(57)【要約】【課題】  非時間的多重化画像複製イメージング分光計を提供する。【解決手段】  受け取った画像を２つ又はそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像に分割するためのイメージング手段と、各スペクトル画像（４）を検出するための手段とを含み、イメージング手段が少なくとも１つの偏光ビームスプリッタ（１８、２０、２２、６４、６８、７２）を含むことを特徴とするイメージング分光計（２）。偏光ビームスプリッタは、ウォラストンプリズムとすることができる。本発明の一実施形態では、イメージング手段は、２つ又はそれ以上の空間的に分離した画像を生成するための画像複製手段（１２）と、空間的に分離した画像の１つ又はそれ以上のスペクトル特性を変更するように作用するダイクロイックフィルタ（８）のような１つ又はそれ以上のフィルタ要素とを含む。本発明の更に別の実施形態では、イメージング手段は、光学直列に配置された１つ又はそれ以上のスペクトル複製手段を含み、各スペクトル複製手段は、光学遅延要素（６２、６６、７０）及び偏光ビームスプリッタ（６４、６８、７２）を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受け取った画像を２つ又はそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像に分割するためのイメージング手段と、
各スペクトル画像を検出するための手段と、
を含むイメージング分光計であって、
前記イメージング手段が、少なくとも１つの偏光ビームスプリッタを含む、
ことを特徴とするイメージング分光計。
【請求項２】
前記イメージング手段は、２つ又はそれ以上の空間的に分離した画像を生成するための画像複製手段と、該空間的に分離した１つ又はそれ以上の画像のスペクトル特性を変更するように作用する１つ又はそれ以上のフィルタ要素とを含むことを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記フィルタ要素は、ダイクロイックフィルタ要素であることを特徴とする請求項２に記載の分光計。
【請求項４】
前記フィルタ要素は、前記各スペクトル画像を検出するための手段の近くか、又はその共役平面に位置することを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項５】
２つ又はそれ以上の偏光ビームスプリッタを含み、該偏光ビームスプリッタ間に位置する光学遅延要素を更に含む画像複製手段を有することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項６】
前記イメージング手段により受け取られた画像の入力偏光状態を形成するための入力光学遅延要素を更に含むことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項７】
前記入力光学遅延要素によって付与される光学遅延は、可変であることを特徴とする請求項６に記載の分光計。
【請求項８】
前記光学遅延要素のうちの少なくとも１つは、実質的に波長と無関係の遅延特性を有することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項９】
前記イメージング手段は、光学直列に配置された１つ又はそれ以上のスペクトル複製手段を含み、
各スペクトル複製手段は、光学遅延要素及び偏光ビームスプリッタを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項１０】
前記光学遅延要素の１つ又はそれ以上は、波長に依存する偏光変化をもたらすことを特徴とする請求項９に記載の分光計。
【請求項１１】
前記１つ又はそれ以上の光学遅延要素の厚みは、各スペクトル画像のスペクトル特性を形成するように選択されることを特徴とする請求項９又は請求項１０のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１２】
４つ又はそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像が生成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１３】
各スペクトル画像は、異なる波長帯内の放射から成ることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１４】
前記各複製画像を検出するための手段は、検出器アレイを含み、
各複製画像は、前記検出器アレイの別々の部分に導かれる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１５】
前記各複製画像を検出するための手段は、２つ又はそれ以上の検出器アレイを含むことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１６】
別々の検出器アレイが、各複製画像を検出するために設けられることを特徴とする請求項１５に記載の分光計。
【請求項１７】
前記偏光ビームスプリッタは、ウォラストンプリズムであることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１８】
前記画像複製手段の光学構成要素は、単一の複合光学要素として形成されることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１９】
前記画像複製手段により受け取られた画像の視野を制限する視野絞りを更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージング分光計に関するものであり、特に、非時間的多重化画像複製イメージング分光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージング分光計は、場面の二次元画像を取得するのに使用される。光学的プレ検出器処理は、取得画像の電子的ポスト検出器処理と組み合わされることがあるが、複数のスペクトル帯域でイメージングされた単一の場面領域から成るスペクトルデータキューブを生成する。
イメージング分光計は、時間的多重化方法又は非多重化方法で場面からスペクトル画像を取得することができる。時間的多重化イメージング分光計は、一連のスペクトル画像を場面から連続的に取得し、例えば、いくつかのフィルタが、カメライメージングシステムの光路に連続的に挿入される。時間的非多重化イメージング分光計は、同時にいくつかの二次元スペクトル画像を取得することによって作動する。換言すると、非多重化イメージング分光計は、「スナップショット」スペクトルイメージングを提供する。非多重化システムは、医療用イメージング及び移動プラットフォームからの軍事的監視のようなリアルタイム作動が重要になる用途において望ましいものである。
【０００３】
従来のＲＧＢカラーカメラに基づく時間的非多重化スペクトル画像化装置は公知であり、このようなカメラは、「３チップ」又は「単一チップ」システムと類別することができる。「３チップ」システムにおいては、例えば、米国特許第３，９３２，０２７号では、画像は、非偏光ダイクロイックビームスプリッタを使用して３つの別々の副画像に分割され、各副画像は、別々の検出器へ導かれる。しかし、これらのシステムでは、複製画像をもたらすために複雑かつ比較的高価な光学構成要素が必要である。「単一チップ」カメラにおいては、チップ自体に置かれた非偏光ダイクロイックフィルタにより、場面の３色副画像を構成することが可能になる。このような装置の欠点としては、フィルタに対するスペクトル応答のアレイに亘る大きな変動及び低い光学効率がある。
【０００４】
スペクトル分解能の向上をもたらす別の種類の非多重化イメージング分光計は、断層イメージング分光計であり、例えば、Ｄｅｓｃｏｕｒ他、「Ａｐｐ．Ｏｐｔ．」、３４、４８１７頁（１９９５年）、又は、Ｖｏｌｉｎ他、「Ｓ．Ｐ．Ｉ．Ｅ．」、２８１９、２２４〜２３０頁を参照することができる。この技術は回折光学要素を使用し、コンピュータ断層撮影技術を使用してスペクトル画像に分割される検出器でのスペクトル的に分散した回折状態のアレイを生成する。
【０００５】
断層撮影技術には、いくつかの欠点がある。例えば、計算負荷がかなり高く、これによってリアルタイムイメージング用途における使用が制限される。重なった状態の分解により、ノイズレベルが大きくなってシステム較正を完全には達成することができず、検出器及びショットノイズが原因のものよりも大幅に悪いノイズ特性をもたらす。更に、記録されたデータポイント数に対するスペクトルデータキューブ内の画像ピクセル数の比は、３０％までも小さくなる可能性があり、記録されたデータが効率的には使用されず、ノイズレベルが増加する結果になる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，９３２，０２７号
【非特許文献１】Ｄｅｓｃｏｕｒ他、「Ａｐｐ．Ｏｐｔ．」、３４、４８１７頁、１９９５年
【非特許文献２】Ｖｏｌｉｎ他、「Ｓ．Ｐ．Ｉ．Ｅ．」、２８１９、２２４〜２３０頁
【発明の開示】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、イメージング分光計は、受け取った画像を２つ又はそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像に分割するためのイメージング手段と、各スペクトル画像を検出するための手段とを含み、イメージング手段が、少なくとも１つの偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする。
イメージング手段における１つ又はそれ以上の偏光ビームスプリッタの使用には、従来技術の装置よりも光損失のレベルが低いという利点があり、及び／又は、必要とする光学イメージング装置は、複雑ではなく、従って廉価なものである。スペクトル画像という用語は、本明細書では、イメージング手段により受け取られた画像のスペクトル特性の部分集合であるスペクトル特性を有する画像を意味するものとする。
【０００８】
有利な態様においては、イメージング手段は、２つ又はそれ以上の空間的に分離した画像を生成するための画像複製手段と、空間的に分離した画像のうちの１つ又はそれ以上のスペクトル特性を変更するように作用する１つ又はそれ以上のフィルタ要素とを含む。換言すると、イメージング手段は、それが受け取る画像を２つ又はそれ以上の複製画像に分割する画像複製手段を含む。次に、フィルタ要素が設けられ、複製画像のうちの１つ又はそれ以上をスペクトル的に濾過し、すなわち、フィルタ要素は、特定の波長帯内の光を通し、それによってスペクトル画像を生成する。
【０００９】
便利な態様においては、フィルタ要素は、ダイクロイックフィルタ要素である。ダイクロイックフィルタ要素は、当業者には容易に入手可能なものであり、低コスト波長帯フィルタを提供する。
フィルタ要素は、画像複製手段によって生成された１つ又はいくつかの複製画像の光路に置くことができる。例えば、フィルタ要素は、各スペクトル画像を検出するための手段の近くか、又はスペクトル画像の共役平面（すなわち、イメージング手段内の中間焦点面）に位置することができる。
【００１０】
好ましくは、分光計は、２つ又はそれ以上の偏光ビームスプリッタを含んで更に偏光ビームスプリッタ間に位置する光学遅延要素を含む画像複製手段を有する。
２つ又はそれ以上の偏光ビームスプリッタを使用すると（すなわち、４つ又はそれ以上の画像を必要とする場合）、遅延要素を隣接する偏光ビームスプリッタ間に挿入することが必要となる。換言すると、Ｎ−１個の遅延要素が組み入れられたＮ個の偏光ビームスプリッタは、２N個の複製画像を生成する。遅延要素は、例えば、１／４波又は１／２波の位相差板とすることができる。遅延要素がほぼ無色であることは、決して必要なものではないが好ましい。これらの遅延要素の速い軸は、一般的に偏光ビームスプリッタの軸線に対して４５°に置かれ、空間的に分離したスペクトル画像間の均等な強度分布を保証する。
便利な態様においては、分光計は、イメージング手段により受け取られた画像の入力偏光状態を形成するための入力光学遅延要素を更に含む。入力光学遅延要素によって付与される光学遅延は、有利な態様においては、可変とすることができる。入力光学遅延要素によって付与される光学遅延を変化させる１つの方法は、例えば回転によってその向きを変更することである。
【００１１】
本発明の分光計は、本質的にスペクトル画像を直交偏光状態で同時に記録することができ、第１の偏光ビームスプリッタは、場面からの光をその２つの直交偏光成分に分割する。画像複製手段が受け取った画像の偏光状態の制御は、入力光学遅延要素を使用して、より詳細な偏光情報を抽出することを可能にする。例えば、異なる偏光状態を有する２つの受け取った画像を使用して記録された二組のスペクトル画像により、スペクトル画像を２つの直交偏光状態で記録することができ、適切なビーム分割による４つのスペクトル画像は、「ストークス」パラメータによる画像の完全な特徴付けを可能にするであろう。
有利な態様においては、イメージング手段は、光学直列に配置された１つ又はそれ以上のスペクトル複製手段を含み、各スペクトル複製手段は、光学遅延要素と偏光ビームスプリッタとを含む。
【００１２】
このようなイメージング手段の利点は、もたらされる光学的損失レベルが非常に低いということであり、入力光は、何ら光を拒絶することなく単に出力スペクトル画像に分割される。各複製画像を装置を通るその伝播経路に従ってスペクトル的に濾過するのは、ビームスプリッタの偏光分析機能と組み合わされた遅延要素の波長依存性である。一般的に、一連のＮ個の偏光ビームスプリッタ及びＮ個の遅延要素は、２N個の複製画像を生成する。
便利な態様においては、光学遅延要素の１つ又はそれ以上は、波長に依存する偏光変化をもたらす。有利な態様においては、１つ又はそれ以上の光学遅延要素の厚みは、スペクトルデータキューブ内の各スペクトル画像のスペクトル特性を定めるように選択される。
【００１３】
より詳細に以下で説明するように、各空間的に分離したスペクトル画像のスペクトル特性は、イメージング手段の全体的な光学特性によって形成される。しかし、遅延要素の厚みを選択することは、スペクトル画像のスペクトル特性を調節する便利な方法を提供する。
便利な態様においては、分光計によって４つ又はそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像が生成され、各スペクトル画像は、有利な態様においては、異なる波長帯内の放射から成る。例えば、各スペクトル画像は、関連の波長範囲に亘って分布する波長帯からの放射で構成することができるであろう。
【００１４】
各スペクトル複製手段は、何ら大きな光学的損失なく分光計内の画像数を倍増するので、多くのスペクトル画像（例えば、４、８、１６、３２、６４個など）を提供することができる。このような程度の画像複製は、従来のカラーカメラの使用からは容易に得ることができず、例えば、所要のスペクトル分解能のフィルタは、単一チップシステムに対しては作製が困難であり、多重チップシステムは、複製画像の各々に対して追加の光学構成要素を必要とするであろう。
有利な態様においては、各複製画像を検出するための手段は、検出器アレイを含み、各複製画像は、検出器アレイの別々の部分に導かれる。代替的に、各複製画像を検出するための手段は、２つ又はそれ以上の検出器アレイを含み、便利な態様においては、各複製画像を検出するために、別々の検出器アレイを設けることができる。
【００１５】
各複製画像を検出するための手段は、単一の検出器アレイ、例えばＣＣＤ検出器とすることができ、又は、複数の隣接する検出器を含むことができる。検出器アレイの形態は、分光計が必要とする空間的分解能に依存することになり、また、複製スペクトル画像の数を増すと、所定の検出器に対する画像当たりのピクセル数は、相応に明らかに少なくなる。４０９６ｘ４０９６ピクセルまで有するＣＣＤ検出器が、現時点で公知である。大きなデータ速度を得るには、いくつかの検出器アレイの使用が、単一の検出器アレイよりも大きな空間と帯域幅の積を一般的にもたらすことになるので好ましい。本発明のイメージング分光計の出力スペクトルデータキューブ内のボクセルの数は、原則的に検出器アレイ内のピクセル数に等しいとすることができる。これは、従来技術の計算断層イメージング分光測定に対する約３０％効率に比するものである。
【００１６】
偏光ビームスプリッタは、ウォラストンプリズムであることが好ましい。ウォラストンプリズムにより、複数のスペクトル画像を単一の検出器上に形成することができる。
便利な態様においては、画像複製手段の光学構成要素は、単一の複合光学要素として形成される。例えば、ビームスプリッタ及び遅延要素は、フレネル反射に付随する光学的損失を低減するために互いに固定することができるであろう。
有利な態様においては、分光計は、更に、画像複製手段が受け取る画像の視野を制限する視野絞りを含む。視野絞りは視野を制限し、それによって隣接する空間的に分離したスペクトル画像の重複が防止される。
【００１７】
更に、画像を複数のスペクトル画像に分離するためのスペクトルフィルタを設けることができると考えられ、これは、光学直列に配置された１つ又はそれ以上のスペクトル複製手段を含み、各スペクトル複製手段は、光学遅延要素及び偏光ビームスプリッタを含み、スペクトル複製手段に入射する各画像は、異なるスペクトル特性を有する２つの空間的に分離した出力画像に分割される。
このようなスペクトルフィルタの利点は、放射を最小レベルの光学的損失で２つ又はそれ以上のスペクトル成分に分割する能力である。
ここで、本発明を添付図面を参照して単に例示的に以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１を参照すると、本発明によるイメージング分光計２が示されている。イメージング分光計２は、検出器４、第１のレンズ６、フィルタアレイ８、第２のレンズ１０、画像複製光学装置１２、入力レンズ１４、及び視野絞り１６を含む。画像複製光学装置１２は、第１のウォラストンプリズム１８、第２のウォラストンプリズム２０、第３のウォラストンプリズム２２、第１の遅延装置２４、及び第２の遅延装置２６を含む。
【００１９】
作動時には、入力レンズ１４により、場面からの光は、画像複製光学装置１２の第１のウォラストンプリズム１８に導かれる。第１のウォラストンプリズム１８は、偏光ビームスプリッタとして機能し、光を２つの分散する直交偏光出力光線に分割する。第１の遅延装置２４は、第１のウォラストンプリズム１８からの出力線形偏光状態を円形又は傾斜（楕円）偏光状態に結合する。２つの傾斜偏光光線の各々は、その後、第２のウォラストンプリズム２０によって分割され、それによって４つの光線になる。その後、この４つの光線は、第２の遅延装置２６を通過し、第３のウォラストンプリズム２２によって８つの分散光に分割される。
【００２０】
第１の遅延装置２４及び第２の遅延装置２６の速い軸は、一般的に垂直（すなわち、ｚ）軸に対して約４５°に設定される。換言すると、遅延装置は、１つのウォラストンプリズムによって放射された水平方向及び垂直方向に偏光した光線を回転させて円偏光した光又は４５°でほぼ線形に偏光した光にするように構成される。これによって、直列の次のウォラストンプリズムは、各円又は線形偏光光線を、分散する水平及び垂直偏光光線に更に分割することができる。遅延装置は、例えば、１／４位相差板又は１／２位相差板のいずれかとすることができる。
【００２１】
画像複製光学装置１２によって生成された８つの別々の画像は、第２のレンズ１０及び第１のレンズ６によって検出器４上に集束される。フィルタアレイ８は、各々が異なるスペクトル応答を有して中間焦点面に位置する８つのダイクロイックフィルタ要素を含む。フィルタ要素は、広帯域、狭帯域、連続、又は不連続とすることができる。８つの複製画像の各々は、フィルタアレイ８の別々の要素を通過することにより、検出器４上で空間的に分離された８つのスペクトル画像が生成される。当業者は、フィルタアレイ８を検出器面に置くこともできることを認めるであろう。
【００２２】
検出器４は、単一の検出器アレイ、例えばＣＣＤ検出器とすることができ、又は、複数の隣接する検出器を含むことができる。検出器４の形態は、システムが必要とする空間分解能に依存し、複製スペクトル画像の数を増すと、所定の検出器に対する画像当たりのピクセル数は、相応に明らかに少なくなる。４０９６ｘ４０９６ピクセルまでを有するＣＣＤ検出器は、現在公知である。大きなデータ速度を得るには、いくつかの検出器アレイの使用が、単一の検出器アレイよりも空間と帯域幅の積が一般的に大きくなるので好ましいであろう。
【００２３】
本発明のイメージング分光計で使用される検出器ピクセルの数は、原則的に検出器アレイ内のピクセル数に等しいとすることができる。これは、従来技術の計算断層イメージング分光測定に対する約３０％効率に比するものである。しかし、実際には、検出器における画像を分離する要件は、各画像の周りで小さな境界を使用することが好ましいということを意味するであろう。
８つのスペクトル画像が検出器に亘って空間的に分離されるので、各スペクトル画像の相互登録が行われることが好ましい。換言すると、検出器上で形成された８つのスペクトル画像の各々のどの領域がイメージング場面の特定の領域に対応するかが判断されるべきである。これによって、場面の各部分のスペクトル特性を比較することができる。この相互登録つまり較正処理は、製造時に最も容易に対処される。
【００２４】
上述の実施形態は８つのスペクトル画像を与えるが、当業者は、Ｎ個のウォラストンプリズムとＮ−１個の遅延装置とを有するシステムは、検出器において２N個の複製画像を生成することになることを認識するであろう。生成されるスペクトル画像の数は、チェーン内のウォラストンプリズムの数にのみ依存する。スペクトル分解能が大きな装置が必要な場合は、より多くのプリズムを装置に追加することができる。プリズムと遅延装置を互いに固定して単一の機械的に丈夫な光学要素を形成することができ、このような単一の光学要素は、フレネル反射から生じる光学的損失を大幅に低減させると考えられる。
また、当業者は、図１を参照して説明した分光計は、光の偏光に依存する特性を測定するのにも使用し得ることを認識するであろう。例えば、８つのスペクトルチャンネルを記録する代わりに、水平線形偏光を有する４つのスペクトル画像と垂直線形偏光を有する４つのスペクトル画像とを記録することが可能である。
【００２５】
また、図１を参照して説明した種類のイメージング分光計を使用して、全「ストークス」パラメータ偏光情報を記録することが可能である。非多重化測定が必要であったとしたら、非偏光ビームスプリッタを使用して場面からの光を２つのイメージング分光計の中に結合し、分光計の１つに入る光の偏光状態を、例えば遅延装置を使用して変更することができるであろう。代替的に、多重化作動が許容できる場合は、可変偏光選択装置を有する単一のイメージング分光計を使用して、二組のスペクトル画像を取得することができると考えられる。２つの異なる向きの間で移動可能な入力遅延装置（図示せず）を、このような可変偏光選択装置として使用することができる。較正を用いると、これは、完全に特徴付けられた偏光情報の記録を可能にするであろう。
【００２６】
図２を参照すると、本発明による代替イメージング分光計５０が示されている。図１で説明した構成要素と共通の分光計５０の構成要素には、同じ参照番号を割り当てる。分光計５０は、視野絞り１６、第１のレンズ５６、画像複製光学装置５２、第２のレンズ５８、及び検出器４を含む。画像複製光学装置５２は、第１の遅延装置６２、第１のウォラストンプリズム６４、第２の遅延装置６６、第２のウォラストンプリズム６８、第３の遅延装置７０、及び第３のウォラストンプリズム７２を含む。
【００２７】
遅延装置６２、６６、及び７０は、それらが受け取るいかなる光の偏光状態に対しても波長に依存する変更を付与するように特に設計されるので（以下を参照）、分光計５０のスペクトル濾過特性が生じる。その結果、ウォラストンプリズムが分散する直交偏光成分に光を分離する時、２つの分散する成分は、異なるスペクトル特性を有する光から成る。従って、遅延装置は、ウォラストンプリズムと組み合せて、波長の異なる光の空間的分離をもたらす。換言すると、複製光学装置の遅延装置及びウォラストンプリズムは、遅延装置の波長依存性をウォラストンプリズムの偏光分析機能と組み合わせて使用し、装置を通るその伝播経路に従って各複製画像をスペクトル的に濾過するように構成される。この濾過技術は、ダイクロイックフィルタ要素を通過するいくつかの白色光画像を生成するよりも効率的である。
図１を参照して上述したように、ウォラストンプリズムは、分散する出力光線を形成する。すなわち、画像複製光学装置５２によって生成された複製画像は、検出器４に到達した時に空間的に分離される。従って、イメージング分光計５０は、異なるスペクトル透過関数を最小の光の拒絶で各複製画像に適用することを可能にし、すなわち、１００％に近い全体的な光学的効率を得ることができる。
【００２８】
システムに入る光線を考察することにより、複製光学装置の波長濾過特性を示すことができる。第１の遅延装置６２は、速い軸は垂直に対して４５°に整列しているが、その速い軸に平行に偏光された入力波の成分と直交偏光成分との間に位相差を導入することになる。この位相差は、以下のようになる。
Δφ＝（ｎeｄ−ｎoｄ）ｘ２π／λ          （１）
ただし、ｄは遅延装置の厚み、ｎeは遅延装置の異常屈折率、ｎoは遅延装置の通常の屈折率、λは光の波長である。
第１の遅延装置によって生成された２つの直交偏光成分は合計され、２ｎπの位相差に対する楕円偏光の角度による入力偏光への相互偏光と、（２ｎ＋１）πの位相差に対する直交線形偏光への相互偏光との間で変動する光線を生成する。すなわち、第１の遅延装置を出る波の偏光状態は、その波長に依存する。
【００２９】
第１のウォラストンプリズムは、それが第１の遅延装置から受け取る光線を相対強度ｃｏｓ2（Δφ）及びｓｉｎ2（Δφ）を有する２つの分散する直交線形偏光に分解する。すなわち、３つの遅延装置／プリズム対を有する装置は、上述の透過関数の対の組合せによるスペクトル透過関数を有する８つの画像を生成することが分る。換言すると、８つの複製画像の各々は、以下の式によって支配される透過特性を有すると考えられる。
【００３０】
【数１】
2005523447.tif 000003
【００３１】
図３を参照すると、図２を参照して説明した種類の複製光学装置の計算波長依存透過特性が示されている。第１の遅延装置は、厚みが１．５μｍとされ、第２の遅延装置は３μｍ厚であり、第３の遅延装置は６μｍ厚である。各遅延装置の異常屈折率は１．６５であり、各遅延装置の通常屈折率は１．５である。第１の曲線８０、第２の曲線８２、第３の曲線８４、第４の曲線８６、第５の曲線８８、第６の曲線９０、第７の曲線９２、及び第８の曲線９４は、それぞれ、式（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）、（２ｅ）、（２ｆ）、（２ｇ）、及び（２ｈ）の透過関数に対応する。
【００３２】
透過曲線は、ほぼベル形であることが図３から分る。これは、連続スペクトルの測定を若干複雑にするであろうが、線スペクトルを正確に探し当てるには利点であり、その場合、隣接チャンネルにおける相対信号を使用して、中心波長を正確に計算することができる。
更に、各透過曲線は、主要なピーク（例えば、８０ａ）といくつかの小さな２次的ピーク（例えば、８０ｂ、ｃ）とを有する。２次的ピークは、必要であればフィルタを使用して除去することができるであろう。また、フィルタ機能を調節するために、直接サーチや模擬アニーリングなどのような当業者に公知の数値最適化技術を使用することもできると考えられる。
【００３３】
上述の解析は、適切な厚みの遅延装置を選択することにより、複製光学装置の波長特性を制御することができることを示している。この手法は、複製光学装置の応答を最適化するための簡単な技術を提供する。しかし、当業者は、システム性能を最適化するために複製光学装置の他の特性を調節することができることを認識するであろう。例えば、スペクトル応答を調整して最適化するために、位相差板の分散を選択することができると考えられる。多層位相差板又は追加の光学装置を使用することもできる。しかし、ある一定のスペクトル応答をもたらすようにシステムを設計する時は、光学要素の各々の相互依存性を考慮すべきであろう。
【００３４】
図２及び図３を参照して説明した例では３対のウォラストンプリズム及び遅延装置を説明しているが、当業者は、これが本発明の範囲を決して制限するものではないことを認識するであろう。一般的に、当業者は、一連のＮ個のウォラストンプリズム及びＮ個の遅延装置を使用して検出器アレイにおいて２N個の複製画像を生成し得ることを認めるであろう。プリズム及び遅延装置を互いに固定して単一の機械的に丈夫な光学要素を形成することができ、このような単一の光学要素は、フレネル反射から生じる光学的損失を大幅に低減させると考えられる。
【００３５】
複屈折材料が存在する任意の波長で作動する本発明のイメージング分光計を提供することができ、これは、約２００ｎｍから１４μｍを超えるまでに及ぶ。例えば、廉価なフッ化マグネシウムは、約２００ｎｍから５μｍを超えるまでの範囲を可能にする。石英、方解石、及び金紅石はまた、この範囲内の広いスペクトル範囲をもたらす。長波赤外線に対してはテルルを使用することができるが、この材料は機械的特性が劣るために、その使用を困難にする可能性がある。
【００３６】
図４を参照すると、図１を参照して説明した種類のイメージング分光計を使用して取得された実験データが示されている。イメージング分光計は、２つの草の葉片をイメージングするために使用され、一方は、摘み取ったばかりのものであり、他方は、一日前に摘み取ったものである。８つのスペクトル画像１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、及び１１６は、ダイクロイックフィルタ要素で濾過されたものであり、ピーク波長応答は、それぞれ、４５０ｎｍ、４８８ｎｍ、５００ｎｍ、５３０ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、６３３ｎｍ、及び６５６ｎｍ付近に中心がある。
【００３７】
図５を参照すると、図４の場面の２つの位置からの較正アルベドスペクトルが示されている。曲線１２０は、「古い」葉の波長依存透過特性に対応し、一方、曲線１２２は、摘み取ったばかりの草の茎の波長依存特性に対応する。曲線１２４は、スペクトルデータベースから取った「標準」反射スペクトルを表す。摘み取られたばかりの草の反射スペクトルは、スペクトルデータベースから取った「標準」反射スペクトルに非常に似ているが、「古い」葉のスペクトルは大きく異なることが分る。
すなわち、本発明によるイメージング分光計は、従来技術の装置よりも高いＳＮ比によるスナップショットスペクトルイメージングを可能にする。この測定機器には可動部がないので、非常にコンパクトで丈夫で軽量なものにすることができる。本発明によるイメージング分光計の用途は、移動中プラットフォームからの軍事的監視及び医療用イメージングのようなリアルタイム作動が重要な全ての領域に見出される可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるイメージング分光計を示す図である。
【図２】本発明による代替イメージング分光計を示す図である。
【図３】図２に示す種類の８チャンネルイメージング分光計の透過関数を示す図である。
【図４】本発明による分光計を使用して取得したスペクトル画像強度データを示す図である。
【図５】図４の取得スペクトル画像の積分強度のプロットを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
４  検出器、スペクトル画像
１６  視野絞り
５０  イメージング分光計
５２  画像複製光学装置
５６、５８  レンズ
６２、６６、７０  光学遅延要素
６４、６８、７２  偏光ビームスプリッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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