JP2013246018A - 分光撮像装置調整方法および分光撮像システム - Google Patents

分光撮像装置調整方法および分光撮像システム Download PDF

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Abstract

【課題】分光撮像装置において各部品の間の相対的配置関係を容易に調整することができる分光撮像装置調整方法を提供する。
【解決手段】分光撮像装置３０は、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４，アレイ型受光部３５、および、これらの部品の間の相対的配置関係を調整する調整手段を備える。コリメートレンズ３２に入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して集光レンズ３４により集光される各波長の光の集光点がアレイ型受光部３５の所定ライン上に位置するように、各部品の間の相対的配置関係を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、分光撮像装置調整方法および分光撮像システムに関するものである。
分光撮像装置は、入力光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズによりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する回折格子と、回折格子から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズと、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサのうちの何れかの受光センサで集光レンズにより集光された光を受光するアレイ型受光部と、を備え、入力光のスペクトルを測定することができる。
例えば、分光撮像装置は、物質の吸収スペクトルを測定することにより、その物質の成分を分析することができる。また、分光撮像装置は、物体光と参照光とで形成される干渉縞のスペクトルを測定するにより、その物体の厚みや相対的な距離を求めることができる。
分光撮像装置により光のスペクトルを高精度に測定するためには、アレイ型受光部の複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が正確に分っていることが必要である。特許文献１および非特許文献１には、分光撮像装置におけるアレイ型受光部の各受光センサと波長との対応付けを行う方法が記載されている。
特開昭６１−５６９２２号公報
ところで、分光撮像装置により光のスペクトルを高い波長分解能で測定するためには、集光レンズにより集光される各波長の光の集光点が上記所定ライン上に位置することも必要である。しかし、分光撮像装置において、外部からの衝撃および経時的な緩み等に因り、各部品の間の相対的配置関係が変化する場合がある。この場合、集光レンズにより集光される各波長の光の集光点が上記所定ラインから外れると、測定されるスペクトルの波長分解能や検出効率が低下する。特許文献１および非特許文献１に記載された方法は、このような場合には対処することができない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、分光撮像装置において各部品の間の相対的配置関係を容易に調整することができる分光撮像装置調整方法、および、このような分光撮像装置調整方法を適用することができる分光撮像システムを提供することを目的とする。
本発明の分光撮像装置調整方法は、入力光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズによりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する回折格子と、回折格子から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズと、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサのうちの何れかの受光センサで集光レンズにより集光された光を受光するアレイ型受光部とを備える分光撮像装置を調整する方法であって、コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して集光レンズにより集光される各波長の光の集光点が所定ライン上に位置するように、コリメートレンズ，回折格子，集光レンズおよびアレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整することを特徴とする。
本発明の分光撮像装置調整方法では、エタロンフィルタの透過スペクトルの半値全幅がアレイ型受光部の波長分解能より小さいのが好適である。また、エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲがアレイ型受光部の波長分解能の１０倍以上であり、アレイ型受光部が受光する光の波長帯域幅がエタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲの１０倍以上であるのが好適である。
本発明の分光撮像装置調整方法は、コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置してアレイ型受光部により受光される光の強度分布をフーリエ変換し、このフーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち高周波成分の値が大きくなるように、コリメートレンズ，回折格子，集光レンズおよびアレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整するのが好適である。このとき、フーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち基本波成分の位相分布に基づいて、アレイ型受光部の各受光センサと波長との対応付けを行うのも好適である。
本発明の分光撮像装置調整方法は、コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して、アレイ型受光部の複数の受光センサそれぞれの出力値のα乗（α＞１）の総和が大きくなるように、コリメートレンズ，回折格子，集光レンズおよびアレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整するのが好適である。
本発明の分光撮像システムは、入力光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズによりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する回折格子と、回折格子から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズと、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサのうちの何れかの受光センサで集光レンズにより集光された光を受光するアレイ型受光部と、コリメートレンズに入力される光の光路上に配置および待避が自在に設けられたエタロンフィルタと、コリメートレンズ，回折格子，集光レンズおよびアレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の分光撮像システムでは、エタロンフィルタの透過スペクトルの半値全幅がアレイ型受光部の波長分解能より小さいのが好適である。また、エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲがアレイ型受光部の波長分解能の１０倍以上であり、アレイ型受光部が受光する光の波長帯域幅がエタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲの１０倍以上であるのが好適である。
本発明によれば、分光撮像装置において各部品の間の相対的配置関係を容易に調整することができる。
分光撮像システム１の構成を示す図である。 分光撮像装置３０の構成を示す図である。 アレイ型受光部により受光される光の強度分布を示す図である。 図３の光強度分布をフーリエ変換して得られる空間周波数分布を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、分光撮像システム１の構成を示す図である。分光撮像システム１は、光源１０，エタロンフィルタ２０および分光撮像装置３０を備え、測定対象２の吸収スペクトルまたは干渉スペクトルを測定することができる。測定対象２は、例えば、吸収スペクトルの測定の場合は対向配置された２つのレンズの間に測定対象物は置かれた透過光学系であり、干渉スペクトルの測定の場合はマイケルソン型干渉計またはマッハツェンダ型干渉計等である。
エタロンフィルタ２０および測定対象２それぞれは、光源１０から分光撮像装置３０へ至る光路上に配置および待避が自在に設けられる。エタロンフィルタ２０および測定対象２それぞれは、移動することにより光路上に配置および待避が自在であってもよいし、光スイッチ，光スプリッタ，光カプラおよびシャッタ等により光路が切り替えられることにより光路上に配置および待避が自在であってもよい。
光源１０は、広帯域の連続光を出力することができる。光源１０として、例えば、ＳＣ光源，ＡＳＥ光源およびＳＬＤ等が好適に用いられ得る。エタロンフィルタ２０は、各々高反射率を有する２つの反射面が一定間隔で対向配置されたものである。エタロンフィルタ２０は高Finesseであるのが好ましい。
エタロンフィルタ２０において、２つの反射面それぞれの反射率をＲとし、２つの反射面の間の実効光路長（幾何学的長さ×屈折率）をｄとし、傾きをθとし、波長をλとする。また、エタロンフィルタ２０における光の吸収を無視する。このとき、エタロンフィルタ２０の透過率Ｔ(λ)は下記（１）式で表される。エタロンフィルタ２０のＦＳＲ（Free Spectral range）は下記（２）式で表される。エタロンフィルタ２０のFinesseは下記（３）式で表される。また、エタロンフィルタ２０の透過スペクトルのピーク幅すなわち半値全幅（ＦＷＨＭ: Full Width atHalf Maximum）は下記（４）式で表される。
Ｔ(λ)＝1／{1+4R/(1-R)2*sin2(2πdsinθ/λ)} …(1)
FSR＝λ2／2d …(2)
Finesse＝πR1/2／(1-R) …(3)
FWHM＝FSR／Finesse …(4)
例えば、エタロンフィルタ２０において、２つの反射面それぞれの反射率Ｒを９５％とし、２つの反射面の間の実効光路長ｄを０.３ｍｍとする。このとき、波長１３００ｎｍにおいて、エタロンフィルタ２０のＦＳＲは２.８ｎｍであり、エタロンフィルタ２０のFinesseは６１.２であり、エタロンフィルタ２０の透過スペクトルのピーク幅すなわち半値全幅は０.０６ｎｍである。
エタロンフィルタ２０の透過スペクトルＴ(λ)は、各々透過率が高いピークが周期的に並んだ特性を有する。エタロンフィルタ２０における光の吸収がなければ理論的には透過率のピーク値は１である。２つの反射面それぞれの反射率Ｒが１に近いと、透過スペクトルのピーク幅すなわち半値全幅は狭くなる。本実施形態では、２つの反射面それぞれの反射率Ｒが１に近いのが好適である。
分光撮像装置３０は、測定対象２またはエタロンフィルタ２０から到達した光のスペクトルを測定する。図２は、分光撮像装置３０の構成を示す図である。分光撮像装置３０は、光ファイバ３１，コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５を備える。また、分光撮像装置３０は、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５の間の相対的配置関係を調整する調整手段を備える。
光ファイバ３１は、測定対象２またはエタロンフィルタ２０から出力された光を導いて、該光を端面から出力する。コリメートレンズ３２は。光ファイバ３１の端面から出力された光をコリメートする。回折格子３３は、コリメートレンズ３２によりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する。集光レンズ３４は、回折格子３３から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する。アレイ型受光部３５は、所定ラインに沿って一定ピッチでアレイ配置された複数の受光センサを有し、集光レンズ３４により集光された光を受光する。
相対的配置関係を調整する調整手段は、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５それぞれを平行移動させる手段の他、これらの部品の方位を変更する手段を含む。特に、調整手段は、コリメートレンズ３２の位置を調整する手段と、集光レンズ３４とアレイ型受光部３５との間の距離を調整する手段と、を含む。これらの調整手段として可動ステージ等が用いられる。
２つの反射面それぞれの反射率Ｒが１に近いエタロンフィルタ２０から出力された光が分光撮像装置３０に入力されたとき、最良の調整状態では、回折格子３３により分光された各波長の光は、アレイ型受光部３５の複数の受光センサのうち対応する受光センサに集光される。この場合、図３（ａ）に示されるように、アレイ型受光部３５において複数の受光センサがアレイ配置された所定ライン上における光強度分布は、各々幅が狭い複数のピークが周期的に並んだパターンとなる。
一方、分光撮像装置３０の調整が最良状態からずれていると、回折格子３３により分光された各波長の光は、アレイ型受光部３５の複数の受光センサのうち対応する受光センサだけでなく近傍の受光センサによっても受光される。この場合、図３（ｂ）に示されるように、アレイ型受光部３５において複数の受光センサがアレイ配置された所定ライン上における光強度分布では、各ピークの幅が広くなる。
したがって、アレイ型受光部３５により受光される光の強度分布において図３（ａ）に示されるように各ピークの幅が狭くなるように、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５の間の相対的配置関係を調整すればよい。このように調整することにより、集光レンズ３４により集光される各波長の光の集光点は、アレイ型受光部３５において複数の受光センサがアレイ配置された所定ライン上に位置する最良の状態とすることができる。
また、分光撮像装置３０が最良の調整状態である場合、図３（ａ）に示される光強度分布を離散フーリエ変換すると、図４（ａ）に示されるような空間周波数分布が得られる。この場合の空間周波数分布では、複数のピークが周期的に並んでおり、基本波成分（図中で太線により示される成分）および高周波成分それぞれのピーク値が一定である。
一方、分光撮像装置３０が最良の調整状態からずれている場合、図３（ｂ）に示される光強度分布を離散フーリエ変換すると、図４（ｂ）に示されるような空間周波数分布が得られる。この場合の空間周波数分布では、複数のピークが周期的に並んでおり、基本波成分（図中で太線により示される成分）に対して高周波成分のピーク値が小さく、高周波ほどピーク値が小さい。
したがって、アレイ型受光部３５により受光される光の強度分布をフーリエ変換し、このフーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち高周波成分の値が大きくなるように（すなわち、図４（ａ）のようになるように）、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５の間の相対的配置関係を調整すればよい。このように調整することによっても、集光レンズ３４により集光される各波長の光の集光点は、アレイ型受光部３５において複数の受光センサがアレイ配置された所定ライン上に位置する最良の状態とすることができる。
このとき、フーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち基本波成分（図４（ａ）中で太線により示される成分）をバンドパスフィルタで抽出し、これを逆フーリエ変換して得られる正弦波形状の位相分布に基づいて、アレイ型受光部３５の各受光センサと波長との対応付けを行うことができる。具体的には、先ず、アレイ型受光部３５において一定ピッチで配置された複数の受光センサそれぞれに波数の初期値を割り当て、次に、上記のフィルタリングにより得られる正弦波形状の位相分布と上記の波数の初期値との間の非線形成分を抽出して、この非線形成分が小さくなるように複数の受光センサそれぞれの波数の割り当てを修正する。
また、アレイ型受光部３５の複数の受光センサそれぞれの出力値のα乗（α＞１）の総和が大きくなるように、コリメートレンズ３２，回折格子３３，集光レンズ３４およびアレイ型受光部３５の間の相対的配置関係を調整してもよい。このように調整することによっても、集光レンズ３４により集光される各波長の光の集光点は、アレイ型受光部３５において複数の受光センサがアレイ配置された所定ライン上に位置する最良の状態とすることができる。
このような調整を効率的に行う為には、エタロンフィルタ２０のＦＳＲは、アレイ型受光部３５の波長分解能（隣接する２つの受光センサそれぞれに対応する波長の差）より大きく、且つ、アレイ型受光部３５の波長帯域幅（両端の２つの受光センサそれぞれに対応する波長の差）より小さいことが必要である。また、エタロンフィルタ２０の透過スペクトルのピーク幅すなわち半値全幅は、アレイ型受光部３５の波長分解能より小さいことが好適である。
例えば、アレイ型受光部３５の受光センサの個数を２５６とし、アレイ型受光部３５の波長分解能を０.２ｎｍとする。エタロンフィルタ２０は前述の例のとおりとする。また、中心波長を１３００ｎｍとする。このとき、アレイ型受光部３５において、１４〜１５個の受光センサの周期で光強度のピークが表れ、最適調整した場合に１個の受光センサ内に集光することができる。また、フーリエ変換によって１８〜１９番目ごとに高次のピークが立つことになり、光軸調整に適した状態である。
好適には、エタロンフィルタ２０の透過スペクトルのＦＳＲはアレイ型受光部３５の波長分解能の１０倍以上であり、アレイ型受光部３５の波長帯域幅はエタロンフィルタ２０の透過スペクトルのＦＳＲの１０倍以上である。また、エタロンフィルタ２０の透過スペクトルの半値全幅はアレイ型受光部３５の波長分解能より小さい。このような条件を満たせば、効率的に調整をすることができる。
１…分光撮像システム、２…測定対象、１０…光源、２０…エタロンフィルタ、３０…分光撮像装置、３１…光ファイバ、３２…コリメートレンズ、３３…回折格子、３４…集光レンズ、３５…アレイ型受光部。

Claims (9)

  1. 入力光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズによりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する回折格子と、前記回折格子から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズと、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサのうちの何れかの受光センサで前記集光レンズにより集光された光を受光するアレイ型受光部とを備える分光撮像装置を調整する方法であって、
    前記コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して前記集光レンズにより集光される各波長の光の集光点が前記所定ライン上に位置するように、前記コリメートレンズ，前記回折格子，前記集光レンズおよび前記アレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整する、
    ことを特徴とする分光撮像装置調整方法。
  2. 前記エタロンフィルタの透過スペクトルの半値全幅が前記アレイ型受光部の波長分解能より小さいことを特徴とする請求項１に記載の分光撮像装置調整方法。
  3. 前記エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲが前記アレイ型受光部の波長分解能の１０倍以上であり、
    前記アレイ型受光部が受光する光の波長帯域幅が前記エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲの１０倍以上である、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の分光撮像装置調整方法。
  4. 前記コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して前記アレイ型受光部により受光される光の強度分布をフーリエ変換し、このフーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち高周波成分の値が大きくなるように、前記コリメートレンズ，前記回折格子，前記集光レンズおよび前記アレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整する、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分光撮像装置調整方法。
  5. 前記フーリエ変換により得られる空間周波数分布のうち基本波成分の位相分布に基づいて、前記アレイ型受光部の各受光センサと波長との対応付けを行う、ことを特徴とする請求項４に記載の分光撮像装置調整方法。
  6. 前記コリメートレンズに入力される光の光路上にエタロンフィルタを配置して、前記アレイ型受光部の前記複数の受光センサそれぞれの出力値のα乗（α＞１）の総和が大きくなるように、前記コリメートレンズ，前記回折格子，前記集光レンズおよび前記アレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整する、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分光撮像装置調整方法。
  7. 入力光をコリメートするコリメートレンズと、
    前記コリメートレンズによりコリメートされた光を入力して波長に応じて異なる方向へ光を出力する回折格子と、
    前記回折格子から出力された光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズと、
    所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサのうちの何れかの受光センサで前記集光レンズにより集光された光を受光するアレイ型受光部と、
    前記コリメートレンズに入力される光の光路上に配置および待避が自在に設けられたエタロンフィルタと、
    前記コリメートレンズ，前記回折格子，前記集光レンズおよび前記アレイ型受光部の間の相対的配置関係を調整する調整手段と、
    を備えることを特徴とする分光撮像システム。
  8. 前記エタロンフィルタの透過スペクトルの半値全幅が前記アレイ型受光部の波長分解能より小さいことを特徴とする請求項７に記載の分光撮像システム。
  9. 前記エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲが前記アレイ型受光部の波長分解能の１０倍以上であり、
    前記アレイ型受光部が受光する光の波長帯域幅が前記エタロンフィルタの透過スペクトルのＦＳＲの１０倍以上である、
    ことを特徴とする請求項７または８に記載の分光撮像システム。
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