(57)【要約】【課題】簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、波長可変フィルタからの光をセンサに導くことが可能な技術を提供する。【解決手段】分光光学系は、投射光学系と、フィルタ部と、受光部と、集光光学系とを有する。投射光学系は、複数の波長を含む光を少なくとも一断面が平行光となるよう出射する。フィルタ部は、投射光学系からの平行光を、一断面と同じ平面内における所定方向に波長が変化する透過光として出射する。受光部は、透過光の波長の変化に対応して配置され、透過光を受光する複数の受光素子を有する。集光光学系は、フィルタ部と受光部との間に設けられ、フィルタ部の所定方向の所定位置から出射された同一波長の透過光を、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子に集光させる。【選択図】図２Ａ
2014025897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長を含む光を少なくとも一断面が平行光となるよう出射する投射光学系と、
前記投射光学系からの前記平行光を、前記一断面と同じ平面内における所定方向に波長が変化する透過光として出射するフィルタ部と、
前記透過光の波長の変化に対応して配置され、前記透過光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、
前記フィルタ部と前記受光部との間に設けられ、前記フィルタ部の前記所定方向の所定位置から出射された同一波長の前記透過光を、当該波長に対応する少なくとも一つの前記受光素子に集光させる集光光学系と、
を有することを特徴とする分光光学系。
【請求項２】
前記フィルタ部は、前記所定位置から出射される前記透過光を特定の位置を中心とする集光光束又は発散光束として出射し、
前記集光光学系は、前記集光光束又は前記発散光束の透過光を、その波長に対応する少なくとも一つの前記受光素子に集光させることを特徴とする請求項１記載の分光光学系。
【請求項３】
前記特定の位置は、前記フィルタ部より前記投射光学系側に位置することを特徴とする請求項２記載の分光光学系。
【請求項４】
前記集光光学系は、前記透過光の主光線が前記複数の波長を含む光の光軸と平行になる物体側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項５】
前記集光光学系は、当該集光光学系に入射する前記透過光の主光線と当該集光光学系から出射する前記透過光の主光線とが平行になるエキスパンダ光学系であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項６】
前記受光部または前記集光光学系は、前記透過光に対して傾いて配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項７】
前記フィルタ部へ集光、若しくは発散して入射する前記平行光の集光角度、若しくは発散角度は、前記フィルタ部における前記所定方向と直交し且つ前記平行光の光軸と直交する方向に対し、１．５ｄｅｇ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項８】
前記フィルタ部における前記所定方向と直交し且つ前記平行光の光軸と直交する方向において、前記平行光の少なくとも一部が前記フィルタ部に対して垂直に入射することを特徴とする請求項７記載の分光光学系。
【請求項９】
前記集光光学系は、異なる前記所定位置から出射された異なる波長の前記透過光を、前記所定位置の間隔よりも広い間隔で前記受光部に集光させる拡大光学系であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項１０】
前記集光光学系は、異なる前記所定位置から出射された異なる波長の前記透過光を、前記所定位置の間隔よりも狭い間隔で前記受光部に集光させる縮小光学系であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の分光光学系。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の分光光学系と、
前記受光部で受光された前記透過光に基づく信号により、前記複数の波長を含む光の波長分布を算出する信号処理部と、
を有することを特徴とする分光測定装置。
【請求項１２】
前記信号処理部は、前記透過光に基づく信号に対して逆畳み込み処理を行い、その結果に基づいて前記波長分布を算出することを特徴とする請求項１１記載の分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光光学系、及び分光光学系を含む分光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定試料のスペクトル解析や光通信など、光を用いる様々な分野において分光測定装置が用いられる。分光測定装置は、複数の波長を含む光を波長毎に分離し、光の波長分布を測定する。
【０００３】
光通信の分野においては、複数の波長を含む光を同時に伝送する光波長多重通信（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ。以下、「ＷＤＭ」と記述する）により、一本の光ファイバで大量の情報を伝送することが可能となっている。複数の波長に対しては、それぞれ異なる信号が対応付けられている。
【０００４】
この場合、分光測定装置は、ＷＤＭにより伝送された複数の波長を含む光の波長分布を測定するために用いられる。測定された波長分布は、特定の波長の光が確実に伝送されているかを確認するために用いられる。
【０００５】
ここで、特許文献１には、透過波長可変フィルタ（ＬＶＦ：ｌｉｎｅａｒ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｉｌｔｅｒ）［１１］及びリニアセンサ［１４］を用いる分光透過率測定装置の構成が記載されている。
【０００６】
特許文献１では、透過波長可変フィルタ［１１］からの光をリニアセンサ［１４］との間に金属コリメータ（コリメータ［１２］）を配置している。コリメータ［１２］は、透過波長可変フィルタ［１１］の幅方向各位置から出る光を、他の位置から出る光と混合しない状態でリニアセンサ［１４］に導く。よって、リニアセンサ［１４］の各素子の出力を知ることにより、透過波長可変フィルタ［１１］に入射する光の分光特性（波長分布）を知ることができる。
【０００７】
また、特許文献２には、透過波長可変フィルタ［１１］及びリニアセンサ［１３］を用いる分光測色計の構成が記載されている。特許文献２では、金属コリメータの代わりにファイバーオプティックプレート（ＦＯＰ）を用いる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２６３９３号公報
【特許文献２】特開２００４−１６３３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、金属コリメータを用いる場合、構成する穴のサイズとピッチの影響により、金属コリメータを通過する光量、すなわち透過光量（透過波長可変フィルタ［１１］の透過光の光量）が減少する。ファイバーオプティックプレートを用いる場合も、ファイバーオプティックプレートを構成する光ファイバの充填率の影響により、透過する光量が減少する。また、金属コリメータ（ファイバーオプティックプレート）を用いる場合、透過波長変換フィルタ、リニアセンサ及び金属コリメータ（ファイバーオプティックプレート）を密着させて組み立てる必要がある。この場合、各部材にキズ（表面コートのはがれやスクラッチ）等が発生しないよう組み立てる必要があり、煩雑である。
【００１０】
本発明においては、上記課題を解決するために、簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、波長可変フィルタからの光をセンサに導くことが可能な技術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】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の分光光学系は、投射光学系と、フィルタ部と、受光部と、集光光学系とを有する。投射光学系は、複数の波長を含む光を少なくとも一断面が平行光となるよう出射する。フィルタ部は、投射光学系からの平行光を、一断面と同じ平面内における所定方向に波長が変化する透過光として出射する。受光部は、透過光の波長の変化に対応して配置され、透過光を受光する複数の受光素子を有する。集光光学系は、フィルタ部と受光部との間に設けられ、フィルタ部の所定方向の所定位置から出射された同一波長の透過光を、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子に集光させる。
また、上記課題を解決するために、請求項２に記載の分光光学系は、請求項１記載の分光光学系であって、フィルタ部は、所定位置から出射される透過光を特定の位置を中心とする集光光束又は発散光束として出射する。集光光学系は、集光光束又は発散光束の透過光を、その波長に対応する少なくとも一つの受光素子に集光させる。
また、上記課題を解決するために、請求項３に記載の分光光学系は、請求項２記載の分光光学系であって、特定の位置は、フィルタ部より投射光学系側に位置する。
また、上記課題を解決するために、請求項４に記載の分光光学系は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の分光光学系であって、集光光学系は、透過光の主光線が複数の波長を含む光の光軸と平行になる物体側テレセントリック光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項５に記載の分光光学系は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の分光光学系であって、集光光学系は、当該集光光学系に入射する透過光の主光線と当該集光光学系から出射する透過光の主光線とが平行になるエキスパンダ光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項６に記載の分光光学系は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の分光光学系であって、受光部または集光光学系は、透過光に対して傾いて配置されている。
また、上記課題を解決するために、請求項７に記載の分光光学系は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の分光光学系であって、前記フィルタ部へ集光、若しくは発散して入射する前記平行光の集光角度、若しくは発散角度は、フィルタ部における所定方向と直交し且つ平行光の光軸と直交する方向に対し、１．５ｄｅｇ以下である。
また、上記課題を解決するために、請求項８に記載の分光光学系は、請求項７記載の分光光学系であって、フィルタ部における所定方向と直交し且つ平行光の光軸と直交する方向において、平行光の少なくとも一部がフィルタ部に対して垂直に入射する。
また、上記課題を解決するために、請求項９に記載の分光光学系は、請求項１〜８のいずれか一つに記載の分光光学系であって、集光光学系は、異なる所定位置から出射された異なる波長の透過光を、所定位置の間隔よりも広い間隔で受光部に集光させる拡大光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項１０に記載の分光光学系は、請求項１〜８のいずれか一つに記載の分光光学系であって、集光光学系は、異なる所定位置から出射された異なる波長の透過光を、所定位置の間隔よりも狭い間隔で受光部に集光させる縮小光学系である。
また、上記課題を解決するために、請求項１１に記載の分光測定装置は、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の分光光学系と、受光部で受光された透過光に基づく信号により、複数の波長を含む光の波長分布を算出する信号処理部とを有する。
また、上記課題を解決するために、請求項１２に記載の分光測定装置は、請求項１１記載の分光測定装置であって、信号処理部は、透過光に基づく信号に対して逆畳み込み処理を行い、その結果に基づいて波長分布を算出する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明における分光光学系は、集光光学系を用いて、フィルタ部の所定方向の所定位置から出射された同一波長の透過光を、当該波長に対応する受光素子に集光させる。従って、簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、波長可変フィルタ（フィルタ部）からの光をセンサ（対応する受光素子）に導くことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る分光測定装置を示す図である。
【図２Ａ】第１実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図２Ｂ】第１実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図２Ｃ】第１実施形態に係る分光光学系の別例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る処理・制御系を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図７Ａ】第４実施形態に係る分光光学系の説明を補足するための図である。
【図７Ｂ】第４実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図８】第４実施形態に係る分光光学系の説明を補足するための図である。
【図９】第４実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図１０】第５実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図１１】第５実施形態に係る分光光学系の説明を補足するための図である。
【図１２】変形例に係る分光光学系を示す図である。
【図１３】変形例に係る分光光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施形態＞
図１から図３を参照して、実施形態に係る分光測定装置１について説明を行う。
【００１５】
図１は、分光測定装置１を示すブロック図である。分光測定装置１は、分光光学系１０及び処理・制御系２０を有する。分光測定装置１の外部には、分光測定の対象としての光源ＬＳが配置されている。光源ＬＳは、未知の複数の波長λｋ（ｋ＝１〜ｎ）を含む光Ｌを発生させる。
【００１６】
［分光光学系］
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、本実施形態に係る分光光学系１０の構成について説明する。以下、導光部１１からの光Ｌの光軸ＯＡ方向をｘ方向とし、光軸ＯＡと同一平面上で直交する方向をｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向をｚ方向として説明する。
【００１７】
図２Ａは、分光光学系１０をｚ方向からみた概略図である。図２Ｂは、分光光学系１０を光軸ＯＡにおけるｙ方向からみた場合の断面図である。分光光学系１０は、導光部１１と、投射光学系１２と、フィルタ部１３と、受光部１４と、集光光学系１５とを有する。
【００１８】
導光部１１は、光源ＬＳからの複数の波長λｋ（ｋ＝１〜ｎ）を含む光Ｌを受け、光Ｌを投射光学系１２まで導光して出射する。導光部１１は、たとえば、コア及びクラッドを有する光ファイバが用いられる。なお、本実施形態において、波長λｋのｋが大きい光のほうが、波長が長い光（λｋ＞λｋ−１）であるとする。
【００１９】
投射光学系１２は、導光部１１からの光Ｌ（複数の波長を含む光）をｙ方向にコリメートし、平行光ＰＬとして出射する。すなわち、投射光学系１２は、光Ｌを少なくとも一断面が平行光ＰＬとなるように出射する。投射光学系１２は、たとえば、コリメートレンズ１２ａ、発散レンズ１２ｂ、及び集光レンズ１２ｃから構成される。
【００２０】
コリメートレンズ１２ａは、導光部１１から出射された光Ｌをコリメートし、発散レンズ１２ｂに入射させる。発散レンズ１２ｂは、コリメートレンズ１２ａからの光を発散する。発散レンズ１２ｂは、たとえば、一方向（ｙ方向）だけに集光または発散するシリンドリカルレンズを用いる。よって、発散レンズ１２ｂを透過した光は、ｚ方向においては平行に出射される（図２Ｂ参照）。集光レンズ１２ｃは、発散レンズ１２ｂからの光をコリメートし、複数の波長λｋの光を含む平行光ＰＬとして出射する（図２Ａ参照）。集光レンズ１２ｃから出射された平行光ＰＬは、ｚ方向において、波長毎に集光しながらフィルタ部１３に入射する。
【００２１】
フィルタ部１３は、投射光学系１２からの平行光ＰＬを、波長が所定方向に変化する透過光Ｒｋ（ｋ＝１〜ｎ）として出射する。フィルタ部１３は、１枚のフィルタで連続的に透過する波長を変えることができるフィルタである。つまり、「所定方向」とは、透過光の波長が変化する方向（図２Ａのｙ方向）である。また、所定方向は、平行光ＰＬの一断面と同じ平面内における方向である。フィルタ部１３としては、たとえば、ＬＶＦを用いることができる。平行光ＰＬ（複数の波長λｋを含む光Ｌ）が入射する場合、フィルタ部１３は、平行光ＰＬの入射位置によって透過する波長λｋが異なっている。本実施形態におけるフィルタ部１３は、＋ｙ方向に沿って透過する波長が短波長側にシフトするフィルタである。
【００２２】
本実施形態において、波長λｋの透過光Ｒｋがフィルタ部１３から出射する位置を所定位置Ｐｋ（ｋ＝１〜ｎ）で示す。すなわち、フィルタ部１３は、所定位置Ｐｋから同一波長の光（透過光Ｒｋ）を出射することにより、複数の波長λｋを含む光Ｌを波長毎に分離することができる。たとえば、図２Ａに示すように、所定位置Ｐｎ（Ｐ１）から出射される透過光Ｒｎ（Ｒ１）は、所定位置Ｐｎ（Ｐ１）から主光線ｒｎ（ｒ１）を中心として発散した光束として表現されている。これは、フィルタ部１３が持つ特性であり、同一の波長λｎ（λ１）の透過光Ｒｎ（Ｒ１）が等価的に主光線ｒｎ（ｒ１）を中心とした光束として出射される。本実施形態において、フィルタ部１３の長辺方向はｙ方向と一致している。
【００２３】
受光部１４は、複数の受光素子Ｓｋ（ｋ＝１〜ｎ）を有する（図２Ａでは、一部の受光素子のみを示す）。受光素子Ｓｋは、透過光Ｒｋの波長の変化に対応して配置され、透過光Ｒｋを受光する。受光素子Ｓｋは、たとえばＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いることができる。
【００２４】
集光光学系１５は、フィルタ部１３と受光部１４との間に設けられ、フィルタ部１３の所定方向の所定位置Ｐｋから出射された同一波長の光束である透過光Ｒｋを、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子Ｓｋに集光させる。本実施形態における集光光学系１５は等倍の光学系である。なお、図２Ａ等では、波長λｋと受光素子Ｓｋとが１対１に対応する例を示しているが、一つの波長λｋが複数の受光素子Ｓｋで受光されても問題ない。但し、受光部１４には極力狭いスポット径で集光させることにより波長分解能が向上する。
【００２５】
本実施形態における集光光学系１５はレンズ１５ａを有する。レンズ１５ａは、その中心が光軸ＯＡ上に位置するよう設けられる。レンズ１５ａには、透過光Ｒｋの主光線ｒｋ（ｋ＝１〜ｎ）が平行光ＰＬと平行な状態で垂直に入射する。レンズ１５ａは、透過光Ｒｋ（レンズ１５ａに入射した複数の波長の光）を波長毎にそれぞれ集光させる。
【００２６】
このように、集光光学系１５は、透過光Ｒｋの主光線ｒｋが複数の波長を含む光Ｌの光軸ＯＡと平行になる光学系（所謂、物体側テレセントリック光学系）で形成されている。従って、所定位置Ｐ１から出射された波長λ１の透過光Ｒ１は、集光光学系１５で集光され、対応する受光素子Ｓ１に導かれる（図２Ａ参照）。また、所定位置Ｐｎから出射された波長λｎの透過光Ｒｎは、集光光学系１５で集光され、対応する受光素子Ｓｎに導かれる（図２Ａ参照）。なお、本実施形態におけるレンズ１５ａは、ｚ方向にパワーを持たないシリンドリカルレンズで構成されている（図２Ｂ参照）。また、集光光学系１５は、物体側テレセントリック光学系として機能すればよく、１枚のレンズから構成される必要はない。たとえば、複数枚のレンズを組み合わせてもよい。また、レンズ間にフィルタ等の光学部材を配置してもよい。
【００２７】
更に、上記例では、集光光学系１５（レンズ１５ａ）としてシリンドリカルレンズを用いる構成について説明したが、これに限られない。図２Ｃは、図２Ｂと同様の断面図である。図２Ｃに示すように、レンズ１５ａを軸対称の球面レンズで構成してもよい。或いは、図２Ａの構成において、発散レンズ１２ｂ、集光レンズ１２ｃ及びレンズ１５ａ全てをｚ方向にパワーを持たないシリンドリカルレンズで構成することも可能である（図示無し）。
【００２８】
［処理・制御系］
図３は、本実施形態に係る処理・制御系２０を示す概略図である。図３において、分光光学系１０の一部の構成は記載を省略している。処理・制御系２０は、読み出し部２１と、信号処理部２２とを有する。
【００２９】
読み出し部２１は、受光部１４で受光された光に基づく信号を読み出す。たとえば、読み出し部２１は、受光部１４が導光部１１からの光を受光したタイミングで読み出しを行う。なお、受光部１４で受光された光に基づく信号は、受光された光の波長、及び当該波長に対応する受光素子の出力信号の大きさ（強度）の関係を示す（スペクトラムデータ）。
【００３０】
信号処理部２２は、受光部１４で受光された透過光に基づく信号により、複数の波長を含む光の波長分布を算出する。具体的には、信号処理部２２は、得られた信号を予め設定された各波長の受光信号のプロファイルに基づく伝達関数により変換する逆畳み込み処理（デコンボリューション）を行い、その結果に基づいて波長分布を算出する。
【００３１】
信号処理部２２による算出結果は、外部の表示デバイス等に表示される。なお、分光測定装置１が信号処理部２２による算出結果を表示する表示部を有する構成も可能である。
【００３２】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態に係る分光光学系及び分光測定装置の作用及び効果について説明する。
【００３３】
実施形態に係る分光光学系１０は、投射光学系１２と、フィルタ部１３と、受光部１４と、集光光学系１５とを有する。投射光学系１２は、複数の波長λｋを含む光Ｌを少なくとも一断面が平行光ＰＬとなるよう出射する。フィルタ部１３は、投射光学系１２からの平行光ＰＬを、一断面と同じ平面内における所定方向に波長が変化する透過光Ｒｋとして出射する。受光部１４は、透過光Ｒｋの波長の変化に対応して配置され、透過光Ｒｋを受光する複数の受光素子Ｓｋを有する。集光光学系１５は、フィルタ部１３と受光部１４との間に設けられ、フィルタ部１３の所定方向の所定位置Ｐｋから出射された同一波長の透過光Ｒｋを、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子Ｓｋに集光させる。
【００３４】
より具体的には、集光光学系１５は、透過光Ｒｋの主光線ｒｋが複数の波長λｋを含む光Ｌの光軸ＯＡと平行になる物体側テレセントリック光学系である。
【００３５】
このように、集光光学系１５は、フィルタ部１３の所定方向の所定位置Ｐｋから出射された同一波長（波長λｋ）の透過光Ｒｋを、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子Ｓｋに集光させる。よって、一つの波長の透過光（たとえば、透過光Ｒｎ）を対応する受光素子（たとえば、受光素子Ｓｎ）に確実に入射させることが可能となる。これにより、光Ｌに含まれる各波長の光を分光することが可能となる。また、集光光学系１５は、レンズで形成されているため、金属コリメータやファイバーオプティックプレートを用いる場合のように透過光の光量が減少するという問題や、組み立てが煩雑になるというも問題も生じない。すなわち、本実施形態の分光光学系１０によれば、簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、フィルタ部１３からの光を受光部１４（対応する受光素子Ｓｋ）に導くことが可能となる。
【００３６】
また、上記の分光光学系１０を分光測定装置１に用いることも可能である。この場合、分光測定装置１は、分光光学系１０と、信号処理部２２とを有する。信号処理部２２は、受光部１４で受光された透過光に基づく信号により、複数の波長λｋを含む光Ｌの波長分布を算出する。
【００３７】
より具体的には、信号処理部２２は、透過光Ｒｋに基づく信号に対して逆畳み込み処理を行い、その結果に基づいて波長分布を算出する。
【００３８】
このような分光測定装置１であっても、集光光学系１５は、フィルタ部１３の所定方向の所定位置Ｐｋから出射された同一波長（波長λｋ）の透過光を、当該波長に対応する少なくとも一つの受光素子Ｓｋに集光させる。よって、一つの波長の透過光（たとえば、透過光Ｒｎ）を対応する受光素子（たとえば、受光素子Ｓｎ）に確実に入射させることが可能となる。これにより、光Ｌに含まれる各波長の光を分光することが可能となる。また、集光光学系１５は、レンズで形成されているため、金属コリメータやファイバーオプティックプレートを用いる場合のように透過光の光量が減少するという問題や、組み立てが煩雑になるというも問題も生じない。すなわち、本実施形態の分光測定装置１によれば、簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、フィルタ部１３からの光を受光部１４（対応する受光素子Ｓｋ）に導くことが可能となる。更に、受光部１４で受光された光に基づいて信号処理を行うことにより、分光測定装置１は、光Ｌの分光特性（波長分布）を求めることができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
図４を参照して、第２実施形態に係る分光測定装置１について説明を行う。第２実施形態の分光測定装置１における分光光学系１０は、集光光学系１５がエキスパンダ光学系で形成されている。図４は、分光光学系１０をｚ方向からみた場合の拡大図である。図４では、分光光学系１０のフィルタ部１３以降の構成のみを示している。第１実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
【００４０】
集光光学系１５が第１実施形態に示す物体側テレセントリック光学系の場合、受光部１４の外側にいけばいくほど、集光光学系１５で集光された透過光Ｒｋが受光素子Ｓｋに対して斜めから入射することになる。よって、集光スポットの径が広がるため、透過光Ｒｋに対応する受光素子Ｓｋ以外の隣接する受光素子にも波長λｋの光が入射する可能性がある。
【００４１】
そこで、本実施形態では、集光光学系１５としてエキスパンダ光学系を用いる例について述べる。
【００４２】
エキスパンダ光学系とは、集光光学系１５に平行に入射する光をその状態を保ったまま（平行な光として）出射する光学系である。より具体的には、エキスパンダ光学系は、集光光学系１５に入射する透過光Ｒｋの主光線ｒｋと集光光学系１５から出射する透過光Ｒｋの主光線ｒｋとが平行になる光学系である（図４参照）。
【００４３】
本実施形態における集光光学系１５は、レンズ１５ｂ及びレンズ１５ｃを含んで構成されている。
【００４４】
レンズ１５ｂは、１枚の凸レンズからなる。レンズ１５ｂには、透過光Ｒｋの主光線ｒｋが平行光ＰＬと平行な状態で垂直に入射する。レンズ１５ｂは、透過光Ｒｋ（入射した複数の波長λｋの光）を波長毎にそれぞれをコリメートさせる。コリメートされた光は、レンズ１５ｃに導かれる。
【００４５】
レンズ１５ｂは、その中心が光軸ＯＡ上に位置するよう設けられる。この場合、フィルタ部１３の中心を透過した光（透過光Ｒｋ）は、レンズ１５ｂでコリメートされた状態を保ったまま、レンズ１５ｂを透過する。また、透過光Ｒｋの主光線ｒｋは、直進する。一方、レンズ１５ｂの中心以外を透過する透過光は、レンズ１５ｂでコリメートされつつ、所定の方向に屈折される。すなわち、透過光の主光線（たとえば、透過光Ｒｎの主光線ｒｎ）は、所定の方向に屈折する。
【００４６】
レンズ１５ｃは、１枚の凸レンズからなる。レンズ１５ｃには、レンズ１５ｂを透過した各波長の透過光Ｒｋが入射する。レンズ１５ｃは、入射した同一波長の透過光Ｒｋを集光させ、受光部１４に導く。
【００４７】
レンズ１５ｃは、その中心が光軸ＯＡ上に位置するよう設けられる。この場合、フィルタ部１３の中心を透過した光（透過光Ｒｋ）は、レンズ１５ｃにより集光され、対応する受光素子Ｓｋに入射する。一方、レンズ１５ｃの中心以外を透過する光は、レンズ１５ｃにより、主光線（たとえば、主光線ｒｎ）が透過光（たとえば、透過光Ｒｎ）の光軸と平行な方向に屈折されつつ、集光され、対応する受光素子（たとえば、受光素子Ｓｎ）に垂直に入射する。
【００４８】
なお、集光光学系１５は、エキスパンダ光学系として機能すればよく、２枚のレンズから構成される必要はない。たとえば、３枚以上のレンズを組み合わせてもよい。また、レンズ間にフィルタ等の光学部材を配置してもよい。
【００４９】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態に係る分光光学系１０の作用及び効果について説明する。
【００５０】
実施形態に係る分光光学系１０における集光光学系１５は、集光光学系１５に入射する透過光Ｒｋの主光線ｒｋと集光光学系１５から出射する透過光Ｒｋの主光線ｒｋとが平行になるエキスパンダ光学系である。
【００５１】
このように、集光光学系１５としてエキスパンダ光学系を用いることにより、集光光学系１５で集光された透過光Ｒｋは、集光光学系１５から垂直に出射する。よって、集光された透過光Ｒｋは、受光部１４に対して垂直に入射する（透過光Ｒｋは、受光部１４に対して斜めに入射しない）。つまり、波長λｋに対応する受光素子Ｓｋ以外の受光素子（たとえば、隣接する受光素子Ｓｋ±１）に透過光Ｒｋが入射する可能性が低い。従って、分光光学系１０は、波長分解能を受光部１４で受光する全波長でほぼ同等にできる。すなわち、本実施形態の分光光学系１０によれば、簡易な構成により、透過光量の減少を抑えつつ、フィルタ部１３からの光をより確実に受光部１４（対応する受光素子Ｓｋ）に導くことが可能となる。
【００５２】
＜第３実施形態＞
図５及び図６を参照して、第３実施形態に係る分光測定装置１について説明を行う。第３実施形態は、フィルタ部１３の詳細について説明する。図５〜図６は、分光光学系１０をｚ方向からみた場合の拡大図である。図５では、フィルタ部１３の構成のみを示している。図６では、分光光学系１０のフィルタ部１３以降の構成のみを示している。また、図６は、第２実施形態の構成を元に記載している。第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
【００５３】
フィルタ部１３を透過する波長λｋの透過光Ｒｋ毎に一の発散点または集光点がない場合、透過光Ｒｋを集光光学系１５で集光させても集光スポットの径が広がるため、受光部１４上に精度良く集光することができない。
【００５４】
すなわち、波長λｋの透過光Ｒｋがフィルタ部１３を透過する場合は、フィルタ部１３から距離Ｚｋ（ｋ＝１〜ｎ）の位置（図中では、Ｚｋで示す）を中心として、ｙ方向に発散（或いは集光）させることが望ましい。距離Ｚｋは、以下の式（１）で示すことができる。なお、ここでは、フィルタ部１３よりも集光光学系１５側が＋ｘ方向、投射光学系１２側が−ｘ方向であるとする。本実施形態におけるフィルタ部１３から距離Ｚｋの位置は、「特定の位置」の一例である。
【００５５】
【数１】
2014025897.tif 000003
【００５６】
図５に示すように、式（１）において、Ｓは、透過光Ｒｋの波長λｋの幅／フィルタ部１３の全長（フィルタ部１３の長辺方向の長さ）で示されるｓｌｏｐｅである。θ０は、フィルタ部１３への平行光ＰＬの入射角度である。なお、図５における入射角度θ０は、マイナスの値を示している。Δθは、フィルタ部１３から出射する１／ｅ２強度の光線ｅの発散半角である。フィルタ部１３から出射する透過光Ｒｋは、その光軸（図５では、光軸αで示す）の垂直面内に対して一定の強度分布を有する。１／ｅ２強度の光線ｅとは、光軸垂直面内において、光の強度がピークの１／ｅ２になる位置での光線をいう。ｎは、フィルタ部１３の有効屈折率である。
【００５７】
本実施形態におけるフィルタ部１３は、所定位置Ｐｋから出射される透過光Ｒｋを特定の位置（フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置）を中心とする集光光束又は発散光束として出射するよう構成されている（図５では集光光束で示す）。
【００５８】
フィルタ部１３にＬＶＦを用いる場合、ＬＶＦの蒸着膜の構成等により、フィルタ部１３の発散／集光特性（距離Ｚｋの位置等）が変わる。すなわち、距離Ｚｋは、ＬＶＦをどのように構成するかにより決まる。このようなフィルタ部１３は、たとえば、米国特許公報６７００６６４に基づいて設計することが可能である。
【００５９】
更に、式（１）から明らかなように、平行光ＰＬに対して、フィルタ部１３への入射角度θ０が大きくなるようにフィルタ部１３が傾くと、フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置は−ｘ方向に移動する。すなわち、距離Ｚｋの位置は、図５の状態から投射光学系１２側（−ｘ方向）にシフトする（図６の下段参照）。この場合、フィルタ部１３の透過光Ｒｋ（波長λｋ）は発散光束となる。また、距離Ｚｋの位置が集光光学系１５側にある場合（図６の上段参照）よりもフィルタ部１３から集光光学系１５までの距離を距離Ｄだけ短くすることができる。すなわち、フィルタ部１３を傾けて（ｙ方向に対してフィルタ部１３の長辺方向を傾けて）距離Ｚｋの位置をフィルタ部１３より投射光学系１２側に位置させることにより、分光光学系１０の全長を短くすることができる。なお、入射する平行光ＰＬに対してフィルタ部１３を傾けることにより、集光光学系１５等からの戻り光の影響を抑えることもできる。
【００６０】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態に係る分光光学系１０の作用及び効果について説明する。
【００６１】
実施形態に係るフィルタ部１３は、所定位置Ｐｋから出射される透過光Ｒｋをフィルタ部１３から距離Ｚｋの位置を中心とする集光光束又は発散光束として出射する。集光光学系１５は、集光光束又は発散光束の透過光Ｒｋを、その波長に対応する受光素子Ｓｋに集光させる。
【００６２】
このような構成により、ある波長λｋの透過光Ｒｋにおけるフィルタ部１３から距離Ｚｋの位置（すなわち、集光点の位置または発散点の位置）が一に決まる。決定した集光点または発散点からの光を集光光学系１５で集光することにより、受光部１４（対応する受光素子Ｓｋ）に精度良く集光することができる。従って、本実施形態における分光光学系１０によれば、第１実施形態及び第２実施形態の構成において波長分解能を更に向上させることができる。
【００６３】
また、実施形態に係る特定の位置（フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置）は、フィルタ部１３より投射光学系１２側に位置する。
【００６４】
このように、フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置をフィルタ部１３よりも投射光学系１２側に位置することにより、分光光学系１０の全長を短くすることができる。よって、分光測定装置１自体を小型化することも可能となる。
【００６５】
＜第４実施形態＞
図７Ａ〜図９を参照して、第４実施形態に係る分光測定装置１について説明を行う。第４実施形態は、光軸ＯＡに対して平行な透過光Ｒｋに対して受光部１４または集光光学系１５を傾ける例について述べる。図７Ａ、図７Ｂ及び図９は、第２実施形態における分光光学系１０のフィルタ部１３以降を拡大した図である。図８は、シャインプルーフの原理を説明するための図である。第１実施形態〜第３実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
【００６６】
第３実施形態で述べたように、透過光Ｒｋの波長λｋと集光点（または発散点）の距離Ｚｋとは式（１）の関係がある。式（１）によると、θ０及びΔθが固定の場合、波長λｋが大きくなれば、距離Ｚｋの値はマイナス側に大きくなる。すなわち、フィルタ部１３を透過する透過光Ｒｋが長波長になればなるほど、フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置が投射光学系１２側にシフトする。よって、フィルタ部１３から距離Ｚｋの位置から出射された透過光Ｒｋを集光光学系１５で集光させると、フィルタ部１３の長波長側から出射された透過光（たとえば、透過光Ｒｎ）は、短波長側から出射された透過光（たとえば、透過光Ｒ１）よりも−ｘ方向（集光光学系１５側）に集光する（図７Ａ参照。なお、第２実施形態においては、距離Ｚｋの位置のシフトを考慮していない）。透過光Ｒｋが集光光学系１５により集光する位置をＦＰｋ（ｋ＝１〜ｎ）で示す。
【００６７】
図７Ａのように、フィルタ部１３と受光部１４とが平行になるように配置した場合、たとえば、波長λｎの透過光Ｒｎが集光光学系１５によって集光する位置ＦＰｎに対し、波長λｎに対応する受光素子Ｓｎが配置されない可能性がある。ここで、配置されない可能性とは、たとえば受光部１４がラインセンサの場合、受光面がライン上に数画素並んでいるが、画素間に不感度領域があり、その部分に位置ＦＰｎが来た場合に受光されない可能性があるということである。また、この場合、受光素子Ｓｎに入射する透過光Ｒｎのスポット径が大きくなり、隣接する受光素子（たとえば、受光素子Ｓｎ−１）に透過光Ｒｎの一部が入射することがありうる（図７Ａでは、スポット径が大きくなる例を示している）。つまり、受光部１４上でスポット径が広がり、受光部１４における波長分解能が低下する恐れがある。
【００６８】
そこで、本実施形態においては、波長λｋに対応する受光素子Ｓｋが位置ＦＰｋにくるよう、受光部１４を透過光Ｒｋに対して傾ける（図７Ｂ参照）。このように受光部１４を配置することで、波長λｋの透過光Ｒｋをスポット径が小さい状態（隣接する受光素子Ｓｋ±１に透過光Ｒｋが入射しない状態）で対応する受光素子Ｓｋに入射させることができる。言い換えると、受光素子Ｓｋは、透過光Ｒｋが集光する位置ＦＰｋで波長λｋの透過光Ｒｋを受光することができる。また、近隣の受光素子にスポットが入射したとしても、よりスポット径を小さくできるので、波長分解能を向上することができる。
【００６９】
また、第３実施形態で述べたように、平行光ＰＬに対して、フィルタ部１３への入射角度θ０が大きくなるようにフィルタ部１３が傾くと、距離Ｚｋの位置は投射光学系１２側にシフトする。従って、フィルタ部１３を傾けた場合にも、波長λｋの透過光Ｒｋが集光光学系１５により集光する位置ＦＰｋは受光素子Ｓｋよりも−ｘ方向（集光光学系１５側）にシフトする（第３実施形態においては、距離Ｚｋの位置のシフトを考慮していない）。この場合も、受光部１４を傾けて配置することで、波長λｋの透過光Ｒｋをスポット径が小さい状態（隣接する受光素子Ｓｋ±１に透過光Ｒｋが入射しない状態）で対応する受光素子Ｓｋに入射させることができる（図９参照）。また、近隣の受光素子にスポットが入射したとしても、よりスポット径を小さくできるので、波長分解能を向上することができる。
【００７０】
このとき、受光部１４の傾き角度は、シャインプルーフの原理に基づいて決定することができる。シャインプルーフの原理とは、図８に示すように、物体面Ｆ１が傾いているとき、物体面Ｆ１の延長線Ｗ１と、レンズ面Ｆ２の延長線Ｗ２と、像面Ｆ３の延長線Ｗ３とが一つの点Ｑで交わるというものである。
【００７１】
よって、フィルタ部１３を傾けて配置している場合、その長軸方向の延長線と、集光光学系１５の長軸方向（ｙ方向）の延長線と、受光部１４の長軸方向の延長線とが一点で交わるように受光部１４を傾ける（図９参照）。このように受光部１４を配置することで、フィルタ部１３が傾いている場合であっても、波長λｋの透過光Ｒｋをスポット径が小さい状態（隣接する受光素子Ｓｋ±１に透過光Ｒｋが入射しない状態）で対応する受光素子Ｓｋに入射させることができる。また、近隣の受光素子にスポットが入射したとしても、よりスポット径を小さくできるので、波長分解能を向上することができる。
【００７２】
なお、集光光学系１５を透過した透過光Ｒｋが集光する位置ＦＰｋは、集光光学系１５を構成するレンズの軸上色収差の影響を受ける。軸上色収差とは、レンズ等の光学系を透過する光の波長により集光する位置の光軸方向のずれ量に影響を与える。そこで、受光部１４を傾ける際には、軸上色収差による集光する位置ＦＰｋのずれも考慮することが望ましい。
【００７３】
また、上記例において受光部１４を傾ける代わりに集光光学系１５（たとえば、図９において集光光学系１５に含まれるレンズ１５ｂ及びレンズ１５ｃ）を傾けることでも同様の効果を得ることができる。
【００７４】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態に係る分光光学系１０の作用及び効果について説明する。
【００７５】
実施形態に係る受光部１４又は集光光学系１５は、透過光Ｒｋに対して傾いて配置されている。
【００７６】
このように、受光部１４又は集光光学系１５を傾けて配置することにより、距離Ｚｋの位置からの透過光Ｒｋを受光部１４（対応する受光素子Ｓｋ）に精度良く集光することができる。すなわち、受光素子Ｓｋは、集光する位置ＦＰｋ（透過光Ｒｋのスポット径が最小の位置）で透過光Ｒｋを受光することができる。従って、分光光学系１０における波長分解能を高めることが可能となる。
【００７７】
＜第５実施形態＞
図１０及び図１１を参照して、第５実施形態に係る分光測定装置１について説明を行う。本実施形態の分光測定装置１は、ｚ方向におけるブルーシフトの影響を考慮した構成について述べる。図１０は、図２Ｂにおけるフィルタ部１３以降を拡大した図である。図１１は、ブルーシフトの一例を示すグラフである。第１実施形態〜第４実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
【００７８】
フィルタ部１３のｚ方向（短辺方向）において、たとえば、図１０に示すように、平行光ＰＬを光軸ＯＡに対して所定の角度（入射角度θｉｎ）で集光して入射させた場合に、フィルタ部１３を透過する透過光Ｒｋの波長λｋが短波長側にずれるブルーシフトという現象がある。ブルーシフトは、以下の式（２）で示すことができる。
【００７９】
【数２】
2014025897.tif 000004
【００８０】
式（２）において、λ０は、フィルタ部１３に垂直に入射する光（光軸ＯＡに沿って入射する光）の波長である。θｉｎは、フィルタ部１３に対する光の入射角度である。λθは、入射角度θｉｎでフィルタ部１３に光が入射した場合に、フィルタ部１３から出射する光の波長である。ｎｏは、空気中の屈折率である。ｎｆｉｌｔｅｒは、フィルタ部１３の屈折率である。
【００８１】
式（２）から明らかなように、入射角度θｉｎが大きくなれば、ブルーシフトのシフト量（波長λ０に対する波長λθのずれ量）が大きくなる（図１１のグラフ参照。図１１の縦軸はシフト量を示す。横軸は入射角度θを示す）。すなわち、ブルーシフトのシフト量は入射角度θｉｎに依存する。
【００８２】
このようにブルーシフトの影響があると、フィルタ部１３を透過する透過光Ｒｋの波長帯域が広くなる。つまり、対応する受光素子Ｒｋで受光される光に複数の波長成分が含まれることになり、波長分解能が悪くなる。
【００８３】
ここで、ＷＤＭでは、０．４ｎｍ間隔で波長を多重した光を用いる。そこで、たとえば、フィルタ部１３へ集光、若しくは発散して入射角度θｉｎで入射する平行光ＰＬの集光角度、若しくは発散角度が、フィルタ部１３における所定方向と直交し且つ平行光ＰＬの光軸と直交する方向（ｚ方向）に対し、１．５ｄｅｇ以下となるよう分光光学系１０（入射角度θｉｎ）を調整する。この場合、ブルーシフト量は約０．３ｎｍに抑えられる（図１１参照）。このように分光光学系１０を調整することにより、ＷＤＭで使用される波長多重分を分離し、分光測定が可能となる。
【００８４】
更に、式（２）及び図１１から明らかなように、入射角度θｉｎが０の場合、ブルーシフトの影響を受けることは無い。従って、平行光ＰＬの少なくとも一部が、フィルタ部１３における所定方向と直交し且つ平行光の光軸と直交する方向（ｚ方向）において、フィルタ部１３に対して垂直に入射するように構成することにより、ブルーシフトの影響を抑えることが可能となる。
【００８５】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態に係る分光光学系１０の作用及び効果について説明する。
【００８６】
実施形態に係るフィルタ部１３へ集光、若しくは発散して入射する平行光ＰＬの集光角度、若しくは発散角度は、フィルタ部１３における所定方向と直交し且つ平行光ＰＬの光軸と直交する方向に対し、１．５ｄｅｇ以下である。
【００８７】
より具体的には、フィルタ部１３における所定方向と直交し且つ平行光ＰＬの光軸と直交する方向において、平行光ＰＬの少なくとも一部がフィルタ部１３に対して垂直に入射する。
【００８８】
このように、平行光ＰＬがフィルタ部１３に入射する際のｚ方向における入射角度θｉｎを調整することにより、ブルーシフトの影響を抑えることができる。従って、分光光学系１０における波長分解能を高めることが可能となる。
【００８９】
＜変形例＞
上記実施形態では、集光光学系１５が等倍の例について述べたが、集光光学系１５を非等倍に構成してもよい。図１２及び図１３は、分光測定装置１のフィルタ部１３以降を拡大した図である。
【００９０】
本変形例における集光光学系１５は、フィルタ部１３の異なる所定位置から出射された異なる波長の透過光を、所定位置の間隔よりも広い間隔で受光部１４に集光するような拡大光学系で構成されている。
【００９１】
たとえば、図１２に示すように、所定位置Ｐ１と所定位置Ｐｎの間隔を間隔ｄ１とする。また、受光素子Ｓ１と受光素子Ｓｎとの間隔を間隔ｄ２とする。間隔ｄ２は間隔ｄ１よりも広い。この場合、本変形例の集光光学系１５は、所定位置Ｐ１（Ｐｎ）から出射された透過光Ｒ１（Ｒｎ）をｙ方向に拡大させ、対応する受光素子Ｓ１（Ｓｎ）に入射させる。
【００９２】
このように拡大光学系を用いることにより、受光部１４で受光する透過光Ｒｋのスポット径がより広がる。よって、多くの画素にスポットが入射することができ、１波長に対するスポット分布の解像度を上げることができる。これにより、受光部から得られる信号がより鮮明になり、信号処理によるデータ解析誤差が少なくなるため、波長分解能をより高めることができる。
【００９３】
逆に、集光光学系１５を縮小光学系で構成してもよい。縮小光学系は、フィルタ部１３の異なる所定位置から出射された異なる波長の透過光を、所定位置の間隔よりも狭い間隔で配置された複数の受光素子に集光させる。
【００９４】
たとえば、図１３に示すように、所定位置Ｐ１と所定位置Ｐｎの間隔を間隔ｄ１とする。また、受光素子Ｓ１と受光素子Ｓｎとの間隔を間隔ｄ２とする。間隔ｄ２は間隔ｄ１よりも狭い。この場合、本変形例の集光光学系１５は、所定位置Ｐ１（Ｐｎ）から出射された透過光Ｒ１（Ｒｎ）をｙ方向に縮小させ、対応する受光素子Ｓ１（Ｓｎ）に入射させる。このとき、集光光学系１５を等倍と同様の波長分解能にするためには、受光素子Ｓ１（Ｓｎ）におけるスポット径をより小さくする必要がある。
【００９５】
このように縮小光学系を用いることにより、波長分解能を保ったまま、受光部１４をより小型化することができる。従って、安価な分校光学系（分光測定装置）を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００９６】
１  分光測定装置
１０  分光光学系
１１  導光部
１２  投射光学系
１２ａ  コリメートレンズ
１２ｂ  発散レンズ
１２ｃ  集光レンズ
１３  フィルタ部
１４  受光部
１５  集光光学系
１５ａ  レンズ
２０  処理・制御系
２１  読み出し部
２２  信号処理部
Ｐｋ  所定位置
ＰＬ  平行光
Ｒｋ  透過光
ｒｋ  主光線
Ｓｋ  受光素子
【図１】
2014025897.tif 000005
【図２Ａ】
2014025897.tif 000006
【図２Ｂ】
2014025897.tif 000007
【図２Ｃ】
2014025897.tif 000008
【図３】
2014025897.tif 000009
【図４】
2014025897.tif 000010
【図５】
2014025897.tif 000011
【図６】
2014025897.tif 000012
【図７Ａ】
2014025897.tif 000013
【図７Ｂ】
2014025897.tif 000014
【図８】
2014025897.tif 000015
【図９】
2014025897.tif 000016
【図１０】
2014025897.tif 000017
【図１１】
2014025897.tif 000018
【図１２】
2014025897.tif 000019
【図１３】
2014025897.tif 000020