(57)【要約】      （修正有）【課題】アダマール変換を利用した分光器において光検出器を２個以上、チャンネル数以下の個数を使用することによって、所望の信号雑音比のスペクトルを得るための最も効率の良い測定を可能とする分光器とその方法を提供する。【解決手段】従来のデジタル回転ミラー（角度２方向のみ）の代わりにアナログ回転ミラー（角度無段階）アレイ８０５を使用して、光検出器８０８ａ〜８０８ｈの個数を従来の２個よりも多く、チャンネル数以下の個数を使用し、波長領域を分割して光を検出することにより、必要な信号対雑音比が得られる最適な測定回数で効率よく測定できることを特徴とする。【選択図】図８
2014163839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象光を入射する入射ポートと、
前記入射ポートからの光を通過させる第１のレンズと、
前記第１のレンズを通過した光を波長分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子からの光を通過させる第２のレンズと、
前記第２のレンズを通過した光をスペクトルとして受光して、偏向する回転角度無段階のｎ枚のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイと、
前記アナログ回転ミラーアレイで偏向された光を受光するｐ個（２個以上）の出射ポートと、
前記ｐ個の出射ポートに接続されたｐ個の光検出器とを備え、
前記分光器は、前記ｐ個の光検出器で測定した光の強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得るアダマール変換分光器であることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記アナログ回転ミラーアレイは、ｐ個以下の領域に分割され、そこに含まれる複数のミラーを回転させ、前記ｐ個の出射ポートのそれぞれに偏向させ、前記出射ポートへ偏向させるミラーは、アダマール行列に従って決定されることを特徴とし、
対応するミラーの領域の数と同じ回数測定して得られた強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得るアダマール変換分光器であることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
最適な測定を行うための領域の分割数を決定するための予備測定として、
前記アナログ回転ミラーアレイは、ミラーｎ／ｐ個ずつからなるｐ個の領域に分割され、前記ｐ個の領域の反射光を前記ｐ個の出射ポートのそれぞれで測定することによって、スペクトルの概要を把握して、その後、前記アナログ回転ミラーアレイの領域の分割数を決定することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記アダマール変換分光器において、前記入射ポートを複数個にし、複数光源からの光を時間差で入力することにより、それぞれのスペクトルを測定できることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項５】
前記波長分散素子は、回折格子またはプリズムであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の分光器。
【請求項６】
測定対象光を入射ポートで入射し、
前記入射ポートからの光を第１のレンズで通過させ、
前記第１のレンズを通過した光を波長分散素子で波長分散させ、
前記波長分散素子からの光を第２のレンズで通過させ、
前記第２のレンズを通過した光を回転角度無段階のｎ枚のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイでスペクトルとして受光して、偏向し、
前記アナログ回転ミラーアレイで偏向された光をｐ個（２個以上）の出射ポートで受光し、
前記ｐ個の出射ポートを通過した光をｐ個の光検出器で検出し、
前記ｐ個の光検出器で測定した光の強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得ることを特徴とする分光方法。
【請求項７】
前記アナログ回転ミラーアレイを、ｐ個以下の領域に分割し、
そこに含まれる複数のミラーを回転させ、前記ｐ個の出射ポートのそれぞれに偏向させ、前記出射ポートへ偏向させるミラーは、アダマール行列に従って決定され、
対応するミラーの領域の数と同じ回数測定して得られた強度についてアダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得ることを特徴とする請求項６に記載の分光方法。
【請求項８】
最適な測定を行うための領域の分割数を決定するための予備測定として、
前記アナログ回転ミラーアレイを、ミラーｎ／ｐ個ずつからなるｐ個の領域に分割し、前記ｐ個の領域の反射光を前記ｐ個の出射ポートのそれぞれで測定し、
スペクトルの概要を把握して、その後、前記アナログ回転ミラーアレイの領域の分割数を決定することを特徴とする請求項７に記載の分光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器に係り、特に、アダマール変換を使用したアダマール変換分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長スペクトルを測定する装置において、信号対雑音比は、重要な仕様の１つである。入射光が微弱な場合は、雑音に埋もれて信号が取り出せない事態が起こりうるからである。光のスペクトルの測定には、図１に示すモノクロメータを含む測定系１００が一般的に使用される。図１に示す測定系１００において、モノクロメータは、入射ポート１０１からの測定対象光をレンズ１０２、１０４等と、回転回折格子１０３によって波長ごとに分散させる。これにより、単一の光検出器上に単色化された光を入射し、その強度を波長ごとにフォトダイオード１０５などで、逐次測定する。測定波長を変化させるためには回転回折格子１０３を回転させることが一般的に行われている。しかし、波長ごとに分けられた光は強度が弱く、しばしば所望の信号対雑音比が得られないという短所があった。また、回折格子１０３を回転させて波長ごとに逐次測定しているために時間がかかり、駆動機構が大きくなりやすいという短所もあった（ここでは、従来技術１とする。）。
【０００３】
さらに、入射光のスペクトルを測定する方法として、Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）や、回折格子やプリズム等の波長分散素子によって入射光を波長ごとに分離し複数の光検出器で測定チャンネルごとに強度を計測してスペクトルを測定するポリクロメータの方法がある。
【０００４】
図２に、その一例の概念図を示す。図２において、ＡＷＧ２００は、シリコン基板２０１上に、入力導波路２０２と、入力スラブ導波路２０３と、アレイ導波路２０４と、出力スラブ導波路２０５と、出力導波路２０６とを備える。この方法は、ＡＷＧ２００を使用して、入射光を波長ごとに複数の導波路に分離し、導波路ごとにフォトダイオードを配置して、波長ごとの強度を測定してスペクトルの情報を得る方法である（非特許文献１参照、また、ここでは、従来技術２とする。）。
【０００５】
また、図３に、別な例の概念図を示す。図３において、従来の測定系３００は、入射ポート３０１、レンズ３０２、３０４、及び、固定回折格子３０３を含むポリクロメータと、チャンネル数ｎのフォトダイオードアレイ３０５とを備える。測定系３００は、固定回折格子３０３からの出射光の像面にフォトダイオードアレイ３０５を配置し、フォトダイオードアレイ３０５上にできたスペクトルの波長ごとの強度を測定して、スペクトルの情報を得るポリクロメータの方法である（ここでは、従来技術３とする。）。従来技術３によれば、従来技術１のモノクロメータ１００の一波長の強度測定に要する時間と同じ時間で全波長を測定することができるという効果がある。また、この従来技術３は、従来技術１で必要であった回転回折格子のための大きな駆動機構を必要とせず、高速にスペクトルを取得できるという利点がある。
【０００６】
従来技術３のポリクロメータにおいて、入射した光の全強度をＳ、チャンネル数をｎとする。簡単のため、入射光は白色光で全ての波長において強度は等しいとする。チャンネルごとの光強度はＳ／ｎとなり、全測定時間をＴｍとすると受光エネルギーはＳ・Ｔｍ／ｎとなる。フォトダイオードアレイ３０５における光強度の測定において、雑音Ｎは、信号の平方根に比例するショット雑音の項Ｎｓ・（Ｓ・Ｔｍ／ｎ）＾０．５と、信号強度に無依存なジョンソン雑音の項（ＮＪとする）で構成されることが知られている。すると信号対雑音比は、ジョンソン雑音は小さいとして、以下のような比例関係であらわされる。
信号対雑音比∝（Ｓ・Ｔｍ／ｎ）／｛ＮＪ＋Ｎｓ・（Ｓ・Ｔｍ／ｎ）＾０．５｝〜｛（Ｓ／２）・（Ｔｍ）・（２／ｎ）｝＾０．５
【０００７】
もし信号が弱い場合には、十分な所望の信号対雑音比を得るためには長時間の測定が必要となる。また、信号強度に無依存な項の除去には、信号が来ない状態で測定して雑音レベルを求めて差し引くことが必要になる。
【０００８】
上術の短所を改善する方法として、図４に示すアダマール変換分光器４００と呼ばれる装置がある（非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４参照。）。図４において、従来の測定系４００は、固定回折格子４０３によってデジタル回転ミラーアレイ４０５上にスペクトルを投影するポリクロメータの光学系を構成し、デジタル回転ミラーアレイ４０５の２方向切り替え動作によって、１つのデジタル回転ミラーアレイ４０５上に投影されている光は、レンズ４０６を通過し光検出器４０７へ入射したり、または、ビームストップ４０８に外れたりするように制御される。ここで、個々のミラーは、従来技術３におけるフォトダイオードアレイのチャンネルに対応している。測定系４００は、複数のミラーからの反射光を合波して１つの光検出器４０７で測定し、ミラーの組み合わせを変えながら、通常はミラー数と同じ回数測定して記録し、その組み合わせに基づく連立方程式の解を求めることによって個々のミラー上の光の強度を測定するものである。
【０００９】
簡単な例として、４枚のミラーについて、光検出器４０７で測定する例を考える。１番のミラー上の光強度をＳ１とし、４番のミラーまで同様にＳ２、Ｓ３、Ｓ４とする。このＳ１〜Ｓ４が理想状態における真のスペクトルである。１回目の測定における光検出器４０７での観測強度をＳ１’、雑音をＮ１とし、第４回目の測定まで同様とする。
第１回目の測定
Ｓ１’＝＋Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｎ１
第２回目の測定
Ｓ２’＝＋Ｓ１      ＋Ｓ３      ＋Ｎ２
第３回目の測定
Ｓ３’＝＋Ｓ１＋Ｓ２            ＋Ｎ３
第４回目の測定
Ｓ４’＝＋Ｓ１            ＋Ｓ４＋Ｎ４
【００１０】
それぞれの回の測定において、１つの光検出器４０７は、複数個のミラーから光を受けるため、足し合わされて光強度が強くなり、個々の計測において信号対雑音比を高くできることは直感的に理解できる。従来技術３で述べたチャンネルごとにフォトダイオードを配置するか、または、フォトダイオードアレイ配置することによる測定では、チャンネル数Ｎを増やすと、１チャンネルあたりの光強度は反比例して減少するが、この方法では、光検出器４０７に到達する光強度は、チャンネル数に依存せず、１回の測定あたりの信号対雑音比もチャンネル数に依存しないことがわかる。
【００１１】
以上の内容を行列形式に書き表すと下記のようになる。
【００１２】
【数１】
2014163839.tif 000003
【００１３】
さらに上記行列の逆行列を求めて、両辺に左から掛けると、真のスペクトル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）と雑音に関する項が足し合わされた形の解が得られ、これは、従来技術１、２で得られる結果と同様なスペクトルの情報となる。
【００１４】
以上は、デジタル回転ミラー４枚（ｎ＝４）の例であるが、この関係はミラーの枚数（すなわちチャネル数）によらず成立する。
【００１５】
次に、図５に、光検出器を２つ使用する方法を示す（非特許文献５参照、ここでは、従来技術５とする。）。図５において、従来の測定系５００では、固定回折格子５０３によってデジタル回転ミラーアレイ５０５上にスペクトルを投影し、投影されたスペクトルは、デジタル回転ミラーアレイ５０５によって、２つの光検出器５０７または光検出器５０９へ、それぞれレンズ５０６またはレンズ５０８を介して偏向される。
【００１６】
簡単な例として、４枚のミラーについて、２個の光検出器５０７、５０９で測定する例を考える。１番のミラー上の光強度をＳ１とし、４番のミラーまで同様にＳ２，Ｓ３，Ｓ４とする。このＳ１乃至Ｓ４が理想状態における真のスペクトルである。１回目の測定における光検出器５０７での観測強度をＳａ１’、雑音をＮａ１とし、光検出器５０９での観測強度をＳｂ１’、雑音をＮｂ１とし、第４回目の測定まで同様とする。
第１回目の測定
Ｓａ１’＝＋Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｎａ１
Ｓｂ１’＝                        ＋Ｎｂ１
第２回目の測定
Ｓａ２’＝＋Ｓ１      ＋Ｓ３      ＋Ｎａ２
Ｓｂ２’＝      ＋Ｓ２      ＋Ｓ４＋Ｎｂ２
第３回目の測定
Ｓａ３’＝＋Ｓ１＋Ｓ２            ＋Ｎａ３
Ｓｂ３’＝            ＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｎｂ３
第４回目の測定
Ｓａ４’＝＋Ｓ１            ＋Ｓ４＋Ｎａ４
Ｓｂ４’＝      ＋Ｓ２＋Ｓ３      ＋Ｎｂ４
【００１７】
それぞれの回の測定において、１つの光検出器は、複数個のミラーから光を受けるため、足し合わされて光強度が強くなり、個々の計測において信号対雑音比を高くできることがわかる。
【００１８】
従来技術３で述べたチャンネルごとにフォトダイオードを配置、またはフォトダイオードアレイを配置することによる測定ではチャンネル数Ｎを増やすと、１チャンネルあたりの光強度は反比例して減少するが、この方法では、２つの光検出器５０７、５０９に到達する光強度は、チャンネル数に依存せず、１回の測定あたりの信号対雑音比もチャンネル数に依存しないことがわかる。
【００１９】
それぞれの回において、光検出器５０７における観測強度から光検出器５０９における観測強度の差分をとると以下のようになる。
Ｓａ１’−Ｓｂ１’＝＋Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｎａ１−Ｎｂ１
Ｓａ２’−Ｓｂ２’＝＋Ｓ１−Ｓ２＋Ｓ３−Ｓ４＋Ｎａ２−Ｎｂ２
Ｓａ３’−Ｓｂ３’＝＋Ｓ１＋Ｓ２−Ｓ３−Ｓ４＋Ｎａ３−Ｎｂ３
Ｓａ４’−Ｓｂ４’＝＋Ｓ１−Ｓ２−Ｓ３＋Ｓ４＋Ｎａ４−Ｎｂ４
【００２０】
ここで、Ｎａ１−Ｎｂ１のように２つの光検出器５０７、５０９の雑音が各回で差引されている。２つの光検出器５０７、５０９の雑音が同程度であれば、この差は小さくなる。
【００２１】
以上の内容を行列形式に書き表すと下記のようになる。
【００２２】
【数２】
2014163839.tif 000004
【００２３】
＋１と−１で構成されるこの行列は、アダマール行列と呼ばれ、分光法の名称はこれに由来する。アダマール行列の構成については、図６に示す。この正方行列のサイズが２の累乗のときには高速アダマール変換を利用して迅速に解が得られることが知られている。
【００２４】
さらに、上記行列の逆行列を求めて、両辺に左から掛けると、真のスペクトル（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）と雑音の項が足しあわされた解が得られる。式にあるように光検出器５０７、５０９の雑音が差し引きされているので雑音の項は小さくなる。さらに、バランス光検出回路で検出すればさらに雑音は低減される。２個のフォトダイオードを個別に増幅するよりも、２個のフォトダイオードの差分を増幅できるからである。このような雑音の低減をフォトダイオードアレイによる測定で行うためには、入射光の無い状態で測定して差し引く必要がある。以上は、デジタル回転ミラー５０５が、４枚（ｎ＝４）の例であるが、この関係はミラーの枚数（すなわちチャネル数）によらず成立する。
【００２５】
次に、フォトダイオードアレイ３０５を利用する分光器３００とアダマール変換分光器５００とにおいて、チャンネル数が同じで、測定時間が同じ場合で、信号対雑音比を比較する。簡単のため、入射光は白色光ですべての波長において強度は等しいとする。
【００２６】
チャンネル数ｎのフォトダイオードアレイ３０５を利用する分光器３００において、１チャンネル当たりの光強度をＳ／ｎ、全測定時間をＴｍとすると、雑音は、信号強度の平方根に比例するので、信号対雑音比は、以下のような比例関係であらわされる。
信号対雑音比∝（Ｓ・Ｔｍ／ｎ）／（Ｓ・Ｔｍ／ｎ）＾０．５
【００２７】
次に、アダマール変換分光器５００においては、光検出器５０７、５０９の２個で受光するので、１回の測定での光強度は、約Ｓ／２となる。デジタル回転ミラーアレイ５０５の再配置にかかる時間をｔｓとすると、ｎ回再配置するので測定できない時間はｎ・ｔｓとなる。よって光を測定している時間はＴｍ−ｎ・ｔｓである。光強度と測定時間の積は（Ｓ／２）（Ｔｍ−ｎ・ｔｓ）となり、雑音はその０．５乗に比例するので、アダマール変換分光器５００の信号対雑音比は、以下のようになる。
信号対雑音比＝（Ｓ／２）＾０．５・｛Ｔｍ（１−ｎ・ｔｓ／Ｔｍ）｝＾０．５
【００２８】
この関係から、チャンネル数ｎの依存性は弱いことがわかる。ｎ・ｔｓ／Ｔｍは全測定時間のうちミラーの再配置に費やされて測定できない時間の比率であり、ここではデッドタイム比率とよぶ。
【００２９】
アダマール変換分光器５００とフォトダイオードアレイ利用分光器３００の信号対雑音比は、以下のようになる。
｛（ｎ／２）（１−ｎ・ｔｓ／Ｔｍ）｝＾０．５倍
【００３０】
チャンネル数ｎが大きいほど、アダマール変換分光器５００が有利であり、またデッドタイム比率（ｎ・ｔｓ／Ｔｍ）が小さい（再配置にかかる時間が短い）ほど、アダマール変換分光器５００が有利であることがわかる。
【００３１】
例えば、ｎ＝８８、ｔｓ＝０．１秒を用いて計算すると全測定時間が１７．８秒の場合は、信号対雑音比の比較でアダマール変換分光器５００が約４．７倍有利である。信号対雑音比は、光強度または加算して測定した全測定時間の平方根に比例することが知られている。よってこれは、フォトダイオードアレイ分光器３００において、光強度が２２倍、あるいは、測定時間が２２倍になったことに相当する。図７に、具体的な値を用いて、計算したグラフを示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】特許第４９９５８９９号明細書
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】井上靖之:”石英系プレーナ光波回路技術,”NTT技術ジャーナル, Vol.20.No.3,pp.58-62,Mar.2008.  http://www.ntt.co.jp/journal/0803/files/jn200803058.pdf
【非特許文献２】Marian Hanf et al.,” Application of micro mirror arrays for Hadamard transform optics” Proceedings of SPIE Vol. 5445.  http://proceedings.spiedigitallibrary.org/data/Conferences/SPIEP/23834/128_1.pdf
【非特許文献３】MicroPhazir Rxカタログ  http://www.stjapan.co.jp/seihin/microphaizir/microPhazirRx_JP_4P_Thermo_R1.pdf
【非特許文献４】Joseph Wehlburg et al.,"High Speed 2D Hadamard Transform Spectral Imager", SAND REPORT, SAND2002-3846, Unlimited Release, Printed February 2003  http://prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2002/023846.pdf
【非特許文献５】Marian Hanf et al.,” Novel Hadamard transform spectrometer realized using a dynamically driven micromirror array as a light modulator” Proceedings of SPIE Vol. 5717, MEMS/MOEMS Components and Their Applications II, San Jose, CA | January 22, 2005  http://dx.doi.org/10.1117/12.590335
【非特許文献６】Koichi Hadama et al., 15th Microoptics Conference (MOC'09), Tokyo, Japan, Oct. 25-28, 2009
【非特許文献７】Mitsuo Usui et al., “Electrically Separated Two-axis MEMS Mirror Array Module for Wavelength Selective Switches”, Proc. Optical MEMS 2009, ThB4, pp.158-159, Aug. 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
以上のような、アダマール分光器において、１回の再配置にかかる時間が長く、チャネル数が多いと、測定の性質上チャネル数ｎと同じ回数ｎだけミラーの再配置と測定をする必要があるため時間がかかってしまう。特に、全測定時間中の全再配置時間の比率（ｎ・ｔｓ／Ｔｍ）が大きくなると、アダマール変換分光の特性が生かせず、所望の信号対雑音比が得られないという問題があった。
【００３５】
また、光強度が十分強く、十分な信号対雑音比が得られる場合でも、ｎ回の測定と再配置が必要であり、再配置にかかる時間は可変ではないため、測定時間を自由に設定できず無駄に時間がかかるという問題があった。
【００３６】
さらに、何らかの理由で一部の光検出器が使用不能になった場合に冗長性がなく、完全に機能が停止してしまうという問題があった。
【００３７】
本発明は、以上のような従来の問題を鑑み、空間光変調器を構成要素とするアダマール変換を利用した分光器において光検出器を２個以上、チャンネル数以下の個数を使用することによって、所望の信号雑音比のスペクトルを得るための最も効率の良い測定を可能とする分光器とその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記の課題を解決するために、本発明の分光器は、測定対象光を入射する入射ポートと、上記入射ポートからの光を通過させる第１のレンズと、上記第１のレンズを通過した光を波長分散させる波長分散素子と、上記波長分散素子からの光を通過させる第２のレンズと、上記第２のレンズを通過した光をスペクトルとして受光して、偏向する回転角度無段階のｎ枚のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイと、上記アナログ回転ミラーアレイで偏向された光を受光するｐ個（２個以上）の出射ポートと、上記ｐ個の出射ポートに接続されたｐ個の光検出器とを備え、上記分光器は、上記ｐ個の光検出器で測定した光の強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得るアダマール変換分光器であることを特徴とする。
【００３９】
また、上記アナログ回転ミラーアレイは、ｐ個以下の領域に分割され、そこに含まれる複数のミラーを回転させ、上記ｐ個の出射ポートのそれぞれに偏向させ、上記出射ポートへ偏向させるミラーは、アダマール行列に従って決定されることを特徴とし、対応するミラーの領域の数と同じ回数測定して得られた強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得るアダマール変換分光器であるものとしてもよい。
【００４０】
また、最適な測定を行うための領域の分割数を決定するための予備測定として、上記アナログ回転ミラーアレイは、ミラーｎ／ｐ個ずつからなるｐ個の領域に分割され、上記ｐ個の領域の反射光を上記ｐ個の出射ポートのそれぞれで測定することによって、スペクトルの概要を把握して、その後、上記アナログ回転ミラーアレイの領域の分割数を決定するものとしてもよい。
【００４１】
また、上記アダマール変換分光器において、上記入射ポートを複数個にし、複数光源からの光を時間差で入力することにより、それぞれのスペクトルを測定できるものとしてもよい。
【００４２】
また、上記波長分散素子は、回折格子またはプリズムであるものとしてもよい。
【００４３】
上記の課題を解決するために、本発明の分光方法は、測定対象光を入射ポートで入射し、上記入射ポートからの光を第１のレンズで通過させ、上記第１のレンズを通過した光を波長分散素子で波長分散させ、上記波長分散素子からの光を第２のレンズで通過させ、上記第２のレンズを通過した光を回転角度無段階のｎ枚のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイでスペクトルとして受光して、偏向し、上記アナログ回転ミラーアレイで偏向された光をｐ個（２個以上）の出射ポートで受光し、上記ｐ個の出射ポートを通過した光をｐ個の光検出器で検出し、上記ｐ個の光検出器で測定した光の強度について、アダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得ることを特徴とする。
【００４４】
また、上記アナログ回転ミラーアレイを、ｐ個以下の領域に分割し、そこに含まれる複数のミラーを回転させ、上記ｐ個の出射ポートのそれぞれに偏向させ、上記出射ポートへ偏向させるミラーは、アダマール行列に従って決定され、対応するミラーの領域の数と同じ回数測定して得られた強度についてアダマール変換を使用して、スペクトルの情報を得るものとしてもよい。
【００４５】
また、最適な測定を行うための領域の分割数を決定するための予備測定として、上記アナログ回転ミラーアレイを、ミラーｎ／ｐ個ずつからなるｐ個の領域に分割し、上記ｐ個の領域の反射光を上記ｐ個の出射ポートのそれぞれで測定し、スペクトルの概要を把握して、その後、上記アナログ回転ミラーアレイの領域の分割数を決定するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、従来の角度２方向のみのデジタル回転ミラーの代わりに回転角度無段階のアナログ回転ミラーを使用して、光検出器の個数を従来の２個よりも多くして、波長領域を分割して光を検出することにより、必要な信号対雑音比が得られる最適な測定回数で効率よく測定できるアダマール変換分光器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術１として、モノクロメータ光学系と単数フォトダイオードとを使用する構成を示す図である。
【図２】従来技術２として、ＡＷＧと複数フォトダイオードとを使用する構成を示す図である。
【図３】従来技術３として、ポリクロメータ光学系とフォトダイオードアレイとを使用する構成を示す図である。
【図４】従来技術４として、ポリクロメータ光学系と単光検出器とを含むアダマール変換分光器を含む構成を示す図である。
【図５】従来技術５として、ポリクロメータ光学系と双光検出器とを含むアダマール変換分光器を含む構成を示す図である。
【図６】アダマール行列を示す図である。
【図７】アダマール変換分光による信号対雑音比の改善効果を示す図である。
【図８】本発明に係る分光器であって、ポリクロメータ光学系とアナログ回転ミラーアレイとを使用するアダマール変換分光器を示す図である。
【図９】本発明で使用するアナログ回転ミラーアレイの構成例を示す図である。
【図１０】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、８分割単受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図１１】８分割単受光器方式を表わす行列を示す図である。
【図１２】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、４分割双受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図１３】４分割双受光器方式を表わす行列を示す。
【図１４】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、３分割双受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、２分割双受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図１６】２分割双受光器方式を表わす行列である。
【図１７】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、無分割双受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図１８】無分割双受光器方式を表わす行列である。
【図１９】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、予備測定用出射ポート数分割方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図２０】予備測定用８分割方式を表わす行列である。
【図２１】本発明の領域分割による測定効率化を示す図であって、光強度に対する測定回数の依存性を示す図である。
【図２２】本発明に係る分光器であって、ポリクロメータ光学系とアナログ回転ミラーアレイを使用する複数入力によるアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図２３】本発明に係る分光器であって、アナログ回転ミラーアレイを使用する、無分割単受光器方式のアダマール変換分光器の構成を示す図である。
【図２４】無分割単受光器方式を表わす行列である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４９】
図８は、本発明に係る分光器であって、ポリクロメータ光学系とアナログ回転ミラーアレイを使用するアダマール変換分光器８００を示す図である。
【００５０】
図８において、アダマール変換分光器８００は、スペクトルを測定したい光源からの光を入射する１個の入射ポート８０６と、８個の出射ポート８０７ａ乃至８０７ｈとを有するファイバアレイ８０１と、レンズ８０２、８０４と、固定回折格子８０３と、アナログ回転ミラーアレイ８０５と、８個の出射ポート８０７ａ乃至８０７ｈのそれぞれに接続される８個の光検出器（フォトダイオード）８０８ａ乃至８０８ｈとを備える。アダマール変換分光器８００では、光源からの光を、入射ポート８０６と、レンズ８０２、８０４と、回折格子８０３とから構成されるポリクロメータ光学系によってチャンネル数ｎのアナログ回転ミラーアレイ８０５上に波長λ１からλｎのスペクトルとして投影する。アナログ回転ミラー８０５は、無段階で自由に回転することにより、反射光を任意の出射ポート８０７ａ乃至８０７ｈに戻すことができる。
【００５１】
図９に、使用するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）のアナログ回転ミラーアレイ８０５の構成の例を示す（非特許文献６、非特許文献７、特許文献１参照。）。
【００５２】
本実施形態では、アナログ回転ミラーアレイ８０５のミラー枚数は、８８枚であり、波長１５７０ｎｍから１６０７ｎｍまで対応している。それぞれのミラーが、８個ある出射ポート８０７ａ乃至８０７ｈの全てに接続することができる。
【００５３】
本発明では、図８の構成に限らず、入射ポート８０６と、複数の出射ポート８０７とを備えて、アナログ回転ミラーアレイ８０５の偏向角を自由に設定でき、任意の出射ポート８０７へ出力できるので、測定波長領域を自由に分割して測定することができる。
【００５４】
例えば、入射ポート８０６が１個で、チャンネル数（ミラー枚数）が８８個、光検出器８０８を８個（出射ポート８０７が８個）使用可能である場合、測定方法は、下記の多様な型が考えられる。以下に各測定方法の型を説明するが、各型は例示であり、これらに限定されるものではない。
【００５５】
（１）８分割型（図１０、図１１）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１００５のそれぞれのミラーを、１１個ずつに８分割し、それぞれに８個の出射ポート１００７ａ乃至１００７ｈを１個ずつ対応させ、１１回測定を行う。この８分割型の例として、図１０に、８分割単受光器方式のアダマール変換分光器１０００の構成を示し、図１１に、８分割単受光器方式を表わす行列を示す。
【００５６】
（２）７分割型
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイのそれぞれのミラーを１３，１２，１３，１２，１３，１２，１３個ずつに７分割し、１領域に出射ポートを２個対応させ、６領域に出射ポートを１個ずつ対応させ、１３回測定を行う。
【００５７】
（３）６分割型
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイのそれぞれのミラーを１４，１５，１５，１５，１５，１４個ずつに６分割し、２領域に出射ポートを２個ずつ対応させ、４領域に出射ポートを１個対応させ、１５回測定を行う。
【００５８】
（４）５分割型
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイのそれぞれのミラーを１７，１８，１８，１８，１７個に５分割し、３領域に出射ポートを２個ずつ対応させ、２領域に出射ポートを１個ずつ対応させ、１８回測定を行う。
【００５９】
（５）４分割型（図１２，１３）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１２０５のそれぞれのミラーを２２個ずつに４分割し、それぞれに出射ポート１２０７ａ乃至１２０７ｈを２個ずつ対応させ、２２回測定を行う。図１２に、４分割双受光器方式のアダマール変換分光器１２００の構成を示し、図１３に、４分割双受光器方式を表わす行列を示す。
【００６０】
（６）３分割型（図１４）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１４０５のそれぞれのミラーを２９個，３０個，２９個に３分割し、それぞれに出射ポート１４０７ａ乃至１４０７ｆを２個ずつ対応させ、３０回測定を行う。図１４に、３分割双受光器方式のアダマール変換分光器１４００の構成を示す。
【００６１】
（７）２分割型（図１５，１６）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１５０５のそれぞれのミラーを４４個ずつに２分割し、それぞれに出射ポート１５０７ａ乃至１５０７ｄを２個ずつ対応させ、４４回測定を行う。図１５に、２分割双受光器方式のアダマール変換分光器１５００の構成を示し、図１６に、２分割双受光器方式を表わす行列を示す。
【００６２】
（８）無分割型（図１７，１８）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１７０５のそれぞれのミラーを分割せずに、２個の出射ポート１７０７ａ，１７０７ｂで対応させ、８８回測定を行う。この方法は、従来のデジタルミラー使用時の測定方法と同等である。図１７に、無分割双受光器方式のアダマール変換分光器１７００の構成を示し、図１８に、無分割双受光器方式を表わす行列を示す。
【００６３】
（９）予備測定用８分割型（図１９，２０）
この測定方法では、８８個のミラーを含むアナログ回転ミラーアレイ１９０５のそれぞれのミラーを１１個ずつに８分割し、それぞれに出射ポート１９０７ａ乃至１９０７ｈを１個ずつ対応させ、１回のみ測定を行う。ここでは、強度総量と強度分布を粗く観測するのみを行う。図１９に、予備測定用出射ポート数分割方式のアダマール変換分光器１９００の構成を示し、図２０に、予備測定用８分割方式を表わす行列を示す。
【００６４】
（１０）不等分割型
上記の測定方法では、８８個のミラーをほぼ等分割したが、入射してくる光のスペクトル分布により、特定の波長領域のみ重点的に測定し、それ以外は粗く測定して構わないという場合がありうる。その場合には、例えば、８８個のミラーを２４個、４０個、２４個に３分割し、それぞれに出射ポートを２個ずつ対応させ、最大４０回測定で中心部のみ重点的に測定することもできる。
【００６５】
以上のように自由に測定の型を設定することにより、必要な信号対雑音比に合わせて最適かつ必要最低限の時間でスペクトルの測定が可能になる。
【００６６】
例えば、入射されてくる光の強度とスペクトル分布が不明な場合は、最初に予備測定用８分割型で１度測定し、入射光強度の総量と、強度分布の概要を推測し、その後、妥当な信号対雑音比でスペクトルが得られ、かつ、最短で所望の信号対雑音比が得られる分割型を選択し、測定することができる。また、最初、４分割型でスペクトルを計測し、２２回測定する。信号対雑音比が不十分であることが判明すれば、その後、例えば、２分割型を選択して計測し、３０回測定するなどの組み合わせも可能である。この測定方法でもデジタル回転ミラーアレイを使用する場合のように、最初から無分割型で２個の光検出器を使用し計測し、８８回測定するよりも全測定時間は短くなる。
【００６７】
図２１に、本発明の領域分割による測定効率化を示す図であって、光強度に対する測定回数の依存性の例を示す。測定回数は、光強度に対して反比例の関係にある。従来技術４，５であれば、光検出器を１個のみまたは２個使用し、領域分割せずに全領域を測定するため、常に無分割型の８８回測定のみを選択せざるを得ず測定時間が長時間化していた。しかし本発明によれば、光強度に対応して領域を分割することにより測定回数を低減でき、迅速に測定できる。
【００６８】
実際の測定手順の例を以下に示す。
［１］  測定を開始する。
［２］  予備測定用の出射ポート数分割方式を選択し、１出射ポートあたり、ミラー枚数を出射ポート数で割った数のミラーからの反射光を受光し測定する。もし、ミラー枚数が８８枚、出射ポート数が８個の場合は、１つの出射ポートあたり１１個のミラーからの反射光を受光する。
［３］  全光強度と光強度分布から、信号対雑音比を推定する。
［４］  ［３］で得られた推定値と所望の信号対雑音比とを比較し、最適と推定される分割方式を選択し決定する。例えば、光が十分強く所望の信号対雑音比が得られる場合には、８分割方式を選択する。また、８分割方式では所望の信号対雑音比が得られないと推定される場合は、７分割方式を選択する。以下、６分割方式から２分割方式までは、同様の方法で選択する。また、２分割方式では所望の信号対雑音比が得られないと推定される場合には、無分割方式を選択する。
［５］  ［４］で選択した分割方式で測定する。
［６］  信号対強度比が不十分であった場合は、所望の信号対雑音比が得られると推測される分割方式を再選択して再測定する。
［７］  測定結果の信号対雑音比が十分であった場合は、データを保存する。
［８］  測定を終了する。
【００６９】
本測定方法によれば、測定対象光源が複数ある場合においても対応することができる。これまでの例では、入射ポートが１個、出射ポートが８個であったが、例えば入射ポートを８個、出射ポートを１個にすることもできる。図２２に、ポリクロメータ光学系における複数入力によるアダマール変換分光器２２００の構成を示し、図２３に、無分割単受光器方式のアダマール変換分光器２３００の構成を示す。図２４に無分割単受光器方式を表わす行列を示す。
【００７０】
全ての入射ポートからの光を合波したスペクトルを測定することもできるし、光が通過できる入射ポートを１つのみにして残りの測定対象光を遮断すれば、それぞれの入射ポートからの光を個別に測定することができる。この場合の行列を図２４に示す。もちろん入射ポートを５個、出射ポートを４個などにして、既出の領域分割をして測定の迅速化を図れることはいうまでもない。
【００７１】
以上のように本発明の分光器によれば、回転角度が無段階のアナログ回転ミラーアレイを使用し、２個以上の多数の出射ポートを使用して、アナログ回転ミラーアレイ上の領域分割で測定することによって、入射光の総強度、強度分布等に柔軟に対応して所望の信号対雑音比でスペクトルを最適な時間で得ることができる。また、本発明の分光器によれば、アナログ回転ミラーアレイの回転角度は無段階であり、出射ポートの増設にも柔軟に対応できるため、本実施形態で説明したポート数に限らず、原理的な制限はない。また、アナログ回転ミラーの数も、ここでは８８枚のものを使用したが、この数に特に制限はない。さらに、一部の光検出器が使用不能になっても、光検出器は多数あるため、冗長性があり、機能が失われることはないという効果が得られる。
【符号の説明】
【００７２】
８０１、２２０１  ファイバアレイ
８０２、８０４、２２０２、２２０４  レンズ
８０３、２２０３  回折格子
８０５、１００５、１２０５、１４０５、１５０５、１７０５、１９０５、２２０５、２３０５  アナログ回転ミラーアレイ
８０６、２２０６  入射ポート
８０７、１００７、１２０７、１４０７、１５０７、１７０７、１９０７、２２０７、２３０７  出射ポート
８０８、２２０８  光検出器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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