(57)【要約】【課題】光学要素の移動を伴わない簡単な構成でありながら、分光精度・分光再現性の高い小型の分光光学装置と分光分析装置を提供する。【解決手段】分光光学装置１０は、遮光板５と可変焦点レンズ６と受光部９を有する。遮光板５は、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に対する入射光を遮り、光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１に対する入射光の少なくとも一部を透過させる。可変焦点レンズ６は、遮光板５を透過した光を収束させる正の屈折力を可変に有する。受光部９は、可変焦点レンズ６の屈折力の強さにかかわらず可変焦点レンズ６に対する相対位置が固定であって、可変焦点レンズ６から射出した光を軸外側から光束規制して受光する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を含む軸上領域に対する入射光を遮り、かつ、光軸から離れた軸外領域に対する入射光の少なくとも一部を透過させる遮光部材と、
前記遮光部材を透過した光を収束させる正の屈折力を可変に有する可変焦点レンズと、
前記屈折力の強さにかかわらず前記可変焦点レンズに対する相対位置が固定であって、前記可変焦点レンズから射出した光を軸外側から光束規制して受光する受光部と、
を有することを特徴とする分光光学装置。
【請求項２】
前記可変焦点レンズが、印加電圧に応じて前記屈折力を変化させる媒質を有することを特徴とする請求項１記載の分光光学装置。
【請求項３】
前記媒質に電圧を印加するための電極、及びその電極と同じ材料から成る前記遮光部材が、前記媒質の表面に設けられていることを特徴とする請求項２記載の分光光学装置。
【請求項４】
前記可変焦点レンズが、屈折率の異なる２種類の媒質の界面の曲率を変化させることにより、前記屈折力を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項５】
前記２種類の媒質が低屈折率の第１媒質と高屈折率の第２媒質とから成り、前記第１媒質の光入射側面と前記第２媒質の光射出側面が平面から成り、前記第１媒質と前記第２媒質との界面が前記遮光部材側に凸の形状を有し、前記第１媒質の光入射側面に対して平行光が入射することを特徴とする請求項４記載の分光光学装置。
【請求項６】
前記２種類の媒質が２枚の平行平板の間に挟み込まれるように封止されており、一方の平行平板の表面に前記遮光部材が設けられていることを特徴とする請求項４又は５記載の分光光学装置。
【請求項７】
前記可変焦点レンズが、電気光学結晶から成る媒質の屈折率を特定方向の分布を伴って変化させることにより、前記屈折力を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項８】
前記受光部が、前記可変焦点レンズから射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の分光光学装置と、前記可変焦点レンズに対する印加電圧を制御して、前記印加電圧とそのとき受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光光学装置とそれを備えた分光分析装置に関するものであり、例えば、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光光学装置と、それを用いて分光分析を行う分光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より様々なタイプの分光分析装置が知られている。なかでも、特許文献１，２等で提案されている分光分析装置は、分光に屈折レンズの軸上色収差を利用することにより、簡単な構成で分光機能の実現を可能としている。つまり、測定対象となる光を高分散の屈折レンズで収束させることにより軸上色収差を大きく発生させ、収束点付近に配置した光束規制用の開口を光軸に沿って相対的に移動させることにより分光を行う構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７１５２８号公報
【特許文献２】特開２００９−１９２２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１，２で提案されている分光方法では、光学要素（例えば、屈折レンズ，ピンホール板又は光センサー）をメカ的に動かすことにより分光走査を行う構成になっているため、駆動機構の精度や再現性を確保するのが難しい。したがって、高い分光精度を高い再現性で得ようとすると、構成の複雑化・大型化を招いてしまう。
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、光学要素の移動を伴わない簡単な構成でありながら、分光精度及び分光再現性の高い小型の分光光学装置と、それを備えた分光分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、第１の発明の分光光学装置は、光軸を含む軸上領域に対する入射光を遮り、かつ、光軸から離れた軸外領域に対する入射光の少なくとも一部を透過させる遮光部材と、前記遮光部材を透過した光を収束させる正の屈折力を可変に有する可変焦点レンズと、前記屈折力の強さにかかわらず前記可変焦点レンズに対する相対位置が固定であって、前記可変焦点レンズから射出した光を軸外側から光束規制して受光する受光部と、を有することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明の分光光学装置は、上記第１の発明において、前記可変焦点レンズが、印加電圧に応じて前記屈折力を変化させる媒質を有することを特徴とする。
【０００８】
第３の発明の分光光学装置は、上記第２の発明において、前記媒質に電圧を印加するための電極、及びその電極と同じ材料から成る前記遮光部材が、前記媒質の表面に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明の分光光学装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記可変焦点レンズが、屈折率の異なる２種類の媒質の界面の曲率を変化させることにより、前記屈折力を変化させることを特徴とする。
【００１０】
第５の発明の分光光学装置は、上記第４の発明において、前記２種類の媒質が低屈折率の第１媒質と高屈折率の第２媒質とから成り、前記第１媒質の光入射側面と前記第２媒質の光射出側面が平面から成り、前記第１媒質と前記第２媒質との界面が前記遮光部材側に凸の形状を有し、前記第１媒質の光入射側面に対して平行光が入射することを特徴とする。
【００１１】
第６の発明の分光光学装置は、上記第４又は第５の発明において、前記２種類の媒質が２枚の平行平板の間に挟み込まれるように封止されており、一方の平行平板の表面に前記遮光部材が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
第７の発明の分光光学装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記可変焦点レンズが、電気光学結晶から成る媒質の屈折率を特定方向の分布を伴って変化させることにより、前記屈折力を変化させることを特徴とする。
【００１３】
第８の発明の分光光学装置は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記受光部が、前記可変焦点レンズから射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明の分光分析装置は、上記第１〜第８のいずれか１つの発明に係る分光光学装置と、前記可変焦点レンズに対する印加電圧を制御して、前記印加電圧とそのとき受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、正の屈折力を可変に有する可変焦点レンズと、その屈折力の強さにかかわらず可変焦点レンズに対する相対位置が固定の受光部と、を有する構成になっているため、光学要素の移動を伴わない簡単な構成でありながら、分光精度及び分光再現性の高い小型の分光光学装置と、高精度・高再現性の分光機能を有する小型の分光分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】分光分析装置の実施の形態を示す模式図。
【図２】分光光学装置の実施の形態を模式的に示す要部断面図。
【図３】遮光板の具体例を模式的に示す平面図。
【図４】可変焦点レンズの第１変形例を模式的に示す断面図。
【図５】可変焦点レンズの第２変形例を模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る分光光学装置及び分光分析装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、具体例，変形例等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１８】
図１に分光分析装置の一実施の形態を示し、図２に分光光学装置の一実施の形態の要部構成を示す。分光分析装置３０は、図１に示すように、光源１，分光光学装置１０，コンピュータ２０等を備えた分光分析システムである。また分光光学装置１０は、図１及び図２に示すように、測定対象部３，コリメータレンズ４，遮光板５，可変焦点レンズ６，受光部９等を備え、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光ユニットである。
【００１９】
光源１の波長分光を行う場合、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通ってそのまま測定対象部３から出射される。試料の波長分光を行う場合（例えば、近赤外領域の吸収量で試料の水分量，成分量等を計測する場合）、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通って試料に照射され、そこで発生した光（反射光又は透過光）が測定対象部３から出射される。測定対象部３から出射された発散光は、コリメータレンズ４で平行光となり、遮光板５に入射する。
【００２０】
図３に、光軸ＡＸに沿って見た遮光板５を示す。遮光板５は、図２及び図３に示すように、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に対する入射光を遮り、かつ、光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１に対する入射光Ｌの少なくとも一部を透過させる遮光部材である。軸外領域Ａ１にはリング状の開口５ｈが同心円状に形成されており、この開口５ｈの形成領域が透過領域となる。分光に軸上色収差を利用する場合、軸上付近（つまり光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２）の光線が光センサー８に入射してノイズにならないようにする必要があるが、この実施の形態では、遮光板５で少なくとも軸上領域Ａ２の光を遮ることにより、ノイズの発生を効果的に防止して高精度の分光を行うことを可能としている。
【００２１】
軸外領域Ａ１の開口５ｈを透過した平行光Ｌは、図２に示すように、可変焦点レンズ６に入射する。可変焦点レンズ６は、導電性を有する水性液体Ｍ１、絶縁性を有する油性液体Ｍ２、これら２種類の媒質Ｍ１，Ｍ２を挟み込むように封止する２枚の平行平板６ａ，６ｂ、水性液体Ｍ１に設けられた電極Ｂ１、油性液体Ｍ２に設けられた電極Ｂ２等で構成されている。水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２とは屈折率が異なっており、水性液体Ｍ１が低屈折率の第１媒質であり、油性液体Ｍ２が高屈折率の第２媒質である。
【００２２】
水性液体Ｍ１の光入射側面Ｓ１と油性液体Ｍ２の光射出側面Ｓ２は、平行平板６ａ，６ｂにそれぞれ接しているため、平面から成っている。また、水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２との界面ＣＳが、後述する電圧の印加によって遮光板５側に凸の形状（つまり、回転対称なレンズ面形状）を有し、その結果、可変焦点レンズ６が平行光Ｌを収束させる正の屈折力（屈折力：焦点距離の逆数で定義される量）を有する構成になっている。なお、ここでは点状に集光することを想定しているが、界面ＣＳが遮光板５側に凸のシリンドリカル面形状を有するように電極Ｂ１，Ｂ２を配置して、その屈折作用で線状に集光させ、光センサー８としてラインセンサーを用いて受光する構成にしてもよい。
【００２３】
水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２は、印加電圧に応じて水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２との界面ＣＳの曲率を変化させる媒質であり、電気濡れ現象（表面張力の変化）により界面ＣＳの曲率が変化するように構成されている。つまり、水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２は、印加電圧に応じて屈折力を変化させる媒質であり、印加電圧が大きくなるほど界面ＣＳの曲率が強くなるので、電極Ｂ１，Ｂ２間に印加する電圧を変化させることにより、可変焦点レンズ６の正の屈折力を変化させることができる。このように、可変焦点レンズ６が光Ｌを収束させる正の屈折力を可変に有することにより、遮光板５を透過した平行光Ｌの結像位置を変化させることができる。
【００２４】
可変焦点レンズ６の界面ＣＳで収束した光Ｌは、受光部９に向けて集光される。受光部９は、可変焦点レンズ６から射出した光Ｌをその収束点近傍で通過させる開口７ｈを有する光束規制部材７と、開口７ｈを通過した光Ｌを検出する光センサー８と、を有しており、前記屈折力の強さにかかわらず可変焦点レンズ６に対する受光部９の相対位置は固定になっている。また、可変焦点レンズ６から射出した光Ｌを光束規制部材７で軸外側から光束規制して受光するため、開口７ｈの位置及び大きさで決まる所定の範囲で結像する光線以外は、開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られることになる。
【００２５】
水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２とでは屈折率差があるため、界面ＣＳでは軸上色収差が発生する。その結果、界面ＣＳから射出した光は波長ごとに異なった位置で結像することになる。屈折作用を有する界面ＣＳでは、波長λが短くなると屈折角が大きくなるため、図２に示すように、波長λの短い光（λ１＜λ２＜λ３）ほど可変焦点レンズ６に近い位置で結像することになる。
【００２６】
したがって、電極Ｂ１，Ｂ２間に印加する電圧を大きくして、界面ＣＳの曲率を強くしていくと、可変焦点レンズ６の正の屈折力が強く（焦点距離が短く）なって、結像位置（つまり集光位置）が可変焦点レンズ６側へと移動するので、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、短波長λ１側から長波長λ３側へと変化する。逆に、電極Ｂ１，Ｂ２間に印加する電圧を小さくして、界面ＣＳの曲率を弱くしていくと、可変焦点レンズ６の正の屈折力が弱く（焦点距離が長く）なって、結像位置が光センサー８側へと移動するので、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、長波長λ３側から短波長λ１側へと変化する。
【００２７】
上記のように、電極Ｂ１，Ｂ２間に印加する電圧（結果として、界面ＣＳの曲率による正の屈折力）は波長λと対応しているため、可変焦点レンズ６に対する印加電圧の制御により受光部９に対する収束光の走査を行うと、印加電圧と光センサー８で検出した光強度から、各波長の光強度（分光強度）を電気的な信号として出力することができる。光センサー８からの出力は、図１に示すように、ＵＳＢケーブル２Ｂを介してコンピュータ２０（本体２０ａ，モニター２０ｂ等から成る。）に送られる。コンピュータ２０では、本体２０ａが電極Ｂ１，Ｂ２間に印加する電圧を制御して、印加電圧とそのとき受光した光の強度との関係から波長分布を算出し、得られた波長分布をモニター２０ｂで表示する。なお、光センサー８としては、例えばフォトダイオードが挙げられ、赤外領域の分光を行う場合にはＩｎＧａＡｓセンサーが挙げられる。
【００２８】
ところで、可変焦点レンズ６又は受光部９をメカ的に動かすことにより分光走査を行おうとすると、駆動機構の精度や再現性を確保するのが困難になる。そのため、高い分光精度を高い再現性で得ようとすると、構成の複雑化・大型化を招いてしまう。それに対し、この実施の形態のように、正の屈折力を可変に有する可変焦点レンズ６で分光走査を行うと、メカ的な駆動が必要無いため、駆動機構の精度や再現性を確保するのが容易になって、精度や再現性の高い分光が可能となる。
【００２９】
したがって、この分光光学装置１０によれば、正の屈折力を可変に有する可変焦点レンズ６と、その屈折力の強さにかかわらず可変焦点レンズ６に対する相対位置が固定の受光部９と、を有する構成になっているため、光学要素の移動を伴わない簡単な構成で分光光学装置１０の小型化を達成しながら、高い精度及び再現性の分光特性を得ることができる。そして、この分光光学装置１０を用いることにより、高精度・高再現性の分光機能を有する小型の分光分析装置３０を実現することができる。
【００３０】
軸上色収差を大きく発生させれば分光の高精度化が可能になるので、軸上色収差を大きくするような可変焦点レンズ６を用いることが好ましい。例えば、２種類の媒質の屈折率差を大きくしたり、片方の波長分散を大きくしたり、界面ＣＳの曲率が強い範囲で分光走査を行ったりすればよい。
【００３１】
図２に示す可変焦点レンズ６では、界面ＣＳが遮光板５側に凸の形状になっているが、水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２とを逆にして、界面ＣＳを受光部９側に凸の形状にしてもよい。ただし、コリメータ側（平行光側）に凸面を配置することが、球面収差を小さくする上で好ましい。つまり、図２に示すように、高屈折率の油性液体Ｍ２の光射出側面Ｓ２を平面とし、水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２との界面ＣＳを遮光板５側に凸の形状とし、光入射側面Ｓ１に対して平行光を入射させることが好ましい。この構成によると、平面状の光入射側面Ｓ１と凸面状の界面ＣＳに平行光が入射して、界面ＣＳと光射出側面Ｓ２で屈折作用を受けることになるため、球面収差を小さくして、波長ごとの集光位置にバラツキが発生することを防止することができる。
【００３２】
したがって、屈折率の異なる２種類の媒質の界面の曲率を変化させることにより、屈折力を変化させる可変焦点レンズを用いる場合、低屈折率の第１媒質の光入射側面と高屈折率の第２媒質の光射出側面を平面とし、第１媒質と第２媒質との界面を光入射側（遮光部材側）に凸の形状とし、第１媒質の光入射側面に対して平行光が入射する構成にすることが好ましい。なお、界面ＣＳが発散光に対するコリメーション機能を合わせ持つようにしてもよく、平行平板６ａを平凸レンズで構成してもよい。
【００３３】
図２に示す遮光板５は、可変焦点レンズ６とは別部材になっているが、可変焦点レンズ６の一方の平行平板６ａ又は６ｂの表面に遮光板５を設けてもよい。例えば、平行平板６ａ又は６ｂの表面に、遮光板６を貼り付けてもよく、遮光コーティングにより遮光領域を形成してもよい。また、水性液体Ｍ１と油性液体Ｍ２に電圧を印加するための電極Ｂ１，Ｂ２と同じ材料から成る遮光板５を、水性液体Ｍ１又は油性液体Ｍ２の表面に設けてもよい。電極Ｂ１，Ｂ２と遮光板５を同一の材料（銀，金等）で同時に形成することにより、分光光学装置１０を簡単かつコンパクトに構成することができ、低コスト化にも寄与することができる。
【００３４】
この実施の形態では、光ファイバー２Ａ（図１）としてマルチモードファイバーを用いることを想定しているが、光ファイバー２Ａとしてバンドルファイバーを用いてもよい。その場合、軸上領域Ａ２（図２，図３）に相当する部分のファイバーを抜いて中空の状態にするのが好ましい。中空のバンドルファイバーを光ファイバー２Ａとして用いれば、遮光板５を省略することができる。つまり、軸上付近の光線が光センサー８に入射してノイズにならないようにすることができる。したがって、遮光板５を用いなくても軸上付近の光量を減らして、分光精度を向上させることが可能となる。
【００３５】
図２等に示す可変焦点レンズ６は、屈折率の異なる２種類の媒質Ｍ１，Ｍ２の界面ＣＳの曲率を変化させることにより、正の屈折力を変化させる構成になっているが、図４に示すように、電気光学結晶から成る媒質：ＫＴＮ単結晶１１の屈折率を特定方向の分布を伴って変化させることにより、正の屈折力を変化させる可変焦点レンズ６Ａ（第１変形例）を用いてもよい。ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）は、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（１＜ｘ＜１）という化学式で表現されるペロブスカイト型の結晶構造を持つ酸化物であり、電界を印加すると屈折率が変化する、いわゆる電気光学（ＥＯ）効果が非常に大きい材料である。
【００３６】
図４に示すように、同心円状に対向配置したリング状の電極１２ａ，１２ｂに電圧を印加すると、電極１２ａ，１２ｂの間に電界が発生する（Ｅ：電気力線）。電界は電極１２ａ，１２ｂの間の、光Ｌが透過する部分にも染み出す。このとき、電極１２ａ，１２ｂに近い方が電界が大きく、電極１２ａ，１２ｂから離れるほど電界は小さくなるので、中央部分での電界が最も小さくなる。前述したようにＫＴＮにはＥＯ効果があり、電界の２乗に比例した屈折率変化が起こるので、電極１２ａ，１２ｂに近い部分で屈折率が大きく変化し、中央部では屈折率はあまり変化しない（つまり、電極に近いほど屈折率が下がる。）。結果として、屈折率分布型のレンズ構造をとることになる。屈折率が変調されると、光は屈折率の高いほうに進んでいく傾向があるので、中央部に集光されるような光Ｌが出射される。高い電圧をかけるほど屈折率変調は大きくなるので、光は強く集光され、正の屈折力は強くなる。したがって、前述の可変焦点レンズ６を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
図５に示すように、シリンドリカルレンズと同様の屈折作用を直交する方向に組み合わせることにより、入射光Ｌを１点に集光させる可変焦点レンズ６Ｂ（第２変形例）を用いてもよい。この可変焦点レンズ６Ｂは、２つのＫＴＮ単結晶１１Ａ，１１Ｂを備えている。ＫＴＮ単結晶１１Ａには互いに平行な直線状の電極１２Ａが設けられており、一方、ＫＴＮ単結晶１１Ｂにも互いに平行な直線状の電極１２Ｂが設けられている。ただし、電極１２Ａと電極１２Ｂとでは対向方向が直交しているため、ＫＴＮ単結晶１１Ａでの光電界ＥＡの方向とＫＴＮ単結晶１１Ｂでの光電界ＥＢの方向とは互いに直交している。
【００３８】
したがって、電極１２ＡでＫＴＮ単結晶１１Ａに電圧を印加することにより、光電界ＥＡの一方向に集光が行われ、電極１２ＢでＫＴＮ単結晶１１Ｂに電圧を印加することにより、光電界ＥＢの一方向に集光が行われる。集光方向が縦横に直交しているので、前記可変焦点レンズ６Ａと同様に入射光Ｌは１点に集光することになる。ただし、光電界ＥＡ，ＥＢの向きを各ＫＴＮ単結晶１１Ａ，１１Ｂに合わせないと屈折作用が逆になるので、２つのＫＴＮ単結晶１１Ａ，１１Ｂの間にλ／２板１３を挿入することによって、光電界ＥＡ（つまり偏光方向）を９０度回転させている。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ１    軸外領域
Ａ２    軸上領域
Ｂ１，Ｂ２    電極
ＣＳ    界面
Ｍ１    水性液体（第１媒質）
Ｍ２    油性液体（第２媒質）
１    光源
２Ａ    光ファイバー
２Ｂ    ＵＳＢケーブル
３    測定対象部
４    コリメータレンズ
５    遮光板（遮光部材）
５ｈ    開口（透過領域）
６，６Ａ，６Ｂ    可変焦点レンズ
７    光束規制板
７ｈ    開口
８    光センサー
９    受光部
１０    分光光学装置
１１    ＫＴＮ単結晶
１２ａ，１２ｂ，１２Ａ，１２Ｂ    電極
１３    λ／２板
２０    コンピュータ
３０    分光分析装置
【図１】
2011257215.tif 000003
【図２】
2011257215.tif 000004
【図３】
2011257215.tif 000005
【図４】
2011257215.tif 000006
【図５】
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