(57)【要約】【課題】ラマン分光測定センサの特異的な実装を提供すること。【解決手段】ラマンセンサを有する無人地上車両（ＵＧＶ）を含むシステムであって、該システムは、ロボットアームを有する無人地上車両（ＵＧＶ）と、該ロボットアームに搭載されたカメラと、該カメラが示す方向と実質的に同一の方向を示すような方法で、該ロボットアームに搭載されたレーザおよび関連する望遠鏡と、該ＵＧＶに搭載され、かつ該望遠鏡からラマンスペクトルデータを受信するように構成されたデータ獲得および制御モジュールと、ディスプレイ、ならびに該データ獲得および制御モジュールからデータを受信するように構成されたデータ処理および分析モジュールを有するリモートベースステーションとを備えている、システム。【選択図】図４
2010101757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマンセンサを有する無人地上車両（ＵＧＶ）を含むシステムであって、該システムは、
ロボットアームを有する無人地上車両（ＵＧＶ）と、
該ロボットアームに搭載されたカメラと、
該カメラが示す方向と実質的に同一の方向を示すような方法で、該ロボットアームに搭載されたレーザおよび関連する望遠鏡と、
該ＵＧＶに搭載され、かつ該望遠鏡からラマンスペクトルデータを受信するように構成されたデータ獲得および制御モジュールと、
ディスプレイ、ならびに該データ獲得および制御モジュールからデータを受信するように構成されたデータ処理および分析モジュールを有するリモートベースステーションと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記ＵＧＶが遠隔に制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＵＧＶが自律的に動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記望遠鏡からのラマン散乱光を受信するスペクトログラフをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記レーザおよび関連する望遠鏡を、前記データ獲得および制御モジュールに接続するアンビリカルをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ベースステーションは、前記カメラから結像を受信し、該結像を前記ディスプレイに表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ディスプレイはタッチスクリーンディスプレイである、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記レーザは約２６２ｎｍの周波数で動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記望遠鏡はオートフォーカスシステムを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記オートフォーカスシステムは、平行移動ステージ上を直線的に動かすことが可能な一次ミラーを備えている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記オートフォーカスシステムは、平行移動ステージ上を直線的に動かすことが可能な二次ミラーを備えている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
レンズが、標的におけるレーザビームスポットを、直線検出器アレイ上に画像化するように配置される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記レンズが収集光学素子に対して軸をずらすように配置される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記直線検出器アレイは、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角と一致する角度で傾けられる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記直線検出器アレイの前に配置されたフィルタをさらに備えている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記オートフォーカスシステムは、＋／−１ｍｍの焦点深度を提供する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記望遠鏡は、約０．５ｍ〜約１０ｍの遠隔範囲を有するように焦点を合わせられ得る、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レーザおよび関連する望遠鏡ならびに前記データ獲得および制御モジュールは、モジュールで構成され、その結果該レーザおよび関連する望遠鏡ならびに該データ獲得および制御モジュールが、人間によって携帯可能なラマンセンサによって用いられ得る、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００７年１０月２４日に出願された米国仮特許出願第６０／９８２，３０６号の利益を主張し、上記出願は本明細書においてその全体が参考として援用される。
【０００２】
本発明はラマン分光測定法に関し、より具体的にはラマン分光測定機能性を無人地上車両（例えば、ロボット）に組み込むためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
化学的因子または生物学的因子への曝露の危険は深刻であり得る。事故などによる意図されない放出または意図的な送達の結果のいずれであっても、（１）放出された因子のタイプ、および（２）汚染の正確な領域の迅速かつ精度の高い識別を行うことが望ましい。このような危険な物質の早期の精度の高い検出が、起こり得る死傷者の減少および（風、ヒト、および動物の接触などによる）因子のさらなる拡散の制限において、重要な要素となり得る。
【０００４】
近年、非常に低い濃度においてさえも、未知の物質、汚染物質および因子を迅速に識別するために、核、生物学および化学（ＮＢＣ）センサ技術の開発および展開することにおける関心が増加している。表面堆積された化学的な汚染を測定するように設計された従来技術は、車両と、汚染物質の物理サンプルを取り込む、関連するテスト機器とを用い、次いで化学因子をテストするために機械的なサンプリングホイールシステムに基づいて非常に扱いにくく時間を浪費するプロセスを用いた。
【０００５】
このようなアプローチの複雑さの観点において、より新しい、単純な技術が所望された。この望みに応答する１つの新しい技術は、一般的に「遠隔表面検出（ｓｔａｎｄｏｆｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」と呼ばれ、実際に物質に接触する必要性なしに物質の検出を可能にする技術のカテゴリーを指す。これらの検出システムの目的は、化学的脅威および生物学的脅威を、検出、識別、位置決定、定量化、警告および報告して、それにより、（さらなる）汚染を回避するために、軍隊または市民の人員に十分な早期警告を与えるための能力を提供することである。
【０００６】
遠隔表面検出を可能にする技術の１つはラマン分光測定法である。ラマン分光測定法は、材料を特徴化し、その後このような材料を識別するために使用される技術である。典型的には、レーザ送信器が、高い放射照度を有するスペクトル的に狭い光源として作用する。レーザは、特に化合物、生物学的因子のような既知または未知の物質を照明する。入射光の一部は、物質によってラマン散乱される。この光が全ての空間方向に散乱され、さらに幾つかの別々の波長にスペクトル的にシフトする。これらの波長は、物質の分子結合に関連する固有の振動エネルギに対応するようにシフトする。
【０００７】
従来のラマン分光測定システムにおいて、ラマン散乱光は、望遠鏡によって収集され、分散光学システムに結合される。望遠鏡は、例えば、光ファイバ束に、収集された光を集束させる。ファイバ束の反対側の端部において、個々のファイバが直線上に配向されて、回折格子ベースのスペクトログラフに対する入口スリットを形成する。電子光学検出器アレイは、ラマン散乱光の光学スペクトルを記録する。このスペクトルは既知の物質または未知の物質に対する「フィンガープリント」として役立つ。分析コンピュータは、既知の物質を識別する情報と共に「フィンガープリント」を格納するか、またはより多いのは、事前に分析され、「フィンガープリントがある（ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｅｄ）」物質のスペクトルライブラリから未知の物質を識別するためにパターンマッチングアルゴリズムを用いるかのいずれかを行う。
【０００８】
実験室ベースのラマン分光測定システムは、長年にわたって公知となってきた。近年、サイズが縮小化されたコンポーネントの結果として、携帯可能なラマンシステムが可能になってきた。このような携帯可能なシステムの説明は、特許文献１に見出され得、該特許は本明細書に参考として援用される。バックパック実装された人間によって携帯可能なラマンセンサもまた、最近ＩＴＴ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）によって配備されている（ｆｉｅｌｄｅｄ）。このシステムの局面が、米国特許出願第１１／６８８，４３４号（２００７年３月２０日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ，  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  ａｎｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｓｔａｎｄｏｆｆ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ」）に説明され、該出願は本明細書に参考として援用される。トラック搭載のラマンセンサもまた最近配備されている。ラマン分光測定法に対するさらなる議論のために、特許文献２に対して参照がなされ得る。
【特許文献１】米国特許第６，６０８，６７７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７８８，４０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの公知のシステムにもかかわらず、市民および軍隊の両方の人員（危険な物質および項目を識別子、最終的に処理する責任を有する人員）のニーズに合致する、様々な形式のラマンセンサを提供するニーズが存続する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ラマン分光測定センサの特異的な実装を提供し、該実装においてシステムのコンポーネントは、自律的に動作するか、もしくはリモートユーザによって制御される無人地上車両（ＵＧＶ）上に搭載されるか、または好適には近接に組み込まれる。このタイプの構成によって、ラマンセンサのユーザは、危険な物質または項目の近傍にいなければならないことを避け得る。より具体的には、本発明の実施形態によって、人員は、遠隔であるが感度の高い部位の探査（ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ）（未知の物質または項目（爆発性物質（例えば、ＴＮＴおよびＲＤＸ）、手製の爆発物とそれらの前駆物質および化学兵器因子（ＣＷＡ）を含む化学物質、そして有毒産業化学物質（ＴＩＣ）を含むがこれらに限定されない）の存在に対する、建物、機器、車両、航空機、および他の人工の表面または自然の表面の検査を含む）を行う能力が提供される。本発明の実施形態の１つの有意な利点は、爆発物が隠され得る同一の場所に人々を配置する必要なしに、爆発性増強デバイス（ＩＥＤ）を検索および検出する能力である。
【００１１】
本発明の実施形態の他の利点は、技術が、（１）接触しない（ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ）（すなわち遠隔システム）、（２）表面汚染のマッピングが可能である、そして（３）迅速な応答を提供する（典型的には検出を数秒で行う）、という事実を含む。
【００１２】
１つの実施形態において、本発明は、独自に、またはＵＧＶ自体の操作によって操作可能であり得るロボットアームを含むＵＧＶを提供する。ＵＧＶは、好適には、無線周波数（ＲＦ）リンクを介して、遠隔で制御される。ロボットアームは、好適にはカメラを含み、該カメラからの画像は好適には（ＲＦリンクを介して）制御ステーションにストリーミングで返され、該制御ステーションからオペレータがＵＧＶを制御し得る。このようにして、オペレータは、適切にＵＧＶを操作して、カメラを関心のある標的に指向し得る。
【００１３】
上述に加えて、ＵＧＶはまた、好適には、ラマンセンサのコンポーネントを含む。具体的には、ロボットアーム上のカメラと共に、レーザおよび関連する望遠鏡があることが好ましい。上述のように、ラマン分光測定において、レーザは所望の場所を照射し、望遠鏡がラマン散乱スペクトルを集める。本発明に従うと、これらのスペクトルは、例えば、光ファイバの束を含むアンビリカルを通って、ＵＧＶに搭載されたセンサにわたる。センサは、スペクトログラフ、データ獲得および制御モジュール、電力調整モジュールおよびＵＧＶを制御するＲＦモジュールと同一であり得るＲＦモジュール、あるいはラマンセンサコンポーネントを制御し、該コンポーネントと通信すること専用の別のＲＦモジュールを含み得る。
【００１４】
好適には、ベースステーションがまた、リモートオペレータに対して提供され、ＵＧＶのラマンセンサ局面をモニタし、制御する。この点に関して、ベースステーションは好適にはデータ処理および分析モジュールならびにシステムの動作を容易にするためにディスプレイ（例えば、タッチスクリーンディスプレイ）を含む。ベースステーションは、ＵＧＶの制御ステーションに組み込まれ得るか、またはＵＧＶの制御ステーションとは別々であり得る。実際、ＵＧＶのオペレータがラマンセンサと同一のオペレータではあり得ないことが意図される。この点に関して、２つの別々のオペレータは、同一の場所にいることさえ必要ない。
【００１５】
好適な実施形態において、自動望遠鏡焦点合わせ機構が実装され、該機構はロボットアームに許容される限定された空間および重量によって設定される制約内でさえ効果的に動作する。
【００１６】
さらに別の実行可能な実施形態において、ＵＧＶのラマンセンサコンポーネントは、ラマンセンサの人間に携帯可能／バックパックバージョンと互換可能であるように構成されることによって、状況（例えば、地形または環境の性質、知覚される脅威など）に依存して、人員がＵＧＶを用いることまたは人員を関心のある標的に直接接近させることのオプションを有し得る。
【００１７】
以下は、本発明の実施形態の幾つかの好ましい特徴のリストである。
【００１８】
小型リモートセンサ；
２０分未満のウォームアップ；
遠隔で調整可能遠隔範囲（０．５〜１０ｍ）；
手動照準合わせまたはＵＧＶの遠隔制御アームの使用を介した方向の視線方向指示における高い柔軟性；
汚染マッピング；
遠隔（調査される領域の外）ベースステーションへの無線周波数（ＲＦ）リンク；
表面汚染物質の迅速（＜３０秒）検出および識別
単純で少ないメンテナンス動作；
低い誤報率の検出の高い選択性／確率；
動作環境に対して耐久性を高めること；および
未知の物質を検出して扱う能力
本発明はさらに以下を提供する。
【００１９】
（項目１）  
ラマンセンサを有する無人地上車両（ＵＧＶ）を含むシステムであって、該システムは、
ロボットアームを有する無人地上車両（ＵＧＶ）と、
該ロボットアームに搭載されたカメラと、
該カメラが示す方向と実質的に同一の方向を示すような方法で、該ロボットアームに搭載されたレーザおよび関連する望遠鏡と、
該ＵＧＶに搭載され、かつ該望遠鏡からラマンスペクトルデータを受信するように構成されたデータ獲得および制御モジュールと、
ディスプレイ、ならびに該データ獲得および制御モジュールからデータを受信するように構成されたデータ処理および分析モジュールを有するリモートベースステーションと
を備えている、システム。
【００２０】
（項目２）
上記ＵＧＶが遠隔に制御される、項目１に記載のシステム。
【００２１】
（項目３）
上記ＵＧＶが自律的に動作する、項目１に記載のシステム。
【００２２】
（項目４）
上記望遠鏡からのラマン散乱光を受信するスペクトログラフをさらに備えている、項目１に記載のシステム。
【００２３】
（項目５）
上記レーザおよび関連する望遠鏡を、上記データ獲得および制御モジュールに接続するアンビリカルをさらに備えている、項目１に記載のシステム。
【００２４】
（項目６）
上記ベースステーションは、上記カメラから結像を受信し、該結像を上記ディスプレイに表示する、項目１に記載のシステム。
【００２５】
（項目７）
上記ディスプレイはタッチスクリーンディスプレイである、項目６に記載のシステム。
【００２６】
（項目８）
上記レーザは約２６２ｎｍの周波数で動作する、項目１に記載のシステム。
【００２７】
（項目９）
上記望遠鏡はオートフォーカスシステムを備えている、項目１に記載のシステム。
【００２８】
（項目１０）
上記オートフォーカスシステムは、平行移動ステージ上を直線的に動かすことが可能な一次ミラーを備えている、項目９に記載のシステム。
【００２９】
（項目１１）
上記オートフォーカスシステムは、平行移動ステージ上を直線的に動かすことが可能な二次ミラーを備えている、項目９に記載のシステム。
【００３０】
（項目１２）
レンズが、標的におけるレーザビームスポットを、直線検出器アレイ上に画像化するように配置される、項目９に記載のシステム。
【００３１】
（項目１３）
上記レンズが収集光学素子に対して軸をずらすように配置される項目１２に記載のシステム。
【００３２】
（項目１４）
上記直線検出器アレイは、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角と一致する角度で傾けられる、項目１２に記載のシステム。
【００３３】
（項目１５）
上記直線検出器アレイの前に配置されたフィルタをさらに備えている、項目１２に記載のシステム。
【００３４】
（項目１６）
上記オートフォーカスシステムは、＋／−１ｍｍの焦点深度を提供する、項目１２に記載のシステム。
【００３５】
（項目１７）
上記望遠鏡は、約０．５ｍ〜約１０ｍの遠隔範囲を有するように焦点を合わせられ得る、項目１に記載のシステム。
【００３６】
（項目１８）
上記レーザおよび関連する望遠鏡ならびに上記データ獲得および制御モジュールは、モジュールで構成され、その結果該レーザおよび関連する望遠鏡ならびに該データ獲得および制御モジュールが、人間によって携帯可能なラマンセンサによって用いられ得る、項目１に記載のシステム。
【００３７】
（摘要）
無人地上車両（ＵＧＶ）に組み込まれたラマン分光測定センサは、ロボットアームと該ロボットアームに搭載されたカメラとを有するＵＧＶを含む。ラマンセンサに関連するレーザと望遠鏡とが、上記カメラが示す方向と実質的に同一の方向を示すような方法で、上記ロボットアーム上に搭載される。ラマンスペクトルデータ獲得および制御モジュールがＵＧＶ上に搭載され、上記望遠鏡からのラマンスペクトルデータを受信するように構成される。ディスプレイならびにデータ処理および分析モジュールを有するリモートベースステーションは、上記データ獲得および制御モジュールからデータを受信し、オペレータに対して、カメラからの画像と、ラマンセンサに関する情報とを表示するように構成される。オートフォーカスシステムが、好適には、望遠鏡の焦点を自動的に制御して、それによりラマンセンサが広範囲（例えば、０．５ｍ〜１０ｍ）にわたって動作可能にするために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の実施形態のこれらの特徴および他の特徴ならびにそれらに付随する利点が、関連する図面と共に以下の詳細な説明を読み込むと、より完全に認識される。
【００３９】
図１は、ラマン分光測定システム１００の概略的な機能図であり、該システム１００は本発明の実施形態と共に用いられ得る。示されるように、レーザ送信器１１０は、高い放射照度を有する、スペクトル的に狭い光源として働く。機能ブロック１１２によって示されるように、該レーザ送信器１１０は、表面上に堆積された化学因子を照明する。入射光の一部は、機能ブロック１１４によって示されるように、化合物（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）によってラマン散乱される。この光は、全ての空間的な方向に散乱され、さらに、幾つかの別々の波長にスペクトル的にシフトされる。これらの波長は、所与の化学物質の分子結合に関連する固有振動エネルギに対応してシフトする。
【００４０】
ラマン散乱光は、望遠鏡によって収集され（ブロック１１６）、分散光学システムに接続される。より具体的には、望遠鏡が、収集された光を光ファイバ束１１８上に集束させる。ファイバ束の反対側の端部において、個々のファイバが直線状に配向され、回折格子ベースのスペクトログラフ１２０に対する入口スリットを形成する。（例えば、増感電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）を含む）電気光学検出器アレイ１２２は、ラマン散乱光１２４の光学スペクトルを記録する。このスペクトルは、化合物に対する「フィンガープリント」として役立つ。分析コンピュータ１２６は、パターンマッチングアルゴリズムを用いて、既知の化合物（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）のスペクトルライブラリから、化学物質を識別して、最終的に特定の化合物１２８を識別する。
【００４１】
特に、爆発性物質の検出は、近年非常に重要になってきた。市民と、軍当局との双方が、適切な警報、避難、無害化、または根絶する努力が開始され得るように、爆発性デバイスを迅速に識別することに対する大きなニーズを有する。
【００４２】
この点に関して、ＵＶレーザ励起の使用が、爆発性化学物質からのラマン散乱の効率を最大化することが近年決定されてきた。レーザ誘起ブレークダウン分光測定法（ＬＩＢＳ）のような技術は、ラマン分光測定法よりも選択的な技術または円熟した技術ではなく、一方でレーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）のようなその他の技術は、一部の爆発性物質が非蛍光性であることで、効果が薄く、かつさらに限定される。ＵＶラマン分光測定法の、従来の可視励起ラマン分光測定法に対する主な利点は、感度である。ＵＶ励起波長は、本質的に、可視波長よりも強く散乱する。さらに、多くの爆発性化学物質は、ＵＶ放射を強く吸収し、そしてこのことが共鳴増強（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）と呼ばれる効果によって、非常に大きな桁数でラマン散乱効率を増加させる。共鳴増強は、芳香環およびニトロ基のような化学官能基に対して特に強く、これらの両方は、爆発性化合物の共通の特徴である。最終的に、収集されたＵＶ−ラマン信号の強さは、（標的濃度、波長依存吸収および標的の散乱特性を含む）幾つかの要素に依存する。これらのパラメータ間の関係は、例として爆発性物質ＴＮＴを用いて以下でより詳細に論じられる。
【００４３】
ＴＮＴの幾つかのサンプルに対するＵＶ−ラマンスペクトルの詳細な分析は、２６２−ｎｍ（ＵＶ）レーザ励起に対するラマン散乱効率が、従来の５３２−ｎｍ（緑）励起において見出される効率よりも約１０５倍大きいことを示し、これは強い共鳴増強を示す。図２に示されるのは、アセトニトリル中のミリタリーグレードのＴＮＴの１１ｍＭ溶液に対する２６２−ｎｍラマンスペクトルである。この濃度において、アセトニトリル分子は、約１８００：１でＴＮＴ分子に数で勝っているが、ＴＮＴのラマンバンド（実線トレース）は、アセトニトリルに属するラマンバンド（点線トレース）に匹敵する強度を保持する。明らかに、ＴＮＴからの散乱が、２６２−ｎｍ励起によって強く増強される。アセトニトリルに対する既知の２６２−ｎｍ散乱クロスセクションとの比較によって、ＴＮＴに対する２６２−ｎｍ散乱クロスセクションが３×１０−２５ｃｍ２／分子であることが決定された。対照的に、同一のサンプルの５３２−ｎｍラマンスペクトルは、検出可能なＴＮＴラマンバンドを発生させず、このことはこの波長において予測される最も弱い散乱（約１×１０−３０ｃｍ２／分子または３０００００倍弱い）と一致する。特に、このサンプルに用いられる１１−ｍＭの濃度および１ｍｍの経路長は、厚さ１．５ｕｍのＴＮＴ膜と等しく、このことは爆発性物質の薄膜はＵＶラマンを用いて最良に測定されることを示唆する。
【００４４】
２６２−ｎｍレーザ励起によって提供される強く増強されたラマン信号は、トレース汚染レベル（ｔｒａｃｅ  ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ  ｌｅｖｅｌ）においてＴＮＴを検出および識別するために必要とされる感度を提供する。２６２ｎｍにおける強い吸収は、分子数を限定し、この分子が、サンプルの厚さにかかわらずＴＮＴの第１の９０−ｎｍの層において見出される分子に対して測定されたラマン信号に寄与する。上記の１１−ｎｍ溶液およびＴＮＴの固体塊状サンプルが同等の信号レベルを発生させるという事実は、吸収が「相互作用深度」を限定するという主張を有効にし、「相互作用深度」は、本明細書において、無限の厚さのサンプルから予測される収集される戻り信号のうちの９０％を発生させるサンプルの厚さとして定義される。（図２に示されるような）収集される信号の大部分が、ＴＮＴの非常に薄い膜（＜１００ｎｍ）から取得可能であることが重要である。
【００４５】
最近、Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙが、爆発物（例えば、ＩＥＤ）に巻き込まれる個人の手および足と接触する車両の外側表面上で２０ｕｇ／ｃｍ２を超える濃度で、爆発性化学物質が発見され得ることを報告した。これらの発見に基づいて、Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙは、２６６−ｎｍで動作する１−Ｗレーザと３０−ｃｍの収集アパーチャとを備えたＵＶラマン分光計は、検出可能なレベルにおいて（１０ｍ未満の離れた距離においてさえも）ラマン光子を収集することが不可能であると結論付けた。しかしながら、ＴＮＴに対するＵＶ−ラマン散乱クロスセクションが公開時には利用可能ではなかったので、著者らは１×１０−３０ｃｍ２／分子という値を用いた。重要なことに、著者らは、強い共鳴増強が実際にはこれらのモデルによって予期される乏しい性能を克服し得ることを認識した。図２のデータは、２６６ｎｍにおける散乱クロスセクションが、実際には約数桁だけ大きい（約１×１０−２５ｃｍ２／分子）ことを示し、このことは、強い共鳴増強の性能への影響に関する彼らの仮説を確認する。Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙによって説明されるラマン分光計は、実際には、５ｍの離れた距離において約１０５ラマン光子／秒を収集し、この値は当初予期されたものよりもかなり大きい。特に、２０ｕｇ／ｃｍ２の質量負荷で等しく分布されたＴＮＴによる４ｃｍ２プリントは、約３０ｎｍの厚さであり、これは、２６２ｎｍにおいてＴＮＴに対する相互作用深度に対して大きさで匹敵する。このことは、本発明で用いられるＵＶ−ラマン技術が、Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙによって報告されたような車両外側上で見出される汚染レベルにおいてＴＮＴを検出するために良く適していることを示唆している。実際には、ＵＶ−ラマン分光計を用いるＴＮＴ検出能力は、既に確認されている。図３は、本発明の実施形態によって用いられるラマン分光計によって記録されたＴＮＴの２６２−ｎｍラマンスペクトルを示す。図３のデータは、１ｍの離れた距離において１秒間に収集された。
【００４６】
ラマン分光計を用いるＴＮＴおよび他の爆発性物質検出は、上記のように、ますます精度が上がっているが、好適には、人員が第１の位置の近くにいることを避けるべきであるという問題が残っている。ラマンセンサを含む従来技術の遠隔検出システム（ｓｔａｎｄ  ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）は、人員が分析されるべき謎のデバイスまたは表面に少なくとも接近することを要求する。本発明は、空間的にセンサをオペレータから離すことによって、この起こり得る危険なシナリオを克服する。
【００４７】
図４は、本発明の実施形態をブロック図の形式で示す。示されるように、システムは基本となる無人の地上車両（ＵＧＶ）４１０を備え、該車両４１０はＵＧＶ４１０の本体から延びたアーム４２５に搭載されたＵＧＶカメラ４２０と、リモートＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０とを含む。ＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０は、好適には、無線周波数（ＲＦ）リンク４３５を介して、ＵＧＶ４１０と通信し、ＵＧＶ４１０とアーム４２５とに命令して、選択された方向に移動させる、回転させる、停止させるなどを行わせるように動作可能であり、これらは離れた位置から行われる。このようなＲＦリンク４３５は、ＵＧＶ４１０とオペレータとに最大の自由度を提供するが、特定の状況下では、ＵＧＶ４１０とＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０との間に有線接続を有することが好ましいことがあり得る。例えば、光ファイバワイヤが、ＵＧＶ４１０、アーム４２５およびカメラ４２０、特にＵＧＶ４１０上の要素を遠隔で制御するために使用され得る。本発明と共に用いられ得るＵＧＶの１つの可能性は、図５に示されるＭＡＴＩＬＤＡ  ＩＩロボットプラットフォームであり、Ｍｅｓａ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  Ｉｎｃ．（Ｍａｄｉｓｏｎ，ＡＬ）から入手可能である。図５には示されていないが、ＭＡＴＩＬＤＡ  ＩＩロボットはまた、遠隔で動作されるＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０を含み、これはＵＧＶのオペレータによって動作され得る。
【００４８】
図４を再び参照して、本発明の実施形態に従って、ラマン分光計またはセンサに関連するコンポーネントがＵＧＶ４１０に組み込まれる。これらのコンポーネントは、レーザ／望遠鏡モジュール４５０を含み、該レーザ／望遠鏡モジュール４５０はＵＧＶ自体に搭載されるか、より好適には、示されるようにロボットのアーム４２５上に搭載される。例えば、上記のファイバ束を備えているアンビリカル（例えば、ケーブルまたはケーブルの集合）４５５が、レーザ／望遠鏡モジュール４５０をセンサモジュール４６０と接続する。センサモジュール４６０は幾つかのコンポーネントを備え、これらのコンポーネントは、レーザ／望遠鏡モジュール４５０の望遠鏡から光学ラマンスペクトルを受信するためのスペクトログラフ、例えば、増感電荷結合デバイス（ＩＣＣＤ）カメラを用いてスペクトルデータを捕捉するデータ取得および制御ユニット４６４、ラマン分光計および関連機器に関連する幾つかのコンポーネントおよびモジュールに適切な電力を供給するための電力調整ユニット４６６ならびにベースステーション４８０と通信を無線によって交換するように構成されたＲＦユニット４６８を含む。
【００４９】
ベースステーション４８０は、それ自体が、ＲＦユニット４６８との無線通信４７１を維持するＲＦユニット４８２と、データ処理および分析モジュール４８４とディスプレイ４８６とを備えている。データ処理および分析モジュール４８４がベースステーション４８０の一部であるように示されているが、このモジュールの機能性は、同様にＵＧＶ４１０に配置され得る。データ処理および分析モジュール４８４の主たる目的は、既知のラマンスペクトルのライブラリに対してスペクトルのパターンマッチングを行うことと、ＵＧＶ４１０上のレーザによって、次いで照射される、または既に照射されている物質を識別することを試みることとである。ディスプレイ４８６は、次いで、起こり得る物質の識別について、オペレータに警告し得、そしてさらなる情報（例えば、識別される物質のタイプを考慮するステップ）または治療を開始するために連絡する人物に関する情報を提供し得る。
【００５０】
１つの実装の可能性に従って、受信されるスペクトル信号が「継続的に未知（ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ  ｕｎｋｎｏｗｎ）」の（例えば、現在のライブラリのメンバではない）場合、上記システムはオペレータに、（１）重要な未知のものとしてライブラリにシグネチャを追加すること、（２）検出されたシグネチャを無視すること、または（３）次の未知の発生までいかなる決定も延期すること、のオプションを提供する。受信されたスペクトル情報に関する情報が、ディスプレイ４８６を介してオペレータに提示され得、そしてオペレータは、ディスプレイ４８６のタッチスクリーン能力を介してシステムに入力を提供するように要求され得る。
【００５１】
図４は、別々のコンポーネントとして、ＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０およびベースステーション４８０を描くことに注意されたい。しかしながら単一の一体型制御機構がシステムの制御を容易にするために、例えば、１組の制御装置、１つのディスプレイなどを用いて、該システムに対して実装されることが好適であり得る。そのような一体型制御が参照番号４９０によって指示される。例えば、１つのディスプレイによって、オペレータは、レーザが調査して（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）いるものが何かを正確に見ることが可能であり得る。より具体的には、ＵＧＶカメラ４２０からの画像は、ディスプレイにストリーミングで返され得、このディスプレイはまたレーザ／望遠鏡モジュール４５０のレーザが照射しているものを描くように動作可能である。結果として、例えば、爆発性物質が識別される場合、オペレータは対象をより容易に識別し得、該対象上に爆発性物質のトレースが見出されることにより、その情報を爆発物処理専門家に通信する。そのような画像は、後の使用（例えば、訓練）のためにさらに格納され得る。さらに、ディスプレイは、ロボットが見ている場所のリアルタイム映像を示し得、ラマン調査（Ｒａｍａｎ  ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）の結果を示す、ディスプレイ上のオーバーレイ表示またはタイル表示（ｔｉｌｅｄ）ディスプレイを含み得る。
【００５２】
代替の実施形態において、ＵＧＶ／カメラアーム制御ステーション４３０とベースステーション４８０とは、意図的に別々の機能ユニットとして維持され、それにより異なるオペレータが、それらのオペレータが同一の場所にいない場合でさえも、システムのそれぞれのコンポーネントを動作させる実現性を可能にする。
【００５３】
ＵＧＶ上のラマン分光測定システムが実際に物質を検出可能である位置または範囲は、本発明の遠隔無人ラマン分光測定システムの構成の要素である。２０ｍＷレーザは汚染物質を検出するために（標的上で１秒一時停止することにより）３ｍで有効であるが、該システムの範囲は約１０ｍより広いことが好ましい。結果として、十分なレーザ出力が、選択された標的に伝達され得ることを確実にするために、より強力なレーザが好ましくは用いられる。１つの可能な実装において、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（Ｂｏｈｅｍｉａ，ＮＹ）から入手可能な５００ｍＷ２６３ｎｍのレーザが、増大された範囲に対して必要な出力を得るために、用いられ得る。当然、適切な出力を標的の汚染物質に伝達するために十分な、その他のレーザおよび出力もまた用いられ得る。
【００５４】
さらに、この大きさ（１０ｍ）の範囲に対してレーザ／望遠鏡モジュール４５０の望遠鏡コンポーネントが、好ましくは０．５〜１０ｍの範囲を超えて焦点を合わせることが可能である。１つの可能な実装において、電気的に起動される焦点調節（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）機構は内部のポインティングダイオードおよびＵＧＶのカメラ４２０と共に用いられ得、遠隔で焦点を調節する。すなわち、ＵＧＶのカメラ４２０の視野をモニタすることにより、オペレータは、遠隔でレーザ／望遠鏡モジュール４５０の光学コンポーネントの焦点を合わせ得る。あるいは、自動化フォーカス（オートフォーカス）システムが実装され得、このシステムによって望遠鏡の焦点を手動で制御しなければならないオペレータを助ける。このことは、時間を節約し得、検出の精度を増大させ得る。本発明と共に用いられ得るオートフォーカスシステムの詳細な議論は、本明細書において後に提供され得る。
【００５５】
１つの可能な実装において、上記システムのラマン分光測定コンポーネントはモジュラーコンポーネントであり得、該モジュラーコンポーネントは人間によって携帯可能な（ｍａｎ−ｐｏｒｔａｂｌｅ）ラマンセンサと共有され得る。このような人間によって携帯可能なラマン検出システムの説明は、上述の米国特許出願第１１／６８８，４３４号に見出され得る。上記出願において説明される人間によって携帯可能な検出システムは、ハンドヘルドユニットと、処理ユニットと、該ハンドヘルドユニットと該処理ユニットとを接続するアンビリカルケーブルとを含む。上記出願において説明される実施形態において、処理ユニットの少なくとも一部分は着用可能なバックパック内に収容される。
【００５６】
本発明の実施形態に従うと、ＵＧＶ４１０に搭載されるか、またはＵＧＶ４１０に組み込まれるラマン分光測定システムの選択されたコンポーネントはモジュラー化され、その結果これらのコンポーネントもまた、人間によって携帯可能なラマン検出システムと共に用いられ得る。より具体的には、米国特許出願第１１／６８８，４３４号に説明されるハンドヘルドユニットが、図４に示されるレーザ／望遠鏡モジュール４５０に類似する機能性を有するように、該ユニットが構成され得る。同様に、本発明のアンビリカル４５５は、米国特許出願第１１／６８８，４３４号に説明されるアンビリカルケーブルと同様に構成され得る。最終的に、センサモジュール４６０は、米国特許出願第１１／６８８，４３４号に説明される処理ユニットと類似の機能性を有するように構成され得る。同様のそれぞれのエンクロージャはまた、上記される幾つかの実現可能なモジュラーコンポーネントに提供され得る。そのようなモジュラー性によって、未知の物質を検出するためのシステム全体が、組み合わせシステムを含み、該組み合わせシステムはＵＧＶセンサと人間によって携帯可能なセンサとの両方を備えており、フィールドの人員が容易に、知覚される脅威または任意の他の考慮に依存して（ＵＧＶまたは人間によって携帯可能なセンサ）のシステムのいずれかのタイプを選択およびイネーブルにし得る。
【００５７】
好ましい実施形態において、レーザ／望遠鏡モジュール４５０、アンビリカル４２５、センサモジュール４６０のようなコンポーネントは、列線交換ユニット（ＬＲＵ）として人員に利用可能であり、これによりフィールドでのそれぞれの修理を単純にする。レーザ／望遠鏡モジュール４５０およびセンサモジュール４６０のようなコンポーネントは、かなりの時間量の間、要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）に曝露される可能性があるので、これらのコンポーネントのためのエンクロージャは、好適には、適切な環境シール（雨に対する防護材、汚染除去スプレーブースなど）を有し、（特に軍事用途のために）ＥＭＩ／ＥＭＣ硬化され、適切な衝撃／振動絶縁を有する。
【００５８】
無線リンク４７１は高帯域幅拡張スペクトルＲＦデータリンクであり得る。無線リンク４３５はまた、無線リンク４７１と一体化され得るか、または別々に動作されるリンクであり得る（例えば、異なる周波数、異なる変調技術など）。
【００５９】
ベースステーション４８０は、集中型デバイスであり得、ただ１つのＵＧＶだけでなく可能性としては複数のＵＧＶをモニタする能力を有し得る。複数のＵＧＶが同時に用いられ、かつただ１人のオペレータが利用可能な場合に、ＵＧＶの自律動作が好適であり得る。いかなる場合においても、ベースステーション４８０の出力はまた、電子ネットワーク（例えば、（有線またはＲＦの）Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標））を経由して、現場指揮官のワークステーションに接続され得、該ワークステーションは、全てのフィールド上のＵＧＶまたは人間によって携帯可能なデバイスの活動を統合する。
【００６０】
ＵＧＶ４１０に関して、積載量を最大にしながら、建物およびトンネル内部で使用するために十分に小さいロボットを用いることが好ましい。上記のＭＡＴＩＬＤＡ  ＩＩロボットは、約１２５ポンドの積載能力を有し、そのバッテリで６時間動作し得る。米国特許出願第１１／６８８，４３４号に説明される人間が携帯可能なバックパックおよびワンドは、１時間のバッテリを含んで、約４６ポンドの重さである。ＭＡＴＩＬＤＡロボットのロボットアーム４２５は、約４５ポンドであり、約３５ポンドの積載能力を有する。レーザ／望遠鏡モジュール４５０の重さは、約５〜２０ポンドである。従って、ロボットアーム４２５、レーザ／望遠鏡モジュール４５０およびセンサモジュール４６０は、追加バッテリ２０ポンドを除くと、１０５ポンド未満である。
【００６１】
バッテリは標準的な軍事用バッテリパック（例えば、５５９０、２５９０）であり得るか、またはより高いエネルギ密度を有するより最新のバッテリであり得る。バッテリ選択は、ＵＧＶ４１０が動作可能であり得る時間の長さに影響し得るが、他の場合には本発明に対して重要ではない。
【００６２】
上記より、当業者は、本発明に従って、ＵＧＶに搭載されるか、ＵＧＶに組み込まれるラマン分光計のコンポーネントが遠隔に調節可能な０．５〜１０ｍの離れた範囲を有することにより、オペレータがＵＧＶ４１０の近傍のホスト表面を分析することを可能にする小型リモートセンサを作り出す（ｙｉｅｌｄ）。１つの実装において、ＵＧＶアーム４２５は、レーザ／望遠鏡モジュール４５０の照準を合わせるために用いられる。ＧＰＳおよび周知の位置エンコーダの使用によって、ＵＧＶの場所データおよびアームの位置データを捕捉することにより、個々の疑わしい場所およびデバイスの座標を生成することも可能であり、さらに表面汚染または爆発性デバイスの可能性のある場所の範囲までのマップ生成を助ける。このようなマップまたは写像データは、他の地理情報システムに組み込まれ得、これらが望ましくない因子およびデバイスを追跡および除去する際に、人員をさらに補助し得る。
【００６３】
好ましい実施形態において、そして上述のように、ＵＧＶおよびラマンセンサは、離れたサイトに対して、ＲＦリンクを介して遠隔で制御されて、それにより人員が不必要に危険にさらされないことを保証する。オペレータは、近くの場所にいても良く、または十分に離れた場所にいても良い。
【００６４】
また、スペクトルパターンマッチングが数秒内に行われ得るので、未知の因子は、典型的には３０秒未満で識別することが可能である。このことは、ＵＧＶが、１組のバッテリ寿命の間に、数百または数千の調査さえも行うことを可能にする。収集されたスペクトルクトルデータはまた、通常非常に一意的であり、それゆえ上記システム全体が、低い誤報率で、高い検出の選択性／確率を提供し得る。
【００６５】
上記のように、望遠鏡光学素子によるオートフォーカスシステムを実装して、本発明のラマン検出システムが０．５ｍ〜１０ｍ離れた範囲でイネーブルにすることが好ましくあり得る。しかしながら、ロボットアームの限定された空間、ロボットアーム４２５に追加され得る限定された重さの量、および概してＵＧＶ全体に起因して、小型ではあるが十分な忠実度を有する焦点調節可能な装置を有して、全体で０．５〜１０ｍに対する動作範囲を提供することが望ましい。
【００６６】
さらに具体的には、光学システムの焦点深度は、収集光学素子のＦ／＃の二乗に比例する。オペレータの動きまたは標的高の変化に起因して、標的距離の全範囲に対して良好な焦点を維持するために、標的距離が変化するとき、Ｆ／＃は大きくなる必要がある。しかしながた、収集された光は、Ｆ／＃の二乗に逆比例する。従って、大きな焦点深度を提供するための大きなＦ／＃へのニーズと、より多くのラマン散乱光の収集を可能にするための小さなＦ／＃へのニーズとの間の基本的な相反が存在する。
【００６７】
しかしながら、標的距離が変化するときに正確な焦点を維持することが可能なオートフォーカスシステムを実装すると、大きな焦点深度すなわち大きなＦ／＃へのニーズは消え去る。ここで、より多くのラマン散乱を収集する小さなＦ／＃の収集光学素子が使用され得、ラマンセンサシステム全体のＳ／Ｎ比を対応して増加させる。
【００６８】
本発明の実施形態に従って、かつ図６を参照して、望遠鏡光学素子の一次ミラーは、平行移動ステージ（図示せず）上を動くように構成され、関心のある範囲の全ての標的距離に対する正確な焦点合わせを可能にする。
【００６９】
標的距離は、小さなレンズ（可能性としては直径でほんの数ｍｍ）の使用によって推定され、該レンズは該標的上のＵＶレーザビームスポットを直線検出器アレイ６１０上に画像化する。（任意の他の波長における任意の他の同一アラインメントのレーザビームがまた使用され得る）。収集光学素子の軸から外れてレンズが位置しているので、視差が生じ始める。標的距離は、直線アレイ６１０上の画像スポットの場所によってマップされる。図６において、標的距離が範囲Ａ−Ｂに対して変わるとき、直線アレイ上の画像スポットはＡ’とＢ’との間の範囲になる。画像化レンズ６１５の焦点距離は、概して、範囲Ａ’−Ｂ’がアレイ幅の十分な部分を覆うように選択される。
【００７０】
直線アレイ上の画像スポットの場所は、最も大きい信号を受信する画素によって決定される。重心アルゴリズムが実装されて、標的距離測定の精度を増大させ得る。スポット画像画素座標の標的距離への連続的な写像を可能にするために、まず、較正手順が好ましくは実行される。この手順において、システムは、関心のある範囲に対して拡散された、幾つかの異なる標的距離（典型的には３ｍ〜６ｍ）において、手動で最良の焦点に合うようにされる。各標的距離に対して、２つの量が記載される。すなわち、直線アレイ６１０上の最も明るい画素の座標と、平行移動ステージ上で読み取られる位置エンコーダとである。方程式は、次いで、画素座標と対応する標的距離との間の一般写像を提供するように展開される。
【００７１】
写像方程式は、典型的には、多項方程式であり得るが、多くの他の式も用いられ得る。焦点が、どの程度正確に標的距離範囲に対して必要とされているかに依存して、方程式は二次、三次またはより高次になり得る。
【００７２】
一実施形態において、一次ミラーが、位置エンコーダによって適合された直線平行移動ステージに取り付けられた。画素座標を対応するエンコーダカウント数に相関させる二次多項式が生成された。標的距離サンプリングレート、および焦点多項式を求めるプロセッサチップの速度は共に、所望の焦点応答レートをサポートするように十分速くなければならない。例として、サンプリングは、２５０〜４００Ｈｚで行われ得る。
【００７３】
画像化レンズのＦ／＃が調節されることにより、高反射の表面が検出器の近飽和（ｎｅａｒ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）を引き起こし得る。黒いアスファルトなどのより暗い表面はより小さな信号を生成する。スポットが、直線アレイ６１０全体に対して正確に焦点を合わせることを可能にするために、アレイが好ましくはＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角として公知の角度で傾けられることが好ましい。図６に示される配置において、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角は、直線アレイ６１０のチルト角であり、この角度が点ＡおよびＢを含む、歪んだ（ｓｋｅｗｅｄ）標的平面における全ての場所に対する最良のスポット焦点を与える。概して、画像空間におけるＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角は、レンズ倍率によって分割される標的平面チルト角によって与えられる。
【００７４】
しかしながら、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ角とは異なる角度で直線アレイ６１０を傾けることにおいて有益であり得る。このような角度において、直線アレイ６１０上の画像スポットは、大きな標的距離に対して焦点を合わせられ得、小さな標的距離に対しては焦点から外れ得る。この手段によって、直線アレイ６１０上の画素に向かう照射が通常予期される変動の二乗の逆数と比較して、標的距離へのより平坦な依存性を有し得る。このスキームによって、直線アレイのダイナミックレンジのより大きな部分が、次いで、標的距離の変化ではなく、標的反射性の変化に割り当てられ得る。
【００７５】
調節され得る標的反射性範囲をさらに増加させるために、フィルタ６３０は、高い反射性の標的から受信される光の量を減少させるように、直線アレイの前に配置され得る。フィルタは、次いで、標的反射性がより小さくなったとき取り除かれ得る。直線アレイ上のピーク信号をある基準レベルと比較することによって、いつフィルタを使用するかに対する決定がなされ得る。標的反射性調節範囲はまた、第２のレーザ（可能性としては可視レーザダイオード）を焦点基準として用いることによって、増大され得る。このレーザは、標的反射性が高いとき減少した出力で進行し得、低い反射性に対して増大した出力で進行し得る。Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件から逸脱することによって、そしてフィルタの使用によって、および／または上述の方法でレーザ出力を変更することによって、非常に大きな標的反射性範囲が調節され得る。
【００７６】
本発明の実際の実装において、薄い円柱レンズが、画像化レンズのすぐ前に用いられた。（このレンズは画像化レンズのすぐ後ろにも同様に配置され得る）。このことは、直線アレイ上にスポット画像ではなく、直線画像を生成した（この画像の寸法は典型的に１０μｍ×１０，０００μｍ）。直線画像は、アレイ長に対して正しい角度で配向された。円柱レンズは、直線アレイから得られる位置分解能に劣化をもたらさないが、画像スポットの進行線に対する直線アレイのアラインメント許容性が、有意に、典型的に約１桁、緩和されることを可能にする。
【００７７】
別の実施形態において、（組み込み式位置エンコーダを有する）直線アクチュエータモータが二次ミラーを駆動させるために使用された。モータは、二次ミラーのフットプリント内に適合して、さらなる光の遮蔽を避けるために十分に小さかった。二次ミラーが、一次ミラーよりも典型的に一桁または二桁軽量であり得るので、作動速度は大きく増加され得、より速い焦点応答を導く。
【００７８】
本明細書に記載されるようなオートフォーカスシステムの使用は、幾つかの利点を有する。例えば、標的のスキャンをしながら、焦点を連続的に調節しなければならないストレスのかかる手動タスクを、システムオペレータから取り除く。また、非常に大きな標的距離範囲（典型的には０．１ｍ〜３ｍ、さらには１０ｍまで）が、容易に、かつオペレータのストレスなしに、調節され得る。
【００７９】
さらに、手動で得られる焦点よりもさらにより精度の高い焦点を提供するオートフォーカスシステムを有することにより、ラマン散乱収集光学素子の本質的な焦点深度が、（典型的には＋／−１ｍｍまで）大幅に減少され得る。このことは、収集光学素子のＦ／＃がより小さくなり、かつ収集されるラマン散乱がより大きくなる、用いられる標的距離をより小さくすることを可能にする。Ｓ／Ｎにおけるより大きな増加が、システム検出感度と、信頼性とを対応して増大させることを可能にする。
【００８０】
さらに、より多くのラマン散乱が収集されることを可能にすることによって、同一の信号収集を維持しながら、標的領域のスキャン速度が増大され得る。例えば、収集されるラマン散乱における１０倍の増加は、同一の検出器に導かれる信号に対して、比例したスキャン速度の増加を可能にする。このことは、所与の標的領域をスキャンするための総時間における比例した減少を導く。
【００８１】
さらに、精度の高いオートフォーカスによって、ピント外れ（ｄｅｆｏｃｕｓ）に起因する残りの収差は、光学素子の収差量よりも少ない。結果として、相対的により洗練された（高価な）光学素子（例えば、非球面レンズなど）への依存性を減少させることが可能であり得る。
【００８２】
また、オートフォーカスは、標的におけるレーザスポットが、収集ファイバ束の中心に正確に画像化されることを可能にする。このことは、ファイバ束の直径が、該ファイバ束のファイバ数の対応する減少によって減少されることを可能にする。（例えば、３７本のファイバ束または１９本のファイバ束が、実際のシステムの実装において用いられている現在の６１本のファイバ束の代わりに、実行可能になり得る）。このことは、より短いスリット長を導き、このスリット長の画像がここで、ＩＣＣＤの検出器アレイのサブセットのみを占める（すなわち、ＩＣＣＤの検出器の部分）。このサブセットにおいて画素を読み出すことによって、検出器ノイズが比例した減少を示し得る。
【００８３】
上記の代替として、収集ファイバ束に対するレーザスポットの倍率が増大され得、画像空間開口数（ＮＡ）において比例した減少を与える。このことは、比例してより小さな直径の光学素子を有するより小さなＮＡスペクトログラフの使用を可能にする。同一の画質を提供するために、これらの光学素子は複雑性が減少し、光学素子を少なくし得、最終的な結果は高価なスペクトログラフ光学素子を少なくする。
【００８４】
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、本明細書の精神および必須の特徴から逸脱することなしに他の特定の形式に組み込まれ得る。それゆえ、上述の実施形態は、それぞれ全ての例示に入ると考慮され、限定を意味するものでない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、本発明の実施形態とともに用いられ得るラマン分光測定システムの概略的な機能図である。
【図２】図２は、爆発性ＴＮＴに対するラマンスペクトルのグラフである。
【図３】図３は、爆発性ＴＮＴに対するラマンスペクトルのグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態を、ブロック図の形式で示す。
【図５】図５は、無人の地上車両を描き、該地上車両に本発明が組み込まれ得る。
【図６】図６は、本発明に従う、オートフォーカスシステムを描く。
【図１】
2010101757.tif 000003
【図２】
2010101757.tif 000004
【図３】
2010101757.tif 000005
【図４】
2010101757.tif 000006
【図５】
2010101757.tif 000007
【図６】
2010101757.tif 000008