JP7069403B2 - 再帰反射性表面を有する分光計及び関連する器具 - Google Patents

Description

本出願は、全体的に参照することによって本明細書に組み込まれる、「ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＥＲＳ ＷＩＴＨ ＲＥＴＲＯＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ」と題する、２０１８年８月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７１７，１５３号及び２０１９年８月９日に出願された米国特許出願第１６／５３６，６９５号に対する優先権を主張する。

１つ以上の光の波長を検出するために使用することができる分光計の特定の構成が本明細書で説明される。

光源から放射された光のスペクトルまたは光源によって探査されるサンプルによって放射された光のスペクトルを検出することが望ましい多くの用途が存在する。光のスペクトルを検出するために分光計が使用されることがある。分光計は従来から、光を空間的に分解する検出器のアレイが、検出器のアレイの各検出器によって検出された光の量に基づいて光の波長を判定することができるように、異なる波長の光を空間的に分離するために、光学素子の組み合わせを使用することがある。異なる波長を空間的に分離するために、回折素子、屈折素子、及び／または反射素子を含む分光計がある。

分光計内で使用される光学素子の数は、分光計の全体的なサイズに影響を与える。空間が制約された環境では、大きな占有スペースを有する分光計は、他の有用な器具にとって代わることがあり、よって、実用的でないことがある。本開示による分光計は、光学部品の数を低減させることによって、より小型の設計をもたらす。いくつかの実施態様では、典型的には別個の光学部品によって実行される複数の光学機能は、単一の光学部品によって実行されてもよい。いくつかの実施態様では、少なくとも１つの光学部品を少なくとも２回使用することによって、分光計の物理占有スペースを低減させることができる。例えば、分光計の内部の光がそれに従う経路に沿って、ミラー、ミラーシステム、プリズム、またはグリズムが２回以上使用されてもよい。開示の１つ以上の態様は、光の波長を分離するために光学表面を再使用することに基づいた分光計を含む。いくつかの実施態様では、反射トリプレット望遠鏡は、コリメータ及びイメージャの両方の役割を果たしてもよい。１つ以上の光学部品を再使用することによって、分光計の相対サイズを低減させることができる。更に、１つ以上の光学部品を再使用することは、独立した光学部品が同一の程度の波長分離を実行することを必要としないことによって、分光計のコストをも低減させることができる。

１つの態様に従って、開示は、分光計に関する。分光計は、光の通過を可能にするように構成された開口部と、分散素子と、エシェル回折格子と、少なくとも１つの反射表面と、検出器と、を含む。少なくとも１つの反射表面は、開口部に光学的に結合され、分散素子を通じてエシェル回折格子にも光学的に結合される。開口部によって受信された光は、少なくとも１つの反射表面に方向付けられる。開口部から少なくとも１つの反射表面に方向付けられた光は、少なくとも１つの反射表面によってエシェル回折格子に反射される。エシェル回折格子によって提供された光は、エシェル回折格子から少なくとも１つの反射表面に方向付けられる。エシェル回折格子から少なくとも１つの反射表面に方向付けられた光は、少なくとも１つの反射表面によって検出器に反射される。

いくつかの実施態様では、開口部から少なくとも１つの反射表面に方向付けられた光は、少なくとも１つの反射表面によって分散素子を通じてエシェル回折格子に反射されてもよく、エシェル回折格子によって提供された光は、分散素子を通じて少なくとも１つの反射表面に方向付けられてもよい。いくつかの実施態様では、少なくとも１つの反射表面は、スリーミラーシステムを含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、プリズムを含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、複光路プリズムであってもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、回折格子を含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、グリズムを含んでもよい。

いくつかの実施態様では、スリーミラーシステムは、反射トリプレット望遠鏡を含んでもよい。反射トリプレット望遠鏡は、開口部に光学的に結合された一次ミラーと、一次ミラーに光学的に結合された二次ミラーと、二次ミラーに光学的に結合された三次ミラーと、含んでもよい。三次ミラーは、分散素子を通じてエシェル回折格子に光学的に結合されてもよい。いくつかの実施態様では、分光計は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。

本開示の別の態様により、別の分光計が提供される。分光計は、光の通過を可能にするように構成された開口部と、分散素子と、エシェル回折格子と、ミラーシステムと、ミラーと、望遠鏡システムと、検出器と、を含む。開口部は、ミラーシステムに光学的に結合される。ミラーシステムは、エシェル回折格子に光学的に結合され、及びミラーに光学的に結合される。開口部によって受信された光は、ミラーシステムに方向付けられる。開口部からミラーシステムに方向付けられた光は、ミラーシステムによってエシェル回折格子に反射される。エシェル回折格子によって提供された光は、エシェル回折格子からミラーシステムに方向付けられる。エシェル回折格子からミラーシステムに方向付けられた光は、ミラーシステムによって検出器に反射される。

いくつかの実施態様では、ミラーは、分散素子を通じて望遠鏡システムに光学的に結合されてもよく、分散素子は、検出器に光学的に結合される。いくつかの実施態様では、ミラーシステムは、スリーミラーを含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、プリズムを含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、複光路プリズムであってもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、回折格子を含んでもよい。いくつかの実施態様では、分散素子は、グリズムを含んでもよい。

いくつかの実施態様では、ミラーは、第２の側面とは反対の第１の側面を含んでもよい。ミラーの第１の側面は、非反射的であってもよく、ミラーの第２の側面は、反射的であってもよい。開口部は、ミラーの第１の側面を通じてミラーシステムに光学的に結合されてもよい。開口部によって受信された光は、ミラーを通じてミラーシステムに方向付けられてもよい。ミラーシステムは、ミラーの第２の側面に光学的に結合される。エシェル回折格子からミラーシステムに方向付けられた光は、ミラーシステムによってミラーの第２の側面に反射される。いくつかの実施態様では、分光計は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光の通過を可能にするように構成された開口部と、
分散素子と、
エシェル回折格子と、
少なくとも１つの反射表面と、
検出器と、を備え、
前記少なくとも１つの反射表面は、開口部に光学的に結合され、かつ前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に光学的に結合され、
前記開口部によって受信された光は、前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられ、
前記開口部から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記エシェル回折格子に反射され、
前記エシェル回折格子によって提供された光は、前記エシェル回折格子から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられ、
前記エシェル回折格子から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記検出器に反射される、
分光計。
（項目２）
前記開口部から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に反射され、
前記エシェル回折格子によって提供された前記光は、前記分散素子を通じて前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられる、
項目１に記載の分光計。
（項目３）
前記少なくとも１つの反射表面は、スリーミラーシステムを含む、項目１に記載の分光計。
（項目４）
前記分散素子は、プリズムを含む、項目１に記載の分光計。
（項目５）
前記分散素子は、複光路プリズムを含む、項目３に記載の分光計。
（項目６）
前記分散素子は、回折格子を含む、項目１に記載の分光計。
（項目７）
前記分散素子は、グリズムを含む、項目１に記載の分光計。
（項目８）
前記スリーミラーシステムは、反射トリプレット望遠鏡を含む、項目３に記載の分光計。
（項目９）
前記反射トリプレット望遠鏡は更に、
前記開口部に光学的に結合された一次ミラーと、
前記一次ミラーに光学的に結合された二次ミラーと、
前記二次ミラーに光学的に結合された三次ミラーと、含み、前記三次ミラーは、前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に光学的に結合される、
項目７に記載の分光計。
（項目１０）
前記分光計は、誘導結合プラズマシステムから光を受信する、項目１に記載の分光計。
（項目１１）
光の通過を可能にするように構成された開口部と、
分散素子と、
エシェル回折格子と、
ミラーシステムと、
ミラーと、
望遠鏡システムと、
検出器と、を備え、
前記開口部は、前記ミラーシステムに光学的に結合され、前記ミラーシステムは、前記エシェル回折格子に光学的に結合され、かつ前記ミラーに光学的に結合され、
前記開口部によって受信された光は、前記ミラーシステムに方向付けられ、
前記開口部から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記エシェル回折格子に反射され、
前記エシェル回折格子によって提供された光は、前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられ、
前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記検出器に反射される、
分光計。
（項目１２）
前記ミラーは、前記分散素子を通じて前記望遠鏡システムに光学的に結合され、
前記分散素子は、前記検出器に光学的に結合される、
項目１１に記載の分光計。
（項目１３）
前記ミラーシステムは、反射トリプレット望遠鏡を含む、項目１１に記載の分光計。
（項目１４）
前記分散素子は、プリズムを含む、項目１１に記載の分光計。
（項目１５）
前記分散素子は、複光路プリズムである、項目１１に記載の分光計。
（項目１６）
前記分散素子は、回折格子を含む、項目１１に記載の分光計。
（項目１７）
前記分散素子は、グリズムを含む、項目１１に記載の分光計。
（項目１８）
前記ミラーは、第２の側面とは反対の第１の側面を含み、
前記ミラーの前記第１の側面は、非反射表面を含み、
前記ミラーの前記第２の側面は、反射表面を含み、
前記開口部は、前記ミラーの前記第１の側面を通じて前記ミラーシステムに光学的に結合され、
前記開口部によって受信された前記光は、前記ミラーを通じて前記ミラーシステムに方向付けられ、
前記ミラーシステムは、前記ミラーの前記第２の側面に光学的に結合され、
前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記ミラーの前記第２の側面に反射される、
項目１１に記載の分光計。
（項目１９）
前記分光計は、誘導結合プラズマシステムから光を受信する、項目１１に記載の分光計。

追加の態様、構成、実施形態、及び実施例が以下で更に詳細に説明される。

分光計のある特定の構成、及びその構成要素が添付図面を参照して以下で説明される。

分光計の第１の実施例である。 開示の態様による１つ以上の分光計から結果として生じる実施例のエシェル分光写真を示す。 分光計の別の実施例である。 分光計の更なる別の実施例である。

当業者は、本開示の利点を考えると、図中の構成要素の正確な配列、サイズ及び位置決めが、必ずしも一定の比率、または必要とされる比率ではないことを認識するであろう。１つの構成要素に対する別の構成要素の特定のサイズ及び角度は、構成要素、またはこの構成要素を含む光学分光計から所望の応答または出力を提供するために変化することができる。

分光計は、異なる波長の光を空間的に分離するために、複数の回折光学素子、屈折光学素子、及び／または反射光学素子の組み合わせを使用する。分光計内で使用される光学素子の数は、分光計の全体的なサイズに影響を与える。空間が制約された環境では、例えば、大型の分光計は、他の有用な器具にとって代わることがある。その上、物理空間が限られている環境では（例えば、衛星設計及び地球圏外の用途では）、より大型の分光計を使用することが実現可能でないことがある。

いくつかの実施形態によるシステム及び方法は、小型に設計された分光計を提供することができる。いくつかの実施態様では、分光計の小型設計は、典型的には別個の光学部品によって実行される複数の光学機能を実行するための少なくとも１つの光学部品を再使用した結果である。いくつかの実施態様では、反射トリプレット望遠鏡は、コリメータ及びイメージャの両方の役割を果たしてもよい。本明細書で説明される分光計アーキテクチャ及びイメージャのいくつかの実施形態は、次のプラットフォームＯＥＳシステムの仕様に対処する単一の検出器、小型で高スループットの分光計を可能にする。いくつかの実施形態による小型に設計された分光計は、プラズマにサンプルを注入する誘導結合プラズマシステムから光を受信してもよい。同様に、本明細書で説明されるＯＥＳシステムのいくつかの実施形態は、光吸収分光法またはいずれかの他のタイプの分光法により使用されてもよい。

１つ以上の実施例では、少なくとも１つの光学部品を少なくとも２回使用することによって、分光計の物理占有スペースを低減させることができる。例えば、分光計の内部で光がそれに従う経路に沿って、ミラー、ミラーシステム、プリズム、またはグリズムが２回以上使用されてもよい。１つ以上の態様は、光の波長を分離するために、光学表面を再使用することに基づいた分光計を含む。例えば、１つ以上の態様では、反射トリプレット望遠鏡は、コリメータ及びイメージャの両方の役割を果たしてもよい。１つ以上の光学部品を再使用することによって、分光計の相対サイズを低減させることができる。更に、１つ以上の光学部品を再使用することは、独立した光学部品が同一の程度の波長分離を実行することを必要としないことによって、分光計の費用を低減させることができる。

本明細書で説明される分光計アーキテクチャ及びイメージャは、単一の検出器、小型で高スループットの分光計である。本明細書で説明されるような小型サイズの分光計は、様々な用途において使用されることを可能にする。いくつかの実施態様では、本開示による分光計は、発光分光法（ＯＥＳ）の用途に対して使用されてもよい。小型分光計は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）光源から光を受信してもよい。例えば、分光計の小型設計は、プラズマにサンプルを注入する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。ＯＥＳにより使用可能であることに加えて、本明細書で説明される光学撮像システムは、光吸収分光法またはいずれかの他のタイプの分光法により使用されてもよい。追加的または代替的に、その小型サイズを理由に、分光計は、宇宙用途に対する特定の関連性を有することができる（軌道衛星内、及び地球圏外の探索車両内を含む）。

様々な分光計及びそれらの内部部品が本明細書で説明され、それらのいくつかは、実施例の分光計によって占有される物理空間を制限する小型設計をもたらす。いくつかの実施例では、分光計を通る光の経路は、１つ以上の光学部品を１回よりも多く使用してもよく、それは、光学部品を１回よりも多く使用しない分光計と比較して、分光計の物理占有スペースを低減させることができる。

上記導入され、以下で更に詳細に議論される様々な概念は、説明される概念が実施態様のいずれの特定の様式にも限定されないように、多数の方式のいずれかにおいて実装されてもよい。特定の実施態様及び用途の実施例は、例示を目的として主に提供される。

図１は、いくつかの実施態様による実施例の分光計１００を提供する。分光計１００は、破線によって示されるハウジング１０８、ハウジング１０８内の開口部１０１、ミラーシステム１０２、分散素子１０３、エシェル回折格子１０４、及び検出器１０５を含む。複数の異なる波長を含む光などの光学入力は、開口部１０１を通じて分光計１００に入る。いくつかの実施態様では、開口部１０１は、スリットであってもよい。いくつかの実施態様では、分光計１００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分光計の一部であってもよく、開口部１０１は、サンプルがサンプル導入デバイスを介してプラズマに注入される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。サンプル導入デバイスは、トーチに流体的に結合されてもよい。誘導デバイスは、トーチ内の誘導結合プラズマを持続するために、トーチに無線周波数エネルギーを提供することができる。開口部１０１は、トーチ内の誘導結合プラズマに光学的に結合されてもよく、トーチ内の誘導結合プラズマにおける分析種から光放射を受信してもよい。

開口部１０１は、ミラーシステム１０２に光学的に結合される。光源からの初期光は、「０」とラベル付けされた矢印によって識別される。開口部１０１からミラーシステム１０２までを指し示す「１」とラベル付けされた矢印によって図１に示されるように、開口部１０１に入る光は、ミラーシステム１０２に方向付けられる。いくつかの実施態様では、ミラーシステム１０２は、単一のミラーを含むシステムまたは複数のミラーを含むシステムであってもよい。例えば、ミラーシステム１０２は、反射トリプレット望遠鏡またはイメージャなどのスリーミラーシステムを含んでもよい。いくつかの実施例では、ミラーシステム１０２は、異なる数のミラーを含んでもよい。いくつかの実施態様では、反射トリプレット望遠鏡は、開口部１０１に光学的に結合された一次ミラー、一次ミラーに光学的に結合された二次ミラー、及び二次ミラーに光学的に結合された三次ミラーを含んでもよい。ミラーシステム１０２は、入射光を受信し、入射光の１つ以上の波長を反射する。

ミラーシステム１０２は、分散素子１０３に光学的に結合される。ミラーシステム１０２は、開口部１０１から方向付けられた光を受信する。ミラーシステム１０２から分散素子１０３まで、及び分散素子１０３を通過すると指し示す「２」とラベル付けされた矢印によって図１に示されるように、ミラーシステム１０２は、入射光を分散素子１０３に反射する。分散素子１０３は、ミラーシステム１０２から反射された光を受信し、更に、入射光の波長を分散し、または空間的に分離する。いくつかの実施態様では、分散素子１０３は、複光路反射プリズムであってもよく、グリズム、屈折プリズム、反射回折格子、または屈折回折格子を含んでもよい。いくつかの実施態様では、光を２回修正する（エシェル回折格子１０４による修正の前及び後）分散素子１０３の組み合わせは、エシェル回折格子１０４からミラーシステム１０２に移動する交差分散する光の効果を有することができる。用語「交差分散する」及び「交差分散」は、分光計の部品の一次分散に垂直な方向に分散する光を意味することが意図される。事実上、光は、波長の１つの連続遷移からマルチオーダーの光に分離され、各オーダー及びオーダー（複数可）における波長にわたる各オーダーの遷移は、相互に空間的に分離され、よって、単一の分散素子を使用することによってよりも、高い程度の波長分離及び分解を可能にする。

分散素子１０３は、エシェル回折格子１０４に光学的に結合される。ミラーシステム１０２から分散素子１０３を通じてエシェル回折格子１０４までを指し示す「２」とラベル付けされた矢印によって図１に示されるように、ミラーシステム１０２によって反射された光は、分散素子１０３を通じて移動し、結果として生じる交差分散した光は、分散素子１０３によってエシェル回折格子１０４に提供される。

エシェル回折格子１０４は、入射光の回折をもたらす、光の波長とほぼ同一の幅を有する複数の回折格子を含む典型的なエシェル回折格子であってもよい。例えば、エシェル回折格子１０４は、反射回折格子であってもよい。反射回折格子により、光の大部分を対象の所望の方向に（及び、特定の回折オーダーに）散乱させるよう、反射部分が傾けられてもよい（ブレーズ加工）。複数の光の波長について、同一の一般的な結果が起こるが、より高いオーダーのより長い波長が、より短い波長の次のオーダー（複数可）と重なる可能性がある。エシェル回折格子では、この振る舞いは、意図的に選択され、複数の重なるより高いオーダーに対してブレーズが最適化される。使用される厳密なブレーズ角度は、分光計のシステムレベルの仕様に依存してもよい。エシェル回折格子からの結果として生じる光学出力は、異なるが、重なる波長範囲を有するストライプを含む。分光計によって受信された入射光学入力に存在する光の各波長の検出を可能にするよう、エシェル回折格子の回折平面に垂直な方向における空間的分離をもたらすために、下流光学素子が使用されてもよい。

エシェル回折格子１０４は、分散素子１０３から分散した光を受信し、更に、エシェル回折格子１０４に入射した光をスペクトル的に分散する。エシェル回折格子１０４の回折平面は、分散素子１０３の分散平面と垂直である。エシェル回折格子１０４によって分散した光は、分散素子１０３に再度提供される。エシェル回折格子１０４から分散素子１０３を通じてミラーシステム１０２までを指し示す「３」とラベル付けされた矢印によって図１に示されるように、分散素子１０３は、エシェル回折格子１０４の回折格子の角度に対して直角においてエシェル回折格子１０４から入射光を分散し、ミラーシステム１０２に分散した光を再度提供する。

ミラーシステム１０２は、検出器１０５に光学的に結合される。ミラーシステム１０２から検出器１０５までを指し示す「４」とラベル付けされた矢印によって図１に示されるように、ミラーシステム１０２は、分散素子１０３から分散した光を受信し、入射光を検出器１０５に反射する。よって、分散素子１０３を２回通過し、エシェル回折格子１０４によって分散し、ミラーシステム１０２によって方向付けられた後、検出器１０５における光の波長は、空間的に分離されてもよく、それによって、高分解能において個々の波長の検出を可能にする。検出器１０５は、検出器１０５に入射した光を空間的に分解することができるいずれかの検出器であってもよい。いくつかの実施態様では、検出器１０５は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラまたは相補型金属酸化膜半導体検出器であってもよい。

図２は、開示の態様による小型設計による分光計に対応する実施例のエシェル分光写真２０１を示す。図１を再度参照して、光などの光学入力は、開口部１０１を通じて分光計１００に入る。いくつかの実施態様では、分光計１００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分光計の一部であってもよく、開口部１０１は、サンプルがサンプル導入デバイスを介してプラズマに注入される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。サンプル導入デバイスは、トーチに流体的に結合されてもよい。誘導デバイスは、トーチ内の誘導結合プラズマを持続するために、トーチに無線周波数エネルギーを提供することができる。開口部１０１は、トーチ内の誘導結合プラズマに光学的に結合されてもよく、トーチ内の誘導結合プラズマにおける分析種から光放射を受信してもよい。光が開口部１０１を通じて分光計１００に入った後、異なる波長の光は、分光計１００の様々な光学部品によって空間的に分離され、検出器１０５に方向付けられる。特に、分散素子１０３を２回通過し、エシェル回折格子１０４によって分散し、ミラーシステム１０２によって方向付けられた後、検出器１０５に入射した異なる波長の光は、空間的に分離されてもよく、よって、分析種によって放射された個々の光の波長を検出することができる。エシェル分光写真２０１は、様々な分析種に対応する、空間的に分離され、検出器１０５において検出された光の波長を示す。

図３は、いくつかの実施態様による実施例の分光計３００を示す。分光計３００は、ハウジング３０８内に開口部３０１を有するハウジング３０８、ミラー３０２、ミラーシステム３０３、エシェル回折格子３０４、分散素子３０５、望遠鏡システム３０６、及び検出器３０７を含む。複数の異なる波長を含む光などの光学入力は、開口部３０１を通じて分光計３００に入る。いくつかの実施態様では、開口部は、スリットであってもよい。いくつかの実施態様では、分光計３００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分光計の一部であってもよく、開口部３０１は、サンプルがサンプル導入デバイスを介してプラズマに注入される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。サンプル導入デバイスは、トーチに流体的に結合されてもよい。誘導デバイスは、トーチ内の誘導結合プラズマを持続するために、トーチに無線周波数エネルギーを提供することができる。開口部３０１は、トーチ内の誘導結合プラズマに光学的に結合されてもよく、トーチ内の誘導結合プラズマにおける分析種から光放射を受信してもよい。

開口部３０１は、ミラーシステム３０３に光学的に結合される。光源からの初期光は、「０」とラベル付けされた矢印によって識別される。開口部３０１からミラーシステム３０３までを指し示す「１」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、開口部３０１に入射する光は、ミラーシステム３０３に方向付けられる。いくつかの実施態様では、ミラーシステム３０３は、単一のミラーを含むシステムまたは複数のミラーを含むシステムであってもよい。例えば、ミラーシステム３０３は、反射トリプレット望遠鏡またはイメージャなどのスリーミラーシステムを含んでもよい。いくつかの実施例では、ミラーシステム３０３は、異なる数のミラーを含んでもよい。いくつかの実施態様では、ミラーシステム３０３は、開口部３０１に光学的に結合された一次ミラー、一次ミラーに光学的に結合された二次ミラー、及び二次ミラーに光学的に結合された三次ミラーを含んでもよい。ミラーシステム３０３は、受信された光において１つ以上の光の波長を提供することができる。

ミラーシステム３０３は、エシェル回折格子３０４に光学的に結合される。ミラーシステム３０３からエシェル回折格子３０４までを指し示す「２」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、ミラーシステム３０３によって反射された光は、エシェル回折格子３０４に方向付けられる。

エシェル回折格子３０４は、入射光の回折をもたらす、回折した光の波長とほぼ同一の幅を有する複数の回折格子を含む典型的なエシェル回折格子であってもよい。例えば、エシェル回折格子３０４は、反射回折格子であってもよい。エシェル回折格子３０４などの反射回折格子により、光の大部分を対象の所望の方向に（及び、特定の回折オーダーに）散乱させるよう、反射部分が傾けられてもよい（ブレーズ加工）。複数の光の波長について、同一の一般的な結果が起こるが、より高いオーダーのより長い波長が、より短い波長の次のオーダー（複数可）と重なる可能性がある。エシェル回折格子では、この振る舞いは、意図的に選択され、複数の重なるより高いオーダーに対してブレーズが最適化される。使用される厳密なブレーズ角度は、分光計のシステムレベルの仕様に依存してもよい。エシェル回折格子からの結果として生じる光学出力は、異なるが、重なる波長範囲を有するストライプを含む。分光計によって受信された入射光学入力に存在する光の各波長の検出を可能にするよう、エシェル回折格子の回折平面に垂直な方向における空間的分離をもたらすために、下流光学素子が使用されてもよい。

エシェル回折格子３０４は、ミラーシステム３０３によって反射された光を受信し、更に、エシェル回折格子３０４に入射した光をスペクトル的に分散する。エシェル回折格子３０４の回折平面は、第１の分散配向において、ミラーシステム３０３に再度方向付けられる光をもたらす。エシェル回折格子３０４からミラーシステム３０３までを指し示す「３」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、エシェル回折格子３０４によって分散した光は、ミラーシステム３０３に再度提供される。

ミラーシステム３０３は、ミラー３０２に光学的に結合される。ミラーシステム３０３は、エシェル回折格子３０４から光を受信する。ミラーシステム３０３からミラー３０２までを指し示す「４」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、ミラーシステム３０３は、エシェル回折格子３０４から受信された光をミラー３０２に反射する。

ミラー３０２は、分散素子３０５に光学的に結合される。いくつかの実施態様では、分散素子３０５は、プリズムまたは光を分散する他の光学素子であってもよい。分散素子３０５の分散平面の配向は、エシェル回折格子３０４からの光の分散平面と垂直であってもよい。分散平面のこの垂直方位は、前に分散した光が異なる分散平面により再度分散される交差分散効果を生じさせる。

ミラー３０２から分散素子３０５までを指し示す「５」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、ミラー３０２は、ミラーシステム３０２から反射された光を受信し、反射された光を分散素子３０５に反射する。分散素子３０５は、ミラー３０２からそれに向かって反射された光を受信し、更に、光の波長を分散し、または空間的に分離する。いくつかの実施態様では、分散素子３０５は、複光路反射プリズムであってもよく、グリズム、屈折プリズム、反射回折格子、または屈折回折格子を含んでもよい。

分散素子３０５は、望遠鏡システム３０６に光学的に結合される。分散素子３０５から望遠鏡システム３０６までを指し示す「６」とラベル付けされた矢印によって図３に示されるように、分散素子３０５は、望遠鏡システム３０６に分散した光を提供する。望遠鏡システム３０６は、検出器３０７に光学的に結合される。望遠鏡システム３０６は、検出器３０７上で結果として生じる波長を撮像する、スリーミラー撮像システム、ツーミラー撮像システム、または他の（反射及び／または屈折）望遠鏡を含んでもよい。望遠鏡システム３０６によって提供された光は、検出器３０７に方向付けられ、望遠鏡システム３０６から検出器３０７までを指し示す「７」とラベル付けされた矢印として図３に示される。検出器１０５は、検出器１０５に入射する光を空間的に分解することができるいずれかの検出器であってもよい。いくつかの実施態様では、検出器３０７は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラまたは相補型金属酸化膜半導体検出器であってもよい。

図４は、いくつかの実施態様による実施例の分光計４００を示す。分光計４００は、ハウジング４０８内に開口部４０１を有するハウジング４０８、ミラー４０２、ミラーシステム４０３、エシェル回折格子４０４、分散素子４０５、望遠鏡システム４０６、及び検出器４０７を含む。複数の異なる波長を含む光などの光学入力は、開口部４０１を通じて分光計４００に入る。いくつかの実施態様では、開口部は、スリットであってもよい。いくつかの実施態様では、分光計４００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分光計の一部であってもよく、開口部４０１は、サンプルがサンプル導入デバイスを介してプラズマに注入される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムから光を受信してもよい。サンプル導入デバイスは、トーチに流体的に結合されてもよい。誘導デバイスは、トーチ内の誘導結合プラズマを持続するために、トーチに無線周波数エネルギーを提供することができる。開口部４０１は、トーチ内の誘導結合プラズマに光学的に結合されてもよく、トーチ内の誘導結合プラズマにおける分析種から光放射を受信してもよい。

開口部４０１は、ミラー４０２を通じてミラー４０２に光学的に結合される。ミラー４０２は、ミラー４０２の第１の側面に向かって方向付けられた光がミラー４０２を通過し、ミラーの第２の側面に向かって方向付けられた光が反射されるように、双方向ミラーであってもよい。光源からの初期光は、「０」とラベル付けされた矢印によって図１に示される。開口部４０１からミラー４０２を通じてミラーシステム４０３までを指し示す「１」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、開口部４０１に入る光は、ミラー４０２を通じてミラーシステム４０３に方向付けられる。いくつかの実施態様では、ミラーシステム４０３は、単一のミラーを含むシステムまたは複数のミラーを含むシステムであってもよい。例えば、ミラーシステム１０２は、反射トリプレット望遠鏡またはイメージャなどのスリーミラーシステムを含んでもよい。いくつかの実施例では、ミラーシステム１０２は、異なる数のミラーを含んでもよい。いくつかの実施態様では、ミラーシステム４０３は、開口部４０１に光学的に結合された一次ミラー、一次ミラーに光学的に結合された二次ミラー、及び二次ミラーに光学的に結合された三次ミラーを含んでもよい。ミラーシステム４０３は、受信された光において１つ以上の光の波長を提供することができる。ミラーシステム４０３によって提供された反射された光の各波長は、提供された光の各波長の検出を可能にするよう、他の提供された波長から空間的に分離されてもよい。

ミラーシステム４０３は、エシェル回折格子４０４に光学的に結合される。ミラーシステム４０３からエシェル回折格子４０４までを指し示す「２」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、ミラーシステム４０３によって反射された光は、エシェル回折格子４０４に方向付けられる。エシェル回折格子４０４は、入射光の回折をもたらす、光の波長とほぼ同一の幅を有する複数の回折格子を含む典型的なエシェル回折格子であってもよい。例えば、エシェル回折格子４０４は、反射回折格子であってもよい。エシェル回折格子４０４などの反射回折格子により、光の大部分を対象の所望の方向に（及び、特定の回折オーダーに）散乱させるよう、反射部分が傾けられてもよい（ブレーズ加工）。複数の光の波長について、同一の一般的な結果が起こるが、より高いオーダーのより長い波長が、より短い波長の次のオーダー（複数可）と重なる可能性がある。エシェル回折格子では、この振る舞いは、意図的に選択され、複数の重なるより高いオーダーに対してブレーズが最適化される。使用される厳密なブレーズ角度は、分光計のシステムレベルの仕様に依存してもよい。エシェル回折格子からの結果として生じる光学出力は、異なるが、重なる波長範囲を有するストライプを含む。分光計によって受信された入射光学入力に存在する光の各波長の検出を可能にするよう、エシェル回折格子の回折平面に垂直な方向における空間的分離をもたらすために、下流光学素子が使用されてもよい。

エシェル回折格子４０４は、ミラーシステム４０３によって反射された光を受信し、更に、エシェル回折格子４０４に入射した光をスペクトル的に分散する。エシェル回折格子４０４の回折平面は、第１の分散配向において、ミラーシステム４０３に再度方向付けられる光をもたらす。エシェル回折格子４０４からミラーシステム４０３までを指し示す「３」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、エシェル回折格子４０４によって分散した光は、ミラーシステム４０３に再度提供される。

ミラーシステム４０４は、ミラー４０２に光学的に結合される。ミラー４０２は、ミラー４０２の第１の側面に向かって方向付けられた光がミラー４０２を通過し、ミラーの第２の側面に向かって方向付けられた光が反射されるように、双方向ミラーであってもよい。

ミラーシステム４０３からミラー４０２までを指し示す「４」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、ミラーシステム４０３は、エシェル回折格子４０４から受信された光をミラー４０２の反射側面に反射する。

ミラー４０２は、分散素子４０５に光学的に結合される。いくつかの実施態様では、分散素子４０５は、交差分散器であってもよい。ミラー４０２から分散素子４０５までを指し示す「５」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、ミラー４０２は、ミラーシステム４０２から反射された光を受信し、受信された光を分散素子４０５に反射する。分散素子４０５は、ミラー４０２からそれに向かって反射された光を受信し、更に、光の波長を分散し、または空間的に分離する。いくつかの実施態様では、分散素子４０５は、複光路反射プリズムであってもよく、グリズム、屈折プリズム、反射回折格子、または屈折回折格子を含んでもよい。

分散素子４０５は、望遠鏡システム４０６に光学的に結合される。分散素子４０５から望遠鏡システム４０６までを指し示す「６」とラベル付けされた矢印によって図４に示されるように、分散素子４０５は、望遠鏡システム４０６に分散した光を提供する。望遠鏡システム４０６は、検出器４０７に光学的に結合される。望遠鏡システム４０６は、検出器４０７上で結果として生じる波長を撮像する、スリーミラー撮像システム、ツーミラー撮像システム、または他の（反射及び／または屈折）望遠鏡を含んでもよい。望遠鏡システム４０６によって提供された光は、検出器４０７に方向付けられ、望遠鏡システム４０６から検出器４０７までを指し示す「７」とラベル付けされた矢印として図４に示される。検出器４０７は、検出器４０７に入射する光を空間的に分解することができるいずれかの検出器であってもよい。いくつかの実施態様では、検出器４０７は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラまたは相補型金属酸化膜半導体検出器であってもよい。

本明細書で説明される分光計アーキテクチャ及びイメージャは、次のプラットフォームＯＥＳシステムの要件に対処することができる単一の検出器、小型で高スループットの分光計を提供する。１つ以上の態様に従った分光計の高性能設計は、コリメータに対する追加の光学素子についての必要性を除去し、よって、高性能小型エシェル分光計の用途に適切である。いくつかの実施態様では、分光計は、高光学スループット及び解像度を有する単一の検出器上でＵＶ及び可視スペクトルを同時に捕捉する。コリメータに対する余分の光学素子を除去することは、システムのコストをも低減させる。１つ以上の態様による分光計は、撮像平面においてカメラと統合することができ、開口部において輸送光学系のセットを通じて光源と統合することができる。

Claims (19)

1. 分光計であって、前記分光計は、
   光の通過を可能にするように構成されている開口部と、
   分散素子と、
   エシェル回折格子と、
   反射トリプレット望遠鏡を含むスリーミラーシステムと、
   検出器と
   を備え、
   前記スリーミラーシステムの少なくとも１つの反射表面は、前記開口部に光学的に結合されており、かつ、前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に光学的に結合されており、
   前記開口部によって受信された光は、前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられ、
   前記開口部から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記エシェル回折格子に反射され、
   前記エシェル回折格子によって提供された光は、前記エシェル回折格子から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられ、
   前記エシェル回折格子から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記検出器に反射される、分光計。
2. 前記開口部から前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられた前記光は、前記少なくとも１つの反射表面によって前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に反射され、
   前記エシェル回折格子によって提供された前記光は、前記分散素子を通じて前記少なくとも１つの反射表面に方向付けられる、請求項１に記載の分光計。
3. 前記分散素子は、プリズムを含む、請求項１に記載の分光計。
4. 前記分散素子は、複光路プリズムを含む、請求項１に記載の分光計。
5. 前記分散素子は、回折格子を含む、請求項１に記載の分光計。
6. 前記分散素子は、グリズムを含む、請求項１に記載の分光計。
7. 前記反射トリプレット望遠鏡は、
   前記開口部に光学的に結合されている一次ミラーと、
   前記一次ミラーに光学的に結合されている二次ミラーと、
   前記二次ミラーに光学的に結合されている三次ミラーと
   を更に含み、
   前記三次ミラーは、前記分散素子を通じて前記エシェル回折格子に光学的に結合されている、請求項６に記載の分光計。
8. 前記分光計は、誘導結合プラズマシステムから光を受信する、請求項１に記載の分光計。
9. 前記エシェル回折格子の回折平面は、前記分散素子の分散平面に垂直である、請求項１に記載の分光計。
10. 前記開口部は、前記ミラーシステムに光学的に結合されている、請求項１に記載の分光計。
11. 前記エシェル回折格子から前記少なくとも１つの１つの反射表面に方向付けられた前記光は、交差分散した光を含む、請求項１に記載の分光計。
12. 分光計であって、前記分光計は、
    光の通過を可能にするように構成された開口部と、
    分散素子と、
    エシェル回折格子と、
    ミラーシステムを含む反射トリプレット望遠鏡と、
    望遠鏡システムと、
    ミラーであって、前記ミラーは、前記分散素子を通じて前記望遠鏡システムに光学的に結合されている、ミラーと、
    検出器であって、前記分散素子は、前記検出器に光学的に結合されている、検出器と
    を備え、
    前記開口部は、前記ミラーシステムに光学的に結合されており、前記ミラーシステムは、前記エシェル回折格子に光学的に結合されており、かつ、前記ミラーに光学的に結合されており、
    前記開口部によって受信された光は、前記ミラーシステムに方向付けられ、
    前記開口部から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記エシェル回折格子に反射され、
    前記エシェル回折格子によって提供された光は、前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられ、
    前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記検出器に反射される、分光計。
13. 前記分散素子は、プリズムを含む、請求項１２に記載の分光計。
14. 前記分散素子は、複光路プリズムである、請求項１２に記載の分光計。
15. 前記分散素子は、回折格子を含む、請求項１２に記載の分光計。
16. 前記分散素子は、グリズムを含む、請求項１２に記載の分光計。
17. 前記ミラーは、第２の側面とは反対の第１の側面を含み、
    前記ミラーの前記第１の側面は、非反射表面を含み、
    前記ミラーの前記第２の側面は、反射表面を含み、
    前記開口部は、前記ミラーの前記第１の側面を通じて前記ミラーシステムに光学的に結合されており、
    前記開口部によって受信された前記光は、前記ミラーを通じて前記ミラーシステムに方向付けられ、
    前記ミラーシステムは、前記ミラーの前記第２の側面に光学的に結合されており、
    前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、前記ミラーシステムによって前記ミラーの前記第２の側面に反射される、請求項１２に記載の分光計。
18. 前記分光計は、誘導結合プラズマシステムから光を受信する、請求項１２に記載の分光計。
19. 前記エシェル回折格子から前記ミラーシステムに方向付けられた前記光は、交差分散した光を含む、請求項１２に記載の分光計。

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