KR20200026237A - 분광 장치 및 분광 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 여기광에 의해 여기될 때 신호광을 방출하는 샘플을 고정시키는 홀더; 상기 홀더에 연결되며, 제1 신호 통과 파장을 가지는 상기 신호광의 제1 부분을 통과시키고, 상기 여기광을 차단하는 제1 신호 필터; 및 상기 제1 신호 필터에 연결되며, 상기 제1 신호 필터를 통과한 상기 신호광의 상기 제1 부분에 의한 발광에 따른 제1 전기 신호를 제공하는 제1 포토디텍터;를 포함하고, 상기 제1 신호 필터는 연속적이고, 상호 교번하여 적층된 비마이크로조직인 금속층과 유전체층을 포함하며, 상기 제1 신호 통과 파장의 각도 민감도가 줄어든 분광계를 개시한다.

Description

분광 장치 및 분광 방법{Spectroscopic assembly and method}
본 발명은 분광 장치 및 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 광학 필터를 적용한 분광 장치 및 방법에 관한 것이다.
투과 광학 필터는 샘플에 의해 발생된 광의 파장 또는 파장 대역을 선택하거나, 샘플을 비추는 광의 파장 또는 파장 대역을 선택하기 위해 분광 응용에 사용되었다. 예를 들어, 형광 분광 응용에서, 여기광의 빔이 샘플을 비추고, 긴 파장의 빛이 그것의 광학 스펙트럼을 얻거나 여기광에 의한 여기에 반응하여 샘플에 의해 방출된 형광 발광의 총 레벨을 정하기 위해 감지된다.
단일 대역 통과 광학 필터는 형광의 총 레벨을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 형광 레벨 측정은 형광단 분자의 농도, pH 레벨 등을 정하기 위해 사용될 수 있다. 형광 측정은 샘플에서 비형광 타겟 분자의 농도를 측정하기 위해, 타겟 분자에 결합하여 그들의 형광 특성을 변화시키도록 디자인된 형광 분자를 제공함으써 사용될 수 있다. 형광단과 타겟 분자를 포함하는 샘플은 여기광에 의해 비춰지고, 형광의 광학 세기 레벨이 측정된다.
도 1은 상기 목적을 위한 통상적인 분광형광계를 도시한 것이다. 분광형광계 10은 광원 11, 콜리메이팅/포커싱 렌즈들 12A, 12B, 12C, 여기 필터 13, 형광 필터 14, 빔 스필리터 15 및 포토디텍터 16을 포함한다. 광원 11은 실선으로 펴시된 여기광 17을 방출한다. 여기광 17은 가장 왼쪽에 있는 렌즈 12A에 의해 시준되고, 여기 필터 13에 의해 필터링되고, 빔 스플리터 15를 통과하고, 가장 오른쪽에 있는 렌즈 12B에 의해 샘플 18로 초점이 맞춰진다. 비춰진 샘플 18은 점선으로 표시된 형광 19를 방출한다. 형광 19는 가장 오른쪽에 있는 렌즈 12B에 의해 시준되고, 빔 스플리터 15에 의해 반사되며, 아래 렌즈 12C에 의해 포토디텍터 16으로 초점이 맞춰진다. 여기 필터 13과 형광 필터 14는 좋은 파장 선택성과 상대적으로 낮은 광학 삽인 손실을 가지는 복수층 절연 필터들이다.
분광형광계 10은 상대적으로 큰 사이즈를 가지는 단점이 있다. 최근, 소형의 형광계가 환자의 피부 아래에 심을 수 있는 포도당 측정 프로브가 사용될 수 있다. 예를들어, Senseonics Inc. of Germantown, California, USA는 당뇨병 환자를 위해 연속적인 혈당 감시 시스템을 개발했다. 감시 시스템은 혈당 센서처럼 소형의 형광계를 가지는 피하의 프로브를 포함한다.
분광형광계의 피하 배치로 인해, 추후에 최대한 작게 만들 필요성이 생겼다. 그것은 피부 아래 배치를 위해 적당한 소형의 분광계를 가능하게 하는 필터를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 이 필터들을 사용한 소형의 분광계의 다른 많은 응용들이 가능함은 물론이다.
본 발명의 실시예들은 분광 장치 및 방법을 제공한다.
분광계를 소형화하는데 있어서 방해가 되는 하나의 요인은 분광계에 사용되는 광학 필터의 파장 민감도를 충분하게 하기 위하여 광선을 시준(collimate)할 필요가 있다는 것이다. 광선을 시준하기 위하여, 렌즈 또는 오목경이 필요하게 된다. 이러한 구성요소들은 비교적 크기가 크고, 분광계의 크기를 증가시키는 적어도 하나의 초점거리에 대한 자유공간을 필요로 한다.
본 발명에 따르면, 분광계는 높은 수준으로 수렴하거나 발산하는 광선에서도 적절한 파장 민감도를 유지할 수 있어서 광학적 요소를 시준할 필요를 경감하고 크기를 줄일 수 있게 된다. 이러한 분광계에 대한 필터는 연속적이며, 비마이크로 조직이며 교번하여 적층된 유전체층 및 금속층을 포함하여, 통과 파장의 각도 민감도를 감소시키게 된다.
금속층을 가진 광학 필터는 공지되어 있는데, 이러한 광학 필터들은 금속층에서 비교적 높은 삽입 손실이 있기 때문에 분광계에서 일반적으로 기피된다. 삽입 손실을 감소시키기 위하여, 상기 금속층은 손실을 소산시키는 플라즈몬 효과를 나타내는 다수의 서브-파장 전도 형상부를 포함하는 마이크로 구조로 된다. 그러나, 마이크로구조로된 금속층은 통과 파장의 상당한 수준의 각도 민감도를 나타내게 되어, 본 발명에서는 사용되지 않는다. 대신에, 본 발명은 유전체층들 사이에 개재되어 있는 연속적이며 비마이크로조직의 금속층을 사용한다. 적층구조로 되게 되는 연속적이며 비마이크로조직의 금속층의 두께와 위치는 넓은 입사각의 범위에서 광학 필터의 파장 선택도를 유지하면서도 비교적 높은 광투과를 나타내도록 선택된다.
본 발명에 따르면, 분광계가 제공되는데, 상기 분광계는,
여기광에 의해 여기될 때 신호광을 방출하는 샘플을 고정시키는 홀더;
상기 홀더에 연결되며, 제1 신호 통과 파장을 가지는 상기 신호광의 제1 부분을 통과시키고, 상기 여기광을 차단하는 제1 신호 필터; 및
상기 제1 신호 필터에 연결되며, 상기 제1 신호 필터를 통과한 상기 신호광의 상기 제1 부분에 의한 발광에 따른 제1 전기 신호를 제공하는 제1 포토디텍터;를 포함하고,
상기 제1 신호 필터는 연속적이고, 상호 교번하여 적층된, 비마이크로조직인 금속층과 유전체층을 포함하여, 상기 제1 신호 통과 파장의 각도 민감도가 줄어들게 된다.
상기 신호광은 차단하면서도 상기 여기광은 통과시키는 여기 광 경로를 위한 분광계에 비슷한 광학 필터가 제공될 수 있다. 하나 이상의 필터가 탐지 경로 도는 여기 경로를 위하여 제공된다. 상기 여기 필터 또는 복수의 여기 필터들은 광원에 연결되며, 각각의 탐지 필터는 그 자체의 포토디텍터에 연결된다. 상기 필터들은 상기 포토디텍터 및/또는 광원에 통합되어 제조된다.
다수의 실시예에서, 상기 필터에서의 금속층 및 유전체층의 전체 두께는 5마이크로미터 미만이다. 각각의 금속층은 필터의 주변부에서 경사 엣지를 가지는 것이 바람직한데, 각각의 경사 엣지는 하나 이상의 유전체층에 의해 커버되어 보호된다. 이러한 필터는 그 내제된 내식성으로 인하여 특히 가혹한 환경이나 부식이 일어나지 쉬운 환경에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 형광 탐지 방법이 추가적으로 제공되는데, 상기 형광 탐지 방법은,
(a) 전술한 분광계를 준비하는 단계;
(b) 상기 여기광으로 상기 샘플을 비추는 단계;
(c) 적어도 60도의 수집 각도로 상기 신호광의 상기 제1 부분을 수집하는 단계; 및
(d) 상기 포토디텍터의 전기 신호를 감지하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 광학 분광계에 통과 광학 필터를 사용하는 방법을 제공하는데, 상기 통과 광학 필터는 연속적이고, 상호 교번하여 적층된 비마이크로조직인 금속층과 유전체층을 포함하여, 여기 파장과 신호 파장을 구별하고, 상기 광학 필터의 상기 연속적이고, 비마이크로조직인 금속층에 의해 상기 광학 필터의 통과 파장의 각도 의존도를 감소시킴으로서 상기 광학 분광계의 크기를 감소시키게 된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 관한 분광계는 소형화가 가능하다.
도 1은 종래의 형광분광계의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실예에 따른 분광계의 단면도이다.
도 2B는 도 2A의 분광계에 사용되는 광학 필터의 단면도이다.
도 3은 광원의 방출 스펙트럼 및 도 2B의 필터의 통과 스펙트럼과 겹쳐진 샘플의 흡수 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 그래프이다.
도 4A 내지 도 4D는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 구성의 단면도들이다.
도 5는 두개의 형광 필터와 두개의 포토디텍터를 가지는 분광계의 단면도이다.
도 6A 내지 도 6C는 광원의 방출 스펙트럼 및 도 2B의 필터의 통과 스펙트럼과 겹쳐진 도 5의 분광계를 사용한 샘플의 흡수 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 그래프이다.
도 7은 광원과 두개의 여기 필터를 포함하고, 도 2A, 도 4A 내지 도 4D 및 도 5에 도시된 분광계에 사용될 수 있는 하위구성의 단면도이다.
도 8A 및 도 8B는 샘플의 흡수/형광 스펙트럼과 도 7의 여기 필터의 통과 스펙트럼에 겹쳐진 도 7의 광원의 방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 9A는 본 발명의 금속-유전체 필터의 다른 입사각에서의 통과 스펙트럼의 중첩이다.
도 9B는 전형적인 유전체 다층 필터의 다른 입사각에서의 통과 스펙트럼의 중첩이다.
도 9C는 도 9A와 도 9B의 평균 통과 스펙트럼의 중첩이다.
도 10A는 본 발명의 실시예에 따른 봉지된 금속-유전체 필터의 단면도이다.
도 10A 내지 도 10G는 도 10A의 필터의 제조 방법을 도시한 단면도이다.
도 11A 및 도 11B는 본 발명의 실시예에 따른 형광을 감지하는 방법을 나타낸 순서도이다.
다양한 실시예를 설명하는데 있어서, 그 설명이 그 실시예들에 제한되지는 않는다. 반면, 설명은 당업자에게 평가될 수 있는 다양한 균등한 범위를 포함한다.
도 2A 및 도 3에 따르면, 도 2A의 분광계 20은 샘플 홀더 21, 광학적으로 샘플 홀더 21에 연결된 광학 필터22(또는 신호 필터 22) 및 신호 필터 22에 광학적으로 연결된 포토디텍터 23을 포함한다. 샘플 홀더 21은 샘플 24를 지지한다. 예를 들어, 샘플 24는 형광 염료를 포함하거나 단백질이 녹아있는 액체가 될 수 있다. 샘플 홀더 21, 신호 필터 22 및 포토디텍터 23은 하우징에 의해 고정되거나 간단하게 적층구조로 함께 붙어있을 수 있다. 샘플 24는 도 3에 도시된 스펙트럼 35을 가지는 여기광 25에 의해 여기된다. 도 2A에는 도시되어 있지 않으나, 여기광 25는 외부 소스에 의해 방출될 수 있다. 샘플 24는 신호광 26을 방출하며, 이 예에서 형광은 발광 스펙트럼 36을 가진다. 신호 필터 22는 신호광 26의 일부 26A를 통과 파장 λF(도 3 참조)에서 통과시키며, 여기광 25(도 2 참조)를 가로막고, 신호광 26의 일부 26A는 미광일 수 있다. 통과 부분 26A는 통과 부분 24A의 광 세기 레벨에 비례하는 전기 신호를 생성하는 포토디텍터 23에 영향을 준다. 본 명세서에서 " 파장 λ의 광"은 λ 근처를 중심으로 하며 한정된 파장대역의 광을 나타낸다, 다시 말해서 파장 λ는 한정된 폭의 파장대역의 중심파장이다. 예를들어 도 3에서 파장λF 는 신호 필터 22의 통과 대역 32의 중심 파장이다.
도 2A 및 도 3에 추가하여 도 2B를 참조하면, 신호 필터 22는 연속적인, 교번하여 적층된 비마이크로조직 금속층 27 및 유전체층 28을 포함한다. 광학 베리어층 29는 금속층 27을 봉지한다. 좋은 광학 특성을 가지는 금속인 은, 알루미늄 또는 금이 적층되는 금속층 27에 사용될 수 있다. 유전체층 28은 SiO2, Ta2O5, Nb2O5, TiO2, HfO2, Al2O3, 또는 그들의 혼합물과 같은 산화금속을 포함할 수 있다. 금속층 27의 두께는 광 통과 크기, 중심 파장(λF) 및 통과 대역 32(도 3 참조)과 같은 광학 특성에 따라 개별적으로 선택될 수 있다.
금속층 27의 두께는 통상적으로 5nm 내지 50nm일 수 있으며, 바람직하게는 8nm 내지 30nm일 수 있다. 유전체층 28의 두께는 10nm 내지 500nm일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 200nm일 수 있다. 통상적으로 하나의 필터에 2 내지 8개의 금속층 27이 형성되며, 바람직하게는 3 내지 6개의 금속층 27이 형성된다. 결과적으로 필터 22의 두께는 보통 5 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 1 마이크로보다 작다. 베리어층 29는 아주 얇으며, 두께가 3 나노미터보다 작고, 바람직하게는 1나노미터보다 작고, 산화아연과 같은 산화금속으로 형성된다. 베리어층을 형성하기 위해, 금속이 0.5nm의 두께로 형성되고 차후에 금속층이 산화될 수 있다. 금속층과 유전체층의 두께를 최대한 좋게 하기 위해, 상업적으로 가능한 소프트웨어로서, 미국 오레곤주 포틀랜드에 소재한 Software Spectra Inc.사에 의해 제공되는 TFCalc™, 러시아 연방, 모스코바에 소재한 OptiLayer Ltd. 사에 의해 제공되는 Optilayer™, 미국 뉴저지주 프린스턴에 소재한 FTG Software에 의해 제공되는 FilmStar™가 사용될 수 있다.
선택되는 파장 범위를 좁게 하기 위해 유전체층의 추가층 39이 신호 필터 22에 추가될 수 있는데, 예를 들어, 신호 필터에 있어서, 추가층 39는 여기 파장의 중심에 있는 4분의1 파장층일 수 있다. 나아가 신호 필터 22의 금속층 27과 유전체층 28은 포토디텍터 23 바로 위에 놓여져서 신호 필터 22를 포토디텍터23과 통합할 수 있다. 예를 들어, 신호 필터 22는 포토디텍터가 통합된 CMOS 또는 ASIC wafer 바로 위에 놓여질 수 있다.
금속층 27은 연속적이며, 에칭된 구조를 가지지 않는 비마이크로조직 층이거나 그렇지 않으면 그 내부에 형성된다. 금속-유전체 필터 구조는 높은 통과 량을 보여줄 수 있으나, 대체적으로 통과 파장의 높은 각도 민감도의 대가로 얻어진다. 이러한 현상은 Letters to Nature, Vol. 391, p. 667-669 (1998)에 보고되어 있다. 대조적으로, 신호 필터 22는 신호 필터 22를 Ebbesen의 마이크로 구조 금속-유전체 필터보다 신호광 26의 입사각에 대한 훨씬 작은 민감도를 가지게 하는 어떠한 구성도 가지고 있지 않다. 여기서, “마이크로 구조”는 플라즈몬(Plasmon) 공명 효과를 발생시키는 형태와 크기를 가지는 파장 크기 또는 서브 파장 크기 형상들을 의미하며, 예를 들어, 가시광과 적외선에서 10nm 에서 2nm 사이일 수 있다. “형상”은 직사각형, 격자, 타원체 등을 포함한다. 본 발명의 필터는 다른 목적을 위해 구조화될 수 있으며, 예를 들어, 환경 및 기계적 안정을 위해 특징 크기는 2um보다 클 수 있으며, 바람직하게는 200um보다 클 수 있다. 따라서, “비마이크로조직”은 완전히 매끈하고 연속적인 필름 또는 2um보다 작은 패턴 형상이 없고, 바람직하게는 200um보다 작은 패턴 형상이 없는 것을 말한다. UV 에서 NIR (Near Infrared)까지의 스펙트럼 범위에서 주목할 만한 플라즈몬 공명 효과를 발생시키지 않는 구조는 이 명세서에서 “마이크로 구조”로 간주되지 않는다.
필터 22의 통과 파장 λF 는 입사각에 따라 눈에 띄게 변하지 않고, 시준 렌즈는 분광계 20에서 생략될 수 있고, 이에 따라 분광계 20이 매우 소형화되고, 집광 효율을 증가시킬 수 있다. 전통적인 다층 유전체 필터와 비교하여 신호 필터 22의 통과 파장 λF 의 각도 의존과, 보다 상세한 신호 필터 22의 제조 방법은 아래에 설명될 것이다.
도 2A 및 도 2B와 비교하여, 도 4A 및 도 6A를 참조하면, 분광계 40A는 샘플 홀더 21, 광학적으로 샘플 홀더 21에 연결된 광학 필터 22(또는 신호 필터 22) 및 신호 필터 22에 광학적으로 연결된 포토디텍터 23을 포함한다. 샘플 홀더 21은 샘플 24를 지지한다. 분광계 40A는 여기 광원 43 및 여기 광원 43과 샘플 홀더 21에 연결된 여기 필터 42를 포함한다. 여기 필터 42는 도 2B의 신호 필터 22와 같은 형태일 수 있고, 통과 파장("방출 파장”)λE (도 6A 참조)의 각도 의존을 줄이는 연속적이며 상호 교번하여 적층된 비마이크로조직 금속층 27와 유전체층 28 을 포함한다. 작동시에, 광원 42(도 4 A 참조)는 스펙트럼 35(도 6A참조)를 가지는 여기광 25를 방출하고, 여기 필터 42(도 4A 참조)는 방출 파장 λE (도 6A 참조)에서 여기광 25의 일부 25A를 통과시키고, 신호광 26은 차단한다. 방출 파장 λE 는 여기 광학 필터 42의 통과 대역 52의 중심 파장이다. 분광계 40A는 샘플 홀더 21이 플로 사이토미터와 같이 양 면이 접근 가능한 튜브 또는 채널로 형성될 수 있다.
도 4A에 추가하여 도 4B 내지 도 4D 를 참조하면, 도 4B, 4C 및 4D의 분광계 40B, 40C 및 40D는 상대적으로 도 4A의 분광계 40A와 유사하다. 도 4B 내지 도 4D의 40B 내지 40D의 분광계들은 샘플 홀더 21의 같은 면에 여기 필터 42와 신호 필터 22가 배치된다는 점에 차이가 있다. 도 4B 에서, 광 형성 디퓨저 49가 여기 필터 42에 연결되어, 여기 광 부분 25A를 샘플 24로 통과 필터 22와 포토디텍터 23에 대해 각을 가지도록 안내한다. 도 4C에서, 샘플 홀더 21은 여기 필터 42와 신호 필터 22 근처에서 휘어져있고, 이에 따라 광 노출을 증가시킬 수 있다. 도 4D에서, 하나의 렌즈 48가 여기광 일부 25A를 샘플 24로 안내하고 신호 필터로 향하는 신호광 26을 모으기 위해 사용된다.
유리하게, 도 4A 내지 도 4D의 40A 내지 40D의 분광계의 금속층 27과 유전체층 28은 상대적으로 광원 43과 포토디텍터 23 바로 위에 배치될 수 있고, 42와 22 필터들을 광원 43과 포토디텍터 23에 통합시킬 수 있다.
샘플 홀더 21의 반대면, 도 4B 내지 도 4D의 상면, 감지되는 환경에 편리하게 노출될 수 있으므로, 여기 필터 42와 신호 필터 22, 광원 43과 포토디텍터 23의 배치는 샘플 홀더 21의 같은 면에 배치함으로써, 도 4B, 4C, 4D의 분광계 40B, 40C, 40D 가 특별하게 센서 응용 장치에 적절하게 될 수 있다. 샘플 24는 타겟 분자에 결합됨에 따라 그것의 형광 특성이 변화하는 표시 형광 분자를 포함할 수 있고, 따라서 샘플 24에 타겟 분자의 존재를 알려줄 수 있다. 타겟 분자의 농도는 형광 신호 26의 광 세기를 측정함으로써 계산될 수 있다. 예를 들어, 포도당 분자에 결합하는 형광단을 사용하여 혈당 농도를 측정할 수 있다. 도 4B의 분광계 40B를 사용한 소형의 포도당 농도 미터가 아래에 설명될 것이다.
도 2A 및 도 2B와 비교하여 도 5 및 도 6B를 참조하면, 도 5의 분광계 50은 도 2A의 분광계 20과 유사하다. 하나의 차이점은 도 5의 분광계 50은 샘플 홀더 21에 연결된 하나가 아닌 두개의 신호 필터들 22A, 22B를 포함하는 것이다. 두개의 신호 필터들 22A, 22B은 대응되는 파장 대역 32A와 32B(도 6B 참조)의 중심 파장 λF1, λF2 에서의 신호광 26의 제1 부분 26A과 제2 부분 26B를 통과시키고, 방출 스펙트럼 35를 가지는 여기광 25를 차단한다. 도 5에서, 제1 포토디텍터 23A와 제2 포토디텍터 23B는 제1 신호 필터 22A 및 제2 신호 필터 22B에 각각 연결되어 있다. 신호광 26의 제1 부분 26A 및 제2 부분 26B가 비춰지면, 제1 포토디텍터 23A와 제2 포토디텍터 23B는 각각 신호광 26의 제1 부분 26A 및 제2 부분 26B의 광 세기 레벨에 비례하는 제1 전기 신호와 제2 전기 신호를 생성한다. 제1 신호 필터 22A 또는 제2 신호 필터 22B는 중심 파장 λF1, λF2의 각도 의존을 줄이는 연속적인 비마이크로조직 금속층 27와 유전체층 28이 상호 교번하여 적층된 구조를 포함할 수 있다.
분광계 50은 타겟 분자에 결합하여 형광 36의 스펙트럼 분포가 변화하는 표시 형광단에 적용될 수 있다. Weidemaier et al. in an article entitled "multi-day pre-clinical demonstration of glucose/galactose binding protein-based fiberoptic sensor", Biosens. Bioelectron. (2011)에 공개되어 있듯이, 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 비율은 표시 형광단을 타겟 분자에 결합하는 것의 표시로서 기능할 수 있다., 두개의 다른 표시 형광단을 사용하여, 두개의 다른 타겟 분자의 농도 표시 또는 형광 36이 반응하는 다른 특성을 표시할 수 있다. 도 6C를 참조하면, 두개의 다른 표시 형광단에 대응하는 형광 스펙트럼 36A와 36B가 도시되어 있다. 제1 형광단의 형광 스펙트럼 36A은 제1 필터 22A의 통과 대역 32A에 맞춰져 있고, 제2 형광단의 형광 스펙트럼 36B는 제2 필터 22B의 통과 대역 32B에 맞춰져 있다. 두개의 다른 타겟 분자들의 농도는 독립적으로 계산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 광학 필터 22B의 통과 대역 32B는 형광 스펙트럼 36에는 맞춰져 있지 않고 방출 스펙트럼 35, 여기 파장 λE에서 통과하는 산란 여기 광 25, 에 맞춰져 있으며 신호광 26을 차단한다. 이것은 샘플 24에서 여기광 25의 산란을 측정하여 여기광 25의 세기를 계산하게 하게 할 수 있다. 여기광 25의 세기를 아는 것에 의해 형광 세기 측정의 기준으로 삼을 수 있다.
본 발명의 몇몇 적용에 있어서, 복수의 여기 파장 대역이 요구될 수 있다. 도 2B를 기준으로 도 7, 도 8A 및 도 8B를 참조하면, 하위구성 70은 광원 43, 방출 스펙트럼 35(도 8A 및 도 8B 참고)를 가지는 보통의 광원 43에 연결된 제1 방출 필터 42A 및 제2 방출 필터 42B와 광원 43을 포함한다. 제1 방출 필터 42A 및 제2 방출 필터 42B(도 7)은 각각 중심 파장 λE1, λE2를 가지는 파장 대역 52A 및 52B에서 여기광 25의 제1 부분 25A 및 제2 부분 25B를 통과시키고, 신호광 26을 차단한다. 도 8B에서, 두개의 구별되는 여기 파장 대역 52A 및 52B가 두개의 구별되는 형광단의 흡수 대역 34A 및 34B에 대응되며, 이에 따라 형광단이 두개의 구별되는 형광 대역 36A 및 36B를 가지는 형광을 방출한다. 제1 형광 필터 22A 또는 제2 형광 필터 22B는 연속적이며 상호 교번하여 적층된 비마이크로조직 금속층 27와 유전체층 28을 포함할 수 있다.
금속-유전체 필터22, 22A, 22B, 42, 42A, 42B를 사용하여 통과 파장들 λF, λF1, λF2, λE, λE1, λE2에 대응되는 각도 민감도를 일반적으로 사용하는 유전체 적층 필터과 비교하여 줄일 수 있고, 이에 따라 분광계의 크기를 감소시킬 수 있다. 다양한 필터의 각도 민감도가 설명될 것이다. 도 9A를 참조하면, 여기 광학 필터 42의 예시의 광학 통과 스펙트럼 90A가 0도와 89도 사이의 입사각에 대해 5도 간격으로 도시되어 있다. 필터는 6개의 60nm에서 70nm 사이의 두꺼운 Ta2O5 층들 사이에 다섯개의 16nm 내지 42nm 범위에서 두꺼운 은 층들을 포함하며, 1.564의 굴절률을 가지는 매질에 담겨진다. 입사각의 변화가 중심 파장 또는 여기 광학 필터 42의 대역 가장자리의 위치를 이동시키지 않으며, 오직 통과 진폭을 감소시키고, 높은 입사각에서 도입 파문(introducing ripple) 91을 유도한다. 도 9A와 비교하여, 도 9B를 참조하면, 도 9A와 유사한 통과대역을 가지고 같은 굴절률의 매질에 삽입된 전형적인 유전체 적층 광학 필터의 광학 통과 스펙트럼 90B는 0도와 89도 사이의 입사각에 대해 5도 간격으로 도시되어 있다. 92에서 입사각이 변화함에 따라 대역 가장자리 파장이 이동하며 93에서 2차적인 통과 대역이 나타남을 확인할 수 있다.
도 9C를 참조하면, 비교를 위해 도 9A의 스펙트라 90A의 평균 스펙트럼 95A와 도 9B의 유전체 다층 필터 스펙트라 90B의 평균 스펙트럼 95B가 함께 도시되어 있다. 광학 필터 22, 22A, 22B, 42, 42A, 42B의 통과 파장 λF, λF1, λF2, λE, λE1, λE2 의 감소된 각도 민감도는 도 2A, 4A 내지 4D, 5에서 분광계 20, 40A 내지 40D를 보다 소형화시킨다.
금속-유전체 필터의 제조 과정에 대해 설명한다. 도 2A, 2B, 4A 내지 4D, 5, 7과 비교하여 도 10A를 참조하면, 광학 필터 100은 도 2A, 2B의 하나의 필터 22 또는 도 4A 내지 4D의 여기 광학 필터 42의 변형이고, 도 2A, 4A 내지 4D, 5, 7의 분광계 10, 40A 내지 40D, 50, 70에 사용될 수 있다. 광학 필터 100은 교번하여 적층된 3개의 유전체층 120과 2개의 금속층 130을 포함한다. 광학 필터 100은 기판 110 상에 배치된다. 금속층 130은 각각 2개의 유전체층 120 사이에 인접하여 배치되며, 유전체층120은 금속층 130을 부식으로부터 보호한다.
금속층 130은 광학 필터 100의 외곽 영역 101에서 경사 엣지 131를 가진다. 금속층 130은 광학 필터 100의 중앙 부분 102에서 상당히 일정한 두께를 가지나, 광학 필터 100의 외곽 영역 101에서 점점 가늘어진다. 유사하게 유전체층 120은 광학 필터 100의 중앙 부분 102에서 상당히 일정한 두께를 가지나, 광학 필터 100의 외곽 영역 101에서 점점 가늘어진다. 따라서, 광학 필터 100의 중앙 영역 102은 상당히 일정한 높이를 가지며, 광학 필터 100의 외곽 영역 101은 경사진다. 광학 필터 100은 플랫 탑과 경사진 측면을 가진다.
금속층 130의 경사 엣지 131는 환경에 노출될지 않는다. 금속층 130의 경사 엣지 131는 하나 이상의 유전체층 120에 의해 덮여진다. 하나 이상의 유전체층 120이 금속층 130으로의 황과 물의 확산을 억제함으로써 금속층 130의 부식과 같은 환경 저하를 진압할 수 있다. 금속층 130은 유전체층 120에 의해 봉지될 수 있다.
도 10B 내지 도 10G를 참조하면, 광학 필터 100의 첫번째 구성은 리프트 오프(lift-off) 과정에 의해 가공된다. 첫번째 단계로, 기판 110이 제공된다(도 10B). 두번째 단계로, 포토레지스트층 140이 기판 110 상에 적용된다(도 10C). 포토레지스트층 140은 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅에 의해 행해질 수 있다.
세번째 단계로, 포토레지스트층 140은 광학 필터 100의 필터 영역을 노출시키기 위해 패턴화된다. 기판 110의 나머지 영역은 포토레지스트층 140에 의해 덮여진채로 남아있다. 통상적으로, 포토레지스트층 140은 노광 및 현상에 의해 패턴화될 수 있다. 포토레지스트층 140은 오버행 141이 형성되면서 패턴화된 포토레지스트층 140이 필터 영역을 둘러싸도록 패턴화될 수 있다. 몇몇의 경우, 포토레지스층 140은 다른 두 종류의 물질을 포함할 수 있다. 이것은 오버행 또는 언더컷 141을 쉽게 만들도록 할 수 있다..
네번째 단계로, 다층구조 103이 패턴화된 포토레지스트층 140과 기판 110의 필터 영역에 형성된다(도 10E). 광학 필터 100의 층들에 대응하는 다층 구조 103의 층들은 다양한 증착 기술에 의해 형성될 수 있다. 다양한 증착 기술은, 증발법, 예를 들어 열적 증발, 전자비임 증발, 플라즈마 증발, 또는 반응성 이온 증발과 스퍼터링, 예를 들어 마그네트론 스퍼터링, 반응성 스퍼터링, 교류 (AC)스퍼터링, 직류(DC)스퍼터링, 펄스 DC스퍼터링, 또는 이온 비임 스퍼터링, 화학증착법, 예를 들어 플라즈마 증진 화학 증기 증착; 및 원자층 증착 등이 사용될 수 있다.
오버행 141이 기판 110의 필터 영역을 그늘지게 하므로, 적층된 층들은 광학 필터 100의 가장자리 영역 101에서 점점 가늘어지게 된다. 유전체층 120이 금속층 130 상에 형성될 때, 유전체층 120은 금속층 130의 상면뿐만 아니라 금속층 130의 경사 엣지 131까지 덮고, 이에 따라 금속층 130을 주변으로부터 보호할 수 있다.
다섯번째 단계로, 패턴화된 포토레지스트층 140 상에 형성된 다층 구조 103을 제거하며, 포토레지스트층 140과 함께 제거된다(도 10F). 통상적으로 포토레지스트층 140은 적절한 용액을 사용하여 벗겨낼 수 있다. 광학 필터 100은 기판 110의 필터 영역에 남아있게 된다. 선택적인 여섯번째 단계로, 추가적인 유전체 코팅 150이 광학 필터 100 상에 형성될 수 있다. 유전체 코팅 150은 광학 필터 100의 중앙 영역 102와 가장자리 영역 101을 모두 덮고, 이에 따라 환경으로부터 광학 필터 100를 보호할 수 있다.
도 2B, 3, 4B와 비교하여 도 11A를 참조하면, 형광 감지를 위한 방법 250은 분광계 20을 제공하는 단계 251을 포함한다. 252 단계에서, 샘플 24는 여기광 일부 25A에 의해 비춰진다. 253 단계에서, 신호광 26의 제1 부분 26A이 적어도 60도 또는 수직 입사로부터 +-30도의 각도의 총 수집 각도 내에서 모인다. 254 단계에서, 포토디텍터 23의 전기 신호(예를 들어, 포토전류)가 감지된다. 수집 각도는 수직 입사로부터 +-75도의 각도를 가지며 총 150도의 각도를 가질 수 있다.
도 2B, 3, 4B와 비교하여 도 11B를 참조하면, 조명 단계 252는 여기광원 43을 제공하는 단계 261을 포함할 수 있다. 262 단계에서, 여기 필터 42가 금속층 27과 유전체층 28을 교번하게 적층하여(도 2B) 제공될 수 있고, 여기 파장 λE 를 가지는 여기광 25의 일부 25A를 통과시키며, 신호광 26을 차단한다. 263단계에서, 여기 필터 42는 여기 광원 43에 연결된다. 264 단계에서, 샘플 홀더 21은 여기 필터 42에 연결되어 여기 필터 42를 통과한 여기광 25의 일부 25A를 받는다. 264 단계에서, 샘플 홀더 21이 여기 필터 42에 연결되어 여기 필터 42를 통과한 여기광 25의 일부 25A를 받는다. 최종적으로 265 단계에서, 여기 광원 43이 가압된다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다. 상기 설명을 바탕으로 다양한 응용이 가능하다. 예를들어, 분광계는 형광을 감지하는 목적 뿐 아니라, 다광자 형광 감지, 여기광의 광 하모닉 산란과 같은 비선형 산란, 표면 비선형 광 산란 및 형광 등에 광학 필터의 통과 파장을 조절하여 적용될 수 있다. 광원은 레이저 다이오드, 백색 LED를 포함하는 발광 다이오드(LED) 등이 될 수 있다.
21: 홀더 22: 신호 필터
23: 포토디텍터 27: 금속층
28: 유전체층 29: 베리어층

Claims (1)

  1. 여기광을 차단하며, 제1 신호 통과 파장을 가지는 신호광의 제1 부분을 통과시키는 제1 신호 필터를 포함하고,
    상기 제1 신호 필터는,
    상호 교번하여 적층된, 제1 연속적인 비-마이크로조직인 금속층과 제1 유전체층 포함하는 제1 영역, 및 유전체층의 추가층으로 구성된 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 신호 필터는, 마이크로조직인 금속층을 포함하는 신호 필터에 비하여 상기 제1 신호 통과 파장의 각도 민감도가 낮은,
    센서.
KR1020200026146A 2012-12-19 2020-03-02 분광 장치 및 분광 방법 KR102233732B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

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