JP5639066B2 - 改良された像質と小歪曲を有するダイソン型イメージング分光計 - Google Patents

Description

本発明は分光分析及びハイパースペクトルイメージングの分野に応用するための改良された像質を有するダイソン型イメージング分光計に関する。

本明細書において、「イメージング分光計」という表現は、入射スリットの高さ方向に空間分解され、またそのスリットの各像点においてスペクトル分解された入射スリット像を形成できる分光計を指す。イメージング分光計は詳細にはハイパースペクトルイメージング用分光計と光ファイバ分光計を含む。

本発明はより詳細には、像面全体にわたり高いスペクトル及び空間分解能の像を得るために像面全体にわたる高い像質と、非常に小さい空間及びスペクトル歪曲とを有する像を形成する改良されたイメージング分光計に関する。

多数の分光計光学系が存在する。イメージング分光計は通常は入射スリット、分散素子（これは一般的に回折格子又はプリズムである）、及びセンサデバイス（移動出射スリット及びセンサ又は１次元又は２次元センサマトリックス）上に入射スリットの像を形成する種々の光学素子（レンズ又はミラー）を備える。

分光分析のいくつかの応用分野は特定の結像特性を有する分光計を必要とする。イメージング分光計はスペクトル次元（すなわち、分光計の従来のスペクトル分解能）だけでなく空間次元においても非常に良好な像質をももたなければならない、すなわち入射スリット方向の良好な空間分解能をももたなければならない。

イメージング分光計は以下の特性をももたなければならない。すなわち、
− 大画面、すなわち大きいスリット高さに対して維持される像質
− 最大の光を補足するための大開口数
− 小歪曲（イメージング分光計に対して歪曲はスペクトル及び／又は空間歪曲であってもよい）。

そのような分光計を必要とする第１の分野はハイパースペクトルイメージングであり、そこでは、関心事はもはや入射スリット全体を通って入射する光により作り出されるスペクトルだけでなく、入射スリットに沿った空間的に個別の各点のスペクトルでもある。ハイパースペクトルイメージングは最近、ほぼ数マイクロメータ程度のサイズを有するセンサ素子（画素）による非常に高い感度と非常に高い分解能の両方を提供する新しい高性能マトリックスセンサにより展開されてきた。光学装置（一般的には望遠鏡）が分光計の入射スリット上に分析個所の像を形成し、次いで入射スリットに沿ったその個所の各空間的細部が分光分析される。従って、分光計により作り出される像質は二つの近接波長を区別するシステムの能力を決定するスペクトル分散方向と、二つの非常に近接した点（従ってこれはスリット方向の像の細部に対応する）を区別可能にする空間方向の両方において根源的重要性を有する。

一つの応用例において、ハイパースペクトルイメージング用分光計は入射スリットに垂直な方向に地球の上空を移動する航空機又は衛星に搭載される。分析個所は、その個所に対する分光計全体の移動により、あるいは入射スリットを固定したまま分光計の前にある結像系により走査される。分光計又は走査系の各位置には、入射スリットの像縦列が対応する。像縦列集合から、システムは（分析用に選択されたスペクトルの離散性に従って）何百もの異なる波長においてその個所全体の像を再構成することができる。

応用の第２の分野は、光ファイバ分光計に関し、そこでは、入射スリットは多数の整列した光ファイバに置き換えられ、これは多数の小さな準点光源の並置からなる入射スリットを形成する。ファイバ分光計は非常に多数のサンプル（ファイバ当たり一つのサンプル）の分光分析を行うこと、また単一のマトリックスセンサを用いて同時にそうする（並行分析）ことを可能にする。画素列又は画素列群はマトリックスセンサ上の入射光ファイバの像に対応するスペクトルを分析する。従って各ファイバに対して独立なスペクトル分析をもたらすことが肝要である。ファイバ分光計はまたスペクトル次元と空間次元の両方において非常に良好な像質と小歪曲をもたねばならない。

これらの必要な特性のいくつかを有するあるタイプのイメージング分光計が関係技術において知られている。すなわち、特許文献１に述べられる反射又は屈折式同心分光計である。全反射式分光計はオフナー（１９７３年）により発明された結像システムに基づき、従ってその分光計は一般的にオフナー分光計と呼ばれる。オフナー分光計は一つの凸面回折格子と、この回折格子と同心の一つ又は二つの凹面鏡（入射と出射）とを備える。オフナーイメージング分光計は概ね、良好なスペクトル分解能、良好な明るさ、及び小歪曲を有する。しかしながら、オフナーイメージング分光計システムの装着は厄介であり、これはそのような分光計を衛星に搭載するための付加的コストを意味する。

屈折光学素子を備えるイメージング分光計はダイソン（１９５９年）により発明されたシステムに基づき、従って、関連する分光計は一般的にダイソン分光計と呼ばれる。Applied Opticsにおいて１９７７年にMertzにより提案されたダイソン分光計は同心系として凹面回折格子に関連付けられた半球レンズを備える。このタイプのシステムはより大きい開口数を有することで知られており、それは入射スリットとその像平面がレンズを構成するガラスの中にあるか、非常に近接しているということを生かしているからである。ダイソン型分光計は小型であるという利点を有する。しかしながら、ダイソン型分光計はいくつかの欠点を有する。入口と出口は一般的にレンズの入射面又はその直近に置かれ、これはいくつかのセンサの全体サイズに適合しない可能性がある。詳細には、冷却イメージセンサは一般的に窓の背面からある距離にある冷却された容器内に置かれたセンサマトリックスを備え、従って、検知面は在来のダイソン分光計の像平面に置くことができない。

特許文献２（Instruments SA社）は、出射口に入射口のスペクトルを形成するために使用され、平凸レンズと、球面支持体上に平行線を有する凹面回折格子とを備えるダイソン型分光計を述べている。上記の文献によれば、分光計は迷光を減らすために、入口と出口はレンズ面上に置いたまま回折格子の子午面外に入射口と出射口を置くことにより改良される。特許文献２はまた出射面内で遠く離れた二つの別個のセンサ上に二つのスペクトルを形成する二つの遠く離れた入射口の使用を述べている。しかしながら、上記の文献はそのような分光計をイメージングに使用することを述べていない。さらに、この分光計の使用は冷却イメージセンサに適合しない。

他のタイプの分光計は回折格子のみを使用し、他の反射又は屈折式コリメーション及び／又は集束光学系をもたない。それらの分光計において、回折格子はスペクトル分散機能と、入射光束の集光及び／又は出射光束の集束の機能とを有する。それらの分光計はイメージングに使用されてもよいが、画面内の像質はずっと悪く、それらの歪曲は大きい。そのような分光計において、平行かつ等間隔でない線を有し、あるいは非球面支持体を有する回折格子はいくつかの収差を補正することを可能にする。Jobin Yvon社は屈折光学部品のない非イメージング分光計に対して最適化された特殊なホログラフィック回折格子を開発した。そうして、特許文献３は一つの波長において球面収差が補正されたスペクトル、又は非点収差が補正されたスペクトルを形成する「補正」回折格子を備える分光装置を述べている。しかしながら、スペクトルの無収差の個所は回折格子の軸に垂直な平面ではない。それらの条件の下では、収差補正された回折格子を用いても、平面マトリックスセンサにわたり得られた像質はあまり良好ではない。

特許文献４は１次と２次のコマ収差と、非点収差とが補正された回折格子を有する平面画面の分光計を述べている。しかしながら、特許文献４に述べられる分光計は球面収差や像面収差は補正されない。さらに、出射面は平面であるが、回折格子軸に対して傾斜した平面内にあり、これはセンサの位置決めをより複雑にする。

特許文献３と特許文献４に述べられる回折格子は確かにスペクトル次元の収差に対して補正されるが、そのような回折格子が同時にイメージング空間方向の像面収差を補正できることを示唆するものは何もない。

Jobin Yvon社の特許文献５は分光計の像質を向上するために不等間隔かつ非平行に蝕刻された線を有する二つの凹面鏡を有する分光計に使用されることを目的とする平面ホログラフィック回折格子を述べている。それにもかかわらず、それは非常に大きい二つの凹面鏡を有する分光計である。

屈折光学系を有する同心分光計に、いわゆる「補正」回折格子を使用することは標準的技法ではない。より良好な像質は一般的に、色収差がないためにミラー光学系を備える分光計について期待される。回折格子の最適化は自由度の追加に相当し、ダイソン型分光計において明確化するのはもっと複雑である。驚くべきことに、回折格子のこの最適化は、発明が像質を改良することを可能にするだけでなく、光源及び／又はセンサの位置決めのためのより多くの空間を有する実用的な分光計構成を定めることも可能にする。

Mertz及びThevenon、仏国特許第２６５３８７９号明細書（１９７７） 欧州特許第０８６２０５０号明細書 仏国特許第２０３６６１３号明細書 仏国特許第２３３４９４７号明細書 欧州特許第０１７９７１７号明細書

発明の一つの目的は非常に良好な像質と小歪曲を有する小型のイメージング分光計を提案することである。

発明のもう一つの目的は良好な像質と、ゼロでない前方距離を有する冷却イメージセンサの使用に特に適合するように入射スリット及び／又はセンサを位置決めするためのより大きい柔軟性とを与えるイメージング分光計を提供することである。

発明のもう一つの目的は大画面にわたり非常に高いスペクトル及び空間分解能のイメージング分光計を提案することである。

分光計の像質は、分光計を介して物点の像スポットを測定することにより評価される。この像質は種々の物点に対応する種々の像スポットを測定することにより評価される。イメージング分光計において、像質は一般的に画面中心及び軸外点において、またスペクトルの中心及び端の波長において評価される。像スポットのサイズを評価する一つの既知の方法はＲＭＳ法であり、これは光線集合を数値的に追跡し、完全な系を介した像点に対する像平面内の光線の平均距離を数値的に計測することにある。如何なる光学系の数値的応答をもシミュレートでき、またそれを構成する光学部品を定めるパラメータのいくつかを最適化できるソフトウェアが存在する。

本発明は先行技術のシステムの欠陥を改良する目的を有し、より詳細には分光計の物体平面内でＸ方向に伸びる入射口を備えるダイソン型イメージング分光計を提供し、前記入射口は入射光ビームを発するように構成され、回折格子は凹面支持体上に線集合を備え、光学系はレンズを備え、前記レンズは平面の第１面と凸の第２面を備え、レンズの凸面と回折格子の凹面は同心であり、前記光学系は、入射光ビームを受け、それを回折格子に向け、回折格子により回折されたビームを受け、回折されたビームのスペクトル像を形成するように構成され、スペクトル像は分光計の像平面内にあり、分光計の像平面内にある出射口はＸ’方向に空間分解され、Ｙ’方向にスペクトル分解された入射口の像を受けるように構成される。

本発明によれば、回折格子は非平行かつ不等間隔の線集合を備え、かつ／あるいはスペクトル及び像面の歪曲を最小化すると同時に像面にわたりスペクトル像の像質を改良するために回折格子の支持体は非球面である。

本発明の第１の実施態様のイメージング分光計において、回折格子は小さいスペクトル及び像面の歪曲を維持すると同時に改良された像質のスペクトル像を平面画面内に形成するように構成される。

本発明の一つの特定の実施態様において、回折格子の凹面は回転非球面である。

回折格子の凹面は好都合には回転楕円面である。

本発明の一つの実施態様において、屈折光学系は半球レンズと、平面でかつ平行な表面を有するプレートとを備え、前記プレートはレンズの平面表面に接して入射口と回折格子の間の入射ビームの光路上に設けられ、分光計の物体平面はプレートの一方の表面に位置し、分光計の像平面はレンズから間隙により分離される。

レンズとプレートの材料は好都合には像面にわたり色分散を補償するように選ばれる。

もう一つの実施態様において、レンズは薄い平凸レンズであり、分光計の物体及び像平面は間隙によりレンズの平面表面から分離される。間隙は好都合には、回折格子の曲率半径の典型的には１５％以下の光学厚さを有する。

イメージング分光計は好都合には入射口のスペクトル像を形成するために像平面内に設けられたマトリックスセンサを備える。イメージング分光計は好都合にはセンサと窓を備える容器を備え、センサの検知面は前記窓の後に置かれ、前記容器は前記センサを冷却するように構成される。レンズと像平面間の間隙は特に冷却センサを使用することを可能にし、冷却センサはしばしば冷却されないセンサより大きい全体サイズを有する。

一つの特定の実施態様において、イメージング分光計は光ファイバ集合を備え、それらの端部は入射口上の軸に揃い、センサは各光ファイバのスペクトル像を形成するように構成される。

本発明はまた以下の説明の中で明らかとなる特徴に関し、それらは別個に、あるいは全ての技術的に可能な組合せとして考慮すべきである。

説明は、発明が如何に実施されるかを説明するために非限定的例として、以下の添付図面を参照して与えられる。

１次で動作する在来のダイソン分光計のｙ−ｚ平面（子午面）内の断面図であり、入口、及び出口発散スペクトルはレンズの平面表面上に（あるいはそれに非常に近接して）置かれる。 １次で動作する在来のダイソン分光計のｘ−ｚ平面内の断面図であり、そこでは、光線は回折平面に垂直なｘ方向に１０ミリメートル（ｍｍ）に置かれた物点に対して追跡され、物点と像点は子午（ｙ−ｚ）面のそれぞれの反対側にある。 在来の先行技術のダイソン分光計の像質に関する性能を示し、このグラフは像平面又はセンサ平面における点光源の像スポットのＲＭＳ（自乗平均平方根）半径を表わし、ＲＭＳ半径は波長の関数として物体面にある点光源の三つの位置（すなわち、入射スリットに沿った三つの高さ）に対して与えられる。 はもはや厳密には平行かつ等間隔でない線を有する収差補正された回折格子を用いた本発明の一つの実施態様の分光計の像質に関する性能を示し、このグラフは波長の関数として物体面にある点光源の三つの位置に対する像スポットのＲＭＳ半径を表わす。 像平面内のイメージング分光計の二つの歪曲欠陥、すなわちスマイル（Ｓ）とキーストーン（Ｋ）を図式的に表わす。 本発明による変形されたダイソン型分光計の断面図であり、そこでは、分光計の入射口は光学系の平面表面上にあり、あるいはそれに非常に近接しており、結像平面（センサ平面）は光学系からかなりの距離にある。 図６の分光計に使用可能な半球レンズとガラスプレートからなる本発明の一つの実施態様の光学系の断面図である。 光学系のガラス内の入射口とガラスから３０ｍｍの距離にある出射口と共に使用される在来のダイソン配置の像質に関する性能を示す。 非球面（楕円面）支持体上に蝕刻された回折格子を備える本発明の一つの実施態様の配置の像質に関する性能を示し、そこでは、入射及び出射口は光学系から３０ｍｍの距離の空気中にある。 収差補正され、非球面（楕円体面型の）支持体上に蝕刻された回折格子を備える本発明のもう一つの実施態様の配置の像質に関する性能を示し、そこでは、入射及び出射口は光学系から３０ｍｍの空気中にある。 単純な平凸レンズを備える本発明のもう一つの実施態様のダイソン型分光計の断面図であり、そこでは、分光計の入射口（入射スリット又は光ファイバ束を備える）と結像平面（センサ平面）はレンズからかなりの距離にある。 収差補正されず、レンズから３０ｍｍの空気中にある入口と出口と共に使用される球面凹面回折格子を備える在来のダイソン配置の像質に関する性能を示す。 非球面（楕円面）基板上に蝕刻された収差補正されない凹面回折格子を備える本発明の一つの実施態様の配置の像質に関する性能を示し、そこでは、入射及び出射口は光学系から３０ｍｍの距離の空気中にある。 非球面（楕円体型の）基板上に蝕刻された収差補正された凹面回折格子を備える本発明の一つの実施態様の配置の像質に関する性能を示し、そこでは、入射及び出射口は光学系から３０ｍｍの距離の空気中にある。

本発明の利点を明確にするために、以下の共通の特性を有する分光計の様々の構成が比較される。すなわち、
− Ｆ／２の空気中Ｆ値に相当する入射ビームの開口数：ＯＮ＝０．２４２５、
− スペクトル範囲：１０００ナノメータ（ｎｍ）ないし２５００ｎｍ、
− 入射スリット高さ：２０ｍｍ（従って物体面サイズに相当）、
− 倍率：１（このタイプの配置の公称倍率）、
− センササイズ：スペクトル方向に１０ｍｍ、空間方向に２０ｍｍ、
− 回折格子の曲率半径：２５０ｍｍ（これは系の全体サイズと回折格子の線密度を略々固定し、線密度はここではおよそ３０本／ｍｍである）。

像質と最小歪曲が系の像質を評価するために使用された基準である。

配置は回折格子の１次回折（系の対称軸方向の回折次数）で動作する。

これらの固定条件は様々のタイプのダイソン分光計の像性能を客観的に比較することを可能にする。

本発明が例示された光学構成に限定されず、何れの回折次数でも使用される何れのダイソン型配置にも拡張されてもよいことは言うまでもない。

図１はダイソン型同心分光計配置を回折格子の線の主方向に直角なＹＺ平面の断面で表わす。図２は図１と同じ分光計をＹＺ平面に直交するＸＺ平面の断面で表わす。

図１及び２に表わされるダイソン分光計は同心の平凸レンズ２及び凹面回折格子４を備える。このダイソン分光計は物体平面内の入射スリット１又は光ファイバ束と、像平面７内の出射口１０とを備える。

凹面回折格子４はその頂点６を通過してその線の主方向に直交する子午面（ＹＺ）を有する。レンズ２と回折格子４はそれらの個々の頂点を通過してそれらの個々の面に垂直な共通光軸５を有する。二つの球面３及び４は従って、互いに近接しかつＺ軸５上にあるそれらの曲率中心を有し、従って同心分光計という名前を有する。

図１及び２に表わされる実施態様において、分光計の物体平面と像平面は半球である平凸レンズ２の平面表面８上に位置する。

入射スリット１上に位置する点光源９は、入射スリット１に近接し、あるいはそれと一致する平面表面８を通ってレンズに入射する多色光ビームを発し、次いで入射ビームはレンズ２の球面３により屈折され、次いで回折格子４に達し、回折格子４はレンズ２に向けられた単色光ビーム集合により図式的に表わされる回折ビームを反射により回折する。回折光ビームはレンズ２により出射像平面７の子午面（ＹＺ）に対する位置１０に収束し、回折ビームの光スペクトルはｙ軸に沿って分散する。

上に示されたパラメータに対して最適化されたこの種類のシステムの結像性能が図３に示される。像質は点光源からシステムを通って光線追跡することにより得られた理論的像スポットの自乗平均平方根（ＲＭＳ）半径を計算することにより評価される。この計算は画面の三つの点、すなわちＸ_Ａ＝０ｍｍ（スリット中心）、Ｘ_Ａ＝５ｍｍ（スリットの中間高さ）、及びＸ_Ａ＝１０ｍｍ（スリットの端）に対して、また使用可能なスペクトルの各波長に対して行われる。

光線ＲＭＳの半径は像面全体にわたり３ないし１８μｍである。

何れの結像系においても、歪曲もまた重要なパラメータである。イメージング分光計において、歪曲の概念はやはり重要であるが、スペクトル次元が導入されることにより複雑である。こうして二つの歪曲欠陥が言及される。すなわち、図５に図式的に示されるスペクトル次元におけるスマイル（Ｓ）と、空間次元におけるキーストーン（Ｋ）である。発明を図解するために使用された全ての配置は７マイクロメータ（μｍ）以下の総合（スマイル＋キーストーン）歪曲を有し、これは非常に小さい。

本発明は以前のダイソン配置に使用された球面支持体上の平行かつ等間隔の線を有する回折格子に代わり「補正」回折格子４を使用することを提案する。回折格子の頂点６を通過し、軸５に直交する平面に投影されたときに、それを構成する刻線が平行かつ等間隔である未補正凹面回折格子は関係技術において長い間知られている。

本明細書において、「補正回折格子」という表現は、等間隔かつ平行でない線を有する回折格子であって、線の経路が、回折格子の収差だけでなく入射口と出射口の間にある光学系の収差も考えて、分光計の像質が総合的に向上するように最適化された回折格子を指す。

本発明の第１の実施態様は、正確に平行でもなく、正確に等間隔でもない線（又は溝）を有する凹面回折格子４の使用に頼っている。分光計の総合像質を改良するために、線密度と線方向は、回折格子４の表面上の注目点に従ってわずかに修正される。

回折格子の線の局部密度と線方向は像面内の小歪曲を維持すると同時に像スポットのＲＭＳ半径を最小化するように数値的に最適化される。このように最適化された回折格子は詳細にはホログラフィーにより製造及び複製されてもよい。

図４はそのような本発明の第１の実施態様の回折格子を用いたダイソンイメージング分光計の像質に関する性能を示し、そこでは、平凸レンズは半球レンズであり、その平面表面は分光計の物体平面上と像平面上に位置する。

図３と４の比較はダイソン型分光計に補正凹面回折格子を使用することにより得られた像質に関する改良を明確に示す。像スポットのサイズ（図４）は、回折格子が球面上に平行かつ等間隔の線を有する回折格子である分光計（図３）に対して平均で３０％低減される。

本発明の第２の特定の実施態様は図６を参照して以下に述べられる。

この図はコリメーション及び集束光学系が変形されているダイソン分光計を図式的に表わす。分光計の入口１はレンズ２のガラス内にあり、あるいはそれに非常に近接しているが、異なるのは、出口１１がレンズの出射表面からかなりの距離に位置することであり、本例及び本計算では、センサとガラス間の距離は３０ｍｍである。図７に示される屈折光学系はイメージング分光計の入射側にのみ位置するガラスプレート１３と接する比較的薄い（平凸）レンズ１２を備える。プレート１３のガラスはレンズ１２のものと同一でも、あるいは例えば色収差の低減を可能にするために異なってもよい。

出口にこのように作られた間隙は、使用されるセンサとそれらの技術により、主として全体サイズ問題のためにガラスの直近にそれらを置くことが不可能になる場合に特に好都合である。これは特に検知面から所定の距離に置かれた透明窓により閉じられた容器内に通常は封止され、それによりレンズ２の直近に検知面を置くことを妨げる冷却センサに対する状況である。図７に表わされる光学系は従ってこの種類のセンサの使用を容易にする。

図８の曲線は、球面支持体上に平行かつ等間隔の線の回折格子を有するイメージング分光計の像質に関する性能を示し、分光計は図７に表わされる光学系を備え、入口はガラス内にあり（あるいはそれに非常に近接しており）、出口はレンズの出射表面から３０ｍｍの距離の空気中にある。図８に示される性能は入口と出口がガラス内にある前の状況（図３及び図４）に対してずっと劣っている。図８のＲＭＳ半径は、スペクトル全体にわたり、また入射スリットの三つの像点に対してほぼ３０μｍ程度である。

発明の第２の実施態様は非球面基板に蝕刻された回折格子を使用する。必要な非球面は既存の製造手段により製造され、楕円面型のものである。基板はＺ軸５の周りの回転対称性を維持する。回転非球面外形は以下の式により与えられる。

ただし、ｈは高さであり、
Ｒは曲率半径であり、
ｒは中心６に対する注目点の半径方向位置であり、
ｋは円錐係数であり、
楕円に対し−１＜ｋ＜０であり、ｋ＝０に対し、それは球である。

第２の実施態様の一例において、回折格子の基板は２５０ｍｍの曲率半径とｋ＝−０．１２５の円錐係数を有する非球面である。この回折格子は図９に示される結像性能を有するガラスから３０ｍｍの空気中にある出口を有するイメージング分光計（図６）を作り出すことを可能にする。ＲＭＳ半径は特に１ないし２マイクロメータの波長に対し低減される。この第２の実施態様は従って図８で評価された分光計と比較して像質のかなりの改良を可能にする。

本発明の第３の実施態様は第２の実施態様の改良形である。分光計は図６を参照して述べられた光学系を備え、入口１はガラス内にあり、出口１１はガラスから３０ｍｍの空気中にある。この改良形において、回折格子は分光計の総合像質を最適化するために収差補正された非球面基板上に蝕刻される。

図１０はｋ＝−０．１３９の円錐係数を有する楕円面型の非球面基板上に蝕刻された正確に平行でなく、正確に等間隔でない線を有する回折格子を用いたこの第３の実施態様の分光計の結像性能を示す。ＲＭＳ半径は全ての波長（１から２.５μｍ）に対し、また像面全体にわたり（０ないし１０ｍｍの点光源）１５マイクロメータ未満である。

収差補正され、非球面基板上に蝕刻された回折格子を使用する第３の実施態様の系の像質（図１０参照）は図９に示される第２の実施態様のものよりずっと良好である。

興味深いことには、第３の実施態様に従う分光計は像質に関し、ガラス内に（あるいはそれに非常に近接して）入口と出口を有する分光計に実質的に匹敵する。発明は従って出口に大きい空気間隙を導入できるようにすることにより（図４に示される性能の第１の実施態様）ダイソン配置の柔軟な使用を可能にする。

発明の第４及び第５の実施態様は図１１ないし１４を参照して以下に述べられる。

イメージング分光計は図１１に図式的に示されるように使用される。イメージング分光計の入口１と出口７はここではレンズ２の平面表面からかなりの距離（およそ３０ｍｍ）の空気中にある。レンズ２は半球レンズよりずっと薄い、従ってより低コストでより軽量の平凸レンズである。

図１２は、平行かつ等間隔の複数の線を有する球面凹面回折格子、および上記入口と出口との距離が３０ｍｍである平凸レンズを用いた分光計の像質を表わすグラフを示す。ＲＭＳ半径は像面内でスペクトル範囲全体にわたり４５ないし８０マイクロメータである。そのような装置の像質は上に言及された他の全ての結果と比較して非常に劣っている。

第４の実施態様において、分光計は非球面基板上、より詳細にはｋ＝−０．２４８の円錐係数を有する回転楕円面上に蝕刻された在来の凹面回折格子を使用する。図１３のグラフはこの第４の実施態様の分光計の像質を表わす。ＲＭＳ半径は特に１ないし２マイクロメータの波長に対して２倍（図１２と比較して）低減される。従って、非球面回折格子基板への変更は性能を著しく改良する（図１２及び図１３と比較して）。

第５の実施態様において、分光計は非球面基板上、より詳細にはｋ＝−０．２６０の円錐係数を有する回転楕円面上に蝕刻され、収差補正された凹面回折格子を使用する。図１４のグラフはこの第５の実施態様の分光計の像質を表わす。非球面基板と収差補正は発明のこの第５の実施態様の分光計の結像性能の見事な改良を可能にする。図１４に示される性能は入射−出射平面とレンズ１２の平面表面との間の３０ｍｍの距離にもかかわらず上に述べられた最良の分光計のもの（図３）に近づく。

本発明の第４及び第５の実施態様は改良された結像性能を有するイメージング分光計を提案する。

第４及び第５の実施態様は、入射スリットと出射平面がレンズ２の平面表面８に非常に近接しなければならない在来のダイソン分光計の興味深い代案を提供する。

発明は、収差補正され、かつ／あるいは非球面形状の基板を有する回折格子を使用することによりスペクトル又はハイパースペクトルイメージングに応用するためのダイソン型分光計の結像を改良することを可能にする。

収差補正された回折格子は、複数の線が部品表面全体にわたりもはや正確に平行かつ等間隔でなく、線の経路が像面のスペクトル及び空間次元における歪曲を最小化すると同時に像面全体にわたり分光計の像質を改良するために（点の像が点になるシステムに近づけるために）最適化される回折格子である。

発明の種々の実施態様はスペクトル及び空間次元における良好な光学品質と小歪曲の結像機能が最適化された屈折及び回折要素の組み合わされた使用によりイメージング分光計を改良することを可能にする。

本発明はダイソン分光計の像質の改良だけでなく、レンズからかなりの距離の空気中に入射スリット及び／又はセンサを有するタイプの分光計の考え得る新しい用途を提供する。この距離は入口と出口において光源とイメージセンサを置くためのより多くの空間を与える。この構成はまた、先行技術のダイソン分光計に使用される半球レンズよりずっと小型の屈折部品を使用することを可能にする。

ダイソン型分光計に非平行かつ不等間隔の線を有する回折格子を使用することはスペクトル又はハイパースペクトルイメージングに好都合である。発明の改良形において、回折格子は非球面支持体上に加工され、これは分光計の像質のさらなる改良を可能にする。

１ 入射口
２ レンズ
３ レンズ凸面
４ 回折格子
５ 光軸
６ 頂点
７ 像平面
８ レンズ平面表面
９ 点光源
１０ 出射口
１１ 出口
１２ 薄いレンズ
１３ ガラスプレート

Claims (8)

1. 分光計の物体平面内にＸ方向に伸び、入射光ビームを発するように構成された入射口（１）と、
   凹面支持体上に線集合を備える回折格子（４）と、
   レンズ（２）を備える光学系であって、前記レンズは平面の第１面（８）と凸の第２面（３）を備え、前記レンズの前記凸面（３）と前記回折格子（４）の前記凹面は同心であり、前記光学系は、前記入射光ビームを受け、それを前記回折格子（４）に向け、前記回折格子により回折されたビームを受け、前記回折されたビームのスペクトル像を形成するように構成され、前記スペクトル像は前記分光計の像平面内の像面にある光学系と、
   Ｘ’方向に空間分解され、Ｙ’方向にスペクトル分解された前記入射口の像を受けるように構成された前記分光計の前記像平面（７）内にある出射口と
   を備えるダイソンイメージング分光計であって、
   ・分光計のスペクトル範囲が１０００ｎｍないし２５００ｎｍであり、
   ・前記レンズ（２）はガラスで構成されており、そして
   ・前記回折格子は非平行かつ不等間隔の線集合を備え、かつスペクトル及び像面の歪曲を最小化すると同時に像面内のスペクトル像の像質を改良するために、前記回折格子の前記支持体は非球面であり、前記回折格子の前記凹面は回転楕円面である
   ことを特徴とするダイソンイメージング分光計。
2. 前記回折格子は、小さいスペクトル及び像面の歪曲を維持すると同時に像面内の改良された像質の像面内のスペクトル像を形成するように構成された非平行及び不等間隔の線集合を備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージング分光計。
3. 屈折光学系は半球レンズ（２）と、平面かつ平行な表面を有するガラスプレート（１３）とを備え、前記ガラスプレート（１３）は前記レンズ（２）の前記平面表面（８）に接し、前記入射口と前記回折格子の間の入射ビームの光路上に設けられ、前記分光計の前記物体平面は前記ガラスプレート（１３）の一方の表面に位置し、前記分光計の前記像平面は間隙により前記レンズ（２）から分離されることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージング分光計。
4. 前記レンズ（２）と前記ガラスプレート（１３）の材料は像面にわたり色分散を補償するように選ばれることを特徴とする請求項３に記載のイメージング分光計。
5. 前記レンズ（２）は平凸レンズであり、前記分光計の前記物体及び像平面は、前記回折格子（４）の曲率半径の１５％以下の光学厚さの間隙により前記レンズ（２）の前記平面表面（８）から分離されることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージング分光計。
6. 前記入射口のスペクトル像を形成するために像面内に設けられたマトリックスセンサを備えることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一つに記載のイメージング分光計。
7. センサと窓を備える容器を備え、前記センサの検知面が前記窓の後ろに置かれ、前記容器が前記センサを冷却するように構成されることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一つに記載のイメージング分光計。
8. 前記入射口は軸に揃った光ファイバ集合を備え、前記センサは各光ファイバのスペクトル像を形成するように構成されることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一つに記載のイメージング分光計。

Images