УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Российский патент 2016 года по МПК G01J3/45 G01N21/35 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству измерения спектральных характеристик и способу измерения спектральных характеристик, которые позволяют неинвазивно измерять биологические компоненты в теле, например, сахар в крови и холестерин в крови, и которые можно использовать для оценивания дефектов полупроводника.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В различных заболеваниях, например, диабете и гиперлипидемии, важно управлять биологическими компонентами в крови, например, глюкозой крови (сахаром крови) и холестерином крови, для профилактики и лечения заболеваний. Однако для измерения биологических компонентов в крови, обычно требуется брать малое количество крови, что болезненно. Кроме того, необходимы трудоемкие операции, например, стерилизация области взятия крови и надлежащая обработка расходных материалов, из-за чего, частое взятие крови для измерения биологических компонентов, например, в профилактических целях, нежелательно.

[0003] Таким образом, предложены неинвазивные измерительные устройства, которые измеряют биологические компоненты без взятия крови. В качестве примера устройств, в патентном источнике 1 описан способ, в котором свет отбрасывается на биологическую испытуемую область, и, в результате, биологические компоненты регистрируются с использованием спектральных характеристик света (объектного света), излучаемого из биологических компонентов в испытуемой области.

[0004] Согласно способу, описанному в патентном источнике 1, интерференция с использованием объектного пучка, генерируемого из каждой яркой точки, которая оптически формирует биологические компоненты, используется для получения интерферограммы биологических компонентов, и интерферограмма подвергается преобразованию Фурье для получения спектральных характеристик (спектра) объектного света. В частности, объектный свет, включающий в себя пропущенный свет и диффузный/рассеянный свет, генерируемый из каждой яркой точки, поступает через объектив на фазовращатель, состоящий из блока неподвижных зеркал и блока подвижных зеркал, и объектные пучки, отраженные от двух блоков зеркал, интерферируют друг с другом на плоскости формирования изображения. Блок подвижных зеркал перемещается пьезоэлементом и т.п., и сдвиг фазы согласно расстоянию перемещения блока подвижных зеркал, сообщается объектным пучкам, отраженным от блока неподвижных зеркал и блока подвижных зеркал. Соответственно, интенсивность интерференционного света изменяется, и получается так называемая интерферограмма. Интерферограмма подвергается преобразованию Фурье для получения спектральных характеристик (спектра) объектного света.

Библиография

Патентный источник

[0005] [Патентный источник 1] JP 2008-309707 A

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

[0006] Для профилактики или лечения заболеваний, полезно измерять концентрацию биологических компонентов, например, сахара (глюкозы) и холестерина в крови, в составе крови. Для профилактики, значение концентрации такого биологического компонента индивида в отношении среднего значения концентрации популяции людей, представляющей интерес, значительно, и для лечения, полезно непрерывно измерять изменение значения концентрации пациента. В любом случае, разность и изменение минимальны, и значение концентрации необходимо измерять с высокой точностью.

Значение концентрации биологических компонентов, например, сахара (глюкозы) и холестерина в крови, можно регистрировать путем отбрасывания света на кровеносный сосуд и измерения интенсивности света на одной или множестве из конкретных длин волны, поглощенных или отраженных биологическими компонентами объекта в свете, пропущенном через кровеносный сосуд или отраженном от него. Однако, согласно традиционному способу, интенсивность измерительного света может испытывать возмущение, например, за счет изменения силы излучения источника света, изменений окружающей среды, в том числе температуры и влажности, и ошибки в перемещении блока подвижных зеркал, и проблема состоит в том, что концентрацию биологических компонентов объекта не удается измерить с высокой точностью.

Такая проблема также возникает при регистрации незначительного дефекта полупроводниковой подложки из спектральных характеристик света, излучаемого из полупроводниковой подложки, когда свет отбрасывается на полупроводниковую подложку.

[0007] Перед настоящим изобретением стоит задача обеспечения устройства измерения спектральных характеристик и способа измерения спектральных характеристик, позволяющих с высокой точностью измерять спектральные характеристики объекта, подлежащего измерению, подавляя влияние возмущения.

Решение проблемы

[0008] Для решения вышеупомянутых проблем, настоящее изобретение предусматривает устройство измерения спектральных характеристик, включающее в себя:

a) неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;

b) оптическую систему падения, которая обуславливает вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;

c) оптическую систему формирования изображения, которая формирует свет, полученный интерференцией света, отраженного неподвижным блоком отражения, и света, отраженного подвижным блоком отражения;

d) блок регистрации измерительного света, который регистрирует интенсивность света, полученного интерференцией измерительного света, сформированного оптической системой формирования изображения;

e) блок обработки, который получает интерферограмму измерительного света на основании изменения интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения;

f) средство падения опорного света для обуславливания вхождения опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;

g) блок регистрации опорного света, который регистрирует интенсивность света, полученного интерференцией опорного света, сформированного оптической системой формирования изображения; и

h) блок арифметической обработки, который корректирует интерферограмму измерительного света на основании амплитуды изменения интенсивности света, полученного интерференцией опорного света, регистрируемого блоком регистрации опорного света путем перемещения подвижного блока отражения, и на основании разности фаз между измерительным светом узкого диапазона длин волны, имеющим ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и который получает спектр измерительного света на основании скорректированной интерферограммы измерительного света.

[0009] Понятие "свет узкого диапазона длин волны" означает свет в диапазоне длин волны ±30 нм, или более узком, вокруг пиковой длины волны, и одночастотный лазерный пучок, излучаемый из источника света на основе полупроводникового лазера (лазерного диода), включен в понятие света узкого диапазона длин волны.

[0010] В устройстве измерения спектральных характеристик ранее описанной конфигурации,

средство падения опорного света может состоять из: источника света; и отражающей дифракционной решетки, которая обуславливает вхождение дифрагировавшего света первого порядка света, излучаемого от источника света, в оптическую систему падения в качестве опорного света.

[0011] Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство измерения спектральных характеристик включало в себя пластинчатое окно, выполненное из светопропускающего элемента, причем одна из поверхностей является поверхностью размещения, на которой располагается объект, подлежащий измерению, и другая является поверхностью отбрасывания света, причем

дифракционная решетка располагается на области части поверхности отбрасывания света, и

источник света отбрасывает свет на всю поверхность отбрасывания света под углом, который не обуславливает вхождение света, полученного зеркальным отражением света, отбрасываемого на поверхность отбрасывания света, в оптическую систему падения.

[0012] Согласно конфигурации, свет, отбрасываемый на область на поверхности отбрасывания света окна, кроме дифракционной решетки, проходит через окно и достигает объекта, подлежащего измерению. В результате, измерительный свет, например, рассеянный свет и флуоресцентное излучение, излучается от объекта, подлежащего измерению, и измерительный свет проходит через окно и достигает оптической системы падения. Что касается света, отбрасываемого на дифракционную решетку на поверхности отбрасывания света окна, дифрагировавший свет первого порядка под углом излучения, определяемым длиной волны и углом падения света, шагом дифракционной решетки и другими факторами, входит в оптическую систему падения в качестве опорного света. Таким образом, источник света обычно используется для генерации измерительного света и опорного света, и устройство может быть компактным.

Согласно конфигурации, свет, полученный зеркальным отражением (свет 0-го порядка) света от источника света, отбрасываемый на поверхность отбрасывания света окна, не входит в оптическую систему падения, но дифрагировавший свет первого порядка, напротив, входит в оптическую систему падения в качестве опорного света. Хотя интенсивность дифрагировавшего света первого порядка гораздо меньше, чем у зеркально отраженного света, интенсивность света, излучаемого из целевого компонента, также очень мала. Таким образом, интенсивности измерительного света и опорного света сбалансированы.

[0013] В устройстве измерения спектральных характеристик ранее описанной конфигурации,

средство падения опорного света может состоять из: источника света, который излучает свет узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света; и отражающей пленки, которая отражает свет, излучаемый от источника света, чтобы обуславливать вхождение света в оптическую систему падения.

[0014] Настоящее изобретение предусматривает способ измерения спектральных характеристик, включающий в себя этапы, на которых:

a) обуславливают вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;

b) формируют свет, полученный интерференцией света, отраженного неподвижным блоком отражения, и света, отраженного подвижным блоком отражения;

c) получают интерферограмму измерительного света на основании изменения интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения;

d) обуславливают вхождение опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;

e) регистрируют интенсивность света, полученного интерференцией опорного света, отраженного неподвижным блоком отражения, и опорного света, отраженного подвижным блоком отражения; и

f) корректируют интерферограмму измерительного света на основании амплитуды изменения интенсивности света, полученного интерференцией опорного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения, и на основании разности фаз между измерительным светом узкого диапазона длин волны, имеющим ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и получают спектр измерительного света на основании скорректированной интерферограммы измерительного света.

[0015] Согласно способу измерения биологических компонентов,

можно обуславливать вхождение дифрагировавшего света первого порядка, генерируемого дифракционной решеткой путем отбрасывания света от источника света на дифракционную решетку, в оптическую систему падения в качестве опорного света.

[0016] В способе измерения биологических компонентов, дифракционная решетка может быть создана на области части поверхности отбрасывания света пластинчатого окна, выполненного из светопропускающего элемента, причем одна из поверхностей является поверхностью размещения, на которой располагается объект, подлежащий измерению, и другая поверхность является поверхностью отбрасывания света, причем

источник света отбрасывает свет на всю поверхность отбрасывания света под углом, который не обуславливает вхождение света, полученного зеркальным отражением света, отбрасываемого на поверхность отбрасывания света, в оптическую систему падения.

[0017] В способе измерения спектральных характеристик вышеописанной конфигурации, свет узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света может отбрасываться от источника света на отражающую пленку, и может обуславливаться вхождение света, отраженного отражающей пленкой, в оптическую систему падения в качестве опорного света.

Положительные результаты изобретения

[0018] Настоящее изобретение предусматривает деление измерительного света, например, рассеянного света и флуоресцентного излучения, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, на два световых излучения, обеспечение разности фаз между двумя измерительными световыми излучениями, обуславливание интерференцию двух измерительных световых излучений друг с другом для получения интерферограммы измерительного света, и применение преобразования Фурье к интерферограмме для получения спектра (спектральных характеристик) измерительного света. Например, для измерения уровня сахара в крови, спектральные характеристики рассеянного света, генерируемого путем отбрасывания света на сахар (глюкозу) крови, регистрируются для неинвазивного измерения уровня сахара в крови. В этом случае, рассеянный свет, излучаемый от сахара в крови очень слаб, в результате чего, даже малое возмущение, например, ошибка в перемещении подвижного блока отражения и флуктуация интенсивности источника света, может изменять спектральные характеристики сахара в крови. В настоящем изобретении, оптическая система падения обуславливает вхождение опорного света, совместно с измерительным светом, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения, и блоки отражения делят опорный свет на два отраженных световых излучения для формирования интерференционного света. На основании амплитуды изменения интенсивности интерференционного света и разности фаз, осуществляется коррекция интерферограммы измерительного света. Таким образом, можно точно регистрировать спектральные характеристики измерительного света.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Фиг. 1A и фиг. 1B - схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию датчика уровня сахара в крови согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - вид, демонстрирующий светоприемную поверхность блока регистрации.

Фиг. 3 - вид, поясняющий изменения интенсивности интерференционного света и интерферограмму и спектральные характеристики интерференционного света.

Фиг. 4 - вид, поясняющий длину волны и угол дифракции дифрагировавшего света первого порядка, входящего в объектив от дифракционной решетки.

Фиг. 5A и фиг. 5B - вид спереди и вид сбоку, демонстрирующий дифрагировавший свет первого порядка от дифракционной решетки, и фиг. 5C - трехмерный вид, демонстрирующий дифрагировавший свет первого порядка.

Фиг. 6 - вид, демонстрирующий соотношение между (a) интерферограммой измерительного света и (b) изменением интенсивности света, полученного интерференцией дифрагировавшего света первого порядка.

Фиг. 7 - вид, демонстрирующий результаты измерения.

Фиг. 8A и фиг. 8B - вид в перспективе и вид сверху, демонстрирующие окно, используемое в датчике уровня сахара в крови согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 - вид, поясняющий длину волны и угол дифракции дифрагировавшего света первого порядка, входящего в объектив от вторых линий выступа дифракционной решетки.

Фиг. 10A и фиг. 10B - вид спереди и вид сбоку, демонстрирующий дифрагировавший свет первого порядка от дифракционной решетки.

Фиг. 11A и фиг. 11B - схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию датчика уровня сахара в крови согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Далее, со ссылкой на чертежи будут описаны конкретные варианты осуществления, применяющие настоящее изобретение к датчику уровня сахара в крови.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0021] На фиг. 1A и фиг. 1B показана общая конфигурация датчика 10 уровня сахара в крови согласно настоящему варианту осуществления. Датчик 10 уровня сахара в крови включает в себя: прямоугольный коробчатый корпус 12; прямоугольное пластинчатое окно 14 прикрепленное к одной из периферийных боковых поверхностей корпуса 12, например, верхней поверхности; и спектроскопический измерительный блок 16, заключенный в корпус 12.

[0022] Корпус 12 выполнен из материала, который не пропускает свет, например, пластика и металла. Окно 14 выполнено из светопропускающего материала, и, как описано ниже, объект, подлежащий измерению, например, кончик пальца, располагается на верхней поверхности. Таким образом, верхняя поверхность окна 14 является поверхностью размещения. При этом, дифракционные решетки сформированы на части поверхности отбрасывания света, которая является нижней поверхностью окна 14, размещенного в корпусе 12. В этом варианте осуществления, сформированы две дифракционные решетки 20 и 21 проходящие вдоль двух противоположных сторон окна 14. В нижеследующем описании, области, снабженные двумя дифракционными решетками 20 и 21 на поверхности отбрасывания света окна 14, также будем называть областями опорного света, и другие области на поверхности отбрасывания света окна 14 также будем называть областями измерительного света. Дифракционные решетки 20 и 21 образованы множеством линий выступа, параллельных двум сторонам. В настоящем варианте осуществления, интервал между линиями выступа задан равным 1,1 мкм.

[0023] Спектроскопический измерительный блок 16 включает в себя источник 161 света, объектив 162, фазовращатель 163, линзу 164 формирования изображения и блок 165 регистрации. В настоящем варианте осуществления, объектив 162 и линза 164 формирования изображения эквивалентны оптической системе падения и оптической системе формирования изображения, соответственно. Объектив 162 обращен к поверхности отбрасывания света окна 14. Линза 164 формирования изображения располагается так, что оптическая ось ортогональна объективу 162.

[0024] В качестве источника 161 света используется источник света, хорошо проникающего в кожу, который излучает свет ближнего инфракрасного диапазона на длине волны около 1 мкм. Источник 161 света ориентирован так, что зеркально отраженный свет не входит в объектив 162, когда световое излучение отбрасывается на поверхность отбрасывания света окна 14, и так, что дифрагировавший свет первого порядка, генерируемый, когда свет отбрасывается на дифракционные решетки 20 и 21, входит в объектив 162. Дифрагировавший свет первого порядка от дифракционных решеток 20 и 21 используется в качестве опорного света, и, таким образом, источник 161 света и дифракционные решетки 20 и 21 образуют средство падения опорного света в настоящем варианте осуществления.

Блок 165 регистрации состоит, например, из двухмерной камеры на ПЗС (приборах с зарядовой связью) размером 16Ч16 пикселей, и блок 165 регистрации располагается так, что светоприемная поверхность 165a блока 165 регистрации располагается на плоскости формирования изображения линзы 164 формирования изображения.

[0025] На фиг. 2 показан вид, схематически демонстрирующий светоприемную поверхность 165a блока 165 регистрации. Для удобства, в данном описании количество пикселей составляет 10×10. Как показано на фиг. 2, многие пиксели размещены на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации, и дифрагировавший свет первого порядка (опорный свет), генерируемый дифракционной решеткой 20 и дифракционной решеткой 21, фокусируется на верхних 20 (2×10) пикселях и нижних 20 пикселях, соответственно. Таким образом, пиксели образуют блок регистрации опорного света. Блок регистрации опорного света может включать в себя 16 пикселей за исключением двух пикселей, размещенных по левую и правую стороны верха и низа, всего за исключением четырех пикселей. Измерительный свет фокусируется на пикселях светоприемной поверхности 165a за исключением блоков регистрации опорного света. Таким образом, эти пиксели образуют блок регистрации измерительного света настоящего изобретения. Фактически, измерительный свет фокусируется на пикселях, размещенных на части, указанной изображением F кончика пальца, расположенного на поверхности размещения окна 14.

[0026] Как будет подробно описано ниже, сигнал регистрации блока 165 регистрации поступает на блок 42 обработки. Блок 42 обработки получает интерферограмму из сигнала регистрации от блока 165 регистрации. Блок 43 арифметической обработки математически применяет преобразование Фурье к интерферограмме, и, в результате, спектральные характеристики (спектр) получаются как относительная интенсивность на каждой длине волны измерительного света.

[0027] Между объективом 162 и линзой 164 формирования изображения располагается фазовращатель 163. Фазовращатель 163 включает в себя блок 31 неподвижных зеркал, блок 32 подвижных зеркал и приводной механизм 33, который перемещает блок 32 подвижных зеркал. Блок 31 неподвижных зеркал и блок 32 подвижных зеркал эквивалентны неподвижному блоку отражения и подвижному блоку отражения настоящего изобретения, соответственно. Каждый из блока 31 неподвижных зеркал и блока 32 подвижных зеркал имеет прямоугольную отражающую поверхность, наклоненную под углом 45 относительно оптической оси объектива 162 и оптической оси линзы 164 формирования изображения. Отражающие поверхности блоков зеркал выровнены с очень малым зазором.

[0028] Приводной механизм 33 включает в себя, например, пьезоэлемент, включающий в себя емкостной датчик. Приводной механизм 33 принимает сигнал от блока 40 управления и перемещает блок 32 подвижных зеркал в направлении стрелки A, при этом сохраняя угол наклона отражающей поверхности относительно оптической оси равным 45°. Согласно конфигурации, позиция блока 32 подвижных зеркал относительно блока 31 неподвижных зеркал изменяется, и обеспечивается разность фаз между светом, отраженным блоком 31 неподвижных зеркал, и светом, отраженным блоком 32 подвижных зеркал.

[0029] В частности, расстояние перемещения объектива 162 или линзы 164 формирования изображения блока 32 подвижных зеркал в направлении оптической оси равно 1/√2 расстояния перемещения блока 32 подвижных зеркал в направлении стрелки A. Разность длин оптического пути, которая обеспечивает относительное изменение фазы между неподвижным светом и подвижным светом вдвое больше расстояния перемещения блока 32 подвижных зеркал в направлении оптической оси.

[0030] Далее будет описан порядок использования датчика 10 уровня сахара в крови ранее описанной конфигурации для измерения сахара (глюкозы) крови в крови кончика пальца испытуемого.

Кончик пальца испытуемого располагается на поверхности размещения окна 14. При этом кончик пальца не просто располагается на поверхности размещения окна 14, но кончик пальца также крепко прижимается к поверхности размещения. Таким образом, кончик пальца можно крепко прижимать к поверхности размещения для поддержания позиции фокуса объектива 162 в заранее определенной позиции (глубине) внутри кончика пальца в ходе измерения. Кончик пальца можно не всегда крепко прижимать к поверхности размещения, и например, кончик пальца можно мягко класть на поверхность размещения для регистрации компонентов в кровеносном сосуде в области вблизи поверхности кончика пальца.

[0031] В состоянии, когда кончик пальца прижат к поверхности размещения окна 14, свет ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света отбрасывается на поверхность отбрасывания света окна 14. В результате, свет ближнего инфракрасного диапазона, отбрасываемый на область измерительного света окна 14, проходит через окно 14 и достигает кончика пальца. Свет ближнего инфракрасного диапазона проходит сквозь кожу кончика пальца и рассеивается различными биологическими компонентами внутри кончика пальца. Свет, рассеянный биологическими компонентами, вновь проходит сквозь кожу кончика пальца и входит внутрь корпуса 12 через окно 14. Свет входит в объектив 162.

[0032] Рассеянный свет в качестве измерительного света, излучаемого изнутри кончика пальца, достигает объектива 162, распространяясь в различных направлениях, преобразуется в параллельные пучки и полностью освещает поверхности блока 31 неподвижных зеркал и блока 32 подвижных зеркал фазовращателя 163. В частности, часть рассеянного света отражается отражающей поверхностью блока 31 неподвижных зеркал, и остальной рассеянный свет отражается отражающей поверхностью блока 32 подвижных зеркал. Оба рассеянных световых излучения входят в линзу 164 формирования изображения, соответственно. В нижеследующем описании, рассеянный свет, отраженный блоком 31 неподвижных зеркал, также будем называть неподвижным рассеянным светом, и рассеянный свет, отраженный блоком 32 подвижных зеркал, также будем называть подвижным рассеянным светом.

[0033] Неподвижный рассеянный световой пучок и подвижный рассеянный световой пучок, входящие в линзу 164 формирования изображения, фокусируются на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации, и формируется интерференционное изображение. В этом случае, рассеянный свет, излучаемый изнутри кончика пальца, включает в себя свет различных длин волны. Таким образом, блок 32 подвижных зеркал можно перемещать для изменения разности длин оптического пути между подвижным рассеянным световым пучком и неподвижным рассеянным световым пучком для получения формы волны изменения интенсивности изображения (изменения интенсивности интерференционного света), именуемой интерферограммой. Интерферограмму можно подвергать математическому преобразованию Фурье для получения спектральных характеристик. На Фиг. 3 показаны (a) изменение интенсивности света на каждой длине волны, (b) интерферограмма и (c) спектральные характеристики.

В датчике 10 уровня сахара в крови настоящего варианта осуществления, только рассеянный свет, излучаемый от фокальной плоскости объектива 162, расположенной на конкретной глубине внутри кончика пальца, фокусируется на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации, и свет генерируемый из части, отличной от фокальных плоскостей не фокусируется на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации. Таким образом, можно получить спектральные характеристики внутри кончика пальца, в котором глубина ограничена только фокальной плоскостью.

[0034] При этом, свет ближнего инфракрасного диапазона, отбрасываемый на область опорного света окна 14, отражается дифракционными решетками 20 и 21. В настоящем варианте осуществления, свет, полученный зеркальным отражением (свет, указанный ссылочной позицией "L0" на фиг. 1A) света, отбрасываемого от источника 161 света на поверхность отбрасывания света окна 14, не входит в объектив 162. С другой стороны, в объектив 162 входит дифрагировавший свет первого порядка, имеющий конкретную длину волны λ, определяемую числовой апертурой объектива 162, шагом дифракционной решетки (интервалом между линиями выступа) дифракционных решеток 20 и 21, углом θin падения, и углом θout излучения.

[0035] В настоящем варианте осуществления, как показано на фиг. 4, свет ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света имеет возможность входить под углом падения 45 градусов относительно дифракционной решетки с шагом дифракционной решетки (интервалом между линиями выступа) d = 1,1 мкм. Используется объектив 162 с числовой апертурой N.A. = 0,24 (угловой апертурой = 14 градусов), фокусным расстоянием = 20 мм и апертурой линзы g = ϕ10 мм. В этом случае, минимальный угол дифракции θmin со стороны коротковолнового излучения, входящего в объектив 162, равен 31 градусу, и длина волны λmin равна 0,566 мкм. Максимальный угол дифракции θmax со стороны длинноволнового излучения равен 59 градусам, и длина волны λmax равна 0,943 мкм. В настоящем варианте осуществления, в качестве блока 165 регистрации используется камера InGaAs с регистрируемым диапазоном длин волны от 0,9 мкм до 1,7 мкм. Таким образом, диапазон длин волны дифрагировавшего света первого порядка, входящего в объектив 162, регистрируемый блоком 165 регистрации, является очень узким диапазоном длин волны (от 0,9 мкм до 0,943 мкм).

[0036] Как показано на фиг. 5A, фиг. 5B и фиг. 5C, дифрагировавший свет первого порядка от дифракционных решеток 20 и 21 распространяется в направлении ширины дифракционных решеток 20 и 21 и достигает объектива 162 (см. вид спереди на фиг. 5A). Параллельные пучки достигают объектива 162 в направлении пропускания дифракционных решеток 20 и 21 (см. вид сбоку на фиг. 5B). Таким образом, дифрагировавший свет первого порядка достигает объектива 162 в форме квадратной пирамиды, показанной на фиг. 5C. В результате, дифрагировавший свет первого порядка входящий в объектив 162, формирует свет в форме полосы шириной, эквивалентной ширине света, излучаемого от источника 161 света, и оказывается вблизи границы блока 31 неподвижных зеркал и блока 32 подвижных зеркал. Часть света отражается отражающей поверхностью блока 31 неподвижных зеркал, и остальной свет отражается отражающей поверхностью блока 32 подвижных зеркал и входит в линзу 164 формирования изображения. В нижеследующем описании, дифрагировавший свет первого порядка, отраженный блоком 31 неподвижных зеркал, также будем называть неподвижным дифрагировавшим светом, и дифрагировавший свет первого порядка, отраженный блоком 32 подвижных зеркал, также будем называть подвижным дифрагировавшим светом.

[0037] Неподвижный дифрагировавший свет и подвижный дифрагировавший свет, входящий в линзу 164 формирования изображения, фокусируются на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации, и формируется интерференционное изображение. В это время, блок 32 подвижных зеркал можно перемещать для изменения разности длин оптического пути между неподвижным дифрагировавшим светом и подвижным дифрагировавшим светом для получения изменения интенсивности интерференционного света. Как описано, диапазоны длины волны неподвижного дифрагировавшего света и подвижного дифрагировавшего света являются очень узкими, и это позволяет утверждать, что световые излучения являются, по существу, одночастотными световыми излучениями. Таким образом, полученная при этом форма изменения интенсивности интерференционного света, является простой косинусоидальной волной.

[0038] Свет, отбрасываемый на кончик пальца через окно 14, и свет для генерации дифрагировавшего света первого порядка в дифракционных решетках 20 и 21, излучаются из одного и того же источника света. Таким образом, при наличии флуктуации интенсивности света, излучаемого от источника 161 света, изменение интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света (рассеянного света) и изменение интенсивности света, полученного интерференцией дифрагировавшего света первого порядка, подвергаются влиянию флуктуации. Измерительный свет и дифрагировавший свет первого порядка распространяются от окна 14 к блоку 165 регистрации по общему оптическому пути. Таким образом, при наличии возмущения на общем оптическом пути, изменение интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, и изменение интенсивности света, полученного интерференцией дифрагировавшего света первого порядка, подвергаются влиянию возмущения.

[0039] Затем блок 43 арифметической обработки настоящего варианта осуществления корректирует интерферограмму измерительного света на основании амплитуды изменения интенсивности света, полученного интерференцией дифрагировавшего света первого порядка, и разности фаз между дифрагировавшим светом первого порядка и измерительным светом, имеющим такую же длину волны, как дифрагировавший свет первого порядка, и применяет преобразование Фурье к скорректированной интерферограмме для получения спектральных характеристик. Например, предполагая, что получены интерферограмма измерительного света, показанная на фиг. 6(a), и изменение интенсивности света, полученного интерференцией дифрагировавшего света, показанное на фиг. 6(b), интерферограмма корректируется путем коррекции интенсивности интерференционного света интерферограммы измерительного света с использованием отношения интенсивности дифрагировавшего света первого порядка к амплитуде изменения интенсивности интерференционного света. Фаза интерферограммы измерительного света смещается на величину сдвига фазы между дифрагировавшим светом первого порядка и измерительным светом для коррекции интерферограммы. Это позволяет подавлять влияние флуктуации интенсивности света источника 161 света и возмущение, генерируемое на оптическом пути, и получать точную интерферограмму измерительного света.

[0040] На фиг. 7 показан результат измерения концентрации глюкозы в пробирке с использованием датчика 10 уровня сахара в крови настоящего варианта осуществления. Как показано на фиг. 7, хотя значения не полностью совпадают с теоретическими значениями, оптическая плотность имеет тенденцию к повышению в зависимости от концентрации, и получается очень хорошая корреляция между концентрацией глюкозы и оптической плотностью. Хотя обычно концентрация глюкозы в человеческой крови составляет около 100 мг/дл, и установлено, что концентрацию глюкозы можно регистрировать с такой низкой концентрацией.

ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0041] На фиг. 8A и фиг. 8B показана конфигурация окна 14, используемого в датчике 10 уровня сахара в крови согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что дифракционные решетки 20 и 21, размещенные на поверхности отбрасывания света окна 14, включают в себя первые линии выступа, параллельные одной стороне окна 14, и вторые линии выступа, ортогональные линиям выступа.

[0042] В настоящем варианте осуществления, интервал (шаг решетки) между первыми линиями выступа такой же, как у дифракционной решетки первого варианта осуществления, тогда как интервал (период дифракционной решетки) вторых линий выступа равен d = 3,9 мкм. Числовая апертура объектива 162, фокусное расстояние, апертура линзы и направление падения света ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света относительно поверхности отбрасывания света такие же, как в первом варианте осуществления. Таким образом, из первых линий выступа генерируется такой же дифрагировавший свет первого порядка, как в первом варианте осуществления.

[0043] С другой стороны, поскольку вторые линии выступа и направление падения света ближнего инфракрасного диапазона параллельны друг другу, свет ближнего инфракрасного диапазона входит под углом падения 0 градусов относительно вторых линий выступа, как показано на фиг. 9. Таким образом, дифрагировавший свет первого порядка, симметричный поперек падающего света, излучается на вторых линиях выступа дифракционных решеток 20 и 21. В частности, минимальный угол θmin дифракции со стороны коротковолнового излучения света, входящего в объектив 162, равен ±8,3 градусов, и длина волны λmin дифрагировавшего света первого порядка равна 0,566 мкм. Максимальный угол θmax дифракции со стороны длинноволнового излучения равен ±14 градусов, и длина волны λmax дифрагировавшего света первого порядка равна 0,943 мкм. Таким образом, диапазон длин волны, регистрируемый блоком 165 регистрации, включающим в себя камеру InGaAs с регистрируемым диапазоном длин волны от 0,9 мкм до 1,7 мкм, также составляет от 0,9 мкм до 0,943 мкм для дифрагировавшего света первого порядка на вторых линиях выступа.

[0044] Согласно конфигурации, дифрагировавший свет первого порядка от дифракционных решеток 20 и 21 распространяется в направлениях пропускания первых линий выступа и вторых линий выступа дифракционных решеток 20 и 21 и достигает объектива 162 в настоящем варианте осуществления, как показано на фиг. 10A и фиг. 10B. В результате, что касается дифрагировавшего света первого порядка, входящего в объектив 162, свет, более широкий, чем датчик 10 уровня сахара в крови первого варианта осуществления, достигает границы блока 31 неподвижных зеркал и блока 32 подвижных зеркал. Таким образом, дифрагировавший свет первого порядка легко можно разделить на две части. Кроме того, по сравнению с первым вариантом осуществления, интенсивность света дифрагировавшего света первого порядка может быть выше.

[0045] Чем ближе интенсивность света дифрагировавшего света первого порядка, используемого в качестве опорного света, к интенсивности света измерительного света (рассеянного света), излучаемого от объекта, подлежащего измерению, тем точнее корректируется интерферограмма измерительного света. Таким образом, размеры областей формирования дифракционных решеток 20 и 21 и формировать ли дифракционные решетки посредством одного набора линий выступа или двух наборов линий выступа, можно надлежащим образом определять согласно интенсивности света измерительного света.

ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0046] На фиг. 11A и фиг. 11B показан датчик 50 уровня сахара в крови согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Третий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что в качестве опорного света, вместо дифрагировавшего света первого порядка, используется лазерный пучок. В частности, на поверхности отбрасывания света окна 14 в датчике 50 уровня сахара в крови, вместо дифракционных решеток, размещены отражающие пленки 52 и 53. Источник 54 лазерного пучка располагается в корпусе 12 совместно с источником 161 света, и свет от источника 54 лазерного пучка входит в отражающую пленку 52, размещенную в окне 14, через линзу 55, зеркало 56 и светоделитель 57. Источник 54 лазерного пучка излучает лазерный пучок узкого диапазона длин волны (одночастотный лазерный пучок), составляющего часть диапазона длин волны света, излучаемого от источника 161 света.

[0047] Одночастотный лазерный пучок от источника 54 лазерного пучка, входящий в отражающую пленку 52, отражается отражающей пленкой 52 в объектив 162 и используется в качестве опорного света.

[0048] Свет ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света входит в отражающую пленку 53 и области поверхности отбрасывания света окна 14 за исключением отражающих пленок 52 и 53. Свет ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света, входящий в области поверхности отбрасывания света за исключением отражающих пленок 52 и 53, достигает кончика пальца через окно 14 и рассеивается различными биологическими компонентами внутри кончика пальца. Рассеянный свет, в качестве измерительного света, проходит сквозь кожу кончика пальца, проникая внутрь корпуса 12 через окно 14, и входит в объектив 162. При этом свет ближнего инфракрасного диапазона от источника 161 света, входящий в отражающую пленку 53, отражается отражающей пленкой 53, входит в объектив 162 и используется в качестве опорного света. Поскольку свет, входящий в объектив 162 от отражающей пленки 53, является зеркально отраженным светом, интенсивность значительно выше, чем у рассеянного света изнутри кончика пальца. Таким образом, темный фильтр (не показан) присоединяется к отражающей пленке 53 для поддержания баланса с интенсивностью рассеянного света, и отраженный свет низкой интенсивности входит в объектив 162. Лазерный пучок, излучаемый от источника 54 лазерного пучка, также устанавливается на низкую интенсивность согласно рассеянному свету.

[0049] В ранее описанной конфигурации, каждый из лазерного пучка, отраженного отражающей пленкой 52 и входящего в объектив 162, и света ближнего инфракрасного диапазона, отраженного отражающей пленкой 53 и входящего в объектив 162, делится на два световых излучения фазовращателем 163, и свет входит в линзу 164 формирования изображения. Лазерный пучок, входящий в линзу 164 формирования изображения, фокусируется, по существу, в одной точке на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации и интерферирует. С другой стороны, свет ближнего инфракрасного диапазона, входящий в линзу 164 формирования изображения, фокусируется на светоприемной поверхности 165a блока 165 регистрации, и формируется интерференционное изображение.

[0050] В это время, блок 32 подвижных зеркал можно перемещать для получения изменения интенсивности интерференционного света каждого из лазерного пучка в качестве опорного света и света ближнего инфракрасного диапазона. Поскольку лазерный пучок является одночастотным, изменение интенсивности интерференционного света является простой косинусоидальной волной, как в дифрагировавшем свете первого порядка, описанном в первом варианте осуществления. Измерительный свет (рассеянный свет) и лазерный пучок от окна 14 к блоку 165 регистрации распространяются по общему оптическому пути. Таким образом, при наличии возмущения на общем оптическом пути, изменение интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света и лазерного пучка, подвергается влиянию возмущения. Таким образом, интерферограмма измерительного света корректируется на основании амплитуды изменения интенсивности интерференционного света лазерного пучка и разности фаз измерительного света лазерного пучка в настоящем варианте осуществления. Это позволяет подавлять влияние возмущения на оптическом пути.

[0051] С другой стороны, как и измерительный свет (рассеянный свет), отраженный свет света ближнего инфракрасного диапазона от отражающей пленки 53 является многочастотным, и изменение интенсивности интерференционного света служит интерферограммой. Измерительный свет и отраженный свет от отражающей пленки 53 подвергаются влиянию флуктуации интенсивности света источника 161 света. Измерительный свет и отраженный свет от отражающей пленки 53 распространяются по общему оптическому пути от окна 14 к блоку 165 регистрации. Таким образом, когда возмущение генерируется на общем оптическом пути, измерительный свет и отраженный свет от отражающей пленки 53 подвергаются влиянию возмущения. Таким образом, фаза и интенсивность интерферограммы отраженного света используются для коррекции фазы и интенсивности интерферограммы рассеянного света в настоящем варианте осуществления. Это позволяет подавлять влияние возмущения на оптическом пути и влияние флуктуации света источника 161 света.

Таким образом, свет от источника 161 света и свет от источника 54 лазерного пучка используются в качестве опорного света в настоящем варианте осуществления, что позволяет получать более точную интерферограмму измерительного света.

[0052] Настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, и возможны подходящие изменения. Например, можно предусмотреть приводной механизм, позволяющий перемещать объектив в направлении оптической оси. Согласно конфигурации, позиция фокуса объектива, то есть глубина точки измерения внутри объекта, подлежащего измерению, может изменяться.

[0053] Настоящее изобретение также можно применять к устройству, которое регистрирует наличие или отсутствие незначительного дефекта, постороннего вещества, и т.п. на подложке, например, полупроводниковой, на основании спектральных характеристик отраженного света (измерительного света), излучаемого с подложки, когда свет отбрасывается на подложку.

[0054] Блок неподвижных зеркал и блок подвижных зеркал может представлять собой отражающие пластины, например, пластины из нержавеющей стали, поверхности которых зеркально отполированы, и стеклянные подложки, поверхности которых покрыты металлическими пленками, выполненными из алюминия и т.п.

[0055] Настоящее изобретение также можно применять к инфракрасному спектрофотометру на основе преобразования Фурье (FT-IR), где используется интерферометр Майкельсона для измерения интерферограммы для получения спектра (спектральных характеристик) посредством преобразования Фурье интерферограммы.

[0056] Хотя в вышеописанных вариантах осуществления для коррекции интерферограммы используется один опорный свет, можно использовать множество опорных световых излучений.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0057] 10, 50... датчики уровня сахара в крови

12... Корпус

14... Окно

16... Спектроскопический измерительный блок

161... Источник света

162... Объектив

163... Фазовращатель

164... Линза формирования изображения

165... Блок регистрации

165a... Светоприемная поверхность

20, 21... Дифракционные решетки

31... Блок неподвижных зеркал

32... Блок подвижных зеркал

33... Приводной механизм

40... Блок управления

42... Блок обработки

43... Блок арифметической обработки

52, 53... Отражающая пленка

Изобретение относится к области измерения спектральных характеристик объекта, которые позволяют неинвазивно измерять биологические компоненты или оценивать дефекты полупроводника. Изобретение обуславливает вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в блок неподвижных зеркал и блок подвижных зеркал и формирует свет, полученный интерференцией измерительного света, отраженного блоком неподвижных зеркал, и измерительного света, отраженного блоком подвижных зеркал. Одновременно с этим изменение интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, получается путем перемещения блока подвижных зеркал и интерферограмма измерительного света получается на основании этого изменения. В то же время обуславливается вхождение опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в блок неподвижных зеркал и блок подвижных зеркал и формируется свет, полученный интерференцией опорного света, отраженного блоком неподвижных зеркал, и опорного света, отраженного блоком подвижных зеркал. При этом блок подвижных зеркал перемещается для коррекции интерферограммы измерительного света на основании амплитуды изменения света, полученного интерференцией опорного света, и на основании разности фаз между измерительным светом, который имеет ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и на основании скорректированной интерферограммы получается спектр измерительного света. Изобретение позволяет с высокой точностью измерять спектральные характеристики объекта, подавляя влияние возмущений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство измерения спектральных характеристик, содержащее:
a) неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;
b) оптическую систему падения, которая обуславливает вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;
c) оптическую систему формирования изображения, которая формирует свет, полученный интерференцией света, отраженного неподвижным блоком отражения, и света, отраженного подвижным блоком отражения;
d) блок регистрации измерительного света, который регистрирует интенсивность света, полученного интерференцией измерительного света, сформированного оптической системой формирования изображения;
e) блок обработки, который получает интерферограмму измерительного света на основании изменения интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения;
f) средство падения опорного света для обуславливания вхождения опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;
g) блок регистрации опорного света, который регистрирует интенсивность света, полученного интерференцией опорного света, сформированного оптической системой формирования изображения; и
h) блок арифметической обработки, который корректирует интерферограмму измерительного света на основании амплитуды изменения интенсивности света, полученного интерференцией опорного света, регистрируемого блоком регистрации опорного света путем перемещения подвижного блока отражения, и на основании разности фаз между измерительным светом узкого диапазона длин волны, имеющим ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и который получает спектр измерительного света на основании скорректированной интерферограммы измерительного света.

2. Устройство измерения спектральных характеристик по п. 1, в котором средство падения опорного света содержит:
источник света и
отражающую дифракционную решетку, которая обуславливает вхождение дифрагировавшего света первого порядка света, излучаемого от источника света, в оптическую систему падения в качестве опорного света.

3. Устройство измерения спектральных характеристик по п. 2, дополнительно содержащее
пластинчатое окно, выполненное из светопропускающего элемента, причем одна из поверхностей является поверхностью размещения, на которой расположен объект, подлежащий измерению, и другая является поверхностью отбрасывания света, причем
дифракционная решетка расположена в области части поверхности отбрасывания света, и
источник света выполнен с возможностью отбрасывать свет на всю поверхность отбрасывания света под углом, который не обуславливает вхождение света, полученного зеркальным отражением света, отбрасываемого на поверхность отбрасывания света, в оптическую систему падения.

4. Устройство измерения спектральных характеристик по п. 1, в котором
средство падения опорного света содержит:
источник света, который излучает свет узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света; и
отражающую пленку, которая отражает свет, излучаемый от источника света, чтобы обуславливать вхождение света в оптическую систему падения.

5. Способ измерения спектральных характеристик, содержащий этапы, на которых:
a) обуславливают вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;
b) формируют свет, полученный интерференцией света, отраженного неподвижным блоком отражения, и света, отраженного подвижным блоком отражения;
c) получают интерферограмму измерительного света на основании изменения интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения;
d) обуславливают вхождение опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в неподвижный блок отражения и подвижный блок отражения;
e) регистрируют интенсивность света, полученного интерференцией опорного света, отраженного неподвижным блоком отражения, и опорного света, отраженного подвижным блоком отражения; и
f) корректируют интерферограмму измерительного света на основании амплитуды изменения интенсивности света, полученного интерференцией опорного света, полученного путем перемещения подвижного блока отражения, и на основании разности фаз между измерительным светом узкого диапазона длин волны, имеющим ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и получают спектр измерительного света на основании скорректированной интерферограммы измерительного света.

6. Способ измерения спектральных характеристик по п. 5, в котором
обуславливают вхождение дифрагировавшего света первого порядка, генерируемого дифракционной решеткой путем отбрасывания света от источника света на дифракционную решетку, в оптическую систему падения в качестве опорного света.

7. Способ измерения спектральных характеристик по п. 6, в котором
дифракционную решетку создают в области части поверхности отбрасывания света пластинчатого окна, выполненного из светопропускающего элемента, причем одна из поверхностей является поверхностью размещения, на которой располагается объект, подлежащий измерению, и другая поверхность является поверхностью отбрасывания света, причем
источник света отбрасывает свет на всю поверхность отбрасывания света измерительного света под углом, который не обуславливает вхождение света, полученного зеркальным отражением света, отбрасываемого на поверхность отбрасывания света, в оптическую систему падения.

8. Способ измерения спектральных характеристик по п. 5, в котором
отбрасывают свет узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света от источника света на отражающую пленку, и обуславливают вхождение света, отраженного отражающей пленкой, в оптическую систему падения в качестве опорного света.