JP6386614B2 - フルフレームのプログラム可能なハイパースペクトルイメージャ - Google Patents

Description

連邦の権利に関する陳述
米国政府は、ロスアラモス国立研究所の動作のために、米国エネルギー省とロスアラモス国立セキュリティ、ＬＬＣとの間での契約Ｎｏ．ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６に従った本発明の権利を有する。

優先権主張
本出願は、表題「フルフレームのプログラム可能なハイパースペクトルイメージャ」の２０１１年９月３０日に提出された米国仮特許出願第６１／５４１７８９号の優先権を主張し、この参照により、本明細書中にその全体が組み込まれる。

本発明は、概ね、分光及び空間的なイメージに関し、より具体的には、プログラム可能なマルチバンドスペクトルフィルタリング及び各画素が高分解能スペクトルを含むハイパースペクトルイメージングに関する。

スペクトルイメージング、特に、各画素が高分解能スペクトルを含むハイパースペクトルイメージングは、増殖検出から環境モニタリング、惑星科学及び医用画像までの用途範囲において、遠隔検出、化学種の同定及び定量化のために貴重であることが証明された。各画素のスペクトル成分は、典型的には、研究されたスペクトル領域のスペクトルシグネチャを有する様々な化学物質又は関心のある物質の存在について分析される。現在実装されているように、ハイパースペクトルイメージングは、本質的に低速であり、通常、単一の画像を取得するために数秒を必要とする。これよりも速いタイムスケールで発生するモニター現象は、スペクトルの特異性を犠牲にすること（すなわち、高速カメラの前で単純なバンドパスフィルタのスペクトル成分を低減すること）又は空間的な情報を犠牲にすることのいずれかを必要とし、単にポイント（又はせいぜいライン）で分光計を向けることが必要とする。これらのオプションのどちらも、様々な理由で満足のいくものではない。

一つの既存のプログラム可能なＨＳＩシステムが、ＳＰＩＥ誌、Ｖｏｌ．７２１０、７２１００７（２００９年）のＳｔｅａｖｅｎ Ｐ．Ｌｏｖｅによる「プログラム可能な整合フィルタ及びマイクロミラーアレイに基づくアダマール変換ハイパースペクトルイメージャ」に記載されており、その開示の全体及びその文献の教示が、この参照により、本明細書中に具体的に組み込まれる。残念ながら、Ｌｏｖｅのプログラム可能なＨＳＩは、ＭＭＡにわたってスペクトルパターンをスキャンするか、所望のスペクトル処理を有する完全な二次元空間画像を生成するために機器の照準の方向をスキャンする必要がある。このように、プログラム可能なスペクトルフィルタの開発は、ほぼすべての画像分光設計の特徴である分光及び空間の方向の相関関係によって絶望的な状況である。従って、改良されたフルフレームハイパースペクトルイメージ装置及び／又はシステムが必要とされている。以下に詳細に説明したように、本発明の実施形態は、スペクトルデータが適切に空間的データに関連付けられるスペクトル／空間的情報を生じるために外部の押しほうきスキャン又はマイクロミラーアレイ上のイメージのスキャンのいずれかが必要なしにフルフレームハイパースペクトルイメージを得るための装置を提供することによって従来技術の欠点および限界を克服する。

本発明の好ましい実施形態は、入射光を受光すると共に、イメージ面を有する第１の予め決められた位置で実質的に空間的に不変の入射角度を画定する空間的に不変の光伝播を含むイメージを生じる、最初の光学サブシステムと、実質的に空間的に不変の入射角度でのイメージを受信すると共に波長分散された光を生成するために予め決められた位置に配置される分散要素と、波長分散された光を受光すると共に、スペクトル面の少なくとも一つの次元において実質的に予め決められた波長の全ての光がスペクトル面内の実質的に同じ位置に向くように第２の予め決められた位置で空間的に分散されたスペクトルを生成する、第２の光学サブシステムと、を含むことができる。好ましい装置は、さらに、第２の予め決められた位置に配置されると共に、分散要素に光学的に結合された選択要素を含むことができ、選択要素は、スペクトル的に修正された光を生成するためにスペクトル面の一つ以上の位置で光の振幅をプログラム可能に変調するように構成されており、好ましい装置は、さらに、選択要素からスペクトル的に修正された光を受光する検出器を含むことができる。後述するように、好ましくは、スペクトル的に修正された光は、スペクトル成分が一つ以上のスペクトル帯域における選択要素によって修正される入射光のイメージ画像を含み、さらに好ましくは、そのようなスペクトルの修正は、イメージ画像の実質的に全ての位置において実質的に同一である。

本発明の実施形態の有益性及び利点は、全体の二次元イメージ上で波長がずれないで、完全な空間フレームマイクロミラーアレイに基づくスペクトル処理を実行するための装置を提供するが、これに限定されず、スペクトルイメージは、スキャンされないで、利用される検出器のみによって限定された速度で実行されることができる。現在のハイパースペクトルイメージデバイスに比べて、本発明の実施形態のための所与の領域の撮像時間は、数百の要因によって低減されることができる。

図１は、本発明の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図２は、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図３は、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図４Ａは、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図４Ｂは、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図５は、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図６は、本発明の別の好適な実施形態にかかるフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の概略図である。 図７は、本発明の好適な実施形態のフルフレームマルチバンドプログラム可能なスペクトルイメージ装置の一実装例の試作品の写真である。 図８は、図７に示された一例の装置でアダマール変換技術を使用して得られたハイパースペクトルイメージキューブからの、全色性のイメージ及び、白熱ランプ、低圧ナトリウムランプ、コンパクト蛍光ランプのスペクトルである。 図９は、図７の一例の装置を使用して得られた、白熱ランプ及びコンパクト蛍光ランプの一連のマルチバンドスペクトルフィルタイメージであり、一例の装置が、他のランプが抑えながらある種のランプが強調されるように、いかにスペクトル帯域を選択することができるかを示す。

本発明の好ましい実施形態及びその変形の以下の説明は、図面及び一つ以上の図示の例示の構成及び／又は実装形態を参照して行われる。当業者は、以下の説明は、例示目的のためだけであり、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって専ら定義されることを認識されるであろう。

好適な装置
図１乃至図６を参照して以下に詳細に説明されるように、好適な実施形態の装置は、入射光を受光すると共に、イメージ面を有する第１の予め決められた位置で実質的に空間的に不変の入射角度を画定する空間的に不変の光伝播を含むイメージを生じる、最初の光学サブシステムと、実質的に空間的に不変の入射角度でのイメージを受信すると共に波長分散された光を生成するために予め決められた位置に配置される分散要素と、波長分散された光を受光すると共に、スペクトル面の少なくとも一つの次元において実質的に予め決められた波長の全ての光がスペクトル面内の実質的に同じ位置に向くように第２の予め決められた位置で空間的に分散されたスペクトルを生成する、第２の光学サブシステムと、を含むことができる。好適な実施形態の装置は、さらに、第２の予め決められた位置に配置されると共に、分散要素に光学的に結合された選択要素を含むことができ、選択要素は、スペクトル的に修正された光を生成するためにスペクトル面の一つ以上の位置で光の振幅をプログラム可能に変調するように構成されており、好適な実施形態の装置は、さらに、選択要素からスペクトル的に修正された光を受光する検出器を含むことができる。好ましくは、スペクトル的に修正された光は、スペクトル成分が一つ以上のスペクトル帯域における選択要素によって修正される入射光のイメージ画像を含み、さらに好ましくは、そのようなスペクトルの修正は、イメージ画像の実質的に全ての位置において実質的に同一である。

当業者は、好適な実施形態の装置及びその変形例が、例えば、ディスプレイ、ユーザインタフェース、画像処理ハードウェア／ファームウェア／ソフトウェア、及び／又はその適当な組み合わせを含む、一つ以上の画像処理及び／又は視覚化コンポーネントと結合できることを理解するであろう。そのようなあらゆる画像処理及び／又は視覚化コンポーネントの組み合わせは、好適な実施形態の装置に対して、一体に又は分配することができる。好適な実施形態の他の変形例では、好適な実施形態の装置がリモートセンシングアップリケショーン及び／又は偵察航空機、無人機、衛星などのオンボードリモートセンシング車両に使用されることを可能にするように、一つ以上の通信モジュールが含まれることができる。

好適な実施形態の装置の態様は、全てのイメージ点から発する光が、分散次元において実質的に同じ入射角でスペクトル分散要素に当たるのを確実にするために使用される戦略に従って変化させることができる。好適な実施形態の第１の変形は、必要な方向に光を向けるように及び他の方向に伝搬する光線を拒絶するように、組み合わせて配置された、マイクロレンズアレイ、開口アレイ、マイクロルーバーアレイ及び毛管アレイなどの微視的なアレイを利用することができる。好適な実施形態の第２の変形は、従来の巨視的な光学系を利用し、従来の巨視的な光学系を利用し、分散要素の初期イメージに対する画像空間においてテレセントリックである構成で初期イメージ光学系及び入射ひとみに配置することにより、所望の状態を達成することができる。光学分野の当業者は、光学要素の複数の組み合わせ及び置換があり、微視的及び巨視的の双方が、装置の具体的に図示された好適実施形態において以下に記載された所望の光学条件を達成することができることを理解されるであろう。

図１に示されるように、第１の好適な装置１０において、最初のイメージ光学系１２からの光は、第１光学アッセンブリ１４でイメージを形成するために焦点に合わせられる。好ましくは、第１光学アッセンブリ１４は、薄い並列なスタック１４を含むことができ、
その表面は、好ましくは、光を吸収するために黒化され、そして、光がそれらの間を通過することができるように離間される。第１光学アッセンブリ１４は、マイクロルーバーアレイ２４を含むことができ、マイクロルーバーアレイ２４は、好ましくは、所望の方向に移動する光線だけを選択して送信すると共に他の全ての光線を吸収するように機能する。任意の光線の所望の方向は、スペクトル分散の面に横たわるその伝播ベクトルの構成要素がイメージ内の場所に関係なく全ての光線に対して同じであるように選択される。伝播ベクトルの直交成分は、この要素がその後のスペクトル分散に影響しないように、任意の値をとるために、マイクロルーバーアレイ２４によって許容される。従って、マイクロルーバーアレイ２４によって選択された光線は、好ましくは、そのスペクトル成分に光を分散する透過格子２６に当たる。図１に示されるように、集束光学系１６は、スペクトルに分散された光を収集し、明確に画定されたスペクトル平面における空間的に分散したスペクトルにその光を焦点に合わせる。マイクロルーバーアレイ２４の作用のために、各波長の光は、元のイメージに光が配向されるに関わらず、スペクトル平面内の単一の独特的に配置されたラインに焦点を当てられる。アドレス可能な空間光変調器１８、好適な装置１０のこの実装では、マイクロミラーアレイ１８は、このスペクトル平面に配置される。マイクロミラーアレイ１８は、好ましくは、任意の所望の波長帯域に向ける又は帯域をオンまたはオフに設定する、及び二次元イメージ全体を通じて同じ波長のためのそのようにするように機能する。図１に示されるように、最終のイメージ光学系２０は、好ましくは、マイクロミラーアレイ１８によって通過された波長帯域の光を収集し、これらの波長成分を再結合し、光を、検出器アレイ２２で最終のスペクトル的にフィルタリングされたイメージに焦点を合わせることができる。検出器アレイ２２は、被写体光特性及び条件に所望及び／又は最適なであるように、ＣＣＤアレイ又は任意の他の適当なアレイ又は光検出器を含むことができる。

図１に示された第１の好適な装置１０では、イメージは、マイクロルーバーアレイ２４の前方に位置し、最初の格子面は、ひとみでもイメージでもないが、マイクロルーバーアレイ２４の作用のために、両方のいくつかの特徴を有する。好ましくは、マイクロミラーアレイ１８は、空間的なイメージがマイクロミラーアレイ１８上にないが、各波長がこの平面でラインに集束され、全ての空間的なイメージポイントからの寄与が所定の波長に対して同じラインに一緒に来るように、空間的なイメージが関係している限り、ひとみに配置される。すなわち、各空間的なイメージは、マイクロミラーアレイ面でスペクトルとして分散され、これらのスペクトルは、全ての空間的ポイントに対して一致した波長で重なる。最終的なイメージ光学系２０は、好ましくは、後の格子光学系１４の作用を逆転し、検出器アレイ２０でスペクトル的に操作された白色光イメージを形成するために、各イメージポイントからの波長を再結合する。光学系１４、２０は、シンプルなレンズ、ミラー、多素子レンズ群、及び／又はそれらの適当な組み合わせにすることができる。上述のように、検出器アレイ２０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は光検出器の任意の他の適切なタイプを含むことができる。

第１の好適な装置１０の一変形例では、マイクロルーバーアレイ２４は、スペクトル分散次元及び直行次元の双方で非視準線を拒絶する黒化毛管アレイで置換されることができる。第１の好適な装置１０のこの変形例では、シーンのイメージは、透過格子２６に存在するが、透過格子２６に当たる光照射野は、毛細管から出てくる光線の平行な束から成るひとみ状である。全てのイメージポイントに対して同じ透過格子への入射角度に関し、回折角は波長の関数である。従って、透過格子２６の直後に配置されたレンズ又は他の光学素子１６は、元の空間位置に関わらず、スペクトルイメージ面における単一のラインに各波長をイメージする。次に、この面でのマイクロミラーアレイ１８は、好ましくは、その波長が通過され、拒絶されるのを選択し、すべての画像ポイントに対して同じ方法でそれを行う。

図２に示されるように、本発明の装置１０の第２の好適な実施形態は、同じ角度で透過格子３４に全ての入射光を導くためのマイクロレンズアレイ３０及び毛管アレイ３２を含む。第２の好適な装置１０は、さらに、その中にスペクトル情報を分析するための二つ以上の交差した偏光子３８の間に配置された液晶デバイス（ＬＣＤ）アレイ３６を含むことができる。少なくとも一つの最終光学素子４０は、好ましくは、波長を再結合し、検出器アレイ４２で処理された白色光イメージを形成し、その後、イメージは、さらに分析されて、上述のように信号処理装置を用いて表示される。第２の好適な装置１０の一変形例では、マイクロシャッタアレイ（図示せず）が、液晶デバイスアレイ３６及び偏光子３８の代わりに、又は液晶デバイスアレイ３６及び偏光子３８に加えて使用されることができる。図２に示されるように、第２の好適な装置１０は、透過格子３４を出る光を導く及び／又は集束するためのレンズ、ミラー、ミラーアレイなどの追加の光学素子４４を含むことができる。

図３に示されるように、装置の第３の好適な実施形態は、開口アレイ５２、マイクロレンズアレイ５４及び透過格子５６を含むことができる。好ましくは、開口アレイ５２及びマイクロレンズアレイ５４は、前述の好適な実施形態の毛管アレイ又はマイクロルーバーアレイ２４のように機能することができる。マイクロレンズアレイ５４は、好ましくは、マイクロレンズアレイ５４の前方のマイクロレンズの焦点距離に配置された整合開口アレイ５２に結合される。好ましくは、方向画定開口及び小型レンズは、最初のイメージ面での各画素の位置に配置されることができ、それによって、上述のように全てのイメージポイントに対して同じである必要な方向に出射する光を向ける。透過格子５６は、好ましくは、画素ごとに独立したマイクロ分光計の並列アレイを生じる。マイクロレンズアレイ５４は、可視材及びＩＲ材料の双方で任意の適当なタイプ又は構成にすることができる。実質的に任意の形状の適切な開口アレイ５２は、開口の空間がマイクロレンズの開口と好ましく整合されるフォトリソグラフィ、レーザパターニング、または膜蒸着のような任意の標準技術を用いて製造されることができる。開口アレイのマイクロ開口は、円形からスリット状に至るまで、様々な形状にすることができる。例えば、矩形アレイ状に配置されたマイクロレンズと結合されたスリット状の開口部の一次元アレイは、スペクトル分散次元でタイトな方向制御の望ましい組み合わせを提供すると共に、方向制御が必要とされない直交次元の方向制限の欠如を生じる高いスループットを提供する。

図３に示されるように、第３の好適な装置１０は、さらに、アドレス可能な空間光変調器のスペクトルセレクタ６０と、一つ以上の付加的な光学素子５８、６２と、検出器アレイ６４とを含むことができる。好ましくは、アドレス可能な空間光変調器のスペクトルセレクタは、本明細書の他の箇所に記載されるように、マイクロミラーアレイのマイクロミラーアレイまたはそれらの組み合わせを含むことができる。付加的な光学素子５８、６２は、例えば、所望の方向に光を向けるためのレンズ、ミラー、ミラーアレイなどの適当な組み合わせを含むことができる。上述のように、適当な検出器アレイ６４は、ＣＣＤ又は所望のスペクトル内に及び／又は所望の精度で光を検出するように構成された任意の他の代替的な光検出器を含むことができる。

図１、２、３を参照して説明した本発明の好ましい実施形態の各々は、一つ以上の微小光学アレイを含む。上述したように、微小光学アレイ機能は、部分的に光の全ての画像点に対する同じ入射角で到着すると、他の方向に伝搬する光を拒絶して、スペクトル分散素子を提示する。光学アレイを含む。上述したように、微小光学アレイは、光が全てのイメージポイントに対する同じ入射角で到着し、他の方向に伝搬する光を拒絶するスペクトル分散素子を提示するために部分的に機能する。また、この機能は、テレセントリック構成で装置の最初のイメージングセグメントの巨視的な光学素子を構成することによって、より従来の巨視的光学系を用いて達成することができ、好ましい実施形態は、図４Ａ、４Ｂ、５及び６を参照して説明する。

図４Ａ（平面図）及び図４Ｂ（側面図）に示されるように、本発明の別の好適なフルフレームのマルチバンドのプログラム可能なスペクトルイメージ装置１００は、透過回折格子などの分散素子１０６への所望のイメージ位置の独立した一定の入射角度を達成するための一つ以上のテレセントリック光学系を含むことができる。第４の好適実施形態は、光学系の入射瞳として機能するスリット状の開口部１０２を含むことができる。好ましくは、開口部１０２は、第１のイメージ光学系１０４の前の一つの焦点距離を置いて配置されることができ、その構成は、次のイメージがテレセントリックであることを保証する、すなわち、あらゆる視野点から発する主光線が互いに平行であることを保証する。スリット状の開口部１０２は、好ましくは、主光線の周りの狭い範囲の角度が、透過回折格子１０６にあたり、高スペクトル分解能を提供することを確実にする。好ましくは、直交する方向の広い範囲の角度は、好ましい装置１００内にできるだけ多くの光を認めるために許容されている。シーンは、好ましくは、分光的に光を分散させる分散素子１０６上にこのテレセントリックの様式で結像される。少なくとも一つの第２光学系１０８は、好ましくは、この分光的に分散された光を収集し、プログラム可能なアレイ１１０上にスペクトルの焦点を合わせる。プログラム可能なアレイは、例えば、上述のように交差偏光子の間にマイクロシャッタアレイ又はＬＣＤアレイを含むことができる。好ましくは、スリット状の入射瞳１０２のスペクトル的に分散されたイメージは、すべての視野位置からの光が波長毎に瞳孔のユニークな位置にスリット状の像に焦点を当てられて、プログラム可能なアレイ１１０上に集束される。前述の好適な実施形態で述べられたように、プログラム可能なアレイは、所望の波長を通過し、他の波長を遮断するのが好ましい。第４の好適な装置１００は、スペクトル的に処理された透過光を集光して、それを検出器アレイ１１４上のシーンの最終イメージに焦点を合わせる少なくとも一つの最終光学素子１１２を任意に含むことができる。それぞれの光学系１０４、１０８、１１２は、所望の方向に光を向けるために、例えば、レンズ、ミラー、ミラーアレイなどの適当な組み合わせを含むことができる。上述のように、検出器アレイ１１４は、例えばＣＣＤアレイ及び／又は光検出器の任意の他のタイプを含むことができる。

図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、第４の好適な装置１００の各ステージである、スリット１０２、第１光学系１０４、回折素子１０６、第２光学系１０８、プログラム可能なアレイ１１０、第３の光学系１１２及び検出器アレイ１１４は、要素が、それぞれの光学素子の焦点距離だけ離間された、実質的にテレセントリックな構成で配置されている。しかし、当業者は、好適装置１００の部分又はセグメントだけが実質的にテレセントリックな様式で配置される第４の好適装置１００の多くの適切な変形例があることを認識するであろう。例えば、回折素子１０６の第１ステージだけが実質的にテレセントリックであり、光路の残りの部分は、第４の好適な装置１００の配置及び／又は使用要件に対して適切な方法またはパッケージサブジェクトに配置されることができる。

図５に示されるように、フルフレームのマルチバンドのプログラム可能なスペクトルイメージ装置１００の別の好適な実施形態は、分散素子１２４への所望のイメージ位置の独立した一定の入射角度を達成するための一つ以上のテレセントリック光学系を含むことができる。また、第５の好適な装置１００は、プログラム可能なスペクトルセレクタ１２８としての斜めに傾斜したマイクロミラー（例えば、テキサス インストルメンツ ＤＬＰ（登録商標）アレイ）を有するマイクロミラーアレイを含むことができる。また、第５の好適な装置１００は、それらの唯一の選択可能な位置として斜めに傾いたマイクロミラーを有するマイクロミラー素子に固有の二次元格子状のスペクトル分散を補償するために二つの直交分散回折格子１３０、１３２を含むことができる。

第５の好適な装置１００は、分光分散素子１２４、この場合では透過型回折格子にシーンのテレセントリックイメージを配置し、第４の好適な装置のように第１光学系１２２の
前の約１焦点距離に配置された入射瞳としてスリット状の開口部１２０を使用する。分光分散素子１２４から出射するスペクトル的に分散された光は、好ましくは、少なくとも一つの第２の光学系１２６によって収集され、マイクロミラーアレイ１２８上に集束されて、スリット入射瞳のスペクトル的に分散したイメージを形成する。中心の光線、すなわち視野の中央から発する光線がマイクロミラーアレイ１２８に当たる際に各波長に対して平行になるように、この分散されたスリット像がマイクロミラーアレイ１２８上にテレセントリックであるように、第２光学系１２６は配置されるのが好ましい。マイクロミラーアレイ１２８は、好ましくは、マイクロミラーの傾斜角によって及びマイクロミラー格子の間隔によって決定された許容される回折次数によって画定された方向の選択された波長の光を反射して回折し、回折次数の二次元格子を生じる二次元ブレーズド回折格子として効果的に作用する。

スペクトル分散のない最終スペクトル的に処理された白色光画像を形成するために、種々の回折次数が再結合されるのが好ましく、それらのスペクトル分散は、第５の好ましい装置１００において逆になる。従って、第５の好ましい装置１００は、二つの反射回折格子１３０、１３２を含むことができ、その溝は、互いに略直交して配向されており、その溝間隔及びブレーズ角度は、実質的に、マイクロミラーアレイ１２８のそれぞれの二次元のものと一致する。好ましくは、第５の好適な装置１００は、再結合された分散回折次数を収集し、それらを検出器アレイ１３６の最終的な非分散イメージに焦点を合わせる少なくとも一つの最終の光学素子１３４を含むことができる。光学素子１２２、１２６、１３４は、例えば、所望の方向に光を向けるために、例えば、レンズ、ミラー、ミラーアレイなどの適当な組み合わせを含むことができる。上述のように、検出器アレイ１３６は、ＣＣＤアレイ及び／又は撮像される光の特定の特性のために構成された任意の他の適切な光検出器を含むことができる。

図６に示されるように、本発明の別の好適なフルフレームのマルチバンドのプログラム可能なスペクトルイメージ装置１００は、第２のスペクトル選択マイクロミラーアレイ１５８の回折特性に対して予め補償するために第１マイクロミラーアレイ１５０を含むことができる。図４及び図５を参照して説明された好適な実施形態のように、第６の好適な装置１００の光学素子は、テレセントリックな構成で配置することができる。好ましくは、入射瞳として機能するスリット状の開口部（図示せず）は、第２のマイクロミラーアレイ１５８への物理的レイアウトにおいて実質的に同一である第１のマイクロミラーアレイ１５０と実質的に同じ場所に配置されることができる。入射瞳及び第１のマイクロミラーアレイ１５０の同じ場所の配置は、第１のマイクロミラーアレイ１５０の“オン”のマイクロミラーのスリット状のパターンをプログラムすることによって、又は、“オン”の位置にそのすべてのミラーが回転されて第１のマイクロミラーアレイ１５０の直前に物理的スリット又は開口を配置することによってのいずれかによって達成されることができる。代替的に、第１のマイクロミラーアレイ１５０と同じグリッド間隔及びブレーズ角度の固定されたプログラム可能でない二次元回折（図示せず）は、第１のマイクロミラーアレイ１５０の代わりにこの位置に配置されることができる。

図６に示されるように、第１光学系１５２は、第１のマイクロミラーアレイ１５０を超えた約一つの焦点距離に配置されるのが好ましい。好ましくは、第１光学系１５２は、分散素子１５４、この例では透過格子のイメージを生じるために機能する。好ましくは、そのイメージは、テレセントリックであるが、プログラム可能な選択を行う第２のマイクロミラーアレイ１５８によって正確に反転されるようにして分光的に分散される。第１光学系１５２の焦点距離と実質的に同一である第２の光学系１５６は、分散素子１５４を超えた焦点長さに位置しているのが好ましい。第２光学系１５６は、好ましくは、分光的に分散された光を収集し、第２のマイクロミラーアレイ１５８上にスリット状の入射瞳の分光的に分散されたイメージを集束する。第２光学系１５６は、好ましくは、第２のマイクロ
ミラーアレイ１５８のスペクトルな分散が第１のマイクロミラーアレイ１５０のそれを反対にした後に、第２のマイクロミラーアレイ１５８を出る光が、それぞれの波長の中央光線が他の全ての波長の中央光線に対して実質的に平行な状態で実質的にテレセントリックであるように、第２のマイクロミラーアレイ１５８のスペクトルイメージで、各波長に対応する光線が到着するように配置される。前述の好適な実施形態のように、第１のマイクロミラーアレイ１５０のスペクトル分散にもかかわらず、全ての視野点からの光は、各波長に対するユニークな配置スリット像に結像される。第２のマイクロミラーアレイ１５８は、好ましくは、所望な波長を選択し、同時に第１マイクロミラーアレイ１５０のスペクトル分散効果を逆転させる。第６の好適な装置１００は、スペクトル的に選択された光を収集し、ＣＣＤアレイ又は他の適当な光検出器を含むことができる検出器アレイ１６２においてそれを非分散イメージに集束する。上述のように、光学系１５２、１５６、１６０は、例えば、所望の方向に光を向けるために、例えば、レンズ、ミラー、ミラーアレイなどの適当な組み合わせを含むことができる。

マイクロミラーアレイに基づくマルチバンドプログラム可能な分光イメージ装置の代替の実施形態は、それらのプログラム可能な配向の一つとして、マイクロミラーが二つの傾斜した配向よりもむしろアレイの平面において平らに配置されて設定されることができるマイクロミラーアレイを用いて実現することができる。マイクロミラーが平らな配向に設定されて、マイクロミラーアレイの領域は、回折格子よりもむしろ単純なミラーとして作用し、補償するためのスペクトル分散がなく、補償格子又は第２の補償マイクロミラーアレイのいずれかを必要としない。好適な装置１０、１００のこの代替的な実施形態では、平らなマイクロミラーは、「オン」状態を表しており、このマイクロミラーの位置が検出器に向かう光学縦列に下がる光を反射するようにそのアレイが配向される。傾斜したマイクロミラーの設定は、「オフ」状態を表しており、光は、光学縦列から転換されて検出器から離れる。この傾斜した設定は、回折及び関連するスペクトルの分散を生じるが、この設定によって反射された光を使用されないために帰結しないが、その代わりとして、吸収バッフルやビームダンプに向けられる。この代替的な実施形態は、簡単に補償格子またはマイクロミラーアレイを排除することを提供し、また、複数の回折次数のせいで損失が排除されるため、より大きな光のスループットを提供する。

好適な実施形態は、例示の目的のみのために選択された構成で配置された特定の光学構成要素を参照して説明した。しかしながら、好適な装置１０、１００の変形例は、最初の光学素子又は最初の複数の光学素子が、一つ以上のテレセントリックイメージレンズ；結像素子及びマイクロレンズアレイ；マイクロレンズアレイに光学的に結合された開口アレイ；結像素子及び毛管アレイ；及び／又は結像素子及びマイクロルーバーアレイである、構成を含むことができる。好適な装置１０、１００の付加的な変形例は、分散素子又は複数の分散素子が、一つ以上の反射回折格子、透過格子、回折分散、干渉分散機、又は屈折分散機である、構成を含むことができる。好適な装置１０、１００の付加的な変形例は、選択的な要素又は複数の選択的な要素は、一つ以上のマイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイである、構成を含むことができる。従って、実質的にテレセントリックな構成を含む無数の幾何学的構成で配置することができる上記光学部品の無数の順列が存在する。従って、前述の好ましい実施形態は例示されていることが理解され、添付の特許請求の範囲内に入る本発明の実質的に複数の実施形態が存在することを理解されるであろう。

実施形態の例
図７は、図６を参照して上述された好適な実施形態のフルフレームのマルチバンドのプログラム可能な分光イメージ装置の二重のマイクロミラーアレイの実施例の試作品の写真である。

図８は、図７に示された装置を使用して得られたテストシーンの完全なスペクトルハイパースペクトルイメージからのデータを示し、スペクトル選択マイクロミラーアレイは、アダマール変換技術の１２７バンドで４００ｎｍ乃至７４０ｎｍの実装を実行するようにプログラムされている。図８の左側にはハイパースペクトルデータキューブのすべての１２７のスペクトルバンドを合計することによって生成されるテストシーンのパンクロマティック画像である。テストシーンは３つの光源である、上部にある標準ブロード白熱灯、中央にある単一ラインの離散スペクトル低圧ナトリウムランプ、及び、下部にあるマルチライン離散スペクトルコンパクト蛍光ランプ（ＣＦＬ）から構成されています。これらの生の放射分析キャリブレーションされていない形で示されているイメージの右側の表示されたスペクトルは、シーン内の各光源のハイパースペクトル画像を代表する小領域から平均する画素を通じて得られた。上部に示された白熱のスペクトルは、類似の黒体スペクトルの予期した広域スペクトル特性を示すが、ＣＣＤ検出器アレイ及び二つのマイクロミラーアレイの両方のスペクトル応答関数から生じる付加的なスペクトル構造を有する。第２のスペクトルは、ナトリウム蒸気ランプの強い単一ラインスペクトルを示す。最終的なスペクトルは、ほとんどの蛍光灯に共通の水銀蒸気放出ラインによって支配された電球型蛍光灯の離散スペクトルを示す。

図９は、例示的な装置のプログラム可能なマルチバンドスペクトルフィルタリング能力が、いかにして、それらのスペクトル特性に基づいて互いに標的のいずれかのタイプを区別するために及びリアルタイム表示された画像内の特定のターゲットタイプをハイライト表示するために使用されることができるかを示す。

三つの全てのイメージにおいて、テストシーンは、二つの電球である、左側にある標準広域白熱灯と、右側にあるマルチライン離散スペクトルコンパクト蛍光ランプ（ＣＦＬ）と、を含む。例示の装置で得られたＣＦＬのスペクトルは、図８に示される。両方のランプは、全ての三つの画像の最大輝度で点灯しており、三つの画像で見られる明るさの違いは、電球自体の変化ではなく、プログラム可能なスペクトルフィルタの作用に起因する。

第１の画像（ａ）では、スペクトル選択マイクロミラーアレイは、ＣＦＬスペクトルの最も明るいスペクトル線に対応する三つの狭波長域を通過させるようにプログラムされていた。その光のほとんどは、これらのスペクトル帯域で放射されているため、ＣＦＬはこの画像で明るく見えるが、その連続スペクトルが同様にそれらのスペクトル帯でかなりのエネルギーが含まれているため、白熱灯もまた、比較的明るく見える。第２の画像（ｂ）では、第二の画像（b）において、マイクロミラーアレイは、 ＣＦＬの主発光線の間に暗い領域内に位置する三つの狭波長スペクトル帯域を通過させるようにプログラムされていた。ほぼすべての離散スペクトル光がプログラム可能なフィルタによってブロックされているため、ＣＦＬは、この画像において暗く見える。しかしながら、その連続的なスペクトルの発光がスペクトル帯域のこの第２セットの同等のエネルギーを含んでいるため、白熱電球は、最初の画像と同じ明るさに見える。ＣＦＬの光は、両方のランプが点灯しているにもかかわらず白熱電球の反射がＣＦＬの表面上に見ることができる、プログラム可能なフィルタによって、非常に効果的に抑制されたことは注目に値する。第三の画像（ｃ）は、最初の二つの画像間の違いを示す。白熱ランプが例示的な装置の総合の応答性について正規化され、両方の画像において同じ集積エネルギーを含むように、最初の二つの画像内のスペクトル帯域幅が選択された。第３の差の画像では、白熱電球の明るさはバルブがオンであるにもかかわらず、ほぼゼロであるように見える。この場合には、白熱電球は、その表面からＣＦＬの反射を見ることができることが非常に効果的に抑制される。この第三の画像は、背景が白熱灯スペクトルであり、ターゲットがＣＦＬスペクトルである背景抑制整合フィルタ画像として考えることができる。同様のプロセスは、スペクトル的に複雑な背景に対して見た、化学気相のプルームからなるシーン内の特定の化学気を強調するために、一例として、赤外領域で使用されることができる。

以上詳述したように、一般に、以下の特許請求の範囲に記載の原理は、マイクロレンズアレイ、マイクロルーバーアレイ及び／又は毛管アレイなどの微細加工された二次元のマイクロアレイの光学素子を組み込むことによって及び／又は分散素子へのイメージ位置の独立した一定の入射角度を形成するためのテレセントリック光学系を用いることによって、達成されることができる。本明細書で述べたように、所望の画像の生成は、マイクロミラーアレイ／複数のマイクロミラーアレイ、又は、他のアドレス可能な空間光変調装置／複数の空間光変調装置、によって選択された波長が、画像全体にわたって同じになるのを許容する。このようなフルフレーム機能に関し、選択されたスペクトルバンドはプログラムすることができ、それによりバックグラウンド抑制マッチドフィルタは、ミリ秒の時間スケールで、画像全体にわたってプログラムされると共に再プログラムされることができ、それによって、バックグラウンド抑制整合フィルタがリアルタイムのビデオレートで実施されるのを許容する。

好適な装置１０、１００のアプリケーションは、（伝統的なハイパースペクトル画像装置上の２乃至３桁減少された所定の領域を走査するために必要な時間で）軍事／諜報目標のための迅速な広帯域検索や、リアルタイム医療画像処理、迅速な過渡のスペクトル監視、車両や個人のスペクトルに基づいた追跡、及び、（適切な超高速検出器と組み合わせた場合における）ナノ秒時間スケールでの超高速分光画像処理の範囲にわたる。他のアプリケーションでは、好適な装置１０、１００は、任意の予め決められた化学物質、固体、液体、気体、物質、またはそれらの混合物のための、任意の予め決められた生物学的組織または医学的異常のための、任意の予め決められた鉱物の種類のための、及び、任意の法医学の署名のための、ペクトル整合フィルタとして使用されることができる。一例として、好適な装置１０、１００は、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素、オゾン、またはエネルギー生産、産業、製造及び／又は輸送の他の任意の化学製品または副産物などの既知の分光特性を有する化学物質の特定のタイプのリモートセンサーとして配備されることができる。

本発明の前述の説明を通して、用語「光」は、紫外、可視、および赤外の波長を含む任意の波長の電磁放射線を意味することが理解されるべきであり、その発明は、特定の波長の範囲に限定されるものではないことが理解されるべきである。

本発明の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されており、開示された正確な形態に本発明を網羅的にする又は限定するものではなく、明らかに多くの修正及び変形が上記の教示に照らして可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用を説明するために選択され説明され、それによって、他の当業者は、意図する特定の用途に適するように、様々な実施形態及び様々な変形例を最良に利用することができる。なお、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されることが意図される。

Claims (28)

1. イメージシステムであって、
   入射光を受光すると共に、二次元イメージ面からなる第１の予め決められた位置で実質的に空間的に不変の入射角度を画定する空間的に不変の光伝播を備える二次元イメージを生成する最初の光学サブシステムと、
   空間的に不変の入射角度で二次元イメージを受け入れるため及び波長分散された光を生成するために、第１の予め決められた位置に配置された分散素子と、
   波長分散された光を受け入れる第２の光学サブシステムであって、予め決められた波長の光が分光面の少なくとも一つの次元においてその分光面内で実質的に同一の位置に向くように第２の予め決められた位置で空間的に分散されたスペクトルを生成する、第２の光学サブシステムと、
   第２の予め決められた位置に配置されると共に分散素子に光学的に結合された選択素子であって、スペクトル的に修正された光を生成するためにスペクトル平面における一つ以上の位置で光の振幅をプログラム可能に変調するように構成され、二次元イメージの全体を同時に処理する、選択素子と、
   選択素子からスペクトル的に修正された光を受け入れる検出器アレイと、を備え、
   スペクトル的に修正された光は、入射光の二次元イメージ表現からなり、スペクトルコンテンツは、一つ以上のスペクトル帯域における選択素子によって修正され、そのようなスペクトルの修正は、二次元イメージ表現の実質的にすべての位置に対して実質的に同一であり、二次元イメージ表現の全体が前記検出器アレイにより一度に収集される、イメージシステム。
2. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   検出器アレイに結合されると共に、入射光の二次元イメージ表現の少なくとも一部を表示するように構成されたディスプレイを更に備える、イメージシステム。
3. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   最初の光学サブシステムは、テレセントリック結像レンズからなる、イメージシステム。
4. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   最初の光学サブシステムは、結像素子及びマイクロレンズアレイからなる、イメージシステム。
5. 請求項４記載のイメージシステムにおいて、
   マイクロレンズアレイに光学的に結合された開口アレイを更に備える、イメージシステム。
6. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   最初の光学サブシステムは、結像素子及び毛管アレイからなる、イメージシステム。
7. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   最初の光学サブシステムは、結像素子及びマイクロルーバーアレイからなる、イメージシステム。
8. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
   分散素子は、屈折格子、透過格子、回折分散器、干渉分散器、又は、屈折分散器のいずれかからなる、イメージシステム。
9. 請求項３記載のイメージシステムにおいて、
   分散素子は、屈折格子、透過格子、回折分散器、干渉分散器、又は、屈折分散器のいずれかからなる、イメージシステム。
10. 請求項４記載のイメージシステムにおいて、
    分散素子は、屈折格子、透過格子、回折分散器、干渉分散器、又は、屈折分散器のいずれかからなる、イメージシステム。
11. 請求項６記載のイメージシステムにおいて、
    分散素子は、屈折格子、透過格子、回折分散器、干渉分散器、又は、屈折分散器のいずれかからなる、イメージシステム。
12. 請求項７記載のイメージシステムにおいて、
    分散素子は、屈折格子、透過格子、回折分散器、干渉分散器、又は、屈折分散器のいずれかからなる、イメージシステム。
13. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
14. 請求項９記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
15. 請求項１０記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
16. 請求項１１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
17. 請求項１２記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
18. 請求項１３記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、マイクロシャッタアレイ、ＬＣＤアレイ、マイクロミラーアレイ、マスク又はスリットアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
19. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    最初の光学サブシステムと入射光源との間に配置された入射瞳を更に備える、イメージシステム。
20. 請求項１９記載のイメージシステムにおいて、
    入射瞳は、スリット状の入射瞳、物理的スリット状の入射瞳と結合されたマイクロミラーアレイ、又は、スリット状の入射瞳を擬態するようにプログラムされたマイクロミラーアレイのいずれかからなる、イメージシステム。
21. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、プログラム可能なマイクロミラーアレイからなり、
    イメージシステムは、最初の光学サブシステムと入射光源との間に配置された第２のプ
    ログラム可能なマイクロミラーアレイを更に備える、イメージシステム。
22. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    検出器アレイに結合されると共に、入射光のマルチスペクトルイメージ表現にハイパースペクトル画像処理を行うように構成されたコントローラを更に備える、イメージシステム。
23. 請求項２２記載のイメージシステムにおいて、
    コントローラは、検出器アレイと一体化されている、イメージシステム。
24. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、アダマール変換技術によってハイパースペクトル画像処理を行うようにプログラム可能である、イメージシステム。
25. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、予め決められた化学物質、固体、液体、気体、物質、またはそれらの混合物のためのスペクトル整合フィルタとしてプログラム可能である、イメージシステム。
26. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、予め決められた生物学的組織または医学的異常のためのスペクトル整合フィルタとしてプログラム可能である、イメージシステム。
27. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、予め決められた鉱物の種類のためのスペクトル整合フィルタとしてプログラム可能である、イメージシステム。
28. 請求項１記載のイメージシステムにおいて、
    選択素子は、法医学署名のためのスペクトル整合フィルタとしてプログラム可能である、イメージシステム。

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