(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受容された光をスペクトル分散するように構成されたスペクトル分散光学素子と、
前記スペクトル分散された光を調節可能に偏向するための、レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタと、
前記スペクトル分散され且つ調節可能に偏向された光を受容するための検出器アレイと
を含み、
前記レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタは、機械的調節の角度を１０分の１未満の光学的調節の角度にレバレッジするように構成され、
前記レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタは少なくとも１つの回転可能な楔形光学板を含み、該少なくとも１つの回転可能な楔形光学板は前記検出器アレイに対する前記スペクトル分散された光の横方向のミスアライメントを補償又は制御するために大きな機械的調節を前記スペクトル分散された光の偏向角の小さな光学的調節に直接変換するように構成される、分光計。
【請求項２】
前記受容された光が、戻り画像ビーム及び参照ビームから組み合わされた干渉ビームを含む、請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記スペクトル分散光学素子は、プリズム、グレーティング、波長依存性の屈折率を有する光学素子、波長依存性の透過特性を有する光学素子、及び波長依存性の偏向特性を有する光学素子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
前記検出器アレイは、線形センサ・アレイ、二次元センサ・アレイ、及び検出器カメラのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の分光計。
【請求項５】
前記レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタは、調節可能な透過特性及び調節可能な反射特性のうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む、請求項１に記載の分光計。
【請求項６】
前記光学的調節の角度に対する前記機械的調節の角度の比が１００を超える、請求項１に記載の分光計。
【請求項７】
前記光学的調節の角度に対する前記機械的調節の角度の比が１００よりも小さい、請求項１に記載の分光計。
【請求項８】
前記受容された光を平行光に変換するコリメータと、
前記スペクトル分散された光を前記検出器アレイ上に集束して画像化する集束レンズと
を含む画像化分光計である、請求項１に記載の分光計。
【請求項９】
前記デフレクタの偏向調節範囲と関連付けられた第１検出器ビーム位置範囲が、当該分光計の構成部品の累積的な位置許容範囲と関連付けられた第２検出器ビーム位置範囲を超える、請求項１に記載の分光計。
【請求項１０】
前記デフレクタの偏向調節範囲と関連付けられた第１検出器ビーム位置範囲が、前記分光計の作動検出器ビーム位置範囲を超える、請求項１に記載の分光計。
【請求項１１】
前記レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタに起因する作動ビームミスアライメントが、前記検出器のミスアライメントの許容差よりも小さい、請求項１に記載の分光計。
【請求項１２】
前記調節可能なデフレクタは、前記検出器のアスペクト比よりも大きい角度方向のミスアライメントを導入することなく、前記スペクトル分散された光の横方向のミスアライメントを補償するように構成される、請求項１に記載の分光計。
【請求項１３】
既知の波長の光を使用して当該分光計のセンサを再較正することによって、長手方向のミスアライメントの補償を可能にするように構成される、請求項１に記載の分光計。
【請求項１４】
干渉光を受容して、該干渉光のスペクトル成分を横方向に分離することによって干渉光のシートを生成するように構成されたスペクトル分解器と、
種々のセンサによって前記干渉光のシートの種々のスペクトル成分を検出するためのセンサ・アレイと、
前記光のシートと前記センサ・アレイとのアライメントを制御するための、レバレッジ型の調節可能なアライメントコントローラであって、機械的調節の角度を１０分の１未満の光学的調節の角度にレバレッジするように構成されるレバレッジ型の調節可能なアライメントコントローラと
を含み、
前記レバレッジ型の調節可能なアライメントコントローラは少なくとも１つの回転可能な楔形光学板を含み、該少なくとも１つの回転可能な楔形光学板は前記センサ・アレイに対する前記干渉光のシートの横方向のミスアライメントを補償又は制御するために大きな機械的調節を前記干渉光の偏向角の小さな光学的調節に直接変換するように構成される、スペクトル領域光コヒーレンス・トモグラフィ（ＳＤ−ＯＣＴ）装置。
【請求項１５】
分光計であって、
画像光のスペクトル成分を横方向に分散するためのスペクトル分散器と、
前記画像光のスペクトル成分を検知するためのセンサ・アレイと、
当該分光計の素子の位置変化による累積的なビーム位置ミスアライメントを補償することができる光学的レバレッジ型のアライメントコントローラであって、機械的調節の角度を１０分の１未満の光学的調節の角度にレバレッジするように構成される光学的レバレッジ型のアライメントコントローラと
を含み、
前記光学的レバレッジ型のアライメントコントローラは少なくとも１つの回転可能な楔形光学板を含み、該少なくとも１つの回転可能な楔形光学板は前記累積的なビーム位置ミスアライメントを補償するために大きな機械的調節を前記画像光の偏向角の小さな光学的調節に直接変換するように構成される、分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、2010年10月14日付けで出願された米国特許出願第12/904,681号明細書の優先権を35 U.S.C. §119に基づいて主張する。この出願の全内容は参照によって本明細書の一部を構成する。
【０００２】
本特許文献は、調節可能なデフレクタ（deflector）を有する分光計を記載する。より詳細には、本特許文献は、分光計であって、そのアライメントが光コヒーレンス・トモグラフィにおける潜在的な利用のために調節可能なデフレクタによって制御される分光計について論じる。
【背景技術】
【０００３】
スペクトル領域光コヒーレンス・トモグラフ（ＳＤ−ＯＣＴ）は、比較的広帯域の光源の光を参照光と画像光とに分割して、ターゲットからの戻り画像光を、例えば参照ミラーからの戻り参照光と干渉させることによって、ターゲット領域を画像化する。次いで、この干渉光又は画像光はスペクトル分解され、スペクトル成分は検出器内のセンサ又はセンサ・アレイに投影又は伝送される。ＳＤ−ＯＣＴは、個々のセンサによって検知された干渉光のスペクトル成分をフーリエ変換することによって、特定のｘｙ横方向位置と基本的に同時にｚ深さ範囲においてターゲットを画像化する。例えば時間領域タイプのより伝統的なＯＣＴシステムは、ｚ走査を実施することによってｚ深さ範囲を画像化し、その結果、処理速度がかなり遅くなる。ＳＤ−ＯＣＴをｘスキャナ、ｙスキャナ、線形スキャナ（linear scanner）、又はｘｙスキャナと組み合わせると、ターゲット領域又は体積全体の二次元又は三次元画像を、著しく高い速度及び分解能で形成することができる。
【０００４】
しかしながら、ＳＤ−ＯＣＴの高性能速度及び高分解能の画像化は典型的には、光源の帯域幅、光学系の分解能及び集光効率、並びにこれらの検出器アレイの読み出し速度を含む、大抵の仕様パラメータに亘る高度に正確な制御によって達成される。
【０００５】
ＳＤ−ＯＣＴの１つのクラスは、これらの要件を満たすために、回折限界性能を有する高開口数の画像化分光計を利用する。これらの装置は、検出器として線形センサ・アレイをしばしば使用する。なぜならば、これらセンサは、二次元アレイを成して配列されたセンサよりも高い読み出し速度を可能にし、しかもなお、妥当な速度でターゲット体積を走査できるからである。通常の広帯域光源のスペクトルを高い精度で分解するのに適した典型的な線形センサ・アレイは、線形配列内に１，０００以上の画素を含有することがある。現在、個々の画素又はセンサのサイズは１０×１０ミクロン〜２０×２０ミクロンの範囲内である。しかし、これら個々の画素の小さなサイズは、ＳＤ−ＯＣＴの潜在的な高解像度を実現するために、画像ビームのアライメントに大変な難題をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＤ−ＯＣＴ装置の分光計は、典型的には、単一モードの光ファイバから画像光又は干渉光を受容する。分光計はこの干渉光をそのスペクトル成分にスペクトル分解又はスペクトル分散して、これら成分をその検出器の個々のセンサへ伝送する。検出された画像光成分をフーリエ変換して分析することによって、ターゲットの画像を構成する。
【０００７】
上述のように、線形センサ・アレイを備えた検出器は、効率的に且つ高速で画像化を行う潜在能力を有している。これら線形アレイ検出器の潜在能力を実現するために、分光計のスペクトル分解素子は、分解されたスペクトルを、１０〜２０ミクロン幅の画素線上に投影する。この仕様は、分光計の光学素子を十分に高い精度でアライメントすることによって達成されることができる。指定される角度方向のアライメント精度はミリラジアン又はｍｒａｄのオーダーである。これは、光学ステージ又は光学素子を機械的に調節して回転させることによって達成されることができる。一方、横方向のアライメントの精度は１桁分高い精度を必要とすることがある。なぜならば、スペクトル分解素子と検出器との間の光路の長さによって、横方向のミスアライメントが悪化するからである。
【０００８】
これら高精度なアライメントを達成するために、分光計は、横方向のアライメントの所要精度を達成するために、組み立て中に微調整されることのできる調節可能又は移動可能な光学素子を利用することができる。また、これら調節可能な素子を有する分光計は、定期的に計画されたメンテナンス中の修正調節の可能性を提供する。しかしながら、調節可能な素子は、一旦分光計が作動中になると、ミスアライメントして最適なアライメントからより容易にドリフトするおそれがあり、ひいてはテスト及びリセットのための技術的支援をしばしば必要とすることになる。医療用途におけるような、高度技術環境から離れて使用される分光計の重要な事例では、斯かるシステムの過剰な休止時間及び不便は言うまでもなく、分光計のアライメントを短い時間間隔又は不定期の時間間隔で試験し且つリセットするための技術支援が直ぐには利用できないことがしばしばある。
【０００９】
一方、固定された調節不能のステージを使用してこれら難題に対して先手を打とうと試みる分光計の設計は、より詳細に下述されるような横方向のアライメントの許容不能な低い精度の問題に直面する。これら相反する要件は、分光計の設計を最適化する際に難題をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本特許文献に記載された分光計の種々の実施態様は、これら設計上の難題に対する解決手段を提供できる態様で、センサ・アレイとの改善されたアライメントをもたらすので有利である。具体的には、分光計の種々の実施態様は、画像光及び他のタイプの光の調節可能な偏向を可能にし、このことはセンサ・アレイとのアライメントを改善することができる。
【００１１】
いくつかの実施態様の場合、分光計が、受容された光をスペクトル分散するように構成されたスペクトル分散光学素子と、スペクトル分散された光を調節可能に偏向するための、レバレッジ型光学部(leveraged-optics)の調節可能なデフレクタと、スペクトル分散され且つ調節可能に偏向された光を受容するための検出器アレイとを含むことができる。受容された光は、戻り画像ビーム及び参照ビームから組み合わされた干渉ビームを含む。
【００１２】
いくつかの実施形では、スペクトル分散光学素子は、プリズム、グレーティング、波長依存性の屈折率を有する光学素子、波長依存性の透過特性を有する光学素子、又は波長依存性の偏向特性を有する光学素子を含むことができる。いくつかの実施形では、検出器アレイは、線形センサ・アレイ、二次元センサ・アレイ、又は検出器カメラのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１３】
いくつかの実施形では、レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタは、調節可能な透過特性又は調節可能な反射特性を有する光学素子を含み、且つ、機械的調節をより小さな光学的調節に光学的にレバレッジすることによって調節可能である。いくつかの実施形では、光学的調節の角度に対する機械的調節の角度の比は、１０を超え、他の実施形では１００を超えることができる。いくつかの実施形では、光学的調節の角度に対する機械的調節の角度の比は５よりも大きく且つ１００よりも小さい。調節可能なデフレクタは少なくとも１つの回転可能な楔形光学板を含むことができる。
【００１４】
いくつかの実施形では、分光計は、受容された光を平行光に変換するコリメータと、スペクトル分散された光を検出器アレイ上に集束して画像化する集束レンズとを含む画像化分光計である。
【００１５】
いくつかの実施形では、デフレクタの偏向調節範囲と関連付けられた第１検出器ビーム位置範囲が、分光計の構成部品の累積的な位置許容範囲と関連付けられた第２検出器ビーム位置範囲を超える。いくつかの実施形では、デフレクタの偏向調節範囲と関連付けられた第１検出器ビーム位置範囲が、分光計の作動検出器ビーム位置範囲を超える。いくつかの実施形では、レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタに起因する作動ビームミスアライメントが、検出器のミスアライメントの許容差よりも小さい。いくつかの実施形では、調節可能なデフレクタは、検出器のアスペクト比よりも大きい角度方向のミスアライメントを導入することなく、スペクトル分散された光の横方向のミスアライメントを補償するように構成される。
【００１６】
いくつかの実施形では、分光計は、既知の波長の光を使用して分光計のセンサを再較正することによって、長手方向のミスアライメントの補償を可能にするように構成される。
【００１７】
いくつかの実施形では、スペクトル領域光コヒーレンス・トモグラフィ（ＳＤ−ＯＣＴ）装置が、干渉光を受容して、干渉光のスペクトル成分を横方向に分離することによって、干渉光のシートを生成するように構成されたスペクトル分解器と、種々のセンサによって干渉光のシートの種々のスペクトル成分を検出するためのセンサ・アレイと、光のシートとセンサ・アレイとのアライメントを制御するための、レバレッジ型の調節可能なアライメントコントローラとを含むことができる。アライメントコントローラは回転可能な楔形プリズムを含むことができる。
【００１８】
いくつかの実施形では、分光計が、画像光のスペクトル成分を横方向に分散するためのスペクトル分散器と、画像光のスペクトル成分を検知するためのセンサ・アレイと、分光計の素子の位置変化による累積的なビーム位置ミスアライメントを補償することができる光学的レバレッジ型のアライメントコントローラとを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は分光計を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、分光計の線形センサ・アレイ上に投影された、最適にアライメントされたスペクトル分散光を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、角度方向・横方向のミスアライメント状態のスペクトル分散光を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａはミスアライメントの基本タイプを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂはミスアライメントの基本タイプを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃはミスアライメントの基本タイプを示す。
【図４Ａ】図４Ａは、アライメントが調節可能なデフレクタで制御される分光計の実施態様を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、アライメントが調節可能なデフレクタで制御される分光計の実施態様を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、アライメントが調節可能なデフレクタで制御される分光計の特定の実施態様を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、アライメントが調節可能なデフレクタで制御される分光計の特定の実施態様を示す。
【図６】図６は、回転楔の回転に伴う、横方向にミスアライメントされたスペクトルの変遷を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本特許文献における実施形及び実施態様は、分光計の高精度なアライメント及び長期安定性という上記競合的な要件に対する改善手段を提供する。
【００２１】
上述のように、調節可能な光学素子をアライメントステージ内に取り付けることによって、分光計において高精度なアライメントに達することができる。しかしながら、これら素子が分光計の通常作業過程中でさえ調節可能である以上、これら調節可能な素子は、元の位置及び設定から離れる方向にドリフトし、回転し、且つ変形し始め、ミスアライメントを導入するおそれがある。これらミスアライメントは分光計の精度にとって有害であり且つ分光計の長期安定性を徐々に損なう。
【００２２】
分光計の安定性は、光学素子を固定マウント内に結合又は機械的にクランプすることによって増大させることができる。一方、分光計組み立て中の固定マウントの取り付けは、光学素子のアライメント精度を制限する。代表例において、光学素子を分光計内へ、少なくとも部分的に手作業で取り付ける場合には、その位置は百ミクロンの規模の精度で制御され得る。分光計がいくつかの光学素子を含むのに伴って、ビーム位置の累積のミスアライメント又は許容誤差は数百ミクロン、場合によっては最大１，０００ミクロンに達し得る。検出器アレイ内の個々のセンサの物理的な大きさは約１０〜２０ミクロンであるため、結合された光学素子の組み立て誤差に起因する数百ミクロンのミスアライメントは、分光計の効率を実質的に低下させ、場合によっては、分光計自体の機能を脅かしさえする。従って、結合された分光計の高い長期安定性は、分光計の組み立て中に生じるミスアライメントの増大された問題の代償として成り立つ。
【００２３】
図１は、典型的な分光計１０の例に基づく上記問題点を示している。分光計１０は、画像光又は干渉光１１を受容して、画像光又は干渉光１１をコリメータ又はコリメーティング・レンズ１３を通して透過させることができる。コリメータ又はコリメーティング・レンズ１３は、受容された光を平行な光線に変換する。コリメートされた光線はスペクトル分散素子１５に達することができる。この素子１５は、光線のスペクトル成分を横方向に拡散し、これらを集束レンズ１７に再指向する。集束レンズはこれらを検出器１９上に画像化又は集束する。
【００２４】
分光計は画像化カテゴリと非画像化カテゴリとに分類されることができる。画像化分光計は、典型的には、点様光源からの光を受容し、これをその検出器上の点に画像化する。このような点様光源は光ファイバの先端であり得る。非画像化分光計は、典型的には、スリットの形態の光を受容し、これを線としてその検出器に移動させる。
【００２５】
用語の上で、画像化のターゲットに関する画像情報を担持することを表すために光が画像光と呼ばれるのに伴って、上記画像光は、画像化分光計又は非画像化分光計によって受容された光を意味し得る。ここに記載された設計原理は、画像化分光計及び非画像化分光計の双方において実施されることができる。
【００２６】
図２Ａ〜Ｂは、スペクトル分散された光線が光のシートを形成することができ、そこで光のスペクトル成分が横方向に拡散する形で伝搬することを示している。横方向拡散スペクトルは、光源の帯域幅に相応してλ（ｍｉｎ）からλ（ｍａｘ）までの波長を有する光線を含有する。この光のシートはセンサ・アレイ上に投影されることができる。図示の例では、アレイは線形センサ・アレイ１９である。この線形センサ・アレイは、ｘｙターゲット位置と事実上同時にｚ深さ範囲の画像データを収集し、ひいては良好な処理及び読み出し速度を提供する。
【００２７】
光のシート又は横方向拡散スペクトルは、回折限界幅を有するラインＳで線形センサ・アレイの平面と交差する。図２Ａは、良好にアライメントされた分光計１０を示している。ここでは、横方向拡散スペクトルＳ（アライメント）は、線形センサ・アレイ１９にアライメントされている。線形センサ・アレイ１９はｓ１からｓＮまでのＮ個のセンサを含むことができる。典型的な分光計において、Ｎは約１０００以上であってよい。光のスペクトル成分は、Ｍ＜Ｎの小さな波長間隔に分解されることになる。その幅Δλは特に、個々のセンサの空間的な幅によって決定される。上記量は、近似的関係ＭΔλ〜［λ（ｍａｘ）−λ（ｍｉｎ）］を介して関係づけられることができる。
【００２８】
図２Ｂは、典型的なミスアライメントされた分光計を示している。ここでは横方向拡散スペクトルは、傾斜又は回転したラインＳにおいて線形センサ・アレイ１９の平面と交差している（ミスアライメント）。このミスアライメントされた分光計では、センサの一部は、入射した横方向拡散スペクトルを検知できるが、拡散スペクトルのかなりの部分は線形センサ・アレイの的から全体的に外れる。
【００２９】
ミスアライメントの主な原因のうちのいくつかは、組み立てプロセスの制限された精度を含む。しばしば光学素子の取り付けは手作業による工程及び操作を伴う。手作業による取り付け工程の不正確さ又は許容誤差に起因するセンサ・アレイにおけるビーム位置のミスアライメントは、１００ミクロンのオーダーであり得る。分光計の個々の光学素子に起因する誤差は１，０００ミクロンのオーダーの累積誤差まで蓄積し得る。
【００３０】
別の潜在的なミスアライメント源は、分光計の変化する作動条件である。温度変化は光学素子位置のドリフトを引き起こすおそれがある。画像化装置全体のハウジングの機械応力、剪断及びねじれが、光学素子の相対的な誤配置又は回転を引き起こすこともある。
【００３１】
図３Ａ〜Ｃは、少なくとも３つのタイプのミスアライメントがあることを示している。図２Ｂの包括的なミスアライメントは、典型的には、これら３つのミスアライメントの重ね合わせに分解されることができる。
【００３２】
図３Ａは、拡散スペクトルＳと線形センサ・アレイのラインとの間のミスアライメント角度αによって特徴づけられる角度方向のミスアライメント又は回転方向のミスアライメントを示している。
【００３３】
このような角度方向のミスアライメントは、拡散スペクトルＳが線形センサ・アレイとアライメントして、最も外側の波長λ（ｍｉｎ）及びλ（ｍａｘ）さえもアレイのセンサ上に位置するようにすると最小化又は排除されることができる。約１，０００の個々のセンサ又は画素を有するセンサ・アレイの場合、これは、約１/５００未満、又は２ミリラジアン（ｍｒａｄ）未満のαに換算される。分光計が手作業で組み立てられ且つ操作される場合でも、光学素子の角度方向のアライメント精度１〜２ｍｒａｄを達成することができる。
【００３４】
図３Ｂは、長手方向のミスアライメントを示している。これは、拡散スペクトルＳが線形センサ・アレイとの良好な角度方向のアライメント状態を有してはいるが、スペクトル成分の波長が、線形センサ・アレイ１９に沿った検出器ビーム位置Δ(long)の距離だけシフトされていることを特徴としている。この場合、「検出器ビーム位置」は、「検出器におけるビームの位置」の略語である。このような長手方向のミスアライメントは、例えば光学素子を、僅かにシフトされた位置にうっかり取り付けたことに起因し得る。このシフトに起因して、特定のスペクトル成分又は波長成分λ(spec)が、この特定波長成分λ(spec)を検知するように名目上意図されたセンサから線形アレイに沿ってΔ(long)の距離だけ離れたところでセンサに導かれることになり得る。
【００３５】
このような長手方向のミスアライメントも、例えば下記ステップによって最小化又は排除されることができる。（ａ）既知の特定波長λ(spec)を有する光を分光計上に投影することができ；（ｂ）既知の特定波長λ(spec)の検知を報告するセンサｓ(spec-sensing)のインデックス/ラベル/位置を記録することができ；（ｃ）特定波長λ(spec)を実際に検知するセンサｓ（spec-sensing)と、この特定波長λ(spec)を検知するように名目上設計されたセンサｓ(spec-design)との間の距離Δ(long)を割り出すことができ；そして（ｄ）個々のセンサｓ（ｉ）のラベル/位置と、これらのセンサによって検知されたスペクトル成分の波長との間の対応関係又はルックアップテーブルを、センサ・アレイ１９全体に沿ったこの測定Δ(long)に従って再較正することができる。いくつかの事例ではこれを目的として、水銀、ナトリウム、又は不活性ガスランプを含む、スペクトルランプ又は既知の原子スペクトルを有する他の光源を使用することができる。
【００３６】
図３Ｃは、横方向のミスアライメントを有する拡散スペクトルＳを示している。ここで拡散スペクトルＳ又は光のシートは、センサ・アレイ１９から距離Δ(lat)を置いて、線状センサ・アレイ１９の平面と交差している。線形アレイの横方向の広がりが１０ミクロンのオーダーであり、そしてスペクトル分散素子１５と検出器１９とを分離する典型的な距離が０．１メートル＝１００，０００ミクロンのオーダーであるので、スペクトル分散素子１５が１０ミクロン/１００，０００ミクロン＝０．１ｍｒａｄの角度方向の精度でアライメントされると、横方向のミスアライメントΔ(lat)は最小化又は排除されることができる。
【００３７】
この０．１ｍｒａｄという精度は、前述の角度方向のミスアライメントを排除できる１ｍｒａｄ精度よりも厳密な指標である。このような０．１ｍｒａｄという精度は、組み立てが手作業の操作を伴う分光計について、典型的には到達不可能である。
【００３８】
図４Ａ〜Ｂは、センサ・アレイとの改善されたアライメントを有利に提供することができる分光計のいくつかの実施態様を示している。
【００３９】
図４Ａは、スペクトル分散光学素子１２０と、レバレッジ型光学部（leveraged-optics）の調節可能なデフレクタ１４０と、検出器又はセンサ・アレイ１６０とを含む分光計１００の実施態様を示している。
【００４０】
スペクトル分散光学素子１２０は、コリメートされた画像光を受容して、この受容された画像光をスペクトル分散するように構成されることができる。戻り画像ビーム及び参照ビームから組み合わされた画像光又は干渉ビームは、スペクトル領域光コヒーレンス・トモグラフィ（ＳＤ−ＯＣＴ）装置のビーム・スプリッタから受容されることができる。
【００４１】
ＳＤ−ＯＣＴ装置との関連における用途について本特許文献ではより詳細に説明するが、分光計１００は他の光学システムにおける幅広い利用分野を有することもできる。また、分光計は画像化タイプ又は非画像化タイプであってもよい。
【００４２】
スペクトル分散光学素子１２０は、プリズム、グレーティング、波長依存性の屈折率を有する光学素子、波長依存性の透過特性を有する光学素子、又は波長依存性の偏向特性を有する光学素子を含むことができる。
【００４３】
検出器又はセンサ・アレイ１６０は、スペクトル分散されて調節可能に偏向された光を受容するように構成されることができる。センサ・アレイ１６０は、画素、電荷結合検出器（ＣＣＤ）、又は検出された光に基づいて電気信号を生成する任意の他のタイプのセンサから成るアレイを含むことができる。検出器１６０は、二次元センサ・アレイ及び検出器カメラを含むこともできる。
【００４４】
センサ・アレイ１６０を含む分光計１００の全ての光学素子は、永久的に移動不可能なステージ内に結合され又はロックされることができる。このような結合設計は、分光計の良好な長期安定性及びその性能を保証する。とはいうものの上述のように、結合された素子を有する分光計の場合、スペクトルＳを線形センサ・アレイ１６０上に案内し、そしてスペクトルＳを線形センサ・アレイ１６０とアライメントすることは難しい場合がある。なぜならば、組み立てプロセスの不正確さによって導入される、マウント、結合部、及びロック/クランプ処置の機械的変動は、線形センサ・アレイ１６０の画素の高さ又は幅を超えて、検出器におけるビーム位置を動かし得るからである。上記のように、実際にはビームが画素幅の数倍だけ動かされ又はオフセットされることがあり、組み立て及び較正に著しい難題をもたらす。個々の光学素子の変動から蓄積する累積誤差及び結果として生じる横方向のミスアライメントΔ(lat)は、合計すると数百ミクロンになることがあり、一方、個々の画素の幅は典型的には１０〜２０ミクロンに過ぎず、ここでもまた、分光計１００の横方向のアライメントの難しさが強調される。
【００４５】
図４Ａに示すように、分光計１００においてこの設計上の難題は、レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタ１４０を含むことによって対処することができる。デフレクタ１４０は、スペクトル分散された光を調節可能に偏向するように構成されることができる。
【００４６】
レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタ１４０の特徴は、（ａ）機械的調節がレバレッジされることと、（ｂ）レバレッジング（leveraging）が機械的ではなく光学的であることと、を含む。
【００４７】
（ａ）本文脈では、レバレッジングは、デフレクタ１４０が、機械的調節を、ビームの偏向角の著しく小さな調節に変換又はダウン・ステップすることを意味する。例えばデフレクタ１４０のマウント上の機械的調節ねじの３６０度の回転は、中間機械ステージの小さな機械的運動、例えば高いギヤ比又は他の手段を介した低速回転式プラットフォームの数度の回転に変換又はダウン・ステップされることができる。この中間機械ステージは次いで、ダウン・ステップされた機械的運動を、例えば同じ数度でミラーを回転させることにより同等の光学的運動に変換することによって、偏向ビームの偏向角度を相応に変化させることができる。
【００４８】
これらシステムは、調節を機械的にレバレッジ又はダウン・ステップし、アジャスタ・ステージのより大きな機械的運動を、中間機械ステージのより小さな機械的運動に変換し、次いで、中間機械ステージのこの小さな機械的運動を同等に小さな光学的調節に変換する。
【００４９】
しかしながら、中間機械ステージを使用する機械的ダウン・ステッピング・システムは、長期安定性の難題に直面し得る。なぜならば、ダウン・ステップ用のねじ、歯車、又はレバーアームは、ドリフト及びミスアライメントに十分に抵抗することができず、新しい又は更なるタイプのミスアライメントの源となり得るからである。
【００５０】
（ｂ）分光計１００の、レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタ１４０は、ダウン・ステップ/レバレッジ用中間機械ステージを使用することなく、大きな機械的調節を小さな光学的調節に変換することができる。このような中間機械レバレッジ用ステージの使用を回避することにより、ドリフト及びミスアライメントの問題に対して先手を打って、分光計に長期作業安定性及び強固なアライメントを与えることができる。
【００５１】
いくつかの実施態様の場合、光学的にもたらされるビーム偏向角度変化に対する機械的調節角度の比は１０以上であり得る。他の実施態様では、１００以上、そしてさらに他の実施態様では１，０００以上であってもよい。
【００５２】
いくつかの実施形の場合、光学的調節に対する機械的調節の比を、１，０００を超えないように、他の実施形では１００、そしてさらに他の実施形では１０を超えないように限定することによって、長期安定性を最適化することができる。
【００５３】
レバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタ１４０は、調節可能な透過特性を有する光学素子と、調節可能な反射特性を有する光学素子とを含むことができる。
【００５４】
図４Ｂは分光計２００の別の実施形を示している。分光計２００はスペクトル分散器２２０を含むことができる。スペクトル分散器２２０は、スペクトル分解素子２３０と、レバレッジ型光学部のアライメントコントローラ２４０とを含む。スペクトル分散器２２０は、分散されたスペクトルを検出器又はセンサ・アレイ２６０上に案内することができる。スペクトル分解素子２３０は、スペクトル分散素子１２０と同様であることが可能であり、アライメントコントローラ２４０は、調節可能なデフレクタ１４０と同様であることが可能であり、検出器/センサ・アレイ２６０はセンサ・アレイ１６０と同様であることが可能である。
【００５５】
図４Ｂが示すように、スペクトル分解素子２３０及びアライメントコントローラ２４０は一緒に、一体型スペクトル分散器２２０を形成することができる。例えば、いくつかの実施形において、アライメントコントローラ２４０はスペクトル分散器２２０の光学素子間で実施されることができる。
【００５６】
図５Ａは、図４Ａ〜Ｂの分光計の特定の実施態様を示している。図５Ａの分光計は、画像光をコリメート光に変換するコリメータ１３と、スペクトル分散された光を検出器/センサ・アレイ１６０上に集束して画像化する集束レンズ１７とを含む画像化分光計であり得る。
【００５７】
この実施形におけるレバレッジ型光学部の調節可能なデフレクタ１４０は、回転可能な楔（wedge）又はプリズム１４２を含むことができる。回転可能な楔プリズム１４２は、線形センサ・アレイ１６０に対するスペクトルＳの位置を変化させ又は調節し、且つ、光学素子の取り付けの許容誤差又は変動、又は光学素子の変化する作動条件によって発生した横方向のミスアライメントΔ（ｌａｔ）を補償又は制御することができる。
【００５８】
回転可能な楔、又は小さな傾斜/楔角度を有する楔プリズムは、中間ダウン・ステップ機械ステージを使用せず、大きな機械的調節を直接に小さな光学調節に変換するレバレッジ又はダウン・ステップ機構の一例である。例えば回転可能な楔プリズム１４２の大きな機械的な３６０度の回転は、中間機械ダウン・レバレッジ・ステージを採用することなく、楔角度に応じて１度以下だけ透過光を偏向させることができる。
【００５９】
図５Ｂが示すように、いくつかの実施形において、回転可能な楔又は楔プリズムを種々の光路セグメント内に挿入することができ、例えばコリメータ１３とスペクトル分散素子１２０との間に楔１４２−１として、スペクトル分散素子１２０と集束レンズ１７との間に楔１４２−２として、又は集束レンズ１７と検出器１６０との間に楔１４２−３として挿入することができる。他の実施形において、任意の２つの又は３つ全ての回転可能な楔１４２−１，１４２−２，及び１４２−３を挿入することができる。回転可能な楔がスペクトル分散器２２０の素子間に位置決めされているこれら実施態様は、図４Ｂの分光計２００の実施形と見なされることができる。光路の種々異なるセグメントに回転可能な楔１４２を自由に位置決めできることは、所望の程度のスペクトルの線形並進（linear translation）を満たすべく設計の最適化を可能にする。
【００６０】
図６は、楔プリズム１４２の回転が、横方向拡散スペクトルＳの円形動作をもたらし得ることを示している。光学部（optics）の分析は、最小波長λ（ｍｉｎ）及び最大波長λ（ｍａｘ）に対応するスペクトルＳの近似端点が、符号Ｃ（ｍｉｎ）及びＣ（ｍａｘ）が付けられた円の周りで動くことを示している。スペクトルＳ１及びＳ２の横方向の２つの極値位置、及び対応する円Ｃ（ｍｉｎ）及びＣ（ｍａｘ）は、線形センサ・アレイ１６０に対して非対称的であってもよい。
【００６１】
第１検出器ビーム位置範囲Δ(lat-deflector)は、回転可能な楔プリズム１４２によって、一般的には調節可能なコントローラ１４０又は２４０によって引き起こされ且つ制御される横方向のミスアライメントの最大の大きさ又は最大範囲を意味する。いくつかの典型的な実施形において、第１検出器ビーム位置範囲Δ(lat-deflector)は、第２検出器ビーム位置範囲Δ(lat-cumulative)、すなわち分光計１００又は２００の構成部品の累積的な位置許容範囲と関連付けられた検出器１６０の平面内のビーム位置によって掃引される横方向範囲を超えることがあり得る。
【００６２】
前述のように、Δ(lat-cumulative)は少なくとも２つの原因を有し得る。原因のうちの１つは、手作業の操作を含む組み立てプロセス中に生じる個々の分光計素子の位置の変化又は許容誤差であり得る。別の原因は、変化する作動パラメータ、例えば分光計の作動温度、又は機械的変形、並びに摩耗及び分裂（tear）であり得る。
【００６３】
図面から明らかなように、Δ(lat-deflector)がΔ(lat-cumulative)よりも大きいならば、図５Ａの回転可能な楔１４２を回転させることによって、又は一般的には、図４Ａ〜Ｂの調節可能なデフレクタ１４０を調節することによって、光学素子の組み立て中に生じる変動又は許容誤差に起因する累積的なミスアライメントを補償し、そしてスペクトルＳを線形センサ・アレイ１６０上へ戻るように並進させることができる。
【００６４】
同じ思想において、Δ(lat-deflector)がΔ(lat-operating)よりも大きいならば（ここでΔ(lat-operating)は作動検出器ビーム位置範囲、すなわち、分光計１００〜２００の変化する作動パラメータによって動かされる横方向のミスアライメントの範囲を表す）、調節可能なデフレクタ１４０の調節が、これら変化する作動パラメータによって発生したミスアライメントを補償することができる。このような変化する作動パラメータの例は、変化する作動温度、大規模な使用に伴う分光計の通常の損耗に起因するドリフトする光学素子位置、及び例えば分光計の再位置決め、移動、又は再取り付け過程中の作動環境の変化を含む。
【００６５】
光学的レバレッジ型の調節可能なデフレクタ１４０を採用する別の利点は、分光計１００〜２００が長期間にわたって所定の位置に信頼性高くアライメントされたままであることである。なぜならば、小さな楔角度を有する薄い楔プリズム１４２の光学的アライメントは、楔１４２の並進又は傾斜に対して鋭敏ではないからである。楔プリズム１４２が光ビーム伝搬に対してほぼ垂直にビーム路内に配置されると、光軸の周りの楔１４２の回転方向の又は角度方向のアライメントだけが、線形センサ・アレイ１４２に対するスペクトルＳの位置に影響を与える。調節可能なデフレクタ１４０のパラメータは、０．１ｍｒａｄ範囲の角度方向のアライメント制御を可能にするように選択されることができる。このような設計によって、調節可能なデフレクタ１４０は、横方向拡散スペクトルＳを線形センサ・アレイ１６０上に案内できると同時に、デフレクタ１４０の角度方向のミスアライメントがより大きくても、このことが角度方向のアライメントに不都合な影響を及ぼすことはない。なぜならば、角度方向のアライメントの許容差は１ｍｒａｄのオーダーであるからである。こうして、一旦横方向のアライメントが最適化されると、可変ステージ、例えば回転フレーム内に楔プリズムを取り付け、そしてこれを締め付けることによって、分光計１００〜２００の正確な調節が可能になる一方、分光計１００〜２００の長期安定性を損ない又は犠牲にすることはない。
【００６６】
分光計１００及び２００のいくつかの実施形において、設計の光学的な歪みは、小さな楔角度及び小さな厚さを有する楔プリズム１４２を適用することによって最小化することもできる。
【００６７】
分光計１００及び２００のいくつかの実施形において、調節可能なデフレクタ１４０によって引き起こされる作動ビームミスアライメントは、検出器１６０のミスアライメントの許容差よりも小さい。
【００６８】
分光計１００及び２００のいくつかの実施形において、調節可能なデフレクタは、検出器のアスペクト比よりも大きな角度方向のミスアライメントを導入することなく、スペクトル分散された光の横方向のミスアライメントを補償するように構成されることができる。
【００６９】
本明細書は多くの詳細を含むが、これらは、発明の範囲及び特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、むしろ、具体的な実施態様に対して特定の特徴を記述したものと解釈されるべきである。別個の実施態様の関連において本明細書中に記載されている特徴は、単独の実施態様内で組み合わせで実施されることもできる。反対に、単独の実施態様の関連において記述された種々の特徴は、複数の実施態様内で別々に、又は任意の好適な副次的組み合わせにおいて実施されることができる。さらに、特定の組み合わせを成して作用するものとして特徴を上述し、そしてそのようなものとして最初に主張することさえあるが、主張された組み合わせに由来する１つ又は２つの特徴は、いくつかの事例において、この組み合わせから切り取られることができ、また、主張された組み合わせを副次的組み合わせ又は副次的組み合わせの変更形に導かれることができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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