(57)【要約】マイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）および２つの別個の光チャンネルおよび検出器等の適応的光学素子を利用するように設計された分光器。この機器は、信号のリアルタイムおよび準リアルタイムスケーリングおよび標準化を提供できる。
2009532708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のミラーを備え、前記ミラーのそれぞれが第１および第２の位置の間で切り替え可能であるマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）と、
スペクトルを有する光源と、
少なくとも２つの検出器と、を備え、
前記スペクトルの第１の部分を、第１の光経路に沿って、前記少なくとも２つの検出器のうちの第１へ、前記ミラーの第１のグループが、前記第１の位置に配置されていることによって方向づけることができるように、前記光源が前記ＭＭＡに空間的に分散され、かつ、
前記スペクトルの第２の部分を、第２の光経路に沿って、前記少なくとも２つの検出器のうちの第２へ、前記第２の位置に配置されていることによって前記ミラーの第２の位置が方向づけることができる分光器。
【請求項２】
前記光源が広帯域光源である、請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記光源が狭帯域光源である、請求項１に記載の分光器。
【請求項４】
前記第１の光経路が、分析されるべきサンプルを含む、請求項１に記載の分光器。
【請求項５】
前記第２の光経路が、分析されるべきサンプルを含まない、請求項４に記載の分光器。
【請求項６】
前記第２の検出器からの出力が、前記第１の検出器からの出力のための参照として使用される、請求項５に記載の分光器。
【請求項７】
前記ＭＭＡが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備える、請求項１に記載の分光器。
【請求項８】
前記光が前記ＭＭＡに到達する前に通過する入力スリットをさらに備える、請求項１に記載の分光器。
【請求項９】
前記スペクトルの列が、分散のスペクトル的大きさに対応し、行が、前記入力スリットの空間的大きさに対応する、請求項８に記載の分光器。
【請求項１０】
前記複数のミラーが複数の行および列へと配列されている、請求項９に記載の分光器。
【請求項１１】
前記スペクトルの前記列が、前記ミラーの列に整合するように前記ＭＭＡに入射する、請求項１０に記載の分光器。
【請求項１２】
前記スペクトルの前記列が、前記ミラーの前記行および前記列の対角線に整合するように前記ＭＭＡに入射する、請求項１０に記載の分光器。                         
４
【請求項１３】
前記ＭＭＡが、前記スペクトルのスペクトル分離を行う、請求項１に記載の分光器。
【請求項１４】
前記第１の部分を前記第１および第２の経路に沿って、かつ、前記第２の部分を前記第１および第２の経路に沿って、前記ＭＭＡが可逆に方向づけることができることで、前記部分のうちの一方が前記第１の経路に方向づけられるとき、前記部分の他方が、前記第２の経路に方向づけられ、その逆もあるようにしている、請求項１に記載の分光器。
【請求項１５】
複数のミラーを備え、前記ミラーのそれぞれが、第１および第２の位置の間で切り替え可能であるマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）と、
少なくとも２つの検出器と、を含む分光器を提供する工程と、
光をスペクトルに分離する工程と、
前記スペクトルを、前記スペクトルの第１の部分が、前記ミラーの第１のグループに入射し、前記スペクトルの第２の部分が、前記ミラーの第２のグループに入射するように前記ＭＭＡに方向づける工程と、
前記第１の部分が、分析されるべきサンプルを含む第１の光経路に向けて、前記検出器の第１に方向づけられ、かつ、
前記第２の部分が、分析されるべき前記サンプルを含まない第２の光経路に向けて、前記検出器の第２に方向づけられる、
ように前記第１および前記第２のグループのミラーを配列するように前記ＭＭＡに指令する工程と、
前記第２の部分が、前記第１の光経路に向けて、前記検出器の第１に方向づけられ、かつ、
前記第１の部分が、前記第２の光経路に向けて、前記検出器の第２に方向づけられる、
ように前記第１および前記第２のグループのミラーを配列するように前記ＭＭＡに指令す工程と、
前記第１および前記第２の検出器からの出力を比較して、前記サンプルの組成の表示を提供する工程と、を含む分光法を行う方法。
【請求項１６】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって前記スペクトルが時間的に構築された、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記時間的構築が前記スペクトルにおける波長に依存する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記時間的構築が、前記波長のそれぞれの同時処理を可能にする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記比較する工程において、前記スペクトルが前記指令する工程によって空間的に構築された、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記空間的構築が前記スペクトルにおける波長に依存する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって、信号対ノイズ比を改善するため、前記スペクトルを光学的にチョップするように前記スペクトルが時間的に符号化された、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって、前記スペクトルが動的にスケーリングされた、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって、前記スペクトルが動的にフィルタ処理された、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって、動的に変更された分解能を前記スペクトルが有した、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記比較する工程において、前記指令する工程によって、信号対ノイズ比が動的に増加した、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の光経路が、前記第２の検出器に先行していずれのサンプルも含まない、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の光経路が気体相関セルを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
第１の波長帯域を第１の光経路に沿って、および第２の波長帯域を第２の光経路に沿って、前記両方の帯域が同時に入射するときに、方向づけることができる適応的光学素子と、
スペクトルを有する光源と、
少なくとも２つの検出器と、を備え、
前記光源が、前記スペクトルにおける第１の波長帯域が前記第１の光経路に沿って、前記少なくとも２つの検出器のうちの第１に方向づけられるように前記適応的光学素子に空間的に分散しており、かつ、
前記スペクトルにおける第２の波長帯域が、前記第２の光経路に沿って、前記少なくとも２つの検出器のうちの第２に方向づけられる分光器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２００７年４月３日出願の米国特許出願第１１／６９６，００５号、２００６年４月４日出願の米国仮出願第６０／７４４，２４６号、および２００６年１０月２日出願の米国仮出願第６０／８２７，８３７号の継続であり、これらに優先権を主張する。これらの文書の全開示は、参照により本明細書に一体化される。
【背景技術】
【０００２】
１．発明の分野
本発明は、概ね分光とスペクトル分析の分野に関し、より詳しくは、マイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）を利用して、サンプルおよび参照チャンネルを提供することによって、リアルタイムのスケーリングまたは標準化を提供する光学用または他のスペクトル測定用機器に関する。
【０００３】
２．関連技術の説明
分光光度形、分光計、分光蛍光光度計、またはスペクトラムアナライザ等の分光器は、さまざまな状況で使用されて、テストサンプルのスペクトル特性を検出および提供することができる。このような特性は、その後サンプルの組成を分析するために使用されて科学的または工業的解析がされる。分光器はサンプルおよびソースの広範な範囲の情報を提供できるため、警察法医学から化学的解析、生産監視に至るまで膨大な数の産業と活動に使用が認められる。
【０００４】
分光器は、何らかの電磁放射（利用するスペクトル）の形態を利用して解析を行うため、設計においては多くの要因に依存する必要がある。元来、分光器は、電磁放射をその成分に分割する必要があるため大型機器であり、リアルタイムスペクトル分析または空間的スペクトル分析を行う能力がしばしば限定されていた。
【０００５】
また、スペクトル分析を利用するシステムは、そのハードウェア構成によって能力が制約されていたので、限られた数のスペクトル分析法しか利用できなかった。一旦、構成されると、概ね時間的または空間的にスペクトルが分析されるのみで両方は分析されなかった。さらに、分析またはスキャンするたびに較正され続ける能力に分光器は依存もしていた。分光器は、一般に絶えずオペレータとやりとりして異なる状況のために調整し、かつ、頻繁に較正をチェックおよび／または再確立する必要がある。
【０００６】
要旨
次は、発明のいくつかの局面の基本的理解を提供するための本発明の要旨である。本要旨は、発明の手がかりや重要な要素を識別したり、発明の範囲を線引きすることを意図していない。本章は、前置きとして発明の概念を簡単な形態で提供することを目的とするのみであり、より詳細な説明は後に提供する。
【０００７】
従来技術のこのような問題および他の問題のため、本明細書に記載したのは、マイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）等の適応的光学素子を利用する分光器であり、これは、２つの分離した収束チャンネルまたは光経路を利用することによって、リアルタイムでスケーリングまたは標準化を提供することができる。
【０００８】
本明細書に記載するのは、とりわけ、複数のミラーを備え、ミラーのそれぞれが第１および第２の位置の間で切り替え可能であるマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）と、スペクトルを有する光源と、少なくとも２つの検出器と、を備え、スペクトルの第１の部分を、第１の光経路に沿って、少なくとも２つの検出器のうちの第１へ、ミラーの第１のグループが、第１の位置に配置されていることによって方向づけることができるように、光源がＭＭＡに空間的に分散され、かつ、スペクトルの第２の部分を、第２の光経路に沿って、少なくとも２つの検出器のうちの第２へ、第２の位置に配置されていることによってミラーの第２の位置が方向づけることができる分光器である。
【０００９】
分光器の実施形態によっては、光源が広帯域光源または狭帯域光源であり得る。第１の光経路が、分析されるべきサンプルを含む一方で、第２の光経路が、分析されるべきサンプルを含まず、そのため第２の検出器からの出力が、第１の検出器からの出力のための参照として使用され得る。
【００１０】
１つの実施形態において、ＭＭＡが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備える。
【００１１】
別の実施形態において、分光器は、光がＭＭＡに到達する前に通過する入力スリットをさらに備える。スペクトルの列が、分散のスペクトル的大きさに対応し、行が、入力スリットの空間的大きさに対応する。複数のミラーが複数の行および列へと配列され、スペクトルの列が、ミラーの列に整合するようにＭＭＡに入射するか、またはスペクトルの列が、ミラーの行および列の対角線に整合するようにＭＭＡに入射する。
【００１２】
別の実施形態において、ＭＭＡは、スペクトルのスペクトル分離を行う。
【００１３】
別の実施形態において、第１の部分を第１および第２の経路に沿って、かつ、第２の部分を第１および第２の経路に沿って、ＭＭＡが可逆に方向づけることができることで、部分のうちの一方が第１の経路に方向づけられるとき、部分の他方が、第２の経路に方向づけられ、その逆もあるようにしている。
【００１４】
本明細書には、分光法を行う方法も記載されている。この方法は、複数のミラーを備え、ミラーのそれぞれが、第１および第２の位置の間で切り替え可能であるマイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）と、少なくとも２つの検出器と、を含む分光器を提供する工程と、光をスペクトルに分離する工程と、スペクトルを、スペクトルの第１の部分が、ミラーの第１のグループに入射し、スペクトルの第２の部分が、ミラーの第２のグループに入射するようにＭＭＡに方向づける工程と、第１の部分が、分析されるべきサンプルを含む第１の光経路に向けて、検出器の第１に方向づけられ、かつ、第２の部分が、分析されるべきサンプルを含まない第２の光経路に向けて、検出器の第２に方向づけられる、ように第１および第２のグループのミラーを配列するようにＭＭＡに指令する工程と、第２の部分が、第１の光経路に向けて、検出器の第１に方向づけられ、かつ、第１の部分が、第２の光経路に向けて、検出器の第２に方向づけられる、ように第１および第２のグループのミラーを配列するようにＭＭＡに指令する工程と、第１および第２の検出器からの出力を比較して、サンプルの組成の表示を提供する工程と、を含む。
【００１５】
方法の１実施形態においては、比較する工程において、指令する工程によってスペクトルが時間的に構築された。波長のそれぞれの同時処理を可能にするように、時間的構築がスペクトルにおける波長に依存することができる。
【００１６】
方法の別の実施形態においては、比較する工程において、スペクトルが指令する工程によって少なくとも部分的に空間的に構築された。空間的構築がスペクトルにおける波長に依存してもよい。
【００１７】
方法の実施形態において、比較する工程において、指令する工程によって、信号対ノイズ比を改善するため、スペクトルを光学的にチョップするようにスペクトルが時間的に符号化されたかもしれず、指令する工程によって少なくとも部分的に、スペクトルが動的にスケーリングされたかもしれず、指令する工程によって少なくとも部分的に、スペクトルが動的にフィルタ処理されたかもしれず、または指令する工程によって少なくとも部分的に、動的に変更された分解能をスペクトルが有したかもしれない。
【００１８】
方法の別の実施形態において、比較する工程において、指令する工程によって少なくとも部分的に、信号対ノイズ比が動的に増加した。
【００１９】
方法の１実施形態において、第２の光経路が、第２の検出器に先行していずれのサンプルも含まず、または限定されないが気体相関セル等の参照サンプルを含み得る。
【００２０】
本明細書には、第１の波長帯域を第１の光経路に沿って、および第２の波長帯域を第２の光経路に沿って、両方の帯域が同時に入射するときに、方向づけることができる適応的光学素子と、スペクトルを有する光源と、少なくとも２つの検出器と、を備え、光源が、スペクトルにおける第１の波長帯域が第１の光経路に沿って、少なくとも２つの検出器のうちの第１に方向づけられるように適応的光学素子に空間的に分散しており、かつ、スペクトルにおける第２の波長帯域が、第２の光経路に沿って、少なくとも２つの検出器のうちの第２に方向づけられる分光器も記載されている。
【００２１】
好適な実施形態の説明
本明細書に記載の分光器（１００）は、概ね光学的分光測定に使用される。分光器（１００）には、限定されないが、光ファイバまたは所定のソース（１０２）からの自由空間送達等を介して、当業者の理解のように電磁放射がもたらされる。本開示を通じて、本文書は、入射する電磁放射を「光」とし、ソース（１０２）を「光源」とするが、特定の放射に使用され得る放射に限定する意図ではない。
【００２２】
また、本明細書に記載の分光器（１００）の実施形態は、全波長の電磁放射を操作することができるが、他方で残りの記載は、電磁スペクトルが使用されつつ、紫外、可視、近赤外、および中赤外領域の波長範囲に焦点を合わせている。さらに、放射は、スペクトルが可視光外の波長を含むものを意図する場合であっても、用語「光」を使用して放射が言及される。
【００２３】
光源（１０２）は、限定されないが、天然太陽放射、タングステンフィラメント、または狭帯域源の任意の組み合わせ等、多数の異なる波長の光を同時に出す広帯域の光源を概ね備える。代替の実施形態においては、光源（１０２）は、限定されないが発光ダイオードもしくはレーザー等の単一の狭帯域もしくは単一波長源、狭帯域もしくは多数の狭帯域を出すネオン等の荷電気体、または当業者に公知の任意の他の光源を備えることができる。光は、限定されないが、分光器（１００）に到達する前に反射、屈折、収束、または分散されることを含む当業者に公知の何らかの方法で、本明細書に記載の分光器（１００）デバイスに提供され得る。
【００２４】
本開示は、概ね本明細書に「分光器」と記載した機器も意味するが、この用語は特定のタイプの波長評価機器を意味するとして使用されておらず、スペクトルの再検証、評価、または分析に関係して使用される種類の機器を概ね意図するものであることが認識されるべきである。分光器において使用される全てのスペクトル評価または分析デバイスが本機器に使用される必要は無い。この機器は、あるゆる種類のリアルタイプまたは、限定されないが、光学モニタリング、分光測光、分光蛍光分析、分光分析、スペクトル分析、分光比色測定、および分光放射測定を含む他のプロセス分光モニタリングにおいて使用され得る。また、この機器は、研究室ベースの分析または上述のものに類似の他のプロセスで使用され得る。
【００２５】
分光器（１００）は、概ね、入射光を成形し、操作し、もしくは目標対象に経路付けし、スペクトル的に入射光を分散させ、分散した光を空間的、スペクトル的、時間的フィルタ処理器に結像（ｉｍａｇｅ）し、フィルタ処理された光をサンプル上に、サンプル中に、サンプル周囲に（バイパスして）方向づけ、そして光を何らかのタイプの光検出器に方向づける光学構成要素を含む。本開示の分光器（１００）は、その光学チャンネル、または光経路がそれぞれ組み合わせされる複数の検出器を備える。記載の実施形態において、２つのチャンネルが好適な数であるため示されているが、代替の実施形態においてはさらに多くが使用されてもよい。
【００２６】
図１において、２つの検出器（２０１）および（２０３）は、２つの光学チャンネル（２１１）および（２１３）のうちの１つを介してアクセスされる。１つの光学チャンネル（２１３）は、限定されないが光ファイバプローブ、キュベットアセンブリ、または当業者であれば理解され得る他の機器等のサンプリングアクセサリ（２０４）に、光を方向づけることができる。第２の光学チャンネル（２１１）は、較正用光学参照チャンネルとして概ね使用され、そのためサンプリングアクセサリ（２０４）を含まない。しかし、代替の実施形態においては、第２の光学チャンネル（２１１）が、分光放射測定または分光蛍光分析等、適用によっては第２のデータチャンネルとして使用されて、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善し、および／またはサンプルが提供され得る場合にはデータサンプリングレートを高めることができる。この実施形態において、１つの光経路は、従ってサンプルを調べるために使用され、他方で別のものはサンプルをバイパスする（調べない）ように方向づけられる。
【００２７】
本開示を通じて、このようなチャンネル（２１１）および（２１３）すなわち光経路を「サンプリングチャンネル」および「参照チャンネル」と言うことができる。これは、サンプルを介して電磁放射が方向づけられるときにサンプルチャンネル（２１３）が概ね使用され、他方で参照チャンネル（２１１）においては、そのサンプルを介して概ね光は方向づけられず参照として使用されるという事実を意味する。しかし当業者であれば、実施形態によってはチャンネルの役割が逆転し、そして、所望の動作によっては、いずれかまたは両方のチャンネルがサンプルを含まないことがあることを認識するであろう。例えば、１つの実施形態において、気体相関セル（ｇａｓ  ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｃｅｌｌ）を参照チャンネル（２１１）が含むことがある。
【００２８】
図１は、本発明の分光器（１００）の実施形態の概念的レイアウトを示すブロック図を示す。図１の機器は、周囲光から遮蔽するため他の構成要素が配置されるハウジング（１０１）を概ね備える。ハウジング（１０１）は、分光器で使用されるべき入射光を提供するように作用するスリット等の入力開口（１０３）を含む。スリットを使用すると、スリットの高さに依存した、高さの広がったスペクトルを概ね有する光が得られる。光源（１０２）は、あるいはハウジング（１０１）に提供されてもよく、その場合は、所望の形状と大きさの光入力を形成する、ハウジング（１０１）内に形成された所定の経路を有する。入射光源（１０２）は、多くの異なる波長の光（光帯域光）を概ね提供する。スリット（１０３）を通過した入射光は、光をそのスペクトルに分離することができるグレーティング（１０５）、プリズム、または他の面に方向づけられる。このような面は、光を波長の関数として空間的に分散するために使用される。
【００２９】
その表面または他の特性を変化させて、方向づけられた入射光の方向を変更できる何らかの形態のデバイスである適応的光学要素に、この光は次に投射される。１つの実施形態において、これは個別可動の一式のミラーを備える。好適な実施形態において、これは、マイクロミラーアレイ（ＭＭＡ）（１０７）を備えるマイクロオプトメカニカル（ＭＯＭ）デバイスである。１つの実施形態において、ＭＭＡ（１０７）は、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって製造されたもの等、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備える。（ＭＭＡ）は、識別されるパターンで配列される非常に小さいサイズの大量のミラーを概ね備える。通常の実施形態においてはこれはグリッドである。ＭＭＡ（１０７）上のミラーは、制御システム（図示せず）を介して少なくとも２つの異なる位置に概ね独立して位置決め可能である。ＭＭＡミラーは、少なくとも２つの位置間で、制御システムによってそのような動きを要求された場合には動くことができる。記載の実施形態において、ＭＭＡはＤＭＤであり、２つの位置は、所定の水平位置（０°位置）から概ね＋１０°および−１０°である。
【００３０】
図３は、図１の概念図に示す分光器の実施形態の一連の全体的なブロック図である。明瞭にするため、個別のチャンネルへ、分光的処理がされた（すなわちＭＭＡ（１０７）後の）光を結像するために使用される光学素子（２０５）は示していない。これらの図は、ＭＭＡ（１０７）と２つのサンプルチャンネルを使用する実際の光学経路の達成され方について、可能性を示すために示している。図４は、同一のハウジング（１０１）に２つの分光器（１００）を提供して同一のＭＭＡ（１０７）を使用することで、２つの光入力を含み、４つの光経路を本質的に提供する分光器の概念的レイアウトを提供する。
【００３１】
ＭＭＡ（１０７）に入射した光は、スリット（１０３）およびグレーティング（１０５）から経路付けされ、とりわけその形状、分散、または強度を改善するためさらに操作される可能性がある。図６から８は、ＭＭＡ（１０７）前の光経路操作を示す多くの実施形態の分光器を示す。さまざまな実施形態には、ＭＭＡ（１０７）への入射に先行して光スペクトルを操作するための、凹形回折グレーティング（９０１）、凸形回折グレーティング（９０３）、凹面鏡（９０５）またはレンズ（９０７）、が含まれ得る。図６から８の実施形態においては、中継ミラー（９６１）、レンズ（９０７）、およびＭＭＡ（１０７）に入射する全ての光をＭＭＡ（１０７）面に対して垂直に（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）にさせるために追加されるテレセントリックレンズ（９５１）を含む、ＭＭＡに先行する多数の他の光処理物体が含まれる。フィルタ（９５３）が含まれこともある。このような構成において、分光器（１００）は、参照チャンネル（２１１）またはサンプルチャンネル（２１３）に光を組み換えるために使用され得る。図８の設計は、多数の温度読み取りについて、改善された分解能と精度で得られた読み取りを提供できる無熱分光器（１００）を提供することができる。
【００３２】
ＭＭＡ（１０７）に入射する光は、概ねスペクトラム分散の形態である。すなわち、光の成分波長が、ＭＭＡ（１０７）に入射する前の時点で異なる角度で曲げられていることで、空間的に互いに分離している。このような光は、比較的長波長（赤および赤外）を有する光から比較的短波長（紫および紫外）である光に至るスペクトルを概ね有している。光のスペクトル（８０１）を、図５で濃い縁の四角（８０１）として示す。ここで、一方端は比較的短波長光を表し、他方端は比較的長波長光を示す。図５で互いに真垂直である点は同一波長であると認識されるべきである。従って、スペクトル中に「行」を作ることは、入力スリットの空間的大きさに対応し、他方でスペクトル中の「列」は、分散のスペクトル的大きさに対応する。
【００３３】
ＭＭＡ（１０７）は、ハウジング（１０１）中に位置決めされて、ＭＭＡ（１０７）に入射するさまざまな波長の全部または一部が、２つの異なるチャンネル（２１１）および（２１３）に方向づけられ、これらはＭＭＡ（１０７）の種々のミラーの位置決めに基づいてそれぞれ検出器（２０１）または（２０３）を伴っている。光の経路付けは、入射放射に対する特定のＭＭＡ（１０７）ミラー位置に依存する。すなわち、波長は、光チャンネル（２１１）および（２１３）の間でＭＭＡ（１０７）によって「スペクトル的に」フィルタ処理される。入射光の特定の波長を適切なチャンネル（２１１）または（２１３）内で方向づけるため、ミラー（９６１）等のデバイスは、種々の経路に配置されて、入射する波長をそのチャンネル（２１１）または（２１３）に相応しいとして方向づけることができる。
【００３４】
ＭＭＡ（１０７）が、強度の一部を各経路に向けて送る、ビームスプリッタまたは他の機器として作用しないことを認識することが重要である。そうではなく、ＭＭＡ（１０７）は、スペクトルの一部を、他を除いて各経路に向けて送る。例えば、ＭＭＡ（１０７）は、可視スペクトルの赤、オレンジ、黄、および緑の部分を１つの経路に向けて送り、同じスペクトルの青、藍、および紫の部分を別の経路に向けて送ることができる。このことは、第１の経路が参照チャンネル（２１３）である場合は、検出器（２０３）は、その時には何ら青、藍、または紫の入射を有しないであろうことを意味する。
【００３５】
あるいはまたは加えて、一連の順序の仕分けフィルタ、折り畳みミラー、および／またはコリメータレンズ、または収束レンズ（２０５）が使用されて、ＭＭＡ（１０７）からの多色または単色の光を、スペクトル処理のために適切な検出器（２０１）または（２０３）に収束および結像することができる。図８の実施形態では、光がＭＭＡ（１０７）に入射するか、そこから反射するかによって、多くの異なる目的でミラーおよび他の構成要素が使用され得ることを認識すべきである。別の実施形態においては、ＭＭＡ（１０７）の入射スペクトルは、記載のスペクトル的フィルタ処理に代えてまたは加えて、時間的に構築されるかまたは空間的にフィルタ処理され得る。
【００３６】
検出器（２０１）および（２０３）は、任意の形態またはスペクトルの光を測定でき、１つの実施形態において、検出器（２０１）および（２０３）は、２つの単一素子フォトダイオード（ＰＤ）を検出器として利用する。代替の構成においては、検出器（２０１）および（２０３）の構成は、２次元（２Ｄ）荷電結合デバイス（ＣＣＤ）またはフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）を利用できる。さらに別の実施形態においては、検出器（２０１）および（２０３）は、限定されないが、光電管（ＰＭＴ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、ＣＭＯＳ検出器、ボロメータ、当業者に公知の任意の他の検出器、またはこのような検出器の任意の組み合わせを備える。
【００３７】
図１の実施形態において、分光器（１０１）は、サンプリングアクセサリ（２０４）に、好ましくは取り付けられる。サンプリングアクセサリ（２０４）は、１つのチャンネルの光をテストサンプルに相互作用させ、その後、サンプル検出器（２０３）および結果的に制御システムに出力放射を戻すことができる。サンプリングアクセサリ（２０４）は、限定されないが、光ファイバベースのアクセサリ、透過ディッププローブ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｄｉｐ  ｐｒｏｂｅ）、反射率プローブ、蛍光プローブ、抽出（ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅ）フローセル、当業者に公知の他のサンプリングデバイス、またはサンプリングデバイスの任意の組み合わせであり得る。
【００３８】
図２は、図１の分光器の可能性のあるサンプリングモードの概念図を図示する。図２において、ＭＭＡ（１０７）は、同時に１以上の狭帯域の放射を使用して生じるサンプリングを有するスペクトルフィルタとして使用される。図２Ａは、単一の狭帯域の放射（または単一波長でさえある）がサンプルをプローブするように使用されるスペクトルフィルタ処理を図示する。選択された帯域は狭帯域（３１１）である。図２Ａにおいて、この帯域（３１１）は、参照チャンネル（２１１）の方を進むことで、参照検出器（２０１）に入射し、他方で残りの帯域（３１３）は、サンプルチャンネル（２１３）の方を進み、サンプル検出器（２０３）で結像される。従ってこの状況で、帯域（３１１）は、サンプルに入射せず、サンプルをバイパスする。この帯域（３１１）は、サンプルを調べる（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）のに望ましいので、この状況において参照検出器（２０１）において帯域（３１１）によって生成された信号は、そのため参照として使用され得る「非サンプル」信号を表す。この装置におけるサンプル検出器（２０３）の出力は、対象であるかまたは対象で無いスペクトルの一部から生成されているが、そこからの出力はしばしば無視される。特に、強度、分散、波長、帯域幅、または帯域（３１１）の任意の他の特性が、検出器（２０１）によって検出され得る。すなわち、帯域（３１１）のベースまたは参照決定が確立され得る。
【００３９】
図２Ｂにおいて、帯域（３１１）は、今度はサンプルチャンネル（２１３）に向けてサンプル検出器（２０３）に方向づけられ、このとき残りの帯域（３１３）は、参照チャンネル（２１１）に向けて参照検出器（２０１）へ方向づけられる。サンプルが所望のスペクトルによって調べられているので、今度はサンプル検出器（２０３）の出力が関心事である。検出器（２０１）および（２０３）の出力を比較することで、パーセント透過または吸収または他の測定可能値が、サンプルおよび参照チャンネルの両方から測定に基づいて計算され得る。明らかに、対象のスペクトルを有する２つのチャンネル間の切り替えが比較的迅速に繰り返してできるので、参照検出器（２０１）の出力は、サンプル検出器（２０３）の出力を標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）するために使用されて、スケーリングした読み取りを提供することができる。最も正確な参照を提供するため、２つの検出器（２０１）および（２０３）が概ね類似すると、サンプルと相互作用する光およびサンプルと相互作用しない光の出力が類似の検出器に入射する。
【００４０】
図２から明らかなように、参照検出器（２０１）からサンプル検出器（２０３）への帯域（３１１）の切り替え（および対応する帯域（３１３）の動き）が、ＭＭＡ（１０７）における個別のミラーの状態を調整することで達成される。特に、図５を参照すると、ＭＭＡ（１０７）に入射したスペクトルは、ＭＭＡ（１０７）のミラーに広がるので、異なる波長が個別の波長と概ね共にＭＭＡ（１０７）の異なる部分に入射するか、または微小波長帯域が図示のアレイの各ミラーに入射する。ＭＭＡ（１０７）の各個別のミラー素子は、前述のように少なくとも２つの異なる状態間で独立して調節され得る。これにより、図２の帯域（３１１）および（３１３）の各々が、ミラーの選択された配置のみによって、参照（２０１）または（２０３）検出器のいずれかに独立して送られることが可能となる。
【００４１】
図１および２の実施形態において、ミラーは、異なる角度位置を有する２つの異なる状態で概ね独立して配列されている。概ね、このような２つの異なる位置は、単に位置の安定のために中点位置に関して角度的に対称であり得る。例えば、中点が０°状態と区分されたとき、２つの位置は、０位置から＋Ｘおよび−Ｘ度状態であることができる。また中点は、ＭＭＡ上の個別のミラーがＭＭＡの基板にほぼ平行に配列される位置に対応するように好ましくは選択される。
【００４２】
各ミラーにおける変化が、さらに詳細にはミラーの行、列、または対角線における変化が、特定の波長または波長の狭帯域を、特定の経路に方向づけることができるように、入射光は好ましくはＭＭＡ（１０７）に方向づけられる。これに対する２つの異なる方法を図５に示す。図５Ａにおいて、スペクトル（８０１）が、ＭＭＡ（１０７）グリッドに入射して、概ね光の各周波数がミラーの列（または行）と整合している。参考のため、この場合における列（８１１）は、中央領域の波長の小帯域（８２１）にほぼ整合しており、他方で列（８１３）は、帯域（８２１）に隣接している波長の小帯域（８２３）と概ね整合している。他の帯域は、同様に他の列と整合することであろう。列（８１１）における波長の帯域（８２１）が測定に所望の場合は、その列（８１１）におけるミラーは、その位置におけるＭＭＡ（１０７）上の他のミラーからずらされる。特に、列（８１１）は、（（列（８１３）を含む）残りの列が（例えば、光チャンネル（２１３）に対応する）概ね位置−Ｘにあるときは、（例えば、光チャンネル（２１１）に対応する）概ね位置＋Ｘあり、その逆も同様である。
【００４３】
容易に明らかであるように、単一の列は分離されている必要が無く、かつ、いずれの単一の列または全列を含むまでの列の組み合わせは、分離に含まれ得る。各々分離された列は、ＭＭＡ（１０７）ミラーが位置間で移動するとき、サンプルを調べるためにその後使用され、かつ参照され得る。選択されていない列も、２チャンネル（２１１）および（２１３）間で２グループが繰り返すとき、サンプルを調べるためにこれに加えてまたは代えて使用され得ることも認識されるべきである。
【００４４】
図５Ｂは、代替の装置を示す。図５Ｂにおいて、スペクトル帯域（８２１）は、ＭＭＡ（１０７）の対角線（８１５）上に配置されている。これは、図５Ａの機能と大部分同じものを提供するが、スペクトルに対する各ミラーの方向（各帯域の一部が隣接帯域と重なっている）のため、列の代わりにさまざまな対角線を分離することで、別の形態の光学的補整が達成され得る。
【００４５】
評価のために使用されている選択された任意の数の波長帯域を提供するＭＭＡ（１０７）の能力によって、分光器（１００）が、サンプルから受けて得られる信号に多くの動的調節を実施することを可能となる。波長帯域（８２１）は、個別に分離され得てそれにより影響を受けるので、ユーザーは、波長依存する方法でそのようなサンプルを調べる特性を選択することができる。
【００４６】
例えば、図９は、動的分解能制御を可能とするように使用されているＭＭＡ（１０７）を示す仮想グラフを示す。ライン（１１０１）は、非常に滑らかな曲線であり、同時に調べるために多量の列（８１１）が選択されることで生成され得る。他方で、ライン（１１０３）は、別々に調べるために各個別の列が使用されることで生成され得る。この後者の状況において、比較的小さい波長帯域の吸収に関して、この決定はより正確であるが、評価は概ね比較的多くの時間がかかる。所望のデータ出力のタイプに応じて、使用時に動作のモードを選択することができる。
【００４７】
図１０は、別のそのような波長に依存する調査の構築を示す。この仮定において、ＭＭＡ（１０７）は、ノイズに対する信号を動的に改善するために使用される。ライン（１１１１）は、その両端が広帯域光源で通常生じることを示すノイズ的信号である。破線（１１１３）は、このような波長を繰り返して検出器上に少なく照射することで、中央領域で少ない光の強度をＭＭＡが提供できることを示す。これにより、検出器が比較的長期間にわたって積分することが可能となり、全波長における透過の割合を中央領域が効果的に平均化するため、それにより終端波長が検出器に均等な時間で照射されることを可能とする。あるいは、当業者であれば、均等な信号応答が測定される各帯域から得られるように、ミラーのデューティサイクルを制御することで、すなわち各帯域（８２１）に対する積分時間を単純にスケーリングすることで、信号対ノイズ比が均衡化することを認識するであろう。そのようにすることで、参照チャンネルは比較可能な形式で測定されることもできる。
【００４８】
図１１は、動的フィルタ処理の説明を示す。図１１Ａにおいて、飽和した信号応答を示す光の特定の波長帯域（１１３１）が示されている。多くの適用において、このような飽和信号応答は、比較的小さい信号応答（１１３３）、（１１３５）、および（１１３７）の細部を覆い隠したり偏位させることがある。図１１Ｂにおいて、問題のある波長に対応するスペクトルの部分が除外され、その波長における任意の透過を除去し、比較的小さいピーク（１１３３）、（１１３５）、および（１１３７）を相対的により顕著にすることができる。
【００４９】
図１２は、時間とともに動的にスケーリングするか標準化することによるサンプルチャンネルの調節を示す。経時的に分光器の動作が変化し、パーツ加熱や損耗によって測定されたスペクトルに変化が生じる（ｃａｓｉｎｇ）ことは公知である。これは、特に光源について当てはまる。これを、所与の波長の透過が経時的に推移した様子を示すライン（１１４１）で示す。事実上、このことは分光器にその較正を緩めた。そのような変化がサンプルによるものではないとして参照チャンネル（２１１）によって検出され得るので、分光器（１００）の動的参照能力は、較正における損失を修正するために使われて、一定である理想形（１１４３）に実際のパーセント透過を近づけることができる。
【００５０】
図９から１２は、２つの光学経路（２１１）および（２１３）を示すことで、動的に参照する能力から多くの異なる利益を提供した。特に、分光器（１００）は、サンプルを調べるために使用される波長依存するスペクトルの構築を提供できる。このような構築は、光の特定要素がその空間的位置決めに基づいて制御される空間的構築であるか、または光が経時的に変調される時間的構築であり得る。
【００５１】
動作において、あらかじめ選択された＋Ｘ°状態において配列された任意のミラーは、特定の配列に応じて、入射波長をサンプル検出器（２０３）の方に方向づけ、他方で−Ｘ°状態におけるミラーは、入射波長を参照検出器（２０１）の方に方向づけ、またはその逆もある。また、ミラーが状態の間にある場合は、光は、図１に示す光トラップ（１１１）に方向づけられてもよい。
【００５２】
ＭＭＡ（１０７）における各ミラーに概ね単一の波長または小波長帯域を有して入射すると、ミラーに入射するそのような波長帯域を、検出器（２０１）および（２０３）のいずれかへ、ミラーを調節して個別にまたは組み合わせて供給できることが明らかである。最新のＭＭＡ（１０７）デバイスでの中点（すなわち０°）状態は、概ね不安定であり、そのため光は、２つの状態以外には正確に方向づけられることができない。しかし、ミラーの第３の位置が充分に安定であれば、この位置は、使用されて第３のチャンネルを提供できることが認識されよう。好適な実施形態において、この第３のチャンネルは、参照チャンネル（２１１）またはサンプルチャンネル（２１３）のいずれにも入射光が無い暗信号測定用であろう。図１に示すように、第３の状態（０°等）で配列されたミラーを使用すると、波長は、両方の検出器（２０１）および（２０３）を一時的に暗ならしめ、光学トラップ（１１１）に方向づけられる。こうすることで、各検出器（２０１）および（２０３）が「暗信号」を、処理工程無しで同時に測定できる。さらに、第３の位置が無くても、全波長は、検出器（２０１）または（２０３）のいずれかに方向づけられ、そのため他方の検出器（２０１）または（２０３）から全入射放射を除去し、これにより、その時点で暗である検出器（２０１）または（２０３）において、準リアルタイムで暗信号測定が可能ともなる。このような動作は、「暗ノイズ」（検出器（２０１）および（２０３）に有効に入射する光の量であって、検出器（２０１）および（２０３）の熱応答とは別に、ＭＭＡ（１０７）の作用によって意図的にこれらに方向づけられていない光の量）を決定する際に別の較正を提供する。この暗ノイズは、分光器（１００）制御システムによってその後ゼロとされ得る。
【００５３】
図２が、走査モードにおける単一の帯域のモニタリングを示すことも理解されよう。図１３は、スペクトル列（８２１）が修正されて何らかのタイプの構築を行う様子を一対の例で示す。図１３Ａにおいて、各列は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析を示すため、独立の周波数で変調されたその帯域幅周波数を有している。図１３Ｂに示す代替の方法においては、異なる周波数で各波長を変調する代わりに、各帯域が同じ周波数で変調されて、光学チョッピングを介して信号対ノイズ比の改善を順次提供することができる。分光器（１００）は、ＭＭＡ（１０７）を使用して複数帯域を同時に測定するためにも使用されて、周波数を単純に変更することで、入射放射を時間的に処理でき、各個別の波長が変調される。こうして時間的構造を入射放射に伝える。この方法は、いずれかの検出器（２０１）または（２０３）における各個別の波長または波長帯域を個別に走査することとは対照的に、分光器（１００）が全波長を同時に、すなわち多重化して読み取ることを可能とする。これは、同じ分光器（１００）を利用する、スペクトル処理のための単なる代替の方法である。図１に示す実施形態が、分光フィルタ処理のためにＭＭＡ（１０７）を使用する一方で、代替の実施形態は、空間的、スペクトル的、または時間的フィルタ処理のためにＭＭＡ（１０７）を使用し、それにより、それぞれアダマール変換分光またはフーリエ変換分光等のデータ処理の代替の手段を可能にできる。
【００５４】
アダマール変換分光およびフーリエ変換分光用にＭＭＡを使用することは、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”５４巻第１２、１７５１−１７５８頁（２０００）にＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈａｄａｍａｒｄ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ  Ａｄｖａｎｔａｇｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｓｋ  ｉｎ  ａ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｆｌａｔ−Ｆｉｅｌｄ  Ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ”においてＤｅＶｅｒｓｅらによって文書にされており、その全体の開示が本明細書に参照によって一体化されている。しかし、ＤｅＶｅｒｓｅにおいては、単一の光学チャンネルのみが利用されたという事実のため実装が制約されていた。分光器（１００）をアダマールまたはフーリエ変換スペクトル分析器として動作させ、分光器（１００）の２チャンネル性、および信号処理の当業者に公知のアルゴリズムを利用して、参照およびサンプルチャンネルスペクトルの内容を逆重畳すると、分光器（１００）は、動的に自己較正することができ、および／またはＤｅＶｅｒｓｅのものに類似する実装を使用して、出力をスケーリングすることができる。
【００５５】
また、分光器（１００）は、ハードウェア構成によって何らかの特定の分析法に概ね限定されず、ＳｐｕｄｉｃｈらのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ５７巻第７、７３３−７３６頁（２００３）の”Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｓ  ａ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｉｎ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”、米国特許第６，７８１，６９１号、および米国特許公報ＵＳ２００４／０２３９９２３号およびＵＳ２００４／０１６９８５８号に記載のものに限定されないがこれを含むさまざまな分光法が使用され得るものと認識されるべきである。これらの文献の全ての開示は、本明細書に参照により一体化される。
【００５６】
概ね、図Ｓから明らかであるが、ＭＭＡ（１０７）を利用する分光器（１００）は、ハードウェア構成を必要とすることなく、制御システムがサンプリングのため任意の波長帯域（単数または複数）を選択し、時間的に帯域を構築することを可能としている。代わりに、所望の成分波長帯域（単数または複数）は、入射光において得られる内容およびＭＭＡ（１０７）に指令する方法に基づいて制御システムによって単純に選択される。その後、サンプリングのために使用されている選択された帯域（単数または複数）は、帯域（単数または複数）を参照経路に単純に再方向づけすることによって、比較的簡単に参照信号に対して参照され得る。サンプルの測定は、従って、多数の使用可能かつ変更可能なスペクトルを有する分光器（１００）に対して、ハードウェアの再構成をする必要なくして、良好な精度および安定性を示す。
【００５７】
本明細書に記載した分光器（１００）は、複数光チャンネルの使用によって任意の照射源のリアルタイムスケーリングおよび標準化ができることにより、現場測定、研究室測定、および／またはプロセス計測に便利であり得る。分光器（１００）は、容易に携帯できるように概ね充分小さくもあり、一体化した専用スペクトルプロセッサまたは他の電子的もしくは類似の制御システムによって、一体化されていようといまいと、遠隔であろうとなかろうと、または機器の制御およびその出力の判断の両方を可能とする認識された通信システムで相互接続されていようといまいと、単独動作をすることができる。機器は、限定されないが、ＲＳ２３２、ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＷｉＦｉ、およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈを含む、現在公知であるか後に発見された任意のタイプのコンピュータインターフェースを使用して、コンピュータ、ＰＬＣ、または他のコントローラ、を介して遠隔で制御され得る。
【００５８】
分光器（１００）の１つの実施形態において、分光器のハウジング（１０１）は、携帯性および現場使用が容易な概ね合理的なサイズの、硬化処理した、携帯型の、広帯域光学モニターへと形成され得る。
【００５９】
発明は、特定の好適な実施形態に関して開示されてきたが、これは、提供した詳細の全てを限定すると考えるべきではない。記載した実施形態の修正および改変は、発明の精神と範囲から逸脱することなくなされ得、当業者であれば理解するように別の実施形態が本開示に包含されるものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、複数チャンネルを利用する分光器の実施形態の概念図である。
【図２】図２は、分光器の実施形態の２チャンネル処理能力の概念図である。図２Ａは、参照チャンネルに方向づけられた第１の波長と、サンプルチャンネルに方向づけられた他の全波長を示す。図２Ｂは、サンプルチャンネルに方向づけられた第１の波長と、参照チャンネルに方向づけられた他の全波長を示す。
【図３】図３Ａは、分光器の第１の実施形態の内部設計の側面図を示す。図３Ｂは、分光器の第１の実施形態の内部設計の頂面図を示す。図３Ｃは、分光器の第１の実施形態の内部設計の端面図を示す。
【図４】図４は、２つの分離した入力を使用し、２つのサンプルを測定する分光器の内部設計の概念図を示す。
【図５】図５は、ＭＭＡ上でスペクトルの位置決めを示す。図５Ａにおいてスペクトルは、ＭＭＡと整合している。図５Ｂにおいて、スペクトルはＭＭＡに対して角度付けされる。
【図６】図６は、光学経路の実施形態を示す。
【図７】図７は、光学経路の代替の実施形態を示す。
【図８】図８は、光学経路の別の実施形態を示す。
【図９】図９は、分光計が動的分解能制御に使用され得る様子を示すグラフである。
【図１０】図１０は、分光計が動的信号対雑音比の改善に分光器が使用され得る様子を示すグラフである。
【図１１】図１１は、分光器が動的フィルタ処理に使用され得る様子を示すグラフである。図１１Ａは、フィルタ処理前のグラフを示す。図１１Ｂは、フィルタ処理後の同じグラフを示す。
【図１２】図１２は、分光器が動的スケーリングに使用され得る様子を示すグラフを示す。
【図１３】図１３は、スペクトルの波長セグメントが調節される様子を２つ示す。図１３Ａは、スペクトルの波長セグメントが調節されて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析を提供できる様子を示す。図１３Ｂは、スペクトルの波長セグメントが調節されて光学的チョッピングを提供できる様子を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2009532708.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009532708.tif 000016
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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