(57)【要約】  本発明はサンプルを画像化する方法に関する。方法は単一取得イベント中に、第１点のための第１の偏光符号化ＥＭ場および第２点のための第２の偏光符号化ＥＭ場を含むサンプル上の点から偏光符号化電磁（ＥＭ）場を受けるステップと、第１の所定の方向に沿った第１の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第１位置の方向に変更するとともに第２の所定の方向に沿った第２の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第２位置の方向に変更するステップとを含む。方法は、第１のスペクトルを取得するために第１の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、第１のスペクトルを検出器上の第１位置に再結像するステップと、第２のスペクトルを取得するために第２の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、第２のスペクトルを検出器上の第２位置に再結像するステップと、第１および第２の再結像スペクトルを検出するステップとを含む。
2013546000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを画像化する方法であって、
単一取得イベント中に、第１の点のための第１の偏光符号化電磁（ＥＭ）場および第２の点のための第２の偏光符号化ＥＭ場を備えるサンプル上の複数の点から、複数の偏光符号化ＥＭ場を受けるステップと、
前記単一取得イベント中に、第１の所定の方向に沿った前記第１の偏光符号化ＥＭ場の方向を、分散再結像部上の第１の位置の方向に変更するとともに、第２の所定の方向に沿った前記第２の偏光符号化ＥＭ場の方向を、前記分散再結像部上の第２の位置の方向に変更するステップとを備え、
前記方法は、
第１のスペクトルを取得するために、前記第１の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、
前記第１のスペクトルを検出器上の第１の位置に再結像するステップと、
第２のスペクトルを取得するために、前記第２の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、
前記第２のスペクトルを前記検出器上の第２の位置に再結像するステップと、
前記第１の再結像スペクトルおよび前記第２の再結像スペクトルを検出するステップとをさらに備える、方法。
【請求項２】
前記第１の偏光符号化ＥＭ場は、前記第１の点について前記サンプル内でｚ方向に沿って広がる複数のＥＭ場を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
システムであって、
単一取得イベント中に、第１の点のための第１の偏光符号化電磁（ＥＭ）場および第２の点のための第２の偏光符号化ＥＭ場を備えるサンプル上の複数の点から、複数の偏光符号化ＥＭ場を受けて、第１の所定の方向に沿った前記第１の偏光符号化ＥＭ場の方向を、分散再結像部上の第１の位置の方向に変更するとともに、第２の所定の方向に沿った前記第２の偏光符号化ＥＭ場の方向を、前記分散再結像部上の第２の位置の方向に変更するように構成されたイメージマッピング部と、
第１のスペクトルを取得するために、前記第１の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散して、前記第１のスペクトルを検出器上の第１の位置に再結像するとともに、第２のスペクトルを取得するために、前記第２の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散して、前記第２のスペクトルを前記検出器上の第２の位置に再結像するように構成された分散再結像部と、
前記第１の再結像スペクトルおよび前記第２の再結像スペクトルを検出するように構成された検出器とを備える、システム。
【請求項４】
前記複数の偏光符号化ＥＭ場を発生させるととともに、前記複数の偏光符号化ＥＭ場を前記イメージマッピング部に供給するように構成された分光偏光器をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記分光偏光器は、第１の位相調節器および第２の位相調節器を備え、
前記第１の位相調節器の遅軸は、前記分光偏光器の光軸の周りに、第２の位相調節器の遅軸に対して４５度の角度を向く、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
偏光子をさらに備え、
前記偏光子の透過軸は、前記第１の位相調節器の速軸に平行である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記イメージマッピング部は、屈折特性を有する、請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
前記分散再結像部は、
前記イメージ再マッピング部からの前記複数の偏光符号化ＥＭ場を受けるように構成されるとともに、前記複数の偏光符号化ＥＭ場の各々を、取得された複数のシフト後の偏光符号化ＥＭ場にシフトするように構成された視野補正部アレイを備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記分散再結像部は、
前記複数のシフト後の偏光符号化ＥＭ場を受けるように構成されるとともに、前記第１のスペクトルおよび前記第２のスペクトルを備える前記複数のスペクトルの各々をスペクトル的に分散するように構成された分散要素アレイをさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記分散再結像部は、
前記複数のスペクトルに対して、前記検出器上に前記複数のスペクトルを再結像するように構成された再結像レンズアレイをさらに備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記検出器は、ＥＭ照射検出器の２次元アレイを備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項１２】
前記検出器は、電荷結合素子である、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
分光偏光用システムは、あらゆる種類の画像診断に必須のツールである。たとえば分光偏光システムは、空撮または顕微鏡観察における物体の区別に用いられている。従来の分光偏光システムは、たとえば回転位相調整器のような可動部を要し、複数のスペクトル用途には容易には適用できない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
概要
一般に、ある態様において、本発明はサンプルを画像化するための方法に関する。この方法は、単一取得イベント中に、第１の点のための第１の偏光符号化（polarization-encoded）ＥＭ場および第２の点のための第２の偏光符号化（ＥＭ）場を含むサンプル上の複数の点から、複数の偏光符号化ＥＭ場を受けるステップと、第１の所定の方向に沿った第１の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第１位置の方向に変更するとともに、第２の所定の方向に沿った第２の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第２位置の方向に変更するステップとを含む。この方法は、第１のスペクトルを取得するために、第１の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、第１のスペクトルを検出器上の第１位置に再結像するステップと、第２のスペクトルを取得するために、第２の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散するステップと、第２のスペクトルを検出器上の第２位置に再結像するステップと、第１の再結像スペクトルおよび第２の再結像スペクトルを検出するステップとをさらに含む。
【０００３】
一般に、ある態様において、本発明はシステムに関する。このシステムはイメージマッピング部を含む。イメージマッピング部は、単一取得イベント中に、第１の点のための第１の偏光符号化電磁（ＥＭ）場および第２の点のための偏光符号化ＥＭ場を備えるサンプル上の複数の点から、複数の偏光符号化ＥＭ場を受けて、第１の所定の方向に沿った第１の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第１位置の方向に変更するとともに、第２の所定の方向に沿った第２の偏光符号化ＥＭ場の方向を分散再結像部上の第２位置の方向に変更するように構成される。システムは分散再結像部をさらに含む。分散再結像部は、第１のスペクトルを取得するために、第１の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散して、第１のスペクトルを検出装置上の第１位置に再結像するとともに、第２のスペクトルを取得するために、第２の偏光符号化ＥＭ場をスペクトル的に分散して、第２のスペクトルを検出装置上の第２位置に再結像するように構成される。システムは、第１の再結像スペクトルおよび第２の再結像スペクトルを検出するように構成された検出部をさらに含む。
【０００４】
本発明の他の態様は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の１以上の実施の形態に従うシステムを示す図である。
【図２】本発明の１以上の実施の形態に従うチャネル（channeled）分光偏光器の概略図である。
【図３】本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光器の概略図である。
【図４Ａ】本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング部の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部の前面の概略図である。
【図５】本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部の概略図である。
【図６】本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光偏光器の概略図である。
【図７】小型高分解能イメージマッピング分光器に用いられるべき、本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部の概略図である。
【図８】本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光偏光器の斜視図である。
【図９】Ａ〜Ｃはイメージマップ分光偏光法の動作原理について説明する図式フローチャートである。
【図１０】本発明の１以上の実施の形態に従うデュアルバンドイメージマッピング分光偏光器を示す図である。
【図１１】本発明の１以上の実施の形態に従う方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
詳細な説明
本発明の特定の実施の形態は、添付図面を参照してこれから詳細に説明されるであろう。整合性のために、異なる図中の同様の構成要素には同様の参照符号が付されている。また、図面中の「図（Ｆｉｇ．）」の使用は、明細書中の「図（Ｆｉｇｕｒｅ）」の用語の使用と同等である。
【０００７】
以下の本発明の実施の形態の詳細な説明において、本発明のより深い理解を与えるために多数の具体的詳細が説明される。しかしながら、当業者にとってこれら具体的詳細がなくとも本発明が実現可能であることは明らかであろう。他の例では、説明が不必要に複雑化するのを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。
【０００８】
一般に、本発明の実施の形態はイメージマップ（image  mapped）分光偏光法に関する。より特定的には、本発明の実施の形態は、イメージマッピング分光器を用いるチャネル（channeled）分光偏光法に関する。本発明の１以上の実施の形態は、単一のスナップショットまたは単一取得イベントで、スペクトル情報および偏光情報の双方を含むサンプルまたはシーンの画像を生成するためのシステムおよび方法に関する。
【０００９】
本発明では、サンプルは、画像化され得る任意の生体もしくは非生体材料、物体、または試料である。本発明のある実施の形態において、サンプルは多数のサンプル点を含む。サンプル点は、サンプル内の特定の（ｘ，ｙ，ｚ）位置に存在し得る。サンプル点は、後方散乱電磁（ＥＭ）照射のための点源としての役割をさらに果たし得る。
【００１０】
本発明では、シーンは、イメージマッピング分光偏光器の視野内に入るすべての物体を含む。本発明のある実施の形態において、シーンは、航空機または他の空中の物体から見た地面を含む。本発明のある実施の形態において、シーンは複数の微視的な物体を含む。
【００１１】
本発明のある実施の形態において、単一取得イベントは、照射されているサンプルの（ｘｙ平面内の）表面上の複数の点から広がる多数のＥＭ場を検出部が同時に検出したときに起こり得る。複数の点の各々から広がるＥＭ場は、ｘｙ平面内の（ｘ，ｙ）位置にある点について、たとえば面状の反射表面などのさまざまな偏光物体から広がるＥＭ場に対応し得る。本発明のある実施の形態において、広がる（emanating）とは、サンプル上のある位置から反射、散乱、後方散乱あるいは放射されるＥＭ波について用いられる。本発明のある実施の形態において、取得イベントの開始および終わりは、検出器がＥＭ照射の検出を開始したとき、およびＥＭ照射の検出を終えたときにそれぞれ対応する。
【００１２】
以下の詳細な説明において、電磁照射（EM  radiation）、電磁波（EM  wave）および電磁場（EM  field）は同義語と見なされ、交換可能に用いられ得る。ＥＭ場は、周知のストークスパラ―メタＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３によって表現される偏光状態を有する横波として説明され得る。ＥＭ場は、多くの異なる波長または周波数を含むＥＭ場として定義され得る。イメージマッピング分光偏光法は、可視ＥＭスペクトルの範囲外でも採用され得ることが理解されるであろう。
【００１３】
本発明のある実施の形態において、ＥＭ場はサンプル点から発生し得る。サンプル点では、サンプル点において画像化されるサンプルの偏光特性に関する情報がＥＭ場のスペクトル内で符号化される。
【００１４】
図１は、本発明の１以上の実施の形態に従うシステムを示す図である。このシステムは、サンプル１１６から広がる放射ＥＭ場１１８を受けるように構成された分光偏光器１０２を含む。集光レンズ１１４は、放射ＥＭ場１１８を集光するように構成される。分光偏光器１０２は、放射ＥＭ場１１８の偏光状態に従って、放射ＥＭ場１１８のスペクトルを変調するように構成され、これにより偏光符号化ＥＭ場１０４が生成される。偏光符号化ＥＭ場１０４は、画像化されるサンプルの偏光特性に関する周波数スペクトルの偏光情報内で符号化される。イメージマッピング分光器１０６は、偏光符号化ＥＭ場１０４を受けるように構成される。イメージマッピング分光器１０６は、偏光符号化ＥＭ場１０４を生画像データキューブ１０８に変換するように構成される。生画像データキューブ１０８は、３次元データセット（ｘ，ｙ，Ｄ（ｘ，ｙ，λ））の形式であってもよい。Ｄ（ｘ，ｙ，λ）は、サンプルの画像化に用いられる光学システムの視野内に位置する各サンプル点（ｘ，ｙ）、すなわち画像化されるシーンに含まれる各点において取得される変調スペクトルの値である。コンピュータシステム１１０は、生画像データキューブ１０８を含むデータを受けるように構成される。本発明のある実施の形態において、コンピュータ１１０は、プロセッサと、メモリと、１以上の出力装置（たとえばディスプレイ、プリンタなど）と、１以上の入力装置（たとえばキーボード、マウスなど）と、メモリ内に格納されたソフトウェアとを含む。ソフトウェアは、プロセッサによって実行されたとき、生画像データキューブ１０８を処理するように構成される。
【００１５】
コンピュータシステム１１０は、複数の変調スペクトルＤ（ｘ，ｙ，λ）を処理するとともに、サンプルの後方散乱偏光プロファイルを抽出するようにさらに構成され得る。したがって、コンピュータシステム１１０は、３次元データセットを、各々がディプレイに出力され得るサンプルの２次元画像、サンプルの２次元スペクトル、およびサンプルの２次元偏光プロファイルに変換してもよい。当業者は、分光偏光法の周知の方法に従ってスペクトル情報を偏光情報に変換するために、いくつかの異なる方法が用いられ得ることを理解するであろう。たとえば、変調スペクトルの変調は、変調スペクトルのフーリエ解析を用いて４つのストークスパラメータＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に変換され得る。また、データ処理は、標準イメージマッピング分光器による再マッピングおよび／または撮像センサの画素から波数ｋへの直接マッピングを含み得る。またこの処理は、システム内の分散を補償するための技術を含み得る。さらに、当業者は、イメージマッピング分光器１０６に統合され得るハードウェアによってデータ処理が実行されてもよいことを理解するであろう。
【００１６】
また、ユーザフィードバック１１２は、イメージマッピング分光器１０６および分光偏光器１０２のうちのいずれか一方または双方へのさまざまな動作を実行するために、コンピュータシステム１１０によって受けられてもよい。たとえばサンプルまたは分光偏光器は、ユーザに対象領域（region  of  interest（ＲＯＩ））の観察を可能にするために移動され得る。あるいはユーザが、サンプルまたはシーンの対象領域のズームインまたはズームアウトを望むことがある。ズームは、空間的および／またはスペクトル的に、ハードウェア（光学ズーム）またはソフトウェア（デジタルズーム）の使用により実行され得る。
【００１７】
図２は、本発明の１以上の実施の形態に従う、偏光符号化ＥＭ場を発生させるように構成された分光偏光器の概略図である。分光偏光器２０２は、第１の位相調節器２０８と、第２の位相調節器２１０と、偏光子２１２とを含み得る。第１の位相調節器２０８は、放射ＥＭ場１１８を受けるように構成される。ある実施の形態に従うと、第１の位相調節器２０８は、遅軸２１４および速軸２１６を有するとともに、図示された方向を向く複屈折材料から作られ得る。第２の位相調節器２１０は、遅軸２１８および速軸２２０を有するとともに、図示された方向を向く複屈折材料から作られ得る。また、第２の位相調節器２１０の速軸２１８および遅軸２２０は、ｙ軸の周りに４５度回転されてもよい。これにより、第１の位相調節器２０８の遅軸および速軸と第２の位相調節器２１０の遅軸および速軸との間に、４５度の角度が生じる。偏光子２１２は、透過軸２２２に平行な偏光方向を有するＥＭ波を透過するように構成される。透過軸２２２は、第１の位相調節器２０８の速軸２１６に平行に構成され得る。偏光子２１２は、偏光符号化ＥＭ場１０４を放射するようにさらに構成される。当業者は、偏光符号化ＥＭ場１０４の変調周波数が、第１の位相調節器２０８および第２の位相調節器２１０の厚みおよび材料組成に関連するとともにその影響を受けることを理解するであろう。
【００１８】
当業者は、第１および第２の位相調節器の速軸および遅軸の相対配置が、偏光子の透過軸の相対配置と同様に、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された相対配置と異なってもよいことを理解するであろう。当業者は、放射場１１８の偏光状態を符号化するために、多くの異なる方法およびシステムが用いられ得ることを理解するであろう。本発明の１以上の実施の形態に従うと、位相調節器２０８，２１０は、放射ＥＭ場１１８のスペクトル内ではなく、放射ＥＭ場１１８の波面内の偏光状態を符号化する複屈折プリズムで置き換えられ得る。この場合、複屈折プリズムは、好ましくは画像化平面または共役空間内で偏光子の前に位置され得る。あるいは、放射ＥＭ場１１８の偏光状態を符号化するために、位相調節器２０８，２１０に代えてサバール板が用いられ得る。サバール板は、瞳（pupil）またはその共役位置に好ましくは位置され得る。サバール板は複屈折プリズムとフーリエ変換的には等価であるが、複屈折プリズムよりも収差補正の面で有利である。
【００１９】
偏光符号化ＥＭ場１０４は、偏光符号化ＥＭ場１０４の空間的広がりの全域で符号化された、サンプルの（ｘ，ｙ）反射率に関する２次元空間情報を含む。偏光符号化ＥＭ場１０４は、周波数スペクトル内で符号化された偏光情報をさらに含む。偏光情報は、画像化されるサンプルまたはシーンの偏光特性に関する。
【００２０】
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる周知の分光偏光器の配置を用いてもよいことを理解するであろう。
【００２１】
図３は、本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光器の概略図である。イメージマッピング分光器３００は、集束レンズ３０４と、イメージマッピング部３０６と、分散再結像部３０８と、検出器アレイ３１０とを含む。イメージマッピング分光器３００は、分光偏光器２０２から発生する偏光符号化ＥＭ場１０４を受けて、マッピングし、スペクトル的に分散して、かつ偏光符号化ＥＭ場１０４を検出器３１０に再結像するように構成される。
【００２２】
集束レンズ３０４は、偏光符号化ＥＭ場１０４をイメージマッピング部３０６に集束するように構成される。したがって、イメージマッピング部３０６にはサンプル１１６の像（イメージ）３１２が形成される。イメージマッピング部３０６は、像３１２の複数の部分の方向を、分散再結像部３０８の前面４２０上の複数の位置の方向に変更つまりマッピングするように構成される。明瞭化のために、図３では単一の光線で表される３つのマップイメージ部分３１４，３１６，３１８のみが示されている。分散再結像部３０８は、マップイメージ部分３１４，３１６，３１８を集光するとともにスペクトル的に分散するように構成され、これによりスペクトル３２０，３２２，３２４が生成される。明瞭化のために、図３は、イメージ部分３１４，３１６，３１８の各々が２つの異なる波長のみを含む場合に生じるであろうスペクトル分散を示す。また、分散再結像部３０８は、スペクトル３２０，３２２，３２４を検出器３１０上に再結像するように構成される。検出器３１０は、たとえばＣＣＤ（charge  coupled  device）チップまたはＣＣＤチップアレイの形式でＥＭ照射検出器の２次元アレイを含み得る。
【００２３】
図４Ａは、本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング部の概略図である。イメージマッピング部３０６は、８つの細長い反射表面１〜８を含む。反射表面１〜８の各々の方向は、ｙ軸およびｘ軸についてのそれぞれの回転角（θｙ，θｘ）に従って合わせられる。したがって、反射表面１〜８の各々は、図３に示すように、像３１２の一部分の方向を分散再結像部３０８の前面４２０上の位置の方向に変更つまりマッピングしてもよい。図４Ａに示すイメージマッピング部３０６は、２つの繰返しグループ４０１に配置された８つの反射表面のために、４つの異なる角度を含む。
【００２４】
図４Ｂは、本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部３０８の前面４２０の概略図である。前面４２０は、４つの領域４０２，４０４，４０６，４０８に分割され得る。各領域は、４つの異なる角度のうちの１つを有する反射表面から生じる像３１２の一部分１’〜８’を受ける。領域４０２は、各々が同一の傾き（θｙ１，θｘ１）を有する反射表面１，５からそれぞれ生じるイメージ部分１’，５’に対応する。領域４０４は、各々が同一の傾き（θｙ２，θｘ１）を有する反射表面４，８からそれぞれ生じるイメージ部分４’，８’に対応する。領域４０６は、各々が同一の傾き（θｙ１，θｘ２）を有する反射表面２，６からそれぞれ生じるイメージ部分２’，６’に対応する。領域４０８は、各々が同一の傾き（θｙ２，θｘ２）を有する反射表面３，７からそれぞれ生じるイメージ部分３’，７’に対応する。
【００２５】
当業者は、イメージマッピング部３０６が任意の角度または任意のサイズの反射表面を任意の数だけ有するように製造されてもよいこと、およびイメージマッピング部３０６が角度に従ってグループ化または非グループ化されてもよいことを理解するであろう。一般に、Ｍ個の角度ｘおよびＮ個の角度ｙの例は、分散再結像部３０８の前面４２０上のＭ×Ｎ個の別個の領域にマッピングされるＭ×Ｎ個の別個のイメージマッピング部表面を生じる。しかしながら、Ｌ個の繰返しグループにグループ化されるＭ個の角度ｘおよびＮ個の角度ｙを用いることによって、分散再結像部３０８の前面４２０上のＭ×Ｎ個の別個の領域にのみマッピングされるＭ×Ｎ×Ｌ個の別個のイメージマッピング部表面を有するシステムが可能になる。たとえば、図４Ａおよび図４Ｂに示す実施の形態に従うと、Ｍ＝２、Ｎ＝２、Ｌ＝２である。したがって、イメージマッピングのために８つの別個のイメージマッピング部表面が使用可能であるが、検出器上への再結像のためには、分散再結像部３０８の前面４２０上の４つの別個の領域（各々が像３１２の１対のマップ部分を受ける）のみが必要である。これにより、角度によるグループ化を用いないイメージマッピング部と比較したときに、より小型で単純な再結像光学系およびより小型で単純な検出器がもたらされ得る。
【００２６】
当業者は、開示の範囲を逸脱することなく、イメージマッピング部が反射光学要素ではなく屈折光学要素または回折光学要素であってもよいことを理解するであろう。また、ＥＭ照射のビーム経路に適切な角度の偏向を生じさせ得る、この分野で周知のすべての光学要素を用いることができる。たとえば、プリズムが偏向を生じさせるために用いられ得る。あるいは、光ファイバまたは任意の他の適切な導波管が、像の方向を分散再結像部の方向に変更するために用いられ得る。
【００２７】
また、イメージマッピング部は、たとえば光学ズームのような動的操作を可能にするための動的構成要素を含み得る。たとえば、動的微小電気機械システム（microelectromechanical  system（ＭＥＭＳ））のミラーアレイが、上記に開示された静的ミラー表面に代えて用いられ得る。さらに、液晶変調器または微小流体ベースの屈折液体変調器が採用され得る。
【００２８】
また、当業者は、望遠鏡（telescope）またはビームエクスパンダ（図示せず）がイメージマッピング分光器１０６に任意選択的に挿入され得ることを認めるであろう。望遠鏡またはビームエクスパンダは、像点広がり関数のサイズ（回折限界のスポットサイズ）を、イメージマッピング部３０６の単一反射表面１〜８の幅と一致させることによって像分解能を維持するために、たとえば集束レンズ３０４の前に挿入され得る。本発明の他の実施の形態において、ビームエクスパンダは、像空間および物体空間の双方においてテレセントリックに構成されてもよい。
【００２９】
図５は、本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部の概略図である。明瞭化のために、各々が３つの光線のグループで表される３つのマップイメージ部分３１４，３１６，３１８のみが図示されている。分散再結像部３０８は、集光レンズ５０２と、分散要素５０４と、再結像レンズアレイ５０６とを含む。集光レンズ５０２は、マップイメージ部分３１４，３１６，３１８を平行にするように構成される。分散要素５０４は、平行マップイメージ部分３１４，３１６，３１８をスペクトル的に分散するように構成される。分散要素５０４は、たとえば単一のプリズムまたは単一の回折格子のように、分散特性を有するこの分野で周知の任意の光学要素を含み得る。また、分散要素５０４は、プリズムアレイまたは回折格子アレイを含み得る。明瞭化のために、図５では２つのスペクトル構成要素のみを含むマップイメージ部分について、２組の分散光線のみが示されている。図５に示すように、分散要素５０４は、イメージマップスペクトル５０８，５１０，５１２を形成するために、平行マップイメージ部分３１４，３１６，３１８のスペクトル構成要素を空間的に分離するように構成される。再結像レンズアレイ５０６は、検出器平面５１４上へのイメージマップスペクトル５０８，５１０，５１２を再結像するように構成される。
【００３０】
当業者は、望遠鏡またはビームエクスパンダ（図示せず）が分散再結像部３０８に任意選択的に挿入され得ることを認めるであろう。望遠鏡またはビームエクスパンダは、必要に応じて、再結像レンズアレイ５０６の空間的広がりを一致させるために、平行マップイメージ部分３１４，３１６，３１８の空間的広がりを調整するため、たとえば集光レンズ５０２と分散要素５０４との間に挿入され得る。また、当業者は、分散要素５０４がスペクトル的な対象領域（したがって深さ）の光学ズームを可能にする動的または調整可能な分散部を含み得ることを認めるであろう。また、当業者は、本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱することなく、分散結像部３０８の個々の要素を並び換えてもよいことを認めるであろう。たとえば再結像レンズアレイ５０６は、分散要素５０４の前に来てもよい。
【００３１】
図６は、本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光偏光器６０１の概略図である。イメージマッピング分光偏光器６０１は、図１に示すように、イメージマップ分光偏光法用システムの一部として採用され得る。イメージマッピング分光偏光器６０１は、集束レンズ６００と、分光偏光器２０２と、視野レンズ６０２と、屈折イメージマッピング部６０４と、分散再結像部６０６と、検出器６０８とを含む。また、検出器６０８は、たとえばＣＣＤチップまたはＣＣＤチップアレイの形式で光検出器の２次元アレイを含み得る。
【００３２】
集束レンズ６００は、偏光符号化ＥＭ場１０４の焦点を屈折イメージマッピング部６０４に合わせるように構成される。これにより、屈折イメージマッピング部６０４にサンプル１１６の像６１２が形成される。視野レンズ６０２は、集束レンズ６００の射出瞳６０３を分散再結像部６０６に再結像することにより、高い光スループットおよびイメージマッピング分光偏光器６０１の小型化を維持するように構成される。屈折イメージマッピング部６０４は、像６１２の複数の部分の方向を、分散再結像部６０６の前面６２０上の複数の位置の方向に変更つまりマッピングするように構成される。明瞭化のために、図６では単一の光線で表される３つのマップイメージ部分６１４，６１６，６１８のみが示されている。視野レンズ６０２は、屈折イメージマッピング部６０４に近接して配置される。これにより、マップイメージ部分６１４，６１６，６１８の方向の分散再結像部６０６の方向への変更が、分厚く直径の大きい集光レンズ（たとえば図５に示す集光レンズ５０２）がなくとも、比較的近い距離で容易になる。分散再結像部６０６は、マップイメージ部分６１４，６１６，６１８を集光するとともにスペクトル的に分散するように構成され、これによりスペクトル６２１，６２２，６３２が生成される。明瞭化のために、図６は、イメージ部分６１４，６１６，６１８の各々が２つの異なる波長のみを含む場合に生じるであろうスペクトル分散を示す。また、分散再結像部６０６は、再結像スペクトル６２１，６２２，６３２を検出器６０８上に再結像するように構成される。
【００３３】
本発明の１以上の実施の形態に従うと、屈折イメージマッピング部６０４は、プリズムアレイを含み得る。また、屈折イメージマッピング部６０４は、硫化亜鉛のような機械加工可能な光学材料から、たとえばダイアモンドラスターフライカット方式などの方法を用いて製造することができる。また、屈折イメージマッピング部６０４は、刻線（ruling）、射出成形、ガラスプレス成形、熱エンボス加工またはこの分野で周知の任意の他の方法によって製造することができる。
【００３４】
本発明の１以上の実施の形態に従うと、位相調節器２０８，２１０は偏光子２１２からさらに離され得る。これにより、偏光子２１２が位相調節要素の後ろの任意の光学空間に配置されることが可能になる。偏光子２１２および位相調節器２０８，２１０についての好ましい位置は、瞳の空間（つまり平行光の領域）である。さらに、位相調節器のうちの双方または一方のみがシステムに用いられてもよい。要素を１つにすることは、ストークスパラメータの数を低減するであろう。
【００３５】
本発明の１以上の実施の形態に従うと、解析器のアレイが、像の偏光状態を決定するためにたとえば検出器６０８の表面上などの検出器表面に配置されてもよい。解析器は、１つの点拡がり関数が４画素の範囲に及ぶように配置されてもよい。各画素は、その特有の角度に配置された自己の解析器を含む。
【００３６】
図７は、小型高分解能イメージマッピング分光器６０１に用いられる、本発明の１以上の実施の形態に従う分散再結像部６０６の概略図である。明瞭化のために、３つのマップ像部分６１４，６１６，６１８のみが図示されている。分散再結像部６０６は、視野補正部アレイ７０２と、分散要素アレイ７０４と、再結像レンズアレイ７０６とを含む。視野補正部７０２は、分散再結像部６０６が再結像レンズ７０６の各々の視野内に確実に位置するように、各再結像レンズ７０６の視野を横方向にシフトするように構成される。分散要素７０４は、マップイメージ部分６１４，６１６，６１８をスペクトル的に分散するように構成される。分散要素７０４は、たとえば単一のプリズム、１対のプリズム、または回折格子のような、分散特性を有する、この分野で周知の任意の光学要素を含み得る。明瞭化のために、図７では２つのスペクトル構成要素のみを含むマップイメージ部分について、２組の分散光線のみが示されている。図７に示すように、分散要素７０４は、イメージマップスペクトル７０８，７１０，７１２を形成するために、マップイメージ部分６１４，６１６，６１８のスペクトル構成要素を空間的に分離するように構成される。再結像レンズ７０６は、イメージマップスペクトル７０８，７１０，７１２を検出器平面７１４上に再結像するように構成される。
【００３７】
また、当業者は、本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱することなく、分散結像部６０６の個々の要素を並び換えてもよいことを認めるであろう。たとえば、再結像レンズアレイ７０６は分散要素７０４の前に来てもよい。
【００３８】
図８は、本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマッピング分光偏光器の斜視図である。イメージマッピング分光偏光器８００は、分光偏光器１０２と、集束レンズ８１４と、イメージマッピング部８０２と、集光レンズ８０４と、分散要素８０６と、再結像レンズアレイ８０８とを含む。分光偏光器１０２は、顕微鏡８１２の出力ポートから広がる放射ＥＭ場１１８を受けるように構成される。分光偏光器１０２は、放射ＥＭ場１１８の偏光状態に従って放射ＥＭ場１１８のスペクトルを変調するように構成され、これにより偏光符号化ＥＭ場１０４が生成される。集束レンズ８１４は、偏光符号化ＥＭ場１０４の焦点をイメージマッピング部８０２上に合わせるように構成される。イメージマッピング部８０２は、複数の方向（図示せず）に沿った偏光符号化ＥＭ場１０４の複数の部分の方向を変更するように構成される。集光レンズ８０４は、図５に示すのと同様に、マップイメージの複数の部分を平行にするように構成される。マップイメージの複数の部分は、明瞭化のために単一の光線として示されている。分散要素８０６は、図５に示すのと同様に、複数の平行マップイメージ部分をスペクトル的に分散する（図示せず）ように構成されている。分散要素８０６は、たとえば単一のプリズム、１対のプリズム、または回折格子のような、分散特性を有する、この分野で周知の任意の光学要素を含み得る。また、分散要素８０６は、プリズムアレイまたは回折格子アレイを含み得る。再結像レンズアレイ８０８は、複数のマップスペクトルを検出器アレイ８１０上に再結像するように構成される。
【００３９】
図８に示すように、再結像レンズ８０８は、５×５の結像レンズアレイを含む。したがって、このシステムは、たとえば各々の角度の異なる２５個の別個のミラーまたは屈折表面を有するイメージマッピング部８０２を採用し得る。あるいは、システムは、たとえば１００個の別個のミラーまたは屈折表面を有するイメージマッピング部８０２を採用し得る。１００個の別個のミラーまたは屈折表面は４つのグループに分けられ、各グループは角度の異なる２５個の別個のミラーまたは屈折表面を有する。
【００４０】
図９Ａ〜図９Ｃは、本発明の１以上の実施の形態に従うイメージマップ分光偏光法の一例を示す図である。図９Ａは、たとえば木９１２と、影９１４と、隠し物体９１６とを含み得るシーン９０２を示す図である。隠し物体９１６は、たとえば低い光レベルまたは乏しい画像コントラストに起因してほとんど見えない車両または屋根の上面をさらに含み得る。シーン９０２の中間像は、図１〜図８を参照する上述の説明に従ってイメージマッピングされ得る。この実施の形態において、イメージマッピング部は、マップイメージを生成するように構成された２５個の別個の反射表面を用いる。マップイメージは、２５個の別個のイメージスライス１〜２５を含む。
【００４１】
イメージマッピングの１つの効果は、これら２５個のスライスの方向を、図４、図５および図７で説明されるように、たとえば分散再結像部の前面上の２５個の異なるサブロケーション１〜２５の方向に変更つまりマッピングすることである。分散再結像部の前面上の２５の異なるサブロケーションに位置する像の２５個の別個のスライスの例を図９Ｂに示す。あるいは、Ｌ個のグループ化された要素が、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明されるように、イメージマッピング部で用いられてもよい。これにより、各サブロケーションに存在するＬ個のイメージスライスが生じる。
【００４２】
分散再結像部内に分散要素が存在しない場合、上述以外に、図９Ｂが検出器アレイ上の焦点が再び合わされた像を示すと解釈され得ることに留意することは有益である。この場合、複数のイメージスライス１〜２５は、２５個の非照射領域または暗領域９０４によって分割されるであろう。２５個のイメージスライスを分割する暗領域は、イメージスライスを構成する各点のスペクトル構成要素を空間的に分離することによって、各スライスがスペクトル的に分散されるための空間を生じさせる。スペクトル構成要素の空間分離は、図２〜図８を参照する上述の説明に従って、空間分離方向９０６に沿って生じる。
【００４３】
したがって、その後にスペクトル分散および検出器アレイ９１０上への再結像が行なわれるイメージマッピングの結果物は、複数の変調スペクトル９０８である。変調スペクトル９０８の例は、本発明の１以上の実施の形態に従って図９Ｃに示される。したがって、検出器アレイ上のサブ検出器（またはＣＣＤの場合、画素）の各々は、サンプル上の特定の点（ｘ，ｙ）から発生する変調スペクトルＤ（ｘ，ｙ，λ）の値を測定する。当業者は、分光偏光法の周知の方法に従って、スペクトル情報を偏光情報に変換するためにいくつかの異なる方法が用いられ得ることを理解するであろう。たとえば、変調スペクトルの変調は、変調スペクトルのフーリエ解析を使用して、４つのストークスパラメータＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の値に変換され得る。したがって、検出器アレイの１カラムは、シーン内の１つの（ｘ，ｙ）点について偏光情報を含む。その結果、検出器アレイの単一取得イベントは、サンプルを完全に２次元再構成するために必要とされるすべての情報を取得するのに十分である。完全な２次元再構成は、（散乱ＥＭ波または反射ＥＭ波の強度のみに基づく）従来のシーンの２次元画像と、シーンの２次元スペクトルと、シーンの２次元偏光プロファイル９１８とをさらに含む。
【００４４】
検出器９１０上に示されるシーンの２次元スペクトルと、シーンの２次元偏光プロファイル９１８とは、シーンの従来の２次元画像では利用可能ではなかったシーンからの情報を抽出するために用いられ得る。たとえば、シーン上の異なる点の化学組成に関する情報が２次元スペクトルから抽出され得る。シーンの２次元偏光プロファイル９１８は、シーンの従来の２次元画像内の表示から隠された可能性がある物体を特定するために用いられ得る。たとえば、隠し物体９１６から広がるＥＭ波は、それらの周囲よりも高い偏光を有し得る。これにより、隠し物体９１６が図９Ｃに示すように、２次元偏光プロファイル９１８内で高いコントラストを有する。
【００４５】
図１０は、本発明の１以上の実施の形態に従うデュアルバンドイメージマッピング分光偏光器を示す図である。デュアルバンドイメージマッピング分光偏光器は、集光レンズ１１４と、分光偏光器１０２と、集束レンズ１０１４と、イメージマッピング部１００２と、集光レンズ１００４と、分散要素１００６と、再結像レンズアレイ１００８と、ダイクロイックビームスプリッタ１０１６と、検出器１０１０と、検出器１０１２とを含む。集光レンズ１１４は、サンプルまたはシーン上の点から広がる放射ＥＭ場１１８を集光するように構成される。分光偏光器１０２は、図２に示すように構成され得る。分光偏光器１０２は、放射ＥＭ場１１８を受けるともに、放射ＥＭ場１１８の偏光状態に従って放射ＥＭ場１１８のスペクトルを変調するように構成され、これにより偏光符号化ＥＭ場１０４が生成される。集束レンズ１０１４は、偏光符号化ＥＭ場１０４の焦点をイメージマッピング部１００２上に合わせるように構成される。イメージマッピング部１００２は、複数の方向（５つの方向のみが示されている）に沿った偏光符号化ＥＭ場１０４の複数の部分の方向を変更するように構成される。集光レンズ１００４は、図５に示すのと同様に、マップイメージの複数の部分を平行にするように構成される。マップイメージの複数の部分は、明瞭化のために複数の光線として示されている。分散要素１００６は、図５に示すのと同様に、複数の平行マップイメージ部分をスペクトル的に分散する（図示せず）ように構成される。分散要素１００６は、たとえば単一のプリズム、１対のプリズム、または回折格子のような、分散特性を有する、この分野で周知の任意の光学要素を含み得る。また、分散要素１００６は、プリズムアレイまたは回折格子アレイを含み得る。再結像レンズアレイ１００８は、複数のマップスペクトルを検出器アレイ１０１０，１０１２上に再結像するように構成される。ダイクロイックビームスプリッタ１０１６は、第１の所定の波長範囲を有するＥＭ波を反射する一方で、第２の所定の波長範囲を有するＥＭ波を透過するように構成される。たとえば、ダイクロイックビームスプリッタ１０１６は、中波長赤外線（mid-wavelength  infra-red（ＭＷＩＲ））を透過する一方で、長波長赤外線（long  wavelength  infra-red（ＬＷＩＲ））を反射するように構成され得る。したがって、検出器アレイ１０１２はＭＷＩＲの検出に最適化され得る一方で、検出器アレイ１０１０はＬＷＩＲの検出に最適化され得る。図９Ｃと同様に、スペクトルは、検出器１０１２の領域１０１８，１０２０および検出器１０１０の領域１０２２，１０２４に沿って分散され得る。
【００４６】
当業者は、本開示の範囲を逸脱することなく、システム内の任意の数の位置に任意の数のダイクロイックビームスプリッタが配置され得ることを理解するであろう。たとえば、イメージマッピング部１００２と集光レンズ１００４との間にダイクロイックビームスプリッタを配置することは、各々が所定のスペクトル範囲に最適化された複数の分散再結像部の使用を可能にし得る。
【００４７】
図１０に示すように、再結像レンズアレイ１００８は、５×５の結像レンズアレイを含む。したがって、このシステムは、たとえば各々の角度の異なる２５個の別個のミラーまたは屈折表面を有するイメージマッピング部８０２を採用し得る。あるいは、システムは、たとえば１００個の別個のミラーまたは屈折表面を有するイメージマッピング部８０２を採用し得る。１００個の別個のミラーまたは屈折表面は４つのグループに分けられ、各グループは角度の異なる２５個の別個のミラーまたは屈折表面を有する。
【００４８】
図１１は、本発明の１以上の実施の形態に従う方法を説明するフローチャートである。フローチャート内の各ステップは順を追って提示かつ説明される。しかし、当業者は、これらステップの一部または全部が異なる順序で実行されたり、組合せまたは省略されたり、これらステップの一部または全部が並行して実行されたりしてもよいことを理解するであろう。
【００４９】
ステップ１１００において、単一取得イベント中にサンプル上の多数の点について偏光符号化ＥＭ場が同時に受けられる。ステップ１１０２において、さまざまな所定の方向に沿った偏光符号化ＥＭ場の方向が分散再結像部の方向に変更される。本発明のある実施の形態において、ステップ１１０２はイメージマッピング部によって実行される。ステップ１１０４において、偏光符号化ＥＭ場は、スペクトルを生成するためにスペクトル的に分散される。スペクトルは、ステップ１１００で参照された多数の点の各々について１つのスペクトルを含む。ステップ１１０６において、検出器上のさまざまな位置にスペクトルが再結像される。ステップ１１０８において、検出器上の再結像スペクトルが検出される。この段階でコンピュータ（または他の処理装置）は、放射ＥＭ波強度、スペクトル特性、およびサンプルの偏光特性に基づいて２次元画像を生成するために再結像スペクトルを用いる。
【００５０】
本発明の１以上の実施の形態は、システムまたはサンプルの走査を必要とすることなく、検出器または検出器アレイの単一取得イベントでサンプルの強度、スペクトル、および偏光情報に基づいた３つの同時画像を取得し得るイメージマップ分光偏光システムを提供することができる。本発明の１以上の実施の形態は、可動部を持たない、耐久性の高い空間的に小型のシステムを可能にする。これにより、コストが低減されるとともに、たとえば内視鏡のように小面積が要求される応用用途、または軍事用途などの厳しい環境における有用性が向上する。本発明の１以上の実施の形態は、２次元画像に基づいて強度、スペクトル、および偏光の高速取得を可能する。これにより、サンプルの動きによって引き起こされるアーチファクトが低減される。本発明の１以上の実施の形態は、集光に費やされる画像取得中の時間を増加させること、およびシステム全体の光スループットを向上することによって、既存の分光偏光システムに対する信号対ノイズ比の向上を可能にする。
【００５１】
当業者は、イメージマップ分光偏光法が、本明細書に開示された単にチャネル分光偏光法の実施の形態に限らず、知り得るすべての形式の分光偏光法に採用され得ることを理解するであろう。
【００５２】
本発明は限られた数の実施の形態に関して説明されるが、この開示から恩恵を受ける当業者は、本明細書で開示された本発明の範囲を逸脱しない他の実施の形態を考え出すことができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図２】
2013546000.tif 000003
【図４Ｂ】
2013546000.tif 000004
【図７】
2013546000.tif 000005
【図８】
2013546000.tif 000006
【図１０】
2013546000.tif 000007
【図１】
2013546000.tif 000008
【図３】
2013546000.tif 000009
【図４Ａ】
2013546000.tif 000010
【図５】
2013546000.tif 000011
【図６】
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【図９】
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【図１１】
2013546000.tif 000014
【国際調査報告】
2013546000.tif 000015
2013546000.tif 000016