CN104704333B - 分光测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的分光测量装置具备：分割光学系统，其将从位于被测量物的测量区域内的多个测量点分别发出的测量光束分割为第一测量光束和第二测量光束；成像光学系统，其使第一测量光束与第二测量光束发生干涉；光程差赋予单元，其对第一测量光束和第二测量光束之间赋予连续的光程差分布；检测部，其包括用于检测与上述连续的光程差分布对应的干涉光的强度分布的多个像素；处理部，其基于由检测部检测出的干涉光的光强度分布来求出被测量物的测量点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱；共轭面成像光学系统，其配置在被测量物与分割光学系统之间，具有与该分割光学系统共用的共轭面；以及周期性赋予单元，其配置于共轭面，对从多个测量点发出的测量光束进行空间上的周期调制。

Description

分光测量装置
技术领域
本发明涉及一种分光测量装置，特别是涉及一种能够非侵入地测量血糖、血中胆固醇等生物体成分的分光测量装置。
背景技术
在糖尿病、高血脂症等各种疾病中，血液中含有的葡萄糖(血糖)、胆固醇等生物体成分量的管理对于疾病的预防和治疗是重要的。然而，为了测量血液中的生物体成分量，通常必须抽取血液，尽管是微量的也给患者带来痛苦。另外，需要进行抽血部位的消毒、消耗品的处理等繁杂的作业，因此例如有意回避日常性地进行用于以预防为目的而测量生物体成分量的采血。
与此相对地，提出了一种不抽取血液地测量生物体成分量的非侵入的测量装置(参照专利文献1)。在该测量装置中，对生物体的被检部位照射光，由此根据从该被检部位的内部的生物体成分发出的光(物体光)的分光特性来求出生物体成分。具体地说，将从以光学方式构成生物体成分的各亮点产生的透射光、漫射和散射光等物体光经由物镜引导到作为移相器的固定反射镜部和可动反射镜部，使从这两个反射镜部反射的物体光束在成像面上发生干涉。利用压电元件等使可动反射镜部的一部分进行移动，在被固定反射镜部反射的物体光束与从可动反射镜部反射的物体光束之间产生与该可动反射镜部的移动量相应的相位差，由两个光束产生的干涉光的强度随之发生变化，形成所谓的干涉图。通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取物体光的分光特性(光谱)。
专利文献1：日本特开2008-309707号公报
发明内容
发明要解决的问题
另外，在使用上述测量装置测量生物体成分量的情况下，存在如下问题。
首先，第一问题是，上述测量装置在固定反射镜部和可动反射镜部这两个反射镜部的设置角度上要求高精度。在该测量装置中，使被两个反射镜部反射的物体光束在成像面上发生干涉，基于其干涉光的强度变化来获取分光特性。根据两个反射镜部的反射面的角度来决定在各反射面上反射的物体光束在干涉面上的成像位置，因此为了使该物体光在规定的位置处准确地成像并发生干涉，需要高精度地设定两个反射镜部的反射面的设置角度。另外，即使设为在装置组装时准确地设定了两个反射镜部的反射面的角度，也由于温度、湿度等周围环境的变化等的外部干扰、可动反射镜部的移动误差等，两个反射镜部的反射面的相对角度有时会发生变化。在这种情况下，在规定的成像位置处不发生由两个反射镜部反射出的物体光束的干涉现象，不能获取物体光的分光特性。
第二问题是，成像面上的干涉光的光量分布受到由被检部位的纹理(表面状况)导致衍射角不同等的影响。也就是说，不仅由于取决于生物体成分量的浓度分布的吸光度分布，还由于被检部位的折射率分布等、物体光所通过的位置的光学纹理的不同，使成像面上的物体光的光量分布存在差异，因此不能正确地测量生物体成分量的浓度分布。
另外，在是空间上相干的光的情况下，不会从几乎没有纹理的试样产生高次衍射光，而仅产生0次光。例如在柯勒照明的情况下，0次光作为平行光束到达物镜，并在光学傅立叶变换面上聚光。也就是说，不能利用两个反射镜分割波面，不能获取分光特性。
本发明所要解决的问题在于，提供一种能够将对装置的外部干扰、内部的机械误差等的影响抑制得较小的分光测量装置。另外，本发明所要解决的问题在于，提供如下一种分光测量装置：在被检部位的周边存在光学干扰因素的情况下，另外在反而空间上的变化少(空间频率低)的情况下，均能够准确地获取该被检部位的分光特性。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题而完成的本发明的第一方式所涉及的分光测量装置的特征在于，具备：
a)分割光学系统，其将从位于被测量物的测量区域内的多个测量点分别发出的测量光束分割为第一测量光束和第二测量光束；
b)成像光学系统，其使上述第一测量光束与上述第二测量光束发生干涉；
c)光程差赋予单元，其对上述第一测量光束和上述第二测量光束之间赋予连续的光程差分布；
d)检测部，其包括用于检测与上述连续的光程差分布对应的干涉光的强度分布的多个像素；
e)处理部，其基于由上述检测部检测出的上述干涉光的光强度分布来求出上述被测量物的测量点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱；
f)共轭面成像光学系统，其配置在上述被测量物与上述分割光学系统之间，具有与该分割光学系统共用的共轭面；以及
g)周期性赋予单元，其配置于上述共轭面，对从上述多个测量点发出的测量光束进行空间上的周期调制。
本发明的第一方式所涉及的分光测量装置还能够采用以下结构，即具备：
a)固定反射部和能够沿光轴方向移动的可动反射部；
b)入射光学系统，其使从位于被测量物的测量区域内的多个测量点分别发出的测量光束入射到上述固定反射部和上述可动反射部；
c)成像光学系统，其将被上述固定反射部反射的测量光束和被上述可动反射部反射的测量光束引导至同一点来形成两个测量光束的干涉光；
d)光检测部，其包括用于检测由从多个测量点分别发出的测量光束分别产生的上述干涉光的强度的多个像素；
e)处理部，其基于通过使上述可动反射部移动而由上述干涉光检测部检测出的上述干涉光的强度变化来求出上述两个测量光束的干涉图；
f)共轭面成像光学系统，其配置在上述被测量物与上述入射光学系统之间，具有与该入射光学系统共用的共轭面；以及
g)周期性赋予单元，其配置于上述共轭面，对从上述多个测量点发出的测量光束进行空间上的周期调制。
在本发明的第一方式的分光测量装置中，在与测量点(物体面)共轭的面上配置周期性赋予单元，因此利用被赋予了空间上的周期调制的光束获得干涉光。因此，即使从几乎没有纹理的试样也能够产生高次衍射光，能够获得干涉光。另外，能够使固定的空间上的周期性叠加于形成在共轭面上的实像，因此能够消除被测量物的测量点的纹理对傅立叶变换面上的光量分布造成的影响。
为了解决上述问题而完成的本发明的第二方式所涉及的分光测量装置的特征在于，具备：
a)透射型的光学构件，其包括第一透射部和楔形的第二透射部，其中，该第一透射部的入射面与出射面平行，该第二透射部的入射面和出射面中的某一方与上述第一透射部的入射面或者出射面处于同一面上，该第二透射部的入射面和出射面中的一方相对于另一方倾斜；
b)物镜，其使从位于被测量物的测量区域内的多个测量点分别发出的测量光束成为平行光线，并入射到上述第一透射部和上述第二透射部；
c)柱面透镜，其被入射透过上述第一透射部的第一测量光束和透过上述第二透射部的第二测量光束，具有平行于上述第一透射部和上述第二透射部的分界面与上述第一透射部的入射面的交线的轴；
d)检测部，其包括用于对入射到上述柱面透镜的上述第一测量光束和上述第二测量光束的干涉光的强度分布进行检测的多个像素；以及
e)处理部，其基于由上述检测部检测出的上述干涉光的强度分布来求出上述被测量物的测量点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱。
在上述第二方式所涉及的分光测量装置中，入射到物镜的测量光束的一部分入射到第一透射部，并作为第一测量光束入射到柱面透镜。另外，入射到物镜的测量光束的剩余部分入射到第二透射部，并作为第二测量光束入射到柱面透镜。第二透射部由楔形的光学构件构成，因此第一测量光束和第二测量光束具有相位差地入射到柱面透镜，在该柱面透镜的成像面上形成干涉光。根据该干涉光的强度分布来求出被测量物的测量点的干涉图，因此通过对该干涉图进行傅立叶变换能够获取测量点的光谱。
在上述第二方式所涉及的分光测量装置中，能够将上述物镜、上述光学构件、上述柱面透镜以及上述检测部排成一列地配置。因而，通过将它们收容在一个筒状壳体内，能够提供紧凑且耐外部干扰的分光测量装置。
发明的效果
在本发明的第一方式的分光测量装置中，在与测量点(物体面)共轭的面上配置周期性赋予单元，因此利用被赋予了空间上的周期变化的光束获得干涉光。因此，即使从几乎没有纹理的试样也能够产生高次衍射光，能够获得干涉光。另外，能够使固定的空间上的周期性叠加于形成在共轭面上的实像，因此能够消除被测量物的测量点的纹理对傅立叶变换面上的光量分布造成的影响。
在本发明的第二方式的分光测量装置中，利用包括第一透射部和第二透射部的透射型的光学构件将从被测量物的测量点发出的测量光束分割为两个，并且对这两个测量光束之间赋予连续的光程差。因而，与通过使可动反射镜部移动来赋予光程差的以往的测量装置不同，易于设定第一透射部和第二透射部的设置角度，能够容易地获得第一测量光束与第二测量光束的干涉光。另外，在通过使两个反射面反射测量光束将该测量光束分割成两份的结构中，当反射面的斜率发生变化时，反射光束的朝向也发生变化，因此易于受到外部干扰的影响。另一方面，在如本发明那样通过使测量光束透过两个透射部来将该测量光束分割为两份的结构中，即使透射部的入射面、出射面的斜率发生变化，只要入射光束的朝向不变，射出光束的朝向也不变。因而，能够将外部干扰的影响抑制得较小。
附图说明
图1是本发明的第一实施例所涉及的分光测量装置的外观立体图。
图2是分光测量装置的概要侧视图(a)、俯视图(b)、通过使内部壳体旋转而获得的干涉光的概念图(c)以及从(b)的箭头A侧看到的透射型移相器的立体图(d)。
图3是第一测量光束和第二测量光束的光路的说明图。
图4是由于第二透射部的入射面倾斜而发生的波长散射的说明图，示意性地表示到达二维阵列设备的受光面的第二测量光束的图(a)、干涉图(b)以及分光特性(c)。
图5是表示由透射型移相器的设置角度的变化导致的测量光束的光路的变化的图。
图6是在本实施例中观察到的二维阵列设备的受光面的图像(a)、在以往装置中观察到的二维阵列设备的受光面的图像(b)。
图7是使波长为532nm的激光入射到物镜后得到的干涉图(a)和分光相对强度(b)。
图8是二维阵列设备的受光面上形成的干涉像。
图9是所获取的干涉条纹的说明图。
图10是本发明的第二实施例所涉及的分光测量装置的外观立体图。
图11是本发明的第三实施例所涉及的分光测量装置的概要结构图。
图12是用于说明第三实施例的效果的图。
图13是本发明的第四实施例所涉及的分光测量装置的概要结构图。
图14是夫琅禾费衍射的说明图。
图15是在共轭面上设置光阑和相位型衍射光栅并且将激光光源用于光源而得到的线性分光成像的观察图像。
图16是对所有行的水平方向的干涉图进行傅立叶变换并获取成像线上的分光特性而得到的三维曲线图。
图17是在共轭面上设置光阑和相位型衍射光栅并将白色光(金属卤化物灯)用作光源来进行线性分光成像而得到的观察图像。
图18是在所有成像线上的像素中通过傅立叶变换从水平方向的干涉图得到的分光相对强度分布的三维曲线图。
图19是对使用了相位型衍射光栅的情况下的干涉强度的鲜明度进行说明的图。
图20是对使用了振幅型衍射光栅的情况下的干涉强度的鲜明度进行说明的图。
图21是表示本发明的第五实施例所涉及的分光测量装置的概要结构图和根据第五实施例的结构得到的测量结果的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的具体的实施例进行说明。
实施例1
图1示出了本发明的第一实施例所涉及的分光测量装置的外观立体图。该分光测量装置由圆筒状的壳体11和以排成一列的方式收容在其内部的物镜12、透射型移相器13、作为成像透镜的柱面透镜14、二维CCD摄像机等二维阵列设备15(相当于本发明的检测部)构成。在壳体11的物镜12侧的端部形成有窗部111。从被测量物S(参照图2)的测量点发出的测量光通过该窗部111被取入壳体11内，并通过物镜12入射到透射型移相器13。
透射型移相器13和柱面透镜14被固定在圆筒状的内部壳体16内，该圆筒状的内部壳体16转动自如地安装在壳体11内。通过超声波马达、螺线管等驱动部141使该内部壳体16进行旋转，通过该内部壳体16的旋转使透射型移相器13和柱面透镜14一体地旋转。
二维阵列设备15例如包括二维CCD摄像机，构成为二维阵列设备15的受光面位于柱面透镜14的成像面。二维阵列设备15的检测信号被输入到处理部151。处理部151根据来自二维阵列设备15的检测信号求出干涉图。利用运算处理部152在数学上对该干涉图进行傅立叶变换，其结果，获得测量光的每个波长的相对强度、即分光特性(光谱)。
透射型移相器13包括作为半圆状的透射型光学构件的第一透射部131和作为半圆状的透射型光学构件的第二透射部132，整体上大致具有圆柱状的结构。第一透射部131由入射面和出射面平行的厚度固定的光学构件构成。另一方面，第二透射部132由具有相对于第一透射部131的入射面倾斜的入射面和与第一透射部131的出射面处于同一面上的出射面的楔形的光学构件构成。在本实施例中，第二透射部132的入射面倾斜成第一透射部131与第二透射部132的分界面处的第二透射部132的厚度从一侧朝向另一侧逐渐变小。
第二透射部132的入射面的倾斜角度由相位偏移量和二维阵列设备15的每个像素的采样间隔决定，但即使略微偏移也没有问题，该相位偏移量由波数分辨率决定。
此外，第一透射部131和第二透射部132可以分别由不同的光学构件构成，还可以对圆盘状的光学构件的上半部进行加工来作为入射面倾斜的第二透射部132。另外，在上述分光测量装置中，设为仅使透射型移相器13和柱面透镜14进行旋转的结构，但也可以设为物镜12和/或二维阵列设备15也与透射型移相器13和柱面透镜14一体地旋转的结构。
参照图2～图4对上述测量装置的光学的作用进行说明。
从被测量物S的一个测量点发出的测量光束LS通过物镜12而成为平行光线，并入射到透射型移相器13的第一透射部131和第二透射部132。然后，透过第一透射部131和第二透射部132的测量光束分别作为第一测量光束和第二测量光束入射到柱面透镜14。此时，第一透射部131的入射面和出射面平行，因此入射到柱面透镜14的第一测量光束LS1在二维阵列设备15的受光面上以相位一致的状态会聚到同一直线上。另一方面，第二透射部132的入射面相对于出射面倾斜，因此第二测量光束LS2以其波面沿着该入射面倾斜的状态入射到柱面透镜14，同样地，在二维阵列设备15的受光面上，第二测量光束LS2也以波面倾斜的状态会聚到同一直线上。
因此，在第一测量光束和第二测量光束的干涉区域，两个光束间的光程差逐渐变化。从被测量物S的直线状的测量区域(参照图3)内的各测量点发出的测量光束中包含各种波长的光，因此干涉区域的第一测量光束与第二测量光束之间的光程差连续地变化，由此能够获得如图4的(b)所示那样的被称为干涉图的干涉光强度分布的波形。
在图4的(b)中，纵轴表示相位偏移量，横轴表示干涉光的强度。根据第二透射部132的倾斜角度、二维阵列设备15的像素尺寸、柱面透镜14的焦距等来求出相位偏移量。运算处理部152对该干涉图进行傅立叶变换，由此获得从被测量物S的各测量点发出的测量光的每个波长的相对强度、即分光特性(光谱)(参照图4的(c))。另外，通过使内部壳体16旋转规定角度，被测量物S的测量区域与之相应地进行旋转。因而，通过以每次选择规定角度的方式进行360度旋转，能够进行被测量物S整体的二维分光测量(参照图2的(c))。
在此，入射到第二透射部132的入射面的测量光束(第二测量光束)的折射角根据每个波长而各不相同，因此从第二透射部132射出的第二测量光束由于散射而使聚光位置发生偏移。但是，由该散射导致的偏移量在干涉图的傅立叶变换后成为相位项，不会影响振幅项。因而，不会对通过傅立叶变换获取的分光特性造成影响。实际上，如果对测量波长频带为900nm～1700nm、焦距f为5mm、二维阵列设备15的像素尺寸为30μm时的由散射导致的偏移量进行计算，则为3.7μm，充分小于二维阵列设备15的像素尺寸。基于这一点也可获知由散射造成的影响小。
另外，如图5所示，在透射型移相器13的情况下，即使第一透射部131或者第二透射部132的设置角度发生变化，第一测量光束或者第二测量光束的光路也仅进行平行移动(在图5中用箭头表示。)。因而，第一测量光束和第二测量光束会聚到规定的区域，形成高鲜明度的干涉像，因此不要求第一透射部131和第二透射部132的设定精度。与此相对地，在以往的分光测量装置中，当反射面的斜率发生变化时，反射光、即第一测量光束或者第二测量光束的朝向发生变化，有时不发生干涉。作为参考，在图6的(a)中表示本实施例的分光测量装置中的二维阵列设备15的受光面的图像，在图6的(b)中表示使用反射型移相器构成的以往的分光测量装置中的二维阵列设备的受光面的图像。在以往装置中，第一测量光束与第二测量光束没有发生干涉。
接着，在图7和图8中表示为了对本实施例所涉及的分光测量装置进行精度评价而进行的实验的结果。在该实验中，使作为测量光的波长为532nm的激光(作为光源，使用COHERENT公司的绿激光(Verdi G5))通过针孔(直径为5μm)入射到物镜12并获取干涉图(图7的(a))，并且对该干涉图进行傅立叶变换来求出分光相对强度(图7的(b))。该实验中使用的第二透射部132的入射面相对于第一透射部131的入射面的斜率(相对角度)是1.0(deg.)。
如图7的(b)所示那样获知，由于根据干涉图得到的光谱是在波长532nm处具有峰值的尖锐的亮线光谱，因此通过使用本实施例的分光测量装置能够高精度地获取测量光的分光特性。
另外，在图8中表示在本实验中得到的二维阵列设备15的受光面的干涉像。获知如果将该干涉像的中央部分放大，则具有交错网格图案。一般地，在具有相位差的两个光发生干涉的情况下，形成干涉条纹，但在本实施例中形成了交错网格图案。以下说明其理由。
如图9的上图所示，当将二维阵列设备上的垂直轴设为聚光轴，将水平轴设为干涉轴时，由于柱面透镜的聚光极限而在聚光轴方向上产生明亮的分布。该分布随着时间上的相位偏移量而非对称地变化。在本实施例中，利用透射型移相器在空间上施加相位差，因此例如在图9的左下方所示的曲线图中的曲线L1的情况下，聚光轴的上方明亮，在曲线L2的情况下，聚光轴的下方变得明亮。因此，如图9的右下方所示的干涉条纹那样，不仅在干涉轴方向上交替地变亮和变暗，而且在聚光轴方向上交替反复地变亮和变暗。此外，在此为了便于说明，用黑白二值地描绘干涉条纹，在相位偏移了π之后出现该亮暗。
实施例2
图10示出了本发明的第二实施例所涉及的分光测量装置。与第一实施例的不同点在于，该分光测量装置的物镜12以能够沿箭头B所示的方向在壳体11内进行移动的方式安装在该壳体11内。通过使物镜12像这样沿箭头B方向进行移行，能够使对焦面(包括对焦位置的面)进行移动。因而，通过在使透射型移相器13和柱面透镜14进行旋转的同时使物镜12进行移动，能够进行三维分光测量。这依赖于以下特征：作为干涉强度变化的干涉图仅由来自对焦面的有助于成像的物体光生成，因此能够在对焦面内限定测量面深度。
实施例3
参照图11对本发明的第三实施例所涉及的分光测量装置进行说明。该分光测量装置具有以下特征点：在物镜12的前级配置中继透镜21，并且在该中继透镜21与物镜12的共轭面上配置有相位型衍射光栅22。上述中继透镜21构成本发明的共轭面成像光学系统。另外，在该分光测量装置中，相位型衍射光栅22、物镜12、透射型移相器13以及柱面透镜14收容在内部壳体16中。
相位型衍射光栅22例如是具有锯齿状的光栅面的透射型的衍射光栅，对透过该相位型衍射光栅22的光施加周期性的相位差。也就是说，相位型衍射光栅22作为本发明中的周期性赋予单元而发挥功能。
接着，参照图12对本实施例的效果进行说明。在图12的上部表示不使用相位型衍射光栅的情况下的干涉图。左图是具有纹理的区域的干涉图。观测到振幅强度大的干涉图，获知发生了干涉。另一方面，右图是不具有纹理的区域的干涉图。几乎没有观测到振幅，获知没有发生干涉。
在图12的下部表示使用了相位型衍射光栅的情况下的干涉图。左图是具有纹理的区域的干涉图。观测到振幅强度大的干涉图，获知发生了干涉。另一方面，右图是不具有纹理的区域的干涉图。在这种情况下，也观测到振幅强度大的干涉图，获知发生了干涉。这样，根据本实施例，在不具有纹理的区域内能够获得与具有纹理的区域大致相同的干涉。
此外，在本实施例中，使用了相位型衍射光栅，但在对空间上非相干的光施加周期性的强度分布的情况下，能够使用光阑、即振幅型衍射光栅。在这种情况下，将光阑的孔径宽度设为物镜的聚光极限2d(d＝0.61λ/NA，λ是光的波长，NA表示数值孔径)。
实施例4
图13示出了本发明的第四实施例所涉及的分光测量装置的概要结构。该分光测量装置由共轭面成像光学系统和测量光学系统构成。测量光学系统由物镜31、反射型移相器32、成像透镜33以及检测部34构成。检测部34例如由CCD摄像机构成。
反射型移相器32构成为具备可动反射镜部321、固定反射镜部322以及使可动反射镜部321移动的驱动机构323。可动反射镜部321和固定反射镜部322的表面(反射面)在光学上是平坦的，且成为本装置能够在作为测量对象的光的波长频带内进行反射的光学镜面。在本实施例中，反射型移相器32相当于光程差赋予单元。
共轭面成像光学系统以位于物镜31与被测量物之间的方式由成像透镜35和物镜36构成，其中，该成像透镜35配置在该物镜31的前级，该物镜36配置在该成像透镜35的前级。这些共轭面成像光学系统和上述物镜31具有共用的共轭面，在该共用的共轭面上配置有相位型衍射光栅37。
如上所述，相位型衍射光栅37对通过的光赋予周期性的相位差。因此，从被测量物S上发出并经由物镜36、成像透镜35而在共轭面上形成实像的测量光在透过相位型衍射光栅37时被赋予相位差并入射到测量光学系统。
入射到测量光学系统的测量光经由物镜31入射到移相器32的可动反射镜部321和固定反射镜部322，在被这两个反射镜部的反射面反射之后，通过成像透镜33会聚到检测部34的受光面上并发生干涉。由检测部34接收到的干涉光强度被输入到未图示的控制装置的处理部，在运算处理部中进行傅立叶变换之后获取分光特性。
另外，被测量物S的物体面的纹理是各种各样的，根据由其纹理导致的衍射角的不同等而使成像透镜35的成像面上的干涉光的光量分布发生变化。另外，在空间上相干的光的情况下，不会从几乎没有纹理的物体面产生高次衍射光，而仅产生0次光。例如在柯勒照明的情况下，0次光作为平行光束到达物镜36，在光学傅立叶变换面上会聚，因此不能利用透射型移相器分割波面。与此相对地，如果使周期性的纹理叠加于被测量物S的物体面上，则能够不依赖于该物体面的纹理地在光学傅立叶变换面上稳定地获得衍射光分布，能够稳定地发生由波面分割导致的相位偏移干涉。
但是，不能对被测量物S的物体面赋予物理的周期构造。因此，在本实施例中，设置共轭面成像光学系统并在光学上形成共轭的物体面，并且在共轭面上配置作为透射型的周期构造的相位型衍射光栅，由此在上述共轭的物体面上叠加周期性的纹理。因而，在本实施例中，能够与被测量物S的物体面的纹理无关地将测量光分割为两份并使它们发生干涉，其结果，能够获取分光特性。
此外，在相位型衍射光栅对测量光赋予的相位差量满足以下条件的情况下，能够进一步获得鲜明度高的干涉光。具体地说，在相对的位置相距d＝0.61λ/NA的位置处，连续地赋予的相位差量为π(rad.)。例如在二维地获取分光特性的情况下，如图13所示那样使用能够对相邻的亮点间相对地施加相位差π的相位型衍射光栅。
参照图14对在上述条件下施加相位差量π(rad.)的理由进行说明。
首先，将连续的亮点群分解为从聚光极限的中心位置到第一暗环带的半径d＝0.61λ/NA(λ：光的波长，NA：数值孔径)的亮点对来进行考虑。也就是说，设为在被测量物S的物体面上连续地排列相距间隔d的亮点对。如利用瑞利基准的分辨极限所获知那样，这些亮点对中的一个亮点对包括两个亮点的聚光极限的亮度中心与第一暗环带互相重叠的两个亮点，其中一个亮点内的光强度分布基于作为透过透镜开口部的多光线干涉现象的夫琅禾费衍射，随着相位偏移操作而发生变化。首先，在不存在相位偏移量的情况下，按照通常的聚光极限，作为多光线的互相增强的干涉条件，亮点中心明亮，作为互相减弱的条件，较暗地观察到第一暗环带。但是，伴随相位偏移操作，多光线的相位差不同，干涉条件发生变化，因此亮点中心向多光线干涉的互相减弱的条件转变而变暗。另外，在初始条件下作为多光线互相抵消的条件的第一暗环带相反地向互相增强的条件转变而变明亮。
这能够简单地认为取决于以下情况：当作为干涉条件而建模为宏时，聚光中心和第一暗环带的相位条件偏离了π。也就是说，伴随相位偏移操作，亮点对间的相位差量互相抵消，因此在互相抵消的亮点对连续地排列的空间频率低的区域不能观察干涉强度变化。但是，在边缘部，不存在作为互相抵消的对象的亮点，因此能够观察由相位偏移引起的干涉强度。也就是说，能够仅在边缘部观察干涉强度变化。
此外，本发明并不限于上述实施例，能够适当地进行变更。
例如，也可以构成为使透射型移相器13的第二透射部132的出射面相对于第一透射部131的出射面倾斜，使第一透射部131和第二透射部132的入射面形成在同一面上。
接着，对将本发明应用于线性分光成像的例子进行说明。在图15中表示在共轭面上设置光阑和相位型衍射光栅，在光源中使用了激光光(波长：632.8nm)而得到的线性分光成像的观察图像。该观察图像的横轴是相位偏移量，纵轴是成像方向的坐标。在图中左上方，例如用曲线图表示观察图像水平方向的一行上的各像素的亮度值分布。这是成像线上的一个亮点(一个像素)的干涉图。通过在数学上对该干涉图进行傅立叶变换，能够获取到在波长632.8nm处具有亮线光谱的峰值的良好的分光特性(图中的中上部)。另外，能够确认的是，当将干涉强度的面分布的一部分放大时，理论上能够观察到交错状的干涉强度分布(图中的右上部)。
另外，在图16中表示对所有行的水平方向的干涉图进行傅立叶变换并获取到成像线上的分光特性后的曲线图。该曲线图是曲线图底部的坐标分别是波长和成像方向的像素坐标、垂直轴是作为相对强度的成像线上的分光相对强度分布的三维曲线图。这样，利用在成像线上所有的像素坐标，能够测量亮线光谱(峰波长：632.8nm)。
另外，在图17中表示在共轭面上设置光阑和相位型衍射光栅，在光源中使用白色光(金属卤化物灯)来进行线性分光成像而得到的观察图像。另外，在图18中表示在所有成像线上的像素中，通过傅立叶变换而从水平方向的干涉图得到的分光相对强度分布的三维曲线图。该曲线图是曲线图底部的坐标分别是波长和成像方向的像素坐标、且垂直轴是作为相对强度的成像线上的分光相对强度分布的三维曲线图。这样，能够良好地测量金属卤化物灯特有的多个亮线光谱。
这些成像线上的分光分布是限定为试样面上的对焦面上的深度的分光分布，通过在试样的深度方向上扫描对焦面，也能够进行分光断层成像。
实施例5
在上述实施例3和4中，对使用相位型衍射光栅作为周期性赋予单元的结构进行了说明，但在本实施例中，使用振幅型衍射光栅作为周期性赋予单元。
如在实施例4中所说明那样，在被测量物S的物体面上，从聚光极限的中心位置到第一暗环带的半径d为d＝0.61λ/NA的亮点对相距间隔d连续地排列。在使用相位型衍射光栅的结构中，如图19所示，当观察某一亮点时，与该亮点相距间隔d的亮点的第一暗环带重叠地位于其中心位置。其结果，存在以下情况：在相邻的亮点间互相抵消强度变化，干涉强度的鲜明度降低。
因此，在本实施例中，如图20所示使用振幅型衍射光栅，在被测量物S的物体面上每隔一个亮点提取相隔间隔d的亮点，将亮点间的间隔设为2d。由此，防止在亮点间强度变化被抵消而干涉强度的鲜明度降低。
图21的左图是第五实施例所涉及的分光测量装置的概要结构图，与图13示出的实施例4同样地，由共轭面成像光学系统和测量光学系统(2D-Fourier Spectroscopicimaging optics)构成。如上所述，除了使用振幅型衍射光栅作为周期性赋予单元这一点以外，其余是与实施例4相同的结构，因此省略与各结构要素有关的说明。
作为在实施例4和实施例5的分光测量装置中共有的特征，能够列举以下方面：需要与测量对象相应地单独设计的只有共轭面成像光学系统，包括共轭面超分辨光栅(振幅型衍射光栅)的成像型二维傅立叶分光光学系统可以始终为相同的光学系统。这是由于，为了使共轭面上的实像的大小始终固定，设定共轭面成像光学系统的倍率即可。
根据对适用对象求出的分辨率来决定共轭面成像光学系统的物镜的NA。另外，根据所求出的视野尺寸和预先设定的共轭面上的实像的大小来求出共轭面成像光学系统的倍率，从而决定成像透镜。在本实施例中，使用了以成像型二维傅立叶分光光学系统(物镜NA：0.42、倍率：5倍)的理论空间分辨率1μm为目标，光栅周期是5μm的振幅型衍射光栅。另外，将视野设为3.5×2.6mm，将分辨率设为2μm，将共轭面成像光学系统的倍率设为2.5倍，将物镜的NA设为0.196。对于受光设备，使用了黑白摄像机组件(制造商：SONY，型号：XC-77，像素尺寸：11μm)，对于白色光源，使用了金属卤化物灯(制造商：西格玛(Sigma)光机株式会社，型号：IMH-250)。
在本实施例中，制作在观察视野内包含多种空间频率的试样，并测量出其分光特性。具体地说，通过在不具有纹理的载玻片上随机地配置细纤维，来设置空间频率极其小的区域和空间频率适当地变化的区域，并分别测量出这些区域的分光特性(图21右边的“有”)。另外，为了比较，即使是不使用衍射光栅的以往的结构，也获取到干涉图(图21右边的“无”)。
干涉图的振幅值不取决于空间频率，优选是均匀的。但是，在不使用振幅型衍射光栅的以往的结构中，在没有纹理的区域不发生干涉。另一方面，获知在本实施例的结构中，在没有纹理的区域也发生了干涉。
本发明所涉及的分光测量装置并不仅限于在医学领域测量血糖、血中胆固醇等生物体成分，能够在各种领域中使用。例如，为了在工业领域中测量材料的分光特性并检查缺陷，或者为了在科学调查领域中测量印刷物的分光特性，也能够使用本发明所涉及的分光特性测量装置。
附图标记说明
11：壳体；111：窗部；12、31：物镜；13：透射型移相器；131：第一透射部；132：第二透射部；14：柱面透镜；15：二维阵列设备；16：内部壳体；21：中继透镜；22、37：相位型衍射光栅；32：反射型移相器；33、35：成像透镜。

Claims (10)

1.一种分光测量装置，其特征在于，具备：
a)入射光学系统，其被入射从位于被测量物的测量区域内的多个测量点分别发出的测量光束；
b)光程差赋予单元，其将来自上述入射光学系统的测量光束的波面分割为第一测量光束和第二测量光束，并对上述第一测量光束和上述第二测量光束之间赋予连续的光程差分布；
c)成像光学系统，其使上述第一测量光束与上述第二测量光束发生干涉；
d)检测部，其包括用于检测与上述连续的光程差分布对应的干涉光的强度分布的多个像素；
e)处理部，其基于由上述检测部检测出的上述干涉光的强度分布来求出上述被测量物的测量点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱；
f)共轭面成像光学系统，其配置在上述被测量物与上述入射光学系统之间，具有与该入射光学系统共用的共轭面，并且该共轭面位于上述共轭面成像光学系统和上述入射光学系统之间；以及
g)周期性赋予单元，其配置于上述共轭面，对从上述多个测量点发出的测量光束进行空间上的周期调制。
2.根据权利要求1所述的分光测量装置，其特征在于，
上述光程差赋予单元具有固定反射部和能够沿光轴方向移动的可动反射部，
上述入射光学系统使上述测量光束入射到上述固定反射部和上述可动反射部，
上述成像光学系统被入射被上述固定反射部反射的作为上述第一测量光束的测量光束和被上述可动反射部反射的作为上述第二测量光束的测量光束，并且将这两个测量光束引导至同一点来形成这两个测量光束的干涉光，
上述处理部基于通过使上述可动反射部移动而由上述检测部检测出的上述干涉光的强度变化来求出上述两个测量光束的干涉图。
3.根据权利要求1所述的分光测量装置，其特征在于，
上述光程差赋予单元具有透射型的光学构件，该透射型的光学构件包括第一透射部和楔形的第二透射部，其中，该第一透射部的入射面与出射面平行，该第二透射部的入射面和出射面中的某一方与上述第一透射部的入射面或者出射面处于同一面上，该第二透射部的入射面和出射面中的一方相对于另一方倾斜，
上述入射光学系统具有物镜，该物镜使上述测量光束成为平行光线，并入射到上述第一透射部和上述第二透射部，
上述成像光学系统具有柱面透镜，该柱面透镜被入射透过上述第一透射部的作为第一测量光束的测量光束和透过上述第二透射部的作为第二测量光束的测量光束，具有平行于上述第一透射部和上述第二透射部的分界面与上述第一透射部的入射面的交线的轴，
上述多个像素用于对入射到上述柱面透镜的上述第一测量光束和上述第二测量光束的干涉光的强度分布进行检测。
4.根据权利要求3所述的分光测量装置，其特征在于，
还具备筒状壳体，该筒状壳体将上述物镜、上述光学构件、上述柱面透镜以及上述检测部以排成一列的状态收容，在上述物镜侧的端部具有用于取入从上述被测量物的测量点发出的测量光束的窗部。
5.根据权利要求4所述的分光测量装置，其特征在于，
还具备内部壳体，该内部壳体旋转自如地配置在上述筒状壳体内，收容上述光学构件和上述柱面透镜。
6.根据权利要求5所述的分光测量装置，其特征在于，
还具备使上述内部壳体旋转的驱动单元。
7.根据权利要求4～6中的任一项所述的分光测量装置，其特征在于，
上述物镜以能够沿光轴方向移动的方式安装在上述筒状壳体内。
8.根据权利要求1～3中的任一项所述的分光测量装置，其特征在于，
上述周期性赋予单元是振幅型衍射光栅。
9.根据权利要求4～6中的任一项所述的分光测量装置，其特征在于，
上述周期性赋予单元是振幅型衍射光栅。
10.根据权利要求7所述的分光测量装置，其特征在于，
上述周期性赋予单元是振幅型衍射光栅。
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