KR20220159975A - 샘플의 부분으로 광을 포커싱하기 위한 광학 분광 프로브 구성 - Google Patents

Abstract

샘플 광학 어셈블리가 설명되며, 이는 실질적으로 시준된 여기 광 빔의 분리된 섹션을 포커싱하도록 형상화되는 하나 이상의 표면을 갖고 위치하는 적어도 하나의 광학 요소를 갖고, 적어도 하나의 광학 요소는: (a) 수신하고 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 있는 적어도 하나의 초점 지점 또는 적어도 하나의 초점 라인을 생성해 샘플 근처인 광학 윈도우 또는 투명 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차를 보상하고 적어도 하나의 초점 스팟 또는 적어도 하나의 초점 라인의 크기를을 감소시키고/시키거나 적어도 하나의 초점 스팟 또는 적어도 하나의 초점 라인을 샤프닝하고 (b) 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 복수의 초점 스팟, 이산 초점 스팟의 어레이, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점원을 생성하거나, (c) (a) 및 (b)를 달성한다

Description

샘플의 부분으로 광을 포커싱하기 위한 광학 분광 프로브 구성

본 출원은 2020년 2월 21일 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/979,817호의 이익을 주장하고, 미국 임시 특허 출원 제62/979,817호의 전체 내용은 전부 본원에 통합된다.

일반적으로 광학 분광(optical spectroscopy) 분야에 관한 다양한 실시예들이 본 명세서에서 설명되며, 보다 구체적으로는 레이저 빔으로 샘플을 조명하고 샘플로부터 산란된 광을 다시 수집하는 라만 분광학 샘플 프로브의 구성에 관한 것이다.

라만 분광법은, 특정 파장을 갖는 레이저 광자들을 함유하는 레이저 빔이 고체, 결정질, 액체 또는 기체 형태일 수 있는 샘플을 조명하기 위해 사용되고, 레이저 광자들의 소형 부분이 샘플의 분자들로부터 산란될 때 상이한 파장들로 시프트(shift)하는 분석 방법이다. 파장 시프트(wavelength shift)의 양은 샘플 분자의 구조에 따라 달라진다. 따라서, 상이한 유형의 샘플 분자는 샘플로부터의 산란된 광에서 상이한 스펙트럼 패턴을 생성할 것이고, 이는 샘플의 화학적 조성을 식별하고 정량화하기 위해 분석될 수 있다. 다만, 라만 산란 효과가 매우 미약하여 파장 시프트된 신호는 보통 상당히 희미하다. 이와 같이, 가능한 한 샘플로부터 산란된 광의 많은 양을 수집하는 것이 유리하다. 또한, 샘플은 이종일 수 있고, 그러므로 분광학 분석 결과가 전체 샘플을 대표하도록 샘플의 출분한 면적이나 체적을 조명하는 것이 유리하다. 또, 샘플은 컨테이너 내에 있거나 장벽 뒤에 있을 수 있어, 이는 조명 빔 및/또는 산란 광을 왜곡시킬 수 있고, 그러므로 그러한 왜곡을 정정하는 것이 유리하다.

본원의 교시 내용의 일 양태에 따르면, 광학 분광 프로브를 위한 샘플 광학 어셈블리(sample optic assembly)가 제공되며, 여기서 샘플 광학 어셈블리는: 실질적으로 시준된 여기 광 빔(collimated excitation light beam)을 수신하고 광학 윈도우 뒤에 또는 투명 컨테이너 내에 있는 샘플을 향해 광선을 지향시키도록 위치되는 적어도 하나의 광학 요소를 포함하되, 적어도 하나의 광학 요소는 광학 윈도우 또는 투명 컨테이너를 통해 광선을 투사하여 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 있는 적어도 하나의 초점 스팟(focal spot) 또는 초점 라인(focal line) 내로 광선들을 포커싱하고; 샘플로부터 결과적인 산란된 광을 수집하고, 광학 윈도우 또는 투명 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차(optical aberration)를 보상하여 적어도 하나의 초점 스팟 또는 초점 라인의 크기를 감소시키고/시키거나 적어도 하나의 초점 스팟 또는 초점 라인을 샤프닝(sharpen)하도록 - 결과적인 산란된 광은 샘플의 하나 이상의 부분에 대한 분광 정보를 측정하기 위해 광학 분광 프로브 시스템에 의해 사용됨 - 형상을 가지는 하나 이상의 표면을 갖고 위치하는 광학 요소이다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 하나 이상의 비구면(aspheric) 광학 요소를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 광학 요소들 중 적어도 하나는 제1 축을 따른 제1 프로파일 및 제2 축을 따른 제2 프로파일을 갖는 환상(toroidal) 광학 요소이고, 여기서 제1 축 및 제2 축은 서로 수직이고 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상이하다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는: (a) 하나 이상의 구면 광학 요소 및/또는 (b) 하나 이상의 구면 환상 광학 요소를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는: 초점 위치를 갖는 비구면 초점 장치(aspherical focuser); 및 비구면 초점 장치의 초점 위치에 실질적으로 중심을 두는 적어도 하나의 구면 표면을 갖는 구면 광학 요소(spherical optical element)를 포함하며, 여기서 샘플은 초점 위치에 또는 초점 위치 근처에 놓인다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 구체 광학 요소는 완전 구체(full sphere) 광학 요소 또는 부분 구체(partial sphere) 광학 요소를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 복수의 초점 스팟, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점 원을 생성하도록 형상을 갖는 적어도 하나의 표면을 갖는다.

다른 양태에서, 본원의 교시에 따라, 광학 분광 프로브를 위한 샘플 광학 어셈블리가 제공되며, 샘플 광학 어셈블리는: 실질적으로 시준된 여기 광 빔을 수신하고 샘플을 향해 광선을 지향시키도록 위치한 적어도 하나의 광학 요소를 포함하되, 적어도 하나의 광학 요소는 광선을 투사하고 포커싱하여 상기 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 복수의 초점 스팟, 이산(discrete) 초점 스팟의 어레이, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점원을 생성하고, 샘플로부터 결과적인 산란 광을 수집하도록 - 결과적인 산란된 광은 샘플의 하나 이상의 부분에 대한 분광 정보를 측정하기 위해 광학 분광 프로브 시스템에 의해 사용됨 - 형상을 갖는 하나 이상의 표면을 갖고 위치하는 광학 요소이다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 구면, 비구면, 실린더형, 비실린더형(acylindrical), 환형, 또는 액시콘(axicon) 인 적어도 하나의 표면을 갖는다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 샘플로의 전송 전에 적어도 하나의 광학 요소에 의해 수신되는 시준된 여기 광 빔의 직경보다 더 작거나, 실질적으로 동일하거나, 더 큰 길이를 갖는 초점 라인을 생성하기 위한 적어도 하나의 프로파일을 갖는다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 샘플의 내부 또는 표면의 적어도 하나의 부분에 배치된 복수의 초점 스팟, 복수의 초점 라인 또는 복수의 초점 원을 동시에 생성하기 위해 서로 평행하게 배치되고 동작하는 복수의 광학 표면 영역을 집합적으로(collectively) 제공하여 실질적으로 시준된 여기 빔의 분리된 섹션을 포커싱하는 적어도 하나의 렌즈, 적어도 하나의 거울 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나의 광학 요소를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 샘플 광학 어셈블리가 실질적으로 시준된 여기 광 빔을 수신할 때 서로 평행하게 배치되고 동작하는 복수의 광학 표면 영역을 집합적으로 제공하여 샘플에 적합한 라인, 그리드, 또는 다른 측방향 분포를 포함하는 패턴으로 복수의 초점 스팟, 복수의 초점 라인 또는 복수의 초점 원을 생성하는 렌즈릿(lenslet) 어레이 또는 반사 거울 표면의 어레이를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 복수의 광학 표면 영역들은 상이한 초점 길이들을 갖거나, 실질적으로 시준된 여기 광 빔의 광학 축을 따라 상이한 위치들에 놓여, (a) 프로브 헤드로부터 상이한 거리에서 및/또는 (b) 샘플 내의 상이한 깊이에 있는 위치에서 복수의 초점 스팟을 생성한다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학 요소는 샘플 광학 어셈블리 및 샘플 사이의 광학 윈도우 또는 투명 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차를 보상하도록 구성된 적어도 하나의 표면을 가져, 복수의 초점 스팟, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점 원의 크기를 줄이고/줄이거나 복수의 초점 스팟, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점 원을 샤프닝한다.

적어도 하나의 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리는, 적어도 하나의 광학 요소에 인접한 유동 셀에 통합되고 샘플이 유동하는 샘플 채널을 정의하는 유동 어셈블리 및 유동 셀의 표면에 배치되고 적어도 하나의 초점 스팟, 적어도 하나의 초점 라인 또는 적어도 하나의 초점 원을 수신하는 샘플 채널에 인접하는 광학 윈도우를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 유동 어셈블리는 얕은 샘플 채널 부분(shallow sample channel portion)을 포함하고, 적어도 하나의 광학 요소는 샘플 유동의 방향에 실질적으로 평행하거나 실질적으로 수직이고 얕은 샘플 채널 부분과 일치하도록 복수의 초점 스팟 또는 적어도 하나의 초점 라인을 생성하도록 구성된다.

적어도 하나의 실시예에서, 샘플 채널은 샘플의 평균 광학 산란 경로 길이보다 더 소형 깊이를 갖는다.

본 출원의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 출원의 사상 및 범위 내의 다양한 변경들 및 수정들이 이러한 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이기 때문에, 본 출원의 바람직한 실시예들을 나타내면서, 상세한 설명 및 특정 예들이 단지 도해의 방식으로서 주어질수 있음이 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에 설명된 다양한 실시예들의 더 나은 이해를 위해, 그리고 이러한 다양한 실시예들이 어떻게 유효하게 실시될 수 있는지를 더 명확하게 나타내기 위해, 예로서, 적어도 하나의 예시적인 실시예를 도시하고 이제 설명되는 첨부 도면들을 참조할 것이다. 도면들은 본 명세서에 설명된 교시들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 대표적인 라만 분광 시스템을 보여주며, (레이저, 분광계, 및 전원을 포함하는) 주 분석기 유닛, 프로브, 및 제어 컴퓨터 사이의 관계를 도시한다.
도 2는 전형적인 프로브 헤드 및 샘플 광학 어셈블리 구성(sample optic assembly configuration)의 도면이다.
도 3은 더 높은 개구수(Numerical Aperture, NA)(또한 더 빠른 수렴 여기 빔으로 알려짐)로 광학 수차를 증가시키는 도면이다 .
도 4는 주어진 두께의 외부 윈도우에 의해 생성된 광학 수차를 보상하는 특정 광학 특성을 갖도록 구성된 비구면 렌즈의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 5a는 유리 바이알(우측의 원형 영역) 내의 샘플에 시준된 여기 빔을 포커싱하는 최상 형태의 양볼록 렌즈(좌측) 및 유리 바이알의 실린더형 벽에 의해 유도될 수 있는 수차를 정정하는 환형 요소(유리 바이알의 좌측)를 갖는 이중 요소 샘플 광학 어셈블리의 예시적인 실시예의 측면도이다.
도 5b는 다른 관점에서 본 도 5a의 동일한 이중-렌즈 샘플 광학 어셈블리의 다른 도면이다.
도 6a는 고체, 액체, 또는 기체 샘플과 인터페이스하는 윈도우로서 기능하는 (포커싱을 위한) 비구면 렌즈 및 하프-볼 렌즈를 갖는 이중-요소 샘플 광학 어셈블리의 예시적인 실시예이다.
도 6b는 유체(즉, 액체 또는 가스) 샘플을 위한 도관으로서 기능하는 중심을 통해 드릴링된 구멍을 갖는 구면 요소(예를 들어, 완전 볼 렌즈)를 갖는 이중-요소 샘플 광학 어셈블리의 다른 예시적인 실시예이다.
도 7a는 하부 좌측으로부터 상부 우측으로 이동하고 실린더형 렌즈와 조우하는 시뮬레이션된 시준된 여기 빔의 개략도의 사시도로서, 수평 축을 따라 빔을 포커싱하지만 수직 축을 따라 광선 궤적을 변경하지 않아서 초점 스팟을 따라 또는 초점 스팟보다는 수직 축을 따라 배향된 초점 라인을 초래하는 도면이다.
도 7b는 도 7a의 동일한 샘플 광학 어셈블리의 평면도이다.
도 7c는 (도 7a의) 실린더형 렌즈가 고체 샘플 표면에 대해 틸팅될 때, 표면이 렌즈에 대해 이동하더라도 초점 라인이 표면 상에 정확하게 포커싱될 수 있다는 것을 도시하는 개략도이다.
도 8a는 수평 축을 따라 입사 시준된 여기 빔을 완전히 포커싱하지만 수직 축을 따라 여기 빔을 단지 부분적으로 포커싱하여, 도 7a 내지 7c의 실린더형 렌즈의 예시적인 실시예보다 (이 경우 수직으로 배향된) 더 소형 선형 치수를 갖는 초점 라인을 생성하는 환형 포커싱 렌즈의 사시도이다.
도 8b는 입사 시준된 여기 빔을 수직으로 발산하게 하는 제1 발산 렌즈(예를 들어, 평면-오목 렌즈), 및 수직으로 발산된 여기 빔의 광선을 수평으로 포커싱하여 도 7a 내지 7c의 실린더형 렌즈의 예시적인 실시예보다 (이 경우 수직으로 배향된) 더 큰 선형 치수를 갖는 초점 라인을 생성하는 제2 포커싱 렌즈(예를 들어, 평면-볼록 렌즈)를 포함하는 2개의 실린더형 렌즈의 사시도이다.
도 8c 및 도 8d는 입사하는 입사 시준된 여기 빔 상에 두 개의 렌즈 각각의 작용을 도시하는 도 8b와 동일한 샘플 광학 어셈블리의 평면도 및 측면도이다.
도 8e는 실린더형 렌즈, 그 다음 구면 포커싱 렌즈를 통과하여 샘플 상에 수직 축을 따라 배향된 초점 라인을 생성하는 시준된 여기 빔의 예시적인 실시예를 보여준다.
도 8f는 액시콘 렌즈, 그 다음 구면 포커싱 렌즈를 통과하여 샘플 상에 초점 원을 생성하는 시준된 여기 빔의 예시적인 실시예를 보여준다.
도 9a는 4x4 그리드에서 샘플 초점 평면(정사각형으로 표현됨) 상에 16개의 초점 스팟을 생성하는 16개 렌즈릿의 렌즈릿 어레이의 예시적인 실시예를 보여준다.
도 9b는 공통 포커싱 광학 요소를 통해 시준된 여기 빔의 부분를 재지향시켜 샘플 초점 평면(정사각형으로 표현됨) 상에 4개의 초점 스팟을 생성하는 평면 거울의 2x2 어레이의 대안적인 예시적인 실시예를 보여준다.
도 10은 각각의 렌즈릿이 상이한 초점 거리를 가져, 초점 스팟들이 렌즈로부터 상이한 거리들에 그리고 따라서 샘플 체적 내의 상이한 지점들에 나타나게 하는, 렌즈릿 어레이의 다른 예시적인 실시예의 측면도이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 유동 셀을 위한 샘플 광학 어셈블리의 예시적인 실시예의 사시도 및 부분 투명 도시들이며, 여기서 샘플 광학 어셈블리는 유동 셀의 유동 체적 내의 좁은 영역(즉, 얕은 샘플 채널)과 일치하는 초점 라인을 생성하는 샘플 윈도우를 통해 입사 시준된 여기 빔을 포커싱하는 실린더형 포커싱 렌즈를 포함한다.
도 11c는 유동 셀을 위한 샘플 광학 어셈블리의 다른 예시적인 실시예의 부분 투명 도면이며, 여기서 샘플 광학 어셈블리는 유동 셀의 유동 체적 내의 좁은 영역과 일치하는 다수의 초점들을 생성하는 샘플 윈도우를 통해 입사 시준된 여기 빔을 포커싱하는 포커싱 렌즈릿 어레이를 포함한다.
명세서에 설명된 예시적인 실시예들의 추가적인 양태들 및 특징들은 첨부된 도면들과 함께 다음의 설명으로부터 나타날 것이다.

본 명세서의 교시들에 따른 다양한 실시예들이 아래에 설명되어 청구항의 청구물의 적어도 하나의 실시예의 예시를 제공할 것이다. 본 명세서에 설명된 어떠한 실시예도 임의의 청구항의 청구물을 제한하지 않는다. 청구된 요지는 아래에서 설명되는 디바이스들, 시스템들 또는 방법들 중 임의의 하나의 특징들 모두를 갖는 디바이스들, 시스템들 또는 방법들로 또는 본 명세서에서 설명되는 디바이스들, 시스템들 또는 방법들 중 다수 또는 전부에 공통인 특징들로 제한되지 않는다. 임의의 청구항의 청구물의 실시예가 아닌 본 명세서에 설명된 디바이스, 시스템 또는 방법이 존재할 수 있다는 것이 가능하다. 본 명세서의 청구항에서 청구되지 않고 본 명세서에서 설명된 청구물이 다른 보호 수단의 청구물, 예를 들어, 계속 출원(continuation patent application)의 청구물일 수 있고, 출원인, 발명자 또는 소유자는 본 문서에서의 개시 내용에 의해 임의의 이러헌 청구물을 포기하거나, 부인하거나, 또는 대중에게 전용하려고 의도하지 않는다.

도시의 간략화 및 명확화를 위해, 적절한 것으로 고려되는 경우, 대응하는 또는 유사한 요소들을 표시하기 위해 도면들 사이에서 참조 번호들이 반복될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부 사항들이 제시된다. 그러나, 본 명세서에 설명된 실시예들은 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 당해 기술 분야의 일반적인 지식을 가진자에 의해 이해될 것이다. 다른 예들에서, 잘 알려진 방법들, 절차들 및 컴포넌트들은 본 명세서에 설명된 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않았다. 또한, 이러한 설명은 본 명세서에 기재된 실시예의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 "결합된(coupled)" 또는 "결합(coupling)"이라는 용어들은 이들 용어들이 사용되는 문맥에 따라 여러 상이한 의미를 가질 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 결합되거나 결합되는 용어들은 기계적, 광학적 또는 전기적 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 결합되거나 커플링되는 용어들은 두개의 요소들 또는 디바이스들이 서로 직접 연결될 수 있거나, 또는 특정 문맥에 따라 전기 신호, 전기적 연결, 기계적 요소, 광학 요소, 또는 광 경로를 통해 하나 이상의 중간 요소들 또는 디바이스들을 통해 서로 연결될 수 있음을 나타낼 수 있다.

"투명한” 이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때, 컨테이너 또는 윈도우와 같은, 그러나 이에 한정되지 않고, 물체를 의미하고, 예를 들어, 부분적으로 투명하거나, 반정도 투명하거나(semi-transparent) 또는 완전히 투명한 것과 같은, 일정 정도로 투명할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 포괄적-또는(inclusive-or)을 나타내도록 의도된다는 점에 유의해야 한다. 즉, "X 및/또는 Y"와 같은 표현은, 예를 들어, 일반적으로 X 또는 Y 또는 둘 다를 의미하도록 의도된다. 추가 예로서, "X, Y, 및/또는 Z"와 같은 표현들은 일반적으로 X 또는 Y 또는 Z 또는 이들의 임의의 조합을 의미하는 것으로 의도된다.

여기서 사용된 "실질적으로", "약" 및 "대략"과 같은 정도의 용어는 최종 결과가 크게 변경되지 않도록 수정된 용어의 합리적인 편차 양을 의미한다는 점에 유의해야 한다. 이러한 정도의 용어들은 또한, 예를 들어, 이러한 편차가 그것이 변경하는 용어의 의미를 부정하지 않는다면, 수정된 용어의 편차를, 예를 들어 1%, 2%, 5% 또는 10%만큼 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 종점에 의한 수치 범위의 언급은 그 범위 내에 포함되는 모든 수 및 분수를 포함한다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.90, 4 및 5를 포함한다). 또한, 모든 숫자 및 이의 분수는, 예를 들어, 1%, 2%, 5%, 또는 10%와 같이, 최종 결과가 유의하게 변하지 않는다면, 참조되는 숫자의 특정 양까지의 변동을 의미하는 "약"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로 추정된다는 것이 이해되어야 한다.

일 양태에서, 본 교시는 연구 중인 샘플과 인터페이스하는 라만 분석기 시스템의 광학 및 기계적 서브시스템인 라만 “프로브”(Raman “probe”)의 구현에서 신규한 개념을 제공한다. (도 1에 도시된 라만 시스템(100)과 같은) 많은 라만 분석기 시스템에서, 프로브(102)는 다중 광섬유 케이블을 통해 주 분석기 유닛(104)에 연결되고: 분석기 유닛(104)으로부터 프로브(102)로 레이저 에너지를 전송하기 위한 하나 이상의 "여기 섬유"(106) 및 샘플(110)로부터 다시 분석기 유닛(104)으로 프로브(102)에 의해 수집된 산란된 광 신호를 전송하기 위한 하나 이상의 "수집 섬유"(108)가 있다.

프로브(102)는 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 넓은 파트, 즉 "프로브 헤드"(102h) 및 "샘플 광학기"(102o)로 추가로 분할된다. 프로브 헤드(102h)는 전형적으로 여기 섬유(106)로부터 제공되는 발산 레이저 광 빔을 시준하고 이 시준된 빔을 샘플 광학기(102o)로 지향(directing)시키는 위한 광학 요소를 포함하며, 이 샘플 광학기는 이 예에서 여기 시준기 및 폴드 미러(fold mirror)이다. 시준 빔은 산란 광을 야기하는 샘플의 부분로 전송되고, 이는 그 다음 프로브 헤드(102h)에 의해 수신되어 시준된다. 프로브 헤드(102h) 내의 다른 광학 요소들은 샘플 광학기(102o)로부터 복귀하는 산란된 광의 적어도 하나의 시준된 빔을 수신 및 필터링하여 비-라만-산란된 광을 제거하는 이색성 필터, 및 이어서 필터링된 산란된 복귀 광을 수집 섬유(108) 내로 아래로 포커싱하는 수집 초점 조절장치(collection focuser)를 포함한다. 수집된 산란 광은 광학 분광 분석 시스템에 의해 사용되어 샘플의 부분에 대한 분광학 정보를 측정한다.

샘플로부터 후방 산란된 광을 검출하는 대부분의 광학 분광법 측정 시스템에서, 프로브 헤드(102h)를 빠져나가는 시준된 여기 빔은 샘플 광학 어셈블리(102o)에 의해 "프로브 초점 지점"으로 지칭되는 소형 영역 상으로 포커싱된다. 이 영역은 진정한 지점(point)이 아니라, 오히려 여기 광의 근원, 전형적으로 여기 섬유(106)의 이미지이므로, "초점 스팟"으로 지칭될 수 있다. 실제로, 이 초점 스팟은 여기 광원의 완벽한 재현이 아닌데, 그 이유는 여기 광원과 초점 스팟 사이의 광학 요소들이 그것의 이론적으로 완벽한 크기 및 형상으로부터 초점 스팟을 흐리게 하고/하거나, 왜곡시키고/시키거나, 보통 확대시키거나/시키는 다양한 광학 수차들을 유도할 것이기 때문이다. 예를 들어, 샘플 광학 어셈블리(102o)에 대해, 현재의 최신 설계들은 전형적으로 단일 평면-볼록 또는 양볼록 렌즈 또는 사파이어 볼 렌즈를 수반한다. 이러한 경우에, 렌즈는 구체의 일부인 하나 이상의 표면, 또는 완전한 구체인 렌즈를 갖는다. 이러한 광학 요소들은, 광학 요소들이 완전한 구체를 포함하지 않는 경우에도, 당 기술 분야의 일반적인 지식을 갖는자 의해 "구면 광학계(spherical optics)"로 지칭된다. 구면 광학 표면은 표준 광학 제조 기술을 사용하여 제조하기가 비교적 용이하지만, 이들은 종종 여기 광원으로부터의 광을 최적의 초점(즉, 초점 스팟)으로 가져오지 않는다. 이는 부분적으로 구면 표면 프로파일(spherical surface profile)이 "구면 수차"를 받는 임의의 단일 렌즈로부터 야기되며, 이는 왜곡 효과이며, 여기서 광의 포커싱된 스팟은 이론적으로 완전한 "근축"(paraxial) 렌즈에 의해 생성된 스팟과 비교하여 흐릿하고/하거나 퍼진다.

이러한 수차들은 도 3에 도시된 바와 같이, 구면 광학 요소들의 NA가 높을수록 더욱 심해진다. 도 3의 상부 패널에서, 포커싱 렌즈(150)는 긴 초점 거리와 소형 NA를 가지며, 따라서 좌측으로부터 우측으로 전파되는 평행 광선들은 (상부 패널에서 확대된 삽입 이미지에 의해 도시된 바와 같이) 비교적 소형 초점 스팟(152)에 포커싱될 수 있다. 도 3의 중간 패널에서, 포커싱 렌즈(160)는 각각 포커싱 렌즈(150)의 초점 거리 및 NA에 비해 더 짧은 초점 거리 및 더 큰 NA를 갖는다. 포커싱 렌즈(160)의 구면 및 편평한 표면은 입사 시준된 빔을 단일 스팟으로 포커싱하는 데 양호한 역할을 하지 않으므로, 결과적인 초점 스팟(162)은 제1 패널 내의 초점 스팟(152)보다 더 크다. 도 3의 세번째 패널에서, 포커싱 렌즈(170)는 포커싱 렌즈(150)의 초점 거리 및 NA 각각에 비해 훨씬 더 짧은 초점 거리 및 상당히 큰 NA를 가지며, 그 결과 여전히 더 불량한 포커싱 및 더 넓은 초점 스팟(172)을 초래한다.

대부분의 광학 산란은 실질적으로 등방성이기 때문에, 이는 유입 광자가 원래 이동하던 방향에 관계없이 샘플로부터 모든 방향으로 동일하게 산란한다는 것을 의미하며, 분광 프로브의 샘플 광학 어셈블리가 가능한 큰 NA를 갖는 것이 유리하다. 달리 말하면, 샘플 광학 어셈블리의 NA가 클수록, 분광 프로브(102)에 의해 캡처될 산란 각도의 범위가 더 크고, 따라서 측정된 분광 신호가 더 강하고 더 명확하게 정의될 것이다. 그러나, 구면 광학계가 큰 NA와 함께 사용되면, 여기 레이저 빔의 파워가 더 큰 영역에 걸쳐 분산되고 샘플로부터 산란된 광의 많은 부분이 샘플 광학 어셈블리(102o)에 의해 수집되더라도 부정확하게 포커싱될 것이고 수집 섬유(108)의 코어를 놓칠 것이기 때문에, 광학 수차는 측정된 분광 신호의 품질을 (품질이 신호 강도 및/또는 측정된 신호의 신호 대 잡음비에 따라 평가됨) 손상시킬 것이다.

전통적인 구면 광학계의 이러한 한계를 극복하기 위해, 광학 분광 프로브의 샘플 광학 어셈블리에 비구면 싱글릿(singlet) 렌즈를 사용할 수 있다. 컴퓨터 제어 폴리싱 기계 및 진보된 유리 몰딩 기술은 비구면 렌즈를 기존에 사용하던 것보다 훨씬 덜 비싸고 더 정밀하게 만들어, 비구면 광학 요소가 분광 프로브와 같은 광학 시스템에 쉽게 통합될 수 있다. 적절하게 형상화된 비구면 렌즈는 레이저 여기 빔과 같은 단색 축상 광 빔으로부터 거의 완벽한 이미지를 생성할 수 있고, 샘플 광학 어셈블리 내의 비구면 광학 요소(들)의 저분산 유리를 이용하여, 귀환 수집 빔 내의 색 수차(chromatic aberration)가 최소화될 것이다. 몇몇 비구면 광학계는 라만 현미경 시스템을 위한 샘플 광학 어셈블리로서 기능하는 복합 현미경 대물 렌즈에 이용될 수 있지만, 비-영상 분광법(non-imaging spectroscopy)을 위해, 싱글릿 렌즈가 훨씬 더 간단하고, 더 작고, 덜 비싸며, 복합 다중 요소 현미경 대물 렌즈보다 더 많은 광자를 전달하기 때문에, 더 우수한 선택이 될 수 있다.

일 양태에서, 본 명세서의 교시에 따르면, 비구면 광학계가 샘플 장치의 일부인 샘플 컨테이너, 용기 또는 윈도우의 투명 영역에 의해 생성된 광학 수차(optical aberration)를 보상하도록 구성되는 적어도 하나의 실시예가 있다(즉, 그들의 광학 표면의 하나 이상의 형상은 특정 광학 특성을 갖도록 변형된다). 실험실 설정에서, 액체 또는 고체 샘플은 바이알, 비이커, 큐벳, 또는 다른 유리 봉입기(enclosure) 내부에 위치될 수 있고, 컨테이너란 용어는 이들 모든 경우를 포괄하는 것을 의미한다. 산업적 설정에서, 샘플 액체는 샘플에 대한 광학적 접근을 허용하는 편평한 투명 윈도우(window)를 갖는 금속 파이프를 통해, 또는 투명 유리 튜브를 통해 유동할 수 있다. 이들 모든 경우에, 샘플 광학 어셈블리로부터의 수렴 여기 광 빔은, 용기벽 또는 윈도우가 전체 시스템의 추가 광학 요소로서 작용하기 때문에, 샘플에서 초점 스팟을 생성할 때 추가 수차를 마주치게 될 것이다. 고품질의, 평행한, 광학적으로 평탄한 표면을 갖는 윈도우조차도 수렴 또는 발산하는 광 빔에서 구면 수차를 유도할 것이다. 그러나, 용기벽 또는 윈도우의 광학 특성이 미리 알려지면, 비구면 렌즈(aspheric lens) 또는 거울(mirror)이 설계되고 제조될 수 있으며, 이는 예상되는 수차를 정정하고 샘플의 체적 내에서 또는 샘플의 표면에서 향상된 초점 스팟을 전달할 것이다. 이러한 시나리오는 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 상부 패널에서, (전형적으로 +/- 0.2도 내지 +/- 1.0도 내인) 소형 범위의 각 내에 상호 평행한 광선을 갖는 실질적으로 시준된 여기 광선을 수신하고 광선을 매우 샤프한 초점 스팟(202)으로 지향시키도록 최적화되었다. 이에 따라, 시준된 광 빔이란 용어는 완벽히 시준된 광 빔 또는 완벽히 시준된 광 빔으로부터 소형 편차를 갖는 실질적으로 시준된 광 빔을 의미할 수 있고, 실질적으로 시준된 광 빔이란 용어는 또한 완벽히 시준된 광 빔을 의미할 수 있다는 것이 이해되야만 한다. 도 4의 중간 패널에서, 두꺼운 윈도우(212)는 렌즈(200)와 샘플 초점 사이에 도입되어, 샤프한 초점을 방해하고 더 크고 더 확산된 초점 스팟(214)을 생성하는 구면 수차를 생성하였다. 도 4의 하부 패널에서, 비구면 렌즈(200')의 표면의 형상은 약간 변경되었고, 특히 초점 스팟(202)의 샤프한 초점이 회복되도록 윈도우(212)로부터 구면 수차를 고려하고 제거하도록 재-최적화되었다.

다른 양태에서, 본 명세서의 교시에 따르면, 샘플 컨테이너의 왜곡 효과에 대한 보상은 또한, 샘플의 체적 내에 또는 샘플의 표면에서 적어도 하나의 초점 스팟 또는 초점 라인의 크기를 감소시키고/시키거나 적어도 하나의 초점 스팟 또는 초점 라인을 샤프닝하기 위해 광학 윈도우 또는 투명 샘플 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차를 보상하도록 형상화되는 적어도 하나의 표면을 집합적으로 제공하는 다수의 구면 광학 요소 및/또는 구면 환형 광학 요소의 사용에 의해 달성될 수 있다. 다중-요소 샘플 광학 어셈블리(multi-element sample optic assembly)가 단일 비구면 광학 요소보다 더 복잡하지만, 구면 광학계는 제조하기가 더 쉽고, 다중-요소 샘플 광학 어셈블리는 샘플 광학 어셈블리의 광학 요소들 사이의 거리를 변경함으로써 상이한 상황에 대해 조정하기 위해 사용되어 샘플의 체적 내에 또는 샘플의 표면에서 적어도 하나의 초점 스팟 또는 적어도 하나의 초점 라인을 샤프닝할 수 있다.

예로서, 도 5a 및 도 5b는 상이한 벽 두께를 갖는 실린더형 유리 바이알(252)의 액체 함량을 측정하도록 구성된 광학 분광 프로브용 다중-요소 샘플 광학 어셈블리(250)의 두 도면을 도시한다. 이들 유형의 바이알은 공통적으로 직경이 약 5 mm 내지 25 mm이고, 벽 두께가 약 1 mm 내지 5 mm이지만, 특수 시나리오에서 더 작거나 더 큰 크기로 발견될 수 있다. 다중-요소 샘플 광학 어셈블리(250)는 2개의 요소, 즉 (1) "최상-형태" 양볼록 구면 싱글릿(254), 및 (2) 볼록 구면 제1 표면(256a) 및 오목 실린더형 제2 표면(256b)을 갖는 환형 렌즈(256)를 포함하며, 이는 바이알(252)의 볼록 외부 실린더형 표면(252a)과 실질적으로 동일한 곡률 반경을 갖는다. 이들 2개의 렌즈(254, 256)의 직경은 프로브 헤드(도시되지 않음)로부터 오는 시준된 여기 빔의 크기에 좌우될 것이지만, 전형적으로 직경이 약 5 mm 내지 약 20 mm이고, 최상 형태 렌즈(254)는 약 10 mm 내지 약 30 mm의 초점 길이를 가질 수 있다. 바이알(252)의 벽의 두께에 따라, 다중-요소 샘플 광학 어셈블리(250)의 2개의 요소(254, 256) 사이의 간격은 바이알의 내부 표면에 초점 스팟을 놓도록 조정될 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 바이알(252)은 액체 샘플을 포함하는 비커(도시되지 않음)로 대체될 수 있으며, 이 경우 환형 렌즈(256)의 표면(256b)의 곡률 반경은 비커의 외부 표면 곡률 반경과 매치되도록 증가될 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리(250)는 테스트 튜브(도시되지 않음)의 반구면 바닥을 통해 측정하도록 구성될 수 있으며, 광학 요소(256)는 표면(256b)을 테스트 튜브의 바닥 외부의 곡률 반경과 실질적으로 매치하는 곡률 반경을 갖는 구면으로 오목한 표면으로 변환함으로써 추가로 구성될 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리(250)는 비이커의 편평한 바닥 또는 큐벳(도시되지 않음)의 편평한 측면을 통해 측정하도록 구성될 수 있으며, 광학 요소(256)는 비이커 바닥 또는 큐벳 측면의 편평한 외부 표면과 일치하도록 환형 렌즈(256)의 표면(256b)을 편평한 표면으로 변환함으로써 추가로 구성될 수 있다.

다른 양태에서, 본 명세서의 교시에 따라, 비구면 렌즈로부터의 수렴 광선이 모든 지점에서 표면에 수직인 구면 요소에 진입하도록, 비구면 초점 렌즈 및 구면 곡면(들)이 비구면 렌즈의 초점 스팟 상에 실질적으로 중심 설정되는 구면 광학 요소를 포함하는 샘플 광학 어셈블리의 적어도 하나의 실시예가 제공된다. 이와 같이, 구면 요소에 의해 수차가 유도되지 않고, 광선은 이어서 소형 초점 스팟에 포커싱 하게 된다. 샘플은 이 소형 초점 스팟에 놓이고, 구면 요소는 샘플이 샘플 광학 어셈블리 내로 누설되는 것을 방지하기 위한 윈도우 또는 도관으로서 기능한다. 구면 요소는 광선에 대해 임의의 포커싱 작용도 수행하지 않으므로 비-포커싱 구면 요소라는 점에 유의해야 한다.

이제 도 6a를 참조하면, 비구면 초점 렌즈(302) 및 비초점 구면 광학 요소(304)를 포함하는 샘플 광학 어셈블리(300)의 예시적인 실시예가 도시되어 있으며, 여기서 구면 광학 요소(304)는 편평한 측면(304a)(즉, 편평한 표면)을 갖는 하프-볼 렌즈이고, 샘플(110)은 하프-볼 렌즈의 편평한 측면(304a)에 기대어(against) 놓인다. 샘플(110)은 상이한 형상들을 가질 수 있고, 단지 하나의 예가 도6a의 예시적인 목적들을 위해 주어진다는 것에 유의해야 한다. 초점 스팟(306)은 또한 하프-볼 렌즈의 편평한 면(304a)과 샘플(110) 사이의 계면에 있다. 유리하게는, 이 실시예는 광학 소자(304)와 접촉하는 샘플(110)의 표면에 또는 그 표면에 매우 가까운 위치에서 초점 스팟의 거의-완벽한 포커싱을 달성하기 위한 수단을 제공하며, 이는 특히 샘플(110)이 불투명하거나 혼탁할 때 다른 광학 구성보다 더 강하고 더 일관된 분광 신호를 초래한다.

이제 도 6b를 참조하면, 비구면 초점 렌즈(352) 및 비초점 구면 광학 요소(354)를 갖는 다중-요소 샘플 광학 어셈블리(350)의 대안적인 예시적인 실시예가 도시된다. 렌즈(352)는 렌즈(302)와 유사할 수 있다. 이 경우, 구면 광학 요소(354)는 초점 스팟(356)을 지나 액체 또는 기체 샘플을 운반하기 위해 구체의 중심을 통해 드릴링된 좁은 도관 또는 채널(354h)을 갖는 완전 구체다. 이 실시예는 액체 또는 기체 샘플을 운반하는 호스 또는 튜브(도시되지 않음)가 도관(354h)에 직접 결합될 수 있어, 광학 요소(354)와 누설되기 쉬울 수 있는 금속 하우징 사이의 금속 또는 에폭시-기반 밀봉을 피할 수 있다는 점에서 유리하다. 사용시, 도관(354h)은 완전히 액체로 가득 찰 수 있고(특히 고압 하에 있을 경우), 샘플 액체는 불투명할 수 있어서, 초점 스팟은 도관(354h)의 근위 내부 표면과 일치하는 샘플의 근위 표면에 놓일 수 있다. 구면 광학 요소(304 또는 354)에 대한 전형적인 크기는 반경이 약 2 mm 내지 약 20 mm일 수 있고, 비구면 초점 렌즈(302 또는 352)는 직경이 약 5 mm 내지 약 25 mm이고, 초점 길이는 그 직경과 동일하다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 이러한 치수들 모두는 여기에 제공된 예시적인 범위들보다 더 작거나 더 클 수 있다.

도 6a 및 도 6b의 실시예 둘 모두에서, 초점 스팟(306 및 356) 상에서 동심인 구면 표면(즉, 구면 광학 요소(304 및 354)로부터)이 수차를 유도하지 않을 것이고, 따라서 이들 실시예에서 나타날 수 있는 임의의 구면 수차, 색 수차, 또는 다른 광학 수차를 크게 감소시킬 것이기 때문에, 비구면 렌즈(302 및 352)는 (도 4에 도시된 실시예에 대해 설명된 바와 같이) 샘플 프로브의 편평한 윈도우로부터의 수차를 상쇄하도록 특별히 최적화될 필요가 없다. 또한, 구면 요소(304, 354)는 일반적으로 상이한 재료의 상이한 광학 굴절률을 보상하기 위해 요구되는 광학 설계에 대한 조정 없이 특정 측정 시나리오의 요건에 따라 임의의 유리, 크리스탈, 또는 다른 투명 재료로 제조될 수 있다.

다중-요소 샘플 광학 어셈블리(300 및 350)의 대안적인 실시예는 비구면 렌즈 대신에, 예를 들어 비축 포물면(off-axis paraboloid) 또는 타원형 거울(elliptical mirror)과 같은 비구면 거울을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 추가적으로, 다중 구면 및/또는 비구면 거울이 단일 비구면 렌즈 대신에 사용될 수 있는데, 예를 들어, 3개의 거울 비점매트(anastigmat) 디자인 또는 오프너(Offner) 이미징 릴레이가 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 본 명세서의 교시들에 따르면, 여기 빔을 소형 스팟보다는 라인을 따라 포커싱 하기 위해 광학 분광 프로브들과 함께 환형 또는 실린더형 광학계가 사용될 수 있다. 이것은, 연장 라인을 따라 샘플(110)을 조명하는 것이, 합리적으로 강한 수집 신호를 여전히 유지하면서 이종의 샘플의 표면 또는 내부의 보다 전역적인 또는 평균화된 평가를 제공하기 때문에 유리하다. 샘플(110)의 더 큰 영역의 분광 감지는, 초점 광학계가 전혀 없이, 시준된 빔을 샘플(110)로 직접 전송함으로써 달성될 수 있지만, 샘플(110)이 입사 광자들을 등방성으로 산란시키는 경우, 입사 광자들의 소형 부분만이 프로브 헤드(102h)의 샘플 광학 어셈블리(102o)로 그리고 수집 섬유(108)로 리딩하는 소형 각도 내에서 후방 산란될 것이다.

대안적으로, 본 명세서의 교시에 따르면, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 실린더형 샘플 광학 렌즈(402)를 갖는 샘플 광학 어셈블리(400)는 실질적으로 더 큰 산란각(406)을 캡처하는데 사용될 수 있고, 따라서 광학 분광 분석 시스템의 더 높은 측정 정확도 또는 더 우수한 감도를 위해 더 강한 분광 신호를 전달할 수 있고, 한편 샘플(110)의 더 큰 대표 영역, 예를 들어 초점 라인, 으로부터 후방 산란된 광자들을 여전히 수집할 수 있다. 초점 라인(404)은 각각이 샘플의 상이한 일부의 측정을 제공하는 복수의 개별 초점 스팟으로 고려될 수 있다. 초점 라인(404)이 샘플(110)의 이동 방향에 실질적으로 수직으로 배향되어 이동하는 샘플(110)의 2차원(2D) 영역을 효과적으로 "스위프"할 수 있기 때문에, 이러한 스펙트럼 데이터가 수집되는 동안 샘플(110)이 고정된 방향(도시되지 않음)으로 이동하거나 유동하는 경우 이 조명의 기하학이 특이 유용하다. 렌즈(402)의 직경 또는 폭은 시준된 빔의 직경보다 더 클 수 있고, 따라서 렌즈의 직경은 전형적으로 약 2 mm 내지 약 25 mm의 범위일 수 있고, 렌즈(402)의 초점 길이는 샘플 광학 어셈블리(400)에 대한 샘플의 예상된 위치에 의해 결정된다. 렌즈(402)의 초점 길이가 그의 폭 또는 직경에 비해 작을 필요가 있는 경우(즉, 큰 NA를 제공하기 위해), 양호한 포커싱 샤프니스를 유지하고 수차를 회피하기 위해 렌즈(402)의 하나 또는 양 표면에 대해 실린더형 형상을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 비실린더형 표면은 샘플 광학 어셈블리 및 샘플 사이의 샘플 컨테이너의 투명 영역 또는 광학 윈도우(도시되지 않음)에 의해 생성되는 수차를 보상하도록 구성될 수 있다. 도면들이 수직 방향으로 배향된 초점 라인을 보여주지만, 특정 실시예에서 초점 라인이 임의의 방향으로 배향될 수 있다는 것에 유의해야만 한다.

이제 도 7c를 참조하면, 샘플 광학 어셈블리(450)의 대안적인 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리는 렌즈(402)의 형상과 유사할 수 있지만 샘플(110)의 표면에 대해 비스듬한 각도로 배향되어 초점 라인(404)이 샘플(110) 내에서 상이한 깊이에 도달하고, 초점 라인(404)의 일 부분이 샘플(110)의 표면 상에 정확하게 포커싱되는 반면, 샘플(110)의 다른 부분들은 초점이 맞지 않는 실린더형 샘플 광학 렌즈(452)를 포함한다. 예를 들어, 도 7c의 3개의 직사각형(110a, 110b, 110c)은 샘플(110)의 표면의 3개의 상이한 포지션을 나타낸다. 실린더형 렌즈(452)는 초점 라인(454)을 생성한다. 광선은 초점 라인(454)의 위치를 통과하여 우측으로 계속 진행할 것이지만, 초점 라인(454)을 통과한 광선의 우측은 더 나은 명료성을 위해 도 7c에서 절단되었음에 유의해야 한다. 샘플(110)이 포지션(110a)에 있으면, 초점 라인(454)은 위치(454a)에서 샘플(110) 상에 완벽하게 포커싱될 것이다. 대안적으로, 샘플(110)이 포지션(110b)에 있다면, 초점 라인(454)은 위치(454b)에서 샘플(110) 상에 완벽하게 포커싱될 것이다. 대안적으로, 샘플(110)이 포지션(110c)에 있다면, 초점 라인(454)은 위치(454c)에서 샘플(110) 상에 완벽하게 포커싱될 것이다. 중간 샘플 포지션들(도시되지 않음)은 각각 샘플 표면에 완벽하게 포커싱된 초점 라인(454)의 그들 자신의 각각의 부분을 가질 것이다. 샘플(110)이 실린더형 렌즈(452)에 더 가깝게 또는 그로부터 더 멀리 이동하면, 초점 라인(454)의 일부 영역은 여전히 초점이 맞을 것이고, 따라서 일관된 분광 신호를 제공할 것이다. 렌즈(452)의 가능한 크기 및 초점 거리는 전술한 렌즈(402)의 것과 유사할 것이다.

다른 양태에서, 본 명세서의 교시에 따르면, 적어도 하나의 실시예에서, 순수한 실린더형 또는 실린더형 광학 요소(즉, 렌즈(452)에 대해 전술한 바와 유사한 치수를 갖는 실린더형 또는 실린더형 렌즈 또는 거울)를 갖는 샘플 광학 어셈블리가 사용될 수 있으며, 이는 광학 요소가 시준된 빔이 제1 축을 따라 수렴하게 하지만 제2 축을 따라 임의의 수렴 또는 발산을 생성하지 않을 것이기 때문에 시준된 여기 빔의 직경과 동일한 길이를 갖는 초점 라인을 생성할 것이고, 여기서 제2 축은 제1 축에 수직이다.

다른 양태에서, 본 발명의 교시에 따르면, 대안적인 실시예에서, 초점 라인의 길이를 시준된 빔 직경보다 크거나 작게 만들도록 구성될 수 있는 환형 광학 요소(502)를 갖는 샘플 광학 어셈블리(500)가 제공되어(도 8a 참조), 분광 조명은 원하는 측정 유형에 가장 적합한 샘플(110)의 영역(504)을 덮는다. 이는, 환형 광학 요소(502)가, 제2 축(예를 들어, 도 8a에서 수직)을 따르는 것과 비교하여 제1 축(예를 들어, 도 8a에서 수평)을 따라 상이한 표면 곡률에 의해, 시준된 빔을 제1 축을 따라 강하게 수렴시킬 것이지만(초점 스팟(504)을 수평으로 좁게 함), 시준된 빔을 제2 축을 따라 오직 약하게 수렴시킬 것이기 때문이다(따라서, 초점 스팟은 수직 라인으로 확산됨). 환형 광학 요소의 크기 및 초점 거리는 샘플 광학 어셈블리(400, 450)와 같은 이전 실시예에 대해 인용된 것과 유사할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 하나보다 많은 환형 광학 요소(502)가 있을 수 있고, 초점 라인은 도면들에 수직으로 도시된 것과 다르게 임의의 방향으로 배향될 수 있다. 또한, 대안적인 실시예에서, 환형 광학 요소(502)는 샘플 광학 어셈블리 및 샘플 사이의 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 투명 영역 또는 광학 윈도우에 의해 생성되는 수차를 보상하도록 구성된 하나 또는 양 표면을 가질 수 있다.

다른 양태에서, 본 발명의 교시에 따르면, 대안적인 실시예에서, 제1 렌즈(552)(발산하는 실린더형 광학 요소일 수 있음) 및 제2 렌즈(556)(수렴하는 실린더형 광학 요소일 수 있음)의 조합을 갖는 샘플 광학 어셈블리(550)가 제공되며, 이들은 제1 축을 따라 시준된 빔을 포커싱하는 한편 제2 축을 따라 빔을 확장하여(도 8b, 도 8c 및 도 8d 참조), 샘플(110) 상에 긴 초점 라인(554)을 생성한다. 양 광학 요소(552, 556)는 실린더형 렌즈(552)가 음의 초점 길이를 가질 것이라는 경고(caveat)와 함께 전술한 실린더형 광학계와 유사한 크기 및 초점 길이를 가질 수 있다. 도 8b은 원래의 시준된 빔의 직경보다 길이가 더 큰 초점 라인(554)을 생성하는 샘플 광학 어셈블리(550)의 사시도를 도시한다. 도 8c는 렌즈(552)가 빔이 제2 축을 따라 발산하게 하는 반면, 렌즈(556)는 그 발산을 변경하지 않는다는 것을 예시하는 측면도를 도시한다. 도 8d는 렌즈(556)가 빔이 제1 축을 따라 수렴하게 하는 반면, 렌즈(552)는 제1 축을 따라 시준된 빔의 경로를 변경하지 않는다는 것을 예시하는 평면도를 도시한다. 다른 실시예에서, 렌즈(552)는 제2 축을 따라 시준된 빔을 단지 부분적으로 포커싱하는 수렴 실린더형 렌즈일 수 있어, 도 8a의 라인(504)으로 도시된 것과 유사한 짧은 초점 라인을 생성한다. 어느 경우든, 렌즈(552)는 샘플(110) 상에서 바람직한 조명 패턴의 기하학에 따라 제2 축을 따라 시준된 빔을 수렴하거나 발산하도록 작용한다. 이들 실시예는 도 8a에서 샘플 광학 어셈블리(500)에 대해 도시된 단일 환형 렌즈(502)보다 더 많은 광학 요소를 필요로 하지만, 실린더형 광학 요소는 환형 광학 요소보다 제조하기가 더 용이하고, 본 교시에 따라 선택되고 배열될 수 있는 규격품 렌즈 또는 거울로서 이용 가능할 수 있어, 제조 공정을 단순화하고 및/또는 샘플 광학 어셈블리(550)의 비용을 감소시킨다. 이 실시예의 대안으로, 초점 라인의 배향이 수직, 수평 또는 임의의 배향일 수 있다. 또, 대안적인 실시예예서, 광학 요소(552, 556)는 샘플 광학 어셈블리 및 샘플 사이에, 예를 들어, 실린더형 렌즈 대신 비실린더형 렌즈를 사용하는, 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 투명 영역 또는 광학 윈도우에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 하나 이상의 표면을 가질 수 있다.

다른 양태에서, 본 명세서의 교시에 따르면, 실린더형 렌즈 또는 거울은 (구면 또는 비구면 렌즈 또는 포커싱 거울과 같은) 표준 광학 요소와 조합되어 샘플 상에 초점 라인을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 8e에 도시된 하나의 예시적인 실시예(560)에서, 수렴 실린더형 렌즈(562)와 같은 실린더형 광학 요소 및 구면 포커싱 렌즈(564)는 샘플(110) 상에 포커싱된 라인(566)을 생성하기 위해 시준된 빔의 경로에 놓인다. 수렴 실린더형 렌즈(562) 및 구면 포커싱 렌즈(564)의 크기 및 초점 거리는 샘플 광학 어셈블리(400, 450)와 같이 여기에서 설명된 이전 실시예에 대해 설명된 것과 유사하다. 상이한 실시예에서, 실린더형 광학 요소는 발산하는 실린더형 렌즈일 수 있으며, 이는 구면 포커싱 렌즈(564)와 조합될 때 유사하게 샘플 상에 초점 라인을 생성할 것이다. 이 실시예의 대안에서, 초점 라인의 배향은 수직, 수평 또는 임의의 다른 방향일 수 있다. 또한, 대안적인 실시예에서, 광학 요소(562, 564)는 샘플 광학 어셈블리와 샘플 사이의 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 투명 영역 또는 광학 윈도우에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 하나 이상의 표면을 가질 수 있다.

도 8f에 도시된 추가적인 예시적인 실시예(570)에서, 액시콘 렌즈(572)를 표준 광학 포커싱 요소(564)와 조합한다. 이 광학 요소의 조합은 원형 경로(576) 내에 샘플(110)을 조명할 것이다. 이 경로는 원의 내부 영역을 조명하지 않으나 원형의 에지를 쫓고, 각각이 샘플의 다른 일부의 측정을 제공하는 복수의 개별 초점 스팟으로 고려될 수 있다. 샘플로부터의 산란광을 효율적으로 우수하게 수집하는 것을 달성하기 위해 조명은 여전히 본질적으로 하나의 축(이 경우, 극 좌표계의 방사축)을 따라 포커싱 되지만 조명이 샘플의 특성의 더 대표적인 측정을 위해 샘플의 확장된 영역을 덮기 때문에 이 종류의 구성은 도 8e의 예시적인 실시예의 초점 라인(566)에 유사한 유리함을 갖는다. 또, 대안적인 실시예에서, 광학 포커싱 요소(564)는 샘플과 샘플 광학 어셈블리 사이에 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 광학 윈도우 또는 투명 영역에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 하나 이상의 표면을 가질 수 있다.

도 8e 및 도 8f에 상술한 구성에 대해, 대안적인 실시예는 두개의 광학 요소의 순서를 반전시키거나 두 광학 요소를 하나의 광학 요소, 예를 들어 제1 표면 상에 실린더형 또는 액시콘 프로파일을 갖는 단일 광학 요소 및 제2 표면에 구면 포커싱 프로파일을 갖는, 로 병합할 수 있다.

본 교시에 따른 다른 양태에서, 프로브 헤드(102h)로부터 나오는 시준된 빔의 경로내에 다수의 포커싱 요소를 놓음으로써 샘플(110)의 보다 전역적인 또는 공간적으로 평균화된 분광 평가가 획득될 수 있다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 일 예시적인 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리(600)는, 유리하게는, 시준된 여기 빔을 다수의 초점 스팟들(604a 내지 604n)로 집합적으로 포커싱하는 소형 렌즈들의 2차원 어레이(602)("렌즈릿 어레이"로 종종 지칭됨)를 포함하고, 렌즈릿 어레이(602) 내의 각각의 소형 렌즈는 또한 그의 각각의 초점으로부터 산란된 광의 일부를 캡처하고 시준하여, 복수의 평행한 시준된 수집 빔을 프로브 헤드(102h)로 다시 전송하여 여과되고 및 수집 섬유(108) 상으로 포커싱된다. 측정된 스펙트럼은 각각의 초점 스팟들(604a 내지 604n)로부터의 산란된 광의 모든 스펙트럼들의 가중 평균일 것이며, 단지 단일 위치에서 샘플(110)을 측정하기보다는 전체로서 샘플(110)의 보다 대표적인 뷰를 제공한다. 대안적인 실시예들에서, 렌즈릿 어레이는 실린더형 렌즈들의 1차원(1D) 또는 2D 어레이 또는 곡면 거울들의 2D 어레이일 수 있다. 또, 대안적인 실시예에서, 렌즈릿 어레이(602의 개별 렌즈릿의 표면은 샘플(110) 및 샘플 광학 어셈블리(600) 사이의 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 광학 윈도우 또는 투명 영역에 의해 생성되는 수차를 보상하도록 구성될 수 있다. 상이한 대안적인 실시예에서, 복수의 초점 스팟은 렌즈릿 어레이(602)의 개별 렌즈릿의 표면을 조정하거나 추가적인 광학 요소(도시되지 않음)를 부가하는 것에 의해 복수의 초점 라인 또는 복수의 원들로 교체될 수 있고, 여기서 이러한 변형은 도 8e의 광학 요소(562) 또는 도 8f의 광학 요소(572)와 유사한 방법으로 본질적으로 시준된 빔의 일부에 따라 작용할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 이제 도 9b에 도시된 샘플 광학 어셈블리(620)를 참조하면, 평면 거울(624a 내지 624d)의 1D 또는 2D 어레이는 입사 시준된 빔의 다수의 빔 부분을 하나 이상의 포커싱 광학 요소(628)로 재지향시켜 다수의 빔 부분 각각이 샘플(110)의 표면 상의 또는 샘플(110)의 내부에서 상이한 위치(630a 내지 630d)에서 상이한 초점으로 포커싱되도록 할 수 있다. 평면 거울(624a 내지 624d)은 각각의 거울의 평면이 인접한 거울에 대해 약간 각진 개별 평면 거울, 또는 단일 모놀리식 광학 요소의 상이한 각진 면, 또는 이들 방법의 조합일 수 있다. 또한, 샘플 광학 어셈블리(620)의 예시적인 실시예에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 거울면들이 있을 수 있다. 또, 대안적인 실시예에서, 포커싱 광학 요소(628)은 샘플 광학 어셈블리 및 샘플 사이의 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 광학 윈도우 또는 투명 영역에 의해 생성된 수차를 보상하여 위치(630a 내지 630d)에서 초점 스팟의 더 샤프하고/하거나 더 작은 사이즈를 생성하도록 구성된 하나 또는 양 표면을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 또한, 적어도 하나의 대안적인 실시예에서, 거울 표면(624a 내지 624b)은 샘플 컨테이너의 광학 윈도우 또는 투명 영역에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성될 수 있다. 도 9a 및 도 9b의 샘플 광학 어셈블리(600, 620) 둘 모두의 개별 렌즈릿들 또는 개별 거울면들은 각각 전형적으로 크기가 1 mm 내지 5 mm일 수 있지만, 특정 실시예에 대해 요구되는 바와 같이 더 작거나 더 클 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 렌즈릿들 또는 개별 거울면들은 조명되고 있는 샘플의 부분의 크기, 형상, 또는 분포에 가장 적합한 초점들의 특정 분포를 생성하도록 형상화, 위치, 및/또는 경사질 수 있다. 대안적인 상이한 실시예에서, 복수의 초점 스팟은 거울 표면(624as 내지 624d)의 표면을 조정하거나 추가적인 광학 요소(도시되지 않음)를 부가하는 것에 의해 복수의 초점 라인 또는 복수의 원들로 교체될 수 있고, 여기서 이러한 변형은 도 8e의 광학 요소(562) 또는 도 8f의 광학 요소(572)와 유사한 방법으로 본질적으로 시준된 빔의 일부에 따라 작용할 수 있다.

다른 양태에서, 본원의 교시에 따라, 다른 예시적인 실시예가 도 10에 도시되어 있으며, 이는 초점 스팟이 샘플(도시되지 않음) 내에서 (a) 프로브 헤드로부터 상이한 거리에서 및/또는 상이한 깊이(110p1 내지 110pq, 여기서 q는 정수)가 되는 포지션에 형성되도록, 상이한 초점 길이를 가질 수 있거나 시준된 빔(656)의 주 광학 축(654)을 따라 상이한 위치에 놓일 수 있는 포커싱 광학 요소의 어레이(652)를 포함하는 샘플 광학 어셈블리(650)를 도시한다. 상이한 실시예에서, 포커싱 광학 요소의 어레이는 도 10과 같은 1D 어레이 또는 도 9a 및 도 9b와 같은 초점 스팟의 2D 어레이를 제공하도록 배열될 수 있다. 샘플 광학 어셈블리(650)는 실질적으로 투명하고 화학적으로 균질하지 않은 샘플의 광학 측정을 획득하기 위해 사용될 수 있어서, 샘플로부터 복귀하는 산란된 광은 샘플 내의 많은 상이한 깊이로부터의 평균 스펙트럼 특성을 평가하기 위해 분광 시스템에 의해 사용될 수 있다. 샘플 광학 어셈블리(650)는 또한 예를 들어, 파우더, 펠릿(pellet), 또는 비드(bead)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않고, 불규칙한 고체 샘플의 표면의 측정을 위해 사용될 수 있으며, 여기서 초점 스팟들 중 일부는 샘플 표면 상에 정확하게 포커싱될 수 있는 한편 다른 초점 스팟들은 포커싱되지 않지만, 전체 신호 강도의 변동은 각각의 잘못 포커싱된 스된 스팟이 잘 포커싱된 스팟에 의해 밸런싱되는 경향이 있을 것이기 때문에 최소화될 것이다. 또한, 대안적인 실시예에서, 어레이(652)의 각각의 포커싱 광학 요소는 샘플 광학 어셈블리(650) 및 샘플 사이의 샘플 컨테이너(도시되지 않음)의 광학 윈도우 또는 투명 영역에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 하나 또는 양 표면을 가질 수 있다.

초점 라인 또는 다중 초점 스팟들을 제공하는 본 명세서에 설명된 샘플 광학 어셈블리들의 다양한 구성들은 일반적으로 동시에 독립적인 스펙트럼들이 기기의 시야 내의 다중 공간 위치들로부터 수집되는 장치인 초스펙트럼 이미저(hyperspectral imager)로서 작용하지 않는다. 초분광 이미징은 여러 스펙트럼을 병렬로 모으기 위해 더욱 정교한 광학 요소를 필요로 한다. 본 교시들은, 대조적으로, 샘플 표면에서 및/또는 샘플 내의 다수의 위치들로부터 복귀하는 산란된 광 모두를 조합하고, 복귀하는 산란된 광을 단일 수집 섬유(single collection fiber) 내로 포커싱하며, 이는 단일 조합된 스펙트럼이 수집되게 한다.

다른 양태에서, 본 명세서의 교시에 따르면, 초점 라인을 생성하는 샘플 광학 어셈블리 구성 및 다중 초점 스팟 구성을 생성하는 샘플 광학 어셈블리 구성 둘 모두는, 광학 초점 스팟을 지나 유동하는 액체 또는 슬러리 샘플의 분광 측정을 수행하기 위해 공통적으로 사용되는 장치인 유동 셀(flow cell) 내에 유리하게 통합되거나 부가될 수 있다. 이 통합은 전형적으로 유동 체널의 표면에 또는 유동 채널의 내부 내에 초점 스팟(들) 또는 초점 라인(들)을 위치시키기 위해, 유동 셀의 하우징 및 샘플 광학 어셈블리의 하우징 사이에 기계적 결합 또는 접속(linking)의 형태를 취한다. 단일 포커싱 스팟을 이용하는 종래의 분광 유동 셀은 모든 여기력(excitation power)을 소형 초점 스팟으로 집중시키며, 이는 광학 전력 밀도가 충분히 높으면 샘플을 손상시키거나 변경시킬 수 있다. 또한, 이들 종래의 유동 셀은 또한 샘플 매체가 이종인 경우 비-대표적인 샘플링(non-representative sampling)을 하는 경향이 있으며, 이 경우 화학적으로 구별되는 샘플 물질의 미립자 또는 다른 영역이 광학 분광법 프로브의 소형 초점 스팟을 통과하지 않고 유동 셀을 쉽게 통과할 수 있다. 그러나, 본 명세서의 교시에 따르면, 여기 광 빔은 확장된 초점 라인 또는 다수의 개별 초점 스팟들로 포커싱될 수 있어서, 종래의 분광 유동 셀(spectroscopic flow cell)과 관련된 이들 비-대표적인 샘플링 문제들 둘 모두가 완화될 수 있다.

또한, 도 7a 내지 10의 실시예에서, 광학 측정 구역이 더 넓은 영역 또는 다수의 영역들에 걸쳐 퍼져 있는 상태에서, 유동하는 액체 샘플 또는 다른 샘플 유형을 전달하는 샘플 채널들은 샘플 유동을 과도하게 방해 또는 제한하지 않고서 매우 얕게(주 광학 축을 따라 측정된 바와 같이) 만들어질 수 있다. 일례로서, 종래의 유동 셀 내의 단일 샘플 채널은 직경이 약 0.5 mm(즉, 0.5 mm 폭 및 0.5 mm 깊이)일 수 있고, 따라서 샘플 유체가 점성이면 유사한 크기 또는 유동 수축의 미립자에 의해 차단되기 쉬운 반면, 약 0.5 mm 깊이 및 약 5 mm 폭의 얇고 넓은 채널은 단면적의 10배를 가질 것이며, 이는 더 원활한 유체 유동을 허용한다. 얕고 더 넓은 측정 채널을 생성하는데 있어서의 이점은, 여기 광 빔이, 샘플 액체의 광학적 불투명도에 관계없이, 샘플 액체의 실질적으로 일정한 체적을 샘플링할 것이라는 점이다. 대조적으로, 전통적인 분광 유동 셀에서, 액체는 포커싱된 여기 스팟의 위치에서 수 밀리미터 "깊이"일 수 있다. 샘플 액체가 비교적 투명한 경우, 여기 광 빔이 샘플 액체의 전체 깊이를 통해 침투할 수 있고, 복귀하는 산란된 광이 감쇠가 거의 없이 프로브의 수집 광학계로 복귀할 수 있어, 분광 신호가 강하기 때문에, 이는 큰 문제가 되지 않는다. 그러나, 샘플 액체가 샘플 채널의 깊이와 유사하거나 작은 광학 산란 거리(또한, "평균 자유 경로 길이" 또는 평균 광학 산란 경로 길이로 알려짐)를 갖는 비교적 불투명하거나 혼탁하면, 여기 광 빔은 샘플 내로 멀리 침투할 수 없고, 복귀하는 산란된 광은 그들의 경로로부터 프로브의 수집 광학계 내로 다시 흡수 또는 전환될 수 있어서, 검출되는 유효 샘플 체적이 감소되고 분광 신호 강도가 대응하여 감소될 것이다. 전통적인 분광 유동 셀에서 샘플 불투명도에 대한 분광 신호 강도의 이러한 의존성은 스펙트럼 데이터의 정량적 해석을 심각하게 복잡하게 한다.

본 명세서의 교시에 따르면, 샘플의 최소 광학 산란 거리에 비해 (깊이에서) 얕은 그러나 더 큰 유체 유동 체적을 허용하기 위해 (폭에서) 넓은 샘플 채널이 사용될 때, 더 깊은 샘플 채널이 사용될 때와 비교하여 스펙트럼 강도가 감소될 수 있는데, 그 이유는 더 소형 체적의 샘플이 측정되고 있지만 스펙트럼 강도는 샘플 불투명도에 단지 최소로 의존할 것이기 때문이며, 더 일관된 측정 결과를 산출한다.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 실린더형 수렴 초점 렌즈일 수 있는 제1 렌즈(702), 및 샘플 윈도우(706) 및 입구(708a) 및 출구(708b)를 갖는 샘플 유동 채널(708)을 갖는 샘플 인터페이스(704), 및 유동 협소부(710a) 및 유동 확장부(710b)를 포함하는 유동 어셈블리(710)를 포함하는 샘플 광학 어셈블리(700)가 도시된다. 샘플(도시되지 않음)은 입구(708a)를 통해 샘플 유동 채널(708)에 진입하고 출구(708b)를 통해 빠져나간다. 샘플 흐름 방향은 화살표로 표시된다. 대안적인 실시예들에서, 입구(708a) 및 출구(708b)의 포지션들은 반전될 수 있다. 포커싱 렌즈(702)는 제1 축을 따라 시준된 여기 광 빔(712)을 샘플 유동 채널(708)에 인접한 샘플 윈도우(706)의 표면에서 단일 초점 라인(716)에 수렴하는 광 빔(714)으로 포커싱한다. 유동 어셈블리(710)와 샘플 윈도우(706) 사이의 가장 좁은 갭은 샘플 유동 속도를 과도하게 제한하지 않고 샘플 유동 채널(708)의 막힘 또는 차단의 위험을 증가시키지 않으면서 샘플 액체가 유동하도록 얕지만 넓은 채널을 제공한다. 샘플 윈도우는 약 1 mm 내지 약 5 mm 두께일 수 있고, 샘플 유동 채널(708)의 가장 좁은 영역은 약 0.1 mm 내지 약 1.0 mm 폭일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 렌즈(702)는 또한 윈도우(706)을 통해 통과하는 수렴 빔에 의해 생성되는 수차를 보상하도록 구성된 하나 또는 양 표면을 가질 수 있다.

대안적인 실시예에서, 도 11c에 도시된 바와 같은 광학 요소(722)를 포함하는 샘플 광학 어셈블리(720)가 제공된다. 광학 요소(722)는 광학 요소(722)가 렌즈릿 어레이라는 점에서 광학 요소(702)와 상이하다. 샘플 광학 어셈블리(720)는 샘플의 보다 대표적인 스펙트럼 측정을 얻기 위해 샘플 윈도우(706)를 따라 다수의 위치에서 샘플(도시되지 않음)을 동시에 조명하는 대응하는 복수의 초점 스팟(724a 내지 724c)으로 수렴하는 복수의 수렴 광 빔(714a 내지 714c)을 생성하기 위해 광학 요소(722)(예를 들어, 포커싱 렌즈들의 1D 어레이)를 이용한다. 광학 요소(722)는 렌즈릿 어레이, 복수의 개별 렌즈 요소들, 또는 동일한 기능을 제공하는 다른 광학 요소(들)를 사용하여 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학 요소(722)는 더 작거나 더 큰 수의 렌즈릿을 갖도록 구현되어 수렴 광빔의 더 작은 수 또는 더 큰 수를 생성할 수 있다. 또, 적어도 하나의 대안적인 실시예에서, 렌즈릿 어레이(722)의 표면들은 윈도우(706)에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성되어 초점 스팟(724a 내지 724c)에 대한 초점의 크기를 줄이고/줄이거나 초점 스팟(724a 내지 724 c)에 대한 초점을 샤프닝할 수 있다.

여기서 설명된 복수의 광학 요소를 갖는 렌즈릿 어레이를 사용하는 다양한 실시예에서, 이 요소들은 샘플 광학 어셈블리가 시준된 여기 광 빔을 수신할 때 샘플에 적합한 라인, 그리드 또는 다른 측방향 분포를 포함하는 패턴으로 다수의 개별 초점 스팟을 생성하는 배열로 포지션될 수 있음을 유의해야만 한다.

다른 대안적인 실시예에서, 샘플 광학 어셈블리(700 또는 720)는 (도 8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 또는 9b의 샘플 광학 어셈블리 실시예에서와 같이) 다른 크기의 여기 광의 초점 라인 또는 다른 수 또는 다른 배열의 초점 스팟을 생성하기 위해 단일 실린더형 포커싱 렌즈(702) 또는 렌즈릿 어레이(722) 대신에 상이한 광학 요소 또는 상이한 수의 요소들이 사용되도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 이러한 변형된 샘플 광학 어셈블리는 여기 광의 포커싱된 라인(716)의 길이 또는 여기 광의 복수의 포커싱된 스팟들(724a-c)의 간격을 조정하여 유동 채널(708) 내의 단일의 넓은 얕은 채널의 폭과 매칭시킬 수 있다.

샘플 광학 어셈블리(700 또는 720)의 대안적인 실시예들 중 어느 하나에서, 샘플 유동 개구의 단면(즉, 초점 라인(716) 근처의 샘플 유동 채널의 부분)은 초점 스팟의 더 큰 수 또는 더 큰 초점 라인으로 인해 상당히 더 크게 만들어질 수 있어서, 더 큰 샘플 유동 속도가 가능하고 및 막힘에 대한 더 적게 반응하도록 한다.

본 명세서에 설명된 출원인의 교시들은 예시적인 목적들을 위해 다양한 실시예들과 함께 있지만, 본 명세서에 설명된 실시예들이 예들인 것으로 의도되는 바와 같이 출원인의 교시들이 이러한 실시예들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 명세서에 기술되고 예시된 출원인의 교시는 본 명세서에 기술된 실시예로부터 벗어나지 않고 다양한 대안, 변형 및 균등물을 포함하며, 그 일반적인 범위는 첨부된 청구항에 정의된다.

Claims (17)

1. 광학 분광 프로브를 위한 샘플 광학 어셈블리로서, 상기 샘플 광학 어셈블리는:
   실질적으로 시준된 여기 광 빔(collimated excitation light beam)을 수신하고 광학 윈도우 뒤에 또는 투명 컨테이너 내에 있는 샘플을 향해 광선을 지향시키도록 위치한 적어도 하나의 광학 요소를 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 요소는,
   상기 광학 윈도우 또는 상기 투명 컨테이너를 통해 상기 광선을 투사하여 상기 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 있는 적어도 하나의 초점 스팟 또는 적어도 하나의 초점 라인내로 상기 광선을 포커싱하고;
   상기 샘플로부터 결과적인 산란광을 수집하고, 및
   상기 광학 윈도우 또는 상기 투명 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차들을 보상하여 상기 적어도 하나의 초점 스팟 또는 상기 적어도 하나의 초점 라인의 크기를 감소시키고 및/또는 상기 적어도 하나의 초점 스팟 또는 상기 적어도 하나의 초점 라인을 샤프닝(sharpen)하도록 형상화된 하나 이상의 표면을 갖고 위치하며,
   상기 수집된 결과적인 산란광은 광학 분광 분석 시스템에 의해 사용되어 상기 샘플의 상기 하나 이상의 부분에 대한 분광 정보를 측정하는,
   샘플 광학 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 광학 요소는 하나 이상의 비구면(aspheric) 광학 요소를 포함하는, 샘플 광학 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 광학 요소는 제1 축을 따른 제1 프로파일 및 제2 축을 따른 제2 프로파일을 갖는 환형(toroidal) 광학 요소를 포함하고, 상기 제1 축 및 상기 제2 축은 서로 수직이고 상기 제1 프로파일 및 상기 제2 프로파일은 상이한, 샘플 광학 어셈블리.
4. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 광학 요소는: (a) 하나 이상의 구면 광학 요소 및/또는 (b) 하나 이상의 구면 환형 광학 요소를 포함하는, 샘플 광학 어셈블리.
5. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는:
   초점 포지션을 갖는 비구면 초점 조절 장치(aspherical focuser); 및
   상기 비구면 초점 조절 장치의 상기 초점 포지션에 실질적으로 중심을 두는 적어도 하나의 구면 표면을 갖는 구면 광학 요소를 포함하고,
   상기 샘플은 상기 초점 포지션에 또는 상기 초점 포지션 근처에 놓이는, 샘플 광학 어셈블리.
6. 제5항에 있어서,
   상기 구면 광학 요소는 완전 구면 광학 요소 또는 부분 구면 광학 요소를 포함하는, 샘플 광학 어셈블리.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 광학 요소는 복수의 초점 스팟, 적어도 하나의 초점 라인, 또는 적어도 하나의 초점 원을 생성하도록 형상화되는 적어도 하나의 표면을 갖는, 샘플 광학 어셈블리.
8. 광학 분광 프로브를 위한 샘플 광학 어셈블리로서, 상기 샘플 광학 어셈블리는:
   실질적으로 시준된 여기 광 빔을 수신하고 샘플을 향해 광선을 지향시키도록 위치한 있는 적어도 하나의 광학 요소를 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 요소는,
   상기 광선을 투사하고 포커싱하여 상기 샘플의 표면 또는 내부의 하나 이상의 부분에 복수의 초점 스팟, 이산 초점 스팟(discrete focal spot)의 어레이, 적어도 하나의 초점 라인, 또는 적어도 하나의 초점 원을 생성하고; 및
   상기 샘플로부터 결과적인 산란 광을 수집하도록 형상화된 하나 이상의 표면을 갖고 위치하며,
   상기 수집된 결과적인 산란광은 광학 분광 분석 시스템에 의해 사용되어 상기 샘플의 상기 하나 이상의 부분에 대한 분광 정보를 측정하는,
   샘플 광학 어셈블리.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 광학 요소는 구면, 비구면, 실린더형, 비실런더형(acylindrical), 환형, 또는 액시콘인 적어도 하나의 표면을 갖는, 샘플 광학 어셈블리.
10. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 요소는, 상기 샘플로의 전송 이전에 상기 적어도 하나의 광학 요소에 의해 수신되는 상기 시준된 여기 광 빔의 직경보다 작거나, 실질적으로 동일하거나, 또는 더 큰 길이를 갖는 상기 초점 라인을 생성하는 적어도 하나의 프로파일을 갖는, 샘플 광학 어셈블리.
11. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 샘플의 상기 내부 또는 상기 표면의 상기 적어도 하나의 부분에 배치된 상기 복수의 초점 스팟, 복수의 초점 라인 또는 복수의 초점 원을 동시에 생성하기 위해 서로 평행하게 배치되고 동작하는 복수의 광학 표면 영역을 집합적으로(collectively) 제공하여 상기 실질적으로 시준된 여기 빔의 분리된 섹션을 포커싱하는 적어도 하나의 렌즈, 적어도 하나의 거울 또는 이들의 조합을 포함하는, 샘플 광학 어셈블리
12. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 요소는, 상기 샘플 광학 어셈블리가 상기 실질적으로 시준된 여기 광 빔을 수신할 때, 서로 평행하게 배치되고 동작하는 복수의 광학 표면 영역을 집합적으로 제공하여 상기 샘플에 적합한 라인, 그리드, 또는 다른 측방향 분포를 포함하는 패턴으로 상기 복수의 초점 스팟, 복수의 초점 라인 또는 복수의 초점 원을 생성하는 렌즈릿(lenslet) 어레이 또는 반사 거울 표면의 어레이를 포함하는, 샘플 광학 어셈블리.
13. 제11항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광학 표면 영역은 상이한 초점 길이를 갖거나, 또는 상기 실질적으로 시준된 여기 광 빔의 상기 광학 축을 따라 상이한 포지션에 놓여: (a) 상기 프로브 헤드로부터 상이한 거리들에서 및/또는 (b) 상기 샘플 내의 상이한 깊이에 있는 포지션에서 상기 복수의 스팟 초점을 생성하는, 샘플 광학 어셈블리.
14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 샘플 광학 어셈블리 및 상기 샘플 사이의 광학 윈도우 또는 투명 컨테이너에 의해 생성되는 광학 수차를 보상하도록 구성된 적어도 하나의 표면을 가져, 상기 복수의 초점 스팟, 상기 적어도 하나의 초점 라인 또는 상기 적어도 하나의 초점 원의 크기를 줄이고 및/또는 상기 복수의 초점 스팟, 상기 적어도 하나의 초점 라인 또는 상기 적어도 하나의 초점 원을 샤프닝하는, 샘플 광학 어셈블리.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 광학 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 광학 요소에 인접한 유동 셀에 통합되고 상기 샘플이 유동하는 샘플 채널을 정의하는 유동 어셈블리 및 상기 유동 셀의 표면에 배치되고 상기 적어도 하나의 초점 스팟, 상기 적어도 하나의 초점 라인 또는 상기 적어도 하나의 초점 원을 수신하는 상기 샘플 채널에 인접하는 광학 윈도우를 포함하는, 샘플 광학 어셈블리.
16. 제15항에 있어서,
    상기 유동 어셈블리는 얕은 샘플 채널 부분(shallow sample channel portion)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 샘플 유동의 방향에 실질적으로 평행하거나 실질적으로 수직이고 상기 얕은 샘플 채널 부분과 일치하도록 상기 복수의 초점 스팟 또는 상기 적어도 하나의 초점 라인을 생성하도록 구성된, 샘플 광학 어셈블리.
17. 제15 내지 제16항 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 채널은 상기 샘플의 평균 광학 산란 경로 길이보다 더 소형 깊이를 갖는, 샘플 광학 어셈블리.

Images