(57)【要約】工業化学プロセスの測定用の光学装置。分析装置は、ラマン散乱を使用して、連続またはバッチプロセス内の化学物質濃度の測定を行う。分析装置は、１つの分析試料（または複数の分析試料）から離れた距離で作動し、プロセスから１つまたは複数の分析試料を抽出せずに光学ポートを通して濃度を測定し、連続、非破壊、かつ非侵入性の分析を容易にすることができる。分析装置は、１つまたは複数の固体、液体、または気体分析試料、あるいはこれらの混合物を測定できる。
2010517043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ源を含むレーザモジュールと、
少なくとも１つの固定波長スペクトルフィルタおよび少なくとも１つの光検出器を含む光学的検出器モジュールと、
自由空間光学系モジュールと、
制御マイクロプロセッサと、
を備える光学的化学分析装置であって、
前記光学系モジュールは、前記分析装置の外部にかつ前記分析装置から離れて配置された試料に光学窓またはレンズを通してレーザ源の放射を伝達し、前記光学系モジュールは、前記光学窓またはレンズを通して前記試料から散乱されたラマン放射を収集し、この収集されたラマン放射を前記光学的検出器モジュールに伝達し、前記スペクトルフィルタはそれぞれ、前記収集されたラマン放射からスペクトル帯を抽出することを特徴とする光学的化学分析装置。
【請求項２】
前記スペクトルフィルタは、帯域通過フィルタまたはノッチフィルタであることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項３】
前記光学的検出器モジュールは、少なくとも１つの波長可変フィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項４】
前記スペクトルフィルタは、折れ曲がりかつ分岐した光路に配置されることを特徴とする請求項２記載の光学的化学分析装置。
【請求項５】
前記ラマン放射は、前記スペクトルフィルタに垂直でない角度で入射することを特徴とする請求項４記載の光学的化学分析装置。
【請求項６】
前記スペクトル帯はそれぞれ、異なる光検出器によって検出されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項７】
前記光検出器はそれぞれ、シリコン光検出器、アバランシェ光検出器、または光電子倍増管であることを特徴とする請求項６記載の光学的化学分析装置。
【請求項８】
前記光検出器は、加熱または冷却装置によって能動的に温度が安定化されることを特徴とする請求項６記載の光学的化学分析装置。
【請求項９】
前記スペクトルフィルタは、回転ホイールまたは直線スライドなどの可動ステージ上に配置されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１０】
前記スペクトルフィルタは、薄膜フィルタであることを特徴とする請求項２記載の光学的化学分析装置。
【請求項１１】
前記スペクトルフィルタは、１つまたは複数の着脱・交換自在のカートリッジに組み込まれており、基準面に対して押し付けられて保持されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１２】
前記光学的検出器モジュールは、スペクトル抽出用のポッケルス媒質またはカー媒質をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１３】
前記光学的検出器モジュールは、１つまたは複数の回折素子または分散素子をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１４】
前記回折素子は、反射または屈折回折格子から成ることを特徴とする請求項１３記載の光学的化学分析装置。
【請求項１５】
前記自由空間光学系モジュールは、レーザ放射をほぼ反射するとともにラマン放射をほぼ透過させる選択的反射器を備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１６】
前記選択的反射器は、光学薄膜、または二色性フィルタ、あるいは、大きな透明領域であってその一部に小さな反射領域が配置されている大きな透明領域を備えることを特徴とする請求項１５記載の光学的化学分析装置。
【請求項１７】
前記自由空間光学系モジュールは、レーザ放射をほぼ透過させるとともにラマン放射をほぼ反射する選択的反射器を備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１８】
前記選択的反射器は、小さな開口部を有する大きな反射領域を備えることを特徴とする請求項１７記載の光学的化学分析装置。
【請求項１９】
前記分析装置の外部に伝達されたレーザ放射の主軸と、前記分析装置に入射するラマン放射の主軸とは、これらの主軸両方が前記光学窓またはレンズと横切る位置で同一直線上にあることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２０】
前記試料は、レーザ放射およびラマン放射両方に対して透明な窓の後ろに配置されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２１】
前記試料は、１つまたは複数の固体、液体、または気体物質から成る均一または不均一化学物質混合物を含むことを特徴とする請求項２０記載の光学的化学分析装置。
【請求項２２】
前記試料は、プロセスパイプラインまたはプロセス容器内に位置することを特徴とする請求項２１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２３】
前記分析装置は、少なくとも１つの前記固体、液体、または気体物質の濃度の定量を行うことを特徴とする請求項２１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２４】
前記レーザ源からの前記放射の振幅は、１０ＭＨｚより低い周波数で時間変調されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２５】
前記レーザ源は、スペクトル安定化されていることを特徴とする請求項２４記載の光学的化学分析装置。
【請求項２６】
前記レーザ源は、主に波長７８５ｎｍの放射を放出することを特徴とする請求項２５記載の光学的化学分析装置。
【請求項２７】
前記レーザモジュールは、レーザ冷却器と、ビーム整形光学系と、前記レーザ源の前記放射の波長を制御する波長選択素子とを備えることを特徴とする請求項２５記載の光学的化学分析装置。
【請求項２８】
前記レーザモジュールは、前記レーザ源の前記放射のスペクトル範囲を制限する少なくとも１つの光学フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項２７記載の光学的化学分析装置。
【請求項２９】
前記光学系モジュールは、前記収集されたラマン放射の空間特性およびスペクトル特性を変更し、また、前記光学系モジュールは、少なくとも１つのレンズと、前記レーザ源の前記放射の波長における不要な放射を低減または除去する少なくとも１つの空間またはスペクトルフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項３０】
前記光学的検出モジュール内の少なくとも１つのアナログ信号経路が、電子的および熱的ノイズに対して高安定かつ低感受性の複数の段に分割されており、前記制御マイクロプロセッサは、測定データや分析装置ステータス情報などのデジタルデータを１つまたは複数の外部装置に供給することを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項３１】
自由空間光学系を用いて観測窓を通して連続流またはバッチプロセス内へレーザ放射を放出し、
光学系モジュールを用いて前記観測窓を通して散乱されたラマン放射を収集し、
前記光学系モジュールを用いて前記ラマン放射を検出モジュールに伝達し、
固定波長スペクトルフィルタを備える側光検出器モジュールを用いて前記ラマン放射の個々のスペクトル帯を検出する、
ことを含むことを特徴とする、連続流またはバッチプロセス内の化学物質濃度を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プロセス分析は、工業製造プロセスにおける物質の性質の分析と定義されており、広範な産業で数十年もの間実施されてきた。これらの産業には、化学、石油化学、石油、医薬、食品・飲料、製紙・紙、農業が含まれる。かつての一般的なプロセス分析の方法は、手作業でプロセスから試料を抽出し、この試料を分析用の実験室まで運ぶことから成り立っていた。プロセス分析はしだいにオフライン分析から連続オンライン分析へと進化し、この連続オンライン分析では、試料は自動サンプリング装置によって抽出され、細長い流れになってプロセス分析装置まで運ばれる。
【０００２】
オンラインプロセス分析の主要な利点は、試料抽出とデータ生成の間の時間間隔の低減にある。応答時間が速いほど、製造プロセスの良好な制御が可能となり、製品の収量増加、製品の品質（一貫性）の向上、プロセス内在庫の低減、運転・保守作業員の低減、エネルギー消費の低減、投入原材料の消費低減、廃水流れの生成低減につながる。
【０００３】
工業プロセス監視用に現在いくつかの装置が使用されている。例えばガスクロマトグラフ（ＧＣ）は、分子移動度の差を測定して多成分試料を同定する。ＧＣは、高い特異性と高い感度とを有する。ＧＣには、環境から保護するための遮蔽空間、カラム用ガスの供給、頻繁な保守、特に腐食性の用途での排水器が必要とされる。これらの装置は、刊行された文献で広範囲に亘って検討されている。
【０００４】
赤外（ＩＲ）装置は、物質の吸収に基づいて試料を分析する。ＩＲ装置には、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分析装置、ＩＲ分散分析装置、非分散ＩＲ（ＮＤＩＲ）分析装置が含まれる。非分散装置には、フィルタに基づく装置、非フィルタに基づく装置が含まれる。ＩＲ装置は、高速、高感度、高特異性なので、他の種類の装置に取って変わっている。ＩＲ装置は一般に、回転または振動運動の結果として試料分子内の正味の双極子モーメント変化を誘導する。この方法は、多数の化学種でうまく機能しているが、正味の双極子モーメント変化があり得ない窒素、酸素、塩素、水素、フッ素などの等核化学種ではうまくいかない。
【０００５】
電気化学センサは、化学種の濃度を定量する別の手段となる。この種のセンサは一般に、単一の化学種の測定に限られており、通常はＩＲ法を補う。
【０００６】
工業プロセス監視の代替の方法には、ラマン法の使用が含まれる。ラマン分光法は、分子からの非弾性散乱光に基づく。プロセス分析技術としてラマン分光法は他の技術より有利であるが、その理由は、ラマン分光法は、試料抽出や試料調製を必要とせず、その場での連続した定量測定が実施可能であり、観測窓を通して管の内容物の分析が可能であり、他の技術では検出不可能な分子を検出可能であり、水分子によって影響を受けないからである。
【０００７】
その結果、ラマン分光法は、市場で他に実行可能な解決策のないすき間市場を見つけたのである。これらの利点にもかかわらず、ラマン分光計は、購入、設置、保守にかなり費用がかかり、頻繁な較正、熟練したオペレータが必要であり、過酷なプラント環境で操作するのに必要な堅牢性を通常欠いているので、広く採用されるには至っていない。
【０００８】
ラマン装置が工業プロセス監視に広く受け入れられるには、低コストで高性能でなければならない。本発明は、ラマン装置より少数であるが容易に利用可能な構成要素を用いており、容易に製造され、さまざまな用途に適合される。本発明は、光ファイバの使用を省いており、そのため、高い光学的スループットが達成される。本発明はまた、堅牢な多段の光電子増幅器による増大された増幅を用いており、また、最適化された光学フィルタ設計を用いている。さらに本発明は、過酷な工業条件に耐えることができ、また、低費用の波長安定化レーザ源を用いている。
【０００９】
ラマン分光計は、光学的分析装置と呼ばれる装置の一般的部類の一部に含まれる。光学的分析装置は一般に、６つの現象すなわち、吸収、蛍光、りん光、散乱、放射、化学発光に基づいている。これらの現象は、紫外、可視、赤外の各スペクトル部分で生じ得る。典型的な装置は、５つの基本構成要素すなわち、放射源、試料容器、特定領域のスペクトルを調べる分光装置、光子を電子に変換する検出器、信号処理装置を備える。ラマン散乱光子は入射光の光子と試料分子との非弾性相互作用から生じるので、ラマンは二次散乱過程として分類される。これらの二次光子は強度が弱く、一般に一次弾性散乱光子の１０6〜１０7分の１の強度である。
【００１０】
米国特許第４，６４８，７１４号、第４，７８４，４８６号、第５，５２１，７０３号、第５，７５４，２８９号は、ラマン散乱を用いて気体分析を行っている。気体が管の一部分を流れる間に、レーザビームがその部分に照射される。これらの発明では、パイプラインまたは反応器から離れたところへサンプルを細長い流れで導くか、転送する必要がある。大部分は、単一の検出器と組み合わせたフィルタホイールを用いる。米国特許第５，５２１，７０３号は、レーザ共振器の構成内で気体サンプリングセルの全長に沿って複数の検出器が配置されているので、他の３つの特許とは幾分異なる。米国特許第５，７５４，２８９号には、試料用の積分球と組み合わせてフィルタホイールを使用することが教示されている。関連する米国特許第５，３８６，２９５号、第５，３５７，３４３号、第５，５２６，１２１号には、光ファイバプローブを用いて参照要素および試料要素と結合されたフィルタホイール分光計を使用することが教示されている。米国特許第５，９６３，３１９号、第６，２４４，７５３号には、工業プロセス監視用に分散分光計および光ファイバ結合器を使用することが教示されている。光ファイバ結合器は、光学的スループットを制限するものとして知られている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、その場での工業プロセス監視用途のための小型、低費用かつ堅牢な装置ユニットに組み込まれた測光分析装置を提供する。分析装置は、１つまたは複数の固体、液体、または気体分析試料から構成される均一または不均一化学物質混合物を測定できる。分析装置は、ラマン散乱を使用し、光学的スループットを最大化し、システムの信号対雑音比を増大させ、また、プロセス濃度用の実装された定量化を組み込む。本発明は、発生源のプロセスパイプラインまたは容器からの物質の抽出も転送も必要としない。本発明は、プロセスから離れたところで化学物質濃度を分析可能、すなわち、分析装置は、プロセスパイプラインまたは容器から分離または物理的に引き離すことができる。本発明は、広範囲の条件で作動しているプロセス内の化学成分を分析できる。いくつかの例として、大気より低い圧力から数千ｐｓｉの圧力までのプロセス圧力、０℃より低い温度から数百℃の温度までのプロセス温度、停滞状態から数百リットル毎分までのプロセス流量が挙げられる。
【００１２】
分析装置は、レーザ放射源を備えており、このレーザ放射源は、任意の種類のレーザでよいが、固体レーザダイオードが好ましい。レーザ放射の時間特性は、レーザ制御装置一体化モジュールによって制御され、そして、このレーザ制御装置一体化モジュールは、マイクロプロセッサによって制御される。レーザ出力は、空間的形状が整形され、自由空間光路を渡ってプロセス試料へと導かれる。自由空間伝播は、焦点、スペクトル特性、および他の性質を制御する別々の光学部品および窓を用いた主に気体中または真空中を通る光ビームの伝播として定義される。レーザ放射は次いで、分析装置の外部に配置された試料に入射する。試料により散乱されたラマン放射が、分析装置の自由空間整形光学系によって収集され、この光学系は、検出器モジュールに輸送するために、散乱された放射の空間特性を調節する。１つまたは複数の空間および／または光学フィルタが、所望のラマン信号量を実質的に低減せずに、検出器モジュールに導入される励起波長の放射量を低減または除去するために使用される。１つまたは複数の追加のフィルタが、ラマン信号から標的となるスペクトル帯を抽出するために使用される。各スペクトル帯の信号は、低ノイズかつ高ゲインの増幅器を通過し、この増幅器は、実質的な摂動を導入せずにアナログ信号レベルを増大させる。アナログ信号レベルは、アナログ−デジタル信号変換器を用いて定量的に測定される。結果として得られたデジタル信号は、専用埋め込みマイクロプロセッサまたは何らかの他のデータ制御システムによって処理される。この信号によって、化学物質試料などの既知の試料源または適切な参照基準からの較正情報を用いて、直接にまたは数学的デコンヴァルーションを介して分析試料の定量測定値が生成される。
【００１３】
本発明は、いくつかの化学種のうちのどれを測定するかを特定することで特定の用途に合わせて変更可能である。理想的には、所望の化学種のラマン放射は残りの他の分子の散乱された放射とは全く独立したスペクトル成分を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の概略図。
【図２】本発明の好ましい実施例の概略図。
【図３】本発明の別の好ましい実施例の概略図。
【図４】本発明のさらに別の好ましい実施例の光学的配置の一部の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の概略図を図１に示す。黒色の矢印は、主な光学信号の方向を示し、灰色の矢印は、主な電気信号の方向を示す。レーザ放射源を含む放射モジュール１１０は、制御マイクロプロセッサ１５０によって制御される。レーザ源は、任意の種類のものでよいが、固体レーザダイオードが好ましい。本発明の好ましい実施例では、レーザ放射源は、主に波長７８５ｎｍの放射を放出する。
【００１６】
放射モジュールを出ると、レーザ放射は、自由空間光学系を介して自由空間光学系モジュール１２０に伝達される。本発明の好ましい実施例では、光学系モジュールは、選択的反射器を含み、この選択的反射器は、レーザ放射について、他の放射、特に戻り信号（以下に定義する）から成る放射、とは異なる処理を行う。選択的反射器は、他の放射を通過させながらレーザ放射を反射させることが可能、あるいは、他の放射を反射させながらレーザ放射を通過させることが可能である。選択的反射器は、（ｉ）選択的反射器の一方の部分における鏡または透過性開口部の堆積などの空間選択性、（ｉｉ）波長選択性、または（ｉｉｉ）偏光選択性を含む機構のうちの１つまたはこれらの機構のうちのいくつかの組み合わせに基づく。好ましい一実施例では、選択的反射器は、平行レーザ放射を反射する小さな反射スポットを中心に有する大きな透明領域を有する。別の好ましい実施例では、選択的反射器は、二色性フィルタを備えるか、あるいは、励起レーザ波長の光を反射しかつそれより長い波長や短い波長の光を透過させる光学薄膜で被覆される。
【００１７】
光学系モジュール１２０を出た後、レーザ放射は、分析装置１００から出て、分析装置の外部に配置された試料に入射する。試料は、多数の化学物質のうちの任意のものでよく、また、レーザ放射および戻り信号放射両方に対して透明な試料ポート窓の後ろに含まれていても、含まれていなくてもよい。試料および試料ポート窓は、分析装置の一部ではない。分析装置は、試料によるレーザ放射のラマン散乱に基づいている。この散乱を支配する物理過程には一般に、ラマン散乱などの非弾性散乱（波長シフト）過程と、レイリー散乱やミー散乱などの弾性散乱（波長保存）過程との両方が含まれる。所望の信号（戻り信号として知られる）は、非弾性散乱ラマン放射を含み、不要な信号（ノイズとして知られる）は、弾性散乱放射と、迷光（ｓｔｒａｙ  ｌｉｇｈｔ）などの寄生源とを含む。戻り信号および雑音の一部は、自由空間光学系モジュール１２０によって収集され、戻り放射（後方散乱放射として知られる）を構成する。戻り放射の空間およびスペクトル特性は、自由空間光学系モジュールによって調節される。１つまたは複数の空間および／または光学フィルタが、所望の戻り信号量を実質的に低減せずに励起波長の放射量を低減または除去するのに使用される。光学系モジュールから出た後に、戻り放射は、自由空間光学系を介して測光検出器モジュール１３０に伝達される。
【００１８】
測光検出モジュールは、戻り信号から興味のある特定の化学物質に対応する標的となるスペクトル帯を抽出する１つまたは複数のフィルタを含む。フィルタは、帯域通過またはノッチフィルタとすることができ、また、固定波長フィルタでも、波長可変フィルタでもよい。複合ビームから分離された後、選択された波長の光は、光子流を検出可能な光電検出器に導かれる。検出器は、所定時間に検出された光子数に比例するアナログ電圧および／または電流応答を生成する。複合信号を有する光の流れは、光検出器が実時間で測定可能な量の光を受けるように、別々の経路に分割される。本発明の好ましい実施例では、複数のフィルタおよび複数の検出器を使用して複数の波長成分が同時に検出される。同時検出の利点は、所望の測定感度を得るための合計の信号収集時間の低減にある。同時検出の別の利点は、サンプル密度変化や入射放射光に対する試料透明度の変化などの通常モードの影響から分析試料の濃度変化を区別可能なことである。本発明の別の好ましい実施例では、フィルタは、回転ホイール、直線スライド、または波長を分離可能な他の幾何学的配置などの可動ステージ上に配置される。本発明の第３の好ましい実施例では、波長は、モノクロメータ用のポッケルス媒質またはカー媒質を使用する電気光学フィルタを用いて分離される。波長可変フィルタ、電気光学フィルタ、または可動ステージを用いる利点は、少ない数の検出器を使用可能なことである。第４の好ましい実施例では、波長は、回折素子（反射または屈折回折格子など）または分散素子を用いて分離される。この実施例では、検出器のアレイを用いてさまざまな波長成分が検出可能である。
【００１９】
低圧気体の分析など、いくつかの場合には、検出器信号は、実質的な摂動を導入せずにアナログ信号レベルを増大させることができる低ノイズかつ高ゲインの増幅器を用いて増大される。好ましい実施例では、アナログ信号経路は、複数の段に分割され、各段は、電子的および熱的ノイズに対して安定かつ低感受性となるように設計される。各増幅器への入力は、外乱源からの信号を電気的に拾うのを防止するように遮蔽される。アナログ信号レベルは、アナログ−デジタル信号変換器を用いて定量的に測定される。
【００２０】
デジタル制御バス１４０上で測光検出モジュールと制御マイクロプロセッサ１５０との間の双方向通信が行われる。本発明の好ましい実施例では、各信号は、積分時間を最小化し、信号劣化なしにデータ分析の速度を増すように、専用アナログ−デジタル変換器を用いて監視される。マイクロプロセッサは、測定データや分析装置ステータス情報などのデジタルデータを１つまたは複数の外部装置に供給する。本発明の好ましい実施例では、分析装置はまた、外部装置なしに監視可能なその場のデータの物理的表示を用いる。
【００２１】
本発明の別の好ましい実施例の概略図を図２に示す。光放射がレーザ源２１２によって生成される。放射源は、レーザ冷却器２１４によって温度制御されており、放射は、ビーム整形光学系２１３によって空間的形状およびスペクトル形状が整形され、このビーム整形光学系２１３は好ましい一実施例では、ビームの空間的範囲および平行化を制御するレンズ、ビームの中心波長を制御しかつ安定化させる波長選択反射素子、およびビームのスペクトル範囲を制限する光学フィルタを含む。レーザ放射の時間特性は、レーザ制御装置２１１によって制御され、そして、レーザ制御装置２１１は、制御マイクロプロセッサ２５０によって制御される。好ましい一実施例では、ビームの時間特性は、迷光バックグラウンドに対する区別を容易にするように１０ＭＨｚより低い周波数のボックスカー変調を組み込む。レーザ源２１２、レーザ冷却器２１４、ビーム整形光学系２１３、およびレーザ制御装置２１１は、放射モジュール２１０に含まれる。
【００２２】
放射モジュールを出ると、レーザ放射は、自由空間光学系モジュール２２０に入る。自由空間光学系モジュールは、選択的反射器２２２を含み、この選択低反射器２２２は、大きな透明領域と、その中心にレーザ放射を反射する小さな反射領域とを有する。選択的反射器によって反射された後、レーザ放射は、対物レンズ２２１に入射し、この対物レンズ２２１の機能は、分析中の試料へのレーザ放射の供給を容易にすることである。
【００２３】
対物レンズ２２１は、分析中の試料からの後方散乱放射を収集する。後方散乱放射は、選択的反射器２２２へと進行し、この選択的反射器２２２は、信号の大部分を通過させ、反射器の中心で光を反射する。選択的反射器からの透過された信号の空間特性は、戻り信号整形光学系２２３によって調節される。励起遮断フィルタ２２４は、励起レーザ波長において検出器モジュール２３０に入る不要な放射の量を低減または除外するように機能する１つまたは複数の空間または光学フィルタと、１つまたは複数のレンズとを備える。励起遮断フィルタ２２４は、所望の戻り信号の量を実質的に低減しないが、励起レーザ波長における戻り放射の不要な弾性成分を低減する。不要な放射の残りの部分は、装置の作動に関するおよび分析中のプロセスの状態に関する情報を含む診断情報として機能するように監視される。
【００２４】
励起遮断フィルタを出た信号は、１つまたは複数の鏡２２５に入射し、この鏡２２５は、測光検出器モジュール２３０に信号を転送し、分析装置の光学配置を容易にする。検出器モジュールは、フィルタモジュール２３１を含む。フィルタモジュールに入ると、戻り信号は、複数の光学帯域通過フィルタ２３２に垂直でない角度で入射し、各光学帯域通過フィルタは、固定された狭い波長帯域の放射を選択的に通過させ、他の波長の放射を鎖状に繋がった次のフィルタに反射し、このようにして、フィルタモジュール内に折れ曲がりかつ分岐した光路が形成される。任意の帯域通過フィルタを通過した信号は、検出器レンズによって光検出器素子２３３上に集束される。光検出器素子の例としては、シリコン光検出器、アバランシェ光検出器、または光電子倍増管が挙げられる。図２には６つのフィルタおよび検出器素子を示しているが、分析装置は、任意の数のフィルタおよび検出器素子で作動可能である。本発明の代替の実施例では、フィルタは、回転ホイールまたは直線スライドなどの可動ステージ上に配置される。
【００２５】
本発明の好ましい実施例では、光学帯域フィルタ２３２は、着脱・交換自在のカートリッジに組み込まれる。これらのカートリッジは、低費用で容易に部品変更可能かつ容易に製造可能なアッセンブリを提供するようにフィルタ２３２が基準面に対して押し付けられて保持されるように設計される。図２に示す具体的実施例では、２つのカートリッジを用いて各カートリッジが半分のフィルタを保持するようにできる。
【００２６】
光検出器素子２３３からの出力電流は、光検出器増幅器２３４によって増幅され、信号電圧に変換される。レーザ源２１２は、変調されているので、試料によって散乱される光子は、明確な識別性を有しており、他の供給源からの不要な光子とは区別される。光検出器増幅器２３４からの信号は、ロックイン増幅器２３５によって直流電圧または電流信号レベルに復調される。各復調器は、同相の測定が可能なようにレーザ励起変調に同期して結ばれている。
【００２７】
アナログ信号レベルは、アナログ−デジタル信号変換器２３６を用いて定量的に測定される。本発明の好ましい実施例では、これらの信号変換器は、高精度平均化機能を実行する。不要なノイズ（変調源によって生成されたノイズを含む）はフィルタリングされ、より正確な直流測定値が得られる。
【００２８】
光検出器素子２３３は、熱的ノイズおよびドリフトを最小化するようにＰＩＤループ温度制御装置と結合された加熱および／または冷却装置２３７によって能動的に温度が安定化される。
【００２９】
分析装置は、組立後に既知量の基準化学物質または較正された蛍光源を用いて較正される。光信号強度は、分子密度に正比例する。この比例によって、観測されたラマン光子パワーを試料組成に関連付ける方法が与えられる。代替として、化学物質の定量測定値は、光検出器素子の組み合わせからの情報を用いる数学的デコンヴォルーションを用いて生成可能である。本発明の別の実施例では、光検出器素子からの信号は、時間また作動条件の関数として濃度変化などのプロセスに関する非定量的情報を与えるように使用される。分析装置によって与えられる情報を用いて、ユーザは、プロセス条件を調節し、またはそうしなくても制御することができる。
【００３０】
本発明の別の好ましい実施例の概略図を図３に示す。この実施例は、検出器モジュール３３０を除き図２に示す実施例と同様である。検出器モジュールは、単一の検出器素子３３３を含む。光学的フィルタリング素子３３２は、単一の可変フィルタ（波長可変フィルタまたは電気光学フィルタなど）または可動ステージ（回転ホイールまたは直線スライドなど）上の複数の固定フィルタを備える。光学フィルタリング素子３３２は、所望の波長帯域において放射を選択的に透過させる。透過された信号は、検出器素子３３３によって検出される。検出器素子の例としては、シリコン光検出器、アバランシェ光検出器、または光電子倍増管が挙げられる。フィルタリング素子の性質を変更することで、あるいは、ステージを移動させることで、さまざまな波長の帯域をフィルタリング素子３３２に通すことができる。
【００３１】
検出器素子３３３からの出力電流は、検出器増幅器３３４によって増幅され、信号電圧に変換される。検出器増幅器３３４からの信号は、ロックイン増幅器３３５によって直流電圧または電流信号レベルに復調される。アナログ信号レベルは、高精度アナログ−デジタル信号変換器３３６を用いて定量的に測定される。
【００３２】
本発明の別の好ましい実施例では、他の所望の波長帯域を分析するために１つまたは複数の追加のフィルタおよび検出器が検出器モジュール３３０に追加される。
【００３３】
本発明のさらに別の好ましい実施例の一部の概略図を図４に示す。放射モジュール４１０からのレーザ放射は、自由空間光学系モジュール４２０に入射する。対物レンズ４２１は、レーザ放射供給および戻り信号収集両方に共通であるが、図２に示す具体的実施例とは異なり、選択的反射器４２２は、レーザ放射を試料に供給するためにのみ使用される。図４に示す具体的実施例では、選択的反射器４２２は、波長選択的である必要はない。
【００３４】
本発明をそのいくつかの例示的な実施形態に関して図示、説明したが、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、本発明の形態および詳細にさまざまな変更、省略、付加を行うことができる。
【図１】
2010517043.tif 000003
【図２】
2010517043.tif 000004
【図３】
2010517043.tif 000005
【図４】
2010517043.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月21日(2008.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ源を含むレーザモジュールと、
複数の固定波長スペクトルフィルタおよび対応する複数の光検出器を含み、各光検出器が対応する各固定波長スペクトルフィルタによって透過された放射を検出する、光学的検出器モジュールと、
自由空間光学系モジュールと、
制御マイクロプロセッサと、
を備える光学的化学分析装置であって、
前記光学系モジュールは、前記分析装置の外部にかつ前記分析装置から離れて配置された試料に光学窓またはレンズを通してレーザ源の放射を伝達し、前記光学系モジュールは、前記光学窓またはレンズを通して前記試料から散乱されたラマン放射を収集し、この収集されたラマン放射を前記光学的検出器モジュールに伝達し、前記スペクトルフィルタはそれぞれ、前記収集されたラマン放射からスペクトル帯を抽出することを特徴とする光学的化学分析装置。
【請求項２】
前記スペクトルフィルタは、帯域通過フィルタまたはノッチフィルタであることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項３】
前記光学的検出器モジュールは、少なくとも１つの波長可変フィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項４】
前記スペクトルフィルタは、折れ曲がりかつ分岐した光路に配置されることを特徴とする請求項２記載の光学的化学分析装置。
【請求項５】
前記ラマン放射は、前記スペクトルフィルタに垂直でない角度で入射することを特徴とする請求項４記載の光学的化学分析装置。
【請求項６】
前記光検出器はそれぞれ、シリコン光検出器、アバランシェ光検出器、または光電子倍増管であることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項７】
前記光検出器は、加熱または冷却装置によって能動的に温度が安定化されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項８】
前記スペクトルフィルタは、回転ホイールまたは直線スライドなどの可動ステージ上に配置されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項９】
前記スペクトルフィルタは、薄膜フィルタであることを特徴とする請求項２記載の光学的化学分析装置。
【請求項１０】
前記スペクトルフィルタは、１つまたは複数の着脱・交換自在のカートリッジに組み込まれており、基準面に対して押し付けられて保持されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１１】
前記光学的検出器モジュールは、スペクトル抽出用のポッケルス媒質またはカー媒質をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１２】
前記光学的検出器モジュールは、１つまたは複数の回折素子または分散素子をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１３】
前記回折素子は、反射または屈折回折格子から成ることを特徴とする請求項１２記載の光学的化学分析装置。
【請求項１４】
前記自由空間光学系モジュールは、レーザ放射をほぼ反射するとともにラマン放射をほぼ透過させる選択的反射器を備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１５】
前記選択的反射器は、光学薄膜、または二色性フィルタ、あるいは、大きな透明領域であってその一部に小さな反射領域が配置されている大きな透明領域を備えることを特徴とする請求項１４記載の光学的化学分析装置。
【請求項１６】
前記自由空間光学系モジュールは、レーザ放射をほぼ透過させるとともにラマン放射をほぼ反射する選択的反射器を備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１７】
前記選択的反射器は、小さな開口部を有する大きな反射領域を備えることを特徴とする請求項１６記載の光学的化学分析装置。
【請求項１８】
前記分析装置の外部に伝達されたレーザ放射の主軸と、前記分析装置に入射するラマン放射の主軸とは、これらの主軸両方が前記光学窓またはレンズと横切る位置で同一直線上にあることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項１９】
前記試料は、レーザ放射およびラマン放射両方に対して透明な窓の後ろに配置されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２０】
前記試料は、１つまたは複数の固体、液体、または気体物質から成る均一または不均一化学物質混合物を含むことを特徴とする請求項１９記載の光学的化学分析装置。
【請求項２１】
前記試料は、プロセスパイプラインまたはプロセス容器内に位置することを特徴とする請求項２０記載の光学的化学分析装置。
【請求項２２】
前記分析装置は、少なくとも１つの前記固体、液体、または気体物質の濃度の定量を行うことを特徴とする請求項２０記載の光学的化学分析装置。
【請求項２３】
前記レーザ源からの前記放射の振幅は、１０ＭＨｚより低い周波数で時間変調されることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２４】
前記レーザ源は、スペクトル安定化されていることを特徴とする請求項２３記載の光学的化学分析装置。
【請求項２５】
前記レーザ源は、主に波長７８５ｎｍの放射を放出することを特徴とする請求項２４記載の光学的化学分析装置。
【請求項２６】
前記レーザモジュールは、レーザ冷却器と、ビーム整形光学系と、前記レーザ源の前記放射の波長を制御する波長選択素子とを備えることを特徴とする請求項２４記載の光学的化学分析装置。
【請求項２７】
前記レーザモジュールは、前記レーザ源の前記放射のスペクトル範囲を制限する少なくとも１つの光学フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項２６記載の光学的化学分析装置。
【請求項２８】
前記光学系モジュールは、前記収集されたラマン放射の空間特性およびスペクトル特性を変更し、また、前記光学系モジュールは、少なくとも１つのレンズと、前記レーザ源の前記放射の波長における不要な放射を低減または除去する少なくとも１つの空間またはスペクトルフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項２９】
前記光学的検出モジュール内の少なくとも１つのアナログ信号経路が、電子的および熱的ノイズに対して高安定かつ低感受性の複数の段に分割されており、前記制御マイクロプロセッサは、測定データや分析装置ステータス情報などのデジタルデータを１つまたは複数の外部装置に供給することを特徴とする請求項１記載の光学的化学分析装置。
【請求項３０】
自由空間光学系を用いて観測窓を通して連続流またはバッチプロセス内へレーザ放射を放出し、
光学系モジュールを用いて前記観測窓を通して散乱されたラマン放射を収集し、
前記光学系モジュールを用いて前記ラマン放射を検出モジュールに伝達し、
固定波長スペクトルフィルタを備える側光検出器モジュールを用いて前記ラマン放射の個々のスペクトル帯を検出する、
ことを含むことを特徴とする、連続流またはバッチプロセス内の化学物質濃度を測定する方法。
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2010517043.tif 000007
2010517043.tif 000008
2010517043.tif 000009