(57)【要約】  ４．５ミクロン以上の波長範囲において動作可能なコンパクトな分光計が、入口スリット、視準ミラー、格子、集束ミラー、および第１焦平面を含む。スリットを通過する少なくともいくらかの放射が、スリットを通過する少なくともいくらかの放射が視準ミラーによって格子の上に反射され、格子が、少なくともいくらかの放射を集束ミラーの上に次々に反射し、集束ミラーが、少なくともいくらかの放射を第１焦平面において次々に反射して、検出器の２次元アレイの上に集束させる光路に従う。検出器の２次元アレイの各列は、４．５ミクロン以上の範囲の波長に対応し、２次元アレイは、４．５ミクロン以上の範囲にわたる波長に集合的に対応する複数の列を含み、検出器の２次元アレイの列の各隣接対は、等量だけ異なる２つの波長に対応する。入口スリット、視準ミラー、格子、集束ミラー、および第１焦平面は、サイズが１９２立方インチ以下の容積内に配置される。
2008502906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４．５ミクロン以上の波長範囲内で動作可能なコンパクトな分光計であって、
（Ａ）入口スリット、視準ミラー、格子、および集束ミラーと、
（Ｂ）前記スリットを通過する少なくともいくらかの放射が、前記スリットを通過する前記少なくともいくらかの放射が前記視準ミラーによって前記格子の上に反射され、前記格子が、少なくともいくらかの放射を前記集束ミラーの上に次々に反射し、前記集束ミラーが少なくともいくらかの放射を第１焦平面において次々に反射して、検出器の２次元アレイの上に集束させる光路に従う、検出器の２次元アレイとを備え、
検出器の前記２次元アレイの各列が、４．５ミクロン以上の範囲内の波長に対応し、前記２次元アレイが、４．５ミクロン以上にわたる波長に集合的に対応する複数の列を含み、検出器の前記２次元アレイの列の各隣接対が、等量だけ異なる２つの波長に対応し、
前記入口スリット、前記視準ミラー、格子、集束ミラー、および前記第１焦平面が、サイズが１９２立方インチ以下の容積内に配置される、分光計。
【請求項２】
検出器の前記２次元アレイが、前記第１焦平面に配置される、請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
検出器の前記２次元アレイが、前記第１焦平面とは異なる第２焦平面に配置される、請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
前記４．５ミクロン以上の波長範囲のすべてが、７．５から１３．５ミクロンの間にある、請求項１に記載の分光計。
【請求項５】
配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素を基板に位置合わせして結合する方法であって、
（ａ）アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびベリリウムの少なくとも１つからなる群から選択された材料から光学構成要素を機械加工することと、
（ｂ）第１平面を画定する平坦底面を有するマウントに光学構成要素をはり付け、円筒ロッドが、前記第１平面に垂直な角度において前記マウントの前記平坦底面から離れて延び、少なくとも第１および第２ねじが、前記マウントの前記底面を通って延びる第１および第２円筒開口に配置され、前記マウントの前記第１および第２円筒開口が、前記第１平面に垂直に位置合わせされ、前記第１および第２ねじの外径と適合する内径を有することと、
（ｃ）第２平面を画定する平坦上面を有する基板を提供し、第１円筒開口が、前記第２平面に垂直な角度において前記基板の前記上面から前記基板の中に延び、少なくとも第２および第３ねじ込み開口が、前記第２平面に垂直な角度において前記基板の前記上面から前記基板の中に延びることと、
（ｄ）前記金属ロッドを前記基板の前記第１開口と、前記マウントの前記第１開口を前記基板の第２ねじ込み開口と、前記マウントの前記第２開口を前記基板の前記第３ねじ込み開口と同時に位置合わせすることによって、前記マウントを前記基板に対して位置決めすることと、
（ｅ）前記マウントと前記基板は位置合わせされるが、前記マウントの前記底面が前記基板の前記上面に接触するまで、前記円筒ロッドを前記基板の前記第１円筒開口に挿入し、前記挿入の直後に、前記円筒ロッドと前記基板の前記第１開口との間の摩擦が、前記第１および第２平面に垂直な軸の回りに前記マウントが回転するのを防止し、前記基板の前記第１開口と前記円筒ロッドとの間の緊密さが、前記基板に対して横方向に前記マウントが移動するのを制限することと、
（ｆ）ステップ（ｅ）後、前記第１および第２ねじを前記基板の前記第２および第３ねじ込み開口の中にそれぞれ回転させ、それにより、前記マウントが、前記精度で前記基板に結合されることとを備える、方法。
【請求項６】
前記マウントの前記第１および第２円筒開口が、第１テーパ形状を有する端部を含み、前記第１および第２ねじが、前記第１テーパ形状と対になる第２テーパ形状のヘッドを有し、それにより、前記第１および第２ねじが、前記マウントの前記第１および第２円筒開口と位置合わせされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ｂ）が、前記円筒ロッドを前記マウントの他の円筒開口の中に押し込むことをさらに備える、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記押し込むステップの前に、前記円筒ロッドの外径が、前記マウントの前記他の円筒開口の内径より大きい、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ｅ）において前記挿入することが、前記円筒ロッドを前記基板の前記第１円筒開口の中に押し込むことを備え、ステップ（ｅ）の前記押し込むことより前に、前記第１円筒ロッドの外径が、前記基板の前記第１円筒開口の内径より大きい、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素をマウントに位置合わせして結合する方法であって、
（ａ）アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびベリリウムの少なくとも１つからなる群から選択された材料から光学構成要素を機械加工し、前記機械加工が、前記材料において少なくとも第１、第２、および第３円筒開口を形成することを含み、前記材料の前記第２および第３円筒開口が、ねじ山を付けられることと、
（ｂ）前記機械加工された光学構成要素の前記第１円筒開口に配置された円筒ロッドを提供し、前記円筒ロッドが、前記平坦背面に垂直な角度において前記光学構成要素の平坦背面から離れて延びることと、
（ｃ）平坦前面、ならびに前記平坦前面に垂直な角度において前記平坦前面から前記マウントの中に延びる少なくとも第１、第２、および第３円筒開口を有するマウントを提供し、前記マウントの前記複数の円筒開口の少なくとも第１および第２が、前記マウントの厚さを完全に通過し、第１および第２ねじが、前記マウントの前記第１および第２円筒開口にそれぞれ配置され、前記第１および第２ねじが、前記マウントの前記第１および第２円筒開口の内径と適合する外径を有することと、
（ｄ）ステップ（ｂ）後、前記光学構成要素から延びる前記金属ロッドを前記マウントの前記第３開口と、前記光学構成要素の前記第２ねじ込み開口を前記マウントの前記第１開口と、前記光学構成要素の第３ねじ込み開口と前記マウントの前記第２開口とを同時に位置合わせすることによって、前記マウントを前記光学構成要素に対して位置決めすることと、
（ｅ）前記マウントと前記光学構成要素は位置合わせされるが、前記光学構成要素の前記背面が前記マウントの前記前面と接触するまで、前記円筒ロッドを前記マウントの前記第３円筒開口に押し込み、前記挿入の直後に、前記円筒ロッドと前記マウントの前記第３開口との間の摩擦が、前記前面および前記背面に垂直な軸の回りに前記マウントが回転することを防止し、前記マウントの前記第３円筒開口と前記円筒ロッドとの間の緊密さが、前記光学構成要素に対して横方向に前記マウントが移動することを制限することと、
（ｆ）ステップ（ｅ）後、前記第１および第２ねじを前記光学構成要素の前記第２および第３ねじ込み開口の中にそれぞれ回転させ、それにより、前記マウントが、前記精度で前記光学構成要素に結合されることとを備える、方法。
【請求項１１】
ステップ（ａ）が、前記材料において第４ねじ込み開口を機械加工し、前記マウントが、前記平坦前面に垂直な角度において前記平坦前面から前記マウントの中に延びる第４円筒開口を含み、前記マウントの前記第４円筒開口が、前記マウントの厚さを完全に通過し、第３ねじが、前記マウントの前記第４円筒開口に配置され、前記第３ねじが、前記マウントの前記第４円筒開口の内径と適合する外径を有することを備え、、ステップ（ｆ）が、前記第４ねじを前記光学構成要素の前記第４ねじ込み開口の中に回転させることをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｅ）において前記押し込む前に、前記円筒ロッドの外径が、前記マウントの前記第３円筒開口の内径より大きい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ｂ）が、前記円筒ロッドを前記機械加工された光学構成要素の前記第１円筒開口の中に押し込むことをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｂ）において前記押し込む前に、前記円筒ロッドの外径が、前記機械加工された光学構成要素の前記第１円筒開口の内径より大きい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
モノリシック金属光学要素を形成する方法であって、
第１面および前記第１面と対向する第２面を有するモノリシック構成要素を形成するために材料の塊を機械加工し、前記モノリシック構成要素の前記第１面が、集束ミラーおよび視準ミラーからなる群から選択された光学構成要素を備え、前記機械加工が、前記第２面によって画定される面に垂直な角度において前記第２面から離れて延びる円筒位置合わせロッドを受けるための第１円筒開口、前記第２面によって画定される前記面に垂直な角度において前記第２面から離れて延びる第１ねじを受けるための第２円筒開口、および前記第２面によって画定される前記面に垂直な角度において前記第２面から離れて延びる第２ねじを受けるための第３円筒開口を形成するために使用され、前記材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびベリリウムの少なくとも１つからなる群から選択されることを備える、方法。
【請求項１６】
ステップ（ａ）が、前記モノリシック金属光学構成要素の前記第１および第２面の両方を形成するために、単一点ダイヤモンド旋削を使用することを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記機械加工が、前記第２面によって画定される前記面に垂直な角度において前記第２面から離れて延びる第３ねじを受けるための第４円筒開口を形成するためにさらに使用される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
光学格子要素を形成する方法であって、
材料の塊を機械加工して、前記光学格子要素の第１面、前記第１面に垂直な角度において前記第１面から前記材料の中に延びる第１円筒開口、前記第１面に垂直な角度において前記第１面から前記材料の中に延びる第１ねじを受けるための第２円筒開口、および前記第１面に垂直な角度において前記第１面から前記材料の中に延びる第２ねじを受けるための第３円筒開口を形成することと、
円筒位置合わせロッドを前記第１円筒開口の中に挿入し、前記挿入後、前記円筒位置合わせロッドが、前記第１面に垂直な角度において前記材料から離れて延びることと、
エポキシ複製プロセスを使用して前記光学格子要素の第２面を製造し、前記第２面が、前記機械加工された材料に接着結合された樹脂層から形成され、前記第２面が光学格子を備えることとを備え、
前記材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびベリリウムの少なくとも１つからなる群から選択される、方法。
【請求項１９】
前記機械加工が、前記光学格子要素の前記第２面を形成するために、単一点ダイヤモンド旋削を使用することを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記挿入するステップが、前記円筒位置合わせロッドを前記第１円筒開口に押し込むことをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記押し込むステップの前に、前記円筒位置合わせロッドの外径が、前記第１円筒開口の内径より大きい、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記光学格子要素の前記第１面が、前記光学格子要素の前記第２面に垂直である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記光学格子要素の前記第１面が、前記光学格子要素の前記第２面に平行である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記光学格子要素の前記第１面が、前記光学格子要素の前記第２面に対してゼロと９０度との間の角度に配置される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外分光計に関し、また、赤外分光計において使用することが可能である構成要素を含む光学構成要素を製造および組立てシステムおよび方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線分光法は、アイザック・ニュートン（Ｉｓａａｃ  Ｎｅｗｔｏｎ）によって発見された可視スペクトルの赤部分を超える光放射をウィリアム・ハーシェル（Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｈｅｒｓｃｈｈｅｌ）が発見したときに始まった。１９世紀以来、赤外線放射と様々な物質との相互作用が、物理および化学の両方の分野の学者によって研究されてきた。それ以来、異なる材料が赤外線スペクトルの異なる部分を吸収し、これらの吸収特徴は、化学種を検出および特定するために使用することができることが判明している。最初の大量生産された赤外分光計は、第２次世界大戦まで構築されず、これは、ラバー・リザーブ（Ｒｕｂｂｅｒ  Ｒｅｓｅｒｖｅ）の米国オフィスが、合成ゴム化合物の組成を測定する有効な手段として赤外線分光法の用途を確認し、１μｍおよびそれを超えて動作することができる赤外分光計の開発を必要としたときである。１９５０年以来、赤外分光計は、科学およびエンジニアリングの両方の分野によって広く受け入れられてきた。これらの分光計の第１世代は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの岩塩材料による赤外線放射の光分散を利用した。後に、これらの吸湿性または感湿性の岩塩プリズムは、ガラス基板で作成された回折格子によって置き換わった。一般的に、これらの初期の赤外分光計は、重量が２００ポンドを超え、容積が７から８立方フィートより大きい空間に実装された。
【０００３】
分散に基づく赤外分光計の他に、１９６０年代後半、レーザ、コンピュータ、およびデータ記憶デバイスの進展に伴い、光学干渉法の原理に基づく新しいタイプの赤外分光計が開発された。フーリエ変換の数学的計算によって干渉測定を光学スペクトルに変換することに関わる計算により、これらの赤外線機器は、ＦＴＩＲとして赤外線分光法においても知られている。これらのＦＴＩＲ分光計は、分散赤外分光計と比較して高度に向上された感度およびスペクトル分解能を提供したということにもかかわらず、これらの機器の干渉する性質は、究極の環境制御が動作中に監視されることを必要とする。この理由は、干渉測定が、２つの光ビームが半波長の距離内において重なること、すなわちマイクロメートルの範囲の精度を必要とするからである。すなわち、どんな些細な温度変化やどんな少量の振動でも、そのようなＦＴＩＲ分光計から有用なスペクトルを得ることができなくなる。光学干渉計ならびにすべての関連するフィードバックおよび制御電子機器を組む込むことにより、ＦＴＩＲは、通常、重量が１５０から４００ポンドになり、３から１０立方フィートの容積を占める。
【０００４】
多くの現代の産業、セキュリティ、および軍事の課題では、表面上または大気において化学物質の赤外線スペクトル署名を検出する能力は、高度に価値がある。これらのタイプの化学情報は、生産プロセスの品質を判定するために、または領域に近づく、もしくは入る危険性を評価するためにしばしば使用することができる。しかし、サイズ、重量、および堅牢性の制限により限定されるので、赤外分光計は、これらの応用分野について第１線の検出機器または監視機器としては広く使用されておらず、むしろオフラインまたは実験室の確認機器として使用されてきた。
【０００５】
上述された実用上の制限を緩和するために、厳しいサービス条件下において様々な化学種を検出および／または特定することができる鋭敏で軽量な堅牢性のコンパクトな赤外分光計を開発することが望ましい。これらの目的を達成するために、広範な赤外線波長、特にいわゆる「赤外線指紋」（７〜１４μｍ）の範囲にある波長を網羅するコンパクトな光学分光計の設計が必要である。この理由は、指紋範囲の赤外線吸収特徴は、異なる物質を特定するために使用することができる最も独特な化学的証拠を提供するからである。
【０００６】
広範な赤外線スペクトルを網羅するより小さい分光計を構築するために、ＦＴＩＲの背景にある原理を使用することが直接的であるとすることができるが、環境変化に対する抵抗性が低いために、実地応用分野の堅牢性要件を満たさない可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
機器の経済性に関する他の考慮事項は、組立ての容易さである。現在のすべての赤外分光計の内部において、見られる光学構成要素の大部分は、ガラス材料で作成されている。分散機器の格子またはＦＴＩＲ内のミラーであるかにかかわらず、これらのガラス・ベースの構成要素は、固定して位置合わせすることができるようにする前に、マウントに接着される、または圧締めされることが多い。接着プロセスの精度、接着剤またはエポキシの起こりうる収縮、およびガラス縁のチッピングは、すべて、最終位置合わせの精度について不確実性を呈示する。その結果、これらの機器は、組立てラインを出た後、頻繁なメンテナンスまたは位置合わせを必要とする。組立てプロセス中でも、高度な技能の光学装置製造業者が、これらの光学構成要素のすべてを適切に位置合わせすることが必要であり、それにより生産コストがより高くなる。本発明は、従来の技術において見られるこれらおよび他の欠点に対する解決法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、分散赤外分光計は、２次元赤外線検出器と縦に並んで作用するように設計されている。光路を分光計内に緊密に実装して、光ビームの発散および収束を慎重に維持することによって、本発明は、コンパクトさを達成し、同時に、４．５ミクロン以上の赤外線スペクトルを網羅する２次元検出器の上に集束赤外線スペクトログラフを生成する。
【０００９】
分光計の堅牢性をさらに向上させるために、すべての光学構成要素およびその取付け固定具は、ガラスではなく金属から製作され、それにより、結果的な分光計は、衝撃および振動に対して高度に耐久性がある。また、動作原理が干渉性ではなく分散性であることにより、分光計は、環境の変化に対して著しくより影響を受けにくくなる。
【００１０】
そのような赤外分光計に関する組立ておよびメンテナンスの容易さを促進するために、プッシュ・アンド・ロック取付け方式が、この分光計の光学構成要素および光学構成要素モジュールについて設計される。これにより、組立てプロセスが簡単になり、同時に、溶接、ろう付け、または接着を使用せずに永続的な位置合わせを達成する。一実施形態では、組立て方法は、組立てプロセス中に品質制御を目的とする精巧な光学試験を必要とせず、したがって、より費用効果が高くなる。最後に、堅牢な設計および永続的な位置合わせのために、分光計は、それが配備された後、必要なメンテナンスが最小限であり、工場、公的領域、および戦場において見られる実地応用分野についてより効率的な機器となる。一実施形態では、本発明は、４．５ミクロン以上（好ましくは７．５から１３．５ミクロン、または７．５から１３．５ミクロン範囲内において４．５ミクロン以上）の波長範囲において動作可能であるコンパクトな分光計を対象とする。分光計は、入口スリット、視準ミラー、格子、集束ミラー、および第１焦平面を含む。スリットを通過する少なくともいくらかの放射は、スリットを通過する少なくともいくらかの放射が視準ミラーによって格子の上に反射され、格子が、少なくともいくらかの放射を集束ミラーの上に次々に反射し、集束ミラーが、第１焦平面において少なくともいくらかの放射を次々に反射して、検出器の２次元アレイ（第１焦平面または他の焦平面に配置されることが可能である）の上に集束させる光路に従う。検出器の２次元アレイの各列は、４．５ミクロン以上の範囲の一部に対応し、２次元アレイは、４．５ミクロン以上の範囲にわたる波長に集合的に対応する複数の列を含み、検出器の２次元アレイの列の各隣接対は、等量だけ異なる波長に対応することが可能である。入口スリット、視準ミラー、格子、集束ミラー、および第１焦平面は、サイズが１９２立方インチ以下の容積内に配置され、以下の設計要件のいくつかまたはすべてを満たすことが好ましい。
【００１１】
１．構成要素間の間隔は、緊密に構成されるべきであるが、クロストークの望ましくない反射もしくは透過および／または散乱は、低減または排除されるべきである。
【００１２】
２．構成要素の空間および角度の構成は、球収差、コマ収差、非点収差、または色収差などの過剰な収差を有さずに、かつスリットを通過する赤外線エネルギーを過度に失わずに、望ましい波長有効範囲（検出器アレイ上において）を生成するべきである。
【００１３】
３．検出器アレイ（または赤外線カメラ）が第２焦平面（第１焦平面とは異なる）に位置する実施形態では、構成要素の配置により、第１焦平面において集束した赤外線スペクトル（スペクトログラフ）が、第２焦平面の検出器（または赤外線カメラ）の２次元アレイの上に好都合かつ効率的に中継および再集束されることが好ましい。
【００１４】
４．集束スペクトルは、スペクトル分解能を最大にするために、２次元検出器アレイ検出器の幅全体を使用することが好ましい。
【００１５】
５．２次元検出器アレイ上の集束スペクトルの高さは、信号対雑音性能を向上させるために、検出器アレイ上の画素の垂直平均（同じ波長に対応する）を取る、または「ビン化する」ことが可能であるように、ひずみが最小限である、またはない状態で最大化されることが好ましい。
【００１６】
他の態様によれば、本発明は、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素を基板に対して位置合わせして結合する方法を対象とする。光学構成要素は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウムから選択された材料から機械加工される。光学構成要素は、第１平面を画定する平坦底面を有するマウントにはり付けられる。円筒ロッドが、第１平面に垂直な角度においてマウントの平坦底面から離れて延び、少なくとも第１および第２ねじが、マウントの底面を経て延びる第１および第２円筒開口に配置される。マウントの第１および第２円筒開口は、第１平面に対して垂直に位置合わせされ、第１および第２ねじの外径と整合する内径を有する。第２平面を画定する平坦上面を有する基板が提供され、第１円筒開口が、第２平面に垂直な角度において基板の上面から基板の中に延び、少なくとも第２および第３ねじ込み開口が、第２平面に垂直な角度において基板の上面から基板の中に延びる。マウントは、金属ロッドを基板の第１開口と、マウントの第１開口を基板の第２ねじ込み開口と、マウントの第２開口を基板の第３ねじ込み開口と同時に位置合わせすることによって、基板に対して位置決めされる。マウントと基板は位置合わせされるが、円筒ロッドは、マウントの底面が基板の上面と接触するまで、基板の第１円筒開口の中に挿入される。挿入の直後に、円筒ロッドと基板の第１開口との間の摩擦が、第１および第２平面に対して垂直な軸の回りにマウントが回転するのを防止し、基板の第１開口と円筒ロッドとの間の緊密さが、基板に対して横方向にマウントが運動するのを制限する。挿入後、第１および第２ねじは、基板の第２および第３ねじ込み開口の中にそれぞれ回転され、それにより、マウントは、前記精度（すなわち、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度）で基板に結合される。
【００１７】
他の態様によれば、本発明は、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素をマウントに対して位置合わせして結合する方法を対象とする。光学構成要素は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウムから機械加工される。機械加工は、材料において少なくとも第１、第２、および第３円筒開口を形成することを含み、材料における第２および第３円筒開口は、ねじ山が付けられる。１つの円筒ロッドが、機械加工された光学構成要素の第１円筒開口に配置され、円筒ロッドは、平坦背面に垂直な角度において光学構成要素の平坦背面から離れて延びる。平坦前面、ならびに平坦前面に対して垂直な角度において平坦前面からマウントの中に延びる少なくとも第１、第２、および第３円筒開口を有するマウントが提供される。マウントにおける複数の円筒開口の少なくとも第１および第２は、マウントの厚さを完全に通過し、第１ねじおよび第２ねじは、マウントの第１円筒開口および第２円筒開口にそれぞれ配置される。第１および第２ねじは、マウントの第１および第２円筒開口の内径と整合する外径を有する。次に、マウントは、光学構成要素から延びる金属ロッドをマウントの第３開口と、光学構成要素の第２ねじ込み開口をマウントの第１開口と、光学構成要素の第３ねじ込み開口をマウントの第２開口と同時に位置合わせすることによって、マウントは、光学構成要素に対して位置決めされる。マウントと光学構成要素は位置合わせされるが、円筒ロッドは、光学構成要素の背面がマウントの前面と接触するまで、マウントの第３円筒開口の中に押し込まれる。挿入の直後に、円筒ロッドとマウントの第３開口との間の摩擦が、前面および背面に垂直な軸の回りにマウントが回転するのを防止し、マウントの第３円筒開口と円筒ロッドとの間の緊密さが、光学構成要素に関して横方向にマウントが移動するのを制限する。その後、第１および第２ねじは、光学構成要素の第２および第３ねじ込み開口の中にそれぞれ回転され、それにより、マウントは、前記精度（すなわち、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度）で光学構成要素に結合される。
【００１８】
他の態様によれば、本発明は、モノリシック金属光学要素を形成する方法を対象とする。材料（たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウム）の塊が、第１面および第１面と対向する第２面を有するモノリシック構成要素を形成するように機械加工される。モノリシック構成要素の第１面は、集束ミラーまたは視準ミラーを備える。機械加工は、第２面によって画定される平面に垂直な角度において第２面から離れて延びる円筒位置合わせロッドを受ける第１円筒開口、第２平面によって画定される平面に垂直な角度において第２面から離れて延びる第１ねじを受ける第２円筒開口、および第２面によって画定される平面に垂直な角度において第２面から離れて延びる第２ねじを受ける第３円筒開口を形成するために使用される。代替として、光学構成要素の第２面は、第１面に垂直、または平行と垂直の間の任意の角度とすることが可能である。
【００１９】
他の態様によれば、本発明は、光学格子要素を形成する方法を対象とする。材料（たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウム）の塊が、光学格子要素の第１面、第１面に垂直な角度において第１面から材料の中に延びる第１円筒開口、第１面に垂直な角度において第１面から材料の中に延びる第１ねじを受けるための第２円筒開口、および第１面に垂直な角度において第１面から材料の中に延びる第２ねじを受けるための第３円筒開口を形成するように機械加工される。円筒位置合わせロッドが、第１円筒開口の中に挿入され、挿入後、円筒位置合わせロッドは、第１面に垂直な角度において材料から離れて延びる。光学格子要素の第２面が、エポキシ複製プロセスを使用して製造され、第２面は、第１面に垂直であり、第２面は、機械加工された材料に接着結合された樹脂層から形成され、第２面は、光学格子を備える。代替として、光学格子要素の第２面は、第１面に平行、または平行と垂直の間の任意の角度とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１および２は、本発明による赤外分光計１００の異なる図を示す。分光計１００は、コンパクト（たとえば、以下で記述されるように容積が１９２立方インチ未満）で、４．５ミクロン以上の波長範囲において動作可能である。一実施形態では、分光計１００は、７．５から１３．５ミクロンの範囲において動作し、他の特定の実施形態では、分光計１００は、７．５から１３．５ミクロンの範囲の４．５ミクロン以上において動作する。他の実施形態では、分光計１００は、３．０から１４．５ミクロンの範囲の４．５ミクロン以上において動作する。
【００２１】
分光計１００は、入口スリット１１０、視準ミラー１２０、格子１３０、および集束ミラー１４０を含む。図３に示されるように、スリット１１０を通過する少なくともいくらかの放射は、スリット１１０を通過する少なくともいくらかの放射が視準ミラー１２０によって格子１３０の上に反射される、格子１３０が、少なくともいくらかの放射を集束ミラー１４０の上に次々に反射し、集束ミラー１４０が、第１焦平面１６０において少なくともいくらかの放射を次々に反射して、検出器１５０の２次元アレイ（第１焦平面または他の焦平面に位置することが可能である）の上に集束させる光路に従う。図４Ａ、４Ｂに示されるように、２次元検出器アレイ１５０は、行当たり１２８以上の画素を有することが好ましく、特定の好ましい実施形態では、幅が１６０画素で高さが１２０画素の検出器アレイを使用することが可能である。２次元検出器アレイ上の集束スペクトル１５２の高さは、信号対雑音性能を向上させるために、検出器アレイ上の画素の垂直平均（同じ波長に対応する）を取る、または「ビン化する」ことが可能であるように、ひずみが最小限である、またはない状態で最大にされることが好ましい。好ましい実施形態では、３０画素以上の垂直ビン化が、信号対雑音性能を向上させるために使用され、１つの特定の好ましい実施形態では、５０画素以上の垂直ビン化が使用されることが可能である。高読取り速度が、信号対雑音比をさらに向上させるために、検出器アレイに適用されることが好ましい（たとえば、１秒当たり３０以上の完全セットのアレイ・データが望ましく、６０完全セットのアレイ・データがさらにより好ましい）。周囲温度の揺らぎのために、連続動作にわたってデータの安定性を達成するために、検出器アレイを頻繁に較正することが必要である可能性がある。周期的および／または事象に基づく論理によってトリガされる手動または自動揺らぎ補正が、検出器アレイを較正するために使用されることが可能である。
【００２２】
図３および４に示されるように、検出器の２次元アレイの各列１５０ａは、４．５ミクロン以上の範囲の一部に対応する。２次元アレイは、４．５ミクロン以上の範囲にわたる波長に集合的に対応する複数の列１５０ａを含み、検出器の２次元アレイの列１５０ａの各隣接対は、等量だけ異なる波長に対応することが可能である。一実施形態では、入口スリット１１０、視準ミラー１２０、格子１３０、集束ミラー１４０、および第１焦平面１６０は、サイズが１９２立方インチ以下の容積内に配置される。
【００２３】
ここで図５Ａを参照すると、分光計１００ならびに他の構成要素を収容する統合されたコンパクトなパッケージ２００Ａが示されている。サンプリング・モジュール２１０Ａは、ＩＲエネルギーを分光計１００の入口スリット１１０に向けるように機能する。カメラ・モジュール２３０が、検出器（たとえば図４Ａ、４Ｂに示される）を収容する。一実施形態では、コンパクトなパッケージ２００Ａの全容積は、約７００立方インチ未満である。コンピュータ・ベース制御モジュール２５０が、パッケージ２００Ａにおいて構成要素を操作し、かつパッケージ２００Ａからデータを受信するために随意選択で使用される。
【００２４】
ここで図５Ｂを参照すると、分光計１００ならびに他の構成要素を収容する統合されたコンパクトなパッケージ２００Ｂの他の実施形態が示されている。この実施形態は、たとえばシリコン・ウエハ、コーティング、または医薬品タブレット表面などの表面２１１をサンプリングするために、表面検出について使用することが可能である。この実施形態では、サンプリング・モジュール２１０Ｂは、ＩＲエネルギーをＩＲ源２１３からスロット開口２１２を経て収集ミラー２１４を介してサンプルの表面２１１に投影し、次いで、反射されたＩＲエネルギーは、集束ミラー２１５を使用して分光計モジュール１００のスリット１００に再び向けられて、その中に集束される。一実施形態では、コンパクトなパッケージ２００Ｂの全容積は、約７００立方インチ未満であり、コンピュータ・ベース制御モジュール２５０（図５Ａに示される）が、パッケージ２００Ｂにおいて構成要素を操作し、パッケージ２００Ｂからデータを受信するために随意選択で使用される。
【００２５】
ここで図５Ｃを参照すると、分光計１００ならびに他の構成要素を収容するための統合されたコンパクトなパッケージ２００Ｃの他の１つの実施形態が示されている。この実施形態は、連続的に移動するサンプル２１６を測定するために使用することが可能である。この実施形態では、サンプリング・モジュール２１０Ｃが、ＩＲエネルギー（ＩＲ源２１３から発生し、集束レンズ２１７を使用して集束される）を分光計モジュール１００のスリット１１０に向けて集束させ、一方、移動サンプル２１６は、サンプル２１６を連続的に測定するために、光路を通過する。移動サンプル２１６がサンプリング・モジュール２１０Ｃを通過することを可能にするために、スロット開口２１２Ａおよび２１２Ｂが提供される。静止サンプルも、示される実施形態を使用して静止サンプルを光路に配置することによって測定することができる。一実施形態では、コンパクトなパッケージ２００Ｃの全容積は、約７００立方インチ未満であり、コンピュータ・ベース制御モジュール２５０（図５Ａに示されるような）が、パッケージ２００Ｃにおいて構成要素を操作して、パッケージ２００Ｃからデータを受信するために随意選択で使用される。
【００２６】
ここで図５Ｄを参照すると、分光計１００ならびに他の構成要素を収容するための統合されたコンパクトなパッケージ２００Ｄの１つの他の実施形態が示されている。この実施形態は、遠距離ＩＲエネルギー２２０を収集およびサンプリングするために使用することが可能である。この実施形態では、サンプリング・モジュール２１０Ｄが、ＩＲエネルギーを分光計モジュール１００のスリット１１０に向けて集束させる（望遠光学機器を使用して）。一実施形態では、コンパクトなパッケージ２００Ｄの全容積は、約７００立方インチ未満であり、コンピュータ・ベース制御モジュール２５０（図５Ａに示されるような）が、パッケージ２００Ｄにおいて構成要素を操作して、パッケージ２００Ｃからデータを受信するために随意選択で使用される。
【００２７】
図６および７は、本発明による、光学構成要素３１０（たとえば、分光計１００の視準ミラー１２０、格子１３０、または集束ミラー１４０）を基板３００（たとえば、分光計１００のベース）に位置合わせして結合するシステムを示す。一実施形態では、システムは、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素３１０を基板３００に対して位置合わせして結合する。光学構成要素３１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウムから選択された材料からまず機械加工される。次いで、光学構成要素３１０は、マウント３２０にはり付けられ、マウント３２０は、平面３２０ｂを画定する平坦底面３２０ａを有する。マウントは、以下の材料：アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、ベリリウム、チタニウム、アルミニウム複合物、グラファイト、またはグラファイト複合物のいずれかから形成することが可能である。光学構成要素３１０をマウント３２０に取り付けることは、以下で図８〜１１と関連してさらに詳細に説明される。
【００２８】
再び図６および７を参照すると、円筒ロッド３３０が、平面３２０ｂに垂直な角度においてマウント３２０の平坦底面３２０ａから離れて延び、第１ねじ３４０および第２ねじ３４２（他の実施形態では、追加のねじが使用されることが可能である）が、マウントの底面３２０ａを通って延びる第１円筒開口３５０および第２円筒開口３５２に配置される。マウントの第１円筒開口３５０および第２円筒開口３５２は、平面３２０ｂに垂直に位置合わせされ、ねじ３４０、３４２の外径と適合する内径を有する。
【００２９】
基板３００は、他の平面３００ｂを画定する平坦上面３００ａを有する。基板３００は、以下の材料：アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、ベリリウム、チタニウム、アルミニウム複合物、グラファイト、またはグラファイト複合物のいずれかから形成することが可能である。円筒開口３０２が、平面３００ｂに垂直な角度において基板の上面３００ａから基板３００の中に延びる。ねじ込み開口３０４、３０６が、平面３００ｂに垂直な角度において基板の上面３００ａから基板の中に延びる。
【００３０】
マウント３２０は、金属ロッド３３０を基板の開口３０２と、マウントの開口３５０を基板のねじ込み開口３０４と、マウントの開口３５２を基板のねじ込み開口３０６と同時に位置合わせすることによって、基板３００に対して位置決めされる。マウント３２０と基板３００は位置合わせされるが、ロッド３３０は、マウントの底面３２０ａが基板の上面３００ａと接触するまで、基板の円筒開口３０２の中に挿入される。挿入の直後に、ロッド３３０と基板の開口３０２との間の摩擦が、平面３００ａ、３２０ａに垂直な軸の回りにマウント３２０が回転するのを防止し、基板の開口３０２とロッド３３０との間の緊密さが、基板３００に対して横方向にマウント３２０が移動するのを制限する。挿入後、ねじ３４０、３４２は、基板のねじ込み開口３５０、３５２の中にそれぞれ回転され、それにより、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、マウント３２０を基板３００に結合する。
【００３１】
図８〜１１は、本発明による、光学構成要素３１０をマウント３２０に位置合わせして結合するシステムを示す。一実施形態では、システムは、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、光学構成要素３１０をマウント３２０に対して位置合わせして結合する。上述されたように、光学構成要素３１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウムからまず機械加工される。機械加工は、材料において円筒開口３１２、３１４、３１６、３１８を形成することを含み、円筒開口３１２、３１４、３１６は、ねじ山が付けられる（より少ないまたはより多い開口を整合ねじと関連して使用することができることが理解されるであろう）。円筒ロッド３７０が、機械加工された光学構成要素の円筒開口３１８に配置され、それにより、ロッド３７０は、平坦背面３１０ａに垂直な角度において光学構成要素の平坦背面３１０ａから離れて延びる。
【００３２】
マウント３２０は、平坦前面３２０、および平坦前面３２０ａに垂直な角度において平坦前面３２０ｃからマウントの中に延びる開口３２２、３２４、３２６を有する。マウントの開口３２２、３２４、３２６の少なくとも２つが、マウントの厚さを完全に通過することが好ましく、第１および第２ねじ（図示せず）が、マウントの円筒開口３２２、３２４、３２６の２つにそれぞれ配置される。第１および第２ねじは、マウントの開口３２２、３２４、３２６の内径と適合する外径を有する。
【００３３】
次に、マウント３２０は、光学構成要素から延びる金属ロッド３７０をマウントの開口３１８と、光学構成要素のねじ込み開口３１２をマウントの開口３２２と、光学構成要素のねじ込み開口３１４をマウントの開口３２４と同時に位置合わせすることによって、光学構成要素３１０に対して位置決めされる。マウント３２０と光学構成要素３１０は位置合わせされるが、円筒ロッド３７０は、光学構成要素の背面３１０ａがマウントの前面３２０ｃと接触するまで、マウントの円筒開口３１８の中に押し込まれる。挿入の直後に、円筒ロッド３７０と開口３１８との間の摩擦が、表面３１０ａ、３２０ｃに垂直な軸の回りにマウント３２０が回転するのを防止し、マウントの円筒開口３１８と円筒ロッド３７０との間の緊密さが、光学構成要素３１０に対して横方向にマウント３２０が移動するのを制限する。その後、２つのねじ（図示せず）が、光学構成要素のねじ込み開口３１２、３１４の中にそれぞれ回転され、それにより、配置について少なくとも１２．５ミクロン、および角度方向について０．０７５度の精度で、マウント３２０を光学構成要素３１０に結合する。
【００３４】
図１２は、基板に取り付けて、分光計１００の構成要素として使用することが可能である、垂直面３６２、３６４を有する金属格子要素３６０を示す。格子要素３６０を形成するために、材料の塊（たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウム）が、格子要素の面３６２、面３６２に垂直な角度において面３６２から材料の中に延びる円筒開口３７０、および面３６２に対して垂直な角度において面３６２から材料の中に延びるねじ（図示せず）を受けるための他の円筒開口３５０を形成するようにまず機械加工される。円筒位置合わせロッド（図示せず）が、挿入後に位置合わせロッドが面３６２に垂直な角度において材料から離れて延びるように、円筒開口３７０の中に挿入される。格子要素３６０の第２面３６４は、エポキシ複製プロセスを使用して製造することが可能である。
【００３５】
図１３は、図８〜１１に示された位置合わせシステムを使用してマウントに位置合わせし、その後、分光計１００の構成要素として使用することが可能である他の光学格子要素４１０を示す。光学格子要素を形成するために、材料の塊（たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、銅、またはベリリウム）が、光学格子構成要素の面４２０、面４２０から材料の中に延びる円筒開口４１１（図示されていないねじを受けるための）、および面４２０に垂直な角度において面４２０から材料の中に延びる他のねじを受けるための他の円筒開口４１４を形成するようにまず機械加工される。円筒位置合わせロッド４７０が、挿入後に位置合わせロッド４７０が面４２０に垂直な角度において材料から離れて延びるように、円筒開口４１１の中に挿入される。光学格子要素４１０の第２面４３０が、エポキシ複製プロセスを使用して製造される。第２面４３０は、図１３に示されるように第１面４２０に平行とすることが可能である。図１２〜１３に示された光学格子要素の他の実施形態では、第２面は、第１面に対して平行と垂直との間の任意の角度に配置することが可能である。
【００３６】
最後に、当業者なら、広範な本発明の概念から逸脱せずに、上述された実施形態に対して変更を施すことができることを理解するであろう。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るものではなく、添付の請求項において確定される本発明の精神および範囲内にある修正を網羅することを意図することを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による赤外分光計の等角投影図である。
【図２】図１に示された赤外分光計の他の図である。
【図３】図１〜２に示された分光計における赤外線放射の光路、ならびにサンプリング光学機器および集光光学機器を示す図である。
【図４Ａ】本発明による、平面検出器における画素の行と列の関係、および６ミクロンの波長有効範囲を示す図である。
【図４Ｂ】本発明による、平面検出器における画素の行と列の関係、および４．５ミクロンの波長有効範囲を示す図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による、分光計、光学機器、検出器、および電子機器を収容する統合されたコンパクトなパッケージを示す図である。
【図５Ｂ】本発明の他の実施形態による、分光計、光学機器、検出器、および電子機器を収容する統合されたコンパクトなパッケージを示す図である。
【図５Ｃ】本発明の他の実施形態による、分光計、光学機器、検出器、および電子機器を収容する統合されたコンパクトなパッケージを示す図である。
【図５Ｄ】本発明の他の実施形態による、分光計、光学機器、検出器、および電子機器を収容する統合されたコンパクトなパッケージを示す図である。
【図６】本発明による、光学構成要素を基板に対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図７】本発明による、光学構成要素を基板に対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図８】本発明による、光学構成要素をマウントに対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図９】本発明による、光学構成要素をマウントに対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図１０】本発明による、光学構成要素をマウントに対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図１１】本発明による、光学構成要素をマウントに対して位置合わせして結合するシステムを示す図である。
【図１２】基板に取り付けて、分光計１００の構成要素として使用することが可能である、垂直面を有する金属格子要素を示す図である。
【図１３】図８〜１１に示された位置合わせシステムを使用してマウントに対して位置合わせすることが可能である、平行面を有する光学格子要素を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2008502906.tif 000021
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