(57)【要約】ファブリ・ペローキャビティ型のスペクトルノッチフィルタは、スペクトルコンテンツが少なくとも１つの方向に沿って空間的に分散された出力光信号を供給すると共に、出力光のスペクトル位置及びスペクトル範囲を制御するように動作する。いくつかの実施形態において、スペクトルフィルタは、サンプルの吸収スペクトルを高感度で迅速に取得できるコンパクトな高分解能分光計を実現するために、検出器アレイと一体化される。【選択図】図８
2020521972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスペクトル範囲によって特徴付けられる第１の光信号を受信し、第１の方向に沿ってスペクトル分散される第２の光信号を供給するように動作するスペクトルフィルタを備える装置であって、前記第２の光信号は、前記第１のスペクトル範囲内における第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、前記スペクトルフィルタは、
平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に透過性である第１のミラーと、
平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に透過性である第２のミラーと、
を備え、前記第１のミラー及び前記第２のミラーが、前記第１の方向に沿って制御可能なキャビティ長を有する光共振キャビティを画定し、
更に、第１の位置において前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第１の間隔を制御するように構成された第１のアクチュエータを備え、前記第１の方向に沿った前記第２のミラーに対する前記第１のミラーの角度は、前記第１の間隔に基づいており、
前記第２のスペクトル範囲は、前記第１の角度に基づく第１のスペクトル幅を有する、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記スペクトルフィルタは、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿ってスペクトル的に分散されるように前記第２の光信号を供給するように動作し、前記第２の光信号は、前記第２の方向に沿った第３のスペクトル範囲によって特徴付けられ、前記スペクトルフィルタは、前記第２の方向に沿った前記第２のミラーに対する前記第１のミラーの第２の角度を制御するように構成された第２のアクチュエータを更に含み、前記第３のスペクトル範囲は、前記第２の角度に基づく第２のスペクトル幅を有する、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、第２の位置において前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第２の間隔を制御するように構成された第２のアクチュエータを更に備え、前記第２の間隔は、前記第２のスペクトル範囲の最小波長及び最大波長の一方を画定する、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記第２のミラーは、第１の材料の複数の層を含むブラッグミラーであり、前記複数の層において隣接する層の各対は、エアギャップによって離隔される、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記第２のスペクトル範囲は、中赤外スペクトル範囲の少なくとも一部を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記スペクトルフィルタから前記第２の光信号を受信するように構成された複数の検出器を更に備え、前記スペクトルフィルタ及び前記複数の検出器は、前記複数の検出器における各検出器が、前記第２のスペクトル範囲内の異なる波長によって特徴付けられる複数の波長信号のうちの異なる波長信号を受信するように配置される、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、
前記第１の光信号を供給する光源と、
サンプルを収容するサンプルチャンバーと、
を更に備え、
前記光源、前記スペクトルフィルタ及び前記サンプルチャンバーは、前記複数の波長信号が前記サンプルチャンバーを通過した後に前記複数の検出器が前記複数の波長信号を受信するように構成される、装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置であって、前記サンプルチャンバーは、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置される、装置。
【請求項９】
第１のスペクトル範囲によって特徴付けられる第１の光信号を受信し、第１の方向に沿ってスペクトル分散される第２の光信号を供給するように動作するスペクトルフィルタを備える装置であって、前記第２の光信号は、前記第１のスペクトル範囲内における第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、前記スペクトルフィルタは、
平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に反射性である第１のミラーと、
平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に反射性である第２のミラーと、
を備え、
前記第２のミラーが前記第１のミラーに対して移動可能であり、前記スペクトルフィルタが休止状態にあるときに前記第２のミラーが前記第１のミラーと平行であり、
更に、前記第１の方向に沿って前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第１の角度を制御するように構成された第１のアクチュエータを備え、前記第２のスペクトル範囲が、前記第１の角度に基づく第１のスペクトル幅を有する、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記スペクトルフィルタは、前記第２のスペクトル範囲の最小波長及び最大波長の一方を制御するように構成された第２のアクチュエータを更に含む、装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、前記第１のアクチュエータは、前記第１の位置において前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第１の間隔を制御するように構成され、前記第１の角度は、前記第１の間隔に基づいており、前記第２のアクチュエータは、第２の位置において前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第２の間隔を制御するように構成され、前記第２のスペクトル範囲の最小波長及び最大波長の一方は、前記第２の間隔に基づくものである、装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の装置であって、前記第２のミラーは、第１の材料の複数の層を含むブラッグミラーを備え、前記複数の層において隣接する層の各対は、エアギャップによって離隔される、装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の装置であって、前記第２のスペクトル範囲は、中赤外スペクトル範囲の少なくとも一部を含む、装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の装置であって、前記スペクトルフィルタから前記第２の光信号を受信するように構成された複数の検出器を更に備え、前記スペクトルフィルタ及び前記複数の検出器は、前記複数の検出器における各検出器が、前記第２のスペクトル範囲内の異なる波長によって特徴付けられる複数の波長信号のうちの異なる波長信号を受信するように配置される、装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置であって、
前記第１の光信号を供給する光源と、
サンプルを収容するサンプルチャンバーと、
を更に備え、
前記光源、前記スペクトルフィルタ及び前記サンプルチャンバーは、前記複数の波長信号が前記サンプルチャンバーを通過した後に前記複数の検出器が前記複数の波長信号を受信するように構成される、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、前記サンプルチャンバーは、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置される、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、前記第１の光信号は、第２の方向に沿って伝播し、前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、それぞれ、前記スペクトルフィルタがその休止状態にあるとき、前記第２の方向に対して第２の角度で配向され、前記第２の角度は９０°に等しくない角度である、装置。
【請求項１８】
以下の各ステップ、すなわち、
(1) 第１のスペクトル範囲によって特徴付けられるスペクトルフィルタにおいて第１の光信号を受信するステップであって、前記スペクトルフィルタが、
(i) 平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に透過性である第１のミラーと、
(ii) 平面ミラーであって、前記第１の光信号に対して部分的に透過性である第２のミラーと、
を含み、前記第２のミラーは第１の方向に沿って前記第１のミラーに対して第１の角度を有し、前記第１の角度は制御可能であり、前記第１及び第２のミラーにより、前記第１の方向に沿った位置の第１の線形関数であるキャビティ長を有する光共振キャビティを画定する、ステップと、
(2) 前記第１の角度を第１の大きさに制御するステップと、
(3) 前記スペクトルフィルタから第２の光信号を供給し、前記第２の光信号を前記第１の方向に沿ってスペクトル的に分散させ、前記第２の光信号を第１のスペクトル範囲内にある第２のスペクトル範囲によって特徴付けられる信号とし、前記第２のスペクトル範囲を、前記第１の大きさに基づく第１のスペクトル幅を含む範囲とするステップと、
を備える方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、(4) 第１の位置で前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第１の間隔を制御することにより、前記第１の間隔を第２の大きさとするステップを更に備え、前記第２のスペクトル範囲の最大波長及び最小波長の一方を前記第２の大きさに基づく波長とする、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、(4) 前記第１のミラー及び前記第２のミラーの少なくとも一方を、第１の材料の複数の層を含むブラッグミラーとし、前記スペクトルフィルタを、前記複数の層において隣接する層の各対がエアギャップによって離隔されるように供給するステップを更に備える、方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法であって、前記第２のスペクトル範囲を、中赤外スペクトル範囲の少なくとも一部を含む範囲とする、方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法であって、
(4) 前記第１の方向に沿って配置された複数の検出器で前記第２の光信号を受信し、その際に前記複数の検出器の各々により、前記第２のスペクトル範囲内の異なる波長によって特徴付けられる第１の複数の波長信号における異なる波長信号を受信するステップと、
(5) 第１の複数の出力信号を供給し、前記第１の複数の出力信号の各々を前記第１の複数の出力信号における異なる波長信号の大きさに基づく信号とするステップと、。
を更に備える、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、
(6) 光源と前記複数の検出器との間にサンプルを配置し、前記光源は前記第１の光信号を供給するように動作し、前記第２の光信号は、前記第２の光信号が前記サンプルを通過した後に前記複数の検出器で受信するステップと、
(7) 前記複数の出力信号に基づいて前記サンプルの特性を決定するステップと、
を更に備える、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記サンプルを、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置する、方法。
【請求項２５】
請求項１８に記載の方法であって、
(4) 前記第１の角度を第２の大きさに制御するステップと、
(5) 前記スペクトルフィルタから第３の光信号を前記第１の方向に沿ってスペクトル的に分散されるように供給し、前記第３の光信号を前記第１のスペクトル範囲内にある第３のスペクトル範囲によって特徴付けられる信号とし、前記第３のスペクトル範囲を前記第２の大きさに基づく第２のスペクトル幅を有する範囲とし、前記第１のスペクトル幅及び前記第２のスペクトル幅を互いに異ならせるステップと、
を更に備える、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、
(6) 前記第１の方向に沿って配置された複数の検出器により前記第２の光信号を受信し、その際に前記複数の検出器の各々により、前記第２のスペクトル範囲内の異なる波長によって特徴付けられる第１の複数の波長信号における異なる波長信号を受信するステップと、
(7) 第１の複数の出力信号を供給し、前記第１の複数の出力信号の各々を、前記第１の複数の出力信号の異なる波長信号の大きさに基づく信号とするステップと、
(8) 前記複数の検出器で前記第３の光信号を受信し、その際に前記複数の検出器の各検出器により、前記第３のスペクトル範囲内における異なる波長によって特徴付けられる第２の複数の波長信号の異なる波長信号を受信し、前記第１の複数の波長信号及び前記第２の複数の波長信号を、異なるスペクトル分解能を有する信号とするステップと、
(9) 第２の複数の出力信号を供給し、前記第２の複数の出力信号の各々を、前記第２の複数の出力信号の異なる波長信号の大きさに基づく信号とするステップと、
を更に備える、方法。
【請求項２７】
請求項１８に記載の方法であって、
(4) 第１の位置における前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の第１の間隔を、前記第１の間隔が第２の大きさを有し、前記第２のスペクトル範囲内の第１の最大波長及び第１の最小波長の一方が前記第２の大きさに基づくように制御するステップと、
(5) 前記第１の方向に沿って配置された複数の検出器で前記第２の光信号を受信し、その際に前記複数の検出器の各々により、前記第２のスペクトル範囲内の異なる波長によって特徴付けられる第１の複数の波長信号の異なる波長信号を受信するステップと、
(6) 第１の複数の出力信号を、前記第１の複数の出力信号の各々が前記第１の複数の出力信号における異なる波長信号の大きさに基づく信号として供給するステップと、
を更に備える、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、
(7) 前記第１の間隔を第３の大きさに制御するステップと、
(8) 前記スペクトルフィルタから第３の光信号を供給し、その際に前記第３の光信号を前記第１の方向に沿ってスペクトル的に分散させ、前記第３の光信号を前記第１のスペクトル範囲内にある第３のスペクトル範囲によって特徴付けられる信号とし、前記第３のスペクトル範囲内における第２の最大波長及び第２の最小波長の一方を前記第３の大きさに基づく波長とするステップと、
前記複数の検出器で前記第３の光信号を受信し、その際に前記複数の検出器における各検出器により、第３のスペクトル範囲内における異なる波長によって特徴付けられる第２の複数の波長信号における異なる波長信号を受信するステップと、
(9) 第２の複数の出力信号を供給し、前記第２の複数の出力信号の各々を、前記第２の複数の出力信号の異なる波長信号の大きさに基づく信号とするステップと、
を更に備える、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって、(10) 前記第１の角度を第４の大きさに制御し、前記第３のスペクトル範囲が前記第４の大きさに基づく第２のスペクトル幅を有し、前記第１の複数の波長信号及び前記第２の複数の波長信号を、異なるスペクトル分解能を有する信号とするステップを更に備える、方法。
【請求項３０】
請求項１７に記載の装置であって、(4) 前記スペクトルフィルタを供給することにより、前記スペクトルフィルタが休止状態にあるときに、前記第１のミラー及び前記第２のミラーを、それぞれ前記第２の方向に対して９０°に等しくない前記第２の角度で配向させ、前記第１の光信号を前記第２の方向に沿って伝播させるように構成されている、装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１７年５月２６日に出願された米国仮出願第６２／５１１５０４号（代理人整理番号：ＣＩＴ-７７９０-Ｐ）及び２０１７年１２月１１日に出願された米国仮出願第６２／５９７，２２３号（代理人整理番号：ＣＩＴ-７７９０-Ｐ２）の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、スペクトルフィルタに関し、より詳細には、ハイパースペクトル検出器及び撮像システムで使用するのに適した波長可変スペクトルフィルタに関する。
【背景技術】
【０００３】
スペクトル「ノッチ」フィルタは、比較的広いスペクトル範囲によって特徴付けられる光信号を受信し、光信号内の比較的狭い範囲の波長のみを選択的に通過させるように動作する光学素子である。換言すれば、ノッチフィルタの「透過窓」の外側の波長は、何らかの方法で反射又は遮断され、一方、透過窓内の波長は、デバイスを透過する。
【０００４】
特に興味深いのは、波長可変スペクトルフィルタの透過窓の中心波長がスペクトル範囲にわたって同調させ得ることである。このような装置の同調性は、多くの光学システムの単純化を可能にし、完全な光学システムを同調させる機会を導入する。波長可変スペクトルフィルタが、広帯域光源、例えば、狭い線幅と動作可能に結合されている場合、波長に敏感な光源を実現することができる。同様に、波長選択性の高い検出器は、波長可変スペクトルフィルタと広帯域検出器との組み合わせから得られる。波長可変スペクトルフィルタは、とりわけ、電気通信、医療診断（例えば、分光法、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）など）、蛍光顕微鏡法、スペクトル又はハイパースペクトルイメージング、及び環境検知などの多様な用途において広く使用されている。
【０００５】
波長可変スペクトルフィルタは、液晶素子、ファイバブラッググレーティング、音響光学変調器、及び表面音響波（ＳＡＷ）デバイスなどの様々な異なる光学デバイスに基づいて開発されてきており、おそらく最も一般的に使用されるのは、波長可変型のファブリ・ペロー（ＦＰ）キャビティである。
【０００６】
従来の波長可変型ＦＰキャビティは、それらの間に光共振するキャビティを生じさせるために近接して配置された一対の平行な高反射率ミラーを含む。ＦＰキャビティのキャビティ長と呼ばれるミラー間の間隔は、どの波長がキャビティを通過し、どの波長がキャビティによって反射されるかを決定する。波長λを有する光は、そのキャビティ長Ｌが半波長の整数倍Ｎに等しいとき（すなわち、Ｌ＝Ｎλ／２のとき）、光共振キャビティ内部のミラー間で前後に共振し、低損失でキャビティを透過する。同時に、他の波長によって特徴付けられる光は、ＦＰキャビティによって反射される。したがって、キャビティ長を変えることによって、キャビティを通過する光の波長を調整することができる。
【０００７】
残念ながら、従来技術の波長可変スペクトルフィルタは、しばしば低速であり、同調範囲が限られており、広範囲の波長にわたって動作することができず、スペクトル分解能が悪く、及び／又は多くの光学システムで実装するのが複雑である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の教示は、従来技術のコスト及び欠点のいくつかを伴うことなく、広いスペクトル範囲にわたって高いスペクトル分解能を有する光学システムを実現可能にする。本発明に従ったシステムには、少なくともスペクトルコンテンツが一つの方向に沿って空間的に分散する光学出力を供給するファブリ・ペローキャビティ型の波長可変フィルタが含まれる。本発明の実施形態は、ハイパースペクトルイメージングシステム、ハイパースペクトル検出システム、及び高分解能分光計における使用に特によく適している。
【０００９】
従来技術と同様に、本発明は、第１の光信号に対して高反射性であり、高フィネスの光共振キャビティを形成する第１及び第２の平面ミラーを備える、ミラー間の間隔（すなわち、ＦＰキャビティのキャビティ長）が制御可能であるファブリ・ペロー（ＦＰ）キャビティを教示する。その結果、ＦＰキャビティは、広い波長範囲にわたってスペクトル的に同調することができる非常に狭い透過ウィンドウを有するスペクトルノッチフィルタとして機能することができる。
【００１０】
従来技術と著しく対照的な点として、本発明による実施形態は、キャビティ長がその方向に沿って線形勾配を有するように、少なくとも第１の方向に沿って、他の平面ミラーに対して傾斜させることができる１つの平面ミラーを含む。したがって、第１の方向に沿った各点において、ＦＰキャビティは、異なるキャビティ長を有し、その時点において異なる波長を通過する。
【００１１】
ミラー間の角度を制御することによって、ＦＰキャビティの幅を透過する波長の範囲が制御される。これは、線に沿ったスペクトル分解能の制御を可能にする。いくつかの実施形態では、ミラー間の間隔も制御され、ＦＰキャビティを通過する光の絶対波長及びスペクトル範囲の両方の制御を可能にする。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態は、スペクトルフィルタ及び線形検出器アレイを含むハイパースペクトル検出システムである。スペクトルフィルタは、広帯域光信号を受信し、出力光信号を検出器アレイに供給するように動作する分散運転状態を有し、出力光信号のスペクトルコンテンツは、スペクトルフィルタの第１の側からスペクトルフィルタの第２の側への線に沿って（すなわち、その幅に沿って）分配され、線は、検出器アレイの元素と整列される。その結果、アレイの各検出器は、スペクトルフィルタの出力信号のスペクトル範囲内の異なる波長信号を受信する。
【００１３】
スペクトルフィルタは、その各々が、第１のスペクトル範囲によって特徴付けられる入力光信号に対して高反射性である、第１の平面ミラー及び第２の平面ミラーを含む波長可変ＦＰフィルタである。第１及び第２のミラーは、スペクトルフィルタが休止状態にあるとき、均一なキャビティ長を有する光共振キャビティを画定する。
【００１４】
スペクトルフィルタはまた、第２のミラーの第１及び第２の側面にそれぞれ動作可能に結合された第１及び第２の垂直アクチュエータを含む。各垂直アクチュエータは、キャビティのそれぞれの側でミラー間の間隔を制御する。その結果、垂直アクチュエータは、第１のミラーに対する第２のミラーの傾斜と、傾斜した第２のミラーと第１のミラーとの間の垂直間隔の両方を協働して制御する。
【００１５】
いくつかの実施形態では、第２のミラーの傾斜のみが制御され、１つの垂直アクチュエータのみが必要とされる。いくつかの実施形態では、ロータリーアクチュエータ（例えば、回転型櫛歯駆動アクチュエータ）が、第２のミラーと動作可能に結合されて、第１のミラーに対するその傾斜を制御する。これらの実施形態のいくつかでは、垂直アクチュエータが、傾斜した第２のミラーの垂直位置を全体として制御する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第２のミラーの傾斜は、光共振キャビティの深さなど、第１の方向に直交する第２の方向に沿って制御可能である。その結果、出力光信号のスペクトルコンテンツは、２次元領域にわたって分布する。
【００１７】
本発明の一実施形態は、第１のスペクトル範囲によって特徴付けられる第１の光信号を受信し、第１の方向に沿ってスペクトル分散される第２の光信号を供給するように動作可能であり、第２の光信号は、第１のスペクトル範囲内の第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、スペクトルフィルタは、第１の光信号に対して平面的であり、部分的に透過性である第１のミラーと、第１の光信号に対して平面的であり、部分的に透過性である第２のミラーとを含み、第１のミラー及び第２のミラーは、第１の方向に沿って制御可能なキャビティ長を有する光共振キャビティを画定し、第１のアクチュエータは、第１の位置で第１のミラーと第２のミラーとの間の第１の間隔を制御するように構成され、第１の方向に沿った第２のミラーに対する第１のミラーの角度は、第１の間隔に基づくものであり、第２のスペクトル範囲は、第１の角度に基づく第１のスペクトル幅を有する、スペクトルフィルタを備える装置である。
【００１８】
本発明の別の実施形態は、第１のスペクトル範囲によって特徴付けられる第１の光信号を受信し、第１の方向に沿ってスペクトル分散される第２の光信号を供給するように動作し、第２の光信号は、第１のスペクトル範囲内の第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、スペクトルフィルタは、平面ミラーであって、第１の光信号に対して部分的に反射性である第１のミラーと、平面ミラーであって、第１の光信号に対して部分的に反射性である第１のミラーとを備え、第２のミラーは、第１のミラーに対して移動可能であり、スペクトルフィルタが休止状態にあるときに第２のミラーは、第１のミラーと平行であり、更に，第１の方向に沿って第１のミラーと第２のミラーとの間の第１の角度を制御するように構成され、第２のスペクトル範囲は、第１の角度に基づく第１のスペクトル幅を有する、第１のアクチュエータを備える、スペクトルフィルタを備える装置である。
【００１９】
本発明の更に別の実施形態は、(1) 第１のスペクトル範囲によって特徴付けられるスペクトルフィルタで第１の光信号を受信するステップであって、スペクトルフィルタは、(i) 平面ミラーであって、第１の光信号に対して部分的に透過性である第１のミラーと、(ii) 平面ミラーであって、第１の光信号に対して部分的に透過性である第２のミラーとを含み、第２のミラーは、第１の方向に沿って第１のミラーに対して第１の角度を有し、第１の角度が制御可能であり、第１のミラーが、第１の方向に沿った位置の第１の線形関数であるキャビティ長を有する光共振キャビティを画定する、ステップと、(2) 第１の角度を有するように第１の角度を制御するステップと、(3) 第１の方向に沿ってスペクトル的に分散されるようにスペクトルフィルタから第２の光信号を供給するステップとを含み、第２の光信号は、第１のスペクトル範囲内にある第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、第２のスペクトル範囲は、に基づく第１のスペクトル幅を有する、方法である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態によるハイパースペクトル検出システムの概略図である。
【図２】図２Ａ〜Ｂは、異なる動作モードにおける従来技術によるＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタの断面図の概略図である。
【図３】図３Ａ〜Ｃは、異なる例示的な動作モードにおける、本発明によるＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタの断面図の概略図である。
【図４】図４Ａ〜Ｂは、実施例における、スペクトルフィルタの上面図及び断面図の概略図である。
【図５】図５Ａ〜Ｂは、実施例における、スペクトルフィルタ１０２の製造の異なる段階におけるスペクトルフィルタ１０２の断面図の概略図である。
【図６】図６は、本発明による光信号のスペクトルコンテンツを決定するための第１の例示的な方法の操作説明図である。
【図７】図７は、本発明による光信号のスペクトルコンテンツを決定するための第２の例示的な方法の操作説明図である。
【図８】図８は、本発明による高分解能分光計の断面図の概略図である。
【発明の詳細な説明】
【００２１】
図１は、本発明の実施例におけるハイパースペクトル検出システムの概略図を示す。システム１００は、スペクトルフィルタ１０２と、検出器アレイ１０４と、プロセッサ１１４とを含む。
【００２２】
スペクトルフィルタ１０２は、入力光信号１０６を受信し、出力光信号１０８を供給するように構成されたＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタであり、入力光信号１０６は、軸Ａ１に沿って伝播し、幅ｗ１を有する第１のスペクトル範囲によって特徴付けられ、出力光信号１０８は、幅ｗ２を有する第２のスペクトル範囲によって特徴付けられ、さらに、第１のスペクトル範囲は、第２のスペクトル範囲を含む。さらに、スペクトルフィルタ１０２は、そのスペクトルコンテンツがｘ方向に沿って空間的に分散されるように出力光信号１０８を供給し、それによって、出力光信号のスペクトルコンテンツに空間的相関を与える。スペクトルフィルタ１０２は、軸Ａ１と角度αを形成する長手方向軸Ａ２によって特徴付けられる。図示の例では、αは９０°に等しい（すなわち、光信号はスペクトルフィルタ１０２に垂直な方向に沿って伝播する）。
【００２３】
検出器アレイ１０４は、入力光信号１０６に含まれる任意の波長を検出するように動作する従来の検出器のリニアアレイである。検出器アレイ１０４は、出力信号１１２-１から１１２-ｍ（まとめて出力信号１１２と呼ぶ）をそれぞれプロセッサ１１４に供給する検出器１１０-１から１１０-ｍ（まとめて検出器１１０と呼ぶ）を含み、各出力信号の大きさは、そのそれぞれの検出器に入射する光の強度に基づく。
【００２４】
プロセッサ１１４は、特に、出力信号１１２-１〜１１２-ｍを受信し、制御信号をスペクトルフィルタ１０２に供給し、命令を実行し、データを記憶及び検索し、スペクトル情報を推定するように動作する回路を備える従来のプロセッサである。
【００２５】
スペクトルフィルタ１０２及び検出器アレイ１０４は、検出器１１０の各々が出力光信号１０８に含まれる異なる波長信号を受信するように、検出器１１０がｘ方向に整列されるように配置される。添付の特許請求の範囲を含む本明細書の目的のために、波長信号という用語は、そのスペクトルコンテンツが中心波長及びその周辺の狭いスペクトル範囲によって特徴付けられる光信号として定義される。
【００２６】
図示の例では、入力光信号は、全部の中赤外（ＭＩＲ）スペクトル範囲にわたるスペクトルコンテンツを有し、波長信号λ１〜λｎを含む広帯域光信号である。添付の特許請求の範囲を含む本明細書の目的のために、ＭＩＲスペクトル範囲は、２μｍ〜２０μｍの波長範囲として定義される。
【００２７】
動作中、スペクトルフィルタ１０２は、入力光信号１０６のスペクトルコンテンツをフィルタリングし、入力光信号１０６のスペクトル範囲の少なくとも一部であるスペクトル範囲を有する出力光信号１０８を供給する。換言すれば、出力光信号１０８は、波長信号がｘ方向に沿って分散されるような、波長信号λａ〜λｂ（ａ≧１及びｂ≦ｎ）を含むスペクトルコンテンツによって特徴付けられる。後述するように、スペクトルフィルタ１０２は、入力光信号のスペクトル範囲のどの部分がその出力光信号に含まれるか、ならびに出力光信号のスペクトル幅（すなわち、λａからλｂまでのスペクトル範囲）を制御することができるように調整可能である。
【００２８】
実施例では、ＭＩＲスペクトル範囲にわたって動作するように構成されているが、本発明による実施形態は、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、実質的にいかなる波長範囲においても動作するように構成し得ることに留意されたい。
【００２９】
図２Ａ〜Ｂは、異なる動作モードにおける従来技術によるＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタの断面図の概略図を示す。
【００３０】
スペクトルフィルタ２００は、平行なミラー２０２-１及び２０２-２を含む従来のＦＰキャビティベースのデバイスであり、これらのミラーは、ミラー間の間隔に等しいキャビティ長を有する光共振キャビティ２０４を画定する。そのミラーの平行な性質は、スペクトルフィルタ２００が、広いスペクトル範囲を有するマルチスペクトル入力光信号を受信し、１つの狭い波長信号のみを含む出力光信号を通過させることを可能にし、出力光信号のスペクトルコンテンツは、光共振キャビティ２０４の幅全体にわたって均一である。ミラー２０２-１に対するミラー２０２-２の位置を制御することによって、スペクトルフィルタ２００のキャビティ長が制御され、それによってスペクトルフィルタを通過した波長信号を所望の同調範囲にわたって同調させることができる。
【００３１】
図２Ａに示されるスペクトルフィルタ２００の第１の動作モードでは、ミラー２０２-１及び２０２-２は平行であり、第１の位置ｘ１から第２の位置ｘ２までの光共振キャビティ２０４の幅を横切るキャビティ長Ｌだけ隔離される。この構成では、スペクトルフィルタは、λＡからλＢまでのスペクトル範囲を含む入力光信号２０６を受信する。そのキャビティ長Ｌに基づいて、スペクトルフィルタ２００は、λＡ〜λＢのスペクトル範囲内の波長信号λａのみを通過させる。
【００３２】
図２Ｂに示すスペクトルフィルタ２００の第２の動作モードでは、ミラー２０２-１及び２０２-２は平行であるが、第１の位置ｘ１から第２の位置ｘ２までの光共振キャビティ２０４の幅を横切る新しいキャビティ長Ｌ´だけ間隔されるように、ミラー２０２-１の位置が距離Δ１だけ変更される。この新しい構成では、スペクトルフィルタは、光共振キャビティの幅にわたってλＡ〜λＢのスペクトル範囲内の波長信号λｂのみを通過させる。
【００３３】
従来技術とは明確に対照的に、本発明による実施形態は、キャビティの他方のミラーの平面に対するＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタのミラーのうちの１つの角度を制御し、それによって、デバイスにスペクトル分散能力を付加する。１つのミラーの傾斜及び２つのミラー間の間隔の両方を制御することによって、スペクトルフィルタによって通過されるスペクトル範囲の位置及び幅を制御することができ、従来技術のスペクトルフィルタを超える著しい利点を供給する。
【００３４】
図３Ａ〜Ｃは、異なる例示的な動作モードにおける、本発明によるＦＰキャビティベースのスペクトルフィルタの断面図の概略図を示す。
【００３５】
スペクトルフィルタ１０２は、平面ミラー３０２-１及び３０２-２を含み、これらの平面ミラーは、スペクトルフィルタが休止状態にあるときにキャビティ長がＬ１である光学共振キャビティ３０４（以下、「キャビティ３０４」と呼ぶ）を画定する。以下でより詳細に説明するように、ミラー３０２-２は、一対の垂直アクチュエータと動作可能に結合され、その一方は、位置ｘ１におけるミラー３０２-２の第１の端部３０６の高さを制御するように動作可能であり、他方は、位置ｘ２におけるミラー３０２-２の第２の端部３０８の高さを制御するように動作可能である。その結果、ミラー３０２-１に対するミラー３０２-２の角度は、キャビティ３０４の幅に沿って線形勾配Ｌ（ｘ）を有するキャビティ長を実現するように制御することができる。さらに、端部３０６及び３０８のそれぞれの位置が制御されるので、両方のアクチュエータを調整することによって、傾斜ミラー３０２-２と固定ミラー３０２-１との間の間隔を制御することができる。
【００３６】
図３Ａは、第１の構成におけるスペクトルフィルタ１０２を示し、第１の端部３０６が、その休止位置に留まる一方、第２の端部３０８は、距離Δ２だけミラー３０２-１に向かって移動する。その結果、ミラー３０２-２は、ミラー３０２-１に対して角度θだけ傾斜する。第１の端部３０６はその元の位置に留まるので、位置ｘ１におけるキャビティ長はＬ１のままであり、位置ｘ２におけるキャビティ長はＬ２に減少する。
【００３７】
ミラー３０２-１と３０２-２との間の間隔は、キャビティ３０４の幅に沿って不均一であるので、位置ｘ１におけるそれらの間の間隔は、本明細書では、間隔ｓとして示される。しかしながら、キャビティ３０４に沿ういかなる点（例えば、位置ｘ２における間隔、キャビティ３０４の中心における間隔など）も、この間隔のための基準として使用され得ることが、当業者によって理解される。
【００３８】
ｘ１におけるＬ１のキャビティ長により、キャビティ３０４は、位置ｘ１における光信号１０６の波長信号λｃを通過させる。同様に、ｘ２におけるＬ２のキャビティ長により、キャビティ３０４を通過した光信号１０６の波長信号は、位置ｘ２においてλｄに減少する。ｘ１からｘ２まで、キャビティ３０４は、波長がキャビティ長Ｌ（ｘ）に従ってλｃからλｄに直線的に減少する一連の波長信号を通過させる。
【００３９】
図３Ｂは、第２の構成におけるスペクトルフィルタ１０２を示し、ここで、第１の端３０６は休止位置のままである一方、第２の端３０８は、図３Ａに示される距離の２倍（すなわち、２Δ２）ミラー３０２−１に向かって移動されている。その結果、ミラー３０２-２は、ミラー３０２−１に対して角度２θで傾斜する。第１の端部３０６はその元の位置に留まるので、位置ｘ１におけるキャビティ長はＬ１のままであり、位置ｘ２におけるキャビティ長はＬ２´に減少する。その結果、第２の構成では、キャビティ３０４は、位置ｘ１から位置ｘ２までの線に沿って空間的に分散されたλｃ〜λｅの範囲内の波長信号を通過させる。
【００４０】
第２の構成におけるキャビティ３０４の幅にわたるキャビティ長の変化は、第１の構成におけるキャビティ長の変化の大きさの２倍であるので、第２の構成において通過されるスペクトル範囲は、第１の構成において通過されるスペクトル範囲の２倍の幅であることに留意されたい。その結果、第１の構成において達成可能なスペクトル分解能は、第２の構成におけるスペクトル分解能の２倍である。
【００４１】
図３Ｃは、第３の構成におけるスペクトルフィルタ１０２を示し、第２の端部３０８は、ミラー３０２−１にθの傾斜をもたらすように移動され、一方、距離Δ２だけミラーの間隔を低減する。その結果、位置ｘ１におけるキャビティ長はＬ２であり、位置ｘ２におけるキャビティ長はＬ２´である。その結果、第３の構成では、キャビティ３０４は、位置ｘ１から位置ｘ２までの線に沿って空間的に分散されたλｄ〜λｅの範囲内の波長信号を通過させる。
【００４２】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、本発明による実施形態は、広範囲にわたって（使用されるアクチュエータの制約を受けて）光出力信号１０８のスペクトル範囲及びスペクトル分解能のいずれか又は両方を制御することができる。上述した第１及び第３の構成を順次実施することにより、第２の構成を介して光信号１０８に対して得られるスペクトル範囲を得ることができるが、解像度の２倍であることに留意されたい。さらに、ミラー３０２−２の傾斜角度を狭いスペクトル範囲にわたって高スペクトル分解能出力を実現するように設定し、ミラー３０２−１と３０２−との間の間隔をＮ時間に変更することによって、入力光信号１０６のスペクトル範囲内のＮ個の高解像度サブスペクトルを得ることができる。実際、いくつかの実施形態では、傾斜角度、各スペクトルサブレンジの幅、及びＮの値を慎重に選定することによって、入力光信号１０６のスペクトルレンジ全体を高解像度で走査することができる。
【００４３】
ミラー３０２−１及び３０２-２（集合的にミラー３０２と呼ぶ）の構造は、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の表面反射材、ブラッグ反射材などを含む多くの形態をとることができる。典型的には、ミラー３０２の構造は、スペクトルフィルタ１０２が動作することが意図される光の波長によって決定される。ＭＩＲスペクトル範囲での動作のために、例えば、エアギャップによって隔離された複数の高屈折率構造材料を含むブラッグ反射器であるミラーを有効に使用することができる。
【００４４】
図４Ａ〜Ｂは、実施例によるスペクトルフィルタの上面図及び断面図の概略図を示す。スペクトルフィルタ１０２は、キャビティ３０４、アクチュエータ４０２−１と４０２−２、テザー４０４及びアンカー４０６とを含む。図４Ｂに示された断面図は、図４Ａに描かれた線ａ−ａを通る断面図である。
【００４５】
上述したように、キャビティ３０４は、ミラー３０２−１及び３０２−２を含み、これらのミラーの各々は、入力光信号１０６に対して高反射性である。
【００４６】
ミラー３０２−１は、基板４０８の表面上に配置された固定ブラッグ反射器である。図示の例では、基板４０８は従来のシリコン基板であるが、本発明の範囲から逸脱することなく、基板４０８には多種多様な材料を使用することができる。
【００４７】
ミラー３０２−２は、アクチュエータ４０２−１及び４０２−２の各々とアンカー４０６との間に延在するテザー４０４を介してミラー３０２−１の上方に懸架される。
【００４８】
図示の例では、ミラー３０２の各々は、ＭＩＲスペクトル範囲全体にわたって高反射率（＞９９．９９９９％）を実現するように設計された多層ブラッグ反射器である。ミラー３０２の各々は、ブラッグ反射器の構造において、比較的高い屈折率を有する複数の構造層４１０と、比較的低い屈折率の層として機能する複数の空気層とを含む。構造層及び空気層は、隣接する構造層が空気層によって間隔されるように交互に配置される。図示の例では、各ミラーは、約３．５の屈折率及び約７８５ｎｍの厚さ（構造層の材料で測定したＭＩＲスペクトル範囲の中心波長の約１／４）を有する低残留応力のアモルファスシリコンからなる３つの構造層を含む。隣接する構造層は、約２．７５μｍ（空気中のＭＩＲスペクトル範囲の中心波長の約１／４）の厚さを有するエアギャップによって間隔される。ミラー３０２に供給される材料及び設計パラメータは、単に例示的なものであり、スペクトルフィルタ１０２のミラーの種々の代替設計は、本発明の範囲内であることに留意されたい。
【００４９】
アクチュエータ４０２-１及び４０２-２（まとめてアクチュエータ４０２と呼ぶ）の各々は、基板４０８上に配置された固定電極と、ミラー３０２-２に付随した可動電極とを含む垂直静電アクチュエータである。具体的には、アクチュエータ４０２-１は、固定電極４１２-１及び可動電極４１４-１を含み、アクチュエータ４０２-２は、固定電極４１２-２及び可動電極４１４-２を含む。
【００５０】
アクチュエータ４０２-１は、電極４１２-１と４１４-１との間に印加される電圧に基づいて、位置ｘ１におけるキャビティ長を制御する。同様に、アクチュエータ４０２-２は、電極４１２-１と４１４-１との間に印加される電圧に基づいて、位置ｘ２におけるキャビティ長を制御する。図示の例では、アクチュエータ４０２-１及び４０２-２の各々を完全に作動させるには、約１０Ｖの印加電圧で十分である。
【００５１】
電極４１２-１及び４１２-２は、ドープされたアモルファスシリコンの領域であり、接地された基板４０８に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、電極４１２-１及び４１２-２は、それらが独立して駆動することを可能にするために、窒化珪素などの誘電体の層によって基板から電気的に絶縁される。
【００５２】
電極４１４-１及び４１４-２は、ミラー３０２-２の底面上に配置されたドープされたアモルファスシリコンの領域である。電極４１４-１及び４１４-２は、テザー４０４の下面に沿って延びるドープされたアモルファスシリコンの電気トレースを介して、それぞれボンドパッド４１８-１及び４１８-２に電気的に接続される。
【００５３】
テザー４０４は、ｘ-ｙ平面からのテザーの屈曲を実質的に選択的に可能にする一方で、ｘ-ｙ平面内でのテザーの屈曲を実質的に抑制する断面形状を有するアモルファスシリコンの梁である。図示の例は、単純な直線状の梁であるテザーを含むが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々のテザーの設計をスペクトルフィルタ１０２に使用することができることに留意されたい。スペクトルフィルタ１０２で使用するのに適したテザーには、蛇行ばね、折り曲げビーム・テザーなどが含まれるが、これらに限定されない。さらに、スペクトルフィルタ１０２を構成するために必要な作動電圧は、テザー４０４の設計によって著しく影響されることに留意されたい。
【００５４】
アンカー４０６は、基板４０８の上面から垂直に延びる固定された機械的に堅牢な突起部である。
【００５５】
ボンドパッド４１８-１及び４１８-２は、テザー４０４の材料に窓を開け、（典型的にはシャドウマスクプロセスを介して）開口部に金属を堆積させることによって、それぞれのアンカー４０６の上部に形成される。
【００５６】
電極４１４-１及び４１４-２の各々、ならびにそれらのそれぞれの通り道は、電極４１４-１及び４１４-２の各々が個別にアドレス指定され得るように、誘電体４１６の薄層を介してミラー３０２-２の構造材料から電気的に絶縁される。図示の例では、誘電体４１６は窒化珪素であり、これは、後述するように、基板４０８からミラー３０２-２を剥離するために使用されるエッチング液によって実質的に影響されない。
【００５７】
アクチュエータ４０２-１及び４０２-２、ならびにスペクトルフィルタ１０２におけるそれらの配置は、スペクトルフィルタのための適切な作動方式の一例にすぎないことに留意されたい。適切な代替の作動は、垂直型櫛歯駆動アクチュエータ（ミラー３０２-２のいずれかの側に配置され得るか、又は他の場所に配置され得る）、回転型櫛歯駆動アクチュエータ（ミラー３０２-２の上縁及び下縁の中心に配置されるか、又はいずれかの側に配置される）、熱アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、非マイクロメカニカルアクチュエータなどを含む。
【００５８】
図示の例は、その出力光信号のスペクトルコンテンツを１次元に沿って空間的に分散させるスペクトルフィルタであるが、本発明の範囲内の代替実施形態は、ｘ方向及びｙ方向などの２つの横方向に沿ってそれらの出力光信号のスペクトルコンテンツを分散させるスペクトルフィルタを含む。そのようなスペクトルフィルタを実現するために、１つ又は複数の追加のアクチュエータをｙ方向に沿って配置して、使用することができる。あるいは、従来技術で知られている２軸のビームステアリングミラーに使用されるような２軸ジンバル構造を使用して、ミラー３０２-２の２次元配向制御を提供することができる。
【００５９】
図５Ａ〜Ｂは、実施例による、スペクトルフィルタ１０２の製造の異なる段階におけるスペクトルフィルタ１０２の断面図の概略図を示す。本明細書に記載の方法は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術分野で開発された従来の表面微細加プロセスを使用する。
【００６０】
スペクトルフィルタ１０２の製造は、基板４０８の上面に、ドープされた低残留応力のアモルファスシリコンの層を形成することから始まる。次に、この層をパターン化して、ミラー３０２-１内の第１の構造層４１０、ならびに電極４１２-１及び４１２-２を画定する。
【００６１】
次に、犠牲層５０２及び構造層４１０の連続的な堆積及びパターニングが行われる。図示の例では、犠牲層５０２は、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）を含み、構造層４１０は、ドープされた低残留応力のアモルファスシリコンを含む。犠牲層及び構造層の層構造は、ミラー３０２-１の初期のブラッグ反射器スタックを画定する。
【００６２】
次に、犠牲層５０４を基板の全面上に形成して、ミラー３０２-１及び電極４１２-１及び４１２-２を犠牲材料で被覆する。
【００６３】
図５Ａは、犠牲層５０４の形成後の初期のスペクトルフィルタ１０２の断面図を示す。
【００６４】
次に、犠牲層５０４をパターニングして、アンカー４０６のコアとして機能するペデスタル５０８を画定する。
【００６５】
次に、ミラー３０２-２の第１の（最下部の）構造層４１０が、表面５０６上及びペデスタル５０８上に形成される。次に、この構造層をパターニングして、ミラー３０２-２の最下層、電極４１４-１、４１４-２とそのそれぞれの通り道、ならびにアンカー４０６の外側シェル５１０を画定する。
【００６６】
図５Ｂは、ミラー３０２-２の第１の構造層４１０の形成後のアンカー４０６の断面図を示す。
【００６７】
次に、犠牲層５０２及び構造層４１０の連続的な析出及びパターニングが再び行われて、ミラー３０２-２の新生ブラッグ反射器スタックならびにテザー４０６が完成する。
【００６８】
図５Ｃは、ミラー３０２-２の層構造の形成後の新生スペクトルフィルタ１０２の断面図を示す。
【００６９】
次に、電極４１４-１及び４１４-２に電気的に接続されたアンカーのためのシェル５１０の上面を露出させるためのビアを形成することによって、スペクトルフィルタ１０２の初期構造が完成される。
【００７０】
ミラー３０２-２及びテザー４０６を基板４０８から剥離し、それによってそれらを機械的に活性にするために、発生期フィルタ１０２は、フッ化水素酸中で剥離エッチングを受けて、シェル５１０による攻撃から保護されるペデスタル５０８を除く犠牲材料５０２のすべての領域を除去する。
【００７１】
放出エッチングの後、シャドウマスク堆積を用いて金属を堆積させ、ボンドパッド４１８-１及び４１８-２を形成する。
【００７２】
スペクトルフィルタ５０２の材料及び構造は、単に例示的なものであり、本発明の範囲から逸脱することなく、構造材料及び犠牲材料の多くの適切な組み合わせを使用することができることに留意されたい。
【００７３】
さらに、スペクトルフィルタ１０２を形成するための多くの代替方法が、本発明の範囲内に存在する。他の例示的な方法は、別個の基板上に各ミラー構造を製造し、次いで基板を接合してＦＰキャビティを形成することを含む。いくつかの実施形態では、ミラーを含む別個の基板は、ＦＰキャビティの片側又は両側を圧縮して所望の傾斜及び／又はミラー間隔を誘導するために機械的力（例えば、クランプ、空気圧又は水圧作動、ねじなど）の使用を可能にする弾性材料（例えば、ポリジメチルシリコーン（ＰＤＭＳ）など）を使用して接合される。
【００７４】
さらに、スペクトルフィルタ１０２を形成するのに適したいくつかの製造方法では、空気層ベースのブラッグ反射器が、少なくとも１つの発生期ミラー３０２の構造材料層及び犠牲材料層を通る穴の配列をエッチングすることによって形成される。穴が層スタックを貫通して形成されると、全てではないが大部分の犠牲材料層を横方向にエッチングするために、時限犠牲エッチングが使用される。その結果、時限エッチングが終了すると、犠牲材料の小さな領域が残り、これは、構造材料層をそれらの所望の空間的関係に保持するように機能する。
【００７５】
上述したように、キャビティ３０４の両端のキャビティ長を制御することができるので、出力光信号１０６のスペクトルコンテンツにおける最短波長及び最長波長のそれぞれを独立して制御することができる。これは、従来技術のハイパースペクトル測定システムを使用して、スペクトル測定方法が実用的でないか、又は場合によっては可能であることを可能にする。ここでは、本発明に準拠したスペクトル測定方法の二つの例を説明する。
【００７６】
図６は、本発明による光信号のスペクトルコンテンツを決定するための第１の例示的な方法の操作を示す。方法６００は、図１、図３、及び図４を引き続き参照して本明細書に記載される。方法６００は、入力光信号１０６がハイパースペクトル検出システム１００によって受信される操作６０１で始まる。
【００７７】
上述のように、図示した例では、入力光信号１０６は、２μｍから２０μｍの波長範囲に及ぶ。ここで述べる例示の方法の目的のために、キャビティ３０４の休止したキャビティ長は、波長が２０μｍに等しく、検出器アレイ１０４が１０００個の検出器１１０を含み、これはｘ方向に等間隔で並んだ光を透過する。
【００７８】
操作６０２において、ミラー３０２-２は、位置ｘ１におけるミラー３０２の間隔を変更することなく、角度θ１だけ傾斜される。θ１の大きさは、出力光信号１０８のスペクトル幅が１μｍとなるように選択される。その結果、出力光信号１０８は、２０．０μｍから１９．００１μｍの波長範囲にわたるスペクトルを有する。
【００７９】
ｉ＝１〜Ｍの各々について、Ｍは、測定されるべき光信号１０６のサブスペクトルの数である（本例ではＭ＝１８）。
【００８０】
操作６０３において、出力光信号１０８-ｉのスペクトルのスペクトル位置を設定するために、間隔ｓ-ｉが確立される。ｉの値がインデックスされるたびに、ｓ-ｉの値は、ミラー３０２-２の傾斜角度をθ１に維持しながら、出力光信号１０８-ｉのスペクトルのスペクトル位置をＷ／Ｍだけ変更するのに適した量だけ変更される。したがって、図示の例では、操作６０６において、出力信号１０８のスペクトルは、同じスペクトル幅を維持しながら、１μｍだけ短波長にシフトする。
【００８１】
操作６０４では、出力光信号１０８-ｉが検出器アレイ１０４に供給される。その結果、検出器１１０は、１ｎｍのスペクトル分解能で２０．０μｍから１９．００１μｍの範囲にわたる波長信号を検出する。
【００８２】
操作６０５において、出力信号１１２-ｉがプロセッサ１１４に供給される。
【００８３】
ｉの各値について、操作６０３〜６０５が繰り返される。
【００８４】
操作６０６において、プロセッサ１１４は、出力信号１１２-１〜１１２-Ｍに基づいて入力光信号１０６のスペクトルコンテンツを決定する。
【００８５】
図７は、本発明による光信号のスペクトルコンテンツを決定するための第２の例示的な方法の操作を示す。方法７００は、図１、図３、及び図４を引き続き参照して本明細書に記載される。方法７００は、広いスペクトル範囲の光を低分解能で迅速に測定して、より高い分解能での測定を保証するスペクトル領域を同定することを可能にする。したがって、方法７００は、重要であると考えられるより大きなスペクトル信号の部分のみをユーザが迅速に識別し、分析することを可能にする「スペクトルズーム」能力を供給する。
【００８６】
方法７００は操作７０１で始まり、入力光信号１０６内の対象となる完全なスペクトルが出力光信号１０８としてスペクトルフィルタ１０２を通過する。図示の例では、対象となるスペクトルは、ＭＩＲスペクトル範囲全体である。対象となるスペクトル全体を通過させるために、第１の、典型的には大きい傾斜角度θ２がミラー３０２-２に対して確立される。
【００８７】
操作７０２において、プロセッサ１１４は、検出器１１０からの出力信号１１２に基づいて、対象となるスペクトル内のＮ個のより高い対象となるサブスペクトル領域ＨＳＳ-１〜ＨＳＳ-Ｎを識別する。
【００８８】
操作７０３では、ｊ＝１〜Ｎのそれぞれについて、出力光信号１０６のスペクトルコンテンツがＨＳＳ-ｊに設定されるように、間隔ｓ-ｊ及び傾斜角度θ-ｊが確立される。
【００８９】
操作７０４において、ｊ＝１〜Ｎの各々について、プロセッサ１１４は、ＨＳＳ-ｊのスペクトルコンテンツを決定する。
【００９０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのより高い対象となるスペクトルの高分解能測定は、さらに高いスペクトル分解能での分析を保証する１つ又は複数のより小さいスペクトル領域を明らかにする。そのような場合、これらのより小さいスペクトル領域の各々について、出力光信号１０８が検出器１１０にわたってそのスペクトルのみを分配するように、間隔ｓ及び傾斜角度θを再度確立することができる。このスペクトル「ズーミング」プロセスは、アクチュエータ４０２-１及び４０２-２の制御分解能の実質的な限界に達するまで繰り返すことができることに留意されたい。
【００９１】
いくつかの実施形態では、対象となる特定の吸収ピークが同定されると（例えば、操作７０２において）、キャビティ３０４のキャビティ長は、光共振キャビティの幅にわたってこの吸熱ピークの波長だけを透過させるように調整される。その結果、検出器１１０の各々は、同じ波長を感知し、それによって、システム１００をスペクトルイメージングカメラに変換する。
【００９２】
上述したように、ハイパースペクトル検出システムは、ハイパースペクトルイメージング及び分光法のような多くの用途において広く使用されている。本発明の実施形態は、ＭＩＲスペクトル範囲で動作するため、高分解能分光法での使用に特によく適している。
【００９３】
図８は、本発明による高分解能分光計の断面図の概略図を示す。分光計８００は、スペクトルフィルタ１０２と、検出器アレイ１０４と、光源８０２と、サンプルキュベット８０４とを含む。
【００９４】
光源８０２は、光信号１０６を供給するように動作する放射線源である。
【００９５】
サンプルキュベット８０４は、検査サンプル８０６を保持するのに適した室であり、これは一般的に血液、スパットル等の流体である。図示の例では、サンプル８０６は血液である。
【００９６】
従来技術の分光計、特にコンパクトな分光計は、分析される材料が効率的に吸収せず、サンプルを通る光の経路長が十分に長くないため、感度が制限されることが多いことに留意されたい。より長い経路長は、複数の波長がシステム内で共振することを可能にすることによって、小型化を制限し、光学フィルタ応答を複雑にする。
【００９７】
しかしながら、図示の例は、サンプルキュベット８０４がミラー３０２-１及び３０２-２によって形成されたキャビティ３０４内に配置されているという事実のために、従来技術の分光計に比べて著しい利点を供給する。
【００９８】
その結果、サンプル８０６における吸熱ピークは光学的に増幅され、システム８００の幾何学的形状は、キャビティ３０４内の微量の材料の測定及び定量化を可能にする。キャビティ３０４の品質係数Ｑによる光吸収の増幅は、容易に２０００を超えることができ、この要因による感度の向上させることができることに留意されたい。その結果、スペクトルのコントラストは、スペクトルフィルタ１０２の光学的ハイパースペクトルフィルタリングキャビティ内にサンプル８０６を配置することによって著しく増加する。
【００９９】
いくつかの実施形態では、キャビティ３０４は、スペクトルフィルタがその休止状態にあるときにミラー３０２の両方が軸Ａ１に対して非直角になるように、入力光信号１０６の伝播方向に対して非垂直角度（すなわち、α≠９０°）で配向される。このような実施形態では、キャビティ３０４の共振ピーク位置は、角度αの余弦に従ってシフトされ、休止状態でキャビティを透過する光のスペクトル範囲が狭められる。その結果、キャビティ３０４の品質係数Ｑが改善され、それによって分光計８００の感度が著しく改善される。
【０１００】
この改善は、分光計８００に関するものとして本明細書に記載されているが、入力光信号１０６の伝播方向に対して垂直でない角度でキャビティ３０４を配向することによって生じるシステム性能の向上は、本発明による他の実施形態において利点を供給することに留意されたい。
【０１０１】
光共振キャビティ内のサンプル８０６の位置は非常に都合が良いが、サンプルは、本発明の範囲から逸脱することなく、光源８０２とスペクトルフィルタ１０２との間、又はスペクトルフィルタ１０２と検出器アレイ１０４との間に設置することもできることに留意されたい。
【０１０２】
本発明のこの説明は、例示的な実施形態の1つの例を教示するにすぎず、当業者は本開示を読むことで本発明の多くの変形を容易に考案することができる。また本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義されるべきであることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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