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JP-2026514871-A - ポンプ光源と蛍光放射を用いた分光器

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Abstract

分光器装置（１１０）及び少なくとも１つの対象物（１１２）に関する分光情報を取得する方法が開示される。分光器装置（１１０）は、以下を含む： ｉ．対象物（１１２）を照射するための照明光（１１６）を生成する少なくとも１つの光源（１１４）であって、少なくとも１つの発光ダイオード（１１８）と、前記発光ダイオード（１１８）によって生成される一次光を二次光へ光変換するための少なくとも１つの発光材料（１２０）とを含み、照明光（１１６）は、少なくとも部分的に、前記一次光と前記二次光とを含む、少なくとも１つの光源（１１４）； ｉｉ．対象物（１１２）からの検出光（１３０）を、一次光及び二次光のスペクトル範囲を少なくとも部分的に含むスペクトル範囲で検出するための少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）であって、一次光のスペクトル範囲における検出光（１３０）を検出すると、少なくとも１つの一次検出器信号を生成するように構成されており、更に、広帯域検出器（１２８）は、検出光（１３０）が二次光のスペクトル範囲内で検出されると、少なくとも１つの二次検出器信号を生成するように構成されている、少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）、 ｉｉｉ．広帯域検出器（１２８）によって生成された一次検出器信号及び二次検出器信号を評価するための、少なくとも１つの評価ユニット（１３６）であって、一次検出器信号又は二次検出器信号のいずれか一方から光源（１１４）の温度情報（１３７）を決定し、及び光源（１１４）の温度情報（１３７）を考慮して、一次検出器信号または二次検出器信号の他方から対象物（１１２）の分光情報を導出する、少なくとも１つの評価ユニット（１３６）。 【選択図】 図１

Inventors

  • ホワン，ツー－ユイ
  • イスラム，ザミウル
  • ツィマーマン，ヘンニンク
  • シュミット，フェリクス
  • エギュン，セラル モハン
  • バウムガルトナー，トビアス
  • オシュターマン，ティル－ヨナス
  • シャーヴァート，ベルント

Assignees

  • トリナミクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20240418
Priority Date
20230419

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの対象物（１１２）に関する分光情報を取得するための分光器装置（１１０）であって、以下の構成要素： ｉ．対象物（１１２）を照射するための照明光（１１６）を生成するための少なくとも１つの光源（１１４）であって、少なくとも１つの発光ダイオード（１１８）と、発光ダイオード（１１８）によって生成された一次光を二次光へ光変換するための、少なくとも１つの発光材料（１２０）とを含み、照明光（１１６）は、一次光と二次光とを少なくとも部分的に含む、少なくとも１つの光源（１１４）； ｉｉ．対象物（１１２）からの検出光（１３０）を、一次光のスペクトル範囲及び二次光のスペクトル範囲を少なくとも部分的に含むスペクトル範囲で検出するための少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）であって、一次光のスペクトル範囲内の検出光（１３０）を検出すると、少なくとも１つの一次検出器信号を生成するように構成されており、更に、検出光（１３０）が二次光のスペクトル範囲内で検出されると、少なくとも１つの二次検出器信号を生成するように構成されている、少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）、及び ｉｉｉ．少なくとも１つの評価ユニット（１３６）であって、広帯域検出器（１２８）によって生成された一次検出器信号及び二次検出器信号を評価し、一次検出器信号又は二次検出器信号のいずれか一方から光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を決定し、及び光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を考慮して、一次検出器信号又は二次検出器信号の他方から対象物（１１２）に関する分光情報を導出するための、少なくとも１つの評価ユニット（１３６）、 を含む分光器装置（１１０）。
  2. 評価ユニット（１３６）は、 － 一次検出器信号から光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を決定し、及び一次検出器信号から決定された光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を考慮して、二次検出器信号から対象物（１１２）の分光情報を決定する；又は － 二次検出器信号から光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を決定し、及び二次検出器信号から決定された光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を考慮して、一次検出器信号から対象物（１１２）の分光情報を決定する、 ように構成されている、請求項１に記載の分光器装置（１１０）。
  3. 発光ダイオード（１１８）と発光材料（１２０）とが熱的に結合されている、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  4. 広帯域検出器（１２８）は、対象物（１１２）からの検出光（１３０）を、２００ｎｍ～５μｍ、好ましくは３００ｎｍ～３μｍ、より好ましくは４００ｎｍ～２．５μｍのスペクトル範囲で検出するように構成されている、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  5. 広帯域検出器（１２８）は、 － 一次光及び二次光のスペクトル範囲において、検出光（１３０）を検出するための複数の検出素子（１３２）を備え、各検出素子（１３２）は感光材料又はフォトダイオードを含む；又は － 感光材料又はフォトダイオードを含む、単一の検出器（１３４）である、 請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  6. 評価ユニット（１３６）は、単一の検出器（１３４）によって生成される、複合検出器信号の周波数多重化によって、一次検出器信号と二次検出器信号とを区別するように構成されており、複合検出器信号は、一次検出器信号と二次検出器信号とを含む、請求項５に記載の分光器装置（１１０）。
  7. 更に光源（１１４）を電気的に駆動するための、少なくとも１つの駆動ユニット（１３８）を備え、該駆動ユニット（１３８）は、少なくとも１つの駆動周波数で発光ダイオード（１１８）を駆動するように構成され、該駆動周波数は、発光材料（１２０）の時間定数τの逆数を上回るように構成されている、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  8. 一次光は少なくとも部分的に３８０ｎｍから１０００ｎｍのスペクトル範囲に位置し、及び二次光は少なくとも部分的に１μｍ～５μｍのスペクトル範囲に位置する、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  9. 光源（１１４）は蛍光体発光ダイオード（１２２）を含む、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  10. 分光器装置（１１０）は更に少なくとも１つの波長選択素子（１５２）を備え、波長選択素子（１５２）は、広帯域検出器（１２８）が、検出光（１３０）を一次光のスペクトル範囲で検出した際に、少なくとも１つの一次検出器信号を生成し、及び広帯域検出器（１２８）が、検出光（１３０）を二次光のスペクトル範囲で検出した際に、少なくとも１つの二次検出器信号を生成するように配置されている、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  11. 少なくとも１つの対象物（１１２）に関する分光情報を取得する方法であって、以下のステップ： ａ）請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）を少なくとも１つ用意するステップ； ｂ）光源（１１４）によって生成された照明光（１１６）で対象物（１１２）を照射するステップであって、光源（１１４）は、少なくとも１つの発光ダイオード （１１８）と、発光ダイオード（１１８）によって生成された一次光を二次光へ光変換するための少なくとも１つの発光材料（１２０）とを含み、ここで、照明光（１１６）は、少なくとも部分的に、一次光と二次光とを含む、ステップ； ｃ）少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）を用いて、対象物（１１２）からの検出光（１３０）を、一次光及び二次光のスペクトル範囲を少なくとも部分的に含むスペクトル範囲で検出するステップであって、広帯域検出器（１２８）は、一次光のスペクトル範囲内の検出光（１３０）を検出すると、少なくとも１つの一次検出器信号を生成するように構成されており、及び広帯域検出器（１２８）は、二次光のスペクトル範囲内の検出光（１３０）を検出すると、少なくとも１つの二次検出器信号を生成するように構成されているステップ；及び ｄ）評価ユニット（１３６）を用いて、広帯域検出器（１２８）によって生成された一次検出器信号と二次検出器信号を評価し、一次検出器信号又は二次検出器信号のいずれかから光源（１１４）の温度情報（１３７）を決定し、光源（１１４）の温度情報（１３７）を考慮して、一次検出器信号又は二次検出器信号の他方から、対象物（１１２）の分光情報を導出するステップ、 を含む方法。
  12. ステップｄ）は、以下を決定すること； － 一次検出器信号から光源に関する温度情報（１３７）を決定し、一次検出器信号から決定された光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を考慮して、二次検出器信号から対象物（１１２）の分光情報を決定すること； － 二次検出器信号から光源に関する温度情報（１３７）を決定し、及び二次検出器信号から決定された光源（１１４）に関する温度情報（１３７）を考慮して、一次検出器信号から対象物（１１４）の分光情報を決定すること、 を含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 発光ダイオード（１１８）と発光材料（１２０）が熱的に結合されている、請求項１１に記載の方法。
  14. 分光器装置（１１０）は、光源（１１４）を電気的に駆動するための少なくとも１つの駆動ユニット（１３８）を更に備え、且つこの方法は、特にステップｂ）において、駆動ユニット（１３８）を用いて発光ダイオード（１１８）を少なくとも１つの駆動周波数で駆動することを含み、この駆動周波数は、発光材料（１２０）の時定数τの逆数よりも高い、請求項１１に記載の方法。
  15. 請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）によってプログラムが実行されたときに、分光器装置（１１０）に、請求項１１に記載の方法の少なくともステップｂ）からｄ）を実行させる命令を含むコンピュータプログラム。

Description

本発明は、分光計装置及び少なくとも１つの対象物に関する分光情報を取得する方法に関する。更に、本発明は、当該方法を実行するためのコンピュータプログラム及びコンピュータ読み取り可能記憶媒体に関する。このような装置及び方法は、一般に、調査又は監視の目的、特に赤外（IR）スペクトル領域、とりわけ近赤外（NIR）スペクトル領域、及び可視（VIS）スペクトル領域、例えば人間の色彩視覚能力を模倣できるスペクトル領域において使用することができる。しかしながら、更なる応用も可能である。 分光器装置は、物体（対象物）が光を放射、照射、反射及び／又は吸収する際に、その分光特性に関する情報を取得する効率的なツールとして知られている。従って、分光器装置は、物体の分光特性に関する情報が重要なサンプル分析やその他のタスクを支援し得る。 通常、分光器装置では、スペクトル情報は、１つ以上の検出器と、１つ以上の波長選択光学素子（例えば、１つ以上の分散光学素子、バンドパスフィルター等のフィルター、プリズム、回折格子、干渉計等）を介して取得される。検出器は、単一又は複数のピクセル検出器、ライン検出器、あるいは１次元又は２次元のピクセルアレイ（配列）を有するアレイ検出器等、あらゆる種類の光感受性素子で構成され得る。更に、分光器装置は一つ以上の光源を含んでも良い。従って、分光法では通常、例えばレーザー等の波長可変光源、及び／又はハロゲンガス充填電球や高温フィラメント等の広帯域発光光源が用いられる。しかしながら、追加的又は代替的に、可視光及び近赤外スペクトル領域向けに、発光ダイオード等の他の光源も提案されている。 一例として、特許文献１（ＵＳ ２０１０/２０８２６１ Ａ１）は、試料の少なくとも1つの光学特性を決定するための装置を記載している。この装置は、試料に励起光を照射するための可変励起光源を備える。更に、試料から放出される検出光を検出するための検出器を備える。励起光源は、少なくとも一部がモノリシック発光ダイオードアレイとして構成された発光ダイオードアレイを含む。このモノリシック発光ダイオードアレイは、それぞれ異なる発光スペクトルを有する少なくとも３つの発光ダイオードを含む。 特許文献２（米国特許第８，１６４，０５０ Ｂ２号）は、坑内分光法用の多チャンネル光源アセンブリを記載する。このアセンブリは、スペクトル範囲にわたる波長で光信号を生成する個別の光源を有する。結合アセンブリが生成された信号を光学的に結合して複合信号とし、ルーティングアセンブリが複合信号を基準チャンネルと測定チャンネルに分割する。光源に電気的に接続された制御回路は、動作中に各光源を固有又は独立した周波数で変調する。 更に、特許文献３（ＵＳ ７，０６１，６１８ Ｂ２）は、集積分光システムを記載しており、いくつかの例では、1つ又は複数のファブリ・ペロー可変フィルターを用いた集積可変検出器が提供される。他の例では、1つ又は複数のダイオード、（超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）等）、及びファブリ・ペロー可変フィルター又はエタロンを組合せた集積可変光源を使用する。 更に、特許文献４（米国特許第５，４７５，２２１号Ａ）は、分光器等の装置において従来の広帯域光源に代わる、多重化方式で制御される発光ダイオードアレイを用いた光学装置を記載している。 更に、特許文献５（ＵＳ ２０２１/２９３６２０ Ａ１）は、以下の構成要素を備える分光器を開示している：分光測定領域を照射する照明装置；分光測定領域から来る電磁放射を検出する検出ユニット；及び照明装置と検出ユニットとの間の光路に配置された分光素子。照明装置は以下を含む：第１の中心波長を有し、第１のスペクトルを有する第１の電磁放射を放射するように設計された発光ダイオード；及び第１のスペクトルを有する第１の電磁放射の第１成分を、第２のスペクトルを有する第２の電磁放射に変換する発光素子。第１中心波長は５５０nm又は３０００nm、もしくは５５０nmと３０００nmの間にある。第１スペクトルと第２スペクトルは重なり合う。 更に、特許文献６（ＵＳ ２０１３/０９３９３６ Ａ１）は、専門的な訓練や高価な装置を必要とせずに現場で物質の組成を評価できるエネルギー分散装置、分光器、及び方法を開示している。このエネルギー分散装置又は分光器は、デジタルカメラや携帯電話と併用できる。本発明の装置は、単一又は二重分散回折格子の積層体を含み、これらは法線方向を中心に回転され、物質の定性的又は定量的特性に関して意味のある測定及び判定が可能となる複数の回折次数を発生させる。 更に、特許文献７（ＷＯ ２０２１/０５８２６０ Ａ１）は分光器装置及びその較正方法を開示している。較正用要素（一つ以上の既知消光曲線を有する）は、分光器装置の光源と光検出器との間の光路に配置される。較正用要素の消光曲線に対応する分光要素の設定を決定することにより、分光要素の制御と対応する波長との間の精密な相関を生成できる。 更に、特許文献８（ＥＰ ３ ９６１ ８２６ Ａ１）は、光照射装置を開示しており、この光照射装置は、一次光を放射するように構成された光源、一次光を吸収し一次光を一次光よりも波長の長い第一波長変換光に変換する第１の蛍光体、及び一次光を吸収し、一次光の波長よりも長い波長を有する第二波長変換光に変換する第二の蛍光体を含む。第一波長変換光は、７００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の全波長範囲にわたる光成分を有する蛍光である。第二波長変換光は、蛍光強度が最大値を示す波長範囲が３８０nm以上７００nm未満である蛍光である。第一波長変換光は、第二波長変換光よりも１／１０長い残光時間を有する。 既知の方法及び装置によって達成された利点にもかかわらず、分光法及び分光装置の分野、特に近赤外領域における分光法に関しては、いくつかの技術的課題が残っている。ＬＥＤと蛍光体発光コーティングを組み合わせた光源を有する分光器システムは、赤外波長域等の特定の波長域において変換効率が低下する可能性があり、その結果、意図した目標波長域外に相当量の光が漏れることがある。従って、これらの波長からは分光情報が得られないため、この波長域の光パワーは一般的に無駄となる。更に、特定の測定セットアップに専用ハードウェアを投入できる産業用途とは対照的に、消費者向け分光法は、特に大衆市場での訴求力を見出すために、多数の用途をカバーすることが求められる。これらの用途の多くは、空間的（立体的）に不均一な材料の調査を必要とする場合があり、こうした材料は一般的に異なる光学特性（例えば、異なる波長域における異なる透過深度等）を有する。こうした試料の深さ方向における分光情報（空間分布とも呼ばれる）を取得することがしばしば必要となる。 しかしながら、消費者向け分光分析の分野では、ウェアラブル機器等に統合された分光計デバイス等、コンパクトで統合された分光計デバイスは、望ましい応用範囲をカバーするために限られたリソース（例えば単一のエミッタ及び検出器タイプ）しか提供できないという事実から、技術的な課題が生じ得る。単一の特定用途向けに定義された発光スペクトルを利用する解決策が知られており、これは例えば、白色光を生成するために、青色ポンプレートと蛍光体からの黄色蛍光スペクトルという補色混合を特に含む単一チップ白色ＬＥＤを使用する方法である。これらのシステムは、複数の分光学的用途に対応できない可能性がある。 ＵＳ ２０１０/２０８２６１ Ａ１米国特許第８，１６４，０５０ Ｂ２号ＵＳ ７，０６１，６１８ Ｂ２米国特許第５，４７５，２２１号ＡＵＳ ２０２１/２９３６２０ Ａ１ＵＳ ２０１３/０９３９３６ Ａ１ＷＯ ２０２１/０５８２６０ Ａ１ＥＰ ３ ９６１ ８２６ Ａ１ 更なる任意の特徴及び実施形態は、後述の実施形態の説明、好ましくは従属請求項と併せて、より詳細に開示される。そこでは、各任意の特徴は、当業者が理解するように、単独で、また任意の実現可能な組み合わせで実現され得る。本発明の範囲は、好ましい実施形態によって制限されるものではない。実施形態は図面に概略的に示されている。図面中、同一の参照符号は同一又は機能的に同等の要素を示す。 図１は、分光器装置の実施例を示す概略図である。 図２は、光源の実施形態の概略断面図を示す。 図３は、少なくとも１つの物体に関する分光情報を取得する方法の実施形態を示すフローチャートを示す。 図４は、広帯域検出器の分光応答の図を示す。 図５は、パルス幅変調の図を示す。 図1には、少なくとも1つの対象物１１２に関する分光情報を取得するための分光器装置１１０の概略図が示されている。分光器装置１１０は、図１に示されるように複数の構成要素を含んでも良い。分光器装置１１０の可能な構成要素とその相互作用については、以下で図１を参照しながら具体的に説明する。分光器装置１１０は、対象物１１２を照射するための照明光１１６を生成する少なくとも１つの光源１１４を備える。光源１１４は、波長可変光源、少なくとも１つの固定発光波長を有する光源、及び広帯域光源の少なくとも１つであって良い。光源１１４は特に、少なくとも１つの電気光源であって良く、又は少なくとも１つの電気光源を含んで良い。光源１１４は、少なくとも１つの発光ダイオード１１８と、発光ダイオード１１８によって生成された一次光を二次光へ光変換するための少なくとも１つの発光材料１２０とを含む。例として、発光ダイオード１１８は、自発光に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）、超発光に基づく発光ダイオード（ｓＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＬＥＤ）のいずれか１つ以上を含んでも良い。 ＬＥＤ１１８は、特に、少なくとも２つの半導体材料層１２１を含んで良く、少なくとも２つの半導体材料層１２１間の少なくとも１つの界面において、特に正負の電荷の再結合により光が生成されるように構成されても良い。少なくとも２つの半導体材料層１２１は、異なる電気的特性を有して良く、例えば、少なくとも１つの層がｎ型ドープ半導体材料１２１であり、少なくとも１つの層がｐ型ドープ半導体材料１２１である。従って、例として、ＬＥＤ１１８は、少なくとも１つのｐｎ接合及び／又は少なくとも１つのｐｉｎ構成を含んで良い。ただし、他のデバイス構造も可能であることに留意されたい。 発光ダイオード１１８は、一次光（“ポンプ光”とも称される）を生成しても良い。この一次光は、その後、例えば蛍光体材料等の１つ以上の発光材料１２０を介した光変換等を用いて、「二次光」に変換されて良い。従って、少なくとも1つの発光材料１２０は、一次光を、一次光とは異なるスペクトル特性を持つ二次光に変換する、光変換器とも称される、少なくとも1つの変換器を形成することができる。特定的には、二次光のスペクトル幅は一次光のスペクトル幅よりも広くて良く、及び／又は二次光の中心波長は一次光と比較してシフト（特に赤方偏移）していて良い。特定的には、少なくとも１つの発光材料１２０は、紫外線及び／又は青色スペクトル領域で吸収を示し、近赤外線及び／又は赤外線スペクトル領域で発光しても良い。照明光１１６は、少なくとも部分的に一次光と二次次光を含む。特定的には、照明光１１６は、発光ダイオード１１８によって生成された一次光のうち、発光材料１２０による変換効率の低さ等の理由により二次次光に変換されなかった部分と、二次次光とを含んでも良い。 図１に示すように、光源１１４は、特定的には、蛍光体発光ダイオード１２２、別名蛍光体ＬＥＤ１２２を含んで良い。蛍光体ＬＥＤ１２２は、一次光又はポンプ光を生成するように構成された少なくとも1つの発光ダイオード１１８と、発光ダイオード１１８によって生成された一次光