(57)【要約】【課題】所定のエリアセンサー素子で波長分解能を向上したマルチチャンネル分光器を提供する。【解決手段】マルチチャンネル検出器のエリアセンサーをわずかに傾けて設置することでエリアセンサーの各ラインが互いにピクセル間隔を補うように配置されることを利用し、従来のラインセンサーが採用する横方向への素子の読み出し順序を傾けた縦方向の所定数の素子の読み出しを繰り返し横方向に行う順序に変更することにより実質的に高いピクセル数を有する長いラインセンサーと同等の波長分解能をもつことになる。【選択図】図２
2018004350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する被測定光束を波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像を形成する分散光学系、または、入射する被測定光束を２つの光に分離した後に干渉させて一定方向に沿って現れる干渉縞からなるインターフェログラム像を形成する干渉光学系と、
その横方向に変化する波長を記録するように縦横方向に整列して前記スペクトル像またはインターフェログラム像を撮像する受光素子からなるエリアセンサー(ＭｘＮ、横Ｍ，縦Ｎは自然数)を備える分光器であって、
前記分散光学系または干渉光学系の前記一定方向の軸(波長軸またはインターフェログラム軸とする)と前記エリアセンサーの横方向の軸(ｘ軸とする)をわずかに傾けて配置したことを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記分光器はさらに前記エリアセンサーの各受光素子が生成した信号を読み出す読み出し手段を備え、
前記読み出し手段は、前記横方向の一の受光素子から信号を読み出し、
次に該受光素子から縦方向の(ｎ−１)段に配置された(ｎ−１)個の受光素子の信号を順に読み出し、
それから該横方向の一の受光素子の次の横方向の受光素子の信号を読み出すことを順次繰り返して得られる信号列に基づいて前記被測定光束のスペクトル特性を解析することを特徴とする請求項１に記載の分光器。ただしｎは所定の自然数であって、Ｎ以下とする。
【請求項３】
前記受光素子はＣＣＤセンサーまたはＣＭＯＳセンサーであることを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記分光器はさらに空間歪校正手段を備え、
前記信号列の前記受光素子の信号は、前記読み出された信号が空間歪を有する場合は前記空間歪校正手段により得られた校正パラメーターにより該空間歪が回復された信号であることを特徴とする請求項３に記載の分光器。
【請求項５】
前記信号が前記干渉光学系の干渉縞のインターフェログラム像である場合において、前記読み出された信号はさらにフーリエ変換されてからスペクトル解析されることを特徴とする請求項４に記載の分光器。
【請求項６】
前記波長軸と前記エリアセンサーのｘ軸との傾きをθ(ラジアン)、前記受光素子の前記縦横方向の中心間距離をそれぞれｐy、ｐxとした場合に、所定のｎは次式が成立するようなｎであることを特徴とする請求項５に記載の分光器。ただし前記縦に連続するｎ行ｘＭ列を関心領域と呼ぶ。
［数１］
ｐx＝ｎｘｐyｘθ
【請求項７】
前記Ｎは、前記ｎの自然数倍(２以上)であることを特徴とする請求項６に記載する分光器。
【請求項８】
前記Ｎは、前記ｎの自然数倍である場合において、
前記読み出し手段は、各関心領域において前記自然数回、前記信号を読み出し、
前記読み出した信号を関心領域ごとに積算してＳＮ比を高めたことを特徴とする請求項７に記載の分光器。
【請求項９】
前記分光器はさらに、前記横方向の一の受光素子の次の横方向の受光素子の信号をあわせて読み出す手段と、該受光素子から縦方向に配置された受光素子(ｋ、自然数)の信号を順に読み出す手段を備え、
前記横方向の一の受光素子の次の横方向の受光素子の信号と前記縦方向に配置された受光素子(ｋ)の信号とが一致する時は、当該ｋを前記所定のｎとすることを特徴とする請求項５に記載の分光器。ただしｋはＮ以下とする。
【請求項１０】
前記Ｎは、前記ｎの自然数倍であることを特徴とする請求項９に記載する分光器。
【請求項１１】
前記Ｎは、前記ｎの自然数倍である場合において、
前記読み出し手段は、各関心領域において前記自然数回、前記信号を読み出し、
前記読み出した信号を関心領域ごとに積算してＳＮ比を高めたことを特徴とする請求項１０に記載の分光器。
【請求項１２】
請求項９または請求項１１のいずれか１項において前記読み出した信号を当該処理することを特徴とするプログラムおよびプログラムを記録した記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチチャンネル分光器において、波長分解能を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
かつての分光器は、光電子増倍管やフォトダイオードなどに代表されるシングルチャンネルのセンサーが用いられており、分散分光での波長走査やフーリエ変換分光でのインターフェログラム走査には機械駆動などで実現される走査機構が必要であった。
【０００３】
センサー技術の進展とともに、ＣＣＤやＣＭＯＳなどによるラインセンサーやエリアセンサー、マルチチャンネルセンサーが用いられるようになり、駆動部が不要で安定した分光器が実現されるようになった。
【０００４】
しかしながら、分光器の波長走査やインターフェログラム走査にはセンサーの１方向のみが用いられており、波長分解能を向上させるためにはラインセンサー素子数を向上させることや、エリアセンサーの１方向の素子数(横素子数と呼び、横素子が並ぶ方向を横方向と呼ぶ)を向上させることが必要である。
また用語として、エリアセンサーの各素子の横方向の並びを行と呼び、それに直行する縦方向の並びを列と呼ぶ。
【０００５】
従来技術においてエリアセンサーを用いるマルチチャンネル分光器では、エリアセンサーの縦方向の素子は位置情報として利用される、信号対雑音比の向上を目的とした積算や雑音除去などに利用されるものであった。
また、一般のカメラ画像を記録する場合においては、画素並びを工夫することで解像度を２倍に向上させる、エリアセンサーを空間的に動かすことで解像度を向上させる超解像技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７８４８６号広報
【特許文献２】特開２００７−１９２９１９号広報
【特許文献３】特開２０１０−１６１２００号広報
【特許文献４】特開２０１５−２２７８５８号広報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Applied Optics, vol.31, No.28 (1992) M. Hashimoto
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マルチチャネル分光器では、エリアセンサーにおける波長分解能の上限値であるナイキスト周波数を超えた信号はエイリアシングを生じてしまう。
分散分光の波長情報およびフーリエ変換分光の干渉縞の空間的間隔がエリアセンサーの素子の横方向の長さよりも短い場合には観測されたスペクトルは不正確なものとなる(図１(ｄ))。
【０００９】
マルチチャンネル分光器の波長分解能を向上させるためにはマルチチャンネルセンサーの横素子数を上げる必要があるが、これは一般には製造コストの大幅な増大が伴う。
【００１０】
一方で、汎用性の高いエリアセンサーは多く生産されるため比較的安価に作られているが、横素子数のみではなくそれに直行する方向の素子数(縦素子数と呼び、縦素子の並ぶ方向を縦方向と呼ぶ。)にも配慮されており、エリアセンサー全体での素子数が多くなっている。
【００１１】
そこで、本発明においては、エリアセンサー自体の素子数を変更することなく光学配置の変更のみにより、これまで波長分解能の向上に利用されていなかった縦素子数を有効に利用することで、波長分解能の向上を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
分光器の光学系がセンサーの横方向には波長情報あるいはインターフェログラム情報となっているため、横素子数を改善しなければならない。本発明では、縦素子数を用いることで、横素子数を補う。
【００１３】
具体的には、エリアセンサーを横方向からわずかに傾けて設置する方法が簡単である。
これによって、エリアセンサーの各行ごとにセンサー位置は略横方向に１ピクセル以下のずれを生じることになる。
【００１４】
例えば、図２のようにエリアセンサーの隣り合うピクセルの中心間距離を、横方向ｐxとし、縦方向ｐyとするとき、エリアセンサーの傾け角度θ(ラジアン)に対して、１行ごとのずれ量は(ｐy×θ)である。
【００１５】
つまり、ある行を１行目としたときに、そのｎ行下のずれ量は、(ｎ×ｐy×θ)となり、これが(ｐx)と等しくなったとき、１行目と(ｎ＋１)行目とは１ピクセルのずれでほぼ同じ信号を得ることになる。このようになる１行目からｎ行目までを関心領域(ＲＯＩ：Region of Interest)と呼ぶ(ｎ行ｘＭ列)。
【００１６】
このとき、関心領域の２行目からｎ行目の各行は、１行目の隣り合うピクセルの間の信号を取得していることになる。
これは１行の横素子数がｎ倍になった効果と同様であることを示している。
【００１７】
ただし、実際の測定系に於いてはエリアセンサー上の信号は空間的にわずかな歪みを有していることが多い。
そのため、図４のようにアフィン変換・射影変換などの補正手段をはじめとする歪み補正係数による補正を行い、歪みのない縞状の信号を回復させる。
この補正手段に応じた歪み補正係数の算出は装置設置時に１度行えば、以後は同じ係数を用いた計算が適用できるので、毎回係数を求めなおす必要はない。
実際の測定ではこの歪み補正を行ってから信号を縦方向に読み込んでいく。
【００１８】
すなわち、本発明は、縦素子のｎ行分を、横方向の１ピクセル以下の情報として用いることによって、実質的に横素子数がｎ倍のセンサーとみなすことが可能となる。
【００１９】
従来の検出法では行方向に、連続する波長情報・インターフェログラム情報が形成されていたが、本発明では列方向に、連続する波長情報・インターフェログラム情報が形成され、関心領域の列の下端部では隣接する関心領域の列の上端部との接続により、連続する波長情報・インターフェログラム情報を得ることができる。
関心領域におけるこの再構成法は、関心領域を数学的な行列と想定した際に、その転置行列を求めて、各行をつなぎ合わせるという計算と同じ操作である。
【００２０】
式((エリアセンサーの縦素子数)×ｐy×θ＝ ｐx)が満たされる角度でエリアセンサーを設置したとき、エリアセンサーの上端・下端と関心領域の上端・下端とを一致させることができ、最も効率が高くなる。
【００２１】
信号対雑音比も同時に高めるために、関心領域ごとに積算を行うことも可能である。このときは、関心領域の行の数はエリアセンサーの行の数(縦素子数)の整数分の１にすることが望ましい。
【００２２】
特に効率を求めない場合であれば、エリアセンサーを適当な傾きで設置しても構わないが、エリアセンサー設置後にソフトウェアにて関心領域が、どの部分になるかを求めることも可能である。
素子の読み出しについては、予め関心領域を定めた場合は、分散分光法では読み出された信号列がそのままスペクトル特性を表す順序に、あるいは、フーリエ変換分光法では該スペクトル特性の被フーリエ変換信号列を構成する順序に、関心領域の素子の読み出しを行う。
また事後にソフトウェアにより関心領域を定める場合には、全受光素子を１列ごとに読み出した後にソフトウェアによって適宜定めた関心領域の各信号を上のような順序とすればよい。
【００２３】
本発明は図７に示すインターフェログラムのフーリエ変換を行うフーリエ変換分光法を採用するマルチチャンネル分光器で説明したが、図８に示すような、プリズムやグレーティングやグリズムなどの分散素子を用いる分散分光法によるマルチチャンネル分光器においても適用できる。
【００２４】
類似技術として、超解像技術が知られている。
これは水平あるいは４５度に配置されたセンサーをピクセル間隔以下で動かすなどすることによって得られる多数枚の画像を再構成することで、ピクセル間隔以下の画像情報を得るための技術である。
【００２５】
対象が動く場合には、センサーを動かす必要がないこともあるが、実質的には同じことであり、対象に対してセンサーが動くことで成立する技術である。
これに対して、本発明ではセンサーおよび検出される画像のいずれをも動かす必要がなく、また、１枚のセンサー画像だけからピクセル間隔以下の１次元情報を得るものである。
【発明の効果】
【００２６】
波長分解能を向上させるには、従来は大変高価な素子数の多いエリアセンサーを用いる必要があった。
本発明では素子数の少ないエリアセンサーを斜めに傾けることで横方向に並んだ一列ずつの素子をわずかにずらして配置することと同義になる。
縦素子を有効に活用し、横方向の１ピクセル以下の空間的情報を抽出することが可能となった。
実質的に横素子数を向上することによってより安価な装置構成で、分光器の波長分解能を向上させることができる。
たとえナイキスト周波数以下の信号である場合にも、センサー素子が多い場合には空間的な量子化誤差を避けることができるため、ピーク位置・ピーク強度を正しく検出するために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の課題となるナイキスト周波数を超えてエイリアシングを生じるような周波数の干渉縞の観測を説明する図である。
【図２】本発明の原理となるエリアセンサー設置の概略図である。
【図３】本発明の原理となるエリアセンサーを傾けて設置することによる実質的な素子数の増加を説明する図である。
【図４】本発明の一例となる画像取り込み時の干渉縞の歪み補正を説明する図である。
【図５】ピクセルの読み込み方法の模式図である。
【図６】本発明の一例となる波長分解能が向上した実例を説明する図である。
【図７】本発明を表す干渉分光法によるマルチチャネル分光器の実施例の模式図である。
【図８】本発明を表す分散分光法によるマルチチャネル分光器の実施例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
フーリエ変換分光や分散分光など、本発明は種々のマルチチャネル分光の検出器部分に幅広く適応可能である。
該当する場合にはエリアセンサー上の光強度の空間分布を検出する装置に用いることができる。
【００２９】
なお、分散分光を実現する分散光学系とは入射する被測定光束を波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像を形成する光学系を言い、また、フーリエ変換分光を実現する干渉光学系とは入射する被測定光束を２つの光に分光した後に干渉させて一定方向に沿って現れる干渉縞からなるスペクトル像(インターフェログラム像)を形成する光学系を言う。
【００３０】
分散分光系ではスペクトル像の信号列がそのままスペクトル特性を表す。
一方、干渉光学系では上の干渉縞(インターフェログラム像)の信号列を高速フーリエ変換(FFT)することによって、被測定光束の各周波数成分を横軸としたスペクトル特性に変換される。
【００３１】
一般的には光学系の光軸上に置かれるエリアセンサーは通常光軸に垂直、かつ０次の回折光、０次の明線などを検出器のｙ軸に一致させた光学配置とすることが多い。
本発明は、装置構成は従来のままで、エリアセンサーのみを回転させる、ｘ方向にずらすなどして配置を変更し、ピクセル数を実効的に増やして分解能を向上させる。
該当する場合には、エリアセンサーは固定して分散光学系または干渉光学系を回転またはずらしてもよい。
【実施例１】
【００３２】
図５に、本発明を、フーリエ変換分光法を用いたマルチチャンネル分光装置に適応した例を示す。
【００３３】
アルゴンランプをサンプル光源とし、球面両凸レンズを通してから偏光子で直線偏光とし、方解石のサバール板に入射させた。
サバール板により、空間的に二つに分けられた光は、ともに偏光子と片凸レンズを通過後に、互いにエリアセンサー上で干渉した。
【００３４】
エリアセンサー上で干渉縞を取り込み、歪み補正を行った。
歪みの原因としては、サバール板を用いた干渉計では光の入射方向に起因して、干渉すべき２光線の分離幅が異なるためであることが多い。
このため、干渉パターンをエリアセンサー上に形成するときには、エリアセンサーの上端と下端とでは波長分解能が一致していないことがあるために１次元の縞状とはならず、わずかに歪みを生じる。
【００３５】
これを補正するためには、狭帯域フィルターや輝線スペクトル光源などを利用して、比較的コヒーレンス長の大きなインターフェログラムやスペクトルが生じやすい条件にすると補正がより正確に行える。
一番上の列と一番下の列の干渉縞をそれぞれ波長領域にフーリエ変換したもの同士のスペクトル形状が一致するように台形補正でずれの補正係数を求めた。
台形補正が簡単であるが、非線形補正などをもちいればより正確性が高くなる。
この歪み補正変換を適応した歪み補正を行うことで、歪みが無く、わずかに傾いた(角度θ)インターフェログラムを得る。
装置構成や装置配置に変更がない限り、このとき求められた歪み補正係数に変更は生じないため、毎回歪み補正係数を算出する必要はなく、最初の１回または保守点検の度に行えばよい。
【００３６】
台形補正の効果を確認するため、取得したインターフェログラム(図４(ａ))と、台形補正後にエリアセンサーの傾き角度θ補正を行ったインターフェログラムを(図４(ｂ))に示す。
特に確認の必要がないときには、エリアセンサーの傾き角度補正を行う必要はない。
【００３７】
次に、図５の関心領域ＲＯＩの左上端のピクセル(行,列)＝(１,１)から順に-ｙ方向に干渉縞の明暗線を読み込んでいき、(行,列)＝(ｉ,ｊ＋１)の強度数値データＩ(i, j+1)を(ｉ,ｊ)の数値データであるＩ(i, j)にｐyθだけ横にずらして重ねながらつなぎ合わせた。
【００３８】
ｉ行の読み込み後にｐyθだけ横にずらしてｉ＋１行のデータを同様につなぎ合わせた。
すべてのデータをつなぎ合わせてからフーリエ変換によってスペクトルを求めた。
【００３９】
本発明を適応しなかった図６(ａ)ではエイリアシングにより本来の光源のスペクトルは得られなかったが、本発明を適応した図６(ｂ)では波長分解能が向上し、本来のスペクトル形状が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
従来、マルチチャンネル分光用途のエリアセンサーは、波長分解能を高くするために横素子数が多く、コストを抑えるために縦素子数が少ないという特殊な仕様が用いられることが多い。
【００４１】
しかしながら、特殊な仕様のエリアセンサーは量産効果が望めないために、低価格化にも限界がある。
本発明を利用すれば、汎用で量産されているエリアセンサーを用いることができるため、コストパフォーマンスを高めることができる。
【００４２】
可視光以外の分光装置では、特に素子数の多いセンサーの開発が困難か非常に高価であるため、マルチチャンネル分光法が導入されていないこともある。
可視光ではエリアセンサーの低価格化とともに、以前の波長走査・インターフェログラム走査の必要なシングルチャンネル分光法から、マルチチャンネル分光法へと進展してきた経緯があり、同様に赤外光・紫外光・Ｘ線においてもマルチチャンネル分光は大きなメリットをもたらすと期待される。
【００４３】
エリアセンサーの価格が分光装置の原価の大きい部分を占める。センサーの素子数が多くなるにつれて波長分解能は上がるものの、大幅に価格が上がってしまうため、仕様範囲の選定が難点となっている。
【００４４】
本発明ではいかなる波長領域においても、どの仕様のエリアセンサーにおいても、使用する素子数装置を変更せずに、わずかな光学的配置の変更のみをもって、実効的に高価なセンサーと同じ効果をもたらす。
ローコストで高分解能センサーを実現するため、市販される汎用センサーで有効に活用されるだろう。
【００４５】
本発明の適用範囲である縞状の１次元分布としては、マルチチャンネル分光装置がその代表例であるが、一般的に縞状の分布に対してはその解像度を向上することが可能であるため、この他にも１次元バーコードリーダーや、計測器に内蔵されたエンコーダーや各種スケールの自動読み取り装置などへの適用が考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１  エリアセンサー
２  インターフェログラム像
３  スペクトル像
４  レンズ
５  偏光板
６  ビームスプリッター
７  レンズ
８  試料
９  光源
１０  グレーティング
１１  レンズ
１２  分散光学系
１３  干渉光学系
１４  被測定光束
１５  波長軸
１６  インターフェログラム軸
【図１】
2018004350.tif 000003
【図２】
2018004350.tif 000004
【図３】
2018004350.tif 000005
【図４】
2018004350.tif 000006
【図５】
2018004350.tif 000007
【図６】
2018004350.tif 000008
【図７】
2018004350.tif 000009
【図８】
2018004350.tif 000010