JP2014048096A - Two-dimensional spectral measurement device, and two-dimensional spectral measurement method - Google Patents

Two-dimensional spectral measurement device, and two-dimensional spectral measurement method Download PDF

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武士 河尻
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate an interferogram on an image formation surface when an object S to be measured is a low scattering body or a low diffusivity body such as a liquid.SOLUTION: A two-dimensional spectral measurement device comprises: an object lens which light emitted from an object to be measured enters; a phase shifter disposed at the rear of the object lens; an imaging lens which light reflected at the phase shifter enters; a detector disposed on an image formation surface of the imaging lens; and an optical element which is disposed at the front of the object lens and which diffuses light transmitted through the object to be measured which is a low scattering body or a low diffusivity body. The light transmitted through the object to be measured is scattered by the optical element to enter the object lens. The entering light is interfered by the phase shifter, thus an interferogram is generated on the image formation surface.

Description

この発明は、液体などの低散乱体又は低拡散率体等を被測定物とし、この被測定物について高解像度の2次元分光像を計測する二次元分光計測装置及び二次元分光計測方法に関する。   The present invention relates to a two-dimensional spectroscopic measurement apparatus and a two-dimensional spectroscopic measurement method for measuring a high-resolution two-dimensional spectroscopic image of a measurement object using a low scatterer such as a liquid or a low diffusivity object.

物体から発する光、あるいは物体を透過する光を分光技術を使って分析する典型的手法として、フーリエ分光法がある。典型的なフーリエ分光法は、物体光をハーフミラーなどのビームスプリッターにより2分岐させ、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測する。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で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。   As a typical method for analyzing light emitted from an object or transmitted through an object by using a spectroscopic technique, there is Fourier spectroscopy. In typical Fourier spectroscopy, object light is split into two by a beam splitter such as a half mirror, the respective light beams are reflected by a mirror, reach the half mirror again, and the two light beams are merged to observe an interference phenomenon. A mirror that reflects one of the two branched light beams (reference light) is called a reference mirror. In Fourier spectroscopy, the reference mirror is moved with high accuracy at a resolution shorter than the wavelength of light to change the interference light intensity, detect a so-called interferogram, and mathematically Fourier transform the interferogram. Obtain spectral characteristics.

しかし、このフーリエ分光法は、ポイント計測であるため、被測定物の幾何学的配置を知ることが出来ない。   However, since this Fourier spectroscopy is a point measurement, it cannot know the geometrical arrangement of the object to be measured.

そこで、対物レンズと結像レンズの間に固定ミラー及び可動ミラーから構成される位相シフターを配置し、位相シフターにより物体光から干渉光を生成して結像面にインターフェログラムを生成するようにした二次元分光計測装置が提案されている(特許文献1)。   Therefore, a phase shifter composed of a fixed mirror and a movable mirror is arranged between the objective lens and the imaging lens, and interference light is generated from object light by the phase shifter to generate an interferogram on the imaging plane. A two-dimensional spectroscopic measurement apparatus has been proposed (Patent Document 1).

図1は、この二次元分光計測装置の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of this two-dimensional spectroscopic measurement apparatus.

図において、図示しない光源から被測定物Sに対して光が照射されることにより被測定物Sの1輝点から散乱光や蛍光発光などが放射状に発生し、この光線群(物体光ともいう)は、対物レンズ1に入射し、平行光束に変換される。対物レンズ1を透過してきた平行光束は位相シフターに2に到達する。位相シフター2は、平板状の固定ミラー20及び可動ミラー21で構成されている。位相シフター2は、対物レンズ1の中心軸(平行光束の光軸)に対して反射面が45度傾いている。駆動部3は可動ミラー21を図の矢印方向、つまり、対物レンズ1の中心軸に対して45度の角度で往復駆動する。このような構成により、可動ミラー21の光軸方向の移動(ベクトル)量(長さ)は、駆動部3による駆動量(長さ)の1/√2となる。   In the figure, when light is irradiated to the object to be measured S from a light source (not shown), scattered light, fluorescent light emission and the like are generated radially from one bright spot of the object to be measured S, and this light beam group (also referred to as object light). ) Enters the objective lens 1 and is converted into a parallel light beam. The parallel light beam that has passed through the objective lens 1 reaches the phase shifter 2. The phase shifter 2 includes a flat fixed mirror 20 and a movable mirror 21. The phase shifter 2 has a reflection surface inclined by 45 degrees with respect to the central axis of the objective lens 1 (the optical axis of the parallel light beam). The drive unit 3 drives the movable mirror 21 to reciprocate at an angle of 45 degrees with respect to the arrow direction in the figure, that is, the central axis of the objective lens 1. With such a configuration, the movement (vector) amount (length) of the movable mirror 21 in the optical axis direction is 1 / √2 of the drive amount (length) of the drive unit 3.

位相シフター2の反射光は結像レンズ4に入射する。位相シフター2の反射面は結像レンズ4の中心軸に対しても45度傾いている。結像レンズ4の結像面には二次元CCDカメラなどからなる検出部5が配置されている。制御部6は駆動部3を駆動することで、位相シフター2に入射する2種類の光、つまり固定ミラー20に入射する光と可動ミラー21に入射する光(光路差を変化させた光)とを干渉させることができ、これにより前記結像面にインターフェログラムを生成する。制御部6は、インターフェログラムをフーリエ変換することにより被測定物Sの分光特性を取得する。   The reflected light of the phase shifter 2 enters the imaging lens 4. The reflection surface of the phase shifter 2 is also inclined 45 degrees with respect to the central axis of the imaging lens 4. A detection unit 5 including a two-dimensional CCD camera is disposed on the imaging surface of the imaging lens 4. The control unit 6 drives the drive unit 3 so that two types of light incident on the phase shifter 2, that is, light incident on the fixed mirror 20 and light incident on the movable mirror 21 (light whose optical path difference is changed) and Thereby interferograms are generated on the imaging plane. The control unit 6 acquires the spectral characteristics of the object to be measured S by Fourier transforming the interferogram.

上記の二次元分光計測装置によれば、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成するため、被測定物の幾何学的配置を知ることが出来る。
特開2008−309706号
According to the above-described two-dimensional spectroscopic measurement device, a group of bright spots that are optically conjugate is formed as an image on the imaging plane using a lens, so that the geometrical arrangement of the object to be measured can be known.
JP 2008-309706 A

しかし、上記二次元分光計測装置は、被測定物を光学的な輝点群としたとき、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成する結像光学系であるため、被測定物から放射状に様々な方向に光線が出ている場合は問題がないが、被測定物に液体などの低散乱体又は低拡散率体を使用した場合、或いは鏡面体からの反射光の場合は結像しない。この問題を図2(A)(B)を参照して説明する。   However, when the object to be measured is an optical bright spot group, the two-dimensional spectroscopic measurement apparatus forms an optically conjugate bright spot group as an image on the imaging plane using a lens. Therefore, there is no problem when light rays are emitted in various directions radially from the object to be measured, but when a low scatterer or low diffusivity body such as a liquid is used for the object to be measured, or from a mirror body In the case of the reflected light, no image is formed. This problem will be described with reference to FIGS.

図2(A)において、被測定物Sが透明容器に封入された液体であった場合、光源7からの光は、被測定物Sに入射したときに散乱せずにそのまま透過してしまう。このとき光源7からの光は平行光束又はそれに近い光束であるため、対物レンズ1の集光作用により、光は位相シフター2上で集光してしまう。その結果、可動ミラー21が駆動しても位相シフター2上で光の干渉作用が生じなくなり、また、図2(A)のように検出部5において結像出来ないため、結像面にインターフェログラムを生成することができない。図3(A)はこの状態を示している。同図左側は、結像面にインターフェログラムが生成出来ていないことを示し、同図右側は、その結果、フーリエ変換しても被測定物の分光特性としては何も得られないことを示している。   In FIG. 2A, when the object to be measured S is a liquid sealed in a transparent container, the light from the light source 7 is transmitted as it is without being scattered when it enters the object to be measured S. At this time, since the light from the light source 7 is a parallel light beam or a light beam close thereto, the light is collected on the phase shifter 2 by the light collecting action of the objective lens 1. As a result, even when the movable mirror 21 is driven, no light interference occurs on the phase shifter 2, and no image can be formed on the detection unit 5 as shown in FIG. The gram cannot be generated. FIG. 3A shows this state. The left side of the figure shows that no interferogram has been generated on the image plane, and the right side of the figure shows that no spectral characteristics of the object to be measured can be obtained even after Fourier transformation. ing.

図2(B)のように、被測定物S1が鏡等の鏡面体の場合も同様の問題がある。同図は、対物レンズ1と鏡との間にビームスプリッター30を配置している。光源7からの光はビームスプリッター30で反射して鏡で正反射する。この正反射光はビームスプリッター30を透過して平行光のまま対物レンズ1に入射する。したがって、図2(A)と同様に、検出部5において結像出来ず、結像面にインターフェログラムを生成することができない。   As shown in FIG. 2B, the same problem occurs when the object to be measured S1 is a mirror body such as a mirror. In the figure, a beam splitter 30 is disposed between the objective lens 1 and the mirror. The light from the light source 7 is reflected by the beam splitter 30 and specularly reflected by the mirror. The specularly reflected light passes through the beam splitter 30 and enters the objective lens 1 as parallel light. Therefore, similarly to FIG. 2A, the detector 5 cannot form an image and an interferogram cannot be generated on the image plane.

上記の問題は、被測定物Sが液体などの低散乱体又は低拡散率体であることが原因である。被測定物Sが鏡面体で反射されるような場合も同じ問題が生じる。   The above problem is caused by the measurement object S being a low scatterer or a low diffusivity material such as a liquid. The same problem occurs when the object to be measured S is reflected by the mirror body.

そこで、この発明の目的は、被測定物Sが液体などの低散乱体又は低拡散率体である場合や鏡面体からの反射光の場合でも、結像面にインターフェログラムを生成することができる工夫を施すことである。   Accordingly, an object of the present invention is to generate an interferogram on the imaging plane even when the object to be measured S is a low scatterer or low diffusivity body such as a liquid or reflected light from a mirror body. It is to give a device that can be done.

この発明は、被測定物から生じる光を平行光束に変換する第1の変換部と、
前記平行光束の一部を位相シフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフトされた位相シフト光を含む平行光束を集光する第2の変換部と、
前記第2の変換部で集光された光が結像する結像面において前記位相シフトにより
インターフェログラムを生成する二次元分光計測部と、
を備え、さらに
前記被測定物と前記第1の変換部の間に配置され、被測定物を透過した光又は鏡面体で反射した光を散乱させる光散乱部を備えていることを特徴とする。
The present invention includes a first conversion unit that converts light generated from an object to be measured into a parallel luminous flux,
A phase shift unit for phase shifting a part of the parallel luminous flux;
A second converter for condensing a parallel light beam including the phase-shifted phase-shifted light;
A two-dimensional spectroscopic measurement unit that generates an interferogram by the phase shift on an imaging plane on which the light collected by the second conversion unit forms an image;
And a light scattering part that is disposed between the object to be measured and the first conversion part and scatters light that has been transmitted through the object to be measured or light that has been reflected by a specular body. .

第1の変換部、第2の変換部は、例えば、それぞれ対物レンズと結像レンズで構成される。位相シフト部は、第1の変換部で変換された平行光束の一部を位相シフトすることで、それらの光を干渉させ、それにより結像面にインターフェログラムを生成する。   For example, the first conversion unit and the second conversion unit each include an objective lens and an imaging lens. The phase shift unit phase-shifts a part of the parallel light flux converted by the first conversion unit, thereby causing the lights to interfere with each other, thereby generating an interferogram on the imaging plane.

そして、被測定物と第1の変換部との間には、低散乱体又は低拡散率体等の被測定物を透過した光又は鏡などで反射した光を散乱させる光散乱部を備える。   A light scattering unit that scatters light that has passed through the measurement object such as a low scatterer or a low diffusivity body or reflected by a mirror or the like is provided between the measurement object and the first conversion unit.

この発明では、被測定物を透過した光を散乱させる光散乱部により、光が周囲に散乱する。また、被測定物が鏡などで反射した場合にも光散乱部で散乱させる。光が周囲に散乱する結果、被測定物を光学的な輝点群と等価なものに置き換えることができる。光を散乱させるとは、この発明では、光を広がりをもった光束に変換することを意味する。   In the present invention, the light is scattered to the surroundings by the light scattering portion that scatters the light transmitted through the object to be measured. Further, even when the object to be measured is reflected by a mirror or the like, it is scattered by the light scattering portion. As a result of the light scattering around, the object to be measured can be replaced with one equivalent to an optical bright spot group. In the present invention, scattering of light means converting light into a luminous flux having a spread.

この発明では、図1のような、レンズを用いて光学的に共役となる輝点群を結像面に像として形成する結像光学系を構築することができ、この光学系内の位相シフト部の作用によって、結像面にインターフェログラムを生成することができるようになる。   In the present invention, an imaging optical system can be constructed that forms a luminescent spot group that is optically conjugate using a lens as an image on the imaging plane as shown in FIG. The interferogram can be generated on the image plane by the action of the unit.

図3(B)は、この発明で結像面にインターフェログラムが生成出来ることを示している。同図左側は、結像面にインターフェログラムが生成出来ていることを示し、同図右側は、その結果、フーリエ変換して被測定物の分光特性が得られることを示している。   FIG. 3B shows that an interferogram can be generated on the imaging plane according to the present invention. The left side of the figure shows that an interferogram has been generated on the imaging plane, and the right side of the figure shows that the spectral characteristics of the object to be measured can be obtained by Fourier transform as a result.

前記光学素子としては、様々なものを使用可能である。例えば、穴開きフィルタ、回析格子、フライアイレンズ、拡散板などが考えられる。   Various optical elements can be used. For example, a perforated filter, a diffraction grating, a fly-eye lens, a diffusion plate, and the like are conceivable.

この発明によれば、被測定物と第1の変換部との間に光を散乱させる光散乱部を配置することにより、液体や鏡などの被測定物に対して二次元分光計測を行うことができる。この場合、光散乱部の配置位置は被測定物と第1の変換部間であれば良いため、光散乱部の配置位置に自由度があり、取り付けなどが容易である。   According to the present invention, two-dimensional spectroscopic measurement is performed on an object to be measured such as a liquid or a mirror by disposing a light scattering unit that scatters light between the object to be measured and the first conversion unit. Can do. In this case, since the arrangement position of the light scattering portion may be between the object to be measured and the first conversion portion, the arrangement position of the light scattering portion has a degree of freedom and is easy to attach.

二次元分光計測装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a two-dimensional spectroscopic measurement device 被測定物が液体の場合の問題点を説明する図Diagram explaining problems when the object to be measured is liquid インターフェログラム生成有無について従来技術と本発明を対比する図A diagram comparing the prior art and the present invention regarding the presence or absence of interferogram generation この発明の実施形態の概略構成図Schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention 実施形態の制御手順を示す図The figure which shows the control procedure of embodiment 穴開きフィルタ10の外観図External view of perforated filter 10 回析格子11の外観図External view of diffraction grating 11 フライアイレンズ12の正面図及び側面図Front view and side view of fly-eye lens 12 拡散板13の外観図External view of diffusion plate 13 この発明の他の実施形態の概略構成図Schematic configuration diagram of another embodiment of the present invention この発明のさらに他の実施形態の概略構成図Schematic configuration diagram of still another embodiment of the present invention

図4は、この発明の実施形態を示す。同図において、二次元分光計測装置は、二次元分光計測部Mと光を拡散する光学素子8とで構成される。   FIG. 4 shows an embodiment of the present invention. In the figure, the two-dimensional spectroscopic measurement apparatus includes a two-dimensional spectroscopic measurement unit M and an optical element 8 that diffuses light.

二次元分光計測部Mは次のように構成される。   The two-dimensional spectroscopic measurement unit M is configured as follows.

被測定物Sからの光を受光する対物レンズ1(第1の変換部)の後方には、位相シフター2(位相シフト部)が配置されている。この位相シフター2は、光学的鏡面仕上げされている固定ミラー20と可動ミラー21とを通常時(可動ミラー21が移動していない時)で反射面が同一面となるように、且つ、対物レンズ1からの平行光束の光軸に対して反射面が45度傾くように配置されている。位相シフター2は全体として矩形状で、上半分の矩形領域は固定ミラー20、下半分の矩形領域は可動ミラーで構成されている。また、可動ミラー21(第2の変換部)は、駆動部3によって図の矢印方向、つまり、対物レンズ1の中心軸に対して45度、位相シフター2に対して90度の角度で往復駆動(伸縮駆動)する。このような構成により、可動ミラー21の光軸方向の移動(ベクトル)量(長さ)は、駆動部3による駆動量(長さ)の1/√2となる。可動ミラー21の駆動は光の波長よりも短い分解能を要し、その駆動量は分光計測能力にもよるが、可視光領域では概ね50nm程度である。可動ミラー21の光軸方向の移動(ベクトル)量(長さ)は、駆動部3による駆動量(長さ)の1/√2であるため、駆動部3による駆動量の√2だけ、2光束(固定ミラー20で反射する光束と可動ミラー21で反射する光束)の光路差が変化する。   A phase shifter 2 (phase shift unit) is disposed behind the objective lens 1 (first conversion unit) that receives light from the object S to be measured. The phase shifter 2 is configured so that the reflecting surface is the same surface in the normal state (when the movable mirror 21 is not moving) of the fixed mirror 20 and the movable mirror 21 that are optically mirror-finished, and the objective lens. The reflecting surface is inclined 45 degrees with respect to the optical axis of the parallel luminous flux from 1. The phase shifter 2 has a rectangular shape as a whole, and the upper half rectangular area is constituted by a fixed mirror 20 and the lower half rectangular area is constituted by a movable mirror. The movable mirror 21 (second conversion unit) is reciprocally driven by the drive unit 3 in the direction of the arrow in the figure, that is, at an angle of 45 degrees with respect to the central axis of the objective lens 1 and 90 degrees with respect to the phase shifter 2. (Extension drive). With such a configuration, the movement (vector) amount (length) of the movable mirror 21 in the optical axis direction is 1 / √2 of the drive amount (length) of the drive unit 3. The drive of the movable mirror 21 requires a resolution shorter than the wavelength of light, and the drive amount depends on the spectroscopic measurement capability, but is approximately 50 nm in the visible light region. The movement (vector) amount (length) of the movable mirror 21 in the optical axis direction is 1 / √2 of the drive amount (length) by the drive unit 3, so that the drive amount by the drive unit 3 is 2 by 2 The optical path difference between the light beams (the light beam reflected by the fixed mirror 20 and the light beam reflected by the movable mirror 21) changes.

位相シフター2の後方、すなわち図4において位相シフター2の下部には結像レンズ4が配置され、さらにその下部の結像面上に検出部5が配置されている。位相シフター2で反射された光は結像レンズ4で収束して上記結像面に入る。結像面には二次元CCDカメラのCCD受光面が配置されている。   The imaging lens 4 is disposed behind the phase shifter 2, that is, in the lower part of the phase shifter 2 in FIG. 4, and the detection unit 5 is disposed on the imaging surface below the imaging lens 4. The light reflected by the phase shifter 2 is converged by the imaging lens 4 and enters the imaging plane. A CCD light receiving surface of a two-dimensional CCD camera is disposed on the image plane.

なお、図4において位相シフター2の上半分の領域を固定ミラー20、下半分の領域を可動ミラー21とし、それぞれのミラーに対して光の半分が入射するようにしているが、可動ミラー21を円形にし、その周囲に固定ミラー20を同心となるように配置させても良い。また、固定ミラー20と可動ミラー21の位置を逆にしても良い。この場合も、それぞれの入射光量が同一となるようにするのが良い。   In FIG. 4, the upper half region of the phase shifter 2 is a fixed mirror 20 and the lower half region is a movable mirror 21 so that half of the light is incident on each mirror. The fixed mirror 20 may be arranged so as to be concentric around the circular shape. Further, the positions of the fixed mirror 20 and the movable mirror 21 may be reversed. Also in this case, it is preferable that the respective incident light amounts are the same.

次に、二次元分光計測部Mの作用を説明する。図5は、同計測部Mの制御部6の制御手順を示す。   Next, the operation of the two-dimensional spectroscopic measurement unit M will be described. FIG. 5 shows a control procedure of the control unit 6 of the measurement unit M.

液体などの低散乱体又は低拡散率体から成る被測定物Sの前方に配置されている光源7をONして、その後に駆動部3により可動ミラー21を駆動(矢印方向に往復動)する。   The light source 7 disposed in front of the measurement object S made of a low scatterer or low diffusivity body such as a liquid is turned on, and then the movable mirror 21 is driven (reciprocated in the direction of the arrow) by the drive unit 3. .

可動ミラー21が移動することにより、対物レンズ1からの様々な波長の光の反射光は光路長が変化し(位相が変化し)、光路長が固定である固定ミラー20の反射光と干渉する。これにより、図3(B)左側図に示すようなインターフェログラムと称される干渉光強度変化の波形が得られる(結像面で観測される結像強度)。同図において、横軸は移動をする可動ミラー21で反射する可動光と固定ミラー20で反射する固定光との光路長差を、縦軸は結像面上の一点における結像強度を示す。このインターフェログラムを制御部6でフーリエ変換することにより、図3(B)右側図に示すように被測定物Sの1輝点で発せられた光の波長ごとの分光特性を取得することができる。 When the movable mirror 21 moves, the reflected light of light of various wavelengths from the objective lens 1 changes in optical path length (changes in phase) and interferes with the reflected light of the fixed mirror 20 whose optical path length is fixed. . Thereby, a waveform of an interference light intensity change called an interferogram as shown in the left diagram of FIG. 3B is obtained (imaging intensity observed on the imaging plane). In the figure, the horizontal axis indicates the optical path length difference between the movable light reflected by the moving movable mirror 21 and the fixed light reflected by the fixed mirror 20, and the vertical axis indicates the imaging intensity at one point on the imaging plane. By performing Fourier transform on the interferogram by the control unit 6, the spectral characteristics for each wavelength of the light emitted from one bright spot of the object S to be measured can be obtained as shown in the right side of FIG. it can.

なお、インターフェログラムの具体的な生成方法については各種文献で周知であるが、例えば特開2008-309706号において詳細に説明されている。   A specific method for generating an interferogram is well known in various documents, but is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-309706.

二次元分光計測部Mの前方部に配置されている光学素子(光散乱部)8は、平行光束を広がりをもった光束に変換させる光学的性質を持つ。この光学素子8の性質のため、その前方に置かれる被測定物Sから平行光束やそれに近い光束が入射しても、光の散乱効果により輝点と等価な光を発することができる。したがって、被測定物Sが、液体(色のついた液体など)である場合は、光源7からの光がそのまま透過しても、あるいはわずかに拡散しても、光学素子8により光が散乱して、図1に示すような光の結像系が実現される。光学素子8は、対物レンズ1と被測定物Sとの間に配置されれば良いが、被測定物の対物レンズ側の面に取り付けるようにしても良い。   The optical element (light scattering unit) 8 disposed in front of the two-dimensional spectroscopic measurement unit M has an optical property of converting a parallel light beam into a broad light beam. Due to the nature of the optical element 8, even if a parallel light beam or a light beam close thereto is incident from the object S placed in front of the optical element 8, light equivalent to a bright spot can be emitted due to the light scattering effect. Therefore, when the object to be measured S is a liquid (such as a colored liquid), the light is scattered by the optical element 8 even if the light from the light source 7 is transmitted as it is or slightly diffused. Thus, an optical imaging system as shown in FIG. 1 is realized. The optical element 8 may be disposed between the objective lens 1 and the object S to be measured, but may be attached to the surface of the object to be measured on the object lens side.

光学素子8の第1の実施例は穴開きフィルタである。図6は穴開きフィルタ10の外観図である。図示のように、平板状の基体10aに無数の穴10bが開けられている。無数の穴を開けることにより、各穴の位置で光が回析し、輝点を生成することが出来る。これにより、結像光学系が構築され、位相シフター2の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。   The first embodiment of the optical element 8 is a perforated filter. FIG. 6 is an external view of the perforated filter 10. As illustrated, innumerable holes 10b are formed in the flat substrate 10a. By opening an infinite number of holes, light is diffracted at the positions of the holes, and bright spots can be generated. Thereby, an imaging optical system is constructed, and an interferogram can be generated on the imaging plane by the action of the phase shifter 2.

穴径は、結像した際に画素と同じサイズになるように設計するのがベストである。画素以下又は画素以上になるように設計した場合は、光の利用効率が下がる。穴径のピッチは、被測定物の区間的な分解能に直結する。   It is best to design the hole diameter so that it has the same size as the pixel when imaged. When the design is made so that it is less than or greater than the pixel, the light utilization efficiency is lowered. The pitch of the hole diameter is directly related to the section resolution of the object to be measured.

この穴開きフィルタのデメリットは、空間的な計測ポイントが離散的となることである。   The disadvantage of this perforated filter is that the spatial measurement points become discrete.

第2の実施例は回析格子である。図7は回析格子11の外観図である。回析光を生じさせることにより位相シフター2上に広がった回析光に位相差を与える。ここでは、位相シフター2上で干渉させる回析光のうち±1次回析光の片方(+側一次回析光又は−側一次回析光)を可動ミラー21に入射させ、他方を固定ミラー20に入射するように回析させるよう回析格子の幅などを設定する。また、対物レンズ1には、±1次回析光の長波長α2と短波長α1が取得できる開口数NAを持つものを選択する。回析格子を使用すると回析光により固定ミラー20と可動ミラー21の反射面に光を広く分布させることが出来、位相シフター2の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。   The second example is a diffraction grating. FIG. 7 is an external view of the diffraction grating 11. A phase difference is given to the diffracted light spread on the phase shifter 2 by generating the diffracted light. Here, of the diffracted lights to be interfered on the phase shifter 2, one of the ± 1st order diffracted lights (+ side primary diffracted light or −side primary diffracted light) is incident on the movable mirror 21, and the other is fixed mirror 20. The width of the diffraction grating is set so as to diffract the light so that it is incident on. For the objective lens 1, a lens having a numerical aperture NA that can acquire the long wavelength α2 and the short wavelength α1 of ± 1 next-order analysis light is selected. When the diffraction grating is used, light can be widely distributed on the reflecting surfaces of the fixed mirror 20 and the movable mirror 21 by the diffracted light, and an interferogram can be generated on the imaging surface by the action of the phase shifter 2.

回析格子は空間的な計測ポイントが画素サイズと同じになり、光の利用効率も良いメリットを有する。しかし、光学設計が複雑であり、また、回析光間の干渉があるため分光特性の正確性がやや劣るデメリットがある。   The diffraction grating has the advantage that the spatial measurement point is the same as the pixel size and the light utilization efficiency is good. However, the optical design is complicated, and there is a demerit that the accuracy of spectral characteristics is slightly inferior due to interference between diffraction lights.

第3の実施例はフライアイレンズである。図8(A)、(B)はフライアイレンズ12の正面図、側面図である。フライアイレンズとは、同一の単レンズを縦横に配列したレンズ体(レンズアレイ)である。このレンズを被測定物Sと対物レンズ1との間に配置して、フライアイレンズ12の後ろ側焦点面に疑似的に疑似物体面13を設定することで、この疑似物体面13に疑似的な複数の輝点像が作成される。これにより、結像光学系が構築され、位相シフター2の作用により結像面にインターフェログラムを生成することができる。   The third embodiment is a fly-eye lens. 8A and 8B are a front view and a side view of the fly-eye lens 12, respectively. The fly-eye lens is a lens body (lens array) in which identical single lenses are arranged vertically and horizontally. By placing this lens between the object to be measured S and the objective lens 1 and setting a pseudo object surface 13 on the back focal plane of the fly-eye lens 12, a pseudo object surface 13 is set on the pseudo object surface 13. A plurality of bright spot images are created. Thereby, an imaging optical system is constructed, and an interferogram can be generated on the imaging plane by the action of the phase shifter 2.

フライアイレンズ12を使用する場合、分光イメージングの空間的な分解能は各レンズの空間的なピッチによって決まると思われる。これは、フライアイレンズの中の各レンズに入射した光を平均化して疑似的物体面に輝点像を作成しているからである。   When the fly-eye lens 12 is used, the spatial resolution of the spectral imaging seems to be determined by the spatial pitch of each lens. This is because the light incident on each lens in the fly-eye lens is averaged to create a bright spot image on the pseudo object surface.

フライアイレンズは、光の利用効率が高いが、レンズであるため収差により分光特性が劣化する可能性がある。しかし、レンズの開口数NAを下げることで収差の影響を下げることが可能である。   The fly-eye lens has high light utilization efficiency, but since it is a lens, there is a possibility that spectral characteristics may be deteriorated due to aberration. However, it is possible to reduce the influence of aberration by reducing the numerical aperture NA of the lens.

第4の実施例は、拡散板である。図9は拡散板13の外観図である。拡散板13はガラス基体の片面をスリガラス面に加工したり、乳白色膜を形成したりすることにより作成する。この拡散板13により、被測定物Sを透過した光を光学的に拡散する。これにより、輝点像と等価の状態を生成することができる。しかし、拡散板の光学的な特性が拡散板ごとに均一ではないため、拡散板によって計測ポイントが異なるという再現性の点で問題がある。   The fourth embodiment is a diffusion plate. FIG. 9 is an external view of the diffusion plate 13. The diffusion plate 13 is created by processing one side of a glass substrate into a ground glass surface or forming a milky white film. The light transmitted through the object to be measured S is optically diffused by the diffusion plate 13. As a result, a state equivalent to the bright spot image can be generated. However, since the optical characteristics of the diffusion plate are not uniform for each diffusion plate, there is a problem in terms of reproducibility that measurement points differ depending on the diffusion plate.

以上のように、実施例1〜実施例4はそれぞれメリットとデメリットがあるが、いずれにおいても、光学素子8は被測定物Sを通過した透過光を広がりをもった光束にする結果、液体などの低散乱体又は低拡散率体を被測定物とした場合であっても、二次元分光計測部Mの結像面においてインターフェログラムを生成することが出来る。   As described above, each of the first to fourth embodiments has merits and demerits. In either case, the optical element 8 converts the transmitted light that has passed through the object to be measured S into a light beam having a spread. Even when a low scatterer or a low diffusivity body is used as an object to be measured, an interferogram can be generated on the imaging plane of the two-dimensional spectroscopic measurement unit M.

この発明の、さらに他の実施形態を図10を参照して説明する。   Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図10に示す実施形態は、対物レンズ1と位相シフター2との間にハーフミラー16を配置し、位相シフター2を、対物レンズ1からの平行光束に対して正対に配置したものである。位相シフター2は、ハーフミラー16からの透過光の一部を正反射させる固定ミラー20と、固定ミラー20に対する位置が移動可能でハーフミラー16からの透過光の残部を正反射させる可動ミラー21とで構成され、可動ミラー21は光軸方向に駆動部3で駆動(往復動)される。ハーフミラー16を透過した対物レンズ1からの光(透過光)は、その一部が固定ミラー20で正反射し、残部が反射ミラー21で正反射する。このとき、可動ミラー21は光軸方向に駆動されるため、固定ミラー20で反射する光束と可動ミラー21で反射する光束との間に光路差が生じ、その結果、それらの光が干渉する。干渉光は再びハーフミラー16に戻り、ここで反射して結像レンズ4を介して結像面で集光し、インターフェログラムが生成される。   In the embodiment shown in FIG. 10, the half mirror 16 is disposed between the objective lens 1 and the phase shifter 2, and the phase shifter 2 is disposed in a face-to-face relationship with the parallel light beam from the objective lens 1. The phase shifter 2 includes a fixed mirror 20 that specularly reflects a part of the transmitted light from the half mirror 16, and a movable mirror 21 that can move a position relative to the fixed mirror 20 and specularly reflect the remainder of the transmitted light from the half mirror 16. The movable mirror 21 is driven (reciprocated) by the drive unit 3 in the optical axis direction. A part of the light (transmitted light) transmitted through the half mirror 16 from the objective lens 1 is specularly reflected by the fixed mirror 20, and the remaining part is specularly reflected by the reflecting mirror 21. At this time, since the movable mirror 21 is driven in the optical axis direction, an optical path difference occurs between the light beam reflected by the fixed mirror 20 and the light beam reflected by the movable mirror 21, and as a result, the light beams interfere with each other. The interference light returns to the half mirror 16 again, is reflected here, and is condensed on the imaging surface via the imaging lens 4 to generate an interferogram.

上記のハーフミラー16を用いる実施形態でも、図4、図5に示す実施形態と同様の作用で検出部5の結像面にインターフェログラムを生成することが出来る。   Also in the embodiment using the above-described half mirror 16, an interferogram can be generated on the image plane of the detection unit 5 by the same operation as the embodiment shown in FIGS.

なお、光学素子8は、液体などの低散乱体又は低拡散率体を透過した光を、広がりをもった光束にする光学的特性を持つものであればどのようなものであっても良い。   The optical element 8 may be of any type as long as it has an optical characteristic that turns light transmitted through a low scatterer or low diffusivity body such as a liquid into a spread light beam.

この発明の、さらに他の実施形態を図11を参照して説明する。   Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図11に示す実施形態は、被測定物S1として鏡を使用する場合の二次元分光計測装置の構成図を示す。鏡からなる被測定物S1と対物レンズ1との間には、対物レンズ1側からビームスプリッター30と光学素子8がこの順に配置される。ビームスプリッター30の上方には光源7が配置される。ビームスプリッター30は、光源7からの光を直角に反射して光学素子8に導き、さらに被測定物S1に導く。被測定物S1は鏡であるため、被測定物S1で上記光は正反射光として反射し、平行光束となる。この平行光束は光学素子8で散乱してビームスプリッター30に導かれ、ここを透過して対物レンズ1に入射する。以下、図4と同様に、位相シフター2を通過することにより、検出部5の結像面にインターフェログラムが生成される。   The embodiment shown in FIG. 11 shows a configuration diagram of a two-dimensional spectroscopic measurement apparatus when a mirror is used as the object S1 to be measured. Between the object to be measured S1 made of a mirror and the objective lens 1, the beam splitter 30 and the optical element 8 are arranged in this order from the objective lens 1 side. A light source 7 is disposed above the beam splitter 30. The beam splitter 30 reflects light from the light source 7 at a right angle, guides it to the optical element 8, and then guides it to the object S1 to be measured. Since the device under test S1 is a mirror, the light reflected by the device under test S1 is reflected as regular reflected light to become a parallel light beam. The parallel light beam is scattered by the optical element 8 and guided to the beam splitter 30, passes therethrough, and enters the objective lens 1. Thereafter, similarly to FIG. 4, an interferogram is generated on the imaging plane of the detection unit 5 by passing through the phase shifter 2.

このように、被測定物S1が鏡の場合には、ビームスプリッター30を使うことでインターフェログラムを生成することが出来る。   Thus, when the object S1 to be measured is a mirror, an interferogram can be generated by using the beam splitter 30.

1・・・対物レンズ
2・・・位相シフター
20・・固定レンズ
21・・可動レンズ
4・・・結像レンズ
S・・・被測定物
8・・・光学素子
10(10a、10b)・・・穴開きフィルタ
11・・・回析格子
12・・・フライアイレンズ
13・・・拡散板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Objective lens 2 ... Phase shifter 20 ... Fixed lens 21 ... Movable lens 4 ... Imaging lens S ... Measuring object 8 ... Optical element 10 (10a, 10b) ... -Hole filter 11 ... Diffraction grating 12 ... Fly eye lens 13 ... Diffuser

Claims (7)

被測定物から生じる光を平行光束に変換する第1の変換部と、
前記平行光束の一部を位相シフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフトされた位相シフト光を含む平行光束を集光する第2の変換部と、
前記第2の変換部で集光された光が結像する結像面において前記位相シフトにより
インターフェログラムを生成する二次元分光計測部と、
を備え、さらに
前記被測定物と前記第1の変換部の間に配置され、被測定物を透過した光又は被測定物で正反射した光を散乱させる光散乱部を備えていることを特徴とする二次元分光計測装置。
A first converter that converts light generated from the object to be measured into a parallel light beam;
A phase shift unit for phase shifting a part of the parallel luminous flux;
A second converter for condensing a parallel light beam including the phase-shifted phase-shifted light;
A two-dimensional spectroscopic measurement unit that generates an interferogram by the phase shift on an imaging plane on which the light collected by the second conversion unit forms an image;
And a light scattering part that is disposed between the object to be measured and the first conversion unit and scatters light that has passed through the object to be measured or light that has been regularly reflected by the object to be measured. A two-dimensional spectroscopic measurement device.
前記位相シフト部は、
前記第1の変換部の後方に配置され、該平行光束内で光路差を生じさせる位相シフター
を含むことを特徴と請求項1記載の二次元分光計測装置。
The phase shift unit includes:
The two-dimensional spectroscopic measurement apparatus according to claim 1, further comprising a phase shifter disposed behind the first conversion unit and causing an optical path difference in the parallel light flux.
前記位相シフターは、
前記第1の変換部の後方において、該平行光束の中心軸に対して反射面が45度傾いて配置され、
前記平行光束の一部を反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置が移動可能で前記平行光束の残部を反射させる可動ミラーを含むことを特徴とする請求項2記載の二次元分光計測装置。
The phase shifter is
Behind the first conversion unit, the reflection surface is inclined by 45 degrees with respect to the central axis of the parallel light flux,
3. The two-dimensional spectroscopic measurement apparatus according to claim 2, comprising: a fixed mirror that reflects a part of the parallel light beam; and a movable mirror that is movable with respect to the fixed mirror and reflects the remaining part of the parallel light beam.
前記第1の変換部と前記位相シフターとの間に配置され、第1の変換部からの平行光束を透過及び反射させるハーフミラーを更に備える請求項2記載の二次元分光計測装置。   3. The two-dimensional spectroscopic measurement apparatus according to claim 2, further comprising a half mirror that is disposed between the first conversion unit and the phase shifter and transmits and reflects a parallel light beam from the first conversion unit. 前記位相シフターは、前記ハーフミラーからの透過光の一部を正反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置が移動可能で前記ハーフミラーからの透過光の残部を正反射させる可動ミラーとを含むことを特徴とする請求項4記載の二次元分光計測装置。   The phase shifter includes a fixed mirror that specularly reflects a part of the transmitted light from the half mirror, and a movable mirror that can move a position relative to the fixed mirror and specularly reflect the remainder of the transmitted light from the half mirror. The two-dimensional spectroscopic measurement apparatus according to claim 4. 前記第1の変換部と前記光散乱部との間に配置され、光源からの光を反射して前記光散乱部に導き、且つ前記光散乱部からの光を透過して前記第1の変換部に導くビームスプリッターを備え、前記被測定物が鏡面体のときに、この鏡面体で前記光源からの光を正反射した正反射光が前記光散乱部で散乱し、この散乱した光が前記ビームスプリッターを透過して前記第1の変換部に入射する請求項1〜5のいずれかに記載の二次元分光計測装置。   The first conversion unit is disposed between the first conversion unit and the light scattering unit, reflects light from a light source to guide the light scattering unit, and transmits light from the light scattering unit to transmit the first conversion. When the object to be measured is a specular body, the specularly reflected light that is specularly reflected from the light source by the specular body is scattered by the light scattering unit, and the scattered light is The two-dimensional spectroscopic measurement apparatus according to claim 1, which passes through a beam splitter and enters the first conversion unit. 被測定物から生じる光を第1の変換部で平行光束に変換し、この平行光束を前記第1の変換部の後方に配置された位相シフターであって、前記平行光束の一部を反射させる固定ミラーと、該固定ミラーに対する位置を移動可能で前記平行光束の残部を反射させる可動ミラーを含む位相シフターに導くときに、前記可動ミラーを光軸に沿って移動させて前記平行光束の一部と残部との間で光路差を生じさせ、これらの光を第2の変換部で集光して結像面で結像させることで該結像面にインターフェログラムを生成する二次元分光計測方法。   The light generated from the object to be measured is converted into a parallel light beam by the first conversion unit, and this parallel light beam is a phase shifter arranged behind the first conversion unit, and reflects a part of the parallel light beam. When guiding to a phase shifter including a fixed mirror and a movable mirror that can move a position relative to the fixed mirror and reflects the remaining part of the parallel light beam, the movable mirror is moved along the optical axis and a part of the parallel light beam is moved Two-dimensional spectroscopic measurement that generates an interferogram on the imaging plane by producing an optical path difference between the first and second portions, condensing these lights at the second conversion section and forming an image on the imaging plane. Method.
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