JP2019053036A

JP2019053036A - 広帯域ハイパースペクトル分光光度計

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Publication number: JP2019053036A
Application number: JP2018127828A
Authority: JP
Inventors: フレデリックブルシェ; Bourcier Frederic; フィリップワルター; Walter Philippe
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Sorbonne Universite
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Sorbonne Universite
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2038-07-04
Also published as: JP7064398B2; EP3425354A1; FR3068780A1; EP3425354B1; EP3425354C0; FR3068780B1; US11079582B2; US20190018230A1

Abstract

【課題】ハイパースペクトル画像を得るための反射屈折機器の不利な点を克服する。【解決手段】対象物Ｏを分析するように構成された広帯域ハイパースペクトルの分光光度計に関するものであり、この分光光度計は、光線を発するための光源Ｓを有し、分析される対象物Ｏを該光線でライン毎に走査するように構成された照明アセンブリＥＳと、焦点鏡Ｍ２と、第１フォールド鏡Ｍ１と、回転可能な平面走査鏡Ｍ０とを備え、照明アセンブリＥＳ、焦点鏡Ｍ２、第１フォールド鏡Ｍ１及び平面走査鏡Ｍ０は、平面走査鏡Ｍ０を介して対象物上を延びる線に沿って光線を対象物に導くように構成されるイメージング分光光度計である。このイメージング分光光度計は、対象物Ｏと平面走査鏡Ｍ０との間の距離を測定する２つの測定センサＣ１，Ｃ２を備え、焦点鏡Ｍ２は、イメージを測定センサによって測定された距離に適応させるように移動可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、多数の狭いスペクトル帯域の画像を得る、ハイパースペクトルイメージング又はスペクトルイメージングの分野に関する。

ハイパースペクトル画像を得るための反射屈折機器は公知である（特許文献１及び２参照）。

米国特許５４５９３２５号公報米国特許４２１５２７３号公報

しかしながら、これらの機器には、実際には全波長を含むことを可能にしない、クロマティシズムを引き起こすレンズを有するという不利な点がある。加えて、これらの機器は、撮像される対象物が容易にアクセス可能でない場合に不都合が生じる程度に嵩張る。

本発明は、上述した不利な点を克服することを目的とする。

上記目的のために、本発明は、対象物を分析する広帯域ハイパースペクトルイメージング分光光度計を提案し、
上記分光光度計は、
光線を発するための光源を有し、分析される対象物を該光線でライン毎に走査するように構成された照明アセンブリと、
焦点鏡と、
第１フォールド（folding）鏡と、
回転可能な平面走査鏡とを備え、
上記照明アセンブリ、上記焦点鏡、上記第１フォールド鏡及び平面走査鏡は、上記平面走査鏡を介して上記対象物上を延びる線に沿って上記光線を上記対象物に導くように構成されるイメージング分光光度計であって、
上記イメージング分光光度計は、上記対象物と上記平面走査鏡との間の距離を測定する２つの測定センサを備え、
上記焦点鏡は、イメージを上記測定センサによって測定された距離に適応させるように移動可能に構成されている。

本発明は、好ましくは、単独で、又は、それらの技術的に可能な組合せのいずれかを取る以下の特性によって、完成される。

上記第１フォールド鏡は、
上記焦点鏡の方を向く正面と、
該正面の反対側を向く裏面とを備え、
上記第１フォールド鏡は、光線を通過可能にするように構成されるスロットを備え、
上記イメージング分光光度計は、上記第１フォールド鏡の正面に向かうと共に上記第１フォールド鏡のスロットに対向して配置される光線シャッタ装置を備えており、
上記シャッタ装置は、上記スロットよりも広い垂直ブレードを備え、
上記垂直ブレードは、
上記平面走査鏡からの直射的なゴースト光線が上記スロットを通過するのを防止する開位置と、
上記対象物からの光線が上記スロットを通過するのを防止する閉位置との２つの位置に移動可能である。

上記シャッタ装置は、
上記第１フォールド鏡の正面に向かって回動できるように搭載される黒いブレードと、
２つの位置を定めるように構成された２つのストッパとを備えている。

上記照明アセンブリの光源は、紫外線、可視、又は赤外線の範囲の光線を発するように構成され、好ましくはレーザであり、
上記照明アセンブリは、分析される上記対象物上に１本のラインだけを照らすために上記光源によって発される光線を整形するための整形アセンブリを更に備えている。

上記照明アセンブリは、上記焦点鏡に向かう整形光線を射出する平面射出鏡を備え、
上記整形光線は、上記平面射出鏡を通るその画像が、上記第１フォールド鏡のスロットの上に重ね合わせられるように構成されている。

上記整形アセンブリは、上記光線の伝搬方向に、照度の均一なラインを生成するレンズと、上記ラインの軸上に平行な円柱レンズと、拡大倍率を適応させるためのレンズとを備えている。

上記照明アセンブリは、上記光源と一体に配置される球体を備え、
上記球体は、光線を通過させるように構成されたスロットを備えている。

上記照明アセンブリは、上記球体のスロットに中心を置くリング状に孔をあけられ、該球体に向かって配置される球面鏡を更に備え、
上記球面鏡は、光線を通過させて、光を反射して上記球体にそれを返すように構成されている。

上記分光光度計は、結像アセンブリと検出アセンブリとを備え、
上記結像アセンブリは、光線を上記スロットから上記検出アセンブリにもたらすために、上記第１フォールド鏡に対向して配置されている。

上記検出アセンブリは、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサを備えている。

図１は、本発明の第１実施形態に係るイメージング分光光度計を例示する図である。図２は、本発明によるイメージング分光光度計のシャッタ装置を例示する図である。図３は、本発明によるイメージング分光光度計のシャッタ装置を例示する図である。図４は、本発明の第２実施形態に係るイメージング分光光度計を例示する図である。図５は、本発明の第３実施態様に係るイメージング分光光度計を例示する図である。図６は、本発明の第４実施態様に係るイメージング分光光度計を例示する図である。

添付の図面を参照した以下の説明に現れる、他の特性、目的及び本発明の効果は、単に例示的であり限定的でない。全図において、類似の要素は、同一の符号を付す。

図１に本発明の第１実施形態に係るイメージング分光光度計を例示する。

分析される対象物Ｏは、イメージング分光光度計の対象物面に配置される。

対象物Ｏに照射するために、照明アセンブリＥＳは、所定の波長において、又は、所定の波長帯において、分析される対象物に対する電磁光線を放出する光源Ｓを含む。

照明アセンブリＥＳによる分光光度計は、ライン毎に光源Ｓによって対象物Ｏを走査して分析することを可能にする。

第１の実施形態によると、照明アセンブリＥＳは、レーザ光源を有し、紫外線、可視又は赤外線の範囲で照射し、そのスペクトル反応によって対象物Ｏの特徴を調べることを可能にする。

紫外線、可視又は赤外線の範囲に属する波長によって励起される対象物Ｏは、紫外線、可視、又は、赤外線よりも高い波長範囲の光線を再放射する。この蛍光により、分析される対象物Ｏを特徴付けることが可能になる。

分析される対象物Ｏは、蛍光特性を有する、接着剤、樹脂、塗料、有機若しくは生物学的元素、又は他のいかなる材料若しくはナノ材料であってもよい。

照明アセンブリＥＳは、分析される対象物Ｏ上に１本のラインだけを照らすために、光源によって発される光線を整形するための整形アセンブリＬ、ＬＣ及びＬＬＧを備えている。

この整形アセンブリに、光線の光源Ｓに対向する、特に以下の３つのレンズ
ＬＬＧレンズ：レーザライン生成レンズ
ＬＣレンズ：レーザライン軸上に平行な円柱レンズ
Ｌ−レンズ又はレンズシステム：イメージング分光光度計を介してレーザラインを撮像するためのレンズ（拡大倍率はイメージング分光光度計の走査領域に適合される）
が設けられている。

照明アセンブリＥＳに、光源Ｓからの光線（符号１）をイメージング分光光度計の方へ射出することを可能にする射出鏡ＭＩが設けられている。

射出鏡ＭＩ上の、光源からの光線の反射によって生じる光線（符号２）は、好ましくは球面焦点鏡である焦点鏡Ｍ２に到着する。

焦点鏡Ｍ２から出される光線（符号３）は、第１フォールド鏡Ｍ１（特に、第１フォールド鏡Ｍ１の正面Ｍ１１）に到達する。第１フォールド鏡Ｍ１は、更に反射もする裏面Ｍ１２と、その中心のスロットＭ１−Ｆとを備える。スロットＭ１−Ｆは、長さ２〜３ミリメートルの長さで数十ミクロンの幅を有し、光線を通過させることを可能にする。

好ましくは、レーザ光線の形成は、射出鏡ＭＩを経た、その画像が第１フォールド鏡Ｍ１のスロットＭ１−Ｆの上の重畳されるように形成されなければならない。

第１フォールド鏡Ｍ１は、分析される対象物Ｏに光線（符号５）を反射するように回動して平面走査鏡に光線（符号４）を反射する。

対象物Ｏの照射は、分析領域を覆うレーザ光線によって横方向に行われ、レーザは、ある範囲上にイメージング分光光度計の分析領域に対応するラインを形成するのが望ましい。

このような構成により、明るい対象物上の分光光度計の中へ反射し返す鏡面反射を回避することを可能にする。

加えて、照明は、有用な領域だけにされ、従って、光源（例えば蛍光の場合ＵＶ）による光劣化及び加熱は、未分析領域に制限される。従って、照射線量は、分析のために厳密に必要な線量に対応する。

走査鏡Ｍ０の両側に集束を実行するために、対象物Ｏと走査鏡Ｍ０との間の距離を測定することが可能な測定センサＣ１，Ｃ２が配置される。焦点鏡Ｍ２は、イメージを測定センサＣ１，Ｃ２で測定される距離に適応させるために、（図１の軸ＤＭ２に沿う）移動によって順次移動可能である。この移動性は、分光光度計の集束面を対象物の位置に適応させるか、又は、集束面を対象物の体積の測定するために変更することを可能にする。

分析される対象物Ｏから出される光線は、第１フォールド鏡の正面Ｍ１１に到着し、第１フォールド鏡Ｍ１のスロットＭ１−Ｆの方へ光線を集中させる焦点鏡Ｍ２に、光線を反射する。このようにして、光線は、対象物領域の１本のラインだけを選択するスロットＭ１−Ｆを介し、第１フォールド鏡Ｍ１の厚さ方向を通過する。

スロットＭ１−Ｆを通過する光線は、ＣＤＤ又はＣＭＯＳセンサだけからなる検出アセンブリＥ_ＤＥＴに対し、この光線をもたらすことを可能にする結像アセンブリＥiに到着する。

光線の獲得を許容するために、イメージング分光光度計は、第１フォールド鏡の正面Ｍ１１に且つこの第１フォールド鏡のスロットＭ１−Ｆの高さに対向するように配置される光線シャッタ装置ＯＢＴを備える。

図２及び図３の詳細にて示すように、シャッタ装置は、スロットＭ１−Ｆよりも広い垂直ブレードＬと、ブレードＬが移動可能な位置を定める２つのストッパＢ１，Ｂ２とを備えている。

シャッタ装置の２つの位置を制限するストッパＢ１，Ｂ２は、Ｂ１において軸上の光学光線をマスキングするか、又は、Ｍ１によって反射されずにスロットを通過する、対象物Ｏからの直接光をふさぐように調節可能である。

このように、ブレードは、以下の２つの位置を移動可能である。その１つは、走査鏡Ｍ０からの直射的なゴースト光線がスロットを通過するのを防止するが、対象物からの（有効な）光線をＭ２を介してスロットに通す開位置であり、もう１つは、いかなる光線もスロットＭ１−Ｆを通さない閉位置である。このように、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサは、その読み込み、データ転送及び照準の間には照射されない。

結果として、シャッタ装置は、限られた寿命を有する従来の機械式シャッタの代わりに光線をシャッタすることと、照準鏡Ｍ０及びスロットＭ１−Ｆを経て直接分光光度計に入る迷光を取り除くことの２つの機能を有する。

この種のシャッタ装置は、互いに擦れ合うブレードで作動する従来のアイリスシャッタ又は同等のシステムと比較して強いという効果がある。実際、ハイパースペクトル画像を取得するために、撮像前の設定を数えなくても数百又は数千の撮像（シャッタ装置の開／閉）を行うことがよくある。

このようにシャッタ装置は、黒いブレード（領域がスロットにおいてラインの形で描写されているため）だけを使用し、ピボット連結部が（例えばボールベアリングに）ブロックされて固定されているおかげで、円形瞳孔用の従来シャッタにおけるシャッタ間のような摩擦がなく、従って摩耗がない。ピボット連結部における移動も可能である。

結像アセンブリＥiには、スロットＭ１−Ｆから出される光線が到着する放物線状の規準鏡Ｍ３が設けられている。光線は、その後、この規準鏡Ｍ３によって反射され、第１フォールド鏡Ｍ１の裏面Ｍ１２によって反射される。

第１フォールド鏡Ｍ１の裏面Ｍ１２によって反射された光線は、波長に応じて光線を分散させるプリズムＰを通過する。散乱された光線は、イメージング鏡Ｍ５に光線を反射する第２フォールド鏡Ｍ４（その中心が穿孔された円形又は矩形である）に到着する。イメージング鏡Ｍ５は、検出アセンブリに光線を反射する。

図４に例示する第２実施形態によると、照明アセンブリＥＳは、イメージング分光光度計において、更に上流にあってもよい。

この第２実施形態によれば、照明アセンブリＥＳから進む光学通路は、以下の通りであり、
光源Ｓからの光線（符号１）は、規準鏡Ｍ３に光線（符号３）を反射する第１フォールド鏡Ｍ１の裏面Ｍ１２に光線（符号２）を射出する射出鏡ＭＩに到着し、
規準鏡Ｍ３は、規準鏡Ｍ２に光線（符号４）を反射し、
規準鏡Ｍ２は、第１フォールド鏡Ｍ１の正面Ｍ１１に向かって光線（符号５）を反射し、
フォールド鏡Ｍ１は、走査鏡Ｍ０に光線（符号６）を反射し、
走査鏡Ｍ０は、分析される対象物Ｏに、光線（符号７）を反射する。

対象物Ｏから検出アセンブリＥ_ＤＥＴまでの光学通路は、第１実施形態のものと同一である。

この第２実施形態のそれぞれの鏡は、結像アセンブリＥｉと共に、第１実施形態と同一である。加えて、この第２実施形態によるイメージング分光光度計は、シャッタ装置を備えていてもよい。

図５に例示する第３実施態様によると、光源Ｓの光軸と、検出アセンブリＥ_ＤＥＴの光軸とは、整列配置される。それは全ての作動距離のための方位角差があるというわけではないことを意味する。照明アセンブリＥＳが、検出アセンブリＥ_ＤＥＴの高さにあってもよい。

この第３実施態様によれば、照明アセンブリが射出鏡ＭＩを備えないことがわかり、
光源Ｓから出される光線（符号１）は、第２フォールド鏡Ｍ４の貫通領域を通過して、プリズムＰに到達してプリズムＰ（符号２）を通過し、
プリズム（符号３）から出される光線は、第１フォールド鏡Ｍ１に到着し、次いで第１フォールド鏡Ｍ１は、光線（符号５）を反射する規準鏡Ｍ３に、光線（符号４）を反射し、
第１フォールド鏡Ｍ１から出される光線（符号６）は規準鏡Ｍ２に到着し、次いで、規準鏡Ｍ２は、第１フォールド鏡Ｍ１に光線（符号７）を反射し、第１フォールド鏡Ｍ１は、走査鏡Ｍ０に光線（符号８）を反射する。

走査鏡Ｍ０によって反射された光線は、分析される対象物Ｏに到達する。

この第３実施態様のそれぞれの鏡は、結像アセンブリＥｉと共に、第１実施形態と同一である。加えて、この第３実施態様によるイメージング分光光度計は、シャッタ装置を備えていてもよい。

図６に示す第４実施態様によると、照明アセンブリＥＳ’の光源Ｓ’は多色光源を有する。光束は、光源Ｓ’と一体に配置される球体１１において発せられ、光源Ｓ’は、スロットＭ１−Ｆと幾何学的に同じになる、球体１１のスロットＳ’−Ｆを通る流れを均一化する。

球体１１のスロットＳ’−Ｆから出る光束の一部は、鏡Ｍ６を介して分光光度計の焦点鏡Ｍ２に向かう。焦点鏡Ｍ２は、あたかもそれがスロットから来たかのように、球体から出される白色光線を再び集中させることによって分析領域を照らす。従って、ここでも照明アセンブリＥＳ’は、分析領域に（線の形で）光を照らす。

補完的な方法において、球体のスロットＳ’−Ｆを中心とするリング状に穿孔された球面鏡ＭＳ’（又は表層を隠している等価物）が球体に対向して配置されている。球面鏡の場合、反射光は球体に戻る。

対象物Ｏまでの光学通路は、以下の通りであり、
上記球体からの光線（符号１，１’）は、鏡Ｍ６によって焦点鏡Ｍ２（符号２，２’）へ反射され、
焦点鏡Ｍ２からの光線２，２’は、第１フォールド鏡Ｍ１に到着し、
その後、光線（符号３，３’）は、走査鏡Ｍ０に光線（符号４，４’）を反射する第１フォールド鏡Ｍ１に反射され、
走査鏡Ｍ０は、分析される対象物Ｏに、光線（符号５，５’）を反射する。

この第４実施形態は、
照明がイメージング分光光度計に組み込まれる点
作動距離に関係なく、有効領域だけが照射されている点
走査が光源と同期している点
境界線上の照度補正は、同一の平面上の単一収集において行われ、放射分析均一性修正を許容する点
のために有利である。

この第４実施態様の上記それぞれの鏡は、結像アセンブリＥｉと共に、第１実施形態と同一である。加えて、この第４実施態様による分光光度計は、シャッタ装置を備えていてもよい。

Claims

対象物（Ｏ）を分析するように構成された広帯域ハイパースペクトルの分光光度計であり、
上記分光光度計は、
光線を発するための光源（Ｓ，Ｓ’）を有し、分析される対象物（Ｏ）を該光線でライン毎に走査するように構成された照明アセンブリ（ＥＳ，ＥＳ’）と、
焦点鏡（Ｍ２）と、
第１フォールド鏡（Ｍ１）と、
回転可能な平面走査鏡（Ｍ０）とを備え、
上記照明アセンブリ（ＥＳ，ＥＳ’）、上記焦点鏡（Ｍ２）、上記第１フォールド鏡（Ｍ１）及び平面走査鏡（Ｍ０）は、上記平面走査鏡（Ｍ０）を介して上記対象物上を延びる線に沿って上記光線を上記対象物に導くように構成されるイメージング分光光度計であって、
上記イメージング分光光度計は、上記対象物（Ｏ）と上記平面走査鏡（Ｍ０）との間の距離を測定する２つの測定センサ（Ｃ１，Ｃ２）を備え、
上記焦点鏡（Ｍ２）は、イメージを上記測定センサによって測定された距離に適応させるように移動可能である
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１に記載のイメージング分光光度計において、
上記第１フォールド鏡（Ｍ１）は、
上記焦点鏡（Ｍ２）の方を向く正面（Ｍ１１）と、
該正面（Ｍ１１）の反対側を向く裏面（Ｍ１２）とを備え、
上記第１フォールド鏡（Ｍ１）は、光線を通過可能にするように構成されるスロット（Ｍ１−Ｆ）を備え、
上記イメージング分光光度計は、上記第１フォールド鏡（Ｍ１）の正面（Ｍ１１）に向かうと共に上記第１フォールド鏡のスロット（Ｍ１−Ｆ）に対向して配置される光線シャッタ装置（ＯＢＴ）を備えており、
上記シャッタ装置は、上記スロットよりも広い垂直ブレードを備え、
上記垂直ブレードは、
上記平面走査鏡（Ｍ０）からの直射的なゴースト光線が上記スロットを通過するのを防止する開位置と、
上記対象物からの光線が上記スロット（Ｍ１−Ｆ）を通過するのを防止する閉位置との２つの位置に移動可能である
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項２に記載のイメージング分光光度計において、
上記シャッタ装置（ＯＢＴ）は、
上記第１フォールド鏡の正面に向かって回動できるように搭載される黒いブレードと、
２つの位置を定めるように構成された２つのストッパ（Ｂ１，Ｂ２）とを備えている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１から３のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
上記照明アセンブリ（ＥＳ）の光源（Ｓ）は、紫外線、可視、又は赤外線の範囲の光線を発するように構成され、好ましくはレーザであり、
上記照明アセンブリは、分析される上記対象物（Ｏ）上に１本のラインだけを照らすために上記光源によって発される光線を整形するための整形アセンブリ（Ｌ，ＬＣ，ＬＬＧ）を更に備えている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１から４のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
上記照明アセンブリ（ＥＳ）は、上記焦点鏡（Ｍ２）に向かう整形光線を射出する平面射出鏡（ＭＩ）を備え、
上記整形光線は、上記平面射出鏡を通るその画像が、上記第１フォールド鏡（Ｍ１）のスロット（Ｍ１−Ｆ）の上に重ね合わせられるように構成されている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１から５のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
上記整形アセンブリは、上記光線の伝搬方向に、照度の均一なラインを生成するレンズ（ＬＬＧ）と、上記線の軸上に平行な円柱レンズ（ＬＣ）と、拡大倍率を適応させるためのレンズ（Ｌ）とを備えている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１から４のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
上記照明アセンブリ（ＥＳ’）は、上記光源（Ｓ’）と一体に配置される球体（１１）を備え、
上記球体（１１）は、光線を通過させるように構成されたスロット（Ｓ’−Ｆ）を備えている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項１から７のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
上記照明アセンブリ（ＥＳ’）は、上記球体のスロット（Ｓ’−Ｆ）に中心を置くリング状に孔をあけられ、該球体に向かって配置される球面鏡（ＭＳ’）を更に備え、
上記球面鏡（ＭＳ’）は、光線を通過させて、光を反射して上記球体（１１）にそれを返すように構成されている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項２から８のいずれか１つに記載のイメージング分光光度計において、
結像アセンブリ（Ｅi）と検出アセンブリ（Ｅ_ＤＥＴ）とを備え、
上記結像アセンブリ（Ｅi）は、光線を上記スロット（Ｆ）から上記検出アセンブリ（Ｅ_ＤＥＴ）にもたらすために、上記第１フォールド鏡（Ｍ１）に対向して配置されている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。
請求項９に記載のイメージング分光光度計において、
上記検出アセンブリ（Ｅ_ＤＥＴ）は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサを備えている
ことを特徴とするイメージング分光光度計。