(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマンスペクトロスコピーを行う方法であって、該方法は、
レーザー光を用いて、塗装された表面上に配置された極微量の標的物質を照射することと、
該極微量の標的物質から反射されたレーザー光およびラマンリターン信号を受信することと、
該標的物質に対するラマンシグネチャーを得るために、少なくとも分光写真器およびカメラを用いて該ラマンリターン信号を処理することと、
該標的物質に対する該ラマンシグネチャーおよびラマンシグネチャーのデータベースに基づいて該標的物質を識別することと
を含み、
該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも０．１であり、該ラマンリターン信号の該電力対蛍光電力の該比率は、７００−２０００波数（ｃｍ−１）のラマン信号ウェーブバンドにわたって絶対スペクトル差を算出することによって引き出される、方法。
【請求項２】
前記ラマンリターン信号の前記電力対蛍光電力の前記比率は、０．１と０．５との間である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ラマンリターン信号の前記電力対蛍光電力の前記比率は、０．５より大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記標的物質は、乗り物のパネル上に位置決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザー光は、約２４８ｎｍの波長を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記標的物質は、約１００μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記標的物質は、約５０μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記標的物質は、約５μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザー光の電力は、約１００ｍＷである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、前記標的物質は、４５μｇの質量を有するＰＥＴＮである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、前記標的物質は、５μｇの質量を有するＲＤＸである、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、前記標的物質は、５００ｎｇの質量を有するＡＮである、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
レーザー光を用いて、塗装された表面上に配置された極微量の標的物質を照射することと、
該極微量の標的物質から反射されたレーザー光およびラマンリターン信号を受信することと、
該標的物質に対するラマンシグネチャーを得るために、少なくとも分光写真器およびカメラを用いて該ラマンリターン信号を処理することと
を含み、
該レーザー光の波長が、２４８ｎｍであり、該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも０．２であり、該ラマンリターン信号の該電力対蛍光電力の該比率は、７００−２０００波数（ｃｍ−１）のラマン信号ウェーブバンドにわたって絶対スペクトル差を算出することによって引き出される、方法。
【請求項１４】
前記標的物質は、乗り物のパネル上に配置される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザー光の電力は、約１００ｍＷである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記レーザー光を放射するレーザーと前記標的物質とのスタンドオフ距離は、約１０メートルである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記標的物質は、４５μｇの質量を有するＰＥＴＮである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
２４８ｎｍの波長でレーザー光を生成するレーザーと、
該レーザー光によって励起された極微量の標的物質からラマンリターン信号を受信するように構成されるテレスコープと、
該テレスコープを介して受信される該ラマンリターン信号を、該ラマンリターン信号の構成波長に分散することと、対応する光学信号を生成することとを行うように構成される分光写真器と、
該分光写真器と連絡し、該分光写真器から出力された該光学信号を電気信号に変換するように構成されるカメラと
を含む装置であって、
該装置が使用中であるとき、該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも約０．１であり、該ラマンリターン信号の該電力対蛍光電力の該比率は、７００−２０００波数（ｃｍ−１）のラマン信号ウェーブバンドにわたって絶対スペクトル差を算出することによって引き出される、装置。
【請求項１９】
前記電気信号を、ライブラリー内に格納されるラマンシグネチャーのうちのそれぞれと比較することと、前記標的物質を識別することとを行うように構成される分析コンピュータをさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記レーザー光の電力は、約１００ｍＷである、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年８月１７日に出願した米国仮出願番号６１／３７４，４６５の利益を主張する。上記仮出願は参照することによって、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（本発明の分野）
本発明は、ラマンスペクトロスコピーに関し、特に、深紫外線スペクトル領域のレーザー光を用いてスタンドオフラマンスペクトロスコピーを行うためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（本発明の背景）
化学因子または生物学的因子に曝されることの危険は、深刻であり得る。例えば、事故による意図しなかった放出の結果、または、故意の送達の結果であろうが、（１）放出される因子のタイプおよび（２）汚染の正確なエリアを迅速かつ正確に識別することが望ましい。このような危険な物質の迅速かつ正確な検出は、起こり得る負傷者を減らし、そして、例えば、風、人および動物の接触等による因子のさらなる拡散を制限することにおいて重要な要因であり得る。
【０００４】
同様に、爆発性の物質を迅速かつ正確に識別することを可能にするのが重要である。このような検出は、セキュリティおよび軍事環境において特に重要である。検出がより早く行われ得るほど、職員がより早く避難され得、または他の適切な対策が取られ得る。
【０００５】
表面堆積した化学汚染を測定するように設計される、従来の遠隔センサーテクノロジーは、汚染の物理的なサンプルを回収する乗り物および関連のテスト装備を用い、そして次にサンプルを分析するための極めて厄介かつ時間がかかるプロセス、例えば、化学因子に対するテストのための質量スペクトロメータと連結される機械的サンプリングホイールシステムを使う。
【０００６】
このようなアプローチの複雑さを考慮して、より新しく、より簡単なテクノロジーが所望された。この所望に応答する１つの新興のテクノロジーは、一般的に、「スタンドオフ表面検出」と呼ばれ、実際に物質と物理的に接触する必要なしに、物質の検出を可能にするテクノロジーのカテゴリを指す。これらの検出システムの目標は、化学的脅威および生物学的脅威を検出し、識別し、位置決定し、定量し、警告し、そして報告するための能力を提供することによって、（さらなる）汚染を避けるように軍事部隊または民間職員に十分早い警告を与え、そして適切な反撃対策を展開することである。
【０００７】
スタンドオフ表面検出を可能にするテクノロジーのうちの１つは、ラマンスペクトロスコピーである。ラマンスペクトロスコピーは、材料を特徴づけ、その後このような材料を識別するために使われる。典型的に、レーザートランスミッタは、高い放射照度を有する、スペクトル的に狭い光源として役に立つ。レーザーは、とりわけ、化学的化合物、生物学的因子、または爆発性の材料のような既知または未知の物質を照射する。入射光の一部分は、物質によってラマン散乱される。この光は、全空間方向に散乱されるだけではなく、離散したな波長にスペクトル的にシフトされる。これらの波長シフトは、物質の分子結合に関連する固有振動エネルギーに対応する。
【０００８】
従来のスタンドオフラマンスペクトロスコピーシステムにおいて、ラマン散乱光は、テレスコープによって収集され、分散光学システム内に結合される。テレスコープは、収集された光を、例えば、光学ファイバーバンドル上に集光する。ファイバーバンドルの反対の末端において、個々のファイバーは、格子ベースの分光写真器に対して入口スリットを形成するように直線状に配向される。電気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、既知または未知の物質の「指紋」として役に立つ。分析コンピュータは、既知の物質を識別する情報を加えて、参照スペクトル情報を格納し、大低、事前に分析され、かつ「指紋化された」参照物質のスペクトルライブラリー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使用する。
【０００９】
実験室ベースのラマンスペクトロスコピーシステムは、長年使われている。最近、ポータブルラマンシステムは、サイズが減少した部品および固有の組み込み技術の結果として可能になった。１つのこのようなポータブルシステムの記述は、特許文献１に見出され得、上記文献が参照することによって本明細書に組み込まれる。バックパックにインプリメントされた、人間可搬型ラマンセンサーはまた、最近ＩＴＴ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）によって実地利用されてきた。そのシステムの側面は、「Ｍｅｔｈｏｄ，  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  ａｎｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｓｔａｎｄｏｆｆ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ」という名称の特許文献２に記載され、上記文献も参照することによって本明細書に組み込まれる。トラック搭載型のラマンセンサーはまた、今日までに実地利用されてきた。なおラマンスペクトル測定法のさらなる議論のために、特許文献３にも参照がなされ得、上記文献も参照することによって本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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７，７９６，２５１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７８８，４０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これらの公知のシステムがあるのにかかわらず、特に、極微量または残余の爆発性の物質を識別することに責任がある民間および軍事職員の両方のニーズに合うように異なる形態のラマンセンサーを提供するニーズが残る。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の実施形態の要約）
本発明は、危険な物質またはアイテムのすぐ近くに存在する必要性を避けるために使用され得るラマンスペクトロスコピーシステムの固有のインプリメンテーションを提供する。より具体的には、本発明に従う実施形態によって、職員は、爆発性の材料（例えば、ＴＮＴおよびＲＤＸ）、手製の爆発物およびそれらの前駆体、ならびに化学兵器（ＣＷＡ）と有毒の工業化学因子（ＴＩＣ）を含む化学物質を含むがそれらに制限されない未知の物質またはアイテムの存在に対して、建物、機器、乗り物、航空機、および他の人工または自然な表面の検査を含む遠隔であるが、感度の高いサイト利用を行うための能力を提供される。本発明の実施形態の有意な利点の１つは、爆発物が隠され得る位置に職員を配置する必要がなく、急造爆発性のデバイス（ＩＥＤ）または乗り物上の少量の爆発物を捜索し、かつ検出するための能力である。
【００１３】
本発明の実施形態の他の利点は、テクノロジーが、（１）非接触スタンドオフシステムであり、（２）表面汚染のマッピングを可能にし、（３）迅速な応答（典型的に、検出を行うために数秒のみ）を提供することを含む。
【００１４】
本発明の実施形態のこれらおよび他の特徴と、それらの付帯の利点は、関連する図面に関する以下の詳細な説明を読むことでより完全に認識される。
【００１５】
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
ラマンスペクトロスコピーを行う方法であって、該方法は、
レーザー光を用いて、塗装された表面上に配置された極微量の標的物質を照射することと、
該極微量の標的物質から反射されたレーザー光およびラマンリターン信号を受信することと、
該標的物質に対するラマンシグネチャーを得るために、少なくとも分光写真器およびカメラを用いて該ラマンリターン信号を処理することと、
該標的物質に対する該ラマンシグネチャーおよびラマンシグネチャーのデータベースに基づいて該標的物質を識別することと
を含み、
該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも約０．１である、方法。
（項目２）
上記ラマンリターン信号の上記電力対蛍光電力の上記比率は、０．１と０．５との間である、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目３）
上記ラマンリターン信号の上記電力対蛍光電力の上記比率は、０．５より大きい、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目４）
上記標的物質は、乗り物のパネル上に位置決定される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目５）
上記レーザー光は、約２４８ｎｍの波長を有する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目６）
上記標的物質は、約１００μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目７）
上記標的物質は、約５０μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目８）
上記標的物質は、約５μｇ／ｃｍ２以下の濃度である爆発性の材料の残余を含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目９）
上記レーザー光の上記電力は、約１００ｍＷである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１０）
上記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、上記標的物質は、４５μｇ以下のＰＥＴＮである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
上記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、上記標的物質は、５μｇ以下のＲＤＸである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
上記ラマンリターン信号は、少なくとも１０メートルのスタンドオフ距離から検出され、上記標的物質は、５００ｎｇ以下のＡＮである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
レーザー光を用いて、塗装された表面上に配置された極微量の標的物質を照射することと、
該極微量の標的物質から反射されたレーザー光およびラマンリターン信号を受信することと、
該標的物質に対するラマンシグネチャーを得るために、少なくとも分光写真器およびカメラを用いて該ラマンリターン信号を処理することと
を含み、
該レーザー光の波長が、２４８ｎｍであり、該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも約０．２である、方法。
（項目１４）
上記標的物質は、乗り物のパネル上に配置される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
上記レーザー光の上記電力は、約１００ｍＷである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
上記レーザー光を放射するレーザーと上記標的物質とのスタンドオフ距離は、約１０メートルである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
上記標的物質は、４５μｇ以下のＰＥＴＮである、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
２４８ｎｍの波長でレーザー光を生成するレーザーと、
該レーザー光によって励起された極微量の標的物質からラマンリターン信号を受信するように構成されるテレスコープと、
該テレスコープを介して受信される該ラマンリターン信号を、該ラマンリターン信号の構成波長に分散することと、対応する光学信号を生成することとを行うように構成される分光写真器と、
該分光写真器と連絡し、該分光写真器から出力された該光学信号を電気信号に変換するように構成されるカメラと
を含む装置であって、
該装置が使用中であるとき、該ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率が、少なくとも約０．１である、装置。
（項目１９）
上記電気信号を、ライブラリー内に格納されるラマンシグネチャーのうちのそれぞれと比較することと、上記標的物質を識別することとを行うように構成される分析コンピュータをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の装置。
（項目２０）
上記レーザー光の上記電力は、約１００ｍＷである、上記項目のいずれかに記載の装置。
【００１６】
（摘要）
ラマンスペクトロスコピーを行う方法、および、レーザー光を用いて、塗装された表面上に配置される標的物質の微量を照射することと、標的物質の微量から反射されたレーザー光およびラマンリターン信号を受信することと、標的物質に対するラマンシグネチャーを得るために、少なくとも分光写真器およびカメラを用いてラマンリターン信号を処理することと、標的物質に対するラマンシグネチャーおよびラマンシグネチャーのデータベースに基づいて標的物質を識別することとを含む方法を行うための装置。レーザー光の波長は、ラマンリターン信号の電力対蛍光電力の比率に基づいて、選択され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従うラマンスペクトロスコピーシステムの概略的な機能ダイヤグラムである。
【図２】図２は、３つの識別された共鳴領域を含むラマンフォトン効率因子のプロットを描く。
【図３】図３Ａ−Ｃは、本発明の実施形態に従って行われる実験に関連して使われる乗り物パネルから記録される蛍光スペクトルのプロットを描く。
【図４Ａ】図４Ａは、爆発性の物質ＰＥＴＮに対して、ラマン対蛍光の電力比率のデータを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、爆発性の物質Ｓｅｍｔｅｘに対して、ラマン対蛍光の電力比率のデータを示す。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、本発明の実施形態に従って行われる実験に関連して使われる、選択された乗り物パネルのスペクトルのプロットを描く。
【図６】図６Ａは、１０メートルスタンドオフで２４８ナノメートル励起を用いて、ＰＥＴＮに対するラマンシフトのプロットを描く。図６Ｂは、１０メートルスタンドオフで２４８ナノメートル励起を用いて、ＴＮＴに対するラマンシフトのプロットを描く。
【図７】図７Ａは、本発明の実施形態に従う方法に関連してアルミニウムコートのガラス上のＡＮの残余に対するラマンシフトのプロットを描く。図７Ｂは、本発明の実施形態に従う方法に関連して乗り物パネルの表面上のＡＮの残余に対するラマンシフトのプロットを描く。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ラマンシグネチャーは、材料に対して独特かつ特有である傾向があり、従ってスタンドオフ距離で爆発物を識別するためのこの「光学指紋」技術は、多くの注目を受けてきた。ラマン信号は、レーザー励起を用いて生成され得、多くの研究は、近赤外線、可視、およびＵＶスペクトル領域において爆発物の検出のためのラマンスペクトロスコピーを評価するように行われている。この柔軟性は、ラマンシステムの開発を促し、いくつかのラマンシステムが、数十メートルから爆発物を検出することを可能にする。
【００１９】
この点において、多くの学術研究は、長いスタンドオフ距離の実行可能性または特定の二重センサーコンセプトのポテンシャルを証明するような、爆発物の検出のためのラマンスペクトロスコピーの１つの側面のみに集中する。概して、これらの研究は、特に実世界の実地動作に類似していない実験状況下で行われる。例えば、Ｐｅｔｔｅｒｓｓｏｎ，Ａ．；Ｗａｌｌｉｎ，Ｓ．；Ｏｅｓｔｍａｒｋ，Ｈ．；Ｅｈｌｅｒｄｉｎｇ，Ａ．；Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ，Ｉ．；Ｎｏｒｄｂｅｒｇ，Ｍ．；Ｅｌｌｉｓ，Ｈ．；Ａｌ−Ｋｈａｌｉｌｉ，Ａ．、Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ，２０１０，７６６４，７６６４１Ｋ−１に示される研究は、硝酸アンモニウム（ＡＮ）が、５３２ｎｍラマンシステムを用いて室外で４７０メートルの距離から検出され得ることを証明したが、データは、基本的に実験室状況を用いて記録された。具体的に、バルクＡＮの５００ｍＬ容器は、１０Ｈｚの繰り返しレートで３２０ｍＪのパルスエネルギー（すなわち、約３．２ワットのレーザー電力）を用いて、１−１０秒の周期に対して調査された。
【００２０】
距離を増やすことおよび非常に低い濃度で多くのタイプの爆発物を検出することは、興味のエリアであり続ける。本明細書に記述されるのは、中程度のレーザー電力（約１００ミリワット）を用いて１０メートルのスタンドオフ距離から、３μｇ／ｃｍ２〜５０μｇ／ｃｍ２ほど低い濃度で、ＴＮＴ、ＰＥＴＮ、およびＡＮを検出するために示されるＵＶラマンセンサーである。重要なことには、この感度のレベルは、数秒のオーダーの時間フレームで実地に関連する背景上の爆発物の残余に対して証明される。上記のことは、乗り物パネルの塗装された表面のような実世界の背景が、しばしば蛍光でラマン信号を圧倒することによってラマンスペクトロスコピーの感度を制限するので、キーポイントである。さらに、励起波長の選択は、存在する材料の量に関連する。
【００２１】
いくつかの爆発物を検出することは、これらの材料からのラマン散乱が吸収によって課される制限を克服するのに不十分であるので、特に困難であり得る。概して、強い吸収は、入射レーザービームによる標的内の侵入を制限し、ラマン信号に寄与し得る材料の体積を最小限にする。新興のラマン信号はまた、受信機へのパスに沿う標的によって吸収される。その結果、ラマン信号に寄与し得る材料の量は、強い吸収の爆発物に対して薄い層に制限される。ＲＤＸおよびＨＭＸは、２２５ｎｍと２７５ｎｍとの間に強く吸収し、信号に寄与する材料の厚さは、（２５７ｎｍの励起に対して）０．３μｍ未満であると予測される。最終的に、信号強度は、吸収だけではなくラマン散乱の効率にも依存する。例えば、ＴＮＴからのラマン散乱が、２５７ｎｍの励起を用いると、ＲＤＸからのラマン散乱より約１００倍強いので、吸収がＴＮＴに対する理論的相互作用の深さを約１００ｎｍに制限することにもかかわらず、ＴＮＴから得られるラマン信号は、ＲＤＸから得られるラマン信号よりかなり大きい。
【００２２】
本発明の実施形態は、表面の化学因子からラマン散乱を生成するために深ＵＶレーザーを使う。ラマン散乱は、概して、周知のν４効果および共鳴増加として知られる現象の発生のために、可視および赤外線光よりＵＶレーザー光を用いて大いに強い。重要なことには、可視および赤外線レーザーを用いて得られるラマン信号と異なり、共鳴増加は、背景から得られるスペクトル特徴と比較されるときに標的の爆発物のスペクトル特徴を強調する傾向があり、小さい量の爆発物を検出することを可能にさせる。さらに、システムは、ソーラブラインドであり、背景の蛍光からの干渉は、最小である。単一周波数レーザーは、使用され得、処理は、差分イメージング技術に対して必要とされるピクチャ間の位置合わせを必要としない。
【００２３】
図１は、本発明の一つの可能なインプリメンテーションに従うラマンスペクトロスコピーシステムを描く。スキャナ１７０は、以下により詳細に議論されるように、関連表面からの蛍光を避けるために、４００ｎｍ未満、好ましくは２５０ｎｍ未満、より好ましくは約２４８ｎｍの波長領域で単一周波数に同調されるＵＶレーザー１０を含む。レーザーの出射ＵＶビームは、安全シャッタ２０およびビーム調整光学系３０を介して標的物質に放射することを可能にされる。ビーム調整光学系３０は、受信器テレスコープ７０の調査スポットサイズにマッチするようにビームの特性を調整する。このビームは、システムから、例えば、爆発性の材料または前駆体のような極微量の未知の化学因子の微量が体積される表面に放射する。本明細書において使われる場合、句「極微量」は、物質の残余、標本等を指すように意味され、かつバルク材料と区別されるように意味される。極微量は、例えば、約１００μｇ／ｃｍ２であり得る。
【００２４】
ＵＶレーザー光は、標的表面および表面の堆積された化学因子と相互作用する。リターン光は、表面および標的化学因子からのレイリー散乱光およびラマン散乱光からなる。ＵＶレーザーと平行に、距離計４０は、システムから調査の表面までの範囲を検出する。距離計４０からのデータは、ビーム調整光学系３０をコントロールし、自動焦点コントロールモジュール６０を介して受信するテレスコープ７０の集光をコントロールするためにコントロール電子系５０によって使われ得る。
【００２５】
テレスコープ７０は、レイリー散乱光およびラマン散乱光を受信し、それを光学フィルタリングおよびビーム成形または調整モジュール８０上に集光する。光学フィルタリング部分は、レイリー散乱（基本的なＵＶレーザー光）をフィルタし、結果のフィルタされた光をファイバー光学バンドル９０の末端上に集光する。ファイバー光学バンドルの近い末端は、結合を最大限にするために、ほぼ円形の配置で配列される。遠い末端、分光写真器１００に最も近い末端は、好ましくは、個々のファイバーの直線アレイで配列され、スリットを作る。具体的な設計に依存して、直線アレイは、分光写真器１００内に生じる光学効果をオフセットするための浅いｖ配列で配列され得る。分光写真器１００は、受信された光をその構成波長に分散し、光を電荷結合デバイスまたは他のアレイ検出器（カメラ１１０と呼ばれる）上に集光するために、格子および光学部品を使う。カメラ１１０は、ラマンリターン信号を増幅するために増倍型ＣＣＤ（ＩＣＣＤ）であり得る。カメラ１１０は、光学信号を、各波長ビンにおいて光の振幅を表す電子波形に変換する。次に、この信号は、処理され、そして分析コンピュータ１２０内のシグネチャーのライブラリーに対して比較される。処理は、測定された信号およびライブラリースペクトルが同じシステムによって測定されるように現れるように、受信された信号から任意の残余のベースラインの除去とシステムのスペクトル応答を用いてライブラリースペクトルを事前に調整することとを含み得る。分析コンピュータ１２０がマッチを決定するとき、コンピュータは、オペレータに検出された材料の存在、名前等を示す可視、可聴、および／またはテキストの通知（参照数字１３０で示される）を提供する。
【００２６】
分析されるべき光景は、ビデオカメラ１４０を用いて観察され得る。システムは、システムオペレータに調査エリアを示す指示子１５０を用いて観察のテレスコープのフィールドを照射する。いくつかの適用において、距離計４０のビームは、指示子として使われ得る。オペレータは、スキャナ１７０全体をコントロールするスキャンコントロールコンピュータ１６０を用いて興味のエリアをスキャンするようにシステムを指示する。スキャンは、ビデオの光景を見ると同時に手動で完成され得、またはオペレータは、ビデオディスプレイ上、彼がスキャンしたいエリアを指定し得る。次に、スキャンコントロールコンピュータ１６０は、ＵＶレーザー１０およびテレスコープ７０のスキャンパスを計算する。スキャンは、１つ以上の標的物質の存在に関して興味のエリアをマップするためのマッピング機能の一部分としても使われ得る。
【００２７】
当業者によって認識されるように、このシステムは、爆発物およびそれらの前駆体を含む特定の化学因子に対して表面を遠隔に調査するように使われ得る。他の化学因子はまた、それらのスペクトルがアルゴリズムによって使われるアクティブなライブラリーに含まれる場合、検出され得る。一可能なインプリメンテーションにおいて、システムは、移動可能またはモバイル乗り物上に展開され得る。
【００２８】
本明細書に記述される重要な側面は、レーザー光の波長の選択である。実世界の背景の蛍光からの干渉を最小限にすると同時にサンプル劣化を避けることは、より複雑かつ速いゲートの検出器を使わないシステムにおいて適切なレーザー波長を選択するための一次ドライバーであるように決定される。現象論の研究は、３２枚の乗り物パネル（そのうちのいくつかが後の表にリストされる）を含む実世界の背景上の爆発物をスペクトロスコピー的に特徴づけるように着手される。以下より詳細に議論されるように、２４８ナノメートルでのレーザー励起は、蛍光干渉およびサンプル劣化を十分に最小限にする。
【００２９】
いくつかの爆発物からのラマン応答は、２２５ｎｍと２７５ｎｍとの間のレーザー励起を用いて調査された。以下の理由のために、２５７ｎｍ付近の励起が爆発物の残余を検出するのに対してよく適し得ることが結論される。
【００３０】
１）少数のランダムに選択された乗り物パネルから記録される予備データは、２５７ｎｍより長い波長でのレーザー励起によって生成される蛍光が、微量爆発物に対する感度を大いに減らし得ることを示す。
【００３１】
２）簡単な予測は、ラマン信号の強度がより長い励起波長を好み、２５７ｎｍでテストされる爆発物のうちのいくつに対して最大であることを示す。
【００３２】
３）強く吸収するサンプルは、２５７ｎｍより短いレーザー波長を用いて記録されるときに、光劣化に対して証拠を示すラマンシグネチャーを生む傾向がある。
【００３３】
これらの要因は、概して、ラマン信号強度が励起波長によって分けられる「ラマンフォトン効率因子」を記述する。Ａｌｂｒｅｃｈｔ理論が、最も大きいラマン断面に対して波長を予測し得るが、この近似はただ、再吸収の効果とサンプルへの光侵入とをラマン信号強度に取り入れていない。図２は、３つの領域に記述され得るラマンフォトン効率因子のプロットである。
【００３４】
・非共鳴波長：ν４依存の支配；モル吸光係数由来の小さい分散
・共鳴に接近または共鳴の前：ラマン散乱の急激な増大およびモル吸光係数の比較的により小さい増大
・高共鳴、高吸光係数：結果としてフォトン／熱誘起の変化または劣化の高い可能性を生じるモル吸光係数に対して少量のラマン散乱強度増加
励起波長が共鳴に接近するとき、ラマン信号強度が増大された散乱強度、しかしより小さいフォトン−分子相互作用によってバランスを保たれることが見出される。励起波長が最適共鳴により近く移動するとき、ラマン信号強度の増大は、信号強度がシステムのノイズ／干渉または効率と競争するポイントに対して非常に小さいフォトン−分子相互作用によってさらに抑えられる。活性／爆発性の材料が小さいセットのグループで分類され得るが、各材料は、特有のラマンフォトン効率プロフィールを有する。信号強度対レーザー波長のデータを収集するための実験は、２５７ｎｍ付近の励起が、１００マイクロメートルの厚さである爆発性の材料ＰＥＴＮと、爆発性の材料の成分ＵＮおよびＡＮとのサンプルに対して（理論的に）可能な最大信号に近いことを示した。爆発性の材料ＴＮＴ、ＲＤＸ、およびＨＮＸに対する類似なデータは、１００マイクロメートルのサンプルに対してより小さい程度の変化を示し、しかし、信号強度は、常により長い波長でより強くなる。
【００３５】
追加のデータを得るために、さらなる研究は、蛍光がひどく感度を制限するか否かを決定するために、爆発物の２５７ｎｍのラマン信号をランダムに選択された乗り物パネルから得られたスペクトルと比較する。乗り物パネルのうちのいくつかは、２５７ｎｍの照射で蛍光を圧倒することを示す。このように、３つの追加のレーザー波長（２５３ｎｍ、２４８ｎｍ、および２４４ｎｍ）も評価される。励起波長は、小さいステップ（Δλ＝４ｎｍまたは５ｎｍ）で増大されるので、ラマン信号が、背景からの干渉信号およびラマンフォトン効率因子に対して最適である「ラマン対蛍光の電力比率」を識別することが可能である。
【００３６】
図３Ａ〜３Ｃに示されるのは、それぞれに２５７ｎｍ、２５３ｎｍ、および２４８ｎｍで動作するＴｉ：サファイアレーザーを用いて記録され、１７枚のランダムに選択される、塗装された乗り物パネルから得られる蛍光スペクトルである。理解され得るように、観察された蛍光の強度は、励起波長が２５７ｎｍから２４８ｎｍにシフトされるとき、著しく減少する。重要なことには、研究は、興味の爆発物からのラマン信号の強度が、励起波長に対して劇的に変化しないことを示す。従って、２４８ｎｍの励起でより大きいラマン対蛍光の電力比率は、重要である。このポイントは、爆発性の材料に対する背景として示された乗り物上に、それぞれに処理されるＰＥＴＮおよびＳｅｍｔｅｘ（ＰＥＴＮおよびＲＤＸを含む調合物）に対するラマン対蛍光の電力比率を示す図４Ａおよび４Ｂに示されるデータによって理解される。
【００３７】
本明細書に記述される実験において使われる乗り物の詳細は、
【００３８】
【表１】
0005885964.tif 000002
を含む。アステリクスによって示される乗り物からのパネルは、以下さらに議論されるように別個の実験で使用される。
【００３９】
興味のウェーブバンドにおけるラマン対蛍光の電力比率は、７００−２０００波数（ｃｍ−１）のラマン信号ウェーブバンドにわたって絶対スペクトル差を算出することによって引き出される。シグネチャーの炭素−水素結合（ＣＨ）領域（ウェーブバンド２０００−３０００）を含むことが、値をさらに減少し得、しかし爆発物の残余を検出し、かつ識別することにおいて使われる主な情報が、使われるウェーブバンドに含まれ、従ってより優れたシステム設計法が作られることを注意する。
【００４０】
実験は、適度のレーザー電力（約１００ｍＷ）を用いて、１０メートルのスタンドオフ距離から３μｇ／ｃｍ２〜５０μｇ／ｃｍ２程度の低い濃度でＴＮＴ、ＰＥＴＮおよびＡＮを検出する能力を示す。特に、明確な検出は、４５μｇ程度の質量のＰＥＴＮ、５μｇ程度の質量のＲＤＸ、および５００ｎｇ程度の質量のＡＮを含むサンプルに対して報告される。
【００４１】
より具体的には、乗り物パネル＃５、＃１５、＃３１、および＃３２（上記の表を参照）は、堆積された爆発物の残余を用いてテストするためにランダムに選択される。これらのパネルから得られるスペクトルは、図５Ａおよび５Ｂに示される。このセットのラマンスペクトルは、観察される４つのタイプのスペクトルを量的に表す。乗り物パネル＃１５からの記録された信号の強度が、他の乗り物パネルのそれらによりかなり強いと見出されることを注意する。＃３１のスペクトルは、明確さのために図５Ｂにおいて垂直にオフセットされる。周囲の窒素および酸素に起因されるラマンバンドがマークされる。酸素のラマンバンドは、各表面からのラマンバンドとのオーバーラップによって明瞭ではない。
【００４２】
図６Ａおよび６Ｂと図７Ａおよび７Ｂとに示されるのは、２４８ナノメートル励起を用いて、１０メートルのスタンドオフでさまざまな表面上に堆積されるＰＥＴＮ（図６Ａ）、ＴＮＴ（図６Ｂ）およびＡＮ（図７Ａおよび７Ｂ）の残余から得られたスペクトルである。図６Ａおよび６Ｂに示される各スペクトルは、２５回連続の取得（８５０ミリ秒の全積算時間）の平均に対応し、図７Ａおよび７Ｂのそれらは、信号加算平均の変化量を対応する。より具体的には、図７Ａは、アルミニウムコートのガラス上のＡＮの残余のＵＶスペクトルを描き、図７Ｂは、乗り物表面＃３１のプロットを示す。対応する取得の回数（各回数では３４ミリ秒）は、図７Ｂの右手側に示される。トレースは、明確さのために垂直にオフセットされる。図７Ａおよび図７Ｂに対するＡＮの推定の表面濃度は、それぞれに、目でほとんど検出されない約１０μｇ／ｃｍ２および約２０μｇ／ｃｍ２である。
【００４３】
全部の場合において、１秒未満の全積算（２５回取得）でＡＮの顕著なバンドに対して、１０より大きい信号対ノイズの比率を生むデータセットの一部分を見出すことが可能である。
【００４４】
留意されるように、本発明の実施形態は、「深ＵＶ」レーザー波長、すなわち２５０ｎｍ以下の波長を使用する。２６２ｎｍでの蛍光が、もしかしたら２５０ｎｍから１０００ｎｍまでの全波長に対して、不可能ではないが、著しいスタンドオフ範囲（５メートル超）で極微量の爆発物の検出を難しくするので、上記特定の波長範囲の使用は、重要である。本明細書に記述されるラマンセンサーは、極微量よりも多くのバルクサンプルを調査する能力も有する。
【００４５】
留意されるように、検出可能な物質は、ラマンシグネチャーを有する爆発性の材料、有毒の化学因子、生物学的および化学兵器、および他の材料を含む。
【００４６】
本明細書に記述されるシステムおよび方法は、本明細書の真意または基本的な特性から離れることがなく、他の特定な形で具体化され得る。それゆえ、上記の実施形態は、全ての観点において例示的であると考慮されるべきであり、かつ限定しないように意味される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ＵＶレーザー
２０  安全シャッタ
３０  ビーム調整光学系
４０  距離計
５０  コントロール電子系
６０  自動焦点コントロールモジュール
７０  受信器テレスコープ
８０  光学フィルタリングおよびビーム成形または調整モジュール
９０  ファイバー光学バンドル
１００  分光写真器
１１０  カメラ
１２０  分析コンピュータ
１４０  ビデオカメラ
１５０  指示子
１６０  スキャンコントロールコンピュータ
１７０  スキャナ
【図１】
0005885964.tif 000003
【図２】
0005885964.tif 000004
【図４Ａ】
0005885964.tif 000005
【図４Ｂ】
0005885964.tif 000006
【図３】
0005885964.tif 000007
【図５】
0005885964.tif 000008
【図６】
0005885964.tif 000009
【図７】
0005885964.tif 000010