DE102016008084A1

DE102016008084A1 - Scanner für räumlich versetzte Raman-Spektroskopie

Info

Publication number: DE102016008084A1
Application number: DE102016008084.1A
Authority: DE
Inventors: William Parker
Original assignee: COBALT LIGHT SYSTEMS Ltd
Current assignee: Agilent Technologies UK Ltd
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2036-07-02
Also published as: GB201511696D0; GB201611283D0; FR3038385B1; GB2541110A; FR3038385A1; DE102016008084B4; US20170003226A1; GB2541110B; US9880099B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie (Spatially Offset Raman Spectroscopy, SORS) beschrieben. Die Vorrichtung umfasst ein drehbares Prisma, welches derart eingerichtet ist, dass ein räumlicher Versatz zwischen einem Eintrittsbereich und einem Sammelbereich auf einer Probe von dem Drehwinkel des Prismas abhängt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausführen von räumlich versetzter Raman-Spektroskopie, beispielsweise eine Scannereinheit für diesen Zweck, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Scannereinheit.
Einleitung
Räumlich versetzte Raman-Spektroskopie wird in einigen Veröffentlichungen des Stands der Technik beschrieben, wie z. B. in Matousek et al., Applied Spectroscopy, Band 59, Nummer 4, 2005. Die Technik wird verwendet, um Raman-Spektren von unter der Oberfläche liegenden Schichten einer Probe, beispielsweise in diffus streuenden Medien, herauszuholen. Die Technik basiert auf dem Zuführen eines Sondenlichts an einen oder mehrere Oberflächeneintrittsbereiche einer Probe und dem Sammeln des gestreuten Sondenlichts aus einem oder mehreren Oberflächensammelbereichen, die seitlich von dem (den) Eintrittsbereich(en) beabstandet sind. Dann werden die Raman-Spektralmerkmale in dem gesammelten Licht identifiziert. Das Tiefenprofil der Raman-Streuung, welches die Raman-Spektralmerkmale in dem gesammelten Licht hervorruft, hängt dann von dem seitlichen Abstand ab. Ein einzelner Abstand zwischen dem Eintritt und der Sammlung kann verwendet werden, oder es können Daten von mehreren Abständen verwendet werden, um genauere tiefenbasierte Informationen bereitzustellen.
Die Technik wird ausführlich in WO2006/061565 und WO2006/061566 besprochen, deren Inhalte hierin in vollem Umfang für alle Zwecke mit aufgenommen werden. Typischerweise kann das Sondenlicht als Laserstrahl gesendet werden, um einen Laserspot auf der Probenoberfläche zu bilden und dadurch einen Oberflächeneintrittsbereich zu definieren, und der Sammelbereich kann durch eine zum Sammeln des zurückgestreuten Lichts eingerichtete Sammeloptik definiert werden.
Die Technik kann bei Proben verwendet werden, die stark streuende Materialien umfassen, wie z. B. Pulver, trübe Flüssigkeiten, opake Kunststoffe und Glasmaterialien, Papier und Kartonmaterialien, und bei Proben, die schwach streuende Materialien umfassen, wie z. B. schwach streuende und transparente Flüssigkeiten, transparente und gefärbte Kunststoffe und Gläser, und so weiter. Die Proben können Schichten solcher Materialien umfassen, wie z. B. eine pharmazeutische Tablette innerhalb einer weißen Blisterverpackung, eine Flüssigkeit in einer Glas- oder Kunststoffflasche, ein Granulat in einem Papiersack, und so weiter, und in solchen Fällen kann die Technik beim Bestimmen von Raman-Spektralmerkmalen des enthaltenen Materials, während eine Einflussnahme des Behälters oder der Verpackung unterdrückt wird, sehr nützlich sein.
Geräte zum Ausführen von räumlich versetzter Raman-Spektroskopie werden in verschiedenen Formen vertrieben, wobei jedoch weiterhin ein Bedarf besteht, ein kompaktes und robustes Gerät bereitzustellen, das in der Lage ist, Raman-Spektralmerkmale aus einem Bereich von Probentypen und Probenkonfigurationen zuverlässiger und reproduzierbarer abzuleiten.
Kurzdarstellung der Erfindung
Demzufolge stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie an einer Probe bereit, die Folgendes umfasst: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Sondenlichtstrahls zu bilden, der entlang eines optischen Pfads auf einen Eintrittsbereich auf der Probe gerichtet ist; eine Sammeloptik, die dazu eingerichtet ist, das Sondenlicht im Anschluss an eine Unteroberflächen-Streuung des Sondenlichts innerhalb der Probe von einem Sammelbereich auf der Probe zu empfangen; einen Spektral-Analysator, der dazu eingerichtet ist, Spektralmerkmale von Raman-Streuung in dem durch die Sammeloptik empfangenen Sondenlicht zu detektieren; und ein drehbares Prisma, das in dem optischen Pfad angeordnet ist, wobei das drehbare Prisma derart eingerichtet ist, dass ein räumlicher Versatz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich von dem Drehwinkel des Prismas abhängig ist.
Die Vorrichtung kann als eine Scannereinheit, zum Beispiel als ein Handscanner, bereitgestellt werden. In jedem Fall ermöglicht die Verwendung eines drehbaren Prismas, um den räumlichen Versatz zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich zu steuern, dass eine kompakte und zuverlässige Vorrichtung gebaut werden kann.
Insbesondere kann das Sondenlicht durch gegenüberliegende Seitenflächen des Prismas geleitet werden, zum Beispiel parallelen oder im Wesentlichen parallelen Seitenflächen eines solchen Prismas. Dazu kann zweckmäßigerweise ein quadratisches Prisma verwendet werden, es können jedoch auch andere trapezoide, rechteckige und andere Formen verwendet werden. In jedem Fall kann das Prisma so ausgestaltet und eingerichtet sein, dass der an der Probe ankommende Sondenlichtstrahl im Wesentlichen in der gleichen Richtung relativ zu der Vorrichtung ausgerichtet ist, unabhängig von dem räumlichen Versatz des Eintrittsbereichs und der entsprechenden Drehposition des Prismas. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass der Winkel zwischen dem an der Probe ankommenden Sondenlichtstrahl und einer optischen Achse der Sammeloptik unabhängig von einem oder von beiden von dem Drehwinkel des Prismas und dem räumlichen Versatz ist. Gleichermaßen kann die Vorrichtung so angeordnet sein, dass der Einfallswinkel des Sondenstrahls an der Probe unabhängig von dem räumlichen Versatz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich an der Probe ist.
Solche Anordnungen stellen gleichmäßigere Ausleuchtungen der Probe bereit, indem Schwankungen der Oberflächenreflexion und des Eindringens in Unter-Oberflächen-Abschnitte minimiert werden, wodurch die Konsistenz der Beziehung zwischen Spektralmerkmalen, die für unterschiedliche räumliche Versätze bestimmt werden, verbessert wird.
Obwohl das Prisma im Wesentlichen parallele gegenüberliegende Seitenflächen aufweisen kann, können auch andere Formen von Prismen, zum Beispiel ein Prisma, das nicht-parallele gegenüberliegende Seitenflächen, nicht-ebene Flächen und so weiter aufweist, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Keilprisma verwendet werden, das eine Neuorientierung des Sondenlichtstrahls und dadurch zusätzliche Flexibilität bei der Konstruktion in kompakter Form bereitstellt, und es kann auch dazu verwendet werden, eine anamorphe Strahlformgebung bereitzustellen. Die Translationsbewegung eines Keilprismas könnte auch dazu verwendet werden, anstatt durch oder sowohl als auch durch Drehung des Prismas, den räumlichen Versatz zu steuern. Eine gekrümmte Prismenfläche, beispielsweise eine zylindrische oder andere Krümmung, kann verwendet werden, um eine Änderung des Brennpunkts und der Spotgröße für eine seitliche Achse des Strahls derart zu erzeugen, dass die Spotform und -größe des Eintrittsbereichs gesteuert werden kann. Eine solche gekrümmte Fläche könnte verwendet werden, um einen unterschiedlichen optischen Linseneffekt bei unterschiedlichen räumlichen Versätzen bereitzustellen, beispielsweise zwischen Null oder nicht vorhandenem Versatz und anderen Versatzorientierungen.
Typischerweise kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, die Drehung des Prismas über einen Bereich von kleiner als neunzig Grad bereitzustellen, um dadurch einen entsprechenden Bereich von räumlichen Versätzen zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich bereitzustellen. Typischerweise kann ein maximaler räumlicher Versatz zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich im Bereich von 5 mm bis 25 mm liegen. Der minimale räumliche Versatz, der für das Detektieren und/oder Isolieren der Unter-Oberflächen-Streuung nützlich ist, kann bis zu 1 mm oder kleiner sein. Um eine solche Unter-Oberflächen-Streuung zu detektieren, sollte der Versatz zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich typischerweise mehr als die halbe Breite des Eintrittsbereichs, wie sie durch die Breite des an der Probe ankommenden Sondenlichtstrahls bestimmt wird, betragen.
Die Vorrichtung kann auch derart eingerichtet sein, dass die Drehung des Prismas einen negativen räumlichen Versatz in einer der Richtung des maximalen räumlichen Versatzes entgegengesetzten Richtung hervorruft. Die Vorrichtung kann vorzugsweise auch derart eingerichtet sein, dass eine bestimmte Drehposition des Prismas einen minimalen räumlichen Versatz von Null mm zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich hervorruft, d. h. in der der Eintritts- und der Sammelbereich deckungsgleich sind.
Es sollte angemerkt werden, dass obwohl der Eintritts- und der Sammelbereich normalerweise kreisförmig oder ellipsenförmig sein können und durch die Optik definiert werden, die verwendet wird, um die Bereiche zu erzeugen, andere Formen und Strukturen von Bereichen, einschließlich Bereiche, die aus mehreren diskreten und getrennten Flächen zusammengesetzt sind, Bereiche, die Ringe und Schlaufen umfassen, und so weiter, verwendet werden können, und der Begriff räumlicher Versatz entsprechend als eine relative Positionierung der Bereiche zu verstehen ist, die einen klar definierten Nullversatz oder nicht vorhandenen Versatz umfassen können oder auch nicht, wo die Bereiche deckungsgleich sind. Der Sammelbereich kann aufgrund der Eingangseigenschaften des Spektral-Analysators typischerweise länglich sein, wenn beispielsweise der Spektral-Analysator ein Spektrometer mit einem Eingangsschlitz umfasst. Wenn der Sammelbereich länglich ist, dann kann die Vorrichtung auch derart eingerichtet sein, dass der Eintrittsbereich länglich entlang einer parallelen Achse bezüglich der Längserstreckung des Sammelbereichs ist, um dazu beizutragen, das gesammelte Signal an einem oder an beiden von einem räumlichen Nullversatz und einem räumlichen Nicht-Null-Versatz zu maximieren.
Um die Drehung des Prismas und dadurch den räumlichen Versatz zu steuern, kann die Vorrichtung ferner einen Stellantrieb umfassen, um die Drehung des Prismas zu steuern. Die Vorrichtung kann dann für jeden räumlichen Versatz dazu eingerichtet sein, das Sondenlicht von der Probe zu empfangen und für jeden derartigen Versatz Spektralmerkmale der Raman-Streuung separat zu detektieren. Die Vorrichtung kann dann dazu eingerichtet sein, die detektierten Spektralmerkmale der Raman-Streuung für jeden der mehreren unterschiedlichen räumlichen Versätze zu kombinieren, um sie bevorzugt für eine Tiefe oder einen Tiefenbereich innerhalb der Probe auszuwählen. Die Vorrichtung kann ebenfalls dazu eingerichtet sein, Eigenschaften eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe aus den detektierten Spektralmerkmalen der Raman-Streuung abzuleiten, indem beispielsweise ein oder mehrere chemische Bestandteile von einem oder mehreren Unter-Oberflächen-Bereichen identifiziert werden, und indem beispielsweise solche Eigenschaften als Tiefenprofile innerhalb der Probe identifiziert werden. Eine solche Funktionsweise kann durch eine Steuereinheit, einen Analysator oder ein anderes Bauteil der Vorrichtung ausgeführt werden.
Die Erfindung stellt ebenfalls der oben genannten Vorrichtung entsprechende Verfahren bereit, beispielsweise Verfahren zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie, die beispielsweise umfassen, ein drehbares Prisma in einem optischen Pfad zwischen einer Lichtquelle und einer Probe bereitzustellen, wobei die Lichtquelle einen Sondenlichtstrahl bereitstellt, und das Prisma derart in unterschiedliche Positionen zu drehen, dass der Sondenlichtstrahl an jeden von mehreren Eintrittsbereichen auf einer Probe zugeführt wird, wobei jeder Eintrittsbereich einer unterschiedlichen Prismenposition entspricht. Das Sondenlicht kann dann von einem Sammelbereich auf der Probe empfangen werden, wobei sich jeder Eintrittsbereich an einem unterschiedlichen räumlichen Versatz von dem Sammelbereich befindet, so dass die Spektralmerkmale der Raman-Streuung in dem empfangenen Sondenlicht separat für jeden räumlichen Versatz detektiert werden können.
Das Verfahren kann ferner umfassen, die detektierten Spektralmerkmale der Raman-Streuung aus den unterschiedlichen räumlichen Versätzen zu kombinieren, um sie bevorzugt für eine bestimmte Tiefe oder einen Tiefenbereich innerhalb der Probe auszuwählen. Die Eigenschaft eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe kann dann aus den detektierten Raman-Spektralmerkmalen für die unterschiedlichen räumlichen Versätze abgeleitet werden. Detektierte Spektralmerkmale von unterschiedlichen Versätzen können auf solche Weisen kombiniert werden, indem eine Steuereinheit verwendet wird, die einen Teil einer Scannereinheit bildet, die das Verfahren ausführt, und die Ergebnisse der Analyse können auf einer Anzeige einer solchen Scannereinheit dargestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen
1 in einer Draufsicht schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen räumlich versetzten Raman-Spektroskopie an einer Probe zeigt; und
die 2a und 2b zeigen, wie die Drehung des Prismas Abweichungen des räumlichen Versatzes zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich auf der Oberfläche der Probe hervorruft.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
Mit Bezug nun auf die 1 wird in einer Draufsicht schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie an einer Probe gezeigt. Die Vorrichtung kann zweckmäßigerweise als eine Hand-Scannereinheit bereitgestellt werden. Einige typische Anwendungen für eine solche Scannereinheit können in den Bereichen Heimatschutz, industrielle Fertigung, Agrochemikalien, Medizin und so weiter liegen.
Bei Anwendungen im Heimatschutz könnte die Scannereinheit verwendet werden, um persönliche Gebrauchsgegenstände und Gepäck auf illegale oder gefährliche Substanzen, wie Sprengstoffe, Narkotika und chemische Vorprodukte solcher Komponenten, zu untersuchen, wobei die zu untersuchenden Proben Flaschen, Beutel, Tuben und andere solche Materialien enthaltenden Behälter, die möglicherweise solche Zielsubstanzen umfassen, oder verschiedene andere Typen von Proben sind. Im Bereich der industriellen Fertigung könnte ein solcher Scanner dazu verwendet werden, die Zusammensetzung von Rohmaterialien und chemischen Endprodukten, die in Trommeln, Flaschen, Beuteln, Säcken, Blisterverpackungen, Tabletten und so weiter enthalten sind, zu prüfen. Bei Agrochemikalien könnten die Proben beispielsweise Säcke sein, die Agrochemikalien, wie etwa Düngemittel, Insektizide und andere Substanzen enthalten. Eine Vielzahl von anderen Anwendungen für einen solchen Scanner wird dem Fachmann beispielsweise aus der Literatur bezüglich der räumlich versetzten Raman-Spektroskopie ersichtlich.
Die in 1 dargestellte Scannereinheit 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem eine Laserunterbaugruppe 14, eine Sondenstrahl-Aufbereitungsoptik 16, eine Sammeloptik 18 und ein Spektral-Analysator 20 untergebracht sind. Die Laserunterbaugruppe 14 umfasst einen Laser (nicht gezeigt), der einen Laserstrahl erzeugt, der einen Sondenlichtstrahl 22 zum Überprüfen einer Probe 100 darstellt, die beispielsweise eine Flasche, eine Trommel oder ein anderer Behälter einer zu analysierenden Flüssigkeit oder ein Beutel, Sack oder ein anderer Behälter eines zu analysierenden festen Materials sein kann. Der Laser kann typischerweise ein Halbleiter-Diodenlaser sein, der im Nahinfrarotbereich, beispielsweise bei 830 nm mit einer Leistung von ungefähr 10 bis 500 mW arbeitet.
Der Sondenlichtstrahl 22 läuft von der Laserunterbaugruppe 14 durch die Sondenstrahl-Aufbereitungsoptik 16 und dann zur Probe 100. Nach der Streuung innerhalb der Probe 100 wird ein Teil des Sondenlichts durch die Sammeloptik 18 gesammelt, die das gesammelte Sondenlicht an den Spektral-Analysator 20 zur Detektion von einem oder mehreren Spektralmerkmalen von Raman-Streuung weiterleitet. Die Spektralmerkmale der Raman-Streuung können dann als ein Hinweis auf chemische Eigenschaften der Unter-Oberflächen-Bereiche (also der Bereiche unterhalb der Oberfläche) der Probe verwendet werden, um beispielsweise bestimmte chemische Bestandteile und andere Eigenschaften der Probe zu identifizieren.
In 1 wird die Scannereinheit 10 durch ein Distanzelement 24, das auch einen Teil der Scannereinheit bildet, benachbart zu der Probe 100 gehalten. Das Distanzelement 24 trägt dazu bei sicherzustellen, dass die Probe stabil an einer festen und geeigneten Position relativ zur Scannereinheit gehalten wird, indem beispielsweise eine Ebene S definiert wird, innerhalb der sich eine zu überprüfende Oberfläche zum Scannen befindet. Das Distanzelement 24, das in der 1 die Form eines Kegelstumpfs aufweist, enthält geeignete Öffnungen, um zu ermöglichen, dass der Sondenstrahl 22 zu der Probe weiterlaufen kann und dass aus der Probe 100 gestreutes Sondenlicht durch die Sammeloptik 18 gesammelt werden kann.
Die Sondenstrahl-Aufbereitungsoptik 16 kann eine Defokuslinse oder andere geeignete optische Elemente oder Anordnungen, wie einen Diffusor, umfassen, der verursacht, dass der Sondenstrahl etwas streut und dadurch das Risiko einer Augenschädigung für einen Bediener oder eine anwesende Person reduziert und ebenfalls das Risiko des Anbrennens der Probe 100 reduziert. Die Sondenstrahl-Aufbereitungsoptik 16 kann ebenfalls ein optisches Element, wie etwa ein Expansionsprisma, ein Keilprisma, ein Beugungsgitter oder ein holografisches Element umfassen, um durch anamorphes Expandieren oder sonstiges Abändern den Sondenstrahl in eine für die Verwendung in der räumlich versetzten Raman-Spektroskopie geeignetere Konfiguration zu bringen. Gleichzeitig kann das Expansionsprisma oder das andere optische Element dazu verwendet werden, den Strahl in Richtung auf die Probe zu wenden, um das Bereitstellen eines kompakteren Scannereinheit-Layouts zu unterstützen.
Aus dem die räumlich versetzte Raman-Spektroskopie betreffenden Stand der Technik ist bekannt, einen Bereich von Versätzen zwischen einem Eintrittsbereich auf der Probe, auf den der Sondenstrahl 22 auf der Probe einfällt, und einem Sammelbereich auf der Probe, von wo aus die Sammeloptik innerhalb der Probe gestreutes Sondenlicht sammelt, zu verwenden. Dieser Bereich von Versätzen kann dazu verwendet werden, eine bessere Auswahl für die Tiefe innerhalb der Probe bereitzustellen, um beispielsweise dazu beizutragen, Raman-Spektralmerkmale, die von Oberschichten der Probe hervorgehen, auszuschließen oder eine bestimmte Tiefe oder einen bestimmten Tiefenbereich innerhalb der Probe zu wählen. Solche Techniken werden in WO2006/061565 und WO2006/061566 , deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke mit aufgenommen werden, und anderweitig, beispielsweise in Loeffen et. al., Proc. SPIE 8018, Chemical, Biological, Radiological, Nuclear, and Explosives (CBRNE) Sensing XII, 80181E (3. Juni 2011), "Chemical and explosives point detection through opaque containers using spatially Offset Raman spectroscopy (SORS)", beschrieben. Der in der räumlich versetzten Raman-Spektroskopie verwendete Versatzbereich kann als ein Bereich von unterschiedlichen Abständen oder Trennungen zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich oder zwischen den Mitten dieser Bereiche verstanden werden, obwohl mit komplexeren Geometrien von einem oder beiden Bereichen ein einfacher Abstand nicht immer ein angemessenes Maß ist. Selbstverständlich kann ein Teil des von der Oberfläche der Probe reflektierten Lichts gesammelt werden, insbesondere dort, wo die Eintritts- und Sammelbereiche nahe beieinander liegen oder sich zum Teil überlappen. Bei oder nahe einem Null-Versatz oder nicht vorhanden Versatz, bei dem sich der Eintritts- und der Sammelbereich überdecken oder gemeinsam angeordnet sind, kann ein Großteil des gesammelten Lichts von Oberflächenstreuung herrühren, wobei dieses jedoch immer noch nützliche Raman-Spektralinformationen enthält, die sich beispielsweise auf die Oberfläche der Probe beziehen. Wie nachfolgend besprochen, kann eine solche Oberflächenstreuung verwendet werden, um zum Korrigieren von Spektraldaten von größeren Versätzen beizutragen.
In der 1 wird die Position eines solchen Sammelbereichs durch den Pfeil B gezeigt. Die Form des Sammelbereichs kann verschiedene Gestaltungen und Formen aufweisen, die durch die Konfiguration der Sammeloptik 18, des Spektral-Analysators 20, die optische Kopplung zwischen diesen Elementen und anderen Faktoren bestimmt werden. Mit der Vorrichtung von 1 kann jedoch der Sammelbereich typischerweise ein annähernd kreisförmiger Spot mit einem Durchmesser von ungefähr 1 bis 3 mm sein, oder kann alternativ hierzu eine längliche Form mit einer Länge von ungefähr 1 bis 3 mm in der Hauptachse mit einem Seitenverhältnis von größer als 1:1, beispielsweise größer als 2:1 oder größer als 10:1 und gegebenenfalls von bis zu 40:1 aufweisen. In einigen Ausführungsformen wird beispielsweise der Sammelbereich durch ein Bild eines Sammelschlitzes des Spektrometers auf der Probe definiert. In einigen Ausführungsformen kann dieses Bild, abhängig von der Sammeloptik und dem Spektrometerschlitz, Abmessungen im Bereich von 1,8 mm × 0,08 mm aufweisen. Die Vorrichtung (und insbesondere eine oder mehrere der Sondenstrahl-Aufbereitungsoptik 16, des Prismas 30 und des Lasers 14) kann dann dazu verwendet werden, einen Eintrittsbereich zu bilden, der länglich ist, wobei eine Hauptachse weitgehend mit der Hauptachse des Sammelbereichs fluchtet. Insbesondere kann der Eintrittsbereich so ausgebildet werden, dass er eine ähnliche Gestalt und/oder ein ähnliches Seitenverhältnis wie der Sammelbereich aufweist, wodurch das gesammelte Signal maximiert wird. In einigen Ausführungsformen kann eine solche Anordnung auch die Tiefenwahl verbessern, indem die Beleuchtungsverteilung minimiert wird, indem beispielsweise der Eintritts- und der Sammelbereich so ausgebildet werden, dass sie eine Längserstreckung in einer zur Richtung des räumlichen Versatzes rechtwinkligen Richtung aufweisen.
Die Position des Sammelbereichs auf der Probe relativ zum Scanner ist annähernd fest, da die optische Achse der Sammeloptik X rechtwinklig zur Ebene S der Probenoberfläche, die gegen das Distanzelement 24 gehalten wird, ist, obwohl ein schiefer Winkel zwischen X und S verwendet werden könnte, wobei in diesem Falle der Sammelbereich typischerweise elliptisch wäre.
Der Eintrittsbereich in der 1 wird durch einen Pfeil A angezeigt. Erfindungsgemäß kann der optische Pfad von der Laserunterbaugruppe 14 bei Annäherung an die Probe 100 durch Drehung eines Prismas 30, das ebenfalls in dem Gehäuse 12 montiert ist, seitlich versetzt werden, ohne die Einfallsrichtung oder den Einfallswinkel zu ändern. Das Prisma befindet sich deshalb im optischen Pfad zwischen der Laserunterbaugruppe 14 und der Probe 100. Extreme Positionen des optischen Pfads, zwischen denen der Sondenstrahl mittels der Drehung des Prismas 30 eingestellt werden kann, werden in der 1 als Sondenstrahlpfade 22a und 22c gezeigt. Die in der 1 gezeigte Sammeloptik 18 ist ortsfest relativ zu dem Gehäuse 12, sodass durch Drehen des Prismas 30 ein räumlicher Versatz an der Probenoberfläche S zwischen dem Eintrittsbereich A und dem Sammelbereich B direkt gesteuert werden kann.
Der mittels der Vorrichtung von 1 ausgebildete Eintrittsbereich wird typischerweise aufgrund des schiefen Einfallswinkels an der Probe elliptisch sein. Es kann ein Eintrittsbereich mit einem Durchmesser oder Abmessungen im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm verwendet werden. Ein Eintrittsbereich, der zu klein ist, wird dazu neigen, Verbrennungen der Probe hervorzurufen, während eine Spotgröße, die zu groß ist, das Maß reduziert, in dem der Scanner durch den Versatzprozess in der Lage ist, zwischen unterschiedlichen Schichten oder Tiefen innerhalb der Probe zu unterscheiden.
Der Bereich von räumlichen Versätzen, für die es wünschenswert wäre, in einer bestimmten Scannereinheit 10 bereitgestellt zu werden, kann entsprechend der beabsichtigten Anwendungen variieren. Wenn beispielsweise die Scannereinheit bei Proben verwendet werden soll, in die das Sondenlicht leichter eindringen kann, dann kann der Bereich von Abständen erhöht werden, um dies und die Verfügbarkeit eines größeren Tiefenbereichs für den räumlich versetzten Raman-Spektroskopieprozess auszunutzen. Der Scanner kann jedoch typischerweise einen Versatzbereich in der Größenordnung von 0 mm bis 10 mm, möglicherweise bis zu 20 mm, 25 mm oder mehr bereitstellen. In Bezug auf die Größe des Versatzbereichs oder in Bezug auf die Größe des seitlichen Bereichs der Verschiebung des Strahls, die durch die Bewegung des Prismas bereitgestellt wird, beispielsweise nahe am Prisma gemessen oder wo der Strahl aus der Vorrichtung austritt, definiert, kann diese Größe beispielsweise eine der folgenden sein: mindestens 10 mm, mindestens 20 mm oder mindestens 30 mm, und dieser Bereich umfasst die Position, falls vorgesehen, eines nicht vorhandenen Versatzes oder Null-Versatzes und jeden negativen Versatz, falls er durch die Vorrichtung vorgesehen wird. Ein kleiner negativer Versatz kann an der angenommenen Ebene der Probe S, beispielsweise mit einem Versatzbereich von minus 2 mm bis plus 10 mm, vorgesehen werden, um dadurch einen tatsächlichen Null-Versatz bereitzustellen, wenn die Probe in Richtung auf die Scannereinheit etwas mehr deplatziert ist als die beabsichtigte Probenebene S.
Der Prozess des Variierens des Eintrittsbereichversatzes mittels des Prismas 30 wird weiter in den 2a und 2b dargestellt, die der Übersichtlichkeit halber nur das Prisma 30 mit den zugehörigen optischen Pfaden der Sondenstrahlen 22 und den geometrischen Aufbau der Probenoberfläche S unter unterschiedlichen Drehungen des Prismas 30 zeigen. Das Prisma der 2a und 2b umfasst gegenüberliegende erste und zweite Seitenflächen 32 und 32'. Wenn diese Seitenflächen rechtwinklig zum einfallenden Sondenlichtstrahl 22 sind (wie durch die in durchgezogenen Linien in beiden Figuren dargestellte Prismenposition gezeigt), durchläuft der Strahl das Prisma ohne Abweichung oder Versatz und tritt entlang des Sondenstrahlpfads 22-b aus, um bei A-b einen Eintrittsbereich auf der Probe zu bilden. Wenn das Prisma so gedreht wird, dass die Seitenflächen 32 und 32' nicht mehr rechtwinklig zum einfallenden Sondenlichtstrahl 22 sind, dann durchläuft der Strahl das Prisma mit einer Abweichung oder einem Versatz. In 2a erfolgt die Drehung aus Sicht des Betrachters im Uhrzeigersinn, und der Strahl tritt daher entlang eines versetzten Sondenstrahlpfads 22-c aus, der sich rechts von und parallel zu dem nicht abweichenden Pfad 22-b befindet, um bei A-c einen Eintrittsbereich zu bilden, der weiter von dem Sammelbereich B entfernt ist als A-b.
Eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung, wie in 2b dargestellt, bewirkt einen Versatz in die entgegengesetzte Richtung wie der Sondenstrahlpfad 22-a, um bei A-a einen Eintrittsbereich zu bilden, der näher am Sammelbereich B liegt und sich tatsächlich mit dem Sammelbereich B überdecken kann, um eine Null-Versatzposition bereitzustellen. Für einen wie oben besprochenen „negativen Versatz” kann der Eintrittsbereich A-A außerhalb des Sammelbereichs B liegen, sodass die Null-Versatzposition sich dann zwischen A-a und A-b befinden würde. Die Null-Versatzposition ist effektiv eine Überdeckung zwischen einem Eintrittsbereich A-a und dem Sammelbereich B, um beispielsweise einen Null-Versatzzustand bereitzustellen, der für eine Analyse und/oder Kalibrierung der Ergebnisse räumlich versetzter Raman-Spektroskopie nützlich ist.
Das in den 1, 2a und 2b dargestellte Prisma ist ein quadratisches Prisma, obwohl, da nur die gegenüberliegenden Seitenflächen 32 und 32' in diesem Beispiel zum Lenken des Sondenstrahls 22 verwendet werden, eine quadratische Form nicht unbedingt notwendig ist. Es wäre selbstverständlich möglich, alle vier Seitenflächen des quadratischen Prismas oder irgendeine andere Prismenanordnung zu verwenden, beispielsweise ein Prisma bereitzustellen, das sich fortlaufend dreht, um eine sich wiederholende Scann-Wirkung bereitzustellen. Eine solche Anordnung könnte auch verwendet werden, um sich schneller zwischen Extremen des räumlichen Versatzes, wie A-a und A-c in den 2a und 2b, zu bewegen. Der Übergang des Strahls über eine oder zwei Ecken des Prismas stellt den schnellen Übergang zwischen den extremen Positionen des räumlichen Versatzes bereit. Die Größe und der Brechungsindex des Prismas können entsprechend der bestimmten Bedürfnisse und des Designs für eine bestimmte Scannereinheit gewählt werden. In einem Beispiel wird ein quadratisches Prisma mit Seiten der Länge von 17 mm und einem Brechungsindex n = 1,763 bei 830 nm verwendet (beispielsweise N-SF11-Glas), was einen seitlichen Strahlversatz von ungefähr 5,8 mm in jede Richtung für eine Prismendrehung um 40 Grad in jede Richtung, also einen Versatzbereich von insgesamt ungefähr 11,6 mm ergibt. Ein Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex stellt einen kleineren Versatzbereich für dieselbe Prismengröße bereit (N-BK7-Glas mit n = 1,5102 bei 830 nm stellt einen Versatzbereich von ungefähr 9,7 mm bereit) und ein Glas mit einem höheren Brechungsindex stellt einen größeren Versatzbereich für dieselbe Prismengröße bereit (N-LASF79-Glas mit n = 1,9776 bei 830 nm stellt einen Versatzbereich von ungefähr 13 mm bereit). Beim Konzipieren einer bestimmten Scannereinheit können der verfügbare Raum für ein größeres Prisma, das erhöhte Gewicht für ein größeres Prisma und/oder schwereres Glas mit einem höheren Brechungsindex sowie die Kosten von unterschiedlichen Prismen und Glastypen in Betracht gezogen werden.
Um Raum in dem Scanner zum Unterbringen der verschiedenen optischen Bauteile bereitzustellen, während gleichzeitig ein geeigneter Versatz zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich in einem Bereich von ungefähr 0 mm bis 20 mm bereitgestellt wird, ist es typischerweise wünschenswert, dass die optische Achse X der Sammeloptik und der Einfallswinkel des Sondenlichtstrahls 22 an der Probe nicht parallel sind. In den Figuren ist die optische Achse der Sammeloptik X rechtwinklig zur Probenebene S, während der Sondenlichtstrahl 22 an der Probenebene S in einem schiefen Winkel einfällt, wobei jedoch die umgekehrte Anordnung verwendet werden könnte, in der die Achse X schräg und der Sondenstrahl 22 rechtwinklig ist, oder es könnten beide schräg sein. In der in den Figuren gezeigten Anordnung kommt der Sondenstrahl an der Probenebene S unter einem Winkel von ungefähr 15 und 45 Grad, oder weiter bevorzugt von ungefähr 20 bis 40 Grad an, obwohl andere Winkel, beispielsweise im Bereich von ungefähr Null bis 45 Grad, verwendet werden könnten. Insbesondere könnte ein Null-Winkel in Designs verwendet werden, in denen sich der Zuführpfad und der Sammelpfad zu und von der Probe von der Vorrichtung aus überdecken oder überlappen oder koaxial sind, wenn beispielsweise eine gemeinsame Linse für die Zuführung und die Sammlung verwendet wird.
In den Figuren wird die Drehachse des Prismas als allgemein rechtwinklig zu der Ebene der Figur und rechtwinklig zur Richtung von sowohl des sich an die Probe annähernden Sondenstrahls 22 als auch der optischen Achse X dargestellt, wobei dies jedoch keine Anforderung für die Bereitstellung eines geeigneten Versatzes des Sondenstrahls mittels des Prismas 30 ist.
Die Verwendung eines wie hierin beschriebenen Prismas 30, um den Versatz des Sondenstrahls ohne wesentliche Richtungsänderung zu bewirken, ermöglicht der Scannereinheit, den Sondenstrahl für alle versetzten Abstände unter demselben Einfallswinkel auf die Probe zu richten oder möglichen geringen Abweichungen in der Probenoberfläche über den versetzten Bereich auszusetzen, zumindest unter demselben Winkel relativ zur optischen Achse X. Da die Reflexion von Sondenlicht von der Probe und das Eindringen des Sondenlichts in die Probe normalerweise entsprechend dem Einfallswinkel und/oder dem Winkel relativ zu X aufgrund sowohl der Richtung als auch der Form des Eintrittsbereichs variieren wird und das Verhalten des Sondenlichts in Bezug sowohl auf die Streuung in den Sammelbereich als auch auf die Sammeloptik ebenfalls normalerweise entsprechend dem Einfallswinkel am Eintrittsbereich variieren wird, stellt eine derartige Verwendung des Prismas 30 ein beständigeres Instrument bereit. Die Verwendung des Prismas wie beschrieben ermöglicht ferner eine kompakte Anordnung, die gegenüber einer groben Handhabung der Scannereinheit, wie fallen gelassen oder gestoßen zu werden, robust ist.
Eine gesteuerte Drehung des Prismas 30 kann auf mehrere unterschiedliche Weisen bewirkt werden. In 1 ist das Prisma 30 mit einem mitdrehenden Ritzel 40 gekoppelt und eine Zahnstange 42 ist vorgesehen, um eine Linearbewegung von einem Stellantrieb 44 mit einer Drehung des Ritzels zu koppeln. Diese Anordnung ermöglicht, dass der Stellantrieb von dem Prisma beabstandet sein kann, um zum Ausbilden einer kompakteren Scannereinheit beizutragen, wobei jedoch klar ist, dass andere Anordnungen zum Antreiben der Drehung des Prismas 30 verwendet werden können. Beispielsweise kann der elektrische Stellantrieb 44 dem Prisma eine Drehbewegung bereitstellen, ohne eine Linearbewegungsanordnung zu verwenden, indem beispielsweise ein Motor verwendet wird, der eine mit dem Prisma 30 gekoppelte Drehbewegung mittels Zahnräder oder einer direkten Ankopplung bereitstellt.
Der Spektral-Analysator 20 kann auf verschiedene Weise bereitgestellt werden, wobei das Ziel ist, Raman-Spektralmerkmale in dem gesammelten Licht zu detektieren. In der Anordnung von 1 wird ein Spektrometer verwendet. Dies könnte ein dispersives Spektrometer mit einem Beugungsgitter 52, wie einem Transmissionsgitter, in Kombination mit einem Detektor, wie einem Bilddetektor 54, beispielsweise ein 2D-FFT-CCD-Array, sein. Andere Formen von Spektrometern, die Anordnungen umfassen, die einen oder mehrere für bestimmte Spektralmerkmale oder Bereiche von Interesse ausgewählte Bandpassfilter verwenden, könnten verwendet werden. Falls erwünscht, könnte das Spektrometer unter Verwendung eines Lichtleiterbündels mit der Sammeloptik gekoppelt werden, um dadurch das gesammelte Licht besser auf den Spektrometerschlitz abzubilden und die Sammeleffizienz zu verbessern.
Die Scannereinheit 10 kann unter Verwendung einer elektronischen Steuereinheit 60 gesteuert werden, die eine Elektronik umfasst, um die Laserunterbaugruppe 14 und den elektrischen Stellantrieb 44 zu steuern, und um Spektraldaten von dem Spektral-Analysator 20 zu empfangen und zu analysieren. Die Steuereinheit kann ferner Signale von der Laserunterbaugruppe 14 (beispielsweise in Bezug auf die Feineinstellung oder die Temperatur des Lasers), dem elektrischen Stellantrieb (beispielsweise in Bezug auf die Position des Stellantriebs oder anderer Steuerungsrückmeldungen) empfangen, und kann ebenfalls Steuersignale an den Spektral-Analysator 20 bereitstellen. Die Steuereinheit 60 wird normalerweise einen oder mehrere Mikroprozessoren und einen zugeordneten Speicher umfassen, sowie bei Bedarf eine Schnittstellenelektronik, wie etwa einen A/D- und D/A-Wandler.
Bezüglich der Steuerung des elektrischen Stellantriebs 44 zum Steuern der Drehung des Prismas 30 und daher zum Steuern des Versatzes des Sondenstrahls 22 kann dies durch die Steuereinheit 60 entsprechend verschiedener Anforderungen bewirkt werden. Wenn beispielsweise eine bestimmte Probe getestet wird, kann die Steuereinheit 60 zunächst den Versatz zwischen dem Eintritts- und dem Sammelbereich auf Null einstellen, sodass sich die Bereiche überdecken, und Spektraldaten bei diesem Versatz sammeln, bevor sie sich zu einer Reihe von einem, zwei oder mehreren unterschiedlichen Versätzen (beispielsweise bei 4 mm, 8 mm und 12 mm) begibt und bei jedem derartigen Versatz Spektraldaten sammelt. Die Spektraldaten aus den verschiedenen Versätzen können dann kombiniert, verglichen oder anderweitig durch die Steuereinheit 60 analysiert werden, um eine Ausgabe zur Anzeige an einen Bediener der Scannereinheit zu erzeugen. Eine solche Ausgabe könnte beispielsweise das Vorhandensein oder das Fehlen von einem oder mehreren chemischen Bestandteilen in der Probe identifizieren oder bestätigen. Falls erforderlich kann eine solche Ausgabe als Tiefenprofile innerhalb der Probe, wie beispielsweise weiter unten besprochen, bereitgestellt werden.
Die Scannereinheit 10 umfasst deshalb vorzugsweise auch einen Bildschirm 70 zum Darstellen solcher Ausgaben und anderer Steuerungs- und Betriebsinformationen für einen Benutzer, eine Benutzereingabeeinheit 72, wie etwa eine Tastatur (die als berührungsempfindliche Funktion des Bildschirms bereitgestellt werden könnte), um einem Benutzer zu ermöglichen, der Einheit Eingaben und andere Steuerungen bereitzustellen (zum Beispiel eine Auswahl von bestimmten Scanning-Programmen, Empfindlichkeiten, usw.), und eine drahtgebundene und/oder drahtlose Schnittstelle 74 für die digitale Kommunikation mit der Scannereinheit, um beispielsweise Firmware zu aktualisieren, Spektraldaten und andere Daten zu laden, und so weiter.
Die Verwendung von aus unterschiedlichen räumlichen Versätzen zwischen dem Sammel- und dem Eintrittsbereich erhaltenen Raman-Spektraldaten, um Eigenschaften unterhalb der Oberfläche einer Probe zu bestimmen, wird in den oben erwähnten Dokumenten WO2006/061565 und WO2006/061566 beschrieben, und die darin beschrieben Daten- und Spektralverarbeitungstechniken werden hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen. Es sollte beispielsweise angemerkt werden, dass die Spektraldaten für jeden räumlichen Versatz separat gesammelt werden. Dies wird normalerweise erreicht, indem jeder unterschiedliche Versatz während eines separaten Zeitintervalls verwendet wird, in dem vorliegenden Fall durch entsprechende Positionierung des drehbaren Prismas, und für jeden solchen Versatz das Raman-Streulicht separat gesammelt und dafür eine Spektraldetektion durchgeführt wird, obwohl andere Techniken verwendet werden könnten.
Da jeder räumliche Versatz ein unterschiedliches Tiefenprofil von Raman-Streuung hervorruft, die zu dem gesammelten Licht führt, können die Spektralmerkmale für unterschiedliche räumliche Versätze kombiniert werden, um für eine bestimmte Tiefe oder einen bestimmten Tiefenbereich innerhalb der Probe ausgewählt zu werden. Techniken, um dies zu erreichen, die in WO2006/061565 und WO2006/061566 beschrieben werden, beinhalten typischerweise das Ableiten von Eigenschaften eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe aus Änderungen der Intensitäten von einem oder mehreren Raman-Spektralmerkmalen zwischen unterschiedlichen räumlichen Versätzen. Die Techniken umfassen die Subtraktion von Spektren oder Spektralmerkmalen für unterschiedliche Abstände, wobei beispielsweise ein Spektrum an einem Null-Versatz oder kleinem räumlichen Versatz von einem Spektrum an einem größeren Versatz subtrahiert wird, um den Beitrag von Oberflächenschichten in dem resultierenden Spektrum zu reduzieren. Andere Techniken umfassen eine multivariate Datenanalyse, wie etwa eine Hauptkomponentenanalyse, um einen Beitrag der beobachteten Spektraldaten zu schätzen, die aus einer bestimmten Tiefe, einem bestimmten Bereich oder einem bestimmten Profil von Tiefen innerhalb der Probe hervorgehen. Die Subtraktionstechnik kann bei nur zwei räumlichen Versätzen verwendet werden, beispielsweise einem Null-Versatz oder kleinen Versatz, und einem größeren Versatz. Die multivariaten Techniken erfordern normalerweise Spektralmerkmale von einer größeren Anzahl von Versätzen, die zu kombinieren sind, um effizient zu sein, beispielsweise ungefähr zehn unterschiedliche Versätze.
Solche Techniken ermöglichen dem Scanner, die detektierten Spektralmerkmale für jeden von mehreren räumlichen Versätze zu kombinieren, um sie vorzugsweise für eine Tiefe oder einen Bereich oder ein Profil von Tiefen innerhalb der Probe auszuwählen.
In einigen Fällen kann es angebracht sein, gestreutes Licht von nur einem räumlichen Versatz zu sammeln und Eigenschaften der Probe nur unter Verwendung dieses Versatzes abzuleiten, wenn beispielsweise die erwarteten Eigenschaften oder Raman-Spektraleigenschaften eines eine Oberfläche der Probe bildenden Behälters bereits bekannt sind oder die Raman-Spektraleigenschaften eines solchen Behälters gering sind oder auf andere Weise nachgewiesen werden können, beispielsweise durch eine spektrale Trennung oder Analyse.
Diese und ähnliche Techniken können durch die Steuereinheit 60 oder außerhalb des Scanners 10 ausgeführt werden. Die Ergebnisse einer solchen Analyse, beispielsweise das Identifizieren des Vorhandenseins oder der Konzentration von einer oder von mehreren bestimmten chemischen Substanzen in der Probe können dann auf der Anzeige 70 dargestellt werden.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, wird für den Fachmann erkennbar, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen gemacht werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Obwohl beispielsweise die oben beschriebenen Anordnungen nicht-parallele und getrennte Pfade für die Zuführung von Sondenlicht an die Probe und die Sammlung von zurückgestreutem Licht zum Weiterleiten an den Spektral-Analysator verwenden, könnten die Zuführungs- und Sammelpfade zwischen der Vorrichtung und der Probe auch deckungsgleich oder zumindest parallel und/oder überlappend und/oder koaxial sein. Wenn beispielsweise eine gemeinsame Linse für sowohl die Zuführung als auch die Sammlung des Sondenlichts verwendet wird, könnte eine solche Linse einen Teil oder die gesamte beschriebene Sammeloptik 18 bilden. Die Verwendung einer gemeinsamen Optik für den Zuführungs- und Sammlungspfad kann vorteilhaft sein, wenn ein Null-Einfallswinkel oder kleiner Einfallswinkel des Sondenlichtstrahls auf der Probe erforderlich ist.
Gleichermaßen gilt, dass obwohl die 1 einen Sondenlichtstrahl zeigt, der der Oberfläche der Probe unter einem schiefen Winkel zugeführt wird, und die Sammeloptik eine zur Probenoberflache rechtwinklige Achse aufweist, beide schräg sein könnten, der Sondenlichtstrahl rechtwinklig sein könnte und die Sammelachse schräg sein könnte, oder verschiedene andere Optionen und Kombination möglich sind.
Die 1 zeigt ein Distanzelement 24, das verwendet wird, um die Probe an einer festen Position relativ zu dem Scanner zu halten, während das Scannen stattfindet, wobei dieses Distanzelement 24 austauschbar sein könnte, sodass die Scannereinheit mit oder ohne Distanzelement 24 verwendet werden kann, oder dieses komplett weggelassen werden kann. Das Scannen der Probe ohne Verwendung einer solches Distanzelements kann dort vorteilhaft sein, wo ein Kontakt mit der Probe nicht erwünscht ist, beispielsweise beim Scannen von Sprengstoffen oder von Materialien die zum Anhaften oder Verkleben neigen oder anderweitig die Scannereinheit beschädigen oder beeinträchtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/061565 [0003, 0026, 0043, 0044]
WO 2006/061566 [0003, 0026, 0043, 0044]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Matousek et al., Applied Spectroscopy, Band 59, Nummer 4, 2005 [0002]
Loeffen et. al., Proc. SPIE 8018, Chemical, Biological, Radiological, Nuclear, and Explosives (CBRNE) Sensing XII, 80181E (3. Juni 2011), ”Chemical and explosives point detection through opaque containers using spatially Offset Raman spectroscopy (SORS)” [0026]

Claims

Vorrichtung zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie an einer Probe, Folgendes umfassend: eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Sondenlichtstrahl zu bilden, der entlang eines optischen Pfads auf einen Eintrittsbereich auf der Probe gerichtet ist; eine Sammeloptik, die dazu eingerichtet ist, das Sondenlicht im Anschluss an eine Unter-Oberflächen-Streuung des Sondenlichts innerhalb der Probe von einem Sammelbereich zu empfangen; einen Spektral-Analysator, der dazu eingerichtet ist, Spektralmerkmale von Raman-Streuung in dem durch die Sammeloptik empfangenen Sondenlicht zu detektieren; und ein drehbares Prisma, das in dem optischen Pfad angeordnet ist, wobei das drehbare Prisma derart eingerichtet ist, dass ein räumlicher Versatz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich von dem Drehwinkel des Prismas abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Prisma gegenüberliegende Seitenflächen aufweist und die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass der Sondenstrahl durch die gegenüberliegenden Seitenflächen in das drehbare Prisma eintritt und daraus austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die gegenüberliegenden Seitenflächen im Wesentlichen parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Prisma ein quadratisches Prisma ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, eine Drehung des Prismas über einen Bereich von weniger als neunzig Grad bereitzustellen, wodurch ein entsprechender Bereich von räumlichen Versätzen zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart eingerichtet ist, dass der Winkel zwischen dem an der Probe ankommenden Sondenlichtstrahl und einer optischen Achse der Sammeloptik unabhängig von einem oder beiden von dem Drehwinkel des Prismas und dem räumlichen Versatz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Winkel zwischen dem an der Probe ankommenden Sondenlichtstrahl und einer optischen Achse der Sammeloptik im Bereich von 15 bis 45 Grad liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart eingerichtet ist, dass der Einfallswinkel des Sondenstrahls an der Probe unabhängig von dem räumlichen Versatz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich an der Probe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner einen Stellantrieb umfassend, der dazu eingerichtet ist, die Drehung des Prismas zu steuern, um den räumlichen Versatz zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, die derart eingerichtet ist, dass die Drehung des Prismas einen maximalen räumlichen Versatz von zwischen 5 mm und 25 mm zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich hervorruft.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die derart eingerichtet ist, dass die Drehung des Prismas einen negativen räumlichen Versatz in einer zur Richtung des maximalen räumlichen Versatzes entgegengesetzten Richtung hervorruft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die derart eingerichtet ist, dass die Drehung des Prismas einen minimalen räumlichen Versatz von Null zwischen dem Eintrittsbereich und dem Sammelbereich hervorruft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner dazu eingerichtet ist, die Drehung des Prismas zu steuern, um das Sondenlicht von der Probe für mehrere unterschiedliche räumliche Versätze zu empfangen und um Spektralmerkmale der Raman-Streuung separat für jeden solchen räumlichen Versatz zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner dazu eingerichtet ist, die detektierten Spektralmerkmale der Raman-Streuung für jeden der mehreren unterschiedlichen räumlichen Versätze zu kombinieren, um vorzugsweise für eine Tiefe oder einen Tiefenbereich innerhalb der Probe auszuwählen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, Eigenschaften eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe aus den detektierten Spektralmerkmalen der Raman-Streuung abzuleiten.
Verfahren zum Durchführen räumlich versetzter Raman-Spektroskopie, Folgendes umfassend: Bereitstellen eines drehbaren Prismas in einem optischen Pfad zwischen einer Lichtquelle und einer Probe, wobei die Lichtquelle einen Sondenlichtstrahl bereitstellt; Drehen des Prismas in unterschiedliche Positionen derart, dass der Sondenlichtstrahl jedem von mehreren Eintrittsbereichen auf einer Probe zugeführt wird, wobei jeder Eintrittsbereich einer unterschiedlichen Prismenposition entspricht; Empfangen des Sondenlichts von einem Sammelbereich auf der Probe, wobei sich jeder Eintrittsbereich an einem unterschiedlichen räumlichen Versatz von dem Sammelbereich befindet; und Detektieren, für jeden räumlichen Versatz, von Spektralmerkmalen von Raman-Streuung in dem empfangenen Sondenlicht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Sondenlicht von dem Sammelbereich im Anschluss an die Unter-Oberflächen-Streuung innerhalb der Probe empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei für jeden Eintrittsbereich der an der Probe ankommende Sondenlichtstrahl im Wesentlich parallel zu dem Sondenstrahl für jeden anderen Eintrittsbereich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Prisma gegenüberliegende parallele Seitenflächen umfasst und der Sondenlichtstrahl für jede Position des Prismas die gegenüberliegenden parallelen Seitenflächen durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, das ferner umfasst, die detektierten Spektralmerkmale aus den unterschiedlichen räumlichen Versätzen zu kombinieren, um vorzugsweise für eine bestimmte Tiefe oder einen bestimmten Tiefenbereich innerhalb der Probe auszuwählen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, das ferner umfasst, eine oder mehrere Eigenschaften eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe aus den detektierten Spektralmerkmalen der Raman-Streuung für die unterschiedlichen räumlichen Versätze zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Detektieren von einer oder von mehreren Eigenschaften das Identifizieren von einem oder von mehreren chemischen Bestandteilen eines Unter-Oberflächen-Bereichs der Probe umfasst.