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JP-2026514825-A - 携帯型ラマンプローブを用いた容器に貯蔵された物質の識別

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Abstract

本開示は、アキシコンレンズ（「アキシコン」）、グレーティングアキシコン（「グラキシコン」）、およびその他の光学素子を用いて、非不透明バリアの背後にある物質から、オフアクシス技術によりスペクトルを収集する携帯型ラマンプローブに関する。携帯型ラマンプローブは、収集されたスペクトルを解析するためのラマンスペクトロメータを含んでもよい。さらに、携帯型ラマンプローブは、生データまたはノイズを含む収集サンプルから精製スペクトルを生成するスペクトル精製機械学習モデルを含んでもよい。 【選択図】図２

Inventors

  • デイヴィッド ジョン クリーシー
  • エルロイ ルイス ピアソン
  • ジョナサン マーク フェアクロス
  • ディーター ビンゲマン

Assignees

  • ワサチ フォトニックス インコーポレイテッド

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20240418
Priority Date
20240412

Claims (20)

  1. 携帯型ラマンプローブであって、 第１の波長範囲の放射光を生成する光源と、 前記放射光に基づく前記携帯型ラマンプローブ内の光のリングと、 受光レンズを囲む集光素子であって、前記光のリングを受け入れ、前記光のリングを前記携帯型ラマンプローブの外部へ、非不透明バリアの先に存在する物質に関連付けられた焦点へ向けて導く集光素子と、 前記非不透明バリアを越えて前記物質から屈折された第２の波長範囲の励起光を受け取る前記受光レンズと、 を備える携帯型ラマンプローブ。
  2. 前記集光素子は、前記光のリングを前記携帯型ラマンプローブの外部へ導き、前記光が前記非不透明バリアに接触したときに該光が前記受光レンズから離れる方向に散乱および蛍光を発するように構成されている、請求項１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  3. 前記集光素子は、 グレーティングアキシコンを含む回折型集光素子、 円錐鏡を含む反射型集光素子、または アキシコンプリズムまたはレンズを含む屈折型集光素子のいずれかである、請求項１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  4. 前記放射光を前記光のリングに変換する光学素子と、 前記光のリングを前記集光素子上かつ前記受光レンズの周囲へ向けて反射させる透過ミラーと、 をさらに備える、請求項１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  5. 前記透過ミラーは、前記受光レンズの後方の光路上に配置されており、 前記透過ミラーは、前記第１の波長範囲の前記光のリングを反射し、かつ前記第２の波長範囲の前記励起光を前記受光レンズから分光計へ向かう前記光路に沿って通過させる、請求項４に記載の携帯型ラマンプローブ。
  6. 前記光学素子は、前記放射光を前記光のリングに変換するアキシコンであり、 前記透過ミラーは、前記第２の波長範囲の前記励起光が前記光路に沿って前記透過ミラーを通過できるようにする内部孔を備え、 前記内部孔は、前記光のリングの直径よりも小さい直径を有し、これにより前記光のリングが前記内部孔の外側にある前記透過ミラーで反射される、請求項５に記載の携帯型ラマンプローブ。
  7. 前記光学素子は、前記放射光を前記光のリングに変換する複数のアキシコンレンズの組合せであり、 前記透過ミラーは二色性ミラーを備え、該二色性ミラーは、前記第１の波長範囲の前記放射光をその表面で反射し、前記第２の波長範囲の前記励起光をその表面を通過させる、請求項４に記載の携帯型ラマンプローブ。
  8. 前記励起光を受け取る検出器と、 前記受光レンズと前記検出器との間に配置され、前記受光レンズにより受け取られる前記第１の波長範囲の前記放射光を除去して、当該放射光が前記検出器に到達しないようにする除去フィルタと、 をさらに備える、請求項１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  9. 前記受光レンズで受け取られる前記第２の波長範囲の前記励起光を回折させて、前記励起光が前記検出器に向かって進むように構成されているグレーティングと、 前記検出器で収集された前記励起光に基づいて処理結果をクライアントデバイスに出力する通信インタフェースと、 をさらに備える、請求項８に記載の携帯型ラマンプローブ。
  10. 前記放射光を前記光のリングに変換する複数のアキシコンレンズの組合せをさらに備え、前記光のリングは拡径しないものであり、前記光のリングの少なくとも一部が、追加の光学素子に接触することなく、前記アキシコンレンズの前記組合せから前記集光素子へ直接進む、請求項１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  11. 携帯型ラマンプローブであって、 第１の波長範囲の光を放射する光源と、 前記光を光のリングに分離するアキシコンと、 受光レンズを囲む集光素子と、を備え、 前記集光素子は、前記光のリングを受け入れ、前記光のリングを前記携帯型ラマンプローブの外部へ導き、 前記集光素子は前記受光レンズを取り囲み、 前記受光レンズは第２の波長範囲の励起光を受け取る、 携帯型ラマンプローブ。
  12. 透過ミラーをさらに備え、 前記透過ミラーは、前記光のリングを、前記アキシコンから、前記受光レンズの周囲に配置されたグレーティングアキシコンを含む前記集光素子へ向かう第１の光路に沿って反射させる表面を備え、 前記透過ミラーは、前記表面に、前記第２の波長範囲の前記励起光を、前記受光レンズから分光計へ向かう第２の光路に沿って通過させる内部孔を備える、請求項１１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  13. 前記光源は、前記集光素子に対して角度をもって配置されている、請求項１１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  14. 前記集光素子は、前記光のリングを前記携帯型ラマンプローブの外部へ角度をもって屈折させるように構成されており、これにより、前記携帯型ラマンプローブに隣接する非不透明バリアで反射された光が前記受光レンズから離れる方向へ向かうようになっている、請求項１１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  15. 前記励起光を検出および処理する分光計と、 前記受光レンズにより受け取られる第１の波長範囲の光を除去して当該光が前記分光計に到達しないようにする除去フィルタと、 前記受光レンズで受け取られる第２の波長範囲の前記励起光を前記分光計へ回折させるグレーティングと、 を備える、請求項１１に記載の携帯型ラマンプローブ。
  16. 非不透明な容器内に貯蔵された物質を検出するために分光計を用いる方法であって、 携帯型分光計プローブのグレーティングアキシコンを介して第１の波長範囲の光を放射し、該光を非不透明バリアを通して該非不透明バリアの先に存在する物質上に照射する工程と、 前記携帯型分光計プローブの、前記グレーティングアキシコンにより取り囲まれた受光レンズで第２の波長範囲の光を受け取る工程と、 前記携帯型分光計プローブ内のグレーティングを介して前記第２の波長範囲の光を通過させ、前記第２の波長範囲の光を検出器上に回折させる工程と、 前記検出器で収集された前記第２の波長範囲の光に基づいて処理結果を出力し、前記非不透明バリアの先に存在する物質の組成を明らかにする工程と、を含む方法。
  17. 前記携帯型分光計プローブ内において、光源と前記グレーティングアキシコンとの間で、前記第１の波長範囲の光を含む光を光のリングに分割する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記光のリングを透過ミラーの表面から前記グレーティングアキシコン上および前記受光レンズの周囲に反射させる工程と、 前記第２の波長範囲の光の一部を、前記受光レンズと前記グレーティングとの間の光路に沿って前記透過ミラーを通過させる工程と、 をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記光の分割工程は、前記光を前記光のリングに変換するためにアキシコンを利用することを含み、前記光のリングは、前記アキシコンから離れるにつれてリング径が拡大する一方で、リング幅が維持される、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記光の分割工程は、前記光を前記光のリングに変換するために複数のアキシコンレンズの組合せを利用する工程を含み、前記光のリングは、前記アキシコンレンズから離れるにつれて拡径しないものである、請求項１７に記載の方法。

Description

ラマン分光法は、試料の組成を特定するために用いられる技術であるが、既存のシステムには制約がある。ラマン分光法は、電磁スペクトルを利用して試料の組成を特定するものである。例えば、ラマン分光計は、試料物質から散乱された光のスペクトルを収集する装置であり、そのスペクトルは試料を特徴付ける指紋として機能する。ラマン分光法は、品質管理、真正性の鑑定、医療診断などの用途に用いられている。 ラマン分光法の進歩にもかかわらず、現行のシステムには依然として制約があり、特に容器内の試料を識別する点で課題がある。容器内の試料を識別する一般的な方法の１つとして、スルーバリア照射（through-barrier illumination）がある。この方法では、容器壁などのバリアを透過して試料に光を照射し、試料を励起させ、その光が再びバリアを通過して戻るようにする。しかし、このスルーバリア照射は、ラマン分光法に新たな問題をもたらす。 例えば、プローブが容器に正対している場合、スルーバリア照射は性能が低下する。これは、バリアからの蛍光が発生し、試料から励起された光に干渉するためである。このため、一部の既存システムでは、バリアからの蛍光を最小限に抑える目的で、試料に対してオフ軸照射を行う構成が採用されている。しかしながら、オフ軸照射用のプローブは大型で取り扱いにくく、試料に光を照射する角度や位置の自由度が限られるという問題がある。 さらに、多くの既存システムでは、試料の分析に適したスペクトルを取得するために、大量の電力（例えば、レーザ電力）を必要とするプローブが用いられている。また、使用可能なスペクトルを得るために長時間の取得時間を要する場合も多く、スキャン中にプローブが移動すると、これがさらに複雑化する。加えて、一部の既存システムでは、スペクトル解析の改良を目的としてソフトウェアを利用し始めているが、それでも依然として、使用可能な試料スペクトルを十分に生成できていない。 このような既存システムにおける種々の問題により、ラマン分光法を用いて容器内の試料物質を識別する際の効率、精度および柔軟性が損なわれている。 以下の詳細な説明は、添付の図面を参照して、１つまたは複数の実施形態について、より具体的かつ詳細に説明するものである。 図１Ａ～１Ｂは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマン分光プローブを用いて容器内の物質を検出するための概略的な例を示す図である。図１Ｃは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブの構成要素の一例を示す図である。１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブの例を示す図である。図３Ａ～３Ｃは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブのさらなる例を示す図である。図４Ａ～４Ｃは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブのさらに例を示す図である。図５Ａ～５Ｄは、１つまたは複数の実施形態に係る、光源から光のリングを生成するアキシコンペリスコープの一例を示す図である。図６Ａ～図６Ｄは、１つまたは複数の実施形態に係る、可変アキシコンペリスコープの例示図である。図７Ａ～図７Ｃは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブの外部にある焦点へ向けて光を放射させる集光素子の例示図である。図８Ａ～図８Ｄは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブの外部にある１つまたは複数の焦点へ向けて光を放射させるグレーティングアキシコンの例示図である。１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマン分光プローブの例示図である。図１０Ａ～図１０Ｄは、１つまたは複数の実施形態に係る、スペクトル精製機械学習モデルの例示図である。１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブを用いて取得された、容器内の物質のスペクトルの例示図である。１つまたは複数の実施形態に係る、非不透明バリアを有する容器内の物質の組成を、携帯型ラマンプローブを用いて特定するための一連の工程を示す図である。１つまたは複数の実施形態に係る、非不透明バリアを有する容器内の物質について、携帯型ラマンプローブを用いてスペクトルを収集するための一連の工程を示す図である。１つまたは複数の実施形態に係る、非不透明バリアを有する容器内の物質に対して、スペクトル精製機械学習モデルを用いて精製スペクトルを生成するための一連の工程を示す図である。コンピュータシステムに含まれ得る構成要素の一例を示す図である。 本明細書は、既存システムの問題を解決する改良型の携帯型ラマンプローブについて記載する。例えば、本明細書は、アキシコンレンズ（「アキシコン」）、グレーティングアキシコン（「グラキシコン」）およびその他の光学素子を利用して、オフアクシス技術により非不透明バリアの背後にある物質からスペクトルを収集する携帯型ラマンプローブについて記載する。また、本明細書は、携帯型ラマン分光プローブなどのラマン分光計を含み、収集されたスペクトルを解析することができる携帯型ラマンプローブの態様についても記載する。さらに、本明細書は、携帯型ラマンプローブと連携して動作し、ノイズを含むスペクトル（ノイズスペクトル）や未処理のスペクトルから精製されたスペクトル（精製スペクトル）を生成するスペクトル精製機械学習モデルの態様についても記載する。 本明細書に記載の携帯型ラマンプローブおよび関連構成要素の各実施形態は、上記の問題その他当該技術分野における課題を解決するものである。本明細書に記載の装置、システムおよび方法は、特化されたアキシコン、グラキシコンおよび／または機械学習モデルを用いて、携帯型ラマンプローブにより物質のスペクトルを迅速かつ正確に取得することを可能にする。本明細書に記載の携帯型ラマンプローブの例は、従来のシステムよりも高速で、高性能、かつ軽量である。 以下の状況を考える。ある研究所が、内容物が不明のラベルなしの化学薬品瓶を複数、安全に廃棄する必要がある場合、未知の内容物は危険であり、廃棄が高コストかつリスクを伴うことがある。このような場合、携帯型ラマンプローブを用いることで、ラベルのない瓶の内容物を迅速かつ正確に特定できる。内容物が特定されれば、研究所は安全に廃棄することができる。別の例として、使用者は容器を開封したり移動したりすることなく、その中の物質の内容や品質を容易かつ迅速に確認できる。 本明細書を説明するため、携帯型ラマンプローブについて添付図面を参照して詳細を説明する。例として、図１Ａおよび図１Ｂは、１つまたは複数の実施形態に係る、携帯型ラマンプローブを用いて容器内の物質を検出するための概略図を示す。図１Ａに示すように、図には分光計を備えた携帯型ラマンプローブ１００ａおよび、非不透明バリア１０６を有し物質１０８を収容する容器１０４が含まれている。例えば、使用者は携帯型ラマンプローブ１００ａを用いて、ラマン分光法により容器１０４内の物質１０８の組成を判定している。 ラマン分光法は、固体や液体を含む広範な試料物質の化学組成を特定するための有力な手法である。通常、ラマン分光法の効果的な実施には、試料への直接的かつ遮られない照射が必要である。しかし、試料への直接的なアクセスが常に可能であるとは限らず、多くの実用的な用途では、ラマン励起を誘発するためにバリアを透過する照射（スルーバリア照射）が求められる。特に、試料が容器内に貯蔵されている場合、スルーバリアラマン分光法は、試料を直接取り扱うよりも安全でコスト効率が高いことが多い。 場合によっては、スルーバリアラマン分光法の結果を改善するため、プローブは試料に対してオフアクシス照射を行う。このようにすると、バリア（例えば、蛍光、鋭いラマン信号、または広帯域ラマン信号）による放射がプローブの集光光学系から外れて散乱するようになる。しかしながら、従来のシステムにおいてオフアクシス照射を行うプローブは大型である傾向があり、その結果、試料に照射できる角度が制限されていた。 図１Ａに示すように、分光計を備えた携帯型ラマンプローブ１００ａは片手で持てる小型の手持ち型の装置であり、放射光１１０を容器１０４に向けて照射する。具体的には、携帯型ラマンプローブ１００ａの表面（例えば、底面）が容器１０４に対向しており、放射光１１０をオフアクシス角で照射している。場合によっては、このオフアクシス照射により、放射光１１０の一部が非不透明バリア１０６で散乱し（バリアで散乱した光１１２として示す）、携帯型ラマンプローブ１００ａから離れる方向に散乱する。 さらに、非不透明バリア１０６を通過した放射光１１０の一部は、物質１０８と相互作用して（物質で散乱した光１１４として示す）、携帯型ラマンプローブ１００ａに戻る。携帯型ラマンプローブ１００ａは、物質で散乱した光１１４（例えば、物質からの後方散乱放射）を収集する一方で、容器からの後方散乱（例えば、バリアで散乱した光１１２）を一部または大部分、あるいは全て除去するよう構成されている。後述するように、場合によっては、バリアで散乱した光１１２（バリア後方散乱放射）が一部プローブ内に入射することがある。そのような場合には、該後方散乱放射は分光計部に到達する前にフィルタにより除去される。これにより、携帯型ラマンプローブ１００ａは、物質１０８からの後方散乱放射の解析に集中することができる。 各種の実施形態において、携帯型ラマンプローブ１００ａは、放射光１１０を生成するための複数の光学素子を含む。これらの光学素子については図１Ｃに関連してさらに説明する。例えば、携帯型ラマンプローブ１００ａは、放射光を焦点１０８に向けて導く集光素子によって光をプローブ外へ射出する。また、リング状光および／または集光素子は、アキシコン（すなわち、アキシコンレンズ）および／またはグラキシコンを利用して、サンプル物質を含む容器に対してオフアクシス角で光を供給する。放射光は試料を励起し、その励起光の一部がプローブに戻る。プローブは、集光素子に囲まれた受光レンズを用いて、物質１１４から散乱した光（すなわち、励起光）のスペクトルを収集し、このスペクトルを処理して試料物質を分析、特定、確認する。多くの実施形態において、携帯型ラマンプローブ１００ａは、分光計システムと連携して動作するプローブベースシステムを含む。 本明細書に記載の携帯型ラマンプローブは、アキシコン、グラキシコン、光学ペリスコープ、ミラーなど、様々な光学素子を含むことができ、これによりプローブのサイズを大幅に小型化して手持ち型の装置に適合させることができる。さらに、これらの光学素子により、プローブは小型であっても広い角度範囲から試料を照射することができる。各実施形態において、ラマンプローブは組み込み型分光計（例えば、ラマン分光プローブ）と通信する場合もあれば、外部の独立した分光計と通信する場合もある（後述参照）。さらに、本明細書で説明するように、プローブの実施形態は動的に構成変更可能である。すなわち、携帯型ラマンプローブは、内部または外部の様々な分光計と組み合わせて使用することができる。 本明細書において使用される「アキシコン」または「アキシコンレンズ」という用語は、光ビームを光のリングに変換する特殊な種類のレンズを指す。例えば、アキシコンは一方の面が平面で、反対側の面が円錐面（負のアキシコンの場合は逆円錐面）で構成される。アキシコンは反射型または透過型であり得る。平面側から入射し、円錐面側から出射する光は、ガウスビームからベッセルビームへと変換される。このように、アキシコンは、アキシコンからの距離に応じて径が増大するが厚さが一定の、非回折性の光のリング（すなわち、リング状光ビーム）を生成する。各種の実施形態において、アキシコンは集光ビーム、拡散ビーム、またはリング状の平行ビームを生成する。また、アキシコンは、ガラス、金属、プラスチックその他の材料で製造することができる。 本明細書にお