(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多機能イメージャであって、
離れたシーンから電磁放射を受け取るように構成されたイメージング光学サブシステムと、
前記シーンの画像を生成するように構成された焦点面アレイと、
偏光計サブシステムが前記電磁放射を受け取り、偏光された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記偏光計サブシステムが前記電磁放射を前記焦点面アレイに通す実質的に透明な第１の開口として構成されるオフ状態との間を電気的に切り替え得るプログラマブル偏光計サブシステムであって、
入力面と、前記入力面に隣接する第１面と、前記入力面に対向する第２面と、前記入力面に隣接し前記第１面に対向する出力面とを有し、前記入力面を介して前記電磁放射を受け取るように構成された偏光ビームスプリッティングキューブと、
前記入力面に隣接して配設された３つの切り替え可能位相遅延器と、
前記第１面に隣接して配設されたアクロマートな１／４波長板と、
前記アクロマートな１／４波長板から外側方向に配設された第１ミラーと、
前記第２面に隣接して配設された１つの第１切り替え可能１／４波長板と、
前記第１切り替え可能１／４波長板から外側方向に配設された第２ミラーと、
を有するプログラマブル偏光計サブシステムと、
前記偏光計サブシステムと前記焦点面アレイとに光学的に結合したプログラマブル分光イメージングサブシステムであって、分散器が入射電磁放射をスペクトル分散して、スペクトル分散された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記分散器が前記電磁放射を前記焦点面アレイに通過させる実質的に透明な第２の開口として構成されるオフ状態との間で構成可能な電気的に切り替え可能な分散器を含むプログラマブル分光イメージングサブシステム
とを有する、
多機能イメージャ。
【請求項２】
前記３つの切り替え可能位相遅延器は液晶セルである、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項３】
前記液晶セルは高分子分散ネマチック液晶である、
請求項２に記載の多機能イメージャ。
【請求項４】
前記電気的に切り替え可能な分散器は光学的フェーズドアレイを含む、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項５】
前記電気的に切り替え可能な分散器は電圧制御ＭＥＭＳ格子を含む、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項６】
前記電気的に切り替え可能分散器は、
第１の受動偏光格子と、
第２の受動偏光格子と、
前記第１と第２の受動偏光格子の間に配置された切り替え可能半波長板とを含む、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項７】
前記プログラマブル分光イメージングサブシステムは、前記偏光計サブシステムと前記電気的に切り替え可能分散器との間に配置された第２切り替え可能１／４波長板をさらに有する、
請求項６に記載の多機能イメージャ。
【請求項８】
前記イメージング光学サブシステムは、
前記電磁放射を受け取り、前記電磁放射を前記プログラマブル偏光計サブシステムに向けるように構成された対物レンズと、
前記電磁放射と、前記偏光された電磁放射とを前記焦点面アレイ上にフォーカスするように構成された残余光学系とを有する、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項９】
前記焦点面アレイは可視及び赤外の電磁放射をイメージングするように構成されたデュアルバンド焦点面アレイである、
請求項１に記載の多機能イメージャ。
【請求項１０】
多機能イメージャであって、
離れたシーンから電磁放射を受け取るように構成されたイメージング光学サブシステムと、
前記シーンの画像を生成するように構成された焦点面アレイと、
偏光計サブシステムが前記電磁放射を受け取り、偏光された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記偏光計サブシステムが前記電磁放射を前記焦点面アレイに通す実質的に透明な第１の開口として構成されるオフ状態との間を電気的に切り替え得るプログラマブル偏光計サブシステムであって、
入力面と、前記入力面に隣接する第１面と、前記入力面に対向する第２面と、前記入力面に隣接し前記第１面に対向する出力面とを有し、前記入力面を介して前記電磁放射を受け取るように構成された偏光ビームスプリッティングキューブと、
前記入力面に隣接して配設された少なくとも２つの切り替え可能位相遅延器と、
前記第１面に隣接して配設されたアクロマートな１／４波長板と、
前記アクロマートな１／４波長板から外側方向に配設された第１ミラーと、
前記第２面に隣接して配設された１つの第１切り替え可能１／４波長板と、
前記第１切り替え可能１／４波長板から外側方向に配設された第２ミラーと、
を有するプログラマブル偏光計サブシステムと、
前記プログラマブル偏光計サブシステムと前記焦点面アレイとに光学的に結合したプログラマブル分光イメージングサブシステムであって、分散器が入射電磁放射をスペクトル分散して、スペクトル分散された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記分散器が前記電磁放射を前記焦点面アレイに通す実質的に透明な第２の開口として構成されるオフ状態との間で構成可能な電気的に切り替え可能な分散器であって、
第１の受動偏光格子と、
第２の受動偏光格子と、
前記第１と第２の受動偏光格子の間に配置された切り替え可能半波長板と、
前記プログラマブル偏光計サブシステムと前記電気的に切り替え可能分散器との間に配置された第２切り替え可能１／４波長板とを含む電気的に切り替え可能な分散器を含むプログラマブル分光イメージングサブシステムと
を含む、分光イメージングサブシステムとを有する、
多機能イメージャ。
【請求項１１】
前記入力面に隣接して配設された少なくとも２つの切り替え可能位相遅延器は、前記入力面に隣接して配設された少なくとも３つの切り替え可能位相遅延器を含む、
請求項１０に記載の多機能イメージャ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願との相互参照】
【０００１】
本願は、同時継続中の米国出願第１４／３４０，０７２号（発明の名称「ＭＵＬＴＩＦＵＮＣＴＩＯＮ  ＩＭＡＧＥＲ」、出願日２０１４年７月２４日）の優先権と利益を主張するものである。米国出願第１４／３４０，０７２号は、米国仮出願第６１／９１５，６５２号（発明の名称「ＭＵＬＴＩＦＵＮＣＴＩＯＮ  ＩＭＡＧＥＲ」、出願日２０１３年１２月１３日）の優先権と利益を主張するものである。これらの出願はそれぞれ、すべての目的において、ここにその全体を参照援用する。
【背景技術】
【０００２】
さまざまなタイプのイメージャまたはカメラがある。従来のデジタルカメラは、シーン中の強度と色の空間的分布を捉え、通常は２次元の画素配列を含む検出器、例えば焦点面アレイ（ＦＰＡ）を用いている。
【０００３】
「偏光イメージャ」または「偏光計」は偏光でシーンを見ることができるカメラである。最終結果として被写体から反射された光の偏光状態を検出及び分析できる。偏光状態は被写体の方向、組成、及び表面の粗さに敏感である。人工物から戻る光は大きく偏光している傾向にあり、一方自然物は多くの場合そうではない。これは枝葉で隠された車両など、隠蔽された人工物を識別する有用な弁別器であることが証明されている。画像を見る偏光は選択可能であることが好ましく、画像の偏光状態の空間的変化は画素ごとに捉えられる。
【０００４】
偏光計から集めたデータは、空間２次元と概念的な偏光１次元とを有する３次元の強度データキューブＩ（ｘ，ｙ，ｐ）として構成され得る。実際には、偏光状態は４次元ベクトルであり、「ｐ」軸は４つの値を有する。２次元空間格子の各画素における強度は、十分な数の偏光状態が偏光空間（偏光場を非偏光、部分的偏光、または任意的偏光として完全に指定する４次元ストークスベクトルの成分など）を張るように時系列で記録されてもよい。偏光計は本来的に計算イメージャである。データは（データキューブとして）集められ、偏光状態の等高線で画像を提示するトモグラフィー技術により処理される。データキューブが分かれば、任意の偏光の画像を再構成できる。あるいは、同じデータを後処理して、目標シーンから反射され又は放射された光の複素偏光係数を画素ごとに与えることができる。
【０００５】
従来の偏光計は複数の回転偏光素子（偏光子、位相遅延器、またはフィルタ）を用い、時系列の露光とその後の後処理とにより、シーンの完全な偏光状態をマップ化する。このような機器は、動いている目標を、または動いているプラットフォームから静止している目標を撮影するほど高速ではない。
【０００６】
他のタイプの偏光計が「スナップショット」偏光計として知られている。これはすべての画像画素のすべての偏光データが１回の露光で、回転またはスキャンするコンポーネントを使わずに収集されるものである。スナップショット偏光計の一例には、焦点面アレイに直接取り付けられた固定型小型偏光子アレイを含む。偏光子の３つの方向は、４つのストークスベクトル成分のうち最初の３つをサンプルするために提供される。円偏光に関する情報は収集されない。ＦＰＡの４つの画素を用いて、偏光画像の１つの画素を表す。最近、空間多重化と複素処理とを用いて１回の測定でストークスベクトルを完全に捉えることができる偏光計が開発された。検出器アレイの１回の露光で完全な偏光情報が得られるかも知れないが、偏光情報を回復するのに用いる空間変調の帯域が限定されているので、測定精度が限定され、要する処理時間が大きい。
【０００７】
スペクトルイメージャはシーンから空間及びスペクトルデータを収集し、オブジェクトデータキューブは各空間座標における一波長範囲の強度Ｉ（ｘ，ｙ，λ）を含む。スペクトル情報は、格子またはプリズムで入力光を検出器アレイ上に分散することにより得られる。焦点面アレイの２次元性と、オブジェクトデータキューブの３次元性とのため、データ収集には一般的に少なくとも１次元でのスキャンが必要である。スペクトルイメージャは一般的に「押しぼうき（ｐｕｓｈ  ｂｒｏｏｍ）」データ収集システムを用い、それにより画像がスリットによりサンプリングされ、プリズムに投影され、プリズムがスリットビームを、焦点面アレイをカバーするように分散する。スペクトルは焦点面アレイ上の列ベクトルとして収集され、１つの空間次元の各画素（ｘ，λ）に対して１つの列である。プロセスは繰り返され、スリットを画像にわたり動かし、第２の空間次元の行ｙの各画素に対して１つのフレームを収集する。最終結果は１次元のスペクトル画像（ｘ，λ）の系列であり、画像の数は第２の次元の焦点面アレイ画素の数に等しい。かかるスペクトルイメージャは、本来的に計算光学システムであり、すべてのデータが収集され処理されるまで画像は得られない。一般的に、どのスペクトル成分の２次元画像も、コンピュータトモグラフィー技術によりデータキューブから再構成され得る。かかるスペクトルイメージングはリモートセンシングに広く使われている。利用される他のスキャン手法には、ｗｈｉｓｋｂｒｏｏｍ、回転フィルタホイール、及び回転プリズムが含まれる。フーリエ変換イメージング分光器は、干渉計の光路長差を機械的にスキャンして、それにより偏光情報を分離できる空間変調を提供する。各場合において、スキャンによりデータ取得スピードが限定され、静止したプラットフォームから静止した画像を収集するのがやっとである。
【０００８】
偏光計について、スペクトルイメージャにおける最近の進歩により、シングルスナップショット（非スキャン型）スペクトルイメージャが作られ、それにより全データキューブが１回の露光で、可動パーツ無しで収集される。スナップショットスペクトルイメージャの一例は、コンピュータトモグラフィーイメージング分光計（ＣＴＩＳ）である。ＣＴＩＳはコンピュータ生成ホログラムを分散器として用い、トモグラフィー処理を用いて各画像画素におけるスペクトルを回復する。ＣＴＩＳ機器の処理時間は、まだ比較的長く、すべての回折次数を同時に収集するには特大のＦＰＡが必要である。さらにまた、画像再構成はデータキューブのサンプリングが不完全であるとの問題がある。これは回折角の範囲が制限されているためである（ミッシングコーン問題）。
【０００９】
偏光スペクトルイメージャは、比較的新しいクラスのイメージャであり、シーンから任意の偏光で見たスペクトルデータを収集できる。偏光スペクトルイメージャのデータキューブは、４次元ボリュームであり、２つの空間座標、波長、及び偏光ｐを含み、通常はストークスベクトル成分により表される：Ｉ（ｘ，ｙ，λ，ｐ）。従来、４つのストークスベクトル成分のそれぞれの波長を連続的にスキャンすることにより、いわゆる分光偏光ハイパーキューブが測定されている。これは時間がかかるオペレーションである。
【発明の概要】
【００１０】
態様と実施形態は、従来のデジタルカメラ、イメージング光学偏光計、分光イメージャ、または偏光計分光イメージャ、またはこれらの任意の組み合わせとして動作可能な多機能光学イメージングシステムに関する。従来のイメージャはこれらの機能を別々に、または良くても２つの組み合わせで実行する。さらにまた、従来のイメージャは、本発明の態様と実施形態により実現される、選択された機能を電気的にオフする機能を欠いている。
【００１１】
一実施形態では、多機能イメージャは、離れたシーンから電磁放射を受け取るように構成されたイメージング光学サブシステムと、前記シーンの画像を生成するように構成された焦点面アレイと、偏光計サブシステムが前記電磁放射を受け取り、偏光された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記偏光計サブシステムが前記電磁放射を前記焦点面アレイに通す実質的に透明な第１の開口として構成されるオフ状態との間を電気的に切り替え得るプログラマブル偏光計サブシステムとを含む。
【００１２】
一例では、前記プログラマブル偏光計サブシステムは、少なくとも２つの切り替え可能位相遅延器と、線形偏光子とを有する。一例では、前記線形偏光子は、入力面と、前記入力面に隣接する第１面と、前記入力面に対向する第２面と、前記入力面に隣接し前記第１面に対向する出力面とを有し、前記入力面を介して前記電磁放射を受け取るように構成されている偏光ビームスプリッティングキューブと、前記第１面に隣接して配設された無彩色１／４波長板と、前記無彩色１／４波長板から外側方向に配設された第１ミラーと、前記第２面に隣接して配設された切り替え可能１／４波長板と、前記切り替え可能１／４波長板から外側方向に配設された第２ミラーとを有する。少なくとも２つの切り替え可能位相遅延器は、高分子分散ネマチック液晶などの液晶セルであってもよい。多機能イメージャは、前記偏光計サブシステムと前記焦点面アレイとに光学的に結合した分光イメージャをさらに有してもよい。他の一例では、多機能イメージャはさらに、前記偏光計サブシステムと前記焦点面アレイとに光学的に結合したプログラマブル分光イメージングサブシステムをさらに有し、前記分光イメージングサブシステムは、分散器が入射電磁放射をスペクトル分散して、スペクトル分散された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記分散器が実質的に透明な第２の開口として構成されるオフ状態との間で構成可能な電気的に切り替え可能な分散器を含む。一例では、前記電気的に切り替え可能な分散器は光学的フェーズドアレイを含む。他の一例では、前記電気的に切り替え可能な分散器は電圧制御ＭＥＭＳ格子を含む。他の一例では、前記電気的切り替え可能分散器は、第１の受動偏光格子と、第２の受動偏光格子と、前記第１と第２の受動偏光格子との間に配置された切り替え可能半波長板とを含む。一例では、前記プログラマブル分光イメージングサブシステムは、前記偏光計サブシステムと前記電気的切り替え可能分散器との間に配置された切り替え可能１／４波長板をさらに有する。他の一例では、前記イメージング光学サブシステムは、前記電磁放射を受け取り、前記電磁放射を前記プログラマブル偏光計サブシステムに向けるように構成された対物レンズと、前記電磁放射と、前記偏光された電磁放射とを前記焦点面アレイ上にフォーカスするように構成された残余光学系とを有する。一例では、前記焦点面アレイは可視及び赤外の電磁放射をイメージングするように構成されたデュアルバンド焦点面アレイである。
【００１３】
他の一実施形態では、多機能イメージャは、離れたシーンから電磁放射を受け取るように構成されたイメージング光学サブシステムと、前記シーンの画像を生成するように構成された焦点面アレイと、前記偏光計サブシステムと前記焦点面アレイとに光学的に結合したプログラマブル分光イメージングサブシステムであって、分散器が入射電磁放射をスペクトル分散して、スペクトル分散された電磁放射を前記焦点面アレイに提供するオン状態と、前記分散器が前記電磁放射を前記焦点面アレイに通す実質的に透明な第２の開口として構成されるオフ状態との間で構成可能な電気的に切り替え可能な分散器を含む、前記分光イメージングサブシステムとを有する。
【００１４】
さらに他の態様、実施形態、及びこれらの態様と実施形態の利点とを以下に詳細に説明する。ここに開示の実施形態は、ここに開示の原理の少なくとも１つと一貫性のある方法で、他の実施形態と組み合わせても良い。「一実施形態」、「幾つかの実施形態」、「別の一実施形態」、「さまざまな実施形態」、「１つの実施形態」などと言うとき、必ずしも相互に排他的ではなく、説明するある特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すことを意図している。かかる用語の使用は必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付した図面を参照して、少なくとも一実施形態のさまざまな態様を以下に説明するが、図面は縮尺通りに描いたものではない。図面は例示、及びさまざまな態様と実施形態の理解のために含まれ、本明細書に組み込まれその一部を構成しているが、本発明の限界を確定するものではない。図中、さまざまな図に示された同一のまたはほぼ同一のコンポーネントは、同じ数字で表されている。図面によってはラベルを付していないコンポーネントもあるが、これは説明を明りょうにするためである。図中、
【図１】本発明の態様による多機能イメージャの一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の態様による、図１の多機能イメージャのサブシステムの例を示すブロック図である。
【図３】本発明の態様による組み合わせ偏光計及びカメラ多機能イメージャの一例を示すブロック図である。
【図４】本発明の態様による、図３の多機能イメージャのサブシステムの例を示すブロック図である。
【図５】本発明の態様による組み合わせ分光計及びカメラ多機能イメージャの一例を示すブロック図である。
【図６】本発明の態様による多機能イメージャの他の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
偏光及び分光イメージャは知られているが、従来のデバイスは偏光計イメージャまたは分光計イメージャとして独立に動作できず、微少光の場合にカメラ動作モードにすることもできない。また、異なる機能を提供するため二以上の機器を用いるとき、その異なる機器により撮られた画像間にレジストレーションエラーがある。
【００１７】
態様と実施形態は、偏光計の偏光コンポーネントと分光計の分散素子とを、各機能が独立に止められるように実装し、それぞれの光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）を開口にすることに関する。この構成により、偏光計、スペクトル撮像装置、及びカメラを共通の光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）でカスケードし、ある時にどの機能を動作させるかプログラム的に選択することができる。プログラマブルコンポーネントにより偏光計及びスペクトル分散機能を独立にオン・オフできるので、本機器は、空間情報のみ（カメラ）、偏光データのみ（偏光計）、スペクトルデータのみ（スペクトル撮像装置）、またはこれらの機能の組み合わせの収集に使ってもよい。このように、偏光計、分光イメージング、及び強度イメージングは、１台の機器に結合され、さまざまな機能が任意の組み合わせで独立かつプログラム可能に選択できる。ここに開示される多機能イメージャの実施形態は、光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）から得られるすべての情報を収集して、同じ検出器アレイ上に対応する画像を形成してもよい。このように、複数の機器間のレジストレーションの問題を未然に防ぐ。
【００１８】
本技術分野において「多機能」との用語はマルチバンドイメージャを記述するものとして使われているが、ここでは、「多機能（ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ）」との用語は、複数種類の画像、すなわち強度画像、分光画像、及び／又は偏光画像を生成し得るイメージャすなわちカメラを言う。
【００１９】
言うまでもなく、ここに説明する方法及び装置の実施形態は、以下の説明に記載された、又は添付の図面に図示された構成の詳細やコンポーネントの配置には限定されない。本方法と装置は、他の実施形態に実装することもでき、さまざまな態様で実施され得る。例示のみを目的としてここに具体的な実装の例を示すが、限定を意図するものではない。また、ここで用いる用語は、説明を目的としたものであり、限定するものと解すべきではない。ここで「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」「ｈａｖｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ」、及びこれらの変形は、その後に列挙された追加的アイテムを含むことを意味する。「又は（ｏｒ）」との言葉は包含を意味し、「又は」を用いて記述する言葉はどれも記載された言葉の１つ、２つ以上、及び全部を含み得る。
【００２０】
図１を参照して、多機能イメージャの一例のブロック図を示すが、これは偏光計サブシステム１１０、分光イメージングサブシステム１２０、及び強度を空間的に記録する焦点面アレイ１３０を含む。イメージャはさらに、離れたシーンの画像１５０を表す光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）１６０を受け、入射する光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）をさまざまなイメージングサブシステムに向け、光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）を焦点面アレイ１３０上にフォーカスするように構成されたイメージング光学系１４０を含む。以下、より詳しく説明するように、偏光及び分光イメージングサブシステム１１０、１２０は、アクティブであるか、透過モードに切り替えられるように構成されている。透過モードでは、サブシステムは開口として作用し、入射する光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）に大きく影響しない。このように、多機能イメージャは、偏光計及び分光イメージングサブシステム１１０、１２０を両方ともオフにしてデジタルカメラとして用いても良いし、偏光計としてだけ用いてもても良いし、分光イメージャとしてだけ用いてもよいし、偏光分光イメージャとして用いても良い。
【００２１】
図２は、図１のブロック図を拡大したものであり、実施形態による多機能イメージャを実装するのに用いてもよい構成部品の例を示す。図２に示す例では、図１のイメージング光学系１４０は対物レンズ２０５、鏡２１０、及び残余光学系２１５を含む。対物レンズ２０５は、イメージングするシーン２２５から光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）２２０を受け取り、その光をミラー２１０に向ける。ミラー２１０は、その光を偏光計サブシステム１１０と分光イメージングサブシステム１２０とに向けて反射する。リ・イメージング光学系２１５はその光（ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）を焦点面アレイ１３０にフォーカスして、画像化する。図２に示した例では、図１のプログラマブル偏光計サブシステム１１０は、プログラマブル線形偏光子２３０を含む。プログラマブル線形偏光子２３０のさまざまな例と実施形態は後で説明する。ある実施形態では、分光イメージングサブシステム１２０は、例えば、光学的フェーズドアレイの分散素子としての使用を含むスキャン方式分光イメージャと用い得る切り替え可能分散器を含んでもよい。他の実施形態では、分光イメージングサブシステム１２０はスナップショット方式（ｓｎａｐｓｈｏｔ  ｔｙｐｅ）であってもよい。この場合、このサブシステムはスキャナその他の可動パーツを有しない。後でさらに説明する。
【００２２】
分光イメージャ１２０または焦点面アレイ１３０の前に取り付けられ、偏光計としての動作に必要な偏光弁別を提供でき、一方分光データが欲しくない時には開口として機能するように電気的にディスエーブルされるように構成される偏光計サブシステム１１０のさまざまな実施形態がある。偏光計サブシステム１１０の実施形態は、偏光計コンバータと切り替え可能偏光子とを含む。偏光計コンバータは入力光を指定された偏光状態に変換して処理する。偏光コンバータの２つの実施形態は、偏光コンバータと用いることができる切り替え可能偏光子の例と共に、後で説明する。
【００２３】
図２を参照して、一実施形態では、偏光計サブシステム１１０は、２または３の切り替え可能位相遅延器２３５と線形偏光子２３０とを有する偏光コンバータを含む。図２に示した例では、２つの切り替え可能位相遅延器２３５が示されている。しかし、３遅延器デザインの場合、もう１つの遅延器をミラー２１０と線形偏光子２３０との間に示した２つの遅延器に追加して、その他は変わらずとしてもよい。一例では、線形偏光子２３０は偏光ビーム分離キューブ２４０を含む。
【００２４】
下の表１は、３遅延器構成の例における、各位相遅延器２３５の遅延と高速軸（ＦＡ）方向とを示す。表１に示した例では、線形偏光子２３０は「オン」であり、水平偏光を通し、垂直偏光を遮断するものと仮定されている。表１の最も左の列は、示した３セットの遅延器構成の各々に対して選択された偏光ベースを示す。表１に対応する例では、３つの位相遅延器２３５は、２つの半波長板（ＨＷＰ１及びＨＷＰ２）と１／４波長板（ＱＷＰ）とを含む。偏光コンバータのこのサンプルの場合、位相遅延器２３５はオンまたはオフである。位相遅延器２３５は、一定の方向と、遅延とを有する。遅延は、ゼロと、セル構造により決定される最大設定値との間の印加電圧で切り替えでき、例えば、１／４波長板（ＱＷＰ）の場合９０°であり、半波長板（ＨＷＰ）の場合１８０°である。この例では、偏光コンバータには可動パーツは無い。入力光は左から来て、偏光されてもされなくてもよい。
【００２５】
表１を参照して、３ペアの直交偏光の変換が、ビームが、（上記の通り、第３の位相遅延器２３５を含むように修正されている）図２の光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）を通って素子を進むにつれてトラッキングされる。各サンプリングベースでは、唯一の偏光状態が水平偏光に変換され、線形偏光子２３０により通過される。これは、シーン２２５が観察される偏光状態である。当業者には、本開示の助けがあれば言うまでもないが、偏光計サブシステム１１０は、代替的に、垂直などの他のベース状態で最終的な測定をするように構成されていてもよい。しかし、水平を測定ベースとして選択しても一般性は失わない。
【００２６】
さらに表１を参照して、示した遅延器の位相状態は、ストークスベクトルＳにより任意の複素偏光場を一意的に特徴付けるために取り得る６通りの偏光測定したものである。ここでＳは４成分の正規化ベクトル（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）である。Ｓ０は光ビームの総強度であり、Ｓ１は水平及び垂直偏光成分間の強度差であり、Ｓ２は±４５°に沿った偏光成分間の強度さであり、Ｓ３は右及び左円偏光成分（ＲＣＰ及びＬＣＰ）との間の強度差である。偏光光の場合、Ｓ０は上記の３つのサンプリング構成の何れかのうち２つの測定値の合計である。すなわち、水平及び垂直（Ｈ＋Ｖ）強度、または＋４５°と−４５°強度の合計、またはＲＣＰ及びＬＣＰ強度の合計である。偏光素子がすべてオフされた場合、入力される偏光状態は光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）を変わらずに伝搬する。このように、偏光計サブシステム１１０は実際上は開口になる。
【００２７】
【表１】
0006314232.tif 000002
一実施形態では、切り替え可能位相遅延器２３５は、サブストレートが、液晶分子の静止しているアライメントを提供するように準備され、セル厚みが、電圧を印加しないとき、通常の所望遅延、ここでは９０°または１８０°を有するように選択された液晶である。液晶セルは、セルを含む２つのサブストレートの内面に透明導電薄膜が備えられていてもよい。印加電圧が十分大きいと、例えば、従来のネマチック液晶の場合約１０ボルトであると、液晶分子は遅延が減少してゼロになるように再配向する。より高速に切り替わるセルの場合、高分子分散ネマチック液晶を用いてもよい。これらの高分子分散ネマチック液晶セルは、一般的に、例えば約１００ボルトの、より高い印加電圧で動作する。ある実施形態の実装のための、可視及び近赤外帯域の切り替え可能遅延器は、Ｍｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ，  Ｃｏｌｏｒａｄｏから市販されている。他の例では、切り替え可能位相遅延器２３５は、本技術分野で周知であるように、バルク電気光学遅延器を用いて実装してもよい。
【００２８】
一実施形態では、線形偏光子２３０は、好ましくは、伝搬される偏光に対して低損失である。上記の通り、一例では、線形偏光子２３０は偏光ビーム分離キューブ２４０を含み得る。その損失は、一般的には、好ましい偏光に対して１パーセント以下である。線形偏光子２３０は、水平または垂直偏光のどちらかを通す方向であり、その方向は位相遅延器２３５の構成に基づき選択してもよい。ビームスプリッタ偏光子のスループット損失を最小化するため、キューブを構成するのに用いられる２つの４５°プリズムの一方の斜辺にコーティングされた薄膜インターフェースの入射面に対して垂直である、いわゆる「ｓ」偏光成分を通す方向でなければならない。この方向の場合のスループットは、市販の偏光子の場合、一般的に約９９．５％であり、非常に広帯域である。
【００２９】
上記の通り、ある実施形態では、線形偏光子２３０は切り替え可能であり、例えば、線形偏光子はオン、オフできる。一例では、偏光子２３０は、オフのとき、光学的に透明であり、オンのとき、高減衰係数を有する偏光子である。図２を再び参照して、一実施形態では、線形偏光子は、入力に隣接する面に取り付けられたアクロマートな１／４波長板２４５と第１のミラー２５０とを有し、入力に対向する面に取り付けられた切り替え可能１／４波長板２５５と第２のミラー２６０とを有する偏光ビームスプリッタキューブ２４０を含む。図２に示すように、他の隣接する面は出力である。切り替え可能１／４波長板２５５がオンのとき、偏光ビームスプリッティングキューブ２４０は高品質偏光子として動作する。切り替え可能１／４波長板２５５がオフのとき、偏光ビームスプリッティングキューブ２４０は、入力から出力までの透明な経路として動作する。ことは、すべての偏光を通し、すべての入力放射照度が分光イメージングサブシステム１２０に透過され、位相遅延器２３０の設定によらないことを意味する。
【００３０】
この実施形態では、線形偏光子２３０が動作している時、サンプリングされた偏光状態の直交成分が吸収器に屈折されて失われる。この動作により入射シーン強度が３ｄＢ失われるが、かかる損失は、ランダム偏光された自然のシーンが、ある偏光状態で観察される時に実現される最小値である。自然にランダムな偏光光では、強度の半分は水平偏光であり、図２の光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）はその強度のほぼ全てを集め、測定する。少なくとも偏光計にともなう最低３ｄＢの損失のため、偏光計機能をオフにでき、オフ状態で線形偏光子２３０を妨げられずに通る（偏光されていない）入力光の全範囲でカメラまたは分光イメージングモードで動作する。
【００３１】
さらにまた、従来のスキャン方式分光偏光計またはコンピュータトモグラフィー方式イメージング分光偏光計（ＣＴＩＳＰ）と比較して、上記のプログラム可能偏光計サブシステム１１０は比較的高速である。シーン２２５から完全な偏光情報を得るには６回の測定が必要かも知れないが、これらの測定は非常に速く行える。例えば、切り替え可能１／４波長板２５５はポリマーネットワーク液晶波長板を用いて実装してもよく、これらは、少なくとも可視及び近赤外スペクトル帯域において、約２５から５０μｓで切り替えられる。その結果、実際には、これらの帯域における測定時間は、偏光計サブシステム１１０の再構成時間ではなく、焦点面アレイのフレームレートにより制約され得る。また、機械的スキャンによる遅延は無い。高速焦点面アレイ読み出しをするので、６回の測定は、偏光計サブシステム１１０の３０または６０Ｈｚの等価フレームレートを維持するのに十分速くし得る。
【００３２】
上記の通り、別の一実施形態では、上記の偏光計サブシステム１１０は、図２に示したように、方向が一定であり、アナログ範囲の電気的調整可能遅延を有する位相遅延器と２つの波長板と、線形偏光子２３０とを含む光学系列を有してもよい。この場合、２つの位相遅延器２３５にかかる電圧は、例えば、任意の偏光を、テーブル１の例で用いた水平偏光などの一定の基準偏光状態に変換するのに必要な一ペアの遅延を提供するルックアップテーブルを用いて調整可能であってもよい。遅延器設定は、主軸の方位角Ψとその楕円率εにより任意の偏光状態Ｐの記述から直接導かれる。遅延Ψ、水平方向に沿った高速軸を有する第１の波長板は、状態Ｐを、楕円率が等しいが、主軸が水平方向に沿った方向に向いた楕円偏光状態に変換する。遅延χ、高速軸が水平方向に対して４５°である第２の波長板は、この中間偏光状態を水平偏光に変換する。ここでχはいわゆる楕円率角であり、ｔａｎχ＝εで定義される。偏光状態のパラメータが大きさｒと位相δを有する複素偏光係数Ｒに関してのみ分かっている場合、（Ψ，ε）表現への変換は次の通りである：
【００３３】
【数１】
0006314232.tif 000003
【００３４】
【数２】
0006314232.tif 000004
上記の式において、ε＝ｔａｎχである。逆変換にたいしては同様の式が得られる。当業者には言うまでもなく、本開示の利益により、遅延器設定を決定するのに反復は必要ない。また、この構成は、逆に動作させると、水平偏光を任意の偏光状態Ｐに変換する。この偏光状態Ｐは２つの波長板２３５の遅延により一意的に指定される。
【００３５】
２波長板偏光計サブシステム１１０の一実施形態では、波長板（位相遅延器２３５）は、位相が電圧の関数として校正され、データがルックアップテーブルとして格納されているアナログモードで動作される。これは光学的フェーズドアレイに対する標準的な動作手順であり、これらの波長板と電気的に同様である。位相を約λ／１０００の精度で調整する電気的ドライバー及びソフトウェアがある。この精度は一般的なイメージングアプリケーションに必要な精度を十分超えている。２波長板偏光変換器の位相遅延器２３５は、３波長板偏光変換器に用いられるものと同じデザインであってもよい。しかし、位相遅延器の動作は異なる。２波長板構成は、所望の偏光状態の知識から計算されるアナログ遅延のためルックアップテーブルを用いる。切り替え可能線形偏光子２３０は、３波長板構成のそれと同じであってもよい。
【００３６】
波長板ベースの位相遅延器は、比較的波長依存的であり、シングルセルの場合、位相シフトは波長とは逆の変化をし得る。しかし、アクロマートな液晶位相遅延器は複数レイヤデバイスを用いて実装してもよい。例えば、本技術分野では、垂直入射減衰率が１０，０００：１であり、オフ状態の可視光帯域にわたる透過率がほぼ１００％であるｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙアライメントされた液晶１／４波長板が知られている。かかる特性により、多機能イメージャの偏光計サブシステム１１０の切り替え可能偏光子は、オフのとき非常に透明になり、オンのとき非常に偏光的になり得る。また、本技術分野において、４００−７００ｎｍ波長範囲にわたりアクロマートな応答をする切り替え可能半波長板が知られている。アクロマート遅延器で得られるよりも広い帯域カバレッジが必要な場合、入力光をプレ・フィルタリングして、より狭い帯域に分割してもよい。各帯域を別々に処理してもよい。かかる各サブバンドに対して、波長板を電気的に再プログラミングして、その帯域において性能を再最適化してもよい。この場合、全帯域性能は、ハイパースペクトル画像を処理するのに用いられるようなコンピュータを用いて、寄せ集めてしても良い。
【００３７】
一実施形態では、多機能イメージャは、従来の分光イメージャと結合された、上記の実施形態や例などのプログラマブル偏光計サブシステム１１０を含んでいても良い。このように、偏光計サブシステム１１０は、さまざまな任意の分光イメージャの前段に取り付けられるように構成され、その組み合わせを組み合わせ偏光計分光イメージャに変換し得る。分光画像は、分光イメージングソフトウェアと協調する、または協調しないソフトウェアプログラミングを用いて、任意の偏光で構成してもよい。この構成により、偏光計をオフし、分光イメージング機能を変化させず、非偏光光に対する感度を変えないこともできる。これは、偏光弁別機能により分光イメージャが偏光された入力を受ける（非偏光シーンの放射照度の半分が失われることを意味する）従来の偏光計分光イメージャと対照的である。
【００３８】
上記の通り、他の実施形態では、柔軟性を高めるために望ましいことは、多機能カメラが分光イメージャを含み、その分散素子をオフにして、（用いる場合には）スキャン手段をディスエーブルして、任意的にスリットを取り除くことである。プログラマブル分光イメージングサブシステム１２０を有する多機能イメージャの実施形態は、プログラマブルスキャニング分光イメージャまたはプログラマブルスナップショット分光イメージャを用いても良い。これらの例は後でより詳細に説明する。
【００３９】
従来のスキャニング分光イメージャは、従来の格子またはプリズムなど、一定の分散をする波長分散器を用いる。一実施形態では、プログラマブル分光イメージングサブシステム１２０は、従来の分光イメージャの一定分散器を光学的フェーズドアレイで置き換えても良い。光学的フェーズドアレイは、オフしてそれを基本的に透明な開口とできるプログラマブル格子である。
【００４０】
プリズムと格子の場合、角分散（波長による角度変化の割合、ｄθ／ｄλ）は、それぞれ変差角または回折角におおまかに比例し、光学的フェーズドアレイの最大ステアリング角は、分光イメージャで用いられる典型的なプリズムによる変差角よりはるかに小さい。しかし、光学的フェーズドアレイはプリズムより大きい角度分散を有しても良い。格子（ＯＰＡ）の分散は、１次では、ｄθ／ｄλ＝１／Λであり、ここでΛは格子周期である。プリズムの角度分散は、１次では、ｄθ／ｄλ＝α  ｄｎ／ｄλであり、ここでαはプリズム変差角であり、ｄｎ／ｄλは屈折係数分散（ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  ｉｎｄｅｘ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を表す。光学的フェーズドアレイは、約１２５ｍｒａｄ／ｍｉｃｒｏｎの角度分散に対応する約１０°までの最大ステアリング角でデモンストレーションされた。比較の為、セレン化亜鉛（ＺｎＳ）は、１ミクロン波長では非常に高分散材料であるが、セレン化亜鉛の４５°偏向プリズムは約４０ｍｒａｄ／ミクロンの角分散を有する。光学的フェーズドアレイは、最大ステアリング角が約２°であり、対応する角分散は約２５ｍｒａｄ／ミクロンであり、これは上記のプリズムの例の角分散と同等である。したがって、分散特性に基づき、光学的フェーズドアレイは、分光イメージャにおける一定プリズムの替わりとして用いても良い。これらのデバイスは同等またはより大きい分散レベルを提供し得るからである。
【００４１】
光学的フェーズドアレイは偏光に敏感である。光学的フェーズドアレイは、好ましい方向の直線偏光した光をステアリングし、直交偏光はステアリングしない。分光イメージングサブシステム１２０のある実施形態では、好ましくは、分散素子は偏光に敏感でない方がよい。したがって、一例では、分光イメージングサブシステム１２０は、偏光に敏感でなくするため、カスケードされた直交する光学的フェーズドアレイを含んでもよい。かかる例では、ネットの偏光感度は従来のプリズムや格子の偏光感度より小さくてもよい。
【００４２】
プログラマブル分光イメージングサブシステム１２０の分散素子のために光学的フェーズドアレイを用いると、高次の回折モードが１次と区別できるという追加的利点が得られる。従来の固定格子分光計の場合、自由スペクトル範囲は、１次と区別できない高次を避ける為に制約されることが多い。しかし、光学的フェーズドアレイの場合には、回折角はプログラム的に変更でき、それにより高次ローブの重なりを動かし、それを区別できるようにし得る。格子角が変わるにつれ、高次は１次より速く動く。
【００４３】
他の実施形態では、プログラマブル分光イメージングサブシステム１２０は、分光イメージャの切り替え可能分散器として用いられるＭＥＭＳ格子を含む。一例では、ＭＥＭＳ格子は電圧制御振幅格子であり、周期性は、サブストレートの上に少し上にある微細加工されたパラレルストライプ電極により提供される。電圧を印加されると、電極はサブストレートまで引き下げられ、周期的な振幅のバリエーションはなくなり、格子はオフになる。このように、ＭＥＭＳ格子に印加される電圧を制御することにより、分光イメージャの分散機能をオンにして、分光イメージング機能が提供されるようにしても、またはオフにして、分光イメージングサブシステム１２０が基本的に透明な開口として機能するようにしてもよい。
【００４４】
他の一実施形態では、プログラム可能分光イメージングサブシステム１２０の分散素子は、切り替え可能偏光格子を用いて実装してもよい。電気的に切り替え可能な偏光格子は、強度や位相ではなく偏光の周期的バリエーションを有し、結果として非常に高い効率で回折する。一例では、電気的切り替え可能偏光格子は、サブストレート上の反応性メソゲン（ｍｅｓｏｇｅｎｓ）の薄膜の格子構造に、ホログラフ的に「書き込む」ことにより、形成してもよい。切り替え可能偏光格子の特性は、従来のブラッグ格子やブレーズド回折格子の特性とは大きく異なる。例えば、切り替え可能偏光格子はより大幅に変更に対して敏感である。切り替え可能偏光格子は、右または左の円偏光を高効率で回折し、直交偏光はほとんど回折しない。切り替え可能偏光格子は３つの回折次数、すなわち０次及び±１次を有し、これらの回折次数の効率はストークスベクトル成分に比例する。結果として、切り替え可能偏光格子を用いて波長と偏光とを両方とも分散してもよい。単一偏光格子は従来のブラッグまたはブレーズド格子よりも小さい帯域幅において１に近い回折効率を有するが（例えば、中心波長の約±５０％と比較して、中心波長の約＋２５％）、対向ツイストで作られた２つのカスケードされた偏光格子は、広いスペクトルにわたりほぼアクロマート（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）であり、可視スペクトルにわたり回折効率＞９０％であり得る。
【００４５】
一実施形態では、プログラム可能分光イメージングサブシステム１２０の分散器に適した（ｓｕｅｄ）切り替え可能偏光格子は、非偏光液晶中に格子を形成することにより実装される。格子構造は低電圧（例えば、１−１０Ｖ）の印加により消え、このオフ状態ではどの入力偏光も回折されないようにしてもよい。
【００４６】
図２を再び参照して、他の一実施形態では、プログラム可能分光イメージングサブシステム１２０は、２つの同じパッシブ偏光格子２７０間に「サンドイッチ」された切り替え可能半波長板２６５を用いて実装してもよい。分光イメージングサブシステム１２０は、図示したように、偏光計サブシステム１１０と、第１のパッシブ偏光格子２７０との間に位置する１／４波長板２７５をさらに含む。パッシブ偏光格子２７０は、カスケードされた半波長板２６５の利用により回折方向に切り替えられる。右円偏光で例示したように、パッシブ格子２７０は「上向きに」回折し、左円偏光で例示したように、パッシブ格子２７０は「下向きに」回折する。円偏光入力を考えると、切り替え可能半波長板２６５がオンのとき、第２のパッシブ偏光格子２７０に入射する円偏光のセンス（ｓｅｎｓｅ）を変え、偏向方向が第１の方向に加わる。切り替え可能半波長板２６５がオフであるとき、２つのパッシブ偏向格子２７０による偏向は互いにキャンセルし、分散器は有効にオフされる。
【００４７】
１／４波長板２７５を用いて、分散器に所望の入力偏向を提供してもよい。上記の通り、偏光計サブシステム１１０の例は入力光をサンプリングし、それを水平偏向に変換する。この水平偏向は、偏光計と分光イメージングサブシステム１２０の分散器との間に位置する１／４波長板２７５により右または左円偏向にさらに変換される。パッシブ偏向格子２７０と切り替え可能半波長板２６５との組み合わせにより、従来の分光イメージャの固定格子またはプリズムを置き換えることができる。
【００４８】
焦点面アレイ１３０は、可視／近赤外アレイのように２帯域タイプのものであってもよい。かかる実施形態では、多機能イメージャは、複数の帯域において、例えば、可視または近赤外偏光計機能を有する可視分光イメージング、または可視または近赤外分光イメージング機能を有する近赤外偏光計など、分光イメージャと偏光計機能の複数の組み合わせを提供してもよい。また、偏光計サブシステム１１０と分光イメージングサブシステム１２０との両方がオフされているとき、多機能イメージャはデジタルカメラとして機能して、可視または近赤外スペクトル帯域におけるも強度画像を提供してもよい。
【００４９】
他の一実施形態では、多機能イメージャの分光イメージングサブシステム１２０は、スキャンイング分光イメージャではなく、スナップショット分光イメージャを組み込んでもよい。上記の通り、スナップショット分光イメージャは、シングルフレームの全ての情報を収集し、画像を回復する処理を行う。光学的フェーズドアレイまたは偏向格子のいずれかは、スナップショット分光イメージャの実施形態では切り替え可能分散器として用いてもよい。光学的フェーズドアレイまたは切り替え可能格子を分散器として、ここに説明する多機能イメージャの実施形態またはそのさまざまなサブセットにとって望ましいように、分光イメージング機能はオフできる。
【００５０】
分光イメージャ及び／又は偏光計は広い波長範囲にわたり画像をサンプリングするのに利用してもよい。特に、多くの弁別機能が赤外帯域にある。したがって、好ましくは、多機能イメージャのさまざまなコンポーネントは大部分の波長範囲でアクロマート（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）であってもよい。さらにまた、あるアプリケーションでは、望ましくは、コンポーネントが監視及び偵察に通常用いられる波長帯域にわたり動作可能である。切り替え可能偏光格子と半波長板とは、可視及び近赤外スペクトル帯域で動作可能である。また、これらのデバイスのうち中波長及び／又は長波長赤外線のものは、適当な材料を選択して実装してもよい。
【００５１】
図３を参照して、ある実施形態は偏光計とカメラとの組み合わせに関する。かかる実施形態では、多機能イメージャは、イメージング光学系１４０と焦点面アレイ１３０と共に、偏光計サブシステム１１０を含み得る。偏光計サブシステム１１０は、上記の通り、オン・オフできる偏光計を含む。偏光計機能がオフのとき、本装置は従来のデジタルカメラとして動作する。オフのとき、偏光計コンポーネントは、入力光（ｉｎｐｕｔ  ｌｉｇｈｔ  ｆｉｅｌｄ）の偏向を大きくは変えない。結果として、焦点面アレイ１３０は、シーン２２５からの概して偏光されていないフルレンジの反射にさらされる。この態様は、微少光動作の場合のカメラの感度を維持するのに特に望ましい。偏光計機能がオンのとき、本装置は、カメラと完全にレジストレーションされた偏光計として動作する。両方のサブシステムは同じ焦点面アレイ１３０を用いる。この構成により、光学的偏光計と強度イメージャ（カメラ）との機能の、単一装置における結合が可能である。従来の偏光計は従来のデジタルカメラとしては機能できない。
【００５２】
図４は、図３の多機能イメージャの実施形態のサブシステムを実装するために用いられ得るコンポーネントの例を示す。２遅延器または３遅延器構成は上記の通り偏光計サブシステム１１０に用い得る。どちらの構成も、上記の通り、切り替え可能線形偏光子２３０を用いても良い。焦点面アレイ１３０は、可視／近赤外アレイのように２帯域タイプのものであってもよい。この場合、本装置は、例えば、可視または近赤外カメラ機能を有する可視偏光計、または可視または近赤外カメラ機能を有する近赤外偏光計である偏光計とカメラの機能の複数の組み合わせを提供する。この装置の大きな利点は、一動作モードから他の動作モードにすばやく切り替わる機能であり、それによりオブザーバは、完全にレジストレーションされた偏光計及び強度画像とをすばやく多重化できる。
【００５３】
図５を参照して、他の実施形態は分光イメージャとカメラとの組み合わせに関する。かかる実施形態では、多機能イメージャは、イメージング光学系１４０と焦点面アレイ１３０と共に、分光イメージングサブシステム１２０を含み得る。上記の通り、分光イメージングサブシステム１２０は、分散機能をオフして、分光イメージャの光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）を有効な透明開口に変換できるように構成されている。分光イメージングサブシステム１２０は、上記の例及び実施形態を含んでも良く、プログラムでオフできる分散器としての切り替え可能偏光格子または光学的フェーズドアレイであってもよい。偏光計機能がオフのとき、本装置は従来のデジタルカメラとして動作する。分散器がオンのとき、本装置は、カメラモードからの強度画像と完全にレジストレーションされた分光イメージャとして機能する。両機能は同じ焦点面アレイ１３０を用い、同じ光学系列を有するからである。このように、本装置は、画像が同じディテクタアレイ上に形成される、単純なデジタルカメラとして、または分光イメージャとして用いることができる。この組み合わせにより、複数の装置が同じ情報を収集するために用いられ、オペレータが画像アーティファクトを解消させるために画像モード間で素早い切り替え（ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）をさせる時に、画像レジストレーションの問題を解決する。一実施形態では、焦点面アレイ１３０は、可視／近赤外例のような２帯域タイプであってもよく、この場合、本装置は、例えば、可視または近赤外カメラ機能を有する可視分光イメージャ、または可視または近赤外カメラ機能を有する近赤外分光イメージャなど、分光計イメージャとカメラ機能との複数の組み合わせを提供できる。
【００５４】
図６を参照して、他の一実施形態では、多機能イメージャは、分光イメージング機能がオフできる、偏光計と分光イメージャとの組み合わせを含んでもよい。この実施形態では、分光イメージングサブシステム１２０は、分散機能をオフして、分光イメージャの光学系列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）を有効な透明開口に変換できるように構成されている。分光イメージングサブシステム１２０は、上記の例及び実施形態を含んでも良く、プログラムでオフできる分散器としての切り替え可能偏光格子または光学的フェーズドアレイであってもよい。多機能イメージャはさらに、偏光計２８０、例えば偏光ビーム分離キューブを含む。上記の通り、１／４波長板２７５を用いて、偏光子２８０を出る光ビームの偏光を調節してもよい。この構成では、分散器がオンのとき、本装置は、組み合わせられた偏光計及び分光イメージャとして機能する。偏光計機能がオフのとき、本装置は偏光計として動作する。このように、本装置は、画像が同じ焦点面アレイ１３０上に形成される、偏光計のみとして、または偏光計分光イメージャとして用いることができる。
【００５５】
このように、態様と実施形態は、偏光計、分光イメージング、強度イメージング、またはこれらの機能の任意の組み合わせを選択的に提供できる多機能イメージャのさまざまな構成を提供する。
【００５６】
ある実施形態では、多機能イメージャは、電気的にオフできるコンポーネントを有する偏光計の偏光機能を作用させるように構成され、それにより、そう望めば偏光計機能を無くし、装置を普通のデジタルカメラにできるように構成されている。偏光計機能がオフであるとき、入来光は、偏光に大きな修正無しにカメラディテクタアレイに提示され、それにより、強度が全光の強さにより画像化される。これは微少光の場合には重要である。これらの実施形態により、偏光計及び強度モードにおいて画像の高速処理（ｒａｐｉｄ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）が可能となり、それにより画像アーティファクトがオペレータによりより容易に解消できる。ある実施形態では、分光イメージャの分散機能は、オフされ、それにより分光イメージング光学系列が透明な開口と等しくなり、装置機能がカメラのみ、または偏光計のみになるように実装される。このように、これらの機能は必要に応じてプログラム的に選択可能である。上記の通り、ある実施形態は、偏光計機能がオフできる偏光計／分光イメージャコンビネーションを提供する。幾つかの例では、切り替え可能またはプログラマブルな偏光計は、従来の分光イメージャとの組み合わせで実装してもよい。他の例では、切り替え可能またはプログラマブルな分光イメージャは、従来の偏光計との組み合わせで実装してもよい。偏光計分光イメージャのさまざまな例は本技術分野で知られているが、従来の偏光計イメージャは、偏光コンポーネントをオフして、その装置をスループットが高く処理速度が速い分光イメージャにする機能を有さない。さらにまた、偏光計イメージャは、分散機能をオフして、システムに単純なカメラまたは偏光計として動作できるようにする機能を有していない。
【００５７】
このように、ここに説明の多機能イメージャの態様及び実施形態により、従来のデバイスに無い又は提供されないさまざまなイメージングオプション及び利点を提供し得る。特に、単一の装置を用いてシーンから反射される光の特徴すべてを取得することができる。これには、各画素における光スペクトルを記録して、スペクトル情報を提供すること、各画素における光の偏光状態を記録して、偏光計情報を提供すること、スペクトル強度のバリエーションを記録することが含まれる。ある実施形態では、完全にプログラマブルな多機能イメージャにより、オペレータは、選択的かつ独立に、偏光計及び／又は分光イメージング機能をイネーブルまたはディスエーブルして、装置を再構成して、所望の画像データを提供し得る。異なる構成間の高速切り替えは、幾つかの例では、上記の通り、プログラマブル位相遅延器２３０、光学的フェーズドアレイ、及び切り替え可能偏光格子などの高速プログラマブルデバイスの利用により提供され得る。切り替え速度が速いため、さまざまな識別力のある光特性、すなわち強度、偏光、及びスペクトルから形成される画像間の高速処理（ｒａｐｉｄ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）が可能である。イメージング機能を素早く切り替え、それにより同じ被写体の異なる画像を取得する機能は、同じ画像の異なる「ビュー」を順次的に調べることを可能として、特に非理想的条件下における画像認識を改善するのに有利であり得る。例えば、貧弱な光条件下において、カメラモードだけを用いて最大の光子キャプチャが可能となり得る。偏光、スペクトル、及び従来の強度画像を、被写体の特徴をよりよく区別するため素早く換えることができる。
【００５８】
多機能イメージャにより実現される動作的柔軟性により、偏光計及び分光イメージャの両方の既存のアプリケーションに大きな価値を与え得る。同じ装置で光の測光パラメータの一部または全部を測定する機能（空間の関数として、強度、偏光、及びスペクトル）を利用できるようにすることにより、例えば、偵察、監視、及び識別アプリケーションを改良し得る。さらにまた、すべての情報を同じ焦点面アレイディテクタ上で収集することにより、別々の装置が使われた時には、空間的レジストレーションの問題が無くなる。
【００５９】
ある実施形態では、同じ装置のイメージング機能を選択する機能を有することは特に有用である。従来の単機能イメージャが最もよく適用できる条件は同じではないからである。例えば、上記の通り、従来の偏光計分光イメージャは、移動する目標に用いるには遅すぎるが、デジタルカメラは移動する目標に用いられる。偏光計のみとして動作する多機能イメージャの実施形態は、基本的に、焦点面アレイ１３０と同じベースフレームを有し、それゆえカメラモードなどの焦点面アレイのみがそうであるように、移動する目標のイメージングに好適である。同様に、多機能イメージャの実施形態は、分光イメージャのみとして動作すると、偏光サブシステムが取り付けられた分光イメージングシステムのフレームレートを有する。一部の分光イメージャはゆっくり移動する目標を画像化するには十分高速である。この場合、大きな画像認識機能は、従来の空間画像、その偏光バージョン、及び／又は同じ被写体のスペクトルバージョンとを素早く切り替えることができることにより生じる。また、多機能イメージャの柔軟性により、必要なデータのみの収集が可能となり、それにより、データ収集時間及び格納または送信するデータ量を潜在的に減らすことができる。両者はほとんどのリモートセンシングシステムで重要な考慮事項である。例えば、偏光計データは、画像化されるシーンの選択されたサブセットであって追加的弁別を提供すると期待できるもののみについて収集すればよい。偏光計データが必要ない場合、偏光計機能はオフされ、偏光計サブシステムは分光イメージャの性能を大幅に劣化しない。
【００６０】
少なくとも一実施形態の幾つかの態様を説明したが、言うまでもなく、当業者はさまざまな改変、修正、改良を思いつくだろう。かかる改変、修正、及び改良はこの開示の一部であり、本発明の開示内にある。したがって、上記の説明及び図面は単なる例であり、本発明の範囲は添付した請求項及びその等価物の構成により決定されるべきものである。
【図１】
0006314232.tif 000005
【図２】
0006314232.tif 000006
【図３】
0006314232.tif 000007
【図４】
0006314232.tif 000008
【図５】
0006314232.tif 000009
【図６】
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