(57)【要約】コンパクトスペクトロメータ（分光計）は励起光を生成し、サンプル上のスポットを照射するように構成された励起光源を含む。分散素子は、少なくとも一つの可動要素を含み、複数の異なる波長帯域の励起光に応答してサンプルから照射された出力光を空間的に分離する。分散素子の可動要素は、出力光を複数の異なる波長帯域が検出器を横切って操作されるようにする。検出器は、出力光の波長帯域を検出し、検出された出力光に応答して出力電気信号を生成する少なくとも一つの光センサを含む。
2019500612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の光源から得られる少なくとも異なる第１の波長帯域および第２の波長帯域を有する励起光を生成するように構成された励起光源であって、前記第１の波長帯域および前期第２の波長帯域でサンプル上のスポットを同時に照射するように構成された励起光源と、
前記励起光に応答して前期試料から発する出力光を複数の異なる波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも１つの可動構成要素を含む分散素子であって、前記可動構成要素は検出器を横切って前記出力光の複数の異なる波長帯域を走査するように構成された分散素子と、
前記出力光の前記波長帯域を検出し、前記検出された出力光に応答して出力電気信号を生成するように構成された少なくとも１つの光センサを含む前記検出器とを
含む分光計。
【請求項２】
装置の光路が三次元の折り畳まれた幾何学的光路を含み、
前記三次元の折り畳まれた幾何学的光路は、
第１の平面内にあり、第１の曲がり部を含む第１の部分と、
前記第１の平面とは異なる第２の平面内にあり、第２の曲がり部を含む第２の部分とを含む、
請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記励起光源は固体レーザを含み、
前記固体レーザをポンピングするようポンプ光を放出するダイオードをさらに備え、
前記ポンプ光は第３の前記励起光が前記スポットを照射するように配置された第３の波長帯域を有し、
前記励起光はポンプ光が前記スポットを照射するように配置されている、
請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
前記分散素子は、
前記出力光の前記波長帯域を回折するように構成された回折格子と、
前記回折格子に取り付けられ、前記回折格子を回転させる格子アクチュエータとを備え、
前記回折格子が前記格子アクチュエータによって回転されると、前記回折格子が異なる位置角にあるときに前記出力光の異なる波長帯域が前記検出器に入射し、
前記格子アクチュエータは 、回折格子を回転させるように構成された形状記憶合金アクチュエータを含む、
請求項１に記載の分光計。
【請求項５】
前記回折格子の位置角を検出するように構成された磁気角度センサをさらに備える、請求項４に記載の分光計。
【請求項６】
前記少なくとも１つの光センサが１つの光センサのみを備える、
請求項１に記載の分光計。
【請求項７】
前記検出器は、
第１の光センサおよび第２の光センサと、
前記第１の光センサに対応する第１のバンドパスフィルタと、前記第２の光センサに対応する第２のバンドパスフィルタとを含む、
請求項１に記載の分光計。
【請求項８】
前記励起光源の電力を制御し、前記少なくとも１つの可動構成要素の動作を制御し、前記検出器の前記電気出力信号を信号処理するように構成された電子回路をさらに備える、
請求項１に記載の分光計。
【請求項９】
アクセサリデバイスをさらに備え、
前記分光計は前記アクセサリデバイスと無線通信するように構成された通信回路を含み、前記通信回路は、前記出力信号から得られた情報を前記アクセサリデバイスに転送するように構成され、
前記アクセサリデバイスは、処理された情報を得るために情報を処理するように構成されている、
請求項８に記載の分光計。
【請求項１０】
サンプル上のスポットを照射するように配置された励起光を発生させる励起光源と、
前記サンプルから発する出力光を空間的に分離するように構成された、少なくとも１つの可動構成要素を含む分散素子とであって、前記可動構成要素は、励起光に対する複数の異なる波長帯域への応答であって、出力光の前記複数の異なる波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
前記出力光の波長帯域を検出するように構成された少なくとも１つの光センサを備え検出器と、
出力光が前記サンプルと前記検出器との間で少なくとも４回方向を変えるようにする３次元幾何学的光路とを含む光学アセンブリを含む分光計。
【請求項１１】
ハウジングをさらに備え、前記光学アセンブリは、ハウジングの内部空洞内に配置され、前記内部空洞の長さは、前記光路の全長の略２分の１未満である、
請求項１０に記載の分光計。
【請求項１２】
前記ハウジングの内部空洞内に配置されたハウジングと、前記励起光源と、前記分散素子と、前記検出器と、前記幾何学的光路とをさらに備え、前記ハウジングの総容積は、略５００立方センチメートル未満である、
請求項１０に記載の分光計。
【請求項１３】
ハウジングと、前記ハウジングの内部キャビティ内に配置された前記励起光源と、前記分散素子と、前記検出器と、前記幾何学的光路とをさらに備え、
前記ハウジングの長さは、略１５０ミリメートル未満であり、前記ハウジングの幅は略３０ミリメートル未満であり、前記ハウジングの高さは約５０ミリメートル未満である、
請求項１０に記載の分光計。
【請求項１４】
前記３次元幾何学的光路は、前記サンプルと前記格子との間で少なくとも２回または少なくとも３回方向を変化する、
請求項１０に記載の分光計。
【請求項１５】
前記サンプルと前記分散素子との間に配置されたコリメートミラーと、
前記分散素子と前記検出器との間に配置された集束ミラーとを備え、
前記コリメートミラーおよび前記集束ミラーの少なくとも１つは非球面ミラーである、
請求項１０に記載の分光計。
【請求項１６】
サンプル上のスポットを照射する励起光を生成するように構成された少なくとも１つの光源であって、その少なくとも１つが較正光を生成するように構成された光源と、
励起光および較正光に応答してサンプルから発する出力光を複数の異なる波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも１つの可動構成要素を含む分散素子とであって、前記少なくとも１つの稼働構成要素は前記出力光および前記較正光の前記複数の異なる波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
複数の素子を含む検出器であって、少なくとも１つの第１の素子は、前記較正光の波長を検出し、前記較正光に応答して電気的な較正信号を出力するように構成され、少なくとも１つの第２の素子は前記出力光を検出し、前記較正光の波長に応答して電気較正信号を出力するように構成されている検出器と、
前記較正信号を使用して前記出力信号を調整するよう構成されたプロセッサと、
前記少なくとも１つの光源と、前記分散素子と、前記検出器と、前記プロセッサとを格納するハウジングとを含む分光計。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの光源は、前記励起光を生成するように構成された励起光源と、前記較正光を生成するように構成された較正光源とを含む、
請求項１６に記載の分光計。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの光源は、少なくとも第１の波長帯域および第２の波長帯域の光を放出するように構成された多波長レーザを含み、
前記励起光は、前記第１の波長帯域の前記多波長レーザから発せられた光を含み、
前記較正光は、前記第２の波長帯域の前記多波長レーザから発せられた光を含む、
請求項１６に記載の分光計。
【請求項１９】
前記ハウジングの総容積が略５００立方センチメートル未満である、
請求項１６に記載の分光計。
【請求項２０】
前記ハウジングの長さが略１５０ミリメートル未満であり、前記ハウジングの幅が略４０ミリメートル未満であり、前記ハウジングの高さが略５０ミリメートル未満である、
請求項１６に記載の分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、光学分光計（スペクトロメータ）、および、光学分光計に関連するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマンスペクトルにより、分子振動に関する情報を提供し、物質の固有の特性を見ることができる。ラマン分光法は、サンプル（試料）の同定および定量化に有用であり、食品安全性、環境モニタリング、宝飾品識別、薬物検出、および生産プロセス制御などの分野で使用できる。
【０００３】
ラマンスペクトルに加えて、サンプルの蛍光スペクトルも特定の化学物質の存在の高感度の指標になり得る。蛍光分光法は、水中の微量重金属の検出、細菌検出、およびＤＮＡ解析などの応用分野で使用できる。
【発明の概要】
【０００４】
本願発明の複数の実施例は分光計装置に関するものである。この装置は、単一の光源から誘導された少なくとも第１および第２の異なる波長帯域を有する励起光を生成するように構成された励起光源を含む。励起光源は、第１および第２の波長帯域でサンプル上のスポットを同時に照射するように構成されている。分散素子は少なくとも１つの可動構成要素を含む。分散素子は、励起光に応答してサンプルから放出される出力光を複数の異なる波長帯域に空間的に分離する。分散素子の少なくとも１つの可動構成要素は、出力光の複数の異なる波長帯域を、検出器を横切って走査させる。検出器は、出力光の波長帯域を感知し、感知された出力光に応答して出力電気信号を生成する少なくとも１つの光センサを含む。
【０００５】
一部の実施例によれば、分光計システムは、前段落で説明した構成要素を電子回路と共に含む。電子回路は、励起光源の電力を制御し、少なくとも１つの可動構成要素の動作を制御し、検出器の電気出力信号を信号処理する１つ以上の動作を実行するように構成される。
【０００６】
一部の実施例は、光学アセンブリを含む分光計装置を含む。光学アセンブリは、励起光源と、分散素子と、検出器とを含む。励起光源は励起光を生成するように構成され、励起光源はサンプル上のスポットを照射するように構成されている。分散素子は、少なくとも1つの可動構成要素を含む。分散素子は、励起光に応答してサンプルから放射される出力光を複数の異なる波長帯域に空間的に分離するように構成される。分散素子の少なくとも１つの可動構成要素は、出力光の複数の異なる波長帯域が検出器を横切って走査されるように構成されている。検出器は、出力光の波長帯域を検出するように構成された少なくとも１つの光センサを含む。光学アセンブリは、サンプルと検出器との間で少なくとも４回方向を変える出力光のための３次元（３Ｄ）幾何学的光路を備える。
【０００７】
一部の実施例は、レンズ、第１のミラー、第２のミラー、および、検出器を含む光学アセンブリを含む分光計装置に関する。レンズは、励起光に応答してサンプルから放出される出力光を受ける。レンズは、光学アセンブリ内の出力光の幾何学的光路の第１の部分に沿って出力光を集束させる。第１のミラーは、レンズから受け取った出力光を反射し、出力光の幾何学的光路を曲げ、幾何学的光路の第２の部分を生成する。ここで、幾何学的光路第１の部分と第２部分は、第１の平面内にある。第２のミラーは、第１のミラーから受け取った出力光を反射して、出力光の幾何学的光路の第３の部分を生成する。出力光の幾何学的光路の第３の部分は、第１の平面とは異なる第２の平面内を進行する。検出器は、第２のミラーによって反射された出力光を検出するように構成される。
【０００８】
一部の実施例では、小型分光計で使用するための光学アセンブリは、レンズ、凹型コリメートミラー、分散、および、凹型集束ミラーを含む。レンズは、サンプルから放出される出力光を受け取るように構成される。凹面コリメートミラーは、レンズからの出力光を格子に向けるように構成される。分散素子は、出力光の異なる波長を異なる方向に空間的に分離するように構成される。凹型集束ミラーは、格子からの出力光の一部を検出器に導くように構成されている。
【０００９】
いくつかの実施例は、少なくとも１つの光源、分散素子、検出器、プロセッサ、並びに、光源、分散素子、検出器、および、プロセッサを囲むハウジングを含む分光計装置に関する。少なくとも１つの光源は、サンプル上のスポットを照射する励起光を生成するように構成される。また、少なくとも１つの光源は較正光も生成するように構成される。分散素子は少なくとも１つの可動構成要素を含む。分散素子は、励起光及び較正光に応答してサンプルから放射される出力光を複数の異なる波長帯域に空間的に分離する。少なくとも１つの可動構成要素は、検出器を横切って出力光および較正光の複数の異なる波長帯域を走査するように構成される。検出器は複数の検出素子を含む。複数の検知素子のうちの少なくとも１つの第１の素子は、較正光の波長帯域を感知し、較正光を感知することに応答して電気較正信号を出力するように構成される。複数の検出素子のうちの少なくとも１つの第２の検出素子は、出力光を感知し、較正光を感知することに応答して電気出力信号を出力するように構成される。プロセッサは、較正信号を使用して出力信号を調整するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一部の実施例による分光計システムのブロック図である。
【図２】図１に記載したシステムの励起光源としての使用に適した光源のブロック図である。
【図３】一部の実施例による分光計装置を示す概念図である。
【図４】一部の実施例による適切なレーザラインフィルタ（LLF）の透過スペクトルを、波長532nm（ナノメートル）のレーザ信号、および、波長1064nm（ナノメートル）のレーザ信号に重ね合わせて示した図である。
【図５】分光計装置の一部の実施例に適したダブルバンドノッチフィルタの透過スペクトルを示す図である。
【図６Ａ】一部の実施例による分光計装置の光学アセンブリを示す図である。
【図６Ｂ】一部の実施例による分光計装置の光学アセンブリを示す図である。
【図６Ｃ】一部の実施例による分光計装置の光学アセンブリを示す図である。
【図６Ｄ】一部の実施例による分光計装置の光学アセンブリを示す図である。
【図７】一部の実施例による分光計装置用のフレームの写真である。
【図８】一部の実施例によるハウジングに含まれるフレーム、光学アセンブリの部分、および電子回路の斜視図である。
【図９Ａ】球面である表面曲率を有するミラーを示す図である。
【図９Ｂ】非球面である表面曲率を有するミラーを示す図である。
【図１０】ネオン電球のスペクトルを示す図である。
【図１１】一部の実施例によるリアルタイム較正の能力を有する分光計装置の光学部品を示す図である。
【図１２】図１１の較正光の較正成分及び幾何学的光路を詳細に示した図である。
【図１３】いくつかの実施例に従って格子が回転するときの、時間に対する検出素子１および２の光電流を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本出願のこれらおよび他の態様を以下の詳細な説明で明らかにする。しかしながら、上記の要約は、発明主題の請求の範囲の制限として解釈されるべきではなく、発明主題は添付の特許請求の範囲のみによって定義される。
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１３】
図面の縮尺は必ずしも正確ではない。各図面で使用されている同一の番号は同一の構成要素を示す。しかしながら、所定の図面の構成要素を参照するために番号を使用することは、同じ番号で示された別の図の構成要素を限定することを意図するものではない。
【００１４】
本明細書で開示される実施例は、一般に、ラマン分光計および蛍光分光計を含む光学分光計、並びに、これらの分光計に関連するシステムおよび方法に関する。
【００１５】
図１は一部の実施例による分光計システム（100）のブロック図である。様々な実施例において、分光計システム（100）は、単一または複数の波長の光に基づいていてよい。また、単一または複数の検出器を使用してよい。一部の実施例では、複数の検出器を使用して、波長走査範囲、感度、および信号対雑音比（SNR）を向上させる。分光計システム（100）は、例えば、ラマン分光計、蛍光分光計、または、その両方を備えることができる。
【００１６】
分光計システム（100）は、図１の破線で囲まれた構成要素を有する分光計装置（105）を含む。分光計装置（105）は、サンプル（120）を励起するために用いられる励起光（160）を生成するように構成された励起光源（110）を含む。
【００１７】
分散素子（130）は、少なくとも１つの可動構成要素を含む。分散素子（130）は、励起光（160）に応答してサンプル（120）から放射される出力光（170）を複数の異なる波長帯域に空間的に分離するように構成される。分散素子（130）の少なくとも１つの可動構成要素は、検出器（140）を横切って出力光の複数の異なる波長帯域（180）を走査する。検出器（140）は、出力光の波長帯域（180）を感知し、出力光の波長帯域（180）に応答して電気出力信号（190）を生成する。
【００１８】
分光計装置（105）は、電子回路（150）を含む。一部の実施例によれば、電子回路（150）は、励起光源（110）の出力、励起光源（110）の移動、またはその両方を制御する少なくとも１つの制御信号（151，152）を生成するコントローラを備えることができる。一部の実施例によれば、電子回路（150）は、検出器出力信号（190）を処理し、サンプルに関する情報を含む処理信号（152）を生成する信号プロセッサを含むことができる。例えば、信号プロセッサは、検出器（130）の１つまたは複数の出力信号のアナログ/デジタル変換を実行することができる。電子回路（150）は、処理されたデジタル信号をスマートフォンなどの周辺機器（アクセサリデバイス）（199）に送信するように構成された通信回路を含むことができる。様々な実施例において、分光計装置からのデジタル信号は、有線または無線チャネル（153）を介して周辺機器に送信されてよい。一部の実施例では、電子回路（150）のすべてまたは一部はハードウェアで実現されてよい。一部の実施例では、電子回路（150）は、ファームウェア、マイクロコントローラ若しくは他の装置上で動作するソフトウェア、または、ハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【００１９】
分光計装置（105）の電子回路（150）によって捕捉されたサンプルに関する情報を含むデータは、データの分析、分析データや結果をクラウドや他のストレージへのアップロード、または、その両方を行なうように構成された分析装置（198）を含む周辺機器（199）に転送してよい。たとえば、分析装置（198）は、分光計装置（105）によって取り込まれたサンプルスペクトルを１つ以上の既知のスペクトルと比較して、サンプル中の物質を識別することができる。一部の実施例では、分析装置（198）は、分散素子に結合された角度センサからの出力を使用して、励起信号と出力信号との間の波長シフト量などの出力光のスペクトル特性を判断することができる。
【００２０】
分光計システム（100）の用途の一つは食品安全である。特定の食品のスペクトルを食品製造業者からの承認されたスペクトルと比較することによって、分光計システム（100）は、食品が安全であるかどうか、または、例えば食品が汚染されているかどうかなどを確認することができる。
【００２１】
一部の実装では、励起光源（110）は、複数の異なる波長帯域を放射する単一の光源を含んでいてよい。光源は、励起光の複数の波長帯域が同時にサンプル上の同じスポットを照射するように配置される。複数の波長帯域は、例えば、ラマン信号または蛍光信号などの出力光を個々にまたは同時に生成するために使用してよい。
【００２２】
図２は、図1において説明したシステム（100）の励起光源（110）としての使用に適した光源（200）のブロック図である。励起光源（200）は、第１の波長帯域の励起光を放射するレーザ（220）を含む。励起光源は、励起光の第１の波長帯域の一部を、（第１の波長帯域とは異なる）励起光の第２の波長帯域に変換するように構成された光学素子（230）を含む。様々な実施例において、光学素子（230）は、レーザ（220）のレーザキャビティの内側、または、外側に配置してよい。光学素子（230）は、励起光の第１の波長帯域の周波数を２倍にするように構成された第２高調波発生器であってよい。一部の実施例では、レーザ（220）は、ダイオード励起固体（DPSS）レーザのような固体レーザを含む。レーザ（220）を励起するダイオード（210）は、第１および第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域で光を放射する。レーザ（220）がダイオード（210）によってポンピングされる構成では、ダイオード（210）によって放射されたポンプ光もサンプル上のスポットを同時に照射するように光源（200）を配置してよい。第１、第２および第３の波長帯域は中心のピーク波長によって特徴付けられ、第１、第２、および第３の波長帯域の間に重複がほとんどない。一部の構成では、第1の波長帯域の中心は約1064ナノメートルであり、第２の波長帯域は約532ナノメートルであり、第３の波長帯域の中心は約808ナノメートルであってよい。励起光の幾何学的光路において適切なバンドパスフィルタを使用することにより、任意の１つ以上の波長を選択してサンプルに光を照射するようにしてもよい。
【００２３】
サンプルからの励起光、出力光、またはその両方は幾何学的光路に沿って進む。幾何学的光路を折り畳み、（励起光および出力光を含む）光の幾何学的光路の全長を分光計装置ハウジングの長さより長くできるようにしてよい。一部の実施例では、出力光の幾何学的光路の長さは、分光計装置ハウジングの長さよりも長い。例えば、分光計装置の光の幾何学的光路は、三次元（３Ｄ）の折り畳まれた幾何学的光路を含んでよい。出力光の３Ｄ折り返し幾何学経路は、第１の平面内に位置し、第１の曲げ部を含む第１の部分と、（第１の平面とは）異なる第２の平面内に位置し、第２の曲げ部を含む第２の部分とを含んでいてよい。
【００２４】
図３は、一部の実施例による分光計装置（300）を示す概念図である。光源（301）から放射された光（301'）は、光源（301）とサンプル（305）との間の励起光の幾何学的光路に配置されたビームスプリッタ（303）に向けられる。ビームスプリッタ（303）は、ダイクロイック・バンドパスフィルタ、４５度のノッチフィルタ、またはその両方である。ビームスプリッタ（303）は、励起光（302'）を反射し、出力光（303'）を励起光（302'）より大きい又は小さい波長で通過させる。前述したように、光源（301）は、複数の波長帯域の光を放射するように構成されたレーザを含むことができる。例えば、レーザは、前述したダイオード励起固体レーザであってもよい。
【００２５】
一部の実施例では、光源（301）とビームスプリッタ（303）との間、ビームスプリッタ（303）とサンプル（305）との間、または、その両方に配置された、例えば、バンドパス光学フィルタなどのレーザラインフィルタ（302）が存在してもよい。レーザラインフィルタ（302）は、光源（301）によって放射された光の波長帯域のうちの1つ以上を実質的に通過させ、励起光の側波帯波長のような他の波長を実質的に遮断するように構成される。これらの側波帯波長が遮られていないと出力光の検出を妨げる可能性がある。一部の実施例による適切なレーザラインフィルタ（LLF）の透過スペクトル（401）を図４に示す。図４では532nmの波長のレーザ信号と1064nmの波長のレーザ信号が重ねて表示されている。
【００２６】
環境光の干渉を低減するために、励起光源（301）は、周波数で変調されてもよい。こうすることで、増幅器のロックを使用して、または、フーリエ変換を含む信号処理を使用して、周囲光を出力光信号から除去することができる。
【００２７】
サンプル（305）に入射する励起光（304'）に反応して、サンプル（305）は出力光（305'）を発する。例えば、出力光（305'）は、励起光（304'）のラマン散乱、励起光（304'）の吸収、または、その両方、及び蛍光出力光（305'）の再放出によるものであってもよい。出力光（305'）は、コリメートレンズ（304）によってコリメートされ、ビームスプリッタ（303）を通過して光ノッチフィルタ（306）に至る。光ノッチフィルタ（306）は、コリメートされた光出力信号（303'）を実質的に通過させ、励起光（302'）を実質的に遮断するために使用されてよい。適切なノッチフィルタの透過スペクトル（402）の一例を図４に示す。ここでは、励起光波長532nmおよび1064nmが実質的に遮断され、他の波長光が実質的に透過していることが示されている。図５に、分光計装置の一部の実施例に適したダブルバンドノッチフィルタの透過スペクトルを示す。ダブルバンドノッチフィルタは、出力光信号を伝送しながら、複数の波長帯域の励起光を遮断するために使用することができる。
【００２８】
一部の実施例では、フィルタリングされた出力光（306'）は、光学フィルタ（306）とスリット（308）との間の出力光の幾何学的光路に配置された集束レンズ（307）によってスリット（308）上に集束される。スリットから出る出力光（308'）は、凹面鏡（309）に到達し、凹面鏡（309）は出力光（308'）を分散素子（310）に向けて反射する。たとえば、分散素子（310）は、回折格子（311）を含んでいてよい。回折格子（311）は、たとえば、出力光を空間的に分離された波長帯域（310'）に分離する反射型回折格子であってよい。一部の実施例では、回折格子（311）は可動であり、回折格子（311）の回転により、検出器（320）を横切って出力光の波長帯域（314）を走査できるようにしてよい。回折格子（311）が回転すると、出力光が走査される特定の角度において、検出器（320）は出力光を捕捉する。回折格子（311）の回転軸に連結した角度センサ（313）は、回折格子（311）の角度を監視するために使用される。こうすることで、波長と光強度とを相関させて出力光のスペクトルを得ることができる。
【００２９】
回折格子（310）の回転は、回折格子（311）に取り付けられ、回折格子（311）を回転させるように構成された格子アクチュエータ（312）を使用して達成してよい。回折格子（311）が格子アクチュエータ（312）によって回転されると、出力光の異なる波長帯域は回折格子（311）が異なる位置角度にあるときの検出器（320）に投射される。格子アクチュエータ（312）は、例えば、モータ、形状記憶合金（SMA）アクチュエータ、マッスルワイヤアクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ、または、圧電アクチュエータのうちの１つ以上から成っていてよい。マッスルワイヤアクチュエータは、例えば、温度に依存するSMAワイヤの長さに基づいていてよい。ワイヤに電圧が印加されると、約６０度まで、場合によっては６０度を超える回転角が得られる。
【００３０】
一部の実施例では、分散素子は、回折格子（311）の位置角を検出するように構成された格子角度センサ（313）を含む。格子角度センサ（313）は、例えば、磁気角センサ、微小電気機械システム（MEMS）ベースのジャイロスコープ、イメージングセンサアレイ、光学的位置検出検出器、および静電容量センサの少なくともひとつを含んでいてよい。磁気角度センサは、例えば、格子上に取り付けられた永久磁石の磁界方向を測定することによって角度変化を感知する。
【００３１】
回折格子（311）の角度は、波長帯域のスペクトル特性を決定するために使用することができる。例えば、回折格子（311）の角度は、励起光と出力光との間の波長シフト量を示すために使用することができる。サンプル中に存在する物質は、サンプルのラマン波長シフトまたは蛍光に基づいて検出することができる。一部の実施例では、励起光の中心周波数の周りのいくつかの波長をサンプリングすることによって、サンプルのラマンスペクトルを得ることができる。ラマン波長シフトは、サンプル中の物質に関連する可能性がある。サンプル中に存在すると疑われる物質の蛍光特性は、疑わしい物質の蛍光応答に関連する波長をサンプリングすることによって得ることができる。
【００３２】
一部の実施例では、分光計装置（300）は、分散素子（310）からの波長帯域（310'）を検出器（320）に集束させるように構成された可動集束ミラー（315）を含んでいてよい。可動ミラー（315）は、集束ミラー要素（316）と、集束ミラー素子（316）を異なる回転ミラー角度に回転させるミラーアクチュエータ（317）を含む。ミラーアクチュエータ（317）は、例えば、モータ、形状記憶合金（SMA）アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ、または、圧電アクチュエータのうちの1つ以上を含んでいてよい。
【００３３】
一部の実施例では、可動集束ミラー（315）は、ミラー素子（316）の位置角を検出するように構成されたミラー角度センサ（318）を含む。ミラー角度センサ（318）は、例えば、磁気角センサ、微小電気機械システム（MEMS）ベースのジャイロスコープ、イメージングセンサアレイ、光学式位置検出器、およびキャパシタンスセンサの少なくとも一つを含む。回折格子の角度は、波長帯域のスペクトル特性に関連し得る。例えば、回折格子の角度は、励起光と出力光との間の波長シフトの量に関連し得る。
【００３４】
回折格子角度センサ（313）、ミラー角度センサ（318）、若しくは、その両方によって検出される回折格子（311）の角度、ミラー素子（316）、または、その両方の角度は、波長帯のスペクトル特性を決定するために使用されてよい。例えば、回折格子（311）、ミラー素子（316）、または、その両方の角度は、励起光と出力光との間の波長シフトの量を示すために使用することができる。
【００３５】
集束ミラー（315）からの光（315'）の集束された波長帯域は、１つ以上のスリット（323）を通って検出器（320）に向けられる。一部の実施例では、検出器（320）は、複数の光センサ（321a、321b、321c、321n）を含むが、単一センサが使用されてもよい。一部の実施例では、検出器（320）はイメージセンサアレイを備えてもよい。一部の実施例では、１つ以上の光センサはInGaAsセンサを含んでいてよい。
【００３６】
各センサ（321a、321b、321c、321n）は、特定の通過帯域を有する光学バンドパスフィルタ（322）と関連付けられていてもよい。各光学フィルタ（322）は、他の光学フィルタとは異なる通過帯域を有することができ、その結果、各光センサ（321a、321b、321c、321n）は、出力光のスペクトルの特定の部分に対して感受性を持つ。図４に適切なバンドパスフィルタの透過スペクトル（403、404）を示す。一部の実施例では、透過スペクトル（403）を有するバンドパスフィルタが光学フィルタ（322）のうちの一つに使用され、送信スペクトル（404）が光学フィルタ（322）のうちの別の一つに使用されてよい。透過スペクトル（403）は、532nmの励起光に応答してラマン散乱によって生成された出力光の上に重ねて示されている。透過スペクトル（404）は、1064nmの励起光に応答してラマン散乱によって生成された出力光の上に重ねて示されている。これらのバンドパスフィルタ（322）を用いることにより、高次回折やアンチストークスラマンシフトによるクロストークを防止することができる。
【００３７】
図４に示すラマンスペクトルでは532nmの励起光によって生成される信号のベースラインは、532nmの光によって誘導される蛍光のために平坦ではない。1064nmの励起波長によって生成されたスペクトルにおいて、より強い蛍光シグナルが観察され得る。切換可能なレーザラインフィルタ（機械的に可動なフィルタまたは電気的に調整可能なフィルタであってよい）を使用することによって、励起として１つまたは２つの波長帯域を使用することができる。
【００３８】
532nmと1064nmの両方の励起波長を使用する分光計では、蛍光は、1064nmの光よりも532nmの光によってより容易に生成され得る。いくつかの素材では、蛍光生成の効率は、ラマン信号生成よりも数千倍高い。蛍光スペクトルを分析することにより、より多くの情報を被験サンプルについて得ることができる。したがって、一部の材料に対しては、本願発明に係る分光計を蛍光分光計として使用することができる。
【００３９】
マルチセンサ方式の分光計は、単一のセンサを使用する分光計と比較してノイズレベルを低減することができる。複数の検出点を用いることにより、検出器の数の平方根に比例してSNRを低減することができる。さらに、マルチセンサ検出方式は、ハードウェアレベルでラマン信号から蛍光信号を減算することができ、より正確でより効率的な検出を可能にする。マルチセンサ検出により、例えば（CCD（charge coupled device）、半導体光検出器、Si光検出器、InGaAs光検出器、Ge光検出器、光電子増倍管、固体光電子増倍管（APD）、APDアレイを含む、2つ以上の異なるタイプの光センサを使用することができる。異なるタイプの複数の光検出器を使用することにより、波長走査範囲および感度を著しく高めることができる。
【００４０】
一部の実施例は、折り畳まれた幾何学的光路を含む光学アセンブリと、分光計のサイズを縮小するように構成された光学部品とを有する分光計に関する。本明細書で開示される光学アセンブリは、長い焦点距離の光学系を必要とせずに高いスペクトル分解能を可能にする。本明細書で開示される実施例によれば、分光計のサイズを従来のハンドヘルド分光計よりもはるかに小さいサイズに縮小することができ、開示された分光計を持ち運びが容易で、現場での材料識別に便利なようにできる。
【００４１】
従来の光学分光計の一部では、幾何学的光路が単一の平面内で折り畳まれるよう、すべての光学構成要素が同じ基板上に取り付けられている。このような構成は、光学的位置合わせが容易であるという利点を持つ一方で、サイズが比較的大きくなるという欠点を持つ。本明細書に開示された分光計は、光学アセンブリのすべての構成要素がはるかに小さなパッケージに統合されるように３次元で折り畳まれた幾何学的光路を含む光学アセンブリを含む。本明細書でいう３次元で折り畳まれた幾何学的光路では、少なくとも１つの第１の曲がり部を含む幾何学的光路の一部が第１の平面内にあり、少なくとも１つの第２の曲がり部を含む幾何学的光路の第２部分が第1の平面とは異なる平面上にある。本明細書で使用される「曲げ（bend）」とは、曲げ前の幾何学的光路と曲げ後の幾何学的光路とが平面を定義するように、幾何学的光路の方向を変化させることである。
【００４２】
本明細書に記載の分光計により、一部の構成において、光源から検出器までの分光計装置の光学アセンブリを手の平に保持できるほどのコンパクトなシステムが実現できる。一例として、光学アセンブリを収容する外装ケースの最長寸法を、光源から検出器までの光の幾何学的光路の長さよりも実質的に短くすることができ、たとえば、分光計の光学アセンブリの最長寸法を光源から検出器までの幾何学的光路の全長の１／２未満、場合によっては１／３未満とすることができる。したがって、一部の実施例では、分光計の光学アセンブリの寸法は150mm×40mm×50mm未満である。
【００４３】
光学系において、レーザからの励起光は、励起光に応答して出力ラマン、蛍光光信号、またはその両方を生成してよい。次に、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のフィルタ、１つまたは複数のミラー、少なくとも１つの回折格子、および、１つ以上のスリットのいずれか１種以上を含む１組の光学部品を通して、出力光が光検出器に集められる。光学的構成要素の選択および配置により高いスペクトル分解能および高い集光効率が保証される。入力スリットから出力スリットまで、分光計は実際には１：１イメージングシステムでである。光学収差を減少させるために、一対の９０度不等角投影非球面ミラーを光学系に使用してもよい。
【００４４】
前述したように、分光計はレーザなどの光源を使用する。例えば、狭いスペクトル線幅を有する半導体レーザを励起源として使用することができる。生成されたラマン、蛍光信号、または、その両方を収集および分析するために、例えば約0.2nm未満の比較的高い分解能を有する分光計を形成するために以下の主要構成要素を使用することができる。
【００４５】
一部の実施例では、分光計は、入力スリット、コリメートミラー、回折格子、集束ミラー、出力スリットおよび光検出器を含む。回折格子は、広いスペクトル範囲をカバーするために、例えば約４０度を超える、約４５度を超える、または、約５０度を超える大きな角度にわたってその軸の周りを回転してよい。光検出器の前のスペクトル処理およびフィルタリング構成要素は、例えば、コリメートレンズ、レーザライン遮断フィルタ、集束レンズのうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００４６】
以降では、図６Ａから図６Ｄを参照し、分光計用の光学アセンブリ（600）のいくつかの図を示し、光学アセンブリを様々な観点から示す。
【００４７】
構成要素（601）から構成要素（617）は、図７に示されるフレーム（700）に取り付けられる。フレーム（700）、光学アセンブリ（600）の一部、および、電子回路（850）は、図８に示すように、筐体（801）内に収容されている。分光計の動作中、電子回路（850）はスペクトルデータを収集し、前述のようにBluetooth（登録商標）または他の無線または有線通信プロトコルを介してスマートフォンにデータを送信することができる。
【００４８】
ここで図６Ａから図６Ｄに戻る。一部の実施形態による光学アセンブリ（600）が示されている。光学アセンブリ（600）は、励起光を生成するレーザなどの励起光源（601）を含む。 ミラー（602）は励起光をロングパスビームスプリッタ（603）に向ける。一部の実施形態では、ロングパスビームスプリッタをノッチフィルタに置き換えてもよい。ビームスプリッタ（603）は、ボトルに収容されたサンプル（699）に励起光を集束する集束レンズ（604）に向けて励起光を導く。
【００４９】
励起光に応答してサンプル（699）から放射される出力光は、集束/コリメートレンズ（604)によってコリメートされ、ビームスプリッタ（603）を通過する。出力光は、コリメートされた出力光を実質的に通過させ、励起光を実質的に遮蔽する光学ノッチフィルタ（605）と相互作用する。ノッチフィルタは約12.5mmの直径を有していてよい。集束/コリメートレンズは、例えば、約9mmの焦点距離および約9mmの直径を有していてよい。出力光は、レンズ（606）によってスリット（607）上に集束される。入力スリット（607）は、例えば、約3mm×約0.03mmの寸法であってよい。レーザ（601）からミラー（607）への幾何学的光路は、図６Ｄに示すように、第1の平面（691）上にある。
【００５０】
出力光は、格子（612）に入射するまで、ミラー（608、609、610、611）によって多数の曲げ部を介して方向転換される。ミラー（608、609）は、幾何学的光路を、図６Ａから６Ｄに示すＺ軸に沿ってより低いレベルに、また、第２の平面（692）に対してシフトする。ある実施形態では、ミラー（607）が光を９０度下方に方向転換し、ミラー（608）がさらに９０度方向転換し、ミラー（608）を出る光路が第２の平面（692）にあるようにする（他の角度であってもよい）。図示した実施形態では、第２の平面（692）は、第１の平面（691）とほぼ平行である。スリット（607）を透過した光は、凹面鏡（610）によって視準され、ミラー（611）によって反射され、格子（612）に導かれる。一部の実施形態では、回折格子は、約2400 l/ mmの空間周波数を有するホログラフィック反射型回折格子である。ミラー（610）は、例えば、コリメートミラーを備えてもよく、例えば、放物面または非球面であってもよい。
【００５１】
前述のとおり、格子は回転可能であってもよく、格子の回転位置を検出する角度センサと関連していてもよい。出力光は、格子によって波長帯域に空間的に分離され、出力光を集束ミラー（614）に向け直すミラー（613）に向けられる。集束ミラーは、約50mmの焦点距離を有する凹型銀ミラーであってよい。集束ミラー（614）は、出力光をミラー（615）に向け、スリット（616）を通って検出器（617）に向け直す。出力スリットの寸法は、例えば、約3mm×約0.03mmである。一部の実施形態では、光検出器は単一素子のシリコン検出器であってもよい。
【００５２】
反射回折格子（612）は、各波長がある角度に対応するように、異なる波長の光を異なる角度に回折する。回折された光ビームは、ミラー613によって、図６Ａから図６Ｄに示されたＺ軸に沿った上側の凹面鏡（614）に向けられる。図示された実施形態では、ミラー（613）から光検出器（617）までの幾何学的光路は、上方レベルのままである。一部の実施形態では、上側のレベルは、平面（691）と同じであってもよいが、他の実施形態では、上側のレベルは、平面（691）および平面（692）とは異なる第３の平面（693）上であってもよい。第３の平面（693）は、第１の平面（691）および第２の平面（692）と実質的に平行であってもなくてもよい。第２の平面（692）は、第１の平面（691）および第３の平面（693）と実質的に平行であってもなくてもよい。
【００５３】
凹面鏡（614）は光ビームを出力スリット（616）に集束させる。格子（612）の各設定角度に応じて、非常に狭い範囲の波長のみがスリット（616）を通過し、光検出器（617）によって受光される。格子回転機構（618）が回折格子（612）を回転し、異なる波長の光が光検出器（617）に到達するようにする。回折格子（612）の回転に伴い、異なる波長の光が光検出器（617）に到達し、連続スペクトルが得られる。
【００５４】
分光計の分解能は、システムのイメージング品質に大きく依存する。通常、収差が低いほど高い解像度が得られる。低収差を保証するためには、２つの凹面鏡（610、614）の表面曲率は、球面ではなく非球面であるべきである。図９Ａに示すように、９０度オフアクシスミラーの表面曲率が球面である場合、主に球面収差と呼ばれる効果により、コリメートされた入力光を正確に集束させることができない。図９Ｂに示すように、非球面曲率を適用はすることで、効果的に、球面収差を低減し、高スペクトル分解能を達成できる。
【００５５】
図６Ａから図６Ｄに示す一部の実施形態は、ラマン分析、蛍光分析、またはその両方が可能なコンパクトな分光計を含む。光学アセンブリは、励起光（601）と検出器（617）との間の幾何学的光路を定義する。幾何学的光路は、複数の曲がりを示すように折り畳まれてもよい。例えば、図６Ａから図６Ｄに示すように、光学アセンブリは、幾何学的光路が多数の曲がりを生じるようにする構成要素（602、603、608〜615）を使用する。様々な実施形態における光学アセンブリは、幾何学的光路が光路に沿って３回から１５回曲がるようにする構成要素を使用してよい。例えば、一部の実施形態では、光学アセンブリは、サンプルと検出器との間で、幾何学的光路を少なくとも約４回、または最大約１５回（あるいはそれ以上の回数）曲げるための要素を有していてもよい。これらの構成要素は、幾何学的光路を、サンプルと回折格子との間で少なくとも４回またはおよそ約１０回まで曲げてもよい。分光計は、サンプル（699）によって散乱された光を受けるレンズ（606）を有する光学アセンブリ（600）を含む。レンズ（606）は、光を光路の第１の部分に沿って集束させる。第１のミラー（608）は、レンズ（606）から受け取った光を反射して幾何学的光路を曲げ、幾何学的光路の第２の部分を生成する。ここで、幾何学的光路の第１の部分および第２の部分は第１の平面（691）上にある。第２のミラー（609）は第1のミラー（606）から受光した光を反射し、幾何学的光路の第３の部分を生成する。幾何学的光路の第３の部分は、第１の平面（691）とは異なる第２の平面（692）を進む。分光計は、第２のミラーに反射された光を検出するための検出器（617）を含む。
【００５６】
コンパクト分光計の光学アセンブリ（600）はまた、第２のミラー（609）から光を受け取り、第２のミラー（609）から受け取った光を異なる角度を有する波長帯域に空間的に分離する回折格子（612）を含む。ここで、各角度は、格子により受光された光の帯域幅に対応している。一部の実施例では、回折格子（612）を回転させるためにモータまたは他のアクチュエータを配置してよい。分光計の光学アセンブリ（600）はまた、格子（612）からの光をコリメートして検出器（617）に向ける凹面鏡（610）を含む。凹面コリメートミラー（610）は非球面であってもよい。一部の実施形態では、凹面鏡は放物面であってもよい。検出器（617）は、約3mm〜約13mmの寸法を有する光検出器を含んでよい。また、コンパクトな分光計の光学アセンブリはサンプル（617）に向かう光を生成する光源（601）を含む。
【００５７】
光学アセンブリ（600）を利用する分光計では、分光計を囲む外部ハウジングの最長寸法が光源（601）から検出器（617）までの幾何学的光路の長さ合計の半分未満、あるいは、３分の１未満にすることができる。たとえば、分光計を囲む外側ハウジングの最長寸法は、約６インチ未満であってもよい。ハウジングの全容積は、約 500立方センチメートル以下であってもよく、約300立方センチメートル以下であってもよい。ハウジングの長さは、約150mm未満であってよく、ハウジングの幅は約40mm未満であってよく、ハウジングの高さは、約50mm未満であってよい。
【００５８】
いくつかの実施形態は、実時間較正が可能な分光計を含む。ここで、実時間較正は、出力光および較正光の測定が同時に実行されるか、または時間的に近接して実行されることを意味する。回折格子走査法を用いる従来の分光計では、通常、波長は格子の回転角に相関する。光学式エンコーダまたは他の回転センサを用いて回転角度を監視することにより、未知の光信号の波長を得ることができる。しかし、較正は、一般に、工場における製品寿命の開始時、定期的な間隔、または、その両方において、格子の角度読み取り値の長期ドリフトを補正するために行われる。これらの従来の分光計の較正は専用の手順であり、分光計の較正中はサンプル測定には使用できない。
【００５９】
本明細書で開示される実施形態は、較正のために分光計に含まれる小型光源を使用する。 小型光源からの光および測定される未知の光信号は、格子によって同時に走査される。
【００６０】
従来の分光計では、較正データはルックアップテーブルとしてメモリに記憶される。ルックアップテーブルは、較正後に毎回更新される。較正がタイムリーに行われないと、測定結果が不正確になる可能性がある。これに対して、本明細書に開示された手法によれば、リアルタイムで波長誤差を補正することができる。
【００６１】
本明細書で開示される実施形態は、ラマン信号、蛍光信号、またはその両方の波長が正確に得られるようにリアルタイム較正が可能な光学分光計を対象とする。図１１に示すように、リアルタイム較正の能力を含む分光計装置（1100）は、較正光源として、ネオン電球、アルゴン電球、または多波長レーザのような既知の放出スペクトル線を有する光源を含む。いくつかの実施形態では、分光計は、較正光源からの光を分光計に導くためのプリズムなどの光ガイドを含む。
【００６２】
分光計の検出器は、ラマン/蛍光信号の検出のためのものと較正光の検出のためのものとの２つの光センサを含むことができる。図１０にネオン電球のスペクトルを一例として示しす。ここでは、580nmから750nmの範囲内の既知の波長を有する２５個のピークが示されている。これらのピークを基準として、分光計を高精度に較正することができる。図１１に、一部の実施形態によるリアルタイム較正の能力を有する分光計装置の部分を示す。図１１の光学アセンブリ（1100）は、図６Ａから図６Ｄに示された光学アセンブリ（600）と多くの点で類似しているので、同様の構成要素は同じ参照番号で示されている。光学アセンブリ（1100）は、較正光を生成するように構成された較正用光源（1118）を含む点で光学アセンブリ（600）と異なる。一部の実施形態において、較正用光源（1118）は、例えば 、ネオン電球、アルゴン電球、又は、多波長レーザであってよい。多波長レーザを使用する場合、励起光源と較正光源の両方を単一の光源によって生成することができる。多波長レーザは、少なくとも第１の波長帯域および第２の波長帯域の光を放射するように構成されてもよい。ここで、励起光は、多波長レーザから第１の波長帯域で放射された光を含み、較正光は、第２の波長帯域で放射された光を含んでよい。較正光は、光ガイド（1119）を通って格子（612）に、そして最終的に二重素子検出器（1117）に送られる。
【００６３】
図１２に、較正構成要素および較正光の幾何学的光路をより詳細に示す。図１１および図１２に示すように、励起光源（601）からの励起光は、ミラー（602）およびロングパスビームスプリッタ（603）を含む構成要素と順次相互作用し、レンズ（604）によってボトルに含まれる試験下のサンプル（699）に集束される。サンプルは、光学アセンブリに向かって出力光を散乱または放出し（ここで、出力光は、例えば、ラマン、蛍光光を含む）、出力光は、コリメートレンズ（604）によって集められる。
【００６４】
出力光は、出力光のコリメートレンズとして作用するレンズ（604）によって集められる。コリメートされた光ビームは、フィルタ（603、605）を通過した後、レンズ（606）によってスリット（607）上に集束される。その後、ミラー（608、609）は、前述のように幾何学的光路を（Ｚ軸に沿って）より低いレベルにシフトする。スリット（607）を透過した光は、凹面鏡（610）によって視準され、ミラー（611）によって反射され、回折格子（612）上に導かれる。
【００６５】
反射格子（612）は、各波長が所定の角度に対応するように、異なる波長の光を異なる角度に回折する。凹面ミラー（614）は、光ビームを出力スリット（616）上に集束させる。回折格子（612）の各設定角度において、非常に狭い範囲の波長のみがスリット（616）を通過して、光検出器（1117）により受光される。格子回転機構（618）は格子（612）を回転させて異なる波長の光を上に光検出器（1117）に移動させる。格子が回転すると、異なる波長の光が光検出器（1117）に到達し、出力光の連続スペクトルを得ることができる。
【００６６】
波長較正のための較正光は、電球（1118）によって放射され、プリズム（1119）によって入力スリット（607）に導かれる。図１２に、較正光の幾何学的光路を示す。較正光および出力光は、607から616までの構成要素と順次相互作用する。入力スリット（607）には、較正光スポットとの出力光スポットとの間のギャップが存在する。格子およびミラーからなる分散システムを通して、スポットは、フォトダイオード検出器（1117）内の２つの検出素子（検出素子１と検出素子２）に結像される。２つの検出素子の間のギャップは、入力スリット（607）における出力光と較正光スポットとの間のギャップに等しい。格子の各設定角度おいれ、２つの検知素子は、異なる光源（ネオン電球と試験下のサンプル）からのものであるが同じ波長の光を受光する。
【００６７】
図１３の上半分に、格子が回転するときの時間に対する検出素子２の光電流を示す。図１３の下半分に、格子が回転するときの時間に対する検出素子１の光電流を示す。この例では、検知素子２によって検知された出力光はダイヤモンドのサンプルからのものであり、検知素子1によって検知された較正光はネオン電球からのものである。一部の実施形態では、ラマン出力信号の波長wは、基準として較正光の２つのスペクトル線を使用することによって得られる。図１３に示すように、検出素子１は、時刻t1に波長w1の較正光を受光し、時刻t2に波長w2の較正光を受講する。t1とt2との間で、検知素子２は、時刻tに、ダイヤモンドのラマン信号を受け取る。ダイヤモンドのラマン信号の波長wは、例えば、以下の式を使用して分光計のハウジング（801）（図８参照）内に配置されたプロセッサによって計算することができる。
w = w1 +（w2-w1）/（t2-T1）*（t-t1） [式１] 
式１において、格子の回転速度は時刻t1とt2の間で実質的に一定であると仮定されている。
【００６８】
同様に、時間の代わりに、格子に取り付けられた回転ポテンショメータを使用して格子の回転を監視し、ポテンショメータの抵抗値を用いてラマン信号の波長を計算することができる。たとえば、 w1、w、及び、w2におけるポテンショメータの測定値が、それぞれr1、r、及び、r2 である場合、未知の波長wを次式を用いて得ることができる。
w = w1 +（w2-w1）/（r2-r1）*（r-r1） [式２] 
【００６９】
本明細書に記載の実施形態は、コンパクトな分光計のためのリアルタイム波長較正機構を含む。較正機構は、既知のスペクトル線を有するネオン・バルブのような光源を含む。一部の実装では、較正機構は、較正光を分光計の入力スリットに向けることために光ガイドを使用してよい。光ガイドは、たとえば、プリズム、ファイバ、レンズ、ミラー、またはこれらの構成要素の組み合わせを含むことができる。
【００７０】
本明細書で開示される実施形態は以下のとおりである。
実施形態1：単一の光源から誘導される少なくとも第１および第２の異なる波長帯域を有する励起光を生成するように構成された励起光源であって、前記第１および第２の波長帯域でサンプル上のスポットを同時に照射するように構成された励起光源と、
可動構成要素が励起光源に応答してサンプルから放出された出力光を複数の波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも一つの可動構成要素を含む分散素子であって、少なくとも一つの可動構成要素が出力光を複数の波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
出力光の波長帯域を検出し、検出された出力光に応答して出力電気信号を生成するように構成された少なくとも1つの光センサを含む検出器とを含む分光計装置。
実施形態２：出力光がラマン信号である実施形態１に記載の装置。
実施形態３：出力光が蛍光を含む、実施形態１、または、実施形態２に記載の装置。
実施形態４：装置の光路が、三次元（３Ｄ）の折り畳まれた幾何学的光路を含み、前記三次元の折り畳まれた幾何学的光路が第１の平面に位置し、第１の曲げ部を含む第１の部分と、異なる第２の平面内にあり、第２の曲げ部を含む第２の部分とを含む、実施形態１から３のいずれかに記載の装置。
実施形態５：単一の励起光源が、第１の波長で励起光を放射するレーザ、および、励起光の第１の波長帯域の一部を変換するように構成された光学素子とを含む、実施形態１から４のいずれかに記載の装置。
実施形態６：前記光学素子が、前記レーザのレーザキャビティ内に配置される、実施形態４に記載の装置。
実施形態７：光学素子がレーザのレーザキャビティの外側に配置されている、実施形態４に記載の装置。
実施形態８：レーザは固体レーザを含み、光学素子は、励起光の第１の波長帯域の周波数を２倍にするように構成された第２高調波発生器を含む実施形態４に記載の装置。
実施形態９：レーザが第３の波長帯域を有するポンプ光を発するダイオードによってポンピングされ、励起光源は、ポンプ光がスポットを照射するように配置される実施形態８に記載の装置。
実施形態１０：第３の波長帯域の中心が約808nmである実施形態９に記載の装置。
実施形態１１：第1の波長帯域の中心が約1064nmである実施形態９に記載の装置。
実施形態１２：第２の波長帯域の中心が約532ナノメートルである実施形態９に記載の装置。
実施形態１３：光源とサンプルとの間の光路内に配置されたビームスプリッタをさらに備える、実施形態１から１２のいずれかに記載の装置。
実施形態１４：前記光源と前記ビームスプリッタとの間または前記ビームスプリッタと前記サンプルとの間に配置されたレーザラインフィルタをさらに備え、前記レーザラインフィルタは、前記第１および第２の波長帯域を実質的に通過させ、他の波長帯域を遮断する、実施形態１３に記載の装置。
実施形態１５：前記ビームスプリッタは、ダイクロイック・バンドパスフィルタを含む、実施形態１４に記載の装置。
実施形態１６：ビームスプリッタが４５度のノッチフィルタを含む、実施形態１４に記載の装置。
実施形態１７:前記サンプルと前記ビームスプリッタとの間の前記光路内に配置され、前記出力光を実質的に通過させ、前記励起光を実質的に遮断するように構成された光学フィルタをさらに備える、実施形態１６に記載の装置。
実施形態１８：前記光路中に配置されたスリットと、それ光学フィルタとスリットとの間の光路内に配置され、ラマン信号をスリット上に集束させるレンズと、前記分散要素からの前記出力光を受け取るように構成された凹面鏡をさらに備える、実施形態１８に記載の装置。
実施形態２０：光を分散要素に向けるように構成された凹面鏡をさらに備える、実施形態１８に記載の装置。
実施形態２１：凹面鏡を回転させるように構成されたミラーアクチュエータをさらに備える、実施形態１９から２０のいずれかに記載の装置。
実施形態２２：ミラーアクチュエータは、凹面鏡を回転させるように構成されたモータを含む、実施形態２１に記載の装置。
実施形態２３：ミラーアクチュエータは、凹面鏡を回転させるように構成された形状記憶合金（SMA）アクチュエータを備える、実施形態２１に記載の装置。
実施形態２４：前記ミラーアクチュエータは、前記凹面鏡を回転させるように構成されたソレノイドアクチュエータを含む、実施形態２１に記載の装置。
実施形態２５：前記ミラーアクチュエータが、前記凹面鏡を回転させるように構成された圧電アクチュエータを含む、実施形態２１に記載の装置。
実施形態２６：ミラーの回転角度を検出するように構成されたミラー角度センサをさらに備える、実施形態２１に記載の装置。
実施形態２７：前記ミラー角度センサは、磁気角センサ、MEMSベースのジャイロスコープ、
撮像センサアレイと、光学的位置センサ、または、静電容量センサのいずれか一つ以上を含む実施形態２６に記載の装置。
実施形態２８：前記分散要素は、
出力光の波長帯域を回折する回折格子と、
回折格子に取付けられ、回転格子を回転させるように構成された格子アクチュエータであって、回折格子が異なる位置角にあるときに、前記出力光の異なる波長帯域が前記検出器に入射するように、回折格子を回転させる格子アクチュエータとを含む、
実施形態１から２７のいずれかに記載の装置
実施形態２９：格子の位置角を検出するように構成された格子角度センサをさらに備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３０：格子アクチュエータが、回折格子を回転させるように構成されたモータを備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３１：格子アクチュエータが、回折格子を回転させるように構成された形状記憶合金（SMA）アクチュエータを備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３２：格子アクチュエータが、回折格子を回転させるように構成されたソレノイドアクチュエータを備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３３：格子アクチュエータが、回折格子を回転させるように構成された圧電アクチュエータを備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３４：格子の位置角を検出するように構成された格子角度センサをさらに備える、実施形態２８に記載の装置。
実施形態３５：前記少なくとも１つの光センサが、１つの光センサのみを備える、実施形態１から３４のいずれかに記載の装置。
実施形態３６：少なくとも1つの光センサがInGaAsセンサを含む、実施形態１から３５のいずれかに記載の装置。
実施形態３７：検出器が、
第１の光センサおよび第2の光センサと、
第１の光センサに関連する第1のバンドパスフィルタと、第２の光センサに関連する第２のバンドパスフィルタとを含む、実施形態１から３６のいずれかに記載の装置。
実施形態３８：
第1のバンドパスフィルタが、励起光の第1の波長帯域に応答する出力光を実質的に通過させ、励起光の第２の波長帯域に応答する出力光を実質的に遮断するように構成され、
第２のバンドパスフィルタが、励起光の第２の波長帯域に応答する出力光を実質的に通過させ、励起光の第１の波長帯域に応答する出力光を実質的に遮断するように構成された、実施形態１から３７のいずれかに記載の装置。
実施形態３９：装置のリアルタイム較正を可能にするように構成された較正機構をさらに備える、実施形態１から３８のいずれかに記載の装置。
実施形態４０：一の光源から得られた少なくとも第１および第２の異なる波長帯域を有する励起光を生成するように構成された励起光源であって、前記第１および第２の波長帯域が同時にサンプル上のスポットを照射するように構成された励起光源と、
可動構成要素が励起光源に応答してサンプルから放出された出力光を複数の波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも一つの可動構成要素を含む分散素子であって、少なくとも一つの可動構成要素が出力光を複数の波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
出力光の波長帯域を検出し、検出された出力光に応答して出力電気信号を生成するように構成された少なくとも1つの光センサを含む検出器とを含む分光計装置と、
励起光源の電力を制御すること、少なくとも1つの可動構成要素の動作を制御すること、および検出器の電気出力信号を信号処理することのうちの１つ以上を実行するように構成された電子回路とを含む分光計システム。
実施形態４１：出力光がラマン散乱によって生成される、実施形態４０に記載のシステム。
実施形態４２:前記出力光が蛍光灯である、実施形態４０から４１のいずれかに記載のシステム。
実施形態４３：アクセサリデバイスをさらに備え、前記分光計装置が、前記アクセサリデバイスと通信するように構成された通信回路を含む、実施形態４０から４２のいずれかに記載のシステム。
実施形態４４：通信回路は出力信号から得られた情報をアクセサリデバイスに転送するように構成され、アクセサリデバイスは、処理された情報を得るために情報を処理するように構成される実施形態４３に記載のシステム。
実施形態４５：アクセサリデバイスが、出力信号情報および処理された情報の少なくとも1つをメモリに記憶させるように構成された、実施形態４４に記載のシステム。
実施形態４６：前記出力信号情報は、前記出力光のスペクトルを含み、アクセサリデバイスは、出力光のスペクトルを既知のスペクトルと比較することによって出力信号情報を処理するように構成される実施形態４３に記載のシステム。
実施形態４７： サンプル上のスポットを照射するように配置された励起光を発生させる励起光源と、
可動構成要素が励起光源に応答してサンプルから放出された出力光を複数の波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも一つの可動構成要素を含む分散素子であって、少なくとも一つの可動構成要素が出力光を複数の波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
出力光の波長帯域を検出し、検出された出力光に応答して出力電気信号を生成するように構成された少なくとも1つの光センサを含む検出器とを含む分光計装置と、
サンプルと検出器との間で出力光が少なくとも４回方向を変える３次元（３Ｄ）幾何学的光とを含むを含む光学アセンブリを含む分光計装置。
実施形態４８：出力光がラマン散乱によって生成される、実施形態４７に記載の装置。
実施形態４９：出力光が蛍光灯である、実施形態４７から４８のいずれかに記載の装置。
実施形態５０：ハウジングをさらに備え、前記光学アセンブリは、ハウジングの内部キャビティ内に配置され、前記内部キャビティの長さは、前記光学キャビティの全長の約２分の１未満である、実施形態４７から４９のいずれかに記載の装置。
実施形態５１：筐体と、前記筐体の内部空洞内に配置された前記励起光源と、前記分散素子と、前記検出器と、前記幾何学的光路とをさらに備え、前記内部空洞の長さは、光路の全長の約３分の１未満である実施形態４７から４９のいずれかに記載の装置。
実施形態５２：ハウジングと、励起光源と、分散素子と、検出器と、ハウジングの内部キャビティ内に配置された幾何学的光路とをさらに備え、ハウジングの総容積が約500立方センチメートル未満である、実施形態４７から４９のいずれかに記載の装置。
実施形態５３：ハウジングと、励起光源と、分散素子と、検出器と、ハウジングの内部キャビティ内に配置された幾何学的光路とをさらに備え、ハウジングの総容積約が300立方センチメートル未満である、実施形態４７から４９のいずれかに記載の装置。
実施形態５４：ハウジングと、前記励起光源と、前記分散素子と、前記検出器と、前記ハウジングの内部空洞内に配置された前記幾何学的光路とをさらに備え、前記ハウジングの長さは、約150ミリメートルよりも大きく、ハウジングの幅は約40ミリメートルより小さく、ハウジングの高さは約50ミリメートルよりも小さい、実施形態４７から４９のいずれかに記載の装置。
実施形態５５：前記分散素子が反射格子である、実施形態４７から５４のいずれかに記載の装置。
実施形態５６：３Ｄ幾何学的光路が、サンプルと回折格子との間で少なくとも２回または少なくとも３回方向を変化させる、実施形態４７から５５のいずれかに記載の装置。
実施形態５７：３Ｄ幾何学的光路が、サンプルと回折格子との間で少なくとも３回または少なくとも４回方向を変化させる、実施形態４７から５５のいずれかに記載の装置。
実施形態５８：前記サンプルと前記分散要素との間に配置されたコリメートミラーをさらに備える、実施形態４７から５７のいずれか一項に記載の装置。
実施形態５９：前記コリメートミラーが非球面ミラーである、実施形態５８に記載の装置。
実施形態６０：前記コリメートミラーが放物面ミラーである、実施形態５８に記載の装置。
実施形態６１：前記分散要素と前記検出器との間に配置された集束ミラーをさらに備える、実施形態４７から６０のいずれかに記載の装置。
実施形態６２：集束ミラーが非球面ミラーである、実施形態６１に記載の装置。
実施形態６３：励起光に応答してサンプルから放射される出力光を受け取り、出力光を出力光の幾何学的光路の第１の部分に沿って集束するように構成されたレンズと、
幾何学的光路を曲げるためにレンズから受け取った出力光を反射し、幾何学的光路の第２の部分（幾何学的光路の第1の部分と第２の部分は第１の平面内にある）を生成する第1のミラーと、
第１のミラーから受け取った出力光を反射して幾何学的光路の第３の部分を生成する第2のミラー（幾何学的光路の第３の部分は第１の平面とは異なる平面を進行する）と、
第２のミラーによって反射された出力光を検出するように構成された検出器とを含むコンパクトな分光計装置。
実施形態６４： 第２のミラーから光を受け取り、第2のミラーから受け取った出力光を、波長に対応する異なる角度に分離するように構成された回折格子と、
出力光をコリメートし、格子から検出器に向けるように構成された凹面鏡とを含む、実施形態６３に記載の装置。
実施形態６５：検出器が約3mm×約1mm未満の寸法を有する、実施形態６３から６４のいずれかに記載の装置。
実施形態６６：前記励起光を提供するように構成された励起光源をさらに備え、前記装置の幾何学的光路の全長が、励起光の幾何学的光路の長さと出力光の幾何学的光路の長さの合計である、実施形態６３から６５のいずれかに記載の装置。
実施形態６７：前記装置を構成する外側ハウジングの最長寸法が、全幾何学的光路の長さの半分未満である、実施形態６６に記載の装置。
実施形態６８：装置をフレーミングする外部ハウジングの最も長い寸法が、全幾何学的光路の長さの３分の１未満である、実施形態６６に記載の装置。
実施形態６９：前記装置を首脳する外部ハウジングの最も長い寸法が６インチ未満である、実施形態６３から６８のいずれかに記載の装置。
実施形態７０：サンプルから発せられる出力光を受け取るように構成されたレンズと、
レンズからの出力光を回折格子に導くように構成された凹面鏡と、
出力光の異なる波長を異なる方向に空間的に分離するように構成された分散素子と、
格子からの出力光の一部を検出器に導くように構成された凹面集束ミラーとを含む、コンパクトな分光計で使用するための光学アセンブリ。
実施形態７１：凹面鏡は非球面である、実施形態７０に記載の光学アセンブリ。
実施形態７２：分散素子が、回折格子と、回折格子を回転させるように構成されたモータとを含む、実施形態７０から７１のいずれかに記載の光学アセンブリ。
実施形態７３：凹型コリメートミラーが放物線状である、実施形態７０から７２のいずれかに記載の光学アセンブリ。
実施形態７４：サンプル上のスポットを照射する励起光を生成するように構成された少なくとも1つの光源であって、較正光も生成するように構成された少なくとも1つの光源と、
可動構成要素が励起光源に応答してサンプルから放出された出力光を複数の波長帯域に空間的に分離するように構成された、少なくとも一つの可動構成要素を含む分散素子であって、少なくとも一つの可動構成要素が出力光を複数の波長帯域を検出器を横切って走査するように構成されている分散素子と、
複数の構成要素を含む検出器であって、少なくとも１つの第１の要素は、較正光の波長を検出し、較正光に応答した電気較正信号を出力するように構成され、少なくとも１つの第２の要素は、出力光を検出し、出力光に応答した電気出力信号を出力するように構成された検出器と、
前記較正信号を使用して前記出力信号を調整するように構成されたプロセッサと、
前記少なくとも1つの光源と、前記分散要素と、前記検出器と、前記プロセッサとを囲むハウジングとを含む分光計装置。
実施形態７５：出力光がラマン散乱によって生成される、実施形態７４に記載の装置。
実施形態７６：前記出力光が蛍光灯である、実施形態７４から７５のいずれかに記載の装置。
実施形態７７：前記少なくとも1つの光源は、励起光を発生させる励起光源と、較正光を生成するように構成された較正光源とを含む、実施形態７４から７６のいずれかに記載の装置。
実施形態７８：較正用光源がネオン電球を含む、実施形態７７に記載の装置。
実施形態７９：前記較正光源がアルゴン電球を含む、実施形態７７に記載の装置。
実施形態８０：前記少なくとも１つの光源が単一の光源を含む、実施形態７４から７９のいずれかに記載の装置。
実施形態８１：単一光源が、少なくとも第１の波長帯域および第２の波長帯域の光を放射するように構成された多波長レーザを備え、励起光が多波長レーザから放射される第１の波長帯域の光を含み、較正光が多波長レーザから放射される第２の波長帯域の光を含む、
実施形態８０に記載の装置。
実施形態８２：少なくとも１つの光源と分散要素との間に配置された少なくとも１つの光学要素をさらに備え、光学要素は、少なくとも１つの光源からの較正光を分散素子の方に向ける、実施形態７４から８１のいずれかに記載の装置。
【００７１】
別段の記載がない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される特徴の大きさ、量、および物理的特性を表す全ての数字は、すべての場合において「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。従って、反対の記載がない限り、上記の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、当業者が本明細書に開示される教示を利用して求める所望の特性に応じて変化し得る近似値である。端点による数値範囲の使用には、その範囲内のすべての数値が含まれる（たとえば、「１から５」には1、1.25、2、3.75、3、3.80、4、および、5が含まれる）。
【００７２】
これらの実施形態の様々な変更および改変は、当業者には明らかであり、本開示のこの範囲は、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されないことを理解されたい。例えば、開示された実施形態の特徴は、別段の記載がない限り、他のすべての開示された実施形態にも適用できると想定すべきである。
【図１】
2019500612.tif 000003
【図２】
2019500612.tif 000004
【図３】
2019500612.tif 000005
【図４】
2019500612.tif 000006
【図５】
2019500612.tif 000007
【図６Ａ】
2019500612.tif 000008
【図６Ｂ】
2019500612.tif 000009
【図６Ｃ】
2019500612.tif 000010
【図６Ｄ】
2019500612.tif 000011
【図７】
2019500612.tif 000012
【図８】
2019500612.tif 000013
【図９Ａ】
2019500612.tif 000014
【図９Ｂ】
2019500612.tif 000015
【図１０】
2019500612.tif 000016
【図１１】
2019500612.tif 000017
【図１２】
2019500612.tif 000018
【図１３】
2019500612.tif 000019
【国際調査報告】
2019500612.tif 000020
2019500612.tif 000021
2019500612.tif 000022
2019500612.tif 000023