(57)【要約】      （修正有）【課題】テラヘルツ領域の、改良された多チャネル光学セルを提供する。【解決手段】視野反射鏡１２と複数の対物反射鏡対１４，１６とを含むデュアルチャネル光学セル１０は、複数の光源ポート２０および検出器ポート２２の対を含み、各光源ポートは放射線ビーム２４を通すように構成されていて、各検出器ポートは放射線ビームを受信するように構成されている。各対の光源ポートおよび検出器ポートは、視野反射鏡の光軸がそれぞれ光源ポートおよび検出器ポートの間にあるように視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されている。各対物反射鏡と光源ポートおよび検出器ポートの各対は光源ポートおよび検出器ポートの各対が別個のチャネルを形成する各対物反射鏡対に関連付けられるように配置されていて、各チャネルの光源ポートおよび検出器ポートの対ならびに関連付けられた対物反射鏡対の各中心は、それぞれ別個の面内に位置する。【選択図】図１
2011203253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸および反射面を有する視野反射鏡と、
それぞれが前記視野反射鏡の前記反射面と向き合うように配置された反射面を有する複数の対物反射鏡対と、
前記各対物反射鏡の前記反射面と向き合う、複数の光源ポートおよび検出器ポートの対であって、各対の前記光源ポートおよび検出器ポートは、前記視野反射鏡の前記光軸がそれぞれの前記光源ポートおよび検出器ポートの間にあるように前記視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されていて、前記各光源ポートは、放射線ビームを前記視野反射鏡と前記各対物反射鏡との間に通して伝搬させるように構成されていて、前記各検出器ポートは、前記視野反射鏡と前記各対物反射鏡との間を伝搬した放射線ビームを受信するように構成されている、前記複数の光源ポートおよび検出器ポートの対と、を備え、
前記各対物反射鏡と前記光源ポートおよび検出器ポートの各対は、前記光源ポートおよび検出器ポートの各対が別個のチャネルを形成する各対物反射鏡対に関連付けられるように配置されていて、前記各チャネルの前記光源ポートおよび検出器ポートの対ならびに前記関連付けられた対の対物反射鏡の各中心はそれぞれ別個の面内に位置する、
装置。
【請求項２】
前記各対物反射鏡ならびに前記光源ポートおよび検出器ポートの各対は、前記各チャネルの前記別個の面同士が約３６０°／２ｎ（ｎはチャネル数を表す）の、鈍角でない交差角度で交差するように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記各対物反射鏡は、前記視野反射鏡の前記光軸上にある共通の点のまわりに配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
チャネルごとに、前記光源ポートおよび検出器ポートは前記視野反射鏡の弦上にあり、前記各対物反射鏡は前記各弦に垂直で前記視野反射鏡の前記光軸に垂直な軸に沿ってある角度で傾斜している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
チャネルごとに、前記光源ポートおよび検出器ポートが沿っている前記弦は前記視野反射鏡の直径からずれた場所にある、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記視野反射鏡および前記各対物反射鏡は、前記共通点のまわりに四つ葉状または円状に配置された複数の球面の凹面反射鏡を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記共通点は、前記各対物反射鏡から等距離にある、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
チャネルごとに、前記視野反射鏡、前記対物反射鏡対、ならびに前記光源ポートおよび検出器ポートの対は、前記光源ポートを通った放射線ビームが前記各検出器ポートに到達するまで前記視野反射鏡と前記対物反射鏡対との間で伝搬および反射を繰り返すように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記各光源ポートは別個の周波数帯の放射線ビームを通すように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記各光源ポートはテラヘルツスペクトル領域の別個の周波数帯の放射線ビームを通すように構成された、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記複数の光源ポートおよび検出器の対は少なくとも第１の光源ポートおよび第２の光源ポートを含んでいて、前記第１の光源ポートはテラヘルツスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第２の光源ポートは赤外線または可視のスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数の光源ポートおよび検出器の対は、少なくとも第１の光源ポート、第２の光源ポート、および第３の光源ポートを含んでいて、前記第１の光源ポートはテラヘルツスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第２の光源ポートは赤外線スペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第３の光源ポートは可視スペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
光軸および反射面を有する視野反射鏡と、
第１のチャネルであって、
それぞれが前記視野反射鏡の前記反射面と向き合うように配置された反射面を有する第１の対物反射鏡対と、
前記視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されている第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートであって、前記視野反射鏡の前記光軸が前記第１の光源ポートと前記第１の検出器ポートとの間にあり、前記第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートと前記第１の対物反射鏡対の各中心とが第１の面内にある、前記第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートと、を備える前記第１のチャネルと、
第２のチャネルであって、
それぞれが前記視野反射鏡の前記反射面と向き合うように配置された反射面を有する、第２の対物反射鏡対と、
前記視野反射鏡の前記外側エッジに近接して配置されている第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートであって、前記視野反射鏡の前記光軸が前記第２の光源ポートと前記第２の検出器ポートとの間にあり、前記第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートと前記第２の対物反射鏡対の各中心とが、前記第１の面とは別個の第２の面内にある、前記第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートと、を備える前記第２のチャネルと、
を備える装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の対物反射鏡対、ならびに前記第１および第２の光源ポートおよび検出器ポートは前記第１および第２の面同士がほぼ直角に交差するように配置されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の対物反射鏡対は前記視野反射鏡の前記光軸上にある共通点のまわりに配置されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートは前記視野反射鏡の第１の弦上にあり、前記第１の対物反射鏡対の各対物反射鏡は、前記第１の弦に垂直であって前記視野反射鏡の前記光軸に垂直な軸に沿ってある角度で傾斜していて、
前記第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートは前記視野反射鏡の第２の弦上にあり、前記第２の対物反射鏡対の各対物反射鏡は、前記第２の弦に垂直であって前記視野反射鏡の前記光軸に垂直な軸に沿ってある角度で傾斜している、
請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートが沿っている前記第１の弦、ならびに前記第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートが沿っている前記第２の弦のそれぞれは、前記視野反射鏡の直径からずれた場所にある、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記視野反射鏡および前記各対物反射鏡は、前記共通点のまわりに四つ葉状または円状に配置された複数の球面の凹面反射鏡を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記共通点は前記各対物反射鏡から等距離にある、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記視野反射鏡、前記第１の対物反射鏡対、前記第１の光源ポートおよび前記第１の検出器ポートは、前記第１の光源ポートを通った第１の放射線ビームが前記第１の検出器ポートに到達するまで、前記視野反射鏡と、前記第１の対物反射鏡対のそれぞれとの間で伝搬および反射を繰り返すように配置されていて、
前記視野反射鏡、前記第２の対物反射鏡対、前記第２の光源ポートおよび前記第２の検出器ポートは、前記第２の光源ポートを通った第２の放射線ビームが、前記第２の検出器ポートに到達するまで、前記視野反射鏡と前記第２の対物反射鏡対のそれぞれとの間で伝搬および反射を繰り返すように配置されている、
請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１および第２の光源ポートはそれぞれ別個の周波数帯の放射線ビームを通すように構成された、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１および第２の光源ポートは、テラヘルツスペクトル領域のそれぞれ別個の周波数帯の放射線ビームを通すように構成された、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１の光源ポートはテラヘルツスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第２の光源ポートは赤外線または可視のスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されている、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
それぞれが前記視野反射鏡の前記反射面と向き合うように配置された反射面を有する第３の対物反射鏡対と、
前記視野反射鏡の前記外側エッジに近接して配置されている第３の光源ポートおよび第３の検出器ポートであって、前記視野反射鏡の前記光軸が前記第３の光源ポートと前記第３の検出器ポートとの間にあり、前記第３の光源ポートおよび第３の検出器ポートと前記第３の対物反射鏡対の各中心とが前記第１および第２の面とは別個の第３の面内にある、前記第３の光源ポートおよび第３の検出器ポートと、
を備える第３のチャネルをさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１、第２、および第３の対物反射鏡対、ならびに前記第１、第２、および第３の光源ポートおよび検出器ポートは、前記第１、第２、および第３の面同士がほぼ６０°の角度で交差するように配置されている、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の光源ポートはテラヘルツスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第２の光源ポートは赤外線領域の放射線ビームを通すように構成されていて、前記第３の光源ポートは可視スペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されている、請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的実施形態は、一般に、電磁信号が伝搬する光学セルに関し、特に、周波数の異なる複数の電磁信号の同時伝搬が可能な多チャネル光学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）領域に特化した光源および検出器が開発されたことにより、有毒ガスを識別および検出するための、化合物分子の固有の回転スペクトルの特徴の調査が進められている。ＴＨｚスペクトル領域には、可視領域や赤外線（ＩＲ）領域では通常直面しない、ある独特の問題がある。複数の浮遊不要反射または定在波が、ＴＨＺでは、より深刻になる可能性があり、放射線の物理光学伝搬は、計測器内の光路に関して、独特の問題を計測器設計者に突きつける可能性がある。具体的には、ＴＨｚ放射線は、波長が長いために、長距離にわたって平行化されたままでいることができない。平面波であれば、急速に伝搬して球面波に変わることが可能である。また、ビームサイズは、より波長が短い同種のものより大きくなる傾向がある。
【０００３】
波長がより短い場合、いわゆるホワイトセル内の光源および光路は、その基本的な形態では、３つの球面鏡、反射鏡などの間で複数回のバウンス（bounce）を与えるように設計される。３つの鏡のうちの１つは、視野鏡（field mirror）と呼ばれることが多く、他の２つは、対物鏡と呼ばれることが多い。光源および検出器は、視野鏡の表面近くの、視野鏡の光軸に関して対称な位置に配置することが可能である。光源は、一方の対物鏡に送ることが可能な球面波を生成するように構築可能である。そして、それらの対物鏡は、ビームを視野鏡に再度集束させることが可能である。視野鏡上の反射点における小さな集束スポット（「画像」と呼ばれることもある）は、球面波として、第２の対物鏡に向けて方向を変えることが可能であり、この球面波は、光を視野鏡に戻して、視野鏡上の新しいスポットに集束させることが可能である。球面鏡上のスポットが多いほど、セルを通る光路が長くなり、セル内のガスの吸収を測定する際の分光計の感度を高くすることが可能である。そして、設計では、スポットを検出器上に置くことが可能になるまで、視野鏡全体にわたってスポットを１つずつ調べる。ホワイトセルの詳細については、Ｊｏｈｎ  Ｕ．Ｗｈｉｔｅ，Ｌｏｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｔｈｓ  ｏｆ  Ｌａｒｇｅ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ，３２  Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．２８５−２８８  （１９４２）を参照されたい。
【０００４】
ＴＨｚ放射線は波長が長いため、視野鏡上のスポットは、可視スポットまたはＩＲスポットよりずっと大きい可能性がある。また、波長の関数であるビーム伝搬は、広帯域のＴＨｚ波長にわたって深刻な集束ずれを引き起こす可能性がある。これらの問題は、ビームの開きが波長によって大きく異なる可能性があるために、スポットの著しい逸脱やスループットの低下を引き起こす可能性がある。スポットおよびパッケージング制約が大きいほど、より短い波長の分光計と比べて、そのようなセルが達成可能な光バウンス数（経路長）が制限される可能性がある。
【発明の概要】
【０００５】
前述の背景を鑑みて、本発明の例示的実施形態は、改良された多チャネル光学セルを提供する。本発明の例示的実施形態の一態様によれば、視野反射鏡と、それぞれが光軸および反射面を有する、複数の対物反射鏡対と、を含む装置が提供され、各対物反射鏡の反射面は、視野反射鏡の反射面と向き合うように配置されている。本装置はさらに、各対物反射鏡の反射面と向き合う、複数の光源ポートおよび検出器ポートの対を含み、各光源ポートは、放射線ビームを、視野反射鏡と各対物反射鏡との間に通して伝搬させるように構成されていて、各検出器ポートは、視野反射鏡と各対物反射鏡との間を伝搬して集束された放射線ビームを受信するように構成されている。各対の光源ポートおよび検出器ポートは、視野反射鏡の光軸がそれぞれの光源ポートおよび検出器ポートの間（の、たとえば、対称位置）にあるように、視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されている。したがって、光源ポートを通った放射線ビームが、各検出器ポートに到達するまで、視野反射鏡と、各対物反射鏡対との間で伝搬および反射を繰り返すことが可能である。しかしながら、各対の光源ポートおよび検出器ポートは、視野反射鏡の直径からずれた場所にある（ただし、直径と平行である）視野反射鏡の弦（choud）上にあるため、視野反射鏡上に複数列のスポットを与えることが可能であり、したがって、単一行のスポットの場合より経路長を長くすることが可能である。
【０００６】
本態様の各対物反射鏡と光源ポートおよび検出器ポートの各対は、光源ポートおよび検出器ポートの各対が、別個のチャネルを形成する各対物反射鏡対に関連付けられるように配置されていて、各チャネルの光源ポートおよび検出器ポートの対ならびに関連付けられた対物反射鏡対の各中心は、それぞれ別個の面内に位置する。対物反射鏡対の各中心は、視野反射鏡の直径に平行な線上に位置してよい。そして、このような場合において、光源ポートおよび検出器ポートがそれぞれ上述のように視野反射鏡の弦上にある場合には、ポート対と反射鏡対がある別個の面を視野反射鏡の軸（光軸）からいくぶん傾斜させてよい。様々な場合において、チャネルごとに、光源ポートおよび検出器ポートが沿っている弦は、視野反射鏡の直径からずれていてよい。
【０００７】
各対物反射鏡ならびに光源ポートおよび検出器ポートの各対は、各チャネルの別個の面同士が、約３６０°／２ｎ（ただし、ｎはチャネル数を表す）の、鈍角でない交差角度で交差するように配置されていてよい。したがって、２チャネルの場合、面同士はほぼ直角に交差してよく、３チャネルの場合、面同士はほぼ６０°の角度で交差してよい。
【０００８】
各対物反射鏡はさらに、視野反射鏡の光軸上の共通点のまわりに配置されてよく、共通点は各対物反射鏡から等距離にあってよい。視野反射鏡および対物反射鏡は、球面または非球面の凹面反射鏡であってよく、共通点のまわりに四つ葉状または円状に配置されてよい。チャネルごとに、光源ポートおよび検出器ポートは視野反射鏡の弦上にあってよく、各対物反射鏡は、各弦に垂直で視野反射鏡の光軸に垂直な軸に沿って、ある角度で傾斜していてよい。
【０００９】
各光源ポートは、別個の周波数帯の放射線ビームを通すように構成されてよい。チャネルごとの別個の周波数帯は、テラヘルツスペクトル領域にあってよい。光源ポートが少なくとも第１の光源ポートおよび第２の光源ポートを含む場合を含めて他の場合には、第１の光源ポートは、テラヘルツスペクトル領域に放射線ビームを通すように構成されていてよく、第２の光源ポートは、赤外線または可視のスペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていてよい。そして、光源ポートがさらに第３の光源ポートを含む場合には、第２の光源ポートは、赤外線スペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていてよく、第３の光源ポートは、可視スペクトル領域の放射線ビームを通すように構成されていてよい。
【００１０】
本発明の例示的実施形態の別の態様によれば、視野反射鏡と第１および第２のチャネルとを含む装置が提供され、本装置はさらに第３のチャネルを含んでもよい。第１のチャネルは、第１の対物反射鏡対と、第１の光源ポートおよび第１の検出器ポートとを含んでいる。第１の光源ポートおよび検出器ポートは、視野反射鏡の直径からずれた場所にある（ただし、直径と平行である）視野反射鏡の第１の弦に沿って、視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されてよく、それぞれのポートが視野反射鏡の軸（光軸）から等距離にあるように配置されてよい。第２のチャネルは、第２の対物反射鏡対と、第２の光源ポートおよび第２の検出器ポートとを含んでいる。第１の光源ポートおよび検出器ポートと同様に、第２の光源ポートおよび検出器ポートは、（第１の弦と同様に）視野反射鏡の直径からずれた場所にある（ただし、直径と平行である）視野反射鏡の第２の弦に沿って、視野反射鏡の外側エッジに近接して配置されてよい。やはり第１の光源ポートおよび検出器ポートと同様に、第２の光源ポートおよび検出器ポートも、それぞれのポートが視野反射鏡の軸から等距離にあるように配置されてよい。そして、第３のチャネルが含まれる場合、第３のチャネルは、第３の対物反射鏡対と、第３の光源ポートおよび第３の検出器ポートとを含み、これらは、第１および第２の光源ポートおよび検出器ポートの各対と同様に配置されてよい。
【００１１】
本態様に関連して、各対物反射鏡は光軸を有し、視野反射鏡の反射面と向き合うように配置された反射面を有する。第１の光源ポートおよび第１の検出器ポート、ならびに第１の対物反射鏡対の各中心は、第１の面内にある。第２の光源ポートおよび第２の検出器ポート、ならびに第２の対物反射鏡対の各中心は、第１の面とは別個の第２の面内にある。そして、第３のチャネルが含まれる場合、第３の光源ポートおよび第３の検出器ポート、ならびに第３の対物反射鏡対の各中心は、第１および第２の面の両方と別個の第３の面内にある。
【００１２】
以上、本発明を一般的な用語で説明してきたが、ここからは、添付図面を参照していく。これらの図面は必ずしも正確な縮尺では描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の例示的実施形態によるデュアルチャネル光学セルの側面図である。
【図２】本発明の例示的実施形態によるデュアルチャネル光学セルの斜視図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による、デュアルチャネル光学セルの一方のチャネルを通るビームの伝搬をハイライトした、デュアルチャネル光学セルの側面図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による、多チャネル光学セルの検出器で測定可能なビームの放射照度（面積当たり出力）の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の他の例示的実施形態による３チャネル光学セルの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明していく。添付図面では、本発明の好ましい実施形態を示す。しかしながら、本発明は、様々な形態で具体化されてよく、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を、綿密かつ完璧であって本発明の範囲を当業者に完全に伝えるものとするために提供されている。この点において、本明細書では、いくつかの数式または数値を参照し、各種構成要素、素子などのいくつかの位置を参照している場合がある。しかしながら、これらの式、値、位置などが参照する式、値、または位置は、本発明の例示的実施形態が、設計の許容範囲などに起因して多チャネル光学セルに起こりうるばらつきを考慮できるように、絶対的であっても近似的であってもよいことを理解されたい。全体を通して、類似の参照符号は類似の要素を参照する。
【００１５】
本発明の例示的実施形態が対象とするのは、従来の光学セルに比べて、広いスペクトル帯を維持しながら感度の向上を可能にし得る多チャネル光学セルである。本明細書で主に図示および説明しているように、本多チャネル光学セルは、２つのチャネルを含むデュアルチャネル光学セルであり、各チャネルは、それぞれの送信器（光源）および受信器（検出器）を有する。しかしながら、本多チャネル光学セルは、動作波長および経路長の要件に応じて、３つ、４つ、またはそれ以上のチャネルを含んでよいことを理解されたい。
【００１６】
さらに、本発明の例示的実施形態の多チャネル光学セルについては、主として、電磁スペクトルのＴＨｚ（またはｍｍＷ）領域の信号との関連で説明する。ただし、本発明の例示的実施形態の多チャネル光学セルは、電磁スペクトルのＴＨｚ領域の内外における他の様々な応用例と関連して利用可能である。より具体的には、デュアルチャネル光学セルの文脈において、たとえば、一方のチャネルを、非常に選択性の高い、やや狭いＴＨｚ帯で動作するように構成することが可能であり、他方のチャネルを、より広い、選択性の高くない帯域で動作するように構成することが可能である。他の構成例として、以下のものがある。
１つの赤外線（ＩＲ）チャネルと１つのＴＨｚチャネル。これらは、分光計システムの文脈では、同じガスの高周波分子振動スペクトルと低周波回転スペクトルとを同時にカバーする計測で用いることが可能である。
１つの可視チャネルと１つのＴＨｚチャネル。
１つの可視チャネルと、１つのＩＲチャネルと、１つのＴＨｚチャネル。
【００１７】
図１および図２は、本発明の例示的実施形態によるデュアルチャネル光学セル１０の側面図および斜視図である。本デュアルチャネル光学セルは、図に示すように、凹面視野反射鏡１２と、チャネルごとの一対の対物反射鏡１４、１６とを含んでよい（図では、第１のチャネルに対して対物反射鏡１４ａ、１６ａを、第２のチャネルに対して対物反射鏡１４ｂ、１６ｂを示した）。これらの反射鏡は、放射線（電磁波）のビームを反射できる何種類かの構成要素（鏡、再帰反射器など）のうちのいずれかから成るものであってよく、それらの１つ以上が、コーティング、または他の、そのような反射を促進もしくは支援する要素を含んでよい。これらの対物反射鏡はそれぞれ別個の反射鏡であってよく、あるいは２つ以上の対物反射鏡が単一の反射鏡から形成されてもよい。
【００１８】
視野反射鏡１２および対物反射鏡１４、１６は、何種類かの形状のうちのいずれかの反射面を有する凹面反射鏡であってよい。一例示的実施形態では、視野反射鏡および対物反射鏡を含む反射鏡は、球面または非球面の凹面反射鏡であってよい。対物反射鏡１４、１６は、概念的には視野反射鏡１２の軸（光軸）上に中心を有する対物反射鏡を共通の親とするセグメントであると見なしてよい。各対物反射鏡は、セグメントとして、それぞれの中心が親対物反射鏡の光軸（したがって、視野反射鏡の光軸）から等距離にあるように配置してよい。共通チャネルに対する各対物反射鏡は、同じ親規定（光学特性。たとえば、視野反射鏡を基準とする曲率半径、位置、および方向）を有してよく、別々のチャネルに対する対物鏡は別々の親規定（parent prescription）を有してよい。
【００１９】
一例示的実施形態では、視野および対物反射鏡１２、１４、１６は、球面の凹面反射鏡であってよく、対物反射鏡は、それぞれの中心が視野反射鏡の直径に平行な線上にあり、かつ、各対物反射鏡が傾斜して視野反射鏡上に所望の数のスポットを形成し、したがって、それぞれのチャネルに対して所望の経路長をセルに形成するように配置してよい。この点において、チャネルごとの対物反射鏡は、それぞれの中心が視野反射鏡の直径と視野反射鏡の軸とを含む平面内にあるように配置してよい。
【００２０】
各対物反射鏡１４、１６の傾斜（tilt）に関しては、視野反射鏡１２および各対物反射鏡は、図１〜３に示すような、視野反射鏡の中心に原点があってｚ軸が光軸に沿っている座標系（ｘ，ｙ，ｚ）にあると見なす。このような場合、所与の対物反射鏡の中心を（ｘ１，０，ｚ１）に配置し、この対物反射鏡をｙ軸に平行で点（ｘ１，０，ｚ１）を通る軸（傾斜角軸）に沿ってある角度（傾斜角度）で傾斜させてよい。言い換えると、各対物反射鏡の中心は親対物反射鏡のセグメントとして、親対物反射鏡の二次軸上に位置してよいものとする。しかしながら、対物反射鏡は、対物反射鏡の特徴として、二次軸が対物反射鏡の中心を通りながら親対物反射鏡の湾曲の中心からずれるように傾斜させてよい。
【００２１】
図２および図３にさらに示すように、共通の親対物反射鏡のセグメントとしての各対物反射鏡１４、１６のアパーチャは、くさび形もしくは葉状であってよい。このような場合、各対物反射鏡は、四つ葉（四つ葉のクローバ）状に、ある点のまわりに配置してよく、それぞれにとってのその点は、各対物反射鏡の共通の親対物反射鏡の中心点である。また、特にセル１０が３つ以上のチャネルを含む場合にはチャネルごとにエネルギスループットの最適化が可能であるように、各対物反射鏡のサイズはチャネルごとに異なってもよい。このような場合、サイズが異なる各対物反射鏡は、それぞれに応じて頂角が異なってよい。さらに、ほとんどの場合、対物反射鏡対の傾斜角は、対称になり、各チャネルに適した経路を制御するために慎重に選択される。必要であれば、経路長はチャネルごとに異なってよい。
【００２２】
視野反射鏡１２および対物反射鏡１４、１６は、管またはチャンバ１８（図１、３に示したが、図２では簡略化のために省略）の対向する端部に取り付けてよい。様々な文脈での動作において、チャンバは、分析対象となるサンプル媒体および／またはベース媒体（たとえば、周囲空気）を含んでよい。そのような状況において、サンプル媒体およびベース媒体は、放射線ビームが少なくとも部分的に透過する何種類かの形態のうちのいずれかを有することが可能である。たとえば、サンプル媒体およびベース媒体は、固体、液体、気体、プラズマ、またはエアロゾルからなることが可能である。より具体的には、各種の例示的実施形態において、周囲空気のベース媒体は気体の形態であってよく、サンプルは気体またはエアロゾルの形態であってよい。
【００２３】
デュアルチャネル光学セル１０に放射線ビームを通す場合、セルは、チャネルごとに送信器（光源）２０および受信器（検出器）２２を含んでよい（図では、第１のチャネルに対して光源２０ａおよび検出器２２ａを、第２のチャネルに対して光源２０ｂおよび検出器２２ｂを示した）。各光源は、放射線（電磁波）のビームを送信するように構成された何種類かの光源のうちのいずれかから成るものであってよく、各検出器は、放射線ビームを検出もしくは測定するように構成された何種類かの検出器のうちのいずれかから成るものであってよい。たとえば、一方または両方の光源が光混合器型送信器（photomixer  transmitter）を含んでよく、光混合器型送信器は、セルに直接結合されてもよく、それぞれの光路（たとえば、光ファイバ）を介してセルに間接的に結合されてもよい。同様に、一方または両方の受信器が、光混合器型受信器（ホモダイン受信器）のような電界検出器を含んでよく、これは、セルに直接結合されてもよく、間接的に結合されてもよい。マイクロ波アンテナおよびテラヘルツアンテナを、光源および受信器の両方として使用してもよく、用途によってはレーザを光源として使用してよい。
【００２４】
光源２０および検出器２２は、視野反射鏡１２を含むチャンバ１８の端部の、視野反射鏡の領域の内側または外側に近接して配置してよい。光源または検出器が視野反射鏡の領域の内側に位置する場合は、図に示すように、チャンバおよび／または視野反射鏡が、それぞれの光源または検出器をチャンバ内部と結合するための開口部またはポートの範囲を規定することになる。一方、光源または検出器が視野反射鏡の領域の外側に位置する場合は、チャンバ自体だけが、それぞれの光源または検出器をチャンバ内部と結合するための開口部またはポートの範囲を規定することになる。
【００２５】
チャネルごとに、対物反射鏡１４、１６の軸（各対物反射鏡の中心を通る、親対物反射鏡の二次軸を回転させたもの）は視野反射鏡１２の反射面を通過してよく、（たとえば、親対物反射鏡の光軸と一致する）視野反射鏡の光軸は各対物反射鏡からほぼ等距離にある共通の点を通過してよい。図３に示すように、チャネルごとに、各光源２０を介してセル１０に導入したビーム２４を、当該チャネルの対物反射鏡対のうちの第１の対物反射鏡（たとえば、対物反射鏡１４）に向けてよく、この対物反射鏡はビームを反射して視野反射鏡に戻す。視野反射鏡は、このビームを当該チャネルの対物反射鏡対のうちの第２の対物反射鏡（たとえば、対物反射鏡１６）に向けて反射する。第２の対物反射鏡はこのビームを反射して視野反射鏡に戻し、視野反射鏡は、このビームを反射して第１の対物反射鏡に戻す。その後、このビームは、それぞれの検出器２２に到達するまで視野反射鏡と各対物反射鏡との間で反射され続ける。各対物反射鏡の光軸間の距離、視野反射鏡と各対物反射鏡との間の距離、ならびに（光源位置および検出器位置を通る線に平行な方向の）視野反射鏡の直径またはサイズが、視野反射鏡と各対物反射鏡との間の反射の回数に影響を及ぼす可能性があり、したがって、ビームがセル１０をトラバースする光路の長さに影響を及ぼす可能性がある。より重要なこととして、各対物反射鏡の角度（傾斜角度）により、反射回数および経路長の微調整制御を行うことが可能である。
【００２６】
一般に、ＴＨｚ光源から誘導されるビームは、レイリー長（平行化されたビームが平行化されたままでいられる距離）が非常に短いために、第１の対物反射鏡（たとえば、対物反射鏡１４）に向かって球面波のように広がる。第１の対物反射鏡は、ビームを視野反射鏡１２上のスポットに再集束し、これによって、反射鏡の検出器孔の下および近くでスポットの線列（line sequence）が開始される。反射光によって、ビームは第２の対物反射鏡（たとえば、対物反射鏡１６）に向かって再度広がり、第２の対物反射鏡は、ビームを視野反射鏡上の光源孔の位置の近くのスポットに再集束し、これによって、光源の中心と検出器の中心とを結ぶ線を含む面内で第２のスポット列が開始される。そして、この対応する点から、視野反射鏡はビームを第１の対物反射鏡に向けて戻す。この過程では、光源と検出器とを結ぶ線上のスポットが検出器ポートに到達して検出器によって集光されるまで、スポットを視野反射鏡上に集め続ける。
【００２７】
各チャネルおよびそれぞれの対物反射鏡１４、１６、光源２０、および検出器２２を何種類かの方式のうちのいずれかで配置することにより、各チャネルについて上述の動作を実行することが可能であり、上述の動作は別々のタイミングで実行してもよく、同時に実行してもよい。たとえば、チャネルごとに、視野反射鏡１２の直径からずれた場所にある（ただし、直径と平行である）視野反射鏡１２の弦に沿って光源２０および検出器２２を配置してよく、この弦に沿って視野反射鏡の軸から等距離に光源および検出器を配置してよい。光源は、視野反射鏡の外側エッジに近接した線に沿って配置してよい。そして、各検出器は、光源によってセル１０に導入され、検出器によって受信されるすべてのビームとの、最大でなくとも十分な結合が得られるように、この線に沿って光源に対して配置してよい。
【００２８】
また、チャネルごとに、（それぞれの傾斜角度で傾斜した）対物反射鏡１４、１６、光源２０、および検出器２２は、光源および検出器と各対物反射鏡の中心とが同一面内にあるように配置してよい。そして、光源および検出器がそれぞれ上述のように視野反射鏡１２の弦上にある場合は、光源および検出器と、各対物反射鏡とがある面を視野反射鏡の軸（光軸）からいくぶん傾斜させてよい。そして、各対物反射鏡の傾斜角軸は、光源および検出器が沿っている弦に垂直であってよく、視野反射鏡の光軸に垂直であってよい。
【００２９】
図２および図３に示した例示的実施形態では、光源２０ａおよび検出器２２ａと、対物反射鏡１４ａ、１６ａの中心とは、視野反射鏡の軸に対してわずかに傾斜した面にあり、光源２０ｂおよび検出器２２ｂと、対物反射鏡１４ｂ、１６ｂの中心とは、視野反射鏡の軸に対してわずかに傾斜したほぼ直交する面にある。そして、例示のデュアルチャネル光学セル１０では各チャネルを直交構成に並べてよい。図１および図２に示したように、第１のチャネル内のビーム（図のビーム２４ａ）が一般に伝搬する領域は、第２のチャネル内のビーム（図のビーム２４ｂ）が伝搬する領域と直交してよい。
【００３０】
セルの設計では、検出器２２および光源２０を上述の対称位置に配置してよく、これらの位置はビームウエスト位置に対応してよい。光混合器、ＴＨｚホーンアンテナなどのような光源は、ウエスト位置に対してそれぞれの装置の望ましい位置があってよい。これがわかっていれば、各種装置をセル１０内のそれぞれの適切な位置に取り付けることが可能である。しかしながら、ＴＨｚ分光計の用途に用いる場合は、対物反射鏡１４、１６が光源のウエストを複数の結像スポットにより視野反射鏡１２上に結像するようにセルを設計してよい。この設計は、従来の光学設計による最適化が可能である。しかしながら、テラヘルツはさらなる制約をもたらす可能性があり、それは経路長および波長に対する波面の曲率半径の変化である。
【００３１】
背景技術の項で説明したように、波長の関数であるビーム伝搬は広帯域のＴＨｚ波長にわたって深刻な集束ずれを引き起こす可能性がある。これらの問題は、ビームの開きが波長によって大きく異なる可能性があるために、スポットの著しい逸脱やスループットの低下を引き起こす可能性がある。この点では、ビームは、視野反射鏡１２上でのビーム集束が注目帯域内の周波数に対して変化する（注目周波数に対して変化する）ように非点収差であると見なしてよい。このことは、図４に見られるとおりである。図４は、検出器で測定可能なビームの放射照度（面積当たり出力）の一例を示している。したがって、一例示的実施形態では、検出器を視野反射鏡の外側エッジに近接させ、検出器の中心における注目周波数（たとえば、注目帯域内の中心周波数）のビーム放射照度が最大になる点に配置してよい。そして、検出器は、ビームのエネルギのすべてでなくともほとんどを検出もしくは測定するようなサイズであってよい。図４の例では、ビームの周波数が５００ＧＨｚであり検出器の長さおよび幅（円形検出器の場合は直径）が８ｍｍである。注目スペクトル領域では、そして特にＴＨｚスペクトル領域では、本発明の例示的実施形態の多チャネル光学セルの各チャネルは、それぞれの個々の帯域に応じて設計されてよく、帯域が連続する場合には、この多チャネル光学セルはそれらのチャネルの帯域を包含するさらに広い帯域を効果的にカバーすることが可能である。
【００３２】
一例として、セル１０のそれぞれのチャネルは、別々の波長の光源２０から要求される別々の曲率半径により別々の中心周波数に対して光学的に最適化されてよい。これにより、光源の位置を変化させて、ビームの波面曲率を、対物反射鏡の曲率によりよく適合させること、および／または光源と検出器の位置をチャネルごとに調節することが可能になる。
【００３３】
デュアルチャネル光学セル２２のより具体的な例として、近赤外線用に設計されたセルを考える。光源２０は、光源と対物反射鏡との距離に等しい曲率半径のビームを送信するように設計されてよい。これは、反射鏡（視野反射鏡１２および対物反射鏡１４、１６）の曲率半径（ＲＯＣ）がこれと同じＲＯＣ（たとえば、２００ｍｍ）であってよいためである。そこで、このセルを、４００ＧＨｚを中心とする約２００ＧＨｚの帯域幅と６００ＧＨｚを中心とする約２００ＧＨｚの帯域幅とを有するチャネルのＴＨｚ周波数で使用することを考える。この例では、視野反射鏡１２の曲率半径は約２００ｍｍであり、対物反射鏡１４、１６はＲＯＣが約２００ｍｍであって視野反射鏡から２００ｍｍのところに位置する。これらの値に対し、４ｍｍのウエストを有するＴＨｚ光源が４００ＧＨｚで２２２．４６ｍｍ、６００ＧＨｚで２５０．５３ｍｍのＲＯＣを生成し、このＲＯＣは、赤外線内の挙動と異なり各帯域にわたって変化する。１つのソリューションは、第１のチャネルの光源の位置を対物反射鏡のＲＯＣと適合するように調節することであり、第２の光源の場合も同様であるが、これは、光源の配置が容認しかねるものになるおそれがある。よりよいソリューションは、セルを再設計して２００ｍｍの要素を４００ＧＨｚおよび６００ＧＨｚの帯域中心に最適適合するものに置き換えることである。なお、最適化により、光源ビームのＲＯＣを両帯域にわたって変化させた結果として、視野反射鏡と対物反射鏡との間の最良の距離、および各反射鏡のＲＯＣの選択が可能になる。この設計の最適化は、多経路セルのテラヘルツ用途に特有であり、可視用途および赤外線用途には無関係である。これは、可視用途および赤外線用途において、光源のＲＯＣがほぼ一定となるためである。
【００３４】
１つのチャネルに２つのＴＨｚチャネルを有することによりＲＯＣ性能を改善することに加えて、本セル設計は、設計者がこの２つのチャネルに対して別々の光源を使用することを可能にしうる。このような場合、その２つのチャネルに対する光源は別々の光源ビームウエストを有してよく、これにより最適化プロセスの自由度をさらに高めることが可能である。このプロセスは分光装置の感度の全体的向上に寄与することが可能である。
【００３５】
上述のように、一例示的実施形態の多チャネル光学セルはデュアルチャネル光学セルであるが、多チャネル光学セルは、動作波長および経路長要件に応じて、３つ、４つ、またはそれ以上のチャネルを含んでよい。３チャネル光学セル２６の一例を図５に示す。付随する管またはチャンバは簡潔さのために省略した。図に示すように、デュアルチャネル光学セルと同様に、３チャネル光学セルは凹面視野反射鏡２８とチャネルごとの対物反射鏡対３０、３２とを含んでよい（図では、第１のチャネルに対して対物反射鏡３０ａ、３２ａを、第２のチャネルに対して対物反射鏡３０ｂ、３２ｂを、第３のチャネルに対して対物反射鏡３０ｃ、３２ｃを示した）。デュアルチャネル光学セルの各対物反射鏡と同様に、３チャネル設計の各対物反射鏡はそれぞれ別個の反射鏡であってよく、あるいは２つ以上の対物反射鏡が単一の反射鏡から形成されてもよい。
【００３６】
視野反射鏡２８および対物反射鏡３０、３２は、何種類かの形状のうちのいずれかの反射面を有する凹面反射鏡であってよい。一例示的実施形態では、視野反射鏡および対物反射鏡を含む反射鏡は、ほぼ同一の曲率半径を有する球面の凹面反射鏡である。たとえば、図５に示したように、各対物反射鏡は、各対物反射鏡から等距離にある視野反射鏡の光軸上の点のまわりに円形に配置してよい。チャネルごとに経路長が異なってもよい。この場合、対物反射鏡対の傾斜角度はチャネルごとに異なってよく、したがって、視野反射鏡上のスポット数および結果として経路長がチャネルごとに異なってよい。このことは、飽和していると考えられる強い吸収スペクトル線の測定を１つのチャネルで行う場合に有用である。より短い経路長をこのチャネルに用いると、非飽和測定が可能である。
【００３７】
また、２チャネル光学セル１０と同様に、３チャネル光学セル２６は、チャネルごとに送信器（光源）３４および受信器（検出器）３６を含んでよい（図５では、第１のチャネルに対して光源３４ａおよび検出器３６ａを、第２および第３のチャネルに対して光源３４ｂおよび３４ｃをそれぞれ示した。第２および第３のチャネルに対する検出器は、ビームの背後に隠れている）。各チャネルの対物反射鏡３０、３２、光源および検出器を含む各チャネルの構成要素を、何種類かの方式のうちのいずれかで配置および配列することにより、上述の方式と同様の方式で各チャネルに対する動作を実行することが可能である。たとえば、光源および検出器は、視野反射鏡の直径からずれた場所にある（ただし、直径と平行である）視野反射鏡の弦に沿って配置してよく、ビームのウエストおよびその開きに応じて変化するような様式で互いに対して配置してよい。
【００３８】
デュアルチャネル光学セル１０の場合は、１つのチャネルの光源３４および検出器３６と対物反射鏡３０、３２の中心とが、視野反射鏡１２の軸に対して傾斜していてよい独立した面内にあるように各構成要素を配置してよい。３チャネル設計の場合、そして、一般に多チャネル光学セルの場合には、これらの面を３６０°／２ｎにほぼ等しい鈍角でない（鋭角または直角の）交差角度で交差するように配置してよい（ただし、ｎはチャネル数（たとえば、３）を表す）。言い換えると、これらの面は、共通の点（たとえば、視野反射鏡の光軸と一致してよい親対物反射鏡の軸）のまわりで交差するように配置してよく、ｚ軸のまわりを３６０°／２ｎにほぼ等しい角度で互いに対して回転させてよい。したがって、デュアルチャネル設計の場合は、これらの面をほぼ９０°（すなわち、３６０°／４）の直角の交差角度で交差するように配置してよく、３チャネル設計の場合は、これらの面をほぼ６０°（すなわち、３６０°／６）の鋭角の交差角度で交差するように配置してよい。
【００３９】
本発明の例示的実施形態の多チャネルセルは、様々なタイプの分光計システムを含むいくつかの文脈のうちのいずれかで実装してよい。本発明の例示的実施形態から利益を受けうるそのような分光計のシステムおよび方法の１つが、２０１０年２月２５日に出願された米国特許出願第１２／７１２，７３６号（名称「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ  ｂｙ  Ｐａｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」）に記載されている。この出願の内容は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【００４０】
本発明に関係していて、前述の説明および関連付けられた図面で提示された教示の恩恵がある当業者であれば、本発明の多くの修正形態および他の実施形態が思い浮かぶと考えられる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されないこと、ならびに修正形態および他の実施形態は添付の特許請求の範囲に含まれるものとすることを理解されたい。本明細書では特定の用語を用いているが、これらは一般的および説明的な意味で使用されているだけであり限定目的での使用ではない。
【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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【外国語明細書】
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