(57)【要約】【要  約】【課  題】  重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られ、しかも製造しやすい、液晶を用いた分光装置を提供する。【解決手段】  フーリエ変換分光法で分光する装置の干渉計10として、１枚又は複数枚の液晶セル12を１対の偏光子11、13で挟んだ１枚の液晶パネル10Ａを用い、液晶パネルに入射した光１を常光１Ａと異常光１Ｂの二成分に分け、液晶セルのセル電圧を変更することにより前記二成分の光に光路差δをつけてそれらを合成した干渉光２を出射するよう構成したものを用いる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚又は複数枚の液晶セルを１対の偏光子で挟んだ１枚の液晶パネルを用い、該液晶パネルに入射した光を常光と異常光の二成分に分け、前記液晶セルのセル電圧を変更することにより前記二成分の光に光路差をつけてそれらを合成した干渉光を出射するよう構成された干渉計と、該干渉計から出射された干渉光を２次元的に検知して電気の信号に変換し出力する光検出器と、該光検出器の出力をコンピュータに入力するための変換器と、該変換器から出力された信号を受信し、該受信した信号および前記光路差からフーリエ変換により可視光のスペクトルを算出するコンピュータとを有することを特徴とする液晶を用いた分光装置。
【請求項２】
前記液晶セルを１軸性の液晶セルとし、該液晶セルの光軸と前記偏光子の透過軸とを斜交させたことを特徴とする請求項１記載の液晶を用いた分光装置。
【請求項３】
前記光検出器を、前記干渉計から出射された干渉光を検知するものに代えて、前記干渉計から出射された干渉光を照射された物体から出射した光を検知するものとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶を用いた分光装置。
【請求項４】
前記１対の偏光子の一方と他方の間に挿入された少なくとも１枚のリタデーションフィルムを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液晶を用いた分光装置。
【請求項５】
前記液晶セルがＯＣＢセルであることを特徴とする請求項４記載の液晶を用いた分光装置。
【請求項６】
前記光検出器に検知される前の光から所定の波長成分を取り除くカットフィルタを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液晶を用いた分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いた分光装置に関し、特にフーリエ変換分光法で分光する液晶を用いた分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶を用いた分光装置として、平行偏光子で挟まれた光学的１軸結晶（偏光子と１軸結晶との光軸位相差は４５°）を複数積層（１軸結晶の厚さは入射光側からｄ、２ｄ、４ｄ）してなるリオフィルタ（非特許文献１: ただし、これは液晶を用いていない。) において、光学的１軸結晶の積層の代わりに、液晶セルの１種であるＥＣＢセル（electrically controlled birefringent cells）の積層（セル厚はどのセルも同じｄ）を用いたバンドパスフィルタが提案された（非特許文献２）。なお、非特許文献２のバンドパスフィルタでは可視波長内の不要波長光の透過を抑えるために複数のＥＣＢセルのうちの１枚が直交偏光子で挟まれている。これによれば、液晶層に印加する電圧すなわちセル電圧を変えることで、狭い透過スペクトルを示す波長域（または波数域）を変えうるので、フィルタを交換しなくても複数種の狭い透過スペクトルが得られるという長所がある。しかし、リオフィルタの光学的条件を満たすにはセル電圧をセルごとに違えてやらねばならず、そのため複雑な電圧制御回路が必要になる短所があった。
【０００３】
この短所をなくしたものとして、弾性連続体理論（非特許文献３）に基づき液晶層の電気的‐光学的性質を解析して得られた、セル内の液晶の配向はセル電圧レベルがどうであれセル厚に無関係であるという知見に基づき、積層するＥＣＢセルのセル厚をリオフィルタの光学的条件を満たす組み合わせ、すなわち入射側からｄ、２ｄ、1.5 ｄとした、電気的に調整可能なカラーフィルタが提案された（非特許文献３）。
【０００４】
これによれば、セル電圧をどのセルでも同じとし、それを供給する単一の電源の電圧を制御するだけで複数種の狭い透過スペクトルが得られるので、電圧制御回路は極めて単純なもので足りる。なお、非特許文献３では、応答性を改善するために厚み比を保ったままセル厚を薄くし、かつ各セルにリタデーションフィルム（厚み比はセルと同じ 1：２：1.5 ）を付属させたもの、および、ＥＣＢセルに代えて、視野角および応答性に優れるＯＣＢセル（optically compensated bend cells）（非特許文献４〜11）を採用したものも提案されている。
【０００５】
一方、液晶を用いていないものであるが、本発明をなす上で参考にした分光装置として、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ‐ＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectroscopy ）がある。これは、干渉計によって得られる干渉光をデジタル信号化し、それをコンピュータでフーリエ変換することにより分光するもので、詳しくは、光源から出た光を干渉計に通して干渉光を作り、これを試料室に通して試料に照射し、そこから出てきた光（反射光、散乱光または透過光）を検知器で捉え、検知器の出力信号をＡＤ（アナログ‐デジタル）変換器でデジタル化した後、コンピュータへ送信し、コンピュータがこの送信データをフーリエ変換し、得られたスペクトル波形をディスプレイに表示させるように構成されている。
【０００６】
干渉計は、入ってきた光を複数の光路に分け、それらの間に光路差を作って再び合成することにより干渉を起こさせる構造をもつ光学素子であって、もともとは天体観測で星からの微弱な光を感度良く計測したり、光学レンズや鏡の面精度の精密測定を行う目的で作られ、１９世紀以来、様々なものが考案されてきたが、ＦＴ‐ＩＲではマイケルソン干渉計が最もよく使われている。
【０００７】
マイケルソン干渉計は、１枚の半透鏡と２枚の平面鏡（うち１枚は移動鏡、もう１枚は固定鏡）とで構成されている。半透鏡に入射した光は直進の方向に透過する透過光と直角の方向に反射する反射光の２光束に分割される。両光束は平面鏡で折り返されて戻り、再び半透鏡で合成される。移動鏡を移動させることで両光束間の光路差が作られる。
【０００８】
入射光が波長λ（波数ν＝１／λ）の単色光の場合、両光束は、光路差がλ／２の倍数のところで逆位相となって弱め合い、光路差が０またはλの倍数のところで同位相となって強め合う。したがって、移動鏡を連続的に移動させて干渉計からの出力光を観測すると明暗の周期的な繰り返しとなる。光路差を横軸にとってこれをグラフ化すると結局、入射光の波長に従ったコサイン波になる。入射光が波長の違う２つの単色光の場合、移動鏡の連続走査により、各々の単色光はその波長に従って変調され、干渉計からの出力光は２つのコサイン波の和として観測される。さらに多くの波長の光を導入しても、それぞれの波長成分ごとに変調された合成波が出力されることになり、波長の連続した実際の光源からの光では光路差が大きくなるにつれて強度が減衰していくような出力波形が観察される。この波形をインターフェログラムという。インターフェログラムに含まれている各周波数の信号強度を分析することにより、各波長（波数）の光の強度が求まる。
【０００９】
光路差をδとしたとき、インターフェログラムＦ（δ）は数１式に示す積分関数で表される。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
Ｂ（ν）は、波数ごとの光の強度を表した、所謂スペクトルである。数１式はフーリエ変換の式に相当するものであり、この計算を行う（インターフェログラムをフーリエ変換する）ことにより、スペクトルが求められる。ＦＴ‐ＩＲではコンピュータがこの計算を行う。
【非特許文献１】B.Lyot:Comptes Rendus 197,1593(1933)
【非特許文献２】K.Sato,N.Kato,Y.Hanazawa and T.Uchida:proc.Japan Display,392(1989);proc.SID 32,183(1991)
【非特許文献３】P.Sheng:RCA Laboratories,Princeton,N.J.08540
【非特許文献４】S.Araki,H.Chiba,M.Suzuki,T.Miyashita,T.Uchida:Proc.Eurodisplay'99 19thInt.Display Research Conf.p.133-136(1999)
【非特許文献５】Y.Yamaguchhu,T.Miyashita and T.Uchida:SID Symp.Digest,p.277(1993)
【非特許文献６】T.Miyashita,P.Vetter,M.Suzuki,Y.Yamaguchi and T.Uchida: Eurodisplay Conf.Proc.,p.149(1993);J.SID,3,p.29(1995)
【非特許文献７】C-L.Kuo,T.Miyashita,M.Suzuki and T.Uchida:SID Symp.Digest,p.927(1994);Japan.J.Appl.Phys.,34(1995)L1362;Appl.Phys.Lett.,68.p.1461(1996)
【非特許文献８】T.Miyashita and T.Uchida:IEICE Trans.Electronics,E79E-C.p.1076(1996)
【非特許文献９】T.Miyashita and T.Uchida:Digest of Technical Paper,AM-LCD,p.181(1996)
【非特許文献１０】T.Uchida,K.Saitoh,T.Miyashita and M.Suzuki:Conf.Record of The International Display Research Conf.,p.37(1997)
【非特許文献１１】K.Saitoh,T.Miyashita,M.Suzuki and T.Uchida:Proc.International Display Workshops,p.179(1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記した従来の技術において、液晶を用いたリオフィルタ型の分光装置は、１枚の液晶セルまたはこれと１枚のリタデーションフィルムとの２枚重ねを１対の偏光子で挟んだもの（これを液晶パネルという）を少なくとも３枚重ねにして構成する（隣り合う液晶パネルでは偏光子の共有可）必要がある。しかも、セル厚はリオフィルタ条件から決まる下限よりも薄くすることはできない。そのため、重量が重くなって携帯に不便であるという問題や、透過光が暗くなり観測しづらいという問題があり、また、重ね合わせる異種層の数が多いため高精度の製造は難しく、そのため分光精度に限界があるという問題もある。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決し、重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られ、しかも製造しやすい、液晶を用いた分光装置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】
本発明は、次のとおりである。
【００１５】
（１）１枚又は複数枚の液晶セルを１対の偏光子で挟んだ１枚の液晶パネルを用い、該液晶パネルに入射した光を常光と異常光の二成分に分け、前記液晶セルのセル電圧を変更することにより前記二成分の光に光路差をつけてそれらを合成した干渉光を出射するよう構成された干渉計と、該干渉計から出射された干渉光を２次元的に検知して電気の信号に変換し出力する光検出器と、該光検出器の出力をコンピュータに入力するための変換器と、該変換器から出力された信号を受信し、該受信した信号および前記光路差からフーリエ変換により可視光のスペクトルを算出するコンピュータとを有することを特徴とする液晶を用いた分光装置。
【００１６】
（２）前記液晶セルを１軸性の液晶セルとし、該液晶セルの光軸と前記偏光子の透過軸とを斜交させたことを特徴とする（１）記載の液晶を用いた分光装置。
【００１７】
（３）前記光検出器を、前記干渉計から出射された干渉光を検知するものに代えて、前記干渉計から出射された干渉光を照射された物体から出射した光を検知するものとしたことを特徴とする（１）または（２）に記載の液晶を用いた分光装置。
【００１８】
（４）前記１対の偏光子の一方と他方の間に挿入された少なくとも１枚のリタデーションフィルムを有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の液晶を用いた分光装置。
【００１９】
（５）前記液晶セルがＯＣＢセルであることを特徴とする（４）記載の液晶を用いた分光装置。
【００２０】
（６）前記光検出器に検知される前の光から所定の波長成分を取り除くカットフィルタを有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の液晶を用いた分光装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、１枚の液晶パネルを干渉計として用いてフーリエ変換分光法により分光する構成としたことにより、重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られ、しかも製造しやすい分光装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の分光装置は、例えば図１に示すように、入射光１を常光と異常光の二成分の間に光路差をつけて合成した干渉光２を出射する干渉計10と、干渉計10から出射された干渉光２を２次元的に検知して電気の信号３に変換し出力する光検出器20と、光検出器20から出力された信号３をコンピュータに入力可能な信号４に変換して出力する変換器30と、変換器30から出力された信号４を受信し、該受信した信号４および前記光路差からフーリエ変換により可視光のスペクトルを算出するコンピュータ40とを有する。入射光１は、自然光源からの光であってもよく、また人工光源からの光であってもよい。
【００２３】
そして本発明では、干渉計10として、例えば図３および図４に示すように、１枚の液晶セル12（セル厚をｄとする）を１対の偏光子11、13で挟んだ１枚の液晶パネル10Ａを用い、液晶パネル10Ａに入射した入射光１を常光１Ａと異常光１Ｂの二成分に分け、液晶セル12のセル電圧を、セル電圧設定器50等を用いて変更することにより常光１Ａと異常光１Ｂとに光路差δをつけてそれらを合成した干渉光２を出射するよう構成したものを用いる。なお、図３、図４に例示した液晶セル12は、１軸性のものを用いたが、２軸性のものやＴＮ（ツイストネマティック）液晶セルでも使用できる。１軸性の場合、液晶セル12の光軸15と偏光子11,13の透過軸14,16とを斜交（斜めに交差）させる必要がある。その交差角θ1、θ2は、θ1＝θ2＝４５°とするのが好ましい。
【００２４】
セル電圧はコンピュータ40から伝送経路６を介して干渉計10のセル電圧設定器50に指令される。なお、セル電圧は、コンピュータ40から指令する代わりに、セル電圧設定器50が自分で設定し、その設定した値をコンピュータ40に送信するようにしてもよい。あるいは干渉計10がコンピュータ40からの指令を確かに受信した旨の確認信号をコンピュータ40に送信するようにしてもよい。また、さらには、コンピュータ40から伝送径路７，８を介して光検出器20、変換器30にそれぞれの動作のタイミングを指令するようにしてもよい。
【００２５】
光検出器20は複数のＣＣＤ等の受光素子を２次元的に配置して構成され、各受光素子からの信号がＡＤ変換器30でコンピュータ40に入力可能な信号に変換される。
【００２６】
液晶パネル10Ａの偏光子11、13の透過軸14、16間の位相関係は直交（クロスニコル；図３参照）、平行（パラレルニコル；図４参照）のいずれでもよい。なお、出射側の偏光子13を入射側の偏光子11と区別して検光子という。
【００２７】
上記の液晶パネル10Ａで構成された干渉計10では、θ1＝θ2＝４５°とした場合、波数ν（＝ 1／λ）の入射光１が分かれてできる常光１Ａと異常光１Ｂの強度は等しくなり、これをＩｉとすると、合成されて検光子13を通過した干渉光２の強度Ｉｔは、次式で与えられる。
【００２８】
クロスニコルの場合  ：  Ｉｔ＝(1/2) Ｉｉ｛１−cos(２πδν)｝
パラレルニコルの場合：  Ｉｔ＝(1/2) Ｉｉ｛１＋cos(２πδν)｝
ここで、光路差δは、δ＝Δｎ（Ｖ）ｄ  で与えられる。Δｎ（Ｖ）は、常光と異常光の屈折率の差であり、これはセル電圧Ｖの関数で与えられる。すなわち、液晶パネル10Ａを用いて構成した干渉計10は、セル電圧Ｖを変えることにより光路差δを違えて干渉光２を得ることができる。なお、θ1＝θ2＝４５°でない場合や１軸性以外の液晶セルを用いた場合は、常光と異常光の強度に差が生じるため、干渉光の強度Ｉｔの計算式がやや複雑となるが、同様にして光路差δを違えて干渉光を得ることができる。
【００２９】
入射光１が連続スペクトル分布をもつ場合、入射光の波数ごとの光の強度をＢ（ν）とすると、光検出器の各受光素子からは光路差δに応じて前記数１式の上側の式で表されるインターフェログラムＦ（δ）に相当するアナログ信号が出力されるから、それらを変換器でデジタル信号に変換して、Ｆ（δ）のフーリエ変換式すなわち前記数１式の下側の式をコンピュータで計算することにより、可視光の２次元的なスペクトルを測定することができる。
【００３０】
本発明では、従来の液晶を用いた分光装置が少なくとも３枚の液晶パネルを用いたリオフィルタであったのに対し、１枚の液晶パネルを用いて干渉計を構成し、フーリエ変換分光法で分光を行うものとしたので、従来のものに比べて重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られる。また、製造も容易である。
【００３１】
また、従来のマイケルソン干渉計に比べ、移動鏡のような移動部をもたないから構造が簡素である。また、従来の干渉計ではスリット光を分光するので試料とした物体の２次元像内のスペクトル分布を一度に測定することはできなかったが、本発明では物体の全体あるいはその任意の部分を一視野に入れて撮影しうる光検出器を用いるので、物体の２次元像内のスペクトル分布を一度に測定することができる。
【００３２】
なお、図１に示した例は、物体から出てきた光を干渉計に入射させる方式の装置であるが、本発明はこれに限らず、例えば図２に示すように、干渉計10と光検出器20の間に試料とした物体100 を置き、干渉計10から出射させた干渉光２を試料100 に照射し、試料100 から出射した光（反射光、透過光、散乱光のいずれでもよい）２Ａを光検出器20で受光する方式の装置であってもよい。この方式は、試料が強い光を照射されると壊れるようなものである場合に好適に採用できる。
【００３３】
また、本発明では、液晶パネル10Ａ内の液晶セルは、１枚に限らず複数枚であってもよい。液晶セルを複数枚重ねて用いると、セルギャップの小さい液晶セルを用いることができるため応答速度の点で有利である。液晶セルが複数枚の場合、例えば図５に液晶セルが３枚の場合を示すように、液晶セル12ａ、12ｂ、12ｃには同一のセル電圧を印加すればよい。この場合、光路差δは、各液晶セルの合計の値で与えられる。
【００３４】
また、本発明では、偏光子11と検光子13の間に、リタデーションフィルムを挿入してもよい。液晶セルとリタデーションフィルムを併用すると、リタデーション量をプラスもしくはマイナスすることができるため、印加する電圧の範囲と必要なリタデーションの範囲を変えたい場合に有利である。リタデーションフィルムの枚数は１枚でも複数枚でもよい。また、リタデーションフィルム17を挿入する位置は、例えば図６に示すように、偏光子11と液晶セル12の間（図６（ａ））、液晶セル12と検光子13の間（図６（ｂ））のいずれでもよく、あるいは液晶セルが複数枚の場合は、ある液晶セル12ａとその隣の液晶セル12ｂの間（図６（ｃ））でもよい。
【００３５】
また、本発明では、液晶セルとリタデーションフィルムを併用する場合、液晶セルとしては、応答特性および広視野角特性に優れているという点で、ＯＣＢセル（非特許文献４〜11参照）を用いることが好ましい。
【００３６】
また、本発明では、例えば図７に示すように、光検出器20に入射する前の、干渉光２（図７（ａ）参照）、あるいは干渉光２を照射した物体100 から出射した光２Ａから、所定の波長成分を取り除くカットフィルタ18を有することが好ましい。このようなカットフィルタとしては例えば赤外線カットフィルタ、紫外線カットフィルタが挙げられる。このようなカットフィルタを設けることにより、光検出器20には、干渉光２あるいは干渉光２を照射した物体100 から出射した光２Ａから所定の波長成分が取り除かれた光２Ｂが入射するので、赤外線あるいは紫外線等といった分光対象としない波長成分が入ることに起因する折り返しノイズが除去され、より高い分解能の装置とすることができる。
【実施例１】
【００３７】
図１に示した構成をもつ分光装置を試作した。液晶パネルは図６（ａ）の形態とした。液晶セルにはＯＣＢセル（液晶：チッソ石油化学(株)製ＴＤ‐６００４ＸＸ、セル厚ｄ＝１０μｍ）を用いた。液晶セルの光軸と偏光子および検光子（クロスニコルとした）の透過軸との交差角θ１,θ2は４５°とした。リタデーションフィルムにはポリカーボネート製のリタデーション量が１００ｎｍのフィルム（厚さ２００μｍ）、光検出器には(株)エルモ製ＭＥ‐４１を用いた。フーリエ変換式は、強度が既知の単色光および離散複色光を入射し、セル電圧を変えて光路差δと干渉光の強度の関係を調べ、その結果に基づいてコンピュータでの演算が可能なソフトウエアの形にした。この装置によれば、入射光の観測データから、例えば図８に示すような波形の、インターフェログラムＦ（δ）が得られ、これのフーリエ変換がコンピュータにより実行されて、同図に示すような波長λに対するスペクトル分布Ｂ（λ）、あるいは図示しない波数ν（＝１／λ）に対するスペクトル分布Ｂ（ν）が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、天体観測（星のスペクトル分析）、医療（細胞等の分析）、食品（糖度測定等）など多岐の分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の一例を示す模式図である。
【図３】本発明で用いる干渉計の一例を示す模式図である。
【図４】本発明で用いる干渉計の一例を示す模式図である。
【図５】本発明で用いる干渉計の一例を示す模式図である。
【図６】本発明で用いる干渉計の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の一例を示す模式図である。
【図８】本発明により得られるインターフェログラムＦ（δ）とこれをフーリエ変換して得られるスペクトル分布Ｂ（λ）の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  入射光
１Ａ  常光
１Ｂ  異常光
２  干渉光
２Ａ  干渉光を照射された物体から出射した光
３  信号（例：アナログ信号）
４  信号（例：デジタル信号）
５  スペクトル
６、７、８  伝送経路
10  干渉計
10Ａ  液晶パネル
11  偏光子
12、12ａ、12ｂ、12ｃ  液晶セル
13  偏光子（検光子）
14  透過軸
15  光軸
16  透過軸
17  リタデーションフィルム
18  カットフィルタ
20  光検出器
30  変換器
40  コンピュータ
50  セル電圧設定器
100   物体（試料）
【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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