JP6909385B2 - ハイブリッド像瞳光学リフォーマッター - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１５年１月２１日に出願された米国仮出願第６２／１０５，９２８号による優先権を主張するものであり、該仮出願の内容は参照により本明細書に援用される。

本発明は光学リフォーマッターの分野に関し、より詳細には、例えば光学分光器のスペクトル分解能を改善すること等によって光学系の性能を高めるための、改良されたリフォーマッター装置および方法に関する。

光学リフォーマッターは、入射する像や光ビームを受け取り、光学分光器、検出器、もしくは検出器アレイのような光学系を用いた測定に、または光を加工する系を用いたさらなる加工により適したものとなるよう再構成された射出像や射出光ビームを作り出す目的で使用されることが多い。具体的に言えば、光学リフォーマッターは、光源、例えば光ファイバー、光ファイバーの束、望遠鏡、イメージリレー、または入射スリットのようなフィジカルアパーチャ等から射出されて光学分光器に至る光を、調整して再構成する上で有用である。

背景技術について述べると、従来の光学分光器は小さな入射アパーチャを有し、これは典型的にはスリットである。該入射アパーチャは、円形のピンホール、光ファイバー、またはその他の入射手段であってもよい。しかしながら、本明細書では、以後、簡略化のために入射アパーチャをスリットと呼ぶこととする。入射光は、このスリットに向けて投射される集束光または発散光であってもよく、光の一部がスリットを通過するように配置された、他の何らかの光源であってもよい。一般的な光学分光器において、スリットを通過する光は光をコリメート（平行化）して実質的に平行な光線ビームを形成するレンズまたはミラー上へ投射される。一般的な光学分光器において、プリズム、透過回折格子、または反射回折格子等の分散素子は、前記コリメートビームをそれぞれの光の波長によって異なる角度で曲げることで、スペクトル分散した光のビームを形成する。一般に、カメラレンズやミラーは、これらのスペクトル分散されたビームを、最終焦点面上に配置されたアレイ検出器上の焦点に集束させるが、そのようなアレイ検出器としてはＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）検出器あるいは別の何らかのシングルエレメント検出器またはマルチエレメント検出器等が挙げられ、該検出器によって焦点スペクトルを測定し、様々な波長の光の強度を記録することができる。

一般的な光学分光器においては、コリメーターレンズ（またはミラー）とカメラレンズ（またはミラー）とがイメージリレーとして機能し、スリットを通過した光を、光の波長に応じて横方向にずらされた複数の像として、ＣＣＤ検出器等の検出器上に結像させる。光学分光器の分解能、すなわち、吸収線や輝線等の狭スペクトル特性を検出し、測定する能力に関する量的記載は、該分光器の様々な特性に依存しうる。このような特性としては、例えば、プリズム、透過回折格子、反射回折格子等の分散素子；コリメーターレンズ（またはミラー）およびカメラレンズ（またはミラー）の焦点距離；ならびに分散軸に沿ったスリット幅が含まれうる。特定の分散素子およびカメラレンズを用いる場合、入射スリットの幅を狭めることによって分光器の分解能を上げることができる。スリット幅を狭めることで、スリットを通過して検出器上に結像する１つ１つの像の範囲が（光の波長に応じて）狭められるため、隣接するスペクトル成分の識別が容易になる。

入射スリットの幅を狭めると、スリットを通過する光量が少なくなり、信号対雑音比の低下により、いかなる測定であっても、その質が低下しうる。天体分光法、高速生物医学分光法、高分解能分光法、またはラマン分光法のようないくつかの応用例では、この効率喪失が光学分光器の性能制限要因となりうる。光の強度または光束密度を実質的に維持しつつ、入射ビームの像を分散軸に沿って（すなわち、水平方向に）圧縮することによってスリットを通過できる光量を増加させる装置は、たとえ分散軸に沿ったスポット像の圧縮が、直交する軸に沿った（すなわち、垂直方向の）拡大と引き換えに行われたとしても、光学分光法の分野において有利であろう。

当業者であれば、本明細書全体を通じて使用されている「水平」、「垂直」、および「上記」や「下記」のようなその他同様の用語は、本発明の様々な実施形態を説明するために使用されるものであって本発明の限定を意図するものではないことを理解するであろう。

当業者であれば、「構成要素」という用語が、通常、レンズやミラー等の特定の部材を指して使用され、一方で「素子」という用語が、通常、共通の機能上の目的を有する構成要素の集団を指して使用されること、また、１つの素子を１つの構成要素から構成したり、複数の素子として機能する１つの構成要素から構成することも可能であることを理解するであろう。例えば、反射コーティングされたレンズ等の、複数の反射面または屈折面を有する光学構成要素の場合、レンズ自体が１つの素子としての機能を有し、反射コーティングが別の素子としての機能を有することがありうる。同様に、曲面ミラーは光ビームを方向転換することも、光ビームの発散を変えることもでき、これにより、同一の構成要素において複数の素子の機能を提供する。

当業者であれば、コリメートビームを焦点に集めることで得られる焦点像をスポットまたはスポット像と表現してもよいこと、およびコリメートされる光源が焦点の合ったスポット像でなくてもよいことを理解するであろう。像とは、波面の凹部の向きを変えるレンズやミラーの焦点面における光照射野の空間分布を指し、像空間とは、波面が実質的に平らではない光照射野の任意の空間を指す。瞳とは、波面が実質的に平らである光照射野の横断面を指し、よって瞳空間とは、波面が実質的に平らである任意の位置を指す。

光学リフォーマッターは、入射ビームおよび／または入射像を受け取り、分光器の入射スリットにより適した射出ビームおよび／または射出像を作り出すために有用でありうる。光学スライサーは光学リフォーマッターの一種であり、ビームや像を分割し、方向転換または再配置するものである。

入射ビームをスライスするための透明なプリズムおよびプレートを含む光学スライサーは、欠点を有しうる。その理由は、光軸に沿って傾いたスリットにおいてリフォーマットイメージを生成することがあり、さらに４５°プリズムの斜辺に沿った光学ビームのスライシングも起こる可能性があり、スライスされた像の異なる断片が異なる焦点位置に配置され、結果的に焦点劣化が起こりうるためである。このようなスライサーの性能は、使用するプリズム材料の吸収係数および屈折率（いずれも波長に依存）にも依存しうる。これらの欠点により、このようなスライサーの広帯域の光学装置におけるこのようなスライサーの使用は制限されうる。

イメージスライサーとしては、他の光学スライサーも存在し、例えばＢｏｗｅｎ−Ｗａｌｒａｖｅｎ型のスライサーや、光ファイバーのスポットを線に変換するスライサー等があり、これらは完全に像空間において動作する。このようなイメージスライサーには、空間像の情報を通常は保存せず、よって元の像の異なる部分から得られるスペクトル情報を別々に解像することのできないものがある。これらのリフォーマッターも、商業的に実施可能な方法での実行は困難であり、サイズが大きくなりがちであり、多様な系における使用は減少し、その効率も低い。これらのスライサーは、しばしばスリットイメージのコピーを多数生成し、最終焦点面におけるスライス間の隙間のために検出器に無駄な空間を作り出す。その結果、信号にノイズが入り、出力データの質が落ち、検出器に適合するスペクトル数（すなわち、スペクトル次数）が制限され、スペクトルがより広い検出領域に広がるため検出器の読み取り効率が低下しうる。（しばしば円形に）拡大された入射光源像を幅の狭いスリットイメージとすることのできる、光ファイバー束を用いた光学スライサーは、出力ｆ値を悪化させ、総合性能は非効率的なものとなりうる。既存のスライサー機器では、この効率および出力ｆ値がほぼ一様に悪化しており、このことがスライサーの設計および実装の明らかな限界となっている。また、光ファイバー束は、個々のファイバー間の隙間、および個々のファイバークラッドの占める空間があるために、集光が非効率的になりがちである。

より最近になって、分光器のスペクトル分解能を改善するための新規の瞳リフォーマッター設計および瞳リフォーマッターの使用が開示された。スライサーを基としたこれらのリフォーマッターは完全に瞳空間において動作し、コリメートビームをスライシングし、次いでアナモルフィックに拡大する。この手法は、例えばプッシュブルーム方式のハイパースペクトルイメージングやマルチモードファイバーによる入射等、空間像情報の保存が必要とされる場合に有効である。しかし、入射光源が大きくなると、瞳ビームの発散が問題となり、また生成するスライス数が増加するにつれ光学系の複雑さは増す。

本発明は、一部は瞳空間において、かつ一部は像空間において動作するということにより、従来のリフォーマッターの設計とは異なる。したがって、本願明細書全体を通じて、本発明のリフォーマッターをハイブリッド像瞳光学リフォーマッターと呼ぶこととする。また、本発明の実施形態をハイブリッドスライサーまたはハイブリッドリフォーマッターと表現することができるが、これは、一部は瞳空間において、かつ一部は像空間において動作するものである。多数のスライスが所望される場合を含めて、本発明の手法は、従来の光学スライサーよりも有利であるが、これは、本発明において開示される通り、リフォーマッターを一部は瞳空間において、かつ一部は像空間において動作させることが、光ビームの発散を制限するコリメーターを通った光ビームの行き来によって特徴付けられがちであることによる。本発明の実施形態では、構成要素が少ないほど、ビームの発散損失が少ないほど、また、アライメント誤差の要求が少ないほど、大きなスライシングファクターが得られる。また、好適なスライス数は入射ビームの幅と射出ビームの幅の比にほぼ等しく、スライス数は光学系の複雑さとは無関係な場合が多い。また、本発明の設計の実施形態においては、従来の光学スライサーと比べて、よりサイズの大きな入射スポットおよび／またはより高速の（小さなｆ値の）入射ビームが、より容易に処理されることが多い。

本発明の瞳ビームは、高さを増すことなく細くなる傾向にあり、本発明の実施形態で開示される瞳スライスは、よく重ね合わされる傾向にある。このことは、瞳ビームが細く、高くなり、瞳スライスは一般的に重ね合わされないという大半の瞳リフォーマッターと対照的である。さらに、その他多くの光学リフォーマッターは、リフォーマットの一環として「直接的」な拡大を行うが、本発明で開示されるいくつかの実施形態における拡大は「間接的」である。

本発明の一態様において、射出ビームを発生するための光学リフォーマッターが提供され、該光学リフォーマッターは、入射光を受光して、第１のコリメートビームを発生させるコリメーター；前記第１のコリメートビームの１以上の部分をコリメーターに向かうよう方向転換させることによって１以上の再結像ビームを発生させ、かつ前記第１のコリメートビームの１以上の部分に、自体を通過させることによって射出ビームの一部を形成する第１の光学素子；および前記再結像ビームの一部または全部をコリメーターに向かうよう方向転換させることによってさらなるコリメートビームを発生させる第２の光学素子を含み、前記さらなるコリメートビームの一部もまた射出ビームの一部を形成することを特徴とする（ものである）。

本発明のいくつかの実施形態において、射出ビームの一部を形成する前記第１のコリメートビームの１以上の部分は、それ以上方向転換されることなく第１の光学素子を通過してもよい。他の実施形態において、前記入射光は光ファイバー、イメージリレー、またはフィジカルアパーチャの射出であってもよい。

前記コリメーターは、発散ビームをコリメートし、かつコリメートビームを焦点に集める単レンズ、複合レンズ、単一ミラー、またはその他の光学素子であってもよい。さらに、前記第１のコリメートビームおよびさらなるコリメートビームは、実質的にコリメートされていてもよく、完全にコリメートされていてもよい。さらにまた、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子のそれぞれが１以上のミラーを含んでいてもよい。

いくつかの実施形態において、前記第１のコリメートビームの、コリメーターに向かうよう方向転換された１以上の部分が、第１のコリメートビームの端部に存在してもよい。その他の実施形態において、前記第１のコリメートビームの、コリメーターに向かうよう方向転換された１以上の部分が、前記第１のコリメートビームに対して非平行となるように方向転換されてもよい。または、前記第１のコリメートビームの、コリメーターに向かうよう方向転換された１以上の部分が、互いに非平行となるように方向転換されてもよい。

前記再結像ビームが、入射光とは重ならない位置において焦点像を生じてもよく、前記第２の光学素子が、入射光とコリメーターとの間の光路を遮ることなく前記１以上の再結像ビームを方向転換させるよう配置されてもよい。前記第２の光学素子が、前記再結像ビームが焦点像を生じる位置に配置されてもよい。

さらなる実施形態において、前記さらなるコリメートビームの１以上の部分が第１の光学素子によりコリメーターに向かうよう方向転換させられることによってさらなる再結像ビームを発生させてもよく、かつ前記さらなる再結像ビームが第２の光学素子によりコリメーターに向かうように方向転換させられることによって、さらにまたコリメートされたさらなるコリメートビームを発生させてもよく、この場合、前記さらにまたコリメートされたさらなるコリメートビームの１以上の部分もまた第１の光学素子を通過して射出ビームの一部を形成することとなる。またさらなる実施形態において、前記さらなるコリメートビームとさらなる再結像ビームの方向転換が繰り返し行われてもよい。

いくつかの実施形態において、入射光から受け取る光エネルギーが実質的にすべて射出ビームに含まれてもよい。さらに、前記第１のコリメートビームおよびさらなるコリメートビームの、射出ビームを形成する前記部分が、実質的に重ね合わされて実質的に同一の方向へと伝播されてもよい。前記射出ビームは、前記第１のコリメートビームよりも細くてもよい。

前記光学リフォーマッターは、第１の光学素子を通過した後の射出ビームを方向転換させるためのさらなる光学素子を含んでもよい。前記素子を含む代わりに、又は前記素子に加えて、前記光学リフォーマッターは前記射出ビームの焦点を分光器の入射に合わせるための集束素子を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、集束素子が、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、シリンドリカルミラー、または１以上のシリンドリカル型もしくはトロイダル型のレンズもしくはミラーであってもよい。

本発明のさらなる一態様において、前記光学リフォーマッターは、第１の方向に沿って射出ビームを拡大することによって拡大されたビームを発生させるための光学素子；前記第１の方向に沿って拡大されたビームをスペクトル分散させることによってスペクトル分散されたビームを発生させるための分散素子；前記スペクトル分散されたビームを焦点に集めることによって集束スペクトルを得るための集束素子；および前記集束スペクトルを受光して測定する検出器を含んでいてもよい。

本発明のさらなる一態様において、入射光をコリメーターに通してコリメートすることによって第１のコリメートビームを発生させること；前記第１のコリメートビームの１以上の部分を、コリメーターを通過して戻るよう方向転換させることによって１以上の再結像ビームを発生させること；前記再結像ビームの一部または全部を、コリメーターを通過するよう方向転換させることによってさらなるコリメートビームを発生させること；ならびに前記さらなるコリメートビームと、前記第１のコリメートビームのうちコリメーターを通過して戻るような方向転換がなされていない部分とから射出ビームを形成することを含む方法が提供される。

いくつかの実施形態において、前記さらなるコリメートビームの一部もまたコリメーターを通過して戻るよう方向転換されてさらなる再結像ビームを発生させてもよく、かつ該さらなる再結像ビームの一部または全部がコリメーターを通過するよう方向転換されてさらにまたコリメートされたコリメートビームを発生させてもよく、その結果、射出ビームが該さらにまたコリメートされたコリメートビームを含んでもよい。さらなる実施形態おいて、前記方向転換が繰り返し行われる。

前記方向転換されたビームおよび部分ビームが方向転換されることにより、実質的に重ね合わされて実質的に同一の方向へと伝播されたビームおよび部分ビームから形成され、かつ入射光の光エネルギーを実質的にすべて含む射出ビームを発生してもよい。前記方向転換されたビームおよび部分ビームがさらに方向転換されることにより、第１の方向において前記第１のコリメートビームよりも細い射出ビームを発生してもよい。いくつかの実施形態において、本発明の方法は光学分光器の入射に前記射出ビームの焦点を集めることを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、前記射出ビームを第１の方向に沿って拡大して、拡大されたビームを発生させてもよく、前記拡大されたビームを第１の方向に沿ってスペクトル分散させ、スペクトル分散されたビームを発生させてもよく、前記スペクトル分散されたビームを焦点に集め、集束スペクトルを得てもよく、焦点に集めたビームを測定してもよい。

本明細書に記載の系および方法の実施形態についての理解を深めるために、またそれらを実施する方法についてより明確に示すために、例示としての添付の図面を参照しつつ説明がなされる。

ハイブリッド像瞳光学リフォーマッターの実施形態を示す等角図である。

図１Ａのハイブリッド像瞳光学リフォーマッターを、光学分光器とともに、あるいは光学分光器の一部として用いた実施形態を示す等角図である。

ハイブリッド像瞳光学リフォーマッターの一実施形態におけるコリメートビームのスライシングおよび方向転換を説明する図であり、瞳ミラーの位置における該リフォーマッターの断面図を示すものである。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて示されるようなハイブリッド像瞳光学リフォーマッターの実施形態を動作させた際に、様々な箇所で存在しうる瞳ビームおよび焦点像の形状を示す。

本明細書に記載の例示的な実施形態についての理解を完全なものとするために、多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載の実施形態をこれらの具体的な詳細を伴わずに実施してもよいことを理解するであろう。別の例では、本明細書に記載の実施形態が不明瞭になることを避けるために、公知の方法、手順、および構成要素の詳細な説明は行わなかった。また、ここでの記載は、本明細書に記載の実施形態の範囲を何ら限定するものではなく、記載の種々の実施形態の実装についての単なる説明に過ぎない。

以下の説明および図において、「上面」、「下面」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」等は、簡便さのみを目的として使用される。これらは、種々の光学的な構成要素および構造の可能な配置の限定を意図するものではなく、本願明細書で開示される設計における特定の素子の相対的な配置を示し、例示するために使用される。本願における「コリメートされた」という語の使用は、完全にコリメートされた場合と実質的にコリメートされた場合のいずれをも含むものである。

以下の説明および図において、ミラーやレンズ等の光学素子は本発明を例示するために使用される。別の光学素子を用いて同一の結果が得られることもありうる。すなわち、反射を透過に置き換える、あるいは透過を反射に置き換えるような設計を用いて、光学信号に対する所望の効果が得られることもありうる。

図１Ａを参照しつつ、本発明のハイブリッド像瞳光学リフォーマッターの一実施形態を示す。参考のため、このハイブリッド像瞳光学リフォーマッターを、分散分光器の系の一部として図１Ｂに示す。図１Ｂの系は、すべてが単一の物理的筐体に収められていてもよく、複数の物理的筺体に分けられて、それらが光学的に適切に連結されたものであってもよい。図１Ａおよび１Ｂにおける方向に関して、本明細書では、分散素子の分散軸と実質的に平行である向きを「水平」と表し、分散素子の分散軸と実質的に直交する向きを「垂直」と表す。しかしながら、当業者であれば、系が異なる配置で構成されてもよいことを理解するであろう。

図１Ａの実施形態において、光源１１０ａは、発散ビームとして示されているビーム１１２を発し、これがコリメート素子１１３によってコリメートされ、第１の実質的にコリメートされたビーム１１４となる。光源１１０ａは、光ファイバー、マルチモード光ファイバー束、イメージリレー、フィジカルアパーチャ、またはその他の光源の射出であってもよい。コリメート素子１１３を形成するものとしては、何種類かの光学素子、例えば、単レンズ、複レンズ、複合レンズ、単一ミラー、もしくは複合ミラー等、または、分散ビームをコリメートする（かつ、光の可逆性の原理に基づいてコリメートビームを集束させる）別の光学素子を使用することができる。

この実施形態において、コリメートビーム１１４は、反射によってビーム１１４の一部を方向転換させる１対のミラー１１５ａと１１５ｂを含む光学素子１１５に到達する。他の実施形態において、光学素子１１５はビーム１１４の一部を方向転換させるための別の光学的な構成要素を含んでもよい。これらのミラーは、コリメートされた瞳ビームに作用することから瞳ミラーとも呼ばれているが、ビームプロファイルに投影される直線状の端部を有するよう構成されていてもよく、例えば２つの垂直なＤ型ミラーであってもよいが、当業者であれば、別の光学素子や、光学素子の別の構成が使用されうることを理解するであろう。この実施形態に示されるミラー１１５ａおよび１１５ｂは平板状であり、小さな隙間で隔てられており、このためコリメートビーム１１４の一部はこの隙間を通過し、コリメートされた射出ビーム１１６の一部を形成する。「通過」と言う用語が、横切る動き、中を通る動き、そばを通る動き、またはその他類似の動きを指すことができることを当業者は理解するであろう。ビーム１１４の一部は、ミラー１１５ａから反射され、方向転換されコリメート素子１１３に向かう。コリメート素子１１３は、このようにして方向転換されたコリメートビームがコリメート素子を通過して戻る際に、該コリメートビームを変換して再結像ビームとする。通過したコリメートビームは、像１１０ａの近傍（すなわち、像１１０ａとは一致しない）において焦点を結ぶ。この焦点は、光学素子１１１上にあってもよく、該光学素子は１対の反射ミラーを含むものとして示されているが、ビームを方向転換させるための別の光学要素を含んでいてもよい。この再結像した像は、入射光源１１０ａと同じ大きさであることが多く、光の強度は入射光源のそれよりも低い場合が多い。この実施形態において、ミラー１１５ａは、反射された部分ビームがビーム１１４に対して平行とならないように、垂直方向に対して傾けられる（すなわち、垂直軸が水平軸を中心として傾けられる）。反射された部分ビームがコリメーターを通過する角度に変化をつけることで、再結像スポットイメージ１１０ｂが像１１０ａから垂直に移動して、像１１０ａの上方に位置する平面ミラー１１１ａに結像する。同様に、ビーム１１４の別の部分がミラー１１５ｂから反射され、光学素子１１３を通過して戻され、像１１０ａの近傍に焦点を結ぶ。しかし、ミラー１１５ｂが傾けられることにより、反射され再度焦点を結んだスポットイメージ１１０ｃは、像１１０ａから垂直方向に、像１１０ｂとは反対方向に移動して、像１１０ａの下方に位置する平面ミラー１１１ｂに結像する。ミラー１１１はイメージミラーとも呼ばれることもあるが、これは焦点像に作用するよう使用されることが多いからである。これらのイメージミラーは、例えば２つの水平なＤ型ミラーであってもよいが、当業者であれば、別の光学素子や、光学素子の別の構成が使用されうることを理解するであろう。いくつかの実施形態において、イメージミラーの一方は、前記光源像の焦点面上の、光源像の直上に位置してもよく、他方のイメージミラーは、前記光源像の焦点面上の、光源像の直下に位置してもよく、この場合、該２枚のイメージミラー間を通った光源像がスライサーに入る。別の実施形態において、これらのミラーあるいは単一のミラーは、入射光源からの光を通しつつ再結像ビームは反射するように入射光源の前に配置されたマジックミラーであってもよい。

像１１０ｂおよび１１０ｃは、それぞれのミラーから反射されて戻り、光学素子１１３へと向かう。そこで再コリメートされ、ビーム１１４と類似し、かつ実質的に一致しているものの、わずかに傾き、かつ横方向にずれた、さらなるコリメートビームとなる。この実施形態では、ミラー１１１ａが水平方向に傾けられることにより、方向転換された再結像ビームが分散ビーム１１２とは異なる水平角でコリメーター１１３に向かうこととなり、その結果、生じたさらなるコリメートビームは、ミラー１１５ｂによって生じた方向転換されたコリメートビームの一部と比べて、光学素子１１５の中心に近づくようシフトする。同様に、ミラー１１１ｂが水平方向に傾けられることにより、方向転換された再結像ビームから生じたさらなるコリメートビームは、ミラー１１５ａによって生じた方向転換されたコリメートビームの一部と比べて、光学素子１１５の中心に近づくようシフトする。これらのさらなるコリメートビームはミラー１１５ａおよび１１５ｂに当たり、それぞれの一部がこれらの瞳ミラーの間の隙間を通過し、射出ビーム１１６に加わる。一方で、その他の部分は、反射されて戻ることにより光学素子１１３を通過し、ミラー１１１ａおよび１１１ｂの上にスポットイメージ１１０ｄおよび１１０ｅを形成する。ミラー１１５ａ、１１５ｂ、１１１ａおよび１１１ｂの間隔や傾きの角度によって、複数の反射およびスポットイメージ１１０の数は、２、３、４、５または５以上の任意の数であってもよく、スポットイメージの数、複数の反射の数、および、瞳ミラー間を通る部分ビームの数は、等しくても等しくなくてもよい。別の実施形態において、光学素子１１５および１１１は、それぞれ単一のミラーを含んでもよく、それぞれから単一の反射のみが起きてもよく、またそれぞれ単一のさらなるスポットイメージが生じてもよい。好適に実施されるいくつかの実施形態において、ビームの最終の反射時に残存している部分はすべてミラー１１５ａおよび１１５ｂのそばを通過し、一切反射されない。別の実施形態において、光学素子１１５がすべての光を反射し、後に再度反射し返されるまで射出ビーム１１６の一部を形成する光が一切生じないような反射が起こることもある。光学素子１１１は、示した再結像ビームの全体ではなく、該再結像ビームの一部のみ、または該再結像ビームのいくつかの部分のみを方向転換させることもある。

よって、コリメートビーム１１６も実質的に同様でありかつ空間的に一致する複数のビームまたは部分ビームを含んでいてもよく、これらはそれぞれスポットイメージ１１０のうちの１つに対応するが、一緒になって、光学リフォーマッターの射出ビームを形成する。射出ビームを形成する部分ビームはそれぞれ、細長いプロファイル、すなわち、高さは第１のコリメートビームと同様であり、幅はより狭く、垂直方向の傾きが互いにわずかに異なるようなプロファイルを有していてもよい。この垂直方向の傾きにより、射出ビームに垂直方向のわずかな発散角が作り出される。好適に実施されるいくつかの実施形態において、リフォーマッターの射出ビーム１１６は、入射光に含まれる光強度（光エネルギー）を実質的にすべて含む。これは、リフォーマッターの光学構成要素の反射効率または透過効率が高く、損失がほとんどないことによる。いくつかの実施形態において、光学系の配置変更または下流にある光学素子とのより便利なあるいは効率的な連携を目的として、第２の光学素子によって射出ビーム１１６を方向転換させてもよい。

図２は、ハイブリッド像瞳光学リフォーマッターの一実施形態における、コリメートビームおよびコリメートされたさらなる部分ビームのスライシングおよび方向転換を、瞳ミラーの位置で示すことにより、さらに説明するものである。図２ａは、図１のミラー１１５ａおよび１１５ｂに対応する瞳ミラー２０１および２０２で受光される第１のコリメートビーム２０３を示している。図２ｂは、方向転換されてコリメーター（図示せず）へ向かうよう戻される、ビームの左の部分（２０４）および右の部分（２０５）を示し、中間の部分は、瞳ミラー間の隙間を通過して、射出ビームの一部を形成している。図２ｃは、部分ビーム２０４が再結像され、対応するイメージミラー（図示せず）により方向転換され、コリメーター（図示せず）により再コリメートされて生じたさらなるコリメートビーム２０６を示す。この実施形態では、ビーム２０６は反転され、瞳ミラー２０１と２０２との中間部に向けてシフトされ、かつビーム２０４に対して下方にシフトされていることに留意されたい。ビーム２０６の一部は、瞳ミラー間の隙間を通過して、これもまた射出ビームの一部を形成し、ビーム２０６の残りの部分は、ミラー２０２によって反射される。同様に、図２ｄは、ビーム２０５が再結像され、対応するイメージミラー（図示せず）により方向転換され、コリメーター（図示せず）により再コリメートされて生じたさらなるコリメートビーム２０７を示す。ビーム２０７の一部は、瞳ミラー２０１と２０２との間を通過して射出ビームに合流し、ビーム２０７の残りの部分は、ミラー２０１によって反射される。図２ｅは、ビーム２０６のうち瞳ミラーによって反射された部分であるビーム２０８を示す。ビーム２０６の残部は瞳ミラー間の隙間を通過する。最後に、図２ｆは、ビーム２０８が再結像され、イメージミラー（図示せず）により方向転換され、コリメーター（図示せず）により再コリメートされて生じたビーム２０９を示す。このプロセスは、光がすべてミラー間の隙間にシフトされて該隙間を通過し、射出ビームの一部を形成するまで継続されてもよい。応用に適した好ましい実施形態において、反復回数は、第１のコリメートビームの幅を瞳ミラーを隔てる距離で除した値と同一であってもよい。

図１Ｂに戻ると、実施形態の一例が示されるが、ここでは、ファイバーの射出等の光源を、リフォーマッターの光源焦点面１１０ａ上に再結像させるために、１以上の曲面レンズまたはミラーを用いた任意選択のイメージリレーが使用されている。これは、ファイバー光源を用いる場合に有利でありうるが、その理由は、イメージリレーを用いると、ファイバーのクラッド、ジャケット、フェルールがイメージミラーに干渉が起こり難く、また、スライサー部分のｆ値を、ファイバーのｆ値から変化させる（例えば、下げる）ことにより、コリメートレンズにおける収差を減少させることができるからである。図１Ｂのイメージリレーにおいて、入射アパーチャ１０１は、広帯域スペクトルプロファイルを有する発散ビーム１０２を通過させる。入射アパーチャ１０１は、例えば光ファイバー、ピンホール、または光源を用いて実装されうるが、当業者であれば、他にも適した入射光源がありうることを理解するであろう。発散ビーム１０２は、図１Ｂの実施形態では単レンズとして描写されている光学素子１０３によって再度焦点に集められる。光学素子１０３は、種々の光学素子、例えば、アクロマティック複レンズ、複合レンズ、単一の凹面ミラー、または複合ミラー系等を用いて実装されうる。光学素子１０３は、前記ビームを集束させて、入射アパーチャ１０１の像１１０ａを形成する収束ビーム１０４とする。

図１Ｂはまた、リフォーマッターの射出を分光器の入射に向ける方法、あるいはリフォーマッターを分光器に直接組み込む方法について示している。当業者は、リフォーマッターの射出ビームを系内の分散分光器部分へ送るための複数の異なった方法があることを理解するであろう。この実施形態において、コリメートされたリフォーマッター射出ビーム１１６は集束素子１１７を通過するが、この集束素子は、垂直軸ではなく水平軸に沿った部分ビームを集束させるためによく使用されるロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、シリンドリカルミラー、またはその他任意の光学素子であってよい。よって、この実施形態において、該部分ビームの光は、中間の焦点面１１８において集束し、（元は円形であったかもしれない入射アパーチャ１０１と比べて）細長いスリット様の像を結ぶ。通過する光を制限し、散乱光を遮り、さらに狭いスリットイメージを作り出すために、（この場合、光の強度が犠牲となり弱まるが、）フィジカルスリットや光バッフルを焦点面１１８に配置してもよく、水平方向に集束させた光はすべてこの焦点面を通過できてもよい。分光器は、その入射アパーチャが焦点面１１８に位置するよう配置されうる。

図１Ｂに示されるような分散分光器の一部として使用されるハイブリッド像瞳光学スライサーに関する説明を続けると、焦点面１１８を通過する際、複数の部分ビームが集まってビーム１２０を形成するが、これは、例えば垂直方向にｆ／５でありかつ水平方向にはｆ／５であるような発散ビームとなることが多い。この発散ビームは光学素子１２１でコリメートされ、コリメートビーム１２２となるが、これは射出ビーム１１６と比較すると発散方向に拡大されている。拡大はまた、構成要素１１７および１２１（これらによってビームは、焦点を通るように集束した後に、次いで再コリメートされることになる発散ビームを形成する）の代わりに、ビームを発散させた後に再コリメートする拡大素子、例えば凸レンズと凹レンズ、または凸ミラーと凹ミラー等を用いて実行することもできる。この瞳ビームの拡大は、該ビームから再結像した像の幅を狭くすることに寄与する。拡大されコリメートされたビーム１２２は、平面折り返しミラー１２３から反射して分散素子１２４に至るが、この分散素子は、回折格子、プリズム、グリズム、あるいはその他の任意のスペクトル分散素子であってよい。 分散素子１２４は、コリメートされた単色ビームを複数含むスペクトル分散ビーム１２５を発生させるが、各単色ビームの水平角は、（該単色ビーム）自体の波長に依存する。集束素子１２６は、例えば、単レンズもしくは複レンズ、単一ミラーもしくは複合ミラー、またはこれらの組み合わせ等を含み、前記発散された複数のビームを、検出器系１２８の焦点面検出器１２７に集束させるものである。焦点面検出器１２７は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓセンサー、線形フォトダイオードアレイ、写真フィルム、シングルピクセルフォトダイオード、もしくは光電子増倍管、またはその他の任意の光検出装置であってよい。検出器系１２８内の各センサー素子における測定強度から、アパーチャ１０１を通過する元の光ビームのスペクトル分布がわかる。焦点面１１８から検出器系１２８に至るまでの光学配列は、他の多くの分散分光器の設計と類似している。しかしながら、他の分散分光器の設計とは異なり、素子１０１〜１１７によって実施される前記ハイブリッド像瞳光学スライサーのビームリフォーマッティング法では、入射光源１０１を再構成して焦点面１１８上の細長い像とすることにより、狭いスリットにおいて光を損失することなく、高いスペクトル分解能が提供される。

当業者であれば、いくつかの場合において、さらなる光学リフォーマッティングを行う分散分光器、１以上の軸に沿ってさらなるビームの拡大および／もしくは圧縮を行う分散分光器、または分散分光器の何らかの別の設計を利用することが有利であるかもしれないことを理解するであろう。

図３は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態中の様々な点において存在しうる瞳ビームおよび焦点像の形を説明している。第１のコリメートされた瞳ビーム１１４は、比較的均一な強度の円形ビームとして示される。リフォーマットされた射出ビーム１１６には、ミラー１１５ａとミラー１１５ｂとの間の隙間に相当する幅、および第１のコリメートビームとさらなるコリメートビームとが重ね合わされた部分が見られる。光学素子１１５を通過するさらなるコリメートビームの重複するＤ型部分が重ね合わされるため、射出ビームのいくつかの部分では、他よりも光強度が高い。拡大された射出ビーム１２２も示されている。図３はまた、入射光源の像１１０ａ、コリメート素子１１３の焦点（光源像の焦点面でもあり、ミラー１１１の位置でもある）上の複製光源１１０ａ−ｅ、およびカメライメージ（１２７）の焦点面上における再結像したカメライメージを示す。第１の光学素子と第２の光学素子との間を行き来するたびに、複製された光源の光強度が減少することに留意されたい。これは、さらなる部分ビームが光学素子１１５を通過して射出ビームの一部を形成するため、反射して返される光が減少することによる。

いくつかの実施形態においては、瞳ミラーの数が異なっていてもよく（例えば、１対ではなく１つまたは３つ）、イメージミラーの数が異なっていてもよく、瞳ミラーの数とイメージミラーの数が等しくなくてもよい。いくつかの実施形態においては、単一の瞳スライシングミラーおよび単一のイメージミラーのみが含まれていてもよく、この場合、２つのスライスのみが得られることが多い。このような代替的実施形態において、光は、イメージミラー間の隙間を通過するのではなく、イメージミラーの周りを通過する傾向がある。さらに、別の実施形態においては、反射された瞳ビームのすべての部分がイメージミラーによって反射されて元の瞳に戻ることにはならないような設計がなされていてもよい。

ビームが瞳ミラーとイメージミラーとの間で一度だけ方向転換されるような例を用いて、設計についての説明がなされがちである。通過の回数が増加（すなわち、反復する回数が増加）し、コリメートビームのうち、イメージミラーを通過して射出ビームの一部を形成する部分が減少するにつれ、第１のコリメートビームと比べた射出ビームの狭まりの度合いは大きくなるが、これは、例えば、射出ビームを第１のコリメートビームよりも大きくすることなく、より大きな係数で拡大できるために、有利でありうる。いくつかの系において、反復する通過回数は非常に多くなりうる。しかし、通過回数が増えるほど、反射損失および透過損失により光強度は減少する。上記２つの因子の兼ね合いにより、特定の実施のための最も適切な通過回数が決定される。

本発明において、コリメートされた瞳ビームは、従来の光学スライサーと同様に、スライスされて別々のサブビームになるが、それ自体は再結像スポットに対して何ら効果をもたらさないことが多い。しかし、スライシングミラーの傾きにより再結像スポットイメージは垂直にシフトされることが多く、ゆえに、「積み重ね」は瞳空間内ではなく像空間内で行われる。結果として、コリメートされたスライスのそれぞれは、垂直に積まれるのではなく、瞳空間においていずれも互いの上面に重ねられる。コリメートされたスライスは、それぞれ異なる垂直角を取ることが多く、スライスビーム束全体としての垂直方向の発散は、どの単一ビームと比べても大きくなることが多い。実際、この垂直の発散角は、入射光がスリットを通過した後に見られる水平の発散角に類似しており、このため下流の光学系は厳密な意味での長方形ではなく、円形や正方形となることもある。重ね合わされたスライスから成る長く薄い瞳は、次いで水平方向に集束させ、所望により（散乱光の漏れを減少させる目的で）、分散分光器の後端に届く前にフィジカルスリットを通過させることのできる中間仮想スリットイメージを作り出すことができる。水平方向の集束は、シリンドリカルレンズを用いることにより達成することができ、その結果として、元の複数のイメージスポットが合わさってぼんやりとした１本の柱状の光となっているような仮想スリットイメージが作り出される。当業者であれば、焦点を合わせることは他の方法、例えば球面レンズを用いることによっても可能であることを理解するであろうが、球面レンズは非実用的なｆ値を必要としうる。

本発明において、リフォーマットされた瞳ビームを、水平に集束させることなく、この種の入射光を取り扱うために特別に設計された分散分光器の入射へ向けることも可能である。コリメートまたは集束によってリフォーマットされた本発明の射出ビームが、分散分光器のみならず他の光学装置への入射ビームとしても使用されるような応用例もありうる。

当業者であれば、図１で示されている光学素子のいくつかは、いくつかの実施形態においては、異なる方法で類似の機能を奏する別の素子、または元の２以上の素子の機能を併せ持つ別の素子と置き換えうることを理解するであろう。例を挙げると、レンズベースの透過再結像素子（１０３）は、反射屈折光学系または完全な反射型再結像系で置き換えることもできる。さらなる例を挙げると、コリメーター（１１３）は、レンズの代わりに軸外し放物面ミラーを用いて実装することができる。さらなる例を挙げると、瞳ミラー（１１５ａおよび１１５ｂ）はスリットまたはホールカットの付いた単一ミラーで置き換えることができる。またさらに例を挙げると、コリメーター（１１３）と瞳ミラー（１１５ａおよび１１５ｂ）とを連結して、片面の角度に変化をつけ、部分的に反射コーティングを施すことで単一のミラーまたは複数のミラーとして作用するようにした透過レンズからなる、単一の素子とすることもできる。

先に述べた通り、本発明は、入射として光を用いることの多い任意の装置と共に使用できるが、本明細書に記載の光学スライサーの使用の一例は、分光法の分野におけるものであってよい。一般的な分光器は、波長の関数である光強度値を検出器上で記録することができるように光を分散させる装置である。読み取りにより高いスペクトル分解能が必要とされる場合、スペクトル分解能と直接関連するスリットを細くする必要があることが多いが、一般的には、スリットが細ければ、一般的な分光装置の検出器またはセンサーの焦点面において受光される光の強度は低下する。一般的な分光装置の入射の前に光学スライサーを配置すると（これは、何らかの形での、直接的または間接的なビームの拡大と組み合わせてなされることが多いが）、光学スライサーを通らずにスリットに入射する場合と比較して、一般的な分光装置のスリットに入射する光強度の値がスリットの全領域にわたってスライシングファクターにしたがって大きくなり、光信号の強度を犠牲にすることなくスペクトル分解能を上げることができる。

干渉分光法は分光法の一種であり、干渉分光器を定義づける特徴は、使用する分散体が回折格子でもプリズムでもないことである。これらを使用せず、例えば干渉する２つのビームによって生成されるパターンのフーリエ変換を行う等の、別の方法によって分散が達成される。本発明のスライサーは出力の輝度を上げるだけではなく、干渉縞のコントラストや信号対雑音比の大幅な改善を可能にする。

医用イメージングに関する一種の干渉分光法として光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）があるが、これは、干渉分光器を用いてイメージを作り出す技術である。スライサーにより、ＯＣＴ装置の縞コントラストのみならずスループットも改善される。結果として、本発明のスライサーはＯＣＴ系を用いて達成できる透過深度を改善し、撮像時間を短縮し、取得画像の価値を高めることができる。光学スライサーは、ＯＣＴ装置への入射に含まれてもよい。

光学スライサーは、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）の一種、フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）と呼ばれるものにおいて、より具体的には、スペクトル領域ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）と呼ばれる特殊なＦＤ−ＯＣＴにおいて使用することができる。ＳＤ−ＯＣＴ機器は信号を記録するための分散分光器を備えた干渉分光器である。光学スライサーは、分散分光器への入射において、ビーム分散要素の直前の、コリメートビームの経路に含まれてもよい。

本発明のスライサーのさらなる応用例は、小型分光器、特にラマン分光法に関する分野にある。最新のラマン分光器は、手持ち式のサイズにまで小型化されている。本発明のスライサーは、光を入射源として使用する任意の系において、スループットを増加させる目的で使用できるため、このスライサーを小型化した実施形態は、ラマン分光器のような小型分光器と共に使用することによって、スペクトル分解能および出力信号強度を増し、走査時間を短縮することができる。光学スライサーは、ラマン分光装置への入射に含まれてもよい。

本発明について、特定の実施形態に関して説明したが、本明細書に記載された本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形および修正が可能であることは、当業者にとっては明白であろう。

Claims (25)

1. 射出ビームを生成するための光学リフォーマッターであって、
   入射光を受光して、第１のコリメートビームを発生させるコリメーター；
   （ｉ）前記第１のコリメートビームに対して非平行となるように且つ１以上の再結像ビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記第１のコリメートビームを方向転換させ、かつ
   （ｉｉ）前記第１のコリメートビームの１以上の部分に、自体を通過させることによって射出ビームの一部を形成する
   第１の光学素子；および
   さらなるコリメートビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記再結像ビームの１以上の部分を方向転換させる第２の光学素子
   を含み、
   前記さらなるコリメートビームの１以上の部分もまた射出ビームの一部を形成することを特徴とする、光学リフォーマッター。
2. 前記入射光が、１以上の光ファイバー、イメージリレー、またはフィジカルアパーチャの射出である、請求項１に記載の光学リフォーマッター。
3. 前記コリメーターが、発散ビームをコリメートし、かつコリメートビームを焦点に集める単レンズ、複合レンズ、単一ミラー、またはその他の光学素子である、請求項１〜２のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
4. 前記第１のコリメートビームとさらなるコリメートビームとが完全にコリメートされている、請求項１〜３のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
5. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子のそれぞれが１以上のミラーを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
6. 前記第１のコリメートビームの、コリメーターによって受け入れられるように方向転換された１以上の部分が、第１のコリメートビームの端部に存在する、請求項１〜５のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
7. 前記第１のコリメートビームの、コリメーターによって受け入れられるように方向転換された１以上の部分が、互いに非平行となるように方向転換される、請求項１〜６のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
8. 前記再結像ビームが、入射光とは重ならない位置において焦点像を生じ、前記第２の光学素子が、入射光とコリメーターとの間の光路を遮ることなく前記再結像ビームの１以上の部分を方向転換させるよう配置される、請求項１〜７のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
9. 前記第２の光学素子が、前記再結像ビームが焦点像を生じる位置に配置される、請求項８に記載の光学リフォーマッター。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光学リフォーマッターであって、
    さらなる再結像ビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記さらなるコリメートビームの１以上の部分が第１の光学素子によって方向転換され、かつ
    さらにさらなるコリメートビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記さらなる再結像ビームの１以上の部分が第２の光学素子によって方向転換され、
    前記さらにまたコリメートされたさらなるコリメートビームの１以上の部分もまた第１の光学素子を通過して射出ビームの一部を形成することを特徴とする、光学リフォーマッター。
11. 前記さらなるコリメートビームとさらなる再結像ビームの方向転換が繰り返し行われる、請求項１０に記載の光学リフォーマッター。
12. 入射光から受け取る光エネルギーがすべて射出ビームに含まれる、請求項１〜１１のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
13. 前記第１のコリメートビームおよびさらなるコリメートビームの、射出ビームを形成する前記部分が、重ね合わされて同一の方向へと伝播される、請求項１〜１２のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
14. 第１の方向において、前記射出ビームが前記第１のコリメートビームよりも細い、請求項１〜１３のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
15. 第１の光学素子を通過した後の射出ビームを方向転換させるための第２の光学素子をさらに含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
16. 前記射出ビームの焦点を分光器の入射に合わせるための集束素子をさらに含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の光学リフォーマッター。
17. 集束素子が、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズ、シリンドリカルミラー、または１以上のシリンドリカル型もしくはトロイダル型のレンズもしくはミラーである、請求項１６に記載の光学リフォーマッター。
18. 分光器であって、
    請求項１〜１７のいずれかに記載の光学リフォーマッター；
    第１の方向に沿って射出ビームを拡大することによって拡大されたビームを発生させるための光学素子；
    前記第１の方向に沿って拡大されたビームをスペクトル分散させることによってスペクトル分散されたビームを発生させるための分散素子；
    前記スペクトル分散されたビームを焦点に集めることによって集束スペクトルを得るための集束素子；および
    前記集束スペクトルを受光して測定する検出器
    を含む分光器。
19. 射出ビームを発生させるための方法であって
    入射光を第１のコリメートビームを発生させるコリメーターによって受け入れてコリメートすること；
    前記第１のコリメートビームに対して非平行となるように且つ１以上の再結像ビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記第１のコリメートビームの１以上の部分を方向転換させること；
    さらなるコリメートビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように前記再結像ビームの１以上の部分を方向転換させること；ならびに
    前記さらなるコリメートビームと、コリメーターによって受け入れられて方向転換されない前記第１のコリメートビームの1以上の部分とから射出ビームを形成すること
    を含む方法。
20. 前記さらなるコリメートビームの1以上の部分もまたさらなる再結像ビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように方向転換され、かつ該さらなる再結像ビームの１以上の部分がさらにまたコリメートされたコリメートビームを発生させるコリメーターによって受け入れられるように方向転換され、射出ビームが該さらにまたコリメートされたコリメートビームの１以上の部分を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記方向転換が繰り返し行われる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記方向転換されたビームおよび部分ビームが方向転換されることで発生する射出ビームが、重ね合わされて同一の方向へと伝播されたビームおよび部分ビームから形成され、かつ入射光の光エネルギーをすべて含む、請求項１９〜２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記方向転換されたビームおよび部分ビームがさらに方向転換されることで、第１の方向において前記第１のコリメートビームよりも細い射出ビームを発生する、請求項１９〜２２のいずれかに記載の方法。
24. 光学分光器の入射に前記射出ビームの焦点を集めることをさらに含む、請求項１９〜２３のいずれかに記載の方法。
25. 請求項１９〜２４のいずれかに記載の方法であって、
    前記射出ビームを第１の方向に沿って拡大し、拡大されたビームを発生すること；
    前記拡大されたビームを第１の方向に沿ってスペクトル分散させ、スペクトル分散されたビームを発生させること；
    前記スペクトル分散されたビームを焦点に集め、集束スペクトルを得ること；および
    該集束スペクトルを測定すること
    を含む方法。

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