(57)【要約】ハイパースペクトル画像処理フィルターであり、光学信号経路に沿った連続的な段を有し、各段は角度的に配置された遅延素子（４５，４７）及び一つ以上の偏光子（４２，４４）を有する。遅延素子は調整可能（一斉に調整される隣接した液晶）な、固定的な及び／又は組み合わされた調整可能な及び固定的な複屈折性を有し、Ｓｏｌｃ、Ｌｙｏｔ，Ｅｖａｎｓ又は同様な構成の配置である。各段は、自由スペクトル領域の帯域通過ギャップにより隔てたれた周期的な帯域通過ピーク（５２）を持った周期的な伝達特性を持つ。明らかに異なった遅延量が直列の段内に導入され、いくつかの段は、狭い帯域通過ピークを通し、他の段は、広く開いた帯域通過ピーク（大きな自由スペクトル領域）を持っている。連続する段の伝達機能が重ね合わされ、高いフィネスと良好な帯域外除去を提供する。好ましくは、少なくともいくつかの段は、その遅延量の少なくとも一部のために調整可能な液晶を有し、選択的にそれぞれの帯域通過ピークを整列させるように制御される。
2008529092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学信号経路に沿って接続された少なくとも二つのフィルター段を有し、
前記少なくとも二つのフィルター段のそれぞれは、自由スペクトル帯域通過ギャップにより隔てられた帯域通過ピークを持つ、周期的な伝達特性を有し、
前記少なくとも二つもフィルター段のうちの一つは、前記フィルター段の内の前記一つの段の帯域通過ピーク間で、前記二つのフィルター段の内の他の段よりも大きな自由スペクトル領域を有し、
前記二つのフィルター段の内の前記他の段は、前記二つのフィルター段の内の前記一つの段よりも狭い帯域通過ピークを持ち、
前記少なくとも二つのフィルター段の帯域通過ピークは、前記フィルターの動作状態で重なっており、
これにより、スペクトル画像処理フィルターの伝達特性は全体として、前記大きな自由スペクトル領域及び前記狭い帯域通過ピークを有することを特徴とする、スペクトル画像処理フィルター。
【請求項２】
請求項１記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記少なくとも二つのフィルター段の内の少なくとも一つのフィルター段は、前記少なくとも二つのフィルター段の帯域通過ピークが重なる動作状態に対して調整が可能である。
【請求項３】
請求項２記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記少なくとも二つのフィルター段の内の複数のフィルター段は、前記複数のフィルター段の帯域通過ピークが重なる動作状態に対して調整が可能である。
【請求項４】
請求項１記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記少なくとも二つのフィルター段は、前記少なくとも二つのフィルター段フィルター段についての前記周期的な伝達特性を決定する遅延量と相対的な角度位置を持った、複屈折遅延素子及び偏光子のセットを持つフィルター構成を有している。
【請求項５】
請求項１記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記段は、リオ（Ｌｙｏｔ）、Ｓｏｌｃ及びエバンス（Ｅｖａｎｓ）構成からなるグループの内の一つに基づいて構成される。
【請求項６】
請求項５記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
遅延素子は、遅延素子材料、前記光学信号経路に沿った厚さ及び調整可能な差異のうち、少なくとも一つに関して、それぞれ異なっていることで、少なくとも二つの異なる遅延量を有する。
【請求項７】
請求項５記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記段の内、少なくとも一つの段の遅延素子は、液晶調整可能複屈折性素子を有する。
【請求項８】
請求項５記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
遅延素子は、少なくとも二つの液晶調整可能複屈折素子を有し、
更に、前記フィルターは前記調整可能な複屈折素子を調整された方法で調整する制御装置を有する。
【請求項９】
請求項７記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記段の内の少なくとも一つの段の遅延素子は、液晶調整可能複屈折素子に接続された固定的な遅延素子を有する。
【請求項１０】
請求項９記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記固定的な遅延素子は、前記液晶調整可能複屈折素子の少なくとも一つの部分と指標（index）が一致している。
【請求項１１】
請求項１０記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記固定的な遅延素子はベータホウ酸バリウムからなる。
【請求項１２】
請求項１記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記光学信号経路に沿って接続された少なくとも三つのスペクトルフィルター段を有し、
前記段のそれぞれは出力偏光子に導かれており、
先行する段の前記出力偏光子は、次の段の入力偏光子として機能し、前記偏光子の数は段の数プラス１に制限されている。
【請求項１３】
請求項４記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記フィルター段のそれぞれは、回転的に位置決めされた複数の遅延素子及び偏光子を有し、先行する段の出力偏光子は次の段の入力偏光子として機能するように配置されている。
【請求項１４】
請求項４記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記段の数及び該段内の遅延素子の数及びそれぞれの厚さは、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が約５００から６５０ηｍで、半値全幅帯域通過ピーク幅（ＦＷＨＭ）が約０．２５ηｍとなるように選択されている。
【請求項１５】
請求項４記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記スペクトルフィルター段の数は、該スペクトルフィルターを介して選択された波長の伝達率が少なくとも約４０％となるように制限されている。
【請求項１６】
請求項４記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
少なくとも３つのフィルター段のそれぞれが、少なくとも４つの遅延素子を持っている。
【請求項１７】
請求項１６記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記段の内、少なくとも一つの段の遅延素子は、該遅延素子との調和的な調整を行うための共通の調整制御手段に接続された液晶を有している。
【請求項１８】
請求項１７記載のスペクトル画像処理フィルターにおいて、
前記調整制御手段に接続された遅延素子の少なくとも一部の一組は、前記液晶に接続された固定的な遅延素子を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイパースペクトル画像処理に使用される、調整可能な波長通過帯域を有する光学フィルターに関する。光学伝達率を高く維持しつつ、同時に多層構造により高いフィルターフィネス比を得るように最適化することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
本発明の調整可能な接合フィルターは、連続的に多数置かれた複屈折フィルター段を有しており、各段は、多数の積層された遅延素子を有している。積層された遅延素子の各段は、各段について、Ｓｏｌｃフィルター配列を有していることが望ましい。Ｓｏｌｃ配列は、偏光子間に積層された等しい複屈折性を有する遅延素子を意味する。遅延素子は互いに特別な回転関係にあり、遅延素子は液晶の調整可能な複屈折積層素子として、又は調整可能な複屈折液晶と隣接した固定された遅延素子を有する積層素子により具体化することが出来る。他の実施例では、個々の遅延素子は２個以上の隣接した液晶素子から組み立てられる。いくつかのＳｏｌｃ段を用いることが出来、それぞれは複屈折素子のＳｏｌｃ連続を有している。偏光フィルターの数は、Ｓｌｏｃ段間の偏光子に限定される。Ｓｌｏｃ段の伝達機能は重ね合わされ、各段は通過帯域を更に狭くしたり、帯域間の自由スペクトル領域を増加させたりすることに寄与する。その結果、ハイパースペクトル画像に適した高いフィネスとなる。このフィルターは、間隔の開いた帯域を調整可能である。フィルターはラマン化学画像処理及び狭い帯域及び多用性の調整が適切に求められる他の用途に特に適しておいる。
[従来技術]
【０００３】
複屈折を用いた光学帯域フィルターは多数の異なる構成が知られている。複屈折は、直交方向の光の成分に対する屈折率が異なる、ある種の結晶の性質であり、該光の成分は、結晶のそれぞれの速軸及び遅軸に対応している。仮に、平面偏光の入力光線信号が複屈折結晶のディレクタ（参照軸）に対して４５°傾いているとき、該結晶を通過する有効光学光路長は該ディレクタに平行なベクトル成分、及び該ディレクタと直角な対抗成分とも等しくならない。該結晶は差分位相遅れ又は位相遅延を引き起こす。
【０００４】
差分遅れは、該結晶内を伝達する光の偏光状態を変更もしくは再調整する。もし、波長が短い場合には、光学伝達経路に沿った間隔を与えるとより大きな位相角になり、波長が長い場合には、より小さな位相角となる。仮に、複屈折結晶が差分時間遅延を生じさせるならば、その遅延は、より短い又はより長い波長にそれぞれ応じて、より大きなまたはより小さな位相角に対応することとなる。
【０００５】
光の偏光状態は、他の変数の中で、直交する光成分間の位相関係を含む。複屈折の差分遅れは、差分位相角遅延の関数である回転偏光の再調整を引き起こす。こうして、複屈折は特定の波長を識別するベースを提供する。例えば、基準偏光アラインメントの入力を持った複屈折フィルターの出力に装着された平面偏光フィルターは、出力の内、該偏光子に一致した波長を識別する。
【０００６】
要するに、複屈折結晶内を通過する光信号は差分遅れの対象となる。差分遅れは、波長の関数である角度により光信号の偏光アラインメントを変える。一つ以上の偏光子が光学経路に沿って設けられる。偏光子のアラインメント内に現れる波長又はベクトル成分は通過する。
【０００７】
各段はフィルターをより識別力のあるものとするべきであるとする理論により、波長帯域通過フィルター素子の積層体は光学信号経路に沿って配置される。しかし、ここに困難がある。例えば、もし段が正確に位置決めされておらず、特に調整の対象となる時は、光は通過するよりも、むしろ阻止されるであろう。また各段はいくらかの損失を生じ、段を重ねることで、帯域を通過する波長はより識別されることとなるが、所望の波長における、入力光エネルギに対する通過した光エネルギの割合は、許容不可能な程度に低くなってしまう。
【０００８】
各偏光子は固有の損失を有しており、光が平面偏光であり、該偏光子に対して整合していても、光線の伝達光学エネルギは減少する。個々の損失は波長及び使用する偏光子により変化するが、多分、例えば１２％である。もし、多数の段を設け、高い程度の識別性又はとても狭い帯域を得ようとすると、フィルターを通過する光エネルギのレベルは低くなる。低い伝達率により、画像又は測定結果を得るために、比較的長い時間光エネルギを収集する必要が生じる。
【０００９】
偏光状態を変化させることで特定の波長を識別することは、波長の周期的な結果を生じさせる。もし、例えば、差分遅延が２πラジアン又はその整数倍の時、結果は遅延がない場合と同じである。平面偏光子を考慮して、仮に偏光状態が、πラジアン（１８０°）の整数倍の差分位相遅延により変化していると、遅延素子及び平面偏光フィルターは二つの波長で再調整された光を通過させる。
【００１０】
波長を識別するために、遅延及び偏光フィルターの異なる組み合わせを用いて複屈折妨害フィルターが複数の段階で開発されている。ある構成では、積層された複屈折フィルターは非常に狭いスペクトル分解能を示すことが出来る。初期の積層された複屈折結晶フィルターは、太陽のプロミネンスを観察するために開発され、それは、太陽放射の放射スペクトル中のあるとても特殊で狭いそして十分に定義されたスペクトル線を通過させるために、結晶の厚さ及び回転位置が規定された。他の応用においては、調整可能なフィルターが望まれている。
【００１１】
サブ−オングストロームの解像度は、Ｂ．Ｌｙｏｔ（リョット）により開発されたフィルターを用いることで得ることが出来ると言われている（報告書１９７,  １５９３（１９３３）を参照）。基本的なリョットフィルターは光路に沿って連続的に配置された多数のフィルター段から構成される（Yariv,A及びYeh,P(1984) Optical Waves in Crystal,第５章, John Wiley and
Sons, New York参照）。各段は、平行な偏光子間の複屈折結晶素子（遅延素子）を有している。一つの素子の出口の偏光子は次の素子の入力偏光子として機能することが出来る。
【００１２】
リョット複屈折結晶はインターフェースに平行な光学軸を有し、入力偏光方向に対して４５度回転している。これにより、入力偏光子からの光を、複屈折結晶の速軸と遅軸の間に等しく分割された二つの成分に分ける。結晶内を伝達中に、遅軸の成分は速軸の成分に対して遅延するようになる。その上、光の偏光方向は変化される。出力において、先行する結晶に対して４５度の出口偏光子は、遅延及び非遅延成分を等しい割合で保持するが、当該波長又は該結晶を介した偏光角度の変化が、入力及び出力偏光子の相対的な整合関係と同じ波長（又は、１８０度の整数倍異なっている波長）のみを通過させる。
【００１３】
リョットフィルターは偏光子間に結晶の繰り返し配置を持ち、各結晶とその偏光子は互いに４５度の角度で相対的に整合している。リョットにおける位相差は、各積層複屈折結晶素子の厚さが異なっていることに一部起因する。厚さと複屈折はそれぞれが遅延を生じさせる。リョット構造においては、各段の結晶に生じる遅延は、その前の段の結晶からの遅延の正確に２倍である。帯域通過波長は結晶の厚さと複屈折に関連する。
【００１４】
連続的に変化する段の厚さ（例えば、リョットの１ｄ、２ｄ、４ｄ、８ｄなど）と連続する段の相対的な回転角の整合は、算術的、幾何学的又は他の数学的な工程を得るために選択される。段の作用は、数学的にまた経験的にモデル化することが出来る。多段結晶装置は０．１オングストロームの解像度で示された（題：A.M. and Rosenberg, W.J. Opt. Eng. 20, 815(1981)）。こうした解像度を達成するためには寸法的な正確さが必要であり、これはフィルターを高価なものとする。しばしば、解像度は連続するセルの数を増やすだけで改良され、時として多数の連続するセルが使用される。これは、受け付けられなかった割合に対する伝達された光の割合を減少させる不利がある。こうしたフィルターは、光源が、太陽のようにとても明るいもので、太陽スペクトルの特定のラインに向けられるフィルターとして、天文学的な用途に適している。
【００１５】
積層結晶フィルターの別の例がＳｏｌｃフィルターである。リョットと同様に、Ｓｏｌｃフィルターは積層された多数の複屈折結晶を使用しているが、リョットと異なり、Ｓｏｌｃフィルターは各複屈折結晶遅延素子間の偏光子を必要としない。Ｓｏｌｃの構成は利用可能な光エネルギをよりよく保持する。Ｓｏｌｃの構成は等しい厚さの複屈折結晶を使用する。Ｓｏｌｃは、各連続する複屈折結晶の回転位置を変えることで、多数の干渉する波面を得る。
【００１６】
Ｓｏｌｃフィルターは、同一位相の遅延素子の直列接続を用いて、各遅延素子間に偏光子を配置することなく高いフィネスと高い伝達率を達成している。Ｓｏｌｃフィルターは例えば、Sloc, J. Opt. Soc. Am. 55, 621, (1965)に述べられている。
【００１７】
Ｓｏｌｃフィルターは、フィルターの上位クラスの例である。Herris et
al., J. Opt. Soc. Am. 54, 1267, (1964)において、適切に方向付けられた同一の遅延素子の板を積層したものを用いて、原則として、どのようなフィルター伝達機能も生成することが出来ることが断定されている。他の研究者は、標準信号処理方法に沿って、ネットワーク統合技術を使用し、この前提に基づいたフィルター設計を行っている。これらの設計は、広いスペクトル幅に反し、限られたスペクトル幅上で高い解像度を得ていた。フィルターは固定的な遅延素子を有している。調整する場合には、全ての遅延量が一斉に変わる。
【００１８】
Ｓｏｌｃ構成における各複屈折結晶と直前又は直後の結晶の間の相対的な回転角度は、積層体の前後に続く入り口及び分析偏光子間の回転角度の比である。Ｓｏｌｃファンフィルター構成は、Ｎ個の、回転角がθ、３θ、５θ．．．．（２Ｎ−１）θの結晶を有し、平行な偏光子の間に配置する。ここで、θ＝π／４Ｎであり、Ｎは積層中の結晶の数である。Ｓｏｌｃの折り返し（folded）構成は、入力偏光に対して±θで位置決めされたＮ個の同一の結晶を有する。ここで、θは、結晶が入り口の偏光子の伝達軸と作る光軸の角度である。折り返し設計は偏光子と組み合わされる。
【００１９】
Ｓｏｌｃ“ファン”装置は、例えば、４つの遅延素子と平行な偏光子を有する。そうした、4個の結晶（Ｎ＝４）を有するＳｏｌｃ“ファン”装置では、最初の結晶は、入力偏光子に対して１１．２５度、回転している。引き続く結晶は次の前の結晶にい対して、22．5度回転する。出力又は検光偏光子は、入り口の偏光子と平行である。比較のため、4個の遅延素子を有するＳｏｌｃの“折り返し（folded）”装置は、＋11．25度、−11．25度、＋11．25度などのように、偏光子に対して時計方向及び反時計方向の回転角度で交互に4個の積層された結晶が配置され、検光偏光子は入り口の偏光子に対して直角となる。Ｎ、θ及び偏光子の位置に異なる値を持った変形が可能である。
【００２０】
Ｓｏｌｃ構成は利点と欠点がある。結晶が全て同じ厚さである限りは、多くの段数を、リョット構成よりも長手方向において短く積層することが出来るが、一方で、より多くの結晶を積層体の中に配置しようとすると、正確に大きさ及び整合を取る必要のある個別の結晶の数が増加する。
【００２１】
多段結晶フィルターはその形状の正確性に依存する。製造上のエラー及び温度が寸法を変化させ、相対的な位置関係は小さいものである。しかし、ナノメートルの光学波長測定の状況では、物理寸法の変動は重要なものとなる。結果として、積層結晶フィルターは満足出来る運転温度とするために温度制御が必要となり、更なる出費が生じる。
【００２２】
本発明の状況において、複屈折積層フィルターは、高パフォーマンスラマンスペクトル画像処理装置などのスペクトル画像処理装置に適用される。そうした画像処理装置では、とても狭い帯域通過及び一般的に高いフィネス（帯域幅に対する自由スペクトル領域の割合として規定される：ＦＳＲ／ＦＷＨＭ）が要求される。フィルターは、選択された波長の通過帯域に調整可能である必要もある。
【００２３】
固定された遅延素子は結晶の複屈折性及び伝播軸に沿った結晶の厚さにより決定される位相遅れをもつ。電気的に調整可能な複屈折フィルターは、調整素子として液晶を使用することが提案されている。液晶の複屈折性は、典型的には、該液晶に適用される電場の大きさの関数として変化させることが出来る。液晶の複屈折性を変えることは固定された遅延素子の厚さを変えることと似た効果を発揮する。
【００２４】
Ｓｏｌｃタイプの積層素子フィルターにおいておいは、積層された複屈折結晶素子は等しい厚さ及び／又は等しい複屈折性を有する構成である。調整可能な素子は一斉に調整される。積層された素子は、漸進的な角度配列又は交互に入れ替わる“折り返し”構成で、所定の回転変位を有する形で連続的に整合される。どちらの場合でも、（複屈折及び厚さを含んだ）配置は、それぞれの積層された素子を横切る選択された波長の偏光状態が、次の素子と整合するように調整される形となる。入力側の偏光子が基準となる整合性を設定する。出力側の偏光子は、計画された所定の偏光設計により、積層体から出てきた波長のみを通過させる。
【００２５】
与えられた用途に考えられる波長帯域通過フィルター構成にはいくつかの選択がある。しかし、帯域通過の解像度及びフィネスなどのパフォーマンスの問題を含む制限がその選択に影響を与える。許容できる信号強さ、信号／ノイズ比又は画像収集速度を得るためには、高い伝達比が必要とされる。とても大きな構成は、デスクトップ及びポータブルな装置には向かない。他の重要な基準は、コストである。
【００２６】
それぞれの選択の賛否両論の殆ど又は全てを考慮し、そして適正なコストと他の性質を備えた高い解像度の装置を提供する構成を得ることが有効である。
［発明の要約］
【００２７】
他の潜在的なスペクトル画像処理が要求される用途ばかりか、ラマン画像処理に適した、優れた光学的及び運転特性を持った波長帯域通過フィルターを合理的なコストで適用することが本発明の目的である。“画像処理”という言葉は、２次元画像に分解された対象の空間的に正確な波長を、選択された波長画像内で展開することを含むように解釈されるが、それには限定されない。
【００２８】
本発明の他の目的は、高い伝達率を確保しながら、フィネスを最大にする素子の最適な選択を提供することである。高い伝達率を得る一つのテクニックは、折り返し又は連続的に整合された複屈折段の積層体と共に、入力偏光子及び出力偏光子だけを持つＳｏｌｃフィルター構成を用いることである。
【００２９】
連続する段のそれぞれから得られるフィネス要素が増大して全体として接合フィルターの伝達作用を提供するように、Ｓｏｌｃフィルター段を連続的に配置することが、本発明の他の技術である。この連続配置は完全なＳｏｌｃフィルターの連続であり、従来のＳｏｌｃフィルター配置の典型としての複屈折遅延素子の連続だけではないことに、注目すべきである。各連続段は、入力偏光子、出力偏光子及びそれらの間の等しい遅延量を有する素子の積層体を有する。優れた点は、与えられた段の出力偏光子は、次の段の入力偏光子として機能し、合計の偏光子の数は、段の数よりも一つ多いだけである。
【００３０】
Ｓｏｌｃ構成の特徴として、各段の遅延素子は等しい遅延量（等しい複屈折性及び典型的には等しい厚さ）を有する。しかし、本発明の他の観点では、異なる段の遅延量及び／又は厚さは等しくはない。同様に、連続する段内に、異なる数の遅延素子を含めることが出来る。このように段を変えることで、個々の段はふつうのフィネスでありながら、一緒にすることでとても高いフィネスを持つ、段の効果を挿入することが出来る。例えば、そのピークにおいて相対的に低いハンド幅の解像度（不都合に大きなＦＷＨＭ値）を持った段があっても、良好な自由スペクトル領域ＦＳＲ値（即ち、周期的に繰り返される通過帯域ピーク間が長いスパンである）を持った段を、提供することが出来る。やや短かな自由スペクトル領域ＦＳＲを持っていたとしても、次に連続する段の一つ以上が、都合良く狭いＦＷＨＭの構成段を有する。段を調整することで、特に、二つの段の通過帯域を前述の要因を重ね合わせることで、接合フィルターは、両方の段でより狭いＦＷＨＭの構成段とより長いＦＳＲを持つ。二つの段のこれらの値、フィネスの割合は、増大し、接合のフィネス値を提供する。
【００３１】
上述した接合フィルターは、好ましくは調整可能である。このフィルターは、液晶遅延素子だけを使用した一つ以上の調整可能な段及び／又は固定的な遅延量に制御可能な遅延量を付加するために、液晶が結合された固定的な遅延素子を使用する段を有する。ある段は調整可能で、他の段は調整不可能とすることが出来、いずれの場合でも、広い自由スペクトル領域及び狭い選択された帯域通過ＦＷＨＭ値をそのなかに連続して重ねるようになる。
【００３２】
実際の例では、接合フィルターは全体的に連続した自由スペクトル領域を持つ必要はない。調整可能で選択可能なピークを持つ代りに、接合調整段により、全ての可能な中央波長が連続的に含まれない複数の帯域通過ピークを選択することができるが、全調整領域にわたり、多数の近接した選択可能な帯域通過波長もたらす。
【００３３】
これらの及び他の観点は、以下の議論で明らかになる。限定されない詳細な開示は発明を説明するためのものであり、その範囲は、以下のクレームで規定される。
［図面の簡単な要約］
【００３４】
図１は、本発明に基づく、スペクトル画像処理装置などに使用されるマルチ接合液晶フィルターの一模式図である。
【００３５】
図２は、多数素子からなる、一段のＳｏｌｃファン構成を示す一模式図である
【００３６】
図３は、典型的な六素子Ｓｏｌｃフィルターの伝達作用を示す、スペクトル透過図表である。
【００３７】
図４は、光の伝達路に沿って連続的に配置された、二つの六素子Ｓｏｌｃ段における、図３に対応するスペクトル透過図表である。
【００３８】
図５は、本発明に基づいて、連続的に配置されたＳｏｌｃフィルターをどのように接合して、高いフィネスと良好な伝達比を持たせるかを示す模式図である。
【００３９】
図６は、図１又は図２の実施例において複屈折性を制御することの出来る調整素子の一模式図である。
【００４０】
図７は、固定されかつ調整可能な遅延素子をそれぞれ有する協働素子を有する、本発明に基づいた２段Ｓｏｌｃフィルターの一模式図である。
【００４１】
図８は、拡張可能な構成の３段の一模式図である。
［発明の詳細な記述］
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
いくつかのスペクトル画像処理装置において、簡単に調整可能で高い解像度を有するフィルターは、都合がよい。同時に、最大の光反応センサ素子における強い信号レベルを持って、比較的早く画像を得る間中、よいＳ／Ｎ比を持つようにすることが望まれる。これらの目的を一度に達成しようとすることは、設計上の二律背反になってしまう。本発明の一観点に基づいて、狭い帯域幅の識別、高い伝達比及び少なくとも一つの選択可能な波長帯域のセットに対する調整可能性を得ることの出来る最適な装置を提供する。これは、多数の調整可能なＳｏｌｃ波長帯域通過フィルター段を直列に用いることで達成される。
【００４３】
Ｓｏｌｃ段のどのようなものでも適度なフィネスの値を持つことが出来る。フィネスとは、ピークのＦＷＨＭ（半値全幅）の帯域幅に対する自由スペクトル領域ＦＳＲ（即ち、帯域通過ピーク間の波長スパン）の割合である。
【００４４】
本発明の一観点によると、各段は直列に配置されており、一つの段を構成する素子の複屈折性は、他の段の素子の複屈折性とは明瞭に異なっている。その結果、各段は、個々のピークの帯域通過幅（狭いことが望ましい）に対する周期的なピーク間の自由スペクトル領域（大きいことが望ましい）の、個々の貢献度が異なることとなる。等しい他の点は、より大きな複屈折性を有する段は（典型的には、大きな遅延素子の厚さを有する）、より小さな複屈折性を持ったほかの同等の段よりも有利な狭い帯域通過のピークを持つことである。（より厚い又はより大きな複屈折性を有する遅延素子を持った）段は、しかしながら、ピーク間に不利な短い幅を持つ。逆に言うと、（低い複屈折性を有する）薄い遅延素子段は広い帯域通過ピーク（低い解像度を持ったピーク）を持つが、ピーク間はより広い間隔を持っている。
【００４５】
直列に配置されたフィルターの伝達作用は、通過する光信号に対して累進的に適用される。伝達関数が掛けられる。多段フィルター全体のフィネス比は、各段のフィネス比の数学的な積である。低い複屈折性を持った段の伝達作用を連続的により高い複屈折性を有する段の出力に適用する（又はその逆）ことで、より低い複屈折性を有する段の動作により、より高い複屈折性を有する段により供給される密接した狭いピークの連続の中で、一つの帯域通過ピークを選択することが可能となる。掛けられた伝達作用は狭いピーク及びピーク間の広い自由スペクトル領域を都合良く生成する。
【００４６】
好ましくは、両段（又はもし有るのなら二つ以上の段）はそれぞれが、帯域通過が調整帯域内でどのような所望の波長にでも調整可能なように対応される。より低い複屈折性を有する素子を調整して、より高い複屈折性を有する素子の伝達作用から、個別の狭い帯域通過ピークを選択することが可能となる。もし、より低い複屈折性を有する素子が十分に調整可能であるならば、調整可能なピークを使用して、より高い複屈折性を有する素子の伝達作用から狭い帯域を選択することが出来る。
【００４７】
図１に、先述の装置の単純化した模式図を示す。例えば、レーザ光で照らされた試料（図示せず）に向けられた顕微鏡レンズから生成される光入力信号が、信号光線として模式的に示された光信号３０を生成する。画素に分解する装置でも可能である。光信号３０は、複数のフィルター段３３，３５を通過して光検出器３９で集光される。光検出器３９には、典型的には次にデジタイザ（図示せず）または他の信号処理手段が接続されている。
【００４８】
段３３，３５はそれぞれが機能的なＳｏｌｃ構成の波長帯域通過フィルターである。Ｓｏｌｃ構成は、図２に示すように、入り口の偏光子４２，出口の偏光子又は検光子４４及び一連の遅延素子４５，４７他を、有する。入り口の偏光子４２及び出口の偏光子４４はゼロからπラジアンの間の所定の回転角で関連づけられた基準（参照）角（reference angle）を有する平面偏光子である。
【００４９】
図１及び２の例では、各Ｓｏｌｃ段の入り口と出口の偏光子は、相対的にπ／２又は９０°回転している。この角度は、単なる例示である。他の角度も可能である。例として、光線３０が平面偏光化されて整列されるか、又は少なくとも入り口の偏光子４２で整列したベクトル成分を含むようになったと仮定すると、該偏光子の基準角に平行な偏光成分は入り口の偏光子を通過する。９０°の相対回転の例では、当該成分は出口の偏光子４２に対して丁度ミスアラインメントとなって、光は通過しない。しかし、多数の遅延素子４５，４７が偏光子４２、４４間に配置されている。遅延素子４５，４７のそれぞれが複屈折による遅延をインクリメンタルに生じさせる。各遅延素子はこれにより光線の偏光状態を再調整する。
【００５０】
各遅延素子は、複屈折により直交成分間に位相遅れを生じさせる。即ち、結晶の特性として、遅延素子を伝達する光に対する光学的な指標が、該結晶の直交する速軸と遅軸に整列した光に対して異なる。実際、光学的な伝播経路が一つの成分に対して長く、他の成分に対して短い。しかし、偏光は、部分的には、直交する成分間の位相関係の問題である。成分の位相遅延は、偏光の整列に回転変化を生じさせる。偏光状態は遅延素子４５，４７の複屈折性により決定される所定の角度だけねじれる。
【００５１】
与えられた遅延距離は、より短い波長に対するより大きな位相角及びより長い波長のより小さな位相角の総計となる。従って、遅延がもたらすねじれ角は波長の関数として変化する。図２の実施例の場合、それぞれの遅延素子は所定のロッキング角度Φの寸法で整列しており、これは折り返し（folded）Ｓｏｌｃ構成として知られている。別の実施例では、Ｓｏｌｃ構成は、図示するように行ったり来たり変化するものとは反対に、各遅延素子は先行する遅延素子よりも所定角度だけさらに角度的により回転している、累進的なものとすることが出来る。どの場合でも、配列は同じである：特定の波長（及び周期的に関連する特定の波長も）について、一つの遅延素子４５から次の遅延素子４７へのねじれ回転角度の差の合計が、その連続の中で、入力及び出力偏光子４２、４４間の回転角に等しくなるまで加算する。入力信号３０に波長の幅が有ると仮定すると、ある波長だけが出口の偏光子４４を通過する為に必要な角度だけ回転される。
【００５２】
自由スペクトル領域は、フィルター段により通過される連続的で周期的に関連する波長間の相違である。一般的には、大きな自由スペクトル領域は小さな遅延量を用いることで利用可能とすることができる。遅延量の範囲は、遅延素子の材料及びその厚さによって決定される。図１に示すように、複数のＳｏｌｃフィルター段を使用することは本発明の一観点であるが、（遅延素子の厚さ“ｄ”及び“２ｄ”で示すように）遅延量は異なる段で異なるようになっている。
【００５３】
フィルターのフィネスは、ＦＷＨＭに対するＦＲＳの比、即ち、通過帯域ピークの帯域幅を通過する自由スペクトル領域である。通過帯域のＦＷＨＭは、それぞれのＳｏｌｃ段３３又は３５等の遅延素子の直列積層において、多くの遅延素子４５，４７などを使用することで小さくすることが出来る。再度、波長の幅が存在すると仮定すると、Ｓｏｌｃフィルターは同じ遅延量の素子を連続的に積層したものである。各素子は先行する素子の出力から要求された波長を選択し、先行する素子もまた、等しい遅延量および基準となる整合により、要求された波長を選択する。多数の量を積層することで、選択はより識別力のあるものとなる。
【００５４】
一般的に言って、ＳｏｌｃフィルターのＦＳＲ値は、固定された遅延素子においてはその厚さに比例する複屈折性の範囲に関して、反比例する。Ｓｏｌｃフィルター構成は、各遅延素子に関して等しい複屈折性を必要とし、振動角（又は漸進的なねじれ角）が、等しい複屈折性を有する遅延素子間で入り口の偏光子から出口の偏光子までの間の変位角を分割する。Ｓｏｌｃ構成における等しい複屈折性及び／又は等しい厚さの遅延素子の要求は、異なる厚さまたは複屈折性の使用を妨げるだろう。本発明の一観点からすると、厚さ及び／又は複屈折性は各段内では等しく保たれるが（こうして、Ｓｏｌｃ構成は維持される）、連続する偏光子間の異なる段の厚さ及び／又は複屈折性は明確に異なる。
【００５５】
電気的に調整可能なＳｏｌｃフィルターも考えられる。その複屈折性が等しい必要があり、また正確に整合される必要のある液晶遅延素子を用いて挑戦がなされている。そうした場合でも、液晶の厚さに関する実際的な制限により、だいたいは制限された調整範囲となっている。
【００５６】
本発明の一観点からすると、少なくとも一段のＳｏｌｃフィルター段３３，３５など及び任意的には全ての段は、積層された遅延素子を有し、ここでは該積層された個々の遅延素子の複屈折性は、一定の遅延素子により一部が負担され、該一定の遅延素子に光学的に結合された調整可能な液晶遅延素子により一部は負担される。
【００５７】
ある実施例においては、少なくともＳｏｌｃフィルター段の一つは、調整可能な液晶遅延素子だけをもつ。更に、液晶遅延素子は、それぞれが異なる振動角Φ（図２参照）で連続的に配置されている、遅延素子に限ることができる。または、遅延素子は、各振動角において二つ以上の調整可能で等しい大きさの、互いに当接して複合的な合計厚さを持った液晶から構成することが出来る。これらのペア（又はトリオ又はカルテットなど）は一緒に制御される。
【００５８】
前の段に適用されたフィルターに重ねる形で各段のフィルターが適用されるので、連続するＳｏｌｃフィルター段の効果は非常に大きい。大きな帯域通過（大きなＦＷＨＭ）を持つが大きな自由スペクトル領域（高ＦＳＲ）持った一つ以上の薄い遅延素子のＳｏｌｃ段を、狭い帯域通過及び小さな自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を持った一つ以上の厚い遅延素子に適用することが出来る。仮に、前のＳｏｌｃ段のバンド幅が十分に狭く、後のＳｏｌｃ段の周期的なピークの一つを効果的に選択することができれば、その結果、フィルター段のフィネス値は増大する。
【００５９】
こうして本発明によると、複数の段３３，３５などを有する接合フィルターを提供することが出来る。その接合フィルターは、図１の段３３のように、一つ以上の段は、等しいが、小さな複屈折性を持つ遅延素子を有し、図１の段３５のように、他の段は大きな（しかし、その段内では等しい）複屈折性をもつ遅延素子を有する。より大きなそしてより小さな複屈折性を有するＳｏｌｃフィルター段の伝達作用を増加させることで、段のフィネスは増大する。段３３，３５はＳｏｌｃ段なので（図２も参照のこと）、一つの出力側の偏光子だけが選択された波長を識別するように求められる。
【００６０】
図３及び図４は、整列したスペクトルピークを多数の直列なＳｏｌｃフィルター段に供給してフィルターフィネスを改善し、スペクトル解像度を改良又は狭める様子を示したものである。図３は、与えられたＳｏｌｃフィルター段の伝達スペクトルを示す。図３は、直列に配置された二つの近似した構成の段の伝達スペクトルを示す。図３に示すように、一つの段の伝達スペクトルは、自由スペクトル領域ＦＳＲで分離された周期的なピークにおけるどの一つにも、与えられたＦＷＨＭ通過帯域幅を持っている。段のスペクトルは典型的にはサイドローブ５５を有し、これらは通常フィルターに不都合であり、効果的なＦＷＨＭ帯域通過ピークを広げ、フィネスを損なう。図４に示すように、二つ（又はそれ以上）の連続したフィルター段が同じ又は似た伝達スペクトルを持つと、その組み合わせにより、ＦＷＨＭ通過帯域を狭め、サイドローブの広さを減少させる効果がある。
【００６１】
図５には、二つ（又は二つ以上）のスペクトル的に整合したフィルター段を設け、フィネスを改善する他の観点を示す。この例において、段の１及び２が特定の自由スペクトル領域上に帯域通過ピークを生成する（段の１及び２の次のピークはこのグラフではスケール外となっている）。このピークは、サイドローブを持ち、また図示の目的から、ＦＷＨＭ幅はやや広くなっている。しかし、段の３のスペクトルによりそのスペクトルが増加される。この例においては、段の３のスペクトルは狭い通過帯域を持つが、ＦＳＲが短い欠点がある。接合フィルターは、狭い通過帯域及び広いＦＳＲにより特徴付けられる結果となり、フィネスが改善される。
【００６２】
述べたように、本発明のスペクトル画像処理フィルターは、光信号経路に沿って接合された少なくとも二つのスペクトルフィルター段３３，３５を有する。各フィルター段は自由スペクトル帯域通過ギャップＦＳＲにより分離された帯域通過ピーク５２を持った周期的な伝達特性（例えば、図３）を有する。一実施例においては、フィルター段は、帯域通過ピークを連続的に狭めることでフィネスを単に改良するＳｏｌｃ段である。他の実施例では、少なくとも一つの段が他の段よりも大きな自由スペクトル領域を持った、即ち、フィルター段の内の一つは、通過帯域ピーク間がより大きいギャップを有しており、二つ以上のフィルター段であり、それらの段は少なくとも一つの重なった通過帯域を有する。こうして、フィルター段は接合され又はそれらの伝達スペクトルが連続的に増えるようにすると、接合ペアのフィネスは該重なった帯域で帯域通過ピークを持つ。
【００６３】
二つの同一な伝達ピークの交わりは、同じ中央波長で狭いピークとなるので、図３に対して図４のように、連続的に同様な構成のフィルター段を適用することで、フィネスのある程度の向上が図られる。
【００６４】
フィルター段をＳｏｌｃ段として構成すること（これにより、偏光子の必要性を最小化する）で、全体の伝達率を低下されること無くフィネスの実質的な向上が図れる。そして、接合された段の一つは、二つのフィルター段の内の他の段よりも長い自由スペクトル領域を持っており、また、狭い通過帯域ピークを持っている。もし少なくとも二つのフィルター段の通過帯域ピークが、フィルターの作動状態で重なると、スペクトル画像処理フィルターの伝達特性は全体として各段の最良の特性、即ち、一つの段のより大きな自由スペクトル領域と他の段のより狭い通過帯域ピークにより、特徴づけられる。
【００６５】
一つの実施例において、一つ以上の段の通過帯域ピークの中央波長は、そのフィルター段で複屈折素子として固定的な遅延素子を使用することで決定される。しかし、好ましくは、少なくとも二つのフィルター段が重なる運転状態となるように、フィルター段の少なく一つは調整可能なことである。例えば、図５に示すように、段の１及び２の通過帯域ピーク波長が選択的に領域上を動くことが出来る、調整可能な構成とすることで、段の３を調整する必要なく、段の３において、通過帯域ピークは、ピークの内の一つを効果的に選択することが出来る。
【００６６】
他の実施例では、段の３もまた、調整可能である。連続する段を構成する接合フィルターの二つの段の周期的な帯域通過波長の選択を正しい方法で調整することが出来ることは、複数の段の伝達スペクトルの帯域通過ピークを調整的に移動させることで、調整範囲内でどのような波長も実質的に連続的に選択することが出来る。
【００６７】
いずれにせよ、一つ又は好ましくは複数のフィルター段で運転状態が調整可能であり、複数のフィルター段の全ての伝達スペクトルの少なくとも一つの帯域通過ピークは重なることとなる。こうして、接合フィルターは重さなった帯域を通過する。
【００６８】
図１及び図２において、少なくとも二つのフィルター段３３，３５は、二つの偏光子４２，４４間に、またその偏光子間で回転的に整合された形で配置された、一セットの複屈折遅延素子４５，４７などからなるＳｏｌｃフィルターを構成している。各段内の遅延素子は同一段内の他の遅延素子と等しい遅延量を示す。しかし、好ましくは、該段の内、異なった段の遅延素子は明らかに異なった遅延量を示す。その結果、それらの段のスペクトルレスポンスはＦＳＲ及びＦＷＨＭ間のバランスに関して、例えば、図５の段の３のスペクトルに対して段の１−段の２のスペクトルにより特徴づけられるように、概して異なったものとなる。
【００６９】
調整可能な複屈折遅延素子を設けるための一つの技術は、複屈折のソースとして調整可能な液晶セルを用いることである。従来の液晶は、溶けたシリカなど（ガラス）を支持する板を有しており、それら板は液晶材料に対するギャップを規定するために機械的なスペーサにより間隔をあけられている。液晶と板の間には、電圧を掛けるための透明な導電層と引き伸ばされた液晶分子の静止的な整列を決定する配向膜がある。透明な導電層は、典型的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなる。例えば、ＳｉＯｘ等の多様な配向膜が可能であり、イオン照射などにより研磨又は処理され、液晶の配向方向を確立させることが出来る。制御電圧を加えることで、液晶の遅延量を変える。実際には、複屈折性が増すと、正常軸と異常軸に整合した光成分ベクトル間の追加的な位相遅れが生じ、異常軸は適用された制御電圧により影響を受ける。
【００７０】
液晶は、ある種の化学的な混合物からなり、該混合物の分子が可動的に整合することで一つ以上の液晶相を示す。分子が整合されると材料は複屈折性となり、整合の範囲は可変であり、複屈折性を変化させる。
【００７１】
好ましい構成では、本発明の多数接合フィルターに使用される液晶セルは、上端及び下端の基板を平行研磨して分子の配向を確立させた、電気制御複屈折（ＥＣＢ）液晶セルである。垂直整合金属液晶セル、ｐｉ−セル又はベンドセルなどの他の液晶モードも使用することが出来る。他の実施例では、上記した液晶セルの二つを互いに二重に積層し、よりよい視野角特性を得ることが出来る。
【００７２】
上述したように、そうした液晶は遅延素子４５，４７などとして使用することが出来、更に、制御可能な遅延素子の厚さと同様に、複屈折性を電気的に制御することが出来る利点がある。本発明の更なる観点によると、図６に示すように、複屈折性が制御できる液晶素子が固定された遅延素子に接続され、所定の遅延素子の厚さと複屈折性を有する。そこで、制御可能な液晶素子は適用される制御電圧により追加的な遅延量に寄与する。遅延素子として、リチウムニオブ酸塩（ＬｉＮＯ３）材料を用いることが出来る。しかし、好ましくは、遅延素子をベータホウ酸バリウム(BBO)から構成して、ガラスと指標をほぼ一致させ、及び／又は図６に示すように、液晶構造の支持板として使用する。
【００７３】
図６において、シリカ板６２は、固定遅延素子７２からスペーサ６６により機械的に離され、液晶層６４を挟んでいる。ＩＴＯ層８２は、制御電圧ＶＣＴＬを印可可能である。配向膜８３は液晶の配向方向、従って、速軸と遅軸の向きを決定する。遅延量の程度は、液晶の制御可能な複屈折性により決定される。
【００７４】
実施例では、液晶６４の速軸と遅軸はそれぞれ固定遅延素子７２の速軸及び遅軸と整合している。こうして、液晶は、固定遅延素子７２を横断する、同じ直交ベクトル偏光成分間に、制御可能な追加的な遅延量を与えることが出来る。
【００７５】
本発明の観点に基づき、図６に示すように、液晶６４と固定遅延素子７２は、好ましくは、実質的に光学的に調和している。この目的から、固定遅延素子はベータホウ酸バリウム(BBO)から構成することが極めて良い。この材料は、可視波長範囲で、光学的な指標（optical index）が約１．５から１．７、ガラスの指標と似ている。光学的な指標がガラスに近い遅延素子を用いることで、反射防止コーティングを不要とする一方で、遅延素子とガラス板の間のインタフェースで反射を減少させることができる。もし、光学的な率がこのようなインタフェースにおいて不適当な場合、複合的な反射が生じ、伝達率を低下させる。ＬｉＮＯ３等の他の複屈折材料はより高い光学的な率（例えば、２．０又は２．１）を有し、本発明に適用することが出来るが、反射防止コーティングのようなものを用いる必要がある。方解石結晶のような他の複屈折材料を適用することが出来、ＬｉＮＯ３よりもガラスにより近い性質を示すかもしれないが、それは適用可能であっても製造上の難問から好ましくはない。複屈折材料は、異なる軸に沿って異なる光学的な指標を持つ一方で、該指標は、ガラスなどの隣接する等方性材料とほぼ整合する。ほぼ一致する指標は、反射を低減させる。
【００７６】
先述の材料及び光学的な指標は、可視波長スペクトルにおけるハイパースペクトルフィルターにつながるものである。本発明は、近赤外線または紫外線のような他のスペクトルに十分適用することが出来、それは多様な化学画像処理装置に使用するに好適である。
【００７７】
各段の遅延素子４５，４７は異なる複屈折特性をもつ材料を使用すること、又は、単一の遅延素子又は整合されて接することでより厚い素子を形成する薄い素子を用いて光学信号経路に沿った厚さを異ならせることで、又は、調整可能となった複屈折性で、又は、これらの異なる特性を組み合わせることで、異なる遅延量を得ることが出来る。好ましくは、少なくとも一つの段の遅延素子は液晶による複屈折が調整可能な素子からなる。一つ以上の段の遅延素子は液晶素子から構成することが出来る。即ち、複屈折性を導入するために液晶だけを用い、固定的な遅延素子を用いないのである。好ましくは、一つ以上の段は、固定的な遅延素子と液晶の両方を用いる遅延素子を含む。更に、好ましくは、こうした組み合わされた固定的及び液晶の遅延素子における液晶は、互いに接続され、液晶による複屈折が調整可能な素子を形成する。ここでは、固定的な遅延素子は遅延量にある程度寄与する。
【００７８】
本発明によると、多数の異なる構成が可能である。図１は、単純な模式版を示し、図２は、一つの段を示し、そして“ｎ”の不定な数の遅延素子がＳｏｌｃ構成フィルターに使用可能である。図７は、各段の各遅延素子が液晶部と固定遅延素子部からなる、二つの段の装置を示しており、与えられた段内では、遅延量は等しい（全体で調整可能である）が、他の段の間では、複屈折性を異ならせる制御又は厚さの相違により、異なっている
【００７９】
図８に、少なくとも３つのスペクトルフィルター段が光学信号経路に沿って接続されている。先行する段の出力偏光子が次の段の入力偏光子として機能するように、偏光子により段が分離されている。こうして、偏光子の数は段の数プラス１に制限される。図８では、全ての遅延素子は液晶からなり、与えられた回転整合において、遅延素子は一つ以上の液晶を有する。
【００８０】
図８に示された装置の利点は、遅延素子の厚さ（段間でその厚さは異なるが）は、異なる段の遅延素子において、液晶による複屈折性が調整可能な素子を異なる数だけ積層することで決定されることであり、複屈折性と厚さを、一つの段を他の段と異なるものとする方法で、積層される。図８の最初の段は、それぞれが一つの液晶素子を持った二つの回転揺動する遅延素子を持つ。第２の段は、回転揺動する遅延素子のそれぞれについて、二つの整合され、積層された液晶素子を有する。第３の段は、各素子について、三つの液晶を積層している。調整可能な薄い液晶を積層して使用することは、同じ総合的な複屈折性を得るために、厚い液晶を使用するのに対してフィルターの調整速度を向上させる。更に、調整可能な液晶素子が同じ個々の厚さと仮定すると、この配列は連続する段の遅延素子の厚さを、ｄ、２ｄ、３ｄなどとなる段を作ることが出来る（ここで“ｄ”は、一つの素子の厚さ）。
【００８１】
述べられた実施例では、協働する遅延素子は、調整可能な液晶に隣接した全体的に又は部分的に固定された遅延素子を有する一つ以上の段を有し、ベータホウ酸バリウムなどの指標が調和する固定された遅延素子材料を使用することは、既に述べたように積層された遅延素子が積層されたＳｏｌｃ構成フィルター段を使用することで概して得られる、高い伝達率を維持する。即ち、それは光学的な経路に沿って進む、光学的な指標が不連続な部分における反射を減少させることによる。
【００８２】
高い解像度の波長識別用に一般的に適用されるが、本発明のフィルターの好ましい適用は、ラマン画像処理用の調整可能なスペクトルフィルターとしてである。フィルター段のそれぞれは、出力偏光子に導かれる、複数の等しく遅延された回転配置された遅延素子（即ちＳｏｌｃ構成段）を有し、先行する段に関する出力偏光子が次の段の入力偏光子として機能している。前記段の数及び段内の遅延素子のそれぞれの厚さは、自由スペクトル領域が約５００ηｍから６５０ηｍで、ＦＷＨＭ通過帯域ピーク幅が約０．２５ηｍとなるように選択する。これは、フィルターフィネスが少なくとも６００である必要がある（即ち、１５０ηｍＦＳＲ及び０．２５ηｍＦＷＨＭ）。これについては、要求されるフィネスは、スペクトルフィルター段の数を制限しながら、該スペクトルフィルターを介して選択された波長でほどよい伝達率を得ることで、得ることが出来る。
【００８３】
偏光子の伝達損失は、偏光子の材料、光学信号波長及び同様な要因に依存する。可視スペクトルにおいて、典型的な偏光子は、偏光子の整合により偏光された光に対して、約８８％の典型的な伝達率（即ち、１２％の損失）を有している。その仮定の下、入力偏光子及び出力偏光子を有する一つのＳｏｌｃ段は、偏光子に関連する損失のみで７７％の伝達率となる。本発明の多段Ｓｏｌｃ構成では、各追加段は一つの偏光子だけが加わる。こうして、偏光子に起因して、３つの偏光子（２段）は６８％の伝達率であり、３段では、５９％、４段では、５２％、５段では、４６％、６段では、４０％などとなる。段のフィネスは既に述べたように、増加し、もし、各段が約３のフィネス率を持っていると、４個の積層された段では、約４０％の伝達率で６００の必要なフィネスを超えることが出来る。
【００８４】
述べた複屈折フィルターの一つの特徴は、該フィルターの光学的な波長が、該フィルターで使用される偏光子の伝達スペクトルによって単に規定されるということである。固定された遅延素子及び液晶材料は、波長スペクトルの非常に広い領域で概して高い伝達性を持つ。しかしながら、偏光子の伝達スペクトルは限られる。例えば、ＵＶ，ＶＩＳ、ＮＩＲ又はＭＷＩＲ領域に対してである。本発明のマルチ接続フィルターについては、異なるタイプの偏光子を選択することで、フィルターは対応するＵＶ、ＶＩＳ、ＮＩＲ又はＭＷＩＲ波長領域で動作可能である。例えば、ＶＩＳ偏光子は、日東電工のＮＰＦシリーズの偏光フィルムとすることが出来る。エドモンドオプティクス（Edmund Optics）は、３６５ηｍから約１７００ηｍをカバーするハイコントラストのＵＶ及びＮＩＲ偏光子を持っており、コディクス（CODIXX）のＣｏｌｏｒＰｏｌシリーズＵＶから、ＮＩＲ偏光子は３５０ηｍから２５００ηｍの波長領域をカバーすることが出来る。
【００８５】
これは、幅広いスペクトルの光学的な信号を収集する必要がある多数のハイパースペクトル画像処理装置にとって利点である。
【００８６】
以下の表は、本発明の多段接合フィルターのある特別な実施例を示すためのものである。略語の説明として、これらの実施例は、Ｓｏｌｃ構成に多段液晶調整フィルター（ＬＣＴＦ）を有する多段接合フィルター（ＭＣＦ）を示しており、ここで、光学信号経路に沿った二つの偏光子間の回転変位角は、等しい複屈折性を有する遅延素子の１セット間に分配されている。こうして、所定の波長（それは、調整により選択可能である）は、各複屈折素子により偏光状態が連続的に回転又はねじれて、第２の又は出口偏光子に整合されるようになる。他の波長は阻止される。
【００８７】
ある実施例では、各ＬＣＴＦは液晶複屈折素子、固定遅延板及び偏光子を有する。他の実施例（又は与えられた実施例の中の段）では、遅延量は液晶調整素子だけにより与えられる。ＬＣＴＦの実施例では、液晶は積層することが出来る。
【００８８】
各段はＳｏｌｃフィルター構造を有するが、本発明の観点から、性能目標を達成するために、固定され及び／又は可変な遅延素子の遅延量は、一つの段の中では等しく、連続する段の間ではそれぞれ異なっている。特に、いくつかの段に典型的には他の段よりも明らかに厚い固定又は調整可能な遅延素子を用いることで、いくつかの段で提供される遅延量は他の段よりも明確に大きい。上述の実施例では、相違は少なくとも二つの要素とすることができる。以下の表の実施例は、それらが達成することの出来る他の要素及び性能を示す。
【００８９】
本発明においては、多段接合フィルターの各段は、好ましくは４以上のフィネス率（即ち、ＦＳＲ／ＦＷＨＭ＞４）を有する。より好ましくは、フィネス率は５以上である。また好ましくは、フィルター内の任意の二つの段の自由スペクトル領域の割合は２より大きく、より好ましくは、２．５よりも大きい（即ち、ＦＳＲ１／ＦＳＲ２＞２．０から２．５）。与えられた遅延素子材料については、ＦＳＲは遅延量又は複屈折性及び厚さの関数として変化する。こうして一般的に自由スペクトル領域の割合は、少なくとも二つの段のＳｏｌｃフィルター構造における遅延素子板の厚さに明確な相違を生じさせる。
【００９０】
段の個々の遅延素子は単一の複屈折層、液晶調整と組み合わされ、また好ましくは該液晶素子と指標が整合した固定的複屈折フィルター、又は、固定的な遅延素子及び液晶を有する多段複屈折層を有する。フィルター構成は図２に示すような揺動角度をもったＳｏｌｃ折り返し構成とすることが出来、また、これに変えて、フィルター段は、Ｓｏｌｃファンアウト構成、Ｓｏｌｃ  Ｇｕａｓｓｉａｎ、Ｓｏｌｃ  ｌｉｎｅａｒ、Ｓｏｌｃ  Ｓｉｎｃ又は他の構成とすることが出来る。加えて、本発明の多段接合フィルターは、各段の固定的及び調整可能な遅延素子の使用に関して、及び、前述した多様なＳｏｌｃフィルター構成のうち異なるものを使用することが出来る協働する段に関して、異なった構成の段を使用することが出来る。
【００９１】
Ｓｏｌｃフィルター段構成を用いる一つの理由は、偏光子の数が連続する段の間に設けられる偏光子に限られることと、前の段の出力偏光子が引き続き隣接する段の入力偏光子として機能することが出来ることである。これにより、フィルター帯域通過波長における最適な高い伝達率を得ることが出来る。しかし、伝達率がそれほど重要でない場合には、例えばＬｙｏｔフィルター構成又はＥｖａｎｓ変形(variant)構成のような、異なる構成段を用いることが出来る。
【００９２】
好ましい、実施例はＳｏｌｃフィルター段である。一つ以上の固定的な遅延素子を持った段においては、該固定的な遅延素子は、ガラスに近い屈折率を持ったＢＢＯ又はα−ＢＢＯ材料から構成することが出来る。これにより、素子間に反射防止膜の必要性を少なくし、又は無くすことが出来る利点がある。
【００９３】
この実施例では、各固定的な遅延素子には液晶複屈折素子が光学信号経路に沿ったすぐ後に続く。液晶は５マイクロメータ（５μｍ）以下の最大遅延量を持つ。
【００９４】
本発明の一つの観点によると、全有効スペクトル領域をカバーするようにフィルターを調整することが、全スペクトル領域を横断する各独立段のピークをずらすこととはなならない。周期的に繰り返されるピークを調整して、スペクトル領域を横断する、調整することで選択される一連の波長を得ることが出来、そこでは、帯域通過ピークは整合し、連続するフィルター段のピークを介して同じように調整することで選択される波長を導く。典型的には、何らかの特定の周期的なピークは、多重接合フィルターのスペクトル領域の小部分のみの上で調整可能に可動とする必要がある。各段のそれぞれのピークの周期的なパターンから異なるピークを選択的に整列させる能力は（それらの各ピークは、大きくない自由スペクトル領域上でのみ調整することが出来る）、所望の帯域通過波長に調整したとき、与えられた段の周期的なピークの一つが他のピークと選択的に整合する調整状態に該段をセットする、適切に設定された制御を可能とする。
【００９５】
複数のＬＣＴＦ調整段はこうして用いられ、高い帯域外除去率及び調整された帯域通過波長周辺の狭いスペクトル帯域幅を達成する。多段構成では調整可能な及び固定的な遅延素子段を使用することが出来るが、他の段よりも大きな遅延性を達成するために大きな厚さが必要な段について、多段に隣接した素子を持った積層液晶（又は、多数の多段に隣接した素子）を用いることで、一つの段から次の段への遅延性を異なったものとすることも出来る。
【００９６】
本発明は、比較的低い複屈折性又は低い分散性を有する液晶材料からなる、調整可能なＬＣＴＦ遅延素子を使用することが出来、それでも全体として多重接合フィルター内で所望の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を達成することが出来る。低い複屈折性を有する遅延素子を持った個々の段を使用してそれらの大きな自由スペクトル領域を活用することが出来る。スペクトル識別力（帯域幅が広い）が結果的に犠牲になるかもしれないが、代りの段（sub-stage）を繰り返すことで、及び、また、他の典型的に厚い素子段の狭いスペクトル識別力に依存することで、接合フィルターは帯域外除去、調整性及び調整された帯域通過波長における波長帯域幅（ＦＷＨＭ）の全ての目的を達成する。
【００９７】
この記述で導入された多様な実施例は例であり、その数は以下の表１から６に列挙されている。これらの実施例は少なくとも二つの段、好ましくは３から６段を有し、それぞれはステージ当り少なくとも二つ、好ましくは４個以上の遅延素子を有する。他の実施例では、６フィルター段で、各段は少なくとも４個の遅延素子を有するものが設けられる。
【００９８】
以下の表では、段を記述するために簡単な略記方を用いており、（揺動角を決定する）段の偏光子間の折りたたみ又は揺動角内に配置された遅延素子の数及び各素子を作る為に使用される調整可能な液晶素子の数に関しては、多様な可能性を示している。ＬＣだけのＭＦＣ構成はそのように表示することが出来る。
【００９９】
各単一段を以下のように表示することが出来るとすると、
【０１００】
（ｉｋ、ｍｋ、θｋ）、ここで、添え字ｋはフィルター内のｋ番目の段を定義し、ｉｋはｋ番目の段の素子の総数、ｍｋは、ｋ番目の段で、（図８に示したように）同じ揺動角で何個のＬＣ素子が繰り返し隣接配置されているかを表し、θｋはｋ番目の段でのＳｏｌｃ素子の揺動角度である。
【０１０１】
この略記法により、±７．５゜の揺動角を有する２段折りたたみ６素子Ｓｏｌｃ構成を持った、表２のＦｌｕｏＭＣＦ００１で、第１段が６素子及び第２段が１８素子（及び同じ揺動角±７．５゜）は、略記法で表すと、：（６，１，７．５゜）−（１８，３，７．５゜）となる。
【０１０２】
表２のＦｌｕｏＭＣＦ００２は、３段折り返し６素子Ｓｏｌｃで、±７．５゜の揺動角を有する。第１段が６素子及び第２段が１２素子で、第３段が１２素子である。全て揺動角は±７．５゜のとき、（６，１，７．５゜）−（１２，２，７．５゜）−（１２，２，７．５゜）で表される。
【０１０３】
ＬＣのみの段を有する多段接合フィルターの異なる構成をこの一般的な表現で行うと、
２段フィルターは、（ｉ１、ｍ１、θ１）−（ｉ２、ｍ２、θ２）
３段フィルターは、（ｉ１、ｍ１、θ１）−（ｉ２、ｍ２、θ２）−（ｉ３、ｍ３、θ３）
４段フィルターは、（ｉ１、ｍ１、θ１）−（ｉ２、ｍ２、θ２）−（ｉ３、ｍ３、θ３）−（ｉ４、ｍ４、θ４）となる。
ここで、
Ｉｋ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２，等
Ｍｋ＝１，２，３，４及び
Θｋ＝２２．５゜、１１．２５゜、７．５゜、５．６２５゜、４．５゜、３．７５゜、３．２１゜、２．８１
である。
【０１０４】
Ｓｏｌｃ構成の与えられた一セットの遅延素子は、入力偏光子と出力偏光子の間で回転角を再分割する形で使用されるが、それには多数の可能な配置がある。また、調整可能な素子を固定的な素子に対していくつとするかについても、多様な可能性がある。最後に、一斉に調整される一つ以上の調整可能な複屈折素子は、どのような特別な素子を用いても作ることが出来る。いくつかの比較的薄い液晶素子を隣接させて使用して比較的厚い遅延素子を組み立てる。これにより、厚い調整された素子を使用するフィルターよりも早く調整可能なフィルターを得る。
【０１０５】
少なくとも一段の遅延素子は、共通調整制御部に接続された液晶を有する。遅延素子の複屈折性は、段の中の一つのでは全ての遅延素子が等しく変化するようになる。段を調整することは、該段内で等しい寸法で等しい複屈折性を有する遅延素子の一セットの厚さを変えることと機能的には同じである。
【０１０６】
他の実施例では、少なくとも二つの段の遅延素子は、それら少なくとも二つの段のそれぞれの遅延素子の複屈折性を独立的に変化させる為に、調整制御部に接続された液晶を有している。しかし、ある段の遅延素子は、好ましくは二つ以上の隣接する液晶素子を変化させることで、等しく調整され、もしくは、そのなかで、調整制御部に接続された少なくとも一部の遅延素子セットは、調整可能な液晶に接続された固定的な遅延素子を有する。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【表６】
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【０１０７】
実用的な実施例を示す先述の表は、非限定的なものと考えるべきである。
【０１０８】
背景で述べた特許及び刊行物及び詳細な記述は利用可能であり、それらの教示は参照することでこの開示に導入されたものと見なされる。
【０１０９】
本発明を、例示により述べ、示したが、上記した技術を参照して多様な変形や修正が可能である。本発明は例として使用した実施例に限られるものではないことを理解すべきである。排他的な権利が要求されている本発明の範囲を認識するためには、添付したクレームを参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】図１は、本発明に基づく、スペクトル画像処理装置などに使用されるマルチ接合液晶フィルターの一模式図である。
【図２】図２は、多数素子からなる、一段のＳｏｌｃファン構成を示す一模式図である
【図３】図３は、典型的な六素子Ｓｏｌｃフィルターの伝達作用を示す、スペクトル透過図表である。
【図４】図４は、光の伝達路に沿って連続的に配置された、二つの六素子Ｓｏｌｃ段における、図３に対応するスペクトル透過図表である。
【図５】図５は、本発明に基づいて、連続的に配置されたＳｏｌｃフィルターをどのように接合して、高いフィネスと良好な伝達比を持たせるかを示す模式図である。
【図６】図６は、図１又は図２の実施例において複屈折性を制御することの出来る調整素子の一模式図である。
【図７】図７は、固定されかつ調整可能な遅延素子をそれぞれ有する協働素子を有する、本発明に基づいた２段Ｓｏｌｃフィルターの一模式図である。
【図８】図８は、拡張可能な構成の３段の一模式図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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