JP2012058068A - 分光計測装置及び分光計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で分光特性を計測することができる分光計測装置及び分光計測方法を提供する。
【解決手段】測定領域Ｓ１内の各輝点から多様な方向に向かって放射状に生じる散乱光や蛍光発光等の光線群（「物体光」ともいう）は対物レンズ１２に入射し、平行光束へ変換され、位相シフター１４に到達する。そして、位相シフター１４の基準ミラー部１５と傾斜ミラー部１６でそれぞれ反射された後、結像レンズ１８により検出部２０の受光面２０ａで干渉像を形成する。このとき、基準ミラー部１５で反射された光線群と傾斜ミラー部１６で反射された光線群の間に連続的な光路長差分布が存在するため、受光面２０ａにおける干渉像の光強度を検出すると、その光強度が連続的に変化するインターフェログラム（結像強度変化の波形）が得られる。これをフーリエ変換することで被測定物Ｓの一輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を取得することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体膜など、動きのある測定対象の成分分析といったライフサイエンスの分野において有用な分光計測装置及び分光計測方法に関する。

近年、病気の予防や進行を抑える為、あるいは健康管理の為に、様々な病気の生体指標を定期的に計測することが行われている。例えば、糖尿病患者の場合は１日に３，４回、血中グルコース濃度（血糖値）を計測する必要がある。また、高脂血症患者の場合は、血中グルコース濃度ほど頻繁ではないものの、血中コレストロール値や中性脂肪値を定期的に測定する必要がある。そのため、医療従事者ではない一般の人でも日常的に使用できる簡易な医用計測機器の開発が求められている。

血中グルコース濃度や血中コレストロール値といった血中成分の測定は通常、人間の皮膚を通して血液を採取した後、行われている。ところが、採血には苦痛を伴うこと、採血部位や器具の消毒等、面倒な作業が必要であること等から、人間の皮膚や網膜等、生きた体を構成する膜（生体膜）の無侵襲成分計測手法が求められている。このような無侵襲成分計測手法の開発は、全ての医療分野における共通の課題である。
無侵襲で生体膜内部の成分情報を計測するためには、皮膚の透過性の高い近赤外光を用いて分光特性を計測する方法が有効である。しかし、生体膜を対象にした場合、呼吸や心拍に伴う計測対象の動きは避けることができない。更に、日常生活で用いられる血糖値センサーなどでは、小型で可搬性に優れ、低価格であることも必須となる。

分光特性を計測する技術として、波長分散型分光法或いはフーリエ分光法と呼ばれる分光技術を用いた手法が提案されている（非特許文献１参照）。
波長分散型分光法は、測定試料を透過した光、或いは測定試料面で反射した光（以下、物体光という）を回折格子に照射したときに、当該物体光の波長に応じて回折角が異なる原理を利用した分光法である。

一方、フーリエ分光法は、マイケルソン型の２光束干渉光学系を用いた位相シフト干渉による分光計測技術である。物体光をハーフミラーなどのビームスプリッタにより２分岐し、それぞれの光束をミラーにより反射させて再度ハーフミラーに到達させ、２光束を合流させて干渉現象を観察する。２分岐した光束のうちの一方（参照光）を反射するミラーは参照ミラーと呼ばれる。フーリエ分光法では、参照ミラーを光の波長よりも短い分解能で高精度に移動させて干渉光強度を変化させ、いわゆるインターフェログラムを検出し、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換することにより分光特性を取得する。

測定試料面から射出される物体光の光線方向は、散乱、屈折、反射等により様々な方向となる。このように多様な方向の光線成分が回折格子や参照ミラーに照射されると、分光精度が低下する。そのため、いずれの分光法においても物体光の空間的コヒーレンシー（可干渉性）を高めるために、微小開口を有するピンホールやスリットを用いて物体光のうち特定方向の光線成分のみを回折格子や参照ミラーに照射させている。求められる分光性能にもよるが、分散型分光法では穴径が数十ミクロン程度のピンホールが、フーリエ分光法では数ミリ程度の開口幅を有するスリットが用いられる。

このようにピンホールやスリットを用いると、大半の物体光はピンホールやスリットを通過せず、計測に用いられないことから、光の利用効率が低い。生体膜内部から生じた散乱光などは微弱光である。従来の分光技術は微弱光計測には不向きであり、生体膜内部の任意の位置で発する散乱光を観察したり、その分光特性を評価したりすることは困難であった。

そこで、本発明者は、被測定物を光学的に構成する各輝点から生じる物体光束同士の干渉現象を利用することにより被測定物のインターフェログラムを求める手法を提案した（特許文献１参照）。

この手法では、各輝点から生じる光は対物レンズを介して位相可変フィルタの固定ミラー部と可動ミラー部に導かれる。可動ミラー部はピエゾ素子などにより駆動されるようになっており、これら２つのミラー部から反射される物体光束が結像面において干渉像を形成する。この干渉像強度は可動ミラー部の移動に伴い変化し、いわゆるインターフェログラムを形成するため、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより透過光や拡散・散乱光の分光特性（スペクトル）を取得することができる。

特許文献１に係る方法では、対物レンズを透過してきた光線の全てを分析に用いることができるため、光の利用効率が高く、微弱光計測に適している。また、マイケルソン干渉計に代表される２光束干渉計に必須となるビームスプリッタが不要である。つまり、対物レンズや結像レンズを反射型レンズにすることにより、反射光学系による分光装置の提供が可能となる。この場合、透過光学部品の分散の悪影響を受けないことから、広帯域の分光特性を取得可能である。

特開2008-309706号公報

平石次郎編「フーリエ変換赤外分光法」学会出版センター, 1985年11月

ところが、特許文献１の方法では、高精度で、且つ高い運動真直度で可動ミラー部を駆動する必要があるため、高精度ピエゾステージといった高額な駆動機構が必要となる。また、駆動機構を有する分、装置が大形化する。さらに、可動ミラー部を機械的に走査する方法は、空間分解能の面では優れているが時間分解能の面では必ずしも優れた手法とは言えない。

本発明が解決しようとする課題は、小型で可搬性に優れ、且つ計測時間の短縮化を図ることができる分光計測装置及び分光計測方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明の第１態様に係る分光計測装置は、
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて第１及び第２の光に分割する分割光学系と、
b) 前記第１及び第２の光を、これら第１及び第２の光の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１及び第２の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
e) 前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有することを特徴とする。

また、上記第１態様と同じ原理であるが、別の構成として、本発明の第２態様に係る分光計測装置は、
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめた後、第１反射部と第２反射部に分割して導く分割光学系と、
b) 前記第１反射部によって反射された第１反射光及び第２反射部によって反射された第２反射光をこれら第１及び第２反射光の光軸とは異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射光と前記第２反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
e) 前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有することを特徴とする。

さらに、本発明の第３態様に係る分光計測装置は、
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて第１及び第２の光に分割する分割光学系と、
b) 前記第１及び第２の光を、これら第１及び第２の光の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１及び第２の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
e) 前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と
を有することを特徴とする。

また、上記第３態様と同じ原理であるが、別の構成として本発明の第４態様に係る分光計測装置は、
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめた後、第１反射部と第２反射部に分割して導く分割光学系と、
b) 前記第１反射部によって反射された第１反射光及び第２反射部によって反射された第２反射光をこれら第１及び第２反射光の光軸とは異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第１反射光と前記第２反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
e) 前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と
を有することを特徴とする。

更に、本発明の第５態様に係る分光計測方法は、
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を分割光学系によって基準光線群と傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
c) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる向きに沿う光強度分布に基づき前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得することを特徴とする。

また、本発明の第６態様に係る分光計測方法は、
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を分割光学系によって基準光線群と傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
c) 前記線状の干渉像を分光光学系によって波長分解することにより分光スペクトルを取得することを特徴とする。

本発明に係る分光計測装置及び分光計測方法は、結像光学系を用いたものであり、被測定物を光学的に構成する各輝点から生じる光を分割光学系で分割し、分割された物体光束同士の干渉現象を利用して被測定物のインターフェログラムを求めている。ここで、「分割光学系」の用語は、各輝点からの光を単純に分割するものとして、光学的に光を波長毎に分割する「分光光学系」と区別して用いている。
本発明では、分割光学系を通過してきた光線の全てを分析に用いることができるため、極めて光の利用効率が高く、微弱光計測に適している。なお、「通過」には「透過」や「反射」が含まれる。

また、本発明では、干渉像の光強度を１回検出することにより該干渉像の光強度変化に基づくインターフェログラムを求めることができるため、分光計測に要する時間を短縮することができる。従って、計測中の機械的振動などの影響を受けにくく、計測精度の向上を図ることができる。
しかも、従来構成と異なり、干渉像を形成する第１及び第２の光（第１反射光及び第２反射光）の間に光路長差分布を与えるための駆動機構が不要であるため装置を小形化することができ、可搬性を有する分光計測装置を提供することができる。

本発明では、第１の光（第１反射光）と第２の光（第２反射光）を同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系を用いたため、測定対象が被測定物上の１個の測定点から放射される光のスペクトルを求めるときは、検出部として複数の画素が一次元（線状）に配置された検出デバイスが必要となり、被測定物上の一直線上に位置する複数の測定点から放射される光のスペクトルを求めるときは、検出部として複数の画素が二次元に配置された検出デバイスが必要となる。言い換えれば、検出部として一次元の検出デバイスを用いれば被測定物上の一測定点のスペクトルを求めることができ、二次元の検出デバイスを用いれば被測定物上の線状に並ぶ複数の測定点のスペクトルを同時に求めることができる。

一般に、結像光学系の空間解像度は、λ／NAに比例して決まることが知られている。なお、λは光の波長、NAは対物レンズの数値開口数（Numerical Aperture）を示す。従って、高NAの対物レンズを用いれば高い解像度を得ることができる。また、液浸レンズや変形照明など超解像技術を組み合わせて用いれば、解像度の一層の向上を図ることができる。

本発明では、分割光学系は、被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられる光を１つにまとめた後、２つの光に分割する。従って、例えば対物レンズを用いて測定点からの光を１つにまとめるようにすれば、対物レンズの合焦位置から発せられ結像に作用する光線のみの分光特性を計測できる。これにより、対物レンズあるいは試料を焦点深度方向に移動させ合焦位置を移動させることにより３次元の分光特性を取得できる。
焦点深度はλ／NA^２に比例して光学的に決定されることから、超解像技術を用いて高NA光学システムを用いれば深さ方向の空間的な分解能も容易に向上させることができる。

本発明の実施例１に係る分光断層像計測装置の全体構成図。 （ａ）は分光断層像計測装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は分光断層像計測装置を概略的に示す上面図。 実施例１における基準光線群と傾斜光線群の干渉イメージを示す図。 インターフェログラム（ａ）と、それをフーリエ変換して得られたスペクトルの波形図（ｂ）。 本発明の実施例２に係る分光断層像計測装置を概略的に示す上面図。 実施例２に係る結像レンズの斜視図。 実施例２における基準光線群と傾斜光線群の干渉イメージを示す図。 本発明の実施例３に係る分光断層像計測装置を概略的に示す上面図。 本発明の変形例に係る分光断層像計測装置を概略的に示す上面図。

物体に光を照射すると、反射、屈折、散乱、蛍光など様々な光学現象に起因して物体光が生成される。これらの生成された光により物体を光学的にモデル化すると、理想的な点光源である輝点の集合体と見なすことができる。照明方式や物体光を生成する光学現象により指向性は異なるが、理想的な点光源である１つの輝点からは放射状に光線が射出される。このように光学的に物体を構成している輝点群を、レンズを用いて結像面上に再構成して光学的に共役な輝点群を像として形成するのが結像光学系である。

蛍光発光や散乱光線の場合、各輝点間の光線の初期位相は必ずしも一致していない。つまり、物体上に初期位相の揃わない輝点が多数分布していると光学的にモデル化して考えられる。しかし、結像光学系では、物体面から結像面に至るまでの空間における各光線の光路を辿れば、物体を光学的に構成している１つの輝点から発生した光線群は、結像面上で位相が揃って集光すると考えることができる。このとき、一般的な結像光学系では、1つの輝点から発生した光線群は結像面上で１点に集光することにより結像するが、結像レンズとしてシリンドリカルレンズを用いれば、１つの輝点から発生した光線群は結像面上で一直線上に集光することにより結像する。

本発明では、分割光学系により、物体を光学的に構成する各輝点から生じる物体光を２つの光線群に分割し、結像光学系により、これら２つの光線群を結像面上の同一直線上に集光させて結像させる。そして、これら光線群同士の干渉現象によって結像面に形成される線状の干渉像の該干渉像に沿った方向の干渉光強度分布（結像強度分布）を検出器によって検出する。線状の干渉像を形成する２つの光線群の間の相対的な光路長差が、例えば当該線状の干渉像の一方の端部から他方の端部に向かって連続的に変化（増加又は減少）するようにすれば、各光線群を構成する種々の波長の光線の干渉光強度は、その波長の長さに応じて周期的に変化することから、干渉像に沿った方向の干渉光強度分布を検出することでインターフェログラムを取得することができる。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより波長ごとの相対強度である分光特性（スペクトル）を取得することができる。

また、干渉像の光強度分布を測定する構成に代えて、分光光学系、例えばシリンドリカルレンズや回折格子等を用いて干渉像を波長分解するようにすれば、数学的にフーリエ変換しなくても光学的に分光スペクトルを取得することができ、分光計測時間を一層短縮することができる。

以下、本発明を分光計測装置である分光断層像計測装置に適用した具体的な実施例について説明する。以下に示す実施例は、例えば皮膚の透過性が良い波長光を被検者の手のひらに照射したときに当該手のひらから放出される透過光や散乱光の分光特性に基づき血液成分を計測したり、細胞膜表層の糖タンパク質を量子ドットで標識したときに当該量子ドットから放出される蛍光発光の分光特性に基づき糖タンパク質の分布を観察したりする装置に利用できる。また、眼底の血管、網膜、視神経等を調べるための眼底イメージング装置にも利用可能である。

図１〜図４は本発明の第１実施例を示している。図１及び図２に示すように、実施例１に係る分光断層像計測装置１０は、対物レンズ１２、位相シフター１４、結像レンズ（シリンドリカルレンズ）１８、結像面となる位置に受光面２０ａを有する検出部２０、検出部２０の検出信号を処理する処理部２１を備える。なお、図２の（ａ）では、説明の便宜上、位相シフター１４の図示を省略している。
前記対物レンズ１２は、レンズ駆動機構２２によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構２２は、対物レンズ１２の合焦位置を走査するためのものであり本発明の合焦位置変更手段に相当する。前記レンズ駆動機構２２は、例えばピエゾ素子により構成することができる。

図示しない光源から試料Ｓ（被測定物）上の線状の測定領域Ｓ１に対して光が照射されることにより当該測定領域Ｓ１内の各輝点から多様な方向に向かって放射状に生じる散乱光や蛍光発光等の光線群（「物体光」ともいう）は、対物レンズ１２に入射し、平行光束へ変換される。

なお、対物レンズ１２を透過した後の光束は完全な平行光束である必要はない。後述するように、１つの輝点から生じた光線群を２分割あるいはそれ以上に分割できる程度に広げることができればよい。ただし、平行光束でない場合は、後述の位相シフト量に応じて生じる位相差量に誤差を生じ易い。従って、より高い分光計測精度を得るためにはできるだけ平行光束とすることが望ましい。

対物レンズ１２を透過してきた平行光束は位相シフター１４に到達する。位相シフター１４は、基準ミラー部１５、傾斜ミラー部１６、これらミラー部１５，１６を保持する保持部（図示せず）等を備えて構成されている。基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の表面（反射面）は光学的に平坦で且つ本装置１０が計測対象とする光の波長帯域を反射可能な矩形状の光学鏡面となっている。また、基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の反射面はほぼ同じ大きさを有している。

物体のテクスチャーがある一方向に偏っている場合は、物体を光学的に構成する各輝点から生じる光（物体光）は特定の方向にのみ向かう。このため、位相シフター１４に到達する平行光束の光量分布に偏りが生じ、結像面である受光面２０ａ上に一様な光量分布が得られないおそれがある。一方、物体のテクスチャーが比較的ランダムな場合は、位相シフター１４に一様な光量分布で物体光が到達する。そこで、以下の説明では、試料Ｓのテクスチャーが比較的ランダムであることとし、位相シフター１４には一様な光量分布で光束が到達し、基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の反射面にはそれぞれ同量の光束が照射されることとする。

本実施例では、対物レンズ１２及び位相シフター１４が本発明の分割光学系に相当し、位相シフター１４が本発明の光路長差付与手段に相当する。また、基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６がそれぞれ第１反射部及び第２反射部に相当する。
なお、以下の説明では、位相シフター１４に到達した光束のうち基準ミラー部１５の反射面に到達して反射される光束を基準光線群、傾斜ミラー部１６の反射面に到達して反射される光束を傾斜光線群ともいう。

前記基準ミラー部１５は、対物レンズ１２からの平行光束の光軸に対して反射面が例えば45°傾くように配置されている。また、傾斜ミラー部１６は、対物レンズ１２からの平行光束の光軸に対して反射面が（45＋Δθ）°傾くように配置されている。このように基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６を対物レンズ１２からの平行光束に対して斜めに配置すれば、光束を分岐するためのビームスプリッタが不要となる。本実施例では対物レンズ１２を用いているが、反射光学系でこの機能を構成することもできる。このようにすれば、分散の影響が全く無くなることから、広帯域の分光特性を計測できる。

また、基準ミラー部１５に対する傾斜ミラー部１６の傾斜角度、つまりΔθは結像光学系の倍率、測定波長範囲、波数分解能等の光学条件に基づき設定される。例えば、測定波長を可視領域から近赤外領域（400nm〜1000nm）とした場合、波長分解能：λ²/Δλ＝5nmを得るためには、中心波長λ＝700nmであることから、位相シフト量Δλ＝100μmになる。検出部２０（受光素子）としてCCDカメラを用いた場合、およそ１ラインの画素数は５００画素程度である。このことから、１ラインあたりの位相シフト量が100μmの場合、１画素毎の位相差量は200nmになり、サンプリング定理から波長400nmまで測定可能となる。上述したように、測定波長は可視域（400nm〜1000nm）であるから、１画素毎の位相差量が200nmであれば、短波長側のサンプリング定理を満たす。

また、CCDカメラの１ラインあたりの位相シフト量が100μmであることから、その半分の50μm（100μm÷２）を基準ミラー部１５と傾斜ミラー部１６の最大幅とすればよく、例えば各ミラー部の、光路方向（各ミラー部の傾斜方向）に沿う長さが約3mmのとき、傾斜角度は約1degとなる。
また、特に、中赤外光などの長波長領域においては、インターフェログラムの干渉強度変化だけでなく、干渉強度変化の包絡線を長ストロークの位相シフト領域において取得しなくてはならない。これは、フーリエ分光の原理として、波数分解能を高くするためには位相シフト量を長くしなくてはならないことからも知られている。このように、長ストロークに渡ってインターフェログラムの包絡線を検出するためには、傾斜ミラー部１６に大きな傾斜角を設けなくてはならない。この場合、インターフェログラムの干渉強度変化を検出するためと、包絡線を検出するための２段階程度の傾き切り替え機構を設ければよい。中赤外領域で包絡線を計測する場合、位相シフト量が例えば50mm程度が必要になることから、光路方向に沿う長さを例えば100mmに長くして2.9degの傾きにすればよい。

位相シフター１４に到達し、基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の反射面で反射された基準光線群及び傾斜光線群は、それぞれ結像レンズ１８に入射する。結像レンズ１８は、その凸面部が位相シフター１４側を向き、平面部が検出部２０の受光面２０ａ側を向くように配置されている。検出部２０の受光面２０ａは結像レンズ１８の結像面に位置するため、測定領域Ｓ１の一輝点から発せられ、基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の反射面で反射された後、結像レンズ１８に入射した基準光線群及び傾斜光線群は、該結像レンズ１８により一方向にのみ収束され、検出部２０の受光面２０ａ上の同一直線上に集光することにより結像する。なお、本実施例では、結像レンズ１８は、その凸面部の曲率を有する方向（図１に矢印Ａで示す方向）が測定領域Ｓ１の方向と平行になるように配置されているものとする。このような配置により、結像レンズ１８に入射した基準光線群及び傾斜光線群は、受光面２０ａ上であって測定領域Ｓ１と直交する直線上に集光する。
検出部２０は例えば二次元ＣＣＤカメラから構成されている。基準ミラー部１５の反射面と傾斜ミラー部１６の反射面は、検出部２０の結像面で２つの光線群の集光位置がずれない程度の精度で、相対的に平行な面となるように構成されている。

上記構成を有する分光断層像計測装置１０の光学的作用について説明する。
ここでは、蛍光や散乱光など初期位相が必ずしも揃っていない光線群が、対物レンズ１２を経て平行光線化され、その後、位相シフター１４によって基準光線群と傾斜光線群に分割されて、そのうち基準光線群が結像レンズ１８によって検出部２０の受光面２０ａで位相が揃った波として一直線上に集光する光学モデルに基づいて説明する。このとき、傾斜光線群はその位相が基準光線群の位相と徐々にずれた波として受光面２０ａに一直線上に集光する。

前述したように、試料Ｓの測定領域Ｓ１内の一輝点から発せられた光線群は、対物レンズ１２を経て位相シフター１４の基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の表面に到達する。このとき、基準ミラー部１５の表面及び傾斜ミラー部１６の表面に光線群が上下に二分割されて到達する。なお、基準ミラー部１５の表面に到達した光線群即ち基準光線群と、傾斜ミラー部１６の表面に到達した光線群即ち傾斜光線群の光量がほぼ等しくなるように、両ミラー部１５，１６の表面の面積は設定されているが、基準光線群及び傾斜光線群の一方或いは両方の光路に減光フィルタを設置して相対的な光量差を調整し、光量の均等化を行うことも可能である。

基準ミラー部１５及び傾斜ミラー部１６の表面で反射された光線群は、それぞれ基準光線群及び傾斜光線群として結像レンズ１８に入射し、検出部２０の受光面２０ａにおいて同一直線上に集光し、干渉像を形成する。このとき、基準光線群は結像レンズ１８を経て結像面である受光面２０ａ上で位相が揃った波として集光するように構成されているため、図３に示すように、基準光線群の波面は検出部２０の受光面２０ａと平行な状態となる。一方、傾斜光線群は、その光軸が基準光線群の光軸に対して２×Δθ°傾いた状態で結像レンズ１８に入射するため、傾斜光線群は、その波面が受光面２０ａに対してやや傾いた状態となる。

このとき、基準光線群の波面に対して傾斜光線群の波面が傾斜していることから、基準光線群の光と傾斜光線群の光の干渉領域では、両光線群の間の光路長差が徐々に変化する（図３では、右側から左側に向かって徐々に大きくなる）ことになる。測定領域Ｓ１から発せられる光線群には様々な波長の光が含まれる（且つ各波長の光の初期位相が必ずしも揃っていない）ことから、干渉領域の基準光線群と傾斜光線群の間の光路長差が連続的に変化することにより、図４（ａ）に示すようなインターフェログラムと呼ばれる結像強度分布（干渉光強度分布）の波形が得られる。

例えば、図１に示すように、測定領域Ｓ１の輝点（測定点）a1から発せられた光線群は、受光面２０ａ（結像面）上の一直線上に集光することで線状の干渉像b1が得られ、輝点（測定点）a2から発せられた光線群は、受光面２０ａ上の一直線上に集光することで線状の干渉像b2が得られる。各干渉像b1、b2、のインターフェログラムは、それぞれ干渉像に沿って並ぶ複数の画素の受光強度から得られる。図４（ａ）において、横軸は線状の干渉像に沿って並ぶ検出部２０の画素番号を、縦軸は結像強度（各画素の受光強度）を示す。この画素番号を、画素ごとの位相シフト量により換算することにより、横軸が位相シフト量であるインターフェログラムが得られる。

処理部２１は、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより、測定領域Ｓ１の各輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を得る（図４(b)参照）。検出部２０の全ての画素を用いて分光特性を得ることができれば、測定領域Ｓ１の１次元分光計測が可能となる。また、照射光が照射される測定領域Ｓ１を走査すれば、被測定物Ｓの２次元分光計測が可能となる。さらに、測定領域Ｓ１を走査すると共に、対物レンズ１２を移動させて合焦面（合焦位置を含む面）を走査することにより３次元分光計測が可能となる。これは、干渉強度変化であるインターフェログラムが、合焦面からの結像に寄与する物体光のみにより生成されるため、合焦面内に測定面深さを限定できる特徴による。

図５〜図７は本発明の実施例２を示している。図５及び図６に示すように、本実施例の分光断層像計測装置１０では、結像レンズ１８が、基準ミラー部１５で反射された基準光線群が入射する基準レンズ部１８ａと傾斜ミラー部１６で反射された傾斜光線群が入射する傾斜レンズ部１８ｂとに分割されている。基準レンズ部１８ａと傾斜レンズ部１８ｂは、実施例１の結像レンズ１８を２分割した形状を有しており、基準光線群及び傾斜光線群の一方の光軸に対する他方の光軸の傾きを維持したまま、検出部２０の受光面２０ａ（結像面）上に形成される線状の干渉像に沿って他方の光軸がずれるようにそれぞれ配置されている。つまり、これら基準レンズ部１８ａ及び傾斜レンズ部１８ｂは結像光学系及び光軸位置変更手段として機能する。
このような構成により、図７に示すように、受光面２０ａ上において基準光線群の光と傾斜光線群の光が重複する領域、つまり干渉領域を大きくすることができる。

図８は本発明の実施例３を示している。この実施例３では、実施例１の結像面の位置に光強度を単色光に変換する、例えば蛍光板などの単色光変換手段１００を設置し、これを物体面とした位置にシリンドリカルレンズ３０を配置している。そして、前記シリンドリカルレンズ３０の光学的フーリエ変換面に検出部２０の受光面２０ａが位置するように該検出部２０を配置している。シリンドリカルレンズ３０はその曲率を有しない方向が線状の干渉像が延びる方向と直交するように配置されている。

この実施例３では、結像レンズ１８を透過した基準光線群と傾斜光線群の干渉像が、単色光変換手段１００により空間的な明るさ強度分布に変換される。そして、シリンドリカルレンズ３０によって光学的にフーリエ変換され、結像面上に分光スペクトルがリアルタイムに形成される。検出部２０の受光面２０ａがシリンドリカルレンズ３０のフーリエ変換面上にあるため、前記分光スペクトルの光強度分布を光学的に求めることにより、実施例１で得られたインターフェログラムを数学的にフーリエ変換した場合と同じ分光特性が得られる。すなわち、本実施例ではフーリエ変換処理をしなくても直接的に分光特性が得られるので、より短時間に分光特性を得ることができる。なお、この実施例３では、単色光変換手段１００、シリンドリカルレンズ３０が分光光学系を構成する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
被測定物の測定点から放射され、対物レンズによって平行光線化された光線群の一部はそのまま結像光学系（シリンドリカルレンズ）に向かい、残りの光線群はくさび形のガラス板を透過して結像光学系に向かうようにしても良い。このような構成によっても、測定点から多様な方向に向かって発せられた光を２分割し、且つ、２分割された光の間に連続的な光路長差分布を与えることができる。つまり、上記構成では、対物レンズとくさび形のガラス板から分割光学系が構成され、くさび形のガラス板から光路長差付与手段が構成される。

単色光変換手段１００の代わりに回折格子を設置しても良い。例えば、単色光変換手段１００の代わりに透過型の回折格子を設置すれば、基準光線群と傾斜光線群の干渉像が、分散により波長分解されて検出部２０の受光面２０ａに波長ごとの強度分布を得ることが可能となる。このような構成においては、回折格子が分光光学系を構成することになる。
シリンドリカルレンズや回折格子等、分光光学系を用いた場合、分割光学系を構成する対物レンズの合焦面に計測深さを限定した分光特性を極めて高速に計測することが可能になる。

上記実施例では、位相シフターを矩形状の光学鏡面を有する基準ミラー部及び傾斜ミラー部から構成したが、円板状の光学鏡面を有する第１ミラー（第１反射部）と、その外周に位置するドーナツ状の第２ミラー（第２反射部）から構成しても良い。第２ミラーの内周円及び外周円は第１ミラーの同心円であり、第１ミラーに対して第２ミラーは相対的に傾斜している。このような形状の光学鏡面を有するミラーから位相シフターを構成すると、被測定物のテクスチャーがある一方向に偏っていて、位相シフターに到達する平行光束の光量分布に偏りが生じるような場合でも、結像面上に一様な光量分布を得ることができる。

図９に示すように、試料Ｓ（被測定物）を矢印Ｃ方向に移動させることにより測定領域Ｓ１を走査する走査手段２００を設けても良い。

１０…分光断層像計測装置
１２…対物レンズ
１４…位相シフター
１５…基準ミラー部
１６…傾斜ミラー部
１８…結像レンズ
１８ａ…基準レンズ部
１８ｂ…傾斜レンズ部
２０…検出器
２０ａ…受光面
２１…処理部
２２…レンズ駆動機構
３０…シリンドリカルレンズ
１００…単色光変換手段
２００…走査手段

Claims (10)

1. a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて第１及び第２の光に分割する分割光学系と、
   b) 前記第１及び第２の光を、これら第１及び第２の光の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   c) 前記第１及び第２の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
   d) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
   e) 前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
   を有することを特徴とする分光計測装置。
2. a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて第１及び第２の光に分割する分割光学系と、
   b) 前記第１及び第２の光を、これら第１及び第２の光の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   c) 前記第１及び第２の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
   d) 前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
   e) 前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と
   を有することを特徴とする分光計測装置。
3. a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめた後、第１反射部と第２反射部に分割して導く分割光学系と、
   b) 前記第１反射部によって反射された第１反射光及び第２反射部によって反射された第２反射光をこれら第１及び第２反射光の光軸とは異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   c) 前記第１反射光と前記第２反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
   d) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
   e) 前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
   を有することを特徴とする分光計測装置。
4. a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめた後、第１反射部と第２反射部に分割して導く分割光学系と、
   b) 前記第１反射部によって反射された第１反射光及び第２反射部によって反射された第２反射光をこれら第１及び第２反射光の光軸とは異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   c) 前記第１反射光と前記第２反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
   d) 前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
   e) 前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と
   を有することを特徴とする分光計測装置。
5. 前記分割光学系が、測定点から多様な方向に向かって発せられた光を平行光線化して第１及び第２反射部に導く対物レンズを備え、
   前記処理部は、前記被測定物のうち前記対物レンズの合焦位置に位置する線状の測定領域内の測定点から多様な方向に向かって発せられた光のスペクトルを求めることを特徴とする請求項３又は４に記載の分光計測装置。
6. 前記線状の測定領域を走査する走査手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の分光計測装置。
7. 前記結像光学系を透過した前記第１反射光の光軸に対する、前記結像光学系を透過した前記第２反射光の光軸の位置を、相対的に変更する光軸位置変更手段を備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の分光計測装置。
8. 前記分割光学系が、測定点から多様な方向に向かって発せられた光を平行光線化して第１及び第２反射部に導く対物レンズを備え、
   前記被測定物に対する前記対物レンズの合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の分光計測装置。
9. a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を分割光学系によって基準光線群と傾斜光線群に分割し、
   b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
   c) 前記線状の干渉像の該干渉像が延びる向きに沿う光強度分布に基づき前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する分光計測方法。
10. a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を分割光学系によって基準光線群と傾斜光線群に分割し、
    b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
    c) 前記線状の干渉像を分光光学系によって波長分解することにより分光スペクトルを取得する分光計測方法。

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