JP7543503B2 - 分光計装置および分光計システム - Google Patents

Description

本発明は、分光計装置、分光計装置を含む分光計システム、および、分光計装置および分光計システムの様々な使用に関する。そのような装置とシステムは、一般的に、具体的に赤外線（ＩＲ）スペクトル領域、特に近赤外線（ＮＩＲ）と中赤外線（ＭｉｄＩＲ）スペクトル領域における調査又は監視のために、および、熱、炎、火災、または煙の検出のために採用され得る。しかしながら、さらなる種類の適用も可能である。

赤外線（ＩＲ）スペクトル領域、特に近赤外線（ＮＩＲ）スペクトル領域の調査用のさまざまな分光計装置と分光計システムが知られている。特に、線形可変フィルタ（ＬＶＦ）と検出器アレイとの組み合わせを有する分光計装置がすでに提案されている。ここで、ＬＶＦは、物体から捕捉された光を構成波長信号のスペクトルに分離するために割り当てられ、一方、検出器アレイは複数のピクセルを含み、複数のピクセルのそれぞれは、各構成波長の出力測定値を提供する複数の構成波長信号の少なくとも一部を受け取るように配置されている。通常、入射光がＬＶＦの受光面に垂直な方式でＬＶＦに当たるようにするために、バッフルがこの目的のために使用されるが、しかし一般に、これは光処理能力が低く、信号対ノイズ比が低い。

ＵＳ ２０１４／１３１５７８ Ａ１は、サンプルと相互作用する光を第１焦点比で取得するテーパーライトパイプ（ＴＬＰ）とともに、サンプルに光を向け、第１焦点比よりも低い第２焦点比でその光をＬＶＦに配送する照射源を有する移動式の分光計装置を開示している。好ましくは、ＴＬＰは、一端がレンズ付きで、段付き内壁を備えた保護ブーツに埋め込まれている。さらに、ＴＬＰとＬＶＦの間の隙間は、解像度と堅牢性をさらに向上させるために、最小化されている。ここに開示されたＴＬＰは、用語「集光装置」とも表すこともでき、集光装置は、捕捉された光の散開、および、捕捉された光の角拡散の低減のために逆方向に操作され、円錐形状を含んでいることが、ここで強調される。

ただし、たとえば、Ｓ． ＭａｄａｌａとＲＦ Ｂｏｅｈｍの、「静止誘電体で満たされた非画像化集光器における反射損失の影響」、Ｊ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ ６（４）、０４７００２、２０１６年、に記載されているように、円錐形状を含む集光装置は集束効率が低いという問題がある。Ｓ．Ｍａｄａｌａらによってさらに説明されているように、屈折型非画像化ソーラー集光器の性能パラメータに対するフレネル反射および全内部反射（ＴＩＲ）の損失の影響は、性能パラメータに影響を与え、それによりエネルギー収集に影響する。この目的のために、Ｓ．Ｍａｄａｌａらは、円錐集光器（Ｖトラフ集光器）、複合放物線集光器（ＣＰＣ）、複合楕円集光器（ＣＥＣ）、および複合双曲線集光器（ＣＨＣ）を含む、４つの異なるタイプの静止誘電体で満たされた非画像化集光器におけるフレネル反射とＴＩＲ損失の影響を説明するために、レイトレーシング分析を実行した。彼らの発見によれば、誘電性充填材料の屈折率（ＲＩ）は、固体の非画像化集光器の受容角を決定する。より大きな屈折率は、より大きな受容角を生じ、従ってより大きなエネルギー収集を生じるが、フレネル反射損失も増加させる。

Ｌｕｎ Ｊ．とＲ．Ｗｉｎｓｔｏｎらの、「複合楕円集光器（ＣＥＣ）の非対称設計とその幾何学的フラックスの影響」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、９５７２、２０１５年は、さらなる非画像化光学要素として非対称複合楕円集光器（ＣＥＣ）に関する理論的な論文を提供している。ここで、彼らは、理想的な集光器を理解する従来の方法は、均一な受容角に基づいて集光率を最大化することに基づいていると述べている。このような角度はＣＥＣには存在しないが、熱力学的法則は依然として適用され、この一般的な問題を解決するために、ストリング法を使用することにより、集光器はそれによって許容される最大の集光率を意図されてきた。その結果、幾何学的フラックス場またはフローライン法を使用した理想的な集光器のグループが得られた。

米国特許第５，６１５，６７３ Ａ号は、関心領域から戻るラマン散乱光を光学的に収集するために使用される複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）を開示している。ここで、ＣＰＣは、半球全体に放射された光を、光ファイバやレンズなどの従来の光学系で収集できる狭い円錐に変換する通常の構成で使用される非画像化光学要素である。

ＵＳ ２０１６／１５１００９ Ａ１は、ガスの検出、特にＣＯ_２の検出のためのセンサを開示しており、そこでは開口数コンバータ（ＮＡコンバータ）が波長フィルタと放射線源の間の経路に配置されている。ここで、ＮＡコンバータは、複合放物線集光器または複合楕円集光器の形状を有する、反射性または不透明材料の開口部として作成される。代替的に、変換の代わりに高角度光線を吸収することによって、光線の角度の広がりを制限することを除いて、ＮＡコンバータに対応するＮＡフィルタを使用できる。

したがって、本発明によって解決される問題は、特に、赤外線（ＩＲ）スペクトル領域、特に近赤外線（ＮＩＲ）スペクトル領域での調査に適し得、このタイプの既知の装置およびシステムの欠点を少なくとも実質的に回避する、分光計装置および分光計システムを提供することである。

特に、物体からの光を捕捉し、捕捉された光を、現在可能なものより高い集光率で線形可変フィルタに伝達するように設計された光学要素を有する、費用効率が高く、なおかつ信頼性の高い、簡単で改善された分光計装置をもたらすのが望ましい。

この問題は、独立特許請求項の特徴を備えた本発明によって解決される。個別にまたは組み合わせて実施できる本発明の有利な展開は、従属請求項および／または以下の明細書および詳細な実施形態に示されている。

本明細書で使用するとき、「有する」、「備える」および「含む」という表現、ならびにそれらの文法上の変形は、非排他的な方法で使用される。したがって、「ＡはＢを有する」という表現ならびに「ＡはＢを含む」または「ＡはＢを備える」という表現はＢに加えて、Ａが１つ以上のさらなる部品および／または構成を含むという事実、ならびにＢ以外に、Ａに他の部品、構成、または要素が存在しない場合の両方とも指し得る。

本発明の第１の態様では、分光計装置が開示されている。したがって、分光計装置は、
－ 物体からの入射光を受け取り、該入射光を可変長フィルタに伝達するように設計された光学要素であって、該光学要素は集光装置を有し、該集光装置は逆方向に作動され、該集光装置は入射光を反射するように適合された単一の側壁を有し、該単一の側壁は丸みを帯びた側壁として設計されている、光学要素；
－ 入射光を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられた可変長フィルタ；そして
－ 複数のピクセル化センサを有する検出器アレイであって、各ピクセル化センサは構成波長信号の１つの少なくとも一部を受光するように適合され、各構成波長信号は各構成波長の強度に関連する、検出器アレイ、
を有する。

「物体」は、一般に、生きている物体および非生命体から選択される任意の物体であり得る。したがって、例として、少なくとも１つの物体は、１つ以上の物品および／または物品の１つ以上の部分を含むことができ、少なくとも１つの物品またはその少なくとも一つの部分は、調査に適したスペクトルを提供し得る少なくとも１つの構成を含むことができる。追加的または代替的に、物体は、１つ以上の生物および／またはその１つ以上の部分、たとえばユーザーなどの人間、および／または動物の１つ以上の体の部分であってもよいし、またはそれらを含んでいてもよい。

本明細書で使用される「光」という用語は、一般に、通常「光学スペクトル範囲」と呼ばれ、可視スペクトル範囲、紫外線スペクトル範囲、および赤外線スペクトル範囲の一つ以上を含む電磁放射の区分を指す。本明細書では、「紫外線スペクトル範囲」という用語は、一般に、１ｎｍ～３８０ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～３８０ｎｍの波長を有する電磁放射を指す。さらに、本文書の日付の有効なバージョンの標準ＩＳＯ－２１３４８に部分的に準拠して、「可視スペクトル範囲」という用語は、通常、３８０ｎｍ～７６０ｎｍのスペクトル範囲を指す。「赤外線スペクトル範囲」（ＩＲ）という用語は、一般に７６０ｎｍ～１０００μｍの電磁放射を指し、７６０ｎｍ～１．５μｍの範囲は通常「近赤外線スペクトル範囲」（ＮＩＲ）と呼ばれ、１．５μｍ～１５μｍは「中赤外線スペクトル範囲」（ＭｉｄＩＲ）として示され、１５μｍ～１０００μｍの範囲は「遠赤外線スペクトル範囲」（ＦＩＲ）として示される。好ましくは、本発明の典型的な目的に使用される光は、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲の光、より好ましくは、近赤外線（ＮＩＲ）および中赤外線スペクトル範囲（ＭｉｄＩＲ）の光、特に、１μｍ～５μｍ、好ましくは１μｍ～３μｍの波長を有する光である。

物体から出る光は、物体自体から発してもよいが、代替的に別の発生源を持つこともでき、この発生源から物体に、続いて分光計装置に向かって伝播することができる。後者の場合は、特に、使用されている少なくとも１つの照射源によって影響を受け得る。したがって、物体から分光計装置に伝播する光は、物体および／または物体に接続された反射装置によって反射され得る光であり得る。代替的または追加的に、光は少なくとも部分的に物体を透過することができる。

照射源は、様々な方法で具体化することができる。したがって、照射源は、例えば、ハウジング内の分光計装置の一部であり得る。しかしながら、代替的または追加的に、少なくとも１つの照射源は、例えば別個の光源として、ハウジングの外側に構成され得る。照射源は、物体とは別に配置され、物体を所定距離から照らすことができる。上述のように、照射源は、代替的または追加的に、例えば物体から出る電磁放射が照射源によって直接生成されるなど、物体に接続されることも、物体の一部であることもできる。例として、少なくとも１つの照射源は物体の上および／または物体中に配置され、電磁放射を直接生成することができる。

照射源は、好ましくは、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲、特に近赤外線（ＮＩＲ）スペクトル範囲、特に白熱灯において十分な放射を提供することが知られている一種の照射源を含むことができる。代替的または追加的に、照射源は、以下の照射源：炎源；熱源；レーザ、他のタイプのレーザも使用できるが特にレーザダイオード；発光ダイオード；有機光源、特に有機発光ダイオード；ネオンライト；構造化光源、の少なくとも１つから選択されてよい。代替的または追加的に、他の照射源も使用され得る。本明細書では、物体および／または照射源によって放出された光が、スペクトル範囲であって、それぞれの照射源によって照射され得る検出器アレイが、特に高い強度の検出器信号を提供することができ、したがって検出器信号を十分な信号対ノイズ比で、同時に高分解能で評価することができるのを確実にする方式で、検出器アレイのスペクトル感度に密接に関連するスペクトル範囲を示し得る場合が特に好ましい。

一般的に使用されるように、「スペクトル」という用語は、光学スペクトル範囲、具体的に、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲、特に近赤外線（ＮＩＲ）スペクトル範囲の区分を指す。ここで、スペクトルの各部分は、信号波長および対応する信号強度によって定義される光信号によって構成される。さらに、「分光計装置」という用語は、スペクトルの対応する波長または波長間隔などのスペクトルの区分に関する信号強度を記録することができる装置に関し、そこでは該信号強度は、好ましくは、さらなる評価に使用できる電気信号として提供され得る。本発明による分光計装置では、以下でより詳細に説明されるように、検出器アレイの使用によって対応する強度が決定される構成波長信号のスペクトルに入射光を分解するために、可変長フィルタが使用されている。さらに、物体からの入射光を受け入れて可変長フィルタに伝える光学要素が適用されている。ここでさらに使用されるように、「分光計システム」は、したがって、分光計装置に加えて、ここで開示されるように該分光計装置によって提供される検出器信号を評価することによって物体のスペクトルに関する情報を決定するように割り当てられた評価ユニットを備えている装置を指し得る。

このように、本発明によれば、分光計装置は、入射光を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられた可変長フィルタを備えている。一般的に使用されるように、「可変長フィルタ」という用語は、複数のフィルタ、好ましくは、特に、フィルタの連続配置で提供され得る複数の干渉フィルタを含む光学フィルタを指す。ここで、各フィルタは、フィルタ上の各空間位置の可変中心波長を有するバンドパスを、好ましくは連続的に単一次元に沿って形成することができ、通常それは可変長フィルタの受光面上で「長さ」という用語で表される。好ましい例では、可変中心波長は、フィルタ上の空間位置の線形関数であり得、その場合、可変長フィルタは通常「線形可変フィルタ」またはその略語「ＬＶＦ」として参照される。しかしながら、他の種類の関数が、可変中心波長とフィルタ上の空間的位置との間の関係に適用可能であり得る。ここで、フィルタは、特に、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲内、特に以下でより詳細に説明されるような近赤外線（ＮＩＲ）スペクトル範囲内で高度の光学的透明度を示すことができる少なくとも１つの材料を含むことができる透明基板上に配置され得、これにより、フィルタの長さに沿ったフィルタの変化するスペクトル特性、特に連続的に変化するスペクトル特性を達成することができる。特に、可変長フィルタは、透明基板上に少なくとも１つの応答コーティングを担持するように適合され得るウェッジフィルタであり得、応答コーティングは、空間的に変化する特性、特に空間的に変化する厚さを示し得る。しかしながら、他の材料を含み得る、またはさらなる空間的可変特性を示し得る他の種類の可変長フィルタもまた、実行可能であり得る。入射光ビームの垂直入射角で、可変長フィルタに含まれる各フィルタは、特定のフィルタの中心波長の一部、通常は数パーセントに達し得るバンドパス幅を有し得る。例として、１４００～１７００ｎｍの波長範囲と１％のバンドパス幅を有する可変長フィルタの場合、垂直入射角でのバンドパス幅は、１４ｎｍ～１７ｎｍで変動し得る。しかしながら、他の例も実行可能であり得る。

可変長フィルタのこの特定の構成の結果として、バンドパス幅によって示される許容範囲内で、フィルタ上の特定の空間位置に割り当てられている中心波長に等しい波長を持つ入射光のみが、特定の空間位置で可変長フィルタを通過することができる。したがって、バンドパス幅の中心波長±１／２に等しくてもよい「透過波長」は、可変長フィルタ上の各空間位置に対して定義されてよい。換言すれば、送信波長で可変長フィルタを通過することができないすべての光は、可変長フィルタの受光表面によって吸収されるか、またはほとんどが反射され得る。結果として、可変長フィルタは透過率が変化するため、入射光をスペクトルに分離することができる。

したがって、可変長フィルタ上の特定の空間位置で可変長フィルタを通過することができる光は、その後、検出器アレイに衝突することができる。言い換えれば、検出器アレイは、好ましくは、光が最初に可変長フィルタに衝突し、可変長フィルタ上の特定の空間位置を通過することができる光の区分だけが、その後、検出器アレイ上の対応する空間位置に衝突できるような方式で配置され得る。結果として、可変長フィルタは、したがって、関連する波長または複数波長によって入射光を少なくとも１つの対応する空間位置に分離するために使用され得、一方、検出器アレイに含まれる特定の光センサは、従って、その特定の波長によって対応する空間位置で可変長フィルタを通過でき、したがって、特定の波長における入射光の強度を決定するために備えられた特定の光センサに衝突する光の強度を測定するように採用され得る。したがって、特に好ましい実施形態では、検出器アレイは、一連の光センサの形で続けて配置された光センサのシーケンスを有してよく、該光センサのシーケンスは、可変長フィルタの長さに沿った干渉フィルタの連続配置に関して平行に配置されてよい。

さらに好ましい実施形態では、検出器アレイは、好ましくは、可変長フィルタから透明な隙間によって分離され得る。ここで、透明な隙間は、例として、対向する２面を有する延長透明体を使用することによって得ることができ、可変長フィルタを構成し得る複数の干渉フィルタを第１の面に配置し、検出器アレイを構成する光センサを、第１の面と反対の第２の面に配置してよい。結果として、透明な隙間に対して適切な幅を選択することにより、可変長フィルタに対する検出器アレイのより正確な調整が達成され得る。

したがって、検出器アレイは、好ましくは、可変長フィルタの長さに沿って１次元マトリックスとして単一のラインに、または可能な限り入射光の強度の大部分を受け取るために、複数のラインに、特に２本、３本または４本のラインに、２次元マトリックスの形で、配置された一連の光センサを有することができる。したがって、一次元の１×Ｎマトリックスまたは長方形の二次元のＭ×Ｎマトリックスが得られるように、一方向のピクセル数Ｎは、さらなる方向のピクセル数Ｍと比較して高くてもよく、ここで、Ｍ＜１０およびＮ≧１０、好ましくはＮ≧２０、より好ましくはＮ≧５０である。さらに、本明細書で使用されるマトリックスは、千鳥配置で配置されてもよい。ここで、使用される各光センサは、特に一連の光センサの製造を容易にするために、同じ、または許容レベル内で類似の、光感度を有することができる。あるいは、一連の光センサで使用される各光センサは、たとえば、一連の光センサに沿って、波長に対する光感度の増加する変化または減少する変化を提供するなどにより、可変長フィルタの透過率特性の変化に応じて変化する光感度を示してもよい。しかしながら、他の種類の構成も可能であるかもしれない。

具体的に、分光計装置の高解像度を達成するために、各光センサは、したがって、小さな空間角度でのみ入射光を受け取るように適合され得る。この構成は、特に、フィルタの長さに沿った入射光の衝突の空間位置に応じて所望のスペクトルを生成するように設計された可変長フィルタの構成を反映している。この特定の構成は、本発明によれば、したがって、複数のピクセル化センサを含む検出器アレイによって達成され、そこでは、各ピクセル化センサは、可変長フィルタによって提供される構成波長信号の１つの少なくとも一部を受光するように適合される。上記のように、構成波長信号のそれぞれは、これにより、構成波長のそれぞれの強度に関連する。一般的に使用されるように、「ピクセル化光センサ」または単に「ピクセル化センサ」という用語は、個別のピクセルセンサの配列（アレイ）を含む光センサを指し、個別のピクセルセンサのそれぞれは、入射光の強度に応じて電気信号を生成するように適合された少なくとも１つの感光性領域を有し、該電気信号は、特に、さらなる評価のために外部の評価ユニットに提供されてもよい。ここでは、各個別のピクセルセンサに含まれる感光性領域は、特に、個別のピクセルセンサに衝突する入射光を受け取るように構成された単一の均一な感光性領域とすることができる。しかしながら、ピクセル化されたセンサの他の構成も考えられ得る。

ピクセル化センサは、個別のピクセル化センサに衝突する入射光の強度に関連する信号、好ましくは電子信号を生成するように設計されている。信号は、アナログ信号および／またはデジタル信号であり得る。したがって、隣接するピクセル化センサの電子信号は、同時に、または一時的に連続した方式で生成され得る。例として、行走査または線走査中に、一列に配置された一連の個別のピクセルセンサに対応する連続した電子信号を生成することが可能である。さらに、個別のピクセルセンサは、好ましくは、外部の評価ユニットに提供する前に電子信号を増幅するように適合された能動型ピクセルセンサであり得る。この目的のために、ピクセル化センサは、電子信号を処理および／または前処理のための１つ以上のフィルタおよび／またはアナログ－デジタル－変換器などの、１つ以上の信号処理装置を含み得る。

ピクセル化センサは、任意の既知のピクセルセンサから、特に、ピクセル化有機カメラ要素、好ましくは、ピクセル化有機カメラチップから、または、ピクセル化無機カメラ要素、好ましくは、ピクセル化無機カメラチップから、より好ましくは、現在さまざまなカメラで一般的に使用されているＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップから選択され得る。代替として、ピクセル化センサは、光伝導体、特に無機光伝導体、特にＰｂＳ、ＰｂＳｅ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ｅｘｔ．ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、またはＨｇＣｄＴｅであり得るか、またはそれを含み得る。さらなる代替として、それは、焦電、ボロメータまたはサーモパイル検出器要素を含み得る。したがって、１×ＮピクセルまたはＭ×Ｎピクセルのマトリックスを有するカメラチップが使用され得、ここでＭ＜１０およびＮ≧１０、好ましくはＮ≧２０、より好ましくはＮ≧５０である。さらに、モノクロカメラ要素、好ましくはモノクロカメラチップが使用され得、そこではモノクロカメラ要素は、特に、一連の光センサに沿う変化する波長に従って、各ピクセルセンサごとに異なって選択されてよい。

さらなる代替として、ピクセル化センサは、さらなる文書の中で、ＷＯ ２０１２／１１０９２４ Ａ１、ＷＯ ２０１４／０９７１８１ Ａ１、またはＷＯ ２０１６／１２０３９２ Ａ１に開示されているＦｉＰセンサに基づくことができる。本明細書では、「ＦｉＰセンサ」という用語は、照射の総出力が同じであるとして、センサ信号が、いわゆる「ＦｉＰ効果」に従って、感光性領域の照射の幾何的形状、特に、「スポットサイズ」とも呼ばれる、感光性領域上の照射のビーム断面に依存する、センサを指す。結果として、感光性領域の電気的特性が入射光による感光性領域の照射の範囲に依存するという観察可能な特性は、特に、同じ総出力を有するが、感光性領域上に異なるスポットサイズを生成する２つの入射光線が、感光性領域の電気的特性に異なる値を提供し、したがって相互に区別できるということを、成し遂げる。好ましくは、各ＦｉＰセンサの感光性領域は、特にＰｂＳ、ＰｂＳｅ、またはＨｇＣｄＴｅ、または固体色素増感太陽電池（ｓＤＳＣ）から選択される光伝導性材料を含み得る。さらに、ＷＯ ２０１４／１９８６２５ Ａ１は、ＦｉＰセンサのＭ×Ｎマトリックスを使用する検出器アレイの特定の実施形態を開示している。あるいは、さらなる種類のピクセル化センサも実現可能であり得る。

したがって、検出器アレイは、検出器アレイに含まれるピクセル化センサの感光性領域によって生成され得る複数の電気信号を、提供するように適合され得る。分光計装置の検出器アレイによって提供される電気信号は、外部の評価ユニット、特に、以下でより詳細に説明される対応の分光計システムに含まれ得る評価ユニットに伝達されてよい。本明細書では、「評価ユニット」という用語は、特に、本明細書に記載された分光計装置を使用することによって、スペクトルが記録される物体のスペクトルに関する情報を決定するように割り当てられた装置を指し、そこでは、情報が、分光計装置の検出器アレイによって提供される検出器信号が評価されることにより、取得される。情報は、例えば、電子的、視覚的、音響的に、またはそれらの任意の組み合わせで提供されてよい。さらに、情報は、分光計装置、好ましくは分光計システム、または別個の記憶装置のデータ記憶装置に記憶され得、および／または無線インターフェースおよび／または有線インターフェースなどの少なくとも１つのインターフェースを介して提供され得る。

本発明によれば、分光計装置はさらに、物体からの入射光を受け取り、同時に入射光を可変長フィルタに伝達するように割り当てられた光学要素をさらに含み、該光学要素は、逆方向に作動する集光装置を含む。一般に使用されているように、「集光器」という用語は、「入射瞳」または「入射開口」とも呼ばれる入口と、入口とは反対側に配置された用語「射出瞳」または「射出開口」によって表される出口と、入口と出口の間に配置された光ガイド構造とを有する非画像化光学要素を指し、集光器は、通常の作動方向では、入口で大きな角拡散で光を捕捉し、捕捉した光を光ガイド構造内で集束させ、集束した光を出口で放出する。例として、集光器は、したがって、可能な大きな入射角の下で高い太陽光集中を可能にするために、集光型太陽光発電で使用され得る。

これとは対照的に、逆方向で使用される集光装置では、前述した集光器の出口は、今は入射光を受け取るための入口として機能し、逆方向における光ガイド構造は、好ましくは、入射光を広げるように機能し、一方、前述の入口は、今は拡散光を放出するための出口として機能する。本発明の好ましい実施形態では、逆作動の集光装置の入射瞳は、好ましくは、９０°未満、より好ましくは７０°未満、特に５０°未満の入力角度を含む。さらに、この好ましい実施形態では、逆作動の集光装置の射出瞳は、好ましくは、３０°以下、より好ましくは１５°以下、特に１０°以下の出力角度を含む。これにより、出口における放出される光ビームの角拡散は、同時に、入射光に比して減少することができる。その結果、逆方向に集光装置を適用するということは、物体によって放出または反射される、または物体を通過する入射光を、逆に作動する集光装置の出力で放出される光が減少した角拡散を示すように、捕捉することを可能にし、ここで、減少した角拡散は、好ましくは、最大で±２０°、好ましくは最大で±１０°、最も好ましくは最大で±５°の角度範囲に制限され得る。

したがって、逆方向に作動する集光装置は、したがって、放出された光ビームが制限された角度範囲内で可変長フィルタに衝突し、したがって主に可変長フィルタの受光面に垂直な方向で衝突し、すなわち、可変長フィルタの受光面に対して垂直の方式で衝突することができるように、選択または構成され得る。すでに上記で示したように、可変長フィルタに含まれる各干渉フィルタは、そのような入射光の垂直な角度で、特定の干渉フィルタの中心波長の一部にしか及ばないバンドバス幅を有し得る。その結果、入射光はかなり高い集光効率で可変長フィルタに入ることができる。

さらに、本発明によれば、逆作動の集光装置は、入射光を反射するように適合された単一の側壁を備える。分光計装置の効率を特に高めることができるこの特徴は、全ての可能な環境下で、光ビームが、光ビームに含まれる特定波長の光ビームを受けるように構成されていない可変長フィルタの空間位置で可変長フィルタに届くことを避けるために、非反射で吸収性の表面を使用する既知の逆作動の集光装置とは、特に対照的である。これとは対照的に、このさらに好ましい実施形態の結果として、逆作動する集光装置は、いくつかの光ビームが反射され、なおも可変長フィルタに導かれることを可能にすることができる。

さらに、本発明によれば、逆作動の集光装置によって含まれる単一の側壁は、丸みを帯びた側壁として設計される。ここで、単一の丸みを帯びた側壁は、特に、光ガイド構造として、入射瞳における入射開口と射出瞳における射出開口とを接続するように適合され得るシェル表面として形成され得る。その結果、単一の丸みを帯びた側壁は、三次元空間で形状をとることができ、形状には角がない。より具体的には、丸みを帯びた側壁は、有利には、特に、放物線状プロファイルまたは楕円形プロファイルから選択され得る非円錐形プロファイルを含み得る。本明細書で使用されるように、プロファイルは、逆作動の集光装置の縦方向軸に垂直な単一の側壁の断面の形態を指し、それは、特に、放物線形状または楕円形状のそれぞれであるか、またはそれらを含み得る。特に、分光計装置の集光効率をさらに高めるように適合された特に好ましい実施形態では、逆作動の集光装置は、一方で、可能な限り多くの光を導くことができるように、入射瞳に円形の小さな入口開口を有し、一方で特に、できるだけ多くの光を可変長フィルタを介して取り込み、好ましくは矩形形状を示す検出器アレイに案内することができるように、射出瞳に長くて丸い射出開口、特に楕円の射出開口を有することができる。しかしながら、逆方向に作動する集光装置の入射開口および／または射出開口の他の形状も可能である。単一の丸みを帯びた側壁が逆に作動する集光装置を制限し、その表面を構成する結果、より多くの光ビームが、可変長フィルタ上の所望の空間位置で可変長フィルタに到達できるように導かれ、それによって、本明細書に記載されるような分光計装置の効率がさらに増加され得、これは特にＵＳ ２０１４／１３１５７８ Ａ１とは対照的である。以下でより詳細に示すように、この種の逆作動集光装置は、入射光を可変長フィルタに伝達する場合に、反射の量を減らすことにより、特に単一の丸みを帯びた側壁が如何なる角をも有することを避けることにより、分光計装置の効率を高めることができ、それによって、集光器のより高い透過効率が達成され得る。

通常の方向に作動する様々な形状の集光装置が以前から提示されてきた。ここでは、集光装置は、「複合放物線集光器」または「ＣＰＣ」または「複合楕円集光器」または「ＣＥＣ」と呼ばれることがあるように、円錐形状または非円錐形状を有することができ、一方で、さらなる形状、特に「複合双曲線集光器」または「ＣＨＣ」は、本発明の目的にはあまり適していない場合がある。従来技術によれば、円錐形の集光器は、一般に使用されるように、互いに対して線形に開く２つの平面ミラーセグメントによって規定されてきた。さらに、複合放物線集光器は、それぞれが放物線ミラーセグメントの１つにある２つの異なる焦点を備え得る２つの放物線ミラーセグメントによって定義され得る。これにより、２つの放物線ミラーセグメントの表面は、複合放物線集光器の軸を通る反射に関して対称的に配置され得る。同様に、複合楕円集光器は、したがって、２つの楕円ミラーセグメントによって規定され得、２つの楕円鏡セグメントの表面は、複合楕円集光器の軸を通る反射に関して対称的に配置され得る。

したがって、逆方向に作動する集光装置、より具体的には、光学要素の入口と出口の間に配置され得る光ガイド構造は、円錐形状、または好ましくは非円錐形状を備え得る。ここで、円錐形状を有する集光装置は、より容易に製造することができる。しかしながら、非円錐形状の結果として、光ビームは、逆作動する集光装置の出口における効率が増加され得るように、集光器を通って案内され得る。この効果は、特に逆作動集光装置の非円錐形状に基づいており、該非円錐形状は、特に円錐形状の逆作動集光装置とは対照的に、逆作動集光装置の単一の側壁によって吸収される光をより少なくする方式で、入射光を光ビームの形で、非円錐形の逆動作の集光装置を通して案内することを可能にする。その結果、より多くの光ビームが、光ビームに含まれる特定の波長を有する光ビームを受け取るように構成された可変長フィルタ上の空間位置で、可変長フィルタに到達することができる。さらに、非円錐形状の伝達関数は、逆作動集光装置への入射角に対して、光透過のより急な開始を示し、それにより、光透過がない状態から完全な光透過の状態への完全なバイナリ遷移の複合放物線集光器の理論的な最大値を示す。伝達関数のそのような種類の急勾配は、したがって、所与の光スループットに対する分光サンプリングの領域を最小化するのに有利であり、それにより、サンプリングスポットの明確な定義を提供し、サンプリングスポットからの応答の均質化をサポートする。

より具体的には、現在技術による光学要素に関する用語「円錐」は、シェーンフリエス記法に従って、Ｃ２ｖ、Ｃ４ｖ、またはＣ∞などのＣ２ｖ以上の対称群によって記述できる光学要素の形状、特に円錐台またはピラミッドトランクを指し、そこでは、上記のように、製造公差が考慮される。これとは対照的に、本発明による光学要素に関する用語「非円錐」は、シェーンフリエス記法に従って、上記のようにＣｓ、Ｃ２、またはＣ１などのＣ２ｖ未満の対称群によって記述できる光学要素の形状を指し、ここでも、製造公差が考慮される。言い換えれば、本発明による光学要素の入口と出口との間に位置する光ガイド構造は、好ましくは、該光学要素の入口と出口との間の半分の距離で、円錐形状の場合、光学要素の入口の第１直径と光学要素の出口の第２直径の算術平均に対応する直径を示し得る形状を含み得、ところが、該直径は、非円錐形状の場合、第１直径と第２直径の算術平均から、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも５％、最も好ましくは少なくとも２％、特に少なくとも１％逸していて良い。

特定の実施形態では、逆方向に作動する集光装置の非円錐形状は、したがって、放物線形状または楕円形状から選択されるのが好ましい。その結果、集光装置は、特に、複合放物線集光器および複合楕円集光器を含む群から選択され得る。しかしながら、非円錐形状を有する他の種類の集光装置も実現可能であり得る。

特に、光学要素の放物線形状、特に光学要素の入口と出口の間に位置する光ガイド構造の放物線形状は、製造公差を除いて、次のように式（１）によって記述される。

ここで、ｘという用語は、光学要素の、特に、逆作動の集光装置の特に光ガイド構造の光軸に沿った値を指し、一方、ｙという用語は、光軸に垂直な値を指し、ｙ_０とａは、光学要素に関して放物線形状を調整する機会を提供する。

同様に、光学要素の楕円形状、特に光学要素の入力と出力の間に位置する光ガイド構造の楕円形状は、製造公差を除いて、次の式（２）によって記述される。

ここで、ｘという用語は、光学要素の、特に、逆作動の集光装置の特に光ガイド構造の光軸に沿った値を指し、一方、ｙという用語は、光軸に垂直な値を指し、楕円形状の軸を指すａとｂは、ここでも光学要素に関して放物線形状を調整する機会を提供する。

逆作動する集光装置は、完全にまたは部分的に光学的に透明な材料の本体であり得るか、またはそれを含み得、または好ましい代替例として、具体的に気体および／または流体および／または固体の光学的に透明な材料で完全におよび／または均一に満たされ、所望の円錐形または非円錐形をとることができる単一の側壁を含む、中空体であり得るか、またはそれを含み得る。ここで、赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲内、特に近赤外線（ＮＩＲ）および中赤外線（ＭｉｄＩＲ）スペクトル範囲内で高度の光学的透明性を示す可能性があり、集光装置の全体に選択された少なくとも１つの材料は、好ましくは、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、溶融シリカ、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、サファイア、シリコン、ナトリウム塩化物（ＮａＣｌ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ホウケイ酸－クラウンガラス、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、および透明有機ポリマー、からなる群から選択でき、そこでは、高反射率のシリコンとゲルマニウムが、全体の単一側壁で発生し得る全反射をサポートすることができるため、特に好ましい。代替として、所望の円錐形または非円錐形を示す単一の丸みを帯びた側壁を有する中空体を充填するために選択され得るガス状の光学的に透明な材料は、周囲空気、窒素ガス、または二酸化炭素から選択され得、一方、この目的のための光学的に透明な流体は、液浸油またはカナダのバルサム、すなわちバルサムのモミの木の樹脂、特にアビスバルサメアから作られたテレビン油から選択され得る。さらなる代替として、真空が中空体に存在してもよい。

さらに好ましい実施形態では、光学要素は、捕捉された光が、分光計装置の光軸に対して非対称な光路に沿って可変長フィルタに転送されるように構成されてもよい。本明細書で使用される場合、「光軸」という用語は、光学要素から離れた分光計装置の他の要素、特に可変長フィルタおよび検出器アレイが、反射または分光計システムに含まれる対称光学要素の回転に関して不変であり得る対称の仮想線を指す。捕捉された光を可変長フィルタに伝達することは、少なくとも１つの光学要素を使用することによって達成することができ、そこでは、光学要素の少なくとも１つの特性、特に、光学要素の形状または分光計装置の光軸に関する配置の少なくとも１つは、分光計装置の光軸に関して非対称的な進路を示し得る光路をもたらし得る。

物体またはその少なくとも１つの要素に関して、「対称」または「対称的」という用語は、一般に使用されるように、特に、反射、回転、並進、および／またはそれらの組み合わせが含まれ得る、通常「幾何学的変換」と呼ばれる少なくとも１つの操作の適用に対して不変であり得る、形状またはその少なくとも１つの要素を有する物体の幾何学的特性を指す。この場合、しかしながら、好ましい幾何学的変換は、反射および回転であり得る。特に、物体またはその要素は、もしも線および／または鏡面が、それぞれ、物体またはその要素の形状を、お互いの鏡像をなす２つの区分に分割することができれば、線および／または鏡面に関して反射対称性を有すると見なすことができる。一例として、物体は、それらが互いの鏡像と見なすことができる反射軸に関して配置された２つの同一のミラーセグメントを含む場合、対称であると見なすことができる。同様に、物体は、少なくとも１つの固定点および／または物体またはその要素の回転軸を含む鏡面に関して、もしもそれが物体またはその要素の形状が変わらない方式で該固定点または鏡面のそれぞれに関して回転できるならば、回転対称性を持っていると見なすことができる。これとは対照的に、「非対称」または「非対称的」という用語は、考慮中の物体の幾何学的特性の少なくとも１つが、この物体に適用され得る幾何学的変換の少なくとも１つに対して不変ではない場合があることを示す。

より具体的には、以下の対称群の１つが光学要素に適用可能であり得る。一般に使用されるように、「対称群」という用語は、どの種類の幾何学的変換が物体またはその要素に適用できるかを示すことによって、物体またはその要素の特定の対称性を表す。この考慮のために、特定の対称群は、特に、いわゆる「シェーンフリエ記法」を使用して表されることができる。ここで、以下のように定義される以下の用語は、好ましくは、その要素の本体の形状に適用できる。

－ Ｃ∞は、円錐台の対称性を指し、円錐台の形状は、円錐台の回転軸を含む鏡面に対して任意の角度を中心とした回転の下に保存される；
－ Ｃ４ｖは正方形ピラミッドトランクを指し、正方形ピラミッドトランクの形状は、正方形ピラミッドトランクの回転軸を含む鏡面に対して３６０°／４＝９０°の角度の回転の下でのみ保存される；
－ Ｃ２ｖは、正方形ピラミッドトランクとは別の長方形ピラミッドトランクを指し、長方形ピラミッドトランクの形状は、長方形ピラミッドトランクの回転軸を含む鏡面に対して３６０°／２＝１８０°の角度の回転の下でのみ保存される；
－ Ｃｓは反射対称のみを指し、そこでは物体またはその要素の形状は、鏡面での反射によってのみ保存される；
－ Ｃ２は、２重対称のみを指し、そこでは物体またはその要素の形状は、物体またはその要素の特定の回転軸に対して３６０°／２＝１８０°の角度の回転の下でのみ保存される；または、
－ Ｃ１は、対称要素がないことを示す。

シェーンフリエ記法の詳細については、たとえば、モートンハマーメッシュによる、「群理論とその物理的問題への応用」、Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｍｉｎｅｏｌａ、Ｎ．Ｙ． １９８９年、第２章、対称群、３２～６７ページを参照されたい。

本発明に特に関して、光学要素は、したがって、光学要素の形状が、シェーンフリエ記法による対称群Ｃ２ｖによって記述される、特に、対称群Ｃｓ、Ｃ２、またはＣ１の少なくとも１つを有し、より対称性の低い要素として示し得る場合は、非対称形状を有するものとして示され得る。これに関して、しかしながら、光学要素の対称性を考慮するために、入射光のビーム経路、特に、光学要素の入口と出口の間に位置する光ガイド構造に影響を与え得る、光学要素のそれらの区分のみが関連し得ることを強調することができる。特に、外部形状などの光学要素の他の形状は、したがって、考慮から外されてもよい。さらに、光学要素の対称性を決定するために、製造公差が考慮される。

逆に作動する集光装置が分光計装置の光軸に対して非対称に配置され得る実施形態では、分光計装置の応答は、検出器アレイの一つの側で検出され得る小さな波長と、検出器アレイの反対側で検出され得る長い波長が等しくなるとはもはや期待できない。しかしながら、この観察は、特に、白熱灯が照射源として使用され得る場合、分光計装置に特定の利点を示し得る。一般的に使用されるように、「白熱灯」という用語は、それが光、特に赤外光を発することができる温度に加熱することができる、加熱されるワイヤフィラメントなどの加熱可能要素を有する電灯を指す。白熱灯がしたがって赤外線スペクトル範囲内の熱エミッタと見なすことができるため、白熱灯の放射出力は、波長の増加に伴って減少する。さらに、典型的に、赤外スペクトル範囲内での吸収に使用できる既知の材料は、一般に、波長の増加に伴って吸収が増加する傾向を示す。さらに、すでに上で示したように、可変長フィルタ、特に線形可変フィルタのバンドバス幅は、通常、可変長フィルタのスペクトル範囲にわたって、１％などの一定値をとることができるため、バンドパス幅に反比例する可変長フィルタの分解能も、波長の増加とともに減少する。さらに、可変長フィルタの分解能は、一般に、可変長フィルタの中心波長に依存する。言及したすべての効果を組み合わせると、対称分光計装置では、分光計装置の応答は波長の増加に伴って減少する。

しかし、本発明のさらに好ましい実施形態によれば、非対称設計を有する逆作動の集光装置を使用すること、または、代替的または追加的に、逆作動の集光装置が分光計装置の光軸に関して非対称的に配置されていることは、光ビームが逆作動の集光装置の入口から逆動作の集光装置を通って逆動作の集光装置の出口まで進行し得る経路の長さを調整することを可能にすることができる。その結果、構成または配置のいずれかで、逆作動の集光装置の非対称性は、より短い波長を有する光ビームと比較して、より長い波長を有する光ビームに対してより短い経路を提供することを可能にし得、および、追加的にまたは代替として、光ビームは、線形可変フィルタに垂直入射に近いように衝突し、それにより、効率がさらに向上し得る。結果として、さらに好ましい実施形態は、特に、より長い波長でより高い効率を可能にするように適合され得る分光計装置を提供することを容易にし得る。さらに、より短い波長における効率は、したがって、特により長い波長を有する光ビームと比較してより短い波長を有する光ビームのより長い経路のために、低下するように見え得るが、この効果は、この種の配置では、一般に、上に示した白熱灯のより高い放射出力と、より短い波長でのより低いバンドパス幅により、より重要である。したがって、この種の配置は、特に赤外線スペクトル範囲において、既知の分光計装置と比較して、本発明による分光計装置の波長範囲にわたってより均等に分配され得る効率を分光計装置に与えるために使用され得る。

したがって、本発明による非対称配置のこのさらに好ましい実施形態では、光学要素、特に逆作動の集光装置は、上記の可変長フィルタの受光面に垂直な平面に対して傾けることができる。一般に使用されるように、「傾斜」という用語は、可変長フィルタの受光表面に垂直な方式で直角な平面に対する集光装置の対称軸の傾斜を指す。光学要素の傾斜配置の結果として、逆作動の集光装置の入射軸と射出瞳軸は、互いにシフトして平行であるか、シフトされているが平行ではないか、またはシフトされておらず、互いに対して平行ではないか、のいずれかであり得る。より好ましくは、集光装置は、光ビームが可変長フィルタの受光面に垂直に、入射光の特定の波長を受光するように割り当てられている可変長フィルタ上の空間位置で、可変長フィルタに衝突するような方式で、可変長フィルタの受光面に垂直なこの平面に対して傾けられてもよい。別の方法として、集光装置は、さらなる光ビームがさらなる特定の波長を受光するために割り当てられている可変長フィルタ上のさらなる空間位置に衝突するように、さらなる方式でこの平面に対して傾けられてもよく、そこでは、さらなる特定の波長は入射光ビームの波長を超え、すなわち、さらなる特定の波長は可変長フィルタの表面に衝突するように向けられ得る入射光よりも長い波長を示す。

したがって、入射光ビームは、固有の波長と比較して長い波長で可変長フィルタを通過する可能性があるが、この文書の他の場所でより詳細に説明されているような隙間によって分離された可変長フィルタと検出器アレイの間の相対配置に起因して、入射光ビームは、依然として、入射光ビームの特定の波長での入射光の強度を決定するために提供された特定の光センサに衝突し得る。結果として、この目的のために指定された可変長フィルタの空間位置で可変長フィルタの受光面に対して垂直に可変長フィルタに衝突する光ビームだけでなく、入射光ビームの波長よりも長い波長を受光するように割り当てられたさらなる空間位置で可変長フィルタに衝突し、しかしなお入射光ビームの特定の波長を受光するように設計された特定の光センサに衝突する光ビームも、特定の個別のピクセルセンサの感光性領域によって生成される電気信号に寄与し得る。したがって、分光計装置の効率はこのようにしてさらに増加することができる。

加えて、本発明による分光計装置は、さらに、逆作動の集光装置と可変長フィルタの間に特に配置することができる少なくとも１つの伝達装置を備えることができる。したがって、最も好ましくは、物体から出る光ビームは、最初に逆作動の集光装置を通過し、その後、可変長フィルタを通過し、最後に検出器アレイに衝突するまで、伝達装置でまたは伝達装置を通過して、進行する。本明細書で使用する場合、「伝達装置」という用語は、したがって、逆に作動する集光装置から出てくる光ビームを検出器アレイに伝達するように構成され得る光学要素を指し得る。特定の実施形態では、伝達装置は、したがって、光ビームが可変長フィルタに案内される前に光ビームを成形するように設計され得る。

特に、伝達装置は、光学レンズ、曲面ミラー、格子、および回折光学要素からなる群から選択されてもよい。より具体的には、光学レンズは、特に、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、非球面レンズ、円柱レンズおよびメニスカスレンズからなる群から選択されてもよい。これにより、伝達要素は、少なくとも部分的に、好ましくは上記のような可変長フィルタの波長範囲全体にわたって透明であり得る材料を含み得る。この目的のために、この点で述べたのと同じまたは類似の光学的に透明な材料を使用することもできる。しかしながら、さらなる光学要素も実現可能であり得る。

本発明のさらなる態様では、分光計システムが開示されている。したがって、分光計システムは、
－ 上記および／または以下でより詳細に説明される分光計装置；そして
－ 分光計装置によって提供される検出器信号を評価することにより、物体のスペクトルに関連する情報を決定するように割り当てられた評価ユニット、
を含む。

ここでは、上記列挙した分光計システムの構成要素は、個別の構成要素であり得る。あるいは、分光計システムの２つ以上の構成要素を単一の一体型構成要素に統合することができる。さらに、評価ユニットは、分光計装置から独立した個別の評価ユニットとして形成されてもよいが、好ましくは、特に分光計装置によって生成された検出器信号を受信するために、検出器アレイに接続されてもよい。あるいは、少なくとも１つの評価ユニットは、少なくとも１つの分光計装置に完全にまたは部分的に統合されてもよい。

本発明によれば、分光計システムは、分光計装置および評価ユニットを備える。分光計装置に関しては、この文書の他の場所の説明を参照することができる。本明細書でさらに使用されるように、「評価ユニット」という用語は、一般に、所望の情報項目、すなわち、物体のスペクトルに関連する少なくとも１つの情報項目を生成するように設計された任意の装置を指す。一例として、評価ユニットは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの１つ以上の集積回路、および／または１つ以上のコンピュータ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、好ましくは１つ以上のマイクロコンピュータなどの１つ以上のデータ処理装置、および／またはマイクロコントローラ、であり得るか、またはそれらを含み得る。１つ以上の処理装置、および／または１つ以上のＡＤ変換器などの検出器信号を受信および／または前処理するデータ取得装置、および／または１つ以上のフィルタなどの追加の構成要素が含まれ得る。本明細書で使用される場合、検出器信号は、分光計装置によって、特に、分光計装置の検出器アレイによって提供される。さらに、評価ユニットは、１つ以上のデータ記憶装置を含み得る。さらに、評価ユニットは、１つ以上の無線インターフェースおよび／または１つ以上の有線インターフェースなどの１つ以上のインターフェースを備えることができる。

少なくとも１つの評価ユニットは、情報の項目を生成するステップを実行またはサポートする少なくとも１つのコンピュータプログラムなどの、少なくとも１つのコンピュータプログラムを実行するように適合され得る。一例として、センサ信号を入力変数として使用することによって、物体の位置への所定の変換を実行することができる１つ以上のアルゴリズムを実装することができる。この目的のために、評価ユニットは、特に、少なくとも１つのデータ処理装置、特に、検出器信号を評価することによって情報項目を生成するように設計された電子データ処理装置を備えることができる。したがって、評価ユニットは、検出器信号を入力変数として使用し、これらの入力変数を処理することによって物体のスペクトルに関する情報項目を生成するように設計される。処理は、並行に、逐次的に、または組み合わせでさえ行うことができる。評価ユニットは、計算によって、および／または少なくとも１つの保存されたおよび／または既知の関係を使用することなどによって、これらの情報項目を生成する、任意のプロセスを使用することができる。検出器信号に加えて、１つ以上のさらなるパラメータおよび／または情報項目、たとえば、分光計装置に含まれる光学要素、可変長フィルタ、および検出器アレイの相対配置に関する少なくとも１つの情報項目が、上記の関係に影響を与え得る。該関係は、経験的に、分析的に、または半経験的に決定されまたは決定され得る。特に好ましくは、該関係は、少なくとも１つの較正曲線、少なくとも１組の較正曲線、少なくとも１つの関数、または言及された可能性の組み合わせを含む。１つ以上の較正曲線は、例えば、値のセットおよびその関連する関数値の形で、例えば、データ記憶装置および／または表に記憶することができる。しかしながら、代替的または追加的に、少なくとも１つの較正曲線はまた、例えば、パラメータ化された形式で、および／または関数方程式として格納され得る。検出器信号を情報項目に処理するための別個の関係を使用することができる。あるいは、検出器信号を処理するための少なくとも１つの組み合わされた関係が実現可能である。さまざまな可能性が考えられ、組み合わせることもできる。

例として、評価ユニットは、情報の項目を決定する目的でプログラミングに関して設計され得る。評価ユニットは、特に、少なくとも１つのコンピュータ、例えば少なくとも１つのマイクロコンピュータを含むことができる。さらに、評価ユニットは、１つ以上の揮発性または不揮発性データメモリを備えることができる。データ処理装置、特に少なくとも１つのコンピュータの代替として、またはそれに加えて、評価ユニットは、情報項目を決定するために設計された１つ以上のさらなる電子構成要素、例えば電子テーブル、特に少なくとも１つのルックアップテーブルおよび／または少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。

さらに、評価ユニットは、例えば、少なくとも１つの照射源を制御するように、および／または分光計の光学要素を制御するように、および／または検出器の少なくとも１つの変調装置を制御するように設計された評価ユニットにより、完全または部分的に分光計装置またはその一部を制御または駆動するように設計され得る。評価ユニットは、具体的に、複数の検出器信号、特に、検出器アレイの長さに沿って連続的に配置された個別のピクセル化センサの検出器信号、および／または照射の異なる変調周波数の検出器信号が収集される少なくとも１つの測定サイクルを実行するように設計され得る。ここでは、検出器信号の取得は、特に、行走査および／または線走査を使用することによって、順次実行され得る。しかしながら、他の実施形態、例えば、特に選択された個別のピクセルセンサが同時に記録される実施形態も可能である。

特定の実施形態では、検出器は、したがって、照射を変調するための、好ましくは周期的変調のための少なくとも１つの変調装置、特に周期的ビーム遮断装置を有することができる。一般的に使用されるように、照射の変調は、照射の総出力が、好ましくは周期的に、特に１つ以上の変調周波数で変化する処理を含む。特に、照射の総出力の最大値と最小値の間で周期的な変調を行うことができる。最小値は０とすることもできるが、例として完全な変調を行う必要がないなど、０より大きくすることもできる。変調は、例えば、物体と検出器アレイとの間のビーム経路において、例えば前記ビーム経路に配置された変調装置によって行うことができる。しかしながら、代替的または追加的に、変調は、物体を照射するための任意の照射源と物体との間のビーム経路において、例えば、前記ビーム経路に配置された変調装置によって行うこともできる。これらの可能性の組み合わせも考えられる。例として、変調装置は、ビームチョッパーまたは他のタイプの周期的ビーム遮断装置、例えば、好ましくは一定速度で回転し、したがって照射を周期的に遮断できる少なくとも１つの遮断ブレードまたは遮断ホイールを含むことができる。しかしながら、代替的または追加的に、１つ以上の異なるタイプの変調装置、例えば電気光学効果および／または音響光学効果に基づく変調装置を使用することもできる。また代替的または追加的に、任意の照射源自体も、例えば、変調強度および／または変調総出力、例えば周期的に変調された総出力を有する照射源自体によって、および／またはパルス照射源、例えばパルスレーザーとして具体化される照射源自体によって、変調照射を生成するように設計され得る。したがって、例として、変調装置は、全体的または部分的に照射源に統合することもできる。さまざまな可能性が考えられる。したがって、検出器アレイは、異なる変調周波数を有する異なる変調の場合に、少なくとも２つの検出器信号を検出するように設計され得る。評価装置は、２つ以上の検出器信号からのスペクトルに関連する情報を生成するように設計され得る。例として、検出器は、０．０５Ｈｚ～１ＭＨｚ、例えば０．１Ｈｚ～１０ｋＨｚなどの周波数で物体の照射の変調をもたらすように設計され得る。

本発明のさらなる態様では、本発明による分光計装置および分光計システムの使用が開示されている。そこでは、物体のスペクトルに関する情報を決定する目的の分光計装置および分光計システムの使用が提案されている。ここで、分光計装置および分光計システムは、好ましくは、以下の：赤外線検出用途；熱検出用途；温度計用途；熱探索用途；火炎検出用途；火災検知用途。煙検知用途；温度感知用途；及び、分光用途からなる群から選択される使用目的のために使用され得る。さらに、本発明による分光計装置および分光計システムは、好ましくは、排気ガスの監視、燃焼プロセスの監視、汚染の監視、工業プロセスの監視、化学プロセスの監視、食品処理プロセスの監視、水質の評価、および／または大気質の評価、に使用することができる。さらに、本発明による分光計装置および分光計システムは、品質管理、温度制御、運動制御、排気制御、ガス感知、ガス分析、運動感知、および／または化学感知に使用することができる。さらなる適用が可能である。

上述の分光計装置、分光計システムおよび提案された使用は、従来技術に対して相当の利点を有する。したがって、一般に、物体のスペクトルに関連する情報を正確に決定するための、単純で、なおかつ効率的な分光計装置および分光計システムが提供され得る。そこでは、一例として、赤外線スペクトル範囲の一つの区分をカバーする物体の赤外線スペクトルを、高速かつ効率的な方法で取得することができる。当技術分野で知られている装置と比較して、ここで提案される分光計装置および分光計システムは、特に分光計装置の光学構造に関して、高度の単純さを提供する。ここでは、分光計装置に含まれる特定の光学要素、可変長フィルタ、および検出器アレイの組み合わせは、単一の丸みを帯びた側壁を有し、逆方向に作動する集光装置を含む特定の光学要素が、特に角のない単一の丸みを帯びた側壁の形状によって、入射光を可変長フィルタに伝達するときの反射量を減らすように適合され、これによって現在利用できるより高い集光効率を達成できる。この高度なシンプルさは、高解像度測定の可能性と組み合わせて、赤外線（ＩＲ）スペクトル領域、特に近赤外線（ＮＩＲ）および中赤外線（ＭｉｄＩＲ）のスペクトル範囲での感知、検出、および／または監視用途、特に、熱、炎、火災、または煙の感知または検出、ならびに排気ガス、燃焼プロセス、汚染、工業プロセス、化学プロセス、食品加工プロセス、水質、または大気質の監視、に特に適している。さらなる適用が可能である。

要約すると、本発明の文脈において、以下の実施形態は特に好ましいと見なされる。

実施形態１：分光計装置であって、以下の：
－ 物体からの入射光を受け取り、該入射光を可変長フィルタに伝達するように設計された光学要素であって、該光学要素は集光装置を含み、該集光装置は逆方向に作動され、該集光装置は入射光を反射するように適合された単一の側壁を有し、該単一の側壁は丸みを帯びた側壁として設計されている、光学要素；
－ 入射光を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられた可変長フィルタ；そして、
－ 複数のピクセル化センサを含む検出器アレイであって、各ピクセル化センサが構成波長信号の１つの少なくとも一部を受けるように適合され、構成波長信号のそれぞれは各構成波長の強度に関連する、検出器アレイ、
を含む、分光計装置。

実施形態２：集光装置が、入射光を広げ、同時に光ビームの角拡散を低減するように逆方向に作動される、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３：集光装置の単一の丸みを帯びた側壁が、集光装置の縦方向軸に垂直なプロファイルを有し、該プロファイルは好ましくは放物線プロファイルまたは楕円形プロファイルから選択される、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態４：逆方向に作動される集光装置が、入射瞳および射出瞳を含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態５：単一の丸みを帯びた側壁が、光ガイド構造として、入射瞳における入射開口と射出瞳における射出開口とを接続するように適合されたシェル表面を構成する、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態６：逆方向に作動される集光装置が、入射瞳と射出瞳との間に配置された光ガイド構造をさらに含み、入射瞳が光を捕捉するように適合され、光ガイド構造が捕捉された光を集中させるように適合され、射出瞳が集中された光を放出するように適合されている、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態７：逆方向に作動される集光装置の入射瞳が、９０°未満、好ましくは７０°未満、特に５０°未満の入力角度を有し、逆方向に作動する集光装置の射出瞳が、３０°以下、好ましくは１５°以下、特に１０°以下の出力角度を含む、先行する２つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態８：逆方向に作動される集光装置が、入射瞳に丸い入射開口と、射出瞳に長くて丸い射出開口とを有する、先行する３つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態９：集光装置は、光学的に透明な材料の完全な本体であるか、またはそれを含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１０：光学的に透明な材料が、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、溶融シリカ、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ホウケイ酸クラウンガラス、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、及び、透明有機ポリマー、からなる群から選択される、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態１１：集光装置が中空体であるか、または中空体を含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１２：中空体に真空が存在する、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１３：中空体が、気体および／または流体の光学的に透明な材料で満たされている、先行の実施形態に先行する実施形態による分光計装置。

実施形態１４：中空の本体が、ガスおよび／または流体の光学的に透明な材料で完全におよび／または均一に満たされている、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態１５：ガスの光学的に透明な材料が、周囲空気、窒素ガスまたは二酸化炭素から選択される、先行する２つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１６：流体の光学的に透明な材料が、液浸油またはカナダバルサムから選択される、先行する３つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１７：集光装置が円錐形状または非円錐形状を含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態１８：集光装置の非円錐形状が、放物線形状または楕円形状から選択される形状を含む、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態１９：集光装置が、複合放物線集光器および複合楕円集光器を含む群から選択される、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態２０：集光装置が、分光計装置の光軸に対して非対称の設計を有している、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２１：逆方向に作動される集光装置が入射瞳と射出瞳を含み、入射瞳によって定義される入射面と射出瞳によって定義される射出面が平行でない、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態２２：集光装置が反転対称性および２回回転軸のみを含む、先行する２つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２３：集光装置が回転対称性を示さない、先行する３つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２４：集光装置が単一の鏡面のみを含むか、または鏡面を含まない、先行する４つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２５：集光装置が、分光計装置の光軸に対して非対称に配置されている、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２６：集光装置は、可変長フィルタに対して非対称に配置される、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態２７：逆方向に作動される集光装置および可変長フィルタのそれぞれの配置が、単一の鏡面のみを含むか、または鏡面を含まない、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態２８：逆方向に作動される集光装置および可変長フィルタのそれぞれの配置が回転対称性を示さない、先行する２つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態２９：集光装置は、可変長フィルタの受光表面に垂直な平面に対して傾斜している、先行する３つの実施形態のうちのいずれか１つによる分光計装置。

実施形態３０：集光装置が、可変長フィルタに伝達された入射光が入射光の一つの波長を受けるように設計された可変長フィルタの空間位置で可変長フィルタに垂直に衝突するように、および／または、入射光の波長を超えるさらなる波長を受けるように設計された可変長フィルタのさらなる空間位置に衝突するように、可変長フィルタの受光表面に垂直な面に対して傾斜されている、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３１：検出器アレイが透明な隙間によって可変長フィルタから分離されている、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態３２：透明な隙間が、２つの対向する側を有する拡張透明体によって得られ、可変長フィルタを構成する複数の干渉フィルタが第１の側に配置され、検出器アレイを構成するピクセル化センサが第１の側と反対の第２の側に配置されている、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３３：ピクセル化センサが、ピクセル化された有機カメラ要素、好ましくはピクセル化された有機カメラチップ；光伝導体アレイ、特に無機光伝導体アレイ、特にＰｂＳ、ＰｂＳｅ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ｅｘｔ．ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、またはＨｇＣｄＴｅ光伝導体アレイ；焦電、ボロメータ、またはサーモパイルアレイ；ピクセル化無機カメラ要素、好ましくはピクセル化無機カメラチップ、より好ましくはＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップ；モノクロカメラ要素、好ましくはモノクロカメラチップ；ＦｉＰセンサ、のうちの少なくとも１つから選択される、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態３４：入射光が７６０ｎｍ～１０００μｍ（赤外線スペクトル範囲）の電磁放射を含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態３５：入射光が１μｍ～５μｍの電磁放射を含む、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３６：入射光が１μｍ～３μｍの電磁放射を含む、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３７：物体を照射するように適合された照射源をさらに備える、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態３８：照射源は、分光計装置に統合または取り付けられる、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態３９：照射源が、少なくとも部分的に物体に接続され、および／または、少なくとも部分的に物体と同一である照射源；一次放射によって物体を少なくとも部分的に照射するように設計された照射源、から選択される、先行する２つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態４０：光ビームは、物体上の一次放射の反射によって生成され、および／または、一次放射によって刺激された物体自体による発光によって生成される、先行する実施形態による検出器。

実施形態４１：検出器アレイのスペクトル感度は、照射源のスペクトル範囲によってカバーされている、先行する実施形態による検出器。

実施形態４２：照射源が、白熱灯；炎源；熱源；レーザ、特にレーザダイオード；発光ダイオード；有機光源、特に有機発光ダイオード；ネオンライト；構造化された光源、の少なくとも１つから選択される、先行する４つの実施形態のうちのいずれか１つによる分光計装置。

実施形態４３：伝達装置をさらに含む、先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態４４：伝達装置が収束光学要素を構成しまたは有し、収束要素は、入射光の波長範囲の少なくとも１つの区分に関して少なくとも部分的に光学的に透明である、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態４５：収束光学要素が、収束光学レンズ、収束回折光学要素および収束曲面鏡、からなる群から選択される、先行する実施形態による分光計装置。

実施形態４６：伝達装置が集光装置と可変長フィルタとの間に配置される、先行する３つの実施形態のいずれか１つによる分光計装置。

実施形態４７：分光計システムであって、
－ 先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置；および、
－ 分光計装置によって提供される検出器信号を評価することにより、物体のスペクトルに関する情報を決定するように割り当てられた評価ユニット、
を有する、分光計システム。

実施形態４８：評価装置が、検出器アレイ内のピクセル化センサの位置と、入射光の波長と、ピクセル化センサの信号の間の少なくとも１つの所定の関係から物体のスペクトルに関する情報を生成するように設計されている、先行する実施形態による分光計システム。

実施形態４９：検出器信号が、少なくとも１つの電流電圧測定および／または少なくとも１つの電圧電流測定を実行することによって生成される、先行する実施形態による分光計システム。

実施形態５０：物体を照射するように適合された照射源をさらに備える、分光計システムに関する先行する実施形態のいずれか１つによる分光計システム。

実施形態５１：照射源が、炎源；熱源；レーザ、特にレーザダイオード；発光ダイオード；有機光源、特に有機発光ダイオード；ネオンライト；構造化された光源、の少なくとも１つから選択される、先行する実施形態による分光計システム。

実施形態５２：赤外線検出用途；熱検出用途；温度計用途；熱探索用途；火炎検出用途；火災検出用途；煙検出用途；温度感知用途；分光用途；排気ガス監視用途；燃焼プロセス監視用途；汚染監視用途；工業プロセス監視用途；化学プロセス監視用途；食品加工プロセス監視用途；水質監視用途；大気質監視用途；品質管理用途；温度制御用途；運動制御用途；排気制御用途；ガス感知用途；ガス分析用途；運動感知用途；化学感知用途、における先行する実施形態のいずれか１つによる分光計装置または分光計システムの使用。

本発明のさらなる任意の詳細および特徴は、従属請求項に関連して、後続の好ましい例示的な実施形態の説明により明らかである。この文脈において、特定の機能は、単独で、または機能を組み合わせて実現されてよい。本発明の範囲は、例示的な実施形態に制限されない。例示的な実施形態は、図に概略的に示されている。個々の図中の同一の参照番号は、同一の要素またはそれらの機能に関して互いに対応する要素を指す。

具体的には、図では：
本発明による分光計装置を含む分光計システムの例示的な実施形態を示す。 集光装置の好ましい非円錐形状の例示的な実施形態の断面図を示す。 集光装置の好ましい非円錐形状の例示的な実施形態の断面図を示す。 集光装置の例示的な実施形態のさらなる断面図を示す。 非対称配置で集光装置を使用する分光計装置のさらなる例示的な実施形態を示す。 非対称配置で集光装置を使用する分光計装置のさらなる例示的な実施形態を示す。 集光装置のそれぞれ対称配置（図５Ａ）および非対称配置（図５Ｂ）における光透過率の変化を示す。 集光装置のそれぞれ対称配置（図５Ａ）および非対称配置（図５Ｂ）における光透過率の変化を示す。

図１は、本発明による分光計装置１１２を備える分光計システム１１０の例示的な実施形態を非常に概略的な方法で示している。一般的に使用されるように、分光計装置１１２は、スペクトルまたはその区分として表される波長範囲にわたって、入射光１１４の対応する波長または波長間隔に関して、入射光１１４の信号強度を記録することができる装置である。本発明によれば、分光計装置１１２は、特に、赤外線（ＩＲ）スペクトル領域、好ましくは近赤外線（ＮＩＲ）および中赤外線（ＭｉｄＩＲ）スペクトル範囲のスペクトルを記録するように適合されることができ、特に、入射光の波長が１μｍ～５μｍ、好ましくは１μｍ～３μｍであるため、熱、炎、火災、または煙の検出に適用されることができ、さらなる用途も実現可能である。ここで、入射光１１４は、生き物または一つ以上の物品および／または一つ以上の物品の部分を含む非生物であり得る物体１１６によって生成され得、該一つ以上の物品および／または該一つ以上の物品の部分はＩＲ、特にＮＩＲスペクトル領域での調査に適切であり得るスペクトルを提供することができる。

図１に概略的に示される例示的な分光計装置１１２は、可変長フィルタの好ましい例として線形可変フィルタ１１８を含む。ここで、線形可変フィルタ１１８は入射光１１４を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられ、検出器アレイ１２０は受光波長信号のそれぞれの強度を決定するように設計され、および光学要素１２２は、物体１１６からの入射光１１４を受け、線形可変フィルタ１１８に伝達する。

本発明によれば、光学要素１２２は、集光装置１２４を含み、該集光装置は、逆方向１２６に作動され、逆作動の集光装置１２４は、単一の丸みを帯びた側壁１２８を含む。ここで、逆作動する集光装置１２４は、入力１３０、光ガイド構造１３２、および出力１３４を備える。その結果、物体１１６によって放射または反射されるか、または物体１１６を通過し得る入射光１１４は、入射光１１４を受光するように設計された入口１３０で逆作動の集光装置１２４に入る。その後、入口１３０によって捕捉された入射光１１４は、好ましくは、入射光１１４を広げるように設計された光ガイド構造１３２を通過する。最後に、このようにして広げられた入射光１１４は、この目的のために割り当てられている出口１３４によって放出される。したがって、出口１３４で放出される光ビームの角拡散は、同時に、入射光１１４の角拡散と比較して低減することができる。結果として、逆作動の集光装置１２４は、逆作動の集光装置１２４の出力１３４で放射される光が減少された角拡散を示すように、物体１１６によって提供された入射光１１４を修正することを可能にする。

その結果、逆動作の集光装置１２４の出口１３４によって提供される光ビームの主な割合は、線形可変フィルタ１１８に平行に衝突し、特に、線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に垂直に衝突する。この例示的な実施形態で使用されるように、線形可変フィルタ１１８は、好ましくは干渉フィルタの連続配置で提供される複数の干渉フィルタを有する光学フィルタであるか、またはそれを含む。ここで、干渉フィルタのそれぞれは、可変中心波長が空間位置１３８の線形関数であり得る方式で、線形可変フィルタ１１８の受光面１３６上の各空間位置１３８で、可変中心波長を有するバンドパスを形成し得る。したがって、図１に例示的に示すように、線形可変フィルタ１１８は、したがって、一次元に沿って、通常は線形可変フィルタ１１８の「長さ」に沿って、好ましくは連続的に、配置され得る。例として、線形可変フィルタ１１８は、透明基板１４２上に少なくとも１つの応答コーティング１４０を担持するウェッジフィルタとすることができ、該応答コーティング１４０は、空間可変特性、特に空間可変厚さ（ここには描かれていない）を示すことができる。ここで、透明基板１４２は、ＩＲスペクトル範囲で高度の光学的透明性を示すことができる少なくとも１つの材料を含むことができ、該材料は、好ましくはフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、溶融シリカ、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ホウケイ酸－クラウンガラス、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、および透明有機ポリマーからなる群から選択することができ、ここで、ＣａＦ_２、溶融シリカ、ＭｇＦ、ＫＢｒ、サファイア、ＮａＣｌ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ホウケイ酸塩－クラウンガラス、透明導電性酸化物、および選択された透明有機ポリマーは、特に、ＮＩＲスペクトル範囲に適用することができる。しかしながら、線形可変フィルタ１１８の他の実施形態も実現可能であり得る。しかしながら、他の種類の可変長フィルタもまた、本発明の目的のために実現可能であり得る。

線形可変フィルタ１１８は、入射光１１４を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられている。この目的のために、入射光１１４は、好ましくは、入射光１１４の波長に関連する特定の空間位置１３８で線形可変フィルタ１１８を通過することができる。入射光１１４は、入射光１１４の波長に関連する特定の空間位置１３８で線形可変フィルタ１１８を通過した後、続いて、検出器アレイ１２０、具体的には検出器アレイ１２０に含まれるに複数のピクセル化センサ１４４のうちの１つに衝突する。したがって、ピクセル化センサ１４４のそれぞれは、上述のように線形可変フィルタ１１８を通過した後に、入射光１１４によって提供される構成波長信号の１つの少なくとも一部を受け取る。さらに、各ピクセル化センサ１４４は、各構成波長の強度に関連する検出器信号を提供するように適合されている。言い換えると、分光計装置１１２は、したがって、構成波長信号に基づいて複数の検出器信号を生成するように割り当てられ、各検出器信号は、スペクトルの各構成波長の強度に関連している。

図１にさらに示されるように、検出器アレイ１２０は、好ましくは、透明な隙間１４６によって線形可変フィルタ１１８から分離されることができ、透明な隙間１４６は、例として、透明基板１４２を使用することによって得られる。その結果、透明な隙間１４６に適切な幅を選択することにより、線形可変フィルタ１１８に関する検出器アレイ１２０のより正確な調整が、実現され得る。以下により詳細に示されるように、透明な隙間１４６を調整することは、分光計装置１１２の効率をさらに増加させることを可能にし得る。

複数の検出器信号は、図１に概略的に示されるように、信号リード線１４８を介して、分光計装置１１２に加えて分光計システム１１０に含まれ得る評価ユニット１５０に、送信され得る。ここで、評価ユニット１５０は、一般に、分光計装置１１２の検出器アレイ１２０によって提供される複数の検出器信号を評価することによって、物体１１６のスペクトルに関する情報を決定するように割り当てられる。この目的のために、評価ユニット１５０は、信号評価ユニット１５２によって象徴的に示されている、１つ以上の電子装置および／または１つ以上のソフトウェアコンポーネントを、複数の検出器信号を評価するために含み得る。ここで、評価ユニット１５０は、２つ以上の検出器信号を比較することにより、物体１１６のスペクトルに関する少なくとも１つの情報項目を決定するように適合され得る。

分光計装置１１２の光学要素１２２によって受け取られる入射光１１４は、発光する物体１１６によって生成され得る。代替的または追加的に、入射光１１４は、周囲光源および／または人工光源、特に物体１１６を照射するために指定され得る白熱灯１５６を含み得る別個の照射源１５４によって生成されることができ、該光源は、入射光１１４が光学要素１２２によって受けられるように構成されるように、照射源１５４によって生成された光の少なくとも一部が物体１１６を通過する方式で（ここでは図示されていない）、および／または、物体１１６が照射源１５４によって生成された光の少なくとも一部を反射し得る方式で、物体１１６を照射するように割り当てられ得る。ここで、照明源１５４は、連続的に発光する光源および／または変調された光源であるか、またはそれらを含み得る。図１にさらに示されるように、照射源１５４は、必要に応じて変調された光を提供するように適合され得る、少なくとも１つの照射制御ユニット１５８によって制御され得る。ここで、照射制御ユニット１５８は、さらに、信号評価ユニット１５２に照射に関する情報を提供することができ、および／または、信号評価ユニット１５２によって制御されることができ、これは、図１の照射制御ユニット１５８と信号評価ユニット１５２との間の接続によって象徴的に示される。代替的または追加的に、物体１１６の照射の制御は、照射源１５４と物体１１６との間、および／または物体１１６と光学要素１２２との間のビーム経路で行われてもよい。さらなる可能性が考えられる。

一般に、評価ユニット１５０は、データ処理装置１６０の一部であってもよく、および／または１つ以上のデータ処理装置１６０を備えていてもよい。評価ユニット１５０は、少なくとも分光計装置１１２を有するハウジング１６２に完全にまたは部分的に統合されてもよく、および／または、無線または有線で分光計装置１１２に電気的に接続され得る別個の装置として完全または部分的に具体化されてもよい。評価ユニット１５０は、１つ以上の電子ハードウェアコンポーネントおよび／または１つ以上のソフトウェアコンポーネントおよび／または１つ以上の測定ユニットおよび／または１つ以上の評価ユニットおよび／または１つ以上の制御ユニット（ここには表示されていない）などの１つ以上の追加コンポーネントをさらに含むことができる。

図１の例示的な実施形態にさらに示されるように、分光計装置１１２は、光学要素１２２、線形可変フィルタ１１８、および検出器アレイ１２０を含み、これらは、この特定の実施形態では、分光計装置１１２の光軸１６４に沿って配置されている。具体的には、光軸１６４は、光学要素１２２、線形可変フィルタ１１８、および検出器アレイ１２０のうちの少なくとも１つの構成の対称軸および／または回転軸であってよい。特に、光軸１６４は、したがって、線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に垂直な平面に平行であってよい。さらに、光学要素１２２、線形可変フィルタ１１８、および検出器アレイ１２０は、好ましくは、少なくとも分光計装置１１２を有するハウジング１６２の内側に配置され得る。

さらなる実施形態では、少なくとも１つの伝達装置（ここでは図示せず）、特に屈折レンズが、さらに、光学要素１２２と線形可変フィルタ１１８との間に配置されてもよい。しかしながら、図１の特定の実施形態において、光学要素１２２は円錐形状１２８を備える逆作動の集光装置１２４の形で実装されるため、光学要素１２２のこの実装が、特に線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に垂直な線形可変フィルタ１１８に垂直に衝突し得る平行な光ビームの主な割合を提供することに関して、伝達装置特に屈折レンズの機能を同時に引き継ぐことができることにより、伝達装置特に屈折レンズの使用は不要と思われる。

図２Ａおよび２Ｂは、逆作動の集光装置１２４の単一の丸みを帯びた側壁１２８の好ましい形状の２つの例示的な実施形態の断面を示している。図２Ａは、集光装置１２４の単一の側壁１２８の丸みを帯びた形状が放物線形状１６８を含む複合放物線集光器１６６を概略的に示し、一方、図２Ｂは、集光装置１２４の単一の側壁１２８の丸みを帯びた形状が楕円形状１７２を含む複合楕円集光器１７０を概略的に示している。しかしながら、逆に作動される集光装置１２４の単一の側壁１２８は、単一の丸みを帯びたさらなる形状を想定し得る。

ここで、逆作動の集光装置１２４は、集光装置１２４の反射率を高めるために、ＩＲスペクトル範囲で高い光透過率を有する透明な光学材料の本体（ここでは図示せず）の形態で提供され得る。特に、逆作動の集光装置１２４は、好ましくは、ＩＲスペクトル範囲において高度の光学的透明度を有する少なくとも部分的に光学的に透明な材料の本体で提供されることができ、それは、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、溶融シリカ、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ホウケイ酸塩クラウンガラス、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、および透明有機ポリマーからなる群から選択することができ、そこでは、ＣａＦ_２、溶融シリカ、ＭｇＦ、ＫＢｒ、サファイア、ＮａＣｌ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ホウケイ酸－クラウンガラス、透明導電性酸化物、および選択した透明有機ポリマーは、特に、ＮＩＲスペクトル範囲に適用可能であり、高屈折率を有するシリコンおよびゲルマニウムは、本体の側壁で発生し得る全反射をサポートすることができるため、特に好ましい。

しかしながら、図２Ａおよび２Ｂにさらに示されるように、逆作動の集光装置１２４は、代替として、単一の側壁１２８を有する中空体１７４の形態で提供されることができ、該単一の側壁１２８はそれが所望の形状、特に、図２Ａの放物線形状１６８または図２Ｂの楕円形状１７２を構成するように配置されることができる。この場合も、逆作動の集光装置１２４の単一の側壁１２８は、異なる形状が所望の単一の側壁１２８を生成する限り、異なる形状１６５をとることができる。この目的のために、単一の側壁１２８を有する中空体１７４は、真空を含み得るか、または好ましくは完全におよび／または均一に、気体および／または流体の光学的に透明な材料で満たされ得、材料は、逆方向１２６に作動される集光装置１２４として適用可能であるために、特に周囲空気、窒素ガス、二酸化炭素、液浸油、またはカナダバルサムから選択され得る。

既知の集光装置では、逆作動の集光装置１２４を構成する中空体１７４の側壁は、最終的に入射光を主に平行な方式で線形可変フィルタ１１８に衝突するように導く経路から大きく逸し得る入射光１１４のそのような波長を吸収するように適合された側壁として設計され得る。しかしながら、上記のように、中空体１７４のそのような種類の側壁は、入射光１１４の吸収率が線形可変フィルタ１１８を通過して最終的に検出器アレイ１２０に到達することを抑止し、したがって検出器信号に寄与することができないため、分光計装置１１２の効率を低下させ得る。

したがって、本発明によれば、逆作動の集光装置１２４を構成する中空体１７４の単一の側壁１２８は、図１、２Ａおよび２Ｂに示されるように、入射光１１４を反射するように適合された単一の反射性側壁１２８として割り当てられ得る。結果として、単一の反射性側壁１２８は、したがって、単一の反射性側壁１２８での反射により、追加の光ビーム１８６が線形可変フィルタ１１８に導かれ、そして続いて、さらに検出器信号に寄与し得る検出器アレイ１２０に導かれることを可能にすることにより、分光計装置１１２の効率を高めることができる。その結果、逆作動の集光装置１２４を実装する中空体１７４を画定し得る単一の反射性側壁１２８を提供することは、このように、特に信号対ノイズ比を低減することによって、分光計装置１１２の効率をさらに増加させることができる。

さらに、図３は、本発明による好ましい逆作動の集光装置１２４の例示的な実施形態の断面を示す。ここで、単一の反射性側壁１２８は、上で示したように、真空を含むか、または好ましくは完全におよび／または均一に、特に周囲空気、窒素ガス、二酸化炭素、液浸油、またはカナダバルサムから選択される気体および／または流体の光学的に透明な材料で満たされ得る中空体１７４によって生成される。ここで、単一の反射性側壁１２８は、逆に作動される集光装置１２４を限定し、その表面を構成するように適合され得る境界を形成する。特に、単一の丸みを帯びた側壁１２８は、特に、入射瞳１８０での入射開口１７８と射出瞳１８４での射出開口１８２とを接続するように適合され得るシェル表面１７６を構成し得る。より具体的には、単一の丸みを帯びた側壁１２８は、好ましくは、特に放物線状プロファイルまたは楕円形プロファイルから選択される非円錐形プロファイルを含むことができる。したがって、図３に例示的に示される単一の丸みを帯びた側壁１２８のシェル表面１７６は、単一の丸みを帯びた側壁１２８の形状が角を欠くような方法で３次元空間の形状をとる。

図３に概略的に示されるような特に好ましい実施形態では、逆に作動される集光装置１２４の入射瞳１８０の入射開口１７８は、できるだけ多くの光を取り込むことができるように、好ましくは寸法ｄｘ，ｄｙを有する小さな丸い開口を備えることができ、ここで、商ｄｙ／ｄｘは、０．７５から１．２５、好ましくは０．９から１．１、特に０．９５から１．０５の値を取ることができる。一方、逆に作動される集光装置１２４の射出瞳１８４の射出開口１８２は、可変長フィルタ１１８を介して本実施形態で長方形の形を示す検出器アレイ１２０上に可能な限り多くの光を導くことを可能にするために、長くて丸い開口、特に寸法Ｄｘ、Ｄｙを有する楕円形の開口を有することができ、商Ｄｙ／Ｄｘは、１．５から２０、好ましくは２から１０、特に２．５から６の値をとることができる。しかしながら、特に検出器アレイ１２０の形態に応じて、逆方向に作動される集光装置１２４の入射開口１７８および／または射出開口１８２の他の形状も実現可能であり得る。さらに、図４は、本発明による分光計装置１１２のさらなる例示的な実施形態を概略的に示している。分光計装置１１２の光軸１６４に沿う光学要素１２２、線形可変フィルタ１１８および検出器アレイ１２０の対称性を想定する図１の分光計装置１１２の例示的な実施形態とは対照的に、図４Ａに示されるような分光計装置１１２の光学要素１２２は非対称配置２００を想定する。

さらに、特に光学レンズ、曲面ミラー、格子、または回折光学要素であり得る伝達装置（ここでは図示されていない）は、逆作動の集光装置１２４と線形可変長フィルタ１１８の間に配置され得る。好ましくは、光学レンズは、特に、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、非球面レンズ、円柱レンズおよびメニスカスレンズからなる群から選択され得る。しかしながら、他の種類の伝達装置も実現可能であり得る。

したがって、本発明に従って、逆方向１２６に配置され、単一の丸みを帯びた反射性側壁１２８を有する集光装置１２４の形態で提供される光学要素１２２の対称軸２０２は、上記のように、線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に垂直な平面に平行な分光計装置１１２の光軸１６４に対して角度αだけ傾斜している。ここで、角度αは、線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に対して垂直に、入射光１１４の波長を受けるように設計された線形可変フィルタ１１８の空間位置１３８上で線形可変フィルタ１１８に衝突するだけではなく、さらに、入射光１１４の波長を超えるさらなる波長を受けるように設計された線形可変フィルタ１１８のさらなる空間位置１３８’で線形可変フィルタ１１８に衝突する、線形可変フィルタ１１８に伝達される入射光１１４を考慮して選択される。

したがって、光ビーム１８６は、固有の波長と比較してより長い波長で線形可変フィルタ１１８を通過し得るが、線形可変フィルタ１１８と検出器アレイ１２０との間の相対配置、それはこの文書の他のところでより詳細に説明されているように透明な隙間１４６によって分離されている相対配置のため、光ビーム１８６は、依然として、入射光ビーム１１４の特定の波長での入射光の強度を決定するために提供される特定のピクセル化センサ１４４に衝突する可能性がある。その結果、この目的のために割り当てられた線形可変フィルタ１１８上の空間位置１３８で線形可変フィルタ１１８の受光面１３６に垂直に線形可変フィルタ１１８に衝突する光ビーム１８６だけでなく、入射光１４４の波長と比較してより長い波長を受け取るように割り当てられたさらなる空間位置１３８’で線形可変フィルタ１１８に衝突する光ビーム１８６’が、依然としてなお、入射光１１４の特定の波長を受け取るように設計された同じ特定のピクセル化センサ１４４に衝突する。その結果、光線１８６’も、したがって、特定の個別のピクセル化センサ１４４によって生成される電気信号に寄与することができ、それによって分光計装置１１２の効率をさらに高めることができる。

図４Ｂに概略的に示されるように、図４Ａに示されるような分光計装置１１２内の光学要素１２２の非対称配置２００は、さらなる利点を提供し得る。ここに示されるように、３つの異なる波長を有する３つの異なる光ビーム１８６、１８６’、１８６”のそれぞれは、定義された許容レベル内で、波長に関係なく同じ強度を有する検出器アレイ１２０の対応するピクセル化センサ１４４において、検出器信号２０４、２０４’、２０４”を生成し得る。この利点は、白熱灯１５６を、ＩＲスペクトル範囲内の熱エミッタと見なすことができ、したがって、波長の増加とともに減少する放射出力を示す照射源１５８として使用するときにさえ達成することができる。しかしながら、この効果は、光学要素１２２の非対称配置２００が勝ることができ、そこでは、より長い波長を有する光ビーム１８６”と比較して、より短い波長を有する光ビーム１８６のためのより長い経路が提供され得る。

さらに、ピクセル化センサ１４４における光ビーム１８６、１８６’、１８６”の強度に影響を及ぼし得るさらなる効果は、このように勝る可能性がある。特に、既知のＩＲ吸収材料は、波長の増加と共に吸収が増加する傾向を示す。さらに、線形可変フィルタ１１８のバンドパス幅は、通常、線形可変フィルタ１１８のスペクトル範囲にわたって１％などの一定値をとるため、バンドパス幅に反比例する線形可変フィルタ１１８の分解能は、波長の増加に伴い減少する。さらに、線形可変フィルタ１１８の分解能は、一般に、線形可変フィルタの中心波長に依存する。しかしながら、光学要素１２２の非対称配置２００は、分光計装置１１２がより長い波長に対してより受容的であるのを容易にする一方で、白熱灯１５６のより高い放射出力およびより短い波長でのより低いバンドパス幅は、波長範囲にわたってより均等に分散されている分光計装置１１２の効率をもたらし得る。

逆に作動される集光装置の単一の丸みを帯びた側壁１２８は、単一の反射性側壁として設計されるので、分光計装置１１２の効率は、さらに増加され得る。図４Ｂに概略的に示されるように、単一の反射性側壁１２８は、追加の光ビーム１８６^＊を、単一の反射性側壁での反射により、線形可変フィルタ１１８に、その後、それらが検出器信号にさらに寄与し得る検出器アレイ１２０に導くことを可能にし得る。

図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、透過率の変動を概略的に示し、透過率は、透過ピーク２０６の相対強度Ｉ／Ｉ_０によって、分光計装置１１２の線形可変フィルタ１１８を通る入射光１１４の透過後に、対応する透過ピーク２０６の波長λ［ｎｍ］の関数として、それぞれのシミュレーションによって決定され得る。ここで、例えば図１、２Ａおよび２Ｂに示されるように、分光計装置１１２の光軸１６４に関して集光装置１２４の対称配置２０８は、図５Ａの透過ピーク２０６を決定するために選択され、一方、図４Ａおよび４Ｂに示されるような集光装置１２４の非対称配置２００は、図５Ｂに示される透過ピーク２０６を得るために使用された。

集光装置１２４の非対称配置２００の結果として、透過ピーク２０６の相対強度Ｉ／Ｉ_０の最大値およびそれらの角度αの焦点のより長い波長へのシフトを観察することができる。さらに、透過ピーク２０６は、図５Ｂの非対称配置２００において、図５Ａの対称配置２０８における半値のピーク幅２１０'と比較して、より小さいピーク幅２１０、特に、半値のピーク幅２１０を有するように見え、その結果、非対称配置２００におけるバンドパス幅の減少をもたらす。例として、半値でのピーク幅２１０、したがって、バンドパス幅は、最も長い波長を有する透過ピーク２１２について約５％だけ減少することができる。さらに、それぞれの分光計装置１１２で完全に取得することができるスペクトルは、したがって、図５Ａで使用されるような対称配置２０８における１２７０ｎｍ～２３４０ｎｍの第１のスペクトル範囲２１４から、図５Ｂで使用されるような非対称配置２００における１２３０ｎｍ～２３９０ｎｍの第２のスペクトル範囲２１６まで、わずかに増加すると推定することができる。

要約すると、透過率は、集光装置１２４の非対称配置２００と比較して、非対称配置２０８では、より長い波長に向かってより強く増加し、また、より小さい波長に向かってより強く減少し、したがって、分光計装置１１２は、より長い波長のためのより高い受光を示すことを容易にする。しかしながら、上記のように、この効果は、より高い放射出力を有する白熱灯１５６を使用することによって容易に上回ることができ、それにより、結局、その波長範囲にわたってより均等に分配され得る効率を有する分光計装置１１２がこのように提供され得る。

１１０ 分光計システム
１１２ 分光計装置
１１４ 入射光
１１６ 物体
１１８ 可変長フィルタの好ましい例としての線形可変フィルタ
１２０ 検出器アレイ
１２２ 光学要素
１２４ 逆作動の集光装置
１２６ 逆方向
１２８ 単一の丸みを帯びた側壁
１３０ 入口
１３２ ガイド構造
１３４ 出口
１３６ 受光面
１３８，１３８’ 空間位置
１４０ 応答コーティング
１４２ 透明基板
１４４ ピクセル化センサ
１４６ 透明な隙間
１４８ 信号リード線
１５０ 評価ユニット
１５２ 信号評価ユニット
１５４ 照射源
１５６ 白熱灯
１５８ 照射制御ユニット
１６０ データ処理装置
１６２ ハウジング
１６４ 光軸
１６６ 複合パラボラ集光器
１６８ 放物線形状
１７０ 複合楕円集光器
１７２ 楕円形状
１７４ 中空体
１７６ シェル表面
１７８ 入射開口
１８０ 入射瞳
１８２ 射出開口
１８４ 射出瞳
１８６，１８６’，１８６’’，１８６^＊ 光ビーム
２００ 非対称配置
２０２ 対称軸
２０４，２０４，２０４’’ 検出器信号
２０６ 透過ピーク
２０８ 対称配置
２１０，２１０’ ピーク幅（半値）
２１２ 最も長い波長を有する透過ピーク
２１４ 第１のスペクトル範囲
２１６ 第２のスペクトル範囲

Claims (11)

1. 分光計装置（１１２）であって：
   － 物体（１１６）から入射光（１１４）を受け取り、前記入射光（１１４）を可変長フィルタ（１１８）に伝達するように設計された光学要素（１２２）であって、該光学要素（１２２）は集光装置（１２４）を含み、該集光装置（１２４）は逆方向（１２６）に作動され、前記集光装置（１２４）は入射光を反射するように適合された単一の側壁（１２８）を有し、前記単一の側壁（１２８）は丸みを帯びた側壁として設計された、光学要素（１２２）；
   － 前記入射光（１１４）を構成波長信号のスペクトルに分離するように割り当てられた前記可変長フィルタ（１１８）；および、
   － 複数のピクセル化センサ（１４４）を含む検出器アレイ（１２０）であって、各ピクセル化センサ（１４４）は前記構成波長信号の１つの少なくとも一部を受けるように適合され、各構成波長信号は各構成波長の強度に関連する、検出器アレイ（１２０）、を有し、
   前記単一の側壁（１２８）は、光ガイド構造（１３２）として、入射瞳（１８０）における入射開口（１７８）と射出瞳（１８４）における射出開口（１８２）とを接続するように適合されたシェル表面（１７６）を構成し、
   逆方向（１２６）に作動する前記集光装置（１２４）が、前記入射瞳（１８０）に円形の入射開口（１７８）を有し、前記射出瞳（１８４）に長くて丸い射出開口（１８２）を有し、
   前記入射瞳（１８０）が９０°未満の入力角度を有し、前記射出瞳（１８４）が３０°以下の出力角度を有し、前記単一の側壁（１２８）による減少される角拡散が最大で±２０°に制限される、分光計装置（１１２）。
2. 逆方向（１２６）に作動する前記集光装置（１２４）が、入口（１３０）における入射瞳（１８０）と、出口（１３４）における射出瞳（１８４）を有し、前記光ガイド構造（１３２）が前記入口（１３０）と前記出口（１３４）の間に位置している、請求項１に記載の装置（１１２）。
3. 前記集光装置（１２４）が、円錐形状または非円錐形状のうちの１つを備える、請求項１又は２に記載の装置（１１２）。
4. 前記集光装置（１２４）の前記非円錐形状が、放物線形状（１６８）または楕円形状（１８２）から選択される形状を有している、請求項３に記載の装置（１１２）。
5. 前記集光装置（１２４）が、前記可変長フィルタ（１１８）に関して非対称に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１１２）。
6. 前記集光装置（１２４）が、前記可変長フィルタ（１１８）の受光面（１３６）に垂直な面に対して傾斜している、請求項５に記載の装置（１１２）。
7. 前記検出器アレイ（１２０）が透明な隙間（１４６）によって前記可変長フィルタ（１１８）から分離されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置（１１２）。
8. 前記物体（１１６）を照射するように適合された照射源（１５４）をさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置（１１２）。
9. 前記照射源（１５４）が白熱灯（１５６）を含む、請求項８に記載の装置（１１２）。
10. 分光計システム（１１０）であって、
    － 請求項１～９のいずれか一項に記載の分光計装置（１１２）；および、
    － 前記分光計装置（１１２）によって提供される検出器信号（２０４，２０４’，２０４”）を評価することにより、物体（１１６）のスペクトルに関する情報を決定するように割り当てられた評価ユニット（１５０）、
    を有する、分光計システム（１１０）。
11. 前記物体（１１６）を照射するように適合された照射源（１５４）をさらに備える、請求項１０に記載のシステム（１１０）。

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