JP2015526741A - 長波長赤外線の検出および長波長赤外光源を用いた画像処理 - Google Patents

Abstract

赤外線検出システムは、以下の要素を含む。レーザー光源は、標的物（５）に照射するための放射線を供給する。この放射線は、赤外スペクトルの指紋領域における少なくとも一つの波長と同調される。検出器（３２）は、標的物（５）から後方散乱した放射線を検出する。解析器は、該少なくとも一つの波長において検出された信号の有無から、所定の揮発性化合物の存在を判定する。関連の検出方法も提供されている。実施形態では、レーザー光源は、複数の波長にわたって同調可能であり、検出器は、ハイパースペクトル画像処理システムを含んでいる。レーザー光源は、光パラメトリック装置であって、励起レーザー共振器内で励起ビームを生成するためのレーザー利得媒体と、励起レーザー光源、およびＺｎＧｅＰ２（ＺＧＰ）（リン化亜鉛ゲルマニウム）結晶から成る非線形媒質を有する場合がある。励起ビームで刺激を加えると、ＺｎＧｅＰ２（ＺＧＰ）結晶は、スペクトルの指紋領域に波長を有する信号光とスペクトルの中間赤外領域に波長を有するアイドラー光を生成するように適合されている。レーザー利得媒体およびＺｎＧｅＰ２（ＺＧＰ）結晶は、励起波の共振器内に配置されている。

Description

本発明は、長波長赤外線を検出するための方法および装置、ならびに好適な実施形態におけるハイパースペクトル検出およびハイパースペクトル画像処理に関する。さらに、この状況において有用な光パラメトリック装置に関するものである。本発明は、特に実時間での遠隔検出、特に実際の現場の環境における揮発性物質の検出に関する。

遠隔検出については多数の実際的な適用法があり、可能な場合として、低濃度で存在するガス種の画像処理がある。これらには、引火性または有毒性物質の漏出の遠隔検出および爆発物の遠隔検出がある。現時点では、極低濃度の物質を遠隔で検出したり、特に撮像することは困難である。その理由は、利用可能な技術が、低濃度の物質を検出するには能力が不十分であり、該当するガス種を確実かつ十分に区別することができないためである。

一つの特に有望な手法は、後方散乱吸収ガス画像処理（ＢＡＧＩ）である。この手法は、標的となるガス種が吸収帯を有する波長と同調した光源を供給する工程と、標的領域から散乱した光を検出するための検出器とを必要とする。ガスの存在は、ガス吸収がない捕捉された標的領域から、（例えば、標的種からの吸収がない別の波長において）場面の画像を遮断する。

光源の線幅は、吸収帯の幅と等しいかそれより狭いことが望ましい。短鎖炭化水素分子の場合、対象となる吸収帯は、２〜４ミクロンの範囲である。これらのパラメータの制約から、特に適切な光源は、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）等の非線形結晶を使用した光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）である。光パラメトリック発振器は、励起レーザーと非線形結晶を含む複合光源である。非線形結晶は、二次非線形光学相互作用によって、励起光を二つの低周波数（従って、より長い波長の）波に変換する。これらの二つの出力波の周波数の総計は、励起入力の周波数と等しい。低周波数（より長い波長の）出力は、アイドラーと称され、高周波数（より短い波長の）出力は、信号と称される。

光パラメトリック発振器の光源を用いたＢＡＧＩ手法の使用は、サンディア研究所（ＳＮＬ）において、広範囲に研究が行われてきた。この研究グループが発表した代表的な文献には、「Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｇａｓ Ｉｍａｇｉｎｇ − ａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（後方散乱吸収ガスの画像処理−ガス可視化の新手法）」、Ｔ．Ｇ． ＭｃＲａｅおよびＴ．Ｊ． Ｋｕｌｐ共著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌、１９９３年、３２（２１）巻、４０３７頁〜４０５０頁（非特許文献１）、「Ａｃｔｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅｒｓ ｖｉｓｕａｌｉｚｅ ｇａｓ ｌｅａｋｓ（能動型赤外線撮像装置によるガス漏れの可視化）」、Ｔ．Ｊ． ＫｕｌｐおよびＴ． ＭｃＲａｅ共著、Ｌａｓｅｒ Ｆｏｃｕｓ Ｗｏｒｌｄ誌、１９９６年、３２（６）巻、２１１頁（非特許文献２）、「Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｇａｓ ｉｍａｇｉｎｇ（後方散乱吸収ガスの微分画像処理の実証）」、Ｐ．Ｅ． Ｐｏｗｅｒｓ他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌、２００、３９（９）巻、１４４０頁〜１４４８頁（非特許文献３）がある。連続波とパルス方式の光パラメトリック発振器を用いたシステムについて記載されており、画像処理システムは、焦点面配列カメラおよびラスタスキャナを含めて記載されている。しかしながら、これらのシステムは、通常、高価でありかつ持ち運びが不可能であり、検査室環境外の実際の現場での適用にはあまり適していない。

この手法に関連する開発は、国際公開第２００６／０６１５６７号（特許文献１）に記載されている。同公開公報は、励起波レーザー光源および非線形媒質が同じ光共振器で供給される光パラメトリック発振器を用いたＢＡＧＩシステムについて開示している。この手法は、励起レーザー出力のより効率的な利用を可能にし、Ｑスイッチの使用と組み合わせることで、高速パルスモードでの使用が可能になる。高速パルスモードは、場面の画像を構成する際に、ラスタ走査とともに効果的に用いることができる。これにより、ＢＡＧＩ手法を用いた赤外画像処理が可能なより安価でより可動性の高い装置を製造することができる。

これらの手法は、短鎖炭化水素類等のガス種の物質の有無を画像化するのに有効であるが、より広範なガス種の中から対象となる特定の物質を区別し得るほどの解像度はない。その理由は、このタイプの光パラメトリック発信器の使用では、中波長赤外（ＭＷＩＲ）領域へのアクセスのみが可能なためである。中波長赤外領域は、典型的に３〜８μｍおよびより短い帯域に広がる波長と定義され、例えば、周期的分極反転ニオブ酸リチウムの光パラメトリック発振器の測定範囲は、典型的に２〜４μｍである。この中波長赤外領域は、特定の種類の物質（ケトン等の不飽和炭化水素または飽和炭化水素）の識別を可能にする有効な吸収帯を含むが、そのガス種内で一つの物質を別の物質と区別することができない。個々の分子種を識別するには、典型的により広範なスペクトル領域を有するスペクトルが必要となる。そこで、典型的に８〜１５μｍの範囲と定義される長波長赤外線（ＬＷＩＲ）の帯域を含む複数のスペクトル帯域を用い、既知のまたは算出されたスペクトルと照合することで、特定のガス種の有無を判定することができる。赤外分光法のための「指紋領域」は、主に長波長赤外線にあり、指紋領域は、通常、５００〜１５００のｃｍ^−１すなわち６．６７〜２０μｍの範囲とされている。指紋領域のスペクトル線は、概して、個々の分子の幾何学的構造に固有の曲げ振動より生じた比較的鋭いラインを含み、これらのスペクトル線が、一つの種類と他の種類との違いを明確にさせ、個々の分子種の識別に用いることができる。しかしながら、既知の技術が中波長赤外領域を超えた範囲では有効に機能しないことから、既存のＢＡＧＩ手法は、大部分の指標領域で有効に機能できない。

国際公開第２００６／０６１５６７号

Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｇａｓ Ｉｍａｇｉｎｇ − ａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（後方散乱吸収ガスの画像処理−ガス可視化の新手法）、Ｔ．Ｇ． ＭｃＲａｅおよびＴ．Ｊ． Ｋｕｌｐ共著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌、１９９３年、３２（２１）巻、４０３７頁〜４０５０頁 Ａｃｔｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅｒｓ ｖｉｓｕａｌｉｚｅ ｇａｓ ｌｅａｋｓ（能動型赤外線撮像装置によるガス漏れの可視化）、Ｔ．Ｊ． ＫｕｌｐおよびＴ． ＭｃＲａｅ共著、Ｌａｓｅｒ Ｆｏｃｕｓ Ｗｏｒｌｄ誌、１９９６年、３２（６）巻、２１１頁 Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｇａｓ ｉｍａｇｉｎｇ（後方散乱吸収ガスの微分画像処理の実証）、Ｐ．Ｅ． Ｐｏｗｅｒｓ他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌、２００、３９（９）巻、１４４０頁〜１４４８頁

したがって、第一の態様では、本発明は、赤外線検出システムであって、標的物を照射するための放射線を供給し、前記放射線が赤外スペクトルの指紋領域における少なくとも一つの波長に同調するレーザー光源と、前記標的物から後方散乱する放射線を検出するように構成された検出器と、前記少なくとも一つの波長において少なくとも検出された信号の有無から、所定の揮発性化合物の存在を判定するために、所定のスペクトルに検出された放射線信号を照合するように適合された解析器とを含む赤外線検出システムを提供する。

この構成は、遠隔検出での特定の揮発性化合物の有無の効率的な識別を可能にする。

好都合なことに、レーザー光源は、励起レーザーおよび非線形媒質を有する光パラメトリック発振器を含んでいる。好ましくは、非線形媒質はＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶を含んでいる。このレーザー光源は、指紋領域へのアクセスが良好である。一つの好適な構成では、非線形結晶が励起レーザーの共振器内に配置されている。

一つの好適な構成では、光パラメトリックレーザーのアイドラー光および信号光が、出力放射線として供給されている。好ましくは、アイドラー光は、アイドラー光は、指紋領域内の少なくとも一部において出力放射線を供給し、信号光は、指紋領域内より短い波長の少なくとも一部において出力放射線を供給する。これは、ＺＧＰ結晶を非線形媒質として用いた場合に実現し得る。

好ましくは、システムは、レーザー光源を複数の波長間で同調させる同調手段をさらに含み、この場合の赤外線検出システムは、ハイパースペクトル検出システムである。そこで、解析器は、複数の波長のうちの一つ以上の波長において検出された信号の有無から所定の揮発性化合物の存在を判定するように適合させることが可能になる。

また、解析器は、複数の波長において検出された信号の有無から複数の所定の揮発性化合物の１種類以上が存在するかどうかを判定するように適合させることができる。

いくつかの実施形態では、異なる非線形結晶を有する二基の光パラメトリック発振器を含む複数のレーザー光源が提供されている。

好ましくは、一つ以上のレーザー光源が、パルス出力放射線を供給する。

一つの好適な構成では、検出器は画像処理システムを含み、赤外線検出システムは、撮影装置、好ましくは実時間で画像を提供する装置を含んでいる。

画像処理システムは、レーザー光源からのパルス出力放射線と組み合わせることで特に効果的なものとなる。赤外線検出システムは、次いで、標的領域を走査するための走査システムを含むことができ、走査システムはパルス出力放射線と同期している。一つ以上のレーザー光源により一つの波長で出力される放射線パルスは、次いで、該波長で画像ピクセル値を測定することが可能である。これにより、効率的なハイパースペクトル画像処理が可能になる。

好ましくは、解析器は、検出された放射線信号を所定のスペクトルと照合することにより、所定の物質の有無を判定する。検出システムがハイパースペクトルシステムである場合、解析器は、該所定の物質に関して判定された複数の波長で、検出された放射線信号を所定のスペクトルと照合する。複数の波長の少なくともいくつかは、指紋領域に存在している。検出システムが画像処理システムである場合、解析器は、所定の物質が存在するか存在しない画像の一部分を判定する。所定の物質の有無は、次いで、擬似色画像で示される。

第二の態様では、本発明は、所定の揮発性化合物の有無を判定する方法を提供するものであって、赤外スペクトルの指紋領域の少なくとも一つの波長に同調するレーザー光源からの放射線を標的物に照射する工程と、標的物から後方散乱した放射線を検出する工程と、検出された放射線信号を所定のスペクトルと照合することで、少なくとも一つの波長において検出された信号の有無から、所定の揮発性化合物の存在を判定する工程とを含んでいる。

本発明の第三の態様によれば、励起レーザーの共振器内で励起ビームを生成するためのレーザー利得媒体と、励起レーザー光源と、ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶を含む非線形媒質とを有し、励起ビームで刺激を加えると、ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶は、スペクトルの指紋領域に波長を有する信号光と、スペクトルの中間赤外領域に波長を有するアイドラー光とを生成するように適合されており、レーザー利得媒体およびＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶が、励起レーザーの共振器内に配置されている光パラメトリック装置が提供される。

好ましくは、励起レーザー光源は、Ｈｏ：ＹＡＧレーザー（ホルミウム・ヤグレーザー）を含んでいる。

この手法を用いることで、共振器内の光パラメトリック発振器は、二つのビームスプリッターミラーを用いて、信号光とアイドラー光を励起ビームから分離するように形成することができる。ビームスプリッターミラーは、ＺｎＳｅミラーを含むことができる。

好ましくは、励起ビームはパルス化されている。特に、励起レーザーは、Ｑスイッチ方式であってもよく、例えば、音響光学Ｑスイッチを含んでいてもよい。

好適な実施形態では、光パラメトリック装置は、信号光とアイドラー光を一つの波長域にわたって同調させるように適合されている。これを実現するための一つの構成では、光パラメトリック装置は、回動可能な移動ステージをさらに含む場合があり、ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶は回動可能な移動ステージに載置されており、信号光とアイドラー光は回動可能な移動ステージの回転によって同調されている。

本発明の第一および第二の態様に関する上記の特徴はまた、この第三の態様にも該当し得る。

本発明の実施形態に従う、ハイパースペクトル画像処理システムの要素を示す。 本発明の実施形態で用いるＬＷＩＲ（長波長赤外）レーザー光源部を示す。 本発明の実施形態で用いる走査システムを示す。 本発明の実施形態で用いる検出システムの概略図を示す。 所定の揮発性化合物の有無を識別するための処理の概略図を示す。 検出においてハイパースペクトル画像処理を用いた結果を示すために、本明細書に記載される工程を用いて所定の物質を画像処理する工程を示している。

本発明の特定の実施形態を、例を示すことにより、添付の図面を参照しつつ以下に記載する。

ハイパースペクトル検出システムの主な要素は、この場合はハイパースペクトル画像処理システムであるが、画像処理の態様は検出システムを残すために除外することが可能であり、図１で説明している。

レーザー光源部１は一つ以上のレーザー光源を含んでおり、標的物を照射するために少なくとも複数の波長に同調可能な放射線を供給している。後述するように、レーザー光源（一つまたは複数）は、ＬＷＩＲ（長波長赤外線）領域まで拡大しており、赤外部分の指紋領域の使用が可能になっている。レーザー光源部１は、本実施形態では、一つ以上の光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を含んでいるが、実施形態は関連のスペクトル領域で同調可能な他の種類の光源を使用することができる。一つの好適な構成では、長波長赤外線と中波長赤外線の両方を作動させるために用いられる単一の光パラメトリック発振器が存在しており、代替的な構成では、中波長赤外線作動用の光パラメトリック発振器と長波長赤外線作動用の別の光パラメトリック発振器が存在する場合がある。本実施形態の各々の光パラメトリック発振器は、励起レーザー１１と、（高速パルス運転を可能にする）Ｑスイッチ１２と、（以下でより詳細に記載するが、非線形結晶と、非線形結晶を励起ビームに対して移動させて同調させるための手段とを含む）非線形アセンブリ１３と、較正および制御に用いる出力を測定するための検出器１４とを必要とする。レーザー光源制御部２は、励起レーザー１１用の駆動および温度制御回路２１、Ｑスイッチ１２用のＲＦドライバー２２、ならびに非線形アセンブリ１３用のステージ駆動およびフィードバックシステム２３を含む。

レーザー光源部１による光出力は、走査および検出用アセンブリ３の走査部３１に到達する。走査部３１は、この実施形態では、標的領域のラスタ走査を行うために、Ｘ−Ｙ検流計を含む。ラスタライズされた（ラスタデータに変換された）出力光は、対物レンズ４を通過して標的領域５に到達する。非吸収光は、標的領域５から後方散乱し、対物レンズ４を通って検出器３２で受光される。

走査および検出用アセンブリ３は、撮像装置制御システム６によって制御される。撮像装置制御システム６は、走査部３１を駆動する検流計駆動システム６１と、後続の信号を処理する検出器３２で受信した信号を増幅する検出器前置増幅器６２と、適切な速度で作動するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を含む信号変換システム６３（ＧＨｚ：実時間でハイパースペクトル画像を処理する速度）と、ラスタ走査において検出信号が所定の位置と正確に関連付けられるように適切なゲーティングを行う工程を含む、解析用の信号を作成するフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）と、変換およびゲート化された信号からハイパースペクトル画像を作成するようにプログラムされたデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）６４とを含んでいる。映像処理システムは、全体として、デジタル信号処理装置６４で作成されるハイパースペクトル画像をさらに解析することが可能性であり、映像処理システムは、全体として、少なくとも、指紋領域内の一つ以上の波長において検出された信号の有無から所定の揮発性化合物の存在を判定するために、解析を行う。

このシステムは、全体として、インタフェースと制御要素７をさらに含んでいる。レーザー光源制御部２および撮像装置制御システム６は、ネットワーク処理装置およびインタフェース７１に接続しており、これにより、ユーザーは、ユーザーインターフェース７２を介してシステムとの対話処理を行うことができる。システムは、全体として、独立型の機器としてシステムの効率的な作動を可能にするバッテリー７３、外部充電システム７４、電力管理システム７５および熱管理システム７６等の追加のシステムを有している。

本実施形態の個々の部位および下位系統について、ここでさらに詳細に説明する。本実施形態のいくつかの特徴は、読者に説明する国際公開第２００６／０６１５６７号により詳細に記載されている。本実施形態のいくつかの特徴は、Ｍ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｌａｓｅｒｓ社が販売するＦｉｒｅｆｌｙ−ＩＲ−ＳＣ装置にも見られる。この装置は、ＷＯ ２００６／０６１５６７ Ａ１に記載の技術の実施態様を示すものであり、画像処理を行うための走査用部品が付属したパルス方式の中波長赤外領域レーザーシステムを含んでいる。

図２は、本発明の実施形態で用いる長波長赤外レーザー光源部２００を示す。この光源部は、Ｆｉｒｅｆｌｙ−ＩＲ−ＳＣ装置で用いられるように、Ｑスイッチを備えた共振器内光パラメトリック発振器を含んでいる。しかしながら、ここに示される構成には、種々の相違があり、とりわけ、使用される非線形媒体ＺＧＰ（ＺｎＧｅＰ_２）が異なっている。

非線形物質ＺＧＰは、光学スペクトルの指紋領域（６〜１０ミクロン）に同調可能な光を生成する場合に有用である。本領域は、多数の化学基において強い吸収特性がある。後述するように、ＺＧＰを使用することにより、同じ装置から、炭化水素類において主な吸収を含む重要な２．５〜３．５ミクロンの中間赤外領域で光を発生させることも可能である。光パラメトリック発振器においてＺＧＰを使用する従来技術のアプローチは、Ｈｏ：ＹＡＧ等の励起レーザーを用いた２ミクロンでの励起を伴っている。結果として光パラメトリック発振器の振動閾値は高く、光パラメトリック発振器を機能させるには、大規模な励起レーザーが必要となる。

以下に記載の実施形態では、光パラメトリック発振器で必要となる励起力の低減は、光パラメトリック発振器を励起レーザーの共振器内に配置することで実現される。共振器内に配置することで、共振器内の光学場が増強され、光パラメトリック発振器を低い励起力で作動させることが可能になることが分かっている。

共振器内に高度な光学場を実現する有効な方法は、共振器内のミラーおよび光学部品の透過における光損失を極めて低く抑えることである。ＺＧＰは、Ｈｏ：ＹＡＧレーザーが作動する２ミクロンで、大きい吸収損失を示す。このことは、ＺＧＰ光パラメトリック発振器をＨｏ：ＹＡＧレーザーの共振器内に配置することが有効ではないことを示唆するものと考えられる。

実際には、Ｈｏ：ＹＡＧは利得が大きいため、システムは大規模な共振器内での損失をサポートすることが可能である。光学場を二倍または三倍増強するだけでも、必要とされる励起レーザーの規模および実用性に有意な差がもたらされ、これにより励起レーザー出力を２０Ｗから８Ｗに低減し、コンポーネントの選択が極めて容易になり、装置全体のコストを抑制しつつ設計の柔軟性を向上させることができる。

共振器内に配置することのさらなる利点は、励起ビームが、励起レーザーと光パラメトリック発振器との間を光学的に分離することなく、光パラメトリック発振器を双方向に通過する点である。これにより小型で、より安価な、さらに閾値が低い装置が実現する。

図２で示されるシステムの個々の要素は、以下で考察する。

本実施形態の励起レーザーは、２０９０ｎｍのレーザー光線を発生するＨｏ：ＹＡＧレーザー２０１であり、この種類のレーザーは、ＭＷＩＲ（中波長赤外領域）のＯＰＯ（光パラメトリック発振器）で広範に用いられている。この場合、長波長運転で発振閾値に達するための十分な電源を提供するために、共振器内の設計は、ホルミウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザー２０１のレーザー共振器内に非線形結晶を配置して用いられる。Ｈｏ：ＹＡＧレーザー２０１は、市販の（例えば、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製）１９０８ｎｍのツリウムファイバーレーザーで励起され、表示の構成において、１９０８ｎｍファイバーの出力は、まず３：１望遠鏡２０２によって低減される。代替的なダイオードレーザーを用いることで、システム全体の大きさを低減することが可能であろう。Ｈｏ：ＹＡＧレーザー２０１は、音響光学Ｑスイッチ２０３（例えば、Ｇｏｏｃｈ ａｎｄ Ｈｏｕｓｅｇｏ社のＱＳ０４１−１０Ｍ−Ｈ１７）を用いたＱスイッチ方式である。Ｈｏ：ＹＡＧの結晶およびＱスイッチはともに、水で冷却される。この例示的な実施形態では、２０ ｋＨｚの切替速度が用いられる。

共振器内光パラメトリック発振器は、光パラメトリック発振器のビームを２０９０ｎｍの励起ビームから分離するための二個のＺｎＳｅビームスプリッターミラー２０４と、それぞれの曲率半径が１５０ｎｍである二個の曲面端部ミラー２０５を用いて形成されている。ＺＧＰの結晶２０６のスポット径は、励起のスポットサイズと一致させるために共振器ミラーを動かすことによって最適化した。誘電体フィルターを用いて、確実に２０９０ｎｍの残留励起光が検出されないようにした。ビームスプリッタ２０４を被覆し、２．８〜３．３μｍでの反射率と、透過率５〜９μｍでの透過率を高くした。端部ミラー２０５は、出力において、２０９０ｎｍで高い反射率、５〜９μｍで高い透過率を示している。

本明細書では共振器内の方法を示しているが、共振器外の方法も、本発明の実施形態で用いることが可能である。共振器外の場合、光パラメトリック発振器で閾値に達するには、高い励起力が要求されるが、しかし、一旦閾値に達すると、大きな出力を期待することができる。共振器内の場合、上記に示すように、光パラメトリック発振器を作動させるための閾値ははるかに低く、中程度の励起力で作動させることができる。低い出力でも、分光学的用途には十分な場合がある。上述のように、共振器内のスキームのさらなる利点は、励起ビームがＺＧＰ結晶を複光路方式で通過する点である。励起の複光路では、双方向で信号利得が確実に存在する。励起の増強と複光路での利得が組み合わされることで、光パラメトリック発振器の発振閾値はさらに低下する。

この作動域では、他の非線形結晶を選択することも可能であり、適した物質の一つは、配向パターン化ガリウムヒ素（ＯＰ ＧａＡｓ）であり、その他には、セレン化ガリウム銀（ＡｇＧａＳｅ_２）、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）および硫化ガリウム銀（ＡｇＧａＳ_２）がある。この実施形態はまた、Ｑスイッチ２０３を組み込むことで、反復周波数の高いパルスシステムとしても構成され、当業者が理解するように、連続波または速度を低下させたパルスのシステムは、別のコンポーネントを選択して構成することができる。

上述するように、光パラメトリック発振器は、より長い波長のアイドラー光とより短い波長の信号光を発生させる。アイドラー光と信号光の一方または両方を、分光学的用途に用いることが可能である。両方の光線を用いることの利点は、単一の光パラメトリック発振器を用いることが可能なスペクトル領域を拡大することができる点であり、ＺＧＰの場合、両方の光線を用いることで、信号光は中波長赤外領域をカバーし、基本的に（指紋領域の）長波長赤外領域のアイドラー光の使用が可能になる。これは、非線形結晶としてＺＧＰを用いるこの手法の重要な利点であり、アイドラー光と信号光の両方を用いると、一つのシステムで、放射線を３〜４ミクロン範囲と５〜９ミクロン範囲の両方で発生させることができる。代替的な手法は、異なる非線形物質を用いた複数のレーザー光源部を使用して、異なる領域をカバーする方法であり、これらの領域は、次いで、好ましい場合には、信号光またはアイドラー光のいずれかを出力として供給すべく最適化することができる。適切な中波長赤外領域システムは、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を非線形媒質として用いた国際公開第２００６／０６１５６７号に記載のシステムである。

移動ステージ２０７は、非線形結晶２０６を移動させて、異なる出力波長に光パラメトリック発振器を同調させるために提供される。ＺＧＰの場合、用いられる手法は、非線形結晶を回転させて異なる波長に同調させる方法である。位相整合は、複屈折性の高い非線形物質において、利用可能な異なる偏光状態を用いることで実現され、所定の励起波長に対して信号およびアイドラーの波長を決定する同調曲線は、非線形結晶の回転角に対して設定される。ＺＧＰの場合、結晶を１５°回転させることで、５〜９ミクロンのアイドラー光と同調し、２．７〜３．８ミクロンの信号と同調することができる。移動ステージ２０７は、この場合、非線形結晶２０６を結合させる回転ステージであり、従来の市販の回転ステージは、この用途において十分な精度を提供している。

周期的に分極化された物質（周期的分極反転ニオブ酸リチウム等）の場合、むしろ、物質を通過する光の方向と直交するように変化する分極分離によって同調が実現されることで、この直角方向の非線形結晶２０６の変換を同調に用いることができるため、移動ステージ２０７は、変換ステージとすることができる。

標的分子における吸収の有無を効率的に検出するには、標的物に入射する出力ビームの線幅を吸収によって生じるスペクトル線の線幅と同様またはより狭くすることが望ましい。記載のシステムは、概して、指紋領域での炭化水素類の分光解析に適した線幅を提供するが、より狭い線幅が必要な場合は、レーザー光源部２００に、エタロンを設置してもよい。

例示的な走査システムを図３に示す。走査システムの目的は、標的領域全体で入射ビーム（信号光、アイドラー光、またはその両方）を走査して、ラスタ走査を行い、標的領域の画像を構成することである。同じ光学部品を用いて入射ビームを伝達させ、後方散乱ビームを捕捉して検出器システムに伝達する。

図３に示す構成では、関連のスペクトル領域（例えばフッ化カルシウム）で透過性が高いコリメーティングレンズＬＣは、光パラメトリック発振器からの出力ビームを捕集し、捕集された出力ビームは、ミラーｍによって第一走査ミラー（この場合、ポリゴンスキャナＰＳ）に向けられる。第一走査ミラーからの光は、第二走査ミラーすなわち傾動ミラーＴｍで反射する。これらの二つの走査ミラーは、ラスタ走査の二本の軸をもたらし、ポリゴンスキャナＰＳは、一本の（Ｘ）軸に沿ってよりゆっくりと走査を行い、一方で高速検流計Ｇによって駆動される傾動ミラーＴＭは、Ｙ軸に沿って各Ｘ軸位置を高速で走査する。

走査は、レーザーシステムのパルス動作と同期する。Ｑスイッチ方式を採用することで、高速パルスの励起レーザーと光パラメトリック発振出力が得られる。各パルスは、サンプリングされてトリガ信号を供給し、トリガ信号は、画素を規定するために用いられる。走査ミラーがレーザーのパルス動作と同期することで、検出システムで受光される後方散乱光は、画素データ、したがって画像データとして読み取られる。画像処理システムはまた、非線形媒質に関して変換ステージ２０７の変換とも同期するため、個々の画像フレームは、特定の出力ビームの波長と関連し、このようにして、画像フレームを組み立ててハイパースペクトル画像を形成することができる。

標的物からの後方散乱放射線は、第二および第一の走査ミラーに入射し、集光レンズＬによって集光され、場合により、集光の後、フィルターＦによって迷光を除去することも可能である。以下の図４に記載するように、後方散乱光は、次いで、検出システムによって受光される。

図４は、信号光およびアイドラー光を使用するように適合された検出システム４００を示しており、当業者であれば理解できるように、本手法は、関連のコンポーネントを取り外すことによって、簡単に信号光またはアイドラー光のみに用いることができる。

同システムは、五個の検出素子を使用している。励起モニター４０１は、システムにタイミングトリガ基準信号を生成させる超高速（２０ｐｓ）検出器である。信号モニター４０２およびよりアイドラーモニター４０３は、信号光および励起ビームのエネルギーを個々にサンプリングする高速（２ナノ秒）検出器である。信号受信器４０４およびアイドラー受光器４０５は、標的物から反射した時に受信された信号およびアイドラーの波長エネルギーを測定するための高速（２ナノ秒）低雑音検出器である。これらの検出器は、とりわけ長い波長での使用では、熱電冷却が必要となる場合がある。

検出器は、必要な波長での性能に応じて適切に選択しなければならない。適切なミラー材（例えば、金）およびレンズ材（例えば、ＺｎＳｅ）は、広い赤外領域にわたって使用することができるが、検出器は、典型的には検出範囲が狭くなる。しかしながら、ＨｇＣｄＴｅ（テルル化カドミウム水銀）（別名ＭＣＴ）は、２〜１５ミクロンの範囲では有効な材料である。ＩｎＡｓ（インジウム砒素）は、約８ミクロンまでの範囲で利用可能な材料である。計測器において複数の検出範囲を用いることも可能であり、例えば、中波長赤外領域ではＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）を、長波長赤外領域ではＨｇＣｄＴｅ（テルル化カドミウム水銀）を使用する。

検出器からの出力パルスは、各検出器、可変利得増幅器およびギガサンプル／秒（Ｇｓ／ｓ）アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）４１０を含む回路基板を通る。各アナログデジタル変換器の出力は、二つのフィールドプログラマブルゲートアレイ４２０（一つは信号用であり、また一つはアイドラー用）の一方に向かい、励起モニターのトリガパルスが受信されると、デジタル値が順次メモリに書き込まれる。

フィールドプログラマブルゲートアレイは、レーザーから標的物および後部までを測定した往復距離に応じて飛行時間が設定される。レーザーパルス間で、フィールドプログラマブルゲートアレイは、飛行時間を考慮しながら、データ値をメモリに集積する。他のすべての信号は、ゲートアウトされ無視される。信号およびアイドラーの波長において、出力パルスエネルギーと受信パルスエネルギーの四つの値が得られる。パルス間のエネルギー変化は、受信パルスエネルギーを出力パルスエネルギーで割ることにより相殺され、波長ごとに二つのピクセル値が得られる。各画素は、一つの画像処理システムごとに、走査システムによって測定される標的領域の位置と関係付けられ、次いで、その波長または一対の波長ごとに、画像として組み立てることができる。異なる画像フレームを、フレーム間の非線形媒質の変換によって、異なる波長で提供することができる。このようにして、複数の画像が、所定の複数の波長で構築される。映像処理システム４３０は、これらの画像を構成し、任意の所望の画像処理アルゴリズムを適用している。得られた画像ファイルは、次いで、任意のさらなる処理、視聴および保存のために、適切なネットワーク接続を介して送信することができる。

所定の物質を検出し適切な画像を作成するための処理については、図５を参照して以下に記載する。

上記のハイパースペクトル画像処理システムの初期の出力５０１は、異なる波長の場面の一連の画像であり、図６は、この例（この場合、ヘキサミンの固体試料の画像処理）を示している。これらの所定の波長は、一つ以上の所定の物質の有無の判定に有用なスペクトル特徴に応じて選択されることになる。これらの特徴は、例えば、指紋領域の特定の帯域、または一連の特定の波長での相対強度（例えば、一連の密接に関連した波長の相対強度は、とりわけ広範囲なスペクトル帯域のスロープの測定を可能にする）等の特定のスペクトル特徴の有無であってもよい。検出された画像処理の結果は、次いで、工程５０２で参照スペクトルと照合することができる。照合は、画像全体で行わなくてもよく、特定の領域（例えば、特定の指紋領域の帯域で信号を発する領域）を用いて画像内の対象の領域を識別してもよく、この対象領域の画像の画素のみを、照合および以降の検出処理に考慮してもよい。

所定の物質の有無は、したがって、照合過程の結果によって、工程５０３で検出することができる。この処理は、複数のステージで行うことができ、例えば、中波長赤外帯域は、特定の分子を識別するために用いられる低波長赤外領域の指紋領域内の特定の赤外線によって、物質の種類を識別するために用いることができる。上記に示すように、レーザー源の線幅は、対象となる狭いスペクトル線を効率的に検出するために十分に狭くしておく必要がある。必要な感度での検出に基づく事実上の閾値、擬似的結果の許容差、および紛らわしい物質の近似性を物質ごとに設定して、十分な検出を行う必要がある。

画像処理システムでは、所定の物質が検出されている画像領域を、工程５０４で判定する必要がある。この画像領域は、判定工程５０３で用いられた標的画像の領域に基づいて判定することができるが、所定の物質を含んでいるかいないかが特徴付けられている標的画像の領域を、少なくともその画像の一部に対して物質の存在を明確に識別することで、再評価を行ってもよい。所定の物質のスペクトルの全体あるいは一部の信号の強度を用いて物質に対する濃度や、濃度を表す画像の強度を割り当ててもよい。

所定の物質の存在は、工程５０５でユーザーに示されることが必要である。識別は多数のスペクトル帯域を用いて行われるため、特定のスペクトル画像を使用するより、むしろ特定の擬似色を所定の物質に割り当てた擬似色画像を用いて、認識を行ってもよい。擬似色画像は、場面（例えば、可視領域または近赤外領域の画像）の特徴を示す画像に重畳することができる。異なる擬似色を用いることで、次いで、（爆発物質の遠隔検出等）特別な状況下で、同じユーザー画像において多くの異なる所定の物質を画像化することが可能になり、特に望ましい場合がある。

Claims (29)

1. 標的物を照射するための放射線を供給し、前記放射線が赤外スペクトルの指紋領域における少なくとも一つの波長に同調するレーザー光源と、
   前記標的物から後方散乱する放射線を検出するように構成された検出器と、
   少なくとも、前記少なくとも一つの波長において検出された信号の有無から、所定の揮発性化合物の存在を判定するために、所定のスペクトルに検出された放射線信号を照合するように適合された解析器とを含むことを特徴とする赤外線検出システム。
2. 前記レーザー光源が、励起レーザーおよび非線形媒質を有する光パラメトリック発振器を含むことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出システム。
3. 前記非線形媒質が、ＺｎＧｅＰ_２結晶を含むことを特徴とする請求項２に記載の赤外線検出システム。
4. 前記非線形結晶が、前記励起レーザーの共振器内に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の赤外線検出システム。
5. 前記光パラメトリックレーザーのアイドラー光および信号光が、出力放射線として供給されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
6. 前記アイドラー光が、前記指紋領域内で少なくとも部分的に出力放射線を供給し、前記信号光が、前記指紋領域内より短い波長で、少なくとも部分的に出力放射線を供給することを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出システム。
7. 前記レーザー光源を複数の波長間で同調させる同調手段をさらに含み、前記赤外線検出システムが、ハイパースペクトル検出システムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
8. 前記解析器が、前記複数の波長の一つ以上の波長において検出された信号の前記有無から所定の揮発性化合物が存在するかどうかを判定するように適合されていることを特徴とする請求項７に記載の赤外線検出システム。
9. 前記解析器が、前記複数の波長において検出された信号の前記有無から複数の所定の揮発性化合物の一つ以上が存在するかどうかを判定するように適合されていることを特徴とする請求項７または８に記載の赤外線検出システム。
10. 複数のレーザー光源が備えられ、異なる非線形結晶を有する二基の光パラメトリック発振器を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
11. 前記一つ以上のレーザー光源が、パルス出力放射線を供給することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
12. 前記検出器が画像処理システムを含み、前記赤外線検出システムが撮像装置を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
13. 前記赤外線検出システムが、実時間で画像を供給することを特徴とする請求項１２に記載の赤外線検出システム。
14. 前記赤外線検出システムが、標的領域を走査するための走査システムを含み、前記走査システムが、前記パルス出力放射線と同期することを特徴とする請求項１１に従属する請求項１２または１３に記載の赤外線検出システム。
15. 前記一つ以上のレーザー光源により一つの波長で出力された放射線パルスが、前記一つの波長で画像ピクセル値を測定することを特徴とする請求項１４に記載の赤外線検出システム。
16. 前記解析器が、所定の物質が存在するか存在しない画像の一部分を判定することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
17. 所定の物質の前記有無が、擬似色画像の中で示されることを特徴とする請求項１６に記載の赤外線検出システム。
18. 前記解析器が、前記所定の物質に関して判定された複数の波長で、検出された放射線信号を所定のスペクトルと照合することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の赤外線検出システム。
19. 前記複数の波長の少なくともいくつかが、前記指紋領域にあることを特徴とする請求項１８に記載の赤外線検出システム。
20. 所定の揮発性化合物の有無を決定する方法であって、
    赤外スペクトルの指紋領域の少なくとも一つの波長に同調するレーザー光源からの放射線を標的物に照射するステップと、
    前記標的物から後方散乱した放射線を検出するステップと、
    検出された放射線信号を所定のスペクトルと照合することにより、少なくとも、前記少なくとも一つの波長において検出された信号の有無から所定の揮発性化合物の存在を判定するステップとを含むことを特徴とする方法。
21. 励起レーザーの共振器内で励起ビームを生成するためのレーザー利得媒体と、励起レーザー光源と、ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶を含む非線形媒質とを有する光パラメトリック装置であって、
    前記励起ビームで刺激を加えると、前記ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）の結晶は、前記スペクトルの指紋領域に波長を有する信号光と前記スペクトルの前記中間赤外領域に波長を有するアイドラー光を生成するように適合されており、前記レーザー利得媒体および前記ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶が、前記励起レーザー共振器内に配置されていることを特徴とする光パラメトリック装置。
22. 前記励起レーザー光源が、Ｈｏ：ＹＡＧレーザーを含むことを特徴とする請求項２１に記載の光パラメトリック装置。
23. 共振器内光パラメトリック発振器が、二つのビームスプリッターミラー２０４を用いて、前記信号光および前記アイドラー光を前記励起ビームから分離するように形成されていることを特徴とする請求項２１または２２に記載の光パラメトリック装置。
24. 前記ビームスプリッターミラーがＺｎＳｅミラーを含むことを特徴とする請求項２３に記載の光パラメトリック装置。
25. 前記励起ビームがパルス化されていることを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか一項に記載の光パラメトリック装置。
26. 前記励起レーザーがＱスイッチ方式であることを特徴とする請求項２５に記載の光パラメトリック装置。
27. 音響光学Ｑスイッチを含むことを特徴とする請求項２６に記載の光パラメトリック装置。
28. 前記信号光と前記アイドラー光を一つの波長域に亘って同調させるように適合されていることを特徴とする請求項２１乃至２７のいずれか一項に記載の光パラメトリック装置。
29. 回動可能な移動ステージをさらに含み、前記ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）結晶が前記回動可能な移動ステージに取り付けられ、前記信号光および前記アイドラー光が前記回動可能な移動ステージの回転によって同調させられることを特徴とする請求項２８に記載の光パラメトリック装置。

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