JP2013083460A - 分光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】顕微領域およびマクロ領域それぞれの分光データを一括取得する。
【解決手段】分光計測装置は、測定対象光を２つに分離するビームスプリッター（３）と、スリットに入射した光を分光する分散素子及びこの分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器（１０）と、第１の光を導くシングルモードファイバー（５）と、第２の光を導くマルチモードファイバー（８）と、ファイバー（５，８）の出射側の端面から出射する２つの測定対象光を分光器（１０）のスリットに集光するファイバー集光光学系（９）とを備える。ファイバー集光光学系（９）は、ファイバー（５，８）の出射側の端面を、２つの測定対象光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ２つの測定対象光を２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微領域からの測定対象光とマクロ領域からの測定対象光それぞれの分光データを一括取得することを可能にする分光計測装置に関するものである。

従来から、非特許文献１や非特許文献２などに開示されているように、直線偏光子と、λ／４波長板で構成される偏光フィルターとを用いた分光測定が行われてきた。

I.V.Kukushkin，K.v.Klitzing and K.Eberl，"Enhancement of the skyrmionic excitations due to the suppression of Zeeman energy by optical orientation of nuclear spins"，Physical Review B，Volume 60，No. 4，pp.2554-2560，1999 G.Yusa，H.Shtrikman and I.Bar-Joseph，"Charged Excitons in the Fractional Quantum Hall Regime"，Physical Review Letters，Volume 87，No. 21，pp.216402-1-216402-4，2001

非特許文献１や非特許文献２に開示されている分光計測方法では、顕微領域およびマクロ領域それぞれの分光計測を行うためには、分光器へとつながるシングルモードファイバとマルチモードファイバとを切り替える必要があり、２回の測定が必要であった。すなわち、従来の方法では、１回の測定で顕微領域からの分光データあるいはマクロ領域からの分光データのどちらか一方しか得ることができないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、顕微領域およびマクロ領域それぞれの分光データを一括取得することを目的とする。

本発明の分光計測装置は、測定対象光を２つに分離するビームスプリッターと、スリットに入射した光を分光する分散素子及びこの分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器と、前記ビームスプリッターによって分離された第１の光を導くシングルモードファイバーと、前記ビームスプリッターによって分離された第２の光を導くマルチモードファイバーと、前記シングルモードファイバーの出射側の端面と前記マルチモードファイバーの出射側の端面から出射する２つの測定対象光を前記分光器のスリットに集光するファイバー集光光学系とを備え、前記ファイバー集光光学系は、前記マルチモードファイバーの出射側の端面と前記シングルモードファイバーの出射側の端面とを、前記２つの測定対象光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ前記２つの測定対象光を前記２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することを特徴とするものである。
また、本発明の分光計測装置の１構成例において、前記分光器は、前記スリットの開閉が可能なスリット開閉機構を備え、前記ファイバー集光光学系は、前記分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向が前記スリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、分離した２つの測定対象光を同時に分光器内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に結像させることができるので、分離した２つの測定対象光の分光データの取得を１回の測定で完了させることができ、光学特性が時間的に変動する測定対象について顕微領域、マクロ領域両方のスペクトルの情報を得ることが可能となる。その結果、本発明では、現象の解明を進めることができる。また、本発明では、時間的変動のない測定対象についても測定時間を従来の１／２に短縮することができる。

また、本発明では、分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を設けることにより、スリットの幅を光スポットのサイズよりも狭めるようにすれば、２次元ＣＣＤアレイ上の波長方向への光の広がりを狭めることができるので、測定の高分解能化を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る分光計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるファイバー集光光学系の構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるＦＣコネクターの正面図である。 本発明の実施の形態における分光器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において光ファイバーから分光器の２次元ＣＣＤアレイに至る光学系の模式図である。 本発明の実施の形態において光ファイバーの回動調整を説明する図である。 本発明の実施の形態において２次元ＣＣＤアレイによって撮影した像の例を示す図である。

［発明の原理］
本発明の光学系は、ビームスプリッタを使用して測定対象光を２方向に分離し、この分離した２つの光をそれぞれ独立にマルチモードファイバとシングルモードファイバの端面に結像させて入射させることでそれぞれマクロ領域からの光と顕微領域からの光を抽出し、この２本のファイバの他端を、２つの光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつＣＣＤアレイ受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することで、分離した２つの光を同時に分光器内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイ上の縦軸方向に独立して再結像させることを特徴とする。この光学系により、測定対象光を顕微領域からの光とマクロ領域からの光とに分離した上で、それぞれの分光データを一括して取得することができる。さらに、時間的変動のない測定対象に対しても、１回の測定でデータ取得が完了するため、測定時間の短縮が見込める。

［実施の形態］
図１は本発明の実施の形態に係る分光計測装置の構成を示すブロック図である。分光計測装置は、対物レンズ２と、ビームスプリッター３と、レンズ４と、シングルモードファイバー５と、ミラー６と、レンズ７と、マルチモードファイバー８と、ファイバー集光光学系９と、分光器１０とから構成される。

対物レンズ２は、試料１に焦点を結ぶ無限遠補正レンズであり、試料１からの測定対象光を平行光に変換する。
ビームスプリッター３は、対物レンズ２から入射した光を２方向に分離する。

レンズ４は、ビームスプリッター３によって分離された測定対象光をシングルモードファイバー５の入射側の端面に集光する。ミラー６は、ビームスプリッター３によって分離された測定対象光を反射し、レンズ７は、ミラー６によって反射された測定対象光をマルチモードファイバー８の入射側の端面に集光する。こうして、試料１の顕微領域からの測定対象光がシングルモードファイバー５内を伝搬し、マクロ領域からの測定対象光がマルチモードファイバー８内を伝搬することになる。

シングルモードファイバー５の出射側の端面とマルチモードファイバー８の出射側の端面とは、２つの測定対象光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ２つの測定対象光を分光器１０の２次元ＣＣＤアレイ受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置される。これにより、分離した２つの測定対象光を同時に分光器１０内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイ上に独立して再結像させることができる。

図２はファイバー集光光学系９の構成を示す図である。ファイバー集光光学系９は、ファイバー５，８に取り付けられるＦＣコネクター１００と、ＦＣコネクター１００を固定するファイバー固定具１０１と、ファイバー５，８の端面から出射した２つの測定対象光を反射するミラー１０２と、ミラー１０２によって反射された２つの測定対象光をそれぞれ分光器１０のスリットに集光するミラー１０３とから構成される。図２における１０４は、分光器１０のスリットの位置を表している。

図３はＦＣコネクター１００の正面図であり、ミラー１０２側からＦＣコネクター１００の端面を見た図である。図３において、１０５はＦＣコネクター１００の本体であるフェルール、１０６は位置合わせ用のＦＣコネクターキー、１０７はダミーファイバー、１０８は接着剤である。２本のファイバー５，８は、複数本のダミーファイバー１０７と共にＦＣコネクター１００のフェルール１０５内に挿入され、接着剤１０８によって固定される。フェルール１０５の内径Ｄは例えば１．３〜１．４ｍｍ、ファイバー５とファイバー８の間隔Ｉは例えば０．８〜０．９ｍｍである。以下、２本のファイバー５，８が並ぶ方向（図３の左右方向）をファイバー列方向と呼ぶ。ファイバー５，８は、ファイバー列方向とＦＣコネクターキー１０６とが平行になるように配置される。

上記の間隔でファイバー５，８を配置し、ファイバー５，８の端面から出射する２つの測定対象光をそれぞれファイバー集光光学系９によって集光することで、ファイバー５，８によって伝播される像を分光器１０のスリットに等倍で結像することができる。

図４は分光器１０の構成を示す図である。分光器１０は、標準的なツェルニー・ターナー型の構成であり、幅の調節が可能なスリットを備えたスリット開閉機構１１０と、ファイバー集光光学系９からスリットに入射した２つの測定対象光を反射するミラー１１１と、ミラー１１１によって反射された２つの測定対象光をそれぞれ波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子である回折格子１１２と、回折格子１１２によって分光された光を反射するミラー１１３と、ミラー１１３によって反射された光を受光する２次元ＣＣＤアレイ１１４とから構成される。スリット開閉機構１１０は、スリットを開閉する手段を有している。

ファイバー集光光学系９から分光器１０のスリットに入射した２つの測定対象光は、それぞれミラー１１１を経由して回折格子１１２に入射し、回折格子１１２によって分光された後に、ミラー１１３を経由して２次元ＣＣＤアレイ１１４の受光面上の別々の位置に入射する。回折格子１１２は、入射した測定対象光をその波長に応じて２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向に分散させる。

ここで、ファイバー集光光学系９によって分光器１０のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直であれば、スリット幅をスリット上の光のサイズよりも狭め、２次元ＣＣＤアレイ上の横軸方向への光の広がりを狭めることが可能となるので、測定の高分解能化につながり有利である。そこで、本実施の形態では、分光器１０のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直になるように、ＦＣコネクター１００を回動調整できる機構をファイバー固定具１０１に設けている。

図５はファイバー５，８から分光器１０の２次元ＣＣＤアレイ１１４に至る光学系の模式図である。実際のファイバー集光光学系９は反射光学系であるが、図５では記載を容易にするためにファイバー集光光学系９をレンズ１０９で表している。また、分光器内部の光路の記載を省略すると共に、２次元ＣＣＤアレイ１１４に入射する光をＣＣＤアレイの背面側から透視している。

図５において、１１５は分光器１０のスリット、１１６，１１７はそれぞれファイバー５，８の端面から出射した光がファイバー集光光学系９で集光されることによってスリット１１５の位置に形成された光スポットである。１１８，１１９はそれぞれファイバー５，８の端面から出射した光が分光器１０に入射することによって２次元ＣＣＤアレイ１１４の受光面上に形成された光の像である。また、Ｌはファイバー列方向、ＳＸはスリット１１５の開閉方向、ＳＹはスリット１１５の開閉方向に垂直な方向、ＡＸは２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向、ＡＹは２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向である。２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向ＡＸは、スリット１１５の開閉方向ＳＸと平行であり、２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向ＡＹは、スリット１１５の開閉方向に垂直な方向ＳＹと平行である。

図６（Ａ）〜図６（Ｄ）はファイバー５，８（ＦＣコネクター１００）の回動調整を説明する図であり、スリット１１５上の光スポット１１６，１１７を示す図である。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）において、Ｐはスリット１１５に集光される２つの光スポット１１６，１１７が並ぶ方向である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに垂直な方向からずれている場合を示している。スリット開閉機構１１０によってスリット１１５の幅を狭めようとすると、図６（Ｂ）に示すように光スポット１１６，１１７がスリット１１５から外れてしまうので、スリット１１５の幅を狭めることはできない。

そこで、前述のとおり、光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに対して垂直になるように、ファイバー５，８（ＦＣコネクター１００）を回動させる。この回動は、ＦＣコネクター１００のフェルール１０５の中心軸（すなわち、図５の中心軸Ｃ、図３においてはファイバー５とファイバー８の間に位置する軸であって図３の紙面に対して垂直な軸）を回動軸として実施すればよい。

図６（Ｃ）、図６（Ｄ）は、ファイバー固定具１０１による回動調整後の状態を示している。光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに対して垂直になっているので、スリット１１５の幅を狭めたとしても、図６（Ｄ）に示すように光スポット１１６，１１７がスリット１１５から外れることがない。したがって、スリット１１５の幅を光スポット１１６，１１７のサイズよりも狭めることができる。スリット１１５の幅を光スポット１１６，１１７のサイズよりも狭めると、２次元ＣＣＤアレイ１１４上の横軸方向への光の広がりを狭めることができるので、測定の高分解能化を実現することができる。

図７は２次元ＣＣＤアレイ１１４によって撮影した像の例を示す図である。図７のＹ方向は２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向ＡＹに対応し、図７のＸ方向は２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向ＡＸに対応している。そして、図７のＸ方向は波長を表している。図７における１６は顕微領域からの測定対象光スペクトル、１７はマクロ領域からの測定対象光スペクトルである。このように、分光器１０内に導入された２つの測定対象光は、分光された後に２次元ＣＣＤアレイ１１４上に独立に集光され、図７に示すように２次元ＣＣＤアレイ１１４上に分離した２つのスペクトルの帯として測定される。

したがって、２次元ＣＣＤアレイ１１４の出力信号のうち、マクロ領域からの測定対象光スペクトル１７と、顕微領域からの測定対象光スペクトル１６とを独立に読取装置に取り込み積算することで、マクロ領域からの測定対象光と顕微領域からの測定対象光の２つの測定対象光の分光データの同時取得が可能となる。
こうして、本実施の形態では、分離した２つの測定対象光の分光データの取得が１回の測定で完了するので、光学特性が時間的に変動する測定対象について顕微領域、マクロ領域両方のスペクトルの情報を得ることが可能となる。また、本実施の形態では、時間的変動のない測定対象についても測定時間を従来の１／２に短縮することができる。

本発明は、顕微領域、マクロ領域それぞれからの測定対象光の分光データを一括取得する技術に適用することができる。

１…試料、２…対物レンズ、３…ビームスプリッター、４，７…レンズ、５…シングルモードファイバー、６，１０２，１０３，１１１，１１３…ミラー、８…マルチモードファイバー、９…ファイバー集光光学系、１０…分光器、１００…ＦＣコネクター、１０１…ファイバー固定具、１０５…フェルール、１０６…ＦＣコネクターキー、１０７…ダミーファイバー、１０８…接着剤、１１０…スリット開閉機構、１１２…回折格子、１１４…２次元ＣＣＤアレイ、１１５…スリット。

Claims (2)

1. 測定対象光を２つに分離するビームスプリッターと、
   スリットに入射した光を分光する分散素子及びこの分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器と、
   前記ビームスプリッターによって分離された第１の光を導くシングルモードファイバーと、
   前記ビームスプリッターによって分離された第２の光を導くマルチモードファイバーと、
   前記シングルモードファイバーの出射側の端面と前記マルチモードファイバーの出射側の端面から出射する２つの測定対象光を前記分光器のスリットに集光するファイバー集光光学系とを備え、
   前記ファイバー集光光学系は、前記マルチモードファイバーの出射側の端面と前記シングルモードファイバーの出射側の端面とを、前記２つの測定対象光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ前記２つの測定対象光を前記２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することを特徴とする分光計測装置。
2. 請求項１記載の分光計測装置において、
   前記分光器は、前記スリットの開閉が可能なスリット開閉機構を備え、
   前記ファイバー集光光学系は、前記分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向が前記スリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を備えることを特徴とする分光計測装置。