JP3628017B2 - 結像方法および結像装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は結像方法および結像装置に関し、特に、調整可能な干渉計を用いて単色で連続した像を形成する方法およびその装置に関するものである。
発明の背景
狭い帯域の光周波数で像を記録できる結像システムは、通常それぞれ異なる特定周波数で発光または吸収する様々な構成を有する対象体を結像する際に有効である。上記単色結像システムを用いることにより、その対象体の特定の構成についての特殊な分光情報を記録できる。結像装置には、狭い帯域の周波数で像を記録することができるだけでなく、高感度、高スペクトル分解能、そして高演算データレートが必要な場合もある。そのような用途としては、大気調査や軍用用途、環境用途等が含まれるている。大気調査の用途に上記単色結像システムを用いると、特定の大気構成物質を判定するのに有効な特殊分光情報を検出することができる。軍用用途では、上記システムが化学薬剤、装置およびその部隊の識別および位置探知を支援する。また、環境用途では、有害物質を廃棄場所から搬送するのを監視したり、工場から放たれる汚染物質を監視したりするのに用いられる。
公知の単色結像システムおよびその方法には、従来のバンドパスフィルタや干渉フィルタを用いるものがある。それらバンドパスフィルタや干渉フィルタは高高効率であるので、弱い信号にも良好な感度を示すが、中程度の（中心波長の１〜２％の）スペクトル分解のみが可能であると共に、不連続な周波数の観測のみが可能となる。
また、このシステムには通常複数のバンドパスフィルタや干渉フィルタが使用されるので、それらフィルタを備えていないシステムに比べて物理的な寸法と機械的な複雑性が増す。
また、円形可変フィルタ分光計および直線可変フィルタ分光計等を単色結像用途に使用することも知られている。これらの分光計は連続して波長の調整が可能であるが、中程度のスペクトル分解能と単色の像しかもたらさない。したがって、高スペクトル分解が求められる場合には、分光計と連携したフィルタ輪のわずかな部分しか照らされない。なぜならば、フィルタ輪の他の部分がそれぞれ異なる他の周波数を通過させるためである。そして、フィルタ輪のわずかな部分のみが照らされと、効率および弱信号に対する感度の減少という結果をもたらす。
さらに、トロイダル光学要素を用いる公知の格子分光計で結像を達成することもできる。これらの格子分光計は、とりわけスペクトル高分解結像を達成すべく通常設計される。しかしながら、入射光が入射スリットを通過されなければならず、そのため１次元でしか像が生じないので、これら格子分光計は低効率しか提供しない。スペクトル分散は像面の他の次元に生じるので、記録の間に90゜ずつ分光計の方向を変えて一つの対象を２回記録することにより二次元の結像を達成することができるが、この方法は対象が急変するような場合には実行不可能で、不適切なものとなる。
公知の単色結像システムには、ファブリー・ペロ干渉計（FPI）を用いるものがある。一般的に、FPIの利点にはスペクトル高分解能と高効率とが含まれており、それはFPIに通常連携した大きな入力口径によるところが大きい。FPIの反射鏡の間隔がFPIの透過波長よりもかなり大きいことを意味する「高次」で通常FPIは操作される。高次で作動すると、FPIは、中心にスポット（光）が有る無しに係わらず、一連の同心円を形作るような不連続の像を像面に生成する。すなわち、同心リングと中心のスポットとに符号して結像される対象物の部分部分に伴う情報のみが不連続な像に現存しており、これらリング間の空間には結像された対象についての情報は含まれていない。したがって、結像された対象に関するすべての情報を得るためには、不連続な像から連続した像を組み立てる必要がある。この不連続な像から連続した像を組み立てるアルゴリズムは公知のものである。そして、この種のアルゴリズムを実行するのに通常コンピュータが用いられる。
発明の概要
一般的に、本発明の一様態においては、（ｉ）ほぼ平行に設けられてそれらの間隔が調節可能である面に単色で連続した像を生成する調整可能な干渉計と、（ii）像面に配置され像を記録する放射線検出器と、（iii）予め定められた範囲の波長のうち少なくとも一つをを検出器に送ることのできるフィルタ装置と、（iv）放射線を収束すると共に、干渉計に入射する放射線の角度を二つの反射鏡の平行な面とほぼ垂直になるように限定するレンズ装置とからなる分光計が特徴づけられる。
本発明に係わるこの様態の実施例には以下に示すような特色が含まれる。
すなわち、角度としては約0.1rad（ラジアン）以下、干渉計に関する総合フィネス値としては約50であるのが好ましい。また、この干渉計は赤外線領域の波長で操作されるのが好ましい。
この分光計は、二つの反射鏡の間隔を調節して干渉計を調整し、ほぼ一つの所定波長か狭い範囲の所定波長かを選択するチューナと、像表示に先立ち検出器により記録された像を処理するプロセッサモジュールとを備えている。該チューナは一つ以上の変換器を利用して反射鏡間の間隔を制御すると共に、各反射鏡の相対位置も通常制御することができる。そして、これら変換器は固体圧電変換素子であるのが好ましい。
また、放射線検出器は、単一要素で直線的に配列された光電変換器でも、単色で連続した二次元像を記録する二次元配列の光電変換器でもよい。
フィルタ装置としては、一つ以上の次数選択型（ordersorting）干渉フィルタか一つ以上のバンドパスフィルタ、もしくは、第二の干渉計としても活用される調整可能なバンドパスフィルタのいずれを用いてもよい。また、レンズ装置としては、テレセントリックレンズを用いることができる。
本発明の他の様態においては、（ｉ）ほぼ平行な面を有してその間の間隔が調節可能であるような二つの反射鏡からなる調整可能な干渉計を提供し、（ii）該干渉計によって像面に単色で連続した像を生成し、（iii）フィルタ装置によって、所定範囲の波長のうち少なくとも一つを像面に配置された放射線検出器に送り、（iv）レンズ装置によって干渉計から出力された放射線を収束し、（ｖ）該レンズ装置によって、干渉計に入射する放射線の角度が二つの反射鏡の平行な面とほぼ種直になるように限定し、（vi）放射線検出器によって像を記録することにより単色で連続した像を生成する方法が一般的に特徴づけられる。
また、本発明の他の様態は、単色で連続した二次元像を形成する分光計に関するものである。この分光計は、（ｉ）ほぼ平行な面を有すると共に、その間に設けられて連続的に調整可能であり、かつ所定波長の約５倍以下に設定される間隔を有するような二つの反射鏡からなる調整可能な干渉計と、（ii）干渉計から出力される放射線を収束すると共に、干渉計に入射する放射線の角度が二つの反射鏡の平行な面とほぼ垂直になるように限定する光学系と、（iii）実質的に所定波長のみを通過させるフィルタと、（iv）光学系から出力される放射線を受けて単色で連続した二次元像を記録する放射線検出器とからなる。
本発明に係わるこの様態の実施例には以下に示すような特色が含まれる。
すなわち、角度としては約0.1rad（ラジアン）以下、干渉計関連の総合フィネス値としては約50であるのが好ましい。
この分光計は、二つの反射鏡の間隔を調節して像のコントラストを高めると共に、干渉計を調整して、実質的に一つ選択された所定波長か狭い範囲の所定波長かを通過させるチューナを備えている。またこの分光計は、像のコントラストを高めるべく像を処理するプロセッサモジュールも備えている。
本発明に係わる分光計は、速やかに、かつた易く選択できる狭い範囲の波長（あるいは、一特定波長）で、結像される対象に関連するすべての情報を記録できる。したがって、この本分光計は、断面の一次元観察と共に二次元像を生成させることができる。
本発明に係わるその他の様態、特色および利点は、以下に示す説明および特許請求の範囲から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明に係わる分光計の機能ブロック図である。
図２はファブリー・ペロ干渉計等の調整可能な干渉計の動作を示す機能ブロック図である。
図３は本発明に係わる分光計システムの低次における一実施例を示す図である。
図4Aおよび図4Bは、一つのピンホールが図３の分光計システムで結像される場合の光強度と検出器位置とを示すグラフである。
図５は三つのピンホールが図３の分光計システムで結像される場合の光強度と検出器位置とを示すグラフである。
図６は本発明に係わる分光計システムの低次における他の実施例を示す図である。
図７は図６の分光計システムが４次の透過で操作される場合の光強度と波長とを示すグラフである。
図８は本発明に係わる他の分光計の機能ブロック図である。
詳細説明
本発明による分光計はファブリー・ペロ干渉計（FPI）等、連続した像を像面に生成させる透過機能を有する調整可能な干渉計を備えている。すなわち、この調整可能な干渉計は、間に空間を有するような同心リングを持たないような像を像面に生成させる。そして、この像面に生成された連続像には、結像された対象に関するすべての情報が含まれている。
一般的に、本発明に係わる分光計は、「低次」か「高次」のいずれかで操作される。低次においては、干渉計の反射鏡の間隔が、二つの分割された所定波長の５倍以下となるのが普通である。一方、高次での操作においては、この反射鏡の間隔はそれほど制限されない。
干渉計の（したがって分光計の）大きなスペクトル転換領域は、この干渉計が低次で操作される場合に実現される。最低次においては、反射鏡の間隔が所定波長の1.5倍と等しくなる場合に、最低次において最も大きなスペクトル転換領域が生じる。干渉計のスペクトル分解能は、低次で操作される場合最小限にとどめられ、最低次での操作で最少となるけれども、スペクトル分解能が所定波長の約２％になるように、比較的高い干渉計の総合フィネス値（例えば、50以上等）はた易く達成できる。このスペクトル分解能は、像の放射や放射線吸光度の遠隔感知や定量測定等、通常多くの用途に適したものである。
より良好なスペクトル分解能を求めて、分光計を高次で操作することができる。この低次および高次での操作はより詳細に後述することにする。
図１に関して説明すれば、一実施例における本発明の分光計10は、単色で連続した像を像面14に生成させる調整可能な干渉計12を備えている。
また、干渉計12は、ほぼ平行な面を設けてその間の間隔20が調節可能であるような二つの反射鏡16および18を備えている。この干渉計12は、例えば、ファブリー・ペロ干渉計である。そして、像面14に配置された放射線検出器22が像を記録する。フィルタ装置24は、所定範囲の波長のうち少なくとも一つを検出器22に送るのを許可する。また、レンズ装置26は放射線を収束すると共に、破線27で示すように、干渉計12に入射する放射線の角度が二つの反射鏡16および18の平行な面とほぼ垂直な光になるように限定する。一般的に、分光計の本実施例は、低次か高次のいずれかで操作することができる。
調整可能な干渉計12は、結像される対象から投入される放射線をスペクトルに分解し、反射鏡の間隔20が半整数倍、あるいは所定波長の次数（ｍ）の放射線の波長のみを透過する。作動次数は以下に簡単に説明するが、それは１以上の整数値で表される。そして、干渉計12によって送られる波長が所定波長となるまで、間隔20を調節することによってこの干渉計12は調整される。
理想的には、フィルタ装置24が、所定波長も含めた狭い範囲の波長を除いて、すべての放射線をカットするのが望ましい。このフィルタ装置24は、例えば、一つ以上の干渉フィルタか一つ以上のバンドパスフィルタ等、一つ以上の次数選択型干渉フィルタからなる。通常、どのような対象にも二つ以上の波長が含まれており、そのような波長のすべてを透過させる能力を干渉計12が通常保有しているので、フィルタ装置24は不要な波長を取り除くのに役立つ。所定波長が最低次で監視される場合、この所定波長領域よりも短い光の波長のみを同時に干渉計12は透過することができる。したがって、フィルタ装置24は長波長パスフィルタで構成することができる。ある状態では、このフィルタ装置24はバンドパスフィルタか、あるいは所定波長領域を分離するフィルタである。検出器22が所望の帯域の外側で透過される波長に敏感でないならば、一般的にフィルタ装置24は、高次での動作に向けてバンドパスフィルタを備えることができる。次に、レンズ装置26が結像の対象体からの光をファーフィールドに収束し、像を像面14に形成する。このレンズ装置26としては、テレセントリックレンズ部品等、干渉計12上に入来する放射線を垂直近くの光の範囲のみ許可するような光学装置を用いることができる。
また、検出器22としては、単一の検出器要素であるか、あるいは、単色の連続した一次元像を記録することのできる検出器要素の直線的な配列から構成することもできるが、単色で連続した二次元像を速やかに記録できるような検出器要素の二次元配列で構成されるのが好ましい。しかしながら、検出器22の構造に係わらず、好ましく利用される検出器要素は、フォトダイオード等、広い範囲の入射強度に対する線形的な応答性を紫外線からLWIRまでのスペクトル範囲に付与できるようなオプトエレクトリニクス装置である。
分光計10は赤外線範囲の波長で操作されるのが好ましいが、他の領域のスペクトルでも操作可能である。
また、分光計10は、チューナ28および／またはプロセッサモジュール30をさらに備えている。チューナ28を用いることにより、二つの反射鏡16および18間の間隔20を調節して干渉計12を調整し、所定の単一波長か狭い所定波長範囲を選択的に透過することができる。このチューナ28は、圧電変換器等、反射鏡16および18を移動するための一つ以上のアクチュエータを備えている。一般的に、反射鏡16および18は、それぞれ独立して三次元のいずれかの方向に移動される。そして、プロセッサモジュール30が検出器22によって記録されたデータを処理して像を作成し、その像はモニタ（図示せず）に表示される。このプロセッサモジュール30は、IBMやアップル社から市販されているパーソナルコンピュータ等のコンピュータを含んでいる。
次に、調整可能な干渉計に関する数学的な関係を以下に表し、本発明による分光計とその動作のさらなる説明を支援すると共に、その説明の基盤を提供する。図２に示すように、通常、ファブリー・ペロ干渉計等、調整可能な干渉計32による光31の透過は下記式によって左右される。
cosθ＝（ｍλ）／（2L）
ここでθは作用光の入射角、ｍは所望の放射線が透過される次数、λは透過光の波長、Ｌは干渉計の反射鏡34および36間の間隔をそれぞれ示している。ここで、単一波長37の光が十分に大きな範囲の角度θから干渉計32の反射鏡34および36に作用すべく許可されると、検出器（図示せず）が設けられた像面40に一連の同心リング38が生じる。そして、像面40から距離ｆ（焦点距離）だけ離れて配置されたレンズ42が、干渉計32を出る光31の焦点を像面40に合わせる。同心リング38の出現は、調整可能な干渉計32が従来通り高次（すなわち、ｍ＞＞１）で動作していることを示している。この干渉計32の動作は、ファーフィールドにおけるその対象の像を輪状に重畳する（convolute）。すなわち、干渉計32の透過最大量に一致するような、その対象についての情報のみが像面40で観測可能となり、さらに、その対象が干渉計32により透過された波長で光を吸収または放出しているかどうかが観測可能となる。
次数毎の転換範囲（すなわち、次数毎の波長のスパン）と干渉計32のスペクトル分解能とは、自由スペクトル領域（FSR）値および総合フィネス（FT）値で表される。このFSR値は
Δω_FSR＝1/（2L）
によって与えられ、スペクトル分解能は
Δω_1/2＝Δω_FSR/F_T＝1/（2LF_T）
によって与えられる。
ここで、ωは波数における光の周波数で。cmの単位で表される透過波長の逆数である。総合フィネスを判断する要素には、反射鏡34および36の反射率（F_R）、反射鏡34および36の表面平滑性（F_S）、反射鏡34および36の表面平行位置関係（F_P）、反射鏡34および36に対する垂直面に入射する光の角度範囲（F_A）が含まれる。すなわち、干渉計32の総合フィネスは、
1/F_T＝（（1/F_R ²）＋（1/F_P ²）＋（1/F_A ²）
＋（1/F_S ²））^1/2
によって与えられる。また、反射率は、
F_R＝（ΠＲ^1/2）／（１−Ｒ）
で定義される。ここで、Ｒは反射鏡34および36の反射率、Ｔは反射鏡34および36の透過率であり、R,TおよびＡ（反射鏡34および36の吸光度）の合計は均一である。また、平滑性は、
F_S＝（λ／（２（（２ΔＳ）^1/2））
によって与えられる。ここで、ΔＳは反射鏡34および36の平均表面粗度である。次に平行位置関係は下記式で与えられる。
F_P＝λ／（２ΔＰ）
ここで、λは透過波長であり、ΔＰは反射鏡34および36の平行位置関係からの偏差を示す。また、干渉計32に連携した有効射出口径を示すF_Aも下記式から求められる。
F_A＝λ／（Ｌ（Δθ）^２）＝（４λf²）／（Lw²）
ここで、Δθは単位ラジアン（rad）で表される干渉計32の視野（FOV）角であり、ｆは干渉計32の出口におかれたレンズ42の焦点距離、ｗは検出器（図２には図示せず）、あるいは像面40におかれた視野絞りの寸法をそれぞれ示している。
再び図１に戻って説明すると、作用光が調整可能な干渉計12の反射鏡16および18の表面に対してほぼ垂直をなすように、本発明による分光計10に対しては、図２に示された角度θがほぼ０（例えば、0.1rad以下）に維持される。それゆえ、下記式
cosθ＝（ｍλ）／（2L）
は
Ｌ＝（ｍλ）/2
となる。本発明によれば、干渉計12の反射鏡16および18の間隔20（Ｌ）に対する上記式の次数（ｍ）の値は整数に制限されており、検出器22において連続像がもたらされる。また、干渉計12の総合フィネスは約50であるのが好ましい。これらの結果を達成するために、干渉計のFOV（視野）が、反射鏡16および18の面に対して角度90゜付近の狭い範囲に制限され（例えば、Δθ≦15゜）、反射鏡反射率は0.95より大きくするのが好ましい（すなわち、Ｒ≧0.95）。また、反射鏡表面の仕上げはλ/100より平らにすべきで（すなわち、ΔＳ≦λ/100）、好ましくは、λ/200である。そして、反射鏡平行位置関係は、反射鏡の表面仕上げよりも精度よく、またはそれと同等にすべきである（例えば、ΔＰ＝λ/200）。透明基板上に広帯域の反射性コーティングを施して作られた反射鏡を用いることによって、本発明による比較的大きなFSRの分光計にも調和するような広帯域のスペクトルへの適用を達成することができる。
前述したように、低次での動作に向けては、干渉計12の反射鏡の間隔20が、通常、所定波長の５倍以下となる。これは、下記式
Ｌ＝（ｍλ）/2
のｍが１〜10までの整数となることを意味している。ここで、透過次数（ｍ）が単一（unity）であるならば、反射鏡の間隔20は下記式によって求められることがわかる。
Ｌ＝λ/2
本発明による分光計10が最低次で操作される場合（すなわち、ｍ＝１）、FSRは全オクターブ（ω→２ω）の周波数に及び、調整可能な干渉計12で可能な最大スペクトル転換範囲となる。また、最低次での動作では、総合フィネスによって分割されたFSRによって与えられるスペクトル分解能の程度は、使用された干渉計の反射鏡セットと光学列特性とに対する透過波長の最大減衰となる（時最大となる）。すなわち、FSRは最低次での動作で最大となるので、それに対応して、可能なスペクトル分解能は所与の総合フィネスに対して低下する。フィルタ装置24が次数選択型干渉フィルタ（バンドパスフィルタ等）によって実現される場合、自由スペクトル領域内を分離するのに必要な上記フィルタの総数は、分光計10が最低次で操作される時に最少となる。例えば、二つのバンドパスフィルタを用い、一方が３〜６μｍからの波長を通過させるべく設計され、他方が６〜12μｍからの波長を通過させるべく設計されている場合には、３〜12μｍのスペクトル範囲で対象物を分析することができる。
高次での動作では、一般的に分光計10のFSRは、最低次での動作に伴う全オクターブの周波数から次数（ｍ）ごとに順次減少されるが、スペクトル分解能は次数ｍをファクターとして順次向上される。このような高次での動作では、干渉計12に類似した第二の調整可能な干渉計等、調整可能なバンドパスフィルタによってフィルタ装置24を実現することができる。この構成では、第二の干渉計が低次で操作され、干渉計12のFSRが第二の干渉計のスペクトル分解能と調和するように、高次で操作される干渉計12への入力が供給される。このように第二の干渉計は、高次干渉計12による単一FSRを分離すべく作用すると共に、連続的に変更可能な波長バンドパスフィルタとして機能する。
動作次数（ｍ）に係わらず、分光計10の透過機能は像面14で同心リングを発生しないかわりに、対象物からの光強度のほぼすべてを内包するような連続像を生じる。このように分光計10は、結像される対象のすべての詳細内容が、反射鏡の間隔20と分光計10のスペクトル分解能によって限定された狭い範囲の波長に記録されるのを可能にする。対照的に、従来用いられてきた調整可能な干渉計によって生じる同心リング（および、存在するならば中心スポット（光））に符号する対象部分のみが、同様の狭い範囲の波長を通じて記録される。
前述したように、分光計10は赤外線領域のスペクトルで動作するのが好ましい。この領域が好ましいのは、例えば、反射鏡の間隔20の調節（および、一般的には、各反射鏡の分離した三次元での位置設定と）が圧電アクチュエータで達成可能となり、良好なフィネス、すなわち良好なスペクトル分解能を達成するのに必要な反射鏡の表面仕上げや平行位置関係の値が長めの波長においてよりた易く達成されると共に、可視光のコンパクトな指向性光源（ヘリウムネオンレーザおよびダイオードレーザ等）がた易く利用でき、そのような光源を用いることにより二つの反射鏡とプレートとの間に一定の間隔をおくのに不可欠な平行位置関係を設立することができるからである。
図３を参照して説明すれば、本発明による低次での一実施例において、分光計システム44は、セレン化亜鉛基板上等に絶縁塗装が施され反射性能の高い一対の反射鏡48を備えるファブリー・ペロ干渉計（FPI）46を有している。このFPI46の反射鏡48はクリアな5.1cmの開口を備えている。FPIの適当なものとしては、Burleigh Instruments社から市販されているモデルRC/40があげられる。そして、フッ化バリウムの単一レンズ50が黒体チョップド放射光源52から光を収束し、単一要素インジウムアンチモン検出器54上でそれを結像する。ここで、4.67μｍのロングパスフィルタ（ロウパスフィルタ）と5.05μｍのショートパスフィルタ（ハイパスフィルタ）からなる次数選択型フィルタ56が機能して、反射鏡の反射率が高い（例えば、99％以上の）波長に入射光線を制限する。検出器54は、像面に対して垂直に移動すべく、精密な三軸（XYZ軸）移動ステージ58上に搭載されている。この検出器54から送出される信号のうち弱い信号は、ロックインアンプ62で処理される前に、プリアンプ60によって増幅され、チャートレコーダ64等に記録される。
また、平行に移動可能な反射鏡66がこの装置に内蔵されることにより、ヘリウム・ネオンレーザから出力される0.6328μｍ程度の拡張平行ビーム68を導入可能とする。このビーム68を用いると、5.1cm口径の開口全体で赤色レーザ光68を均質に透過するまで反射鏡のマウント（図示せず）を調節することにより、反射鏡48の平行位置関係を確立することができる。この操作が干渉計46の各テストに先立って繰り返されて、反射鏡48の平行位置関係が確立される。0.6328μｍの光線に対する透過次数は、
ｍ＝m_max−１
に符号する最大透過が発生する入力角度を測定することにより決められる。この角度は、反射鏡48間の間隔と、反射鏡表面に対して垂直に放射されるレーザが最高次で透過されるよう位置の定められた反射鏡の透過オーダとにだけ関係するものである。さらに、他のヘリウム・ネオンレーザ73から送出される第二の非拡張ビーム72を反射鏡48上に導入し、入力角度を作ることもできる。
なお、この角度の測定は、0.6328μｍでの動作次数が下記式
cosθ＝（ｍλ）／（2L）
によって推定されるのを可能にしたものである。このように、赤外線（IR）における所望の波長についての識別能力が、IRでの対応する透過オーダを判定するのに役立つ。
約５μｍの波長を有する放射線に関して、対応する干渉計の透過次数は、前段で説明した方法に基づいてｍ＝４となる。そして、約500cm^-1の自由スペクトル領域（FSR）が図３のシステム44と結びつけて考えられる。先に示された式に基づいて、このFSRはｍ＝４、および10μｍの反射鏡間隔に相当するので、透過オーダを確定する上記の試みが証明される。そして、実験室の埃や反射鏡48の絶縁塗装の欠陥等、典型的なエラー源が排除されるならば、低次側の最大次数、すなわち反射鏡間の近めの間隔を達成するのも可能である。一般的に、（10.6μｍでλ/200等である）反射鏡の平滑性はそれら典型的なエラー源を抑制する傾向にあり、最低次での動作の発生を可能にする。
分光計システム44の結像能力は、FPI46の入力開口と黒体光源52との間に置かれたマスク（図示せず）を用いて評価することができる。図4Aおよび図4Bは、分光計システム44の光軸に対して垂直な両軸に沿って検出器54を平行移動する場合の光強度の測定結果を示している。ここでは、アルミニウム板にあけられた1.25mmのピンホール穴がマスク（図示せず）として用いられ、直接黒体光源52の前面に設置されている。そして、このマスクが干渉計46を介して検出器54上で結像される。直接測定した結果から、システム44の拡大率が0.83であることが示される。これらの状況の下、両軸に沿って決められ、その結果として生じた形の幅は約1.66mmであり、穴の像寸法および検出器の寸法（本例では1mm直径）に基づいて予測された値（1.44mm）よりも幾分大きくなる。この食い違いは、穴の像が若干焦点外にずれたことが原因であると考えられるが、それにも係わらず結像性能は明確に証明される。
図５に関して、０から−3.5と4.1mmの間隔をおいて線上に置かれた1mm径の三つの穴の像を横切って検出器54が移動する実験の結果を示す。直接測定した結果から、以前と同様に拡大率が0.83であることが示される。図５から測定されたように、三つの像の分離箇所は−2.8と3.3mmである。像と対象物との相対的な各間隔は0.81の拡大率を示し、本システムでの像と対象物の間隔距離を直接測定することによって判断された拡大率0.83によく一致している。前回の課題の場合と同様に、個々の像の幅は付与された検出器および穴の寸法から予測されたよりもいくぶん大きくなるが、これもおそらく穴の像が若干焦点外にずれたことによるものである。
次に、図６に関して説明すれば、本発明に係わる低次での他の実施例において、分光計システム74が本発明の単色の性質を成立すべく構成されている。ここで、0.3mのモノクロメータ76は1mmにつき150本の溝を有する格子を備え、透過された放射線をスペクトルに分解する。そして、フッ化バリウムレンズ78を用い、ファブリー・ペロ干渉計（FPI）82に入る前に、黒体光源80からの光を平行にすると共に、モノクロメータ76と同一ｆ値（f/number）を備えた第二のフッ化バリウムレンズ84を用い、干渉計を出る光の焦点をモノクロメータ76の入り口スリットに合わせる。この合焦レンズ84は直径が2.5cmであり、そのためFPI82の有効口径が2.5cmに制限されたものである。また、直径4mmの要素を備えるインジウムアンチモン検出器86を用いたので、モノクロメータ76の出口スリットで放射線を捕捉することができる。この比較的大きな領域を網羅する検出器86を用いると、検出器86上に出口スリットを結像するリレーレンズを入れる必要がなくなる。そして、3.55μｍで始まる透過を可能にするロングパスフィルタ（ローパスフィルタ）を用い、モノクロメータ76において第二のより高次な動作で回折された短波長を有する放射線を除去することができる。
以上、図３のシステム44および図６のシステム74の双方ともが、干渉計の反射鏡上に入来する垂直に近い光のみを許可することで、スペクトル分解能を下げないようにするのが好ましいことがわかる。
図６のFPI82のスペクトル分解能は、モノクロメータ76を用いてFPI82の反射鏡により透過された放射線を分散させることによって判断され得る。透過された放射線の典型的なスペクトルを図７に示す。このデータを得る前に、FPI82を介して均一に透過された0.6328μｍの放射線を観測して、FPI82中の反射鏡の平行位置関係を設定することができる。そして、反射鏡を同時に（例えば、圧電変換素子を用いて）移動して4.58μｍ（ｍ＝４）の波長を透過することができる。測定結果から判定されるスペクトル分解能は0.30μｍ FWHMである。これは中心波長の0.5％に相当すると共に、反射鏡の全有効口径2.5cmの特徴を示すフィネス値38に相当する。4.58μｍにおける反射鏡の反射率に基づいて起こり得るフィネス値は300を上回っている。また、測定された低めのフィネスは、使用される反射鏡が比較的粗い表面仕上げであることと一致する。本課題に使用される反射鏡は5.0μｍでλ/100の平面であり、反射鏡が5.1cmの全口径であることからフィネスが35の平滑性に相当する。この課題によって示されるフィネスのうちでいくぶん良好なものは、合焦レンズ84により決定されたより小さな有効口径によりなされる。一般的に、高分解能は反射鏡間の間隔を広げて自由スペクトル領域（FSR）を縮小することによって達成される。極端に高い分解能を達成するために、本発明による分光計のフィルタ装置（例えば、図１の分光計10のフィルタ装置24）を、次数選択に用いられる非常に狭いバンドパスフィルタとすることができる。高分解能で広い帯域の波長を調べることが望まれる場合には、通常多くの分離したバンドパスフィルタが必要とされる。
より簡単な解決を実現すべく、本出願人は、所定の波長に調整可能であり、連続的に変化するバンドパスフィルタを利用するつもりである。所定波長に符号するような間隔を置いた反射鏡で操作されるファブリー・ペロ干渉計はまさにそのようなフィルタであり、複数個揃えた従来のバンドパスフィルタの代わりに利用し、連続して調整可能であり、かつ高分解能な本発明の分光計をもたらすことができる。それゆえ、例えば、図１の分光計10が二つの調整可能な干渉計を備えるべく、図１のフィルタ装置24が、前述したように、また図８に関して以下に説明するように、FPI等、第二の調整可能な干渉計であってもよい。
図８の実施例においては、本発明による高分解能で高次の分光計88が、高次で操作される第一の調整可能な干渉計90と、低次で操作される第二の調整可能な干渉計92とを備えている。この高次干渉計90の反射鏡間隔94は、低次干渉計92のスペクトル分解能に匹敵するか、あるいはそれよりもいくぶん大きいFSRを確保すべく設定されるのが好ましい。分光計88のスペクトル分解能は、総合フィネス（Ｆ）と、二つの調整可能な干渉計90および92の各々のFSRとによって判断される。具体的に言うと、分光計88のスペクトル分解能は下記式によって定められる。
Δω＝FSR₁/F₁＝FSR₂/（F₁×F₂）
ここで、下付き数字１および２は、それぞれ高次干渉計90を１とし、低次干渉計92を２としている。低次干渉計92は、例えば一般的には高次干渉計90の一帯のFSRを分離すべく機能すると共に、連続して変化する波長バンドパスフィルタとして有効に働く。
一実施例において、スペクトル分解能は、中心周波数の0.04％であるか、あるいは200cm^-1の動作周波数において1cm^-1未満である。この分解能は、比較的大きなものだけでなく、赤外線中の小さな分子に起因するようなスペクトル特性を分析するのにも十分対応する。そのような高分解能は、例えば、広範で複雑な環境汚染物質や化学戦薬剤等の識別に不可欠である。
分光計88は、各干渉計90および92用のチューナ96および98と、検出器102に連携するプロセッサモジュール100とを通常備えていることが特筆される。これらチューナ96および98と、プロセッサモジュール100とは、図１に示し説明したチューナ28とプロセッサモジュール30とに類似している。一般的に、図８に示されたすべての要素は、図１に示し説明した同様の要素に類似したものである。
通常、スペクトル分解能の限界や、低次実施例か高分解能の高次実施例のいずれかで達成可能なその他の性能特性は、干渉計上に入射する光線の最大角度θ_maxによって判断される。θ_maxの値は、収束光学系（図１の収束レンズ26等）の構成により、本発明の分光計において判断され、所望の視野（FOV）によって順次確定される。このθ_maxの値は、下記式に基づきそれに伴う周波数偏移に関係するものである。
Δω＝（ω（１−cosθ_max））/cosθ_max
ここで、ωは所定の周波数（cm^-1）、Δωは最大許容周波数偏移である。Δωの最大値は、次数ｍが増加するにつれて段階的に小さくなり、FSRの減少と、それに対応して、高次動作に伴うスペクトル分解能の減少とに直接帰着する。Δωをスペクトル分解能の固定した割合（％）として定義すると、スペクトルの高分解能が段階的に小さくなるθ_maxの値を必要とすることが示される。
図１の装置に対して、これら小さなθ_maxの値がレンズの大きな焦点距離ｆの値に書き換えられ、それに対応してより小さな効率で得られる光学システムへと移行していくのが一般的である。例えば、図１に示したのと同様のシステム、すなわち（反射鏡の平行位置関係、反射鏡の反射率および反射鏡の平滑性により判断された）50のフィネス値を有するようなシステムを達成することができる。Δωがスペクトルの対応する分解能の10％であると想定されるなら、前もって定められたFSRの式から
θ_max（ｍ＝１）＝3.6゜
θ_max（ｍ＝10＝1.1゜ および
θ_max（ｍ＝50）＝0.5゜
がもたらされる。ここで、１×1cmの検出器配列について言えば、これがレンズの焦点距離（ｆ）3.9cm、12.4cmおよび27.9cmにそれぞれ書き換えられる。所与の構成については、FSRによって判断されるスペクトル分解能がΔωに匹敵するように、十分高次な動作の間に減少の折り返し点が取られる。大きいFOV（視野）と高次分解能の組み合わせを必要とする場合には、テレセントリック光学要素（例えば、レンズ42の代わりにテレセントリックレンズ等）を用いて、最終的に結像する前に収束光を平行にすることを考慮するようなシステム等、図２に示したものよりもっと高性能な光学システムを利用する必要がある。
本発明による分光計は多くの用途に使用できる。例えば、赤外線の受動発光や吸収を用いて化学薬品の濃度を空間的に測定したり、宇宙船、航空機、あるいは陸上に基地を置く軍用または非軍用の装置および兵隊からのスペクトル発光を検出して識別または目標を定めたり、軍用として既存の前方観察赤外線（FLIR）探知システムに使用してこれらのシステムのスペクトル分解能を向上したりといった用途に使用される。
以上、低次と高次双方の実施例を説明し、操作上の詳細を規定し、実例を与えると共に、いくつか適応可能な用途を示したが、次にさらなる詳細を付与する。
反射鏡の平行位置関係の確定
本発明による分光計の良好な動作を達成するために、干渉計の反射鏡は互いに平行をなす必要がある。この反射鏡が相互に傾くならば、透過周波数は、通常、反射鏡の開口方向に沿って変化する。周波数の連続体によって特徴づけられる対象物に対しては、その結果が、通常、像は空間的に異なる周波数領域によって特徴づけられるものとなる。万が一反射鏡の傾きが重大な影響を及ぼすほど険しくなるならば、分離した周波数を内包する対象に対して、所定物体が均一な強度とはならずに不連続となるだろう。
反射鏡の平行位置関係の確定は、放射線の平行ビームで反射鏡を通常通り均一に照明することにより達成することができる。拡張平行ヘリウム・ネオンレーザの使用については、図３に関して前述した通りである。干渉計の全口径に渡るこの「プローブ放射線」の均一な透過は、反射鏡の均等な間隔をプローブ光線の小さな波長比率内で保証するものである。分光計におけるこの手法を実行するには、プローブ放射線を反射する一方で赤外線を透過すべく定常的に固定されたビーム分割器の使用を必要とする。また、反射鏡の周囲に等距離で固定された三つ以上のフォトダイオードもセンサとして用いることができる。これらセンサの均一な照明は、干渉計反射鏡の全有効口径にまたがる平行位置関係を保証する。反射鏡の平行位置関係は、圧電変換素子等を用いて相対的な反射鏡の傾斜を調節し、干渉計を調整するフィードバックループで自動化することができる。そして、センサからの信号の偏差平均が最少になると、最高の平行位置関係が達成される。信号を維持して最少限度に抑える（それによって、反射鏡の共振を止めて調整する）という問題に対する効果のない解決を回避するために、すべてのセンサからの信号の総計を同時に最大にまで増すことができる。このようにして、プローブ波長において高平滑性および高反射率を有する反射鏡の平行位置関係が最もよい状態で確定される。上記のような反射鏡を有する干渉計は、平行位置関係を除く残りすべてのパラメータによって判断されるフィネスが高くなるので、反射鏡の傾斜に対しては通常もっと敏感となる。
最高の平行位置関係を確定すると共にフィネスを制限するこの手法は、プローブ波長の半整数倍である反射鏡の間隔にだけ有効である。したがって、平行位置関係は、プローブレーザ波長の半整数倍である赤外線（IR）放射に対してのみ直接確定される。他のIR波長に関しては、所定波長に最も近い波長の半整数倍でフィネスを確立することができる。そして反射鏡は、適当な分離間隔になるよう同時に移動される。0.6328μｍで動作するヘリウム・ネオンレーザを用いて平行位置関係を確定するならば、波長に対する最大方向移動範囲はλ/4、あるいは0.158μｍである。圧電変換素子の異なる応答性を得るために適切な修正要素が導入されるならば、そのような小さな方向移動範囲で平行位置関係を維持することができる。
反射鏡分離箇所の確定
一般的に、干渉計の反射鏡の分離は、正確に設定可能でなければならない。正確な間隔を達成するために種々の方法を用いることができる。例えば、格子モノクロメータ等、基準化された高分解能の装置を用いて、干渉計によって透過される光のサンプルを抽出することができる。この試みは、図６の分光計システムのスペクトル分解能の測定に関して前述した通りである。図６のものに類似した分光計は高温連続体エミッタと共に用いられ、連続して調整可能な単色の基準源を作り出す。連続性が重要であるようなシステムに対して、分離した周波数の基準源を分光計に組み込むことができる。これら分離した周波数の基準は、例えば、公知の吸収周波数や、分離したイオン化原子で満たされた放電ランプでガス相分子を密封したセルである。また、利用される分子がた易く励起されるものならば、分子放射も用いることができる。また、太陽熱および地熱による熱放射と大気吸収との特色も、簡便な輝度温度、吸収度および波長基準として用いることができる。そして、基準源中に見いだされたもののうちから、周波数を中ほどのものに調整することが、補間法で達成され得る。補間法は、公知の圧電変換素子が「印加電圧に対して変位が線形性を有する」という優れた特徴によって促進される。
一つ、あるいは小数の分子に特有の波長での結像が求められる場合には、特別吸引性による調整がそれ自身により可能となる。すなわち、所定の分子が内部標準として用いられる。これは浅く閉じられたセルに密封され、温環境に抗する吸収材と見なされるので、ガス相分子に対して特に吸引力がある。また、必要に応じて、動作の次数を決めることにより、針路反射鏡の位置設定が確定される。低次の動作に対しては、証明実験でm_maxを確定するのに使用されるのと同様の方法でこれをなすことができる。
最も低い方の２、３の次数で動作する場合、反射鏡の間隔は、短波長放射線の平行ビームが反射鏡に入射する角度によって確定することができる。これは、所定波長よりも大きいプローブ波長の最小半整数倍（m_max）に対応する間隔に反射鏡の位置をまず決めることによってなされる。この倍数は、m_max−１の次数が透過されると共に、プローブ放射線が反射鏡に対して垂直に入射する入射角度によって唯一決められる。そして、このプローブ放射線の入射角度が所定の間隔に対応する値になるよう減らされる。すなわち、この角度は下記式によって唯一決められる。
cosθ＝（ｍλ）／（2L）
ここで、透過次数はm_max−１である。そして、反射鏡を通り抜けてビームが最大の強度で透過されるまで反射鏡の間隔が減少される。
通常、低次では入射角度が反射鏡の間隔に影響されやすい。例えば、最低次での操作が求められ、所望の波長が5.06μｍの場合に、所望の反射鏡の間隔は2.53μｍである。上記式は28.9゜の0.6328μｍ放射線に対応する入射角を決定する。この波長は分離幅の半整数倍であるから、m_max＝８に対応する0.6328μｍの放射線が垂直入射に向けて透過される。
4.70μｍおよび4.56μｍの放射線の最低次での透過に対して、対応する入射角度はそれぞれ19.5゜および13.7゜である。0.6328μｍにおける一透過次数に対してのみ波及する入射角度の広い範囲が、対応する反射鏡の間隔の正確な確定を可能にする。赤外線における高次での動作は、通常、入射角度の範囲を小さくし、反射鏡の分離確定の精度を低めることになる。
以上実施例を用いて本発明を説明したが、特許請求の範囲で限定する本発明の範囲を逸脱することなく、その他の変更や実行化をなし得ることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明は前出の説明によって定義されるのではなく、以下に示す特許請求の範囲によって定義されるものである。

Claims (17)

1. 二次元単色で空間的に連続した対象の像を所望の波長で生成する像生成方法において、
   ほぼ平行な面に設けられ所望の波長に対して調節可能な低次（ｍ＝１〜10）での間隔を有する二つの反射鏡を含む調整可能な干渉計を設ける工程と、
   該干渉計によって像面に単色で空間的に連続した像を生成する工程と、
   フィルタ装置によって、所望の波長を含む予め定められた波長領域のうち少なくとも一つを像面に配置された放射線検出器に送る工程と、
   レンズ装置によって干渉計から出力された放射線を収束する工程と、
   レンズ装置によって、干渉計に入射する放射線の角度が二つの反射鏡のほぼ平行な面の表面基準に対して少なくとも1.1度の視野角になるよう限定する工程と、
   放射線検出器によって、像面での放射によって形成された二次元単色で空間的に連続した像を記録する工程とを有することを特徴とする像生成方法。
2. ほぼ平行な面に設けられ所望の波長に対して調節可能な低次（ｍ＝１〜10）での間隔とを有する二つの反射鏡を備え、二次元単色、かつ空間的に連続した対象の像を所望の波長で像面に生成する調整可能な干渉計と、
   像面に設置されて二次元像を記録する放射線検出器と、
   所望の波長を含む予め定められた波長領域のうち少なくとも一つを前記検出器に送ることのできるフィルタ装置と、
   前記干渉計と前記検出器の間で放射線を収束すると共に、該放射線が単色で空間的に連続した像を像面に形成するように、干渉計に入射する放射線の角度が二つの反射鏡のほぼ平行な面の表面基準に対して少なくとも約1. 1度の視野になるよう限定するレンズ装置とからなることを特徴とする分光計。
3. 二つの反射鏡間の間隔を調節するチューナをさらに設けることにより、予め定められた波長領域から所望の波長を実際に選択すべく干渉計を調整することを特徴とする請求項２記載の分光計。
4. 前記検出器によって記録された像をその表示に先立って処理するプロセッサモジュールをさらに設けることを特徴とする請求項３記載の分光計。
5. 前記放射線検出器が光電変換器であることを特徴とする請求項２記載の分光計。
6. 前記放射線検出器が三軸移動ステージに搭載された単一要素からなることを特徴とする請求項２記載の分光計。
7. 前記放射線検出器が一列の検出器からなることを特徴とする請求項２記載の分光計。
8. 前記放射線検出器が二次元に配列された検出器からなり、単色で連続した二次元像を記録することを特徴とする請求項２記載の分光計。
9. 前記チューナが少なくとも一つの圧電変換素子からなることを特徴とする請求項３記載の分光計。
10. 前記フィルタ装置が少なくとも一つの次数選択型干渉フィルタからなることを特徴とする請求項２記載の分光計。
11. 前記フィルタ装置が少なくとも一つのバンドパスフィルタからなることを特徴とする請求項２記載の分光計。
12. 前記フィルタ装置が調整可能なバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項11記載の分光計。
13. 前記調整可能なバンドパスフィルタが第二の調整可能な干渉計であることを特徴とする請求項12記載の分光計。
14. 前記レンズ装置がテレセントリックレンズの集合体であることを特徴とする請求項２記載の分光計。
15. 前記干渉計が赤外線領域の波長で動作することを特徴とする請求項２記載の分光計。
16. 前記レンズ装置が少なくとも1.1度の視野から干渉計に入射する放射線を収束することを特徴とする請求項２記載の分光計。
17. 前記干渉計に関連する総合フィネス値が約50であることを特徴とする請求項16記載の分光計。

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