(57)【要約】本発明の分光測定装置１は、共役面結像光学系とワンショット光学系により構成されている。共役面結像光学系では測定対象（物体面）の像を結像レンズや広角レンズ、顕微対物レンズ等の観察条件である視野範囲や倍率に応じたレンズ(11)を用いて物体面と光学的に共役な面を形成する。この共役面はワンショット光学系の物体面となり、該共役面に多重スリット(13)が配置されている。多重スリット(13)は所定方向に周期的に配列された複数の開口部を有する。ワンショット光学系は対物レンズ(15)と結像レンズ(17)による無限遠補正結像光学系であり、フーリエ変換面の近傍に位相シフタ(19)が、結像レンズ(17)の結像面に２次元受光アレイデバイス(21)が、多重スリット(13)と対物レンズ(15)の間に平凹面シリンドリカルレンズ(23)が配置されている。
2017007024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
b) 前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
h) 前記測定光が前記振幅型回折格子を通過した後の光を前記第２軸方向に拡散させる拡散光学系と
を備えることを特徴とする分光測定装置。
【請求項２】
前記拡散光学系が、平凹面シリンドリカルレンズから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
【請求項３】
前記拡散光学系が、１組の凸面シリンドリカルレンズから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
【請求項４】
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
b) 前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子とを備え、
前記干渉光検出器が、前記第２軸方向に所定の周期で配置されたｍ個の画素からなる画素列を第１軸方向にｎ個並べたｍ×ｎ個の画素を備え、各画素列を構成する画素の位置が、隣接する画素列を構成する画素の位置とずれるように互い違いに配置されており、
前記結像光学系が、第１測定光と第２測定光の干渉光を、前記干渉光検出器の複数の画素列に跨るように形成することを特徴とする分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定試料を透過した光や測定試料面で反射した光の分光特性を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
血液に含まれるグルコース（血糖）やコレステロール等の生体成分の量は糖尿病や高脂血症等、様々な病気の指標となることから、従来より病気の予防及び治療のために血液中の生体成分の量の管理が行われている。血液中の生体成分の量の測定には、通常、身体から採取した血液が用いられるが、血液の採取には苦痛を伴う。また、採血部位の消毒や採血に用いた消耗品の処理などの煩わしい作業が必要であるため、病気の予防目的で生体成分の量を測定するための採血を日常的に行うことは敬遠される。【０００３】
そこで、血液を採取せずに生体成分の量を測定する非侵襲の測定方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、生体の被検部位に光を照射し、それにより該被検部位の内部の生体成分から発せられる光（物体光）の分光特性から生体成分を定性的、定量的に測定する。具体的には、生体成分を光学的に構成する各輝点から発する透過光や拡散・散乱光等の物体光を、対物レンズを介して位相シフタである固定ミラー部と可動ミラー部に導き、これら２つのミラー部から反射される物体光束を結像光学系により集光し、その結像面において干渉させる。可動ミラー部はピエゾ素子などにより移動されるようになっており、該可動ミラー部の移動量に応じた位相差が固定ミラー部で反射される物体光束と可動ミラー部から反射される物体光束の間に生じ、それに伴い両光束による干渉光の強度が変化して、いわゆるインターフェログラムを形成する。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより物体光の分光特性（スペクトル）が取得される。【０００４】
ところが、上記測定方法では、結像面における干渉光の光量分布が被検部位のテクスチャー（表面状況）による回折角の違い等の影響を受ける。つまり、被検部位の屈折率分布等や物体光が通過する箇所の光学的なテクスチャーの違いにより結像面における物体光の光量分布が異なるため、このような光量分布が、生体成分の濃度に依存する干渉光の光量分布に重畳してしまい、生体成分の濃度を正確に測定することができない。【０００５】
また、空間的にコヒーレントな光の場合、テクスチャーがほとんど無い試料からは高次回折光を生じることが無く、０次光のみとなる。例えばケラー照明で試料を照射した場合、試料からの０次光は平行光束として対物レンズに到達し、光学的フーリエ変換面で集光してしまう。このような場合は物体光を分割することができないため、分光特性を取得することができない。【０００６】
これに対して、特許文献２には、物体面の像を共役結像光学系により一旦、物体面と光学的に共役な像面上に形成し、この共役像面上に設置した振幅型回折格子により物体光束に空間的な周期変化を付与する手法が開示されている。空間的な周期変化が付与された物体光束は対物レンズを介して位相シフタに導かれる。
この手法によれば、テクスチャーがほとんどない試料からの光であっても鮮明なインターフェログラムを取得することができるため、該光の分光特性を取得できる（特許文献２、非特許文献１参照）。
振幅型回折格子は、集光軸方向（結像ライン方向）に透光部と遮光部を交互に配列したもので、透光部の間隔（周期）や透光部の集光軸方向及び干渉軸方向（集光軸方向と直交する方向）の長さ（透光部の縦横の長さ）は数十μｍ〜数百μｍと非常に小さく、多重スリットとも呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2001-123456号公報（[0003],図3）
【特許文献２】国際公開WO2014/054708
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】石丸伊知郎「共役面超解像格子によるフーリエ分光断層イメージングの高鮮明度化」、日本光学会年次学術講演会2012（Optics & Photonics Japan 2012）講演要旨集
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に空間解像度（分光精度）や検出感度は多重スリットの透光部の大きさに依存する。多重スリットの透光部を大きくすると通過する光量が増加するため検出感度が向上するが、様々な方向に向かう物体光が透光部を通過するため空間解像度が低下する。
一方、多重スリットの透光部の集光軸方向の周期や長さはインターフェログラムの鮮明度の向上に寄与するものの、本発明者の研究によると、鮮明度を向上させるためには、これらの値を、干渉光の強度を検出する検出器の画素ピッチや結像光学系の光学倍率に応じた適切な値に設定しなければならない。以上より、多重スリットの透光部の集光軸方向の長さはインターフェログラムの鮮明度に関する条件を満たすように設計され、干渉軸方向の長さは物体面の空間解像度や検出感度に関する条件を満たすように設計される。【００１０】
従って、多重スリットの透光部の集光軸方向の長さと干渉軸方向の長さはそれぞれ異なる条件に依存し、互いに独立に設計することになり、条件によっては透光部の両方向の長さが異なる。透光部の集光軸方向の長さよりも干渉軸方向の長さの方が大きい場合、透光部を通過する物体光の干渉軸方向の回折角が集光軸方向の回折角よりも小さくなる。従って、物体光が多重スリットに入射する角度（入射角）や物体光の波長、透光部の干渉軸方向の長さと集光軸方向の長さの差にもよるが、場合によっては、対物レンズに入射する光の断面が集光軸方向に長い楕円形状となる。対物レンズは円形状であるため、断面が集光軸方向に長い楕円形状の物体光が入射した場合に、結像面において該物体光が干渉することにより形成される干渉光の干渉軸方向の長さは、断面が円形状の物体光が対物レンズに入射した場合に形成される干渉光の干渉軸方向の長さよりも短くなる。干渉光の強度は、結像面に干渉軸方向に沿って所定のピッチで配置された複数の画素を備えた検出器によって検出されるが、干渉光の干渉軸方向の長さが短いと、該干渉光の強度の検出に利用される画素の数が少なくなるため、波長分解能の低下を招き、高精度な分光特性を得ることができない。【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、鮮明なインターフェログラムと高精度な分光特性を取得することができる分光測定技術の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明の第１態様に係る分光測定装置は、
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
b) 前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
h) 前記測定光が前記振幅型回折格子を通過した後の光を前記第２軸方向に拡散させる拡散光学系と
を備えることを特徴とする。【００１３】
本発明において、前記第１軸方向がいわゆる集光軸方向に相当し、第２軸方向が干渉軸方向に相当する。【００１４】
前記拡散光学系は、第１軸と平行な軸を中心とする円筒状の凹面を有する平凹面シリンドリカルレンズ、または２個の凸面シリンドリカルレンズを含んで構成される。具体的には、平凹面シリンドリカルレンズは、振幅型回折格子側の面が第１軸と平行な軸を中心とする円筒状の凹面であり、その反対側の面が前記共役面と平行な平面結像面と平行な平面であるシリンドリカルレンズから成る。また、２個の凸面シリンドリカルレンズはいずれも、振幅型回折格子側の面及びその反対側の面が第１軸方向に延びる軸を中心とする円筒状の凸面からなる凸面シリンドリカルレンズから成る。【００１５】
上記構成の分光測定装置では、振幅型回折格子を通過した測定光は拡散光学系によって第２軸方向に拡散された後、分割光学系によって第１測定光と第２測定光に分割される。従って、振幅型回折格子を通過する測定光の量を増やすために透光部の第２軸方向の幅を広げたことにより測定光の第２軸方向の回折角が小さくなったとしても、干渉光検出器によって検出される干渉光の光強度の波長分解能の低下を抑えることができる。【００１６】
また、上記課題を解決するために成された本発明の第２態様に係る分光測定装置は、
a) 被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
b) 前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
c) 連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
d) 前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
e) 前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
f) 前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
g) 前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子とを備え、
前記干渉光検出器が、前記第２軸方向に所定の周期で配置されたｍ個の画素からなる画素列を第１軸方向にｎ個並べたｍ×ｎ個の画素を備え、各画素列を構成する画素の位置が、隣接する画素列を構成する画素の位置とずれるように互い違いに配置されており、
前記結像光学系が、第１測定光と第２測定光の干渉光を、前記干渉光検出器の複数の画素列に跨るように形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１態様に係る分光測定装置では、テクスチャのほとんどない試料からの光の干渉光を得るために、共役面結像光学系と分割光学系の共役面上に振幅型回折格子を配置した場合において、検出感度の向上のために振幅型回折格子の透光部の第２軸方向の長さを大きくしたことに起因して分割光学系に向かう測定光の断面形状に異方性が生じても、拡散光学系によって測定光を第２軸方向に拡散させるようにしたため、測定光の断面形状の異方性を解消することができる。【００１８】
また、本発明の第２態様に係る分光測定装置では、結像面に形成される第１測定光と第２測定光の干渉光を、各画素が互い違いに配置された複数列の画素列で検出するため、連続的な光路長差によって生じる干渉光の強度の変化の測定に寄与する画素の数を増やすと共に実質的な画素間隔を小さくすることができる。
以上より、発明の第１及び第２態様に係る分光測定装置によれば、鮮明なインターフェログラムと高精度な分光特性の両方を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る分光測定装置の全体構成を示す斜視図。
【図１Ｂ】分光測定装置の上面図。
【図１Ｃ】分光測定装置の側面図。
【図２】多重スリットの正面図。
【図３】２次元受光アレイデバイスの正面図。
【図４】実験結果を示す図。
【図５】実験結果を示す図。
【図６Ａ】本発明の第１態様に係る分光測定装置の別の例を示す上面図。
【図６Ｂ】拡散光学系の拡大図。
【図６Ｃ】同態様に係る分光測定装置の別の例を示す側面図。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係る分光測定装置の上面図。
【図７Ｂ】同形態に係る分光測定装置の側面図。
【図７Ｃ】同形態に係る分光測定装置に用いられる２次元受光アレイデバイスの正面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の分光測定装置のいくつかの具体的な実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１Ａ〜図１Ｃはそれぞれ本発明の第１実施形態に係る分光測定装置の構成を示す斜視図、上面図、側面図である。分光測定装置１は、共役面結像光学系１００と透過結像型１次元フーリエ分光光学系２００（以下、「ワンショット光学系２００」とよぶ。により構成されている。共役面結像光学系１００では、測定対象（物体面）の像を、観察条件である視野範囲や倍率に応じたレンズ１１（結像レンズ、広角レンズ、顕微対物レンズ等）を用いて物体面と光学的に共役な面を形成する。この共役面はワンショット光学系２００の物体面となる。この共役面には多重スリット１３が配置されている。多重スリット１３は本発明の振幅型回折格子に相当する。詳しくは後述する。
【００２１】
ワンショット光学系２００は、対物レンズ１５と結像レンズ１７による無限遠補正結像光学系であり、光学的なフーリエ変換面の近傍に位相シフタ１９が配置されている。また、結像レンズ１７の結像面には２次元受光アレイデバイス２１が、多重スリット１３と対物レンズ１５の間には平凹面シリンドリカルレンズ２３がそれぞれ設置されている。２次元受光アレイデバイス２１が本発明の干渉光検出部に相当する。
【００２２】
位相シフタ１９は、半円状の透過型光学部材である第１透過部１９１と第２透過部１９２からなり、全体としてほぼ円板状の構成を有している。第１透過部１９１は、入射面及び出射面が平行な厚さ一定の光学部材から成る。一方、第２透過部１９２は、第１透過部１９１の入射面に対して傾斜する入射面と、第１透過部１９１の出射面と同一面上にある出射面を有するくさび形の光学部材から成る。本実施形態では、第２透過部１９２は、その厚さが一方側から他方側（図１Ａでは手前側から奥側）に向かって徐々に小さくなっており、これにより入射面が、一方側から他方側に向かって結像レンズ１７側に傾斜している。なお、位相シフタ１９を構成する第１透過部１９１と第２透過部１９２は必ずしも半円状とする必要はなく、四角形状としてもよい。
結像レンズ１７は平凸面シリンドリカルレンズから成る。結像レンズ１７は、位相シフタ１９側の面が該位相シフタ１９に向かって突出する、円筒状の凸面から成り、２次元受光アレイデバイス２１側の面が位相シフタ１９の出射面と平行な平面から成る。
【００２３】
位相シフタ１９は対物レンズ１５と結像レンズ１７の間に配置されている。対物レンズ１５を透過した光は位相シフタ１９の第１透過部１９１及び第２透過部１９２に分かれて入射し、これら第１透過部１９１及び第２透過部１９２を透過する間に光路長差が付与される。従って、本実施例では、対物レンズ１５と位相シフタ１９が本発明の分割光学系を構成し、位相シフタ１９が本発明の光路長差付与手段を構成する。また、第１透過部１９１と第２透過部１９２が並ぶ方向が本発明の第１軸方向に相当し、第２透過部１９２の厚さが変化する方向が本発明の第２軸方向に相当する。また、結像レンズ１７の円筒状の凸面は、第２軸と平行な軸を中心とする。従って、第１軸が集光軸となり、第２軸が干渉軸となり、両者は直交する。図面では、第１軸を垂直軸、第２軸を水平軸として表しているが、逆でも良く、水平軸や垂直軸以外の軸でも良い。要は、第１軸方向と第２軸方向が直交する関係にあればよい。
【００２４】
図３に示すように、２次元受光アレイデバイス２１は、第１軸方向及び第２軸方向にそれぞれ所定のピッチで配列された複数の画素２１１を有する２次元ＣＣＤカメラから構成されている。なお、本発明においては、２次元受光アレイデバイス２１は必ずしもＣＣＤカメラに限定されるものではなく、例えばＭＯＳ型イメージセンサなど種々の構成のカメラを用いることができる。
また、第２透過部１９２の入射面の傾斜角度は、波数分解能により決まる位相シフト量と、２次元受光アレイデバイス２１の画素毎のサンプリング間隔により決まるが、多少ずれても問題はない。
【００２５】
図２に示すように、多重スリット１３は、所定方向に周期的に配列された複数の開口部を有する。開口部は本発明の透光部に相当し、開口部と開口部の間の部分は本発明の遮光部に相当する。以下の説明では、多重スリット１３の開口部を透光部１３１と呼び、開口部と開口部の間の部分を遮光部１３２と呼ぶ。多重スリット１３の透光部１３１は第１軸方向に並んでいる。
多重スリット１３の透光部１３１の垂直方向（第１軸方向）の長さ、隣り合う透光部１３１の中心間距離はそれぞれ、ワンショット光学系２００の光学倍率及び２次元受光アレイデバイス２１の画素ピッチにより決まる。また、ワンショット光学系２００は任意の光学倍率で設計可能である。例えば多重スリット１３の透光部１３１の垂直方向長さをＷｐ、隣り合う透光部１３１の中心間距離をＤ、２次元受光アレイデバイス２１の垂直方向の画素ピッチをＰ、ワンショット光学系２００の光学倍率をｍとすると、Ｗｐ及びＤがそれぞれ次の式を満たすとき、鮮明なインターフェログラムを得ることができる。
垂直方向長さＷｐ ＝Ｐ×２／（ｍ＋１）
中心間距離Ｄ ＝Ｐ×２／ｍ
【００２６】
例えば光学倍率ｍが１倍、２次元受光アレイデバイス２１の画素ピッチＰが１１μｍのとき、垂直方向長さＷｐ及び中心間距離Ｄは以下の式より、それぞれ１１μｍ、２２μｍと算出される。
垂直方向長さＷｐ ＝ 画素ピッチ×２／（光学倍率＋１）
＝１１μｍ×２／（１＋１）＝１１μｍ
中心間距離Ｄ ＝ 画素ピッチ×２／光学倍率
＝１１μｍ×２／１＝２２μｍ
以上より、上記条件のときは、多重スリット１３の透光部１３１の垂直方向長さを１１μｍ、遮光部１３２の垂直方向長さを１１μｍにすれば良いことが分かる。
【００２７】
この場合に、実効的なN.A.（Numerical Aperture）が、レンズのN.A.よりも小さいことが要求される。例えば、測定波長帯域０．４μｍ〜０．８μｍ、対物レンズ１５の焦点距離が１００ｍｍ、N.A.が０．２４、結像レンズ１７の焦点距離が１００ｍｍ、N.A.が０．２４のとき、実効的なN.A.は以下の式より、約０．０７３となる。
実効的なN.A.＝sinθ＝最長波長/開口幅＝０．８μｍ／１１μｍ≒０．０７３
このような場合に用いられる対物レンズ１５と結像レンズ１７のN.A.は双方とも０．２４であることから、これらレンズのN.A.に比べて実効的なN.A.は十分に小さく、要求を満たしている。
【００２８】
一方、多重スリット１３の透光部１３１の水平方向（第２軸方向）長さＷｈは垂直方向長さＷｐと独立して設定することができ、検出感度及び空間解像度に応じて設計される。即ち、水平方向長さＷｈが大きいほど光の利用効率が向上するため、検出感度が向上する反面、空間解像度が悪化する。従って、検出感度を優先する場合は透光部１３１の水平方向長さＷｈを大きく、空間解像度を優先する場合は透光部１３１の水平方向長さＷｈを小さくする。
【００２９】
平凹面シリンドリカルレンズ２３は本発明の拡散光学系に相当し、多重スリット１３と対向する面が第１軸に平行な軸を中心とする円筒状の凹面からなる。平凹面シリンドリカルレンズ２３は、多重スリット１３の透光部１３１を通過した光を第２軸方向に拡散して対物レンズ１５に向かわせる。
【００３０】
次に、本実施形態に係る分光測定装置１の光学的作用について図１Ｂ及び図１Ｃを参照して説明する。
試料Ｓの一測定点から発せられた測定光は結像レンズ１１によってワンショット光学系２００と共通の共役面に集光し、該共役面に配置された多重スリット１３の透光部１３１を通過した後、平凹面シリンドリカルレンズ２３、分割光学系、平凸面シリンドリカルレンズ１７を経て２次元受光アレイデバイス２１に入射する。
【００３１】
多重スリット１３の透光部１３１を測定光が通過する際、該測定光は、その波長、透光部１３１に対する測定光の入射角、透光部１３１の垂直方向及び水平方向の長さに応じた回折角で垂直方向及び水平方向に回折する。上述したように、透光部１３１の垂直方向の長さＷｐは２次元受光アレイデバイス２１の画素ピッチや光学倍率によって決まり、それに応じた回折角で測定光は垂直方向に回折する。一方、透光部１３１の水平方向長さＷｈは検出感度や空間解像度によって決まり、通常、垂直方向長さＷｐよりも大きい。このため、透光部１３１を通過する測定光は、垂直方向の回折角よりも小さい角度で水平方向に回折する。
【００３２】
続いて、透光部１３１を通過した測定光は、その後、平凹面シリンドリカルレンズ２３に入射し、平凹面シリンドリカルレンズ２３によって第２軸方向にのみ拡散された後、対物レンズ１５に入射する。対物レンズ１５に入射した光は、位相シフタ１９によって第１軸方向に２つに分割され、第１測定光と第２測定光として出射する。これら第１測定光及び第２測定光は平凸面シリンドリカルレンズ１７によってそれぞれ第１軸方向に集光され、結像面において干渉光を形成する。結像面には２次元受光アレイデバイス２１を構成する多数の画素２１１が配置されているため、これら画素２１１によって干渉光の強度が検出される。２次元受光アレイデバイス２１の検出信号はパーソナルコンピュータ等から成る制御装置２５に入力され、所定の演算処理によって試料Ｓの測定点毎のインターフェログラムが求められ、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトル（分光特性）が得られる。従って、本実施形態では制御装置２５が本発明の処理部に相当する。図示しないが、制御装置２５は表示部やプリンター等を備えており、得られたインターフェログラムやスペクトルは、表示部に表示したり、プリンターを介して印刷したりすることができる。
【００３３】
次に、本実施形態に係る分光測定装置１を用い、透光部１３１の水平方向長さＷｈが異なる２種類の多重スリット１３について行った実験について説明する。
実験では、光源からの光をケラー照明で多重スリット１３に入射させ、そのときの２次元受光アレイデバイス２１の検出結果からインターフェログラム及び分光特性を求めた。なお、実験環境は次の通りである。
（１）２次元受光アレイデバイス：ソニー株式会社製デジタルビデオカメラXCD-MV6
画素数＝７５２×４８０、画素サイズ＝ ６．０μｍ×６．０μｍ、画素ピッチ＝１２μｍ
（２）光源：白色ＬＥＤ（６３７ルクス）
（３）ワンショット光学系の光学倍率：１倍
（４）多重スリットの透光部の水平方向長さＷｈ：多重スリットＡ＝５４μｍ、多重スリットＢ＝２１０μｍ
なお、インターフェログラムの鮮明度を考慮した段落［００２５］に示す２つの式に、上述の画素ピッチ（１２μｍ）、光学倍率（１倍）を代入すると、多重スリットの透光部の垂直方向長さＷｐ及び中心間距離Ｄは、それぞれ１２μｍ、２４μｍとなるが、装置の都合上、本実験で用いた多重スリットＡ、Ｂの垂直方向長さＷｐは６μｍ、中心間距離Ｄは１２μｍであった。
【００３４】
図４及び図５に実験結果を示す。
図４は比較のために行った実験結果であり、平凹面シリンドリカルレンズ２３を用いなかった場合のインターフェログラム及び分光特性を示す。一方、図５は本実施形態に係る分光測定装置１を用いて行った実験結果、つまり、平凹面シリンドリカルレンズ２３を用いた場合のインターフェログラム及び分光特性を示す。
図４及び図５において、左側の図がインターフェログラムを、右側の図が分光特性を示す。また、上段の図は多重スリットＡ、下段の図は多重スリットＢを用いた場合を示す。いずれの図も横軸は波長を、縦軸は信号強度を示す。
図４と図５の比較から分かるように、透光部１３１の水平方向長さＷｈが小さい多重スリットＡを用いた場合は、平凹面シリンドリカルレンズ２３を用いなかった場合、用いた場合の分光特性に大きな違いはなかった。一方、透光部１３１の水平方向長さＷｈが大きい多重スリットＢを用いた場合は、平凹面シリンドリカルレンズ２３を用いなかった場合に比べて平凹面シリンドリカルレンズ２３を用いた場合の方が高精度な分光特性が得られた。
【００３５】
［第１実施形態の変形例］
図６Ａ〜図６Ｃは本発明の第１実施形態に係る分光測定装置の別の例を示す。この分光測定装置１Ａと上述した分光測定装置１との違いは、拡散光学系３２３が対物レンズ１５と位相シフタ１９の間に配置されていること、及び拡散光学系３２３が２個の凸面シリンドリカルレンズ３２３１、３２３２から構成されていることである。凸面シリンドリカルレンズ３２３１、３２３２は、対物レンズ１５側の面及び位相シフタ１９側の面がそれぞれ垂直軸と平行な軸を中心とする円筒状の凸面から成り、図６Ｂに示すように、両凸面シリンドリカルレンズ３２３１、３２３２の焦点面が合致するように設置されている。このような構成により、多重スリット１３及び対物レンズ１５をこの順に通過した光は拡散光学系３２３によって水平軸方向に拡散された後、位相シフタ１９に向かう。その他の構成及び作用効果は図１Ａ〜図１Ｃに示した分光測定装置１と同じである。
【００３６】
［第２実施形態］
図７Ａ〜図７Ｃは本発明の第２実施形態に係る分光測定装置１Ｂの構成を示す。第２実施形態と第１実施形態との違いは、拡散光学系がないこと、及び２次元受光アレイデバイスの画素の配置が異なることである。その他の部分は第１実施形態に係る分光測定装置１と同じであるため、第１実施形態に係る分光測定装置１と対応する構成要素について下２桁の数字が同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図７Ａ及び図７Ｂに示す分光測定装置１Ｂでも、２次元受光アレイデバイス１２１は、第２軸方向に所定の間隔で配置された複数の画素１２１１からなる画素列を複数備えているが、本実施形態では、図７Ｃに示すように、隣接する画素列の画素１２１１の位置が半ピッチずつずれている。
また、本実施形態に係る分光測定装置１Ｂでは、第１測定光と第２測定光が結像レンズ１１７によって集光され、結像面に形成される干渉光が、２個の画素列に跨るように、結像レンズ１１７や２次元受光アレイデバイス１２１の配置が設定されている。このような構成により、本実施形態において干渉光の強度の変化の測定に寄与する画素の数が第１実施形態の２倍になるため実質的な画素間隔を小さくすることができ、波長分解能を向上することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１、１Ａ、１Ｂ…分光測定装置
１１…レンズ
１３…多重スリット
１３１…透光部
１３２…遮光部
１５…対物レンズ
１７…結像レンズ（平凸面シリンドリカルレンズ）
１９…位相シフタ
１９１…第１透過部
１９２…第２透過部
２１、１２１…２次元受光アレイデバイス
２１１、１２１１…画素
２３…平凹面シリンドリカルレンズ
２５…制御装置
１００…共役面結像光学系
２００…透過結像型１次元フーリエ分光光学系（ワンショット光学系）
３２３…拡散光学系
【図１Ａ】
2017007024.tif 000003
【図１Ｂ】
2017007024.tif 000004
【図１Ｃ】
2017007024.tif 000005
【図２】
2017007024.tif 000006
【図３】
2017007024.tif 000007
【図４】
2017007024.tif 000008
【図５】
2017007024.tif 000009
【図６Ａ】
2017007024.tif 000010
【図６Ｂ】
2017007024.tif 000011
【図６Ｃ】
2017007024.tif 000012
【図７Ａ】
2017007024.tif 000013
【図７Ｂ】
2017007024.tif 000014
【図７Ｃ】
2017007024.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月8日(2017.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
ｂ）前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
ｃ）連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
ｄ）前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
ｅ）前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
ｆ）前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
ｇ）前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子と、
ｈ）前記測定光が前記振幅型回折格子を通過した後の光を前記第２軸方向にのみ拡散させる拡散光学系と
を備えることを特徴とする分光測定装置。
【請求項２】
前記拡散光学系が、その円筒面の中心軸が前記第１軸と平行になるように配置された平凹面シリンドリカルレンズから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
【請求項３】
前記拡散光学系が、１組の凸面シリンドリカルレンズから構成されており、該１組の凸面シリンドリカルレンズは、いずれもその円筒面の中心軸が前記第１軸と平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
【請求項４】
ａ）被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
ｂ）前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
ｃ）連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線状の干渉光を形成する結像光学系と、
ｄ）前記結像面上に前記第２軸方向に所定の周期で配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
ｅ）前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
ｆ）前記被測定物と前記分割光学系の間に配置された、該分割光学系と共通の共役面を有するとともに、該共役面に前記測定点からの測定光を結像する共役面結像光学系と、
ｇ）前記共役面に配置された、前記第１軸方向に周期的に並ぶ透光部と遮光部とを有する振幅型回折格子とを備え、
前記干渉光検出器が、前記第２軸方向に所定の周期で配置されたｍ個の画素からなる画素列を第１軸方向にｎ個並べたｍ×ｎ個の画素を備え、各画素列を構成する画素の位置が、隣接する画素列を構成する画素の位置とずれるように互い違いに配置されており、
前記結像光学系が、第１測定光と第２測定光の干渉光を、前記干渉光検出器の複数の画素列に跨るように形成することを特徴とする分光測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
のみ拡散させる拡散光学系と
を備えることを特徴とする。
［００１３］
本発明において、前記第１軸方向がいわゆる集光軸方向に相当し、第２軸方向が干渉軸方向に相当する。
［００１４］
前記拡散光学系は、第１軸と平行な軸を中心とする円筒状の凹面を有する平凹面シリンドリカルレンズ、または２個の凸面シリンドリカルレンズを含んで構成される。具体的には、平凹面シリンドリカルレンズは、振幅型回折格子側の面が第１軸と平行な軸を中心とする円筒状の凹面であり、その反対側の面が前記共役面と平行な平面結像面と平行な平面であるシリンドリカルレンズから成る。また、２個の凸面シリンドリカルレンズはいずれも、振幅型回折格子側の面及びその反対側の面が第１軸方向に延びる軸を中心とする円筒状の凸面からなる凸面シリンドリカルレンズから成る。
［００１５］
上記構成の分光測定装置では、振幅型回折格子を通過した測定光は拡散光学系によって第２軸方向に拡散された後、分割光学系によって第１測定光と第２測定光に分割される。従って、振幅型回折格子を通過する測定光の量を増やすために透光部の第２軸方向の幅を広げたことにより測定光の第２軸方向の回折角が小さくなったとしても、干渉光検出器によって検出される干渉光の光強度の波長分解能の低下を抑えることができる。
［００１６］
また、上記課題を解決するために成された本発明の第２態様に係る分光測定装置は、
ａ）被測定物の測定領域内に位置する複数の測定点からそれぞれ発せられた測定光を所定の第１軸方向に２つに分割して第１測定光及び第２測定光を形成する分割光学系と、
ｂ）前記第１測定光及び前記第２測定光の間に、前記第１軸方向と直交する方向である第２軸方向に沿って連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
ｃ）連続的に変化する光路長差が付与された前記第１測定光及び前記第２測定光を前記第１軸方向に集光させて結像面上に直線上の干渉光を形成する結
【国際調査報告】
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