(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 被測定物の測定点から出射された光を第１反射部と第２反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第１及び第２反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第１反射部を経て前記結像光学系に向かう第１反射光と前記分割光学系から前記第２反射部を経て前記結像光学系に向かう第２反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第１反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が２次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、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
を備える分光特性測定装置において、
さらに、輝点から波長が既知の校正光を出射させる校正光出射手段と、
前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量と、前記輝点の干渉像の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第１反射部の設置角を求める設置角算出部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部とを備え、
前記処理部は、前記第１反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第１反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする分光特性測定装置。
【請求項２】
前記設置角算出部が、前記校正光の前記第１反射部への入射点を原点とするｘｙｚ座標系であって、前記第１反射部の反射面の法線を含む面をｘｚ平面、該ｘｚ平面に垂直な軸をｙ軸とする校正光学座標系を定義し、当該校正光学座標系における前記設置角φy（ただし、設置角φyは前記第１反射部の反射面の法線の前記ｙ軸回りの回転角を示す。）を以下の式
φy＝(90°＋θy)＋cos-1｛(λ/2Ｍλ)×θx｝
（上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Ｍλは前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする請求項１に記載の分光特性測定装置。
【請求項３】
前記設置角算出部は、ｚ軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線となる前記校正光学座標系における前記設置角φyを算出することを特徴とする請求項２に記載の分光特性測定装置。
【請求項４】
前記処理部は、前記光路長差Lを、以下の式
Ｌ＝｛2Ｍcos(φy-θ1'y)｝/cos(θ1x)      （ただし、θ1'y＝θ1y＋90°）
（上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Ｍは前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の分光特性測定装置。
【請求項５】
校正光出射手段が、波長が既知の単色光源から発せられた光が入射するように配置された、複数の離散輝点を形成するフライアイレンズから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分光特性測定装置。
【請求項６】
a) 被測定物の測定点から出射された光を第１反射部と第２反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第１及び第２反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第１反射部を経て前記結像光学系に向かう第１反射光と前記分割光学系から前記第２反射部を経て前記結像光学系に向かう第２反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第１反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が２次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、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、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部と
を備える分光特性測定装置において、
輝点から出射された波長が既知の校正光を前記分割光学系に入射させ、そのとき前記結像光学系によって形成される干渉像の光強度変化１周期に相当する前記第１反射部の移動量を前記移動量検出部から取得し、
当該第１反射部の移動量と、前記輝点の干渉像の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第１反射部の設置角を求め、
前記第１反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第１反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする分光特性測定装置の校正方法。
【請求項７】
前記第１反射部の設置角が、前記校正光の前記第１反射部への入射点を原点とするｘｙｚ座標系であって、前記第１反射部の反射面の法線を含む面をｘｚ平面、該ｘｚ平面に垂直な軸をｙ軸とする校正光学座標系における前記設置角φy（ただし、設置角φyは前記第１反射部の反射面の法線の前記ｙ軸回りの回転角を示す。）であり、当該設置角φyを以下の式
φy＝(90°＋θy)＋cos-1｛(λ/2Ｍλ)×θx｝
（上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Ｍλは前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする請求項６に記載の分光特性測定装置の校正方法。
【請求項８】
前記校正光学座標系は、そのｚ軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線であることを特徴とする請求項７に記載の分光特性測定装置の校正方法。
【請求項９】
前記光路長差Lは、以下の式
Ｌ＝｛2Ｍcos(φy-θ1'y)｝/cos(θ1x)      （ただし、θ1'y＝θ1y＋90°）
（上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Ｍは前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする請求項７又は８に記載の分光特性測定装置の校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広視野イメージングに有用な分光特性測定装置及びその校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光特性の測定技術として、波長分散型分光法或いはフーリエ分光法と呼ばれる分光技術を用いた手法が提案されている（非特許文献１参照）。
波長分散型分光法は、測定試料を透過した光、或いは測定試料面で反射した光（以下、物体光という）を回折格子や音響光学可変波長フィルタ（AOTF；Acousto-Optic Tunable Filter）に照射したときに得られる回折光の回折角が、当該物体光の波長に応じて異なる原理を利用した分光法である。
【０００３】
一方、フーリエ分光法（FTIR（フーリエ変換赤外分光光度計：Fourier Transform Infrared Spectroscopy））は、マイケルソン型の２光束干渉光学系を用いた位相シフト干渉による分光計測技術である。物体光をハーフミラーなどのビームスプリッタにより２分岐し、それぞれの光束をミラーにより反射させて再度ハーフミラーに到達させ、２光束を合流させて干渉現象を観察する。２分岐した光束のうちの一方（参照光）を反射するミラーは参照ミラーと呼ばれる。フーリエ分光法では、参照ミラーを光の波長よりも短い分解能で高精度に移動させて干渉光強度を変化させ、いわゆるインターフェログラムを検出し、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換することにより分光特性を取得する。
【０００４】
測定試料面から射出される物体光の光線方向は、散乱、屈折、反射等により様々な方向となる。このように多様な方向の光線成分が回折格子や参照ミラーに照射されると、分光精度が低下する。
そのため、いずれの分光法においても物体光の空間的コヒーレンシー（可干渉性）を高めるために、微小開口を有するピンホールやスリットを用いて物体光のうち特定方向の光線成分のみを回折格子や参照ミラーに照射させている。求められる分光性能にもよるが、分散型分光法では穴径が数十ミクロン程度のピンホールが用いられ、フーリエ分光法では数ミリ程度の開口幅を有するスリットが用いられる。
【０００５】
このようにピンホールやスリットを用いると、大半の物体光はピンホールやスリットを通過せず測定に供しないことから、光の利用効率が低い。一方、生体膜の内部を透過あるいは反射した散乱光は極微弱光であり、従来の分光技術ではこのような生体膜内部から生じる散乱光等の分光特性を評価することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明者は、被測定物を光学的に構成する各輝点から生じる物体光束の干渉現象を利用することにより被測定物のインターフェログラムを求める手法を提案した（特許文献１参照）。
特許文献１に記載の手法では、各輝点から生じる透過光や拡散・散乱光等の物体光は対物レンズを介して位相シフターの固定ミラー部と可動ミラー部に導かれ、これら２つのミラー部から反射される物体光束が結像面において干渉像を形成する。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に伴い干渉像強度が変化して、いわゆるインターフェログラムを形成する。従って、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）を取得することができる。
【０００７】
このように特許文献１に記載の手法では、分割光学系（対物レンズ、固定ミラー部、可動ミラー部）を通過してきた光の全てを分析に用いることができるため、光の利用効率が高く、微弱光であってもその分光特性を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2008-309706号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】平石次郎編「フーリエ変換赤外分光法」学会出版センター, 1985年11月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の手法では、可動ミラーを機械的に移動させることにより、その移動量に応じた位相差を固定ミラー部と可動ミラー部で反射される物体光束に与える。このため、可動ミラー部の移動軸に対して様々な角度の光軸を有する光束が入射すると、可動ミラー部の移動量が同じであっても、各物体光に与えられる位相差量が入射角度により異なってしまう。このように異なる位相差量を与えられた物体光は受光面において干渉現象を生じ、インターフェログラムとして一括して検出される。従って、位相差量に光軸の傾き(即ち入射角度）に応じた誤差を有すると、分光特性を劣化させる。特に広視野分光イメージングを行う場合は、測定位置毎の物体光の光軸に対する傾きの変化が大きくなるため、分光特性を大きく劣化させることになる。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、広視野分光イメージングを行う場合であっても高精度に分光特性を測定することができる分光特性測定装置及びその校正方法を提供することである。
【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に係る分光特性測定装置は、
a) 被測定物の測定点から出射された光を第１反射部と第２反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第１及び第２反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第１反射部を経て前記結像光学系に向かう第１反射光と前記分割光学系から前記第２反射部を経て前記結像光学系に向かう第２反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第１反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が２次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、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
を備える分光特性測定装置において、
さらに、輝点から波長が既知の校正光を出射させる校正光出射手段と、
前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量と、前記輝点の干渉像の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第１反射部の設置角を求める設置角算出部と、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部とを備え、
前記処理部は、前記第１反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第１反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の分光特性測定装置は、前記設置角算出部が、前記校正光の前記第１反射部への入射点を原点とするｘｙｚ座標系であって、前記第１反射部の反射面の法線を含む面をｘｚ平面、該ｘｚ平面に垂直な軸をｙ軸とする校正光学座標系を定義し、当該校正光学座標系における前記設置角φy（ただし、設置角φyは前記第１反射部の反射面の法線の前記ｙ軸回りの回転角を示す。）を以下の式
φy＝(90°＋θy)＋cos-1｛(λ/2Ｍλ)×θx｝
（上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Ｍλは前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明の分光特性測定装置は、前記設置角算出部が、ｚ軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線となる前記校正光学座標系における前記設置角φyを算出することを特徴とする。
上記構成では、前記輝点の干渉像の画角θx及びθyがそれぞれθx＝０及びθy＝０となり、前記設置角φyを容易に算出することができる。
【００１５】
また、前記処理部が、前記光路長差Lを、以下の式
Ｌ＝｛2Ｍcos(φy-θ1'y)｝/cos(θ1x)      （ただし、θ1'y＝θ1y＋90°）
（上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Ｍは前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出するようにしても良い。
【００１６】
また、校正光出射手段を、波長が既知の単色光源から発せられた光が入射するように配置された、複数の離散輝点を形成するフライアイレンズから構成することも可能である。
【００１７】
本発明の分光特性測定装置の校正方法は、
a) 被測定物の測定点から出射された光を第１反射部と第２反射部に導く分割光学系と、
b) 前記第１及び第２反射部によって反射された光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射部を移動させることにより前記分割光学系から前記第１反射部を経て前記結像光学系に向かう第１反射光と前記分割光学系から前記第２反射部を経て前記結像光学系に向かう第２反射光の間の光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記第１反射部の移動量を検出する移動量検出部と、
e) 前記干渉像の光強度を検出する、複数の検出素子が２次元配列された光検出部と、
f) 前記光路長差伸縮手段によって前記光路長差を伸縮させることにより前記光検出部で検出される光強度変化に基づき、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、
前記被測定物の測定点の画角を求める画角検出部と
を備える分光特性測定装置において、
輝点から出射された波長が既知の校正光を前記分割光学系に入射させ、そのとき前記結像光学系によって形成される干渉像の光強度変化１周期に相当する前記第1反射部の移動量を前記移動量検出部から取得し、
当該第１反射部の移動量と、前記輝点の干渉像の画角と、前記校正光の波長とに基づき、前記第１反射部の設置角を求め、
前記第１反射部の設置角と前記測定点の画角とから、前記第１反射部の移動量に対応する前記光路長差を求め、該光路長差に基づきスペクトルを校正することを特徴とする。
【００１８】
又、本発明の校正方法は、前記第１反射部の設置角が、前記校正光の前記第１反射部への入射点を原点とするｘｙｚ座標系であって、前記第１反射部の反射面の法線を含む面をｘｚ平面、該ｘｚ平面に垂直な軸をｙ軸とする校正光学座標系における前記設置角φy（ただし、設置角φyは前記第１反射部の反射面の法線の前記ｙ軸回りの回転角を示す。）であり、当該設置角φyを以下の式
φy＝(90°＋θy)＋cos-1｛(λ/2Ｍλ)×θx｝
（上記式において、θx及びθyは、前記輝点の干渉像の画角であって当該干渉像と前記校正光学座標系の原点とを結ぶ線とx軸及びy軸との角度、λは前記校正光の波長、Ｍλは前記輝点の干渉像の光強度変化の１周期に相当する前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする。
【００１９】
この場合、前記校正光学座標系は、そのｚ軸が前記輝点の干渉像と原点とを結ぶ線であると、前記輝点の干渉像の画角θx及びθyがそれぞれθx＝０及びθy＝０となり、前記設置角φyを容易に算出することができる。
【００２０】
また、前記光路長差Lは、以下の式
Ｌ＝｛2Ｍcos(φy-θ1'y)｝/cos(θ1x)      （ただし、θ1'y＝θ1y＋90°）
（上記式において、θ1x及びθ1yは前記測定点の画角、Ｍは前記第１反射部の移動量を示す。）
から算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、第１反射部の設置角を予め求め、この設置角と第１反射部の移動量及び被測定物の各測定点の画角から画角毎の光路長差を求めることができるので、検出感度の低下を招くことなく高精度に被測定物の各測定点の分光特性を測定することができる。また、被測定物の測定点の画角の大小に関係なく真の光路長差を求めることができるので、広視野分光イメージングに有用な分光特性測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る分光特性測定装置の測定モードを示す概略的なシステム構成図。
【図２】分光特性測定装置のブロック図。
【図３】位相シフターの動作説明図。
【図４】インターフェログラム（ａ）とそれをフーリエ変換したスペクトルの波形図（ｂ）。
【図５】インターフェログラムの生成原理の説明図。
【図６】分光特性測定装置の校正モードを示す概略的なシステム構成図。
【図７】校正光学座標系と位相シフターの位置関係を示す図。
【図８】ｘｚ平面が可動ミラー部の反射面の法線を含むように校正光学座標系を定義したときの校正光学座標系と位相シフターの位置関係を示す図。
【図９】位相シフト量と位相差との関係を説明するための図。
【図１０】画角θx≠０である場合の位相差の求め方を説明するための図。
【図１１】反射の法則を説明するための図。
【図１２】位相シフターの移動に伴い得られたインターフェログラム（ａ）、インターフェログラムをフーリエ変換して得られた分光特性（ｂ）を示す図。
【図１３】校正光学座標系の求め方の説明図。
【図１４】干渉像の画角θx及びθyの求め方の説明図。
【図１５】離散輝点像を用いて構築した校正光学座標系と画角補正幾何モデルにより測定面（結像面）全体で校正を行った実験結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。
詳しくは後述するように、本実施形態に係る分光特性測定装置は測定モード及び校正モードを備えている。測定モードは被測定物の分光特性測定時に用いられるもので、まずは測定モードの装置構成を図１及び図２を参照しながら説明する。測定モードの分光特性測定装置１０は、光学系２０と、検出部２２と、制御装置４０とから構成されている。
光学系２０は、光源２１と検出部２２を結ぶ光路上に設けられた、対物レンズ２４、位相シフター２５、結像レンズ２６とから構成されている。対物レンズ２４が分割光学系を、結像レンズ２６が結像光学系をそれぞれ構成する。また、検出部２２が光検出部に相当する。
【００２４】
制御装置４０は、制御部４１、インターフェログラム取得部４２、演算処理部４３、記憶部４４、表示部４５、操作部４６等を備えて構成されている。演算処理部４３は、後述する、位相シフター２５の設置角度の算出、スペクトルの補正、インターフェログラムのフーリエ変換といった演算処理を実行する。従って、本実施例では、演算処理部４３が処理部、設置角算出部として機能する。なお、演算処理部４３の実体はＣＰＵを中心に構成されるパーソナルコンピュータであって、該コンピュータ上で所定のプログラムを実行することにより演算処理が達成される。
【００２５】
光源２１から出射された光は被測定物Ｓに照射され、これにより当該被測定物Ｓの輝点から多様な方向に向かって散乱光や蛍光発光等の光線（「物体光」ともいう）が放射状に出射する。被測定物Ｓから出射する光線は、対物レンズ２４に入射して平行光束へ変換され、その後、位相シフター２５を介して結像レンズ２６に入射し、検出部２２の受光面上に集光する。
【００２６】
前記対物レンズ２４は、レンズ駆動機構２７によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構２７は、対物レンズ２４の合焦位置を走査するためのもので、例えばピエゾ素子により構成することができる。
【００２７】
なお、対物レンズ２４を透過した後の光束は完全な平行光束である必要はない。後述するように、１つの輝点から生じた光束を２分割あるいはそれ以上に分割できる程度に広げることができればよい。ただし、平行光束でない場合は、後述の位相シフト量に応じて生じる位相差量に誤差を生じ易い。従って、より高い分光計測精度を得るためにはできるだけ平行光束とすることが望ましい。
【００２８】
対物レンズ２４を透過してきた平行光束は位相シフター２５に到達する。位相シフター２５は、可動ミラー部２５１と、その左部に配置された固定ミラー部２５２と、可動ミラー部２５１を移動させる駆動ステージ２５３とを備えて構成されている。可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面(反射面）は光学的に平坦で且つ本装置１０が測定対象とする光の波長帯域を反射可能な光学鏡面となっている。
【００２９】
本実施例では、位相シフター２５が本発明の光路長差伸縮手段に相当し、可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２がそれぞれ第１及び第２反射部に相当する。また、ここでは、反射光としたが透過光でも良い。
なお、以下の説明では、位相シフター２５に到達した光束のうち可動ミラー部２５１の反射面に到達して反射される光束を可動光、固定ミラー部２５２の反射面に到達して反射される光束を固定光ともいう。
【００３０】
駆動ステージ２５３は、例えば静電容量センサーを具備する圧電素子から構成されており、制御装置４０からの制御信号を受けて可動ミラー部２５１を光の波長に応じた精度で矢印Ａ方向に移動させる。分光測定能力にもよるが、例えば可視光領域では１０nm程度の高精度な位置制御が必要となる。
【００３１】
また、位相シフター２５は、対物レンズ２４からの平行光束の光軸に対して可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の反射面が４５度傾くように配置されている。駆動ステージ２５３は、可動ミラー部２５１の反射面の光軸に対する傾きを４５度に維持した状態で当該可動ミラー部２５１を移動する。このような構成により、可動ミラー部２５１の光軸方向の移動量は、駆動ステージ２５３の移動量の√２倍となる。また、固定光と可動光の２光束間の相対的な位相変化を与える光路長差は、可動ミラー部２５１の光軸方向の移動量の２倍となる。
【００３２】
位相シフター２５に到達し、可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の反射面で反射された固定光及び可動光は、それぞれ結像レンズ２６により収束されて検出部２２の受光面（結像面）に入る。検出部２２は例えば多数のCCD撮像素子が２次元マトリックス配置された２次元CCDカメラから構成されている。可動ミラー部２５１の反射面と固定ミラー部２５２の反射面は、検出部２２の結像面で２つの光束の集光位置がずれない程度の精度で平行に構成されている。
【００３３】
[測定原理]
次に、本実施形態に係る分光特性測定装置１０の測定原理について図３〜図５を用いて説明する。ここでは蛍光や散乱光などの光線が、対物レンズ２４と結像レンズ２６を経て検出部２２の結像面で一つの点に集光し、干渉像を形成する光学モデルに基づいて説明する。
【００３４】
前述したように、被測定物Ｓの一輝点から発せられた物体光は、対物レンズ２４を経て位相シフター２５の可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面に到達する。このとき、物体光は可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２に分割されて到達する。
なお、固定ミラー部２５２の表面に到達する光束即ち固定光と、可動ミラー部２５１の表面に到達する光束即ち可動光の光量がほぼ等しくなるように、対物レンズ２４に対する可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の位置が設定されているが、固定光及び可動光の一方或いは両方の光路に減光フィルタを設置して相対的な光量差を調整し、光量の均等化を行うことも可能である。
【００３５】
可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面で反射された光は、それぞれ可動光及び固定光として結像レンズ２６に入射し、検出部２２の結像面において干渉像を形成する。このとき、被測定物Ｓから発せられる光線には様々な波長の光が含まれることから、可動ミラー部２５１を移動させて可動光と固定光の光路長差を変化させることにより、図４（ａ）に示すようなインターフェログラムと呼ばれる結像強度変化（干渉光強度変化）の波形が得られる。図４（ａ）は検出部２２の一つの画素におけるインターフェログラムである。なお、図４（ａ）において、横軸は可動ミラー部２５１の移動に伴う可動光と固定光の間の光路長差を、縦軸は結像面上の一点における結像強度を示す。
【００３６】
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、被測定物Ｓの一輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を取得することができる（図４（ｂ）参照）。本実施形態では検出部２２に２次元CCDカメラを用いていることから、被測定物Ｓの２次元分光測定が可能となる。
【００３７】
図５（ａ）〜(ｃ）はインターフェログラムの生成原理の説明図である。まず、測定波長が単一波長の光の場合の光路長差と干渉光強度との関係について説明する。図５において、横軸は可動ミラー部２５１の移動に伴う固定光と可動光間の相対的な光路長差を示し、縦軸は、検出部２２の一つの画素における結像強度を示している。
【００３８】
図５（ａ）〜（ｃ）は波長の長さが異なる３種類の単色光（λａ＞λｂ＞λｃ）の光路長差と結像強度との関係を示している。図５の中央付近に示す位相シフト原点（図中、一点鎖線で示す）は、図３（ｂ）に示す状態（可動ミラー部２５１の反射面が固定ミラー部２５２の反射面と一致している状態）をいう。可動ミラー部２５１と固定ミラー部２５２の反射面が一致しているときは、固定光と可動光に相対的な位相差が生じていない。つまり、これら２光束は結像面において位相が揃って到達するため、互いに強め合う。このため、結像面には明るい輝点が形成され、結像強度が大きくなる。
【００３９】
これに対して、可動ミラー部２５１を図３（ｂ）に示す位置から図３（ａ）や（ｃ）に示す位置に移動させて固定光と可動光との間に相対的な光路長差を生じさせると、この光路長差が半波長（λ/2)の奇数倍になった時点で弱め合う干渉条件となるため結像強度は小さくなる。また、光路長差が１波長の整数倍になると、２光束間の干渉条件が強め合う状態となり、結像強度が大きくなる。
従って、可動ミラー部２５１を移動させて光路長差を順次変化させていくと、２光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。
【００４０】
一方、多波長の光を測定する分光特性測定装置では、多様な長さの波長の干渉光強度変化が足し合わされた輝度値変化として検出されることになる。これが図４（ａ）に示すインターフェログラムである。可動光と固定光の相対的な光路長差が無い位相シフト原点では、波長に依存せずに２光束は強め合うため、多波長の強度変化を足し合わせた測定値においても高い結像強度となる。しかし、光路長差が大きくなると、各波長の強度変化の周期が合わないため、多波長の強度変化を足し合わせても結像強度は大きくならない。このため、インターフェログラムは、光路長差が大きくなるに従い徐々に輝度値が小さくなっていく結像強度変化が観察される。このようにインターフェログラムは、単一波長の単周期結像強度変化が足し合わされた波形であることから、この波形データをフーリエ変換することにより図４（ｂ）に示すような、波長ごとの相対強度である分光特性を取得することができる。
【００４１】
[校正方法]
次に、本実施形態の分光特性測定装置１０の校正方法について説明する。
上述したように、本実施形態の分光特性測定装置１０では、可動ミラー部２５１を徐々に移動させて固定光と可動光との間に相対的な光路長差（位相差）を生じさせることにより、インターフェログラムと呼ばれる結像強度変化の波形を得る。そして、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被測定物の輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を取得する。分光特性を精度良く求めるためには、固定光と可動光との間の位相差を正確に求める必要がある。可動ミラー部２５１の移動量が同じであっても、可動光と固定光との間の位相差量は、被測定物Ｓの各輝点から出射した光の位相シフター２５（可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２）に対する入射角度により異なる。当該入射角は、各輝点位置における物体光束の光軸の画角と、位相シフター２５の設置角（前記物体光の光軸に対する可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の反射面の角度）によって決まる。このことから、本装置１０では、画角補正幾何モデルを構築して位相シフター２５の設置角を求め、この設置角を用いて輝点の画角毎の前記位相差を求めるようにしている。校正モードとは、位相シフター２５の設置角を求めるための装置構成をいう。
【００４２】
図６に示すように、校正モードでは、波長が既知の単色光源から出射された平行光束がフライアイレンズ２３を透過した後、対物レンズ２４に入射する。つまり、フライアイレンズ２３が校正光射出手段として機能する。フライアイレンズ２３は小レンズが複数、碁盤目状に配列されたものから成る。光源２１から出射された光束はフライアイレンズ２３に入射した後、各小レンズによって集光点を形成し、その後、再び広がって対物レンズ２４に入射し、該対物レンズ２４を経て位相シフター２５の可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面に到達する。そして、可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面で反射された後、可動光及び固定光として結像レンズ２６に入射し、検出部２２の結像面において干渉する。校正モードでは、照明光学系にフライアイレンズ２３を用いることにより複数の離散輝点を形成している。結像面には輝点に対応して干渉像が形成されることから、校正モードでは複数の離散輝点に対応する複数の離散干渉像が結像面に形成される。
【００４３】
次に、画角補正幾何モデルを構築するに当たって定義する校正光学座標系について説明する。
校正光学座標系を定義するためには、位相シフター２５の設置角度として３自由度（φx、φy、φz）、輝点から出射され対物レンズ２４を経て位相シフター２５から結像面に入射する光の画角（θx、θy）として２自由度の合計５自由度を考慮する必要がある。しかし、考慮すべきパラメータが多いと画角補正幾何モデルの構築が難しくなる。そこで、本実施形態では反射の法則に着目して校正光学座標系を定義する。すなわち、位相シフター２５の可動ミラー部２５１及び固定ミラー部２５２の表面である反射面の法線で位相シフター２５の設置角度φx、φy、φzを定義する。
【００４４】
図７は校正光学座標系と位相シフターとの位置関係を示す図である。この図７に示すように、設置角φxはｘｚ平面からの仰角（つまり、可動ミラー部２５１の反射面の法線とｘｚ平面のなす角度）、設置角φyはｙ軸回りの回転角（ここでは、前記法線のｘｚ平面に対する投影とｘ軸のなす角度としている）、設置角φzは前記反射面に対する法線回りの回転角を示す。設置角φzは法線周りの回転角であるため、反射の法則では無視することができる。
また、図８に示すように、法線を含む平面をｘｚ平面とする校正光学座標系を定義すると、設置角φxは0deg.となる。つまり、このモデルで考慮すべき設置角はφyのみとなる。
【００４５】
このようにｘｚ平面を定義した校正光学座標系において、フライアイレンズ２３の各小レンズから放射された光が対物レンズ２４を経て位相シフター２５に入射すると、これらの入射光は位相シフター２５の反射面で反射され、結像面上に干渉像を形成する。また、位相シフター２５の可動ミラー部２５１は主軸（ｘ軸）から設置角φy傾いた並進移動軸（つまり、法線）に沿って位相シフト量Ｍだけ機械的に移動するものとする。このとき、ｘｚ平面上に位置する輝点から出射されて位相シフター２５から結像面に入射する光、つまり画角θx＝０の入射光について考えると、当該入射光の波面に与えられる位相差Ｌは、図９に示すように位相シフト量Ｍによって波面に与えられる位相差Ｌ１と、初期位置にある可動ミラー部２５１の反射点から移動後の可動ミラー部２５１の反射点までの入射光に沿う方向の距離Ｌ２との差となる。以上より、θ'y＝θy＋９０°とすると、以下の式（１）〜（３）が得られる。
Ｌ＝Ｌ１−Ｌ２                         ・・・  （１）
Ｌ１＝Ｍ/cos(φy-θ'y)                 ・・・  （２）
Ｌ２＝−１×Ｌ１×cos(2(φy-θ'y)      ・・・  （３）
式（１）〜（３）より位相差Ｌは
Ｌ＝Ｍ/cos(φy-θ'y)｛1＋cos(2(φy-θ'y)｝
＝Ｍ/cos(φy-θ'y)×2cos2(φy-θ'y) 
＝2Ｍcos(φy-θ'y)                    ・・・  （４）
となる。
【００４６】
位相シフター２５の位相シフト量Ｍは、可動ミラー部２５１の移動軸に沿う方向の移動量を示し、例えば位相シフター２５の駆動ステージ２５３にリニアエンコーダ等の移動量検出器２５５(図２参照)を設けることにより該検出器２５５の検出値から求めることができる。従って、本実施例では移動量検出器２５５が移動量検出部に相当する。
【００４７】
なお、式（４）は結像面上の干渉像の画角θx＝０の入射光の位相差Ｌであるが、結像面上の干渉像の画角θx≠０の入射光の場合は、図１０に示すように、予め定義したｘｚ平面に対して画角θxだけ傾いたｘｚ平面を考えれば良い。この場合は、上述の校正光学座標系を使って求めた位相差は、実際のｘｚ平面における位相差Ｌを、予め定義したｘｙ平面に投影した長さとなる。つまり、実際の位相差Ｌは、校正光学座標系で求めた位相差をcosθxで除算したものとなり、下記式(５)で表すことができる。
Ｌ＝｛2Ｍcos(φy-θ'y)｝/cos(θx)  ・・・  （５）
式（５）より、位相シフター２５の設置角φyが求まれば、位相シフト量Ｍから、干渉像の画角θx及びθyに応じた位相差量Ｌが算出可能となることが分かる。
【００４８】
逆に、位相シフト量Ｍ、位相差量Ｌ、輝点の画角、干渉像の画角θx及びθyが分かれば上記した式（５）から位相シフター２５の設置角φyを求めることができる。ただし、式（５）から設置角φyを求めることができるのは、上述したように法線を含む面をｘｚ平面とする校正光学座標系を定義できることが前提となる。実験的に求めることができるデータは結像面上の離散干渉像の分光特性のみであり、法線は視認できない。そこで、結像面上の複数の離散干渉像の中の一つを通る軸をｚ軸と定義し、画角θx＝０、θy＝０として設置角φyを算出する。この画角は干渉像の画角であるが、反射の法則より位相シフター２５に対する入射角と反射角は同じであることから、図１１に示すように、反射光線と法線を含む面をｘｚ平面とした場合には、離散干渉像の画角と離散輝点像の画角は同じになる。
【００４９】
以下、位相シフター２５の設置角φyを算出する手順について説明する。
位相シフター２５を移動させると、結像面上では位相シフター２５の位相シフト量Ｍに従って干渉像の結像強度が変化する。例えば図１２（ａ）に破線で示すグラフＰ０は、画角θx＝０、θy＝０、設置角φy＝０のときの波長λの結像強度変化を示している。グラフＰ０では、結像強度変化１周期分が波長λとなる。これを理論値とする。それに対して画角及び設置角が理論値以外のときの波長λの結像強度変化は実線で示すグラフＰ１となり、理論値とは異なる周期で結像強度が変化する。これは、画角に応じて１周期に対する波面に与えられる位相差Ｌの移動軸が位相シフター２５の機械的な移動軸に対して傾いていることから、実質的に波面に与えられる位相差量が異なるためである。このときの位相シフト量をＭλとすると、画角及び設置角が理論値以外のときは、位相シフト量がＭλのときに波長λと等しい位相差Ｌが与えられたことになる。このＭλは、図１２（ｂ）に示すように、位相シフトに伴う結像強度変化のデータ（インターフェログラム）をフーリエ変換することにより得られる分光特性から求めることができる。単一波長の光源を用いた場合は、インターフェログラムをフーリエ変換することにより輝線スペクトルが得られ、この輝線スペクトルのピーク値としてＭλを求めることができる。
【００５０】
そこで、式（５）の位相差量Ｌに波長λを、位相シフト量Ｍに実験的に求めたＭλを代入することにより、以下に示す設置角φyの算出式（６）を求めることができる。
φy＝cos-1(λ/2Ｍλcosθx)＋θ'y      ・・・  （６）
【００５１】
式（６）では、画角θx及びθyも未知である。しかし、上述したように、結像面上の複数の干渉像の中の１つを選択し、この干渉像を通る軸をz軸と仮定すると、画角θx及びθyはいずれも０となり、波長λ及び位相シフト量Ｍλが分かれば、式（６）から設置角φyを算出することができる。
【００５２】
なお、図１３に示すように、法線及びｚ軸によって構成されるｘｚ平面を法線を中心に回転させる。このとき、位相シフター２５の設置角φyが変化しないようにすると、その円の接線が空間座標系（校正光学座標系）のｙ軸となる。これは、円の接線が、結像面に対するｘｚ平面の射影であるＡ線（図１３参照）、つまり、常に円の中心を通る線に対して垂直となるからである。取得した２次元データは設置角φyの等高線の一部である。従って、複数の離散干渉像の任意の一点をｚ軸が通ると決定して校正光学座標系を定義することにより、設置角φyを求めることができる。
【００５３】
上記のようにして設置角φyを求めることができれば、結像面上の全ての干渉像について、その画角θx、θｙと位相シフト量Ｍから、前述した式（５）を用いて真の位相差Ｌを求めることができる。この場合の干渉像の画角θx、θｙは、図１４に示すように、結像レンズの焦点距離と干渉像の形成位置から次の式（７）及び（８）により求めることができる。
θx＝tan-1(b/f)             （７）
θy＝tan-1(a/f)             （８）
ここで、fは結像レンズの焦点距離、aは図１４（ａ）のＡ軸方向の距離、bはＢ軸方向の距離を示す。結像面に複数の画素が所定の間隔でm×n配列されたCCDカメラにおいては、その画素の位置からa及びbを求めることができる。従って、前記CCDカメラ（検出部２２）及び演算処理部４３が本発明の画角検出部を構成する。
【００５４】
図１５は物体面に形成した離散輝点像を用いて構築した校正光学座標系と画角補正幾何モデルにより測定面（結像面）全体で校正を行った実験結果を示したものである。この実験では、フライアイレンズ（焦点距離：10mm、直径：2.3mm、中心間距離：1.7mm）を用いて離散輝点像を形成し、CCDカメラ（型番：XC-75、画素サイズ：8.4μm（H）×9.8μm（V））上にて光学倍率1/2倍で観察した。また、本実験系の視野範囲は12.9mmである。光源には輝線スペクトルを有するHe-Neレーザ（波長：632.8nm）を用いた。その結果、設置角φyの値は30deg.となった。
【００５５】
このように求めた設置角φyを用いて結像面上の全ての干渉像の２次元データから式（５）から位相差Ｌを求めることで各干渉像の分光特性を校正することができる。図１５では、CCDカメラの画素毎、つまり結像面上における干渉像の形成位置と校正前後の分光特性誤差及び校正後の分光特性誤差の関係を示している。図１５から、画角が小さいときは校正前と校正後の分光特性の差はほとんどないが、画角が大きくなると校正前と校正後の分光特性の差が大きくなることが分かる。具体的には、例えば画角θx＝0.56deg.、θy＝-0.92deg.の位置にある干渉像の場合、取得した分光特性の誤差が20.2mmから0.70mmまで最大97％減少した。また、測定面全体でも±3mmの範囲で校正することができた。
【００５６】
このように本実施形態によれば、位相シフター２５の設置角φyを予め実験的に求め、この設置角φyを用いて画角毎の位相差を算出するようにしたので、分光特性を正しく校正することができる。
【００５７】
尚、本発明は上記した実施形態に限らず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の拡張、変形が可能である。
例えば、上記実施形態では離散干渉像の任意の一つについて校正光学座標系を定義して位相シフターの設置角を求めるようにしたが、図１３に示すように、求まる設置角が理論的には同じになる複数の離散干渉像についてそれぞれ校正光学座標系を定義して位相シフターの設置角を求め、これらの平均値を用いて画角毎の位相差を求めるようにしても良い。このようにすれば、測定誤差を小さく抑えることができる。
【００５８】
また、全ての離散干渉像の結像強度変化から、画角毎に波長及び位相シフターの移動量と位相差量との関係を表すデータテーブルを作成し、このデータテーブルを用いて画角毎に分光特性を校正するようにしても良い。
【００５９】
離散輝点はフライアイレンズを用いる他、２次元マトリックス配列された多数の光源を用いて形成することができる。
位相シフターの設置角は、少なくとも一つの干渉像について結像強度変化のデータが分かれば求めることが可能である。従って、校正モードでは、物体面上に１個の輝点を形成し、この輝点に対応する干渉像の分光特性から位相シフターの設置角を求めるようにしても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１０…分光特性測定装置
２０…光学系
２１…光源
２２…検出部
２３…フライアイレンズ
２４…対物レンズ
２５…位相シフター
２５１…可動ミラー部
２５２…固定ミラー部
２５３…駆動ステージ
２５５…移動量検出器
２６…結像レンズ
２７…レンズ駆動機構
４０…制御装置
４１…制御部
４３…演算処理部
【図１】
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【図２】
0005648961.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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