JP2014528084A - 共焦点分光計および共焦点分光計における画像形成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、広帯域光源と、光源の前に配置され結像すべき対象物の視野を光源により照明するように設計された多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第１の絞り装置と、多数の通過孔の構造化された配置の結像を対象物上に集束させるように設計された結像光学系と、対象物から反射された光を結像光学系の光軸に垂直な分散軸に沿ってスペクトル分散するように設計された分散素子と、スペクトル分散された反射光を対象物のスペクトル分解された画像を作成するために検出するように設計された検出器装置とを備えた共焦点分光計に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点分光計および共焦点分光計における画像形成方法に関する。

共焦点分光計は共通の焦点を有する光学系を基に作動する。これにより結像すべき対象物における散乱光の空間的に点状の測定を行うことができる。従来の単チャネル分光計は一般に１つのチャネルに対しスペクトルの撮影用の１つの行カメラを利用する。それゆえ対象物表面のラスタ化によって初めて、すなわち時間的スキャンによって、対象物の空間分解された画像を検出することが可能である。

多チャネル分光計は表面の行状の走査用のカメラチップを利用するもので、カメラチップ上のスペクトル分解が空間分解とは垂直方向に行われる。この種の系はいわゆるハイパースペクトル画像形成系（ハイパースペクトラルイメージング）としても知られている。この系でも対象物表面のラスタ化が対象物の画像形成の検出に必要である。

特許文献１は、対象物のプロフィルのコード化が多色光源のスペクトラル経過を介して行われる共焦点分光計系を開示している。このため色収差を有する結像光学系が使用されており、光軸に沿って結像焦点の波長に依存する位置を作成している。

特許文献２は、結像すべき対象物上に照明パターンを結像するため変調手段を使用して、照明パターンシーケンスを介して対象物の空間分解を可能にする共焦点分光結像系を開示している。

欧州特許第１９８４７７０Ｂ１号公報 独国特許第６９７３００３０Ｔ２号公報

静止状態にある対象物のため各画像点に対し画像コントラストを作成するため反射光もしくは散乱光のスペクトルを提供する画像形成分光計が求められている。

本発明の一態様はそれゆえ、広帯域光源と、光源の前に配置され結像（撮像）すべき対象物の視野を光源により照明するように設計された多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第１の絞り装置と、多数の通過孔の構造化された配置の結像を対象物上に集束させるように設計された結像光学系と、対象物から反射された光を結像光学系の光軸に垂直な分散軸に沿ってスペクトル分散するように設計された分散素子と、スペクトル分散された反射光を対象物のスペクトル分解された画像を作成するために検出するように設計された検出器装置を備えた共焦点分光計にある。

本発明の主要な考えは、１つの分光計において対象物の画像の完全な空間分解と完全なスペクトル分解とを時間的に同時に可能にすることにある。このため結像絞り装置とこの結像絞り装置に相当する検出器絞り装置とを有する共焦点技術が使用され、その際これらの絞り装置はそれぞれ通過孔の構造化されたパターンを有する。この場合分散素子が結像光学系内に配置されないときには種々の絞り装置を使用することができる。代替的に結像光学系内に入射および反射光用の種々の光路を実現できるので、同一の絞り装置を結像と光検出に利用することができる。

一実施態様によれば、分光計は、第１の絞り装置の多数の通過孔の構造化された配置に相当する多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第２の絞り装置を備え、第２の絞り装置が分散素子と検出器装置との間に配置され、対象物から反射されたスペクトル分散光が第２の絞り装置の多数の通過孔の構造化された配置により検出器装置上に共焦点で結像される。この場合第２の絞り装置は、対象物の反射光の検出器装置により検出すべき波長の選択のため分光計の光軸と垂直方向にシフト可能にされると有利である。これは有利なことに反射光の結像すべき波長の機械的選択を可能にする。これにより極めて短時間内で対象物の完全に空間的にスペクトル分解された画像が共焦点で検出できる。

一実施態様によれば、第１の絞り装置および／または第２の絞り装置はニプコー円板とすることができる。このようにすれば対象物全体の幾何学的に最適化された照明が異なる通過孔を通って重複的な入射光なしに行うことができる。

一実施態様によれば、結像光学系は、光源から対象物に当たる光用の第１の光路と、対象物からの反射光用の第２の光路とを有し、分散素子が第２の光路に配置される。これにより有利なことに、同一の絞り装置を反射光の結像と入射光の結像に使用することができる。これにより複数の絞り装置の煩雑な同期化はもはや不要になる。さらにこれにより分光計のコンパクトな構造が可能になる。

別の実施態様によれば、第１の絞り装置は、光源の光を第１の列ラスタの列に結像するように設計された多数の円筒レンズを有することができる。これは、光源の光強度を最大限に利用できるという利点を提供する。なぜなら光源のほぼ全部の光が列ラスタにコリメートされるからである。

別の実施態様によれば、分散素子はプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含むことができる。

別の実施態様によれば、検出器装置はＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードを有することができる。この場合検出器装置は、対象物の反射された画像点をアレイ軸に沿ってスペクトル分解するように設計されている。これは特に、対象物の個々の画像ピクセルがそれぞれ検出器装置のアレイのピクセルのサブアレイ上に結像できるので有利である。ピクセルのこのサブアレイにより対象物の空間的にもスペクトル的にも分解された画像が作られるので、これは特に医療用の画像形成の応用において対象物の空間的表示における情報の豊富化を意味する。

別の実施態様によれば光源は白色光源とすることができる。これにより有利なことに画像形成の各時点で各スペクトル成分が反射光スペクトルにおいても同様に検出用に供される。特にこれにより反射光スペクトルの種々の波長を同時に検出することができる。

本発明は別の態様によれば、以下の工程、すなわち多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置により広帯域光源を結像する工程、多数の通過孔の構造化された配置の結像を結像すべき対象物上に集束させる工程、対象物により反射された光を分散素子によりスペクトル分散する工程、スペクトル分散された反射光を多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置上に集束させる工程、対象物のスペクトル分解された画像の作成のため回転可能な絞り装置を通過する反射光を検出する工程を有する共焦点分光計における画像形成方法を提供する。

別の実施態様によれば、この方法は、検出された光の波長の選択のため分散素子に沿って回転可能な絞り装置をシフトする工程を含む。これにより反射光スペクトルの種々の波長が分光撮影中に検出用に選択できる。

代替的な実施態様によれば、この方法は、検出光の波長選択のため分光計の光軸に対し垂直方向に分散素子をシフトする工程を含む。これは、絞り装置が位置固定に保持できるという利点を有し、これはまさに回転絞り装置において著しい構造的な利点をもたらすことになる。

その他の修正点および変化点は従属請求項の特徴部分から明らかである。

本発明の種々の実施形態および実施態様を以下に添付の図面を参照して詳述する。

図１は共焦点分光計の概略図を示す。 図２は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図３は共焦点分光計の検出器装置上における列ラスタの画像形成の概略図を示す。 図４は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図５は共焦点分光計の検出器装置上における列ラスタの画像形成の概略図を示す。 図６は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図７は共焦点分光計における画像形成方法の概略図を示す。 図８は本発明の一態様による共焦点分光計の概略図を示す。 図９は本発明の別の態様による共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図１０は本発明の別の態様による共焦点分光計の概略図を示す。 図１１は本発明の別の態様による共焦点分光計の画像形成方法の概略図を示す。

以下に説明する実施態様および発展形態は意義があるかぎり任意に互いに組み合わせることができる。本発明の別の可能性のある実施形態、発展態様および補充態様は予めまたは以下に実施例について記述した発明の特徴の明確には挙げていない組み合わせをも含むものとする。

添付の図面は発明の実施形態のさらなる理解に供すべきものである。これらの図面は実施形態を具現化するもので明細書の記載と関連して発明の原理および構想の説明に役立つ。ほかの実施形態および多くの利点は図面を参照して明らかにされる。図面の各要素は必ずしも互いに寸法通りに示されてはいない。同じ符号はこの場合同じまたは同様に作用する部材を示す。以下に使用する方向を表す用語「上」「下」「右」「左」「前」「後」等は単に図面を容易に理解するために使用され、普遍性を限定するものではない。

図１は共焦点分光計１００の概略図である。分光計１００は、光源１１の光を分光分析すべき対象物１６上に集束させるように設定された結像系１を有する。分光計１００はさらに、対象物１６により散乱および／または反射された光を検出しそれから対象物１６の画像を作成する検出器系２を有する。

結像系１は光源１１を有する。光源１１は広帯域または多色光源１１とすることができ、すなわち光源１１は光を広い周波数もしくは波長範囲にわたり放出する。たとえば光源１１は白色ランプ、グローバー、ネルンストランプ、ニッケルクロムコイル、ハロゲンガス放電ランプ、キセノンガス放電ランプ、スーパールミネセンスダイオード、ＬＥＤまたは同様の多色光源とすることができる。さらに光源１１の放出スペクトルのスペクトル波長範囲は紫外線範囲、可視光範囲および／または赤外線範囲とすることができる。

光源１１から放出された光はレンズ１２を介して平行光束にコリメートされ、第１の絞り装置１４に向けられる。第１の絞り装置１４は列またはスリット形のラスタを有することができる。この種の列ラスタ（列グリッド）の一例は図２に概略的に示されている。図２の第１の絞り装置１４は通過スリット１４_kから成る構造を有する。通過スリットは列状パターンで配置されているので、２つの隣接する通過スリット１４_kおよび１４_k+1は横方向に予め規定された間隔をあけられている。この場合通過スリット１４_kの数は任意である。同様に通過スリット１４_kの幅も任意の大きさである。通過スリット１４_kは対象物１６上の分解すべき範囲の長さに相当する長さを有することができる。

結像系１では、コリメートされた光が円筒レンズ１３aを介して円筒レンズ装置１３内で第１の絞り装置１４の列ラスタ１４_kの列に集束されるようにされている。この場合各通過スリット１４_kにはそれぞれ円筒レンズ１３aの１つが割り当てられる。円筒レンズ装置１３はたとえば第１の絞り装置１４と一体に接続することができる。円筒レンズ１３により光源１１の光の大部分が第１の絞り装置１４の列ラスタ１４_kを対象物１６上に投影するために利用される。

第１の絞り装置１４を通過する光は第１の結像光学系１５を介して対象物１６に集束される。この場合対象物１６はその表面の焦点１６a上に光源１１の光により照明される。照明は第１の絞り装置１４の列構造のパターンにおいて行われる。このためたとえば鏡胴レンズ１５a並びに対物レンズ装置１５ｂが使用される。

対象物１６により散乱もしくは反射された光は対物レンズ装置１５ｂにより再び結像光学系１５に戻される。結像光学系１５にはビームスプリッタ素子１５ｃが配置されるが、これはたとえば偏光ビームスプリッタ、干渉フィルタまたは入射光線を分割する同様の光学素子とすることができる。散乱光もしくは反射光は光軸を備えた光路を介して検出器系２に導かれる。

検出器系２はスペクトル分散素子２１を有しており、これは対象物の広帯域の反射光を分散方向に沿ってスペクトル的に分割する作用をする。分散方向軸Ｄはこの場合光軸Ａに垂直方向にあるので、散乱光もしくは反射光のスペクトル情報は分散方向軸Ｄに沿って分解される。分散素子２１はたとえばプリズム、回折格子、ホログラフ格子、ブレーズ格子、音響光学変調器、干渉フィルタまたは同様の素子とすることができる。

スペクトル分散された光は集束レンズ２２を介して第２の絞り装置２３に集束される。第２の絞り装置２３はこの場合特に第１の絞り装置１４と同様の列ラスタを有することができる。スペクトル分散された光は第２の絞り装置２３を通って検出器装置２４上に結像される。

この場合検出器装置２４としては、一次元センサアレイ、たとえばＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子の行マトリックスを有することが可能である。検出器装置２４はこの場合第２の絞り装置２３と共に分散方向軸Ｄに沿ってシフトすることができるので、第２の絞り装置２３によりそれぞれ分散素子２１のスペクトル分散された光の一部を選択して検出器装置２４上に結像することができる。

代替的に第２の絞り装置２３を用いないことも可能である。この場合には二次元センサアレイ、たとえばＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子の面状マトリックスを検出器装置２４として使用することができる。このようにしてスペクトル分散された光の各波長成分は分散方向軸Ｄに平行なアレイ軸に沿って検出される。このためスペクトル分散された光は集束レンズ２２を介して直接検出器装置２４上に集束される。このような検出器装置２４の例示的な実施形態は図３に概略的に具体化されている。

図３は検出器ピクセルから成るアレイ２４aを有する検出器装置２４を示す。この場合検出器ピクセルをたとえばアレイ２４aの個々のセンサ素子が含むことができる。第１の絞り装置１４のビームラスタ１４_kはこの場合共焦点で検出器アレイ２４aに結像される。この場合たとえば列結像２５_xから成る線パターンが生じる。図示の列結像２５_kはこの場合それぞれ反射およびスペクトル分散された光の一定の波長に相当する。対象物１６の画像点は検出器アレイ２４aのサブアレイ２６_k,nに結像される。この場合主列方向Ｒでは対象物１６の空間的分解が垂直方向に行われるのに対し、アレイ軸Ｓに沿ってはスペクトル分解が行われる。

破線の枠にはサブアレイ２６_k,nの２つの隣接ピクセル２６_k+1,n、２６_k,n+1が示されている。隣接ピクセル２６_k+1,nはこの場合ピクセル２６_k,、_nに横の空間方向に続く対象物１６の画像点を結像するのに対し、隣接ピクセル２６_k,n+1はピクセル２６_k,nに縦の空間方向に続く対象物１６の画像点を写す。アレイ軸Ｓに沿って各サブアレイ内では対象物１６の各画像点のスペクトル分解が行われる。なぜならスペクトル分散素子２１が対象物画像のスペクトル分割をたとえばアレイ軸Ｓと一致する分散方向軸Ｄに沿って行うからである。反射光の求めるべきスペクトル範囲の選択はたとえばサブアレイ２６_k,n内のそれぞれアレイ軸Ｓに沿っているスペクトル的に所属するピクセルの電子制御を介して行うことができる。

第２の絞り装置２３が使用される場合には、第１の絞り装置１３の位置を基準に分散方向軸Ｄに沿った第２の絞り装置２３の横方向のシフトに相当するスペクトル分散光のスペクトル部分のみがそれぞれ検出器装置２４に向けられる。換言すれば第２の絞り装置２３の列ラスタの横方向のシフトにより反射光のスペクトル選択が行われるので、二次元検出器装置２４の一部のみが照明される。

図４は第２の絞り装置２３の概略図である。第２の絞り装置２３はこの場合第１の絞り装置１４の列ラスタに相当し得る列ラスタ２３_kを有することができる。分散方向軸Ｄに沿って一定の距離ｄだけ横方向にシフトすることにより第２の絞り装置２３は反射光のスペクトル的に分割された一定部分を選択することができる。予め定められた異なる距離ｄだけ第２の絞り装置２３のシフトの変化により散乱もしくは反射光の全スペクトルが検出器アレイ２４aのサブアレイ２６_k,nのアレイ軸Ｓに沿って結像される。

図５は対象物１６の画像のスペクトル成分の例示的結像の概略図を示す。たとえば第１の絞り装置１４に対し予め定められた距離ｄだけ横方向にシフトされた絞り装置２３が検出器アレイ２４a上に列パターン２３_kを結像するものとする。この列パターン２３_kは列パターン２５_kに対してアレイ軸Ｓに沿ってシフトされ、同時に対象物の分散もしくは反射光の別のスペクトル範囲を検出器アレイ２４aに結像する。これにより検出器装置２４のサブアレイ２６_k,nにおける対象物１６の画像点の拡大を介して同時に対象物の空間分解、すなわち対象物の画像形成と、スペクトル分解が行われる。

スペクトル画像検出はたとえば絞り装置２３のスキャン的な横方向のシフト運動を介して行われる。代替的に検出器装置２４のピクセルの電子制御を介してスペクトル選択を講じることも可能である。

たとえば医療分野における一定の応用に対しては分解すべきスペクトル範囲の予備選択を講じることが重要である。図６は第２の絞り装置２３の概略図を示し、この絞り装置は第１の列ラスタ２３_kのほかに第１の列ラスタ２３_kに対し予め定めた距離だけシフトされた第２の列ラスタ２７_kを有する。この列ラスタの数は図６では例として２つだけ示されているが、たとえば任意の数の列ラスタを多数の分解すべき波長範囲の選択に使用することも原理的には可能である。波長範囲の予備選択により第２の絞り装置２３を動かす必要はもはやなくなる。なぜなら各列ラスタ２３_kおよび２７_kはそれらに与えられたスペクトル分散された波長範囲を検出器アレイ２４aの分離ピクセル範囲に投影できるからである。このようにしてたとえば高い光感度を有する一次元検出器アレイ２４a、たとえばアバランシェホトダイオードアレイを使用することができる。なぜなら検出器装置２４の予め定められた列範囲だけが対象物１６からの光の検出に使用できるからである。考えられる応用は画像形成的組織診断における良種の組織と腫瘍組織との間のスペクトラルコントラストの獲得である。

図７は、共焦点分光計、特に図１に示した共焦点分光計１００における画像形成のための方法２００の概略図を示す。方法２００は第１の工程２０１として列パターンを作成するため主列方向の第１の列ラスタを有する第１の絞り装置への広帯域光源の結像を含む。光源はこの場合たとえば白色光源または多色光源とすることができる。光源の結像はこの場合、光源が第１の列ラスタの列上にこれらの列に所属する多数の円筒レンズにより結像されるようにして行われる。

第２の工程２０２において結像（撮像）すべき対象物への列パターンの集束が行われる。第３の工程２０３において主列方向に垂直な分散軸に沿って対象物により反射された光のスペクトル分散が行われる。スペクトル分散はたとえばプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器により実施される。

第４の工程２０４ではスペクトル分散された反射光の検出器装置への集束が行われる。この場合スペクトル分散光を第１の列ラスタの主列方向の第２の列ラスタを有する第２の絞り装置へ集束させることが可能である。この場合対象物から反射された光の分割はビームスプリッタ素子により列パターンの結像の光路から行うことが可能である。

第５の工程２０５では対象物のスペクトル分解画像を作成するため反射光の検出が行われる。反射光の検出はたとえば二次元ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードにより実施できる。この場合対象物の反射された画像点はアレイ軸に沿ってスペクトル分解される。第２の絞り装置が使用されれば、検出された光の波長の選択のために第２の絞り装置を分散軸方向に沿ってシフトすることができる。この場合検出器装置としては一次元センサアレイ、たとえば感度のよい一次元アバランシェホトダイオードアレイも使用することができ、これを第２の絞り装置と共に分散軸方向に沿ってシフトすることができる。

図８は共焦点分光計３００の概略図を示す。分光計３００は結像系１を含み、この結像系は光源１１の光を分光分析すべき対象物１６上に集束させるように設計されている。分光計３００はさらに検出器系２を含み、この系は対象物１６により散乱および／または反射された光を検出してそこから対象物１６の画像を作成するように設計されている。

結像系１は光源１１を含む。光源１１は広帯域または多色光源１１とすることができ、すなわち光源１１は広い周波数もしくは波長範囲の光を放出する。たとえば光源１１は白色光源、グローバー、ネルンストランプ、ニッケルクロムコイル、ハロゲンガス放電ランプ、キセノンガス放電ランプ、スーパールミネセンスダイオード、ＬＥＤまたは同様の多色光源とすることができる。さらに光源１１の放出スペクトルを含むスペクトル波長範囲は紫外線範囲、可視光範囲および／または赤外線範囲とすることができる。

光源１１から放出された光はレンズ１２を介して平行光束にコリメートされ、第１の絞り装置３４に向けられる。第１の絞り装置３４は多数の通過孔、いわゆるピンホールの構造化配置を有することができる。この種の構造化配置の一例はたとえば図９に示したニプコー円板である。

図９の第１の絞り装置３４は円板状であり通過孔３５_kの構造を有する。通過孔３５_kは円板状の同心的な種々の直径を有する軌道３６_kに沿って配置されているので、２つの隣接通過孔３５_kと３５_k+1は第１の絞り装置３４の周囲に沿って予め定められた間隔だけ離間している。この場合通過孔３５_kの数は任意である。第１の絞り装置３４を速く回転することにより対象物１６の全体が絞り装置３４の全体にわたって時間的にスキャンされる。なぜなら対象物１６の各画像点は軌道３６_kの段階的配置により絞り装置３４の一回転中に少なくとも１つの通過孔３５_kにより一度は通過させられるからである。絞り装置３４はニプコー円板とも呼ばれる。

結像系１ではコリメートされた光がレンズ装置３３のレンズ３３aを介して第１の絞り装置３４の通過孔に集束されるようにしている。この場合各通過孔３４_kにはそれぞれレンズ３３aの１つが所属するようにできる。レンズ装置３３はたとえば第１の絞り装置３４に一体に接続することができる。レンズ３３により光源１１の光の大部分が第１の絞り装置３４の通過孔３４_kの構造を対象物１６上に投影するために利用される。

第１の絞り装置１４を通過する光は第１の結像光学系１５を介して対象物１６に集束される。この場合対象物１６の表面は焦点１６a上に光源１１の光により照明される。照明は第１の絞り装置３４の回転により対象物１６の全視野上で行われる。このためたとえば鏡胴レンズ１５a並びに対物レンズ装置１５ｂが使用される。

対象物１６から散乱もしくは反射された光は対物レンズ装置１５ｂにより再び結像光学系１５に戻される。結像光学系１５にはビームスプリッタ素子１５ｃが配置されており、これはたとえば偏光ビームスプリッタ、干渉フィルタまたは同様の入射光線を分割する光学素子とすることができる。散乱もしくは反射光は光軸Ａを有する光路を介して検出器系２に導かれる。

検出器系２はスペクトル分散素子４１を有し、これは対象物の広帯域に反射された光をスペクトル分割する作用をする。分散方向軸Ｄはこの場合光軸Ａに対し垂直にあるので、散乱もしくは反射光のスペクトル情報が分散方向軸Ｄに沿って分解される。分散素子４１はたとえばプリズム、回折格子、ホログラフ格子、ブレーズ格子、音響光学変調器、干渉フィルタまたは同様の素子を有することができる。

スペクトル分散光は集束レンズ２２を介して第２の絞り装置４３に集束される。第２の絞り装置４３はこの場合特に第１の絞り装置３４に類似した通過孔パターン３５_kを有することができる。スペクトル分散光は第２の絞り装置４３を通って検出器装置２４上に結像される。検出器装置２４はたとえば二次元ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子のマトリックスを有することができる。

第２の絞り装置４３はこの場合軸Ｂを中心に回転できるので、通過孔の回転は第１の絞り装置３４の通過孔３５_kの回転と一致する。これにより対象物１６により反射もしくは散乱された光は第１の絞り装置４３と共焦点で結像される。これは深さ選択が行われることを意味する。なぜなら焦点１６の焦点深さ内にある対象物１６の画像点だけが第２の絞り装置４３を通って結像されるからである。

分散軸Ｄに沿った分散素子４１のスペクトル分散により対象物１６の共焦点で検出された光のスペクトル選択のためのこの分散軸Ｄに沿った第２の絞り装置４３の横方向のシフトが行われる。換言すれば対象物１６の完全な横方向の分解と同時に、第１の絞り装置３４と第２の絞り装置４３との間の横方向のシフトが光軸Ａを基準に調整されることにより対象物１６のスペクトル分解が同時に可能である。

代替的に、分散素子４１の操作により光軸に関するスペクトルのシフトを達成することも可能である。たとえばプリズム４１を回転するかまたは音響光学変調器４１を相応に調整することができる。

図１０には別の共焦点分光計４００が概略図で示されている。図１０の分光計４００は図８の分光計３００とは主として、第１の絞り装置３４が共通の照明および結像装置として利用されることで区別される。このため第１の絞り装置３４の後に結像光学系４５が設けられ、ここでビームスプリッタ素子４５a、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄおよびミラー素子４５e、４５ｆにより入射および反射光の種々の光路が実現される。

このためレンズ１２の後に偏光器４１が設けられ、光源１１からの光がリニア偏光される。入射光はビームスプリッタ４５a、４５ｂを、これらが偏光ビームスプリッタ、たとえばｓ偏光ビームスプリッタを有するときには直線状に通過する。ｐ偏光ビームスプリッタ４５ｃ、４５ｄ並びにミラー素子４５e、４５ｆを介して入射光は光路Ｗに沿って対象物に導かれる。λ/４板４６により９０°の偏光位相回転が行われる。

対象物１６から散乱もしくは反射された光はλ/4板４６により改めて９０°位相シフトされるので、反射光はｐ偏光ビームスプリッタ４５ｄ、４５ｃを妨げられることなく直線的に通過でき、ビームスプリッタ４５ｂに光路Xに沿って偏向される。光路Ｗ、Ｘの光学的路長はこの場合同一とすることができる。光路Xには対象物の反射もしくは散乱光のスペクトル分割を行うスペクトル分散素子４３、たとえばプリズムが設けられる。ビームスプリッタ４５aの回転により反射もしくは散乱光のスペクトル選択が行われ、絞り装置３４を介してビームスプリッタ４２に導かれてそこから集束レンズ２２により検出器装置２４に導かれる。代替的にスペクトル分散素子４１の回転により検出器装置２４への結像のための波長選択を達成することも可能である。

図１１には共焦点分光計、特に図８から図１０に関連して説明した共焦点分光計３００または４００における画像形成方法５００の概略図を示す。

第１の工程５０１では多数の通過孔の構造的配置を有する回転可能な絞り装置による広帯域光源の結像が行われる。この場合光源は白色光源または多色光源を含み得る。回転可能な絞り装置はこの場合たとえばニプコー円板を含み得る。第２の工程５０２では結像すべき対象物への多数の通過孔の構造的配置の結像の集束が行われる。この場合光源の結像は通過孔に所属する多数のレンズによる多数の通過孔の構造的配置への光源の結像を含み得る。

第３の工程５０３では対象物により反射された光のスペクトル分散が分散素子、たとえばプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器により行われる。第４の工程５０４では多数の通過孔の構造的配置を有する回転可能な絞り装置へのスペクトル分散された反射光の集束が行われる。この場合回転可能な絞り装置は検出された光の波長選択のため分光計の光軸に垂直にシフトされる。代替的に分散素子が検出された光の波長選択のため分光計の光軸に垂直にシフトされる。

第５の工程５０５では対象物のスペクトル分解された画像の作成のため回転可能な絞り装置を通過する反射光の検出が行われる。反射光の検出はＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイにより実施できるので、対象物の反射された画像点はアレイ軸に沿ってスペクトル分解できる。

原理、技術的効果および特徴を図面のそれぞれ１つを参照して説明してきたが、図の１つで説明した実施形態を残りの図に示した別の実施形態へ変更および修正することは簡単に可能である。

本発明は、広帯域光源、光源の前に配置され多数の通過孔の構造的配置を備えるとともに結像（撮像）すべき対象物の視野を光源により照射するように設計された第１の絞り装置、多数の通過孔の構造的配置の結像を対象物に集束させるように設計された結像光学系、対象物からの反射光を分散軸に沿って結像光学系の光軸と垂直にスペクトル分散させるように設計された分散素子、およびスペクトル分散された反射光を対象物のスペクトル分解された画像の作成のために検出するように設計された検出器装置を備えた共焦点分光計に関する。

１ 結像系
２ 検出器系
１１ 光源
１２ レンズ
１３ 円筒レンズ装置
１４ 第１の絞り装置
１５ 結像光学系
１６ 対象物
２１ スペクトル分散素子
２２ 集束レンズ
２３ 第２の絞り装置
２４ 検出器装置
３３ レンズ装置
３４ 第１の絞り装置
４１ 偏光器
４２ ビームスプリッタ
４３ 分散素子
４４ 分散素子
４５ 結像光学系
４６ λ/４板
４８ 第２の絞り装置
１００ 共焦点分光計
３００ 共焦点分光計
４００ 共焦点分光計

本発明は、共焦点分光計および共焦点分光計における画像形成方法に関する。

共焦点分光計は共通の焦点を有する光学系を基に作動する。これにより結像すべき対象物における散乱光の空間的に点状の測定を行うことができる。従来の単チャネル分光計は一般に１つのチャネルに対しスペクトルの撮影用の１つの行カメラを利用する。それゆえ対象物表面のラスタ化によって初めて、すなわち時間的スキャンによって、対象物の空間分解された画像を検出することが可能である。

多チャネル分光計は表面の行状の走査用のカメラチップを利用するもので、カメラチップ上のスペクトル分解が空間分解とは垂直方向に行われる。この種の系はいわゆるハイパースペクトル画像形成系（ハイパースペクトラルイメージング）としても知られている。この系でも対象物表面のラスタ化が対象物の画像形成の検出に必要である。

特許文献１は、対象物のプロフィルのコード化が多色光源のスペクトラル経過を介して行われる共焦点分光計系を開示している。このため色収差を有する結像光学系が使用されており、光軸に沿って結像焦点の波長に依存する位置を作成している。

特許文献２は、結像すべき対象物上に照明パターンを結像するため変調手段を使用して、照明パターンシーケンスを介して対象物の空間分解を可能にする共焦点分光結像系を開示している。

欧州特許第１９８４７７０Ｂ１号公報 独国特許第６９７３００３０Ｔ２号公報

静止状態にある対象物のため各画像点に対し画像コントラストを作成するため反射光もしくは散乱光のスペクトルを提供する画像形成分光計が求められている。

この課題は、本発明によれば、広帯域光源と、光源の前に配置され結像（撮像）すべき対象物の視野を光源により照明するように設計された多数（複数）の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第１の絞り装置と、多数（複数）の通過孔の構造化された配置の結像を対象物上に集束させるように設計された結像光学系と、対象物から反射された光を結像光学系の光軸に垂直な分散軸に沿ってスペクトル分散するように設計された分散素子と、スペクトル分散された反射光を対象物のスペクトル分解された画像を作成するために検出するように設計された検出器装置を備えた共焦点分光計によって解決される（請求項１）。
共焦点分光計に関する本願発明の実施態様は次の通りである。
・さらに、第１の絞り装置の複数の通過孔の構造化された配置に相当する複数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第２の絞り装置を備え、第２の絞り装置が分散素子と検出器装置との間に配置され、対象物から反射されたスペクトル分散光が第２の絞り装置の複数の通過孔の構造化された配置により検出器装置上に共焦点で結像される（請求項２）。
・第２の絞り装置が検出器装置により検出すべき対象物の反射光の波長の選択のため分光計の光軸に垂直方向にシフト可能である（請求項３）。
・第１の絞り装置および／または第２の絞り装置（４８）がニプコー円板である（請求項４）。
・結像光学系が、光源から対象物に当たる光のための第１の光路と、対象物から反射された光のための第２の光路とを有し、分散素子が第２の光路に配置される（請求項５）。
・分散素子がプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含む（請求項６）。
・検出器装置がＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイを有し、検出器装置が対象物の反射された画像点をアレイ軸に沿ってスペクトル分解するように設計されている（請求項７）。
・光源（１１）が白色光源である（請求項８）。

本発明の主要な考えは、１つの分光計において対象物の画像の完全な空間分解と完全なスペクトル分解とを時間的に同時に可能にすることにある。このため結像絞り装置とこの結像絞り装置に相当する検出器絞り装置とを有する共焦点技術が使用され、その際これらの絞り装置はそれぞれ通過孔の構造化されたパターンを有する。この場合分散素子が結像光学系内に配置されないときには種々の絞り装置を使用することができる。代替的に結像光学系内に入射および反射光用の種々の光路を実現できるので、同一の絞り装置を結像と光検出に利用することができる。

一実施態様によれば、分光計は、第１の絞り装置の多数の通過孔の構造化された配置に相当する多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第２の絞り装置を備え、第２の絞り装置が分散素子と検出器装置との間に配置され、対象物から反射されたスペクトル分散光が第２の絞り装置の多数の通過孔の構造化された配置により検出器装置上に共焦点で結像される。この場合第２の絞り装置は、対象物の反射光の検出器装置により検出すべき波長の選択のため分光計の光軸と垂直方向にシフト可能にされると有利である。これは有利なことに反射光の結像すべき波長の機械的選択を可能にする。これにより極めて短時間内で対象物の完全に空間的にスペクトル分解された画像が共焦点で検出できる。

一実施態様によれば、第１の絞り装置および／または第２の絞り装置はニプコー円板とすることができる。このようにすれば対象物全体の幾何学的に最適化された照明が異なる通過孔を通って重複的な入射光なしに行うことができる。

一実施態様によれば、結像光学系は、光源から対象物に当たる光用の第１の光路と、対象物からの反射光用の第２の光路とを有し、分散素子が第２の光路に配置される。これにより有利なことに、同一の絞り装置を反射光の結像と入射光の結像に使用することができる。これにより複数の絞り装置の煩雑な同期化はもはや不要になる。さらにこれにより分光計のコンパクトな構造が可能になる。

別の実施態様によれば、第１の絞り装置は、光源の光を第１の列ラスタの列に結像するように設計された多数の円筒レンズを有することができる。これは、光源の光強度を最大限に利用できるという利点を提供する。なぜなら光源のほぼ全部の光が列ラスタにコリメートされるからである。

別の実施態様によれば、分散素子はプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含むことができる。

別の実施態様によれば、検出器装置はＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードを有することができる。この場合検出器装置は、対象物の反射された画像点をアレイ軸に沿ってスペクトル分解するように設計されている。これは特に、対象物の個々の画像ピクセルがそれぞれ検出器装置のアレイのピクセルのサブアレイ上に結像できるので有利である。ピクセルのこのサブアレイにより対象物の空間的にもスペクトル的にも分解された画像が作られるので、これは特に医療用の画像形成の応用において対象物の空間的表示における情報の豊富化を意味する。

別の実施態様によれば光源は白色光源とすることができる。これにより有利なことに画像形成の各時点で各スペクトル成分が反射光スペクトルにおいても同様に検出用に供される。特にこれにより反射光スペクトルの種々の波長を同時に検出することができる。

本発明は別の態様によれば、以下の工程、すなわち多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置により広帯域光源を結像する工程、多数の通過孔の構造化された配置の結像を結像すべき対象物上に集束させる工程、対象物により反射された光を分散素子によりスペクトル分散する工程、スペクトル分散された反射光を多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置上に集束させる工程、対象物のスペクトル分解された画像の作成のため回転可能な絞り装置を通過する反射光を検出する工程を有する共焦点分光計における画像形成方法を提供する（請求項９）。
共焦点分光計における画像形成方法に関する本発明の実施態様は次の通りである。
・さらに、反射光の波長選択のため分光計の光軸に垂直方向に回転可能な絞り装置をシフトする工程を有する（請求項１０）。
・さらに、反射光の波長選択のため分光計の光軸に垂直方向に分散装置をシフトする工程を有する（請求項１１）。
・分散装置がプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含む（請求項１２）。
・反射光を検出する工程が、ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイにより実施され、対象物の反射された画像点がアレイ軸に沿ってスペクトル分解される（請求項１３）。
・光源を結像する工程が、光源を複数の通過孔の構造化された配置の上に、複数の通過孔に所属する円筒レンズにより結像する（請求項１４）。
・光源が白色光源である（請求項１５）。

別の実施態様によれば、この方法は、検出された光の波長の選択のため分散素子に沿って回転可能な絞り装置をシフトする工程を含む。これにより反射光スペクトルの種々の波長が分光撮影中に検出用に選択できる。

代替的な実施態様によれば、この方法は、検出光の波長選択のため分光計の光軸に対し垂直方向に分散素子をシフトする工程を含む。これは、絞り装置が位置固定に保持できるという利点を有し、これはまさに回転絞り装置において著しい構造的な利点をもたらすことになる。

その他の修正点および変化点は従属請求項の特徴部分から明らかである。

本発明の種々の実施形態および実施態様を以下に添付の図面を参照して詳述する。

図１は共焦点分光計の概略図を示す。 図２は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図３は共焦点分光計の検出器装置上における列ラスタの画像形成の概略図を示す。 図４は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図５は共焦点分光計の検出器装置上における列ラスタの画像形成の概略図を示す。 図６は共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図７は共焦点分光計における画像形成方法の概略図を示す。 図８は本発明の一態様による共焦点分光計の概略図を示す。 図９は本発明の別の態様による共焦点分光計の絞り装置の概略図を示す。 図１０は本発明の別の態様による共焦点分光計の概略図を示す。 図１１は本発明の別の態様による共焦点分光計の画像形成方法の概略図を示す。

以下に説明する実施態様および発展形態は意義があるかぎり任意に互いに組み合わせることができる。本発明の別の可能性のある実施形態、発展態様および補充態様は予めまたは以下に実施例について記述した発明の特徴の明確には挙げていない組み合わせをも含むものとする。

添付の図面は発明の実施形態のさらなる理解に供すべきものである。これらの図面は実施形態を具現化するもので明細書の記載と関連して発明の原理および構想の説明に役立つ。ほかの実施形態および多くの利点は図面を参照して明らかにされる。図面の各要素は必ずしも互いに寸法通りに示されてはいない。同じ符号はこの場合同じまたは同様に作用する部材を示す。以下に使用する方向を表す用語「上」「下」「右」「左」「前」「後」等は単に図面を容易に理解するために使用され、普遍性を限定するものではない。

図１は共焦点分光計１００の概略図である。分光計１００は、光源１１の光を分光分析すべき対象物１６上に集束させるように設定された結像系１を有する。分光計１００はさらに、対象物１６により散乱および／または反射された光を検出しそれから対象物１６の画像を作成する検出器系２を有する。

結像系１は光源１１を有する。光源１１は広帯域または多色光源１１とすることができ、すなわち光源１１は光を広い周波数もしくは波長範囲にわたり放出する。たとえば光源１１は白色ランプ、グローバー、ネルンストランプ、ニッケルクロムコイル、ハロゲンガス放電ランプ、キセノンガス放電ランプ、スーパールミネセンスダイオード、ＬＥＤまたは同様の多色光源とすることができる。さらに光源１１の放出スペクトルのスペクトル波長範囲は紫外線範囲、可視光範囲および／または赤外線範囲とすることができる。

光源１１から放出された光はレンズ１２を介して平行光束にコリメートされ、第１の絞り装置１４に向けられる。第１の絞り装置１４は列またはスリット形のラスタを有することができる。この種の列ラスタ（列グリッド）の一例は図２に概略的に示されている。図２の第１の絞り装置１４は通過スリット１４_kから成る構造を有する。通過スリットは列状パターンで配置されているので、２つの隣接する通過スリット１４_kおよび１４_k+1は横方向に予め規定された間隔をあけられている。この場合通過スリット１４_kの数は任意である。同様に通過スリット１４_kの幅も任意の大きさである。通過スリット１４_kは対象物１６上の分解すべき範囲の長さに相当する長さを有することができる。

結像系１では、コリメートされた光が円筒レンズ１３aを介して円筒レンズ装置１３内で第１の絞り装置１４の列ラスタ１４_kの列に集束されるようにされている。この場合各通過スリット１４_kにはそれぞれ円筒レンズ１３aの１つが割り当てられる。円筒レンズ装置１３はたとえば第１の絞り装置１４と一体に接続することができる。円筒レンズ１３により光源１１の光の大部分が第１の絞り装置１４の列ラスタ１４_kを対象物１６上に投影するために利用される。

第１の絞り装置１４を通過する光は第１の結像光学系１５を介して対象物１６に集束される。この場合対象物１６はその表面の焦点１６a上に光源１１の光により照明される。照明は第１の絞り装置１４の列構造のパターンにおいて行われる。このためたとえば鏡胴レンズ１５a並びに対物レンズ装置１５ｂが使用される。

対象物１６により散乱もしくは反射された光は対物レンズ装置１５ｂにより再び結像光学系１５に戻される。結像光学系１５にはビームスプリッタ素子１５ｃが配置されるが、これはたとえば偏光ビームスプリッタ、干渉フィルタまたは入射光線を分割する同様の光学素子とすることができる。散乱光もしくは反射光は光軸を備えた光路を介して検出器系２に導かれる。

検出器系２はスペクトル分散素子２１を有しており、これは対象物の広帯域の反射光を分散方向に沿ってスペクトル的に分割する作用をする。分散方向軸Ｄはこの場合光軸Ａに垂直方向にあるので、散乱光もしくは反射光のスペクトル情報は分散方向軸Ｄに沿って分解される。分散素子２１はたとえばプリズム、回折格子、ホログラフ格子、ブレーズ格子、音響光学変調器、干渉フィルタまたは同様の素子とすることができる。

スペクトル分散された光は集束レンズ２２を介して第２の絞り装置２３に集束される。第２の絞り装置２３はこの場合特に第１の絞り装置１４と同様の列ラスタを有することができる。スペクトル分散された光は第２の絞り装置２３を通って検出器装置２４上に結像される。

この場合検出器装置２４としては、一次元センサアレイ、たとえばＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子の行マトリックスを有することが可能である。検出器装置２４はこの場合第２の絞り装置２３と共に分散方向軸Ｄに沿ってシフトすることができるので、第２の絞り装置２３によりそれぞれ分散素子２１のスペクトル分散された光の一部を選択して検出器装置２４上に結像することができる。

代替的に第２の絞り装置２３を用いないことも可能である。この場合には二次元センサアレイ、たとえばＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子の面状マトリックスを検出器装置２４として使用することができる。このようにしてスペクトル分散された光の各波長成分は分散方向軸Ｄに平行なアレイ軸に沿って検出される。このためスペクトル分散された光は集束レンズ２２を介して直接検出器装置２４上に集束される。このような検出器装置２４の例示的な実施形態は図３に概略的に具体化されている。

図３は検出器ピクセルから成るアレイ２４aを有する検出器装置２４を示す。この場合検出器ピクセルをたとえばアレイ２４aの個々のセンサ素子が含むことができる。第１の絞り装置１４のビームラスタ１４_kはこの場合共焦点で検出器アレイ２４aに結像される。この場合たとえば列結像２５_xから成る線パターンが生じる。図示の列結像２５_kはこの場合それぞれ反射およびスペクトル分散された光の一定の波長に相当する。対象物１６の画像点は検出器アレイ２４aのサブアレイ２６_k,nに結像される。この場合主列方向Ｒでは対象物１６の空間的分解が垂直方向に行われるのに対し、アレイ軸Ｓに沿ってはスペクトル分解が行われる。

破線の枠にはサブアレイ２６_k,nの２つの隣接ピクセル２６_k+1,n、２６_k,n+1が示されている。隣接ピクセル２６_k+1,nはこの場合ピクセル２６_k,、_nに横の空間方向に続く対象物１６の画像点を結像するのに対し、隣接ピクセル２６_k,n+1はピクセル２６_k,nに縦の空間方向に続く対象物１６の画像点を写す。アレイ軸Ｓに沿って各サブアレイ内では対象物１６の各画像点のスペクトル分解が行われる。なぜならスペクトル分散素子２１が対象物画像のスペクトル分割をたとえばアレイ軸Ｓと一致する分散方向軸Ｄに沿って行うからである。反射光の求めるべきスペクトル範囲の選択はたとえばサブアレイ２６_k,n内のそれぞれアレイ軸Ｓに沿っているスペクトル的に所属するピクセルの電子制御を介して行うことができる。

第２の絞り装置２３が使用される場合には、第１の絞り装置１３の位置を基準に分散方向軸Ｄに沿った第２の絞り装置２３の横方向のシフトに相当するスペクトル分散光のスペクトル部分のみがそれぞれ検出器装置２４に向けられる。換言すれば第２の絞り装置２３の列ラスタの横方向のシフトにより反射光のスペクトル選択が行われるので、二次元検出器装置２４の一部のみが照明される。

図４は第２の絞り装置２３の概略図である。第２の絞り装置２３はこの場合第１の絞り装置１４の列ラスタに相当し得る列ラスタ２３_kを有することができる。分散方向軸Ｄに沿って一定の距離ｄだけ横方向にシフトすることにより第２の絞り装置２３は反射光のスペクトル的に分割された一定部分を選択することができる。予め定められた異なる距離ｄだけ第２の絞り装置２３のシフトの変化により散乱もしくは反射光の全スペクトルが検出器アレイ２４aのサブアレイ２６_k,nのアレイ軸Ｓに沿って結像される。

図５は対象物１６の画像のスペクトル成分の例示的結像の概略図を示す。たとえば第１の絞り装置１４に対し予め定められた距離ｄだけ横方向にシフトされた絞り装置２３が検出器アレイ２４a上に列パターン２３_kを結像するものとする。この列パターン２３_kは列パターン２５_kに対してアレイ軸Ｓに沿ってシフトされ、同時に対象物の分散もしくは反射光の別のスペクトル範囲を検出器アレイ２４aに結像する。これにより検出器装置２４のサブアレイ２６_k,nにおける対象物１６の画像点の拡大を介して同時に対象物の空間分解、すなわち対象物の画像形成と、スペクトル分解が行われる。

スペクトル画像検出はたとえば絞り装置２３のスキャン的な横方向のシフト運動を介して行われる。代替的に検出器装置２４のピクセルの電子制御を介してスペクトル選択を講じることも可能である。

たとえば医療分野における一定の応用に対しては分解すべきスペクトル範囲の予備選択を講じることが重要である。図６は第２の絞り装置２３の概略図を示し、この絞り装置は第１の列ラスタ２３_kのほかに第１の列ラスタ２３_kに対し予め定めた距離だけシフトされた第２の列ラスタ２７_kを有する。この列ラスタの数は図６では例として２つだけ示されているが、たとえば任意の数の列ラスタを多数の分解すべき波長範囲の選択に使用することも原理的には可能である。波長範囲の予備選択により第２の絞り装置２３を動かす必要はもはやなくなる。なぜなら各列ラスタ２３_kおよび２７_kはそれらに与えられたスペクトル分散された波長範囲を検出器アレイ２４aの分離ピクセル範囲に投影できるからである。このようにしてたとえば高い光感度を有する一次元検出器アレイ２４a、たとえばアバランシェホトダイオードアレイを使用することができる。なぜなら検出器装置２４の予め定められた列範囲だけが対象物１６からの光の検出に使用できるからである。考えられる応用は画像形成的組織診断における良種の組織と腫瘍組織との間のスペクトラルコントラストの獲得である。

図７は、共焦点分光計、特に図１に示した共焦点分光計１００における画像形成のための方法２００の概略図を示す。方法２００は第１の工程２０１として列パターンを作成するため主列方向の第１の列ラスタを有する第１の絞り装置への広帯域光源の結像を含む。光源はこの場合たとえば白色光源または多色光源とすることができる。光源の結像はこの場合、光源が第１の列ラスタの列上にこれらの列に所属する多数の円筒レンズにより結像されるようにして行われる。

第２の工程２０２において結像（撮像）すべき対象物への列パターンの集束が行われる。第３の工程２０３において主列方向に垂直な分散軸に沿って対象物により反射された光のスペクトル分散が行われる。スペクトル分散はたとえばプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器により実施される。

第４の工程２０４ではスペクトル分散された反射光の検出器装置への集束が行われる。この場合スペクトル分散光を第１の列ラスタの主列方向の第２の列ラスタを有する第２の絞り装置へ集束させることが可能である。この場合対象物から反射された光の分割はビームスプリッタ素子により列パターンの結像の光路から行うことが可能である。

第５の工程２０５では対象物のスペクトル分解画像を作成するため反射光の検出が行われる。反射光の検出はたとえば二次元ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードにより実施できる。この場合対象物の反射された画像点はアレイ軸に沿ってスペクトル分解される。第２の絞り装置が使用されれば、検出された光の波長の選択のために第２の絞り装置を分散軸方向に沿ってシフトすることができる。この場合検出器装置としては一次元センサアレイ、たとえば感度のよい一次元アバランシェホトダイオードアレイも使用することができ、これを第２の絞り装置と共に分散軸方向に沿ってシフトすることができる。

図８は共焦点分光計３００の概略図を示す。分光計３００は結像系１を含み、この結像系は光源１１の光を分光分析すべき対象物１６上に集束させるように設計されている。分光計３００はさらに検出器系２を含み、この系は対象物１６により散乱および／または反射された光を検出してそこから対象物１６の画像を作成するように設計されている。

結像系１は光源１１を含む。光源１１は広帯域または多色光源１１とすることができ、すなわち光源１１は広い周波数もしくは波長範囲の光を放出する。たとえば光源１１は白色光源、グローバー、ネルンストランプ、ニッケルクロムコイル、ハロゲンガス放電ランプ、キセノンガス放電ランプ、スーパールミネセンスダイオード、ＬＥＤまたは同様の多色光源とすることができる。さらに光源１１の放出スペクトルを含むスペクトル波長範囲は紫外線範囲、可視光範囲および／または赤外線範囲とすることができる。

光源１１から放出された光はレンズ１２を介して平行光束にコリメートされ、第１の絞り装置３４に向けられる。第１の絞り装置３４は多数の通過孔、いわゆるピンホールの構造化された配置を有することができる。この種の構造化された配置の一例はたとえば図９に示したニプコー円板である。

図９の第１の絞り装置３４は円板状であり通過孔３５_kの構造を有する。通過孔３５_kは円板状の同心的な種々の直径を有する軌道３６_kに沿って配置されているので、２つの隣接通過孔３５_kと３５_k+1は第１の絞り装置３４の周囲に沿って予め定められた間隔だけ離間している。この場合通過孔３５_kの数は任意である。第１の絞り装置３４を速く回転することにより対象物１６の全体が絞り装置３４の全体にわたって時間的にスキャンされる。なぜなら対象物１６の各画像点は軌道３６_kの段階的配置により絞り装置３４の一回転中に少なくとも１つの通過孔３５_kにより一度は通過させられるからである。絞り装置３４はニプコー円板とも呼ばれる。

結像系１ではコリメートされた光がレンズ装置３３のレンズ３３aを介して第１の絞り装置３４の通過孔に集束されるようにしている。この場合各通過孔３５ _k にはそれぞれレンズ３３aの１つが所属するようにできる。レンズ装置３３はたとえば第１の絞り装置３４に一体に接続することができる。レンズ３３により光源１１の光の大部分が第１の絞り装置３４の通過孔３５ _k の構造を対象物１６上に投影するために利用される。

第１の絞り装置３４を通過する光は第１の結像光学系１５を介して対象物１６に集束される。この場合対象物１６の表面は焦点１６a上に光源１１の光により照明される。照明は第１の絞り装置３４の回転により対象物１６の全視野上で行われる。このためたとえば鏡胴レンズ１５a並びに対物レンズ装置１５ｂが使用される。

対象物１６から散乱もしくは反射された光は対物レンズ装置１５ｂにより再び結像光学系１５に戻される。結像光学系１５にはビームスプリッタ素子１５ｃが配置されており、これはたとえば偏光ビームスプリッタ、干渉フィルタまたは同様の入射光線を分割する光学素子とすることができる。散乱もしくは反射光は光軸Ａを有する光路を介して検出器系２に導かれる。

検出器系２はスペクトル分散素子４４を有し、これは対象物の広帯域に反射された光をスペクトル分割する作用をする。分散方向軸Ｄはこの場合光軸Ａに対し垂直にあるので、散乱もしくは反射光のスペクトル情報が分散方向軸Ｄに沿って分解される。分散素子４４はたとえばプリズム、回折格子、ホログラフ格子、ブレーズ格子、音響光学変調器、干渉フィルタまたは同様の素子を有することができる。

スペクトル分散光は集束レンズ２２を介して第２の絞り装置４８に集束される。第２の絞り装置４８はこの場合特に第１の絞り装置３４に類似した通過孔パターン３５_kを有することができる。スペクトル分散光は第２の絞り装置４８を通って検出器装置２４上に結像される。検出器装置２４はたとえば二次元ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイ、アバランシェホトダイオードアレイまたは同様の光に敏感なセンサ素子のマトリックスを有することができる。

第２の絞り装置４８はこの場合軸Ｂを中心に回転できるので、通過孔の回転は第２の絞り装置４８の通過孔３５_kの回転と一致する。これにより対象物１６により反射もしくは散乱された光は第２の絞り装置４８と共焦点で結像される。これは深さ選択が行われることを意味する。なぜなら焦点１６ａの焦点深さ内にある対象物１６の画像点だけが第２の絞り装置４８を通って結像されるからである。

分散軸Ｄに沿った分散素子４４のスペクトル分散により対象物１６の共焦点で検出された光のスペクトル選択のためのこの分散軸Ｄに沿った第２の絞り装置４８の横方向のシフトが行われる。換言すれば対象物１６の完全な横方向の分解と同時に、第１の絞り装置３４と第２の絞り装置４８との間の横方向のシフトが光軸Ａを基準に調整されることにより対象物１６のスペクトル分解が同時に可能である。

代替的に、分散素子４４の操作により光軸に関するスペクトルのシフトを達成することも可能である。たとえば分散素子４４としてのプリズムを回転するかまたは分散素子４４としての音響光学変調器を相応に調整することができる。

図１０には別の共焦点分光計４００が概略図で示されている。図１０の分光計４００は図８の分光計３００とは主として、第１の絞り装置３４が共通の照明および結像装置として利用されることで区別される。このため第１の絞り装置３４の後に結像光学系４５が設けられ、ここでビームスプリッタ素子４５a、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄおよびミラー素子４５e、４５ｆにより入射および反射光の種々の光路が実現される。

このためレンズ１２の後に偏光器４１が設けられ、光源１１からの光がリニア偏光される。入射光はビームスプリッタ４５a、４５ｂを、これらが偏光ビームスプリッタ、たとえばｓ偏光ビームスプリッタを有するときには直線状に通過する。ｐ偏光ビームスプリッタ４５ｃ、４５ｄ並びにミラー素子４５e、４５ｆを介して入射光は光路Ｗに沿って対象物に導かれる。λ/４板４６により９０°の偏光位相回転が行われる。

対象物１６から散乱もしくは反射された光はλ/4板４６により改めて９０°位相シフトされるので、反射光はｐ偏光ビームスプリッタ４５ｄ、４５ｃを妨げられることなく直線的に通過でき、ビームスプリッタ４５ｂに光路Xに沿って偏向される。光路Ｗ、Ｘの光学的路長はこの場合同一とすることができる。光路Xには対象物の反射もしくは散乱光のスペクトル分割を行うスペクトル分散素子４３、たとえばプリズムが設けられる。ビームスプリッタ４５aの回転により反射もしくは散乱光のスペクトル選択が行われ、絞り装置３４を介してビームスプリッタ４２に導かれてそこから集束レンズ２２により検出器装置２４に導かれる。代替的にスペクトル分散素子４１の回転により検出器装置２４への結像のための波長選択を達成することも可能である。

図１１には共焦点分光計、特に図８から図１０に関連して説明した共焦点分光計３００または４００における画像形成方法５００の概略図を示す。

第１の工程５０１では多数の通過孔の構造化された配置を有する回転可能な絞り装置による広帯域光源の結像が行われる。この場合光源は白色光源または多色光源を含み得る。回転可能な絞り装置はこの場合たとえばニプコー円板を含み得る。第２の工程５０２では結像すべき対象物への多数の通過孔の構造化された配置の結像の集束が行われる。この場合光源の結像は通過孔に所属する多数のレンズによる多数の通過孔の構造化された配置への光源の結像を含み得る。

第３の工程５０３では対象物により反射された光のスペクトル分散が分散素子、たとえばプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器により行われる。第４の工程５０４では多数の通過孔の構造化された配置を有する回転可能な絞り装置へのスペクトル分散された反射光の集束が行われる。この場合回転可能な絞り装置は検出された光の波長選択のため分光計の光軸に垂直にシフトされる。代替的に分散素子が検出された光の波長選択のため分光計の光軸に垂直にシフトされる。

第５の工程５０５では対象物のスペクトル分解された画像の作成のため回転可能な絞り装置を通過する反射光の検出が行われる。反射光の検出はＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイにより実施できるので、対象物の反射された画像点はアレイ軸に沿ってスペクトル分解できる。

原理、技術的効果および特徴を図面のそれぞれ１つを参照して説明してきたが、図の１つで説明した実施形態を残りの図に示した別の実施形態へ変更および修正することは簡単に可能である。

本発明は、広帯域光源、光源の前に配置され多数の通過孔の構造化された配置を備えるとともに結像（撮像）すべき対象物の視野を光源により照射するように設計された第１の絞り装置、多数の通過孔の構造化された配置の結像を対象物に集束させるように設計された結像光学系、対象物からの反射光を分散軸に沿って結像光学系の光軸と垂直にスペクトル分散させるように設計された分散素子、およびスペクトル分散された反射光を対象物のスペクトル分解された画像の作成のために検出するように設計された検出器装置を備えた共焦点分光計に関する。

１ 結像系
２ 検出器系
１１ 光源
１２ レンズ
１３ 円筒レンズ装置
１４ 第１の絞り装置
１５ 結像光学系
１６ 対象物
２１ スペクトル分散素子
２２ 集束レンズ
２３ 第２の絞り装置
２４ 検出器装置
３３ レンズ装置
３４ 第１の絞り装置
４１ 偏光器
４２ ビームスプリッタ
４３ 分散素子
４４ 分散素子
４５ 結像光学系
４６ λ/４板
４８ 第２の絞り装置
１００ 共焦点分光計
３００ 共焦点分光計
４００ 共焦点分光計

Claims (15)

1. 広帯域光源（１１）と、
   光源（１１）の前に配置され結像すべき対象物（１６）の視野を光源（１１）により照明するように設計された多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置を備えた回転可能な第１の絞り装置（３４）と、
   多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置の結像を対象物（１６）上に集束させるように設計された結像光学系（１５）と、
   対象物（１６）から反射された光を結像光学系（１５）の光軸（Ａ）に垂直な分散軸に沿ってスペクトル分散するように設計された分散素子（２１）と、
   スペクトル分散された反射光を対象物（１６）のスペクトル分解された画像を作成するために検出するように設計された検出器装置（２４）と
   を備えた共焦点分光計（３００；４００）。
2. さらに、第１の絞り装置（３４）の多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置に相当する多数の通過孔の構造化された配置を備えた回転可能な第２の絞り装置（４８）を備え、
   第２の絞り装置（４８）が分散素子（２１）と検出器装置（２４）との間に配置され、対象物（１６）から反射されたスペクトル分散光が第２の絞り装置（４８）の多数の通過孔の構造化された配置により検出器装置（２４）上に共焦点で結像される
   請求項１記載の分光計（３００）。
3. 第２の絞り装置（４８）が検出器装置（２４）により検出すべき対象物（１６）の反射光の波長の選択のため分光計（３３０；４００）の光軸に垂直方向にシフト可能である請求項２記載の分光計（３００）。
4. 第１の絞り装置（３４）および／または第２の絞り装置（４８）がニプコー円板である請求項１から３の１つに記載の分光計（３００；４００）。
5. 結像光学系（１５）が光源（１１）から対象物（１６）に当たる光のための第１の光路（Ｗ）と対象物（１６）から反射された光のための第２の光路（Ｘ）とを有し、分散素子（４３）が第２の光路（Ｘ）に配置される請求項１記載の分光計（４００）。
6. 分散素子（４１；４３）がプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含む請求項１から５の１つに記載の分光計（３００；４００）。
7. 検出器装置（２４）がＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイを有し、検出器装置（２４）が対象物（１６）の反射された画像点をアレイ軸（Ｓ）に沿ってスペクトル分解するように設計されている請求項１から６の１つに記載の分光計（３００；４００）。
8. 光源（１１）が白色光源である請求項１から７の１つに記載の分光計（３００；４００）。
9. 以下の工程、
   多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置（３４）により広帯域光源（１１）を結像する工程（５０１）、
   多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置の結像を結像すべき対象物（１６）上に集束させる工程（５０２）、
   対象物（１６）により反射された光を分散素子（４１；４３）によりスペクトル分散する工程（５０３）、
   スペクトル分散された反射光を多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置を備えた回転可能な絞り装置（３４；４３）上に集束させる工程（５０４）、
   対象物（１６）のスペクトル分解された画像の作成のため回転可能な絞り装置（３４；４３）を通過する反射光を検出する工程（５０５）
   を有する共焦点分光計（３００；４００）における画像形成方法（５００）。
10. さらに、反射光の波長選択のため分光計（３００；４００）の光軸に垂直方向に回転可能な絞り装置（４３）をシフトする工程を有する請求項９記載の方法（５００）。
11. さらに、反射光の波長選択のため分光計（３００；４００）の光軸に垂直方向に分散装置（４１；４３）をシフトする工程を有する請求項９記載の方法（５００）。
12. 分散装置（４１；４３）がプリズム、回折格子、干渉フィルタまたは音響光学変調器を含む請求項９から１１の１つに記載の方法（５００）。
13. 反射光を検出する工程が、ＣＣＤセンサアレイ、ＣＭＯＳセンサアレイまたはアバランシェホトダイオードアレイにより実施され、対象物（１６）の反射された画像点がアレイ軸（Ｓ）に沿ってスペクトル分解される請求項９から１２の１つに記載の方法（５００）。
14. 光源（１１）を結像する工程（５０１）が、光源（１１）を多数の通過孔（３５_k）の構造化された配置の上に、多数の通過孔に所属する円筒レンズ（３３a）により結像することを含む請求項９から１３の１つに記載の方法（５００）。
15. 光源（１１）が白色光源である請求項９から１４の１つに記載の方法（５００）。

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