JP2014510292A - 複数視野のハイパースペクトルイメージング装置およびこれを使用する方法 - Google Patents

Abstract

複数視野ハイパースペクトルイメージング装置（３００）およびこれを使用する方法を本書において説明する。一実施の形態において、複数視野ハイパースペクトルイメージング装置は、複数の前方レンズ（３０８、３１０）、複数の折返しミラー（３１２、３１４）、複数の開口（３１８、３２０）を含むスリット、分光計（３０２）、および２次元検出器を備えている。

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１１年４月４日に出願された米国仮特許出願第６１／４７１３９３号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

本発明は、ハイパースペクトルイメージング分野に関し、特に、複数視野のハイパースペクトルイメージング装置と、この複数視野ハイパースペクトルイメージング装置を使用する方法に関する。

分光計は、光信号を入力として受信し、かつ入力した光信号の様々な波長成分または色に従って、空間に広がる光信号を出力として生成する装置である。分光計に取り付けられた検出器が、スペクトルと呼ばれるその出力信号を分析し、その入力した信号に存在している各波長成分の量を定量化する。１つの具体的な種類の分光計はオフナー（Offner）分光計として知られ、この分光計を使用して、遠隔物体の画像を狭いスペクトルバンドの連続範囲に亘って生成することができる。この種の画像化はハイパースペクトルイメージングとして知られ、近年、航空機搭載および人工衛星搭載の偵察およびリモートセンシングに対する、軍事的解決策／航空宇宙的解決策の重要な部分として現れてきた。基本的に、ハイパースペクトルイメージングシステムはオフナー分光計と高度なデータ処理技術とを利用して、スペクトルシグネチャデータが埋め込まれた画像を生成する。このシグネチャデータは、（例えば）目標指示／認識、ミサイルプルームの識別、および地雷探知など、多岐にわたる用途に有用である。さらに、ハイパースペクトルイメージングシステムは、癌検出、環境監視、農業監視、および鉱物探査など、種々さまざまな商業用途に使用可能である。オフナー分光計を組み込んだ例示的な従来のハイパースペクトルイメージングシステムを、図１Ａ〜１Ｂ（従来技術）を参照して以下で論じる。

図１Ａ〜１Ｂ（従来技術）を参照すると、オフナー分光計１０２を組み込んだ例示的な従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００の２つの斜視図が示されている。ハイパースペクトルイメージングシステム１００は第１ハウジング１０４を含み、第１ハウジング１０４は第２ハウジング１０６の隣に設置されかつこれに取り付けられている（図１Ａ参照）。第１ハウジング１０４は、単一の前方レンズ１０８、スリット１１０（単一開口１１１を有する）、および２次元検出器１１２を包囲しかつ保護している。第２ハウジング１０６は、オフナー分光計１０２を包囲しかつ保護している（図１Ｂ参照）。この例においてオフナー分光計１０２は、入口開口１１４（スリットの開口１１１と同一、またはこれに隣接したものとし得る）、第１ミラー１１６、回折格子１１８、第２ミラー１２０、および出口開口１２０（２次元検出器１１２の隣に位置している）を含んだ、１対１の光中継装置である。従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００に関して提供される説明を明瞭にするために、当産業において周知であって本発明を説明および理解するために必要ではない特定の詳細および構成要素は省略することを理解されたい。

従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００は、遠隔物体１０５の画像を狭いスペクトルバンドの連続範囲に亘って生成するように動作するものであり、このとき前方レンズ１０８が遠隔物体１０５からビーム１０７を受けてビーム１０７をスリットの単一開口１１１へと導き、単一開口１１１がトリムされたビーム１２２（画像のスライス）をオフナー分光計１０２へと出力し、オフナー分光計１０２がトリムされたビーム１２２を回折させて回折ビーム１２４を検出器１１２へと送る（図１Ａおよび１Ｂ参照）。具体的には、スリットの単一開口１１１がトリムされたビーム１２２を出力し、このビーム１２２が入口開口１１４（存在している場合）を通過して第１ミラー１１６（球面ミラー１１６）がこれを受け、第１ミラー１１６がトリムされたビーム１２２を回折格子１１８に向けて反射する。回折格子１１８はトリムされたビーム１２２を受けて回折させ、かつ回折ビーム１２４を第２ミラー１２０（球面ミラー１２０）へと反射する。第２ミラー１２０は回折ビーム１２４を受け、この回折ビーム１２４を出口開口１２０を通じて検出器１１２へと反射する。検出器１１２（例えば、２次元焦点面アレイ（ＦＰＡ）１１２）は、分光計の出口開口１２０を通過した回折ビーム１２４を受けて処理する。

この種のハイパースペクトルイメージングシステム１００は、一般にほとんどの用途においてよく機能するが、短波長赤外（ＳＷＩＲ）波長帯（０．７５〜２．５μｍ）および長波長赤外（ＬＷＩＲ）波長帯（７〜１５μｍ）において今の市販の検出器１１２は、可視波長帯に関連する市販の検出器に比べて、画像化に使用可能な画素の数が限られている。特に、今の市販の検出器１１２は、空間方向とスペクトル方向とから成る２次元焦点面に遠隔物体１０５を画像化するために使用できる画素の数が限られている。すなわち、空間場の適用範囲を特定の解像度で改善するために、各従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００ａ、１００ｂ・・・１００ｎの「直線状の視野」の端と端とを互いに位置合わせして遠隔物体１０５（図示なし）を特定の解像度で画像化するよう、現在は複数の従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００ａ、１００ｂ・・・１００ｎを図２（従来技術）に示したように隣合わせに位置付けている。この解決策は、（非常に高価な）複数の検出器、冷却器、分光計などの、空間、重力、電力制限、およびコストのために、ＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途を含む多くの用途で手が出ない。

従来技術の欠点を克服し、かつＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途を含む多くの用途において使用することが可能な、複数視野ハイパースペクトルイメージング装置およびこれを使用する方法を、本出願の独立クレームに記載する。この複数視野ハイパースペクトルイメージング装置およびこれを使用する方法の有利な実施形態を、従属クレームに記載する。

一態様において、本発明は遠隔物体を画像化するための複数視野ハイパースペクトルイメージング装置を提供する。この複数視野ハイパースペクトルイメージング装置は、（ａ）遠隔物体の第１部分から第１画像を受け取る、第１前方レンズ、（ｂ）遠隔物体の第２部分から第２画像を受け取る、第２前方レンズ、（ｃ）第１折返しミラー、（ｄ）第２折返しミラー、（ｅ）第１開口と第２開口とを備えているスリットであって、このとき第１前方レンズから第１画像を受ける第１折返しミラーであって、トリムされた第１画像を出力する第１開口へと、この第１画像を導く第１折返しミラーに、第１前方レンズが関連したものであり、かつ第２前方レンズから第２画像を受ける第２折返しミラーであって、トリムされた第２画像を出力する第２開口へと、この第２画像を導く第２折返しミラーに、第２前方レンズが関連したものである、スリット、（ｆ）トリムされた第１画像を第１開口から受けて、回折された第１画像を出力し、かつ、トリムされた第２画像を第２開口から受けて、回折された第２画像を出力するように設置された、分光計、および（ｇ）回折された第１画像と回折された第２画像とを分光計から最終焦点面で受けて、その後、回折された第１画像および回折された第２画像の、２次元画像を出力するように設置された、２次元検出器、を備えている。

別の態様において、本発明は、遠隔物体を画像化するために複数視野ハイパースペクトルイメージング装置を使用する方法を提供する。この方法は、（ａ）複数視野ハイパースペクトルイメージング装置を提供するステップであって、この複数視野ハイパースペクトルイメージング装置が、（ｉ）遠隔物体の第１部分から第１画像を受け取る、第１前方レンズ、（ｉｉ）遠隔物体の第２部分から第２画像を受け取る、第２前方レンズ、（ｉｉｉ）第１折返しミラー、（ｉｖ）第２折返しミラー、（ｖ）第１開口と第２開口とを備えているスリットであって、このとき第１前方レンズから第１画像を受ける第１折返しミラーであって、トリムされた第１画像を出力する第１開口へと、この第１画像を導く第１折返しミラーに、第１前方レンズが関連したものであり、かつ第２前方レンズから第２画像を受ける第２折返しミラーであって、トリムされた第２画像を出力する第２開口へと、この第２画像を導く第２折返しミラーに、第２前方レンズが関連したものである、スリット、（ｖｉ）トリムされた第１画像を第１開口から受けて、回折された第１画像を出力し、かつ、トリムされた第２画像を第２開口から受けて、回折された第２画像を出力するように設置された、分光計、および（ｖｉｉ）回折された第１画像と回折された第２画像とを分光計から最終焦点面で受けて、その後、回折された第１画像および回折された第２画像の、２次元画像を出力するように設置された、２次元検出器、を備えたものである、ステップ、および、（ｂ）第１前方レンズと第２前方レンズとを制御して、回折された第１画像および回折された第２画像の、２次元画像を得るステップ、を含んでいる。

本発明のさらなる態様は、一部は以下の詳細な説明、図面、および任意の請求項の中で明記され、そして一部は詳細な説明から導かれるであろうし、あるいは本発明を実施することにより理解できるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示および説明のためのものであり、開示される本発明を限定するものではないことを理解されたい。

以下の詳細な説明を添付の図面と共に参照すると、本発明のより完全な理解が得られるであろう。

ＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途において遠隔物体を低解像度で画像化する、例示的な従来のハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 ＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途において遠隔物体を低解像度で画像化する、例示的な従来のハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 各従来のハイパースペクトルイメージングシステムの「直線状の視野」の端と端とを互いに位置合わせしてＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途において遠隔物体を高解像度で画像化するよう、隣合わせに位置付けられた複数の従来のハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 本発明の一実施の形態による、遠隔物体を画像化するための例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 本発明の一実施の形態による、遠隔物体を画像化するための例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 本発明の一実施の形態による、遠隔物体を画像化するための例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステムを示した図 図３Ａ〜３Ｃに示したものに類似しているが、本発明の一実施の形態による、シャッター、固定ピックオフミラー（第１前方レンズに関連している）、および可動ステアリングミラー（第２前方レンズに関連している）をさらに組み込んだ、例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステムを示している図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な例示的なスリットを示した図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な例示的なスリットを示した図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な例示的なスリットを示した図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な例示的なスリットを示した図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な例示的なスリットを示した図 本発明の一実施の形態による、図３Ａ〜３Ｄに示した複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム内に組み込むことが可能な別の例示的なスリットを示した図 本発明の別の実施形態による、１以上の遠隔物体を画像化するための別の例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステムを示した図

図３Ａ〜３Ｃを参照すると、本発明の一実施の形態による、遠隔物体３０５を画像化するための例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム３００の３つの斜視図が示されている。ハイパースペクトルイメージングシステム３００は、第２ハウジング３０６の隣に設置されかつこれに取り付けられた、第１ハウジング３０４を含んでいる（図３Ａ参照）。第１ハウジング３０４は、第１前方レンズ３０８、第２前方レンズ３１０、第１折返しミラー３１２、第２折返しミラー３１４、スリット３１６（第１開口３１８および第２開口３２０を含む）、および２次元検出器３２２を、包囲しかつ保護している（図３Ｂ〜３Ｃ参照）。第２ハウジング３０６は、分光計３０２（オフナー分光計３０２（図示）、ダイソン（Dyson）分光計３０２など）を包囲しかつ保護している（図３Ｂ〜３Ｃ参照）。この例において分光計３０２は、入口開口３２４（スリットの開口３１８および３２０と同一、またはこれらに隣接したものとし得る）、第１ミラー３２６、回折格子３２８、第２ミラー３３０、および出口開口３３２（２次元検出器３２２の隣に位置している）を含んだ、１対１の光中継装置である。ハイパースペクトルイメージングシステム３００は、第１前方レンズ３０８、第２前方レンズ３１０、および２次元検出器３２２を含むいくつかの構成要素の動作を制御する、コントローラ３２３を含んでもよい。ハイパースペクトルイメージングシステム３００に関して提供される説明を明瞭にするために、当産業において周知であって本発明を説明および理解するために必要ではない特定の詳細および構成要素は省略することを理解されたい。

ハイパースペクトルイメージングシステム３００は、遠隔物体３０５の画像を狭いスペクトルバンドの連続範囲に亘って生成するように動作するものであり、このとき第１前方レンズ３０８が遠隔物体３０５の第１部分３０９に関連する第１画像３０７（例えば、第１ビーム３０７）を受け、かつ第２前方レンズ３１０が遠隔物体３０５の第２部分３１３に関連する第２画像３１１（例えば、第２ビーム３１１）を受ける（図３Ａ参照）。第１折返しミラー３１２が第１前方レンズ３０８から第１画像３０７を受けてこの第１画像３０７をスリットの第１開口３１８へと導き、第１開口３１８が、トリムされた第１画像３３４（第１画像のスライス）を出力する（図３Ｂ〜３Ｃ参照）。第２折返しミラー３１４は第２前方レンズ３１０から第２画像３１１を受けてこの第２画像３１１をスリットの第２開口３２０へと導き、第２開口３２０が、トリムされた第２画像３３６（第２画像のスライス）を出力する（図３Ｂ〜３Ｃ参照）。第１折返しミラー３１２および第２折返しミラー３１４は、第１画像３０７および第２画像３１１をスリットの開口３１８および３２０に導く前に、２つの視野を互いに位置合わせするよう調節されることになる。

分光計３０２は、スリットの第１開口３１８および第２開口３２０からトリムされた第１画像３３４とトリムされた第２画像３３６とを受け、かつ、回折された第１画像３３８と回折された第２画像３４０とを２次元検出器３２２に出力するように設置されている。具体的には、スリットの第１開口３１８および第２開口３２０がトリムされた第１画像３３４およびトリムされた第２画像３３６を出力し、これらの画像が入口開口３２４（存在している場合）を通過して第１ミラー３２６（球面ミラー３２６）へと向かい、このミラーがトリムされた第１画像３３４およびトリムされた第２画像３３６を回折格子３２８に向けて反射する。回折格子３２８は、第１ミラー３２６から反射されたトリムされた第１画像３３４とトリムされた第２画像３３６とを受けて、回折された第１画像３３８および回折された第２画像３４０を第２ミラー３３０（球面ミラー３３０）へと出力する。第２ミラー３３０は、回折された第１画像３３８と回折された第２画像３４０とを回折格子３２８から受けて、回折された第１画像３３８と回折された第２画像３４０とを、出口開口３３２を通じて２次元検出器３２２へと反射する。２次元検出器３２２（例えば、２次元ＦＰＡ３２２）は、回折された第１画像３３８および回折された第２画像３４０を最終焦点面３４１の位置で受けて、その後、回折された第１画像３３８および回折された第２画像３４０の、２次元画像を出力するように設置されている（例えば、図３Ｃおよび４Ｅ参照）。

ａ．ハイパースペクトルイメージングシステム３００のある設定において、第１前方レンズ３０８および第２前方レンズ３１０は互いに異なった倍率を有している。例えば、第１前方レンズ３０８が広視野を有しかつ第２前方レンズ３１０が狭視野を有していてもよく、これらは両方とも２次元検出器３２２上に画像化される。さらに、第１前方レンズ３０８の手前に固定のピックオフミラー３４２が設置され、また第２前方レンズ３１０の手前に高速可動のステアリングミラー３４４が設置されたものでもよい（図３Ｄ参照）。この特定の設定は、より広視野の画像が時間領域において「先行」して特定のスペクトルシグネチャを探すように使用することができる。関心領域が見つかった場合、高速可動ステアリングミラー３４４が、狭視野画像をその関心領域に位置付けることができる。このような用途では、１以上のシャッター３４６をさらに組み込んで、第１前方レンズ３０８または第２前方レンズ３１０からのいずれかの１視野のみを一度にアクティブにすることによって、画像における信号対ノイズの比率をさらに改善することができる（図３Ｄ参照）。この例では１つのシャッター３４６がスリット３１６の後ろの位置に図示されており、シャッター３４６は、スリットのいずれの開口３１８および３２０を覆うようにも移動することができる。コントローラ３２３は、高速可動ステアリングミラー３４４とシャッター３４６との動きを制御することになる。提供される説明と図とを明瞭にするために、固定ピックオフミラー３４２、高速可動ステアリングミラー３４４、およびシャッター３４６を支持するために使用される構成要素に関する特定の詳細は、省略することを理解されたい。

ハイパースペクトルイメージングシステム３００の別の設定では、第１前方レンズ３０８および第２前方レンズ３１０は同じ倍率を有する。この特定の設定は、１つの視野（第１前方レンズ３０８に関連している）と他方の視野（第２前方レンズ３１０に関連している）とを時間領域において交互なものとし、種々の「場所の変更」用途を実行できるように使用することができる。例えば、場所の変更用途の１つに、特定の乗り物の追跡が含まれ得る。

図４Ａ〜４Ｅを参照すると、本発明の実施形態による、複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム３００内に組み込むことが可能な例示的なスリット３１６のいくつかの図が示されている。図４Ａ〜４Ｂには、貫通している第１開口３１８および第２開口３２０がその中に延在している基板４０２を含んだ、スリット３１６の前方斜視図および後方斜視図が夫々示されている。一例においてスリット３１６は、第１側面４０４を有するダイヤモンド機械加工可能な基板４０２（例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、金、フッ化カルシウム）から作製され、第１側面４０４の一部４０６は、スリットアパーチャの長さ４０８を画成するダイヤモンドボールノーズのフライス加工（例えば）によって第１側面４０４から除去されている（図４Ａ参照）。ダイヤモンド機械加工可能な基板４０２は第２側面４１０をさらに有し、この第２側面４１０の２つの部分４１２および４１４がダイヤモンドフライカット加工（例えば）によって第２側面４１０から除去されて２つの溝４１６および４１８を形成し、これらの溝が第１側面４０４まで貫通して２つの開口３１８および３２０を形成している（図４Ｂ参照）。これらおよび他の機械加工技術によれば、通常の基板内にスリット３１６をサブマイクロメートルの公差で加工することができる。これらの機械加工技術は、スリット３１６、回折格子３２８、および２次元検出器３２２間の正確なアライメントを必要とする分光計３０２の性能を最適化するために、スリットの開口３１８および３２０を正確に位置合わせされるように加工する点で、さらに優位となる（例えば、２次元検出器３２２で１／１０画素未満）。図４Ｃ〜４Ｄは、例示的なモノリシックナイフエッジ二重スリット３１６の写真と、この例示的なモノリシックナイフエッジ二重スリット３１６の一部の４００倍画像を表示したコンピュータモニタ４２５の図とを夫々示したものである。

例示的なスリット３１６の２つの開口３１８および３２０は、分光計の最終焦点面３４１（１対１の光中継分光計３０２と仮定）での回折界(diffracted field)を超える分だけ互いに離れている（図４Ｅ参照）。具体的には、スリットの第１開口３１８および第２開口３２０は、関心のあるスペクトルバンドによって互いに分離されたトリムされた画像３３４および３３６を夫々出力し、その結果回折された第１画像３３８および回折された第２画像３４０は、２次元検出器３２２の最終焦点面３４１上で画像化されたときに互いに分離される（図４Ｅ参照）。さらに、回折された第１画像３３８と回折された第２画像３４０との重複を防ぐような回折効率で、回折格子３２８を構成することができる。さらに、２次元検出器３２２は、バンドパスフィルタ、オーダーソーティングフィルタ、または他の技術を組み込んで、隣接する回折された第１画像３３８と回折された第２画像３４０との重複を防ぐことができる。

図５を参照すると、本発明の一実施の形態による複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム３００内に組み込むことが可能な別の例示的なスリット３１６’の一部が表示された、コンピュータモニタ５００の図が示されている。例示的なスリット３１６’は、スリット３１６’が、第２開口３２０’と、第２開口３２０’よりも幅広の第１開口３１８’といった幅の異なる２つの開口３１８’および３２０’を有していることを除いて、前述のスリット３１６と同じものである。この例において、第１開口３１８’の幅３２２’は４０μｍであり、かつ第２開口３２０’の幅３２４’は１０μｍであり、また両開口３１８’および３２０’の長さは１１ｍｍである。例示的なスリットの２つの開口３１８’および３２０’は、分光計の最終焦点面３４１（１対１の光中継分光計３０２と仮定）での回折界を超える分だけ互いに離れている。具体的には、スリットの第１開口３１８’および第２開口３２０’は、関心のあるスペクトルバンドによって互いに分離されたトリムされた画像３３４および３３６を夫々出力し、その結果回折された第１画像３３８および回折された第２画像３４０は、２次元検出器３２２の最終焦点面３４１上で画像化されたときに互いに分離される（例えば、図４Ｅ参照）。あるいは、前述のスリット３１６および３１６’は、３以上の開口を有することもあり得る。この場合、複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム３００は３以上の前方レンズと３以上の折返しミラーとを有することになり、この一例を図６を参照して以下で論じる。

図６を参照すると、本発明の別の実施形態による、１以上の遠隔物体（図示なし）を画像化するための別の例示的な複数視野ハイパースペクトルイメージングシステム６００の図が示されている。ハイパースペクトルイメージングシステム６００は、第２ハウジング６０６の隣に設置されかつこれに取り付けられた、第１ハウジング６０４を含んでいる。第１ハウジング６０４は、第１前方レンズ６０８、第２前方レンズ６１０、第３前方レンズ６１２、第４前方レンズ６１４（ピックオフミラー６１５に関連する）、第１折返しミラー６１６、第２折返しミラー６１８、第３折返しミラー６２０、第４折返しミラー６２２、スリット６２４（第１開口６２６、第２開口６２８、第３開口６３０、第４開口６３２を含む）、および２次元検出器６３４を、包囲しかつ保護している。第２ハウジング６０６は、分光計６０２（オフナー分光計６０２（図示）、ダイソン分光計６０２など）を包囲しかつ保護している。この例において分光計６０２は、入口開口６３６（スリットの開口６２６、６２８、６３０、および６３２と同一、またはこれらに隣接したものとし得る）、第１ミラー６３８、回折格子６４０、第２ミラー６４２、および出口開口６４６（２次元検出器６３４の隣に位置している）を含んだ、１対１の光中継装置である。ハイパースペクトルイメージングシステム６００は、前方レンズ６０８、６１０、６１２、および６１４と、２次元検出器６３４とを含むいくつかの構成要素の動作を制御する、コントローラ６４８を含んでもよい。ハイパースペクトルイメージングシステム６００に関して提供される説明および図を明瞭にするために、当産業において周知であって本発明を説明および理解するために必要ではない特定の詳細および構成要素は省略することを理解されたい。

ハイパースペクトルイメージングシステム６００の４つの前方レンズ６０８、６１０、６１２、および６１４は、夫々が９０°の視野を有して３６０°をカバーし、遠隔物体（監視事象または一時的事象）を画像化する。動作時、ハイパースペクトルイメージングシステム６００は、第１前方レンズ６０８が遠隔物体の一部分に関連する第１画像６５０（例えば、第１ビーム６５０）を受け、第２前方レンズ６１０が遠隔物体の別の部分に関連する第２画像６５２（例えば、第２ビーム６５２）を受け、第３前方レンズ６１２が遠隔物体の別の部分に関連する第３画像６５４（例えば、第３ビーム６５４）を受け、さらに第４前方レンズ６１４がピックオフミラー６１５から遠隔物体のさらに別の部分に関連する第４画像６５６（例えば、第４ビーム６５６）を受けると、遠隔物体の画像を狭いスペクトルバンドの連続範囲に亘って生成するように動作する。第１折返しミラー６１６が第１前方レンズ６０８から第１画像６５０を受けてこの第１画像６５０をスリットの第１開口６２６へと導き、第１開口６２６が、トリムされた第１画像６５８（第１画像６５０のスライス）を出力する。第２折返しミラー６１８が第２前方レンズ６１０から第２画像６５２を受けてこの第２画像６５２をスリットの第２開口６２８へと導き、第２開口６２８が、トリムされた第２画像６６０（第２画像６５２のスライス）を出力する。第３折返しミラー６２０が第３前方レンズ６１２から第３画像６５４を受けてこの第３画像６５４をスリットの第３開口６３０へと導き、第３開口６３０がトリムされた第３画像６６２（第３画像６５４のスライス）を出力する。第４折返しミラー６２２が第４前方レンズ６１４から第４画像６５６を受けてこの第４画像６５６をスリットの第４開口６３２へと導き、第４開口６３２がトリムされた第４画像６６４（第４画像６５６のスライス）を出力する。折返しミラー６１６、６１８、６２０、および６２２は、画像６５０、６５２、６５４、および６５６をスリットの開口６２６、６２８、６３０、および６３２に導く前に、４つの視野を互いに位置合わせするよう調節されることになる。

分光計６０２は、スリットの開口６２６、６２８、６３０、および６３２からトリムされた画像６５８、６６０、６６２、および６６４を受け、かつ、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２を２次元検出器６３４に出力するように設置されている。具体的には、スリットの開口６２６、６２８、６３０、および６３２がトリムされた画像６５８、６６０、６６２、および６６４を出力し、これらの画像が入口開口６３６（存在している場合）を通過して第１ミラー６３８（球面ミラー６３８）へと向かい、このミラーがトリムされた画像６５８、６６０、６６２、および６６４を回折格子６４０に向けて反射する。回折格子６４０は、第１ミラー６３８から反射されたトリムされた画像６５８、６６０、６６２、および６６４を受けて、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２を第２ミラー６４２（球面ミラー６４２）へと出力する。第２ミラー６４２は、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２を回折格子６４０から受けて、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２を、出口開口６４６を通じて２次元検出器６３４へと反射する。２次元検出器６３４（例えば、２次元ＦＰＡ６３４）は、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２を最終焦点面６７４の位置で受けて、その後、回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２の、２次元画像を出力するように設置されている。

ハイパースペクトルイメージングシステム６００に組み込まれる前方レンズ６０８、６１０、６１２、および６１４の倍率は、同一のものでもよいし、異なったものでもよいし、あるいは任意に組み合わせたものでもよい。所望であれば、ハイパースペクトルイメージングシステム６００は、ハイパースペクトルイメージングシステム３００に関連して上述したような、固定ミラー、高速可動ステアリングミラー、およびシャッターを、１以上組み込んでもよい。さらにハイパースペクトルイメージングシステム６００は、開口６２６、６２８、６３０、および６３２を備えたスリット６２４を組み込んでいるが、これらの開口は夫々、分光計の最終焦点面６７４（１対１の光中継分光計６０２を仮定）での回折界を超える分だけ互いに離れている。スリットの開口６２６、６２８、６３０、および６３２の幅は、同一でもよいし、異なっていてもよいし、あるいは任意の所望の組合せとしてもよい。さらに、任意の回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２の重複を防ぐような回折効率で回折格子６４０を構成することができる。さらに、２次元検出器６３４は、バンドパスフィルタ、オーダーソーティングフィルタ、または他の技術を組み込んで、隣接する回折された画像６６６、６６８、６７０、および６７２の重複を防ぐことができる。

上記から、前述のハイパースペクトルイメージングシステム３００および６００は、ＳＷＩＲ用途およびＬＷＩＲ用途を含む様々な用途で使用することができること、すなわち従来技術に関連した前述の欠点に対処できることが当業者には理解されるであろう。これらの欠点に対処するために、ハイパースペクトルイメージングシステム３００および６００は、従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００（例えば）では活用できなかった利用可能な検出領域を活用している。具体的には、従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００では、スペクトル次元における全検出領域は活用されず、多くの場合、利用可能な検出領域の２０％未満が機能し利用されている。しかしながら、ハイパースペクトルイメージングシステム３００および６００は、革新的な回折格子設計、画像分割技術、および単一の分光計において複数のハイパースペクトルの視野をカバーする複数の前方レンズを備えることによって、利用可能な検出空間を活用するよう構成されている。さらに、ハイパースペクトルイメージングシステム３００および６００は、オフナー分光計およびダイソン分光計など多くの「半対称」分光計の光学性能を利用して、スペクトル方向において広範囲をカバーすることができるが、このシステムを他の屈折および反射設計に適用することもできる。オフナー分光計３０２の代わりに使用することができる例示的なダイソン分光計は、以下の文献、すなわち（１）J. Dyson著「ザイデル収差のない等倍光学系（Unit magnification optical system without Seidel aberrations）」J. Opt. Soc. Am. 第４９巻、７１３〜７１６頁（１９５９年）、（２）David W. Warren、David J. Gutierrez、およびEric R. Keim著「高性能赤外線応用のためのダイソン分光計（Dyson spectrometers for high-performance infrared applications）」Optical Engineering／第４７巻／第１０版（Issue 10）２００８年１０月１４日オンライン公開、および、米国特許出願公開第２００９／０２３７６５７号明細書（これらの文献の内容は参照することにより本書に組み込まれる）の中に記載されている。ハイパースペクトルイメージングシステム３００および６００によれば、複数の従来のハイパースペクトルイメージングシステム１００ａ、１００ｂ・・・１００ｎ（図２参照）に比べて、さらに設備（検出器、分光計、冷却器など）の大幅なコスト低減が可能になり、占有する容積が著しく小さくなり、かつ必要な電力がかなり減少する。

本発明の複数の実施形態を、添付の図面に示し、かつ上述の詳細な説明の中で説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限られるものではなく、以下の請求項により明記および画成される本発明から逸脱することなく、多くの再構成、改変および置換えが可能であることを理解されたい。また本書において称する「本発明」または「発明」は、例示的な実施形態に関し、必ずしも添付の請求項に包含されるあらゆる実施形態に関するものではないことに留意されたい。

３００、６００ ハイパースペクトルイメージングシステム
３０２、６０２ 分光計
３０４、６０４ 第１ハウジング
３０５ 遠隔物体
３０６、６０６ 第２ハウジング
３０７、６５０ 第１画像
３０８、６０８ 第１前方レンズ
３０９ 第１部分
３１０、６１０ 第２前方レンズ
３１１、６５２ 第２画像
３１２、６１６ 第１折返しミラー
３１３ 第２部分
３１４、６１８ 第２折返しミラー
３１６、６２４ スリット
３１８、６２６ 第１開口
３２０、６２８ 第２開口
３２２、６３４ ２次元検出器
３２４、６３６ 入口開口
３２６、６３８ 第１ミラー
３２８、６４０ 回折格子
３３０、６４２ 第２ミラー
３３２、６４６ 出口開口
３３４、６５８ トリムされた第１画像
３３６、６６０ トリムされた第２画像
３３８、６６６ 回折された第１画像
３４０、６６８ 回折された第２画像
３４１、６７４ 最終焦点面
３４２、６１５ 固定ピックオフミラー
３４４ ステアリングミラー
３４６ シャッター
６１２、６１４ 前方レンズ
６２０、６２２ 折返しミラー
６３０、６３２ 開口

Claims (10)

1. 遠隔物体（３０５）を画像化する複数視野ハイパースペクトルイメージング装置（３００、６００）において、
   前記遠隔物体の第１部分（３０９）から第１画像（３０７、６５０）を受け取る、第１前方レンズ（３０８、６０８）、
   前記遠隔物体の第２部分（３１３）から第２画像（３１１、６５２）を受け取る、第２前方レンズ（３１０、６１０）、
   第１折返しミラー（３１２、６１６）、
   第２折返しミラー（３１４、６１８）、
   第１開口（３１８、６２６）と第２開口（３２０、６２８）とを備えているスリット（３１６、６２４）であって、このとき前記第１前方レンズから前記第１画像を受ける前記第１折返しミラーであって、トリムされた第１画像（３３４、６５８）を出力する前記第１開口へと前記第１画像を導く前記第１折返しミラーに、前記第１前方レンズが関連したものであり、かつ前記第２前方レンズから前記第２画像を受ける前記第２折返しミラーであって、トリムされた第２画像（３３６、６６０）を出力する前記第２開口へと前記第２画像を導く前記第２折返しミラーに、前記第２前方レンズが関連したものである、スリット、
   前記トリムされた第１画像を前記第１開口から受けて、回折された第１画像（３３８、６６６）を出力し、かつ、前記トリムされた第２画像を前記第２開口から受けて、回折された第２画像（３４０、６６８）を出力するように設置された、分光計（３０２、６０２）、および、
   前記回折された第１画像と前記回折された第２画像とを前記分光計から最終焦点面（３４１、６７４）で受けて、その後、該回折された第１画像および回折された第２画像の、２次元画像を出力するように設置された、２次元検出器（３２２、６３４）、
   を備えていることを特徴とする複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
2. 前記スリットの前記第１開口が、前記第２開口から、前記最終焦点面での回折界を超える分だけ離れていることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
3. 前記分光計がオフナー分光計であり、該オフナー分光計が、前記第１開口および第２開口から前記トリムされた第１画像およびトリムされた第２画像を受ける、第１ミラー（３２６、６３８）、前記第１ミラーから反射された前記トリムされた第１画像およびトリムされた第２画像を受けて、前記回折された第１画像および回折された第２画像を出力する、回折格子（３２８、６４０）、前記回折格子から前記回折された第１画像および回折された第２画像を受けて、該回折された第１画像および回折された第２画像を前記２次元検出器へと反射する、第２ミラー（３３０、６４２）、を備えていることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
4. 前記２次元検出器が、前記回折された第１画像と前記回折された第２画像との重複を防ぐためのフィルタを備えていることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
5. 前記第１前方レンズおよび前記第２前方レンズが、同じ倍率を有していることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
6. 前記第１前方レンズが広視野を有しかつ前記第２前方レンズが狭視野を有するように、前記第１前方レンズおよび前記第２前方レンズが異なる倍率を有していることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
7. 前記第２前方レンズに関連するステアリングミラー（３４４）をさらに備え、ここで広視野を有する前記第１前方レンズが、時間領域において、狭視野を有する前記第２前方レンズに先行するものであり、これにより、特定のスペクトルシグネチャを広視野で捜して、かつ該特定のスペクトルシグネチャが発見されたときに、前記ステアリングミラーを制御して前記狭視野を前記特定のスペクトルシグネチャ上に集中するように位置付けることが可能になることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
8. 前記第１前方レンズまたは前記第２前方レンズからのいずれかの１視野のみを一度にアクティブにするように制御されるシャッター（３４６）を、さらに備えていることを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
9. 少なくともさらに１つの前方レンズ（６１２、６１４）、少なくともさらに１つの折返しミラー（６２０、６２２）、少なくともさらに１つの開口（６３０、６３２）を備えた前記スリット、をさらに含み、かつ前記２次元検出器が、前記２次元画像を、少なくともさらに１つの回折された画像とともに出力することを特徴とする請求項１記載の複数視野ハイパースペクトルイメージング装置。
10. 遠隔物体（３０５）を画像化するために複数視野ハイパースペクトルイメージング装置（３００、６００）を使用する方法において、
    複数視野ハイパースペクトルイメージング装置であって、
    前記遠隔物体の第１部分（３０９）から第１画像（３０７、６５０）を受け取る、第１前方レンズ（３０８、６０８）、
    前記遠隔物体の第２部分（３１３）から第２画像（３１１、６５２）を受け取る、第２前方レンズ（３１０、６１０）、
    第１折返しミラー（３１２、６１６）、
    第２折返しミラー（３１４、６１８）、
    第１開口（３１８、６２６）と第２開口（３２０、６２８）とを備えているスリット（３１６、６２４）であって、このとき前記第１前方レンズから前記第１画像を受ける前記第１折返しミラーであって、トリムされた第１画像（３３４、６５８）を出力する前記第１開口へと、前記第１画像を導く前記第１折返しミラーに、前記第１前方レンズが関連したものであり、かつ前記第２前方レンズから前記第２画像を受ける前記第２折返しミラーであって、トリムされた第２画像（３３６、６６０）を出力する前記第２開口へと、前記第２画像を導く前記第２折返しミラーに、前記第２前方レンズが関連したものである、スリット、
    前記トリムされた第１画像を前記第１開口から受けて、回折された第１画像（３３８、６６６）を出力し、かつ、前記トリムされた第２画像を前記第２開口から受けて、回折された第２画像（３４０、６６８）を出力するように設置された、分光計（３０２、６０２）、および、
    前記回折された第１画像と前記回折された第２画像とを前記分光計から最終焦点面（３４１、６７４）で受けて、その後、該回折された第１画像および回折された第２画像の、２次元画像を出力するように設置された、２次元検出器（３２２、６３４）、
    を備えた複数視野ハイパースペクトルイメージング装置を提供するステップステップ、および、
    前記第１前方レンズと前記第２前方レンズとを制御して、前記回折された第１画像および前記回折された第２画像の、前記２次元画像を得るステップ、
    を含むことを特徴とする方法。

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