JP5376676B2 - 分光偏光ハイパースペクトル撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光偏光ハイパースペクトル撮像装置に関し、特に、量子カスケードレーザを用いるハイパースペクトル撮像装置に関する。

ハイパースペクトルイメージングは、多くの個別の隣接するスペクトル帯にわたるシーンのイメージングである。ハイパースペクトル撮像装置には２つの基本的なタイプがある。一つは、図１(a)に示される、固定波長でイメージスライスを測定する波長スキャンシステムであり、もう一つは、図１(b)に示される、回折光学素子を回転することによるスペクトル的なスキャン、または、スリットを介してライン位置を動かすことによる空間的なスキャンによって、固定位置でスペクトルスライスを測定するスリットまたはラインスキャンシステムである。そのような撮像装置によって得られるデータセットは、一般的にデータキューブと呼ばれ、その最初の二次元は空間的な情報であるシーンエリアのイメージによって与えられ、その第３次元はスペクトル情報によって与えられる。

ハイパースペクトルセンサは、分光学的特徴を検索するよう画像分光法を実行する。ハイパースペクトルセンサと観察するシーンとの間にガス雲が存在する場合、雲は光を吸収／放出し、特定の波長でシーンによって反射または自然に放出された光に対してコントラストを生成する。シーンを画像化し、スペクトル情報をガスありまたはガスなしで比較しながら波長スキャンする(すなわち、コントラスト分析を実行する)ことによって、ガスの吸収／放出特性を得ることができ、ガス中の化合物を識別するのに用いることができる。それ故に、これらセンサは、肉眼では検出できない有害な薬品蒸気に関する事前の警告を与えることができ、ガス中の種濃度をモニタすることもできる。発電所産業において、例えば、興味のあるガスプルームのいくつかは、CO,CO₂,SO₂,NO,NO₂である。ハイパースペクトルガスセンサを用いて、低濃度の気体でさえ画像化し、識別し、そして測定することができる。

ハイパースペクトル撮像装置が危険物質の検出において極めて強力となる潜在能力を有する一方で、それらの使用は比較的制限されてきた。その理由の一つは、多くのそのような撮像装置が可動部材を必要とし、厳しい環境においてそれらの使用が制限されるためである(非特許文献１参照)。加えて、特に違法薬物、有毒な工業化学物質、爆発性化合物等のような危険化合物の化学フィンガープリントに適した波長は、一般的に、７〜１４μｍの波長範囲で一般的に規定される、長波ＩＲ(ＬＷＩＲ)または熱ＩＲ帯にある。背景シーンは、太陽のような黒体からのエネルギーを保存し、ＬＷＩＲ帯に対応する波長で放射によってそれらを解放するため、ＬＷＩＲにおける動作は、重大な欠点を有する。一方、短波ＩＲ(ＳＷＩＲ)帯すなわち１．５〜３μｍの波長範囲および中波ＩＲ(ＭＷＩＲ)帯すなわち３〜５μｍ範囲においては、シーンは、入射放射を反射する傾向がある。それ故、ＳＷＩＲおよびＭＷＩＲにおいはＬＷＩＲよりも戻り光パワー密度が重要になるため、背景雑音に対して信号対雑音比が向上するので、多くの最先端のハイパースペクトル撮像装置／センサシステムは、ＬＷＩＲ帯ではなくＳＷＩＲおよびＭＷＩＲ帯において比較的良好に機能する。

M.J. WABOMBA他、「Applied Spectroscopy Volume 61」、第４号、２００７年

本発明によれば、シーンを照射するためのレーザと、レーザによって放射されてシーンを透過した光を検出するための検出器とを具えるハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置が提供される。この装置において、レーザは異なる波長帯を有する多数のパルスを出力するよう構成されたチャープレーザであり、多数のパルスはシーンを照射するための連続スペクトルを形成するよう結合する。

連続スペクトルは、例えば、興味のある波長(狭帯域モード)で、波数が２、例えば２ｃｍ^−１(または周波数として表わされる６０ＧＨｚ)の狭帯域スペクトルとすることができる。この場合、レーザはシングルモードチャープレーザとすることができる。積極的にシーンを画像化するために、シングルモードレーザの波長チャープを用いて波長スキャンを提供することによって、可動部材を必要としない、非常にシンプルでかつ効果的なスキャンイメージングシステムが提供される。これは、図１に示す従来の配置と比較して、改善された信頼性およびロバスト性を提供し、従って、システム寿命を延長する。

連続スペクトルは、例えば、興味のある波長(広帯域モード)で、約１００の波数、例えば１００ｃｍ^−１(または周波数として表わされる３０００ＧＨｚ)の広帯域スペクトルとすることができる。この場合、レーザはマルチ縦モードレーザとすることができる。積極的にシーンを画像化するために、マルチ縦モードレーザの波長チャープを用いて波長スキャンを提供することによって、レーザの全利得スペクトルで決まるスペクト域にわたり連続波長またはほぼ連続波長の干渉性放射の広帯域放射を放出するための非常にシンプルでかつ効果的な方法が提供される。レーザの全利得スペクトルにわたる連続波長の放射を確かにするため、レーザのマルチ縦モードは６０〜２４０ＧＨｚ(すなわち、２〜８波数)によってスペクトル的に間隔をあけることができる。

同調可能スペクトルフィルタと結合する場合、広帯域スペクトルセンサまたは撮像装置は、可動部材を必要としないスキャンイメージングシステムを形成するのに用いることができる。同調可能スペクトルフィルタは、液晶ファブリペローまたは音響光学的同調可能フィルタのような固体同調可能スペクトルフィルタとすることができる。好ましくは、フィルタは、レーザと検出器との間に配置される。加えてまたは代りに、微小電気機械システムベースの同調可能フィルタは検出器配列に一体化させることができる。

代りにまたは加えて、稼動部材を必要としないスキャンイメージングシステムを形成するため、マルチモード縦レーザによりシングルモードの放射を放出させるための手段をレーザに結合することによって、レーザの全利得スペクトルをカバーするシングルモードの同調範囲を得ることができる。

マルチモード縦レーザによりシングルモードの放射を放出させるための手段は、微小電気機械システムベースのスペクトル要素を具えることができ、たとえば外部空洞フィードバック(ＥＣＦ)原理を用いる。微小電気機械要素はレーザに一体化させることができる。

レーザは、量子カスケードレーザとすることができる。レーザに供給する各パルスは、５０ナノ秒、特に１００ナノ秒よりも大きな持続時間を有するものとしてよい。各供給パルスは、５０〜３０００ナノ秒、好ましくは１００〜３０００ナノ秒の範囲の持続時間を有するものとしてよい。これは、１パルス当たり約６０〜２４０ＧＨｚの同調範囲を提供することができる。

異なるレーザ出力パルスは、レーザに供給するパルスのパルス幅、パルス振幅およびパルス周波数のうち１つ以上を変化させることによって発生させることができる。

センサ／撮像装置は、１以上の偏光フィルタを含むことができる。このフィルタは、シーンによって放出されるＬＷＩＲ背景信号を抑えるよう選択することができる。例えばレーザ源によって放出された放射の偏光成分のような特定の偏光放射だけが検出器配列に入射可能にすることを許可することによって、シーンによって放出されるＬＷＩＲ背景信号を効果的に抑制することができるため、センサと背景シーンとの間に位置するガス雲によるアクティブ戻り信号の変化の存在が観察される。

加えてまたは代りに、検出器が偏光感度を有することができ、例えば量子井戸赤外光検出器とすることができる。検出器は、本質的に線形に偏光された放射源である、チャープレーザによって発生された偏光だけを検出するように動作し得ることが好ましい。これは、一般的に偏光されていない背景雑音に対する戻り光信号の信号対雑音比を改善する。

検出器は、二次元焦点面検出器とすることができる。検出器は、ＱＷＩＰとすることができる。検出器は、水銀カドミウムテルル(ＭＣＴ)検出器、セレナイドベース検出器および超格子II型検出器のいずれか一つとすることができる。

本発明の様々な態様は、以下の添付図面を参照して、一例として記載されるであろう。

従来のハイパースペクトル撮像装置を示す模式図である。 ハイパースペクトルセンサのブロック図である。 図２のセンサのより詳細な図である。 シングルモードレーザまたはマルチ縦モードレーザの１つのモードについて波長チャープに与えるパルス幅の影響を示す図である。 シングルモードレーザまたはマルチ縦モードレーザの１つのモードについて波長チャープに与えるパルス振幅の影響を示す図である。 シングルモードレーザまたはマルチ縦モードレーザの１つのモードについて波長チャープに与える周波数の影響を示す図である。 シングルモードレーザまたはマルチ縦モードレーザからの１つのモードを用い、パルス幅および／または振幅を変化させて得られた一連の測定点を示す図である。 シングルモードレーザまたはマルチ縦モードレーザからの１つのモードを用い、パルス周波数を変化されて得られた一連の測定点を示す図である。

図２は、チャープレーザハイパースペクトル撮像装置を用いて観測シーンからスペクトル情報および空間情報の両方を得るシステム１０を示す。このシステム１０は、シーンを照射するための量子カスケードレーザ１２、シーンから反射されるレーザ光を検出するための検出器１４、および、検出器１４に反射光の焦点を合わせるレンズ１６を含む。理想的には、検出器１４は量子井戸赤外光検出器である。使用中、レーザからの各チャープ出力によって提供される波長スキャンを用いてガスの存在または不存在を決定することができる。このシステムは、可動部分を持たず、本質的に頑丈で、かつ軽量に作製することができる。また、このシステムは、感度およびダイナミックレンジにおいて高い性能を提供する。

図３は、図２の撮像装置１０のより詳細な実施態様を示す。この撮像装置は、対象のシーンを照射するための量子カスケードプローブレーザ３００および量子カスケード参照レーザ４００を有する。対象のシーンで反射された光を検出するために、２Ｄ検出器配列１００が設けられる。センサ／撮像装置の動作を制御するために制御及び処理電子機器(図には示されない)が設けられる。検出器はＱＷＩＰであり、偏光特性に従って光を選択する格子構造を内蔵する。狭い波長バンドパスフィルタとして働くＭＥＭＳベースの同調可能スペクトルフィルタ１０２が任意に検出器１０１に組み込まれる。これは、プローブレーザ３００がマルチモードである場合に用いられ、１つのモードを選択する必要がある。直接その上に組み込まれるわけではないが、検出器１０１の前に、液晶ファブリペロー同調可能フィルタまたは音響光学同調可能フィルタのような可変スペクトルフィルタが組み込まれる。

プローブレーザ及び参照レーザと検出器との間には、レーザ光を対象のシーンへ向かって送り出し、戻りプローブビームおよび戻り参照ビームを集め、それらをフィルタ１０２、７００および検出器１００に向かわせるためのテレスコープアレイ２００が存在する。テレスコープアレイ２００は、任意の適切な設計とすることができる。図３に示される特定のアレイは、“カセグレン”型であり、従来よく知られている。テレスコープアレイは通常、図に示されるように、反射素子２０１，２０２，２０３を含むが、透過素子または他の光学配置を用いることもできる。テレスコープアレイは、従来から良く知られているため、ここで詳細に記載することはしない。

プローブレーザ３００は、ある波長範囲にわたって複数のチャープ光パルスを出力し、少なくともそのうちの一つは、ターゲットガス６００によって吸収または後方散乱される。参照レーザ４００は、ターゲットガス６００によって吸収または後方散乱されない波長で動作する。プローブレーザおよび参照レーザの両方に供給される各パルスは、５０ナノ秒を超える、特に1００ナノ秒を超える持続時間を有することができる。各供給パルスは、５０〜３０００ナノ秒、好ましくは１００〜３０００ナノ秒の範囲の持続時間を有することができる。これは、１パルス当たり約６０〜２４０ＧＨｚの同調範囲を提供することができる。

プローブレーザビーム３１１および参照レーザビーム４１１は、いずれもテレスコープ２００によって送り出され、背景シーン、シーンおよび／またはターゲットを照射する。背景シーン、シーンおよび／またはターゲットによって反射または後方散乱された戻り光は、テレスコープ２００によってフィルタ１０２および検出器１００に向かわせられる。検出器１００は、プローブ３０１からターゲットシーンを介して受信される単一チャープパルスの持続時間(例えばＴ_{ｐｕｌｓｅ}＝１マイクロ秒)よりもずっと遅い応答時間を有する。したがって、検出器は、検出領域に当たる光信号を少なくとも検出器の最小規定積分時間(Ｔ_{ｉｎｔ ｄｅｔ})よりも長い時間Ｔ_{ｉｎｔ ｓｉｇ}の間中積分することによって、パルス光出力振幅を測定する積分器として用いられる。例えばＱＷＩＰの場合、Ｔ_{ｉｎｔ ｄｅｔ}は典型的にほぼ５〜２０ミリ秒程度であるが、量子カスケードレーザは５０〜３０００ナノ秒、好ましくは１００〜３０００ナノ秒の範囲の持続時間を有するパルスを出力する。

プローブレーザ３００および参照レーザ４００は、シングルモードレーザとすることができる。代案として、これらはマルチ縦モードレーザとすることができるが、レーザをシングルモードで放出させるための手段、例えば、レーザに直接一体化された外部空洞フィードバック(ＥＣＦ)の原理を用いるＭＥＭＳベーススペクトル素子を含むことができる。いずれの場合においても、プローブレーザは、一連のチャープパルスを出力し、各チャープパルスがレーザモードごとに波長スキャンを提供し、個々の波長スキャンが結合して対象のシーンをスキャンするための拡張されたスペクトルを提供するように動作する。

拡張されたスキャン範囲を提供するために、チャープパルスの波長範囲を変化させるための様々な技術が存在する。上述した通り、プローブレーザ３００は、チャープパルスを出力する量子カスケードレーザである。レーザへの各パルス入力の持続時間を増加または減少させると、図４に示すように、関連する波長チャープはそれぞれ増加または減少する。これは、国際公開第０３／０８７７８７号公報において詳細に記述され、この文献を参照することにより、その内容は、本願明細書に援用される。入力パルス幅を変調し、その結果得られる出力パルスを結合することよって、拡張されたスペクトルを得ることができる。同一のパルス持続時間パラメータを有する少なくとも１つのシーケンスに対して光パワーを積分および測定すれば、スペクトル領域において特定の波長チャープ幅を有する測定結果が得られるであろう。その後のシーケンスの持続時間を、線形的に、連続的にまたはコード化された方法で変化させることによって、別の特定の波長チャープ幅を有する測定結果を得ることができる。幅を制御することによって、波長スキャンの変化を誘発することができるため、吸光分光を実行することができる。

波長スキャンを変化させるための別の選択肢は、国際公開第０３／０８７７８７号公報に記載されているように、レーザ入力パルスの振幅を増加または減少させることである。これによって、図５に示されるように、半導体ダイオードレーザの関連する波長チャープ（スキャン）は、それぞれ増加または減少するであろう。同一のパルス電流振幅パラメータを有する少なくとも１つのシーケンスに対して光パワーを積分および測定すれば、スペクトル領域において特定の波長チャープ幅を有する測定結果が得られるであろう。その後のシーケンスの振幅を線形的に、連続的にまたはコード化された方法で変化させることによって、別の特定の波長チャープ幅を有する測定結果を得ることができる。電流パルス振幅を制御することによって、波長スキャンの変化を誘発することができるため、拡張された範囲に亘り吸光分光を実行することができる。

波長スキャンを変化させるための更なる別の選択肢は、国際公開第０３／０８７７８７号公報に記載されているように、入力パルスの周波数を増加または減少させることである。この場合、図６に示されるように、関連する波長チャープ（スキャン）の開始波長は周波数に応じてそれぞれ長くまたは短くなるであろう。同一のパルス電流振幅パラメータ、周波数パラメータおよび持続時間パラメータを有する少なくとも１つのシーケンスに対して光パワーを積分および測定すれば、スペクトル領域において特定の波長チャープ幅を有する測定結果を得ることもできるであろう。その後のシーケンスの周波数を、線形的に、連続的にまたはコード化された方法で変化させることによって、別の特定の波長チャープ幅を有する測定結果を得ることができるであろう。これは、数秒の時間スケールでペルチェ素子によって安定化されるレーザの基準温度が制御された形でより高速に変化されるためであろう。レーザの基準温度を制御することによって、波長スキャンの開始の制御された変化を誘発することができ、したがって、吸光分光をこの方法で実行することができる。

図７は、一連の測定点を示し、各点は、同じパラメータ、すなわち振幅、持続時間、周波数を有する電流パルスの少なくとも一つのシーケンスに対して積分された光パワー測定値を表し、ここで、シーケンス持続時間は少なくともＴ_{ｉｎｔ ｓｉｇ}に等しい。後続の点は、電流パルス振幅および／または幅の増分の線形変化を表す。気相内の分子による吸収特性が特定のシーケンスの波長チャープ（スキャン）内に存在する場合には、背景信号（すなわち、ガスが存在しない場合）からの変化が観測される。この方法によれば、スペクトルを時間的に分解することができる。この方法は、スキャンまたはチャープの開始波長のわずかなシフトを誘発するが、このシフトは考慮することができる。

図８は、測定点を示し、各点は、同じ電流パルスパラメータを有する少なくとも１つのシーケンスに対する積分光パワー測定値を表し、後続の点は、電流パルス周波数の増分の線形変化を表す。気相内の分子による吸収特性が特定のシーケンスの波長チャープ（スキャン）内に存在する場合には、背景信号からの変化が観測される。

本発明は、非常に高い測定速度の可能性を提供する。例えば、ガス吸収が特定の波長で観測される狭帯域またはシングルモード動作において、ユーザは、レーザ設定を固定することを選択し、システムが１００フレーム／秒よりも早い速度で動作できるように固定波長動作モードで動作させることができる。これは、過渡効果を１０ミリ秒のオーダの時間分解能で観測することを可能にする。

広帯域放射がレーザ利得スペクトル範囲をカバーし、可変スペクトルフィルタ、または、ＥＣＦシステムが、狭いスペクトル窓を選択する波長選択手段として働く広帯域スキャン波長モードにおいて、例えば１００狭スペクトル窓要素／秒のより広い拡大されたスキャンを実行することが可能であり、したがって、システムを１データキューブセット収集／秒よりも早い速度で動作させることが可能である。実際には、これは、システムを移動するプラットフォーム上に設置することができ、それでもまだ最先端の固定シーンシステムと比較して向上した性能を提供することができることを意味する。

本発明は、多数の応用を有する。例えば、麻薬取締り機関における不法な物質の検出や、排煙の連続排気モニタリングや、インフラの漏れ検出およびインフラのメンテナンスや、浮遊する汚染物質の環境モニタリングや、採掘および石油探査ならびに人工物の増強された遠隔探知に用いることができる。

当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、開示された装置の変更が可能であることは理解されるであろう。例えば、上述した方法は、半導体ダイオードレーザ源のスペクトル特性を変化させるためだけの装置ではない。これらの組み合わせは線形的なまたは連続的に用いることができ、パルス符号変調(ＰＣＭ)他のような他の変調技術でも可能である。したがって、特定の実施形態の上述した記載は、限定のためではなく、単に一例として示されたものである。当業者であれば、記載された動作に大きな変化を与えることなく小さな変更を行うことが可能であることは明らかである。

Claims (25)

1. シーンを照射するためのレーザと、該レーザによって放射され前記シーンを透過した光を検出するための検出器とを具えるハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置であって、
   前記レーザは、異なる波長域を有する多数のパルスを出力するよう構成されたチャープレーザであり、チャープパルスはそれぞれ波長スキャンを提供し、前記チャープパルスの各前記波長スキャンが結合して前記シーンを照明するための拡張された連続スペクトルを形成するように前記レーザは動作可能であることを特徴とするハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
2. 前記シーンを照明するための拡張された連続スペクトルを形成するために結合される前記多数のパルスは、１〜２０μｍ好ましくは７〜１４μｍの範囲の波長を有する、請求項１に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
3. 前記レーザからの光は通過できるが、背景放射は実質的に阻止するよう構成された、偏光感度を有するフィルタを具える、請求項１または２に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
4. 前記検出器は偏光感度を有し、かつ前記レーザからの光は通過できるが、背景放射は実質的に阻止するよう構成されている、請求項１、２または３に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
5. 前記検出器が二次元焦点面検出器である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
6. 前記検出器がＱＷＩＰである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
7. 前記検出器が、ＭＣＴ検出器、セレナイドベース検出器および超格子II型検出器のいずれか一つである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
8. 前記検出器は、前記チャープレーザによって発生した偏光だけを検出することができる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
9. 前記レーザが半導体レーザである、請求項１〜８のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
10. 前記レーザが量子カスケードレーザである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
11. ５０ナノ秒、特に１００ナノ秒よりも大きな持続時間を有するパルスを前記レーザに供給する手段を具える、請求項９または１０に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
12. 各供給パルスは、５０〜３０００ナノ秒、好ましくは１００〜３０００ナノ秒の範囲の持続時間を有する、請求項１１に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
13. 前記異なるレーザ出力パルスは、前記レーザに供給されるパルスのパルス幅、パルス振幅およびパルス周波数のうち１以上を変化させることによって発生される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
14. 前記レーザと前記検出器との間に配置される固体同調可能スペクトルフィルタを具える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
15. 前記フィルタが液晶ファブリペロー(ＬＣＦＰ)または音響光学的同調可能フィルタ(ＡＯＴＦ)である、請求項１４に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
16. 前記検出器配列に直接一体化された同調可能フィルタを具える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
17. 前記同調可能フィルタが微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)である、請求項１６に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
18. 前記レーザがシングルモードレーザである、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
19. 前記レーザがマルチモード縦レーザである、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
20. 前記マルチモードをスキャンするための同調可能スペクトルフィルタを具える、請求項１９に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
21. 前記スペクトルフィルタが液晶ファブリペローまたは音響光学的同調可能フィルタのような固体同調可能スペクトルフィルタである、請求項２０に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
22. 前記マルチモード縦レーザをシングルモードで動作させるための手段を具える、請求項１９に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
23. 前記マルチモード縦レーザをシングルモードで動作させるための前記手段は、微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)ベースのスペクトル要素を具える、請求項２２に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
24. 前記ＭＥＭＳ要素は、外部空洞フィードバック(ＥＣＦ)を用いる、請求項２３に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。
25. 前記ＭＥＭＳ要素は前記レーザに直接一体化されている、請求項２３または２４に記載のハイパースペクトルセンサまたはハイパースペクトル撮像装置。

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