(57)【要約】【課題】安価な構成で安定性の高いスペクトルの測定を行うことを目的としている。【解決手段】面外方向に並進運動する複数の第一の光反射面を有する第一の光反射部と、固定された複数の第二の光反射面を有する第二の光反射部と、を有するリボン素子と、前記第一の光反射面と前記第二の光反射面との変位量の差の変化が所定の周波数となるように、前記リボン素子へ駆動信号を供給する駆動制御部と、前記第一の光反射面及び前記第二の光反射面により反射された光の光量を示す光量データを、単一受光面により検出する光検出素子と、前記光検出素子により検出された前記光量データを、所定のサンプリング周波数で取得する光量取得部と、を有するスペクトル測定器である。【選択図】図１
2018146242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面外方向に並進運動する複数の第一の光反射面を有する第一の光反射部と、固定された複数の第二の光反射面を有する第二の光反射部と、を有するリボン素子と、
前記第一の光反射面と前記第二の光反射面との変位量の差の変化が所定の周波数となるように、前記リボン素子へ駆動信号を供給する駆動制御部と、
前記第一の光反射面及び前記第二の光反射面により反射された光の光量を示す光量データを、単一受光面により検出する光検出素子と、
前記光検出素子により検出された前記光量データを、所定のサンプリング周波数で取得する光量取得部と、を有するスペクトル測定器。
【請求項２】
前記所定の周波数は、前記駆動信号の周波数と同じである、請求項１記載のスペクトル測定器。
【請求項３】
前記光検出素子は、
前記リボン素子によって反射される光のうち、入射された光に対して前記リボン素子によって正反射される成分以外の成分を検出する、請求項１又は２記載のスペクトル測定器。
【請求項４】
前記リボン素子において、
前記第一の光反射部と、前記第二の光反射部とは、互いに隣接する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のスペクトル測定器。
【請求項５】
前記リボン素子に前記駆動信号が供給されない状態において、
前記第一の光反射面と、前記第二の光反射面とは、面外方向における異なる位置にある、請求項１乃至４の何れか一項に記載のスペクトル測定器。
【請求項６】
前記光量取得部により取得された前記光量データのデータ列に基づき、前記リボン素子に入力される光の各々の波長における強度を算出する演算部を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載のスペクトル測定器。
【請求項７】
前記光量取得部により、前記光量を取得するタイミング毎に、前記タイミングの近傍において前記光検出素子により検出された複数の光量データの平均値を算出する平均化部を有し、
前記演算部は、
前記光量データの平均値のデータ列に基づき、前記リボン素子に入力される光の各々の波長における強度を算出する、請求項６記載のスペクトル測定器。
【請求項８】
前記駆動信号は、三角波状の波形の信号である請求項１乃至７の何れか一項に記載のスペクトル測定器。
【請求項９】
前記駆動信号は、正弦波状の波形の信号である請求項１乃至７の何れか一項に記載のスペクトル測定器。
【請求項１０】
前記リボン素子は、前記第一の光反射部の近傍に形成された圧電体を有し、
前記駆動制御部は、前記圧電体に前記駆動信号を供給させて、前記第一の光反射面と前記第二の光反射面との変位量の差を変化させる、請求項８又は９記載のスペクトル測定器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載のスペクトル測定器と、
光源と、を有し、
前記光源から被測定物に対して光を照射し、前記被測定物によって反射された光が、前記スペクトル測定器へ入射する、分光装置。
【請求項１２】
前記光量取得部により取得された光量データを、外部装置へ送信する通信部を有する請求項１１記載の分光装置。
【請求項１３】
面外方向に並進運動する複数の第一の光反射面を有する第一の光反射部と、固定された複数の第二の光反射面を有する第二の光反射部と、を有するリボン素子と、
前記第一の光反射面と前記第二の光反射面との変位量の差の変化が所定の周波数となるように、前記リボン素子へ駆動信号を供給する駆動制御部と、
前記第一の光反射面及び前記第二の光反射面により反射された光の光量を示す光量データを、単一受光面により検出する光検出素子と、
前記光検出素子により検出された前記光量データを、所定のサンプリング周波数で取得する光量取得部と、
前記光量取得部により取得された前記光量データのデータ列に基づき、前記リボン素子に入力される光の各々の波長における強度を算出する演算部と、を有する分光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル測定器、分光装置及び分光システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、オンサイトでの分光分析のニーズが増加していることから、小型の分光器の開発がなされている。分光分析における光の波長としては、紫外光、可視光、近赤外光、赤外光等の分析対象に応じて様々な波長が用いられる。生体の窓とも呼ばれている波長領域を含む近赤外光（例えば、波長８００ｎｍ〜２５００ｎｍ程度）は、生体を含めた多水分系試料において透過性が高く、試料内部における非破壊測定が可能であるため、特に有用であり、野外等における測定のニーズも高い。このため、近赤外光の領域における小型の分光器の開発が意欲的になされている。
【０００３】
例えば、分光器を小型化するための構成として、波長分散機能と集光機能とを有する分光素子である凹面回折格子と、分光された光を検出する一次元アレイセンサとを有するものが知られている。一次元アレイセンサには、例えば、波長が可視領域から近赤外領域に検出感度を有するＳｉフォトダイオード等により形成されたものが用いられる。
【０００４】
また、分光器を小型化する別の構成として、入射光を波長毎に異なる方向へ分光する透過型回折格子と、光の出射方向を変化させる偏向ミラーとを有し、波長毎に出射角が異なる回折光を偏向ミラーの回転角度によって単一の受光素子に導く技術が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した一次元アレイセンサを用いる構成の分光器では、例えば、Ｓｉフォトダイオードの感度波長以外の波長域のスペクトルを取得する場合には、Ｓｉフォトダイオード以外の半導体や化合物半導体のアレイセンサを使用する必要があり、安価な提供が困難となる。
【０００６】
また、偏向ミラーを用いる構成では、偏向ミラーと回折格子の位置関係を精密に制御する必要があり、振動の影響や偏向ミラーの耐久性等の問題から、安定性を確保することが困難である。
【０００７】
開示の技術は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、安価な構成で安定性の高いスペクトルの測定を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示の技術は、面外方向に並進運動する複数の第一の光反射面を有する第一の光反射部と、固定された複数の第二の光反射面を有する第二の光反射部と、を有するリボン素子と、前記第一の光反射面と前記第二の光反射面との変位量の差の変化が所定の周波数となるように、前記リボン素子へ駆動信号を供給する駆動制御部と、前記第一の光反射面及び前記第二の光反射面により反射された光の光量を示す光量データを、単一受光面により検出する光検出素子と、前記光検出素子により検出された前記光量データを、所定のサンプリング周波数で取得する光量取得部と、を有するスペクトル測定器である。
【発明の効果】
【０００９】
安価な構成で安定性の高いスペクトルの測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態の分光装置を説明する図である。
【図２】第一の実施形態のリボン素子の一例を示す図である。
【図３】第一の実施形態の可動リボンと固定リボンについて説明する図である。
【図４】第一の実施形態におけるリボン深さ毎の、−１次回折光の回折効率と波長の関係を示す図である。
【図５】第一の実施形態の制御部の機能を説明する図である。
【図６】第一の実施形態の光量取得部による光量の検出を説明する図である。
【図７】第一の実施形態の制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図８】第二の実施形態の可動リボンと固定リボンについて説明する図である。
【図９】第三の実施形態の制御部の機能を説明する図である。
【図１０】第三の実施形態における電圧データの平均化を説明する図である。
【図１１】第三の実施形態の制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図１２】第四の実施形態における光量の検出を説明する図である。
【図１３】第五の実施形態の分光システムの一例を示す図である。
【図１４】第六の実施形態の分光装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して、第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態の分光装置を説明する図である。
【００１２】
本実施形態の分光装置１００は、スペクトル測定器１１０と、光源１２０と、を有する。
本実施形態の分光装置１００では、光源１２０から被測定物１に照射され、被測定物１によって反射された光がスペクトル測定器１１０に入射される。
【００１３】
本実施形態のスペクトル測定器１１０は、分光部１３０と、制御部１４０と、を有する。
【００１４】
分光部１３０は、第一の基板１３１と第二の基板１３２により形成されている。第一の基板１３１には、第一の基板１３１の一方の面から他方の面を貫通する光入射部１３３、光出射部１３４が設けられており、第一の基板１３１の一方の面には、光入射部１３３と光出射部１３４との間に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）リボン素子２００が設けられている。以下の説明では、ＭＥＭＳリボン素子２００を、リボン素子２００と呼ぶ。
【００１５】
第二の基板１３２には、一方の面に、第一の凹面光反射部１３５と第二の凹面光反射部１３６が設けられている。
【００１６】
光出射部１３４における第一の基板１３１の他方の面の側には、光検出素子１３７が設置されている。光検出素子１３７は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ等により形成された単画素のフォトダイオードチップである。言い換えれば、光検出素子１３７は、単一受光面により、光を検出する光検出素子である。光検出素子１３７は、検出した光の光量と対応する電圧データを出力する。
【００１７】
図１では、破線矢印Ｙ１はある波長の光路の一例を示している。本実施形態の分光部１３０では、光入射部１３３から入射した入射光は、第一の凹面光反射部１３５で反射されてリボン素子２００へ導かれる。リボン素子２００に導かれた入射光は、リボン素子２００によって波長分散されると共に、第二の凹面光反射部１３６で反射され、光出射部１３４に結像される。尚、図１では、リボン素子２００の長手方向がＹ方向であり、短手方向がＸ方向であり、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向がＺ方向である。
【００１８】
本実施形態のリボン素子２００は、複数のリボンを有する。本実施形態では、この複数のリボンの一部をＺ方向に並進運動させることで、反射型の回折格子として機能させる。
【００１９】
本実施形態の分光部１３０では、特定の回折光成分が光検出素子１３７に導かれるように、第二の凹面光反射部１３６と、光出射部１３４とが形成され、リボン素子２００が配置される。
【００２０】
尚、図１では、第一の基板１３１にリボン素子２００が実装された例を示しているが、これに限定されない。リボン素子２００は、例えば、第一の基板１３１と一体化させて形成されても良い。言い換えれば、リボン素子２００は、第一の基板１３１の一部として形成されても良い。この場合、第一の基板１３１は、シリコン等で形成されても良い。リボン素子２００の詳細は後述する。
【００２１】
本実施形態の制御部１４０は、リボン素子２００が有する複数のリボンの一部を並進運動させて格子パターンを変える制御を行う。また、本実施形態の制御部１４０は、光検出素子１３７が受光した光量から、回折パターンとの組み合わせを元に逆演算をすることで各波長の光強度を算出する演算等を行う。制御部１４０の詳細は後述する。
【００２２】
次に、図２乃至図４を参照して、本実施形態のリボン素子２００について説明する。図２は、第一の実施形態のリボン素子の一例を示す図である。図２では、リボン素子２００の構成を模式的に示している。
【００２３】
本実施形態のリボン素子２００は、例えば、静電方式、電磁方式、圧電方式の何れかで駆動することができる。本実施形態では、リボン素子２００は、圧電方式によって駆動されるものとして説明する。圧電方式は、小さい駆動電圧で大きな変位を得ることができるため、小型化を目指す分光装置１００にとって好ましい。
【００２４】
本実施形態のリボン素子２００は、固定枠２１０、駆動枠２２０、カンチレバー２３０、２４０、可動リボン２５０、固定リボン２６０を有する。
【００２５】
本実施形態のリボン素子２００では、固定枠２１０にミアンダ構造のカンチレバー２３０、２４０が互いに対向するように形成されている。そして、カンチレバー２３０、２４０の間に、可動リボン２５０を連結した駆動枠２２０が形成されている。
【００２６】
また、カンチレバー２３０の上には、圧電体２３１が、カンチレバー２４０の上には圧電体２４１が形成されている。圧電体２３１、２４１は、それぞれが、圧電体２３１、２４１とほぼ同形状の１対の電極薄膜で挟まれ、カンチレバー２３０、２４０上に装荷されている。
【００２７】
１対の電極薄膜とは、圧電体２３１、２４１のそれぞれの上部に形成された上部電極と、圧電体２３１、２４１のそれぞれの下部に形成された下部電極と、を含み、これらの上部電極と下部電極とは、互いに電気的に連結されている。本実施形態では、全ての圧電体２３１、２４１に対し、制御部１４０から供給される駆動信号（電圧）が同位相で印加される。
【００２８】
圧電体２３１、２４１に対して駆動信号が供給されると、圧電体２３１、２４１は、印加される電圧に応じて収縮し、カンチレバー２３０、２４０がＺ方向に曲げられる。
【００２９】
本実施形態では、図２に示すように、カンチレバー２３０、２４０を折り返してミアンダ状にすることで、カンチレバー２３０、２４０を駆動させた際に、曲げによる先端のＹ軸に対する回転方向の変位は相殺され、Ｚ方向の並進運動成分のみが残る。
【００３０】
カンチレバー２３０、２４０のＺ方向の並進運動が開始されると、可動リボン２５０を連結した駆動枠２２０も、カンチレバー２３０、２４０の並進運動に追従してＺ方向に並進運動する。このため、駆動枠２２０に連結された可動リボン２５０は、全て同じ変位量を保ってＺ方向に並進運動する。一方で、本実施形態の固定リボン２６０は、常に静止している。
【００３１】
本実施形態では、このようにして、可動リボン２５０が有する可動反射面と、固定リボン２６０が有する固定反射面との間に、Ｚ方向の変位に差を生じさせる。
【００３２】
次に、図３を参照し、本実施形態の可動リボンと固定リボンについて説明する。図３は、第一の実施形態の可動リボンと固定リボンについて説明する図である。図３では、リボン素子２００のＸ−Ｚ断面の概略を示している。
【００３３】
本実施形態のリボン素子２００において、可動リボン２５０と固定リボン２６０とは、互いに隣接しており、所定のリボンピッチｄで並んでいる。本実施形態のリボンピッチｄは、入射光の波長と同程度の２０ｕｍとしているが、これに限定されない。リボンピッチｄは、入射光の波長よりも極端に広くなければ良く、入射光の波長程度から波長の１００倍程度の範囲であれば良い。
【００３４】
可動リボン２５０は、支持部材２５１と、支持部材２５１の上に設けられた反射面２５２と、を有する。本実施形態では、可動リボン２５０が有する反射面２５２が、可動反射面２５２である。本実施形態では、全ての可動リボン２５０のＺ方向の並進運動によって、可動反射面２５２が、Ｚ方向に上下する。言い換えれば、可動反射面２５２は、可動リボン２５０の並進運動によって、面外方向に並進運動する。尚、本実施形態のリボン素子２００の有する全ての可動リボン２５０の可動反射面２５２のＺ方向の変位量は、同じである。
【００３５】
固定リボン２６０は、支持部材２６１と、支持部材２６１の上に設けられた反射面２６２と、を有する。本実施形態では、固定リボン２６０が有する反射面２６２が、固定反射面２６２である。
【００３６】
本実施形態の支持部材２５１、２６１は、例えば、シリコンで形成され、可動反射面２５２、固定反射面２６２は、支持部材２５１、２６１の上に、ＡｌやＡｕ等の金属薄膜を成膜して形成される。
【００３７】
本実施形態では、可動リボン２５０における支持部材２５１の厚さｔ２と、固定リボン２６０の支持部材２６１の厚さｔ４は同じであり、可動リボン２５０における可動反射面２５２の厚さｔ１と、固定リボン２６０の固定反射面２６２の厚さｔ３は同じである。言い換えれば、可動反射面２５２と固定反射面２６２は、それぞれが面外方向において、同じ位置にある。
【００３８】
本実施形態では、例えば、厚さｔ１、ｔ３は、０．１〜１．０μｍ程度であり、厚さｔ２、ｔ４は、１０〜１００μｍ程度であれば良い。
【００３９】
また、本実施形態のリボン素子２００における可動リボン２５０と固定リボン２６０の数は、例えば、可動反射面２５２の面積と固定反射面２６２の面積の合計が、光照射領域の面積よりも大きくなる数であれば良い。光照射領域とは、リボン素子２００における入射光が照射される領域である。
【００４０】
ここで、可動反射面２５２と固定反射面２６２のＺ方向の変位量の差を、リボン深さＤと定義する。本実施形態のリボン素子２００は、リボン深さＤがゼロでない場合に、反射型の回折格子として機能する。すなわち、本実施形態の分光装置１００では、リボン深さＤがゼロでない場合に、リボン素子２００に入射され、リボン素子２００によって反射された反射光が、波長に応じた回折角及び回折効率をもつ反射回折光に分解される。
【００４１】
このとき、入射角αでリボン素子２００に入射した光に対する反射光の出射角βは、以下の式（１）で与えられる。尚、以下の式（１）において、λは光の波長であり、ｍは回折次数であり、ｄはリボンピッチである。
【００４２】
【数１】
2018146242.tif 000003
ところで、近年では、リボン素子におけるリボン深さを変化させると、波長及び回折次数における回折効率が変化することが知られている。
【００４３】
そこで、本実施形態では、この点に着目し、本実施形態のリボン素子２００について、リボン深さＤにおける−１次回折による反射回折光の回折効率を計算した。図４にその結果を示す。
【００４４】
図４は、第一の実施形態におけるリボン深さ毎の、−１次回折光の回折効率と波長の関係を示す図である。
【００４５】
図４では、リボン深さＤを１．４ｕｍ〜２．０ｕｍの範囲で変化させたときに、反射回折光の回折効率がピークとなる波長が変化していく様子が示されている。図４によれば、反射回折光の回折効率がピークとなる波長は、リボン深さＤの値が大きくなるほど長くなっていくような特徴を有する。
【００４６】
そこで、本実施形態の分光装置１００では、−１次の反射回折光のみを受光する範囲に光検出素子１３７を配置した。本実施形態では、この配置により、入射光が有する波長スペクトルと、反射回折光の波長毎の回折効率の積と、を波長軸上で積分した光量が、光検出素子１３７によって検出される。
【００４７】
また、本実施形態のリボン素子２００では、圧電体２３１、２４１に印加する電圧を制御してリボン深さＤを変化させ、光検出素子１３７によって検出される反射回折光の波長を変化させることができる。
【００４８】
尚、リボン素子２００を反射型回折格子として機能させるためには、リボン深さＤを分光する光の波長程度以上にすることが望ましく、近赤外分光へ適用する際には１μｍ程度よりも大きくすることが望ましい。
【００４９】
そこで、本実施形態の分光装置１００では、制御部１４０の制御により、リボン深さＤが１μｍ程度よりも大きくなったときに、光検出素子１３７が検出した光量を取得する。
【００５０】
尚、本実施形態の分光方式において、取得する反射回折光の次数は特に制限はないが、光検出素子１３７で検出する反射回折光は、０次以外の回折次数成分が好ましい。
【００５１】
０次回折による反射回折光は、リボン素子２００による反射光が入射光に対して正反射する方向であるため、リボン２５０、２６０の近傍の領域からの反射光が回折光成分に重畳されやすく、信号の検出精度が低下する虞があるからである。
【００５２】
また、本実施形態では、複数の回折次数の反射回折光を一括して取得しても良い。この場合、各々の回折次数に対する反射回折光の光量の総和が検出されるため、全体的に検出される光量が増加する。このため、複数の回折次数の反射回折光を一括して取得する場合には、光検出素子１３７の電気ノイズに対してＳＮ比を向上させることができる。
【００５３】
以下に、図５を参照して、本実施形態の制御部１４０の機能について説明する。図５は、第一の実施形態の制御部の機能を説明する図である。
【００５４】
本実施形態の制御部１４０は、演算処理装置と記憶装置とを有するＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実現される。また、以下に説明する制御部１４０の各部は、記憶装置に格納されたプログラムが演算処理装置によって読み出されて実行されることで実現される。
【００５５】
本実施形態の制御部１４０は、駆動制御部１４１、光量取得部１４２、データ保持部１４３、演算部１４４、出力部１４５を有する。
【００５６】
本実施形態の駆動制御部１４１は、リボン素子２００の圧電体２３１、２４１を駆動させるための駆動電圧を、各圧電体の上部電極及び下部電極に供給する。具体的には、本実施形態の駆動制御部１４１は、各圧電体の上部電極及び下部電極の何れか一方に対しては、駆動電圧を、三角波状の駆動信号として供給する。
【００５７】
本実施形態の光量取得部１４２は、光検出素子１３７から出力される電圧データを取得する。
【００５８】
具体的には、本実施形態の光量取得部１４２は、リボン深さＤが、所定範囲内であるときに、光検出素子１３７から出力される電圧データを所定の間隔でサンプリングする。光量取得部１４２は、例えば、Ａ／Ｄコンバータ等により実現されても良い。
【００５９】
尚、光検出素子１３７から出力される電圧データは、光検出素子１３７が検出した光量と対応しており、光量を示す光量データとも言える。
【００６０】
リボン深さＤの所定範囲とは、リボン素子２００が反射型回折格子として機能し、且つ、回折効率がピークとなる波長の変化が顕著に現れる範囲である。本実施形態では、例えば、リボン深さＤの所定範囲を１．４μｍ〜２．０μｍとしている。光量取得部１４２による光量の検出の処理の詳細は後述する。
【００６１】
データ保持部１４３は、光量取得部１４２により取得された電圧データを保持する。
【００６２】
本実施形態の演算部１４４は、データ保持部１４３に保持された電圧データから、反射回折光の強度を算出する。演算部１４４による演算の詳細は後述する。
【００６３】
出力部１４５は、演算部１４４による演算の結果を出力する。本実施形態の出力部１４５は、例えば、演算結果を分光装置１００が有するディスプレイ等に表示させても良いし、分光装置１００と接続された記憶媒体や外部装置等に演算結果を出力しても良い。
【００６４】
次に、図６を参照して、本実施形態の光量取得部１４２による光量の検出について説明する。図６は、第一の実施形態の光量取得部による光量の検出を説明する図である。
【００６５】
図６に示すグラフは、横軸を時間とし、縦軸をリボン深さとし、時間に対するリボン深さＤの変化を表している。
【００６６】
本実施形態では、駆動制御部１４１により、圧電体２３１、２４１に三角波状の駆動信号を供給し、可動リボン２５０の可動反射面２５２をＺ方向に並進運動をさせると、リボン深さＤは、図６のグラフに示すように、時間に対して三角波状に変化する。つまり、時間に対するリボン深さＤは、リボン素子２００に供給される駆動信号の変化に対応して変化する。言い換えれば、リボン深さＤの変化の周波数は駆動信号の周波数と一致し、リボン深さＤは、駆動信号の周波数で変化する。
【００６７】
図６の例では、リボン深さＤは、可動リボン２５０の並進運動に応じて、Ｄｐ１からＤｐ２まで変化する。したがって、時間に対するリボン深さＤの最大変位量は、リボン深さＤｐ１とリボン深さＤｐ２との差分の絶対値であるＡｒとなる。以下の説明では、リボン深さＤの最大変位量をリボン振幅Ａｒと呼ぶ。また、図６の例では、時間に対するリボン深さＤの変化の周期はＦｒである。以下の説明では、リボン深さＤの変化の周期Ｆｒをリボン変位周期Ｆｒと呼ぶ。
【００６８】
このリボン振幅Ａｒとリボン変位周期Ｆｒから、リボン素子２００には、周期がＦｒであり、振幅がリボン振幅Ａｒと対応する電圧である三角波状の駆動信号が供給されていることがわかる。
【００６９】
また、図６の例では、タイミングＴ１からタイミングＴ２の間と、タイミングＴ３からタイミングＴ４までの間において、光検出素子１３７が検出した電圧データの取得がされる。つまり、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの期間Ｋ１と、タイミングＴ３からタイミングＴ４までの期間Ｋ２が、リボン深さＤｔが所定範囲となる期間である。以下の説明では、期間Ｋ１、Ｋ２を光量保持期間Ｋ１、Ｋ２と呼ぶ。
【００７０】
したがって、本実施形態の光量取得部１４２は、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２において、電圧データを取得する間隔Ｋｓ毎に、光検出素子１３７が検出した電圧データを取得する。尚、光量検出期間Ｋ１、Ｋ２を示すタイミングは、予め光量取得部１４２に保持されていても良い。
【００７１】
尚、図６では、光量保持期間を、リボン深さＤの変位の１周期につき１回設けた例を示したが、これに限定されない。光量保持期間は、リボン深さＤが所定範囲となる期間であれば、どの期間であっても良い。したがって、例えば、リボン深さＤの変位の１周期につき、リボン深さＤの値が増加していく上り側の光量保持期間Ｋ１、Ｋ２に加え、リボン深さＤの値が減少していく下り側において、リボン深さＤが所定範囲となる期間を光量保持期間としても良い。
【００７２】
本実施形態では、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２において、光量取得部１４２によって取得された電圧データの列を、演算部１４４による演算用のデータとして、データ保持部１４３に保持させる。本実施形態では、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２において取得された電圧データの列のみを保持することで、有意な回折効率のピークの変化が得られるリボン深さＤの時間領域における電圧データの例を演算に用いることができる。
【００７３】
本実施形態では、データ保持部１４３に保持された電圧データ群Ｖ１〜Ｖｎと、入射光に含まれる波長成分λ１〜λｎの光強度は、式（２）のような行列式で関連付けられる。
【００７４】
【数２】
2018146242.tif 000004
式（２）において、Ｉλｋは、入射光に含まれる波長λｋの光強度である。また、式（２）において、行列成分ａｋｋは、既知のスペクトル特性を有する参照光源についての電圧データＶｋと光強度Ｉλｋの関係から予め定めておいた係数である。尚、式（２）と、各係数は、演算部１４４に保持されていても良い。
【００７５】
本実施形態の演算部１４４は、データ保持部１４３により保持された電圧データ群を用いて式（２）をＩλｋについて解くことで、分光装置１００の入射光について、波長領域をｎ分割したときのスペクトル特性を得ることができる。
【００７６】
異なる時間において得られた電圧データＶｋ及び予め設定された係数ａｋｋ（ｋ＝１〜ｎ）から、式（２）をＩλｋに解くことは、式（２）の行列の積を求めることに等しい。
【００７７】
このため、本実施形態によれば、フーリエ変換が必要となるフーリエ変換赤外分光法と比べて、計算の負荷を大幅に軽減することができる。
【００７８】
ここで、分光装置１００による測定時間と、光量取得部１４２による電圧データのサンプリング周波数の関係について説明する。
【００７９】
以下の例では、分光装置１００が１秒当たりＳ回の電圧データを出力し、電圧データを１回出力する間にリボン素子２００がＭ周期だけ並進運動した場合について説明する。
【００８０】
このとき、リボン素子２００の駆動周波数はＳ・Ｍ[Ｈｚ]である。尚、リボン素子２００の駆動周波数とは、駆動制御部１４１からリボン素子２００に供給される駆動信号の周波数である。
【００８１】
また、入射光の波長成分における波長分割数をｎとすると、式（２）の演算を行うためには、分光装置１００は、ｎ個以上の電圧データを得る必要がある。
【００８２】
リボン素子２００の並進運動１周期のうち、電圧データＶ１〜Ｖｎを取得するために使用する時間比率をηとすると、電圧データのサンプリング周波数ｆｓは、以下の式（３）により示される。
【００８３】
【数３】
2018146242.tif 000005
例えば、式（３）において、Ｓ＝１０回/秒、Ｍ＝１０回、ｎ＝1００点、η＝２５％とすると、電圧データのサンプリング周波数はｆｓ＝４０ｋＨｚとなる。つまり、本実施形態の光量取得部１４２は、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２において、４０ｋＨｚの周期で光検出素子１３７が検出した電圧データを取得できれば良い。この機能は、例えば、安価なＡ／Ｄ（デジタル／アナログ）コンバータ等によって、容易に実現することができ、制御部１４０の構成を簡易且つ安価なものにすることができる。
【００８４】
次に、図７を参照して、本実施形態の制御部１４０の動作について説明する。図７は、第一の実施形態の制御部の動作を説明するフローチャートである。
【００８５】
本実施形態の制御部１４０は、分光装置１００の電源がオンされ、入射光が検出されると、駆動制御部１４１により、リボン素子２００を一定周期で駆動させる（ステップＳ７０１）。言い換えれば、制御部１４０は、駆動制御部１４１により、一定周期の駆動信号をリボン素子２００へ供給し、可動リボン２５０を可動させて、可動反射面２５２と固定反射面２６２との高さを変え、リボン深さＤを発生させる。
【００８６】
続いて、制御部１４０は、光量取得部１４２により、光量保持期間となったか否かを判定する（ステップＳ７０２）。尚、本実施形態の光量取得部１４２は、例えば、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２が開始されるタイミングＴ１、Ｔ３における駆動電圧の値を保持しており、駆動信号の値が保持している駆動電圧となったとき、光量保持期間が開始されたことを検出しても良い。
【００８７】
ステップＳ７０２において、光量保持期間となっていない場合、制御部１４０は、光量保持期間となるまで待機する。ステップＳ７０２において、光量保持期間となった場合、光量取得部１４２は、所定のサンプリング周波数に基づき、光検出素子１３７から出力される電圧データを取得し、データ保持部１４３により保持する（ステップＳ７０３）。尚、サンプリング周波数は、予め光量取得部１４２に設定されていても良い。
【００８８】
続いて、光量取得部１４２は、光量保持期間が終了したか否かを判定する（ステップＳ７０４）。尚、本実施形態の光量取得部１４２は、例えば、光量保持期間Ｋ１、Ｋ２が終了するタイミングＴ２、Ｔ４における駆動電圧の値を保持しており、駆動信号の値が保持している駆動電圧となったとき、光量保持期間が終了したことを検出しても良い。
【００８９】
ステップＳ７０４において、光量保持期間が終了していない場合、光量取得部１４２は、ステップＳ７０３に戻る。ステップＳ７０４において、光量保持期間が終了した場合、制御部１４０は、演算部１４４により、データ保持部１４３に保持された電圧データ群と、式（２）と、に基づき、リボン素子２００に入射される入射光のスペクトル特性を導出する（ステップＳ７０５）。
【００９０】
続いて、制御部１４０は、出力部１４５により、導出されたスペクトル特性を出力する（ステップＳ７０６）。続いて、制御部１４０は、データ保持部１４３に保持さたれ電圧データを削除してデータ保持部１４３を開放する（ステップＳ７０７）。
【００９１】
続いて、制御部１４０は、分光装置１００の電源オフの指示を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ７０８）。ステップＳ７０８において、電源オフの指示を受け付けていない場合、制御部１４０は、ステップＳ７０２へ戻る。ステップＳ７０８において、電源オフの指示を受け付けた場合、制御部１４０は、処理を終了する。
【００９２】
以上のように、本実施形態によれば、フーリエ変換等の演算が不要となり、演算部１４４における処理の負荷を軽減できる。また、本実施形態によれば、光検出素子１３７からの電圧データを所定間隔毎に取得する機能を簡易な構成で実現できる。したがって、本実施形態によれば、制御部１４０の構成を簡素化することができ、コストの削減に貢献できる。
【００９３】
また、本実施形態では、リボン素子２００における可動リボン２５０を変位させてリボン深さＤを変化させることにより、リボン素子２００を反射型回折格子として機能させ、光検出素子１３７によって検出される反射回折光の波長を変化させることができる。
【００９４】
このため、本実施形態によれば、光の出射方向を変化させる偏向ミラー等の構成は不要であり、分光部１３０の構成を簡素化できる。
【００９５】
したがって、本実施形態によれば、安価な構成で安定したスペクトルの測定を行うことができる。
【００９６】
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して、第二の実施形態について説明する。第二の実施形態は、可動リボンの支持部材の厚さと、固定リボンの支持部材の厚さと、を異ならせた点が第一の実施形態と相違する。よって、以下の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。
【００９７】
図８は、第二の実施形態の可動リボンと固定リボンについて説明する図である。図８では、第二の実施形態のリボン素子２００のＸ−Ｚ断面の概略を示している。また、図８は、リボン素子２００に対して駆動信号が供給されていない状態を示している。
【００９８】
本実施形態では、可動リボン２５０Ａの支持部材２５１Ａの厚さｔ２１と、固定リボン２６０の支持部材２６１Ａの厚さｔ４１を異ならせ、可動反射面２５２と固定反射面２６２の高さを予め異ならせる。言い換えれば、本実施形態では、予め、支持部材２５１Ａの厚さｔ２１と、支持部材２６１Ａの厚さｔ４１の差分となるリボン深さＤを設けておくことで、可動反射面２５２と固定反射面２６２とが面外方向において異なる位置にあるようにする。
【００９９】
具体的には、可動リボン２５０Ａ、固定リボン２６０Ａにおいて、金属薄膜を成膜する前に、可動反射面２５２又は固定反射面２６２と対応する支持部材をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によってエッチングすることで、２つの支持部材の厚さを異ならせることができる。
【０１００】
本実施形態では、これにより、リボン素子２００に駆動信号を供給した場合において、反射回折光の回折効率がピークとなる波長の変化が顕著に現れる時間帯を拡大できる。言い換えれば、本実施形態によれば、駆動信号を供給した場合において、光量保持期間を第一の実施形態と比較して長い時間とすることができる。これは、式（３）における時間比率ηを拡大することと同じである。
【０１０１】
したがって、本実施形態では、例えば、光量取得部１４２を実現するＡ／Ｄコンバータを、サンプリング周波数の低いものとすることができ、分光装置１００のコストの削減に貢献できる。
【０１０２】
また、本実施形態によれば、光量保持期間を第一の実施形態と比較して長くできるため、取得する電圧データの数が多くなり、分光装置１００の波長分解能を向上させることができる。
【０１０３】
また、本実施形態では、第一の実施形態のリボン素子２００に供給される駆動電圧よりも低い電圧で、第一の実施形態と同等のリボン深さＤを発生させることができる。したがって、本実施形態によれば、第一の実施形態よりも低い駆動電圧で、第一の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０４】
（第三の実施形態）
以下に、図面を参照して第三の実施形態について説明する。第三の実施形態は、光量取得部が取得した電圧データを平均化した結果を演算部による演算で用いる点が、第一の実施形態と相違する。よって、以下の第三の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。
【０１０５】
図９は、第三の実施形態の制御部の機能を説明する図である。本実施形態の制御部１４０Ａは、駆動制御部１４１、光量取得部１４２、データ保持部１４３、演算部１４４、出力部１４５、平均化部１４６を有する。
【０１０６】
本実施形態の平均化部１４６は、光量取得部１４２が取得した電圧データの平均値を算出する。尚、図９の例では、平均化部１４６は、演算部１４４とは別の機能として、制御部１４０Ａに設けられたものとしたが、これに限定されない。平均化部１４６の処理は、演算部１４４により行われても良い。
【０１０７】
以下に、平均化部１４６による平均化の処理について説明する。図１０は、第三の実施形態における電圧データの平均化を説明する図である。
【０１０８】
本実施形態の平均化部１４６は、分光装置１００の性能に対して必要とされる電圧データのサンプリング周波数ｆｓよりもサンプリング周波数を高くすることができる場合に、取得した電圧データを平均化する。分光装置１００の性能に対して必要とされる電圧データのサンプリング周波数ｆｓは、式（３）によって与えられる。
【０１０９】
サンプリング周波数を、式（３）で与えられるサンプリング周波数ｆｓよりも高くできる場合とは、例えば、光量取得部１４２を実現するＡ／Ｄコンバータの性能によって、サンプリング周波数をサンプリング周波数ｆｓよりも高く設定できる場合等である。
【０１１０】
図１０では、サンプリング周波数ｆｓに基づく電圧データの取得の間隔をＫｓとし、サンプリング周波数ｆｓよりも高いサンプリング周波数に基づく電圧データの取得の間隔をＫｓ１としている。
【０１１１】
この場合、間隔Ｋｓ１は、間隔Ｋｓより短いため、間隔Ｋｓの間に複数の電圧データが取得される。よって、本実施形態の平均化部１４６は、これらの複数の電圧データを平均化する。
【０１１２】
具体的には、例えば、平均化部１４６は、タイミングＴ１１からタイミングＴ１２までの間隔Ｋｓ１において取得された複数の電圧データの平均を求め、その結果をタイミングＴ１２の電圧データとしても良い。また、平均化部１４６は、例えば、タイミングＴ１２を中心とし、タイミングＴ１２の前後において取得された複数の電圧データの平均を求め、その結果をタイミングＴ１２の電圧データとしても良い。
【０１１３】
つまり、本実施形態の平均化部１４６は、サンプリング周波数ｆｓに基づき電圧データを取得するタイミング（時刻）の近傍に取得された電圧データを平均化すれば良い。
【０１１４】
以下に、図１１を参照して、本実施形態の制御部１４０Ａの動作について説明する。図１１は、第三の実施形態の制御部の動作を説明するフローチャートである。
【０１１５】
図１１のステップＳ１１０１からステップＳ１１０４までの処理は、図７のステップＳ７０１からステップＳ７０４までの処理と同様であるから、説明を省略する。
【０１１６】
ステップＳ１１０４において、光量保持期間が終了すると、制御部１４０Ａは、平均化部１４６により、データ保持部１４３に保持された電圧データを平均化する処理を行う。
【０１１７】
本実施形態の平均化部１４６は、式（３）で得られるサンプリング周波数ｆｓに基づき電圧データが取得されるタイミングを求める。そして、平均化部１４６は、求めたタイミングにおける電圧データとして、このタイミングの近傍で取得された電圧データを平均化した値をデータ保持部１４３に保持させ（ステップＳ１１０５）、ステップＳ１１０６へ進む。
【０１１８】
具体的には、平均化部１４６は、例えば、間隔Ｋｓに基づくタイミングＴ１１、Ｔ１２、Ｔ１３等を求める（図１０参照）。そして、平均化部１４６は、間隔Ｋｓ１毎に取得された電圧データの平均値を算出し、タイミングＴ１１、Ｔ１２、Ｔ１３のそれぞれについて、算出された平均値をデータ保持部１４３に保持させる。
【０１１９】
尚、サンプリング周波数ｆｓは、予め求められて平均化部１４６に保持されていても良いし、式（３）によって算出されても良い。
【０１２０】
ステップＳ１１０６からステップＳ１１０９までの処理は、図７のステップＳ７０５からステップＳ７０８までの処理と同様であるから、説明を省略する。
【０１２１】
本実施形態では、このように、平均化された電圧データを用いることにより、電圧データのばらつきの発生やノイズ成分による影響を抑制し、信頼性の高いスペクトルの測定を行うことができる。
【０１２２】
（第四の実施形態）
以下に図面を参照して第四の実施形態について説明する。第四の実施形態は、リボン素子２００の駆動信号を正弦波信号とした点が、第一の実施形態と相違する。よって、以下の第四の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。
【０１２３】
図１２は、第四の実施形態における光量の検出を説明する図である。図１２では、駆動制御部１４１により、圧電体２３１、２４１に正弦波状の駆動信号を供給し、可動リボン２５０の可動反射面２５２をＺ方向に並進運動をさせた場合の時間に対するリボン深さＤの変化を示している。
【０１２４】
本実施形態の可動反射面２５２は、駆動制御部１４１により供給される駆動信号に応じて変化するため、時間に対するリボン深さＤの変化を示す波形も、図１２に示すように、正弦波状となる。
【０１２５】
リボン素子２００は、特定の周波数の信号に対して振動が大きくなるような共振モードを有している。
【０１２６】
本実施形態では、予め、リボン素子２００の共振周波数を把握している場合には、駆動信号を正弦波信号とすることで、意図せずにリボン素子２００の共振モードを励起することを抑制できる。
【０１２７】
駆動信号を正弦波形とした場合、駆動信号には、リボン深さＤの変位を示す周波数に相当する周波数成分のみが存在する。本実施形態では、リボン深さＤの変位を示す周波数を、リボン素子２００の共振周波数と異ならせることで、リボン深さＤに駆動信号波形を反映させ、時間に対して正弦波状に変化させることができる。
【０１２８】
これに対し、駆動信号を三角波状の波形又は鋸波の波形とした場合には、高周波帯域まで駆動信号成分が存在することになり、リボン素子２００の共振モードを意図せず励起する可能性がある。共振モードが励起された場合、リボン深さＤは、リボン素子２００の共振周波数近傍の高周波振動が重畳され、時間に対して直線状に変化しない。このため、リボン深さＤの変位の制御が難しくなることがある。
【０１２９】
本実施形態では、駆動信号を正弦波状の信号とすることで、共振モードの励起を抑制することができる。
【０１３０】
また、駆動信号を正弦波状の信号とすることで、リボン素子２００の共振を積極的に活用することもできる。
【０１３１】
本実施形態では、例えば、リボン素子２００の可動反射面２５２がＺ軸方向に並進運動するような共振モードを備え、かつ、そのときの共振周波数が既知である場合には、駆動信号を、リボン素子２００の共振周波数の近傍の周波数をもつ正弦波信号とすれば良い。本実施形態では、駆動信号をこのような正弦波信号とすることで、極めて微小な駆動電圧で、リボン深さＤにおける所定範囲の変化を得ることができる。
【０１３２】
（第五の実施形態）
以下に図面を参照して、第五の実施形態について説明する。第五の実施形態は、制御部における演算を、外部装置で実行する点が第一の実施形態と相違する。よって、以下の第五の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。
【０１３３】
図１３は、第五の実施形態の分光システムの一例を示す図である。本実施形態の分光システム３００は、分光装置１００Ａと、サーバ４００と、を有する。本実施形態の分光システム３００では、分光装置１００Ａが取得した電圧データがサーバ４００へ送信され、サーバ４００において、各種の演算が行われる。
【０１３４】
本実施形態の分光装置１００Ａは、光源１２０、分光部１３０、制御部１４０Ｂを有する。
【０１３５】
本実施形態の制御部１４０Ｂは、駆動制御部１４１、光量取得部１４２、データ保持部１４３、通信部１４７を有する。通信部１４７は、データ保持部１４３に保持された電圧データをサーバ４００へ送信する。
【０１３６】
本実施形態の通信部１４７は、例えば、光量保持期間が終了すると、データ保持部１４３に保持された電圧データ群をサーバ４００へ送信しても良い。また、本実施形態の通信部１４７は、リボン素子２００に対する入射光が検出されなくなったとき、データ保持部１４３に保持された電圧データ群をサーバ４００へ送信しても良い。
【０１３７】
本実施形態のサーバ４００は、演算処理装置とメモリ装置を有する一般的なコンピュータである。
【０１３８】
サーバ４００は、演算部１４４と出力部１４５を有する。演算部１４４は、分光装置１００Ａから電圧データ群を受信すると、式（２）に基づき、波長成分λ１〜λｎの光強度を算出し、波長領域をｎ分割したときのスペクトル特性を得る。
【０１３９】
出力部１４５は、演算部１４４により得られた結果を、サーバ４００の有するディスプレイ等に出力しても良い。また、出力部１４５は、演算部１４４により得られた結果を、サーバ４００と接続される端末装置等に出力させても良い。
【０１４０】
以上のように、本実施形態では、演算部１４４をサーバ４００側に設けたため、分光装置１００Ａ側の制御部１４０Ｂの処理の負荷を低減させることができ、分光装置１００Ａの安価な構成で安定性の高いスペクトルの測定を行うことができる。
【０１４１】
（第六の実施形態）
以下に図面を参照して、第六の実施形態について説明する。第六の実施形態は、分光装置を可搬型とした点が第一の実施形態と相違する。よって、以下の第六の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。
【０１４２】
図１４は、第六の実施形態の分光装置を説明する図である。本実施形態の分光装置１００Ｂは、スペクトル測定器１１０、光源１２０、上位制御部１５０、バッテリ１６０を有する。
【０１４３】
上位制御部１５０は、分光装置１００Ｂに対する操作を受け付けて、スペクトル測定器１１０と光源１２０の動作を制御する。また、上位制御部１５０は、スペクトル測定器１１０から出力されたスペクトル特性を、分光装置１００Ｂのユーザ等に対して出力する制御を行う。
【０１４４】
バッテリ１６０は、スペクトル測定器１１０、光源１２０、上位制御部１５０等の動力源である。
【０１４５】
本実施形態の分光装置１００Ｂでは、光源１２０から出射された出射光１２１は被測定物１に照射され、被測定物１内における分子に衝突しながら拡散反射する。この拡散反射された光１２２はスペクトル測定器１１０に入射し、スペクトル測定器１１０に設けられた光検出素子１３７により検出される。これにより、本実施形態の分光装置１００Ｂでは、被測定物１の分子構造に特徴的な波長スペクトルを得ることができる。
【０１４６】
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【０１４７】
尚、本実施形態のリボン素子２００は、特許請求の範囲に記載のリボン素子の一例であり、可動リボン２５０は第一の光反射部の一例であり、可動反射面２５２は第一の光反射面の一例であり、固定リボン２６０は第二の光反射部の一例であり、固定反射面２６２は第二の光反射面の一例である。
【０１４８】
また、本実施形態の駆動制御部１４１は、特許請求の範囲に記載の駆動制御部の一例であり、光検出素子１３７は光検出素子の一例であり、光量取得部１４２は光量取得部の一例であり、圧電体２３１、２４１は圧電体の一例である。
【符号の説明】
【０１４９】
１００、１００Ａ、１００Ｂ  分光装置
１１０  スペクトル測定器
１２０  光源
１３０  分光部
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ  制御部
１４１  駆動制御部
１４２  光量取得部
１４３  データ保持部
１４４  演算部
１４５  出力部
１４６  平均化部
１４７  通信部
１５０  上位制御部
１６０  バッテリ
２００  リボン素子
２１０  固定枠
２２０  駆動枠
２３０、２４０  カンチレバー
２３１、２４１  圧電体
２５０  可動リボン
２５１  支持部材
２５２  可動反射面
２６０  固定リボン
２６１  支持部材
２６２  固定反射面
３００  分光システム
４００  サーバ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１５０】
【特許文献１】特開２０１１−２５７１４０号公報
【図１】
2018146242.tif 000006
【図２】
2018146242.tif 000007
【図３】
2018146242.tif 000008
【図４】
2018146242.tif 000009
【図５】
2018146242.tif 000010
【図６】
2018146242.tif 000011
【図７】
2018146242.tif 000012
【図８】
2018146242.tif 000013
【図９】
2018146242.tif 000014
【図１０】
2018146242.tif 000015
【図１１】
2018146242.tif 000016
【図１２】
2018146242.tif 000017
【図１３】
2018146242.tif 000018
【図１４】
2018146242.tif 000019