(57)【要約】【課題】分光装置を使用した光計測装置の波長分解能を向上する。【解決手段】高波長分散の平行干渉計（A）と低波長分散の回折格子（B）をそれぞれの波長分散方向が直交するように組合せ分光装置を構成し、分光装置で、２次元的に広がった光を２次元アレイ型光検出部（５０）を設け、光計測装置を構成する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分散特性を持つ平行干渉分光計と、該平行干渉分光計より小さい波長分散特性を有する分散素子とが、一定距離離れた位置に平行干渉分光計の波長分散方向と分散素子の波長分散方向が異なる方向に配置されたことを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記平行干渉分光計は、集光レンズ部と、平行干渉板を有し、前記平行干渉板は透明基板の一面に光入射平面と直線状に境界をもつ第１の反射膜が形成され、他面には上記反射膜より反射率が小さい反射率を有する第二の反射膜が形成され、前記分散素子は前記第二の反射膜の透過光を回折するように配置されたことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
【請求項３】
前記平行干渉板の光入射平面の反射率は１０%以下で、前記第一の反射膜の反射率が９０%以上で、前記第二の反射膜の反射率が８０%以上であることを特徴とする請求項２記載の分光装置。
【請求項４】
前記平行干渉分光計は、集光レンズ部と平行干渉板とを有し、前記平行干渉板は透明平板基板の一面に前記集光レンズ部からの光を入射する入射平面と前記入射平面と直線状に境界をもつ第１の反射膜が形成され、他面には上記反射膜より反射率が大きい反射率を有する第二の反射膜が形成され、前記分散素子は前記第一の反射膜の透過光を回折し前記平行干渉板側に回折光を出射するように配置されたことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
【請求項５】
前記平行干渉基板の光入射平面の反射率は１０%以下で、前記第一の反射膜の反射率が８０%以上で、前記第二の反射膜の反射率が９０%以上であることを特徴とする請求項４記載の分光装置。
【請求項６】
前記分散素子が反射型回折格子から構成され、3cm角以下の大きさで構成されることを特徴とする請求項４記載の分光装置。
【請求項７】
前記透明基板の温度膨張係数を10-7/℃とすることを特徴とする請求項１記載の分光装置。
【請求項８】
前記分散素子は、プリズム、回折格子あるいは平行干渉板のいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
【請求項９】
請求項１に記載の分光装置と、前記分光装置の前記平行干渉分光計及び分散素子によって分散された光の二次元分布を検出する光検出部とを有することを特徴とする光計測装置。
【請求項１０】
前記光検出部が２次元アレイ型フォトディテクター、CCD、カメラ、あるいはイメージインテンシファイアのいずれかの光電変換部と、光電変換部でえられた光の二次元分布の情報を二次元平面画像として表示又は波長と光強度の関係に変換表示する信号処理部とをもつことを特徴とする請求項９記載の光計測装置。
【請求項１１】
請求項４に記載の分光装置と、前記分光装置の前記分散素子と平行干渉板との間に前記平行干渉分光計及び分散素子によって分散された光の二次元分布を検出する光検出部とを有することを特徴とする光計測装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の光計測装置において、前記光検出部を構成する光電変換部が、記透明基板の第１の反射膜の横に集積され、前記平行干渉板と分散素子との間に透明材質の固定部を設けたことを特徴とする光計測装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の光計測装置であって、更に前記透明基板の温度あるいは歪みを検出する手段を有し、前記信号処理部が、前記温度あるいは歪の情報に基づいて、光の二次元分布の表示情報を校正する手段を有することを特徴とする光計測装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の分光装置において、前記透明基板及び固定部が近赤外から赤外帯域の光に対して損失が少なく、光検出部が近赤外から赤外帯域の光に対する感度を有する素子から構成されることを特徴とする分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光計測装置及び分光装置、更に詳しく言えば、水素、重金属やダイオキシン等の化学物質や生体物質を、その物質による光の波長変化を光干渉計によって検出するための分光計、及び光センサ（分光装置と略称）及びそれを使用した光計測装置に係り、
特に、工業プラント、環境計測、家庭用健康チェッカー、ライフサイエンス、バイオテクノロジー、新素材などの基礎研究用に適した分光装置、光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の食品安全や環境問題への市民の関心の高まりから、小型・高分解能で非専門家でも容易に扱える物質検出装置の必要性が増している。また、ライフサイエンス，バイオテクノロジー，新素材などの基礎研究用評価においてもアレイ化による高スループット化の要求から、一つ一つのセンサ及び測定器の小型化、高分解能化が要求される。特に、分光測定は光学的測定法の基本であり、バイオ関連、臨床検査、各種プラント(化学プラント，食品プラント等)、環境計測の分野における、分光光度計、分光蛍光光度計、マイクロプレート光度計、原子吸光分光光度計、水銀測定装置、粒度分布測定装置への適用が考えられる。
【０００３】
分光測定で有効な分光装置として、高反射率の誘電体多層膜を用いた平行干渉分光計は、プリズムや回折格子等の波長分散素子に比べ高波長分散を持つことが知られている。下記非特許文献には、この平行干渉計を用いた通信用波長分波器について示されている。図１に平行干渉計による分波器の構成、図２に基板３０の断面構造を示す。この分波器の構成では、集光レンズ部２０によって光を絞り込み、平行干渉板３０に入射させる。平行干渉板３０は図２に示すように、透明基板３４の片面に反射率１００%の反射膜３１と無反射膜３３がコーティングされ、他方の面は反射率９５%の反射膜３２でコーティングされている。集光レンズ部２０によって絞り込まれた光は、僅かに斜めに傾けた（入射角は３．５°以上）平行干渉板３０の無反射膜３３に入射する。入射光は反射膜３１とのほぼ境界近くに入射するようにし、かつ最も集光されるのが反射膜３２上になるように集光レンズ部２０と平行干渉板３０を配置する。無反射膜３３を通過した光は、５%分だけ反射膜３２を通過し出射し、９５%は平行干渉板３０内に戻り反射膜３１に当たる。反射膜３１に当った光は１００%の反射率で反射され、反射膜３２に再びあたり、さらに５%分だけ平行干渉板３０から出射を繰り返す。この際、ビームは一度集光レンズ部２０で絞り込まれているので、徐々に広がっていく。このため、５%ずつ出射した光は干渉を起こし、あたかも透過型回折格子と同様に振るまい、出射角に応じて波長強度が変化する。この波長と出射角の関係、すなわち波長分散特性を図３に示す。図３より、0.4〜0.8°/nmの非常に大きな波長分散角が得られていることがわかる。この時、基板の厚さは１００μmのため、この光路差が原因で8nm毎の波長周期性が存在する。分波器として機能させるためには、波長に応じて光強度が最も大きくなる位置に集光レンズとファイバを複数配置し、所望の波長の光を分波する。
【０００４】
【非特許文献１】M. Shirasaki, Optics Letters Vol.21 No.5 pp366〜368
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、平行干渉分光計は高波長分散素子として有効であるが、光の多重反射(共振現象)を利用しているため、光学特性は波長周期性(FSR：Free Spectral Range)を持つ。このため、小型・高分解能の分光装置として用いる場合、このFSR毎の波長の光を分離できないという問題が生じることになる。すなわち回折光の強度分布は一次元に広った縞模様になり、複数の波長成分が重なったものが光の強弱として現れる。そのため、波長を分離するためには高度の信号処置が必要となり、非専門家が利用することが出来ない。また、通信分野では利用できても、特定の波長成分の検出が必要な計測装置として利用できない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明の分光装置は、高い波長分散特性をもつ平行干渉分光計と、回折格子等の上記平行干渉分光計より小さい波長分散特性を有する分散素子とを一定距離離れた位置に平行干渉分光計の波長分散方向と分散素子の波長分散方向が異なる方向に配置さし、高分解能小型分光装置を実現する。上記波長分散方向の異なる方向は、直交する場合が望ましいが、直交に限定されない。
更に、本発明は、上記分光装置で二次元に広げられた光をCCDあるいはイメージ・インテンシファイア等の光電変換手段で検出し、画像処理手段によって、二次元画像として検出試料の波長分布を表示する光計測装置を構成する。
さらに、本発明の好ましい実施携帯では、平行干渉分光計を構成する平行干渉板上に回折格子等の分散素子、光電変換手段の構成部品を集積化して、装置の小型化を実現する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光分装置では、平行干渉分光計と、他の分散素子とが波長分散方向の異なる方向に組合せられるため、簡易な方法によって干渉光は二次元に広がるため、二次元に配列された光電変換手段によって、後で詳細に説明するように、波長周期性(FSR：Free Spectral Range)毎の波長の光を正確に分離できる。また、分光装置と光電変換手段との間の距離を短くすることができ、分光装置の小型化が実現でき、光計測装置、特に携行型光計測装置を実現することが可能となる。
【０００８】
本発明による光学測定装置を用いることで、工業プラント、環境計測、ライフサイエンス，バイオテクノロジーの分野で、安価・小型・高分解能な光計測システムを構築することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
図４は、本発明による分光装置を使用した光計測装置の一実施例の構成と原理を示す分解斜視図である。本発分光装置は、波長分散特性を持つ平行干渉分光計Ａと、平行干渉分光計Ａより小さい波長分散特性を有する分散素子Ｂとを、それぞれの波長分散方向Ｘ,Ｙが異なる方向に配置されて構成されている。平行干渉分光計Ａは、コリメータ１０と、集光レンズ部２０と、平行干渉板３０とで構成され、分散素子Ｂは透過型回折格子４０で構成されている。
光計測装置を構成するため、上記分光装置の出力側に２次元アレイ型光検出部５０が設けられ、光検出部５０の信号は画像処理装置６０で信号処理され、計測結果が表示される。
コリメータ１０から出射した光は、計測すべき試料Ｃを透過し、集光レンズ部２０によって絞り込まれ、平行干渉板３０に入射する。平行干渉板３０は図２に示したように、透明基板３４の片面に反射率１００%の反射膜３１と無反射膜３３とが直線状に分離されようにコーティングされ、他方の全面は反射率９０%以上の反射膜３２でコーティングされている。
【００１１】
画像処理装置６０はカメラでもよいが、さらに、マイクロプロセッサのような信号処理装置で構成し、基準温度に対応する基準スケールデータ、すなわち、後で説明する図１０に示した波長と光強度分布の位置関係を示すデータを用意し、分光装置で検出された波長の部分に輝度、色彩わけの信号で表示する。分光装置の周囲温度を検出する温度計７０を設け、温度計７０で検出された温度情報に基づき上記基準スケールデータの校正を行うようにする。
【００１２】
図１に関連して述べたように、集光レンズ部２０によって絞り込まれた光は、僅かに斜めに傾けた平行干渉板３０の無反射膜３３に入射する。平行干渉板３０から出射した光は干渉を起こし、出射角に応じて波長強度が変化する(図中Ｘ方向)。透過型回折格子４０は上記平行干渉板３０から出射した干渉光に対して、平行干渉分光計で生じた時と異なる方向(図中Ｙ方向)に波長分散を与える。このように２つの方向に波長分散を与えられた光を２次元アレイ型光検出部５０によって検出する。図４ではＸ方向とＹ方向は垂直に示してあるが、上記２方向は異なってさえいれば(０度より大きい)、出射光は２次元的に広がるのでかまわない。後で図１０によって更に詳しく述べるように、透過型回折格子４０により波長周期性で同じ方向に出射する光を異なる方向に２次元的に分離するので、２次元アレイ型光検出部５０によって一次元の検出では波長分離が出来なかった波長周期性による問題が除かれる。
２次元アレイ型光検出部５０は、カメラ、CCD(Charge Coupled Device)あるいはイメージ・インテンシファイアなどの検出素子（光電変換素子）で構成される。特に近赤外から赤外帯域の波長の光を検出する素子を用いることで、近赤外分光、あるいは赤外分光が可能となり、プラント、環境計測、健康・医療等分野などへの幅広い分野への応用が可能となる。
【００１３】
図５及び６は、それぞれ本発明による分光装置の第二の実施例の斜視図及び側断面図を示す。本実施例による分光装置では、コリメータ１０と、集光レンズ部２０と、平行干渉板３０と、反射型回折格子４１と、２次元アレイ型光検出部５０と、固定部６０から構成される。コリメータ１０から出射した光は、集光レンズ部２０によって絞り込まれ、平行干渉板３０に入射する。
【００１４】
平行干渉板３０は、透明基板３４の片面に反射率９０%以上の反射膜３２と無反射膜３３とが境界が直線になるようにコーティングされ、他方の面は反射率１００%の反射膜３１が全面にコーティングされている。反射膜３２の横で、無反射膜３３と反対側には、２次元アレイ型光検出部５０が集積されている。
図１で述べたように、集光レンズ部２０によって絞り込まれた光は、僅かに斜めに傾けた平行干渉板３０の無反射膜３３に入射する。入射した光は反射膜３１と反射膜３２の間で反射を繰り返し、平行干渉板３０の反射膜３２を透過して出射した光は干渉を起こし、出射角に応じて波長強度が変化する。反射膜３２から一定の位置に上記平行干渉計で生じた時と直交する方向に波長分散を与えるように反射型回折格子４１を配置する。
【００１５】
上述のように上記平行干渉分光計と反射型回折格子４１によって異なる２つの方向に波長分散を与えられた光を２次元アレイ型光検出部５０によって検出する。図５及び６に示した構成の分光装置では、２次元アレイ型光検出部５０は、透明基板３４上に張り合わせることによって実現する。固定部６０は、平行干渉計を構成する基板３４と反射型回折格子４１と２次元アレイ型光検出部５０との位置関係を固定するもので、空間であっても、透明物体でもよい。さらにコリメータ１０と集光レンズ部２０との位置関係を固定しても構わない。また、固定部６０は測定したい波長の光になるべく透明な材料で構成されることが望ましく、可視、あるいは近赤外の波長領域では、ガラス、さらには合成石英等で構成することが望ましい。このような構成にすることで、反射型回折格子４１によって、波長周期性によって同じ方向に出射する光を、異なる方向に分散を与えることで２次元的に分離するので、２次元アレイ型光検出部５０によって検出することができる。
【００１６】
図７、８及び９は、いずれも本発明の分光装置に使用される平行干渉板の構成を示す側断面図である。平行干渉板３０の光の入射部は、必ずしも反射膜３１と３２とが平行でなくてもよい。図７と８の平行干渉板では、透明基板３４の光が入射する部分３３を細くした形状であり、図９の構成では、基板３４の光が入射する部分の反射膜３１と３２との間を厚くした形状としている。これらの形状を得るには、削る、あるいは台形部分の基板をさらに張り合わせる等の工程により実現する。図８の平行干渉板は、図７の平行干渉板の構成と比べ、無反射膜３３のコーティングを省くことによって、作成上の工程の簡素化を図ったものである。また、図９の平行干渉板は、無反射膜３３を入射した光は、最初に反射膜３１の斜めになった部分に反射するので、光路を変えることが可能となる。よって、斜めの部分の角度を変えることにより、コリメータ１０や集光レンズ部２０の配置を任意にとることができる。
【００１７】
図１０は、本発明の分光装置を用いた光計測装置によるに実験を行った実験結果を示す干渉光受光２次元面における光波長の関係を示す図である。
実験は、図９に示した構成の平行干渉板を使用し、反射膜３１及び３２には誘電体多層膜を用い、それぞれの反射率は各々１００%及び９８%とした。透明基板３４には、光学的に損失が少なく、温度膨張率の小さい(≦10-7/℃)合成石英を用いた。また、回折格子には反射型のものを用いた。２次元アレイ型光検出部５０には、赤外線カメラを用いた。波長可変光源を用いて、波長をおよそ１４９０ｎｍから１５８０ｎｍまで変化させた場合の赤外線カメラ上に写し出された輝点の変化を示す。図１０中のプロット(●)は、波長が１４９０、１５００、…、１５８０ｎｍと１０ｎｍ毎の場合の輝点の位置を示し、直線は輝点の動きを補助的に示している。
【００１８】
図中のＸ方向は平行干渉計によって生じる波長分散方向を、Ｙ方向は反射型回折格子によって生じる波長分散方向を示している。図中の単位は、赤外線カメラ素子上での位置とを対応させて示してある。輝点は、波長を長くしていくと、左下から右上の方向(図中の補助線)に変化していく。平行干渉計は波長周期性を持つので、右側Ｘ軸の２cm強のところにいくと、左側Ｘ軸０cmところへ移動する。このとき、反射型回折格子によって、Ｙ方向に波長分散を与えられているので、最初スタートした点より少しだけ上の位置に移動することになる。このように、波長を長くしていくことにより、左から右、下から上に移動していくことがわかる。この時、基板の厚さは約１ｍｍであり、波長周期は１００ＧＨｚ(約０．８ｎｍ)であった。このＸ方向とＹ方向の波長分散による移動量を比較すると、平行干渉計では、反射型回折格子に比べ約３０倍の波長分散量が得られ、高分解能化の効果を確認できた。
【００１９】
上記実験における分光装置の平行干渉板では、平行干渉板として温度膨張係数の小さい合成石英を基板３４として用いたが、通常のガラス基板でも構わない。温度が変わると基板の厚さが僅かに変化するため、光学特性も若干変化、すなわち温度変化によって波長分散角のシフトが起きる。そのため、高精度な分光装置を実現するためには、温度変化への対策も重要である。一つの方法としては、各光学素子の温度依存性を減らすこと、もう一つの方法は校正手段を設けることである。校正手段の一例としては、図４の実施例に示すように、分光装置の温度を検出する温度検出器７０を設け、信号処理装置８０に基準温度に対応する基準スケールデータ、すなわち図１０に示した平行斜線図のデータを用意し、上記温度計で検出された温度情報に基づき基準スケールデータの校正を行うようにする。試料、並び分装置の温度環境に対応して、高精度の分光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】平行干渉計による波長分散素子を光分波器として適用するための構成を示す図。
【図２】図１の平行干渉計の平行干渉板の断面を示す図。
【図３】平行干渉計による波長分散特性を示す図。
【図４】本発明による光計測装置の一実施例の構成と原理を示す分解斜視図。
【図５】本発明による光計測装置の他の実施例の概念斜視図。
【図６】本発明による光計測装置の他の実施例の側断面図。
【図７】本発明の分光装置に使用される平行干渉板の構成を示す側断面図。
【図８】本発明の分光装置に使用される平行干渉板の構成を示す側断面図。
【図９】本発明の分光装置に使用される平行干渉板の構成を示す側断面図。
【図１０】本発明の光計測装置の一実施例による実験結果を示す波長分散特性を示す図。
【符号の説明】
【００２１】
１０：コリメータ
２０：集光レンズ
３０：平行干渉板
３１，３２：反射膜
３３：無反射膜
４０：透過型回折格子
４１：反射型回折格子
５０：２次元アレイ型光検出部
６０：固定部
７０:温度検出器
８０:信号処理装置
【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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