JPH04500128A - 空間ヘテロダイン分光計及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光−ヘテロダイン　゛′曾十　び　法 １皿立！ 本発明は、概ね光学器具の分野、詳細には干渉分光計に関する。

１見蕊迷 微弱で拡散した電磁線源の研究においては、従来のグレーチング分光計に比べ、 干渉分光計が大きな利点を提供することは周知である。主な利点は、（１）同じ 分解能で作用するグレーチング分光計よりも、エテンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅｌ 　（すなわち処理量）が典型的には２００倍であるること、（２）高いスペクト ル分解能で特にコンパクトであること、（３）入力／出力光学装置における高精 度光学要素が不要であること、及び（４）高いスペクトル分解能を得ることが容 易であることである。これらの利点は、観測時間、費用、重量及び多くの重要な プログラムのための容量における重要な経済性を提供し、特に、衛星用装置とし ては寸法及び重量は決定的である。

これらの原理を利用した全反射走査フーリエ変換分光計が現在利用することがで き、徹底的に研究されてきた１例えば、クルーガ（Ｒ，Ａ、　Ｋｒｕｇｅｒｌ、 アンダーラン（Ｌ、　Ｗ、　Ａｎｄｅｒｓｏｎ）、ロエスラｆＦ、Ｌ。

Ｒｏｅｓｌｅｒｌの”フーリエ変換分光計として使用するための全反射干渉計“ ｆＪ、　Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、Ａｍ、　、第６２巻、１９７２年、９３８ページ及 び次頁）二ロエスラの”天文学のためのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ計”ｆＭｅｔｈ ｏｄｓ　ｏｆ　Ｅｘｐｅｒｉｗ＋ｅｎｔａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、第１２巻、Ｐａ ｒｔ　Ａ、０ｐｔｉｃａｌａｎｄ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ、Ａｃａｄｅ＋ｍｉｃ　Ｐ ｒｅｓｓ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９７４年）二フ才ンク（Ｒ，Ｊ、　Ｆｏｎｃ ｋｌ　らの−全反射Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干渉計：遠方赤外線フーリエ分光学のた めの解析及び試験″’　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、第１７巻、１９７８ 年、１７３９ページ及び次頁）をを照されたい、このような走査器具は、干渉分 光学の利点を有しているが、走査部品用の複雑な駆動及び制御機構、例えば、複 雑かつ高価な移動ミラーを必要とし、それらは、移動部品を用いた器具に固有の 維持及び信頼性が問題になりやすい。

及肌二皿示 本発明の空間へテロダイン分光計は干渉分光学の利点を備えているが、走査型フ ーリエ変換分光計の走査及び制御機構で遭遇するほとんどの複雑な問題を回避し ている。コンパクトでかつ比較的頑丈な構造で組み立てることができ、衛星を基 本とする分光学に用いるための理想的な器具となる０作動中、安定性を必要とす るが、精密な整合や走査を必要とせず移動部品も有しない。

本発明の分光計は２ビ一ム分散干渉計を利用しており、その干渉計は、ビームス ブリック／コンバイナとして回折グレーチングを備えるのがよい、干渉計は、− 入射ビームから２つのコヒーレントな波面をつくり、その２つの波面を、両者の 角度αに依存する波長で再結合させる。干渉計は、選択された波長λ。について 、再結合した波面が互いに平行となるように調整されている０選択された波長ん 。と等しくない入射ビームの波長について、角度αは、 α＝Ｄ（λ−え。） で与えられ、ここでＤは、装置の角度分散である。２つのビームが干渉計を出る とき、波長えての２つのビームの波面は互いに角度αだけ傾（、これらの交差波 面が合焦されかつ結像されたとき、それらは１幅への出力開口にわたって、空間 周波数ｆｓでフィゾーｆＦｉｚｅａｕｌの縞模様を発生し、ｆｓは、ｆｓ＝ａ／ λ。＝（Ｄ／え。）　（え−え。）で与えられ、次いで、干渉計を出たビームに よって生じたフィゾーの縞模様が像検出器に記録され、その検出器は、検出器の 幅にわたる像強度の変化を示す出力信号を発生する。線形検出器に記録された像 はスペクトルのフーリエ変換に関係し、数学的ゼロは選択された波長え。に対応 する。かくして、検出された像は、高周波の検出におけるヘテロゲイン技術と空 間的な類似となり、（波長え。での）選択スペクトル周波数は局所振動周波数に 対応する。

分散２ビーム干渉計は全反射成分を利用して減衰を最小にすることができ、特に 、干渉計を紫外線波長で作動させることができ、透過要素も適当に使用してもよ い、干渉計の光学要素についての様々な構成を利用することができる。

本発明の別の目的、特徴及び利点は、添付図面とともに、次の詳細な説明から明 らかとなろう。

ｚ皿例固豊μ韮ｊ 第１図は、本発明の原理を示す、一般化された空間ヘテロゲイン分光計の略図で ある。

第２区は、第１図の分光計を実施する２ビーム干渉計の光学要素及び補助光学要 素についての基本的な形状の略図である。

第３図は、！模様のパターンと波長の関係を示す一連の略図である。

第４図は１分光計の作動を説明するための仮想放出線のグラフである。

第５図は、分解能をグレーチング幅と無関係にすることのできる分光計の干渉計 部分の略図である。

第６図は、入力及び出力ビームを分離して選択自在に分解することのできる、本 発明の分光計の光学要素の別の構成を示す図である。

第７図は、第５図に示された構成の干渉計を備えた分光計を使用した、Ｎａ二重 ！１ｉ１５８９０人及び５８９６人により形成された縞模様パターンの写真であ り、あるコラムに沿った強度のグラフと重ね合わされている。

第８図は、第７図のナトリウム二重線縞模様パターンの一次元フーリエ変換図で ある。

第９区は、ナトリウム二重線の一次元フーリエ変換と、同じ基本波長の設定によ って生ずるネオンの縞模様パターンを重ね合わせたグラフである。

第１０図は、フィールド補正のためにプリズムウェッジが使用されている、第２ 図の構成の分光計用の変更された干渉計を示す略図である。

第１１図は、フィールド補正のためにプリズムウェッジが使用されている、第６ 図の構成の分光計用の別の干渉計を示す略図である。

第１２図は、２ビーム干渉計用の構成を示す略図であり、その干渉計は第２図の 分光計に使用することができ、その分光計には、伝達／反射ビームスプリッタが 使用されて結合した出力ビームを形成することができる。

第１３図は、フィールド補正のためにプリズムウェッジが使用されている、第１ ２図のよｐな干渉計の略図である。

及豆Ω困囮皇韮ｊ 本発明による空間ヘテロゲイン分光計の略図が第１図に示されており、入口開口 ２０を通って入って（る電磁線を受け取る。説明を簡単にするため、入ってくる 電磁波はここでは゛光−と呼ぶことにするが、本発明の分光計は、異なる多くの 波長で使用してもよ（、特に赤外線や紫外線などの不可視光線の分析に適合する ように構成することができるものと解釈しなければならない０分光計は、その形 状についての特徴のため、以下に説明するように、特に、惑星や他の天体源から の紫外線の研究に適している。

しかしながら、本発明の原理は、使用する光学要素を適当に選択して、可視光線 や赤外線のような他の波長にも等しく適合する。

かくして、研究される入射光についての多くの形式の光源が存在してもよい。

開口２０を通過した光は入力レンズ２２によって受け取られて平行にされ、その レンズ２２は屈折要素として示されてはいるが以下に説明するように反射入射ビ ームであってもよい。入力レンズから放圧される平行入射波面２３は分散２ビー ム干渉計２５に受け取られ、その干渉計は、入射波面から２つのコヒーレント波 面を発生させ、第１図に示す２つの波面２７及び２８によって示されるように、 波長に依存する角度ａでそれら２つの波面を再結合する。もちろん、図示した波 面は単一波長についてであって、典型的な光源は研究すべき多くの波長を有する であろうし、それらの波長は以下に説明するように、それら自身の特性分離角度 αによって互いに分離されるであろう。再結合された波面は出力開口３１を通し て出力レンズ３０に合焦され縞模様結像レンズ３３によって受け取られ、その縞 模様結像レンズは受け取った光を像検出器３４に結像する。検出器３４は、複数 の画素の各々で受け取られた光の強度を示す電気信号を出力ライン３５に出力し 、それらの画素は像を受け取る領域の検出器の幅にわたっている。ライン３５の 出力はデジタイザ及びコンピュータ分析器３６が受け取り　ユーザに対してフー リエ解析の結果の表示が陰極線管スクリーン又はプリンタのような表示装置３７ 上に提供される８例えばＤＥＣＭｉｃｒｏ−Ｖａｘのような市販されている適当 な計算機を分析器３６に使用してもよい。適当なフーリエ解析技術が周知であり 、例えば、−散値手段一科学計算技術一帽、Ｈ，Ｐｒｅｓｓ等、Ｃａｎ＋ｂｒｉ ｄｇｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ、１９８６．１２章、　２９０−３ ９７．４４９−４５３ベージ）がここで参照して組み入れられている。

干渉計２５は、所定の波長ん。について再結合された波面２７及び２８が互いに 平行になるように調整されている。え。に等しくない波長えをもつ波面について は、２つの波面２７及び２８の間の角度αは、 α＝Ｄ（え−λ。） によって与えられ、ここでＤは本装置についての角度分散であり、 Ｄ＝ａα／ａん で与えられる。交差した波面２７及び２８は次式で与えられる空間周波数ｆ１で 幅Ａの出力開口にわたりフィゾーｆＦｉｚｅａｕｌ縞模様を発生させる。

ｆ、＝α／λ。＝（Ｄ／λ。）（λ−え。）これらの縞模様は像検出器３４に記 録される。線形検出器上で記録された像は、受は取られたスペクトルのフーリエ 変換に関係し、数学的ゼロは波長え。に対応する。この意味では、分光計は高周 波受信器へテロダイン技術の空間的な類似であり、光周波数Ｃ／λ。は、高周波 受信器の局所的振動周波数の類似である。

装置の分解能の限界は波長の差分δλによって決定され、そのδえは、幅Ａの出 力開口にわたって空間強度変調における１サイクルの差を生ぜしめる。これは次 のように表現できる。

Ａ　（ａ　ｆ　、／ａ　Ｌ）　δえ：１本装置について上記の表現を使用すると 、ＡＤ＝　（え。／δλ）＝Ｒ０ ここでＲｏは理論的な分解能であり、現在の技術によって得られる分解能につい ての一般的な表現である。この表現は、プリズム又はグレーチング分散器を使用 した従来の分散装置（スリット分光計）についての表現と同一である。

本分光計の全体の利点は、第１図に示すように受入れ角度βをいかにして太き（ するかに依存し、分解能を低下させることなく行なうことができる。そのことは 、受入れ角度が約β＝−／−（８／Ｒｏ）ｃｏｓθで、θがλ。における分散要 素の分散角である様々な分散干渉計の形状についての直接計算により示される。

かくして、干渉分光分析の高い特性が得られる。更に、検圧器ノイズが制限され る状況では、多（のスペクトル成分を同時に記録することができるため、大きな 多重利得が得られる。

第２図は、全反射要素を使用した本発明の分光計のための基本光学構成を示す、 開口４０には、この種の干渉計で形成された楕円の的パターンの平面上にある領 域Ｓが存在している。第２図の４１と記された簡単な楕円により示されているよ うに、開口は出力ビームと光源ビームとの間で裂けており、第２図には出口ビー ムのみが示されている。光源（図示せず）からの光は４０で開口の上部に入り、 ミラー４３によって平行にされ、第２図の４４と記された線で示す平行ビームに なる。ビーム４４はビーム分割グレーチング４５に入射し、そのグレーチングは ホログラフィ−技術でつくって対称分割を行なってもよい、ビーム４４はグレー チング４５によって平坦ミラー４８に衝突する、４７と記された線で示す第１の ビームと、第２の平坦ミラー５１に衝突する、５０と記された線で示す第２のビ ームに分割される。波長え。＝ｄ・ｓｉｎθの入射光線については、波面は干渉 計の各アームのミラー４８及び５１の平坦面に平行なグレーチングから現われ、 これらの平坦ミラーで反射してグレーチング４５に戻り、次いで、入射ビーム４ ４と同一経路に沿ってミラー４３に戻り、次いで開口４０の出口を通って合焦さ れる。出口フィールドは干渉計のアームの経路差に応じて明から暗に強度が変化 する。出口開口から現われた光は結像ミラー５３によって結像され像検出器５４ に像を形成する。検出器からの信号は前述のように受け取られ分析される。再結 合する波面が平行である波長え０の光については、検出器上の強度分布は、χ。

での光源の輝度に対応して均一な輝度（すなわち、適当な経路差の選択のための 建設的な干渉）となる。

次に第３図を参照すると、波面及びその波面が結像器上に形成される強度パター ンが示されている。所定の波長λ。に近い波長えの放射については、回折した波 面は、もはや対応する干渉計のアームの鏡４８及び５１に平行ではなく、従って わずかに交差して再結合する。傾いた波面は像面Ｓでの的パターンにおけるコン トラストを弱めるが、結像器の上では傾きに対応する強度パターンの空間周波数 を生ゼしぬ、λ。での光源強度に比例する強度変調振幅をもつ、ゼロ波長から更 に離れたスペクトル成分は更に大きな傾きをもち、それに対応して結像器上でも っと高い空間周波数をつくる。結像器での１サイクルの傾き差分はグレーチング 分解能の限界に対応している。第２図の形状については、分解能はＲｏ　＝　４ 　Ｗ　ｓ　ｔ　ｎθ／丸であり、ここでＷはグレーチングの幅であり、θは回折 角度である。限界分解能は、単に波長によって分割される装置の最大経路差とな ることに留意されたい、第３図は結像器上の縞模様パターンを示しており、グラ フ６０にはゼロ波長λ。での単一波面をもつ光源について、グラフ６２にはδえ だけゼロ波長から離れた単一波面について、グラフ６４には２δんだけゼロ波長 から離れた波面について、グラフ６５にはいくつかの任意偏差量ｎδんたけゼロ 波長から離れている波面について、及びグラフ６６には全述の全てが存在して結 合し像を形成したときの結像器上の像について示している。

別の説明として、６８とつけた独立放出線を描いた第４図の仮想スペクトルを参 照しなければならないであろう。この線の形状のフーリエ変換が結像器に記録さ れている。空間周波数における各１サイクルの増加は、え。での空間周波数から δλを追加したものに対応している。このように、グレーチングの分解能限界が 達成され、Ｎ画素の幅をもつ結像器はＮ／２スペクトル要素を配録することがで きる１例えば、１０００要素検出器については、５００スペクトル要素が測定可 能であろう、これは、１２１５人での５０万の分解能については、１．２人のス ペクトル範囲に対応するであろう。

前述したような装置は、普通はえ。＋δλとえ。−δえを区別することができな い、このあいまいさは、分散方向に垂直なミラー５１に対してミラー４８をわず かに傾けることにより、克服することができ、かくして、波長に強く依存するＸ 方向の変調に加えてＹ方向のいくつかの縞模様（名目上波長に依存する空間変調 ）を発生する。これは波長に依存する縞模様の回転を生じ、（調整の選択により ）λ〉え。なる波長は時計方向に回転し、んくえ。なる波長は反時計回りに回転 する。

又、フラットフィールドパターンの空間周波数スペクトルを結像器で移動するこ とも必要である。これは、２つの等しい暴露（工、及び工、）を受けることによ って達成することができ、２つの暴露の間でえ。／２　に等しい１分光計を通っ てきた全経路差が存在する。カバーされた狭いスペクトル範囲では、Ｉ２が工。

の余色となる。これら２つの像の合計はスペクトル情報を含まず、（ｓｉｎ”θ ＋ｃｏｓ　”θ＝１）、像の差はスペクトルの二重振幅空間変換を生ずる。（Ｉ ｔ−Ｉｇ）／（Ｉｔ−ｔ−工ａ）から生ずる最終像パターンＩｃは補正されたフ ラットフィールドであり、単一の暴露の振幅の２倍であるので、観測時間のロス は最小になる。各画素ｉ、ｊでの２次元像については、Ｉｃのフーリエ変換は光 源、若しくは分光計器具の空間不規則性による加工がないスペクトルを発生する 。

前述の基本的な構成は比較的簡単であるが、その有用性を制限するいくつかの制 限を有している。特に、分解能は基本的構成と無関係に変化することはできない １例えば、もし本装置が１幅５０ｍｍ、３６００ライン／　ｍ　ｍのグレーチン グを使用していて、χ＝０．１μで作動するならば、４’Ｗｓｉｎθ／尤の分解 能（約７０万）をもつことになるが、約１０万のＲについては、有用なグレーチ ング幅は７ｍｍにすぎない。もっと大きなグレーチングを使用すること（従って もっと大きな集光力を得ること）は、もっと小さなグレーチング角度を必要とし 、不便な大きさの構造となるであろう。なぜなら、入力ビーム及び出力ビームを 遮るのを防止すべく、ミラー４８及び５１を遠くに移動させる必要があるからで ある。

第５図に示した干渉計の構造は、概念としては基本的な構成と同じであるけれど も、直前に説明した問題を処理する。戻りミラー４８及び５１は、θで作動する ように主グレーチング４５とは別の性質をもつ同一の戻りグレーチング７０及び ７１で置換されている。これらのグレーチングは、ライン間隔やブレーズ角度（ ｂｌａｚｅ　ａｎｇｌｅ）の適当な選択により、主グレーチング４５の分散を所 望の値に減する。正味の分解能はＲ＝Ｒｏ　（１−ｔａｎθ′・ｃｏｔθ）であ り、Ｒｏは基本的構成に使用した主グレーチング４５の分解能である。

第２図及び第５図の構成の短所は、入力及び出力ビームが分離されていないこと である。このことは、処理量能力の損失を伴うスプリット入出力開口の使用を必 要とし、又、ゼロオーダの光及びクロスオーダの光を開口の出口部分に直接戻し 、これらの部分は、感度を減する大きな寄生光バックグラウンドの原因となる。

この作用は、グレーチング４５に対しグレーチング７０及び７１（又はミラー４ ８及び５１）を比較的大きくかつ等しい量だけ傾けて前述したフ〒リエ変換のあ いまいさを除去することによって部分的に克服できるかもしれない、しかしなが ら、この変更は装置の処理量を減することになるかもしれない。

第６図に示した干渉計のための構成は概念的には前述の器具と同じであるが、入 力ビーム及び出力ビームを分離することができる。入射及び発散光ビーム７５は 、ミラー７６により第１の分散グレーチング７７に合焦され、そのグレーチング ７７は、ミラー７８及び７９に反射する角度θ゛で入射ビームを２つのビームに 分ける。ミラー７８及び７９で反射したビームは第２のグレーチング８０に到達 し、そのグレーチングで２つのビームが結合して像ミラー８１に差し向けられ、 ミラー８１は出力ビームを像検出器８２に差し向ける。その結果の分解能はグレ ーチング寸法とは関係なく最大価に選択することができ、Ｒ＝Ｒｏ／２　（１ｔ ａｎθ’　ｃｏｔθ）によって与えられ、ここでＲｏはグレーチング８０が第２ 図の基本的構成に使用されたときのグレーチング８０の分解能である。

第６図の構成の全体寸法はもつと大きいため、前述した装置よりも不安定性及び 整合誤差をいくらか受けやすいかもしれない。

本発明の分光計の構成は、それらが例外的に誤差を許容するという重要な実用上 の利点を有している。単色入力光について記録する縞模様パターンは、実際には 正確な整合状態における波面測定誤差である。従って、もし周知の基準ランプの 縞模様パターンが測定されるならば、このパターンを用いて、器具の調整状態や 観察が行なわれる時刻での光学面の性質のために分析器３６のソフトを修正する ことができる。普通は約１０次の波長内での安定性が暴露中に要求されるが、長 時間のドリフトや達成できる機械的安定性要件での衝撃又は振動の作用はほぼ完 全に補正される。

前述した分光計の構成については、分解能がグレーチングによって定まるけれど も、その分解能についての許容入力角度βの範囲は干渉計器具（Ｍｉｃｈｅｌｓ ｏｎ　ａｎｄ　Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ分光計）を代表している。詳細には、角 度βは、 βｐａｒａ＝βＩＣＯ５θ で制限され、ここでβ１．ｒ、は分散方向に平行に測定された入力開口の角度寸 法であり、β９．ｒ、は分散方向に垂直な平面の同様の寸法であり、θは前述の 図で示したグレーチング角度であり、Ｒは装置の分解能であり、装置１　Ｆａｂ ｒｙ−Ｐｅｒｏｔ又はＭｉｃｈｅｌｓｏｎ干渉分光計に典型的に使用される同じ 分解能での入力開口の角度寸法である。

例示的な装置では、第４図のトリプルグレーチングの構成は、ナトリウムＤ二重 線（５８８９，９５人及び５８９５．９２人）を使用したＣ　ＣＤ　（ｃｈａｒ ｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）像検出器を用いて試験された。ビームス プリッタグレーチング（第５図のグレーチング４５）は５８９０人（溝間隔が約 １２００溝／　ｍ　ｍである通常入射での１次回折）で４５°の回折角にホログ ラフィック技術により統制される。側方戻りグレーチング７０及び７１は、５８ ９０人（溝間隔が約１２００溝／　ｍ　ｍの１次Ｌｉｔｔｒｏｗ　）で回折角θ が２０．７”の従来のブレーズドグレーチングである。この装置の分解能は４万 ５千と計算された。第７図は本装置用ＣＣＤ検出器で記録された強度パターンを 示す。図のバックグラウンドは２つの別々の空間周波数を示す強度パターンのグ レイスケール（ｇｒｅｙｓｃａｌｅｌ像である。このパターンの上にラインプロ ットが重ねられており、そのプロットは鉛直スライスの１画素幅についての画素 数に対する強度を示している。ヌル波長（λＯ）は約５８９１人に設定された。

かくして、低周波数変調が５８９０人線とみなされ、高周波数変調が５８９６人 線とみなされる６第７図のラインプロットの１次元フーリエ変換の振幅が第８区 に示されている。ダークカウント（ｄａｒｋ　ｃｏｕｎｔ）及び散乱光について の補正を近似するため、コラムの全ての画素の平均値が変換前にデータから差し 引かれた。ビームスプリッタグレーチング上のきず（指紋）にほとんど帰因する 不均一なフラットフィールドについては、補正を行なわなかった。第７図は、対 称変換から得られた一真一のスペクトル及びえ。で反射したときの互いの像であ る”ゴースト”スペクトルを示している。しかしながら、第７図は、前述したよ うにグレーチング７０及び７１の間での差分傾斜による差分縞模様の回転を示し ている。２次元フーリエ変換を利用して真のラインとゴーストラインとを分離す ることができるであろう、又、ヌル波長λ。の近傍では、フラットフィールド、 ダークカウント及び散乱光についての補正が不完全であることによる大きなノイ ズのあることが図でわかる。

第８図は、同じ装置で処理したデータの１次元フーリエ変換の振幅を示している が、ヌル波長ん。は５８８８人の近くに設定しである。第９図は、ナトリウム及 びネオン源を使用することによって得られたスペクトルを重ねて示す、もしナト リウム二重線が波長前を基準化するのに使用されるのであれば、ネオンラインの 計算位置は５８８１．８７人であり、５８８１．８９人の値とよ（一致する。

前述の試験で縞模様の高いコントラストを得るため、ビームスプリッタグレーチ ングからのゼロ次の光は出力から除去しなければならなかった。これは、側方グ レーチング（第５図のグレーチング７０及び７１）を、それらの分散面に平行な 軸線を中心として回転させることによって得られた。この回転は、開口の平面で みるとき、出力からゼロ次の光及びクロスオーダの光を分離した。ゼロ次の光及 びクロスオーダの光が検出器に到達しないようにするためのマスクが開口面に配 置された。この技術は、高いスペクトル成分の測定強度を減する作用をもつ。ス ペクトル周波数の高い光は、分散面の光軸からかなり遠くにある開口面に戻って きて、マスクにより一部が遮断された。この技術は、開口の角度寸法βを減する 作用も有している。ゼロ次の光及びクロスオーダの光は、人力及び出力ビームが 分離されているため第６図の二重グレーチング装置では問題とはならないことに 留意されたい。

第１Ｏ図は、フィールド補正を得るための第５図の構成の変更例である。プリズ ムウェッジ９０及び９１が、各々、主グレーチング４５と戻りグレーチング７０ の間及びグレーチング４５と戻りグレーチング７１の間のビーム経路に挿入され ている。これらの補正プリズムは、適当な物理的経路差、従って適当な縞模様空 間周波数を維持しつつ、許容されるβの範囲を制限する幾何学的経路差をなくす 又は最小にして、所望の分解能を得るのに役に立つ、かくして、補正しない装置 に比べ、集光能力が太き（（典型的には約１００倍）増加する。第１０図の装置 は、プリズムウェッジ９０及び９１の構造のために適当な透過材料が存在してい る領域にスペクトル範囲が限定されるという制限がある。

第６図の装置で使用するためのフィールド補正の構成が第１１図に示されている 。プリズム１０１及び１０２が、干渉計の別々のアームからのビームに挿入され 、それによって、補正しない装置に比べ、例えば１００倍以上大きく集光能力を 増加させる。ここでも、プリズムウェッジ１０１及び１０２の構造のために適当 な材料が存在するスペクトル領域でのみ利用することができるという、構造につ いての制限がある。

干渉計を通る入力及び出力ビームを完全に分離する別の構成は、第１２図に示さ れている。ライン１１０で示されている平行入力ビームが、半透過ビームスプリ ッタ１１２に入射し、そのスプリッタはビームの一部をグレーチング１１４に透 過させかつビームの一部を同一のグレーチング１１５に反射させる。グレーチン グ１１４及び１１５は分散角度θを有し、はぼビームスプリッタに向けられ、そ の分散角は、分散ビームの一つをビームスプリッタ１１２に差し向け、グレーチ ング１１４及び１１５からのビームがそこで結合してライン１１７で示す平行出 力ビームを形成する。この装置は入力及び出力ビームを明確に隔離することがで きる。ここでも、ビームスプリッタ１１２の使用は、この装置が利用できるスペ クトル範囲を制限する。２つの分数グレーチングは、前述の適当な方法により、 分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けて、フーリエ変換のあいまいさを除去 してもよい。

第１２図の干渉計のフィールド補正された変更例が第１３図に示されている。補 正プリズムウェッジ１２０及び１２１がビームスプリッタ１１２及びグレーチン グ１１４及び１１５に各々挿入されていることを除き、全ての要素は同一である 。ここでも、プリズムは、適当な透過プリズム材料が利用できる用途に装置力脣 １ｊ用される範囲内でスペクトル範囲を限定しつつ、前述のフィールド補正の利 点を提供する。

本発明は、説明のためにここで説明した特定の実施例に限定されるのではな（、 次の特許請求の範囲内に入る全ての変更態様を包含するものと解釈しなければな らない。

浄書（内容に変更なし） １−ＩＧ−，２ 浄書（内容に変更なし） 入０　人ｏ　＋　Ｊδχ　入ＭＡＸ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、５ 浄書（大言にズ更なし） 浄書（直言に：更なし） （：：＋Ｃ−，、ＩＩ 浄Ｇ（内容シこ変更な− ＦＩＧ−、／こ 浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ−、７３ ｆ″５４″Ｅ　Ｉｓり古３ 平成　年　月　日Ｆ

Claims (44)

【特許請求の範囲】
1. １．電磁放射源からの電磁線を解析するための空間ヘテロダイン分光計において 、 （ａ）単一の入力ビームを受け取り、前記入力ビームから形成される２つのビー ムから成る出力ビームをつくるように構成されている分散２ビーム干渉計を備え 、前記出力ビームは、前記２つのビームの各波長についての前記２つのビームの 波面角度が、所定のヌル波長λ０からの前記波長の偏差に直接関係するように再 結合され、前記ヌル波長λ０では、再結合した波面角度がゼロになっており、 （ｂ）前記電磁放射源からの電磁線を受け取りかつ入力ビームとして前記干渉計 に提供される平行ビームをつくるための入力手段と、 （ｃ）像検出器と、 （ｄ）前記干渉計からの前記出力ビームを前記像検出器に結像するための手段と 、 （ｅ）前記像検出器にわたる像強度のフーリエ変換を行なって像の空間周波数を 決定するための手段とを備えることを特徴とする分光計。
2. ２．前記干渉計は、各波長λ０における前記干渉計からの出力ビームの波面の間 の角度がα＝Ｄ（λ−λ０）なる表現によって決定され、ここでＤは干渉計の角 度分散、λ０は角度αがゼロであるヌル波長であるように構成されていることを 特徴とする請求項１に記載の分光計。
3. ３．前記干渉計、前記入射手段及び前記結像手段は、全て反射要素で形成されて いることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
4. ４．前記干渉計は、所定の分散角θをもつ少なくとも１つのグレーチングを備え ていることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
5. ５．前記干渉計は、分散角θをもつ分散グレーチングを備え、該分散グレーチン グは前記入射平行ビームを受け取り、更に、前記グレーチングから分散した２つ のビームを前記グレーチングの方向に反射させ前記グレーチングにおいて前記２ つのビームを単一出力ビームに再結合させるため、前記グレーチングの両側に配 置されている２つのビーム戻しミラーを備えていることを特徴とする請求項１に 記載の分光計。
6. ６．前記入力手段は、前記電磁源からの電磁線を受け取ってその電磁線を平行ビ ームにして前記グレーチングに差し向けるためのコリメーティングミラーを備え 、前記コリメーティングミラーは、前記グレーチングからの再結合した出力ビー ムをも受け取り、更に、前記コリメーティングミラーから反射した出力ビームを 受け取ってそのビームを像検出器に結像する結像ミラーを備えていることを特徴 とする請求項５に記載の分光計。
7. ７．前記干渉計は、所定の分散角θをもつ主分散グレーチングと、その主グレー チングの両側に配置されていて前記主グレーチングから分散した２つのビームを 受け取り入射したビームの一部を戻すために主グレーチングに差し向ける２つの 戻りグレーチングとを備え、前記戻りビームは分光計の出力ビームに再結合され ることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
8. ８．前記主グレーチングは所定の分散角θを有し、前記２つの側方グレーチング はθに等しくない同一の分散角θ′を有していることを特徴とする請求項７に記 載の分光計。
9. ９．前記干渉計は、異なる分散角の２つの分散グレーチングと、そのグレーチン グの間に取り付けられている一対のミラーとを備え、該ミラーは、第１の前記グ レーチングから分散した２つのビームを、第２の前記グレーチングに偏向し、前 記第２のグレーチングは、前記ビームを干渉計からの出力ビームに再結合し、前 記入力手段は、前記平行入力ビームを前記第１のグレーチングに差し向け、前記 結像手段は、前記第２のグレーチングから前記再結合したビームを受け取り、そ れを前記像検出器に結像することを特徴とする請求項１に記載の分光計。
10. １０．前記入力手段は、前記電磁源からの電磁線を受け取って平行にされたビー ムを前記第１のグレーチングに差し向けるために配置されているコリメーティン グミラーを備え、前記結像手段は、前記第２のグレーチングからの再結合した出 力ビームを受け取るために配置されている別の結像ミラーを備えていることを特 徴とする請求項９に記載の分光計。
11. １１．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加することができ るようにフィールド補正を行なうため、前記戻りミラーの各々と前記分散グレー チングの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特徴と する請求項５に記載の分光計。
12. １２．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加することができ るようにフィールド補正を行なうため、前記戻りグレーチングの各々と前記主グ レーチングの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特 徴とする請求項７に記載の分光計。
13. １３．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加させることがで きるようにフィールド補正を行なうため、前記第１の分散グレーチングから前記 第２の分散グレーチングに向かうビーム経路の各々に取り付けられたフィールド 補正プリズムを備えていることを特徴とする請求項８に記載の分光計。
14. １４．前記干渉計は、２つの分散グレーチングと部分透過ビームスプリッタとを 備え、前記２つのグレーチング及び前記ビームスプリッタは、入射平行ビームが 前記ビームスプリッタによって部分的に第１の前記グレーチングの反射され、前 記ビームスプリッタを通って第２の前記グレーチングに部分的に透過するように 配置され、前記第１のグレーチングからの戻りビームは、前記ビームスプリッタ を通って部分的に透過し、前記第２のグレーチングからの戻りビームは前記ビー ムスプリッタで部分的に反射し、その２つのビームを干渉計からの出力ビームに 再結合することを特徴とする請求項１に記載の分光計。
15. １５．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加させることがで きるようにフィールド補正を行なうため、前記グレーチングの各々と前記ビーム スプリッタの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特 徴とする請求項１４に記載の分光計。
16. １６．前記戻りミラーは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けられ、前記 像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成し、前記フ ーリエ変換を行なうための手段は、像の２次元空間周波数を決定するため、前記 像検出器を横切る２次元像強度の２次元フーリエ変換を行なうことを特徴とする 請求項５に記載の分光計。
17. １７．前記戻りグレーチングは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けられ 、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成し、 前記フーリエ変換を行なうための手段は、像の２次元空間周波数を決定するため 、前記像検出器を横切る２次元像強度の２次元フーリエ変換を行なうことを特徴 とする請求項７に記載の分光計。
18. １８．前記干渉計の側方ミラーは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けら れ、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成し 、前記フーリエ変換を行なうための手段は、像の２次元空間周波数を決定するた め、前記像検出器を横切る２次元像強度の２次元フーリエ変換を行なうことを特 徴とする請求項８に記載の分光計。
19. １９．前記干渉計の２つの分散グレーチングは、分散面に垂直な平面内で所定の 角度に傾けられ、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出 器上に形成し、前記フーリエ変換を行なうための手段は、像の２次元空間周波数 を決定するため、前記像検出器を横切る２次元像強度の２次元フーリエ変換を行 なうことを特徴とする請求項１４に記載の分光計。
20. ２０．電磁線源及び分散２ビーム干渉計を有する分光計における空間的不均一を 補正するための方法であって、前記干渉計は、前記電磁線源から単一入力ビーム を受け取って２つのビームから成る出力ビームをつくり、該出力ビームは、各波 長における前記２つのビームの波面の間の角度が、所定のヌル波長λ０からの波 長の偏差に直接関係するように再結合され、その所定のヌル波長λ０では、再結 合した波面の間の角度がゼロになる方法において、 （ａ）前記電磁線源から前記干渉計を通る電磁線の第１の像を、前記干渉計を通 って像が得られる位置に至る第１の全経路長さで形成し、 （ｂ）前記電磁線源からの電磁線の第２の像を形成し、該像は、前記干渉計を通 過し、前記第１の像と前記第２の像の全経路長さの差がλ０／２となるように、 前記干渉計を通って第２の像が得られる位置に至る、別の全経路長さを持つ位置 に結像され、 （ｃ）前記第１の像及び前記第２の像の合計で除した、前記第１及び前記第２の 像の差から成る最終像を決定することを特徴とする方法。
21. ２１．更に、空間周波数を決定するため、前記最終像のフーリエ変換を行なうこ とを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. ２２．電磁線源から電磁線スペクトルを得るための方法において、（ａ）前記電 磁線源からの電磁線を平行にして入力ビームとし、（ｂ）分散グレーチングを用 いて前記平行入力ビームを２つのビームに分散し、該ビームを、各波長における 前記２つのビームの波面の間の角度が、所定のヌル波長からの波長の偏差に関係 するように再結合し、その所定のヌル波長λ０では、２つのビームからの波面が 平行になり、 （ｃ）前記再結合ビームの像を形成し、その像の空間変化強度を決定し、 （ｄ）前記像の強度のフーリエ変換を行なって、前記電磁線源から受け取った電 磁線のヌル波長からの相対波長偏差に対応する前記像の空間周波数を決定する ことを特徴とする方法。
23. ２３．電磁線源から電磁線スペクトルを得るための方法において、（ａ）前記電 磁線源からの電磁線を平行にして入力ビームとし、（ｂ）部分透過／反射ビーム スプリッタを用いて前記平行入力ビームを２つのビームに分割し、 （ｃ）前記２つのビームを別々に２つの分散グレーチングに差し向け、 （ｄ）前記２つのグレーチングからの戻りビームを前記ビームスプリッタに差し 向け、該ビームを、各波長における前記２つのビームの波面の間の角度が、所定 のヌル波長からの波長の偏差に関係するように再結合し、その所定のヌル波長λ ０では、２つのビームからの波面が平行になり、 （ｅ）前記再結合ビームの像を形成し、その像の空間変化強度を決定し、 （ｆ）前記像の強度のフーリエ変換を行なって、前記電磁線源から受け取った電 磁線のヌル波長からの相対波長偏差に対応する前記像の空間周波数を決定する ことを特徴とする方法。
24. ２４．電磁放射源からの電磁線を解析するための空間ヘテロダイン分光計におい て、 （ａ）単一の入力ビームを受け取り、前記入力ビームから形成される２つのビー ムから成る出力ビームをつくるように構成されている分散２ビーム干渉計を備え 、前記出力ビームは、前記２つのビームの各波長についての前記２つのビームの 波面角度が、所定のヌル波長λ０からの前記波長の偏差に直接関係するように再 結合され、前記ヌル波長λ０では、再結合した波面角度がゼロになっており、 （ｂ）前記電磁放射源からの電磁線を受け取りかつ入力ビームとして前記干渉計 に提供される平行ビームをつくるための入力手段と、 （ｃ）像検出器と、 （ｄ）前記干渉計からの前記出力ビームを前記像検出器に結像するための手段と を備えることを特徴とする分光計。
25. ２５．前記干渉計は、各波長λ０における前記干渉計からの出力ビームの波面の 間の角度がα＝Ｄ（λ−λ０）なる表現によって決定され、ここでＤは干渉計の 角度分散、λ０は角度αがゼロであるヌル波長であるように構成されていること を特徴とする請求項２４に記載の分光計。
26. ２６．前記干渉計、前記入射手段及び前記結像手段は、全て反射要素で形成され ていることを特徴とする請求項２４に記載の分光計。
27. ２７．前記干渉計は、所定の分散角θをもつ少なくとも１つのグレーチングを備 えていることを特徴とする請求項２４に記載の分光計。
28. ２８．前記干渉計は、分散角θをもつ分散グレーチングを備え、該分散グレーチ ングは前記入射平行ビームを受け取り、更に、前記グレーチングから分散した２ つのビームを前記グレーチングの方向に反射させ前記グレーチングにおいて前記 ２つのビームを単一出力ビームに再結合させるため、前記グレーチングの両側に 配置されている２つのビーム戻しミラーを備えていることを特徴とする請求項２ ４に記載の分光計。
29. ２９．前記入力手段は、前記電磁源からの電磁線を受け取ってその電磁線を平行 ビームにして前記グレーチングに差し向けるためのコリメーティングミラーを備 え、前記コリメーティングミラーは、前記グレーチングからの再結合した出力ビ ームをも受け取り、更に、前記コリメーティングミラーから反射した出力ビーム を受け取ってそのビームを像検出器に結像する結像ミラーを備えていることを特 徴とする請求項２８に記載の分光計。
30. ３０．前記干渉計は、所定の分散角θをもつ主分散グレーチングと、その主グレ ーチングの両側に配置されていて前記主グレーチングから分散した２つのビーム を受け取り入射したビームの一部を戻すために主グレーチングに差し向ける２つ の戻りグレーチングとを備え、前記戻りビームは分光計の出力ビームに再結合さ れることを特徴とする請求項２４に記載の分光計。
31. ３１．前記主グレーチングは所定の分散角θを有し、前記２つの側方グレーチン グはθに等しくない同一の分散角θ′を有していることを特徴とする請求項３０ に記載の分光計。
32. ３２．前記干渉計は、異なる分散角の２つの分散グレーチングと、そのグレーチ ングの間に取り付けられている一対のミラーとを備え、該ミラーは、第１の前記 グレーチングから分散した２つのビームを、第２の前記グレーチングに偏向し、 前記第２のグレーチングは、前記ビームを干渉計からの出力ビームに再結合し、 前記入力手段は、前記平行入力ビームを前記第１のグレーチングに差し向け、前 記結像手段は、前記第２のグレーチングから前記再結合したビームを受け取り、 それを前記像検出器に結像することを特徴とする請求項２４に記載の分光計。
33. ３３．前記入力手段は、前記電磁源からの電磁線を受け取って平行にされたビー ムを前記第１のグレーチングに差し向けるために配置されているコリメーティン グミラーを備え、前記結像手段は、前記第２のグレーチングからの再結合した出 力ビームを受け取るために配置されている別の結像ミラーを備えていることを特 徴とする請求項３２に記載の分光計。
34. ３４．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加することができ るようにフィールド補正を行なうため、前記戻りミラーの各々と前記分散グレー チングの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特徴と する請求項２８に記載の分光計。
35. ３５．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加することができ るようにフィールド補正を行なうため、前記戻りグレーチングの各々と前記主グ レーチングの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特 徴とする請求項３０に記載の分光計。
36. ３６．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加させることがで きるようにフィールド補正を行なうため、前記第１の分散グレーチングから前記 第２の分散グレーチングに向かうビーム経路の各々に取り付けられたフィールド 補正プリズムを備えていることを特徴とする請求項３１に記載の分光計。
37. ３７．前記干渉計は、２つの分散グレーチングと部分透過ビームスプリッタとを 備え、前記２つのグレーチング及び前記ビームスプリッタは、入射平行ビームが 前記ビームスプリッタによって部分的に第１の前記グレーチングの反射され、前 記ビームスプリッタを通って第２の前記グレーチングに部分的に透過するように 配置され、前記第１のグレーチングからの戻りビームは、前記ビームスプリッタ を通って部分的に透過し、前記第２のグレーチングからの戻りビームは前記ビー ムスプリッタで部分的に反射し、その２つのビームを干渉計からの出力ビームに 再結合することを特徴とする請求項２４に記載の分光計。
38. ３８．更に、分光計の分解能を低下させずに入力角の範囲を増加させることがで きるようにフィールド補正を行なうため、前記グレーチングの各々と前記ビーム スプリッタの間に取り付けられたフィールド補正プリズムを備えていることを特 徴とする請求項３７に記載の分光計。
39. ３９．前記戻りミラーは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けられ、前記 像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成することを 特徴とする請求項２８に記載の分光計。
40. ４０．前記戻りグレーチングは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けられ 、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成する ことを特徴とする請求項３０に記載の分光計。
41. ４１．前記干渉計の側方ミラーは、分散面に垂直な平面内で所定の角度に傾けら れ、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出器上に形成す ることを特徴とする請求項３１に記載の分光計。
42. ４２．前記干渉計の２つの分散グレーチングは、分散面に垂直な平面内で所定の 角度に傾けられ、前記像検出器は、２次元像に対応する２次元像信号を前記検出 器上に形成することを特徴とする請求項３７に記載の分光計。
43. ４３．電磁線源から電磁線を解析するための方法において、（ａ）前記電磁線源 からの電磁線を平行にして入力ビームとし、（ｂ）分散グレーチングを用いて前 記平行入力ビームを２つのビームに分散し、該ビームを、各波長における前記２ つのビームの波面の間の角度が、所定のヌル波長からの波長の偏差に関係するよ うに再結合し、その所定のヌル波長λ０では、２つのビームからの波面が平行に なり、 （ｃ）前記再結合ビームの像を形成し、その像の空間変化強度を決定する ことを特徴とする方法。
44. ４４．電磁線源から電磁線を解析するための方法において、（ａ）前記電磁線源 からの電磁線を平行にして入力ビームとし、（ｂ）部分透過／反射ビームスプリ ッタを用いて前記平行入力ビームを２つのビームに分割し、 （ｃ）前記２つのビームを別々に２つの分散グレーチングに差し向け、 （ｄ）前記２つのグレーチングからの戻りビームを前記ビームスプリッタに差し 向け、該ビームを、各波長における前記２つのビームの波面の間の角度が、所定 のヌル波長からの波長の偏差に関係するように再結合し、その所定のヌル波長λ ０では、２つのビームからの波面が平行になり、 （ｅ）前記再結合ビームの像を形成し、その像の空間変化強度を決定する ことを特徴とする方法。