 샘플의 음향 응답이 마이크에 의해 검출된다.

공지된 장치들은 샘플을 축점 방식으로(point by point) 주사하거나 또는 스캔할 수 있기 때문에 시간 소모적이다. 이러한 장치는 예를 들어 DE 10 2014 012 364 B4호, US 6,590,661 B1호 및 US 2014/0050489 A1호로부터 공지되어 있다.

이에 대한 본 발명의 과제는 공간 분해 광음향을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이고, 여기서 광음향은 특히 신속하고 효율적이며, 이에 따라 비용 효율적으로 수행될 수 있거나 또는 수행된다.

본 발명에 따르면, 이러한 과제는 본원의 특허 청구항 제1항에 따른 장치 및 특허 청구항 제13항에 따른 방법에 의해 달성된다. 참조된 특허 청구항은 바람직한 개발예를 재현한다.

따라서, 본 발명에 따른 과제는 광음향 분광법 및/또는 광음향 이미징을 수행하기 위한 장치에 의해 달성된다. 장치는 샘플을 배치하기 위한 샘플 홀더, 샘플을 조명하기 위한 광 빔 디바이스 및 샘플 상에 생성된 음파를 감지하기 위한 전기 음향 변환기, 즉 "마이크"를 포함한다. 광 빔 디바이스는 복수의, 특히 병렬적으로, 공간적 및 시간적으로 분리된 광 빔 또는 광 펄스를 샘플 상으로 방출하도록 형성된다. 광 빔 디바이스는 여기서 바람직하게는, 광 빔을 1 μs 미만, 바람직하게는 0.1 ns 내지 10 ns, 특히 0.4 ns 내지 4 ns, 특히 바람직하게는 0.5 ns 내지 1 ns로 서로 이격시키도록 형성된다. 복수의 광 빔으로 샘플의 복수의 지점들을 실질적으로 동시에 조사함으로써, 장치는 샘플의 넓은 영역을 신속하게 측정할 수 있다. 이 경우, 장치는 그러나 시간적으로 서로에 대해 최소한으로 지연되는 광 빔을 통해, 여전히 전기 음향 변환기의 개별 감지 결과를 각각 전기 음향 변환기로부터 샘플 지점의 특정 거리에, 즉 샘플의 특정 위치에 할당할 수 있다.

샘플은 장치의 일부일 수 있다.

광원은 레이저의 형태로 형성될 수 있다.

특히 바람직한 실시예에서, 광 빔 디바이스는 1차 광 빔을 방출하기 위한 특히 레이저 형태의 단일 광원 및 1차 광 빔을 공간적으로 서로 분리된 복수의 2차 광 빔으로 분할하기 위한 빔 스플리터를 포함한다. 빔 스플리터는 1차 광 빔을 2개 이상, 특히 5개 이상, 바람직하게는 10개 이상의 2차 광 빔으로 분할하도록 형성될 수 있다.

빔 스플리터는 상이한 2개의 방향으로 서로 이격되는 2차 광 빔을 형성하도록 설계될 수 있다. 방향은 서로에 대해 수직일 수 있다. 다시 말하면, 광 빔은 서로 평행한 전파 방향으로 전파되고, 여기서 광 빔은 서로 측방향으로 오프셋된다. 그런 다음, 빔 스플리터는 표면 위로 연장되는 다중 광 스폿 어레이(multi-light spot array)를 형성한다. 빔 스플리터는, 개개의(selective) 여기 대신, 표면에서 많은 수의 점 형상의 여기를 수행하는 것을 가능하게 한다.

광 빔 디바이스는 점 형상의 2차 광 빔으로 샘플을 조사하도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 음파의 특히 정확한 공간적인 할당을 수행할 수 있다.

보다 바람직하게는, 광 빔 디바이스는 빔 스플리터의 하류에 연결된 빔 감속 디바이스를 포함한다. 빔 감속 디바이스는 2차 광 빔을 감속시키는 적어도 하나의 빔 감속기를 포함하므로, 빔 감속기를 통과하는 2차 광 빔이, 빔 감속기를 통과하지 않는 다른 2차 광 빔보다 늦게 샘플에 도달한다. 빛이 복수의 광 빔으로 분할되고 서로 상이하게 지연되는 단일 광원을 사용하면, 장치를 구조적으로 간단하고 특히 비용 효율적인 방식으로 형성하는 것을 허용한다.

장치의 다른 바람직한 실시예에서, 빔 감속 디바이스는 각각 상이하게 지연되는 다수의 빔 감속기를 포함한다. 이를 통해, 큰 샘플 영역이 고해상도로 실질적으로 동시에 광음향적으로 측정될 수 있다.

빔 감속기는 전기 음향 변환기로부터 각각 개별적인 거리를 포함할 필요는 없다. 예컨대 2개의 빔 감속기는 전기 음향 변환기로부터 동일한 거리를 포함할 수 있으나, 각각의 2차 광 빔을 상이한 정도로 지연시켜, 그럼에도 불구하고 각각의 2차 광 빔을 통해 트리거된 신호의 명확한 할당을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 각각의 빔 감속기를 통과하는 2차 광 빔의 할당을 용이하게 할 수 있도록, 빔 감속기는 바람직하게는 전기 음향 변환기로부터 각각 개별적인 거리를 포함한다.

장치는 빔 스플리터를 균일하게 조명하기 위해 시준기를 포함할 수 있다.

빔 감속기는 특히 바람직하게는, 각각의 빔 감속기를 통한 감속이 빔 감속 디바이스의 중심점으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 방식으로 빔 감속 디바이스 상에 배치되거나 또는 형성된다. 이것은 빔 감속 디바이스의 영역의 중앙에 배치된 전기 음향 변환기의 경우에 특히 중요하다. 그렇지 않으면, 빔 감속 디바이스의 중심점으로부터 더 멀리 방출된 광 빔이 샘플의 중심점 영역의 광 빔보다 더 빠르게 샘플에 도달하는 상황이 발생할 수 있기 때문이다. 그러나, 중심점에서 전기 음향 변환기까지 여기된 음파의 음향 신호 전파 시간은 더 길기 때문에, 2개의 효과(샘플 상으로의 빛의 신속한 입사, 그러나 샘플 상에서의 느린 전파)가 서로를 보상할 수 있고, 이에 의해 전기 음향 변환기에 의해 포착된 신호는 샘플의 정확한 위치에 할당될 수 없다.

장치는 2차원 매트릭스의 형태로, 즉 평면의 2개의 상이한 방향으로 서로 오프셋된 방식으로 배치되거나 또는 형성된 빔 감속기를 포함할 수 있다. 이를 통해, 샘플이 편평하게 조사될 수 있다.

빔 감속기는 샘플을 균일하게 검사할 수 있도록, 인접한 다음 빔 감속기에 대해 등거리에 배치될 수 있거나 또는 형성될 수 있다.

빔 감속기는 플라스틱, 특히 고굴절률 플라스틱을 포함할 수 있다. 빔 감속기는, 빔 감속기를 통과하는 2차 광 빔을 특히 효율적으로 지연시킬 수 있도록 고굴절률 유리를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 빔 감속기, 특히 모든 빔 감속기는 고굴절률 플라스틱 및/또는 고굴절률 유리를 포함한다. 고굴절률 유리의 굴절률은 가시 범위의 광에 대해 바람직하게는 1.6 초과, 특히 1.65 초과이다. 고굴절률 유리로서, 예를 들어 플린트(flint) F2, 고밀도 플린트 SF10, 란탄 고밀도 플린트(Lanthanum dense flint) LaSF9 및/또는 폴리카보네이트가 사용될 수 있다.

이에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 빔 감속기는 사용된 광에 대해 투명한 섬유, 특히 유리 섬유를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 빔 감속기, 특히 모든 빔 감속기는 이러한 섬유를 포함한다. 섬유는 중실 코어 섬유(Solid-Core-Fiber) 또는 중공 코어 섬유(Hollow-Core-Fiber)의 형태로 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 빔 감속기의 모든 섬유는 각각 상이한 길이를 포함한다.

적어도 2개, 특히 대부분, 바람직하게는 모든 빔 감속기가 동일한 재료로 형성될 수 있다. 빔 감속기는 여기서 바람직하게는 방사선 방향으로 상이한 길이로 형성된다. 이를 통해, 빔 감속 디바이스는 구조적으로 특히 간단한 방식으로 형성될 수 있다.

구조적으로 특히 간단한 보다 유리한 실시예에서, 빔 감속 디바이스는 사용되는 2차 광 빔에 대해 투명한 플레이트를 포함한다. 적어도 하나의 빔 감속기, 특히 복수의 빔 감속기, 바람직하게는 모든 빔 감속기가 플레이트 상에 배치되거나 또는 - 바람직하게는 - 형성될 수 있다. 플레이트는 완전히 투과성으로 형성될 수 있다.

빔 감속 디바이스는 여기서 특히 바람직하게는 일체형으로 형성된다.

빔 감속 디바이스는 밀링되고, 다양한 광학 구성 요소로 함께 클램핑 또는 접착될 수 있고, 및/또는 3D 프린터에 의해 형성될 수 있다.

빔 감속 디바이스의 광학 투과성을 최적화하기 위해, 빔 감속 디바이스는 빔 스플리터에 대면하는 측면 및/또는 반대되는 측면 상에 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다.

빔 스플리터는 1차 광 빔을 2차 광 빔으로 분할하기 위한 회절 광학 요소(DOE) 및/또는 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 빔 스플리터는 회절 광학 요소의 형태 및/또는 마이크로렌즈 어레이의 형태로 형성될 수 있다.

특정 시간에 도달한 음향 신호의 할당을 가능한 한 간단한 방식으로 샘플 상의 위치에 할당할 수 있도록, 전기 음향 변환기는 바람직하게는 샘플의 중앙, 특히 샘플 홀더의 중앙에 배치된다. 전기 음향 변환기는 빔 감속 디바이스 상의 중앙 또는 빔 감속 디바이스 내의 중앙에 배치될 수 있거나 또는 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 전기 음향 변환기는 빔 감속 디바이스에 통합된다.

전기 음향 변환기는 DE 10 2006 013 345 B4호 및/또는 EP 2 039 215 B1호에 설명된 바와 같이 형성될 수 있으며, 그 내용이 전체적으로 참조된다. DE 10 2006 013 345 B4호 및 EP 2 039 215 B1호의 개시 내용은 본 명세서에 완전히 포함된다.

장치를 구조적으로 단순하게 유지하기 위해, 장치는 바람직하게는 샘플 상에 생성된 음파를 감지하기 위한 단지 하나의 전기 음향 변환기를 포함한다.

장치는 전기 음향 변환기에 의해 출력된 출력 신호를 처리하거나 또는 표시하기 위한 오실로스코프를 포함할 수 있다. 오실로스코프는 바람직하게는 1 G 샘플/s 초과, 특히 10 G 샘플/s 초과, 바람직하게는 100 G 샘플/s 초과를 달성하도록 형성된다. 이를 통해, 시간적으로 특히 서로에 대해 약간 오프셋된 음파는 여전히 서로 분리된 방식으로 평가될 수 있으며, 샘플의 공간적인 위치에 할당될 수 있다.

장치의 빔 경로에는 하나 이상의 추가의 광학 요소, 예를 들어 집속 렌즈가 배치될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 빔 스플리터는 섬유 스플리터(Fiber-Splitter)의 형태로 형성된다. 특히 바람직하게는, 빔 스플리터 및 빔 감속 디바이스 모두는 광섬유로 형성된다. 이를 통해, 장치가 전체적으로 구조적으로 특히 단순하고, 비용 효율적으로 형성될 수 있다.

과제는 또한 특히 본원에 설명된 장치에 의해 광음향 이미징 및/또는 광음향 분광법을 위한 방법을 통해 달성되며, 이러한 방법은 다음 방법 단계들을 포함한다:

A) 1차 광 빔을 복수의 2차 광 빔으로 분할하는 단계;

B) 샘플에 2차 광 빔을 특히 각각 조명하는 단계 - 적어도 하나의 2차 광 빔은 다른 2차 광 빔에 비해 감속되어, 다른 2차 광 빔 이후에 샘플 상에 입사됨 -;

C) 2차 광 빔에 의해 샘플 상에 여기된 음파를 전기 음향 변환기에 의해 검출하는 단계.

이전에 설명된 방법 단계의 이전, 이후 또는 그 사이에, 하나 이상의 추가의 방법 단계가 수행될 수 있다.

이러한 방법에서 1차 광 빔으로서 레이저 빔이 사용될 수 있다.

바람직하게는, 이러한 방법에서 1차 광 빔으로서 펄스형 광 빔이 사용된다. 펄스 지속 시간은 바람직하게는 1000 ns 미만, 특히 100 ns 미만, 특히 바람직하게는 10 ns 미만이다.

본 방법의 바람직한 변형예에서, 2개의 2차 광 빔, 특히 인접한 2개의 2차 광 빔은 0.01 ns 내지 50 ns 지연된다. 보다 바람직하게는, 본 방법에서, 대부분의 2차 광 빔, 특히 모든 2차 광 빔은 각각 다른 2차 광 빔에 대해 0.01 ns 내지 10 ns 지연된다.

본 발명의 추가의 이점은 본원의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 또한, 상기 언급된 특징 및 이하에서 더 기술되는 특징들은, 본 발명에 따라 각각 그 자체로 개별적으로 또는 임의의 복수의 조합으로도 사용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시예들은, 제한적인 열거로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도 1은 광음향 효과의 개략적인 설명을 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 광음향 효과를 사용하여 광음향 측정을 수행하기 위한 장치의 제1 실시예의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 3은 광음향 측정을 수행하기 위한 장치의 추가의 실시예의 개략적인 부분 평면도를 도시한다.
도 4는 유리를 통과하여 방사되는 광의 파장에 대한 다양한 유리의 굴절률의 프로파일을 도시하고, 여기서 유리는 도 2 또는 도 3에 따른 장치에서 사용된다.
도 5는 광음향 측정을 수행하기 위한 장치의 추가의 실시예의 개략적인 평면도를 도시한다.

도 1은 샘플(12)을 분석할 때 광음향을 사용하기 위한 장치(10)를 도시한다. 샘플(12)은 여기서 특히 광 펄스의 형태, 바람직하게는 레이저 펄스의 형태인 광 빔(14)으로 조사된다. 샘플(12)에 흡수된 광 빔(14)은 열 팽창(16)으로 이어지고, 추가로 음파(18)를 발생시킨다. 이것은 전기 음향 변환기(20)에서 전기 신호를 생성할 수 있고, 이는 오실로스코프(22)에 표시된다.

종래 기술로부터 공지된 장치에 의해 샘플(12)의 더 넓은 영역이 검사되어야 하는 경우, 광 빔(14)은 검사 포인트별로 하나하나 변위되어야 한다(도 1에는 도시되지 않음). 이를 통해, 검사는 매우 시간 소모적이고 비용이 든다.

도 2는 본 발명에 따른 장치(10)의 제1 실시예를 도시한다. 장치(10)는 샘플(12)을 수용하기 위한 샘플 홀더(24)를 포함한다. 샘플(12)을 검사하기 위해, 장치(10)는 광 빔 디바이스(26)를 포함한다. 광 빔 디바이스(26)는 광원(28), 여기서는 단일 광원(28)을 포함한다. 광원(28)은 레이저 광원의 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 광원(28)은 광 펄스, 특히 100 ns 미만, 바람직하게는 10 ns 미만의 지속 시간을 갖는 광 펄스를 방출하도록 형성된다. 광원(28)은 바람직하게는 복수의 광 펄스로 이루어진 1차 광 빔(14a)을 생성한다. 1차 광 빔(14a)은 시준기(30)에 의해 성형될 수 있다.

1차 광 빔(14a)은, 1차 광 빔(14a)을 복수의, 특히 5개 초과, 바람직하게는 10개 초과, 특히 바람직하게는 15개 초과의 2차 광 빔(14b)으로 분할하는 빔 스플리터(32) 상에 입사된다. 빔 스플리터(32)는 바람직하게는 플레이트 형상의 회절 광학 요소의 형태로 또는 플레이트 형상의 마이크로렌즈 어레이의 형태로 형성된다. 보다 바람직하게는, 빔 스플리터(32)는 일체형으로 형성된다. 빔 스플리터(32)는 바람직하게는 편평하게 형성되고, 2개의 상이한 방향으로 서로 이격된 2차 광 빔(14b)을 방출한다. 다시 말하면, 빔 스플리터(32)는 2차 광 빔(14b)으로부터 다중 광 스폿 어레이, 특히 다중 레이저 스폿 어레이의 형태를 형성하도록 설계된다. 빔 스플리터(32)의 효율성을 향상시키기 위해, 이러한 빔 스플리터는 입력 측 상에 반사 방지 코팅(34)을 포함할 수 있다.

빔 스플리터(32)의 하류에는 간접적으로 또는 - 바람직하게는 - 직접적으로 빔 감속 디바이스(36)가 연결된다. 빔 감속 디바이스(36)는 플레이트(38)를 포함할 수 있다. 플레이트(38)는 그 입력 측에서, 적어도 2차 광 빔(14b)이 입사되는 영역에서 2차 광 빔(14b)에 대해 투명하게 형성된다. 플레이트(38) 상에는 빔 감속기(40a, 40b, 40c, 40d)가 배치될 수 있거나 또는 형성될 수 있다. 빔 감속기(40a-40d)는 바람직하게는 블록 형상 또는 로드 형상으로 형성된다. 바람직하게는, 모든 빔 감속기(40a-40d)는 각각 고유한 길이, 즉 각각 서로 상이한 길이를 포함한다. 빔 감속기(40a-40d)는 동일한 횡단면, 특히 다각형, 바람직하게는 원형 횡단면을 포함할 수 있다. 명료함을 위해, 도 2에는 단지 4개의 빔 감속기(40a-40d)만이 도시되어 있다. 그러나, 빔 감속 디바이스(36)는 더 많은, 특히 10개 초과, 바람직하게는 20개 초과의 빔 감속기(40a-40d)를 포함할 수 있다.

빔 감속기(40a-40d)는 2차원 어레이의 형태로 배치될 수 있거나 또는 형성될 수 있다. 빔 감속기(40a-40d)는 2차 광 빔(14b)을 각각 개별적으로 시간적으로 지연된 방식으로 샘플(12) 상으로 보낸다. 이는 도 2에 빔 감속기(40a-40d)와 샘플(12)의 표면 사이에서 상이한 범위로 전파된 파동 묶음(wave packet)에 의해 도시된다. 빔 감속 디바이스(36)의 효율성을 향상시키기 위해, 이러한 빔 감속 디바이스는 입력 측 및/또는 출력 측(도시되지 않음) 상에 반사 방지 코팅(42)을 포함할 수 있다.

샘플(12)에서, 2차 광 빔(14b)을 통해 국부적 열 팽창 및 이를 통해 (도 1과 관련하여 설명된 바와 같이) 전기 음향 변환기(20)에 의해 등록된 음파가 발생된다. 오실로스코프(22)는 전기 음향 변환기(20)의 신호를 나타낸다. 어떤 2차 광 빔(14b)이 시간적으로 어느 정도 지연되는지 공지되어 있고 어떤 2차 광 빔(14b)이 샘플(12)의 어느 곳에 입사되는지도 또한 공지되어 있기 때문에, 특정 순서로 출력되는 전기 음향 변환기의 출력 신호는 특정 샘플 위치에 할당될 수 있다.

도 2의 개략적인 예시에서, 전기 음향 변환기(20)의 제1 출력 신호는 빔 감속기를 통과하지 않은 2차 광 빔(14b)에 의해 조명된 샘플 위치에 할당될 것이다. 제2 출력 신호는 빔 감속기(40a)를 통과한 2차 광 빔(14b) 또는 이러한 2차 광 빔(14b)에 의해 할당된 샘플 위치에 할당될 것이다. 제3 출력 신호는 빔 감속기(40b)를 통과하는 등 2차 광 빔(14b)과 상관 관계에 있다. 샘플(12)의 대부분이 단일 광원(28)에 의해 거의 동시에 조명됨에도 불구하고, 전기 음향 변환기(20)의 출력 신호는 공간적으로 분해된 방식으로 샘플(12) 상의 특정 위치에 할당될 수 있다.

도 3은 빔 감속 디바이스(36)를 구비한 다른 장치(10)의 일부의 평면도를 도시한다. 전기 음향 변환기(20)는 빔 감속 디바이스(36) 내 또는 이러한 빔 감속 디바이스(36) 상의 중앙 또는 센터에 배치되거나 또는 형성된다. 명료함을 위해 빔 감속기(40a-40d)에만 참조 번호가 제공되어 있는 빔 감속기는, 빔 감속기(40a-40d)를 통과하는 2차 광 빔(14b)의 명확한 할당을 가능하게 하기 위해, 각각 전기 음향 변환기(20)로부터 개별적인 거리를 포함한다. 빔 감속기(40a-40d)는 복수의 스폿을 갖는 샘플(12)(도 2 참조)의 평면 조명을 달성하기 위해, 2개의 상이한 방향(R1, R2)으로 서로 이격되어 있다.

도 4는 세로축 상의 굴절 지수 또는 굴절률이 가로축 상의 광파장에 대해 도시되어 있는 다이어그램을 도시한다. 도 4에서, 바람직하게는 빔 감속기(40a-40d)(도 2 및 도 3 참조)에서 사용될 수 있는 일부 재료의 굴절률이 도시되어 있다. 이 경우, 도 4에는 형석 크라운(Fluorite crown) FK51A(44a), 붕규산 크라운(Borosilicate crown) BK7(44b), 바륨 크라운(Barium crown) BaK4(44c), 플린트(Flint) F2(44d), 고밀도 플린트 SF10(44e), 란탄 고밀도 플린트(Lanthanum dense flint) LaSF9(44f)의 굴절률이 표시되어 있다.

빔 감속기(40a-40d)에는 상이한 재료들 또는 동일한 재료가 사용될 수 있다. 모든 빔 감속기(40a-40d)에 동일한 재료가 사용되는 경우, 빔 감속기(40a-40d)는 상이한 길이 또는 상이한 광학 지연 경로를 포함한다. 이하에서는, 광학 지연 경로 계산의 예시가 재현된다:

299 790 000 ㎧의 진공에서의 2차 광 빔의 광속 및 굴절률이 1.6인 재료가 있는 빔 감속기의 187 368 750 ㎧의 위상 속도에는, 112 421 250 ㎧의 속도 차이가 발생한다. 1 ns의 2차 광 빔의 시간적인 지연을 달성하기 위해서는, 광학 지연 경로는 (v=s*t에 따라) 112 ㎜의 길이여야 한다. 오실로스코프가 160 G 샘플/s를 달성하도록 형성된 경우, 전기 음향 변환기에 의해 생성된 출력 신호는 여전히 160번 더 주사될 수 있다.

도 5는 특히 레이저 광 펄스를 생성하도록 형성된 광원(28)을 갖는 장치(10)를 도시한다. 광원(28)은 특히 섬유 연결부(46)를 통해 빔 스플리터(32)에 광학적으로 연결된다. 빔 스플리터(32)는 섬유 광학적으로, 즉 섬유 스플리터의 형태로 형성된다. 빔 감속 디바이스(36)는 복수의 빔 감속기(40a-40e)를 포함한다. 빔 감속기(40a-40e)는 각각 광학 섬유의 형태로 형성된다. 빔 감속기(40a-40e)는 바람직하게는, 각각의 길이를 제외하고는 동일하게 형성된다. 도 5에는, 빔 감속기(40a-40e)의 상이한 길이가 루프에 의해 개략적으로 도시되어 있다.

광 빔이 예를 들어 1 m의 추가적인 섬유 경로에 걸쳐 지연되면, 레이저 빔은 206 751 724 ㎧의 위상 속도로 유리 섬유(굴절률 석영 1.45) 형태의 섬유로 전파된다. 그 결과, 4.85 ns의 시간 지연이 발생한다.

빔 감속 디바이스는 광학 헤드(48)를 포함한다. 빔 감속기(40a-40e)로부터 나오는 광 빔은 자유 광 빔의 형태로 광학 헤드에서 방출되어 샘플(12) 또는 샘플 홀더(24) 상에 입사된다. 광학 헤드(48)는 도 3의 도면과 유사하게, 샘플(12)을 2차원으로 스캔할 수 있도록, 광 빔에 대해 2차원적으로 배치된 출구로 형성될 수 있다.

따라서 도면의 모든 표현들을 살펴보면, 본 발명은 요약하자면 동기화된 방식으로 서로 연속적인 복수의 광 빔(14, 14b)으로 샘플(12)을 조명하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 광 빔(14, 14b)에 의해, 샘플(12) 상에 생성된 음파(18)가 전기 음향 변환기(20)에 의해 감지된다. 광 빔(14, 14b)의 동기 시퀀스는 적어도 하나의 빔 감속기(40a-40e), 바람직하게는 복수의 빔 감속기(40a-40e)를 갖는 빔 감속 디바이스(36)에 의해 달성될 수 있다. 빔 감속기(40a-40d)는 각각 통과하는 광 빔(14b)의 개별적인 지연, 즉 다른 빔 감속기(40a-40d)와는 상이한 지연을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 샘플(12)의 넓은 표면적이 각각의 조명 위치에 할당될 수 있는, 신속하게 서로 연속적인 광 빔(14b)에 의해 스캔될 수 있다. 빔 감속 디바이스(36)는 빔 스플리터(32)에 의해 조명될 수 있다. 빔 스플리터(32) 및/또는 빔 감속 디바이스(36)는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 장치(10)는 광원(28)으로부터 빔 감속 디바이스(36)의 광학 헤드(48) 밖으로의 광 빔의 출구까지 주로 광섬유 구성 요소, 특히 완전히 광섬유 구성 요소를 포함한다.

10 : 장치 12 : 샘플
14 : 광 빔 14a : 1차 광 빔
14b : 2차 광 빔 16 : 열 팽창
18 : 음파 20 : 전기 음향 변환기
22 : 오실로스코프 24 : 샘플 홀더
26 : 광 빔 디바이스 28 : 광원
30 : 시준기 32 : 빔 스플리터
34 (빔 스플리터(32)의) 반사 방지 코팅
36 : 빔 감속 디바이스 38 : 플레이트
40a-40e : 빔 감속기
42 : (빔 감속 디바이스(36)의) 반사 방지 코팅
44a : 형석 크라운 FK51A의 굴절률 44b : 붕규산 크라운 BK7의 굴절률
44c : 바륨 크라운 BaK4의 굴절률 44d : 플린트 F2의 굴절률
44e : 고밀도 플린트 SF10의 굴절률
44f : 란탄 고밀도 플린트 LaSF9의 굴절률
46 : 섬유 연결부 48 : 광학 헤드
R1, R2 : (빔 감속기(40a-40e)의 이격의) 방향

Claims

공간 분해 광음향을 수행하기 위한 장치(10)로서,
a) 검사될 샘플(12)을 수용하기 위한 샘플 홀더(24);
b) 상기 샘플 홀더(24)의 영역에서 광 빔(14, 14b)에 의해 상기 샘플(12) 상에 여기된 음파를 감지하기 위한 전기 음향 변환기(20)
를 포함하는 장치(10)에 있어서,
c) 상기 샘플(12) 상의 공간적으로 분리된 위치에 음파(18)를 생성할 수 있도록, 공간적으로 및 시간적으로 서로 분리된 복수의 광 빔(14, 14b)을 상기 샘플(12) 상에 방출하기 위한 광 빔 디바이스(26)를 더 포함하고,
상기 광 빔 디바이스(26)는,
c1 1차 광 빔(14a)을 방출하기 위한 단일 광원(28);
c2 상기 광원(28)의 상기 1차 광 빔(14a)을 복수의 2차 광 빔(14b)으로 분할하도록 형성된 빔 스플리터(32);
c3 상기 2차 광 빔(14b) 중 하나를 상기 2차 광 빔(14b) 중 다른 2차 광 빔(14b)에 비해 감속시켜, 상기 2차 광 빔(14b)을 상기 샘플(12) 상에 상기 다른 2차 광 빔(14b)에 비해 지연된 방식으로 입사하는 것을 달성할 수 있도록 형성되는 빔 감속기(40a-40e)가 있는 빔 감속 디바이스(36)를 포함하는 것인 장치.
제1항에 있어서, 상기 빔 감속 디바이스(36)는, 상기 2차 광 빔(14b)을 상이하게 지연시키고 각각 시간적으로 서로 오프셋된 방식으로 상기 샘플(12) 상에 입사시킬 수 있도록 형성된, 상이하게 지연되는 복수의 빔 감속기(40a-40e)를 포함하는 것인 장치.
제2항에 있어서, 상기 빔 감속기(40a-40e)는 상기 빔 감속 디바이스(36) 상에서 서로 상이한 방향(R1, R2)으로 2차원적으로 배치되거나 또는 형성되어, 상기 2차 광 빔(14b)이 2차원 표면 영역에서 상기 샘플(12) 상에 입사되는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 감속기(40a-40e)는 고굴절률 유리 또는 고굴절률 플라스틱 또는 양자 모두를 포함하는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 감속기(40a-40e)는 유리 섬유를 포함하는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 감속 디바이스(36)는 적어도 하나의 빔 감속기(40a-40e)를 갖는, 상기 2차 광 빔(14b)에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 플레이트(38)를 포함하는 것인 장치.
제6항에 있어서, 상기 플레이트(38)는 일체형으로 형성되는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(32)는 상기 1차 광 빔(14a)을 상기 2차 광 빔(14b)으로 분할하기 위한 회절 광학 요소 또는 마이크로렌즈 어레이 또는 양자 모두를 포함하는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 음향 변환기(20)는 상기 빔 감속 디바이스(36)에 통합되는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(10)는 상기 전기 음향 변환기(20)의 출력 신호를 처리 또는 표시하기 위한 오실로스코프(22)를 포함하는 것인 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터(32)는 섬유 스플리터(Fiber-Splitter)의 형태로 형성되는 것인 장치.
공간 분해 광음향을 수행하기 위한 방법으로서,
A) 1차 광 빔(14a)을 복수의 2차 광 빔(14b)으로 분할하는 단계;
B) 샘플(12)에 상기 2차 광 빔(14b)을 조사하는 단계 - 적어도 하나의 2차 광 빔(14b)은 다른 2차 광 빔(14b)에 비해 지연되어, 상기 다른 2차 광 빔(14b) 이후에 상기 샘플(12) 상에 입사됨 -;
C) 상기 2차 광 빔(14b)에 의해 상기 샘플(12) 상에 여기된 음파(18)를 감지하는 단계
를 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 1차 광 빔(14a)으로서 펄스형 광 빔이 사용되는 것인 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 2개의 2차 광 빔(14b)이 서로에 대해 0.01 ns 내지 10 ns 지연되는 것인 방법.
제14항에 있어서, 모든 2차 광 빔(14b)이 각각 다른 2차 광 빔(14b)에 대해 0.01 ns 내지 50 ns 지연되는 것인 방법.
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