(57)【要約】【課題】  本発明は、画像の空間的な完全さを維持しながら実時間で同時にスペクトルの分離した二次元画像を取得する多重スペクトル二次元結像分光計を提供する。【解決手段】  分光計１０では、内部の視野絞り２０上に二次元画像を結像する補正済み色消しレンズ１４の組み合わせを含む。この中間像からの光は、別の補正済みレンズ２４で平行光に変換される。入射光を多数の同一の独立アームへ分割するスペクトル分離サブアセンブリ２２は、コリメータレンズ２４に続く平行空間に設置される。各アームの光は、各アーム内のフィルタ３０の特性によりスペクトルがフィルタ処理される。補正済みレンズ３４で構成する結像サブアセンブリ３２は、単一の二次元検出器アレイ３６上に連続画像を形成する。その画像は、スペクトル成分が異なる元の被写体のコピーであり、標準的なモニタあるいはアナログ／デジタル変換装置を備えたコンピュータ上で観察される。【選択図】      図１
2005195610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光計の視野絞り開口と略一致する平面で、光軸に沿った位置に、被写体の中間像を作成する手段と、
前記中間像からの入射光を複数の光チャネルへ分割する手段と、
前記光チャネルの各々における前記中間像の光学状態を、所定の光学状態に変更する手段と、
検出器上に前記各光チャネルを結像させ、前記中間像の複数の二次元画像を作成する手段と、
を含む多重スペクトル二次元結像分光計であって、
前記検出器上に前記各光チャネルを結像させる手段は、軸対称に設置された単一の光学手段を有する多重スペクトル二次元結像分光計。
【請求項２】
前記中間像からの入射光を複数の光チャネルへ分割する手段は、前記光軸方向に対称に配置され、上面又は頂点を前記入射光に直面させた多面反射プリズムを有し、前記各光チャネルを変更する手段は、前記検出器上に各チャネルを結像させる手段の方へ前記複数の光チャネルの其々を差し向ける反射面を有する請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記中間像からの入射光を分割する前記手段が、平行空間に置かれる請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
被写体の中間像を作成する前記手段は、前記光軸に沿った所定の位置に先行光学系の射出瞳を配置する光学素子を含む請求項３に記載の分光計。
【請求項５】
前記各光チャネルを変更する前記手段は、該各光チャネルを結像させる手段と少なくとも一つの光学フィルタの方へ該各光チャネルを差し向ける反射面を有する請求項４に記載の分光計。
【請求項６】
前記中間像からの入射光を分割する前記手段は、開口絞りを与える手段と一致する請求項３に記載の分光計。
【請求項７】
前記各光チャネルを変更する前記手段は、該各光チャネルを結像させる手段と少なくとも一つの光学フィルタの方へ該各光チャネルを差し向ける反射面を有する請求項６に記載の分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、被写体の異なる分光成分に対応する多数の画像を形成する分光系と結像分光測定法の領域に係わるものである。より具体的には、本発明は、走査機構や数学的に集約的な再構築又は重ね合わせアルゴリズムを使用せずに画像の空間的な完全さを維持しながら実時間で同時にスペクトルの分離した二次元画像を取得するための新規の結像分光計に係わる。
【背景技術】
【０００２】
分光系とは、被写体と場面とのスペクトル（波長）成分を決定するための光学系のことである。概して、これらの系は、被写体から全エネルギーを収集する。収集されたエネルギーを構成する波長は、プリズムなどの屈折手段か回折格子などの回折手段を用いる分散素子によって分離される。これらの分散素子の一つを通過した後、波面の異なる波長成分は異なる方向へ伝播し、その強度は検出器ピクセルの一次元配列によって記録される。
【０００３】
かなり複雑な分光系が先行技術で開発された。例えば、特許文献１と２は、被写体の波長成分の検出を行う多チャネル系ついて開示している。特許文献３乃至７に記載のものでは、被写体や場面のスペクトル内容を決定するために分岐干渉方法を採用している。特許文献８、９には、光学系の精巧な一例が開示されている。すなわち、結像部品が被写体の画像をスリット開口に形成し、その一次元の線画像をレンズで平行光に変換し、回折格子かプリズムで線画像に垂直な方向に分散する。そして、分散された光が二次元検出器アレイに結像される。
【０００４】
特許文献１０は、音響光学波長可変フィルタによる結像分光計について開示している。特許文献１１では、レンズ系と分光フィルタと検出器アレイとで構成されるチャネルが多数使用されている。特許文献１２乃至１５では、多プリズムアセンブリに関連づけて単一の光学系が使用されている。特許文献１６では、プリズムアセンブリの代わりに立方のビームスプリッタが利用されている。特許文献１７と１８では、異なる方向に入射光を伝播するために一連の二色性ビームスプリッタが利用されている。
【０００５】
特許文献１９では、検出器アレイ二個を分散的結像系と組み合わせて使用した多検出器系が考察されている。特許文献２０には、平行四辺形状に配置された四個のレンズを使用してフィルム面上に四つの画像を同時に作成することが記載されている。特許文献２１でも、多数の合焦部材を実現して単一の検出器アレイ上に同一の画像を複数個形成している。特許文献２２では、単一のレンズ系に組み合わせて部分反射鏡を二個使用して単一の検出器アレイ上に被写体の画像を二つ創造することについて検討している。特許文献２３では、反射プリズム構成を用いてビームスプリッタとしての機能を実現している。
【０００６】
フィルタホイール系も、特許文献２４に開示されているように、単一の検出器を用いてスペクトル画像を得る手段として使用されてきた。特許文献２５には、二色性ビームスプリッタを四個使用して像平面上に三つの別々のカラー画像を互いに隣接させて形成する三色分離系が記載されている。特許文献２６には、セグメント凹面鏡を用いて単一の検出器アレイ上にスペクトルの分離された二次元画像を作成する方法が開示されている。最後に、特許文献２７では、被写体のスペクトル画像を二つだけ作成できるテレセントリックフィルタ処理結像器について考察している。特許文献２８では、非常に類似した方法が開示されている。また、特許文献２９では、多面プリズムを利用して二帯域結像法（two-band imaging）の限界を克服し、より多くの画像を得ている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第 5,149,959号明細書
【特許文献２】米国特許第 5,276,321号明細書
【特許文献３】米国特許第 5,251,008号明細書
【特許文献４】米国特許第 5,561,521号明細書
【特許文献５】米国特許第 5,461,477号明細書
【特許文献６】米国特許第 5,225,888号明細書
【特許文献７】米国特許第 5,059,026号明細書
【特許文献８】米国特許第 4,743,112号明細書
【特許文献９】米国特許第 5,260,767号明細書
【特許文献１０】米国特許第 5,216,484号明細書
【特許文献１１】米国特許第 4,134,683号明細書
【特許文献１２】米国特許第 4,268,119号明細書
【特許文献１３】米国特許第 4,084,180号明細書
【特許文献１４】米国特許第 4,072,405号明細書
【特許文献１５】米国特許第 4,916,529号明細書
【特許文献１６】米国特許第 5,414,458号明細書
【特許文献１７】米国特許第 4,281,339号明細書
【特許文献１８】米国特許第 4,531,054号明細書
【特許文献１９】米国特許第 4,650,321号明細書
【特許文献２０】米国特許第 3,720,146号明細書
【特許文献２１】米国特許第 5,479,015号明細書
【特許文献２２】米国特許第 4,141,625号明細書
【特許文献２３】米国特許第 4,272,684号明細書
【特許文献２４】米国特許第 5,587,784号明細書
【特許文献２５】米国特許第 4,933,751号明細書
【特許文献２６】米国特許第 4,786,813号明細書
【特許文献２７】米国特許第 5,024,530号明細書
【特許文献２８】米国特許第 5,642,191号明細書
【特許文献２９】米国特許第 5,526,119号明細書
【特許文献３０】米国特許第 5,539,483号明細書
【特許文献３１】米国特許第 5,153,621号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これら先行例の系は、二次元実時間結像分光測定を実行することはできない。機械的あるいは電気的走査を必要とするものが多く、用途別に集約的にコンピュータ演算された系マトリックスを必要とする場合が多い。従って、これらの欠点のない結像分光計に対する要望は依然として大きい。本発明は、この要望を満たすような装置と関連する分光測定法とを提供することを意図している。
【０００９】
本発明の目的は、画像の準ピクセル単位の重ね合わせ（sub-pixel registration）を用いて、二次元実時間結像分光測定を実行可能な分光計を提供することである。
本発明の別の目的は、機械的あるいは電気的走査なしに動作する分光計を提供することである。
【００１０】
別の目標は、用途別に集約的にコンピュータ演算された系マトリックスを使用する必要のない分光測定構成を提供することである。
最後に、別の目標は、従来の技術を最大限に利用して、経済的で小型で営利的に実現可能な製品になるような営利的に実現可能な系として上記の目的を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、上記の目的およびその他の目的によれば、本発明は、二次元場面を内部の視野絞りに結像するための単一素子あるいは多素子の補正済み色消しレンズの組み合わせで構成される。中間像からの光は、別の多素子の補正済み色消しレンズで平行光に変換される。入射光を多数の同一で独立したアームに分割するスペクトル分離サブアセンブリは、コリメータレンズに続く平行空間に設置される。各アームの光は、各アームの干渉フィルタの特性に基づいてスペクトルにフィルタ処理される。最後に、単一素子あるいは多素子の補正済み色消しレンズ系で構成される結像サブアセンブリによって、単一の二次元検出器アレイ上に連続画像が形成される。連続画像は、元の被写体と全く同じコピーであり、コピー毎にスペクトル成分が異なり、標準的なモニタ上あるいはアナログ‐デジタル変換装置を備えたコンピュータ上で観察される。
【００１２】
このように、分光計は、同時にスペクトルの分離された二次元画像であって実時間に取得可能な画像を作成する。本系は、収差による画像劣化を最小限に抑え、スペクトル分離アセンブリによる光分散を引き起こすことなく、単一の検出器平面上に二つ以上のスペクトル画像を同時に形成することが出来る。画像の重ね合わせに関する問題は低減される。これは、各スペクトルチャネルが多チャネル系に共通の照準誤差をなくす働きをする共通のレンズ組を通って伝播するからである。スペクトル分離サブアセンブリ内での外部からの機械的な調整によって、画像整合機能で１ピクセル内での画像の重ね合わせを達成できる。装置は、極めて融通性に富み、様々なカメラマウントや、カメラレンズや、より複雑な光学系と組み合わせて使用することができる。更に、スペクトルフィルタは容易に交換可能なので、いかなる波長領域に対してもスペクトル画像を形成することができる。
【００１３】
本発明の他の様々な目的と優位性とは、明細書の次の説明から明らかになるであろう。上記の目的を達成するために、本発明は、以下に図示され、好適な実施形態の詳細な説明で記述され、そして請求の範囲で特定される特徴から成っている。しかし、図面と説明は、本発明が実用化される様々な形態の中の幾つかを開示しているに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の根幹は、二次元結像分光計に施された改良点にある。すなわち、被写体画像は、反射プリズムによって分割されスペクトル成分にフィルタ処理される。この時、プリズムの頂点を含む平面に先行レンズの射出瞳を結像するために瞳中継レンズを設け、その同じ平面に開口絞りを設置し、軸対称に設置された単一の光学レンズを通して検出器上に各スペクトル成分を結像するようになっている。
【００１５】
本開示を図示するために使用される全ての図面において、ｘ座標とｙ座標とを用いて分光計の主光軸に直交する平面を描写する。ｘとｙとは、其々、水平方向と垂直方向とに対応する。ｚ座標は、装置の光軸方向に対応する。
【００１６】
本開示の目的に鑑み、光フィルタは、スペクトルフィルタや濃度フィルタや偏光子などの入射波面の光学特性を変更する部品として規定される。波面の光学状態は、波面強度、位相、偏光及び波長を組み合わせたものとして規定される。
【００１７】
図面を参照すると、同じ参照番号は、終始、同じ部品を表わしている。図１は、本発明に係わる二次元結像分光計１０の概略図である。図面は、ｘ座標に一致した光軸Ａに対して左右対称な当該系のｙ−ｚ横断面を示す。本開示から次第に明白になるであろうが、左右対称性は、系におけるスペクトル分離チャネルの個数に依存する。また、スペクトル分離チャネルの個数は、反射プリズムの微小な反射面の個数に依存する。
【００１８】
説明を分かり易くするために、分光計１０は、三個の独自の機能をもつサブアセンブリで構成されるものとする。画像収集サブアセンブリ１２は、系内の視野絞り開口内にテスト被写体Ｏの中間二次元画像を最初に作成するためのものである。画像収集サブアセンブリ１２は、三個の独自の部品で構成される。収差補正済み色消し多素子レンズ１４と単一素子あるいは多素子レンズ１６とを使用して、調整可能な正方形か矩形か円形かの視野絞り開口２０（系の光軸に対して法線上に設置される）として同一平面内の被写体Ｏの色彩的にも空間的にも補正された中間像18を作成する。
【００１９】
本発明の新規の一面によれば、以下に詳細に記述されるように、好適実施形態における素子１６は、分光計のスペクトル分離部品の位置に瞳面を結像させる瞳中継レンズである。調整可能開口２０は、迷光と散乱光とを拒絶する視野絞りとして機能し、下流の検出器に合わせてスペクトル画像を適当な大きさにする。開口２０は、好適には、系をいかなる大きさの検出器アレイと組み合わせても使用できるように調整可能に構成される。この視野絞りがないと、スペクトル画像は、検出器平面で重なり合ってしまい、系は使用できないものになってしまう。
【００２０】
第二の部品群は、画像収集サブアセンブリによって作成された画像１８を異なるスペクトル成分へと分離するために設けられるスペクトル分離サブアセンブリ２２で構成される。スペクトル分離サブアセンブリ２２は、収差補正済みの色消し多素子レンズ２４、多方向性プリズム２６、平坦で非常に反射性の高い平面群２８、及び取外し可能なスペクトルフィルタアセンブリ３０で構成される。部品２４は、中間像１８平面上の各点からの光を平行光へと変換する正焦点距離のレンズである。その光は、その後、プリズム２６の大きさよりは大きくない領域になるように平行空間を制限する開口絞り２９を通過して、多方向性のプリズム２６に入射する。この時、プリズム２６に入射せずに通過する光はない。プリズム２６は、好適には、多数の側面が三角形で互いに結合して頂点を形成するように構成された多面プリズムである。プリズム２６は、頂点を系の光軸Ａに一致した入射光に直面させた状態で、開口絞り２９とレンズ１６によって中継される先行光学系の射出瞳と同じ平面上に配置される。本開示の目的のために、先行光学系の射出瞳は、レンズ１４、１６、２４及び／又はその他のレンズであって、プリズム２６の頂点に瞳平面を与えるレンズから成る光学系の射出瞳として規定される。プリズム２６の各側面は、結合して頂点を形成しているが、よく反射するようにコーティングされ、前面反射体を形成している。図１に示すように、三角形の側面は、其々、入射光の一部を、好適には入射方向に直行する方向へ反射させる。
【００２１】
また、側面が等しく四辺形をした切頭プリズムをプリズム２６の代わりに使用してもよい（すなわち、プリズムの底面に平行な面で切断されたプリズム。この面を切頭プリズムの上面と規定する）。切頭プリズムも、上記と同様に、その上面を入射光に直面させ、切頭プリズムの軸を系の光軸Ａに一致させ、好適には上面を、開口絞り２９とレンズ１６によって中継される先行光学系の射出瞳と同じ平面にあわせた状態に配置される。この別の実施形態の機能的同義語に関して、プリズムという用語については、ここでは、プリズムか切頭プリズムかを表すものと規定する。
【００２２】
プリズム２６は、結像分光計用のビーム分割機構として作用する。プリズムから反射した分離ビームは、其々、検出器アレイ上の所定の領域へと対応するミラー２８によって更に反射され、選択された波長帯域のみを透過させるフィルタアセンブリ３０内の対応する光フィルタによってフィルタ処理される。反射部品２８は、其々、検出器上に画像を正確に配置するための外部からの機械的な先端傾斜調節装置（図示せず）を備えている。機械的な調節が成されると、画像処理の必要もなく画像の重ね合わせが自動的に実行される。元のビームが同等に分割されたことを確認するために、プリズムを光軸に対して正確に同軸になるように位置付けなければならない。また、その上面又は頂点を開口絞り２９平面（射出瞳平面にも）に一致させなければならない。そうして、反射面に入射するエネルギーが、視野地点毎に様々なチャネルの間に同等に分割される。
【００２３】
本発明の別の新規な一面によれば、多重スペクトル結像系１０を単体で使用した場合、レンズ１４の動作Ｆナンバーを適宜選択して多面プリズム２６を系の開口絞りにする。多重スペクトル結像系を別の光学系と共に使用する場合（すなわち、図のレンズ１４を使わずに）、外部光学系の射出瞳を多面プリズム２６の位置に結像させて入射光を同等に確実に分割しなければならない。これがレンズ１６の主たる機能である。このレンズの焦点距離を適宜選択することによって、外部光学系の射出瞳が多面プリズム２６の頂点又は上面位置に結像されて、系の光学的動作を確実にしている。
【００２４】
瞳中継レンズ１６を系に加えてプリズムの頂点又は上面に瞳を設定することが、先行例に対する重大な改良点であることに留意する。これによって、光学系の様々なチャネルへ入射光線のエネルギーを同等に分配させることができるからである。画像間を均質に保つことに加え、瞳位置（すなわち、光線分割位置）をプリズム上にもっていくことによって、視差誤差が解消される。これは、下流のデータ処理のために分光計によって作成された様々な画像を必要に応じて準ピクセル単位で重ね合わせるために非常に重要である。本発明に係わる構成の別の重要な要素は、屈折の代わりに反射という手段を用いて光線分割を行う点である。反射は、屈折とは違い、色消し処理である。すなわち、反射は波長依存性ではない。従って、このように光を分割することによって、プリズムを透過に使用して光線分割を行う系に係わる光分散の問題が緩和される。
【００２５】
再結像サブアセンブリ３２は、スペクトルがフィルタ処理された別々の光線を利用して、元の被写体の空間的に同一だが、スペクトル的には別々の多数画像を単一の二次元検出器アレイ上に作成する。再結像サブアセンブリ３２は、結像レンズ３４と検出系３６とで構成される。レンズ３４は、多素子のものでもよく、取外し可能なフィルタアセンブリ３０の後方に配置され、フィルタ処理光を合焦させ、多数の別個の画像を、各画像が異なるスペクトル成分を含有するように検出器アレイ３６上に形成する。これらの画像は、モニタ上で観察されるか、検出器に接続されたコンピュータによって記録される（図示せず）。
【００２６】
本発明の別の一面によれば、レンズ３４は、光学特性及び欠陥／収差が全部のチャネルに同等な影響を与えるように軸対称に設置された単一の素子で構成される。従って、単一の検出器３６を使用することで検出器に形成された画像の質を向上させることができ、更に、データの記憶と処理に用いられる画像の重ね合わせがし易くなる。各スペクトル画像は、同じ光学特性、同じノイズ及び利得特性を有するからである。
【００２７】
例えば、被写体Ｏが円であり、そのスペクトルには多数の波長が含まれ、プリズム２６は角錐形をしていて非常によく反射する側面を四つ有しているとすると、機器の光軸に対して四重対称が実現され、モニタ上に見られる検出器アレイからの出力は、図２に示すようになる。光を上記のように分割することによって、本発明の光学系は、多数の別個の独立したアームで特徴づけられる。例えば、多面プリズム２６には八個の非常によく反射する側面があるとすると（言い換えれば、八重対称ならば）、八個の別々の独立したアームが設けられることになる。これらの各アームで、系には、平坦な外部で調節可能な非常に良く反射する反射面が含まれる。この面は、光の分割された光線を取外し可能フィルタアセンブリ３０の方へ差し向ける。このフィルタアセンブリ３０は、独立したアームと同じ個数のフィルタを備えている。各フィルタによって、入射光の異なるスペクトル成分が透過される。
【００２８】
スペクトル分離機構のフィルタアセンブリ３０全体が平行空間に位置していて、特定の地点から中間像１８の平面へ入射する光全体が、どのスペクトルチャネルでも同じ波長通過帯域となるようにしている点に留意する（開口数によって通過帯域が可変することはない）。取外し可能なフィルタアセンブリ３０は、好適には、１インチ幅の正方形か円形のフィルタを備えている。フィルタは容易に交換でき、所望の通過帯域に対応するスペクトル画像の形成を可能にする。
【００２９】
図３に示す本発明の別の実施形態では、再結像サブアセンブリ３２は多数の結像レンズ３８で構成される。この結像レンズは、各アームを別個の検出器３６に合焦させるもので、分光計によって作成されるスペクトル画像毎に１つ設けられる。先行例の装置は多数の結像レンズとミラーアセンブリとを利用して、瞳を分割し、画像を検出器上に形成するものであったが、この方法には大きな欠点がある。すなわち、画像を適切に相関させ重ね合わせることが困難である点である。これは、個々のレンズが全く同じ位置を占めることは物理的に不可能であり、各レンズは被写体を別の角度から見ていることに起因する照準誤差があるからである。実際上、各レンズは異なる被写体を見ることになる。この問題を解決するために、本発明は、別個のサブアセンブリを利用して瞳分割／スペクトル分離を実行して、合焦素子の整合不良が照準／視差誤差を引き起こさないようにする。この重要な特異性は、反射性スペクトル分離サブアセンブリ２２と組み合わされると、従来の技術に対する重要な優位性を発揮する。
【００３０】
多面反射プリズムは、以前他の用途に用いられていた点に留意する。様々な構成が考えられたが、プリズムを光線分割に使用して、光学系の視野の異なる部分を異なる検出器上に設定する（例えば、特許文献１、３０を参照すること）。ここに開示されたもの以外にも用途は多数ある。また、系の視野を分割するために、光線分割アセンブリを必ずしも瞳平面に位置付ける必要はない。本発明の課題は、光学系の視野の模写であって分割ではない。
【００３１】
多面プリズムは、一つの光源を使用して一つ以上の被写体を照明する照明系に用いられたこともある。特許文献３１では、異なる被写体の画像を互いに隣接させて像平面に形成する構成が考察されている。プリズム／多レンズアセンブリは、異なる被写体を照明するために光を異なるアームへ伝えるためにだけに使用される。そのプリズムは、同じ被写体の画像を模写するために瞳平面に特に設置されるのではない。ソースの分離画像は、投影系の像平面に形成されるのではない。その代わりに、ソースの重なり合う画像が、投影系の射出瞳として形成される。加えて、特許文献３１に開示された概念は、多数のレンズ其々のはっきりした開口の特定の部分が使用される場合のみ、作用する。単一のレンズ全体を使用して同じ効果をあげることはできない。
【００３２】
図４に示す本発明の別の実施形態４０においては、異なる方法を用いて画像１８のスペクトル成分への分離を行っている。角錐形プリズム／光フィルタの組み合わせを使用する代わりに、光線分割関数とスペクトルフィルタ処理関数とが、干渉フィルタ組４２とそれに対応するレンズ２４と３４との間の平行空間にある平坦なミラー４４の組とを使用することによって結合されている。反射は、依然として、光線を分割する主機構であるが、干渉フィルタをビームスプリッタとして使用してスペクトル選択的に光線を分割する。本構成の主な利点は、第一実施形態よりも放射分析的に有効である点である。しかし、干渉フィルタを用いることで、系はあまり小型ではなくなる。従って、大抵の場合に好適ではない。
【００３３】
当該技術分野では周知の通り、干渉フィルタは、大体、ガラス基板上に多層膜の被覆を施したものである。ある特定の波長の光を反射して他の波長の光を透過するように構成される。具体的には、透過される波長と反射される波長は、基板のアドミタンス、被覆膜層のアドミタンス、層の個数と厚みなどの物理的パラメータによって異なる。フィルタの入射放射線に対する角度も、透過される波長と反射される波長に影響を与える。放射線の偏光次第で、フィルタの通過帯域は、フィルタと入射放射線との間の角度が増加するにつれて、長くなったり短くなったりする。
【００３４】
このように、干渉フィルタサブアセンブリ４６のスペクトル分離機能は、特別に構成された干渉フィルタ４２の使用によって異なり、各フィルタの通過帯域がフィルタの傾斜角で変化するという事実に依存する。このサブアセンブリの動作については、図４に示すように、中間像１８の平面における単一の地点からの光を考察することによって理解できる。入射光は、多数の異なる波長で構成され、レンズ２４によって平行光へと変換される。平行光は、入射光に対して特定の角度（通常４５度）を成してｘ軸に傾斜している第一干渉フィルタ４２に入射する。
【００３５】
この第一フィルタ４２は、長通過フィルタとして機能し、より短い波長を反射しより長い波長を通過させる。こうして、光を二本の異なるスペクトル成分の光線へと分割する。その第一干渉フィルタ４２の直ぐ後ろには、干渉フィルタ４２よりやや大きい角度をなしてｘ軸に傾斜している反射面４４が配置される。透過光は、平坦な反射面４４に入射し、最初に反射された光と同じように上方へ向けられる。この光は、基本的には何ら影響を受けずに干渉フィルタ４２を通過する。最適な性能を得るために、本発明の実施形態では、瞳中継レンズ１６を用いて合焦レンズ３４平面に一致する平面に先行レンズの射出瞳を結像する。
【００３６】
このように、スペクトル分離サブアセンブリ４６の前半部分は、入力光を二本のスペクトルの異なる光線へと分割する。これらの光線は第二干渉フィルタ４２’の方へ伝播する。フィルタ４２’も、ｘ軸に対して傾斜し（通常４５度）、異なる透過曲線を示す。説明を簡単にするために、例えば、第一フィルタから来る波長の短い光線は青い光と緑の光とで構成され、波長の長い光線は橙色の光と赤い光とで構成されるものとする。第二フィルタ４２’の透過が適宜選択されて、波長の短い光線の緑の光と波長の長い光線の橙色の光とが通過させられ、波長の短い光線の青い光と波長の長い光線の赤い光とが反射させられるようにする。干渉フィルタ４２に対してと同じように、干渉フィルタ４２’の後側には平坦なミラー４４’が設けられる。この平面は、干渉フィルタ４２’よりもやや大きい角度を成してｘ軸に対して傾斜する。また、ｙ軸に対しても傾斜していて他の方向（すなわち、ｘ軸方向）から離れている。干渉フィルタ４２’によって通過させられる緑の光と橙色の光とは、ミラー４４’で反射し、これらの光線は第二干渉フィルタ４２’を通過して合焦レンズ３４の方へ向かうようにされる。
【００３７】
このように、四本の光線が、再結像サブアセンブリ３２の方へ異なる角度を成して伝播する異なるスペクトル成分をもつように作成される。レンズ３４は、多素子レンズでもよく、本発明に係わる第一実施形態の場合のように、検出器アレイ３６上に各光線を合焦させる。その光線は異なる角度をなして伝播するので、検出器アレイに到達するまでに各光線は空間的に分離される。本説明は、中間像の平面における全部の地点に当てはまることは明白である。従って、最初の画像１８は、四つの補正済みの空間的に同一の画像、すなわち、青い画像、緑の画像、橙色の画像及び赤い画像（あるいは、４つの別のスペクトル成分で構成され、干渉フィルタの特性によって異なる）へと分解される。この結果は、図２から分かるように、図１に示す実施形態のものと同じである。図４は二次元図なので、二本の光線しか図示されていない。四本の独立した光線間の分離は描出されていない。
【００３８】
本実施形態の平坦なミラー４４と４４’を別の干渉フィルタに置き換えても追加的にスペクトルのフィルタ処理は可能である点に留意する。
図１と図３の実施形態のように、本発明の多重スペクトル二次元結像分光計の干渉フィルタバージョンを使用しても四つ以上のスペクトル画像を取得できる。最初の二つの実施形態では、プリズム２６の反射面の個数を増加させたり、対応する個数の平坦な反射面とフィルタとを追加したりすることによって、より多くのスペクトル画像を取得することができる。図４に示す別の実施形態では、所望の透過特性をもつ干渉フィルタを適宜の個数追加することによって、より多くのスペクトル画像を取得することができる。
【００３９】
例えば、図５に示す系では、第一のミラー４４の前方に三個の干渉フィルタ４８、５０及び５２が存在する。四色の例では、これらのフィルタは、やや異なる角度を成して各フィルタとｘ軸に対して傾斜しているので、スペクトル画像は、検出器36で空間的に分離される。各フィルタの反射通過帯域を図６に定性的に示す。三個の干渉フィルタ４８、５０、５２から成る第一列及び平坦な反射鏡４４の後段では、最初の光線が四本の光線へと分割される。各光線は、元の光の異なるスペクトル成分を含有し、第四の干渉フィルタ５４の方へ伝播する。
【００４０】
図７は、干渉フィルタ４８、５０、５２の通過帯域に重なる干渉フィルタ５４の反射通過帯域を示す。陰影のついたブロック（四個）における波長は全部干渉フィルタ５４によって反射される。また、陰影のついてないブロック（四個）における波長は全部透過する。フィルタによって透過された光は、干渉フィルタ５４を通過して平坦なミラー５６（ｘとｙに対して傾斜している）によって反射される。こうして、これらの光線は、後方へ向けられ再結像サブアセンブリ３２の方へと干渉フィルタ５４を透過する。スペクトル成分の異なる八本の光線は、異なる角度をなして多素子レンズ３４の方へ伝播する。多素子レンズ３４は、各光線を検出器アレイ３６に合焦させる。その光線は異なる角度を成して伝播するので、検出器アレイに到達するまでに、各光線は空間的に分離される。従って、最初の画像は、図８に示すように、八つの補正済みの空間的に同一の画像へと分解される。図５は二次元図なので、最初の光線からの八本の独立した光線への分離については描出されていない。
【００４１】
本実施形態では、瞳中継レンズ１６を内蔵している点が、好適な実施形態に関して述べたのと同じ理由で先行技術に対する重要な改良点となっている。別の実施形態では、しかし、瞳中継レンズ１６は、最後の結像レンズ３４の位置に先行光学系の射出瞳を結像するために使用される。すなわち、この位置に先行光学系の射出瞳を結像することによって、口径食（視野の関数としての光損失）が顕著に低減され、曳いては、エネルギーのスループットが向上し、画像の重ね合わせが最適化される。
【００４２】
波長帯域が四つの例と八つの例の両方について考察したが、図示のように、スペクトル分離サブアセンブリ内にはフィルタアセンブリが二個設けられている。本発明の好適な実施形態では、これらフィルタアセンブリは取外し可能モジュールで構成される。取外し可能モジュールなので、操作者は、スペクトル画像の所望の通過帯域を容易に設定できる。全部の実施形態で、可動部品を一切使用せずにスペクトル分離を達成しているので、潜在的な画像の重ね合わせに関する問題を緩和できる点に留意する。
【００４３】
加えて、スペクトル画像を再構築するために何らアルゴリズムを必要としない。走査が必要でないことは別にして、構成上からも、信号対雑音比を高いままに保ちながら、放射分析スループットを上げることができる。全部の実施形態が、結像分光計を携帯用に小型に構成でき、装置を現場での実験で使用し易い。本発明の系の用途は、工業用や農業用の検査、気象検出、武器の試験など広範囲に及ぶ。例えば、実時間で被写体の二次元温度マップを表示するのに使用してもよい。産業分野によっては、製造過程でのオンラインプロセス制御に非常に有用である。結像分光計は、また、自動パターン認識、画像強調、場面分析などの特徴抽出や分類といった仕事に利用される。
【００４４】
これまで述べてきた詳細事項や段階や構成部品を様々に変化させることは、当業者ならば図示の本発明の原理と範囲とを逸脱しない範囲で可能である。従って、本発明については、最も実用的で好適な実施形態と考えられるものについて図示し説明した。本発明の範囲内でこれらの実施形態から逸脱することは可能である。ただし、本発明の範囲とは、開示した詳細に限定されるものではなく、同等のプロセスおよび製品によって包含される全範囲に該当する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】多面反射プリズムと単一のレンズ再結像アセンブリと単一の二次元検出器アレイとで構成され本発明の好適実施形態に係わる結像分光計のｙ−ｚ横断面の概略図である。
【図２】四面反射プリズムを利用して本発明に従って作成された円形スポットの多重スペクトル像を示す図である。
【図３】多面反射プリズムと多レンズ再結像アセンブリと多二次元検出器アレイとで構成され本発明に係わる別の結像分光計のｙ−ｚ横断面の概略図である。
【図４】干渉フィルタスペクトル分離サブアセンブリを利用した本発明の別の実施形態に係わる結像分光器の概略図である。
【図５】四つ以上のスペクトル画像を得るための多干渉フィルタスペクトル分離サブアセンブリを備えた結像分光計の概略図である。
【図６】図５の実施形態で用いられた第一干渉フィルタの反射帯域を定性的に描写した図である。
【図７】第一干渉フィルタの反射帯域に重ね合わされた図５の実施形態で用いられた第二干渉フィルタの反射帯域を定性的に描写した図である。
【図８】多数の干渉フィルタを備えた結像分光計の検出器の出力を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２    画像収集サブアセンブリ
１４、１６、２４、３４、３８    レンズ
１８    中間像
２０    視野絞り開口
２２、４６    スペクトル分離サブアセンブリ
２６    プリズム
２８、４４、５６    ミラー
２９    開口絞り
３０    スペクトルフィルタアセンブリ
３２    再結像サブアセンブリ
３６    検出器アレイ
４２、４２’、４８〜５４    干渉フィルタ
【図１】
2005195610.tif 000003
【図２】
2005195610.tif 000004
【図３】
2005195610.tif 000005
【図４】
2005195610.tif 000006
【図５】
2005195610.tif 000007
【図６】
2005195610.tif 000008
【図７】
2005195610.tif 000009
【図８】
2005195610.tif 000010