(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブであって、
密閉された外側ハウジングと、
材料に光を伝送する光源と、
前記密閉された外側ハウジング内の窓であって、該窓は、前記材料からの光の透過、屈折又は反射波長の一つ又は複数において光学的に透明な窓と、
前記材料から透過、屈折又は反射された光を捕捉し、該捕捉された光を構成波長信号のスペクトルに分離する光学フィルタと、
複数の前記構成波長信号の複数のパワー読取り値を提供する検出器アレイとを備え、
前記光学フィルタは、２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる上流空間可変バンドパス光学フィルタと、前記上流空間可変バンドパス光学フィルタの下流に配置され、前記上流空間可変バンドパス光学フィルタから前記捕捉された光の光路に沿って離れ、２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる下流空間可変バンドパス光学フィルタとを有し、
前記複数のパワー読取値の各パワー読取値は、前記複数の構成波長信号の各構成波長信号の各パワー読取値であるプローブ。
【請求項２】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記上流空間可変バンドパス光学フィルタは、前記光路を横断する少なくとも共通の第１方向に沿って相互に調整されて変化するバンドパス中心波長を有し、
所定の受光角の外側の前記上流空間可変バンドパス光学フィルタに沿ったバンドパス中心波長における光は、前記所定の受光角の内側の光よりも減衰されるプローブ。
【請求項３】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記密閉された外側ハウジングは、球形、円筒形、長球形、楕円又はドーナツ形の１つの形状を有するプローブ。
【請求項４】
請求項１に記載のプローブにおいて、前密閉された記外側ハウジングは、前記密閉された外側ハウジングの外部に配置された構造的特徴を有するプローブ。
【請求項５】
請求項４に記載のプローブにおいて、前記構造的特徴は、くぼみ、スタブ、半円形又は長方形のリブ、縞又は指状小片の内の一つ又は複数を含むプローブ。
【請求項６】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記パワー読取り値を保存するコントローラと、
前記パワー読取り値を遠隔基地局に送信する通信装置とをさらに備えるプローブ。
【請求項７】
請求項６に記載のプローブにおいて、前記通信装置は無線通信装置であるプローブ。
【請求項８】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記プローブの正確な位置又は配向を決定する位置決めシステム追跡装置を更に備えるプローブ。
【請求項９】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記材料に浸漬される際、前記プローブを進ませる推進システムを更に備えるプローブ。
【請求項１０】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記材料に浸漬される際、前記プローブの浮力を調整する浮力調整システムを更に備えるプローブ。
【請求項１１】
請求項１に記載のプローブにおいて、収納コンパートメントとハッチとを前記密閉された外側ハウジングに更に備え、前記ハッチは前記収納コンパートメントを開閉するように動作可能なプローブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプローブにおいて、前記パワー読取り値を保存するコントローラを更に備え、該コントローラは、前記パワー読取り値が所定のレベルに達すると、前記ハッチに信号を送って開き、前記収納コンパートメントから物質を放出するプローブ。
【請求項１３】
請求項６に記載のプローブにおいて、前記通信装置は有線の通信装置であり、前記密閉された外側ハウジングは構造体に繋留されるプローブ。
【請求項１４】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記窓からデブリを除去する窓洗浄器を更に備えるプローブ。
【請求項１５】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記光源は、前記窓を通して前記材料に前記光を伝送するために、前記密閉された外側ハウジングの内側に取り付けられるプローブ。
【請求項１６】
請求項１に記載のプローブにおいて、前記密閉された外側ハウジングは、前記密閉された外側ハウジング内の開口部から前記密閉された外側ハウジング内の出口まで、前記光源と前記光学フィルタとの間に前記外側ハウジングを通って延在する導管を備えるプローブ。
【請求項１７】
請求項１に記載のプローブにおいて、
前記密閉された外側ハウジングの周囲に間隔を空けて配置された複数の窓と、
前記複数の窓を通して材料に前記光を伝送する前記密閉された外側ハウジング内の複数の光源と、
前記材料から透過、反射又は屈折された光を捕捉し、該捕捉した光を前記構成波長信号の前記スペクトルに分離する複数の光学フィルタと、
前記複数のパワー読取り値を提供する複数の検出器アレイとをさらに備えるプローブ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプローブにおいて、前記パワー読取り値を保存するコントローラを更に備え、該コントローラは前記パワー読取り値を平均化するプローブ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のプローブにおいて、前記パワー読取り値を保存するコントローラを更に備え、前記光学フィルタは異なるスペクトル通過帯域を含み、前記コントローラは、前記パワー読取り値を異なるスペクトル通過帯域と組み合わせて、スペクトルの組み合わせを生成するプローブ。
【請求項２０】
請求項１７に記載のプローブにおいて、前記密閉された外側ハウジング内を前記光源と前記光学フィルタとの間の位置へと移動可能なシャッタを更に備えるプローブ。
【請求項２１】
システムであって、 
複数のプローブであって、各プローブが、密閉された外側ハウジングと、光を材料に伝送する光源と、前記密閉された外側ハウジング内の窓であって、該窓は、前記材料からの光の透過、屈折又は反射波長の一つ又は複数において光学的に透明な窓と、前記材料からの透過、屈折又は反射光を捕捉し、該捕捉した光を構成波長信号のスペクトルに分離する光学フィルタであって、該光学フィルタは２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる上流空間可変バンドパス光学フィルタと前記上流空間可変バンドパス光学フィルタの下流に配置され、前記上流空間可変バンドパス光学フィルタから前記捕捉された光の光路に沿って離れ、且つ２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる下流空間可変バンドパス光学フィルタとを有する光学フィルタと、複数のパワー読取り値であって、該複数のパワー読取り値の各パワー読取り値は複数の構成波長信号の各構成波長信号の各パワー読取値である複数のパワー読取り値を提供する検出器アレイとを備える複数のプローブを備えるシステム。
【請求項２２】
請求項２１に記載のシステムであって、前記パワー読取り値に基づいて前記材料のパラメータが調整される監視システム。
【請求項２３】
方法であって、
プローブを材料に留置するステップであって、前記プローブは、密閉された外側ハウジングと、光を材料に伝送する光源と、前記密閉された外側ハウジング内の窓であって、該窓は、前記材料からの光の透過、屈折又は反射波長の一つ又は複数において光学的に透明な窓と、前記材料からの透過、屈折又は反射光を捕捉し、該捕捉した光を構成波長信号のスペクトルに分離する光学フィルタであって、該光学フィルタは２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる上流空間可変バンドパス光学フィルタと前記上流空間可変バンドパス光学フィルタの下流に配置され、前記上流空間可変バンドパス光学フィルタから前記捕捉された光の光路に沿って離れ、且つ２軸に沿ってバンドパス中心波長が変わる下流空間可変バンドパス光学フィルタとを有する光学フィルタとを備えるステップと、
前記プローブを含む複数のプローブが前記材料と共に移動する際に、前記複数のプローブから、パワー読取り値を受信するステップとを含む方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記パワー読取り値に基づいて、前記材料のパラメータを調整するステップを更に含む方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載の方法において、推進システムを駆動させることによって、前記プローブの位置を調整するステップを更に含む方法。
【請求項２６】
請求項２３に記載の方法において、前記プローブから物質を放出させるステップを更に含む方法。
【請求項２７】
請求項２３に記載の方法において、前記材料の試料を捕捉するステップを更に含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
薬剤、食品、蒸留物及び化合物の調合で用いられる製造工程には、混合工程におけるいくつかの種類のセンサ検査、例えば、スペクトル、ｐＨ及び熱のインタロゲーションが含まれる。これらのセンサは、典型的には、処理容器の壁に取り付けられ、製造工程中にプローブを突き指して工程のパラメータを監視する。しかしながら、位置が固定されているセンサの静止的な性質のため、センサの固定された位置のすぐ近くの生成物に対する検査能力が制限され、工程の他の部分に関する情報が提供されない。
【背景技術】
【０００２】
リニア可変フィルタのスペクトル選択性が低下しないように、可変光学フィルタの一次側には平行化素子が必要である。光学フィルタは薄い誘電体膜の積層を含むので低下が発生し得、薄膜フィルタの波長選択性は一般に入射光の入射角に依存する。このため、薄膜フィルタのスペクトル選択性及び波長精度が低下する。しかしながら、本開示の装置において、かさばるレンズを取り除くことによって分光器のサイズを更に小さくすることは有益である。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】プローブの上面図である。
【図２】図１のプローブの断面図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｄは図１のプローブの代替形状の図である。
【図４】図１及び図２のプローブの等角図である。
【図５】二重ＳＶＦフィルタの側面図である。
【図６】分光器の側面図である。
【図７】図７ａ及び図７ｂはそれぞれ、図１〜図４のプローブで使用されるＶ字状の混合容器の側面図及び端面図である。
【図８】図１〜図４のプローブを使用する沈殿タンクの図である。
【図９】図１〜図４のプローブを使用する工程図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
液体、粒子及び気体などの流動材における種々の時間及び位置におけるスペクトル評価は、強力な工程監視能力を提供する。図１及び図２はそれぞれ以下に示す実施例によるプローブの上面図及び断面図である。プローブ１は空間可変フィルタ（ＳＶＦ）ベースのスペクトルプローブとしてもよく、外側ハウジング２を含み、これは一体型又は複数の部分から成る形状で、密閉することができるため、プローブ１は、プローブが測定する材料に浸漬される用途において頑強である。外側ハウジング２は用途に応じて、球形１（図１及び図２）、ドーナツ形１Ａ（図３Ａ）、丸みを帯びたドーナツ形１Ｂ（図３Ｂ）、楕円又は長球形（フットボール形）１Ｃ（図３Ｃ）及び円柱形１Ｄ（図３Ｄ）を含むがこれらに限定されない形状の中の一つ、又はそれらの形状を組み合わせたものから選ぶことができる。一実施例において、外側ハウジング２は、ステンレススチール又はポリマー材料などの耐食材から製作することができる、またはこの材料を含むことができる。
【０００５】
外側ハウジング２は、外側ハウジング２上に間隔を空けて配置された一つ又は複数の窓４を含んでもよいし、又、外側ハウジング２は全体的に透明な、すなわち連続する窓であってもよい。種々の実施例において、外側ハウジング２は１〜２０の中の任意の数の、又は２０以上の窓４を含んでもよい。一つ又は複数の窓４により、周囲の材料によって反射又は屈折された光を、プローブ１内の対応する線形的又は空間的に可変の光学フィルタ（ＳＶＦ：Spatially Variable Optical Filter）７によって捕捉することが可能となる。反射光又は屈折光は一つ又は複数の内部光源６、外部光源（図示せず）、周辺光、又はこれらの組み合わせから生じる。ＳＶＦ７は離散的、又は連続的に変化する。フィルタ７はその他の分散素子、例えば、回折格子もしくはプリズム、又はその他の技術、例えばＭＥＭＳ、染料及び色素、ＦＴＩＲ並びにラマンをベースにしたものであってもよい。ＳＶＦ７は捕捉した光を分析のために構成波長信号（constituent wavelength signals）のスペクトルに分離する。
【０００６】
窓４は所望する透過及び反射又は屈折波長に対して光学的に透明な適切な材料、例えば、サファイア、シリコン、テフロン、ガラスなどで製作することができる。内部光源６は、例えば、可視光（３５０ｎｍ〜９００ｎｍ）及び／又は近赤外（ＮＩＲ）などの必要とされる光の波長帯を伝送する適切な光源、例えばタングステン又はＬＥＤ光源とすることができる。実施例において、近赤外に関しては、光源６は一つ又は複数の搭載白熱灯、例えば、真空タングステンランプから構成することができ、これは、計測器の能動領域、例えばＮＩＲにおいては９００ｎｍ〜１７００ｎｍ、又は９００ｎｍ〜２１５０ｎｍの範囲に亘る、例えば、５００ｎｍ、７００ｎｍ又は１０００ｎｍを超える広域照明光を提供する。ランプ６は一つで十分であるが、二つになると相互に作用する光をより多く試料に提供するため、積分時間が短くなる。
【０００７】
実施例において、図２に示す様に、外側ハウジング２の開口から外側ハウジング２内を外側ハウジング２の出口へと延在する導管１９を設け、光検出器８及びコントローラ１２を介して透過スペクトルを生成するために、例えば液体などの流動材料が外側ハウジング２内で光源６とＳＶＦ７との間を流れるようにする。透過光に対して導管１９全体を透明にして、光が光源６からＳＶＦ７まで伝送されるために必要な窓を提供する、又は、導管１９の一つ又は複数の部分を透明にして、透過光、屈折光又は反射光に必要な窓を提供することができる。
【０００８】
各ＳＶＦ７の下には光検出器アレイを取り付けて分光器１５を形成し、各構成波長信号のパワー読取り値（power reading）を生成して、反射光のスペクトルを提供する。各プローブ１内の分光器１５の各々が同じスペクトル領域を有していてもよいし、異なる分光器１５が、例えば、重なった又は隣接する異なるスペクトル領域を有し、個々の分光器１５から広いスペクトル領域を組み合わせられるようにしてもよい。別の実施例においては複数のファイバ束が含まれ、その各々を結合して一つの分光器１５として、光の供給とデータの収集を行ってもよい。各束は異なる窓４と通信を行い、一つの分光器１５に順次結合してもよい。
【０００９】
光検出器８は、例えば５００ｎｍ、６００ｎｍ又は７００ｎｍを超える広帯域検出器アレイであり、例えば、９５０ｎｍ〜１６５０ｎｍをカバーする砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）などがあり、これは所望であれば１１５０ｎｍ〜２１５０ｎｍに広げることができる。複数の分光器プローブ１及び複数のプローブシステムに関しては、各プローブ１内の異なる分光器１５及び各システム内の異なるプローブ１は、異なるスペクトル領域を持つ光源６、フィルタ７及び光検出器８を有し、例えば紫外線から赤外線までの広いスペクトルをカバーし、広範囲の試験を可能とする。
【００１０】
内部フレーム１１を外側ハウジング２の内側に取り付け、ＳＶＦ７及び光検出器アレイ８全体を支持することができる。内部フレーム１１は、プリント基板材、プラスチック、金属、セラミック又はその他の適切な材料の中の一つ又は複数から製作することができる、又はそれらを含むことができる。コントローラ１２は内部フレーム１１内か、又はその上に取り付けることができる。コントローラ１２は、スペクトルの生成、保存、及び分析を含むプローブの特徴を全て制御する適切なソフトウェアと共に、プリント基板１３に実装されたプロセッサ及びメモリチップなどの適切なハードウェアを含み、これにより、特に材料が製造中に移動又は流動する際に材料に浸漬させる、セルフコンテインド（self-contained）のスペクトルプローブ１を提供することができる。
【００１１】
プローブ１内に有することのできるその他の種類のセンサ１４には、ｐＨセンサ、温度センサ、圧力センサ、電圧センサ、速度センサ、加速器、ジャイロスコープ、内蔵カメラ及び赤外線前方監視（ＦＬＩＲ：forward looking infrared）センサがあるが、これらに限定されない。種々の実施例において、プローブ１はプローブ１の外側ハウジング２の周りに配置された、複数の同じ及び／又は異なるセンサを含んでもよい。これらの複数のセンサ１４により、複数のデータセットをインタロゲーションし、種々の測定品質を向上させることができるようになる。センサ１４の各々は、制御及びデータ保存のため、光検出器アレイ８と共にコントローラ１２に接続される。
【００１２】
各プローブ１は外側ハウジング２内に、較正基準を表し、較正工程の一部として各分光器１５の前の場所に入る、又はその場所から出る一つ又は複数のシャッタ１６を含んでいる。図２に示す実施例において、シャッタ１６は、内部フレーム１１に結合された中心アンカー１８の周りを回転する回転アーム１７の端部に取り付けられている。シャッタ１６は、所定時間後、例えば動作中少なくとも５分おき、又は所定回数の使用後、例えばスペクトルの測定を少なくとも３００回行なう毎に、各分光器１５を再較正してもよい。
【００１３】
シャッタ１６は光を各光源から対応するＳＶＦ７に直接反射させる、光源６と窓４の間で回転する較正された反射基準器を含んでいる。そしてこの既知の基準器からの反射を前の試験と比較して、プローブ１内の照明の変化を決定する。
【００１４】
通信モジュール２１を設け、制御信号及び／又はデータ信号をコントローラ１２と基地局（図７〜図９に示す）との間で送信できるようにする。実施例において、基地局を工程監視エンジニアによって監視することができる。別の実施例では、基地局は自動工程制御システムを含むことができる。通信モジュール２１を、無線トランシーバ、繋留された通信ケーブル接続、光トランシーバ又は音響トランシーバの中の一つ又は複数とすることができる。無線の通信モジュール２１は、基地局とリアルタイムのデータ送信接続を達成するために、外側ハウジング２の内側又は外側に設置されるアンテナ（図示せず）を必要とする。
【００１５】
プローブ１は、交換可能又は充電可能な電池２２を使用して自己出力可能とすることができる、及び／又は任意選択の通信ケーブル接続（図示せず）に隣接する、又はこれと調和された繋留電力ケーブルによって、電力の供給を受けることができる。電力ケーブル２４は、通信モジュール２１を基地局と相互接続する通信線、及びプローブ１を流動する媒体から引き出す鎖（tether）として作用する。外側ハウジング２は密閉されているので、実施例において、電池２２は誘導接続を使って充電することができる。実施例において、コントローラ回路１２は位置システム追跡装置（図示せず）、例えば、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ: global positioning system）を用いて、製造又は監視工程内でプローブ１の位置を追跡することができる。別の可能性のある位置追跡は、処理容器の周りに配置される、固定された指向性無線レシーバ（図示せず）のアレイに信号を送信するプローブ１内の無線送信機（図示せず）を備えることができる。固定された指向性無線レシーバのアレイは、固定された処理容器又はシステム内でプローブ１の位置を調整するために使用することができるので、基地局及び／又は各プローブのコントローラ１２はプローブの位置を決定することができる。また慣性測定装置（ＩＭＵ：inertial measurement unit）（図示せず）を設けて、コントローラ１２又は基地局がプローブ１の処理容器内での配向及び移動方向を監視できるようにすることができる。
【００１６】
一実施例において、プローブ１はインタロゲートを意図する工程と互換性がある。例えば、外側ハウジング２は、パッケージの密閉性、ダストの侵入及び浸漬する材料との耐化学性のために、ＩＰ６７又はそれ以上のプラスチックＮＥＭＡ４などで製作することができる。 一実施例において、プローブ１は、液体工程で使用する際にその浮力を調整できるよう、可変の浮力を有することができる。上述の様に、プローブ１は工程内を自由に動くことができる、又は後工程検索のため、鎖で固定された物体に取り付けることができる。
【００１７】
一実施例において、外側ハウジング２は、製造工程内の混合又は加圧作用による衝撃に対処するよう、耐久性を高めることができる。一実施例において、プローブ１は長時間の監視時間を必要とする工程で使用してもよく、コントローラ１２は、光検出器アレイ８及びセンサ１４に、低電力の「待機」モードに変更して長い工程サイクルの電力を節約するよう指示するプログラミングを含んでもよい。
【００１８】
図４は以下に記載する実施例によるプローブ１の等角図である。プローブ１の外側ハウジング２は、プローブが浸漬される材料における動きと安定を容易にする構造的特徴を有する。この構造的特徴として、例えば、くぼみ、小さい又は大きいリブ、スタブ、半円形又は長方形のリブ、縞又は指状小片がある。実施例による図４のプローブ１は、多数のリブ３を有する。その構造的特徴は、プローブ１を他の物体、例えば、容器の壁との接触から保護する。構造的特徴はまた、プローブ１が流動材を通って移動する際に、流動材内における混合の向上及び／又は凝集の減少を提供する。構造的特徴はまた、プローブ１が浸漬される材料の流れの方向に対するプローブ１の配向の維持を助け、材料との熱交換を容易にし、測定及び付着したデブリを除去するため、測定する材料をセンサ窓４の前に向わせる。
【００１９】
外側ハウジング２は、収納コンパートメント１０にアクセスするハッチ９も含む。ハッチ９は、基地局からの信号又はコントローラ１２からの内部信号、例えば、スペクトルの読取り値、所定の又は所望のレベルに到達するその他の試験信号などに応答して、コントローラ１２によって開くことができる。一実施例において、収納コンパートメント１０には化学処理を容易にするために使用される物質、例えば触媒を収容することができる。一実施例において、収納コンパートメント１０は特定の場所をマークするために使用される物質、例えば染料を収容することができる。一実施例において、収納コンパートメント１０はプローブ１が浸漬される物質の化学パラメータ、例えば、ｐＨ又は毒性を変えるために使用する物質を収納することができる。あるいは、ハッチ９はコントローラ１２及び／又は基地局からの信号に応答して開き、プローブが浸漬される材料からの流体を収納コンパートメント１０に捕捉して、プローブ１の浮力の更なる試験又は制御を行ってもよい。
【００２０】
プローブ１は別個の浮力システム３１を有することもでき、これによって流動材に挿入する前、又は流動材内での能動的監視中にプローブ１の浮力を個々に調整することができ、プローブ１を流動材内の異なる位置及び異なる深さへと導く、又は進ませることができる。浮力システム３１は、流体を貯蔵タンク又は嚢３２から放出させてプローブ１の濃度を下げる流体放出装置、及び／又は周囲の流体を捕捉してプローブ１の濃度を高める流体吸入装置を備えることができる。
【００２１】
プローブ１は推進システム３３も含み、これによって各プローブ１の位置をコントローラ１２及び／又は基地局によって調整することができる。推進システム３３は貯蔵タンクに貯蔵された流体の圧力バーストを放出させ、プローブ１が処理タンク内の金属構造、又はプロペラに引き付けられるように励磁される電磁石を含むことができる。
【００２２】
特定の用途において、コントローラ１２によって制御される窓洗浄システム２５を設け、窓４の外部に蓄積した材料を定期的に拭取り又は取除くことができる。洗浄システム２５は、外側ハウジング１にワイパーシステムの取り付けられた、外部同心シェル（図示せず）を備えることができる。ワイパーシステムは、回転又は平行移動アーム２７に取り付けられた、窓４を拭き取るワイパー２６を有することができる。ワイパーシステムに代えて、又はこれに加えて、推進システム３３は流動材内でプローブ１を高速回転させ、窓４に蓄積した材料を遠心力によって振り落とすことができる。その他の洗浄システムには、窓４を洗浄するために超音波による攪拌を提供する一つ又は複数の超音波攪拌器、窓４を加熱して湿潤粉体を払い落とすヒータ、及び放電を生成する電源がある。
【００２３】
図５は以下に記載する実施例による二重ＳＶＦフィルタの側面図である。図６は以下に記載する一実施例による分光器の側面図である。空間的可変フィルタ（ＳＶＦ：spatially variable filter）７は、 ｘ軸、及び実施形態によってはｙ軸に沿って変化して２Ｄの空間的可変フィルタ（ＳＶＦ）を形成する、例えば直線的又は非直線的に変化する通過帯域の中心波長を含む。
【００２４】
従って、ＳＶＦ７は、本明細書に参照として援用する、２０１５年８月５日に出願された、スミス氏らによる「光学フィルタ及び分光器」と題される、米国特許出願第14/608,356号及び第14/818,986号に開示されたような、光ビーム３７の光路３６で所定の固定距離Ｌをおいて連続的に配置された上流３５Ａ及び下流３５Ｂの空間的可変バンドパス光学フィルタ（ＳＶＦ）を有することができる。上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂは各々、ｘ軸で表される共通の第１方向３８に沿って相互に調整されて変化するバンドパス中心波長λＴを有する。第１方向３８は光路３６を横断している。非制限的な例として、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂのバンドパス中心波長λＴはどちらもそれぞれ単調な線形従属性を有している。光学フィルタ７の構成により、光学フィルタ７のスペクトル選択性の光ビーム３７の平行化度への依存性を、対応する下流ＳＶＦ３５Ｂのスペクトル選択性の光ビーム３７の平行化度への依存性よりも小さくすることができる。
【００２５】
図５の例において、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂを相互に位置合わせして、下流フィルタ３５Ｂの基準バンドパス中心波長λ0に対応する基準点ｘ０が上流フィルタ３５Ａの基準バンドパス中心波長λ0に対応する基準点ｘ０の真下に配置されるようにする。上流フィルタ３５Ａは下流フィルタ３５Ｂの空間フィルタとして機能し、下流フィルタ３５Ｂの所定又はプリセットの受光角３９を画定する。受光角３９は基準波長λ0の左の周辺光線４０Ｌ及び右の周辺光線４０Ｒによって制限され、各々の光線は上流フィルタ３５Ａ及び下流フィルタ３５Ｂに対して、法線３６に対する角度θで伝播し、同じ基準点ｘ０で下流フィルタ３５Ｂに衝突する。受光角３９は上流フィルタ３５Ａの通過帯域４１Ａから以下の様に得られる。
【００２６】
図５に示す配列において、左の周辺光線４０Ｌはｘ０−Δｘの位置で上流フィルタ３５Ａに衝突する。その位置の透過波長λＬは、式（１）λＬ＝λ0−ＤΔｘによって得られる。左の周辺光線４０Ｌは基準波長λ0なので、左の周辺光線４０Ｌは、上流ＳＶＦ３５Ａの通過帯域４１Ａの選択された、所定の帯域幅、本例において、例えば１０ｄＢの帯域幅とする２ＤΔｘに応じて減衰される。したがって、左の周辺光線４０Ｌは所定の減衰、例えば１０ｄＢ減衰される。同様に、右の周辺光線４０Ｒは、 上流ＳＶＦ３５Ａとｘ０＋Δｘの位置で衝突する。その位置の透過波長λＲは式（１）λＲ＝λ0＋ＤΔｘによって得られる。右の周辺光線４０Ｒも所定の減衰、例えば１０ｄＢ減衰される。受光角３９内の基準波長λ0における光線は全て、所定のレベル、例えば１０ｄＢよりも小さな値だけ減衰され、受光角３０の外側の基準波長λ0における光線は全て、所定のレベル、例えば１０ｄＢよりも大きな値だけ減衰され、このようにして、受光角３９よりも大きな入射角において、下流ＳＶＦ３５Ｂに伝送される光の量を大幅に削減することができ、かさばる平行レンズ及び光学系に対する必要性をなくすことができる。上流ＳＶＦ３５Ａは空間フィルタとして機能し、入射光の開口数（ＮＡ）が下流ＳＶＦ３５Ｂによって個々の波長に分離されるのを効果的に制限する。このため、ＳＶＦ７のスペクトル選択性の光ビーム３７の平行化度への依存性を、対応する下流ＳＶＦ３５Ｂのスペクトル選択性の依存性と比較して減少させることができる。「スペクトル選択性」という用語は、通過帯域幅、迷光除去率、消光比などのパラメータを含む。
【００２７】
上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂの中心波長λＴは、第１方向に単調に増減させることができる。バンドパス中心波長λＴの上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂの第１方向３８に沿ったｘ座標への依存性は同じであってもよいし、又は異なっていてもよく、光学フィルタ７の受光角及び／又は波長応答を調整できるようにしてもよい。一実施形態において、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂのバンドパス中心波長λＴを相互に位置合わせして、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂの同じバンドパス中心波長λＴに対応する位置を結ぶ線が、下流ＳＶＦ３５Ｂの法線３６との間で所定の、例えば３０°未満の角度を成すようにする。法線３６との角度がゼロでない場合、受光コーン３９は傾斜しているように見える。従って、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂを相互に第１方向３８にオフセットすることにより、受光コーン３９の方向を変えることができる。全体的なスループットを良くするために、上流ＳＶＦ３５Ａの帯域幅に対応する第１方向３８に沿った横方向距離Δｘ１を、対応する下流ＳＶＦ３５Ｂの帯域幅に対応する第１方向３８に沿った横方向の距離Δｘ２より大きくすることができる。一実施例において、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂはそれぞれ、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂの対応する波長領域の１０％以下である３ｄＢの通過帯域を有する。
【００２８】
図６を参照すると、分光器１５は、下流ＳＶＦ３５Ｂの下流の光路に配置された光学フィルタ７及び光検出器アレイ８を含んでいる。光検出器アレイ８は、例えば流動材によって反射される光源６からの光ビームにおける個々のスペクトル成分の光学パワーレベルを検出するための、第１方向３８に沿って、そして任意選択で第２の（紙面に向かって）垂直方向に配置された画素４４を含むことができる。一実施例において、光検出器アレイは、本明細書に参照として援用する、２０１５年８月５日に出願された、スミス氏らによる「光学フィルタ及び分光器」と題される、米国特許出願第14/818,986号に開示された２Ｄ光検出器アレイであってもよい。従って、光ビームを集束、発散、平行化などすることができる。上述の様に、上流ＳＶＦ３５Ａ及び下流ＳＶＦ３５Ｂを含む光学フィルタ７の二重フィルタ構造により、光学フィルタ７におけるスペクトル選択性の戻り光の平行度への依存性が小さくなる。
【００２９】
一実施例において、光検出器アレイ８は下流ＳＶＦ３５Ｂと直接接触しもよい。光検出器アレイ８を注封材料で充填してカプセル４５を形成することができる。カプセル４５の一つの機能は、光学フィルタ７の下流ＳＶＦ３５Ｂの開放口４６を遮らずに光検出器アレイ８を隔離することである。カプセル４５のもう一つの機能は、上流フィルタ３５Ａ及び下流フィルタ３５Ｂのエッジを衝撃、湿気などから保護することである。
用途
【００３０】
図７ａ及び図７ｂはそれぞれプローブ１に使用されるＶ字形混合容器の側面図及び端面図である。図７ａ及び図７ｂを参照すると、複数のプローブ１を、例えば薬剤産業におけるバッチ処理システムの監視システムで使用することができる。 処理タンク５１はＶ字形混合容器５３などの混合容器を支持する支持フレーム５２を含んでいる。混合容器５３は、原料を投入するための少なくとも一つの投入口５４と、最終生成物を排出するための少なくとも一つの取出口５５とを有する。攪拌器又はチョッパー５６を混合容器５３内に設け、原料を細かくする、及び／又は種々の原料を混合することができる。攪拌器５６はモータ５８で駆動されるスプロケット及び鎖構造５７、又はその他の適切な駆動アセンブリを使用して回転することができる。制御システム５９を原料の投入、攪拌器５６の作動及び速度並びに最終生成物の取出口５５からの排出のタイミングを制御するために設けることができる。制御システム５９は、コンピュータコントローラによって駆動される非一過性の記憶装置に保存された、プリセットプログラミングに従って自動的に制御することができる、又は選択された時間に、人による介入を必要とする。
【００３１】
一つ又は複数のプローブ１は原料と共に留置され、又は別の投入口５４から投入される異なる原料には別のプローブを共に留置され、原料を混合、及び／又はこれらの化学的性質又は温度、圧力の変化、触媒の添加などの外部要因による相互の反応させながら原料の後を進む。工程中、プローブ１はコントローラ１２及び通信モジュール２１を介して、所定の時間間隔で、例えばＷＩＦＩを介して無線により、制御システム５９（基地局）にスペクトルデータを連続送信して、化学プロセスのコンスタントな状況の更新を提供することができる。制御システム５９及び／又はコントローラ１２は、多くの異なる方法の中の一つによって、スペクトルデータ及び他のセンサ１４によって収集された任意のその他のデータを使用することができる。一実施例において、制御システム５９及び／又はコントローラ１２はスペクトルデータ及び試験データを使用して、工程をいつ終了させるか、すなわち、いつ工程を止めて最終生成物を取り出すのかを決定することができる。更に、制御システム５９及び／又はコントローラ１２はスペクトルデータ及び試験データを使用して、攪拌器５６の周波数又は速度の調整、及び／又は化学プロセスのパラメータの調整を行うことができる、例えば、温度、圧力及び触媒の量の内の任意の一つ又は複数のものを調整することができる。多段階工程に関しては、制御システム５９及び／又はコントローラ１２はスペクトルデータ及び試験データを使用して、例えば、スペクトルデータ及び試験データが所望する出力レベルに達すると、次のステップを開始することができる。制御システム５９及び／又はコントローラ１２は、ハッチ９を介して収納コンパートメント１０から、スペクトルデータ及び試験データに基づき、特定の時期で、触媒又は原料を追加分配することもできる。
【００３２】
制御システム５９及び／又はコントローラ１２は、各プローブの、例えばＧＰＳなどの位置決めシステムを使って種々のプローブ１の位置を識別し、プローブ１の位置に基づき、どのプローブ１が次のステップを決定する上で重要性が高いかという優先順位を決めることができる。更に、各プローブ１は複数の分光器１５を有するので、制御システム５９及び／又はコントローラ１２は各プローブ１のスペクトルデータを平均化することができる。平均化工程には、高い測定値及び低い測定値、又は残りの測定値の平均の所定の偏差から外れた任意の測定値を削除するステップが含まれる。平均化ステップには、各プローブ１内の異なる窓４／分光器１５からの異なるスペクトルを平均化するステップ、及び／又は流動材体積中の複数の位置における複数のプローブ１からのスペクトルを平均化するステップが含まれる。コントローラ１２又は制御システム５９はまた、同じ又は異なるスペクトル領域を差別化して読取り値を比較するステップ、又は異なる、重なり合う又は隣接するスペクトルを組み合わせてより大きなスペクトルを生成するステップを含む、その他のスペクトル処理を行う適切なプログラミングを含むこともできる。
【００３３】
各プローブ１の位置は、搭載推進システム３３、搭載浮力システム３１、又は所定の、若しくは所望する場所で励起され、一つ又は複数のプローブ１を必要とされる方向又は容器５３の所望の領域内に引き付ける電磁石６０などの、各プローブ１の外部の工程推進システムを使って調整することができる。本システムでは、最終生成物が取出口５５から取り出されると、プローブ１を再使用の為に簡単に回収することができる。
【００３４】
図８を参照すると、プローブ１は沈殿タンク６１を含む連続工程で使用することができる。沈殿タンク６１は、タンク６１の中心近くから生の原料又は未処理の原料を投入する投入口６２と、回転シャフト６４の端部に取り付けられ、沈殿タンク６１の底部の周りを回転する攪拌器又はレーキ６３を有する。取出口６５は処理材、例えば濃縮液を取り出すために、沈殿タンク６１の底に設けられる。沈殿タンク６１の上部に上がってくる軽い流体及び材料のすべてを捕捉するために、沈殿タンク６１の上部の周りに越流路６６が設けられている。
【００３５】
一つ又は複数のプローブ１は、投入口６２を通して原料と共に留置され、原料が混合される、及び／又はこれらの化学的性質又は温度、圧力の変化、触媒の添加などの外部要因によって相互に反応しながら、原料の後を進む。工程中、コントローラ１２は、所定の時間間隔で、例えばＷＩＦＩによる無線で、基地局６９にスペクトルデータを連続送信して、化学プロセスのコンスタントな状況の更新を提供することができる。基地局６９及び／又はコントローラ１２は、多くの異なる方法の中の一つで、スペクトルデータ及び他のセンサ１４によって収集された任意のその他の試験データを使用することができる。例えば、基地局６９及び／又はコントローラ１２は、簡素にスペクトルデータ及び試験データを使用して、工程がいつ特定の段階に到達するか、すなわち、いつ取出口６５から最終生成物を取り出すかを決定することができる。更に、基地局６９及び／又はコントローラ１２は、スペクトルデータ及び試験データを使用して、レーキ６４の周波数又は速度の調整、及び／又は化学プロセスのパラメータの調整を行うことができる。例えば、温度、圧力及び触媒量の中の任意の一つ又は複数のものを調整することができる。多段階工程に関しては、基地局６９及び／又はコントローラ１２はスペクトルデータ及び試験データを使用して、例えば、スペクトルデータ及び試験データが所望する取出レベルに達すると、次のステップを開始することができる。コントローラ１２及び／又は基地局６９は、ハッチ９を介した収納コンパートメント１０からのスペクトルデータ及び試験データに基づき、特定の時期に、触媒又は原料を追加分配することもできる。
【００３６】
基地局６９及び／又はコントローラ１２は、各プローブの、例えばＧＰＳなどの位置決めシステムを使って種々のプローブ１の位置を識別し、位置に基づき、次のステップを決定する上でどのプローブ１の重要性が高いか、優先順位を決めることができる。更に、各プローブ１は複数の分光器１５を有するので、基地局６９及び／又はコントローラ１２は各プローブ１のスペクトルデータを平均化する。平均化工程には、高い測定値及び低い測定値、又は残りの測定値の平均の所定の偏差から外れた任意の測定値を削除するステップが含まれる。
【００３７】
各プローブ１の位置は、搭載推進システム３３、搭載浮力システム３１、又は所定の、若しくは所望する場所で励起され、一つ又は複数のプローブ１を必要とされる方向又は沈殿タンク６１の所望の領域内に引き付ける電磁石６０などの、各プローブ１の外部の工程推進システムを使う、コントローラ１２及び／又は基地局６９によって調整することができる。本システムでは、プローブ１は異なる浮力特性、例えば、取出口６５から取り出すために底部に沈ませる特性、及び越流路６６から取り出すために上部に上昇させる特性を有している。このため、プローブ１は、最終生成物が種々の取出口６５及び６６から取り出される際、再使用のために簡単に回収することができる。
【００３８】
図９を参照すると、醸造プロセスなどの複数のステップの工程は、例えば、ロータリング、ボイリング、ファーメンティション、コンディショニング、フィルタリング及びパッケージングなどの複数のステップを含み、これは、例えば、ＷＩＦＩなどの無線ネットワークを介して通信する基地局７０及びプローブ１を含む監視システムによって提供される、精密な監視を必要とする。プローブ１は、各ステップにおいて各処理タンクに挿入してもよいし、又は原料と共に種々のステップ及び処理容器内で移動させてもよい。
【００３９】
モルティング（製麦）は大麦粒７１を醸造できる状態にする工程である。モルティングが完了すると、大麦粒７１をミル７２にかけて挽く、又は潰して穀粒を粉々にし、大部分が炭水化物と糖質の子葉が出る。
【００４０】
マッシングによって、モルティング中に放出された澱粉を、発酵させることのできる糖に変える。挽いた穀粒をマッシュタン７３として知られる大きな容器でお湯と混ぜ合わせる。この容器内で穀粒と水を混ぜ合わせてシリアルマッシュを生成する。マッシュ中、麦芽内で自然発生した酵素によって、穀粒内の澱粉（長鎖炭水化物）をより小さな分子又は単純な糖（単糖、二糖、三糖）へと変換する。この「変換」は糖化と呼ばれる。マッシング工程から、糖分の高い液体、すなわち「麦汁」が得られ、これをロータリングとして知られる工程において、マッシュタン７３の底又は別のタンク７４で漉す。プローブ１をマッシュタン７３の中に沈め、麦汁内の酵素及び澱粉の濃度を監視することができる。ロータリングの前に、マッシュ温度を約７５〜７８℃（１６７〜１７２°Ｆ）に上げて酵素を非活性化する（マッシュアウトとして知られる）。プローブ１をマッシュタン７３又はロータリングタンク７４の底の近くで使用し、温度センサ１４を使って容器全体の温度が確実に所望の範囲内となるようにし、プローブ分光器の内の一つを使用して、酵素の濃度が所望の、又は許容できるレベルまで確実に低がるようにすることができる。スパージングとして知られる工程において、水を穀粒にかけ、更に糖を抽出することができる。
【００４１】
「コッパー」として知られる大きなタンク７５又はやかんに麦汁を移し、ここでホップ及び場合によってはハーブや砂糖などの他の原料７６と沸騰させる。この段階では多くの化学反応及び技術的反応が起こり、ビールのフレーバー、色、香りに関する重要な決定が行われる。ボイリング工程によって酵素工程は終了し、タンパク質が沈殿し、ホップ樹脂が異性化し、麦汁が濃縮され、滅菌される。ホップはビールにフレーバー、香り及び苦味を与える。プローブ１からのスペクトル信号は種々の要素の濃度及び麦汁の色を決めるために使用することができる。ボイリングの最後に、ホップを加えた麦汁を「ワールプール」７７と呼ばれる容器内で澄ませ、この際、麦汁内の固形粒子が更に分離される。
【００４２】
ワールプール７７の後、熱交換器７８を介して、酵母が添加できる温度に麦汁を素早く冷却する。熱交換器７８は冷水タブの内側において、配管で構成される。酵母が安全に添加できるレベルまで麦汁を素早く冷却するのは大変重要である、というのも、酵母は高温では成長することができないからである。従って、プローブ１上の温度センサ１４は、麦汁が熱交換器７８によって必要とされる温度まで均一に冷却されたことを素早く感知することができる。麦汁が熱交換器７８を通過した後、冷却された麦汁は発酵タンク７９に入れられる。酵母の種類を選択し、発酵タンク７９に添加、又は「投入」する。酵母を麦汁に添加すると、発酵工程が始まり、糖はアルコール、炭酸ガス及びその他の化学成分になる。発酵タンク７９において、プローブ１はこれらの要素の濃度に関するスペクトル信号を供給する。発酵が完了すると、醸造者はビールをコンディショニングタンク８０と呼ばれる新しいタンクに移し替える。ビールのコンディショニングとは、ビールが熟成され、フレーバーが滑らかになり、好ましくないフレーバーが消える工程である。ここで、プローブ１からのスペクトル信号は、いつビールがその最適な状態に達したか、及びｐＨなどのその他の特徴の監視を明確に表示する。１週間から数ヶ月のコンディショニングの後、ビールはフィルタ８１を使って濾過し、瓶詰めのために炭酸ガスを含ませる、又はカスク内で自然熟成（fined）させる。
【００４３】
プローブ１はより大きな監視システム、例えば河川、湖、海及びその他の水路で使用することができ、汚染物質、例えば石油流出などの種々の要素の濃度をその他の要因、例えば温度及びｐＨと共に監視することができる。検出の場所及び時間、並びに検出される汚染物質の種類により、汚染源及び結果として生じる損害、例えば下流における水の性質の変化を判断することが可能となる。
【００４４】
プローブ１のサイズを小さくすると、人間やその他の動物の生体内の監視にも使用することができる。具体的には、プローブ１を体内に取り込み、プローブ１が患者の消化器系を進むにつれ、スペクトルデータを医者の基地局に送信して、内容物、ｐＨ、温度及び種々のその他の特徴を監視することができる。
【００４５】
一実施例において、プローブ１を飛行機、風船、ヘリコプター又は宇宙船などの航空機から落下させて、オゾン、アレルゲン、汚染物質などの種々の大気特性を監視することができる。
【００４６】
本開示は本明細書に記載する特定の実施例に限定されるものではない。上述の記載及び添付の図面から、当業者には、本明細書に記載したものに加え、その他の実施例及び変更が明らかとなるであろう。従って、そのようなその他の実施例及び変更は本開示の範囲に含まれると意図されている。更に、特定の目的のための特定の環境における特定の実施に照らして本開示を記載してきたが、当業者であれば本開示の有用性がそれらに限定されず、本開示が任意の数の目的のために、任意の数の環境において有益に実施されることを理解するだろう。従って、下記に記載する請求項は、本明細書に記載する本開示の全範囲及び趣旨を考慮して解釈されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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