KR20210089687A - 물질을 분석하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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우베 슈리크
윌프라이드 노엘
토르스텐 루빈스키
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Abstract

본 발명은 물질을 분석하기 위한 디바이스에 관한 것으로서, - 측정 표면(2)을 갖고 측정을 위한 측정 표면의 영역에서 물질(3)과 적어도 부분적으로 접촉하게 되는 측정 본체(1, 1a); 상이한 파장에서, 바람직하게는 적외선 또는 중적외선 스펙트럼 범위에서, 물질(3)에 지향되는 하나 이상의 여기 빔(10)을 생성하기 위해, 특히 양자 캐스케이드 레이저(QCL), 파장 가변 QCL 및/또는 레이저 어레이, 바람직하게는 QCL의 어레이를 갖는 레이저 디바이스(4); 및 측정 본체(1, 1a)에 적어도 부분적으로 일체화되거나 그에 연결되는 검출 장치(5, 6, 7)를 포함하고, 검출 장치는 · 가간섭성 검출 광(11)을 위한 소스(5) 및 · 검출 광을 안내하고 온도 및/또는 압력에 적어도 부분적으로 의존하는 굴절률을 갖는 검출 광을 위한 소스에 연결될 수 있거나 연결되는 제1 광도파로 구조체(6)를 포함하고, 제1 광도파로 구조체는 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 제1 광도파로 구조체(6)의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 적어도 하나의 부분(9)을 갖는다.

Description

물질을 분석하기 위한 장치 및 방법
본원은 물질을 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이는 예를 들어, 동물 또는 인간 조직, 유체, 특히 체액의 분석을 위해 그리고 일 실시예에서, 포도당 또는 혈당을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
물질을 분석하기 위한, 특히 혈당을 측정하기 위한 공지의 방법은 예를 들어 이하의 문헌에 설명되어 있다.
1. Guo et al.: "Noninvasive glucose detection in human skin using wavelength modulated differential laser photothermal radiometry", Biomedical Optics Express, Vol. 3, 2012, No. 11,
2. Uemura et al.: "Non-invasive blood glucose measurement by Fourier transform infrared spectroscopic analysis through the mucous membrane of the lip: application of a chalcogenide optical fiber System", Front Med Biol Eng. 1999; 9(2): 137-153,
3. Farahi et al.: "Pump probe photothermal spectroscopy using quantum cascade lasers", J. Phys. D. Appl. Phys. 45 (2012) and
4. M. Fujinami et al.: "Highly sensitive detection of molecules at the liquid/liquid interface using total internal reflection-optical beam deflection based on photothermal spectroscopy", Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, Number 1 (2003).
5. von Lilienfeld-Toal, H. Weidenmueller, M. Xhelaj, A. Maentele, W. A Novel Approach to Non-Invasive Glucose Measurement by Mid-Infrared Spectroscopy: The Combination of Quantum Cascade Lasers (QCL) and Photoacoustic Detection Vibrational Spectroscopy, 38:209-215, 2005.
6. Pleitez, M. von Lilienfeld-Toal, H. Maentele W. Infrared spectroscopic analysis of human interstitial fluid in vitro and in vivo using FT-IR spectroscopy and pulsed quantum cascade lasers (QCL): Establishing a new approach to non-invasive glucose measurement. Spectrochimica Acta. Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy, 85:61-65, 2012
7. Pleitez, M. et al. In Vivo Noninvasive Monitoring of Glucose Concentration in Human Epidermis by Mid-Infrared Pulsed Photoacoustic Spectroscopy Analytical Chemistry, 85:1013-1020, 2013.
8. Pleitez, M. Lieblein, T. Bauer, A. Hertzberg, O. von Lilienfeld-Toal, H. Maentele, W. Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis: Low interference by changes of air pressure, temperature, and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid. Review of Scientific Instruments 84, 2013
9. M. A. Pleitez Rafael, O. Hertzberg, A. Bauer, M. Seeger, T. Lieblein, H. von Lilienfeld-Toal, and W. Maentele. Photothermal deflectometry enhanced by total internal reflection enables non-invasive glucose monitoring in human epidermis. The Analyst, November 2014.
본 발명의 목적은 물질, 특히 동물 또는 인간 조직 또는 조직의 구성요소 또는 성분 또는 유체를 특히 간단하고 정확하며 비용 효율적인 방식으로 분석하는 데 사용될 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 양태는 또한 장치의 작은 크기의 달성을 수반한다.
게다가, 독일 특허 문헌 DE 10 2014 108 424 B3호를 참조한다.
이 목적은 특히 청구항 1에 따른 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다. 장치의 실시예는 종속 청구항에 명시되어 있다. 게다가, 본 발명은 그에 종속된 종속 청구항(들)에 따른 대응하는 실시예를 갖는 독립 방법 청구항에 따른 방법에 관한 것이다.
출원시에 명시적으로 언급된 특허 청구범위의 주제 및 예시적인 실시예에 추가하여, 본 특허 출원은 또한 본 설명의 종결부에 열거된 다른 양태를 언급한다. 이들 양태는 각각의 경우에 출원시에 언급된 청구범위의 특징과 개별적으로 또는 그룹으로 조합될 수 있다. 이들 양태는 또한 단독으로 취해지거나 서로 또는 본 출원의 주제와 조합되건간에, 독립적인 발명을 구성한다. 본 출원인은 이후에 이들 발명을 청구범위의 주제로 만들 권리를 보유한다. 이는 본 출원의 부분으로서 또는 후속 분할 출원, 일부 출원(미국), 일부 계속 출원(미국), 또는 본 출원의 우선권을 주장하는 후속 출원의 맥락 내에서 발생할 수도 있다.
이하의 설명과 관련하여, 용어 "광" 또는 "레이저 광"은 가시 범위, 근적외선, 중적외선 및 원적외선 범위 및 UV 범위의 전자기파 또는 전자기 방사선을 의미한다.
이하의 텍스트는 출원시에 열거된 청구범위의 주제를 먼저 다룬다.
상기 목적은
- 측정 표면을 갖고 특히 직접적으로 또는 매체, 특히 유체에 의해, 측정을 위한 측정 표면의 영역에서 물질과 적어도 부분적으로 커플링될 것이고, 또는 직접적으로 또는 매체에 의해 그와 접촉하게 되는 측정 본체,
- 측정 본체가 측정 표면의 영역에서 물질에 커플링되고 그리고/또는 접촉할 때 물질에 지향되는, 바람직하게는 적외선 스펙트럼 범위의 상이한 파장을 갖는 하나 이상의 여기 빔을 생성하기 위해, 상이한 파장의 광 또는 여기 빔을 생성하는 것이 가능한 여기 방사선의 소스, 특히 양자 캐스케이드 레이저(QCL), 파장 가변 QCL 및/또는 레이저 어레이, 바람직하게는 QCL의 어레이를 갖는, 특히 레이저 디바이스, 및
- 측정 본체에 적어도 부분적으로 일체화되거나 그에 연결되는 검출 디바이스를 갖고, 검출 디바이스는
· 검출 광, 바람직하게는 가간섭성 검출 광을 위한 소스, 및
· 검출 광원에 연결될 수 있거나 연결되고 검출 광을 안내하는 제1 광도파로 구조체로서, 그 굴절률은 적어도 몇몇 섹션에서, 온도 및/또는 압력에 의존하고, 제1 광도파로 구조체는 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 광도파로 구조체의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 적어도 하나의 섹션을 갖는, 제1 광도파로 구조체를 포함하는, 물질을 분석하기 위한 디바이스에 의해 특허 청구항 1에 따른 발명의 특징으로 달성된다.
이 맥락에서, 검출 광의 위상 편이는 온도 또는 압력 변화 전에 또는 없이 검출 광의 위상 위치에 대한 위상 편이를 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 검출 광의 위상 편이는 광 강도의 변화로부터 결정되고, 그리고 이로부터 굴절률의 변화가 결정될 수 있다. 예를 들어, 굴절률의 변화로부터, 열파 및/또는 압력파의 강도가 결정될 수 있고, 그로부터 이어서 바람직한 실시예에서, 흡수 강도가 결정되고 이로부터 검출될 물질의 농도가 결정될 수 있다. 가시광에 추가하여, 용어 검출 광은 또한 적외선 또는 UV 광 또는 광도파로 구조체를 통과할 수 있는 다른 유형의 전자기파를 의미할 수도 있다.
에너지가 여기 빔에 의해 물질 내에 주입되고 여기 빔은 조사된 광 파장 및 분석될 물질 내에 존재하는 물질 뿐만 아니라 그 공진 진동 또는 흡수 주파수의 함수로서 더 많거나 적은 정도로 흡수되고, 여기서, 열 에너지는 분자 진동의 형태로 방출된다. 파장 가변 레이저 또는 레이저 어레이에 추가하여, 파장 조절 가능 광원은 또한 상이한 유형의 방사선 소스, 예를 들어 개별 파장이 그로부터 필터에 의해 선택적으로 선택될 수 있는 광대역 광원에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 적외선 범위의 하나 이상의 발광 다이오드가 사용될 수 있는데, 그 방사선은 원하는 파장 범위에 걸쳐 협대역에서 선택될 수 있다. 여기서도, 변조가 광원 또는 광학 경로에서 발생할 수 있다.
그 강도의 견지에서, 가열 프로세스는 여기 빔의 변조를 따르고, 분석될 물질 내에서 특히 측정 본체를 향해 그리고 또한 특정 본체 내에서 전파하고 검출 디바이스 내의 제1 광도파로 구조체에 영향을 미치는 열파 및/또는 압력파를 생성한다. 측정 본체는 측정 표면의 영역에서 물질과 커플링되어, 열파 및/또는 압력파가 물질로부터 측정 본체 상으로 통과될 수 있게 된다. 커플링은 물질과 측정 본체 사이의 물리적 접촉을 통해 직접 발생될 수 있지만, 또한 예를 들어 적합한 고체 또는 유체, 기체 또는 액체 매체를 개재함으로써 발생할 수 있다. 이 방식으로, 커플링은 또한 예를 들어 물질로부터 측정 본체로 음향 압력파의 방출시에, 그리고 필요하다면 또한 기체 매체를 통한 경로를 통해 발생할 수 있다. 물질과 측정 본체 사이의 적합한 매체의 선택에 의해, 임피던스 매칭이 제공되어 측정 본체 내에 최상의 가능한 커플링을 달성할 수 있다.
여기 빔은 유리하게 측정 표면과 직접 접촉하거나 다른 방식으로 그에 커플링되는 영역에서 물질 내에 주입된다. 여기 빔은 또한 분석될 물질과 커플링되거나 접촉하는 측정 표면의 영역의 바로 옆에서 물질 내에 주입될 수 있다. 여기 빔은 체적을 통해, 측정 본체의 개구 또는 천공된 구멍을 통해, 또는 특히 적어도 측정 본체의 재료의 몇몇 섹션을 통해 또는 측정 본체의 바로 부근에서 측정 본체의 외부 경계를 지나 전송될 수 있다. 개구/천공된 구멍이 여기 빔을 위해 측정 본체에 제공되면, 이는 측정 본체를 완전히 통과하거나 블라인드 홀로서 형성될 수 있고, 이 경우에 측정 표면의 영역에서, 측정 본체의 재료 또는 예를 들어 0.05 mm 내지 0.5 mm의 두께, 특히 0.1 mm 내지 0.3 mm의 두께를 갖는 다른 재료의 코팅이 적소에 남아 있을 수 있다.
제1 광도파로 구조체에 대한 열파 및/또는 압력파의 영향으로 인해, 제1 광도파로 구조체의 적어도 몇몇 섹션의 굴절률이 변경되고 검출 광의 위상 편이가 유발되는데, 이는 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 섹션에서 광 강도의 측정 가능한 변화를 야기한다.
이러한 위상 편이의 검출을 위해, 예를 들어, 간섭 방법 및 디바이스가 이용 가능하다.
따라서, 본 발명은 또한 열파 및/또는 압력파의 통과 중에 재료의 온도 증가의 정량적 측정을 위한 간섭 측정 방법 또는 간섭 측정 디바이스의 사용에 관한 것이다.
측정 본체는 검출 광원 및 제1 광도파로 구조체가 부착되거나 배열될 수 있는 캐리어 본체에 의해 형성될 수 있다. 검출 광원은 제1 광도파로 구조체의 주입 점의 바로 전방에 배열되거나 광도파로에 의해 그에 연결될 수 있다. 검출 광원은 또한 예를 들어 광도파로 구조체와 동일한 기판 상에 배열된 일체형 반도체 요소로서 광도파로 구조체에 직접 일체화될 수 있다. 광도파로는 광섬유 케이블로서 또는 일체형 광도파로로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 측정 디바이스 자체는 일체형 광도파로가 배열될 수 있는 기판을 또한 구성하거나 포함할 수 있다. 측정 본체의 재료는 여기 광에 대해 투명하거나 투명하지 않을 수 있다. 측정 표면은 분석될 물질과 커플링되거나 접촉될 수 있는 측정 본체의 외부 경계면으로서 정의될 수 있고, 여기서, 열파 및/또는 압력파는 물질로부터 측정 표면을 통해 측정 본체로 운반될 수 있다.
측정 본체의 디자인에서, 제1 광도파로 구조체는, 측정 본체가 측정 표면의 영역에서 물질에 커플링되거나 접촉될 때 여기 광의 흡수에 의해 유발되는 압력파 또는 열파에 의해 영향을 받는 이러한 방식으로 측정 표면과 관련하여 배열되는 것이 제공될 수 있다.
예를 들어, 측정 표면의 표면 법선의 방향에서 제1 광도파로 구조체의 돌출부의 적어도 하나의 섹션은 이 측정 표면과 중첩되는 것이 제공될 수 있다.
제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 섹션이 측정 표면으로부터, 특히 여기 빔이 통과하는 측정 표면의 영역으로부터 직선 방향으로 파동에 의해 도달될 수 있다는 것이 또한 더 일반적으로 제공될 수도 있다.
광도파로 구조체의 적어도 하나의 섹션, 특히 간섭 요소, 더 구체적으로 광도파로 구조체의 간섭계의 적어도 하나의 아암이 가상 원추 내에 위치되면 유리한데, 이 가상 원추의 축은 측정 표면에 수직이고, 그 팁은 여기 빔이 측정 표면을 관통하는 점에 위치되고 90° 이하, 바람직하게는 60° 이하, 특히 20° 이하의 개방각을 갖는다. 개방각은 원추 축과 가상 원추의 포락선 사이 각도의 2배로서 정의된다.
게다가, 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 섹션은 측정 표면으로부터 2 mm 미만, 바람직하게는 1 mm 미만, 더 바람직하게는 0.5 mm 미만 이격되어 있는 것이 제공될 수도 있다.
목표는, 측정 본체가 측정 표면의 영역에서 물질과 접촉하여 커플링될 때 여기 광의 흡수에 의해 물질 내에 유도되는 열파 및/또는 온도파가 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 측정 가능한 위상 편이를 야기하는 이러한 방식으로 제1 광도파로 구조체가 측정 표면에 대해 배열되는 것을 보장하는 것이다.
측정 표면은 평면 표면으로서 설계될 수 있지만, 또한 배치된 본체 또는 물체가 양호하게 중심 설정되거나 위치될 수 있는 오목한 표면 또는 부분 표면을 가질 수 있다. 측정 표면은 이어서 예를 들어 부분 원통형 채널의 형상 또는 돔 형상, 특히 구형 돔 형상을 가질 수 있는데, 곡률 반경은 예를 들어 0.5 cm 내지 3 cm, 특히 0.5 cm 내지 1.5 cm이다. 측정 표면이 완전히 편평하지 않으면, 측정 표면의 오목한 리세스의 중심에서 표면 법선 또는 측정 표면 상에 배치된 본체의 평면 표면의 표면 법선은 측정 표면의 표면 법선인 것으로 이해될 수 있을 것이다. 표면 법선은 또한 측정 표면의 오목한 리세스를 가교함으로써 그 연속부를 형성하는 평면 표면의 표면 법선인 것으로 이해될 수 있을 것이다.
측정 본체는 또한 가능한 한 무손실 방식으로 열파 및/또는 압력파를 전도하는 재료로 측정 표면의 영역에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 이 재료는 겔형 또는 고체일 수 있고, 또한 여기 빔에 투명할 수 있거나, 또는 여기 빔이 측정 표면을 통과하는 영역에 개구를 가질 수 있다. 예를 들어, 코팅은 1 mm 미만 또는 0.5 mm 미만의 두께로 다소 얇을 수도 있거나, 또는 0.5 mm 초과, 특히 1 mm 초과, 더 구체적으로는 2 mm 초과의 두께로 다소 두꺼울 수도 있다.
전술된 만곡형 표면 형상은 측정 본체의 기판에 의해 형성될 수도 있고, 균일하게 두꺼운 코팅이 제공되거나, 기판은 평면 표면을 가질 수도 있고, 만곡형 표면은 코팅의 두께 프로파일에 의해 실현될 수도 있다.
제1 광도파로 구조체는 측정 표면에 대한 측정 본체의 대향 측면 상에 또는 측정 표면에 대면하는 측정 본체의 측면의 표면 상에 배열될 수도 있다. 이 경우에, 측정 본체는 측정 표면에 대향하거나 측정 표면의 바로 아래에 있는 그 측면에 광도파로가 예를 들어 에피택셜 기상 증착 기술에 의해 장착되는 기판을 형성할 수 있다.
제1 광도파로 구조체는 또한 측정 본체 또는 기판 내부에 배열되고, 예를 들어 열파 또는 압력파의 양호한 공급 및 양호한 소산을 보장하기 위해 측정 본체/기판의 재료에 의해 모든 측면에서 둘러싸일 수 있다. 이 경우에, 제1 광도파로 구조체는 공지된 제조 프로세스를 통해 기판 내부에 "매립"될 수도 있는데, 즉, 특히 제1 광도파로 구조체 자체의 광도파로와는 상이한 굴절률을 갖는 상이한 유형의 재료에 의해 모든 측면에서 커버되어 있다. 광도파로 자체가 실리콘에 의해 형성되면, 이는 예를 들어 실리콘 산화물로 커버될 수 있다. 기판/측정 본체는 또한 전체적으로 또는 부분적으로 실리콘으로 제조될 수 있다. 일체형 광도파로는 또한 플라스틱, 예를 들어 폴리에틸렌 또는 광학적으로 투명한 결정질 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 광도파로 구조체는 측정 표면에 평행하게 그리고/또는 측정 표면에 평행한 평면 내에 배열될 수 있다. 일반적으로, 광학적으로 일체형 광도파로는, 예를 들어, 광파가 안내되는 재료 스트립을 의미하는 소위 스트립 또는 슬롯 도파로로서, 또는 규정된 경계 재료로 이루어진 전반사 경계 사이의 적절하게 형성된 간극 또는 중간 공간(슬롯)으로서 설계될 수 있다.
설명된 유형의 디바이스에서, 여기 빔의 강도를 변조하기 위한 변조 디바이스가 제공될 수도 있다.
이 경우에, 여기 빔의 강도는 기계적 차단(기계식 초퍼)에 의해 뿐만 아니라 제어 가능한 셔터 또는 편향 미러 디바이스 또는 제어 가능한 전송을 갖는 본체/층을 사용하여 제어될 수 있다. 게다가, 여기 광원/레이저 광원을 제어함으로써, 또는 여기 광원/레이저 디바이스로부터 분석될 물질로 그 진행 중에 여기 빔을 전체적으로 또는 부분적으로 차단하거나 편향시키는 셔터 또는 전자 강도 제어부에 의해 변조가 또한 직접 달성될 수 있다. 이는 또한 간섭 디바이스 또는 전자적으로 제어 가능한 압전 결정 또는 액정에 의해, 또는 여기 광빔에 대한 투명도 또는 반사율을 변경하는 다른 전자적으로 제어 가능한 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 이러한 디바이스는 레이저 설비의 일체형 부분으로서 또는 측정 본체/기판에 기능적으로 일체화되는 기능 요소로서 제공될 수 있다. 이는 일체화된 광학계 및 전자 기기의 3차원 기능 구조체가 기판의 단층 또는 다층 구조화에 의해 형성될 수 있기 때문에 가능하다. MEMS 구조체(마이크로 전기 기계 구조체)는 또한 예를 들어 광 변조를 위한 제어 가능한 편향 미러를 생성하기 위해 이 방식으로 기판에 일체화될 수 있다.
여기에 제시된 방법의 하나의 가능한 양태는 물질 표면 아래(그로부터 이격된 간격) 선택된 깊이 범위에서 응답 신호의 측정의 포커싱이다. 파라미터(d)는 방법을 사용하여 측정된 깊이 범위에 가장 큰 영향을 미친다. 이는 d = √(D/(π*f))로서 정의되고, 여기서 D는 샘플(예를 들어, 여기서, 피부)의 열 확산도이고, f는 여기 빔의 변조 주파수이다. 피부의 열 확산도에 대한 추가의 상세를 위해, 이하의 공보를 참조한다.
- U. Werner, K. Giese, B. Sennhenn, K. Plamann, and K. Koelmel, "Measurement of the thermal diffusivity of human epidermis by studying thermal wave propagation," Phys. Med. Biol. 37(1), 21-35 (1992).
- A. M. Stoll, Heat Transfer in Biotechnology, Vol 4 of Advances in Heat Transfer, J. P. Hartnett and T. Irvin, eds. (New York, Academic, 1967), p 117.
본 개시내용에서, 동일한 용어 "응답 신호"가 다수의 방식으로 사용된다는 것이 주목되어야 한다. 한편으로, 여기 빔, 즉, 예컨대 음파, 온도 상승 등에 의한 여기에 대한 물리적 응답을 설명할 수 있다. 다른 한편으로, 이 물리적 응답을 나타내는 광학적 또는 전기 신호, 즉 검출 광의 강도(광학 신호의 예로서), 또는 전기 신호인 강도의 측정값을 또한 설명할 수 있다. 제시의 단순성 및 일관성을 위해, 동일한 용어 "응답 신호"가 전체에 걸쳐 사용되고, 물리적 응답(예를 들어, 압력파 또는 온도파), 물리적 응답의 물리적 결과(예를 들어, 검출 광의 위상 편이), 또는 연관 측정 신호(예를 들어, 포토센서에 의해 측정된 검출 광의 강도)를 나타내는지 여부는 추가 설명 없이 맥락으로부터 명확하다.
측정의 품질을 개선하기 위해 물질의 최상부 층으로부터 응답 신호를 제거하기 위해, 일 실시예에서 최상부 층의 측정이 다른 더 깊은 층에 비교하여 더 적은 정도로 또는 더 서서히 변경되면, 이전의 측정에 비교하여 측정값의 변경이 사용될 수 있다. 이는 피부의 최상부 층이 실제로 하부층과 교환되지 않고 따라서 생리학적 파라미터가 매우 변동하지 않는 인간 피부 상의 측정의 실시예의 경우일 수 있다. 측정된 값의 시간 도함수는 최상부 피부층으로부터의 신호를 제외하기 위해 응답 신호를 위해 또한 사용될 수 있다. 이 방식으로, 측정 또는 적어도 평가는 피부 내의 간질 유체에 제한되거나 포커싱될 수 있다.
이를 위해, 측정은 여기 광원의 상이한 변조 주파수로 다수회 획득되는 스펙트럼에 대한 응답 신호의 획득을 포함할 수 있으며, 예를 들어 동일한 파장 및 상이한 변조 시퀀스에 대한 응답 신호의 측정값의 몫을 미분하거나 형성함으로써, 상이한 변조 주파수에 대한 결과를 조합한다. 동일한 파장 및 다른 변조 시퀀스에 대한 응답 신호 이러한 측정을 수행하기 위해, 여기 빔을 위한 적절한 제어 디바이스 및 응답 신호의 스펙트럼을 위한 평가 디바이스를 갖는 장치가 또한 제공되어야 한다.
제1 광도파로 구조체 내의, 특히 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 섹션 내의 광 강도의 직접 또는 간접 검출을 위한 측정 디바이스가 또한 제공될 수도 있다. 측정 디바이스는 자체로 제1 광도파로 구조체 내의 광 강도 또는 커플링 점에서 디커플링된 검출 광 성분의 강도를 측정할 수 있다. 측정 디바이스는 포토다이오드와 같이 기판에 일체화된 감광성 반도체 요소를 포함할 수 있다. 이는 광 강도가 직접 측정될 수 있게 한다. 간접 측정 방법은 예를 들어 제1 광도파로 구조체에서 온도 또는 필드 강도와 같은 다른 파라미터를 측정함으로써 제공될 수 있다.
검출 디바이스는 간섭 디바이스, 특히 간섭계 및/또는 광도파로 공진 요소, 특히 공진 링 또는 공진 플레이트를 포함하는 것이 또한 제공될 수 있다. 간섭계, 특히 Mach-Zehnder 간섭계는 검출 광이 간섭계의 2개의 개별 아암을 통해 유도되는 2개의 부분 빔으로 빔 스플리터에 의해 분할되는 간섭 디바이스로서 제공될 수 있다. 간섭계의 2개 아암은 온도파 및/또는 압력파의 효과에 상이한 정도로 노출되고, 측정 아암은 기준 아암보다 온도파 및/또는 압력파의 효과에 더 강하게 노출되고, 또는 굴절률의 변화에 관한 온도파 및/또는 압력파의 영향은 기준 아암에서보다 측정 아암에서 더 강하다. 최상의 경우, 기준 아암은 온도파 및/또는 압력파의 효과에 의해 완전히 영향을 받지 않고, 반면 측정 아암은 효과에 완전히 노출된다.
전술된 변형예에서 광 강도의 직접 측정에 추가하여, 측정될 파라미터가 광 강도에 의존하면, 검출 광의 강도는 온도 또는 필드 강도와 같은 다른 파라미터에 의해 또한 간접적으로 측정될 수 있다.
측정 아암이 온도파 및/또는 압력파의 효과에 더 강하게 노출되는 것을 보장하기 위해, 예를 들어, 측정 표면의 표면 법선의 방향에서 제1 광도파로 구조체의 측정 아암의 돌출부의 적어도 하나의 섹션은 이 측정 표면과 중첩되는 것이 제공될 수 있다.
게다가, 높은 측정 효율을 위해, 제1 광도파로 구조체의 측정 아암의 적어도 하나의 섹션은 측정 표면으로부터 2 mm 미만, 바람직하게는 1 mm 미만, 더 바람직하게는 0.5 mm 미만 이격되어 있는 것이 제공될 수도 있다. 기준 아암은 본 출원의 다른 곳에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 측정 아암보다 측정 표면으로부터 더 멀리 이격하여 있을 수도 있다.
목표는, 측정 본체가 측정 표면의 영역에서 물질과 접촉할 때 여기 광의 흡수에 의해 물질 내에 유도되는 열파 및/또는 온도파가 제1 광도파로 구조체의 측정 아암의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 측정 가능한 위상 편이를 야기하는 이러한 방식으로 제1 광도파로 구조체의 측정 아암이 측정 표면에 대해 배열되는 것을 보장하는 것이다. 간섭계의 측정 아암 및/또는 기준 아암은 유리하게는 측정 표면에 평행하게 배향되고 그리고/또는 측정 표면에 평행한 평면 내에서 연장될 수 있다.
양 아암으로부터의 광은 아암을 통과한 후 재조합되고, 효과에 더 강하게 노출되는 아암 내의 검출 광의 위상 편이에 따라, 검출 광의 2개의 서로 위상 편이된 부분 빔이 적어도 부분적으로 서로 상쇄된다. 위상 편이가 180도를 초과하고 극단적인 경우 각각 360도(2 파이)의 다수의 완전 사이클을 통과하지 않는 한, 측정된 광 강도는 이어서 최소화된다. 이 경우, 온도 및/또는 압력 증가의 발생의 과정에서, 절대 위상 편이를 결정하기 위해 2개의 부분 빔의 위상 상쇄에서 영점 교차가 또한 카운팅될 수 있다. 그러나, 다수의 경우에, 검출될 작은 온도 및/또는 압력 효과로 인해, 위상 편이가 180도를 초과하지 않을 것이다. 간섭계의 동작 점은 이어서 광 강도의 결과적인 변화가 압력/온도 변화 상에 단조식으로 맵핑되는 이러한 방식으로 설정될 수 있다.
측정 아암이 기준 아암보다 온도파 및/또는 압력파의 효과에 더 많이 노출되는 것, 또는 굴절률의 변화에 관한 온도파 및/또는 압력파의 영향이 기준 아암에서보다 측정 아암에서 더 강한 것을 보장하도록 이하의 조치가 취해질 수도 있다.
측정 아암은, 그에 일체화되거나 연결된 링 공진기를 갖거나 갖지 않고, 기판과 기계적으로 접촉한다. 측정 아암의 광도파로는 포지티브 끼워맞춤 및/또는 재료 접합 및/또는 가압 끼워맞춤 방식으로 기판에 연결될 수 있다. 이는 또한, 기판에 대해 가압되거나 그에 클램핑될 수 있다.
간섭 디바이스가 단지 하나 이상의 링 공진기 또는 다른 광도파로 공진 요소만을 포함하면, 이들은 또한 기판과 기계적으로 접촉할 수도 있다. 링 공진기(들) 또는 공진 요소의 광도파로(들)는 또한 포지티브 끼워맞춤 및/또는 재료 접합 및/또는 가압 끼워맞춤 방식으로 기판에 연결될 수 있다. 이들은 또한, 기판에 대해 가압되거나 그에 클램핑될 수 있다.
간섭계 또는 그 측정 아암 중 하나 또는 모두는 하나 이상의 링 공진기 또는 다른 공진 요소와 동일한 방식으로, 기판에 일체화될 수 있고, 예를 들어 일체화 제조 프로세스에서 기판과 함께 제조될 수 있다.
기준 아암에 대한 온도파 및/또는 압력파의 감소된 효과 또는 기준 아암 내의 광도파로(들) 또는 광학 광 경로의 굴절률에 대한 감소된 효과가 특히, 광도파로의 적어도 하나의 부분 또는 광섬유 케이블로 형성되는 기준 아암의 전체 광도파로에 의해 실현될 수 있고, 이 경우에 광섬유 케이블은 몇몇 섹션에서 또는 그 길이의 대부분에 걸쳐 또는 전체적으로 기판 외부에 배열되는데, 특히 그로부터 이격된다. 광섬유 광도파로는 또한 기판의 재료에 연결되지 않고, 예를 들어 기판의 리세스 내에서 기판의 재료 외부로 연장할 수 있다.
기준 아암의 적어도 일부는 또한 측정 아암으로부터 제2 기판을 통해, 제2 기판 상에서, 또는 적어도 섹션에서 기판으로부터 분리 또는 차폐 또는 이격된 기판 부분 내에 또는 상에서 연장될 수 있다.
이 경우에, 기준 아암 또는 제2 기판 또는 부분 기판은 공기 간극 또는 배리어에 의해 적어도 섹션에서, 기판으로부터 분리될 수도 있다. 배리어를 위한 가능한 물질은 기판 재료보다 더 연성이거나 덜 강성이고 예를 들어, 플라스틱, 엘라스토머, 유기 재료, 직물, 종이 또는 발포체로 이루어지는 것들일 수 있다.
어느 경우든, 예를 들어, 기준 아암의 광학 길이의 적어도 10%, 특히 적어도 20%, 더 구체적으로 적어도 30%가 측정 아암과 동일한 기판 또는 측정 아암으로부터 적어도 2 mm, 특히 적어도 5 mm, 더 구체적으로 적어도 8 mm 이격되어 있는 다른 기판의 영역에 위치될 수도 있다. 기준 아암의 이 영역은 측정 아암보다 측정 표면으로부터 더 멀리 이격하여 있을 수도 있다. 굴절 아암의 상기 부분은 유리하게는 열파 및/또는 압력파에 의해 도달되지 않거나, 또는 측정 아암이 위치되어 있는 영역보다 적어도 덜 영향을 받는 영역에 위치될 수도 있다.
측정 아암과 기준 아암이 적어도 부분적으로 상이한 재료로 구성되면, 검출 광을 측정 아암과 기준 아암에 걸쳐 분할하기 위한 빔 스플리터가 제공될 수도 있다. 이 빔 스플리터는 기판에 일체화되거나 기판과 별도로 제공될 수 있다. 빔 스플리터는 일체형 광도파로 및 광섬유 케이블에 걸쳐 또는 2개의 일체형 광도파로 또는 2개의 광섬유 케이블에 걸쳐 검출 광을 분배하도록 설계될 수 있다.
측정 아암과 기준 아암의 배열 및 서로로부터의 거리에 무관하게, 측정 아암과 기준 아암은 상이한 재료로 적어도 부분적으로 또는 완전히 제조될 수도 있고, 기준 아암의 재료는 그 굴절률이 측정 아암의 재료의 굴절률보다 적은 정도로 열파 및/또는 압력파의 효과에 의해 영향을 받도록 선택된다. 이는 예를 들어, 측정 아암과 기준 아암에 대해 상이한 원료를 선택함으로써, 또는 측정 아암 및 기준 아암 내에 동일한 원료의 상이한 도핑에 의해 달성될 수 있다. 기준 아암 길이의 적어도 일부에서 검출 광이 유체, 특히 가스, 예를 들어 공기 또는 질소 또는 투명한 액체를 통과하는 것이 또한 제공될 수도 있다.
링 공진기 또는 다른 광도파로 공진 요소가 검출 디바이스로서 사용되면, 이는 측정 표면에 평행한 평면에 배열될 수도 있다. 이는 링 공진기의 모든 섹션이 링 공진기에 입사하는 측정 표면으로부터의 온도파 및/또는 압력파의 효과에 가능한 한 균일하게 노출되는 것을 의미한다. 링 공진기 또는 다른 공진 요소가 독점적으로 또는 간섭계와 조합되어 검출 디바이스로서 사용되면, 단일 링 공진기 또는 공진 요소 대신에, 복수의 광학적으로 캐스케이딩된 또는 병렬로 연결된 링 공진기 또는 공진 요소가 요구되는 바에 따라 주파수 응답을 성형하는 데 사용될 수도 있다. 동작 점(들)은 온도 제어에 의해 또는 링 공진기/공진 요소의 기계적 압력을 조정함으로써 조정될 수 있다. 동작 점은 최대 온도 또는 압력 감도 또는 온도 또는 압력과 공진 링/공진 요소의 광 강도 사이에 단조 의존성을 갖는 최대 측정 범위가 생성되도록 설정될 수 있다.
물질을 분석하기 위한 디바이스는 검출 디바이스에 의해 검출된 검출 광의 강도의 변화를 결정하고, 이로부터 여기 빔의 파장의 함수로서 흡수 강도를 결정하는 평가 디바이스를 포함할 수도 있다. 여기 빔의 변조로 인해, 검출 광 강도는 측정될 열파 및/또는 압력파의 영향을 갖거나 갖지 않고 측정될 수 있고, 이들 값 사이의 차이 또는 비 또는 다른 관계 변수가 평가될 수 있다.
특히, 광도파로 공진 요소가 간섭 요소로서 제공되거나, 또는 이들이 열파 및/또는 압력파에 의해 연속적으로 도달되도록 측정 표면에 대해 배열되고 배향되는 측정 섹션을 갖는 2개의 측정 아암을 갖는 간섭계로서 제공되면, 평가 디바이스는 또한 검출 광의 강도의 경과 또는 시간 프로파일, 즉 굴절률을 변경함으로써 공진 요소의 디튜닝의 경과 또는 간섭계의 2개의 측정 섹션/측정 아암 내의 위상 편이의 경과가 열파 및/또는 압력파 또는 하나 이상의 파면이 그를 통과하는 동안 기록되는 이러한 방식으로 구성될 수도 있다.
특히 다수의 측정 섹션을 갖는 간섭계가 사용될 때, 이들 모두가 열파 및/또는 압력파에 노출되면, 위상 편이가 보상될 수 있어 검출 광 강도의 어떠한 변화도 관찰될 수 없게 된다. 그러나, 측정 아암/측정 섹션이 연속적으로 파동에 의해 도달되도록 위치설정되고/배향되면, 상이한 측정 섹션 상의 파동의 상이한 시간 편이 효과를 반영하는 검출 광의 강도 경과 또는 시간 프로파일이 발생할 것이고, 따라서 파동이 상이한 측정 섹션에 상이한 효과를 갖는 시간 세그먼트가 존재하기 때문에, 평가를 허용할 것이다.
광도파로 공진 요소의 경우, 통과 파의 진폭을 반영하는 검출 광의 강도의 시간 프로파일이 얻어진다. 변조된 여기 빔과 통과하는 결과적인 열파 및/또는 압력파의 경우, 적합한 파라미터, 예를 들어 검출 광의 강도의 주기적 변화의 진폭이 평가를 위해 사용될 수 있다.
광도파로 구조체, 특히 제1 광도파로 구조체의 간섭 디바이스는 적어도 몇몇 섹션에서 측정 본체에 견고하게 연결된 적어도 하나의 광섬유 케이블을 포함하는 것이 또한 제공될 수도 있다.
광섬유 케이블은 저비용으로 이용 가능하고, 그 가요성으로 인해 기존 요구 사항에 용이하게 적응될 수 있다. 그러나, 압력파 및/또는 열파에 의해 영향을 받기 위해 측정 본체와 접촉되어야 한다. 이를 위해, 광도파로는 기판/측정 본체에 접착 접합되거나 형상 맞춤 또는 가압 끼워맞춤 방식으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 광섬유 케이블은 기판의 클램핑 디바이스 내에 장착될 수 있다.
제1 광도파로 구조체의, 특히 제1 광도파로 구조체의 간섭 디바이스의 광도파로는 측정 본체의 기판에 일체화되고 또는 기판에 연결되고, 제1 광도파로 구조체는 절연 기판에 연결되거나 절연 기판에 일체화된 특히 적어도 하나의 실리콘 광도파로를 갖고, 특히 실리콘 광도파로는 또한 절연체, 특히 실리콘 산화물, 예를 들어 SiO2에 의해 적어도 부분적으로 커버되어 있는 것이 또한 제공될 수도 있다.
이 경우에, 예를 들어 기판 재료의 선택적 도핑에 의해 또는 산화물 층 또는 반응 생성물로부터의 다른 층의 형성에 의해, 상이한 굴절률의 영역이 생성될 수 있는 일체형 광학계의 공지의 수단을 사용하여 제1 광도파로 구조체가 기판 상에 구성될 수 있다. 이러한 일체형 광도파로 구조체는 실리콘 웨이퍼 내에 또는 상에 제공될 수 있다. 광도파로 구조체는 또한 폴리머 본체에 형성될 수 있다. 게다가, 일체형 광도파로는 예를 들어 재료 조합 GeO2-SiO2/SiO2, GaAsInP/InP, Ti:LiNbO3를 사용하여 형성될 수 있다.
게다가, 여기 빔이 특히 측정 본체의 측정 표면의 영역 또는 측정 표면에 이웃하는 영역 또는 측정 표면에 바로 인접한 영역에서 측정 본체의 재료를 통과하고, 여기 빔에 의해 관통된 측정 본체 또는 영역은 여기 빔에 대해 투명한 것이 제공될 수도 있다.
측정 본체의 투명도, 특히 또한 측정 본체의 코팅은 여기 빔 또는 여기 광빔의 파장 범위에서 제공될 것이다. 투명도는 또한 완전히 제공되지 않을 수도 있어, 여기 빔의 특정 흡수가 허용되어야 하게 될 것이다. 여기 빔에 의해 관통되는 측정 본체의 층은 이어서 가능한 한 얇게, 예를 들어 1 mm보다 얇게, 예를 들어 측정 표면의 영역에서 단지 얇은 층으로서 설계될 수 있다.
여기 빔이 제2 광도파로 구조체에 의해 측정 본체 내에 또는 측정 본체 상에 안내되는 것이 또한 제공될 수도 있다. 제2 광도파로 구조체는 이어서 여기 빔의 파장 범위의 광 또는 방사선을 가능한 한 무손실 방식으로 안내할 수 있는 이러한 방식으로 설계된다. 여기 빔은 제2 광도파로 구조체의 광도파로 내에 커플링되고 측정 표면의 영역에서 그로부터 디커플링되고 검사될 물질을 향해 지향된다. 빔 성형 광학 요소, 특히 포커싱 또는 시준 요소는 주입 점 및/또는 디커플링 점에 제공될 수도 있는데, 이는 광도파로 구조체와 별도로 제공되거나 일체화될 수도 있다. 제1 및 제2 광도파로 구조체는 개별적으로 제공되고 서로로부터 분리되고 이격될 수 있다. 그러나, 파동식의 선형성으로 인해, 이들은 또한 임의의 상호 작용 없이 서로 교차할 수 있어, 여기 빔과 검출 광의 모두에 의해 통과되는 광도파로 구조체 내에 영역이 존재하게 된다. 극단적인 경우에, 제1 및 제2 광도파로 구조체는 동일할 수 있고 여기 광빔 및 검출 광에 대해 필요한 주입 및 디커플링 점을 가질 수 있다. 여기 광에 대한 광도파로 구조체의 압력 및/또는 온도 변화의 반응이 검출되고 평가 중에 고려되는 것이 또한 가능하다. 여기 빔을 생성하기 위한 레이저 디바이스는 측정 본체에 일체화될 수도 있고, 레이저 디바이스의 전자 요소 중 적어도 하나 이상 또는 모두가 측정 본체의 기판 상에, 특히 일체형 광학 요소를 또한 지지하는 동일한 기판 상에 제공될 수 있다. 레이저 디바이스의 전기 요소 및 일체형 광학 요소는 결합 생산 프로세스에서 그리고/또는 일련의 연속적인 생산 단계에서 하나 이상의 연결된 기판 상에서 생산 또는 배열될 수 있다. 이는 극히 공간 절약적인 배열을 야기한다. 이 일체형 배열은 제2 광도파로 구조체가 여기 빔을 안내하기 위해 제공될 때 및 여기 빔이 측정 본체 내의 개구를 통해 분석될 물질을 향해 지향되는 경우의 모두에 제공될 수 있다.
레이저 디바이스와 분석될 물질 사이의 여기 빔은 측정 본체의 연속 개구를 통과하고, 개구는 특히 측정 표면의 전방에서 소정 거리에서 종료하거나 측정 표면을 관통하고 또는 측정 표면에 바로 인접하고 그리고/또는 그에 인접하는 영역에 배열되는 것이 또한 제공될 수도 있다.
이 경우에, 여기 빔은 개구 내에서 전파되고, 몇몇 경우에 측정 본체의 재료를 통과하지 않고 분석될 물질을 향하는 측정 본체 측면 상의 개구로부터 나온다. 측정 본체의 얇은 층은 또한 측정 표면의 영역 내에 적소에 남아 있을 수 있어, 개구가 완전히 통과하지 않고 측정 표면의 전방에서 소정 거리에서 종료하게 된다. 여기 빔이 조사되는 물질의 체적은 측정 표면에 인접하고 그와 접촉하고 또는 다른 적합한 방식으로 그와 커플링되어, 생성된 온도파 및/또는 열파가 적어도 부분적으로 측정 표면에 타격하고 그를 통해 측정 본체 내로 또는 검출 디바이스로 지향되게 되는 것이 중요하다.
측정 본체 내의 연속적 또는 거의 연속적인 개구는 직선 채널을 형성할 수 있지만, 이는 또한 곡선 또는 굴곡부를 갖는 채널을 형성할 수 있고, 여기 빔은 이어서 편향 또는 반사 요소에 의해 채널을 통해 안내될 수 있다. 개구는 측정 본체의 코팅을 통해 계속될 수 있지만, 또한 코팅에서 종료할 수 있어, 여기 빔이 코팅을 통해 안내되게 된다.
여기 빔이 측정 본체의 적어도 하나의 특정 층을 통과하면, 이어서 측정 본체의 재료가 여기 빔을 적어도 부분적으로 흡수하면, 여기 빔은 측정 본체의 온도 증가를 미리 생성할 수 있지만, 정밀하게 계산 가능한 것을 생성할 수 있다. 여기 광원의 주기적인 동작은, 몇몇 경우에 검출 디바이스에 도달하고 이에 의해 검출될 수 있는 열파가 측정 본체 내에 발생한다. 이 효과는 계산되어 유용한 신호로부터 감산될 수 있다.
여기 빔이 측정 본체의 외부 경계를 따라 직접 분석될 물질 상에 조향되고 측정 본체 옆에서 측정 표면의 연장부 내의 물질 내로 관통하는 것이 또한 제공될 수도 있다. 예를 들어, 간섭계와 같은 검출 디바이스의 제1 광도파로 구조체는 이어서 여기 빔이 측정 표면의 가상 연속부를 통과하는 영역 바로 옆에서 측정 본체에 제공될 수 있어, 거기서 물질로부터 나오는 열파 및/또는 압력파가 적어도 부분적으로 측정 본체에 진입하여 제1 광도파로 구조체에 도달하게 된다.
다른 실시예에서, 측정 본체는 편평한 본체로서, 특히 플레이트의 형태의 평면 평행 본체로서 형성되고, 특히, 측정 표면에 수직인 방향에서 측정 본체의 두께는 측정 표면에서 연장하는 방향으로 측정 본체의 최소 연장부의 50% 미만, 특히 25% 미만, 특히 10% 미만인 것이 제공될 수 있다.
이러한 디자인은 일체형 광학계를 위한 웨이퍼와 같은 편평한 기판의 사용으로부터 발생할 수 있다. 측정 본체의 요구 두께는 이어서 검출 디바이스에 요구되는 공간에 의해 제한된다.
다른 실시예는 측정 본체가 레이저 디바이스에 의해 조사된 여기 빔을 측정 표면 상에 반사시키기 위한 미러 디바이스를 포함하거나 이러한 미러 디바이스를 지지하는 것을 제공할 수 있다.
이는 레이저 디바이스가 레이저 디바이스 내의 여기 빔이 측정 표면에 수직으로 생성되지 않는 이러한 방식으로 정렬되면, 예를 들어 레이저 디바이스가 공간 절약 방식으로 측정 본체 옆에 설치되거나 그에 대해 소정 각도로 배향되면 특히 중요하다.
여기 빔은 측정 표면에 평행하게 또는 측정 표면에 대해 30도 미만, 특히 20도 미만, 더 특히 10도 미만 또는 5도 미만의 각도로 측정 본체 내로 배향되고, 여기 빔은 측정 표면을 향해 전환되거나 편향되고, 여기 빔은 특히 측정 표면 또는 측정 본체의 연속 개구의 영역에서 측정 표면의 가상 연속부를 통과하는 것이 또한 제공될 수 있다.
이 경우에, 여기 빔을 생성하기 위한 레이저 디바이스는 특히 공간 절약 방식으로 배열될 수도 있고 측정 표면에 평행하게 또는 측정 표면에 관한 전술된 얕은 각도 중 하나에서 여기 빔을 생성하고 또는 디커플링하는 이러한 방식으로 정렬될 수도 있다.
게다가, 고체 본체 또는 재료의 형태의 적어도 하나의 히트 싱크가 측정 표면으로부터 볼 때 검출 디바이스의 후방 및/또는 옆에서, 특히 그에 인접하고 열 접촉하여 측정 본체 내에 배열되고, 특히, 히트 싱크의 본체 또는 재료의 비열용량 및/또는 비열전도도는 검출 디바이스 및/또는 광도파로 구조체 및/또는 광도파로 구조체의 기판의 재료 및/또는 측정 본체가 구성되는 다른 재료의 비열용량 및/또는 비열전도도보다 큰 것이 제공될 수도 있다.
원리적으로, 열파에 의해 검출 디바이스 내로 도입되는 열을 가능한 한 신속하게 방산하기 위해 측정 본체 내에 또는 상에 히트 싱크를 제공하여, 심지어 여기 빔의 높은 변조 주파수에서도, 간헐적으로 조사된 열량 또는 이에 의해 생성된 온도 변화가 과거에 온도 변화에 의해 왜곡되지 않고 측정될 수 있게 하는 열에너지 평형 또는 온도 평형이 생성되게 되는 것이 유리할 수도 있다.
몇몇 용례에서, 특히 간섭 용례에서, 더 구체적으로 Mach-Zehnder 간섭계에서, 하나의 측정 아암을 온도 변화 또는 압력파에 노출시키고 다른 아암, 즉 기준 아암을 온도 변화 또는 압력파로부터 차폐하는 것이 또한 유리하다. 이를 위해, 측정 아암으로부터 기준 아암을 이격시키고 그리고/또는 검출 디바이스의 부분, 특히 간섭계의 기준 아암을 열파 및/또는 압력파의 효과로부터 적어도 부분적으로 차폐하는 배리어를 제공하는 것이 또한 유용할 수도 있다. 이러한 배리어는, 예를 들어 측정 본체 또는 측정 본체의 기판의 재료보다 낮은 열전도도를 갖는 재료로 이루어질 수도 있다. 재료는 또한 압력파의 기계적 디커플링을 제공하기 위해 측정 본체 또는 측정 본체의 기판의 재료보다 더 가요성이고 또는 탄성이고 또는 더 용이하게 변형 가능할 수도 있다. 배리어는 또한 가스 간극에 의해 형성될 수 있고, 이 간극은 예를 들어 에칭 또는 재료 제거 프로세스에 의해 또는 적층 제조 프로세스에 의해 기판 내에 도입될 수 있다.
Mach-Zehnder 간섭계의 기준 아암을 측정 아암으로부터 이격시키기 위해, 측정 아암과 기준 아암이 기판의 상이한 평면 내에 배열되는 것이 또한 제공될 수도 있고, 기준 아암이 위치되어 있는 평면은 측정 아암이 배열되어 있는 평면보다 측정 표면으로부터 더 먼 거리로 이격되어 있다.
온도 및/또는 압력 변화는 또한 검출 광이 적합한 조건 하에서 공진 상태로 전파되는 광도파로 공진 링에 의해 검출될 수 있다. 온도 및/또는 압력 조건이 변경되면, 공진은 굴절률의 변화에 의해 디튜닝되고 부분 또는 완전 상쇄가 발생한다. 이러한 공진 링은 Mach-Zehnder 간섭계의 것보다 이상적으로 훨씬 더 높은 감도를 갖는다. 이러한 공진 링은 또한 Mach-Zehnder 간섭계의 하나의 아암, 바람직하게는 측정 아암에 일체화될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 검출 디바이스의 광도파로 구조체는, 위상 편이가 측정 섹션을 통과하는 검출 광에서 발생하고 이어서 다른 섹션에서 검출 광의 결과적인 강도 변화가 압력파 및/또는 온도파의 함수로서 발생하도록, 특히 간섭계의 상이한 아암 상에 배열되고 굴절률이 압력 및/또는 온도 변화의 함수로서, 특히 압력파 및/또는 열파의 함수로서 변화하는 적어도 2개의 측정 섹션을 포함하고, 2개의 측정 섹션은 이들이 특히 서로에 대해 시간적으로 편이된 시간 간격에 또는 시간 지연을 갖고 여기 빔이 순차적으로 그를 관통하는 측정 표면으로부터, 특히 측정 표면의 영역으로부터 시작하여 측정 본체를 통해 전파하는 압력파 및/또는 열파에 의해 통과되는 이러한 방식으로 측정 본체 내에 배열되는 것이 또한 제공될 수도 있다.
여기 빔이 측정 표면을 통과하는 측정 표면의 영역으로부터 시작하여 측정 본체를 통해 전파하는 압력파 및/또는 열파는 초기에 측정 섹션의 제1 부분에 도달하고 그 통과 중에 거기서 굴절률을 일시적으로 변경한다. 이 수정된 굴절률이 활성화되는 시간 간격에서, 제2 측정 섹션을 통과하는(검출 광은 양 측정 섹션을 병렬로 통과함) 검출 광에 대한 제1 위상 편이가 생성된다. 이 위상 편이는 전술된 검출 광의 강도 측정에 의해 검출될 수 있다. 파동은 이어서 제2 측정 섹션에 도달하고 시간 간격 동안 거기서 굴절률을 또한 변경함으로써, 거기서 그 효과를 명백하게 한다. 2개의 시간 간격이 중첩하면, 위상 편이는 중첩의 기간 동안 적어도 부분적으로 중화된다. 그 후, 위상 편이가 제2 측정 섹션에서만 발생하면, 검출 광의 강도 변화의 효과가 다시 발생한다. 이 시간 프로파일은 평가 디바이스에 의해 기록될 수 있고, 이로부터 제1 측정 섹션 및 제2 측정 섹션 내의 굴절률의 변화가 결정될 수 있다. 굴절률의 결정된 변화는 분석될 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도의 척도인 온도 및/또는 압력의 변화에 기인할 수 있다. 이 경우, 그 광도파로 종축을 갖는 전술된 측정 섹션은 유리하게는 측정 본체에서 압력파 및/또는 온도파의 전파 방향에 횡방향으로, 특히 직각으로, 더 구체적으로 여기 빔이 그를 통과하는 측정 표면의 영역으로부터 볼 때 차례로 연장한다.
측정 섹션에서 검출 광의 위상 편이 변화의 크기 및 이로부터 굴절률의 변화를 결정하기 위해 광도파로 구조체 내의 검출 광의 강도 변화를 사용하는 평가 디바이스가 또한 유리하게 제공된다. 이 굴절률의 변화로부터, 측정 섹션 내의 압력 및/또는 온도 변화가 결정될 수 있고, 이로부터 분석될 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도가 결정될 수 있다.
본 발명은 또한 예를 들어, 전술된 유형의 디바이스를 위해 사용될 수 있는 센서이며, 측정 표면을 갖고, 온도파 및/또는 압력파를 측정하기 위한 측정 표면의 영역에서 물질과 적어도 부분적으로 커플링되고, 특히 접촉하게 되는 측정 본체를 갖고,
측정 본체에 적어도 부분적으로 일체화되거나 그에 연결되는 검출 디바이스를 갖고, 검출 디바이스는
· 가간섭성 검출 광을 위한 소스, 및
· 검출 광을 위한 소스에 연결될 수 있거나 연결되고 검출 광을 안내하는 제1 광도파로 구조체로서, 그 굴절률은 적어도 섹션에서, 온도 및/또는 압력에 의존하는, 제1 광도파로 구조체,
· 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 적어도 하나의 섹션으로서, 제1 광도파로 구조체는 간섭 디바이스, 특히 간섭계 및/또는 광도파로 공진 링 또는 다른 광도파로 공진 요소를 포함하는, 적어도 하나의 섹션, 및
· 간섭 디바이스 내의 또는 간섭 디바이스에서의 광 강도를 검출하기 위한 측정 디바이스를 포함한다.
본 발명에 따른 분석 디바이스의 온도 센서 디자인을 위해 본 출원에서 설명된 모든 특징은 또한 다른 목적, 특히 모든 설명된 배열, 디자인, 재료 선택, 제조 유형, 및 간섭계의 일체형 광학 공진 링 또는 측정 아암 및 기준 아암의 형상에 대해 분석 디바이스에 독립적으로 센서를 구현하는 데 사용될 수도 있다.
이 센서에 의해, 온도 변화 또는 압력파가 측정될 수 있는데, 이는 굴절률 변화에 의해 검출될 수 있다. 전술된 목적에 추가하여, 센서는 따라서 진동 측정, 예를 들어 지진 측정 또는 기계적 임펄스 측정에 또한 사용할 수 있다. 그 짧은 응답 시간으로 인해, 센서는 따라서 MEMS 센서와 같은 다른 센서가 이들의 관성으로 인해 사용될 수 없는 측정을 위해 정량화된다.
전술된 유형의 디바이스에 추가하여, 본 발명은 또한 이러한 디바이스를 동작하기 위한 방법에 관한 것으로, 변조된 여기 빔이 특히 측정 본체를 통해 분석될 물질을 향해 지향되고, 시간 광 강도 특성 또는 주기적 광 강도 변화가 검출 디바이스에 의해 검출되고, 이들은 제1 광도파로 구조체의 광 강도 변화를 측정함으로써 또는 제1 광도파로로부터 디커플링되는 광의 광 강도를 측정하고 획득된 데이터로부터 분석될 물질의 흡수 스펙트럼을 얻음으로써 여기 빔의 복수의 파장에 대해 검출되는 것이 제공된다.
이러한 방법에서, 측정은 여기 빔의 상이한 변조 주파수에 대해 수행되고 보정된 흡수 스펙트럼은 얻어진 흡수 스펙트럼의 조합으로부터 결정되는 것이 또한 제공될 수도 있다. 이는 결정될 검사중인 물질 내의 분석된 물질의 농도에 대한 깊이 프로파일링을 허용하고, 또는 특정 깊이 범위로부터의 간섭 효과는 수학적 조합 또는 상관에 의해 감소 또는 제거될 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 또한 특히 전술된 유형의 디바이스를 사용하여 물질을 분석하기 위한 방법을 또한 포함하고, 방법에서,
- 여기 전송 디바이스로, 적어도 하나의 여기 파장을 갖는 적어도 하나의 강도 변조 전자기 여기 빔이 생성되고, 여기 전송 디바이스는 적어도 하나의 전자기 여기 빔을 물질의 표면 아래에 위치된 물질의 체적 내로 조사하고,
- 제1 광도파로 구조체에서 광 강도의 형태의 응답 신호가 검출 디바이스로 검출되고,
- 물질은 검출된 응답 신호에 기초하여 분석되고, 여기서, 응답 신호, 특히 여기 빔의 상이한 파장에 대한 시간 응답 신호 파형이 결정되고, 여기 빔이 높은 강도를 갖는 각각의 변조 페이즈의 종료 후 응답 신호의 감쇠 거동으로부터, 여기 빔이 흡수되고 열파 및/또는 압력파가 생성되는 분석될 물질의 표면 아래의 깊이 프로파일에 대한 정보가 얻어진다.
- 여기 전송 디바이스의 상이한 변조 주파수를 사용하여, 복수의 응답 신호 파형이 결정되고
- 상이한 변조 주파수에서 복수의 응답 신호 파형이 서로 조합되고
- 물질의 표면 아래의 깊이 범위에 특정한 정보가 이들로부터 얻어지는 것이 또한 제공될 수도 있다.
특히, 압력 변화가 검출되는 경우, 검출 디바이스는 또한 여기 빔의 흡수에 의해 분석될 물질 내에서 생성되고 공지의 속도로(인간 조직 내에서, 대략 1500 m/s) 측정 표면 및 검출 영역으로 진행하는 음파의 형태의 응답 신호를 검출하는 데 사용될 수 있다. 여기 빔에 대한 변조 디바이스에 연결된 평가 디바이스에 의해, 응답 신호의 측정의 양호한 시간 분해능으로 인해 여기 빔의 변조와 응답 신호 사이의 위상 편이가 측정될 수 있고, 흡수가 발생하는 조직 내의 깊이가 결정될 수 있다. 신호는 종종 상이한 조직층으로부터의 상이한 응답 신호의 중첩이기 때문에, 신호는 물질의 상이한 깊이 및 그 연관 흡수 강도에 분포된 복수의 흡수 부위를 갖는 모델을 구축함으로써 해석되고, 뿐만 아니라 시간을 물질 표면에 통과시킬 수 있고, 여기서, 흡수 강도는 이어서 응답 신호 파형이 재구성될 수 있도록 시간 응답 신호 파형에 적합된다. 이로부터, 흡수 강도 및 따라서 물질 내에서 검출될 성분의 국부 농도가 결정될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 상이한 측정이 또한 상이한 변조 주파수에서 수행될 수 있고 상이한 변조 주파수에서의 응답 신호는 이들이 특히 먼지 및 각질 세포에 의한 오염으로 인해 에러에 취약하기 때문에, 특히 상부 조직층으로부터의 신호를 상쇄하거나 제거하기 위해 조합될 수 있다.
전술된 디바이스는 또한
- 측정 표면에 인접하여 그리고/또는 바로 인접하여 배열된 적어도 하나의 다른 검출 디바이스와 유리하게 조합될 수 있고, 다른 검출 디바이스는 압전 신호를 검출하기 위한 적어도 2개의 전극을 갖는 접촉 디바이스를 갖고, 상기 전극은 검출 영역의 상이한 측면에서 서로 대향하여 위치된다. 검출 영역에서, 특히 압전 효과로 인해, 온도 및/또는 압력 변화의 함수로서 그 전기 저항을 변경하거나 전기 신호를 생성하는 재료가 배열된다.
이 부가의 검출 디바이스는 예를 들어, 대안 방법으로서 온도 또는 압력을 측정하는 데 사용할 수 있는데, 여기서 이 측정은, 검출 디바이스에 의해 얻어진 측정을 다른 검출 디바이스로부터의 측정과 상관하기 위해, 주위 온도 또는 주위 압력에 대한 기준 측정으로 사용되거나 또한 분석될 물질로부터 방출되는 열파 및/또는 온도파를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
이하, 본 발명이 도면에 기초하여 더 상세히 예시되고 설명될 것이다.
도 1은 레이저 디바이스 및 검출 디바이스를 갖는 측정 본체의 개략 측면도를 도시하고 있다.
도 2는 측정 본체의 측면도를 도시하고 있다.
도 3은 다른 측정 본체의 측면도를 도시하고 있다.
도 4는 측정 본체 상의 제1 광도파로 구조체의 평면도를 도시하고 있다.
도 5는 측정 본체 상의 제1 광도파로 구조체의 다른 구현예의 평면도를 도시하고 있다.
도 6은 일체형 광도파로를 갖는 기판을 통한 단면도를 도시하고 있다.
도 6a 내지 도 6i는 간섭 디바이스를 갖는 하나 이상의 기판의 상이한 실시예를 도시하고 있는데, 여기서, 측정 본체의 해칭은 명료화를 위해 몇몇 도면에는 도시되어 있고 다른 도면에는 생략되어 있다.
도 6k는 위상 편이/굴절률 변화의 시간 프로파일이 압력파 및/또는 열파에 의해 상이한 측정 섹션을 통한 통과의 함수로서 측정될 수 있는 간섭 디바이스를 갖는 실시예를 도시하고 있다.
도 6l은 압력파 및/또는 열파의 통과 중에 측정 섹션에서 검출 광의 위상 편이의 시간 파형 또는 프로파일을 도시하고 있다.
도 6m은 물질 내로의 측정 본체의 외부 경계면을 지나는 여기 빔의 경로, 뿐만 아니라 간섭 디바이스의 위치를 도시하고 있다.
도 6n은 분석될 물질에 커플링하기 위한 음향 커플링 요소를 갖는 측정 본체를 도시하고 있다.
도 7은 일체형 광도파로를 갖는 다른 기판을 통한 단면도를 도시하고 있다.
도 8은 광도파로가 그 위에 접착되어 있는 기판을 통한 단면도를 도시하고 있다.
도 9는 여기 빔을 위한 연속적인 개구를 갖는 기판의 단면도를 도시하고 있다.
도 10은 여기 빔을 위한 다른 연속적인 개구를 갖는 기판의 단면도를 도시하고 있다.
도 11은 여기 빔을 위한 제2 광도파로 구조체를 갖는 기판의 단면도를 도시하고 있다.
도 12는 여기 빔을 위한 제2 광도파로 구조체의 다른 구현예를 갖는 기판의 단면도를 도시하고 있다.
도 13은 결과를 측정하기 위한 처리 디바이스 및 신호용 출력 디바이스를 갖는 물질을 분석하기 위한 디바이스의 개략도를 도시하고 있다.
도 14 내지 도 16은 여기 광원과 검출 광원 뿐만 아니라 검출기가 연결되고 일체형 광학 요소를 갖는 다른 기판이 삽입될 수 있는 기판을 갖는 장치를 도시하고 있다.
도 17은 제1 일체형 렌즈를 갖고 측정 표면 상에 배치된 핑거를 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 18은 제2 일체형 렌즈를 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 19는 제3 일체형 렌즈를 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 20은 제1 일체형 렌즈 및 여기 빔을 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 21은 제2 일체형 렌즈 및 여기 빔을 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 22는 제3 일체형 렌즈 및 여기 빔을 갖는 측정 본체의 단면도를 도시하고 있다.
도 23, 도 24, 도 25는 측정 본체 및 레이저 광원 또는 여기 광원, 특히 레이저 디바이스의 형태의 여기 광원을 갖는 다수의 장치를 도시하고 있는데, 여기서, 여기 광빔은 측정 본체의 기판 내에 일체화된 광도파로에 의해 측정 디바이스에 의해 측정 표면으로 안내된다.
도 1은 측정 본체(1)의 단면도를 도시하고 있는데, 그 내부 구조는 이 도면에서 상세히 설명되어 있지 않다. 측정 본체(1) 내에는, 가간섭성 검출 광이 검출 광원(5)에 의해 조사되는 제1 광도파로 구조체(6)가 개략적으로 도시되어 있다. 측정 디바이스(7)는 광도파로 구조체(6) 상에 작용하는 압력 또는 온도에 의존하는 제1 광도파로 구조체(6) 내의 광 강도를 검출하는 데 사용된다.
검출 광원(5)은 레이저 또는 레이저 다이오드로서 설계될 수 있고 측정 본체(1) 상에 배열되거나 고정될 수 있다. 검출 광원(5)은 또한 광섬유 케이블에 의해 제1 광도파로 구조체(6)에 유연하게 연결될 수 있다. 게다가, 검출 광원(5)은 반도체 요소로서 측정 본체(1) 내의 기판(여기에 도시되어 있지 않음)에 일체화되고 거기서 제1 광도파로 구조체에 연결될 수 있다.
측정 디바이스(7)는 또한 커플러에 의해 제1 광도파로 구조체(6)에 직접 연결될 수 있거나, 일체형 광도파로 또는 가요성 광섬유 케이블(여기에 도시되어 있지 않음)에 의해 그에 연결될 수 있다. 그러나, 측정 디바이스(7)는 또한 측정 본체에 일체화될 수 있고 반도체 요소로서 측정 본체(1)의 기판 상에 구현될 수 있다. 예를 들어, 측정 디바이스(7)는 감광성 반도체 요소로서, 예를 들어 포토다이오드로서 설계될 수 있다.
상기 구성요소에 추가하여, 측정 본체(1)의 절대 온도를 측정하기 위한 온도 측정 디바이스는 측정치의 평가에서 다른 센서의 시간 상수에 따라, 더 긴 시간 간격, 예를 들어 1/10초, 0.5초, 1초 이상에 걸쳐 측정된 평균 온도를 고려하도록 제공될 수 있다. 이는 예를 들어, 포토다이오드 또는 다른 반도체 광 센서의 온도 의존성이 보정되게 한다. 이는 예를 들어, 온도 보정에 의해 개선될 수 있는 측정 디바이스(7)에 의해 측정된 광 강도의 평가를 위해 유용할 수 있다. 대안적으로, 가열 또는 냉각 요소를 포함하고 측정 본체(1)를 일정한 온도로 유지하는 온도 안정화 디바이스(29)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 이 온도는 예를 들어, 20℃에서 고정될 수 있는 평균 온도에 대응할 수 있지만, 이는 또한 그 신체 조직 또는 체액이 측정될 것이고 따라서 대략 37℃ 또는 30℃(노출된 피부 표면)일 수 있는 환자의 평균 체온에 대응할 수 있다.
도 1은 양자 캐스케이드 레이저 또는 레이저 어레이로서 구현될 수 있는 레이저 디바이스(4)를 도시하고 있다. 양자 캐스케이드 레이저는, 그 파장에 대해, 특히 적외선 범위 내에서 적어도 부분적으로 파장 가변되고, 더 구체적으로 조절 가능하고, 특히 중적외선 범위 내에서 파장 가변되는 이러한 방식으로 설계될 수 있다. 레이저 디바이스(4)가 레이저 어레이로서 셋업되면, 어레이의 개별 레이저 요소는 특정 파장에서 파장 가변, 조정 가능 또는 고정될 수 있다. 개별 레이저 요소의 파장은 예를 들어, 분석될 물질에서 검출될 성분의 흡수 극대(absorption maxima), 즉 예를 들어 포도당의 흡수 극대의 파장에 대응하도록 설정될 수 있다. 본 명세서에 설명된 혈당 측정의 예를 위한 여기 빔의 파장은 바람직하게는 여기 빔이 포도당 또는 혈당에 의해 상당히 흡수되는 이러한 방식으로 선택될 수 있다. 이하의 포도당 관련 적외선 파장(진공 파장)이 포도당 또는 혈당을 측정하기 위해 특히 적합하고 응답 신호를 측정하기 위한 고정 파장으로서 개별적으로 또는 그룹으로 동시에 또는 연속적으로 설정될 수 있다: 8.1 ㎛, 8.3 ㎛, 8.5 ㎛, 8.8 ㎛, 9.2 ㎛, 9.4 ㎛ 및 9.7 ㎛. 게다가, 포도당에 흡수되지 않는 포도당 내성(glucose-tolerant) 파장이 존재하는 다른 물질을 식별하고 측정에 대한 이들의 영향을 제외하기 위해 사용될 수 있다.
그러나, 이 디바이스는 또한 예를 들어, 다른 생물학적 또는 화학적 물질을 검출 및 분석하는 데 사용될 수 있기 때문에, 검출될 물질의 흡수 극대가 또한 여기에 적용 가능하다. 레이저 어레이의 전송 요소의 수는 10 내지 20개 또는 10 내지 30개의 요소 또는 심지어 30개 초과의 전송 요소일 수 있다.
여기 빔 생성 디바이스 또는 여기 빔 전송 디바이스라고도 또한 칭할 수 있는 레이저 디바이스(4)는 변조된 레이저 빔을 생성하는 변조 디바이스(8)를 갖는다. 이 경우, 변조 디바이스(8)는 예를 들어, 레이저 디바이스(4)의 제어기 내에 배열될 수 있다. 예를 들어, 변조 주파수는 100 Hz 내지 수 메가헤르츠 또는 심지어 수백 메가헤르츠일 수 있다. 중요한 점은 제1 광도파로 구조체(6)가 적합한 응답 시간을 갖고 변조 주파수에 따라 입사되는 강도 변조 압력파 또는 열파에도 또한 응답할 수 있다는 것이다. 이는 이하에 더 상세히 설명되는 간섭 검출 디바이스를 사용할 때 해당한다.
레이저 디바이스(4)로부터의 광은 측정 본체(1)의 하부면으로서 도시되어 있는 측정 표면(2)을 통해 D로 표기되어 있고 분석될 물질(3)이 측정 표면(2)과 접촉하게 되는 영역 내로 여기 빔(10)으로서 입사된다. 물질(3) 내에서 여기 광빔(10)의 흡수 후에, 온도파 및/또는 압력파(21)가 물질로부터 측정 본체(1)로 안내되고 제1 광도파로 구조체(6)에 타격한다. 온도 및/또는 압력 변화는 측정 디바이스(7)에 의해 검출되고 처리 디바이스(23)로 통과되는 검출 광의 강도 변화를 거기서 야기한다. 처리 디바이스(23)는 여기 빔(10)의 변조와 동기적으로 신호를 증폭하는 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 갖출 수 있다.
선택적으로, 측정 본체(1)는 분석될 물질(3)이 직접 도포될 수 있는 측정 표면(2)의 영역에 코팅(22)을 구비할 수 있다. 이는 측정 본체(1) 내에 제공된 기판 재료를 보호하거나 제1 광도파로 구조체(6)에 대한 물질(3)의 기계적 및/또는 열적 커플링을 촉진하는 데 유용할 수 있다. 코팅(22)의 재료는 압력파 및 열파를 양호하게 전송하는 이러한 방식으로 설계되어야 한다. 이는 또한 여기 빔(10)에 대해 투명하도록 선택될 수 있다. 원리적으로 제1 광도파로 구조체(6)와 분석될 물질 사이에, 예를 들어 제1 광도파로 구조체(6)의 표면 상에 또한 제공될 수 있는 커버층(22)이 또한 측정 표면(2)에 도포된 물질과, 제1 광도파로 구조체(6) 내의 방사선의 직접적인 상호 작용, 또는 적어도 실제 광도파로 구조체(6) 외부의 이 방사선의 소멸부의 상호 작용을 방지하는 데 사용될 수 있는데, 이는 이러한 접촉이 제1 광도파로 구조체(6) 내의 방사선에 반동 효과(retroactive effect)를 미칠 수 있기 때문이다.
측정 본체가 측정 본체와 물질 사이에 삽입된 매체에 의해 물질 내에 생성된 파동을 흡수하는, 측정 본체와 분석될 물질의 음향 커플링이 또한 제공될 수 있다. 매체는 유체, 즉 기체 또는 액체 형태일 수 있어, 측정 본체와 물질 사이의, 예를 들어 측정 본체 내의 캐비티 또는 리세스의 형태의 거리가 제공될 수 있게 된다. 캐비티의 개구는 이어서 물질 상에 배치될 수 있어, 파동이 캐비티를 통해 측정 본체에 진입할 수 있게 된다. 캐비티의 벽, 즉 측정 본체의 외부면은 양호한 음향 커플링, 즉 임피던스 매칭을 생성하는 재료로 코팅될 수 있다. 이러한 음향 커플링은 도 6n을 사용하여 이하에 더 상세히 도시되고 설명된다.
도 2는 측정 본체(1)가 코팅(22)으로 커버되어 있는 트로프(trough)(24)를 형성할 수 있는 측면도를 도시하고 있다. 트로프(24)는 분석될 물질(3)이 이러한 영역의 측정 표면(2) 상에 배치될 수 있게 하도록 제공된다. 이는 디바이스의 사용자를 위한 배향을 제공한다. 게다가, 트로프는 신체의 부분, 예를 들어 핑거 패드가 측정 표면(2) 상에 배치될 때 기계적 안정화를 제공한다.
도 3은 트로프(24)가 코팅(22)이 두께가 감소되는 영역에 의해서만 형성되는 것을 대안적인 디자인으로서 도시하고 있다. 예를 들어, 측정 본체(1) 내에 제공된 기판(1a)은 처리되지 않고 편평한 평면 평행 본체로서 사용될 수 있다.
도 4는 측정 본체(1)의 부분일 수 있는 기판(1a)의 평면도를 도시하고 있다. 기판(1a)은 예를 들어 실리콘으로부터 편평한 평면 평행 본체로서, 특히 1 mm보다 얇을 수 있는 웨이퍼로서 형성된다. 그러나, 샌드위치 구조가 또한 다수의 웨이퍼 층 또는 하나 이상의 리세스, 특히 에칭된 영역을 갖는 더 두꺼운 웨이퍼를 포함하는 기판으로서 제공될 수도 있다. 간섭계의 형태의 광도파로 구조체(6)가 기판(1a) 상에 또는 내에 도포된다. 이는 예를 들어 실리콘 웨이퍼가 먼저 실리콘 산화물 층으로 커버되고 실리콘 광도파로가 이에 도포됨으로써 수행될 수 있다. 이들은 이어서 실리콘 산화물 층으로 커버될 수 있다.
기판(1a)은 이어서 예를 들어, 실리콘 또는 또한 폴리머 또는 유리로 마찬가지로 이루어질 수 있는 보호 또는 기능 층으로 일측 또는 양측에서 전체적으로 커버될 수 있다.
도시되어 있는 간섭계(12)는 Mach-Zehnder 간섭계로서 구현되고 측정 아암(12a) 및 기준 아암(12b)을 갖는다. 검출 광원(5)에 의해 생성된 검출 광은 제1 광도파로 구조체(6)의 입력 광도파로(6a)를 통해 빔 스플리터(6c)로 유도되고, 여기서 광은 측정 및 기준 아암(12a, 12b)을 각각 통과하는 2개의 부분 광빔으로 분할된다. 기준 아암(12b)은 유입 온도파 및/또는 압력파의 작용에 의해 기준 아암(12b)에 대한 임의의 영향을 가능한 한 제외하거나 감소시키기 위해, 측정 아암(12a)으로부터 적어도 1 mm 또는 적어도 2 mm 또는 적어도 5 mm 또는 적어도 8 mm의 최소 거리를 가질 수 있다. 측정 본체(1)는 이어서 분석될 물질로부터 방출된 온도파 및/또는 압력파가 주로 간섭계의 측정 아암(12a)에 도달하고 거기서 광도파로의 굴절률을 수정하는 이러한 방식으로 여기 광빔(10)에 대해 위치된다. 예를 들어, 간섭계의 2개의 아암은 측정 표면에 평행한 평면 내에 놓일 수 있지만, 또한 측정 표면에 수직으로 배향된 평면 내에 놓일 수 있다.
그 결과는 간섭계의 상이한 아암 내에서 진행하는 광빔 사이의 위상 편이인데, 이는 광빔이 위상 위치에 따라 제2 커플러(6d)에서 커플링될 때 검출 광의 상쇄 또는 부분 상쇄를 유도한다. 검출 광의 강도는 이어서 제1 광도파로 구조체(6)의 출력 광도파로(6b) 내에서 또는 그 단부에서 또는 커플링 점에서 측정 디바이스(7)에 의해 검출된다. 예를 들어, 검출 광은 가시 범위 또는 적외선 범위의 파장을 포함할 수 있다.
대안적으로, 간섭계 대신에, 검출 광을 커플링하기 위한 요소 및 디커플링 요소를 갖는 링 공진기 또는 플레이트 공진기와 같은 광도파로 공진 요소가 압력 및/또는 온도 변화를 위한 센서로서 사용될 수 있다.
도 5는 광도파로 공진 링(13)과 조합된 간섭 조립체의 변형예로서 간섭계를 도시하고 있다. 이는 간섭계의 측정 아암이 2개의 커플링 점(13a, 13b)에서 공진 링(13)에 커플링되는 것에 의해 구현된다. 공진 링(13)을 간섭계의 하나의 아암에 일체화함으로써, 장치의 상당히 더 높은 온도 감도가 달성될 수 있다.
도 6은 기판(1a)을 갖는 측정 본체(1)를 통한 단면도를 도시하고 있다. 제1 광도파로 구조체의 제1 광도파로(15)가 기판(1a) 상에 배열된다. 제1 광도파로(15)는 기판(1a) 상에 일체화될 수 있다. 측정 표면(2)으로부터 볼 때 광도파로(15) 후방에는, 그 위의 광도파로(15)에 평행하게 연장하고 측정 본체의 재료 내에 도입되는, 예를 들어 캡슐화되는 본체의 형태의 히트 싱크(20)가 제공된다. 히트 싱크(20)는 또한 광도파로(15)의 상부에 직접 놓일 수 있다. 히트 싱크(20)의 재료는 광도파로(15)의 재료 및/또는 기판(1a)의 재료 및/또는 기판(1a)이 커버되는 재료보다 더 높은 비열전도도 및/또는 더 높은 비열용량을 갖는다.
예를 들어, 제1 광도파로(15)는 간섭계의 측정 아암을 형성한다. 대응 기준 아암이 제2 광도파로(16)로서 구현되고 다른 기판(1b) 상에 일체화되는데, 이 다른 기판은 기판(1a)과 인접하여 생성되거나 그와 커플링되고 공통 측정 본체(1) 내에 캡슐화될 수 있다. 측정 표면(2) 사이, 특히 기판(1a)과 제2 광도파로(16) 사이에는, 열 배리어(30)가 배열되는데, 이는 적어도 섹션에서 그와 측정 표면 사이에서 제2 광도파로(16)에 평행하게 연장하고 측정 표면(2)을 통과하는 압력파 및/또는 온도파의 작용으로부터 이를 차폐한다. 대안적으로 또는 열 배리어(30)에 추가하여, 광도파로(16)는 가스 간극에 의해 측정 표면(2)의 영역으로부터 차폐될 수 있다. 이러한 가스 간극은 예를 들어 에칭 또는 다른 연마 프로세스에 의해 기판(1a) 내에 도입될 수 있거나, 기판(1a)이 측정 본체(1)와 함께 포팅되는 주조 화합물 내에 제공될 수 있다. 열 배리어(30)는 또한 압력파에 대한 배리어로서 본체의 형태로 구현될 수 있고, 이를 위해 광도파로(16)를 직접 둘러싸는 측정 본체(1)의 재료의 것보다 높은 가소성 또는 탄성을 갖는다. 다수의 경우에 그리고 간섭 요소의 작은 크기로 인해, 기판 내에, 예를 들어 기판(1a) 또는 기판(1b) 내에 에칭된 트렌치에 의해 열 배리어를 구현하는 것이 유용할 것이다. 예를 들어, 열 배리어는 측정 본체 또는 기판(1a, 1b)의 포팅 재료의 것보다 상당히 낮은 압력파 또는 열파에 대한 전도도를 갖는다.
도 6a 내지 도 6g는 간섭 디바이스의 다양한 실시예를 도시하고 있는데, 실시예의 각각에서, 측정 아암 및 기준 아암은 굴절률의 변화에 관하여 기준 아암에 대한 온도파 및/또는 압력파의 효과가 측정 아암에 대한 효과보다 작은 이러한 방식으로 설계된다. 이는 몇몇 경우에 기준 아암을 측정 아암보다 측정 표면(2)으로부터 더 먼 거리에 위치설정함으로써 달성된다. 몇몇 경우에, 기준 아암과 측정 표면(2) 사이에 장애물 또는 배리어가 제공된다. 다른 경우에, 기준 아암은 기판으로부터 디커플링되거나 이격되고, 반면 측정 아암은 열전도 및/또는 견고한 기계적 커플링으로 기판에 연결된다.
도 6a는 광도파로(15a)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16a)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 빔 분할기 또는 스플리터는 35로 표기되고, 반면 측정 아암 및 기준 아암의 빔이 재조합되는 커플러는 36으로 표기된다. 기준 아암은 길이(L)에 걸쳐 측정 아암으로부터 거리(D)에서 측정 본체(1)의 중앙 영역에 유도된다. 기준 아암은 측정 표면(2)으로부터 이격하여 지향하는 측정 아암의 측면에 배열되고, 따라서 양(D)만큼 측정 아암보다 측정 표면(2)으로부터 더 이격하여 있다.
도 6b는 광도파로(15b)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16b)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 여기서도, 이하의 도면들에서와 같이, 검출 광을 측정 아암(15b)과 기준 아암(16b) 상에 분배하는 빔 스플리터는 35로 표기되고 커플러는 36으로 표기된다. 스플리터 및 커플러는 별개의 광학 요소로서 또는 측정 본체(1)의 기판 내에 일체화된 요소로서 형성될 수 있다.
기준 아암(16b)은 적어도 양(D)의 측정 아암(15b)으로부터의 거리에서 측정 본체(1)의 중앙 영역에 유도된다.
측정 아암과 기준 아암 사이에는, 여기에 또한 도시되어 있지 않은 배리어가 제공되는데, 이는 열파 및/또는 압력파를 기준 아암으로부터 이격하여 유지한다.
측정 아암은 측정 아암이 적어도 섹션에서, 루프로 연장하고 그리고/또는 나선형 또는 사행형 형상을 갖기 때문에 기준 아암의 길이보다 큰 길이를 또한 가질 수도 있다. 그러나, 기준 아암이 적어도 섹션에서 루프로 연장하고 그리고/또는 나선형 또는 사행형 형상을 갖는 것이 또한 제공될 수도 있다. 측정 아암 및/또는 기준 아암의 루프, 나선부 또는 사행형 섹션은 확실히 측정 표면(2)에 평행한 평면 내에서 연장할 수 있지만, 또한 측정 표면(2)에 수직인 평면 내에서 연장할 수 있다.
도 6c는 광도파로(15c)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16c)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 측정 아암은 고체 재료(37)에 의해 측정 본체(1)의 기판의 개구 내에 주조되거나 접착되는 광도파로로서 연장된다. 재료(37)는 가능한 한 짧은 지연으로 열파 및/또는 압력파를 전도하기 위해 적합하다. 예를 들어, 재료(37)는 수지 또는 폴리머일 수 있다. 광도파로(15c)는 예를 들어, 광섬유 케이블일 수 있다. 기준 아암을 형성하는 광도파로(16c)는 그에 대한 견고한 커플링 없이 측정 본체(1)를 따라 연장할 수 있고 광섬유 케이블로서 구현될 수 있다.
도 6d는 광도파로(15d)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16d)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 광도파로(15d)는 일체형 광도파로로서 측정 본체(1)의 기판에 일체화될 수 있다. 광도파로(16d)는 매립된 섹션 내의 측정 본체(1) 상에서 또는 내에서 재료(38) 내로 연장될 수 있고, 재료(38)는 측정 본체(1) 또는 측정 본체(1)의 기판의 재료보다 열파 및/또는 압력파를 덜 양호하게 전도하는 이러한 방식으로 구조화된다. 예를 들어, 재료(38)는 실리콘으로서, 일반적으로 엘라스토머 및/또는 발포체로서 형성될 수 있다.
도 6e는 광도파로(15e)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16e)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 양 광도파로(15e, 16e)는 특히 기판 내에 일체화되지만 배리어 층(39)에 의해 분리되어 있는 광도파로로서 측정 본체(1) 내에서 연장한다. 이는 측정 본체(1) 또는 측정 본체의 기판의 재료보다 열파 및/또는 압력파를 덜 양호하게 전도하는 재료로 이루어진다. 예를 들어, 배리어 층(39)은 실리콘으로서, 일반적으로 엘라스토머 및/또는 발포체로서 또는 연성, 예를 들어 열가소성 플라스틱으로부터 형성될 수 있다. 배리어 층(39)은 또한 적어도 몇몇 섹션에서 가스 간극으로서 구현될 수 있다.
도 6f는 광도파로(15f)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16f)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 측정 아암은, 예를 들어 측정 본체의 슬릿형 개구(40) 또는 측정 본체(1)의 기판과 측정 표면(2) 사이에 배열된다. 기준 아암은 측정 표면(2)으로부터 이격하여 지향하는 개구(40)의 측면에 배열된다. 개구는 블라인드 홀로서, 예를 들어 천공된 구멍으로서 또는 복수의 천공된 구멍으로서 구현될 수 있다. 측정 아암은 측정 아암이 적어도 몇몇 섹션에서, 루프로 그리고/또는 개구(40) 위로 나선형 또는 사행형 형상으로 연장하기 때문에 기준 아암의 길이보다 큰 길이를 또한 가질 수 있다. 그러나, 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 기준 아암이 적어도 몇몇 섹션에서 루프로 연장하고 그리고/또는 나선형 또는 사행형 형상을 갖는 것이 또한 제공될 수도 있다.
도 6g는 광도파로(15g)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16g)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 기준 아암은 측정 표면(2)으로부터 이격하여 지향하고 도면 평면에 수직인 측정 본체(1)를 통과하는 슬릿형 개구(41)의 측면에 배열된다. 개구(41)는 또한 하나 이상의 천공된 구멍으로서 구현될 수 있지만, 에칭 기술 또는 레이저 절단 또는 다른 연마 프로세스와 같은 기판을 형성하는 데 통상적으로 사용되는 기술로 도입될 수 있다. 이러한 기판은 또한 적층형 프로세스(3D 인쇄)로 형성될 수 있다. 측정 아암은 측정 아암이 적어도 섹션에서, 루프로 연장하고 그리고/또는 나선형 또는 사행형 형상을 갖기 때문에 기준 아암의 길이보다 큰 길이를 또한 가질 수도 있다. 그러나, 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 기준 아암이 적어도 섹션에서 루프로 연장하고 그리고/또는 나선형 또는 사행형 형상을 갖는 것이 또한 제공될 수도 있다. 루프, 나선부 또는 사행부는 각각 측정 표면(2)에 평행한 평면 내에서 연장할 수 있지만, 또한 측정 표면(2)에 수직인 평면 내에서 연장할 수 있다.
도 6h는 그 사이에 광파가 광도파로 공진 링의 형태의 공진 요소(17h)에 의해 커플링될 수 있는 2개의 광도파로(15h, 16h)를 도시하고 있다. 예를 들어, 광도파로(15h) 내에 커플링된 광파에 대한 광도파로(16h 또는 18h)에서 디커플링된 광파의 강도의 비에 의해 측정되는, 광도파로(15h) 내로 공급되고 광도파로(15h)로부터 광도파로(16h)로 또는 다른 광도파로 공진 링(19h)을 통해 광도파로(18h)로 운반/오버커플링된 광파의 강도는 광파의 파장이 공진 요소 또는 다수의 공진 요소의 공진 파장으로부터 얼마나 멀리 있는지에 의존한다. 압력파 및/또는 온도파는 굴절률의 변동에 의해 공진 요소/요소들을 디튜닝할 수 있어, 공진 요소/요소들이 효율적인 온도 및/또는 압력 센서를 나타내게 된다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 예를 들어 적어도 2개, 적어도 3개 또는 적어도 5개와 같은 복수의 이러한 요소는 또한 감도를 증가시키기 위해 직렬로 연결될 수 있다.
복수의, 예를 들어 적어도 2개, 2개 초과, 3개 초과 또는 5개 초과의 이러한 요소(17i, 19i)의 병렬 연결이, 도 6i에 도시되어 있는 바와 같이, 입력 광도파로(15i)와 출력 광도파로(16i) 사이에서 또한 고려 가능하다. 이는 또한 온도 및/또는 압력 측정의 감도가 제어될 수 있게 한다.
광도파로 공진 요소를 사용할 때, 검출 광의 강도의 시간 프로파일은 평가 디바이스에 의해 측정될 수 있고 이로부터, 압력파 및/또는 열파의 통과 중에 온도 또는 압력의 시간 프로파일 또는 파형이 측정될 수 있다. 변조를 사용할 때 주기적일 수 있는 시간 프로파일로부터, 분석될 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도가 결정될 수 있고 스펙트럼이 이로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 검출 광의 강도의 시간 프로파일 또는 파형은, 비활성화된 여기 빔을 갖는 강도로부터 활성화되고 변조된 여기 빔을 갖는 강도의 편차의 진폭 또는 평균값을 평가하는 데 사용될 수 있다.
도 6k는 도 6a와 유사하게, 광도파로(15a)의 형태의 측정 아암 및 광도파로(16a)의 형태의 기준 아암을 도시하고 있다. 빔 분할기 또는 스플리터는 35로 표기되고, 반면 측정 아암 및 기준 아암의 빔이 재조합되는 커플러는 36으로 표기된다. 기준 아암은 길이(L)에 걸쳐 측정 아암으로부터 크기(D)의 거리에서 측정 본체(1)의 중앙 영역에 유도된다. 기준 아암(16a)은 측정 표면(2)으로부터 이격하여 지향하는 측정 아암(15a)의 측면에 배열되고, 따라서 양(D)만큼 측정 아암보다 측정 표면(2)으로부터 더 이격하여 있다. 참조 번호 23은 커플러(36) 후방의 광 강도를 검출하여 평가하고 검출 광의 위상 편이 및 따라서 분석될 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도를 그에 할당하는 평가 디바이스를 지칭한다.
측정 본체 내부에는, 하나 이상의 히트 싱크 및/또는 하나 이상의 열 배리어가 배열되거나 이들 중 어느 것도 배열될 수 없어, 측정 본체(1)는 또한 균질하고 히트 싱크 또는 열 배리어가 없을 수 있다.
물질로부터 측정 표면(2)을 통해 측정 본체(1) 내로 전파되는 열파 및/또는 압력파는 먼저 간섭계의 제1 측정 섹션(측정 아암(15a))에 타격하고 거기서 검출 광의 위상 편이를 생성한다. 측정 본체 내의 파동의 전파 속도 및 거리(D)로부터 결정되는 시간 t 후에, 간섭계의 제2 측정 아암/기준 아암(16a)에서 위상 편이가 발생한다. 양 위상 편이가 일정 시간에 걸쳐 동시에 지속되면, 위상 편이가 상쇄되고 검출 광의 강도에 어떠한 변화도 생성하지 않는다. 파동이 단지 하나의 아암/측정 섹션(15a, 16a)에서만 작용하는 시간 간격 동안, 제1 아암 내의 검출 광에 이어서 다른 아암 내의 검출 광이 진상(lead)되거나 지상(lag)된다. 이 이벤트의 시퀀스의 시간 프로파일은 측정 본체 내의 파동의 공지된 전파 속도로 인해 예측 가능하다. 평가 디바이스(23)에 의해 검출된 검출 광의 강도의 변화의 크기는 열파 및/또는 압력파의 진폭 및 따라서 분석될 물질 내의 여기 광의 흡수 강도의 결정을 허용한다.
도 6l은 수평축의 시간에 대해 플롯된 수직축의 간섭 디바이스를 통과한 후의 검출 광의 강도 특성(I)을 도시하고 있다.
시간 t1에, 파동은 측정 아암(15a) 상의 측정 본체에 도달하여, 기준 아암(16a)을 통해 도달하는 광에 대한 검출 광의 위상 편이를 거기서 야기한다. 그 결과, 강도는 I1로부터 I2로 저하한다. 시간 t2에, 파동은 기준 아암(16a)에 도달하고, 여기서 동일한 크기 및 방향의 위상 편이를 또한 야기한다. 측정 아암에 대한 파동의 영향이 여전히 지속되기 때문에, 위상 편이가 상쇄되어, 간섭 디바이스의 상이한 아암으로부터의 광 구성요소의 어떠한 (부분) 상쇄도 발생하지 않게 된다. 검출 광의 강도는 t2 후에 다시 값 I1에 도달한다. 이어서, 위상 편이가 이제 단지 기준 아암(16a)에만 존재하기 때문에, t3 후에 강도가 감소하고, t4 후에, 즉 파동이 간섭 디바이스를 완전히 통과한 후에, 강도 I1이 다시 발생한다. I1과 I2 사이의 차이는 파동의 진폭 및 따라서 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 6m은 여기 빔 소스(4)로부터의 여기 빔(10)이, 양식화된 원에 의해 지시되어 있는, 거기서 흡수될 측정 본체(1)의 경계면을 지나 물질(3) 내로 관통하는 배열을 도시하고 있다. 거기로부터, 열파 및/또는 압력파가 방출되어 특히 측정 본체(1) 내로 그리고 간섭 디바이스(12)로 전파된다.
게다가, 여기 빔 소스(4')의 다른 위치가 지시되어 있는데, 그로부터 여기 빔(10')은 측정 본체(1)를 지나 물질(3) 내로 대각선으로 조사되고 측정 본체(1) 아래로 흡수된다. 이 경우, 파동의 훨씬 더 많은 부분이 측정 본체(1)와 간섭 디바이스에 도달한다. 광도파로에 의한 여기 빔의 안내가 또한 고려 가능하다. 다른 재료로 제조된 본체(점선에 의해 도시되어 있음)가 측정 본체(1)에 부착될 수 있는데, 이 본체는 예를 들어 여기 빔(10)에 투명하고 특히 측정 본체(1)의 재료보다 더 투명하다.
도 6n은 직접 물리적 접촉에 의해서 뿐만 아니라, 또한 고체 재료의 중간층 또는 유체층 또는 가스층과 같은 매체를 개재함으로써 측정 표면의 영역에서 측정 본체(1)가 분석될 물질과 커플링될 수 있는 것을 도시하고 있다.
도 6n은 또한 선택적으로 측정 표면(2) 상의 융기 에지(201)에 의해 둘러싸일 수 있는 측정 표면(2) 상의 리세스(200)의 특정 경우를 도시하고 있다. 캐비티를 생성하는 다른 방법은 측정 표면 상에 주연 융기 에지를 간단히 제공하는 것이다. 측정 표면(2)이 분석될 물질, 예를 들어 생명체의 신체 부분과 접촉하여 배치되면, 캐비티가 물질과 측정 본체 사이에 형성되는데, 이는 음향 커플링 요소를 형성한다. 압력파 및/또는 열파는 물질로부터 캐비티로 진입하고 기체 매체를 통해 측정 본체로 진입할 수 있으며, 여기서 파동이 간섭 요소(6)에 의해 검출될 수 있다. 간섭 측정 방법의 높은 감도로 인해, 파동은 따라서 또한 음향적으로 효과적으로 검출되고 그 강도가 측정될 수 있다.
여기 빔은 여기 빔 소스(4)로부터 캐비티(200)를 통해 분석될 물질로 직접 유도될 수 있다. 이를 위해, 측정 본체는 여기 빔을 위한 개구를 적어도 부분적으로 포함할 수 있고, 또는 여기 빔은 광도파로에 의해 측정 본체를 통해 안내될 수 있다. 여기 빔은 또한 측정 본체(1)의 재료를 통해 적어도 부분적으로 안내될 수 있다.
도 7은 간섭 장치의 광도파로(15, 16)가 측정 표면(2)을 지향하는 기판(1a)의 측면에 배열되어 있는 측정 본체(1)의 변형예를 도시하고 있다. 이 측면에서, 기판(1a)은 광도파로(15, 16)를 커버하고 보호하는 코팅(42)으로 커버된다. 이러한 배열에 의해, 간섭 장치의 측정 아암을 나타내는 광도파로(15) 중 적어도 하나는 물질(3)로부터의 온도파 및/또는 압력파에 의해 직접 도달될 수 있다. 기준 아암(16)은 도시되어 있지 않은 수단에 의해 압력파 및/또는 온도파의 효과로부터 차폐되어야 한다. 예를 들어, 기준 아암(16)은 측정 아암(15)으로부터 충분히 멀리 이격하여 위치되어 측정 아암보다 압력파 및/또는 온도파의 효과에 의해 상당히 덜 영향을 받을 수 있다.
도 8은 간섭 장치가 기판에 견고하게 연결된 광섬유 케이블(15', 16')로 실현되는 변형예를 도시하고 있다. 도시되어 있는 예에서, 연결은 접착제(14)에 의해 구현된다. 광도파로는 측정 본체/기판의 홈 내에서 연장할 수 있다.
도 9는 여기 광빔(10)이 직선으로 통과하여 분석될 물질(3)에 진입할 수 있는 천공된 구멍의 형태의 연속 개구(18)를 갖는 측정 본체(1)를 통한 단면도를 도시하고 있다. 측정 본체(1)가 그 이면에 코팅(22)을 구비하는 경우, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 코팅이 여기 빔(10)에 투명하면 개구(18)는 코팅에서 종료할 수 있다. 그러나, 개구(18)는 또한 코팅(22)을 완전히 관통할 수 있다.
예를 들어, 렌즈 또는 콜리메이터(31)의 형태의 빔 성형 요소가 개구(18)에 제공될 수 있다. 도 9에 도시되어 있는 여기 빔의 빔 안내는 도면에 도시되고 전술된 임의의 유형의 간섭 디바이스(도 9에 도시되어 있지 않음)와 조합될 수 있다.
도 10은 레이저 디바이스(4)가 여기 광빔(10)을 측정 표면(2)에 평행한 측정 본체(l) 내에 직접 조사하는 배열을 도시하고 있다. 측정 표면(2)을 향해 직각으로 굴곡된 연속 개구(18')가 측정 본체(1) 내에 제공된다. 방향 변경의 영역에서, 예를 들어 미러의 형태의 반사 요소(32)가 제공된다. 도시되어 있는 배열에서, 여기 광빔(10)은 직각으로 측정 표면(2)을 통해 분석될 물질(3)에 진입할 수 있다. 도 10에 도시되어 있는 여기 빔의 빔 안내는 도면에 도시되고 전술된 임의의 유형의 간섭 디바이스(도 10에 도시되어 있지 않음)와 조합될 수 있다.
도 11은 제2 광도파로 구조체(17)가 여기 광빔(10)을 안내하기 위해 제공되어 있는 측정 본체(1)를 통한 단면도를 도시하고 있다. 이는 측정 본체(1)의 기판 내에 일체화된 일체형 광도파로로서 설계될 수 있다. 제2 광도파로 구조체(17)는 여기 광빔(10)이 측정 표면(2)을 통해 수직으로 안내되도록 정렬된다. 그러나, 제2 광도파로 구조체(17)의 광도파로가 90° 미만, 예를 들어 70° 미만 또는 50° 미만의 각도로 측정 표면(1)에 지향되는 것이 또한 고려 가능하다. 레이저 디바이스(4)는 제2 광도파로 구조체(17)에 직접 또는 빔 성형 요소, 예를 들어 렌즈(도 11에는 도시되어 있지 않음)를 개재함으로써 커플링될 수 있지만, 가요성 광섬유 케이블이 또한 레이저 디바이스(4)와 제2 광도파로 구조체(17) 사이에 여기 빔(10)을 안내하기 위해 제공될 수도 있다. 도 11에 도시되어 있는 여기 빔의 빔 안내는 도면에 도시되고 전술된 임의의 유형의 간섭 디바이스(도 11에 도시되어 있지 않음)와 조합될 수 있다.
측정 표면(2)을 지향하는 제2 광도파로 구조체(17)의 일체형 광도파로의 단부에는, 빔 성형 요소, 예를 들어 렌즈(도 11에는 도시되어 있지 않음)가 또한 제공될 수 있다.
도 12는 여기 광빔(10)을 안내하는 제2 광도파로 구조체(17) 내의 더 복잡한 형상의 일체형 광도파로(17a)를 도시하고 있다. 여기 광빔(10)은, 예를 들어 측정 표면(2)에 평행하게 제2 광도파로 구조체(17)의 일체형 광도파로(17a) 내에 커플링되고, 측정 표면(2)을 통과하는 방향으로, 특히 직각으로 또는 90° 미만, 예를 들어 70° 미만 또는 50° 미만의 각도로 통과하는 것으로 이 일체형 광도파로(17a)에 의해 재지향된다. 기판(1a) 내에서, 변조 디바이스(8)가 제2 광도파로 구조체(17)의 영역에 일체화되는데, 이는 처리 디바이스(23)에 의한 여기 광빔의 강도 변조를 수행한다. 변조 디바이스(8)는 예를 들어, 제2 광도파로 구조체(17) 내에 또는 상에 배열된 압전 요소에 의해, 또는 제2 광도파로 구조체(17)의 투명도를 변조하는 가열 요소에 의해, 또는 여기 광빔(10)을 편향하기 위한 MEMS 미러 요소에 의해 구현될 수 있다.
여기 빔(10)을 안내하는 제2 광도파로 구조체(17)의 일체형 광도파로(17a)는 측정 표면에 평행하게 연장하는 섹션 및 특히 측정 표면(2)에 직각으로 측정 표면(2)을 향하는 방향으로 연장하는 섹션을 갖는다. 기판(1a)에 이러한 광도파로를 형성하는 것은 일체형 광학계의 분야로부터 수단을 사용하여 입증된 방식으로 가능하다.
도 13은 물질을 분석하기 위한 디바이스로 얻어진 측정 데이터의 처리를 개략적으로 도시하고 있다. 도 13의 좌측 부분에는, 여기 빔을 생성하기 위한 측정 본체(1) 및 레이저 디바이스(4), 뿐만 아니라 측정 디바이스(7)가 도시되어 있다. 측정 디바이스(7) 및 특히 또한 레이저 디바이스(4)는 마이크로제어기로서 또는 마이크로컴퓨터로서 구현될 수 있고 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 처리 디바이스(23)에 연결된다. 처리 디바이스에서, 측정 디바이스(7)에 의해 획득된 가변 광 강도의 측정 데이터는 변조된 여기 빔의 데이터, 즉 각각 방출된 파장 및 변조의 시간 파형과 조합되거나 상관된다. 3개의 도면이 상징적 형태로 도시되어 있으며, 그 중 위의 도면은 시간에 대해 플롯된 변조된 레이저 펄스를 도시하고 있고, 반면 중간 도면은 측정 데이터의 시간 파형을 도시하고 있다. 예를 들어, 여기 빔을 활성화/비활성화 또는 변조함으로써 열파 및/또는 압력파가 간섭 요소에 도달할 때마다, 요소는 굴절률의 변화에 의해 디튜닝되고, 또는 간섭계의 상이한 측정 아암의 파동 성분이 상쇄되거나 부분적으로 상쇄된다. 이는 간섭 요소를 통과한 후 검출 광의 강도를 변경한다. 이 시간 프로파일 또는 파형은, 분석될 물질 내의 여기 빔의 흡수 강도를 나타내는 것에 추가하여, 또한 물질 표면 아래의 상이한 깊이로부터의 신호의 혼합으로서 여기 빔의 각각의 변조 기간 동안 디바이스로 전송되고 통과 시간 차이로 인해, 각각의 레이저 펄스 후 측정 신호의 특정 감쇠 특성을 생성하는 신호의 혼합 특성을 또한 반영한다. 상이한 깊이로부터의 신호는 서로로부터 분리될 필요는 없지만, 이는 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 상이한 분석 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
제3 및 아래 도면은 측정된 광 강도가 일련의 스펙트럼에서 여기 광빔의 조사된 파장 또는 파수에 걸쳐 플롯되는 스펙트럼 플롯을 도시하고 있다.
예를 들어, 이들 데이터는 신체 조직 내의 또는 체액 내의 특정 물질의 농도의 측정으로부터 얻어지는 환자의 생리학적 값을 얻는 데 사용될 수 있다. 이에 대한 예는 신체의 부분 내의 포도당 농도를 측정하는 혈액 포도당 측정이다. 도 13에 따르면, 측정된 값 또는 전처리된 값은 통신 디바이스(25)에 의해 원격 컴퓨터 또는 분산 컴퓨터 시스템(클라우드)을 사용하여 비교될 수 있다. 예를 들어, 기준값이 측정된 값을 해석하기 위해 클라우드 또는 원격 컴퓨터로부터 가져오기될(imported) 수 있다. 기준값은 환자의 신원과 그/그녀에 대해 개별적으로 저장 및 검색될 수 있는 데이터에 기초할 수 있다. 이를 위해, 환자의 신원은 처리 디바이스(23)에 입력되어야 하거나 별도의 측정에 의해, 예를 들어 측정 디바이스에 일체화될 수 있는 지문 압력 센서에 의해 결정되어야 한다.
클라우드 내에서, 환자의 장소의 온도, 공기 압력 또는 공기 습도와 같은 환경 조건을 고려하는 것을 포함하여, 데이터를 다른 환자로부터의 측정값 또는 동일한 환자로부터의 이전의 측정값과 비교하는 것도 또한 가능하다. 이들 값을 획득하기 위한 센서는 본 발명에 따라 물질을 분석하기 위한 장치/디바이스에 일체화될 수 있다.
처리 결과로서, 처리 디바이스(23)는 제1 출력 디바이스(26)를 사용하여, 예를 들어, 최적, 좋음, 적당함, 별로임, 우려됨과 같은 정보의 형태 또는 컬러 또는 기호의 형태의 3개 또는 5개의 레벨로 경향 정보를 출력할 수 있다. 특정값 디스플레이를 허용하는 다른 출력 디바이스(27)에서, 측정된 값은 스크린 상에 또는 디지털 디스플레이 내에 출력될 수 있다. 게다가, 측정된 값 또는 측정된 값 경향은, 예를 들어 휴대폰과 같은 별개의 모바일 처리 디바이스에서 또한 실행될 수 있는 소프트웨어 모듈(28)에 출력될 수 있다. 이 유닛에서, 평가된 측정 결과는 이어서 예를 들어 섭취할 식사를 준비하거나 이용 가능한 식료품 및 식품의 양을 선택하는 데 사용될 수 있다. 또한, 특정 양의 특정 식품 소비에 대한 권장 사항이 만들어질 수 있다. 이는 예를 들어, 데이터베이스로부터 검색될 수 있고 특히 또한 전자 형태로 전송될 수 있는 준비 제안과 연계될 수 있다. 이 준비 명령은 또한 자동 식품 준비 디바이스로 송신될 수 있다.
일 실시예에서, 다른 환자 파라미터(예를 들어, 인슐린 보정 인자)에 따른 인슐린 투여량에 대한 제안 또는 인슐린 펌프의 형태의 투여 디바이스로의 자동 신호 전송이 디스플레이 디바이스/디스플레이(27) 또는 이에 병렬인 신호 디바이스를 통해 출력될 수 있다.
처리 디바이스(23)는 디바이스의 하우징(33)에 일체화될 수 있지만, 또한 예를 들어 모바일 컴퓨터 또는 모바일 무선 디바이스에 별도로 제공될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 무선 표준을 사용하여, 하우징(33) 내에 배열된 구성요소, 특히 측정 디바이스(7)와 처리 디바이스(23) 사이의 통신 인터페이스가 제공되어야 한다. 하우징(33)은 웨어러블 케이스로서, 예를 들어 또한 손목 시계(웨어러블)의 방식으로 사람의 손목에 착용될 수 있는 케이스로서 설계될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 디바이스는 또한 하우징 외부에 배열되고 측정을 위해 커플링되도록 설계될 수 있다. 커플링은 예를 들어 광섬유 케이블에 의해 그리고/또는 측정을 위한 측정 본체에 대해 하우징의 기준 표면에 레이저 디바이스를 적용하여 레이저 디바이스의 여기 빔을 적합하게 정렬함으로써 구현될 수 있다.
도 14는 예를 들어 레이저 디바이스, 특히 레이저 어레이의 형태의 여기 광원(4)을 지지하는 기판(100)의 평면도를 도시하고 있다. 게다가, 기판(100)은 검출 광의 강도를 측정하기 위한 방사선 감응성 반도체 구성요소의 형태의 검출 광원(5) 및 측정 디바이스(7)를 지지한다. 각각의 요소(4, 5 또는 7)는 또한 기판(100)의 반도체 구조체 내에 완전히 또는 부분적으로 일체화될 수 있거나 예를 들어 마이크로기계 제조 기술 및 도핑에 의해 그로부터 제조될 수 있다. 기판은 기판 내에 완전히 또는 부분적으로 일체화되거나 예를 들어, 광도파로를 충분히 정확하게 위치설정하는 V-홈 내에, 광섬유 케이블의 형태로 그에 고정되는 광도파로(101, 102, 103)를 포함한다. 광도파로(101)는 여기 광/여기 방사선을 안내하고, 반면 광도파로(102, 103)는 검출 광/검출 방사선을 안내한다.
기판(100)은 도 15에서 특히 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 광도파로(101, 102, 103)의 하나 이상이 다른 기판의 대응 연결 광도파로(도시되어 있지 않음)의 바로 전방에서 종료하는 이러한 방식으로 다른 기판(1a)이 끼워질 수 있어, 안내된 방사선이 다른 기판(1a)의 광도파로 내에 직접 커플링되고 이어서 그로부터 측정 디바이스/검출기(7)의 광도파로를 향해 디커플링될 수 있게 되는 정밀하게 마이크로기계식으로 끼워진 개구(105)를 갖는다. 커플링의 효율을 증가시키는 커플링 요소가 또한 이 목적으로 제공될 수 있다. 도 16 및 상응하는 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 기판(1a)은 이어서 측정 표면을 향해 여기 광을 안내하는 일체형 광도파로를 포함한다. 게다가, 기판(1a)은 일체형 연결 광도파로를 갖는 일체형 간섭 요소를 갖는다. 측정 표면은 기판(100, 1a)의 양측에 위치될 수 있다. 측정 표면이 도 15의 하부측에 위치되면, 윈도우(106)는 기판(100) 내의 연속 개구로서 개구(105) 내에 제공될 수 있다.
도 17은 도 18 내지 도 22와 같이, 제1 광도파로 장치(6)가 검출 디바이스의 부분으로서 매립되어 있는 기판(1a)의 단면도를 도시하고 있다. 해칭된 영역은 명확성을 위해 절단부에서 생략되어 있다. 측정 표면(2)은 각각의 도면에서 기판(1a)의 상부 부분에 위치된다. 예시의 목적으로, 도 17에서, 도 20에서와 같이, 인간 손가락(107)이 그 물질이 분석될, 측정 대상의 예로서 도시되어 있다. 손가락은 분석을 위해 측정 표면(2) 상에 배치된다.
도 17 내지 도 22는 그 재료가 적외선 영역에서 또는 일반적으로 여기 빔의 파장 범위에서 여기 빔(10)에 대해 투과성이거나 적어도 부분적으로 투과성인 기판을 각각 도시하고 있다. 예를 들어, 이는 적외선 범위에 대해 실리콘 기판에 적용된다. 따라서, 여기 빔은 기판 재료를 통해 또는 적어도 제한된 층 두께를 통해 측정 표면 상으로 그리고 이를 통해 측정될 물질 내로 지향될 수 있다. 이러한 경우, 여기 빔(10)을 위해 기판 내에 연속적인 개구를 제공할 필요가 없다. 여기 빔은 제1 광도파로 구조체(6)를 지나 또는 통해 지향될 수 있다. 측정 본체 내에서 여기 빔에 의해 진행된 거리의 일부는 또한 개구/캐비티 내부에 있을 수 있다. 이를 위해, 개구가 측정 본체의 적어도 몇몇 섹션에 제공될 수 있다. 예를 들어, 기판의 얇은 층이 이어서 측정 표면의 영역에 적소에 남아 있을 수 있다. 그러나, 측정 본체의 섹션에서, 기판의 재료보다 여기 빔에 대해 더 투명한 재료로 제조된 광도파로의 형태의 재료 인서트가 제공될 수도 있다.
도 17 내지 도 22 및 도 23 내지 도 25에는, 여기 빔 유닛의 안내를 위한 다양한 구성이 도시되어 있다. 검출 디바이스는 명확성을 위해 각각의 경우에 생략되어 있다. 물론, 검출 디바이스의 모든 설명된 디자인은 도 17 내지 도 25에 도시되어 있는 여기 빔 안내부의 디자인과 조합하여 구현될 수 있다.
측정 표면(2)에 대향하는 기판(1a) 또는 측정 본체의 측면에는, 렌즈(108, 108', 108")가 기판 내에 일체화되고, 특히 기판의 재료에 의해 형성되고, 예를 들어 연마 방법을 사용하여, 특히 에칭에 의해 기판의 재료로부터 추출된다.
가능한 렌즈 형상의 3개의 예가 도 17 내지 도 22에 도시되어 있는데, 제1 렌즈는 도 17 및 도 20에, 제2 렌즈는 도 18 및 도 21에, 제3 렌즈는 도 19 및 도 22에 도시되어 있다.
제1 렌즈(108)는 상시 굴절, 굴절 볼록 수렴 렌즈에 대응하고, 제2 렌즈(108')는 프레넬 형태(키노폼 렌즈)로 연마된 (굴절) 수렴 렌즈에 대응하며, 제3 렌즈는 동심 격자 구조체에서 회절에 의해 여기 빔(10)을 포커싱하는 회절 렌즈에 대응한다.
렌즈의 광축은 각각 측정 표면(2)에 수직으로 위치될 수 있어, 여기 광원은 기판(1a)을 통해 직접 직선으로 방사될 수 있게 된다. 그러나, 광축은 또한 기판에 대해 소정 각도로 여기 광원의 잠재적으로 공간 절약적인 위치설정을 허용하기 위해 측정 표면(2)에 수직에 대해 경사질 수 있다.
도 20, 도 21 및 도 22는 여기 빔(10) 및 분석될 물질 상에 포커싱된 포커싱 빔(10a)을 갖는 기판(1a) 상의 렌즈 형상(108, 108', 108")을 각각 도시하고 있다.
도 17 내지 도 22에서, 간섭 요소는 각각의 경우에 측정 표면 부근에서 기판에 제공되지만, 이들 도면에서 주요 의도는 여기 빔(10)의 빔 안내를 도시하는 것이다.
도 23은 센서층(1')을 갖는 측정 본체(1)를 단면도로 도시하고 있는데, 여기서 여기 빔(10)은 레이저 장치(3)로부터 광도파로(126) 내로 지향되고, 이는 측정 본체(1)를 통해 층(1')으로 통과한다. 광도파로(126)는 또한 측정 표면(2)까지 층(1')을 통해 연장될 수 있지만, 층(1')이 여기 빔(8)을 위한 슬롯을 갖거나 여기 빔(8)이 층(1')의 재료를 통과하는 것이 또한 제공될 수도 있다. 또한, 도시되어 있는 예시적인 실시예에서 측정 본체(1)를 형성하는 기판의 특정 층 두께는 측정 표면의 전방에서 또는 층(1')의 전방에서 적소에 남아 있고 여기 빔(10)에 의해 횡단될 수 있다. 예를 들어 측정 표면(2)에 바로 인접하고 그리고/또는 층(1') 내에 있는 측정 표면(2)의 영역에서, 렌즈(140)가 검사될 물질의 점에 여기 빔(10)을 포커싱하도록 제공될 수 있다. 광도파로(126)는 레이저 디바이스(4)로부터 측정 표면(2)까지 직선으로 연장하고 층(1') 내의 또는 기판(1) 내의 상세히 도시되어 있지 않은 간섭 요소에 의해 형성된 검출 디바이스를 통과한다. 광도파로는 또한 예를 들어, 레이저 디바이스(4')가 측정 본체의 측면에 위치되면(도 25 참조), 측정 본체(1)의 표면을 따라 부분적으로 또는 완전히 연장할 수 있다. 도 23에서, 광도파로(127)는 먼저 측정 본체의 표면에서 또는 표면 상에서 그 길이의 제1 부분에서 레이저 디바이스(4')로부터 연장하여, 이어서 광도파로(126)와 같이, 그 길이의 제2 부분에 걸쳐 측정 본체를 계속 통과한다. 광도파로의 방향 변경의 영역에서, 여기 빔은 예를 들어 미러에서 반사될 수 있거나, 광도파로가 거기서 굴곡될 수 있다. 이러한 광도파로(126, 127)는 제조 기술에 의해(예를 들어, SOI - 실리콘 온 절연체 기술을 사용하여) 또는 예를 들어 접착 접합에 의해 그에 연결된 광섬유 케이블의 형태로 측정 본체(1)의 재료에 일체화될 수 있거나, 또는 광도파로는 그 길이의 일부에 걸쳐 일체화될 수 있고 그 길이의 다른 부분에 걸쳐 광섬유 케이블로서 구현될 수 있다.
그러나, 광도파로 디자인의 2개의 상이한 변형예에서 도 24로부터 볼 수 있는 바와 같이, 만곡형 광도파로(133, 134)가 또한 제공될 수 있는데, 이는 레이저 디바이스가 제공되어 있는 측정 본체(1) 상의 위치로부터 측정 표면(2)을 향해 여기 빔(10)을 안내한다. 광도파로(133, 134)의 경로가 비교적 자유롭게 성형될 수 있다는 사실은 여기 빔에 의해 관통된 영역과 검출 영역 사이에 최소 거리가 유지될 수 있게 한다. 여기 빔(10)은 또한 측정 표면(2)의 표면 법선에 대해 0도 내지 60도, 특히 0 내지 45도의 각도로 측정 표면(2)을 타격하고 그를 통과할 수 있다.
분석될 물질 내로의 낮은 관통 깊이로 인해, 경사 조사 방향에도 불구하고, 여기 빔(10)이 그와 상호 작용하는 물질의 영역은 예를 들어 간섭 요소의 형태일 수 있는 검출 디바이스 바로 아래에 놓인다. 예를 들어, 만곡형 광도파로(133, 134)의 적어도 몇몇 섹션은 측정 본체(1)의 천공된 구멍 또는 유사한 리세스에 광섬유 케이블로서 배치될 수 있고, 여기서 이들은 적소에 접착되거나 포팅된다.
도 25로부터 볼 수 있는 바와 같이, 광도파로(135, 136, 137, 138)는 또한 예를 들어 다수의 방향으로 그리고/또는 측정 본체(1)의 1개, 2개 또는 3개의 상이한 서로 인접한 표면을 따른 2개 또는 3개의 서로 수직인 방향으로 유도되는 여기 빔(10)을 안내하기 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 광도파로(135, 136, 137, 138)는 도 23 및 도 24에 도시되어 있는 광도파로와 같이, 각각의 측정 본체(1)에 일체화될 수 있다. 측정 본체의 표면에서, 이는 SOI 기술로 또는 측정 본체(1)의 재료에 따라, 관련 고상 제조 기술로 특히 구현이 간단하다. 이를 위해, 광도파로는 실리콘 기판에 합체될 수 있는데, 이는 실리콘 산화물 층 또는 다른 층에 의해 기판으로부터 커버되고 분리된다. 이를 위해, 적합한 리세스가 먼저 기판 내에 에칭되거나 스퍼터링될 수 있어, 이어서 커버 및 광도파로의 재료를 적합하게 퇴적한다. 이 경우, 예를 들어, 광도파로의 커버는 광도파로가 측정 본체(1)를 넘어 돌출하지 않도록 측정 본체의 표면과 동일한 높이로 정렬될 수 있다. 측정 본체의 표면을 따른 광도파로(135, 136, 137, 138)의 경로는 여기 빔과 검출 디바이스의 임의의 상호 작용을 방지한다. 마지막 광도파로(138)는 이어서 여기 빔(10)이 분석될 물질(3)에 진입해야 하는 영역에서 종료한다. 광도파로(138)의 단부에서, 여기 빔을 물질(3) 내로 지향하는 요소, 예를 들어 미러가 거기에 제공될 수 있다.
도면의 우하부 섹션의 영역(142)에서 도 25에 도시되어 있는 상세는, 광도파로(138)가 또한 측정 표면(2) 상에 대각선으로 이어지는 측정 본체(1)의 홈(점선으로 도시되어 있음) 내에 배열될 수 있어, 광도파로의 종축이 측정 표면(2)을 통해 홈의 저부(141)에 평행하게 그리고 분석될 물질(3) 상에 배향되게 된다.
본 특허 출원은 (서두에서 이미 언급된 바와 같이) 청구범위의 주제 및 전술된 예시적인 실시예에 추가하여 이하의 양태에 관한 것이다. 이들 양태 또는 그 개별적인 특징은 개별적으로 또는 그룹으로 청구범위의 특징과 조합될 수 있다. 양태는 또한 단독으로 취해지거나 서로 또는 청구범위의 주제와 조합되건간에, 독립적인 발명을 구성한다. 본 출원인은 이후에 이들 발명을 청구범위의 주제로 만들 권리를 보유한다. 이는 본 출원의 범주 내에서 또는 본 출원의 우선권을 주장하는 후속의 일부 출원 또는 후속 출원의 맥락에서 발생할 수도 있다.
양태:
1) 신체 내의 물질을 분석하기 위한 방법이며,
- 신체의 표면의 제1 영역을 통해 하나 이상의 특정 여기 파장을 갖는 여기 광빔(여기 빔)을 방출하는 단계,
- 특히 순차적으로, 기계적, 전기적 또는 광학적 초퍼에 의해, 특히 여기 광원, 여기 광원 또는 가동 미러 디바이스로서 작용하는 여기 레이저의 공진기를 위한 조정 디바이스, 제어 가능 회절 디바이스, 스텝퍼 모터와 같은 모터 또는 MEMS에 커플링된 셔터 또는 미러 디바이스, 또는 응답 신호의 전송 또는 반사, 및 시간 분해 검출에 관하여 제어될 수 있는 빔 경로 내의 층의 전자 활성화에 의해, 하나 이상의 주파수를 갖는 여기 광빔의 강도 변조 단계를 포함하고,
- 신체 외부에 배열된 검출 디바이스에 의해, 응답 신호가 신체 내의 여기 광빔의 파장 의존성 흡수 및 검출 디바이스로의 온도파 및/또는 열파의 방출의 효과로 인한 것인, 방법.
검출 디바이스는 예를 들어, 검출 영역을 갖는 광학 매체/측정 본체를 포함할 수도 있고, 검출 영역은 특히 측정 표면(이는 분석될 물질과 접촉하는 측정 본체의 경계면에 대응함)에 인접하거나 바로 인접하고 압력 또는 온도 변화의 경우에, 그 굴절률을 변경함으로써 측정 본체를 통과하는 검출 광빔에 영향을 미친다. 특히, 검출 광의 강도는 압력 및/또는 온도의 변화에 의해 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 검출기/검출 디바이스는 특히 "실리콘 온 절연체" 기술에서 기판 상에 일체화된 광도파로를 가질 수도 있다. 예를 들어, 실리콘이 광도파로를 위해 사용된다. SiN의 사용이 또한 가능한데, 여기서, 광도파로는 Si 또는 SiN의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 실리콘 산화물에 의해 적어도 부분적으로 커버되어야 한다.
변조는 일 실시예에서 간섭에 의해 또는 특히 이것이 레이저 광 디바이스를 포함하면, 여기 전송 디바이스의 방사선의 위상 또는 편광을 조작함으로써 수행될 수 있다. 변조는 또한 측정 본체의 부분 또는 요소이고 그 전송 또는 반사 특성 또는 반사율이 압전 요소 상의 전압 제어기에 의해 제어될 수 있는 능동 동작식 압전 요소를 제어함으로써 수행될 수 있다. 응답 신호는 예를 들어, 반사된 측정 빔의 강도 또는 편향각 또는 압전 효과로 동작하는 검출기의 전압 신호일 수 있다.
2) 양태 1에 있어서, 여기 광빔/여기 빔은, 동시에 또는 순차적으로 또는 펄스 패턴으로, 및 또한 교대로 상이한 파장에서 광을 방출하는, 특히 레이저 어레이의 형태의 복수의 이미터 또는 멀티 이미터에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
3) 양태 1 또는 2에 있어서,
- 측정 본체의 표면(예를 들어, 측정 표면)의 적어도 하나의 영역이 신체의 표면의 제1 영역과 접촉하도록 광학 매체/측정 본체와 신체의 물질 표면 사이의 접촉을 생성하는 단계;
- 특히 물질 표면의 제1 영역과 접촉하는 광학 매체의 표면의 영역을 통해, 표면의 제1 영역 아래에서 물질 내에 위치된 체적 내로 여기 파장을 갖는 여기 광빔을 방출하는 단계,
- 광학적 방법에 의해 측정 본체의 표면의 제1 영역에서 온도 또는 온도 변화 및/또는 압력 변화를 측정하는 단계,
- 여기 광빔의 파장의 함수로서 검출된 온도 증가를 사용하여 물질을 분석하는 단계를 포함하는, 방법. 이 프로세스는 상이한 변조 주파수에 대해 1회의 측정 중에 수행될 수 있고 상이한 변조 주파수에 대한 결과는 조합될 수 있다.
4) 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 검출 광빔은 여기 광빔을 생성하는 동일한 광원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
5) 양태 1 또는 상기 또는 하기의 다른 양태 중 어느 하나에 있어서, 여기 광빔은 특히 적외선 스펙트럼 범위에서 강도 변조된, 특히 펄스화 여기 광빔이고, 변조율은 특히 1 Hz 내지 10 kHz, 바람직하게는 10 Hz 내지 3000 Hz인 것을 특징으로 하는 방법.
6) 양태 1 또는 상기 또는 하기의 다른 양태 중 어느 하나에 있어서, 여기 광빔(들)의 광은 복수의 개별 레이저, 특히 레이저 어레이를 갖는 일체형 장치에 의해 동시에 또는 순차적으로 또는 부분적으로 동시에 및 부분적으로 순차적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
7) 양태 1 또는 상기 또는 하기의 다른 양태 중 어느 하나에 있어서, 여기 광빔의 상이한 변조 주파수에서 얻어진 응답 신호로부터, 응답 신호의 강도 분포가 응답 신호가 생성되는 표면 아래 깊이의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
8) 양태 1 또는 상기 또는 하기의 다른 양태 중 어느 하나에 있어서, 여기 광빔의 하나 또는 상이한 변조 주파수에서 변조된 여기 광빔의 위상에 관련하여 검출 광의 강도 특성에 의해 측정된, 응답 신호의 위상 위치, 즉 분석될 물질의 온도 및/또는 압력 특성으로부터, 응답 신호의 강도 분포가 응답 신호가 생성되는 표면 아래의 깊이의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
9) 양태 7 또는 8에 있어서, 표면 아래의 깊이의 함수로서 응답 신호의 강도 분포를 결정하기 위해, 상이한 변조 주파수에서의 측정 결과가 가중되고 서로 조합되는 것을 특징으로 하는 방법.
10) 양태 7, 8 또는 9에 있어서, 특정 깊이에서 또는 깊이 범위에서 특정 파장 범위에서 여기 광빔을 흡수하는 물질의 물질 밀도는 신체의 표면 아래의 깊이에 걸친 강도 분포로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
11) 양태 1 또는 상기 또는 하기의 다른 양태 중 어느 하나에 있어서, 응답 신호/신호들의 검출 직전 또는 후 또는 중에, 물질 분석이 수행되는 표면의 제1 영역 또는 그에 바로 인접하는 신체에 대해 적어도 하나의 생체 측정이 수행되고, 특히 지문 및 신체, 특히 사람의 측정이 식별되고, 특히 연관 기준값(캘리브레이션 값)이 사람의 식별에 의해 응답 신호의 검출에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
생체 측정은 여기 광빔의 스펙트럼에 걸쳐 스캐닝할 때 응답 신호의 스펙트럼 측정을 또한 포함할 수 있다. 스펙트럼의 평가에 의해, 신체 내에 존재하는 물질의 프로파일과 그 양 또는 밀도비가 결정될 수 있는데, 이는 사람의 식별을 가능하게 할 수 있다.
12) 물질을 분석하기 위한 장치이며,
그 각각이 여기 파장을 갖는 하나 이상의 여기 광빔을 그 표면의 제1 영역 아래의 물질 내에 위치된 체적 내로 전송하기 위한 디바이스를 갖고, 방사선 소스의 변조 디바이스, 특히 그 제어부에 의해 형성된 여기 광빔을 변조하기 위한 디바이스, 간섭 디바이스, 위상 또는 편광 변조 디바이스 및/또는 빔 경로 내에 배열된 적어도 하나의 제어형 미러, 및/또는 그 투명도와 관련하여 제어되고 빔 경로 내에 배열될 수 있는 층을 갖고, 여기 광의 파장 및 여기 광의 강도 변조의 함수로서 시간 의존성 응답 신호를 검출하기 위한 검출 디바이스를 갖고, 검출된 응답 신호를 사용하여 물질을 분석하기 위한 디바이스를 갖는, 장치.
13) 양태 16에 있어서, 상이한 강도 변조 주파수에 따라 개별적으로 응답 신호를 결정하기 위한 디바이스를 갖고 그리고/또는 여기 광빔의 변조의 위상에 대한 각각의 응답 신호의 위상 오프셋의 함수로서, 특히 여기 광빔의 변조 주파수의 함수로서 응답 신호를 결정하기 위한 디바이스를 갖는, 장치.
14) 양태 12 또는 13에 있어서, 광학 매체의 표면(예를 들어, 소위 측정 표면)과 물질 표면의 제1 영역 사이를 접촉시키기 위한 광학 매체/측정 본체를 갖고,
하나 이상의 여기 파장을 갖는 여기 광빔을, 특히 물질 표면과 접촉하는 광학 매체의 표면(측정 표면)의 영역을 통해, 표면의 제1 영역 아래의 물질 내의 체적 내로 방출하기 위한 디바이스를 갖고,
검출 광빔을 사용하는 광학 방법에 의해, 물질 표면의 제1 영역과 접촉하는 측정 표면의 바로 부근에서 측정 본체 내의 영역에서 온도 및/또는 압력 변화의 형태의 응답 신호를 측정하기 위한(검출 디바이스를 사용하여) 디바이스를 갖고, 여기 광빔의 파장 및 여기 광빔의 강도 변조, 특히 여기 광빔의 변조 주파수의 함수로서 온도 변화/압력 변화의 형태의 검출된 응답 신호를 사용하여 물질을 분석하기 위한 디바이스를 갖는, 물질을 분석하기 위한 장치.
15) 양태 18에 있어서, 여기 광원 및/또는 검출 광원은 측정 본체에 직접 기계적으로 견고하게 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
여기 광원 및/또는 검출 광원은, 측정 본체 내에, 상에 또는 그 상부에 제공되고 그에 일체화될 수 있는 제1 또는 제2 광도파로 구조체의 광도파로에 각각 직접 커플링될 수 있다. 여기 광원 및/또는 검출 광원은 또한 각각의 경우에 광섬유 광도파로에 의해 상기 유형의 제1 또는 제2 광도파로 구조체에 연결될 수 있다.
16) 양태 18, 19 또는 20에 있어서, 측정 본체는 빔 성형 렌즈를 직접 지지하고 및/또는 빔 성형 렌즈는 측정 본체에 일체화되는 것을 특징으로 하는 장치.
17) 양태 12 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 장치는 사람의 신체에 부착될 수 있는 웨어러블 하우징을 포함하고, 하나 이상의 여기 광빔을 방출하기 위한 디바이스 및 시간 의존성 응답 신호를 검출하기 위한 검출 디바이스는, 동작시에, 디바이스가 신체에 착용될 때, 분석될 물질이 신체로부터 이격하여 지향하는 하우징에 측면에서 측정되고, 특히, 측정 본체의 측정 표면이 신체로부터 이격하여 지향하는 측면에 위치되는 이러한 방식으로 배열되고 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
18) 양태 12 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 장치는 사람의 신체에 부착될 수 있는 웨어러블 하우징을 갖고, 디바이스의 하우징은 의도된 착용 위치에서 신체로부터 이격하여 지향하는 그 측면에서 여기 빔에 대해 투명한 윈도우를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
윈도우는 측정 본체 바로 전방에 위치될 수 있다. 윈도우는 하우징 내의 단일 개구일 수 있고, 윈도우 표면은 측정 표면에 의해 형성되거나 측정 표면은 개구 내에 있다. 측정 표면은 또한 윈도우 개구를 폐쇄하고 온도파 및/또는 압력파가 외부로부터 측정 표면으로 전송되는 이러한 방식으로 측정 표면에 연결되는 층 후방에 놓일 수 있다.
19) 물질을 분석하기 위한 장치이며, 적어도 하나의 여기 파장을 갖는 적어도 하나의 전자기 여기 빔, 특히 여기 광빔을 생성하기 위한 여기 전송 디바이스, 응답 신호를 검출하기 위한 검출 디바이스, 및 검출된 응답 신호를 사용하여 물질을 분석하기 위한 디바이스를 갖는, 장치.
20) 상기 양태 12 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 여기 전송 디바이스는 프로브 레이저 또는 LED, 예를 들어 NIR(근적외선) LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21) 상기 양태 12 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 여기 전송 디바이스는 여기 빔을 생성하기 위한 레이저를 형성하는 부가의 펌프 레이저보다 더 작은 빔 직경을 갖는 프로브 레이저를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
22) 상기 양태 12 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 장치는, 일 실시예에서, 벨트, 스트랩 또는 체인 또는 걸쇠와 같은 하우징에 연결된 유지 디바이스에 의해, 신체 상에서 사람을 위해 영구적으로 착용 가능하도록 설계되고, 그리고/또는 검출 디바이스는 측정값, 일시 및/또는 텍스트 정보와 같은 정보를 위한 디스플레이 표면으로서 또한 역할을 하는 검출 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
검출 표면은 측정 표면과 동일하거나 그 연장부/연속부를 형성할 수 있다.
23) 상기 양태 22에 있어서, 장치는 물질의 표면의 전처리를 위해 그리고 청결한 표면을 보장하기 위해 그리고/또는 일 실시예에서 포도당 측정의 경우에, 특히 피부 클렌징을 위해, 검출 표면/측정 표면의 영역, 바람직하게는 검출 표면/측정 표면의 옆에 박리 필름을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
24) 상기 양태 12 내지 23에 있어서, 검출 디바이스는 사람의 특정 값/캘리브레이션을 검색하기 위해 지문을 판독하고 인식하기 위해 구성되고 그리고/또는 손가락의 위치를 검출하기 위한, 바람직하게는 측정 중에 원하지 않는 움직임을 검출하고 결정하기 위한 디바이스를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
25) 상기 양태 12 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 검출 디바이스는 일 실시예에서 음향적으로 에러 지시(예를 들어, "100 mg/dl 플러스/마이너스 5 mg/dl")를 포함하는 아날로그 디스플레이로서 바람직하게는 컬러 코딩으로 구현된 결과 디스플레이 갖고 그리고/또는 디바이스의 측정 정확도가 허용하는 것보다 더 큰 단계에서 측정값의 결과 표시(예를 들어, 다중 색상 신호등 디스플레이를 사용하여)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치. 이는 사용자가 예를 들어 작은 변동을 통지받지 못하고, 이는 이들을 불안정하게 할 수 있는 것을 의미한다.
26) 상기 양태 12 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 장치는
측정된 데이터를 교환하고 다른 디바이스 또는 클라우드 시스템, 예를 들어 유선 또는 무선 인터페이스(적외선, 광 또는 무선 인터페이스)로부터 캘리브레이션 또는 식별 데이터 또는 다른 데이터를 검색하기 위한 데이터 인터페이스를 포함하고,
장치는 바람직하게는 데이터 전송이 암호화될 수 있는 것, 특히 사용자의 지문 또는 다른 생체 데이터에 의해 암호화될 수 있는 것을 보장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
27) 상기 양태 12 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 장치는 사람에게 제공될 인슐린 투여량 또는 소비될 양을 포함하는 물질/식료품에 대한 제안이 장치(예를 들어, 인슐린 보정 인자)에 의해 결정될 수 있고 그리고/또는 체중, 체지방이 측정되고 그리고/또는 다른 디바이스로부터 장치에 동시에 수동으로 입력되거나 전달될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
28) 상기 양태 12 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 측정 정확도를 증가시키기 위해, 장치는 일 실시예에서 피부 온도, 피부의 확산도/전도도/수분 레벨을 결정하기 위한 센서에 의해 다른 파라미터를 결정하거나, 광의 편광을 측정하도록(손가락 표면 상의 물/땀은 제외함) 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
포도당 측정에 영향을 미칠 수 있는 사람의 피부의 표면 상의 물 및 땀은 1640 cm-1(6.1 ㎛) 및 690 cm-1(15 ㎛)에서 물-특정 대역을 갖는 여기 전송 디바이스에 의해 여기 방사선으로 테스트 여기에 의해 검출되고 후속 측정 분석에서 고려될 수 있다. 대안적으로, 물질의 전기 전도도는 수분 레벨을 결정하기 위해 복수의 전극을 사용하여 측정 부위 부근에서 또는 직접 측정될 수 있다. 에러 메시지와 건조를 위한 명령이 이어서 발행될 수 있고 또는 수분의 존재가 후속 측정 평가에서 고려될 수 있다.
29) 상기 양태 12 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 장치는 펌핑 및/또는 측정 빔 레이저의 빔 경로에 커버 또는 차단 디바이스를 갖는 것을 특징으로 하는 장치. 이는 인간의 의무적인 안구 안전을 보장할 수 있다.
30) 상기 양태 12 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 장치는 교체 가능한 검출 표면/측정 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
31) 상기 양태 12 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 장치는 측정 본체로서 국부적으로 주름진 결정 또는 평행 홈 또는 분산된 오목부 또는 볼록부를 구비한 결정을 갖고 또는 샘플(예를 들어, 손가락)의 더 양호한 조정을 허용하는 측정 본체로서 조면화되는 것을 특징으로 하는 장치. 분석될 물질의 표면이 배치되어 있는 측정 점은 바람직하게는 홈 없이 평활하게 설계된다.
32) 상기 양태 12 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 장치는 하나의 점에서, 뿐만 아니라 그리드 패턴으로 측정하는 것을 특징으로 하는 장치. 이는 대상의 피부 표면에 대해 펌프 또는 프로브 레이저 또는 검출 유닛을 변위시킴으로써 또는 2개의 측정된 값 사이의 여기 빔의 가변 편향에 의해 수행될 수 있다.
게다가, 본 발명의 이하의 양태가 또한 언급되어야 한다:
33) 특히, 또한 양태 12 내지 32 중 어느 하나에 따른 물질을 분석하기 위한 장치이며,
적어도 하나의 여기 파장을 갖는 적어도 하나의 전자기 여기 빔, 특히 여기 광빔을 생성하기 위한 여기 전송 디바이스/레이저 디바이스,
응답 신호를 검출하기 위한 검출 디바이스 및
검출된 응답 신호를 사용하여 물질을 분석하기 위한 디바이스를 갖는, 장치.
시간 의존성 응답 신호는 측정 본체의 온도 또는 압력 증가의 형태 뿐만 아니라 이를 검출하는 임의의 측정된 변수, 예를 들어 온도- 또는 압력-의존성 굴절률을 갖는 재료를 통과하는 검출 광의 강도 변화의 형태를 취할 수 있다.
34) 물질을 분석하기 위한 방법이며, 방법에서,
여기 전송 디바이스/레이저 디바이스를 사용하여, 하나 이상의 여기 파장을 갖는 적어도 하나의 전자기 여기 빔이 레이저 광원의 복수의 레이저 이미터의 적어도 부분적으로 동시 또는 연속 동작에 의해 생성되어 물질 내로 전송되고,
응답 신호가 검출 디바이스로 검출되고,
물질은 검출된 응답 신호에 기초하여 분석되는, 방법.
35) 양태 34에 있어서, 여기 전송 디바이스의 상이한 변조 주파수를 사용하여, 응답 신호, 특히 시간 응답 신호 파형이 연속적으로 결정되고, 상이한 변조 주파수에서의 복수의 응답 신호 파형이 서로 조합되고, 이로부터 물질의 표면 아래의 깊이 범위에 특정한 정보가 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
36) 양태 35에 있어서,
상이한 변조 주파수에서의 응답 신호 파형은 여기 빔의 상이한 파장에 대해 결정되고, 특히 이로부터 물질의 표면 아래의 깊이 범위에 특정한 정보가 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
37) 양태 36에 있어서,
여기 빔의 다수의 변조 주파수를 동시에 사용할 때, 검출된 응답 신호는 분석 방법, 바람직하게는 푸리에 변환에 의해 그 주파수에 따라 분리되고,
처리될 주파수에 대응하는 한번에 하나의 부분 신호만이 필터링, 측정 및 분석되는 것을 특징으로 하는 방법.
이 방식으로, 상이한 변조 주파수에서 복수의 신호가 연속적으로 분석될 수 있고, 상이한 변조 주파수의 결과는 서로 조합되어 신호에 대한 깊이 정보를 얻거나 물질의 표면으로부터 나오는 신호를 제거할 수 있다.
38) 상기 양태 34 내지 37 중 어느 하나에 있어서,
물질 내에서 결정된 물질의 농도의 함수로서, 투여 디바이스가 활성화되어 다른 물질을 물질 내로, 특히 환자의 신체 내로 방출하고, 그리고/또는 음향 및/또는 광학 신호가 방출되고 그리고/또는 신호가 무선 링크를 통해 처리 디바이스에 발행되고 그리고/또는 하나 이상의 식료품 또는 식료품 조합이 데이터베이스에 의해 측정된 물질 농도에 할당되고 영양 정보로서, 특히 영양 권장 사항으로서 출력되는, 방법.
이러한 권장 사항에 추가하여 또는 조합하여, 식료품 또는 식료품 조합에 대한 수량 지시가 또한 제공될 수 있다. 식료품 조합은 또한 준비된 식품 부분을 의미하도록 의도된다.
임의의 주어진 측정 방법과 관련하여, 특히 측정 광빔 및 그 편향의 검출과 관련하여 양태에서 언급된 여기 빔, 그 광학적 안내 및 변조의 모든 특징 및 측정, 뿐만 아니라 기계적 구조 및 조정 가능성의 특징, 하우징 및 외부 디바이스, 데이터베이스 및 연결된 디바이스와의 통신의 특징은 또한 본 출원의 특허 청구범위에 청구된 바와 같이, 즉, 응답 신호로서 물질로부터 측정 본체 내로 방출되는 압력파 및/또는 열파를 검출하기 위해 간섭 효과를 사용하여 검출 방법에 적용될 수 있다.
원리적으로, 여기 빔의 주기적인 변조에 응답하는 깊이 프로파일링을 위해 결정된 응답 신호의 위상 편이의 값이 사용될 수 있다. (물질 표면의 가열/냉각 페이즈는 이들의 특성과 관련하여 더 정밀하게 평가되어야 한다).
설명된 장치는 인간 신체 상의 최상의 가능한 무간섭 측정을 허용하기 위해 각질층의 제거를 위한 접착 스트립, 뿐만 아니라 광학 매체에 규칙적으로 도포될 수 있는 커플링 매체의 패치 또는 다른 제약적 형태, 특히 겔 또는 열전도성 페이스트의 공급에 관련될 수도 있다. 광학 매체는 나머지 부분의 적절한 장착 및 캘리브레이션이 주어지면 상호 교환 가능할 수도 있다.
평가에서 데이터 수집(DAQ) 및 로크인 증폭기가 하나의 디바이스에 조합될 수 있고, 전체 평가 프로세스가 디지털화될 수 있다. 로크인 증폭기는 검출 디바이스에 연결되고 여기 빔의 변조와 위상 관계에 있는 신호를 선택한다. 이를 위해, 로크인 증폭기는 예를 들어 여기 빔을 생성하는 레이저 디바이스용 제어 디바이스 및/또는 여기 빔용 변조 디바이스에 연결된다.
측정은 또한 그에 대해 이동되는 물질 표면에서 장치로 수행될 수 있어, 그리드 측정 동안 여기 광원 및/또는 측정 광원이 측정 중에 그리드 패턴으로 피부 상에서 진행하여, 이에 의해 피부 불규칙부를 보상하거나 제거하게 된다.
특허 청구범위에 따른 본 발명의 부가의 구성 및 설명은 이하의 개념으로 제시된다. 이 개념의 상세는 또한 이들이 출원된 형태의 특허 청구범위의 실시예와 조합될 수도 있다. 게다가, 이 개념은 단독으로 취해지거나, 상기 양태와 또는 청구범위의 주제와 조합되건간에, 적어도 하나의 독립적인 발명을 구성한다. 본 출원인은 이후에 이 발명 또는 발명들을 청구범위의 주제로 만들 권리를 보유한다. 이는 본 출원의 범주 내에서 또는 본 출원의 우선권을 주장하는 후속의 하위 출원 또는 연속 출원의 맥락에서 발생할 수도 있다.
양자 캐스케이드 레이저에 의한 자극에 의해 피부 내의 포도당을 결정하고 복사열에 의한 열파를 측정함으로써 비침습성 혈당 측정에 대한 이하의 개념이 또한 본 발명에 포함될 것이고, 청구범위의 목적과 조합되거나 하위 출원에 독립적으로 추구될 수 있다:
피부 내의 간질 유체(ISF) 내의 포도당 또는 임의의 다른 물질의 농도가 결정될 수 있게 하는 방법이 설명된다. ISF 내의 포도당은 혈액 포도당을 대표하고, 변화가 발생할 때 이를 급속하게 따른다. 방법은 적어도 이하의 단계의 개별 단계 또는 그룹으로 또는 전체 시퀀스로부터 이루어진다.
1. 피부 상의 점(이 경우, 물질의 표면의 제1 영역)은, 미러 또는 오목 미러에서 또한 반사될 수도 있고 방사선이 포도당 특이적으로 흡수되는 특정 적외선 범위에 걸쳐 증분적으로 또는 연속적으로 조절되는 양자 캐스케이드 레이저의 포커싱된 빔으로 조사된다. 양자 캐스케이드 레이저 대신에, 단일 파장으로 방사되는 복수의 레이저를 갖는 레이저 어레이가 또한 사용될 수 있다. 스펙트럼 범위(또는 개별 파장, 통상적으로 5개 이상의 파장)는 대략 900 내지 대략 1300 cm-1에 위치될 수 있고, 여기서 포도당은 흡수 지문, 즉 통상의 대표적인 흡수 라인을 갖는다.
2. 여기 빔은 연속 모드(CW 레이저)에서 사용되거나 높은 펄스 반복률로 펄스화 또는 변조된다. 게다가, 여기 빔은 저주파수, 특히 10 내지 1000 Hz의 주파수 범위에서 변조된다. 저주파 변조는 정현파, 구형파 또는 톱니파 또는 유사한 것을 갖는 상이한 실시예에서, 상이한 주기 함수로 수행될 수 있다. 직사각형 형상이 QCL의 방출 특성에 따라 가장 유리하다.
3. 피부의 조사에 의해, IR 방사선은 약 50 내지 100 ㎛의 깊이로 피부 내에 관통하고 - 파장에 따라 - 포도당 분자 내에서 특정 진동을 여기한다. 진동 레벨 v0으로부터 v1까지의 이들 여기는 매우 짧은 시간 내에 접지 상태로 복귀하고; 이 단계 중에, 열이 방출된다.
4. (3)에 따른 열 발생의 결과로서, 흡수의 부위로부터 등방성으로 전파하는 열파가 발생한다. (2)에서 설명된 저주파 변조에 의해 결정되는 열 확산 길이에 따라, 열파는 변조 주파수에서 주기적으로 피부의 표면에 도달한다.
5. 표면 상의 열파의 주기적인 출현은 피부(샘플 물질의 표면)의 열 복사 특성의 주기적인 변조에 대응한다. 피부는 여기서 대략 흑체 방사체로서 설명될 수 있고, 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙에 의한 그 총 방출량은 표면 온도의 4승에 비례한다. 본 문서에 설명된 측정 기술에 의해, 측정의 포커스는 열 전도의 측정에 있다.
6. 본 출원의 특허 청구범위에 따른 검출 디바이스는 광도파로 디바이스, 특히 간섭 디바이스의 굴절률에 대한 검출 디바이스에 도달하는 열파 및/또는 압력파의 효과를 검출하는 데 사용된다.
7. 응답 신호의 처리에 있어서, 변조 주파수가 특히 고려될 수 있는데, 이를 위해, 응답 신호가 로크인 증폭기에서 처리될 수 있다. 제어 및 처리 디바이스에 의해 여기 신호와 열 복사 신호(응답 신호) 사이의 위상 오프셋을 분석함으로써, 응답 신호가 주로 수신되는 물질의 표면 아래의 깊이를 통해 깊이 정보가 얻어질 수 있다.
8. 깊이 정보는 (2)에 설명된 여기 빔에 대해 상이한 저주파 변조 주파수를 선택 및 분석하고 상이한 변조 주파수에 대한 결과를 조합함으로써 또한 얻어질 수 있다(여기서 상이한 변조 주파수에 대한 결과는 또한 상이하게 가중될 수 있음). 미분법, 각각의 경우에 적어도 2개의 응답 신호로부터의 몫 형성(예를 들어, 단일 파장에 대해 그리고 이어서 측정된 스펙트럼을 통해 파장을 통과함) 또는 다른 결정 방법이 상부 피부층의 흡수를 보상하는 데 사용될 수 있다.
9. 여기 파장에 의존하는 (6 내지 8)에 따라 측정된 열 신호로부터, 포도당이 검출되는 일 실시예에서, 배경은 따라서 초기에 여기 빔의 포도당 무관(또는 포도당 관련을 제외함) 파장에서 결정되고, 그리고 이어서 포도당 관련 파장에서(또는 포함하여) 배경 신호에 대한 차이가 결정된다. 이는 (7)에 따라 선택된 위상 오프셋 또는 (8)에 따른 상이한 변조 주파수 또는 이들의 조합에 의해 결정되는 피부층 또는 피부층들 내의 포도당 농도를 야기한다.
본 발명이 바람직한 예시적인 실시예에 의해 더 상세히 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예에 의해 한정되지 않으며 다른 변형이 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 그로부터 유도될 수 있다.

Claims (17)

  1. 물질을 분석하기 위한 장치이며,
    - 측정 표면(2)을 갖고 특히 직접적으로 또는 매체, 특히 유체에 의해, 측정을 위한 측정 표면의 영역에서 물질(3)과 적어도 부분적으로 커플링될 것이고, 또는 직접적으로 또는 매체에 의해 그와 접촉하게 되는 측정 본체(1, 1a),
    - 측정 본체(1, 1a)가 측정 표면(2)의 영역에서 물질(3)에 커플링되고 그리고/또는 접촉할 때 물질(3)에 지향되는, 바람직하게는 적외선 또는 중적외선 스펙트럼 범위의 상이한 파장의 하나 이상의 여기 빔(10)을 생성하기 위해, 상이한 파장의 광 또는 여기 빔을 생성하는 것이 가능한 여기 방사선의 소스, 특히 양자 캐스케이드 레이저(QCL), 파장 가변 QCL 및/또는 레이저 어레이, 바람직하게는 QCL의 어레이를 갖는, 특히 레이저 디바이스(4), 및
    - 측정 본체(1, 1a)에 적어도 부분적으로 일체화되거나 연결되는 검출 디바이스(5, 6, 7)를 갖고, 검출 디바이스는
    · 검출 광, 바람직하게는 가간섭성 검출 광(11)을 위한 소스(5), 및
    · 검출 광원에 연결될 수 있거나 연결되고 검출 광을 안내하는 제1 광도파로 구조체(6)로서, 그 굴절률은 적어도 몇몇 섹션에서, 온도 및/또는 압력에 의존하고, 제1 광도파로 구조체는 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 광도파로 구조체(6)의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 적어도 하나의 섹션(9)을 갖는, 제1 광도파로 구조체(6)를 포함하는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 측정 표면(2)의 표면 법선의 방향에서 제1 광도파로 구조체(6)의 돌출부의 적어도 하나의 섹션은 상기 측정 표면(2)과 중첩되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 여기 빔(10)의 강도를 변조하기 위한 변조 디바이스(8)가 제공되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 광도파로 구조체(6) 내의, 특히 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 제1 광도파로 구조체의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 섹션(9) 내의 광 강도의 직접 또는 간접 검출을 위한 측정 디바이스(7)를 특징으로 하는 디바이스.
  5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 검출 디바이스는 간섭 디바이스, 특히 간섭계(12) 및/또는 광도파로 공진 요소, 특히 공진 링(13) 또는 공진 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광도파로 구조체(6), 특히 제1 광도파로 구조체의 간섭 디바이스는 적어도 몇몇 섹션에서 측정 본체(1)에 연결된 적어도 하나의 광섬유 광도파로(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 광도파로 구조체(6)의, 특히 제1 광도파로 구조체의 간섭 디바이스의 광도파로(15, 16)는 측정 본체의 기판(1a)에 일체화되고 또는 기판에 연결되고, 제1 광도파로 구조체(6)는 절연 기판에 연결되거나 절연 기판에 일체화된 적어도 하나의 실리콘 광도파로를 갖고, 특히 실리콘 광도파로는 또한 절연체, 특히 SiO2에 의해 적어도 부분적으로 커버되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 특히, 측정 본체의 측정 표면의 영역 또는 측정 표면(2)에 인접한 영역에서 여기 빔(10)은 측정 본체(1, 1a)의 재료 또는 측정 표면에 인접한 영역을 통과하고, 여기 빔(10)에 의해 관통된 측정 본체 또는 영역은 여기 빔에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 여기 빔(10)은 제2 광도파로 구조체(17)에 의해 측정 본체(1, 1a) 내부에 또는 측정 본체를 따라 안내되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 디바이스(4)와 분석될 물질(3) 사이의 여기 빔(10)은 측정 본체(1, 1a)의 연속 개구(18)를 통과하고, 개구는 특히 측정 표면의 전방에서 소정 거리에서 종료하거나 측정 표면(2)을 관통하고 또는 측정 표면에 바로 인접하고 그리고/또는 그에 인접하는 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 본체(1, 1a)는 편평한 본체로서, 특히 플레이트의 형태의 평면 평행 본체로서 형성되고, 특히, 측정 표면(2)에 수직인 방향에서 측정 본체의 두께는 측정 표면에서 연장하는 방향으로 측정 본체의 최소 연장부의 50% 미만, 특히 25% 미만, 특히 10% 미만인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 본체(1, 1a)는 레이저 디바이스(4)에 의해 조사된 여기 빔(10)을 측정 표면(2) 상에 반사하기 위한 미러 디바이스(19)를 포함하거나 지지하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 여기 빔(10)은 측정 표면(2)에 평행하게 또는 측정 표면에 대해 30도 미만, 특히 20도 미만, 더 특히 10도 미만 또는 5도 미만의 각도로 측정 본체(1, 1a) 내로 배향되고, 여기 빔은 측정 표면을 향해 전환되거나 편향되고, 여기 빔은 특히 측정 표면 또는 측정 본체의 연속 개구(18)의 영역에서 측정 표면의 가상 연속부를 통과하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 본체(1, 1a)에서, 측정 표면(2)으로부터 본 검출 디바이스(5, 6, 7)의 후방 및/또는 옆에서, 특히 제1 광도파로 구조체(6)의 후방 및/또는 옆에서, 특히 제1 광도파로 구조체에 인접하고 열 접촉하여, 적어도 하나의 히트 싱크(20)가 중실 본체 또는 재료의 형태로 배열되고, 특히, 본체 또는 히트 싱크의 재료의 비열용량 및/또는 비열전도도는 검출 디바이스(5, 6, 7)의 및/또는 제1 광도파로 구조체 및/또는 제1 광도파로 구조체(6)의 기판(1a)의 재료의 및/또는 측정 본체(1, 1a)를 포함하는 다른 재료의 비열용량 및/또는 열전도도보다 크고, 그리고/또는 열파 및/또는 압력파의 효과로부터, 검출 디바이스의 부분, 특히 제1 광도파로 구조체(6)의 부분, 더 구체적으로 간섭계의 기준 아암을 적어도 부분적으로 차폐하는 배리어(30, 40, 41)가 측정 본체(1, 1a) 내에 제공되고, 그리고/또는 검출 디바이스의 제1 광도파로 구조체(6)는, 위상 편이가 측정 섹션을 통과하는 검출 광에서 발생하고 이어서 다른 섹션에서 검출 광의 결과적인 강도 변화가 압력파 및/또는 온도파의 함수로서 발생하도록, 특히 간섭계의 상이한 아암 상에 배열되고 굴절률이 압력 및/또는 온도 변화의 함수로서, 특히 압력파 및/또는 열파의 함수로서 변화하는 적어도 2개의 측정 섹션(15a, 16a)을 포함하고, 2개의 측정 섹션은, 이들이 특히 서로에 대해 시간적으로 편이된 시간 간격에 또는 시간 지연을 갖고 측정 표면(2)으로부터, 특히 여기 빔이 그를 관통하는 측정 표면의 영역으로부터 시작하여 차례로 측정 본체를 통해 전파하는 압력파 및/또는 열파에 의해 통과되는 이러한 방식으로, 측정 본체 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 특히, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 디바이스용 센서이며, 측정 표면(2)을 갖고, 온도파 및/또는 압력파를 측정하기 위한 측정 표면의 영역에서 물질(3)과 적어도 부분적으로 커플링되고, 특히 접촉하게 되는 측정 본체(1, 1a)를 갖고,
    측정 본체(1, 1a)에 적어도 부분적으로 일체화되거나 연결되는 검출 디바이스(5, 6, 7)를 갖고, 검출 디바이스는
    · 가간섭성 검출 광(11)을 위한 소스(5), 및
    · 검출 광을 위한 소스에 연결될 수 있거나 연결되고 검출 광을 안내하는 제1 광도파로 구조체(6)로서, 그 굴절률은 적어도 섹션에서, 온도 및/또는 압력에 의존하는, 제1 광도파로 구조체(6),
    · 광 강도가 온도 또는 압력의 변화로 인해 제1 광도파로 구조체(6)의 적어도 하나의 부분에서 검출 광의 위상 편이에 의존하는 적어도 하나의 섹션(9)으로서, 제1 광도파로 구조체는 간섭 디바이스, 특히 간섭계(12) 및/또는 광도파로 공진 링(13) 또는 다른 광도파로 공진 요소를 갖는, 적어도 하나의 섹션(9), 및
    · 간섭 디바이스 내의 또는 간섭 디바이스에서의 광 강도를 검출하기 위한 측정 디바이스(7)를 포함하는, 센서.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 동작하기 위한 방법에 있어서, 변조된 여기 빔(10)이 특히 측정 본체를 통해 분석될 물질(3) 상에 지향되고, 시간 광 강도 프로파일 또는 파형 또는 주기적 광 강도 변화가 검출 디바이스에 의해 검출되고, 이들은 제1 광도파로 구조체의 광 강도 변화를 측정함으로써 또는 제1 광도파로 구조체로부터 방출되는 광의 광 강도를 측정하고 획득된 데이터로부터 분석될 물질의 흡수 스펙트럼을 얻음으로써 여기 빔의 복수의 파장에 대해 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 측정은 여기 빔(10)의 상이한 변조 주파수에 대해 수행되고 보정된 흡수 스펙트럼은 얻어진 흡수 스펙트럼의 조합으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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