(57)【要約】【課題】被測定物Ｓが液体などの低散乱体又は低拡散率体である場合でも、結像面にインターフェログラムを生成できるようにする。【解決手段】二次元分光計測装置は、被測定物から発する光が入射する対物レンズと、前記対物レンズの後方に配置される位相シフターと、前記位相シフターで反射した光が入射する結像レンズと、前記結像レンズの結像面に配置される検出部と、対物レンズの前方に配置され、低散乱体又は低拡散率体の被測定物を透過した光を拡散する光学素子とを備える。被測定物を透過した光は光学素子によって散乱して対物レンズに入射する。この入射光は、位相シフターで干渉することにより、前記結像面においてインターフェログラムが生成される。【選択図】図３
2014048096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物から生じる光を平行光束に変換する第１の変換部と、
前記平行光束の一部を位相シフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフトされた位相シフト光を含む平行光束を集光する第２の変換部と、
前記第２の変換部で集光された光が結像する結像面において前記位相シフトにより
インターフェログラムを生成する二次元分光計測部と、
を備え、さらに
前記被測定物と前記第１の変換部の間に配置され、被測定物を透過した光又は被測定物で正反射した光を散乱させる光散乱部を備えていることを特徴とする二次元分光計測装置。
【請求項２】
前記位相シフト部は、
前記第１の変換部の後方に配置され、該平行光束内で光路差を生じさせる位相シフター
を含むことを特徴と請求項１記載の二次元分光計測装置。
【請求項３】
前記位相シフターは、
前記第１の変換部の後方において、該平行光束の中心軸に対して反射面が４５度傾いて配置され、
前記平行光束の一部を反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置が移動可能で前記平行光束の残部を反射させる可動ミラーを含むことを特徴とする請求項２記載の二次元分光計測装置。
【請求項４】
前記第１の変換部と前記位相シフターとの間に配置され、第１の変換部からの平行光束を透過及び反射させるハーフミラーを更に備える請求項２記載の二次元分光計測装置。
【請求項５】
前記位相シフターは、前記ハーフミラーからの透過光の一部を正反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置が移動可能で前記ハーフミラーからの透過光の残部を正反射させる可動ミラーとを含むことを特徴とする請求項４記載の二次元分光計測装置。
【請求項６】
前記第１の変換部と前記光散乱部との間に配置され、光源からの光を反射して前記光散乱部に導き、且つ前記光散乱部からの光を透過して前記第１の変換部に導くビームスプリッターを備え、前記被測定物が鏡面体のときに、この鏡面体で前記光源からの光を正反射した正反射光が前記光散乱部で散乱し、この散乱した光が前記ビームスプリッターを透過して前記第１の変換部に入射する請求項1〜５のいずれかに記載の二次元分光計測装置。
【請求項７】
被測定物から生じる光を第１の変換部で平行光束に変換し、この平行光束を前記第１の変換部の後方に配置された位相シフターであって、前記平行光束の一部を反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置を移動可能で前記平行光束の残部を反射させる可動ミラーを含む位相シフターに導くときに、前記可動ミラーを光軸に沿って移動させて前記平行光束の一部と残部との間で光路差を生じさせ、これらの光を第２の変換部で集光して結像面で結像させることで該結像面にインターフェログラムを生成する二次元分光計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体などの低散乱体又は低拡散率体等を被測定物とし、この被測定物について高解像度の２次元分光像を計測する二次元分光計測装置及び二次元分光計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体から発する光、あるいは物体を透過する光を分光技術を使って分析する典型的手法として、フーリエ分光法がある。典型的なフーリエ分光法は、物体光をハーフミラーなどのビームスプリッターにより２分岐させ、それぞれの光束をミラーにより反射させて再度ハーフミラーに到達させ、２光束を合流させて干渉現象を観測する。２分岐した光束のうちの一方（参照光）を反射するミラーは参照ミラーと呼ばれる。フーリエ分光法では、参照ミラーを光の波長よりも短い分解能で高精度で移動させて干渉光強度を変化させ、いわゆるインターフェログラムを検出し、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換することにより分光特性を取得する。
【０００３】
しかし、このフーリエ分光法は、ポイント計測であるため、被測定物の幾何学的配置を知ることが出来ない。
【０００４】
そこで、対物レンズと結像レンズの間に固定ミラー及び可動ミラーから構成される位相シフターを配置し、位相シフターにより物体光から干渉光を生成して結像面にインターフェログラムを生成するようにした二次元分光計測装置が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
図１は、この二次元分光計測装置の概略構成図である。
【０００６】
図において、図示しない光源から被測定物Ｓに対して光が照射されることにより被測定物Ｓの１輝点から散乱光や蛍光発光などが放射状に発生し、この光線群（物体光ともいう）は、対物レンズ１に入射し、平行光束に変換される。対物レンズ１を透過してきた平行光束は位相シフターに２に到達する。位相シフター２は、平板状の固定ミラー２０及び可動ミラー２１で構成されている。位相シフター２は、対物レンズ１の中心軸（平行光束の光軸）に対して反射面が４５度傾いている。駆動部３は可動ミラー２１を図の矢印方向、つまり、対物レンズ１の中心軸に対して４５度の角度で往復駆動する。このような構成により、可動ミラー２１の光軸方向の移動（ベクトル）量（長さ）は、駆動部３による駆動量（長さ）の１/√２となる。
【０００７】
位相シフター２の反射光は結像レンズ４に入射する。位相シフター２の反射面は結像レンズ４の中心軸に対しても４５度傾いている。結像レンズ４の結像面には二次元ＣＣＤカメラなどからなる検出部５が配置されている。制御部６は駆動部３を駆動することで、位相シフター２に入射する２種類の光、つまり固定ミラー２０に入射する光と可動ミラー２１に入射する光（光路差を変化させた光）とを干渉させることができ、これにより前記結像面にインターフェログラムを生成する。制御部６は、インターフェログラムをフーリエ変換することにより被測定物Ｓの分光特性を取得する。
【０００８】
上記の二次元分光計測装置によれば、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成するため、被測定物の幾何学的配置を知ることが出来る。
【特許文献１】特開２００８−３０９７０６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記二次元分光計測装置は、被測定物を光学的な輝点群としたとき、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成する結像光学系であるため、被測定物から放射状に様々な方向に光線が出ている場合は問題がないが、被測定物に液体などの低散乱体又は低拡散率体を使用した場合、或いは鏡面体からの反射光の場合は結像しない。この問題を図２（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。
【００１０】
図２（Ａ）において、被測定物Ｓが透明容器に封入された液体であった場合、光源７からの光は、被測定物Ｓに入射したときに散乱せずにそのまま透過してしまう。このとき光源７からの光は平行光束又はそれに近い光束であるため、対物レンズ１の集光作用により、光は位相シフター２上で集光してしまう。その結果、可動ミラー２１が駆動しても位相シフター２上で光の干渉作用が生じなくなり、また、図２（Ａ）のように検出部５において結像出来ないため、結像面にインターフェログラムを生成することができない。図３（Ａ）はこの状態を示している。同図左側は、結像面にインターフェログラムが生成出来ていないことを示し、同図右側は、その結果、フーリエ変換しても被測定物の分光特性としては何も得られないことを示している。
【００１１】
図２（Ｂ）のように、被測定物Ｓ１が鏡等の鏡面体の場合も同様の問題がある。同図は、対物レンズ１と鏡との間にビームスプリッター３０を配置している。光源７からの光はビームスプリッター３０で反射して鏡で正反射する。この正反射光はビームスプリッター３０を透過して平行光のまま対物レンズ１に入射する。したがって、図２（Ａ）と同様に、検出部５において結像出来ず、結像面にインターフェログラムを生成することができない。
【００１２】
上記の問題は、被測定物Ｓが液体などの低散乱体又は低拡散率体であることが原因である。被測定物Ｓが鏡面体で反射されるような場合も同じ問題が生じる。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、被測定物Ｓが液体などの低散乱体又は低拡散率体である場合や鏡面体からの反射光の場合でも、結像面にインターフェログラムを生成することができる工夫を施すことである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、被測定物から生じる光を平行光束に変換する第１の変換部と、
前記平行光束の一部を位相シフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフトされた位相シフト光を含む平行光束を集光する第２の変換部と、
前記第２の変換部で集光された光が結像する結像面において前記位相シフトにより
インターフェログラムを生成する二次元分光計測部と、
を備え、さらに
前記被測定物と前記第１の変換部の間に配置され、被測定物を透過した光又は鏡面体で反射した光を散乱させる光散乱部を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第１の変換部、第２の変換部は、例えば、それぞれ対物レンズと結像レンズで構成される。位相シフト部は、第１の変換部で変換された平行光束の一部を位相シフトすることで、それらの光を干渉させ、それにより結像面にインターフェログラムを生成する。
【００１６】
そして、被測定物と第１の変換部との間には、低散乱体又は低拡散率体等の被測定物を透過した光又は鏡などで反射した光を散乱させる光散乱部を備える。
【００１７】
この発明では、被測定物を透過した光を散乱させる光散乱部により、光が周囲に散乱する。また、被測定物が鏡などで反射した場合にも光散乱部で散乱させる。光が周囲に散乱する結果、被測定物を光学的な輝点群と等価なものに置き換えることができる。光を散乱させるとは、この発明では、光を広がりをもった光束に変換することを意味する。
【００１８】
この発明では、図１のような、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成する結像光学系を構築することができ、この光学系内の位相シフト部の作用によって、結像面にインターフェログラムを生成することができるようになる。
【００１９】
図３（Ｂ）は、この発明で結像面にインターフェログラムが生成出来ることを示している。同図左側は、結像面にインターフェログラムが生成出来ていることを示し、同図右側は、その結果、フーリエ変換して被測定物の分光特性が得られることを示している。
【００２０】
前記光学素子としては、様々なものを使用可能である。例えば、穴開きフィルタ、回析格子、フライアイレンズ、拡散板などが考えられる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、被測定物と第１の変換部との間に光を散乱させる光散乱部を配置することにより、液体や鏡などの被測定物に対して二次元分光計測を行うことができる。この場合、光散乱部の配置位置は被測定物と第１の変換部間であれば良いため、光散乱部の配置位置に自由度があり、取り付けなどが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】二次元分光計測装置の概略構成図
【図２】被測定物が液体の場合の問題点を説明する図
【図３】インターフェログラム生成有無について従来技術と本発明を対比する図
【図４】この発明の実施形態の概略構成図
【図５】実施形態の制御手順を示す図
【図６】穴開きフィルタ１０の外観図
【図７】回析格子１１の外観図
【図８】フライアイレンズ１２の正面図及び側面図
【図９】拡散板１３の外観図
【図１０】この発明の他の実施形態の概略構成図
【図１１】この発明のさらに他の実施形態の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図４は、この発明の実施形態を示す。同図において、二次元分光計測装置は、二次元分光計測部Mと光を拡散する光学素子８とで構成される。
【００２４】
二次元分光計測部Mは次のように構成される。
【００２５】
被測定物Ｓからの光を受光する対物レンズ１（第１の変換部）の後方には、位相シフター２（位相シフト部）が配置されている。この位相シフター２は、光学的鏡面仕上げされている固定ミラー２０と可動ミラー２１とを通常時（可動ミラー２１が移動していない時）で反射面が同一面となるように、且つ、対物レンズ１からの平行光束の光軸に対して反射面が４５度傾くように配置されている。位相シフター２は全体として矩形状で、上半分の矩形領域は固定ミラー２０、下半分の矩形領域は可動ミラーで構成されている。また、可動ミラー２１（第２の変換部）は、駆動部３によって図の矢印方向、つまり、対物レンズ１の中心軸に対して４５度、位相シフター２に対して９０度の角度で往復駆動（伸縮駆動）する。このような構成により、可動ミラー２１の光軸方向の移動（ベクトル）量（長さ）は、駆動部３による駆動量（長さ）の１/√２となる。可動ミラー２１の駆動は光の波長よりも短い分解能を要し、その駆動量は分光計測能力にもよるが、可視光領域では概ね５０nm程度である。可動ミラー２１の光軸方向の移動（ベクトル）量（長さ）は、駆動部３による駆動量（長さ）の１/√２であるため、駆動部３による駆動量の√２だけ、２光束（固定ミラー２０で反射する光束と可動ミラー２１で反射する光束）の光路差が変化する。
【００２６】
位相シフター２の後方、すなわち図４において位相シフター２の下部には結像レンズ４が配置され、さらにその下部の結像面上に検出部５が配置されている。位相シフター２で反射された光は結像レンズ４で収束して上記結像面に入る。結像面には二次元ＣＣＤカメラのＣＣＤ受光面が配置されている。
【００２７】
なお、図４において位相シフター２の上半分の領域を固定ミラー２０、下半分の領域を可動ミラー２１とし、それぞれのミラーに対して光の半分が入射するようにしているが、可動ミラー２１を円形にし、その周囲に固定ミラー２０を同心となるように配置させても良い。また、固定ミラー２０と可動ミラー２１の位置を逆にしても良い。この場合も、それぞれの入射光量が同一となるようにするのが良い。
【００２８】
次に、二次元分光計測部Ｍの作用を説明する。図５は、同計測部Ｍの制御部６の制御手順を示す。
【００２９】
液体などの低散乱体又は低拡散率体から成る被測定物Ｓの前方に配置されている光源７をＯＮして、その後に駆動部３により可動ミラー２１を駆動（矢印方向に往復動）する。
【００３０】
可動ミラー２１が移動することにより、対物レンズ１からの様々な波長の光の反射光は光路長が変化し（位相が変化し）、光路長が固定である固定ミラー２０の反射光と干渉する。これにより、図３（Ｂ）左側図に示すようなインターフェログラムと称される干渉光強度変化の波形が得られる（結像面で観測される結像強度）。同図において、横軸は移動をする可動ミラー２１で反射する可動光と固定ミラー２０で反射する固定光との光路長差を、縦軸は結像面上の一点における結像強度を示す。このインターフェログラムを制御部６でフーリエ変換することにより、図３（Ｂ）右側図に示すように被測定物Ｓの1輝点で発せられた光の波長ごとの分光特性を取得することができる。
【００３１】
なお、インターフェログラムの具体的な生成方法については各種文献で周知であるが、例えば特開2008-309706号において詳細に説明されている。
【００３２】
二次元分光計測部Mの前方部に配置されている光学素子（光散乱部）８は、平行光束を広がりをもった光束に変換させる光学的性質を持つ。この光学素子８の性質のため、その前方に置かれる被測定物Ｓから平行光束やそれに近い光束が入射しても、光の散乱効果により輝点と等価な光を発することができる。したがって、被測定物Ｓが、液体（色のついた液体など）である場合は、光源７からの光がそのまま透過しても、あるいはわずかに拡散しても、光学素子８により光が散乱して、図１に示すような光の結像系が実現される。光学素子８は、対物レンズ１と被測定物Ｓとの間に配置されれば良いが、被測定物の対物レンズ側の面に取り付けるようにしても良い。
【００３３】
光学素子８の第１の実施例は穴開きフィルタである。図６は穴開きフィルタ１０の外観図である。図示のように、平板状の基体１０ａに無数の穴１０ｂが開けられている。無数の穴を開けることにより、各穴の位置で光が回析し、輝点を生成することが出来る。これにより、結像光学系が構築され、位相シフター２の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。
【００３４】
穴径は、結像した際に画素と同じサイズになるように設計するのがベストである。画素以下又は画素以上になるように設計した場合は、光の利用効率が下がる。穴径のピッチは、被測定物の区間的な分解能に直結する。
【００３５】
この穴開きフィルタのデメリットは、空間的な計測ポイントが離散的となることである。
【００３６】
第２の実施例は回析格子である。図７は回析格子１１の外観図である。回析光を生じさせることにより位相シフター２上に広がった回析光に位相差を与える。ここでは、位相シフター２上で干渉させる回析光のうち±１次回析光の片方（＋側一次回析光又は−側一次回析光）を可動ミラー２１に入射させ、他方を固定ミラー２０に入射するように回析させるよう回析格子の幅などを設定する。また、対物レンズ１には、±１次回析光の長波長α２と短波長α１が取得できる開口数ＮＡを持つものを選択する。回析格子を使用すると回析光により固定ミラー２０と可動ミラー２１の反射面に光を広く分布させることが出来、位相シフター２の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。
【００３７】
回析格子は空間的な計測ポイントが画素サイズと同じになり、光の利用効率も良いメリットを有する。しかし、光学設計が複雑であり、また、回析光間の干渉があるため分光特性の正確性がやや劣るデメリットがある。
【００３８】
第３の実施例はフライアイレンズである。図８（Ａ）、（Ｂ）はフライアイレンズ１２の正面図、側面図である。フライアイレンズとは、同一の単レンズを縦横に配列したレンズ体（レンズアレイ）である。このレンズを被測定物Ｓと対物レンズ１との間に配置して、フライアイレンズ１２の後ろ側焦点面に疑似的に疑似物体面１３を設定することで、この疑似物体面１３に疑似的な複数の輝点像が作成される。これにより、結像光学系が構築され、位相シフター２の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。
【００３９】
フライアイレンズ１２を使用する場合、分光イメージングの空間的な分解能は各レンズの空間的なピッチによって決まると思われる。これは、フライアイレンズの中の各レンズに入射した光を平均化して疑似的物体面に輝点像を作成しているからである。
【００４０】
フライアイレンズは、光の利用効率が高いが、レンズであるため収差により分光特性が劣化する可能性がある。しかし、レンズの開口数ＮＡを下げることで収差の影響を下げることが可能である。
【００４１】
第４の実施例は、拡散板である。図９は拡散板１３の外観図である。拡散板１３はガラス基体の片面をスリガラス面に加工したり、乳白色膜を形成したりすることにより作成する。この拡散板１３により、被測定物Ｓを透過した光を光学的に拡散する。これにより、輝点像と等価の状態を生成することができる。しかし、拡散板の光学的な特性が拡散板ごとに均一ではないため、拡散板によって計測ポイントが異なるという再現性の点で問題がある。
【００４２】
以上のように、実施例１〜実施例４はそれぞれメリットとデメリットがあるが、いずれにおいても、光学素子８は被測定物Ｓを通過した透過光を広がりをもった光束にする結果、液体などの低散乱体又は低拡散率体を被測定物とした場合であっても、二次元分光計測部Ｍの結像面においてインターフェログラムを生成することが出来る。
【００４３】
この発明の、さらに他の実施形態を図１０を参照して説明する。
【００４４】
図１０に示す実施形態は、対物レンズ１と位相シフター２との間にハーフミラー１６を配置し、位相シフター２を、対物レンズ１からの平行光束に対して正対に配置したものである。位相シフター２は、ハーフミラー１６からの透過光の一部を正反射させる固定ミラー２０と、固定ミラー２０に対する位置が移動可能でハーフミラー１６からの透過光の残部を正反射させる可動ミラー２１とで構成され、可動ミラー２１は光軸方向に駆動部３で駆動（往復動）される。ハーフミラー１６を透過した対物レンズ１からの光（透過光）は、その一部が固定ミラー２０で正反射し、残部が反射ミラー２１で正反射する。このとき、可動ミラー２１は光軸方向に駆動されるため、固定ミラー２０で反射する光束と可動ミラー２１で反射する光束との間に光路差が生じ、その結果、それらの光が干渉する。干渉光は再びハーフミラー１６に戻り、ここで反射して結像レンズ４を介して結像面で集光し、インターフェログラムが生成される。
【００４５】
上記のハーフミラー１６を用いる実施形態でも、図４、図５に示す実施形態と同様の作用で検出部５の結像面にインターフェログラムを生成することが出来る。
【００４６】
なお、光学素子８は、液体などの低散乱体又は低拡散率体を透過した光を、広がりをもった光束にする光学的特性を持つものであればどのようなものであっても良い。
【００４７】
この発明の、さらに他の実施形態を図１１を参照して説明する。
【００４８】
図１１に示す実施形態は、被測定物Ｓ１として鏡を使用する場合の二次元分光計測装置の構成図を示す。鏡からなる被測定物Ｓ１と対物レンズ１との間には、対物レンズ１側からビームスプリッター３０と光学素子８がこの順に配置される。ビームスプリッター３０の上方には光源７が配置される。ビームスプリッター３０は、光源７からの光を直角に反射して光学素子８に導き、さらに被測定物Ｓ１に導く。被測定物Ｓ１は鏡であるため、被測定物Ｓ１で上記光は正反射光として反射し、平行光束となる。この平行光束は光学素子８で散乱してビームスプリッター３０に導かれ、ここを透過して対物レンズ１に入射する。以下、図４と同様に、位相シフター２を通過することにより、検出部５の結像面にインターフェログラムが生成される。
【００４９】
このように、被測定物Ｓ１が鏡の場合には、ビームスプリッター３０を使うことでインターフェログラムを生成することが出来る。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・対物レンズ
２・・・位相シフター
２０・・固定レンズ
２１・・可動レンズ
４・・・結像レンズ
Ｓ・・・被測定物
８・・・光学素子
１０（１０ａ、１０ｂ）・・・穴開きフィルタ
１１・・・回析格子
１２・・・フライアイレンズ
１３・・・拡散板
【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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