(57)【要約】  本発明は、ハイパースペクトルラインスキャナー、分光器、或いは非回折的な画像リレーデバイスに組み込まれ、より詳細に言えば、製造がより容易になる簡易な光学構成、且つ従来の構成よりも優れた画像品質を有する光転送イメージャを提供する。本発明は、スリットまたはピンホールを通過した入射光を伝達する一般的な第一の光学アセンブリ、曲面の反射型回折格子又は曲面ミラーを通過した入射光を方向づける屈折補正器として作用する第二の光学アセンブリからなる。そしてスペクトル的に分散または反射した光（詳細な実施例に依存する）が第二の光学アセンブリを通過し、スリットと実質的に同一面上にある焦点面アレイ（ＦＰＡ）に光を集光する。スリットとＦＰＡとは好ましくは屈折補正器の光軸に対して反対側に対称的に配置される。
2013526725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する光学系であって、光源からの入射光を受光し、該入射光を反射曲面に投影し、該反射曲面から焦点面アレイ（ＦＰＡ）に向けて戻る前記光を集光する光学系を具備する光転送システムにおいて、
前記光源と前記ＦＰＡとは前記光軸の両側に実質的に対称的に配置され、前記反射曲面に投影される前記光と前記反射曲面からの戻り光とはそれぞれ同一の光学素子を通り、前記光はコリメーションなしで前記反射曲面に到達する光転送システム。
【請求項２】
前記光学系が前記曲面への入射光を集光するとともに前記曲面から前記ＦＰＡへの戻り光を集光するように前記光源と前記曲面との間に配置された第一及び第二の屈折補正素子を有する請求項１に記載の光転送システム。
【請求項３】
前記第一の屈折補正素子が前記光源に面するポジティブパワーレンズである請求項２に記載の光転送システム。
【請求項４】
前記第二の屈折補正素子が前記第一の屈折補正素子と前記曲面との間のネガティブパワーレンズである請求項３に記載の光転送システム。
【請求項５】
前記屈折補正素子が前記曲面よりも前記光源の近くに配置されている請求項２乃至４の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項６】
前記光学系を通過した光源からの光が前記曲面からの戻り光から物理的に分離されているとともに前記光軸に対して実質的に対称的である請求項２乃至５の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項７】
前記光学系が散乱光及び／或いは迷光を減らすために１つ以上のレンズにバッフリングを有する請求項２乃至６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項８】
前記曲面が分散素子である請求項１乃至７の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項９】
前記曲面が非分散ミラーである請求項１乃至７の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１０】
前記光源がスリットを通して前記光学系に受け取られる請求項１乃至９の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１１】
前記スリットの上流側で集光する第一の光学系をさらに備えている請求項１０に記載の光転送システム。
【請求項１２】
前記光源がピンホールを通して前記光学系に受け取られる請求項１乃至９の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１３】
前記ピンホールの上流側で集光する第一の光学系をさらに備えている請求項１２に記載の光転送システム。
【請求項１４】
前記曲面が分光学的に分散した光を、前記光学系を通して前記ＦＰＡに向かわせる回折格子である請求項１乃至８の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１５】
前記第一の光学系が前記スリットの上流側に光を伝達する光ファイバシステムである請求項１１に記載の光転送システム。
【請求項１６】
前記第一の光学系が前記ピンホールの上流側に光を伝達する光ファイバシステムである請求項１３に記載の光転送システム。
【請求項１７】
前記ＦＰＡが該ＦＰＡに対して垂直なＦＰＡ軸を有し、該ＦＰＡ軸が前記光軸に対して傾いている請求項１乃至１６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１８】
前記第二の屈折補正素子が同一の光学面で互いに隣り合った２つの球面光学素子からなる請求項２乃至１７の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項１９】
前記２つの球面光学素子が同一の光軸に沿って互いに分離されている請求項１８に記載の光転送システム。
【請求項２０】
前記ＦＰＡと前記第一の屈折補正素子との間に光学的に配置されるフィールドレンズをさらに備える請求項２乃至１９の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項２１】
前記スリットと前記第一の屈折補正素子との間に光学的に配置されるフィールドレンズをさらに備える請求項１０に記載の光転送システム。
【請求項２２】
前記光学系が１つ以上のダブレット及び１つ以上のシングレット光学素子を有する請求項２に記載の光転送システム。
【請求項２３】
前記光学系が３つ以上のシングレット光学素子を有する請求項２に記載の光転送システム。
【請求項２４】
前記ＦＰＡが前記スリットとは異なる平面に配置されるように前記光学系と前記ＦＰＡとの間に光学的に配置される全反射折返しミラー或いはプリズムをさらに備える請求項１０に記載の光転送システム。
【請求項２５】
前記第一の光学アセンブリと前記スリットとの間に光学的に配置される全反射折返しミラー或いはプリズムをさらに備える請求項１０に記載の光転送システム。
【請求項２６】
前記光学系が該光学系の１つ以上の表面に非球面を有する請求項２乃至２５の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項２７】
紫外（ＵＶ）波長に対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項２８】
可視及び近赤外（ＶＮＩＲ）波長に対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項２９】
短波赤外（ＳＷＩＲ）スペクトル波長に対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項３０】
中波赤外（ＭＷＩＲ）波長に対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項３１】
熱赤外（ＴＩＲ）波長に対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項３２】
紫外（ＵＶ）波長、可視及び近赤外（ＶＮＩＲ）、短波赤外（ＳＷＩＲ）、中波赤外（ＭＷＩＲ）、及び／或いは熱赤外（ＴＩＲ）の組み合わせ、或いはスペクトルサブセットに対して最適化された光学素子を有する請求項１乃至２６の何れか一項に記載の光転送システム。
【請求項３３】
光が１つ以上のスリットを通って光学イメージャに入射するように前記光転送システムに光学的に接続されている光多重化システムをさらに備える請求項１０乃至３２の何れか一項に記載の光転送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常、画像リレーデバイスおよびハイパースペクトルイメージャおよび分光器で用いられ、より詳細に言えば、製造がより容易になる簡易な光学構成、かつ従来の構成よりも優れた分光的、空間的画像品質を有する光転送イメージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
現行の“オフナー”(Offner)デザインに基づく光転送イメージャは、比較的大型であり、多重的な光軸をアライメントし、且つ維持するのが非常に困難である。
【０００３】
現在の“ダイソン”(Dyson)構成に基づく光転送イメージャの構成は、ＵＳ７，６０９，３８１（ウォーレンWarren）に例示されているように、小型であるものの後方焦点距離すなわち焦点面アレイ（ＦＰＡ）とダイソン光学ブロックとの距離が極めて近接して配置されなければならないという厳しい制約がある。結果として、光撮像システムにおいては、ＦＰＡは最も近い光学素子から物理的により離す必要がある。それによってＦＰＡに関する機械的設計に自由度が拡張される。
【０００４】
その上、概して高品位のマッピングと画像リレーアプリケーションに望まれる多画素のＦＰＡに対し、ダイソン型の構成のさらなる限界は、ダイソンブロックが物理的に大型になることである。その結果、前記ブロックの熱平衡の達成・維持は、動作前の多大な時間を要求し、もし不完全に達成或いは維持がされるならば、得られる画像の劣化につながる。
【０００５】
ダイソン型の構成に関わる画像品質上のもうひとつの主たる限界は、両方向の光路長（分光学的設計に対する回折前後の）が同一の大きなブロックを通過すること、そのため入射光がダイソンブロック内部およびＦＰＡ側の端部で散乱することである。さらに、ＵＳ７，６０９，３８１（ウォーレンWarren）に例示されるように、ダイソン型の構成では、上記散乱を避けるための光学的バッフリングを施すことができない。このような散乱は重大な問題である。それは、分光学的アプリケーションにおいて、ＦＰＡに到達する所望の信号は、ＦＰＡの異なる部分にぶつかり分光学的に分散され全領域のスペクトルエネルギーの僅かな割合しか有していないのに対し、散乱された入射光はフルスペクトルであるからである。そのとき散乱光は、ある波長範囲においてＦＰＡに衝突するトータルエネルギーの中でかなりの割合を占めることになる。
【０００６】
さらに、ＵＳ７，１９９，８７６（ミッチェルMitchell）およびＵＳ７，０６１，６１１（ミッチェルMitchell）に示されるように、他の光学構成は、平面ミラー、平面反射型回折格子、或いは平面転送回折格子が使用できるように、スリットを通過した光をコリメートするための、スリットと分散的な回折格子との間にある光アセンブリを一体化している。散乱光の付随的な増加に伴い、この光をコリメートする必要性が、より高レベルの光学的複雑性を付加することになる。
【０００７】
その結果、スリットと分散的な回折格子との間には、散乱光が減少し光をコリメートする必要がない簡易な光学アセンブリが必要である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、小型の光転送システムが開示される。
【０００９】
物理的に小型である光転送システム構成を提供することが本発明の目的である。
【００１０】
高品位な画像アプリケーションに好適な大面積画素を含む多画素のＦＰＡであり、（回折型の実施形態の場合）最小限の根本要素及び最小限の分光的歪みを有するＦＰＡに対して、効率的に用いられうる光学構成を提供することが本発明の目的である。
【００１１】
さらに、本光学構成が容易に製造可能な最小限の数の光学素子からなることを目的とする。
【００１２】
さらに、本光学構成が複雑なアライメント作業なしに（回折型の実施形態の場合）最小限の分光的・根本的歪みを達成・維持することを目的とする。
【００１３】
さらに、本光学構成がハイパースペクトル画像構成に用いられるとき、ＦＰＡ全体にわたる全波長の影響に対する回折限界を大きくすることを含む卓越した画像品位を達成することを目的とする。
【００１４】
さらに、紫外線から熱赤外線までの様々な分光範囲で用いることができるように、光学構成のフォーマットが十分一般的であることを目的とする。
【００１５】
さらに、スリットからの散乱光の大部分がＦＰＡへの入射をブロックされ、遮蔽され、或いは、制約されることを目的とする。
【００１６】
本発明によれば、光軸を有する光学系であって、光源からの入射光を受光し、該入射光を反射曲面上に投影し、焦点面アレイ（ＦＰＡ）上に向けて曲面からの戻り光を集光する光学系を具備する光転送デバイスが提供される。ここで、光源とＦＰＡとは光軸に対して両側に実質的に対称的に配置される。反射曲面上への投影光と反射曲面からの戻り光とは各々同一の光学素子を通過する。
【００１７】
別の実施形態では、光学システムは第一及び第二の屈折補正素子を有する。これら屈折補正素子は光源と、入射光を集光するとともにＦＰＡ上の曲面から戻る光を集光する曲面との間に配置される。
【００１８】
種々の実施形態では、第一の屈折補正素子は光源に面しているポジティブパワーレンズである。及び／或いは第二の屈折補正素子は第一の屈折補正素子と曲面との間のネガティブパワーレンズである。
【００１９】
好ましくは、屈折補正器は曲面よりも光源の近くに配置される。
【００２０】
１つの実施形態では、光学系を通過した光源からの光は、曲面からの戻り光から物理的に分離されており、光軸に対して実質的に対称的である。
【００２１】
好適な実施形態では、光はコリメーションなしで曲面に伝達される。
【００２２】
１つの実施形態では、曲面は分散素子であり、別の実施形態では、曲面は非分散ミラーである。
【００２３】
さらに別の実施形態では、光源はスリットを通して光学系に受光され、当該光源はスリットの上流側に光を集光する第一の光学系を有していてもよい。
【００２４】
別の実施形態では、光源はピンホールを通して光学系に受光され、当該光源はピンホールの上流側に光を集光する第一の光学システムを有していてもよい。
【００２５】
別の実施形態では、曲面は分光学的に分散した光をＦＰＡに向ける回折格子である。
【００２６】
さらに別の実施形態では、第一の光学システムはスリット或いはピンホールの上流に光を伝達する光ファイバシステムである。
【００２７】
さらに別の実施形態では、ＦＰＡは当該ＦＰＡに対して垂直なＦＰＡ軸を有し、該ＦＰＡ軸は光軸に対して傾いている。
【００２８】
別の実施形態では、第二の屈折補正素子は同一の光学平面上で互いに隣接する２つの球面光学素子からなる。これら２つの球面光学素子は同一の光軸に沿って互いに離れていてもよい。
【００２９】
別の実施形態では、ＦＰＡと第一の屈折補正素子との間にフィールドレンズが光学的に配置されている。
【００３０】
別の実施形態では、スリットと第一の屈折補正素子との間にフィールドレンズが光学的に配置されている。
【００３１】
別の実施形態では、光学系は１つ以上のダブレットと１つ以上のシングレット光学素子とを有する。
【００３２】
さらに別の実施形態では、光学系は３つ以上のシングレット光学素子を有する。
【００３３】
さらに別の実施形態では、光学系は当該光学系とＦＰＡとの間に光学的に配置され、全反射する折り返しミラー或いはプリズムを含んでもよい。このようにすることで、ＦＰＡはスリット及び／或いは第一の光学アセンブリとスリットの間に光学的に配置された全反射を有する折り返しミラー又はプリズムとは異なる面に配向できる。
【００３４】
さらに別の実施形態では、光学系は当該光学系の１つ以上の表面に非球面を有する。
【００３５】
さらに別の実施形態では、光転送システムは、紫外（ＵＶ）波長、可視及び近赤外（ＶＮＩＲ）波長、短波赤外（ＳＷＩＲ）スペクトル波長、中波赤外（ＭＷＩＲ）波長、熱赤外（ＴＩＲ）波長に対して最適化された光学素子を有する。且つ／或いは、紫外（ＵＶ）、可視及び近赤外（ＶＮＩＲ）、短波赤外（ＳＷＩＲ）、中波赤外（ＭＷＩＲ）及び／或いは熱赤外（ＴＩＲ）波長の組み合わせ若しくはスペクトル的サブセットに対して最適化された光学素子を有する。
【００３６】
さらに別の実施形態では、光学系は光学的に光転送システムに接続された光多重化システムを有する。ここで、光は１つ以上のスリットを通って光学イメージャに入射する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下の図面を参照して本発明を説明する。
【図１】従来技術に基づいた典型的なダイソン型の分光学的構成を示す。
【図２】本発明の１つの実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャの、光軸に沿ってスペクトル分散の面と平行な面で切った、概略の断面図である。
【図３】レンズ上のコーティングの形態のバッフリングを示した本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図４】入射光のエッジと回折光のエッジとに平行な物理的なバリアの形態のバッフリングを示した本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図５】ｆ２．８光学系を有する小型の可視及び近赤外（ＶＮＩＲ）分光器に対する本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図６】ｆ２．８光学系を有し、スリットと第一の光学素子との間に折返しミラーを組み込んだＶＮＩＲシステムの場合の本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図７】ＦＰＡの手前にフィールドレンズを組み込み、ｆ２．８乃至ｆ２．５の光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図８】スリットと第一の光学素子との間にフィールドレンズを組み込み、ｆ２．８乃至ｆ２．５の光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図９】１つのダブレットと１つのシングレット光学素子を有し、ｆ２．８光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１０】極めて接近した３つのシングレットレンズを有し、ｆ２．８光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１１】全球面であり、補正を改善するために２つの光学素子の間の追加の分離をプラスした、ＶＮＩＲから短波赤外（ＳＷＩＲ）のスペクトル範囲の場合の、本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１２】ＶＮＩＲからＳＷＩＲのスペクトル範囲で、１つの非球面を使用しｆ２．５乃至ｆ２．０光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１３】ＳＷＩＲのスペクトル範囲の小型の分光器で、１つの非球面を使用し、ｆ２．０光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１４】中波赤外（ＭＷＩＲ）のスペクトル範囲で、ｆ１．５の光学系を用い１つの非球面を有する本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１５】熱赤外（ＴＩＲ）のスペクトル範囲で、ｆ１．５の光学系を持つ、本発明の一実施形態に基づいたハイパースペクトルイメージャである。
【図１６】低歪画像リレーを実現するために回折格子ではなくミラーを用い、３０ｍｍ×１０ｍｍフォーマットでｆ２．８光学系を用いた本発明の一実施形態に基づいた光転送イメージャである。
【図１７】対物レンズアセンブリ、ＦＰＡ用のハウジング及び関連する電子回路に対する機械的配置が含まれている分光器の一実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図面を参照して、改良された小型の光転送画像システムについて説明する。
【００３９】
図２乃至１５に示した第一のタイプの実施形態では、改良されたシステムは１つの光軸を有する光学アセンブリが提供され、当該光学アセンブリはスリット或いはピンホールを通過して分光器に入射する非スペクトル分散光を曲面した反射型回析格子に向け、それに続き、スペクトル的に分散した光を同一の光学アセンブリを用いてＦＰＡに集光させる画像機能を有する。本アプローチは、スマイル及びキーストーン歪を大きく減少させる。そして、本構成はオフナー型デザインに対し有意な利点を有している。
【００４０】
図１６に示す第二の実施形態の画像リレーデバイスでは、光学アセンブリが提供され、当該光学アセンブリはリレーデバイス、そして、曲面反射ミラーに光を入射させる機能と、それに続いて反射した光を同一の光学アセンブリを用いてＦＰＡに集光させる機能との二次元画像機能を有する。
【００４１】
各実施形態では、改良された光学構成はＦＰＡが光学素子に近接しないような後方焦点面距離を十分に許容する。その結果、光源と第一の光学素子との間の距離を、図１に示す従来のダイソン型の構成（詳細は後述する）に比べて長くすることができる。これらの増加した距離は光源とＦＰＡとのより大きな物理的分離を許容する。そして、このことは多数の画素を持ち、且つ／又は大きな画素サイズのＦＰＡに対して特に有利である。さらに、本構成は迷光の制御、折返しミラー又はプリズムを使用するオプションも許容する。こうした全反射素子はＦＰＡの直前に置かれる。結果として、これら構成はスリットとＦＰＡとの間の物理的分離をより大きくすることができる。そして、分光器又は画像リレーデバイスの物理的レイアウトに、より大きな自由度を許容する。
【００４２】
さらに本光学構成は、多くの波長範囲においてレンズ及び反射回折格子或いはミラー全てを球面とすることができ、したがって、ダイソン型光学系で必要とされる非球面と比較して容易に製造可能であるという利点を提供する。
【００４３】
（図１に示すように）ＶＮＩＲ ｆ２．８のハイパースペクトルの実施形態に対する光学的規定及び他の光学的パラメータを表１及び表２に示す。そして、当業者に公知の典型的なシステムの説明を提供する。
【表１】
2013526725.tif 000003
【表２】
2013526725.tif 000004
【００４４】
さらに本発明によれば、いくつかのデザインオプションができる。これらには、とりわけ以下が含まれる。
・レンズに適した光学材料の利用可能性が問題となりうる場合、スペクトル波長に対して少なくとも１つの非球面を組み込むこと。
・全波長に対して球面を保持し、スリットを通った入射光の光路ではなくＦＰＡの直前に付加的な屈折補正レンズ素子を付加すること。
・球面を保持し、全波長範囲で優れた集光性能を提供するためにＦＰＡの傾斜を含むこと。
・ハイパースペクトルラインイメージャ、分光器及び画像リレーデバイスに対して同一の基礎的な光学構成を適用すること。
【００４５】
さらに、本発明によれば、スリットを通って入射する光をコリメートする要求がなくなるので、他のタイプの分光器及び画像リレーデバイスと比べて光学素子の数を実質的に削減できる。このようにアラインメント処置を単純化し、迷光を減らすことができる。
【００４６】
好適な実施形態は、（Ｗａｒｒｅｎのような）従来の構成と比較して、１つの（厚いダイソン及び／或いは改良されたダイソンレンズと比較して）薄い、スリット／ＦＰＡに面したポジティブパワーレンズと、ポジティブレンズと第一のポジティブレンズに極めて近い回折格子との間にある１つの屈折力の弱いネガティブレンズとを有する。薄いレンズを使用することは、ダイソン型の光学構成と比較して入射光の散乱を最小にするブロッキング素子を組み込むことが現実的であることを意味している。ここで、同様のブロッキング構造を使用すると、大きなダイソンレンズにはより顕著なストレスパターンが発生する。また、均質な屈折率を達成することも本発明の光学構成と比べると障害が大きい。
【００４７】
さらに、好適な実施形態は光軸に関して実質的に対称的なスリット／ＦＰＡの配置を用いる。そして、ダイソン型の構成に関連する分厚い標準的な光学コンポーネントの使用を避け、球面レンズの使用を許容する。その結果、スリットを光軸に整列することと比較して、光学収差を減らすとともに非熱的な問題も最小化する。
【００４８】
さらに、ダイソン型の構成では、屈折補正アセンブリは球面収差のみを補正するのに対して、本発明では、屈折補正アセンブリに適切な屈折力と材質とを選択することによって横方向及び軸方向の色、コマ（coma）、歪み、並びに非点収差（astigmatism）の増加を補正する。
【００４９】
図面を参照して一般的なデザインと特定のデザインとについて説明する。
【００５０】
図２は光軸に沿って且つスペクトル分散面と平行な平面においてＶＮＩＲスペクトル範囲用であって且つ分光器の一部用の好適な実施形態の断面図であり、この実施形態はスリットと、光学的アセンブリ（“屈折補正器”）と、曲面“回折格子”と、焦点面アレイ（“ＦＰＡ”）とを有する。本システムはスリットに光を集光する第一の光学系を有していてもよく、この第一の光学系は、たとえば、当業者に公知の光学構成（光ファイバシステムを含む）であって、ＺＥＭＡＸ（商標名）のような一般的に利用可能な市販の光学モデリングソフトウェアにより容易に決定されうる。
【００５１】
２つの光学素子を通る直線は全光学素子に共通の光軸を表している。この共通の光軸は当業者に公知の従来の非熱的設計手法によって対処可能な熱的問題を最小とする。
【００５２】
ここで重要なのは、主要なデザインが散乱光を減らすためのより効果的なバッフリングの内蔵を許容することである。バッフリングは、入射光或いはスペクトル的に分散した光の光路上を除いて光学面間の空間または光学面全てに配置可能である。このような効果的なバッフリングはダイソン型の構成では実施できない。
【００５３】
図３には、光学素子上のコーティングの形態のバッフリングが所望の光が通過する領域以外の領域に提供された実施形態が示されている。これらのコーティングは図３では太線で示されている。
【００５４】
図４は入射光のエッジと回折光のエッジとに平行な物理的なバッフルからなる別のバッフリングを備えた実施形態を示している。このようなバッフリングは、好ましくは散乱を最小化するための“鋸歯状”のデザインを含むとよい。他のタイプのバッフリングは、当業者に公知なように容易に設計及び／或いは組み込みがなされるものである。
【００５５】
好適な実施形態における回折格子の配置は、ゼロ次成分がＦＰＡ自体の上ではなくスリットとＦＰＡとの間の領域に整列するようにする。バッフリングはＦＰＡ上のいかなるゼロ次衝突をも防ぐようにこうした領域に容易に適用可能である。
【００５６】
好適な実施形態におけるＦＰＡは、よりよい収差制御を提供するため僅かに傾いている。その傾斜量はＺＥＭＡＸ（商標名）のような市販の光学モデリングソフトウェアを使用して容易に決定可能である。
【００５７】
示すように、好適な実施形態は３０ｍｍの焦点面及び５．８ｍｍの分散を示す。そのとき、スペクトル帯の数は、ＦＰＡの画素サイズに基づいて計算可能である。例えば、画素サイズが２０マイクロメートルで、スリットの寸法が２０マイクロメートルより大きくないなら、２８８の回折限界スペクトル帯が提供される。より大きいスリット幅はスペクトルの解像度を低下させ、スペクトルのオーバーサンプリングを引き起こす。
【００５８】
上述したように、図１は従来技術に関連して等価なダイソン型分光器を示している。図１はまた、本発明との検討と比較のために同型のＦＰＡ及び同一の５．８ｍｍスペクトル分散に対して同一のスケールで示している。所望のダイソン光学ブロックは大幅に厚いので、ダイソン型の構成で要求される屈折率の均一性をもって製造することが、とりわけ大きなフォーマット系において非常に難しくなる。またダイソン型の構成は散乱光を減らすためのバッフリングの能力が低く、相当ゆっくりと熱化され、そして熱的効果により敏感である。
【００５９】
図５は小型フォーマットのＦＰＡ検出器に共通に利用可能な焦点面が１０ｍｍで且つ分散が３ｍｍで且つｆ２．８光学系を備えた、より小型のＶＮＩＲ分光器の実施形態を示す。より小型サイズの優位性は、低ＳＮ比（ＳＮＲ）或いはスペクトル帯の数の減少をバランスさせていることである。大きさとＳＮＲとスペクトル帯の数との最適な妥協点は構成されたセンサーに関するような特定の応用場面に依存しており、当業者が市販の光学設計ソフトウェアを用いてなしうるものである。
【００６０】
図６は図２の構成の変形例を示しており、ここでは、スリットと第一の光学素子との間に折返しミラーが組み込まれている。この構成によれば、より大きな物理的分離と、スリットとＦＰＡとの異なる方位とが許容され、これらには異なる機械的レイアウトが望まれる場面において利点がある。
【００６１】
図７は図２の構成においてＦＰＡの手前に追加のフィールドレンズを配置した実施形態を示している。フィールドレンズは収差補正を改善し、またわずかに高速な光学系を可能にする。ここでも、光学システムの複雑さの増加と収差速度・光学速度の向上との最適なバランス点は構成されたシステムに関するような特定の応用場面に依存しており、市販の光学設計ソフトウェアを用いて容易に決定されうるものである。
【００６２】
図８はフィールドレンズがスリットと第一の光学素子との間に配置されていることを除いて図７に示されたものと同様の実施形態を示している。
【００６３】
図９は１つのダブレットレンズと１つのシングレットレンズとを有する実施形態を示す。この実施形態は光学材料の選択肢に制限があるときに有利である。異なる光学材料の効果は市販の光学設計ソフトウェアを使用して当業者が容易に評価・シミュレーション可能である。２つの素子のより大きな分離は光学収差の制御に対して追加の自由度を提供する。
【００６４】
図１０は３つのシングレット光学素子を近接して備えた実施形態を示す。このデザインは、図９に示されるように、特に材料の選択に制限があるときの収差制御の観点で同一のデザイン特性を有する。
【００６５】
図１１はＶＮＩＲ及びＳＷＩＲに亘るスペクトル範囲を有し、全ての球面がｆ２．５光学系を有する実施形態を示す。こうした広いスペクトル範囲に亘って収差補正を改良するために２つの光学素子が（回折格子との距離と比較して）近距離で分離されている。光学材料の選択に制限があれば、光学素子の分離は増す。異なる光学材料の効果は、市販の光学設計ソフトウェアを用いて当業者が容易に評価・シミュレーション可能である。
【００６６】
図１２は光学素子の物理的な分離ではなく、１つの非球面が用いられていることを除いて図１１に示された実施形態と同様にＶＮＩＲ及びＳＷＩＲに亘るスペクトル範囲を有する実施形態を示す。非球面の使用は、より高速の光学システムを許容する。ここに示された実施形態は、回折限界光学系が２．５マイクロメートルでｆ２．０の光学系を有する。
【００６７】
図１３はＳＷＩＲのスペクトル範囲を有し、より小型のデザインを可能にするために図示されているように１つの非球面を備えた小型分光器に対する実施形態を示す。
【００６８】
図１４は、スペクトル範囲がＭＷＩＲで、ｆ１．５光学系と１つの非球面を用いた実施形態を示す。ＭＷＩＲで通常用いられる材料の選択は、より限定され、ＭＷＩＲのスペクトル範囲の好適な実施形態は非球面（或いは先に図７、８、９及び１０に示した収差最小化技術のひとつ）を組み込んでいる。
【００６９】
図１５は、熱赤外（ＴＩＲ）のスペクトル範囲の１．５光学系を有する実施形態を示す。当業者に公知の適切な材料がＴＩＲで利用可能である。非球面は一般的に最小の収差を達成することを要求されない。
【００７０】
上述したように、図２乃至１４に示された実施形態のすべては、好ましくは、光学収差を減らすために傾斜したＦＰＡを含んでいる。図１５に示したＴＩＲデザインに関して、ＴＩＲスペクトル範囲に対する光学構成のスペクトル帯の数は、ＳＮＲの考慮のため典型的に小さく、またこの小さい分散は非傾斜ＦＰＡを許容する。非傾斜ＦＰＡ構成は、出願人の同時係属出願第１１／７０８，５３６号（現在はＵＳ７，８８４，９３１、参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているように光多重化が組み込まれうることを意味している。ＴＩＲスペクトル範囲で典型的に使われるより小さい分散はゼロ次を一部のＦＰＡに置くことができる。また、上記分散は、（二重の光学的に多重されたシステムにおいて）２つのスリットを通ってくる光から発生する２つの一次分散から分離される。
この分離は、光多重化デザインでの第二のスリットからくる一次分散光のセカンドセットがＦＰＡの分離領域に置かれるのを許す。分散が同様に抑制（constrained）されていれば、光多重化デザインはＴＩＲよりも短い波長にも使われることができる。分散量と光多重化が可能にした広い観測幅（swath）（或いは他の視野配置）の間の妥協点は構成されたセンサーに関するような特定の応用場面に依存する。
【００７１】
図２乃至１５に記載の実施形態はすべて回折限界的な光学構成を有している。なお、回折限界的ではない実施形態も可能である。こうした実施形態は通常は望まれないが、それらには、より広い温度範囲で動作するポテンシャルを有する。それは熱硬化が、より低い空間的かつスペクトル的解像度によってマスクされるからである。
【００７２】
示されたすべての実施形態は当業者に公知の光学材料を有し、通常スペクトル伝送が最大のＳＮＲを提供するのに最適な材料が選ばれる。示された実施形態は、約１マイクロメートル以下のキーストーン及びスペクトルスマイル収差を提供できる。また伝送性は低いが収差制御性に優れた材料を使用することもできる。サブミクロン領域での収差が望まれる特定のアプリケーションにおいてなら、このような材料の使用は優位性がある。使用される材料の選択は、ＺＥＭＡＸ（商標名）或いは他の同様のソフトウェアを用いて異なる材料の効果をモデリングすることによって可能である。
【００７３】
図１６はスリットが省略されるとともに回折格子がミラーに置き換えられた実施形態を示す。このような実施形態は、ダイソン型の構成を凌駕する分光学的な実施形態と同等の優位性、すなわち低歪み、小型、光学材料選択の自由度、迷光の優れたバッフリング及びＦＰＡと光学素子との間の長い後方焦点距離を有する。図１６の実施形態は、ダイソン或いはオフナー型の構成を組み込んだ画像リレーデバイスと機能的に同等な二次元画像リレーデバイスになる。そのようなリレーデバイスはフォトリソグラフィのようなアプリケーションで用いられる。
【００７４】
図１７は対物レンズアセンブリとＦＰＡ用ハウジングと関連する電子機器とを備えた機械的レイアウトの実施形態を示す。レンズと分光器の第一の光学コンポーネントとの間に折返しミラーを追加することによってセンサーシステム全体の機械的レイアウトに自由度が提供される。
【００７５】
好適な実施形態とその好適な使用を参照して本発明を説明し図示したが、改良及び変更は、本発明の意図した全ての範囲内において変更や変形が可能であることから本発明はこれら実施形態および使用に限定されるものではない。
【図１】
2013526725.tif 000005
【図２】
2013526725.tif 000006
【図３】
2013526725.tif 000007
【図４】
2013526725.tif 000008
【図５】
2013526725.tif 000009
【図６】
2013526725.tif 000010
【図７】
2013526725.tif 000011
【図８】
2013526725.tif 000012
【図９】
2013526725.tif 000013
【図１０】
2013526725.tif 000014
【図１１】
2013526725.tif 000015
【図１２】
2013526725.tif 000016
【図１３】
2013526725.tif 000017
【図１４】
2013526725.tif 000018
【図１５】
2013526725.tif 000019
【図１６】
2013526725.tif 000020
【図１７】
2013526725.tif 000021
【国際調査報告】
2013526725.tif 000022
2013526725.tif 000023