(57)【要約】ＩＲ吸収現象を使用して複数のサンプルまたは１つのサンプルの複数の空間領域について、空間多重化ＩＲスペクトル情報を同時に実時間で提供することができる装置（３００’）および方法は、動作中に、移動部品またはフーリエ変換を必要とせず、時間の経過に伴う背景スペクトルおよび構成要素の性能の低下を自己補償する。サンプルのＩＲスペクトル情報および化学分析は、１つまたは複数のＩＲ源（３１０、３１１）と、サンプル・ボリュームを配置するための１つまたは複数のサンプリング・アクセサリ（３３０、３３１）と、１つまたは複数の光分散要素（３５０）と、分散光ビームを検出するように構成された焦平面アレイ（ＦＰＡ）（３７０）と、ＦＰＡ（３７０）を制御するプロセッサ（３８０）およびディスプレイ（３９０）と、ＦＰＡ（３７０）を制御し、かつＩＲスペクトログラフを表示するディスプレイ（３９０）とを使用することによって決定される。【選択図】図３Ｂ
2005504980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサンプルのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に空間多重化する装置であって、
少なくとも１つのＩＲ光源と、
前記複数のサンプルを光路に配置する少なくとも１つのサンプル・ホルダと、
前記光路にある光分散要素とを備え、
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの発光が、前記光路に沿った前記複数のサンプルのそれぞれと相互作用して、対応する複数のサンプル発光を形成し、
前記複数のサンプル発光が、前記光分散要素と相互作用して、対応する複数の分散サンプル光ビームを形成し、前記複数の分散サンプル光ビームのそれぞれが、前記複数のサンプルのそれぞれの１つに対応し、
さらに、前記光路に配置され、複数の行および列に構成された多数の画素を有するＩＲ  ＦＰＡ検出器を備え、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームを検出して、前記複数のサンプルのそれぞれについて前記ＩＲスペクトル情報を表す少なくとも１つの出力を提供する装置。
【請求項２】
前記光分散要素が回折格子である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光分散要素がプリズムである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光分散要素がＩＲ波長に対してほぼ透過性であるペリン・ブロカ・プリズムである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光分散要素が、調節可能であり、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上に投影された前記対応する複数の分散サンプル光ビームに含まれる波長の範囲が、ＩＲ光源からの前記発光と前記光分散要素の表面との間の入射角を調節することによって決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿って配置された背景基準環境と相互作用して、背景基準発光を提供し、
前記背景基準発光が、前記光分散要素と相互作用して、分散背景基準光ビームを形成し、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記分散背景基準光ビームを検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの出力と前記分散背景基準光ビームを表す信号とを受信するプロセッサをさらに備え、
前記プロセッサが、前記背景基準環境を補償することによって、前記複数のサンプルのそれぞれについて補償ＩＲスペクトル情報を本質的に実時間で決定する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
第１偏光器を前記光路にさらに備え、前記対応する複数のサンプル発光の少なくとも１つが、前記第１偏光器を通過して、第１偏光サンプル発光を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
第２偏光器を前記光路にさらに備え、前記対応する複数のサンプル発光の少なくとも１つが、前記第２偏光器を通過して、前記第１偏光サンプル発光に直交する第２偏光サンプル発光を形成し、
前記第１偏光サンプル発光および前記第２偏光サンプル発光が、前記光分散要素と相互作用して、第１分散偏光ビームおよび第２分散偏光ビームを形成し、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記第１分散偏光ビームおよび前記第２分散偏光ビームを検出する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１偏光サンプル発光が、前記第２偏光サンプル発光の偏光に垂直な偏光を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１分散偏光ビームおよび前記第２分散偏光ビームを使用して、ポリマー膜の分子配向を決定する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の空間分離領域上で、前記対応する複数の分散サンプル光ビームのそれぞれを検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームを同時に検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの出力が、前記複数のサンプルのそれぞれについて前記ＩＲスペクトル情報を同じ瞬間に決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＩｎＳｂを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＭＣＴを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がマイクロボロメータを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器からの前記少なくとも１つの出力が、前記分散光ビームに含まれる複数の波長のそれぞれにおける複数の合計画素出力を含み、
前記複数の波長の１つにおける前記複数の合計画素出力が、前記複数の波長の前記１つの強度を表す信号の信号対雑音比を改善する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記対応する複数の分散サンプル光ビームの少なくとも１つに含まれる複数の波長の少なくとも１つに対応する複数のＩＲ  ＦＰＡ検出器画素出力が、複数の波長の前記少なくとも１つの振幅を表す信号の信号対雑音比を改善するように共に合計される、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、それぞれが前記多数の画素の異なるサブセットを含んでいる多数のセグメントに分割され、
前記対応する複数の分散光ビームのそれぞれが、前記多数のセグメントの関連する１つの上に投影される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上の行の方向が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームの前記それぞれの分散方向と本質的に位置合わせされるように、前記対応する複数の分散サンプル光ビームの前記それぞれが前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上に投影され、
前記多数のセグメントのそれぞれの内部における前記ＩＲ  ＦＰＡの各列が、前記複数の分散サンプル光ビームの関連する１つにおける光の特定の波長に対応する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記多数のセグメントの少なくとも１つの内部において、複数の行のそれぞれにある１つの画素からの出力が、光の関連する波長の強度を表す信号の信号対雑音比を改善するように、前記ＦＰＡの１つの列に沿って合算される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記複数のサンプルの１つの異なる空間セクションに関連付けられた分散サンプル光ビームが、前記多数のセグメントの２つ以上の上に投影される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
異なる波長が、前記多数のセグメントの少なくとも２つの内部において表される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記複数のサンプルの１つの異なる空間セクションに関連付けられた分散サンプル光ビームが、それぞれ、前記複数のセグメントの前記少なくとも２つの異なるセグメントの上に投影される、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、少なくとも中間ＩＲ帯域にある波長を有する光を検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記複数のサンプルの少なくとも１つが、内部に検体を有する背景対象物を含み、
前記検体が、前記背景対象物のＩＲ吸収変化を生成するように、特定のタイプのサンプルに反応する、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記検体が、１つまたは複数の生物学的有害物質に反応する生物に特有の試薬である、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記生物に特有の試薬が、前記１つまたは複数の生物学的有害物質に反応するときに作動される可聴警報または視覚警報、あるいはその両方をさらに備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記光路が少なくとも１つの光ファイバを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記光路が複数の光ファイバを含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの光ファイバがマルチモード・ファイバである、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの光ファイバが中間ＩＲ帯域の光を伝播させる、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのサンプル・ホルダが、複数のサンプリング・アクセサリを含み、前記複数のサンプリング・アクセサリのそれぞれが、異なるサンプル・ボリュームを前記光路に配置し、
前記異なるサンプル・ボリュームのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つのサンプル・ホルダが、前記光路内におけるＩＲ吸収現象を検出するのに適した光路を前記複数のサンプルのそれぞれに提供するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
それぞれが異なるサンプルに対応する複数の分散光ビームを形成するための複数の光分散要素をさらに備え、
前記複数の分散光ビームのそれぞれが、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器上の異なる空間領域の上に投影される、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記複数のサンプルの１つまたは複数についてＩＲスペクトログラフを表示するディスプレイと、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器および前記ディスプレイを制御する手段とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器および前記ディスプレイを制御する前記手段がパーソナル・コンピュータを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＩＲカメラをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４０】
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿った前記複数のサンプルのそれぞれを透過する、請求項１に記載の装置。
【請求項４１】
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿って前記複数のサンプルのそれぞれから反射される、請求項１に記載の装置。
【請求項４２】
複数のサンプル・ボリュームにおいて化学分析を同時に実施するために、動作中に、ＩＲ吸収現象を使用し、かつ移動部品を使用しない実時間非干渉装置であって、
広帯域光源と、
前記広帯域光源から発光された光の少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用するように、前記複数のサンプル・ボリュームを配置するための少なくとも１つのサンプリング・アクセサリと、
複数の対応する分散サンプル・ビームを獲得するために、前記複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用した光の少なくとも一部を光分散させる調節可能手段と、
行および列に構成された複数の検出器要素を有する２次元ＩＲ検出器アレイと、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームを前記２次元ＩＲ検出器アレイの上に結合する光学結合手段と、
前記２次元ＩＲ検出器アレイを制御して、１つまたは複数の特定の波長領域におけるＩＲ吸収スペクトルに少なくとも基づいて、前記複数のサンプルの非干渉的化学分析を提供するプロセッサ手段とを備え、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれが、前記２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域の多数の行の上に投影され、前記多数行のそれぞれの対応する列検出器要素が、特定の波長におけるＩＲスペクトル成分の強度を実時間で決定するように、前記２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域の内部において合算され、
前記特定の波長における前記ＩＲスペクトル成分の前記強度を表す信号の信号対雑音比が、前記対応する列検出器要素を前記多数行のそれぞれにおいて追加することによって増大される装置。
【請求項４３】
前記１つまたは複数のサンプルのそれぞれを通過した光の前記少なくとも一部を光分散させる前記調節可能手段が、上に投影された入射光に対して調節可能な入射角度を有する回折格子である、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記１つまたは複数のサンプルのそれぞれを通過した光の前記少なくとも一部を光分散させる前記調節可能手段が、上に投影された入射光に対して調節可能な入射角度を有するペリン・ブロカ・プリズムである、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
前記広帯域光源から発光された光の前記少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームの前記それぞれを透過する、請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
前記広帯域光源から発光された光の前記少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームの前記それぞれから反射される、請求項４２に記載の装置。
【請求項４７】
前記光結合手段が１つまたは複数の光ファイバを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４８】
前記２次元ＩＲ検出器アレイがＩｎＳｂ焦平面アレイである、請求項４２に記載の装置。
【請求項４９】
前記２次元ＩＲ検出器がＭＣＴを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項５０】
前記プロセッサ手段がパーソナル・コンピュータである、請求項４２に記載の装置。
【請求項５１】
移動部品を使用せずに動作することができる非干渉装置を使用して、複数のサンプル・ボリュームのＩＲスペクトルを同時に決定する方法であって、
ＩＲ源を提供することと、
前記複数のサンプル・ボリュームを光路に配置することと、
前記ＩＲ源の発光の少なくとも一部を、前記光路に沿って前記複数のサンプル・ボリュームと相互作用させて、複数のサンプル発光を形成することと、
前記複数のサンプル発光を光分散させて、対応する複数の分散サンプル・ビームを形成することと、
上に画素の行および列を有する焦平面アレイの上の空間分離領域上において、前記複数の分散サンプル・ビームのそれぞれを検出することと、
前記焦平面アレイの各空間分離領域からの組合わせ出力を評価することによって、前記複数のサンプル発光のそれぞれの前記ＩＲスペクトルを同時に非干渉的に決定することとを備え、
前記空間分離領域の１つにおける画素の各列が、前記複数のサンプル発光の関連する１つの内部に含まれる波長を表す方法。
【請求項５２】
前記複数の分散サンプル・ビームにおいて波長の範囲を制御するために、前記複数のサンプル発光の光分散を調節することをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記空間分離領域の前記１つにおける画素の前記各列において、複数の画素出力を合計することによって、信号対雑音比を増大させることをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
環境背景の基準スペクトルを同時に評価することと、
前記環境背景の前記基準スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記ＩＲ源のスペクトルを同時に評価することと、
前記ＩＲ源の前記スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
環境背景の基準スペクトルを同時に評価することと、
前記環境背景の前記基準スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記複数のサンプル・ボリュームにおいて１つまたは複数のシグナチュア官能基を識別するために、前記複数のサンプル発光のそれぞれの前記ＩＲスペクトルを処理することと、
前記１つまたは複数のシグナチュア官能基が、前記複数のサンプル発光のいずれか１つに見られる場合、警報を可能にすることとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
生物に特有の試薬を上に有する背景対象物を提供することと、
前記生物に特有の試薬を、前記１つまたは複数のシグナチュア官能基を含むサンプル・ボリュームと反応させることとをさらに備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
請求項４２に記載の装置を使用して、前記複数のサンプルのそれぞれのＩＲ吸収スペクトルを決定することによって、前記複数のサンプルの化学分析を実施する方法であって、
前記広帯域光源の発光の少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームの上に投影することと、
前記広帯域光源の発光の前記少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームと相互作用させることと、
対応する複数のサンプル発光を光分散要素に提供することと、
複数の対応する分散サンプル・ビームを形成することと、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームを前記２次元ＩＲ検出器アレイの上に光学結合することとを備え、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれが、前記２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域において多数の行の上に投影され、
さらに、前記２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域内において、検出器の複数の行にある各検出器からの出力を非干渉的に処理し、検出器の各列が、各異なる領域内の特定の波長を表すことと、
前記各検出器からの処理済み出力を評価することによって、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲ吸収スペクトルを決定することと、
前記処理済み出力を１つまたは複数の基準規格と比較することによって、前記複数のサンプルのそれぞれの化学組成を少なくとも部分的に分析することとを備える方法。
【請求項６０】
前記広帯域光源と、前記光分散要素と、前記２次元ＩＲ検出器アレイとを、少なくとも投影、相互作用、結合、形成、および光学結合の前記ステップ中に、少なくとも互いに相対的に静止しているように維持することをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記各異なる領域内の各列において複数の検出器出力を合計することによって、信号対雑音比を増大させることをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記光学結合ステップが光ファイバ結合を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記投影が、前記広帯域光源の前記発光の前記少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームに光ファイバ結合することを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記広帯域光源の発光の前記少なくとも一部を、背景基準サンプルにおいて生物に特有の試薬と相互作用させることと、
特定の官能基を有する生物学的有害物質と反応する前記生物特有試薬から得られるＩＲ吸収変化を前記背景基準サンプルにおいて検出することと、
前記背景基準サンプルにおいて前記ＩＲ吸収変化が検出された場合、警報を可能にすることとをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６５】
前記複数のサンプルの１つまたは複数の前記ＩＲ吸収スペクトルから、前記複数のサンプルの前記１つまたは複数の少なくとも１つの物理的属性を決定することをさらに備え、
前記少なくとも１つの物理属性が、本質的に実時間で連続的に決定される請求項５９に記載の方法。
【請求項６６】
少なくとも１つの物理的属性を前記決定することが、前記複数のサンプルの１つの分子配向を決定することを含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記複数のサンプルの前記１つの分子配向を前記決定することが、前記複数のサンプルの前記１つに関連する２つの直交偏光サンプル発光を比較することによって少なくとも部分的に達成される、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記複数のサンプルの前記１つがポリマー膜である、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
少なくとも１つの物理的属性を前記決定することが、膜の厚さを実時間で測定することを含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
１つまたは複数のサンプルについて、ＩＲスペクトル情報を同時に収集、処理、および表示する装置であって、
複数のＩＲ光源と、
少なくとも１つの光分散要素と、
複数の光路と、
ＩＲ  ＦＰＡと、
前記ＩＲ焦平面アレイの出力を処理して、前記ＩＲスペクトル情報を決定する処理手段と、
前記ＩＲスペクトル情報を表示するディスプレイ手段とを備え、
前記複数のＩＲ光源のそれぞれが、前記１つまたは複数のサンプルに対する異なる入射角度を呈示し、
前記複数の光路のそれぞれが、複数の反射ＩＲビームの関連する１つを前記ＩＲ  ＦＰＡ上の異なる空間領域に向ける装置。
【請求項７１】
前記複数のＩＲ光源のそれぞれが異なる強度を有する、請求項７０に記載の装置。
【請求項７２】
前記複数の光路の少なくとも１つが偏光要素を含む、請求項７０に記載の装置。
【請求項７３】
前記複数の光路の少なくとも１つが光ファイバ結合を含む、請求項７０に記載の装置。
【請求項７４】
前記処理手段が、前記ＩＲ  ＦＰＡ上の前記異なる空間領域から決定されたＩＲスペクトル情報からポリマー単一層の分子配向を決定する、請求項７０に記載の装置。
【請求項７５】
材料の非等方ＩＲ光学定数を決定する方法であって、
基板を提供することと、
垂直ではない入射角度で、ＩＲ光源を前記基板の表面上に投影することと、
前記ＩＲ光源の第１透過部分に前記基板を透過させることと、
前記ＩＲ光源の前記第１透過部分を光路を経て前記ＦＰＡ上の第１領域の上に結合することと、
膜材料を前記基板の上に提供することと、
垂直ではない入射角度で、前記ＩＲ光源を前記膜材料の表面上に投影することと、
前記ＩＲ光源の第２透過部分に前記膜材料および前記基板を透過させることと、
前記ＩＲ光源の前記第２透過部分を前記光路を経て前記ＦＰＡ上の第２領域の上に結合することと、
前記光路においてミラーを回転させて、前記ＦＰＡ上の前記第２領域を前記ＦＰＡ上の前記第１領域と一致するように移動させることと、
前記ミラーの回転角度を測定することによって、前記膜材料内における屈折角を決定することとを備える方法。
【請求項７６】
前記膜材料の屈折率および吸光係数を計算することをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
基板を前記提供することが、既知の光学特性を有する誘電体基板を提供することを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
膜材料を前記基板の上に前記提供することが、前記基板の上に吸収された単一層膜を提供することを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
複数の垂直ではない入射角度で、前記ＩＲ光源を前記基板の表面上に投影することと、
前記複数の垂直ではない入射角度のそれぞれについて、前記ミラーの前記回転角度を測定することによって、前記膜材料内における前記屈折角を決定することとをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
偏光ＩＲ放射を前記膜材料および前記基板を通して投影することと、
前記膜材料内において方向特有の屈折角を決定することと、
前記膜材料の方向特有複素屈折率を計算することとをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
前記膜材料の少なくとも１つの分子基の配向を計算することをさらに備える、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
基板上の薄膜の配向を測定する構成であって、
ＩＲ源と、
前記ＩＲ源からのＩＲ光ビームを受光する２つの直交偏光フィルタと、
ＰＡＩＲ検出器と、
プロセッサとを備え、
前記２つの直交偏光フィルタから発光される２つの直交偏光ＩＲビームが、前記薄膜から反射されて、前記ＰＡＩＲ検出器によって検出され、
微分反射スペクトルが、前記プロセッサによって計算され、
前記微分反射スペクトルに、水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めてあらゆる偏光非依存信号がほぼ含まれていない構成。
【請求項８４】
前記ＰＡＩＲ検出器がＩｎＳｂ  ＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８５】
前記ＰＡＩＲ検出器がＭＣＴ  ＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８６】
前記ＰＡＩＲ検出器がマイクロボロメータＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８７】
前記プロセッサが、前記計算された微分反射スペクトルを使用して、前記薄膜の分子配向を決定する、請求項８２に記載の構成。
【請求項８７】
基板上の薄膜の配向を決定する方法であって、
ＩＲ源を提供することと、
前記ＩＲ源から２つの直交偏光ビームを生成することと、
前記薄膜から前記２つの直交偏光ビームを反射することと、
ＰＡＩＲ検出器で、前記２つの反射直交偏光ビームを検出することと、
前記２つの反射直交偏光ビームを使用して、前記プロセッサにおいて微分反射スペクトルを計算し、前記微分反射スペクトルに、水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めてあらゆる偏光非依存信号がほぼ含まれていないこととを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、複数サンプル材料のＩＲスペクトルを同時に決定する装置および方法に関する。より具体的には、開示する発明は、同時背景補償と共に実時間で動作し、移動部品の使用を全く必要としない装置および方法を使用して、複数サンプルの分光学的に決定されたＩＲスペクトルを空間多重化することに関する。さらに、開示する発明の装置および方法は、サンプル材料の組成を分析するために、検出スペクトル情報の膨大な数学的変換を必要としない。
【０００２】
開示する発明は、産業用に、たとえば製造プロセスを監視する実時間法に応用される。そのようなプロセスは、（固体、液体、化学的に結合された、物理的に吸着された）表面上の被覆剤の厚さ、化学的構造、および配向の測定を含むが、これに限定されるものではない。これらの測定は、生物学的材料、ポリマー、超伝導体、半導体、金属、誘電体、および鉱物に対して行われる測定を含むが、これに限定されるものではない。さらに、気体、液体、または固体状態のいずれかの材料の様々な処理を含む化学反応に存在する化学種を測定および検出する実時間装置および方法に適用される。さらに、本発明の装置および方法は、獲得される測定値に影響を与える可能性がある時間の経過に伴うセンサまたは光路の変化、あるいは環境条件の変化に対処する自己補償を提供する。
【背景技術】
【０００３】
産業が中核技術のコスト削減を追求し続けているので、プロセスおよび性能の最適化がより強調されることになる。この経費節減により、可搬式で堅牢であり、信頼性が高く、苛酷な産業環境または実験室外環境において長時間にわたって動作することができる全く新しいクラスの高度な機器の開発および導入が必要となる。
【０００４】
分光技術は、しばしば、材料の分析に使用される。従来、分光学は、物質による特定の色の光（エネルギー）の選択的な吸収、放出、または散乱を測定する。たとえば、可視白色光は、プリズムによって、成分の色またはスペクトルに分離することができる。分光測定の基本的な目的は、一般に、未知の材料の化学組成を特定すること、あるいは、「既知」の材料または物体の構造、運動、または環境特性（内部温度、圧力、磁場の強度など）の詳細を解明することである。科学および産業の多くの分野に対する分光学の普及した技術的重要性は、天然染料および合成染料の特徴付け、および星の基本的組成の決定など、１９世紀の成功にさかのぼることができる。
【０００５】
現代の分光学の応用により、「光」の意味は、ガンマ線ならびにｘ線から紫外線、可視光線、および赤外線を経てマイクロ波ならびに電波にまで至る電磁放射の全領域または全スペクトルを含むように一般化された。電磁放射のこれらの様々な形態（または波長領域）はすべて、それ自体の特徴的な測定方法を有する。これらの異なる方法により、様々なタイプの分光装置および技術が生じ、これらは、互いに外見的に非常に異なり、しばしば、材料の特性を測定するために異なる物理現象に依拠する。さらに、これらの多様な分野における様々な専門家および他の研究者は、多様である程度細分化された知識基盤と「経験則」とを使用するので、通例、これらの専門分野の技術的境界を越えることがない。
【０００６】
赤外線（ＩＲ）の使用は、材料の化学的性質を分析する多くの分光技術の１つである。あらゆる場合において、分光分析は、対象とするサンプルによって吸収もしくは反射された量、または適切にエネルギーを加えられたときにサンプルから放出される量で表して、光エネルギーの非常に特定の波長を測定することを意味する。
【０００７】
ＩＲの場合では、分光分析の吸収形態に依拠する。ＩＲ放射は、たとえば紫外線（ＵＶ）で見られるような異なる電子状態間すなわち分子軌道間の遷移を誘起するにはエネルギーが十分ではない。原子吸収とは異なり、ＩＲ分光法は、分子の単一電子状態内における振動遷移を調査するものであり、Ｐｂ、Ｃｕなど、特定の原子要素に関するものではない。そのような振動は、３つの主要なカテゴリ、すなわち、結合軸に沿った原子間距離の変化に由来する伸張、２つの結合の角度変化に由来する湾曲、および原子の２つの基の角度ならびに分離距離の変化に関するねじれ結合の１つに相当する。Ｏ２、Ｈ２、Ｎ２、Ｃｌ２、Ｆ２などの等核２原子分子、または不活性ガスなどを除いて、ほとんどすべての材料は、ＩＲ放射を吸収する。
【０００８】
ＩＲは、通常、０．７８μｍと１０００μｍの間の電磁スペクトルの領域を網羅する。ＩＲ分光法の文脈では、瞬間的な周波数は、「波数」（ｃｍ−１の単位）で測定され、これは、放射の波長（センチメートルの単位）の逆数を取ることによって計算される。正確には定義されないが、ＩＲの領域は、以下に示す波長および対応する波数の範囲を有する３つの領域によってさらに示されることがある。
「近ＩＲ」：０．７８〜２．５μｍ  １２８００〜４０００ｃｍ−１
「中間ＩＲ」：２．５〜５０μｍ  ４０００〜２００ｃｍ−１
「遠ＩＲ」：５０〜１０００μｍ  ２００〜１０ｃｍ−１
【０００９】
ＩＲを吸収する分子では、分子内の振動または回転により、分子の双極子モーメントの正味の変化が生じなければならない。入射ＩＲ放射の交番電界は、分子の双極子モーメントの変動と相互作用し、放射の周波数が、分子の振動周波数と整合する場合、放射は吸収され、分子振動のためにＩＲ帯域の強度は減少する。
【００１０】
分子官能基の電子状態は、それぞれが異なるエネルギー・レベルにある多くの関連する振動状態を有する可能性がある。したがって、ＩＲ分光法は、「官能基」または分子種として知られているものを形成するために、原子を特定の化学的な組合わせでグループ化することに関する。これらの様々な官能基は、関連するタイプの化学結合の吸収特性によって、材料の特性または予期される行動を決定するのに役立つ。これらの化学結合は、振動中に双極子モーメントが変化する。そのような官能基およびそれぞれのエネルギー帯の例には、水酸基（Ｏ−Ｈ）（３６１０〜３６４０ｃｍ−１）、アミン（Ｎ−Ｈ）（３３００〜３５００ｃｍ−１）、芳香環（Ｃ−Ｈ）（３０００〜３１００ｃｍ−１）、アルケン（Ｃ−Ｈ）（３０２０〜３０８０ｃｍ−１）、アルカン（Ｃ−Ｈ）（２８５０〜２９６０ｃｍ−１）、ニトリル（Ｃ≡Ｎ）（２２１０〜２２６０ｃｍ−１）、カルボニル（Ｃ＝Ｏ）（１６５０〜１７５０ｃｍ−１）、またはアミン（Ｃ−Ｎ）（１１８０〜１３６０ｃｍ−１）などがある。これらの官能基のそれぞれに関連するＩＲ吸収帯は、あるタイプの「指紋」として作用し、組成分析において非常に有用であり、有機分子および有機金属分子の識別に特に有用である。
【００１１】
どの波長が対象とする各官能基によって吸収されるかを知ることによって、分析されているサンプルに適切な波長を向けることができ、次いで、サンプルによって吸収されるエネルギーの量を測定することができる。吸収の強度は、成分の濃度に関係する。より多くのエネルギーが吸収されると、より多くの特定の官能基がサンプルに存在する。したがって、結果は数値的に定量化することができる。さらに、サンプルに吸収帯が欠如していることにより、しばしば同様に有用な情報を提供することができる。
【００１２】
サンプル吸収の強度および周波数は、スペクトルと呼ばれる２次元プロットで示される。強度は、一般に、サンプルによって吸収された光の量である吸光度、またはサンプルを通過する光の量である透過パーセントについて報告される。ＩＲ分光法では、上記で定義されたように、通常、周波数が、波数の観点で報告される。
【００１３】
赤外線分光計は、光源（太陽など）と、プリズムなどの波長識別ユニットまたは光分散要素と、ＩＲに感度のある検出器とを使用して構築することができる。光分散要素を走査することによって、反射モード、すなわちサンプルから光源を反射させること、または透過モード、すなわち光源の一部にサンプルを透過させることとを使用することにより、様々な波長においてスペクトル情報を獲得することが可能である。しかし、この手法の１つの欠点は、必要な走査動作に関連する移動部品である。そのような移動部品は、たとえば、そのような装置の堅牢性および可搬性を本質的に制限する。
【００１４】
より最近では、マイケルソン干渉計を使用して、ＩＲスペクトルのいわゆるインターフェログラムを生成していた。インターフェログラムは、後で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などのフーリエ変換処理を受けて、最終スペクトルをもたらす。ＩＲ領域では、そのような分光計は、ＦＴＩＲ干渉計と呼ばれ、１９６０年代の中頃に初めて市販された。ＦＴＩＲ干渉計の例を図１に示す。
【００１５】
ＦＴＩＲ干渉計１００の重要な構成要素は、ＩＲ源１１０、干渉計（１３０、１４０、１５０）、およびＩＲ検出器１６０である。ＦＴＩＲ干渉計１００は、サンプル１２０を同時に透過したすべての光周波数を測定して、検出器１６０が信号を拾う前に放射の個々の周波数の強度を変調する手段を分光計に提供する。通常、移動ミラー構成１５０を使用して、２つの（最初の）同一光ビーム間の経路長差を獲得する。基準ビームとは異なる距離を進行した後、第２ビームおよび基準ビームは、再び組み合わされて、干渉パターンとなる。ＩＲ検出器１６０を使用して、この干渉パターンを検出する。
【００１６】
検出された干渉パターンまたはインターフェログラムは、ミラー位置に対する強度のプロットである。インターフェログラムは、サンプルによって放出されたすべての波長の和であり、すべての実用的な目的について、当初の形態ではインターフェログラムを解釈することはできない。フーリエ変換（ＦＴ）の数学的プロセスを使用して、コンピュータまたは専用プロセッサが、インターフェログラムを、サンプル１２０によって吸収されたまたはサンプル１２０を透過した光の特性であるスペクトルに変換する。
【００１７】
ＦＴ分光法の発明は、２０世紀における近代的な機器の開発における最も重要な前進の１つであることが実証されている。光の干渉を使用する光学分光法により、ＦＴ機器によって提供される大量のスループットおよび多重化の利点のために、分子の振動／回転の迅速で敏感な検出が可能になった。高分解能スペクトルが必要とされる核磁気共鳴（ＮＭＲ）および質量分光法においても、ＦＴ機器は、最新技術として普及した。
【００１８】
しかし、ある世代の分光技師にＦＴ機器を選ばせた同じ技術革新は、ＦＴ機器を動作環境に対して極度に敏感にもした。これらの理由により、ＦＴ干渉計は、振動を防止するために光学ベンチの使用を必要とし、また経路長差を熱で誘発することによってインターフェログラムに悪影響を与える温度変化を制御するために厳格な環境制御をも必要とする実験室条件にほとんど限定される。このタイプの走査手法は、機能可能であることが実証されているが、いくつかの状況において獲得可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）は、複数のインターフェログラムの膨大な信号平均化をしばしば必要とし、したがって、ある環境下では、ＦＴＩＲシステムを望ましいものより本質的に低速にし、これらのシステムの多くの移動部品により、速度が遅く、潜在的に信頼性が低い。
【００１９】
分光法では、分解能が、スペクトルの２つのピークを分解または区別する能力の尺度であり、高分解能は、ピーク位置間の小さい波数差に対応し、低分解能は、ピーク位置間のより大きな波数差に関連する。フーリエ変換干渉計は、ミラーの可能な運動量、または特定の装置によって生成することができる経路長差に応じて、１／１０００ｔｈｃｍ−１程度の極度に高い分解能とすることができる。「低」分解能は、一般に、１６〜３２ｃｍ−１の領域と見なされるが、分解能は、必要な測定および特定の応用分野に基づいて選択されるので、「低」分解能と「高」分解能との間には明確な境界は存在しない。ＦＴＩＲに関連する通常の化学分析および識別では、８ｃｍ−１またはそれより良好の「高」分解能が一般的である。そうでないと、分解能が低過ぎる場合に、化学的な情報が失われることがある。たとえば、より低い分解能が使用された場合、特定の化学結合または振動状態で識別された隣接するピークが、１つになって「不明瞭」になり、識別不能になる可能性がある。
【００２０】
熱安定性と、機械的振動隔離と、厳密な光学位置合わせとの必要性は、ＦＴ機器を使用することができる場所と方法とについて厳格な制約を課し、具体的には、そのような機器の可搬性を制限してきた。議論をＦＴＩＲ干渉計に限定した場合には、現在利用可能な機器に使用される特定の技術を調査することにより、欠点のいくつかを見つけることができるところが明らかになる。表１は、光学干渉計の動作に最も一般的に使用される４つの技術と、その制限との比較である。
【表１】
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【００２１】
ＦＴＩＲは、産業界、政府、および学術的実験室における様々な研究に適用され、様々なサンプルの分析を実施する従来の方法に対し、主要な改良をもたらした。しかし、従来の干渉計の移動ミラー機構は、よりコンパクトで可搬式のＦＴＩＲの設計および構築を制限することが明らかになった。Ｓｔｅｌｚｌｅ、Ｔｕｃｈｔｅｎｈａｇｅｎ、およびＲａｂｏｌｔによって試行された１つの潜在的な解決法（「熱走査干渉計を有する新規な全光ファイバ・フーリエ変換分光計」）は、全光ファイバＦＴ分光計を構築するものであり、これは、移動部品を有さず、赤外線分光法を実施するために使用された。
【００２２】
この実行可能性調査では、光ファイバを使用して近ＩＲ（１００００〜５０００ｃｍ−１）の領域の干渉計を構築することが試行された。２つの慎重に測定され劈開された光ファイバが、２つの光チャネルまたは光路として使用され、一方のファイバは、周囲温度に維持され、他方のファイバは、反復して加熱／冷却された。加熱／冷却ファイバの長さおよび屈折率の両方の変化による２つのファイバ・チャネルの結果的な光路差（ＯＰＤ）により、組合わせチャネルにおいて干渉が生じた。加熱／冷却周期を使用して、３ｃｍのＯＰＤを生成し、それに応じて計算されたパワー・スペクトルを有するインターフェログラムを作成した。
【００２３】
しかし、様々な熱および機械的条件下にある光ファイバにおける２つの光ビームの干渉は、非常に複雑であることが判明した。光路長差の原因が移動ミラーに由来する幾何学的経路長のみである従来のマイケルソン干渉計とは対照的に、光ファイバ干渉計は、動作環境のあらゆる機械的変化または温度変化に反応し、これにより、干渉が起きるのに必要な位相情報の交錯または損失が生じる。光ファイバの概念は良いものであるが、移動部品のないＩＲ機器のより賢明な計画を開発しなければならないことが結論付けられた。
【００２４】
文献を概観すると、図２に示すように、可視光線、近ＩＲ、またはＩＲなど問題の帯域に関係なく、移動部品のないＦＴ干渉計を構築する他の手法も試行されたことが明らかになった。そのような手法は、インターフェログラムを収集するために、線形アレイ検出器または焦平面アレイ（ＦＰＡ）を使用した。これらの設計には、検出器の上にインターフェログラムの中心部分を投影し、次いで、「撮像」インターフェログラムを使用して、フーリエ変換処理の後パワー・スペクトルを計算することが含まれていた。これらの従来の技術の１つの難点は、アレイ検出器のサイズと、その動的範囲と、利用可能なスペクトル応答の制限領域とが、アレイ検出器によって獲得することができるインターフェログラムの範囲を制限することである。
【００２５】
さらに、移動部品がない場合でも、これらの手法は、パワー・スペクトルを導出するために、計算が膨大なフーリエ変換処理に依然として依拠する。したがって、依然として、中間ＩＲ領域において、堅牢で非干渉性の移動部品のない分光計が必要である。
【００２６】
フーリエ変換分光法とは別に、さらにはそれ以前から、分散に基づく分光法は、可能な実施態様を提供していた。この手法では、プリズムまたは回折格子などの光分散要素を使用して、入射光放射に存在するスペクトル周波数を分離する。次いで、入射光に存在する様々な波長を検出することを可能にするために、分散要素を回転させた。
【００２７】
分散に基づくＩＲ分光法は、走査速度が遅く、感度がより低いために、１９６０年代後半にはほとんどの分析応用分野で使用されなくなった。移動プリズムなどの分散分光計の走査機構は、堅牢性および光学スループットの両方を本質的に制限することが周知である。走査の必要性は、光子の点検出が当時の唯一の利用可能な方法であったということに由来し、これは、ＩＲ領域のスペクトルには特に当てはまった。しかし、現在では、可視領域および近ＩＲ領域のアレイ検出器は、光子の領域検出に広く利用可能である。ハッブル宇宙望遠鏡に搭載されている可視光／近ＩＲカメラなど、可視光領域において８０％を超える量子効率（ＱＥ）が可能である電荷結合素子（ＣＣＤ）が作成され、多くの応用分野において使用されている。この前進の結果として、現在では、可視領域および近赤外領域のＣＣＤベースの高性能スペクトログラフ・システムを市販業者から購入することができる。これらのシステムは、従来のＦＴ干渉計の代替物を提供する。
【００２８】
しかし、ＩＲ調査から現在利益を得ることができる科学的な問題の範囲は、著しく拡大されており、スペクトルが記録されている間にビームの位置を変化させることがある（振動または発振など）サンプルを含んでいる応用分野は、従来のＦＴＩＲ機器を使用して型通りに対処することができない。ＦＴＩＲ機器の走査アーキテクチャおよび様々な光周波数成分の結果的な変調は、位置が揺らぐサンプルによってさらに変調されることがあり、これにより、スペクトル情報は無用になることがある。
【００２９】
たとえば、ラングミュア膜に関する構造情報をｉｎ−ｓｉｔｕで提供することができるいくつかの技術が存在する。赤外線反射吸収分光法（ＩＲＲＡＳ）は、非破壊的な技術であり、ラングミュア単一層の拡大相または凝縮相に関する直接的な構造情報を提供する。この技術は、４０００から４００ｃｍ−１の領域の周波数を有する振動モードを監視することによって、炭化水素の尾部および頭部の両方に関する情報を個別に提供することもできる。偏光赤外線分光測定は、遷移双極子モーメントの配向に感度があるので、ＩＲＲＡＳを使用して、両親媒性分子の様々な準構成要素の配向を決定することができる。
【００３０】
ラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）膜を製造するために、まず、これらの両親媒性ポリマーのラングミュア単一層を水表面の上に形成しなければならず、この場合、ラングミュア単一層の熱力学的秩序状態は、変態ＬＢ膜の構造に対して劇的な影響を有することが知られている。したがって、熱力学がよく理解されている条件下にある水表面上の単一層のｉｎ  ｓｉｔｕ構造をその場で理解することが、非常に重要になる。これらの条件の１つは、ラングミュア単一層膜の連続的な圧縮であるが、その理由は、一般に、最も正確で再生可能な熱力学的測定が、このプロセス中に獲得されていたからである。しかし、現在まで、圧縮依存ＩＲＲＡＳスペクトルは、もっぱら「段階的」に収集されてきた。すなわち、連続的な圧縮を受けるラングミュア単一層に対応するＩＲＲＡＳスペクトルは、報告されてこなかった。
【００３１】
従来のＦＴＩＲ分光法を使用するＩＲＲＡＳは、標準的な透過測定と比較して、薄膜の調査について様々な機器に関する利点を提供するが、この技術は、いくつかの内在する制限を受ける。固有の弱い単一層吸収帯は、比較的不十分な信号対雑音（Ｓ／Ｎ）スペクトルをもたらす。環境の変動は、最小限に抑えるのが困難なので、ラングミュア・トラフより上に存在する水蒸気のスペクトル補償は、依然として課題である。
【００３２】
この１０年にわたって、誘電体基板に関するＩＲＲＡＳ実験において観測されたＳ／Ｎは、機器および光学インターフェースの発展により、徐々に改善されてきた。厳密な湿度制御、およびサンプル・トラフを基準トラフと繰返し取り替えることを可能にして、サンプル・スペクトルならびに基準スペクトルの両方を記録することを可能にするシャトル輸送システムを含めて、水蒸気補償の問題を最小限に抑える様々な方式が存在する。
【００３３】
水蒸気補償の問題を最小限に抑える他の方式は、偏光変調赤外線反射吸収分光法（ＰＭ−ＩＲＲＡＳ）の適用を含む。ＰＭ−ＩＲＲＡＳでは、入射ビームの偏光は、光弾性変調器を介して２つの直交方向の間において迅速に変調される。検出された信号は、２チャネル電子システムを通過して、微分反射スペクトルを与えるように、数学的に処理される。理論的には、迅速な偏光変調のために、ＰＭ−ＩＲＲＡＳ信号には、強い水蒸気吸収、機器のドリフト、および変動など、偏光非依存信号がすべて含まれていない。
【００３４】
以前に記述した制限にもかかわらず、ＩＲＲＡＳまたはＰＭ−ＩＲＲＡＳの技術は、脂肪酸、リン脂質、およびリン脂質−たんぱく質の単一層の研究を含めて、様々なラングミュア単一層の調査に使用されてきた。脂質構造、分子傾斜角度、および頭部の構造、ならびにたんぱく質の２次構造および配向に関する情報を提供するために、この技術が使用された。しかし、ＩＲＲＡＳもＰＭ−ＩＲＲＡＳも（両方ともＦＴＩＲを使用する）、１ｍ秒から１秒の時間領域ではラングミュア単一層のその場での時間分解測定を提供することはできず、また、既知の技術のいずれも、複数の独立した測定を同時に提供することはできなかった。
【００３５】
したがって、ＩＲ放射を送達および検出するのに好都合な非走査機器が、絶対に必要である。たとえば、処理中のポリマー薄膜における微細機械変形のオンライン研究、発光ダイオード（ＬＥＤ）の老朽化のｉｎ−ｓｉｔｕ構造研究、および柔軟ポリマー基板上における無機（シリコン、ＳｉＮなど）薄膜成長の監視を必要とする応用分野は、すべて、移動部品がなく、その結果として堅牢で可搬式となるＩＲ機器から利益を得ることになる。そのような可搬式の機器は、特にサンプリング幾何形状が変動する、または遠隔サンプル位置で、薄膜研究に強力な新しい道具を提供することによって、材料の研究を容易にする。
【００３６】
ＩＲ領域におけるそのような非走査実時間機器のさらなる利点を、潜在的な化学戦争または生物戦争の攻撃中に軍人または民間人付近を監視することを含めて、環境監視において見ることができる。そのような薬剤の複雑な化学組成は、強いＩＲ吸収を示し、したがって、容易に識別することができる。
【００３７】
可視光線および近赤外線領域のスペクトログラフによる分光法に取り組み始めているにもかかわらず、主に以前に記述したＣＣＤ検出器の進歩のために、ＦＴ機器は、中間赤外線から遠赤外線領域では依然として分光法の主流であり、したがって、この領域の機器は、干渉計の動作環境によって依然として極度に限定される。
【００３８】
さらに、すべてのスペクトル技術は、サンプルから獲得したスペクトルと比較するために、基準スペクトルの収集を必要とする。ほとんどすべての場合において、これらの２つの測定は連続して行われ、基本的には測定時間を２倍にする。薄膜または気相分子のスペクトルを獲得する場合のように、この時間が長い場合、たとえば、機器または環境の温度または湿度の変動のために、機器またはサンプルの条件が変化することにより、機器背景の補償が妨害されることがある。
【００３９】
したがって、背景およびサンプルの測定を並行して実施することにより、あらゆる機器の変動が除去または補償され、スペクトル収集の全時間が短縮され、時間の経過に伴う「老朽化」または劣化がある場合にサンプルの完全性が維持され、また、苛酷な分野または実験室外の環境における「実時間」背景補償を行うことができるので、そのような機器の可搬性についてさらに利点が提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
したがって、サンプルの変動により、従来のＦＴＩＲスペクトルにおいて信号対雑音比が著しく低下する特定の応用例に対処するために、ＩＲ領域において堅牢でコンパクトな（移動部品のない）可搬機器が必要である。
【００４１】
さらに、複数同時スペクトル測定を可能にする可搬式で高信頼のＩＲ分光器が必要である。
【００４２】
さらに、干渉計または計算が膨大なフーリエ変換手法に依拠せず、高い振動および広い温度変化を含めて苛酷な環境に比較的敏感でなく、かつ背景スペクトル成分および構成要素の劣化を実時間で補償する能力を提供する、ＩＲ分光材料分析の実時間で敏感な比較的高分解能の装置および方法が必要である。
【００４３】
したがって、直交偏光測定を含めて、背景環境補償および構成要素の老朽化の補償と共に、複数独立スペクトルを同時に収集することができる装置およびデバイスも必要である。これにより、時間分解分子配向測定を含めて、ラングミュア単一層に関する時間分解測定が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明は、移動部品または計算が膨大なフーリエ変換干渉技術を使用せずに、複数サンプルの背景補償ＩＲスペクトルを決定する堅牢で高分解能の敏感な装置および方法を提供する上述した問題の多くを克服する。
【００４５】
マルチビーム平面アレイ赤外線（ＰＡＩＲ）スペクトログラフは、様々な重要材料特徴付け応用分野に対し、従来のＦＴ−ＩＲ干渉法と比較して、多くの利点を提供する。これらのいくつかは、ルーチンＩＲ分光法、時間分解ＩＲ分光法、時間分解分光撮像、単一層分光法、および苛酷な環境におけるプロセスのオンライン監視を含む。ＰＡＩＲスペクトログラフを使用して、不可逆変化を受けている厚いおよび薄いポリマー膜に関連する基本的な力学を調査することも可能である。
【００４６】
国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／３０７２４号および米国出願第０９／９８４，１３７号において開示および主張されている装置および方法を２つ以上の背景−基盤補償ビーム測定に拡張することが、比較的大きな面積を有する焦平面アレイ（ＦＰＡ）検出器を使用することによって、少なくとも部分的に可能である。たとえば、３２０×２５６画素のアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）ＦＰＡ検出器または他の適切な材料を、ＰＡＩＲスペクトログラフの構築に使用することが可能である。複数のサンプルからまたは１つのサンプルの複数空間領域からの複数のビームを、１つまたは複数のプリズムまたは格子を使用して分散させて、検出器に同時に集束させることが好ましい。
【００４７】
これらの複数サンプルの少なくとも１つは、背景基準サンプルとすることができ、これから、背景環境のスペクトルを決定することができる。これにより、いくつかのサンプルから背景補償データを実時間で同時に収集することが可能になり、または同じサンプルのいくつかの空間位置から、補償データを同時に収集することができる。さらに、ＩＲビームのある電場成分に対して選択的であるＩＲ偏光器を光路に挿入して、ＩＲ２色データの同時収集に備えることができる。
【００４８】
マルチビームＰＡＩＲ分光法を、処理ラインにおいて品質制御を適用するために、膜の「実時間」空間マッピングに使用することができる。光路に存在する水蒸気またはセンサの老朽化特性のスペクトル補償など、環境ファクタの補償も、複雑な較正手順を使用せずに実時間で達成することができる。また、化学毒素の検出に使用することもでき、検体または生物に特有の試薬と併用した場合、ウイルスまたは細菌など、環境において生物学的薬剤を検出することができる。さらに、本発明の装置および方法を使用する複数ビームＰＡＩＲを使用して、水の汚染物質、半導体における誘電体膜成長、およびポリマー膜生産ラインにおける配向の成長を測定することもできる。
【００４９】
本発明の一態様は、走査機構またはあらゆる移動部品を使用せずに、かつフーリエ変換などの計算が膨大な信号処理を使用せずに、サンプルのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を獲得するために、ＩＲ  ＦＰＡ技術を使用して、複数のサンプル材料のＩＲスペクトルを決定する装置を含む。
【００５０】
この態様は、複数のサンプルのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に空間多重化する装置を含み、少なくとも１つのＩＲ光源と、複数のサンプルを光路に配置する少なくとも１つのサンプル・ホルダと、光路にある光学的分散要素とを含み、少なくとも１つのＩＲ光源の発光が、光路に沿って複数のサンプルのそれぞれと相互作用して、対応する複数のサンプル発光を形成し、前記複数のサンプル発光が、光分散要素と相互作用して、対応する複数の分散サンプル光ビームを形成し、前記複数の分散サンプル光ビームのそれぞれが、複数のサンプルのそれぞれの１つに対応し、また、光路に配置されたＩＲ  ＦＰＡ検出器を含み、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、複数の行および列に配置された複数の画素を有し、ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、対応する複数の分散サンプル光ビームを検出して、複数のサンプルのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を表す少なくとも１つの出力を提供する。
【００５１】
本発明の他の態様では、複数のサンプル・ボリュームの化学分析を同時に実施するために、動作中にＩＲ吸収現象を使用し、かつ移動部品を使用しない実時間非干渉装置には、広帯域光源と、広帯域光源から発光された光の少なくとも一部が、複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用するように、複数のサンプル・ボリュームを配置する少なくとも１つのサンプリング・アクセサリと、複数の対応する分散サンプル・ビームを獲得するために、複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用する光の少なくとも一部を光分散させるための調節可能な手段と、行および列に配置された複数の検出器要素と、２次元ＩＲ検出器アレイの上に複数の対応する分散サンプル・ビームを結合するための光学結合手段と、２次元ＩＲ検出器アレイを制御し、１つまたは複数の特定の波長領域における少なくともＩＲ吸収スペクトルに基づいて、前記複数のサンプルの非干渉的化学分析を提供するプロセッサ手段とが含まれる。複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれは、２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域の複数の行の上に投影され、複数の行のそれぞれにある対応する列検出器要素が、特定波長におけるＩＲスペクトル成分の強度を実時間で決定するために、２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域の内部において共に追加され、特定の波長におけるＩＲスペクトル成分の強度を表す信号の信号対雑音比は、対応する列検出器要素を複数の行のそれぞれにおいて追加することによって増大する。
【００５２】
本発明のこの態様に関する方法では、複数のサンプルの化学分析が、複数のサンプルのそれぞれのＩＲ吸収スペクトルを決定することによって実施される。この方法には、広帯域光源の発光の少なくとも一部を複数のサンプル・ボリュームの上に投影することと、広帯域光源の発光の少なくとも一部を複数のサンプル・ボリュームと相互作用させることと、対応する複数のサンプル発光を光分散要素に提供することと、複数の対応する分散サンプル・ビームを形成することと、複数の対応する分散サンプル・ビームを２次元ＩＲ検出器アレイの上に光学結合させ、複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれが、２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域の複数行の上に投影されることと、２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域内において、検出器の複数行の各検出器からの出力を非干渉的に処理し、検出器の各列が、各異なる領域内の特定の波長を表すことと、前記各検出器からの処理済み出力を評価することによって、複数のサンプルのそれぞれのＩＲ吸収スペクトルを決定し、処理済み出力を１つまたは複数の基準規格と比較することによって、複数のサンプルのそれぞれの化学組成を少なくとも部分的に分析することとが含まれる。
【００５３】
本発明の他の態様では、移動部品を使用せずに動作することができる非干渉装置を使用して複数のサンプル・ボリュームのＩＲスペクトルを同時に決定する方法を開示する。この方法には、ＩＲ源を提供することと、複数のサンプル・ボリュームを光路に配置することと、ＩＲ源の発光の少なくとも一部を光路に沿って複数のサンプル・ボリュームと相互作用させて、複数のサンプル発光を形成することと、複数のサンプル発光を光学分散させて、対応する複数の分散サンプル・ビームを形成することと、上に画素の行および列を有する焦平面アレイ上の空間分離領域上において複数の分散サンプル・ビームのそれぞれを検出することと、焦平面アレイの各空間分離領域からの組み合わされた出力を評価することによって、複数のサンプル発光のそれぞれのＩＲスペクトルを同時かつ非干渉的に決定し、空間分離領域の１つにおける画素の各列が、複数のサンプル発光の関連する１つの内部に含まれる波長を表すこととが含まれる。
【００５４】
本発明の他の態様では、１つまたは複数のサンプルについてＩＲスペクトル情報を同時に収集、処理、および表示する装置が提供される。この装置には、複数のＩＲ光源と、少なくとも１つの光分散要素と、複数の光路と、ＩＲ  ＦＰＡと、ＩＲ焦平面アレイの出力を処理して、ＩＲスペクトル情報を決定する処理手段と、ＩＲスペクトル情報を表示する表示手段とが含まれる。複数のＩＲ光源のそれぞれは、１つまたは複数のサンプルに関して様々な入射角度を呈示し、複数の光路のそれぞれは、複数の反射ＩＲビームの関連する１つをＩＲ  ＦＰＡ上の異なる空間領域に向ける。
【００５５】
本発明の他の態様では、材料の非等方ＩＲ光学定数を決定する方法が提供される。この方法には、基板を提供することと、垂直ではない入射角度でＩＲ光源を基板の表面上に投影することと、ＩＲ光源の第１透過部分に基板を透過させることと、ＩＲ光源の第１透過部分を光路を経てＦＰＡ上の第１領域の上に結合することと、膜材料を基板の上に提供することと、ＩＲ光源を垂直ではない入射角度で膜材料の表面上に投影することと、ＩＲ光源の第２透過部分に膜材料および基板を透過させることと、ＩＲ光源の第２透過部分を光路を経てＦＰＡ上の第２領域の上に結合することと、ミラーを光路において回転させて、ＦＰＡ上の第１領域と一致するようにＦＰＡ上の第２領域を移動させることと、ミラーの回転角度を測定することによって、膜材料内の屈折角度を決定することとが含まれる。
【００５６】
ＩＲサンプル・スペクトルの測定中に水蒸気補償の問題を最小限に抑える様々な方式が存在する。本発明の他の態様では、基板上の薄膜の配向を測定する平面アレイ赤外線反射吸収分光法（ＰＡ−ＩＲＲＡＳ）の構成が提供される。これには、ＩＲ源と、ＩＲ源からＩＲ光ビームを受光する２つの直交偏光フィルタと、ＰＡＩＲ検出器と、プロセッサとが含まれ、２つの直交偏光フィルタから発光される２つの直交偏光ＩＲビームは、薄膜から反射されて、ＰＡＩＲ検出器によって検出され、微分反射スペクトルがプロセッサによって計算され、微分反射スペクトルには、水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めて偏光非依存信号がほぼ含まれていない。次いで、プロセッサが、計算された微分反射スペクトルを使用して、薄膜の分子配向を決定する。
【００５７】
関係する態様では、基板上の薄膜の配向を決定する方法が提供される。この方法には、ＩＲ源を提供することと、ＩＲ源から２つの直交偏光ビームを生成することと、薄膜から２つの直交偏光ビームを反射させて、２つの反射された直交偏光ビームをＰＡＩＲ検出器で検出することと、２つの反射直交偏光ビームを使用して、プロセッサにおいて微分反射スペクトルを計算することとが含まれる。微分反射スペクトルには、等方水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めて、偏光非依存信号が本質的に含まれていない。
【００５８】
本発明のすべての態様では、たとえば、アパーチャまたは中間ＩＲ光ファイバを通る直接レンズ結合を使用して、サンプルを表すサンプル発光を収集することが可能である。光ファイバを使用することにより、装置の配置について望ましい適応性が提供され、煙突などの遠隔感知が可能になり、また複数チャネル検出および化学分析のより容易な実施が可能になる可能性がある。
【００５９】
本発明の装置および方法は、スペクトル情報を決定するために移動部品を必要としない。したがって、この方法および装置は、現場において見られることがある製造プラントの高振動環境または極限温度など、比較的苛酷な環境にうまく適応する。
【００６０】
少なくとも部分的には移動部品のない構造の結果として、この方法および装置を様々な産業応用分野において使用して、透過モードまたは反射モードにおいて、水、油、および他の溶媒などを含むがこれに限定されない液体表面上の皮膜剤／膜（固体、液体、化学的に結合された、物理的に吸着された）の厚さ、化学的構造、および配向を測定および検出し、また、金属および半導体を含むがこれに限定されない固体基板上に電気化学的に付着された膜の厚さ、配向、および化学的構造を測定することも可能である。
【００６１】
マルチビームＰＡＩＲスペクトログラフは、ルーチンＩＲ分光法、時間分解ＩＲ分光法、時間分解分光撮像、単一層分光法、苛酷な環境におけるプロセスのオンライン監視、および不可逆変化を受ける厚いおよび薄いポリマー膜に関連する基本的な力学の実証を含めて、従来のＦＴ−ＩＲ干渉法と比較して多くの利点を様々な重要材料の特徴付け応用分野に提供する。
【００６２】
本発明の特徴および利点は、添付の図面と関連して取り入れた本発明の以下の詳細な記述を考慮する際に、より容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
本発明の第１態様について、図３Ａを参照して説明する。装置３００は、ＩＲ光源３１０を含む。ＩＲ光源３１０は、タングステン・ランプ、ネルンスト灯、もしくはグローバーなどを含めて、任意の一般的なＩＲ光源とすることができ、またはいくつかの応用例では、太陽のＩＲ放射を使用することが可能である。好ましい実施形態では、ＩＲ源は、たとえば、Ｃａｌ−Ｓｅｎｓｏｒｓによって製造されたＺｎＳｅウィンドウを有するＩＲエミッタとすることが可能である。理想的には、ＩＲ源３１０は、ＩＲスペクトルまたはＩＲスペクトルの少なくとも一部にわたって「平坦」または一様な強度を有する。しかし、ＩＲ源３１０が一様ではない場合、そのような非一様性を分析プロセス中に相殺することが可能である。
【００６４】
装置の分解能を少なくとも部分的に確立するために、調節可能なアパーチャ３２０を使用する。すなわち、より小さいサイズの開口は、より高い分解能を提供する。調節可能なアパーチャ３２０は、円形アイリスとすることが可能であり、または好ましい実施形態では、たとえば約１ｃｍの長さの寸法と０〜２ｍｍの調節可能な幅とを有する調節可能矩形スリットとすることが可能である。そのようなスリットは、モデルＷＨ−０１としてＲＩＩＣによって製造されている。
【００６５】
サンプリング・アクセサリ３３０は、分析される１つまたは複数のサンプルを含んでいる１つまたは複数のサンプル・ボリュームを光路に配置する。サンプリング・アクセサリ３３０は、好ましい実施形態では、ポリマー膜、近ＩＲ源３１０など、サンプリングされる材料の小さなサンプル・ボリュームを単に配置する簡単なサンプル・ホルダとすることが可能であり、または、気体をサンプリングするために使用される既知のより精巧なサンプリング・ボリューム構成を備えることが可能であり、または、複数のサンプルを保持することが可能である。
【００６６】
固体または液体より小さい密度を有する気体は、サンプル・ボリュームを通るＩＲ源の複数通路に備えるために、１組のミラーまたは他の適切な構成（図示せず）を有する比較的より精巧なサンプリング・アクセサリを必要とする可能性がある。そのような複数通路は、ＩＲ吸収現象を適格に測定するために十分な光密度が達成されることを保証する際に有用である。複数通路構成は、他の実施形態では、煙突放出を監視するために、あるいは実験室、軍事、もしくは産業の環境において有害な化学煙霧または蒸気を監視するために使用することも可能である。
【００６７】
サンプリング・アクセサリ３３０は、望遠鏡または顕微鏡の構成を含む光学機器を備えることもでき、あるいは、単一光ファイバまたは光ファイバの束に結合することもできる。
【００６８】
ここで図３Ｂを参照すると、装置３００’は、複数のサンプリング・アクセサリ３３０、３３１（またはより多い）を含むことが可能である。これらのサンプリング・アクセサリ３３０、３３１は、ＩＲ源３１０の発光の一部にサンプリング・アクセサリ３３０を通過させ、第２ＩＲ源３１１の発光の一部にアパーチャ３２１およびサンプリング・アクセサリ３３１を通過させるために、適切な光学機器と共に使用することが可能である。
【００６９】
光分散要素３５０は、それぞれのサンプル・ボリュームを通過して、ミラー３４０および３４１から反射されたＩＲ光源３１０および３１１からの発光の一部を受光する。サンプリング・アクセサリ３３０内のサンプル・ボリュームにおいて、１つまたは複数のＩＲ波長が吸収されるので、ＩＲ源３１０を表すＩＲスペクトル全体は、サンプル・ボリュームを通過しない可能性がある。次いで、吸収されなかったＩＲ波長は、光分散要素３５０と相互作用して、分散光ビームを形成する。光分散要素３５０は、サンプリング・アクセサリ３３０を出るＩＲ光に存在する波長を一方向において分離または分散させる。
【００７０】
光分散要素３５０は、本発明の一態様では、たとえば、１ｍｍ当たり３００個の線（または「溝」）を有し、４．０μｍのブレーズ波長を有するルールド回折格子とすることが可能である。そのような格子は、たとえば、モデル３００ｇ／ｍｍホログラフィック格子としてＳＰＥＸによって製造されている。図示していないが、１つまたは複数の関連する光路において適切に配置された２つの光分散要素が存在することが可能である。第２光分散要素は、たとえば、１ｍｍ当たり５０個の溝および９．０ｍｍのブレーズ波長を有して、ＦＰＡ上で２つの異なるスペクトル領域を同時に収集することを可能にし、信号分析のためにＦＰＡのより多くの表面領域をより効率的に使用して、複数信号の同時分析に備えることが可能である。
【００７１】
他の態様では、光分散要素は、図４に示すように、プリズムとすることが可能である。この実施形態の他の好ましい態様では、ぺリン・ブロカ・プリズム４５０を使用することが可能である。ＩＲ波長では、ぺリン・ブロカ・プリズムは、これらのＩＲスペクトル領域における材料の吸収を最小限に抑えて、波長の関数として適切な光分散を保証するために、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）から機械加工することが可能である。図５は、ＺｎＳｅの屈折率の分布と図４のペリン・ブロカ・プリズムの例示的な実施形態の光学屈折率とのグラフを提供する。装置４００は、図３Ａに示した装置３００と同様に動作するが、構成要素は選択的に変更されている。
【００７２】
たとえば、光結合手段は、マルチファイバ束をも含むことが可能であるＩＲファイバ４１０と、軸外し放物面ミラー４４０と、凹型ミラー４４２と、凸型ミラー４４４とを含むことが可能である。ＩＲファイバ４１０によって投影される光は、照明されているサンプル・ボリュームから来る光を含むことが可能であり、または、ＩＲファイバを使用して、サンプル・ボリュームを照明することが可能である。集束光学機器３６０は、この実施形態では、プリズム４５０から放出される光をＩＲ検出器３７０の上に適切に投影するために使用されるゲルマニウム（Ｇｅ）集光レンズとすることが可能である。放物面ミラーは、円錐状ファイバ出力光ビームを平行化させるためにＩＲファイバを使用するときに好ましい。ペリン・ブロカ・プリズムは、図３の光結合およびＩＲ源３１０と共に、ならびに光ファイバの実施態様において使用することも可能である。逆に、ファイバから放出される円錐ビームを平行化して、光をシステムの中、および光分散要素３５０として使用する場合、回折格子の上に結合するために適切な対策を講ずることを想定すると、ルールド回折格子は、光ファイバと共に使用することが可能である。
【００７３】
回折格子は、適切な分解能を多くの応用分野に提供することができるが、ペリン・ブロカの幾何形状は、３つの利益を提供することが可能である：（１）光分散は、様々な波長における屈折率のみの関数であり、したがって光学設計を簡単にする；（２）２イン１プリズム設計は、非常に高い角分散効率を有し、ほぼ９０°のビーム折り畳みが利用可能であることにより、コンパクトなフットプリントの光学システムを達成することが可能になる；（３）周囲／ＺｎＳｅ境界面における光の透過を最大にするために、ブルースター角入射構成を使用することが可能である。（３）は、ＺｎＳｅの屈折率が高いために（〜２．４）反射損が主な懸念であるＩＲ領域では、重要である。
【００７４】
図５に示す屈折率情報の光線追跡計算に基づいて、ほぼブルースター角度（ＺｎＳｅのθＢ〜６７°）で「短い側入口」幾何形状において動作するＺｎＳｅで作成された６７．５°ペリン・ブロカ・プリズムは、３〜１３μｍ波長ビームで約６°の角分散を与える。異なる波長間のチップ上空間距離は、使用する集束光学機器と、ペリン・ブロカ・プリズムのサイズと、システムのｆ数とによって決定される。スペクトル領域の５００から１０００ｃｍ−１のスパンは、ＦＰＡ上に水平に集束させることが可能である（２５６、３２０などの画素）。光ビームの分散方向に沿ってＦＰＡにおいて画素数が与えられると、最大分解能は、約５ｃｍ−１である。しかし、より微細な溝の格子など、異なる光学構成要素を使用すると、たとえば５ｃｍ−１より良好な分解能が、この分光計について容易に達成可能である。
【００７５】
ペリン・ブロカ・プリズムの設計の他に、中間ＩＲ性能について最適化された特別の回折格子が、プリズム手法よりは良くないまでも、理論的には同様のスループットおよび分散を提供することができる。しかし、溝の数および格子サイズの両方に対する分解能の依存性は、格子を使用する光学設計に対しより多くの制約を課す可能性がある。したがって、格子とプリズムとの使用を考慮するとき、兼合いを考慮すべきである。少数の溝を有する比較的低コストで既製の格子が、多くの応用分野、およびプリズムで現在獲得することができるよりも高い分解能が必要とされる状況において、十分である可能性がある。
【００７６】
プリズムまたは回折格子を使用するどちらの場合でも、光分散要素３５０は、表面と表面上に投影される入射光との間の入射角度に関して調節可能とすることができる。以下で議論するように、そのような角度調節を使用して、波長範囲、またはＩＲ検出器３７０に呈示されるスペクトル帯域通過を制御することが可能である。
【００７７】
集束光学機器３６０は、光分散要素３５０の光をＩＲ検出器３７０に結合し、ＩＲ検出器３７０は、分散光ビームの方向に対応する分散方向に少なくとも沿って配置された複数の検出要素を有する。通常、入射光は、画素の２つ以上の行の上に投影され、光分散要素から投影された光は、２０画素を覆うことが可能である。ＩＲ検出器３７０は、光分散要素３５０の分散光ビームを検出して、出力を提供し、この出力は、その後、サンプリング・アクセサリ３３０に含まれているサンプル・ボリュームのサンプルのＩＲスペクトル情報を決定するために使用される。
【００７８】
この実施形態の一態様では、ＩＲ検出器３７０は、たとえばＩｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造されているＭｅｒｌｉｎ  Ｍｉｄモデルなど、３〜５μｍの波長範囲に感度のあるＩｎＳｂカメラとすることが可能である。そのような検出器には、３０ミクロン画素ピッチを有する３２０×２５６画素ＩｎＳｂ検出器と、３．０〜５．０ミクロン可変コールド・フィルタと、１秒当たり１５、３０、または６０フレーム（ｆｐｓ）（最小限）のユーザ選択可能フレーム率と、４時間の最低保持時間を有する液体窒素冷却デュワーと、雑音等価温度差ＮＥΔＴ＜２０ｍケルビンと、１０μｓから１６．６ｍｓのユーザ選択可能積分時間と、補正された非一様性＜０．１％とが含まれる。この範囲のＩｎＳｂ検出器は、可搬性を向上させるために、熱電的に冷却することも可能である。
【００７９】
この特定のＩｎＳｂカメラは、オン・カメラ制御を介して、または販売者供給グラフィカル・ユーザ・インターフェースまたは標準的なＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）の端末通信プログラムを伴うＲＳ−２３２インターフェース、あるいはユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）またはＩＥＥＥ１３９４標準インターフェースなどの市販されているインターフェースを介して制御することが可能である。さらに、このカメラは、自動利得制御（ＡＧＣ）アルゴリズムと、高輝度および低輝度の両方のシーンを見ることを可能にする調節可能検出器利得およびバイアスと、ＮＴＳＣ、Ｓ−ビデオ、および１２ビット補正デジタル・ビデオを含むことが可能であるデータ出力とを提供する。さらに、集束光学機器３６０をＩＲ検出器３７０に沿って提供することが可能である。上述したＩｎＳｂ検出器は、２５ｍｍ中間ＩＲレンズと共に市販されている。
【００８０】
他の態様では、ＩＲ検出器３７０は、モデルＭｅｒｌｉｎ  ＵｎｃｏｏｌｅｄとしてやはりＩｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造されているマイクロボロメータ・カメラとすることが可能である。この特定のカメラは、７．５〜１３．５ミクロン・スペクトル領域において５１ミクロン画素ピッチを有する３２０×２４０画素マイクロボロメータ検出器を含む。１５、３０、または６０ｆｐｓ（最低）のユーザ選択可能フレーム率が利用可能である。この装置は、ＩｎＳｂカメラとは対照的に、３１３°Ｋにおいて熱電的に（ＴＥ）安定であり、雑音等価温度差ＮＥΔＴ＜１００ｍケルビンを有し、１〜４８μｓのユーザ選択可能積分時間を有する。
【００８１】
この検出器アレイは、上記で議論したように、ＩｎＳｂアレイと同じ方式で制御することが可能である。ＩｎＳｂモデルの場合のように、同様の検出器利得制御、およびデータ出力が利用可能である。
【００８２】
さらに、他の実施形態では、水銀カドミウム・テルル化物ＨｇＣｄＴｅ（「ＭＣＴ」）アレイをＩＲ検出器３７０として使用することが可能であり、これにより、ＩｎＳｂおよびマイクロボロメータの装置と比較して、感度および帯域幅が改善された。現在、そのようなアレイは、製造がいくらか困難であり、他の利用可能なＩＲ検出器より高価である。６０００Ｈｚの最大フレーム率を有する利用可能なＭＣＴ  ＦＰＡを使用して、１７０μ秒ごとに単一ビーム・スペクトルを収集することが可能であり、１０μ秒程度に短い積分時間が達成可能である。
【００８３】
ＩｎＳｂおよびマイクロボロメータの両方のタイプの検出器を熱電的に冷却することが可能であるが、ＩｎＳｂ  ＦＰＡの感度は、マイクロボロメータＦＰＡの感度よりはるかに高い。実際、上記で特定したＩｎＳｂ  ＦＰＡの感度は、従来のＦＴＩＲにおいて一般的に使用される液体窒素冷却ＭＣＴ検出器より良好である。一方、最新のマイクロボロメータ・ベースのＦＰＡの感度は、液体窒素冷却ＭＣＴ検出器の感度より、さらに約１桁低い。しかし、液体窒素冷却ＭＣＴ検出器の性能レベルにおける感度は、必ずしも必要ではなく、多くの応用分野では、マイクロボロメータＦＰＡのより低い感度でも、装置において重大な効率の問題を生じないことが可能である。さらに、ＦＰＡを使用する重大な利点は、単一要素検出器と比較したとき、垂直ビニングが可能であることである。画素の有限の高さから信号を追加することによって、ＳＮＲを著しく改善することができる。
【００８４】
装置３００の様々な要素間の光路または光結合手段は、一態様では、ＩＲ源３１０、３１１の光をサンプリング・アクセサリ３２０、３２１のサンプル・ボリュームを経て光分散要素３５０の上にまたはそれを通して結合し、および集束光学機器３６０を経てＩＲ検出器３７０の上に結合するために、様々な構成の標準的なＩＲミラー３４０、３４１、３４２を含むことが可能である。この構成は、たとえば、複数のサンプリング・アクセサリまたは偏光器を含むことができる。ミラーは、たとえば、Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されている３インチ（約７．６ｃｍ）の直径の前部表面アルミニウム・ミラーを含むことが可能である。ＩＲ帯域における使用に利用可能な他のミラー・コーティングは、たとえば、銅とすることが可能であり、金であることが好ましい。
【００８５】
図３Ｃを参照すると、図３Ｂに示した構成が、より詳細に示されている。たとえば、ビーム光学機器は、サンプルのそれぞれからの像を光分散要素３５０の異なる位置に呈示するように構成および調節することが可能である。これにより、効果的に、サンプル発光のそれぞれについて、または１サンプルの異なる空間領域について、ＩＲ  ＦＰＡ検出器３７０を異なる領域に分割する。さらに、そのような区画は、追加のＩＲ源および／またはサンプルと共に使用することができる。たとえば、既知の方法を使用して、ＦＰＡの選択された行および／または列に対処することができる。
【００８６】
ＩＲ光源３１０および３１１のどちらかまたは両方の発光は、背景基準発光を提供するように、光路に沿って構成された背景基準環境と相互作用するように構成することも可能であり、ＩＲ  ＦＰＡ検出器は、空間分離領域上で、サンプルを表す発光から結果的な分散背景基準光ビームを検出することが好ましい。
【００８７】
プロセッサは、分散背景基準光ビームを表す信号を含むＦＰＡから出力を受信して、本質的に実時間で、背景基準環境を補償することによって複数のサンプルのそれぞれについて補償ＩＲスペクトル情報を決定することが好ましい。
【００８８】
他の態様では、図３Ｄを参照すると、互いに直交して偏光している第１偏光器３３５および第２偏光器３３６は、たとえばＩＲ光源３１０および３１１によって提供することができる別々のＩＲ発光を受光するために、光路に配置される。結果的な偏光ビームは、両方とも、たとえばサンプリング・アクセサリ３３０によって保持されているサンプルを通過し、結果的な第１および第２偏光サンプル発光は、光分散要素３５０と相互作用するように、１つまたは複数の光路に沿って結合されて、ＦＰＡ検出器３７０の上に投影される。別法として、偏光器と共にビーム・スプリッタ（図示せず）を使用して、１つのＩＲ源ビームから２つの直交偏光した光ビームを獲得することが可能である。
【００８９】
第１偏光サンプル発光は、第２偏光サンプル発光に対して直交偏光させることが可能である。これらの直交偏光ビームを使用して、偏光ビームのそれぞれの強度を互いにまたは経験的な標準と比較することによって、ポリマー膜の分子配向を決定することが可能である。
【００９０】
前に記述したように、ＩＲ  ＦＰＡ検出器は、ＩＲ  ＦＰＡ検出器の空間分離領域上において、対応する複数の分散サンプル光ビームのそれぞれを検出することが可能であることが好ましい。
【００９１】
本発明のすべての態様では、ＩＲ  ＦＰＡ検出器は、対応する複数の分散サンプル光ビームを同時に検出し、ＦＰＡの少なくとも１つの出力は、複数のサンプルのそれぞれについて、ＩＲスペクトル情報を同時に決定する。さらに、ＦＰＡは、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｄ（ＭＣＴ）、またはマイクロボロメータＦＰＡを備えることが好ましく、少なくとも中間ＩＲ帯域に波長を有する光を検出することが好ましい。
【００９２】
本発明の他の態様では、ＩＲ  ＦＰＡ検出器は、ＩＲカメラを備える。Ａｂ  ＩｎＳｂ焦平面アレイ（ＦＰＡ）を使用して、３〜５μｍの領域において吸収を検出することが可能であり、一方、マイクロボロメータ・ベースのＦＰＡを７〜１３μｍの領域について使用することが可能である。さらに、ＭＣＴアレイ、またはより広いあるいは異なるスペクトル応答を有する他のＩｎＳｂもしくは他のタイプのアレイを使用することが可能である。さらに、ＩＲ  ＦＰＡ検出器の少なくとも１つの出力は、分散光ビームに存在する複数の波長のそれぞれにおける複数の合計画素出力を含む。複数の波長の１つにおける複数の合計画素出力は、複数の波長の前記１つの強度を表す信号の信号対雑音比を改善する。
【００９３】
他の態様では、ＩＲ  ＦＰＡ検出器は、それぞれが複数画素の異なるサブセットを含む複数のセグメントに分割することが可能である。対応する複数の分散光ビームのそれぞれは、複数セグメントの関連する１つの上に投影されることが好ましい。ＩＲ  ＦＰＡの「分割」は、本来、ハードウェアにおいて実現される実際の物理的な分割を意味することを必ずしも意図していないが、プロセッサとＩＲ  ＦＰＡとの間で比較的簡単なソフトウェア制御インターフェースを使用してＩＲ  ＦＰＡ上において画素の特定の行および列に対処するために、既知の技術を使用して実施することが可能である。
【００９４】
この実施形態のすべての態様では、対応する複数の分散サンプル光ビームは、ＩＲ  ＦＰＡ検出器上の行の方向が、対応する複数の分散サンプル光ビームの前記それぞれの分散方向と本質的に位置合わせされるように、ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上に投影されることが好ましい。焦平面アレイの各列は、複数セグメントのそれぞれの内部では、複数の分散サンプル光ビームに含まれる光の特定の波長に対応する。
【００９５】
さらに、複数セグメントの少なくとも１つの内部では、複数の行のそれぞれにある１つの画素からの出力は、光の関連する波長の強度を表す信号の信号対雑音比を改善するように、焦平面アレイの１つの列に沿って共に加えることが可能である。
【００９６】
さらに、本発明の他の態様では、複数のサンプルの１つの様々な空間セクションに関連付けられる分散サンプル光ビームは、２つ以上の複数セグメントの上に投影されることが好ましい。１つのサンプルの様々な空間セクションを撮像する、または複数のセグメントにおいて異なるサンプルを撮像することに関係なく、複数セグメントの少なくとも２つの内部において、異なる波長を表すことが可能である。
【００９７】
他の態様では、複数のサンプルの少なくとも１つは、検体を含んでいる背景対象を含むことが好ましい。検体は、背景対象物においてＩＲ吸収を変化させるために、特有のタイプの生物学的薬剤に反応するように選択することが可能である。
【００９８】
たとえば、検体は、ウイルスまたは細菌など、１つまたは複数の生物学的に有害な材料に反応する生物に特有の試薬とすることが可能である。さらに、生物に特有の試薬が生物学的に有害な材料に反応したとき、可聴警報または視覚警報あるいはその両方を作動させることが可能である。
【００９９】
図３Ｂを参照して議論したように、少なくとも１つのサンプル・ホルダまたはアクセサリは、複数のサンプリング・アクセサリを含み、前記複数のサンプリング・アクセサリのそれぞれは、異なるサンプル・ボリュームを光路に配置する。この装置は、様々なサンプル・ボリュームのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に決定することが好ましい。サンプル・ホルダは、光路内のＩＲ吸収現象を検出するのに適した複数のサンプルのそれぞれについて光路を提供するように構成されることが好ましい。
【０１００】
他の態様では、複数の光分散要素３５０（図示せず）が、それぞれが異なるサンプルに対応する複数の分散光ビームを形成するために提供されることが好ましい。複数の分散光ビームのそれぞれは、ＩＲ  ＦＰＡ検出器３７０の上の異なる空間領域の上に投影することが可能である。
【０１０１】
一態様では、複数のサンプルの１つまたは複数のＩＲスペクトログラフを表示するディスプレイと、ＩＲ  ＦＰＡ検出器およびディスプレイを制御する手段とを提供することが好ましい。ＩＲ  ＦＰＡ検出器およびディスプレイを制御する手段は、少なくとも１つのプロセッサまたはパーソナル・コンピュータを含むことが好ましい。
【０１０２】
さらに、透過モードでは、ＩＲ光源３１０、３１１は、光路に沿って複数のサンプルのそれぞれを透過させることが可能である。反射モードでは、ＩＲ光源からの発光を、光路に沿って複数のサンプルのそれぞれから反射させることが可能である。
【０１０３】
図４に示す本発明の他の態様では、光路は、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．によって製造されているファイバ・モデルＣ１−５００など、具体的にはマルチモードＩＲ光ファイバである、光ファイバまたは光ファイバ束の使用を含むことが可能である。様々なサンプルのタイプおよびサンプリングの幾何形状により、中間ＩＲ光ファイバをＩＲ源と分散要素との間に組み込んで、ＩＲ源をサンプル・ボリュームに送達し、サンプル・ボリュームにおいて吸収された後のＩＲ光の光路を分散要素に提供することが可能になることが有利であると考えられる。
【０１０４】
中間ＩＲ領域（３〜５または７〜１３μｍの領域を含む）において１ｄＢ／ｍより小さい損失を有する光ファイバが、市販されている。これらのマルチモード・ファイバは、可視光線および近ＩＲの領域においてファイバの対応物に見られるような柔軟性および使い易さなどの特徴を提供する。これらの光学材料の熱特性および機械的特性は、この１０年で劇的に改善された。
【０１０５】
ＦＰＡ検出器とマルチチャネル・ファイバ束とを組み合わせたとき、いくつかのサンプルの同時測定または同じサンプルの異なる位置での同時測定が可能になる。これは、示唆した分光計が、単一の機器で複数検出チャネルを提供することができ、したがって、チャネル当たりの所有コスト（ｃｏｓｔ−ｏｆ−ｏｗｎｅｒｓｈｉｐ）を劇的に減少させることができることを意味する。図４に示す一般的な設計方式では、軸外し放物面ミラー４４０を使用して、ＩＲファイバ４１０またはファイバ束の入口アパーチャまたは出力端部から信号を収集して、平行化させる。調節可能なアパーチャ４２０を使用して、平行化ビームのサイズを制御することが可能であり、その後、集中光学機器４４２、４４４を使用して、信号をプリズムに結合させる。ビーム集中光学機器とアパーチャ・サイズとの組合わせは、分光計のｆ数を決定し、したがってスペクトル分解能を決定する。
【０１０６】
プロセッサ４８０は、ＩＲスペクトル処理専用に適合された専用コンピュータとすることが可能であり、いわゆる「ファームウェア」または注文特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの集積回路に実装することができ、あるいは、一般的なパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）とすることが可能である。プロセッサ４８０は、ＩＲ検出器４７０に制御ソフトウェア／ハードウェアを提供することが好ましい。
【０１０７】
上記で議論したＦＰＡのいずれか１つを使用する本発明の態様では、Ｉｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造された「Ｔａｌｏｎ  Ｕｌｔｒａ」データ獲得システムを使用することが可能である。プロセッサ３８０は、専用ＩＲ像獲得局として実施することが可能であり、５００ＭＨｚペンティアム（登録商標）ＩＩＩ  ＰＣと、２５６ＭＢ  ＲＡＭと、１２ＧＢハード・ドライブと、ウィンドウズ（登録商標）ＮＴ４．０オペレーティング・システムと、ＩＲカメラ・デジタル・インターフェース・ケーブル（１０ｆｔ、または〜３ｍ）と、高速１６ビット・フレーム・グラバと、カメラ・インターフェース・ソフトウェアと、Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏ（登録商標）４．０または同等物に基づく画像分析ソフトウェアとを含む。そのような例示的な実装により、ＩＲカメラから画像およびデータを獲得して、調査、加工、および記憶するために、画像を処理、測定、分析、および出力するユーティリティの全範囲が提供される。
【０１０８】
ディスプレイ装置３９０は、ＣＲＴディスプレイまたはＬＣＤディスプレイなどの標準的なコンピュータ・モニタとすることが可能であり、あるいは印刷装置とすることが可能である。
【０１０９】
この特定の例示的な実施形態は、データを獲得するためにＰＣシステム・メモリを使用することが可能であるが、特定目的向けの専用高速メモリを使用することも可能である（図示せず）。可搬性を追加するために、一体式ＬＣＤディスプレイと共に、プロセッサ３８０または４８０をラップトップ・コンピュータまたはノートブック・コンピュータに組み込むことが可能である。
【０１１０】
例示的な実施形態では、プロセッサ３８０または４８０上で動作するソフトウェアは、実時間ヒストグラムと、実時間デジタルフィルタリングと、実時間フレーム平均化と、ユーザ確定可能注目画像領域（ＲＯＩ）と、全装備データ・ディスプレイ、整理編集、分析能力と、データ収集、分析、および報告を自動化するための視覚ベーシック互換性マクロ言語など、広範な特徴を提供することが好ましい。
【０１１１】
このタイプのアプリケーションでは、「実時間」は、初期設定からサンプリングおよび分析を通して１秒未満であると見なされることが好ましく、５００ｍ秒未満であると見なされることがより好ましく、２０ｍ秒未満であることがよりいっそう好ましい。このタイプの応答時間は、従来の走査および干渉技術と比較して、好ましい結果を提供する。さらに、「実時間」検出は、それが行われている際にプロセスを連続的に監視する能力を意味することがより好ましい。収集されたデータ・セットまたはデューティ・サイクル間の時間領域は、一般に、５〜１００μｓの範囲にある。
【０１１２】
追加の分析ソフトウェアは、プロセッサ３８０、４８０において動作して、ＩＲスペクトル情報を分析し、過フッ化炭化水素、炭化水素、または複雑な分子結合あるいは化学もしくは生物学戦争薬剤に見られるような「シグナチュア」官能基など、サンプル・ボリュームに見られる１つまたは複数の特定の官能基を決定することが可能である。さらに、特定のシグナチュア官能基または化学組成がサンプル・ボリュームにあることが決定された場合、可聴または視覚あるいはその両方の警報を作動させることが可能である。
【０１１３】
装置３００、４００のいくつかの構成要素は、セットアップを容易にする、または最適なデータ収集に備えるように調節可能であるが、装置３００、４００は、動作中に移動部品を全く使用せずに、ＩＲスペクトル情報を決定することができることに留意されたい。
【０１１４】
第１実施形態の非干渉装置を動作させて、ＩＲ源を提供することと、サンプル・ボリュームを光路に配置することと、ＩＲ源の発光の少なくとも一部をサンプル・ボリュームを経て光路の中に通過させることと、ＩＲ源の発光の少なくとも一部を光分散させて、分散ＩＲ光ビームを形成することと、複数の検出器を使用して分散ＩＲ光ビームを検出することと、複数の検出器の出力を評価することによってサンプルのＩＲスペクトルを非干渉的に決定することとによって、サンプル・ボリュームにおけるサンプルのＩＲスペクトルを決定する。より好ましい方法では、たとえば、ＦＰＡなどの２次元検出器アレイを動作させる。検出器の各列は、分散ＩＲ光ビーム内に含まれる波長を表し、検出器要素の少なくとも２つの行を使用して、検出信号のＳＮＲを改善する。
【０１１５】
装置を確実に使用することを可能にする前に、潜在的な非一様源強度を補償するために、ＩＲ源３１０、３１１を較正しなければならず、また好ましくは、対象の帯域にわたって少なくともスペクトル強度を知らなければならない。
【０１１６】
従来、源較正プロセスは、サンプル・ボリュームが光路にない状態で背景パワー・スペクトルを収集することと、サンプル・パワー・スペクトルを収集することと、次いで背景パワー・スペクトルによってサンプル・パワー・スペクトルを分割（またはその比を形成）して、装置によって報告された各周波数位置について、サンプル強度／背景強度または透過率を決定することとの一連のプロセスを含む。通例、対数演算、すなわち吸収スペクトル（ＡＢＳ）を以下のように決定することによって、データをさらに処理する。
ＡＢＳ∝−ｌｏｇ１０（サンプル／背景）
【０１１７】
しかし、本発明のマルチビームの手法では、源および環境の較正は、サンプル発光検出と同時に実施されることが好ましい。次いで、プロセッサ３８０、４８０が、源および環境の較正データを使用して、サンプル測定を本質的に実時間で補償する。
【０１１８】
吸収スペクトルが決定された後、開示した装置および方法を産業または環境のプロセス監視において使用して、たとえば、固体もしくは液体の膜または他の固体もしくは液体の上の被覆剤の厚さを測定することが可能である。
【０１１９】
上記で記述した一般的な動作手順に基づいて、開示した本発明により、サンプルの吸収スペクトルが獲得される。吸収率（ＡＢＳ）の量は、一般に、以下のように表すことができる。
ＡＢＳ＝Ａ×Ｂ×Ｃ
上式で、Ａはサンプルに存在する吸収官能基の吸収係数、Ｂはサンプル内の経路長（厚さ）、Ｃは官能基の濃度である。この定量的な関係は、「ベールの法則」として広く知られている。
【０１２０】
既知の濃度Ｃおよび既知の厚さＢを有する標準的なサンプルを使用して、濃度および厚さを測定して、そのサンプルが示すあらゆる振動帯域について吸収係数Ａを計算することができる。吸収帯についてＡを知った後、ベールの法則を使用して、濃度または厚さを測定することができる。
【０１２１】
たとえば、膜処理ラインでは、材料形成が一定に維持される場合、対応するＣおよびＡの値も一定である。この場合、吸収レベルがＢに正比例するので、開示した本発明を使用して、膜の厚さを監視することができる。一方、半導体化学蒸着（ＣＶＤ）処理室では、たとえば、気体種の濃度を開示した本発明で測定することができるが、その理由は、Ａ（既知の種）およびＢ（固定された室のサイズ）が一定に維持され、濃度が、測定吸収率に正比例するとして決定されるからである。
【０１２２】
配向測定は、以下のように行われる。非偏光ＩＲ光をＩＲ測定に使用するとき、整合する振動周波数を有するすべての官能基が吸収する。しかし、特定の方向に発振する電磁波のみが通過するように、入射ＩＲ光が線形に偏光しているとき、整合周波数および偏光と同じ方向における双極子モーメントの変化の両方を有する官能基のみが、入射光を吸収することができる。
【０１２３】
乱雑に配向したサンプルでは、すべての双極子の方向が同じようにサンプリングされ、したがって、偏光方向に対する依存性は観測されない。一方、処理ステップによって生じた好ましい配向を有するサンプルでは、偏光方向が、サンプルの双極子の変化方向と整合するとき、よりいっそう強い吸収が起きる。吸収スペクトルを偏光ＩＲ光および非偏光ＩＲ光と比較することによって、調査中のサンプルがどの程度、およびどの方向に配向しているかを推測することができる。
【０１２４】
赤外光の偏光は、しばしば、金ワイヤ偏光器を使用することで達成される。この光学装置は、たとえば、ＺｎＳなどのＩＲ透過基板の上に平行に配置された微細分離金ワイヤからなることが可能である。
【０１２５】
偏光方向とサンプル双極子方向との定量的な関係は、以下のように表される。
ＡＢＳＯｂｓｅｒｖｅｄ∝ｃｏｓ（Θ）
上式で、Θは、振動中のサンプルの双極子モーメントの変化方向と入射ＩＲ光の偏光方向との間の角度である。上記の関係から、Θ＝９０°であるとき、振動周波数条件が満たされている場合でも、吸収は起きないことがわかる。
【０１２６】
本発明の他の態様では、方法は、複数のサンプル発光の光分散を調節して、複数の分散サンプル・ビームの波長の範囲を制御することをさらに含む。通常、格子などの光分散要素３５０、またはペリン・ブロカ・プリズムなどのプリズム４５０に対する入射角度は、ＩＲ  ＦＰＡ３７０、４７０に呈示される波長の範囲を変更するように調節される。
【０１２７】
この方法は、空間分離領域の１つにおける画素の前記各列において複数の画素出力を合計することによって、信号対雑音比を増大させることをさらに含む。
【０１２８】
前に記述したように、他の態様では、この方法は、環境背景の基準スペクトルを同時に評価することと、環境背景の基準スペクトルを相殺するために、複数のサンプルのそれぞれのＩＲスペクトルを訂正することとを含む。この方法は、また、ＩＲ源のスペクトルを同時に評価することと、ＩＲ源のスペクトルを相殺するために、複数のサンプルのそれぞれのＩＲスペクトルを訂正することとを含むことが可能である。
【０１２９】
他の態様では、この方法は、複数のサンプル発光のそれぞれのＩＲスペクトルを処理して、複数のサンプル・ボリュームにおいて１つまたは複数のシグナチュア官能基を識別することと、化学または生物戦闘薬剤など１つまたは複数のシグナチュア官能基が複数のサンプル発光のいずれか１つにおいて見られる場合、警報を可能にすることとを含むことが可能である。
【０１３０】
これに関して、この方法は、上に生物特有の試薬を有する背景対象物を提供することと、生物特有の試薬と前記１つまたは複数のシグナチュア官能基を含むサンプル・ボリュームとを反応させることとを含むことが可能である。
【０１３１】
本発明の他の態様では、方法は、広帯域光源と、光分散要素と、２次元ＩＲ検出器アレイとを、投影、相互作用、結合、形成、および光学結合のステップの少なくとも前記ステップ中に、少なくとも互いに相対的に静止しているように維持することをさらに含む。
【０１３２】
光結合ステップは、サンプル発光の光ファイバ結合を含むことが可能であり、および／または投影ステップは、広帯域光源の発光の一部を複数のサンプル・ボリュームに光ファイバ結合することを含むことが可能である。
【０１３３】
本発明の他の態様では、この方法は、複数のサンプルの１つまたは複数のＩＲ吸収スペクトルから、複数のサンプルの１つまたは複数の少なくとも１つの物理属性を決定することをさらに含むことが可能であり、少なくとも１つの物理属性は、本質的に実時間で連続的に決定される。物理属性は、たとえば、複数のサンプルの１つの分子配向を含むことが可能であり、この分子配向は、複数のサンプルの前記１つに関連する２つの直交偏光サンプル発光を比較することによって、少なくとも部分的に達成される。物理属性は、具体的には単一層ポリマー膜である膜の厚さの実時間測定を含むことも可能である。
【０１３４】
さらに、複数のＩＲ光源３１０、３１１のそれぞれは、異なる強度を有することが可能であり、本発明の他の態様では、光路の１つまたは複数は、偏光要素を含むことが可能である。
【０１３５】
他の態様では、処理手段を使用して、ＩＲ  ＦＰＡ上の様々な空間領域から決定されたＩＲスペクトル情報から、ポリマー単一層を含めて単一層の分子配向を特定することが可能であり、具体的には、直交偏光サンプル発光が評価される。
【０１３６】
本発明の他の態様では、この方法は、膜材料の屈折率および吸収係数を計算することをさらに含む。基板は、たとえば半導体処理において使用されるような、既知の光学特性を有する誘電体基板を含むことが可能である。単一層膜は、基板の上に吸着することも可能である。
【０１３７】
この態様では、この方法は、複数の非垂直入射角度において、基板の表面上にＩＲ光源を投影させることと、複数の非垂直入射角度のそれぞれについてミラーの回転角度を測定することによって膜材料内の屈折角を決定することとをさらに含むことが可能である。
【０１３８】
さらに、偏光ＩＲ放射を膜材料および基板を通して投影させることが可能であり、膜材料内の方向特有の屈折角を決定することが可能であり、膜材料の方向特有の複素屈折率を計算することが可能である。
【０１３９】
さらにこれに関して、膜材料の少なくとも１つの分子グループの分子配向を決定することが可能である。
【０１４０】
本発明のＰＡＩＲスペクトログラフ装置および方法を使用して、実時間背景補償を有する外部反射測定を実施することが可能である。本発明の一態様では、薄いテフロン（登録商標）障壁をラングミュア膜バランスに挿入することが可能であることが好ましく、それにより、２つの別々のトラフが、図６に示すように創出される。より小さいトラフを基準トラフとして使用することが可能であり、一方、より大きいトラフをサンプル・トラフとして使用することが可能である。２つのトラフが分離される点、すなわち薄いテフロン（登録商標）障壁において、比較的広い平行化赤外線ビーム（４または５ｃｍなど）の中心を反射することが可能である。
【０１４１】
次いで、ＩＲビームの半分が、基準副相によって反射され、一方、ビームの他の半分が、単一層で覆われた副相によって反射される。これにより、ＦＰＡ画素アレイの上に投影された別々の「サンプル」（たとえばＦＰＡの上に位置する）スペクトル像と「基準」（ＦＰＡの底部に位置する）スペクトル像とが同時に得られる（たとえば、図３Ｃ参照）。このようにして、画素の上部行から獲得されたスペクトルは、ラングミュア単一層に関する情報を含み、一方、画素の底部行から獲得されたスペクトルは、基板または水などとすることができる基準表面からのデータを含む。各波長におけるこれらの２つのスペクトルの比は、吸収スペクトルを提供し、水蒸気は完全に補償されている。
【０１４２】
他の態様では、ＩＲビームの透過または反射を使用して偏光要素を通る膜などのサンプルを測定し、次いで即座に分散要素を通してビームを向けることによって、偏光赤外線スペクトルを容易に獲得することが可能である。別法として、ビーム・スプリッタ（図示せず）において発光を分割することが可能であり、次いで、各分割ビームにそれぞれの光路にある２つの異なる直交偏光要素を通過させ、１つまたは複数のサンプルを通過させて、偏光に特有の情報を決定することができる。
【０１４３】
次いで、光分散要素すなわち格子またはプリズムによって、各偏光ビームを分散させる。これにより、ＦＰＡ検出器の異なる行の上に撮像されている２つの直交偏光ビームが得られ、２つの別々の偏光ＩＲスペクトルが得られる。したがって、膜上の同じ位置から同時に偏光赤外線スペクトルが入手可能であり、たとえば、時間分解２色比の決定が可能になる。
【０１４４】
４つのスペクトル像（ｓ偏光基準、ｐ偏光基準、ｓ偏光サンプル、およびｐ偏光サンプル）をＦＰＡの上に同時に投影することが可能である。たとえば、測定２色比をシミュレーションまたはハンドブックから獲得された理論的な２色比と比較することによって、配向値を決定することができる。
【０１４５】
さらに、ラングミュア膜などの薄膜では、信号の平均化を使用することによって対象のポリマーについて圧力領域等温線を記録している最中に、サブミリ秒時間領域における時間分解測定を獲得することが可能である。ＰＡＩＲ機器の複数スペクトル像能力により、より高い強度の源を使用して、圧縮中に単一層のｓ偏光スペクトルおよびｐ偏光スペクトルの両方を収集して（反射率は、ｐ偏光放射よりｓ偏光放射の方が著しく高い）、それにより、等温線に沿ったすべての点において、秩序および配向の成長の連続的な分子ピクチャを提供することが可能になる。
【０１４６】
本発明の他の態様では、ＰＡＩＲスペクトログラフを使用して、複数の入射角度を使用する外部反射測定を同時に実施することが可能である。構成図を図７に示す。この場合、小さいミラーまたは光ファイバを使用して、複数のＩＲ光源によって生成された複数のＩＲビームを同時に収集することが可能である。個々の赤外線ビームは、機器のアパーチャ部分の入口スリットの様々な領域に向けられる。このプロセスは、ＦＰＡ上の様々な位置において複数のスペクトル像を最終的に生成し、各像は、異なる入射角度に対応する。複数の入射角度を使用して、ラングミュア単一層の正確な分子配向を決定することが可能である。ＰＡＩＲ機器のこの追加の能力により、ラングミュア・ポリマー単一層特性の調査について、分子配向をより正確に決定することができる。
【０１４７】
本発明の他の態様では、薄膜の偏光赤外線スペクトルを使用して、薄膜分子配向を決定することが可能である。これを実施する既知の技術が存在するが、誘電体基板からのＩＲ外部反射測定では、非等方ＩＲ光学定数の知識（屈折率および吸光係数など）が必要である。この情報は、しばしば、獲得が困難である。
【０１４８】
歴史的には、ＩＲ偏光解析法を使用して非等方屈折率を獲得することが試行された。この技術の使用は、通常、モデルから寸法および配向を容易に推定することができる非常に簡単な分子の光学定数の決定に限定されていた。他の方法は、光学定数を獲得するために、外反射、減衰全反射（ＡＴＲ）、または透過ＩＲ分光法を使用する。
【０１４９】
より正確なＩＲ分光法は、光学定数を獲得するために、フレネルの式と共にクラマース・クローニッヒの関係式を介した屈折率と吸光係数との相互依存性を利用した。残念ながら、これらの方法は、しばしば、結果的に得られる複素屈折率の信頼性に影響を与えることがあるいくつかの想定を必要とする。この点は、多くの研究者が、一括して測定された文献データから獲得された等方光学定数を使用しており、この等方光学定数は、配向測定の信頼性をさらに損なうことがあるということによって強調される。薄膜分析に使用される同じ赤外線分光計を使用し、赤外線光学定数を決定する信頼できる技術を有することが明らかに望ましい。
【０１５０】
これを考慮して、薄膜の非等方光学定数を決定するために、本発明のＰＡＩＲスペクトログラフを適用することが可能である。光学機器の観点から、誘電体基板の上に吸着された単一層膜は、図８に概略的に示すように、階層型３相システムと見なすことが好都合であろう。ｊ番目の相の光学特性は、複素屈折率ｎ〜ｊによって特徴付けられる。ｎｊは実数屈折率、ｋｊは吸収係数である。すなわち、ｎ〜ｊ＝ｎｊ＋ｉｋｊ、ｉ＝√−１である。
【０１５１】
膜の厚さは、ｄによって表され、１分子すなわち単一層程度に小さくすることが可能である。値ｎ〜１、ｎ〜３、およびｄが既知であるとき、ＰＡＩＲスペクトログラフを使用して、ｎ２およびｋ２、すなわち単一層膜の光学定数を決定することができる。膜の厚さは、既知の可視楕円偏光計で容易に決定されるが、ｎ〜１（空気）およびｎ〜３（通常の誘電体基板など）は、既知の値を有する。
【０１５２】
図９は、誘電体基板の上に入射する赤外線放射の反射および屈折を示す。Ｅは反射放射の強度（所与の周波数における）、Ｅ’は透過（屈折）放射の強度、θ１は入射角に等しく容易に測定される反射角、およびθ２は屈折角である。本発明により、Ｅ、Ｅ’およびθ２を測定することが可能である。角度θ２は、以下の手順を使用して測定することが可能である。
【０１５３】
まず、きれいな誘電体基板をサンプル位置に水平に配置する（図９参照）。任意のＩＲ光源を表面法線に対して既知の角度で、誘電体基板を透過させることが可能であり、この場合、ＩＲ光源は、特定の既知の領域「Ａ」（図示せず）においてＦＰＡに当たる。次いで、この段階では上に単一層膜が吸着されている同じ誘電体基板をサンプル位置に配置する。次いで、光がＦＰＡの同じ領域「Ａ」に当たるまで、平面ミラーを回転させる。透過ＩＲビームを再び領域「Ａ」に戻すのに必要なミラーの回転量を正確に測定することによって、屈折角を決定することができる。
【０１５４】
Ｅ、Ｅ’、θ１、θ２、ｎ〜１、ｎ〜３、およびｄの値が、いくつかの入射角度についてすべて既知となった後は、フレネルの式および既知の反復手順を使用して、単一層膜（ｎ２およびｋ２）の光学定数を決定することができる。複数の入射角度θ１を使用することにより、これらの決定の精度が向上する。
【０１５５】
産業界の分光法の分野および部門は、光路における水蒸気の補償の問題にも直面している。サンプル・スペクトルの測定に影響を与える水蒸気補償の問題を最小限に抑える様々な方式がある。たとえば、図１０を参照すると、ＦＴＩＲを使用する従来の偏光変調赤外線反射吸収分光法（ＰＭ−ＩＲＲＡＳ）が使用されている。
【０１５６】
従来のＰＭ−ＩＲＲＡＳでは、当初の偏光入射ＦＴＩＲ光ビーム（たとえばワイヤ格子偏光器を介した）は、光弾性変調器を介して、２つの直交偏光方向の間で高速変調を受ける。検出された信号は、２チャネル電子システムを通過し、数学的に処理されて、微分反射スペクトルを与える。高速偏光変調のために、ＰＭ−ＩＲＲＡＳ微分反射スペクトル信号には、本質的に、等方性である強い水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号強度の変動など、すべての偏光非依存信号が含まれていない。しかし、この手法は、本発明が特に好まない移動部品および計算が膨大なフーリエ変換の手法に依然として依拠する。
【０１５７】
水蒸気の存在を相殺するという上記で特定した問題を少なくとも部分的に対象とする本発明の他の態様では、図１１を参照すると、基板上の薄膜の配向を測定するための平面アレイ赤外線反射吸収分光法（ＰＡ−ＩＲＲＡＳ）の非干渉ＰＡＩＲ構成には、プロセッサおよびディスプレイを含めて、ＩＲ源と、２つの固定された直交偏光器３３５、３３６と、以前に記述し、かつ示したＰＡＩＲ検出器とが含まれる。
【０１５８】
直交偏光ビームは、薄膜から反射され、ＰＡＩＲ検出器によって検出される。次いで、プロセッサが、ＰＡＩＲ検出器によって受信された２つの直交偏光信号の分析に基づいて、微分反射スペクトルを計算する。微分スペクトルには、等方水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めてあらゆる偏光非依存信号がほぼ含まれていないが、その理由は、これらの影響は、微分技術によって本質的に消去されるからである。微分反射スペクトルを使用して、薄膜の分子配向を決定することがさらに可能である。偏光変調器は、光弾性変調器とすることが可能であり、ＦＰＡは、ＩｎＳｂ  ＦＰＡ、ＭＣＴ  ＦＰＡ、またはマイクロボロメータＦＰＡなどとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
開示した発明の応用および方法は、光学定数を含めて薄膜の特性の測定を含め、上記で議論したように、様々な産業および環境プロセスに広く適用される。
【０１６０】
いくつかのさらなる応用分野は、半導体、金属、および誘電体を含むがこれに限定されない固体表面上の被覆剤（固体、液体、化学的に結合された、物理的に吸着された）の厚さ、化学構造、および配向を測定する方法を含む。
【０１６１】
たとえば、装置の製造に使用される現在の材料処理では、分子レベルに関する処理済み材料の微妙な相違により、特定の手順の成功または失敗を決定することができる。結晶秩序、鎖配向、および水素結合強度などの分子パラメータは、最終装置の機能に対して重要な影響を有することがある。たとえば、ノートブック・コンピュータに使用される液晶ディスプレイは、光変調器として作用する液晶分子の「オフ」配向を画定するために、ガラス・テンプレート上で使用されるポリマー・コーティングの鎖配向に依拠する。
【０１６２】
しかし、そのようなポリマー鎖の配向は、「バフ」プロセスによって生成され、バフ・プロセス中に、ベロア生地を使用してポリマー・コート・ガラスを所与の方向にこすって、鎖配向を誘起する。平坦パネル・ディスプレイ製造ラインの歩留まりは、成功したバフ・プロセスに決定的に依存することが周知であるが、最終組立品が完成する前に、バフによって誘起される鎖配向を評価することができる、様々な製造段階中に使用される監視プロセスは存在しない。したがって、不良なＬＣ位置合わせ特性を有するガラス・テンプレートは、製造プロセスが完了するまでは、組立ラインから除去されない。失敗した完全組立ディスプレイを破棄するコストは、不良な位置合わせ特性を有するポリマー・コーティング・バフ・ガラス・プレートを除去するコストより数倍高い。このより効率的な品質管理プロセスを実現する際の主な障害は、現在まで、製造プラントに見られる苛酷な動作条件に耐えることができる高信頼検出方法が存在しなかったことである。
【０１６３】
たとえば、走査探査顕微鏡法およびｘ線回折などのプロセス方法は、性質が破壊的であることがあり、長いデータ収集時間と、生産ラインからのサンプルの除去とを必要とする。したがって、従来の技術では、成功するオンライン・プロセス監視方法に必要な実時間統計を達成することはできない。開示した装置および方法は、たとえば、実時間で非破壊的にプロセスを監視することができ、バフ・プロセスが完了した後すぐに、大面積サンプルの鎖配向に関する情報を獲得することができる。
【０１６４】
さらに、マルチビームの手法により、背景スペクトルおよび構成要素の老朽化を本質的に実時間で補償しながら、同じサンプルの様々なサンプル領域または異なるサンプルを同時に監視することができる。
【０１６５】
本発明者は、様々な有機、無機、およびポリマーの表面を使用する液晶位置合わせの研究に関与しており、テンプレート表面の秩序、配向、形態、およびトポロジが、最終ＬＣ配向において重要な役割を果たすことを示した。この情報は、本明細書で開示した可搬式赤外線分光計を使用する平坦パネル・ディスプレイ産業に容易に適用可能である。
【０１６６】
湖、川、または海の上など、水環境においてＩＲ分光法を環境に適用することにより、反射ＩＲエネルギーを使用して、水面上の油または他の汚染物質を検出および測定し、特有の官能基の存在または欠如を決定することができる。
【０１６７】
さらに、ＩＲ分光計は高度に移動性なので、上記で議論したように野外で動作することができる水質汚染モニタとして使用することが可能である。本発明のスペクトル範囲は、ほとんどの芳香族汚染物質について指紋領域のスペクトル特徴を網羅する。水に割り当てることができるＩＲ帯域（１６００〜１７５０ｃｍ−１）は、このスペクトル領域の汚染物質の信号と干渉しないので、野外での汚水の大まかな分析も、この機器で可能である。
【０１６８】
一態様と関連して議論した上記の他の応用例は、薄膜に関するＩＲ分光法を含む。ポリマーの光学的特性、機械的特性、および老朽化の特性の多くは、処理中に生じる秩序、配向、および形態成長の１次関数である。皮肉なことに、ポリマーが薄膜に形成されるときの配向および秩序の構造的な成長については、あるとしてもわずかな理解しか存在していない。実時間ＩＲ分光法によってポリマー鎖組織の性質を構造的に特徴付ける能力により、微細な機械的変形の方向に対する結晶化および配向の所望の量の最終的な制御を提供する処理プロトコルの最適化が可能になる。
【０１６９】
多くの場合、これは、トランス結合またはゴーシュ結合、および結晶材料またはアモルファス材料の属性とすることができる特定のＩＲ帯域によって簡単に実証される。薄膜の処理（加熱、伸張、冷却）としてＩＲ帯域の強度および周波数の両方を追跡することにより、配向および結晶形態の分子成長を、それが行われる際に追跡することが可能になる。
【０１７０】
ポリ（エチレン）（ＰＥ）膜およびファイバに関する多くの研究が行われてきたが、提供された情報は、通常、処理前、および変形、加熱などが完了した後に獲得される。様々な空間領域における分光情報を実時間で提供することが、開示したＩＲ機器により可能である。選択した焦平面アレイのスペクトル領域に応じて、斜方晶系単位セルの特性である１４６０〜１４７０ｃｍ−１（ダブレット）ＣＨ２シザーズ振動および７２０〜７３０ｃｍ−１（ダブレット）ＣＨ２横揺れ振動を使用して、結晶の成長を調査することが可能である。さらに、７３０および７２０ｃｍ−１におけるＣＨ２横揺れ成分の遷移モーメントは、単位セルの「ａ」軸および「ｂ」軸にそれぞれ平行であるので（「ｃ」は鎖軸に沿う）、処理中に偏光ＩＲビームの７３０と７２０ｃｍ−１との相対強度を追跡することによって、図面のプロセスにおいて導入した２軸配向の程度を決定することも可能であるはずである。
【０１７１】
さらに、帯域の両方の組（横揺れおよびシザーズ）が、ポリマー鎖軸の垂直方向に大きく偏光しているので、強度を使用して、機械的変形の方向に関係する軸配向の情報を提供することもできる。同様に、２９２０ｃｍ−１（非対称ＣＨ２伸張）および２８５０ｃｍ−１（対称ＣＨ２伸張）に位置するＣＨ伸張振動は、それぞれ炭素主鎖の面外と炭素主鎖の面とにおいて強く偏光される。したがって、これらの振動を使用して、２軸配向膜における「ａ」軸および「ｂ」軸の配向の程度を決定することもできる。
【０１７２】
強度が偏光率の変化に依存し、誘起された配向の解釈をより間接的にするラーマン分光法とは異なり、ＩＲ強度は、双極子モーメント（特定の振動モードについて）の変化に依存し、したがって、ポリマー鎖軸に対する双極子モーメントの配向変化の方向が既知である場合、鎖配向のより直接的な評価を提供する。ＰＥの場合では、これらは周知であり、ＰＥは、ＩＲ分光法を実施する対象となる適切なポリマーである。
【０１７３】
他の応用例は、一連のポリ（エステル）薄膜の測定である。ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）膜の事前処理および事後処理に関するいくつかの研究が文献として存在するが、処理中のＰＥＴに関する研究は、報告されていない。さらに、構造的に関係するポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）に関する研究はほとんど行われていない。ＰＥＮの主要な市場は、現在のところ特殊膜であるので、その改善された（ＰＥＴと比較して）熱特性および誘電特性のために、特性に関する様々な処理パラメータの影響の理解は、本質的に重要であり、かつ時宜を得ている。
【０１７４】
伸張後のＰＥＴの以前の研究では、−ＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ−基のトランス構造およびゴーシュ構造に以前に割り当てられていた９７３および１０４１ｃｍ−１における帯域の強度が、応力を加えた後、かなり変化する（９７３ｃｍ−１は周波数もシフトする）ことを示していた。これは、応力により、ゴーシュ結合がトランスに変化することを示唆するが、この実証のみでは、サンプル全体の結晶度が増大したことは示されなかった。これには、やはり応力の関数として追跡され、９７３ｃｍ−１トランス帯域が増大する際に増大することが認められた結晶領域のトランス型に特徴的な８４８ｃｍ−１ＣＨ２横揺れ振動を使用することを必要とした。
【０１７５】
同様の振舞いが、１３８６ｃｍ−１ＣＨ２縦揺れモードについても観測され、ＰＥＴの結晶領域ではトランス結合の特性であることも観測された。−ＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ−基は、両方のポリエステル鎖において芳香族基間の一般的な結合であるので、９７３、１０４１、８４８、および１３８６ｃｍ−１帯域の強度および周波数を監視して、ＰＥＴ膜とＰＥＮ膜の両方について、配向の成長、すべてのトランス内容、および結晶度に対する処理パラメータの影響を理解する。さらに、ＰＥＴおよびＰＥＮの結晶度および配向の変化は、２７８０および２８５０ｃｍ−１におけるＣＨ伸張モードを追跡することによって確認することもできる。一方、３２００ｃｍ−１におけるＣ＝Ｏ上音振動を使用して、配向のみを追跡することができる。
【０１７６】
開示した装置の他の産業用の応用分野は、透過ならびに反射の際の、水、油、ならびに他の溶媒を含むがこれに限定されない液体表面上の被覆剤／膜（固体、液体、化学的に結合された、物理的に吸着された）の厚さ、化学的構造、および配向を測定および検出する方法を含む。
【０１７７】
ＩＲスペクトル情報を決定する本発明の態様の議論を対象としてきたが、本発明の方法およびシステムは、そのような狭い実施態様にのみ限定されるものではない。たとえば、本発明は、上記で議論した産業用および環境のプロセスに適用可能とすることも可能であり、たとえば複数のサンプルを同時に測定しながら、かつ背景発光を補償しながら、ポリマー膜の厚さなどの１つまたは複数の物理的属性を制御するためにバッチ生産ラインの制御システムに組み込む、または半導体処理において組み込むことがさらに可能である。
【０１７８】
本発明を多くの方式で変更することが可能であることが明らかになるであろう。たとえば、サンプル・ボリュームまたはＩＲ源に関して特定の位置にあることが可能であるように、特定の光学構成要素を変更することが可能である。そのような変更は、本発明の精神および範囲から逸脱すると見なされるべきではなく、すべてのそのような修正は、以下の請求項の範囲内に含まれることを意図していることが、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の幅および範囲は、添付の請求項の範囲およびその等価物によってのみ限定される。
【０１７９】
（関連出願の相互参照）
本出願は、全内容が参照によって本明細書に組み込まれているＲａｂｏｌｔらの「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  ＩＲ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」という名称の２００１年１０月１日に出願された整理番号ＰＣＴ／ＵＳ０１／３０７２４号明細書のＰＣＴ国際段階出願に関し、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０の下での利益を主張し、また、やはり参照によって本明細書に全内容が組み込まれているＲａｂｏｌｔらの「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  ＩＲ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」という名称の２００１年１０月２９日に出願された整理番号０９／９８４，１３７号の米国通常特許出願に関し、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１２０の下での利益を主張する。
【０１８０】
（政府のライセンス権）
米国政府は、国家科学財団（ＮＳＦ）承認第００７６０１７およびエネルギー局承認第ＤＥ−ＦＧ０２−９９−ＥＲ４５７９４によって規定されるように、本発明における権利を有する。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】従来のＦＴＩＲ干渉計を示す図である。
【図２】フーリエ変換に基づくが、光路長の差を生成するために移動部品を必要としない従来の干渉分光法に使用される２つの異なる方式を示す図である。
【図３Ａ】移動部品を使用せずに達成される、１つのサンプル・ホルダにある複数サンプルの非干渉ＩＲ分光法に適した本発明の態様を示す図である。
【図３Ｂ】複数サンプルの非干渉ＩＲ分光法が、複数のＩＲ源および光路を使用するが、移動部品を使用せずに達成される本発明の他の態様を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示した装置の複数ビームの空間多重化に適した構成について光路の詳細をさらに示す図である。
【図３Ｄ】偏光でのサンプリングを示す図である。
【図４】光を装置に結合するために使用されるＩＲ光ファイバを示す、ぺリン・ブロカ・プリズムを光分散要素として使用する本発明の他の態様を示す図である。
【図５】ＺｎＳｅの屈折率の分布と、図４のペリン・ブロカ・プリズムの光屈折とを示すグラフである。
【図６】実時間背景訂正に適した構成を示す図である。
【図７】表面から反射されたＩＲ放射の複数の入射角度を測定するのに適した構成を示す図である。
【図８】基板上の薄膜を表す階層型３相システムを示す図である。
【図９】薄膜の光学定数を決定する際に使用される反射／屈折測定に適した構成を示す図である。
【図１０】従来の偏光変調赤外線反射吸収分光法（ＰＭ−ＩＲＲＡＳ）の構成を示す図である。
【図１１】平面アレイ赤外線反射吸収分光法（ＰＡ−ＩＲＲＡＳ）に適した本発明の構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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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】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月30日(2003.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサンプルのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に空間多重化する装置であって、
少なくとも１つのＩＲ光源と、
前記複数のサンプルを光路に配置する少なくとも１つのサンプル・ホルダと、
前記光路にある光分散要素とを備え、
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの発光が、前記光路に沿った前記複数のサンプルのそれぞれと相互作用して、対応する複数のサンプル発光を形成し、
前記複数のサンプル発光が、前記光分散要素と相互作用して、対応する複数の分散サンプル光ビームを形成し、前記複数の分散サンプル光ビームのそれぞれが、前記複数のサンプルのそれぞれの１つに対応し、
さらに、前記光路に配置され、複数の行および列に構成された多数の画素を有するＩＲ  ＦＰＡ検出器を備え、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームを検出して、前記複数のサンプルのそれぞれについて前記ＩＲスペクトル情報を表す少なくとも１つの出力を提供する装置。
【請求項２】
前記光分散要素が回折格子である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光分散要素がプリズムである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光分散要素がＩＲ波長に対してほぼ透過性であるペリン・ブロカ・プリズムである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光分散要素が、調節可能であり、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上に投影された前記対応する複数の分散サンプル光ビームに含まれる波長の範囲が、ＩＲ光源からの前記発光と前記光分散要素の表面との間の入射角を調節することによって決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿って配置された背景基準環境と相互作用して、背景基準発光を提供し、
前記背景基準発光が、前記光分散要素と相互作用して、分散背景基準光ビームを形成し、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記分散背景基準光ビームを検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの出力と前記分散背景基準光ビームを表す信号とを受信するプロセッサをさらに備え、
前記プロセッサが、前記背景基準環境を補償することによって、前記複数のサンプルのそれぞれについて補償ＩＲスペクトル情報を本質的に実時間で決定する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
第１偏光器を前記光路にさらに備え、前記対応する複数のサンプル発光の少なくとも１つが、前記第１偏光器を通過して、第１偏光サンプル発光を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
第２偏光器を前記光路にさらに備え、前記対応する複数のサンプル発光の少なくとも１つが、前記第２偏光器を通過して、前記第１偏光サンプル発光に直交する第２偏光サンプル発光を形成し、
前記第１偏光サンプル発光および前記第２偏光サンプル発光が、前記光分散要素と相互作用して、第１分散偏光ビームおよび第２分散偏光ビームを形成し、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記第１分散偏光ビームおよび前記第２分散偏光ビームを検出する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１偏光サンプル発光が、前記第２偏光サンプル発光の偏光に垂直な偏光を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１分散偏光ビームおよび前記第２分散偏光ビームを使用して、ポリマー膜の分子配向を決定する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の空間分離領域上で、前記対応する複数の分散サンプル光ビームのそれぞれを検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームを同時に検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの出力が、前記複数のサンプルのそれぞれについて前記ＩＲスペクトル情報を同じ瞬間に決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＩｎＳｂを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＭＣＴを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器がマイクロボロメータを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器からの前記少なくとも１つの出力が、前記分散光ビームに含まれる複数の波長のそれぞれにおける複数の合計画素出力を含み、
前記複数の波長の１つにおける前記複数の合計画素出力が、前記複数の波長の前記１つの強度を表す信号の信号対雑音比を改善する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記対応する複数の分散サンプル光ビームの少なくとも１つに含まれる複数の波長の少なくとも１つに対応する複数のＩＲ  ＦＰＡ検出器画素出力が、複数の波長の前記少なくとも１つの振幅を表す信号の信号対雑音比を改善するように共に合計される、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、それぞれが前記多数の画素の異なるサブセットを含んでいる多数のセグメントに分割され、
前記対応する複数の分散光ビームのそれぞれが、前記多数のセグメントの関連する１つの上に投影される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上の行の方向が、前記対応する複数の分散サンプル光ビームの前記それぞれの分散方向と本質的に位置合わせされるように、前記対応する複数の分散サンプル光ビームの前記それぞれが前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器の上に投影され、
前記多数のセグメントのそれぞれの内部における前記ＩＲ  ＦＰＡの各列が、前記複数の分散サンプル光ビームの関連する１つにおける光の特定の波長に対応する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記多数のセグメントの少なくとも１つの内部において、複数の行のそれぞれにある１つの画素からの出力が、光の関連する波長の強度を表す信号の信号対雑音比を改善するように、前記ＦＰＡの１つの列に沿って合算される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記複数のサンプルの１つの異なる空間セクションに関連付けられた分散サンプル光ビームが、前記多数のセグメントの２つ以上の上に投影される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
異なる波長が、前記多数のセグメントの少なくとも２つの内部において表される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記複数のサンプルの１つの異なる空間セクションに関連付けられた分散サンプル光ビームが、それぞれ、前記複数のセグメントの前記少なくとも２つの異なるセグメントの上に投影される、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器が、少なくとも中間ＩＲ帯域にある波長を有する光を検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記複数のサンプルの少なくとも１つが、内部に検体を有する背景対象物を含み、
前記検体が、前記背景対象物のＩＲ吸収変化を生成するように、特定のタイプのサンプルに反応する、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記検体が、１つまたは複数の生物学的有害物質に反応する生物に特有の試薬である、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記生物に特有の試薬が、前記１つまたは複数の生物学的有害物質に反応するときに作動される可聴警報または視覚警報、あるいはその両方をさらに備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記光路が少なくとも１つの光ファイバを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記光路が複数の光ファイバを含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの光ファイバがマルチモード・ファイバである、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの光ファイバが中間ＩＲ帯域の光を伝播させる、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのサンプル・ホルダが、複数のサンプリング・アクセサリを含み、前記複数のサンプリング・アクセサリのそれぞれが、異なるサンプル・ボリュームを前記光路に配置し、
前記異なるサンプル・ボリュームのそれぞれについてＩＲスペクトル情報を同時に決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つのサンプル・ホルダが、前記光路内におけるＩＲ吸収現象を検出するのに適した光路を前記複数のサンプルのそれぞれに提供するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
それぞれが異なるサンプルに対応する複数の分散光ビームを形成するための複数の光分散要素をさらに備え、
前記複数の分散光ビームのそれぞれが、前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器上の異なる空間領域の上に投影される、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記複数のサンプルの１つまたは複数についてＩＲスペクトログラフを表示するディスプレイと、
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器および前記ディスプレイを制御する手段とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記ＩＲ  ＦＰＡ検出器および前記ディスプレイを制御する前記手段がパーソナル・コンピュータを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
ＩＲ  ＦＰＡ検出器がＩＲカメラをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４０】
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿った前記複数のサンプルのそれぞれを透過する、請求項１に記載の装置。
【請求項４１】
前記少なくとも１つのＩＲ光源からの前記発光が、前記光路に沿って前記複数のサンプルのそれぞれから反射される、請求項１に記載の装置。
【請求項４２】
複数のサンプル・ボリュームにおいて化学分析を同時に実施するために、動作中に、ＩＲ吸収現象を使用し、かつ移動部品を使用しない実時間非干渉装置であって、
広帯域光源と、
前記広帯域光源から発光された光の少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用するように、前記複数のサンプル・ボリュームを配置するための少なくとも１つのサンプリング・アクセサリと、
複数の対応する分散サンプル・ビームを獲得するために、前記複数のサンプル・ボリュームのそれぞれと相互作用した光の少なくとも一部を光分散させる調節可能手段と、
行および列に構成された複数の検出器要素を有する２次元ＩＲ検出器アレイと、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームを前記２次元ＩＲ検出器アレイの上に結合する光学結合手段と、
前記２次元ＩＲ検出器アレイを制御して、１つまたは複数の特定の波長領域におけるＩＲ吸収スペクトルに少なくとも基づいて、前記複数のサンプルの非干渉的化学分析を提供するプロセッサ手段とを備え、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれが、前記２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域の多数の行の上に投影され、前記多数行のそれぞれの対応する列検出器要素が、特定の波長におけるＩＲスペクトル成分の強度を実時間で決定するように、前記２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域の内部において合算され、
前記特定の波長における前記ＩＲスペクトル成分の前記強度を表す信号の信号対雑音比が、前記対応する列検出器要素を前記多数行のそれぞれにおいて追加することによって増大される装置。
【請求項４３】
前記１つまたは複数のサンプルのそれぞれを通過した光の前記少なくとも一部を光分散させる前記調節可能手段が、上に投影された入射光に対して調節可能な入射角度を有する回折格子である、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記１つまたは複数のサンプルのそれぞれを通過した光の前記少なくとも一部を光分散させる前記調節可能手段が、上に投影された入射光に対して調節可能な入射角度を有するペリン・ブロカ・プリズムである、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
前記広帯域光源から発光された光の前記少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームの前記それぞれを透過する、請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
前記広帯域光源から発光された光の前記少なくとも一部が、前記複数のサンプル・ボリュームの前記それぞれから反射される、請求項４２に記載の装置。
【請求項４７】
前記光結合手段が１つまたは複数の光ファイバを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４８】
前記２次元ＩＲ検出器アレイがＩｎＳｂ焦平面アレイである、請求項４２に記載の装置。
【請求項４９】
前記２次元ＩＲ検出器がＭＣＴを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項５０】
前記プロセッサ手段がパーソナル・コンピュータである、請求項４２に記載の装置。
【請求項５１】
移動部品を使用せずに動作することができる非干渉装置を使用して、複数のサンプル・ボリュームのＩＲスペクトルを同時に決定する方法であって、
ＩＲ源を提供することと、
前記複数のサンプル・ボリュームを光路に配置することと、
前記ＩＲ源の発光の少なくとも一部を、前記光路に沿って前記複数のサンプル・ボリュームと相互作用させて、複数のサンプル発光を形成することと、
前記複数のサンプル発光を光分散させて、対応する複数の分散サンプル・ビームを形成することと、
上に画素の行および列を有する焦平面アレイの上の空間分離領域上において、前記複数の分散サンプル・ビームのそれぞれを検出することと、
前記焦平面アレイの各空間分離領域からの組合わせ出力を評価することによって、前記複数のサンプル発光のそれぞれの前記ＩＲスペクトルを同時に非干渉的に決定することとを備え、
前記空間分離領域の１つにおける画素の各列が、前記複数のサンプル発光の関連する１つの内部に含まれる波長を表す方法。
【請求項５２】
前記複数の分散サンプル・ビームにおいて波長の範囲を制御するために、前記複数のサンプル発光の光分散を調節することをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記空間分離領域の前記１つにおける画素の前記各列において、複数の画素出力を合計することによって、信号対雑音比を増大させることをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
環境背景の基準スペクトルを同時に評価することと、
前記環境背景の前記基準スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記ＩＲ源のスペクトルを同時に評価することと、
前記ＩＲ源の前記スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
環境背景の基準スペクトルを同時に評価することと、
前記環境背景の前記基準スペクトルを相殺するように、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲスペクトルを訂正することとをさらに備える、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記複数のサンプル・ボリュームにおいて１つまたは複数のシグナシュア官能基を識別するために、前記複数のサンプル発光のそれぞれの前記ＩＲスペクトルを処理することと、
前記１つまたは複数のシグナシュア官能基が、前記複数のサンプル発光のいずれか１つに見られる場合、警報を可能にすることとをさらに備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
生物に特有の試薬を上に有する背景対象物を提供することと、
前記生物に特有の試薬を、前記１つまたは複数のシグナシュア官能基を含むサンプル・ボリュームと反応させることとをさらに備える、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
請求項４２に記載の装置を使用して、前記複数のサンプルのそれぞれのＩＲ吸収スペクトルを決定することによって、前記複数のサンプルの化学分析を実施する方法であって、
前記広帯域光源の発光の少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームの上に投影することと、
前記広帯域光源の発光の前記少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームと相互作用させることと、
対応する複数のサンプル発光を光分散要素に提供することと、
複数の対応する分散サンプル・ビームを形成することと、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームを前記２次元ＩＲ検出器アレイの上に光学結合することとを備え、
前記複数の対応する分散サンプル・ビームのそれぞれが、前記２次元ＩＲ検出器アレイの異なる領域において多数の行の上に投影され、
さらに、前記２次元ＩＲ検出器アレイの各異なる領域内において、検出器の複数の行にある各検出器からの出力を非干渉的に処理し、検出器の各列が、各異なる領域内の特定の波長を表すことと、
前記各検出器からの処理済み出力を評価することによって、前記複数のサンプルのそれぞれの前記ＩＲ吸収スペクトルを決定することと、
前記処理済み出力を１つまたは複数の基準規格と比較することによって、前記複数のサンプルのそれぞれの化学組成を少なくとも部分的に分析することとを備える方法。
【請求項６０】
前記広帯域光源と、前記光分散要素と、前記２次元ＩＲ検出器アレイとを、少なくとも投影、相互作用、結合、形成、および光学結合の前記ステップ中に、少なくとも互いに相対的に静止しているように維持することをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記各異なる領域内の各列において複数の検出器出力を合計することによって、信号対雑音比を増大させることをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記光学結合ステップが光ファイバ結合を含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記投影が、前記広帯域光源の前記発光の前記少なくとも一部を前記複数のサンプル・ボリュームに光ファイバ結合することを含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記広帯域光源の発光の前記少なくとも一部を、背景基準サンプルにおいて生物に特有の試薬と相互作用させることと、
特定の官能基を有する生物学的有害物質と反応する前記生物特有試薬から得られるＩＲ吸収変化を前記背景基準サンプルにおいて検出することと、
前記背景基準サンプルにおいて前記ＩＲ吸収変化が検出された場合、警報を可能にすることとをさらに備える、請求項５９に記載の方法。
【請求項６５】
前記複数のサンプルの１つまたは複数の前記ＩＲ吸収スペクトルから、前記複数のサンプルの前記１つまたは複数の少なくとも１つの物理的属性を決定することをさらに備え、
前記少なくとも１つの物理属性が、本質的に実時間で連続的に決定される請求項５９に記載の方法。
【請求項６６】
少なくとも１つの物理的属性を前記決定することが、前記複数のサンプルの１つの分子配向を決定することを含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記複数のサンプルの前記１つの分子配向を前記決定することが、前記複数のサンプルの前記１つに関連する２つの直交偏光サンプル発光を比較することによって少なくとも部分的に達成される、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記複数のサンプルの前記１つがポリマー膜である、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
少なくとも１つの物理的属性を前記決定することが、膜の厚さを実時間で測定することを含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
１つまたは複数のサンプルについて、ＩＲスペクトル情報を同時に収集、処理、および表示する装置であって、
複数のＩＲ光源と、
少なくとも１つの光分散要素と、
複数の光路と、
ＩＲ  ＦＰＡと、
前記ＩＲ焦平面アレイの出力を処理して、前記ＩＲスペクトル情報を決定する処理手段と、
前記ＩＲスペクトル情報を表示するディスプレイ手段とを備え、
前記複数のＩＲ光源のそれぞれが、前記１つまたは複数のサンプルに対する異なる入射角度を呈示し、
前記複数の光路のそれぞれが、複数の反射ＩＲビームの関連する１つを前記ＩＲ  ＦＰＡ上の異なる空間領域に向ける装置。
【請求項７１】
前記複数のＩＲ光源のそれぞれが異なる強度を有する、請求項７０に記載の装置。
【請求項７２】
前記複数の光路の少なくとも１つが偏光要素を含む、請求項７０に記載の装置。
【請求項７３】
前記複数の光路の少なくとも１つが光ファイバ結合を含む、請求項７０に記載の装置。
【請求項７４】
前記処理手段が、前記ＩＲ  ＦＰＡ上の前記異なる空間領域から決定されたＩＲスペクトル情報からポリマー単一層の分子配向を決定する、請求項７０に記載の装置。
【請求項７５】
材料の非等方ＩＲ光学定数を決定する方法であって、
基板を提供することと、
垂直ではない入射角度で、ＩＲ光源を前記基板の表面上に投影することと、
前記ＩＲ光源の第１透過部分に前記基板を透過させることと、
前記ＩＲ光源の前記第１透過部分を光路を経てＦＰＡ上の第１領域の上に結合することと、
膜材料を前記基板の上に提供することと、
垂直ではない入射角度で、前記ＩＲ光源を前記膜材料の表面上に投影することと、
前記ＩＲ光源の第２透過部分に前記膜材料および前記基板を透過させることと、
前記ＩＲ光源の前記第２透過部分を前記光路を経て前記ＦＰＡ上の第２領域の上に結合することと、
前記光路においてミラーを回転させて、前記ＦＰＡ上の前記第２領域を前記ＦＰＡ上の前記第１領域と一致するように移動させることと、
前記ミラーの回転角度を測定することによって、前記膜材料内における屈折角を決定することとを備える方法。
【請求項７６】
前記膜材料の屈折率および吸光係数を計算することをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
基板を前記提供することが、既知の光学特性を有する誘電体基板を提供することを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
膜材料を前記基板の上に前記提供することが、前記基板の上に吸収された単一層膜を提供することを含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
複数の垂直ではない入射角度で、前記ＩＲ光源を前記基板の表面上に投影することと、
前記複数の垂直ではない入射角度のそれぞれについて、前記ミラーの前記回転角度を測定することによって、前記膜材料内における前記屈折角を決定することとをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
偏光ＩＲ放射を前記膜材料および前記基板を通して投影することと、
前記膜材料内において方向特有の屈折角を決定することと、
前記膜材料の方向特有複素屈折率を計算することとをさらに備える、請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
前記膜材料の少なくとも１つの分子基の配向を計算することをさらに備える、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
基板上の薄膜の配向を測定する構成であって、
ＩＲ源と、
前記ＩＲ源からのＩＲ光ビームを受光する２つの直交偏光フィルタと、
ＰＡＩＲ検出器と、
プロセッサとを備え、
前記２つの直交偏光フィルタから発光される２つの直交偏光ＩＲビームが、前記薄膜から反射されて、前記ＰＡＩＲ検出器によって検出され、
微分反射スペクトルが、前記プロセッサによって計算され、
前記微分反射スペクトルに、水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めてあらゆる偏光非依存信号がほぼ含まれていない構成。
【請求項８３】
前記ＰＡＩＲ検出器がＩｎＳｂ  ＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８４】
前記ＰＡＩＲ検出器がＭＣＴ  ＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８５】
前記ＰＡＩＲ検出器がマイクロボロメータＦＰＡを含む、請求項８２に記載の構成。
【請求項８６】
前記プロセッサが、前記計算された微分反射スペクトルを使用して、前記薄膜の分子配向を決定する、請求項８２に記載の構成。
【請求項８７】
基板上の薄膜の配向を決定する方法であって、
ＩＲ源を提供することと、
前記ＩＲ源から２つの直交偏光ビームを生成することと、
前記薄膜から前記２つの直交偏光ビームを反射することと、
ＰＡＩＲ検出器で、前記２つの反射直交偏光ビームを検出することと、
前記２つの反射直交偏光ビームを使用して、前記プロセッサにおいて微分反射スペクトルを計算し、前記微分反射スペクトルに、水蒸気吸収、機器のドリフト、および信号の変動を含めてあらゆる偏光非依存信号がほぼ含まれていないこととを備える方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
以前に記述した制限にもかかわらず、ＩＲＲＡＳまたはＰＭ−ＩＲＲＡＳの技術は、脂肪酸、リン脂質、およびリン脂質−たんぱく質の単一層の研究を含めて、様々なラングミュア単一層の調査に使用されてきた。脂質構造、分子傾斜角度、および頭部の構造、ならびにたんぱく質の２次構造および配向に関する情報を提供するために、この技術が使用された。しかし、ＩＲＲＡＳもＰＭ−ＩＲＲＡＳも（両方ともＦＴＩＲを使用する）、１ｍｓから１ｓの時間領域ではラングミュア単一層のその場での時間分解測定を提供することはできず、また、既知の技術のいずれも、複数の独立した測定を同時に提供することはできなかった。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
この実施形態の一態様では、ＩＲ検出器３７０は、たとえばＩｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造されているＭｅｒｌｉｎ  Ｍｉｄモデルなど、３〜５μｍの波長範囲に感度のあるＩｎＳｂカメラとすることが可能である。そのような検出器には、３０μｍ画素ピッチを有する３２０×２５６画素ＩｎＳｂ検出器と、３．０〜５．０ミクロン可変コールド・フィルタと、１秒当たり１５、３０、または６０フレーム（ｆｐｓ）（最小限）のユーザ選択可能フレーム率と、４時間の最低保持時間を有する液体窒素冷却デュワーと、雑音等価温度差ＮＥΔＴ＜２０ｍケルビンと、１０μｓから１６．６ｍｓのユーザ選択可能積分時間と、補正された非一様性＜０．１％とが含まれる。この範囲のＩｎＳｂ検出器は、可搬性を向上させるために、熱電的に冷却することも可能である。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
他の態様では、ＩＲ検出器３７０は、モデルＭｅｒｌｉｎ  ＵｎｃｏｏｌｅｄとしてやはりＩｎｄｉｇｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造されているマイクロボロメータ・カメラとすることが可能である。この特定のカメラは、７．５〜１３．５ミクロン・スペクトル領域において５１ミクロン画素ピッチを有する３２０×２４０画素マイクロボロメータ検出器を含む。１５、３０、または６０ｆｐｓ（最低）のユーザ選択可能フレーム率が利用可能である。この装置は、ＩｎＳｂカメラとは対照的に、３１３Ｋにおいて熱電的に（ＴＥ）安定であり、雑音等価温度差ＮＥΔＴ＜１００ｍケルビンを有し、１〜４８μｓのユーザ選択可能積分時間を有する。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
さらに、他の実施形態では、水銀カドミウム・テルル化物ＨｇＣｄＴｅ（「ＭＣＴ」）アレイをＩＲ検出器３７０として使用することが可能であり、これにより、ＩｎＳｂおよびマイクロボロメータの装置と比較して、感度および帯域幅が改善された。現在、そのようなアレイは、製造がいくらか困難であり、他の利用可能なＩＲ検出器より高価である。６０００Ｈｚの最大フレーム率を有する利用可能なＭＣＴ  ＦＰＡを使用して、１７０μｓごとに単一ビーム・スペクトルを収集することが可能であり、１０μｓ程度に短い積分時間が達成可能である。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１１】
このタイプのアプリケーションでは、「実時間」は、初期設定からサンプリングおよび分析を通して１秒未満であると見なされることが好ましく、５００ｍｓ未満であると見なされることがより好ましく、２０ｍｓ未満であることがよりいっそう好ましい。このタイプの応答時間は、従来の走査および干渉技術と比較して、好ましい結果を提供する。さらに、「実時間」検出は、それが行われている際にプロセスを連続的に監視する能力を意味することがより好ましい。収集されたデータ・セットまたはデューティ・サイクル間の時間領域は、一般に、５〜１００μｓの範囲にある。




【国際調査報告】
2005504980.tif 000097