(57)【要約】【課題】干渉パターンにおける干渉縞を平行に並ばせる。【解決手段】補正されていない干渉パターンは、第１領域ＲＧ１及び第２領域ＲＧ２を有している。第１領域ＲＧ１では、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチｐ１で並んでいる。第２領域ＲＧ２は、当該一方向に直交する方向に第１領域ＲＧ１と並んでおり、第２領域ＲＧ２では、干渉縞の他の一部分が上述した一方向に第２ピッチｐ２で並んでいる。第２ピッチｐ２は、第１ピッチｐ１と異なっている。補正された干渉パターンでは、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差が小さくなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を第１直線偏光と、前記第１直線偏光の振動方向と直交する振動方向を有する第２直線偏光と、に分離するためのビームスプリッタと、
前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光によって生成される干渉パターンを補正するための光学部材と、
を備え、
前記光学部材によって補正されていない前記干渉パターンは、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチで並ぶ第１領域と、前記一方向に直交する方向に前記第１領域と並んでおり、干渉縞の他の一部分が前記一方向に前記第１ピッチと異なる第２ピッチで並ぶ第２領域と、を有し、
前記光学部材は、前記第１ピッチと前記第２ピッチの差が小さくなるように前記干渉パターンを補正する、分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分光装置において、
前記第２ピッチは、前記第１ピッチより大きく、
前記光学部材は、前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を集光可能であり、
前記光学部材は、第１焦点距離を有する第１部分と、前記第１焦点距離より短い第２焦点距離を有する第２部分と、を含み、
前記干渉パターンにおける前記第１領域の干渉縞を生成する前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光は、前記光学部材の前記第１部分を通過し、
前記干渉パターンにおける前記第２領域の干渉縞を生成する前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光は、前記光学部材の前記第２部分を通過する、分光装置。
【請求項３】
請求項２に記載の分光装置において、
前記光学部材は、前記第１部分と前記第２部分の間にあって、前記第１焦点距離より短く、前記第２焦点距離より長い第３焦点距離を有する第３部分を含む、分光装置。
【請求項４】
請求項３に記載の分光装置において、
前記光学部材の焦点距離は、前記第１部分から前記第３部分を経由して前記第２部分にかけて、実質的に連続的に減少している、分光装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の分光装置において、
第１方向に並ぶ複数の行と、前記第１方向に直交する第２方向に並ぶ複数の列と、に沿って配置された複数の画素を有する検出器と、
前記検出器の検出結果を処理するための処理器と、
をさらに備え、
前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光によって前記複数の画素上に生成される干渉パターンの干渉縞は、前記第２方向に並び、
前記処理器は、各画素の検出結果を前記第１方向に積算する処理を行う、分光装置。
【請求項６】
ビームスプリッタによって、光を第１直線偏光と、前記第１直線偏光の振動方向と直交する振動方向を有する第２直線偏光と、に分離し、
前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光によって生成される干渉パターンを光学部材によって補正し、
前記光学部材によって補正されていない前記干渉パターンは、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチで並ぶ第１領域と、前記一方向に直交する方向に前記第１領域と並んでおり、干渉縞の他の一部分が前記一方向に前記第１ピッチと異なる第２ピッチで並ぶ第２領域と、を有し、
前記光学部材は、前記第１ピッチと前記第２ピッチの差が小さくなるように前記干渉パターンを補正する、分光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光装置及び分光方法に関し、特に、マルチチャネルフーリエ変換分光に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチチャネルフーリエ変換分光では、ビームスプリッタによって光を第１直線偏光と第２直線偏光に分離して、第１直線偏光及び第２直線偏光によって干渉パターンを生成することがある。第１直線偏光の振動方向と第２直線偏光の振動方向は、互いに直交している。特許文献１では、サバール板をビームスプリッタとして用いている。特許文献２では、ウォラストンプリズムをビームスプリッタとして用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−２６８２３４号公報
【特許文献２】特開２００２−１６８６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１直線偏光及び第２直線偏光によって生成された干渉パターンは、理想的には、平行に並ぶ干渉縞を有する。しかしながら、実際には、ビームスプリッタに起因して、非平行に並ぶ干渉縞が生成される場合があることを本発明者は見出した。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、干渉パターンにおける干渉縞を平行に並ばせることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る分光装置は、ビームスプリッタ及び光学部材を備えている。ビームスプリッタは、光を第１直線偏光と、第２直線偏光と、に分離するためのものである。第２直線偏光は、第１直線偏光の振動方向と直交する振動方向を有する。光学部材は、第１直線偏光及び第２直線偏光によって生成される干渉パターンを補正するためのものである。光学部材によって補正されていない干渉パターンは、第１領域及び第２領域を有する。第１領域では、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチで並んでいる。第２領域は、上述した一方向に直交する方向に第１領域と並んでいる。第２領域では、干渉縞の他の一部分が上述した一方向に第２ピッチで並んでいる。第２ピットは、第１ピッチと異なっている。光学部材は、第１ピッチと第２ピッチの差が小さくなるように干渉パターンを補正する。
【０００７】
本発明に係る分光方法では、ビームスプリッタによって光を第１直線偏光と、第２直線偏光と、に分離し、第１直線偏光及び第２直線偏光によって生成される干渉パターンを光学部材によって補正する。第２直線偏光は、第１直線偏光の振動方向と直交する振動方向を有する。光学部材によって補正されていない干渉パターンは、第１領域及び第２領域を有する。第１領域では、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチで並んでいる。第２領域は、上述した一方向に直交する方向に第１領域と並んでいる。第２領域では、干渉縞の他の一部分が上述した一方向に第２ピッチで並んでいる。第２ピットは、第１ピッチと異なっている。光学部材は、第１ピッチと第２ピッチの差が小さくなるように干渉パターンを補正する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、干渉パターンにおける干渉縞を平行に並ばせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る分光装置を説明するための図である。
【図２】（ａ）は、図１に示した光学部材によって補正されていない干渉パターンの一例を説明するための図であり、（ｂ）は、図１に示した光学部材によって補正された干渉パターンの一例を説明するための図である。
【図３】図１に示したビームスプリッタの詳細を説明するための図である。
【図４】干渉パターンの形状が変形し得る理由を説明するための図である。
【図５】図１に示した光学部材の詳細の第１例を説明するための図である。
【図６】図１に示した光学部材の詳細の第２例を説明するための図である。
【図７】図１に示した検出器の詳細の一例を説明するための図である。
【図８】図１に示した検出器の詳細の一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１１】
図１は、実施形態に係る分光装置を説明するための図である。図２（ａ）は、図１に示した光学部材７０によって補正されていない干渉パターンの一例を説明するための図であり、図２（ｂ）は、図１に示した光学部材７０によって補正された干渉パターンの一例を説明するための図である。
【００１２】
図１及び図２を用いて、分光装置の概要を説明する。図１に示すように、分光装置は、ビームスプリッタ４０及び光学部材７０を備えている。ビームスプリッタ４０は、光を第１直線偏光と、第２直線偏光と、に分離するためのものである。第２直線偏光は、第１直線偏光の振動方向と直交する振動方向を有している。光学部材７０は、第１直線偏光及び第２直線偏光によって生成される干渉パターンを補正するためのものである。図２（ａ）に示すように、光学部材７０によって補正されていない干渉パターンは、第１領域ＲＧ１及び第２領域ＲＧ２を有している。第１領域ＲＧ１では、干渉縞の一部分が一方向に第１ピッチｐ１で並んでいる。第２領域ＲＧ２は、当該一方向に直交する方向に第１領域ＲＧ１と並んでおり、第２領域ＲＧ２では、干渉縞の他の一部分が上述した一方向に第２ピッチｐ２で並んでいる。第２ピッチｐ２は、第１ピッチｐ１と異なっており、図２（ａ）に示す例では、第１ピッチｐ１より大きくなっている。図２（ｂ）に示すように、光学部材７０は、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差が小さくなるように、図２（ｂ）に示す例では第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２が互いに実質的に等しくなるように、干渉パターンを補正する。
【００１３】
上述した構成においては、干渉パターンにおける干渉縞を平行に並ばせることができる。具体的には、図４を用いて後述するように、ビームスプリッタ４０に起因して、干渉パターンの形状は、理想的な形状から図２（ａ）に例示される形状に変形することがある。上述した構成においては、光学部材７０は、図２（ａ）に示した第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差が小さくなるように、干渉パターンを補正する。したがって、図２（ｂ）に示すように、干渉パターンにおける干渉縞を平行に並ばせることができる。
【００１４】
図１を用いて、分光装置の詳細を説明する。図１に示す分光装置によって、マルチチャネルフーリエ変換分光が行われる。
【００１５】
分光装置は、光源１０、レンズ２０、偏光子３０、ビームスプリッタ４０、偏光子５０、レンズ６０、光学部材７０及び検出器８０を備えている。
【００１６】
光源１０は、分光装置で測定される光を発する。この光は、例えば、試料を透過した光、試料で散乱した光又は試料の発光である。この光は、例えば赤外線であるが、可視光又は紫外線であってもよい。
【００１７】
光源１０からの光は、レンズ２０を透過する。レンズ２０は、光源１０からの光をコリメート光に変換する。言い換えると、レンズ２０は、コリメートレンズである。
【００１８】
レンズ２０からの光は、偏光子３０に入射する。偏光子３０を透過した光は、偏光子３０の透過軸と同じ方向に振動する直線偏光となる。一例において、偏光子３０は、ワイヤグリッドである。
【００１９】
偏光子３０を透過した光は、ビームスプリッタ４０によって２つの直線偏光、すなわち、第１直線偏光及び第２直線偏光に分離される。第１直線偏光及び第２直線偏光は、ビームスプリッタ４０とレンズ６０の間において、互いに平行になっている。図１に示す例において、ビームスプリッタ４０は、サバール板であり、第１結晶板４２及び第２結晶板４４を有している。一例において、第１結晶板４２及び第２結晶板４４は、イットリウムバナデート（ＹＶＯ４）により形成されている。他の例において、第１結晶板４２及び第２結晶板４４は、例えば、方解石（ＣａＣＯ３）、石英（ＳｉＯ２）又は酸化チタン（ＴｉＯ２）により形成されていてもよいし、又は例えば、液晶、複屈折ポリマー又はポーリングにより光学異方性を有するガラスにより形成されていてもよい。
【００２０】
他の例において、光学部材４０は、ウォラストンプリズムであってもよい。以下、光学部材４０はサバール板として説明を行う。
【００２１】
ビームスプリッタ４０から出射された２つの直線偏光（第１直線偏光及び第２直線偏光）は、偏光子５０、レンズ６０及び光学部材７０を透過して、検出器８０に向けて照射される。一例において、偏光子５０は、ワイヤグリッドである。
【００２２】
図２を用いて、干渉パターンの詳細を説明する。
【００２３】
図２（ａ）に示す干渉パターンは、図１に示した光学部材７０によって補正されていない。図２（ａ）に示す干渉パターンの干渉縞は、非平行に並んでおり、具体的には、第１領域ＲＧ１から第２領域ＲＧ２に向けて干渉縞のピッチが広がっている。
【００２４】
図２（ｂ）に示す干渉パターンは、図１に示した光学部材７０によって補正されている。図２（ｂ）に示す干渉パターンの干渉縞は、平行に並んでいる。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、補正された干渉パターンでは、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差が小さくなっており、具体的には、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２が互いに実質的に等しくなっている。
【００２６】
一例において、図２（ｂ）に示す干渉パターンでは、図２（ａ）に示した第１ピッチｐ１を広げ、図２（ａ）に示した第２ピッチｐ２を狭めることで、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差を小さくすることができる。
【００２７】
図３は、図１に示したビームスプリッタ４０の詳細を説明するための図である。図３において、Ｘ１方向、Ｘ２方向及びＸ３方向は、互いに直交している。
【００２８】
第１結晶板４２及び第２結晶板４４は、Ｘ３方向に沿って並んでいる。第１結晶板４２は、Ｘ２−Ｘ３面において、Ｘ３方向から４５°傾いた光学軸を有しており、第２結晶板４４は、Ｘ３−Ｘ１面において、Ｘ３方向から４５°傾いた光学軸を有している。
【００２９】
光は、第１結晶板４２内において、Ｘ２−Ｘ３面に沿って、常光線ｏ及び異常光線ｅに分離される。常光線ｏは、第１結晶板４２の入射面において屈折することなく、第１結晶板４２内をＸ３方向に沿って進行する。異常光線ｅは、第１結晶板４２の入射面において屈折して、第１結晶板４２内をＸ３方向から傾いた方向に進行する。
【００３０】
第１結晶板４２における常光線ｏは、第１結晶板４２と第２結晶板４４の境界においてＸ３−Ｘ１面に沿って屈折し、第２結晶板４４内において異常光線ｅとなり、第２結晶板４４内をＸ３方向から傾いた方向に進行する。これに対して、第１結晶板４２における異常光線ｅは、第１結晶板４２と第２結晶板４４の境界においてＸ２−Ｘ３面に沿って屈折し、第２結晶板４４内において常光線ｏとなり、第２結晶板４４内においてＸ３方向に沿って進行する。
【００３１】
第２結晶板４４における異常光線ｅは、第２結晶板４４から出射されて、Ｘ３方向に沿って進行する。同様にして、第２結晶板４４における常光線ｏは、第２結晶板４４から出射されて、Ｘ３方向に沿って進行する。このようにして、第２結晶板４４からは、２つの平行な直線偏光、すなわち、第１直線偏光及び第２直線偏光が出射される。
【００３２】
このようにして、ビームスプリッタ４０は、光を第１直線偏光及び第２直線偏光に分離する。
【００３３】
図４は、干渉パターンの形状が変形し得る理由を説明するための図である。図４における、Ｘ１方向、Ｘ２方向及びＸ３方向に対するビームスプリッタ４０の位置は、図３における、Ｘ１方向、Ｘ２方向及びＸ３方向に対するビームスプリッタ４０の位置と同様である。
【００３４】
図４に示すように、Ｘ３方向から角度ｉ及びＸ１−Ｘ２面に沿ってＸ１から角度γだけ傾いて光がビームスプリッタ４０（第１結晶板４２）に入射した場合、第１直線偏光及び第２直線偏光の干渉によって生じる位相差φ（ｉ，γ）は、以下の式（１）に示すようになる。
【数１】
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λ：光の波長
ｎｏ：常光線の屈折率
ｎｅ：異常光線の屈折率
ｔ：ビームスプリッタ４０のＸ３方向における厚さ
【００３５】
式（１）の右辺における第１項は、平行に並ぶ干渉縞を示すのに対して、式（１）の右辺における第２項は、収差に起因する非平行に並ぶ干渉縞を示す。したがって、図２（ａ）に示したように、光学部材７０（図１）によって補正されていない干渉パターンの干渉縞は、第１領域ＲＧ１から第２領域ＲＧ２にかけてピッチが広くなる。
【００３６】
図５は、図１に示した光学部材７０の詳細の第１例を説明するための図である。図５の中段は、光学部材７０の側面図であり、図５の上段は、光学部材７０の面７６の図であり、図５の下段は、光学部材７０の面７８の図である。図５において、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交している。
【００３７】
光学部材７０は、シリンドリカルレンズに類似した形状を有しており、平面７２、曲面７４、面７６及び面７８を有している。曲面７４は、Ｚ方向において平面７２の反対側にある。面７６及び面７８は、互いに反対側にある。平面７２及び曲面７４は、面７６と面７８の間にある。光学部材７０は、面７６と面７８の間に高さ（Ｙ方向に沿った方向）を有している。
【００３８】
光学部材７０は、第１直線偏光及び第２直線偏光を集光可能になっている。図５に示す例では、Ｙ方向に垂直な各断面において、光学部材７０は、平凸レンズとなっている。したがって、各断面において、平面７２に入射した光は、曲面７４から出射されて、特定の一点に集光される。図５の上段では、平面７２に入射した光は、曲面７４から出射されて、点Ｐ１に集光され、図５の下段では、平面７２に入射した光は、曲面７４から出射されて、点Ｐ２に集光される。
【００３９】
光学部材７０は、第１部分７０ａ、第２部分７０ｂ及び第３部分７０ｃを含んでいる。第１部分７０ａは、第１焦点距離（光学部材７０から点Ｐ１までの距離）を有しており、第２部分７０ｂは、第２焦点距離（光学部材７０から点Ｐ２までの距離）を有しており、第３部分７０ｃは、第３焦点距離を有している。第２焦点距離は、第１焦点距離より短くなっており、第３焦点距離は、第１焦点距離より短く、第２焦点距離より長くなっている。光学部材７０の焦点距離は、第１部分７０ａから第３部分７０ｃを経由して第２部分７０ｂにかけて、実質的に連続的に減少している。したがって、図５の中段に示すように、光学部材７０の焦線ＦＬは、Ｙ方向に対して傾く。この場合、図１に示した検出器８０は、干渉パターンが生成される面が焦線ＦＬに沿うように配置される。
【００４０】
図５に示す例では、Ｙ方向に垂直な断面における曲面７４の曲率半径によって、光学部材７０の焦点距離を調整している。具体的には、図５に示す例では、Ｙ方向に垂直な各断面における曲面７４の曲率半径は、面７６から面７８に向けて、小さくなっている。したがって、Ｙ方向に垂直な断面における光学部材７０の焦点距離は、面７６から面７８に向けて小さくなっている。図５に示す例では、曲面７４は、Ｙ方向に垂直な断面における曲面７４の頂点が図５の中段に示すようにＹ方向に沿って実質的に揃うように、湾曲している。したがって、面７６側から面７８側にかけて光学部材７０の中央部における平面７２と曲面７４の間の厚さが等しくなっており、光学部材７０内の光路差が小さく、面７６側と面７８側において色収差の差を少なくすることができる。色収差に大きな差がある場合、コントラストの良い干渉縞を得ることが難しくなる。
【００４１】
図３に示したビームスプリッタ４０（第２結晶板４４）から出射された第１直線偏光及び第２直線偏光は、図５において、Ｘ方向に並んでＺ方向に沿って光学部材７０の平面７２に入射する。
【００４２】
光学部材７０によって集光された第１直線偏光及び第２直線偏光によって生成される干渉縞のピッチは、光学部材７０の焦点距離によって調節可能であり、具体的には、光学部材７０によって焦点距離が長くなった位置では干渉縞のピッチが広がり、光学部材７０によって焦点距離が短くなった位置では干渉縞のピッチが狭まる。したがって、図２（ａ）に示す干渉パターンにおける第１領域ＲＧ１の干渉縞を生成する第１直線偏光及び第２直線偏光は、光学部材７０の第１部分７０ａを通過するようにし、図２（ａ）に示す干渉パターンにおける第２領域ＲＧ２の干渉縞を生成する第１直線偏光及び第２直線偏光は、光学部材７０の第２部分７０ｂを通過するようにすることができる。この場合、図２（ａ）に示す干渉パターンを、図２（ｂ）に示すように、第１ピッチｐ１と第２ピッチｐ２の差が小さくなるように、すなわち、干渉縞が平行に並ぶように、光学部材７０によって補正することができる。
【００４３】
図６は、図１に示した光学部材７０の詳細の第２例を説明するための図である。図６に示す光学部材７０は、以下の点を除いて、図５に示した光学部材７０と同様である。
【００４４】
図６に示す例では、光学部材７０の屈折率分布によって、光学部材７０の焦点距離を調整している。具体的には、図６に示す例では、光学部材７０は、通常のシリンドリカルレンズと同様の形状を有しており、Ｙ方向に垂直な各断面における曲面７４の曲率半径は、面７６と面７８の間において一定となっている。一方、光学部材７０の屈折率は、面７６から面７８に向けて増加している。したがって、Ｙ方向に垂直な断面における光学部材７０の焦点距離は、面７６から面７８に向けて小さくなっている。
【００４５】
図７及び図８は、図１に示した検出器８０の詳細の一例を説明するための図である。図７及び図８において、第１方向及び第２方向は、互いに直交している。
【００４６】
検出器８０は、エリアセンサであり、複数の画素８２を有している。複数の画素８２は、第１方向に並ぶ複数の行Ｒ及び第２方向に並ぶ複数の列Ｃに沿って配置されている。各画素８２は、光を電気に変換可能な素子、例えば、フォトダイオードを有しており、光を検出可能である。検出器８０は、各画素８２の検出結果に基づいて、干渉パターンの形状を特定することができる。図７及び図８では、光を検出した画素８２がハッチングされており、光を検出していない画素８２がハッチンされていない。
【００４７】
図７及び図８に示す例において、分光装置は、処理器９０を備えている。処理器９０は、検出器８０の検出結果を処理するためのものである。具体的には、処理器９０は、検出器８０によって検出された干渉縞をフーリエ変換し、分光スペクトルを得る。一例において、処理器９０は、コンピュータ（例えば、マイクロコンピュータ）である。
【００４８】
図７及び図８に示す例において、第１直線偏光及び第２直線偏光によって複数の画素８２上に生成される干渉パターンの干渉縞は、第２方向に並んでいる。図７に示す例において、干渉縞は、図２（ａ）に示した例と同様にして、非平行に並んでおり、図８に示す例において、干渉縞は、図２（ｂ）に示した例と同様にして、平行に並んでいる。つまり、図７に示す干渉パターンは、光学部材７０（図１）によって補正されていないのに対して、図８に示す干渉パターンは、光学部材７０（図１）によって補正されている。
【００４９】
処理器９０は、各画素８２の検出結果を第１方向に積算する処理を行う。図７に示す干渉パターンにおいて、処理器９０による処理を行うと、干渉縞のコントラストを低下させてしまい、正確な分光スペクトルを得ることが難しくなる。これに対して、図８に示す干渉パターンにおいて、処理器９０による処理を行うと、各画素８２の感度にばらつきがあっても、各画素８２の感度のばらつきによる影響を、各画素８２の検出結果の積算によって低減することができる。
【００５０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  光源
２０  レンズ
３０  偏光子
４０  ビームスプリッタ
４０  光学部材
４２  第１結晶板
４４  第２結晶板
５０  偏光子
６０  レンズ
７０  光学部材
７０ａ  第１部分
７０ｂ  第２部分
７０ｃ  第３部分
７２  平面
７４  曲面
７６  面
７８  面
８０  検出器
８２  画素
９０  処理器
【図１】
2019138677.tif 000004
【図２】
2019138677.tif 000005
【図３】
2019138677.tif 000006
【図４】
2019138677.tif 000007
【図５】
2019138677.tif 000008
【図６】
2019138677.tif 000009
【図７】
2019138677.tif 000010
【図８】
2019138677.tif 000011