JP6941124B2 - フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ - Google Patents

Description

本発明は一般に、シーンの所与の複数の干渉状態の像を同時に撮像するように設計されたフーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャに関する。より具体的には、本発明は、１つのシーンの複数の像を異なる波長で同時に生成するように設計されたコンパクトなデバイスに関する。そのようなデバイスはスペクトルイメージャと呼ばれる。

図１に提示され従来技術で知られるフーリエ変換スペクトルイメージャ１０は、二波干渉計を備えている。現在テロプス（ＴＥＬＯＰＳ）社によって「Ｈｙｐｅｒ‐Ｃａｍ^ＴＭ」の名称で市販されているこのスペクトルイメージャは、マイケルソン干渉計と光検出器４０を備えている。

光検出器４０は、シーン３０を撮像するために用いられる複数の感光サイト（「ピクセル」）を備えている。

したがって、マイケルソン干渉計の移動鏡３０の異なる位置に関して、シーン３０の所与のポイントに対応する検出器４０の各感光サイトは、前記ポイントの干渉の状態を表す光強度を収集する。こうして、移動鏡３０の位置について全ての感光サイトによって収集された全ての光強度は、シーン３０の干渉状態に対応し、それを「干渉画像」と呼ぶ。

動作中、そのようなデバイスは移動鏡３０の異なる位置について複数の干渉画像を収集し、その結果、各感光サイトに関して、前記サイトによって収集された全ての干渉状態は、シーン３０上のポイントのスペクトル（または分光光度）のフーリエ変換のインターフェログラム符号化に対応する。全ての干渉画像の数学的「フーリエ変換」タイプの処理は、次に、「分光画像」（分光画像の完全なセットが「画像キューブ」を形成する）と呼ばれる、異なる波長でのシーン３０の１セットの画像を得るために適用され得る。

しかしながら、このデバイスは十分なものではない。

光検出器４０の平面上のシーンの分光画像の形成は、移動鏡２０の異なる位置に関する干渉画像シーケンスの取得を要する。その結果、十分な解像度での動的シーンの取得は、不可能でないにせよ困難である。

さらに、そのようなデバイスは、それらの光学素子の精密なアライメントを要し、よって使用が複雑である。

さらに、温度および圧力変動が観測されるたびに精密な再アライメントが必要となり得る。

最後に、その質量と寸法により、検出器のみが冷却され、したがって、定期的な再アライメントを要する。

図２は、従来技術で知られ、文献〔１〕で開示され、先行技術文献に挙げた別のスペクトルイメージャ１１を提示している。

文献〔１〕において、スペクトルイメージャは、感光センサ（イメージセンサ）に対面して配置されたマイクロレンズのネットワーク７０を備えている。スペクトルイメージャはさらに、マイクロレンズネットワークと感光センサの間に配置されたカラーフィルタのネットワーク６０も備えている。

マイクロレンズおよびカラーフィルタのレイアウト、形状およびサイズを用いて、感光センサの異なる部分の単一のシーンの本質的に単色の画像を構成できる（各フィルタが、感光センサに透過させる前に、シーンの画像を特定の波長でフィルタリングする）。

図１で示したスペクトルイメージャとは違って、可動部分はなく、シーンの撮像は、カラーフィルタネットワークのフィルタの全ての代表的波長に関して同時に発生する。このデバイスを、マルチチャンネルに該当すると認める（各カラーフィルタは１つのチャンネルに対応する）。このデバイスは、逆フーリエ変換の計算を使用することなく光検出器の分光画像を直接形成する（画像キューブが光検出器の表面で直接取得される）。

このデバイスも十分なものではない。

そのようなデバイスのスペクトル分解能は本質的に、フィルタ６０の個数と、各フィルタの分光幅に依存する。したがって、スペクトル分解能の増加は、フィルタの個数の増加と、各フィルタの分光幅の減少を必要とさせ、それは対応して、前記フィルタのサイズを大幅に減少させ、その結果、各フィルタ６０を通過する光束も減少させる。よって、デバイスの感度は、フィルタの個数が増加するにつれ減少する。

さらに、カラーフィルタ６０の個数が増加すると、像がブレてコントラストが低くなる。

さらに、図２に提示されたデバイスは、暗色のシーンを観測するためには使用できない。

ルイ・ショゲンジ他（Ｒｕｉ Ｓｈｏｇｅｎｊｉ ｅｔ ａｌ．）著「コンパクトなコンパウンド光学素子を用いたマルチスペクトルイメージング（Multispectral imaging using compact compound optics）、オプティクスエクスプレス（Optics Express），12, 8, 1643-1655、２００４年

本発明の１つの目的は、同じシーンのいくつかの単色画像を、従来技術で可能であったものより優れた分光解像度と感度で同時に撮像することが可能なマルチチャンネルスペクトルイメージャを開示することである。

本発明のもう１つの目的は、スペクトルイメージャが低温まで完全に冷却され得るように、従来技術で入手可能なスペクトルイメージャよりも小型のスペクトルイメージャを開示することである。

本発明の目的は、フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャによって少なくとも部分的に達成され、このデバイスは、
光検出器の感光面と同一平面の複数の感光サイトを備えた光検出器と、
二主要波（ｔｗｏ ｍａｊｏｒｉｔｙ ｗａｖｅ）の干渉計のネットワークであって、それぞれが、互いに面しており感光面に対して平行な２つの面によって区切られたキャビティを備え、各干渉計の２つの面は、干渉計ごとから異なる間隔ｈにあり、干渉計は、感光面に対して平行な平面内に配置されている、干渉計のネットワークと、
感光面に対して平行な平面に形成されたマイクロレンズのネットワークと、
を備えている。

マイクロレンズのネットワーク内の各マイクロレンズは、干渉計ネットワーク内の干渉計とペアリングされて光学ペアを形成し、前記光学ペアは感光面と一致する焦点像面を備え、前記ペアは感光面の一セクションに対面している。

こうして、各光学ペアは、対面する感光面のセクション上に干渉画像を形成するために（言い換えると、所与の段差の干渉状態を撮像するために）配置されている。

本発明によるスペクトルイメージャは、複数の干渉画像を同時に収集するために用いられ得る。

さらに、本発明によるスペクトルイメージャは、動的シーンの観測向けにも適合される。

さらに、本発明によるスペクトルイメージャは、図２に示したスペクトルイメージャよりも優れた感度を有する。分光画像は干渉画像のセットから構築される、言い換えると、従来技術のデバイスとは違って、感光面に達する光束全体が、分光画像の構築に考慮される。そのため、前記スペクトルイメージャの感度を劣化させずに高い分光解像度のスペクトルイメージャを考慮することが可能となる。

最後に、図２に示したスペクトルイメージャとは違って、本発明によるスペクトルイメージャは、カバーする波長に関してより融通がきく。図２のデバイスによって試験される波長は、前記デバイスの設計段階で固定される。

スペクトルイメージャは、感光面に対して平行に配置された中間焦点面を備えたコリメートレンズも備えてよい。コリメートレンズは曲面を有してよい。コリメートレンズの曲面は、反射防止堆積で処理されてよく、反射防止処理は有利には誘電材料の層であり、有利にはＺｎＳである。

一実施形態によれば、スペクトルイメージャはさらに、信号分離ネットワークも備え、各信号分離器は光学ペアとペアリングされ、感光面で各光学ペアによって形成される像が、前記光学ペアがそれに対面して配置されている感光面のセクションに限られるように配置されている。

一実施形態によれば, 各信号分離器は、感光面に対して垂直であり有利には前記感光面と接触している側壁を備えている。

一実施形態によれば、各信号分離器は第２側壁を備え、第２側壁それぞれは、２つの隣接する二主要波干渉計を絶縁する。

一実施形態によれば、スペクトルイメージャは第１サブスライドを備え、第１サブスライドは、第１面と、その第１面に対して平行な第２面を備え、第２面は、第２サブスライドの第１面に対して平行であり第２サブスライドの第１面に対面しており、第２サブスライドはさらに、マイクロレンズのネットワークがその上に配置された第２面も備え、デバイスはさらに、第１サブスライドの第２面および第２サブスライドの第１面のうちから選択された２つの面のうち一方に形成された段を備え、２つの面のうち他方は平面ジオプターであり、その結果、２つの面のうち一方の上に形成された段が、平面ジオプターを備えた二主要波干渉計のネットワークを形成し、各段は、他の段とは異なる深さで形成されて、感光面に対して垂直な方向に沿ってマイクロレンズと垂直方向に揃っている。

一実施形態によれば、第１サブスライドの第２面は５〜９０％に等しい反射率を有する。

一実施形態によれば、第２サブスライドの第１面は５〜９０％に等しい反射率を有する。

一実施形態によれば、段は形状が正方形、長方形または六角形である。

一実施形態によれば、二主要波干渉計のネットワーク内の干渉計は、二次元行列、有利には、正方二次元正方行列で分布している。

一実施形態によれば、光検出器、二主要波干渉計のネットワークおよびマイクロレンズネットワークは全て、低温室に配置され、有利には低温室は開口を備えている。

一実施形態によれば、各マイクロレンズは曲面を有し、前記面は、反射防止堆積で処理されてよく、反射防止処理は有利には誘電材料の層であり、有利にはＺｎＳである。

一実施形態によれば、二主要波干渉計のネットワーク内の干渉計は、１２〜６０％、有利には２０〜５０％に等しい、好ましくは４２％に等しい平均反射係数を有する。

本発明はさらに、ガスおよび／またはエアロゾルの検出および／または定量化のための、本発明によるスペクトルイメージャの使用法にも関する。

一実施形態によれば、ガスは温室効果ガスであり、特に、二酸化炭素、水またはメタンである。

本発明はさらに、本発明によるスペクトルイメージャを備えたモバイル電子機器にも関し、モバイル電子機器は有利にはモバイルフォンまたはタブレットまたはドローンである。

他の特徴および利点は、添付図面を参照して、非限定的な例として挙げた、本発明によるフーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャを製造する方法に関する以下の説明から明らかとなろう。
鏡の各位置についてシーンの干渉状態を撮像するように適合された、従来技術で知られるマイケルソン干渉計を備えたフーリエ変換スペクトルイメージャの図である。 感光性検出器に対面して配置されたマイクロレンズのネットワークを備え、各マイクロレンズが光路の上流にカラーフィルタを有し、その結果、各レンズによって、対向する感光センサのセクション上に投影された像が本質的に単色となる、従来技術で知られるスペクトルイメージャの図である。 本発明の１つの特定の実施形態によるスペクトルイメージャの図である。 本発明の１つの特定の実施形態によるスペクトルイメージャの図である。 第１および第２サブスライドの配置図である。 二主要波の干渉計の詳細図である。 信号分離器の図である。 Ｍ列Ｎ行に配置された感光サイトの行列によって表される光検出器の図である。 二主要波の干渉計による光放射の透過を表す図である。

以下に詳述する本発明は、マイクロレンズのネットワークを備えた光学デバイス内に配置された二主要波干渉計のネットワーク１４０を使用する。各マイクロレンズは干渉計とペアリングされて光学ペア１６０を形成する。光学ペア１６０は、所与の段差について、感光センサのセクション上のシーンの干渉の状態を投影するように配置されている。そのようなデバイスは、可動部品を用いずに複数の干渉画像の同時撮像のために用いられ得る。

光学デバイスはさらに、その物体焦点面（以後中間焦点面と呼ぶ）内に配置された物体の像を無限遠に送るコリメートレンズ１１０も含み得る。

図３ａから３ｄは、本発明による、２つの主要波１００を備えた干渉デバイスの加工の一例を示す。

フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ１００は、前記光検出器１２０の感光面１２１と同一平面の複数の感光サイト（「ピクセル」）を備えた光検出器１２０（図４）を備えている。感光面１２１に対して垂直な方向を、これ以降Ｙ方向と呼ぶ。

感光サイトとは、その表面上への入射光の数をカウントし、前記光子の数を電気回路、例えば電圧および／または電流に変換するように適合されたサイトを指す。感光サイトはＭ列Ｎ行からなる行列に配置され得る（したがって、Ｍ×Ｎ感光サイトがある）。さらに、感光サイトのサイズはｔ_ｐｉｘと表示される。

光検出器１２０は、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサを含み得る。

光検出器１２０の感光サイトは有利には、平面上に規則的（周期的）に配置され得る。

２つの主要波１００を有する干渉デバイスはさらに、コリメートレンズ１１０（図３ｃ）も備えてよい。コリメートレンズ１１０の軸はＹ方向に対して平行である（したがって、コリメートレンズ１１０は感光面１２１に対して平行である）。本提示全体を通して、用語コリメートレンズとジオプターは互換的に用いられる（本発明によれば、それらは光学的コリメーション手段に還元されてもよい）。レンズの軸は、像と、コリメートレンズ１１０の第１焦点を結ぶ軸である。コリメートレンズ１１０は、中間焦点面１３０を備えている。中間焦点面１３０は、前記コリメートレンズ１１０の第１焦点を通るコリメートレンズ１１０の軸に対して垂直な平面として定義される。コリメートレンズ１１０は、直径Φ２と焦点距離ｆ２を有するレンズである。

本発明によるデバイス１００は二主要波干渉計のネットワーク１４０を備えている。２つの主要波を備えた各干渉計１４１は、互いに対面していて互いに平行であり、感光面１２１に対して垂直な方向に沿って間隔ｈにある２つの面１４１ｂ，１４１ｃによって区切られているキャビティ１４１ａを含む。干渉計は、感光面１２１に対して平行な平面内に配置されている。

キャビティ１４１ａはエアキャビティであってよく、または、例えばゲルマニウム等の固形物で充填されてもよい。

干渉計のネットワークは、平面内に横並びで配置され、互いに異なっている干渉計１４１の二次元行列を意味する。互いに異なるということは、２つの主要波を有する１つの干渉計１４１からの間隔ｈが、次の干渉計１４１からの間隔ｈとは異なっていることを意味する。よって、二主要波干渉計のネットワーク１４０は、それぞれが異なる段差を課す一組の異なる間隔ｈを特徴とする（図３ｅ）。

代替的に、各干渉計間での異なる段差は、各干渉計によって形成されるキャビティ内の異なる屈折率によって課されてもよい。言い換えると、各干渉計のキャビティは、各干渉計が、他の干渉計とは異なる段差に関連付けられるように、異なる屈折率を有する材料で充填されてよい。

本発明では、二主要波の干渉計１４１とは、２つの平行な面１４１ｂ，１４１ｃ（感光面１２１に対しても平行である）によって区切られたエアキャビティ１４１ａを意味する。２つの平行な面１４１ｂ，１４１ｃは、６０％以下、好ましくは５０％未満、さらに好ましくは４５％未満の平均反射係数Ｒを有する。平均反射係数は、関係式

によって定義され、Ｒ_１とＲ_２は、本発明による二主要波の干渉計１４１のエアキャビティ１４１ａをそれぞれ区切る２つの面１４１ｂ，１４１ｃの内部反射係数である。

本発明による二主要波の干渉計１４１は以下の関係式によって定義される適合度Ｆも特徴とする：

適合度Ｆ＝１０の場合、平均反射係数Ｒは７２％に等しい。

例えば７０％を超える高い平均反射係数は、干渉フィルタ（言い換えると、多重波干渉計）の特徴である。そのようなデバイスは製造と操作が非常に困難であり、大量工業生産にうまく適合しない。さらに、そのようなデバイスはその外部環境（塵芥、湿度など）に非常に敏感である。

本発明によれば、二主要波の干渉計は、適合度Ｆが２〜１０、有利には２〜５、例えば４である干渉計である。

図５は、本発明による二主要波の干渉計１４１の動作原理を示す。図５に示した例において、干渉計１４１は放射Ｆによって照明される。第１のビームＦＡは反射せずに透過し、第２のビームＦＢは、二主要波の干渉計１４１の２つの面１４１ｂ，１４１ｃ間の間隔ｈによって課される位相シフトΔφをもって、面１４１ｂ，１４１ｃそれぞれに反射した後で透過する。２つのビームは重畳されて干渉体積を形成する。検出面がこの干渉体積内に配置されると、干渉図が観測され得る。対象領域に精通した者ならば、二主要波の干渉計１４１の詳細な説明を、引用した著作［２］マックス・ボーンおよびエミル・ウルフ（Max Born & Emil Wolf）著、「光学原理（Principles of Optics）」，Pergamon Press, Sixth Edition, １９８０年、 section VII （干渉および干渉計の理論の要素（Elements of the theory of interferences and interferometers）で見出すことができる。

本発明によるデバイスはさらにマイクロレンズネットワーク１５０も含む。 マイクロレンズ１５１は感光面１２１に対して平行な平面に配置される。

マイクロレンズネットワーク１５０とは、平面内に横並びに配置されたマイクロレンズ１５１の二次元行列を意味する。各マイクロレンズ１５１は、Ｆ値またはＮ_ｏｕｖで示される開口率値を有する。

マイクロレンズネットワーク１５０内の各マイクロレンズ１５１は、干渉計ネットワーク１４０の干渉計１４１とペアリングされて光学ペア１６０を形成する。

ペアリングとは、各マイクロレンズ１５１が、感光面１２１に対して垂直な方向に沿って干渉計１４１に対応させられることを意味する。言い換えると、各マイクロレンズ１５１は、感光面１２１に対して垂直な方向に沿って、干渉計ネットワーク１４０の干渉計１４１に重畳される。したがって、各光学ペア１６０はマイクロレンズ１５１の１つのスタックに対応し、二主要波の干渉計１４１はＹ方向に沿っていると理解される。本発明の特定の実施形態の詳細な説明を読めば、対象領域に精通した者ならば、マイクロレンズネットワーク１５０と二主要波干渉計のネットワーク１４０がしたがって、光学ペア１６０のネットワークを形成するということを理解するであろう。

したがって、各光学ペア１６０は、感光面１２１と一致する焦点像面を備えている。コリメートレンズ１１０を考慮すると、各光学ペア１６０は、中間焦点面１３０に位置するシーンが、各ペアによって感光面１２１のセクション１２２に投影されるように、コリメートレンズ１１０および感光面１２１に相対して位置している。各光学ペア１６０について感光面１２１の対応するセクション１２２があり、その結果、感光面１２１のセクション１２２のセットが感光面１２１のセクションのネットワークを形成することも理解される。面のセクション１２２は「チャンネル」とも呼ばれる。

面セクション１２２の個数は「チャンネル数」とも呼ばれ、Ｎ_{ｃｈａｎｎｅｌｓ}と表示される。各チャンネルは、μ列ν行に配置された光検出器１２０の感応サイトを含み得る（したがって、チャンネル毎にμ×ν感光サイトがある）。

本発明によれば、各イメージチャンネルは同時に１つの干渉状態を有する（所与の段差について、また、それに関連する、二主要波の干渉計の間隔ｈによって課せられる）。または、全ての像は異なるチャンネルで収集される。光学ペア１６０のネットワークを考慮することは、光学ペア１６０の個数と同じ個数の干渉画像を同時に撮像することを可能にする。こうして、本発明によれば、単色画像（または分光画像）のキューブが、このように逆フーリエ変換によって取得されたデータの処理によってこうして再構築され得る。

したがって、分光画像の撮像は即時である（分光画像の作成に必要な全てのデータが同時に取得される）。

さらに、本発明によるデバイスは可動部分を含まない。

有利には、感光面１２１の各セクション１２２は同じ個数の感光サイトを備えている。したがって、シーンの観測中に収集されたデータの処理が促進される。さらに有利には、感光面１２１の全てのセクション１２２は同じ形状と同じ寸法を有する。

二主要波干渉計のネットワーク１４０における間隔のセットの間隔ｈは、最小間隔ｈ_ｍｉｎと最大間隔ｈ_ｍａｘの間で均一に分布し得る。スペクトル分解能は、最大間隔ｈ_ｍａｘの値を増加させると改善することに留意されたい。

ここで、図３ａから３ｄに示した本発明の適用例について説明する。

この例において、デバイスにはコリメートレンズ１１０が配設されている。このコリメートレンズは省略されてもよいことが理解される。

この適用例によれば、コリメートレンズ１１０は中間焦点面１３０を備えている。コリメートレンズ１１０は感光面１２１に対して平行に配置されている。さらに、コリメートレンズ１１０は、中間焦点面１３０を通過する放射が感光面１２１の方向に無限遠に送られるように配置されている。この第１の適用例によれば、コリメートレンズ１１０は、第１サブスライド１７０の第１面１７１上に形成された凸面ジオプター（用語凸面と凸面ジオプターは本明細書内で互換的に使用される）を備えている。

コリメートレンズ１１０を省略した場合、第１サブスライド１７０の第１面１７１は平面ジオプターであってよい。

第１サブスライド１７０は第２面１７２も備える。２つの主要波を備えた干渉デバイスは第２サブスライド１８０も備えている。第２サブスライド１８０は、互いに平行な第１面１８１と第２面１８２を備えている。

第１サブスライド１７０と第２サブスライド１８０は感光面１２１に対して平行であり得る。

第１サブスライド１７０の第２面１７２は第２サブスライド１８０の第１面１８１に対面している。

サブスライドは、１つの輪郭によって結ばれる平行な面を有する薄型スライドに関する。

第２サブスライド１８０は、その上にマイクロレンズのネットワーク１５０が位置する第２面１８２も備えている。段１４２は、第１サブスライド１７０の第２面１７２および第２サブスライド１８０の第１面１８１から選択される２つの面のうち１つの上に形成され、２つの面のうち他方は平面ジオプターであり、その結果、２つの面のうち１つに形成された段１４２が平面ジオプターと協働して二主要波干渉計のネットワーク１４０を形成する。各段１４２は他の段１４２とは異なる深さに形成され、感光面１２１に対して垂直な方向に沿ってマイクロレンズ１５１と揃っている。図３ａから３ｄに示された例において、段１４２は第１サブスライド１７０の第２面１７２に形成されるが、段１４２を第２サブスライド１８０の第１面１８１上に形成することを想定してもよい。

段１４２の形成の技術は、対象領域に精通した者の一般知識に基づくものであり、よって、本発明では説明しない。

２つの隣接する段１４２間の距離はｄ_eで表示される。言い換えると、ｄ_eは、２つの隣接する段１４２間の間隔ｈの差である。有利には、ｄ_eは、段１４２が延在する全領域にわたって一定であってよい。

有利には、第１サブスライド１７０の第２面１７２の反射係数は５〜９０％であってよい。

また、有利には、第２サブスライド１８０の第１面１８１の反射係数は５〜９０％であってよい。

特に有利には、第２面１７２の反射係数と第１面１８１の反射係数は等しい。こうして、スペクトルイメージャはより良いコントラストを有する。

段１４２は形状が正方形、長方形、または六角形であってよい。

有利には、二主要波干渉計のネットワーク１４０は二次元正方行列または二次元長方行列であってよい。

特に有利には、スペクトルイメージャ１００は信号分離ネットワーク２２０も備え、各 信号分離器２２１は光学ペア１６０とペアリングされ、感光面１２１で各光学ペア１６０によって形成される像が、前記光学ペア１６０がそれに向いて配置されている感光面１２１のセクション１２２に限定されるように配置されている。

こうして、１つの光学ペアによって形成された像が別の光学ペアに関連するセクション１２２にわたって延在することはない。

各信号分離器２２１は、感光面に対して垂直であるとともに有利には前記感光面と接触している第１側壁を備えてよい。言い換えると、信号分離器は感光面１２１上に格子を形成し、前記チャンネルそれぞれが、ペアリング先の光学ペアからの光信号出力のみを収集するように、各チャンネルを物理的に分離する。

各信号分離器２２１はさらに第２側壁も備えてよく、各第２側壁は２つの隣接する二主要波干渉計を光学的に絶縁する。

「光学的絶縁」とは、スペクトルイメージャの波長の動作レンジ内の不透明な壁を意味する。

さらに有利には、光検出器１２０、コリメートレンズ１１０（これも想定しなければならない場合）、二主要波干渉計のネットワーク１４０およびマイクロレンズのネットワーク１５０は全て低温室１９０内に配置されてよい。デバイスのコンパクトさは、装置を全体で冷却することを考慮することを可能にする。

有利には、低温室１９０は、前記室１９０のコールドスクリーンに開口２００を備えてよい。言い換えると、コールドスクリーンとその開口２００は、区域を区切る隔膜を形成し、例えば、開口２００の直径はΦ_ＤＦである。さらに詳細には、開口２００は中間焦点面１３０と一致する。低温室１９０は例えばクライオスタットであってよく、より詳細には、ソフラディール（ＳＯＦＲＡＤＩＲ）社によって販売されているＳｃｏｒｐｉｏ^ＴＭまたはＤａｐｈｎｉｓ^ＴＭタイプのクライオスタットであってよい。

低温室１９０の使用法はこの第１の適用例にのみ限定されず、本発明の全ての変形形態に一般化され得ることに留意されたい。

デバイスはさらに、入射放射を中間焦点面１３０に集束させるように設計された集束対物レンズ２１０を備えてよい。集束対物レンズ２１０の焦点距離はｆ１であり、その直径はΦ１である。集束対物レンズは光学的対物レンズであってよい。

コリメートレンズ１１０は中間焦点面１３０に面した第１の面を有し、各マイクロレンズ１５１の表面は湾曲している。前記第１の面および曲面は反射防止堆積で処理されてよく、反射防止処理は有利には誘電材料の層であり、有利にはＺｎＳの層である。

特に有利には、二主要波干渉計のネットワーク１４０内の干渉計１４１は、１２〜６０％、有利には２０〜５０％、例えば４２％に等しい平均反射係数Ｒを有し得る。

動作中、光検出器の各チャンネルで干渉画像が読み取られる。直線性、利得または「オフセット」などの補正が行われてよい。

以下のような、干渉画像への他の補正も行なわれてよい。
１／不良ピクセルの削除、
２／異なるチャンネルどうしの境界のピクセルの削除、
３／シフト
４／シリンダー（幾何収差の補正）
５／ビグネッティング（輝度の調節）
６／測光補正

さらに、干渉画像における各等価ピクセルに関して、次にインターフェログラムが再構築され得る、言い換えると、束値を有する各等しいピクセルに関して、異なる二主要波干渉計によって課される段差の関数として表が埋まり得る。

最後に、各インターフェログラムが逆フーリエ変換を用いて反転されて、波長（単数または複数）の個数に関して均質であるデータセットを取得する、言い換えると、画像キューブを再構築する。

この第１の適用例の実例として、第１と第２サブスライド１７０，１８０はゲルマニウムを含み得る。ゲルマニウムは、赤外域での適用に特に好ましい。熱機械特性はさらに、低温室１９０内に配置された場合にデバイスの冷却と適合する。

さらに、段１４２の寸法、間隔ｈのセット、凸面ジオプターとマイクロレンズ１５１の幾何特性は、当業者に知られる計算技法によって算定され得る（例えば、ジオプターとマイクロレンズ１５１の特性は、ＺＥＭＡＸソフトウェアを用いて計算され得る）。

第１および第２サブスライド１７０，１８０の設計は、光検出器１２０の特性とデバイスの最終特性に依存し得る。これに関連して、第１の適用例の一環として、凸面ジオプター、段１４２およびマイクロレンズ１５１の設計の決定のための方法論を提示する。しかしながら、この手法はこの第１の適用例に限定されず、本明細書に記載された全ての実施形態に転置され得る。

光検出器１２０の特性は、表１に挙げる通りであり得る。

この光検出器の特性は、表２に提示される本発明によるデバイスの特性を計算するために用いられる。

図５は、光学チャンネルの光線路を示す。コリメートレンズ１１０への入射放射（コリメートレンズ１１０の光軸に対して入射角θで）は、第１サブスライド１７０の第１面１７１に達したときに屈折する。放射は、第１サブスライド１７０から、その第２面１７２ （二主要波の干渉計１４１のエアキャビティ１４１ａ内）で、同じ角度θで現れる。この放射の一部（図５ではＦＡと表示される）が透過し、したがって、マイクロレンズ１５１によって光検出器１２０上に集束される。この放射の別の部分は、 二主要波の干渉計１４１の各面１４１ｂ，１４１ｃ上で反射してから次に透過しマイクロレンズ１５１によって集束される（図５でＦＢと表示される放射）。放射ＦＡと放射ＦＢは、感光面１２１内で干渉する（これら２つの放射ＦＡと放射ＦＢは、感光面１２１上の同じ点に集束される）。二主要波の干渉計１４１によって、放射ＦＡと放射ＦＢの間に導入される段差は、

に等しい。

但し、ｎはエアキャビティ１４１ａの屈折率である（ｎ＝１）。したがって、干渉環が、所与の入射角θから開始して感光面１２１形成される。または、所与のチャンネルについて、例えば、チャンネルｋ番について、大部分に対応する段差δ_ｋがあるが、この段差は、θの次則に従って入射角θの関数として変化する。こうして、所与の入射角θから開始して、干渉環は、感光サイトによって正しくサンプリングされるには狭くなり過ぎる可能性がある。その場合、感光サイト内で許容できる最大段差としてλ_ｍｉｎ／４の値が課され得る。段差を差別化することによって得られる結果は：

であり、そこで

である。

したがって、最大入射角θ_ｍａｘが、各チャンネルについて定義されることができ、また、以下の式によって、デバイスの異なるパラメータに連結される。

Φ_μＬはマイクロレンズ１５１の直径であり、ｆ_μＬは前記 マイクロレンズ１５１の焦点距離である。

こうして、スペクトル分解能が改善されチャンネル毎に許容できる画角はｅ_ｍａｘの値が増加するにつれて減少する。

実際には、低分光解像度の構成では、最大許容入射角は、マイクロレンズ１５１の開口角に限られる。この値を超えるとすぐに、感光面１２１でマイクロレンズ１５１によって撮像される範囲は、隣接するマイクロレンズ１５１によって撮像される範囲よりも高くなり得る。

上記のように、各チャンネルは１つのマイクロレンズ１５１に対応し、各チャンネルに割り当てられる検出器ゾーンは、マイクロレンズ１５１の直径に対応する（言い換えると、Φ_μＬ＝ｔ_ｐｉｘμである）。

以上の考察はこうして、第１の適用例によるデバイスの設計の詳細をもたらす。

したがって、焦点距離ｆ１および直径Φ１の集束対物レンズ２１０のパラメータ、直径ΦＤＦの視野制限部、焦点距離ｆ２（入力データ）および直径Φ２の第１サブスライドのサイズを、表３に列挙した式を用いて決めることが依然として必要である。

高分光解像度のフーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ１００の第１の例が表４および５に提示されている。この例において、デバイスは１ｃｍ^−１の分光解像度で１．５〜５．５μｍの光学波長で機能する。

低分光解像度のフーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ１００の第２の例が表６および７に提示されている。

この例において、デバイスは１．５〜５．５μｍの間の光学波長で機能する。

本発明を、二主要波干渉計１４０のネットワークとマイクロレンズネットワーク１５０の特定の配置構成に関して説明してきた。しかしながら、本発明はこの配置構成に限定されない。マイクロレンズネットワークと二主要波干渉計のネットワークの順が、上記の説明と逆転しているスペクトルイメージャ（干渉計ネットワーク１４０は感光面とマイクロレンズネットワークの間に配置されていることを理解されたい）が、本発明の枠組み内で容易に想定され得る。

有利には、本発明によるスペクトルイメージャは、ガスおよび／またはエアロゾル、および特に二酸化炭素、水またはメタンの検出および／または定量化に用いられ得る。測定原理はフォルチュナート（Ｆｏｒｔｕｎａｔｏ）により文献［３］Ｇ．フォルチュナート（G. Fortunato）著、「大気汚染物の検出のためのスペクトルの干渉相関の適用（Application de la correlation interferentielle de spectres a la detection de polluants atmospheriques（Application of the interference correlation of spectra to detection of atmospheric pollutants）），J. Opt. 9, 281 （１９７８年）によって記述された技法に基づく。

さらに、有利には、スペクトルイメージャ１００は、電子機器、例えばモバイルフォンまたはタブレットまたはドローンで使用され得る。

１００ フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ
１１０ コリメートレンズ
１２０ 光検出器
１２１ 感光面
１２２ セクション
１３０ 中間焦点面
１４０ 二主要波の干渉計のネットワーク
１４１ 干渉計
１４１ａ キャビティ
１４１ｂ，１４１ｃ 面
１４２ 段
１５０ マイクロレンズのネットワーク
１５１ マイクロレンズ
１６０ 光学ペア
１７０ 第１サブスライド
１７１ 第１面
１７２ 第２面
１８０ 第２サブスライド
１８１ 第１面
１８２ 第２面
１９０ 低温室
２００ 開口
２２０ 信号分離ネットワーク
２２１ 信号分離器

Claims (14)

1. フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ（１００）であって、前記フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ（１００）は、
   光検出器（１２０）であって、前記光検出器（１２０）の感光面（１２１）と同一平面の複数の感光サイトを備えている光検出器（１２０）と、
   二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）であって、前記二主要波の干渉計のネットワークにおける二主要波の干渉計のそれぞれが２〜１０の適合度Ｆを有しており、二主要波の干渉計のそれぞれが互いに面しており前記感光面（１２１）に対して平行な、２つの面（１４１ｂ，１４１ｃ）によって区切られたキャビティ（１４１ａ）を備え、各二主要波の干渉計（１４１）の２つの面（１４１ｂ，１４１ｃ）は、一の二主要波の干渉計（１４１）から次の前記二主要波の干渉計までの異なる間隔ｈにあり、前記二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）の前記二主要波の干渉計（１４１）は、前記感光面（１２１）に対して平行な平面内に配置されている、干渉計のネットワークと、
   前記感光面（１２１）に対して平行な平面に形成されたマイクロレンズのネットワーク（１５０）と、
   を備え、
   前記マイクロレンズのネットワーク（１５０）内の各マイクロレンズ（１５１）は、前記二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）内の二主要波の干渉計（１４１）とペアリングされて光学ペア（１６０）を形成し、各光学ペアは前記マイクロレンズ中の１つのマイクロレンズと前記干渉計中の１つの干渉計の１つのスタックに対応し、前記光学ペア（１６０）は、前記感光面（１２１）と一致する焦点像面を備え、光学ペアの干渉計からの光放射は前記感光面（１２１）のセクション（１２２）上の前記光学ペアのマイクロレンズによって透過される、フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ。
2. 前記スペクトルイメージャ（１００）は信号分離ネットワーク（２２０）も備え、各信号分離器（２２１）は光学ペア（１６０）とペアリングされ、前記感光面（１２１）で各光学ペア（１６０）によって形成される像が、前記光学ペア（１６０）がそれに対面して配置されている前記感光面（１２１）のセクション（１２２）に限られるように配置されている、請求項１に記載のスペクトルイメージャ。
3. 各信号分離器（２２１）は、前記感光面（１２１）に対して垂直であり有利には前記感光面（１２１）と接触している第１側壁および第２側壁を備えており、
   前記信号分離器（２２１）は、前記感光面（１２１）上に格子を形成し、
   前記感光面（１２１）の前記セクション（１２２）は、前記第１側壁および前記第２側壁によって、物理的に分離されている、請求項２に記載のスペクトルイメージャ。
4. 前記スペクトルイメージャは第１サブスライド（１７０）を備え、前記第１サブスライドは、第１面（１７１）と、前記第１面（１７１）に対して平行な第２面（１７２）を備え、前記第２面（１７２）は、第２サブスライド（１８０）の第１面（１８１）に対して平行であり第２サブスライドの第１面に対面しており、前記第２サブスライド（１８０）はさらに、前記マイクロレンズのネットワーク（１５０）がその上に配置された第２面（１８２）も備え、前記フーリエ変換マルチチャンネルスペクトルイメージャ（１００）はさらに、前記第１サブスライド（１７０）の第２面（１７２）および前記第２サブスライド（１８０）の第１面（１８１）のうちから選択された２つの面のうち一方に形成された段（１４２）を備え、前記２つの面のうち他方は平面であり、その結果、前記２つの面のうち一方の上に形成された段（１４２）が、前記平面を備えた二主要波の干渉計（１４０）のネットワークを形成し、各段（１４２）は、他の段（１４２）とは異なる深さで形成されて、感光面（１２１）に対して垂直な方向に沿ってマイクロレンズと垂直方向に揃っている、請求項１から３のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
5. 前記第１サブスライド（１７０）の第２面（１７２）は５％〜９０％に等しい反射率を有する、請求項４に記載のスペクトルイメージャ。
6. 前記第２サブスライド（１８０）の第１面（１８１）は５％〜９０％に等しい反射率を有する、請求項４または５に記載のスペクトルイメージャ。
7. 前記段（１４２）の形状は正方形、長方形または六角形である請求項３から５のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
8. 前記二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）内の前記干渉計（１４１）は、二次元行列、有利には、正方二次元正方行列に分布している、請求項１から７のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
9. 前記光検出器（１２０）、前記二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）および前記マイクロレンズネットワーク（１５０）は全て、低温室（１９０）に配置され、有利には前記低温室（１９０）は開口（２００）を備えている、請求項１から８のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
10. 前記各マイクロレンズ（１５１）は曲面を有し、前記曲面は、反射防止堆積で処理され、反射防止処理は有利には誘電材料の層であり、有利にはＺｎＳである、請求項１から９のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
11. 前記二主要波の干渉計のネットワーク（１４０）内の干渉計（１４１）は、１２〜６０％、有利には２０〜５０％に等しい、好ましくは４２％に等しい平均反射係数を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ。
12. ガスおよび／またはエアロゾルの検出および／または定量化のための、請求項１から１１のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ（１００）の使用法。
13. 前記ガスは温室効果ガスであり、特に、二酸化炭素、水またはメタンである、請求項１２に記載の使用法。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のスペクトルイメージャ（１００）を備えたモバイル電子機器。

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