特許 6291483 単軸光ホモジナイザーを組み込む光画像形成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6291483

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月14日

(54)【発明の名称】単軸光ホモジナイザーを組み込む光画像形成システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/09 20060101AFI20180305BHJP

   G01J 3/40 20060101ALI20180305BHJP

   G01J 3/36 20060101ALI20180305BHJP

   G01J 3/18 20060101ALN20180305BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/09

   G01J3/40

   G01J3/36

   !G01J3/18

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-515134(P2015-515134)

(86)(22)【出願日】2013年5月29日

(65)【公表番号】特表2015-519611(P2015-519611A)

(43)【公表日】2015年7月9日

(86)【国際出願番号】US2013043018

(87)【国際公開番号】WO2013181203

(87)【国際公開日】20131205

【審査請求日】2016年5月12日

(31)【優先権主張番号】61/653,668

(32)【優先日】2012年5月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100090468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐久間 剛

(72)【発明者】

【氏名】コムストック，セカンド ロヴェル エルジン

(72)【発明者】

【氏名】ウィギンス，リチャード リントン

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００８−５２０００４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０９

Ｇ０１Ｊ ３／００ − ３／４５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

オブジェクト光源の光画像を提供する光画像形成システムにおいて、前記光画像形成システムは、
前記オブジェクト光源に関連する光を受光するための画像形成光学系と；
単軸ホモジナイザーであって、
前記画像形成光学系から前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置されると共に入口端、本体及び出口端を有するように構成される矩形横断面光パイプであり、前記入口端がＸ軸方向に、前記画像形成光学系から受光した前記光を均質化するための寸法とされる幅を有し、前記入口端がＹ軸方向に、前記画像形成光学系から受光した前記光における空間的且つ角度的な画像変化を保持するための寸法とされる高さを有し、前記本体がＺ軸方向に所定の長さを有する、矩形横断面光パイプ；および
前記矩形横断面光パイプから前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置される非点収差近軸光学系；
を含むホモジナイザーと；
前記光画像形成システムは、前記非点収差近軸光学系から前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置されると共に前記オブジェクト光源の前記光画像を出力するように構成される検出器と；
を備え、
前記非点収差近軸光学系は、前記矩形横断面光パイプの前記入口端と一致するＹＺオブジェクト平面、前記矩形横断面光パイプの前記出口端と一致するＸＺオブジェクト平面、及び前記検出器でともに一致するＸＺ画像平面とＹＺ画像平面を有するように構成される光画像形成システム。

【請求項2】

前記矩形横断面光パイプは、
前記入口端が前記検出器で望ましい視野と整合する寸法とされたＹ軸方向の前記高さを有することと；
前記入口端で受光された前記光の角度が前記矩形横断面光パイプの前記本体内においてＹＺ平面内で変化しないままであるような寸法とされたＹ軸方向の高さを前記出口端が有することと；
前記入口端が前記オブジェクト光源の望ましい画像スライスを提供するための寸法とされたＸ軸方向の幅を有することと；
を備える請求項１に記載の光画像形成システム。

【請求項3】

前記矩形横断面光パイプの前記入口端の高さ、前記出口端の高さ、及び前記本体の長さが、
Ｙｈ（出口） ≧ Ｙｈ（入口）＋Ｚ（光パイプ）／ｆ／＃を満たし、
式中、Ｚ（光パイプ）が前記本体の長さであり、
Ｙｈ（出口）が出口端の高さであり、
Ｙｈ（入口）が入口端の高さであり、
１／ｆ／＃が前記矩形横断面光パイプ内で移動する前記光の最大角度の傾きの２倍である請求項２に記載の光画像形成システム。

【請求項4】

オブジェクト光源の光画像を提供する光画像形成システムを製造する方法において、前記方法は、
前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように構成される画像形成光学系を提供する工程と；
単軸ホモジナイザーであって、
前記画像形成光学系から前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置されると共に入口端、本体及び出口端を有するように構成される矩形横断面光パイプであり、前記入口端がＸ軸方向に、前記画像形成光学系から受光した前記光を均質化するための寸法とされる幅を有し、前記入口端がＹ軸方向に、前記画像形成光学系から受光した前記光における空間的且つ角度的な画像変化を保持するための寸法とされる高さを有し、前記本体がＺ軸方向に所定の長さを有する、矩形横断面光パイプ；および
前記矩形横断面光パイプから前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置される非点収差近軸光学系；
を含む単軸ホモジナイザーを提供する工程と；
前記非点収差近軸光学系から前記オブジェクト光源に関連する前記光を受光するように位置されると共に前記オブジェクト光源の前記光画像を出力するように構成される検出器を提供する工程と；
を備え、
前記非点収差近軸光学系は、前記矩形横断面光パイプの前記入口端と一致するＹＺオブジェクト平面、前記矩形横断面光パイプの前記出口端と一致するＸＺオブジェクト平面、及び前記検出器でともに一致するＸＺ画像平面とＹＺ画像平面を有するように構成される、方法。

【発明の詳細な説明】

【関連技術の相互参照】

【0001】

本願は、２０１２年５月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／６５３６６８号の優先権の利益を享受し、その内容に基づいており、その全体の参照によってここに組み込まれる。

【技術分野】

【0002】

画像形成光学系、単軸ホモジナイザー（矩形横断面光パイプと非点収差近軸光学系を含む）、及び検出器を含む光画像形成システム（例えば、ハイパースペクトル画像形成システム）が、概して開示される。単軸ホモジナイザーは、一本の軸に沿って画像形成を保持すると共に第２の垂直軸に沿って均質化する（全ての画像情報を除去する）ように構成される。一実施形態では、単軸ホモジナイザーは、ハイパースペクトル画像形成システムの分光写真機において使用され、矩形横断面光パイプが分光写真機の入口スプリットに取って代り、非点収差近軸光学系が分光計の光学系の設計に組み入れられる。

【背景技術】

【0003】

ハイパースペクトル画像形成システムのような光画像形成システム、プロジェクタ、トラッキングシステム、及び光制御システムの製造者は、常に、画像形成が幾つかの特性を有するように調整することによってそのようなシステムを向上しようとしている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

製造者が、実際に画像の完全さをより減少することによって光画像形成システムを向上してそれにより良好に実行させる１つの方法が、本発明の主題である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

光画像形成システム、その光画像形成システムを製造する方法、及びハイパースペクトル画像形成システムが、本願の独立の請求項に開示されている。光画像形成システム、その光画像形成システムを製造する方法、及びハイパースペクトル画像形成システムの有利な実施形態が、独立の請求項に開示されている。

【0006】

一態様において、オブジェクト光源の光画像を提供するための光画像形成システムが開示される。一実施形態において、光画像形成システムは、（ａ）オブジェクト光源に関連する光を受光するための画像形成光学系と；（ｂ）単軸ホモジナイザーを備え、前記単軸ホモジナイザーが、（ｉ）前記画像形成光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ入口端、本体及び出口端を有するように構成される矩形横断面光パイプを含み、前記入口端が、Ｘ軸方向に受光光を均質化するための寸法にされた幅を有し且つ前記入口端が、Ｙ軸方向に受光光の空間的且つ角度的画像変化を保持するための寸法にされた高さを有し、前記本体は、Ｚ軸方向に所定の長さを有すること、及び（ｉｉ）前記矩形横断面パイプから前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置された非点収差近軸光学系を含み；前記光画像形成システムは、（ｃ）前記非点収差近軸光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ前記オブジェクト光源の光画像を出力するように構成された検出器を含む。

【0007】

他の実施形態において、本開示は、オブジェクト光源の光画像を提供する光画像形成システムを製造する方法を提供する。一実施形態では、本方法は、（ａ）前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように構成された画像形成光学系を提供する工程と；（ｂ）単軸ホモジナイザーを提供する工程を備え、前記単軸ホモジナイザーは、（ｉ）前記画像形成光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ入口端、本体及び出口端を有するように構成される矩形横断面光パイプを含み、前記入口端が、Ｘ軸方向に受光光を均質化するための寸法とされた幅を有し且つ前記入口端が、Ｙ軸方向に受光光の空間的且つ角度的画像変動を保持するための寸法にされた高さを有し、前記本体は、Ｚ軸方向に所定の長さを有すること、及び（ｉｉ）前記矩形横断面パイプから前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置された非点収差近軸光学系を含み；本方法は、（ｃ）前記非点収差近軸光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ前記オブジェクト光源の光画像を出力するように構成される検出器を提供する工程を備える。

【0008】

更に他の態様において、本開示は、オブジェクト光源の光画像を提供するためのハイパースペクトル画像形成システムを提供する。一実施形態では、本ハイパースペクトル画像形成システムは、（ａ）前記オブジェクト光源に関連する光を提供するための画像形成光学系と；（ｂ）単軸ホモジナイザーとを備え、前記単軸ホモジナイザーが、（ｉ）前記画像形成光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ入口端、本体及び出口端を有するように構成される矩形横断面光パイプを含み、前記入口端が、Ｘ軸方向に受光光を均質化するための寸法にされた幅を有し且つ前記入口端が、Ｙ軸方向に受光光の空間的且つ角度的画像変動を保持するための寸法にされた高さを有し、前記本体は、Ｚ軸方向に所定の長さを有すること、及び（ｉｉ）前記矩形横断面パイプから前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置された非点収差近軸光学系を含み；前記ハイパースペクトル画像形成システムは、（ｃ）前記非点収差近軸光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置される回折格子と；（ｄ）前記回折格子から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置される分光計光学系と；（ｅ）前記分光計光学系から前記オブジェクト光源に関連する光を受光するように位置され且つ前記オブジェクト光源の光画像を出力するように構成された検出器を備える。

【0009】

本開示の追加の態様は、続く詳細な説明、図面及びいずれかの請求項に部分的に述べられており、その詳細な説明から部分的に導出される、又は本発明の実施によって学ばれる。前述の一般的な記述及び以下の詳細な記述は、例示であり、説明のためものに過ぎず、開示される開示に制限されない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって本開示のより完全な理解が得られる。

【図1A】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源の光画像を提供するように構成される例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図1B】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源の光画像を提供するように構成される例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図1C】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源の光画像を提供するように構成される例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図1D】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源の光画像を提供するように構成される例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図1E】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源の光画像を提供するように構成される例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図2A】本発明の実施形態に従う、単一のオブジェクト光源の単一の光画像を提供する代わりに、二つのオブジェクト光源の二つの光画像を提供している図１に示された例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図2B】本発明の実施形態に従う、単一のオブジェクト光源の単一の光画像を提供する代わりに、二つのオブジェクト光源の二つの光画像を提供している図１に示された例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図2C】本発明の実施形態に従う、単一のオブジェクト光源の単一の光画像を提供する代わりに、二つのオブジェクト光源の二つの光画像を提供している図１に示された例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図2D】本発明の実施形態に従う、単一のオブジェクト光源の単一の光画像を提供する代わりに、二つのオブジェクト光源の二つの光画像を提供している図１に示された例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図2E】本発明の実施形態に従う、単一のオブジェクト光源の単一の光画像を提供する代わりに、二つのオブジェクト光源の二つの光画像を提供している図１に示された例示の光画像形成システムに関連する図である。

【図3A】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源のスペクトル特徴を描く光画像を提供するように構成された例示のハイパースペクトル画像形成システムの基本コンポーネントを描く写真である。

【図3B】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源のスペクトル特徴を描く光画像を提供するように構成された例示のハイパースペクトル画像形成システムの基本コンポーネントを描く写真である。

【図3C】本発明の実施形態に従う、オブジェクト光源のスペクトル特徴を描く光画像を提供するように構成された例示のハイパースペクトル画像形成システムの基本コンポーネントを描く写真である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１Ａ乃至図１Ｅを参照すると、本開示の実施形態に従う、オブジェクト光源１０２の光画像１０１を提供するように構成された例示の光画像形成システム１００を記述するのを助けるために使用される幾つかの図がある。図１Ａに示されるように、例示の光画像形成システム１００は、中に画像形成光学系１０６、単軸ホモジナイザー１０８（矩形横断面光パイプ１１０及び非点収差近軸光学系１１２を含む）、及び検出器１１４が配置されるハウジング１０４を含む。画像形成光学系１０６（例えば、凸形状レンズ１０６、レンズ群系１０６）は、オブジェクト光源１０２の少なくとも一部に関連する光１１６を受光し、オブジェクト光源１０２に関連する光１１６ａを出力する。矩形横断面光パイプ１１０は、画像形成光学系１０６からオブジェクト光源１０２に関連する光１１６ａを受光し、オブジェクト光源１０２に関連する光１１６ｂを出力するように位置される（図１Ｂ乃至図１Ｅ参照）。非点収差近軸光学系１１２（例えば、非点収差近軸レンズ１１２）は、矩形横断面光パイプ１１０からオブジェクト光源１０２に関連する光１１６ｂを受光し、オブジェクト光源１０２に関連する光１１６ｃを受光するように位置される。検出器１１４は、非点収差近軸光学系１１２からオブジェクト光源１０２に関連する光１１６ｃを受光し、オブジェクト光源１０２の光画像１０１を出力するように位置される（図１Ｅ参照）。光画像形成システム１００は、当業者には周知である他のコンポーネントを組み込むことができるが、明瞭にするために、本開示に関連するこれらのコンポーネントのみがここで詳細に論じされる。これに関連して、矩形横断面光パイプ１１０と非点収差近軸光学系１１２を含む単軸ホモジナイザー１０８についての詳細な議論は、図１Ｂ乃至図１Ｅに関連して以下で行われる。

【0012】

図１Ｂに示されるように、本開示の一実施形態に従う矩形横断面光パイプ１１０の斜視図がある。矩形横断面光パイプ１１０は、光線を１つの軸方向へ指定の場所へ案内すると共に第２の垂直軸方向への案内をしない任意の構造である。例は、全内反射を使用する矩形光導波路、内部が中空であるが反射内表面を有する矩形光学光パイプ、又は一連の円筒状レンズアレイである。この例では、矩形横断面光パイプ１１０は、直接繋がるｘ軸方向のパスが無いように接続された二つの矩形状セクション１１０ａと１１０ｂ（より可能性がある）から形成され、それによって、常に均質化があるが、均質化の度合いがより少ない１つの矩形状セクション（図示せず）から作られてもよい。

【0013】

図示されるように、矩形横断面光パイプ１１０は、入口端１２０（光１１６ａを受光する）、本体１２２、及び出口端１２４（光１１６ｂを出力する）を有する。入口端１２０は、Ｘ軸方向に受光光１１６ａを均質化する寸法にされた幅１２８を有する。入口端１２０は、Ｙ軸方向に受光光１１６ａにおける元の空間的且つ角度的画像変化を保持する寸法にされた高さ１２９を有する。本体１２２は、Ｚ軸方向へ所定の長さ１３１を有する。矩形横断面光パイプ１１０の寸法を、Ｘ軸方向に受光光１１６ａを均質化し、同時にＹ軸方向に受光光１１６ａの空間的及び角度的画像変化を保持するように決定又は選択することができる方法は、以下の公式を利用することである。

【0014】

【数1】

【0015】

式中、Ｚ（光パイプ）は、光パイプ１１０の長さであり、Ｙｈ（出口）は、出口端１２４の高さであり、Ｙｈ（入口）は、入口端１２０の高さ１２９であり、１／ｆ＃は、光パイプ１１０内の光移動の最大角度の勾配の２倍である。

【0016】

ここで記述され且つ図面に示されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、周知の三次元直交座標系である。更に、明瞭化のための図面は、光１１６、１１６ａ、１１６ｂ、及び１１６ｃに関連する光線の小さな部分を描いているに過ぎない。

【0017】

この公式の利用において、矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０のＹｈ（入口）は、口径食を防止するのに必要な視野を整合するように選択される。矩形横断面光パイプ１１０の出口１２４のＹｈ（出口）は、矩形横断面光パイプ１１０に入る光１１６ａの光線角度がＹ−Ｚ平面内で変化しないままであるように選択される。加えて、Ｘ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０の幅１２８は、望ましい画像スライスを選択するように選ばれる。典型的には、矩形横断面光パイプ１１０の出口１２４の幅は、Ｘ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０の幅と同一である。しかしながら、幾つかの用途において、矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０のＸ幅とは異なる出口端１２４のＸ幅を有することによって、出口光線１１６ｂのｆ／＃を変化させることが有利である可能性がある。

【0018】

更に、Ｚ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の本体１２２の長さ１３１は、望ましい度合いの均質化を提供するように選択される。この出願では、用語“均質化”は、以下のように特徴付けられ得る。矩形横断面光パイプの入口端１２０がオブジェクト光源１０２に関連する光１１６ａを受光し、矩形横断面光パイプの本体１２２がＸ軸に沿ってオブジェクト光源１０２に関連する受光光１１６ａを均質化し、それによって、矩形断面光パイプの出口端１２４を出るＸ軸に関する光１１６ｂの空間的、角度的及び分極分布が矩形横断面光パイプの入口端１２０で受光されるＸ軸に沿う光１１６ａよりも均一にされる。更に、この出願では、用語“オブジェクト光源”は、以下のように特徴付けられ得る。即ち、発光物理オブジェクト又は画像形成システムによって生成されるオブジェクトのような画像である。

【0019】

図１Ｃに示されるように、Ｘ軸に沿う受光光１１６ａの均質化を描くＸＺ平面に関する矩形横断面光パイプ１１０の平面図がある。この例では、Ｘ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の幅１２８は、５０マイクロメートルであり、Ｚ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の長さ１３１は、１ｍｍである。受光光１１６ａの光線は、左から右へ移動している。この図面と図１Ａを参照すると、非点収差近軸光学系１１２の構成とその矩形横断面光パイプ１１０に対する位置は、オブジェクト光源１０２の望ましい光画像１０１を提供するために重要であることを当業者は認識すべきである。これに関して、非点収差近軸光学系（例えば、非点収差近軸レンズ１１２）は、矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０と一致するＹＺオブジェクト平面を有するように構成される。非点収差近軸光学系１１２は、矩形横断面光パイプ１１０の出口端１２４と一致するＸＺオブジェクト平面を有する。加えて、非点収差近軸光学系１１２は、検出器１１４で一致されるＸＺ画像平面とＹＺ画像平面を有する。非点収差近軸光学系１１２は、ＹＺ平面における非点収差近軸光学系１１２の適切な焦点距離とＸＺ平面における適切な焦点距離を選択することによって、これらの要求の全てを満たすように構成され得る。換言すれば、非点収差近軸光学系１１２は、入口端１２０の平面でのＹＺ平面における及び出口端１２４の平面におけるＸＺ平面での完全な又は実質的に完全な（近軸）画像形成を有するように構成される。非点収差近軸光学系１１２の例は、本願では、非点収差を有する円筒レンズである。

【0020】

図１Ｄに示されるように、受光光１１６ａの空間的且つ角度的画像変化がＹ軸に沿って維持されることを描くと共にＹ軸に沿う受光光１１６ａの均質化がないことも描くＹＺ平面に関する矩形横断面光パイプ１１０の拡大側面図がある。この例では、Ｙ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の高さ１２９とＺ軸に沿う矩形横断面光パイプ１１０の長さ１３１は、１ｍｍである。受光光１１６ａの光線は、左から右へ移動している。

【0021】

図１Ｅに示すように、矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０での照明スポット１３２（受光光１１６ａ）と矩形横断面光パイプ１１０の出口端１２４で得られる照明スポット１３２（出力光１１６ｂ）を描く矩形横断面光パイプ１１０の二つの部分的端面図がある。この例では、照明スポット１３０は、入口端１２０の幅１２８に対応する５０マイクロメートルにわたる均質化がＸ軸に沿って生じる２０マイクロメートの正方形である。照明スポット１３０の均質化は、入口端１２０の高さ１２９に対応するＹ軸に沿っては生じない。矩形横断面光パイプ１１０の出口端１２４での照明スポット１３２（出力光１１６ｂ）は、Ｙ軸に沿って２０マイクロメートルとＸ軸に沿って５０マイクロメートルである矩形形状を有する。照明スポット１３２は、光画像１０１を形成するために検出器１１４までの非点収差近軸光学系１１２によって提供されるものである（図１Ａ参照）。この場合、元の矩形照明スポット１３０は、スポット１３０のＹ方向寸法を保持するが幅１２８の全Ｘ方向寸法にわたって均質的に広がる矩形の照明１３２に変換された。

【0022】

図２Ａ乃至図２Ｅを参照すると、上述の単一オブジェクト光源１０２の単一光画像１０１を提供する代わりに、本発明の実施形態に従って、二つのオブジェクト光源１０２と２０４の二つの光画像１０１と２０２を提供している前述の例示的光画像形成システム１００に関連する幾つかの図がある。この場合、光画像形成システム１００は、同じコンポーネント、即ち、図１Ａ乃至図１Ｅに関して上述したのと同じ構成で配置されたハウジング１０４、画像形成光学系１０６、単軸ホモジナイザー１０８（矩形横断面光パイプ１１０と非点収差近軸光学系１１２）、及び検出器１１４を含む。しかしながら、この場合、画像形成光学系１０６（例えば、近軸レンズ１０６、凸形状レンズ１０６、レンズ系１０６、ミラー系１０６）は、オブジェクト光源１０２の少なくとも一部に関連する受光光１１６（短鎖線）に加えて、他方のオブジェクト光源２０４の少なくとも一部に関連する光２０６（長鎖線）も受光する（注：短鎖線と長鎖線は、読者が光１１６の光線を光２０６の光線から区別するのを助けるために使用されているに過ぎない）。画像形成光学系１０６は、オブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ａと２０６ａを出力する。矩形横断面光パイプ１１０は、画像形成光学系１０６からオブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ａと２０６ａを受光し、オブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ｂと２０６ｂを出力するように位置される（図２Ｂ乃至図２Ｅ参照）。非点収差近軸光学系１１２（例えば、非点収差近軸レンズ１１２）は、オブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ｂと２０６ｂを受光し、オブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ｃと２０６ｃを出力するように位置される。検出器１１４は、非点収差近軸光学系１１２からオブジェクト光源１０２と２０４に関連する光１１６ｃと２０６ｃを受光し、オブジェクト光源１０２と２０４の光画像１０１と２０２を出力するように位置される（図２Ｅ参照）。矩形横断面光パイプ１１０と非点収差近軸光学系１１２を含む単軸ホモジナイザー１０８についての詳細な議論は、図２Ｂ乃至図２Ｅに関連して以下に提供される。

【0023】

図２Ｂに示されるように、上述のように、入口端１２０、本体１２２、及び出口端１２４を含む矩形横断面光パイプ１１０の斜視図がある。この場合、入口端１２０は、照明スポット１３０でオブジェクト光源１０２と関連する光１１６ａを受光し且つ照明スポット２３２でオブジェクト光源２０４に関連する光２０６ａを受光する。図２Ｃにおいて、ＸＺ平面に関する矩形横断面光パイプ１１０の平面図は、Ｘ軸に沿う受光光１１６ａと２０６ａの均質化について描いている。図２Ｄにおいて、ＹＺ平面に関する矩形横断面光パイプ１１０の拡大側面図は、受光光１１６ａと２０６ａの空間的且つ角度的な画像変化がＹ軸に沿って保持されることを描くと共にＹ軸に沿う受光光１１６ａと２０６ａの均質化もないことを描いている。図２Ｅにおいて、矩形横断面光パイプ１１０の二つの端面図は、矩形横断面光パイプ１１０の入口端１２０での照明スポット１３０と２３２（受光光１１６ａと２０６ａ）と矩形横断面光パイプ１１０の出口端１２４で得られる照明スポット１３２と２３６（出力光１１６ｂと２０６ｂ）を描いている。この例では、照明スポット１３０と２３２は、両方とも、Ｘ軸に沿って３０マイクロメートルとＹ軸に沿って６０マイクロメートル変位される２０マイクロメートルの正方形である。この場合、入口端１２０の幅１２８に対応し且つＸ軸に沿って生じる５０マイクロメートルにわたる均質化があった。照明スポット１３０と２３２の均質化は、入口端１２０の高さ１２９に対応するＹ軸に沿って生じない。矩形横断面光パイプ１１０の出口端１２４での照明スポット１３２と２３６（出力光１１６ｂと光２０６ｂ）は、各々がＹ軸に沿って２０マイクロメートルとＸ軸に沿って５０マイクロメートルである矩形状である。照明スポット１３２と２３６は、光画像１０１と２０２を形成するために検出器１１４までの非点収差近軸光学系１１２によって提供されるものである（図２Ａ参照）。光画像形成システム１００は、複数のオブジェクト光源（二つのオブジェクト光源１０２と２０４を越える）から光を受光し、これらのオブジェクト光源の光画像を提供できることが認識されるべきである。

【0024】

図３Ａ乃至図３Ｃを参照すると、本発明の実施形態に従って、オブジェクト光源３０４のスペクトル特徴を描く光画像３０２を提供するように構成された例示のハイパースペクトル画像形成システム３００の基本コンポーネントを描く写真がある。例示のハイパースペクトル画像形成システム３００は、中に配置される画像形成光学系３０８、単軸ホモジナイザー３１０（矩形横断面光パイプ３１２と非点収差近軸光学系３１４を含む）、回折格子３１６、分光計光学系３１８、及び検出器３２０が配置されるハウジング３０６を含む。画像形成光学系３０８（例えば、近軸レンズ３０８、凸形状レンズ３０８、レンズ系３０８、ミラー系３０８）は、オブジェクト光源３０４の少なくとも一部に関連する光を受光し、オブジェクト光源３０４に関連する光を出力する。矩形横断面光パイプ３１２は、画像形成光学系３０８からオブジェクト光源３０４に関連する光を受光し、オブジェクト光源３０４に関連する光を出力するように位置される（図３Ｂ乃至図３Ｃ参照）。非点収差近軸光学系３１４（例えば、オフナー主鏡３１５に組み込まれた近軸非点収差画像形成）は、矩形横断面光パイプ３１２からオブジェクト光源３０４に関連する光を受光し、オブジェクト光源３０４に関連する光を反射するように位置される。回折格子３１６は、非点収差近軸光学系３１４からオブジェクト光源３０４に関連する光を受光し、オブジェクト光源３０４に関連する光を回折し、回折光を反射するように位置される。分光計光学系３１８（例えば、オフナー副鏡３１８）は、回折格子３１６からオブジェクト光源３０４に関連する光を受光し、オブジェクト光源３０４に関連する回折光を反射するように位置される。検出器３２０は、分光計光学系３１８からオブジェクト光源３０４に関連する回折光を受光し、オブジェクト光源３０４のスペクトル特徴を描く光画像３０２を出力する。

【0025】

見られるように、本開示の単軸ホモジナイザー３１０は、ハイパースペクトル画像形成システム３００の分光写真機３２２において使用され得る。分光写真機３２２において使用される場合、矩形横断面光パイプ３１２は、従来の入口スリットと取り代わり、非点収差近軸光学系３１４が従来の分光計光学系３１５の設計に組み入れられる。このように、分光写真機３２２のコンポーネントの数は、従来の分光写真機と比較して変わらないままである。ハイパースペクトル画像形成システム３００は、当業者には周知である他のコンポーネントを組み込むこともできるが、明瞭化のために、本開示に関連するこれらのコンポーネントのみがここでは詳細に論じられる。

【0026】

図３Ｂ乃至図３Ｃに示されるように、本発明の一実施形態に係る例示のハイパースペクトル画像形成システム３００に設置される矩形状矩形横断面光パイプ３１２の正面図と角度が付けられた正面図を夫々示す写真がある。矩形横断面光パイプ３１２は、入口端３２４（オブジェクト光源３０４に関連する光を受光する）、本体３２６、及び出口端３２８（オブジェクト光源３０４に関連する光を出力する）を有するように構成される。入口端３２４は、Ｘ軸方向に受光光を均質化するための寸法にされた幅３３０を有する。更に、入口端３２４は、Ｙ軸方向に受光光の空間的且つ角度的な画像変化を保持するための寸法にされた高さ３３２を有する。本体３２６は、Ｚ軸方向に所定の長さ３２７を有する。矩形横断面光パイプ３１２及びそれがいかに設計され得るかについてのより詳細な議論のために、図１Ａ乃至図１Ｅに関して上述された矩形横断面光パイプ１１０が参照される。更に、非点収差近軸光学系３１４は、矩形横断面光パイプ３１２の入口端３２４と一致するＹＺオブジェクト平面を有するように構成される。非点収差近軸光学系３１４は、矩形横断面光パイプ３１２の出口端３２８と一致するＸＺオブジェクト平面を有するように構成される。加えて、非点収差近軸光学系３１４は、検出器のＸＹ平面（３２０）で一致させられるＸＺ画像平面とＹＺ画像平面を有する。非点収差近軸光学系３１４は、ＹＺ平面における非点収差近軸光学系３１４の適切な焦点距離とＸＺ平面における適切な焦点距離を選択することによって、これらの要求の全てを満たすように構成され得る（図３Ａ参照）。換言すれば、非点収差近軸光学系３１４は、ＹＺ平面とＸＺ平面において完全な又は実質的に完全な（近軸）画像形成を有するように構成されるが、非点収差近軸光学系３１４の焦点距離は、これら二つの平面において異なっている。分光写真機のような画像形成システム３００が単軸ホモジナイザー３１０に続く場合、画像形成システムにおける光学系を変更することはむしろ容易であり、それらは、それらの元の機能を提供し、更に非点収差近軸光学系３１４の機能も提供することが認識されるべきである。そして、外部の非点収差近軸レンズは必要ない。従って、二つの異なるバージョンがある。

【0027】

前述から、当業者は、本開示が一般的には光画像形成システム１００に関し、一特定の実施形態では、分光写真機３２２を組み込むハイパースペクトル画像形成システム３００に関することを理解するであろう。分光写真機ベースのハイパースペクトル画像形成システム３００の性能は、矩形光パイプ３１２が従来の入口スリットに取って代り且つ非点収差近軸光学系３１４が従来の分光計光学系に組み入れられるため、最先端の技術に対する顕著な向上である。特に、変幻自在の単軸ホモジナイザー３１０を有する分光写真機ベースのハイパースペクトル画像形成システム３００は、矩形横断面光パイプの入口端３２４での照明が入口端の幅（一軸、スペクトル軸）にわたって均一にされる（均質にされる、散乱される）と共に入口端の長さ（垂直軸、空間軸）に沿う空間的且つ角度的な画像変化を保持できるように構成される。本発明の幻自在の単軸ホモジナイザー３１０は、分光写真機における用途に制限されず、それは、例えば、プロジェクタ、トラッキングシステム、及び光制御システムを含む広範囲のデバイスにおいて有用性を有する。

【0028】

本開示の複数の実施形態が添付の図面に描かれ且つ前述の詳細な説明に記述されたが、本発明は開示の実施形態に制限されず、以下の請求項で述べられ且つ定義される開示から逸脱することなく多くの再配置、変更及び交換が可能であることが理解されるべきである。また、ここで使用される“本開示（ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ）”や“開示（ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ）”に対する言及は、例示的実施形態に関するものであり、必ずしも添付の請求項によって包含される全ての実施形態に関するものではない。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図3A】

【図3B】

【図3C】