СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
SPECTROSCOPIC MEASURING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Настоящее изобретение относится к спектроскопическому измерительному устройству, а более конкретно к спектроскопическому измерительному устройству, которое может неинвазивно измерять биологические компоненты, таких как сахар крови и холестерин крови.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
Контроль количества биологических компонентов в крови, таких как глюкоза крови (сахар крови) и холестерин крови, важен для предотвращения и лечения различных заболеваний, таких как диабет и гиперлипидемия. Однако для измерения количества биологических компонентов в крови, как правило, необходимо забирать небольшое количество крови, что болезненно для индивидуума. Забор крови также требует выполнения проблемных задач, таких как стерилизация области забора крови и надлежащая обработка расходных материалов, таким образом, частый забор крови для измерения количества биологических компонентов в профилактических целях или в других целях было бы уместно предотвратить.
[0003]
Для решения этой проблемы предложено неинвазивное измерительное устройство, измеряющее количество биологических компонентов без забора крови (патентная литература 1). В этом устройстве на тестируемую биологическую область направляют свет и для определения биологического компонента анализируют спектральные характеристики света (объектный пучок света), испускаемого биологическими компонентами в тестируемой области в ответ на направленный свет. Конкретно, свет источника, включая пропускаемый свет и диффузный/рассеянный свет, генерируемый каждой из ярких точек, которые оптически формируют биологические компоненты, направляют через линзу объектива в устройство сдвига фазы, состоящее из неподвижного зеркального блока и подвижного зеркального блока, и объектные пучки света, отраженные от двух зеркальных блоков, интерферируют друг с другом на плоскости изображения. Подвижный зеркальный блок перемещают посредством пьезоэлемента или т.п., и получают сдвиг фаз объектных пучков света, отраженных от неподвижного зеркального блока и подвижного зеркального блока, соответствующий дистанции сдвига подвижного зеркального блока. Интенсивность интерференционного света, образуемого двумя лучами, изменяется со сдвигом их фаз, формируя так называемую картину интерференции. Эту картину интерференции подвергают преобразованию Фурье с получением спектральных характеристик (спектра) света источника.
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ДОКУМЕНТОВ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0004]
Патентная литература 1: JP 2008-309707 A.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
[0005]
Однако в случае измерения количества биологических компонентов ранее описанным измерительным устройством возникают описанные ниже проблемы.
Первая проблема состоит в том, что указанное выше измерительное устройство требует высокой точности углов установки фиксированного и подвижного зеркальных блоков. В этом измерительном устройстве объектные пучки света, отраженные от двух зеркальных блоков, интерферируют друг с другом, а спектральные характеристики получают на основе изменения интенсивности интерференционного света. Углы установки отражающих поверхностей двух зеркальных блоков определяют положение изображения на плоскости интерференции объектных лучей, отраженных от этих поверхностей. Таким образом, чтобы заставить объектный свет корректно формировать изображение и интерферировать в предопределенном положении, необходимо точно установить наклон отражающих поверхностей двух зеркальных блоков. Даже если отражающие поверхности двух зеркальных блоков корректно ориентированы на стадии сборки устройства, позже относительный угол отражающих поверхностей двух зеркальных блоков может измениться под действием различных факторов, таких как помехи (например, изменение температуры, влажности или других условий окружающей среды) или ошибка перемещения подвижного зеркального блока. В таком случае явление интерференции объектных лучей, отраженных от двух зеркальных блоков, не происходит в предопределенном положении изображения, и спектральные характеристики объектного света получить невозможно.
[0006]
Второй проблемой является то, что на распределение интенсивности интерференционного света на плоскости изображения влияет различия в дифракционных углах вследствие структуры (состояния поверхности) тестируемой области или другие факторы. Таким образом, на распределение интенсивности объектного света на плоскости изображения влияют не только распределение оптической плотности, которое зависит от распределения концентрации количества биологических компонентов, но также распределение показателя преломления или другие свойства тестируемой области, наряду с различиями в оптической структуре в положении прохождения объектного света так, что распределение концентрации количества биологических компонентов корректно измерить невозможно.
[0007]
Кроме того, в случае пространственно-когерентного света образца, который практически не обладает структурой, не будет получено света более высокого порядка, а только свет нулевого порядка. Например, в случае освещения Koehler свет нулевого порядка достигает линзы объектива в форме параллельного пучка и сходится на плоскости оптического преобразования Фурье. Это означает, что волновой фронт нельзя разделить двумя зеркалами и спектральные характеристики получить нельзя.
[0008]
Задача, подлежащая решению посредством настоящего изобретения, представляет собой предоставление спектроскопического измерительного устройства, с помощью которого можно снизить влияние на устройство помех, внутренних механических ошибок или других факторов. Другой задачей, подлежащей решению посредством настоящего изобретения, является предоставление спектроскопического измерительного устройства, которое может корректно получать спектральные характеристики тестируемой области в случае, когда элемент в присутствии оптических помех находится рядом с тестируемой областью, и в обратном случае, когда пространственные изменения незаметны (разрешающая способность является низкой).
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
[0009]
Спектроскопическое измерительное устройство по первому аспекту настоящего изобретения содержит:
a) разделяющую оптическую систему для разделения измеряемого луча, испускаемого каждой из множества измеряемых точек, расположенных в измеряемой области подлежащего измерению объекта, на первый измеряемый луч и второй измеряемый луч;
b) формирующую изображение оптическую систему для обеспечения интерференции первого измеряемого луча и второго измеряемого луча друг с другом;
c) средства обеспечения разницы длины оптического пути для обеспечения постоянного распределения разницы длины оптического пути между первым измеряемым лучом и вторым измеряемым лучом;
d) детектор, содержащий множество пикселей для детектирования распределения интенсивности интерференционного света в соответствии с непрерывным распределением длины оптического пути;
e) процессор для получения картины интерференции измеряемой точки измеряемого объекта на основе распределения интенсивности интерференционного света, детектируемой детектором, и для преобразования Фурье этой картины интерференции с получением спектра;
f) формирующую изображение оптическую систему с сопряженной плоскостью, расположенную между измеряемым объектом и разделяющей оптической системой, где формирующая изображение оптическая система с сопряженной плоскостью обладает общей сопряженной плоскостью с разделяющей оптической системой; и
g) средства обеспечения периодичности, расположенные на сопряженной плоскости, для обеспечения пространственной периодической модуляции измеряемых лучей, испускаемых множеством измеряемых точек.
[0010]
Спектроскопическое измерительное устройство по первому аспекту настоящего изобретения может альтернативно иметь конфигурацию, включающую:
a) фиксированный отражающий блок и подвижный отражающий блок, расположенный рядом с фиксированным отражающим блоком и перемещаемый в направлении оптической оси;
b) входящую оптическую систему для обеспечения вхождения измеряемого луча, испускаемого каждой из множества измеряемых точек, расположенных в измеряемой области подлежащего измерению объекта в фиксированный отражающий блок и подвижный отражающий блок;
c) формирующую изображение оптическую систему для получения интерференционного света из измеряемого луча, отраженного фиксированным отражающим блоком, и измеряемого луча, отраженного подвижным отражающим блоком, посредством направления двух измеряемых лучей в одну и ту же точку;
d) блок детекции света, содержащий множество пикселей для детектирования интенсивности интерференционного света, получаемого из измеряемого света, испускаемого каждой из множества измеряемых точек;
е) процессор для получения картины интерференции двух измеряемых лучей на основе изменения интенсивности интерференционного света, детектируемой детектором интерференционного света, посредством перемещения подвижного отражающего блока;
f) формирующую изображение оптическую систему с сопряженной плоскостью, расположенную между измеряемым объектом и входящей оптической системой, где формирующая изображение оптическая система с сопряженной плоскостью обладает общей сопряженной плоскостью с входящей оптической системой; и
g) средства обеспечения периодичности, расположенные на сопряженной плоскости, для обеспечения пространственной периодической модуляции измеряемых лучей, испускаемых множеством измеряемых точек.
[0011]
В спектроскопическом измерительном устройстве по первому аспекту настоящего изобретения средства обеспечения периодичности помещают на плоскости, сопряженной с измеряемыми точками (поверхность объекта) так, чтобы получить интерференционный свет на основе света, которому обеспечена периодическая пространственная модуляция. В результате, даже если образец практически не обладает структурой, можно получать дифракционный свет более высокого порядка и можно получать интерференционный свет. Кроме того, можно устранить влияние структуры измеряемых точек измеряемого объекта на распределение интенсивности количества света на плоскости преобразования Фурье посредством наложения на реальное изображение, формируемое на сопряженной плоскости, определенной пространственной периодичности.
[0012]
Спектроскопическое измерительное устройство по второму аспекту настоящего изобретения, направленное на решение ранее описанной задачи, содержит:
a) пропускающий оптический блок, состоящий из первой пропускающей части с входной поверхностью и выходной поверхностью, параллельными друг другу, и второй пропускающей части, расположенной рядом с первой пропускающей частью и имеющей клиновидную форму, с входной поверхностью и выходной поверхностью, одна из которых наклонена относительно другой, где входная поверхность или выходная поверхность второй пропускающей части расположена в той же плоскости, что и входная поверхность или выходная поверхность первой пропускающей части;
b) линзу объектива для коллимации измеряемого луча, испускаемого каждой из множества измеряемых точек, расположенных в измеряемой области подлежащего измерению объекта, и для обеспечения вхождения коллимированного луча в первую
пропускающую часть и вторую пропускающую часть;
c) цилиндрическую линзу с осью, параллельной линии пересечения входной поверхности первой пропускающей части и граничной поверхности между первой пропускающей частью и второй пропускающей частью, для приема первого измеряемого луча, проходящего через первую пропускающую часть, и второго измеряемого луча, проходящего через вторую пропускающую часть;
d) детектор, содержащий множество пикселей для детекции интенсивности распределения интерференционного света, получаемого из первого измеряемого луча и второго измеряемого луча, входящих в цилиндрическую линзу; и
e) процессор для получения картины интерференции измеряемых точек измеряемого объекта на основе интенсивности распределения интерференционного света, детектируемого детектором, и для преобразования Фурье картины интерференции с получением спектра.
[0013]
В спектроскопическом измерительном устройстве по второму аспекту часть измеряемого луча, которая входит в линзу объектива входит в первую пропускающую часть, а затем входит в цилиндрическую линзу в качестве первого измеряемого луча. Оставшаяся часть измеряемого луча, который входит в линзу объектива, входит во вторую пропускающую часть, а затем входит в цилиндрическую линзу в качестве второго измеряемого луча. Так как вторая пропускающая часть состоит из клиновидного оптического блока, первый и второй измеряемые пучки лучей входят в цилиндрическую линзу со сдвигом фаз, формируя интерференционный свет на плоскости изображения цилиндрической линзы. На основе интенсивности распределение этого интерференционного света можно получать картину интерференции измеряемых точек измеряемого объекта. Посредством преобразования Фурье этой картины интерференции можно получать спектр измеряемой точки.
[0014]
В спектроскопическом измерительном устройстве по второму аспекту линзу объектива, оптический блок, цилиндрическую линза и детектор можно располагать линейно; таким образом, помещая эти компоненты в один трубчатый  корпус, можно получить компактное и устойчивое к помехам спектроскопическое измерительное устройство.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015]
В спектроскопическом измерительном устройстве по первому аспекту настоящего изобретения средства обеспечения периодичности помещают на плоскости, сопряженной с измеряемыми точками (поверхность объекта) так, чтобы получить интерференционный свет на основе света, которому обеспечено периодическое пространственное изменение. В результате, даже если образец практически не обладает структурой, можно получать дифракционный свет более высокого порядка и можно получать интерференционный свет. Кроме того, можно устранить влияние структуры измеряемых точек измеряемого объекта на распределение интенсивности света на плоскости преобразования Фурье посредством наложения на реальное изображение, формируемое на сопряженной плоскости, определенной пространственной периодичности.
[0016]
В спектроскопическом измерительном устройстве по второму аспекту настоящего изобретения используют пропускающий оптический блок, состоящий из первой пропускающей части и второй пропускающей части, для разделения измеряемого луча, испускаемого измеряемой точкой измеряемого объекта на два луча и одновременного обеспечения постоянной разницы длины оптического пути между двумя измеряемыми лучами. Таким образом, в отличие от общепринятого измерительного устройства, в котором разницу длины оптического пути обеспечивают посредством перемещения подвижного зеркального блока, углы установки первой и второй пропускающей частей можно легко установить и легко получить интерференционный свет из первого и второго измеряемых лучей. Кроме того, система, разделяющая измеряемый луч на два посредством отражения измеряемого луча с использованием двух отражающих поверхностей чувствительна к помехам, так как направление отраженных лучей изменяется с изменением наклона отражающих поверхностей. В отличие от этого в системе, которая разделяет измеряемый луч на два, обеспечивая прохождение измеряемого луча через две пропускающие части, как в настоящем изобретении, изменение наклона входной и выходной поверхностей пропускающих частей не вызывает изменения направления выходящих лучей в отсутствие изменения направления падающего луча. Таким образом, эта система менее чувствительна к влиянию помех любого типа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017]
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе снаружи спектроскопического измерительного устройства по первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2A представляет собой схематический вид сбоку спектроскопического измерительного устройства, Фиг. 2B представляет собой вид сверху того же устройства, Фиг. 2C представляет собой концептуальную схему интерференционного света, получаемого посредством вращения во внутреннем корпусе, а Фиг. 2D представляет собой вид в перспективе пропускающего устройства сдвига фазы, наблюдаемого со стороны, указанной стрелкой A на Фиг. 2B.
Фиг. 3 представляет собой пояснительную схему светового пути первого измеряемого луча и второго измеряемого луча.
Фиг. 4 представляет собой пояснительную схему волновой дисперсии, которая происходит вследствие наклона входной поверхности второй пропускающей части, где (a) представляет собой диаграмму, схематически демонстрирующую второй измеряемый луч, достигающий принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства, (b) представляет собой картину интерференции, и (c) представляет собой спектральную характеристику.
Фиг. 5 представляет собой диаграмму, демонстрирующую изменение оптического пути измеряемых лучей, вызываемое изменением угла установки пропускающего устройства сдвига фазы.
Фиг. 6A представляет собой изображение принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства, установленного в настоящем варианте осуществления, а Фиг. 6B представляет собой изображение принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства, установленного в общепринятом устройстве.
На Фиг. 7A и 7B, соответственно, представлена картина интерференции и относительная спектральная интенсивность, получаемые направлением в линзу объектива лазерного луча с длиной волны 532 нм.
Фиг. 8 представляет собой интерференционную картину, формируемую на принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства.
Фиг. 9 представляет собой пояснительную схему для получаемой интерференционной полосы.
Фиг. 10 - вид в перспективе снаружи спектроскопического измерительного устройства по второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 представляет собой схематическую конфигурационную диаграмму спектроскопического измерительного устройства по третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 представляет собой диаграмму для объяснения эффекта третьего варианта осуществления.
Фиг. 13 представляет собой схематическую конфигурационную диаграмму спектроскопического измерительного устройства по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 14 представляет собой пояснительную схему дифракции Фраунгофера.
Фиг. 15 представляет собой изображение, наблюдаемое при получении изображений линейчатого спектра, при котором щель и фазовую дифракционную решетку помещали на сопряженной плоскости, а в качестве источника света использовали свет лазера.
Фиг. 16 представляет собой трехмерную диаграмму, демонстрирующую спектральные характеристики на линии изображения, полученную посредством преобразования Фурье картин горизонтальной интерференции всех рядов.
Фиг. 17 представляет собой изображение, наблюдаемое при получении изображений линейчатого спектра, при которых щель и фазовую дифракционную решетку помещали на сопряженную плоскость, а в качестве источника света использовали белый свет (металлогалогеновая лампа).
Фиг. 18 представляет собой трехмерную диаграмму, демонстрирующую относительную спектральную интенсивность распределения, получаемую на основе картин горизонтальной интерференции посредством преобразования Фурье на всех пикселях линии изображения.
Фиг. 19 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую вид интенсивности интерференции в случае, когда используют фазовую дифракционную решетку.
Фиг. 20 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую вид интенсивности интерференции в случае, когда используют амплитудную дифракционную решетку.
Фиг. 21 представляет собой схематическую конфигурационную схему спектроскопического измерительного устройства по пятому варианту осуществления настоящего изобретения и результат измерения, получаемый посредством конфигурации по пятому варианту осуществления.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0018]
Далее в настоящем документе описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные фигуры.
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0019]
На Фиг. 1 представлен вид в перспективе снаружи спектроскопического измерительного устройства по первому варианту осуществления настоящего изобретения. Это спектроскопическое измерительное устройство состоит из трубчатого корпуса 11, в котором линейно расположены следующие компоненты: линза объектива 12, пропускающее устройство 13 сдвига фазы, цилиндрическая линза 14, которая представляет собой формирующую изображение линзу и двухмерное матричное устройство 15, такое как двухмерная камера CCD (которая соответствует детектору по настоящему изобретению). Корпус 11 содержит окно 111, расположенное на концевой части, где расположена линза объектива 12. Измеряемый луч, испускаемый измеряемым объектом S (см. Фиг. 2), входит через это окно 111 в корпус 11 и входит в пропускающее устройство 13 сдвига фазы через линзу объектива 12.
[0020]
Пропускающее устройство 13 сдвига фазы и цилиндрическая линза 14 прикреплены к внутреннему трубчатому корпусу 16, который смонтирован в корпусе 11 с возможностью вращения. Внутренний корпус 16 может вращать приводной блок 141, такой как ультразвуковой мотор или соленоид. При вращении этого трубчатого внутреннего корпуса 16 пропускающее устройство 13 сдвига фазы и цилиндрическая линза 14 вращаются вместе, как единое целое.
Например, двухмерное матричное устройство 15 состоит из двухмерной камеры ПЗС и сконфигурировано так, чтобы принимающая свет поверхность двухмерного матричного устройства 15 располагалась на плоскости изображения цилиндрической линзы 14. Детектируемые сигналы двухмерного матричного устройства 15 посылаются в процессор 151. Процессор 151 из детектируемых сигналов двухмерного матричного устройства 15 формирует картину интерференции. Эту картину интерференции математически подвергают преобразованию Фурье посредством вычислительного процессора 152. В результате получают спектральную характеристику (спектр), демонстрирующий относительную интенсивность при каждой длине волны измеряемого света.
[0021]
Пропускающее устройство 13 сдвига фазы состоит из первой пропускающей части 131, которая представляет собой полукруглый пропускающий оптический блок, и второй пропускающей части 132, которая также представляет собой полукруглый пропускающий оптический блок, в целом формирующие приблизительно цилиндрическое тело. Первая пропускающая часть 131 состоит из оптического блока с постоянной шириной с входной поверхностью и выходной поверхностью, параллельными друг другу. В отличие от этого, вторая пропускающая часть 132 состоит из клиновидного оптического блока с входной поверхностью, которая наклонена относительно этой первой пропускающей части 131, и выходной поверхностью, которая лежит в той же плоскости, что и первая пропускающая часть 131. В настоящем варианте осуществления входная поверхность второй пропускающей части 132 наклонена так, что ширина второй пропускающей части 132 на граничной поверхности между первой пропускающей частью 131 и второй пропускающей частью 132 постепенно уменьшается от одного конца к другому.
Угол наклона входной поверхности второй пропускающей части 132 определяют степенью сдвига фазы, который определяют посредством разрешения волновых чисел, а также расстояния между пикселями, отбираемыми на двухмерном матричном устройстве 15, хотя небольшие ошибки в установке этого угла проблем не вызывают.
[0022]
Первая пропускающая часть 131 и вторая пропускающая часть 132, соответственно, могут состоять из отдельных оптических блоков, или их можно получать из дисковидного оптического блока посредством переработки области его верхней половины во вторую пропускающую часть 132 с наклоненной входной поверхностью. Хотя ранее описанное спектроскопическое измерительное устройство сконфигурировано так, что пропускающее устройство 13 сдвига фазы  и цилиндрическая линза 14 вращаются независимо, возможно получить конфигурацию, в которой линза объектива 12 и/или двухмерное матричное устройство 15 вращаются с пропускающим устройством 13 сдвига фазы и цилиндрической линзой 14 как единое целое.
[0023]
Далее оптическое действие ранее описанного измерительного устройства описано в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 2A-4.
Измеряемый луч LS, испускаемый одной измеряемой точкой объекта S для измерения, коллимирует линза объектива 12, и он входит в первую пропускающую часть 131 и вторую пропускающую часть 132 пропускающего устройства 13 сдвига фазы. Проходя через первую пропускающую часть 131 и вторую пропускающую часть 132, измеряемый луч разделяется на первый измеряемый луч и второй измеряемый луч, которые входят в цилиндрическую линзу 14. Так как входная и выходная поверхности первой пропускающей части 131 параллельны друг другу, первый измеряем луч LS1, который входит в цилиндрическую линзу 14, сходится на одной прямой линии на принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства 15 с той же фазой. С другой стороны, так как входная поверхность второй пропускающей части 132 наклонена относительно его выходной поверхности, второй измеряемый луч LS2 входит в цилиндрическую линзу 14 c волновым фронтом, наклоненным по направлению входной поверхности, а затем падает на одну прямую линию на принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства 15 с волновым фронтом все еще сходным образом наклоненным.
[0024]
Таким образом, в области интерференции первого и второго измеряемых лучей разница длины оптического пути между двумя лучами постепенно изменяется. Так как измеряемый луч, испускаемый каждой из измеряемых точек в линейной измеряемой области объекта S (см. Фиг. 3) содержит различные длины волн света, непрерывное изменение разницы длины оптического пути между первым и вторым измеряемыми лучами в области интерференции приводит к колебанию интенсивности распределения интерференционного света, как показано на диаграмме (b) Фиг. 4, которое называют картиной интерференции.
[0025]
На диаграмме (b) на Фиг. 4 вертикальная ось означает величину сдвига фазы, тогда как горизонтальная ось означает интенсивность интерференционного света. Величину сдвига фазы можно рассчитать на основе угла наклона второй пропускающей части 132, размера пикселя двухмерного матричного устройства 15, фокусного расстояния цилиндрической линзы 14 и других параметров. Вычислительный процессор 152 производит преобразование Фурье этой картины интерференции с получением спектральной характеристики (спектра), демонстрирующей относительную интенсивность при каждой длине волны измеряемого света, испускаемого каждой точкой объекта S (см. диаграмму (c) на Фиг. 4). Вращающийся внутренний корпус 16 при предопределенном угле обеспечивает соответствующее вращение измеряемой области объекта S. Таким образом, можно проводить двухмерное измерение спектра по всему объекту S, получая пошаговое 360-градусное вращение по предопределенным углам (см. Фиг. 2C).
[0026]
Так как измеряемый луч (второй измеряемый луч), который входит в входную поверхность второй пропускающей части 132 имеет разный угол преломления для каждой длины волны, второй измеряемый луч, выходящий через вторую пропускающую часть 132, сходится в смещенном положении вследствие дисперсии. Однако после преобразования Фурье картины интерференции, эта величина смещения, являющаяся результатом дисперсии, становится фазовой составляющей и, таким образом, не влияет на амплитудную составляющую. Таким образом, она не влияет на спектральную характеристику, получаемую посредством преобразования Фурье. Фактически, расчет доказал, что когда диапазон измеряемых длин волн составляет от 900 до 1700 нм, величина смещения составляет 3,7 мкм, фокусное расстояние f составляет 5 мм, а размер пикселя двухмерного матричного устройства составляет 30 мкм. Расчетное значение является в достаточной степени меньшим, чем размер пикселя двухмерного матричного устройства 15. Этот результат также демонстрирует, что влияние дисперсии является небольшим.
[0027]
Кроме того, как показано на Фиг. 5, в случае пропускающего устройства 13 сдвига фазы, изменение угла установки первой пропускающей части 131 или второй пропускающей часть 132 вызывает только параллельный перенос оптического пути первого измеряемого луча или второго измеряемого луча (на что указывает стрелка на Фиг. 5). Таким образом, первый и второй измеряемые лучи сходятся на предопределенной области и формируют интерференционную картину с высокой видимостью так, что устанавливать первую пропускающую часть 132 и вторую пропускающую часть 132 с высокой точностью нет необходимости. В отличие от этого, в случае общепринятого спектроскопического измерительного устройства, изменение наклона отражающей поверхности вызывает изменение направления отраженного света, т.е. первого измеряемого луча или второго измеряемого луча, что вероятно может предотвратить возникновение интерференции. Для сравнения, на Фиг. 6A представлено изображение принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства 15 в спектроскопическом измерительном устройстве по настоящему варианту осуществления, а на Фиг. 6B представлено изображение принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства в общепринятом спектроскопическом измерительном устройстве, сконфигурированном с использованием отражающего устройства сдвига фазы. В общепринятом устройстве интерференции первого и второго измеряемых лучей не происходило.
[0028]
Далее на Фиг. 7A, 7B и 8 представлен результат эксперимента, проводимого для оценки точности спектроскопического измерительного устройства по настоящему варианту осуществления. В этом эксперименте свет лазера с длиной волны 532 нм (в качестве источника света использовали зеленый лазер "Verdi G5" продаваемый Coherent, Inc.) в качестве измеряемого света входил в линзу объектива 12 через точечное отверстие (5 мкм в диаметре), и получали картину интерференции (Фиг. 7A). Эту картину интерференции подвергали преобразованию Фурье с получением относительной спектральной интенсивности (Фиг. 7B). Наклон (относительный угол) входной поверхности второй пропускающей части 132 относительно входной поверхности первой пропускающей части 131 в эксперименте составлял 1,0 градус.
[0029]
Как показано на Фиг. 7B, спектр, получаемый из картины интерференции, представлял собой четкий спектр с линиями яркости с пиком при длине волны 532 нм. Это демонстрирует, что используя спектроскопическое измерительное устройство по настоящему варианту осуществления, можно точно получать спектральные характеристики измеряемого света.
[0030]
На Фиг. 8 представлена интерференционная картина на принимающей свет поверхности двухмерного матричного устройства 15, получаемая в настоящем эксперименте. Расширение центральной части этой картины интерференции продемонстрировало, что эта часть имела профиль "гусиной лапки". В норме интерференция двух лучей света со сдвигом фаз приводит к интерференционной полосе, тогда как в настоящем варианте осуществления формируется профиль "гусиной лапки". Причина описана далее в настоящем документе.
[0031]
.
Как представлено в верхней части Фиг. 9, когда вертикальная и горизонтальная оси на двухмерном матричном устройстве соответственно установлены в качестве осей конвергенции и интерференции, распределение яркости происходит в направлении оси конвергенции вследствие предела сходимости цилиндрической линзы. Это распределение асимметрически изменяется с величиной временного сдвига фазы. В настоящем варианте осуществления сдвиг фаз пространственно обеспечен сдвигом фазы при пропускании. Таким образом, например, в случае кривой L1 на диаграмме, представленной в нижней левой части Фиг. 9, яркость выше на верхней стороне оси конвергенции, тогда как в случае кривой L2, яркость выше на нижней стороне оси конвергенции. В результате, как показано на нижней правой части Фиг. 9, профиль интерференции не только демонстрирует профиль чередующихся яркого-и-темного по ходу оси интерференции, но также повторяет чередование ярких и темных областей в направлении оси конвергенции. Следует отметить, что интерференционная полоса на фигуре для простоты объяснения представлена в бинарной форме черного и белого, где полагают, что яркие и темные области возникают при сдвиге фазы π
ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0032]
На Фиг. 10 представлено спектроскопическое измерительное устройство по второму варианту осуществления настоящего изобретения. Это спектроскопическое измерительное устройство отличается от первого варианта осуществления тем, что линза объектива 12, удерживаемая в корпусе 11, может перемещаться в этом корпусе 11 в направлении, указываемом стрелкой B. Перемещая линзу объектива 12 в направлении стрелки B таким образом, можно перемещать плоскость фокусировки (плоскость, содержащая точку фокусировки). Таким образом, вращая пропускающее устройство 13 сдвига фазы и цилиндрическую линзу 14 при движении линзы объектива 12, можно проводить трехмерное измерение спектра. Это происходит вследствие того характеристического факта, что картина интерференции, которая представляет изменение интенсивности интерференции, формируется только светом источника, который вносит вклад в получение изображения из плоскости фокусировки так, что в пределах плоскости фокусировки можно ограничивать глубину плоскости измерения.
ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0033]
Далее в настоящем документе описано спектроскопическое измерительное устройство по третьему варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на Фиг. 11. Настоящее спектроскопическое измерительное устройство характеризуется тем, что перед линзой объектива 12 помещают оборачивающий объектив 21, и что на сопряженную плоскость оборачивающего объектива 21 и линзы объектива 12 помещают фазовую дифракционную решетку 22. Оборачивающий объектив 21 составляет формирующую изображение оптическую система с сопряженной плоскостью по настоящему изобретению. Кроме того, в этом спектроскопическом измерительном устройстве внутренний корпус 16 вмещает фазовую дифракционную решетку 22, линзу объектива 12, пропускающее устройство 13 сдвига фазы и цилиндрическую линзу 14.
[0034]
Например, фазовая дифракционная решетка 22 представляет собой пропускающую дифракционную решетку с пилообразной плоскостью дифракции и дает периодический сдвиг фаз света, проходящего через эту фазовую дифракционную решетку 22. Таким образом, фазовая дифракционная решетка 22 функционирует в качестве средства обеспечения периодичности по настоящему изобретению.
[0035]
Эффект настоящего варианта осуществления далее описан в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 12. На верхней части Фиг. 12 представлены картины интерференции (интерферограммы), наблюдаемые в случае неиспользования фазовой дифракционной решетки. Конкретно, левая диаграмма представляет собой картину интерференции области со структурой. Наблюдают картину интерференции с большой амплитудой интенсивности, что означает наличие интерференции. Правая диаграмма представляет собой картину интерференции области без структуры. Наблюдаемая амплитуда фактически неразличима, что означает отсутствие интерференции.
[0036]
На нижней части Фиг. 12 представлены картины интерференции, наблюдаемые в случае использования фазовой дифракционной решетки. Конкретно, левая диаграмма представляет собой картину интерференции области со структурой. Наблюдают картину интерференции с высокой амплитудой интенсивности, что означает присутствие интерференции. Правая диаграмма представляет собой картину интерференции области без структуры. Снова наблюдают картину интерференции с высокой амплитудой интенсивности, что означает присутствие интерференции. Таким образом, по настоящему варианту осуществления, даже если целевая область не имеет структуры, можно получать интерференцию, почти сравнимую с интерференцией поверхности со структурой.
[0037]
Вместо фазовой дифракционной решетки, используемой в настоящем варианте осуществления, в случае наличия периодического распределения амплитуды пространственно некогерентного света также можно использовать щель или амплитудную дифракционную решетку. В этом случае ширина апертуры щели должна быть равна пределу 2d сходимости  линзы объектива (d=0,61λ/NA, where λ представляет собой длину волны света, а NA - числовую апертуру).
ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0038]
На Фиг. 13 представлена схематическая конфигурация спектроскопического измерительного устройства по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Настоящее спектроскопическое измерительное устройство состоит из формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью и измеряющей оптической системы. Измеряющая оптическая система состоит из линзы объектива 31, отражающего устройства 32 сдвига фазы, формирующей изображение линзы 33 и детектора 34. Например, детектор 34 состоит из камеры CCD.
[0039]
Отражающее устройство 32 сдвига фазы состоит из подвижного зеркального блока 321 и неподвижного зеркального блока 322 и снабжено механизмом привода для перемещения подвижного зеркального блока 321. Подвижный зеркальный блок 321 и неподвижный зеркальный блок 322 содержат поверхность (отражающую поверхность), состоящую из поверхности оптического зеркала, которая является оптически плоской и может отражать диапазон длин волн света для измерения настоящим устройством. В настоящем варианте осуществления отражающее устройство 32 сдвига фазы соответствует средствам обеспечения разницы длины оптического пути.
[0040]
Формирующая изображение оптическая система с сопряженной плоскостью состоит из: формирующей изображение линзы 35, помещенной перед линзой объектива 31 и в положении между линзой объектива 31 и измеряемым объектом; а линза объектива 36 помещена перед формирующей изображение линзой 35. Формирующее изображение оптическая система с сопряженной плоскостью и линза объектива 31 имеют общую сопряженную плоскость. На этой общей сопряженной плоскости помещают фазовую дифракционную решетку 37.
[0041]
Как описано ранее, фазовая дифракционная решетка 37 обеспечивает периодический сдвиг фаз проходящего через нее света. Таким образом, измеряемый свет, испускаемый объектом S и формирующий реальное изображение на сопряженной плоскости посредством линзы объектива 36 и формирующий изображение линзы 35, приобретает сдвиг фаз при прохождении через фазовую дифракционную решетку 37, а затем входит в измеряющую оптическую систему.
[0042]
Измеряемый свет, который входит в измеряющую оптическую систему проходит через линзу объектива 31 и попадает на подвижный зеркальный блок 321 и неподвижный зеркальный блок 322 устройства сдвига фазы 32. После отражения отражающими поверхностями этих двух зеркальных блоков, свет проходит через формирующую изображение линзу 33 и сходится на принимающей свет поверхности детектора 34, вызывая интерференцию. Интенсивность интерференционного света, получаемого детектором 34, направляют в процессор системы управления(не показано) и подвергают преобразованию Фурье посредством вычислительного процессора, после чего получают спектральную характеристику.
[0043]
Объект S для измерения на своей поверхности содержит варьирующие структуры, и распределение уровня интенсивности интерференционного света на плоскости изображения формирующей изображение линзы 35 варьирует в зависимости от изменения дифракционного угла из-за этих структур. Кроме того, в случае пространственно-когерентного света поверхность объекта, который практически не обладает структурой, не генерирует света более высокого порядка, а только свет нулевого порядка. Например, в случае освещения Koehler свет нулевого порядка достигает линзы объектива 36 в форме параллельного пучка и сходится на плоскости оптического преобразования Фурье так, что невозможно разделить волновой фронт пропускающим устройством сдвига фазы. Однако посредством наложения на поверхность объекта S периодической структуры на плоскости оптического преобразования Фурье всегда можно получать распределение дифракционного света без влияния структуры поверхности объекта так, что можно постоянно получать интерференцию со сдвигом фазы посредством разделения фронта волны.
[0044]
Однако невозможно физически формировать периодическую структуру на поверхности объекта S. Таким образом, в настоящем варианте осуществления предоставлена формирующая изображение оптическая система с сопряженной плоскостью для оптического формирования сопряженной плоскости объекта S, и дополнительно, на сопряженную плоскость помещают фазовую дифракционную решетку, которая представляет собой пропускающую периодическую структуру, для наложения периодической структуры на сопряженную плоскость. Посредством этой конфигурации по настоящему варианту осуществления измеряемый свет можно разделять на два луча и заставлять их интерферировать друг с другом вне зависимости от структуры поверхности объекта S так, что можно получать спектральную характеристику.
[0045]
Если величина сдвига фаз, обеспечиваемая измеряемому свету фазовой дифракционной решеткой, удовлетворяет следующему условию: величина непрерывно обеспечиваемого сдвига фаз между любыми двумя положениями, разделенными относительным расстоянием d=0,61λ/NA, равна π (рад), получают интерферирующий свет даже с более высокой видимостью. Например, в случае получения двухмерной спектральной характеристики следует использовать фазовую дифракционную решетку, которая может обеспечить относительный сдвиг фаз между соседними яркими точками в размере π, как показано на Фиг. 13.
[0046]
Далее в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 14 описана причина обеспечения сдвига фаз в размере π (рад) в описанных ранее условиях.
Во-первых, группу последовательных ярких точек разделяют на пары ярких точек, где радиус каждой яркой точки составляет d=0,61λ/NA от центра предела сходимости к первому темному кольцу (λ: длина волны света; NA: числовая апертура). Таким образом, полагают, что поверхность объекта S покрыта последовательно расположенными парами ярких точек, разделенных расстоянием d. Как общеизвестно как предел разрешения критерия Релея, каждая одна пара ярких точек состоит из двух ярких точек, которые имеют взаимно перекрывающиеся центры яркости предела сходимости и первых темных колец. В процессе сдвига фазы распределение интенсивности света в каждой яркой точке изменяется на основе дифракции Фраунгофера в качестве дифракционного явления прохождения нескольких лучей через апертуру объектива. Другими словами, если величина сдвига фазы равна нулю, интерференция происходит в соответствии с нормальным пределом сходимости; т.е. в центре яркой точки удовлетворяется условие конструктивной многолучевой интерференции, делая этот центр ярким, тогда как в первом темном кольце удовлетворяется условие деструктивной интерференции, делая это кольцо темным. Однако в процессе сдвига фазы изменяется сдвиг фаз лучей, вызывая изменение условий интерференции так, что яркая точка переходит к условию деструктивной интерференции и становится более темной. Одновременно первое темное кольцо делает обратный переход от начального состояния деструктивной многолучевой интерференции к состоянию конструктивной интерференции и становится ярче.
[0047]
Упрощенная интерпретация этого явления состоит в том, что если состояние интерференции моделируют макроскопически, между центром конвергенции и первым темным кольцом существует разница соотношения фаз π. Таким образом, в процессе сдвига фаз две яркие точки, формирующие одну пару, взаимно компенсируют величину сдвига их фаз и, таким образом, в области низкой разрешающей способности, где последовательно расположены взаимно гасящие пары ярких точек, изменений интенсивности интерференции наблюдать нельзя. Однако на краевом участке можно наблюдать интенсивность интерференции, ассоциированной со сдвигом фазы, так как больше нет никакой яркой точки, которая являлась бы партнером по взаимному гашению. Таким образом, изменение интенсивности интерференции можно наблюдать только в краевом участке.
[0048]
Настоящее изобретение не ограничено ранее описанными вариантами осуществления, а его можно соответствующим образом изменять.
Например, пропускающее устройство 13 сдвига фазы  можно конфигурировать так, что выходная поверхность второй пропускающей части 132 наклонена относительно выходной поверхности первой пропускающей части 131, в то время как входные поверхности первой пропускающей части 131 и второй пропускающей часть 132 лежат в одной и той же плоскости.
[0049]
Далее описан пример, в котором настоящее изобретение применяют для получения изображений линейчатого спектра. Фиг. 15 представляет собой изображение, наблюдаемое при получении изображений линейчатого спектра, при котором на сопряженную плоскость помещали щель и фазовую дифракционную решетку и в качестве источника света использовали свет лазера (длина волны: 632,8 нм). Горизонтальная ось этого наблюдаемого изображения представляет собой величину сдвига фазы, а вертикальная ось представляет собой координату на направлении получения изображения. Верхняя левая диаграмма на фигуре демонстрирует один из примеров распределения значений яркости пикселей, формирующих один горизонтальный ряд наблюдаемого изображения. Она представляет собой картину интерференции одной яркой точки (пикселя) на линии изображения. Посредством математического преобразования Фурье этой картины интерференции получали четкую спектральную характеристику с пиковым значением линейчатого спектра при длине волны 632,8 (диаграмма в центре верхней части фигуры). Увеличенный частичный вид плоскостного распределения интенсивности интерференции подтвердил, что, как теоретически рассчитано, наблюдали распределение интенсивности интерференции в виде "гусиной лапки" (верхнее правое изображение на фигуре).
[0050]
Фиг. 16 представляет собой диаграмму, демонстрирующую спектральную характеристику на линии изображения, получаемой посредством преобразования Фурье картин горизонтальной интерференции всех строк. Она представляет собой трехмерную диаграмму распределения относительной спектральной интенсивности на линии изображения, где координаты нижней плоскости диаграммы соответственно означают длину волны и координату пикселя на направлении получения изображения, тогда как вертикальная ось означает относительную интенсивность. Как представлено, спектр линий яркости (длина волны пика: 632,8 нм) измеряли для каждой координаты пикселя на линии изображения.
[0051]
На Фиг. 17 представлено изображение, наблюдаемое при получении изображений линейчатого спектра, при котором щель и фазовую дифракционную решетку помещали на сопряженную плоскость, а в качестве источника света использовали белый свет (металлогалогеновая лампа). Фиг. 18 представляет собой трехмерную диаграмму, демонстрирующую распределение относительной спектральной интенсивности, получаемое посредством преобразования Фурье на основе картин горизонтальной интерференции во всех пикселях на линии изображения. Она представляет собой трехмерную диаграмму распределения относительной спектральной интенсивности на линии изображения, где координаты на нижней плоскости диаграммы соответственно означают длину волны и координату пикселя на направлении получения изображения, тогда как вертикальная ось означает относительную интенсивность. Как представлено, успешно измеряли спектр со множеством линий яркости, специфичных для металлогалогеновой лампы.
[0052]
Эти спектральные распределения на линии изображения представляют собой спектральные распределения на ограниченной глубине, соответствующей плоскости фокусировки на поверхности образца. Также, изменяя положение плоскости фокусировки в глубину, можно проводить получение томографического спектрального изображения.
ПЯТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0053]
В конфигурациях, описанных в третьем и четвертом вариантах осуществления, в качестве средств обеспечения периодичности используют фазовую дифракционную решетку. В настоящем варианте осуществления в качестве средств обеспечения периодичности используют амплитудную дифракционную решетку.
[0054]
Как описано в четвертом варианте осуществления пары ярких точек, радиус d от центра предела сходимости к первому темному кольцу которых определяется формулой d=0,61λ/NA, последовательно расположены на поверхности объекта S с интервалами d. В конфигурации с использованием фазовой дифракционной решетке, как показано на Фиг. 19, каждая яркая точка имеет соответствующую яркую точку, расположенную на расстоянии d от нее, с первым темным кольцом последней яркой точки, лежащим в центре предшествующей яркой точки. В результате соседние яркие точки взаимно гасят их соответствующие изменения интенсивности и возможно могут ухудшать видимость интенсивности интерференции.
[0055]
С учетом этой проблемы в настоящем варианте осуществления используют амплитудную дифракционную решетку, как показано на Фиг. 20, для выделения чередующихся ярких точек, расположенных на поверхности объекта S с интервалами d, и увеличения интервалов ярких точек до 2d. Это предотвращает ухудшение видимости интерференции вследствие гашения изменения интенсивности у ярких точек.
[0056]
Левая часть Фиг. 21 представляет собой схематическую конфигурационную диаграмму спектроскопического измерительного устройства по пятому варианту осуществления. Подобно четвертому варианту осуществления, представленному на Фиг. 13, устройство состоит из формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью и измеряющей оптической системы (2D-Фурье спектроскопическая оптика формирования изображения). Как уже указано, настоящая конфигурация идентична четвертому варианту осуществления за исключением использования в качестве средства обеспечения периодичности амплитудной дифракционной решетки. Таким образом, описания отдельных компонентов пропущены.
[0057]
Общей характеристикой спектроскопических измерительных устройств по четвертому и пятому вариантам осуществления является то, что присутствует только формирующая изображение оптическая система с сопряженной плоскостью, которая нуждается в индивидуальном проектировании для каждого объекта измерения; так как в качестве двухмерной Фурье спектроскопической оптики формирования изображения, включающей решетку сверхвысокого разрешения с  сопряженной плоскостью (амплитудную дифракционную решетку), всегда можно использовать одну и ту же оптическую систему. Это происходит потому, что все, что необходимо, это установить увеличение формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью так, чтобы реальное изображение на сопряженной плоскости всегда имело один и тот же размер.
[0058]
Числовую апертуру (NA) линзы объектива формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью определяют на основании разрешения, необходимого для рассматриваемого объекта. Увеличение формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью и, таким образом, выбор формирующей изображение линзы, определяют на основании необходимого размера поля зрения и размера реального изображения на ранее установленной сопряженной плоскости. В настоящем варианте осуществления использовали амплитудную дифракционную решетку с шагом решетки 5 мкм, с целью достижения пространственного разрешения 1 мкм, которое является теоретическим для двухмерной Фурье спектроскопической оптики системы формирования изображения (с NA линзы объектива 0,42 и увеличением 5). Поле зрения определяли как 3,5×2,6 мм и разрешение устанавливали в 2 мкм. Таким образом, увеличение формирующей изображение оптической системы с сопряженной плоскостью составляло 2,5, и NA линзы объектива составляла 0,196. В качестве принимающего фотоустройства использовали модуль монохромной камеры (произведенный Sony с номером модели XC-77, с размером пикселя 11 мкм), а в качестве источника белого света металлогалогеновую лампу (произведенную SIGMAKOKI CO., LTD. с номером модели IMH-250).
[0059]
В настоящем варианте осуществления подготавливали образец, включающий ряд пространственных частот в поле наблюдения, и измеряли его спектральные характеристики. Конкретно, формировали область с экстремально низкой пространственной частотой и область с соответствующим образом измененной пространственной частотой посредством случайного выкладывания тонкого волокна на плату из неструктурированного стекла и измеряли спектральные характеристики каждой из этих областей ("с решеткой" в правой части Фиг. 21). Для сравнения также получали картины интерференции с общепринятой конфигурацией без использования дифракционной решетки ("без решетки" на правой части Фиг. 21).
[0060]
Величина амплитуды картины интерференции предпочтительно должна быть постоянной и независимой от пространственной частоты. В случае общепринятой конфигурации, где амплитудную дифракционную решетку не использовали, интерференция в неструктурированной области не происходила. В отличие от этого, в случае конфигурации по настоящему варианту осуществления интерференция также происходила в неструктурированной области.
[0061]
Спектроскопическое измерительное устройство по настоящему изобретению можно применять не только в медицине для измерения биологических компонентов, таких как сахар крови и холестерин крови, но также и в различных других областях. Например, его можно использовать в промышленных областях для измерения спектральных характеристик материала и для тестирования его на дефект или в области научной криминалистики для измерения спектральных характеристик материала с отпечатками.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
[0062]
11 Корпус
111 Окно
12, 31 Линза объектива
13 Пропускающее устройство сдвига фазы
131 Первая пропускающая часть
132 Вторая пропускающая часть
14 Цилиндрическая линза
15 Двухмерное матричное устройство
16 Внутренний корпус
21 Оборачивающий объектив
22, 37 Фазовая дифракционная решетка
32 Отражающее устройство сдвига фазы
33, 35 Формирующая изображение линза