(57)【要約】【課題】波長分解能と測定精度の両方を向上させることが可能なであり、また、機械的な駆動部を必要とせず、小型かつ軽量の分光計測器を提供すること。【解決手段】透過スペクトルが順次異なる複数の微小フィルターを列状に配置してなり、一定の透過波長帯域を有するユニットフィルターを一列或いは複数列有する複合型の分光フィルター１０５と、個々の前記微小フィルターに光学的に対応した画素を有し、微小フィルターを透過した光を受光する光電変換素子１０５と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過スペクトルが順次異なる複数の微小フィルターを列状に配置しており、一定の透過波長帯域を有するユニットフィルターを一列或いは複数列有する複合型の分光フィルターと、
個々の前記微小フィルターに光学的に対応した画素を有し、微小フィルターを透過した光を受光する光電変換素子と、
を有することを特徴とする分光計測器。
【請求項２】
隣接する微小フィルター間の光強度の差を取り、カットオフ波長間のスペクトル強度の積分値を得るための手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の分光計測器。
【請求項３】
前記微小フィルターは、被計測光の波長の２倍程度の距離以内では屈折率が周期的に変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の分光計測器。
【請求項４】
前記分光フィルターは、周期的な凹凸を持つ基板の上に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層全体の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより周期的な構造を形成してなる多層膜構造をその一部に含む構造体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項５】
途中に厚みの異なる層を挿入してファブリ・ペロー干渉計構成とし帯域通過型の微小フィルターとしたことを特徴とする請求項４記載の分光計測器。
【請求項６】
前記分光フィルターは、２種類以上の誘電体からなる多層膜に溝または孔の列を形成することで屈折率の変調を実現してある請求項１ないし３のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項７】
透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを複数列配置したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項８】
透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを並列的に配置したことを特徴とする請求７記載の分光計測器。
【請求項９】
透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを直列的に配置したことを特徴とする請求項７記載の分光計測器。
【請求項１０】
透過波長帯域が同じユニットフィルターを複数配置したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項１１】
あるユニットフィルターの透過波長帯域内のより狭い範囲の透過波長帯域を有するユニットフィルターを配置したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項１２】
異なる透過波長帯域を有するユニットフィルター間に、透過スペクトルが順次同じ複数の微小フィルターを列状に配置してなるユニットフィルターを配置したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項１３】
前記光電変換素子は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ又は化合物半導体型のイメージセンサーであることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項記載の分光計測機器。
【請求項１４】
前記微小フィルターの領域と前記画素とは同じ大きさであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項１５】
前記分光フィルターは、前記光電変換素子上に成膜により形成されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項記載の分光計測器。
【請求項１６】
分光フィルターに入射する光の空間的強度分布を調整するための手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項記載の分光計測装置。
【請求項１７】
広帯域波長選択フィルターを設けることを特徴とする請求項１６記載の分光計測装置。
【請求項１８】
広帯域波長選択フィルターないし偏光子を順次設けることを特徴とする請求項１７記載の分光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光計測装置に係る。特に被計測光に含まれる様々な波長成分の強度分布、すなわち、光スペクトルを計測することを目的とした分光計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光光度計に代表される分光計測装置は、物質の光学特性を光波長の関数として計測することを目的とした基本的な計測装置の一つであり、多種多様な産業分野において利用されている。例えば、化学物質や生体蛋白を含む溶液の濃度測定及び溶質の特定、光学ガラスや光学的コーテング膜の透過率の測定、農産物中の残留化学物質の吸収線による特定などに利用される。
【０００３】
分光計測装置は一般に、光を波長毎に分散させる分光器と光の強度を計測するための光度計とで構成される。分光計測装置には、ある一定の波長範囲の光を放出する白色光源が搭載されていることもある。
【０００４】
従来の代表的な分光計測装置の構成は次の通りである。装置内に搭載された白色光源から出た光は回折格子もしくはプリズムとスリットとからなる分光器に導かれ、特定の波長範囲の成分のみが取り出される。分光器を出た光は被測定試料を透過後、光度計によってその強度を検出される。光度計には光電子増倍管や半導体光検出器などの光電変換素子が用いられる。
回折格子の角度を変化させると分光器を通過する光の中心波長が変化する。またスリットの幅を変えることで、信号光の波長幅を変化させることができる（特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
分光計測装置のもう一つの代表的な構成法に、光度計としてＣＣＤ（電荷結合素子）等の光電変換素子アレイを用いた、マルチチャンネル分光光度計と称される形式がある（特許文献３、特許文献４）。この方式では分光器は前述の例と同様に、回折格子やプリズムから構成されるが、光度計が複数の光電変換素子からなることが特徴である。回折格子による分散角度は光の波長ごとに異なるため、アレイの各画素には別々の波長範囲の光が入射することになる。
この構成によれば回折構成を回転させることなく、被測定光の波長毎の強度分布（以後スペクトルと呼ぶ）を一度の測定で知ることができる。
【０００６】
ところで、分光計測においては被測定物質の吸収スペクトルや発光スペクトルの線幅が非常に狭く、線スペクトル状となっていることは珍しくない。
【０００７】
また、特定の吸収スペクトルの波長を精密に測定できる性能も必要とされることが多い。更に光源のスペクトルのうち現在計測しようとしている波長領域の強度が不十分であったり、あるいは試料通過後の光強度が低い状況も発生する。分光計測装置にはこのような徽弱光の強度も検出する性能が要求される。
【０００８】
また、時間とともに反応の進む溶液や熱による形状変化の可能性のある物質を測定することを考慮すると、なるべく短時間のうちに必要とする波長範囲のスペクトルを計測できることも必要とされる。この波長範囲は一つとは限らず、場合によっては複数の波長範囲を同時に計測したい場含もある。
【０００９】
上で述べた従来の構成のうち、特許文献１、２の例では試料に入射する光の強度と波長幅とがトレードオフの関係にあるという問題である。すなわち、信号対雑音比の向上を狙って光強度を増加させようとするとスリット幅を広くしなければならず、検出される波長の分解能が低下する。逆に、波長分解能をあげるためにスリット幅を狭くすると、光度計に到達する光量が低下し光検出器の雑音の影響が顕著になる。また、回折格子を回転させながら波長軸上で１点ずつ測定していく原理上、測定に時間がかかり、かつ機械的駆動部品を含むため大型かつ重量化してしまうという点も問題である。加えて回折格子の回転角度を精密に制御しなければならない。更に回折格子もしくはプリズムにより分光された信号光の空間的なスペクトル配置が単調かつ固定であるという問題点もある。
【００１０】
特許文献３、４に示されている構成例ではこれらの問題のうちいくつかが解決されている。まずＣＣＤへの光の入射時間、すなわち電荷の蓄積時間を適宜延長することで、十分な信号対雑音比を得るのに必要な光電荷を発生させることができる。さらにＣＣＤアレイを用いて全波長成分をほぼ同時に計測できるので、計測にかかる時間も上の例よりは短縮できる。また機械的駆動部品なしで計測が可能である。
【００１１】
その一方で、この構成も回折格子等の波長分散素子を利用しているため、波長分解能がその素子の特性とＣＣＤの画素数で決まる値に固定されるという問題点を有している。広い波長範囲における大まかなスペクトルの形状と、その中の狭い波長範囲における詳細なスペクトル形状を測定したいなどの要求に対しては、分光器部分を交換しながら複数回計測を行わなくてはならない。
特許文献５と非特許文献１には、周期的な凹凸を持つ基板上に２種類以上の物質を周期的に積層した多層構造のフォトニクス結晶が記載されている。
非特許文献２には、フォトニクス結晶において面内格子定数の異なる４つの微小フィルターをひとまとめにして二次元的に周期的に配列した技術が記載されている。しかし、この技術においては、同一の素子内であまりカットオフ波長の短いものと長いもとを混在させると、長いもの（不要なもの）短波長側の高次のパスバンドと、短いものの正規のパスバンドが同じ波長で重なってしまい所望の分光ができない。
【特許文献１】特公平７−１２０６号公報
【特許文献２】特開２００５−８４０２９号公報
【特許文献３】特開２００３−２０７３９４号公報
【特許文献４】特開２００５−６２１０４号公報
【特許文献５】特許第３３２５８２５号
【非特許文献１】川上彰二郎、大寺康夫、川嶋貴之、「フォトニック結晶の作製と光デバイスへの応用」、応用物理、第６８巻１２号、ｐｐ．１３３５−１３４５、１９９９年１２月
【非特許文献２】大寺康夫、小貫哲平，井上喜彦、川上彰二郎、［フォトニック結晶による可視〜近赤外域用波長フィルタ・アレイ］、２００６年春季第５３回応用物理学関係連合講演会、２４Ｐ−Ｌ−２、２００６年３月
【００１２】
以上述べた通り、従来の技術には次の問題を有している。
単一の波長範囲と波長間隔の検出しかできない。
波長分解能と測定精度の両方を向上させることが困難である。
精密位置決め用機械的駆動部分を含むため大型かつ重量が大である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は従来の技術が有している問題点を解決するものである。
本発明は、検出すべき波長領域とその中での波長間隔を高い自由をもって設計することが可能な分光計測器を提供することを目的とする。
本発明は、波長分解能と測定精度の両方を向上させることが可能な分光計測器を提供することを目的とする。
本発明は、機械的な駆動部を必要とせず、小型かつ軽量の分光計測器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に係る発明は、透過スペクトルが順次異なる複数の微小フィルターを列状に配置してなり、一定の透過波長帯域を有するユニットフィルターを一列或いは複数列有する複合型の分光フィルターと、個々の前記微小フィルターに光学的に対応した画素を有し、微小フィルターを透過した光を受光する光電変換素子と、を有することを特徴とする分光計測器である。
本発明は、分光計測装置における分光器の中心的部品として、透過スペクトルがわずかずつ異なる多数の微小波長フィルターを共通の基板面上に並列配置した構造のフィルタを用い、また光度計として光電変換素子（例えば、イメージセンサー）を用い、両者を組み合わせた機器構成とすることで上記の問題の解決を図るものである。
【００１５】
請求項２に係る発明は、隣接する微小フィルター間の光強度の差を取り、カットオフ波長間のスペクトル強度の積分値を得るための手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の分光計測器である。この差分演算処理を隣接画素間で実行していく手段を設けておくことで、短波長側から長波長側までのスペクトルの形状を詳細に求めることができる。
請求項３に係る発明は、前記微小フィルターは、被計測光の波長の２倍程度の距離以内では屈折率が周期的ないし準周期的に変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の分光計測器である。光の波長のおおむね２分の１程度の間隔で屈折率が周期的に変動している構造体をフォトニック結晶と呼ぶ。被計測光の波長の２倍程度の距離範囲はその屈折率変動の数周期分を含むことになり、局所的にフォトニック結晶としての性質を期待できる。膜構造が単なる平坦な多層膜から、基板面内にも屈折率の変調のあるフォトニック結晶になることで、基板面内での光のブラッグ反射を反映した光の伝搬モードとストップバンドが新たに発生する。この新たに生じたストップバンドを利用することで、光の透過スペクトルを、単なる平坦な誘電体多層膜構造の透過スペクトルから効率的にシフトさせることができる。
請求項４に係る発明は、前記分光フィルターは、周期的な凹凸を持つ基板の上に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層全体の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより周期的な構造を形成してなる多層膜構造をその一部に含む構造体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項５に係る発明は、途中に厚みの異なる層を挿入してファブリ・ペロー干渉計構成とし帯域通過型の微小フィルターとしたことを特徴とする請求項４記載の分光計測器である。
請求項６に係る発明は、前記分光フィルターは、２種類以上の誘電体からなる多層膜に溝または孔の列を形成することで屈折率の変調を実現してある請求項１ないし３のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項７に係る発明は、透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを複数列配置したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項８に係る発明は、透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを並列的に配置したことを特徴とする請求７記載の分光計測器である。
請求項９に係る発明は、透過波長帯域が順次異なるユニットフィルターを直列的に配置したことを特徴とする請求項７記載の分光計測器である。
請求項１０に係る発明は、透過波長帯域が同じユニットフィルターを複数配置したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項１１に係る発明は、あるユニットフィルターの透過波長帯域内のより狭い範囲の透過波長帯域を有するユニットフィルターを配置したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項１２に係る発明は、異なる透過波長帯域を有するユニットフィルター間に、透過スペクトルが順次同じ複数の微小フィルターを列状に配置してなるユニットフィルターを配置したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項１３に係る発明は、前記光電変換素子は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ又は化合物半導体型のイメージセンサーであることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項記載の分光計測機器である。
請求項１４に係る発明は、前記微小フィルターの領域と前記画素とは同じ大きさであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項１５に係る発明は、前記分光フィルターは、前記光電変換素子上に成膜により形成されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項記載の分光計測器である。
請求項１６に係る発明は、分光フィルターに入射する光の空間的強度分布を調整するための手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項記載の分光計測装置である。
請求項１７に係る発明は、広帯域波長選択フィルターを設けることを特徴とする請求項１６記載の分光計測装置である。
請求項１８に係る発明は、広帯域波長選択フィルター、偏光子を順次設けることを特徴とする請求項１７記載の分光計測装置である。
【００１６】
複合型分光フィルターは誘電体や金属もしくは半導体の光学材料による多次元周期構造の集合体で構成するものとし、具体的には例えば自己クローニング型多層膜構造で実現する。
ここで、自己クローニング型多層膜構造とは、特許文献５に記載された構造である。すなわち、周期的な凹凸を持つ基板の上に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層全体の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより周期的な構造を形成してなる多層膜構造である。
【００１７】
またイメージセンサーは好ましくはＣＣＤやＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）、あるいは化台物半導体から成るセンサーの１次元もしくは２次元アレイを使用する。
【００１８】
複合型分光フィルターを構成する個々の微小波長フィルターの透過スペクトルはその構成材料の屈折率と周期構造の形状で規定されるが、周期形状は電子線リソグラフィ技術等の汎用の半導体微細加工プロセスによって形成することができる。微小波長フィルターを基板面内でどのように配置するかは電子線描画やステッパによる描画時のレイアウト次第で高い自由度を持って決めることができる。この複合型分光フィルターの微小フィルター要素とイメージセンサーの画素が空間的に対応するように両者を組み合わせる。これは微小フィルターの寸法をイメージセンサーの画素ピッチと一致させて作製しておいた上で両者を直接張り合わせてもよいし、イメージセンサー上に直接波長フィルター膜となる周期構造を形成してもよい。また両者を適当なリレー光学系を介して光学的に対応付けてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
回折格子と１次元光電変換素子アレイとを用いた方法では、透過スペクトルは一次元的に分散し、単一の波長範囲と波長間隔の検出のみが可能であるが、本発明では分光器に複合型分光フィルターを用いるので、検出すべき波長域とその中での波長間隔を高い自由度を持って設計することができる。
従来の分光光度計では、分解能と光強度とは相反する関係にあったが、本願発明では、分解能は分解能として設定でき、光強度は分解能の設定に影響を受けることなく設定できる。
【００２０】
更に分光フィルター、光度計ともに２次元配列したものを用いることにより、波長域や波長間隔の異なる複数の計測機能を並列して実装することが可能である。例えばある列には中心波長が５００ｎｍから６００ｎｍまで段階的に変化する帯域通過フィルターを配置し、別の列には前記ある列の幅の範囲内の任意の幅（例えば波長５４５ｎｍから５５５ｎｍ）まで変化するフィルターを配置すれば、波長５５０ｎｍを中心として波長幅１００ｎｍにわたる広範囲なスペクトル形状と、波長幅１０ｎｍの範囲の詳細なスペクトル形状の両方が一度の測定で得られる。前記例のある列の波長は５００ｎｍから６００ｎｍに限らず任意の波長を選択できる。また、幅は１００ｎｍに限らず１００ｎｍ以下、あるいは１００ｎｍ以上の任意の幅で選択できる。また、別の列の波長あるいは波長幅も任意の波長あるいは波長幅を選択できることはいうまでもない。
【００２１】
また計測の対象とする最短の波長と最長の波長の間を、１次元ＣＣＤアレイを用いた構成ではその画素数で割った波長分解能で計測するのが限界であるが、２次元配列した波長フィルターとイメージセンサーを用いる構成の場合、最短波長から最長波長までをいくつかの列に振り分けることで、波長分解能を大幅に細かくすることも可能である。またＣＣＤによる電荷の蓄積時間を適宜延長することで、光量の低下にも対応することが可能である。
【００２２】
このように本発明は様々な波長条件における分光計測を高い精度で実現するための光学部品及び計測装置を提供する。
なお、広域バンドパスフィルターないし偏光子を設けることが好ましい
非特許文献２においては、ひとつの素子で対応できる波長域が限定されている。同一の素子内であまりカットオフ波長の短いものと長いものとを混在させると、長いものの（不要な）短波長側の高次のパスバンドと、短いものの正規のパスバンドが同じ波長で重なってしまい、所望の分光ができない。従って非特許文献２の構成では、ある限定された波長域向けのセンサーしか作ることができない。それに対して、広帯域波長選択用プレフィルター（広域バンドパスフィルター）と偏光子で構成する場合、これらの要素を適宜交換することで、一つの分光計測器を使っていろいろな波長域の分光をさまざまな波長分解能で行うことができる。フォトニック結晶フィルター上には、パスバンドの重なりを意識せずに、短い波長から長い波長まで多種多様の分光領域を並べておき、その中のどれを使うかを前段の広帯域波長選択用プレフィルターないし偏光子と、イメージセンサーのデータエリア選択で決定できる。
センサー上でのエリア選択はソフトウェア処理を行えば手間は無視できる。波長別に複数の素子、光学系を用意するのに比べてコンパクトに構成できる。このように一つの部品で対応可能という利点を有する。
また、イメージセンサーに入射する光の強度分布は一様であるのが理想ですが、実際には分布がある。これを校正するのに、非特許文献２では白色スクリーンの像などを計測しておく必要がある。それに対して、本願発明では分光と関係ない、強度分布校正用の領域を分光領域と並べて配置できるので、光強度の分布の校正は本番の計測時に並行して行うことができる。従って非特許文献２とは異なり、本番用の計測光に場所による強度分布があっても問題はなく、レンズなどセンサー前段の光学系の構成を大幅に簡素化できるという効果を有する。
本発明では、短波長側から長波長側まで広くフィルターを並べておき、それに広域バンドパスフィルターを組み合わせることにより非特許文献２よりも広い波長範囲をカバーする。広域バンドフィルターとしてカバーできる波長範囲の異なるものを複数用意しておき、それらを取り替えながら測定すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本形態においては、透過スペクトルが順次異なる複数の微小フィルターを列状に配置してなり、一定の透過波長帯域を有するユニットフィルター４０１を一列或いは複数列有する複合型の分光フィルター１０５と、個々の前記微小フィルターに光学的に対応した画素を有し、微小フィルターを透過した光を受光する光電変換素子１０５と、を有する。
以下より詳細に説明する。
図１に本発明の実施の形態を示す。被測定試料から出た被測定光１０１はビーム整形などの機能を有する入射光学系１０２、広帯域波長選択フィルター１０３、偏光子１０４、複合型分光フィルター１０５を通り、アレイ型イメージセンサー１０６で受光される。
入射光学系１０２により被測定光の拡大を図っている。従来は、被測定光の拡大を図ると分解能の低下をもたらす。しかし、本発明においては、分解能と非測定光の拡大によって影響を受けることがない。すなわち、分解能は非測定光の拡大とは無関係にユニットフィルターの構成によって設定することができる。従って、入射光学系１０２により被測定光のビーム整形を行う。ビーム整形は、所望の幅に拡大する。本形態では分光フィルター１０５の長さいっぱいまで拡大している。ユニットフィルタを多く配列する場合には、それに対応する長さまで拡大すればよい。それによって分解能が低下することはない。
【００２４】
複合型分光フィルター１０５はアレイ配置した自己クローニング型のフォトニック結晶構造で構成する。自己クローニング型フォトニック結晶及びその作製法は特許文献５に開示されている。
すなわち、周期的な凹凸を持つ基板の上に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層全体の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより周期的な構造を層ごとの位置合わせを必要とせず形成した周期構造体を用いることが好ましい。この周期構造体は二次元的ないし三次元的な周期構造を有している。
【００２５】
図２に典型的な自己クローニング型フォトニック結晶構造の例を示す。
作製手順の概要は次のとおりである。
石英ガラス等の基板２０１の上に電子線描画用レジストを塗布し、電子線描画にて格子パターンを描画する。格子パターンは例えば間隔３００ｎｍ程度で周期配置した線の列、もしくは円孔の列である。この間隔は電子線描写によりナノオーダーで制御することができる。そして、この間隔を変えることにより透過スペクトルの形状を任意に制御することができる。従って、分解の高いフィルターとすることができる。
【００２６】
イメージセンサーの画素と対応することになる単位波長フィルター領域２０２の内部では格子のパターンは一様であるが、別の領域内ではまた別のパターンを描画する。すなわち線列や孔列の配置間隔や配置方向を適宜変化させる。次に現像後の基板をドライエッチ加工し、レジスト上の格子パターンを下地の基板に転写する。こうして凹凸付き基板が出来上がる。続いてこの基板上に、ｒｆマグネトロン・スパッタ法によって複数種類の誘電体層２０３を交互に積層する。可視波長向けのフィルター用には、例えば石英（屈折率約１．４７）と五酸化タンタル（屈折率約２．１）を材料に用いることができる。
【００２７】
スパッタで膜を形成する際に、基板側にも適当なバイアス電圧を印加することで、基板上の凹凸間隔を反映した定常な三角波状の膜を成長させることができる。下地の層の形状が次の層に転写されるため、このような凹凸膜の形成方法は自己クローニング法と呼ばれる（非特許文献１）。またこの方法で作製された多層膜をここでは自己クローニング型多層膜と呼ぶ。水平及び垂直方向の凹凸間隔は使用する光の波長と同程度ないし数分の１程度であり、光が周期構造による多重反射の影響を強く受けることから、この様な寸法の屈折率周期構造をフォトニック結晶と呼ばれる（非特許文献１）。本発明はフォトニック結晶の波長フィルターとしての機能を活用すればより効果的である。
【００２８】
自己クローニング型多層膜からなる波長フィルターの透過スペクトルの例を図３に示した。この例では厚さ１８０ｎｍの五酸化ニオブ層と同じく厚さ１８０ｎｍの石英層をそれぞれ２０層ずつ交互に、計４０層積層した構造を想定している。また水平方向の格子間隔ｐは３３０ｎｍ、３６７ｎｍ、３８３ｎｍ、そして４００ｎｍの４種類である。この図に示すとおり、多層膜の厚みが共通であっても、面内の格子の間隔ｐによって異なる透過特性を持つことが分かる。この構成例ではある波長より長い波長の光のみを選択的に透過させる、「長波長透過型フィルター」として機能する。
【００２９】
次に、このような微小フィルター領域を、図４に示す要領で基板面内に２次元的に配置する。同図の列４０１、列４０２、列４０３はそれぞれ例えば波長４００ｎｍ帯、波長５００ｎｍ帯、波長６００ｎｍ帯のように異なる波長帯域のスペクトルを検出するためのフィルター群で、列の左端から右端まで格子間隔ｐをわずかずつ変化させておく。また列４０４は例えば波長５４０ｎｍから波長５６０ｎｍの範囲など、特定の狭い範囲のスペクトルを検出するための領域で、上の３つの領域より面内格子間隔の変化を緩やかにしておく。
【００３０】
更に列４０５はそれぞれの列内で同じ格子形状を持つ領域を並べたものであり、入射光の面内でのばらつきを検出してスペクトル強度の校正を行うために配置する。すなわちこの複合型分光フィルターには全域に均一な強度の光が入射するのが理想的であるが、前段の光学系の性能等の影響で、もし入射光強度に分布が生じた場合でも、このように特性の共通な領域を設けておくことで、面内での光強度の分布を計測時に知ることができる。スペクトル検出用の領域を通過した光強度は、この校正用の領域の強度分布で補正される。
【００３１】
自己クローニング型フォトニック結晶による波長フィルターの透過スペクトルは誘電体多層膜型の干渉フィルターのそれに似ており、波長に応じて透過帯と遮断帯とが交互に現れる。前段に設ける広帯域波長選択フィルター１０３は、必要な透過特性を持った波長領域だけを大まかに抜き出すのに使用する。またフォトニック結晶が偏光依存性を持つ場合、入射光から不要な偏光成分を除去するために偏光子１０４を設置する。
【００３２】
以上のように構成した複合型分光フィルターを２次元ＣＣＤイメージセンサーと向かい合わせて貼り合わせる。このようにして特定の微小波長フィルターとＣＣＤの画素とが１対１に対応する。
【００３３】
以上の説明では複合型分光フィルターを自己クローニング型フォトニック結晶で構成する例を示したが、本発明の本質はこの方法に限定されるものではない。すなわち複合型分光フィルターを、透過スペクトルの異なる微小波長フィルターの集まりとして共通の基板内に位置及び特性を制御して配列させることが重要なのであって、例えば実施例２に示すように多層膜を積層後に周期的な溝もしくは孔を加工する構成、あるいは図５の断面図に示すように基板上に形成された金属もしくは半導体の薄膜を格子状にエッチングする形状などの構成でもよい。これらの構成でも面内の周期形状及び格子間隔ｐによって、基板面内での場所ごとの透過特性を調節することができる。
【００３４】
また、ここでは複合型分光フィルターとイメージセンサーを直接貼り合わせる方法について述べたが、複合型分光フィルターを構成する個々の微小波長フィルターを通過した光がセンサーの特定の画素に入射することが本質的に重要なのであって．フィルターとセンサーを組み合わせる方法はこれに限定されるものではない。例えば図６のようにリレーレンズ６０１を用いた光学系を介して複合型分光フィルター６０２上の光強度分布をイメージセンサー６０３の上に適当な横倍率をもって光学的に転送してもよいし、図７のようにイメージセンサー７０１の表面を下地として自己クローニング型のフォトニック結晶層７０２を形成するなどの方法でもよい。  フィルターを光電変換素子上に直接成膜してもよい。
以下に実際の実施例を示す。
【実施例１】
【００３５】
（自己クローニング型周期構造）
自己クローニング型フォトニック結晶による複合型分光フィルターの実施例を示す。
図８は複合型分光フィルターの一部を拡大して描いたものであり、３つの微小フィルター領域が並べて配置されている様子を示している。３つの微小フィルターは連続しており、同時に一体的に形成されている。
以下に形成手順の例を示す。
石英ガラス基板８０１の上に電子線リソグラフィとドライエッチングによって周期的な溝の列を形成する。本例では、３つの微小波長フィルター領域における溝の間隔ｐ１、ｐ２、ｐ３はそれぞれ２３０ｎｍ、２５２ｎｍ、２７０ｎｍである。
【００３６】
次に、この溝列付き基板８０１にｒｆバイアススパッタリングで五酸化ニオブ（屈折率２．２８）の層８０２と石英（屈折率１．４７）の層８０３とを交互に２０周期、計４０層積層する。層の厚みはいずれも１２０ｎｍとする。スパッタ成膜の条件、すなわちｒｆ電力、基板に印加するバイアス電圧、成膜中の圧力、酸素ガスの圧力などを適当に調整することであり、図８に示すように定常な三角波状の多層膜が形成される。これらの値の一例は次のとおりである。五酸化ニオブについてはｒｆ電力３８０Ｗ、バイアス電力０Ｗ、ガス圧力２ｍＴｏｒｒ、石英についてはｒｆ電力３８０Ｗ、バイアス電力２０Ｗ、ガス圧力６ｍＴｏｒｒである。
【００３７】
以上のようにして形成された微小波長フィルターの、ＴＥ波に対する透過スペクトルを図９に示す。ここでいうＴＥ波とは基板面に垂直に入射する光のうち、電界の振動方向が溝に平行である波を指す。いずれの領域も波長の短い波は反射し、波長の長い光を透過させる長波長透過の特性を示すが、その開始波長（カットオフ波長）が異なっている。同じ要領で、溝列の間隔ｐを様々な値に変えた領域を多数並べることで、カットオフ波長が空間的に少しずつシフトした微小フィルターの列を構成することができる。
【００３８】
隣接するセンサー画素間の受光強度の差を計算すれば、隣接するフィルターのカットオフ波長の間に含まれるスペクトルの積分値が得られる。この差分演算処理を隣接画素間で実行していく手段を設けておくことで、短波長側から長波長側までのスペクトルの形状を詳細に求めることができる。
【００３９】
上で示した３種類の微小波長フィルター領域の、別の波長帯におけるＴＥ波の透過スペクトルを図１０に示す。この波長域ではいずれも短波長透過型のフィルター特性を示す。このようにフィルターの基本特性は凹凸付き多層膜の各方向の周期と波長の相対的な大小関係で決まるので、面内の凹凸周期を適宜設計することで、ある波長帯に対し様々な透過特性を持ったフィルターを一つの基板面内に多数並列して作製することが可能である。
【００４０】
ここでは基板に石英ガラスを用いた実施例を示したが、本発明を実施する手段としてはこの材料に限定されるものではない。基板材料は使用する波長域で透明であり、かつスッパッタ成膜に耐える機械的、化学的強度を有しているものであれば他のガラス材料や結晶材料、有機材料でも構わない。また多層膜の構成材料としてここでは五酸化ニオブと石英を取り上げたが、材料もこれらに限定されるものではない。
可視波長域では他に五酸化タンタルや窒化シリコン、酸化ハフニウム、アルミナなどが使用できる。近赤外から短波長赤外領域では高屈折材料としてシリコンやゲルマニウムなどが使用できる。
【００４１】
また、各層の膜厚や面内の溝間隔の数値は上述の値に限定されるものではない。測定しようとする波長帯とフィルター特性に応じて、適当な値を設計して用いる。
【００４２】
また、本実施例では、最下層から最上層まで同じ厚みで膜を積層する構成を示したが、途中に厚みの異なる層を挿入してファブリ・ペロー干渉計構成とし、帯域通過型のフィルター特性を実現することもできる。
また、面内の周期形状として溝の列を配置する例を示したが、周期形状として孔の列や交差する溝の列を配置してもよい。このような基板上に形成された多層膜においては、屈折率が３方向すなわち基板面内の２方向と積層方向に周期的に変化する、いわゆる３次元フォトニック結晶構造となる。３次元フォトニック結晶構造においても、図９、図１０に類似した各種の透過スペクトルを利用した波長のフィルタリング作用が実現できる。
【実施例２】
【００４３】
ここでは複合型光フィルターの別の構成例を示す。図１１に示すのは、フィルターの一部を拡大して描いたものであり、隣接する２つの微小フィルター領域が示されている。
この構造は石英ガラス基板１１０１の上に五酸化ニオブ層１１０２と石英層１１０３を交互に積層した後に、電子線リソグラフィとドライエッチで穿孔を行って周期的な円孔列１１０４を形成したものである。その配置の格子形状、または配置間隔または円孔の直径あるいはそれらすべてが微小フィルター領域ごとに異なっている。例として、五酸化ニオブ層と石英層の厚みをいずれも１００ｎｍとし、１０積層周期、すなわち合計２０層積層するものとし、また円孔列は格子定数１５０ｎｍで正方格子状に配置する。
【００４４】
円孔の直径が１２５ｎｍ、１６２．５ｎｍ、１７５ｎｍ、１８７．５ｎｍの４種類である場合の微小波長フィルターの透過スペクトルを図１２に示した。カットオフ波長が少しずつ異なる長波長透過型のフィルター特性を示すことがわかる。円孔の配置間隔及び円孔の直径を細かく変化させることで、カットオフ波長をより小さな幅でシフトさせることが可能となる。この構成では屈折率の周期的な変化が図１１のｘ方向とｙ方向で等しいため、透過スペクトルは入射光の偏光面に依存しない。
【００４５】
なお、この実施例においても膜材料や周期構造の間隔、膜の厚みなどが上記の値に限定されるものではないことは実施例１で説明したとおりである。円孔の代わりに直線的な溝の列を加工する構成でもよく、その場合は溝の深さや橿、配置間隔によって波長特性を調節することになる。このような穿孔型多層膜構造の単体での光学特性は非特許文献３に開示されている。またこの実施例に示した計算例では、カットオフ波長付近で透過率に大きな変動が見られる。これは多層膜の両端面の間で生じる光の多重反射による干渉が原因であり、平坦な多層膜の場合と同様に、空気側界面あるいは基板側界面に適当な無反射終端層を挿入することで低減することが可能である。
【実施例３】
【００４６】
（フィルターのレイアウト．光強度分布校正用画素付き）
実施例１および実施例２で示した微小波長フィルターの基板面内での配置方法の例を説明する。
【００４７】
図１３は配置の一例を示している。この例では各微小フィルターの寸法はイメージセンサーの画素ピッチと一致させている。図中、Ａに示した列には左端から右端に向かってカットオフ波長が４５０ｎｍから５５０ｎｍまで変化する長波長透過型フィルターを配置する。同じ要領でＢ，Ｃの列にはそれぞれカットオフ波長が５５０ｎｍから６５０ｎｍまで、及び６５０ｎｍから７５０ｎｍまで変化する領域を配置する。イメージセンサーの１列の画素数が２５０個のものを用いれば、隣接する画素に対応するフィルターのカットオフ波長の差は０．４ｎｍとなる。隣接する画素同士で受光強度の差を求めれば、２つのカットオフ波長間の幅０．４ｎｍの波長域のスペクトルの積分値が得られる。
【００４８】
こうしてＡ，Ｂ、Ｃ全体で波長４５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲のスペクトル波長幅０．４ｎｍ刻みで計測できることになる。列Ｄには波長５９０ｎｍから波長６１５ｎｍまでカットオフ波長の変化する長波長透過フィルターを配置すると、この列では０．１ｎｍ刻みでより詳細にスペクトルを計測することが可能となる。また入射光量の少ない波長域向けに、列Ｅから列Ｆのように同じフィルター配列をＮヶの列にわたって並べてもよい。同じ波長特性を持つ画素同士で強度の和を取るような使い方をすれば、実質的な光感度を１列のみの場合に比べＮ倍に引き上げることができる。
【００４９】
一方、Ｇで示すように、同じ透過スペクトルを持つ微小フィルターのみを並べた列を設けてもよい。試料を通過した後の光が複合型分光フィルターに入射する際、フィルターの全面積にわたって光強度が均一であるならば、イメージセンサーからの強度出力がそのまま光のスペクトル形状を反映したものとなる。
【００５０】
一方、フィルターの基板面内で光強度に偏りがあると、イメージセンサーの出力はその光強度分布とスペクトル形状の両方を反映したものとなり、そのままでは入射光の純粋なスペクトル形状を推定することができない。ここで同一の特性を持つ領域を設けておけば、光強度の分布の方を知ることができるので、イメージセンサーの出力から光強度分布に依存する部分を除去することができる。
【００５１】
以上、特性の異なるフィルター群からなる列を数種類、配置する方法について述べたが、現時点で縦横各数百から１０００画素程度のイメージセンサーは容易に入手可能であり、また複合型分光フィルターについても実施例１と２で述べた方法によって特性の異なるものを容易に並列形成することができるので、本発明によれば上で述べた「列」に相当する一連のフィルター群を数百組ないし１０００組並列配置することが可能となる。このような多種多様な波長域及び波長間隔のスペクトル測定を同時に実行するための装置構成を提供することが可能となる。
【００５２】
なお、ここでは２次元のイメージセンサーの使用を前提に、微小波長フィルターを２次元的に配列する場合の実施例について示したが、図１４のように１次元イメージセンサーと組み合わせることを目的として微小フィルターを１次元配列にしてもよい。この場合全画素をいくつかに分割して、それぞれに異なる波長帯Ａ，Ｂ，Cを割り当てる。
従来の回折格子またはプリズムを用いる分光器では、分光後の光の出射角度は空間的に単調に変化するため、例えば波長間隔の粗い箇所と細かい箇所を混在させてＣＣＤアレイに入射させることは不可能であった。
【００５３】
これに対し、本発明で用いる複合型分光フィルターにおいては、そのスペクトル配置を電子線リソグラフィで自由に設計できるので、イメージセンサーの画素が１次元のアレイの場合であっても多機能なスペクトル検出が可能である。
【００５４】
また、本発明による分光計測装置で計測可能な波長帯は本実施例に示した範囲に限定されるものではない。光電変換素子アレイにビジコンや化合物半導体によるイメージセンサーを用いれば、近赤外や赤外波長の波長域の検出も可能である。
【実施例４】
【００５５】
（装置の構成例）
実施例１から実施例３までに記載の複合型分光フィルターを用いた分光計測装置の構成例を図１５に示す。入射光学系１５０１、広帯域波長選択フィルター１５０２、偏光子１５０３、複合型分光フィルター１５０４、アレイ型イメージセンサー１５０５、センサー出力信号処理用電子回路１５０６からなる。広帯域波長選択フィルター１５０２は複合型分光フィルターに入射する光の波長域を大まかに設定するもので、必要に応じて挿入する。
【００５６】
また、偏光子１５０３は複合型分光フィルター１５０４の透過スペクトルが偏光依存性を持つ場合に、入射光に含まれる偏光状態を調整するために必要に応じて挿入する。この２つの素子の挿入位置に要求される精度は従来の分光測定装置における回折格子の角度制御の精度に比べて遥かに低くてよく、ごく簡単な機械部品による構成でもよい。素子の挿入位置が計測毎に変化して、その結果複合分光フィルターに入射する光の分布が変わっても、実施例３に示した光強度分布校正用のフィルター群を利用することでその変化分を補正することができるからである。
【００５７】
また、複合型分光フィルターのレイアウトとして、図１６に示すように波長帯ごとにある程度まとまった場所に配置する構成も有用である。被測定光において測定の対象とする波長帯が大まかに決まっている場合、図１５の１５０７に示すように適当な集光及び偏光機能を有する光素子を挿入して、測定光のパワーをその波長帯に対応する複合型分光フィルター上の領域に集中させることで、受光効率を上げることができる。この集光及び偏光用の光素子としては、例えば位置を調整できるレンズと回折格子を組み合わせたものなどを用いればよい。この場合も複合型分光フィルター上に生じた光強度の分布を実施例３に記載の方法によって補正することができるので、集光及び光偏向にはさほど高い精度を必要としない。複合型分光フィルターの該当領域に光が照射されていさえすれば、強度分布とは独立にその正確なスペクトル形状を多数の微小波長フィルターが判別するからである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明による複合型分光フィルター及び分光計測装置は、医療・バイオ、化学薬品、光エレクトロニクスなどの分野において、測定物質の光波長特性の高精度・高機能計測用に広く利用することができる。特に広い波長域における大まかなスペクトル形状と、興味のある狭い波長領域における詳細なスペクトル形状を同時に計測することができ、さらに複数の異なる波長範囲におけるスペクトルを異なる波長刻みで同時並列に測定することが可能となる。
【００５９】
さらに、本発明の計測装置は大型かつ重量のある精密機械駆動部を必要としないので、装置全体の小型化が可能であり、持ち運び可能なポータブル分光装置も実現可能である。化学物質に固有の光吸収波長や、薄膜光学材料の光透過特性の計測、あるいは光デバイスからの発光スペクトルの形状や、各種生体蛋白質の蛍光スペクトルの形状測定など、現在分光光度計が用いられている全ての産業分野において、広範囲に利用することができる。
また、スペクトルイメージング用カメラ全般への応用が考えられる。例えば、生体計測（抹消血のヘモグロビン濃度、血中酸素飽和度の可視化）、赤外線監視カメラ、リモートセンシングなどへの応用が考えられる。
また、赤色〜近赤外（９００ｎｍ）領域、短波長可視領域（４００〜６００ｎｍ）、短波長赤外領域における波長においても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の分光計測装置の構成
【図２】自己クローニング型フォトニック結晶からなる複合型分光フィルターの概念図
【図３】フォトニック結晶型波長フィルターの透過スペクトルの例
【図４】複合型分光フィルターにおける、微小波長フィルターの配置例
【図５】複合型分光フィルターを金属または半導体の周期構造膜で構成する例
【図６】複合型分光フィルターとイメージセンサーの画素をリレー光学系で対応付けることを示す概念図
【図７】イメージセンサーを下地として自己クローニング型フォトニック結晶による複合型分光フィルターを形成する構成例
【図８】自己クローニング型フォトニック結晶膜による波長フィルターの構成例。複合型分光フィルターを構成する微小フィルターのうち３つを抜き出して描いたもの。
【図９】図８の波長フィルターの透過スペクトルの一部を示す図
【図１０】図８の波長フィルターの透過スペクトルの一部を示す図
【図１１】周期穿孔型多層膜からなる複合型分光フィルターの概念図
【図１２】周期穿孔型多層膜からなる波長フィルターの透過スペクトルの一部を示す図
【図１３】複合型分光フィルターにおいて、微小波長フィルターを２次元的に並列配置する方法の一例
【図１４】複合型分光フィルターにおいて、微小波長フィルターを直線状に配置する方法の一例
【図１５】本発明の分光計測装置の一つの構成例
【図１６】複合型分光フィルターにおいて、微小波長フィルターを配置する方法の一例
【符号の説明】
【００６１】
１０１  被測定光
１０２  ビーム整形などの入射光学系
１０３  広帯域波長選択用プレフィルター
１０４  偏光子
１０５  複合型分光フィルター
１０６  アレイ型イメージセンサー（光電変換素子）
２０１  ガラス基板
２０２  単位フィルター領域（微小フィルター）
２０３  誘電体層
４０１  ある波長帯の光を検出するための微小波長フィルター列
４０２  ある波長帯の光を検出するための微小波長フィルター列
４０３  ある波長帯の光を検出するための微小波長フィルター列
４０４  ある波長帯の光を検出するための微小波長フィルター列
４０５  透過スペクトルの等しい微小波長フィルターからなる列
６０１  リレーレンズ
６０２  複合型分光フィルター
６０３  イメージセンサー
７０１  イメージセンサー部分
７０２  自己クローニング型フォトニック結晶層（分光フィルター、微小フィルター）
８０１  石英基板
８０２  五酸化ニオブ層
８０３  石英層
１１０１  石英基板
１１０２  五酸化ニオブ層
１１０３  石英層
１１０４  周期的に形成された円孔の列
１５０１  入射光学系
１５０２  広帯域波長選択フィルター
１５０３  偏光子
１５０４  複合型分光フィルター
１５０５  アレイ型イメージセンサー
１５０６  センサー出力信号処理用電子回路
１５０７  適当な集光及び偏光機能を有する光素子
【図１】
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【図２】
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【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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【図１６】
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