(57)【要約】  実世界シーン像内のスペクトル雑音を低減するために光一様化素子アレイを用いるためのハイパースペクトルイメージングシステム及び方法が説明される。一実施形態において、ハイパースペクトルイメージングシステム及び方法は、実世界シーンが分光計によって測定される前に実世界シーン内の相異なる要素からの光の空間分布、角度分布及び偏波分布を一様化するために、光一様化素子アレイを用いる。
2014506679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムにおいて、前記ハイパースペクトルイメージングシステムが、
前記シーンにともなう光を受け取るための結像光学系、
前記シーンにともなう光を前記結像光学系から受け取り、前記受け取った前記シーンにともなう光を一様化するための、光一様化素子アレイであって、該光一様化素子アレイのそれぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、前記入力端面は前記シーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、前記中央領域は前記受け取った前記シーンの前記１つの要素にともなう光を一様化し、よって前記出力端面を出る前記一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が前記入力端面において受け取られた前記光のそれらの分布よりも一様であるように構成されている、光一様化素子アレイ
及び
前記光一様化素子アレイから前記一様化された前記シーンにともなう光を受け取るための開口及び、前記開口を通過した、前記一様化された前記シーンにともなう光を用いて前記シーンの前記スペクトル構造を測定するための検出器を有する、分光計、
を備えることを特徴とするハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項２】
前記光一様化素子アレイが一次元光一様化素子アレイであり、前記分光計の前記開口が前記シーンにともなう複数の要素の一部からの前記一様化された光を受け取る入射スリットであることを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項３】
前記シーンのそれぞれの要素が、前記シーンの空間分解能を維持するため、前記光一様化素子の内の１つによって独立に一様化されることを特徴とする請求項２に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項４】
前記光一様化素子アレイが二次元光一様化素子アレイであり、前記分光計の前記開口が前記シーンにともなう要素の全てから前記一様化された光を受け取るための入射アパーチャであることを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項５】
前記二次元光一様化素子アレイの寸法及びピッチが、前記シーンの空間分解能を維持するため、前記検出器の寸法及びピッチに整合することを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項６】
それぞれの前記光一様化素子が、方形入力端面及び方形出力端面を有し、前記中央領域が方形であり、前記方形入力端面の対角線の数倍の長さを有することを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項７】
前記光一様化素子アレイのそれぞれの前記光一様化素子の前記入力端面に取り付けられた、１つ以上の散乱素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項８】
前記光一様化素子アレイが光ファイバアレイではないことを特徴とする請求項１に記載のハイパースペクトルイメージングシステム。
【請求項９】
シーン像内のスペクトル雑音を低減する方法において、
前記シーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムであって、
前記シーンにともなう光を受け取るための結像光学系、及び
前記シーンにともなう光を前記結像光学系から受け取るための開口と、前記開口を通過した前記シーンにともなう光を用いて前記シーンのスペクトル構造を測定するための検出器とを有する、分光計、
を備えるハイパースペクトルイメージングシステムを提供するステップ、
及び
光一様化素子アレイであって、前記光一様化素子アレイのそれぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、前記入力端面は前記シーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、前記中央領域は前記受け取った前記シーンの前記１つの要素にともなう光を一様化し、よって前記出力端面を出る前記一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が前記入力端面において受け取られた前記光のそれらの分布よりも一様であるように構成されている光一様化素子アレイを前記結像光学系と前記分光計の間に、前記光一様化素子アレイが前記結像光学系から前記シーンにともなう光を受け取り、前記受け取った前記シーンにともなう光を一様化するために位置が定められるように、配置するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１１年２月２３日に出願された米国特許出願第１３/０３３１４６号の米国特許法１２０条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依存し、上記特許出願明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般にはシーン像内のスペクトル雑音を低減するために光一様化素子アレイを用いるためのハイパースペクトルイメージングシステム及び方法に関する。一実施形態において、ハイパースペクトルイメージングシステム及び方法は、シーンが分光計で測定される前に、シーン内の相異なる要素からの光の空間分布、角度分布及び偏波分布を一様化するために光一様化素子アレイを用いる。
【背景技術】
【０００３】
ハイパースペクトルイメージングは実世界シーン内の対象のスペクトル構造を測定する。一般に、シーンは格子に分割され、格子のそれぞれの要素についてスペクトルが測定される。ハイパースペクトルイメージングは、医学上の診断、農業評価及び軍事目標同定において益々重要になっている手法である。これらの用途において有用であるためには、ハイパースペクトルイメージングシステムはシーン要素のスペクトル成分を一貫して測定する必要がある。
【０００４】
一般的なハイパースペクトルイメージングシステムは、走査ミラー、結像レンズ、及び入射スリット及び焦平面アレイ検出器を有する分光器を備える。走査ミラー及びレンズが実世界シーンのスライスを分光器の入射スリットに結像する。焦平面アレイ検出器が、入射スリットに届くシーンのスライスに沿い、複数のシーン要素についてスペクトルを測定する。走査ミラーが入射スリットにかけてシーンを走査し、複数のスライスとしてのシーンのスペクトル測定を可能にする。
【０００５】
分光機器技術分野において、分光計を用いて一貫したスペクトル測定値を得るためには、入射スリットにおいて空間分布、角度分布及び偏波分布が一様であることが必要なことは周知である。しかし、ハイパースペクトルイメージングの実世界測定はこれらの規準を満たさない。実世界シーンでは一般に、入射スリットにかけてスペクトルの成分及び強度が変化するであろう。光の角度分布及び偏波分布は、シーン照明、シーン観察方法及びシーン構造の詳細における差から生じる。非一様分光器照明により生じる問題、すなわちスペクトル雑音は、暫時存在し、例えば非特許文献１において論じられた、周知の問題である。上記文献の内容は本明細書に参照として含められる。
【０００６】
シーン内の変化によって導入されるスペクトル雑音は、検出器の雑音よりかなり悪質である。シーンスペクトル雑音はスペクトル全体にわたって相関される波長シフトを生じる。相関スペクトル雑音は、ランダムに加わる検出器雑音のような他の無相関雑音源に比較して、加算的である。例えば、４００〜９００ｎｍの波長を測定するハイパースペクトルイメージングシステムにおけるスペクトル雑音は多変量同定に、検出器雑音のような等価ランダム雑音より２０〜３０倍大きな、劣化を生じさせる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ピー・ムルーリ(P. Mouroulis)等，「分光及び空間情報の最適再生のためのプッシュブルームイメージング分光計の設計(Design of Pushbroom Imaging Spectrometers for Optimum Recovery of Spectroscopic and Spatial Information)」，Applied Optics，２０００年，第３９巻，ｐ.２２１０〜２２２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、シーンスペクトル雑音を軽減すること及びシーンの一貫したシステム無依存スペクトルを測定することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
シーン像内のスペクトル雑音を低減するためのハイパースペクトルイメージングシステム及び方法が本出願の独立特許請求項に述べられている。ハイパースペクトルイメージングシステム及び方法の有用な実施形態は従属特許請求項に述べられている。
【００１０】
一態様において、本発明はシーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムを提供する。本ハイパースペクトルイメージングシステムは、
（ａ）シーンにともなう光を受け取るための結像光学系、
（ｂ）シーンにともなう光を結像光学系から受け取り、受け取ったシーンにともなう光を一様化するための、光一様化素子アレイであって、光一様化素子アレイのそれぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、入力端面はシーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、中央領域は受け取ったシーンの１つの要素にともなう光を一様化し、よって出力端面を出る一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が入力端面において受け取られた光のそれらの分布よりも一様であるように、構成されている、光一様化素子アレイ、
及び
（ｃ）光一様化素子アレイから一様化されたシーンにともなう光を受け取るための開口及び、開口を通過した、一様化されたシーンにともなう光を用いてシーンのスペクトル構造を測定するための検出器を有する、分光計、
を備える。
【００１１】
別の態様において、本発明はシーン像内のスペクトル雑音を低減する方法を提供し、スペクトル雑音は、一様入力を前提としている分光計を用いる非一様シーンの測定において発生する。本方法は、
（ａ）シーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムであって、
（ｉ）シーンにともなう光を受け取るための結像光学系、及び
（ii）シーンにともなう光を結像光学系から受け取るための開口と、開口を通過したシーンにともなう光を用いてシーンのスペクトル構造を測定するための検出器とを有する、分光計、
を備えるハイパースペクトルイメージングシステムを提供するステップ、
及び
（ｂ）光一様化素子アレイであって、それぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、入力端面はシーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、中央領域は受け取ったシーンの１つの要素にともなう光を一様化し、よって出力端面を出る一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が入力端面において受け取られた光のそれらの分布よりも一様であるように、構成されている光一様化素子アレイを結像光学系と分光計の間に、光一様化素子アレイが結像光学系からシーンにともなう光を受け取り、受け取ったシーンにともなう光を一様化するために位置が定められるように、配置するステップ、
を含む。
【００１２】
また別の態様において、本発明はシーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムを提供する。本ハイパースペクトルイメージングシステムは、
（ａ）シーンの複数の要素の一部にともなう光を受け取るための結像光学系、
（ｂ）結像光学系から複数のシーンの一部にともなう光を受け取り、受け取った複数のシーンの一部にともなう光を一様化するための、一次元光一様化素子アレイであって、光一様化素子アレイのそれぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、入力端面はシーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、中央領域は受け取ったシーンの１つの要素にともなう光を一様化し、よって出力端面を出る一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が入力端面において受け取られた光のそれらの分布よりも一様であるように、構成される、一次元光一様化素子アレイ、
及び
（ｃ）一次元光一様化素子アレイから一様化されたシーンにともなう複数の要素の一部からの光を受け取るための入射スリット及び、入射スリットを通過した、一様化された光を用いてシーンにともなう複数の要素の一部のスペクトル構造を測定するための検出器を有する、分光計、
を備える。
【００１３】
さらにまた別の態様において、本発明はシーンのスペクトル構造を測定するためのハイパースペクトルイメージングシステムを提供する。本ハイパースペクトルイメージングシステムは、
（ａ）シーンにともなう全ての要素から光を受け取るための第１の結像光学系、
（ｂ）第１の結像光学系からシーンにともなう光を受け取り、受け取ったシーンにともなう光を一様化するための、二次元光一様化素子アレイであって、光一様化素子アレイのそれぞれの光一様化素子は、入力端面、中央領域及び出力端面を有し、入力端面はシーンの１つの要素にともなう光を受け取るように構成され、中央領域は受け取ったシーンの１つの要素にともなう光を一様化し、よって出力端面を出る一様化された光の空間分布、角度分布及び偏波分布が入力端面において受け取られた光のそれらの分布よりも一様であるように、構成される、二次元光一様化素子アレイ、
（ｃ）二次元光一様化素子アレイから一様化されたシーンにともなう光を受け取るための第２の結像光学系、
及び
（ｄ）第２の結像光学系から一様化されたシーンにともなう光を受け取るための入射開口及び、入射開口を通過した、一様化された光を用いてシーンにともなう全ての要素のスペクトル構造を測定するための検出器を有する、分光計、
を備える。
【００１４】
本発明のさらなる態様は、ある程度は、以下の詳細な説明、図面及びいずれかの特許請求項に述べられ、ある程度は、本発明の実施によって習得されるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が例示及び説明のために過ぎず、開示されるような本発明の限定ではないことは当然である。
【００１５】
以下の詳細な説明を添付図面とともに参照することによって、本発明のより完全な理解を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にしたがう、実世界シーンのスペクトル構造を測定するように構成された一例のハイパースペクトルイメージングシステムの基本コンポーネントを示す略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態にしたがう、走査ミラー、結像光学系、一次元光一様化素子アレイ及び分光計を備える一例のハイペースペクトルイメージングシステムに関する図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施形態にしたがう、走査ミラー、結像光学系、一次元光一様化素子アレイ及び分光計を備える一例のハイペースペクトルイメージングシステムに関する図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施形態にしたがう、走査ミラー、結像光学系、一次元光一様化素子アレイ及び分光計を備える一例のハイペースペクトルイメージングシステムに関する図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の一実施形態にしたがう、走査ミラー、結像光学系、一次元光一様化素子アレイ及び分光計を備える一例のハイペースペクトルイメージングシステムに関する図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の一実施形態にしたがう、走査ミラー、結像光学系、一次元光一様化素子アレイ及び分光計を備える一例のハイペースペクトルイメージングシステムに関する図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にしたがう、第１の結像光学系、二次元光一様化素子アレイ、第２の結像光学系及び分光計を備える一例のハイパースペクトルイメージングシステムを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、実世界シーン１０２のスペクトル構造を測定するように構成された一例のハイパースペクトルイメージングシステム１００の基本コンポーネントをブロック図が示している。本例のハイパースペクトルイメージングシステム１００は、（レンズ１０４として示されるが、レンズ、ミラーまたはレンズとミラーの組合せの系とすることができるであろう）結像光学系１０４，光一様化素子アレイ１０６及び分光計１０８を備える。結像光学系１０４はシーン１０２の少なくとも一部にともなう光１１０ａを受け取る。光一様化素子アレイ１０６は、結像光学系１０４からシーン１０２の少なくとも一部にともなう光１１０ｂを受け取り、受け取った光１１０ｂを一様化し、よって、光一様化アレイ１０６から出る、一様化された光１１０ｃの空間分布、角度分布及び偏波分布は受け取られた光１１０ｂよりも一様である。図示されるように、結像光学系１０４は光一様化素子アレイ１０６上にシーン１０２の像を形成する。光一様化素子アレイ１０６は（図示されるように）一次元光一様化素子アレイ１０６とすることができ（一次元光一様化素子アレイ１０６が分光計１０８に結合されている図２Ａも見よ）、あるいは二次元光一様化素子アレイ１０６とすることができる（一次元光一様化素子アレイ１０６が分光計１０８に結合されていない図３を見よ）。分光計１０８は一様化されたシーン１０２の少なくとも一部にともなう光１１０ｃを受け取る開口１１４及び一様化された光１１０ｃを用いてシーン１０２の少なくとも一部のスペクトル構造を測定する検出器１１６を有する。分光計１０８には当業者には周知のミラー及び回折格子のようなその他のコンポーネントが組み込まれているが、本明細書では明解さのためにそれらの周知のコンポーネントは詳細には論じられない。ハイパースペクトルイメージングシステム１００の２つの異なる実施形態例についての詳細な議論が図２Ａ〜２Ｅ及び３を参照して以下に与えられる。
【００１８】
図２Ａ〜２Ｅを参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、実世界シーン２０２のスペクトル構造を測定するように構成された一例のハイパースペクトルイメージングシステム２００に関する様々な図がある。図２Ａに示されるように、本例のハイパースペクトルイメージングシステム２００は、（必要に応じて組み込まれる）走査ミラー２０４，（レンズ２０６として示されるが、レンズ、ミラーまたはレンズとミラーの組合せの系とすることができるであろう）結像光学系２０６，一次元光一様化素子アレイ２０８及び分光計２１０を備える。走査ミラー２０４はシーン２０２の複数の要素の一部２１４にともなう光２１２ａを結像光学系２０６に向けて反射する。結像光学系２０６（例えば凸レンズ２０６）はシーン２０２の複数の要素の一部にともなう光２１２ｂを受け取り、集束されたシーン２０２の複数の要素の一部にともなう光２１２ｃを一次元光一様化素子アレイ２０８に向ける。一次元光一様化素子アレイ２０８は結像光学系２０６から集束されたシーン２０２の複数の要素の一部にともなう光２１２ｃを受け取り、集束されたシーン２０２の複数の要素の一部にともなう光２１２ｃを一様化する。本例において、一次元光一様化素子アレイ２０８は、分光計２１０に隣接して配置されたフレームまたはその他の機械装置によって一緒に保持された個々の光一様化素子２２２（４素子が示されている）でつくられる。分光計２１０は一次元光一様化素子アレイ２０８から一様化されたシーン２０２の複数の要素の一部にともなう光２１２ｄ（図２Ｂ〜２Ｄを見よ）を受け取る入射スリット２１６を有する。さらに、分光計２１０は、入射スリット２１６を通過した、一様化された光２１２ｄを用いてシーン２０２にともなう複数の要素の一部のスペクトル構造を測定するための検出器２１８（例えば焦平面アレイ検出器２１８）を有する。検出器２１８からの出力（実世界シーン２０２のスペクトル構造）を分析するため、プロセッサ及び（プロセッサ実行可能コンピュータプログラムを収めている）メモリを有するコンピュータ（図示せず）を用いることができるであろう。あるいは、本例のハイパースペクトルイメージングシステム２００には、プッシュブルーム走査が用いられれば、走査ミラー２０４を組み込む必要がないであろう。いずれの場合にも、シーン２０２がシステム２００に対して移動するかまたは（例えば）航空機に搭載されたシステム２００がシーン２０２に対して移動するであろう。
【００１９】
図２Ｂを参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、矩形導波路内の一様化過程の詳細を示す、一次元光一様化素子アレイ２０８からの光一様化素子２２２の一実施態様の側面図が示されている。図示されるように、受け取られた光２１２ｃの一部からの光線２１ｃ'が光一様化素子２２２の入力端面２２３ａの一点２２４において狭い円錐角（狭い角度広がり）で集束する。入力端面２２６ａにおいて狭い角度広がりを有する光線２１２ｃ'は光一様化素子２２２の中央領域２２６ｂ内において様々な角度で反射するであろう。中央領域２２６ｂ内における反射後、光線２１２ｃ'は、光一様化素子２２２の入力端面２２６ａで受け取られた光線２１２ｃ'に比較して広い角度範囲（広い角度広がり）をもって、複数の点２２８ａ，２２８ｂ及び２２８ｃにおいて光一様化素子２２２の出力端面２２６ｃをでる。見て分かるように、光一様化素子２２２は受け取った光線２１２ｃ'をスクランブルし、よって出力端面２２６ｃにおける光線２１２ｄ'の空間分布、角度分布及び偏波分布は、入力端面２２６ａで受け取られた光線２１２ｃ'の空間分布、角度分布及び偏波分布よりもかなり一様である。
【００２０】
図２Ｃを参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、光一様化素子２２２の入力端面２２６ａに光散乱素子２２８（または回折素子２２８）を取り付けることによって強化された、一次元光一様化素子アレイ２０８からの１つの光一様化素子２２２の側面図が示されている。散乱素子２２８は中央領域２２６ｂにおける導波路の一様化を強めるように機能する。散乱素子２２８を用いることの利点を示すため、必要に応じて取り付けられる散乱素子２２８が存在しない場合には光線２１２ｃ'（短破線）がいかなる一様化も受けずに中央領域２２６ｂを出ることになるであろう状況があり得る。しかし、必要に応じて取り付けられる散乱素子２２８の存在は光線２１２ｃ'（長破線）を点‘ａ’から発するように見せ、この場合、光線２１２ｃ'が点‘ａ’から発していれば光線２１２ｃ'は光一様化素子２２２の中央領域２２６ｂによって十分に一様化されるであろう。例えば、一様化素子入力端面２２６ａに配置される散乱素子２２８は、様々な表面勾配において様々な方向に光を屈折する粗く研削された表面、内部屈折率の変化により様々な方向に光を屈折する乳白色のガラス、または位相差を導入してランダム化された干渉を生じさせる光回折素子でつくることができる。
【００２１】
図２Ｄを参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、矩形導波路（中央領域２２６ｂ）内の一様化過程の詳細を示す、一次元光一様化素子アレイ２０８の斜視図が示されている。図示されるように、一次元光一様化素子アレイ２０８は、上下に重ねて配置され、それぞれが光線２１２ｃの一部を受け取るように配置され、光線２１２ｃのそれぞれの部分を個々に一様化して一様化された光線２１２ｄを出力する、（例えば）４つの光一様化素子２２２を有する。光一様化素子２２２は、全反射を用いる光導波路、内部が中空であり反射性内表面を用いる光パイプ、または疑似ランダムパターンで小分を重ね合わせる微小プリズム光学素子でつくることができる。本例において、それぞれの光一様化素子２２２は、方形の入力端面２２６ａ、方形の入力端面２２６ａの対角線より数倍大きい長さを有する正方形の中央領域２２６ｂ及び方形の出力端面２２６ｃを有する。あるいは、それぞれの光一様化素子２２２は、矩形の入力端面２２６ａ、矩形の中央領域２２６ｂ及び矩形の出力端面２２６ｃを有することができる。実際上、それぞれの光一様化素子２２２は、出力端面２２６ｃにおける光線２１２ｄの空間分布、角度分布及び偏波分布が入力端面２２６ａにおける光線２１２ｃの空間分布、角度分布及び偏波分布よりもかなり一様であるようにそれぞれの光一様化素子２２２が受け取った光線２１２ｃをスクランブルする限り、いかなる形状も有することができる。しかし、光ファイバフェイスプレートに用いられるファイバアレイは一様化に有効ではないことが実証されているから、一次元光一様化素子アレイ２０８をそのようなファイバアレイとすることはできない。
【００２２】
図２Ｅを参照すれば、（一次元光一様化素子アレイ２０８を用いない）従来のハイパースペクトルイメージングシステム及び（一次元光一様化素子アレイ２０８を用いる）本例のハイパースペクトルイメージングシステム２００を用いる測定におけるスペクトルシフトへの非一様照明の効果を示すグラフがある。このグラフにおいて、Ｘ軸は波長（ｎｍ）を表し、Ｙ軸は強度（任意単位）を表す。実線２３０は、１０６４ｎｍに中心をもつ、ガウス型で、半値全幅（ＦＷＨＭ）が２０ｎｍの、入力スペクトルである。短破線２３２は従来のハイパースペクトルイメージングシステムを用いた右側方照明による測定の結果であり、入力スペクトルが３ｎｍ変位した４ｎｍ矩形を有する右側方照明装置関数とたたみ込まれている。見て分かるように、右側方照明による測定値は３ｎｍシフトし、これは望ましくない。対照的に、見て分かるように、本例のハイパースペクトルイメージングシステム２００は、入力スペクトルを一様照明に対する１０ｎｍ矩形装置関数とたたみ込んでいる測定の結果である長破線２３４によって、この問題に対処している。本例のハイパースペクトルイメージングシステム２００が克服する他の効果には、入射角による装置応答関数の幅の変化、シーンの偏波における変動による測定される信号の変化、及び要素より小さい照明変動による信号の変化がある。
【００２３】
図３を参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう、実世界シーン３０２のスペクトル構造を測定するように構成された一例のハイパースペクトルイメージングシステム３００に関する図面がある。図示されるように、本例のハイパースペクトルイメージングシステム３００は、（レンズ３０４として示されるが、レンズ、ミラーまたはレンズとミラーの組合せの系とすることができるであろう）第１の結像光学系３０４，二次元光一様化素子アレイ３０６，（レンズ３０８として示されるが、レンズ、ミラーまたはレンズとミラーの組合せの系とすることができるであろう）第２の結像光学系３０８，及び分光計３１０を備える。第１の結像光学系３０４（例えば凸形の第１のレンズ３０４）はシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ａを受け取り、集束されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｂを二次元光一様化素子アレイ３０６に向ける。二次元光一様化素子アレイ３０６は第１の結像光学系３０４から集束されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｂを受け取り、次いで集束されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｂを一様化する。二次元光一様化素子アレイ３０６は、フレームまたはその他の機械装置によって一緒に保持された、個々の光一様化素子３１４（１６素子が示されている）でつくられる。それぞれの光一様化素子３１４は、入力端面３１８ａ，中央領域３１８ｂ及び出力端面３１８ｃを有し、入力端面３１８ａはシーン３０２の要素の１つにともなう光３１２ｂを受け取るように構成され、中央領域３１８ｂは受け取ったシーン３０２の要素の１つにともなう光３１２ｂを一様化し、よって出力端面３１８ｃをでる一様化された光３１２ｃの空間分布、角度分布及び偏波分布は入力端面３１８ａにおいて受け取られた光３１２ｂのそれらの分布よりも一様である（図２Ｂも見よ）。望ましければ、散乱素子３２０（または回折素子３２０）を選んで光一様化素子３１４の入力端面３２８ａに取り付けることができる（図２Ｃを見よ）。第２の結像光学系３０８（例えば凸形の第２のレンズ３０８）は、二次元光一様化素子アレイ３０６から一様化されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｃを受け取り、集束されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｄを分光計３１０に向ける。分光計３１０は第２の結像光学系３０８から、一様化され、集束されたシーン３０２の要素の全てにともなう光３１２ｄを受け取る入射開口３２０を有する。さらに、分光計３１０は入射開口３２０を通過した、集束一様化光３１２ｄを用いてシーン３０２の全ての要素のスペクトル構造を測定するための検出器３２２（例えば焦平面アレイ検出器３２２）を有する。検出器３２２からの出力（実世界シーン３０２のスペクトル構造）を分析するため、プロセッサ及び（実行可能コンピュータプログラムを格納している）メモリを有するコンピュータ（図示せず）を分光計３１０に接続することができる。
【００２４】
上記説明から、当業者は、一次元光一様化素子アレイ２０８を組み込んでいるハイパースペクトルイメージングシステム２００が実世界シーン２０２の一部（スライス）のスペクトル構造を有効に測定できることを理解するであろう。この実施態様において、シーン２０２のそれぞれの要素は独立に一様化され、この独立一様化はシーン２０２の垂直方向空間分解能を維持する。当業者は、二次元光一様化素子アレイ３０６を組み込んでいるハイパースペクトルイメージングシステム３００が実世界シーン３０２の全体のスペクトル構造を、同時に、有効に測定できることも理解するであろう。この実施態様において、二次元光一様化素子アレイ３０６は、実世界シーン３０２の空間分解能を維持するため、分光計の検出器アレイ３２２の寸法及びピッチに整合するように設計された寸法及びピッチを有する。実際上、ハイパースペクトルイメージングシステム１００，２００及び３００は光一様化素子アレイ１０６，２０８及び３０６を組み込んでいることで、光学的実世界シーン１０２，２０２及び３０２を、光一様化素子アレイが組み込まれていない場合に見えるであろうよりも、一様に見えるようにする。理想的には、光一様化素子アレイ１０６，２０８及び３０６は実世界シーン１０２，２０２及び３０２の空間測定値及びスペクトル測定値を劣化させないように設計される。
【００２５】
当業者は、本明細書に与えられる説明は分光計を備えるハイパースペクトルイメージングシステムに関しているが、本発明は、受動光フィルタ、音響光学可調フィルタ（ＡＯＴＳ）または液晶可調フィルタ（ＬＣＴＦ）のような能動光フィルタ、及びフーリエ変換イメージングシステムに基づくシステムのような、他のハイパースペクトルシステムにも同様に適用されることを理解し、認めるであろう。さらに、当業者は本発明が多くの利点を有し、その内のいくつかには（例えば）、
（１）スペクトル雑音の低減は感度を高めることによってハイパースペクトルイメージングシステムの性能を向上させる、及び
（２）スペクトル雑音の低減は較正装置の非一様性への感度を低めることによって較正の時間及び費用を低減する、
があることを認めるであろう。
【００２６】
一用途において、ハイパースペクトルイメージングシステムはシーン対象をそれぞれのスペクトルの特徴に基づいて同定するために用いることができる。第１の分析ステップにおいて、シーン対象と対象のスペクトル特性の間の一意的な相関を引き出すために、ハイパースペクトルイメージングシステムを用いて取り込まれたハイパースペクトルシーンのセットが用いられる。有用な相関の決定には、大量のデータの取込みがともなうから、費用がかかることが多い。第２の推定ステップにおいて、分析ステップにおいて用いられなかった新しいシーンからのスペクトル特徴が、新しいシーンセット内の対象を分類（同定）するために、先に決定された相関と組み合わされる。これまでのハイパースペクトルイメージングにおける最も重大な難題の１つは、１つのハイパースペクトルイメージングシステムで引き出された相関をとり、これを推定ステップにおいて第２のハイパースペクトルイメージングシステムによって適用することである。１つのハイパースペクトルイメージングシステムから別のハイパースペクトルイメージングシステムへの相関の移転は、シーン対象と対象のスペクトルの特徴の間の相関の引き出しにかかる費用のため、極めて望ましい。ハイパースペクトルイメージングシステムを較正して同等のシーン対象物から同等なスペクトル特徴を生成するために多大の努力が払われたが、本質的な成功には至っていなかった。本質的な成功に至らなかった理由は、シーンのスペクトル雑音はシーンの詳細と機器の詳細の複合であるが、較正プロセスでは機器の詳細を有効に取り除くことができないことである。したがって、シーンのスペクトル雑音が２つのハイパースペクトルイメージングシステム間の相関の有効な移転を妨げていた。本発明は、シーン雑音を低減して、分析過程中にシーン対象とそれぞれのハイパースペクトル特徴の間のより優れた相関を生成することで、この問題に対処する。加えて、シーン雑音を低減することで、本発明は後のシーンにおけるそれぞれのスペクトル特徴から対象のより優れた推定を生じさせる。また、シーン要素における非一様性を取り除くことで、本発明は、一様なソースを用いる較正により公称上同等であるとされたハイパースペクトルイメージングシステム間のスペクトル相関の移転を可能にする。
【００２７】
本発明の複数の実施形態を添付図面に示し、上記の詳細な説明で説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されず、添付される特許請求の範囲に述べられ、定められるような、本発明を逸脱することなく、数多くの再構成、改変及び置換が可能であることは当然である。本明細書に用いられる「本発明」または「発明」が実施形態例に関し、添付される特許請求の範囲に包含される全ての実施形態に関する必要はないことにも注意すべきである。
【符号の説明】
【００２８】
１００，２００    ハイパースペクトルイメージングシステム
１０２，２０２    実世界シーン
１０４，２０６    結像光学系
１０６，２０８    光一様化素子アレイ
１０８，２１０    分光計
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃ    光
１１４，２１６    入射開口（入射スリット）
１１６，２１８    検出器
２０４    走査ミラー
２２２    光一様化素子
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2014506679.tif 000006
【図２Ｄ】
2014506679.tif 000007
【図２Ｅ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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