JP2008510964A - マルチチャネル、マルチスペクトル型撮像分光計 - Google Patents

Abstract

マルチチャネル、マルチスペクトル型撮像分光計は、それぞれが２以上の入力チャネルの各々用である２以上の入力スリット又は他の光入力装置を有する。入力スリットは、互いに垂直及び水平方向に変位されている。垂直変位は、２つのチャネルからのスペクトルが、静止画像面上の単一画像センサ上で、互いに垂直方向に変位されるようにする。水平変位は、それぞれの入力チャネルからの入射光ビームが、異なるそれぞれの入射角で凸状格子に衝突し、異なるそれぞれのスペクトル範囲を持つ別々のスペクトルを生成するようにする。反転型分光計は、回折によって、光の波長を、異なる角度及び次数で、入射光ビームに沿ってほぼ後方に分散させる凸状格子を有する。単一の凹面鏡は、入力チャネルと分散スペクトルの双方を反射する。プリズム、ミラーの組、ビームスプリッタ又は他の光学要素（１又は複数）は、分光計の入力チャネル（１又は複数）を折り返して、入力（１又は複数）が、画像センサの面から遠くへ移動されるようにして、より大きなカメラ又は他の装置が、入力（１又は複数）を遮ることなく、分光計に取り付けられるようにする。搭載機構は、湾曲した光学要素が、ラテラル及びトランスバースの並進によって、ジンバルマウントを要することなく、調整され得るようにする。
【選択図】図１５

Description

［関連出願との相互参照］
この出願は、２００４年８月１９日に出願された“マルチチャネル、マルチスペクトル型撮像分光計”なる名称の米国仮出願第６０／６０２，７４７号の利益を主張する。
［連邦補助研究または開発に関する表明］
（適用なし）

「発明の背景」
本発明は、撮像分光計に関し、特に小型なマルチチャネル及び／又はマルチスペクトル型撮像同心分光計に関する。

分光計は、輻射、例えば光をエネルギバンド（波長）のスペクトルに分離し、各バンドの相対強度を示す機器である。可視光の場合、分光計は、典型的に、その光を、紫（短波長）光から赤（長波長）光までの範囲を持つスペクトルに分離する。

対象物から反射されるか、それによって放射される電磁エネルギのスペクトルを分析することは、その対象物の化学的組成や物理的特性を識別する助けになる。例えば、天文学では星の化学的組成を分析することに使用される。もう１つの例（“ラマンレーザ分光計”）では、対象物は、レーザによって照射される。レーザ光は、その対象物の原子を励起し、そしてこれら原子は、レーザ光とは異なる、１つの波長又はいくつかの波長の光を放射する。レーザ光の波長と放射された光の波長（１又は複数）を比較することは、その対象物の化学的組成を識別する助けになる。ラマン及び他のレーザ分光学技術は、鉱物及び地質学的サンプル、半導体ウエハ、プロセス製造サンプル及び化学物質、例えば疑わしい生物学又は化学戦用剤を分析することに使用される。スペクトル分析のもう１つの例において、分光計で１つのシーン、例えば偵察機又は衛星から見られたシーンをスキャンすることは、関心のある形状的特徴、例えば鮮明に変更された土壌を検出することに使用できる。そのような分析は、例えば、鮮明に植えられた農作物や最近埋められた地雷を検出する場合に有用である。光学的波長分離能力に基いた製品（例えばマルチプレクサー及びデマルチプレクサー）は、光学的波長スイッチング用の光ファイバ通信システムにおいて、単一の光ファイバ上を搬送される波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルを分離することにも使用できる。

ラマン分析に使用される従来の分光計は、主として高解像度機器の設計に固有の大きな光学焦点距離に起因して、比較的大型で重い実験室ベースの機器である。加えて、従来の分光計は、明瞭に制限された範囲の波長のスペクトルを高い相互分散で生成する。

［発明の簡単な要約］
種々の特徴を持つ分光計が開示される。マルチスペクトル型分光計は、高い相互分散を持つ従来の分光計よりも広い総合範囲の波長にわたってスペクトルを生成することができる。高分散、反転型分光計は、このタイプの従来の分光計よりも小型で軽量である。折り返し入力チャネル光路（１又は複数）を持つ分光計は、大型のカメラ、検出器又は他の装置を、入力チャネル（１又は複数）に干渉することなく、分光計に取り付けることを可能にする。加えて、ジンバルマウントを要することなく、例えば分光計又は撮像システムにおいて、凸面鏡又は他の湾曲した光学要素を調整するための機構が開示される。分光計は、ここに開示される特徴の１以上を有することができる。例えば、折り返し入力チャネル及びミラー調整機構を持つマルチチャネル、マルチスペクトル、高分散反転型分光計は、これら特徴のいくつかを持つ。

マルチスペクトル型分光計は、それぞれが各入力チャネル用である２以上の入力スリット又は他の光入力装置を有する。入力スリットは、互いに垂直に変位されている。垂直変位は、２以上のチャネルからのスペクトルが、画像センサ上で、互いに垂直方向に変位されるようにする。かくして、スペクトルは、単一画像面上で別々に画像化される。入力スリットは、互いに水平にも変位されている。水平変位は、それぞれの入力チャネルからの入射光ビームが、異なるそれぞれの入射角で凸状格子に衝突するようにする。凸状格子におけるこれらの異なる入射角は、スペクトル全てが同じ範囲の角度で回折されるにもかかわらず、異なるそれぞれのスペクトル範囲を持つ２以上のスペクトルを生じさせる。集合的に、これらのスペクトルは、単一格子装置において、単一スペクトルがカバーできるよりも大きな範囲の波長、即ち大きな帯域幅をカバーする。

反転型分光計は、１次分散を入射光ビームに沿ってほぼ後方に生じる凸状格子を有する。かくして、単一の凹面鏡は、入力チャネルと分散スペクトルの双方を反射して、より小型で軽量な分光計を与える。

プリズム、１組のミラー又は他の光学要素（１又は複数）は、分光計の入力チャネル（１又は複数）を折り返して、入力が画像センサの面から遠くへ移動されるようにして、より大きなカメラ又は他の装置が、反転構成において、入力（１又は複数）を遮ることなく、分光計に取り付けられるようにする。

搭載機構は、湾曲した光学要素が、分光計又は他の機器内で、ジンバルマウントを要することなく、調整され得るようにする。搭載機構は、光学要素がラテラル及びトランスバース方向に移動されるようにする。例えば、中央箇所を中心とした小さな偏倚、例えば線形移動は、入射ビーム用の一対のジンバルによって与えられる２つの角自由度を厳密に近似する。

本発明のこれら及び他の特徴、利点、形態及び実施形態は、以下の「発明の詳細な説明」から当業者に一層明らかとなる。
この発明は、「図面」に関連した「発明の詳細な説明」を参照して、より完全に理解される。

［発明の詳細な説明］
２００４年８月１９日に出願された“マルチチャネル、マルチスペクトル型撮像分光計”なる名称の米国仮出願第６０／６０２，７４７号の内容は、参照によりここに組み入れられる。

単純化のために、従来技術及び本発明の動作を説明することに可視光が使用される。しかしながら、本発明は、可視光及び不可視光、例えば近赤外線（ＮＩＲ）、短波赤外線（ＳＷＩＲ）及び紫外線（ＵＶ）や、他の波長の電磁エネルギ、更には可視及び不可視エネルギの組み合わせと共に使用可能であり、これらの全ては、ここでは集合的に単純化のために“光”と呼ばれる。

［従来の分光計］
典型的な分光計は、スリット又は他の光入射装置と、到来する光をスペクトルに分散するための光分散要素と、このスペクトルがその上に投影される画像面、例えば画面又は画像センサとを有する。大抵の分光計は、回折格子を光分散要素として使用するが、他の要素、例えばプリズムが使用され得る。

回折格子は、入射光ビームをその構成波長に分散し、これによりスペクトルを生成する。分散とは、光を１つの物理的次元方向に波長に従って分布することを意味する。回折格子は、その格子の表面にエッチング又はミリング加工された複数の厳密に離隔された溝を有する。

回折格子表面は、平坦でも湾曲していてもよい。回折格子の溝は、直線的又は湾曲していて、一定の間隔で平行に、非平行に、又は可変間隔である。図１は、典型的な回折格子１００の断面図である。図１に示された回折格子１００の溝は鋸歯状であるが、他の形状、例えばシヌソイドを使用してもよい。図１は、入力光ビーム（入射ビーム）１０２と、回折されたビーム１０４とを示している。入射ビームの角度はαであり、回折されたビームの角度はβである。与えられた入射角αに対して、回折されたビームの角度βは、隣接する溝間の間隔と、回折された光の波長とに依存する。かくして、各波長は、異なる角度βで回折され、これにより図２に示すように、分散扇２００を横切って、入射ビーム１０２の種々の波長を分散する。分散扇２００は、スペクトルを構成する光の波長の連続体を含んでいる。入射角及び回折角は、周知の回折格子定式（１）に従って関連付けられる。

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｎｍλ （１）
回折格子定式（１）において、ｎは整数であり、ｍは格子周波数又はピッチであり（即ち、ｍ＝１／ｄ、ここでｄは隣接する溝間の間隔である）、λは回折されたビームの波長である。かくして、長波長は、比較的小さな角度、例えばβ１で回折され、そして短波長は、比較的大きな角度、例えばβ２で回折される。

図２の挿入図に示されているように、光は各溝から反射される。そのような反射のそれぞれは、別々の光路を作る。２つの平行な経路（例えば経路１及び経路２）の長さが１つの波長の整数倍（ｉλ、ここでｉは整数）だけ異なる場合、建設的干渉は、その波長の光を増強し、破壊的干渉は、他の波長の光を相殺する傾向にある。かくして、経路１及び経路２に平行な経路は、主として単一波長の光を包含する。他の角度で反射された経路は、主として他のそれぞれの波長の光を包含する。

図３は、従来技術のオフナーデザイン分光計３００の外皮切断図である。光は、スリット３０２に入り、そして第１の凹面鏡３０４によって凸状格子３０６上に反射される。（単純化のために、図１及び他の図面では、単一光線だけが描かれている。動作時には、スリット（１又は複数）の高さ（１又は複数）によって、更なる光が入れられる。）凸状格子３０６は、光を波長によって空間的に分散する。即ち、格子上へ入射する光のビームは、その成分波長（色）に分離される。各波長は、入射光が凸状格子３０６に衝突した点から異なる角度に沿って回折される。例えば、入射光ビーム３０８について、長波長３１０は、短波長３１４が回折される入射点とは異なる角度で、入射点３１２から回折される。第２の凹面鏡３１６は、分散された光を画像面３１８上に集束する。（いくつかのケースでは、単一の大きな凹面鏡表面（図示せず）が２つの別々の凹面鏡３０４、３１６の代わりに使用される。）かくして、オフナーデザイン分光計では、光は、Ｍ字形の経路を、入力スリット３０２から、第１の凹面鏡３０４へ、凸状格子３０６へ、第２の凹面鏡３１６へ、そして画像面３１８上へと追従する。このＭ字形は、必要なことではないが、凸状格子３０６を二等分する破線３１９を中心として対称である。

断面Ｂ−Ｂは、画像面３１８上に生じたスペクトル３２０を示している。スペクトル３２０の高さ３２２は、スリット３０２の高さ３２４（断面Ａ−Ａに示されている）に対応する。凸状格子３１２によって分散された最短波長光３２６は、スペクトル３２０の一方の端部に現れ、そして凸状格子によって分散された最長波長光３２８は、スペクトルの他方の端部に現れる。中間的な波長の光は、連続したスペクトルの２端部間に現れる。凸状格子３１２によって分散される光の波長の範囲、即ち、最長波長３２８と最短波長３２６との差は、その分光計の“帯域幅”と呼ばれる。与えられた凸状格子デザインは、特別なスペクトル帯域幅を生じる。かくして、従来の分光計は、それぞれの凸状格子によって制限される帯域幅を持つ。

［マルチスペクトル型分光計］
本開示に係るマルチスペクトル型分光計は、高い相互分散を持つ従来の分光計よりも大きな帯域幅を与える。図４は、例示的マルチスペクトル（高帯域幅）型分光計４００の斜視図である。この分光計４００は、２つの入力スリット４０２及び４０４と、第１の凹面鏡４０６と、凸状格子４０８と、第２の凹面鏡４１０と、画像センサ４１２、例えばピクセル化された電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサアレイとを有する。凹面鏡４０６及び４１０と凸状格子４０８は、球状、放物状、非球面状、トロイダルセグメント、又は他の湾曲した要素である。画像センサ４１２の出力は、典型的にコンピュータや他の回路（図示せず）に分析又は処理用に与えられる。

凸状格子４０８は、湾曲した非平行溝を有する収差補正格子であることが好ましい。そのような凸状格子は、凸状ブランクを感光性化合物（一般に“フォトレジスト”と呼ばれる）で被覆し、このフォトレジストを２つの離隔された光源、例えばレーザに曝すことによって、ホログラフィ（又は干渉）格子として形成され得る。干渉パターンは、フォトレジストに記録される。フォトレジストが化学的に現像され、エッチングされると、干渉パターンは、一組の離隔された直線又は湾曲した線からなる表面レリーフをブランクの表面に生じさせる。この結果生じた格子は、米国特許第６，２６６，１４０号に開示されているようなシヌソイド型断面形状を有する。この特許の内容は、参照によりここに組み入れられる。その代わりに、直線及び／又は平行な溝及び／又は不等間隔の溝を有する回折格子が使用できる。適切な回折格子は、フィッチバーグ、ＭＡ０１４２０所在のヘッドウォール・フォトニクス社(Headwall Photonics, Fitchburg, MA 01420)から入手可能である。

第１の破線４１４は、第１の凹面鏡４０８の中心線を示し、第２の破線４１６は、第２の凹面鏡４１０の中心線を示す。第３の破線４１８は、凸状格子４０８の中心線を示す。３本の中心線４１４，４１６及び４１８は、ほぼ同一平面上にある。光学部品（凹面鏡４０８及び４１０と凸状格子４０８）の球状半径の３つの中心は、この面の回りにほぼ“同心的”である。第４の中心線４２０も又、他の３本の中心線４１４，４１６及び４１８と同一平面上にある。画像センサ４１２は、中心線４２０が画像センサを二等分するように、配設されることが好ましい。また、入力スリット４０２及び４０４は、中心線４２０の互いに逆側に対称的に配設されることが好ましいが、他の配置も受け入れ可能である。特に、両スリット４０２及び４０４は、中心線４２０の同じ側に配設され得る。この場合、画像センサ４１２は、両スリット４０２及び４０４に対し中心線４２０の逆側に配設される。

２つの入力スリット４０２及び４０４は、２つの入力チャネル４２２及び４２４の光をそれぞれ分光計４００に入れる。２つのチャネル４２２及び４２４の光は、第１の凹面鏡４０６によって凸状格子４０８上に反射され、この凸状格子は、その光を２つのそれぞれのスペクトルに分散する。これらのスペクトルは、第２の凹面鏡４１０によって画像センサ４１２上に反射される。

２つの入力スリット４０２及び４０４は、４２６で示されるように、互いに垂直に変位されている。この垂直変位４２６の結果、２つの入力チャネル４０２及び４０４の光から生じたスペクトル４２８及び４３０は、互いに、画像センサ４１２上で垂直に変位される。このため、２つのスペクトルの少なくともそれぞれの部分は、画像センサ上で重ならない。そして、２つのスペクトルの少なくともこれらの部分は、画像センサ４１２によって別々に画像化される。

２つの入力スリット４０２及び４０４はまた、４３２で示されるように、互いに水平に変位される。（分光計４００の一部分の断面図を示す）図５に示されているように、この水平変位４３２によって、２つの入力チャネル４２２及び４２４からの光は、異なるそれぞれの入射角α１及びα２で凸状格子４０８に衝突する。これら異なる入射角α１及びα２によって、２つの異なる波長の光は、回折格子定式（１）に従って、各回折角βで回折格子４１８から回折される。各角度βで回折される第１の入力チャネル４２２の光は、同じ角度βで回折される第２の入力チャネル４２４の光よりも長い波長を有する。

かくして、図６に示すように、単一分散扇６００にわたって、無数の回折角（β１，β２，β３及びβ４によって例示される）の各々において、２つの異なる波長の光が回折する。第１の入力チャネル４２２の光からの回折は、第１のスペクトル４２８を生じ、また第２の入力チャネル４２４の光からの回折は、第２のスペクトル４３０を生じる。２つのスペクトル４２８及び４３０の長波長極値の経路は、６０２で示されるように一致する。しかしながら、第１のスペクトル４２８の長波長極値における光の波長は、異なる入射角α１及びα２に起因して、第２のスペクトル４３０の長波長極値における光の波長よりも長い。かくして、各々が２つの異なる組の波長を有する２つの異なるスペクトルは、第２の凹面鏡４１０上に投影され、これにより、画像センサ４１２上に反射される。

かくして、図７に示すように、一方の入力チャネル４２２の光から生成されたスペクトル４２８は、第１の波長の光をスペクトル４２８の長波長端に有し、また第２の波長の光をスペクトル４２８の短波長端に有する。加えて、他方の入力チャネル４２４の光から生成されたスペクトル４３０は、第３の波長（第１の波長より大きい）の光をスペクトル４３０の長波長端に有し、また第４の波長（第２の波長より大きい）の光をスペクトル４３０の短波長端に有する。

１つの実施形態では、凸状格子４１８の溝ピッチは、ミリメータ（ｍｍ）当たり約１４６溝であり、そして入力チャネル４２２及び４２４は、水平に約４，６ｍｍだけ変位されている。この実施形態では、第１チャネルのスペクトル４２８は、約４００ナノメータ（ｎｍ）から約１０００ｎｍまで延びており、そして第２チャネルのスペクトル４３０は、約９００ｎｍから約１７００ｎｍまで延びている。

かくして、２つの入力チャネル４２２及び４２４から生成された２つのスペクトル４２８及び４３０は、両スペクトルが回折格子４１８から同じ角度で回折されてはいるが、異なる、おそらく重なった、範囲の波長をそれぞれ有する。この構成は、“マルチスペクトル”型分光計と呼ばれる。

２つのチャネル４２２及び４２４のスペクトルに関する波長の総範囲は、いずれかのチャネル単独のスペクトルにおける波長の範囲よりも大きい。単一光源が両入力チャネル４２２及び４２４に与えられる場合、光は、従来の、即ち、単一スペクトル型分光計によるよりも広範囲の波長に亘って分析される。例えば、画像センサ４１２からの出力は、コンピュータや他の回路（図示せず）に与えられ、これらは、２つのスペクトルを単一の高帯域幅のスペクトルに“縫い合わせる”ことができる。

画像センサ４１２は、２以上のセクションの組み合わせからなることができる。この場合、各セクションのセンサは、異なる技術によって製作され、各セクションは、異なる（おそらく重なった）範囲の波長に対して感度がある。例えば、センサの１つの部分は、シリコンＣＣＤ素子を利用することができ、そしてセンサのもう１つの部分は、ＩｎＧａＡｓ素子を利用することができる。同様に、各々が異なる技術を利用するセンサの組み合わせが使用できる。いずれの場合でも、センサ又はセンサセクションは、ここでは集合的に単一センサアレイと呼ばれる。

あるいは、２つの入力チャネル４２２及び４２４からの光を異なる角度で凸状格子４１８に衝突させる水平変位４３２の代わりに、又はそれに加えて、２つの入力チャネル４２２及び４２４の光ビームは、非平行にされ得る。例えば、スリット４０２及び４０４は、非共平面にされ得る。あるいは、光学要素、例えば１以上のミラーが、スリット４０２及び４０４を通して投影された光ビームを、平行でないように指向することに使用され得る。

その代わりに、２つの入力チャネル４２２及び４２４の光ビームは、同じ角度で凸状格子４１８に衝突することができる。この場合、２つの入力チャネル４２２及び４２４の波長範囲は異なり、かくして異なる波長範囲を持つスペクトルを生成することができる。

図４は、２つのそれぞれの入力チャネル４２２及び４２４の光を入れることに使用されたスリット４０２及び４０４を示しているが、光入射装置の他の入力構成も可能である。例えば、図８に示すように、複数の光ファイバ８００が互いに柱状に垂直に積み重ねられて、入力チャネルの一方の光を入れることができる。光ファイバ８００の各々から生成されたスペクトルは、画像センサ４１２内の別々の組のピクセルによって画像化され得る。かくして、光ファイバ８００の各々によって搬送される光は、別々に分析され得る。以下で更に詳細に説明されるように、全ての光ファイバ８００が単一光源からの光を搬送することを要する、というものではない。例えば、光ファイバの１以上は、第１の光源、例えばラマンレーザからの光を搬送し、そして光ファイバの１以上の他のものは、もう１つの光源、例えばラマンレーザによって照射される対象物からの光を搬送することができる。もう１つの例では、光ファイバは、複数のテスト箇所にある複数の光収集装置に接続される。

更に、マルチスペクトル型分光計は、２つの入力チャネルに限定されてはいない。図９に示すように、２より多い入力チャネル９００が設けられる。各入力チャネル９００の入口スリットや、光ファイバの列、又は他の光入射装置は、異なる量（変位１，変位２等）だけ水平に変位され、これにより各入力チャネルからの光が、異なるそれぞれの入射角α１，α２，・・・αＮで、凸状格子４１８に衝突するようにする。先に論じられたように、各入力チャネル９００の入口スリットや光ファイバの列等は、典型的に異なる量だけ垂直に変位され、それぞれの入力チャネル９００からのスペクトルが、焦点面から離隔されるようにする。例えば、これらのスペクトルは、画像センサ４１２によって別々に画像化され得る。

各チャネルのスリット又は他の光入射装置が互いに水平及び垂直に変位されているので、各チャネルの光入射装置からの光線は、分光計を通る僅かに異なる（且つ、ある場合には、スペクトル範囲特異な）経路に追従する。しかしながら、全てのスペクトルが同時に単一の焦点面検出器又は一組の焦点面検出器上に画像化されることが好ましい。

［反転型分光計］
図３に関して上述したように、従来のオフナー分光計は、２つの凹面鏡３０４及び３１６か、２つのミラーの役割を果たす単一の大きな凹面鏡表面を有する。いずれの場合でも、凹面鏡（１又は複数）のサイズ及び重量は、Ｍ字型光路と同様に、従来の分光計を大型で重いものにする。本開示による反転（レトロフレクティブ）型分光計の実施形態は、従来の分光計よりも軽量で小型であり、しかもより高い相互分散を可能にすると共に非常に微細な解像度の測定を容易にする。

図１０は、例示的な反転型分光計１０００の斜視図である。この分光計１０００は、入力スリット又は他の光入射装置１００２と、単一の凹面鏡１００４と、高相互分散型凸状格子１００６と、画像センサ１００８とを有する。破線１０１０は、凹面鏡１００４の中心線を示し、破線１０１２は、凸状格子１００６の中心線を示す。２本の中心線１０１０及び１０１２は共平面的であり、そして部品の球状中心は、ほぼ同心的である。第３の破線１０１４もまた、他の２つの中心線１０１０及び１０１２と共平面的である。

入力スリット１００２は、光を分光計１０００に入れる。凹面鏡１００４は、光の入射ビーム１０１６を凸状格子１００６上に反射する。凸状格子１００６は、関心のある波長を有する入力光について、凸状格子によって生成される分散扇が、入射ビーム１０１６の角度とほぼ同じ角度に沿って後方に指向された経路１０１８に追従するように、設計されている。そのような構成は、“反転”的である、又はリトロー条件にあると呼ばれ、出力の主要光線が入力光線に近接又は一致した経路に沿って伝播し、入力及び出力焦点間の分離距離がシステムの焦点距離の約３０％未満であることを意味する。分散扇は、単一の凹面鏡１００４によって画像センサ１００８上に反射される。

図２に関して述べたように、入射ビーム１０２は分散扇２００を生成する。長及び短波長がそれぞれ分散される角度β１及びβ２は、回折格子定式（１）に従って、入射ビーム１０２の入射角αとそれぞれの波長とに依存する。

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｎｍλ （１）
回折格子定式（１）中のｎの種々の（整数）値は、図１１に示すように、それぞれの分散扇（一般に“分散の次数”と呼ばれる）を生成する。０（ゼロ）次は、未分散光を含む。即ち、０次は、入射ビーム１０２の全ての波長を含む反射光である。この技術分野では周知のように、より高次の分散は、より幅広いものであって、それらは、より低次の分散よりも広い分散扇角度を包囲し、そして図１１に示すように、ある高次の分散は、低次の分散のいくつかと重なる。

（図１０の反転型分光計の断面図を示す）図１２Ａに示されているように、溝ピッチは、凸状格子１００６について選択され、与えられた範囲の入力ビーム波長について、１次分散（例えば、分散１２００及び１２０２）は、それぞれの入射ビーム（例えば、入射ビーム１２０４及び１２０６）に沿ってほぼ後方に起こる。例えば、約７６０から約９００ｎｍのスペクトル範囲に対して、約１０００溝／ｍｍの溝ピッチが使用され得る。

既知の技術は、１次分散の伝播を最適化することに、即ち１次分散のエネルギの量を最大化することに使用できる。一般的に、このことは、近リトロー光路を利用することによって達成される。この光路では、光の波長λと、隣接する溝間の間隔ｄは、式（２）によって関連付けられる。

２／３＜λ／ｄ＜２ （２）
一般的に、１次分散のエネルギを最大化する回折格子は、好ましいものである。しかしながら、関心のある入力波長の範囲と分散の所望の角度によっては、他の次数の分散、例えば負の次数の分散を使用することが好ましいこともある。例えば、２次分散又は−１次（負の１次）分散又は−２次（負の２次）分散を使用することが好ましいこともある。そのような場合、回折格子は、選択された次数の分散のエネルギを最大化するように設計される。

１以上の光トラップが分光計１０００内に配設され、選択された次数の分散以外の分散、特に０次分散を捕捉することが好ましい。図１３は、適切な光トラップ１３００の一部分の断面図である。この光トラップ１３００は、複数の羽根、例えば羽根１３０２を有する。羽根の端部は、１３０４で示されるような、ナイフの刃のような形状である。光トラップ１３００の表面は、光吸収性材料、例えば平塗りの黒色塗料で被覆されている。

反転型分光計は、単一の凹面鏡１００４だけを必要とする。更に、光は、半Ｍ字形経路に沿って、入力スリット２００２から凸状格子１００６まで進行する。また、分散された光は、同じ半Ｍ字形経路に沿って後方に（図１２Ｂに見られるように）画像センサ１００８まで進行する。かくして、図３の従来の分光計３００とは異なり、画像センサ１００８は、入力スリット１００２が配設されているのと同じ回折格子１００６の側に配設され、より小型な分光計を生じる。

低分散、ハイパースペクトル（全Ｍ字形光路）型の分光計と、高分散、反転（半Ｍ字形光路）型の分光計の双方が説明されてきた。これら２つのデザイン間の選択は、関心のある入力波長及び／又は画像化されるべき波長の範囲に基づくことができる。何故ならば、異なる入力波長は異なる分散角を生じるからである。例えば、いくつかの入力波長は、高分散、反転型デザインで有用となる満足な反転分散次数を生じる（即ち、高分散次数における十分なスペクトル範囲を与える）ことがないからである。これらの場合、低分散型の分光計は、より適切になることがある。一般的に、高分散、反転型の分光計は、低分散型の分光計よりも少ないスペクトル帯域幅（即ち、波長の小さな範囲）与える。

［折り返し入力マルチチャネル型分光計］
いくつかの例では、大きな装置、例えばカメラ又は検出器が分光計に取り付けられて、この分光計によって生成された１又は複数のスペクトルを捕獲及び／又は処理する。例えば、画像センサ１００８（図１０）は、カメラの一部であり得る。そのような場合、カメラ又は他の装置は、入力スリット１００２又は他の光入射装置を遮るに十分な大きさになり得る。図１４は、入力を遮ることなく、大きなカメラ又は他の装置の取付を可能とするように構成された分光計１４００の斜視図である。この分光計１４００は、プリズム、ミラー又は他の装置１４０２を有して、入力の光を凹面鏡１００４に向けて反射する。そのような配置は、“折り返し入力チャネル”型分光計と呼ばれる。折り返し入力チャネル型分光計では、入力光は、画像センサの面に直交するのではなく、画像センサ１００８の面と平行に、あるいは他の角度で導入される。この結果、如何なるサイズのカメラ又は他の装置でも、入力を遮ることなく、分光計１４００に取付可能となる。

この代わりに、プリズム、ミラー又は他の装置１４０２は、経路１４０４内に配設され、これにより入力を折り返すのではなく、分光計の出力を折り返すことができる。

折り返し入力チャネル型分光計は、図１５に示すように、１より多い入力チャネルを収容するように構成することができる。そのような分光計１５００は、２つの入力スリット又は他の光入射装置１５０２及び１５０４を有する。図４に関して先に論じられたように、２つの入力スリット１５０２及び１５０４は、互いに垂直に変位されている。分光計１５００はまた、プリズム、２つのミラー又は他の装置１５０６を有して、両入力チャネルを凹面鏡１００４に向けて折り返す。プリズム又は他の装置１５０６の面は、図４に関して先に論じられたように、互いに、２つの入力チャネルの水平変位１５０８を与える。２つのスペクトル１５１０及び１５１２は、画像センサ１００８上に投影される。

この代わりに、（変形例のマルチチャネル、折り返し入力型分光計の断面図を示す）図１６に示されているように、図１５に示された単一プリズム１５０６は、２つの別々のプリズム又はミラー１６００及び１６０２によって置き換えられている。

図１７に示されたもう１つの変形例では、１以上のビームスプリッタ１７００及び１７０２が使用されて、入力チャネル１７０４の光を、それぞれが互いに変位１７０６された２以上の光のビームに分割する。付加的なビームスプリッタ（図示せず）が使用されると、入力チャネル１７０４を付加的なビームに分割することができる。最後のビームスプリッタ（例えば１７０２）は、ミラーによって置き換えられる。全てのビームスプリッタ（及び光学的ミラー）は、入力ビームに対して同じ角度にセットされる必要はない。例えば、各ビームスプリッタ１７０２及び１７０４は、それぞれの角度にセットされ得る。この場合、ビームスプリッタによって凹面鏡１００４に向けて反射された光のビームは、結局、選択された入射角で凸状格子１００６に衝突する。例えば、入射角は、回折格子定式（１）に従って選択され、所望の範囲の波長を有する（且つ所望の分散角を有して、全てのスペクトルが画像センサ１７０２に衝突する）分散扇を生成する。入力チャネル１７０４からの光の垂直部分だけが、各ビームスプリッタ１７００〜１７０２によって分割され、各々の分割されたビームが互いに垂直に変位されることが好ましい。このようにして、画像センサ１００８上に投影されたスペクトルは、別々に画像化され得る。オプションで、複数の入力チャネル（図示せず）は各々、一組のビームスプリッタ（図示せず）によって２以上のビームに分割され得る。

２より多い入力チャネルは、適切な折り返し要素を使用することによって収容可能である。例えば、図１８に示すように、四角錐１８００は、４チャネル分光計用の折り返し要素として使用可能である。入力チャネル１８０２，１８０４，１８０６及び１８０８の各々は、錐１８００の三角形状面の異なる１つによって反射される。この場合、２つのチャネルは、図１５に示すように、分光計に水平に入射し、そして２つの他のチャネルは、それぞれ分光計に上及び下から入射する。他の方位は、勿論、使用可能である。

［他の機器又はシステムとの相互関係］
図８に関して説明されたように、開示された分光計への入力（１又は複数）は、光ファイバのスタックによって与えられる。与えられたチャネルの光ファイバの全てが単一光源からの光を搬送する、という必要はない。例えば、図１９に示すように、多数のプローブ又はヘッド（例えば、プローブ１９００，１９０２及び１９０４）からの光ファイバ１９０６は、分光計１９０８の１以上の入力チャネルに織り込まれる。例えば、プローブ１９００〜１９０４の１以上は、ラマンレーザの校正ソース（図示せず）に接続され、そのプローブの他のものは、テスト中の対象物（図示せず）、例えばレーザによって照射されている対象物から放射された光を収集するように接続される。もう１つの例では、プロセス制御又は監視システムの一部として、各光ファイバ１９０６は、化学精製所又は研究所実験の異なる部分からの光を収集するように接続される。

図２０は、図１９の分光計１９０８の撮像面２００４上に投影された例示的スペクトル２０００及び２００２を示す。サンプル点は、スペクトル２０００及び２００２上に、波長の単一範囲２００６（明瞭化のために２本の破線間に包囲されている）について示されている。この範囲２００６内で種々のプローブ１８００〜１８０４に対応した代表的スペクトル点もまた示されている。

光学的波長分離能力に基いた製品（例えばマルチプレクサー及びデマルチプレクサー）は、光学的波長スイッチング用の通信システム、例えば光ファイバ通信システムにおいて、単一の光ファイバ上を搬送される波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルを分離することにも使用できる。この点については、米国特許第６，５２２，４０４号に開示されており、その内容は参照によりここに組み入れられる。ここに開示された分光計は、そのような格子ベースの通信スイッチに使用可能である。

［光学要素調整機構］
調整機構は、湾曲した光学要素、例えば凹面鏡、凸面鏡、凸状格子、球状、トロイダル状、バイオニック的又は他の湾曲した光学要素を、分光計又は他の機器内で、ジンバルマウントを要することなく、調整可能にする。１つの実施形態では、２つのマイクロメータ調整、即ちラテラル並進を与えるためのものと、トランスバース並進を与えるためのものは、光学要素を位置決めすることに使用可能である。中央箇所を中心とした小さな偏倚について、そのような線形移動は、１つのジンバルによって与えられる２つの角自由度を厳密に近似する。

図２１は、湾曲した光学要素用の調整機構２１００の１つの実施形態の斜視図である。２つの螺合されたマイクロメータ調整器２１０２及び２１０４は、搭載ブラケット２１１０のトランスバース２１０６及びラテラル２１０８位置をそれぞれセットする。光学要素（２１１２で仮想的に示されている）は、ブラケット２１１０上に搭載されている。

図２２に示すように、湾曲した光学部品（湾曲したミラー２２００によって例示されている）は、調整機構によって位置決めされている。それ故、この光学部品は、ラテラル方向２２０２且つトランスバース方向に（図から外に延びた軸（図示せず）に沿って）並進可能である。１つの姿勢で、入力ビーム２２０４はミラー２２００に衝突し、そして出力ビーム２２０６として反射される。図２２に示された例の姿勢で、入力ビームはミラー２２００の中心に衝突する。

図２３は、並進２３０２された後のミラー２３００を示している。このミラーの前の位置は、２３０４で仮想的に示されている。入力ビーム２２０４は不変のままである。ミラー２３００の並進２３０２の結果、入力ビーム２２０４がミラー２３００に衝突する点２３０８におけるミラーに対する法線２３０６は、変化している。かくして、反射角は変化しており、そして出力ビーム２３１０は今、デルタ（変化）出力２３１２だけ変位される。ここで留意されるべきことは、球状ミラーにとって、デルタ出力２３１２は、法線２３１４のデルタ（変化）の２倍である、という点である。

１つの実施形態では、光学要素にとって所望の位置に到達すると、光学要素は例えばエポキシ樹脂で定位置に固定される。オプションで、エポキシ樹脂が固化されたら、位置決め機構、例えば上述した２マイクロメータ機構は、取り外し可能になる。

もう１つの実施形態では、搭載機構は、過大サイズの穴を有し、そこを通して搭載ネジが挿入される。ネジの頭部は充分に大きいので、その穴を通って突出することはない。かくして、ネジが緩んでも、光学要素は２次元的（ラテラル及びトランスバース方向）に移動可能である。

この発明は、上述した例示的実施形態を通して説明されてきたが、ここに開示された発明概念から逸脱することなく、説明された実施形態に対する修正及び変形がなされうるものであることは、当業者によって理解されることになろう。例えば、いくつかの実施形態では、スリット又は他の光入射装置は、互いに、水平及び／又は垂直に変位されているものとして説明されてきたが、これらの方位及び方向の基準は、これらの実施形態の構造及び動作の説明を容易にするために使用されているのであって、それらは発明の範囲を制限することを意図したものではない。他の方向の変位及び他の方位が受け入れ可能となるのは、それらが、画像センサ上に投影される各スペクトルの少なくとも一部分を生じ、しかもそのスペクトルがその画像センサ上に投影された他の１又は複数のスペクトルから離隔されている場合に限られる。同様に、他の変位及び方位が受け入れ可能となるのは、それらが、凸状格子に選択された角度で衝突する光ビームを生じる場合に限られる。加えて、開示された特徴の組み合わせ及び下位組み合わせを含む実施形態も可能である。例えば、本開示による分光計は、上述したマルチスペクトル、マルチチャネル、折り返し入力、反転、光トラップ及び／又はミラー搭載の特徴の如何なる組み合わせでも含むことができる。加えて、分光計は、回折格子を含むものとして説明されたが、他の光分散要素、例えばプリズムも使用可能である。従って、この発明は、添付された請求の範囲の精神及び範囲による以外は制限されるものとみなされるべきではない。

従来技術による回折格子の断面図である。 図１の回折格子の他の断面図である。 従来技術による撮像分光計の断面図である。 本発明の一実施形態によるマルチスペクトル型分光計の斜視図である。 図４のマルチスペクトル型分光計の一部分の断面図である。 図４のマルチスペクトル型分光計の他の部分の断面図である。 図４のマルチスペクトル型分光計の、分光計の凹面鏡から見た画像センサの模式図である。 図４のマルチスペクトル型分光計用の代替光入射装置として使用された一列の光ファイバの模式図である。 図４のマルチスペクトル型分光計の他の実施形態の断面図である。 本発明の他の実施形態による反転型分光計の斜視図である。 図１の回折格子の他の断面図である。 図１０の反転型分光計の断面図である。 図１０の反転型分光計の他の断面図である。 本発明の一実施形態による光トラップの一部分の断面図である。 本発明の一実施形態による折り返し入力チャネル型分光計の斜視図である。 本発明の一実施形態による反転、マルチチャネル、折り返し入力型分光計の斜視図である。 図１５の分光計の代替実施形態の断面図である。 図１５の分光計の他の代替実施形態の断面図である。 本発明の他の実施形態による代替チャネル折り返し要素の斜視図である。 多数のプローブに接続された分光計の模式図である。 図１９の分光計の画像面の模式図である。 本発明の一実施形態による光学要素調整機構の斜視図である。 本発明の一実施形態による調整機構の動作の模式図である。 本発明の他の一実施形態による調整機構の動作の模式図である。

Claims (53)

1. 光分散要素と、
   第１の光集束要素と、
   第１の光入射装置であって、そこに入射した光が、第１の光集束要素によって、第１の入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第１の光入射装置と、
   第２の光入射装置であって、そこに入射した光が、第１の光集束要素によって、第１の入射角とは異なる第２の入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第２の光入射装置と、
   撮像面と、
   光分散要素によって分散された光を撮像面上に案内するように位置決めされた第２の光集束要素とを備え、
   第１及び第２の光入射装置と、第１及び第２の光集束要素と、光分散要素は、第１の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第１のスペクトルの少なくとも一部分が、第２の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第２のスペクトルの少なくとも一部分から離隔されるように、位置決めされていることを特徴とするマルチスペクトル型分光計。
2. 第１及び第２の光入射装置は、それぞれの第１及び第２のスリットを規定する請求項１に記載の分光計。
3. 第１の光入射装置は、第１列の光ファイバからなり、
   第２の光入射装置は、第２列の光ファイバからなる請求項１に記載の分光計。
4. 光分散要素は、回折格子からなる請求項１に記載の分光計。
5. 回折格子は、収差補正回折格子からなる請求項４に記載の分光計。
6. 回折格子は、複数の湾曲した非平行溝を規定する請求項４に記載の分光計。
7. 回折格子は、複数の直線的な等間隔の溝を規定する請求項４に記載の分光計。
8. 回折格子は、ホログラフィ格子からなる請求項１に記載の分光計。
9. 光分散要素は、プリズムからなる請求項１に記載の分光計。
10. 第１及び第２の光集束要素は、それぞれの凹面鏡からなる請求項１に記載の分光計。
11. 第１及び第２の光集束要素は、単一の凹面鏡からなる請求項１に記載の分光計。
12. 第１及び第２の光集束要素は、それぞれの第１及び第２のレンズからなる請求項１に記載の分光計。
13. 撮像面は、電子撮像装置からなる請求項１に記載の分光計。
14. 電子撮像装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）からなる請求項１３に記載の分光計。
15. 撮像面は、カメラからなる請求項１に記載の分光計。
16. 撮像面は、チャネルセレクターからなる請求項１に記載の分光計。
17. 光分散要素からの少なくとも１つの選択された次数の分散の分散光を捕捉するように位置決めされた光トラップを更に備える請求項１に記載の分光計。
18. 第１の光入射装置と第１の光集束要素の間で、第１の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第１の折り返し光学要素と、
    第２の光入射装置と第１の光集束要素の間で、第２の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第２の折り返し光学要素と
    を更に備える請求項１に記載の分光計。
19. 第１及び第２の折り返し光学要素は、単一のプリズムからなる請求項１８に記載の分光計。
20. 第１及び第２の折り返し光学要素は、それぞれの第１及び第２のプリズムからなる請求項１８に記載の分光計。
21. 第１及び第２の折り返し光学要素は、それぞれの第１及び第２のミラーからなる請求項１８に記載の分光計。
22. 第１の折り返し光学要素は、少なくとも１つの第１のビームスプリッタからなり、
    第２の折り返し光学要素は、少なくとも１つの第２のビームスプリッタからなる請求項１８に記載の分光計。
23. 第１及び第２の折り返し光学要素は、単一の四角錐からなる請求項１８に記載の分光計。
24. 光分散要素であって、その上に選択された入射角で入射する入射光の選択された範囲の波長に対し、また選択された次数の分散に対し動作可能であり、入射光を分散して、選択された次数の分散の光が入射光の経路に沿って、入射光の経路から約２０度の範囲内で、後方に分散されるようにした光分散要素と、
    光集束要素と、
    第１の光入射装置であって、そこに入射した光が、光集束要素によって、選択された入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第１の光入射装置と、
    第１の光入射装置が配設されている側と同じ光分散要素の側に配設された撮像面とを備え、
    第１の光入射装置と、光集束要素と、光分散要素は、選択された次数の分散の光が光集束要素によって撮像面上に案内されるように、位置決めされていることを特徴とする反転型分光計。
25. 選択された次数の分散は、１次の分散である請求項２４に記載の分光計。
26. 選択された次数の分散は、２次の分散である請求項２４に記載の分光計。
27. 選択された次数の分散は、負の１次の分散である請求項２４に記載の分光計。
28. 選択された次数の分散は、負の２次の分散である請求項２４に記載の分光計。
29. 選択された次数の分散の光は、入射光の経路に沿って、入射光の経路から約１０度の範囲内で、後方に分散される請求項２４に記載の分光計。
30. 選択された次数の分散の光は、入射光の経路に沿って、入射光の経路から約５度の範囲内で、後方に分散される請求項２４に記載の分光計。
31. 第１の光入射装置は、第１のスリットを規定する請求項２４に記載の分光計。
32. 第１の光入射装置は、第１列の光ファイバからなる請求項２４に記載の分光計。
33. 光分散要素は、回折格子からなる請求項２４に記載の分光計。
34. 回折格子は、収差補正回折格子からなる請求項３３に記載の分光計。
35. 回折格子は、複数の湾曲した非平行溝を規定する請求項３３に記載の分光計。
36. 回折格子は、複数の直線的な等間隔の溝を規定する請求項３３に記載の分光計。
37. 回折格子は、ホログラフィ格子からなる請求項３３に記載の分光計。
38. 光分散要素は、プリズムからなる請求項２４に記載の分光計。
39. 光集束要素は、凹面鏡からなる請求項２４に記載の分光計。
40. 光集束要素は、レンズからなる請求項２４に記載の分光計。
41. 撮像面は、電子撮像装置からなる請求項２４に記載の分光計。
42. 電子撮像装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）からなる請求項４１に記載の分光計。
43. 撮像面は、カメラからなる請求項２４に記載の分光計。
44. 撮像面は、チャネルセレクターからなる請求項２４に記載の分光計。
45. 光分散要素からの、選択された次数の分散以外の、少なくとも１つの次数の分散の分散光を捕捉するように位置決めされた光トラップを更に備える請求項２４に記載の分光計。
46. 第２の光入射装置であって、そこに入射した光が、光集束要素によって、選択された入射角とは異なる入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第２の光入射装置を更に備え、
    第１及び第２の光入射装置と、光集束要素と、光分散要素は、第１の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第１のスペクトルの少なくとも一部分が、第２の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第２のスペクトルの少なくとも一部分から離隔されるように、位置決めされている請求項２４に記載の分光計。
47. 第１の光入射装置と光集束要素の間で、第１の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第１の折り返し光学要素と、
    第２の光入射装置と光集束要素の間で、第２の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第２の折り返し光学要素と
    を更に備える請求項４６に記載の分光計。
48. 第１及び第２の折り返し光学要素は、プリズムからなる請求項４７に記載の分光計。
49. 第１及び第２の折り返し光学要素は、それぞれの第１及び第２のプリズムからなる請求項４７に記載の分光計。
50. 第１及び第２の折り返し光学要素は、それぞれの第１及び第２のミラーからなる請求項４７に記載の分光計。
51. 第１の折り返し光学要素は、少なくとも１つの第１のビームスプリッタからなり、
    第２の折り返し光学要素は、少なくとも１つの第２のビームスプリッタからなる請求項４７に記載の分光計。
52. 第１及び第２の折り返し光学要素は、単一の四角錐からなる請求項４７に記載の分光計。
53. 光分散要素であって、その上に選択された入射角の範囲内で入射する入射光の選択された範囲の波長に対し、また選択された次数の分散に対し動作可能であり、入射光を分散して、選択された次数の分散の光が入射光の経路に沿って、入射光の経路から約２０度の範囲内で、後方に分散されるようにした光分散要素と、
    光集束要素と、
    第１の光入射装置であって、そこに入射した光が、光集束要素によって、選択された入射角の範囲内の第１の入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第１の光入射装置と、
    第２の光入射装置であって、そこに入射した光が、光集束要素によって、選択された入射角の範囲内の、第１の入射角とは異なる第２の入射角で、光分散要素上に案内されるように位置決めされた第２の光入射装置と、
    第１及び第２の光入射装置が配設されている側と同じ光分散要素の側に配設された撮像面と、
    第１の光入射装置と光集束要素の間で、第１の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第１の折り返し光学要素と、
    第２の光入射装置と光集束要素の間で、第２の光入射装置に入射する光の経路中に配設された第２の折り返し光学要素とを備え、
    第１及び第２の光入射装置と、光集束要素と、光分散要素は、
    選択された次数の分散の光が光集束要素によって光分散要素から撮像面上に案内され、且つ
    第１の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第１のスペクトルの少なくとも一部分が、第２の光入射装置からの分散光によって撮像面上に生成された第２のスペクトルの少なくとも一部分から離隔されるように、
    位置決めされていることを特徴とするマルチスペクトル、反転、折り返し入力型分光計。

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