Instrumento espectrométrico.

Un instrumento (2; 38) espectrométrico que comprende: un interferómetro (4,

6, 8; 40, 42, 44) de barridoque tiene un divisor del haz (4; 40) para dividir radiación óptica incidente en un haz reflejado y un haztransmitido; una fuente (12; 52) de radiación óptica monocromática para lanzar un haz de referencia alinterior del interferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) a lo largo de una primera trayectoria (14; 62) de propagaciónde manera que incida inicialmente sobre una primera cara (4', 40') del divisor del haz (4; 40); una fuente(16; 46) de radiación óptica de observación para lanzar un haz (18; 64) de observación al interior delinterferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) a lo largo de una segunda trayectoria (20; 66) de propagación de maneraque incida inicialmente sobre la primera cara (4', 40') del divisor del haz (4; 40) y se solape con el haz dereferencia en la primera cara (4', 40'); en el cual las fuentes (12; 16; 52; 46) de radiación operan de formaconjunta para generar un primer ángulo (α) entre las respectivas trayectorias de propagación primera (14;62) y segunda (20; 66) en la primera cara (4', 40') que es mayor que un semiángulo (α) de divergencia delhaz (18; 64) de observación.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2012/057631.

Solicitante: FOSS ANALYTICAL A/S.

Inventor/es: FOLKENBERG,JACOB, LARSEN,HANS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01B9/02 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01B MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES ANALOGAS; MEDIDA DE ANGULOS; MEDIDA DE AREAS; MEDIDA DE IRREGULARIDADES DE SUPERFICIES O CONTORNOS.G01B 9/00 Instrumentos según se especifica en los subgrupos y caracterizados por la utilización de medios de medida ópticos (disposiciones para la medida de parámetros particulares G01B 11/00). › Interferómetros.
  • G01J3/453 G01 […] › G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES.G01J 3/00 Espectrometría; Espectrofotometría; Monocromadores; Medida del color. › por correlación de amplitudes.

PDF original: ES-2436363_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Instrumento espectrométrico La presente invención se refiere a un instrumento espectrométrico que comprende un interferómetro de barrido y, más en concreto, a un instrumento espectrométrico que comprende un interferómetro de barrido que funciona de acuerdo con el principio de Michelson o de acuerdo con un principio derivado del mismo (al que se denomina de manera general en esta especificación interferómetro “de tipo Michelson”) .

Los interferómetros de barrido conocidos, como por ejemplo los de tipo Michelson, comprenden generalmente un divisor del haz (que típicamente también incluye un compensador) y dos o más reflectores, tales como espejos o reflectores, estando al menos uno de los reflectores dispuesto para que se pueda trasladar hacia delante y hacia atrás. También pueden estar asociadas al interferómetro lentes colimadoras u otros dispositivos ópticos pero no son fundamentales para su principio de funcionamiento, el cual se basa esencialmente en la presencia de un divisor del haz y de reflectores que se pueden mover con respecto a él.

Se comprende que un interferómetro de barrido se refiere a un sistema óptico en el cual en primer lugar un divisor del haz divide un haz en dos componentes que se recombinan posteriormente para interferir uno con otro después de que cada uno haya atravesado una trayectoria diferente que está delimitado por un respectivo reflector de un par de ellos que tienen el movimiento permitido uno con respecto al otro. A continuación se puede extraer información de los contenidos espectrales de la interferencia, la cual está relacionada con una propiedad de una muestra con la cual ha interaccionado el haz.

Cuando se utiliza un interferómetro como este en, por ejemplo, un instrumento espectrométrico para espectroscopía óptica, se lanza al interior del interferómetro un haz de observación consistente en radiación de banda relativamente ancha en una zona de longitud de onda de interés para que choque con el divisor del haz. En este contexto el término “lanzar” hace referencia a la transmisión de un haz desde un último elemento óptico, tal como una fuente de luz, un extremo de fibra óptica, una lente u otro elemento óptico que pueda afectar a la trayectoria o a la forma del haz. Este haz de observación se divide esencialmente en dos partes de igual intensidad en el divisor del haz. Un primer haz es reflejado por el divisor del haz y viaja a lo largo de un primer “brazo” del interferómetro hasta el primer reflector desde donde es reflejado de vuelta al divisor del haz. Un segundo haz es transmitido a través del divisor del haz y viaja a lo largo de un segundo “brazo” hasta el segundo reflector donde también es reflejado de vuelta al divisor del haz para que se solape con el primer haz reflejado. El retardo, !, es la diferencia entre las longitudes de las trayectorias ópticas de los dos brazos y dependiendo del retardo cada longitud de onda de la fuente espectral puede interferir de manera destructiva o constructiva cuando la luz reflejada en los dos brazos se solapa en el divisor del haz. El patrón de intensidad de la luz que interfiere, que se solapa, en función del retardo se conoce como interferograma. El interferograma es registrado por un detector según se van moviendo el uno o más reflectores para crear excursiones cíclicas de la trayectoria óptica relacionada y por lo tanto una diferencia en la longitud de la trayectoria óptica cíclica entre los haces primero y segundo. Como resultado de esto cada longitud de onda en el haz de observación es modulada a una frecuencia diferente. Se puede extraer entonces información espectral de este interferograma de observación realizando numéricamente una transformada de Fourier (FT) .

Cuando se registra un interferograma de observación, en particular cuando se usa la así llamada técnica de FT Rápida, es crítico para evitar errores el muestreo de la salida del detector asociado en posiciones exactas equidistantes del reflector que tiene la traslación permitida.

Se ha convertido en una práctica bien establecida en espectroscopía FT utilizar una fuente monocromática de radiación de longitud de onda ∀ conocida, tal como por ejemplo un láser, para generar un haz de referencia. Este haz de referencia se emplea en el interferómetro de barrido para determinar las posiciones equidistantes exactas requeridas y un interferómetro FT de este tipo se presenta en la patente US 6.654.125. En este caso, como es habitual, el haz de referencia se lanza al interior del interferómetro de barrido a la vez que el haz de observación y se hace que siga una trayectoria de luz a través de los componentes ópticos del interferómetro que es substancialmente paralela a la seguida por el haz de observación. Como ocurre con el haz de observación, el haz de referencia es dividido por el divisor del haz en dos haces de intensidades substancialmente iguales. Cuando se solapan en el divisor del haz las dos porciones reflejadas del haz de referencia generan un interferograma de referencia que será detectado por un detector asociado. Este interferograma de referencia es senoidal con un periodo de oscilación !per en el eje de retardo, que está directamente relacionado con la longitud de onda según la expresión: per=∀/2 (1)

Dado que la longitud de onda del haz de referencia se conoce con precisión entonces se pueden emplear rasgos que aparecen periódicamente, tales como las posiciones de paso por cero, del interferograma de referencia para determinar con exactitud el desplazamiento incremental y/o la velocidad del reflector que tiene la traslación permitida en el interferómetro. De esta manera, se puede determinar con precisión el periodo de muestreo para el interferograma de observación.

Un problema asociado con el diseño del interferómetro de barrido conocido es que el lanzamiento del haz de referencia al interior del interferómetro requiere componentes ópticos adicionales u obstruye la trayectoria del haz de observación. Por ejemplo, el haz de referencia puede ser lanzado usando espejos periscopios o a través de un agujero en cualquiera de los dispositivos ópticos colimadores para el haz de observación. Sin embargo, en ambos casos, una parte del haz de observación resulta bloqueada. De manera alternativa, el haz de referencia puede ser lanzado al interior del interferómetro usando un espejo dicroico pero esto también produce una reducción en la potencia total del haz de observación a través del interferómetro y también requiere espacio en la trayectoria del haz de observación.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un instrumento espectrométrico que comprende: un interferómetro de barrido que tiene un divisor del haz para dividir radiación óptica incidente en un haz reflejado y un haz transmitido; una fuente de radiación óptica monocromática para lanzar un haz de referencia al interior del interferómetro para que incida inicialmente en una primera cara del divisor del haz; una fuente de radiación óptica de observación para lanzar un haz de observación al interior del interferómetro para que incida inicialmente en la primera cara del divisor del haz y se solape con el haz de referencia en la primera cara; en el cual las fuentes de radiación operan de forma conjunta para generar un primer ángulo entre trayectorias de propagación de los dos haces en la primera cara que es mayor que un semiángulo de divergencia en el mismo plano que el haz de observación.

Es bien conocido que todos los haces de radiación tienen un ángulo de divergencia que describe la magnitud de un ensanchamiento del haz con la distancia. Se puede considerar, por ejemplo, como el ángulo entre dos direcciones en lados opuestos de un eje de un haz de luz paralelo a la trayectoria del haz y en el mismo plano que el eje en el cual la intensidad de luz típicamente iguala un porcentaje establecido de una intensidad de referencia. Si el haz ha sido colimado usando una lente u otro elemento de enfoque, la divergencia esperada se puede calcular de una manera conocida a partir de dos parámetros: el diámetro, D, del punto más estrecho del haz antes de la lente, y la longitud focal de la lente, f. El semiángulo de divergencia es, como su nombre indica, un ángulo cuya magnitud es la mitad de la magnitud del ángulo de divergencia.

De esta forma, al introducir los haces de referencia y de observación en el interferómetro de tal manera que el ángulo entre sus direcciones de propagación en la primera cara del divisor del haz sobre el cual ambos inciden inicialmente sea mayor que el semiángulo de divergencia que está en el mismo plano que el haz de observación, es posible lanzar el haz de referencia desde fuera del haz de observación... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un instrumento (2; 38) espectrométrico que comprende: un interferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) de barrido que tiene un divisor del haz (4; 40) para dividir radiación óptica incidente en un haz reflejado y un haz transmitido; una fuente (12; 52) de radiación óptica monocromática para lanzar un haz de referencia al

interior del interferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) a lo largo de una primera trayectoria (14; 62) de propagación de manera que incida inicialmente sobre una primera cara (4’, 40’) del divisor del haz (4; 40) ; una fuente (16; 46) de radiación óptica de observación para lanzar un haz (18; 64) de observación al interior del interferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) a lo largo de una segunda trayectoria (20; 66) de propagación de manera que incida inicialmente sobre la primera cara (4’, 40’) del divisor del haz (4; 40) y se solape con el haz de referencia en la primera cara (4’, 40’) ; en el cual las fuentes (12; 16; 52; 46) de radiación operan de forma conjunta para generar un primer ángulo (θ) entre las respectivas trayectorias de propagación primera (14; 62) y segunda (20; 66) en la primera cara (4’, 40’) que es mayor que un semiángulo (α) de divergencia del haz (18; 64) de observación.

2. Un instrumento (2; 38) espectrométrico de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además un detector (26; 56) de referencia para detectar un interferograma de referencia generado a partir del haz de referencia lanzado y un detector (28; 54) de observación para detectar un interferograma de observación generado a partir del haz (18; 64) de observación lanzado, donde cada detector (26; 28; 56; 54) está situado fuera de la trayectoria (36; 34; 62; 64) del otro haz.

3. Un instrumento (2; 38) espectrométrico de acuerdo con la reivindicación 2 que comprende además un procesador (30) de datos conectado funcionalmente para recibir una salida procedente de cada uno de los detectores (26; 28; 56; 54) correspondiente a los interferogramas detectados, donde el procesador (30) de datos está adaptado específicamente para procesar las salidas recibidas para corregir errores en información espectral extraída del interferograma de observación detectado por el detector (28; 54) de observación que son el resultado de haber lanzado el haz de referencia con el primer ángulo (θ) .

4. Un instrumento (2; 38) espectrométrico de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual el haz de referencia tiene un diámetro del haz y la fuente (12; 52) de radiación monocromática está configurada para lanzar el haz de referencia con un primer ángulo (θ) correlacionado con el diámetro del haz para conseguir un grado de solape en la primera cara (4’, 40’) del divisor del haz (4; 40) seleccionado para proporcionar una mínima relación señal-ruido de la salida del detector (26) de referencia cuando el espejo (6) se traslada lo suficiente para permitir la determinación en el procesador (30) de datos de rasgos que se repiten periódicamente a partir del interferograma de referencia.

5. Un método de operar un instrumento (2; 38) espectrométrico de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende el paso de: lanzar simultáneamente un haz de referencia desde la fuente (12; 52) de radiación monocromática y un haz (18; 64) de observación divergente desde la fuente (16; 46) de radiación óptica de

observación a lo largo de respectivas trayectorias (14; 20; 62; 66) de propagación hacia la primera cara (4’, 40’) del divisor del haz (4; 40) del interferómetro (4, 6, 8; 40, 42, 44) , lanzándose el haz de referencia a lo largo de su trayectoria (14; 62) de propagación de manera que incida en la primera cara (4’, 40’) con un primer ángulo (θ) con respecto a la trayectoria (20; 66) de propagación del haz de observación que es mayor que un semiángulo (α) de divergencia del haz (18; 64) de observación.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5 que comprende además el paso de procesar en un procesador (30) de datos un interferograma obtenido a partir del haz (18; 64) de observación para corregir información espectral que se puede derivar del mismo en cuanto a errores que son resultado de haber lanzado el haz de referencia con el primer ángulo (θ) .

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual la corrección comprende compensar que el haz de

referencia tenga una longitud de onda aparente que es diferente de una longitud de onda real en un factor de cos (θ) .

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7 que comprende además los pasos de hacer pasar el haz (18; 64) de observación a través de un material de muestra; y procesar en el procesador

(30) de datos el interferograma obtenido a partir del haz (18; 64) de observación para extraer información 50 espectral característica del material de muestra.


 

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