特許 6449310 低ノイズ分光画像化システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6449310

(24)【登録日】2018年12月14日

(45)【発行日】2019年1月9日

(54)【発明の名称】低ノイズ分光画像化システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20181220BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20181220BHJP

   G01N 21/35 20140101ALN20181220BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/27 E

   G01N21/27 A

   G02B21/06

   !G01N21/35

【請求項の数】15

【全頁数】38

(21)【出願番号】特願2016-547050(P2016-547050)

(86)(22)【出願日】2015年1月18日

(65)【公表番号】特表2017-508136(P2017-508136A)

(43)【公表日】2017年3月23日

(86)【国際出願番号】US2015011884

(87)【国際公開番号】WO2015109274

(87)【国際公開日】20150723

【審査請求日】2017年12月19日

(31)【優先権主張番号】61/929,050

(32)【優先日】2014年1月18日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514104771

【氏名又は名称】デイライト ソリューションズ、インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ロウレット、ジェレミー、エイ．

(72)【発明者】

【氏名】ウェイダ、マイルズ、ジェイムズ

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５１９５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１７１３０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−３３０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国実用新案第２０１２２７９０（ＤＥ，Ｕ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０６３３１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Noninvasive Analysis of Paintings by Mid-Infrared Hyperspectral Imaging，Angewande Chemie，ドイツ，WILEY，２０１３年 ４月１５日，Volume 52, Issue 20，pp. 5258-5261，doi: 10.1002/anie.201209929

【文献】 Hyperspectral microscopy of explosives particle using an external cavity quantum cascade laser，Optical Engineering，SPIE，２０１２年１２月２６日，Vol. 52, No. 6，061302，doi: 10.1117/1.OE.52.6.0611302

【文献】 Remote mid-infrared sensing using Chirped Laser Dispersion Spectroscopy，Proceedings of SPIE，SPIE，２０１１年 ５月２６日，Vol. 8024，80240F，doi: 10.1117/12.883598

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

Ｇ０２Ｂ １９／００

Ｇ０２Ｂ ２１／００−２１／３６

Ｇ０１Ｊ ３／００− ３／５２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ

ＳＣＩＥＮＣＥ

Ｓｃｉｔａｔｉｏｎ

ＳＰＩＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

サンプルのスペクトル・キューブを発生させるための、所望のスペクトル分解能を有するスペクトル画像化デバイスであって、
２次元出力画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含む画像センサと、
可変光源であって、当該可変光源から前記サンプルまで及び前記サンプルから前記画像センサまでのビーム経路に沿って進む、前記所望のスペクトル分解能以下であるスペクトル幅を有する照明ビームを発生させる可変光源と、
前記可変光源と前記画像センサとの間の前記ビーム経路に沿って位置づけられている複数の屈折要素を含む光学アセンブリと、
目標光周波数の前後にわたって離散的な変調光周波数の組を光周波数変調の周期で発生させるように前記可変光源を制御し、光周波数変調の前記周期よりも長い獲得時間の間に、前記２次元出力画像を獲得するように前記画像センサを制御する制御システムと
を含む、スペクトル画像化デバイス。

【請求項2】

前記制御システムが、Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}＝±ηΔｖ／２の規定を満たす最大光周波数変調Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}を有する、前記離散的な変調光周波数の組を発生させるように前記可変光源を制御し、ここで、ηは０．１以上で１００以下の値を有する定数であり、Δｖは前記所望のスペクトル分解能である、請求項１に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項3】

前記制御システムが、前記２次元出力画像の獲得の間に、前記離散的な変調光周波数の組の２つ以上のサイクルを発生させるように前記可変光源を制御する、請求項１に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項4】

前記光学アセンブリが、互いに第１の分離距離だけ離間している第１の屈折要素及び第２の屈折要素を含み、当該第１の屈折要素が、第１の要素光学厚さと光周波数依存透過率関数の第１のフーリエ空間成分とを有し、当該第２の屈折要素が、第２の要素光学厚さと光周波数依存透過率関数の第２のフーリエ空間成分とを有する、請求項１に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項5】

前記第１及び第２の要素光学厚さと前記第１の分離距離とが、前記第１及び第２のフーリエ空間成分が前記所望のスペクトル分解能の２倍の逆数に等しい測定通過帯域から外れるように設定される、請求項４に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項6】

前記第１及び第２の屈折要素の要素物理的厚さｔ_ｉ（ｉ＝１又は２）が、ｔ_ｉ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｔ_ｉ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、前記第１の分離距離ｄが、ｄ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｄ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎ_ｉは対応するそれぞれの屈折要素の屈折率であり、Δｖは前記所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は前記所望の調整範囲の上限である、請求項４に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項7】

前記第１及び第２の屈折要素のうちの少なくとも１つの要素物理的厚さｔ_ｉ（ｉ＝１又は２）が、ｔ_ｉ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｔ_ｉ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、前記第１の分離距離ｄが、ｄ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｄ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎ_ｉは対応する屈折要素の屈折率であり、Δｖは前記所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は前記所望の調整範囲の上限である、請求項４に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項8】

前記可変光源が、時間的にコヒーレントな照明ビームを放出し、所望の調整範囲が中赤外線の範囲である、請求項１に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項9】

サンプルのスペクトル・キューブを発生させるための、所望のスペクトル分解能を有するスペクトル画像化デバイスであって、
２次元画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含む画像センサ構成要素と、
可変光源構成要素であって、当該可変光源から前記サンプルまで及び前記サンプルから前記画像センサまでのビーム経路に沿って進む、前記所望のスペクトル分解能以下であるスペクトル幅を有する照明ビームを発生させる可変光源構成要素と、
前記可変光源構成要素と前記画像センサ構成要素との間の前記ビーム経路に沿って位置づけられている複数の屈折要素構成要素を含む光学アセンブリであって、当該複数の屈折要素構成要素のそれぞれがそれぞれの要素光学厚さを有する、光学アセンブリと、
所望の調整範囲内で複数の離散的な光周波数を発生させるように前記可変光源を制御し、複数の２次元の画像を構築するように前記画像センサを制御する制御システムと
を含み、
前記複数の屈折要素構成要素は前記ビーム経路に沿って、隣接する屈折要素構成要素の間に別個の分離距離をとって互いに離間され、前記要素光学厚さのそれぞれが測定通過帯域の外に外れる光周波数依存透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計され、前記分離距離のそれぞれが前記測定通過帯域の外に外れる光周波数依存透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計され、前記測定通過帯域が前記所望のスペクトル分解能の２倍の逆数に等しい、スペクトル画像化デバイス。

【請求項10】

前記要素光学厚さのそれぞれに対応する物理的厚さｔ_ｉが、ｔ_ｉ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｔ_ｉ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、前記分離距離のそれぞれｄ_ｊが、ｄ_ｊ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｄ_ｊ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎ_ｉは対応する屈折要素構成要素の屈折率であり、Δｖは前記所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は前記所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は前記所望の調整範囲の上限である、請求項９に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項11】

前記屈折要素構成要素のうちの少なくとも１つの要素光学厚さに対応する物理的厚さｔ_ｉが、ｔ_ｉ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｔ_ｉ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、前記分離距離ｄ_ｊのうちの少なくとも１つが、ｄ_ｊ≧１／（２ｎ_ｉΔｖ）又はｄ_ｊ≦１／（２ｎ_ｉ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎ_ｉは対応する屈折要素構成要素の屈折率であり、Δｖは前記所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は前記所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は前記所望の調整範囲の上限である、請求項９に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項12】

前記制御システムが、前記ビーム経路中で最短の自由スペクトル領域を有する屈折要素構成要素の自由スペクトル領域を２で除算したもの以下である光周波数ステップのサイズでスペクトル画像を収集し、引き続いて、低域通過フィルタが、前記光周波数ステップのサイズより低いスペクトル分解能で出力スペクトル画像を作成するように、前記スペクトル画像の画素のスペクトル応答に適用される、請求項９に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項13】

前記制御システムが、前記低域通過フィルタを適用する、請求項１２に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項14】

前記制御システムが、前記低域通過フィルタを適用し、さらに前記スペクトル応答の情報を間引く、請求項１２に記載のスペクトル画像化デバイス。

【請求項15】

前記制御システムが、目標光周波数の近くで、離散的な光周波数の組であって、当該組の隣接する光周波数が、前記ビーム経路に沿って含まれる寄生エタロンの光周波数依存透過率関数のフーリエ成分のいずれのエイリアシングをも前記測定通過帯域内に生じさせないように十分小さい光周波数ステップだけ離間されている組を発生させるように前記可変光源を制御し、前記制御システムが、前記離散的な光周波数のそれぞれにおける別個の２次元画像を構築するように前記画像センサを制御し、前記制御システムが、前記離散的な光周波数のそれぞれにおける前記別個の２次元画像を使用して、前記目標光周波数での前記サンプルの出力画像を構築する、請求項９に記載のスペクトル画像化デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この出願は、２０１４年１月１８日に出願された「A LOW-NOISE SPECTROSCOPIC IMAGING SYSTEM USING COHERENT ILLUMINATION」と題する米国特許仮出願第６１／９２９，０５０号の優先権を主張する。許容される限り、米国特許仮出願第６１／９２９，０５０号の内容が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、許容される限り、２０１２年１０月２５日に出願された「INFRARED SPECTRAL IMAGING MICROSCOPE USING TUNABLE LASER RADIATION」と題するＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０６１９８７号の内容が参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

顕微鏡は、多くの場合、さもなければ肉眼には見えないサンプルのいくつかの細部及び／又は性質を評価するためにサンプルを分析するのに使用される。単色レーザ放射の離散的な光周波数でサンプルを照明し観察することによって、サンプルの化学的性質に関する追加情報を得ることができる。このように分析することができるサンプルには、ヒト組織及び細胞、爆発性残留物、粉末、液体、固形物、ポリマー、インク、並びに他の材料が含まれる。癌細胞の存在及び／又は他の健康に関連する状態に関して、ヒト組織のサンプルを分析することができる。爆発性残留物及び／又は他の危険物の存在に関して、他の材料を分析することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願第１３／９４９，１５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

残念ながら、既存のスペクトル顕微鏡でサンプルから生成されたスペクトル画像は、時には、サンプルの十分で効果的な分析を可能にするには品質が不十分であることがある。したがって、生成されつつあるサンプルのスペクトル画像の解像度及び品質を改善することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、サンプルのスペクトル・キューブ（spectral cube）を生成するための、所望のスペクトル分解能を有するスペクトル画像化デバイスに向けられている。スペクトル画像化デバイスは、画像センサと、可変光源と、光学アセンブリと、制御システムとを含む。画像センサは、２次元画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含む。可変光源は、可変光源からサンプルまで及びサンプルから画像センサまでのビーム経路に従う、所望のスペクトル分解能以下であるスペクトル幅を有する照明ビームを発生させる。光学アセンブリは、可変光源と画像センサとの間のビーム経路に沿って位置づけられている複数の屈折要素を含み、互いに第１の分離距離だけ離間している第１の屈折要素及び第２の屈折要素を含む。制御システムは、所望の調整範囲内で複数の離散的な光周波数を発生させるように可変光源を制御し、複数の２次元の画像を構築するように画像センサを制御する。

【0006】

１つの実施例では、第１の屈折要素は、第１の要素光学厚さと光周波数依存透過率関数の第１のフーリエ空間成分とを有し、第２の屈折要素は、第２の要素光学厚さと光周波数依存透過率関数の第２のフーリエ空間成分とを有する。さらに、各屈折要素の要素光学厚さと第１の分離距離とは、各屈折要素の光周波数依存透過率関数のフーリエ空間成分が測定通過帯域から外れるように設定される。本明細書において定められるように、測定通過帯域は、所望のスペクトル分解能の２倍の逆数に等しい。

【0007】

いくつかの実施例では、第１及び第２の屈折要素の要素光学厚さｔは、ｔ≧１／（２ｎΔｖ）又はｔ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、第１の分離距離ｄは、ｄ≧１／（２ｎΔｖ）又はｄ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎはそれぞれの屈折要素の屈折率であり、Δｖは所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は所望の調整範囲の上限である。

【0008】

１つの実施例では、制御システムは、スペクトル分解能と、ビーム経路中で最短の自由スペクトル領域を有する屈折要素の自由スペクトル領域を２で除算したもの以下である光周波数ステップのサイズとによってスペクトル画像を収集し、引き続いて、低域通過フィルタが、より低いスペクトル分解能で出力スペクトル画像を作成するように、スペクトル画像の各画素のスペクトル応答に適用される。制御システムは、移動平均及びガウス・フィルタの少なくとも一方を適用することができる。さらに、データは間引かれ得る。

【0009】

別の言い方をすれば、制御システムは、目標光周波数の近くで、離散的な光周波数の組であって、その組の隣接する光周波数が、ビーム経路に沿って含まれる寄生エタロンの光周波数依存透過率関数のフーリエ周波数成分のエイリアシングを測定通過帯域内に生じさせないように十分に小さい光周波数ステップだけ離間されている組を発生させるように可変光源を制御し、制御システムは、離散的な光周波数ごとに別個の２次元画像を構築するように画像センサを制御し、制御システムは、離散的な光周波数ごとに別個の２次元画像を使用して、目標光周波数でのサンプルの出力画像を構築する。

【0010】

別の実施例では、制御システムは、目標光周波数の近くで離散的な光周波数の組を発生させるために、Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}＝±ηΔｖ／２の規定を満たす最大光周波数変調Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}を目標光周波数のまわりに生成するように可変光源を変調し、ここで、ηは０．１以上で１００以下の値を有する定数であり、Δｖは所望の光周波数スペクトル分解能である。別の言い方をすれば、制御システムは、目標光周波数のまわりに及びこれを貫いて離散的な光周波数の組を光周波数変調速度で発生させるよう、可変光源を変調し、画像センサは、光周波数変調速度の逆数よりも長い獲得時間の間、出力画像を獲得する。

【0011】

いくつかの実施例では、可変光源は、時間的にコヒーレントな照明ビームを放出し、所望の調整範囲は中赤外線の範囲である。

【0012】

別の実施例では、本発明は、サンプルのスペクトル・キューブを発生させるための、所望のスペクトル分解能を有するスペクトル画像化デバイスであって、２次元画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含む画像センサ構成要素と、可変光源構成要素であって、可変光源からサンプルまで及びサンプルから画像センサまでのビーム経路に従う、所望のスペクトル分解能以下であるスペクトル幅を有する照明ビームを発生させる可変光源構成要素と、可変光源構成要素と画像センサ構成要素との間のビーム経路に沿って位置づけられている複数の屈折要素構成要素を含む光学アセンブリであって、各屈折要素構成要素が要素光学厚さを有する、光学アセンブリと、所望の調整範囲内で複数の離散的な光周波数を発生させるように可変光源を制御し、複数の２次元の画像を構築するように画像センサを制御する制御システムとを含み、構成要素はビーム経路に沿って互いに離間され、別個の分離距離が隣接する構成要素をビーム経路に沿って分離させ、各要素光学厚さが測定通過帯域の外に外れる光周波数依存透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計され、各分離距離が測定通過帯域の外に外れる光周波数依存透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計され、測定通過帯域が所望の光周波数スペクトル分解能の２倍の逆数に等しい、スペクトル画像化デバイスに向けられている。

【0013】

さらなる別の実施例では、本発明は、サンプルのスペクトル・キューブを発生させるための、所望のスペクトル分解能を有するスペクトル画像化デバイスであって、２次元画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含む画像センサと、可変光源であって、可変光源からサンプルまで及びサンプルから画像センサまでのビーム経路に従う、所望のスペクトル分解能以下であるスペクトル幅を有する照明ビームを発生させる可変光源と、可変光源と画像センサとの間のビーム経路に沿って位置づけられている複数の屈折要素を含む光学アセンブリと、所望の調整範囲内で複数の離散的な光周波数を発生させるように可変光源を制御し、複数の２次元の画像を構築するように画像センサを制御する制御システムであって、スペクトル分解能と、ビーム経路中で最短の自由スペクトル領域を有する屈折要素の自由スペクトル領域を２で除算したもの以下である光周波数ステップのサイズとによってスペクトル画像を収集し、引き続いて、低域通過フィルタが、より低いスペクトル分解能で出力スペクトル画像を作成するように、スペクトル画像の各画素のスペクトル応答に適用される、制御システムとを含む、スペクトル画像化デバイスに向けられている。

【0014】

本発明自体のみならず、本発明の新規な特徴は、その構造及びその動作の両方について、添付の説明と合わせて、同様の参照文字が同様の部分に適用される添付図面から最もよく理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】サンプルと、本発明の特徴を有するスペクトル画像化顕微鏡の一実施例との簡単化した概略図である。

【図1B】透過モードでの図１Ａのスペクトル画像化顕微鏡の簡単化した概略図である。

【図1C】反射モードでの図１Ａのスペクトル画像化顕微鏡の簡単化した概略図である。

【図2】スペクトル画像化デバイスの簡単化した概略図である。

【図3】様々な程度の表面反射率をもつ２つの表面を有する屈折要素について透過率対波数を示す簡単化したグラフである。

【図4A】サンプルの理想的な画像の簡単化した図である。

【図4B】サンプルの第１の理想的でない画像の簡単化した図である。

【図4C】サンプルの第２の理想的でない画像の簡単化した図である。

【図5A】屈折要素の２つの異なる厚さに対する光周波数空間における透過率対波数のグラフである。

【図5B】図５Ａに示した２つの屈折要素のフーリエ空間におけるパワー・スペクトル密度対フーリエ空間周波数を示すグラフである。

【図6A】スペクトル画像化デバイスについての光周波数空間の簡単化した図である。

【図6B】スペクトル画像化デバイスについての対応するフーリエ空間の簡単化した図である。

【図7A】光周波数対時間を示すグラフである。

【図7B】光周波数対時間を示す別のグラフである。

【図7C】目標光周波数ごとに別個の出力画像を発生させるために使用される複数の予備画像を示す図である。

【図8A】異なる厚さを有する２つの異なる屈折要素についての光周波数空間における透過率対波数のグラフであり、黒丸及び白四角はサンプリングされたデータ点を示す。

【図8B】図８Ａに示したサンプリングされた透過率対波数プロットのフーリエ周波数空間におけるグラフである。

【図9】サンプリングされた未処理信号データと、サンプリングされ、平均化され、間引かれた信号データとの光周波数空間におけるグラフである。

【図10A】光周波数対時間を示すグラフである。

【図10B】光周波数対時間を示す別のグラフである。

【図10C】出力画像を示す図である。

【図11】上部は、狭い光周波数分布を示すグラフ、中間は、出力ビームの非常に広い光周波数分布を示すグラフ、下部は、複数の比較的短期間に生成されたエネルギーの狭い光周波数パルスと、一連のパルスの時間平均光周波数を示す破線とを概略的に示すグラフである。

【図12A】本明細書に定められるノイズ低減方法なしに獲得された画像である。

【図12B】本明細書に定められるスペクトル画像デバイスを使用した獲得画像である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１Ａは、サンプル１０と、本発明の特徴を有するスペクトル画像化デバイス１２、例えばスペクトル画像化顕微鏡の一実施例の簡単化した概略図である。特に、スペクトル画像化デバイス１２は、サンプル１０の様々な性質を分析し評価するために使用することができるサンプル１０のスペクトル・キューブ１３（ボックスとして示されている）を迅速に正確に取得するために使用することができる。本明細書に定められるように、ある実施例では、スペクトル画像化デバイス１２は、サンプル１０のスペクトル・キューブ１３を作り出すために使用されるサンプル１０の複数の高解像度２次元出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ（３つのみがボックスとして示されている）を発生させるように独自に設計される。本明細書で使用する「画像」という用語は、２次元写真若しくは画面表示、又は２次元写真若しくは画面表示を発生させるために使用され得るデータの２次元配列を意味し含むものとする。

【0017】

概要として、本明細書において以下でさらに詳細に論じるように、スペクトル画像化デバイス１２は、フーリエ空間測定通過帯域（スペクトル分解能の逆数によって定義され、本明細書では簡単に「通過帯域」と呼ぶ）を含み、スペクトル画像化デバイス１２は、いくつかのノイズ源が測定通過帯域から外れるようにするいくつかの構造的特徴を含むことができる。この設計により、スペクトル画像化デバイス１２は、ノイズ源が各出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃのスペクトル分解能及び画像品質に悪影響を与えるのを効果的に阻止することができる。追加として及び／又は代替として、スペクトル画像化デバイス１２は、ノイズ源が各出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの分解能及び画像品質に悪影響を与えるのをさらに阻止するアルゴリズム及び／又は手法を利用することができる。

【0018】

本明細書において定められるように、サンプル１０は、静的な意味で、すなわち、サンプル１０の性質が測定期間にわたって実質的に変化しない状態で、及び／又は動的な意味で、すなわち、サンプル１０の性質が測定期間にわたって漸進的に変化している状態で、分析し評価することができる。静的な場合、１次元スペクトルが２次元出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの画素位置ごとに生成されて、３次元スペクトル・キューブ１３がもたらされる。動的な場合、時間という第４次元が加えられて、４次元スペクトル・マトリクス１３がもたらされる。

【0019】

スペクトル・キューブ１３のデータの忠実度（fidelity）は、多数の試行にわたる画素場所ごとのスペクトル・データの再現性によって特性評価することができる。各試行は、独自のデータ収集開始時刻を有する。光源強度は、注目する光周波数帯にわたってのみならず、サンプル１０にわたっても強く変化することがあるので、１つ又は複数の特徴のないバックグラウンド・スペクトル・キューブ（サンプルなしの）を発生させ使用して、バックグラウンド・スペクトル・キューブに対する信号スペクトル・キューブの比を取ることによって、信号スペクトル・キューブを規格化することができる。順序づけられたアレイで周波数が収集される場合、その比は画像透過率と呼ばれる。

【0020】

本明細書において定められるように、サンプル１０なしで異なる時間に取られた２つのバックグラウンド・スペクトル・キューブの比を使用して、システム透過率スペクトル・キューブ（図示せず）を生成することができる。多くの試行にわたり及び複数の光周波数にわたり画素ごとの透過率を比較することは、スペクトル画像化デバイス１２の固有の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を特性評価するための好適な手段である。固有のシステムＳＮＲの許容尺度の排他的でない実例は、異なる時間に取られた２つのランダムに選択されたスペクトル・キューブ収集の試行での特定のスペクトル範囲にわたる透過率の変動の逆数である。

【0021】

サンプル１０は、様々なものとすることができ、それには、哺乳動物の血液、哺乳動物の血清、哺乳動物の細胞、哺乳動物の組織、哺乳動物の生体液、及びそれらの動物相当物、植物、バクテリア、ポリマー、髪、繊維、爆発性残留物、粉末、液体、固形物、インク、並びに分光法及び顕微鏡検査を使用して一般に分析される他の材料が含まれる。より詳細には、いくつかの排他的でない用途では、サンプル１０はヒト血清とすることができ、スペクトル画像化顕微鏡１２は、疾病の存在及び／又は他の健康に関連する状態についての血清サンプル１０の迅速なスクリーニングのために利用することができ、及び／又はスペクトル画像化顕微鏡１２は、爆発性残留物及び／又は他の危険物の存在についてのサンプル１０の迅速なスクリーニングなどのいくつかの科学捜査用途で利用することができる。追加として、サンプル１０は、分析のためにスペクトル画像化顕微鏡１２内に十分に位置づけられるとき、単独で存在することができ、又はサンプル１０は、１つ又は複数のスライド（図示せず）、例えば、赤外線透過スライドを使用して所定位置に保持することができる。

【0022】

さらに、サンプル１０は、サンプル１０を通る照明ビーム、例えば赤外線照明ビームの透過によって（すなわち、透過モードで）調査できるように十分に薄くすることができ、又はサンプル１０は、サンプル１０による照明ビーム、例えば赤外線照明ビームの反射によって（すなわち、反射モードで）分析される光学的に不透明なサンプルとすることができる。さらに、サンプル１０は、照明ビームの半透過により調査できる、例えば、赤外線照明ビームがサンプルを通過し、反射性基板の表面で反射し、再びサンプル１０を通過して、照明ビームが二重に減衰されるように十分に薄くすることができる。例えば、図１Ａに示す実施例では、スペクトル画像化顕微鏡１２は、透過モード及び／又は反射モードで利用することができ、データは、透過、反射、又は半透過の手法を使用して取得することができる。

【0023】

スペクトル画像化デバイス１２は様々な潜在的用途で利用できることが十分に理解されるべきである。例えば、そのような用途は、限定はしないが、スペクトル組織病理学及び細胞病理学、血液学、医薬品開発及び工程制御、生物兵器剤及び他の危険物質の検出、材料科学、並びに高分子科学開発を含むことができる。

【0024】

スペクトル画像化デバイス１２の構成要素の設計は、スペクトル画像化デバイス１２の所望の特性を達成するように変更することができる。１つの実施例では、スペクトル画像化デバイス１２は、サンプル１０を精査する（interrogate）ために可変（tunable）レーザ放射を使用する赤外線スペクトル画像化顕微鏡である。

【0025】

図１Ａに示した排他的でない実施例では、スペクトル画像化顕微鏡１２は、（ｉ）光照明ビーム１６を発生させ及び／又は放出する可変光源１４と、（ｉｉ）照明光学アセンブリ１８と画像化光学アセンブリ２４とを含む光学アセンブリ１７と、（ｉｉｉ）所望のビーム経路に沿って照明ビーム１６の方向を制御するビーム方向制御アセンブリ２０と、（ｉｖ）照明ビーム１６を二者択一で透過モード又は反射モードでサンプル１０に向けることができるようにユーザ（図示せず）によって制御される照明スイッチ２２と、（ｖ）ビーム・スプリッタ２６と、（ｖｉ）サンプル１０の出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及びスペクトル・キューブ１３を生成するために情報を獲得する画像センサ２８と、（ｖｉｉ）スペクトル画像化デバイス１２の構成要素の多くに電気的に接続され、それらを制御する制御システム３０とを含む。これらのデバイスのうちの１つ又は複数は、構成要素と呼ぶことがある。

【0026】

スペクトル画像化顕微鏡１２は、図１Ａで示したものよりも多い又は少ない構成要素で設計することができ、及び／又は構成要素は、図１Ａに示したもの以外の別の仕方で組織できることに留意されたい。例えば、スペクトル画像化顕微鏡１２は、異なる特性をもつ１つ又は複数の中赤外線対物レンズ・アセンブリ及び／又は中赤外線スペクトル範囲の外で働く１つ又は複数の対物レンズ・アセンブリを含む多位置レンズ・ターレット（図示せず）を含むことができる。追加として、例えば、光学アセンブリ１７は、照明光学アセンブリ１８なしで設計され得る。

【0027】

その上、スペクトル画像化デバイス１２は、出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃのうちの１つ又は複数を実時間で表示し、及び／又は続いてスペクトル・キューブ１３を表示する画像ディスプレイ３１（ボックスとして示されている）、例えばＬＥＤディスプレイを含むことができる。

【0028】

いくつかの実施例では、スペクトル画像化顕微鏡１２は、比較的高い解像度と、高い開口数（「ＮＡ」）と、比較的大きい視野（「ＦＯＶ」）とを有する。これは、比較的大きいサンプルからのデータの収集を見越している。これにより、サンプルが分析される速度が改善されることになる。１つの排他的でない実例として、スペクトル画像化顕微鏡１２は、１．３６μｍのサンプル参照画素サイズで、０．７のＮＡと、１２．５倍の倍率と、約６５０μｍ×６５０μｍのＦＯＶとを有することができる。

【0029】

いくつかの実施例では、可変光源１４は、サンプル１０を透過モード及び／又は反射モードで照明し分析するために使用することができる実質的に時間的にコヒーレントな照明ビーム１６（例えば、レーザ・ビーム）を放出するレーザ源を含む。照明ビーム１６は、光源１４からサンプル１０まで及びサンプル１０から画像センサ２８までのビーム経路に従う複数の照明光線１６Ａから構成される。さらに、照明光線１６Ａは、光源１４の所望の調整範囲内にある単一の離散的な中心光周波数を有することができる。代替として、光源１４は、所望の調整範囲内で照明光線１６Ａの離散的な中心光周波数を時間とともに変化させるように制御システム３０で制御することができる。

【0030】

いくつかの実施例では、光照明ビーム１６は、スペクトル画像化デバイス１２の所望のスペクトル分解能（デルタｖ、「Δｖ」で表される）以下のスペクトル幅を有する。スペクトル画像化デバイス１２の構築者は、所望のスペクトル分解能を選択し、それに応じてシステムを構築する。例えば、スペクトル画像化デバイス１２の所望のスペクトル分解能は、４ｃｍ^−１の波数（Δｖ＝４ｃｍ^−１）とすることができる。代替として、例えば、所望のスペクトル分解能は、波数２、３、４、４．１、５、５．２５、６、７、８、９、１０、又は１６ｃｍ^−１とすることができる。しかしながら、他の所望のスペクトル分解能を利用することができる。

【0031】

いくつかの排他的でない実施例では、可変光源１４は、中心光周波数が中赤外線（「ＭＩＲ」）範囲にある照明ビーム１６を直接発生させ放出する可変中赤外線光源である。この実例では、所望の調整範囲は、ＭＩＲ範囲である。さらに、本明細書で使用する「ＭＩＲ範囲」という用語は、波長が約２マイクロメートルと２０マイクロメートルとの間（２〜２０μｍ）、又は波数５０００から波数５００の間（５０００〜５００ｃｍ^−１）のスペクトル領域又はスペクトル帯を意味し含むものとする。中赤外線範囲は、サンプル１０を分光的に精査するのに特に有用であり、その理由は、ＭＩＲ範囲に基本振動モードを有し、したがって、ＭＩＲ範囲内に強力な独自の吸収サインを示す分子又は分子の群から多くのサンプル１０が構成されるからである。代替として、可変光源１４は、２０マイクロメートルを超えるか又は２マイクロメートル未満の中心光周波数を有する照明ビーム１６を発生させるように設計することができる。

【0032】

その上、代替の実施例では、可変光源１４は、パルスレーザ又は連続波（ＣＷ）レーザのいずれかとすることができる。パルス光源１４では、照明ビーム１６は、可変光源１４からサンプル１０まで及びサンプル１０から画像センサ２８までのビーム経路に従う照明光線１６Ａの複数のパルスを含むことになる。さらに、照明光線１６Ａのパルスは、ＭＩＲ範囲内にある離散的な中心光周波数を有することができる。

【0033】

いくつかの実施例では、光照明源１６Ａの離散的な中心光周波数は、所望のスペクトル範囲にわたってサンプル１０を分析するために、時間とともにＭＩＲ範囲の全体又は一部にわたり変化することができる。例えば、パルス光源１４では、光源１４は、ＭＩＲ範囲の全体又はほんの一部にわたる異なる離散的な中心光周波数を有する１組の連続する特定の光出力パルスからなる光照明ビーム１６を発生させるように調整することができる。例えば、光源１４は第１の位置に調整され、ほぼ同じ第１の中心光周波数（「第１の目標光周波数」）を有する１つ又は複数のパルスを発生させ得る。続いて、光源１４は第２の位置に調整され、第１の中心光周波数と異なる、およそ同一の第２の中心光周波数（「第２の目標光周波数」）を有する１つ又は複数のパルスを発生させ得る。次に、光源１４は第３の位置に調整され、第１及び第２の中心光周波数と異なる、およそ同一の第３の中心光周波数（「第３の目標光周波数」）を有する１つ又は複数のパルスを発生させ得る。このプロセスは、ＭＩＲ範囲の一部又は全体の至るところで複数の追加の目標光周波数に対して繰り返すことができる。排他的でない実例として、離散的な光周波数ごとのパルスの数は、１、５、１０、５０、１００、２００、５００、１０００、１００００、あるいはそれ以上とすることができる。代替として、可変光源１４は、目標光周波数ごとに連続波方式で動作することができる。

【0034】

スペクトル・キューブ１３を取得するために使用される１組における離散的な目標光周波数の数は、サンプル１０に応じて変わることもできる。排他的でない実例として、スペクトル・キューブ１３を取得するために利用される中赤外線範囲における離散的な目標光周波数の数は、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、４０、２００、２２６、４００、５５２、又は４０００とすることができる。本明細書において定められる「目標光周波数ステップ」という用語は、隣接する目標光周波数間の許容最小差を意味するものとする。代替の排他的でない実施例では、目標光周波数ステップは、波数約０．１、０．２、０．２５、０．３３、０．５、０．６７、０．７、１．０、２．０、４．０、８．０、又は１６とすることができる。

【0035】

いくつかの排他的でない実施例では、ＭＩＲ光源１４からの照明ビーム１６は、約０．０１、０．０５、０．１、０．２５、０．５、１．０、２．０、又は４ｃｍ^−１未満の光スペクトル半値幅（ＦＷＨＭ）を有する。

【0036】

いくつかの実施例では、制御システム３０は、照明ビーム１６が第１の目標光周波数を有するように調整されるように光源１４を制御することができ、制御システム３０は、サンプル１０が第１の目標光周波数で照明されている状態で第１の画像１３Ａを獲得するように画像センサ２８を制御することができる。続いて、制御システム３０は、照明ビーム１６が第２の目標光周波数を有するように調整されるように光源１４を制御することができ、制御システム３０は、サンプル１０が第２の目標光周波数で照明されている状態で第２の画像１３Ｂを獲得するように画像センサ２８を制御することができる。このプロセスは、目標光周波数ごとに、複数の画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが、注目する光周波数範囲にわたって収集されるまで繰り返され、それにより、スペクトル・キューブ１３が生成する。

【0037】

追加として、図１Ａの光源１４は、所望の中赤外線スペクトル範囲の一部又はすべてにわたる多数の個別のレーザを含むことができる。多数の個別のレーザを含む光源１４の説明は、２０１３年７月２３日に出願された「Laser Source With A Large Spectral Range」と題する米国特許出願第１３／９４９，１５９号に説明されている。許容される限り、米国特許出願第１３／９４９，１５９号の内容は参照により本明細書に組み込まれる。光源１４は、目標光周波数間を迅速に切り替えるために様々な方法を利用することができる。これらには、迅速な調整機構、異なるレーザ・モジュール間を切り替えるガルボ制御（galvo-controlled）ミラー、又は多数のレーザ・モジュールのスペクトル・ビーム組合せ技法及びそれに続くレーザ照明の時分割多重化などの技法が含まれる。

【0038】

１つの排他的でない実施例では、光源１４は、強固なレーザ・フレーム３２と、利得媒体３４と、キャビティ光学アセンブリ３６と、出力光学アセンブリ３８と、波長選択（「ＷＳ」）フィードバック・アセンブリ４０（例えば、可動回折格子）とを含む外部キャビティ・レーザである。

【0039】

利得媒体３４の設計は、本明細書で提供する教示に応じて変わり得る。１つの排他的でない実施例では、利得媒体３４は、周波数変換なしに照明ビーム１６を直接放出する。排他的でない実例として、利得媒体３４は半導体型レーザとすることができる。本明細書で使用する半導体という用語は、絶縁体よりも大きいが良導体よりも小さい導電率を有する任意の固体結晶性物質を含むものとする。より詳細には、いくつかの実施例では、利得媒体３４は、量子カスケード（ＱＣ）利得媒体、インターバンド・カスケード（ＩＣ）利得媒体、又は中赤外線ダイオードである。代替として、別のタイプの利得媒体３４を利用することができる。

【0040】

図１Ａにおいて、利得媒体３４は、（ｉ）キャビティ光学アセンブリ３６及びＷＳフィードバック・アセンブリ４０に面する第１のファセットと、（ｉｉ）出力光学アセンブリ３８に面する第２のファセットとを含む。この実施例では、利得媒体３４は両方のファセットから放出する。１つの実施例では、第１のファセットは反射防止（「ＡＲ」）コーティングで被覆され、第２のファセットは反射コーティングで被覆される。ＡＲコーティングにより、利得媒体３４から第１のファセットに向けられた光は、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０に向けられた照明ビームとして利得媒体３４を容易に出ていくことができ、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０から反射された照明ビームは、利得媒体３４に容易に入ることができる。

【0041】

照明ビーム１６は、第２のファセットから出ていく。第２のファセットの反射コーティングは、利得媒体３４から第２のファセットに向けられた光の少なくとも一部を反射して利得媒体３４に戻す。１つの排他的でない実施例では、ＡＲコーティングは、約２パーセント未満の反射率を有することができ、反射コーティングは、約２〜９５パーセントの間の反射率を有することができる。この実施例では、反射コーティングは、外部キャビティの出力カプラ（例えば、第１の端部）として働く。

【0042】

キャビティ光学アセンブリ３６は、利得媒体３４とＷＳフィードバック・アセンブリ４０との間にレージング軸に沿って位置づけられ、これらの構成要素間を進む光をコリメートし集束する。例えば、キャビティ光学アセンブリ３６は、単一のレンズ又は複数のレンズを含むことができる。例えば、レンズは、レージング軸に位置合わせされた光軸を有する非球面レンズとすることができる。１つの実施例では、所望の小さいサイズ及び可搬性を達成するために、レンズは比較的小さい直径を有する。レンズは、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、又はカルコゲナイド・ガラスの群から選択された材料を含むことができる。しかしながら、他の材料を利用することもできる。

【0043】

出力光学アセンブリ３８は、レージング軸に沿って位置づけられる。この設計では、出力光学アセンブリ３８は、利得媒体３４の第２のファセットを出ていく照明ビーム１６をコリメートし集束する。例えば、出力光学アセンブリ３８は、キャビティ光学アセンブリ３６のレンズと設計がやや類似している単一のレンズ又は複数のレンズを含むことができる。

【0044】

ＷＳフィードバック・アセンブリ４０は、光を反射して利得媒体３４に戻し、外部キャビティのレージング周波数（波長）及び照明ビーム１６の中心光周波数を正確に選択し調節するために使用される。別の言い方をすれば、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０を使用して、次いで利得媒体３４において増幅される比較的狭い帯域の光周波数を利得媒体３４にフィード・バックする。このようにして、照明ビーム１６は、利得媒体３４を調節することなくＷＳフィードバック・アセンブリ４０により調整することができる。したがって、本明細書で開示される外部キャビティ構成によって、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０は、どの光周波数が最大の利得を経験し、それにより、照明ビーム１６の光周波数を支配することになるかを決定する。

【0045】

ＷＳフィードバック・アセンブリ４０のいくつかの代替の実施例を利用することができる。図１Ａにおいて、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０は、利得媒体３４から離間され、外部キャビティの第２の端部を規定する。この実施例では、外部キャビティは、第２のファセットの出力カプラ（反射コーティング）からＷＳフィードバック・アセンブリ４０まで延びている。外部キャビティという用語は、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０が利得媒体３４の外に位置づけられていることを示すために利用される。

【0046】

いくつかの実施例では、ＷＳフィードバック・アセンブリ４０は、回折格子４０Ａと、利得媒体３４のレージング周波数及び照明ビーム１６の光周波数を調節するために回折格子４０Ａを選択的に移動させる（例えば、回転させる）回折格子ムーバ（grating mover）４０Ｂとを含む。回折格子４０Ａは、回折格子ムーバ４０Ｂの閉ループ制御を与えるエンコーダ４０Ｃで連続的にモニタすることができる。この設計により、照明ビーム１６の光周波数は、閉ループ方式で選択的に調節することができ、その結果、サンプル１０は、ＭＩＲ範囲の一部又は全体の至るところの、多くの異なる、正確な、選択的に調節可能な光周波数で画像化することができる。

【0047】

制御システム３０は、回折格子ムーバ４０Ｂへの電力と、利得媒体３４に向けられる電力（例えば、電子注入電流を制御することによって利得媒体３４を制御する）とを含む可変光源１４の動作を制御する。さらに、制御システム３０は、画像センサ２８を制御して、画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの獲得のタイミングを制御することができる。例えば、制御システム３０は、１つ又は複数のプロセッサ及び／又は記憶デバイスを含むことができる。

【0048】

正確なスペクトル・キューブ１３を収集するのに、レーザが調整されるとき光照明ビームの光周波数を正確に知ることを必要とされる。いくつかの実施例では、制御システム３０は、エンコーダ４０Ｃから受け取った位置信号に基づいて利得媒体３４に電力のパルスを導く。別の言い方をすれば、制御システム３０は、複数の代替デバイスの位置の各々の利得媒体３４に１つ又は複数の電力パルスを導くことができ、その結果、レーザは、離散的な目標光周波数の組を発生させる。この実施例では、制御システム３０は、各々の新しい位置信号を受け取った際、利得媒体３４に１つ又は複数の電力パルスを導くことができる。その結果として、パルスの特定の光周波数は、回折格子ムーバ４０Ｂの速度の変動による影響を受けないことになる。

【0049】

制御システム３０によって利得媒体３４に向けられる各電力パルスの期間を変えることもできる。代替の排他的でない実施例では、制御システム３０は、約１０、２５、５０、７５、１００、１５０、２００、３００、４００、５００、６００、又は７００ナノ秒の期間を有するように各電力パルスを制御することができる。

【0050】

ひとたび可変光源１４が照明ビーム１６を放出すると、照明ビーム１６は、サンプル１０の方に向けられ、サンプル１０は、照明ビーム１６によって適切に効果的に照明され得る。例えば、スペクトル画像化顕微鏡１２が透過モードで動作しているとき、照明ビーム１６は、サンプル１０を適切に効果的に照明するために、サンプル１０の方に向けられる。この実例では、サンプル１０を透過する照明光線１６Ａは、透過光線１６Ｔと呼ぶ（さらに、より明確に図１Ｂに示されている）。本明細書において以下でさらに詳細に論じるように、図１Ｂは、図１Ａのスペクトル画像化顕微鏡１２の光源１４から画像センサ２８までの照明ビーム１６の透過ビーム経路の簡単化した概略図であり、サンプル１０は、サンプル１０を通る照明ビーム１６の透過を介して精査される。

【0051】

別の実例では、スペクトル画像化顕微鏡１２が反射モードで動作しているとき、照明ビーム１６は、サンプル１０を適切に効果的に照明するために、サンプル１０の方に向けられる。この実例では、サンプル１０から反射された照明光線１６Ａは、反射光線１６Ｒと呼ぶ（さらに、図１Ｃにより明確に示されている）。本明細書において以下でさらに詳細に論じるように、図１Ｃは、図１Ａのスペクトル画像化顕微鏡１２の可変光源１４から画像センサ２８までの照明ビーム１６の代替の反射ビーム経路の簡単化した概略図であり、サンプル１０は、サンプル１０からの照明ビーム１６の反射を介して精査される。

【0052】

図１Ａに示した実施例において、透過モードで動作するとき、可変光源１４を出ていく照明ビーム１６は、照明光学アセンブリ１８の一部分、すなわち、透過照明光学アセンブリ１８Ｔ（図１Ｂにより明確に示されている）によりサンプル１０の方に向けられて、サンプル１０に当たる。１つの実施例では、透過照明光学アセンブリ１８Ｔは、照明ビーム１６をサンプル１０に向ける１つ又は複数の光学屈折要素、例えば、レンズ及び／又は窓（図１Ａには３つのそのような屈折要素が示されている）を含むことができる。さらに、いくつかの実施例では、屈折要素は、ＭＩＲの範囲で動作可能である。その上、本明細書において以下でさらに詳細に説明するように、本発明の教示に応じて、屈折要素は、波長依存ノイズ、例えば、寄生エタロン変調が、生成されつつあるサンプル１０の波長依存スペクトル画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの組から生じる画像品質及びスペクトルの光スペクトル分解能に悪影響を与えないようにする厚さ及び間隔（すなわち、分離）を有することができる。

【0053】

透過光学アセンブリ１８Ｔの光学要素間の間隔を満たす流体、例えば、空気又は別の好適な流体も、ＭＩＲの範囲で屈折性であり得る光学要素としても機能することが理解されるべきである。

【0054】

いくつかの実施例では、透過照明光学アセンブリ１８Ｔは、照明ビーム１６のサイズ及びプロファイルを変換して、すなわち、増大させて（拡大させて）又は減少させて、サンプル１０上の所望の透過照明区域に一致し、一斉に照明するように使用され得る。別の言い方をすれば、透過照明光学アセンブリ１８Ｔは、照明ビーム１６が、サンプル１０上で正しい又は所望のサイズ及びビーム・プロファイルを有するように照明ビーム１６を調整し集束させるのに使用され得る。いくつかの実施例では、サンプル１０の透過照明区域のサイズは、画像センサ２８及び画像化光学アセンブリ２４の設計に対応するように適合される。排他的でない実例として、所望の透過照明円形区域は、約５０、１００、２００、２５０、５００、６００、６５０、７００、１０００、又は２０００μｍの直径によって境界を定められる。

【0055】

図１Ａに示した実施例では、スペクトル画像化顕微鏡１２及び／又は照明光学アセンブリ１８は、反射モードで動作するとき、照明ビーム１６をサンプル１０に向けるための反射照明光学アセンブリ１８Ｒ（より明確に図１Ｃに示されている）も含むことができる。１つの実施例では、反射照明光学アセンブリ１８Ｒは、照明ビーム１６をサンプル１０に向ける１つ又は複数の光学屈折要素、例えば、レンズ及び／又は窓を含む。この実施例では、屈折要素は、ＭＩＲの範囲で動作可能とすることができる。その上、本明細書において以下でさらに詳細に説明するように、本発明の教示に応じて、屈折要素は、波長依存ノイズ、例えば、寄生エタロン変調が、生成されつつあるサンプル１０の波長依存スペクトル画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの組から生じる画像品質及びスペクトルの光スペクトル分解能に悪影響を与えないようにする厚さ及び間隔（すなわち、分離）を有することができる。

【0056】

追加として、いくつかの実施例では、反射照明光学アセンブリ１８Ｒは、照明ビーム１６のサイズ及びプロファイルを変換して、すなわち、増大させて（拡大させて）又は減少させて、サンプル１０上の所望の反射照明区域に一致するために使用され得る。別の言い方をすれば、反射照明光学アセンブリ１８Ｒは、照明ビーム１６が、サンプル１０上で所望のビーム・プロファイルを有するように照明ビーム１６を調整し集束させるのに使用され得る。排他的でない実例として、所望の反射照明区域は、近似的に、約５０、１００、２００、２５０、５００、６００、６５０、７００、１０００、又は２０００μｍの直径によって境界を定められた円形区域である。

【0057】

上記のように、ビーム方向制御アセンブリ２０は、照明ビーム１６が二者択一で透過モード又は反射モードで利用できるように照明ビーム１６の方向を制御するために利用される。ビーム方向制御アセンブリ２０の設計は変更することができる。１つの実施例では、ビーム方向制御アセンブリ２０は、照明ビーム１６の経路の向きを約９０度変えるように位置づけられる、複数のビーム方向制御部２０Ｔ、２０Ｒ１、２０Ｒ２、例えば、ミラー（所望の光周波数スペクトルで反射性の）を含む。代替として、ビーム方向制御アセンブリ２０は、異なる設計を有することができ、及び／又はビーム方向制御部２０Ｔ、２０Ｒ１、２０Ｒ２は、照明ビーム１６の経路の向きを約９０度よりも大きい又は小さい量だけ変えるように位置づけることができる。さらなる代替として、ビーム方向制御部２０Ｔ、２０Ｒ１、２０Ｒ２は、（ｉ）照明光学アセンブリ１８を補完するために、又は（ｉｉ）照明光学アセンブリ１８の一部又はすべてをなくすことを念頭に入れるために、照明ビーム１６を調整する湾曲ミラーを含むことができる。その上、ビーム方向制御アセンブリは、１つ又は複数の電気的に制御可能な角度調節器をさらに含むことができる。

【0058】

例えば、図１Ａに示した実施例において、透過モードで利用されるとき、照明ビーム１６は、サンプル１０の方に向けられる前は、単一の透過ビーム方向制御部２０Ｔにのみ当たる。追加として及び／又は代替として、この実施例において、反射モードで利用されるとき、照明ビームは、サンプル１０の方に向けられる前は、２つの反射ビーム方向制御部、すなわち、第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１及び第２の反射ビーム方向制御部２０Ｒ２に当たる。

【0059】

この実施例において、光源１４と透過ビーム方向制御部２０Ｔとの間に位置づけられる第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１は、第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１を照明ビーム１６の道筋から外に選択的に移動させるように制御することができる方向制御ムーバ２０Ｍを含むことが理解されるべきである。そのような設計により、スペクトル画像化デバイス１２が透過モードで使用されているとき、第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１は、照明ビーム１６が第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１に当たらないようにビーム経路の外に選択的に移動され得る。

【0060】

照明スイッチ２２により、スペクトル画像化顕微鏡１２を透過モードと反射モードとの間で選択的に切り替えることができる。特に、この実施例では、照明スイッチ２２は、第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１を照明ビーム１６の経路外に、すなわち、スペクトル画像化顕微鏡１２が透過モードで利用されているときに、移動させるために、又は第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１を照明ビーム１６の経路中に、すなわち、スペクトル画像化顕微鏡１２が反射モードで利用されているときに、移動させるために、方向制御ムーバ２０Ｍを選択的に作動させるために利用され得る。

【0061】

さらに、反射モードでは、図１Ａに示すように、照明ビーム１６は、ビーム・スプリッタ２６によりサンプル１０に向けられる。ビーム・スプリッタ２６の設計は、スペクトル画像化顕微鏡１２の特定の要件に適するように変更され得る。いくつかの実施例では、ビーム・スプリッタ２６、例えば、５０パーセント（５０％）ビーム・スプリッタは、照明ビーム１６の第１の部分の向きをサンプル１０の方に変え、照明ビーム１６の照明光線１６Ａの第２の部分（図示せず）を透過させることができる。照明ビーム１６の第２の部分は、その後、システムから離れるように向けられ、スペクトル画像化顕微鏡１２によって使用されない。ビーム・スプリッタ２６を通るこの第１のパスで発生する照明ビーム１６の第２の（又は廃棄される）部分は、見やすいようにするために図１Ａには示されていないことに留意されたい。

【0062】

いくつかの実施例では、ビーム・スプリッタ２６は、ＺｎＳｅ若しくはＧｅなどの様々な赤外線透過材料、又は他の材料から製作することができる。さらに、ビーム・スプリッタ２６は、一方の側が反射防止（ＡＲ）被覆されており、他方の側が部分的な反射のために被覆されているか又は被覆されていない両平面（plano-plano）ビーム・スプリッタとすることができる。ビーム・スプリッタ２６は、所望に応じて照明ビーム１６を変換するためにレンズ作用を備えることもできる。ビーム・スプリッタ２６は、照明ビーム１６のコヒーレントの性質に起因する第１及び第２の表面の干渉の効果を除去するように設計要素を組み込むこともできる。排他的でない実例として、表面干渉の効果を低減する設計要素には、（ビームの光周波数についての）反射防止コーティング、くさび型要素、及び／又は湾曲光学表面が含まれる。

【0063】

画像化光学アセンブリ２４は、スペクトル画像化顕微鏡１２の特定の要件に応じて任意の好適な設計を有することができる。照明ビーム１６の照明光線１６Ａがサンプル１０を透過モードで照明しているとき、サンプル１０を透過した透過光線１６Ｔの少なくとも一部分が、画像化光学アセンブリ２４によって受け取られ、画像センサ２８上に結像される。やや類似して、照明ビーム１６の照明光線１６Ａがサンプル１０を反射モードで照明しているとき、サンプル１０から反射された反射光線１６Ｒの少なくとも一部分が、画像化光学アセンブリ２４によって受け取られ、画像センサ２８上に結像される。別の言い方をすれば、画像化光学アセンブリ２４は、サンプル１０を透過した透過光線１６Ｔの少なくとも一部分又はサンプル１０から反射された反射光線１６Ｒの少なくとも一部分を受け取り、画像センサ２８上で画像を形成する。

【0064】

本明細書で用いるとき、「画像化光線（imaged rays）」１６Ｉという用語は、画像化光学アセンブリ２４によって集められ、画像センサ２８上に結像される透過光線１６Ｔ又は反射光線１６Ｒを意味するものとする。本明細書において定められるように、画像化光学アセンブリ２４は、サンプル１０の複数の点からの画像化光線１６Ｉを受け取り、画像センサ２８上に画像を形成する。

【0065】

１つの実施例では、画像化光学アセンブリ２４は、サンプル１０の画像を画像センサ２８上で形成するように協働する第１の屈折要素２４Ａ及び第２の屈折要素２４Ｂを含むことができる。代替として、画像化光学アセンブリ２４は、２つを超える屈折要素又は１つの屈折要素のみを含むことができる。

【0066】

１つの実施例では、第１の屈折要素２４Ａは、画像化光線１６Ｉを集め、画像化光線１６Ｉを画像センサ２８上に集束する対物レンズとすることができる。その上、図示のように、第１の屈折要素２４Ａは、サンプル１０と第２の屈折要素２４Ｂとの間に実質的に位置づけられる。追加的に、１つの実施例では、第２の屈折要素２４Ｂは、画像化光線１６Ｉを画像センサ２８に向けて投影する投影レンズとすることができる。その上、図示のように、第２の屈折要素２４Ｂは、第１の屈折要素２４Ａと画像センサ２８との間に実質的に位置づけられる。さらに、いくつかの実施例では、屈折要素２４Ａ、２４Ｂの各々は、ＭＩＲの範囲及び／又は照明ビーム１６の光周波数において屈折性とすることができる。さらに、屈折要素２４Ａ、２４Ｂの一方又は両方は、複合レンズとすることができる。その上、本明細書において以下でさらに詳細に説明するように、本発明の教示に応じて、屈折要素２４Ａ、２４Ｂは、波長依存ノイズ、例えば、寄生エタロン変調が、生成されつつあるサンプル１０の波長依存スペクトル画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの組から生じる画像品質及びスペクトルの光スペクトル分解能に悪影響を与えないようにする厚さ及び間隔（すなわち、分離）を有することができる。

【0067】

１つの実施例では、スペクトル画像化デバイス１２の各屈折要素は、ｔ≧１／（２ｎΔｖ）又はｔ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定される要素光学厚さｔを有し、隣接する屈折要素間の間隔（分離距離ｄ）は、ｄ≧１／（２ｎΔｖ）又はｄ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））のいずれかによって規定され、ここで、ｎはそれぞれの屈折要素の屈折率であり、Δｖは所望のスペクトル分解能であり、ｖ_１は所望の調整範囲の下限であり、ｖ_２は所望の調整範囲の上限である。代替として、各屈折要素は、ｔ≧１／（２ｎΔｖ）又はｔ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））の両方によって規定され、間隔（分離距離ｄ）は、ｄ≧１／（２ｎΔｖ）又はｄ≦１／（２ｎ（ｖ_２−ｖ_１））の両方によって規定される。

【0068】

屈折要素２４Ａと２４Ｂとの間の間隔と、屈折要素２４Ａ、２４Ｂと画像センサ２８との間の間隔とを満たす流体、例えば、空気又は別の好適な流体は、ＭＩＲの範囲で屈折性であり得る光学要素としても機能することが理解されるべきである。

【0069】

スペクトル画像化デバイス１２の屈折要素２４Ａ、２４Ｂの各々は、スペクトル画像化デバイス１２の所望の調整範囲において動作し、平凸、平凹、メニスカス、及び非球面などのタイプ、並びに他のタイプとすることができる。ＭＩＲの範囲の屈折レンズには、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、ＣａＦ、ＢａＦ、又はカルコゲナイド・ガラスなどの材料、及び他の材料を採用することができる。反射レンズは、楕円、放物面、又は他の形状とすることができる。反射表面は、二色コーティング、Ａｕ、Ａｇ、又は他の表面タイプとすることができる。

【0070】

さらに、図１Ａに示した実施例に示すように、画像化光学アセンブリ２４の第１の屈折要素２４Ａ及び第２の屈折要素２４Ｂによって集められ集束される画像化光線１６Ｉ、すなわち、透過光線１６Ｔ又は反射光線１６Ｒは、ビーム・スプリッタ２６に向けられる。この実施例では、ビーム・スプリッタ２６が５０パーセント（５０％）ビーム・スプリッタである場合、透過光線１６Ｔ又は反射光線１６Ｒは、（ｉ）画像センサ２８上で画像化される画像化光線１６Ｉと、（ｉｉ）画像センサ２８から離れて向けられる廃棄光線とに分割され得る。

【0071】

スペクトル画像化デバイス１２が透過モードで利用されているとき、照明スイッチ２２は、照明ビーム１６をサンプル１０の方に向けるのに、ビーム・スプリッタ２６を（この実施例において反射モードで必要とされるようには）必要としないので、透過光線１６Ｔの道筋の外に（ビーム経路外に）ビーム・スプリッタ２６を移動させるスプリッタ・ムーバ２６Ｍをさらに作動させ得ることがさらに理解されるべきである。

【0072】

様々な実施例において、画像センサ２８は、データ（画素ごとのデータ）の２次元配列を含む２次元画像を構築するために使用されるセンサの２次元アレイを含むことができる。加えて、画像センサ２８の設計は、照明ビーム１６、すなわち、画像化光線１６Ｉの光周波数範囲に対応するように変更することができる。例えば、ＭＩＲビーム１６では、画像センサ２８は、赤外光を感知し、その赤外光を、サンプルの画像を表す電子信号の配列に変換する画像センサを含む、赤外線カメラとすることができる。別の言い方をすれば、照明ビーム１６がＭＩＲの範囲にある場合、画像センサ２８はＭＩＲイメージャとすることができる。より具体的には、照明ビーム１６が２μｍから２０μｍの赤外線スペクトル領域にある場合、画像センサ２８は、２μｍから２０μｍの赤外線スペクトル領域に感度がある。

【0073】

好適な赤外線画像センサ２８の排他的でない実例には、（ｉ）一般に７μｍ〜１４μｍのスペクトル範囲に感受性がある、FLIR Tau 640赤外線カメラのＦＰＡなどの酸化バナジウム（ＶＯ_ｘ）及びアモルファス・シリコン・マイクロボロメータ・アレイ、（ｉｉ）７．７μｍ〜１１．５μｍのスペクトル範囲に感受性がある、FLIR Orion SC7000 Seriesカメラのものなどの水銀カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ又はＭＣＴ）アレイ、（ｉｉｉ）１．５μｍ〜５．５μｍのスペクトル範囲に感受性がある、FLIR Orion SC7000 Seriesカメラのものなどのインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）アレイ、（ｉｖ）インジウム・ガリウム・ヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、（ｖ）２μｍ〜２０μｍのスペクトル範囲に感受性があるＤＲＳからのＶＯ_ｘ及び他の材料を含む非冷却ハイブリッド・アレイ、又は（ｖｉ）２μｍ〜２０μｍの範囲の赤外光に感度があるように設計され、画像情報（データ）の２次元配列を生成するために各要素の信号レベルからの読み出しを可能にする電子機器回路を有する任意の他のタイプの画像センサが含まれる。

【0074】

１つの特定の実施例では、画像センサ２８は、照明ビーム１６の光周波数に感度がある光感受性要素（画素）の２次元アレイを含むマイクロボロメータである。別の言い方をすれば、１つの実施例では、画像センサ２８は、下にある基板から熱的に分離されている複数の小さいボロメータ画素要素を作り出すように製作された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである。画素要素間の間隔は、アレイのピッチと呼ばれる。排他的でない実例として、２次元アレイは、約６４０×４８０、３２０×２４０、４８０×４８０、８０×６０、１０８０×７２０、１２０×１２０、２４０×２４０、又は４８０×６４０画素を含むことができる。画素からの情報は出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、及び／又はスペクトル・キューブ１３を発生させるために使用することができることに留意されたい。

【0075】

スペクトル画像化デバイス１２の使用の間、サンプル１０とスペクトル・キューブとの画像の２次元データのスペクトル分解能及び品質を改善することが望まれる。より詳細には、様々な用途において、様々なノイズ源が、生成されつつあるサンプル１０の画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの２次元データの品質に悪影響を与えないようにすることが望ましい。別の言い方をすれば、そのような用途では、サンプル１０の比例的に変更された画像の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を改善することが望ましい。

【0076】

残念ながら、実システムでは、様々なランダムな及び系統的なノイズ源が存在し、減少した及び／又は望ましくないＳＮＲを引き起こすことがある。ランダムなノイズ源の実例には、限定はしないが、画像センサ２８の量子（ショット）及び熱（ジョンソン）ノイズと、照明源の振幅及び周波数揺らぎと、スペクトル画像化デバイス１２内に含まれる構成要素の透過率のランダムな揺らぎとが含まれる。系統的なノイズ源の実例には、限定はしないが、試行の間の光源の照明強度、周波数、及び方向指向のドリフトが含まれる。

【0077】

分光画像化システムにおける追加の波長依存ノイズ源は、スペクトル画像化デバイス１２内の屈折要素の表面及び縁部からの多重反射からの結果として生じ得る。レーザ又は光学的フィルタ処理された広帯域光源などの時間的にコヒーレントな光源１４を採用するスペクトル画像化デバイス１２では、多重反射ビームの複雑な電界がコヒーレント的に加算されて、強め合う干渉及び弱め合う干渉の結果として光周波数依存透過率が生じることになる。

【0078】

図２は、そのような多重反射が、画像センサ２２８により生成されるサンプル１０の画像（図２に図示せず）の品質に悪影響を与えることがある状況の実例を論じやすくする簡単化したスペクトル画像化デバイス２１２の図である。より詳細には、図２は、光源２１４からの照明ビーム２１６が屈折要素を透過するときに発生する反射２１５の簡単化した概略図である。１つの実例として、ビーム経路に沿った「ｔ」の物理的厚さと、各々が小さいが有限の反射率Ｒを有する２つの表面とを有する透明窓２４２がある。一般に、これらの表面は、機器の測定帯域内に含まれるすべての光周波数に対して反射率の大きさを最小にするように設計された反射防止コーティングで被覆される。しかしながら、システムのコストをかなり増加させることなく、光源の調整範囲の全体にわたって十分に低い表面の反射率値を達成することは実際には困難であり、それゆえに、若干の量の反射率は許容されなければならない。構成要素表面の小さいが有限の残留反射率の結果として、多重反射が画像感知デバイス２２８の像平面で合算されて、光周波数依存強度変調が生じることになる。この場合、窓２４２、例えば、屈折要素は、寄生ファブリ・ペロー・エタロン（ＦＰＥ）として働く。

【0079】

別の実例では、湾曲面と有限の厚さとを有するレンズ２４４、及び要素間の分離距離が、多重反射２１５の発生源としても働き、結果として望ましくない光周波数依存強度変調を生成することがある。レンズ２４４についての正確な光周波数依存強度変調特性は、ファブリ・ペロー・エタロンのものとは異なるが、ファブリ・ペロー・エタロンの一般的な原理は、物理的な原理の本質を捕らえている。

【0080】

図２に示した実例は非排他的であり、反射は、屈折要素間の空隙間隔を含む照明ビーム１６の経路中の屈折要素のうちのいずれかの結果として生じることがあることが理解されるべきである。

【0081】

図２に示した実施例では、エタロンの透過率は、照明ビーム２１６の光周波数（又は波長）と、屈折要素２４２の材料の屈折率（ｎ）と、屈折要素２４２への照明ビーム２１６の入射角（θ）と、屈折要素２４２の表面反射率（Ｒ）と、ビーム経路に沿った屈折要素２４２の物理的厚さ（ｔ）とに依存する。厚さ及び屈折率は温度依存があるので、それゆえに、透過率も周囲温度に依存する。

【0082】

ファブリ・ペロー・エタロンの光周波数依存性は、次のようなエアリー関数を使用して記述することができる。

【0083】

【数1】

【0084】

式（１）などにおいて、（ｉ）Ｔは透過率であり、（ｉｉ）Ｔ_ｍａｘは最大透過率であり、（ｉｉｉ）Ｆはフィネスであり、（ｉｖ）δはエアリー関数引数である。Ｔ_ｍａｘは、以下で与えられるように計算することができる。

【0085】

【数2】

【0086】

式（２）などにおいて、（ｉ）Ａは屈折要素の吸収率であり、（ｉｉ）Ｒは表面反射率である。

【0087】

フィネスＦは、以下のように計算することができる。

【0088】

【数3】

【0089】

さらに、エアリー関数引数δは、以下のように計算することができる。
δ＝２β 式（４）

【0090】

式（４）などにおいて、βは、以下のように計算することができるパラメータである。

【0091】

【数4】

【0092】

式（５）などにおいて、λは照明ビームの光周波数であり、Λは屈折要素の光学厚さである。光学厚さΛは、以下のように計算することができる。
Λ＝ｎ・ｔ 式（６）

【0093】

式（６）などにおいて、ｎは屈折要素の屈折率であり、ｔは屈折要素の物理的厚さである。したがって、材料の光学厚さΛ（要素を通る光路長）は、屈折要素の屈折率ｎと透明材料の物理的厚さｔとの積によって計算される。

【0094】

さらに、透過率関数の変調の光周波数周期Δν_ｍｏｄは、波数の単位（ｃｍ^−１）で以下のように表すことができる。

【0095】

【数5】

【0096】

したがって、透過率の変調は、光周波数空間において周期的であり、材料の光学厚さΛの２倍の逆数によって与えられる。さらに、変調の強度は、表面の反射率Ｒによって決まり、Ｒの小さい値（＜５％）の範囲では、ピーク・ツー・ピーク変調は、表面反射率の値のそれの約４倍である。それゆえに、２．５％の反射率を有する屈折要素、例えば窓では、ピーク・ツー・ピーク変調は、約１０％になり、ＳＮＲを約１０：１に制限することになる。近似として、屈折要素の変調は、その中心厚さによって与えられる等価厚さ（ｔ）をもつファブリ・ペロー・エタロンとしてそれを扱うことによって推定することができる。

【0097】

図３は、３つの別の反射率Ｒを有する屈折要素について透過率対波数を示す簡単化したグラフである。曲線３０２（短い破線）は０．１の反射率（Ｒ＝０．１）を有する屈折要素についての透過率対波数をプロットしており、曲線３０４（長い破線）は０．４の反射率（Ｒ＝０．４）を有する屈折要素についての透過率対波数をプロットしており、曲線３０６（実線）は０．９の反射率（Ｒ＝０．９）を有する屈折要素についての透過率対波数をプロットしている。

【0098】

図３において、透過率の変調の光周波数周期Δν_ｍｏｄは、波数１０ｃｍ^−１に等しい。しかしながら、透過率の変化の量は、反射率Ｒに基づいて著しく変化している。

【0099】

本明細書において定められるように、バックグラウンド規格化が実行されない場合、この屈折要素に関連する透過率変調は、スペクトル・データのＳＮＲを直接に損ない、画像に望ましくない人為的結果を生成することになる。この影響を緩和する１つの方法は、スペクトル・キューブのバックグラウンド・スペクトル・キューブとの比をとることである。この手法は、光周波数依存成分変調及び光源光周波数が実施ごとに高度に反復的である場合、効果的である。しかしながら、実際には、システムの寄生エタロンの光学厚さは、システムの環境温度、圧力、又は応力の変化に起因してわずかな量だけ変化することになり、それは、時間への正確な依存性が先験的に分かっていない透過率関数に小さいが重要な変化を引き起こす。また、コヒーレント光源の光周波数は、確率的なレーザ動力学又は調整機構の不完全性のために実施ごとに変化する可能性がある。光源光周波数又は寄生エタロン変調関数のいずれかにおけるこれらの小さい差が、透過率値に変化をもたらし、それゆえに、システムによって獲得される比例的に変更された画像のＳＮＲを制限することになる。したがって、さらなる技法が、システムのＳＮＲを改善するために必要とされる。

【0100】

図４Ａは、ノイズのすべてがスペクトル画像化デバイスから排除された場合に画像センサによって獲得されることになるサンプルの理想的な画像４０２を示す。しかしながら、各屈折要素は、獲得画像にノイズを作り出すことになる。本明細書において定められるように、所与の材料、反射率、及び光周波数に対して、より厚い屈折要素は、画像キューブに高いフーリエ空間周波数のスペクトルの人為的結果を生成し、一方、より薄い屈折要素は、画像に、低いフーリエ空間周波数のスペクトルの人為的結果を生成する。図４Ｂは、薄い屈折要素が光路中に存在する場合に画像センサによって獲得されることになる、サンプルの第１の理想的でない画像４０４（図４Ａからの画像にノイズを表す「Ｎ」が加えられたもの）を示す。図４Ｂは、薄い要素がシステムに使用されている場合、結果として生じる第１の理想的でない画像４０４は、理想的な画像４０２に、薄い屈折要素（薄い寄生エタロン）の結果として導入されるスペクトル・ノイズを加えたものとある程度等価になることになる概念を示す。

【0101】

図４Ｃは、厚い屈折要素が光路中に存在する場合に画像センサによって獲得されることになる、サンプルの第２の理想的でない画像４０６（図４Ａからの画像にノイズを表す「Ｎ」が加えられたもの）を示す。図４Ｃは、厚い要素がシステムに使用されている場合、結果として生じる第２の理想的でない画像４０６は、理想的な画像４０２に、厚い屈折要素（厚い寄生エタロン）の結果として導入されるスペクトル・ノイズを加えたものとある程度等価になることになる概念を示す。

【0102】

図５Ａは、０．５ミリメートルの光学厚さ（Λ＝０．５ｍｍ）を有する屈折要素の透過率変調を示す第１の曲線５００（実線）と、４ミリメートルの光学厚さ（Λ＝４ｍｍ）を有する屈折要素の透過率変調を示す第２の曲線５０２（短いダッシュ）とを含む、光周波数空間における透過率対波数のグラフである。この実例では、反射率（２．５％）及び材料は、両方の屈折要素について同じである。唯一の差は光学厚さである。曲線５００を曲線５０２と比較すると、光周波数空間において、透過率変調は、より厚い要素よりもより薄い要素で最大値間の周期がより長い。

【0103】

スペクトル画像化デバイスの屈折要素（例えば、光路中のレンズ及び他の要素）によって引き起こされる寄生エタロンの影響を分析する有用な方法は、センチメートル（ｃｍ）という逆波数の単位を有する逆フーリエ周波数空間において光周波数変調関数を検討することである。これは、図５Ａからのエタロンの変調伝達関数にフーリエ変換を適用することによって達成することができる。より具体的には、図５Ｂは、０．５ミリメートルの光学厚さ（Λ＝０．５ｍｍ）を有する屈折要素の透過率変調を示す第１の曲線５０４（実線）と、４ミリメートルの光学厚さ（Λ＝４ｍｍ）を有する屈折要素の透過率変調を示す第２の曲線５０６（短いダッシュ）とを含む、フーリエ空間におけるフーリエ空間パワー・スペクトル密度（「ＰＳＤ」）対フーリエ空間周波数を示すグラフである。再び、この実例では、反射率（２．５％）及び材料は、両方の屈折要素について同じである。唯一の差は光学厚さである。

【0104】

曲線５０４を曲線５０６と比較すると、フーリエ空間周波数において、より薄い屈折要素の透過率変調は、０センチメートルの近くに集中しており、より厚い屈折要素の透過率変調は、フーリエ空間に沿って広がって、０センチメートルの近くに集中していない。さらに、屈折要素が光学的により薄い（０．５ｍｍ対４ｍｍ）場合、寄生エタロンのフーリエ周波数空間成分はより小さい。

【0105】

上で与えられたように、スペクトル画像化デバイス１２は、所望のスペクトル分解能の逆数であるフーリエ空間測定通過帯域５０８（「通過帯域」とも呼ばれる）を含む。１つの実施例では、通過帯域５０８の上限Ａ及び下限Ｂは、Ａ＝１／（２Δｖ）及びＢ＝−１／（２Δｖ）によって与えられ、ここで、Δｖは、スペクトル画像化デバイスが達成するように設計された所望のスペクトル分解能である。例えば、この排他的でない実例では、所望のスペクトル分解能は、４ｃｍ^−１である（Δｖ＝４ｃｍ^−１）。それゆえに、この排他的でない実施例のフーリエ測定通過帯域は、それぞれ、フーリエ空間０．１２５ｃｍ（２ｃｍ^−１）及び−０．１２５ｃｍ（−２ｃｍ^−１）に通過帯域５０８の上限Ａ及び下限Ｂを有することになる。

【0106】

図５Ｂに示すように、変調のフーリエ空間表示は、より薄いエタロンは０．２５ｃｍの一般的な測定通過帯域内に非ｄｃ成分を生成することを示している。

【0107】

図５Ａ及び図５Ｂの両方を参照すると、より薄い屈折要素（Λ＝０．５ｍｍ）は、通過帯域５０８内にきっちりと入るフーリエ成分（曲線５０４）を有し、一方、より厚い屈折要素（Λ＝４ｍｍ）のフーリエ成分（曲線５０６）の多くは、通過帯域５０８の外になっている。

【0108】

図６Ａは、スペクトル画像化デバイスについての光周波数空間６００の簡単化した図である。図６Ａは、スペクトルの測定範囲６０７、所望のスペクトル分解能Δｖ、スペクトル帯の下限ｖ_１、及びスペクトル帯の上限ｖ_２も示す。

【0109】

図６Ｂは、通過帯域６０８を含む、スペクトル画像化デバイスの対応するフーリエ空間６０２の簡単化した図である。本明細書において定められるように、通過帯域６０８は、スペクトル画像化システムの有限の光周波数範囲に起因してフーリエ空間６０２の原点の近くに存在する、通過帯域６０８中の間隙６１０を含む。間隙６１０のために、通過帯域６０８は、離間して、間隙６１０によって分離されている、負のフーリエ空間区画６１２と正のフーリエ空間区画６１４とを含む。

【0110】

この間隙６１０は、式Ｃ＝１／（２（ｖ_２−ｖ_１））により決定される上限Ｃと、式Ｄ＝−１／（２（ｖ_２−ｖ_１））により決定される下限Ｄとを有し、ここで、ｖ_２及びｖ_１は、分光画像化システムによって扱われる光周波数範囲の上限及び下限である。さらに、上述で与えられたように、通過帯域５０８の上限Ａ及び下限Ｂは、Ａ＝１／（２Δｖ）及びＢ＝−１／（２Δｖ）によって与えられる。

【0111】

１つの排他的でない実施例において、９００〜１８００ｃｍ^−１のスペクトル範囲を扱い、４ｃｍ^−１のスペクトル分解能を有するＩＲ画像化システムでは、通過帯域は、４つの以下の値、すなわち、Ａ＝１．２５ｍｍ、Ｂ＝−０．１２５ｍｍ、Ｃ＝＋５．５５μｍ、及びＤ＝−５．５μｍを有することになる。

【0112】

本明細書において定められるように、スペクトル画像化デバイスの構成は、寄生エタロン変調フーリエ空間成分が、測定通過帯域６０８の負のフーリエ空間区画６１２及び正のフーリエ空間区画６１４の外になるように調節し設計されることができる。これは、寄生エタロンの光学厚さが、負のフーリエ空間区画６１２及び正のフーリエ空間区画６１４の外にあるように、スペクトル画像化デバイスの屈折要素を設計し位置づけることによって達成することができる。

【0113】

図６Ｂは、（ｉ）第１の寄生エタロン成分６２０のフーリエ空間成分（破線の矢印で示されている）、（ｉｉ）第２の寄生エタロン成分６２２のフーリエ空間成分（破線の矢印で示されている）、（ｉｉｉ）第３の寄生エタロン成分６２４のフーリエ空間成分（破線の矢印で示されている）、及び（ｉｖ）第４の寄生エタロン成分６２６のフーリエ空間成分（破線の矢印で示されている）を含む最適化されていない設計を示す。この最適化されていない設計では、（ｉ）第１及び第２のエタロン成分６２０、６２２は、通過帯域６０８の負のフーリエ空間区画６１２にあり、（ｉｉ）第３及び第４のエタロン成分６２４、６２６は、通過帯域６０８の正のフーリエ空間区画６１４にある。

【0114】

本明細書において定められるように、スペクトル画像化デバイスの構成は、（ｉ）第１及び第２のエタロン成分６２０、６２２を通過帯域６０８の負のフーリエ空間区画６１２から外に、及び（ｉｉ）第３及び第４のエタロン成分６２４、６２６を通過帯域６０８の正のフーリエ空間区画６１４から外に移動させるように調節し設計することができる。より詳細には、スペクトル画像化デバイスの構成は、（ｉ）第１のエタロン成分６２０を実線矢印６３０で示すように通過帯域６０８の負のフーリエ空間区画６１２の外に、（ｉｉ）第２のエタロン成分６２２を実線矢印６３２で示すように通過帯域６０８の負のフーリエ空間区画６１２の外で間隙６１０の中に、（ｉｉｉ）第３のエタロン成分６２４を実線矢印６３４で示すように通過帯域６０８の正のフーリエ空間区画６１４の外で間隙６１０の中に、及び（ｉｖ）第４のエタロン成分６２６を実線矢印６３６で示すように通過帯域６０８の正のフーリエ空間区画６１４の外にシフトさせ移動させるように調節することができる。

【0115】

別の言い方をすれば、スペクトル画像化デバイスの屈折要素の構成は、（ｉ）第１及び第４の寄生エタロン成分６２０、６２６のフーリエ空間成分を通過帯域上限及び下限よりも高くに移動させるのに十分な厚さであるか、又は（ｉｉ）第２及び第３の寄生エタロン成分６２２、６２４のフーリエ空間成分を正及び負の通過帯域領域の間に押すのに十分な薄さである。図６Ｂにおいて、破線矢印６２０、６２２、６２４、６２６は、シフト前の寄生エタロン成分を示し、一方、実線矢印はシフト後の寄生エタロン成分６３０、６３２、６３４、６３６を示している。

【0116】

したがって、いくつかの実施例において、システムを適切に設計することによって、寄生エタロン成分６２０、６２２、６２４、６２６は、寄生エタロンの光経路長を１／２Δｖよりも大きくさせることによって動作通過帯域の外にシフトされる。中赤外線分光画像化システムの典型的なパラメータ値の排他的でない実例は、Δｖ＝４ｃｍ^−１、ｖ_１＝９００ｃｍ^−１、ｖ_２＝１８００ｃｍ^−１である。この実例では、フーリエ空間において、これらのパラメータは、それぞれ、＋５．５６μｍから＋１２５０μｍ及び−５．５６μｍから−１２５０μｍの正及び負の通過帯域範囲を作り出す。

【0117】

図１Ｂに戻ると、上記のように、図１Ｂは、スペクトル画像化顕微鏡１２の光源１４からの照明ビーム１６の透過ビーム経路５０の簡単化した概略図であり、サンプル１０は、サンプル１０を通る照明ビーム１６の透過を介して精査される。特に、図１Ｂは、サンプル１０が透過モードで精査されているときに利用されるスペクトル画像化顕微鏡１２の様々な構成要素を示す。サンプル１０が反射モードで精査されているときに利用されるだけのスペクトル画像化顕微鏡１２の追加の構成要素は、見やすいようにし説明を容易にするために図１Ｂから省略されていることが理解されるべきである。

【0118】

図１Ｂに示すように、透過モードで利用される場合、スペクトル画像化顕微鏡１２の構成要素は、照明ビーム１６を発生させ及び／又は放出する光源１４と、透過ビーム方向制御部２０Ｔと、画像センサ２８と、透過照明光学アセンブリ１８Ｔ及び画像化光学アセンブリ２４を構成するような屈折要素を含む様々な光学要素、例えば、屈折要素とを含む。本明細書で利用するとき、透過照明光学アセンブリ１８Ｔ及び画像化光学アセンブリ２４を構成する屈折要素を含むそのような光学要素は、全体的に、「透過光学アセンブリ」と呼ぶことができる。

【0119】

より詳細には、図示のように、透過光学アセンブリは、（ｉ）第１の屈折要素４６Ａ、例えば、窓、（ｉｉ）第２の屈折要素４６Ｂ、例えば、屈折レンズ、（ｉｉｉ）第３の屈折要素４６Ｃ、例えば、窓、（ｉｖ）例えば、サンプル１０、及び／又はサンプル１０のために利用できる任意のスライドを含む第４の屈折要素４６Ｄ、（ｖ）第５の屈折要素４６Ｅ、例えば、画像化光学アセンブリ２４の第１の屈折レンズ２４Ａ、（ｖｉ）第６の屈折要素４６Ｆ、例えば、画像化光学アセンブリ２４の第２の屈折レンズ２４Ｂ、及び（ｖｉｉ）第７の屈折要素４６Ｇ、例えば、画像センサ２８の近くに及び／又は前に位置づけられた窓を含むことができる。その上、屈折要素４６Ａ〜４６Ｇの各々は、互いに離間され、並びに光源１４及び透過ビーム方向制御部２０Ｔから離間される。

【0120】

この実施例に示すように、透過モードで使用される場合、照明ビーム１６の透過ビーム経路５０は、光源１４から、第１の屈折要素４６Ａへ、第２の屈折要素４６Ｂへ、透過ビーム方向制御部２０Ｔへ、第３の屈折要素４６Ｃへ、第４の屈折要素４６Ｄ（サンプル１０を含む）へ、第５の屈折要素４６Ｅへ、第６の屈折要素４６Ｆへ、第７の屈折要素４６Ｇへ、そして最後に画像センサ２８へと続く。

【0121】

追加として、本明細書において定められるように、屈折要素４６Ａ〜４６Ｇの各々の厚さ、並びに構成要素の各々の間の間隔（本明細書では「分離距離」とも呼ぶ）は、屈折要素４６Ａ〜４６Ｇの各々及び分離距離の各々についての透過率関数のフーリエ空間成分が測定通過帯域から外れるように具体的に設計される。例えば、（ｉ）第１の屈折要素４６Ａは第１の要素光学厚さｔ_１を有し、（ｉｉ）第２の屈折要素４６Ｂは第２の要素光学厚さｔ_２を有し、（ｉｉｉ）第３の屈折要素４６Ｃは第３の要素光学厚さｔ_３を有し、（ｉｖ）第４の屈折要素４６Ｄは第４の要素光学厚さｔ_４を有し、（ｖ）第５の屈折要素４６Ｅは第５の要素光学厚さｔ_５を有し、（ｖｉ）第６の屈折要素４６Ｆは第６の要素光学厚さｔ_６を有し、（ｖｉｉ）第７の屈折要素４６Ｇは第７の要素光学厚さｔ_７を有し、それらは各々測定通過帯域から外れている透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計される。

【0122】

さらに、（ｉ）光源１４と第１の屈折要素４６Ａとの間の第１の分離距離ｄ_１、（ｉｉ）第１の屈折要素４６Ａと第２の屈折要素４６Ｂとの間の第２の分離距離ｄ_２、（ｉｉｉ）第２の屈折要素４６Ｂと透過ビーム方向制御部２０Ｔとの間の第３の分離距離ｄ_３、（ｉｖ）透過ビーム方向制御部２０Ｔと第３の屈折要素４６Ｃとの間の第４の分離距離ｄ_４、（ｖ）第３の屈折要素４６Ｃと第４の屈折要素４６Ｄとの間の第５の分離距離ｄ_５、（ｖｉ）第４の屈折要素４６Ｄと第５の屈折要素４６Ｅとの間の第６の分離距離ｄ_６、（ｖｉｉ）第５の屈折要素４６Ｅと第６の屈折要素４６Ｆとの間の第７の分離距離ｄ_７、及び（ｖｉｉｉ）第６の屈折要素４６Ｆと第７の屈折要素４６Ｇとの間の第８の分離距離ｄ_８は、また、各々、測定通過帯域から外れている透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計される。

【0123】

追加として、上記のように、図１Ｃは、スペクトル画像化顕微鏡１２の光源１４からの照明ビーム１６の反射ビーム経路５２の簡単化した概略図であり、サンプル１０は、サンプル１０からの照明ビーム１６の反射を介して精査される。特に、図１Ｃは、サンプル１０が反射モードで精査されているとき利用されるスペクトル画像化顕微鏡１２の様々な構成要素を示す。サンプル１０が透過モードで精査されているときに利用されるだけのスペクトル画像化顕微鏡１２の追加の構成要素は、見やすいようにし説明を容易にするために図１Ｃから省略されていることが理解されるべきである。

【0124】

図１Ｃに示すように、反射モードで利用されるとき、スペクトル画像化顕微鏡１２の構成要素は、照明ビーム１６を発生させ及び／又は放出する光源１４と、反射ビーム方向制御部２０Ｒ１、２０Ｒ２と、画像センサ２８と、ビーム・スプリッタ２６並びに反射照明光学アセンブリ１８Ｒ及び画像化光学アセンブリ２４を構成するような屈折要素を含む様々な光学要素、例えば、屈折要素とを含む。本明細書で利用するとき、ビーム・スプリッタ２６、並びに反射照明光学アセンブリ１８Ｒ及び画像化光学アセンブリ２４を構成する屈折要素を含むそのような光学要素は、全体的に、「反射光学アセンブリ」と呼ぶことができる。

【0125】

より詳細には、図示のように、反射光学アセンブリは、（ｉ）第１の屈折要素４６Ａ、例えば、窓、（ｉｉ）第８の屈折要素４６Ｈ、例えば、屈折レンズ、（ｉｉｉ）第９の屈折要素４６Ｉ、例えば、ビーム・スプリッタ２６、（ｉｖ）例えば、サンプル１０、及び／又はサンプル１０のために利用できる任意のスライドを含む第４の屈折要素４６Ｄ、（ｖ）第５の屈折要素４６Ｅ、例えば、画像化光学アセンブリ２４の第１の屈折レンズ２４Ａ、（ｖｉ）第６の屈折要素４６Ｆ、例えば、画像化光学アセンブリ２４の第２の屈折レンズ２４Ｂ、及び（ｖｉｉ）第７の屈折要素４６Ｇ、例えば、画像センサ２８の近くに及び／又は前に位置づけられた窓を含むことができる。その上、屈折要素４６Ａ、４６Ｄ〜４６Ｉの各々は、互いに離間され、並びに光源１４及び反射ビーム方向制御部２０Ｒ１、２０Ｒ２から離間される。

【0126】

この実施例に示すように、反射モードで使用される場合、照明ビーム１６の反射ビーム経路５２は、光源１４から、第１の屈折要素４６Ａへ、第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１へ、第２の反射ビーム方向制御部２０Ｒ２へ、第８の屈折要素４６Ｈへ、第９の屈折要素４６Ｉ（ビーム・スプリッタ２６）へ、第６の屈折要素４６Ｆへ、第５の屈折要素４６Ｅへ、第４の屈折要素４６Ｄ（サンプル１０を含む）へ、戻って第５の屈折要素４６Ｅへ、第６の屈折要素４６Ｆへ、第９の屈折要素４６Ｉ（ビーム・スプリッタ２６）へ、第７の屈折要素４６Ｇへ、そして最後に画像センサ２８へと続く。

【0127】

追加として、本明細書において定められるように、屈折要素４６Ａ、４６Ｄ〜４６Ｉの各々の厚さ、並びに構成要素の各々の間の間隔（すなわち、「分離距離」）は、屈折要素４６Ａ、４６Ｄ〜４６Ｉの各々及び分離距離の各々についての透過率関数のフーリエ空間成分が測定通過帯域から外れるように具体的に設計される。例えば、（ｉ）第１の屈折要素４６Ａは第１の要素光学厚さｔ_１を有し、（ｉｉ）第４の屈折要素４６Ｄは第４の要素光学厚さｔ_４を有し、（ｉｉｉ）第５の屈折要素４６Ｅは第５の要素光学厚さｔ_５を有し、（ｉｖ）第６の屈折要素４６Ｆは第６の要素光学厚さｔ_６を有し、（ｖ）第７の屈折要素４６Ｇは第７の要素光学厚さｔ_７を有し、（ｖｉ）第８の屈折要素４６Ｈは第８の要素光学厚さｔ_８を有し、（ｖｉｉ）第９の屈折要素４６Ｉは第９の要素光学厚さｔ_９を有し、それらは各々測定通過帯域から外れている透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計される。

【0128】

さらに、（ｉ）光源１４と第１の屈折要素４６Ａとの間の第１の分離距離ｄ_１、（ｉｉ）第１の屈折要素４６Ａと第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１との間の第９の分離距離ｄ_９、（ｉｉｉ）第１の反射ビーム方向制御部２０Ｒ１と第２の反射ビーム方向制御部２０Ｒ２との間の第１０の分離距離ｄ_１０、（ｉｖ）第２の反射ビーム方向制御部２０Ｒ２と第８の屈折要素４６Ｈとの間の第１１の分離距離ｄ_１１、（ｖ）第８の屈折要素４６Ｈと第９の屈折要素４６Ｉとの間の第１２の分離距離ｄ_１２、（ｖｉ）第４の屈折要素４６Ｄと第５の屈折要素４６Ｅとの間の第６の分離距離ｄ_６、（ｖｉｉ）第５の屈折要素４６Ｅと第６の屈折要素４６Ｆとの間の第７の分離距離ｄ_７、及び（ｖｉｉｉ）第９の屈折要素４６Ｉと第７の屈折要素４６Ｇとの間の第１３の分離距離ｄ_１３は、また、各々、測定通過帯域から外れている透過率関数のフーリエ空間成分を有するように設計される。

【0129】

追加として、本明細書において定められるように、いくつかの実施例では、スペクトル画像化デバイス１２における構成要素の位置（すなわち、間隔）及び様々な構成要素の設計（すなわち、厚さ）は、寄生エタロン変調が通過帯域の外で生じるのを保証するように調節し設計することができる。

【0130】

以下に示す表１は、スペクトル画像化顕微鏡１２のための設計基準に適合する実現可能な要素間分離距離（「ｄ_１」から「ｄ_１４」）及び要素光学厚さ（「ｔ_１」から「ｔ_９」）の１つの排他的でない実例を提供する。表１の数値は、実施例の各々において、すなわち、透過モード及び反射モードの各々において４ｃｍ^−１のスペクトル分解能を与えるように設計されているスペクトル画像化顕微鏡１２に基づいていることに留意されたい。追加として、分離距離及び要素光学厚さは、スペクトル画像化顕微鏡１２の設計及び特性が変更された場合、寄生エタロン成分を望ましく管理するために表１に具体的に与えられたものと異なる必要がある場合があることに留意されたい。

【0131】

【表1】

【0132】

追加として、本明細書において定められるように、寄生エタロン成分の影響は、他の独特な方法で低減し管理することができる。例えば、図１Ａを参照すると、上で与えられたように、スペクトル画像化デバイス１２は、複数の異なる目標光周波数において別個の出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを生成するように制御され得る。この設計により、各目標光周波数は、対応する出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを含む。続いて、制御システム３０は出力画像１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを使用して、スペクトル・キューブ１３を生成する。

【0133】

ノイズは光周波数に依存するので、本明細書において定められるように、目標光周波数ごとに、スペクトル画像化デバイス１２は、目標光周波数に近いか又は等しい光周波数で複数の予備画像を獲得することができる。続いて、目標光周波数ごとに、対応する複数の予備画像を使用して、その目標光周波数でのノイズを低減した対応する出力画像を生成することができる。

【0134】

図７Ａは、光周波数対時間を示すグラフである。本明細書において定められるように、制御システム３０（図１Ａに示されている）は可変光源１４（図１Ａに示されている）を制御して、時間とともに第１の光周波数から第１１の光周波数まで階段状パターンで変化する中心光周波数を有する照明ビーム１６（図１Ａに示されている）を発生させることができる。やや類似して、図７Ｂは、光周波数対時間を示すグラフである。この実例では、制御システム３０（図１Ａに示されている）は可変光源１４（図１Ａに示されている）を制御して、時間とともに第１の光周波数から第１１の光周波数まで直線的に変化する中心光周波数を有する照明ビーム１６（図１Ａに示されている）を発生させる。光周波数は、図７Ａ及び図７Ｂに示したもの以外の別の方法で調節できることに留意されたい。

【0135】

これらの実例では、第１から第１１の光周波数は、各々、スペクトル画像化デバイス１２（図１Ａに示されている）の所望の調整範囲内にある。さらに、これらの簡単化した実例では、（ｉ）時間１において、照明ビーム１６は、１の中心光周波数を有し、（ｉｉ）時間２において、照明ビーム１６は、２の中心光周波数を有し、（ｉｉｉ）時間３において、照明ビーム１６は、３の中心光周波数を有し、（ｉｖ）時間４において、照明ビーム１６は、４の中心光周波数を有し、（ｖ）時間５において、照明ビーム１６は、５の中心光周波数を有し、（ｖｉ）時間６において、照明ビーム１６は、６の中心光周波数を有し、（ｖｉｉ）時間７において、照明ビーム１６は、７の中心光周波数を有し、（ｖｉｉｉ）時間８において、照明ビーム１６は、８の中心光周波数を有し、（ｉｘ）時間９において、照明ビーム１６は、９の中心光周波数を有し、（ｘ）時間１０において、照明ビーム１６は、１０の中心光周波数を有し、（ｘｉ）時間１１において、照明ビーム１６は、１１の中心光周波数を有する。

【0136】

光周波数のうちの１つ又は複数は、目標光周波数７５３Ａ、７５３Ｂ、７５３Ｃであることができることに留意されたい。この排他的でない実例では、光周波数３、６、及び９が目標光周波数７５３Ａ、７５３Ｂ、７５３Ｃである。

【0137】

図７Ｃは、目標光周波数７５３Ａ、７５３Ｂ、７５３Ｃ（図７Ａ及び図７Ｂに示されている）ごとに別個の出力画像７１３Ａ、７１３Ｂ、７１３Ｃを発生させるのに使用することができる複数の予備画像７５１Ａ、７５１Ｂ、７５１Ｃ、７５１Ｄ、７５１Ｅ、７５１Ｆ、７５１Ｇ、７５２Ｈ、７５１Ｉ、７５１Ｊ、７５１Ｋを示す。

【0138】

この簡単化した実例において、図７Ａ〜図７Ｃを参照すると、スペクトル画像化デバイス１２（図１Ａに示されている）は、（ｉ）（時間＝１において）第１の中心光周波数を有する照明ビーム１６（図１Ａに示されている）でサンプル１０（図１Ａに示されている）を照明している間に第１の予備（「サンプリング」）画像７５１Ａを獲得し、（ｉｉ）（時間＝２において）第２の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第２の予備画像７５１Ｂを獲得し、（ｉｉｉ）（時間＝３において）第３の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第３の予備画像７５１Ｃを獲得し、（ｉｖ）（時間＝４において）第４の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第４の予備画像７５１Ｄを獲得し、（ｖ）（時間＝５において）第５の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第５の予備画像７５１Ｅを獲得し、（ｖｉ）（時間＝６において）第６の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第６の予備画像７５１Ｆを獲得し、（ｖｉｉ）（時間＝７において）第７の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第７の予備画像７５１Ｇを獲得し、（ｖｉｉｉ）（時間＝８において）第８の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第８の予備画像７５１Ｈを獲得し、（ｉｘ）（時間＝９において）第９の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第９の予備画像７５１Ｉを獲得し、（ｘ）（時間＝１０において）第１０の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第１０の予備画像７５１Ｊを獲得し、（ｘｉ）（時間＝１１において）第１１の中心光周波数を有する照明ビーム１６でサンプル１０を照明している間に第１１の予備画像７５１Ｋを獲得するように制御される。

【0139】

続いて、スペクトル画像化デバイス１２は、予備（「サンプリング」）画像７５１Ａ〜７５１Ｋのうちの１つ又は複数を使用して、目標光周波数７５３Ａ、７５３Ｂ、７５３Ｃごとの別個の目標出力画像７１３Ａ、７１３Ｂ、７１３Ｃを発生させる。別個の出力画像７１３Ａ、７１３Ｂ、７１３Ｃを発生させるのに使用される予備画像７５１Ａ〜７５１Ｋの数は変わり得る。排他的でない実例として、２、３、４、５、６、７、又は８個の予備画像７５１Ａ〜７５１Ｋを使用して、出力画像７１３Ａ、７１３Ｂ、７１３Ｃの各々を発生させることができる。一般に、利用される予備画像７５１Ａ〜７５１Ｋは、目標光周波数の近くで、又は目標光周波数で獲得される。

【0140】

１つの実例において、５つの予備画像７５１Ａ〜７５１Ｋが使用される場合、（ｉ）第１から第５の予備画像７５１Ａ〜７５１Ｅを使用して、光周波数３の目標光周波数７５３Ａについての出力画像７１３Ａを発生させ、（ｉｉ）第４から第８の予備画像７５１Ｄ〜７５１Ｈを使用して、光周波数６の目標光周波数７５３Ｂについての出力画像７１３Ｂを発生させ、（ｉｉｉ）第７から第１１の予備画像７５１Ｇ〜７５１Ｋを使用して、光周波数９の目標光周波数７５３Ｃについての出力画像７１３Ｃを発生させる。

【0141】

多数の予備画像を組み合わせてそれぞれの出力画像を発生させるために使用される方法は変わり得る。１つの排他的でない実施例では、対応する多数の予備画像は、低域通過フィルタを通過させられて、それぞれの出力画像を発生させる。別の言い方をすれば、それぞれの予備画像の各画素のスペクトル応答に低域通過フィルタをその後適用して、ノイズがより少ない、スペクトル分解能のより低い出力スペクトル画像を生成する。この実例では、（ｉ）第１から第５の予備画像７５１Ａ〜７５１Ｅを低域通過フィルタを通過させて、光周波数３の目標光周波数７５３Ａについての出力画像７１３Ａを発生させ、（ｉｉ）第４から第８の予備画像７５１Ｄ〜７５１Ｈを低域通過フィルタを通過させて、光周波数６の目標光周波数７５３Ｂについての出力画像７１３Ｂを発生させ、（ｉｉｉ）第７から第１１の予備画像７５１Ｇ〜７５１Ｋを低域通過フィルタを通過させて、光周波数９の目標光周波数７５３Ｃについての出力画像７１３Ｃを発生させる。

【0142】

排他的でない実例として、低域通過フィルタは、移動平均又はガウス・フィルタのいずれかと、オプションとして、引き続いて、間引き（decimation）によるサブサンプリングとを利用することができる。１つのそのような方法は、収集されたデータ点の単純平均を実行することである。別の方法は、データ・セットから極値を除去した後、データ点の単純平均を実行することである。極値は、例えば、集合の二乗平均平方根の、事前定義された倍数の外に入るものとして定義することができる。別の方法は、データ・セットにわたってチェビシェフ・フィルタなどの低域通過フィルタを通すことである。低域通過フィルタは、光周波数空間又はフーリエ周波数空間において適用されることができ、データ集合とバックグラウンド・データ集合との間で任意の比を取る前又はその後で実行することができる。

【0143】

予備画像が獲得される第１から第１１の光周波数の各々の間のサンプリング光周波数のサンプリング周期（又は光周波数サンプリング・レートの逆数）は、本明細書で提供する教示に応じて変わり得ることに留意されたい。いくつかの実施例では、光周波数ステップのサイズは、サンプリング・レートの逆数である。１つの実施例では、光周波数ステップのサイズは、ビーム経路に沿って含まれる寄生エタロンの光周波数依存透過率関数のフーリエ周波数成分のエイリアシングを測定通過帯域に生じさせないように十分に小さい。例えば、光周波数ステップのサイズは、スペクトル画像化デバイス１２において、ビーム経路中の屈折要素の最短の自由スペクトル領域を有する屈折要素の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を２で除算したもの以下とすべきである。

【0144】

別の言い方をすれば、いくつかの実施例において、この方法が効果的であるためには、測定通過帯域への偽スペクトル信号のエイリアシングを阻止するために、サンプリング・レートは十分に高く、サンプリング周期Δｖ_{ｓａｍｐｌｉｎｇ}は十分に小さくなければならない。本明細書で使用する「サンプリング・レート」という用語は、光周波数サンプリング周期の逆数を意味するものとし、「サンプリング周期」という用語は、光周波数サンプリング周期Δｖ_{ｓａｍｐｌｉｎｇ}を意味するものとする。エイリアシングは、偽スペクトル信号のフーリエ周波数成分を通過帯域の外から測定通過帯域中にシフトさせることがある。そのような場合には、フィルタ処理による偽信号の除去を達成することができるが、システムのスペクトル分解能を犠牲にしており、それは望ましくない。排他的でない実例として、光周波数サンプリング周期は、近似的に、０．１〜１０ｃｍ^−１の範囲内であり得、０．１、０．２５、０．３３、０．５、０．６７、０．７、１．０、１．５、２．０、２．５、３．３３、５．０、及び１０ｃｍ^−１の特定の値とすることができる。

【0145】

本明細書において与えられるように、寄生エタロンは、その自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の整数倍で繰り返すフーリエ成分を有し、波数単位で１／２ｎＬによって与えられる。各偽成分が通過帯域の外に確実に入るようにするために、測定サンプルは、寄生エタロンに関連するＦＳＲの少なくとも半分ほどの光学的間隔Δｖ_{ｓａｍｐｌｉｎｇ}の隔たりで収集されるべきである。ＦＳＲは、また、スペクトル分解能が偽信号のフィルタ処理によって損なわれないようにシステムの最小スペクトル分解能Δｖよりも小さくすべきである。

【0146】

Δｖ_{ｓａｍｐｌｉｎｇ}≦ＦＳＲ／２≦Δｖ 式（８）

【0147】

さらに別の言い方をすれば、制御システム３０は、目標光周波数の近くで、その隣接するサンプリング光周波数が光周波数のステップだけ離間され、サンプリング光周波数のステップは、ビーム経路に沿って含まれる寄生エタロンの光周波数依存透過率関数のフーリエ成分のエイリアシングを測定通過帯域に生じさせないように十分小さい、１組の離散的サンプリング光周波数を発生させるように可変光源１４を制御する。さらに、制御システムは、離散的サンプリング光周波数ごとに別個の２次元サンプリング画像を獲得するか又は構築するように画像センサを制御し、制御システムは、離散的サンプリング光周波数ごとの別個の２次元サンプリング画像を使用して、目標光周波数についてのサンプルの目標出力画像を構築する。

【0148】

本明細書において定める「サンプリング光周波数のステップ」という用語は、隣接するサンプリング光周波数間の許容最小差を意味するものとする。代替の排他的でない実施例では、サンプリング光周波数のステップは、約０．１、０．２、０．２５、０．３３、０．５、０．６７、０．７、１．０、２．０、４．０、８．０、又は１６の波数とすることができる。この実例では、目標光周波数のステップ（目標光周波数間の差）はサンプリング光周波数のステップよりも大きい。

【0149】

要約すれば、本明細書において与えられるように、寄生エタロン成分の影響は、離散的サンプリング、フィルタ処理、及び間引きによって低減され管理されることができる。最初に、複数の予備（「サンプリング」）画像が獲得される。続いて、予備画像をフィルタ処理して、より低いスペクトル分解能の画像を作り出し、その画像は、オプションとして、サブサンプリングされて（例えば、間引きを介して）、今はオーバーサンプリングされているものから冗長な情報を除去することができる。このように、スペクトル画像の集合が、所望の測定周波数の近くの多数の離散的な光周波数で獲得される。次に、データ点のこの集合を数学的にフィルタ処理して、単一のより高い忠実度のデータ点が生成される。

【0150】

図８Ａ及び図８Ｂは、寄生エタロンによって引き起こされたコヒーレント・ノイズを、離散的サンプリング、フィルタ処理、及び後続の間引きによってフィルタ処理する方法をさらに論じるのに有用である。光周波数サンプリング周期は、指示によって設定され、測定通過帯域へのエイリアシングに起因するスペクトル漏洩を導入しないように十分細かくなるように選ばれる。

【0151】

より具体的には、図８Ａは、（ｉ）第１の厚さ（例えば、ｔ＝４ｍｍ）を有する第１の屈折要素にとっての第１の寄生エタロン成分の変調８０２（破線で示されている）と、（ｉｉ）第１の厚さよりも小さい第２の厚さ（例えば、ｔ＝０．５ｍｍ）を有する第２の屈折要素にとっての第２の寄生エタロン成分の変調８０４（実線で示されている）を示す、光周波数空間における透過率対波数のグラフである。この実例では、第１の要素は、第２の要素よりも長い光路を有する。図８Ａのグラフは、（ｉ）４．１ｃｍ^−１でサンプリングされた第１の寄生エタロン成分１０１２の離散的サンプリングを表す円と、（ｉｉ）第２のエタロン成分の離散的サンプリングを表す黒ドットとを含む。排他的でない実例として、サンプリング間隔は４．１ｃｍ^−１である。

【0152】

図８Ｂは、フーリエ空間周波数におけるグラフであり、グラフは、（ｉ）第１の屈折要素（例えば、ｔ＝４ｍｍ）の第１の寄生エタロン成分の変調８０６（グレーの実線で示されている）と、（ｉｉ）第２の光学要素（例えば、ｔ＝０．５ｍｍ）の第２の寄生エタロン成分の変調８０８（黒い実線で示されている）とを示す。また、図８Ｂのグラフは、（ｉ）４．１ｃｍ^−１でサンプリングされた第１の寄生エタロン成分の離散的サンプリング８１０（グレーの破線で示されている）と、（ｉｉ）４．１ｃｍ^−１でサンプリングされた第２のエタロン構成要素の離散的サンプリング８１２（黒い破線で示されている）を含む。

【0153】

通過帯域８１４（例えば、０．２５０ｃｍの通過帯域）もまた、図８Ｂに示されている。第１の屈折要素（ｔ＝４ｍｍ）の４．１ｃｍ^−１での不十分なサンプリングにより、第１の寄生エタロン成分のフーリエ成分が通過帯域８１４に漏洩することがあることに留意されたい。

【0154】

図９は、光周波数空間における、サンプリングされた未処理の信号データ９０２（グレーの線で示されている）と、サンプリングされフィルタ処理された信号データ９０４（黒い線で示されている）とのグラフである。図９から分かるように、寄生エタロン成分によって引き起こされた信号データ９０２の変動は、ライン９０４で見られるように、サンプリング、フィルタ処理、及び後続の間引きによって大幅に低減されている。したがって、本明細書において定められるように、寄生エタロンによって生成されるコヒーレント・ノイズは、離散的サンプリング及びフィルタ処理によってフィルタ処理され得る。

【0155】

さらなる別の実施例では、本明細書において与えられるように、出力画像における偽のスペクトルの人為的結果の減少を、高速光源周波数変調及び実時間検出器平均化により達成することもできる。別の言い方をすれば、ノイズの減少は、迅速に変化する中心光周波数又は目標光周波数（光周波数）の近くの光周波数を有する照明ビーム１６を発生させるように光源１４を迅速に調整し、光周波数（光周波数）の変動の間、画像センサ２８により出力画像をゆっくり獲得することによって達成され得る。この設計により、目標光周波数（光周波数）ごとに、スペクトル画像化デバイス１２は、それぞれの出力画像を獲得する間、照明ビームの光周波数（光周波数）をディザリングすることができる。

【0156】

図１０Ａは、光周波数対時間を示すグラフである。本明細書において与えられるように、制御システム３０（図１Ａに示されている）は可変光源１４（図１Ａに示されている）を制御して、時間とともに第１の光周波数から第１０の光周波数まで及び戻って第１の光周波数まで階段状パターンで変化する中心光周波数を有する照明ビーム１６（図１Ａに示されている）を発生させることができる。やや類似して、図１０Ｂは、光周波数対時間を示すグラフである。この実例では、制御システム３０（図１Ａに示されている）は可変光源１４（図１Ａに示されている）を制御して、時間とともに第１の光周波数から第１０の光周波数まで及び戻って第１の光周波数まで直線的に変化する中心光周波数を有する照明ビーム１６（図１Ａにおいて示されている）を発生させることができる。光周波数は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したもの以外の別の方法で調節できることに留意されたい。

【0157】

これらの実例では、第１から第１０の光周波数は、各々、スペクトル画像化デバイス１２（図１Ａに示されている）の所望の調整範囲内にある。さらに、これらの簡単化した実例では、（ｉ）時間１において、照明ビーム１６は、１の中心光周波数を有し、（ｉｉ）時間２において、照明ビーム１６は、２の中心光周波数を有し、（ｉｉｉ）時間３において、照明ビーム１６は、３の中心光周波数を有し、（ｉｖ）時間４において、照明ビーム１６は、４の中心光周波数を有し、（ｖ）時間５において、照明ビーム１６は、５の中心光周波数を有し、（ｖｉ）時間６において、照明ビーム１６は、６の中心光周波数を有し、（ｖｉｉ）時間７において、照明ビーム１６は、７の中心光周波数を有し、（ｖｉｉｉ）時間８において、照明ビーム１６は、８の中心光周波数を有し、（ｉｘ）時間９において、照明ビーム１６は、９の中心光周波数を有し、（ｘ）時間１０において、照明ビーム１６は、１０の中心光周波数を有し、（ｘｉ）時間１１において、照明ビーム１６は、９の中心光周波数を有し、（ｘｉｉ）時間１２において、照明ビーム１６は、８の中心光周波数を有し、（ｘｉｉｉ）時間１３において、照明ビーム１６は、７の中心光周波数を有し、（ｘｉｖ）時間１４において、照明ビーム１６は、６の中心光周波数を有し、（ｘｖ）時間１５において、照明ビーム１６は、５の中心光周波数を有し、（ｘｖｉ）時間１６において、照明ビーム１６は、４の中心光周波数を有し、（ｘｖｉｉ）時間１７において、照明ビーム１６は、３の中心光周波数を有し、（ｘｖｉｉｉ）時間１８において、照明ビーム１６は、２の中心光周波数を有し、（ｘｉｖ）時間１９において、照明ビーム１６は、１の中心光周波数を有する。

【0158】

光周波数のうちの１つ又は複数は、目標光周波数１０５３とできることに留意されたい。この排他的でない実例では、光周波数５は、目標光周波数１０５３である。

【0159】

図１０Ｃは、照明ビーム１６（図１Ａに示されている）が、第１から第１０の光周波数まで（第１のサイクル）、及び戻って第１０の光周波数から第１の光周波数まで（第２のサイクル）繰り返される間に獲得された出力画像１０１３を示す。この簡単化した実例では、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照すると、スペクトル画像化デバイス１２（図１Ａに示されている）は、照明ビーム１６の中心光周波数が、１と１０との光周波数の間で２度繰り返されて変えられる（ディザリングされる）間に、光周波数５の目標光周波数１０５３についての出力画像１０１３を獲得するように制御される。代替として、可変光源１４は、出力画像１０１３を獲得する間に光周波数を１サイクルのみ又は２サイクルを超えてディザリングするように制御され得る。排他的でない実例として、サイクルの数は、画像センサによる画像の獲得時間の間に約１、２、３、４、５、１０、２０、４０、５０、１００、又はそれを超えるサイクル（しかし、所望のサイクルの数は１０より多い）とすることができる。

【0160】

いくつかの実施例では、制御システム３０（図１Ａに示されている）は可変光源１４（図１Ａに示されている）を変調して、目標光周波数の近くに１組の離散的な変調光周波数を発生させ、Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}＝±ηΔｖ／２の規定を満たす最大光周波数変調Δｖ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}を目標光周波数設定点のまわりに生成するようにでき、ここで、ηは０．１以上で１００以下の値を有する定数であり、Δｖは所望のスペクトル分解能である。さらに、この実施例では、画像センサ２８（図１Ａに示されている）は、周波数変調よりも大きい獲得時間の間、出力画像を獲得する。

【0161】

排他的でない実例として、獲得時間の間、変調光周波数の目標光周波数のまわりでディザリングの量は、約±０．１、０．２５、０．３３、０．５、１、２、３、４、５、６、７、１０、又はそれを超える波数とすることができる。

【0162】

要約すれば、制御システムは、可変光源を変調して、目標光周波数のまわり及びそれを通して１組の離散的な変調光周波数を光周波数変調速度で発生させることができ、画像センサは、光周波数変調速度の逆数よりも長い獲得時間の間、目標出力画像を獲得するように制御され得る。

【0163】

図１１は、（ｉ）典型的なレーザ出力ビームの狭い光周波数分布（発明者等が無視しようとしている干渉よりも狭いライン）の概略図を有する上方のグラフ１１１０と、（ｉｉ）出力ビームの非常に広い光周波数分布（シルクハットに近似される理想的に広げられたレーザ・ライン）の概略図を有する中間のグラフ１１１２と、（ｉｉｉ）比較的短い期間に発生されたエネルギーの複数の狭い光周波数パルスの概略図（スペクトル帯Δｖを満たす所望の時間平均光周波数分布を生成するために、中心値が時間とともに正しいペースでシフトされるレーザ・ライン）を有する下方のグラフ１１１４とを含む。したがって、本明細書において定められるように、レーザ・ラインの動的光周波数変調を使用して（レーザをディザリングして）、レーザ源の出力を外的に広げて、所望の時間平均光周波数分布１１１６（破線）を生成することができる。

【0164】

したがって、本明細書において与えられるように、寄生エタロンの変調は、レーザ源の高速光周波数変調及び実時間検出器平均化によってフィルタ処理され得る。これには、寄生エタロンを均し、結果として生じる画像品質及びスペクトル忠実度を改善するという効果がある。この実施例は、異なる光周波数で多数のフレームを取得することと、雑音を除去するためのデジタル信号処理の実施が不必要になるので、コヒーレント照明によるライブ・ビデオの離散的周波数画像化に独特の利点を有する。多くの場合、注目するフィーチャは、狭い線幅よりも広い。追加として、寄生エタロンは、注目するフィーチャよりも細くすることができる。したがって、空間ドメインにおいて縞パターンとしてそれ自体現われる不要なスペクトル雑音を、広い光周波数を使用する（例えば、時間とともに光周波数を変調する）ことによって平均することは有利であり得る。これは、ＣＷレーザ又はパルスレーザのいずれかで行うことができる。

【0165】

図１２Ａは、本明細書において提供されるノイズ低減方法なしに獲得された画像１２１０である。この画像１２１０は、画像１２１０の品質に悪影響を及ぼす複数の縞を含んでいることに留意されたい。

【0166】

図１２Ｂは、本明細書において提供されるスペクトル画像デバイス１２を使用した獲得画像１２１２である。図１２Ｂの画像１２１２は、縞による影響が少ない。

【0167】

スペクトル画像化デバイス１２のいくつかの異なる実施例を、本明細書で図示し説明したが、任意の１つの実施例の１つ又は複数の特徴は、そのような組合せが本発明の意図を満たすならば、他の実施例のうちの１つ又は複数の１つ又は複数の特徴と組み合わせることができることが理解されよう。

【0168】

本明細書で詳細に図示し開示したような特定のスペクトル画像化デバイス１２は、完全に、目的を達成し、本明細書で前に述べた利点を提供することができるが、それは、本発明の現在の好ましい実施例のうちの一部の単なる例示であることと、添付の特許請求の範囲に記載されたもの以外の本明細書に示された構成又は設計の細部に限定されるものではないこととを理解されたい。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12A】

【図12B】