JP2013072874A - 統合された３チャネルの気体の検出及び測定の分光計 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズと、重量と、コストとに関して、大幅に簡素化された、気体の検出用の３チャネルの分光計を提供する。
【解決手段】３チャネル分光計１００は、入射放射線１０１を受け取って、入射放射線の第１の部分と、第２の部分と、第３の部分とを透過するビームスプリッタ要素１０５と、第１の部分を受け取って、第１の波長の範囲の第１のスリット出力放射線を透過する第１のスリットと、第２の部分を受け取って、第２の波長の範囲の第２のスリット出力放射線を透過する第２のスリットと、入射放射線の第３の部分を受け取って、第３の波長の範囲の第３のスリット出力放射線を透過する第３のスリットと、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、平行にする共通の光学フォーム１１１と、共通の光学フォームから、平行にされた第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射する分散要素１１３とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光計、より具体的には、統合された３チャネルの気体の検出及び測定の分光計に関する。

ある特定の分光計は、広いスペクトル帯域を対象として含み、適度のスペクトル分解能を有する。しかしながら、気体の検出及び測定の場合は、ある特定の狭いスペクトル線のみを検出する必要があるが、非常に高いスペクトル分解能で、そのスペクトル線を感知しなければならない。２０，０００λ／Δλのスペクトル分解能は、珍しい条件ではない。

３本のスペクトル線を対象として含む従来の試みでは、共通の前部の光学素子（foreoptic）の後ろに、３つの別々の分光計と、３つのスリットと、３つのコリメータ（collimator）と、３つの格子（grating）と、３つの投影システム(imaging system)と、３つの焦点面アレイ(「focal plane array, FPA」)とが必要であった。従来の分光計では、共通のコリメータの光学素子は、放射線を第１のダイクロイックビームスプリッタ（dichroic beamsplitter）上に投影し、第１のダイクロイックビームスプリッタは、放射線の第１の部分を反射し、放射線の一部分を透過する。透過部分は、第２のダイクロイックビームスプリッタに入射し、第２のダイクロイックビームスプリッタは、放射線の第２の部分を反射し、第３の部分を透過する。第１と、第２と、第３の部分は、第１のコリメータと、第２のコリメータと、第３のコリメータとにそれぞれ入射する。第１のコリメータと、第２のコリメータと、第３のコリメータは、第１の格子と、第２の格子と、第３の格子上に、第１と、第２と、第３の部分をそれぞれ投影する。次に、第１の投影システムと、第２の投影システムと、第３の投影システムは、第１と、第２と、第３の格子とから反射した第１と、第２と、第３の部分を、第１のＦＰＡと、第２のＦＰＡと、第３のＦＰＡ上にそれぞれ投影する。ここで、第１のＦＰＡはシリコンであってもよく、第２と第３のＦＰＡは水銀カドミウムテルル（mercury cadmium telluride）であってもよい。

この分光計では、３つの異なる一次格子が必要である。例えば、格子は、約１ミクロンのピッチを有し、リトロー条件（Littrow condition）から約１８度外れて配置される。これは、陰影を増やし、スループットを下げる。このほぼ３倍のハードウェアは、サイズと、重量と、コストとに影響を及ぼす。例えば、３００万個の検出器を購入して、６０万個の検出器のみが実際に使用され得る。

本発明は、高スペクトル分解能で、且つ１つの光学システムと、１つの回折格子（diffraction grating）と、１つのＦＰＡとを含む１つの機器内で、全て、即ち、３つの狭帯域(例えば、０．７６ミクロンの１本の酸素のラインと、１．６１ミクロンと２．０６ミクロンとの２本の二酸化炭素のライン)の感知を行う。本発明は、３つのスリットと、１つの平行化及び投影システムと、１つの格子と、１つのＦＰＡとを備える１つの分光計の中に、目的の３本の帯域を全て統合する。従って、本発明の実施形態は、従来の分光計と比較して、サイズと、重量と、コストとに関して、大幅に簡素化されており、要素数がより少ないので、位置の調整と較正とに長所を有する。これに対応して、１００万個のみの検出器を購入して、６０万個の検出器が使用される。更に、リトロー条件からほんの数度外れる回折格子を使用する際に、スループット(又は、透過)の効果が得られる。

本発明の実施形態は、３チャネル分光計を提供する。３チャネル分光計は、入射放射線を受け取って、入射放射線の第１の部分と、第２の部分と、第３の部分とを透過するビームスプリッタ要素を含む。３チャネル分光計は、第１の部分を受け取って、第１の波長の第１のスリット出力放射線を透過する第１のスリットと、第２の部分を受け取って、第２の波長の第２のスリット出力放射線を透過する第２のスリットと、入射放射線の第３の部分を受け取って、第３の波長の第３のスリット出力放射線を透過する第３のスリットと、を更に含む。３チャネル分光計は、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、平行にする共通の光学フォーム（optical form）と、光学フォームから、平行にされた第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射する分散要素と、を更に含む。

３チャネル分光計は、焦点面アレイを更に含み得る。焦点面アレイは、分散要素から、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力を受け取って、検出する。光学フォームは、分散要素から、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を、焦点面アレイ上に投影する。焦点面アレイと、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットが、共通の投影面を有するように、焦点面アレイは、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットとに隣接し得る。焦点面アレイは、水銀カドミウムテルル検出器を含み得る。

分散要素は、反射格子であり得る。反射格子は、８ミクロンのピッチを有し得る。

ビームスプリッタ要素は、入射放射線を受け取り、入射放射線の第１の部分を反射し、入射放射線の透過部分を透過する第１のダイクロイックビームスプリッタと、透過部分を受け取り、入射放射線の第３の部分を反射し、入射放射線の第２の部分を透過する第２のダイクロイックビームスプリッタと、を含み得る。

３チャネル分光計は、入射放射線をビームスプリッタ要素上に投影する前部の光学素子を更に含み得る。前部の光学素子は、反射トリプレットを含み得る。

光学フォームは、複光路の全反射光学フォームであってもよい。光学フォームは、反射トリプレットを含み得る。反射トリプレットは、正の倍率（positive power）を有する第１のミラーと、負の倍率(negative power)を有する第２のミラーと、正の倍率を有する第３のミラーと、を含み得る。

第１のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第２のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第３のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットは、共通の投影面に配置され得る。

第１の波長は、約０．７５８ミクロン乃至約０．７７２ミクロンであり得る。第２の波長は、約１．５９１ミクロン乃至約１．６２１ミクロンであり得る。第３の波長は、約２．０４２ミクロン乃至約２．０８１ミクロンであり得る。

本発明の実施形態に従って、分光計のブロック図を示している。 図１の実施形態の概略的な光学経路の上面図を示している。 図１の実施形態の概略的な光学経路の側面図を示している。 図３及び４のエリアＩの拡大側面図を示している。 図１に示されている分光計のスリットと焦点面アレイとの拡大背面図を示している。

本発明の実施形態に従う分光計は、放射線を受け取り、分析のために放射線を色に分ける。例えば、軌道上炭素観測衛星（Orbiting Carbon Observatory）において分光計を利用し、地球からの放射線を分析し、大気の二酸化炭素レベルを決定してもよい。二酸化炭素検出のこの例では、目的の３つの狭帯域は、波長が、０．７６５ミクロン(例えば、約０．７５８ミクロン乃至約０．７７２ミクロン)と、１．６０６ミクロン(例えば、約１．５９１ミクロン乃至約１．６２１ミクロン)と、２．０６２ミクロン(例えば、約２．０４２ミクロン乃至約２．０８１ミクロン)であり、帯域の範囲が、約０．０１４乃至約０．０３９ミクロンの幅である。ここで使用されているように、「波長」又は「チャネル」は、１つの個別の波長又は波長範囲の何れかを意味する。しかしながら、本発明は、高スペクトル分解能のデータを集めることができるので、本発明は、この用途に制限されず、他の科学的な観測と、資源の感知と、戦略上の監視（strategic surveillance）との用途に利用され得る。

図１−４に記載されている本発明の実施形態によると、３つの帯域に対して１つの格子を使用する複光路分光計(double pass spectrometer)１００において、目的の３つの帯域が分析され得る。ここで、入射放射線１０１は、ビームスプリッタ要素１０５によって受け取られる。ビームスプリッタ要素１０５は、放射線１０１を３つの部分に分割する。３つの部分は、スリットシステム（slit system）１０９を通り抜け、次に、共通の光学フォーム１１１に入射し、共通の光学フォーム１１１は、３つの部分を全て平行にする。平行にされた３つの部分は、格子１１３に入射する。格子１１３は、３つの部分を分散させて反射する。次に、３つの部分は、同じ光学フォーム１１１によって、ＦＰＡ１１５上へ投影され得る。ＦＰＡ１１５では、更なる分析のために、３つの部分を検出する。

より詳細には、入射放射線１０１は、前部の光学素子１０３によって受け取られる。本発明の実施形態において、前部の光学素子１０３は、第１のミラー１０３ａと、第２のミラー１０３ｂと、第３のミラー１０３ｃとを含む。入射放射線１０１は、最初に、第１のミラー１０３ａに入射し、第１のミラー１０３ａによって反射される。第１のミラー１０３ａは、正の倍率のミラーであり得る。次に、第２のミラー１０３ｂは、第１のミラー１０３ａによって反射された入射放射線１０１を受け取って反射する。第２のミラー１０３ｂは、負の倍率のミラーであり得る。次に、第３のミラー１０３ｃは、第２のミラー１０３ｂによって反射された入射放射線１０１を受け取って反射する。第３のミラー１０３ｃは、正の倍率のミラーであり得る。その結果、入射放射線１０１は、ビームスプリッタ要素１０５上に投影される。

本発明の実施形態では、前部の光学素子は、米国特許出願第２０１００１１０５３９号において開示されているような、後部で止められる反射トリプレット（rear-stopped reflective triplet）であり得る。米国特許出願第２０１００１１０５３９号の全内容は、参照によってここに組込まれる。

ビームスプリッタ要素１０５は、入射放射線１０１を、第１の部分１０６ａと、第２の部分１０６ｂと、第３の部分１０６ｃとに分割する。図４により詳しく示されているように、入射放射線１０１は、第１のダイクロイックビームスプリッタ１０５ａ上に投影され得る。第１のダイクロイックビームスプリッタ１０５ａは、第１の部分１０６ａを反射する。次に、第１の部分１０６ａは、第１の折り曲げミラー（fold mirror）１０７ａによって受け取られて反射され、透過部分１０８を透過する。第２のダイクロイックビームスプリッタ１０５ｂは、透過部分を受け取って、第２の部分１０６ｂを透過し、第３の部分１０６ｃを反射する。次に、第３の部分１０６ｃは、第２の折り曲げミラー１０７ｂによって受け取られて反射される。

スリットシステム１０９は、第１の部分１０６ａと、第２の部分１０６ｂと、第３の部分を１０６ｃとを受け取り、その結果、第１のスリット１０９ａは第１の部分１０６ａを受け取り、第２のスリット１０９ｂは第２の部分１０６ｂを受け取り、第３のスリット１０９ｃは第３の部分１０６ｃを受け取る。図４により詳しく示されているように、第１の折り曲げミラー１０７ａは、第１の部分１０６ａを第１のスリット１０９ａ上に反射し、第２のダイクロイックビームスプリッタ１０５ｂは、第２の部分１０６ｂを第２のスリット１０９ｂへ透過し、第２の折り曲げミラー１０７ｂは、第３の部分１０６ｃを第３のスリット１０９ｃ上に反射する。第１のスリット１０９ａは、第１のスリット出力放射線を通すことができる。第２のスリット１０９ｂは、第２のスリット出力放射線を通すことができる。第３のスリット１０９ｃは、第３のスリット出力放射線を通すことができる。

スリットの幅は、目的の帯域の各々の分光測定に対して最適化される。スリットの幅は、通常は、ＦＰＡにおける画素のサイズによって決定される。これは、一般に、約２０乃至約４０ミクロンである。第１のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第２のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第３のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。

図２に示されているように、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、光学フォーム１１１によって格子１１３へ向かって平行にされる。本発明の実施形態では、光学フォーム１１１は、一次ミラー１１１ａと、二次ミラー１１１ｂと、三次ミラー１１１ｃとを含む。第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、最初に、一次ミラー１１１ａに入射し、一次ミラー１１１ａによって反射される。一次ミラー１１１ａは、正の倍率のミラーであり得る。次に、二次ミラー１１１ｂは、一次ミラー１１１ａによって反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って反射する。二次ミラー１１１ｂは、負の倍率のミラーであり得る。次に、三次ミラー１１１ｃは、二次ミラー１１１ｂによって反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って反射する。三次ミラー１１１ｃは、正の倍率のミラーであり得る。その結果、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、格子１１３へ向かって平行にされ得る。

本発明の実施形態では、光学フォーム１１１は、クック（Cook）に対する米国特許５，２６０，７６７号において開示されている反射トリプレットの複光路の光学フォームであり得る。米国特許５，２６０，７６７号の全内容は、参照によってここに組込まれる。

本発明の実施形態では、格子１１３の回折次数（diffraction order）が目的の３つ帯域を分散させるように、格子１１３が構成されている。言い換えると、格子１１３は、波長に従って放射線を角度を付けて分散させ、ＦＰＡ１１５による検出のために、放射線を反射し、色に従って分けられた第１と、第２と、第３のスリット１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃの投影を本質的に形成する。例えば、格子は、８ミクロンのピッチを有し得る。ここで、目的の帯域の波長と回折次数との積は、ほぼ同じであり、例えば、以下の通りである。

０．７６５ミクロン×１９＝１４．５３５
１．６０６ミクロン× ９＝１４．４５４
２．０６２ミクロン× ７＝１４．４３４
３つの全チャネルについて、目的の帯域の波長と回折次数との積を、ほぼ一定(又は、ほぼ同じ値)にすることによって、統一された幾何学的形状（unified geometry）がもたらされ、これが、１つの複光路の光学素子と、１つの格子と、１つのＦＰＡとを可能にする。

格子の振る舞い（behavior）について記述した方程式によると、以下の通りである。

ｍ×λ／ｄ＝ｓｉｎ（θ_ｉｎ）−ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ）
ここで、ｄは格子のピッチであり、ｍは格子の次数であり、θ_ｉｎは入射放射線の角度であり、θ_ｏｕｔは反射放射線の角度である。ｍ×λ／ｄがほぼ一定である場合は、右側の幾何学的形状に関する項（ｓｉｎ（θ_ｉｎ）−ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ））もほぼ一定である。従って、様々なスペクトル帯域(及び、それぞれの格子の次数ｍ)は、同じ光学素子を、（この場合は、両者の平行化及び投影方向において）同じやり方で通ることができる。

本発明の実施形態では、格子の詳細なシミュレーションは、目的の３つの帯域に対して、６３−６８％の回折効率を示している。

更に、本発明の実施形態では、複光路の光学フォームのアプローチは、図５に示されているように、ＦＰＡ上の分散スペクトルとスリットとを互いに隣接させることができ、使用される格子は、リトロー条件から約３乃至約４度だけ外れる。リトロー条件では、入射放射線と回折放射線との両者は、格子１１３の溝に対する垂線と一致する。これはより高い回折効率をもたらす。その理由は、従来の分光計よりも切子面の陰（facet shading）がより少ないからである。従来の分光計は、別々の、屈折平行化及び投影光学素子間の間隔によって制約されるので、リトロー条件から約２０乃至約２２度外れ得る。

本発明の実施形態では、ＦＰＡ１１５は、格子１１３から分散放射線を受け取って検出する。更に、光学フォーム１１１は、分散放射線を、図５に示されているようなＦＰＡ１１５上に投影し得る。ここで、格子１１３からの分散放射線は、三次ミラー１１１ｃによって受け取られて反射され、次に、二次ミラー１１１ｂによって受け取られて反射され、次に、一次ミラー１１１ａによって受け取られて反射され、次に、ＦＰＡ１１５によってエリア１１５ａと、１１５ｂと、１１５ｃとにおいて受け取られる。ＦＰＡは、分散放射線を検出する。次に、更なる分析のために、分散放射線は電気信号に変換され得る。このために、光学フォーム１１１は、「複光路」と称される。その理由は、放射線は、スリットシステム１０９の投影面から、光学フォーム１１１を通って進み、格子１１３に向かいながら平行にされ、次に、放射線は、格子１１３から戻りながら、光学フォーム１１１を再び通って、ＦＰＡ１１５の投影面上に投影されるからである。ここで、図５に示されているように、ＦＰＡ１１５とスリットシステム１０９は、共通の投影面を有する。１１５ａと１１５ｂとの間のエリアと、１１５ｂと１１５ｃとの間のエリアは、保護帯域（guard band）である。保護帯域は、目的の波長を分ける。このエリアは、検出に利用されない。

本発明の実施形態では、ＦＰＡは、水銀カドミウムテルル検出器である。別の実施形態では、保護帯域に位置する画素は利用されないので、実際には、ＦＰＡの１．０Ｍの画素のうちの０．６Ｍが使用される。しかしながら、ＦＰＡは、用途に応じて様々な波長に対して最適化され得る。本発明の別の実施形態では、ＦＰＡは、３つの別々のアレイを含み得る。３つの別々のアレイは、同じ面に配置され、分散放射線を検出するために適切に間隔を置かれている。

本発明の実施形態では、スペクトル分解能は非常に高く、例えば、λ／Δλは約１７，０００乃至約２０，０００である。

本発明の実施形態では、統合されたアプローチは、従来の分光計よりも、より単純で、より低コストで、より容易に較正されるという点で著しい長所を提供する。更に、このアプローチは、従来の分光計と比較して、より高い光学的スループット（optical throughput）を提供する。

例示的な実施形態に関連して、本発明を記載して説明したが、本発明はそのように制限されないと解されるべきであり、請求項に記載されているように、本発明の意図される全範囲の中で変更及び加減され得る。

本発明は、分光計、より具体的には、統合された３チャネルの気体の検出及び測定の分光計に関する。

ある特定の分光計は、広いスペクトル帯域を対象として含み、適度のスペクトル分解能を有する。しかしながら、気体の検出及び測定の場合は、ある特定の狭いスペクトル線のみを検出する必要があるが、非常に高いスペクトル分解能で、そのスペクトル線を感知しなければならない。２０，０００λ／Δλのスペクトル分解能は、珍しい条件ではない。

３本のスペクトル線を対象として含む従来の試みでは、共通の前部の光学素子（foreoptic）の後ろに、３つの別々の分光計と、３つのスリットと、３つのコリメータ（collimator）と、３つの格子（grating）と、３つの投影システム(imaging system)と、３つの焦点面アレイ(「focal plane array, FPA」)とが必要であった。従来の分光計では、共通のコリメータの光学素子は、放射線を第１のダイクロイックビームスプリッタ（dichroic beamsplitter）上に投影し、第１のダイクロイックビームスプリッタは、放射線の第１の部分を反射し、放射線の一部分を透過する。透過部分は、第２のダイクロイックビームスプリッタに入射し、第２のダイクロイックビームスプリッタは、放射線の第２の部分を反射し、第３の部分を透過する。第１と、第２と、第３の部分は、第１のコリメータと、第２のコリメータと、第３のコリメータとにそれぞれ入射する。第１のコリメータと、第２のコリメータと、第３のコリメータは、第１の格子と、第２の格子と、第３の格子上に、第１と、第２と、第３の部分をそれぞれ投影する。次に、第１の投影システムと、第２の投影システムと、第３の投影システムは、第１と、第２と、第３の格子とから反射した第１と、第２と、第３の部分を、第１のＦＰＡと、第２のＦＰＡと、第３のＦＰＡ上にそれぞれ投影する。ここで、第１のＦＰＡはシリコンであってもよく、第２と第３のＦＰＡは水銀カドミウムテルル（mercury cadmium telluride）であってもよい。

この分光計では、３つの異なる一次格子が必要である。例えば、格子は、約１ミクロンのピッチを有し、リトロー条件（Littrow condition）から約１８度外れて配置される。これは、陰影を増やし、スループットを下げる。このほぼ３倍のハードウェアは、サイズと、重量と、コストとに影響を及ぼす。例えば、３００万個の検出器を購入して、６０万個の検出器のみが実際に使用され得る。

米国特許出願第１３／２４５，１９９号明細書 米国特許第５，２６０，７６７号明細書 米国特許第７，３８２，４９８号明細書 米国特許出願第２０１０／０１１０５３９号明細書

本発明は、高スペクトル分解能で、且つ１つの光学システムと、１つの回折格子（diffraction grating）と、１つのＦＰＡとを含む１つの機器内で、全て、即ち、３つの狭帯域(例えば、０．７６ミクロンの１本の酸素のラインと、１．６１ミクロンと２．０６ミクロンとの２本の二酸化炭素のライン)の感知を行う。本発明は、３つのスリットと、１つの平行化及び投影システムと、１つの格子と、１つのＦＰＡとを備える１つの分光計の中に、目的の３本の帯域を全て統合する。従って、本発明の実施形態は、従来の分光計と比較して、サイズと、重量と、コストとに関して、大幅に簡素化されており、要素数がより少ないので、位置の調整と較正とに長所を有する。これに対応して、１００万個のみの検出器を購入して、６０万個の検出器が使用される。更に、リトロー条件からほんの数度外れる回折格子を使用する際に、スループット(又は、透過)の効果が得られる。

本発明の実施形態は、３チャネル分光計を提供する。３チャネル分光計は、入射放射線を受け取って、入射放射線の第１の部分と、第２の部分と、第３の部分とを透過するビームスプリッタ要素を含む。３チャネル分光計は、第１の部分を受け取って、第１の波長の第１のスリット出力放射線を透過する第１のスリットと、第２の部分を受け取って、第２の波長の第２のスリット出力放射線を透過する第２のスリットと、入射放射線の第３の部分を受け取って、第３の波長の第３のスリット出力放射線を透過する第３のスリットと、を更に含む。３チャネル分光計は、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、平行にする共通の光学フォーム（optical form）と、光学フォームから、平行にされた第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射する分散要素と、を更に含む。

３チャネル分光計は、焦点面アレイを更に含み得る。焦点面アレイは、分散要素から、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力を受け取って、検出する。光学フォームは、分散要素から、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を、焦点面アレイ上に投影する。焦点面アレイと、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットが、共通の投影面を有するように、焦点面アレイは、第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットとに隣接し得る。焦点面アレイは、水銀カドミウムテルル検出器を含み得る。

分散要素は、反射格子であり得る。反射格子は、８ミクロンのピッチを有し得る。

ビームスプリッタ要素は、入射放射線を受け取り、入射放射線の第１の部分を反射し、入射放射線の透過部分を透過する第１のダイクロイックビームスプリッタと、透過部分を受け取り、入射放射線の第３の部分を反射し、入射放射線の第２の部分を透過する第２のダイクロイックビームスプリッタと、を含み得る。

３チャネル分光計は、入射放射線をビームスプリッタ要素上に投影する前部の光学素子を更に含み得る。前部の光学素子は、反射トリプレットを含み得る。

光学フォームは、複光路の全反射光学フォームであってもよい。光学フォームは、反射トリプレットを含み得る。反射トリプレットは、正の倍率（positive power）を有する第１のミラーと、負の倍率(negative power)を有する第２のミラーと、正の倍率を有する第３のミラーと、を含み得る。

第１のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第２のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第３のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第１のスリットと、第２のスリットと、第３のスリットは、共通の投影面に配置され得る。

第１の波長は、約０．７５８ミクロン乃至約０．７７２ミクロンであり得る。第２の波長は、約１．５９１ミクロン乃至約１．６２１ミクロンであり得る。第３の波長は、約２．０４２ミクロン乃至約２．０８１ミクロンであり得る。

本発明の実施形態に従って、分光計のブロック図を示している。 図１の実施形態の概略的な光学経路の上面図を示している。 図１の実施形態の概略的な光学経路の側面図を示している。 図３及び４のエリアＩの拡大側面図を示している。 図１に示されている分光計のスリットと焦点面アレイとの拡大背面図を示している。

本発明の実施形態に従う分光計は、放射線を受け取り、分析のために放射線を色に分ける。例えば、軌道上炭素観測衛星（Orbiting Carbon Observatory）において分光計を利用し、地球からの放射線を分析し、大気の二酸化炭素レベルを決定してもよい。二酸化炭素検出のこの例では、目的の３つの狭帯域は、波長が、０．７６５ミクロン(例えば、約０．７５８ミクロン乃至約０．７７２ミクロン)と、１．６０６ミクロン(例えば、約１．５９１ミクロン乃至約１．６２１ミクロン)と、２．０６２ミクロン(例えば、約２．０４２ミクロン乃至約２．０８１ミクロン)であり、帯域の範囲が、約０．０１４乃至約０．０３９ミクロンの幅である。ここで使用されているように、「波長」又は「チャネル」は、１つの個別の波長又は波長範囲の何れかを意味する。しかしながら、本発明は、高スペクトル分解能のデータを集めることができるので、本発明は、この用途に制限されず、他の科学的な観測と、資源の感知と、戦略上の監視（strategic surveillance）との用途に利用され得る。

図１−４に記載されている本発明の実施形態によると、３つの帯域に対して１つの格子を使用する複光路分光計(double pass spectrometer)１００において、目的の３つの帯域が分析され得る。ここで、入射放射線１０１は、ビームスプリッタ要素１０５によって受け取られる。ビームスプリッタ要素１０５は、放射線１０１を３つの部分に分割する。３つの部分は、スリットシステム（slit system）１０９を通り抜け、次に、共通の光学フォーム１１１に入射し、共通の光学フォーム１１１は、３つの部分を全て平行にする。平行にされた３つの部分は、格子１１３に入射する。格子１１３は、３つの部分を分散させて反射する。次に、３つの部分は、同じ光学フォーム１１１によって、ＦＰＡ１１５上へ投影され得る。ＦＰＡ１１５では、更なる分析のために、３つの部分を検出する。

より詳細には、入射放射線１０１は、前部の光学素子１０３によって受け取られる。本発明の実施形態において、前部の光学素子１０３は、第１のミラー１０３ａと、第２のミラー１０３ｂと、第３のミラー１０３ｃとを含む。入射放射線１０１は、最初に、第１のミラー１０３ａに入射し、第１のミラー１０３ａによって反射される。第１のミラー１０３ａは、正の倍率のミラーであり得る。次に、第２のミラー１０３ｂは、第１のミラー１０３ａによって反射された入射放射線１０１を受け取って反射する。第２のミラー１０３ｂは、負の倍率のミラーであり得る。次に、第３のミラー１０３ｃは、第２のミラー１０３ｂによって反射された入射放射線１０１を受け取って反射する。第３のミラー１０３ｃは、正の倍率のミラーであり得る。その結果、入射放射線１０１は、ビームスプリッタ要素１０５上に投影される。

本発明の実施形態では、前部の光学素子は、米国特許出願第２０１００１１０５３９号において開示されているような、後部で止められる反射トリプレット（rear-stopped reflective triplet）であり得る。米国特許出願第２０１００１１０５３９号の全内容は、参照によってここに組込まれる。

ビームスプリッタ要素１０５は、入射放射線１０１を、第１の部分１０６ａと、第２の部分１０６ｂと、第３の部分１０６ｃとに分割する。図４により詳しく示されているように、入射放射線１０１は、第１のダイクロイックビームスプリッタ１０５ａ上に投影され得る。第１のダイクロイックビームスプリッタ１０５ａは、第１の部分１０６ａを反射する。次に、第１の部分１０６ａは、第１の折り曲げミラー（fold mirror）１０７ａによって受け取られて反射され、透過部分１０８を透過する。第２のダイクロイックビームスプリッタ１０５ｂは、透過部分を受け取って、第２の部分１０６ｂを透過し、第３の部分１０６ｃを反射する。次に、第３の部分１０６ｃは、第２の折り曲げミラー１０７ｂによって受け取られて反射される。

スリットシステム１０９は、第１の部分１０６ａと、第２の部分１０６ｂと、第３の部分を１０６ｃとを受け取り、その結果、第１のスリット１０９ａは第１の部分１０６ａを受け取り、第２のスリット１０９ｂは第２の部分１０６ｂを受け取り、第３のスリット１０９ｃは第３の部分１０６ｃを受け取る。図４により詳しく示されているように、第１の折り曲げミラー１０７ａは、第１の部分１０６ａを第１のスリット１０９ａ上に反射し、第２のダイクロイックビームスプリッタ１０５ｂは、第２の部分１０６ｂを第２のスリット１０９ｂへ透過し、第２の折り曲げミラー１０７ｂは、第３の部分１０６ｃを第３のスリット１０９ｃ上に反射する。第１のスリット１０９ａは、第１のスリット出力放射線を通すことができる。第２のスリット１０９ｂは、第２のスリット出力放射線を通すことができる。第３のスリット１０９ｃは、第３のスリット出力放射線を通すことができる。

スリットの幅は、目的の帯域の各々の分光測定に対して最適化される。スリットの幅は、通常は、ＦＰＡにおける画素のサイズによって決定される。これは、一般に、約２０乃至約４０ミクロンである。第１のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第２のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。第３のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し得る。

図２に示されているように、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、光学フォーム１１１によって格子１１３へ向かって平行にされる。本発明の実施形態では、光学フォーム１１１は、一次ミラー１１１ａと、二次ミラー１１１ｂと、三次ミラー１１１ｃとを含む。第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、最初に、一次ミラー１１１ａに入射し、一次ミラー１１１ａによって反射される。一次ミラー１１１ａは、正の倍率のミラーであり得る。次に、二次ミラー１１１ｂは、一次ミラー１１１ａによって反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って反射する。二次ミラー１１１ｂは、負の倍率のミラーであり得る。次に、三次ミラー１１１ｃは、二次ミラー１１１ｂによって反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って反射する。三次ミラー１１１ｃは、正の倍率のミラーであり得る。その結果、第１と、第２と、第３のスリット出力放射線は、格子１１３へ向かって平行にされ得る。

本発明の実施形態では、光学フォーム１１１は、クック（Cook）に対する米国特許５，２６０，７６７号において開示されている反射トリプレットの複光路の光学フォームであり得る。米国特許５，２６０，７６７号の全内容は、参照によってここに組込まれる。

本発明の実施形態では、格子１１３の回折次数（diffraction order）が目的の３つ帯域を分散させるように、格子１１３が構成されている。言い換えると、格子１１３は、波長に従って放射線を角度を付けて分散させ、ＦＰＡ１１５による検出のために、放射線を反射し、色に従って分けられた第１と、第２と、第３のスリット１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃの投影を本質的に形成する。例えば、格子は、８ミクロンのピッチを有し得る。ここで、目的の帯域の波長と回折次数との積は、ほぼ同じであり、例えば、以下の通りである。

０．７６５ミクロン×１９＝１４．５３５
１．６０６ミクロン× ９＝１４．４５４
２．０６２ミクロン× ７＝１４．４３４
３つの全チャネルについて、目的の帯域の波長と回折次数との積を、ほぼ一定(又は、ほぼ同じ値)にすることによって、統一された幾何学的形状（unified geometry）がもたらされ、これが、１つの複光路の光学素子と、１つの格子と、１つのＦＰＡとを可能にする。

格子の振る舞い（behavior）について記述した方程式によると、以下の通りである。

ｍ×λ／ｄ＝ｓｉｎ（θ_ｉｎ）−ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ）
ここで、ｄは格子のピッチであり、ｍは格子の次数であり、θ_ｉｎは入射放射線の角度であり、θ_ｏｕｔは反射放射線の角度である。ｍ×λ／ｄがほぼ一定である場合は、右側の幾何学的形状に関する項（ｓｉｎ（θ_ｉｎ）−ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ））もほぼ一定である。従って、様々なスペクトル帯域(及び、それぞれの格子の次数ｍ)は、同じ光学素子を、（この場合は、両者の平行化及び投影方向において）同じやり方で通ることができる。

本発明の実施形態では、格子の詳細なシミュレーションは、目的の３つの帯域に対して、６３−６８％の回折効率を示している。

更に、本発明の実施形態では、複光路の光学フォームのアプローチは、図５に示されているように、ＦＰＡ上の分散スペクトルとスリットとを互いに隣接させることができ、使用される格子は、リトロー条件から約３乃至約４度だけ外れる。リトロー条件では、入射放射線と回折放射線との両者は、格子１１３の溝に対する垂線と一致する。これはより高い回折効率をもたらす。その理由は、従来の分光計よりも切子面の陰（facet shading）がより少ないからである。従来の分光計は、別々の、屈折平行化及び投影光学素子間の間隔によって制約されるので、リトロー条件から約２０乃至約２２度外れ得る。

本発明の実施形態では、ＦＰＡ１１５は、格子１１３から分散放射線を受け取って検出する。更に、光学フォーム１１１は、分散放射線を、図５に示されているようなＦＰＡ１１５上に投影し得る。ここで、格子１１３からの分散放射線は、三次ミラー１１１ｃによって受け取られて反射され、次に、二次ミラー１１１ｂによって受け取られて反射され、次に、一次ミラー１１１ａによって受け取られて反射され、次に、ＦＰＡ１１５によってエリア１１５ａと、１１５ｂと、１１５ｃとにおいて受け取られる。ＦＰＡは、分散放射線を検出する。次に、更なる分析のために、分散放射線は電気信号に変換され得る。このために、光学フォーム１１１は、「複光路」と称される。その理由は、放射線は、スリットシステム１０９の投影面から、光学フォーム１１１を通って進み、格子１１３に向かいながら平行にされ、次に、放射線は、格子１１３から戻りながら、光学フォーム１１１を再び通って、ＦＰＡ１１５の投影面上に投影されるからである。ここで、図５に示されているように、ＦＰＡ１１５とスリットシステム１０９は、共通の投影面を有する。１１５ａと１１５ｂとの間のエリアと、１１５ｂと１１５ｃとの間のエリアは、保護帯域（guard band）である。保護帯域は、目的の波長を分ける。このエリアは、検出に利用されない。

本発明の実施形態では、ＦＰＡは、水銀カドミウムテルル検出器である。別の実施形態では、保護帯域に位置する画素は利用されないので、実際には、ＦＰＡの１．０Ｍの画素のうちの０．６Ｍが使用される。しかしながら、ＦＰＡは、用途に応じて様々な波長に対して最適化され得る。本発明の別の実施形態では、ＦＰＡは、３つの別々のアレイを含み得る。３つの別々のアレイは、同じ面に配置され、分散放射線を検出するために適切に間隔を置かれている。

本発明の実施形態では、スペクトル分解能は非常に高く、例えば、λ／Δλは約１７，０００乃至約２０，０００である。

本発明の実施形態では、統合されたアプローチは、従来の分光計よりも、より単純で、より低コストで、より容易に較正されるという点で著しい長所を提供する。更に、このアプローチは、従来の分光計と比較して、より高い光学的スループット（optical throughput）を提供する。

例示的な実施形態に関連して、本発明を記載して説明したが、本発明はそのように制限されないと解されるべきであり、請求項に記載されているように、本発明の意図される全範囲の中で変更及び加減され得る。

Claims (16)

1. 入射放射線を受け取って、前記入射放射線の第１の部分と、第２の部分と、第３の部分とを透過するビームスプリッタ要素と、
   前記第１の部分を受け取って、第１の波長の第１のスリット出力放射線を透過する第１のスリットと、
   前記第２の部分を受け取って、第２の波長の第２のスリット出力放射線を透過する第２のスリットと、
   前記入射放射線の前記第３の部分を受け取って、第３の波長の第３のスリット出力放射線を透過する第３のスリットと、
   前記第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、平行にする共通の光学フォームと、
   前記共通の光学フォームから、前記平行にされた第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、反射する分散要素と、
   を含む、３チャネル分光計。
2. 焦点面アレイを更に含む、３チャネル分光計であって、
   前記焦点面アレイは、前記分散要素から、前記反射された第１と、第２と、第３のスリット出力を受け取って、検出する、請求項１の３チャネル分光計。
3. 前記光学フォームは、
   前記分散要素から、前記反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を受け取って、
   前記反射された第１と、第２と、第３のスリット出力放射線を、前記焦点面アレイ上に投影する、請求項２の３チャネル分光計。
4. 前記焦点面アレイと、前記第１のスリットと、前記第２のスリットと、前記第３のスリットが、共通の投影面を有するように、前記焦点面アレイは、前記第１のスリットと、前記第２のスリットと、前記第３のスリットとに隣接する、請求項２の３チャネル分光計。
5. 前記焦点面アレイは、水銀カドミウムテルル検出器を含む、請求項２の３チャネル分光計。
6. 前記分散要素は、反射格子を含む、請求項１の３チャネル分光計。
7. 前記反射格子は、８ミクロンのピッチを有する、請求項６の３チャネル分光計。
8. 前記ビームスプリッタ要素は、
   入射放射線を受け取り、前記入射放射線の第１の部分を反射し、前記入射放射線の透過部分を透過する第１のダイクロイックビームスプリッタと、
   前記入射放射線の前記透過部分を受け取り、前記入射放射線の前記第３の部分を反射し、前記入射放射線の前記第２の部分を透過する第２のダイクロイックビームスプリッタと、
   を含む、請求項１の３チャネル分光計。
9. 前記入射放射線を前記ビームスプリッタ要素上に投影する前部の光学素子を更に含む、請求項１の３チャネル分光計。
10. 前記前部の光学素子は、反射トリプレットを含む、請求項９の３チャネル分光計。
11. 前記光学フォームは、複光路の全反射光学フォームである、請求項１の３チャネル分光計。
12. 前記光学フォームは、反射トリプレットを含む、請求項１の３チャネル分光計。
13. 前記反射トリプレットは、
    正の倍率を有する第１のミラーと、
    負の倍率を有する第２のミラーと、
    正の倍率を有する第３のミラーと、
    を含む、請求項１２の３チャネル分光計。
14. 前記第１のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し、
    前記第２のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有し、
    前記第３のスリットは、約３．６ｍｍ乃至約４．０ｍｍの幅を有する、請求項１の３チャネル分光計。
15. 前記第１のスリットと、前記第２のスリットと、前記第３のスリットは、共通の投影面に配置される、請求項１の３チャネル分光計。
16. 前記第１の波長は、約０．７６５ミクロンであり、
    前記第２の波長は、約１．６０６ミクロンであり、
    前記第３の波長は、約２．０６２ミクロンである、請求項１の３チャネル分光計。

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