JPH07301562A - 画像のスペクトル解析の方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被写界の光学画像を解析してそのそれぞれの
画素のスペクトル強度を決定する方法および装置を開示
する。 【構成】 この装置は、被写界からの入射光を集め（２
０）、入射光を走査し（２２）、その走査された光をし
て干渉計（２４）を通過せしめ、干渉計（２４）をして
それぞれの画素から発射された光のスペクトル強度の１
次結合の所定の組に対応する変調された光を出力せし
め、干渉計（２４）から出力された光を検出器アレイ
（２６）上に集束し、検出器アレイ（２６）の出力を処
理して（２８）、そのそれぞれの画素のスペクトル強度
を決定する。干渉計が移動形のものなら、１次元的検出
器アレイの場合は１つの次元における走査が要求され、
２次元的検出器アレイの場合は走査はいらない。干渉計
が非移動形のものなら、２次元的検出器アレイの場合は
１つの次元における走査が、１次元的検出器アレイの場
合は２つの次元における走査が要求される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像のスペクトル解析
の方法および装置に関し、特に被写界の光学的画像を解
析して、そのそれぞれの画素のスペクトル強度を決定す
る方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】分光計は、光を受けてそれを成分波長に
分離（分散）し、スペクトルを検出するように設計され
た装置である。画像分光計は、被写界からの入射光を集
め、それを解析して、そのそれぞれの画素のスペクトル
強度を決定する分光計である。

【０００３】通常の画像分光計は、解析されるべき被写
界を走査して、走査された光を検出器のアレイ上に集束
させるための、画像平面内のスリットを含む。２次元的
検出器アレイが使用される時は、該アレイの１つの次元
は単一画素に関連する異なる波長をサンプリングするの
に用いられ、視野は１次元的走査器および該アレイの残
りの次元によって覆われる。１次元的検出器アレイが使
用される時は、視野は機械的に２方向に走査され、全て
の検出器は任意の与えられた時刻において単一画素の異
なる波長をサンプリングするためにのみ用いられる。双
方の場合に画像平面内のスリットは、それぞれの検出器
が任意の時刻において、単一画素の単一波長における寄
与のみを見ることを保証するが、そうでなければ、それ
ぞれの画素のスペクトルを分離することは不可能であ
る。

【０００４】しかし、通常のスリット形画像分光計は、
１フレームの大部分の画素を、たとえ分光計の前部光学
装置が実際にそれらの全てからの入射光を同時に集めた
としても、任意の与えられた時刻において測定しえない
という欠点を有する。このようにして、通常のスリット
形の技術では、１つの波長を除き、任意の与えられた時
刻において被測定画素から発射されて特定の検出器に到
達する大部分の放射が排除されるので、得られる情報に
関して無駄が多い。その結果、一定のＳＮ比で必要な情
報を得るために比較的に長い測定時間を要するか、また
は一定の測定時間の場合はＳＮ比（感度）が実質的に低
下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以上
の点において利点を有する、画像のスペクトル解析の新
しい方法および装置を提供することである。さらに詳述
すると、本発明の目的は、集められた画像の入射光から
得られる全ての情報をより良く利用して、通常の「スリ
ット」形の画像分光計に比し、必要なフレーム時間を実
質的に減少させ、かつ／または、ＳＮ比を実質的に増加
させることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、被写
界の光学的画像を解析して、そのそれぞれの画素のスペ
クトル強度を決定する方法が提供され、該方法は、
（ａ）該被写界からの入射光を集めるステップと、
（ｂ）該光をして干渉計を通過せしめ、該干渉計をして
それぞれの画素から発射された光のスペクトル強度の１
次結合の所定の組に対応する変調された光を出力せしめ
るステップと、（ｃ）該干渉計から出力された該光を検
出器アレイ上に集束せしめるステップと、（ｄ）該検出
器アレイの出力を処理してそのそれぞれの画素のスペク
トル強度を決定するステップと、を含む。

【０００７】この方法は、さまざまな形式の干渉計、す
なわち干渉計全体または干渉計の素子を移動させること
によってＯＰＤ（光路差）を変化させ光を変調する移動
形、および入来放射の入射角と共にＯＰＤを変化させる
非移動形、の双方を利用することによって実施されう
る。すなわち、移動形干渉計においては、各瞬間におい
て、それぞれの検出器は被写界の固定点を見、その信号
はそれから発射される放射のスペクトル内容の１次結合
であり、それは時間と共に変化する。走査器が干渉計の
１回の走査を完了した時は、被写界は該スペクトル内容
の全ての関係のある１次結合について走査され終わって
いる。ＯＰＤが入来光の入射角と共に変化する非移動形
干渉計においては、それぞれの検出器は被写界の異なる
点を見、その信号はスペクトル内容の異なる１次結合と
なる。走査器が１フレームの走査を完了した時は、該完
全なフレームはスペクトル内容の全ての関係のある１次
結合について走査され終わっている。

【０００８】例解のため、以下においては本発明は、移
動形干渉計の例としてのヘァブリ・ペローおよびマイケ
ルソンの干渉計の使用によって構成され、また非移動形
干渉計の例としてのマイケルソンおよびサニャック（Ｓ
ａｇｎａｃ）の干渉計の使用によって構成されるものと
して説明される。

【０００９】本発明はまた、上述の方法による画像のス
ペクトル解析の装置をも提供する。上述の特徴を有する
方法および装置が従来のスリット形画像分光計と異なる
点は、集められたエネルギーを開口またはスリットによ
って制限することなく、グレーティングまたはプリズム
の代わりに上述のように干渉計を利用し、それによって
装置の処理能力を実質的に増大させている点である。従
って、この方法および装置は、解析されるべき被写界の
入射光から得られる全情報をより良く利用し、それによ
って測定時間を実質的に減少させ、かつ／または、ＳＮ
比（感度）を実質的に増大させる。

【００１０】例えば、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ，Ｖｏｌ．７５０，ｐ，１４０（１９８７）に所載
の、Ｊｏｈｎ Ｂ．Ｗｅｌｌｍａｎ著、Ｉｍａｇｉｎｇ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｔｅｒｒｅｓ
ｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｒｅｍｏｔ
ｅ Ｓｅｎｓｉｎｇに説明されている、「洋服ブラシ」
設計を考察されたい。

【００１１】直線的アレイ内の検出器数をｎ、１フレー
ム内の画素数をｍ×ｍ、フレーム時間をＴとする。アレ
イの全検出器について加算された、１フレーム内のそれ
ぞれの画素において費やされる合計時間は次のようにな
る。

【００１２】

【数１】

【００１３】本発明の方法において、同じ大きさのアレ
イと同じフレーム率とを用いることにより、特定の画素
において費やされる時間を全検出器について加算した合
計時間は、同じｎＴ／ｍ^２となる。しかし、従来のグレ
ーティングまたはプリズムの方法においては、任意の時
刻において毎検出器によって見られるエネルギーは、波
長分解能が領域の１／ｎになるので、合計の１／ｎ程度
となるが、本発明の方法においては、そのエネルギー
は、変調関数が正弦関数（マイケルソン）または類似の
周期関数（ヘァブリ・ペローでは低フィネスのエアリ関
数）で、多数周期についてのその平均が５０％になるの
で、１の程度となる。干渉計測の教科書に記載されてい
るジャキノの利点（またはマルチプレックスの利点）を
有する標準的処理に基づけば、本発明の装置のＳＮ比が
赤外領域においてｎ^０．５の因子だけ（バックグラウン
ドが制限されたパフォーマンス）、また、可視領域内の
狭いピークの諸波長での、特定の波長における信号の、
スペクトル領域内の平均信号に対する比の平方根だけ
（信号の光子雑音が制限されたパフォーマンス）、改善
されることを示せる。ヘァブリ・ペロー干渉計の数学的
処理および定義と、エアリ関数の定義とについては、Ｍ
ａｘ ＢｏｒｎおよびＥｍｉｌ Ｗｏｌｆ著、Ｐｒｉｎ
ｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｐｅｒｇａｍｏｎ
Ｐｒｅｓｓ，１９８０，ｐ．３２９を参照されたい。

【００１４】後述される本発明の全ての実施例におい
て、必要な全ての光位相差は視野の空間的走査により同
時に走査され、それによってスペクトルを再構成するた
めに必要な全情報が得られるので、スペクトル情報は画
像情報と同時に収集される。

【００１５】本発明は、遠隔検知のための望遠鏡、実験
室での解析のための顕微鏡、産業上の監視のためのファ
イバ光学装置、その他の、多くの異なる光学的構成に用
いられうる。さらに、任意の波長領域が、適切なフィル
タおよび光学装置により選択されうる。以下添付図面を
参照しつつ、実施例によって本発明を説明する。

【００１６】

【実施例】図２から図１５までに示されている本発明が
より良く理解されるように、まず、図１に示されている
ような検出器の２次元的アレイを利用した通常の（すな
わち従来技術の）スリット形画像分光計の構成および動
作を参考にする。

【００１７】例えば、図１に示されている従来技術のス
リット形画像分光計は、概略的に４に示されている被写
界からの入射光を集め、被写界の実質的に平行な光を、
視野を定めるスリット６により占有された第１焦点面上
に集束させるための、２に示されている望遠鏡などの集
光光学装置を含む。スリット６から出た光は、コリメー
タレンズ８においてコリメートされ、透過形または反射
形グレーティング１０を通過せしめられて諸波長を分離
される。グレーティング１０からの出力は集束レンズ１
２によって、第２焦点面内の２次元的検出器アレイ１４
上に集束せしめられる。検出器アレイ１４の出力は、信
号プロセッサ１６へ供給される。

【００１８】図１の従来技術の画像分光計内に示されて
いる２次元的検出器アレイ１４においては、装置の移動
（例えば航空機内に設置されている時）が、１つの次元
に沿っての走査を実現する。第２次元に沿っての走査
は、装置の移動方向に垂直な向きのスリット６によって
行われる。すなわち、スリット６は、アレイ１４内のそ
れぞれの検出器が任意の時刻において、１画素の単一波
長における寄与のみを見ることを保証する。これは、そ
れぞれの画素のスペクトルを分離するために必要であ
る。

【００１９】前述のように、図１に示されている従来技
術の方法の欠点は、１フレームの大部分の画素が、たと
え望遠鏡（２または他の集光光学装置）がそれら全てか
らのエネルギーを実際に同時に集めたとしても、任意の
与えられた時刻において測定されないことである。その
結果、必要なフレーム時間がかなり増大し、かつ／また
は、そのようなスリットを必要としない装置がもしある
とすればその装置に対してＳＮ比（感度）が実質的に減
少する。

【００２０】図２は、本発明に従って構成された画像分
光計の主要成分を示すブロック図である。例えば、図２
の画像分光計は、全体的に２０で示された集光光学装置
と、ブロック２２で示された１次元的または２次元的走
査器と、ブロック２４で示された光路差（ＯＰＤ）発生
器または干渉計と、ブロック２６で示された１次元的ま
たは２次元的検出器アレイと、ブロック２８で示された
信号プロセッサおよびディスプレイと、を含む。

【００２１】解析されるべき光などの放射は、常にさま
ざまな源から来うるものと考える。例えば、源は、放射
を自然に発射し、またはランプまたは他の照明された物
体からの放射を反射し、または透過するものでありう
る。さらに、レーザのＵＶなどの適切な照明を用い、ま
た照明波長がスペクトル画像装置に到達するのを阻止す
る適切な手段を用い、蛍光またはラマンスペクトルの画
像測定を行って、それぞれの場合における問題の物体ま
たは諸物体についての異なる情報を得ることもできる。

【００２２】新装置における重要な素子は光路差発生器
または干渉計２４であり、これは、解析されるべき被写
界のそれぞれの画素から発射される光のスペクトル強度
の１次結合の所定の組に対応する変調された光を出力す
る。干渉計の出力は、検出器アレイ２６上に集束せしめ
られる。このようにして、全ての必要な光位相差は視野
の空間的走査によって同時に走査され、それによってス
ペクトルを再構成するのに必要な全情報が得られる。こ
のようにして、被写界の全ての画素のスペクトルは、画
像情報と同時に収集され、それによってリアルタイムで
の画像の解析が可能となる。

【００２３】本発明の方法および装置は、極めてさまざ
まな構成で実施される。詳述すると、使用される干渉計
は、移動形または非移動形のいずれでもありえ、検出器
アレイは、干渉計の形式によらず１次元または２次元的
なものでありうる。干渉計が移動形のものであり、検出
器アレイが２次元的なものである時は、ＯＰＤ走査であ
る干渉計の移動を除外すれば、走査の必要はない。干渉
計が移動形のものであり、検出器アレイが１次元的なも
のである時は、１つの次元における空間的走査が必要で
ある。干渉計が非移動形のものであり、検出器アレイが
２次元的なものである時は、１つの次元におけるＯＰＤ
走査が必要である。干渉計が非移動形のものであり、検
出器アレイが１次元的なものである時は、２つの次元に
おける走査が必要であり、一方の次元は空間的走査に関
連し、他方はＯＰＤ走査に関連する。

【００２４】図３は、本発明に従って構成された画像分
光計の１形式を示す。この分光計は、光を変調するため
にＯＰＤが変化せしめられる移動形干渉計、すなわち走
査される厚さを有するヘァブリ・ペロー干渉計３３の使
用に基づいている。

【００２５】このようにして、図３に示されている画像
分光計は、被写界のそれぞれの画素のスペクトル強度を
決定するために解析されるべき、全体的に３０で示され
た源すなわち被写界を含む。被写界３０は、コヒーレン
トでない非単色放射の源でありうる。それは、遠隔検知
のための距離にありえ、その場合には、３１に概略的に
示されている集光光学装置は望遠鏡となり、あるいは被
写界３０は、顕微鏡的解析のための近接距離にありえ、
その場合には、集光光学装置３１は顕微鏡となる。

【００２６】光学装置３１は、被写界を走査するための
１次元的機械的走査器、例えば３２に示されているミラ
ー走査器へ出力を供給する。走査器３２からの出力は、
互いに距離「ｄ」の間隔にある２つの平面的平行反射器
から作られたエタロンを有するヘァブリ・ペロー干渉計
３３へ供給される。この例においては、距離「ｄ」は、
機械的走査器、この場合は圧電走査器３４を用いること
によって可変である。

【００２７】ヘァブリ・ペロー干渉計３３からの出力
は、再集束光学装置３５を経て１次元的検出器アレイ３
６上へ供給され、その出力は、信号プロセッサ３７へ供
給される。もし２次元的検出器アレイが使用される時
は、走査器３２は省略されうる。

【００２８】光学装置３１、例えば無限焦点望遠鏡また
は顕微鏡は、実質的に平行なビーム（すなわち、正確に
平行であるか、または極めて大きいＦ数を有する）をそ
の出力に発生する。そのわけは、このようにするとアレ
イ３６内のそれぞれの検出器は、ヘァブリ・ペロー干渉
計３３のエタロン３３を経ての単一の光位相差に対応す
るからである。光学装置３１は、屈折形または反射形の
いずれのものでもありうる。干渉計のエタロン３３は装
置の光軸に対して９０°をなす。視野を制限する開口ま
たはスリットは使用されていないことに注意すべきであ
る。

【００２９】図３に示されている画像分光計は、次のよ
うに動作する。アレイ３６の検出器素子ｉは、エタロン
３３を、ビームの視線とエタロンの法線との間の固定角
（φ_ｉ）をもって通過する該ビームから放射を受け、従
ってそれはこの放射を常に、

【数２】 によって与えられる光位相差δ_ｉによって見る。ただ
し、λは考察されている放射の波長であり、ｎは板の間
の空気の屈折率である。

【００３０】放射入力３０の特定の画素ｋから、任意の
与えられた時刻において検出器ｉ_ｋに到達する全放射
は、次のような、エアリ関数によるその画素のスペクト
ルのたたみ込みとなる（Ｍａｘ ＢｏｒｎおよびＥｍｉ
ｌ Ｗｏｌｆ著、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔ
ｉｃｓ，Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ，１９８０，
ｐ．３２７）。

【００３１】

【数３】 ただし、この積分はλ_１とλ_２との間で行われ、 λ_１，λ_２＝スペクトル領域の限界 Ｉ_ｋ（λ）＝画素ｋにおける源のスペクトル強度 Ｆ ＝フィネスの係数で、エタロンの反射率Ｒ
に、次式によって関連する。

【数４】 ｉ_ｋ ＝画素ｋを光位相差δ_ｉ（λ）によって画像
形成する特定の検出器

【００３２】視野およびエタロン３３の厚さを走査する
多くの方法のうちの１つを次に述べる。アレイ３６は、
Ｎ個の検出器の直線的な組から構成され、それらの信号
は同時に且つ独立してモニタされうるものとする。Ｍ
は、ｍ本の線（Ｎより大）のラスタ形走査を行い、図３
の紙面は鉛直方向をなすものとする。Ｎ本の線が走査さ
れてしまうまで、Ｍが１水平線を走査する毎に、エタロ
ン３３の厚さ「ｄ」は圧電走査器３４により垂直走査器
３２と同期してｄ＝０から出発して１ステップだけ増大
せしめられ、Ｎ個の厚さのステップが形成される。この
瞬間、エタロンの厚さは元の値に復帰し、厚さは再び走
査される。このプロセスは、走査器が完全な１フレーム
を走査してしまうまで繰返される。

【００３３】視野の頂部および底部におけるＮ画素の縁
領域を除外すれば、視野の全画素は異なる検出器によ
り、Ｎ個の光位相差によって測定される。全ての検出器
信号は、画像および全画素の双方を再構成するために必
要とされる全情報が収集されて信号プロセッサ３７へ供
給されるように、高速度でサンプリングされ且つ記録さ
れる。

【００３４】上述のように、もう１つの可能な構成は検
出器の２次元的アレイを含む構成である。その場合にも
同じ構想が適用されるが、１つの空間的走査は省略され
る。例えば、もしアレイが、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ，Ｖｏｌ．７５０，ｐ．１４０（１９８７）に
所載のＪｏｈｎ Ｂ．Ｗｅｌｌｍａｎ著、Ｉｍａｇｉｎ
ｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｔｅｒｒｅ
ｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｒｅｍｏ
ｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇの第１４２ページに記載されてい
るものと同様の「プッシュブルーム（ｐｕｓｈ ｂｒｏ
ｏｍ）」法によるＮ×ｍマトリックスであれば、Ｎ行お
よびｍ列は、物体空間内の同じマトリックスに対応す
る。

【００３５】この構成においては、ヘァプリ・ペロー干
渉計の厚さまたは光位相差は、１つの線の完成時間の間
は固定される。次に、走査器は垂直方向に１ステップを
行い、ヘァブリ・ペロー干渉計の厚さｄはそれと同期し
て、ゼロから出発してＮ回のステップが行われるまで、
１ステップだけステップせしめられる。Ｎ回のステップ
が行われた時には、厚さが再びゼロから出発するように
して、走査器は垂直方向の走査を続け、全視野が走査さ
れるまでこれらのステップは繰返される。

【００３６】このようにして、全ての光位相差を用いて
全画素が測定され、記録された情報が処理されて、こと
ごとくの画素のスペクトルが得られる。ことごとくの画
素のスペクトルの再構成は、以下のように適切な数学的
処理によって行われうる。対象となっているスペクトル
領域であるλ_１からλ_２までをＮ個の区間に分割する。
もし方程式（２）の積分をＮ個の波長区間についての和
として近似すれば、方程式（２）は、

【数５】 で与えられるＮ×Ｎ次元のマトリックスと、Ｎ次元のベ
クトルＩ_ｋ（λ_ｊ）との積となり、ここでｊはＮ個の波
長区間を走査し、ｋは視野内の特定の画素である。もし
マトリックスＡ_ｉｊを変換し、それをベクトルＩ
_ｉｋ（ｉ_ｋ＝１，．．．ないしｎ）に乗ずれば、画素ｋ
のスペクトルであるベクトルＩ_ｋ（λ_ｊ）が得られる。

【００３７】スペクトルの分解能に関し、同じ画素位置
に置かれた２つの準単色源を考察する。ヘァブリ・ペロ
ー干渉計３３のフィネスＦは、Ｆ＝１０付近の領域内に
あるのが好ましい。そのわけは、（前述のＢｏｒｎおよ
びＷｏｌｆの出版物の図７．５８から）その場合にはエ
アリ関数に十分な変調が得られることと、同時にそれが
極めて狭い線を生じないこととがわかるからである。事
実、この構成は極めて高い波長分解能には対応しない
が、エアリ関数の狭いピーク間においてかなりの量の放
射を損失しないためにはそれが必要である。いかなる場
合にも画像形成により、高分解能は余りにも多くの処理
すべき情報を与えるので、これは望ましい状況である。

【００３８】ＢｏｒｎおよびＷｏｌｆの出版物の第３３
４ページの分解能の取扱いは、やはり成立する。そのわ
けは、もし、

【数６】 とおくと、ｓｉｎε／４をε／４で近似することによっ
て約１０％の誤差を生じることがわかるからである。

【００３９】従って、この場合には、

【数７】 が得られ、分解能は、

【数８】 となる。

【００４０】大きさの程度を知って妥当性を点検するた
めに、

【数９】

【数１０】 および

【数１１】 を仮定する。

【００４１】従って、ｄは、

【数１２】 の範囲となる。

【００４２】空気に対してｎ＝１にとると、方程式（１
０）は、

【数１３】 を与える。

【００４３】ｄの範囲は、それが波長範囲と同じ光位相
差の範囲を走査するようになっている。従って、

【数１４】 または、

【数１５】 となる。

【００４４】従って、厚さのステップは、

【数１６】 の程度となる。

【００４５】８μから１４μまでのスペクトル範囲にお
いては、

【数１７】

【数１８】 および、

【数１９】 が得られる。

【００４６】従って、厚さのステップは１μの程度であ
る。０．４μから０．８μまでの可視領域においては、
Δλ＝０．００８μであるから、

【数２０】 となる。

【００４７】（１８）から、

【数２１】 となり、従ってｄのステップは、

【数２２】 となる。

【００４８】要約すると、図３に示されている装置の著
しい特徴には、ｉ）干渉計の厚さの範囲およびフィネス
と、検出器アレイの大きさおよび検出器数およびスペク
トル分解能との特殊な整合、およびｉｉ）１フレームが
構築される時間内にスペクトル的および空間的情報を同
時に得るための、厚さの走査と空間的走査との間の同
期、が含まれる。

【００４９】同期を必要としない、多くの他の走査構成
が存在しうる。そのような構成においては、データをと
るシーケンスは、検出器アレイの信号走査の形式と、検
出器アレイが１次元的なものか２次元的なものかとに依
存する。全てのそのような構成は、本発明の範囲内に属
する。

【００５０】図３に示されているような移動形干渉計を
使用する時には、光軸に対して小さい角（φ≒０）をな
して干渉計に入射するビームは、φ^２またはそれ以上の
φの累乗に従って変化する光路差を生じることがわか
る。全画素における全スペクトル情報は、光路差を、被
写界走査と同期して走査することにより収集され、その
終了時においては、ことごとくの画素が異なる検出器に
よって全光路差を用いて測定され終わっている。注意深
い記録によって、また（フーリエ変換のような）適切な
マトリックス変換の適用によって、ことごとくの画素の
スペクトルが計算されうる。記録が必要とされるのは、
異なる検出器が、異なる時刻において１画素の異なるＯ
ＰＤの情報を収集するからである。このようにして、３
０ｍｓｅｃの時間（標準的ビデオの通常のフレーム時
間）内に、標準的ビデオフレームのことごとくの画素に
おけるスペクトルが測定されうる。これは、５００×５
００画素毎フレームの典型的なマトリックスの場合、１
００分解点毎画素の程度になる。

【００５１】図４の構成においては、ＯＰＤ（光路差）
を干渉計内の素子を移動させる（すなわち、図３に示さ
れているヘァブリ・ペロー干渉計内の板ミラー間の間隔
ｄを変化させる）ことによって変化させる移動形干渉計
を用いる代わりに、本発明を、非移動形干渉計を用いる
ことによって実施しており、この場合は、ＯＰＤは、入
来放射の入射角によって変化する。図４は、後者の形式
の干渉計を用いることによって、すなわちマイケルソン
形干渉計を用いることによって実施された本発明を示
す。

【００５２】このようにして、図４に示されている干渉
計は、光学的集光装置および走査器（それぞれ図３の３
１および３２）からのビームを受け、該ビームを２経路
に分割するビームスプリッタ４０を含む。走査器３２
は、検出器アレイ３６が２次元的であるか、１次元的で
あるかによって、それぞれ１次元的であるか、２次元的
である。１経路は補償器４１および逆行反射器４２を含
み、第２経路は補償器４３および逆行反射器４４を含
む。２つの補償器４１および４３は、同じ材料および同
じ厚さの同じブロックであり、光軸に平行なビームのみ
が補償されるように、２アーム内に反対称的に置かれ
る。２つの逆行反射器４２および４４は、ビームスプリ
ッタ４０から等距離に置かれる。ビームスプリッタ４０
は、光軸に平行な光線に対し完全に補償された装置を得
るため、隅の立方体を通るビームの並進が利用されるよ
うに、それぞれの側の表面の一部分のみに半反射コーテ
ィングを有する。

【００５３】このようにして、図４に示されているマイ
ケルソン形干渉計においては、装置の光釉に平行なビー
ムは、干渉計の２アーム間において補償されるが、装置
の光軸から外れた方向のビームは２アーム間においてＯ
ＰＤ（光路差）を生じ、これは入射角と共に直線的に変
化する。この差は、光軸からの角偏移に比例する。

【００５４】従って、干渉計の出口におけるコリメート
されたビームが、図３のアレイ３６のような検出器アレ
イ上に集束せしめられると、アレイのそれぞれの素子
は、２アーム間において異なるＯＰＤを生じた光を受け
る。このようにして、補償器４１をビームスプリッタ４
０に平行にし、補償器４２をそれに垂直にした場合に
は、２アーム間における光路差は、小さいφに対して次
の関係を満足することが示されうる。

【００５５】

【数２３】 ただし、φ_０＝ビームスプリッタ４０と光軸との間の
角、である。簡単にするためにはφ_０は４５°にとられ
うるが、これは本質的なことではない。ｎは２つの補償
器４１および４３の屈折率であり、ｄは補償器の厚さで
あり、φは光らの角偏移である。

【００５６】例えば、もし２つの隣接する検出器間にお
いて必要なＯＰＤの変化が〜１μで ば、ｄは１ｍｍの程度となる。事実、

【数２４】 である。

【００５７】もし補償器４１が除去され、ビームスプリ
ッタ４０が入来ビームの側の全表面上において半反射的
になっていれば、補償された光軸を有するもう１つの可
能な構成が得られることに注意すべきである。図４の構
成のスペクトル分解能に関し、検出器に到達する放射の
スペクトル範囲が、適切なフィルタの使用によって、ま
たは光学装置の透過性によって、

【数２５】 に制限されているものと仮定する。

【００５８】ナイキストのサンプリング定理により、エ
イリアスを避けるためには、インタフェログラムはλ_１
／２より大きくないＯＰＤステップによってサンプリン
グされなくてはならない。例解のためには、これも２つ
の隣接検出器によって得られるＯＰＤの差であると仮定
しうる。１周期は１波長のＯＰＤ変化であるから、２つ
の隣接検出器素子が見るＯＰＤの最大の差は、

【数２６】 でなくてはならない。

【００５９】ここで、入射放射は、Ｉ_０の強度を有する
波数ｖおよびｖ＋Δｖの２つの線から成るものと仮定す
る。ｘのＯＰＤに対し結果として得られる強度は、

【数２７】 となる。

【００６０】もし定数項を減算すれば、

【数２８】 が得られる。

【００６１】レイリーの判断基準と同様に、もし比、

【数２９】 が所定量、例えば０．９より小ならば、２つの線は「分
解された」ものと定める。これは、定められた分解能を
得るために必要なｘの最大値ｘ_ｍａｘに対する条件を与
える。

【００６２】上記条件を満足するｘ_ｍａｘの値は、

【数３０】 または、

【数３１】 を満たす。

【００６３】ここで、アレイ内の検出器の総数をＮ_ｄと
すると、

【数３２】 かつ、

【数３３】 または、

【数３４】 となる。

【００６４】ｖ_２＝１／λ_１とすると、

【数３５】 となる。

【００６５】数値例としては、もし、λ_１＝５μｍ、λ
_２＝２μｍ、かつＮ_ｄ＝１００ならば、

【数３６】 となる。

【００６６】要約すると、図４に示されている装置の独
自性は、ｉ）ＯＰＤが、干渉計への入来放射の入射角の
１次関数であるために、アレイの異なる検出器がそれを
異なるＯＰＤで見ること、といえる。この事実は、空間
的走査および適正な記録と組合わされると、それぞれの
画素のスペクトルのインタフェログラムまたはフーリエ
変換を、画像情報と同時に測定しうるようにする。非移
動形干渉計の場合における走査も、検出器アレイが１次
元的なものであるか、２次元的なものであるかにより、
それぞれ２次元的なものであるか、１次元的なものであ
りうる。

【００６７】図５は、図３のものと類似したマイケルソ
ン干渉計を含む画像分光計であるが、移動形のものを示
す。すなわち、そこではＯＰＤは、干渉計の素子の移動
に伴って変化する。図５の干渉計においては、源５０か
らの光は、光学的集光装置５１によって集められ、走査
ミラー５２上へコリメートされた後に、ビームを２アー
ム内へ分割するビームスプリッタ５３を通過する。１ア
ームは補償器５４およびミラー５５を含み、第２アーム
はミラー５６のみを含む。２ミラーからの光は、ビーム
スプリッタ５３および集束レンズ５７を経て検出器アレ
イ５８上へ送られる。

【００６８】図５のスペクトル画像装置において、もし
検出器アレイが直線的なものであれば、走査の方向は直
線的アレイの方向に対して垂直となり、走査ミラー５２
は被写界を１つの次元において走査する。もし検出器ア
レイが２次元的なものであれば走査器５２の必要はな
い。走査器５９ａは、ミラー５６とビームスプリッタ５
３との間の距離を制御する。伝統的なマイケルソン干渉
計に関し、ミラー５５を固定してミラー５６を走査すれ
ば、被写界内の全画素に対し、２アームのＯＰＤが同時
に変化せしめられる。同期を必要としないものを含め
て、多くの異なる走査構成が可能であり、一方、画像走
査器は、検出器アレイが１次元的なものであるか、また
は２次元的なものであるかによって、必要とされ、また
は必要とされない。

【００６９】図６ａは、本発明に従って構成された画像
分光計であるが、もう１つの形式の干渉計、すなわちＯ
ＰＤが入来放射の入射角によって変化する、非移動形の
改変されたサニャック干渉計を用いたものを示す。図４
に示されている画像分光計に関して前述したように、光
軸に対して小さい角をなして干渉計に入射するビーム
は、この角と共に直線的に変化するＯＰＤを生じる。

【００７０】図６ａの分光計内に示されている改変され
たサニャック干渉計は、Ｄ．Ｅ．Ｈｅｃｈｔ著、Ｏｐｔ
ｉｃｓ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓ
ｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，ｐ．３５９（１９８７）に
記載されているものである。この干渉計においては、全
画素の源６０からの全放射は、光学的集光装置６１によ
ってコリメートされた後、機械的走査器６２によって走
査される。光は次にビームスプリッタ６３を経て第１反
射器６４へ、さらに次に第２反射器６５へ送られ、第２
反射器６５は光を反射して、ビームスプリッタ６３を
経、さらに次に集束レンズ６６を経て、検出器アレイ６
７に到達せしめる。このビームは、６３によって反射さ
れ、次に６５によって反射され、最後に反射器６４によ
って反射されたビームと干渉する。１次元的アレイの場
合は２次元的走査が要求されるが、２次元的アレイの場
合は１次元的走査のみが要求される。

【００７１】１回の走査が終わると、ことごとくの画素
は、異なる時刻において異なる検出器により全ＯＰＤを
用いて測定され終わっており、従って、スペクトルはフ
ーリエ変換によって再構成されうる。光紬に平行なビー
ムは補償され、光軸に対して角（φ）をなすビームは、
ビームスプリッタ６３の厚さ、その屈折率、および角φ
の関数であるＯＰＤを生じる。このＯＰＤは、角が小さ
い場合はφに比例する。適切な変換を適用し、注意深い
記録を行えば、ことごとくの画素のスペクトルが計算さ
れる。

【００７２】図６ｂを参照すると、これは図６ａの装置
のわずかに改変されたものを示しており、装置の視野内
における、光軸上の中心ビームと、それに対してゼロで
ない角をなす他の平行ビームとを含むビームは、干渉計
に入射し、ビームスプリッタ６３によって２つのコヒー
レントビームに分割される。２つの分割されたビーム
は、ミラー６４および６５によって反射された後再結合
されて、集束レンズ６６によりそれらが集束される検出
器アレイ６７上に干渉パターンを作る。

【００７３】ここに説明されたさまざまな構成は、必要
な場合は、さまざまな形式の照明に適応するように改造
されうる。図６ｂは、この考え方を例解するために用い
られうる。例えば、蛍光放射の場合においては、源６０
を照明するのにレーザまたはＵＶランプ６８が用いられ
る。源６０から発射される誘発された蛍光スペクトル
は、次にスペクトル画像装置によって測定される。蛍光
の場合は、発射量は通常入射光と比較すると極めてわず
かなので、ノッチフィルタ６９が検出器アレイ６７の前
部、または任意の他の適切な位置に置かれることに注意
すべきである。

【００７４】ノッチフィルタ６９の機能は、散乱または
反射されたレーザまたはランプ自体の放射を阻止するこ
とである。この阻止は、望ましくない信号による検出器
アレイ６７のフラッディングを防止するために必要であ
る。ノッチフィルタ６９の機能は、反射または散乱され
たランプからの光をカットオフしうる任意の適切な形式
のフィルタによっても代行されうる。ＵＶランプの場合
は、通常はランプ自体が、サンプル上に入射する光のス
ペクトル範囲を制限するカットオフフィルタを含む。さ
らに、蛍光は通常は弱いので、測定のＳＮ比を増大させ
るために、冷却または強化された検出器アレイが使用さ
れうる。

【００７５】ラマン分光の適用においては、レーザ６８
が使用されること以外は、蛍光の場合と同様である。反
射解析の場合は、放射源は図６ｂと同様に置かれる。透
過解析の場合は、放射源は源６０の背後、すなわち図６
ｂにおける源６０の左方に置かれる。

【００７６】被写界と干渉縞との間の走査は、干渉計の
外部の走査器（移動被写界）を用いることによって、ま
たは干渉計自体を回転させること（移動縞）によって行
われうる。これは、図７を参照すると良く理解でき、そ
こでは、サニャック干渉計の入口において角θだけ回転
せしめられた任意の光線、例えば図示されている中心光
線が、出力において同じ角だけ回転せしめられることが
見られる。しかし、対応する分割されたビーム間のＯＰ
Ｄは変化する。

【００７７】同様にして、図８を参照すると、サニャッ
ク干渉計の角θだけの回転は、出力ビームを空間内で固
定されたままにするが、ＯＰＤを前と同量だけ変化させ
る。図６ａおよび図６ｂのサニャック構成においては、
ビームスプリッタに角βで入射した光線（図６ａではθ
＝６０°、図６ｂではβ＝４５°）は、ＯＰＤ＝０で干
渉計を通過するが、一般的な角β−θで入射した光線は
次の方程式で与えられるＯＰＤを生じる。

【００７８】

【数３７】 ただし、 β＝ビームスプリッタへの光線の入射角（図６ａにおい
ては６０°、図６ｂにおいては４５°） θ＝光軸からの光線の角距離または中心位置に関するサ
ニャック回転角 ｔ＝ビームスプリッタの厚さ ｎ＝ビームスプリッタの屈折率 である。

【００７９】方程式（３０）は、次の１次方程式によっ
て近似されうる。

【数３８】

【００８０】以下に述べることは、図４の構成および方
程式（２１）に対しても成立する。方程式（３０）から
は、中心位置に関して正負双方の角に走査することによ
り、ことごとくの画素に対する両側のインタフェログラ
ムを得ることができ、それが位相誤差の解消を助けて、
フーリエ変換の計算においてより正確な結果を与えるこ
とがわかる。走査の振幅は達成される最大のＯＰＤを決
定し、それは測定のスペクトル分解能に関連する。角ス
テップの大きさはＯＰＤステップを決定し、それはさら
に、装置が感度を示す最短波長によって定められる。事
実、ナイキストの定理によれば、このＯＰＤステップ
は、装置が感度を示す最短波長の半分より小さくなくて
はならない。

【００８１】考慮されるべきもう１つのパラメータは、
マトリックス内の検出器素子の限定された大きさであ
る。集束光学装置を経て該素子は、サニャック干渉計内
の限定されたＯＰＤを見、それはインタフェログラムを
方形関数でたたみ込む効果を有する。これは結果とし
て、短波長における装置の感度の低下をもたらし、それ
は素子が見るＯＰＤに等しいか、またはそれ以下である
波長に対してはゼロまで低下する。この理由により、変
調伝達関数（ＭＴＦ）条件が満足されること、すなわち
検出器素子が干渉計内に見るＯＰＤが、装置が感度を示
す最短波長より小であること、が保証されなくてはなら
ない。

【００８２】図９は、図５に示されているものに類似し
ているが、光が顕微鏡の対物レンズを経て反射器上に集
束されるように構成された、移動形のマイケルソン干渉
計を含むもう１つの画像分光計を示す。すなわち、図９
に示されている分光計は、光源７１と、物体７２ｂ上に
集束させるための、集光レンズ７２ａを含む顕微鏡の光
学装置７２を備えている。光学装置７２はさらに光を、
走査器７３を経、ビームスプリッタ７４を経て２つの反
射器７５および７６へ、さらに集束レンズ７７を経て検
出器アレイ７８上へ送るためのコリメータレンズ７２ｃ
を含む。図９の構成における検出器アレイ７８、また前
述の構成における検出器アレイは、ＣＣＤ（電荷結合デ
バイス）でありうる。

【００８３】走査器７３は、もし検出器アレイが１次元
的なものであれば、視野を１つの次元において走査す
る。もし検出器アレイが２次元的なものであれば、それ
は必要ない。反射器７５および顕微鏡光学装置は、光軸
に沿っていっしょに移動し、図５に関連して前述したよ
うに、走査器７３（もし存在すれば）と同期してＯＰＤ
の走査を行う。

【００８４】前述のように、ことごとくの画素に対する
ＯＰＤは、以下の２つの方法で走査されうる。 （１）干渉計が固定位置に保たれる固定形の干渉計が使
用され、被写界は光学的走査器によって走査される。検
出器アレイ内のそれぞれの検出器は焦点面上の位置に着
座し、そこからそれは固定されたＯＰＤによって放射を
見、そのＯＰＤは検出器毎に変化するので、被写界の走
査は、それぞれの画素が走査の終了時には全ての検出器
によって、従って全てのＯＰＤによって、見られること
を保証する。走査の終了時には、全画素に対してフーリ
エ変換が適用されうる。 （２）被写界が固定状態に保たれる移動形干渉計が使用
され、干渉計の素子または全干渉計自体が、それぞれの
検出器が常に同じ画素を、しかし異なる時刻には異なる
ＯＰＤを通して見るように、走査される。走査の終了時
には、全画素が全ＯＰＤを用いて測定され終わってい
る。従って、ことごとくの検出器によって測定された信
号関数に対してフーリエ変換が適用されうる。

【００８５】検出器が直線的アレイである場合は、もし
被写界全体が解析されるべきであれば、干渉計の走査に
対して被写界の光学的走査が追加されなくてはならな
い。線走査器の場合（被写界が領域ではなく線である場
合）には、干渉計以外の追加の光学的走査は必要ない
が、検出器アレイの次元性および使用される干渉計の形
式により多くの動作構成がありうる。

【００８６】いずれの方法が好ましいかの決定は、それ
ぞれの場合における特殊な要求および幾何学的制限に基
づくべきである。例えば、方法（１）においては、スペ
クトル分解能は、セットアップの幾何学的条件によって
許容される検出器数および全ＯＰＤの範囲によって制限
される。方法（２）においては、使用される干渉計の形
式によって、極めて大きいＯＰＤに達することが可能で
ある。達成されうるスペクトル分解能は、走査される最
大ＯＰＤが大きいほど大きくなるので、高分解能が要求
される時は第２の方法の方が適していることは明らかで
ある。

【００８７】図１０から図１５までの諸実施例は、第２
方法、すなわち被写界が固定され、ＯＰＤ走査が干渉計
の可動素子または干渉計自体によって行われる方法に、
また、被写界を固定状態に保ち被写界を横切って干渉縞
を走査するために、追加の補償走査器ミラー（片面また
は両面形）を有する固定干渉計に基づく第３方法に、基
づいている。第２および第３方法においては、光は移動
形干渉計を通過せしめられ、その場合、干渉計の素子ま
たは補償ミラー、または干渉計自体を移動させることに
よってＯＰＤが変化せしめられて光を変調し、それによ
って、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が、そ
れぞれの画素から発射される光のスペクトル内容の１次
結合（フーリエ変換）を見、またそれが被写界の異なる
画素を見るようになっており、また走査器が１回の走査
を完了した時完全な被写界が、スペクトル内容の、全て
の関係のある１次結合について走査され終わっているよ
うになっている。

【００８８】全てのこれらの方法において、もし検出器
アレイが直線的なものであれば、被写界はやはり１つの
次元において走査されなくてはならない。図面におい
て、図１０から図１５までは、第２方法の別の実施およ
び第３方法の２つの実施、すなわち被写界が固定状態に
保たれ、干渉縞が被写界を走査する場合を示している。

【００８９】図１０は、走査が画像を走査することによ
って行われる前述の方法（１）に基づくのではなく、前
述の方法（２）、すなわち干渉計の可動素子によって走
査を行う方法に基づく以外の点では、図６ａに示されて
いる改変されたサニャック干渉計と同様な形式の画像分
光計を示す。

【００９０】すなわち、図１０に示されている画像分光
計は、光学画像源１１０を含み、その全画素の全スペク
トル情報が、光学的集光装置１１１によってコリメート
された後、機械的走査器１１２により走査される点にお
いて、図６ａに示されているものと同様である。この走
査器は、検出器アレイが直線的なものであった場合にの
み必要とされる。もしそれが２次元的なものであれば、
この走査器はいらない。光は次にビームスプリッタ１１
３を経て第１反射器１１４へ、さらに次に第２反射器１
１５へ送られ、第２反射器１１５は光を、ビームスプリ
ッタ１１３を経、さらに次に集束レンズ１１６を経て、
検出器アレイ１１７へ反射する。しかし、図１０に示さ
れている装置においては、ビームスプリッタ１１３が光
路に対して垂直（かつ紙面に対しても垂直）な軸の回り
に回転せしめられて、走査を行う。すなわち、ビームス
プリッタのこの回転は、画素からのコリメートされたビ
ームが、それの集束される相手の検出器を変えることな
く、特定の検出器に到達するためのＯＰＤを変化せしめ
る。従って、光軸に対するビームスプリッタ角の走査
が、ことごとくの画素をあるＯＰＤ範囲によって走査さ
れるようにすることは明らかである。

【００９１】このようにして、上述の方法（２）（走査
が干渉計によって行われる）においては、検出器が置か
れた焦点面に着目すると、干渉計の形式によって、被写
界の画像が、いくつかの移動する干渉縞に重ね合わさ
れ、または明暗の被写界間で交互することがわかる。上
述の方法（１）（被写界走査形方法）においては、光学
的走査器が移動するのに伴い、被写界の画像は焦点面を
通って走査するが、縞はこの面上に静止したままになっ
ていることがわかる。従って、被写界のそれぞれの点は
焦点面上の異なるＯＰＤに対応する諸位置を通過する。
１回の走査の終了時には、それぞれの画素に対する全て
の必要な情報が収集される。従って、２方法の結果は同
様であるが、第２方法に基づく構成は、上述のようにい
くつかの利点を有する。

【００９２】図１１は、最大ＯＰＤを増大させ、従って
装置のスペクトル分解能を増大させる、光透過性材料か
らなる光学板１２８を含む点以外では、上述の図１０ま
たは図６のものと同様な画像分光計示す。この場合、光
学板１２８はビームスプリッタ１２３と第２反射器１２
５との間に置かれ、第２反射器１２５は第１反射器１２
４からの光を、ビームスプリッタ１２３を経、さらに次
に集束レンズ１２６を経て、検出器アレイ１２８へ反射
する。

【００９３】図１２は、第１反射器１３４、第２反射器
１３５、光学板１３８、ビームスプリッタ１３３、およ
び集束レンズ１３６を含めての検出器アレイ１３７が、
わずかに異なる方向を有する以外の点では、図１１のも
のと極めて類似した画像分光計を示す。

【００９４】図１３は、図５と同様の、マイケルソン形
干渉計を含む画像分光計を示す。しかし、この場合は、
２次元的検出器アレイ１４７が使用されており、従っ
て、図５に示されている装置におけるような２次元的走
査ではなく、１次元的走査で十分である。従って、図１
３においては、走査は走査器１４９ａによって制御され
るミラー１４６によって行われて、該ミラーとビームス
プリッタ１４３との間の距離を変化させ、それによって
ＯＰＤを変化せしめる。このようにして、図１３に示さ
れている装置は、図５に含まれている同期回路５９およ
び走査ミラー５２の必要性を回避している。

【００９５】図１４および図１５は、本発明のさらに別
の２つの実施例を示し、これらは図１０に示されている
実施例にまさる利点を有する。すなわち、回転するビー
ムスプリッタを備えたサニャック干渉計に基づく図１０
に示されている装置においては、縞間距離はビームスプ
リッタの角の関数として変化する。これは変換アルゴリ
ズムを不便なものにし、使用困難にする。しかし、図１
４および図１５に示されている実施例においては、縞
は、それらの間の距離を変えることなく画像を走査す
る。このようにして、一定した縞の距離が実現され、よ
り高いスペクトル分解能と、より容易なアルゴリズムと
が可能になる。

【００９６】図１４は、走査ミラー１５２およびビーム
スプリッタ１５３を含むサニャック干渉計に基づく装置
を示す。しかし、この場合は、ビームスプリッタ１５３
ではなく、走査ミラー１５２が、光軸に対して垂直（か
つ紙面に対しても垂直）な軸の回りに回転せしめられて
走査を行う。図１４に示されているように、ミラー１５
２は両面形ミラーである。

【００９７】図１５は、走査ミラー１６２が片面形のも
ので、図１４におけるミラー１５２のように回転せしめ
られることにより、ビームスプリッタ１６３を経てＯＰ
Ｄ走査を行う点以外では、図１４におけると同様な構成
を示す。図１４および図１５においては、干渉計は移動
形のものではないが、走査ミラーの特殊な配置によっ
て、移動形の場合におけると同様に働く。本発明のその
他の変形、改変、および応用は明らかであろう。

【００９８】

【発明の効果】このようにして、本発明に従って構成さ
れた画像分光計は、単に視野内のことごとくの画素から
来る光の強度を測定するのみでなく、あらかじめ定めら
れている波長範囲内におけるそれぞれの画素のスペクト
ルをも測定する。それらはまた、任意の与えられた時刻
において視野内のそれぞれの画素が発射する全放射をよ
り良く利用し、従って、フレーム時間の顕著な減少およ
び／または分光計の感度の顕著な増大を可能ならしめ
る。このような分光計は、異なる形式の干渉計および光
学的集光および集束装置を用いることができ、また医学
的診断への応用、地質学上および農学上の研究のための
遠隔検知、などを含むさまざまな応用に使用されうる。

【００９９】以上においては、本発明を限られた数の実
施例に関して説明してきたが、多くの変形、改変、およ
び本発明の他の応用がなされうることを認識すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の（従来技術の）スリット形画像分光計を
示す図。

【図２】本発明に従って構成された画像分光計の主要成
分を示すブロック図。

【図３】移動形干渉計、すなわち走査される厚さを有す
るヘァブリ・ペロー干渉計の使用に基づき、本発明に従
って構成された画像分光計を示す図。

【図４】図２の画像分光計内の非移動形干渉計として用
いられる、逆行反射器を有するマイケルソン干渉計を示
す図。

【図５】本発明の画像分光計内の干渉計として用いられ
るもう１つの移動形干渉計、すなわちマイケルソン形干
渉計を示す図。

【図６】ａは、本発明の画像分光計内に用いられるもう
１つの非移動形干渉計、すなわち改変されたサニャック
干渉計を示し、ｂは、本発明の画像分光計内に用いられ
るさらにもう１つの非移動形干渉計、すなわち改変され
たサニャック干渉計を示す図。

【図７】図６ａおよび図６ｂの干渉計のような干渉計へ
の入口における光線の回転が、出力における光線をも同
じ角だけ回転させ、かつ対応する分割ビーム間のＯＰＤ
を変化させることを概略的に示す図。

【図８】図７に示されている効果と同じ効果が、干渉計
の回転によって実現されうることを概略的に示す図。

【図９】もう１つの移動形干渉計の例として、顕微鏡の
対物レンズを経てミラー上への集束が行われる、改変さ
れたマイケルソン画像分光計によって実施された本発明
を示す図。

【図１０】図６ａおよび図６ｂにおけるような改変され
たサニャック干渉計であるが、走査が干渉計の可動素子
によって行われるものを示す図。

【図１１】図６ａおよび図６ｂにおけるような干渉計で
あるが、ビームスプリッタに対して９０°をなす、光を
透過させる材料で作られた追加の光学板を有するものを
示す図。

【図１２】図１１の干渉計と同様の干渉計であるが、諸
成分は異なった方向を有し、追加の光学板１３８はビー
ムスプリッタに対してやはり９０°をなす図。

【図１３】図５に示されているものと同様のマイケルソ
ン形干渉計であるが、２次元的検出器アレイを有するも
のを示す図。

【図１４】図１０におけると同様のサニャック干渉計で
あるが、ビームスプリッタではなく走査ミラーを有する
ものを示す図。

【図１５】走査ミラーが片面形のものである点を除外す
れば図１４と同様の図。

【符号の説明】

２０ 集光光学装置 ２２ 走査器 ２４ 干渉計または光路差発生器 ２６ 検出器アレイ ２８ 信号プロセッサおよびディスプレイ ３３ ヘァブリ・ペロー干渉計 ５３ ビームスプリッタ ５６ ミラー １１３ ビームスプリッタ １２８ 光学板 １５２ 走査ミラー １６２ 走査ミラー

【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 画像のスペクトル解析の方法および装
置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像のスペクトル解折
の方法および装置に関し、特に被写界の光学的画像を解
析して、そのそれぞれの画素のスペクトル強度を決定す
る方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】分光計は、光を受けてそれを成分波長に
分離（分散）し、スペクトルを検出するように設計され
た装置である。画像分光計は、被写界からの入射光を集
め、それを解析して、そのそれぞれの画素のスペクトル
強度を決定する分光計である。

【０００３】通常の画像分光計は、解析されるべき被写
界を走査して、走査された光を検出器のアレイ上に集束
させるための、画像平面内のスリットを含む。２次元的
検出器アレイが使用される時は、該アレイの１つの次元
は単一画素に関連する異なる波長をサンプリングするの
に用いられ、視野は１次元的走査器および該アレイの残
りの次元によって覆われる。１次元的検出器アレイが使
用される時は、視野は機械的に２方向に走査され、全て
の検出器は任意の与えられた時刻において単一画素の異
なる波長をサンプリングするためにのみ用いられる。双
方の場合に画像平面内のスリットは、それぞれの検出器
が任意の時刻において、単一画素の単一波長における寄
与のみを見ることを保証するが、そうでなければ、それ
ぞれの画素のスペクトルを分離することは不可能であ
る。

【０００４】しかし、通常のスリット形画像分光計は、
１フレームの大部分の画素を、たとえ分光計の前部光学
装置が実際にそれらの全てからの入射光を同時に集めた
としても、任意の与えられた時刻において測定しえない
という欠点を有する。このようにして、通常のスリット
形の技術では、１つの波長を除き、任意の与えられた時
刻において被測定画素から発射されて特定の検出器に到
達する大部分の放射が排除されるので、得られる情報に
関して無駄が多い。その結果、一定のＳＮ比で必要な情
報を得るために比較的に長い測定時間を要するか、また
は一定の測定時間の場合はＳＮ比（感度）が実質的に低
下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以上
の点において利点を有する、画像のスペクトル解析の新
しい方法および装置を提供することである。さらに詳述
すると、本発明の目的は、集められた画像の入射光から
得られる全ての情報をより良く利用して、通常の「スリ
ット」形の画像分光計に比し、必要なフレーム時間を実
質的に減少させ、かつ／または、ＳＮ比を実質的に増加
させることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、被写
界の光学的画像を解析して、そのそれぞれの画素のスペ
クトル強度を決定する方法が提供され、該方法は、
（ａ）該被写界からの入射光を集めるステップと、
（ｂ）該光をして干渉計を通過せしめ、該干渉計をして
それぞれの画素から発射された光のスペクトル強度の１
次結合の所定の組に対応する変調された光を出力せしめ
るステップと、（ｃ）該干渉計から出力された該光を検
出器アレイ上に集束せしめるステップと、（ｄ）該検出
器アレイの出力を処理してそのそれぞれの画素のスペク
トル強度を決定するステップと、を含む。

【０００７】この方法は、さまざまな形式の干渉計、す
なわち干渉計全体または干渉計の素子を移動させること
によってＯＰＤ（光路差）を変化させ光を変調する移動
形、および入来放射の入射角と共にＯＰＤを変化させる
非移動形、の双方を利用することによって実施されう
る。すなわち、移動形干渉計においては、各瞬間におい
て、それぞれの検出器は被写界の固定点を見、その信号
はそれから発射される放射のスペクトル内容の１次結合
であり、それは時間と共に変化する。走査器が干渉計の
１回の走査を完了した時は、被写界は該スペクトル内容
の全ての関係のある１次結合について走査され終わって
いる。ＯＰＤが入来光の入射角と共に変化する非移動形
干渉計においては、それぞれの検出器は被写界の異なる
点を見、その信号はスペクトル内容の異なる１次結合と
なる。走査器が１フレームの走査を完了した時は、該完
全なフレームはスペクトル内容の全ての関係のある１次
結合について走査され終わっている。

【０００８】例解のため、以下においては本発明は、移
動形干渉計の例としてのヘァブリ・ペローおよびマイケ
ルソンの干渉計の使用によって構成され、また非移動形
干渉計の例としてのマイケルソンおよびサニャック（Ｓ
ａｇｎａｃ）の干渉計の使用によって構成されるものと
して説明される。

【０００９】本発明はまた、上述の方法による画像のス
ペクトル解析の装置をも提供する。上述の特徴を有する
方法および装置が従来のスリット形画像分光計と異なる
点は、集められたエネルギーを開口またはスリットによ
って制限することなく、グレーティングまたはプリズム
の代わりに上述のように干渉計を利用し、それによって
装置の処理能力を実質的に増大させている点である。従
って、この方法および装置は、解析されるべき被写界の
入射光から得られる全情報をより良く利用し、それによ
って測定時間を実質的に減少させ、かつ／または、ＳＮ
比（感度）を実質的に増大させる。

【００１０】例えば、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ，Ｖｏｌ．７５０，ｐ，１４０（１９８７）に所載
の、Ｊｏｈｎ Ｂ．Ｗｅｌｌｍａｎ著、Ｉｍａｇｉｎｇ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｔｅｒｒｅｓ
ｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｒｅｍｏｔ
ｅ Ｓｅｎｓｉｎｇに説明されている、「洋服ブラシ」
設計を考察されたい。

【００１１】直線的アレイ内の検出器数をｎ、１フレー
ム内の画素数をｍ×ｍ、フレーム時間をＴとする。アレ
イの全検出器について加算された、１フレーム内のそれ
ぞれの画素において費やされる合計時間は次のようにな
る。

【００１２】

【数１】ｎＴ／ｍ^２

【００１３】本発明の方法において、同じ大きさのアレ
イと同じフレーム率とを用いることにより、特定の画素
において費やされる時間を全検出器について加算した合
計時間は、同じｎＴ／ｍ^２となる。しかし、従来のグレ
ーティングまたはプリズムの方法においては、任意の時
刻において毎検出器によって見られるエネルギーは、波
長分解能が領域の１／ｎになるので、合計の１／ｎ程度
となるが、本発明の方法においては、そのエネルギー
は、変調関数が正弦関数（マイケルソン）または類似の
周期関数（ヘァブリ・ペローでは低フィネスのエアリ関
数）で、多数周期についてのその平均が５０％になるの
で、１の程度となる。干渉計測の教科書に記載されてい
るジャキノの利点（またはマルチプレックスの利点）を
有する標準的処理に基づけば、本発明の装置のＳＮ比が
赤外領域においてｎ^０．５の因子だけ（バックグラウン
ドが制限されたパフォーマンス）、また、可視領域内の
狭いピークの諸波長での、特定の波長における信号の、
スペクトル領域内の平均信号に対する比の平方根だけ
（信号の光子雑音が制限されたパフォーマンス）、改善
されることを示せる。ヘァブリ・ペロー干渉計の数学的
処理および定義と、エアリ関数の定義とについては、Ｍ
ａｘ ＢｏｒｎおよびＥｍｉｌ Ｗｏｌｆ著、Ｐｒｉｎ
ｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｅｒｇａｍｏｎ
Ｐｒｅｓｓ，１９８０，ｐ．３２９を参照されたい。

【００１４】後述される本発明の全ての実施例におい
て、必要な全ての光位相差は視野の空間的走査により同
時に走査され、それによってスペクトルを再構成するた
めに必要な全情報が得られるので、スペクトル情報は画
像情報と同時に収集される。

【００１５】本発明は、遠隔検知のための望遠鏡、実験
室での解析のための顕微鏡、産業上の監視のためのファ
イバ光学装置、その他の、多くの異なる光学的構成に用
いられうる。さらに、任意の波長領域が、適切なフィル
タおよび光学装置により選択されうる。以下添付図面を
参照しつつ、実施例によって本発明を説明する。

【００１６】

【実施例】図２から図１５までに示されている本発明が
より良く理解されるように、まず、図１に示されている
ような検出器の２次元的アレイを利用した通常の（すな
わち従来技術の）スリット形画像分光計の構成および動
作を参考にする。

【００１７】例えば、図１に示されている従来技術のス
リット形画像分光計は、概略的に４に示されている被写
界からの入射光を集め、被写界の実質的に平行な光を、
視野を定めるスリット６により占有された第１焦点面上
に集束させるための、２に示されている望遠鏡などの集
光光学装置を含む。スリット６から出た光は、コリメー
タレンズ８においてコリメートされ、透過形または反射
形グレーティング１０を通過せしめられて諸波長を分離
される。グレーティング１０からの出力は集束レンズ１
２によって、第２焦点面内の２次元的検出器アレイ１４
上に集束せしめられる。検出器アレイ１４の出力は、信
号プロセッサ１６へ供給される。

【００１８】図１の従来技術の画像分光計内に示されて
いる２次元的検出器アレイ１４においては、装置の移動
（例えば航空機内に設置されている時）が、１つの次元
に沿っての走査を実現する。第２次元に沿っての走査
は、装置の移動方向に垂直な向きのスリット６によって
行われる。すなわち、スリット６は、アレイ１４内のそ
れぞれの検出器が任意の時刻において、１画素の単一波
長における寄与のみを見ることを保証する。これは、そ
れぞれの画素のスペクトルを分離するために必要であ
る。

【００１９】前述のように、図１に示されている従来技
術の方法の欠点は、１フレームの大部分の画素が、たと
え望遠鏡（２または他の集光光学装置）がそれら全てか
らのエネルギーを実際に同時に集めたとしても、任意の
与えられた時刻において測定されないことである。その
結果、必要なフレーム時間がかなり増大し、かつ／また
は、そのようなスリットを必要としない装置がもしある
とすればその装置に対してＳＮ比（感度）が実質的に減
少する。

【００２０】図２は、本発明に従って構成された画像分
光計の主要成分を示すブロック図である。例えば、図２
の画像分光計は、全体的に２０で示された集光光学装置
と、ブロック２２で示された１次元的または２次元的走
査器と、ブロック２４で示された光路差（ＯＰＤ）発生
器または干渉計と、ブロック２６で示された１次元的ま
たは２次元的検出器アレイと、ブロック２８で示された
信号プロセッサおよびディスプレイと、を含む。

【００２１】解析されるべき光などの放射は、常にさま
ざまな源から来うるものと考える。例えば、源は、放射
を自然に発射し、またはランプまたは他の照明された物
体からの放射を反射し、または透過するものでありう
る。さらに、レーザのＵＶなどの適切な照明を用い、ま
た照明波長がスペクトル画像装置に到達するのを阻止す
る適切な手段を用い、蛍光またはラマンスペクトルの画
像測定を行って、それぞれの場合における問題の物体ま
たは諸物体についての異なる情報を得ることもできる。

【００２２】新装置における重要な素子は光路差発生器
または干渉計２４であり、これは、解析されるべき被写
界のそれぞれの画素から発射される光のスペクトル強度
の１次結合の所定の組に対応する変調された光を出力す
る。干渉計の出力は、検出器アレイ２６上に集束せしめ
られる。このようにして、全ての必要な光位相差は視野
の空間的走査によって同時に走査され、それによってス
ペクトルを再構成するのに必要な全情報が得られる。こ
のようにして、被写界の全ての画素のスペクトルは、画
像情報と同時に収集され、それによってリアルタイムで
の画像の解析が可能となる。

【００２３】本発明の方法および装置は、極めてさまざ
まな構成で実施される。詳述すると、使用される干渉計
は、移動形または非移動形のいずれでもありえ、検出器
アレイイは、干渉計の形式によらず１次元または２次元
的なものでありうる。干渉計が移動形のものであり、検
出器アレイが２次元的なものである時は、ＯＰＤ走査で
ある干渉計の移動を除外すれば、走査の必要はない。干
渉計が移動形のものであり、検出器アレイが１次元的な
ものである時は、１つの次元における空間的走査が必要
である。干渉計が非移動形のものであり、検出器アレイ
が２次元的なものである時は、１つの次元におけるＯＰ
Ｄ走査が必要である。干渉計が非移動形のものであり、
検出器アレイが１次元的なものである時は、２つの次元
における走査が必要であり、一方の次元は空間的走査に
関連し、他方はＯＰＤ走査に関連する。

【００２４】図３は、本発明に従って構成された画像分
光計の１形式を示す。この分光計は、光を変調するため
にＯＰＤが変化せしめられる移動形干渉計、すなわち走
査される厚さを有するヘァブリ・ペロー干渉計３３の使
用に基づいている。

【００２５】このようにして、図３に示されている画像
分光計は、被写界のそれぞれの画素のスペクトル強度を
決定するために解析されるべき、全体的に３０で示され
た源すなわち被写界を含む。被写界３０は、コヒーレン
トでない非単色放射の源でありうる。それは、遠隔検知
のための距離にありえ、その場合には、３１に概略的に
示されている集光光学装置は望遠鏡となり、あるいは被
写界３０は、顕微鏡的解析のための近接距離にありえ、
その場合には、集光光学装置３１は顕微鏡となる。

【００２６】光学装置３１は、被写界を走査するための
１次元的機械的走査器、例えば３２に示されているミラ
ー走査器へ出力を供給する。走査器３２からの出力は、
互いに距離「ｄ」の間隔にある２つの平面的平行反射器
から作られたエタロンを有するヘァブリ・ペロー干渉計
３３へ供給される。この例においては、距離「ｄ」は、
機械的走査器、この場合は圧電走査器３４を用いること
によって可変である。

【００２７】ヘァブリ・ペロー干渉計３３からの出力
は、再集束光学装置３５を経て１次元的検出器アレイ３
６上へ供給され、その出力は、信号プロセッサ３７へ供
給される。もし２次元的検出器アレイが使用される時
は、走査器３２は省略されうる。

【００２８】光学装置３１、例えば無限焦点望遠鏡また
は顕微鏡は、実質的に平行なビーム（すなわち、正確に
平行であるか、または極めて大きいＦ数を有する）をそ
の出力に発生する。そのわけは、このようにするとアレ
イ３６内のそれぞれの検出器は、ヘァブリ・ペロー干渉
計３３のエタロン３３を経ての単一の光位相差に対応す
るからである。光学装置３１は、屈折形または反射形の
いずれのものでもありうる。干渉計のエタロン３３は装
置の光軸に対して９０°をなす。視野を制限する開口ま
たはスリットは使用されていないことに注意すべきであ
る。

【００２９】図３に示されている画像分光計は、次のよ
うに動作する。アレイ３６の検出器素子ｉは、エタロン
３３を、ビームの視線とエタロンの法線との間の固定角
（φ_ｉ）をもって通過する該ビームから放射を受け、従
ってそれはこの放射を常に、

【数２】 δ_ｉ＝２π２ｄ（ｎ^２−ｓｉｎ^２φ_ｉ）^０．５／λ （１） によって与えられる光位相差δ_ｉによって見る。ただ
し、λは考察されている放射の波長であり、ｎは板の間
の空気の屈折率である。

【００３０】放射入力３０の特定の画素ｋから、任意の
与えられた時刻において検出器ｉ_ｋに到達する全放射
は、次のような、エアリ関数によるその画素のスペクト
ルのたたみ込みとなる（Ｍａｘ ＢｏｒｎおよびＥｍｉ
ｌ Ｗｏｌｆ著、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔ
ｉｃｓ，Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ，１９８０，
ｐ．３２７）。

【００３１】

【数３】 Ｉ_ｉｋ＝∫｛Ｉ_ｋ（λ）／（１＋Ｆｓｉｎ^２［δ_ｉ（λ）／２］）｝ｄλ （２） ただし、この積分はλ_１とλ_２との間で行われ、 λ_１，λ_２＝スペクトル領域の限界 Ｉ_ｋ（λ）＝画素ｋにおける源のスペクトル強度 Ｆ ＝フィネスの係数で、エタロンの反射率Ｒ
に、次式によって関連する。

【数４】Ｆ＝４Ｒ／（１−Ｒ）^２ ｉ_ｋ ＝画素ｋを光位相差δ_ｉ（λ）によって画像
形成する特定の検出器

【００３２】視野およびエタロン３３の厚さを走査する
多くの方法のうちの１つを次に述べる。アレイ３６は、
Ｎ個の検出器の直線的な組から構成され、それらの信号
は同時に且つ独立してモニタされうるものとする。Ｍ
は、ｍ本の線（Ｎより大）のラスタ形走査を行い、図３
の紙面は鉛直方向をなすものとする。Ｎ本の線が走査さ
れてしまうまで、Ｍが１水平線を走査する毎に、エタロ
ン３３の厚さ「ｄ」は圧電走査器３４により垂直走査器
３２と同期してｄ＝０から出発して１ステップだけ増大
せしめられ、Ｎ個の厚さのステップが形成される。この
瞬間、エタロンの厚さは元の値に復帰し、厚さは再び走
査される。このプロセスは、走査器が完全な１フレーム
を走査してしまうまで繰返される。

【００３３】視野の頂部および底部におけるＮ画素の縁
領域を除外すれば、視野の全画素は異なる検出器によ
り、Ｎ個の光位相差によって測定される。全ての検出器
信号は、画像および全画素の双方を再構成するために必
要とされる全情報が収集されて信号プロセッサ３７へ供
給されるように、高速度でサンプリングされ且つ記録さ
れる。

【００３４】上述のように、もう１つの可能な構成は検
出器の２次元的アレイを含む構成である。その場合にも
同じ構想が適用されるが、１つの空間的走査は省略され
る。例えば、もしアレイが、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ，Ｖｏｌ．７５０，ｐ．１４０（１９８７）に
所載のＪｏｈｎ Ｂ．Ｗｅｌｌｍａｎ著、Ｉｍａｇｉｎ
ｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｔｅｒｒｅ
ｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｒｅｍｏ
ｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇの第１４２ページに記載されてい
るものと同様の「プッシュブルーム（ｐｕｓｈ ｂｒｏ
ｏｍ）」法によるＮ×ｍマトリックスであれば、Ｎ行お
よびｍ列は、物体空間内の同じマトリックスに対応す
る。

【００３５】この構成においては、ヘァブリ・ペロー干
渉計の厚さまたは光位相差は、１つの線の完成時間の間
は固定される。次に、走査器は垂直方向に１ステップを
行い、ヘァブリ・ペロー干渉計の厚さｄはそれと同期し
て、ゼロから出発してＮ回のステップが行われるまで、
１ステップだけステップせしめられる。Ｎ回のステップ
が行われた時には、厚さが再びゼロから出発するように
して、走査器は垂直方向の走査を続け、全視野が走査さ
れるまでこれらのステップは繰返される。

【００３６】このようにして、全ての光位相差を用いて
全画素が測定され、記録された情報が処理されて、こと
ごとくの画素のスペクトルが得られる。ことごとくの画
素のスペクトルの再構成は、以下のように適切な数学的
処理によって行われうる。対象となっているスペクトル
領域であるλ_１からλ_２までをＮ個の区間に分割する。
もし方程式（２）の積分をＮ個の波長区間についての和
として近似すれば、方程式（２）は、

【数５】 Ａ_ｉｊ＝１／［１＋Ｆｓｉｎ（２δ_ｉｊ／２）］ （３） で与えられるＮ×Ｎ次元のマトリックスと、Ｎ次元のベ
クトルＩ_ｋ（λ_ｊ）との積となり、ここでｊはＮ個の波
長区間を走査し、ｋは視野内の特定の画素である。もし
マトリックスＡ_ｉｊを変換し、それをベクトルＩ
_ｉｋ（ｉ_ｋ＝１，．．．ないしｎ）に乗ずれば、画素ｋ
のスペクトルであるベクトルＩ_ｋ（λ_ｊ）が得られる。

【００３７】スペクトルの分解能に関し、同じ画素位置
に置かれた２つの準単色源を考察する。ヘァブリ・ペロ
ー干渉計３３のフィネスＦは、Ｆ＝１０付近の領域内に
あるのが好ましい。そのわけは、（前述のＢｏｒｎおよ
びＷｏｌｆの出版物の図７．５８から）その場合にはエ
アリ関数に十分な変調が得られることと、同時にそれが
極めて狭い線を生じないこととがわかるからである。事
実、この構成は極めて高い波長分解能には対応しない
が、エアリ関数の狭いピーク間においてかなりの量の放
射を損失しないためにはそれが必要である。いかなる場
合にも画像形成により、高分解能は余りにも多くの処理
すべき情報を与えるので、これは望ましい状況である。

【００３８】ＢｏｒｎおよびＷｏｌｆの出版物の第３３
４ページの分解能の取扱いは、やはり成立する。そのわ
けは、もし、

【数６】 ｓｉｎ（ε／４）＝（ε／４）−１／（Ｆ）^０．５＝１／０．３〜０．３ （４） とおくと、ｓｉｎ｜｜／４を｜｜／４で近似することに
よって約１０％の誤差を生じることがわかるからであ
る。

【００３９】従って、この場合には、

【数７】

【他１／】が得られ、分解能は、

【数８】

【他２／】となる。

【００４０】大きさの程度を知って妥当性を点検するた
めに、

【数９】 Ｎ＝５０（アレイ内の検出器数） （７）

【数１０】 Ａλ＝３μ／５０＝０．０６μ （８） および

【数１１】 λ＝２ないし５μ （９）
を仮定する。

【００４１】従って、ｄは、

【数１２】

【他３／】の範囲となる。

【００４２】空気に対してｎ＝１にとると、方程式（１
０）は、

【数１３】 ｄ＝１０／（０．０６ｘ１０）＝１６μ （１１） を与える。

【００４３】ｄの範囲は、それが波長範囲と同じ光位相
差の範囲を走査するようになっている。従って、

【数１４】 ｄ_２／λ_１−ｄ_１／λ_１＝ｄ／λ_１−ｄ／λ_２ （１２） または、

【数１５】 ｄ_２−ｄ_１＝ｄ［１−λ_１／λ_２］＝１６ｘ０．３＝５μ （１３ ） となる。

【００４４】従って、厚さのステップは、

【数１６】 ５μ／５０＝０．１μ （１４）の
程度となる。

【００４５】８μから１４μまでのスペクトル範囲にお
いては、

【数１７】 Δλ＝６／５０＝０．１２μ （１５）

【数１８】 ｄ＝１１^２／（０．１２×１０）＝１００μ （１６） および、

【数１９】 ｄ_２−ｄ_１＝１００〔１−８／１４〕＝４３μ （１７） が得られる。

【００４６】従って、厚さのステップは１μの程度であ
る。０．４μから０．８μまでの可視領域においては、
Δλ＝０．００８μであるから、

【数２０】 ｄ＝０．６^２／（０．００８×１０）＝４．５μ （１８） となる。

【００４７】（１８）から、

【数２１】 ｄ_２−ｄ_１＝４．５〔１−１／２〕＝２．２５μ （１９） となり、従ってｄのステップは、

【数２２】２／５０＝０．０４μ （２０） となる。

【００４８】要約すると、図３に示されている装置の著
しい特徴には、ｉ）干渉計の厚さの範囲およびフィネス
と、検出器アレイの大きさおよび検出器数およびスペク
トル分解能との特殊な整合、およびｉｉ）１フレームが
構築される時間内にスペクトル的および空間的情報を同
時に得るための、厚さの走査と空間的走査との間の同
期、が含まれる。

【００４９】同期を必要としない、多くの他の走査構成
が存在しうる。そのような構成においては、データをと
るシーケンスは、検出器アレイの信号走査の形式と、検
出器アレイが１次元的なものか２次元的なものかとに依
存する。全てのそのような構成は、本発明の範囲内に属
する。

【００５０】図３に示されているような移動形干渉計を
使用する時には、光軸に対して小さい角（φ≒０）をな
して干渉計に入射するビームは、φ^２またはそれ以上の
φの累乗に従って変化する光路差を生じることがわか
る。全画素における全スペクトル情報は、光路差を、被
写界走査と同期して走査することにより収集され、その
終了時においては、ことごとくの画素が異なる検出器に
よって全光路差を用いて測定され終わっている。注意深
い記録によって、また（フーリエ変換のような）適切な
マトリックス変換の適用によって、ことごとくの画素の
スペクトルが計算されうる。記録が必要とされるのは、
異なる検出器が、異なる時刻において１画素の異なるＯ
ＰＤの情報を収集するからである。このようにして、３
０ｍｓｅｃの時間（標準的ビデオの通常のフレーム時
間）内に、標準的ビデオフレームのことごとくの画素に
おけるスペクトルが測定されうる。これは、５００×５
００画素毎フレームの典型的なマトリックスの場合、１
００分解点毎画素の程度になる。

【００５１】図４の構成においては、ＯＰＤ（光路差）
を干渉計内の素子を移動させる（すなわち、図３に示さ
れているヘァブリ・ペロー干渉計内の板ミラー間の間隔
ｄを変化させる）ことによって変化させる移動形干渉計
を用いる代わりに、本発明を、非移動形干渉計を用いる
ことによって実施しており、この場合は、ＯＰＤは、入
来放射の入射角によって変化する。図４は、後者の形式
の干渉計を用いることによって、すなわちマイケルソン
形干渉計を用いることによって実施された本発明を示
す。

【００５２】このようにして、図４に示されている干渉
計は、光学的集光装置および走査器（それぞれ図３の３
１および３２）からのビームを受け、該ビームを２経路
に分割するビームスプリッタ４０を含む。走査器３２
は、検出器アレイ３６が２次元的であるか、１次元的で
あるかによって、それぞれ１次元的であるか、２次元的
である。１経路は補償器４１および逆行反射器４２を含
み、第２経路は補償器４３および逆行反射器４４を含
む。２つの補償器４１および４３は、同じ材料および同
じ厚さの同じブロックであり、光軸に平行なビームのみ
が補償されるように、２アーム内に反対称的に置かれ
る。２つの逆行反射器４２および４４は、ビームスプリ
ッタ４０から等距離に置かれる。ビームスプリッタ４０
は、光軸に平行な光線に対し完全に補償された装置を得
るため、隅の立方体を通るビームの並進が利用されるよ
うに、それぞれの側の表面の一部分のみに半反射コーテ
ィングを有する。

【００５３】このようにして、図４に示されているマイ
ケルソン形干渉計においては、装置の光軸に平行なビー
ムは、干渉計の２アーム間において補償されるが、装置
の光軸から外れた方向のビームは２アーム間においてＯ
ＰＤ（光路差）を生じ、これは入射角と共に直線的に変
化する。この差は、光軸からの角偏移に比例する。

【００５４】従って、干渉計の出口におけるコリメート
されたビームが、図３のアレイ３６のような検出器アレ
イ上に集束せしめられると、アレイのそれぞれの素子
は、２アーム間において異なるＯＰＤを生じた光を受け
る。このようにして、補償器４１をビームスプリッタ４
０に平行にし、補償器４２をそれに垂直にした場合に
は、２アーム間における光路差は、小さいφに対して次
の関係を満足することが示されうる。

【００５５】

【数２３】 ＯＰＤ（φ）＝２ｄｓｉｎφ_０［１−ｃｏｓφ_０／（ｎ^２−ｓｉｎ^２φ_０ ）^０．５φ （２１） ただし、φ_０＝ビームスプリッタ４０と光軸との間の
角、である。簡単にするためにはφ_０は４５°にとられ
うるが、これは本質的なことではない。ｎは２つの補償
器４１および４３の屈折率であり、ｄは補償器の厚さで
あり、φは光軸からの角偏移である。

【００５６】例えば、もし２つの隣接する検出器間にお
いて必要なＯＰＤの変化が〜１μであり、２つの隣接す
る検出器の視野間における方向の変化が｜｜１ｍｒａｄ
であれば、ｄは１ｍｍの程度となる。事実、

【数２４】 ｄ＝１μ／｛２（２）^０．５／２［１−（（２）^０．５／２）／（４−１／ ２）^０．５）１０^−３］＝１ｍｍ （２２） である。

【００５７】もし補償器４１が除去され、ビームスプリ
ッタ４０が入来ビームの側の全表面上において半反射的
になっていれば、補償された光軸を有するもう１つの可
能な構成が得られることに注意すべきである。図４の構
成のスペクトル分解能に関し、検出器に到達する放射の
スペクトル範囲が、適切なフィルタの使用によって、ま
たは光学装置の透過性によって、

【数２５】λ_１≦λ≦λ_２ に制限されているものと仮定する。

【００５８】ナイキストのサンプリング定理により、エ
イリアスを避けるためには、インタフェログラムはλ_１
／２より大きくないＯＰＤステップによってサンプリン
グされなくてはならない。例解のためには、これも２つ
の隣接検出器によって得られるＯＰＤの差であると仮定
しうる。１周期は１波長のＯＰＤ変化であるから、２つ
の隣接検出器素子が見るＯＰＤの最大の差は、

【数２６】λ_１／２ でなくてはならない。

【００５９】ここで、入射放射は、Ｉ_０の強度を有する
波数ｖおよびｖ＋Δｖの２つの線から成るものと仮定す
る。ｘのＯＰＤに対し結果として得られる強度は、

【数２７】 Ｉ（ｘ）＝０．５Ｉ_０（１＋２ｃｏｓ２πｖｘ）＋０．５Ｉ_０（１＋２ｃ ｏｓ２π（ｖ＋Δｖ））ｘ） （２３） となる。

【００６０】もし定数項を減算すれば、

【数２８】 Ｉ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）−Ｉ_０ ＝Ｉ_０［ｃｏｓ（２πｖｘ）＋ｃｏｓπ（ｖ＋Δｖ）ｘ］ ＝２Ｉ_０［２π（ｖ＋Δｖ）ｘ］ｃｏｓπΔｖｘ （２４） が得られる。

【００６１】レイリーの判断基準と同様に、もし比、

【数２９】Ｉ（ｘ）／Ｉ（０） が所定量、例えば０．９より小ならば、２つの線は「分
解された」ものと定める。これは、定められた分解能を
得るために必要なｘの最大値Ｘ_ｍａｘに対する条件を与
える。

【００６２】上記条件を満足するＸ_ｍａｘの値は、

【数３０】 ｃｏｓπΔｖｘ_ｍａｘ≦０．９ （２５） または、

【数３１】 ｘ_ｍａｘ≧０．１４３／Δｖ （２６） を満たす。

【００６３】ここで、アレイ内の検出器の総数をＮ_ｄと
すると、

【数３２】 ｘ_ｍａｘ≧Ｎ_ｄλ_１／_２ （２７） かつ、

【数３３】 Ｎ_ｄλ_１／２＝０．１４３／Δｖ （２８） または、

【数３４】 Δｖ＝０．２８６／（λ_２Ｎ_ｄ） （２９） となる。

【００６４】ｖ_２＝１／λ_１とすると、

【数３５】Δｖ／ｖ_２＝Δｖλ_２＝（０．２８６／
Ｎ_ｄ）（λ_１／λ_２） となる。

【００６５】数値例としては、もし、λ_１＝５μｍ、λ
_２＝２μｍ、かつＮ_ｄ＝１００ならば、

【数３６】Δｖ／ｖ_２＝０．７％ となる。

【００６６】要約すると、図４に示されている装置の独
自性は、ｉ）ＯＰＤが、干渉計への入来放射の入射角の
１次関数であるために、アレイの異なる検出器がそれを
異なるＯＰＤで見ること、といえる。この事実は、空間
的走査および適正な記録と組合わされると、それぞれの
画素のスペクトルのインタフェログラムまたはフーリエ
変換を、画像情報と同時に測定しうるようにする。非移
動形干渉計の場合における走査も、検出器アレイが１次
元的なものであるか、２次元的なものであるかにより、
それぞれ２次元的なものであるか、１次元的なものであ
りうる。

【００６７】図５は、図３のものと類似したマイケルソ
ン干渉計を含む画像分光計であるが、移動形のものを示
す。すなわち、そこではＯＰＤは、干渉計の素子の移動
に伴って変化する。図５の干渉計においては、源５０か
らの光は、光学的集光装置５１によって集められ、走査
ミラー５２上へコリメートされた後に、ビームを２アー
ム内へ分割するビームスプリッタ５３を通過する。１ア
ームは補償器５４およびミラー５５を含み、第２アーム
はミラー５６のみを含む。２ミラーからの光は、ビーム
スプリッタ５３および集束レンズ５７を経て検出器アレ
イ５８上へ送られる。

【００６８】図５のスペクトル画像装置において、もし
検出器アレイが直線的なものであれば、走査の方向は直
線的アレイの方向に対して垂直となり、走査ミラー５２
は被写界を１つの次元において走査する。もし検出器ア
レイが２次元的なものであれば走査器５２の必要はな
い。走査器５９ａは、ミラー５６とビームスプリッタ５
３との間の距離を制御する。伝統的なマイケルソン干渉
計に関し、ミラー５５を固定してミラー５６を走査すれ
ば、被写界内の全画素に対し、２アームのＯＰＤが同時
に変化せしめられる。同期を必要としないものを含め
て、多くの異なる走査構成が可能であり、一方、画像走
査器は、検出器アレイが１次元的なものであるか、また
は２次元的なものであるかによって、必要とされ、また
は必要とされない。

【００６９】図６ａは、本発明に従って構成された画像
分光計であるが、もう１つの形式の干渉計、すなわちＯ
ＰＤが入来放射の入射角によって変化する、非移動形の
改変されたサニャック干渉計を用いたものを示す。図４
に示されている画像分光計に関して前述したように、光
軸に対して小さい角をなして干渉計に入射するビーム
は、この角と共に直線的に変化するＯＰＤを生じる。

【００７０】図６ａの分光計内に示されている改変され
たサニャック干渉計は、Ｄ．Ｅ．Ｈｅｃｈｔ著、Ｏｐｔ
ｉｃｓ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓ
ｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，ｐ．３５９（１９８７）に
記載されているものである。この干渉計においては、全
画素の源６０からの全放射は、光学的集光装置６１によ
ってコリメートされた後、機械的走査器６２によって走
査される。光は次にビームスプリッタ６３を経て第１反
射器６４へ、さらに次に第２反射器６５へ送られ、第２
反射器６５は光を反射して、ビームスプリッタ６３を
経、さらに次に集束レンズ６６を経て、検出器アレイ６
７に到達せしめる。このビームは、６３によって反射さ
れ、次に６５によって反射され、最後に反射器６４によ
って反射されたビームと干渉する。１次元的アレイの場
合は２次元的走査が要求されるが、２次元的アレイの場
合は１次元的走査のみが要求される。

【００７１】１回の走査が終わると、ことごとくの画素
は、異なる時刻において異なる検出器により全ＯＰＤを
用いて測定され終わっており、従って、スペクトルはフ
ーリエ変換によって再構成されうる。光軸に平行なビー
ムは補償され、光軸に対して角（φ）をなすビームは、
ビームスプリッタ６３の厚さ、その屈折率、および角φ
の関数であるＯＰＤを生じる。このＯＰＤは、角が小さ
い場合はφに比例する。適切な変換を適用し、注意深い
記録を行えば、ことごとくの画素のスペクトルが計算さ
れる。

【００７２】図６ｂを参照すると、これは図６ａの装置
のわずかに改変されたものを示しており、装置の視野内
における、光軸上の中心ビームと、それに対してゼロで
ない角をなす他の平行ビームとを含むビームは、干渉計
に入射し、ビームスプリッタ６３によって２つのコヒー
レントビームに分割される。２つの分割されたビーム
は、ミラー６４および６５によって反射された後再結合
されて、集束レンズ６６によりそれらが集束される検出
器アレイ６７上に干渉パターンを作る。

【００７３】ここに説明されたさまざまな構成は、必要
な場合は、さまざまな形式の照明に適応するように改造
されうる。図６ｂは、この考え方を例解するために用い
られうる。例えば、蛍光放射の場合においては、源６０
を照明するのにレーザまたはＵＶランプ６８が用いられ
る。源６０から発射される誘発された蛍光スペクトル
は、次にスペクトル画像装置によって測定される。蛍光
の場合は、発射量は通常入射光と比較すると極めてわず
かなので、ノッチフィルタ６９が検出器アレイ６７の前
部、または任意の他の適切な位置に置かれることに注意
すべきである。

【００７４】ノッチフィルタ６９の機能は、散乱または
反射されたレーザまたはランプ自体の放射を阻止するこ
とである。この阻止は、望ましくない信号による検出器
アレイ６７のフラッディングを防止するために必要であ
る。ノッチフィルタ６９の機能は、反射または散乱され
たランプからの光をカットオフしうる任意の適切な形式
のフィルタによっても代行されうる。ＵＶランプの場合
は、通常はランプ自体が、サンプル上に入射する光のス
ペクトル範囲を制限するカットオフフィルタを含む。さ
らに、蛍光は通常は弱いので、測定のＳＮ比を増大させ
るために、冷却または強化された検出器アレイが使用さ
れうる。

【００７５】ラマン分光の適用においては、レーザ６８
が使用されること以外は、蛍光の場合と同様である。反
射解析の場合は、放射源は図６ｂと同様に置かれる。透
過解析の場合は、放射源は源６０の背後、すなわち図６
ｂにおける源６０の左方に置かれる。

【００７６】被写界と干渉縞との間の走査は、干渉計の
外部の走査器（移動被写界）を用いることによって、ま
たは干渉計自体を回転させること（移動縞）によって行
われうる。これは、図７を参照すると良く理解でき、そ
こでは、サニャック干渉計の入口において角θだけ回転
せしめられた任意の光線、例えば図示されている中心光
線が、出力において同じ角だけ回転せしめられることが
見られる。しかし、対応する分割されたビーム間のＯＰ
Ｄは変化する。

【００７７】同様にして、図８を参照すると、サニャッ
ク干渉計の角θだけの回転は、出力ビームを空間内で固
定されたままにするが、ＯＰＤを前と同量だけ変化させ
る。図６ａおよび図６ｂのサニャック構成においては、
ビームスプリッタに角βで入射した光線（図６ａではβ
＝６０°、図６ｂではβ＝４５°）は、ＯＰＤ＝０で干
渉計を通過するが、一般的な角β＝θで入射した光線は
次の方程式で与えられるＯＰＤを生じる。

【００７８】

【数３７】 ＯＰＤ（β，θ，ｔ，ｎ）＝ｔ［（ｎ^２−ｓｉｎ^２（β＋θ））^０．５− （ｎ^２−ｓｉｎ^２（β−θ））^０．５ ＋ ２ｓｉｎβｓｉｎθ］ （３０） ただし、β＝ビームスプリッタへの光線の入射角（図６
ａにおいては６０°、図６ｂにおいては４５°） θ＝光軸からの光線の角距離または中心位置に関するサ
ニャック回転角 ｔ＝ビームスプリッタの厚さ ｎ＝ビームスプリッタの屈折率 である。

【００７９】方程式（３０）は、次の１次方程式によっ
て近似されうる。

【数３８】 ＯＰＤ（β，θ，ｔ，ｎ）＝２ｔｓｉｎβ［１−（ｎ^２−ｓｉｎ２β）^{− ０．５} ｃｏｓβ］θ （３１）

【００８０】以下に述べることは、図４の構成および方
程式（２１）に対しても成立する。方程式（３０）から
は、中心位置に関して正負双方の角に走査することによ
り、ことごとくの画素に対する両側のインタフェログラ
ムを得ることができ、それが位相誤差の解消を助けて、
フーリエ変換の計算においてより正確な結果を与えるこ
とがわかる。走査の振幅は達成される最大のＯＰＤを決
定し、それは測定のスペクトル分解能に関連する。角ス
テップの大きさはＯＰＤステップを決定し、それはさら
に、装置が感度を示す最短波長によって定められる。事
実、ナイキストの定理によれば、このＯＰＤステップ
は、装置が感度を示す最短波長の半分より小さくなくて
はならない。

【００８１】考慮されるべきもう１つのパラメータは、
マトリックス内の検出器素子の限定された大きさであ
る。集束光学装置を経て該素子は、サニャック干渉計内
の限定されたＯＰＤを見、それはインタフェログラムを
方形関数でたたみ込む効果を有する。これは結果とし
て、短波長における装置の感度の低下をもたらし、それ
は素子が見るＯＰＤに等しいか、またはそれ以下である
波長に対してはゼロまで低下する。この理由により、変
調伝達関数（ＭＴＦ）条件が満足されること、すなわち
検出器素子が干渉計内に見るＯＰＤが、装置が感度を示
す最短波長より小であること、が保証されなくてはなら
ない。

【００８２】図９は、図５に示されているものに類似し
ているが、光が顕微鏡の対物レンズを経て反射器上に集
束されるように構成された、移動形のマイケルソン干渉
計を含むもう１つの画像分光計を示す。すなわち、図９
に示されている分光計は、光源７１と、物体７２ｂ上に
集束させるための、集光レンズ７２ａを含む顕微鏡の光
学装置７２を備えている。光学装置７２はさらに光を、
走査器７３を経、ビームスプリッタ７４を経て２つの反
射器７５および７６へ、さらに集束レンズ７７を経て検
出器アレイ７８上へ送るためのコリメータレンズ７２ｃ
を含む。図９の構成における検出器アレイ７８、また前
述の構成における検出器アレイは、ＣＣＤ（電荷結合デ
バイス）でありうる。

【００８３】走査器７３は、もし検出器アレイが１次元
的なものであれば、視野を１つの次元において走査す
る。もし検出器アレイが２次元的なものであれば、それ
は必要ない。反射器７５および顕微鏡光学装置は、光軸
に沿っていっしょに移動し、図５に関連して前述したよ
うに、走査器７３（もし存在すれば）と同期してＯＰＤ
の走査を行う。

【００８４】前述のように、ことごとくの画素に対する
ＯＰＤは、以下の２つの方法で走査されうる。 （１）干渉計が固定位置に保たれる固定形の干渉計が使
用され、被写界は光学的走査器によって走査される。検
出器アレイ内のそれぞれの検出器は焦点面上の位置に着
座し、そこからそれは固定されたＯＰＤによって放射を
見、そのＯＰＤは検出器毎に変化するので、被写界の走
査は、それぞれの画素が走査の終了時には全ての検出器
によって、従って全てのＯＰＤによって、見られること
を保証する。走査の終了時には、全画素に対してフーリ
エ変換が適用されうる。 （２）被写界が固定状態に保たれる移動形干渉計が使用
され、干渉計の素子または全干渉計自体が、それぞれの
検出器が常に同じ画素を、しかし異なる時刻には異なる
ＯＰＤを通して見るように、走査される。走査の終了時
には、全画素が全ＯＰＤを用いて測定され終わってい
る。従って、ことごとくの検出器によって測定された信
号関数に対してフーリエ変換が適用されうる。

【００８５】検出器が直線的アレイである場合は、もし
被写界全体が解析されるべきであれば、干渉計の走査に
対して被写界の光学的走査が追加されなくてはならな
い。線走査器の場合（被写界が領域ではなく線である場
合）には、干渉計以外の追加の光学的走査は必要ない
が、検出器アレイの次元性および使用される干渉計の形
式により多くの動作構成がありうる。

【００８６】いずれの方法が好ましいかの決定は、それ
ぞれの場合における特殊な要求および幾何学的制限に基
づくべきである。例えば、方法（１）においては、スペ
クトル分解能は、セットアップの幾何学的条件によって
許容される検出器数および全ＯＰＤの範囲によって制限
される。方法（２）においては、使用される干渉計の形
式によって、極めて大きいＯＰＤに達することが可能で
ある。達成されうるスペクトル分解能は、走査される最
大ＯＰＤが大きいほど大きくなるので、高分解能が要求
される時は第２の方法の方が適していることは明らかで
ある。

【００８７】図１０から図１５までの諸実施例は、第２
方法、すなわち被写界が固定され、ＯＰＤ走査が干渉計
の可動素子または干渉計自体によって行われる方法に、
また、被写界を固定状態に保ち被写界を横切って干渉縞
を走査するために、追加の補償走査器ミラー（片面また
は両面形）を有する固定干渉計に基づく第３方法に、基
づいている。第２および第３方法においては、光は移動
形干渉計を通過せしめられ、その場合、干渉計の素子ま
たは補償ミラー、または干渉計自体を移動させることに
よってＯＰＤが変化せしめられて光を変調し、それによ
って、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が、そ
れぞれの画素から発射される光のスペクトル内容の１次
結合（フーリエ変換）を見、またそれが被写界の異なる
画素を見るようになっており、また走査器が１回の走査
を完了した時完全な被写界が、スペクトル内容の、全て
の関係のある１次結合について走査され終わっているよ
うになっている。

【００８８】全てのこれらの方法において、もし検出器
アレイが直線的なものであれば、被写界はやはり１つの
次元において走査されなくてはならない。図面におい
て、図１０から図１５までは、第２方法の別の実施およ
び第３方法の２つの実施、すなわち被写界が固定状態に
保たれ、干渉縞が被写界を走査する場合を示している。

【００８９】図１０は、走査が画像を走査することによ
って行われる前述の方法（１）に基づくのではなく、前
述の方法（２）、すなわち干渉計の可動素子によって走
査を行う方法に基づく以外の点では、図６ａに示されて
いる改変されたサニャック干渉計と同様な形式の画像分
光計を示す。

【００９０】すなわち、図１０に示されている画像分光
計は、光学画像源１１０を含み、その全画素の全スペク
トル情報が、光学的集光装置１１１によってコリメート
された後、機械的走査器１１２により走査される点にお
いて、図６ａに示されているものと同様である。この走
査器は、検出器アレイが直線的なものであった場合にの
み必要とされる。もしそれが２次元的なものであれば、
この走査器はいらない。光は次にビームスプリッタ１１
３を経て第１反射器１１４へ、さらに次に第２反射器１
１５へ送られ、第２反射器１１５は光を、ビームスプリ
ッタ１１３を経、さらに次に集束レンズ１１６を経て、
検出器アレイ１１７へ反射する。しかし、図１０に示さ
れている装置においては、ビームスプリッタ１１３が光
路に対して垂直（かつ紙面に対しても垂直）な軸の回り
に回転せしめられて、走査を行う。すなわち、ビームス
プリッタのこの回転は、画素からのコリメートされたビ
ームが、それの集束される相手の検出器を変えることな
く、特定の検出器に到達するためのＯＰＤを変化せしめ
る。従って、光軸に対するビームスプリッタ角の走査
が、ことごとくの画素をあるＯＰＤ範囲によって走査さ
れるようにすることは明らかである。

【００９１】このようにして、上述の方法（２）（走査
が干渉計によって行われる）においては、検出器が置か
れた焦点面に着目すると、干渉計の形式によって、被写
界の画像が、いくつかの移動する干渉縞に重ね合わさ
れ、または明暗の被写界間で交互することがわかる。上
述の方法（１）（被写界走査形方法）においては、光学
的走査器が移動するのに伴い、被写界の画像は焦点面を
通って走査するが、縞はこの面上に静止したままになっ
ていることがわかる。従って、被写界のそれぞれの点は
焦点面上の異なるＯＰＤに対応する諸位置を通過する。
１回の走査の終了時には、それぞれの画素に対する全て
の必要な情報が収集される。従って、２方法の結果は同
様であるが、第２方法に基づく構成は、上述のようにい
くつかの利点を有する。

【００９２】図１１は、最大ＯＰＤを増大させ、従って
装置のスペクトル分解能を増大させる、光透過性材料か
らなる光学板１２８を含む点以外では、上述の図１０ま
たは図６のものと同様な画像分光計示す。この場合、光
学板１２８はビームスプリッタ１２３と第２反射器１２
５との間に置かれ、第２反射器１２５は第１反射器１２
４からの光を、ビームスプリッタ１２３を経、さらに次
に集束レンズ１２６を経て、検出器アレイ１２８へ反射
する。

【００９３】図１２は、第１反射器１３４、第２反射器
１３５、光学板１３８、ビームスプリッタ１３３、およ
び集束レンズ１３６を含めての検出器アレイ１３７が、
わずかに異なる方向を有する以外の点では、図１１のも
のと極めて類似した画像分光計を示す。

【００９４】図１３は、図５と同様の、マイケルソン形
干渉計を含む画像分光計を示す。しかし、この場合は、
２次元的検出器アレイ１４７が使用されており、従っ
て、図５に示されている装置におけるような２次元的走
査ではなく、１次元的走査で十分である。従って、図１
３においては、走査は走査器１４９ａによって制御され
るミラー１４６によって行われて、該ミラーとビームス
プリッタ１４３との間の距離を変化させ、それによって
ＯＰＤを変化せしめる。このようにして、図１３に示さ
れている装置は、図５に含まれている同期回路５９およ
び走査ミラー５２の必要性を回避している。

【００９５】図１４および図１５は、本発明のさらに別
の２つの実施例を示し、これらは図１０に示されている
実施例にまさる利点を有する。すなわち、回転するビー
ムスプリッタを備えたサニャック干渉計に基づく図１０
に示されている装置においては、縞間距離はビームスプ
リッタの角の関数として変化する。これは変換アルゴリ
ズムを不便なものにし、使用困難にする。しかし、図１
４および図１５に示されている実施例においては、縞
は、それらの間の距離を変えることなく画像を走査す
る。このようにして、一定した縞の距離が実現され、よ
り高いスペクトル分解能と、より容易なアルゴリズムと
が可能になる。

【００９６】図１４は、走査ミラー１５２およびビーム
スプリッタ１５３を含むサニャック干渉計に基づく装置
を示す。しかし、この場合は、ビームスプリッタ１５３
ではなく、走査ミラー１５２が、光軸に対して垂直（か
つ紙面に対しても垂直）な軸の回りに回転せしめられて
走査を行う。図１４に示されているように、ミラー１５
２は両面形ミラーである。

【００９７】図１５は、走査ミラー１６２が片面形のも
ので、図１４におけるミラー１５２のように回転せしめ
られることにより、ビームスプリッタ１６３を経てＯＰ
Ｄ走査を行う点以外では、図１４におけると同様な構成
を示す。図１４および図１５においては、干渉計は移動
形のものではないが、走査ミラーの特殊な配置によっ
て、移動形の場合におけると同様に働く。本発明のその
他の変形、改変、および応用は明らかであろう。

【００９８】

【発明の効果】このようにして、本発明に従って構成さ
れた画像分光計は、単に視野内のことごとくの画素から
来る光の強度を測定するのみでなく、あらかじめ定めら
れている波長範囲内におけるそれぞれの画素のスペクト
ルをも測定する。それらはまた、任意の与えられた時刻
において視野内のそれぞれの画素が発射する全放射をよ
り良く利用し、従って、フレーム時間の顕著な減少およ
び／または分光計の感度の顕著な増大を可能ならしめ
る。このような分光計は、異なる形式の干渉計および光
学的集光および集束装置を用いることができ、また医学
的診断への応用、地質学上および農学上の研究のための
遠隔検知、などを含むさまざまな応用に使用されうる。

【００９９】以上においては、本発明を限られた数の実
施例に関して説明してきたが、多くの変形、改変、およ
び本発明の他の応用がなされうることを認識すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の（従来技術の）スリット形画像分光計を
示す図。

【図２】本発明に従って構成された画像分光計の主要成
分を示すブロック図。

【図３】移動形干渉計、すなわち走査される厚さを有す
るヘァブリ・ペロー干渉計の使用に基づき、本発明に従
って構成された画像分光計を示す図。

【図４】図２の画像分光計内の非移動形干渉計として用
いられる、逆行反射器を有するマイケルソン干渉計を示
す図。

【図５】本発明の画像分光計内の干渉計として用いられ
るもう１つの移動形干渉計、すなわちマイケルソン形干
渉計を示す図。

【図６】ａは、本発明の画像分光計内に用いられるもう
１つの非移動形干渉計、すなわち改変されたサニャック
干渉計を示し、ｂは、本発明の画像分光計内に用いられ
るさらにもう１つの非移動形干渉計、すなわち改変され
たサニャック干渉計を示す図。

【図７】図６ａおよび図６ｂの干渉計のような干渉計へ
の入口における光縮の回転が、出力における光線をも同
じ角だけ回転させ、かつ対応する分割ビーム間のＯＰＤ
を変化させることを概略的に示す図。

【図８】図７に示されている効果と同じ効果が、干渉計
の回転によって実現されうることを概略的に示す図。

【図９】もう１つの移動形干渉計の例として、顕微鏡の
対物レンズを経てミラー上への集束が行われる、改変さ
れたマイケルソン画像分光計によって実施された本発明
を示す図。

【図１０】図６ａおよび図６ｂにおけるような改変され
たサニャック干渉計であるが、走査が干渉計の可動素子
によって行われるものを示す図。

【図１１】図６ａおよび図６ｂにおけるような干渉計で
あるが、ビームスプリッタに対して９０°をなす、光を
透過させる材料で作られた追加の光学板を有するものを
示す図。

【図１２】図１１の干渉計と同様の干渉計であるが、諸
成分は異なった方向を有し、追加の光学板１３８はビー
ムスプリッタに対してやはり９０°をなす図。

【図１３】図５に示されているものと同様のマイケルソ
ン形干渉計であるが、２次元的検出器アレイを有するも
のを示す図。

【図１４】図１０におけると同様のサニャック干渉計で
あるが、ビームスプリッタではなく走査ミラーを有する
ものを示す図。

【図１５】走査ミラーが片面形のものである点を除外す
れば図１４と同様の図。

【符号の説明】 ２０ 集光光学装置 ２２ 走査器 ２４ 干渉計または光路差発生器 ２６ 検出器アレイ ２８ 信号プロセッサおよびディスプレイ ３３ ヘァブリ・ペロー干渉計 ５３ ビームスプリッタ ５６ ミラー １１３ ビームスプリッタ １２８ 光学板 １５２ 走査ミラー １６２ 走査ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート エー．バックウォールド イスラエル国30 095 ラマト イシヤイ, ハダゴン １

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被写界の光学画像を解析してそのそれぞれ
   の画素のスペクトル強度を決定する方法であって、
   （ａ）該被写界からの入射光を集めるステップと、
   （ｂ）該光をして干渉計を通過せしめ、該干渉計をして
   それぞれの画素から発射された光のスペクトル強度の１
   次結合の所定の組に対応する変調された光を出力せしめ
   るステップと、（ｃ）該干渉計から出力された該光を検
   出器アレイ上に集束するステップと、（ｄ）該検出器ア
   レイの出力を処理してそのそれぞれの画素のスペクトル
   強度を決定するステップと、を含む、被写界の光学画像
   を解析してそのそれぞれの画素のスペクトル強度を決定
   する方法。
2. 【請求項２】前記干渉計が移動形のものであり、該干渉
   計における光路差が、該干渉計または該干渉計の素子を
   移動させることによって変化せしめられ、それによっ
   て、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が前記被
   写界の異なる点を見、その信号がそれぞれの画素から来
   る光のスペクトル内容の１次結合となるように、かつ走
   査器が１回の干渉計走査を完了した時に前記被写界が該
   スペクトル内容の全ての関係のある１次結合について走
   査され終わるように、光が変調され、前記検出器アレイ
   が２次元的なものである、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】前記干渉計が移動形のものであり、該干渉
   計における光路差が、該干渉計または該干渉計の素子を
   移動させることによって変化せしめられ、それによっ
   て、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が前記被
   写界の異なる点を見、その信号がそれぞれの画素から来
   る光のスペクトル内容の１次結合となるように、かつ走
   査器が１回の干渉計走査および１回の被写界走査を完了
   した時に前記被写界が該スペクトル内容の全ての関係の
   ある１次結合について走査され終わるように、光が変調
   され、前記検出器アレイが１次元的なものであり、前記
   光をして前記干渉計を通過せしめる前記ステップの前に
   前記光を１つの次元において走査するステップをさらに
   含む、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計お
   よびマイケルソン干渉計から成るグループから選択され
   る、請求項２記載の方法。
5. 【請求項５】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計お
   よびマイケルソン干渉計から成るグループから選択され
   る、請求項３記載の方法。
6. 【請求項６】前記光路差（ＯＰＤ）が、光路に対して垂
   直な軸の回りにビームスプリッタまたは前記干渉計を回
   転させることによって変化せしめられる、請求項２記載
   の方法。
7. 【請求項７】前記光路差（ＯＰＤ）が、光路に対して垂
   直な軸の回りにビームスプリッタまたは前記干渉計を回
   転させることによって変化せしめられる、請求項３記載
   の方法。
8. 【請求項８】前記ＯＰＤが、走査ミラーとビームスプリ
   ッタとの間の距離を変化させることによって変化せしめ
   られる、請求項２記載の方法。
9. 【請求項９】前記ＯＰＤが、走査ミラーとビームスプリ
   ッタとの間の距離を変化させることによって変化せしめ
   られる、請求項３記載の方法。
10. 【請求項１０】前記ＯＰＤが、走査ミラーを光路に対し
    て垂直な軸の回りに回転させることによって変化せしめ
    られる、請求項２記載の方法。
11. 【請求項１１】前記ＯＰＤが、走査ミラーを光路に対し
    て垂直な軸の回りに回転させることによって変化せしめ
    られる、請求項３記載の方法。
12. 【請求項１２】スペクトル分解能が、最大ＯＰＤを増大
    させる光透過性材料から成る光学板を前記光路内に配置
    することによって増大せしめられる、請求項６記載の方
    法。
13. 【請求項１３】スペクトル分解能が、最大ＯＰＤを増大
    させる光透過性材料から成る光学板を前記光路内に配置
    することによって増大せしめられる、請求項７記載の方
    法。
14. 【請求項１４】前記干渉計が非移動形のものであり、該
    干渉計における光路差が、入来光の入射角と共に変化
    し、それによって、それぞれの瞬間においてそれぞれの
    検出器が前記被写界の異なる点を見、その信号が該被写
    界の異なる点のスペクトル内容の異なる１次結合となる
    ように、かつ走査器が１回の走査を完了した時に前記被
    写界が該被写界のスペクトル内容の全ての関係のある１
    次結合について走査され終わるように、光が変調され、
    前記検出器アレイが２次元的なものであり、前記光をし
    て前記干渉計を通過せしめる前記ステップの前に前記光
    を１つの次元において走査するステップをさらに含む、
    請求項１記載の方法。
15. 【請求項１５】前記干渉計が非移動形のものであり、該
    干渉計における光路差が、入来光の入射角と共に変化
    し、それによって、それぞれの瞬間においてそれぞれの
    検出器が前記被写界の異なる点および該被写界の異なる
    点のスペクトル内容の異なる１次結合を見るように、か
    つ走査器が１フレームの走査を完了した時に該完全なフ
    レームが前記被写界のスペクトル内容の全ての関係のあ
    る１次結合について走査され終わるように、光が変調さ
    れ、前記検出器アレイが１次元的なものであり、前記光
    をして前記干渉計を通過せしめる前記ステップの前に前
    記光を２つの次元において走査するステップをさらに含
    む、請求項１記載の方法。
16. 【請求項１６】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項１４記載の方法。
17. 【請求項１７】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項１５記載の方法。
18. 【請求項１８】被写界の光学画像を解析してそのそれぞ
    れの画素のスペクトル強度を決定する装置であって、
    （ａ）該被写界からの入射光を集める手段と、（ｂ）干
    渉計と、（ｃ）該干渉計がそれぞれの画素から発射され
    た光のスペクトル強度の１次結合の所定の組に対応する
    変調された光を出力するように、前記入射光をして該干
    渉計を通過せしめる手段と、（ｄ）検出器アレイと、
    （ｅ）前記干渉計から出力された光を該検出器アレイ上
    に集束する手段と、（ｆ）前記検出器アレイの出力を処
    理してそのそれぞれの画素のスペクトル強度を決定する
    手段と、を含む、被写界の光学画像を解析してそのそれ
    ぞれの画素のスペクトル強度を決定する装置。
19. 【請求項１９】前記干渉計が移動形のものであり、該干
    渉計における光路差が、該干渉計または該干渉計の素子
    を移動させることによって変化せしめられ、それによっ
    て、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が前記被
    写界の異なる点を見、その信号がそれぞれの画素から来
    る光のスペクトル内容の１次結合となるように、かつ走
    査器が１回の干渉計走査を完了した時に前記被写界が該
    スペクトル内容の全ての関係のある１次結合について走
    査され終わるように、光が変調され、前記検出器アレイ
    が２次元的なものである、請求項１８記載の装置。
20. 【請求項２０】前記干渉計が移動形のものであり、該干
    渉計における光路差が、該干渉計または該干渉計の素子
    を移動させることによって変化せしめられ、それによっ
    て、それぞれの瞬間においてそれぞれの検出器が前記被
    写界の異なる点を見、その信号がそれぞれの画素から来
    る光のスペクトル内容の１次結合となるように、かつ走
    査器が１回の干渉計走査および１回の被写界走査を完了
    した時に前記被写界が該スペクトル内容の全ての関係の
    ある１次結合について走査され終わるように、光が変調
    され、前記検出器アレイが１次元的なものであり、前記
    光をして前記干渉計を通過せしめる前に前記光を１つの
    次元において走査することをさらに行う、請求項１８記
    載の装置。
21. 【請求項２１】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項１９記載の装置。
22. 【請求項２２】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項２０記載の装置。
23. 【請求項２３】前記干渉計が前記光路内にビームスプリ
    ッタを含み、該ビームスプリッタが前記ＯＰＤを変化さ
    せるために該光路に対して垂直な軸の回りに回転せしめ
    られる、請求項１９記載の装置。
24. 【請求項２４】前記干渉計が前記光路内にビームスプリ
    ッタを含み、該ビームスプリッタが前記ＯＰＤを変化さ
    せるために該光路に対して垂直な軸の回りに回転せしめ
    られる、請求項２０記載の装置。
25. 【請求項２５】前記干渉計が前記光路内に走査ミラーと
    ビームスプリッタとを含み、該走査ミラーと該ビームス
    プリッタとの間の距離が前記ＯＰＤを変化させるために
    変化せしめられる、請求項２０記載の装置。
26. 【請求項２６】前記干渉計が前記光路内に走査ミラーを
    含み、該走査ミラーが前記ＯＰＤを変化させるために該
    光路に対して垂直な軸の回りに回転せしめられる、請求
    項２０記載の装置。
27. 【請求項２７】前記干渉計が、最大ＯＰＤを増大させそ
    れによって前記装置のスペクトル分解能を増大させる光
    透過性材料から成る光学板を含む、請求項２３記載の装
    置。
28. 【請求項２８】前記干渉計が、最大ＯＰＤを増大させそ
    れによって前記装置のスペクトル分解能を増大させる光
    透過性材料から成る光学板を含む、請求項２４記載の装
    置。
29. 【請求項２９】前記干渉計が非移動形のものであり、該
    干渉計における光路差が、入来光の入射角と共に変化
    し、それによって、それぞれの瞬間においてそれぞれの
    検出器が前記被写界の異なる点を見、その信号が該被写
    界の異なる点のスペクトル内容の異なる１次結合となる
    ように、かつ走査器が１回の走査を完了した時に前記被
    写界が該被写界のスペクトル内容の全ての関係のある１
    次結合について走査され終わるように、光が変調され、
    前記検出器アレイが２次元的なものであり、前記光をし
    て前記干渉計を通過せしめる前に前記光を１つの次元に
    おいて走査することをさらに行う、請求項１８記載の装
    置。
30. 【請求項３０】前記干渉計が非移動形のものであり、該
    干渉計における光路差が、入来光の入射角と共に変化
    し、それによって、それぞれの瞬間においてそれぞれの
    検出器が前記被写界の異なる点および該被写界の異なる
    点のスペクトル内容の異なる１次結合を見るように、か
    つ走査器が１フレームの走査を完了した時に該完全なフ
    レームが前記被写界のスペクトル内容の全ての関係のあ
    る１次結合について走査され終わるように、光が変調さ
    れ、前記検出器アレイが１次元的なものであり、前記光
    か前記干渉計内へ入射する前に前記光を２つの次元にお
    いて走査する手段をさらに含む、請求項１８記載の装
    置。
31. 【請求項３１】前記干渉計が、ヘァプリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項２９記載の装置。
32. 【請求項３２】前記干渉計が、ヘァブリ・ペロー干渉計
    およびマイケルソン干渉計から成るグループから選択さ
    れる、請求項３０記載の装置。