(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバプローブアセンブリであって、
第１の光学系及び第２の光学系を収容するハウジングと、
搬送導光部であって、前記導光部の近位端部に配置された放射光源から、前記導光部の遠位端部に配置された前記第１の光学系に、励起放射光を伝送する１つ又は複数の搬送光ファイバを備え、前記第１の光学系は１つ又は複数の第１の光学素子を備え、当該１つ又は複数の第１の光学素子は、前記励起放射光から、実質的にコリメートされた光照射ビームを形成する、搬送導光部と、
前記搬送導光部によって伝送された励起放射光が前記第１の光学系の退出面を介して退出するように、前記第１の光学系上にフィットされて、前記第２の光学系から前記第１の光学系と前記搬送導光部を光学的に分離する、光学的に不透明な管状スリーブと、を備え、
前記第２の光学系は、サンプルから散乱された光学的放射光を集めて当該光学的放射光を集光ビームに成形する１つ又は複数の第２の光学素子を備え、前記１つ又は複数の第２の光学素子は、前記集光ビームをコリメートして、コリメートされた集光ビームを生成するコリメート光学素子と、前記コリメートされた集光ビームの焦点を合わせて、焦点が合わせられた集光ビームを生成して、前記焦点が合わせられた集光ビームを集光導光部に結合するフォーカス光学素子とを備え、前記集光導光部は、前記焦点が合わせられた集光ビームを受けて当該焦点が合わせられた集光ビームを分析器に伝送する１つ又は複数の集光光ファイバを備え、
前記第１の光学系と前記第２の光学系の、開口数、オブジェクトサイズ、動作距離、スポットサイズ、及び焦点深度のうちのいずれも独立に設定され、前記第１の光学系と前記第２の光学系は、特定の適用例に適合するべく、前記第１の光学系の放出円錐と前記第２の光学系の受容円錐とが実質的に重なるように、前記ハウジング内に配置される、
光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項２】
前記光学的に不透明な管状スリーブは、前記第１の光学系の中心軸から前記第２の光学系の外周面に、前記搬送導光部を向かわせて支持する、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項３】
前記１つ又は複数の第２の光学素子は、前記コリメート光学素子と前記フォーカス光学素子との間に配置された１つ又は複数のフィルタ素子を更に備える、
請求項２記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項４】
前記１つ又は複数の第１の光学素子は、前記励起放射光をコリメートして、前記コリメートされた光照射ビームを生成するコリメート光学素子と、前記コリメートされた光照射ビームの焦点を合わせるフォーカス光学素子とを備える、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項５】
前記１つ又は複数の第１の光学素子は、前記コリメート光学素子と前記フォーカス光学素子との間に配置された１つ又は複数のフィルタ素子を更に備える、
請求項４記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の光学系の前記１つ又は複数の第１の光学素子は、屈折型光学レンズ及び勾配インデックス型光学レンズから選択される、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項７】
前記第２の光学系のサンプル面に配置された光学的に透明なウィンドウ素子を更に備え、
前記ウィンドウ素子は前記サンプルによって散乱された前記光学的放射光を受け、前記サンプルから前記光ファイバプローブアセンブリを分離する、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項８】
前記搬送導光部は、用いられる前記励起放射光に適したカットオフ波長を有するシングルモード光ファイバを備える、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項９】
前記搬送導光部、前記集光導光部、又は前記搬送導光部と前記集光導光部の両方は、マルチモード光ファイバを備える、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項１０】
前記集光導光部は、平行の束状に配置された複数のマルチモード光ファイバを備える、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項１１】
前記集光導光部の近位端部において剛体終端部を更に備え、
前記集光導光部の個々の光ファイバは、前記分析器に結合するように、隣り合った線形配列で配置される、
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１記載の光ファイバプローブアセンブリを備え、
前記放射光源は、前記搬送導光部の近位端部と光学的に連絡し、
前記分析器は入射開口を有する分光器と放射光検出器とを備え、前記入射開口は前記分光器のオブジェクト平面に配置されて前記集光導光部の近位端部に結合され、前記放射光検出器は前記分光器の像平面に配置される、
分光測定システム。
【請求項１３】
前記入射開口は、長方形形状を有し、１次元方向に長い、
請求項１２記載の分光測定システム。
【請求項１４】
前記集光導光部は、前記集光導光部の遠位端部において密に六方充填された円形の束状に配置され、且つ前記集光導光部の近位端部において密に充填された線形配列で配置された、複数の同様の種類の光ファイバを備える、
請求項１２記載の分光測定システム。
【請求項１５】
前記光ファイバプローブアセンブリのサンプル面において配置された光学的に透明なウィンドウを更に備える、
請求項１２記載の分光測定システム。
【請求項１６】
前記第２の光学系の入力開口数は、前記第１の光学系の前記コリメートされた光照射ビームによって生成される光照射ボリュームと、弱く散乱するサンプルからの測定に適する、前記第２の光学系の集光ボリュームとの実質的な重なりを生成するように、選択される、
請求項１２記載の分光測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバプローブに関する。光ファイバプローブはレンズ及びフィルタを有し得、同軸であるが光学的に分離されて独立した２つのビーム経路を有し得る。
【背景技術】
【０００２】
物質の迅速且つ信頼性のある化学的分析は、多くの産業における重要な要求である。多くの現在利用可能な分析技術は、光学的放射光のサンプルされる物質とのインタラクションを含み、サンプルの分子は、入射する放射光からのエネルギのうちの少なくとも一部を吸収する。このエネルギはこの場合、拡散反射（略瞬間的な、同一波長の強力な信号）、ラマン散乱（略瞬間的な、わずかにシフトされた波長の、非常に弱い信号）、及び蛍光発光（時間遅延した、経時的に減衰する、比較的長い波長の弱い信号）によって、再び放出されることができる。
【０００３】
ラマン分光法は、特に、化学的な分析及びモニタリングに適する。ラマン周波数シフトは分子振動に対して固有のものである。ラマンスペクトルにおける特定のピークの存在は、特定の分子結合を示し、従って特定の分子を「フィンガープリント（特性によって識別）」する。ラマンピークの強度は、その分子の化学的濃度に比例する。そのため、ラマン分光法は、質的、及び適切な較正を用いて量的の両方の面でサンプル組成を決定ために使用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４５７３７６１号
【特許文献２】米国特許第５４２０５０８号
【特許文献３】米国特許第５１１２１２７号
【特許文献４】米国特許第５３７７００４号
【特許文献５】米国特許第５６１５６７３号
【特許文献６】米国特許第５９５３４７７号
【特許文献７】米国特許第６０３８３６３号
【特許文献８】米国特許第７６４７０９２号
【特許文献９】米国特許第６４１１８３８号
【特許文献１０】米国特許第６７６０６１３号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｆ．Ｃｏｏｎｅｙ，  ｅｔ．  ｅｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｒｏｓｃ．  ５０（７），８３６−８４８（１９９６）
【非特許文献２】Ｔ．Ｆ．Ｃｏｏｎｅｙ，，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．  ５０（７），８４９−８６０（１９９６）
【非特許文献３】Ｉ．Ｒ．Ｌｅｗｉｓ，  ａｎｄ  Ｐ．Ｒ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．  ５０（１０），１２Ａ−３０Ａ（１９９６）
【非特許文献４】Ｕ．Ｕｔｚｉｎｇｅｒ，  ａｎｄ  Ｒ．Ｒ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ−Ｋｏｒｔｕｍ，  Ｊ．  Ｂｉｏｍｅｄ．  Ｏｐｔ．  ８，１２１−１４７（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
化学的分析の多くの適用例は、水性のサンプルを含む。水は、大抵のラマンシフトが生じるスペクトル領域において、非常に低い吸収性を有するため、ラマン分光法はこれらの適用例に適する。ラマン分光法はまた、いかなる特定のサンプル調整も必要とすることなく、また（例えばバイアルを介して）非侵襲的に用いられることが可能である。そのため、特に光ファイバサンプリングと組み合わせられるとき、生物医学、環境及びプロセス制御の適用例における測定に理想的である。
【０００７】
溶融シリカガラス（溶融石英ガラス）に基づいたものを含む光ファイバは、分光測定の実施に有用である。光ファイバは、非常に長い距離にわたって光学的放射光を効率的に伝送し、また光ファイバによって、測定されるべきサンプルから測定機器を減結合（デカップリング）することによって、例えば有害な環境において、リモート測定が可能となる。コア直径、開口数、及び伝送距離等の光ファイバの設計パラメータは、サンプル及び使用する機器の両方の特性に最も適合するように選択可能である。光ファイバのサイズと可撓性により、（例えば、環境モニタリング、インラインプロセス制御、又はインビボの生物医学の適用例における）制限された空間における小さなサンプルの測定が可能である。光ファイバは、レンズ、フィルタ、ミラー等の付加的なコンポーネントとともに、適用例に特定の光ファイバプローブの中にパッケージ化可能である。
【０００８】
分光器、前部光学部品、ファイバ束、及びリモートファイバプローブを備える典型的なラマン分光法システムにおいて、全体的なスループット（又は「エテンデュ」）を決定するものは、通常分光器かファイバ束かのいずれかである。結果として、分光器によって後に捕獲されることとはならない光を集めることに、有利な点は無い。しかしながら、リモートプローブの設計は、分光器及びファイバ束の能力に最も適合するように最適化可能である。
【０００９】
従って、リモート分光法のための光ファイバプローブの設計において、数ある中でも、以下のような幾つかの因子を考慮することが関係している：後方散乱された放射光の効率的な集光（スループット）；励起放射光の効率的な阻止；レイリー散乱、及び有用な集められた信号を多くの場合において圧倒するファイバそれ自身からのシリカラマン等の、スプリアス信号に対処する必要性；及びプローブからシステムの他の部分への最適な結合。
【００１０】
光ファイバラマン設計が知られており、この設計では、１つの光ファイバが励起放射光をサンプルに搬送して、１つ又は複数の集光ファイバが、集められた信号を分析機器に導く。集光ファイバは、励起光ファイバの周囲を囲む１つ又は複数の同心円のリング状に平行に配列され、その結果、それらのそれぞれの放出円錐と集光円錐との間の重なりが少なく、励起放射光が最も強力である励起光ファイバに近い位置に、重なりが無いゾーンが生じる。米国特許第４５７３７６１号（特許文献１）（ＭｃＬａｃｈｌａｎ）には、プローブ先端においてファイバを傾斜させることによって、重なりが無いゾーンを縮小させる設計が開示される。米国特許第５４２０５０８号（特許文献２）（Ｏ’Ｒｏｕｒｋｅ）には、重なりを改善して重なりが無いゾーンを縮小するために、角度を付けて研磨することが開示されている。
【００１１】
これらの設計は、小型であり且つ頑強である一方、幾つかの欠点を有する。励起ビームは搬送ファイバを退出すると拡がるため、サンプル上の測定領域は適正に広いが、それと同時に励起放射光の密度は低い。結果として、プローブの有用な焦点深度（depth of focus）は制限される。更に、集光ファイバは、（有用な）ラマン信号をピックアップし、またラマン信号を通常圧倒するレイリー散乱された励起放射光をピックアップする。また更に、励起放射光の、溶融シリカ（石英ガラス）とのインタラクションは、長いファイバにわたって蓄積するシリカラマン信号を発生する。数メートルの長さのプローブに対して、シリカラマンは、集められるスペクトルデータの主要な成分になる。これらの問題点は、プローブにおいて付加的な光学的コンポーネントを用いて励起ビームと集光ビームの両方を操作及びフィルタリングすることによって、ある程度にまで軽減可能であり、従って集められる信号の品質が改善される。一般的に、そのような付加的な光学的コンポーネントを組み込むプローブは、励起光ファイバ面をサンプル上のスポットに結像（イメージ）させ次いでそのスポットを集光ファイバに再び結像させることによって機能し、従って当該プローブは、イメージングプローブと呼ばれる。
【００１２】
可能な限りサンプルの近くでフィルタリングを実行することは有利である。従来のアプローチでは、励起ビーム経路の端部の近くに配置されたナローレーザバンドパス（狭レーザ帯域通過）コンポーネントと、サンプルと集光ビーム経路の間に配置された阻止コンポーネントとが用いられる。レーザ帯域通過は、単一周波数レーザ放射光のみがサンプルに搬送されることを確実にするが、同時に、ファイバからの、レイリー散乱された光はもちろんシリカラマン信号は、反射されてファイバに戻るか、システムから退出するかのいずれかである。サンプルとの励起放射光のインタラクションの後、後方散乱された信号は、シフトされていないレイリー散乱された励起光とシフトされたラマン信号との両方を含む。レイリー信号は相対的に非常に強力であり（通常、数桁大きい）、集光ビーム経路に侵入することが防止されるべきある。これは、ノッチパスフィルタ又はロングパスフィルタ等の数種類のコンポーネントを用いて達成可能である。
【００１３】
幾つかの従来技術の設計は、以下のレビュー論文において検討されている：
Ｆ．Ｃｏｏｎｅｙ，  ｅｔ．  ｅｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｒｏｓｃ．  ５０（７），８３６−８４８（１９９６）（非特許文献１）、
Ｔ．Ｆ．Ｃｏｏｎｅｙ，，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．  ５０（７），８４９−８６０（１９９６）（非特許文献２）、
Ｉ．Ｒ．Ｌｅｗｉｓ，  ａｎｄ  Ｐ．Ｒ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ，  Ａｐｐｌ．  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．  ５０（１０），１２Ａ−３０Ａ（１９９６）（非特許文献３）、及び
Ｕ．Ｕｔｚｉｎｇｅｒ，  ａｎｄ  Ｒ．Ｒ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ−Ｋｏｒｔｕｍ，  Ｊ．  Ｂｉｏｍｅｄ．  Ｏｐｔ．  ８，１２１−１４７（２００３）（非特許文献４）。
【００１４】
米国特許第５１１２１２７号（特許文献３）（Ｃａｒｒａｂａ，ｅｔ  ａｌ．；図１参照）は、複数の光学的コンポーネント（励起放射光をクリーンアップするバンドパスフィルタ、それら２つのビーム経路を合成するダイクロイックフィルタ、及び集められた信号からシリカラマンを除去するロングパスフィルタ）を組み込んで、集められた信号から不要な散乱を選択的に除去する設計を教示する。この設計は、効率的に狭帯域（ナローバンド）の励起放射光をサンプルに伝送し且つ広帯域（ワイドバンド）の波長を集光経路に反射する、非常に高い性能を有するダイクロイックフィルタを必要とする。そのようなコンポーネントは製造が難しく、またそれらの性能は波長によって変化して、観測されるラマンピークの相対的な強度に影響を及ぼす。プローブの物理的なレイアウトはまた、プローブを、産業用及び実験用に許容可能な、しかし生物医学的なインビボの動作に実用的ではない、適正な大きさにする。
【００１５】
米国特許第５３７７００４号（特許文献４）（Ｏｗｅｎ  ｅｔ  ａｌ．；図２）は、サンプルと合致した集光ビーム経路を有し、且つ横から主要なプローブ軸に折り曲げられた励起光経路を有するプローブ設計を教示する。ビーム合成素子は、狭帯域上では高い反射性を有する必要があり、またそれ以外の帯域上では透過性を有する必要がある。プローブは複数のホログラフィック光学素子を用いて、ビームをフィルタリングして合成する。
【００１６】
米国特許第５６１５６７３号（特許文献５）（Ｂｅｒｇｅｒ，ｅｔ  ａｌ．）は、非常に低い信号が観測される、生物医学の適用例に使用可能な、設計を教示する。集光効率を改善するために、付加的なパラボラコンポーネントは、大きな角度の拡がりを有する集光された放射光を、集光ファイバの受容角度と適合する略平行なビームに変換するプローブの前に配置される。トレードオフは、集光束がより大きくなり、機器入力における更なる再形成を要することである。
【００１７】
米国特許第５９５３４７７号（特許文献６）（Ｗａｃｈ，ｅｔ  ａｌ．）は、光ファイバラマンプローブに適用可能な多くの技術を教示する。特に、特許文献６は、集光ファイバが部分的に研磨されて反射層でコーティングされるプローブ設計を開示し、当該プローブ設計は、それらの集光円錐をファイバ軸から離れて成形するために、また従って励起光ボリュームと集光ボリュームとの間の重なりを改善する（同時に、重なりが無いデッドスペースを略なくす）ためになされ、その結果、斜面プローブ設計よりも信号強度が５倍改善される。プローブはまた、コーティングがファイバ上に直接施された小さな複数のフィルタ素子を組み込み、小型のパッケージにおけるフィルタリングされたプローブの、幾つかの利点を提供する。しかしながら、現在の技術では、光ファイバ面上に高い性能を有するフィルタを製造することは難しい。また、それらフィルタは、それらが光ビームを収束させるように配置されるため、機能するが最適ではない。従って、これらのプローブは、イメージングプローブの性能に適合することができない。
【００１８】
米国特許第６０３８３６３号（特許文献７）（Ｓｌａｔｅｒ，ｅｔ  ａｌ．；図３）は、低減されたバックグラウンド発光を用いたプローブを開示する。これは、励起ビームにおいてプローブ光学経路に折り曲げられる、中心において小さな反射開口を有する、集光ビームに配置された透過結合器を導入することによって、達成される。前述のイメージングプローブ設計とは異なり、ビーム合成は、（拡大されたビームにおいて離れた光の一部をフィルタリングすることによって）振幅の点で行われないが、（プローブ開口の一部を塞ぐことによって）波面によって行われる。
【００１９】
米国特許第７６４７０９２号（特許文献８）（Ｍｏｔｚ，ｅｔ  ａｌ．；図４）は、集光のためのドーナツ型のロングパスフィルタと、励起光フィルタリングのための非常に小さな円形のバンドパスフィルタとを備えた統合フィルタを用いた非イメージングプローブ設計を開示する。ビームステアリングは、プローブ先端においてボールレンズを追加することによって達成される。プローブ全体は２ミリメートル（ｍｍ）未満の直径を有し、内視鏡的な医学的な適用例の使用に適合する。
【００２０】
上述のイメージングプローブにおいて、重ねられた励起ビームと集光ビームは、通常の最終レンズ素子を用いて、サンプル上に焦点が合わせられる（フォーカスされる）。この装置は、プローブから同一の距離だけ離れた位置においてそれら２つのビームの焦点が合わせられることを要し、その結果、励起ボリュームと集光ボリュームとの間の最適な重なりがもたらされる。
【００２１】
これらのプローブの全体的なスループットは、多くの場合、使用される分光器の（口径比、又はＦ値「Ｆ／＃」によって特徴付けられる）集光能力か、（開口数「ＮＡ」によって特徴付けられる）集光ファイバの受容角度によってか、のいずれかによって制限される。原理上、分光器への効率的な結合のために、集光ファイバの受容円錐は、分光器の受容円錐に適合される必要がある。これは、集光光学部品の口径比がファイバに適合される必要があるため、プローブそれ自体の設計に影響を及ぼす。最速の商用の分光器は、１．８の「Ｆ／＃」を有する。０．２８の「ＮＡ」に適合する光ファイバが利用可能であるが、０．２２の「ＮＡ」を有するファイバ（２の「Ｆ／＃」に等価）よりも一般的ではない。そのような低い「Ｆ／＃」を有する撮像系を構成するには、マルチレンズアセンブリが必要である。従って、従来の設計では、励起光チャネルによって光照射される体積（ボリューム）と、同一の光学部品が後方散乱された信号を集めることができる立体角と、その集められた光の分光器への結合との間に、トレードオフがある。
【００２２】
従来のイメージングプローブ設計では、励起光経路と集光経路は個々のファイバにおいて経路が定められ、励起ビームと集光ビームは、プローブ本体内で拡大されて重ねられる。それらの重なりを達成するために、ダイクロイックフィルタ、ナローバンドパスフィルタ、回折格子、部分的な開口ミラー等のビーム合成コンポーネントが用いられる。集められた信号の一部の損失は、上で検討された全てのプローブ設計において発生する。また、複数の光学経路が重ねられるために、励起放射光は散乱されてプローブ内に戻り、そのバックグラウンドレベルを増加させる。
【００２３】
その２つの光学経路が分離されて独立するアプローチは、米国特許第６４１１８３８号及び米国特許第６７６０６１３号（特許文献９及び特許文献１０）（Ｎｏｒｄｓｔｒｏｍ  ｅｔ  ａｌ．）に開示されている。このシステムは、光学的に分離された光放出光学系と集光光学系の、実質的に同軸且つ共焦点の構成を使用する。光照射系と検出系は、励起光系が光照射系内で中央遮光を形成するように、同軸に配置され、結果として、光照射系の像平面において信号がない中央のスポットがもたらされる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、光ファイバプローブに関する。光ファイバプローブは、レンズ及びフィルタを備え得る。また光ファイバプローブは、同軸であるが光学的に分離され独立した、２つのビーム経路を有し得る。本光ファイバプローブは、リモートの分光法に用いられ得る。
【００２５】
本発明の目的は、改善された光ファイバプローブを提供することにある。
【００２６】
本発明によれば、光ファイバプローブアセンブリが提供される。本光ファイバプローブアセンブリは、第１の光学系及び第２の光学系を収容するハウジングと、導光部の近位端部に配置された放射光源から第１の光学系に、励起放射光を伝送する１つ又は複数の搬送光ファイバを備える搬送導光部と、を備える。第１の光学系は１つ又は複数の第１の光学素子を備え、当該１つ又は複数の第１の光学素子は、励起放射光から、実質的にコリメートされた光照射ビームを形成する。光ファイバプローブアセンブリは更に、搬送導光部によって伝送された励起放射光が第１の光学系の退出面を介して退出するように、第１の光学系上にフィットされて、第２の光学系から第１の光学系と搬送導光部を光学的に分離する、光学的に不透明な管状スリーブを備える。第２の光学系は、サンプルから散乱された光学的放射光を集めて当該光学的放射光を集光ビームに成形する１つ又は複数の第２の光学素子を備える。光ファイバプローブアセンブリは更に、集光ビームを受けて当該集光ビームを分析器に伝送する１つ又は複数の集光光ファイバを備える集光導光部を備える。第１の光学系と第２の光学系は、第１の光学系の放出円錐と第２の光学系の受容円錐とが実質的に重なるように、ハウジング内に配置される。
【００２７】
本開示はまた、１つ又は複数の第２の光学素子が、集光ビームをコリメートして、コリメートされたビームを生成するコリメート光学素子と、コリメートされたビームを集光導光部に焦点を合わせるフォーカス光学素子とを備える、上述の光ファイバプローブを提供する。１つ又は複数の第２の光学素子は、コリメート光学素子とフォーカス光学素子との間に配置された１つ又は複数のフィルタ素子を更に備え得る。
【００２８】
本発明は、１つ又は複数の第１の光学素子が、励起放射光をコリメートして、コリメートされた光照射ビームを生成するコリメート光学素子と、コリメートされた光照射ビームの焦点を合わせるフォーカス光学素子とを備える、上述の光ファイバプローブを提供する。１つ又は複数の第１の光学素子は、コリメート光学素子とフォーカス光学素子との間に配置された１つ又は複数のフィルタ素子を更に備え得る。また更に、第１の光学系の１つ又は複数の第１の光学素子は、屈折型光学レンズ及び勾配インデックス型光学レンズから選択され得る。
【００２９】
上述の光ファイバプローブは、第２の光学系のサンプル面に配置された光学的に透明なウィンドウ素子を更に備え得る。当該ウィンドウ素子はサンプルによって散乱された光学的放射光を受け、サンプルから光ファイバプローブを分離する。
【００３０】
上述の光ファイバプローブは、搬送導光部、集光導光部、又は搬送導光部と集光導光部の両方は、マルチモード光ファイバを備える。集光導光部はまた、平行の束状に配置された複数のマルチモード光ファイバを備え得る。光ファイバプローブはまた、集光導光部の近位端部において剛体終端部を備え得る。この場合、集光導光部の個々の光ファイバは、光分析装置に結合するように、隣り合った線形配列で配置される。
【００３１】
本発明はまた、分光測定システムを提供する。この分光測定システムは、
光ファイバプローブアセンブリを備え、当該光ファイバプローブアセンブリは、第１の光学系及び第２の光学系を収容するハウジングと、導光部の近位端部に配置された放射光源から第１の光学系に、励起放射光を伝送する１つ又は複数の搬送光ファイバを備える搬送導光部と、を備え、第１の光学系は１つ又は複数の第１の光学素子を備え、当該１つ又は複数の第１の光学素子は、励起放射光から、実質的にコリメートされた光照射ビームを形成し、光ファイバプローブアセンブリは更に、搬送導光部によって伝送された励起放射光が第１の光学系の退出面を介して退出するように、第１の光学系上にフィットされて、第２の光学系から第１の光学系と搬送導光部を光学的に分離する、光学的に不透明な管状スリーブを備え、第２の光学系は、サンプルから散乱された光学的放射光を集めて当該光学的放射光を集光ビームに成形する１つ又は複数の第２の光学素子を備え、光ファイバプローブアセンブリは更に、集光ビームを受けて当該集光ビームを分析器に伝送する１つ又は複数の集光光ファイバを備える集光導光部を備え、
放射光源は、搬送導光部の近位端部と光学的に連絡し、
分析器は、入射開口を有する分光器と、放射光検出器とを備え、入射開口は、分光器のオブジェクト平面に配置され、集光導光部の近位端部に結合され、放射光検出器は、分光器の像平面に配置される。
【００３２】
上述の分光測定システムの入射開口は、長方形形状を有し、１次元方向に長くともよい。また更に、集光導光部は、集光導光部の遠位端部において密に六方充填された円形の束状に配置され、且つ集光導光部の近位端部において密に充填された線形配列で配置された、複数の同様の種類の光ファイバを備え得る。分光測定システムは更に、第１の光学系のコリメートされた光照射ビームによって生成される光照射ボリュームと、弱く散乱するサンプルからの測定に適する、第２の光学系の集光ボリュームとの重なりを生成し、第２の光学系の低い入力開口数によって特徴付けられ得る。
【００３３】
上述の分光測定システムは、光ファイバプローブ本体のサンプル面において配置された光学的に透明なウィンドウを更に備え得る。
【００３４】
本開示は光ファイバプローブに関連し、ここで、励起光チャネルと集光チャネルは完全に光学的に分離されて迷光を低減させ、またフィルタコンポーネントは最適な性能のためにコリメートされたビーム経路に配置される。光ファイバプローブは、同軸に配置された、光学的に分離され独立した、以下の２つの光学系を備える：（１）励起放射光、例えばレーザ放射光を、サンプルに搬送する励起光系；及び（２）サンプルとのインタラクションの後の散乱された放射光、例えばラマン信号を、集光束に結合する集光系。
【００３５】
焦点距離、スポットサイズ、及び焦点深度は、励起光系と集光系の両方に対して、独立に設定可能であり、プローブ全体のスループットと効率は最適化される。励起ビームと集光ビームは、プローブ本体それ自身の外側で重ねられ、また重なりの程度は、適切な光学的コンポーネントを選択することによって適用例毎に制御可能である。
【００３６】
本開示はまた、集光光学系と励起光光学系とを減結合（デカップリング）することにより「エテンデュ管理」に関連する。「エテンデュ」は、観測されるオブジェクトが入射瞳において可視である立体角と瞳領域との積として、光学系の基本的な放射光集光能力を表す。それは、システムスループットの制限因子である。放射光が制限されるシステムにおいて、エテンデュを維持するために、通常細心の注意が払われる。多くの光学系は幾つかのパーツから成るため、光学系全体の性能は、最も高いエテンデュを有するパーツによって制限される。集光系は、一連のモジュール（プローブ光学部品、ファイバ束、結合光学部品、分光器、検出器等）として見なされることが可能であり、励起光系は、もう１つの一連のモジュール（放射光源、結合光学部品、搬送ファイバ、プローブ光学部品等）として見なされることが可能である。本開示は、これらの光学系の両方の、独立した最適化に関連する。
【００３７】
多くのサンプルにおけるラマン散乱は、方向性のない作用（ラマンシフトされた放射光は全方向に等しく散乱される）であり、従って、プローブ内の放射光のスループットは、主として、サンプル上のスポットサイズ及び受容角度に依存する。一般的に、分光器システム全体のスループットは、集光系によって制限される。幾つかの状況では、略コリメートされた励起ビームに、励起放射光がサンプルとインタラクトする体積を増加させて、より大きな立体角から放射光を集めることを可能とすることは有利であり得る。本開示の光ファイバプローブはこれを可能にし、例えば、Ｆ／８レンズを用いて低速で励起ビームの焦点を合わせることで、またより大きな直径のより高速なＦ／２レンズを用いてより広いボリュームから信号を集めることでこれを可能にする。他の種類のサンプルに対しては、励起放射光を小さなスポットにタイトに焦点を合わせさせることは有利であり得、依然として大きな立体角から光を集めることが可能である。この構成はまた、本開示を用いて可能である。
【００３８】
本開示において、２つのビーム経路は、減結合（デカップリング）されて、互いに独立する。例えば、２つのチャネルは同心円状であり且つ互いに平行であり得、このとき励起光チャネルが集光チャネルの前部コンポーネントにおける開口を介して退出する。この構成を用いると、集光レンズ系は従って、部分的に遮光される（中央の遮光部）。
【００３９】
この遮光は瞳空間において発生するため、遮光は、（集光束端面に位置する）集光系の像平面においては不可視である。中央の遮光部は、レイリー散乱された励起放射光が集光経路に入射することを阻止する。これは、プローブバックグラウンド全体を低く保ち、高反射性を有するサンプルに対して有用である。中央の遮光部は、バッフルとしての機能を果たし、また、励起ビームと集光ビームとの間に重なりがない、プローブの前部におけるデッドゾーンを作り出す。このゾーン内に配置されるオブジェクト、例えばプローブ先端における保護用ウィンドウ、又はキュベットの壁等のオブジェクトは、プローブには不可視となる。たとえラマン信号が励起放射光に曝されたときにこのオブジェクトによって発生されたとしても、そのラマン信号はプローブによって集められる。これにより、コンテナの内側の測定が可能となり、例えば、コーティングを介したピルの内部等の、固体オブジェクトの内側の深度サンプリングが可能となる。
【００４０】
中央の遮光部は集められた信号を低減させるが、同時に、励起光チャネルの直径に対する集光チャネルの直径の比率が増加するに伴って、遮光によって阻止される信号の割合は急激に減少する。
【００４１】
励起ビームと集光ビームが重なる、重なりのゾーンは、最終レンズ素子からの所定の距離だけ離れた位置から始まる。高速の集光光学部品（Ｆ／＃が２以下）が用いられる状況において、重なりのゾーンは、両方の光学系（励起光系と集光系）の焦点面に近づき始め、浅くなり得、その深度は、スポットサイズそれ自身と同等であり得る。これにより、サンプルの薄層のみから信号が検出可能である、プローブの「準共焦点」の使用が可能となる。
【００４２】
本開示の集光光学系は撮像系であるため、それは、集光ファイバ束の入力面において、焦点が合わせられるスポットの像をプローブが作り出すこととなる。サンプルの所定の領域からのラマン散乱された放射光は、集光光学部品の像平面の特定の区画（パッチ）において、従って特定のファイバに、焦点が合わせられることとなる。複数のファイバが十分に小さなサイズを有し、且つ集光束内におけるそれらの位置が撮像分光器の入射スリットにおけるそれらの位置に相関がある場合、サンプルのスペクトルマップが再び生成可能である。
【００４３】
本明細書に記載のように、励起放射光は、１つ又は複数の、例えば単一の、光ファイバによって、プローブに搬送される。このファイバは、集光チャネル光学系の外側のチャネルを介して経路が定められ、次いで集光チャネルの中央に折り曲げられる。必要とされる空間を最小化するとともに励起光ファイバの鋭い曲がりを可能にするために、励起光ファイバは、要求される形状に曲げられた小さな直径を有する光学的に不透明なチューブに収容される。当該チューブは幾つかの目的を果たす：チューブは、曲げられたファイバを適切な位置に保持し、機械的な衝撃からファイバを保護し、またプローブの残りの部分からファイバを光学的に分離する。
【００４４】
励起ビーム経路の分離は、例えば、プローブの本体の至るところで、種々の部分を光学的に不透明な材料で覆うことによって、達成される。励起光ファイバは、出力端面まで、光学的に不透明な小さな直径のチューブの内側で経路が定められる。励起光ファイバからの光漏れはこの場合更に、励起光経路光学アセンブリのための、付加的な光学的に不透明なフェルールと、より大きな光学的に不透明なハウジングとによって、阻止される。光学的に不透明な光吸収する接着剤は、アセンブリの至るところで使用される。
【００４５】
本明細書に記載の光ファイバプローブは、それ自身の小型化に直ちに役立つ。例えば、いかなる方法においても限定するものとして解釈されるべきでないが、プローブは、４ミリメートルの全体的な直径及び３０ミリメートルの剛体長さを有し得る。当業者の１人に理解され得るように、より長いバージョンのそのようなプローブが、必要に応じて、励起光ファイバと集光ファイバ上の剛体チューブの付加的な部分を追加することによって、製造され得る。あるコンポーネントのサイズの縮小は、例えば、２ミリメートル以下、１ミリメートル以下、若しくは０．５ミリメートル以下、又はそれらの間の任意の値の全体的なプローブ直径を達成するように用いられ得るが、これらに限定されない。そのようなサイズにおいて、プローブの剛体部分は、例えば、１０ミリメートル未満の長さ、５ミリメートル未満の長さ、若しくは２ミリメートル未満の長さ、又はそれらの間の任意の値の長さであり得るが、これは限定するものとして見なされるべきではない。従って、インビボの内視鏡の適用例が可能となる。
【００４６】
スループットの更なる改善につながる本開示のもう１つの態様は、プローブの遠位端部における集光ファイバの、分光器の入射スリットに密接に対応する線形配列での配列である。これにより、全ての集光ファイバからの放射光が分光器に確実に入射できる。
【００４７】
更なるファイバはまた、線形配列に追加可能であり、線形配列は、参照又は較正の目的を果たすことができ、例えば、レーザ出力を定量化し又は適切な波長較正が常時達成されることを確実にする目的を果たすことができる。
【００４８】
本明細書に記載の光ファイバプローブにおける搬送（第１の）光学系と集光（第２の）光学系の各々は、集光ビームをコリメートして、コリメートされたビームを生成する光学素子と、コリメートされたビームの焦点を合わせるフォーカス光学素子とを備える。搬送光学系では、焦点が合わせられたコリメートされたビームはサンプル上に向けられ、同時に集光光学系では、コリメートされたビームは集光導光部に焦点が合わせられる。これらの光学素子の間の間隔は、必要に応じて、適切にビームの焦点を合わせるように（すなわち、サンプル上に、及び集光導光部に向けて）調整され得る。第１の光学系と第２の光学系はまた、コリメート光学素子とフォーカス光学素子との間に配置されたフィルタ素子を備え得る。
【発明の効果】
【００４９】
本明細書に記載のようにレンズ及びフィルタを有する光ファイバプローブは、同軸であるが光学的に分離され独立した、２つのビーム経路を備える。これらのプローブは、励起光光学経路と集光光学経路を分離することによって、光散乱分光測定の改善された制御を提供し、その結果、励起光光学経路と集光光学経路は、所与の適用例のために、独立に最適化可能である。
【００５０】
本明細書において説明される基礎となる原理は、リモート分光測定の種々の方法に簡単に適応されることが可能である。
【００５１】
本明細書に記載の光ファイバプローブは、励起光光学経路と集光光学経路を分離することによって、光散乱分光測定の制御を提供し、その結果、励起光光学経路と集光光学経路は、所与の適用例のために、独立に最適化可能である。
【００５２】
コンポーネントの構築及び組み合わせを含む、光ファイバプローブのこれらの及び他の特徴は、更に後述される。本明細書に記載の光ファイバプローブを実施する特定の装置及びシステムは、例示の目的のためのみのものであり、限定するものとして見なされるべきでないということが理解される。光ファイバプローブの原理及び特徴は、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの多様な実施形態において用いられ得る。
【００５３】
本発明のこの要旨は必ずしも、本明細書の全ての特徴を説明するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
本発明のこれらの及び他の特徴は、添付の図面が参照される以下の説明から、より明らかとなる。
【図１】従来技術の光ファイバプローブの模式図を示す（米国特許第５１１２１２７号（特許文献３）；Ｃａｒｒａｂａ，ｅｔ  ａｌ．）。
【図２】従来技術のプローブの模式図を示す（米国特許第５３７７００４号（特許文献４）；Ｏｗｅｎ，ｅｔ  ａｌ．）。
【図３】従来技術のプローブの模式図を示す（米国特許第６０３８３６３号（特許文献７）；Ｓｌａｔｅｒ，ｅｔ  ａｌ．）。
【図４Ａ】従来技術のプローブの複数の模式図を示す（米国特許第７６４７０９２号（特許文献８）；Ｍｏｔｚ，ｅｔ  ａｌ．）。図４Ａはプローブの端部の縦断面図を示す。
【図４Ｂ】従来技術のプローブの複数の模式図を示す（米国特許第７６４７０９２号（特許文献８）；Ｍｏｔｚ，ｅｔ  ａｌ．）。図４Ｂはプローブの横断面図を示す。
【図５Ａ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図５Ｂ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図５Ｃ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図５Ｄ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図５Ｅ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図５Ｆ】光ファイバを変更して光ファイバの受容円錐を変化させることの効果と、励起光円錐と集光円錐との重なりの概念を示す図である（更なる詳細については明細書参照）。
【図６】本開示の光ファイバプローブの非限定的な実施例の模式図を示す。
【図７】近似的に縮尺して示され、励起ビームが実質的にコリメートされる、本開示の光ファイバプローブの非限定的な実施例の断面図を示す。
【図８Ａ】本開示の励起光光学サブシステムの代替の実施形態の模式図を示し、励起ビームを拡大して焦点を合わせる種々の方法を示す。
【図８Ｂ】本開示の励起光光学サブシステムの代替の実施形態の模式図を示し、励起ビームを拡大して焦点を合わせる種々の方法を示す。
【図８Ｃ】本開示の励起光光学サブシステムの代替の実施形態の模式図を示し、励起ビームを拡大して焦点を合わせる種々の方法を示す。
【図９Ａ】エテンデュの原理と、集光角度とスポットサイズに対する集光レンズ焦点距離の短縮の効果とを説明する模式図を示す。
【図９Ｂ】エテンデュの原理と、集光角度とスポットサイズに対する集光レンズ焦点距離の短縮の効果とを説明する模式図を示す。
【図９Ｃ】エテンデュの原理と、集光角度とスポットサイズに対する集光レンズ焦点距離の短縮の効果とを説明する模式図を示す。
【図１０Ａ】分光器入力スリットのサイズを近似する線形のスリット形式の集光ファイバ束の分光器の端部の形成の利点を説明する模式図を示す。
【図１０Ｂ】分光器入力スリットのサイズを近似する線形のスリット形式の集光ファイバ束の分光器の端部の形成の利点を説明する模式図を示す。
【図１０Ｃ】分光器入力スリットのサイズを近似する線形のスリット形式の集光ファイバ束の分光器の端部の形成の利点を説明する模式図を示す。
【図１１】一般的な光ファイバラマンプローブを特徴とする典型的なラマン分光法システムのブロック図を示す。
【図１２Ａ】集光束からの一連のファイバを、線形の出力スリット内の連続した複数の位置にマッピングすることによって撮像分光法を実行する方法の模式図を示す。
【図１２Ｂ】集光束からの一連のファイバを、線形の出力スリット内の連続した複数の位置にマッピングすることによって撮像分光法を実行する方法の模式図を示す。
【図１３Ａ】種々の測定要求のための構成された本開示の光ファイバプローブの幾つかの代替の実施例の模式図を示す。
【図１３Ｂ】種々の測定要求を満たすために構成された、本開示の光ファイバプローブの幾つかの代替の実施例の模式図を示す。
【図１３Ｃ】種々の測定要求を満たすために構成された、本開示の光ファイバプローブの幾つかの代替の実施例の模式図を示す。
【図１３Ｄ】種々の測定要求を満たすために構成された、本開示の光ファイバプローブの幾つかの代替の実施例の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明は、光ファイバプローブに関する。光ファイバプローブはレンズ及びフィルタを有し得、同軸であるが光学的に分離され独立した、２つのビーム経路を有し得る。
【００５６】
好ましい実施形態について以下に説明する。
【００５７】
示される見出しは、本発明の種々の実施形態を限定することを意味しない。「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」等の用語は、限定することを意味しない。また、単数形の使用は複数形を含み、また「又は」の記載は、特に明記しない限り「及び／又は」を意味する。本明細書において特に定義されない限り、本明細書で用いられる技術的用語及び科学的用語は、当業者の１人によって一般的に理解される用語と同一の意味を有する。
【００５８】
本発明は、第１の光学系及び第２の光学系を備える光ファイバプローブアセンブリを提供する。第１の光学系と第２の光学系は、光学的に分離されて、個別の光学的コンポーネントを備える。第１の光学系は励起放射光をサンプル表面に搬送し、搬送導光部を備える。当該搬送導光部は、導光部の近位端部に配置された放射光源から第１の光学系に、励起放射光を伝送する１つ又は複数の搬送光ファイバを備える。搬送導光部は、励起放射光から、実質的にコリメートされた光照射ビームを形成する、１つ又は複数の第１の光学素子と光学的に連絡する。光学的に不透明な管状スリーブは、第１の光学系上にフィットされて、第２の光学系から第１の光学系及び搬送導光部を光学的に分離し、更に搬送導光部によって伝送された励起放射光が、第１の光学系の退出面を介して退出すること及びコリメートされた光照射ビームの経路に配置されたサンプルとインタラクトすることを可能にする。第２の光学系は、サンプルから散乱された光学的放射光を集めて当該光学的放射光を集光ビームに成形する１つ又は複数の第２の光学素子を備える。集光ビームは、１つ又は複数の集光光ファイバを備える集光導光部を介して、分析器に伝送される。第１の光学系と第２の光学系は、第１の光学系の放出円錐と第２の光学系の受容円錐とが実質的に重なるように、ハウジング内に配置される。
【００５９】
図１は、米国特許第５１１２１２７号（特許文献３）（Ｃａｒｒａｂａ  ｅｔ  ａｌ．）に開示される光ファイバラマンプローブの従来技術の設計を示す図である。励起放射光１３は、光学的照射ファイバ１０を介してプローブに入射し、レンズ２０によってコリメートされて、そして斜めに配置されたフィルタ９０上に当たる。このフィルタの機能は、励起光源波長を中心とした狭帯域波長を透過させることと、全ての他の波長を反射することであり、従ってこのフィルタによって、励起放射光によってファイバの内側で発生された全てのスプリアス放射が阻止される。フィルタリングされた励起放射光９４は次いで、第１のフォーカスレンズ３０を通過して、サンプル１００上に当たる。サンプルからの後方散乱光１０４はレンズ３０によって集められてコリメートされて、コリメートされて後方散乱された励起放射光３２を形成し、再び、斜めに配置されたフィルタ９０とインタラクトする。このとき、コリメートされて後方散乱された励起放射光９６はフィルタを通過して直進する。その一方で、シフトされたラマン放射７６は、フィルタの透過帯域パスの範囲から外れており、第２のフィルタ素子８０に向かう方向に反射される。第２のフィルタ素子８０は、第１のフィルタ９０とは逆の機能を有し、すなわち、第２のフィルタ素子８０は、励起光波長を中心とした狭帯域波長を反射し、且つ当該帯域外の放射光を透過させる。従って、集められた信号の残りの励起放射光成分は更に減衰される。集められたラマン信号は、プリズム７０によって折り曲げられて、コリメートされた信号放射ビーム７２を生成し、また第２のフォーカスレンズ６０によって集光ファイバ５０に結合される。
【００６０】
この構成では、光照射ファイバ１０と集光ファイバ５０とは平行であり、単一のケーブルにおいて一緒に経路が定められることができる。また更に、励起放射光１３とフィルタリングされた励起放射光９４（集合的に励起光経路）がサンプル１００と合致した状態で、且つ集光経路が、シフトされ減衰された励起放射光７２を含み折り畳まれた状態で、複数の光学経路は、この設計において部分的に重ねられる。そのような配置は、狭い透過帯域を有する、非常に高い性能を有する広帯域リフレクタ（フィルタ９０）を必要とし、このようなリフレクタは、ビームに対して傾斜したポジションで配置される必要があるがプローブ内の迷光を増加させる、目的を達成することが困難なコンポーネントである。
【００６１】
図２には、米国特許第５３７７００４号（特許文献４）（Ｏｗｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）に記載の従来技術の装置が示されている。この構成では、集光経路はサンプルと合致し、また励起光経路は集光経路に折り曲げられる。この構成の場合、狭帯域ホログラフィックリフレクタ（フィルタ）９０が、励起ビーム１３を集光経路に折り曲げるために用いられる。このコンポーネント（９０）は、図１に示す設計に比較してより効率的に、励起放射光１３を反射し、その結果、より多くフィルタリングされた放射光９４がサンプルに搬送される。戻り経路上において、集められた放射光はリフレクタ９０を通過し、ここで、励起光波長９４の周辺の狭帯域のみが阻止されて励起光ファイバに向かう方向に戻され、集められシフトされたラマン信号７６は集光ファイバ５０に向けられる。そのような構成において、付加的な素子が追加されて、信号品質を更に改善してもよい。当該付加的な素子は例えば、全ての残りの励起光を更に除去して、実質的にラマンシフトされた放射光７２のみを通過させる、ホログラフィックノッチフィルタ８５である。
【００６２】
図３は、米国特許第６０３８３６３号（特許文献７）（Ｓｌａｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）に記載の従来技術の装置を示す。この構成では、励起ビーム１３は拡がりがより小さく、反射コンポーネント９２を用いて集光経路に折り曲げられる。当該反射コンポーネント９２は例えば、それら２つのビームが開口を共有するが上述の設計のように大きさを共有しないように透過性ウィンドウ９８上の集光経路の中心に配置された、ミラー又はプリズムである。
【００６３】
図４には、Ｍｏｔｚ  ｅｔ  ａｌ（米国特許第７６４７０９２号（特許文献８））によって教示される従来技術の装置が示されている。この設計において、励起光ファイバ１０は、小さなシリンダ形状のナローバンドパスフィルタ１２に隣接する。励起光チャネルは、光学的に不透明なチューブ６２によって、プローブの残りの部分から、光学的に分離される。複数の集光ファイバ５０は、リング形状のナローバンドロングパスフィルタ８０に隣接する。励起光チャネルは、ロングパスフィルタの中央の孔を介して導かれる。ビームのステアリングと重なりは、ボールレンズ３０を用いることによって達成される。同一のボールレンズが使用されて、励起光エネルギをサンプルに伝送し、且つサンプルからの散乱された放射光を集める。プローブ全体は、光学的に不透明な外面チューブ６４内にパッケージ化される。
【００６４】
図１１は、ブロック図においてリモートラマン分光器システムの主要なコンポーネントを、当該システムの種々の位置におけるスペクトル成分とともに示す。励起放射光は、単一周波数レーザ１５０によって生成されて、励起光ファイバ１０に結合される。そのファイバへの入力において、励起放射光は、スペクトル１１が示すように、実質的に１つの波長における放射光を含む。ファイバ１０を通過する間、レーザ放射光は溶融シリカガラス（溶融石英ガラス）とインタラクトし、その結果、スペクトル１４において元の励起光波長の周辺の更なる複数のピークとして表されるシリカラマン信号が得られる。放射光は次に、レーザ線を中心とする狭帯域波長のみを通過させ且つ全ての他の波長を反射するバンドパスフィルタ４０を通過し、その結果、元のレーザ出力に実質的に類似するスペクトル１６が得られる。通常ビームを拡大して所望のサイズと動作距離に再び焦点を合わせる励起光光学部品２１を通過した後、ビームはサンプル１００上に当たり、このサンプル１００上において関心のラマン信号が発生される。この信号は集光光学部品３２によってピックアップされ、集光光学部品３２はピックアップされた信号をコリメートする。集められた信号は、スペクトル１８に示すように、ラマン信号に加えて、元のレイリー散乱されたレーザ放射光から成る。一般的に、レイリー散乱は、ラマン信号よりも、数桁大きい強度を有する。集光ファイバに入射することが許された場合、それはこの場合、サンプルからのラマン信号に影響を及ぼすことなく除去することが難しい更に多くのシリカラマンを発生する。従って、集められた放射光は次にレーザ阻止フィルタ８２を通過する。ここで、このレーザ阻止フィルタ８２は、励起光線を中心とした狭帯域を効果的に阻止して、スペクトル２２に示す集められたラマン信号のみを通過させる。この信号は次に、集光ファイバ５０に結合されて、分析のために分光器２００に導かれる。
【００６５】
図５Ａ〜５Ｆは、非撮像ファイバプローブに対する集合の概念及び励起光円錐の重なりを示す図である。図５Ａは、コア１０とクラッド１５を有する標準的な光ファイバを示す。そのようなファイバに結合される光（そのファイバの受容円錐全体は満たされていると仮定する）は、対称的な発散円錐における端面（ファイバの軸１７に対して９０度で平坦に研磨されていると仮定する）から退出することとなる。発散の角度１６は、ファイバそれ自身の開口数（ＮＡ）によって決定される。
【００６６】
次に、図５Ｂに示すように、軸から、（９０度未満の）所定の角度２４でファイバの端面が傾斜するように、角度が付けられて斜めにそのファイバが研磨されているとき、そのファイバはプリズムと同様に作用し、出力円錐は最終的に、軸から離れてより鋭い先端に向かう方向に傾斜する。出力はもはや対称的ではなく、軸に対して傾斜して角度１９から離れて、平坦な研磨されたファイバにおける場合よりも緩やかに発散する。これにより、所定の角度のビームステアリングが可能となる。
【００６７】
傾斜角度２４が縮小する（そのためファイバの先端はより鋭くなる）と、放射光がもはやファイバ内に閉じ込められることができず側部を介して漏出し始める段階に至る。それを閉じ込めるために、図５Ｃに示すように、反射コーティング９が、部分的に研磨されたファイバに施されることが可能である。放射光はそのコーティングに反射して、更にいっそう傾斜され且つ平坦化された円錐において、平坦面５を介して退出する。
【００６８】
図５Ｄ〜５Ｆは、放出ボリュームと集光ボリュームの重なりの概念を説明し、重なりを操作する方法を示す図である。例えば、図５Ｄは、搬送ファイバ１０が水平にハッチングされた領域２３を光照射する、同様の種類の複数のファイバから成る平坦なファイバ束の標準的な配置を示す。複数の集光ファイバ５０は通常、搬送ファイバの周囲にリング状に配列されるが、明確にするために、励起光ファイバのすぐ隣に２つのファイバのみが図示されている。集光ファイバはそれぞれ、図において斜めのハッチングで示される受容円錐３４及び４２を有する。円錐がそれぞれのファイバから離れて発散するにつれて、それらは互いに重なり始める。以下の幾つかの異なる領域が観察可能である：励起光円錐２３との重なりが無い領域と、集光ファイバのうちの１つの円錐が励起光円錐に交わる、部分的な重なりの２つの領域５４及び６１と、最後に、より濃いハッチングによって示されるように全ての３つの円錐が交わる、二重の重なりの領域９１。これは、発生されたラマン信号が最も効率的に捕獲される領域である。この領域がファイバからの所定の距離において始まり、放射光の伝搬の方向に拡大し続けることは明白である。残念ながら、関心の信号は最も高い励起放射光密度を有する領域において最も効率的に発生され、当該領域は励起光ファイバ端面のすぐ近接した位置にある。
【００６９】
図５Ｅは、上述の図５Ｂの検討において説明されたように、角度を付けて斜めに複数の集光ファイバ５０を研磨して、且つ中央のファイバに最も近い位置に全ての鋭い点があるように、平坦な研磨された励起光ファイバ１０の周囲にリング状に、複数の集光ファイバ５０を配列することによって提供される、改善を示す。（斜めのハッチングで再び示される）集光円錐３４及び４２はこの場合、励起光ファイバの軸に向かう方向に傾斜し、その結果、重なりが無いゾーンが縮小される。他の一重の重なりのゾーン５４，５３，６１，及び６３は、より小さく、且つ励起光ファイバ１０のより近くに位置する。この例では、二重の重なりのゾーン９１は有限の体積を有する。この構成では、前述の構成よりも深度が良好に区別されて、サンプルから、非常に多くの信号を集めることができる。
【００７０】
図５Ｆは、図５Ｃに対して上で検討されたように、部分的に角度を付けて斜めに複数の集光ファイバ５０を研磨して、且つ反射表面９を有する傾斜面をコーティングすることによって提供される、更なる改善を示す図である。この例では、二重の重なりのゾーンは、図５Ｅにおいて示すものに比較して、より小さく、また励起光ファイバ１０の端面により近く位置付けられ、従って、発生される信号の量が増加する。集光円錐３４及び４２は、制限された距離上でのみそれらが励起光円錐２３と交わるような角度で傾斜し、その結果、プローブの深度感度が明確に制限される。全ての重なりの領域５４，５３，６１，６３，及び９１は、図５Ｄ〜５Ｅにおいて示した前述の場合よりも小さい。
【００７１】
図６は、本開示における一例の光学的レイアウトの模式図を示す。この実施形態特に、ラマン分光法測定のために構成され、この構成の基礎となる設計原理は、他の測定法にも同様に適用可能である。それらの方法のうちの一部は、例えば、フィルタを全く必要としない場合、又は他の種類のフィルタを必要とする場合があり得る。特定のフィルタ又は他の光学素子の選択が本開示の範囲に影響を及ぼさないことは、関連する技術分野の知識を有する者に明らかである。
【００７２】
励起放射光１３は、搬送導光部（励起光ファイバ）１０によって、プローブに搬送される。当該導光部は、任意の適切な種類の１つ又は複数の光ファイバを備えてもよく、好ましくは、当該導光部は、溶融シリカ（溶融石英ガラス）の、マルチモードステップインデックス型ファイバである。そのコア直径は、励起光のために用いられる光源によって発生された放射光を透過させることに適する必要があり、一般的に１０マイクロメートル（μｍ）と１５００マイクロメートルとの間にある値又はそれらの間の任意の値であり、例えば、１０，２０，２５，３０，４０，５０，７５，１００，１５０，２００，２５０，３００，３５０，４００，４５０，５００，５５０，６００，６５０，７００，７５０，８００，８５０，９０，１０００，１１００，１２００，１３００，１４００，１５００マイクロメートル、又はそれらの間の任意の値であり、開口数は、０．０６と０．５３の間の値であり、又はそれらの間の任意の値であり、例えば、０．０６，０．１１，０．１６，０．２２，０．２６，０．２８，０．３４，０．３７，０．３９，０．４８又はそれらの間の任意の値であり、ここでコア直径と開口数は、要求されるスポットサイズがサンプルにおいて発生可能であるような組み合わせである。他の種類の導光部はまた、所望の励起光スペクトル成分及び用いられる光源によって決まる通りに用いられてもよく、ここで他の種類の導光部は例えば、シングルモードファイバ、フォトニック結晶ファイバ、溶融シリカ（溶融石英ガラス）とは異なる材料で製造されたファイバ、及びそのようなファイバの束、並びに同様のものであるが、これらに限定されない；これら代替の導光部は本開示の範囲内に含まれる。
【００７３】
搬送導光部１０は、（破線１４０によって輪郭が描かれた）集光光学系の外側に沿って経路が定められ、また導光部をプローブの中央に導くように適切に形成され（例えば９）、従ってそれは、実質的に集光系の中央に位置し、また実質的に集光系の光軸１３０と同軸である。一実施形態において、励起光マルチモードファイバを形成する方法は、当該励起光マルチモードファイバを小さな直径のチューブに収容してそのチューブを適切なＳ字形状に曲げることである。しかしながら、曲げられたファイバの代わりに、１つ又は複数の光折り曲げ（フォールド）素子、１つ又は複数の反射素子、又は１つ又は複数の導波部を使用すること等の、他のアプローチは、当業者に簡単に明らかとなるであろう。
【００７４】
現時点では、導光部１０は、（破線１２０によって輪郭が描かれた）光学的に分離する管状ハウジングに覆われた励起光光学系に結合される。導光部１０によって搬送された励起ビーム１３は発散して、コリメート素子２０上に当たる。次に、コリメートされたビームは、送導光部１０内で発生されたスプリアスシリカラマン信号を除去するバンドパスフィルタ４０を横切る。ラマン測定のために構成されたプローブを使用するとき、フィルタ４０は推奨されるが、他の方法を使用するときこの素子は任意選択で用いられ得、ここで上記他の方法は、例えば、光散乱分光法、蛍光分光法、反射分光法、（経時的に信号変化をモニタリングする）時間に基づいた測定、及び同様のものを含むが、これらに限定されない。励起ビームは次に、フォーカス素子３１を通過して、立体角２８を満たし且つサンプル１００上のスポット１０２を光照射するビームに焦点が合わせられる。図示の例では、励起光光学系１２０全体は、その光学的に不透明な管状ハウジング７４に収容され、集光光学系１４０の前部光学素子３３において実現された適切なサイズの円形開口３５に配置される。この方法では、２つの光学系が光学的に分離される。従って、励起ビームの光学経路は、それとインタラクトすることなく集光光学経路の一部を通過する。
【００７５】
当業者によって認識され得るように、第１の集光素子３３における円形開口は、多数の処理方法によって実現可能であり、ここで上記多数の処理方法は例えば、レーザ加工、超音波フライス（ミリング）、ダイヤモンド掘削、化学的エッチング、及び他の方法を含むが、これらに限定されない。等価な素子はまた、組立時において円形開口を有するリング形状のコンポーネントを一体的に形成する２つ以上の断片的なパーツから、組立可能である。
【００７６】
図示の実施形態では、搬送チャネルは実質的に集光チャネル内で同軸に配置されるが、このことは必須条件ではない。幾つかの測定方法は、軸から外れた光照射を要求し得る。その場合、開口孔３５は、集光光学系の第１の集光素子（前部光学素子３３）の物理的な拡がりの範囲内のどこにも配置可能であり、その機械的な軸は、集光光学系の光軸に平行である必要はない。
【００７７】
図示の例では、第１の集光素子３３における円形開口３５は、集光系において中央遮光領域を形成する。本開示における他の複数の実施形態では、光ファイバプローブの物理的寸法は重要でなく、集光素子の領域全体に対する遮光領域の相対的なサイズを最小化する必要はない場合がある。例えば、１０ミリメートルの直径を有する素子における１ミリメートルの直径を有する孔は、領域全体の１パーセントだけを占め、全体的なスループットへの影響は無視可能である。しかしながら、インビボの内視鏡検査等の小型化された実施形態が必要とされ得る適用例のために、開口の寸法に対する実際の制限はあり得る。孔のサイズは特に、励起光チャネルコンポーネント及びバンドパスフィルタの直径によって決定される。
【００７８】
内視鏡の適用例のために、通常約２ミリメートルの直径を有する標準的な内視鏡器具チャネルに挿入可能なプローブを有することが望まれる。実際のプローブは、わずかにより小さくあるべきであり、例えば１．８ミリメートル、１．０ミリメートル、又は０．５ミリメートルであるべきである。２つのチャネルの間の分離を考慮に入れて、５００マイクロメートルの直径を有する励起光チャネルがフィットし得る孔は、約７００マイクロメートルであり得、その結果、集光領域全体の１５パーセントの遮光因子がもたらされる。
【００７９】
他の技術によって、適切な性能を有する更に小さなフィルタの良好な製造が可能である。超高速レーザ微細加工は、数ある中でも特にこの技術分野において多くの可能性を有する。本明細書における開示は、特定のサイズ又は測定と関係があるわけではない。
【００８０】
次に、図６を再び参照して、励起放射光がサンプル１００とインタラクトして、その結果として散乱された複数の光子が全方向に向かって放出される実施形態が示される。リング形状の素子３３は、立体角３８からの後方散乱された励起放射光とともに、散乱された信号を集めて、それをコリメートする。信号は、励起光阻止フィルタ８２を通過し、集光導光部５０に焦点が合わせられる。集光導光部は、搬送導光部１０において用いられるものと類似の種類の１つ又は複数の光ファイバを備え得るが、より多くのファイバを含んでもよい。これらのファイバはまた、必要に応じて、異なるコア直径と開口数を有し得る。
【００８１】
図示の実施形態では、全てのコリメート素子及びフォーカス素子２０，３１，３３，及び６０は、アクロマティックダブレットレンズである。しかしながら、多くの代替の光学的コンポーネントから同等な性能が得られることができることは、当業者に明らかとなる。ここで、上記代替の光学的コンポーネントは例えば、非球面レンズ、ボールレンズ、グリン（ＧＲＩＮ）レンズ、回折光学部品、ホログラフィック光学素子、湾曲ミラー、及び同様のもの等を含むが、これらに限定されない。性能の改善のために、ダブレットレンズのうちの幾つかはまた、トリプレットレンズ又は顕微鏡対物レンズ等の、より複雑な複合レンズと交換可能であり得る。この場合においても、そのような変更は、本開示の範囲内にある。
【００８２】
図６に示す実施形態では、２つの光学ビーム経路が分離されるため、それら２つの光学ビーム経路は、それらのスループットを最適化するように、独立に個別に構成可能である。それら２つのビームは、サンプルにおける同一のサイズのスポット１０２に焦点が合わせられる。しかしながら、それら２つのビームの角度の拡がりは異なり得る。搬送チャネル（光照射ファイバ１０）において、搬送光学系１２０の複数の構成パラメータは、サンプル上の光照射スポット１０２の像が搬送導光部領域と発散角度に適合するように、選択可能である。
【００８３】
集光側では、集光光学系１４０の複数のパラメータは、サンプル上の光照射スポット１０２の像が、集光束領域と集光角度に適合するように、選択可能である。
【００８４】
また、可能性のある集光円錐の中央部分が搬送チャネルによってブロックされる（中央で遮光される）ため、集光光学部品は、この可能性のある集光円錐の中央部分をピックアップしない、ということが理解可能である。これは集められた信号の量を低減させるが、上で検討されたように、それはまた、レイリー後方散乱された励起放射光が集光光学部品に入射することを阻止して、それら２つのビームの重なりのゾーンを、共通の焦点スポットの近傍の小さなボリューム（体積）に制限する。
【００８５】
更なる利点は反射するサンプルに関して存在し、この反射するサンプルは、通常の光照射に関しては、励起放射光のかなりの部分を放射光源に向かう方向に向けて戻す。本実施形態では、この放射光の後方反射された一部は搬送チャネル上に当たるが集光チャネル上には当たらず、そのためプローブバックグラウンド信号が更に低減される。
【００８６】
本明細書に記載の中央が遮光されるシステム設計のもう１つの特徴は、「分離（スタンドオフ）」の要件である。遮光によって作り出されるデッドゾーンから、いかなる信号も集められることはできないため、本明細書に記載のプローブは、搬送系及び集光系とサンプルとの間の所定の最小の距離を要求する。これにより、パッケージ又はコンテナが本質的にプローブでは見えないまま、所定の距離におけるサンプルからのみ信号が集められるコンテナ又はバイアルを介した測定が可能となる。
【００８７】
また、中央の遮光部及び曲げられたファイバチューブは、集光光学部品の瞳空間に配置されるため、それらは集光導光部の入力面において鮮明な像を形成しないが、むしろ束に到達する光束全体を減少させるということに注意すべきである。その結果、均一な光照射は、集光導光部を通過して、次いで分光器の入射スロットを一様に光照射することができる。
【００８８】
光学的に不透明な管状スリーブは、第２の（集光）光学系の前部コンポーネントを貫通して縦孔に配置され、その孔の中心軸は実質的に第２の光学系の中心軸と同一線上にあり、また光学的に不透明な管状スリーブの遠位端部は実質的に前部コンポーネントの前部表面と一致し、そのため、光学的に不透明な管状スリーブは第２の光学系の後部コンポーネントを部分的に遮光して、その結果、サンプルによって鏡面反射された光照射ビームの一部は第１の（搬送）光学系に戻るように進行して第２の光学系によって集められることはなく、従って、プローブのバックグラウンド信号が更に低減される。
【００８９】
プローブは、サンプルからプローブ本体を分離するために、集光光学系、搬送光学系、又は集光光学系及び搬送光学系の両方と、サンプルとの間に配置された、中心軸及び厚さを有する光学的に透明なウィンドウ素子を更に備え得る。
【００９０】
当業者の１人に明らかであるように、上述の光学プローブ設計は、サンプルからスペクトル情報を決定するための特定の目的と適用例のために使用され得る。例えば、プローブは、インラインプロセス制御等の、産業上の適用例における使用に適応可能である。プローブはまた、快適ではない条件、放射線、有害化学物質、及び感染性因子を含む、過酷な又は有害な環境における適用例に適応され得る。プローブはまた、インビボの内視鏡検査、又は医学的診断の適用例のためのカテーテルの使用等の、制限された空間における使用に適応され得る。
【００９１】
本開示において説明された光学プローブ設計はまた、蛍光測定又は反射測定等の、散乱光を含む他の種類の光の測定を含む適用例に適応され得る。関連する技術分野の技術を実践する者であれば、本実施形態の励起光源及び光学フィルタを簡単に変更して、そのような他の方法を達成し得る。
【００９２】
図７に示す例では、搬送光学系は励起光ファイバ１０を備え、この励起光ファイバ１０は例えば、可視光及び近赤外光のスペクトル領域における伝送のために設計された、１００マイクロメートルのコア及び１２０マイクロメートルのクラッドを有する、超低（ｕｌｔｒａ  ｌｏｗ）ＯＨ−ステップインデックス型ファイバである。プローブの残りの部分を、その内側を伝搬する励起放射光からシールドするために、ファイバは、プローブの至るところで黒いポリマに被服され、プローブ本体４の内側で最後の１０〜１５ミリメートル上で約３００マイクロメートルの直径を有する小さな直径のステンレス製チューブ５に覆われる。励起光ファイバ１０を収容するチューブ５は、ファイバ内側の曲げ半径に関する浅い曲がりを有するＳ字形状に曲げられる。ファイバのより厚いクラッド（１２０マイクロメートル）は、励起光ファイバの曲げ損失を低減させる。この構成を用いて、入射励起放射光の８５パーセントを上回る伝送が達成可能である。チューブ５は、搬送光学系の光軸上のファイバ１０を中心に位置付ける小さなフェルール３において終端となる。
【００９３】
図７に示されるような搬送光学系は勾配インデックス型（ＧＲＩＮ）レンズ２４を備え、当該勾配インデックス型（ＧＲＩＮ）レンズ２４は、励起放射光を拡大して実質的にコリメートするように選択されて、誘電体スタックレーザ線バンドパスフィルタ４０と組み合わせられて、約６００マイクロメートルの直径を有するビームを生成する。フィルタコンポーネントは、７８５ナノメートル（ｎｍ）の励起光波長を効果的に除去するように選択されてもよく、また約１ミリメートルの直径を有するように加工されてもよい。そのフィルタコンポーネントは、ＧＲＩＮレンズを向いてフィルタ表面に、２つを分離する小さな空隙を有して、配置される。それら２つのコンポーネントは、約１．２７ミリメートルの直径と６ミリメートルの長さを有するスチールチューブ７４において一緒にパッケージ化され、当該スチールチューブ７４は、励起光光学系に対する構造的サポートとして、且つ集光チャネルと励起光チャネルとの間の光アイソレータとして、同時に機能を果たす。励起光ファイバ４０、チューブ５、及びフェルール３のアセンブリは、チューブ７４に挿入されて、ＧＲＩＮレンズ２４の後面に接合される。
【００９４】
完全な励起光チャネルアセンブリは、当該励起光チャネルアセンブリと前部集光レンズ３０の前部表面が一致するように、前部集光レンズ３０の開口３５に配置されて固定される。リング形状の集光レンズ３０は例えば、３ミリメートルの直径を有し、その集光レンズ３０を貫通する１．２７ミリメートルの孔を有する。従って、励起光チャネルは、その表面の略１８パーセントを遮る。このように配置されることで、それら２つのビームは、プローブ面から約４．３ミリメートルの位置において重なり、約６００マイクロメートルの直径を有するスポット１０２を形成する。
【００９５】
曲げられた励起光ファイバが集光チャネルを退出するために必要とされる空間は、集光レンズ３０と基板８３上に配置されたレイリー阻止フィルタ（励起光阻止フィルタ）８２との間に挿入されたスペーサ７３によって作り出される。このスペーサ７６は、励起光ファイバチューブ５がそれを通って縦方向に配置されるように、縦方向にスリットが形成される。この方法では、チューブは、プローブの全体的な直径を増大させることはない。有用なラマン信号のみを含むフィルタリングされた信号は次に、フォーカスレンズ６０によって集光導光部（集光ファイバ）５０の遠位端面５５に焦点が合わせられる。
【００９６】
この実施形態では、集光経路における２つのレンズ（３０及び６０）は、それらのうちの一方（３０）の中央に実現されている円形の孔を除いて、実質的に同一である。従って、集光系は、サンプル上のスポットの、集光束の遠位端面５５上への１対１撮像を行う。集光束は、サンプル上のスポットサイズに適合する約６００マイクロメートルの直径を有する円形開口にタイトに詰められた、１００マイクロメートルのコアを有し、１１０マイクロメートルの１９本のファイバから成る。
【００９７】
最も頻繁に使用される光ファイバは、円形の断面を有するシリンダ形状を有し、複数のそのようなファイバを配列する最も有利な方法は、個々のファイバの間のデッドスペースにおける損失を最小化する、六方充填されたファイバが配置された束にすることである。近年、非円形の断面を有する光ファイバが製造されている。効率の更なる利得は、集光束における円形のファイバを、四角形、六角形、又は八角形のファイバに置換することによって実現され得る。
【００９８】
集光導光部は、主ハウジング４内に固定されたスチールフェルール７６に保持される。この実施例では、プローブ先端は、約４ミリメートルの直径を有し、約３５ミリメートルの長さを有する。
【００９９】
プローブの遠位端部において、分光器への入り口において、１９本の集光ファイバは、２．３ミリメートルの高さ及び１００マイクロメートルの幅を有する線形配列で配列され得る。
【０１００】
両方の光学系のためのコンポーネントは、レンズ、フィルタ、及びスペーサがスリーブ内に適切な順番で簡単に落とされて接着剤によって適切な位置に保持される、鏡筒（レンズバレル）アセンブリの標準的な光学的技術が使用可能であるように、選択される。光学的に不透明な接着剤は用いられ、アセンブリの至るところで必要とされる。
【０１０１】
図８Ａ〜８Ｃは、励起光光学系の幾つかの代替の実施形態を示す。明確さのために、搬送ファイバの曲げられた部分は図示されていない。図８Ａは、励起放射光がファイバ１０によって搬送される例を示す図である。ファイバを退出すると、励起放射光は発散してレンズ２０に当たり、レンズ２０は実質的にビームをコリメートする。励起放射光は次に、バンドパスフィルタ４０を通過して、レンズ２３によってサンプル上に焦点が合わせられる。２つのレンズ２０及び２３のパラメータを変化させることによって、スポットサイズの種々の倍率が、必要に応じて達成可能である。
【０１０２】
図８Ｂは、図６において説明された実施形態において使用された代替の実施形態を示す図である。この場合では、（図６の）コリメートレンズ２０は、適切に選択された４分の１周期ＧＲＩＮレンズ２６に置き換えられる。この種類のコンポーネントは特に、シリンダ形状がアセンブリ及びアラインメントを簡単にするため、最小化されたプローブに適する。ＧＲＩＮレンズ２６は、実質的にコリメートされたビームを生成し、当該ビームはこの場合、バンドパスフィルタ４０を通過して、サンプル１００上に進行し続け、その結果、約５００マイクロメートルのスポットサイズが得られる。
【０１０３】
図８Ｃは、図８Ｂにおいて使用されたコンポーネントのアセンブリの焦点が合わせられるバージョンを示す図である。ここで、ＧＲＩＮレンズ２６によって生成された、コリメートされたビームは、フォーカスレンズ２３によってサンプル上に再び焦点が合わせられる。屈折レンズ、ＧＲＩＮレンズ、又は他の適切な光学的コンポーネントの他の組み合わせが用いられて、励起光チャネル内で同一の機能を達成することができることは、関連する技術分野の知識を有する者に明らかとなる。
【０１０４】
図９Ａ〜９Ｃは、本開示に適用するエテンデュの原理を示し、全体的な光学系のスループットを最適化するために励起光光学系と集光光学系のパラメータがどのように独立に選択可能であるかを示す図である。
【０１０５】
図９Ａは、領域Ｓ１を有するオブジェクト９２１を、領域Ｓ２を有する像９２２に撮像する任意の光学系９００の模式的な表現を示す。本光学系に示すように、オブジェクトは、Ω１によって示される立体角９１１を形成し、像はΩ２によって示される立体角９１２を形成する。エテンデュはこの光学系の集光能力を表し、このエテンデュは立体角によるオブジェクト領域の積である。完全な光学系において、像のエテンデュは、等式９５０に示すように、放射光源のエテンデュに同一であるべきである。実際には、複数のコンポーネントから成る複雑な光学系は、最低のエテンデュを有するコンポーネントに制限される。
【０１０６】
図９Ｂは、オブジェクト９２１を像９２２に１倍で撮像することによって特徴付けられる特定の光学系９０２の模式的な表現を示す。この例では、等式９６０に示すように、領域Ｓ１と領域Ｓ２が等しいことに加えて、立体角Ω１と立体角Ω２が等しい。この特定の光学系では、動作距離ｌ１（９３１）と動作距離ｌ２（９３２）とはまた等しい。
【０１０７】
図９Ｃは、どのように光学系パラメータ（焦点距離、オブジェクトサイズ、倍率、動作距離）が特定の適用例に適合するように選択可能であるかを示す。オブジェクト９２１は特定の領域Ｓ１を有し、レシーバ９０８は、特定の領域Ｓ２及び立体集光角度Ω２（９１２）に対応する受容角度θ２を有する。エテンデュを保つために、最適な光学系９０４はこの場合、複数の等式９７０によって定義される立体集光角度Ω１（９１１）を用いて設計される。これらの等式が満たされることで、倍率及び焦点距離等の、他の光学系パラメータが定義される。
【０１０８】
一例として、光学系は、レシーバ９０８において発生された像がオブジェクト領域Ｓ１のものの厳密に４倍の表面領域Ｓ２を有するような方法で構成可能である。このことは、像立体集光角度Ω２はオブジェクト立体角Ω１の４分の１になることを意味する。これを達成する方法の１つは、図９Ｃに示すように、オブジェクトと光学系との間の距離ｌ１を短縮することである。この特定の場合では、距離ｌ１は、光学系とレシーバとの間の距離ｌ２の半分になるであろう。
【０１０９】
本発明の利点は、励起光チャネルと集光チャネルの両方が、独立した個別の光学系を特徴付け、すなわち個別の光学系の各々が、所与の適用例に対して最適動作を行うように独立に構成可能である、ということである。
【０１１０】
図１０Ａ〜１０Ｃは、集光導光部の、光測定装置の入力スリット内への結合の幾つかの実現を示し、この光測定装置は典型的には、分散型分光器である。光学的に不透明な基板において実現される幅が狭い入力スリットは典型的には、分光器の分散軸に直交する方向に配置される。分光器は、存在する各波長に対して、入力スリットの像を形成する。これらの像の全ての重ね合わせは、分光器の像平面におけるスペクトルをもたらし、そのスペクトルは適切な検出器によって検知される。スリットの幅は分光器のスペクトル分解能に影響を及ぼし、スリットが狭いほど分解能は高まる。しかしながら、スリットを狭めると、像平面に到達する光の量が減少する。
【０１１１】
図１０Ａは、集光導光部が、直径ｄ（１３０）のコア１１２を有する、単一のラージコア（大きなコアを有する）ファイバ１１６から成り、当該光ファイバ１１６が、幅ｗ（１２０）の長方形形状を有するスリット１１０と接触して配置される例を示す。ファイバの直径は、スリットの幅よりも大きく、その結果、斜めにハッチングされたファイバコアの領域はスリットによってブロックされる。水平にハッチングされた領域１１４からの放射光のみが実際に分光器に入射することができ、その結果として、集光された光の分光器への結合が非効率的になる。
【０１１２】
図１０Ｂは、単一のラージコア（大きなコアを有する）ファイバの、複数のより小さなコアを有するファイバへの置き換えを示す。この場合、結合効率は、図１０Ａにおいて説明した状況と同等である。領域１１４内の水平のハッチングによって示される、複数のコアのうちの幾つかのみは、スリット１１０と重なって分光器に結合される。
【０１１３】
図１０Ｃは、コア直径ｄ（１３０）を有する複数の光ファイバ５０が配置された集光導光部からの放射光の結合の代替の方法を示す。ファイバ直径ｄは、スリット１１０の幅ｗ（１２０）に厳密に適合するように選択される。集光束のファイバは、密に詰められた線形の配列で配置され、その長手方向はスリットの長さと合わせられる。この配列では、光ファイバの開口数が分光器の入力開口数に適合するならば、全てのコアからの放射光は、スリットを通過することができて分光器に効率的に結合される。
【０１１４】
図１２Ａを再び参照する。図１２Ａは、集光導光部によって集められた放射光の、分光器への効率的な結合の非限定的な実施例を示し、集光導光部５０は、タイトに詰められた六角形の束に配列された複数の同種の個々のファイバを備える。そのような束において、複数のファイバの同心円状のリングは認識され、当該複数のファイバは符号１で示される中央のファイバ５２１を有し、中央のファイバ５２１は、符号２〜７で示される第２の輪における６本のファイバ、符号８〜ｎで示される第３の輪における１２本のファイバ等によって囲まれる。集光導光部に存在するファイバの数ｍは通常、プローブの集光光学系によって発生される像の横断サイズと、使用される検出器に関連している分光器の入力スリットの高さとの間で妥協される。
【０１１５】
集光導光部の近位端部において、ファイバの束５０は、密に詰められた線形配列６０１に再び配列される。更に、遠位端部における一連の輪からの複数のファイバが、順番が付けられた順序で互いに隣り合うように配置されるように、個々のファイバは、マッピング工程３０１によって、円形の束から線形配列にマッピングされる。従って、中央のファイバ５２１は、１５２における配列の一端に配置され、領域１５４に示すように第１の輪５４１のファイバ２，３，…，７がその後に続き、領域１５６に示すように（第２の輪５６１の）ファイバ８〜ｎがその後に続き、…、配列の右側のファイバｍまで同様に続く。
【０１１６】
そのような配列の利点は、導光部の遠位端部における互いに近くに配置された複数のファイバがまた近位端部において近くにあるということである。従って、集光光学系によって形成される像の異なる領域からの放射光を集める複数のファイバの間のクロストークが最小化される。
【０１１７】
そのような配列のもう１つの利点は、マッピング順序３０１の知識が、プローブによって見られるサンプル上のスポットの近接した再構成を可能にすることであり、従って、用いられる個々のファイバの数によってのみ制限される幾つかの撮像性能が、プローブに提供される。
【０１１８】
図１２Ｂは、集光束５０の遠位端部における個々のファイバが、ｍ×ｎのファイバの密に詰められた長方形形状の配列で配置される代替の配列を示す。符号１〜ｎで示される第１のｎ本のファイバは、配列における最も左の列５２２に配置され、符号２１〜２ｎで示される第２のｎ本のファイバは、そのすぐ右側の列５４２に配置され、…、この配置は、ファイバｍ１〜ｍｎを含む第ｍの列である最も右の列まで繰り返される。この場合も先と同様に、各列からの複数のファイバが線形配列６０２で連続的に配置されるように、すなわち、第１のｎ本のファイバが列５２２から配列の最も左のセグメント１５２に配列され、且つ第２のｎ本のファイバが列５４２から隣のセグメント１５４に配列され、且つこの配列が最後のｎ本のファイバが列５８２から右側のｍ番目のセグメント１５８に配列されるまで続けられるように、複数のファイバは再び、マッピング工程３０２によって、束の近位面において再配列される。
【０１１９】
そのような配列は特に、正方形形状又は長方形形状の配列のファイバに対して有利であり、この場合、ファイバ間に隙間を略有さないより効率的な詰め込み（充填）が達成可能である。しかしながら、たとえ複数の円形のファイバから成る束であっても、利点はある。なぜならば、サンプル上の測定される区画（パッチ）が長方形形状を有するため、像の再構築がより直接的になるからである
【０１２０】
図１３Ａ〜１３Ｄは、種々の適用例に適用され得る本開示の幾つかの代替の実施形態を示す。簡単のため、全ての図は、同様に識別される同様の素子を用いた種々の実施形態の模式図を示す。集光光学系１４０ａ及び搬送光学系１２０ａは、異なるボリュームで簡単化された方法で表現され、励起光系は完全に含まれるが、集光系からは分離する。集光系によって集められた放射光は、焦点が合わせられたビーム（集光ビーム）５６に形成され、当該ビーム５６は集光導光部５０上に当たる。
【０１２１】
図１３Ａは、上で図６及び７において説明した好ましい実施形態の模式図を示す。励起ビーム２８は搬送光学系１２０ａを退出して、サンプル１００上のスポット１０２に焦点が合わせられる。このスポットは、分離（スタンドオフ）距離ｄ（１６０）における集光光学系１４０ａのオブジェクトサイズに適合する。サンプルからの後方散乱された放射光は、集光系集光立体角に適合するビーム３８を形成する。この放射光は、集光ビーム５６に形成されて、集光導光部５０上に焦点が合わせられる。この構成は、小さな固体の粒子、ピル、不透明な液体の液滴、その他のもの等の、高度に散乱させる、光吸収するサンプルの測定に、良好に適応される。
【０１２２】
図１３Ｂは、プローブへの近接した接触を要するサンプルの測定に有利であるもう１つの実施形態の模式図を示す。この実施形態では、光学的に透明なウィンドウ７７をプローブの前部に追加することによって、分離（スタンドオフ）距離ｄ（１６０）が縮小される。励起ビーム２８はこの場合、そのウィンドウの外表面をわずかに超えて、スポット１０２に焦点が合わせられる。ウィンドウは、プローブのバックグラウンド信号に寄与しない。なぜならばそれは搬送光学系の影に配置され、且つウィンドウからの全ての表面反射は搬送チャネルそれ自身に戻されるからである。この実施形態は、粉末固体サンプル、及び皮膚、骨、その他の生体組織を用いる場合、良好に動作する。
【０１２３】
図１３Ｃは、光学的に透明な液体及び気体等の弱く散乱するサンプルの測定に有利であるもう１つの例の模式図を示す。搬送光学系１２０ａは、実質的にコリメートされた励起ビーム２８を生成するように構成される。励起光ボリュームと集光ボリュームが低散乱のサンプル１００を介して非常に長い経路長にわたって重なるように、集光光学系１４０ａは長い動作距離を有するように構成される。この重なるボリュームは、斜めにハッチングされた領域１０６によって示される。領域１０６の至るところで発生された後方散乱された放射光は、集光光学系１４０ａによって集められる。
【０１２４】
図１３Ｄは、搬送光学系１２０ａが、緩やかに発散する励起ビーム２８を生成するように構成される、更にもう１つの実施形態の模式図を示す。集光光学系１４０ａは、無限焦点を有するように構成され、従って、無限円錐からの放射光をプローブの前部において集めることができる。励起ビーム２８及び集光ビーム３８は、サンプル１００の表面上の広い区画（パッチ）１０２上で重なる。この実施形態は特に、損傷を避けるために低強度の励起光に曝されることのみが可能であるサンプル、例えば生体組織及び壊れやすい化合物にとって、有用である。
【０１２５】
現在入手可能な典型的な検出器は、例えば、３，６，１２，又は２５ミリメートルの高さを有する。搬送光学系における光学部品の典型的な直径は、１２５，２５０，５００，１０００，１８００，若しくは２５００マイクロメートル、又はそれらの間の任意の値であり得る。集光光学系の第１のレンズにおける対応する孔の直径は、約２５０，３５０，７００，１２５０，２１００，若しくは３０００マイクロメートル、又はそれらの間の任意の値であり得る。励起光ファイバの典型的なコア／クラッド直径は、マルチモードファイバに対して、２５／１２５，５０／１２５，１００／１２０，２００／２４０，３００／３３０，又は４００／４４０であり得る。集光ファイバの典型的なコア／クラッド直径は、２５／３０，３５／４２，５０／６０，１００／１１０，２００／２２０，３００／３３０，４００／４４０，又は６００／６６０であり得る。集光ファイバと励起光ファイバの両方の典型的な開口数は、０．０６，０．１０〜０．１２，０．１６，０．２２，０．２６〜０．２８，０．３４，０．３７〜０．３９，０．４８，若しくは０．５３、又はそれらの間の任意の値であり得る。集光光学系における複数の光学的コンポーネントの典型的な直径は、０．８，１．０，１．５，２．０，３．０，５．０，１０．０，１２．７，２０，２５，３８，若しくは５０ミリメートル、又はそれらの間の任意の値であり得る。
【０１２６】
図１３Ａ〜１３Ｄにおいて説明される実施形態は可能なプローブ構成のほんの一部であるということは、関連する技術分野の知識を有する者に明らかであろう。特定の測定要求に適する他の複数の実施形態は、本開示の範囲を逸脱すること無く、本開示において説明された原理に基づいて生み出されることが可能である。
【０１２７】
本発明はまた、分光測定システムを提供する。この分光測定システムは、
光ファイバプローブアセンブリを備える。当該光ファイバプローブアセンブリは、ハウジングと、搬送導光部と、光学的に不透明な管状スリーブと、１つ又は複数の集光光ファイバを備える集光導光部と、を備える。ハウジングは、第１の光学系及び第２の光学系を収容する。搬送導光部は、導光部の近位端部に配置された放射光源から第１の光学系に、励起放射光を伝送する１つ又は複数の搬送光ファイバを備える。第１の光学系は１つ又は複数の第１の光学素子を備え、当該１つ又は複数の第１の光学素子は、励起放射光から、実質的にコリメートされた光照射ビームを形成する。光学的に不透明な管状スリーブは、搬送導光部によって伝送された励起放射光が第１の光学系の退出面を介して退出するように、第１の光学系上にフィットされて、第２の光学系から第１の光学系と搬送導光部を光学的に分離する。第２の光学系は、サンプルから散乱された光学的放射光を集めて当該光学的放射光を集光ビームに成形する１つ又は複数の第２の光学素子を備える。１つ又は複数の集光光ファイバを備える集光導光部は、集光ビームを受けて当該集光ビームを分析器に伝送する；
放射光源は搬送導光部の近位端部と光学的に連絡する。
分析器は、入射開口を有する分光器と放射光検出器とを備える。入射開口は、分光器のオブジェクト平面に配置され、集光導光部の近位端部に結合される。放射光検出器は、分光器の像平面に配置される。
【０１２８】
全ての引用は参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１２９】
本発明は１つ又は複数の実施形態に関して説明される。しかしながら、請求項において規定される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形及び変更を行うことが可能であることは、当業者に明らかとなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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