JP2005533244A

JP2005533244A - 光学分光装置、光学分光方法、光センサ、及びその使用方法

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Publication number: JP2005533244A
Application number: JP2004520355A
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Inventors: ヴァイツェルティロ
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Publication date: 2005-11-04
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Abstract

本発明は、光分光及び光センサ技術のための装置、方法、及びその装置の使用方法に関する。装置は、高いスペクトル分解能を有し、同時に複数の光学的構成部材の品質に対する要求が低い。装置は、干渉パターンを生成するための手段と、ただひとつ又は数個の領域の空間モードのそれぞれが許容されるように、検査された入射光領域のカップリングのための手段と、空間的に異なる複数の位置において生成された干渉パターンの強度を記録することができる装置とを備え、複数の波面及び／又は干渉パターンに含まれる複数の光領域の少なくともひとつの伝搬方向が波長に応じて複数のスペクトル分散又は回折光学素子によって変更される、光分光のための装置に備えられる。
本発明は、光スペクトルの決定方法、及び／又は本発明に係る装置を使用することによって測定される干渉パターンの分析による光スペクトルによってエンコード又は伝搬された測定量の方法に関する。

Description

本発明は、光学分光装置及び光学分光方法と、光センサとに関する。

光学分光装置は、分散型分光計(dispersive spectrometers)と、回折型分光計(diffractive spectrometers)と、フーリエ分光計(fourier transform spectrometers)とに分類される。

分散型（プリズム）分光計又は回折型（格子）分光計は、入射光を回折角又は反射角の波長依存性によってスペクトル成分に分離する。それにより、異なるスペクトル成分が空間的に分離され、求める対象のスペクトル成分を選択される（モノクロメーター）。そして、可動部品を用いて、選択及び測定された種々のスペクトル成分のスペクトル検出が連続的に行われる。

チェルニー−ターナー光路（Tzerny-Turner beam path)を有する、すなわち、入射スリットと出射スリットとの間の回転可能な平面格子と、相互に独立した複数のコリメータミラーあるいは収束鏡（collector）を有するモノクロメーターが最も一般的である。そのコリメータ及び収束鏡は、出射スリット面内にある入射スリットの結像(imaging)をもたらす。回折格子はこの結像システムのフーリエ変換平面に位置する。

空間解像検出計（電荷結合素子：ＣＣＤ、ダイオードアレイ）が開発されたことにより、現在では、各スペクトル成分に設けられた検出計の個々の素子によってすべてのスペクトル成分を同時に測定することが可能になっている。そのような装置は可動部を必要とせず、有効な入射光をより効率的に利用する。

フーリエ変換分光計は、干渉によってもたらされる部分光線の光路長の差異を高精度に設定することができる干渉計を基礎としている。スペクトルは適切な光路長差の範囲を介した干渉信号の測定から、フーリエ変換することにより求められる。

計器は、通常、ミケルソン（Michelson)干渉計又はトゥィマン−グリーン（Twyman-Green)干渉計のやり方で設定される。複数の可動ミラー又は複数の傾斜可能なミラーによって光路長を設定するための機械的な構成部材と、平面波面を生成するための所定のコリメータとがとりわけ厳しい技術的要求を受ける。

例えばフィゾー（Fizeau）干渉計といったさらに種々の分光計は、特定の角度において干渉をもたらす複数の光線によって生成されるスタティック干渉（static interference)パターンを利用する。そのスペクトルは、干渉縞の本数を数えること、又は数フーリエ変換を用いて、干渉パターンの空間周波数を測定することによって算出される。

干渉パターンにより計測されるライン対（Fizeau strpes）の本数によって関連スペクトルの解析を直接的に行うこれらの干渉計にとって（種々の波長のためのミケルソン／トゥィマン−グリーン干渉計と、特定干渉パターンのためのスタティック干渉計との両方にとって）、この事実は不利である。干渉パターン中に測定されるＮライン対（フィゾーストライプ）の本数によって直接測定されることは不利である。Ｎライン対が特定の波長λに対して数えられる場合、スペクトル解像度はλ／Ｎのオーダーの大きさとなる。

さらに最近の種々のフーリエ変換分光計（“スペシャルヘテロダイン分光計”）は、波長の関数として、スペクトルの解像度を増加するために、スタティック分光計の２つの視準された（コリメートされた）部分光線の間の角度を変更するための分散型光学素子又は回折型光学素子（回折格子）を利用している。

複数の平面波面の重ね合わせは、測定後に行われる数フーリエ変換によって、これらのスペクトルの成分に分解されるフィゾー（Fizeau）インターフェログラム（Fizeau stripes）をするために必ず必要である。

このような構成はさらに光学フーリエ変換の平行移動不変性（translation invariance）に基づいている。入射光はまずコリメータによって視準される（コリメートされる）。平行光線（平面波面）は分割（振幅分割）され、例えば、回折格子といったスペクトルの分散型光学素子又は回折型光学素子を介して導光される。スペクトルの分散型光学素子はこのプロセスにおけるコリメータのフーリエ平面中に配置されている。部分光線は再度重ね合わされ、そしてコリメータ及びさらなるフーリエ変換レンズを介して結像される。その結果、空間解析検出計が再度入射口のフーリエ変換平面内で停止する。

従って、−フーリエ変換分光計又は従来のモノクロメーターのような−このような構成は、高品位な結像光学システムに依存していた。光学システムにおける比較的長い焦点距離は特に必須である。

分散型又は回折型分光計の測定能力は、特定パラメータ、特に、入射スリット又は出射スリットの大きさ、焦点距離と結像素子の口径、分散型又は回折型素子自体の特性に依存している。

フーリエ変換分光計の測定能力は、特定パラメータ、ここでは特に光路長の変動に対する範囲及び増加量に応じて決定される。フーリエ変換分光計の測定能力は分散型分光計又は回折型分光計の測定能力を遙かに凌ぐ。

フーリエ変換分光計も、その測定能力の物理的限界に到達することはほぼ可能であるが、多くの場合において、技術的努力は非常に大きい。フーリエ変換分光計は干渉計を基礎としているため、すべての光学部材、特に可動部品は測定される波長のわずかな精度で製造及び配置される必要がある。

空間ヘテロダイン分光計は技術的にあまり複雑ではない。しかし、同様に、高品位の結合光学部材と、高品位の分散型光学部材又は回折型光学部材との両方を必要とする。

有名なすべての分光計の、波長λにおけるスペクトルの解像度ｄλは相当するコヒーレント長ｌと直接的に相関するｌ＝λ²／ｄλ。

空間スペクトル解析を達成するためには、分光処理が少なくとも範囲ｌの光路長の明確な差異を生じなければならない。

従って、入射光を平行にする必要性はすべての有名な分光計に共通する。コリメータは、例えば、凹面ミラー又はレンズといった特定の焦点距離の結像光学素子である。分光計の入射口はコリメータの焦点位置に位置する。

現在、分光計は光学フーリエ変換、特に、フーリエ変換の平行移動不変性（translation invariance）を利用している。すなわち、コリメータのフーリエ平面中の伝搬方向を変えるための、焦点平面上の平行移動不変性の変換を利用している。

モノクロメーター（“４ｆシステム”：入射スリット−ｆ−コリメータ−ｆ−回折格子−ｆ−コレクター−ｆ−出射スリット）は、回折格子による結像システムのフーリエ変換平面における光の伝搬方向に影響する。従って、モノクロメーターは、出射スリット又は検出器の方への入射スリットの結像を本質的に妨げることなく、所望の（光路長における格子の形状寸法によって決められるｌを有する、ｆ＞＞ｌ）スペクトル分散を生成する。コリメータは光学フーリエ変換を実行する。光捕集器（コレクター）は光再変換（optical retransformation）を行う。その結果、出射スリット又は検出器の平面への入射スリットの光結像がもたらされる。

フーリエ変換分光計（２ｆシステム）は、異なる長さの光路であるにも拘わらず、干渉を維持するための（原則として、実質的にｌよりも大きいｆを有する）コリメータを必ず必要とする。換言すれば、検出器に波面をぴったり重ねるためのコリメータを必ず必要とする。フーリエ変換の平行移動不変性は特にここで活用される。

フーリエ変換分光計の代わりにモノクロメーターを用いることによって、数フーリエ変換は光再変換（optical retransformation）に置き換わる。

空間の干渉パターンを評価する、分散素子を有するフーリエ変換分光計（空間的ヘテロダイン分光計）は光フーリエ変換を行う局面において、コリメータを必須とし、一方では、有限大の入射口であるにも拘わらず干渉パターンのにじみを防止することを必須とし、一方では、光スペクトルと、数値変換の基礎を形成する、解析パターン中の対応する空間周波数との確定した明確な相関関係を確立することを要する。

加えて、これらの分光計はさらなる光結像システム（“６ｆシステム”；入射スリット−ｆ−コリメータ−ｆ−回折格子を用いた干渉計−ｆ−集光器−ｆ−出射絞り−ｆ−結像素子−ｆ−検出面）を必要とする。

干渉計の配列と高解像度結像システムとの双方の実現には所望の大きな焦点距離を有する高品位光学システムを必須とするため、及び、成分の最小寸法、又は路長の最小寸法は、それぞれの正確な配置に基づく上記ｌによって事前に決められるため、技術的な労力は、スペクトルの解像度が大きくなるにつれて急速に増大する。ここにいう特徴パラメータは、視準されるにもかかわらず発生するいわゆるスペクトルの口径拡大（spectral aperture broadening）をいう。

本発明の目的は、高いスペクトル解析性能を有し、同時に実質的に光学構成部品の品質によるところが少ない分光計を実現するための装置及び方法を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１の干渉計に係る発明、使用方法の発明、及び方法発明によって解決される。

確定した空間モード（defined spatial modes）を経由した、又はモノモードカップリング（mono-mode coupling）を経由した入射光のカップリングは本発明に係る費用効果が大きいスペクトル高解像度分光計又はセンサの実現に重要である。口径拡大（aperture broadening）はこれらの状況下で観察されなくなる。これらの状況とは、特に、干渉パターンがコリメータを介して光フーリエ変換されずに依然として識別可能な状態にある状況のことであり、下記方法により評価される。

波面に影響を及ぼす波長依存性のために分散型光学素子又は回折型光学素子と組み合わせることによって、光分光計は、従来の結像光学素子を用いる手法よりも、非常によりコンパクトにすることができ、さらに非常によりフレキシブルな設計を可能とする。

図示された測定工程又は測定された干渉パターンの直交化のための方法はこのような設計の機能に必要である。なぜなら、このような設計は数フーリエ変換によって直接的に評価することができないからである。

本発明のより好ましい実施形態は主たる請求項に従属する請求項２から３４によることが好ましい。本発明に係る適用例は請求項３５から３８による。本発明に係る方法の発明及び種々の好ましい方法の発明は請求項３９から４８による。

本発明は、個々の空間モードと結合させることによって、分散又は回折光学素子と干渉計及び複数の空間位置において生じた干渉パターンの強度を測定することができる検出器とを組み合わせた装置、及び、入射光のスペクトル又はこのようなスペクトルから誘出された直接測定値を、このように測定される干渉パターンから構成させる方法とを有する。

本発明に係る装置は、検査されるスペクトル範囲のそれぞれ異なるスペクトル成分の干渉パターンがそれぞれ大きく異なるように構成されている。空間的スペクトル成分によって構成されるこのような干渉パターンを以下「ベースパターン」という。このパターンは１次元又は２次元で考えることができる。本発明に係る当該装置によって生成される干渉パターンはそれぞれ異なる数多くのベースパターンの重ね合わせであると考えられる。

干渉パターンの記録は、多くの異なる空間位置における強度を検出器を用いて測定することによって行われる。このため、干渉パターンは、それぞれのケースにおいて、（測定）値の定数（fixed numuber）の形で存在している。正確かつ図示可能な（illustratable）空間周波数はサンプリング定理に基づいている。

本発明に係る方法では、干渉パターンは一連の（測定）値として、線形代数に照らして、ベクトル、又は特に相当の範囲（dimension）の個々の空間の素子として解釈される。上述のベースパターンは、線形代数に照らして、このそれぞれ対応する次元の離間定数のエレメントとして解釈される。

本発明に係る方法は、本発明に係る装置による計算又は測定のどちらかによってそれぞれ所要のベースパターンを決定する可能性に基づいている。その結果、本発明に係る方法では、入射光のスペクトルは干渉パターンをこれらのベースパターンに分解することによって得ることができる。

高解像度又はコンパクトな光分光計を実現するための装置及び方法に特有の効果は光モノモードカップリングによってもたらされる。光モノモードカップリングは光変換（optical transformation）の平行移動不変性（translation invariance）の特性を許容するので、コリメータなしですますことができる。従って、その装置は結像光学素子を用いることなく完全に実現される。これは、上述の方法と組み合わせることによって可能となる。上述の方法は、検出器によって測定された所望のスペクトルの干渉信号の数再変換は十分に複雑なほとんどすべての光変換に対して、少なくとも近似的に見出されるということを利用している。

この方法は異なる変形例によって実現される。このため、我々は検討のために下記定義を導入する。

ｓを、特有の強度の個々のスペクトル成分によって表されるスペクトル、言い換えれば、成分Ｓ_n（ｎ＝１〜Ｎ）を有するベクトルとする。

ｓは光スペクトルの特有のスペクトル範囲を構成する。その光スペクトルの個々の成分は、観測されたスペクトル分解能に対する関係にスペクトル的に近い。

ｉは検出器によって測定された干渉パターンとする。このため、ｉは、例えば成分ｉ_m （ｍ＝１〜Ｍ）で表される検出器列の個々の素子によって表されるベクトルである。

ｏは、上記方法による測定結果として再構成されたスペクトル、又は成分ｏ_k（ｋ＝１〜Ｋ）に係るスペクトルから導出された測定値によって直接的に表されるベクトルとする。この場合、ｏはＫ＝Ｎという法則を満たすスペクトルを表す。

光変換ＴはＴｓ＝ｉマトリクスとして表すことができる。その評価はまず、Ｒｉ＝ｏによる再変換Ｒとして表される。

非常に有利な状況（良好な信号／ノイズ率、定位相位置（fixed phase position）、“スペクトル的に緊密に（spectrally closely）”分布したベースパターン）の場合、ＲはＴの逆数として直接（概略）計算される。従って、ｏはｓと（おおよそ）等しい。

マトリクスＴの成分（ベクトル）はＴｅ_n＝ｔ_nの関係を参照することにより求めることができる。現在、例えば、モノクロマティックリファレンス光源を用いてｔ_nを求め、そして実験によりマトリクスＴを求めるために、実際にスペクトル成分ｅ_nを生成させる可能性は特に興味深い。

原則として、（測定された）マトリクスＴの逆数をとることによるＲの測定は不可能である。しかし、既知のｔ_nから相関関係によっておおよそ再変換することができる。異なる相関関係法を用いることが可能である。一般的な相関関係法は、比較されるそれぞれの数列又はベクトルの離散型フーリエ変換によるスカラー積に基づく“相互相関”である。離散型フーリエ変換を用いることによって、Ｆ，ｏ，従っておおよそのｓがｏ_n＝｜Ｆ（ｉ）Ｆ^-1（ｔ_n）｜として計算される。

光変換が正確なフーリエ変換である場合、式Ｆ^-1（ｔ_n）のただひとつの成分が０と等しくなくなる。すなわち、そのひとつの成分がそれぞれ対応する空間周波数を表しており、従って、直接的に、スペクトルのスペクトル成分を表している。ベースベクトルｔ_nは、ここでは、線形独立だけでなく、直交していてもよく、そして空間周波数の単位ベクトルを形成している。従って、この特殊なケースにおいては、ｏの計算はｉのフーリエ変換に変形される。

しかしながら、下記２つの可能性は特に注目に値する。

光変換の特性はフーリエ変換の特性に類似することがある。又は、光変換は完全に不規則であることがあり、例えば、いわゆる“スペックルパターン（speckle pattrns）”（“粒状斑模様（granulation）”）を形成することがある。

第１のケースは、大幅に間違えた光フーリエ変換（severely erroneous optical Fourier transformation）によってもたらされる。例えば、コリメータを用いずに、非常にコストパフォーマンスの高い複数の光学素子を用いた、本発明に係る光学的配置によってもたらされる。従って、体系的生成（systematic generation）のため、ベースパターンはなお一次独立であるがおおよそ直交しているだけである。

第２のケースは、破壊されたガラスのスクラッチドピース（scratched piece of broken glass）に基づく干渉計を用いた、本発明に係る光学的配置によってもたらされる（極めてコストパフォーマンスが高い）。この場合、基底ベクトルは統計的に割り当てることができる。

最初のケースでは、その方法は補正（correction）に相当（represent）する。すなわち、光変換の悪い質は適合型（adopted）再変換によって、大幅に補正される。

第２のケースでは、そのスペクトルは基底ベクトルを用いて計測された値の純粋な統計学上の相関関係によって測定される。この場合、多数の素子が検出器に含まれていることを想定すべきである。例えば、２次元検出器アレイを用いることによって、Ｎよりも非常に大きいＭを選択することが特に好ましい。ベースパターンはこれらの統計的性質のために、一次独立ではない。にもかかわらず、大きな値のＮに対する相関は非常によい結果を示す。このケースなので、非常によい結果はＭが非常に大きな値である場合に達成される。すなわち、Ｍ次元空間におけるＮ基底ベクトルの統計的分布が非常に大きな値である場合に達成される。基底ベクトルは少なくともおおよそ一次独立である。

これに関して、その方法に対する異なる相関関数、特に確率的相関が考えられる。

デコンボリューション（deconvolution）による結果のさらなる計算、洗練（refining）は、特に有利であり、第２の方法が異なる伝達関数組（a set of different）を適用させることを可能にする。

本発明に係る配置を用いることによって、計算結果のスペクトルを探さず、直接所望の測定量（sought measurand）を探すことは非常に有利である可能性がある。

よって、化学センサにとって、基底ベクトルはスペクトル成分を測定することによっては決定されないが、所望の物質のスペクトルを記録することによって求めることができる。従って、基底ベクトル及び合成ベクトル（result vector）は個々のスペクトル成分を表さないが、直接的に所望の測定量（sought measurand）を表す。すなわち、例えば、光学吸収スペクトルに相当する特定物質の濃度を表す。

例えば、薄膜による光の伝搬又は反射の特徴的なスペクトル変調を利用する層厚測定にも同じことが当てはまる。

この順応性のある手段は多くの適用例のための光センサを実現することができる。事前に記録されたベースパターンとの相関による測定を評価することは光スペクトルの解析を通じた検出器を使用せずに、所望の値（sought values）を直接的に測定することを可能にする。

干渉パターン、すなわち、問題となるスペクトル成分のためのベースパターンが測定の解像度及び精度の枠組み中で一次独立であるとすれば、入射光のそれぞれのスペクトル成分、及びスペクトルは、記録された干渉パターンを用いたそれぞれのベースパターンの相関によって求めることができる。

装置のすべての構成部材の特性が十分な精度によって決定されているとすると、ベースパターンの必要なセットは計算することが可能である。

この場合、ベースパターンは既にそれぞれの装置において発生する光学異常のすべてのタイプを含んでいるため、好適に調整可能なモノクロのリファレンス光源を用いた装置のそれぞれの特有の設計のためのベースパターン組を測定する可能性は特に有益である。この場合、ベースパターンがおおよそ一次独立であるとすれば、ベースパターンは、それぞれの装置において発生する、すべてのタイプの光学収差を含んでいるため、装置の構成部材の光学品質の要求は比較的低い。

フーリエ変換分光器を用いることによって、記録された“完全な”干渉パターンは一次独立となり（シヌソイド成分の重ね合わせ（superposition of sinusoidal components））、フーリエ変換は直交法に相当する。個々のフーリエ級数は測定されたスペクトルのスペクトル成分を表す。

本発明に係る構成を用いた、パターン記録の直接フーリエ変換は無意味であるが、スペクトル成分に関しての直交化は記録された干渉パターンの適合型変換の後に可能である。この目的のために、干渉によりもたらされる部分光線の相対的な路長差はそれぞれの測定位置において測定されなければならない。

本発明の好ましい態様では、干渉パターンはセミトランスミッティングミラー（semitransmitting mirror）又は好適な格子及び検出器の位置における部分領域（partial field）の次の重ね合わせ（subsequent superposition）を用いて、入射光の振幅を分割することによって生成される。例えば、ミケルソン干渉計、マーチ−チェンダー（March-Zehnder）干渉計、サニャック（Sagnac）干渉計、ファブリー・ペロー干渉計（Fabry-Perot interferometer）、chearing干渉計というすべての古典的な干渉計は分散素子又は回折素子によって副次的に補完されると考えられる。それぞれの検出器が解析することができる空間周期（spatial periods）を伴う干渉パターンを発生させる種々の構成を考えることができる。検出器において発生する空間周波数は、その都度検査される波長範囲とは独立して、装置の好適な寸法決定によって選択される。

例えば、フレネル複プリズム（Fresnel biprism）、複数のプリズム又は複数のミラーの組み合わせによって、不規則な形状の表面を用いて、又は同様に回折素子を用いて、波面の分割による部分領域の生成も考えられる。−特に、光領域のそれぞれの空間モードを規制することによることが特に有利である。

すべてのケースにおいて、ビームスプリッタ自身の好適な設計によって、又はさらなる光学素子によって所望のスペクトル分散がもたらされる。

好適な小さなダイアグラムによって与えられる検出器は干渉パターンを超えて変位可能である（走査）。装置の他の構成部材を動かすことによって、又は付加された可動ミラーを用いることによって、連続的に異なる測定箇所を記録することもまた可能である。この方法は、非常に高解像度な測定のために、又は適当な空間解析検出器が利用できない波長範囲で特に役割を果たす。

一次元のケースでは、好適なダイオードアレイ又は電荷結合素子（ＣＣＤ）列自身が空間解析検出器の役割を果たす。

このケースにおいては、ベースファンクション（base functions）の特性の実質的に広い範囲は測定値の数の増加によるので、２次元検出器（電荷結合素子又は他の検出器）は特に興味深く、それぞれの相関は“より好ましい”一次独立作用によって、より正確に計算される。

図面は、異なる複数の特許請求の範囲の異なる複数の組み合わせのそれぞれに関して、本発明の好ましい態様を示す。

図１は、請求項１に関する、モノクロミックガラスと結合された光学素子を有する極めてコンパクトな構成を示す。映像面は最初は球面波として形成されるため、請求項６に係る光カップリング（Ｍ）は、単一モードガラスファイバーからブロック中に生じる。請求項２に係る波の振幅は、ガラスブロックの上に直接設けられた回折構造体（Ｇ）によって、回折成分と、複数のミラー（Ｓ１，Ｓ２）のいずれかひとつによって反射された反射成分とに分割される。この工程において、請求項２７に係る回折構造体はビームスプリッタとして、及びスペクトル独立マナー（spectrally dependent manner）に従って、回折ビームの波面を変えるスペクトル高分散光学素子として作用する。さらなる工程において、部分領域（partial fields）は反射され、再度重ね合わされる。ここに描画されている構成は請求項２８から３９に係る。その結果生じた領域は自由表面を経由してガラスブロックから抜け出る。未使用の回折部分により構成された第２の領域は、球状波のカップリングが行われるガラス本体のその表面を経由して、ガラス本体におおかた入射する。この部分はこの表面の適合表面によって吸収される。

請求項７に係る検出器（Ｄ）は小さな空間的広がり、又は相当のダイアグラムを有しており、図示された動作中心（Ｐ）を有する可動アーム上に設置されている。検出器は光領域を貫いて動かされ、連続的な複数の空間位置における光強度を記録する。この示された構成では、アームは、モーター（Ｒ）によって駆動される偏心装置（Ｘ）によって変位可能である。

このような複数の測定のセット、例えば、所定の位置において記録された測定値のセットは、請求項３９から４８に記載された方法によって評価されるパターンを形成する。

請求項２に係る波の振幅の分割のためのセパレートビームスプリッタ（Ｓ）と、干渉計のアーム中の２つの分散素子（Ｇ１，Ｇ２）を用いる図２に係る構成は、請求項４に係る単一モードカップリング（Ｍ）によって可能にされる。示されたダイアグラム装置（Ａ）は好都合である。フーリエ変換の平行移動不変性（transition invariance）は除外されるため、このような構成はフーリエ変換光学システム又は完全に他の結像光学素子を用いずに構成される。従って、このような構成によって生じる干渉パターンの評価もまた、数フーリエ変換によって直接的に行うことはできず、請求項３９から４８に示された方法のいずれかを要する。図２に示された構成は請求項９に係る空間解析検出器（ＣＣＤ）を用いている。例えば図中に象徴されるピエゾアクチュエーター方式の、請求項１４に係る位相変調装置（フェーズモジュレーター）は特に有効である。

関連する領域の異なる複数の相関位相位置における干渉パターンを記録できることは示された方法にとって実質的に有利である。

このケースでは、空間解析検出器によってそれぞれ記録された複数の強度の組は請求項３９から４８に係る方法を用いることによって評価されるパターンを形成する。

請求項１に係る複数の構成のさらなる利点は結像光学素子によって実施される可能性から生じるものであり、単一モードカップリングを許容するものであることである。特に、請求項３に係る波面の分割に基づく干渉構成のさらなる利点でもある。結像光学素子の省略によって、それぞれの光学素子としてのビームスプリッタを省略することも可能となった。

図３は請求項１及び３に係る構成を示す。例えば、請求項４に係るカップリング（Ｍ）が必要とされる。結合された光領域はＭから始まる球状波として伝搬する。示された構成において、ミラー（Ｓ）は結合領域が通過する球状開口を有する。波の一部分は回折格子（Ｇ１）に入射し、その他の部分は回折格子（Ｇ２）に入射する。そのため、波面は分割される。示されたダイアグラム装置（Ａ）は有利である。それらの格子は考える限り高い効率で、波の領域が重ね合わされる可動ミラー（Ｓ）に向けてその光を回折する。

請求項８に係る可動ミラーはその結果生じた領域を、ミラーの位置の独立した、異なる複数の位置における領域（field）の強度を記録することができる検出器（Ｄ）に反射する。

必須ではないが、例えば、図示されたピエゾアクチュエーター（Ｐ）方式の請求項１４に係るフェーズモジュレーターを備えることが好ましい。

図示された方法において利用される、異なる複数の干渉パターンを生成するための請求項１５に係る選択的な可能性はカップリング素子の空間的置換（spatial displacement）によるこのような構成によって実現される。

この場合、請求項３９から４８のいずれかに係る方法によって評価されるパターンはミラーＳの異なる複数の位置に対して測定された測定値のセットによって与えられる。

部分光線の相関位相位置が好適に影響すれば、上述の複数の装置及び複数の方法の実効可能性は実質的に向上される。これは、例えば、波長の大きさオーダーの路を越えて直線的に置換可能であり、ミラーを用いることによって、及び、例えば、複数の成分の好適な“横の（lateral）"置換によって複数のビームスプリッタとして複数の空間周波数成分を伴う格子される場合の、反射光の相関するフェーズポジションが高精度に置換されることによって可能となる。

さらに、干渉をもたらす部分光線同士の光路長差が、分散素子によってもたらされる寸法だけ異なるように、図示された干渉装置は作製され、さらに開発させることができる。従って、その干渉は、相応する大きさの高いコヒーレント長又は小さいバンド幅を有する入射光の成分に制限されている。

干渉信号は、入射した放射線が光路長差の大きさのコヒーレント特性又は自己相関関係を示すときにのみ生成される。光分光計の分野において使用する場合、線スペクトルはこの法則によって選択的に記録される。この場合、スペクトル的に小さなバンドにおける、相当の大きなコヒーレント長を有する入射放射線は測定された信号に帰着する。

光データ通信の分野で使用する場合、所定の自己相関を有する電送波は選択的に記録又は測定される。これは、コヒーレンス長多重送信の分野における用途にとって特に興味深い。

両方の分野の用途に対する構成の特別の利点は、特別の解析（分光計）又はバンド幅（データ転換）が選択された（分光計）の線幅、又は自己相関長（データ転換）の独立性を求めることができる事実による。

極めてコンパクトで、極めてコスト効果が高い本発明に係る実施例は図４に示されている。請求項１１に係る回折光学素子（Ｄ）は請求項２７に係る機能として用いられている。この場合、適当な大きさの次元の粒度を有する拡散器として用いられる。操作に対する要求は請求項４から６に係る１又は数個のみの空間モード形式の光領域（Ｍ）の順次カップリングである。図示された好適なダイアグラム装置（Ａ）は有利である。便宜上示された改良型は請求項１０に係る結像供給素子（image-providing detector）（ＣＣＤ）である。分散器の代わりに、適用例によっては、高度に構造化された干渉領域を生成することができる請求項２５に係る複数の回折素子を用いることができる。トールボット効果（Talbot effect）の、又はロー効果（lau effect）の改良型は、特にそれ自身を結像する特徴的な構造の可能性もまた、これに関連して利用される。随意に異なる複数の干渉領域はカップリングの空間的置換、又は請求項１５に係る分散器の置換又は傾斜によって生成される。

この構成は図示された統計学上の方法との組み合わせにより干渉領域のための非常に多い測定ポイントを伴って便宜上操作される。

これら複数の構成の選択性は、特にその構成が多数の反射を許容するとき、又は共振器を形成するときにおいて、光領域が複数回相互作用する点で改善することができる。図５はこの特性を有する請求項１６に係る発明に係る構成を示している。

請求項４から６のいずれか一項に係る光領域（Ｍ）のカップリングもやはり識別可能な干渉領域を生じさせることを要する。図示された好適なダイアグラム装置（Ａ）は有利である。請求項１７に係る共振器は、ビームスプリッタ（Ｓ）と回折素子（Ｇ）によって形成される。その領域はビームスプリッタを経由して共振器に結合される。検出器（ＣＣＤ）方向の、結果として得られる干渉領域は回折格子（Ｇ）を経由して分離される。さらに多数回にわたって反射された部分光線も同様に干渉に貢献する。

一方では単純な格子に加えて、他方では複雑な回折構造に加えて、マルチプレックス格子（多くの空間周波数の付加）、又は例えば図６に描画されたような多数回にわたって複分解された格子もまた回折素子に適している。この例では、示された回折素子（Ｇ）は異なる複数の格子コンスタントで次々に処理されたストリップライク格子（strip-like greating）によって実現されているため、ビームスプリッタ（Ｓ）はセミトランスミッティングミラーとして実現されている。（相当の波長を要求する）格子によって回折された光領域は最初は共振器内にとどまり、再度ビームスプリッタ（Ｓ）を経由して回折素子に到達するので、それぞれの格子（回折の０次オーダー）によって反射された領域の部分は共振器から抜け出る。

この工程における共振器の技術的設計は副次的に重要である。２つの構成部材のみを有する単純な複数の共振器に加えて、すべてのタイプの共振器が、特に環空洞（ring cavities）を有するものが、重要視されている。

方法の請求項で定義された統計学上の方法を用いて適当に扱われた反射によって非常に複雑なパターンが生じる。

本発明は、干渉計の回転手段、又は空間周波数又は生成した干渉パターンの空間周波数を調整することができる、入射角の変更又は選択のための手段を備える。

その構成は部材を動かすことなく検出することができる波長範囲干渉パターン中の相当する複数の空間周波数を検出する検出器の能力によってもたらされる。波長範囲を好適に選択する構成を技術的に実現するために、そのことは特に有利である。例えば、このケースにおいて、この波長範囲における複数の空間周波数のような干渉計のセッティングは、干渉計全体として回転させることによって、又は入射角を適合させることによって、検出器によって検出される。この設計のために、干渉計自身は、複数の可動部材を用いることなく、−フェーズモジュレーションのための光学的に必須な素子の要望により−稼働することができるにもかかわらず、干渉計は異なる複数の波長範囲に使用することができる。

この場合、干渉計の構成部材は互いに固定可能である。この効果は調整安定性の見地から有利な効果である。入射角を超えて波長を適合させるために、部分領域における角度が干渉計において重ねられ、入射角に適合した相関関係を示すことが必要である。例えば、これは、部分領域が鏡像中で重ねられる場合、言い換えれば、部分領域はこの点において非対称の干渉計におけるそれぞれのケースの１による異なる多くのミラーによって導光される場合に相当する。

本発明のさらに好ましい態様はダイダー（dieder）又は複数の対象な干渉計を有する再帰性反射体（retroreflector）を用いることによって達成される。

図７は請求項３０に係る特に好ましい態様を示す。光領域は請求項４から６のうちいずれかに係る光カップリング（Ｍ）である。ダイアグラム装置（Ａ）は散乱光をさける固定された角度に束縛されている。

このため、光領域は、望ましくは格子又はマルチプレックス格子によって形成された、請求項２７又は２８に係る回折構造（回折格子）に投射される。ホログラフ的な光学素子はこのポイントにおいて非常に有利に用いられる。光領域の反射部分は他のミラー（Ｓ１）に入射する。部分領域のそれぞれの複数の部分は複数のミラーから回折素子に反射され、そして、回折素子において、それぞれの部分反射及び回折によって２つの干渉領域を形成するために重ね合わされる。これら複数の干渉領域のうちのひとつは請求項３０で述べているように、検出器（ＣＣＤ）に入射する。よって、検出器によって記録された複数のパターンは図示された法則によってさらに数的に処理される。その他の干渉領域は使用されていない構成に出射する。複数のミラーのうちのひとつ（Ｓ２）に示されたアクチュエーター（移相器）は部分領域の相関の異なる相における干渉パターンを記録することができる。

図８に示された構成は、特に有利な組み合わせを形成する。図７で既に示された光領域（Ｍ）のカップリングのための素子の向こう側に、ダイアグラム装置（Ａ）、ミラー（Ｓ１、Ｓ２）、回折素子（回折格子）、請求項３１に係る検出器（ＣＣＤ）、結像光学素子（Ｌ）、及び出射開口（Ａ）が用いられている。出射開口は複数の干渉パターンの可変性を制限する。その可変性は、回折素子が回折格子である場合に起こり、出射開口は検出器に届く部分領域の波長範囲もまた制限することができる。

特定のスペクトル成分又はスペクトル成分の群が既知のスペクトルパターンを有する干渉パターンを備えた、実測干渉パターンの測定に必要な相関は、マスク、及び必要に応じて適当なフェーズモジュレーター又は干渉計の他の形式の干渉計の脱チューニングを用いて直接的に光学的に非常に有利に行われる。

複数のスペクトル成分を有するスペクトル波紋の複数の干渉パターンは、特に、単一マスクsingle mask）に既に含まれている。

部分光線のさまざまな相関位相位置における干渉パターンを、マスクを介して記録は、マスクに相関する干渉パターンを有する入射光のこれらのスペクトル成分のための相関位相位置におけるそれぞれ測定された信号の総強度への強い依存性を示す。

直接的な光学的相関は好ましい状況下において非常に優れた数的方法である。この構成の形式は、例えばＬＣＤスクリーン（部分光線モジュレーター、ＳＬＭ）というような可変マスクを用いることが特に興味深い。光相関の異なる例を示す可変振幅マスク（ＳＬＭ）は、マスクがもはや事実上干渉計の部品ではないため、比較的シンプルに実現される。

本発明にさらに好ましい態様に関して、干渉部分領域の相関位相位置の変更、及び空間周波数又は生成した干渉パターンの空間周波数の変更は複数の装置の少なくともひとつの動作によって一緒に行われる。

部分領域の異なる複数の関連位相調整において測定することは有利である。部分領域の光路長が等価でないならば、及び／又は、複数の光学素子の傾斜が複数の部分領域の光路長の相違を変化することによるならば、干渉パターンの関連位相位置もまた波長のセッティングによって変化する。この効果は異なる複数の位相位置で測定することによって直接的に利用される。これは技術的設計にとって特に有利である。なぜなら、位相位置のモジュレーションのための分離したメカニズムが除外されるためである。

光路の外のサポートポイントＰにおいて連続的に複数の光学素子のうちのいずれかを回転させることは光路長の変化と、従って、その角度における変化、及び選択波長のセッティングに加えて関連位相位置のモジュレーションとに有効である。

本発明にさらに好ましい態様に関して、スペクトル分散又は回折素子はマルチプレックス格子、マルチプレックスホログラム、ホログラフ的光学素子、又はコンピュータにより生成されたホログラム（ＣＧＨ）である。

二次元検出器を用いる場合、それぞれの部分光線の単純ディフレクション（diflection）をもたらすだけではない複数のスペクトル分散素子を用いることは特に有利である。入り組んだ干渉パターンの生成は、示した複数の相関方法に関して特に有利である。このような複雑な複数のパターンは単純ストライプパターン（simple stripe patterns）よりも鋭い相関信号を必要に応じて示す。

周期的（periodic）回折格子を使用する場合、光路長の等しい位置、及び最大振幅又は異なる複数の波長に対する変調は（正規のフーリエ変換スペクトルとは対照的に）検出器の異なる複数の位置に位置する。このことは、検出器素子の必須のダイナミックレンジに好ましい影響を与える。

特別な用途で、例えばケモメトリクス（chemometrics）といった用途で、吸収スペクトルの特定の範囲における“スペクトル波紋（fingerprints）”の決定によって物質を明らかにすること、又は同時に特定のスペクトルラインを決定することに特別な回折格子が用いられる。勿論、本発明に係る他の構成においても用いることができる。空間的分割又は空間的に重ね合わされた複数の格子、及び必要に応じて、複数の検出器、ホログラフ的素子を有する構成は、ここでは、例えば同じ角度における異なる複数のスペクトルラインの複数のグループのすべてを回折することができると考えられている。この改良型は、検出器がパターンの検出のためにマスクを用いる場合に特に好ましい（光学的相関方法）。

原文なし

Claims

光分光のための装置であって、
干渉パターンを生成するための手段と、
ただひとつ又は数個の領域の個々の空間モードを許容するように検査される入射光領域をカップリングさせるための手段と、
波長に依存する複数のスペクトル分散光学素子又は回折光学素子によって変換される干渉パターンを伴う上記光領域の少なくともひとつの伝搬方向及び／又は波面を用いて、複数の異なる空間位置において生成された上記干渉パターンの強度を記録することができる検出器とを備えた装置。
請求項１に記載された装置において、
上記干渉パターンを生成するための手段は上記入射光の振幅を分割する装置。
請求項１又は２に記載された装置において、
上記干渉パターンを生成するための手段は上記入射光の波面を分割する装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載された装置において、
検査される上記入射光をカップリングさせるための手段は正確にひとつの明確な空間モード（空間単一モード）のみを許容する装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載された装置において、
検査される上記入射光をカップリングさせるための手段は空間フィルタを含む装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載された装置において、
検査される上記入射光をカップリングさせるための手段は単一モードライトガイド（単一モードファイバ）を含む装置。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載された装置において、
上記検出器は１又は２の自由な空間角度について、上記干渉パターンを介して、変位可能な装置（走査検出器）。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載された装置において、
上記干渉パターンは１又は２の自由な空間角度について変位可能な光学素子（走査検出器）を経て上記検出器上に結像される装置。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載された装置において、
空間一次元解析検出器（アレイ検出器）を有する装置。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載された装置において、
空間二次元解析検出器（アレイ検出器）を有する装置。
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された装置において、
非周期回折構造（non-periodic diffraction structure）を有する少なくともひとつの回折光学素子によって特徴づけられた装置。
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載された装置において、
上記ビームスプリッタは波長に依存する上記部分光線又は上記光領域の少なくともひとつの波面に影響する装置（スペクトル分散ビームスプリッタ）。
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載された装置において、
複数の光学素子は波長に依存する上記部分光線又は上記光領域の少なくともひとつの波面及び／又は光路長に影響する装置（複数のスペクトル分散光学素子）。
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載された装置において、
上記部分光線又は上記光領域の少なくともひとつの相関位相調整を変更又は調節することができる手段（フェーズシフター／フェーズモジュレーター）によって特徴づけられた装置。
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載された装置において、
上記部分領域及び／又は上記入射光の領域の少なくともひとつの空間位置（転換及び／又は傾斜）を変更又は調節することができる手段によって特徴づけられた装置。
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載された装置において、
上記装置又は上記装置の部品は光共振器によって形成されている装置。
請求項１６に記載された装置において、
１又は２以上の波長依存素子が上記共振器中に配置されているか、又は該共振器の少なくともひとつの素子が波長に依存して形成されている装置（スペクトル分散素子）。
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載された装置において、
上記装置又は上記装置の部品は複数個からなる装置。
請求項１乃至１８のいずれか一項に記載された装置において、
干渉によってもたらされる上記部分光線又は上記光領域の光路長差を変更することができる装置。
請求項１乃至１９のいずれか一項に記載された装置において、
干渉によってもたらされる上記部分光線又は上記光領域の光路長差を調節するための手段を有し、
上記干渉に寄与する複数の光成分の選択は該光成分のコヒーレンス特性（コヒーレンス長）に基づいて行うことができる装置。
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載された装置において、
上記干渉計は再帰性反射体又はダイダー（dieder）を有する装置。
請求項１乃至２１のいずれか一項に記載された装置において、
干渉計を回転させるための手段、又は空間周波数又は生成された干渉パターンの空間周波数が適合するように入射角を変更又は選択するための手段を有する装置。
請求項１乃至２２のいずれか一項に記載された装置において、
上記装置の構成部材の位置を変化させるための手段を備え、
特に、空間周波数又は生成した空間周波数を適合させる上記構成部材を回転させるための手段を備える装置。
請求項１乃至２３のいずれか一項に記載された装置において、
上記干渉部分光線又は上記光領域の相関位相の変更、及び上記空間周波数又は上記生成した干渉パターンの空間周波数の変更は上記装置の構成部材の少なくともひとつ動作によって一緒に行う装置。
請求項１乃至２４のいずれか一項に記載された装置において、
上記スペクトル分散素子又は上記回折素子はマルチプレックス格子、マルチプレックスホログラム、ホログラム的な光学素子、又はコンピュータによって生成されたホログラムである装置。
請求項１乃至２５のいずれか一項に記載された装置において、
結果として得られる上記干渉パターン又は該干渉パターンの部分は空間周波数及び／又は空間周波数の連続的なスペクトルを含む装置。
請求項１乃至２６のいずれか一項に記載された装置において、
上記回折光学素子はビームスプリッタとして及び波長分散素子として同時に使用される装置。
請求項２７に記載された装置において、
ビームスプリッタとして用いられる回折素子を備え、
上記干渉パターンを生成するための手段は上記回折格子又は分割された光線又は光領域を再結合するための類似の素子を含む装置。
請求項２７又は２８に記載された装置において、
上記部分光線又は上記光領域は異なる次元における回折格子によって生成され、
上記部分光線又は上記光領域は回折されていない又は反射された部分光線又は光領域（０次元）を含み、
上記部分光線又は上記光領域は好適な手段によって上記回折格子に反射され、
上記回折格子において、異なる次元の回折によって再び重ね合わされる装置。
請求項２８又は２９に記載された装置において、
上記回折格子又は上記回折光学素子から生じる上記複数の部分領域を該回折格子又は該回折光学素子に完全に反射するための２つのミラーを備え、
上記２つのミラーのうちの少なくともひとつは、反射光の相関位相位置が変化できるように変位可能に構成されており、
反射された一部分が上記２つのミラーの一方に届くように、上記回折格子又は上記回折光学素子において上記結合光は最初に分割され、回折された部分は上記２つのミラーの他方に入射し、
上記回折格子又は上記回折光学素子において予め反射された部分領域の一部分が回折することによって検出器に到達するように、上記２つのミラーによって、該回折格子又は該回折光学素子に反射された上記複数の領域の複数の部分は該回折格子又は該回折光学素子によって検出器において再び重ね合わせられ、該回折格子又は該回折光学素子において回折された該部分領域の一部分は反射されることによって該検出器に到達する装置。
請求項１乃至３０のいずれか一項に記載された装置において、
上記結像光学素子及び上記装置は光路の結像平面に与えられている装置。
請求項１乃至３１のいずれか一項に記載された装置において、
上記検出器は検出された干渉パターンの少なくともひとつと相関する空間マスクを有し、
上記空間マスクは固定されて、又は変位可能に設計される装置。
請求項１乃至３２のいずれか一項に記載された装置において、
主として非空間的解析を行う検出器のような上記検出器の、空間モジュレーションを検出する能力は、適合した空間的な光学的に変位可能なマスクと組み合わされる装置。
請求項１乃至３３のいずれか一項に記載された装置において、
空間選択フィルタ及び／又は空間選択検出器と組み合わされた装置。
請求項１乃至２６のいずれか一項に記載された装置において、
光分光器としての装置。
光学分光に対する前記複数の請求項のいずれか一項に記載された装置であって、
干渉部分光線の光路長の相違のそれぞれの設定に従って、入射光の成分は該入射光のコヒーレンス長又はコヒーレンス特性に基づいて選択的に測定される装置。
請求項１乃至３６のいずれか一項に記載された装置において、
ケモメトリクスセンサとしての装置。
請求項１乃至３７のいずれか一項に記載された装置において、
フィルムの層厚を測定するユニット又は空間センサとしての装置。
光スペクトルを求める方法、及び／又は請求項１乃至３４のいずれか一項に記載された装置を用いて測定された干渉パターンの分析による光スペクトル、及び／又は光スペクトルによってコード化又は伝搬された測定値を求める方法。
請求項３９に記載された方法において、
上記干渉パターン又はサイン及び／又はコサイン関数の一次的結合で表現された干渉パターンのフーリエ変換を含む方法（例えば、ハースリー（Harthely）変換）。
請求項３９又は請求項４０に記載された方法において、
上記スペクトルの決定は測定された干渉パターンを上記装置に依存するベースパターンの集合に分解することを含み、
特に、各装置及び求めるべきスペクトル成分に関するベースパターンと検査される干渉パターンとの関係によって求められる方法。
請求項４１に記載された方法において、
スペクトル的にエンコードされた１又は２以上の測定値の測定、特に、それぞれの装置に対して準備されたベースパターンを伴う１又は２以上の干渉パターンと未使用のスペクトル成分との相関によるスペクトル的にエンコードされた１又は２以上の測定値の測定は装置に依存する複数のベースパターンの組において測定された１又は２以上の干渉パターンを分解する方法。
請求項４１又は４２に記載された方法において、
複数のスペクトル成分を求めるために必要な上記複数のベースパターン又はスペクトル的にエンコードされた複数の測定値が測定によって得られる方法。
請求項４１乃至４３のいずれか一項に記載された方法において、
上記スペクトル又は上記スペクトル的にエンコードされた測定値の決定は、異なる複数の相関位相位置における異なる干渉パターンの記録、及び／又は異なる空間モードからの開始を含み、
特に、上記生成された干渉パターンを変化させるために、請求項１４、１５、１９、２０、２２、２３、又は２４に記載された少なくともひとつの手段を利用する方法。
請求項４１乃至４４のいずれか一項に記載された方法において、
上記ベースパターンの決定は、異なる相関位相位置における異なる干渉パターンの記録、及び／又は異なる空間モードに由来する干渉パターンの記録を含み、
特に、上記複数の生成された干渉パターンを変化させるために、請求項１４、１５、１９、２０、２２、２３又は２４に記載された少なくともひとつの手段を利用する方法。
請求項４１乃至４５のいずれか一項に記載された方法において、
それぞれの数変換又は１又は２以上の干渉パターンが、干渉パターン又はベースパターンが測定される代わりに用いられる方法。
請求項４６に記載された複数のパターンを扱う方法において、
上記パターンの個々の測定位置において干渉を引き起こす部分領域の光路長差の決定又は測定を含み、
上記測定位置に対してそれぞれ測定された、干渉を引き起こす上記部分領域の光路長差に依存する個々の測定値の仕分け又は索引付けを含む方法。
請求項４６に記載された複数のベースパターンを扱う方法において、
フーリエ変換又はハートリー変換は、請求項４７に係る変換（複数のベースパターンを直交化する方法）の順序によって実行される方法。