JP2014522963A - アナモルフィックビーム拡張分光器 - Google Patents

Abstract

分光器が光ビーム再成形素子、ビーム拡張器、分散素子及び受光素子を含む。光ビーム再成形素子は、受容光ビームを再成形して、当該受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも大きな第１軸方向の第１寸法、及び、第１軸に対して実質的に直交する第２軸について、前記受容光ビームの前記第２軸方向の寸法よりも小さな第２軸方向の第２寸法を有する再成形光ビームにする。ビーム拡張器は、再成形光ビームを第２軸方向にアナモルフィックに拡張して拡張光ビームにする。分散素子は、拡張光ビームを第２軸方向に分散して分散光ビームを得る。受光素子は分散光ビームを受容する。受光素子は、分散光ビームのスペクトル強度を測定する一以上の検出器を含む。

Description

本開示は、光学分光器に関する。特に本開示は、アナモルフィックビーム拡張を用いた分光器に関する。例えば、様々な実施例において、本開示は、統合型ビーム再成形器及びアナモルフィックビーム拡張器を含む分光器に関する。

（関連出願の相互参照）
本開示は、２０１１年６月２４日出願の米国仮特許出願第６１／５００，９４８号の優先権を主張する。その全体が参照として組み込まれる。

分光器は、光又は他の電磁放射線の強度を波長（例えば波長が可視スペクトル内にある場合は一の色波長）の関数として測定する装置である。分光器は、膨大な種類のアプリケーションにおいて使用され得る。かかるアプリケーションは、例えば、材料、物質、又は物体の物理的特性を、当該材料、物 質、又は物体から放出され、反射され、又は透過される光のスペクトルの特徴を分析することによって決定することを含む。基礎的レベルでは、分光器は、入力アパチャと、分散素子と、カメラサブシステムとからなる。入力アパチャを通って光が装置に送られ、その光ビームを波長に応じて分散素子が様々な角度にわたり屈折させ、カメラサブシステムがそれらの角度を検出器に沿った複数の位置に変換する。

分光器の基礎的な性能パラメータの中には、（１）その帯域通過、すなわち分光器が検出できる波長範囲、（２）そのスペクトル解像度、すなわち弁別可能な最小スペクトルの特徴のサイズ又は詳細、及び（３）そのスループット、すなわち分光器センサによって究極的に測定される装置に入る光のパーセンテージがある。

多くのアプリケーションにとって、帯域通過、スペクトル解像度、及び装置のスループットはすべて重要である。高いスペクトル解像度は、標的スペクトルのシャープな像を与えて詳細な分析を許容し、及び、高いスループットは、強い測定可能信号を与えてデータの品質（「信号対雑音比」として定量される場合が多い）を改善する。

ほとんどではないまでも、多くの現行従来型分光器は、これらのパラメータ間のトレードオフを代表している。例えば、特定の分光装置のスペクトル解像度は、分散方向に沿って測定される光入力アパチャの画像サイズによって制限される場合が多い。高解像度を達成するべく、多くの分光器は、分散方向に沿って狭くかつ垂直寸法の方が相対的に長い矩形アパチャの形態にあるような「スリット」を用いる。狭いスリットは、検出器上に狭い単色像を結ぶことができるので、シャープな像のスペクトルの特徴が得られる。しかしながら、狭いスリットはまた、例えば初期光源がスリット幅よりも大きな場合には、入力光の大部分もブロックし得る。したがって、かかる分光器は、高解像度を達成するべくスループットを犠牲にするのが典型的である。その結果、データ品質が低下する。例えば、光ファイバケーブル又は他の入力のような代替的な光源が用いられる場合にも同様の問題が生じる。

国際公開第２０１１／０３８５１５号パンフレット 米国特許第４，６７８，３３２号明細書

本開示はここに、分光器のためのスペクトル解像度を改善する新たなアプローチを提示する。本開示に係るシステム及び装置は、改善の中でもとりわけ、（例えば入力源の最大スループットを許容し得る）比較的大きな入力アパチャを、当該入力源の像を分散方向に沿って収縮又は再成形するべくかつオプションとして分散方向に対して一般に直交する方向に拡張又は収縮するべく構成された一連のミラー、レンズ、及び／又は他の素子と組み合わせて使用することを可能とする。その結果、いくつかの点で、まるでスリットを通過して向けられたかのようであってもスループット損失がほとんど又は全くない特性を有する再成形された像が得られるので、例えば、アパチャ／スリットの組み合わせを用いた分光器に一般に見出されるような損失が回避又は低減される。

光学的不変性の法則（エタンデュの法則としても知られる）によれば、像のサイズと対応する平行ビームのサイズとの間には反比例関係が存在する。したがって、光ビームの直交軸のエタンデュは、像の所望の再成形を達成するべく互いに独立して操作することができる。様々な側面では、本開示は、一軸方向に光ビームを拡張する一方で他軸方向（例えば直交方向）のビーム寸法を不変のままとするべく適合されたアナモルフィックビーム拡張器を用いる。他の側面では、本開示は、双方の直交軸方向に光ビームを拡張及び／又は収縮するアナモルフィックビーム拡張器及び／又は収縮器を用いる。

ビームの拡張によって、（拡張軸に多くの空間を必要とする）大きなビームが得られるのが典型的である。したがって、様々な側面では、本開示は、像のサイズに影響を与えることなくアナモルフィック拡張軸方向に狭いビームを達成するべくビーム再成形を用いる。これによって、アナモルフィック拡張軸に制限され得る空間内において大きな拡張倍率が許容される。

明確性を目的として、本開示では、分光器は、光が「水平」方向に空間的に広げられ又は分散されるように配向されるとして記載される場合がある。かかる場合、用語「水平」は、「分散軸方向に又は当該方向と平行に」との意味を意図し、及び、用語「垂直」は、「分散軸に垂直に又は当該軸を横切って」との意味を意図する。かかる術語は明確性のみを目的として選択され、本発明が、いずれかの特定の幾何学的、空間的若しくは重力的配向においてのみ作動し若しくは良好に作動し得ること、又は以下の請求項又は開示が特定の幾何学的配列又は配向に制限されることを示唆するものとして解釈するべきではない。本開示では、用語「アナモルフィック拡張／収縮」は、光ビームを一次元に拡張／収縮する一方でもう一つの次元は異なる量だけ拡張／収縮され又は全く拡張／収縮されないことを記載するべく使用される。したがって、光ビームのアナモルフィック拡張／収縮は、光ビームの断面積のアスペクト比を変更するべく機能する。

様々な実施例では、本開示に係るシステム及び／又は装置は、以下の素子のいくつか又はすべてを様々な組み合わせで含む。
＊一以上の入力アパチャ（例えば光ファイバ、ピンホール、スリット、多重光ファイバ、又は他の入力光源）、
＊一以上のコリメータ（例えば、光ビームを狭め、合焦し、又は配向するレンズ、ミラー、又は他の装置）、
＊平坦な若しくは他のミラー又は他の反射型若しくは屈折型表面若しくは装置を使用し、特に入力アパチャから受容されたビームを含むビームの断面積形状を、例えば「垂直方向」のような第１軸方向に整列された一般に線形の配置に再分割又は再配列（口語的には「スライス」）するべく構成された一以上のビーム再成形器、
＊水平方向（すなわち第１軸に対して一般に直交する第２方向）に再成形されたビームを含むビームを伸長する（及びオプションとして再び平行にする）一以上のアナモルフィックビーム拡張器、
＊ビームを第１方向（「垂直方向」）に拡張及び／又は収縮する（及びオプションとして再び平行にする）一以上の単軸ビーム拡張器及び／又は収縮器、
＊当初の入力ビームに対して一般に直交する２つの方向に収縮された及び／又は拡張された一般に平行なビームを与える上述の２つの素子の組み合わせ（すなわち水平方向ビーム拡張器と垂直方向ビーム拡張器及び／又は収縮器との組み合わせ）、
＊上述の水平方向及び／又は垂直方向拡張器及び／又は収縮器のそれぞれはまた、ビームを再び平行にするべく機能し（この場合、追加のコリメータが必要とされない）、
＊一以上の分散素子（例えば格子、プリズム等）、
＊一以上の合焦素子（例えばカメラレンズ、ミラー等）、及び／又は
＊感光検出器（例えば単画素、直線、アレイ等）又はミラーアレイのような一以上の受光素子である。

本開示は、スペクトル解像度の有効性が増大した分光器を与える。これは、相対的に高いスループット効率を有する。

様々な側面では、本開示は、光又は他のビームを第１軸方向に再成形及び／又は再配向するべく構成された少なくとも一つのビーム再成形器と、光又は他のビームを（第１軸に対して実質的に直交する）第２軸方向に拡張するべく構成された少なくとも一つのビーム拡張器と、少なくとも一つの分散素子と、例えば光又は他の放射線の強度を測定、感知、反射、検出、分析又は受容するべく光又は他の放射線を受容する少なくとも一つの受光素子とのいずれか一以上を含む分光器を与える。いくつかの例では、受光素子は、光又は他の放射線の強度を測定する検出器である。

いくつかの側面では、本開示は、光又は他のビームを再成形又は再配向するべく構成されたビーム再成形器を与える。当該再成形又は再配向は、当該ビームの一以上の部分を、当初ビームの第１軸方向幅よりも大きな第１軸方向幅及び第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向幅であって当初ビームの第２軸方向幅よりも小さな第２軸方向幅を有する平行な複合ビームに再び方向づけることによって行われる。

同じ又は他の側面では、本開示は、屈折又は反射によって光又は他のビームを第２軸方向にアナモルフィックに拡張するべく構成されたビーム拡張器を与える。その結果、得られる光源像は同じ軸方向に収縮される。

同じ又は他の側面では、本開示は、上述されたビーム拡張器及び／又はビーム再成形器を含む分光器を与える。

様々な実施例では、本開示に係る分光器は、少なくとも一つの入力光又はビーム源と、少なくとも一つの入口又は入力アパチャと、少なくとも一つのコリメータと、少なくとも一つの合焦素子とのいずれか一以上を含む。

さらなる側面及び実施例では、本開示は、受容光ビームを再成形して、受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも大きな第１軸方向の第１寸法、及び、第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向について、受容光ビームの第２軸方向の寸法よりも小さな第２軸方向の第２寸法を有する再成形光ビームにするべく構成された少なくとも一つの光ビーム再成形素子と、再成形光ビームを第２軸方向に拡張して拡張光ビームにするべく構成された少なくとも一つのビーム拡張器と、拡張光ビームを第２軸方向に分散して分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、分散光ビームを受容するべく構成された少なくとも一つの受光素子とを含む分光器を与える。

いくつかの例では、受光素子は、分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む。

いくつかの例では、分光器は、受容光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つの光源を含む。

いくつかの例では、分光器は、入力光を受容するべく構成された少なくとも一つの入力アパチャを含む。入力光からは受容光ビームが生成される。

いくつかの例では、分光器は、平行にされた光ビームを入力光から生成するべく構成された少なくとも一つの平行化素子を含む。

いくつかの例では、少なくとも一つの平行化素子は、入力光を実質的に第１軸方向においてのみ平行にする少なくとも第１のコリメータ、及び入力光を実質的に第２軸方向においてのみ平行にする少なくとも第２のコリメータを含む。

いくつかの例では、分光器は、分散光ビームを受光素子の受光部分に合焦するべく構成された少なくとも一つの合焦素子を含む。

いくつかの例では、少なくとも一つの光ビーム再成形素子は、受容光ビームの一以上の部分を再配向して一以上の再配向ビーム部分を含む複合光ビームを生成するべく構成されたビーム再成形器を含む。複合光ビームは、受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも大きな第１軸方向の第１寸法を有し、かつ、当該複合光ビームは、受容光ビームの第２軸方向の寸法よりも小さな第２軸方向の第２寸法を有し、当該複合光ビームは再成形光ビームである。

いくつかの例では、複合光ビームは、一以上の非再配向ビーム部分を含む。

いくつかの例では、少なくとも一つの光ビーム再成形素子は、少なくとも一つのビーム拡張器を含む。

いくつかの例では、分光器は、一以上の光学素子を含む一の再成形、拡張及び分散素子として具体化される少なくとも一つの光ビーム再成形素子、少なくとも一つのビーム拡張器及び少なくとも一つの分散素子を含む。

いくつかの例では、ビーム拡張器の一以上の光学素子は、少なくとも一つの湾曲反射器を含む。

いくつかの例では、分光器は、受容光ビームを第１軸方向に拡張するべく構成された第２ビーム拡張器を含む。

いくつかの例では、分光器は、受容光ビームを第１軸方向に収縮するべく構成された収縮器素子を含む。

いくつかの例では、分光器は、光ビーム再成形素子、ビーム拡張器、分散素子及び受光素子のいずれか２つの間に光経路をはめ込むべく構成された少なくとも一つの反射型光学素子を含む。

いくつかの例では、再成形素子及びビーム拡張器の少なくとも一つは、再成形素子及びビーム拡張器の少なくとも一つの中に光経路をはめ込むべく構成された少なくとも一つの反射型光学素子を含む。

いくつかの例では、ビーム拡張器は、ビーム拡張器の発散コンポーネントと再平行化コンポーネントとの間に光経路をはめ込むべく構成された少なくとも一つの反射型光学素子を含む。

さらなる側面及び実施例では、本開示は、受容光ビームを第１軸方向に拡張してアナモルフィック拡張光ビームを得るべく構成された少なくとも一つのビーム拡張器と、拡張光ビームを再成形して、第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向の第１寸法であって当該拡張光ビームの第２軸方向の寸法よりも大きな第１寸法、及び、当該拡張光ビームの第１軸方向の寸法よりも小さな第１軸方向の第２寸法を有する再成形光ビームにする少なくとも一つの光ビーム再成形素子と、再成形光ビームを第１軸方向に分散して分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、分散光ビームを受容するべく構成された少なくとも一つの受光素子とを含む分光器を与える。

いくつかの例では、受光素子は、分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む。

さらなる側面及び実施例では、本開示は、受容光ビームの一以上の部分を再配向して、一以上の再配向ビーム部分を含む再成形光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つの光学素子を含むビーム再成形器を与える。再成形光ビームは、受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも小さな第１軸方向の第１寸法を有する。

いくつかの例では、再成形光ビームは、少なくとも一つの非再配向ビーム部分をさらに含む。

いくつかの例では、再成形光ビームは、第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向の第２寸法を有する。再成形光ビームの第２寸法は、受容光ビームの第２軸方向の寸法よりも大きい。

さらなる側面及び実施例では、本開示は、受容光ビームの一以上の部分を再配向して、一以上の再配向ビーム部分を含む再成形光ビームであって受容光ビームの第１軸寸法よりも小さな第１軸の第１寸法を有する再成形光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つのビーム再成形器と、再成形光ビームを第１軸方向に又は第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向に分散させて分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、分散光ビームを受光するべく構成された少なくとも一つの受光素子とを含む分光器を与える。

いくつかの例では、受光素子は、分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む。

いくつかの例では、再成形光ビームは、少なくとも一つの非再配向ビーム部分をさらに含む。

いくつかの例では、再成形光ビームは、受容光ビームの第２軸方向の寸法よりも大きな第２軸方向の第２寸法を有する。

本開示の様々な側面の様々な実施例を含む分光装置の概略的斜視図である。 本開示の様々な側面の様々な実施例を含む分光装置の概略的斜視図である。 本開示の様々な側面の様々な実施例を含む分光装置の概略的斜視図である。 本開示の様々な側面の様々な実施例を含む分光装置の概略的斜視図である。

図１は、本開示に係るアナモルフィック拡張分光器１０の一実施例の概略的斜視図を示す。図示の実施例では、分光器１０は、光又はビームの入口アパチャ１００、コリメータ１０２、ビーム再成形器２０２、ビーム拡張器２０４、分散素子１１８、合焦素子１２０、及び、検出器のような受光素子１２１を含む。

光（又は所望される他の電磁放射線）のビームは、入口アパチャ１００を通るように配向される。入口アパチャ１００は、図示される本例では円形アパチャの形態で示される。アパチャ１００は代替的に、一以上の矩形スリット、丸い若しくは他の形状の光ファイバ、又は、対象アプリケーションにとって適したタイプ及び形状の任意の装置として構成される。

光又は他のビームは、アパチャ１００から出ると発散して、例えば、円錐状の発散ビームになる。これは、例えば１０１として示されるようなものであってコリメータ１０２の中に受容される。コリメータ１０２は、例えば、一以上の適切な形状に湾曲された個別の若しくは複合的なレンズ若しくはミラー、小型レンズ、又は他の適切に構成された光学コンポーネントの形態で設けられる。

コリメータ１０２は、発散ビーム１０１を方向づけて当該発散ビーム１０１が平行ビーム１０３の形態で、集合的にビーム再成形器及び拡張器２００と称されるビーム再成形器２０２及びビーム拡張器２０４内に向けられるようにする。再成形器及び拡張器２００の機能は、アパチャ１００において受容されたビーム入力の実質的にすべて又はほとんどの部分を２つの互いに直交する方向に拡張することにある。その結果、その拡張断面積全体にわたり多少は均一に拡張される。

図示される実施例では、ビーム再成形器及び拡張器２００は、ビーム再成形器２０２及びビーム拡張器２０４を別個のコンポーネントとして含む。いくつかの例では、ビーム再成形器２０２及びビーム拡張器２０４の一以上のコンポーネントが、当該ビーム再成形器及び拡張器２００において組み合わされている。図示の例では、光は、ビーム拡張器２０４内に受容される前にビーム再成形器２０２内に受容される。しかしながら、他の例では、光は、ビーム再成形器２０２の前にビーム拡張器２０４内に受容される。

ビーム再成形器２０２は、平行ビーム１０３を有効に再配向、再構成及び／又は再配列するべく構成される。平行ビーム１０３は、図１に示される部分１０９、１１１、１１３のように複数の隣接する平行ビーム部分に分割されて再び方向づけされる。その結果、一軸（図示の例では垂直軸）方向に、交軸（例えば水平）方向よりも広い複合ビーム（すなわち個別の再配向平行ビーム部分からなるビームである。これを、集合的に単数複合ビームと称する。）が形成される。

図示される実施例では、ビーム再成形器２０２は、複数の平坦面ミラー１０４、１０５、１０６、１０７を含む。ミラー１０４、１０５は、例えば平坦な又は直線のエッジ１０４ａ、１０５ａに沿って互いに離間される。その結果、平行ビーム１０３の部分１１３は、ミラー１０４、１０５間を通る。（本例ではミラー１０６、１０７と組み合わせられる）ミラー１０４、１０５が傾斜されるので、平行ビーム１０３の残りの部分１０９、１１１は、図示されるような垂直方向において互いに整列するか又は互いに平行となる部分に再配向、再構成、再配列、又は再び方向づけされる。本開示全体において、用語「再成形」は、光ビームの部分を分割して光学的に操作することで当該光ビームを再配向、再構成、再配列、又は再び方向づけるプロセスを一般的に言及するべく使用される。

当業者にはわかることだが、ひとたび当業者が本開示に慣れてしまえば、ビーム再成形器２０２のミラー１０４、１０５、１０６、１０７及び／又は他の素子を、特定の分光器１０が置かれるアプリケーションにとって適切な又は望ましい数だけの平行ビーム１０３部分１０９、１１１、１１３として与えて再び方向づけるべく構成することができる。例えば、図１の例は平行ビーム１０３が３つのビーム部分１０９、１１１、１１３に分割されているが、当該平行ビームは、これよりも多い又は少ないビーム部分に分割することができる。いくつかの例では、ビーム部分１０９、１１１、１１３は一緒になって、なんらの重なりもなく平行ビーム１０３全体に対応する。他の例では、平行ビーム１０３の一以上の部分がビーム部分１０９、１１１、１１３から省かれ、及び／又は平行ビーム１０３の一以上の部分がビーム部分１０９、１１１、１１３間で重なる。

図示の例では、平行ビーム１０３は、３つの積層平行ビーム部分１０９、１１１、１１３に再成形される。その結果、ビーム部分１０９、１１１、１１３が発散素子１１４に到達すると、ビーム部分１０９、１１１、１１３は、第１軸方向（例えば垂直方向）に、交軸又は直交軸方向（例えば水平方向）よりも大きな寸法を有する単数複合ビームを有効に形成する。いくつかの例では、平行ビーム１０３のかかる再成形によって、光ビームがスリットを通り抜けることによって達成されるものと同様のビーム形状が得られるが、再成形ビームは、光ビームがスリットを通り抜けるのとは異なり、当初の平行ビーム１０３のビーム断面積を保持している。したがって、入力平行ビーム１０３の再成形によって、ビーム再成形器２０２は、実質的にすべての多くの場合、（さもなくば任意の従来型アパチャにより与えられる入力光ビームと同様となる）入力アパチャ１００を通って受容された光ビームの大部分を使用することを可能とする。これにより、分光器１０のスループット及び／又は効率が増大する。

図示される実施例では、平行ビーム１０３は、平坦面ミラー１０４、１０５、１０６、１０７によって受容又は反射される。平行ビーム１０３の左部分１０８はミラー１０４によって反射され、次にミラー１０６によって反射され、結果的にビーム部分１０９となる。同様に、平行ビーム１０３の右部分１１０はミラー１０５によって反射され、次にミラー１０７によって反射され、結果的にビーム部分１１１となる。当初の平行ビーム１０３の中央部分１１２は、ミラー１０４、１０５間の空間を通り抜けて結果的にビーム部分１１３となる。例示のミラー構成が記載されるが、他のミラーの幾何学的配列も、これよりも少ない又は多いミラー及び／又は異なる反射シーケンス及び／又は反射角度とともに使用される。

図示の例では、ビーム部分１０９、１１１、及び１１３はそれぞれが、当初の平行ビーム１０３と近似的に同じ垂直方向（又は第１軸）寸法であるが、水平方向の寸法、又は実質的に直交する第２方向には狭い（例えばビーム部分１０９、１１１、１１３のそれぞれは、図示される実施例では平行ビーム１０３の幅の近似的に１／３である）。ミラー１０４及び１０６は、ビーム部分１０９が、ビーム部分１１３に対して直下かつ実質的に平行となるように方向づけられるべく傾斜されかつ位置決めされる。同様に、ミラー１０５及び１０７は、ビーム部分１１１が、ビーム部分１１３に対して直上かつ実質的に平行となるように方向づけられるべく傾斜されかつ位置決めされる。さらに、ミラー１０４、１０５、１０６、１０７は、ビーム部分１０９、１１１、１１３すべてが互いに垂直方向に整列しかつ垂直方向に平行配向されるべく傾斜されかつ位置決めされる。

図示の例では、３つのビーム部分１０９、１１１、１１３はすべて、依然として入口アパチャ１００の像を保持している。その結果、コリメータ１０２のレンズと同じ焦点距離を有するレンズがこれらのビーム部分１０９、１１１、１１３のいずれかに配置される場合、アパチャ１００が受光した光と同じサイズ及びアスペクト比を有するが光強度は近似的に１／３となる光の合焦スポットが得られる。これと同じ理由により、入口アパチャ１００により受光された入力光の空間エンコーディングが、ビーム再成形器２０２によっては分散されず、３つのビーム部分１０９、１１１、１１３それぞれにおいて保持される。

平行ビーム１０３を有効に再成形して（例えば分割かつ再配向して）長く狭い複合ビーム（例えばビーム部分１０９、１１１、１１３によって形成される）としたビーム再成形器２０２はまた、当該複合ビームを発散素子１１４に向ける。したがって、ビーム再成形器２０２は、受容された平行ビーム１０３よりも一方向（例えば垂直方向）に大きくかつ直交方向（例えば水平方向）に小さい再成形ビームを与える。いくつかの例では、ビーム再成形器２０２は、受容された平行ビーム１０３よりも水平方向に狭い再成形ビームを達成するべく使用される。再成形ビームは、受容された平行ビーム１０３よりも垂直方向に追加的に長くなる。その結果、受光された光の総量が保持される。

発散素子１１４は、複合ビーム１０９、１１１、１１３を広げて、当該複合ビームが構築された軸又は方向に対して一般に直交する軸又は平面方向に発散するビーム１１５にする。図示の例では、発散素子１１４は、一以上の凹円筒面レンズを含む。これは、垂直方向に配向された複合ビームを、実質的に垂直方向には発散させずに水平方向に発散させる。すなわち、ビーム再成形器２０２によって拡大された平行ビーム１０３の寸法の方向に対して実質的に直交する方向に発散させる。例えば、発散ビーム１１５を、凸円筒面レンズのような第２の一次元コリメータ１１６内に方向づけることによって、発散ビーム１１５は再び平行にされて拡張ビーム１１７となる。発散素子１１４及び第２コリメータは、集合的に、ビーム拡張器２０４、又は水平方向若しくは一次元アナモルフィックビーム拡張器と称される。

ビーム拡張器２０４は、例えばビーム再成形器２０２によって行われる狭小化（すなわち水平方向に）と同じ方向に光ビームをアナモルフィックに拡張する。ビーム拡張器２０４は、光ビームの水平方向拡張を達成する一方で当該光ビームの垂直方向の寸法には影響を与えない。ビーム拡張器２０４は、例えば２以上の凸円筒面レンズ、２以上の円筒面ミラー、円筒湾曲前後表面を有する単数の屈折型光学素子、一以上のアナモルフィックプリズム、又は直交方向の一方ではあるが双方ではないビームの拡張を達成する任意の他の構成のような、任意の適切なコンポーネント又は複数のコンポーネントの組み合わせを使用して実現又は実装することができる。いくつかの例では、ビーム拡張器２０４は、一以上のドーナツ型素子を含む。これは、光ビームの、２つの直交方向の拡張（例えば２つの直交方向における不均一な拡張）、一方向における拡張かつ第２の直交方向における収縮、又は所定の他のアナモルフィック拡張を可能とする。

光学的不変性の法則（エタンデュの法則としても知られる）によって、発散ビーム１１５の水平方向拡張は、得られる像の水平方向収縮をもたらす。例えば、発散ビーム１１５が水平方向に２０倍拡張された後にコリメータ１０２と同じ焦点距離を有するレンズによって合焦される場合、得られる入力アパチャ１００の像は、発散ビーム１１５が水平方向に拡張されなかった場合よりも水平軸方向に２０倍狭くなる。入力アパチャ像の狭小化により、分光器１０は、所与の入力アパチャサイズに対して増大されたスペクトル解像度を達成することができる。さらに、広いビームは、分散素子１１８上の多くの溝又は線（例えば分光格子）を照明するので、達成可能なスペクトル解像度に対するフーリエ限界が広げられる。

再び平行にされたビーム１１７は、透過型格子のような分散素子１１８に配向される。その代わりに、例えば反射型格子、プリズム、又はグリズムのような、任意の他の適切な分光器分散素子を使用することもできる。分散素子１１８は、入射平行ビーム１１７を広げて、空間的に分散されたビーム束１１９とする。ここで、屈折及び／又は回折の法則により、各波長は異なる角度で伝播する。分散ビーム１１９は、カメラレンズ又は他の合焦装置１２０内に向けられて受光素子１２１に合焦される。

受光素子１２１は、分散光ビームを感知、検出、測定、分析、反射又は受容する任意の適切な装置を含む。いくつかの例では、受光素子１２１は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような一以上のアレイセンサ、光ダイオードアレイのようなラインセンサ、モノクロメータ、及び／又は、入力角度又は線形位置の関数として光強度を測定する任意の他の装置を含む任意の適切な装置を備える検出器を含む。いくつかの例では、受光素子１２１はミラーアレイを含む。これは、光の異なる波長成分を異なる方向及び／又は異なる強度で反射するべく使用される。その結果、例えば、カスタマイズされた又は調整されたスペクトル組成を有する反射光ビームがもたらされる。

本開示により構成された装置により得られる多くの利点の中には、平行ビームを例えばビーム拡張器２０４によって与えられる態様で分光器の分散軸に対して平行な一次元（例えば水平方向）にのみ拡張することによって、スペクトル解像度が増大される一方、特に他次元（例えば垂直方向）の光学コンポーネント及び物理的空間のサイズの任意の増大が最小限とされることが挙げられる。さらに、水平方向拡張倍率を、ビーム拡張器２０４に先立ってビーム経路に配置される再成形光学系（例えばここに記載される再成形器２０２を含む）の使用によって向上させることができる。再成形器２０２によって生成された複合ビーム（例えば再成形ビーム部分１０９、１１１、１１３によって形成される）は、第１方向、例えば水平方向に平行ビーム１０３よりも狭くなる。その結果、複合ビームは、受容された分散素子１１８（例えば格子）及び／又は合焦装置１２０（例えばＣＣＤカメラレンズ）のサイズを超えることなく、大きな倍率で水平方向に拡張される。これにより、さらに良好なスペクトル解像度の利点が得られる。

図２〜４は、本開示に係る分光器１０のもう一つの実施例を示す。図２〜４に示されるように、分光器１０ａは、図１の分光器１０に関連して上述されたものと同様の要素を含む。図２〜４において、同じ番号は同じ要素を示す。図示の例では、分光器１０ａの発散素子１１４及び第２コリメータ１１６が、例えば、レンズの代わりに円筒面ミラーの形態で実装されるが、図１の分光器１０に関連して述べられた発散素子１１４及びコリメータ１１６と同様に機能する。図２〜４の例では、分光器１０ａは、相対的に長い光経路を与える一方で小さな物理的空間内に当該光経路をはめ込むべく、平坦面折り畳みミラーのような反射器１２３を含む。いくつかの例では、分光器１０ａは、コリメータ１０２、ビーム再成形器２０２、ビーム拡張器２０４、分散素子１１８及び受光素子１２１の任意の２つ（又はこれ以上）の間に光経路をはめ込む一以上の反射型光学素子を含む。いくつかの例では、コリメータ１０２、ビーム再成形器２０２、ビーム拡張器２０４及び／又は分散素子１１８の小さな物理的空間内に光経路をはめ込むべく、一以上の反射型光学素子がコリメータ１０２、ビーム再成形器２０２、ビーム拡張器２０４及び／又は分散素子１１８に含まれる。図示の例では、反射器１２３は、第２コリメータ１１６と分散素子１１８との間の光経路に位置決めされる。これは、分光器１０ａの設置面積又は物理的空間が小さくなる点で有用である。

上述した様々な代替的サブシステム構成に加え、例えば、平坦面ミラー、水平方向拡張器、分光分散器、及び受光素子を用いることにより、とりわけ、様々な追加的利点を与える他の変形例を、様々なアプリケーションで使用することができる。

いくつかの例では、一以上の水平方向ビーム拡張器２０４が、一以上のビーム再成形器２０２の下流ではなく上流に（すなわち光が光学素子に遭遇する順において先に）位置決めされる。いくつかの場合、かかる配列は、ミラーのような再成形素子を大きくする必要があるが、いくつかの場合においては有用となる。例えば、平行ビーム１０３が極めて小さな直径を有する場合、所望のビーム再成形を達成するべく平坦面ミラー１０４〜１０７を取得すること、正確に位置決めすること及び／又は正確に整列させることが困難及び／又は高価となる。かかる場合、ビーム再成形の上流でビームを拡張することは、大きなビームが再成形されることをもたらすので、平坦面ミラー１０４〜１０７の取得、位置決め及び／又は整列が単純化される。

様々な実施例では、平坦面ミラー１０４〜１０７の代わりに、例えば特定の形状に湾曲されたミラー（又は他の適切に構成された合焦光学素子）を使用することによって、光ビームの水平方向における拡張及び垂直方向における再成形が同時に（例えば同じ光学素子を使用することで）達成される。このオプションは、分光器１０、１０ａの全体的なサイズを低減することに役立ち、かつ、効率を改善することにも役立つ。いくつかの状況では、かかる変形例により、光学的な複雑性及び／又はコンポーネントのコストが大きくなる。

いくつかの例では、様々なアプリケーションに有用となり得るようにビームの垂直方向サイズを変更するべく、一以上の垂直方向収縮器又は拡張器が分光器１０、１０ａに組み入れられる。例えば、受光素子１２１の感光領域が垂直方向に短い場合、光経路において受光素子１２１の上流に位置決めされた垂直方向ビーム拡張器がビームを垂直方向に拡張するので、合焦された像の大部分は、受光素子１２１の感光領域に到着し及び／又は検出される。垂直方向の収縮器又は拡張器は、例えば、ビーム再成形器２０２の上流又は下流、水平方向ビーム拡張器２０４の上流又は下流、及び／又は分散素子１１８の上流又は下流のような任意の適切な位置の光経路に適宜位置決めされる。

様々な例では、コリメータ１０２は、複数のコリメータを含む。例えば、コリメータ１０２は、アパチャ１００から異なる距離にある水平方向及び垂直方向別個のコリメータを含む。その結果、発散ビーム１０１を、水平方向及び／又は垂直方向に異なる寸法を有する平行ビーム１０３の形態で配向することができる。このオプションは、所望の一方の方向に広い平行ビーム１０３を、他方の方向にビームのサイズ（及び結果的に分光器１０、１０ａの物理的空間）までも増大させる必要なく与えることができる。このオプションはまた、水平方向に広い平行ビーム１０３をコリメータ１０２から与えることによって、分光器１０、１０ａにおける光学コンポーネントの総数を低減することにも役立ち、ひいては水平方向拡張器２０４の必要性をなくすことができる。

いくつかの例では、ビーム入口アパチャ１００は、例えば２つ以上の光ファイバ（例えばそれぞれが異なる光源からの光を伝導する）のような空間的に別個の複数光源、又は結像システムによってアパチャ１００上に投影される像の一部分を有する延伸されたスリット又は他のアパチャである。別個の複数光源は、光ビームがアパチャ１００によって受容される場合に光源からの光ビームが垂直方向（例えば、アパチャ１００がスリットである場合はスリット軸方向）に別個となりかつ整列されるように構成される。分散方向に対して直交する垂直方向における光ビームの空間分布は、再成形、拡張、及び分散段階にわたり維持される。その結果、検出器である受光素子１２１は別個の光ビームを区別することができるので、それぞれが入口アパチャ１００上の特定位置の光源又は位置範囲に対応する２つ以上の独立したスペクトルを同時に受容及び／又は測定することができる。

いくつかの例では、スライスされたビーム部分（図１におけるビーム部分１０９、１１１及び１１３のような）は、実質的に互いに平行とはならないので、受光素子１２１（又は複数の異なる受光素子）上の異なる位置に到着する。これは、例えば受光素子１２１が光検出器を含む場合において、当該検出器の画素飽和を回避するのに及び／又は中間のアパチャ（例えばカメラレンズの分散素子の受光アパチャ）を通るビーム部分を効率的にはめ込むのに有用である。

分光器１０、１０ａの要素のいずれか一以上は、ここに記載されたコンポーネントの一以上を使用して実装することができる。上述のものに加え、他の置換例又は変形例も様々な特定のアプリケーションに使用することができる。分光器１０、１０ａの要素の一以上は、一以上の同じ又は共有される一般的な光学素子として具体化される。例えば、ビーム再成形器２０２及びビーム拡張器２０４は、同じ又は共有される一般的な光学素子として具体化される。同様に、ビーム再成形器２０２、ビーム拡張器２０４及び分散素子１１８は、同じ又は共有される一般的な光学素子として具体化される。

いくつかの例では、分光器はアプリケーションに応じて、ビーム拡張器２０４がない再成形器２０２を含む。上述の記載と同様、再成形器２０２は、受容された光ビームを再成形する。その結果、再成形されたビームは、当初の受容された光ビームよりも第１軸方向（例えば水平方向）に狭くなる。かかる分光器は、分散素子１１８を含む。上述の記載と同様、分散素子１１８は、再成形光ビームを第１軸方向（例えば水平方向）に又は第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向（例えば垂直方向）に分散させる。かかる分光器はまた、上述の記載と同様の受光素子１２１を含む。アプリケーションに応じて上述の変形例（例えば収縮器及び反射器１２３を含めること）も実装することができる。

上述された本開示の実施例は、例示のみを意図している。本開示に対する代替例、修正例及び変形例は、本開示の意図される範囲から逸脱することなくなし得る。特に、上述された実施例の一以上から選択された特徴を組み合わせることで、明示的に記載されていない代替実施例を作ることができる。開示された範囲内にあるすべての値及び下位範囲も開示されている。ここに開示された主題は、技術上の適切な変更すべてをカバーしかつ包括することを意図する。上述のすべての参照は、そのすべてが参照としてここに組み入れられる。

Claims (26)

1. 分光器であって、
   受容光ビームを再成形して、前記受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも大きな第１軸方向の第１寸法、及び、前記第１軸に対して実質的に直交する第２軸について、前記受容光ビームの第２軸方向の寸法よりも小さな第２軸方向の第２寸法を有する再成形光ビームにするべく構成された少なくとも一つの光ビーム再成形素子と、
   前記再成形光ビームを前記第２軸方向に拡張して拡張光ビームにするべく構成された少なくとも一つのビーム拡張器と、
   前記拡張光ビームを前記第２軸方向に分散して分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、
   前記分散光ビームを受容するべく構成された少なくとも一つの受光素子と
   を含む分光器。
2. 前記受光素子は、前記分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む、請求項１に記載の分光器。
3. 前記受容光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つの光源をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
4. 入力光を受容するべく構成された少なくとも一つの入力アパチャをさらに含み、
   前記受容光ビームは前記入力光から生成される、請求項１に記載の分光器。
5. 入力光から平行光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つの平行化素子をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
6. 前記少なくとも一つの平行化素子は、入力光を実質的に第１軸方向においてのみ平行にする少なくとも第１コリメータ、及び入力光を実質的に第２軸方向においてのみ平行にする少なくとも第２コリメータを含む、請求項１に記載の分光器。
7. 前記分散光ビームを前記受光素子の受光部分上に合焦するべく構成された少なくとも一つの合焦素子をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
8. 前記少なくとも一つの光ビーム再成形素子は、前記受容光ビームの一以上の部分を再配向して、一以上の再配向ビーム部分を含む複合光ビームを生成するべく構成されたビーム再成形器を含み、
   前記複合光ビームは、前記受容光ビームの前記第１軸方向の寸法よりも大きな前記第１軸方向の第１寸法を有し、
   前記複合光ビームは、前記受容光ビームの前記第２軸方向の寸法よりも小さな前記第２軸方向の第２寸法を有し、
   前記複合光ビームは前記再成形光ビームである、請求項１に記載の分光器。
9. 前記複合光ビームは、一以上の非再配向ビーム部分をさらに含む、請求項７に記載の分光器。
10. 前記少なくとも一つの光ビーム再成形素子は、前記少なくとも一つのビーム拡張器を含む、請求項１に記載の分光器。
11. 前記少なくとも一つの光ビーム再成形素子、前記少なくとも一つのビーム拡張器、及び前記少なくとも一つの分散素子は、一以上の光学素子を含む一の再成形、拡張及び分散素子として具体化される、請求項１に記載の分光器。
12. 前記ビーム拡張器の一以上の光学素子は、少なくとも一つの湾曲面反射器を含む、請求項１に記載の分光器。
13. 受容光ビームを前記第１軸方向に拡張するべく構成された第２ビーム拡張器をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
14. 受容光ビームを前記第１軸方向に収縮するべく構成された収縮器素子をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
15. 前記光ビーム再成形素子、前記ビーム拡張器、前記分散素子及び前記受光素子のいずれか２つの間に光経路をはめ込むべく構成された少なくとも一つの反射型光学素子をさらに含む、請求項１に記載の分光器。
16. 前記再成形素子及び前記ビーム拡張器の少なくとも一つは、前記再成形素子及び前記ビーム拡張器の少なくとも一つの中に光経路をはめ込むべく構成された少なくとも一つの反射型光学素子を含む、請求項１に記載の分光器。
17. 前記ビーム拡張器は、前記ビーム拡張器の発散コンポーネントと再平行化コンポーネントとの間に光経路をはめ込むべく構成された前記少なくとも一つの反射型光学素子を含む、請求項１５に記載の分光器。
18. 分光器であって、
    受容光ビームを第１軸方向に拡張してアナモルフィック拡張光ビームを得るべく構成された少なくとも一つのビーム拡張器と、
    前記拡張光ビームを再成形して、前記第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向の第１寸法であって前記拡張光ビームの前記第２軸方向の寸法よりも大きな第１寸法、及び、前記拡張光ビームの前記第１軸方向の寸法よりも小さな前記第１軸方向の第２寸法を有する再成形光ビームにする少なくとも一つの光ビーム再成形素子と、
    前記再成形光ビームを前記第１軸方向に分散して分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、
    前記分散光ビームを受容するべく構成された少なくとも一つの受光素子と
    を含む分光器。
19. 前記受光素子は、前記分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む、請求項１８に記載の分光器。
20. ビーム再成形器であって、
    受容光ビームの一以上の部分を再配向して、一以上の再配向ビーム部分を含む再成形光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つの光学素子を含み、
    前記再成形光ビームは、前記受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも小さな第１軸の第１寸法を有するビーム再成形器。
21. 前記再成形光ビームは、少なくとも一つの非再配向ビーム部分をさらに含む、請求項２０に記載のビーム再成形器。
22. 前記再成形光ビームは、前記第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向の第２寸法を有し、
    前記再成形光ビームの前記第２寸法は、前記受容光ビームの前記第２軸方向の寸法よりも大きい、請求項２０に記載のビーム再成形器。
23. 分光器であって、
    受容光ビームの一以上の部分を再配向して、一以上の再配向ビーム部分を含む再成形光ビームであって、前記受容光ビームの第１軸方向の寸法よりも小さな第１軸方向の第１寸法を有する再成形光ビームを生成するべく構成された少なくとも一つのビーム再成形器と、
    前記再成形光ビームを前記第１軸方向に又は前記第１軸に対して実質的に直交する第２軸方向に分散させて分散光ビームを得るべく構成された少なくとも一つの分散素子と、
    前記分散光ビームを受容するべく構成された少なくとも一つの受光素子と
    を含む分光器。
24. 前記受光素子は、前記分散光ビームのスペクトル強度を測定するべく構成された少なくとも一つの光検出器を含む、請求項２３に記載の分光器。
25. 前記再成形光ビームは、少なくとも一つの非再配向ビーム部分をさらに含む、請求項２３に記載の分光器。
26. 前記再成形光ビームは、前記受容光ビームの前記第２軸方向の寸法よりも大きな前記第２軸方向の第２寸法を有する、請求項２３に記載の分光器。

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