JP6188823B2 - ハイパースペクトル・イメージングにおける改善又はそれに関する改善 - Google Patents

Description

本発明は、ハイパースペクトル・イメージングにおける改善又はそれに関する改善に関し、より具体的には、排他的ではないものの、フーリエ変換型スペクトル・イメージング・システムに関する。

スペクトル・イメージングは、画像の２つの空間的次元専用の二次元と、スペクトル情報を含む第３の次元との、対象に関する三次元情報を提供する。ハイパースペクトル・イメージングは、通常のフィルタに基づく技術と比べてスペクトル次元がより良く解像され、一般的にスペクトルバンドの数が多く（可視領域内で１００バンド以上）高解像度（可視領域内で１０ｎｍ以下）であるスペクトル・イメージングを特に表す用語である。

スペクトル・イメージングは、フーリエ変換に基づく技術を利用することを含めて、様々な形で行うことができる。フーリエ変換型スペクトル・イメージングはインターフェログラムの取得を要する。複数の物理的な干渉計測定の構成は、主に赤外領域の波長に使用される傾向があるマイケルソン干渉法を含む、インターフェログラム取得の目的に適している。それに加えて、マッハツェンダー干渉計、サニャック干渉計、及び偏光干渉計も使用することができる。

米国特許第５７８１２９３号は、２つの光偏光の間に光路差を導入するのに複屈折プリズムが使用され、検出器において生じるインターフェログラムのフーリエ変換によって入射光のスペクトル分布が提供される、フーリエ変換型分光計について記載している。

A. R. Harvey and D. W. Fletcher-Holmes、「Birefringent Fourier-transform imaging spectrometer」、Optics Express、vol. 12(22)、5368頁、2004年では、ウォラストン・プリズムの整合ペアを利用する複屈折干渉計を備え、干渉計の１つの要素が移動することによってインターフェログラムが生成される、フーリエ変換型画像分光計が開示されている。

ウォラストン・プリズムは、偏光された放射光（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を２つの直交偏光成分に分離する複屈折要素のアセンブリに関する、可能な構成の１つである。

これらの構成は、追加のビーム・スプリッティング要素を使用する必要なしに共通光路型干渉計を提供することから、非常にコンパクトであり得るが、その一方で欠点を抱える傾向がある。１つの欠点は経済面であり、対になったウォラストン・プリズムの製造が複雑であることがその理由である。第１のウォラストン・プリズムは、入射放射光を異なる方向の２つの偏光成分に分割し、第２のウォラストン・プリズムは、２つの偏光成分の方向を平行になるように変える。この構成が適切に働くためには、２つのウォラストン・プリズムを対にし、十分に整列させなければならない。ウォラストン・プリズムのペアリングは、第１のウォラストン・プリズムのウェッジ又は分割角が第２のウォラストン・プリズムのウェッジ又は分割角に等しいことを担保することによって、生産の間に行われる。

別の欠点は、視野が光路長差に依存していること、特に、視野が光路長差と第２のウォラストン・プリズムの並進運動との関係に依存していることに関する。視野が単一点に制限されないイメージング・システムの場合、いくつかの視野点の主光線はウォラストン・プリズムに対する異なる入射角で生じ、したがって、光路長差は入射角にも依存する。その結果、異なる視野点に対するスペクトル回復には、光路長差とプリズムの並進運動との関係に対して視野がこのように依存していることを考慮に入れなければならない。正確なスペクトル測定のためには、同じ信号処理を全ての視野点に適用することはできず、したがって信号処理はより複雑である。

それに加えて、多くの測定を行い処理する必要がある場合、フーリエ変換型スペクトル・イメージングは時間が掛かることがある。かかる測定は空気の動きによっても乱されることがある。

米国特許第５７８１２９３号

A. R. Harvey and D. W. Fletcher-Holmes、「Birefringent Fourier-transform imaging spectrometer」、Optics Express、vol. 12(22)、5368頁、2004年

したがって、本発明の１つの目的は、上述した欠点を少なくとも低減する、ハイパースペクトル・イメージング・システムを提供することである。

本発明の別の目的は、構成要素がより少なく、複屈折プリズムのペアリング及びマッチングを要しない、取得時間が実質的に低減されたハイパースペクトル・イメージング・システムを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、ハイパースペクトル・イメージングを行う方法が提供され、方法は、
ａ）第１の位置にある第１のウォラストン・プリズムで偏光放射光を受け取るステップと、
ｂ）第１のウォラストン・プリズムを使用して、偏光放射光を２つの直交偏光成分に分割するステップと、
ｃ）リレー光学系を使用して２つの直交偏光成分を第２の位置へと方向付け、第１の位置にある第１のウォラストン・プリズムが第２の位置で結像される、ステップと、
ｄ）２つの直交偏光成分を第２の位置で再結合された偏光放射光へと再結合するステップと、
ｅ）少なくとも１つの偏光子を使用して、再結合された偏光放射光を単一の偏光状態へと投射するステップと、
ｆ）再結合された偏光放射光を結像面で干渉するように変調するステップとを含み、
ステップｆ）が、第１のウォラストン・プリズムをその仮想分割面に平行な方向で並進させて、再結合された偏光放射光を変調することを含むことを特徴とする。

第１の位置にある第１のウォラストン・プリズムを第２の位置で結像することによって、２つのかかるプリズムを一実施例において利用する場合にこれらのプリズムをペアにする必要がなくなるので、ウォラストン・プリズムの製造コストを低減することができる。この場合、第１の位置にある複屈折プリズムを第２の位置で結像するのに使用される光学系は、倍率を調節することによってプリズム間の差を補償する。

好ましい一実施例では、それ自体に結像される１つのみのウォラストン・プリズムを要し、それによって２つのウォラストン・プリズムの必要性がなくなる。これにより、１つのみのウォラストン・プリズムを要することで、製造コストが更に低減される。

「仮想分割面」という用語は、本明細書で使用するとき、２つの直交偏光成分がそこから生じるように見える、又は２つの直交偏光成分がそこで再結合されるように見える、ウォラストン（若しくは任意の複屈折）プリズム内の面を指す。

一実施例では、ステップｃ）は、第１のウォラストン・プリズムの仮想分割面をそれ自体の上で結像することを含む。これにより、リレー光学系を使用して、第１のウォラストン・プリズムの仮想分割面の画像がそれ自体と一致することが担保される。それに加えて、ステップｄ）は、第１のウォラストン・プリズムを使用して２つの直交偏光成分を再結合することを含む。

別の実施例では、ステップｃ）は、第１のウォラストン・プリズムを第２の位置にある第２のウォラストン・プリズム上で結像することを含み、仮想分割面は第２のウォラストン・プリズムでは反転される。この実施例では、第２のウォラストン・プリズムは、その仮想分割面が第１のウォラストン・プリズムの仮想分割面の画像と一致するようにして配向され位置付けられる。それに加えて、ステップｄ）は、第２の位置にある第２のウォラストン・プリズムを使用して２つの直交偏光成分を再結合することを含む。この実施例では、ステップｆ）は、第１及び第２のウォラストン・プリズムの一方をそのそれぞれの仮想分割面に平行な方向で並進させて、偏光放射光を変調することを含んでもよい。

本発明の別の態様によれば、ハイパースペクトル・イメージングを行うためのハイパースペクトル・イメージング・システムが提供され、システムは、
偏光放射光を２つの直交偏光成分に分割する、第１の位置にある第１のウォラストン・プリズムと、
２つの直交偏光成分を第２の位置へと方向付け、第１のウォラストン・プリズムを第２の位置で結像する光学系と、
２つの直交偏光成分を第２の位置で再結合された偏光放射光へと再結合する、少なくとも１つの偏光子を含む再結合手段と、
結像面を有するイメージング検出器と、
再結合された偏光放射光の焦点をイメージング検出器の結像面上に合わせる結像レンズとを備え、
ハイパースペクトル・イメージング・システムが、少なくとも第１のウォラストン・プリズムをその仮想分割面に平行な方向で並進させる並進手段を更に備えることを特徴とする。

第１のウォラストン・プリズムをその仮想分割面に平行な方向で並進させることによって、第１のウォラストン・プリズムによって２つの直交偏光成分中に発生する横シヤーは少なくとも実質的に低減され、少なくとも一部の入射角に関して、光路長差は全ての物体視野点で実質的に同じであり、横シヤーが実質的に排除される。これにより、入射角に実質的に依存しない、したがって処理が大幅に単純化された、ハイパースペクトル・イメージング・システムが得られる。

一実施例では、第１及び第２の距離の差はゼロであり、光学系は、少なくとも１つのレンズと、第１のウォラストン・プリズムがそれ自体の上で結像されるように光学系を通して放射光を反射させて戻す反射素子とを含む。反射素子は平面鏡であってもよい。

少なくとも１つのレンズ及び平面鏡を使用することによって、２つの直交偏光光線のコリメートが担保される。それに加えて、プリズム自体の上に結像することができ、それによって２つ以上のウォラストン・プリズムが不要になる、仮想分割面がウォラストン・プリズム内に提供される。

それに加えて、入射放射光を第１のウォラストン・プリズムに伝達し、放射光をイメージング検出器に向かって反射する、ビーム・スプリッタが提供される。一実施例では、ビーム・スプリッタは偏光ビーム・スプリッタである。代替実施例では、入射放射光を偏光するため、少なくとも１つの偏光子がビーム・スプリッタと関連付けられてもよい。

別の実施例では、第２のウォラストン・プリズムは、光学系とイメージング検出器との間の第２の位置にあり、光学系は第１のウォラストン・プリズムを第２のウォラストン・プリズム上に結像する。

これには、一方のウォラストン・プリズムを他方の上に結像することにより、２つのウォラストン・プリズムを一致させる必要がないという利点がある。

第１のウォラストン・プリズムが第２のウォラストン・プリズム上で結像されるので、ウォラストン・プリズムのいずれか一方をその仮想分割面に平行な方向で並進させることができることが認識されるであろう。好ましい一実施例では、並進手段は第２のウォラストン・プリズムと関連付けられる。しかしながら、これはハイパースペクトル・イメージング・システムの特定の配置に応じて替わるであろう。

この実施例では、第１及び第２のウォラストン・プリズムのそれぞれ１つと関連付けられる、第１及び第２の偏光子が設けられる。

本発明についてのより十分な理解のため、以下に、単なる一例として添付図面を参照する。

フーリエ変換型イメージング・システムで使用される従来の複屈折偏光干渉計を示す図である。 ウォラストン・プリズムを対にした配置によって生成される、入射光線の２つの成分の光路長における視野に依存する差を示す図である。 本発明によるイメージング・システムの第１の実施例を示す図である。 図３に類似した、この構成においてシヤーがないことを示す図である。 本発明によるイメージング・システムの第２の実施例を示す図である。 図５に類似した、但し光軸と一致する主光線又は入射光線の状況を示す図である。 図５に類似した、但し光軸と一致しないがそれに平行な周辺光線又は入射光線の状況を示す図である。 図５に類似した、但し光軸に対してある角度の入射光線の状況を示す図である。 ウォラストン・プリズム及び仮想分割面を示す図である。 図９に類似した、但し仮想分割面の角度の計算を示す図である。

本発明について、特定の実施例に関して、また特定の図面を参照して記載するが、本発明はそれらに限定されない。記載する図面は単なる概略であり、非限定的なものである。図面中、要素のうちいくつかのサイズは、例証目的のため、誇張されており縮尺通りに描かれていないことがある。

「垂直」及び「水平」という用語は、本明細書で使用するとき、図面の特定の向きを指し、これらの用語は本明細書に記載する具体的な実施例に対する限定ではないことが理解されるであろう。

それに加えて、図面のいくつか（特に、図５〜８）に関して、軸線のいくつかは、図面の面内にあるように見えるものの、実際には図面の面と例証される光軸との間には４５°の角度がある。

図１は、上述のHarveyらによる論文に記載されているような、フーリエ変換型ハイパースペクトル撮像装置の一部を形成することができる、従来の複屈折偏光干渉計１００を示す。干渉計１００は光軸１１０を有し、その上に、第１の偏光子１２０、第１及び第２のウォラストン・プリズム１３０、１４０、第２の偏光子１５０、結像レンズ１６０、並びにイメージング検出器１７０が図示されるように配置される。２つのウォラストン・プリズム１３０、１４０は、図示されるような矢印及び円によって示される偏光軸を備えた、等しく且つ反対方向の分割面角度θを有する。

入力光線１８０によって示されるシーンからの入射光線又は放射光は、第１の偏光子１２０によって、ウォラストン・プリズム１３０、１４０の光軸に対して４５°の直線偏光光へと偏光される。直線偏光光は、第１のウォラストン・プリズム１３０によって、等しい振幅を有すると共に第１のウォラストン・プリズム１３０を出る際に僅かに拡がる２つの等しい直交偏光成分１８５、１９０へと分解される。第２のウォラストン・プリズム１４０を通って伝達することによって、２つの成分は、光線１８５’、１９０’によって示されるように、第２の偏光子１５０を通って平行に伝播するように屈折し、結像レンズ１６０によって、イメージング検出器１７０における共通の位置１９５へと再結合されて、そこで干渉する。これらの光線は直交偏光成分間に導入された光路差を持つ。この光路差は、アパーチャの幅にわたって均一であり、第２のウォラストン・プリズム１４０が矢印「Ａ」によって示される方向で、即ちウォラストン・プリズムの入射面の法線に対して垂直な方向で、光軸１１０に対して並進することによって変調される。

図示されるように、第１のウォラストン・プリズム１３０は、入射放射光を２つの異なる方向に分岐する偏光成分１８５、１９０へと分割する。第２のウォラストン・プリズム１４０は２つの偏光成分１８５’、１９０’を再び平行にする。上述したように、２つのウォラストン・プリズム１３０、１４０は対にし、十分に位置合わせしなければならない。

第１及び第２の偏光子１２０、１５０は特定の偏光タイプの放射光を通すので、これらを、特定波長の放射光を選択的に伝達又は阻止するのに使用することができる。単純にするため、通常は、第１のウォラストン・プリズム１３０の入力面に対して垂直に入射する光のみが考慮される。

矢印「Ａ」によって示される方向で第２のウォラストン・プリズム１４０が並進することで、２つの成分１８５’、１９０’の間に時間で変動する光路差が導入されて、第１のウォラストン・プリズム１３０に対する第２のウォラストン・プリズム１４０の横変位の関数としてインターフェログラムを記録することが可能になる。

等しい分割角を有する２つのウォラストン・プリズムによって生成される光路長差は、次式のように近似することができる。
Δ_ＯＰＬ＝２ｂｈｔａｎθ
式中、Δ_ＯＰＬは、２つの直交偏光の光路長差、ｂは材料の複屈折、ｈは第１のウォラストン・プリズムに対する第２のものの横変位、θはプリズムのウェッジ角である。

図２は、図１のウォラストン・プリズム１３０、１４０に対する入力光線２８０を示す。第１のウォラストン・プリズム１３０を通過した後、光線２８０は、２つの直交偏光光線２８５、２９０へと分割される。第２のウォラストン・プリズム１４０を通過した後、光線２８５’、２９０’は平行になるが、シヤー距離ｄだけ分離される。光軸外で伝播する光線の場合、このシヤーによって、図示されるような光路長差Δ_ＯＰＬが生じる。シヤー距離ｄは、ウォラストン・プリズムの性質から、即ち、各プリズムの厚さ、それらが作られる材料の屈折率、それらのウェッジ角、及びイメージング・システムの光軸（図２には図示なし）に沿った２つのウォラストン・プリズムの分離から、計算することができる。

光軸に沿った２つのウォラストン・プリズム１３０、１４０の間の距離が増加するにつれて、２つの偏光光線２８５’、２９０’の間の横シヤーも増加し、この横シヤーにより、視野に依存すると共に軸上を伝播する光線に関しては無効である光路長差が引き起こされることが認識されるであろう。著しいシヤーが存在し、類似のスペクトル放射光の有意な視野を有するシステムの場合、結像されるシーンは縞で満たされている。

中央の視野点に関してΔ_ＯＰＬが０であるようにして第２のウォラストン・プリズム１４０が位置付けられた場合、シヤーの方向における極値の視野点は、反対符号である残留光路長差Δ_{ＯＰＬＲＥＳＩＤＵＡＬ}を有する。対称的な干渉法を使用した全視野に対するΔ_ＯＰＬからのインターフェログラムの取得はゼロであり、Δ_{ＯＰＬＲＥＳＩＤＵＡＬ}の二倍を補償するのにいくつかの追加画像を取得する必要がある。このことが取得時間の不必要な追加に結び付く。

上述したように、Δ_ＯＰＬ＝２ｂｈｔａｎθという関係は、垂直入射の場合にのみ有効であり、他の視野点に関しては、追加のシヤーに関連する光路長差を考慮する必要がある。視野が単一点に制限されないイメージング・システムの場合、いくつかの視野点の主光線は異なる入射角で第１のウォラストン・プリズム１３０に入射し、したがって、入射角によって光路長差も変化することになる。これは、光路長差が入射角にも依存することを意味する。第２のウォラストン・プリズム１４０を図１に矢印「Ａ」で示される方向で並進させると、光路長差も影響を受ける。その結果、異なる視野点に対するスペクトル回復には、第２のウォラストン・プリズム１４０の並進と共に光路長差の視野依存を考慮に入れなければならない。正確なスペクトル測定のためには、したがって、同じ信号処理を全ての視野点に適用することはできず、処理がより複雑になる。

本発明によれば、複屈折成分は、Harveyらによる論文に記載されているイメージング・システムの制限を解決する、新しいイメージング干渉計システムにおけるハイパースペクトル・イメージングに使用される。新しい干渉計イメージング・システムでは、物体は無限遠にあると仮定され、物体が無限遠にない場合、無限遠に置くのに光学系が利用される。この場合、単一の物点から発してイメージング干渉計システムに入る全ての光線は平行である。

ウォラストン・プリズムの使用に関連して、本発明について後述する。適切であれば、他の複屈折プリズムが使用されてもよいことが容易に理解されるであろう。

図３及び４は、１つのウォラストン・プリズムが第２のウォラストン・プリズム上で結像される、本発明の第１の実施例を示す。この具体的な実施例では、偏光子は図示されないが、光学系の動作に必要である。最初に図３を参照すると、光軸３８０上に配置された、第１のウォラストン・プリズム３１０と、第１及び第２のレンズ３３０、３４０を含む光学系３２０と、第２のウォラストン・プリズム３５０と、結像レンズ３６０と、検出器システム３７０とを備える、イメージング・システム３００が示される。第１及び第２の偏光子（明瞭にするために図示なし）も、図１に関連して上述したのと同様に、第１のウォラストン・プリズム３１０の前及び第２のウォラストン・プリズム３５０の後に設けられる。この場合、第２のウォラストン・プリズム３５０は、分割面が事実上反転しているという点で、第１のウォラストン・プリズム３１０の鏡像である。

図４は、軸上の物点からの、２つの実例の光線４００、４５０の挙動を示す。第１の光線４００は軸上の物点からの主光線であり、イメージング・システム３００の光軸３８０と位置合わせされる。光線４００は、第１のウォラストン・プリズム３１０に入射し、直交偏光を有する２つの成分光線４１０、４２０へと分割される。成分光線４１０、４２０は光学系３２０を通過し、第２のウォラストン・プリズム３５０上に結像される。第２のウォラストン・プリズム３５０は、２つの成分光線４１０、４２０を再結合して出力光線４３０を形成し、それが検出器システム３７０によって検出される。図示されるように、成分光線４１０、４２０は、光学系３２０を通過する際に互いに平行である。

第２の光線４５０は第１の光線４００に対して平行であるが、図示されるように光軸３８０から離隔されている。第１の光線４００と同様に、第１のウォラストン・プリズム３１０が、直交偏光を有する２つの成分光線４６０、４７０へと第２の光線４５０を分割する。成分光線４６０、４７０は光学系３２０を通過し、第２のウォラストン・プリズム３５０上に結像される。第２のウォラストン・プリズム３５０は、２つの成分光線４６０、４７０を再結合して出力光線４８０を形成し、それが検出器システム３７０によって検出される。図示されるように、成分光線４６０、４７０は、光学系３２０を通過する際に互いに平行であるが、イメージング・システム３００の光軸３８０に対してある角度にある。例証となる光線４００、４５０は両方とも、検出器システム３７０の像平面で重畳される。

この実施例では、光学系３２０（レンズ３３０、３４０を含む）を使用して、ウォラストン・プリズム３１０が第２のウォラストン・プリズム３５０上に結像される。この場合、この軸上の視野点に関してシヤーを打ち消すことができる。これは、実際には、ウォラストン・プリズム３１０、３５０の長手方向位置を調節することによって実現される。入射光線がイメージング・システム３００の光軸３８０に平行でない他の視野点の場合、シヤーはやはり最小限であるが、実際には、複屈折材料のウォークオフによって一部のシヤーが残留する。

この構成の利点は、したがって２要素構成であり、即ち、横シヤーが効率的に打ち消され、それに関連した視野に依存する光路長差も打ち消され、また正確にペアリングされたウォラストン・プリズムを生産する必要がない。２つのウォラストン・プリズムの分割角に差がある場合、一方のウォラストン・プリズムを他方のウォラストン・プリズム上に結像する光学系３２０の倍率を調整することによって、ウォラストン・プリズムの製作におけるこの不正確性を補償することができる。これは、実際には、２つのウォラストン・プリズムの長手方向位置を、即ちイメージング・システム３００の光軸３８０に沿った２つのウォラストン・プリズム間の距離を調節することによって、簡単に実現される。

この実施例では、図１に関連して上述したように、２つのウォラストン・プリズム３１０、３５０のうちどちらか一方の横方向への並進により、光路長差Δ_ＯＰＬが変化する。これは、一方のウォラストン・プリズムが他方の上に結像されるためであり、横方向に並進されるウォラストン・プリズムは、従来技術のイメージング・システムと比較したときに、「第２の」ウォラストン・プリズムであると考えられる。しかしながら、選択された「第２の」ウォラストン・プリズムのこの並進運動が、イメージング・システム３００の光軸３８０に対して垂直に生じた場合、並進運動によってある程度のシヤーが、またしたがって必然的に、ある程度の関連した視野に依存する光路長差が作り出される。したがって、有効なΔ_ＯＰＬと並進との関係は視野点毎に異なるので、ある程度のシヤーが再導入されることは校正に対して有害である。ウォラストン・プリズムをその仮想分割面に平行に並進させた場合、この問題は大幅に低減されるが、この場合、第１の近似における光線の再結合後、「第２」のウォラストン・プリズムの並進によってシヤーが何ら作り出されないためである。図４に示されるように、「第２」のウォラストン・プリズムの移動方向は、ウォラストン・プリズム３１０については矢印「Ｂ」によって、ウォラストン・プリズム３５０については矢印「Ｃ」によって示され、即ち、それぞれの仮想分割面に平行な方向である。仮想分割面については、図９に関連してより詳細に後述する。

本発明によるイメージング・システム５００の別の実施例が図５に示される。イメージング・システム５００は、イメージング・システム５００の光軸５５０上に配置された、偏光ビーム・スプリッタ５１０と、単一のウォラストン・プリズム５２０と、光学系５３０と、平面鏡５４０とを備える。それに加えて、カメラ又は他の好適な撮像装置であってもよい、イメージング検出器５６０が提供される。結像レンズ５７０は、偏光ビーム・スプリッタ５１０とイメージング検出器５６０との間にあって、図６〜８を参照してより詳細に後述するように、出力ビーム（図示なし）の焦点をイメージング検出器５６０上に合わせる。

ここで、配置は好ましくは、ｚが光軸である場合、又、紙面におけるその直交方向がｘである場合、第３の直交するｙは紙面に垂直なので、ビーム・スプリッタ５１０は好ましくは、反射後の光軸５８０が光軸５５０に垂直であってｘ軸及びｙ軸の両方から４５°に配向される。

図示されるように、平面鏡５４０により、ウォラストン・プリズム５２０をそれ自体の上に結像することが可能になる。光軸５５０に沿った平面鏡５４０の長手方向位置は、コリメートされた入射ビームもコリメートされた出射ビームとしてイメージング・システム５００を出ることを担保するように、奥行きを調節することができる。

平面鏡５４０が任意の好適な反射素子を備えてもよく、それを好適な光学系（例えば、１つ若しくは複数のレンズ）と組み合わせて、ウォラストン・プリズムをそれ自体の上に結像させることができることが、容易に認識されるであろう。例えば、反射素子は凹面鏡を含んでもよく、光学系はレンズの適切な組合せを含む。

偏光ビーム・スプリッタ５１０は、光軸５５０に対して４５°の角度で配向されるので、点線源から伝達された光線は予め定められた直線偏光でウォラストン・プリズム５２０に入り、この点において、偏光ビーム・スプリッタ５１０は図１の偏光子１２０及び図３の偏光子（図示なし）に取って代わる。予め定められた直線偏光は、ウォラストン・プリズム５２０の光軸に対して４５°、即ちｘ軸及びｙ軸の両方から４５°である。

この実施例では、ウォラストン・プリズム５２０は、イメージング・システム５００の光軸５００に対して矢印「Ｄ」で示される方向で、即ちその仮想分割面に平行な方向で並進される。

偏光ビーム・スプリッタ５１０はまた、図６〜８を参照してより詳細に後述するように、イメージング・システム５００を通してイメージング検出器５６０に向かって放射光を反射させて戻すのに役立つ。

偏光ビーム・スプリッタ５１０の代替として、非偏光ビーム・スプリッタが、図１に関連して上述したタイプの偏光子と組み合わせて使用されてもよい。イメージング・システム５００は、ウォラストン・プリズム５２０をそれ自体の上に有効に結像するので、必要な偏光子は１つのみである。上述のように、物体は無限遠にあると仮定される。

イメージング・システム５００の光軸５５０に沿ったミラーの長手方向位置は、コリメートされた入射ビームもコリメートされた出力ビームとしてイメージング・システムを出ることを担保するように調節されてもよい。

図６〜８は、イメージング・システム５００を通る３つの実例の光線の挙動を示す。図６には、軸上の物点からの光線６００が示される。光線６００は、偏光ビーム・スプリッタ５１０によってウォラストン・プリズム５２０に伝達され、そこで、僅かに拡がる２つの直交偏光成分光線６１０、６２０に分割される。光学系５３０は、ウォラストン・プリズム５２０がその焦点にあり、それによって成分光線６１０、６２０が平面鏡５４０上に垂直に入射し、同じ光路に沿って反射して戻る（反射光線はそれぞれ６１０’及び６２０’として示される）ようにして位置付けられる。ウォラストン・プリズム５２０では、２つの反射成分光線６１０’、６２０’が出力光線６００’として再結合され、それが次に、偏光ビーム・スプリッタ５１０で結像レンズ５７０へと反射されて、イメージング検出器５６０の焦点面上に結像される。この場合、光線６００はイメージング・システム５００の光軸５５０と位置合わせされるので、逸脱せずに結像レンズ５７０を通過する。

ここで、ウォラストン・プリズム５２０とその画像（「第２の」ウォラストン・プリズム）との間の距離は０まで低減され、したがって、視野に対する依存は非常に少ない。実際には、複屈折に誘発されてウォークオフを作り出すシヤーは完全には補償されず、残りのシヤーが誘発する、視野に依存する光路長差は残る。しかしながら、この光路長差は、図１に示される２つのウォラストン・プリズム１３０、１４０間の長手方向の分離によって誘発されるものよりも大幅に少ない。

１対１の倍率を有するイメージング構成を有することによって、一方向でウォラストン・プリズムによって生成される分割角は、他の方向の第２の経路によって完全に補償される。必要とされるウォラストン・プリズムは２つである代わりに１つのみであり、またペアリングが不要なため、製造中にウォラストン角度を非常に精密に制御する必要がないので、この経済的利点は二倍である。

図７では、図６に示されるのと同じ、但しイメージング・システム５００の光軸５５０に平行である物体からの光線７００が示される。光線７００は、偏光ビーム・スプリッタ５１０によってウォラストン・プリズム５２０に伝達され、そこで、僅かに拡がる２つの直交偏光成分光線７１０、７２０へと分割される。この場合、光学系５３０は成分光線７１０、７２０を屈折させ、それらを平面鏡５４０上へと方向付ける。やはり、反射された成分光線７１０’、７２０’は、光学系５３０によってウォラストン・プリズム５２０へと方向付け直され、そこで出力光線７００’として再結合される。上述のように、出力光線７００’は次に、イメージング検出器５６０の焦点面上に結像するため、偏光ビーム・スプリッタ５１０で結像レンズ５７０に反射される。

図８では、軸外の物体からの光線８００が示される。光線８００は、偏光ビーム・スプリッタ５１０によってウォラストン・プリズム５２０に伝達され、そこで、僅かに拡がる２つの直交偏光成分光線８１０、８２０へと分割される。この場合、光学系５３０は成分光線８１０、８２０を屈折させ、それらを平面鏡５４０上へと方向付ける。やはり、反射された成分光線８１０’、８２０’は、光学系５３０によってウォラストン・プリズム５２０へと方向付け直され、そこで出力光線８００’として再結合される。上述のように、出力光線８００’は次に、イメージング検出器５６０の焦点面上に結像するため、偏光ビーム・スプリッタ５１０で結像レンズ５７０に反射される。小さい視野角の場合、横シヤーは非常に小さく、視野依存の光路長差も非常に限定される。

図５に示されるイメージング・システムによって提供される１対１の倍率は、図１を参照して記載したような従来のイメージング・システムでは得られない追加の利点を提供する。従来のイメージング・システムでは、「第２の」ウォラストン・プリズムの並進は、ウォラストン・プリズムの入射面の法線に対して垂直な方向であり、上述したような入射面に垂直な入射角に対して、横変位ｈのみが決定される。

２つの直交偏光成分の再結合は、事実上、偏光放射光を２つの直交偏光成分へと分割する操作の反対の操作であることが容易に認識されるであろう。分割の間に、ウォラストン・プリズムの通常方向及び異常方向において等しい偏光成分強度を有する偏光ビームは、良く知られているように、２つの成分へと分割される。各成分は、異なる方向で、又、他方の成分の直線偏光に直交する直線偏光で、ウォラストン・プリズムから出現し、２つの成分は等しい強度を有する。再結合の間に、２つの直線の直交偏光成分は、同じウォラストン・プリズムによって（図５〜８を参照して上述したように）、又は第２のウォラストン・プリズムによって（図３及び４を参照して上述したように）逸脱させられて、関連するウォラストン・プリズムから出現した後にそれらを共線にする。この場合の再結合は、ウォラストン・プリズムを出る偏光放射光を共線にするか、相互に位置合わせするか、又は平行にすることを意味するものとする。再結合された偏光放射光は２つの直交偏光成分の２つの直交偏光状態を保持するので、再結合された偏光放射光を単一の偏光状態へと投射するため、少なくとも１つの偏光子が提供される。

上述したように、単一のウォラストン・プリズム（図５〜８）又は第２のウォラストン・プリズム（図３及び４）の、その仮想分割面に平行な方向での並進によって、再結合された偏光放射光の強度が変調される。変調された強度は、−Δ_{ＯＰＬＭＡＸ}から＋Δ_{ＯＰＬＭＡＸ}まで、又は０から±Δ_{ＯＰＬＭＡＸ}までの光路長差Δ_ＯＰＬに対応するようにサンプリングされる。

次に図９を参照して、ウォラストン・プリズムの仮想分割面について記載する。図９では、分割角θの入口面９１０及び出口面９２０を有するウォラストン・プリズム９００が示される。プリズム９００は、ウェッジ又は分割角θに関連する分割面９５０に沿って位置合わせされる、２つの複屈折材料９３０、９４０を含む。プリズムはまた、図示されるような光軸９６０を有する。入口面９１０に対する法線に沿ってプリズム９００に入る光線は、複屈折を受ける。光線９７０は一実例として図９に示される。第１の屈折は、ウォラストン・プリズム９００を構築する複屈折材料９３０、４０の光軸の直交する配向による、屈折率差によるものであり、第２の屈折は、ウォラストン・プリズム９００の出口面９２０における、第１の屈折の結果としての垂直外入射によるものである。

図９に示されるように、光線９７０の第１の屈折は、直交偏光を有する２つの成分光線９７０ａ、９７０ｂを生成し、成分光線９７０ａ、９７０ｂは図示されるように僅かに拡がる。第２の屈折は、２つの拡がる成分光線９７０ａ、９７０ｂが、成分光線９７０ａ’、９７０ｂ’によって示されるように、プリズム９００の出口面を出ていくときに生じる。屈折した成分光線９７０ａ’、９７０ｂ’は、図９に示されるように、仮想分割面９８０上の地点９８０ａで出現するように見える。図示されるように、仮想分割面９８０の角度は、ウォラストン・プリズム９００の物理的なウェッジ又は分割角θに対応しない。１対１の横倍率のイメージング・システムでは、縦倍率も１である。その結果、仮想分割面９８０を変形なしでそれ自体の上に結像させることができる。プリズム９００をその仮想分割面に沿った方向で並進させることにより、プリズム９００が図５〜８に示されるような矢印「Ｄ」の方向で並進させられるので、入口面９１０に垂直に入射する元の光線９７０から派生した２つの成分光線９７０ａ、９７０ｂが、偏光成分光線間にシヤーを有さないことが担保される。この場合、光路長差Δ_ＯＰＬは次式のように表すことができる。
Δ_ＯＰＬ＝４ｂｈｔａｎθ

並進の間にシヤーが作り出されないので、ウォラストン・プリズムの並進に対する光路長差Δ_ＯＰＬの依存度は全ての視野点で同じである。

同様に、反射された成分光線９９０ａ’、９９０ｂ’に関して、これらの光線が出口面９２０に入る際に、即ち出口面９２０と、２つの複屈折材料９３０、９４０の間の境界面９５０とにおいて、２つの屈折がある。上述したように、２つの成分光線９９０ａ、９９０ｂはウォラストン・プリズム９００で再結合されて、反射された出力光線９９０を形成する。ここで、反射された成分光線９９０ａ’、９９０ｂ’は、境界面９５０で収束する前に仮想分割面９８０上の地点９８０ｂで収束するように見える。

次に図１０を参照すると、入口面１０１０及び出口面１０２０を有するプリズム１０００が示される。プリズム１０００は２つの複屈折材料１０３０、１０４０を有し、２つの複屈折材料１０３０、１０４０の間には境界面１０５０を備える。プリズム１０００は、イメージング・システム（図示なし）の光軸１０６０上で示される。入口面１０１０に入射する実例の光線１０７０は、境界面１０５０における屈折によって間に角度θ_１を有する、成分光線１０７０ａ、１０７０ｂに分割される。出口面１０２０で屈折した後、屈折した成分光線１０７０ａ’、１０７０ｂ’は、仮想分割面１０８０上の地点１０８０ａから角度θ_２で光学系１０９０に向かって拡がるように見える。仮想分割面の角度の方程式は、次式のように定義することができる。

式中、ｚは、イメージング・システムの光軸に沿った縦座標、ｘは、ｚに垂直な図１０の面内の横座標である。図１０にはまた、プリズム１０００の厚さＬ、及び光学系１０９０の焦点距離ｆも示される。光学系１０９０は、その焦点が仮想分割面１０８０上の地点１０８０ａと位置合わせされるようにして、ウォラストン・プリズム１０００と位置合わせされる。

具体的な実施例に関連して本発明について記載してきたが、他の実施例も可能であることが認識されるであろう。

Claims (15)

1. ハイパースペクトル・イメージングを行う方法であって、
   ａ）第１の位置にある第１のウォラストン・プリズム（３１０；５２０）で偏光放射光（４００、４５０；６００；７００；８００）を受け取るステップと、
   ｂ）前記第１のウォラストン・プリズム（３１０；５２０）を使用して、前記偏光放射光（４００、４５０；６００；７００；８００）を２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）に分解するステップと、
   ｃ）リレー光学系を使用して前記２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）を第２の位置へと方向付けるステップであって、前記第１の位置にある前記第１のウォラストン・プリズム（３１０；５２０）が前記第２の位置で結像される、ステップと、
   ｄ）前記２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）を前記第２の位置において再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）へと再結合するステップと、
   ｅ）少なくとも１つの偏光子を使用して、前記再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）を単一の偏光状態へと投射するステップと、
   ｆ）前記再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）を結像面（３７０；５６０）で干渉するように変調するステップと
   を含む方法において、
   ステップｆ）が、前記第１のウォラストン・プリズム（３１０；５２０）をその仮想分割面に平行な方向に並進させることにより、前記再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）を変調することを含むことを特徴とする方法。
2. ステップｃ）が、前記第１のウォラストン・プリズム（５２０）の前記仮想分割面をそれ自体の上に結像することを含む、請求項１に記載の方法。
3. ステップｄ）が、前記第１のウォラストン・プリズム（５２０）を使用することにより、前記２つの直交偏光成分（６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）を再結合することを含む、請求項２に記載の方法。
4. ステップｃ）が、前記第１のウォラストン・プリズム（３１０）を前記第２の位置にある第２のウォラストン・プリズム（３５０）上に結像することを含み、前記仮想分割面は前記第２のウォラストン・プリズム（３５０）で反転される、請求項１に記載の方法。
5. ステップｄ）が、前記第２のウォラストン・プリズム（３５０）を使用することにより、前記２つの直交偏光成分（４１０、４２０）を再結合することを含む、請求項４に記載の方法。
6. ステップｆ）が、前記第１及び第２のウォラストン・プリズム（３１０、３５０）の一方を、そのそれぞれの仮想分割面に平行な方向に並進させることにより、前記偏光放射光を変調することを含む、請求項４又は５に記載の方法。
7. ハイパースペクトル・イメージングを行うためのハイパースペクトル・イメージング・システム（３００；５００）であって、
   偏光放射光（４００、４５０；６００；７００；８００）を２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）に分解するための、第１の位置にある第１のウォラストン・プリズム（３１０、３５０；５２０）と、
   前記２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）を第２の位置へと方向付け、前記第１のウォラストン・プリズム（３１０）を前記第２の位置で結像するための光学系（３２０、３３０、３４０；５３０、５４０）と、
   前記２つの直交偏光成分（４１０、４２０；６１０、６２０；７１０、７２０；８１０、８２０）を前記第２の位置において再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）へと再結合する、少なくとも１つの偏光子（５１０）を含む再結合手段（３５０；５２０）と、
   結像面を有するイメージング検出器（３７０；５６０）と、
   前記再結合偏光放射光（４８０；６００’；７００’；８００’）の焦点を前記イメージング検出器（３７０；５６０）の前記結像面上に合わせる結像レンズ（３６０；５７０）と
   を有するハイパースペクトル・イメージング・システムにおいて、
   少なくとも前記第１のウォラストン・プリズム（３１０；５２０）をその仮想分割面に平行な方向に並進させる並進手段を更に有することを特徴とする、ハイパースペクトル・イメージング・システム（３００；５００）。
8. 前記第１及び第２の位置の間の距離がゼロであり、前記光学系（５３０）は、少なくとも１つのレンズ（５３０）と、前記第１のウォラストン・プリズム（５２０）がそれ自体の上に結像されるように前記光学系（５３０）を通して放射光を反射させて戻す反射素子（５４０）とを含む、請求項７に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
9. 前記反射素子（５４０）が平面鏡を含む、請求項８に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
10. 入射放射光を前記第１のウォラストン・プリズム（５２０）に伝達するため、及び放射光を前記イメージング検出器（５６０）に向けて反射させるためのビーム・スプリッタ（５１０）を更に有する、請求項８又は９に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
11. 前記ビーム・スプリッタ（５１０）が偏光ビーム・スプリッタである、請求項１０に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
12. 前記入射放射光（６００；７００；８００）を偏光するための、前記ビーム・スプリッタ（５１０）に関連付けられた少なくとも１つの偏光子を更に有する、請求項１０に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
13. 前記光学系（３２０、３３０、３４０）と前記イメージング検出器（３７０）との間の前記第２の位置にある第２のウォラストン・プリズム（３５０）を更に有し、前記光学系（３２０、３３０、３４０）は前記第１のウォラストン・プリズム（３１０）を前記第２のウォラストン・プリズム（３５０）上に結像する、請求項７に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
14. 前記並進手段が前記第１及び第２のウォラストン・プリズム（３１０、３５０）の一方と関連付けられている、請求項１３に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。
15. 前記第１及び第２のウォラストン・プリズム（３１０、３５０）のそれぞれに関連付けられた第１及び第２の偏光子を更に有する、請求項１３又は１４に記載のハイパースペクトル・イメージング・システム。