JP2019533811A - 反射型空間ヘテロダイン分光器のモノリシックアセンブリ - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に記載する発明は、NASA契約NNN12AA01Cに基づいた業務の履行においてなされたものであり、公法96−517(米国特許法第202条)の規定が適用され、契約者が権利保持を選択した。
波長λを有する入射光ビームを異なる角度オフセット方向に進む2つの回折ビームに分割するよう構成された対称回折格子と、
対称回折格子に対して第1角度で配置された平面ミラーと、
対称回折格子に対して第2角度で配置されたルーフミラーと、
なお、平面ミラー及びルーフミラーは、上記平面ミラー及び上記ルーフミラーが回折ビームを循環コモンパス構成で反射して、上記回折ビームが対称回折格子で再度回折して局在縞パターンを生成するように配置され、且つ
平面ミラー、ルーフミラー、及び対称回折格子は、2つの回折ビームが反射型空間ヘテロダイン分光器から法線と一致する角度で(in normal angle)出て局在縞パターンを生成しないヘテロダイン波長λ0がある場合に満たされるヘテロダイン条件を常時満たすように配置され、
支持構造体であり、対称回折格子、平面ミラー、及びルーフミラーがそれぞれ直接取り付け固定される支持構造体と
を備えたモノリシックCRSHSに関する。
波長λを有する入射光ビームを異なる角度オフセット方向に進む2つの回折ビームに分割するよう構成された対称回折格子と、
対称回折格子に対して第1角度で配置された平面ミラーと、
対称回折格子に対して第2角度で配置されたルーフミラーと、
少なくとも1つの光学素子と、
なお、平面ミラー及びルーフミラーは、上記平面ミラー及び上記ルーフミラーが回折ビームを循環コモンパス構成で反射して、上記回折ビームが対称回折格子で再度回折して局在縞パターンを生成するように配置され、
平面ミラー、ルーフミラー、対称回折格子、及び少なくとも1つの光学素子は、2つの回折ビームが反射型空間ヘテロダイン分光器から法線と一致する角度で出て局在縞パターンを生成しないヘテロダイン波長λ0がある場合に満たされるヘテロダイン条件を常時満たすように配置され、且つ
少なくとも1つの光学素子は、縞局在面を維持しつつスループットを高めて視野を広げ、
支持構造体であり、対称回折格子、平面ミラー、ルーフミラー、及び少なくとも1つの光学素子がそれぞれ直接取り付け固定される支持構造体と
を備えた広視野モノリシックCRSHSに関する。
原形のSHS構成は、各干渉計アームを回折格子に置き換えたマイケルソン干渉計構成のマイケルソン設計SHS(MSHS)である。MSHS設計は、最終的には、大気及び星間輝線特徴の観測用の一連の地上及び宇宙機器をもたらし、既知の技術分野におけるSHS計画及び分析の大多数が、依然としてMSHS形式である。MSHS機器の弱点は、2つのアームの非コモンパス設計及び透過素子の使用であり、これが短波長(UV等)での機器の有用性を制限する。
上述のように、従来の循環反射型SHS(CRSHS)機器の大きな弱点は、定期的な調整及び較正保守要件に加えて、システムのサイズ及び組立構造である。CRSHSの中心は、平面ミラー106、ルーフミラー108、及び対称回折格子104を含む。従来、これらの素子のそれぞれが、(例えば、実験台上又は卓上で)ミラー及び回折格子ホルダの市販又は特注の機械的マウンティングを用いて個別に取り付けられる。干渉計の性能には厳しい公差があるので、干渉計を組立後にアライメントできるようにホルダが調整可能である。保持固定具は、非常に堅く不撓性でなければならず、これが光学マウントの調整を複雑にする。このような干渉計の重量は、光学コンポーネントを所定位置に保つのに必要な固定具(例えば、アルミニウム製又は鋼製固定具)により大部分が占められる。市販のマウントが剛性に最適化されていない場合、設置された干渉計は、望ましくない振動をさらにより受けやすいであろう。また、SHS干渉計の全光学素子タイプが、必要とされるマウンティングシステムの結果として比較的重い傾向があり、且つその調整手順は非常に時間がかかる。
FOVは、機器のエタンデュ、つまり光学系の受光及び集光能力(E=FOV×Aeff;式中、Aeffは集光面積である)を増加させるのでCRSHSに重要である。光源が広がり開口を満たす(aperture-filling)のであれば、CRSHSのFOVは、大型望遠鏡が格子分光器に対して果たすのと同じ役割を果たすことができる。エタンデュという尺度は、光学機器の感度を表現するのに広く用いられている。これまで、FOV外光線を用いてRSHSシステムのFOVのサイズを増加させることに対する解決手段は明示されておらず、商業、地球科学、及び惑星科学の用途でのCRSHSの使用が制限されていた。従来技術には広視野MSHSの方法があったが、広視野CRSHSははるかにより複雑である。
CRSHS機器の技術の現状では、自由空間光学系を用いて、ターゲットから集光されたターゲット光をCRSHS機器に入力する。CRSHSに結合された自由空間光学系は、機器のサイズ、体積、及び構成を主に決定し、それを入射ビームのFナンバー(Fナンバー=入射開口径/焦点距離)にロックする。自由空間光学系により、集光系(大抵は望遠鏡だが、顕微鏡又は他の形態の入力光学系の場合もある)からのターゲットビームが焦点面(FOV絞り)に集束する。光は、続いてコリメート光学系まで進んでコリメートされた後に干渉計に入る。光ビームのFナンバーに応じて、1つのコリメート光学系でビームを所望のビーム幅にコリメートできず且つ必要な距離が利用可能な空間及び構成に合わない場合、2つ以上のコリメート光学系が用いられる。この従来の自由空間光学系の使用は、集光系(概して望遠鏡又は顕微鏡)からのRSHSの場所及び向きに制限を課すので、CRSHS機器の大きな弱点であり得る。CRSHS機器のフォームファクタ並びにそれらのサイズ及び体積が制限されることで、環境及びユーザニーズに対するCRSHSの融通性が失われる。また、ターゲットビーム経路に何らかの遮蔽(obscuration)を伴っても望遠鏡又は顕微鏡にCRSHS機器を結合できる。例えば、カセグレン又はニュートン望遠鏡は、最も一般的に用いられている望遠鏡だが、支持構造体の影が問題であり得る。
これまで、反射システムとヘテロダイン及び縞局在面(FLP)条件の満足とに関連する特有の課題により、広視野化光学コンポーネント又は光ファイバ入力を組み込んだモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器(CRSHS)は言うまでもなく、モノリシックCRSHSは報告されておらず実証に成功してもいなかった。本発明は、極めて広範囲の波長及び用途に一般化できる新規の手法を提供する。
複数の実施形態を記載してきたが、種々の変更、代替構成、及び等価物が本発明の趣旨から逸脱せずに用いられ得ることが当業者には認識されるであろう。さらに、本発明をむやみに不明瞭にしないように、いくつかの既知のプロセス及び素子については記載していない。したがって、上記説明を本発明の範囲を制限するものとみなすべきではない。
Claims (26)
- モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器であって、
波長λを有する入射光ビームを異なる角度オフセット方向に進む2つの回折ビームに分割するよう構成された対称回折格子と、
前記対称回折格子に対して第1角度で配置された平面ミラーと、
前記対称回折格子に対して第2角度で配置されたルーフミラーと、
なお、前記平面ミラー及び前記ルーフミラーは、前記平面ミラー及び前記ルーフミラーが前記回折ビームを循環コモンパス構成で反射して、前記回折ビームが前記対称回折格子で再度回折して局在縞パターンを生成するように配置され、且つ
前記平面ミラー、前記ルーフミラー、及び前記対称回折格子は、前記2つの回折ビームが反射型空間ヘテロダイン分光器から法線と一致する角度で出て局在縞パターンを生成しないヘテロダイン波長λ0がある場合に満たされるヘテロダイン条件を常時満たすように配置され、
支持構造体であり、前記対称回折格子、前記平面ミラー、及び前記ルーフミラーがそれぞれ直接取り付け固定される支持構造体と
を備えたモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。 - 請求項1に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記支持構造体は、一定の内部体積を有する本体であり、前記対称回折格子、前記平面ミラー、及び前記ルーフミラーは、前記内部体積内で前記本体の少なくとも1つの内壁に取り付けられるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項2に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記本体は、前記入射光ビームがそこから前記対称回折格子に入り該対称回折格子に垂直入射で当たるように配置された少なくとも1つの開口を有するモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項2に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記本体は、少なくとも2つの内壁を有するモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項1に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、70cm以下の距離だけ分離されるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項5に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、25cm以下の距離だけ分離されるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項1に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記平面ミラー、前記ルーフミラー、及び前記対称回折格子は、接着物質により前記支持構造体に取り付けられるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項1に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記支持構造体は、BK7ガラス又は石英ガラス製であるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項1に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記入射光ビームは、少なくとも1つの光ファイバを通って進んだ後に前記対称回折格子により回折されるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項9に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記少なくとも1つの光ファイバは、望遠鏡又は顕微鏡から光を伝送するモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項10に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記望遠鏡は、ニュートン式望遠鏡又はカセグレン式望遠鏡であるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器であって、
波長λを有する入射光ビームを異なる角度オフセット方向に進む2つの回折ビームに分割するよう構成された対称回折格子と、
前記対称回折格子に対して第1角度で配置された平面ミラーと、
前記対称回折格子に対して第2角度で配置されたルーフミラーと、
少なくとも1つの光学素子と、
なお、前記平面ミラー及び前記ルーフミラーは、前記平面ミラー及び前記ルーフミラーが前記回折ビームを循環コモンパス構成で反射して、前記回折ビームが前記対称回折格子で再度回折して局在縞パターンを生成するように配置され、
前記平面ミラー、前記ルーフミラー、前記対称回折格子、及び前記少なくとも1つの光学素子は、前記2つの回折ビームが反射型空間ヘテロダイン分光器から法線と一致する角度で出て局在縞パターンを生成しないヘテロダイン波長λ0がある場合に満たされるヘテロダイン条件を常時満たすように配置され、且つ
前記少なくとも1つの光学素子は、縞局在面を維持しつつスループットを高めて視野を広げ、
支持構造体であり、前記対称回折格子、前記平面ミラー、前記ルーフミラー、及び前記少なくとも1つの光学素子がそれぞれ直接取り付け固定される支持構造体と
を備えた広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。 - 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記支持構造体は、一定の内部体積を有する本体であり、前記対称回折格子、前記平面ミラー、ルーフミラー、及び前記少なくとも1つの光学素子は、前記内部体積内で前記本体の少なくとも1つの内壁に取り付けられる広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項13に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記本体は、前記入射光ビームがそこから前記対称回折格子に入り該対称回折格子に垂直入射で当たるように配置された少なくとも1つの開口を有する広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項13に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記本体は、少なくとも2つの内壁を有する広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、70cm以下の距離だけ分離される広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項16に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、25cm以下の距離だけ分離される広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記平面ミラー、前記ルーフミラー、前記対称回折格子、及び前記少なくとも1つの光学素子は、接着物質により前記支持構造体に取り付けられる広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記支持構造体は、BK7ガラス又は石英ガラス製である広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記入射光ビームは、少なくとも1つの光ファイバを通って進んだ後に前記対称回折格子により回折される広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項20に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記少なくとも1つの光ファイバは、望遠鏡又は顕微鏡から光を伝送する広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項21に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記望遠鏡は、ニュートン式望遠鏡又はカセグレン式望遠鏡である広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項12に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記少なくとも1つの光学素子は、プリズム、レンズ、ミラー、又は透過型回折格子からなる群から選択される広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項23に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記少なくとも1つの光学素子は、2つのウェッジプリズムを含む広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項6に記載のモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、10cm以下の距離だけ分離されるモノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
- 請求項17に記載の広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器において、前記ルーフミラーと前記平面ミラーとは、10cm以下の距離だけ分離される広視野モノリシック循環反射型空間ヘテロダイン分光器。
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