JP4707653B2 - 静的マルチモードマルチプレックス分光法のための方法及びシステム - Google Patents
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Description
1.空間的に分散された光学検出器アレイ。各検出器は異なるなスペクトル感度を有してもよく、また、それに関連して、異なるスペクトルフィルタを有してもよい。
2.ターゲットとされるスペクトル感度設計。検出器アレイを接続下もののスペクトル感度は、効率的で正確なスペクトル密度の推定または化学種密度の推定が可能なように設計されている。ある場合では、量子ドット検出器やフォトニック結晶構造体のように、分散されたスペクトル感度をランダムに実現してもよい。他の場合では、薄膜フィルタや体積ホログラムフィルタのように、スペクトル感度を積極的に設計してターゲットの分析を実現する。
3.検出器アレイデータからターゲットもしくはスペクトルを推定するためのアルゴリズム
本発明の一実施形態によれば、拡散光源の各空間点のスペクトル成分は別々に測定、分析してもよい。拡散光源における各点のスペクトル測定値を得るために、元素検出器とフィルタからなるアレイを使用してもよい。この元素検出器とフィルタからなるアレイは、各点から放射するスペクトルエネルギーを識別できるように、光源近辺に配置されてもよい。各点から放射するスペクトルエネルギーは別々に分析、使用することにより、拡散光源の平均スペクトル等の特性を計算することができる。拡散光源の各点から放射したスペクトルエネルギーを別々に分析する手順は、各点に対して局所的なスペクトル測定値を得ているので、ここでは局所モデルと呼ばれる。
のようなh−1(ν,l)が存在すると仮定すると、S○(ν)は以下の式を用いて推定することができる。
が選択される場合もある。この場合積分の輪郭はY軸に沿った線となる。そして、以下の測定値が得られる。
の形のベクトルm●との間でリニアな形を採る。形式上、リニアでない概算アルゴリズム(nonlinear estimation algorithms)によって再現性が向上する場合があっても、ターゲットスペクトルを
として見積もることもある。階数Hがs●の成分の数より小さい場合、ベクトルの成分が負であってはならないことや、ターゲット光源がアクティブなチャンネルの離散数からなることなどのターゲットの制約と組み合わせた非線形技術が、ターゲットの推定に必要となる。
式(1)は、領域がスペクトル的にフィルタリングされたものをある点で取り込むことができると仮定している。拡散光源の各点において、ある領域のスペクトル的にフィルタリングされたものを得ることは、ナノ構造電子回路または非同次原子システムを静的フィルタアレイ102内に実装することにより達成することができる。例えば、空間的に局所化したスペクトル射影を実現する量子ドット分光計[5]を以下に詳細に説明する。他の実施形態では、光源の各空間上の点をファイバに集中させ、各ファイバの出力にある静的干渉計を用いて射影を取り込むことにより、スペクトル射影を取り込んでもよい。しかしながら、この手法は結果的に扱いにくく、複雑であり、製造が難しいものになるであろう。拡散光源の個々の点でスペクトル射影を取り込むための実現方法の一例を、以下に続く「実現方法」と表示されたセクションに詳細に説明する。
等の正規直交関数である。
上述のように、本発明はMMSを用いて入力面I(ν,r)上の強度分布の平均スペクトルを推定してもよい。相互スペクトル密度に換算すると、この入力強度は
である。
であり、関数ψn(r,ν)は必ずしも直交系でなくてもよい[6]。MMSは以下の式の測定値を記録する。
であり、かつ
である。
となる。モードのスペクトル成分は互いに大いに相関があると仮定して、
であると仮定することができる。ここで、
と仮定すると、
となる。
MMS設計の目的は、式(10)が逆変換のためにうまく調整されるようなセンサーを生成することである。よって、上述の局所モデルと同様に、ソフトウェア106は式(4)を用いて拡散光源の平均スペクトルを推定してもよい。
本発明に係るMMSシステムはまた、化学種あるいは生物学的種の直接測定としてモデル化してもよい。ci(r)が位置rでのスペクトル種iの濃度を表すと仮定する。また、種iがスペクトルsi(ν)を発生させると仮定する。MMSシステムは、様々な位置rでのスペクトル位置を測定する。位置rでの全スペクトルは
となる。測定値は以下の式を採る。
ここで
である。測定値は、閉空間内(すなわち
、ここでAjはj個目のセンサーの表面積)で積分された離散デジタルサンプルとみなされ、かつセンサーで観測されたような濃度分布が平均を表すと仮定される場合、濃度と測定値の間での変換は
の式の形を採る。この変換は平均濃度ci○に対してリニアに可逆であってもよい。しかし、ほとんどの場合、測定値は上方からあるいは下方から濃度を制限する。これらの場合、部分的最小二乗法(Partial Least Square:PLS)として周知のアルゴリズムを用いて1つ以上のターゲット濃度を推定してもよい[7−11]。
分光計は、分散性または多重性(マルチプレックス)及び走査型または静止型のように、種々のクラスにさらに分割してもよい[12]。分散性分光計は色チャンネルを選別し、同型検出をおこなう検出器もしくは検出器アレイへ渡す。マルチプレックス分光計はスペクトルチャンネルや時間チャンネルの線形合成を測定する。マルチプレックスデータのアレイを反転させてスペクトル密度を推定する。走査型分光計は、回転格子や可動ミラーのように、光学的性質の機械的変換または電気光学変換によって機能する。静的干渉計は、波長もしくはマルチプレックス測定値を静的センサーアレイ上にマッピングすることにより、全スペクトルを一回の工程で取り込む。線形検出器アレイに基づく静的格子分光計はかねてよりずっと入手可能であったが、一方、静的マルチプレックス分光計はここ10年間の間に出現してきたものである[13−22]。
一実施形態において、静的フィルタ/干渉計アレイ102及び検出器アレイ104を二光束干渉計を用いて実現してもよい。マイケルソン型、マッハツェンダー型、サニャック型、もしくは複屈折系等の二光束干渉計は、光源をビームスプリッターまたは偏光器で分離して、検出器で再び合成する。二光束干渉計は走査型フーリエ変換分光計として長い間使用されてきた。このようなことを実施するには、干渉計のアームに沿った相対光路を走査し、その光信号を時間遅延の関数として測定する。光源面から干渉計の出力面への変換が投影されている場合、これらの機器は、各画素が高分解能スペクトルを含む「超スペクトル」カメラとして機能する。過去10年間以上、「静的」フーリエ変換干渉計に対する重要性が高まってきている。静的干渉計では、シングルショットでスペクトルを測定する[8−13,15,17]。静的干渉計の長所は、機械部品にあまり依存しないこと、コンパクトで安定して動作すること、及びコストが抑えられることが挙げられる。
、及びτは一定である。システムの設計は、これらのパラメータ、サンプリング点、そして、式(11)で定義された測定値の積分領域を選択することからなる。
である。本発明に係る静的MMSの目的の1つは、平均スペクトルを測定することであり、この場合それは
であり、
はklmn'のセンサー面に平行な成分である。
が|klmn'|と関連することが可能であると仮定できる範囲でS○(ν)を推定してもよい。Sp(u,τ)における空間周波数分解能が1/Aなので、klmnの長手方向の帯域幅が1/Aより小さければ不明瞭な点はないという結果になる。S○(ν)を推定する際のスペクトル分解能はc/Aとなるので、単純な二光束干渉計の場合、スペクトル分解能及びエタンデュは反比例の関係となる。単純な静的干渉計は、光源とセンサー面の間の影像伝達やセンサー面内での回転があるとしても、高スペクトル分解能と高エタンデュを同時に維持することはできない。この課題を克服するために、次のセクションでは別の設計を考察する。
本発明の一実施形態に係るマルチモードマルチプレックス分光法に適した静的二光束干渉計の一例を図5に示す。図5に示すように、干渉計500は、ビームスプリッター502と、検出器514から互いに異なる距離に配置された複数のミラー504〜512を有する。さらに、干渉計500はミラー516及び結像光学系518,520を含んでいる。ビームスプリッター502は、受信信号の光の強度を分割するのに適当なタイプのものであれば、どのようなビームスプリッターでもよい。ミラー504〜512は、光エネルギーを反射することが可能な適当なタイプのものであれば、どのようなミラーでもよい。ミラー504〜512は好ましくは、各検出器が拡散光源522上の各点に対して生成した干渉パターンが異なるように、検出器514から互いに異なる距離に配置されている。ミラー516は、入射エネルギーをビームスプリッター502へ反射する適当なタイプのものであれば、どのようなミラーでもよい。結像光学系518,520は、ミラー516及び検出器アレイ514上に光源522の点を射影させるレンズとすることができる。検出器アレイ514は、光エネルギーの検出が可能ないずれの適当な検出器とすることができる。
式(15)で表される形の測定値を用いてS○(ν)を推定することが持つ課題は、Γ(r,r',τ)に対するサンプリング手法を修正することで対処することができる。最も直接的な手法はτの関数としてサンプリングすることである。実時間遅延は、導波や影像によって領域に導入することができる。導波方法は、異なるファイバ干渉計で光源面の各点を結合することなどが挙げられる。
MMSにフィルタを用いる手法は、式(1)に示す形の測定を直接行おうとするものである。先のセクションで述べたように、測定は離散的な形で実施される。本発明の実施形態とともに使用するのに適したフィルタリング手法の検出器アレイの一例を図7Aに示す。図7Aに示すように、複数のフィルタ700は光源面702上に位置している。検出器704は各フィルタ700上に位置していてもよい。各フィルタ700は互いに異なるマルチピークフィルタ関数hi(ν)をもっていてもよい。図7Bにおいて、各フィルタ700は複数の層を含んでいてもよい。各フィルタの層はフィルタ関数hi(ν)を実施する。各検出器は、以下の式の測定を行う。
分子は様々な状況において固有のスペクトルを放出または吸収する。分子間の振動共鳴により散乱された放射の非弾性シフトであるラマンスペクトルは、分子光源に特に特徴的である。例えば、エタノールは、励起源に対し、436,886,1062,1095,1279,1455cm−1にラマン線を有する。水中のエタノールの一般的なラマンスペクトルを図11Aに示す。
本発明のさらに別の実施形態において、3Dフィルタを用いてアレイ102を実現してもよい。3Dフィルタは3次元すべてに沿って屈折率を変調する。3Dスペクトルフィルタの最も簡単な形は体積ホログラムであり、通常光屈折効果によって記録される。体積ホログラムは、特に伝搬方向に沿って記録される場合に、スペクトル的には格段に選択的でありうる。体積ホログラムの難点は、とても弱い指数変調に基づいていることと、これら弱い変調はホログラムが複雑になればなるほど急激に減少することである[40]。体積ホログラムの利点は、システムの空間的スペクトル感度を精密にプログラムできることである。MMSシステムとしては、「シフトマルチプレックス」[41]反射回折格子の組として記録される体積ホログラムを設置することにより、各光源点上の任意の多チャンネルフィルタとして動作することができる。
本発明とともに使用するのに適したフォトニック結晶の一例を図13に示す。図13において、フォトニック結晶構造体は、検出器要素1302の前方に位置する複数の誘電体球1300を含んでいてもよい。誘電体球1300は薄膜媒体1304内に位置してもよく、また、検出器1302は他の媒体1306に位置してもよい。ある例示的な実施形態では、誘電体球1300はガラス製であってもよい。拡散光源から入射する光は誘電体球1300で散乱され、検出器1302に取り込まれた後、光源の特性を決定するために処理が行われる。光源から検出器への空間スペクトル的なマッピングによって、MMS分析のための準ランダムマッピングが生じる。図13Aに、クレムソン大学で作成されデューク大学において本発明の発明者が検証した不均一なフォトニック結晶に対するこのようなマッピング[53−57]を示す。このようなフォトニック結晶を作成する目的は、1つの波長を均一に通過させるフィルタを設計することであった[51−55]。しかし、立体的には均一ではないので、このような結晶を用いて、拡散光源のスペクトル特性を、上述のように結晶内の異なる位置のフィルタ関数の逆関数を求めて測定値を合成することにより決定することができる。
を測定するであろう。ここで、h●(ν)は関数のベクトルである。各成分の関数は、図13Aのスペクトル感度曲線のうちの1つに相当する。上述のように、このベクトル変換の逆関数を求めてサンプルの化学組成の平均スペクトルを推定してもよい。
上記で述べたように、多チャンネルフィルタの動作は、干渉計フィルタよりもむしろ、スペクトル的に選択性のある吸光体に使用できる。理想的には、これらの吸光体は比較的狭帯域な異なる種類の種の組からなる。例えば、量子ドットのアレイで構成された検出器を[5]のように用いてもよい。しかし、個々のドットチャンネルを電気的に分離しようとするのではなく、スペクトルのチャンネルを選択することで統合する。ドットが吸収するスペクトルのチャンネル数に比例するかまたはチャンネル数より少ない数のドットを含む検出器を作成した場合、各検出器において比較的ランダムなスペクトル感度が予想されるであろう。このような検出器のアレイは平均スペクトルを再構築するために用いられる場合もある。
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r 空間での動径座標
A 面積
ν 周波数
k 波ベクトル
λ 波長
c 光速
t 時間
τ 時間遅延
m(r) 1つの点rでの測定値
I(ν,r) スペクトル強度分布
h(ν,r) フィルタ関数
S○(ν) 平均パワースペクトル
s● ターゲットスペクトルベクトル
S●e ターゲットスペクトルベクトル推定値
m● 測定状態でのベクトル
H 変換マトリックス
W 相互スペクトル密度関数
Γ 相互コヒーレンス関数
Ψ モード分布
φ 直交モード分布
δ デルタ関数
ci i番目のサンプルの分子濃度
Rθφ 回転子
Claims (12)
- (a)エタンデュを持ち光学的に分析される対象となる拡散光源の空間上の複数の異なる点から放射されるスペクトルエネルギーを同時に受け取り、
(b)互いに異なるマルチピークフィルタ関数を前記異なる点から放射される前記スペクトルエネルギーに適用して、各点についての多チャンネルスペクトル測定値を、互いに異なるマルチピーク応答関数を持つ少なくとも2つのフィルタを含むフィルタアレイを用いて、一回の工程で生成し、
(c)前記異なる点に対する前記多チャンネルスペクトル測定値を合成して前記拡散光源の特性を推定するものであり、前記特性は前記拡散光源の平均スペクトルを含み、前記平均スペクトルの推定は、前記マルチピークフィルタ関数の逆関数の演算と、前記多チャンネルスペクトル測定値に前記逆関数を乗じた結果の前記拡散光源の全面積についての積分を含む、
静的マルチモードマルチプレックス分光法。 - 拡散光源の複数の前記異なる点から放射されるスペクトルエネルギーの同時受け取りは、生物サンプルの複数の前記異なる点から放射されるスペクトルエネルギーの受け取りである請求項1記載の方法。
- 生物サンプルの複数の前記異なる点から放射されるスペクトルエネルギーの同時受け取りは、組織サンプルの複数の前記異なる点から放射されるスペクトルエネルギーの受け取りである請求項2記載の方法。
- 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、薄膜フィルタを有する請求項1記載の方法。
- 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、体積ホログラムを有する請求項1記載の方法。
- 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、フォトニック結晶を有する請求項1記載の方法。
- 前記多チャンネルスペクトル測定値を合成することによる前記拡散光源の特性の推定は、前記多チャンネルスペクトル測定値を合成することによる前記拡散光源内の化合物の密度の推定により行われる請求項1記載の方法。
- (a)分析される対象となる物体に照射する照射源と、
(b)前記対象となる物体上の複数の異なる点から放射されるスペクトルエネルギーを同時に受け取るとともに、互いに異なるマルチピーク応答関数を持つ少なくとも2つのフィルタを含み、互いに異なるマルチピークフィルタ関数を前記異なる点から放射される前記スペクトルエネルギーに、一回の工程で適用するフィルタアレイと、
(c)フィルタリングされたスペクトルエネルギーを受け取るために前記フィルタアレイに光学的に接続されており、前記スペクトルエネルギーを電気信号に変換する検出器アレイと、
(d)前記電気信号を前記検出器アレイから受け取るとともに、前記電気信号を合成して前記物体の特性を推定するマルチピークスペクトル測定値合成モジュールであり、前記電気信号を合成して前記物体の平均スペクトルを推定するようになっているとともに、前記マルチピークフィルタ関数の逆関数を求め、また前記電気信号に前記逆関数を乗じた結果を前記物体の全面積について積分するようになっているものと、
を備えた静的マルチモードマルチプレックス分光法のためのシステム。 - 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、複数の層を有する薄膜フィルタを備えている請求項8記載のシステム。
- 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、体積ホログラムを備えている請求項8記載のシステム。
- 前記フィルタアレイに含まれる少なくとも2つの前記フィルタはそれぞれ、フォトニック結晶を備えている請求項8記載のシステム。
- 前記マルチピークスペクトル測定値合成モジュールは、前記電気信号を合成して前記物体の化合物の密度を推定するようになっている請求項8記載のシステム。
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