JP2005062104A - 分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素単位での分光が可能になるとともに、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とを同時に観測可能な分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法を得る。
【解決手段】 基板上に回動自在に支持された回折格子を電界印加によって傾斜させ、回折格子の回折面に入射される光を分光する微小電気駆動機械式の分光素子が２次元状に複数配列されてなり、これら分光素子のそれぞれが個別に傾斜角を設定可能にする。分光素子は、回折格子を傾斜駆動するための可動電極と、可動電極に対峙して回折格子の脇部に積層して設けられ、設定する各傾斜角に対応して可動電極と対峙する複数層の固定電極とで構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回折格子を微小電気駆動機械式に動作させる分光素子が２次元状に複数配列された分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法に関する。

物質から発せられる光は、物質中の電子の運動と密接に関係し、そのスペクトル（波長分布）が特有であることからその物質の同定が可能となる。

特開２００１−９９７１０号公報 特表平１０−５１１７７２号公報 特開平０１−３１８９２９号公報

上記特許文献１には、複数の原画像から成るマルチバンド画像の各チャンネル毎に、反射率が既知のチャートを撮影して得られる輝度値を前記反射率と対応させた変換テーブルを予め作成し、被写体を撮影したマルチバンド画像の原画像の輝度値から前記変換テーブルを用いて、反射率に変換することによって、被写体の分光反射率のスペクトルを推定するマルチバンド画像の「分光反射率のスペクトル推定方法およびスペクトル推定システム」が開示されている。この発明によれば、波長可変フィルタを用いてマルチバンド画像を撮影し、これを用いて撮影被写体の分光反射率のスペクトルを推定する際に、実効的にスペクトルの推定精度を落すことなく、推定スペクトルを求める処理時間を短縮している。

上記特許文献２には、第１のウェハと、第１のウェハ上に形成された検出器のアレイと、第１のウェハ上に形成され、検出器のアレイを取囲むリングと、第２のウェハと、第２のウェハ上に形成された第１のミラーと、ブリッジ構造と、ブリッジ構造の上に形成された第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーが互いに対向するようにブリッジ構造を第２のウェハに装着することにより形成されたファブリペロー空洞と、ブリッジ上に第２のウェハに近接して形成され、ファブリペロー空洞を同調するように第１のミラーと第２のミラーの互いの離間距離を変化させることができるアクチュエータとを具備し、第２のウェハをリングの上に配置して、ファブリペロー空洞及び検出器のアレイを収納した密封閉込め構造を形成したモノリシックマイクロ同調可能な「ファブリペローフィルタ検出器」が開示されている。このファブリペローフィルタ検出器によれば、ファブリペロー空洞の離間距離を制御してフィルタリング波長を変えている。

上記特許文献３には、光分散用回折格子と光混合用回折格子との中心を同一駆動軸上に配置し、これら光分散用回折格子と光混合用回折格子とを駆動軸を中心に回転することで波長を選択する「分光イメージング装置」が開示されている。この分光イメージング装置では、光分散用回折格子と光混合用回折格子とを同軸上に配置することで、光分散用回折格子と光混合用回折格子とを、中間スリットを介して光学的に対称に一度セッティングすれば、ずれ等を生じさせないで一対一に駆動する効果がある。

しかしながら、上記特許文献１に開示される波長可変フィルタとしては液晶チューナブルフィルタ等の素子が報告されているが、この素子は波長可変のメリットは有するものの、画像全体を同一波長帯でフィルタリングする素子であるため、全波長帯域を走査するためには時間がかかるなどの問題があった。
また、上記特許文献２に開示されるファブリペローフィルタ検出器では、ファブリペロー空洞の間隔を制御してフィルタリング波長を変えるため、ブリッジ構造のファブリペロー空洞を中間位置で平行度を保って姿勢制御することは容易ではなく、同文献に開示されるように容量検出の電極などを使って制御する必要があり、構成が複雑且つ大型となる。なお、一画素毎に波長を同調する記載もあるが、この原理や構造では困難がある。
更に、上記特許文献３に開示される分光イメージング装置では、回折格子を高精度に駆動しようとすれば、装置が大型且つ高価になるなどの問題がある。これに加えて分光素子が大きいため、高速での駆動は困難であった。また、高速駆動する場合でも、一定方向（例えば短波長から長波長）に動作させることしかできない欠点があった。そして、装置が大型であり、画素単位での分光や分光波長の制御が困難であるため、例えばスペクトル特性の異なる複数の蛍光の速い時間変化を追いかけるなどの計測は困難であった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、画素単位での分光が可能になるとともに、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とを同時に観測可能な分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法を得ることにある。

上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載の分光素子アレイは、基板上に回動自在に支持された回折格子を電界印加によって傾斜させ、該回折格子の回折面に入射される光を分光する微小電気駆動機械式の分光素子が２次元状に複数配列されてなり、これら分光素子のそれぞれが個別に傾斜角を設定可能とされていることを特徴とする。

この分光素子アレイでは、微小電気駆動機械式の分光素子が２次元状に複数配列され、この分光素子には、任意の傾斜角に傾斜されて入射光を分光する回折格子が設けられ、各回折格子の傾斜角が変えられることによって、回折される波長が制御可能となる。そして、各分光素子が一画素に対応することで、画素単位での分光が可能になるとともに、画素毎の分光波長の制御が可能となる。これにより、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とが同時に観測可能となる。また、分光素子が微小電気駆動機械式の素子で構成されるので、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、速い時間変化にも対応可能となる。これにより、異なる複数の分光波長（蛍光）の速い時間変化を追尾するなどの計測も可能となる。

請求項２記載の分光素子アレイは、前記分光素子が、前記回折格子を傾斜駆動するための可動電極と、該可動電極に対峙して前記回折格子の脇部に積層して設けられ、設定する各傾斜角に対応して前記可動電極と対峙する複数層の固定電極とを備えたことを特徴とする。

この分光素子アレイでは、回折格子と一体の可動電極と、回折格子の脇部に積層された所定の固定電極とに電圧が印加されると、可動電極に電荷が静電誘導され、この電荷と固定電極との間に作用する静電気力により、回折格子が当該固定電極に対応した所定の傾斜角に設定される。従って、所望の固定電極に電圧が印加されることにより、回折される波長の選択制御が可能となる。

請求項３記載の分光素子アレイは、前記回折格子の格子面上に配設され、入射光及び回折光の該回折格子に対する入出射角度を規制する開口が形成されたアパーチャを備えたことを特徴とする。

この分光素子アレイでは、各分光素子に入射される光の入射角、及び各分光素子から出射される回折光の角度がアパーチャの開口によって固定され、回折格子を回転する（回折格子の傾斜角を変える）ことによる波長の走査が可能となる。

請求項４記載の分光画像測定装置は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の分光素子アレイと、前記分光素子を駆動する分光素子駆動部と、前記分光素子アレイヘ被検出体からの光を導入する導入側光学系と、前記分光素子アレイからの回折光を結像させる検出側光学系と、該検出側光学系を通して前記回折光を検出するアレイ検出器とを備えたことを特徴とする。

この分光画像測定装置では、被検出体からの光が導入側光学系によって分光素子アレイに導かれ、分光素子アレイにより波長的に選択された光強度の低い回折光が検出側光学系によって集光されてアレイ検出器により検出される。これにより、スペクトル（波長分布）の時間的変化と空間的な変化とが、アレイ検出器によって観測可能となる。

請求項５記載の分光画像測定装置は、前記検出側光学系の光路の焦点位置に絞り板を設けたことを特徴とする。

この分光画像測定装置では、分光素子アレイの波長走査によって得られた回折光のうち、不要な次数の光が検出側光学系の絞り板によってカット（一部の波長幅の回折光が選択）され、アレイ検出器によって検出される画像の精度が高められる。

請求項６記載の分光画像測定装置は、前記検出側光学系が、前記分光素子アレイの光路前方に取り付けたマイクロレンズアレイを含むことを特徴とする。

この分光画像測定装置では、分光素子アレイにより波長的に選択された光強度の低い回折光がマイクロレンズアレイによって集光されてアレイ検出器により検出される。

請求項７記載の分光画像測定方法は、請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、前記分光素子アレイの各分光素子の傾斜角を所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定し、該分光素子アレイからの回折光強度をアレイ検出器で一度に検出することを特徴とする。

この分光画像測定方法では、各分光素子の傾斜角が、所望の分光範囲に対応するそれぞれ異なる傾斜角で設定され、この分光素子アレイからの回折光強度がアレイ検出器で一度に検出される。これにより、特定傾斜角の分光素子から回折光が得られれば、その分光素子の傾斜角からどの波長の回折光が得られているのかが分り、回折光強度分布のピーク波長が瞬時に検出される。

請求項８記載の分光画像測定方法は、請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、前記分光素子アレイからの回折光強度を検出した後に、回折光強度分布のピークを検出し、前記分光素子アレイの回折格子を該検出されたピークの波長付近に対応する傾斜角に設定し、前記強度ピーク付近の波長帯域のみの回折光強度を検出することを特徴とする。

この分光画像測定方法では、先ず、回折光強度分布のピークが検出された後、次いで、検出されたピーク波長付近に対応するより狭小な傾斜角で回折格子が設定され、回折光強度が検出される。これにより、ピーク波長帯域の詳細スペクトル分布が効率良く得られ、被検出体の物質の同定が迅速に可能となる。

請求項９記載の分光画像測定方法は、請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、前記分光素子アレイの回折格子を複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し、それぞれの傾斜角でアレイ検出器により回折光強度を検出することにより、特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出することを特徴とする。

この分光画像測定方法では、分光素子アレイにおけるそれぞれの分光素子の回折格子が複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定され、特定の異なる波長域の分光強度が同時に検出される。これにより、異なる複数の分光波長（蛍光）の速い時間変化を追尾するなどの計測が可能となる。

請求項１０記載の分光画像測定方法は、請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、前記分光素子アレイの全回折格子を特定の同一傾斜角に設定し、特定の波長に対する空間強度分布を検出することを特徴とする。

この分光画像測定方法では、全分光素子の回折格子が同期して同一傾斜角に設定され、２次元状に複数配列された回折格子の任意のものから当該傾斜角に対応した回折光が得られる。これにより、その回折光によって同定される物質の空間的な分布が検出可能となる。

本発明に係る分光素子アレイによれば、微小電気駆動機械式の分光素子が２次元状に複数配列され、この分光素子のそれぞれには、電界印加により任意の傾斜角に傾斜されて入射光を分光する回折格子が設けられるので、各回折格子を傾斜させ、入射角を変えることによって、回折される波長を制御することができる。そして、各分光素子を一画素に対応させることで、画素単位での分光が可能になるとともに、画素毎に分光波長を制御することができる。この結果、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とを同時に観測することができる。また、分光素子が微小電気駆動機械式の素子で構成されるので、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、速い時間変化にも対応可能となり、異なる複数の分光波長（蛍光）の速い時間変化を追尾するなどの計測も可能にできる。

本発明に係る分光画像測定装置によれば、分光素子を駆動する分光素子駆動部と、分光素子アレイヘ被検出体からの光を導入する導入側光学系と、分光素子アレイからの回折光を結像させる検出側光学系と、検出側光学系を通して回折光を検出するアレイ検出器とを備えたので、被検出体からの光を導入側光学系によって分光素子アレイに導き、分光素子アレイの波長走査によって得られた回折光をアレイ検出器により結像して検出することで、スペクトル（波長分布）の時間的変化と空間的な変化とを分光学的に観測することができる。

本発明に係る分光画像測定方法によれば、分光素子アレイの各分光素子の傾斜角を所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定し、この分光素子アレイからの回折光強度をアレイ検出器で一度に検出するので、所定の傾斜角の分光素子から回折光が得られれば、その分光素子の傾斜角からどの波長の回折光が得られているのかが分り、回折光強度分布のピーク波長を瞬時に検出することができる。

以下、本発明に係る分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る分光画像測定装置の第１の実施の形態を表す構成図、図２は図１に示した分光素子アレイの要部拡大図、図３は分光素子の拡大図、図４は分光素子の原理説明図、図５は分光素子の動作説明図、図６は回折格子を同一傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図、図７は回折格子を異なる傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図、図８は図７に示した回折格子の斜視図である。

本実施の形態による分光画像測定装置１００は、図１に示すように、分光素子アレイ２１と、分光素子アレイ２１ヘ被検出体２３からの光を導入する導入側光学系２５と、分光素子アレイ２１からの回折光を結像させる検出側光学系２７と、検出側光学系２７を通して回折光を検出するアレイ検出器２９と、分光素子アレイ２１、検出側光学系２７及びアレイ検出器（イメージセンサ）２９を駆動制御する制御部３１とを主要な構成要素として備えている。なお、導入側光学系２５と検出側光学系２７はいずれもテレセントリック光学系で構成されている。

導入側光学系２５は対物レンズ系２５ａを備える。検出側光学系２７は、リレイレンズ２７ａと、結像レンズ２７ｂと、これらの間に配設される絞り板２７ｃとを備える。

図２に示すように、分光素子アレイ２１は、基板３３上に回動自在に支持された回折格子３５を電界印加によって傾斜させ、回折格子３５の回折面３５ａに入射される光を分光する微小電気駆動機械式（ＭＥＭＳ）の分光素子３７が、２次元状に複数配列されてなる。分光素子アレイ２１では、後述の可動電極と固定電極との間に印加される電界により生じる静電気力によって、これら分光素子３７のそれぞれの回折格子３５が個別に傾斜角を設定可能としている。なお、ＭＥＭＳとは、Micro Electro Mechanical systemsの略で、μｍオーダーの微小構造体を電気的に変位・移動させる素子技術であり、その代表的な製法は半導体プロセス技術で使用されている微細加工技術である。

それぞれの回折格子３５の回折面３５ａ上方にはアパーチャ３９が対面配置される。このアパーチャ３９は、入射光及び回折光の回折格子３５に対する入出射角度を規制する開口３９ａが形成されている。分光素子３７では、入射される光の入射角、及び各分光素子３７から出射される回折光の角度が、このアパーチャ３９の開口３９ａによって固定され、回折格子３５を回転する（回折格子３５の傾斜角を変える）ことによる波長の走査が可能となる。

本実施の形態では、分光素子３７に用いられる回折格子３５は、反射型の回折格子となる。

ここで、図３、図４を参照して分光素子３７の動作原理を説明する。
図３に示すように、溝間隔（格子定数）ｄの回折格子３５へ波長λの光が入射角ｉで入射し、その回折角をθとすると下記の関係式（１）が成り立つ。

ここで、ｍは回折光の次数である。

ｍ、ｉ、θの符号の与え方は、取り扱う系により異なるが、ここでは次のように与える。次数ｍは、０次の回折光方向Ｐ（このとき入射角ｉ＝回折角θ）に対し、回折光が入射光と同じ側にあれば正の次数（ｍ＞０、内側次数とも言う）、反対側にあれば負の次数（ｍ＜０、外側次数とも言う）とする。
ｉは常に正にとり、回折面３５ａの法線Ｌに対して入射光と回折光が同じ側にあればθ＞０、反対側にあればθ＜０とする。

可視紫外域で広く使われている回折格子の単位長さ当りの溝本数（ｄの逆数）は、６００〜１６００本／ｍｍ程度である。
一般の単色光を取り出すタイプの分光素子では、図４に示すように、入射光と回折光のなす角（これを２Ｋ＝θ＋ｉ：とする）は一定で回折格子３５を回転させて波長走査するので、式（１）を、下記の関係式（２）と変形したほうが波長と回折格子３５の回転角の関係がわかり易い。

ここで、δは入射光と回折光のなす角であり、法線Ｌが二等分線Ｍに対し入射光側にあるとき正の符号、回折側にあるとき負の符号をとる。また、ｍの符号は前述の定義と異なり、常にδと逆の符号をとるものとする。

図５（ａ）に示すように、分光素子３７は、回折格子３５を傾斜駆動するための可動電極４１と、この可動電極４１に対峙して、回折格子３５の脇部に積層して設けられ、設定する各傾斜角に対応して可動電極４１と対峙する複数層の固定電極４３とを備えている。回折格子３５は、基板３３に立設された支持軸４５又は支持壁の上端に、可撓性を有するヒンジを介して連結される。可動電極４１は、右端上面の可動電極４１ＲＵと、右端下面の可動電極４１ＲＤと、左端上面の可動電極４１ＬＵと、左端下面の可動電極４１ＬＤとからなる。また、固定電極４３は、右側で基板３３から積層される固定電極４３Ｒ１、４３Ｒ２、４３Ｒ３、４３Ｒ４、４３Ｒ５と、左側で基板３３から積層される固定電極４３Ｌ１、４３Ｌ２、４３Ｌ３、４３Ｌ４、４３Ｌ５とからなる。なお、この積層数等は一例であり、これに限定されるものではない。

分光素子３７は、基本動作として、可動電極４１と固定電極４３への電圧印加によって、回折格子３５を揺動変位させて、回折光の波長走査を行う。
即ち、可動電極４１と固定電極４３の所定のもの同士の間に電位差を与えると、それぞれの可動電極４１と固定電極４３との間に静電気力が発生し、ヒンジの捩れ中心を中心に回転モーメントが働く。従って、それぞれの可動電極４１、固定電極４３の電位を制御することにより、回折格子３５を左右に回転変位させることが可能となる。

例えば、図５（ｂ）に示すように、右側固定電極４３Ｒ２と左側固定電極４３Ｌ４を基板３３上で接続した駆動電極４７に電位を印加する。また、回折格子３５の右上可動電極４１ＲＵと左下可動電極４１ＬＤに電位を印加する。この電位は、基板３３上に形成された図示しない半導体集積回路（例えばＣＭＯＳ回路等）で供給、制御される。

このように、可動電極４１、固定電極４３の任意のものに適宜電位を供給することにより、それぞれの電極に発生する静電気力と、ヒンジの弾性力から、回折格子３５を左回転、右回転、フラットなど任意の位置に変位させることが可能となり、回折される波長の選択制御が可能となる。

なお、この時の駆動方法は、アナログ制御（任意の変位に制御）、デジタル制御（例えば２値の変位に制御）の何れであってもよい。また、上記した回折格子３５の変位動作方法は例示であり、これに限定されるものではない。

また、分光画像測定装置１００では、検出側光学系２７の焦点位置に上記絞り板２７ｃが設けられている。検出側光学系２７は、絞り板２７ｃを備えることでテレセントリック光学系を構成している。テレセントリック光学系は、分光素子アレイ２１の波長走査によって得られた回折光のうち、不要な次数の光をカット（一部の波長幅の回折光が選択）する。即ち、レンズを置いたとき、レンズの光軸に対して平行に入射した光線は必ず焦点を通るが、光軸に対して斜めから入射した光線は焦点を通過しない。このとき、レンズの焦点に絞り板２７ｃを置けば、平行光線以外の光線をカットすることができ、平行光線のみを取り出すことができる。これにより、アレイ検出器２９によって検出される波長分解能が高められる。

制御部３１は、分光素子３７の回折格子３５を所定の角度切替タイミングで傾斜駆動する分光素子駆動部５１と、絞り板２７ｃの絞りを可変とする絞り板可変部５３と、アレイ検出器２９の読み取りタイミング等を制御するセンサ駆動部５５と、アレイ検出器２９によって得られた画像情報を記憶する画像メモリ５７と、画像メモリ５７の画像情報を処理する画像データ処理部５９と、画像データ処理部５９によって処理された画像データから更にスペクトルデータを得るスペクトルデータ処理部６１とを備えている。また、この制御部３１には、モード選定（例えば、走査波長範囲、走査ステップ、時間ステップ、波長ステップ、バンド幅）等を行うための入力操作部６３、スペクトル分布を標示する表示部６５が接続される。

そして、この分光画像測定装置１００では、制御部３１によって分光素子アレイ２１、アレイ検出器２９等が駆動制御されることで、異なるモードでの分光画像測定が可能となる。例えば、図６に示すように、分光素子アレイ２１の全回折格子３５を特定の同一傾斜角に設定する空間強度の分布を検出するモード、或いは図７に示すように、分光素子アレイ２１の各分光素子３７の傾斜角を所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定する異波長の回折光を同時検出するモードによる分光画像測定が可能となる。また、図８に示すように、回折光の強度を稼ぐために、複数の分光素子（図では一例として９つ）を１グループとして、回折格子３５の傾斜角を同一にすることで、特定の傾斜角に対する回折線を複数の分光素子から得る構成としてもよい。なお、これらモードによる分光画像測定方法については後に述べる。

従って、上記分光素子アレイ２１によれば、微小電気駆動機械式の分光素子３７が２次元状に複数配列され、この分光素子３７には、任意の傾斜角に傾斜されて入射光を分光する回折格子３５が設けられ、各回折格子３５の傾斜角が変えられることによって、回折される波長が制御可能となる。そして、各分光素子３７が一画素に対応することで、画素単位での分光が可能になるとともに、画素毎の分光波長の制御が可能となる。これにより、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とが同時に観測可能となる。また、分光素子３７が微小電気駆動機械式の素子で構成されるので、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、速い時間変化にも対応可能となる。これにより、異なる複数の分光波長（蛍光）の速い時間変化を追尾するなどの計測も可能となる。

上記分光画像測定装置１００によれば、被検出体２３からの光が導入側光学系２５によって分光素子アレイ２１に導かれ、分光素子アレイ２１により波長的に選択された光強度の低い回折光が検出側光学系２７によって集光され、アレイ検出器２９によって検出される。これにより、スペクトル（波長分布）の時間的変化と空間的な変化とが、アレイ検出器２９によって観測可能となる。

本発明に係る分光画像測定装置の第２の実施の形態を説明する。
図９は本発明に係る分光画像測定装置の第２の実施の形態を表す構成図、図１０は図９に示した分光素子アレイの要部拡大図である。なお、図１〜図８に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。

この実施の形態による分光画像測定装置２００は、分光素子アレイ７１を除き、基本構成は上記の分光画像測定装置１００と同様となっている。即ち、被検出体２３からの光は導入側光学系２５を経て分光素子アレイ７１へ導かれ、分光素子アレイ７１からの回折光が検出側光学系７３によってアレイ検出器２９によって読み込まれるようになっている。検出側光学系７３には、分光素子アレイ７１側から順にリレイレンズ７３ａ、７３ｂが設けられている。そして、リレイレンズ７３ｂは、分光素子アレイ７１からの回折光を倍率Ｓ２／Ｓ１でアレイ検出器２９に結像させる。

分光素子アレイ７１の分光素子７２は、ラマンナス回折型の回折格子を有しながら、図１０に示すように、擬似透過型の素子を構成する。即ち、アパーチャを兼ねる基板７５上には回折格子３５が上記したと同様にヒンジを介して支持され、その上方には基板７５と平行なアパーチャ７７が配置される。基板７５には回折光の通過する開口７５ａが穿設され、アパーチャ７７には入射光を取り込む開口７７ａが穿設される。これらの開口７５ａ、７７ａは、上記の開口３９ａと同様に作用する。アパーチャ７７の下面には開口７７ａと交互となるようにミラー７９が配設され、ミラー７９は回折格子３５からの回折光を開口７５ａへと出射させるよう作用する。

従って、この分光素子アレイ７１では、入射光と、分光素子７２から出射される回折光との方向が同方向となる。

また、この分光画像測定装置２００には、導入側光学系２５に、上記同様の絞り板２７ｃが設けられている。この場合に絞り板２７ｃも、レンズ２５ａの焦点に置かれることで、平行光線以外の光線をカットすることができ、平行光線のみを取り出して、波長精度（波長分解能）の高い入射光が分光素子７２へ導かれる。

次に、第２の実施の形態による分光画像測定装置の変形例を説明する。
［変形例１］
図１１は本変形例における分光画像測定装置の構成図、図１２は図１０に示した分光素子アレイにマイクロレンズアレイを加えた状態を示す要部拡大図である。
この変形例による分光素子アレイ８１は、検出側光学系７３が、分光素子アレイ８１の光路前方（図１２の下方）に取り付けたマイクロレンズアレイ８３を含んで構成される。即ち、基板７５は、それぞれの開口７５ａにマイクロレンズ８３ａを備えたマイクロレンズアレイ８３として形成されている。

マイクロレンズアレイ８３によって集光された回折光は、アレイ検出器２９に読み取られる。これにより、分光素子アレイ８１により波長的に選択された光強度の低い回折光が、マイクロレンズアレイ８３によって集光され、高効率でアレイ検出器２９によって検出される。この場合、アレイ検出器２９にはピンホールアレイ８５が設けられることが好ましい。ピンホールアレイ８５は、回折光が集光される以外のアレイ検出器２９の領域を覆い、迷光による画像の低下を防止するよう働く。

［変形例２］
図１３は本変形例における分光画像測定装置の構成図、図１４は図１０に示した分光素子アレイにブラッグ回折型の回折格子が用いられた変形例２を表す要部拡大図である。
この変形例による分光素子アレイ９１は、図１３に示すように、入射光に対して所定角度に傾斜して配置され、回折格子９３がブラッグ回折型の回折格子となっている。被検出体２３からの入射光は、絞り板２７ｃ、対物レンズ系２５ａを通り、分光素子アレイ９１に入射する。分光素子アレイ９１では、図１４に示すように、入射光はアパーチャ７７の開口７７ａを通り、レンズ２８により集光され、ピンホールアレイ８５を介してアレイ検出器２９によって読み取られる。

この回折格子（位相格子）９３では、媒質の奥行き方向の厚みが寄与して起こるブラッグ回折によって、高効率で回折光が得られる。そして、このスペクトルも被検出体２３の分子に特有であることから回折光が僅かな場合でも物質の同定が可能となる。

また、この分光素子アレイ９１によれば、一画素に対応する個々の回折格子９３の傾斜角を制御することで、一画素毎の回折光波長を変更自在とし、しかも、透過型による強い回折光が得られることから、画素毎に波長可変な面光源を構成することもできる。

なお、上記の分光画像測定装置１００，２００は、回折型の分光素子アレイ２１，７１，８１，９１に代えて、凹面グレーティングによる分光素子アレイを用いてもよい。これによれば、マイクロレンズアレイを含んだ構成を簡略化し、迷光を低く抑えることができる。

次に、上記分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法を説明する。
図１５は傾斜角を異なる角度に設定して回折光を一度に検出する手順のフローチャート、図１６は検出されたピーク波長付近の波長帯域のみの回折光を検出する手順のフローチャートである。
この分光画像測定方法では、上記の分光画像測定装置１００又は分光画像測定装置２００の何れにも用いることができる。以下に、分光画像測定装置１００を用いる場合を例に説明する。

図１５に示すように、先ず、被検出体（サンプル）２３を分光画像測定装置１００にセット（ｓｔ１）する。
次いで、入力操作部６３から測定条件を入力する（ｓｔ３）。
これにより、制御部３１が作動し、各分光素子３７における回折格子３５の傾斜角度が設定される（ｓｔ５）。
次いで、回折光がアレイ検出器２９によって検出され（ｓｔ７）、スペクトルデータ処理部６１によって詳細スペクトル分布データに変換される（ｓｔ９）。

ここまでの動作では、分光素子アレイ２１の各分光素子３７の傾斜角が、所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定され、この分光素子アレイ２１からの回折光強度がアレイ検出器２９で一度に検出される。

これにより、特定傾斜角の分光素子３７から回折光が得られれば、その分光素子３７の傾斜角からどの波長の回折光が得られているのかが分り、回折光強度分布のピーク波長が瞬時に検出される。

次いで、図１６に示すように、スペクトル分布データを取得（ｓｔ１１）した後、ピーク位置を検出（ｓｔ１３）する。このピーク位置は、入力操作部６３によってピーク位置情報を入力（ｓｔ１５）するものであってもよい。
次いで、ピーク位置付近の狭帯域角度を設定する（ｓｔ１７）。
この狭帯域角度における回折光が検出され（ｓｔ１９）、詳細スペクトル分布データに変換される。（ｓｔ２１）。

即ち、この分光画像測定方法では、分光素子アレイ２１からの回折光強度を検出した後に、回折光強度分布のピークを検出し、分光素子アレイ２１の回折格子３５を、検出されたピークの波長付近に対応する傾斜角に設定し、強度ピーク付近の波長帯域のみの回折光強度を検出する。従って、検出されたピーク波長付近に対応するより狭小な傾斜角で回折格子３５が設定され、回折光強度が検出される。これにより、ピーク波長帯域の詳細スペクトル分布が効率良く得られ、被検出体２３の物質の同定が迅速に可能となる。

また、上記分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法では、同時に異なる複数の回折光の測定を可能にすることができる。
図１７は複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出する手順のフローチャートである。
この分光画像測定方法では、分光素子アレイ２１において、異なる複数の素子角度を設定し（ｓｔ２３）、この分光素子アレイ２１から回折光を検出する（ｓｔ２５）。
所定時間が経過したなら（ｓｔ２７）、分光素子３７における回折格子３５の傾斜角を異なるものに設定し直し（ｓｔ２９）、回折光を検出する（ｓｔ３１）。
この動作が測定の終了まで所定時間経過ごとに（ｓｔ３５）繰り返される。（ｓｔ３３）。

この分光画像測定方法では、分光素子アレイ２１の回折格子３５を複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し、それぞれの傾斜角でアレイ検出器２９により回折光強度を検出することにより、特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出する。
従って、特定の異なる波長域の分光強度が同時に検出され、これにより、異なる複数の分光波長（蛍光）の速い時間変化を追尾するなどの計測が可能となる。

更に、上記分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法では、分光素子アレイ２１の全回折格子３５を特定の同一傾斜角に設定し、特定の波長に対する空間強度分布を検出することも可能となる。
このような分光画像測定方法によれば、全分光素子３７の回折格子３５が同期して同一傾斜角に設定され、２次元状に複数配列された回折格子３５の任意のものから当該傾斜角に対応した回折光が得られる。これにより、その回折光によって同定される物質の空間的な分布が検出可能となる。

本発明に係る分光画像測定装置の第１の実施の形態を表す構成図である。 図１に示した分光素子アレイの要部拡大図である。 分光素子の拡大図である。 分光素子の原理説明図である。 分光素子の動作説明図である。 回折格子を同一傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図である。 回折格子を異なる傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図である。 図７に示した回折格子の斜視図である。 本発明に係る分光画像測定装置の第２の実施の形態を表す構成図である。 図９に示した分光素子アレイの要部拡大図である。 第２実施形態の変形例１における分光画像測定装置の構成図である。 図１０に示した分光素子アレイにマイクロレンズアレイを加えた変形例１を表す要部拡大図である。 第２実施形態の変形例２における分光画像測定装置の構成図である。 図１０に示した分光素子アレイにブラッグ回折型の回折格子が用いられた変形例２を表す要部拡大図である。 傾斜角を異なる角度に設定して回折光を一度に検出する手順のフローチャートである。 検出されたピーク波長付近の波長帯域のみの回折光を検出する手順のフローチャートである。 複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出する手順のフローチャートである。

符号の説明

２１，７１，８１，９１ 分光素子アレイ
２３ 被検出体
２５ 導入側光学系
２７ 検出側光学系
２７ｃ 絞り板
２９ アレイ検出器
３３，７５ 基板
３５，９３ 回折格子
３５ａ 回折面
３７，７２ 分光素子
３９，７７ アパーチャ
３９ａ，７５ａ，７７ａ 開口
４１ 可動電極
４３ 固定電極
５１ 分光素子駆動部
８３ マイクロレンズアレイ
１００，２００ 分光画像測定装置

Claims (10)

1. 基板上に回動自在に支持された回折格子を電界印加によって傾斜させ、該回折格子の回折面に入射される光を分光する微小電気駆動機械式の分光素子が２次元状に複数配列されてなり、これら分光素子のそれぞれが個別に傾斜角を設定可能とされていることを特徴とする分光素子アレイ。
2. 前記分光素子が、
   前記回折格子を傾斜駆動するための可動電極と、
   該可動電極に対峙して前記回折格子の脇部に積層して設けられ、設定する各傾斜角に対応して前記可動電極と対峙する複数層の固定電極とを備えたことを特徴とする請求項１記載の分光素子アレイ。
3. 前記回折格子の格子面上に配設され、入射光及び回折光の該回折格子に対する入出射角度を規制する開口が形成されたアパーチャを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の分光素子アレイ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の分光素子アレイと、
   前記分光素子を駆動する分光素子駆動部と、
   前記分光素子アレイヘ被検出体からの光を導入する導入側光学系と、
   前記分光素子アレイからの回折光を結像させる検出側光学系と、
   該検出側光学系を通して前記回折光を検出するアレイ検出器と
   を備えたことを特徴とする分光画像測定装置。
5. 前記検出側光学系の光路の焦点位置に絞り板を設けたことを特徴とする請求項４記載の分光画像測定装置。
6. 前記検出側光学系が、前記分光素子アレイの光路前方に取り付けたマイクロレンズアレイを含むことを特徴とする請求項４記載の分光画像測定装置。
7. 請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
   前記分光素子アレイの各分光素子の傾斜角を所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定し、
   該分光素子アレイからの回折光強度をアレイ検出器で一度に検出することを特徴とする分光画像測定方法。
8. 請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
   前記分光素子アレイからの回折光強度を検出した後に、回折光強度分布のピークを検出し、
   前記分光素子アレイの回折格子を該検出されたピークの波長付近に対応する傾斜角に設定し、
   前記強度ピーク付近の波長帯域のみの回折光強度を検出することを特徴とする分光画像測定方法。
9. 請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
   前記分光素子アレイの回折格子を複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し、
   それぞれの傾斜角でアレイ検出器により回折光強度を検出することにより、特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出することを特徴とする分光画像測定方法。
10. 請求項４〜請求項６のいずれか１項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
    前記分光素子アレイの全回折格子を特定の同一傾斜角に設定し、
    特定の波長に対する空間強度分布を検出することを特徴とする分光画像測定方法。
    

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