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JP-2026514873-A - 少なくとも１つの対象物に関する分光情報を取得するための分光計装置

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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、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、少なくとも１つの光源（１１４）； ｉｉ．検出光（１３０）を、一次光のスペクトル範囲と二次光のスペクトル範囲とを少なくとも部分的に含むスペクトル範囲において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、広帯域検出器（１２８）は、一次光のスペクトル範囲において検出光（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、及び広帯域検出器（１２８）は、二次光のスペクトル範囲において検出光（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、少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）；及び ｉｉｉ．ブロードバンド検出器（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、一次検出器信号または二次検出器信号のいずれか一方から広帯域検出器（１２８）に関する応答性情報（１３７）を決定し、及び広帯域検出器（１２８）に関する応答性情報（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）に関する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 (14)

  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、 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、該発光ダイオード（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）とを含む少なくとも１つの光源（１１４）； ｉｉ．検出光（１３０）を、一次光のスペクトル範囲と二次光のスペクトル範囲とを少なくとも部分的に含むスペクトル範囲において検出するための、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いて検出光（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、及び更に、二次光のスペクトル範囲において検出光（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、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広帯域検出器（１２８）の応答性情報（１３７）を決定し、及び広帯域検出器（１２８）の応答性情報（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ための、少なくとも１つの評価ユニット（１３６）； ｉｖ．少なくとも１つの第１光路（１２３）であって、第１光路（１２３）は、一次光又は照明光のうち少なくとも一部が、対象物（１１２）と相互作用することなく光源（１１４）から広帯域検出器（１２８）へ伝播することを可能にするように構成されている、少なくとも１つの第１光路（１２３）；及び ｖ．少なくとも１つの第２光路（１２５）であって、照明光（１３０）が、対象物（１１２）と少なくとも１回相互作用することにより、光源（１１４）から広帯域検出器（１２８）へ伝播することを可能にするように構成されている、少なくとも１つの第２光路（１２５）； を含み、第１光路（１２３）は、光源（１１４）からの一次光の少なくとも一部を、対象物（１１２）と相互作用することなく、広帯域検出器（１２８）へ導くように構成された少なくとも１つの光学素子を含む、分光器装置（１１０）。
  2. 前記第１光路（１２３）は、一次光の一部が発光材料（１２０）を通過せずに広帯域検出器（１２８）へ伝播することを可能にするように構成されるか、又は前記第１光路（１２３）は、照明光（１１６）の一部が光源（１１４）から、対象物（１１２）と相互作用することなく、広帯域検出器（１２８）へ伝播させるように構成されており、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、請求項１に記載の分光器装置（１１０）。
  3. 第１光路（１２３）は、光源（１１４）からの一次光又は照明光（１１６）の少なくとも一部を、対象物（１１２）と相互作用することなく、光源（１１４）から広帯域検出器（１２８）へ導くように構成された、少なくとも１つの光学素子を含み、該光学素子は、ビームスプリッター、ダイクロイックフィルター、バンドパスフィルター、ロングパスフィルター、ショートパスフィルター、プリズム等の分散素子、グレーティング等の回折素子から成る群から選択される、少なくとも１つの光学素子を含む、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、第１光路（１２３）における検出光（１３０）を検出することにより、一次検出器信号を生成するように構成され、広帯域検出器（１２８）は、第２光路（１２５）における検出光（１３０）を検出することにより、二次検出器信号を生成するように構成される、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  5. 評価ユニット（１３６）は、一次検出器信号から広帯域検出器（１２８）の応答性情報（１３７）を決定し、及び一次検出器信号から決定された、広帯域検出器（１２８）の応答性情報（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ように構成されている、請求項４に記載の分光器装置（１１０）。
  6. 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ける検出光（１３０）を検出するための複数の検出器素子（１３１、１３２、１３３）を含む、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  7. 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、駆動ユニット（１３８）は、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ように構成され、該駆動周波数は発光材料の時定数τの逆数を上回るものであり、評価ユニット（１３６）は、フーリエ変換、特に高速フーリエ変換を用いて復調することにより、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いる、請求項１又は２に記載の分光器装置（１１０）。
  8. 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）。
  9. 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に変換するための少なくとも１つの発光材料（１２０）とを含むステップ； ｃ）少なくとも部分的に、一次光と二次光のスペクトル範囲を含むスペクトル範囲における検出光（１３０）を、少なくとも１つの広帯域検出器（１２８）を用いて検出するステップであって、ここで、広帯域検出器（１２８）は、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、二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； 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広帯域検出器（１２８）の応答性情報（１３７）を決定し、及び広帯域検出器（１２８）の応答性情報（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。
  10. ステップｄ）は、一次検出器信号から広帯域検出器（１２８）の応答性情報（１３７）を決定し、及び一次検出器信号から決定された広帯域検出器（１２８）の応答性情報（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を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 分光器装置（１１０）は更に、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、前記方法は、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つの駆動周波数で電気的に駆動することを含み、前記駆動周波数は発光材料（１２０）の時定数τの逆数よりも高いものであり、ステップｄ）における評価は、フーリエ変換、特に高速フーリエ変換を用いて一次検出器信号と二次検出器信号を区別することを含む、請求項９に記載の方法。
  12. 特にステップｂ）において、発光ダイオード（１１８）によって生成される個々のパルスに対しては高周波数であるが、発光材料（１２０）に印加されるパルスパッケージに対しては低周波数であるパルス列を使用することを含み、一次検出器信号と二次検出器信号との区別は、単一の広帯域検出器（１２８、１３４）によって生成される複合検出器信号の周波数多重化を含み、複合検出器信号は、一次検出器信号と二次検出器信号の両方を含む、請求項９に記載の方法。
  13. 分光器装置（１１０）に関する請求項１に記載の分光器装置（１１０）によって実行されたときに、分光器装置（１１０）に、方法に関する請求項９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。
  14. 分光器装置（１１０）に関する請求項１に記載の分光器装置（１１０）によって実行されたときに、分光器装置（１１０）に、方法に関する請求項９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、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

Description

本発明は、少なくとも１つの対象物に関する分光情報を取得するための分光器装置及び方法に関する。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で使用され得る。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、人間の色の視覚能力を模倣することを可能にするスペクトル領域において使用され得る。しかしながら、更なる応用が可能である。 分光器装置は、物体が光を放射、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作業を支援し得る。 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次元のピクセル配列を有するアレイ検出器など、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む場合がある。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つの光学特性を測定する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。この装置は更に、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。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しており、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（米国特許第7,061,618 B2号）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型可変検出器が提供される。他の例では、超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）等の1つ又は複数のダイオードと、ファブリ・ペロー可変フィルター又はエタロンを組み合わせた集積型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デバイスを記載している。 更に、特許文献５（US 2021/293620 A1）は、以下の構成要素を有す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（WO 2018/203831 A1）は、分光器モジュールを含む分光器モジュールの較正方法を開示しており、この方法は、分光器モジュールを用いた測定を実行して、分光器モジュール用の波長対動作パラメータ較正データを生成することを含む。この方法は、分光計モジュールを用いて測定を行い、分光計モジュール用の光クロストーク及び暗ノイズ較正データを生成すること、ならびに分光計モジュールを用いて測定を行い、既知の反射率標準に対して分光計モジュール用の全システム応答較正データを生成することを含む。更に、本方法は、分光計モジュールに接続されたメモリに、波長対動作パラメータ較正データ、光クロストーク及び暗ノイズ較正データ、及びフルシステム応答較正データを含む較正記録を保存し、分光計モジュールによる測定に該較正記録を適用することを含む。 更に、特許文献７（WO 2023/052608 A1）は、少なくとも１つの分類ベース分光測定において、少なくとも１つの測定対象物によって提供される光放射を測定するための分光測定装置を開示している。この分光測定装置は以下を含む：- 測定対象物に向けて少なくとも部分的に光放射を放射するように構成された、少なくとも１つの放射源であって、光放射は分類ベース分光測定において関心のある分光範囲の少なくとも一部にある、放射源；- 少なくとも２つの光検出器であって、各光検出器は少なくとも１つの画素を含み、各画素は能動画素又は暗化画素であり、スペクトル測定装置は、少なくとも２つの能動画素を含み、スペクトル測定装置は少なくとも１つの暗化画素を含み、各能動画素は、能動画素への入射光に依存して少なくとも１つの光検出器信号を生成するように構成されており、少なくとも２つの能動画素は、少なくとも部分的に異なるスペクトル範囲における光放射を検出するように構成されており、各暗化画素は、暗化画素への照明に依存せず、少なくとも１つの光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２つの光検出器；及び- 光検出器信号を測定し、少なくとも１つのスペクトルデータ項目を生成するように構成された、少なくとも１つの読み出し装置；及び - 少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つの記憶装置を含む少なくとも１つの評価装置であって、記憶装置は、異なるクラスの集合を含む少なくとも１つの分類モデルを格納するように構成され、各クラスは少なくとも１つのスペクトル特性を参照し、分類モデルは、少なくとも１つの入力データ項目をクラスに分類するように構成される、評価装置；及びスペクトルデータ項目を分類モデルに適用可能な入力データ項目に変換するように構成された、少なくとも１つの変換関数。評価装置は、スペクトルデータ項目に分類モデルと変換関数を適用することにより、少なくとも１つの測定情報項目を生成するように構成される。 更に、特許文献８（EP 3 961 826 A1）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の波長変換光に変換する第一の蛍光体、及び第一の光を吸収し、 第一の光を第一の光よりも波長の長い第二の波長変換光に変換する第二の蛍光体を含む、光照射装置を開示している。第一の波長変換光は、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。第二の波長変換光は、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。第一の波長変換光は、第二の波長変換光よりも１／１０長い残光時間を有する。 ＵＳ ２０１０/２０８２６１ Ａ１米国特許第８，１６４，０５０ Ｂ２号米国特許第７，０６１，６１８ Ｂ２号米国特許第５，４７５，２２１号ＡＵＳ ２０２１/２９３６２０ Ａ１ＷＯ ２０１８/２０３８３１ Ａ１ＷＯ ２０２３/０５２６０８ Ａ１ＥＰ ３ ９６１ ８２６ Ａ１ 既知の方法や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おいては、いくつかの技術的課題が残されている。光源としてＬＥＤと蛍光体発光コーティングを組み合わせた分光器システムは、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かなりの量の照明が生じる可能性がある。従って、これらの波長からは分光情報を得られないため、この波長域の光パワーは一般的に無駄となる。更に、一般に、変化する環境条件及び／又は動作条件は分光システムにおいて測定上の課題を引き起こし得る。例えば、検出器の環境温度及び／又は動作温度の変化は、ほとんどの検出器の分光感度が検出器温度に強く依存するため、信号ドリフトを引き起こす可能性がある。補正なしでは、測定は検出器ドリフトの影響を受け得る。検出器ドリフトは、特に近赤外スペクトル領域において、単一測定中及び／又は複数の連続測定間で測定スペクトルのシフトを引き起こし得る。 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、又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つの対象物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である。 図４は、広帯域検出器の分光感度特性の図を示す。 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卯でも良い。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を参照しながら特定的に説明する。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も良い。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とを含む。例として、発光ダイオード１１８は、自発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つ以上を含むことができる。 ＬＥＤ １１８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得る。少なくとも２層の半導体材料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構成を含むことができる。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）を生成することができる。この一次光は、その後、例えば蛍光