(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験サンプル中の検体を検出するための中赤外分光システムであって、
（１）階層的スペクトル分散システムであって、
（ａ）複数の放射線信号を受けるように配置される第一複数レンズであって、各放射線信号が異なる第一スペクトル範囲を有し、複数の第一スペクトル範囲が集合的に中赤外スペクトルの少なくとも一部に広がり、前記第一複数レンズのうちの各レンズが前記複数の放射線信号のうちの異なる放射線信号を受け該放射線信号を前記試験サンプルと相互作用後に第一集束場に集束した複数の放射線ビームに分布させるように動作し、各放射線ビームが前記第一スペクトル範囲よりも小さな第二スペクトル範囲を有し、複数の第二スペクトル範囲が集合的に前記第一スペクトル範囲に等しい、第一複数レンズと、
（ｂ）前記第一集束場に位置する第二複数レンズであって、前記第二複数レンズのうちの各レンズが前記複数の放射線ビームのうちの異なる放射線ビームを受け該放射線ビームを第二集束場に集束した複数の放射線ビームレットに分布させるように動作し、各放射線ビームレットが各放射線ビームの前記第二スペクトル範囲よりも小さな異なる第三スペクトル範囲を有し、複数の第三スペクトル範囲が集合的に前記第二スペクトル範囲に等しい、第二複数レンズと、を備える階層的スペクトル分散システムと、
（２）前記第二集束場に位置する第一複数検出器画素であって、各検出器画素が前記複数の放射線ビームレットのうちの異なる放射線ビームレットを受けるように配置される第一複数検出器画素と、を備え、
複数の第一スペクトル範囲が集合的に中赤外スペクトルに広がる、分光システム。
【請求項２】
前記第一複数検出器画素のうちの第一検出器画素が、該第一検出器画素が受ける放射線ビームレットの第三スペクトル範囲に対して実質的にスペクトル選択性である、請求項１に記載の分光システム。
【請求項３】
前記第一検出器画素が、中赤外放射線に対して実質的に透過性である第一物質を備え、前記第一検出器画素が、フォトニック結晶を集合的に画定する第一配置の複数の特徴部を含み、前記特徴部のサイズ及び間隔が、該第一検出器画素が受ける放射線ビームレットの第三スペクトル範囲に基づく、請求項２に記載の分光システム。
【請求項４】
前記第一物質がフロートゾーンシリコンである、請求項３に記載の分光システム。
【請求項５】
前記特徴部が、前記第一物質中における中赤外放射線の吸収及び電荷キャリアの発生を可能にする表面状態を与えるような寸法及び配置にされている、請求項３に記載の分光システム。
【請求項６】
前記第一検出器画素が、前記第一物質中でのアバランシェ利得を誘起するように動作する第一コンタクト及び第二コンタクトを含む、請求項５に記載の分光システム。
【請求項７】
前記複数の放射線信号のうちの第一放射線信号に対して集合的にスペクトル選択性である第二複数検出器画素を備える第一検出器を更に備え、前記第一複数検出器画素が前記第二複数検出器画素を含み、前記第二複数検出器画素が第一検出器画素及び第二検出器画素を含み、前記第一検出器画素が、該第一検出器画素が受ける放射線ビームレットの第三スペクトル範囲に対して実質的にスペクトル選択性であり、前記第二検出器画素がブラインド画素である、請求項１に記載の分光システム。
【請求項８】
（３）複数のエミッタを更に備え、前記複数のエミッタのうちの各エミッタが前記複数の放射線信号のうちの異なる放射線信号を放出する、請求項１に記載の分光システム。
【請求項９】
前記複数のエミッタのうちの第一エミッタが、前記複数の放射線信号のうちの第一放射線信号を放出するような寸法及び配置にされたフィラメントを備え、前記フィラメントが、第一エミッタ幅及び第一エミッタ間隔を特徴とする複数の放出素子を含み、前記第一エミッタ幅及び前記第一エミッタ間隔が前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づく、請求項８に記載の分光システム。
【請求項１０】
前記第一エミッタがミラーを更に備え、前記ミラー及び前記フィラメントが集合的に、前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づいたキャビティ長を有する共振キャビティを画定する、請求項９に記載の分光システム。
【請求項１１】
前記第二複数レンズのうちの第一レンズが、前記第二集束場にある第一複数スポットに集束するように各放射線ビームレットを分布させ、前記第一レンズが、前記試験サンプルから受けた散乱放射線を前記第二集束場上の第二複数スポットに集束させるような寸法及び配置にされ、前記第一複数スポット及び前記第二複数スポットがそれぞれ、各スポットが前記複数の第三スペクトル範囲のうちの異なる第三スペクトル範囲を一意に特徴とするように配置される、請求項１に記載の分光システム。
【請求項１２】
（３）前記試験サンプルを保持するためのサンプルキュベットを更に備え、前記サンプルキュベットが前記第一複数レンズと、前記第二複数レンズと、前記複数の検出器画素とを含む、請求項１に記載の分光システム。
【請求項１３】
（３）サンプルキュベットを収容するための収容部と、前記第一複数レンズと、前記第二複数レンズと、前記複数の検出器画素とを含むドッキングステーションと、
（４）前記試験サンプルを保持するための前記サンプルキュベットであって、
（ａ）中赤外放射線に対して実質的に透過性である第一物質を備える本体と、
（ｂ）前記試験サンプルを配置するためのサンプルチャンバと、
を含む前記サンプルキュベットと、を更に備え、
前記サンプルキュベットが、前記収容部内に取り外し可能に配置されるような寸法及び配置にされる、請求項１に記載の分光システム。
【請求項１４】
ハイパースペクトル分光システムであって、
第一複数放射線信号のスペクトル成分を複数の放射線ビームレットに分布させるような寸法及び配置にされている階層的スペクトル分散システムであって、前記第一複数放射線信号が集合的に中赤外スペクトルの少なくとも一部である第一スペクトル範囲に広がり、各放射線ビームレットが、複数のスペクトル成分が集合的に前記第一スペクトル範囲に広がるように前記第一スペクトル範囲内に含まれる異なるスペクトル成分を含み、各スペクトル成分が前記第一スペクトル範囲よりも小さな第二スペクトル範囲を有する、階層的スペクトル分散システムと、
複数の検出器であって、各検出器が複数の検出器画素を含み、各検出器画素が、複数のスペクトル成分のうちの一つのみを検出するようにスペクトル選択性である、複数の検出器と、を備え、
前記階層的スペクトル分散システム及び前記複数の検出器が、前記複数の放射線ビームレットのうちの各放射線ビームレットが各スペクトル成分に対してスペクトル選択性である前記検出器画素に向けられるように配置にされる、ハイパースペクトル分光システム。
【請求項１５】
前記階層的スペクトル分散システムが、
複数の第一レンズであって、各第一レンズが前記第一複数放射線信号のうちの異なる放射線信号を複数の放射線ビームに分布させるように配置され、各放射線ビームが前記第一スペクトル範囲よりも小さく且つ前記第二スペクトル範囲よりも大きな第三スペクトル範囲を有する、複数の第一レンズと、
複数の第二レンズであって、各第二レンズが複数のレンズレットを含み、各レンズレットが前記複数の放射線ビームのうちの異なる放射線ビームを受けて該放射線ビームを前記複数の放射線ビームレットのうちの異なる放射線ビームレットに分布させるように配置される、複数の第二レンズと、を含む、請求項１４に記載の分光システム。
【請求項１６】
第一検出器が前記第一複数放射線信号のうちの第一放射線信号に対してスペクトル選択性であり、前記第一検出器の第一検出器画素が前記第一放射線信号の第一スペクトル成分に対して実質的にスペクトル選択性であり、前記第一検出器の第二検出器画素がブラインド画素である、請求項１４に記載の分光システム。
【請求項１７】
前記複数の検出器のうちの第一検出器の第一検出器画素が、中赤外放射線に対して実質的に透過性である第一物質を備え、前記第一検出器画素が、フォトニック結晶を集合的に画定する第一配置の複数の特徴部を含み、前記特徴部のサイズ及び間隔が、該第一検出器画素が受ける放射線ビームレットのスペクトル成分に基づく、請求項１４に記載の分光システム。
【請求項１８】
複数のエミッタを更に備え、各エミッタが前記第一複数放射線信号のうちの異なる放射線信号を提供するように動作する、請求項１４に記載の分光システム。
【請求項１９】
前記複数のエミッタのうちの第一エミッタが、前記第一複数放射線信号のうちの第一放射線信号を放出するような寸法及び配置されたフィラメントを備え、前記フィラメントが、第一エミッタ幅及び第一エミッタ間隔を特徴とする複数の放出素子を含み、前記第一エミッタ幅及び前記第一エミッタ間隔が前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づく、請求項１８に記載の分光システム。
【請求項２０】
前記第一エミッタがミラーを更に備え、前記ミラー及び前記フィラメントが集合的に、前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づいたキャビティ長を有する共振キャビティを画定する、請求項１９に記載の分光システム。
【請求項２１】
試験サンプルを分析するための方法であって、
第一複数放射線信号の各々を第一複数放射線ビームに分布させるステップであって、各放射線信号が異なる第一スペクトル範囲を特徴として、複数の第一スペクトル範囲が集合的に中赤外スペクトルの少なくとも一部に広がるようにするステップと、
前記第一複数放射線ビームが前記試験サンプルと相互作用して、スペクトル成分が前記試験サンプルの化学組成に基づく第二複数放射線ビームを与えるように、前記第一複数放射線ビームのうちの各放射線ビームを第一集束場に集束させるステップであって、前記第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームが各放射線信号の第一スペクトル範囲よりも小さな異なる第二スペクトル範囲を有し、複数の第二スペクトル範囲が集合的に各放射線信号の第一スペクトル範囲に広がる、ステップと、
前記第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームを、第二集束場に集束する複数の放射線ビームレットに分布させるステップであって、各放射線ビームレットが、前記第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームの第二スペクトル範囲よりも小さな異なる第三スペクトル範囲を特徴とするスペクトル成分を有し、複数の第三スペクトル範囲が集合的に前記第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームの第二スペクトル範囲に広がる、ステップと、
前記第二集束場に位置する複数の検出器で前記複数の放射線ビームレットを検出するステップであって、各検出器が各放射線ビームレットに基づく出力信号を提供する、ステップと、
複数の出力信号に基づいて前記試験サンプル中の少なくとも一種の検体を検出するステップと、を備える方法。
【請求項２２】
各検出器が非スペクトル選択性となるように前記複数の検出器を提供するステップを更に含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の検出器のうちの第一検出器が前記複数の放射線ビームレットのうちの第一ビームレットのスペクトル成分に対してスペクトル選択性であるように該第一検出器を提供するステップと、
前記第一ビームレットを前記第一検出器に集束させるステップと、を更に含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数の検出器のうちの第一検出器が、
中赤外放射線に対して実質的に透過性である第一物質と、
フォトニック結晶を集合的に画定する第一配置の複数の特徴部と、を備えるように該第一検出器を提供するステップを更に含み、前記特徴部のサイズ及び間隔が、該第一検出器が受ける放射線ビームレットのスペクトル成分に基づく、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の検出器のうちの第二検出器がブラインド検出器となるように該第二検出器を提供するステップと、
前記第一検出器によって提供された第一出力信号と前記第二検出器によって提供された第二出力信号とを比較するステップと、を更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
パルス期間の第一部分中に前記第一検出器にわたって電場を与える工程、
前記パルス期間の第二部分中に前記第一検出器にわたって電場を与えない工程、
前記第一部分中に第一画素の光伝導度を測定する工程、及び、
前記第二部分中に前記第一画素の温度を測定する工程によって、前記第一検出器の読み出しを行うステップを更に含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
複数のエミッタを提供するステップであって、各エミッタが前記第一複数放射線信号のうちの異なる放射線信号を選択的に放出するように動作する、ステップと、
前記複数のエミッタの各々に各放射線信号を放出させるステップと、を更に備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数のエミッタが一度に一つ活性化される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数のエミッタのうちの第一エミッタが、前記第一複数放射線信号のうちの第一放射線信号を放出するような寸法及び配置にされたフィラメントを備えて提供され、前記フィラメントが、第一エミッタ幅及び第一エミッタ間隔を特徴とする複数の放出素子を含み、前記第一エミッタ幅及び前記第一エミッタ間隔が前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づく、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第一エミッタがミラーを更に備えて提供され、前記ミラー及び前記フィラメントが集合的に、前記第一放射線信号の第一スペクトル範囲に基づくキャビティ長を有する共振キャビティを画定する、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年３月９日出願の米国仮出願第６２／１３０３５７号（整理番号ＣＩＴ‐７１２１‐Ｐ）、２０１５年１０月１日出願の米国仮出願第６２／２３５６８７号（整理番号ＣＩＴ‐７３０２‐Ｐ）、及び２０１５年１２月８日出願の米国仮出願第６２／２６４７５２号（整理番号ＣＩＴ‐７３７５‐Ｐ）の優先権を主張し、これら各出願は参照して本願に組み込まれる。本願と、参照として組み込まれる出願のうち一つ以上との間に、本願の特許請求の範囲の解釈に影響を与えるような記載の矛盾が存在する場合には、本願の特許請求の範囲は、本願の記載と矛盾しないように解釈されるものである。
【０００２】
本発明は、ハイパースペクトル分光法に係り、特に中赤外波長範囲のハイパースペクトル分光法のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
赤外分光法は、サンプルの化学組成を分析するための方法であり、医療診断、石油探査、環境衛生監視、薬剤試験などの多数の分野において広く用いられている。
【０００４】
試験サンプルの化学組成の分光的な同定及び定量化は、原子が分子から離れては強固に保持されず、代わりに、曲げたり伸びたりすることができるバネによって取り付けられているかのように動くことができるという事実によって可能となる。一対の原子間の結合が特定のエネルギーの放射線に晒されると、エネルギーを吸収して、その結合が、第一振動状態から次に高次の振動状態に移ることができる。このような吸収が行われる特定の波長は、分子のポテンシャルエネルギー面の形状、原子の質量及びその結合によって決まるが、これらは全ての分子に特有のものである。結果として、放射線が物質によって吸収される一組の波長（つまり、一組の「吸収ピーク」）が、その物質の化学組成を示す。そこで、これら吸収ピークは、「指紋吸収ピーク」と呼ばれることが多い。
【０００５】
透過型赤外分光法では、赤外放射線が試験サンプルに向けられ、その物質を通過した後に検出される。放射線がサンプルを通過するので、物質の各化学成分は、その固有波長において放射線を選択的に吸収し、これにより、検出された放射線の化学的性質に依存したスペクトル情報が与えられる。出力信号におけるスペクトルピークの位置、大きさ及び屈折は、「スペクトル指紋」を与え、それを用いて、サンプルの化学組成が推定される。
【０００６】
中赤外（ＭＩＲ，ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ）スペクトル範囲（本願では、略２．５マイクロメートルから略１２．５マイクロメートルの範囲内の波長として定義される）は、大抵の化学物質について豊富な吸収ピークがその範囲内に存在するので、特に情報が豊富なスペクトル範囲を表す。従って、ＭＩＲスペクトル範囲は、赤外分光法の魅力的な動作範囲である。結果として、複数のＭＩＲ分光計が従来技術において開示されており、非特許文献１や非特許文献２で開示されたもの等がある。一般的に、既知のＭＩＲ分光計は、試験サンプルの領域にわたってインテロゲート光のスペクトルを空間的に分散させる波長分散素子（例えば、プリズムや回折格子）に基づいたものである。光は試験サンプルを通過し、実質的に同一の複数検出器（光電効果を測定する半導体検出器、又は、入射放射線の吸収による温度変化を測定するボロメータのいずれか）のアレイによって検出される。各検出器の出力信号とそれに入射したと考えられる光の波長との間の適切な登録を可能にするためには、源と試験サンプルと検出器アレイとの間の正確な整列が要求されることに留意されたい。
【０００７】
残念ながら、従来技術のＭＩＲ分光システムは多数の欠点を有する。第一に、従来のＭＩＲ分光計には、帯域幅が狭いという問題がある。第二に、その波長分解能が、多数の化学物質を効果的に同定するには粗過ぎるが、これは典型的には、検出器の数が不十分なためである。第三に、大抵の従来技術のＭＩＲ分光計は外部源及び検出器を必要するが、これは分光計を非常に複雑にし、整列及び整列維持を難しくし、環境衝撃及び振動により故障し易くする。第四に、各ボロメータの出力信号は、単に何らかの放射線がそれに入射したことの関数であるので、試験サンプル内の放射線散乱体が、検出器画素間のクロストークをもたらし得る。
【０００８】
更に、光伝導性又はダイオード電流の変化を測定するものである半導体検出器に基づいた従来技術の分光計は、追加的な決定を有する。半導体検出器では、入射光子が価電子を伝導帯に励起して、巨視的に検出可能な電流を生じさせる。一般的に用いられている中赤外検出器は、テルル化水銀カドミウム、ガリウム錫、インジウム錫、又はゲルマニウムを含み、それら各々は比較的小さなバンドギャップを有する。小さなバンドギャップのため、それら半導体は典型的に高い漏れ電流を有し、検出器の信号対ノイズ性能を損なう。漏れ電流を軽減するため、通常、検出器は、動作中には大気温度未満に冷却される。しかしながら、低温動作の必要性が、その携帯性、並びに生物学的分析への使用を大幅に制限している。
【０００９】
従来のボロメータは、多くの場合において半導体ＭＩＲ検出器の魅力的な代替物となるが、固有の欠点がないわけではない。従来のボロメータは、放射線を吸収し、そのエネルギーを熱に変換すること（これは温度変化として現れる）によって入射放射線を検出する。ボロメータは典型的に、酸化バナジウム等の熱抵抗係数が大きな物質を必要とし、また、検出に十分な吸収を可能にするため長い光相互作用長を必要とする。中赤外感知ボロメータは、断熱膜上に堆積させた熱抵抗材の伝導性変化を観測し、室温で機能することができる。しかしながら、ボロメータは本質的に熱検出器として機能するので、ボロメータに基づいた従来技術のシステムは、周囲温度の変化に非常に影響され易い。
【００１０】
実用的で高感度で頑丈なＭＩＲ分光計の必要性は、従来技術では満たされていないままである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第８３４４３２３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／００７５６１４号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｍｕｎｅｅｂ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ３．８  ｍｉｃｒｏｎｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｐ．１１６５９（２０１３）
【非特許文献２】Ｓｈａｎｋａｒ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、ｐ．３２９（２０１４）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、従来技術のコスト及び欠点をいくつか克服するＭＩＲ分光システムを提供する。本発明に係る分光計は、試験サンプルを調べるのにＭＩＲ放射線信号を用い、試験サンプル通過する際のＭＩＲ放射線の狭いスペクトル成分の吸収を検出するのに検出器アレイを用いる。ＭＩＲ放射線は、階層的配置構成の複数段階のスペクトル分散で伝播して、スペクトル成分を空間的に分離して個々の検出器画素に向ける。スペクトル分散は、試験サンプルの両側における少なくとも一段階で階層的に行われる。一部実施形態では、スペクトル選択性検出器画素を用いることによって、スペクトルクロストークを軽減することで、システム感度を改善する。一部実施形態では、複数のスペクトル選択性エミッタ（各エミッタは、スペクトルサブ範囲が全体で集合的にＭＩＲスペクトルに広がるようなスペクトルサブ範囲を有する）を用いることによって、スペクトルクロストークを軽減する。
【００１４】
本発明の例示的な実施形態は、スペクトル選択性エミッタのアレイ及びスペクトル選択性検出器のアレイを、エミッタアレイと検出器アレイとの間の階層的スペクトル分散システムと共に含むＭＩＲハイパースペクトル分光計である。エミッタアレイ中の各エミッタは、ＭＩＲ範囲の異なるスペクトルサブ帯域内の放射線を提供し、エミッタアレイが集合的にＭＩＲ範囲全体にわたる放射線を放出するようにする。各エミッタによって放出された放射線は、第一レンズアレイのレンズによって複数の放射線ビームに分布し、複数の放射線ビームの各々は、そのレンズが受ける放射線のスペクトルの一部分であるスペクトルサブ帯域を含む。放射線ビームは、試験サンプルの反対側に位置する第二レンズアレイのレンズ上に集束し、各放射線信号が試験サンプルを通過し、そのスペクトル成分が試験サンプルの化学組成に基づいて吸収されるようにする。第二レンズアレイの各レンズは、異なる放射線ビームを受け、それを複数の放射線ビームレットに分布させるが、各放射線ビームレットは、そのレンズに関連する検出器の異なる検出器画素に集束される。各放射線ビームレットは、そのレンズが受ける放射線ビームの異なる波長成分を含む。また、第二レンズアレイの各レンズは、試験サンプルによって散乱された放射線を実質的にその全表面積にわたって受け、各レンズが受ける散乱放射線は、主に、そのレンズに集束した複数の放射線ビームのスペクトル成分の主に全てを備える。各レンズは、散乱放射線中の各スペクトル成分を、そのレンズが受けた放射線ビームから分布させた同じスペクトル成分を受ける同じ検出器画素上に集束させるように動作可能である。
【００１５】
例示的な実施形態では、各エミッタは小型黒体放射線源であり、そのスペクトルサブ範囲内に狭スペクトル放射線を与え、また、各エミッタからの放射線が所望の方向に優先的に伝播することを促進する回折格子を含む。一部実施形態では、各エミッタは、放射線を集束させる追加の回折レンズに光学的に結合され、更に狭い放出パターンを与える。一部実施形態では、各エミッタは、回折素子の上方に保持されたミラー層を含み、それらの間に垂直共振キャビティを画定する。ミラー層を含むことで、黒体放射線が、各エミッタの所望の狭スペクトルサブ範囲内でより効率的に放出されることを可能にする。
【００１６】
例示的な実施形態では、検出器アレイ中の各検出器は、一組のスペクトル選択性画素を含み、各画素は、それに対応するエミッタによって与えられるスペクトル範囲の狭いサブ部分を含む一つのスペクトル成分のみを検出する。検出器画素は、弱吸収性シリコンの層に形成されたフォトニック結晶によって画定されるキャビティ増強検出器素子である。フォトニック結晶の表面構造が、シリコン中に自由キャリア対を発生させる表面状態を励起することによって、巨視的に検出可能な光伝導応答の発生を可能にする。また、各フォトニック結晶の設計が、各画素にスペクトル選択性を与える。一部実施形態では、検出器画素は従来のＭＩＲ検出器、例えば、非スペクトル選択性ボロメータやＭＩＲ感知光伝導体である。一部実施形態では、高電場が各画素にわたって印加されて、アバランシェ利得を発展させる。一部実施形態では、少なくとも一つの画素グループが「ブラインド」画素を含み、ブラインド検出器に対する各「活性」画素の差動測定を可能にする。一部実施形態では、画素がパルス方式で調べられ、光伝導応答及び熱応答の両方の検出を可能にする。
【００１７】
一部実施形態では、各エミッタに関連する画素グループが回折レンズに光学的に結合され、その回折レンズは、そのエミッタによって提供される放射線のスペクトルサブ範囲の各サブ部分をそのグループ内の適切な画素に向ける。
【００１８】
一部実施形態では、エミッタアレイと検出器アレイは、マイクロキュベットに形成されたチャンバの両側に位置する。マイクロキュベットは第一基板及び第二基板を含み、これら基板が接合されてチャンバを画定する。エミッタは第一基板の表面に形成され、一方、検出器は第二基板の表面に形成される。基板の接合が、各エミッタをそれに関連する検出器と自動的に整列させる。
【００１９】
一部実施形態では、エミッタアレイは、試験サンプルを保持するための固定機構の第一側に配置され、一方、検出器アレイは固定機構の第二側に配置される。試験サンプルがエミッタアレイと検出器アレイとの間に固定されると、各エミッタはそれに対応する検出器と整列される。
【００２０】
本発明の一実施形態は、試験サンプル中の検体を検出するための中赤外（ＭＩＲ）分光システムであり、その分光システムは（１）階層的スペクトル分散システムを備え、その階層的スペクトル分散システムは（ａ）複数の放射線信号（各放射線信号は第一スペクトル範囲を有する）を受けるように配置された第一複数レンズを備え、第一複数レンズのうちの各レンズは、複数の放射線信号のうちの異なる放射線信号を受けて、それを、第一集束場に集束した複数の放射線ビームに分布させるように動作可能であり、各放射線ビームは、第一スペクトル範囲よりも小さな第二スペクトル範囲を有し、複数の第二スペクトル範囲が集合的に第一スペクトル範囲に等しく、また、その階層的スペクトル分散システムは（ｂ）第一集束場に位置する第二複数レンズを備え、第二複数レンズのうちの各レンズは、複数の放射線ビームのうちの異なる放射線ビームを受けて、それを、第二集束場に集束した複数の放射線ビームレットに分布させるように動作可能であり、各放射線ビームレットは、各放射線ビームの第二スペクトル範囲よりも小さな第三スペクトル範囲を有し、複数の第三スペクトル範囲が集合的に第二スペクトル範囲に等しく、また、分光システムは第二集束場に位置する複数の検出器画素を備え、複数の検出器画素は、各検出器画素が複数の放射線ビームレットのうちの異なる放射線ビームレットを受けるように配置され、複数の第一スペクトル範囲が集合的にＭＩＲスペクトルに広がる。
【００２１】
本発明の他の実施形態は、ハイパースペクトル分光システムであり、そのハイパースペクトル分光システムは、第一複数放射線信号のスペクトル成分を複数の放射線ビームレットに分布させるような寸法及び配置にされた階層的スペクトル分散システムを備え、第一複数放射線信号は集合的に、中赤外（ＭＩＲ）スペクトルの少なくとも一部分である第一スペクトル範囲に広がり、各放射線ビームレットは第一スペクトル範囲中に含まれる異なるスペクトル成分を含み、複数のスペクトル成分が集合的に第一スペクトル範囲に広がり、各スペクトル成分が、第一スペクトル範囲よりも小さな第二スペクトル範囲を有するようにし、また、ハイパースペクトルシステムは複数の検出器を備え、各検出器が複数の検出器画素を含み、各検出器画素は、複数のスペクトル成分のうちの一つのスペクトル成分のみを検出するようにスペクトル選択性であり、階層的スペクトル分散システム及び複数の検出器は、複数の放射線ビームレットのうちの各放射線ビームレットが各スペクトル成分に対してスペクトル選択性である検出器画素に向けられるように配置される。
【００２２】
本発明の更に他の実施形態は、試験サンプルを分析するための方法であり、その方法は、第一複数放射線信号を第一複数放射線ビームに分布させるステップであって、各放射線信号が異なる第一スペクトル範囲を特徴とし、複数の第一スペクトル範囲が集合的にＭＩＲスペクトルの少なくとも一部に広がるようにするステップと、第一複数放射線ビームのうちの各放射線ビームを第一集束場に集束させて、第一複数放射線ビームが試験サンプルと相互作用して、そのスペクトル成分が試験サンプルの化学組成に基づいている第二複数放射線ビームを与えるようにするステップであって、第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームが、各放射線信号の第一スペクトル範囲よりも小さな異なる第二スペクトル範囲を有し、複数の第二スペクトル範囲が集合的に各放射線信号の第一スペクトル範囲に広がるようにするステップと、第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームを、第二集束場に集束した複数の放射線ビームレットに分布させるステップであって、各放射線ビームレットが、第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームの第二スペクトル範囲よりも小さな異なる第三スペクトル範囲を特徴とするスペクトル成分を有し、複数の第三スペクトル範囲が集合的に第二複数放射線ビームのうちの各放射線ビームの第二スペクトル範囲に広がる、ステップと、第二集束場に位置する複数の検出器で複数の放射線ビームレットを検出するステップであって、各検出器が各放射線ビームレットに基づいた出力信号を提供する、ステップと、複数の出力信号に基づいて試験サンプル中の少なくとも一種の検体を検出するステップとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る代表的な分光システムの主な特徴及びそれらの機能関係性の概略図を示す。
【図２Ａ】エミッタアレイ１０２の側面の概略図を示す。
【図２Ｂ】エミッタアレイ１０２の一部の断面の概略図を示す。
【図２Ｃ】代表的なフィラメント２２２の上面の概略図を示す。
【図３Ａ】本発明に係る検出器モジュールの断面の概略図を示す。
【図３Ｂ】本発明に係る代表的な個々の検出器／レンズ対（具体的には、検出器３０２‐１／レンズ３０４‐１）の断面の概略図を示す。
【図３Ｃ】代表的な検出器の画素配置の上面の概略図を示す。
【図３Ｄ】代表的な検出器画素の上面の概略図を示す。
【図４Ａ】接合前のゼロ厚さ接合の断面の概略図を示す。
【図４Ｂ】接合後のゼロ厚さ接合の断面の概略図を示す。
【図５Ａ】レンズアレイ１０６の代表的なレンズ２０４の概略図を示す。
【図５Ｂ】レンズアレイ１０８のレンズ３０４内の代表的なレンズレット３３８の断面の概略図を示す。
【図６Ａ】本発明に係る第一分光計配置の断面の概略図を示す。
【図６Ｂ】本発明に係る第一分光計配置の斜視の概略図を示す。
【図７】本発明に係る試験サンプルを分析するための方法の工程を示す。
【図８Ａ】本発明に係る第二分光計配置の斜視の概略図を示す。
【図８Ｂ】本発明に係る第二分光計配置の断面の概略図を示す。
【図９】被験者の二本の指の間の水かき領域を調べることによる血液化学の非侵襲的測定の測定位置にある分光計８００を示す。
【図１０】本発明に係る第三分光計配置の断面の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の一態様では、従来技術のＭＩＲ分光システムに対する顕著な利点が、階層的波長分割法を用いることによって、もたらされる。本発明の実施形態では、ＭＩＲスペクトルが、複数エミッタのアレイを用いることによって、複数のスペクトルサブ範囲に分割され、各エミッタは、複数のスペクトルサブ範囲のうち一つのみ内の放射線を放出する。各エミッタからの放射線は、複数の検出器画素を備える検出器の上のみに向けられることによって、更に分割され、各検出器画素は、検出器のスペクトルサブ範囲のサブ部分内の放射線を選択的に検出する。更に、各サブ部分をそれに対応する検出器画素に向けるフィルタ素子を介して、各検出器が各エミッタに光学的に結合される。アレイ中の複数エミッタの使用は、源をスペクトル選択性検出器素子と整合させる回折光学フィルタと共に、ＭＩＲスペクトル全体をより細かなスペクトル分解能で検出することを可能にし、また、従来技術よりも少ないスペクトルクロストークを達成することを可能にする。
【００２５】
添付の特許請求の範囲を含む本明細書の目的において、「スペクトル選択性」とは、デバイスが動作可能なように設計されている特定の範囲の波長内においてより大きな応答性を有するものとして定義される。例えば、スペクトル選択性エミッタは、その半値全幅によって定められるスペクトル範囲内においてより大きな強度を有する放射線を放出する。同様に、スペクトル選択性検出器は、波長が所定の波長範囲内にある放射線のみを検出し、その所定の波長範囲外の放射線波長には実質的に感度がない。
【００２６】
本発明の革新的側面の基本的な理解のため、代表的な分光システム及びその動作の概要をここに与える。
［本発明の原理及び一般化構造］
【００２７】
図１は、本発明に係る代表的な分光システムの主な特徴、及びそれらの機能関係性の概略図を示す。システム１００は、中赤外放射線を用いて試験サンプルを分析するハイパースペクトル分光システムである。システム１００は、無数の物質（体液（例えば、血液、唾等）、生物組織、工業用流体、石油製品等が挙げられるが、これらに限られない）を備える試験サンプルを調べるのに適している。システム１００は、エミッタアレイ１０２、検出器アレイ１０４、レンズアレイ１０６及び１０８、及びプロセッサ１１０を含む。
【００２８】
エミッタアレイ１０２は、集合的に放射線１１４を与えるＭ個の黒体放射線エミッタのアレイである。後述のように、エミッタアレイ１０２中の各エミッタはスペクトル選択性であり、ＭＩＲスペクトル内の波長の狭いサブ範囲内に実質的に集中している放射線信号を提供する。エミッタアレイ１０２において、各エミッタは、そのエネルギーがＭＩＲスペクトルの異なるスペクトルサブ範囲内に集中している放射線信号１１６を放出し、放射線１１４がＭＩＲスペクトル範囲全体に広がるような寸法にされて配置される。エミッタアレイ１０２については、図２Ａ〜Ｂを参照して後でより詳細に説明する。
【００２９】
検出器アレイ１０４は、スペクトル選択性検出器のアレイであり、各スペクトル選択性検出器は、ＭＩＲスペクトル内の波長の狭い帯域内のみの波長を有する放射線を検出するような寸法にされて配置される。検出器アレイ１０４の各検出器は、その応答が、各検出器と整列されているエミッタアレイ１０２のエミッタによって放出された放射線のスペクトルサブ範囲に実質的に整合するように設計される。つまり、検出器アレイ１０４の各検出器は、放射線信号１１６‐１から１１６‐Ｍのスペクトルサブ範囲のうち異なる一つ内のみの放射線を検出するように設計される。従って、検出器アレイ１０４は、ＭＩＲスペクトル範囲全体に広がる波長を有する放射線を集合的に検出する。
【００３０】
後述のように、検出器アレイ１０４中の各検出器は、複数の検出器画素を含み、各画素は、検出器が全体として受けるスペクトル範囲のごく一部であるスペクトル成分を選択的に検出するように設計される。典型的には、検出器画素対エミッタの比は１０から略３００の範囲内であり、各画素の波長選択性は略０．５ｎｍから１０ｎｍの範囲内のスペクトル幅である。検出器アレイ１０４については、図３Ａ〜Ｄを参照して後でより詳細に説明する。
【００３１】
エミッタアレイ１０２及び検出器アレイ１０４は、検出器アレイ１０４が放射線１２２を受けるように、試験サンプルの両側に配置されるが、その放射線１２２は、試験サンプルを通過した後の放射線１１４に基づくものである。レンズアレイ１０６及び１０８は、エミッタアレイと検出器アレイとの間に位置し、各放射線信号１１６のスペクトルサブ範囲内のスペクトル成分を階層的に空間的に分布させて、各スペクトル成分をそれに対応する検出器画素に向ける。
【００３２】
レンズアレイ１０６は、エミッタアレイ１０２から放射線１１４を受けるように配置されたＭ個の回折レンズのアレイであり、レンズアレイ１０６中の各レンズは異なる放射線信号１１６を受けるようにされる。レンズアレイ１０６はＮ個の回折レンズを含み、各回折レンズは、それが受けた放射線信号を複数の放射線ビーム１２０に空間的に分布させ、各放射線ビーム１２０は、それが受ける放射線信号のスペクトルサブ範囲の異なるスペクトルサブ部分を含む。レンズアレイ１０６は、各放射線ビーム１２０を、レンズアレイ１０８中の異なるレンズにおけるスポットとして集束させる。結果として、各放射線信号１１６‐ｉについて、ｉ＝１からＭであり、放射線ビーム１２０‐ｉ‐１から１２０‐ｉ‐Ｎが、放射線信号のスペクトルサブ範囲に集合的に広がる。レンズアレイ１０６は、放射線ビーム１２０‐１‐１から１２０‐Ｍ‐Ｎ（まとめて放射線ビーム１２０と称する）を試験サンプル１１２を通すように向け、試験サンプルがＭＩＲスペクトル全体によって調べられるようにする。レンズアレイ１０６については、図５Ａを参照して後でより詳細に説明する。
【００３３】
上述のように、放射線１１８が試験サンプル１１２を通過すると、放射線の特定の波長が、試験サンプルの化学組成に基づいて吸収される。結果として、試験サンプル１１２を通る各放射線ビーム１２０の通過が、その各スペクトルサブ部分に対する試験サンプル物質の吸収特性をインプリントし、放射線ビーム１２４‐１から１２４‐Ｍ（まとめて、放射線ビーム１２４と称する）を与えるが、これらが集合的に放射線１２２を定める。
【００３４】
エミッタアレイ１０２と、検出器アレイ１０４と、レンズアレイ１０６及び１０８とは、同じスペクトルサブ範囲についてスペクトル選択性であるエミッタ及び検出器が光学的結合されるように、整列される。結果として、各検出器が、一つの特定のスペクトルサブ範囲内においてのみ生じる吸収を示す出力信号をプロセッサ１１０に提供する。
【００３５】
レンズアレイ１０８は、放射線信号１２２を受けて、検出器アレイ１０４に放射線１２６を提供するＭ個の回折レンズのアレイである。レンズアレイ１０８中の各レンズはＮ個のレンズレットを含む。結果として、レンズアレイ１０８は、集合的にＭ×Ｎ個のレンズレットを含む。レンズアレイ１０８中の各レンズレットは、異なる放射線ビーム１２４を受けて、波長によってＰ個の放射線ビームレット１２８（各ビームレットは異なる狭い幅のスペクトル成分を含む）に空間的に分割し、放射線ビームレットを各検出器の適切な検出器画素に分布させるように動作可能である。例えば、ｉ＝１からＭ、ｊ＝１からＮについて、放射線ビーム１２４‐ｉ‐ｊが、放射線ビームレット１２８‐ｉ‐ｊ‐１から１２８‐ｉ‐ｊ‐Ｐに分割される。レンズアレイ１０８については、図３Ａ〜Ｄ及び図５Ｂを参照して後でより詳細に説明する。
【００３６】
プロセッサ１１０は、エミッタアレイ１０２のエミッタを制御し、検出器アレイ１０４によって提供された出力信号の分析を行うように動作可能な従来のコンピュータプロセッサである。
【００３７】
システム１００は好ましくは図示されるように透過モードで動作するが、一部実施形態ではシステム１００は反射モードで動作するように配置され、エミッタアレイ１０２及び検出器アレイ１０４が試験サンプル１１２の同じ側に配置され、放射線１２２は、試験サンプル１１２の物質の表面から実質的に反射される放射線１１８の部分であることに留意されたい。
【００３８】
反射モードで動作する実施形態では、放射線は、ＭＩＲスペクトル内の全波長成分を含む略半球状の分散でサンプルから反射することに留意されたい。結果として、反射放射線中の波長成分の実質的に均一な分布を必要とする。エミッタからのフルスペクトル放射線（同時に照射される全てのフィラメント）について、反射放射線が、１０〜１２．５μｍの検出器帯域幅を受け入れ５〜１０μｍの照射からの一部の高調波を通過させ、また２．５〜５μｍの照射からのより高次の高調波の一部も通過させる回折レンズに与えられる。同様に、反射放射線が、５〜１０μｍの検出器帯域幅を受け入れ２．５〜５μｍの照射からの一部高調波を通過させる回折レンズに与えられる。一部実施形態では、この問題は、これら三つの広い放射線帯域幅において放出するエミッタフィラメントを時分割多重化することによって、解決される。各高調波用に設計されたレンズアレイ１０８中の回折レンズが、他の高調波の各々の放射線を受けるが、照射の時間分割多重化特性が、検出された波長が存在している高調波の決定を可能にするので、試験サンプルのスペクトルプロファイルの再構築を可能にする。
【００３９】
図２Ａはエミッタアレイ１０２の側面の概略図を示す。エミッタアレイ１０２は、エミッタ２０２‐１から２０２‐Ｍと、レンズ２０４‐１から２０４‐Ｍとを含む。少なくとも三グループのエミッタ２０２（各グループが異なる高調波の波長を放出する）の使用が、システム１００を通る波長高調波の伝播を軽減することに留意されたい。２．５マイクロメートルから５マイクロメートルの範囲内の波長が第一高調波を構成し、５マイクロメートルから１０マイクロメートルの範囲内の波長が第二高調波を構成し、１０マイクロメートルから１２．５マイクロメートルの範囲内の波長が第三高調波の一部を構成する。
【００４０】
エミッタ２０２‐１からエミッタ２０２‐Ｍ（まとめてエミッタ２０２と称する）は、基板２０６の表面２０８に形成される。
【００４１】
黒体源によって放出された放射線の放出スペクトル及び放出方向が、回折光学系及びアンテナアレイの原理に基づいて源を設計することによって調整可能であることが本発明の一態様である。プランクの関係に従いスペクトルを発生させエミッタ温度によって大部分制御される従来の黒体エミッタとは対照的に、本発明に係るエミッタが発生させる放射線は、個々の放出素子について適切な形状を用いそれらを適切な間隔で配置することによって、所望の方向に優先的に放出可能である。
【００４２】
図２Ｂはエミッタアレイ１０２の一部の断面の概略図を示す。図２Ｂは、個々のエミッタ２０２‐１と、それに関連するレンズ２０４‐１の拡大図を提供する。エミッタ２０２‐１は、エミッタ２０２‐１から２０２‐Ｍの各々を代表するものであるが、各エミッタを構成する素子の寸法は、そのエミッタのスペクトルサブ範囲１１６に特有のものである。各エミッタ２０２はフィラメント２２２及びミラー２２４を備える。
【００４３】
図２Ｃは代表的なフィラメント２２２の上面の概略図を示す。
【００４４】
エミッタアレイ１０２は、典型的には、従来のＭＥＭＳベースの製造プロセスを介して形成される。図示されている例では、エミッタアレイの製造は、基板２０６の表面２０８と２１８との間の電気接続を可能にするウェーハ貫通相互接続（明確さのため図示せず）の形成で始まる。典型的には、ウェーハ貫通相互接続と電気通信する接触パッドも表面２１８上に形成される（明確さのため図示せず）。
【００４５】
基板２０６は、従来のプレーナプロセスに適した基板であり、好ましくはフロートゾーンシリコンを備えるが、あらゆる実際的な基板物質が基板２０６に使用可能である（例えば、セラミック、化合物半導体等）。少なくとも基板２１０にフロートゾーンシリコンを使用し、従来技術に対する顕著な利点を与えることが本発明の一態様である。第一に、その極端に低いドーピングレベルにより遠赤外スペクトル範囲に至るまで実質的に透過性である。第二に、シリコンは安価であり、シリコンデバイスの製造はよく理解されている。第三に、ＭＩＲ波長に対するその高い屈折率及び透過性が、放射線をフィルタリング及び集束させる回折光学系素子を彫刻することを可能にする。第四に、可視及び近赤外放射線に対して吸収性であり、これが、望ましくない放射線が分光システム１００に入射することを防ぐための基板の使用を可能にする。
【００４６】
次いで、表面２２０‐１から２２０‐Ｍ（まとめて、表面２２０と称する）が形成されるが、これは、各エミッタ２０２の位置において異なる深さに表面２０８をエッチングして、表面２２０‐１から２２０‐Ｍを形成することによって行われる。例えば、表面２０８が、エミッタ２０２‐１の位置において表面２２０‐１を形成するようにｄ１の深さにエッチングされ、エミッタ２０２‐２の位置において表面２２０‐２を形成するようにｄ２の深さにエッチングされというようになり、各エッチング深さは、そのエミッタのスペクトルサブ範囲１１６の中心波長の半分に実質的に等しい。後述のように、各エミッタにおける表面２２０の深さが、ミラー２２４及びフィラメント２２２によって定められる共振キャビティのキャビティ長Ｌを決定する。
【００４７】
次いで、従来の堆積及びパターニング法によって、ミラーが２２４が各表面２２０上に形成される。各ミラー２２４は、フィラメント２２２の広がりよりも典型的には僅かに大きな面積を有する耐火金属（例えば、タングステン、白金等）の領域である。
【００４８】
次いで、ポリマー等の犠牲物質の層が、表面２０８のエッチングされた領域に形成されて、基板２０６を平坦化する。
【００４９】
次いで、放出素子２２６が、従来の堆積及びパターニングを介して犠牲層上に形成され、フィラメントを集合的に定める。放出素子２２６は、厚さｔ、エミッタ幅ｗ、エミッタ間隔ｓの耐熱金属のラインを備え、これらラインがＭＩＲアンテナアレイ／回折格子を集合的に定める。本明細書を読んだ後においては、ｔ、ｗ及びｓの値が、エミッタによって放出される放射線の放出スペクトル及び方向性を決定することを当業者が認識するものである。例えば、図示されるように、エミッタ２０２‐１の放出素子は、厚さｔ１及びエミッタ幅ｗ１を有し、エミッタ間隔ｓ１によって分離され、これらが集合的に、第一の所望のスペクトルサブ範囲内にありｚ方向に沿った放出を促進する回折格子を定める。同様に、エミッタ２０２‐２の放出素子は、厚さｔ２及びエミッタ幅ｗ２を有し、エミッタ間隔ｓ２によって分離され、これらが集合的に、第二の所望のスペクトルサブ範囲内にありｚ方向に沿った放出を促進する回折格子を定める。
【００５０】
Ｍ＝１０の例示的なエミッタアレイについて、各エミッタ２０２は、スペクトル幅が略１マイクロメートルであるスペクトルサブ範囲内のみの波長を有する放射線信号１１６を放出する。従って、このようなエミッタアレイでは、エミッタ２０２‐１は、２．５マイクロメートルから３．５マイクロメートルの範囲に広がる波長を有するサブ範囲１１６‐１を優先的に放出し、エミッタ２０２‐２は、３．５マイクロメートルから４．５マイクロメートルの範囲に広がる波長を有するサブ範囲１１６‐２を優先的に放出するというようになり、エミッタ２０２‐１０は、１１．５マイクロメートルから１２．５マイクロメートルの範囲に広がる波長を有するサブ範囲１１６‐１０を優先的に放出する。実際には、Ｍはあらゆる実際的な数であり得て、エミッタ２０２は、Ｍの値に応じたあらゆるスペクトルサブ範囲にわたって放出を行うことができることを強調しておく。
【００５１】
フィラメント２２２の形成後、ミラー２２４と放出素子２２６との間の犠牲層が除去される。また、犠牲層の除去は、フィラメント２２２を基板２０６から実質的に熱的に分離することによって、放射線を放出するために印加しなければならない熱的負荷を減らすことも留意されたい。
【００５２】
各フィラメント２２２及びそれに関連するミラー２２４は集合的に、垂直共振キャビティ２２８を定め、これは、加熱されたフィラメントによってミラーに向けられる黒体放出間の共振を確立する。各エミッタ２０２について、その共振キャビティ２２８は、その各サブ範囲１１６の中心波長の半分に等しいキャビティ長Ｌを有する。この共振が、基板２０６中に失われてしまったであろう黒体放出光子の好ましい放射線フィルタリング及び光子リサイクルを可能にする。放出素子２２６間の間隔のおかげで、フィラメントは実質的に半透明であり、これが、共振キャビティ２２８を高効率なものにし、また、黒体放出率を変化させるように動作可能なものとする。フィラメント２２２及び共振キャビティ２２８の設計は、サブスペクトル範囲外の波長におけるエネルギーを犠牲にして、その特定の放射線信号１１６のスペクトルサブ範囲内において増強された各エミッタからの放出を可能にする。所望のスペクトル帯域内の放出（つまり、帯域内放射線）を増強することに加えて、より高い及びより低い周波数範囲からエネルギーを「盗む」ことによって、より高い及びより低い範囲における強度（つまり、帯域外放射線）が減る。回折格子システムの帯域内放射フラックスが、太陽表面（耐火金属フィラメントの融点よりもはるかに高い温度）からの等価な帯域の黒体フラックスよりも大きくなり得ることは留意されたい。また、エミッタ２０２は、フィラメント自体の温度に実質的に影響されない帯域内放出を提供することにも留意されたい。
【００５３】
黒体エミッタからの放射線は典型的には全方向に放出されることを当業者は認識しているものである。しかしながら、上述のように、フィラメント２２６及び共振キャビティ２２８の回折格子構造は、より一般的にｚ方向に沿った放射線伝播を与える。こうした構造素子を用いる場合であっても、放出された放射線の追加のビーム成形（コリメートや集束等）が典型的には望ましい。結果として、エミッタアレイ１０２は、エミッタ２０２によって放出された放射線を成形するための回折光学素子を任意で含む。
【００５４】
基板２１０の製造は、基板の表面２１２にレンズ２０４‐１から２０４‐Ｍ（まとめて、レンズ２０４と称する）を形成することで始まる。基板２１０は基板２０６と類似している。各レンズ２０４は従来の回折レンズ（例えば、フレネルレンズ、二相格子、ホログラフィック素子等）であり、エミッタ２０２によって放出された放射線の異なるスペクトルサブ範囲をレンズアレイ１０８の異なるレンズ上に集束させるように設計される。一部実施形態では、レンズ２０４はコリメートレンズである。
【００５５】
次いで、キャビティ２１６が基板２１０の表面２１４に形成される。
【００５６】
次いで、基板２０６及び２１０が整列及び接合され、エミッタが基板２１０から実質的に断熱されるようにキャビティ２１６、エミッタ２０２が位置決めされる。また、レンズ２０４がエミッタ２０２と整列されて、各レンズが各エミッタから適切な放射線を受け、検出器アレイ１０４の対応する検出器上に向けるようにする。
【００５７】
上記で概説した製造プロセスは単に例示的なものであり、本発明の範囲から逸脱せずに、無数の代替プロセスを用いて、エミッタアレイ１０２を形成することができることに留意されたい。
【００５８】
図３Ａ〜Ｂは、本発明に係る検出器モジュールの断面と、代表的な個々の検出器／レンズ対（具体的には、検出器３０２‐１／レンズ３０４‐１）の断面の概略図をそれぞれ示す。検出器モジュール３００は、検出器アレイ１０４及びレンズアレイ１０８を含む。検出器アレイ１０４は検出器３０２‐１から３０２‐Ｍを含む。レンズアレイ１０８はレンズ３０４‐１から３０４‐Ｍを含む。エミッタアレイ１０２と同様に、検出器アレイ１０４は、典型的には、従来のＭＥＭＳベースの製造プロセスを用いて製造される。一部実施形態では、検出器アレイ１０４及びレンズアレイ１０８は個別部品である。
【００５９】
検出器３０２‐１から３０２‐Ｍ（まとめて、検出器３０２と称する）は、基板３０６の活性層３１２に形成されるが、基板３０６はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ，ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｏｎ‐ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であり、ハンドル基板３０８と、埋め込み酸化物（ＢＯＸ，ｂｕｒｉｅｄ  ｏｘｉｄｅ）層３１０と、活性層３１２とを備える。ハンドル基板３０８及び活性層３１２はそれぞれフロートゾーンシリコン製である。典型的には、検出器３０２の構造は、従来のフォトリソグラフィ及び深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ，ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ‐ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）を介して、活性層に定められる。好ましくは、ＢＯＸ層３１０は５マイクロメートル以上の厚さを有し、活性層３１２は少なくとも３マイクロメートルの厚さを有する。一部実施形態では、ＢＯＸ層３１０の代わりに、有機層が用いられる。この方法は、現状では活性シリコンであることが想定されている活性層を、ポリマー層に「接着」することができる代替物質に置換することを可能にする。一部実施形態では、活性層３１２は、シリコン以外の物質を備える。活性層３１２用に適した物質として、ヒ化ガリウム、ダイヤモンド、セレン化亜鉛、多層半導体層積層体が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６０】
電子モジュール３１６も従来の方法で活性層３１２に形成される。電子モジュール３１６は、典型的に、機能として特に、各検出器３０２からの出力信号を管理し、信号増幅を提供し、周波数フィルタリングを行うための電子機器を含む。
【００６１】
検出器３０２の領域内において、ＢＯＸ層３１０が除去されて、この領域の活性層３１２がハンドル基板３０８から物理的に分離され且つ実質的に断熱される。ＢＯＸ層３１０の除去は、検出器３０２とハンドル基板３０８との間の放射線のエバネセント結合も軽減することに留意されたい。
【００６２】
レンズアレイ１０８がハンドル基板３０８の表面３１４に形成され、レンズ３０４‐１から３０４‐Ｍが対応する検出器３０２‐１から３０４‐Ｍと整列するようにされる。
【００６３】
キャップ基板３１８は、ウェーハ貫通相互接続３２０及びボンドパッド３２２を含むフロートゾーンシリコンを備える基板である。また、キャップ基板３１８は、キャビティ３３２の表面３３６に吸収表面３３０も含み、この表面からの後方散乱放射線によるノイズを軽減する。キャビティ３３２は、従来の方法で背面３３４をエッチングすることによって形成される。吸収表面３３０は、表面３３６上に堆積させた吸収材（例えば、ポリマー等）の層である。一部実施形態では、吸収表面は、表面３３６をエッチングすることによって形成された「モスアイ（蛾の眼）」構造である。
【００６４】
キャップ基板３１８及びＳＯＩ基板３０６は、完全に形成されると、機械的に結合してウェーハ貫通相互接続３２０（及びコンタクトパッド３２２）と電子モジュール３１６と検出器３０２との間の電気接続を確立するように接合される。
【００６５】
二枚の基板が接合されると、検出器は、フロートゾーンシリコンによって完全に取り囲まれて、これが本発明の実施形態の特別な利点を与える。このような構造では、両方のシリコン基板が、望ましくない迷放射線を、例えば、可視及び近赤外スペクトルの波長を吸収することによって、フィルタリング除去する。更に、異なる波長の放射線をシリコン検出器中に集中させることによって、活性層３１２中の検出器を遮蔽する。更に、両面研磨シリコン基板を使用することで、後述のように、基板３０８の背面（つまり、表面３１４）上へのレンズアレイ１０６の形成を促進して、異なる周波数の放射線をフィルタリングして、特定の検出器画素に向ける。
【００６６】
本発明に従って、あらゆる接合プロセス（例えば、静電接合、ウェーハ接合、低温ガラス接合、拡散接合、共晶合金接合、プラズマ支援接合等）を用いて二枚の基板（例えば、基板３０８と３１８、又は基板２０６と２１０）を接合することができるが、一部実施形態では、固体液体拡散（ＳＬＩＤ，ｓｏｌｉｄ‐ｌｉｑｕｉｄ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）接合を用いて基板接合を行うことが好ましい。ＳＬＩＤ接合は、ＭＥＭＳ産業全体にわたって広く用いられている共晶接合の一バリエーションである。
【００６７】
従来の共晶接合では、低融点金属（例えば、金合金）の薄箔を、個々の基板上の接合領域に堆積させる。次いで、接合領域は、通常は加圧されて、互いに密に接触して保持される。次いで、基板対を加熱して、固体拡散が生じて、共晶合金の融点未満の温度においてに二つの接合領域間の接合を形成する（拡散接合）。接合温度を最小にするため、正確な重量パーセンテージで各化合物を使用しなければならない。適切な重量は、典型的には、その物質の二元状態図から選択された共晶点から決定される。
【００６８】
ＳＬＩＤ接合では、接合領域の共晶金属が溶融して、二つの領域間に液相接合が生じる。液体状態での拡散は固体状態での拡散の略三倍速いので、領域がより急速に接合して、あまり圧力が必要とされない。接合領域における物質の比を調整して、混合物が共晶温度よりも高い融点を有するようにする場合、その共晶温度に達すると、界面において溶融が始まる。共晶組成を維持することができる限り、より多くの物質が溶融によって消費される。複数成分のうち一つが枯渇すると、液相点が上昇して、混合物が部分的に固化する。熱平衡においては、レバー則（Ｌｅｖｅｒ  Ｌａｗ）を用いて、液体及び固体状態の化合物の比を決定することができる。
【００６９】
本発明の一部実施形態では、金合金系ＳＬＩＤ接合を用いて、電気及び熱伝導性の接合、気密シーリング、一定の内部ダイ分離、及び、ゼロクリープ溶融を提供する。ＶＬＳＩ電子回路を含む一部実施形態等の一部実施形態では、低融点接合材が用いられる（例えば、インジウム合金等）。
【００７０】
図示されている例では、ゼロ厚さＳＬＩＤベースの接合を用いて、基板３０８と３１８を接合する。
【００７１】
図４Ａ〜Ｂは、それぞれ接合前後のゼロ厚さ接合の断面の概略図を示す。
【００７２】
接合４００において、チャネル４０２‐１と４０２‐２が基板３０８と３１８とにそれぞれ形成される。次いで、拡張層４０４‐１と４０４‐２が各チャネルの底部に形成される。拡張層４０４は、拡張層上に形成されたバンプ４０６‐１及び４０６‐２の物質を濡らす物質を備え、図示されるように、バンプは拡張層よりも小さく、各基板の表面より上にわずかに突出する。
【００７３】
接合を開始するため、バンプ４０６‐１と４０６‐２を接触させて、基板を加熱する。加熱時に、バンプの接合金属が溶融して、共有バンプ４０８を形成し、拡張層４０４‐１と４０４‐２の上に拡がり、基板間の間隔をゼロに低減する。このウィッキング及び毛細管引力が、接合した基板の表面接触圧を増大させる。接合後に基板が冷えると、収縮差によって表面接触圧が更に増大して、接合金属に張力を与えて、検出器モジュール３００に付与される集合的な機械的力、圧力負荷、振動負荷、熱サイクル全体にわたって各ウェーハ表面を互いに圧縮したままにすることを保証する。
【００７４】
検出器モジュール３００及び図３Ａ〜Ｂに戻ると、検出器３０２‐１は、検出器画素３２４‐１‐１‐１から３２４‐１‐Ｎ‐Ｐを含み、各検出器画素は、高Ｑキャビティ増強シリコン検出器であり、放射線ビーム１２４‐１のスペクトルサブ範囲の異なるサブ部分に調整された応答性を有する。結果として、検出器アレイ１０４中の各検出器３０２は、Ｎ×Ｐ個の検出器画素を含み、よって、検出器アレイ１０４は、まとめてＭ×Ｎ×Ｐ個の検出器画素を含む。検出器３０２‐１は各検出器３０２を代表するものであるが、各検出器の設計が、それが受ける放射線信号の特定のスペクトルサブ帯域に基づくことを当業者は認識するものである。
【００７５】
図３Ｃは、代表的な検出器の画素配置の上面の概略図を示す。検出器３０２‐ｉは画素３２４‐ｉ‐１‐１から３２４‐ｉ‐Ｎ‐Ｐ（まとめて、画素３２４と称する）を含み、ｉは１からＭまでの整数である。画素３２４は、ｘ方向に沿ってピッチＰの六方最密配置で配置される。ｐの大きさは、その検出器において受ける放射線ビーム１２４の波長の範囲に基づき、放射線ビーム１２４‐１に対する略１５マイクロメートルから、放射線ビーム１２４‐Ｍに対する略７５マイクロメートルまでに及ぶ。各検出器３０２に通常含まれる検出器画素の数は、略１０から５０００個の範囲内であるが、検出器は、あらゆる実際的な数の画素を含むことができることに留意されたい。更に、画素３２４は、検出器領域内のあらゆる適切な一次元又は二次元配置で配置可能である。典型的には、各画素３２４は、その上に集束された放射線ビームレット１２８の面積よりも大きな面積を有し、特定の画素に対するより大きな収集面積を与え、また、エミッタとレンズと検出器アレイとの間にある程度の整列許容誤差を与えることに留意されたい。
【００７６】
本発明によると、各画素のサイズは、それが感度を有する放射線の波長に基づく。例えば、検出器３０２‐１の画素（直径略１５マイクロメートル）は、検出器３０２‐Ｍの画素（直径略７５マイクロメートル）よりもはるかに小さい。波長に基づいて画素サイズをスケーリングすることによって、本発明は、検出器感度を実質的に正規化することができる。
【００７７】
広く支持されている予測とは対照的に、シリコンを用いて、ＭＩＲスペクトルにおいて感度を有する光伝導性放射線検出器を形成することができるのが本発明の一態様である。シリコンは、可視スペクトルにおける検出器材として広く用いられてきて、アクティブＣＭＯＳやＣＣＤカメラを実現してきたが、ＭＩＲスペクトル中の放射線用の検出器としては広く用いられていない。何故ならば、シリコンは、１．０６マイクロメートル以上の波長を有する放射線と等価である１．１ｅＶのバンドギャップ未満のエネルギーを有する放射線を吸収することができないと広く信じられているからである。
【００７８】
実際には、本発明の実施形態は、シリコンの透過性及び製造可能性をどちらも活用して、狭帯域スペクトル選択性光伝導性検出器アレイを実現し、従来技術のＭＩＲ分光計の性能を超えるハイパースペクトルＭＩＲ分光計の性能を実現する。中赤外スペクトルでは、シリコンは高透過性であり、放射線吸収は、シリコン格子中の欠陥（不純物、空孔、表面状態等）によるものに限定される。従って、シリコンをパターニングすると、表面状態が生じ、これが、シリコンを、近赤外及び中赤外波長領域中の放射線用の有用な光伝導性物質に変換させる。
【００７９】
微細加工プロセスと、検出器画素製造中に選択された幾何学的形状とによって、シリコン中の吸収量が制御可能であることが本発明の一態様である。本発明に係る検出器画素は、通常はＭＩＲスペクトル中の放射線に対する弱い吸収体であるフロートゾーンシリコン中に画定される。検出される波長に応じて、２０〜５０マイクロメートルの範囲内の横寸法を有するシリコン中の表面特徴部を形成することによって、数十から数千個の検出器画素をアレイ中に集積させることができ、各検出器画素は、正確な検出器幾何学的形状によって決定される特定の狭いスペクトルに対してのみ感度がある。ＭＩＲ放射線はシリコンには効率的に吸収されないが、各画素の彫刻された表面上の表面状態の励起から、光伝導性応答が観測される。特定の波長に対する各画素の感度及び表面状態の数は、幾何学的形状の変更及び表面改質によって修正可能であり、個々の検出器画素の感度調整を可能にする。
【００８０】
各検出器中に一つ以上の「ブラインド（盲目）」画素を含ませることで、光学的及び電子的干渉に起因するバックグラウンドノイズが除去された画素応答の差動測定を可能にすることが本発明の他の態様である。例えば、検出器３０２‐ｉは、３×３画素クラスター毎の中心にブラインド画素３２６を含む。添付の特許請求の範囲を含む本明細書の目的について、「ブラインド画素」は、共振がその検出器が感度を有する放射線のスペクトル範囲外である、つまりそのような放射線について実質的に感度を有さない共振キャビティを有する画素として定義される。ブラインドキャビティの光電流を、複数の最適化キャビティ（非常によく似た幾何学的形状及びサーマルマスを有する）の電流から引くことによって、ノイズが顕著に減り、検出器画素の感度が略１００倍改善される。
【００８１】
図３Ｄは代表的な検出器画素の上面の概略図を示す。画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋ（ここでｋ＝１からＰ）は、六方配置の貫通孔３２８を含み、平坦な高Ｑ共振キャビティであるフォトニック結晶を画定し、狭帯域スペクトル応答を有する波長選択性の画素を提供する。画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋは、実質的に透過性材であるシリコン中の高フィネス用に設計可能であり、これによって、画素応答Δλのスペクトル窓をΔλ／Ｑに低減し、これは、シリコン中の平坦な高Ｑキャビティについて略λ／２００００に達し得る。ここで、λは検出器される放射線の波長であり、Ｑは共振キャビティの品質係数である。
【００８２】
放射線が物質中により効率的に吸収されると、キャビティのＱが減少し、検出窓Δλ／Ｑのスペクトル幅を広げることに留意されたい。従来のＭＩＲ吸収材については、例えば、最適なＱは２００００から１００に減少し、略１０マイクロメートルの波長におけるスペクトル線幅を略１ｎｍから１００ｎｍに劣化させる。１００ｎｍ程度の画素検出窓は、ＭＩＲ生物化学分光法の多くの応用にとって許容不能である。しかしながら、従来技術とは対照的に、画素３２４の物質に弱吸収シリコンを使用することで、略２ｎｍ幅の画素検出窓を実現する。更に、各画素の特定の幾何学的形状がそのキャビティ共振波長を決定し、その波長に整合する放射線のみに対して感度を与える。
【００８３】
フォトニック結晶キャビティの微細加工によって完全に形成される面内光学キャビティを用いる結果として、本発明の実施形態は複数の利点をもたらす。第一に、入射放射線の伝播が、面外（ｚ方向）から面内（ｘｙ平面）内に変換されて、光学キャビティ内の放射線の経路長を増加させることによって、アクティブ吸収材と入射放射線との間の光場の重なりの効率を増やす。これは、検出器画素の感度を改善する。第二に、上述のように、検出器のスペクトル選択性が改善され、２ｎｍのスペクトル分解能が得られる。第三に、フォトニック結晶が感度を有する波長範囲内にない光は、面外から面内の放射線に変換せずに、デバイスを真っ直ぐ通過する。結果として、このような波長に対するシリコン材中の相互作用長は非常に短く、その吸収を最小レベルに制限する。
【００８４】
特定の波長を各検出器画素中にフィルタリングするのに用いられるフォトニック結晶キャビティは、散乱及び漏れによって放射線が周囲環境中に失われない場合にのみ、高Ｑ共振器として機能することに留意されたい。フォトニック結晶は、活性層３１２の穿孔領域内の全内部反射及びブラッグ反射に頼って、キャビティ内に放射線を閉じ込める。結果として、放射線損失は、主に、散乱（例えば、リソグラフィ欠陥からの散乱）と、ハンドル基板３０８へのエバネセント結合とによって生じる。しかしながら、このようなエバネセント結合は、ＭＩＲスペクトルのより長い波長における最小のエバネセント結合を保証するためフォトニック結晶とハンドル基板との間の距離が大きく、好ましくは少なくとも５マイクロメートルとなるようにＢＯＸ層３１０の厚さを選択することによって、軽減可能である。
【００８５】
また、各検出器画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋは、高Ｑ光学キャビティ上に薄い金属導体として整列された一対の金属コンタクト（明確さのため図示せず）も含む。金属は、ＭＩＲスペクトル中の放射線を効率的に吸収せず、光場を排除し、リソグラフィで集積させた低抵抗電気コンタクトを有する共振キャビティを実現することに留意されたい。更に、検出器アレイ１０４は典型的にその金属がレンズ３０４に対して遠方の活性層３１２の側に存在するように配置されるので、金属が入射光の光路中に存在しない。
【００８６】
画素３２４は、ＭＩＲ放射線の検出を以下の二通りで可能にする：（ａ）伝導に寄与する電荷キャリアを発生させることによって、（ｂ）熱を発生させることによって。熱は、物質中の真性キャリアを変化させることによる伝導性の変化によって測定可能である。これらのうち最初の方法が、放射線を電気信号に変換するより効率的な方法である。ＭＩＲ波長において、シリコンは放射線を吸収して、表面状態の励起によって電子正孔対に変換する。ドープされていないシリコンにおける吸収効率は低いので、各画素３２４において、放射線の経路長は、吸収されるために非常に長くなければならないことに留意されたい。しかしながら、上述のように、これは、狭いスペクトル応答を有する高Ｑキャビティ増強検出器の形成を可能にする。より長い波長の放射線（つまり、より低エネルギーの光子を有するもの）は、もはや光伝導用のキャリアを励起することができず、高Ｑ光学キャビティ中に集められて閉じ込められる。しかしながら、断熱シリコン検出器の伝導性を測定することは可能であり、シリコンキャビティ自体をボロメータとして使用することができ、放射線が吸収されると、シリコンの伝導性が変化する。３０〜４０マイクロメートルの範囲内の直径と、１００００のＱ値とを有する画素の例示的な実施形態では、略８マイクロメートルの波長を有する放射線の結合効率は１０％である。
【００８７】
一部実施形態では、高電圧が各検出器画素の金属コンタクト間に印加されて、キャリア増倍を誘起することができる高電場を誘起する。ドープされていないシリコンの高い破壊電圧に起因して、１から略１０００の範囲内のアバランシェ利得値が提供可能である。
【００８８】
上記で概説したように、放射線ビーム１２４中の波長を適切なスペクトル選択性検出器素子と整合させる回折光学素子として動作するレンズを含むことで、スペクトル分解能を改善し、スペクトルクロストークを減らすことによって、感度を改善する。
【００８９】
レンズアレイ１０６及び１０８によって定められる階層的スペクトル分散システムによって、本発明の実施形態に精細なスペクトル分解能が与えられるものであり、本発明の実施形態が、画素３２４等のスペクトル選択性検出器画素を含む検出器アレイ１０４に限定されないことに留意されたい。結果として、一部実施形態では、検出器アレイ１０４は、従来のボロメータ素子や従来のＭＩＲ検出器等の非スペクトル選択性検出器画素を含む。
【００９０】
図５Ａはレンズアレイ１０６の代表的なレンズ２０４の概略図を示す。レンズ２０４‐ｉは、基板２１０の表面２１２に形成された回折集束レンズである。レンズ２０４‐ｉは、エミッタ２０２‐ｉから放射線信号１１６‐ｉを受けて、集束場５０２においてＮ個のスポットとして放射線を集束させる。レンズアレイ１０８は集束場５０２に位置するので、各集束スポットが、レンズアレイ１０８の異なるレンズ３０４に入射する。上述のように、レンズ２０４‐ｉは、放射線ビーム１２０‐ｉ‐１から１２０‐ｉ‐Ｎを提供し、各放射線ビームは、放射線信号１１６‐ｉの異なるスペクトルサブ部分を含む。更に、放射線ビーム１２０‐ｉ‐１から１２０‐ｉ‐Ｎは、サンプル物質を通過すると、試験サンプル１１２の吸収特性を呈し、放射線ビーム１２４‐ｉ‐１から１２４‐ｉ‐Ｎをそれぞれ与え、これらはそれぞれレンズアレイ１０８のレンズにおけるスポットとして集束される。放射線信号１１６が基板２１０を通過するので、基板のシリコンが、その吸収帯内の波長を有する放射線を吸収することによって、スペクトルフィルタ機能を与えることは理解されたい。
【００９１】
図５Ｂはレンズアレイ１０８のレンズ３０４内の代表的なレンズレット３３８の断面の概略図を示す。レンズレット３３８‐ｉ‐ｊは、ハンドル基板３０８の表面３１４に形成された回折集束レンズである。レンズレット３３８‐ｉ‐ｊは、放射線ビーム１２４‐ｉ‐１から１２４‐ｉ‐Ｎのうちそれぞれ異なる一つを受け、そのスペクトル成分をＰ個の放射線ビームレット（つまり、放射線ビームレット１２８‐ｉ‐ｊ‐１から１２８‐ｉ‐ｊ‐Ｐ）に分散させて、検出器３０２‐ｉの検出器画素（図示されているように、検出器画素３２４‐ｉ‐ｊ‐１から３２４‐ｉ‐ｊ‐Ｐ）が位置する集束場５０４におけるスポットとして各放射線ビームレットを集束させるように動作可能である。レンズレット３３８‐ｉ‐ｊは、各放射線ビームレット１２８‐ｉ‐ｊ‐ｋがそれに対応する検出器画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋ（つまり、その放射線ビームレットに含まれるスペクトル成分に対して選択的に感度を有する検出器画素）上のスポットに集束されるように設計される。
【００９２】
放射線ビーム１２０が試験サンプル１１２を通過すると、典型的には、その放射線の一部が試験サンプルの物質で散乱されることに留意されたい。結果として、試験サンプル１１２を通過する放射線の強度が、波長に特有ではない方法で減少して、試験サンプルの吸収特性を曖昧にし得る。また、検出器３０２におけるスペクトル成分の所望のスペクトル分離及び分布が、散乱のランダムな性質によって損なわれる。これにより、各レンズ３０４‐１が、ＭＩＲスペクトル全体に広がる波長を含む散乱放射線を受けることになる。従って、この試験サンプル物質中での散乱が、信号の顕著な損失、及びノイズの増大をもたらすことによって、分光計１００の感度を損ない得る。
【００９３】
本発明は、各レンズ３０４‐ｉが二重機能を有するので、散乱に基づく問題を軽減する。第一に、各レンズは、各放射線ビームレット１２８の一次部分を各検出器画素に提供するが、その一次部分は、入射した非散乱放射線（つまり、試験サンプル１１２から受けた放射線ビーム１２４‐ｉ‐ｊに含まれる放射線）のみに基づくものである。第二に、レンズ３０４‐ｉ全体の設計は、試験サンプルから受けた散乱放射線の各波長成分が各放射線ビームレットの二次部分に分布して、一次部分及び二次部分がまとめて完全な放射線ビームレットを定めるようにすることを可能にする。図面に示されるように、レンズ３０４‐ｉは、放射線ビーム１２４‐ｉのスペクトル成分を放射線ビームレット１２８‐ｉ‐１から１２８‐ｉ‐Ｎに空間的に分散させて、各放射線ビームレットをそれに適切な画素３２４‐ｉ‐ｊに向ける。各放射線ビームレット１２８は、各画素３２４が動作可能であるスペクトル範囲内の波長のみを実質的に含む。更に、各検出器画素のスペクトル選択性は、その画素が設計されたスペクトル感度外の波長を有する放射線を受けることに起因するノイズに対する実質的な耐性を提供する。
【００９４】
図６Ａ〜Ｂは、本発明に係る第一分光計配置の断面と斜視の概略図をそれぞれ示す。分光計６００は、エミッタアレイ１０２と、検出器モジュール３００と、サンプルチャンバ６０２と、引き込みチューブ６０４とを含む。分光計６００は、集積サンプルキュベットを有する分光計システムである。
【００９５】
エミッタアレイ１０２は、上述のように、基板２０６及び２１０上に集積された集束レンズ２０４を備えて形成される。
【００９６】
上述のように、検出器アレイ１０４とレンズアレイ１０６が基板３０８と３１８の上に形成されるが、レンズアレイ１０６の形成の前に、キャビティ６０６が基板３０８の表面３１４に形成されて、新生サンプルチャンバ６０２を画定する。キャビティ６０６は、引き込みチューブ６０４を受けるためのチャネルも含むことに留意されたい。
【００９７】
次いで、上述のように、レンズアレイ１０６がキャビティ６０６の底面に画定される。
【００９８】
レンズアレイ１０６が完成すると、上述のように、基板２１０と３０８が接合され、好ましくはＳＬＩＤ接合で接合される。基板の接合がキャビティ６０６を封止して、サンプルチャンバ６０２の形成が完了する。
【００９９】
サンプルチャンバ６０２が備えるキャビティ６０６は、基板３０８に形成され、基板２１０と３０８が接合されると基板２１０によって封止される。
【０１００】
図７は本発明に係る試験サンプルを分析するための方法の工程を示す。方法７００については、分光計６００を参照して説明し、図１〜３Ｄ及び図５Ａ〜Ｂを引き続き参照する。方法７００は、試験サンプル１１２をサンプルチャンバ６０２に投入する工程７０１で始まる。図示されている例では、試験サンプル１１２は、引き込みチューブ６０４を介してサンプルチャンバ６０２に引き込まれた人間の血液である。
【０１０１】
工程７０２では、各エミッタ２０２‐ｉ（ｉ＝１からＭ）が放射線信号１１６‐ｉを放出する。
【０１０２】
工程７０３では、レンズアレイ１０６の各レンズ２０４‐ｉが、各放射線信号１１６‐ｉのスペクトルサブ範囲を、放射線ビーム１２０‐ｉ‐１から１２０‐ｉ‐Ｎに個別に含まれるＮ個のスペクトルサブ部分に空間的に分散させるが、各放射線ビームは、試験サンプル１１２を通り、放射線ビーム１２４‐ｉ‐１から１２４‐ｉ‐Ｎとして集束場５０２において集束される。各放射線ビーム１２４‐ｉ‐ｊは、レンズアレイ１０８の対応するレンズ３０４‐ｉの対応するレンズレット３３８‐ｉ‐ｊ上に集束される。
【０１０３】
工程７０４では、各レンズレット３３８‐ｉ‐ｊが、放射線ビーム１２４‐ｉのスペクトル成分を、放射線ビームレット１２８‐ｉ‐ｊ‐ｋに個別に含まれるＰ個のスペクトル成分に空間的に分散させ、放射線ビームレットを検出器画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋに向ける。
【０１０４】
工程７０５では、各検出器画素３２４‐ｉ‐ｊ‐ｋが読み出されて、それが受けた放射線ビームレット１２８‐ｉ‐ｊ‐ｋの強度を検出する。画素３２４からの検出器応答は、出力信号６０８としてプロセッサ１１０に提供される。
【０１０５】
画素３２４の応答を、作動測定とパルス測定という二つの異なる方法で読み出すことができるのが本発明の他の態様である。各画素の読み出しは、好ましくは、その画素の高Ｑ共振器の抵抗測定と、幾何学的形状及びサーマルマスが同様の低Ｑ共振器を備える「ブラインド」画素の抵抗測定との両方を含む。これら二つの抵抗の読み出しは、環境ドリフトの悪影響を軽減する差動測定を可能にし、また、機械的シャッタを必要とせずにフィルタリングされた検出器の再較正も可能にする。検出器の抵抗はゆっくりと変化するので、画素読み出しに対する測定電流の影響を低減するためにパルス測定を用いることが好ましい。パルス測定は、シリコン検出器領域中の電子のキャリア寿命によって決定される読み出しを提供する。最も高感度な検出器性能のためには、シリコンの伝導度は可能な限り低いことが好ましく、周囲物質中のＭＩＲ放射線の吸収が実質的に最小にされる。結果として、スペクトル特有ではないバックグラウンド「ノイズ」からの干渉を減らして、ＳＮＲを改善することができる。また、パルス法を用いる画素３２４の読み出しは、生物組織が高エネルギー放射線に晒されることも減らし、従来技術のＭＩＲ分光計では望ましくない応用において本発明の実施形態を使用することを可能にすることに留意されたい。
【０１０６】
更に、上述のように、検出器画素にわたる高電場の印加は、抵抗加熱に起因する画素の温度上昇をもたらす。この問題も、画素のパルス測定を用いることで軽減される。また、各パルス期間中に、高電場を印加する測定と高電場をオフにした測定との二回の測定を行うことによって、検出器画素温度と光伝導度とを独立して測定することができる。これは、高速キャリアベースの測定をボロメータバックグラウンド測定で確かめることを可能にし、これが、ＳＮＲ、つまりは検出器感度を更に改善することを可能にする。
【０１０７】
工程７０６では、プロセッサ１１０が、出力信号６０８に基づいて試験サンプル１１２の吸収スペクトルを推定する。
【０１０８】
工程７０７では、プロセッサ１１０が、推定された吸収スペクトルに基づいて、試験サンプル１１２中の少なくとも一種の検体を検出する。一部実施形態では、検体の検出は、単にその存在を同定することを意味する。一部実施形態では、検体の検出は、試験サンプル中のその濃度を推定することも含む。
【０１０９】
本発明は、バックグラウンド溶媒やキャリア媒体中に懸濁又は溶解された一種以上の検体を含む試験サンプルの分析に特に適している。参照としてその全体が本願に組み込まれる特許文献１及び特許文献２で検討されているように、多くの溶媒（例えば、水）はＭＩＲ範囲内において特に吸収性であるため、ＭＩＲ放射線を用いてバックグラウンド溶媒中の検体を同定及び／又は定量化することは極めて難しくなり得る。結果として、適切なＳＮＲを確保するのに十分な強度の測定信号を得ることが難しくなり得る。しかしながら、バックグラウンド溶媒自体を波長基準として用いることによって、バックグラウンド溶媒のスペクトル特徴を、サンプルの完全な化学的性質に基づいて複合スペクトルから実質的に除去することができる。結果として、サンプル中の検体に関連するスペクトル特徴をより簡単に特定することができる。更に、バックグラウンド溶媒のスペクトル特性（これは場合によって絶対的な波長基準を提供することができる）に対して検体のスペクトル特性を正規化することによって、検体の濃度の推定を進めることができる。
【０１１０】
いくつかのバックグラウンド溶媒を絶対的な波長基準として用いることができるのは、特定の化学物質が特定の波長特性に関連する温度不変挙動を示すことに起因する。水はそのような化学物質の一つである。例えば、水中では、水分子内の結合特性に起因する分子振動が、その分子構造によって仲介されて、温度不変特性を有する明確なスペクトルを水に与える。サンプル溶液について測定された吸収スペクトルを既知の特徴に登録することによって、水の既知の特徴的な吸収スペクトルを、測定された複合スペクトルからコンピュータで除去して、サンプル溶液中に含まれる各検体のスペクトル特性を分離及び特定することができる。
【０１１１】
結果として、一部実施形態では、方法７００は、任意選択的に、試験サンプルのバックグラウンド溶媒の既知のスペクトルを試験サンプル１１２について推定された吸収スペクトルから除去する工程７０８と、少なくとも一種の検体の存在／濃度を再推定する工程７０９を含む。
【０１１２】
図８Ａ〜Ｂは、本発明に係る第二分光計配置の斜視と断面の概略図を示す。
【０１１３】
分光計８００は上述の分光計１００及び６００と類似しているが、分光計８００では、エミッタアレイ１０２と検出器モジュール３００は、ペンチ８０４の対向する顎部に配置される。
【０１１４】
ペンチ８０４は、筐体８０２から伸びる一対のフレキシブル部材を備え、それらの間に間隙を画定する。図８Ｂに示されるように、組織サンプル等の試験サンプルをペンチ８０４の間隙に配置して、単に顎部に圧力を加えることで適所に固定することができる。
【０１１５】
図９は、被験者の二本の指の間の水かき領域を調べることによる血液化学の非侵襲的測定用の測定位置にある分光計８００を示す。
【０１１６】
図１０は、本発明に係る第三分光計配置の断面の概略図を示す。分光計システム１０００は、ドッキングステーション１００２及びサンプルキュベット１００４を備える二部システムである。
【０１１７】
ドッキングステーション１００２は上述のシステム１００と類似しているが、ドッキングステーション１００２は、レンズアレイ１０６と１０８との間にサンプルキュベット１００４を配置するための収容部１００６を含む。一部実施形態では、収容部１００６は、設定された間隔でサンプルキュベット１００４を受容部の内側表面から離隔するようにサンプルキュベット１００４を配置するためのスタンドオフ（突起）や同様の構造を含む。
【０１１８】
サンプルキュベット１００４は、本体１００８とサンプルチャンバ６０２とを含むサンプルホルダである。本体１００８は、ＭＩＲ放射線に対して実質的に透過性の物質、例えばフロートゾーンシリコン、ハロゲン化銀等を含む。サンプルチャンバ６０２は、上述のような従来のＭＥＭＳベースの製造プロセスを用いて形成される。
【０１１９】
サンプルキュベット１００４は、典型的には、試験サンプル１１２をチャンバ６０２内に投入するための引き込みチューブ（図示せず）を含むが、多数の方法、例えば、注射器、ピペット、毛細管力等を介して試験サンプル１１２をチャンバ６０２内に投入することができることを当業者は認識するものである。
【０１２０】
サンプルキュベット１００４は電子機器、光学系、エミッタ、検出器を含まず、また、極めて低コストの物質及びプロセスで作製可能であるので、実質的に使い捨て可能である。結果として、システム１０００は、従来技術のＭＩＲ分光計よりも低コストで高感度で高ボリュームの分光応用を可能にする。
【０１２１】
本開示は、例示的な実施形態の単に一例を教示するものであり、当業者には本開示を読んだ後において本発明の多数の修正が簡単に想起可能なものであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲において定められるものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１２２】
１００  システム
１０２  エミッタアレイ
１０４  検出器アレイ
１０６  レンズアレイ
１０８  レンズアレイ
１１０  プロセッサ
１１２  試験サンプル
１１４  放射線
１１６  放射線信号
１１８  放射線
１２０  放射線ビーム
１２２  放射線
１２４  放射線ビーム
１２６  放射線
１２８  放射線ビームレット
２０２  エミッタ
２０４  レンズ
２０６  基板
２０８  表面
２１０  基板
２１２  表面
２１４  表面
２１６  キャビティ
２１８  表面
２２０  表面
２２２  フィラメント
２２４  ミラー
２２６  放出素子
２２８  共振キャビティ
３００  検出器モジュール
３０２  検出器
３０４  レンズ
３０６  基板
３０８  ハンドル基板
３１０  埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層
３１２  活性層
３１４  表面
３１６  電子モジュール
３１８  キャップ基板
３２０  ウェーハ貫通相互接続
３２２  パッド
３２４  検出器画素
３２６  ブラインド画素
３２８  貫通孔
３３０  吸収表面
３３２  キャビティ
３３４  背面
３３６  表面
３３８  レンズレット
４００  接合
４０２  チャネル
４０４  拡張層
４０６  バンプ
４０８  共有バンプ
５０２  集束場
５０４  集束場
６００  分光計
６０２  サンプルチャンバ
６０４  チューブ
６０６  キャビティ
６０８  出力信号
【図１】
0006355857.tif 000002
【図２Ａ】
0006355857.tif 000003
【図２Ｂ】
0006355857.tif 000004
【図２Ｃ】
0006355857.tif 000005
【図３Ａ】
0006355857.tif 000006
【図３Ｂ】
0006355857.tif 000007
【図３Ｃ】
0006355857.tif 000008
【図３Ｄ】
0006355857.tif 000009
【図４Ａ】
0006355857.tif 000010
【図４Ｂ】
0006355857.tif 000011
【図５Ａ】
0006355857.tif 000012
【図５Ｂ】
0006355857.tif 000013
【図６Ａ】
0006355857.tif 000014
【図６Ｂ】
0006355857.tif 000015
【図７】
0006355857.tif 000016
【図８Ａ】
0006355857.tif 000017
【図８Ｂ】
0006355857.tif 000018
【図９】
0006355857.tif 000019
【図１０】
0006355857.tif 000020