(57)【要約】      （修正有）【課題】固有のＣＣＤ空間的分解能を保有でき、ＣＣＤアレイ直線ジオメトリーに合致する分解能を有し、歪みのない所望のスペクトルを光学的にイメージすることができる分光計を提供する。【解決手段】高分解能の収差補正同心分光計１１０は、非平行の複数の溝を有する凸面回折格子１００を含む。この凸面格子１００の複数の溝がフィールド収差を補正する。凸面回折格子１００の使用により本発明の分光計１１０を著しく分解能が向上した高精度スペクトルイメージングのものにすることが可能になる。平行でない複数の溝をもつ前記凸面回折格子１００を使用することにより、分光計１１０は、多用途に適した機能のものになる。【選択図】図５
2010181413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージを受けるレシーバーと、
前記レシーバーと光学的に通じている反射アッセンブリーと、
前記反射アッセンブリーと光学的に通じており、複数の溝を含む収差補正凸面回折格子と、
前記収差補正凸面回折格子と光学的に通じている検出器
を備え、
前記収差補正凸面回折格子は頂点を有し、
前記複数の溝は、前記収差補正凸面回折格子の前記頂点におけるタンジェンシャルな面に投影されると、カーブして非平行をなす、補正された同心分光計。
【請求項２】
前記レシーバーがスリットからなる、請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記レシーバーが調節可能である、請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
前記反射アッセンブリーが、第１の鏡を有しており、前記第１の鏡の第１の部分は、前記レシーバーと前記収差補正凸面回折格子に通じており、前記第１の鏡の第２の部分は、前記収差補正凸面回折格子と前記レシーバーに通じている、請求項１に記載の分光計。
【請求項５】
前記反射アッセンブリーが、前記レシーバーと前記収差補正凸面回折格子とに通じている第１の鏡、及び前記収差補正凸面回折格子と前記レシーバーとに通じている第２の鏡を含む、請求項１に記載の分光計。
【請求項６】
前記第１の鏡が球面である、請求項４に記載の分光計。
【請求項７】
前記第１の鏡と第２の鏡とが球面である、請求項５に記載の分光計。
【請求項８】
前記第１の鏡が凹面である、請求項６に記載の分光計。
【請求項９】
前記第１の鏡と第２の鏡とが凹面である、請求項７に記載の分光計。
【請求項１０】
前記第１の鏡が調節可能である、請求項４に記載の分光計。
【請求項１１】
前記第１の鏡と前記第２の鏡とが調節可能である、請求項７に記載の分光計。
【請求項１２】
前記収差補正凸面回折格子が凸面である、請求項１に記載の分光計。
【請求項１３】
前記レシーバーが、電荷結合デバイスカメラからなる、請求項１に記載の分光計。
【請求項１４】
前記複数の溝の少なくとも一部が、互いに等間隔になっている、請求項１に記載の分光計。
【請求項１５】
前記複数の溝の少なくとも一部が、等間隔になっていない、請求項１に記載の分光計。
【請求項１６】
前記複数の溝が、
凸状の表面を有する基板を設け、
前記複数の溝を、前記基板の凸状の表面内または表面上にエッチングするか、刻むか、機械的に線引きする
ことによって形成される、請求項１の分光計。
【請求項１７】
前記複数の溝を、前記基板の凸状の表面内または表面上に前記機械的に線引きすることが、ダイアモンドを用いて、前記凸状の表面内に前記複数の溝を機械的に線引きすることを含む、請求項１６の分光計。
【請求項１８】
凸状の表面、１つ以上の反射要素、及び１つ以上の光源を有する基板を設け、
前記基板の凸状の表面にフォトレジスト層を設け、
前記光源から前記反射要素に向けて送られた光が、前記反射要素によって反射されて、１組のカーブした平行または非平行の線からなる干渉パターンを生成するように、前記１つ以上の反射要素及び前記１つ以上の光源を配置し、
前記干渉パターンによって、前記基板の前記凸状の表面上の前記フォトレジスト層を露光し、
前記フォトレジスト層を現像する
ことによって、前記複数の溝が、前記基板の前記凸状の表面内または表面上に形成される、請求項１に記載の分光計。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の相互参照事項）
この出願は、１９９８年４月２９日に出願の仮出願第６０／０８３，４７１号の優先権を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）条に基づき主張するもので、これの記述をここに参考記述として組み入れるものである。
【０００２】
（連邦政府支援の研究又は開発に関する声明）
適用なし。
【０００３】
（発明の背景）
代表的な分光計は、シーン（情景）の分光イメージを提供するために使用されているものである。測定されるシーンは、コンベンショナルな望遠鏡イメージシステム又は類似物を経て入射スリットにそってイメージされる。該シーンの各特徴は、分光計により拡散され、その結果、該シーンの対応するスペクトルイメージがレシーバーに作られる。分光計は、等価の幾百のスペクトルを同時に測定しなければならない。各スペクトルは、隣り合うスペクトルを干渉してはならないもので、したがって高度の空間的及び高度の分解能（解像度）が要求される。市販の分光計の殆どのものには、フィールド曲率などのような光学収差が前記スリットのスペクトルイメージを歪ませてしまうようになるために、高度の空間的イメージング分解能に欠け、歪みが小さいものはない。大きな電荷結合検知器（ＣＣＤ）アレイの出現で、百万を越す極めて多数の分離した検知体（画素）でイメージをサンプルすることが可能になった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１７８５５７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N.C. DAS 他、 “Flatfield spectrograph using convex holographic diffraction grating and concavemirror”, Pramana, Vol. 27,Nos. 1-2, 1986年, pp. 171-192
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、固有のＣＣＤ空間的分解能を保有でき、前記ＣＣＤアレイ直線ジオメトリーに合致する分解能を有し、歪みのない所望のスペクトルを光学的にイメージすることができる分光計が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の概要）
高分解能の収差補正同心分光計には、非平行の複数の線を有する凸面回折格子が含まれている。この凸面格子のカーブした複数の線がフィールド収差を補正する。凸面回折格子の使用により、本発明の分光計は、著しく分解能が向上した高精度スペクトルイメージングを行うことが可能になる。平行でない複数の溝をもつ前記凸面回折格子を使用することにより、分光計は、多用途に適した機能のものになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術の分光計の略図。
【図２】従来技術の格子の略図。
【図３】図２の従来技術の格子のフォーメーションの略図。
【図４】この発明の補正された集光格子の略図。
【図５】この発明の補正された集光格子を含む分光計の略図。
【図６】補正された集光格子を含む分光計の追加の実施の態様の略図。
【図７】図５の補正された集光格子の形成方法の略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（発明の詳細な記述）
図１を参照すると、従来技術の分光計１０が図示されている。この分光計においては、イメージ８からの光がスリット２０を通過する。反射アッセンブリー３５の一部である第１の凹面鏡３０が前記スリット２０からの光を受ける。第１の鏡３０は、スリット２０から凸面回折格子６０に至る光路中にある。前記凸面回折格子６０は、第１の鏡３０で反射されたイメージを受ける。前記凸面回折格子により、第１の鏡３０から受けたイメージがスペクトルイメージ１４にスペクトル拡散される。反射アッセンブリー３５の第２の凹面鏡４０が凸面回折格子６０からのスペクトルイメージ１４を受け、このスペクトルイメージ１４をカメラ又は他のデバイスのＣＣＤアレイ（電荷結合デバイスアレイ）のような検知器５０へ向け反射する。
【００１０】
図２を参照すると、凸面回折格子６０の一部が図示されている。該格子６０には、複数の直線の溝６２が含まれており、これらの溝は、既知の技術を用いて前記格子６０の面にエッチングされ又は刻まれたものである。前記複数の溝６２は、前記格子の頂点に触れるタンジェンシャルな面へ投影される場合には、互いに概ね平行のもので、等しい間隔になっているものであるが、なかには、前記溝の間隔が互いに異なる間隔になっている場合もある。前記回折格子は、波長により光を空間的に拡散するために用いられる。前記格子へ入射した白色光線は、その複数の成分色に分離され、各色は、異なる方向にそって回折される。かくて図示の前記凸面回折格子６０は、前記格子へ与えられるイメージのスペクトル拡散に備えるものである。
【００１１】
上記した格子のフォーメーションは、二つの方法により形成できる。一つの方法は、ダイアモンド又は類似マテリアルを用いてガラス又はプラスチックのような基板の面に複数の線を機械的に線引きする。機械的線引きにより、断面が三角形又は階段状の形状の格子が作られるのが一般的である。
【００１２】
図３を参照すると、ホログラフィー格子又は干渉格子として知られている第２の方法により形成された格子の形態（フォーメーション）が図示されている。この方法においては、前記格子は、フォトレジストが表面コーティングされた基板又はブランクを付与することで形成される。レーザーのような間隔をおいた二つの光源又はレコーディングポイント７０，７２は、前記基板に投影されるそれらの光を有し、干渉パターン７５を作る。これによる干渉パターン７５は、複数一組みの直線の等間隔の線を備え、これらの線が前記フォトレジストに付与される。前記干渉パターンにより露光された前記フォトレジストを化学現像し、エッチングして、複数の等間隔の線からなる面レリーフを前記基板面に形成する。この方法においては、形成された格子の線すべてが同時に形成される。さらに加えて、前記の形成された格子は、機械的に線を引く手段により各線が個々に形成される階段状の形状の格子とは対照的にシヌソイド断面形状を有する。第１の格子又はマスター格子が一旦形成されれば、このマスター格子からキャスティング又は模写により付加の格子を作ることができる。格子製造の他の既知の技術もまた使用できる。
【００１３】
上記した回折格子を用いた分光計は、例えば、ブルースペクトルからレッドスペクトルへ広がる傾向があるスペクトルイメージを作ってしまう。その結果、前記スペクトルイメージは、隣り合うスペクトルイメージが重なり合い、解像度の損失を招く。この現象は、”キーストーニング”として知られている。
【００１４】
図４を参照すると、収差補正凸面回折格子１００が図示されている。この格子１００には、複数の曲がった代表的に平行になっていない溝１０２が含まれ、これら溝は、前記格子１００の面にエッチングされたものか、又は、刻まれたものである。曲がった平行ではない溝１０２を利用することで、付加的な光学パワーが与えられる。この付加的な光学パワーがイメージのスペクトル拡散におけるキーストーニングのような収差を補正すると同時に高い空間的なスペクトルイージング解像度及び低い歪みを与える。
【００１５】
図５を参照すると、補正された同心分光計１１０が図示されており。これは収差補正凸面回折格子１００を含むものである。図５の収差補正同心分光計の構成は、コンベンショナルな格子６０の代わりに収差補正凸面回折格子１００を置き換えた点を除いては、図１に図示のコンベンショナルな分光計の構成と同様のものである。
【００１６】
この分光計１１０においては、イメージ１２がスリット２０のようなレシーバーを介して受けられる。反射アッセンブリー３５の一部である第１の鏡３０が前記スリット２０からのイメージを受ける。前記第１の鏡３０は、前記スリット２０と前記の収差が補正された凸面回折格子１００との間の光路中にある。前記補正された凸面回折格子１００は、前記第１の鏡３０からの反射されたイメージを受ける。前記補正された凸面回折格子は、前記第１の鏡３０から反射されたイメージをスペクトルイメージ１６としてスペクトル拡散するもので、該スペクトルイメージは、光学収差がないものである。前記反射アッセンブリー３５の第２の鏡４０が前記収差補正凸面回折格子１００からのスペクトルイメージ１６を受け、このスペクトルイメージ１６をカメラ又は類似物のＣＣＤアレイ又はその他の検知器アレイのような検知器５０へ反射する。前記収差補正凸面回折格子１００を利用することによって、分光計１００は、キーストーニング作用を補正し、既知の分光計よりもはるかに優る高解像度が得られる。
【００１７】
前記収差補正同心分光計１００の個々のパーツを調節して、前記分光計において適切なアライメントにすることができる。前記スリット２０、前記反射アッセンブリー３５、前記収差補正凸面回折格子１００及び検知器５０を個々に調節し、前記イメージを受けるのに必要な適切なアライメントにすることができる。
【００１８】
図６を参照すると、第２の実施例の補正された同心分光計１２０が図示されている。図６の補正された同心分光計１２０の構成は、図５に図示のものと変わりはないが、この実施例においては、前記反射アッセンブリーが単一の鏡になっている。該鏡の第１の部分が前記スリット２０及び前記補正された凸面回折格子１００と通じており、前記鏡の第２の部分が前記補正された凸面回折格子１００及びレシーバー５０と通じている。
【００１９】
図７を参照すると、前記の補正された凸面回折格子は、補正されていない格子についての前記した方法とは対照的に異なる態様で形成されている。図４に示す収差補正回折格子を形成するのに必要な複数の平行ではない溝を機械的に作ることは可能であるが、収差補正回折格子を形成する好ましい方法を図示する。この方法においては、ブランク又は基板１００’は、その面にフォトレジスト層が形成されている。レーザーのような二つの間隔をおいた光源またはレコーディングポインツ７０，７２からの光が局面の反射要素７４により前記基板に投射される。前記二つの光源から反射された光が干渉パターンを作る。これによる干渉パターン７５は、カーブした等間隔の複数の線からなるもので、これらが前記フォトレジスト層に露光される。前記干渉パターンに露光された前記フォトレジスト層を化学的に現像すれば、カーブした等間隔の複数の線からなる面レリーフが前記基板に形成される。この方法においては、格子は、同時に形成され、シヌソイダル断面形状を有する。このようにして得られた収差補正凸面回折格子は、格子複製鋳型として使用できる。
【００２０】
前記レコーディングポインツ７０，７２の配置は、用途により定まる特定の分光計の条件に応じて定まる。それらの仕様が分かれば、前記レコーディングポインツは、例えば、”ＺＥ  Ｍａｘ”のようなレイトレーシングプログラムのようなメリットファンクションを使用して得られる。前記の鏡３０，４０の位置は、前記のメリットがある機能において可変であり、前記レイトレーシングアプローチの使用において調節可能で、前記メリットファンクションがある機能を前記仕様に最適に合致させる。前記レコーディングポインツ７０，７２を前記ポインツ７０．７２の焦点ポインツであるレコーディングポインツ７０’，７２’に置き換えることができ、ついで、前記格子面のフォトレジスト層を前記格子の背面を介して露光することができる。
【００２１】
以下に本発明の種々の実施形態を記す。
１．以下の構成からなる補正された同心分光計：
イメージを受けるレシーバー；
前記レシーバーと光学的に通じている反射アッセンブリー；
前記反射アッセンブリーと光学的に通じている収差補正凸面回折格子で、カーブした非平行の複数の溝を含む前記補正回折格子；及び
前記収差補正凸面回折格子と光学的に通じている検出器。
２．前記レシーバーがスリットを備える上項１の分光計。
３．前記レシーバーが調節可能である上項１の分光計。
４．前記反射アッセンブリーが第１の鏡、前記レシーバーと前記収差補正凸面回折格子とに通じている前記第１の鏡の第１の部分及び前記前記収差補正凸面回折格子と前記レシーバーとに通じている前記第１の鏡の第２の部分を備える上項１の分光計。
５．前記反射アッセンブリーが前記レシーバーと前記収差補正凸面回折格子とに通じている第１の鏡及び前記前記収差補正凸面回折格子と前記レシーバーとに通じている第２の鏡を備える上項１の分光計。
６．前記第１の鏡が球面である上項４の分光計。
７．前記第１の鏡と第２の鏡とが球面である上項５の分光計。
８．前記第１の鏡が凹面である上項６の分光計。
９．前記第１の鏡と第２の鏡とが凹面である上項７の分光計。
１０．前記第１の鏡が調節可能である上項４の分光計。
１１．前記第１の鏡と前記第２の鏡とが調節可能である上項４の分光計。
１２．前記収差補正凸面回折格子が凸面である上項１の分光計。
１３．前記レシーバーが電荷結合デバイスカメラを備える上項１の分光計。
１４．前記のカーブした複数の溝の少なくとも一部が互いに等間隔になっている上項１の分光計。
１５．前記のカーブした複数の溝の少なくとも一部が等間隔になっていない上項１の分光計。
【００２２】
この発明の好ましい実施の態様を記載したが、これらのコンセプトを組み入れた他の実施の態様も使用できることは、当業者にとり明らかなことである。したがって、この発明は、記載された実施の態様に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲のスピリットと範囲によってのみ限定されるべきものである。
【符号の説明】
【００２３】
１２  イメージ
２０  スリット（レシーバー）
３５  反射アッセンブリー
５０  検知器（検出器）
１００  凸面回折格子
１１０  分光計
【図１】
2010181413.tif 000003
【図２】
2010181413.tif 000004
【図３】
2010181413.tif 000005
【図４】
2010181413.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図５】
2010181413.tif 000009