(57)【要約】  キャビティを用いるユニットを形成するために放物面反射鏡および平面鏡を有するスペックル低減装置。レーザ光は収集され、キャビティの周りを跳ね回って拡散板表面に複数回当たる。非常にコヒーレントなレーザ光を顕微鏡および他の装置における照明に適した低コヒーレントであるがなお明るい光に変換する。関連するスペックルを低減させるための方法も開示する。【選択図】図３
2020516931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントなレーザ入射ビームと、
中心穴を有する放物面反射鏡と、
中心穴および出射穴を有する平面鏡と、
移動する拡散板と、
部分的にコヒーレントなレーザ出射ビームと
を備え、
前記コヒーレントなレーザ入射ビームは、前記放物面反射鏡の前記中心穴および前記平面鏡の前記中心穴を通過し、かつその焦点は前記移動する拡散板に合わせられ、拡散レーザ光は前記放物面反射鏡と前記平面鏡との間を前後に跳ねて前記移動する拡散板に複数回接触すること、および前記部分的にコヒーレントなレーザ出射ビームは前記平面鏡の前記出射穴を通過することを特徴とする、
スペックル低減装置。
【請求項２】
前記移動する拡散板は前記平面鏡の前記中心穴の中に位置している、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項３】
前記移動する拡散板は前記平面鏡の平面の外に配置されている、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項４】
前記移動する拡散板は前記放物面の光軸に対して軸外に配置されているが、なお前記コヒーレントなレーザ入射ビームを捕捉する、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項５】
前記移動する拡散板は回転拡散板である、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項６】
前記移動する拡散板を、回転以外の手段または回転との組み合わせによって前記レーザ入射ビームに対して移動させる、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項７】
前記コヒーレントなレーザ入射ビームは部分的に焦点が外されている、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項８】
前記部分的にコヒーレントなレーザ出射ビームを光ファイバ内に結合させる、請求項１に記載のスペックル低減装置。
【請求項９】
コヒーレントなレーザ入射ビームを放物面反射鏡の中心穴および平面鏡の中心穴に通過させる工程と、
前記コヒーレントなレーザ入射ビームの焦点を移動する拡散板に合わせる工程と
を含み、
拡散レーザ光は前記放物面反射鏡と前記平面鏡との間を前後に跳ねて前記移動する拡散板に複数回接触すること、および部分的にコヒーレントなレーザ出射ビームは前記平面鏡にある出射穴を通過することを特徴とする、
スペックルを低減させる方法。
【請求項１０】
前記移動する拡散板は前記平面鏡の前記中心穴の中に位置している、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記移動する拡散板は前記平面鏡の平面の外に配置されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記移動する拡散板は前記放物面の光軸に対して軸外に配置されているが、なお前記コヒーレントなレーザ入射ビームを捕捉する、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記移動する拡散板は回転拡散板である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記移動する拡散板を、回転以外の手段または回転との組み合わせによって前記レーザ入射ビームに対して移動させる、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記コヒーレントなレーザ入射ビームは部分的に焦点が外されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記部分的にコヒーレントなレーザ出射ビームを光ファイバ内に結合させる、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザスペックルの低減に関し、より詳細にはハイスループットなスペックル低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線（ＩＲ）レーザ（波長可変量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）など）は、それらの高輝度により、遠隔分光法および顕微分光法の両方において非常に魅力的な照明源である。実際にそれらは微量レベルの分光を可能にする装置である。しかし、レーザビームとしてのそれらの高コヒーレンスにより、ＱＣＬは特に粗面を照明する際にスペックルを生じることがある。これは収集されたスペクトルの信号対雑音比（ＳＮＲ）にとって非常に有害であり、高輝度源を用いることによる利得を容易に帳消しにしてしまう。ほとんどの場合、光出力を犠牲にしてスペックルの低減が行われる。
【０００３】
コヒーレント光（レーザ源からの光など）が粗面を照明した場合、得られる画像はスペックルと呼ばれる粒状パターンを含む（Ｇｏｏｄｍａｎ，光学系におけるスペックル現象（Ｓｐｅｃｋｌｅ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ），Ｒｏｂｅｒｔｓ＆Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ  Ｃｏｌｏｒａｄｏ（２００７））。典型的なスペックルパターンが図１に示されている。スペックルの粒径および隣接する粒子からの距離は、試料形態、光学的配置および使用される光の波長の変化に強く影響を受けることが多い。スペックルは、スペックルパターンを散乱中心の集合体からの干渉によるものであるとみなすことによってモデル化することができる。図２はこの概念を示す。
【０００４】
多くの用途において、スペックルは試料からの真の信号（例えば、反射率や透過率など）を分かりにくくするため、厄介なものである。スペックルコントラスト（スペックル強度の変動によって定められる）に応じて、それは検出システムの信号対雑音比がスペックルによって制限されるレベルに達し得る。従って、レーザ出力スループットの低下による信号対雑音比の付随する減少を引き起こすことなくスペックルコントラストを低減させることが必須である。「スペックル除去（ｄｅ−ｓｐｅｃｋｌｉｎｇ）」は常にスペックル除去されたレーザ光の光出力の低下と共に生じるので、これを行うことは非常に難しい。スペックル低減光学装置はスペックル低減量を調整できることが理想的である。
【０００５】
スペックルを低減させるためのいくつかの戦略が存在する。空間平均化では複数の画素を組み合わせてスペックルコントラストを不鮮明にさせる。時間平均化では、より長い時間にわたって信号を取集するか連続したカメラフレームを組み合わせる。スペクトル平均化では平滑化によりスペクトル分解能を低減させ、これによりスペックルコントラストを低減させる。偏波平均化では２種類の偏光状態のレーザによる照明からの信号を組み合わせる。スペックル除去手順は、インコヒーレントな波面になるコヒーレント照明波面を必要とし得る。
【０００６】
回転拡散板をマルチモードファイバと組み合わせた関連するスペックル低減ユニット（上の相互参照情報を参照）は良好なスペックル低減性能を有するが、それは光学的スループットを犠牲にして生じる（約−２．５％のみ）。これは顕微鏡用途のためには十分であり得るが、遠隔分光法のためには、照明のためにより高い光出力が要求されるため十分ではない（Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，“表面における微量爆発物の検出のための赤外線光熱イメージング分光法（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，５４（３１），Ｆ１２９−Ｆ１３８（２０１５）；Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，［レーザを用いた爆発物の光学的検出（装置、回路およびシステム）（Ｌａｓｅｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ（Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ））］の中の“レーザを用いた爆発物の検出のために光熱方法（Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ）”Ｐａｕｌ  Ｍ．Ｐｅｌｌｅｇｒｉｎｏ，Ｅｌｌｅｎ  Ｌ．ＨｏｌｔｈｏｆｆおよびＭｉｋｅｌｌａ  Ｅ．Ｆａｒｒｅｌｌ編，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，（２０１５）；Ｆｕｒｓｔｅｎｂｅｒｇら，“遠隔検出のための波長可変量子カスケードレーザビームパラメータの特性評価および制御（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｆｏｒ  ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，９８２４，９８２４−２１（２０１６）；Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，“微量爆発物の遠隔検出のための広帯域赤外線イメージング分光法（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  ｓｔａｎｄｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ）”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，９８３６，９８３６−８７（２０１６）；Ｇｒｏｓｓｅｒら，“表面におけるレーザ加熱された小さい粒子における伝熱のモデル化（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｉｎ  ｌａｓｅｒ−ｈｅａｔｅｄ  ｓｍａｌｌ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，５５，８０３８（２０１２）；Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，“遠隔検出用途のための赤外線光熱イメージング（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｆｏｒ  ｓｔａｎｄｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．８３７３，８３７３２Ｈ（２０１２）；Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，“赤外線光熱イメージングによる微量爆発物の遠隔検出における進歩（Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｂｙ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏ−ｔｈｅｒｍａ���  ｉｍａｇｉｎｇ）”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，７６６４，７６６４ｌｊ（２０１０）；Ｆｕｒｓｔｅｎｂｅｒｇら，“共振赤外線光熱イメージングによる微量爆発物の遠隔検出（Ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｖｉａ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ）”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９３（２２），（２００８）；Ｋｅｎｄｚｉｏｒａら，“関連する基板上の微量爆発物の赤外線光熱イメージング（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｏｎ  ｒｅｌｅｖａｎｔ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，８７０９，８７０９００（２０１３）；Ｐａｐａｎｔｏｎａｋｉｓら，“赤外線光熱イメージングによる微量爆発物の遠隔検出（Ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｂｙ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ）”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．７３０４，７３０４１８（２００９）；Ｆｕｒｓｔｅｎｂｅｒｇら，“赤外線光熱分光法による微量爆発物の遠隔検出（Ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｂｙ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏ−ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）”，２００９  ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｏｍｅｌａｎｄ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ（ＨＳＴ），４６５−７１（２００９）；およびＦｕｒｓｔｅｎｂｅｒｇら，“光熱赤外線イメージング分光法（ＰＴ−ＩＲＩＳ）を用いた微量爆発物検出：理論、モデル化および検出アルゴリズム（Ｔｒａｃｅ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｐｈｏｔｏ−ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＰＴ−ＩＲＩＳ）：ｔｈｅｏｒｙ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，９４５５，９４５５０１（２０１５））。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、スペックル低減装置と、遠隔検出を含む様々な用途のためにスペックルを低減させるための方法とを提供する。本発明は、レーザ出力を著しく損失することなくレーザ（特に赤外線）光のコヒーレンスを減少させるための装置および方法を提供する。本発明により、非常にコヒーレントなレーザ光を顕微鏡および他の装置における照明に適した低コヒーレントであるがなお明るい光に変換する。これは顕微鏡を含むイメージング用途における画質の著しい向上を達成する。
【０００８】
照明のためにＩＲレーザを使用する赤外線（ＩＲ）顕微鏡は、スペックル効果により「雑音の多い」画像を生成する。スペックル低減のための従来の方法はイメージングのために十分な輝度を提供しない。波面が粗面に遭遇した場合、それはホイヘンスの原理に従って歪む。これはインコヒーレントな光を形成するために利用することができる。照明のために高輝度源を必要とする全ての高解像度ＩＲイメージング技術は本発明から恩恵を受ける。
【０００９】
本発明のスペックル低減装置は、キャビティを形成する放物面反射鏡および平面鏡を有する。拡散レーザ光は放物面反射鏡と平面鏡との間を前後に跳ねる。全ての拡散光は収集されてキャビティの周りを跳ね回る。レーザが効率的に拡散板表面に複数回当たり、これによりスペックル除去性能が向上する。理想的には、連続反射が拡散板の異なる部分に当たるように、キャビティを僅かに離調すべきである。
【００１０】
本発明にはいくつかの利点がある。本発明は現在の方法よりも高い光学的スループット（効率）を提供する。本発明はデコヒーレンスの量の調整可能な制御（レーザ出力とデコヒーレンスレベルとのトレードオフ）を有する。本発明は、より有用な（コリメートされた）インコヒーレントな光を生じさせる。積分球とは異なり、光線は軸上の近くに留まる。このキャビティ設計により複数の通過を可能にし、スペックル低減を向上させる。僅かに焦点がずれているレーザスポットは、レーザスポットによって照射される拡散板面積を増加させ、干渉性を下げるより多くの機会を提供する。
【００１１】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点ならびに本発明それ自体は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面を参照することによってより良く理解されることになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】典型的なスペックルパターンを示す。
【図２】スペックルパターン形成およびそのモデル化の例示である。
【図３】ハイスループットなスペックル除去ユニットの概略設計である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、スペックルの低減と、高い光学的スループットを有するスペックル低減装置とに関する。スループットを高めるために、拡散板によって放出される半球状の拡散反射の大部分を捕捉するキャビティを用いるユニット（図３を参照）を設計した。キャビティ内の１つのミラーは放物線状のプロファイルを有し、かつ全ての収集された光線を平面鏡に向かってコリメートする。この平面鏡は中央開口部を有し、ここに回転盤である拡散板が挿入されている。放物線状ミラーは中心穴も有し、そこを通して入射レーザビームの焦点を拡散板に合わせる。平面鏡内の別の中心を外れた穴により、それぞれがキャビティを通った特定の割合の光を当該ユニットから出射させることができる。この光は光ファイバ内に結合されるか自由空間で使用される。入射レーザビームの焦点を僅かにずらすか回転盤を平面鏡の平面から離れるように移動させることにより、当該ユニットが提供することができるスペックル低減および光学的スループットの量の制御が可能になる。
【００１４】
回転以外の手段または回転との組み合わせによって拡散板を入射レーザビームに対して移動させてもよい。いくつかの例としては、振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ）、振動（ｖｉｂｒａｔｉｎｇ）、およびピエゾ駆動移動ステージなどの移動ステージを使用することが挙げられる。これはスペックルパターンの平均化を促進する。
【００１５】
スペックル低減装置に関する設計は、その軸上設計により容易な位置合わせを可能にする。それを使用するために、入射ＩＲレーザビームの焦点を平面鏡内のその中心穴を通る拡散面に合わせる。次いで、拡散部材（円盤形状であってもよい）を回転するモーターに取り付ける。ＩＲレーザスポットの焦点を僅かにずらし、かつ／または（平面鏡の反射面に対して）後退させるか前方に押し動かすことにより、（スループットを犠牲にして低下させて）スペックル除去性能の量を調整することができる。別の方法は、焦点を合わせたスポットを拡散板の中心から離すように移動させることである（焦点をずらすことに追加するか、焦点を合わせたスポットを用いる）。平面鏡の出射穴（１／２’’の穴を使用した）はスペックル除去された光が出射する場所である。それを自由空間構成において使用するか焦点を（好適な光学系によって）マルチモード光ファイバの中に合わせることができる。この光学系の焦点はファイバの入射開口数（ＮＡ）に一致するように選択しなければならない。スペックル除去ユニットのＮＡは、スペックル除去ユニットの焦点および出射穴によって与えられる（１つの設計では０．６２５’’を使用したが、これは必要に応じて調整することができる）。
【００１６】
上記説明は本発明の好ましい実施形態のものである。本発明の趣旨およびより広い態様から逸脱することなく上記教示を踏まえて様々な修正および変形が可能である。従って、本明細書において特許請求されている発明は具体的に記載されている方法以外の方法で実施することができることを理解されたい。単数の請求項要素、例えば冠詞「１つの（ａ）」「１つの（ａｎ）」「その（前記）（ｔｈｅ）」または「前記（ｓａｉｄ）」を用いた請求項要素のあらゆる言及は、それらの要素を単数に限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2020516931.tif 000003
【図２】
2020516931.tif 000004
【図３】
2020516931.tif 000005
【国際調査報告】
2020516931.tif 000006
2020516931.tif 000007