JP2019163990A

JP2019163990A - 分光装置、ハイパースペクトル測定システム、及び、分光方法

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Publication number: JP2019163990A
Application number: JP2018051266A
Authority: JP
Inventors: 世智佐藤; Seichi Sato
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP7033968B2

Abstract

【課題】波長分解能を向上させつつ、各スリットの回折像を分離して撮像することを可能とする分光装置を提供する。【解決手段】ターゲットからの光が入射する複数のスリットがスリット幅方向に並べて形成されたスリット機構と、コリメート光学素子を経由した光が入射するように設けられた第１回折格子と、前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられた第２回折格子と、を備え、前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が異なっており、前記スリット機構から前記検出器に至る光路を進行方向に沿って見た場合に、前記第１回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように構成した。【選択図】図1

Description

本発明は、ターゲット上の多点から同時にスペクトルを取得するために用いられる分光装置に関するものである。

測定対象であるターゲットの性質や物性等を広範囲の波長帯で連続的かつ多点同時取得するためにハイパースペクトルカメラ等の測定システムが用いられる。

このようなハイパースペクトルカメラ２００Ａは、図５に示すように、複数のスリットがスリット幅方向に並べて所定間隔ごとに設けられたスリット機構Ｓと、コリメートレンズＬ１と、回折格子Ｇ１と、集光レンズＬ２と、スリット幅方向に並べて設けられた複数のCMOSイメージセンサＤと、を備えたものがある（特許文献１参照）。このものは、各スリットから入射した光は対応するCMOSイメージセンサ内に回折像が結像するように構成されている。

すなわち、ターゲットの複数点についてスペクトルを一括取得できるようにして、空間分解能を向上させる、あるいは、１ラインのCCDを用いた走査型の撮像と比較して撮像時間を短縮することができる。

ところで、ハイパースペクトルイメージング用分光器では、画像の精細さ（空間分解能）とスペクトルの情報量（波長範囲・分解能）とがトレードオフの関係にあり、アプリケーションに応じて両者のバランスを取った設計が必要となる。

しかしながら、上述したような回折格子を１つだけ用いた従来技術の場合には、空間分解能を優先する設計の場合には、スペクトルの情報量だけでなく、さらに別の制約も生じている。

具体的には、より細かく波長が分解されたイメージング画像が得られるように回折格子による光の分散をより大きくしようとすると、あるスリットの回折像が対応するCMOSイメージセンサだけでなく、隣接するCMOSイメージセンサでも結像することになる。このような場合、隣接するスリット同士の回折像の一部が各CMOSイメージセンサ上で重なってしまい、それぞれの回折像を分離して撮像できず、分光測定不能となってしまう。

このため、各スリットの回折像がオーバーラップする部分がないようにターゲットを撮像する範囲や波長分解能を制限する必要がある。

さらに、空間分解能を優先し、スペクトルの情報量を落とすためには格子間隔の粗い回折格子を使用する必要があるが、このような回折格子を使用すると、検出器上において０次回折光（非回折光）のスリット像が回折光によるスペクトル像にオーバーラップしてしまうという問題もある。

特開2015-137873号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、波長分解能を犠牲にせず、多点の分光情報を複数スリットで同時取得し、各スリットの回折像を分離して撮像することを可能とする分光装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る分光装置は、ターゲットからの光を分光し、分光された光を検出器へと入射させる分光装置であって、ターゲットからの光が入射する複数のスリットがスリット幅方向に並べて形成されたスリット機構と、前記複数のスリットを通過した光を平行化するコリメート光学素子と、前記コリメート光学素子を経由した光が入射するように設けられた第１回折格子と、前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられた第２回折格子と、前記第２回折格子を経由した光を前記検出器に集光する集光光学素子と、を備え、前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が異なっており、前記スリット機構から前記検出器に至る光路を進行方向に沿って見た場合に、前記第１回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る分光方法は、ターゲットからの光が入射する複数のスリットがスリット幅方向に並べて形成されたスリット機構と、前記複数のスリットを通過した光を平行化するコリメート光学素子と、前記コリメート光学素子を経由した光が入射するように設けられた第１回折格子と、前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられた第２回折格子と、前記第２回折格子を経由した光を前記検出器に集光する集光光学素子と、を備え、前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が異なっている分光装置を用いた分光方法であって、前記スリット機構から前記検出器に至る光路を進行方向に沿って見た場合に、前記第１回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように光路を設定することを特徴とする。

このようなものであれば、前記第１回折格子によって分離された各波長の光をそのまま検出器で結像させるのではなく、分離された各波長の光を前記第２回折格子によって波長分散が小さくなるようにした後に前記検出器で結像させることができる。

したがって、波長分解能を高くしたとしても前記検出器において結像する回折像のスリット幅方向の幅寸法を小さくして分離して結像させることが可能となる。これらのことから、波長分解能を犠牲にせずに、各スリットの回折像が前記検出器上においてオーバーラップするのを防ぐことができる。

さらに本発明の分光装置では２つの回折格子を用いているので、０次回折光（非回折光）が検出器上に到達しにくくすることができ、従来のように回折光によるスペクトル像と０次回折光によるスリット像とがオーバーラップするという問題も生じないようにできる。

したがって、０次回折光に起因する問題が生じないので、純粋に画像の精細さとスペクトルの情報量との間のトレードオフだけを考慮して分光装置の設計が可能となる。このため、光学設計において考慮すべきパラメータが減るので、設計自由度が増し、画像の精細さとスペクトルの情報量との間で好ましい関係を実現しやすい。

また、複数のスリットによりターゲットの複数点のスペクトルを取得することができるので、測定や撮像に必要となる時間も短縮できる。

加えて、前記スリット機構から前記検出器に至る光路中において、前記第２回折格子は前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられているので、前記第１回折格子において分光されずに透過した０次回折光が前記第２回折格子に対して入射しにくくし、結果として前記検出器に到達しにくくできる。したがって、前記検出器において分光された光の測定精度を高める事が可能となる。

波長分解能を高めつつ、各スリットの回折像が前記検出器上でオーバーラップしないようにできる光学系の構成としては、ターゲットからの光に含まれる測定対象波長のうち最も長い波長をλ_max、λ_maxの波長の光が前記第１回折格子でなす回折角をβ_1max, λ_maxの波長の光が前記第２回折格子でなす回折角をβ_2max、ターゲットからの光に含まれる測定対象波長のうち最も短い波長をλ_min、λ_minの波長の光が前記第１回折格子でなす回折角をβ_1min, λ_minの波長の光が前記第２回折格子でなす回折角をβ_2min、とした場合に、|β_2max-β_2min|＜|β_1max-β_1min|を満たすように構成されているものが挙げられる。

前記集光光学素子の焦点距離をf、前記各スリットが所定間隔Iで設けられている場合に、f(sinβ_2max-sinβ_2min)＜Iを満たすように前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が設定されていれば、各スリットの回折像がオーバーラップする部分が発生することなく、分離した状態で撮像可能となる。

分光されていない前記第１回折像格子の透過光が前記検出器に入射しないようにして、測定対象波長外の光の混入を防ぎ、測定精度に悪影響を与えないためには、前記第２回折格子が、前記第１回折格子で発生する０次回折光の通過範囲の外側に配置されていればよい。

各スリットから入射した光が各回折格子で回折されたもののうち、最も強度の強いものが前記検出器へ入射するようにして、大きな受光出力が得られるようにしてS/N比をよくできるようにするには、前記第１回折格子で発生する−１次回折光が、前記第２回折格子に入射し、前記第２回折格子で発生する−１次回折光が、前記集光光学素子に入射するように構成されていればよい。

前記第１回折格子で発生する１次回折光が、前記第２回折格子に入射し、前記第２回折格子で発生する１次回折光が、前記集光光学素子に入射するように構成されているものであれば、回折による損失をできるだけ防ぎ、前記検出器において大きな受光出力を波長成分ごとに得る事が可能となる。

本発明に係る分光装置をコンパクトに構成できるようにするには、前記コリメート光学素子、及び、前記集光光学素子がレンズで構成されており、前記第１回折格子、及び、前記第２回折格子が透過型のものであればよい。

本発明に係る分光装置と、前記検出器と、を備えたハイパースペクトル測定システムであれば、複数点の同時撮像を可能であり、波長分解能が高い分光イメージング画像を得ることができる。

本発明に係る分光装置によれば、格子間隔の異なる２つの回折格子によって波長分離を実現しつつ、前記検出器上において結像する各スリットの回折像についてはオーバーラップする部分が存在しないように波長分散を調節できる。

本発明の第１実施形態に係るハイパースペクトル測定システムを示す模式図。第１実施形態の各回折格子における入射角、回折角の関係を示す模式図。第１実施形態のスリット機構のスリット像。第１実施形態の検出器面上に結像する回折像。従来のハイパースペクトル測定システムを示す模式図。

本発明の第１実施形態に係るハイパースペクトル測定システム２００について図１乃至図４を参照しながら説明する。

第１実施形態のハイパースペクトル測定システム２００は、例えば顕微分光イメージングやラマン分光イメージングに用いられるものであり、測定対象であるターゲットＴを２次元的に撮像し、各撮像点についてスペクトル情報を同時に得られるように構成してある。

すなわち、ハイパースペクトル測定システム２００は、図１に示すように、ターゲットＴからの光である反射光、散乱光、蛍光等が入射し、その光を分光する分光装置１００と、前記分光装置１００により形成される回折像が結像され、その像を撮像する２次元検出器Ｄと、を備えている。２次元検出器Ｄは、例えばCMOSイメージングセンサやCCD等の２次元の撮像面を有するものである。

分光装置１００は、図１に示すように、複数のスリットが形成された遮蔽板であるスリット機構Ｓと、スリットを通過した光を平行化するコリメート光学素子Ｌ１と、コリメート光学素子Ｌ１で平行化された光が入射する第１回折格子Ｇ１と、第１回折格子Ｇ１を経由した光が入射する第２回折格子Ｇ２と、第２回折格子Ｇ２を経由した光を集光し、検出器Ｄ上で結像させる集光光学素子Ｌ２と、を備えたものである。

この分光装置１００は、透過光学系として構成されており、コリメート光学素子Ｌ１、及び、集光光学素子Ｌ２はそれぞれレンズ光学系で構成されている。

スリット機構Ｓは、図２のスリット像に示すように複数のスリットが形成されたものであり、少なくともスリット幅方向に所定間隔ごとに並べて形成してある。第１実施形態では例えば４つのスリットがアレイ状に設けられて、スリット幅方向（紙面上下方向）に２，スリット長方向（紙面左右方向）に２の計４つのスリットがある。各スリットのスリット幅は例えば１００μmである。

第１回折格子Ｇ１及び第２回折格子Ｇ２はそれぞれ透過型のものであり、格子間隔が若干異なっている。第１実施形態では第１回折格子Ｇ１の格子間隔は1250l/mmであるのに対して、第２回折格子Ｇ２の格子間隔は1240l/mmである。図１に示すように、第１回折格子Ｇ１の０次回折光（非回折光）は、第２回折格子Ｇ２に対して入射しないように配置してある。言い換えると、第１回折格子Ｇ１で発生する非回折光の通過範囲の外側に対して第２回折格子Ｇ２は配置されている。

また、図３に示すようにスリット機構Ｓから検出器Ｄに至る光路を進行方向に沿って見た場合に、第１回折格子Ｇ１における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子Ｇ２における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように構成してある。すなわち、スリット機構Ｓから検出器Ｄに至る光路において第１回折格子Ｇ１に入射する光は０次回折光（非回折光）を基準として左側に回折する。一方、第２回折格子Ｇ２に入射する光は第２回折格子Ｇ２で発生する０次回折光（非回折光）を基準として右向きに回折する。

更に言い換えると、第１実施形態では第１回折格子Ｇ１、第２回折格子Ｇ２は格子の光線入射点において、入射光と回折光が回折格子の面板部に対する法線に対してそれぞれ同じ側に存在するように回折している光が最終的に検出器Ｄに到達するようにしている。具体的には、第１回折格子Ｇ１において最も強度の強い−１次の回折光が第２回折格子Ｇ２に対して入射するようにしてある。また、第２回折格子Ｇ２において最も強度の強い−１次の回折光が集光光学素子Ｌ２へと入射するように構成してある。

このようにして、第１回折格子Ｇ１において各スリットから入射した光が分光された後、各分光された光が第２回折格子Ｇ２においてさらに回折され、分光された光の分散が小さくなるように構成してある。この結果、検出器Ｄ面上において図４に示すように各スリットの回折像はオーバーラップする部分が存在しないようにしつつ，各波長成分に分離した状態で撮像される。

次に図４に示すように各スリットの回折像にオーバーラップしている部分が存在しないようにするために、第１回折格子Ｇ１と第２回折格子Ｇ２の入射角、回折角が満たしている関係について図３を参照しながら説明する。

ここで、第１回折格子Ｇ１への入射光の入射角をα_１、ターゲットＴからの光に含まれる測定対象波長のうち最も長い波長をλ_max、λ_maxの波長の光が前記第１回折格子Ｇ１でなす回折角をβ_1max, λ_maxの波長の光が第２回折格子Ｇ２に入射する入射角をα_2max、λ_maxの波長の光が第２回折格子Ｇ２でなす回折角をβ_2max、λ_maxの波長の光が前記第２回折格子Ｇ２でなす回折角をβ_2max、ターゲットＴからの光に含まれる測定対象波長のうち最も短い波長をλ_min、λ_minの波長の光が前記第１回折格子Ｇ１でなす回折角をβ_1min, λ_minの波長の光が第２回折格子Ｇ２に入射する入射角をα_2min、λ_minの波長の光が前記第２回折格子Ｇ２でなす回折角をβ_2min、とする。また、第１回折格子Ｇ１の格子間隔をΛ₁、第２回折格子Ｇ２の格子間隔をΛ₂、第１回折格子Ｇ１で発生する回折光の回折次数をm₁、第２回折格子Ｇ２で発生する回折光の回折次数をm₂、集光光学素子Ｌ２の焦点距離ｆとする。

また、第１回折格子Ｇ１についてグレーティング方程式は、Λ₁(sinα_１+sinβ_1min)=m₁λ_min、Λ₁(sinα_１+sinβ_1max)=m₁λ_maxの２式が成り立つ。これらの方程式から各波長の回折角であるβ_1min、β_1maxを求めることができる。

同様に、第２回折格子Ｇ２についてグレーティング方程式は、Λ₂(sinα_2min+sinβ_2min)=m₂λ_min、Λ₂(sinα_2max+sinβ_2max)=m₂λ_maxの２式が成り立つ。これらの方程式から各波長の回折角であるβ2in、β_2maxを求めることができる。

また、検出器Ｄ上における各スリットの回折像間のスリット幅方向に対する離間距離DはD=f(sinβ_2max-sinβ_2min)と表すことができる。この値Dがスリット間隔Iよりも小さくなるように各回折格子の格子間隔を設定してある。

このように構成された第１実施形態の分光装置１００、及び、ハイパースペクトル測定システム２００によれば、検出器Ｄ上において結像される各スリットの回折像がオーバーラップする部分がないようにして、測定範囲を制限することなく、多点の分光情報を取得することができる。

また、ターゲットＴの複数点のスペクトルを同時に撮像でき、短時間での撮像が可能となる。

加えて、第１回折格子Ｇ１で回折された−１次回折光が第２回折格子Ｇ２へと入射するように構成されているとともに、第１回折格子Ｇ１で発生する０次回折光の通過範囲の外側に第２回折格子Ｇ２が配置されているので、第１回折格子Ｇ１で波長分離されていない光については第２回折格子Ｇ２に入射しない。このため、検出器Ｄにおいてもこのような波長分離されていない光が到達しないため、波長分離された光の測定精度に対して悪影響を与えないようにできる。

したがって、検出器Ｄ上において回折光によるスペクトル像と非回折光によるスリット像がオーバーラップするという問題自体が生じ得ないので、画像の精細さとスペクトルの情報量との間のトレードオフ関係だけを考慮して、用途や目的に応じた分散特性を有する分散装置１００を構成することが可能となる。

その他の実施形態について説明する。

スリット機構から検出器に至る光路において第１回折格子で発生する１次回折光が第２回折格子に入射するようにし、第２回折格子で発生する１次回折光が集光光学素子に入射するように構成してもよい。

このような実施形態であっても第１実施形態同様に波長分解能を犠牲にすることなく、第２回折格子から射出される回折光の分散を小さくすることができる。

したがって、各スリットの回折光についてはオーバーラップする部分をなくし、測定不能ならないようにできる。

第１実施形態では透過型の光学系として構成されたハイパースペクトル測定システム、及び、分光装置を示したが、例えば反射型の光学系として構成してもよい。例えばコリメート光学素子、及び、集光光学素子については凹面鏡等を用いて構成してもよい。

同様に第１回折格子、第２回折格子については反射型の回折格子として構成してもよい。

さらにスリット機構に形成される複数のスリットはアレイ状に形成、配置されたものに限られず、例えば複数のスリットが複数本スリット幅方向に並べて形成されたものであっても構わない。本数についても複数であればよく、その本数については特に限定されない。

スリット機構から検出器Ｄに至る光路中に第１回折格子、及び、第２回折格子以外の回折格子が更に設けられていても良い。また、第２回折格子については必ずしも検出器Ｄに入射する直前に回折格子でなくてもよい。

各実施形態では、スリット機構から検出器Ｄに至る光路を構成するのは、各回折格子において最も強度の強い、−１次回折光、又は、１次回折光であったが、例えば光路が第１回折格子で発生する−２次回折光が第２回折格子に入射するように構成してもよい。すなわち、各回折格子において発生する回折光の次数の符号が揃うようにして任意の次数の回折光を用いて光路を形成してもよい。

また、|β_2max-β_2min|＜|β_1max-β_1min|を満たすように構成されていれば、検出器Ｄにおいて各スリットの回折像にオーバーラップする部分が発生しないようにすることが可能となる。

本発明に係る分光装置、及び、ハイパースペクトル測定システムは、イメージングの用途に限られるものではなく、例えば、ターゲット上の多点についてスペクトル情報を同時測定するために用いても構わない。また、本発明は顕微鏡やラマン分光分析のようにミクロな測定だけを対象とするものではなく、マルチスペクトルカメラ、ハイパースペクトルカメラ等のマクロな測定を対象としてもよい。加えて、人工衛星に搭載されるハイパースペクトルカメラとして用いても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態同士の組み合わせや変形を行っても構わない。

２００・・・ハイパースペクトル測定システム
１００・・・分光装置
Ｓ・・・スリット機構
Ｌ１・・・コリメート光学素子
Ｇ１・・・第１回折格子
Ｇ２・・・第２回折格子
Ｌ２・・・集光光学素子
Ｄ・・・検出器

Claims

ターゲットからの光を分光し、分光された光を検出器へと入射させる分光装置であって、
ターゲットからの光が入射する複数のスリットがスリット幅方向に並べて形成されたスリット機構と、
前記複数のスリットを通過した光を平行化するコリメート光学素子と、
前記コリメート光学素子を経由した光が入射するように設けられた第１回折格子と、
前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられた第２回折格子と、
前記第２回折格子を経由した光を前記検出器に集光する集光光学素子と、を備え、
前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が異なっており、
前記スリット機構から前記検出器に至る光路を進行方向に沿って見た場合に、前記第１回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように構成されていることを特徴とする分光装置。
ターゲットからの光に含まれる測定対象波長のうち最も長い波長をλ_max、λ_maxの波長の光が前記第１回折格子でなす回折角をβ_1max, λ_maxの波長の光が前記第２回折格子でなす回折角をβ_2max、ターゲットからの光に含まれる測定対象波長のうち最も短い波長をλ_min、λ_minの波長の光が前記第１回折格子でなす回折角をβ_1min, λ_minの波長の光が前記第２回折格子でなす回折角をβ_2min、とした場合に、
|β_2max-β_2min|＜|β_1max-β_1min|を満たすように構成されている請求項１記載の分光装置。
前記集光光学素子の焦点距離をf、前記各スリットが所定間隔Iで設けられている場合に、
f(sinβ_2max-sinβ_2min)＜Iを満たすように前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が設定されている請求項２記載の分光装置。
前記第２回折格子が、前記第１回折格子で発生する０次回折光の通過範囲の外側に配置されている請求項１記載の分光装置。
前記第１回折格子で発生する−１次回折光が、前記第２回折格子に入射し、
前記第２回折格子で発生する−１次回折光が、前記集光光学素子に入射するように構成されている請求項１記載の分光装置。
前記第１回折格子で発生する１次回折光が、前記第２回折格子に入射し、
前記第２回折格子で発生する１次回折光が、前記集光光学素子に入射するように構成されている請求項１記載の分光装置。
前記コリメート光学素子、及び、前記集光光学素子がレンズで構成されており、
前記第１回折格子、及び、前記第２回折格子が透過型のものである請求項１記載の分光装置。
請求項１乃至７いずれかに記載の分光装置と、
前記検出器と、を備えたハイパースペクトル測定システム。
ターゲットからの光が入射する複数のスリットがスリット幅方向に並べて形成されたスリット機構と、前記複数のスリットを通過した光を平行化するコリメート光学素子と、前記コリメート光学素子を経由した光が入射するように設けられた第１回折格子と、前記第１回折格子を経由して波長ごとに分光された光が入射するように設けられた第２回折格子と、前記第２回折格子を経由した光を前記検出器に集光する集光光学素子と、を備え、前記第１回折格子の格子間隔と前記第２回折格子の格子間隔が異なっている分光装置を用いた分光方法であって、
前記スリット機構から前記検出器に至る光路を進行方向に沿って見た場合に、前記第１回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きと、前記第２回折格子における０次回折光を基準とした回折される向きとが、それぞれ異なる向きとなるように光路を設定することを特徴とする分光方法。