(57)【要約】【課題】本開示は概略的に、多重波長作像分光器に対する方法および装置に関する。より詳細には、一実施例において本開示は、光子を貫通通過させる光学フィルタに関する。【解決手段】前記フィルタは、第１フィルタ・ステージおよび第２フィルタ・ステージを含む。前記第１フィルタ・ステージは、第１リターダ要素と第１液晶セルとを含み得る。前記第１要素は、入力面および出力面を含み得る。前記第１要素の各面のひとつは、当該フィルタを貫通通過する光子の軌跡に対して実質的に直交しては配向されない。
2006528353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフィルタ・ステージの第１ステージは各々が均一厚みを有するリターダ要素および液晶セルを含むという該複数のフィルタ・ステージを備えた光学フィルタにおいて、
前記第１ステージを、リターダ要素および液晶セルを有する第2ステージであって該要素またはセルのいずれかは均一厚みを有さないという第2ステージと置き換えることから成る改良。
【請求項２】
前記第１ステージの前記要素および前記セルは同一厚みである、請求項１記載のフィルタ。
【請求項３】
前記第２ステージの前記要素は均一厚みを有さない、請求項１記載のフィルタ。
【請求項４】
前記第２ステージの前記要素は楔形状である、請求項１記載のフィルタ。
【請求項５】
前記第２ステージの前記要素は階段状の楔形状を有する、請求項１記載のフィルタ。
【請求項６】
複数のフィルタ・ステージの第１ステージは各々が均一厚みを有するリターダ要素および液晶セルを含むという該複数のフィルタ・ステージを備えた光学フィルタにおいて、
前記第１ステージを、
リターダ要素および液晶セルを有する第２ステージであって、
前記セルは、
光子をフィルタリングするためのピクセル化液晶構造と、
該ピクセル化液晶構造に対して作用的に接続された電圧源と、
前記電圧源により前記ピクセルの各々に対して印加される電圧の量を制御する手段とを備え、
前記液晶は、該液晶を貫通して進行する光子の方向において実質的に均一厚さである、
という第２ステージと置き換えることから成る改良。
【請求項７】
複数のフィルタ・ステージの第１ステージは各々が均一厚みを有するリターダ要素および液晶セルを含むという該複数のフィルタ・ステージを備えた光学フィルタにおいて、
前記第１ステージを、
リターダ要素および液晶セルを有する第２ステージであって、
前記セルは、
光子をフィルタリングするための列状化液晶構造と、
該列状化液晶構造に対して作用的に接続された電圧源と、
前記電圧源により前記列の各々に対して印加される電圧の量を制御する手段とを備え、
前記液晶は、該液晶を貫通して進行する光子の方向において実質的に均一厚さである、
という第２ステージと置き換えることから成る改良。
【請求項８】
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備えた第１フィルタ・ステージと、
第２フィルタ・ステージとを備え、
前記第１要素または前記第１セルのいずれかは均一厚みを有さない、
光学フィルタ。
【請求項９】
前記第２ステージは、第１均一厚みを有する第２リターダ要素と、第２均一厚みを有する第２液晶セルとを備える、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１０】
前記第１均一厚みおよび前記第２均一厚みは実質的に同一である、請求項９記載のフィルタ。
【請求項１１】
前記第1要素は均一厚みを有さない、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１２】
前記第１要素は楔形状である、請求項１１記載のフィルタ。
【請求項１３】
前記第１要素は階段状の楔形状を有する、請求項１１記載のフィルタ。
【請求項１４】
前記第１および第２ステージは複屈折干渉フィルタを備えて成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１５】
前記第１および第２ステージはエバンス分割要素フィルタ備えて成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１６】
前記第１および第２ステージはソルク・フィルタを備えて成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１７】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタを備えて成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項１８】
エバンス分割要素フィルタを含む、請求項１７記載のフィルタ。
【請求項１９】
前記第１要素は石英から成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２０】
前記第１要素はニオブ酸リチウムから成る、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２１】
前記フィルタは調節可能フィルタである、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２２】
前記フィルタは偏光子を含む、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２３】
前記フィルタはピクセル化される、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２４】
前記フィルタは列状化される、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２５】
前記第１および第２フィルタステージはハイブリッド・フィルタを画成する、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２６】
前記第１および第２ステージの内の少なくとも一方のステージは、リオ・フィルタ、エバンス・フィルタ、ファブリーペロー・フィルタおよびソルク・フィルタから成る群から選択され、且つ、前記第１および第２ステージの組み合わせはハイブリッド・フィルタを画成する、請求項８記載のフィルタ。
【請求項２７】
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備えた第１フィルタ・ステージであって、該第１要素または該第１セルのいずれかは均一厚みを有さないという該第１フィルタ・ステージを配備する段階と、
第２フィルタ・ステージを配備する段階と、
前記第１フィルタ・ステージを前記第２フィルタ・ステージに整列させる段階とを備えて成る、
光学フィルタを製造する方法。
【請求項２８】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
前記方法は、
エバンス分割要素フィルタを配備する段階と、
前記エバンス分割要素フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
当該方法は、
ファブリーペロー・フィルタを配備する段階と、
前記ファブリーペロー・フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
当該方法は、
ソルク・フィルタを配備する段階と、
前記ソルク・フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項７３記載の方法。
【請求項３１】
前記光学フィルタはハイブリッド・フィルタであり、且つ、
前記第１または第２ステージの少なくとも一方はリオ・フィルタ、エバンス・フィルタ、ソルク・フィルタおよびファブリーペロー・フィルタから成る群から選択される、請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
光子を貫通通過させる光学フィルタであって、
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備える第１フィルタ・ステージと、
第２フィルタ・ステージとを備えて成り、
前記第１要素は入力面および出力面を備え、且つ、
前記第１要素の各面のひとつは、当該フィルタを貫通通過する光子の軌跡に対して実質的に直交しては配向されない、
光学フィルタ。
【請求項３３】
前記第２ステージは、第１均一厚みを有する第２リターダ要素と、第２均一厚みを有する第２液晶セルとを備えて成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項３４】
前記第１均一厚みおよび前記第２均一厚みは実質的に同一である、請求項３３記載のフィルタ。
【請求項３５】
前記第１要素は楔形状である、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項３６】
前記第１要素は階段状の楔形状を有する、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項３７】
前記第１および第２ステージは複屈折干渉フィルタを備えて成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項３８】
前記第１および第２ステージはエバンス分割要素フィルタを備えて成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項３９】
前記第１および第２ステージはソルク・フィルタを備えて成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４０】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタを備えて成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４１】
エバンス分割要素フィルタを含む、請求項４０記載のフィルタ。
【請求項４２】
前記第１要素は石英から成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４３】
前記第１要素はニオブ酸リチウムから成る、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４４】
前記フィルタは調節可能フィルタである、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４５】
前記フィルタは偏光子を含む、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４６】
前記フィルタはピクセル化される、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４７】
前記フィルタは列状化される、請求項３２記載のフィルタ。
【請求項４８】
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備える第１フィルタ・ステージと、
第２フィルタ・ステージとを備えて成り、
前記第１要素は入力面および出力面を備え、且つ、
前記第１要素の各面は相互に対して実質的に平行には配向されない、
光学フィルタ。
【請求項４９】
前記第２ステージは、第１均一厚みを有する第２リターダ要素と、第２均一厚みを有する第２液晶セルとを備えて成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５０】
前記第１均一厚みおよび前記第２均一厚みは実質的に同一である、請求項４９記載のフィルタ。
【請求項５１】
前記第１要素は楔形状である、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５２】
前記第１要素は階段状の楔形状を有する、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５３】
前記第１および第２ステージは複屈折干渉フィルタを備えて成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５４】
前記第１および第２ステージはエバンス分割要素フィルタを備えて成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５５】
前記第１および第２ステージはソルク・フィルタを備えて成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５６】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタを備えて成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５７】
エバンス分割要素フィルタを含む、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５８】
前記第１要素は石英から成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項５９】
前記第１要素はニオブ酸リチウムから成る、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６０】
前記フィルタは調節可能フィルタである、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６１】
前記フィルタは偏光子を含む、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６２】
前記フィルタはピクセル化される、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６３】
前記フィルタは列状化される、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６４】
前記光学フィルタはハイブリッド・フィルタであり、且つ、
前記第１または第２ステージの少なくとも一方はリオ・フィルタ、エバンス・フィルタ、ソルク・フィルタおよびファブリーペロー・フィルタから成る群から選択される、請求項４８記載のフィルタ。
【請求項６５】
サンプルのスペクトルを獲得するシステムであって、
前記サンプルを複数の光子で照射することにより、該サンプルにより散乱された光子を生成する光子放出源と、
前記散乱光子を収集する光学レンズと、
前記収集された散乱光子を受容し、該光子からフィルタリングされた光子を提供するフィルタと、
フィルタリングされた光子を受容し、該光子から前記サンプルのスペクトルを獲得する光子検出器とを備え、
前記フィルタは、
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備える第１フィルタ・ステージと、
第２フィルタ・ステージとを備え、
前記第１要素または前記第１セルのいずれかは均一厚みを有さない、
システム。
【請求項６６】
前記第２ステージは、第１均一厚みを有する第２リターダ要素と、第２均一厚みを有する第２液晶セルとを備えて成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項６７】
前記第１均一厚みおよび前記第２均一厚みは実質的に同一である、請求項６６記載のシステム。
【請求項６８】
前記第１要素は均一厚みを有さない、請求項６５記載のシステム。
【請求項６９】
前記第１要素は楔形状である、請求項６８記載のシステム。
【請求項７０】
前記第１要素は階段状の楔形状を有する、請求項６８記載のシステム。
【請求項７１】
前記第１および第２ステージは複屈折干渉フィルタを備えて成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７２】
前記第１および第２ステージはエバンス分割要素フィルタを備えて成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７３】
前記第１および第２ステージはソルク・フィルタを備えて成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７４】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタを備えて成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７５】
エバンス分割要素フィルタを含む、請求項７４記載のシステム。
【請求項７６】
前記第１要素は石英から成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７７】
前記第１要素はニオブ酸リチウムから成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項７８】
前記フィルタは調節可能フィルタである、請求項６５記載のシステム。
【請求項７９】
前記フィルタは偏光子を含む、請求項６５記載のシステム。
【請求項８０】
前記フィルタはピクセル化される、請求項６５記載のシステム。
【請求項８１】
前記フィルタは列状化される、請求項６５記載のシステム。
【請求項８２】
前記光子検出器は、荷電結合素子、相補的金属酸化物半導体、電荷注入デバイス、強化型電荷注入デバイス、電子倍増荷電結合素子、シリコン・フォト・ダイオード、シリコン・アバランシェ・ダイオードおよび焦点面アレイから成る群から選択される、請求項６５記載のシステム。
【請求項８３】
前記光子放出源はレーザである、請求項６５記載のシステム。
【請求項８４】
前記光子放出源は発光ダイオードである、請求項６５記載のシステム。
【請求項８５】
前記発光ダイオードはリングとして配設される、請求項８４記載のシステム。
【請求項８６】
前記発光ダイオードは複数個の発光ダイオードである、請求項８５記載のシステム。
【請求項８７】
前記発光ダイオードは複数個の発光ダイオードであり、
前記複数個の発光ダイオードの内の１個の発光ダイオードは、前記複数個の発光ダイオードの内の他の発光ダイオードにより放出される光子の波長とは異なる波長にて光子を放出する、請求項８４記載のシステム。
【請求項８８】
前記複数個の発光ダイオードの内の１個の発光ダイオードにより放出される光子の波長は紫外波長範囲内である、請求項８７記載のシステム。
【請求項８９】
前記複数個の発光ダイオードの内の１個の発光ダイオードにより放出される光子の波長は近赤外波長範囲内である、請求項８７記載のシステム。
【請求項９０】
前記スペクトルは所定期間にわたり獲得され、且つ、前記サンプルは前記所定期間の間において静止的である、請求項６５記載のシステム。
【請求項９１】
前記散乱光子は前記サンプルにより放出された光子を含む、請求項６５記載のシステム。
【請求項９２】
前記スペクトルはラマン・スペクトルである、請求項６５記載のシステム。
【請求項９３】
当該システムは可搬的システムである、請求項６５記載のシステム。
【請求項９４】
当該システムは携帯システムである、請求項６５記載のシステム。
【請求項９５】
前記スペクトルはラマン・スペクトルである、請求項６５記載のシステム。
【請求項９６】
前記スペクトルは空間的に正確な波長解像画像である、請求項６５記載のシステム。
【請求項９７】
前記スペクトルは所定期間にわたり獲得され、且つ、前記サンプルは前記所定期間の間において静止的である、請求項６５記載のシステム。
【請求項９８】
前記散乱光子は前記サンプルにより放出された光子を含む、請求項６５記載のシステム。
【請求項９９】
前記フィルタリングされた光子の各々は所定波長帯域内の波長を有する、請求項６５記載のシステム。
【請求項１００】
前記第１フィルタ要素は液晶を含む、請求項６５記載のシステム。
【請求項１０１】
前記リターダ要素は石英から成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項１０２】
前記リターダ要素はニオブ酸リチウムから成る、請求項６５記載のシステム。
【請求項１０３】
前記フィルタはハイブリッド・フィルタであり、且つ、前記第１または第２フィルタ・ステージの少なくとも一方はリオ・フィルタ、エバンス・フィルタ、ソルク・フィルタおよびファブリーペロー・フィルタから成る群から選択される、請求項６５記載のシステム。
【請求項１０４】
サンプルを配備する段階と、
前記サンプルを複数個の光子により照射することにより、該サンプルにより散乱された光子を生成する段階と、
前記散乱光子を収集する段階と、
前記収集された散乱光子をフィルタにより受容し、該光子からフィルタリングされた光子を提供する段階と、
フィルタリングされた光子を受容し、該光子から前記サンプルのスペクトルを獲得する段階とを備え、
前記フィルタは、
第１リターダ要素と第１液晶セルとを備える第１フィルタ・ステージと、
第２フィルタ・ステージとを備え、
前記第１要素または前記第１セルのいずれかは均一厚みを有さない、
サンプルのスペクトルを獲得する方法。
【請求項１０５】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
当該方法は、
エバンス分割要素フィルタを配備する段階と、
前記エバンス分割要素フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項１０４記載の方法。
【請求項１０６】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
当該方法は、
ファブリーペロー・フィルタを配備する段階と、
前記ファブリーペロー・フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項１０４記載の方法。
【請求項１０７】
前記第１および第２ステージはリオ・フィルタから成り、且つ、
当該方法は、
ソルク・フィルタを配備する段階と、
前記ソルク・フィルタを前記リオ・フィルタに対して整列させる段階とを含む、
請求項１０４記載の方法。
【請求項１０８】
前記光学フィルタはハイブリッド・フィルタであり、且つ、
前記第１または第２ステージの少なくとも一方はリオ・フィルタ、エバンス・フィルタ、ソルク・フィルタおよびファブリーペロー・フィルタから成る群から選択される、請求項１０４記載の方法。
【請求項１０９】
第１光子位相遅延値を有する第１領域と第２光子位相遅延値を有する第２領域とを備えた第１液晶セルと、
前記第１光子位相遅延値を有する第１領域と前記第２光子位相遅延値を有する第２領域とを備えた第２液晶セルとを備え、
前記第１および第２位相遅延値の各々は、前記第１および第２セルの前記第１および第２領域の各々と連通する第１励起源および第２励起源により定義される、
光学フィルタ。
【請求項１１０】
前記第１ステージの前記第１領域は前記第２ステージの前記第１領域と実質的に整列される、請求項１０９記載の光学フィルタ。
【請求項１１１】
前記第１セルおよび前記第２セルは、リオ・フィルタ、エバンス分割要素フィルタ、ソルク・フィルタ、または、ハイブリッド・フィルタの内のひとつのフィルタを形成する、請求項１０９記載の光学フィルタ。
【請求項１１２】
光子をフィルタリングするピクセル化液晶ステージと、
前記液晶ピクセルに対して作用的に接続された電圧源と、
前記電圧源により前記ピクセルの各々に印加される電圧の量を制御する手段とを備え、
前記液晶は、該液晶を貫通して進行する光子の方向において実質的に均一厚さである、
光学フィルタ。
【請求項１１３】
前記ピクセルの内の第１群のピクセルに対して印加される前記電圧の量は実質的に同一である、請求項１１２記載の光学フィルタ。
【請求項１１４】
前記ピクセルの各々に対して印加される前記電圧の量は実質的に同一である、請求項１１２記載の光学フィルタ。
【請求項１１５】
光子をフィルタリングする列状化液晶ステージと、
前記液晶列に対して作用的に接続された電圧源と、
前記電圧源により前記列の各々に印加される電圧の量を制御する手段とを備え、
前記液晶は、該液晶を貫通して進行する光子の方向において実質的に均一厚さである、
光学フィルタ。
【請求項１１６】
前記列の内の第１群の列に対して印加される前記電圧の量は実質的に同一である、請求項１１５記載の光学フィルタ。
【請求項１１７】
前記列の各々に対して印加される前記電圧の量は実質的に同一である、請求項１１５記載の光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は2003年7月18日に出願された米国仮出願第60/488,246号の出願日の優先権を主張するものであり、その明細書は全体が本明細書中に援用される。本出願と同時に出願されると共に、“コンパクトな複屈折干渉式作像用分光器のための方法および装置(Method and Apparatus for Compact Birefringent Interference Imaging Spectrometer)”(代理人処理番号：CHE01 009)、“コンパクトな分散式作像用分光器のための方法および装置(Method and Apparatus for Compact Dispersive Imaging Spectrometer)”(代理人処理番号：CHE01 010)および“コンパクトな共振キャビティ式作像用分光器のための方法および装置(Method and Apparatus for Compact Resonant Cavity Imaging Spectrometer)”(代理人処理番号：CHE01 012)と各々が称された特許出願に対して相互参照が為されるが、相互参照された出願の各々の明細書はその全体が本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
分光学的な作像は、デジタル的作像と、ラマン散乱、蛍光、光ルミネッセンス、紫外線、可視および赤外線吸収分光学などの分子分光学技術とを組み合わせている。物質の化学分析に対して適用されたとき、分光学的作像は一般的に化学的作像と称される。分光学的(すなわち化学的)作像を実施する機器は典型的に、画像収集光学機器、焦点面アレイ画像検出器、および、作像用分光器を備える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
概略的に、サンプル・サイズにより画像収集光学機器の選択肢が決定される。たとえば、サブミクロンないし数ミリメートルの空間的寸法のサンプルの分析に対しては顕微鏡が一般的に用いられる。数ミリメートルないしメートル寸法の範囲の更に大寸の物体に対しては、マクロレンズ光学機器が適切である。比較的にアクセスし難い環境に置かれたサンプルに対しては、撓曲可能なファイバ・スコープまたは堅固なボアスコープが採用され得る。惑星的物体などの非常に巨大な物体に対しては、望遠鏡が適切な画像収集光学機器である。
【０００４】
種々の光学システムにより形成される画像を検出するために、２次元作像用の焦点面アレイ(FPA)検出器が一般的に採用される。FPA検出器の選択は、問題となるサンプルを特徴付けるべく採用される分光学技術により支配される。たとえば、可視波長における蛍光およびラマン分光による作像システムと共にケイ素(Si)荷電結合素子(CCD)検出器またはCMOS検出器が典型的に採用される一方、近赤外の分光学的作像システムと共に砒化ガリウムインジウム(InGaAs)FPA検出器が典型的に採用される。
【０００５】
分光学的作像システムに対しては、種々の作像用分光器が案出されてきた。それらの例としては、限定的なものとしてで無く、格子分光器、フィルタ輪、サニャック干渉計、マイケルソン干渉計、および、音響光学的調節可能フィルタ(AOTF)および液晶式調節可能フィルタ(LCTF)などの調節可能フィルタが挙げられる。
【０００６】
音響光学的調節可能フィルタ(AOTF)および液晶式調節可能フィルタ(LCTF)などの多数の作像用分光器は偏光感応的であり、一方の直線偏光を通過させると共に、直交する直線偏光を阻止する。AOTFは、印加された音場に応じて電子的に調節可能なスペクトルのノッチ通過帯域を提供するという固体状態の複屈折結晶である。LCTFもまた、リオ・フィルタ(Lyot filter)などの複屈折干渉フィルタ内に液晶リターダを取入れることで制御され得るノッチ通過帯域を提供する。従来のシステムは一般的に嵩高く、可搬的でない。即時的な化学分析を実施し得る携帯用の化学的作像センサであれば、サイズ、重量およびコスト削減における進展を呈するであろう。故に、携帯用で可搬的でありかつ更に効率的な調節可能フィルタに対する要望が在る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施例において、本開示は光子を通過させる光学フィルタに関する。該フィルタは、第１フィルタ・ステージおよび第２フィルタ・ステージを含む。前記第１フィルタ・ステージは、第１リターダ要素および第１液晶セルを含み得る。前記第１要素は、入力面および出力面を含み得る。前記第１要素の各面の一方は、前記フィルタを通過する光子の軌跡に対して実質的に直交しては配向されない。
【０００８】
別実施例において本開示は、第１光子位相遅延値を有する第１領域と第２光子位相遅延値を有する第２領域とを備えた第１液晶セルを有する光学フィルタに関する。該光学フィルタはまた、前記第１光子位相遅延値を有する第１領域と前記第２光子位相遅延値を有する第２領域とを備えた第２液晶セルも含み得る。前記第１および第２位相遅延値の各々は、前記第１および第２セルの前記第１および第２領域の各々と連通する第１励起源および第２励起源により定義され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、従来のライン走査式ラマン作像システム、特に“押しボウキ(pushbroom)”型走査配置を採用した分散走査ラマン作像システムの一形式の概略図である。サンプル105は光源110から照射されると共に、光エネルギは前記サンプルから反射的に後方散乱され、光学機器115にて収集される。前記サンプルの画像は、該画像内において隣接する複数の平行なラインにおける順次的画像から蓄積される。前記サンプルの画像は、斯かるラインの各々に対し、かつ、スペクトルにおける複数の特定波長の各々にても求められる。故に、与えられた箇所X1、Y1…Ynにおいて、１本のライン、すなわち一群の１次元の光振幅値がサンプリングされる。前記光は、可変的な波長帯域通過フィルタとして機能する分光器120を用いて特定波長に対してフィルタリングされる。“押しボウキ”シーケンスにおいてライン毎に進行させることにより、プロット140にてグラフで示された順次的な振幅値は、与えられた波長λ1に対してアレイ160における強度ピクセル値へと変換される。異なる波長にてサンプリングすることにより、各波長値λ1乃至λnに対し、実質的に単色光的な画像160が収集される。この技術の従来の目的は、当該画像における特定形状であって該特定形状の強度と、近傍の特定形状および他の波長との対比により特徴付けられ得るという特定形状の識別を支援すべく、相互に比較され得る一群の単色光画像を生成することである。
【００１０】
光源110は、レーザ、蛍光源または他の光源とされ得る。反射的に散乱された光子は、光学的対物レンズ107により受容されると共に、光学デバイス115を介して分光器120へと導向される。１ラインのピクセルの画像を収集するための特定の処理としては、CCDなどの線形の光センサ・アレイ上に画像を焦点合わせすること、または、１個の光センサにより走査およびサンプリングを行うことが挙げられる。分光器120は、一度にひとつの波長帯域を選択的に通過させるために一定の様式で調節可能とされる必要がある。波長の選択に対しては、格子またはプリズムまたは複屈折結晶の機構を種々の構成で使用できる。(如何なる順序であれ)ひとつの波長から別の波長へと調節し、かつ、ひとつのラインから別のラインへと進行する際に、各ピクセル位置および各波長に対して振幅値を収集するには相当の時間が掛かり得る。
【００１１】
図２は、従来の２次元ラマン作像システムの概略図である。このシステムは幾分か図１と同様に動作し、すなわち、光源210を用いてサンプル205を照射し、反射された画像を光学機器215を介して収集し、調節可能な分光器220を介して帯域波長を選択的に通過させ、かつ、感光性アレイ230にて画像をサンプリングする。但しこの実施例は各サンプリング期間の間に、２次元配列のピクセル振幅を収集する。
【００１２】
分光器220は実効的に、作像用の、または、２次元調節可能な波長帯域通過フィルタである。ひとつの波長または色から別の波長または色へと反復的にサンプリングかつ調節することにより、当該サンプルの任意数の波長固有画像が収集かつ比較され得る。前記分光器または調節可能フィルタは、ひとつ以上の特定の帯域通過波長を選択すべく、または、特定波長を阻止すべく配置され得る。通過された２次元的なピクセル・スペクトル画像225はCCDカメラ230により収集され、各波長に対するピクセル・データ画像260としてサンプリングされ得る数個のスペクトル画像240を生成する。
【００１３】
好適で調節可能な波長帯域通過フィルタは、特定の波長を選択すべく且つ他の波長を阻止すべく可変的に離間され且つ／又は回転的に調節される複屈折結晶および偏光子を備え得る。その複屈折性が電気的に調節され得ることより、この目的に対しては液晶式調節可能フィルタ(LCTF)は好適なデバイスである。前記液晶フィルタは、ネマチックまたはスメクチックとされ得る。
【００１４】
複屈折材料は、一定の場合には速軸および遅軸として知られる２本の直交軸心に沿い偏光される光エネルギに対して異なる屈折率を有する。これは、一方の軸心に沿い偏光された光と比較して他方の軸心に沿い偏光された光を位相遅延させる効果を有する。位相遅延(retardation)の程度は、当該材料の屈折率、および、光が通過する経路に沿う該材料の厚さを含む要因に依存する。一方の軸心上で偏光された光と他方の軸心上で偏光された光とに対する伝搬時間の差が、時間差である。異なる光波長を考慮するとき、与えられた時間差は任意の与えられた波長に対する位相角差と等しくなるが、位相角差は２つの異なる波長に対して異なる角度である。
【００１５】
他方の軸心上で偏光された光ではなく一方の軸心上で偏光された光の位相遅延は、該光の偏光状態を変更または再整列させる効果を有し得る。再整列の程度もまた、波長により異なる。これらの理由のために、偏光および複屈折は、波長帯域通過フィルタに対する有用な検討事項である。
【００１６】
複屈折結晶に対して入射または出射する光の偏光状態は、選択的に制御され得る。たとえば前記結晶の入力側において、ランダムに偏光された光をフィルタリングすべく平面偏光フィルタ(すなわち“偏光子”)が載置されたなら、通過する光は、各複屈折軸心の一方または他方に対して概略的に整列された光エネルギに対して限定され得る。もし光が一方の軸心に対して整列されるなら、前記偏光子を90°だけ回転すると該偏光子は他方の複屈折軸心に対して排他的に整列される。複屈折結晶の入力側および出力側には、該結晶に対して印加された入力信号の性質を選別すべく、且つ、出力偏光子に対して整列された出力のみを選択的に通過させるために、偏光フィルタが使用され得る。
【００１７】
光が最初にたとえば入力偏光子により所定配向角へと偏光されるとすると、該偏光子の配向角に対して45°だけ複屈折結晶を配向すれば、偏光された光は、該結晶の速軸および遅軸の各々に対して整列された等しいベクトル成分へと分割される。その場合、速軸上の成分に対する遅軸上の成分の位相遅延は、波長に依存する回転角度だけ、前記光の偏光状態を変化させる。与えられた波長に対して出力偏光子が適切な角度にて整列されるなら、その波長は透過されるが他の波長はそうでない。
【００１８】
偏光子および複屈折結晶の整列を操作することにより、各ステージにおいて複屈折結晶の速軸および遅軸に対して整列されたベクトル成分に対する光エネルギの割当てが制御され得る。各ステージにおける前記結晶の複屈折性によれば、その結晶の速軸および遅軸上の各成分間の位相差を含め、２つのベクトル成分の内の一方に対して他方が位相遅延される。２つの成分間の位相的遅延は、光信号の偏光整列の変化、すなわち、２つの成分のベクトル和が基準角に対して整列される角度の変化に対応する。偏光状態における又はベクトル和に関する角度におけるこの変化は、波長に固有的である。
【００１９】
光および偏光子および複屈折結晶のこれらの特性が波長帯域通過フィルタとして採用され得る種々の様式が在る。偏光子を含む配置構成において、複屈折結晶を通過せしめられる特定の波長は、特定の回転角度の偏光変化に委ねられ得る。他の波長は、異なる量だけ偏光状態が回転される。複屈折結晶ステージの出力上にその角度にて整列された偏光子を載置することにより、特定波長のみが通過される。連続的なステージによれば、フィルタの解像度が改善される。
【００２０】
液晶式調節可能要素を使用し得る一定形式の波長固有フィルタとしては、リオ、ソルク(Solc)、エバンスおよびファブリーペロー波長フィルタ構成、ならびに、関連要素もしくは付加的要素の組み合わせを採用したハイブリッド体が挙げられる。図３には、波長スペクトル225を選択するためのリオ・フィルタ設計態様を用いたLCTFラマン作像システムが示される。前記リオ構成は一例であり、本発明は限定的なものとしてで無く前記のものを含む他のLCTF構成に適用可能であることを理解すべきである。
【００２１】
更に、図３のシステムに対して従来は、LCTF検出器およびシャッタ、ならびに、CPU、表示ユニット、キー・パッドおよびソフトウェアを制御する制御器が使用される。CCD画像を収集する時間、および、各画像間で波長帯域を調節する時間はいずれも、多くの波長固有画像を収集するために必要とされる時間に寄与する。検出器からの画像は、与えられた選択波長における2D画像(X,Y)であり得る。LCTF広視野は、たとえば512×512ピクセルの画像を生成し得る。
【００２２】
述べられた如く、従来の調節可能フィルタはリオ・フィルタを使用し得る。図３に示された典型的なリオ・フィルタは、当該複屈折材料の光軸に対して45°で載置された２個の偏光子間における一群の複屈折結晶を含む。帯域通過波長は、他の要因の中でも特に、各結晶の厚みの関数である。偏光子から進入する光は、45°整列により常偏光および異常偏光の間で等しく分割される。各偏光は、複屈折の故に異なる位相速度にて伝搬する。これにより、光エネルギの偏光整列は波長の関数として変更される。与えられた厚みの複屈折結晶に対しては、ひとつの波長(又は離間された一群の波長)のみが、出口偏光子を通過すべく整列される。故に、前記フィルタは櫛状の周波数を生成する。前記櫛状の“各歯”間の帯域通過波長および分離は、複屈折結晶の長さに依存する。液晶において、実効的な光学的長さは異常軸心に対して整列された偏光成分に対して調節的に変更可能である。この様にして、帯域通過波長が調節され得る。
【００２３】
リオ・フィルタは、詳細にはR、2R、4Rなどの異なる長さの複数の複屈折結晶を、各結晶間の偏光子と共に採用する。ソルク・フィルタは、等しい結晶厚みと、(介設される偏光子なしで)入力偏光子および出力偏光子のみと、該入力偏光子および出力偏光子間の相対配向を各結晶間で等しく分割するための各結晶間の相対角度配向とを使用する。
【００２４】
図３において、複数波長のラマン画像を有し得るサンプル315は、放射された光子310を受容して散乱光子を形成する。前記サンプルにより散乱された光子は、連続的なステージを画成する４個の偏光子320および３個の複屈折光学要素330を含むリオ・フィルタ300に進入する。各ステージにおいて入口側偏光子320は、該偏光子に対して整列された偏光配向における光は通過させ且つ直交配向における光は遮断する光学フィルタとして作用する。引き続く複屈折要素330は、先行する偏光子320に対して特に45°の角度で配向される。故に、前記偏光子を通過された光の等しいベクトル成分が、複屈折要素330の常軸心および異常軸心の各々に対して整列される。図３には、波長帯域通過フィルタの代表的なリオ構成に対する光軸320が示される。他の構成も公知である。
【００２５】
複屈折要素330の常軸心および異常軸心に対して整列された偏光成分は、該要素330の複屈折性の故に異なる位相速度で伝搬する。同様に、各ステージにおける複屈折要素330は、異なる厚みである。光信号の各直交成分を位相遅延させることにより、該光の偏光配向は、該光の波長に依存する角度へと再整列される。遭遇する次の偏光子にては、先行するステージに対する出力偏光子もしくは選択器として且つ次のステージに対する入力偏光子として機能する該次の偏光子を通過すべく、一群の波長のみにおける光が整列される。各々の複屈折要素320の厚みおよび各複屈折要素の整列は、各ステージが光を同一の帯域通過波長にて更に弁別する様に選択される。
【００２６】
帯域通過波長は、好適には液晶から成る複屈折要素330に対して制御電圧335を印加することで調節可能である。前記液晶の複屈折性を変更する効果は、常軸心に対しては実効長さを不変とし乍ら、異常軸心に整列された光の成分により遭遇される実効的光路を短縮もしくは延長することである。これは、複屈折要素330の実効厚みを制御可能的に調節することと殆ど同一である。前記リオ・フィルタの各複屈折液晶要素330は、該複屈折要素330の通過帯域を調節するための電圧源335に連結される。リオ構成において前記厚みは、整数倍(R、2R、4Rなど)であり、且つ、必要な倍数に等しい実効厚みを維持すべく例えば同一の制御電圧源335に対して連結されるなどの連携調整様式にて制御され得る。他の同様の構成において前記厚みは、必要な関係を維持すべく、同一の駆動電圧源に対して並列接続されるなどして、(たとえば各々の厚みが等しいというソルク構成における如く)別様に関連付けられ且つ制御され得る。
【００２７】
多重スペクトル作像においては個々の画像を収集することが慣例的であり、その場合、異なる波長通過帯域における他の画像との比較の為にひとつの波長通過帯域にて画像全体が収集される。本発明の一実施例によれば、X-Y画像フィールドの全体にわたり異なる波長へと調節されるべく新規な調節可能フィルタが配置される。該フィルタはひとつ以上のステージを有し得ると共に、少なくとも一個のステージは、該フィルタの表面の全体にわたり均一ではない帯域通過波長を有する楔状の液晶セルまたは調節可能な構成における他の形状を有し、その例は図４Ｂ、図４Ｃ、図６、図７などに示される。これらの構成において、楔状または同様の構造とされた複屈折要素は、その作用領域の一端から他端にわたり異なる厚みを有する。前記楔状複屈折要素は、調節可能とされ得ると共に、均一な(調節可能でないリターダ)と選択的に関係付けられる。選択的に、均一厚みの調節可能な複屈折要素に対し、調節可能でない楔状複屈折リターダが組み合わされ得る。光路に沿い各々が均一かつ変化する厚みである制御可能な複屈折要素および固定的な複屈折要素を組み合わせることにより、フィールドにおける異なる位置が、異なる帯域通過波長に対して調節される。
【００２８】
図４Ａは、均一厚みであると共に電子的に制御可能な複屈折性の液晶セルの各要素を概略的に示している。図４Ａに示された均一厚みの液晶は、光路に沿い積層され又はピクセル化構成において相互に隣接して配置される複数の要素を有する液晶フィルタのサブユニットまたはセルを形成し得る。各サブユニットは、たとえば溶融シリカまたはガラスなどの協働する透明プレート450を有する。液晶セル465に臨むプレート450の側にて該ガラス・プレート450はインジウムすず酸化物(ITO)などの(不図示の)導電被覆を有し、該被覆は殆ど透明であるが、前記要素における液晶材料465に対して電界を印加するには十分なほど導通する。前記導電表面は、LCTF制御器470の作用により各サブユニットに対して駆動電圧を提供する導線に対して連結される。前記ITO透明電極と液晶465との間において、プレート455は更に整列層により被覆される。該整列層は典型的には擦過または研磨により物理的に処理され、液晶材料の分子が整列する傾向のある方向を誘起する。この整列方向は、液晶のディレクタ配向を決定すると共に、透過されつつある偏光に対して液晶要素465を配向させるために用いられる。
【００２９】
各整列層455間において液晶材料465により占有される区画の厚みを維持すべく、スペーサ460が配備される。該スペーサ460は球体として示されるが、円筒体などの異なる形状とされ得る。前記スペーサは、比較的に均一なサイズで大量に生産される形式のポリマまたはシリカ・ガラスとされ得る。スペーサ460は液晶材料に混合されることで、液晶465が圧縮され得る最小厚みを提供し得る。前記スペーサ材料は、(接着剤縁部の内側にて)前記要素における液晶材料の周縁部の回りとされ得るか、または、液晶材料の全体にわたり分布され得る。各スペーサはセル間隙を均一に維持するために使用され得る(但し該間隙は選択的に、コヒーレントなレーザ光から生ずる干渉縞を回避すべく意図的に僅かに傾斜され得る)。前記液晶材料の体積に対する前記スペーサ材料の体積の比率は、前記液晶材料を伝搬する光に対する影響を最小限とするに十分なほど小さい。前記液晶材料が各整列層間に含まれたときにプレート450の近傍の液晶層は、該プレート450に対し、且つ、整列層455の整列の方向に対し、平行に整列する。前記液晶セルは、電気制御可能な複屈折体(ECB)として構成され得る。前記液晶材料もまた、ネマチックまたはスメクチック液晶とされ得る。
【００３０】
図４Ａの均一な液晶セルと対照的に、図４Ｂは、電子的に制御される複屈折セルの楔状液晶セルを概略的に示している。図４Ｂの実施例においてスペーサ460および461は、各プレート450が平行でなく且つセル全体が楔形状を有する如く、異なるサイズである。すなわち前記液晶要素の各側部におけるプレートを支持するスペーサは異なる厚みであり、結果として図４Ｂにおけるリターダは、該リターダ要素を通過する光の箇所に関して変化する厚みを有する楔を画成する。前記リターダ要素を通過する光は、一方または他方のスペーサに近い箇所では異なる厚みに遭遇し、且つ、各スペーサ間の距離の一端から他端にかけては、線形に変化する厚みに遭遇する(なぜならば、この場合に各プレートは平坦だからである)。故に位相遅延は、各スペーサの相対直径(d1、d2)、ならびに、前記セルの実効屈折率(neff)の関数である。
【００３１】
図４Ｃは、本開示の一実施例に係る光学デバイスおよび光学的ステージの概略図である。図４Ｃの実施例において、光学デバイス400は３個の光学的ステージを有するものとして示される。各ステージ405の内の少なくともひとつのステージは、該ステージを光が通過し得るX-Y作用領域の全体にわたり異なる実効的リターダ厚みを提供すべく配置される。示されたステージ405は、楔状液晶415に連結された均一リターダ410を有する。楔状液晶415は相補的な雌楔420を受容することで、幾何学的な立方体を形成する。前記楔状液晶は、２個のスペーサ417を有して示される。この用途に対しては、従来の液晶材料が使用され得る。ステージ400の液晶セグメントに対しては電圧源435が連結されることで、ステージ405の複屈折性が微調整され得る。均一リターダ410は、石英、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、または、所望の複屈折光学特性を有するポリマ材料で作成され得る。雌楔420は、均質で光学的に透明なガラス、または、同様の光学特性を有するポリマ材料とされ得る。
【００３２】
前記雌楔の載置は選択的である。図４Ｃの代表的実施例においてはフィルタ400のひとつのステージのみが楔形状液晶セグメントを有していると示されたが、本開示はそれに限定されず、ひとつ以上のステージが本開示の原理に従い構成され得ることに注目すべきである。更に、本開示の原理は３個のステージのフィルタの配備に限定されず、図４Ｃに示されたより多い(または少ない)ステージを含み得る。実際、図４Ｃの代表的実施例に示された原理は、ピクセル化された(pixelized)且つ／又は列状化された(columnized)LCTFと共に使用され得る。液晶セルの個数は、用途の関数とされ得る。たとえばリオ・フィルタに対して各ステージは概略的にひとつの液晶セルを含み得る一方、エバンス型フィルタに対して各ステージは複数の液晶セルを含み得る。
【００３３】
一実施例において本開示は、各ステージが、楔状液晶セルと、選択的に、相補的で光学的に透明な楔形状ガラスとを含むという多ステージフィルタに関連する。更に前記液晶セルは、電圧源に連結されることで該セルの更なる微調整を可能とし得る。前記フィルタは、前記電圧源および制御器を用いて調節され得る。
【００３４】
図４および図５に示された如き楔形状要素と図６における如き階段状厚み要素とを備えた実施例においては、X-Y画像フィールドの全体にわたり、X-Yフィールドにおける異なる点に対して光伝搬軸心Zに沿う作用リターダ要素の厚みが異なる。厚みの差は、制御可能な複屈折液晶要素において生じ得る。厚みの差は、代替的にまたは付加的に、複屈折性が固定されたリターダであって調節のために制御可能である他の要素と共に使用されるリターダにおいて生じ得る。これらの状況の各々において、X-Y画像フィールド内で与えられた点にてZ軸に平行なラインに沿い要素を縦走する光は、厚みZの差の故に、X-Y画像フィールドにおける他の点の位相的遅延とは異なる位相遅延に委ねられる。波長帯域通過フィルタとして、楔形状要素の結果は、該フィルタにより通過される中心波長は、X-Yフィールドの全体に亙る個々の点にて異なることである。
【００３５】
図４乃至図６の実施例において楔形状は、X軸またはY軸の一方のひとつの極限における最小厚みから、他方の極限における最大厚みまで直線的もしくは段階的に変化する厚みを有する。前記最小厚みは、一定の非ゼロ最小厚みまでテーパ付けされ得るか、鋭角的縁部までテーパ付けされ得る。また例えば、最小厚みおよび最大厚みが、隣接する各角隅部にてではなく対向する各角隅部にて生ずる様にして厚みがXおよびYの両方において変化し得ることも可能である。その構造は、前記楔要素を、示された配向から45°だけ回転したものに等しいであろう。フィールドにおける異なる点にて波長通過帯域を変化させるために、円錐形状、角錐、円錐台もしくは角錐台などの、厚みにおける他の変形例が可能的に適用可能である。
【００３６】
この見地に係る楔形状の厚み変化は、干渉効果による単色光画像の縞を防止する手段として、単色(レーザ)光源と共に用いられる複屈折要素を傾斜させる技術から区別されるべきである。本発明によれば、縞防止技術と異なり、画像フィールド上における異なるX-Y箇所にて同時に当該デバイスを異なる波長へと調節すべく、調節可能なまたは固定的な複屈折要素へと厚み変化が導入される。このことは、連続的な楔形状とされた調節可能なまたは固定されたリターダ(楔形状は可能的には傾斜された表面もしくは界面に帰着する)、または、階段状の楔形状(たとえば図６)を備えた前記各代表的実施例において達成される。
【００３７】
図５は、本開示の別実施例に係る光学的ステージの概略図である。図５の代表的実施例によれば光学的ステージ500は、楔状リターダ515と雌楔520とに対して連結された均一な液晶510から成る。均一厚みを維持すべく、液晶510デバイスの軸心に沿い、スペーサ517が示される。図４の代表的実施例と同じ様に、雌楔520は楔状リターダ510に対して相補的であり、且つ、選択的に使用され得る。これに加え、均一な液晶セグメント510に対してプログラムされた電圧を供給すべく、電圧源535が配備される。
【００３８】
別実施例において、本開示は幾つかの均一なステージを備える調節可能フィルタに関する。均一ステージの各々は、固定された楔形状リターダと、選択的に、均質で光学的に透明な楔状ガラスとを含み得る。前記楔形状ガラスは楔形状リターダを補完すべく構成され得ることから、組み合わされたときに両者は３次元直方体を形成する。各ステージは更に、前記リターダに入る光子に影響する第１偏光子と、前記選択的な透明ガラスを離脱する光子に影響する第２偏光子とを含み得る。前記調節可能フィルタは、N個のステージのスタックを含み得る。別実施例において、本明細書中に開示された原理に係るステージは、リオ・フィルタ、ソルク・フィルタ、エバンス・フィルタまたはハイブリッド・フィルタとして構成されたスタックの一部として使用され得る。当業者に公知の如く、ハイブリッド・フィルタは多くのステージ(少なくとも２ステージ)を含み得る。ハイブリッド・フィルタにおける各ステージの内の幾つかのステージは、リオ・フィルタ、ソルク・フィルタ、エバンス・フィルタまたはファブリーペロー干渉計を含み得る。
【００３９】
図６は、本開示の別実施例に係る、非パターン化されたラマン作像または他の化学的作像用途に対する階段状LCTFデバイスを概略的に示している。図６の代表的実施例においてステージ600は、階段状プロフィルを有するリターダ615(以下、“階段状リターダ”)と光学的に接続された均一な液晶610を含む。階段状リターダ615は、相補的雌楔620を受容する。図４および図５の各代表的実施例と同様に、ステージ600は更に良好な光学的変調のために電圧源635に連結され得る。図６の実施例は、対称的な均一リターダ、階段状の液晶、および、相補的雌楔を含むべく改変され得る。前記と同様に前記雌楔は、均質で光学的に透明なガラス、または、同様の光学特性を有する複合材料とされ得る。
【００４０】
一実施例において、調節可能フィルタはN個のステージを含むべく構成され得る。各ステージは、雄の階段状リターダと、相補的である雌の均質な透明ガラスとを有し得る。前記リターダと前記相補的ガラスとを組み合わせて形成される３次元直方体の各面を、偏光子が覆い得る。厚みが増大する順序にて複数のステージが組立てられることで、調節可能フィルタが形成され得る。この実施例においてフィルタ解像度は、階段部分の個数と、フィルタにおけるステージ数とにより決定される。
【００４１】
図７は、ラマン作像または他の化学的作像用途に対するLCTFデバイスの概略図であり、フィルタ要素のX-Yフィールドの全体にわたり延在する線条的帯状部において厚み変化が生じており、水平帯状部または線条が示されている。図７は、本発明の一実施例に係る３ステージ式のリオ型フィルタを示しており、且つ、先行する各実施例と類似している。なぜならば、各ステージは液晶セルと、複屈折結晶の如き選択的リターダ要素とを含み得るからである。各ステージは、(ステージの入口および出口箇所における)２個の偏光子間に介設されるものとして示される。複屈折結晶および液晶は、入力偏光子の配向に対して45°に整列された各々の光軸を有する(図７において最初の偏光子は示されない)。所定幅の行(または列)のパターンとされた液晶セルの少なくとも一枚のガラス基板上には、(通常はインジウムすず酸化物である)導電層が配備され得る。更に、各行または列は、個々の制御電圧源V1〜Vnにより同一のまたは異なる制御電圧に連結され得る。一実施例において、各ステージの各々の列(または各々の行)は、他のステージの同様に載置された列(または行)と整列される。図７を参照すると、ステージ710は電圧源V1、Vi…Vnを受容する。前記フィルタは、同一ステージにおいて各列に対する電圧を等しく設定することで従来の調節可能フィルタとして使用可能であり、且つ、該フィルタは、異なる波長通過帯域を提供するために各列または行を異なる電圧へと調節すべく配置され得る。連続的なステージ710、720、730は協働して操作されることで、積層された各ステージを通して整列された各々の列(または行)に対して同一波長を通過させる。
【００４２】
(たとえば厚みR、2R、4Rを有するリオ構成などの)各列を通して実質的に独立した調節可能フィルタ構成が形成される如く、ステージ710の液晶セルの種々の列(または行)と、追随するステージ720、730における各列(または各行)との全体にわたり異なる電圧を印加することにより、異なる列にては異なる通過帯域(λ1〜λn)が規定され得る(これは図８に示されると共に、以下において更に論じられる)。これにより、作像用LCTFを分散式分光器へと移される。第１ステージ710は電圧源V1〜Vnに対して連結されるものとして示されるが、本開示の原理はこれに限定されず、ステージ710は唯一個の電圧源を受容すべく考案され得る。更に前記各電圧源は、ステージ710の液晶セグメントの種々の列に沿い印加され得る。電圧源の適用は、前記フィルタのひとつのステージのみに限られず、種々のステージの各々が電圧源により駆動される如く考案され得る。種々の列(または行)はまた、CCDから受信した画像の一部は例えば波長１におけるものである一方、CCDから受信した画像の他の部分は波長２におけるものである様にも、相互にビニング(binned)され得る。ステージ710はまた、上述された如く、均一リターダ、階段状もしくは楔状のリターダ、および、相補的楔も含み得る。フィルタが調節可能でないときには、最終ステージの出口偏光子上に黒いマトリクス・マスクが載置されることで、ピクセル間領域または列間領域における光漏出が防止され得る。
【００４３】
図８は、ラマンまたは他の化学的作像用途に対する列状化LCTFデバイスの概略図である。図８を参照すると、第１ステージ810は数個の電圧源V1〜Vnに対して連結される。電圧源V1〜Vnの各々は自身以外から独立して動作することで、ステージ810の電気光学的に調節される液晶セルに対して電力を供給し得る。これは、高い空間的解像度を有する動的LCTF、および、画像または波長により区別を行うべく動作され得るフィルタに帰着する。当該液晶セグメントの各列(または各行)ならびに引き続く各ステージにおいて関連する各列(または各行)の全体にわたり異なる電圧を提供することにより、前記調節可能フィルタはX軸に沿い再構成されることで、前記LCTFの起動状態の関数として一定の箇所Xにおける1-Dスペクトル(Y, λ)が提供される。図８の列状化システムにおいて使用される前記液晶は、ネマチックまたはスメクチックのいずれかとされ得る。図８の実施例は３個のステージの内の１個のステージのみが別個の電圧を受ける様に示しているが、本開示はこれに限られず、ステージ820および830もまた列状化調節に対して構成され得る。
【００４４】
図８のフィルタは光子放出源、光子検出源、光学レンズおよびプロセッサに連結されることで、第１および第２寸法を有するサンプルの空間的に正確な波長解像画像を実現するシステムが形成され得る。前記光子検出器としては、荷電結合素子、相補的金属酸化物半導体、電荷注入デバイス、強化型電荷注入デバイス、電子倍増荷電結合素子、シリコン・フォト・ダイオード、シリコン・アバランシェ・ダイオードおよび焦点面アレイが挙げられる。前記光子放出源は、レーザ、発光素子または蛍光素子とされ得る。
【００４５】
図９は、本開示の別実施例に係る、非パターン化されたラマン作像または他の化学的作像の応用システムの概略図である。図９を参照すると光学フィルタ900は、対象物(選択的にはラマン対象物)905から散乱光子を受容し、スペクトル910を生成する。楔形状液晶フィルタ900は、電圧源907に対して連結され得る。フィルタ900に対して電圧907を印加すると、フィルタ900に沿う各位置における結晶位相遅延が変更される。フィルタ900の横方向長さに沿う種々の位置にて該フィルタに電圧を印加することにより、該フィルタ900は可変的な位相遅延を生成し得る。選択的実施例において行１〜行Ｎの各々は異なる電圧を受け得る。
【００４６】
図９において、楔状設計態様は一連の帯域通過区画を生成し得る。各帯域通過区画によれば、図９においてフィルタ900の異なる箇所を通る、異なる波長(λ1〜λn)が許容され得る。図４および図５の代表的実施例と同様に、前記各帯域通過区画はＸ方向において水平に配設され得る。個々の帯域通過区画によればフィルタ900は、分散分光器として動作し得る。前記フィルタの解像度は、CCDカメラのピクセル・サイズと、(もし複数ステージのフィルタが利用されるなら)各ステージに対するフィルタの楔角度との関数であり得る。各ステージにおける付加的な液晶セルは前記フィルタに対して調節性の特徴を付加し得ることから、前記フィルタの各帯域通過区画は他の区画から独立して調節され得る。各ステージの位相遅延がリオ・フィルタ構成(すなわちR、2R、4Rなど)を満足するように液晶セル全体に電圧が印加されるという図４Ｃおよび図５の実施例と比較すると、図９の実施例は、Ｘ方向に沿うフィルタの異なる位置(たとえば、不図示の箇所X1〜Xn)において一連の帯域通過区画(λ1〜λn)を生成すべく構成され得る。液晶セルの位相遅延は、印加される電圧を変化させることで該液晶セルが可変リターダとして作用することを許容することで変化され得る。故に(不図示の)各位置Xiにて帯域通過波長は、液晶セルに対する電圧を変化させることで変化され得る。特定の波長λiにおける最終的な２次元画像910は、たとえば同一の波長λiを通過させる帯域通過区画を組み合わせることでコンピュータにより構築され得る。
【００４７】
図１０は、調節可能なファブリーペロー・マイクロ光電気機械的システムを用いる携帯システムに対するコンパクトな作像用フィルタの概略図である。数字の２として此処で示されたサンプル1005は不透明な表面であり、該表面は、光により照射されると共に、入射光を反射的に散乱するか、または、光エネルギを吸収し且つ特性波長においてエネルギを全ての方向に再放出する。光線は、サンプル1005上の任意点(x、y)から発する。図中においてレンズ1009により概略的に表された光学系は、点(x、y)からの光線を一個以上のコンパクトな2-Dラマン作像用フィルタ要素1010を通して方向1012へと導向するが、前記例においては２個の要素が示されている。図中においてレンズ1011により概略的に表された受信側の光学システムは、検出器1020の表面上に前記サンプルの空間的に正確な波長解像画像を実現するよう用いられる。
【００４８】
図１０において前記作像用フィルタは、対合された薄寸の部分的に透明な平行Siプレートであって各対が光学キャビティを画成する様に空気により分離されたSiプレートを有する一連のフィルタを備える。各プレートは、マイクロ加工により作製され得ると共に、(不図示の)マイクロ電気機械的位置決め機により可動とされることにより、各プレート間のキャビティ厚みを調節することで該キャビティの共振波長を調節する。好適には、２対以上の実質的に反射的な(但し100％反射よりは少ない)プレート1010が、一個以上のファブリーペロー干渉計のキャビティを形成する。前記複数のキャビティは、同一のキャビティ間隔に設定される。共振波長にて各プレートに対して直交して配向された光線は通過され、且つ、他の波長は光路に沿い後方反射される。
【００４９】
各光学プレート1010は平坦なSiウェハから作製され得ると共に、該ウェハは、たとえば化学またはイオンビーム・エッチングを用いたマイクロ加工段階により支持フレームを形成すべく構成され得る。当業者に公知の付加的な処理段階によれば、キャビティ厚みを設定するために電子的に制御可能な位置決めアクチュエータを提供すべく、前記支持フレームと、前記薄寸で実質的に反射的なSiプレートとの間には(たとえば各Siフィルタ要素の側部および角隅部に沿い)接続部材が形成される。これらの(不図示の)アクチュエータは、各ファブリーペロー干渉計を画成する各々の対における一方または両方の光学プレート1010を移動させる。各プレート1010は、各々の支持フレームの平面(すなわち光軸に平行であり且つ各光学プレートの平行平面に直交する方向)において均一に内方および外方に移動されることで、矢印により表された如くキャビティ厚みを設定し得る。
【００５０】
一実施例において前記アクチュエータは電圧源により起動され得る。前記アクチュエータは、個別の調節位置(キャビティ厚み)間で切換え可能とされ得るか、または、所望の結果に依存してアクチュエータ変位位置の範囲内における所望箇所へと調節され得る。前記Siフィルタ要素および内蔵アクチュエータを含むこの一群の平坦構造は、光軸に沿い積層されることでファブリーペロー作像用フィルタを形成する。この積層体において平行な各薄寸Siプレートは、全てが中央光軸に平行な方向を向く様に、他のプレートに対して平行であり且つ該他のプレートに対して整列される。
【００５１】
各プレートの最終的な枚数は、各対間にファブリーペロー・エタロンを画成し得るか、または、連続する対のプレートが共振キャビティとしても使用されることから別の対を画成するならば奇数とされ得る。その場合、各プレート間の間隔および斯かる連続的な対の間の間隔は各々、同一の共振間隔を採用すべく制御されねばならない。各対のフィルタ要素間のMEMSアクチュエータ変位を異なる様に組み合わせると共に、(複数のステージを形成する如く)プレート対同士の間における積層距離を異なる様に組み合わせれば、当該デバイスが制御可能的に調節可能である波長の範囲内で選択された波長における光の狭幅通過帯域の透過が許容される。
【００５２】
フィルタ波長λは、ファブリーペロー・フィルタ要素の各々の間におけるキャビティもしくは距離を所定様式で変化させることで選択される。アクチュエータの変位、各プレート間の間隔および各プレートの枚数によれば、アクチュエータの変化(すなわち調節)時に透過が達成される波長の範囲、ならびに、波長λにおける光が透過される波長ウィンドウ(すなわち通過帯域)が決定される。斯かるデバイスに対する通過帯域は、0.25nmまでも狭幅(高解像度)であり、または、10nmまで(低解像度)とされ得る。前記デバイスが動作(すなわち異なる波長の光をフィルタリング)し得る波長の範囲は、たとえば400nm乃至1,800nmとされ得る。斯かる性能を達成する設計態様のトレードオフは、ラマン、蛍光、VISまたはNIR化学的作像などの任意の特定の測定要件に対して要素の個数(コストおよび簡素さ)および全体的透過機能(光学効率)を最適化すべく選択される。
【００５３】
ラマン、蛍光、可視またはNIR動作に対してはプレートの積層の特定配置構成が使用可能であり、これに対しては、必要な波長フィルタリング特性を提供する所定群のアクチュエータ電圧が知られている。特定の動作のモードに対し、必要な群の電圧がコンピュータにより呼び出され、作像されるべき各波長のためのアクチュエータに対して印加される。一群のアクチュエータを走査すると共に画像全体1020にわたりデータを獲得すると、波長解像された空間的に正確な画像が生成される。
【００５４】
好適には、検出器1020上には前記サンプルの2-D(X、Y)画像が生成される。前記複数の調節可能な光学キャビティは、一度にひとつの波長における画像を生成し、且つ、２つ以上の波長および選択的には所定範囲内で選択された波長へと調節されるべく制御可能である。調節速度は、各キャビティ間隔を変化させることで新たな波長における画像を選択するために１秒未満とされ得る。
【００５５】
各ファブリーペロー・プレートの前後における光学系1009および1011は、サンプル1005から散乱されもしくは発せられた光が、該サンプル1005の各(x、y)箇所を(x'、y')にて検出器プレート1020上へと正確かつ忠実に再現されることを許容すべく使用され得る。特定の検出器ピクセルは、前記サンプルの画像における各点の位置に対応する画像または空間的に正確な表現を形成する。レンズを含む光学系1009および1011を使用せずに、透過される光が弁別されるという光学的構成が可能である。たとえば、各エタロンが直交方向におけるキャビティの厚みの故に波長を弁別するという積層ファブリーペロー・アレイは、直交配向された光線のみを選択的に通過させることで、画像からの光を効果的に平行化し且つ検出器に印加された空間的解像画像を提供するという特性を有する。
【００５６】
図１０の実施例によれば、サンプルの各空間的要素に対応するラマンまたは蛍光スペクトルの獲得を可能とすべく選択的に微調整され得る非常にコンパクトな高解像度ラマンまたは蛍光作像デバイスが可能とされる。個々にアドレス可能なファブリーペロー・フィルタ要素1010によれば、サンプル1005の各空間的要素に対応するラマンまたはルミネッセンス・スペクトルが可能とされ得る。検出器1020がCMOS検出器であるとき、個々の各ピクセルは特定のピクセル要素に対して適用される波長を調節することにより独立して検知され得るが、これは典型的なCCD検出器デバイスにおいては可能でない。斯かるファブリーペロー作像用フィルタの使用は新規である。なぜならば、先行技術のMOEMS式ファブリーペロー・フィルタは作像を実施することができず、光学源の波長選択のみだったからである。本発明における付加的な利点は、サンプルにおける重要なピクセルに関してのみ注意を払うことで該サンプルの特定領域からの最も重要なデータの収集を高速化かつ簡素化すべく、この好適実施例におけるCMOS検出器がピクセル選択され得ることである。
【００５７】
前記ファブリーペロー・フィルタ要素は、光を、透過するだけでなく、代替実施例においてはCMOSセンサの個々のピクセルへと反射もすることで、前記サンプルを空間的に正確にスペクトル的に解像したピクセルの単一波長ラマンまたはルミネッセンス作像対象物1020を形成し得る。すなわち代替実施例においては一個以上のファブリーペロー・フィルタ要素が、透過的なフィルタでは無く、反射的な波長フィルタとして使用され得る。
【００５８】
本明細書中に開示された前記楔状もしくは階段状の複屈折干渉フィルタ、MOEMSデバイス、および、分散分光器は、非常にコンパクトとされ得ると共に、携帯作像システムでの使用に特に適している。更に前記各フィルタは、作像モードおよび分光モードという２つのモードで動作すべく構成され得る。前記調節方法は、1Dスペクトルにおけるライン走査を含み得る。故に、一定の箇所Xにて、サンプルはYおよびλの関数として走査され得る。調節速度は、波長毎に約20msという短時間、または、走査ライン毎に約１秒未満とされ得る。
【００５９】
この点に関し、“コンパクトな”または“携帯の”または“可搬的な”という表現は、概略サイズの携帯計算器、携帯電話、PDAなど、すなわちポケット内で好都合に搬送されると共に手で全体的に展開され得るサイズの電源内蔵式ユニットを包含すると解釈されるべきである。好適には前記携帯デバイスは約36立方インチ(3×6×2インチ)以下であり且つ9立方インチ(3×6×0.5インチ)以下の小寸とされ得ると共に、検出器からサンプルまで測定された光路は約2〜4インチである。
【００６０】
本明細書中に開示された調節可能フィルタ構成を用いる携帯システムは、前記調節可能フィルタおよびCCDを制御するための制御器を含み得る。該制御器は、キー・パッドおよび表示ユニットを介して操作者と通信すべくソフトウェアによりプログラムされるプロセッサの形態とされ得る。前記携帯システムはまた、光子放出源、偏光ビームスプリッタおよび電源も含み得る。該電源はバッテリとされ得る。前記光子放出源は、(ラマン散乱に対する)レーザ、(白色光反射用途または蛍光放射に対する)LED、近赤外源、蛍光源、または、それらの組み合わせを含み得る。前記携帯デバイスはまた、前記放出源がLCTFおよび検出器と干渉するのを防止するために一個以上の阻止フィルタも含み得る。
【００６１】
図１１Ａは、本発明の一実施例に係る携帯用で化学作像式の危険評価デバイスの概略図である。図１１Ａの代表的実施例を参照すると前記CHITAデバイスは、携帯操作のために可搬的でコンパクトな形態へと効率的にパッケージ化された小型構成要素を含む。該ユニットは、照射／励起光源(レーザ光源1110および発光ダイオード光源1105)と、レンズ／反射表面1114と、散乱／放出／反射光導通フィルタ1107と、偏光ビームスプリッタ1120と、サンプル領域の広帯域検出、スクリーニングおよび選択の為のフィルタ1124(たとえば調節可能な蛍光液晶フィルタ(FLC))および検出システム1126の組み合わせと、狭帯域の検出および識別のためのフィルタ1130(たとえばラマン液晶調節可能フィルタ(RLC1およびRLC2)など)および検出サブシステム1132(たとえばCMOSまたはCCD)の第２の組み合わせと、制御用電子機器1134と、プロセッサ・ユニット1136と、バッテリ1140とを含む。作像用フィルタ114(FLC)は、蛍光LCTFである。作像用フィルタ1130(RLC1、RLC2)は、ラマンLCTFとされ得る。“ノッチ・フィルタ”であり得る調整フィルタ1107は偏光ビームスプリッタ1120の前に位置されることで、ビームスプリッタ1120および引き続く検出システム1124、1130をレーザ光が圧倒することを阻止する。付加的に、ビームスプリッタ1120と液晶1124および1130との間にはレンズ1122および1128が位置される。
【００６２】
図１１Ａの代表的デバイスにおいてレーザ1110は、狭帯域の励起とラマン分析などの分析とに対して使用され得る光子ビーム1112を提供する。発光ダイオード(LED)を含む前記第１フィルタ／検出サブシステムは、スクリーニング目的で使用され得る。
【００６３】
図１２は、本開示の一実施例に係る二次的照射源である。図１２において各LEDは、サンプルと交差する軸心に対し直交する同心リング1200で構成される。換言するとそれらは、リング1200として形成され且つサンプル(たとえば図１１Ａにおける1105)の近傍に位置されて該サンプルを光子により照射する。図１２の実施例は、異なる波長を以って、サンプルを照射し得るLED1205および1210を有するダイオード照射リング1200を示している。換言するとリング1200は、サンプルを照射してサンプルの検出および識別を可能とする同様のまたは異なる発光ダイオードの配列を含み得る。これに加え、サンプル照射によればレーザ検出および識別が増進され得る。LED1205および1210は、所望用途に依存して、可視、NIRまたはUV帯域で作動すべく選択され得る。それらはまた、化学戦争用のまたは生物学的な種々の作用物質の組み合わせをスクリーニングするために選択された種々のダイオードの組み合わせから成るようにも選択され得る。図１２の照射源はまた、蛍光源である様にも構成され得る。
【００６４】
図１１Ａを再び参照すると前記サンプルは、光源1110からのレーザおよびLED光源1105から放出された光子により実質的に同時にまたは順次的に照射かつ分析され得る。次に、サンプルから散乱されて放出された光子ビーム1118は、レンズ1116により収集されると共に表面1114により波長作像用フィルタへと反射される。反射表面1114は、レーザ光は通過を許容する一方で散乱かつ放出された光子ビーム1118は反射すべく構成され得る。照射フィルタ1107は、各検出器を無効化し得るレイリー散乱照射光の波長を除去する。偏光ビームスプリッタ1120は、放射されて散乱された光のひとつの偏光を分離し、ビームスプリッタ1120の左右に示された２個の異なるフィルタ／検出器サブシステムにより該偏光が分析されるのを許容する。(示された)CMOSまたはCCD検出器(1132、1126)は、制御モジュール1134および分析器により読みとられて分析されるべく波長選択された／フィルタ信号と整合され得る。前記分析器は、前記デバイスのメモリ内に記憶されたデータを用いてCPU上に記憶されたソフトウェアとされ得る。代替的にプロセッサは、CPUデータベースに記憶された既知のスペクトルに対してサンプルのスペクトルを比較することにより該サンプルの化学的固有特徴を検出すべくソフトウェアによりプログラムされ得る。
【００６５】
図１１Ｂは、図１１Ａの携帯デバイスの異なる側面を示している。図１１Ｂを参照するとデバイス1100は、バッテリ源1140、キー・パッドまたは他のインタフェース・デバイス1152および画面1150を含む。画面1150は、結果的な画像またはスペクトルを、および、生物学的脅威が識別されたなら斯かる生物学的脅威警告表示を表示すべく構成され得る。前記視覚的表示器は、可聴警告信号または他の識別手段により補完され得る。キー・パッド1152は、ユニット1100を制御し、データを入力するかコマンドを指定するために使用され得る。前記デバイスはまた、サーバ、プリンタなどの他の電子機器と電子的に通信するための一個以上の通信ポートも含み得る。
【００６６】
デバイス1100は、サンプルを照らしまたは照射すると共に、該サンプルにより放出または散乱された光子を収集して分析すべく構成され得る。分析および識別は、サンプルにより放出もしくは散乱された波長(すなわち該サンプルのスペクトル)の関数として達成され得る。故に、分光器により生成されたのと同様のスペクトルが獲得され得る。別実施例において、本明細書中に開示された原理は特に好適である。なぜならば、デバイス1100によればサンプルの空間的解像画像ならびにスペクトル的識別が同時に実現可能だからである。別実施例において本開示は、第1および第２の空間的寸法を有するサンプルの空間的に正確な波長解像画像を実現する可搬的システムに関する。該可搬的システムは、前記サンプルの複数の部分を複数の光子にて順次的に照射することで該サンプルにより散乱された光子を生成するという光子放出源を含み得る。前記光子放出源はまた、第２空間的寸法の複数の所定位置の各々に対して第１空間的寸法に沿いサンプルを照射し得る。前記システムはまた、散乱された光子を収集して該光子からフィルタリングされた光子を生成する光学レンズと、フィルタリングされた光子の各々の波長を決定する分散分光器と、フィルタリングされた光子を受けて該光子から前記サンプルの複数のスペクトルを獲得する光子検出器と、前記複数のスペクトルから前記サンプルの２次元画像を生成するプロセッサとを含み得る。
【００６７】
図１１Ｃは、本発明の別実施例に係る携帯CHITAデバイスの概略図である。特に図１１Ｃは、フィルタ1124および1130の各々が分散分光器である実施例を示している。別実施例においては、フィルタ1124または1130の少なくとも一方が分散分光器により置き換えられる。
【００６８】
図１３は、代表的なCHITAデバイスの動作を概略的に示している。示された如く、サンプルはまず一個以上の光子源(たとえば図１１ＡのLED1105およびレーザ1110)により照射1305される。次のステップ1310は、サンプルから放出且つ／又は散乱された光子の収集および分析である。波長および空間的に解像されたデータ／情報が獲得されたなら、ステップ1315にて前記データはCMOSもしくはCCD検出器へと導向される。このデータは次に前記CPUにより処理されることで、詳細分析のために、生データに対する種々の補正が実施される。該補正分析としては、較正およびベースライン補正1320と、(米国特許出願第10/812,233号に開示されると共に背景情報として本明細書中に援用される)異なるスペクトル特徴1325の混合解除と、可能的なスペクトル整合1330に対するローカル・データベースの検索と、サンプル1335の識別とが挙げられる。前記分析は、サンプル上の異なる空間的箇所に対して反復され得る。前記スペクトル・データは、CPU1136に記憶され得るか、または、内蔵メモリに記憶されたベースライン・データと比較され得る。前記代表的な処理ステップによれば、生物学的または化学的な脅威1340として分類される化合物の検出および識別が可能とされる。
【００６９】
上述の各実施例によれば、調節可能フィルタのピクセル化部分または別様の段増的部分が、独立的に調節可能であり、且つ、全体的に独立的にまたは連携調整された様式で調節されることで、画像における異なる点にてデータ捕捉デバイスに対し又はデータ捕捉フィールド(たとえば、光センサのX-Yフィールド、または、押しボウキ構成における一連の光センサ)に対して適用されるべき波長が選択的にフィルタリングされ得る。たとえば前記階段状厚みのリターダ実施例においては、ひとつの段部から次の段部へのリターダ厚みの差に従い異なるという連続的な波長へと調節された(各段部における)一連の段増的領域を提供すべく、一連のピクセル領域または帯状部が一体的に調節可能である。同様に、楔形状リターダ実施例においては、楔の全体にわたり調節することで所定範囲における一連の波長が選択され、該波長は、リターダ厚みがその最大厚みと最小厚みとの間で変化する表面の全体にわたり連続的に変化する。全体的にピクセル化されたフィルタにおいて個々のピクセルは、他の可能的に隣接するピクセルの調節済み波長とは異なる波長へと調節され得る。
【００７０】
故に、調節可能フィルタ領域上の異なる位置が同時に異なる波長へと調節されることは本発明の見地である。これは、各ピクセル位置に対して全体的スペクトルが収集されるまで、ひとつの波長にてフィルタ領域全体にわたり波長固有の光強度データを収集してから次の波長における次のデータ群の収集に進展するという期待技術とは背反するものである。しかし本発明は、データの分析が達成され得る前において調節可能領域全体に対して全スペクトル(全ての波長)を収集する必要性を排除することにより、改善された速度および融通性を提供する。
【００７１】
本発明の独立的なまたは段階的な調節機能を用い、各ピクセル位置における全スペクトル情報を収集することが可能である。その場合には、光強度測定の各々が該当する調節済み波長を追尾すべくデータ収集を管理することが必要である。
【００７２】
本発明によれば、サンプルから一度に一連の異なる波長測定値を収集することも可能である。これはたとえば、画像の反射光を(たとえば異なるリターダ厚みの楔または一連の段状部などの)アレイにおける全ての調節可能位置にわたり拡散的にデフォーカスし又は別様に適用し、且つ、スリットからの光がプリズムまたは格子を用いて分光器に適用されるという様式と類似した様式にてサンプル全体からの波長データを蓄積することにより、達成され得る。すなわち楔状または階段状またはピクセル化されたリターダ配置構成は、サンプル画像全体に対する平均スペクトルを収集すべく作動され得る。同一の配置構成はまた、画像の選択部分の全体に亙る平均スペクトルを収集するためにも使用され得る。
【００７３】
一例において、前記調節可能フィルタは図１１Ａにおけるプロセッサ1136の如きプロセッサにより制御され、且つ、該プロセッサは連続的なデータ獲得モードも制御する。ひとつのステップとして、サンプルの画像を収集するために焦点合わせされた蛍光作像が用いられる。前記画像の一個以上の特定領域は、たとえば一定の特性波長における対比などにより、問題となる特徴を検出することで区別され得る。次のモードにおいては、問題となる領域、または選択的にはサンプル全体からの拡散光が、選択的には非常に狭幅な帯域幅の(但し低速な)ラマン作像を用いて、特定の波長関係に対して検証される。全てのピクセルに対し又は他の調節可能な段増に対してデータの全スペクトルを収集することが不要であることから、サンプル分析は別様の場合に可能であるよりも相当に迅速とされ得る。
【００７４】
故に前述の実施例の楔状、階段状であり且つ別個に調節可能なリターダの分散的波長機能は、各ピクセルに対する全スペクトルの収集によるスペクトル分析を、または、画像の平均スペクトルの収集によるスペクトル分析を、または、画像の近傍または他の領域が異なる波長へと選択的に調節されるという差分的波長分析を達成し得る。
【００７５】
故に一実施例においては脅威検出または他の用途に対する携帯検出システムが、複屈折的でスペクトル的に“機敏”な干渉フィルタ要素を、すなわち、所定時点においてひとつの波長もしくは複数の異なる波長へと選択的に調節可能とされることで蛍光作像、反射画像収集、ラマン画像、および、ラマン画像平均スペクトルの収集および分析を達成するという要素を使用すべく構成され且つ制御可能的に操作され得る。本明細書中に開示されたフィルタ・レイアウトの任意のひとつまたは組み合わせが、携帯デバイスにおいて使用され得る。たとえば図１１Ａを参照すると、RLC1およびRLC2(ラマン液晶)は、上述された如く楔状フィルタまたは調節可能フィルタとされ得る。同様に、FLC1124は前記で開示された如く分散フィルタを含み得る。
【００７６】
図１４は、本開示の一実施例に係る代表的なパッケージ化オプションを提供する。図１４を参照するとデバイス1410は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されたデバイスと同様に適切な携帯デバイスを例証している。携帯デバイス1410は、操作者に対して種々の情報を表示する画面1412と、警報信号1411と、他の電子デバイスとのデータ通信を可能とする通信ポート1413とを含む。デバイス1400は、該デバイスが画像ならびにテキストを表示し得ることから、生物学的脅威検出に対して使用され得る。このユニットは、そのメモリ内に含まれた生物学的脅威の固有特徴に関する内蔵ライブラリのサイズにより決定される広範囲の生物学的脅威物質を識別すべく構成され得る。それはまた、重要な検出事項を報告すべく又は自身のライブラリを更新すべく、無線リンクを用いてホスト・ステーションと遠隔通信を行う様にも構成され得る。
【００７７】
携帯式空気モニタ1420は、ポート1422を含んで示される。最後に携帯式表面検出デバイス1430は、取手1433と、リング形態を有するLED光源1431と、本体1432とを有して示される。示されてはいないが携帯式表面検出デバイスは、ディスプレイ、キー・パッド、および、一個以上の通信ポートも含み得る。図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１４に示された各デバイスは、本明細書中に開示された各実施例は現場用途のための携帯デバイスへと組立て且つパッケージ化され得ることを例証している。斯かるデバイスはコンパクトであると共に、(サンプルと検出器との間で測定された)短い光路を有するが卓上ユニットとして効率的であり得ることは容易に理解され得る。デバイス1420および1430は各々、生物学的脅威に関する空気監視および表面検出に対して特に適している。携帯検出器1430は衣服または露出された身体部分上の生物学的脅威を測定するために使用され得るが、これは戦場でまたは民間状況にて特に有用となり得る。
【００７８】
図１４の代表的実施例は生物学的脅威検出に関して論じられたが、斯かるデバイスは化学戦争用物質の検出または有害物質の監視に対しても等しく適している。検出デバイス1410の他の用途としては、医療目的に対する人体内の化学物質の検出および監視が挙げられる。本明細書中に開示された原理を用いる民生デバイスはまた、グルコース、コレステロール、尿素、ヘモグロビンおよびアルコールなどの作用物質を識別するための自己診断試験を行う様にも構成され得る。
【００７９】
最後に携帯デバイス1440は、携帯電話と同様に簡素化された動作制御およびメニュー式入力による低価格の消費者向けデバイスの代表例を示している。このユニットは、その企図用途に依存して一定の化学物質を検出すべくプログラムされ得る。
【００８０】
前記携帯デバイスに対する代替実施例は、ラマン散乱のための分散フィルタとしてラマン・マイクロ分光器を使用する。可搬的な携帯検出器に対して必要とされる小さなサイズを達成するために前記マイクロ・ラマン・センサ構成要素は、半導体処理分野における当業者に公知であるPMMAなどの半導体リトグラフ材料およびX線リトグラフ・プロセスとから構築され得る。作製は、X線マスクが装着されたポリメタクリル酸メチル(PMMA)をシンクロトロン放射に露光する段階を含む。此処で前記露光は当業者に公知の面内マイクロ光学システムを用いて実施されると共に、深部X線リトグラフによりバッチ・モードで作製が行われる。引き続く段階としては、露光されたPMMAの現像およびその除去、PMMAキャビティにおける電気鋳造、組み合わされた材料の平面化、保護されたPMMAの除去、および、電気鋳造された構成要素の最終的なリリースが挙げられる。このプロセスによれば、前記CHITA携帯検出器に対する小型の波長分散要素として使用され得るPMMA格子が生成される。分散分光器の構築に対する技術に従えばこの格子は、サンプルから到来する波長の範囲を検出するために、フィルタリングされた波長を検出器表面の全体にわたり分散させるべく光路内に挿入される。
【００８１】
非常にコンパクトな前記フィルタの特徴は、PMMAに特有の光学特性およびラマン特性が生物学的脅威物質のラマン検出をそれほど劣化させないことである。図１５は、高性能の顕微鏡ガラス光学機器を用いて収集されたPMMAのラマン・スペクトルを示している。図１５はまた、同一の光学機器により収集された一種の炭疽菌(BG)のラマン・スペクトルも示している。最後に図１５は、PMMAの薄寸プレートに導入した後に、レーザ照射／収集用の光路内に導入されたBGのラマン・スペクトルを示している。光線が平行である光学的領域内に前記PMMAが配置される限りにおいて、それは測定されるスペクトル内にそれほどのバックグラウンドは導入しない。すなわち、PMMAはBGラマン・スペクトルの収集を阻害しない照射光路である。ラマン・スペクトルに対するPMMA由来の寄与は、現場のシステムにおける機器応答の自動補正および優れた全体的性能を助力し得る内部較正体(強度および波長)としても使用され得る。機器の較正により、レーザ・ラインのドリフトおよび定量分析などの機器変動の補償が可能とされる。
【００８２】
以下の表は、コンパクトな作像分光器の一実施例に対する非排他的で代表的な仕様を示している。
【００８３】
性能パラメータ      仕様
レーザの励起波長および帯域幅  532nm；<0.2nm
作像用開口      0.5”以上
視野(入射角)      ±3°
自由スペクトル領域    500〜750nm
使用可能なラマン範囲    350〜3,200cm-1
解像度        0.25nm FWHM@500nm、＜10cm-1
オフピーク阻止      10,000：1  全エネルギ
透過        最小30％
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本開示は本明細書中に提供された代表的な各実施例を用いて記述されたが、本開示の原理はそれらに限定されず、それらに対する改変およびそれらの並べ換えを包含し得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】従来のライン走査式ラマン作像システムの概略図である。
【図２】従来の広視野走査式ラマン作像システムの概略図である。
【図３】従来の３段式のリオ液晶型調節可能フィルタの概略図である。
【図４Ａ】電子制御式の複屈折セルの均一な液晶セルの概略図である。
【図４Ｂ】電子制御式の複屈折セルの楔状液晶セルの概略図である。
【図４Ｃ】本開示の一実施例に係る光学デバイスおよび光学的ステージの概略図である。
【図５】本開示の別実施例に係る光学的ステージの概略図である。
【図６】本開示の別実施例に係る、非パターン化されたラマン作像または他の化学的作像用途に対する階段状LCTFデバイスの概略図である。
【図７】本開示の別実施例に係る、ラマン作像または他の化学的作像用途に対する列状化LCTFデバイスの概略図である。
【図８】本開示の一実施例に係る、ラマンまたは他の化学的作像用途に対する列状化LCTFデバイスの概略図である。
【図９】本開示の別実施例に係る、非パターン化されたラマン作像または他の化学的作像の応用システムの概略図である。
【図１０】調節可能なファブリーペローを用いた作像システムの概略図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施例に係る携帯用で化学作像式の危険評価検出デバイス(CHITA)の概略図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施例に係る携帯用で化学作像式の危険評価検出デバイス(CHITA)の概略図である。
【図１１Ｃ】本発明の一実施例に係る携帯用で化学作像式の危険評価検出デバイス(CHITA)の概略図である。
【図１２】本開示の一実施例に係る二次的照射源を示す図である。
【図１３】代表的な検出デバイスの作用の概略図である。
【図１４】本開示の一実施例に係る代表的なパッケージ化オプションを示す図である。
【図１５】PMMAを通したサンプルの分散ラマン・スペクトルを示す図である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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