KR20120018184A - 여기 광을 주입하고 샘플로부터 비-탄성 산란광을 수집하는 전반사 장치 - Google Patents

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잔 립슨
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씨8 메디센서스, 인크.
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Abstract

전반사 광학체들을 이용하여 레이저 복사선을 샘플에 조사하는 장치가 개시되며, 상기 샘플로부터 비-탄성적으로 산란되는 광이 상기 동일한 요소들을 이용하여 수집된다. 본 장치는 상기 비-탄성적으로 산란되는 광에 대하여 레이저 복사선의 매우 높은 반사를 제공하는 한편, 투과 광학계들로부터 원치않는 스펙트럼들로 레이저 복사선을 오염시키는 문제를 제거한다. 게다가 본 장치는 큰 개구수 및 큰 시야로 광을 수집하고 발사할 수 있다.

Description

여기 광을 주입하고 샘플로부터 비-탄성 산란광을 수집하는 전반사 장치{ALL REFLECTIVE APPARATUS FOR INJECTING EXCITATION LIGHT AND COLLECTING IN-ELASTICALLY SCATTERED LIGHT FROM A SAMPLE}
본 출원은 미국 특허법(35USC) 119(e)항 하에 2009년 6월 2일 출원되고 "여기 광을 주입하고 샘플로부터 비-탄성 산란광을 수집하는 전반사 장치"로 명명된 미국 가출원 번호 61/183,470호에 대한 우선권을 주장하며, 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 비탄성 광학 분광법에 있어서 광을 발사하고 수집하는 기술에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 동시적으로 넓은 시야에서 샘플로부터 광을 수집하고, 발사된 광을 반사하고 비-탄성 산란광을 통과시키는 것에 모두 사용되는 필터 및 그 샘플에 가장 가까운 반사 광학체(reflective optics)를 재-사용하는 동안, 전반사 광학체와 함께 발사된 광의 스펙트럼 순도(spectral purity)를 보존하는 법을 나타낸다.
비탄성 광학 분광법을 수행하는데 있어서, 샘플은 제1 파장 대역에서 광학 복사선으로 조사되고, 제2 파장 대역에서 복사선을 방출한다. 여기 복사선이 그 샘플상에 부딪히기 전에, 투과 광학 요소들을 지나가면, 비탄성 복사선이 광학체에 의해 생산될 수 있고, 그 복사선의 일부는 샘플에 의해 산란되고, 샘플의 산란 스펙트럼과 간섭한다. 결과적으로, 반사 광학체는 종종 샘플상에 입사하는 복사선을 집광하고 그 샘플로부터 산란광을 수집하기 위해 채용된다. 그러한 장치의 예는 동일한 포물면 거울들의 대칭적인 쌍이 수집 및 재집광에 사용되는 미국 특허 5,225,678에서 네써슈미트(Messerschmidt)에 의해 개시되어 있다. 그러한 대칭적 시스템의 공지된 속성은 일부 수차 소거(aberration cancellation)가 성취될 수 있다는 것이다. 또한 미국 특허 5,311,021로 발행된 부분 계속 출원에서, 메써슈미트는 비탄성 분광법의 한 형태인 라만 분광법(Raman spectroscopy)에 특정하는 장치를 개시한다. 특허 5,311,021의 도 14를 참조하면, 입력 빔이 거울(16)에 있는 구멍을 통해 샘플에 전달되고, 거울(16)은 또한 그 샘플로부터 산란 복사선을 검출기에 반사한다. 구멍을 가진 거울은 산란 신호가 약할 때 중요할 수 있는, 반사된 산란 복사선에 대한 손실들을 나타낼 것이다. 다른 문제는, 레이저 광이 거울에 있는 개구(aperture)로부터, 또는 여기 자원 맞은편 거울의 측면에 있는 광학체들로부터 산란되고, 산란 복사선의 일부는 분광법 장치에 입사할 수 있다는 것이다. 비탄성 분광법에 있어서, 여기 파장의 방사는, 산란 복사선이 여기 복사선보다 수십배 더 약할 수 있기 때문에 대체로 임계적이고, 따라서 분광계에 입사할 수 있는 원치 않는 여기 복사선 자원의 형성을 피하는 데 도움이 된다.
미극 특허 7,497,608 B2에서 위틀리 등(Wheatley et al)이 말한 간섭 반사기(interference reflector)를 이용한 여기 및 방사 스펙트럼들을 분리하는 기능을 수행하는 것이 가능하다. 위틀리에서, 반사기는 여기 파장들을 반사하는 동안 방사 파장들을 투과시킨다. 위틀리의 장치는 조사(illumination)만을 목적으로 할 뿐이고, 특히, 샘플의 조사 및 그 샘플의 동일 측면으로부터 산란 복사선의 수집에 적합하지 않다. 위틀리의 장치는 종종 비현실적인 샘플의 두번째 측면으로의 광학적 액세스를 요구할 것이다.
이러한 한계들 및 다른 한계들은, 전반사 광학체들이 여기 빔을 전달하고, 산란 복사선을 수집하는 것 모두에 사용되고, 유리하게는 두 가지 기능을 위해 동일 부분들을 재사용하는 장치를 개시하는 본 발명에 의해 해결된다. 게다가 넓은 시야가 기하학적 구조의 적절한 선택을 통해 어떻게 얻어질 수 있는지를 보여준다.
본 발명은 여기 빔의 전달 및 샘플로부터 산란광의 수집을 위해 비축(off-axis) 반사기를 사용한다. 장파장 통과 간섭 필터는 비축 반사기로부터 발생하는 공칭적으로 시준된 광(nominally collimated light)을 대하여 각도를 두고 배치된다. 장파장 통과(LWP; Long-Wave-Pass) 필터는 비탄성 산란 광이 통과하는 동안, 여기 자원으로부터 비축 반사기에 광의 공칭적으로 시준된 빔을 반사한다. 비탄성 산란 복사선이 여기 파장보다 짧은 파장이라면, 단파장 통과 필터가 LWP 필터 대신 사용될 수 있음을 이해된다. 또한 비탄성 산란 복사선을 통과하기에 충분한 대역의 대역통과 필터를 사용하는 것도 가능하다.
일 실시예로서, 여기 파장 및 관찰된 비탄성 스펙트럼 사이의 필요한 파장 보호-대역을 최소화하기 위해, 동시적으로 시야를 최대화하는 반면, LWP 필터는 비축 반사기의 초점 거리 대 필요한 시야의 비율로부터 산출될 수 있는 한계를 초과하지 않은 비탄성 스펙트럼의 전파 방향을 고려한 각도에 배치된다. 또한 장치의 압축성에 기초하여, 이 각도는 더 낮은 바운드를 가져야 하고, 유리하게는 약 12°가 되도록 선택되어야 한다.
여기 자원 파장에서 원치 않는 복사선의 반사를 최대화하기 위해, 제1 LWP 필터와 다른 각도에 배치된 제2 LWP 필터는 공칭적으로 시준된 영역에 배치될 수 있다.
본 발명은 전반사 광학체들이 여기 빔을 전달하고, 산란 복사선을 수집하는 것 모두에 사용되고, 유리하게는 두 가지 기능을 위해 동일 부분들을 재사용하는 장치를 제공함으로써 상기 네써슈미트의 장치 및 위틀리의 장치의 한계를 해결할 수 있다. 또한 넓은 시야가 기하학적 구조의 적절한 선택을 통해 어떻게 얻어질 수 있는지를 보여준다.
도 1a는 수집된 비탄성 스펙트럼과 관련된 광선들(rays)을 도시한 광학 설계의 등각 투영도(isometric diagram)이다.
도 1b는 여기 빔상에서 동작하는 광학 요소들만을 포함하는, 여기 빔과 관련된 광선들을 도시한 등각 투영도이다.
도 1a를 참조하면, 산란된 비탄성 스펙트럼의 복사선(15)은 지점(10)에서 발생한다. 복사선(15)은 광학 윈도우(20)를 지나간 후, 공칭적으로(nominally) 그 광을 시준하는(collimate) 비축(off-axis) 반사기(30)상에 입사한다. 비탄성 스펙트럼은 제1 LWP 필터(40)를 통과한 후, 제2 LWP 필터(50)를 통과한다. LWP 필터들(40, 50)은 공칭적으로 시준된 비탄성 스펙트럼들의 전파 방향을 대하여 각도들을 두고 배치됨에 주의한다. 이후에 비탄성 스펙트럼은 평면 거울(70)에 의해 반사된 제2 비축 반사기(60)상에 입사하고, 지점(80) 부근에 집광되도록 들어온다.
도 1b를 참조하면, 여기 빔(90)은 LWP 필터(40)상에 입사하고, 이 필터에 의해 반사된다. 그 다음, 여기 빔(90)은 비축 반사기(30)상에 입사하고, 윈도우(20)를 통해 집광된다. 여기 빔(90)은 도 1a의 지점(10)에 집광될 필요가 없고, 일반적으로 비탄성 스펙트럼이 수집되는 위치로부터 벗어난 곳에 있을 수 있다.
LWP 필터(40)는 비축 반사기(30) 및 LWP 필터(40) 사이 영역에서 공칭적으로 시준된 광에 대하여 각도 I를 두고 배치된다. 결과적으로, 여기 빔(90)은 비축 반사기(30)를 통과할 수 있고, 대체로 그로 인해 흐리게 처리(vignette)되지 않을 수 있다. 장치의 소형화가 중요할 때, 비축 반사기(30)와 LWP 필터(40) 사이의 거리는 최소화되어야 한다. 주어진 여기 빔 직경 De 및 비축 반사기(30)의 직경 Dr, 및 입사각 I << 1라디안(radian)일 때, 비축 반사기(30)와 LWP 필터 사이의 거리 d에 있어서, 여기 빔은
Figure pct00001
라면, 비축 반사기(30)를 통과할 것이고, 여기서 여기 빔(90)의 중앙 광선은 비축 반사기(30)의 중앙에 입사하고, 중앙 광선은 비축 반사기(30)에 의해 90°로 굴절될 것이라고 가정한다.
여러 가지 상황에서, 가능한 한 많은 신호를 수집하기 위해, 디바이스의 시야를 최대화하는 것도 중요하다. 수집 영역이 R의 직경을 갖고, 비축 반사기(30)의 초점 거리가 f라면, R<<f 일 때, 수집 영역의 극단 지점으로부터 생성되는 시준된 빔이 중앙으로부터 생성되는 시준 빔과 함게 동작하는 각도 B는 다음과 같이 주어질 것이다.
Figure pct00002
비-수직 각도로 입사하는 광에 대한 LWP 필터용 대역단은 수직으로 입사한 광에 대한 대역단과 비교해서 더 짧은 파장으로 이동할 것이다. 대역단 파장 W' 및 표면 법선에 대한 입사각 I 간의 관계는 다음과 같다.
Figure pct00003
여기서, neff는 필터의 실효 굴절률이고, 일반적으로 편광에 기초하여 다르며, W는 정상적으로 입사한 광에 대한 대역단의 파장이다. 식 3을 검토하면, 각도에 대한 대역단의 변화율이 45°의 공칭 각도일 때 가장 크고, 45°보다 작은 각도들에 대해서는 공칭 입사각의 단조 감소 함수라는 것을 나타낸다. 대역단이 더 짧은 파장으로 이동(shift)할 때, 반사된 여기 복사선과 가장 짧은 파장 사이의 점점 더 큰 보호 대역이 비탄성 산란 스펙트럼으로 관찰되도록 허용할 필요가 있다. 이것은 더 짧은 파장에서 중요한 스펙트럼 정보의 손실을 초래할 수 있다. 대안으로, 비탄성 스펙트럼용 필터에 조사하는 각도의 범위는 감소될 수 있다. 그것은 W'-W를 감소시키는 식 3에서 각도 I에 대한 감소 범위를 발생시킬 것이다. 식 2로부터, 입사각 범위의 감소는 시야의 반경을 감소시킴으로써 달성되고, 결과적으로 수집된 신호가 감소된다. 대안으로, 광학체들의 초점 거리는 소형화의 희생을 감수하고 증가될 수 있다. 상기한 것으로부터, 각도 편차에 대한 필터 대역단의 감도가 입사의 작은 공칭 각도들에 대해 최소이므로, 필터의 입사 공칭 각도는 가능한 한 작게 만들어져야 하는 것은 명백하다. 그러나 소형화의 참작은 각도를 가능한 한 크게 만드는 반대 코스를 제안한다. 따라서 필터에 대한 각도의 최적 범위가 있음은 명백하다.
후술하는 예는 바람직한 실시를 위한 설계 지침을 제공한다. 반사기(30)와 초점(10) 간의 거리가 6mm라고 하자. 이것은 반사기의 형태를 포물선으로 만들기에 유리하다. 여기 파장은 생물학적 샘플 상의 라만 분광법을 실시하기에 특히 적절한 835mm로 선택된다. 비탄성 산란 스펙트럼에서 수집되기에 바람직한 최소 파장은 850mm이다. LWP 필터(40)는 고도의 반사 및 고도의 투과 사이에서 천이(transition)를 갖고,전폭은 7mm이며, 상업적으로 이용가능한 고성능 LWP 필터들에서 전형적이다. 우리가 반경 R=0.3mm의 영역으로부터 수집한다면, 식 2로부터의 각도 B는 0.05라디안 또는 2.9°이다. 우리가 입사 공칭 각도 I를 12°로 선택하면, 최소 및 최대 입사각은 각각 12°- 2.9° 및 12°+ 2.9°, 즉 9.1° 및 14.9°일 것이다. 필터의 대역단은 12°의 입사각에 대한 비탄성 스펙트럼에서 관찰되는 여기 파장 및 최소 파장 사이 갭(gap)의 중앙에 있도록 선택되고, 본 예에서 대역단 W'는 842.5nm에 있다. 식 3으로부터 0°입사각에서 대역단 W는 상업적 LWP 필터를 위한 일반적인 값 neff=1.7에 대해 849nm이지만, 1.5만큼 낮은 neff의 필터들도 여전히 유용할 수 있다. 식 3에서 W를 위한 이러한 값을 사용하여, 우리는 최소 및 최대 입사각에 대한 W'를 얻을 수 있고, 따라서, I=9.1°일 때 W'=845nm이고, I=14.9°일 때, W'=839nm이다. 대역의 전폭이 7nm임을 상기하여, 절반 폭은 3.5nm이다. 대역단 W'는 9.1°의 각도에 대한 비탄성 스펙트럼에 대해 관찰의 최소 파장에 가장 가깝다. 우리가 845nm의 개별 대역단에 필요한 보호-대역의 절반 폭을 추가하면, 우리는 관찰하기로 선택한 850nm의 최소 파장보다 훨씬 더 짧고, 제안된 요구 사항들을 만족시키는 848.5nm를 얻는다. 여기 파장과 관찰하길 원하는 여기 파장에 가장 가까운 비-탄성 산란 복사선의 파장 사이의 차이가 상기 예보다 작으면, 시야는 예컨대, 이전 예에서 반사기 및 필터에 대한 반경 0.15mm 및 직경 0.3mm로 감소하도록 요구될 수 있다.
이 예에서, 반사각이 입사각과 동일할 때, 필터(40)상의 여기 빔(90)의 입사 각은 12°이고, 따라서 우리 예에서, 여기 빔은 원하는 만큼 크게 반사될 것이다.
F/1.4 시스템에 있어서, 비축 반사기(30)의 직경 Dr은 4.3mm일 수 있다. 여기 빔(90)이 정확히 반사기(30)를 채우면, 빔 직경 De도 4.3mm이다. 식 1로부터, 비축 반사기를 통과하기 위해 여기 빔에 대해 d>20mm를 필요로 할 것임을 추정할 수 있다. 일반적으로 여기빔(90)이 작아지도록 하는 것이 가능하지만, 시스템은 여기 빔(90)의 자원에 대하여 1(unity)보다 더 큰 배율을 가질 수 있다. 자원이 레이저들의 어레이로 발생할 수 있을 만큼 그 자원들의 횡 치수들이 너무 크지 않으면, 수용가능할 수 있다. 여기 빔(90)이 더 작으면, 거리 d는 감소될 수 있다. 대안으로, 입사각이 감소될 수 있다. 예를 들어, 우리 예에서 극소량으로 작은 입사 빔들에 있어서, 각도는 대략 6°만큼 작게 감소될 수 있다. 여기 복사선의 파장과 관찰하기 원하는 여기 파장에 가장 가까운 파장에 있어서 비탄성 산란 복사선의 파장 간의 차이가 이전 예에서 보다 크다면, 입사각은 예컨대, 30°까지 더 크게 만들어질 수 있다.
각도의 적절한 선택은 투과된 광에 대해 여기 파장의 양호한 방사가 생기게 하지만, 그 방사는 도 1a의 항목(50)으로 도시된 제2 LWP 필터의 삽입에 의해 더 향상될 수 있다. 제1 LWP에 의해 반사되지 않는 광은 대략 0°의 입사각으로 필터에 의해 매우 크게 반사될 수 있고, 여기서 각도 편위에 대한 대역단의 감도는 최소이다. 이것은 신호가 그 여기 빔의 전력과 비교해서 매우 약하기 때문에 라만 분광법에 특히 적합하다. 본 예는 적어도 109배의 반사를 제공하도록 기대되고, 여기서 제1 필터는 적어도 103배의 반사를 갖도록 기대된다.
특히 바람직한 실시에 있어서, 비탄성 스펙트럼에 관련된 광은 제1 반사기(30)에 일치하도록 선택되는 제2 비축 반사기(60)에 의한 이미지에 집중되고, 2개의 반사기들 모두 포물면이 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 그러한 선택은 지나친 광학적 복잡성의 추가 없이 수차를 최소화한다. 도 1a의 평면 거울(70)은 집속된 광을 추가의 처리를 위해 원하는 방향으로 굴절시키기 위해 제2 비축 반사기(60) 뒤에 배치될 수 있다.
본 예에서 제안되는 광학 시스템이 현저하게 유사한 성능을 갖고, 균일하게 치수가 확장될 수 있음은 명백하다.
더 큰 neff를 갖는 필터들은 모든 다른 요구조건들을 유지하는 더 큰 입사각들에 배치되어 더욱 디바이스의 소형화를 달성할 수 있다. 1, 2, 또는 3차원의 주기 구조(periodic structure)인 광자 결정들에 기초한 LWP 필터는 일부 파장 범위에서 예컨대, neff>2.0인 매우 높은 neff를 가질 수 있으므로, 특히 이 출원에 바람직할 것이다.
비축 반사기(30)에 대해 포물선과 다른, 예컨대 슈밋트 카세그레인(Schmidt Cassegrain)과 같은 표면 형상들의 선택들이 가능하지만, 광학적 재료로부터 산란하는 형광체 및 라만 산란의 오염을 회피하기 위해, 여기 빔이 투과 광학계를 통과하는 것을 회피하는 것이 대체로 중요하고, 따라서, 비-포물선 거울에 일반적으로 사용되는 수차 교정자들은 부적절할 수 있다.
도 1a의 광학 윈도우(20)는 샘플로부터의 스펙트럼과 간섭하는 스펙트럼을 제공하지 않는 재료로 제작되어야 한다. 생물학적 표본들의 분광법을 위한 적절한 선택은 플루오르화 마그네슘 및 사파이어이다. 윈도우(20)는 또한 상당한 구형의 수차를 도입하지 않도록 하기 위해, 초점 거리와 비교해서 얇은 것이 선택되는 것이 유리하다.
상세한 설명은 많은 한정들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 단지 본 발명의 다른 예들과 측면들을 예시하는 것이다. 본 발명의 범위가 상기 상세한 설명에서 논의되지 않은 다른 실시예들을 포함하는 것을 이해하여야 한다. 본 기술분야의 당업자들에게 명백한 다수의 다른 수정들, 변형들 및 변경들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 여기 개시된 발명의 장치의 배열 및 설명들 내에서 만들어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 샘플에 광학적 복사선을 발사하고, 상기 샘플로부터 비탄성적으로 산란되는 복사선을 수집하는 장치로서,
    상기 샘플에 공칭적으로 시준된(norminally collimated) 복사선을 집속하고, 상기 샘플로부터 산란된 복사선을 수집하는 제1 비축 반사기(off-axis reflector);
    적어도 하나의 필터로서, 상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 상기 제1 비축 반사기에 의해 차단되도록 광원으로부터 복사선을 반사하고, 상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 상기 제1 비축 반사기에 의해 반사된 비-탄성적으로 산란된 복사선을 투과시키고, 상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 상기 광원으로부터의 빔이 상기 필터상에 입사하기 전에 상기 제1 비축 반사기에 의해 실질적으로 차단되지 않도록 하기 위한 각도에 배치되는 상기 적어도 하나의 필터; 및
    상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터에 의해 투과된 복사선을 집속하는 수단을 포함하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터에 의해 투과된 복사선을 집속하는 수단은 상기 제1 비축 반사기와 실질적으로 동일한 형태의 제2 비축 반사기인 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 상기 제1 비축 반사기에 의한 반사 후, 상기 샘플로부터 복사선의 방향에 대하여 6°와 30° 사이 각도에 배치되는 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비축 반사기는 포물면(paraboloid)인 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 편광 중 하나에 대해 적어도 1.50의 실효 굴절률(effective index)을 갖는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터는 2 이상의 차원들의 주기 구조로 구성되고, 여기서 제1 비축 반사기는 2.0을 초과하는 실효 굴절률을 갖는 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 추가 필터들은 상기 광원으로부터 복사선을 반사하는 상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터보다 상기 제1 비축 반사기로부터 더 멀리 배치되고, 각각의 추가 필터들은 제1 필터와 평행하지 않고, 상기 각각의 추가 필터는 비-탄성적으로 산란되는 복사선을 통과시키면서 상기 광원의 파장을 가진 복사선을 실질적으로 반사하는 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 필터들 중 적어도 하나의 필터는 공칭적으로 시준된 빔에 대하여 0°의 공칭 각도에서 배치되는 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    광학 윈도우는 상기 샘플 및 상기 제1 비축 반사기 사이에 끼워지는 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원의 파장 및 상기 제1 비축 반사기에 가장 가까운 필터에 의해 투과되는 가장 짧은 파장 간의 차이는 상기 광원의 공칭 파장의 2%보다 작은 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플에서의 시야는 상기 제1 비축 반사기로부터 초점까지의 거리의 5%보다 큰 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비축 반사기와 가장 가까운 필터는 상기 광원으로부터 입사 복사선을 0.1%이하로 투과시키는 장치.
KR1020117029102A 2009-06-02 2010-05-24 여기 광을 주입하고 샘플로부터 비-탄성 산란광을 수집하는 전반사 장치 KR20120018184A (ko)

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