(57)【要約】高いデータスループットと、高い空間解像度と、高度のポインティングの柔軟性とを有する素早くかつ高感度な遠隔型の表面の危険要素の検出のためのシステムおよび方法。システムは、第１のハンドヘルドユニットから離れた距離にある表面に励起ビームを導く第１のハンドヘルドユニットと、光ビームの結果として表面からの散乱放射を捕捉する光学的サブシステムとを備えている。第１のユニットは、一束の光ファイバを含むリンクを経由して、処理ユニットと呼ばれる第２のユニットに接続される。処理ユニットは、散乱放射をスペクトルデータに変換する、ファイバに結合された分光器と、危険な物質を検出および／または同定するために収集されたスペクトルデータを分析するプロセッサとを備えている。第２のユニットは、第１のユニットと第２のユニットとは共に、人間が携帯可能な検出アセンブリを形成するように、体に着用可能な筐体または装置の中に含まれ得る。
2010501828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の汚染物質を検出および同定することが可能である、遠隔型の危険要素の検出および同定システムであって、
ａ．第１のユニットであって、該第１のユニットは、該第１のユニットから離れた距離にある表面に単色光のビームを放出し、該単色光のビームの結果として該表面からの散乱放射を捕捉する、第１のユニットと、
ｂ．第２のユニットであって、該散乱放射をスペクトルデータに変換する分光器と、該表面の汚染物質を検出するために該スペクトルデータを分析するプロセッサとを備えている、第２のユニットと、
ｃ．該第１のユニットから該第２のユニットに該散乱放射を結合するための、該第１のユニットと該第２のユニットとの間のリンクと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記第１のユニットは、ポータブルのハンドヘルドデバイスであり、前記単色光のビームを生成する単色光源を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記単色光源は、紫外（ＵＶ）レーザである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２のユニットは、前記単色光のビームを生成する単色光源を備え、前記リンクは、該ビームを前記第１のユニットに供給する光ファイバを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１のユニットは、収集オプティクスサブシステムを備え、該収集オプティクスサブシステムは、前記リンクを経由して前記第２のユニットに結合するために、前記表面から前記散乱放射を収集する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のユニットは、可視標的インジケータを備え、該可視標的インジケータは、複数のビームが前記表面上で前記収集オプティクスサブシステムの焦点において互いに交差するように、該収集オプティクスサブシステムを介して複数の可視光のビームを放出する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記可視標的インジケータは、少なくとも２つのレーザダイオードを備え、該少なくとも２つのレーザダイオードは、前記第１のユニットの筐体に設置され、かつ、それらのビームが前記表面上で前記収集オプティクスサブシステムの焦点において互いに交差するように配置されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記単色光源は、紫外（ＵＶ）スペクトルで前記単色光のビームを生成することにより、前記表面の物質に該表面からラマン散乱放射を放出させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記スペクトルデータを複数の既知の物質のスペクトルデータと比較し、該物質が既知の物質であるか、未知の物質であるかを決定する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１のユニットは、毎秒数１０センチメートルまでの走査速度で前記表面を走査するように、該表面を横切って動かされる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記単色光源は、直径が１ミリメートル未満の点を照明するために、前記単色光のビームを生成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２のユニットは、さらに、画素化された検出器を備え、該画素化された検出器は、測定フレームを生成し、該測定フレームは、前記表面からの散乱放射の複数の反射の１つまたは蓄積を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２のユニットは、毎秒１０測定フレームを上回る速度でデータを生成する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサは、測定フレームに蓄積される散乱放射の複数の反射の数を調節することによって前記速度を調節する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサは、前記第２のユニットを制御することにより、動作の第１のモードおよび第２のモードのうちの１つで動作し、該第１のモードにおいては、前記画素化された検出器が、測定フレームに対する散乱放射の比較的少ない数の反射を蓄積することにより、前記表面のより速い走査のためのより速い速度と、より低い忠実度の分析とを提供し、そして、該第２のモードにおいては、該画素化された検出器が、測定フレームに対する散乱放射の比較的多くの数の反射を蓄積することにより、該表面のより遅い走査のためのより遅い速度とより高い忠実度の分析とを提供する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のユニットは、収集オプティクスサブシステムを備え、該収集オプティクスサブシステムは、前記リンクを経由して前記第２のユニットに結合するために、前記表面から前記散乱放射を収集し、該収集オプティクスサブシステムは、１つ以上の光学素子を備え、該１つ以上の光学素子は、該収集オプティクスサブシステムの焦点を調節するように動かすことができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
調整された危険要素の検出および同定システムであって、
ａ．複数の危険要素の検出器であって、該複数の危険要素検出器は、表面に光のビームを放出することによって該表面の汚染物質を検出し、該光ビームの結果として該表面から散乱放射を捕捉し、該散乱光をスペクトルデータに変換し、そして、該スペクトルデータを分析することにより、危険物質または汚染物質に関する検出および同定データを生成することが可能である、複数の危険要素の検出器と、
ｂ．該複数の危険要素の検出器にワイヤレスで連結された中央制御局であって、該中央制御局は、関心のある領域における表面の検出掃引を調整するために、該複数の危険要素の検出器から検出および同定データを受信し、制御信号を該複数の危険要素の検出器に伝送する、中央制御局と
を備えている、システム。
【請求項１８】
前記複数の危険要素の検出器のぞれぞれは、遠隔型の危険要素の検出器であり、該遠隔型の危険要素の検出器のそれぞれが、第１のユニットから離れた距離にある前記表面に前記単色光のビームを放出し、該単色光のビームの結果として該表面からの散乱放射を捕捉する、第１のユニットと、該散乱放射をスペクトルデータに変換する分光器、および該表面の汚染物質を検出するために該スペクトルデータを分析するプロセッサを備えている第２のユニットと、該第１のユニットから該第２のユニットに該散乱放射を結合するための、該第１のユニットと該第２のユニットとの間のリンクとを備えている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
ある距離から表面の汚染物質を検出および同定することが可能である遠隔型の危険要素の検出および同定システムであって、
ａ．第１のユニットであって、該第１のユニットは、該第１のユニットから離れた距離にある表面に光のビームを放出する単色光源と、該単色光のビームの結果として該表面からの散乱放射を捕捉する光学的サブシステムとを備えている、第１のユニットと、
ｂ．該散乱放射をスペクトルデータに変換する分光器と、該表面の汚染物質を検出するために該スペクトルデータを分析するプロセッサとを備えている、該第１のユニットに結合された第２のユニットであって、該第２のユニットは、処理のために該スペクトルデータを別のデバイスに伝送することが可能である送受信器を備えている、第２のユニットと、
ｃ．第３のユニットであって、該第３のユニットは、該第２のユニットから該スペクトルデータを受信する送受信器と、１つ以上のアルゴリズムを用いて該スペクトルデータを分析するプロセッサとを備え、該１つ以上のアルゴリズムは、該第２のユニットのプロセッサによって使用されるアルゴリズムよりもコンピュータ集約的である、第３のユニットと
を備えている、システム。
【請求項２１】
前記第３のユニットは、前記送受信器を経由して、該第３のユニットによって行われた分析の結果を前記第２のユニットに伝送する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第２のユニットは、ユーザインタフェースと、前記結果を表示するディスプレイとを備えている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第２のユニット内の前記送受信器と、前記第３のユニット内の送受信器とは、ワイヤレス送受信器デバイスである、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
第２のユニットは、再充電可能な電源を備え、前記第３のユニットは、該第２のユニットと情報を交換するために、かつ、該第２のユニットの該再充電可能な電源の充電可能なバッテリを充電するために電気エネルギーを供給するために、該第２のユニットに接続するドッキングポートを備えている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
遠隔型の危険要素の検出システムであって、
ａ．表面に光のビームを放出することにより、該表面からのラマン散乱放射を励起する光源と、
ｂ．該ラマン散乱放射を収集する光学的サブシステムと、
ｃ．分光器であって、該分光器は、該光学的サブシステムによって収集された該ラマン散乱放射を受信し、該表面からのラマン散乱放射の複数の反射の蓄積に基づいてラマンスペクトルデータの測定フレームを生成する、分光器と、
ｄ．該表面の物質を区別するためにラマン分光技術を使用して、該ラマンスペクトルデータを分析するプロセッサであって、該プロセッサは、毎秒少なくとも１０測定フレームのサンプリング速度で該ラマンスペクトルデータを分析する、プロセッサと
を備えている、システム。
【請求項２６】
危険な物質の遠隔検出のための方法であって、
ａ．第１のハンドヘルドユニットにおいて、該第１のユニットからある距離を離れた表面に光ビームを導くことと、
ｂ．該第１のユニットにおいて、該表面の物質と該光ビームの相互作用の結果として、該表面から反射された散乱放射を捕捉することと、
ｃ．該反射された散乱放射を該第１のユニットとは別の第２のユニットに結合することと、
ｄ．該第２のユニット内の該反射された散乱放射からスペクトルデータを生成することと、
ｅ．該表面の汚染物質を検出するために該スペクトルデータを分析することと
を包含する、方法。
【請求項２７】
前記分析することは、前記第２のユニットにおいて行われる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２のユニットから遠くに配置されている第３のユニットに、該第２のユニットから前記スペクトルデータをワイヤレス伝送することをさらに包含し、前記分析することは該第３のユニットにおいて行なわれる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記（ｄ）生成することは、前記表面からの散乱放射の複数の反射の１つまたは蓄積物を備えているスペクトルデータの測定フレームを生成することを包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
第１のモードにおいて、前記（ｄ）生成することは、前記表面を横切ったより速い走査とより低い忠実度の分析とのための測定フレームに対する散乱放射の比較的少ない数の反射の蓄積から前記スペクトルデータを生成することを包含し、そして、第２のモードにおいて、該（ｄ）生成することは、該表面を横切ったより遅い走査とより高い忠実度の分析とのための測定フレームに対する散乱放射の比較的多くの数の反射の蓄積から該スペクトルデータを生成することを包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
人間が携帯可能な遠隔型の危険要素の検出装置であって、
ａ．ハンドヘルドユニットからある距離を離れている表面に光ビームを方向づけるハンドヘルドユニット、および該光ビームの結果として該表面から反射された散乱放射を捕捉する光学的サブシステムと、
ｂ．該反射された散乱放射からスペクトルデータを生成する分光器を備えている着用可能なユニットと、
ｃ．該着用可能なユニットに該ハンドヘルドユニットを接続するケーブルであって、該ケーブルは、１つ以上の光ファイバを備え、該１つ以上の光ファイバは、該ハンドヘルドユニット内の該光学的サブシステムによって収集された該反射された散乱放射を、該着用可能なユニット内の該分光器に搬送する、ケーブルと
を備えている、装置。
【請求項３２】
前記着用可能なユニットは、プロセッサを備え、該プロセッサは、前記表面の物質を同定するために分光技術を使用して前記スペクトルデータを分析する、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記着用可能なユニット内にディスプレイデバイスをさらに備え、該ディスプレイデバイスは、前記プロセッサに接続されることにより、表面に存在していることを決定された物質に関する情報を表示する、請求項３２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府の権利）
本発明は、米国政府の契約第ＤＡＡＤ１３−０３−Ｄ−００１８に基づいて行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
（関連出願）
本出願は、２００６年３月２２日出願の米国仮特許出願第６０／７８４，４６５号と、２００７年３月２０日出願の米国特許出願第１１／６８８，４３４号とに対する優先権を主張するものであり、両出願の全体が本明細書において参考として援用される。
【０００３】
本発明は、実用的な紫外線（ＵＶ）ラマン分光法と、実用的な化学物質の検出および同定とに関する。さらに詳細には、本発明は、表面に存在し得る危険な物質を遠隔的に検出するデバイス、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
化学物質の感知および検出の分野において、他の化学物質が、検出された物質と接触したり、検出された物質に影響を与えたりすることを防止するために、汚染された現場において物質を素早く検出し、その物質のタイプおよび位置に関する情報を報告することが望ましい。汚染された現場において物質を素早く検出し、その物質の種類および位置に関する情報を報告することは、対応活動を見積もり指示するために必要とされる情報を決定権者に提供することによって結果管理を改善する際の重要な要因でもある。
【０００５】
分光技術は、物質を分析するために使用され、技術が、固相および液相で表面に堆積した物質の非破壊的なテストのために開発されてきた。かかる技術は、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＴＩＲ）と、Ｘ線蛍光と、気体クロマトグラフィおよび質量分光測定法（ＧＣ−ＭＳ）と、赤外線ラマン分光法（ＩＲラマン）とを含む。現在入手可能な表面の危険要素の検出器は、「ワンタッチ式（ｐｏｉｎｔ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ）」のデバイスであり、該ワンタッチ式のデバイスにおいて、デバイスのオペレータは、非常に近い区域における特定の位置で感知プローブを保持し、検知器における充分な集積時間を提供する期間に、その特定の位置に留まり、または、ＧＣ−ＭＳの場合においては、分析を行うために、充分な表面の化合物を気相で取り入れる期間に、その特定の位置に留まる。したがって、これらのデバイスは、オペレータが危険な可能性のある物質の非常に近くに接近し、単一の測定を獲得するために充分に長くその物質の近くに居続けることを必要とする。したがって、危険な可能性のある物質に対して広い範囲または広い領域を調査する作業は、非常に困難であり、プロセスの効率を最大化するために賢明なサンプリング計画を必要とする。表面に分散された汚染物質を探索することと関連付けられる最も困難な局面は、センサが探索中に暴露される様々な化学物質種にある。
【０００６】
表面の汚染は、汚染物質の偶発的な散布または意図的な散布の結果であり得、したがって、表面の汚染は、まとまった状態の単一の化学物質もしくは複数の化学物質または広い範囲にわたって分散された単一の化学物質もしくは複数の化学物質からなり得る。薄い層、小さい液滴または小さい粒子から構成される汚染物質の永続性の斑点の場合、上で述べられた方法はどれも、適切な検出能力を提供しない。
【０００７】
例えば、緊急対応用の市販のＦＴＩＲシステムは、単一のサンプル同定分析を実行するために２０秒を必要とするが、サンプルは、表面から物理的に取り除かれ、センサに与えられることを必要とする。別の例は、緊急対応用の市販のＩＲラマンシステムであり、該緊急対応用の市販のＩＲラマンシステムは、１５ｍｍの最大距離と、一般的には１秒と５秒との間の測定時間とを必要としており、一部のサンプルに対しては２０秒までの測定時間を伴う。
【０００８】
ＵＶラマン分光法は、多くの独特な特性を有しており、該多くの独特な特性は、表面に堆積された危険要素の迅速な遠隔検出および同定において有利に利用され得る。ラマン分光法に固有の高度な情報内容が、構造的に似た化学物質を区別する能力を低い誤報率で提供する。情報内容は、任意の分子と関連付けられる振動の自由度と関連付けられる。この多くの振動モード自体が、高く狭いラマンピークとして現われ、該高く狭いラマンピークが、スペクトルのフィンガープリントを所与のラマン活性物質に提供する。しかしながら、自発的なラマン散乱は、本質的にわずかな断面を有する。ラマンスペクトルの強度および質は、（１）励起光の波長、線の太さ、およびスペクトルの純度と、（２）励起光または散乱光が吸収される程度、放出される干渉蛍光の量、および干渉レーザ誘発の表面の物質の降伏放出の存在の可能性と、（３）励起下でのサンプルの熱安定性および光化学的安定性と、（４）同時に検査される数または化学物質（スペクトルの密集度）とに依存する。したがって、実際の用途における有用性を最大にするために、ＵＶラマンセンサが、短い波長を利用し、より大きな散乱の断面と、自然な蛍光性の背景の減少（光退色は必要とされない）と、３００ｎｍ未満の太陽光ブラインド領域（遠隔型のセンサにとって重要）と、一部の振動の遷移に対するラマン散乱の断面の共振の強化とをもたらす。さらに、３００ｎｍ未満のＵＶ光は、事実上、標準規格のプラスチックの遮光保護具または非晶質ガラスの遮光防護具を着用した職員に目の危険要素をもたらさない。
【０００９】
より離れた距離から表面を安全に検査し得、かつ、関心のあるセンサの視野の調節において高度の柔軟性を伴って表面を検査し得る表面の危険要素の検出システムが必要とされる。この遠隔型の表面の危険要素の検出システムは、広い周囲の調査を可能にする高いデータスループットを提供するために、物質から反射される光学的放射を迅速に分析することも必要である。ＵＶラマン分光法は、この高性能のセンサに基盤を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高いデータスループットと、高い空間的解像度と、高度のポインティングの柔軟性とを有する、素早くかつ高感度な表面の危険要素の検出のためのシステムおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態に従って、システムは、第１のユニットからある距離を離れている表面に励起ビームを方向づける第１のハンドヘルドユニットと、光ビームの結果として表面からの散乱放射を捕捉する光学的サブシステムとを備えている。第１のユニットは、一束の光ファイバを含むリンクを経由して、処理ユニットと呼ばれる第２のユニットに接続されている。処理ユニットは、散乱放射をスペクトルデータに変換する、ファイバに結合された分光器と、収集された信号を分析し、危険な物質を検出するプロセッサとを備えている。第２のユニットは、第１のユニットと第２のユニットとが共に人間が携帯可能な（ｍａｎ−ｐｏｒｔａｂｌｅ）検出アセンブリを形成するように、体に着用可能な筐体または体に着用可能な装置の中に含まれ得る。調節可能な焦点収集オプティクスは、安全な距離、例えば、０．２５ｍを超える距離からラマン散乱放射を収集する。検査される表面からの所望の焦点距離を達成することを補助するために、可視光点が表面に投影されることにより、最適な遠隔区域を示し、かつ、収集の視野の位置を示し得る。
【００１２】
本発明のシステムは、ＵＶ伝送ファイババンドルを使用することにより、収集された散乱放射画像を分光器に効率的に結合する。丸いマルチファイババンドルが、望遠鏡の焦点面に配置され、バンドルの中のファイバは、分光器の入射スリットとして使用される単一の行を形成するように再配置される。光が回折格子によって空間に分散された後に、分光器は、入射スリットを画素化された検出器に画像化する。
【００１３】
本発明のシステムおよび方法は、ラマン反射を検出するために分光器の出力に配置された画素化された（ｐｉｘｅｌａｔｅｄ）光検出器を使用する。いくつかのラマン反射が、所与の測定フレームの信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するために蓄積され得る。可変の数の反射が検出器に蓄積されることにより、単一の測定フレームを提供し、検出器の画素の各縦の列が値域ごとに分けられることにより、ＳＮＲをさらに改善する。検出器から抽出されたデジタル値の結果として生じるアレイは、物質の検出および同定を行なうために処理ユニットによって使用されるラマンサインを含む。センサの様々な動作モードに適応するために、各測定フレームにおいて蓄積されたラマン反射の数は、可変となる。例えば、迅速な調査の間、表面が素早く走査され、速いフレーム速度（すなわち、フレーム当たりのラマン反射の蓄積がより少ない）が、高い検出の可能性を維持するために重要となる。各フレームに対するＳＮＲにおける関連の減少にもかかわらず、検出の可能性は改善される。なぜならば、各フレームは、短い総露出で構成され、走査中に遭遇する標的の化合物から高純度のラマンサイン（スペクトルの密集の少ない）を獲得することのより高い可能性を確実にする。短い露出フレームは、センサが、センサに提示される多種多様な表面の物質で作られる素早いシーケンスと協働することを可能にするものであり、該素早いシーケンスは、迅速な表面走査からもたらされる。対照的に、確認モードまたは同定モードの間、センサは、検査される表面を凝視するので、ラマンサインは、より高い純度を有する。なぜならば、より少ない種類がセンサに提示されるからである。そして、遅いフレーム速度（フレーム当たりでより多いラマン反射の蓄積）が、ラマンサインのＳＮＲを改善することによって高い同定特性を提供するために重要となる。
【００１４】
本発明のシステムおよび方法は、表面の継続的な走査を使用することにより、汚染区画を検出し得る。ワンタッチ式のセンサとは対照的に、本発明のこのセンサシステムは、迅速な表面走査を可能にし、該迅速な表面走査は、計画に従って、静止から毎秒数１０ｃｍまでの範囲にある。これは、センサが、実用的な遠隔区域（すなわち、１ｍ）を維持しながら、１０Ｈｚ〜２５Ｈｚの速度で良質のラマン測定フレームを出力し得るので可能となる。これらの速いフレーム速度を生成する能力が、「ラマンビデオ（Ｒａｍａｎ−ｖｉｄｅｏ）」信号の形式でラマンデータを捕捉することを可能にする。先に考察されたように、いくつかの動作モードが可能となる。調査モードは、大きな周囲をスクリーニングする間に最大走査速度を提供するために使用される。調査モードと関連付けられる高いデータスループットが、調査および走査の計画を指示および最適化するためにリアルタイムの結果を使用する適応性のサンプリング技術と適応可能である。
【００１５】
本発明の検出および同定システムは、システムレベルの性能を最大化するために分散型のアーキテクチャを利用する。人間が携帯可能な用途に対して、システムを様々なユニットに分離することが有利であり得る。１つのユニットは、ビーム配向、散乱収集およびスペクトル分析の縮小バージョンを機動的な構成に収容するバッテリ動作のバックパックまたはスーツケースユニットであり得る。基地局と呼ばれる第２のユニットは、収集されたスペクトルのより集約的な分析のための処理能力を含む。結果として、バッテリ動作のユニットは、よりコンピュータ集約的ではないスペクトル分析アルゴリズムを実行し得る小さい処理デバイスを所持することによってより軽くされ得る。
【００１６】
さらに別の実施形態において、複数の表面走査センサが、広い範囲もしくは広い領域または建物における調査活動を見積るために配備され得る。センサの全てが、調査活動を調整し得る集中現場制御ユニットに検出イベントを報告する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、図１および図２を参照すると、本発明の実施形態に従った遠隔型の危険要素の検出システム１０が記述されている。検出システム１０は、ハンドヘルドユニット１００と処理ユニット２００とを備えている。ハンドヘルドユニット１００は、本明細書においては、第１のユニットまたは「ワンド」ユニットもしくは「ワンド」デバイスとも呼ばれ、処理ユニット２００は、本明細書においては、第２のユニットまたはデータ取得／処理ユニットとも呼ばれる。ハンドヘルドユニット１００は、中央ライン３００によって処理ユニット２００に接続されている。本明細書において使用される場合、用語「遠隔」は、遠隔型の危険要素の検出および同定システムと関連して、検出装置と、検査され、かつ、危険な物質または汚染物質が存在し得る表面との間で０．２５メートルを上回る距離または範囲を意味する。
【００１８】
システム１０は、高いデータスループットと、高い空間的解像度と、高度のポインティングの柔軟性とを有する、素早くかつ高感度な遠隔型の表面の危険要素の検出を達成する。この特徴的な動作モードが、新しい効率的な表面の汚染物質調査の計画を可能にする。既存の「ワンタッチ式」の技術とは対照的に、システム１０は、図１に描かれているように、汚染された現場の単一の画素の「ラマンビデオ」場面を取得することを可能にする。
【００１９】
ハンドヘルドユニット１００は、ユーザの手で保持され、物質の組成を決定するために、表面における固相または液相の物質を分光技術を用いて分析するために、表面に光ビームを導くために使用される。物質は、危険な物質または汚染物質、例えば、地面、床、壁または他の物体上の化学物質、生物学的物質、または爆発性の物質であり得、物質は、まとまって存在したり、表面にわたってまばらに分散されたりし得る。したがって、以下でさらに詳細に記述されるように、システム１０は、１人の人間または２人の人間のチームによる使用のために設計され得る。オペレータは、危険要素の保護具を着用していることがあり得る。概して、ハンドヘルドユニット１００は、約０．５メートルから約３メートルの遠隔の距離において疑わしい表面を検査し、脅威に関するスペクトル関連のデータを処理ユニット２００に戻すために使用され、該処理ユニット２００は、一直線の視野方向におけるスペクトル関連のデータを分析し、危険な脅威が存在するか否かを決定し、脅威のタイプの通知を迅速に、例えば、１００ｍｓ以下で出す。処理ユニット２００は、さらに、システム１０を有するユーザインタフェースの１つのタイプとして、ディスプレイデバイス、例えば、タッチスクリーンディスプレイまたは着用可能なヘッドアップディスプレイを備え得る。ディスプレイデバイスは、視覚的（および任意的に聴覚的）通知を、検出された危険な物質と関連付けられる詳細に関するテキストによる説明と共に提供し得る。ディスプレイスクリーンは、環境スーツを着用している人による使用に適切に適合可能であるタイプであり得る。
【００２０】
システム１０の要素が、図２のブロック図に関してさらに詳細に記述される。ハンドヘルドユニット１００は、レーザ光源１１０と、可変焦点収集オプティクス１２０と、焦点インジケータ１３０と、警報器１５０と、コントローラ１４０とを備えている。レーザ光源１１０は、検査光ビームを放出し、収集オプティクス１２０が、反射された光エネルギーを捕捉し、そのエネルギーを中央ライン３００によって処理ユニット２００内の分光器２１０に導く。焦点インジケータ１３０は以下で記述される。
【００２１】
ハンドヘルドユニット内のレーザ源１１０は、関心のある表面に方向づけられた検査する光ビームを生成する。収集オプティクス１２０は、関心のある表面から反射される光エネルギーを捕捉する。光ビームは、表面における液体および／または固体の物質の特性を分析するために有用である任意の適切なタイプの光であり得る。例えば、レーザ源１１０は、紫外（ＵＶ）スペクトルにおいて光のビームを生成し、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＬＦレーザを生成し得る。さらに、レーザ源１１０は、ＵＶ光を生成し得、該ＵＶ光は、実質的に単色である（単一の波長あるか、または狭い範囲の波長に限定される）。さらに、レーザ源１１０は、ラマン光を生成し得るので、反射される光エネルギーは、ラマン散乱された光エネルギーから成り、該ラマン散乱された光エネルギーは、分光技術を使用して分析される。
【００２２】
ケーブル３００は、光ファイババンドル３１０を備えることにより、ハンドヘルドデバイス１００によって捕捉された光エネルギーを処理ユニット１００に結合する。ケーブル３００は、処理ユニット２００からハンドヘルドデバイス１００にコマンドを通信し、かつ、ハンドヘルドデバイス１００から処理ユニット２００に他のデータを通信するために使用される少なくとも１つの導電体３２０（さらに適切には、複数の導電体）も備えている。
【００２３】
処理ユニット２００は、様々な形態を呈し得る。図２は、処理ユニット２００が、分光器２１０と、画素化された検出器として働く強調電荷結合素子カメラ（ＩＣＣＤ）２２０と、レーザおよび関連付けられる電子機器に対するコントローラ２３０と、アルゴリズムプロセッサ２４０と、データ取得および制御プロセッサ２５０と、（ディスプレイスクリーンを備えた）ユーザインタフェース２６０と、電源２７０とを備えているということを示す。当該分野においては公知であるように、分光器は、回折格子を備えることにより、散乱放射をＩＣＣＤ２２０上に分散させる。ＩＣＣＤ２２０は、分光器２１０の中に組み込まれ得る。電源２７０は、再充電を必要とする前に現場における比較的長い時間間隔の使用を可能にするために充分な量の電荷を格納することが可能である再充電可能なバッテリであり得る。あるいは、またはさらに、電源２７０は、標準規格の電力コンセントから電力を受け取ることが可能であり得る。アルゴリズムプロセッサ２４０は、メモリを含むコンピュータであり得、該メモリに、１つ以上のプログラムが格納され、該１つ以上のプログラムは、コンピュータに様々な分光分析アルゴリズムおよび制御手順を行わせる。プロセッサ２４０は、スペクトルデータが、既知の物質のスペクトルデータであるか、または未知の物質のスペクトルデータであるかを決定するために、スペクトルデータを複数の既知の物質のスペクトルデータと比較し得る。警報デバイス２８０も存在し、該警報デバイス２８０は、警報トリガ信号によって作動されたときに、可聴警報通知および／または視覚的警報通知を生成する。警報デバイス２８０は、ユーザインタフェース２６０に組み込まれ得る。
【００２４】
処理ユニット２００に配置されるデータ取得および制御プロセッサ２５０は、システム全体の制御を提供し、該システム全体の制御は、ユーザインタフェース２６０による入力および出力の管理、ならびにハンドヘルドデバイス１００への制御信号およびハンドヘルドデバイス１００からの制御信号の管理を含む。アルゴリズムプロセッサ２４０は、分光器２１０の出力を分析するアルゴリズムを実行することにより、反射される光エネルギー（例えば、ラマンスペクトル）が、危険な物質とＵＶレーザ光との相互作用からもたらされたか否かを決定する。アルゴリズムプロセッサ２４０は、メモリを備え、該メモリは、サインのデータベースまたはライブラリを格納しており、該サインは、アルゴリズムプロセッサ２４０がラマンスペクトルデータに関して行う分光分析において使用される。
【００２５】
走査される表面に方向づけられる光ビームは、ＵＶ光の離散パルスを備えることにより、表面サンプルからラマン信号を作り出し得る。別の実施形態において、レーザ源１１０は、持続波（ＣＷ）ＵＶ光源であり得る。ラマン信号の強度は、励起ビームの特性を調整することによって最大化され得る。光源１１０の光生成部をハンドヘルドユニット１００内に配置することが、伝送される励起ビームを適切な形状にすることを可能にし、かつ、送達されるエネルギーの量を最大化することを可能にする。しかしながら、ハンドヘルドユニット１００内の光源１１０は、レーザによってポンピングされる最後のＵＶ変換段階であり得、該レーザは、実質的には、処理ユニット２００内にあり、中央ケーブル３００内の光ファイバを介してＵＶ変換段階に結合されている。
【００２６】
高品質のＵＶ励起ビームは重要である。なぜならば、高品質のＵＶ励起ビームは、検査される表面に励起ビームを密に収束することを可能にするからである。システムの遠隔範囲全体にわたる密なレーザ焦点（例えば、直径が１ミリメートル未満）が、いくつかの理由で有用となる。第１に、励起点の直径が、収集オプティクスの画像化対象となる。ハンドヘルド１００内の収集オプティクス１２０は、できる限り多くの放射を収集するために高開口数を使用するので、小さいサイズの励起点は、その画像を光学的受信器チェーンの残りに効率的に結合することを可能にする。励起点を小さい直径に抑える第２の理由は、同時に検査される化学物質種の合計数を制限する要求である。収集される全ラマンサインが、励起される各化学物質と関連付けられる個々のラマンサインの重ね合わせからもたらされる。大きな励起点は、多数のラマンサインを提供し得る。なぜならば、より多くの化学物質種に遭遇する可能性が高く、あまり明確ではない全ラマンサイン（よりスペクトルを密集させられた全ラマンサイン）をもたらすからである。密に収束したビームを使用して、一度に単一の化学物質種を検査することによって、高純度のラマンサインが生成され得る。励起点を小さい直径に抑える第３の理由は、生成される各ラマンサインと関連付けられる信号の量にある。小さい励起点は、標的が小滴または粒子である場合に、関心のある標的への利用可能な励起光子の大部分の効率的な送達を提供する。これは、標的の化学物質のラマンサインが全ラマンサインを特色付けることと、センサのノイズフロアを上回る全ラマンサインを測ることとを可能にし、その結果として、センサの検出の限度を改善する。最後に、励起点を小さい直径に抑える別の理由は、汚染物質の正確な地形位置を提供することである。なぜならば、検出イベントと検査ビームの位置との間の直接的な相関関係が作り上げられ得るからである。要するに、この小さな検査点は、以下で記述される「ラマンビデオ」センサの概念の基礎となる「単一画素」のラマンサインの概念を構成する。
【００２７】
可変焦点収集オプティクス１２０は、安全な距離、すなわち、「遠隔」距離からラマン散乱放射を収集することを可能にする。遠隔距離の調節は、必要とされているわけではないが、測定プロセスが、この調節可能性を提供することによって向上される。なぜならば、センサは、所与の遠隔区域に対して限定された被写界深度を有するからである。焦点距離を調節する１つの方法は、可変焦点収集オプティクス１２０を形成する光学素子間の分離距離を調節することである。焦点距離を調節する別の方法は、最遠位の望遠鏡光学素子と、オプティクスを分光計２１０に結合するファイババンドル３１０の入力との間の分離を調節することである。全ての場合において、単一のコンポーネントだけが、センサの遠隔区域を調節するために移動させられることを必要とする。光学素子は、手動で作動されるメカニズムを使用したり、電動化されたメカニズムを使用したり、ハイブリッドメカニズムを使用したりして、必要に応じてオペレータによって移動させられ得る。一実施形態において、０．５ｍから３ｍまでの焦点の調節可能性が、一次ミラーを移動させることによって提供される。別の実施形態において、収集オプティクスは、機械的設計を単純にするために１ｍで固定の焦点を有する。可変焦点収集オプティクス１２０の例は、図４Ａ〜図４Ｄに関して、以下でさらに詳細に記述される。さらに、自動焦点システムが、以下でさらに詳細に記述される焦点インジケータ１３０から獲得される認識に基づいて、収集オプティクス１２０における光学素子のうちの１つを自動的に動かすために利用され得る。
【００２８】
焦点インジケータ１３０は、検査される表面に投影される可視光点を生成することにより、最適な遠隔区域を示し、かつ、収集の視野の位置を示す。収集オプティクス１２０が所望の焦点距離に調節されると、この可視点は、標的指示子として働き、かつ、正しい遠隔距離を維持するインジケータとして働く。この特徴は、ハンドヘルドユニット１００と関連付けられるポインティングの柔軟性を加え、かつ、効率的な表面の走査を可能にする。これを達成する１つの方法は、２つのレーザダイオードポインタを最適な遠隔距離で交差させることによるものである。２つ以上の投影された点の間の間隔を最小に維持することが、収集オプティクスの適切な焦点を確実にする。望遠鏡オプティクスを介してダイオードレーザを向けることが、望遠鏡の焦点距離の全ての調節のための遠隔区域の正確な示度を可能にする。あるいは、可視光を結合されたファイバが使用され得る。ファイバの出力が、望遠鏡を介して投影されることにより、収集の視野を検査表面に画像化し得る。この場合、ダイクロイックミラーが、可視指示器チャンネルからＵＶラマン受信チャンネルを分離するために使用される。焦点インジケータ１３０の例は、図４Ａ〜図４Ｄに関して以下で記述される。ここでもやはり、上に述べられたように、自動焦点システムが、可変収集オプティクス１２０を自動的に調節するために焦点インジケータ１３０によって投影された光点に基づいて表面までの距離を解釈するために利用され得る。
【００２９】
図３に関して以下で記述される、本発明の別の実施形態に従って、分散型のアーキテクチャがシステムレベルの性能を最大化するために利用される。図２に示された実施形態は、処理ユニット２００内に、人間が携帯可能な用途のために、単一のパッケージで主要な機能のうちのいくつか（すなわち、調査モードおよび同定モード）を配置しているが、複数のユニットにわたって処理機能をさらに分離することが有利になり得る。例えば、バッテリ動作のバックパックユニットまたはスーツケースユニットが、機動的な構成における散乱サインの収集を可能にするために、センサコンポーネント（ハンドヘルドユニット１００および処理ユニット２００）の縮小バージョンを収容するために提供され得る。基地局または静止ユニットも提供され、該基地局または該静止ユニットは、ドッキング機能を提供し、基地局によって電力を供給されながら、バッテリ動作のユニットが充電され、電源を入れられ、そして定常状態にされることを可能にする。基地局は、較正機器および追加の処理ユニットも収容し得、該処理ユニットは、第１のユニットの性能よりも高性能である。この場合、バッテリ動作のユニットは、より小さいプロセッサを所持することによってより軽くされ得、該より小さいプロセッサは、よりコンピュータ集約的ではない分光分析アルゴリズムを使用して忠実度のあまり高くない調査モードを提供する。この搭載の能力は、より多くの誤報を提供するが、不良環境にある間、調査モードを可能にし、ユーザに常在（ａｌｗａｙｓ−ｐｒｅｓｅｎｔ）能力を与える。バッテリ動作のユニットは、並行して、ラマンフレームを基地局に伝達し、該基地局が、危険要素をより正確に同定する同定モードと関連付けられるよりコンピュータ集約的な（より忠実度の高い）アルゴリズムを実行する。
【００３０】
本発明のこの実施形態に従って、危険であると疑わしい物質の遠隔検査のための器具が、人間が携帯可能なアセンブリまたは着用可能なアセンブリ６００内に構成され得、該人間が携帯可能なアセンブリまたは着用可能なアセンブリ６００は、ハンドヘルドユニット７００と体に着用可能なユニット８００とを備えている。この構成が、図３のブロック図を参照して記述される。ハンドヘルドユニット７００は、図２に示され、かつ、上に記述されたコンポーネントと同様な、レーザ７１０と、収集（望遠鏡）オプティクス７２０と、コントローラ７３０と、警報デバイス７４０とを備えている。中央ケーブルは、光ファイババンドル９１０と、図２に示されたケーブル３００と同様な導電体バンドル９２０とを備えている。着用可能なユニット８００は、中央ケーブル９００を経由してハンドヘルドユニット７００に接続され、分光器８１０と、ＩＣＣＤ８１５と、制御およびデータ取得プロセッサ８２０と、ディスプレイ８３０と、電源８４０（例えば、バッテリパック）と、アンテナ８０５を経由した基地局１０００（ｉ）とのワイヤレス通信をサポートする無線周波数（ＲＦ）ワイヤレス送受信器／モデム８５０と、警報デバイス８６０とを備えている。電源８４０は、着用可能なユニット８００内のコンポーネントと、ハンドヘルドユニット７００内のコンポーネントとに電力を供給する。ディスプレイ８３０は、オペレータによって視認可能なスナップオン方式のディスプレイシステムまたはフリップダウン方式（ｆｌｉｐ−ｄｏｗｎ）のディスプレイメカニズムであり得るか、またはバイザー上で見ることができるディスプレイ、例えば、ヘッドアップディスプレイであり得る。ディスプレイ８３０は、危険な物質の検出に関してユーザに情報を表示するために使用され得る。多くの点で、着用可能なユニット８００は、第１の実施形態における処理ユニット１００と同様であり、ハンドヘルドユニット７００は、第１の実施形態におけるハンドヘルドユニット２００と同様である。
【００３１】
人間が携帯可能なアセンブリ６００は、１つ以上の基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）と通信し得る。基地局は、アンテナ１００５と、ＲＦワイヤレス送受信器／モデム１０１０と、分析プロセッサ１０２０と、基地局のオペレータに対するディスプレイ１０３０と、設備の電源１０４０とを備えている。例として、基地局１０００（ｉ）は、車両に設置されたり、車両において使用されたりし、車両の電源システムによって駆動され得る。あるいは、基地局は、固定の位置にあり得る。さらに、基地局１０００（ｉ）は、基地局１０００（ｉ）が着用可能な装置に含まれ得るか、または適切なワイヤレス通信能力を装備されたラップトップコンピュータとして体現され得るという意味で、１人で携帯可能であり得る。基地局１０００（ｉ）は、さらに、その中に、人間が携帯可能なアセンブリ６００に含まれるものと同様な警報デバイスを備えたり、組み込んだりし得る。基地局１０００（ｉ）は、ドッキングポートまたはドッキングユニット１０５０を有し得、該ドッキングポートまたはドッキングユニット１０５０は、適切な接続ケーブルによって人間が携帯可能なアセンブリ６００に接続することが可能であることにより、基地局の設備の電源１０４０を介して電源８４０を充電し、アセンブリ６００を作動し、そして、アセンブリ６００を定常状態にもたらす。上で述べられたように、プロセッサ１０２０はまた、着用可能なユニット８００内の分光器８１０を較正するために、人間が携帯可能なアセンブリ６００内の関連のコンポーネントと相互作用する。ドッキングユニット１０５０は、バッテリ充電器を含み得、該バッテリ充電器は、着用可能なユニット８００がドッキングされたときには、電源８４０を充電する。
【００３２】
基地局１０００（ｉ）と人間が携帯可能なアセンブリ６００との間に、いくつかの起こり得る動作シナリオがある。１つのシナリオにおいて、着用可能なユニット８００内のプロセッサ８２０は、分光器８１０の出力をデジタルスペクトルデータ信号に変換し、任意的に、スペクトルデータを圧縮し、そして、ＲＦ送受信器を経由してこのスペクトルデータを１つ以上の基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）に伝送する。基地局１０００（ｉ）内の分析プロセッサ１０２０は、着用可能なユニット８００からスペクトルデータを受信し、スペクトルデータの分析を行うことにより、危険な物質の検出および同定を行い、そして、演算の結果をディスプレイ１０３０に表示する。分析を行った後、基地局１０００（ｉ）は、着用可能なユニット８００に信号を伝送し戻し得、該着用可能なユニット８００が、検出された物質の特性／正体を示す。例えば、危険な物質が検出された場合には、伝送された信号が、着用可能なユニット８００および／またはハンドヘルドユニット７００に可聴警報および／または視覚的警報を発するので、ユーザはさらに継続する際に適切な予防措置を取ったり、直ちにその範囲を去ったりする。
【００３３】
任意的に、着用可能なユニット８００内のプロセッサ８２０は、信頼性があまり高くない可能性があるが、危険な物質の検出のリアルタイムまたはほぼリアルタイムでユーザに警報を発するように、分光器８１０によって生成されるスペクトルデータのより素早いが忠実度のより低い分析を行い得る。これが、所謂、上で述べられた調査モードである。着用可能なユニット８００はまた、スペクトルデータを基地局１０００（ｉ）に伝送し、該基地局１０００（ｉ）は、忠実度がより高く、信頼度がより高い分析を行うが、該忠実度がより高く、信頼度がより高い分析は、いくらかの追加的な時間を必要とする。これが、所謂、上で述べられた同定モードであり、同定モードは、より完全なサインのライブラリを使用する。この処理の割り当てスキームが、図７および図８を参照してさらに詳細に下で述べられるように、より高度な調査を可能にする。
【００３４】
図３の構成によって描かれているようなデータ収集から検出処理を分離する１つの利点は、収集されたデータが複数の基地局に（同時にまたは逐次的に）伝送され得、各基地局が自身の分析を行い、そして、危険な物質を検出した人間が携帯可能なアセンブリ６００によって警報を発せられ得るということである。複数の人間が携帯可能なアセンブリが配備された場合には、各アセンブリは、基地局にデータを伝送するときに使用される独自の識別子を有するので、基地局は人間が携帯可能なアセンブリを区別し得る。したがって、危険な物質に関する情報は、迅速かつ広範に配信され得る。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態において、一組の表面を走査する人間が携帯可能なアセンブリ６００が、広い周囲または建物での調査活動を見積もるために提供される。この場合、全ての人間が携帯可能なアセンブリ６００が、検出イベントを集中型現場制御ユニットに報告し、該集中型現場制御ユニットが、調査活動を調整し得る。現場レベルにおける適応性サンプリングが、マルチセンサ構成を用いて可能となる。このために、１つ以上の基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）が、さらに遠くに配置される主現場制御ユニット１１００に連結され得、該主現場制御ユニット１１００は、いくつかの基地局／人間が携帯可能なアセンブリを調節する。現場制御ユニット１１００は、イーサネット（登録商標）ハブ（Ｅ−Ｎｅｔハブ）１１１０などのネットワークインタフェースと、ステータスコンピュータ１１２０と、ディスプレイ１１３０と、電源１１４０とを含み得る。基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）のそれぞれはまた、ネットワーク１２００による設備通信に対するイーサネット（登録商標）インタフェースコンポーネントを有する。現場制御ユニット１１００は、例えば、危険な物質の実際の検出または起こり得る検出に関する作業を調整することに責任のある現場の指揮官によって動作され得る。
【００３６】
図４Ａ〜図４Ｄを参照すると、ハンドヘルドユニット１００の実施形態が、さらに詳細に記述されている。図４Ａに示された一実施形態において、ハンドヘルドユニット１００は、主筐体１０２とハンドグリップ部１０４とを備え得る。筐体は、収集オプティクス１２０を含み、レーザ１１０に対する支持としても働く。レーザ１１０は、筐体１０２の底部に設置される。折りたたみ鏡１１２と焦点調節光学素子１１４とが、レーザビームを収集オプティクス１２０のボアサイトと同一直線状に放出させる。レーザ電力計１１６が存在し、該レーザ電力計１１６は、折りたたみ鏡１１２のうちの１つによるレーザ光のわずかな部分を受け取ることにより、伝送されるレーザビームのモニタリングを可能にする。折りたたみ鏡１１２は、レーザビームの光路を調節するために傾けたり、傾斜させたりし得る。筐体１０２は、前窓１０８を有し、該前窓１０８は、レーザ１１０および収集オプティクス（望遠鏡）１２０と関連付けられる光学素子を支持するような大きさにされており、それにより、用いなければラマン後方散乱の検出と干渉するスパイダ支持の必要性を排除する。収集オプティクス１２０は、一次ミラー１２２と二次ミラー１２４とを備えている。この実施形態において、一次ミラー１２２は固定され、二次ミラー１２４は、デバイスの光軸またはボアサイトに沿って動くことができる。二次ミラー１２４はまた、望遠鏡１２０によって反射される光エネルギーの光路を調節するために傾け、かつ、傾斜させられ得る。収集オプティクス１２０は、任意の反射された後方散乱（例えば、ＵＶラマン）放射を、ハンドヘルドユニット１００に接続された光ファイババンドル３１０の中に収束させ、次に、該ハンドヘルドユニット１００は、反射された散乱放射を処理ユニット２００内に含まれる分光器２１０（図２）に配信する。
【００３７】
図４Ｂに示されたハンドヘルドユニット１００の別の実施形態において、筐体１０２の基部に接続された、関節のあるアーム接続１１８が存在し、該関節のあるアーム接続は、レーザビームの光軸を傾け、かつ、傾斜させ得る。これは、レーザ源がハンドヘルドユニット１００内に配置される代わりに、処理ユニット２００内に配置されることを可能にする。光ファイバ３１１が存在し、該光ファイバ３１１は、処理ユニット２００内のＵＶ源からのレーザビームをハンドヘルドユニット１００内の焦点調節光学素子１１４に供給する。図４Ｂに示されたハンドヘルドユニット１００の他のコンポーネントは、図４Ａに示されたコンポーネントと同じ構成を有する。
【００３８】
図４Ｃに示されたハンドヘルドユニット１００のさらに別の実施形態において、送受信器構成が使用される。この場合、ＵＶ励起光が、受信された散乱放射と同じ光路を使用して、収集オプティクス１２０によって伝送される。ＵＶレーザビームが、光ファイバ３１１によって焦点調節光学素子１１４に結合される。図４Ｂの実施形態のように、ＵＶレーザ源は、処理ユニット２００内にある。収集オプティクス１２０は、一次ミラー１２２と、二次ミラー１２４と、ＵＶラマンエッジフィルタ１２８と、ミラー１３１と、焦点調節光学素子１３３とを備えている。この実施形態において、一次ミラー１２２は可動であり、二次ミラー１２４は固定されている。ＵＶラマンエッジフィルタ１２８は、伝送されたＵＶ励起ビームを、反射された散乱放射から分離する。図４Ｃはまた、焦点インジケータ１３０を例示し、該焦点インジケータ１３０は、少なくとも２つの標的指示子レーザダイオード１１７を備えており、該少なくとも２つの標的指示子レーザダイオード１１７は、筐体１０２の側面で互いから離され、それぞれのビームをレンズを通ってダイクロイックミラー１２６に向けるように内側に向けられており、該ダイクロイックミラー１２６は、適切な焦点距離または所望の焦点距離を達成するのを補助する目的で、ダイオードからハンドヘルドユニット１００のボアサイトの中に反射し、そして窓１０８を出て表面に反射する。図４Ｃはまた、ハンドヘルドユニットがユーザの手の中にないときにハンドヘルドユニット１００を停止する「デッドマン（ｄｅａｄ  ｍａｎ）」スイッチ１５２をグリップまたはハンドル１０４上に示す。
【００３９】
図４Ｄは、さらに別の実施形態に従ったハンドヘルドユニット１００の側面図を示す。筐体１０２の反対側に、先の実施形態のように、ユーザが検査される表面から適切な焦点距離でハンドヘルドユニット１００を手で維持することを補助するために、２つの焦点調節ダイオード１１７が配置されている。ダイオード１１７は、互いに対して内側に向かって角度を付けられているので、ダイオード１１７が放出するビームは、表面において収集オプティクス１２０の焦点で交差し、すなわち、ハンドヘルドユニット１００から所定の距離、例えば、約１メートルで交差する。交差箇所は、収集オプティクス１２０の最適な焦点距離と対応する。大きな焦点調節ノブ１１９が筐体のバレルの側面にある。これらのノブを回すことによって、一次ミラー１２２（図４Ｃの実施形態に対して）または二次ミラー（図４Ｂの実施形態に対して）のいずれかが、デバイスの光軸に沿って移動させられ、遠隔の焦点距離が、それに応じて修正される。ハンドヘルドユニット１００の背部に配置された２つのスイッチ１５６および１５８が存在する。ハンドヘルドユニット１００を操作可能にするために、これらの３つのスイッチが順番に作動される。特に、処理ユニット２００におけるソフトウェアの動作が、システムを使用可能にした後、ハンドル１０４上のデッドマンスイッチ１５２が、最初に加圧されることにより、動作回路を閉じる。次に、ハンドヘルドユニット１００の背部のスイッチ１５６が作動されることにより、焦点調節ダイオード１１７を起動する。最後に、スイッチ１５８が作動されることにより、レーザ１１０を起動したり、レーザ光が放出されることを可能にするデバイス１００上の物理的シャッタを開いたりする。ユニット１００の背部の１つ以上の光（例えば、ＬＥＤ）１５４が、ユニットが起動中であり、操作可能であるか否かを示すために提供され得る。
【００４０】
上に記述されたように、ＵＶ伝送ファイババンドル３１０は、反射される光エネルギーを分光器２１０に効率的に結合する。ファイババンドル３１０は、丸いマルチファイババンドルを備え、該丸いマルチファイババンドルは、収集オプティクス１２０の焦点面に配置され、バンドルの他端において、個々のファイバが、分光器２１０の入射スリットとして使用される単一の行を形成するように再配置される。光が分光器２１０の回折格子によって空間的に分散された後、分光器２１０は、ＩＣＣＤカメラ２２０の画素化された光検出器に入射スリットを画像化する。
【００４１】
分光器２１０の出力に配置されたＩＣＣＤカメラ２２０の画素化された光検出器は、ラマン反射エネルギーを検出する。いくつかのラマン反射が、所与の測定フレームの信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するために蓄積され得る。選択された数の反射が、単一の測定フレームを提供するために、ＩＣＣＤカメラ２２０または他の画素化された検出器デバイスに蓄積されると、画素の各縦の列が、値域毎にまとめられることにより、さらにＳＮＲを改善する。ＩＣＣＤカメラ２２０から抽出されたデジタル値の結果として生じるアレイは、処理ユニット２００によって使用されるラマンサインを含むことにより、化学物質の検出および同定を行う。したがって、画素化された検出器（例えば、ＩＣＣＤ２２０）は、表面からの散乱放射の複数の反射うちの１つまたは蓄積物に基づいて測定フレームを生成する。
【００４２】
センサシステム１０の様々な動作モードに適応するために、各測定フレームに蓄積されたラマン反射の数は、可変である。例えば、迅速な調査モードの間、表面が素早く走査され、速い測定速度（すなわち、フレーム当たりでより少ないラマン反射の蓄積）が、検出の高い可能性を維持するために重要となる。各フレームに対するＳＮＲにおける関連の減少にもかかわらず、検出の可能性は改善される。なぜならば、各フレームは、短い総露出で構成され、走査中に遭遇する標的の化合物から高純度のラマンサイン（スペクトルの密集の少ない）を捕捉することのより高い可能性を確実にする。短い露出フレームは、センサシステムが、迅速な表面走査からもたらされる、センサに提示される多種多様な表面の組成物の素早いシーケンス（ｑｕｉｃｋ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）と協働することを可能にする。対照的に、確認実行モード（同定モードとも呼ばれる）の間、センサは、検査される表面を凝視し（すなわち、より少ない種類がセンサに提示されるので、ラマンサインがより高い純度を有する）、遅いフレーム速度（すなわち、フレーム当たりでより多いラマン反射の蓄積）が、ラマンサインのＳＮＲを改善することによって高い同定特性を提供するために重要となる。確認実行モードの間、検出器の飽和が生じ得る。この場合、オートゲイン特徴が、飽和前に蓄積を停止することによって各フレームに提供され得る。
【００４３】
システム１０は、表面を継続的に走査することにより、汚染区画を検出し得る。ワンタッチ式のセンサとは対照的に、本発明のこのシステム１０は、迅速な表面走査を可能にし、該迅速な表面走査は、計画に従って、静止から毎秒数１０ｃｍまでの範囲にある。これは、システム１０が、実用的な遠隔区域または実用的な遠隔距離（すなわち、１ｍ）を維持しながら、調査モードにおいて１０Ｈｚ〜２５Ｈｚの速度で良質のラマンフレームを生成し得るので可能となる。より高いフレーム速度が可能であるが、最終的には、ＳＮＲにおける関連した減少が、実際のフレーム速度を制限する。これらの高いフレーム速度を生成する能力もまた、上で記述された「ラマンビデオ」センサの概念の基礎となっている。走査速度のカバレッジに関して、本発明のシステムは、毎秒数１０センチメートルまでの速度で表面を走査し得る。調査モードと関連付けられるより高いデータスループットは、適応性のサンプリング技術と適応可能であり、該適応性のサンプリング技術は、リアルタイムの結果を使用することにより、調査計画を指示および最適化する。この場合、誤報の可能性の増加を代償として（より忠実度の低い分析モードにおいて）センサの検出の可能性を増加させることが望ましくなり得る。この忠実度の低いモードにおいて、誤報は、あまり残念な結果を有さない。なぜならば、誤報は、ユーザに同定モードに切り替えることを促すことによって、よりしっかりとした精密な検査をもたらすからである。同定モードは、誤報の可能性をより低くするが、ユーザが走査を停止し、疑わしい範囲を凝視することを必要とする。この誤報の可能性を低くすることが、２つの要素の同時発生によって可能にされ、該２つの要素は、（１）先に考察されたように、凝視とより低いフレーム速度とが高いＳＮＲを有する高純度のラマンサインをもたらし、凝視とより低いフレーム速度とが正しい同定を行うアルゴリズムの能力を改善することと、（２）同定モードと関連付けられるより低いフレーム速度が、処理ユニット２００がよりコンピュータ集約的かつ高度なアルゴリズムを使用することを可能にし、より大規模なラマンスペクトルライブラリがポジティブマッチ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｍａｔｃｈ）になることを可能にすることとである。
【００４４】
図５は、１ｍの遠隔区域から２５Ｈｚの反復速度で取られた単一の「フレーム」のラマンデータの例を示す。この図は、上に記述された「ラマンビデオ」の概念を可能にする目的でセンサ構成によって達成されたデータの質を例示する。図５はまた、システム１０が継続的かつ中断されないように、高いデータスループットで物質を検出および同定するように動作され得るということを例示する。
【００４５】
図６は、カートの形式で処理ユニット２００を示し、該カートは、筐体２０２と、筐体２０２に取り付けられた１つ以上の車輪２０５と、人が処理ユニット２００を動かすことを可能にするハンドル２０７とを備えている。筐体２０２は、さらに、脚２０８を備え、該脚２０８は、処理ユニット２００を安定して維持するために使用される。筐体２０２は、さらに、使用しないときにハンドヘルドユニット１００を格納するレセプタクル２０９を備えている。システムが使用中でないときにケーブル３００を周りに巻いたり、システムが使用中のときにケーブル３００の余分なたわみを巻き取ったりするブラケット２１２がある。
【００４６】
図６を参照すると、システム１０の一実施形態の動作が記述されている。システム１０は、１人または２人で使用され得る。２人の配備は、処理ユニット２００を担当する第１の人と、ハンドヘルドユニット１００を使用する第２の人とを含む。ハンドヘルドユニット１００を操作する人は、検査される固体または液体の物質４１０が存在する表面４００に接近する。この人は、ハンドヘルドユニット１００を表面４００の上に動かし、ハンドヘルドユニット１００を表面４００に向けて動かしたり、表面４００から離れるように動かしたりすることによって焦点を合わせるようにダイオード１１７によって放出されたビームを使用するので、ダイオード１１７からのビームは、表面４００において、収集オプティクス１２０の焦点部分と交差したり、ほぼ交差したりする。約１メートルの焦点距離を使用することによって、７０％の収集に対する、結果として生じる収集望遠鏡の被写界深度は、焦点のいずれかの方向において約２インチであるので、ハンドヘルドユニット１００内のレーザからの検査光ビームは、容易に焦点を外れることなく横切って動かされ（走査され）得る。ユーザが表面４００の焦点にハンドヘルドユニット１００を配置した後、レーザが作動され、反射された光エネルギーがハンドヘルドユニット１００によって収集され、中央ケーブル３００内の光ファイババンドルによって処理ユニット２００に結合される。処理ユニット２００は、反射された光エネルギーを分析し、検出された物質の特質を記述する表示データを生成する。さらに、処理ユニット２００は、トリガ信号を生成し得、該トリガ信号は、検出された物質が危険なタイプのものであるときには、ユーザに対する可聴警報通知および／または視覚的警報通知を作動させるために、処理ユニット２００とハンドヘルドユニット１００とのうちの１つまたは両方における警報デバイスに結合される。これは、さらなる調査を行うときに、ユーザに充分な注意を働かせるように、および／またはその範囲を直ちに去るように警報を発する。検出された物質と関連付けられる危険の程度に従って、処理ユニット２００によって生成される様々な警報のレベルが存在し得る。
【００４７】
図６に示された構成に対する代替案として、ハンドヘルドユニット１００は、図４Ｂに示されているような機械的アームデバイス５００の遠位端に取り付けられ得る。アームデバイス１１８は、近位端と遠位端とを備え、第１のユニットと第２のユニットとの間に光の自由空間光結合（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を組み込み得る。アームデバイス１１８の近位端は、図６に示された形式で処理ユニット２００の上部に取り付けられ、ハンドヘルドユニット１００は、アームデバイス１１８の遠位端に取り付けられる。機械的アームデバイス５００は、処理ユニット２００から遠隔的に制御されることにより、ハンドヘルドユニット１００を所望の表面に向けて導くことにより、その表面を検査する。
【００４８】
図７を参照すると、ここで、動作が、図３に関して上で記述された人間が携帯可能なアセンブリ６００と基地局１０００とに関して記述される。体に着用可能なユニット８００は、着用可能な装置または筐体、例えば、バックパックの中に含まれる。あるいは、着用可能な装置８００は、他の形式、例えば、頭に着用可能、腕に着用可能、腰に着用可能（ウエストパック）などを取り得る。中央ケーブル９００は、ハンドヘルドユニット７００を着用可能ユニット８００に接続する。人間が携帯可能なアセンブリ６００は、一部の処理能力を有し、リンク、例えば、ワイヤレスリンクを経由して遠くの基地局１０００と通信し、該基地局１０００においては、より大規模な処理が行われ得る。概して、ユーザが着用しなければならない器具の重さおよび大きさを削減するために、体に着用可能なユニット８００は、反射される光エネルギーを処理する分光器と、一部の処理能力とを含み得るが、完全なデータ処理は、遠くの基地局１０００において行われる。着用可能なユニット８００は、軽くなるように設計され、例えば、２０ｋｇ（４５ｌｂｓ）未満になるように設計され得る。
【００４９】
図８は、図７に示されたシステムが使用され得る計画のタイプの例を例示する。危険または汚染の可能性が、その場所（屋内または屋外）に存在することを決定される。応答者が人間が携帯可能なアセンブリ６００を着用し、１つ以上の基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）が、危険地帯と疑わしい場所、例えば、汚染された建物の外または異なる階から安全な距離に配置される。防護具および人間が携帯可能なアセンブリ６００を着用し得る応答者個人が、危険要素に汚染されたと疑われる現場に行く。それぞれが人間が携帯可能なアセンブリ６００を配備された複数の人が存在し得る。各人間が携帯可能なアセンブリ６００は、基地局１０００（１）〜基地局１０００（Ｎ）のうちの１つ以上と通信する。ハンドヘルドユニット７００は、疑わしい表面または疑わしい物体と接触することなく少なくとも約１ｍの遠隔において疑わしい表面を検査するために使用される。人間が携帯可能なアセンブリ６００は、検査された表面に関するスペクトルデータを処理のために基地局に伝送する。基地局１０００（ｉ）（または人間が携帯可能なアセンブリ６００）が、表面の汚染物質を検出した場合には、物質が同定され、基地局は、比較的に短時間（例えば、数秒未満）で、比較的高度の信頼性を伴って人間が携帯可能なアセンブリ６００に信号を伝送し得る。応答者は、検出された危険な物質をマッピングすることに進み、視野の高い柔軟性を利用する。図７および図８に描かれた調整された危険要素の検出および同定システムは、中央（現場）制御局が関心のある領域における表面の検出掃引を調節することを可能にする。
【００５０】
図８はまた、図形要素線を示すことにより、現場のどこを検出器が既に物質のために走査したかを示す。例えば、水平面１２００（例えば、地面）において、図形要素線１２１０は、検出器が表面１２００上でどこを既に走査したかを示す。危険な物質の検出区画が、参照番号１２２０で示されている。同様に、垂直面１３００（例えば、壁）において、図形要素線１３１０は、垂直面１３００のどこを検出器が既に走査したかを示すように描かれている。
【００５１】
遠隔検出技術を配備することが有用であり得る別の物理的プラットフォームが、有人の地上車両または無人の可動地上車両である。人間が携帯可能なアセンブリ６００の特徴および機能がいずれかのタイプの車両に組み込まれたり、設置されたりし得る。無人の可動地上車両に技術を配備する利点は、車両が、車両または遠くの基地局による分析のためにスペクトルデータを捕捉し得るので、人は、危険な物質の可能性のある近くに来ることを必要としないということである。
【００５２】
本明細書において記述されたシステムおよび方法は、その精神または本質的な特性を逸脱することなく、他の特定の形式で体現され得る。したがって、上記の実施形態は、あらゆる点において例示と考えられるべきであり、限定を意味すると考えられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムのブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムのブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、本発明の複数の実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの一部を形成するハンドヘルドデバイスのいくつかの構成を例示する。
【図４Ｂ】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、本発明の複数の実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの一部を形成するハンドヘルドデバイスのいくつかの構成を例示する。
【図４Ｃ】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、本発明の複数の実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの一部を形成するハンドヘルドデバイスのいくつかの構成を例示する。
【図４Ｄ】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、本発明の複数の実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの一部を形成するハンドヘルドデバイスのいくつかの構成を例示する。
【図５】図５は、本発明の複数の実施形態に従った、表面を走査することから導き出されるデータの単一の測定フレームのプロット図を例示する。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に従った遠隔型の表面の危険要素検出システムの斜視図である。
【図７】図７は、図３に示された本発明の実施形態に従った遠隔型の危険要素検出システムの動作を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に従った、様々な表面を走査し、汚染区画を調査するための遠隔型の危険要素検出システムの使用計画を例示する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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