(57)【要約】分光器は、入射光内に存在する異なる波長成分の間の曖昧さを区別する。分光器内の空間フィルタは、入射光を空間的にフィルタ処理する。分散系は、空間的にフィルタ処理された光を受け取り、２つ以上の波長別画像が検出器系において少なくとも部分的にオーバーラップするように空間フィルタの画像を波長に依存して分散する。検出器系は、１つ以上のオーバーラップした画像の間の曖昧さを除去するために分散光を検出及び処理する検出器アレイ及びプロセッサを具備する。検出器アレイは、符号化開口関数により定義される符号化開口空間フィルタに関連する符号化開口画像を検出してもよく、プロセッサは、符号化開口関数を補完する解析関数を使用して検出器アレイの出力信号を処理してもよい。検出器系は空間フィルタ画像をフィルタ処理し、結果として得られる検出器アレイの出力信号を電子的に処理してもよい。
2008545974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を空間的にフィルタ処理するように構成された空間フィルタと、
プロセッサが動作可能に接続された２次元的な検出器アレイを具備する検出器系と、
前記空間フィルタと前記検出器系との間に光学的に配置され、前記空間フィルタの画像を前記検出器系上に波長に依存して分散するように構成された分散系と、
を備え、
波長の第１の分光サブセットに対応する画像の第１のセットは第１の方向に分散され、
波長の第２の分光サブセットに対応する画像の第２のセットは前記第１の方向に分散され、
前記第１のセットの前記画像のうち少なくとも１つは、前記検出器系において前記第１の方向とは異なる第２の方向で前記第２のセットの前記画像のうち少なくとも１つに少なくとも部分的にオーバーラップし、
前記検出器系は、検出された画像を処理することにより、前記第１のセットの画像に関連する信号と前記第２のセットのオーバーラップした画像に関連する信号とを区別する
ことを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記分散系は、前記空間フィルタの画像を前記検出器系上に波長に依存して２次元に分散する
ことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記分散系は、画像の前記第１のセット及び前記第２のセットが前記第２の方向において部分的にのみオーバーラップするように、前記空間フィルタの画像を２次元に分散する
ことを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記空間フィルタは、符号化開口関数に従って入射光を空間的にフィルタ処理する
ように構成された符号化開口を具備する
ことを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項５】
前記プロセッサは、１つ以上の画像に対応する１つ以上の検出器の出力信号に解析関数を適用することにより前記検出された画像を処理するように構成され、
前記解析関数は、前記符号化開口関数を補完する
ことを特徴とする請求項４に記載の分光器。
【請求項６】
前記符号化開口は、各画像において線形的に独立した空間パターンを形成する
ことを特徴とする請求項４に記載の分光器。
【請求項７】
前記符号化開口関数は、独立列符号により定義される関数を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の分光器。
【請求項８】
前記符号化開口は、静的透過マスクを具備する
ことを特徴とする請求項４に記載の分光器。
【請求項９】
前記検出器系は、前記第１の分光サブセットに対応する第１の通過帯域に従って前記第１のセットの前記画像をフィルタ処理し、
前記検出器系は、前記第２の分光サブセットに対応する第２の通過帯域に従って前記第２のセットの前記画像をフィルタ処理する
ことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項１０】
前記検出器系は、前記検出器アレイに近接して配置される第１のフィルタ及び第２のフィルタを具備し、
前記第１のフィルタは、前記第１の通過帯域に従って前記第１のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理するように構成され、
前記第２のフィルタは、前記第２の通過帯域に従って前記第２のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理するように構成された
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項１１】
前記第１のフィルタは、検出器アレイ素子の第１のセットの各検出器素子と一体化され、
前記第２のフィルタは、検出器アレイ素子の第２のセットの各検出器素子と一体化された
ことを特徴とする請求項１０に記載の分光器。
【請求項１２】
前記第１のフィルタは、前記検出器アレイの光学的に上流側に配置され、且つ、前記第１の分光サブセットに関連する前記検出器アレイの第１の範囲と整列され、
前記第２のフィルタは、前記検出器アレイの光学的に上流側に配置され、且つ、前記第２の分光サブセットに関連する前記検出器アレイの第２の範囲と整列された
ことを特徴とする請求項１０に記載の分光器。
【請求項１３】
前記プロセッサは、前記第１のフィルタ処理後の画像に関連する検出器の出力信号に基づいて第１のスペクトル出力を生成するように構成され、
前記プロセッサは、前記第２のフィルタ処理後の画像に関連する検出器の出力信号に基づいて第２のスペクトル出力を生成するように構成された
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項１４】
前記プロセッサは、前記第１のスペクトル出力及び前記第２のスペクトル出力に基づいて合成スペクトル出力を生成するように構成された
ことを特徴とする請求項１３に記載の分光器。
【請求項１５】
前記第１の通過帯域及び前記第２の通過帯域は、部分的にオーバーラップし、
前記プロセッサは、前記合成スペクトル出力を生成する前に、前記第１の通過帯域と前記第２の通過帯域との間の前記オーバーラップを補正するように構成された
ことを特徴とする請求項１４に記載の分光器。
【請求項１６】
前記プロセッサは、前記対応する検出器の出力信号に基づいて、前記第１の分光サブセット及び前記第２の分光サブセット内の２つ以上の波長に対する複数のスペクトル推定値を生成するように構成され、
前記プロセッサは、波長別スペクトル推定値を生成するために、前記第１の分光サブセット及び前記第２の分光サブセット内の２つ以上の波長に対する前記複数のスペクトル推定値を平均するように構成され、
前記プロセッサは、前記波長別スペクトル推定値に基づいて前記第１のスペクトル出力及び前記第２のスペクトル出力を生成するように構成された
ことを特徴とする請求項１３に記載の分光器。
【請求項１７】
前記第１のセットの前記画像は、前記第２のセットの前記画像と完全にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項１８】
前記検出器系は、
第１の期間中に前記第１の通過帯域に従って前記第１のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理するように構成され、且つ、第２の期間中に第２の通過帯域に従って前記第２のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理するように構成された経時変化フィルタを具備する
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項１９】
前記検出器アレイ内の各検出器素子は、前記第１の分光サブセットに関連する第１の吸収長及び前記第２の分光サブセットに関連する第２の吸収長を有する光検出物質で製造され、
各検出器素子は、前記第１の分光サブセットに関連する第１の検出器の出力信号及び前記第２の分光サブセットに関連する第２の検出器の出力信号を出力するよう構成された
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項２０】
前記空間フィルタは、符号化開口関数に従って入射光を空間的にフィルタ処理するように構成される符号化開口を具備し、
前記分散系は、前記符号化開口の画像を前記検出器系上に波長に依存して２次元に分散するように構成された
ことを特徴とする請求項９に記載の分光器。
【請求項２１】
前記プロセッサは、１つ以上の検出された画像に対応する１つ以上の検出器の出力信号に解析関数を適用することにより前記検出された画像を処理するように構成され、
前記解析関数は、前記符号化開口関数を補完する
ことを特徴とする請求項２０に記載の分光器。
【請求項２２】
前記第１のセットの前記画像のうち少なくとも２つは、前記第１の方向において少なくとも部分的にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項２３】
前記第２の方向は、前記第１の方向に対して垂直である
ことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項２４】
光を処理する方法であって、
光源から放射される入射光を空間フィルタを用いて空間的にフィルタ処理する工程と、
波長の第１の分光サブセットに対応する画像の第１のセットが第１の方向に分散され、波長の第２の分光サブセットに対応する画像の第２のセットが前記第１の方向に分散され、前記第１のセットの前記画像のうち少なくとも１つが前記第１の方向とは異なる第２の方向において前記第２のセットの前記画像のうち少なくとも１つに少なくとも部分的にオーバーラップするように前記空間フィルタの画像を検出器系上に波長に依存してシフトするために、前記フィルタ処理後の光を分散する工程と、
前記第１のセットの画像に関連する信号と前記第２のセットのオーバーラップした画像に関連する信号とを区別するために、２つ以上の検出された画像に対応する出力信号を処理する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記フィルタ処理後の光を分散する工程は、前記フィルタ処理後の光を２次元に分散する工程を含む
ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記フィルタ処理後の光を分散する工程は、画像の前記第１のセット及び前記第２のセットが前記第２の方向において部分的にのみオーバーラップするように、前記フィルタ処理後の光を分散する工程を含む
ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
空間フィルタを用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程は、符号化開口関数により定義される符号化開口を用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記出力信号を処理する工程は、前記出力信号に解析関数を適用する工程を含み、
前記解析関数は、前記符号化開口関数を補完する
ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
符号化開口を用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程は、前記入射光において線形独立空間パターンを形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記出力信号を処理する工程の前に、
前記第１の分光サブセットに対応する第１の通過帯域に従って前記第１のセットの前記画像をフィルタ処理する工程と、
前記第２の分光サブセットに対応する第２の通過帯域に従って前記第２のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理する工程と、
を更に備えた
ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１のセットの前記画像をフィルタ処理する工程は、前記第１の通過帯域を有する第１のフィルタを使用して前記第１のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理する工程を含み、
前記第２のセットの前記画像をフィルタ処理する工程は、前記第２の通過帯域を有する第２のフィルタを使用して前記第２のセットの前記画像を光学的にフィルタ処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記検出器系は、２次元的な検出器アレイを含み、
前記第１のフィルタは、検出器アレイ素子の第１のセットの各検出器素子と一体化され、
前記第２のフィルタは、検出器アレイ素子の第２のセットの各検出器素子と一体化された
ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
出力信号を処理する工程は、
前記第１の通過帯域に従ってフィルタ処理された前記画像に関連する検出器の出力信号に基づいて第１のスペクトル出力を生成する工程と、
前記第２の通過帯域に従ってフィルタ処理された前記画像に関連する検出器の出力信号に基づいて第２のスペクトル出力を生成する工程と、
を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記出力信号を処理する工程は、前記第１のスペクトル出力及び前記第２のスペクトル出力に基づいて合成スペクトル出力を生成する工程を更に含む
ことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の通過帯域及び前記第２の通過帯域は、オーバーラップし、
前記出力信号を処理する工程は、
前記合成スペクトル出力を生成する工程の前に、前記第１の通過帯域と前記第２の通過帯域との間の前記オーバーラップを補正する工程を更に含む
ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のスペクトル出力を生成する工程は、
前記第１の分光サブセット内の２つ以上の波長の各々に対する複数のスペクトル推定値を生成する工程と、
波長別スペクトル推定値を生成するために、前記２つ以上の波長の各々に対する前記複数の第１のスペクトル推定値を平均する工程と、
前記波長別スペクトル推定値に基づいて前記第１のスペクトル出力を生成する工程と、
を含む
ことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記フィルタ処理後の光を分散する工程は、前記第１のセットの画像が前記第２のセットの前記画像と完全にオーバーラップするように前記フィルタ処理後の光を分散する工程を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１のセットの前記画像をフィルタ処理する工程は、第１の期間中に前記第１の通過帯域に従って前記第１のセットの前記画像をフィルタ処理する工程を含み、
前記第２のセットの前記画像をフィルタ処理する工程は、第２の期間中に前記第２の通過帯域に従って前記第２のセットの前記画像をフィルタ処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
前記検出器系内の各検出器素子は、前記第１の分光サブセットに関連する第１の吸収長及び前記第２の分光サブセットに関連する第２の吸収長を有する光検出物質で製造され、
前記第１の画像及び前記第２の画像をフィルタ処理する工程は、前記検出された光に関連する第１の吸収長及び第２の吸収長に基づいて、前記第１の分光サブセットに関連する第１の信号及び前記第２の分光サブセットに関連する第２の信号を各検出器素子から出力する工程を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項４０】
空間フィルタを用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程は、符号化開口関数により定義される符号化開口を用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程を含み、
前記フィルタ処理後の光を分散する工程は、前記符号化開口の画像を波長に依存して２次元に分散する工程を含む
ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項４１】
前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程及び前記フィルタ処理後の光を前記検出器系上に分散する工程は、
静的空間フィルタを用いて前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程と、
静的分散系を用いて前記フィルタ処理後の光を静的検出器系上に分散する工程と、
を含む
ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４２】
符号化開口関数に従って入射光を空間的にフィルタ処理するように構成された符号化開口と、
２次元的な検出器アレイと、
前記符号化開口と前記検出器アレイとの間に光学的に配置され、前記符号化開口の画像を前記検出器アレイ上に波長に依存して２次元にシフトするように構成された分散系と、
１つ以上の検出された画像に対応する１つ以上の検出器アレイの出力信号に解析関数を適用することにより、前記入射光の少なくとも１つの特性を推定するように構成されたプロセッサと、
を具備し、
前記解析関数は、前記符号化開口関数を補完し、
第１の波長に関連する前記符号化開口の第１の画像は、前記検出器アレイにおいて第２の波長に関連する前記符号化開口の第２の画像にオーバーラップする
ことを特徴とする分光器。
【請求項４３】
前記第１の画像は、前記第２の画像に垂直にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４４】
前記第１の画像は、前記第２の画像に垂直及び水平にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４５】
第３の波長に関連する前記符号化開口の第３の画像を更に含み、
前記第３の波長は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に色配列され、
前記第３の画像は、前記検出器アレイにおいて前記第１の画像にオーバーラップしない
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４６】
前記符号化開口は、前記入射光において線形独立空間パターンを形成するように構成された
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４７】
前記符号化開口関数は、独立列符号により定義される関数を含む
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４８】
前記第１の画像は、前記第２の画像に垂直及び水平にオーバーラップし；
第３の波長に関連する前記符号化開口の第３の画像を更に含み、
前記第３の波長は、前記第１の波長と前記第２の波長との間に色配列され、
前記第３の画像は、前記検出器アレイにおいて前記第１の画像にオーバーラップしない
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項４９】
前記符号化開口は、前記入射光において線形独立空間パターンを形成するように構成された
ことを特徴とする請求項４８に記載の分光器。
【請求項５０】
第４の波長に関連する前記符号化開口の第４の画像を更に含み、
前記第４の波長は、前記第３の波長の後ろに色配列され、
前記第４の画像は、前記検出器アレイにおいて前記第３の画像にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項４８に記載の分光器。
【請求項５１】
前記符号化開口は、静的透過マスクを具備する
ことを特徴とする請求項４２に記載の分光器。
【請求項５２】
光を処理する方法であって、
符号化開口関数により定義される符号化開口を用いて、光源から放射される入射光を空間的にフィルタ処理する工程と、
第１の波長に関連する前記符号化開口の第１の画像が前記検出器アレイにおいて第２の波長に関連する前記符号化開口の第２の画像にオーバーラップするように前記符号化開口の画像を２次元的な検出器アレイ上に波長に依存してシフトするために、前記フィルタ処理後の光を２次元に分散する工程と、
１つ以上のオーバーラップした画像の間の曖昧さを除去するために、１つ以上の検出された画像に対応する１つ以上の出力信号を処理する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項５３】
前記１つ以上の出力信号を処理する工程は、１つ以上の検出された画像に対応する１つ以上の出力信号に解析関数を適用する工程を含み、
前記解析関数は、前記符号化開口関数を補完する
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の画像は、前記第２の画像に垂直にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の画像は、前記第２の画像に垂直及び水平にオーバーラップする
ことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記入射光を空間的にフィルタ処理する工程は、前記入射光において線形的に独立した空間パターンを形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明は、概して、分光器に関し、特に小型分光器に関する。
【０００２】
分光器は、光源の波長別特性を測定するために、光源から放射される光の個別の波長成分を分離する。科学者は、分光器を使用して、地質サンプル、生物医学的サンプル等の種々の試料の特性を解析する。通常、分光器は空間フィルタ、格子及び検出器アレイを含む。空間フィルタは、光源から放射される入射光を空間的にフィルタ処理し、格子は、空間的にフィルタ処理された光の方向を波長の関数として空間的にシフトする。この時、格子は、空間的にフィルタ処理された光の異なる波長成分を検出器アレイの異なる領域に向ける。検出器アレイ内の検出器素子は、検知された光を電気的な出力信号に変換する。制御素子は、出力信号を電子的に処理することにより、光源の波長別特性を定量化するためのスペクトルを生成する。
【０００３】
従来の格子は、広いスペクトル域に対応し、従って、空間的にフィルタ処理された光の種々の波長成分を物理的に広い検出器領域にわたってシフトする。全ての波長を単一方向に沿ってシフトする格子を使用するため、従来の分光器は、分散光の空間的に広い範囲に対応するための物理的に広い検出器アレイを必要とする。このため、分光器が大型化する結果となり望ましくない。Battey他による米国特許第５，５５９，５９７号公報に記載の分光器等の他の設計は、光スペクトルの異なる部分を検出器アレイのオーバーラップしない異なる行の上に折り重ねることにより、広範囲な分散光を処理する。Batteyの装置は検出器アレイに必要な幅を減少するが、記載の解決策は全ての状況に対して理想的ではない。従って、別の分光器が依然として必要である。
【０００４】
本発明は、光源により放射される入射光内に存在する異なる波長成分に関連する画像をオーバーラップし、その後、オーバーラップの結果生じる検出の曖昧さを除去する分光器を提供する。分光器は空間フィルタ、分散系及び検出器系を含む。空間フィルタは、入射光を空間的にフィルタ処理する。分散系は、第１の分光サブセットからの画像の第１のセットと第２の分光サブセットからの画像の第２のセットとが、互いに第２の方向にしながら共に第１の方向に分散されるように、空間フィルタの画像を、波長に依存して検出器系上に分散する。その結果、異なる分光サブセットに関連する２つ以上の空間フィルタ画像は、検出器系において少なくとも部分的にオーバーラップする。本発明は、これが垂直なオーバーラップであるという利点を有する。
【０００５】
検出器系は、プロセッサが動作可能に接続された２次元的な検出器アレイを含む。検出器アレイは、検出された空間フィルタ画像に対応する出力信号を生成する。プロセッサは、１つ以上の検出された画像に対応する出力信号を処理し、異なるオーバーラップした画像に関連する信号間の曖昧さを除去する。好適な一実施形態によると、空間フィルタは、符号化開口関数に従って光を空間的にフィルタ処理する符号化開口の形態をとり、分散系は、画像を波長に依存して２次元的に分散する。本実施形態の場合、プロセッサは、出力信号に解析関数を適用することにより曖昧さを除去し、解析関数は符号化開口関数を補完する。別の好適な実施形態によると、検出器系は、検出器アレイに入射する光をフィルタ処理して、オーバーラップした画像の曖昧さを除去する。プロセッサは、検出された光に関連する１つ以上の検出器の出力信号を個別に解析して各フィルタの分光サブセットに関連するスペクトル出力を生成し、複数のスペクトル出力を合成して合成スペクトル出力を生成する。本実施形態において、画像の第１のセット及び第２のセットは、検出器系において完全にオーバーラップしてもよい。本実施形態に関して、検出器系に対応する方法も更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
詳細な説明
本発明による分光器１０は、光源５から放射される入射光７をフィルタ処理するために空間フィルタ３０を利用する。光学系２０の構成要素は、フィルタ処理後の入射光を調整して、空間的にフィルタ処理された光の異なる波長成分に関連する空間フィルタ画像で検出器系５０を照明する。異なる波長の各々に関連する空間フィルタ３０の異なる画像は、少なくとも１つの方向においてオーバーラップするため、必要な検出器系５０のサイズは縮小されてもよい。検出器系５０は、光源５に関連するスペクトル情報を生成するために、オーバーラップした画像を検出して曖昧さを解消する。
【０００７】
図１は、本発明の好適な一実施形態に関わる分光器を示し、これは全体として１０で示される。分光器１０は、光学系２０及び検出器系５０を含む。光学系２０は、空間フィルタ３０、１つ以上のレンズ系２２、２４、２６及び分散系４０を含む。空間フィルタ３０は、入射光７を空間的にフィルタ処理する。オプションの集光レンズ系２２は、要望に応じて、光源５から放射される入射光７を収集して空間フィルタ３０上に集束させるために使用されてもよい。第１の結像レンズ系２４は、空間フィルタ３０からのフィルタ処理後の光を平行化し、フィルタ処理後の光を分散系４０に渡す。分散系４０は、光の波長成分に従って平行光を分散する。第２の結像レンズ系２６は、分散光を検出器系５０上に集束させる。第１の結像レンズ系２４及び第２の結像レンズ系２６は、検出器系５０において空間フィルタ３０の画像を形成するのを助け、分散系４０は、異なる波長に関連する空間フィルタ３０の画像を検出器系５０のオーバーラップする部分に位置付けるのを助けるように動作可能である。
【０００８】
検出器系５０は、入射光７に関する波長別情報を判定するために、空間的にフィルタ処理され且つ分散された光を検出し、オーバーラップする画像を区別する。検出器系５０は、プロセッサ５４が動作可能に接続された２次元的な検出器アレイ５２を具備する。２次元的な検出器アレイ５２の利点は、列及び行に配置される個別の検出器素子５８から成る規則的なアレイの形態をとることである。検出器アレイ５２内の検出器素子５８は、検出器アレイ５２上に入射する光の強度を検出し、検出された強度を出力信号、すなわち出力電圧に変換する。検出器アレイ５２は、各検出器素子の出力信号をプロセッサ５４に提供する。プロセッサ５４は、検出された光から光源５に関する波長別情報を判定するために、１つ以上の検出器の出力信号を処理する。一実施形態において、プロセッサ５４は、符号化開口空間フィルタ３０に関連する符号化開口関数を補完する解析関数を使用して検出器の出力信号を処理して、オーバーラップした画像に関連する波長別情報を区別する。別の実施形態において、検出器系５０は、光学フィルタ及び数学的処理を使用して、オーバーラップした画像に関連する波長別情報を区別する。いずれの場合も、本明細書において説明される分光器１０は、異なる波長に対応するオーバーラップした画像を区別する。
【０００９】
上述のように、分散系４０は、スペクトル域の異なる分光サブセット内の波長に関連する空間フィルタ画像が検出器系上に折り重なるように、空間的にフィルタ処理された光を検出器系５０上に分散する。以下に更に説明するように、いくつかの実施形態において、分散光の複数の折り重なりは部分的にオーバーラップし、他の実施形態においては、分散光の複数の折り重なりは完全にオーバーラップする。以下において、分散系４０を高次分散系又はマルチモード分散系に関して説明するが、本発明は高次分散系又はマルチモード分散系に限定されない。
【００１０】
好適な分散系４０は、図２Ａに示すスタック型分散ホログラム及び図２Ｂに示す離間型分散ホログラムを含む。図示される分散系４０は、空間的にフィルタ処理された光の波長成分を一括して分散する２つの分散素子４２ａ、４２ｂを含む。分散素子４２ａ、４２ｂの各々は、２つ以上のオーバーラップする経路に沿って、所定のスペクトル域の異なる分光サブセットを検出器系５０上に分散する。各分光サブセットは、所定のスペクトル域の１つ以上の色順に配列された波長を含む。図示される分散系４０の双方において、第１の分散素子４２ａは、第１の分光サブセット内の波長に関連する光を第１の経路に沿って第１の方向に分散し、第２の分光サブセット内の波長に関連する光を通過させる。同様に、第２の分散素子４２ｂは、第１の分光サブセット内の波長に関連する光を通過させ、第２の分光サブセット内の波長に関連する光を第２の経路に沿って第１の方向に分散する。第２の経路は、第２の方向において第１の経路の少なくとも一部分にオーバーラップする。従って、画像は１つ以上の方向においてオーバーラップしてもよい。一実施形態において、第２の方向は第１の方向に対して垂直である。例えば、画像は垂直にオーバーラップしてもよく及び／又は水平にオーバーラップしてもよい。本明細書中で使用されるように、「水平なオーバーラップ」は、単一の分光サブセット内の空間フィルタ画像の間のオーバーラップを示し、「垂直なオーバーラップ」は、異なる分光サブセット内の空間フィルタ画像の間のオーバーラップを示す。
【００１１】
尚、明確にするために、図２Ａ及び図２Ｂは、分散系４０により実現される高次分散を示すためにポイント画像を使用する。しかしながら、図３及び図４に示すように、本発明の分散系４０は、以下に更に説明するように、異なる波長に関連する２次元画像を検出器系５０のオーバーラップ領域上に分散する。
【００１２】
図２Ａ及び図２Ｂの分散系４０により提供される高次分散をマルチモード分散と呼んでもよい。図３は、空間フィルタ３０が符号化開口空間フィルタ３０を具備する場合における上述のように照明される検出器系５０の一例を示す。図３に示すように、第１の分散素子４２ａは、λ1、λ2及びλ3分光サブセットに関連する空間フィルタ画像５６ａ、５６ｂ、５６ｃから成る第１のセットを第１の方向に沿って分散する。第２の分散素子４２ｂは、第２のセットの画像５６が第１のセットの画像５６に第２の方向においてオーバーラップするように、λ4及びλ5分光サブセットに関連する空間フィルタ画像５６ｄ、５６ｅから成る第２のセットを第１の方向に沿って分散するが、第２のセットを第１のセットから第２の方向にオフセットする。
【００１３】
好適な分散系４０は、図３の検出器系５０に示すように、検出器アレイ５２の均一且つ少なくとも部分的にオーバーラップする平行な行に沿って光を分散してもよい。あるいは、好適な分散系４０は、図４に示すようなあまり均一ではない分散パターンに従って、光を検出器系５０上に分散してもよい。更に、図３は、第２の方向における部分的オーバーラップのみを示すが、いくつかの実施形態においては、第２のセットの１つ以上の画像が第１のセットの１つ以上の画像に完全にオーバーラップしてもよいことが理解されるだろう。図２Ａ及び図２Ｂは２つの分散素子４２ａ、４２ｂのみを示すが、分散系４０の分散次数を増加し、それによって追加の分光サブセットを追加のオフセット分散経路に沿って検出器系５０上に折り重ねるために、追加の分散素子が使用されてもよいことは、当業者には理解されるであろう。更に、図２Ａ及び図２Ｂに示す分散系４０は例示を目的とする。従って、本発明は図示される分散系４０に限定されない。分光器１０は、１つの分光サブセットに関連する少なくとも１つの空間フィルタ画像が異なる分光サブセットに関連する別の空間フィルタ画像に対して折り重ねられるように、波長に依存して光を分散する任意の分散系４０を使用してもよい。別の分散系４０は、体積ホログラム、エシェル格子、薄型高次格子、格子と鏡との組み合わせ等を含む。
【００１４】
図３及び図４に示すように、本発明の分散系４０は、異なる分光サブセットに関連する空間フィルタ画像５６ａ〜５６ｅ（全体として５６）を検出器系５０においてオーバーラップさせる。例えば、異なる分光サブセットに関連する１つ以上の画像５６は、検出器系５０の垂直長さに沿って少なくとも部分的にオーバーラップしてもよい。更に、分光サブセット内の空間フィルタ画像５６のうちいくつか又は全てがオーバーラップしてもよい。例えば、分光サブセット内の波長の色範囲に関連する１つ以上の画像５６は、検出器系５０の水平長さに沿って投影される方向等の非垂直方向に沿って少なくとも部分的にオーバーラップしてもよい。図示するために、図４を参照して示される以下の例を考える。検出器系５０がλ1、λ2及びλ3にそれぞれ関連する第１の画像５６ａ、第２の画像５６ｂ及び第３の画像５６ｃを検出すると仮定する。ここで、λ2はλ1とλ3との間に色順に配列される。分散系４０が第３の画像５６ｃを第１の画像５６ａの下の検出器系５０の領域に分散する場合、第２の画像５６ｂが第１の画像５６ａにオーバーラップしない場合であっても、第３の画像５６ｃは第１の画像５６ａに垂直にオーバーラップしてもよい。異なる波長及び／又は異なる分光サブセットに関連する画像は垂直及び水平にオーバーラップしてもよいことが更に理解されるだろう。従って、合成されたスペクトル域内の隣接する波長及び隣接しない波長の双方に関連する画像は多次元でオーバーラップしてもよい。
【００１５】
画像５６が検出器系５０においてオーバーラップする場合、検出器アレイ５２内のいくつかの検出器素子により出力される信号は、複数の波長に関連する信号を含む。本明細書において説明される検出器系５０は、オーバーラップした画像に対応する信号を分解することにより、オーバーラップした画像に関連する問題に対処する。この目標を達成する好適な検出器系５０の種々の実施形態を以下に説明する。第１の実施形態において、検出器系５０は、符号化開口空間フィルタに関連する符号化開口関数を補完する選択された解析関数を使用して、プロセッサ５４においてオーバーラップした画像を電子的に区別する。第２の実施形態において、検出器系は、フィルタ（例えば、光学フィルタ、吸収長検出器）を使用してオーバーラップした画像を光学的に区別し、オーバーラップした画像に関連する検出器の出力信号を更に区別するために解析学を適用する。各実施形態の詳細を以下に説明する。
【００１６】
第の実施形態において、検出器系５０は、オーバーラップした画像に関連する信号を区別するために１、選択された解析関数を使用する。本実施形態の場合、空間フィルタ３０は、選択された符号化開口関数に従って入射光７を空間的にフィルタ処理する符号化開口３０であり、分散系４０は、部分的にオーバーラップする２つの次元において符号化開口の画像を検出器系５０上に分散する。符号化開口３０は、符号化開口関数により定義される透明部３２及び不透明部３４から成るパターンを含む。プロセッサ５４は、符号化開口関数を補完する解析関数を使用して、検出器の出力信号を処理する。適切な符号化開口関数を選択し且つ検出器の出力信号を補完解析関数で畳み込むことにより、検出器系５０は、以下に更に説明するように、異なる波長に関連するオーバーラップした画像を区別する。
【００１７】
本実施形態の場合、分光器１０は、検出器アレイ５２上でシフトされた場合に線形的に独立した空間パターンを維持する符号化開口画像５６を検出器アレイ５２上に生成するための符号化開口３０を必要とする。この線形独立性の結果として、１つの波長に関連する符号化開口画像を用いる補完解析関数の畳み込みは、異なる波長に関連する符号化開口画像を用いる同一の補完解析関数の畳み込みとは異なる結果を生じる。この特徴により、プロセッサ５４は垂直及び／又は水平にオーバーラップする画像５６を区別できる。その結果、補完解析関数の畳み込み処理の結果に基づいて、プロセッサ５４は複数のスペクトル値を回復する。更に、検出器アレイ５２上の符号化開口画像の位置に基づいて、プロセッサ５４は、回復された各スペクトル値に関連する波長を判定する。プロセッサ５４は、その後、これらの波長別スペクトル値を使用して、入射光７に関連する光スペクトルを生成する。
【００１８】
数学的には、２次元符号化開口関数t(x,y)及び上記条件を満たす補完解析関数
2008545974.tif 000003
は次式を満たす：
2008545974.tif 000004
好適な符号化開口関数及び上記条件を満たす関連する補完解析関数は、Golay、一体化冗長アレイ（ＵＲＡ）、修正ＵＲＡ（ＭＵＲＡ）直交／独立列符号及び／又はそれらの任意の組み合わせにより定義される関数を含む。図５は、開口を完全に含むことができるようにタイル状に構成された５９次（order fifty nine）のＭＵＲＡパターンの一例を示す。Gottesman及びFenimoreにより説明されたこのＭＵＲＡパターン及び補完関数は、符号化開口関数と補完解析関数との適切な組み合わせの一例を表す（本明細書に参考として取り入れられるGottesman, S.R.、Fenimore,E.E.、「New Family ofBinary Arrays For Coded Aperture Imaging」、Applied Optics、１９８９年、第２８巻、４３４４）。分光器１０により使用されるような符号化開口関数及び補完解析関数の簡潔な数学的説明を以下に示し、その後、本発明に適用可能な符号化開口３０の２つの例を示す。
【００１９】
式（２）は、検出器アレイ５２における空間フィルタ画像のフィールド分布g(x,y)を検出器アレイ５２のx座標及びy座標の関数として定義する。
【００２０】
2008545974.tif 000005
式（２）は、出力フィールド分布g(x,y)が符号化開口のオーバーラップした画像から成ることを更に示す。出力において所定の点上に集中された符号化開口の画像は、対応する波長における光源放射のスペクトル密度に比例する。開口がピンホールの場合、開口関数はt(x,y) = δ(x,y)で表されてもよい。結果として得られる検出器におけるピンホール画像のフィールド分布は次式で近似される：
2008545974.tif 000006
開口関数が式（１）を満たす補完解析関数を有する符号化開口関数である場合、解析関数を用いた畳み込み後の画像のフィールド分布は次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000007
プロセッサ５４は、光源５により放射される入射光７の１つ以上の特性を推定するために、任意の従来の手段を用いて
2008545974.tif 000008
を更に処理してもよい。
【００２１】
式（４）は、補完解析関数を用いて符号化開口画像５６のフィールド分布を処理することにより、同一の特徴サイズを有するピンホール画像から得られるスペクトルと同一のスペクトルが生じることを示す。従って、式（４）は、符号化開口の画像５６が検出器アレイ５２においてオーバーラップする場合であっても、ピンホールの解像度を取得するために符号化開口３０が使用される方法を示す。
【００２２】
本発明に適用可能な符号化開口３０の一例は、１次元符号化開口関数t(y)により定義される符号化スリット開口を具備する。符号化スリット開口は、所定の重み係数により変調される垂直方向に並んだピンホールから成る。通常、重み係数は、開放ピンホールに対する値１であるか、又は閉鎖ピンホールに対する値０である。本実施形態の場合、式（１）は次式のように単純化する：
2008545974.tif 000009
共に本明細書に参考として取り入れられるGolay, M.J.E.の「MultislitSpectroscopy」、J. Opt. Soc.Amer.、１９４９年、第３９巻、４３７〜４４４ページ；Golay, M.J.E.の「ComplementarySeries」、IRE Trans.Inform. Theory、１９６１年４月、第ＩＴ−７巻、８２〜８７ページに示されるように、式（６）は、式（５）により定義される関係を満たす符号化開口関数の一例を定義する。
【００２３】
2008545974.tif 000010
式（６）を式（２）に代入すると次式が得られる：
2008545974.tif 000011
式（７）は、検出器アレイ５２における符号化スリット開口画像のフィールド分布を表す。検出器アレイ５２の各画素にわたる符号化スリット開口画像のフィールド分布を積分することにより、連続するフィールド分布は各(k,m)検出器に対する離散フィールド分布測定値gkmに変換される。検出器アレイ５２の各画素が矩形であり且つMΔにより定義される幅を有すると仮定すると、離散フィールド分布測定値は次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000012
重み係数tiは、Golayの補完級数等の反畳み込み可能な級数により定義されてもよい。
2008545974.tif 000013
とすると、離散補完解析級数
2008545974.tif 000014
を用いて離散フィールド分布測定値gkmを処理することにより、処理後の離散フィールド分布が得られる。本明細書において、これを再構成スペクトルとも呼ぶ。
【００２４】
2008545974.tif 000015
2008545974.tif 000016
及び
2008545974.tif 000017
であるように分散光の回折次数が離間される場合、fpnkは、
2008545974.tif 000018
に対して０になることはない。この場合、処理後の離散フィールド分布は次式で表される：
2008545974.tif 000019
式（１０）は、処理後の離散フィールド分布
2008545974.tif 000020
が
2008545974.tif 000021
において評価される光源放射のスペクトル密度f(λ)に比例することを示す。kを増分することにより、評価波長はλ/λoずつシフトされ、pを増分することにより、評価波長は検出器アレイ５２の異なる水平行の上の新しい分光サブセットにシフトされる。
2008545974.tif 000022
の場合、分光サブセットは独立していることが理解されるだろう。式中、Lは分光サブセット内の波長ステップ数である。従って、Lを適切に選択することにより、分光器１０は符号化スリット開口３０及びその補完解析関数を使用して、検出器におけるオーバーラップした画像を処理してもよい。入力スリット符号ti及び補完級数
2008545974.tif 000023
が独立していることにより、式（９）は光源放射のスペクトル密度f(λ)及び入力スリット符号を反畳み込みできる。これにより、式（１０）により定義される再構成スペクトルが得られる。
【００２５】
以上、分光器１０がGolay級数により定義される符号化スリット開口３０を含み且つプロセッサ５４が補完Golay級数を使用して検出器アレイにおける符号化スリット開口画像５６のフィールド分布を処理する場合に得られる結果を数学的に説明した。分光器１０により有利に採用されてもよい追加の符号化開口関数の例を以下に示す。
【００２６】
好適な一実施形態において、符号化開口３０は２次元符号化開口を具備してもよく、その場合、符号化開口関数及び補完解析関数は、結像系において使用される均一化冗長アレイ（ＵＲＡ）により定義さるパターン等の補完符号化パターンを含む。そのような２次元開口は、より多くの入射光７がシステム１０を通過するようにすることにより、複数のスリット開口にわたる信号のスループットを増加する。本実施形態において、符号化開口関数は次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000024
式中、
tij＝２Ｄ符号化開口における(ith,jth)ピンホールに対する重み係数である。
結果として得られる分散フィールド分布は、次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000025
重み係数tijがGottesman及びFenimoreにより説明された修正ＵＲＡ（ＭＵＲＡ）パターンに従って定義される場合、式（９）及び式（１２）から得られる処理後の分散フィールド分布は次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000026
この処理後の分散フィールド分布は、式（１０）に示す処理後の分散フィールド分布と同様である。従って、ＭＵＲＡの解は符号化スリット開口により生成される処理後の分散フィールド分布と同様の処理後の分散フィールド分布を生成する。
【００２７】
上述の２次元ＭＵＲＡ符号化開口は、１画素当たり１チャネルの密度でスペクトルチャネルを圧縮する。しかしながら、本発明はこの分布に限定されない。特に、分散系が回折次数を３〜１０次に限定する場合、１画素当たり複数の垂直チャネルの密度でスペクトルチャネルを圧縮するために、好適な実施形態はＭＵＲＡパターンを直交符号パターンと組み合わせてもよい。直交符号パターンは、本明細書中に参考として取り入れられ且つ本出願人であるBradyが所有する米国特許出願第１１／３３４，５４６号公報に詳細に説明される。Bradyにより説明された１つの調和符号
2008545974.tif 000027
は、直交符号の一例を表す。
【００２８】
式（１４）は、本実施形態に対する符号化開口関数の一例を表す。
【００２９】
2008545974.tif 000028
式中、
to(x,y)＝独立列符号を有する直交符号パターン
Δy＝２Ｄ符号化開口の高さ
Δx＝２Ｄ符号化開口の幅
図６に示すように、式（１４）の関数の結果として得られる符号化開口３０は、独立列符号のラスタ化バージョンである。
【００３０】
本実施形態の場合、式（１）は次式のように単純化する：
2008545974.tif 000029
式（１６）は、式（１５）を満たす補完解析関数の一例を表す。
【００３１】
2008545974.tif 000030
2008545974.tif 000031
を分光サブセットにおける平均波長とすると、
2008545974.tif 000032
を選択することにより、プロセッサ５４は、小さい比帯域幅を仮定して、検出器アレイ５２上に投影される分散光に直交解析を適用してもよい。比帯域幅が大きい場合は代数補正が使用されてもよい。ＵＲＡに基づく符号化開口と同様に、処理後の画像は式（１０）のフィールド分布と同様のフィールド分布を形成する。
【００３２】
上述の例を含む上述の分光器１０に対する符号化開口３０は、任意の周知の技術により実現されてもよい。例えば、符号化開口３０は、図５のＭＵＲＡ符号化開口により示されるように、静的透過マスクにより実現されてもよい。あるいは、符号化開口３０は空間光変調器により実現されてもよい。更に別の実施形態において、符号化開口３０は、本明細書に参考として取り入れられる２００６年６月２日に出願された米国特許出願第１１／４２１，９０３号公報「Structured Coded Aperture Fiber Bundles」において説明されるように、光源と符号化開口位置との間に配置されるファイバ束により実現されてもよい。本実施形態によると、ファイバ束内のファイバは、各ファイバが透過素子に対応するように構成される。光源から放射される光を結合するファイバにより、光源放射の空間的に密なサンプリングが可能になる。更に、本実施形態は集光レンズ２２を除去できるため、光学系２０のより小型の実現例が可能になる。
【００３３】
上述のように、プロセッサ５４は、異なる波長に関連し且つ検出器アレイ５２により検出される画像５６に補完解析関数を適用する。一般に、プロセッサ５４は、検出器アレイ５２により検出される符号化開口画像の分布フィールドを用いて解析関数を畳み込む。この時、プロセッサ５４は、オーバーラップした画像に関連する曖昧さを除去するのと同時に、符号化開口３０により提供される高い光学スループット及びスペクトル高分解能を得るという利点を有する。その後、プロセッサ５４は、結果として得られる信号を更に処理して、光源５に関連する入射光７の１つ以上の波長依存特性を推定してもよい。
【００３４】
第２の実施形態において、分散系４０は、異なる分光サブセットに関連する空間フィルタ画像を検出器系５０のオーバーラップ部分上に分散する。図７は、３つの異なる分光サブセットからの空間フィルタ画像で照明される検出器系５０の一例を示す正面図である。異なる分光サブセットからのオーバーラップした画像を区別するために、検出器系５０は空間フィルタ画像をフィルタ処理して、１つの分光サブセット内の空間フィルタ画像と別の空間サブセット内の空間フィルタ画像とを光学的に区別する。本実施形態の場合、空間フィルタ３０は、ピンホール、スリット、符号化開口等を含む任意の周知の空間フィルタを具備してもよい。
【００３５】
図８は、本実施形態に対する検出器系５０の一例を示すブロック図であり、この例において、検出器系５０は検出器アレイ５２に近接して配置された２つ以上のフィルタから成るフィルタ系６０を含む。フィルタ系６０内の各フィルタは、分散光を光学的にフィルタ処理して、１つの分光サブセット内の空間フィルタ画像と異なる分光サブセット内の空間フィルタ画像とを光学的に区別する。以下に更に説明するように、プロセッサ５４は、異なる分光サブセットに対応する結果として得られた検出器の出力信号を個別に処理して各分光サブセットに関連するスペクトルを生成し、生成された個別のスペクトルに基づいて合成スペクトルを生成する。
【００３６】
検出器系５０の一例において、フィルタ系６０は検出器アレイ５２と一体化される。図９は、検出器素子５８のアレイの入力側と一体化されたフィルタ系６０を含む検出器アレイ５２の一例を示す。図示される実施形態において、フィルタ系６０は、所定のパターンで構成される３つの異なるフィルタ素子６２、６４、６６を具備する。各フィルタ素子６２、６４、６６は異なる検出器素子５８と整列される。各フィルタ素子６２の組み合わせは第１のフィルタを一括して表し、各フィルタ素子６４の組み合わせは第２のフィルタを一括して表し、各フィルタ素子６６の組み合わせは第３のフィルタを一括して表す。所定のパターンで構成される場合、第１、第２及び第３のフィルタは交互に配置されてフィルタ系６０を形成する。Ｎ個の検出器素子５８を有する検出器アレイ５２に対して、最大Ｎ／４個の出力信号がフィルタ６２及び６６の各分光サブセットに対応し、最大Ｎ／２個の出力信号がフィルタ６４の分光サブセットに対応する。
【００３７】
図示の便宜上、パターンの一例は図１０に示すベイヤーパターンを含む。本例の場合、フィルタ６２は青色光（４１０〜５２０ｎｍ）を透過し、フィルタ６４は緑色光（４９０〜６２０ｎｍ）を透過し、フィルタ６６は赤色光（５９０〜７４５ｎｍ）を透過する。ベイヤーパターンは、検出器アレイ５２を検出器素子のブロック６８に分割する。各ブロック６８は４つの検出器素子５８を含み、１つの検出器素子５８は青色フィルタ６２と一体化され、２つの検出器素子５８は緑色フィルタ６４と一体化され、１つの検出器素子５８は赤色フィルタ６６と一体化される。各ブロック６８は、３つの異なる分光サブセットに関連する信号を出力する。結果として、各ブロック６８は、異なる分光サブセットからのオーバーラップした画像を少なくとも部分的に区別する。本発明は図９及び図１０を参照して説明されたＲＧＢフィルタ系６０に限定されないことが理解されるだろう。
【００３８】
図９の検出器系５０の動作を示すために、以下の例を考える。図７に示すように、青色分光サブセット、緑色分光サブセット及び赤色分光サブセットに関連する空間フィルタ画像が検出器系５０においてオーバーラップすると仮定する。しかしながら、各ブロック６８は、分光サブセット毎に異なる信号を出力する。オーバーラップした画像毎にサブセット別の信号を出力する能力により、検出器系５０は異なる分光サブセットに関連する空間フィルタ画像を区別できる。図７は異なる分光サブセットの間の部分的オーバーラップのみを示すが、一体型フィルタの実施形態は、異なる分光サブセットからの画像が完全にオーバーラップする場合であっても動作することが理解されるだろう。
【００３９】
図１１は、第２の実施形態に対する検出器系の別の例を示す。この例において、フィルタ系６０は検出器アレイ５２の前又は上流側に配置される。本実施形態の場合、フィルタ系６０は分光サブセット毎に連続するフィルタ素子６２、６４、６６を具備し、各フィルタ素子６２、６４、６６は対応する分光サブセットに関連する検出器アレイ５２の特定範囲と整列する。結果として、フィルタ系６０の各フィルタ６２、６４、６６は、検出器アレイ５２を３つの異なる区分に分割し、各区分は異なる分光サブセットに対応する。上述のＲＧＢフィルタ帯域を使用して、上部フィルタ素子６２は青色分光サブセット内の青色光のみを検出器アレイ５２の上部分に透過し、中央フィルタ素子６４及び下部フィルタ素子６６は、緑色分光サブセット及び赤色分光サブセット内の緑色光及び赤色光のみを検出器アレイ５２の中央部分及び下部分にそれぞれ透過する。
【００４０】
第２の実施形態に対する別の検出器系５０において、フィルタ系６０は経時変化フィルタを具備してもよい。従って、フィルタ系６０は、第１の期間中に第１の通過帯域に従って分散光を光学的にフィルタ処理し、第２及び第３の期間中にそれぞれ第２及び第３の通過帯域に従って分散光を光学的にフィルタ処理する。図１２は、赤色通過帯域、緑色通過帯域及び青色通過帯域を有する経時変化フィルタ系６０の一例のフィルタ処理特性を示す。一体型フィルタの実施形態と同様に、経時変化フィルタの実施形態は、異なる分光サブセットからの完全にオーバーラップする画像を区別する。
【００４１】
第２の実施形態に対する更に別の検出器系５０において、検出器アレイ５２内の各検出器素子５８は、検出器素子５８における光の吸収長に基づいて、２つ以上の分光サブセットに対して異なる電気信号を出力するように設計されてもよい。例えば、シリコン検出素子に対して、赤色光、緑色光及び青色光に対する吸収長は異なり、赤色光に対する吸収長は緑色光に対する吸収長より長く、緑色光に対する吸収長は青色光に対する吸収長より長い。各検出器素子５８がこの特性を利用するように設計される場合、各検出器素子は、赤色分光サブセット、緑色分光サブセット及び青色分光サブセット等の分光サブセット毎に電気信号を出力する。本明細書に参考として取り入れられる米国特許第５，９６５，８７５号公報は、そのような検出器アレイ５２を説明する。上述の一体型フィルタの実施形態と同様に、吸収長検出器系は、異なる分光サブセットからの完全にオーバーラップする画像を区別する。
【００４２】
第２の実施形態に対する上述の検出器系５０のうちのいずれにおいても、各検出器の出力信号は特定の分光サブセットに対応する。従って、フィルタは垂直にオーバーラップする画像を区別する。分光サブセット内の異なる波長に関連する画像を区別するために、プロセッサ５４は検出器アレイ５２上の画像の位置を使用する。上述のように、nが所定の分光サブセット内の波長数を表すとすると、各分光サブセットはλ1-λn等の波長範囲を含む。分光サブセット内の波長を区別するために、一実施形態は、n個の列に検出器アレイ５２を分割し、n個の列の各々は所定の分光サブセット内の異なる波長に対応する。図１３は、１０列に分割された検出器アレイ５２の一例を示す。各列は検出器素子２個分の幅を有する。本例の場合、各分光サブセットは１０個の波長に分割され、検出器アレイ５２上の分散光の位置は検出された光のスペクトル域内の波長を判定する。従って、本例の場合、検出器アレイ５２の最初の２列における検出器素子５８により検出される画像は、任意の利用可能な分光サブセット内のλ1に対応する。
【００４３】
各検出器素子５８により出力される信号及び検出器の出力信号と検出器アレイ５２内の検出器の位置との間の関係に基づいて、プロセッサ５４は分光サブセット毎に出力スペクトルを生成する。分光サブセット毎に個別のスペクトルを生成する手順の一例を以下に詳細に説明する。検出器系５０に入射する光は、次式で表されてもよい：
2008545974.tif 000033
式中、δ(x - (x' + α(λ - λc)))は、内部拡大せず、λをｘ軸に沿って線形分散し且つ全てのyに対してx = 0においてλcの中央波長を有する分散型分光器に対する伝播カーネルを表す。式（１７）において、T(x,y)は２次元空間フィルタ３０の透過率関数を表し、S(x,y;λ)は、光源５のスペクトル密度を空間フィルタ３０における位置の関数として表す。S(x,y;λ)がx及びyにおいて不変であると仮定すると、式（１７）は次式のように簡素化される：
2008545974.tif 000034
式（１８）により示されるように、検出器アレイ５２により測定される強度I(x',y')は光源スペクトルS(x,y;λ)と空間フィルタ透過率関数T(x,y)との間の１次元畳み込みの結果である。空間フィルタ３０がx = x0においてスリットを具備する場合、T(x,y)はx0に集中されるデルタ関数により近似されてもよく、式（１８）は次式のように簡素化されてもよい：
2008545974.tif 000035
あるいは、空間フィルタ３０が符号化開口関数T(x,y)により定義される２次元符号化開口を具備する場合、T(x,y)は、式（１８）により正確な強度推定値を得られるように適切に設計される必要がある。上述の符号化開口関数は本実施形態に適用可能であるため、いくつかの適切なオプションを提供する。
【００４４】
上述の数学的処理を各検出器素子出力信号に適用することにより、強度値↑M（以下、↑はベクトルを表す）の行列が得られる。各強度値は、異なる検出器素子５８に対応する。数学的には、式（２０）に示すように、↑Mは行列の形をした空間フィルタ関数↑Hと光源５に関連するスペクトル値の行列↑Wとの積として表されてもよい。
【００４５】
↑H・↑W = ↑M                                                  （２０）
プロセッサ５４は、非負最小二乗反転アルゴリズム等の任意の周知の行列反転処理を適用することにより、スペクトル値の行列↑Wを判定してもよい。
【００４６】
結果として得られるスペクトル値の行列は、ある特定のスペクトル域内の各波長に対する複数のスペクトル値を含む。波長毎に単一のスペクトル値を生成するために、プロセッサ５４は、特定の波長に関連する計算された行列↑W内の各値を平均してもよい。例えば、λ1に関連する↑Wの１つ以上の隣接する列における値を平均することにより、プロセッサ５４は、λ1に対する波長別スペクトル値を推定する。この処理は、分光サブセット内の各波長に対して実行されてもよい。結果として得られる波長別スペクトル推定値に基づいて、プロセッサ５４は分光サブセット毎にスペクトルを生成する。
【００４７】
上述において明確に示されないが、ノイズ、歪み等を減少するために、プロセッサ５４が検出器の出力信号を更に処理してもよいことが理解されるだろう。例えば、プロセッサ５４は、パターンノイズを減少するために、↑Wの計算前に↑Mから暗画像を減算してもよい。その代わりに又はそれに加えて、分光器１０内に存在する「スマイル」歪み等の歪みを補正するために、プロセッサ５４は、↑Wの計算前に↑Mの各行を所定量ずつ僅かにシフトしてもよい。
【００４８】
個別のスペクトルが生成されると、プロセッサ５４は個別のスペクトルを重ね合わせて、光源５から放射される入射光７に対応する合成スペクトルを生成する。フィルタ６２、６４、６６の通過帯域がオーバーラップしない場合、プロセッサ５４は、各分光サブセットに対する個別のスペクトルを単一の合成スペクトルに単に合成してもよい。しかしながら、２つ以上のフィルタ６２、６４、６６の通過帯域がオーバーラップする場合、プロセッサ５４は、個別のスペクトルを重ね合わせる前に、まずオーバーラップを補正してスプリアスなスペクトル特徴を減少する。例示するために、ベイヤーパターンで構成された１つの青色フィルタ６２、２つの緑色フィルタ６４及び１つの赤色フィルタ６６を有する上述の一体型フィルタ系６０を考える。本例の場合、検出器素子５８の有効列を検出器ブロック６８の列として定義する。式（２１）は、算出されたスペクトル値とオーバーラップに起因するスペクトル値との間の関係を示す。
【００４９】
2008545974.tif 000036
式（２１）において、(R,G,B)は算出されたスペクトル値を表し、(r,g,b)はオーバーラップのスペクトル値を表し、Fcolor(λ)は、検出器の特定の有効列に対応するフィルタ６２、６４、６６に関連するフィルタ関数の値を表す。非負最小二乗アルゴリズムを使用することにより、プロセッサ５４は、算出されたスペクトル値(R,G,B)からオーバーラップのスペクトル値(r,g,b)を回復してもよい。これらのオーバーラップするスペクトル値に基づいて、プロセッサ５４は、合成スペクトルを生成するために個別のスペクトルを重ね合わせる前に、スペクトルのオーバーラップを補償する。図１４Ａは、図９のＲＧＢ検出器系５０に対する３つの個別のスペクトルを示し、図１４Ｂは、上述の処理技術の結果得られる合成スペクトルを示す。
【００５０】
要約すると、上述のように、適切な符号化開口関数及び補完解析関数を選択し且つ／又は適切な処理技術を用いてフィルタを使用することにより、検出器系５０は、オーバーラップする空間フィルタ画像に関連する曖昧さを除去する。これは、検出器系５０において画像を垂直にオーバーラップさせない従来のシステムを越える著しい処理上の利点を分光器１０に与える。符号化開口の実施形態及びフィルタの実施形態を別個の実施形態として上述したが、分光器１０の別の例は符号化開口及び補完解析関数の双方をフィルタと共に使用してもよいことが理解されるだろう。
【００５１】
更に、空間フィルタ画像はオーバーラップしてもよいため、第２の結像系２６及び／又は検出器アレイ５２の全体的なサイズは大幅に縮小されてもよい。例えば、分光器１０が９個の波長のスペクトル域を含み、分散系４０が異なる波長に関連する空間フィルタ画像を３つの垂直にオフセットする分光サブセットに位置付け、各分光サブセットが３つの波長を含むと仮定する。更に、各空間フィルタ画像が領域Ａを有すると仮定する。図１５Ａに示すような従来の検出器アレイは、オーバーラップを防止するために各空間フィルタ画像の周囲にバッファ領域Ｂを必要とする。従って、図１５Ａの検出器アレイは、空間フィルタ画像毎に合計領域Ｄ＝Ａ＋Ｂを確保する必要がある。従って、これらの条件に拘束される従来の分光器は、９Ｄの最小動作領域を有する検出器アレイを必要とする。これに対して、本発明の分光器１０のいくつかの実施形態ではオーバーラップした画像が可能なため、そのような分光器１０において使用される検出器アレイ５２は、図１５Ｂに示すように、９Ａより少ない動作領域を有してもよい。一体型フィルタを使用する場合、異なるスペクトル域からの空間フィルタ画像は完全にオーバーラップしてもよく、それにより検出器領域を３Ａより小さいサイズにまで縮小できる。従って、本明細書において説明される分光器１０のサイズは、従来の分光器に比べて縮小されてもよい。
【００５２】
上記の例において、光学系２０は歪みを生じないため、全ての波長に対してサイズの等しい空間フィルタ画像を検出器系５０において生成する。しかしながら、本発明はサイズの等しい空間フィルタ画像を必要としないことが理解されるだろう。分光器１０のいくつかの実施形態は、歪みにより変形された空間フィルタ画像又は波長依存フィルタにより意図的に形成された空間フィルタ画像等のサイズの異なる空間フィルタ画像に対応する。例えば、空間フィルタ３０が波長依存範囲を含む場合、すなわち波長依存フィルタにより形成された範囲を含む場合、検出器系５０において結果として得られる空間フィルタ画像は、異なる波長依存サイズを意図的に有してもよい。
【００５３】
また、符号化開口３０を透明部３２及び不透明部３４に関して上述した。しかしながら、本発明に関わる符号化開口３０は、一般に、異なる重み付け値に従って光をフィルタ処理する複数部分を含む。通常、重み付け値は０〜１の範囲にわたり、不透明部３４は０の重み付け値を有し、透明部３２は１の重み付け値を有する。従って、所定の部分は０と１との間の任意の重み付け値を有してもよく、その結果、グレイスケール符号化開口３０と呼ばれるものになる。
【００５４】
以上、分光サブセットを合成スペクトル域のオーバーラップしない分光サブセットに関して説明した。しかしながら、異なる分光サブセットは１つ以上の共有波長を含んでもよいことが理解されるだろう。例えば、第１の分光サブセットはλ1〜λ10を含んでもよく、第２の分光サブセットはλ8〜λ17を含んでもよい。
【００５５】
以上の説明において、プロセッサ５４は、全ての空間フィルタ画像に関連する全ての検出器の出力信号を処理すると仮定した。しかしながら、プロセッサ５４は、検出器系５０により検出される空間フィルタ画像のサブセットを選択的に処理してもよい。例えば、検出器系５０がλ1、λ5及びλ8に対する空間フィルタ画像を検出する場合、プロセッサ５４は、λ5に関連する空間フィルタ画像のみ又はλ5及びλ8に関連する空間フィルタ画像のみを選択的に処理してもよい。更に、プロセッサ５４は、任意の１つの空間フィルタ画像に関連する検出器の出力信号のサブセットのみを処理してもよい。
【００５６】
上述のプロセッサ５４は、単一のマイクロプロセッサにおいて実現されてもよく、又は複数のマイクロプロセッサにおいて実現されてもよい。適切なマイクロプロセッサは、例えば、汎用マイクロプロセッサ及び専用マイクロプロセッサの双方、並びに汎用デジタル信号プロセッサ及び専用デジタル信号プロセッサの双方を含んでもよい。更に、プロセッサ５４により実行される動作は、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含むハードウェア及び／又はソフトウェアにおいて実現されてもよい。更に、プロセッサ５４の論理回路は分光器１０に組み込まれてもよく、分光器１０にリンクされる外部コンピュータ内に位置付けられてもよく、又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。
【００５７】
Battey他による上述の米国特許第５，５５９，５９７号公報は本明細書に参考として取り入れられる。
【００５８】
本発明の本質的特徴から逸脱せずに、本明細書において特定して記載された方法以外の方法で本発明が実施されてもよいことは言うまでもない。ここで提示された実施形態は、あらゆる点において、例証するものであり限定するものではないとみなされるべきであり、添付の請求の範囲の意味及び等価性の範囲内に入る全ての変更は、本発明の範囲内に包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、分光器の一例を示す側面図である。
【図２Ａ】、
【図２Ｂ】図２Ａ及び図２Ｂは、図１の分光器に対する分散系の例を示す図である。
【図３】図３は、好適な一実施形態による照明される図１の分光器に対する検出器系を示す図である。
【図４】図４は、別の好適な実施形態による照明される図１の分光器に対する検出器系を示す図である。
【図５】図５は、図１の分光器に対する符号化開口の一例を示す図である。
【図６】図６は、符号化開口の別の例を示す図である。
【図７】図７は、好適な一実施形態による照明される図１の分光器に対する検出器系を示す図である。
【図８】図８は、分光器に対する検出器系の一例を示すブロック図である。
【図９】図９は、図１の分光器に対する検出器系の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９の検出器アレイに対するフィルタパターンの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、図１の分光器に対する検出器系の別の例を示す図である。
【図１２】図１２は、経時変化フィルタの時間に関する波長応答を示す図である。
【図１３】図１３は、図９の検出器系に対する検出器アレイの一例を示す図である。
【図１４Ａ】、
【図１４Ｂ】図１４Ａ及び図１４Ｂは、プロセッサにより生成されるスペクトルの例を示すグラフである。
【図１５Ａ】、
【図１５Ｂ】図１５Ａ及び図１５Ｂは、従来の検出器アレイのサイズと本発明の検出器アレイの一例のサイズとの比較を示す図である。
【図１】
2008545974.tif 000037
【図２Ａ】
2008545974.tif 000038
【図２Ｂ】
2008545974.tif 000039
【図３】
2008545974.tif 000040
【図４】
2008545974.tif 000041
【図５】
2008545974.tif 000042
【図６】
2008545974.tif 000043
【図７】
2008545974.tif 000044
【図８】
2008545974.tif 000045
【図９】
2008545974.tif 000046
【図１０】
2008545974.tif 000047
【図１１】
2008545974.tif 000048
【図１２】
2008545974.tif 000049
【図１３】
2008545974.tif 000050
【図１４Ａ】
2008545974.tif 000051
【図１４Ｂ】
2008545974.tif 000052
【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【国際調査報告】
2008545974.tif 000055