JP2005077964A - 分光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 装置を小型化し、かつ大きな角度分散を持って高精度の分光を行う。
【解決手段】 光入力処理部１０は、入力光の１つの周期の波長帯のみを透過するバンドパスフィルタ１３によってフィルタ透過光を出力し、フィルタ透過光を集光して集光ビームを生成する。光学部品２０は、反射率が非対称で高反射率の第１の反射面２１及び第２の反射面２２を備え、第１の反射面２１と第２の反射面２２で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の反射面２２を介して分光した光を出射する。受光処理部３０は、光学部品２０からの出射光の受光処理を行う。制御部４０は、バンドパスフィルタ１３のフィルタ特性、光学部品２０の光路長の少なくとも１つを可変制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置に関し、特に光の分光を行う光測定全般に関わる分光装置に関する。
分光とは、光を波長または周波数に分ける操作を意味し、物質の構造等を解析・測定する光測定として利用されており、分光測定法は、医学、工学等の多様な分野で広く用いられている。
分光測定法には、連続なスペクトルを持つ光を分光した後に、試料に照射する前分光と、分光せずに試料に照射して、透過光／反射光を分光する後分光とがある。いずれの場合も、物質の分光学的特性は、光のスペクトルで表されるので、光のスペクトルを解析することによって、物質の構造や化学的現象を調べることができる。
例えば、近赤外分光測定法では、臓器などの有機分子には分子固有の近赤外吸収があるため、試料に近赤外線（波長０．８〜２．５μｍ）を照射して、その透過光や拡散反射光のスペクトルから分光学的情報を抽出することで、組織の成分を解析したりする。
一方、光を分光するためには、回折格子と呼ばれる光学部品が一般に使用されている。回折格子を用いた分光器では、光を回折格子にあてて、所望の波長の回折光を得ることで分光を行う。
図３８、図３９は回折格子によって生成される回折光を示す図である。図３８は、ガラスプレート上に単位長さ当たり、例えば、４つの溝が形成された回折格子Ｇ１によって生成される回折光を示しており、図３９は、ガラスプレート上に単位長さ当たり、例えば、８つの溝が形成された回折格子Ｇ２によって生成される回折光を示している。
図からわかるように、分光される回折光の波長λ０と、（λ０＋Δλ）との開き角度（回折角）の大きさは、単位長さ当たりの溝の数によって異なってくる。溝の数が少ない回折格子Ｇ１の回折角θ１と、溝の数が多い回折格子Ｇ２の回折角θ２とを比べると、θ１＜θ２となる。
回折光を観測する場合、回折格子Ｇ１では、回折角が小さいため、受光ディテクタ１０５においてλ０と（λ０＋Δλ０）との互いの波長を識別するためには、回折光が回折格子Ｇ１から受光ディテクタ１０５へ伝搬する距離は長くなくてはならない。また、回折格子Ｇ２では、回折角が大きいため、短い伝搬距離で、受光ディテクタ１０５においてλ０と（λ０＋Δλ０）との波長識別が可能である。
このように、単位長さ当たりの溝本数を増やしたり、使用する次数を大きくするような設計をすることによって回折角は大きくとれ、分光器としての分解能を上げることができるが、実際には加工制約があるために、溝本数を増やすのにも限界があるので、従来の分光器では、光の伝搬距離を長くとることによって分解能を上げていた。
一方、近年になって、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）と呼ばれる波長分波器が開発されている。ＶＩＰＡは、ガラスプレートの両面に反射膜をコーティングした波長分散素子（ＶＩＰＡ板）を有したデバイスであり、ＶＩＰＡ板に集光ビームを入力して多重反射させることで、回折格子を用いずに、複数の波長分波を行うものである（例えば、特許文献１）。
また、光信号が光ファイバを通る間に発生する波形歪み（波長分散）を修正し、元の光信号に戻すための分散補償デバイスとして、ＶＩＰＡを使用する技術も提案されている（例えば、特許文献２）。
特開２０００−２８８４９号公報（段落番号〔００１６〕〜〔０１０７〕，第６図） 特表２０００−５１１６５５号公報（第３２頁−第３３頁，第１８図）
上記で説明したような回折格子を用いた分光器では、分解能を上げようとすると光学系（光源から発生した光が受光ディテクタに到達するまでの経路とその間を構成する光部品を指す）が大きくなってしまうので、小型化の要求に応えられないといった問題があった。
また、ＶＩＰＡにおいては、回折格子よりも大きな角度分散で波長分波を行うことができ（回折格子の回折角よりも、より微細に分光を行うことができ）、光学系も小さくできるので、例えば、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）伝送の波長多重信号を受信する受信装置などに適用することで、受信装置を小型化し、波長分散の分散補償を行うことも可能となる。しかし、上記で提案されているようなＶＩＰＡをそのまま、光測定装置としての分光器に適用することはできない。
ここで、ＶＩＰＡを構成するＶＩＰＡ板は、周期フィルタであり、ＶＩＰＡ板で分光される光の分光角は波長周期性を有している。このため、ＶＩＰＡ分光器では、光信号が入力して、λ１〜λｎの各波長のそれぞれが分光された場合、受光ディテクタを構成する複数の受光素子（ＰＤ：Photo Diode）の内の１つは、λ１〜λｎの各波長帯の周期における同一位置の光成分を複数受光することになる。
しかし、光測定装置としての分光機能では、単一の受光素子は、１つの波長が分光されたときの光成分（光スペクトル）だけを受光することが必要であるので、ＷＤＭで使用されているようなＶＩＰＡ分光器をそのまま光測定用の分光装置として使用することはできないといった問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コンパクトでかつ大きな角度分散を持って高精度の分光を行う分光装置を提供することを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、光の分光を行う分光装置１において、入力光を透過するバンドパスフィルタ１３によってフィルタ透過光を出力し、フィルタ透過光を集光して集光ビームを生成する光入力処理部１０と、第１の反射面２１及び第２の反射面２２を備え、第１の反射面２１と第２の反射面２２で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の反射面２２を介して分光した光を出射する光学部品２０と、バンドパスフィルタ１３のフィルタ特性、光学部品２０の光路長の少なくとも１つを可変制御する制御部４０と、を有することを特徴とする分光装置１が提供される。
ここで、光入力処理部１０は、入力光を透過するバンドパスフィルタ１３によってフィルタ透過光を出力し、フィルタ透過光を集光して集光ビームを生成する。光学部品２０は、第１の反射面２１及び第２の反射面２２を備え、第１の反射面２１と第２の反射面２２で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の反射面２２を介して分光した光を出射する。制御部４０は、バンドパスフィルタ１３のフィルタ特性、光学部品２０の光路長の少なくとも１つを可変制御する。
本発明の分光装置は、入力光を透過してフィルタ透過光を生成し、このフィルタ透過光を集光して集光ビームにする。そして、反射率が非対称で高反射率の第１の反射面及び第２の反射面を備え、第１の反射面と第２の反射面で挟まれる内部領域で、入射した集光ビームを多重反射させて、第２の反射面を介して分光した後に光の受光処理を行う構成とした。これにより、分光装置に入力される光を規制することで分光した際に同じ角度で出射される光を防ぐことができる。また、光測定全般に適用できる分光装置に対して、回折格子を用いることなく大きな角度分散を持つ高精度の分光を行うことができ、かつ装置の小型化が可能になる。さらに、第１の反射面と第２の反射面間厚みが実質的に変わるように制御することで、第１の反射面と第２の反射面で構成した素子で構成したフィルタの通過帯域を変えることができるので、第１の反射面と第２の反射面で構成した素子の分光周期間にある透過しない領域をずらしてフィルタリングすることができるため、連続的に波長の検出を可能とすることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の分光装置の原理図である。分光装置１は、光の分光を行う光測定全般に関わる装置であり、光入力処理部１０、光学部品２０、受光処理部３０、制御部４０から構成される。なお、光学部品２０は以下、ＶＩＰＡ板２０と呼ぶ。
光入力処理部１０は、レンズ１１（以下、コリメートレンズ１１）、前段側集光レンズ１２（以下、シリンドリカルレンズ１２）、バンドパスフィルタ１３から構成され、バンドパスフィルタ１３は、コリメートレンズ１１とシリンドリカルレンズ１２の間に設置される。また、受光処理部３０は、後段側集光レンズ３１（以下、単に集光レンズ３１）、受光ディテクタ３２から構成される。
コリメートレンズ１１は、光ファイバＦから出射された光を平行光にする。バンドパスフィルタ１３は、平行光の１つの周期の波長帯のみを透過して（バンドパスフィルタリング処理を行って）、フィルタ透過光を出力する。シリンドリカルレンズ（半円筒レンズ）１２は、フィルタ透過光を１次元方向（直線状）に集光して集光ビームを出射する。
ＶＩＰＡ板２０は、ガラスプレートに対して、反射率が互いに非対称で高反射率の第１の反射面２１及び第２の反射面２２を備え、かつ光が照射する照射窓２３を備えている。そして、第１の反射面２１と第２の反射面２２で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の反射面２２を介して分光した光を出射する。
ここで、例えば、第１の反射面２１は、全反射（１００％の反射率）もしくは全反射に近い高反射率の面とし、第２の反射面２２は、入射光の一部を透過させる高反射率（９５％〜９８％程度の反射率）の面とする。以下、第１の反射面２１を反射面２１、第２の反射面２２を分光面２２と呼ぶ。
シリンドリカルレンズ１２からの集光ビームは、照射窓２３から入力すると、反射面２１と分光面２２で挟まれるガラスプレートの内部領域で多重反射し、分光面２２を介して分光した光が出射する。
集光レンズ３１は、ＶＩＰＡ板２０からの出射光を集光する。受光ディテクタ３２は、複数の受光素子（ＰＤ）からなり、集光レンズ３１の焦点距離位置に設置して、出射光を受光して光スペクトルを検出する（なお、本発明における各受光素子では、１つの周期内の単一の波長成分の光の受光を行うことになる）。
制御部４０は、バンドパスフィルタ１３のフィルタ特性、ＶＩＰＡ板２０内部を通る光の光路長、受光処理部３０の受光位置の少なくとも１つを可変制御する。制御部４０は、パソコン等の端末と接続可能であり、オペレータからの外部指示にもとづき制御を行うことが可能である（制御部４０自体に端末機能を持たせてもよい）。
ここで、光ファイバＦから出射した光が、受光ディテクタ３２に到達するまでの光伝播の状態について説明する。分光方向をＹ方向、光軸方向をＺ方向、分光方向に垂直な方向をＸ方向とする。光ファイバＦから出射した拡散光は、コリメートレンズ１１で平行光にされ、バンドパスフィルタ１３によって所定の周期の１つの波長帯のみが抽出されて、フィルタ透過光が出力される。
フィルタ透過光は、シリンドリカルレンズ１２によって、１次元方向に集光されて、集光ビームになる。この場合の１次元方向に集光するとは、フィルタ透過光をシリンドリカルレンズ１２によってＹ方向に集光するということである（光をＹ方向からつぶすイメージである）。
その後、集光ビームは、ＶＩＰＡ板２０に入射し、内部で多重反射しながら分光面２２から出射する。このとき、入射した光はガラスプレートの厚み分わずかに広がりながら内部で多重反射するので、この厚み分のビーム径を持った光が、分光面２２から漏れ出すことになる。
また、ＶＩＰＡ板２０からの出射光は、Ｙ方向に分光されているので、Ｘ方向から見ると（紙面垂直方向から見ると）、出射光が分光されていることを認識することができるが、Ｙ方向から見た場合は分光状態を認識することはできない。
そして、ＶＩＰＡ板２０で分光されて出射した光は、集光レンズ３１によって、Ｘ方向及びＹ方向に集光され（Ｘ方向及びＹ方向の両方から光をつぶすイメージ）、１点に集光される。受光ディテクタ３２は、光が集光される焦点距離位置に設置してあるので、各受光素子では、１つの周期内の単一の波長成分のみを受光できる。
例えば、図の場合、受光素子３２ｃは中波長λCの光を受光し、受光素子３２ｂ、３２ａは短波長λS1、λS2をそれぞれ受光し（λS2＜λS1）、受光素子３２ｄ、３２ｅは長波長λL1、λL2をそれぞれ受光している（λL1＜λL2）。
次に本発明の詳細を説明する前に（詳細は図１０以降で後述）、ＶＩＰＡの構成及び動作の概略を含めて、本発明が解決すべき問題点について説明する（ＶＩＰＡの詳細原理は、特開２０００−２８８４９号公報などを参照）。
図２はＶＩＰＡの基本構成を示す図である。ＶＩＰＡ１００は、シリンドリカルレンズ１０１、ＶＩＰＡ板１０２から構成される。シリンドリカルレンズ１０１は、入力光を集光するレンズである。ＶＩＰＡ板１０２は、反射率１００％の反射膜（または反射率が１００％に近い反射膜）がコーティングされた面１０２ａと、反射率が９５〜９８％の反射膜がコーティングされた面１０２ｂと、照射窓１０２ｃとを有するガラスプレートである。
図３はＶＩＰＡの動作概要を説明するための図である。シリンドリカルレンズ１０１で集光されたビームＢ１は、ＶＩＰＡ板１０２の照射窓１０２ｃから入力する。このとき、ビームＢ１の光軸Ｚは、ＶＩＰＡ板１０２の法線Ｈに対して、小さな傾き角θを持っている。
面１０２ａの反射率を１００％、面１０２ｂの反射率を９８％とすると、ビームＢ１の２％の光は、面１０２ｂからガラスプレートの厚み分のビーム径を持って外部へ出射し（面１０２ｂから出射する光は、広がり角の少ない丸いビーム（コリメートビーム）であり、ビーム径はガラスプレートの厚み分となる）、残りの９８％のビームＢ１ａは、面１０２ａ側へ向かって反射する（ビームＢ１ａは、ガラスプレート内部で、プレートの厚み分わずかに広がりながら面１０２ａへ向かう）。
また、面１０２ａは反射率１００％なので、ビームＢ１ａは、面１０２ｂに向かって全反射する（ビームＢ１ａは、ガラスプレート内部で、プレートの厚み分わずかに広がりながら面１０２ｂへ向かう）。そして、ビームＢ１ａの２％の光は、ガラスプレートの厚み分のビーム径を持って面１０２ｂから外部へ出射する。このとき、ビームＢ１とビームＢ１ａの出射光のスポット位置はｄだけずれている。
同様に、ビームＢ１ａの残りの９８％のビームＢ１ｂは、面１０２ａ側へ向かって反射する。このようなことが繰り返されることで、シリンドリカルレンズ１０１を介して、ＶＩＰＡ板１０２に入力したビームは、ＶＩＰＡ板１０２内で少しずつ広がりながら多重反射し、面１０２ｂから一定の間隔ｄだけ離れて光が少しずつ出射していくことになる。
面１０２ｂから一定の間隔ｄだけ離れて出射する光は、あたかも階段状に配列された仮想出射スポットｖ１〜ｖｎ（図ではｖ４まで示す）から出射しているとみなせ（これにより、バーチャル・イメージ・フェーズド・アレイと呼ばれている）、この振る舞いは、エシェロン型（階段状）の回折格子の動作といえるので、出射光は分光されて出射することになる。
また、これらの仮想出射スポットｖ１〜ｖｎは、ＶＩＰＡ板１０２のガラスプレートの厚みをＤとすれば、ＶＩＰＡ板１０２の法線Ｈに沿って、一定の間隔２Ｄで配置される。仮想出射スポットｖ１、ｖ２について見ると、線分ｐｑ＝線分ｑｒ＝Ｄであるから、仮想出射スポットｖ１、ｖ２の配置間隔は、ＶＩＰＡ板１０２の法線Ｈ上に２Ｄとなり、その他の仮想出射スポットの配置間隔も間隔２Ｄで配置することになる。
図４はＶＩＰＡ１００の干渉条件を示す図である。出射スポットｖａから出射される光に対し、ビームＢ２ａでは、経路ｔ０内にｍ個の波長（中波長とする）があるものとする。この場合、ビームＢ２ａの上側のビームＢ２ｂで、光が強め合う方向に干渉条件が満たされる場合、経路ｔ１＜経路ｔ０なので、ビームＢ２ｂにｍ個の波長が入るためには、ビームＢ２ｂの波長は、ビームＢ２ａに含まれる波長よりも短波長となる必要がある。
また、ビームＢ２ａの下側のビームＢ２ｃで、光が強め合う方向に干渉条件が満たされる場合、経路ｔ０＜経路ｔ２なので、ビームＢ２ｃにｍ個の波長が入るためには、ビームＢ２ｃの波長は、ビームＢ２ａに含まれる波長よりも長波長となる必要がある。
したがって、ＶＩＰＡ板１０２からの出射光に対して、光が強め合う干渉条件は、光軸を基準に上側が短波長、下側が長波長となることであることから、ＶＩＰＡ板１０２から光軸の上側には短波長の光が、下側には長波長の光が出射されることになる。
図５はＶＩＰＡ分光器を示す図である。ＶＩＰＡ板１０２を使用したＶＩＰＡ分光器１１０は、光ファイバＦ、コリメートレンズ１０３、シリンドリカルレンズ１０１、ＶＩＰＡ板１０２、集光レンズ１０４、受光ディテクタ１０５から構成される。
光ファイバＦから出力された光は、コリメートレンズ１０３によって平行光となり、シリンドリカルレンズ１０１によって集光され、ＶＩＰＡ板１０２に入射する。
ＶＩＰＡ板１０２で分光された光は、集光レンズ１０４によって集光されるが、集光レンズ１０４で集光される箇所に、複数の受光素子からなる受光ディテクタ１０５を配置しておくことで、分光器としての機能を持たせることができる。図の受光ディテクタ１０５は、１つの波長帯の中の短波長λS、中波長λC、長波長λLを受光している様子を示している。
ＶＩＰＡ板１０２は、エタロン（２枚のミラーが平行に向かい合わさった構造で、特定の周波数の整数倍の光だけを選択的に透過させ、それ以外の光は通さない光共振器）と類似した構成をとるので、使用する回折次数は非常に大きく、さらにスリット間隔はＶＩＰＡ板１０２の傾きで決まり、１．５°〜４°程度であるから、非常に密なスリットを実現できるために回折角が大きいものになる。
このことから、ＶＩＰＡ分光器１１０は、分解能が高く、光学系も小さくできることから回折格子を用いた分光器よりも多くの利点を持っており、多様な分野、例えば、光通信用のデバイスとして有効に利用することが可能であるが、ＶＩＰＡ分光器１１０を光測定用の機器として、そのまま使用する場合には問題がある。
次に光測定用に使用した場合のＶＩＰＡ分光器１１０の問題点について説明する。最初にＶＩＰＡ板１０２の波長周期特性について説明する。図６はＶＩＰＡ板１０２の周期フィルタ特性を示す図である。縦軸は透過率、横軸は波長である。ＶＩＰＡ板１０２に帯域の広い光（白色光）が入射すると、ＶＩＰＡ板１０２の出射光は、図に示すようなλ１、λ２、λ３…と順に透過出力するような波長周期性が現れる（特定の厚みを介して、表面と裏面に反射膜を設け、光を内部干渉するように多重反射させるＶＩＰＡ板やエタロンなどの光学部品による出射光では、このようなフィルタ特性が現れる）。
ここで、ＶＩＰＡ板１０２内部を通る光の光路長は、ＶＩＰＡ板１０２のガラスプレートの屈折率ｎとガラスプレートの厚みＤに比例し（光路長∝ｎ×Ｄ）、波長周期Ｔは光路長に依存する。
例えば、屈折率ｎが一定で、厚みＤが半分（Ｄ／２）になったときは、周期Ｔは２Ｔになり、ＶＩＰＡ板１０２からはλ１、λ３、λ５、…と出射するようになる。また、屈折率ｎが一定で、厚みがＤ／４になったときは、周期Ｔは４Ｔになり、λ１、λ５、λ９、…と出射するようになる。
このようにＶＩＰＡ板１０２は周期フィルタであり、ＶＩＰＡ板１０２から出射される光は波長周期性を有しているが、このことがＶＩＰＡ分光器１１０を光測定用のデバイスとして使用する場合の欠点となる。
図７は分光方向と周期特性の関係を示す図である。レンズ等の図示は省略する。ＶＩＰＡ板１０２の周期フィルタの特徴を示すために、図では例えば、λ１、λ２、λ３が出射したときの受光状態を示している。ＶＩＰＡ分光器１１０の受光ディテクタ１０５を構成する受光素子は、λ１〜λ３の各波長帯の周期における同一位置の光成分を受光する。
図８は分光イメージを示す図である。１つの波長λ１に対する受光状態を示している。なお、受光ディテクタ１０５は、簡略化して３つの受光素子１０５ａ〜１０５ｃで構成されるとする。ＶＩＰＡ板１０２は、１つの波長帯λ１の分光を行って、例えば、短波長λS、中波長λC、長波長λLを出射する。受光素子１０５ａは、短波長λSを受光し、受光素子１０５ｂは、中波長λCを受光し、受光素子１０５ｃは、長波長λLを受光する。
図９は分光イメージを示す図である。λ１、λ２、λ３の出射による受光状態を示している。例えば、受光素子１０５ａは、λ１〜λ３のそれぞれの短波長λS1〜λS3を受光し、受光素子１０５ｂは、λ１〜λ３のそれぞれの中波長λC1〜λC3を受光し、受光素子１０５ｃは、λ１〜λ３のそれぞれの長波長λL1〜λL3を受光する。
このように、ＶＩＰＡ分光器１１０は、ＶＩＰＡ板１０２が周期フィルタであり、出射光は波長周期性を有しているため、ＶＩＰＡ板１０２に光が入力して、λ１〜λｎの各波長がフィルタリングされて各波長が分光した場合、受光ディテクタ１０５を構成する複数の受光素子の内の１つは、図９のように、λ１〜λｎの各波長帯の周期における同一位置の光成分を複数受光することになる（例えば、受光素子１０５ａがλ１〜λ３のそれぞれの短波長λS1〜λS3を受光するように）。
このような動作のＶＩＰＡ分光器１１０では、受光ディテクタ１０５の１つの受光素子は、すべての波長（チャネル）に対して分光された、各周期の同一位置の光成分を受光するので、光通信用のデバイスとして、ＷＤＭ受信装置等に使用した場合には、複数チャネルの処理を一括して行うことができるといった利点がある。
しかし、光測定用の分光装置では、１波の波長に対して分光された光成分のみを観測したいのであるから、１つの受光素子に対して、各波長において分光された、各周期の同一位置の光成分が複数入力してくるＶＩＰＡ分光器１１０をそのまま光測定用の分光器として使用することはできない。
ＶＩＰＡ分光器１１０を光測定用の分光装置に適用可能とするためには、周期フィルタになる原因を取り除き、受光ディテクタにおいて、波長周期性を持たない光を受光できるようにすればよい。本発明では、ＶＩＰＡ分光器１１０を応用して、コンパクトでかつ大きな角度分散を持ち、光測定全般に使用できる高精度の分光装置を提供するものである。
次に本発明の詳細について以降説明する。図１０はバンドパスフィルタ１３の機能を説明するための図である。バンドパスフィルタ１３によって１つの周期の波長帯を抜き出し、この帯域のみを透過させる。例えば、図ではλ１〜λｎの波長を持つ光に対して、λ５の波長帯のみ透過させている。
図１１はバンドパスフィルタ１３の構成及び波長透過状態を示す図である。バンドパスフィルタ１３は、厚みが異なる誘電体多層膜を連続的に蒸着して傾斜をつけた傾斜膜１３ａとする。光が当たる傾斜箇所によって透過する波長帯が異なるものである。厚みの小さい傾斜位置ＳＬ１付近に光が当たると、短波長側の光が透過し、厚みが中程度の傾斜位置ＳＬ２付近に光が当たると、中波長側の光が透過し、厚みの大きい傾斜位置ＳＬ３付近に光が当たると、長波長側の光が透過する。
図１２は傾斜膜１３ａの可動制御を示す図である。傾斜膜１３ａは、図の矢印方向に上下に可動させることで、コリメートレンズ１１からの光が当たる傾斜箇所を変えるようにして、任意の透過波長が選択できるようにする。この場合、傾斜膜１３ａにはモータを装着し、制御部４０からのフィルタ特性制御の信号によってモータを駆動することで、所定の波長帯が透過できる位置に傾斜膜１３ａを動かす。
なお、モータに加えてさらにマイクロメータを設けることで、傾斜膜１３ａの上下位置を微調整できるようにしてもよい。さらに、上下方向だけでなく、傾斜膜１３ａをコリメートレンズ１１からの光の光軸から傾ける方向に微調整することで、透過波長帯の微調整を行うことも可能である。
図１３、図１４はバンドパスフィルタ１３の変形例を示す図である。傾斜膜１３ａ以外の構成として、それぞれ異なる１つの波長を透過させるフィルタを複数個用意して、これらフィルタをアレイにしてバンドパスフィルタ機能を構成することもできる。
図１３に示すフィルタアレイは、フィルタ１３ｂ−１〜１３ｂ−５を直線状に並べたものであり、制御部４０からの制御信号によって矢印方向に上下可動させることにより、所定の透過波長を選択可能とするものである。
また、図１４に示すフィルタアレイは、フィルタ１３ｃ−１〜１３ｃ−５を円状に並べたものであり、制御部４０からの制御信号によって矢印方向に回転可動させることにより、所定の透過波長を選択可能とするものである。
以上、図１０〜図１４でバンドパスフィルタによる透過波長の選択制御について説明したが、この構成のままでは透過帯域の中に、隣接する波長帯の波長成分が漏れ込むおそれがある。
図１５は１つの波長帯の透過状態を示す図である。バンドパスフィルタ１３の透過特性は理想的には矩形であるが、実際には矩形とはならずに傾きを持っており、図のような台形形状となる。また、波長帯の形状も山型をしているので、バンドパスフィルタ１３で波長λｂのフィルタリングを行った場合、波長λｂに隣接する波長λａまたは波長λｃの端側が、透過帯域内に漏れ込むおそれがある。したがって、この漏れ込み量を許容範囲内に収めることが必要となる。本発明では、ＶＩＰＡ板２０の光路長を制御することによって、干渉条件を変え、漏れ込み量を許容範囲内に収めるようにする。
図１６は光路長制御によって周期波長をずらしている様子を示す図である。ＶＩＰＡ板２０の光路長を変えることによって、透過波長特性を左方向または右方向にずらす（細実線の波形が周期をずらした波形のイメージを示している）。このような制御を行うことで、所定の透過波長帯λｂに対して、隣接波長の漏れ込み量を抑制することが可能になる（漏れ込み量を許容範囲内に収めることが可能になる）。
次にＶＩＰＡ板２０の光路長制御について説明する。光路長制御には、温度を利用する場合と電場を利用する場合がある。最初に温度を利用した光路長制御について説明する。
図１７は温度を利用してＶＩＰＡ板２０の光路長を変化させる構成を示す図である。容器２００は、ＶＩＰＡ板２０、ヒータ２０１を含み、光の入射部と出射部にガラス窓２０２、２０３を設けた構成をとる。これにより、容器２００は、ＶＩＰＡ板２０を気密封止した恒温槽となる。また、ヒータ２０１はペルチェ素子などで構成し、制御部４０からの制御信号によって、ヒータ２０１の温度調節を行って、ＶＩＰＡ板２０に対して均一に温度制御を施す。
温度制御したＶＩＰＡ板２０は、基板の材質に依存する線膨張係数（＝α）、屈折率温度係数（＝ｄα／ｄｔ）にしたがって厚みＤ及び屈折率ｎを変える。線膨張係数は、ガラス基板の厚みを基準温度でｄ０としたとき、基準温度と制御時の温度差をΔｔとすると、
Figure 2005077964
 にしたがって厚みＤが変化し、さらに屈折率ｎは、基準温度のときの屈折率をｎ０とすると
Figure 2005077964
 にしたがって、屈折率ｎが変化する。式（１）、式（２）の積が基準温度からΔｔ分生じたときの光路長になるので、このときの干渉条件を満たした光がＶＩＰＡ板２０から出射することとなる。このように、温度制御することでＶＩＰＡ板２０の光路長を変えることが可能になる。なお、ヒータ２０１にはペルチェ素子以外の温度制御素子を使ってもよい。
次に電場を利用した光路長制御について説明する。上記のような温度制御に代わり、電気光学効果の大きな材質を用いてＶＩＰＡ板２０をつくり、これに電場をかけることによって、基板の屈折率ｎを変化させて、光路長を制御することもできる。例えば、強誘電体材料であるＰＬＺＴ系材料ＰＬＺＴ（Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３）、０＜ｘ＜０．２８、０＜ｙ＜１．０は、この条件を満たしており、本発明に利用することが可能である。
図１８は電場を利用してＶＩＰＡ板２０の光路長を変化させる構成を示す図である。ＶＩＰＡ板の基板２４に対し、導電性の薄膜として金（Ａｕ）膜などの金属反射膜２０４を反射面側と分光面側にコーティングしてＶＩＰＡ板２０ａを形成する。
そして、この金属反射膜２０４には電極の機能も持たせるようにし（金属反射膜２０４を反射膜電極として用い）、これに制御部４０から電圧を印加して、ＶＩＰＡ板２０ａに電場を与える。これにより、電場に比例した屈折率の変化を起こすことができるので、ＶＩＰＡ板２０ａの光路長を変えることが可能になる。
なお、効果的に電場をＶＩＰＡ板２０ａに印加するためには、金属反射膜２０４を基板２４の反射面と分光面に対して広く装着することが有効である。また、光の進む方向にほぼ平行に電場が印加されるため、電場印加時の偏向依存の影響は低減することができる。
ここで、ＶＩＰＡ板２０ａに対して金膜をコーティングする場合の金膜の反射率と膜厚の関係について説明する。図１９は金膜の反射率と膜厚の関係を示すグラフである。グラフｇ１の縦軸は反射率（％）、横軸は膜厚（ｎｍ）である。図２０は金膜の反射率と膜厚の関係を示すテーブルである。グラフｇ１、テーブルＴ１から、金膜の膜厚は、７０ｎｍ以上になると反射率がほとんど変化しなくなることがわかる。
このため、反射面側には７０ｎｍ以上の厚みの金膜を、分光面側には７０ｎｍ以下の金膜をコーティングし、互いの面の反射率を非対称にして、図１８で上述した制御を実現する（反射面に対しては、反射率が１００％に近い膜を設けなくても、反射面と分光面の反射率を共に高反射率とし、その中で反射面の反射率が分光面の反射率より大きくすることで、実質的にはＶＩＰＡ板の機能を十分実現することが可能である）。
次に電場を利用してＶＩＰＡ板２０の光路長を変化させる構成の変形例について説明する。図２１は光路長を変化させる構成の変形例を示す図である。ＶＩＰＡ板の基板２４の反射面と分光面に対し、誘電体多層膜２０５をコーティングし、かつ誘電体多層膜２０５の上に透明導電膜２０６をコーティングしてＶＩＰＡ板２０ｂを構成する。透明導電膜２０６としては、例えば、ＩＴＯ膜（インジウム錫酸化膜：ガラスの透明度はそのままで、導電性を持った薄膜）を使用できる。
そして、光学的には寄与しないＩＴＯ膜２０６を電極として用いて、これに制御部４０から電圧を印加して、ＶＩＰＡ板２０ｂに電場を与える。これにより電場に比例した屈折率の変化を起こすことができるので、ＶＩＰＡ板２０ｂの光路長を変えることが可能になる。
図２２は光路長を変化させる構成の変形例を示す図である。ＶＩＰＡ板の基板２４の反射面に対して、誘電体多層膜２０５をコーティングし、かつ誘電体多層膜２０５の上にＩＴＯ膜２０６をコーティングする。また、基板２４の分光面に対しては、導電性の薄膜として金膜などの金属反射膜２０４をコーティングすることでＶＩＰＡ板２０ｃを構成する。
そして、ＩＴＯ膜２０６と金属反射膜２０４とを電極として用いて、これに制御部４０から電圧を印加して、ＶＩＰＡ板２０ｃに電場を与える。これにより電場に比例した屈折率の変化を起こすことができるので、ＶＩＰＡ板２０ｃの光路長を変えることが可能になる。なお、光路長の制御は、透過波長に対して、隣接波長の漏れ込み量を抑制する目的の他に、ＶＩＰＡ板２０に対して、図６で示したような任意の波長周期特性を持たせるために光路長の制御を行ったりもする。
以上説明したように、本発明では、バンドパスフィルタ１３をＶＩＰＡ板２０の前段に設けて、所望の周期の１つの波長帯のみを抜き出し、ＶＩＰＡ板２０に入射させる構成とした。また、制御部４０から任意の透過波長を選択可能とし、かつＶＩＰＡ板２０に対して温度制御または電場を変えることで、光路長を可変設定可能とした。これにより、１つの周期の波長帯を高精度に抽出して、分光することができるので、単一の受光素子が複数の周期の波長帯の分光成分を受光してしまうといった問題を解決することが可能になる。
次に受光ディテクタ３２について説明する。図２３は受光ディテクタ３２の構成を示す図である。受光ディテクタ３２は、複数の受光素子（ＰＤ）が１次元方向のアレイになったもので構成され、集光レンズ３１を介して、各々の受光素子が、分光された各波長の光を個別に受光する。
図２４は受光ディテクタの構成を示す図である。受光ディテクタは、単体の受光素子（ＰＤ）３２ａのみで構成し、モータなどを受光素子３２ａに設けておくことで、制御部４０からの制御によって１次元方向に移動させて、集光レンズ３１を介して出射される、分光された各波長の光を受光する。
次に本発明の他の実施の形態として、バンドパスフィルタを用いずに一括して分光処理を行う分光装置について説明する。図２５はバンドパスフィルタレスの場合の考え方を示す図である。分光方向をＹ方向、光軸方向をＺ方向、分光方向に垂直な方向をＸ方向とする。
上述した構成において、ＶＩＰＡ板２０では、Ｘ方向に対する分光がなく、Ｙ方向のみに分光があり、Ｙ方向の分光に対して周期毎に各波長が単一の受光素子に重なってしまうために、バンドパスフィルタ１３を用いて、１つの周期の波長帯のみを抜き出した後に、１波長帯のみ分光させるものであった。
一方、本発明のバンドパスフィルタレスとした構成では、Ｘ方向に周期毎に並ぶ波長を分光する素子を備えることによって、２次元に分光させるようにする。このようにすれば、Ｙ方向には１つの周期の波長帯の分光、さらにＸ方向には１つ１つの周期方向を分光することができるので、バンドパスフィルタなしで一括処理を行うことができる。
このような構成にした場合、Ｙ方向では１つの波長帯において分光された波長成分が並ぶ。また、Ｘ方向では各波長帯の周期が並ぶ。したがって、平面状（メッシュ状）に受光素子を配列して、２次元の受光ディテクタを構成しておけば、各単体の受光素子は、１つの波長成分のみを受光することができる。
図では周期２Ｔの場合を示しており、Ｘ方向に波長帯λ１、λ３、…、λ２ｎ＋１が周期毎に並び、Ｙ方向に各波長帯の波長成分が並んでいる。Ｙ１方向を見ると、波長λ１が分光されて、λ１の波長成分λ１−１、λ１−２、…、λ１−ｍが並んでおり、例えば、２次元受光ディテクタ５２内の受光素子５２１−３では、波長成分λ１−３のみを受光することができる。このように、本発明の場合は、バンドパスフィルタによって１つの周期の波長帯を抜き出すのではなく、光をＸ及びＹの両方向に分解することで、各単体の受光素子で１つの波長成分のみを受光させるものである。
次にバンドパスフィルタレスの分光装置の構成及び動作について説明する。図２６はバンドパスフィルタレスの分光装置の基本ブロック構成を示す図である。分光装置１ａは、光入力処理部１０ａ、ＶＩＰＡ板２０、受光処理部５０、制御部４０ａから構成される。光入力処理部１０ａは、コリメートレンズ１１、シリンドリカルレンズ１２から構成される。また、受光処理部５０は、集光レンズ５１、受光ディテクタ５２、分光部５３から構成され、分光部５３は、集光レンズ５１と受光ディテクタ５２の間に設置される。
コリメートレンズ１１は、光ファイバＦから出射された光を平行光にする。シリンドリカルレンズ１２は、平行光を１次元方向に集光して集光ビームを出射する。ＶＩＰＡ板２０は、照射窓２３から入射された集光ビームを、反射面２１と分光面２２との間で多重反射させて、分光面２２を介してＹ方向に分光した光を出射する。
集光レンズ５１は、ＶＩＰＡ板２０からの出射光を集光する。分光部５３は、ＶＩＰＡ板２０による分光方向とは垂直方向（Ｘ方向）に、集光レンズ５１からの出射光を分光する。
受光ディテクタ５２は、複数の受光素子が平面状に並んだ２次元の受光構成をとり、Ｘ方向及びＹ方向に分光された光を同時検出可能とし、単体の受光素子においては、単一の波長成分のみを受光して光スペクトルを検出する。図では、例えば、受光素子５２ａは、１つの波長帯の中の短波長λSのみを受光し、受光素子５２ｂは、１つの波長帯の中の中波長λCのみを受光し、受光素子５２ｃは、１つの波長帯の中の長波長λLのみを受光している。
制御部４０ａは、ＶＩＰＡ板２０内部を通る光の光路長、分光部５３の分解能、受光処理部５０の受光位置の少なくとも１つを可変制御する（分光部５３の分解能制御については、図３０、図３１で後述）。ここで、図１に示した分光装置１と同様に、分光装置１ａの場合でもＶＩＰＡ板２０の出力は周期構造となる。したがって、ＶＩＰＡ板２０に対して、温度制御や電気光学効果を利用して、所望の周期構造となるように、制御部４０ａから光路長制御を行う。
なお、受光ディテクタ５２は２次元アレイではなく、Ｙ方向の１次元アレイでもよい。ただし、この場合は、Ｘ方向に可動できるようにモータやマイクロメータなどを取り付け、制御部４０ａから１次元アレイを移動させることができるようにして、すべての波長成分の受光を行えるようにする。
また、受光ディテクタ５２を単体の受光素子のみで構成してもよい。ただし、この場合は、Ｘ方向及びＹ方向に可動できるようにモータやマイクロメータなどを取り付け、制御部４０ａから単体受光素子を移動させることができるようにして、すべての波長成分の受光を行えるようにする。
図２７は図２６をＹ方向から見た図である。分光装置１ａでは、ＶＩＰＡ板２０でＹ方向に分光された光が、分光部５３によって、ＶＩＰＡ板２０による分光方向の垂直方向、すなわちＸ方向にも分光されるので、図２６をＸ方向に見たときは、Ｙ方向に例えば、短波長λＳ、中波長λＣ、長波長λＬが分光されている様子を認識することができ、図２６をＹ方向から見たときの図２７においては、Ｘ方向に例えば、短波長λＳ、中波長λＣ、長波長λＬが分光される様子を認識することができる。
次に分光処理の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態の分光処理は、分光部５３が回折格子を２枚用いた構成をとる。図２８、図２９は第１の実施の形態の分光処理を示す図である。図２８は分光装置１ａ−１をＸ方向から見た図であり、図２９は図２８をＹ方向から見た図である。
分光部５３−１は、透過型の２枚の回折格子５３ａ、５３ｂを含み、回折格子対となる構成をとる（互いの溝が向き合う構成とする）。回折格子５３ａは、周期毎に並ぶ波長をＸ方向に分光する機能を持つ。回折格子５３ｂは、回折格子５３ａの溝と自分の溝とが向き合うように配置して、１枚目の回折格子５３ａで分光された光を平行光にする機能を持たせる。このような構成にすることにより、ＶＩＰＡ板２０ではＹ方向、分光部５３−１ではＸ方向に分解することができ、２次元受光ディテクタ５２で各波長成分を同時受光することが可能になる。
図３０、図３１は回折格子対の間隔を変えたときの様子を示す図である。回折格子５３ｂにモータ５４（またはマイクロメータ）を設け、制御部４０ａからの制御によって、回折格子５３ｂを図に示す方向に移動させて、回折格子５３ａと回折格子５３ｂの間隔を可変に調整できるようにする（図では回折格子５３ｂを後方に移動させた様子を示している）。
回折格子５３ａ、５３ｂの間隔を変えることにより、隣り合う波長間隔を変えることができる。例えば、回折格子５３ａ、５３ｂの間隔を狭くすることにより、隣り合う波長は近い位置に保たれて平行になり、広くすることにより隣り合う波長は遠い位置に保たれて平行に伝播する。
例えば、図３０では、回折格子間隔がＡであり、波長λ１−１、λ２−１の波長間隔がＣ１であった場合、受光素子５２−１で波長λ１−１を受光し、受光素子５２−２で波長λ２−１を受光する。この場合、隣り合う周期の波長を近接の受光素子５２−１、５２−２で受光しているために、受光素子間で互いの光が漏れ込んで観測に支障がでるおそれがある。
このため、図３１に示すように、回折格子間隔をＢ（＞Ａ）とすることで、波長λ１−１、λ２−１の波長間隔をＣ２（＞Ｃ１）に広げる。すると受光素子５２−１では波長λ１−１を受光し、受光素子５２−３で波長λ２−１を受光するようになって、受光素子に当たる光の間隔を離すことができる。これにより、光の漏れ込みを抑制することができ、観測精度を向上させることが可能になる。このように、回折格子対の間隔を制御部４０ａによって調整して、最適位置に設定することで、Ｘ方向の分解能を高めることが可能になる。
次に第２の実施の形態の分光処理について説明する。第２の実施の形態の分光処理は、ＶＩＰＡ板２０の直後に置かれる集光レンズを、ＶＩＰＡ板２０の分光方向（Ｙ方向）のみ集光させるレンズとし、分光部５３を１枚の回折格子と１枚の集光レンズで構成する。図３２は第２の実施の形態の分光処理を示す図である。
分光部５３−２は、透過型の回折格子５３ｃと集光レンズ５３ｄを含む。回折格子５３ｃは、Ｘ方向に分光する素子であり、集光レンズ５３ｄはＸ方向に光を集光するレンズである。また、集光レンズ５１ａは、Ｙ方向にのみ集光させるレンズを使用する（これまでの集光レンズ５１は、Ｘ方向及びＹ方向に集光させるレンズであった）。
ＶＩＰＡ板２０では、これまでと同じく周期特性の１つの波長帯域がＹ方向に分光して出射する。そして、次の透過型の回折格子５３ｃでＸ方向に分光される。図３３は回折格子５３ｃと集光レンズ５３ｄの関係を示す図である。Ｘ方向に集光する集光レンズ５３ｄが焦点距離ｆであるならば、集光レンズ５３ｄを回折格子５３ｃから距離ｆの位置に配置すれば、回折格子５３ｃから出射するＸ方向に分光された光を平行光にすることができる。
すなわち、集光レンズ５３ｄは、回折格子５３ｃで分光された光を平行光にするためのレンズであり、第１の実施の形態で示した回折格子対の２枚目の回折格子５３ｂと同じ機能を持たせたものである。
第２の実施の形態の光の伝搬状態をまとめると、ＶＩＰＡ板２０によってＹ方向に分光された光が出射し、集光レンズ５１ａでＹ方向に集光される。集光レンズ５１ａで集光された光は、回折格子５３ｃによってＸ方向に集光され、集光レンズ５３ｄによって平行光にされた後に、２次元受光ディテクタ５２で受光される。
このような構成にすることで、ＶＩＰＡ板２０ではＹ方向、分光部５３−２ではＸ方向に分解することができ、２次元受光ディテクタ５２で各波長成分を同時受光することが可能になる。
図３４は反射型の回折格子を用いた分光制御を示す図である。図３２で示した透過型の回折格子５３ｃの代わりに反射型の回折格子を使用した場合の構成を示している。分光部５３−３は、反射型の回折格子５３ｅと、集光レンズ５３ｄを含む。回折格子５３ｅは、Ｘ方向に分光する素子であり、集光レンズ５３ｄはＸ方向に光を集光するレンズである。また、集光レンズ５１ａは、Ｙ方向にのみ集光させるレンズを使用する。このような構成にすることで、Ｘ方向への分光及び分光後の光を平行光にすることができ、バンドパスフィルタレスで分光処理を行うことが可能になる。
次に回折格子の代わりにプリズムを使用した場合の実施の形態について説明する。図３５、図３６はプリズムを使用した場合の構成を示す図である。これまでは、Ｘ方向に分光する素子として回折格子を使用した場合について示したが、回折格子の代わりにプリズムなどの分光機能を有する素子であれば、同様な機能を実施可能である。
図３５はプリズムブロック６１を斜めに配置した構成を示しており、図３６は２つのプリズム６２、６３をプリズム対にして、回折格子対に対応させた構成を示している。このような構成にすることによって、回折格子対と同等の機能を持たせることが可能である。なお、プリズム６２、６３の対の間隔の微調整はあらかじめ設計値で固定されたものになる。
図３７は回折をプリズムにした場合の構成を示す図である。図３２に示した透過型の回折格子５３ｃと集光レンズ５３ｄの組み合わせに対応しており、プリズム６４と集光レンズ５３ｄで構成される。このような構成にすることによって、図３２で上述した機能を実施することが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、これまでの回折格子を用いた分光器よりも回折角が大きくコンパクトにすることができ、さらに高分解能の分光測定が可能であることから、これまで測定にかからなかった吸光現象を測定することが可能になる。なお、上記のバンドパスフィルタの制御では、１つの周期の波長帯のみを透過させる旨を中心に説明したが、装置の使用条件によって、複数の周期を透過する構成にしてもよい（例えば、２ＣＨ分の光を検出するならば、２周期分をフィルタリングする）。また、受光ディテクタの受光素子としてはＩｎＧａＡｓ、Ｓｉといった材料のＰＤを使用したり、分光装置の用途によってはＣＣＤカメラや赤外ビジョンカメラ等を受光ディテクタの代わりに使用することも可能である。
（付記１） 光の分光を行う分光装置において、
入力光を透過するバンドパスフィルタによってフィルタ透過光を出力し、前記フィルタ透過光を集光して集光ビームを生成する光入力処理部と、
第１の反射面及び第２の反射面を備え、第１の反射面と第２の反射面で挟まれる内部領域で、入射された前記集光ビームを多重反射させて、第２の反射面を介して分光した光を出射する光学部品と、
前記バンドパスフィルタのフィルタ特性、前記光学部品の光路長の少なくとも１つを可変制御する制御部と、
を有することを特徴とする分光装置。
（付記２） 前記光入力処理部は、入力光を平行光にするレンズと、フィルタ透過光を１次元方向に集光して集光ビームを出射する前段側集光レンズと、前記レンズと前記前段側集光レンズの間に設置し、平行光の１つの周期の波長帯のみを透過して前記フィルタ透過光を出力する前記バンドパスフィルタと、から構成されることを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記３） 前記光学部品からの出射光を、前記光学部品による分光方向及び分光方向の垂直方向に集光する後段側集光レンズと、光スペクトルを検出する受光ディテクタと、から構成される受光処理部をさらに有することを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記４） 前記受光ディテクタは、単体の受光素子を１次元アレイにした構成、または単体の受光素子のみで構成され、単体の受光素子のみで構成した場合は、前記制御部によって、１次元方向に可動して出射光を受光することを特徴とする付記３記載の分光装置。
（付記５） 前記バンドパスフィルタは、厚みが異なる誘電体多層膜を蒸着した傾斜膜で構成し、前記制御部は、傾斜膜の傾斜に応じて透過する波長帯が変わるように、前記バンドパスフィルタを可動させて光が当たる傾斜位置を変えることで、透過波長を選択することを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記６） 前記バンドパスフィルタは、透過する波長帯が異なる複数のフィルタをアレイにした構成を持ち、前記制御部は、アレイを可動させて光が当たるフィルタを変えることで、透過波長を選択することを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記７） 前記制御部は、前記光学部品の温度制御を行うことで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記８） ヒータを含み、光の入射部と出射部にガラス窓を設けた容器に、前記光学部品を気密封止して恒温槽とし、前記制御部は、ヒータの温度調節をすることによって、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記７記載の分光装置。
（付記９） 前記光学部品の基板を電気光学効果の大きな材料で形成し、前記制御部は、前記光学部品に電場を与えることで屈折率を変化させ、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１記載の分光装置。
（付記１０） 前記光学部品の第１の反射面と第２の反射面に対して、導電性の金属反射膜を設けて金属反射膜に電極機能を持たせる構成とし、前記制御部は電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記９記載の分光装置。
（付記１１） 前記光学部品の第１の反射面と第２の反射面に対して、誘電体多層膜を設け、かつ誘電体多層膜上に透明導電膜を設けて、透明導電膜を電極として使用して、前記制御部により電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記９記載の分光装置。
（付記１２） 前記光学部品の第１の反射面に対して、誘電体多層膜を設け、かつ誘電体多層膜上に透明導電膜を設け、第２の反射面に対して、導電性の金属反射膜を設けて、透明導電膜と金属反射膜を電極として使用して、前記制御部により電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記９記載の分光装置。
（付記１３） 光の分光を行う分光装置において、
入力光を集光して集光ビームを生成する光入力処理部と、
第１の反射面及び第２の反射面を備え、第１の反射面と第２の反射面で挟まれる内部領域で、入射された前記集光ビームを多重反射させて、第２の反射面を介して分光した光を出射する光学部品と、
前記光学部品の光路長、分光分解能の少なくとも１つを可変制御する制御部と、
を有することを特徴とする分光装置。
（付記１４） 前記光入力処理部は、入力光を平行光にするレンズと、平行光を１次元方向に集光して集光ビームを出射する前段側集光レンズと、から構成されることを特徴とする付記１３記載の分光装置。
（付記１５） 前記制御部は、前記光学部品の温度制御を行うことで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１３記載の分光装置。
（付記１６） ヒータを含み、光の入射部と出射部にガラス窓を設けた容器に、前記光学部品を気密封止して恒温槽とし、前記制御部は、ヒータの温度調節をすることによって、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１５記載の分光装置。
（付記１７） 前記光学部品の基板を電気光学効果の大きな材料で形成し、前記制御部は、前記光学部品に電場を与えることで屈折率を変化させ、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１３記載の分光装置。
（付記１８） 前記光学部品の第１の反射面と第２の反射面に対して、導電性の金属反射膜を設けて金属反射膜に電極機能を持たせる構成とし、前記制御部は電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１７記載の分光装置。
（付記１９） 前記光学部品の第１の反射面と第２の反射面に対して、誘電体多層膜を設け、かつ誘電体多層膜上に透明導電膜を設けて、透明導電膜を電極として使用して、前記制御部により電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１７記載の分光装置。
（付記２０） 前記光学部品の第１の反射面に対して、誘電体多層膜を設け、かつ誘電体多層膜上に透明導電膜を設け、第２の反射面に対して、導電性の金属反射膜を設けて、透明導電膜と金属反射膜を電極として使用して、前記制御部により電圧を印加して電場を与えることで、前記光学部品の光路長を可変にすることを特徴とする付記１７記載の分光装置。
（付記２１） 前記光学部品からの出射光を、前記光学部品による分光方向及び分光方向の垂直方向に集光する後段側集光レンズと、光スペクトルを検出する受光ディテクタと、前記後段側集光レンズと前記受光ディテクタの間に設置し、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する分光部と、から構成される受光処理部をさらに有することを特徴とする付記１３記載の分光装置。
（付記２２） 前記受光ディテクタは、単体の受光素子を２次元アレイにした構成、１次元アレイにした構成、単体の受光素子のみの構成のいずれか１つの構成をとり、１次元アレイで構成した場合は、前記制御部によって、１次元方向の垂直方向に可動して出射光を受光し、単体の受光素子で構成した場合は、前記制御部によって、２次元方向に可動して出射光を受光することを特徴とする付記２１記載の分光装置。
（付記２３） 前記分光部は、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する透過型の第１の回折格子と、前記第１の回折格子によって分光された光を平行光にする透過型の第２の回折格子と、から構成される回折格子対とすることを特徴とする付記２１記載の分光装置。
（付記２４） 前記制御部からの制御によって、前記第１の回折格子と、前記第２の回折格子との向かい合う間隔を変えて、分光分解能を可変にすることを特徴とする付記２３記載の分光装置。
（付記２５） 前記分光部は、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光するプリズム対またはプリズムブロックで構成されることを特徴とする付記２１記載の分光装置。
（付記２６） 前記光学部品からの出射光を、前記光学部品による分光方向に集光する後段側集光レンズと、光スペクトルを検出する受光ディテクタと、前記後段側集光レンズと前記受光ディテクタの間に設置して、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する分光部と、から構成される受光処理部をさらに有することを特徴とする付記１３記載の分光装置。
（付記２７） 前記受光ディテクタは、単体の受光素子を２次元アレイにした構成、１次元アレイにした構成、単体の受光素子のみの構成のいずれか１つの構成をとり、１次元アレイで構成した場合は、前記制御部によって、１次元方向の垂直方向に可動して出射光を受光し、単体の受光素子で構成した場合は、前記制御部によって、２次元方向に可動して出射光を受光することを特徴とする付記２６記載の分光装置。
（付記２８） 前記分光部は、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する透過型または反射型の回折格子と、前記回折格子によって分光された光を、前記光学部品による分光方向の垂直方向に集光して平行光にする集光レンズと、から構成されることを特徴とする付記２６記載の分光装置。
（付記２９） 前記分光部は、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光するプリズムと、前記プリズムによって分光された光を、前記光学部品による分光方向の垂直方向に集光して平行光にする集光レンズと、から構成されることを特徴とする付記２６記載の分光装置。
本発明の分光装置の原理図である。 ＶＩＰＡの基本構成を示す図である。 ＶＩＰＡの動作概要を説明するための図である。 ＶＩＰＡの干渉条件を示す図である。 ＶＩＰＡ分光器を示す図である。 ＶＩＰＡ板の周期フィルタ特性を示す図である。 分光方向と周期特性の関係を示す図である。 分光イメージを示す図である。 分光イメージを示す図である。 バンドパスフィルタの機能を説明するための図である。 バンドパスフィルタの構成及び波長透過状態を示す図である。 傾斜膜の可動制御を示す図である。 バンドパスフィルタの変形例を示す図である。 バンドパスフィルタの変形例を示す図である。 １つの波長帯の透過状態を示す図である。 光路長制御によって周期波長をずらしている様子を示す図である。 温度を利用してＶＩＰＡ板の光路長を変化させる構成を示す図である。 電場を利用してＶＩＰＡ板の光路長を変化させる構成を示す図である。 金膜の反射率と膜厚の関係を示すグラフである。 金膜の反射率と膜厚の関係を示すテーブルである。 光路長を変化させる構成の変形例を示す図である。 光路長を変化させる構成の変形例を示す図である。 受光ディテクタの構成を示す図である。 受光ディテクタの構成を示す図である。 バンドパスフィルタレスの場合の考え方を示す図である。 バンドパスフィルタレスの分光装置の基本ブロック構成を示す図である。 図２６をＹ方向から見た図である。 第１の実施の形態の分光処理を示す図である。 第１の実施の形態の分光処理を示す図である。 回折格子対の間隔を変えたときの様子を示す図である。 回折格子対の間隔を変えたときの様子を示す図である。 第２の実施の形態の分光処理を示す図である。 回折格子と集光レンズの関係を示す図である。 反射型の回折格子を用いた分光制御を示す図である。 プリズムを使用した場合の構成を示す図である。 プリズムを使用した場合の構成を示す図である。 回折をプリズムにした場合の構成を示す図である。 回折格子によって生成される回折光を示す図である。 回折格子によって生成される回折光を示す図である。
符号の説明
１ 分光装置
１０ 光入力処理部
１１ コリメートレンズ
１２ シリンドリカルレンズ
１３ バンドパスフィルタ
２０ ＶＩＰＡ板
２１ 反射面
２２ 分光面
２３ 照射窓
３０ 受光処理部
３１ 集光レンズ
３２ 受光ディテクタ
３２ａ〜３２ｅ 受光素子
４０ 制御部

Claims (5)

  1. 光の分光を行う分光装置において、
    入力光を透過するバンドパスフィルタによってフィルタ透過光を出力し、前記フィルタ透過光を集光して集光ビームを生成する光入力処理部と、
    第１の反射面及び第２の反射面を備え、第１の反射面と第２の反射面で挟まれる内部領域で、入射された前記集光ビームを多重反射させて、第２の反射面を介して分光した光を出射する光学部品と、
    前記バンドパスフィルタのフィルタ特性、前記光学部品の光路長の少なくとも１つを可変制御する制御部と、
    を有することを特徴とする分光装置。
  2. 前記バンドパスフィルタは、厚みが異なる誘電体多層膜を蒸着した傾斜膜で構成し、前記制御部は、傾斜膜の傾斜に応じて透過する波長帯が変わるように、前記バンドパスフィルタを可動させて光が当たる傾斜位置を変えることで、透過波長を選択することを特徴とする請求項１記載の分光装置。
  3. 光の分光を行う分光装置において、
    入力光を集光して集光ビームを生成する光入力処理部と、
    第１の反射面及び第２の反射面を備え、第１の反射面と第２の反射面で挟まれる内部領域で、入射された前記集光ビームを多重反射させて、第２の反射面を介して分光した光を出射する光学部品と、
    前記光学部品の光路長、分光分解能の少なくとも１つを可変制御する制御部と、
    を有することを特徴とする分光装置。
  4. 前記光学部品からの出射光を、前記光学部品による分光方向及び分光方向の垂直方向に集光する後段側集光レンズと、光スペクトルを検出する受光ディテクタと、前記後段側集光レンズと前記受光ディテクタの間に設置し、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する分光部と、から構成される受光処理部をさらに有することを特徴とする請求項３記載の分光装置。
  5. 前記分光部は、前記光学部品による分光方向の垂直方向に光を分光する透過型の第１の回折格子と、前記第１の回折格子によって分光された光を平行光にする透過型の第２の回折格子と、から構成される回折格子対とすることを特徴とする請求項４記載の分光装置。
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