JP2022035080A - Spectroscopy measuring device - Google Patents
Spectroscopy measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022035080A JP2022035080A JP2020139157A JP2020139157A JP2022035080A JP 2022035080 A JP2022035080 A JP 2022035080A JP 2020139157 A JP2020139157 A JP 2020139157A JP 2020139157 A JP2020139157 A JP 2020139157A JP 2022035080 A JP2022035080 A JP 2022035080A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- wavelength
- receiver
- light source
- modulation element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 title claims description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 40
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 52
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 238000001161 time-correlated single photon counting Methods 0.000 claims description 13
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
この出願の発明は、特定の波長について対象物の光特性を測定する分光測定の技術に関するものである。 The invention of this application relates to a technique of spectroscopic measurement for measuring the optical characteristics of an object at a specific wavelength.
対象物に光照射し、その対象物からの透過光や反射光等を分光器で分光してスペクトルを測定する分光測定の技術は、材料分析の手法として代表的なものの一つである。典型的な分光測定の手法は、回折格子を用いる手法である。入射スリットから入射する被測定光を凹面鏡によって平行光にして回折格子に照射し、回折格子からの分散光を同様に凹面鏡で集光し、集光位置に受光器を配置して検出する。回折格子の姿勢を変化(スキャン)させることで、受光器には順次異なった波長の光が入射し、受光器の出力が分光スペクトルとなる。 A spectroscopic measurement technique in which an object is irradiated with light and the transmitted light or reflected light from the object is separated by a spectroscope to measure the spectrum is one of the typical methods for material analysis. A typical spectroscopic measurement method is a method using a diffraction grating. The light to be measured incident from the incident slit is converted into parallel light by a concave mirror and irradiated to the diffraction grating, the dispersed light from the diffraction grating is similarly condensed by the concave mirror, and a light receiver is placed at the condensing position for detection. By changing (scanning) the attitude of the diffraction grating, light of different wavelengths is sequentially incident on the light receiver, and the output of the light receiver becomes a spectral spectrum.
このような分光測定の技術分野において、特定の波長の光のみを選択的に受光器で受光する装置が知られている。特許文献1や特許文献2は、この種の装置を開示するものである。
特定の波長の光のみを選択的に受光する場合、バンドパスフィルタのようなフィルタを介して受光するか、レーザーのような特定の波長の光のみを出射する光源を使用して対象物に光照射してその対象物からの光を受光する構成が考えられる。しかしながら、このような手法であると、選択する波長を変更することが難しい。フィルタを数多く用意して交換することが考えられるが、高コストで構造的にも複雑になる。波長の異なる光源を多数用意して交換しながら光照射することも、コストや構造の点で非現実的である。このようなことから、特許文献1や特許文献2の装置が提案されている。
In the technical field of such spectroscopic measurement, a device that selectively receives only light of a specific wavelength with a light receiver is known.
If you want to selectively receive only light of a specific wavelength, you can either receive it through a filter such as a bandpass filter, or use a light source such as a laser that emits only light of a specific wavelength to light the object. A configuration is conceivable in which light is received from the object by irradiating it. However, with such a method, it is difficult to change the selected wavelength. It is conceivable to prepare a large number of filters and replace them, but this is expensive and structurally complicated. It is also unrealistic in terms of cost and structure to irradiate light while preparing a large number of light sources having different wavelengths and exchanging them. Therefore, the devices of
これら特許文献で提案された装置は、ある程度広い波長帯域(選択する可能性のある波長が含まれる帯域)の光を出射する光源からの光を回折格子等の分散素子で空間的に分散させ、デジタルミラーデバイス(DMD)のような空間光変調器で特定の波長の光のみを選択的に取り出して利用する構成となっている。選択する波長を変更する場合には、空間光変調器を制御することで行う。
上記特許文献の他、分散素子としてプリズムを使用したもの(非特許文献1)や、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)型の空間光変調器を使用したもの(非特許文献2)が知られている。
The devices proposed in these patent documents spatially disperse the light from a light source that emits light in a wavelength band that is wide to some extent (a band that includes wavelengths that may be selected) by a dispersion element such as a diffraction grating. A spatial optical modulator such as a digital mirror device (DMD) is configured to selectively extract and use only light of a specific wavelength. The wavelength to be selected is changed by controlling the spatial light modulator.
In addition to the above patent documents, those using a prism as a dispersion element (Non-Patent Document 1) and those using an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) type spatial light modulator (Non-Patent Document 2) are known. ..
上述した各特許文献や各非特許文献に開示された装置では、回折格子やプリズムのような空間分散素子を使用し、自由空間で光を波長分割して選択している。このため、温度等の環境条件や振動のような外乱の影響を受け易く、信頼性の高い測定を安定して行うことができないという課題がある。 In the devices disclosed in the above-mentioned patent documents and non-patent documents, a space dispersion element such as a diffraction grating or a prism is used, and light is selected by wavelength division in free space. Therefore, there is a problem that it is easily affected by environmental conditions such as temperature and disturbance such as vibration, and highly reliable measurement cannot be performed stably.
例えば、回折格子やプリズムといった分散素子は、温度によって屈折率が変化し、分散させた各波長の光が進む位置が僅かに変化する。このため、DMDのような空間光変調器に光が達する際の位置も僅かに変化してしまい、選択される波長も、予定されていたものからずれてしまう。空間光変調器についても、温度依存性を持つ場合があり、温度変化により波長選択の再現性が低下する場合がある。選択波長の再現性低下は、振動のような機構的外乱によっても生じる。分散素子による各波長の分散位置は振動によって空間的に変位するし、DMDのようなメカニカルな空間光変調器の場合には機構的外乱の影響を受け易い。特に、上述した各特許文献や各非特許文献に開示された装置では、分散素子と空間光変調器とが自由空間を経て接続されているため、温度変化や機構的外乱によって分散素子と空間光変調器の相対的な変位が生じ、選択波長が変化し易い。
本願の発明は、任意波長選択型の分光測定の技術における上記課題を解決するために為されたものであり、環境条件の変化や機構的外乱の影響を受けにくくして高信頼性の任意波長選択型分光測定を安定して行えるようにすることを目的としている。
For example, in a dispersion element such as a diffraction grating or a prism, the refractive index changes depending on the temperature, and the position where the dispersed light of each wavelength travels slightly changes. For this reason, the position when the light reaches the spatial light modulator such as DMD also changes slightly, and the selected wavelength also deviates from the planned one. Spatial light modulators may also have temperature dependence, and the reproducibility of wavelength selection may decrease due to temperature changes. The reduced reproducibility of the selected wavelength is also caused by mechanical disturbances such as vibration. The dispersion position of each wavelength by the dispersion element is spatially displaced by vibration, and in the case of a mechanical spatial light modulator such as DMD, it is easily affected by mechanical disturbance. In particular, in the devices disclosed in the above-mentioned patent documents and non-patent documents, since the dispersive element and the spatial light modulator are connected via free space, the dispersive element and the spatial light are connected due to temperature changes and mechanical disturbances. Relative displacement of the modulator occurs and the selected wavelength is liable to change.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the technique of arbitrary wavelength selective spectroscopic measurement, and is less susceptible to changes in environmental conditions and mechanical disturbances, and has high reliability of arbitrary wavelengths. The purpose is to enable stable selective spectroscopic measurement.
上記課題を解決するため、本願発明の分光測定装置は、選択され得る複数の異なる波長を含む帯域の光を出射する光源と、光源から出射された光を波長分割する導波路型の波長分割素子と、波長分割素子で分割された各波長の光のうち特定の波長の光が選択的に対象物に照射されるように光を変調する変調素子と、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光を受光する受光器と、変調素子により選択的に照射された光の波長についての対象物の光学特性を受光器からの出力を処理することで得るデータ処理ユニットとを備えている。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、導波路型の波長分割素子は、アレイ導波路回折格子であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、変調素子は、電気光学変調器、熱光学型変調器、音響光学変調器又は機械式ファイバースイッチであり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、ファイバー光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、スーパーコンティニウム光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、導波路型の波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御する変調制御部が設けられており、データ処理ユニットは、受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、受光器は、対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器は、分光光学系が分光した光を受光する受光器であるというという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、光源はパルス光源であり、変調素子で変調された光を分割してその一方の対象物に照射する分割素子が設けられており、受光器は、分割された一方の光が照射された対象物において発生した蛍光を受光する蛍光用受光器であり、分割素子で分割された他方の光が対象物を経ることなく入射する位置に配置された同期用受光器が設けられており、データ処理ユニットは、同期用受光器の出力及び蛍光用受光器の出力に従って時間相関単一光子計数法を行うモジュールを含んでいるという構成を持ち得る。
In order to solve the above problems, the spectroscopic measuring apparatus of the present invention has a light source that emits light in a band containing a plurality of different wavelengths that can be selected, and a waveguide type wavelength dividing element that divides the light emitted from the light source into wavelengths. A modulation element that modulates the light so that the light of a specific wavelength is selectively irradiated to the object among the light of each wavelength divided by the wavelength dividing element, and the light modulated by the modulation element are irradiated. It is equipped with a light receiver that receives light from the object and a data processing unit that obtains the optical characteristics of the object with respect to the wavelength of the light selectively irradiated by the modulation element by processing the output from the light receiver. ing.
Further, in order to solve the above problems, in this spectroscopic measuring device, the waveguide type wavelength dividing element may be an array waveguide diffraction grating.
Further, in order to solve the above problems, in this spectroscopic measuring device, the modulation element may be an electro-optical modulator, a thermo-optical modulator, an acousto-optic modulator, or a mechanical fiber switch.
Further, in order to solve the above problems, the light source may be a fiber light source in this spectroscopic measuring device.
Further, in order to solve the above problems, the light source may be a supercontinuum light source in this spectroscopic measuring device.
Further, in order to solve the above problems, the spectroscopic measuring device may have a configuration in which the emission end of each wavelength in the waveguide type wavelength dividing element and the modulation element are connected by a relay fiber.
Further, in order to solve the above problems, this spectroscopic measuring device is provided with a modulation control unit that controls the modulation element so as to correspond to the replacement of the Hadamard mask, and the data processing unit processes the output from the receiver. Then, it may have a configuration that it is a unit that performs Hadamard spectroscopy.
Further, in order to solve the above problems, in this spectroscopic measuring device, the light receiver may be a two-dimensional array light receiver that receives light from an object in two dimensions.
Further, in order to solve the above problems, this spectroscopic measurement device is provided with a spectroscopic optical system that further disperses the light from the object irradiated with the light modulated by the modulation element, and the photoreceiver is spectroscopic optics. It may have a configuration in which the system is a light receiver that receives the dispersed light.
Further, in order to solve the above-mentioned problems, in this spectroscopic measurement device, the light source is a pulse light source, and a dividing element that divides the light modulated by the modulation element and irradiates one of the objects is provided, and receives light. The vessel is a fluorescence receiver that receives the fluorescence generated in the object irradiated with one of the divided lights, and is placed at a position where the other light divided by the dividing element is incident without passing through the object. The synchronous light receiver is provided, and the data processing unit may include a module that performs a time-correlated single photon counting method according to the output of the synchronous light source and the output of the fluorescent light source. ..
以下に説明する通り、本願発明の分光測定装置によれば、任意波長選択型の分光測定装置において、波長分割素子として導波路型であるアレイ導波路回折格子を使用し、分割された各波長の光を変調素子で変調しており、自由空間での波長分割及び波長選択の構成ではないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。このため、波長選択の精度が高く、任意波長選択の分光測定を精度良く安定して行うことができる。
また、波長分割素子がアレイ導波路回折格子である構成では、分割数を多くするのが容易であるので、この点で好適となる。
また、光源がファイバー光源である構成では、波長分割素子との接続についても自由空間を経ないで行うことができるので、この点でより好適となる。
また、光源がスーパーコンティニウム光源である構成では、上記効果を得つつ選択可能波長帯域を広くできるので、この点でより好適となる。
また、波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されている構成では、既存の波長分割素子を用いることができるので、この点で実用的となる。
また、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御する変調制御部が設けられており、データ処理ユニットが受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであると、極めて簡便な構成にてアダマール分光を行うことができ、また使用環境や外乱の影響を受けにくい。そして、対象物に対して瞬時的に与えられる光エネルギーが小さいので、耐熱性や耐光性の低い対象物についても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
また、受光器が対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器である構成では、任意波長選択照射型の分光測定を二次元で行うことができ、特にハイパースペクトル画像を容易に得ることができる。
また、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器が分光光学系が分光した光を受光する受光器であると、対象物からの光をさらに分光した結果を測定結果として得ることができ、特に蛍光観察の用途において有益な装置となる。
また、光源がパルス光源であって、分割素子で分割された一方の光が入射した対象物において発生した蛍光を蛍光用受光器が捉え、他方の光が入射する位置に同期用受光器が設けられており、蛍光用受光器及び同期用受光器からの入力に従って時間相関単一光子計数法が行われる構成であると、励起光の波長と蛍光寿命との関係を極めて短時間に調べることができる。
As described below, according to the spectroscopic measurement apparatus of the present invention, in the arbitrary wavelength selection type spectroscopic measurement apparatus, an array waveguide diffraction grating which is a waveguide type is used as a wavelength division element, and each wavelength divided is used. Since the light is modulated by a modulation element and is not configured for wavelength division and wavelength selection in free space, it is not easily affected by the usage environment and disturbance. Therefore, the accuracy of wavelength selection is high, and spectroscopic measurement of arbitrary wavelength selection can be performed accurately and stably.
Further, in a configuration in which the wavelength dividing element is an arrayed waveguide diffraction grating, it is easy to increase the number of divisions, which is preferable in this respect.
Further, in the configuration where the light source is a fiber light source, the connection with the wavelength dividing element can be performed without passing through a free space, which is more preferable in this respect.
Further, in the configuration where the light source is a supercontinuum light source, the selectable wavelength band can be widened while obtaining the above effect, which is more preferable in this respect.
Further, in the configuration in which the emission end of each wavelength and the modulation element of the wavelength dividing element are connected by a relay fiber, the existing wavelength dividing element can be used, which is practical in this respect.
Further, it is extremely simple if the data processing unit is a unit that processes the output from the receiver to perform Hadamard spectroscopy by providing a modulation control unit that controls the modulation element so as to correspond to the replacement of the Hadamard mask. Hadamard spectroscopy can be performed in the configuration, and it is not easily affected by the usage environment and disturbance. Since the light energy instantaneously given to the object is small, it is possible to suitably analyze the object having low heat resistance and light resistance by Hadamard spectroscopy.
Further, in a configuration in which the photoreceiver is a two-dimensional array photoreceiver that receives light from an object in two dimensions, it is possible to perform arbitrary wavelength selective irradiation type spectroscopic measurement in two dimensions, and in particular, hyperspectral images can be easily obtained. Obtainable.
Further, it is said that a spectroscopic optical system is provided that further disperses the light from the object irradiated with the light modulated by the modulation element, and the light receiver is a light receiver that receives the light dispersed by the spectroscopic optical system. The result of further spectroscopy of the light from the object can be obtained as the measurement result, which is a useful device especially in the application of fluorescence observation.
Further, the light source is a pulse light source, and the fluorescence receiver captures the fluorescence generated in the object to which one of the lights divided by the dividing element is incident, and the synchronization receiver is provided at the position where the other light is incident. In the configuration where the time-correlated single photon counting method is performed according to the input from the fluorescence receiver and the synchronization receiver, the relationship between the wavelength of the excitation light and the fluorescence lifetime can be investigated in an extremely short time. can.
以下、この出願の発明を実施するための形態(実施形態)について説明する。
図1は、第一の実施形態に係る分光測定装置の概略図である。この分光測定装置は、複数の異なる波長のうちから一つ又は複数の波長を任意に選択して当該波長の光を対象物Sに照射し、光照射された対象物Sからの光を受光器7で受光する装置である。
ここでの波長は、厳密な意味で考えると波長帯である。即ち、例えば1100nmの波長の光とはいっても、厳密には1095nm~1104nmの波長の光を意味するといった具合に、厳密に表現すれば「波長帯」ということになる。このように厳密には波長帯であるが、煩雑となるので、以下の説明では単に「波長」と表現する。したがって、ある波長を含む帯域とは、その波長の厳密な意味での帯域よりも広い帯域ということになる。
Hereinafter, embodiments (embodiments) for carrying out the invention of this application will be described.
FIG. 1 is a schematic view of a spectroscopic measuring device according to the first embodiment. This spectroscopic measuring device arbitrarily selects one or a plurality of wavelengths from a plurality of different wavelengths, irradiates the object S with light of the wavelength, and receives the light from the irradiated object S as a receiver. It is a device that receives light at 7.
The wavelength here is a wavelength band in a strict sense. That is, for example, light having a wavelength of 1100 nm means light having a wavelength of 1095 nm to 1104 nm in a strict sense, and is strictly expressed as a “wavelength band”. Strictly speaking, it is a wavelength band, but since it is complicated, it is simply referred to as "wavelength" in the following description. Therefore, the band including a certain wavelength is a band wider than the band in the strict sense of the wavelength.
図1に示すように、実施形態の分光測定装置は、光源1と、波長分割素子2と、変調素子3とを備えている。
光源1は、対象物Sに照射して光特性を知る必要がある波長を含む帯域(以下、測定可能波長帯域という。)の光を出射する光源である。したがって、対象物Sの種類や知るべき光特性に応じて選定される。この実施形態では、光源1には、ファイバー光源が使用されており、特にスーパーコンティニウム光(以下、SC光と記す。)を出射するスーパーコンティニウム光源が使用されている。この明細書では、出射部がファイバーである光源を広くファイバー光源と呼んでいる。ファイバーレーザーが典型的なファイバー光源であるが、測定可能波長帯域という広い波長帯域の光を出射させる必要があるため、この実施形態では光源1としてSC光源が使用されている。
As shown in FIG. 1, the spectroscopic measuring device of the embodiment includes a
The
具体的には、光源1は、超短パルスレーザ源11と、非線形素子12とを備えている。超短パルスレーザ源11としては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。非線形素子12としては、ファイバーが使用されている。例えば、フォトニッククリスタルファイバーやその他の非線形ファイバーが非線形素子12として使用できる。ファイバーのモードとしてはシングルモードの場合が多いが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、非線形素子12として使用できる。
Specifically, the
SC光は、超短パルスレーザ源からの光をファイバーのような非線形素子に通し、自己位相変調や誘導ラマン散乱のような非線形光学効果により波長を広帯域化させることで得られる光である。超短パルスレーザ源や非線形素子として適宜のものを選択すると、任意の波長帯域に広がった光を得ることができる。この実施形態では、近赤外域での分光分析を想定しているため、例えば1100~1200nm程度の波長帯域に亘って連続したスペクトルのSC光を出射するものが使用されている。但し、1000~1300nm程度というようにさらに広い帯域のSC光を出射する光源を光源1として使用されることもある。
SC light is light obtained by passing light from an ultrashort pulse laser source through a non-linear element such as a fiber and widening the wavelength by a non-linear optical effect such as self-phase modulation or induced Raman scattering. By selecting an appropriate ultrashort pulse laser source or non-linear element, it is possible to obtain light spread over an arbitrary wavelength band. In this embodiment, since spectroscopic analysis in the near infrared region is assumed, one that emits SC light having a continuous spectrum over a wavelength band of, for example, about 1100 to 1200 nm is used. However, a light source that emits SC light in a wider band such as about 1000 to 1300 nm may be used as the
波長分割素子2は、この実施形態の装置を大きく特徴づけている。この実施形態では、従来とは異なり、導波路型の波長分割素子2が使用されている。導波路型の波長分割素子とは、自由空間ではなく、固体材料で形成された光路(導波路)を通して光を伝搬させる際に光を波長分割する素子を指している。具体的には、この実施形態では、アレイ導波路回折格子(AWG)が波長分割素子2として使用されている。
The
図2は、波長分割素子2として使用されたアレイ導波路回折格子の平面概略図である。
アレイ導波路回折格子は、光通信用として開発された素子であり、光測定用としての利用は知られていない。図2に示すようにアレイ導波路回折格子は、基板21上に各機能導波路22~26を形成することで構成されている。各機能導波路は、光路長が僅かずつ異なる多数のグレーティング導波路22と、グレーティング導波路22の両端(入射側と出射側)に接続されたスラブ導波路23,24と、入射側スラブ導波路23に光を入射させる入射側導波路25と、出射側スラブ導波路24から各波長の光を取り出す各出射側導波路26となっている。
FIG. 2 is a schematic plan view of an array waveguide grating used as the
The arrayed waveguide grating is an element developed for optical communication, and its use for optical measurement is not known. As shown in FIG. 2, the array waveguide diffraction grating is configured by forming each
入射側導波路25を通って入射した光は、入射側スラブ導波路23において広がり、各グレーティング導波路22に入射する。各グレーティング導波路22は、僅かずつ長さが異なっているので、各グレーティング導波路22の終端に達した光は、この差分だけ位相がそれぞれずれる(シフトする)。各グレーティング導波路22からは光が回折して出射するが、回折光は互いに干渉しながら出射側スラブ導波路24を通り、出射側導波路26の入射端に達する。この際、位相シフトのため、干渉光は波長に応じた位置で最も強度が高くなる。つまり、各出射端導波路26には波長が順次異なる光が入射するようになり、光が空間的に波長分割される。厳密には、そのように分割される位置に各入射端が位置するよう各出射側導波路26が形成される。
The light incident on the
図2に示すようなアレイ導波路回折格子は、光通信の分野で波長分割多重通信 (WDM)用に開発されたものであるが、発明者は、用途及び波長域は大きく異なるものの、実施形態の分光測定装置において任意波長選択のための波長分割素子2として使用できることを見出したものである。
このようなアレイ導波路回折格子は、例えばシリコン製の基板21を表面処理することで作製することができる。具体的には、シリコン製の基板21の表面に火炎堆積法によりクラッド層(SiO2層)を形成し、コア用のSiO2-GeO2層を同様に火炎堆積法により形成した後、フォトリソグラフィによりSiO2-GeO2層をパターン化して各導波路22~26を形成し、更にオーバークラッド層(SiO2層)を形成することにより作製される。各グレーティング導波路22の線幅は、例えば5~6μm程度である。
形成するグレーティング導波路22の数は、波長分割数にもよるが、例えば1000~1300nm程度の波長帯域幅に亘って10~100個程度の波長帯域に分割する場合、グレーティング導波路の数は30~300本程度であり、光は3~30nmずつ違う波長に分割されて出射される。
The arrayed waveguide diffraction grating as shown in FIG. 2 was developed for wavelength division multiplexing (WDM) in the field of optical communication, but the inventor described it as an embodiment, although the application and the wavelength range are significantly different. It has been found that the spectroscopic measuring apparatus can be used as a
Such an arrayed waveguide diffraction grating can be produced, for example, by surface-treating a
The number of
変調素子3も、この実施形態の分光測定装置を大きく特徴づけている。変調素子3としては、この実施形態では、電気光学変調器(EOM)が使用されている。電気光学変調器は、電気光学結晶に電圧を印加すると屈折率が変化することを利用した素子で、電気光学結晶としては例えばニオブ酸リチウムが使用される。
変調素子3が行う変調は振幅変調であり、オンオフ(透過、遮断)である。図1に示すように、波長分割素子2と各変調素子3は、中継ファイバー4で接続されている。図2に示すように、各中継ファイバー4の入射端は、波長分割素子2としてのアレイ導波路回折格子の各出射側導波路26に接続されている。各中継ファイバー4の出射端に、各変調素子3が取り付けられている。
The
The modulation performed by the
図1に示すように、装置は、変調素子3を制御する変調制御部30を備えている。変調制御部30は、各変調素子3に制御信号を送信する制御部である。具体的には、変調制御部30は、各変調素子3を選択的に動作させ、選択された変調素子3については光を透過させ、選択されなかった変調素子3については光を遮断させる制御部である。
図1に示すように、各変調素子3の出射側には、出射ファイバー5が接続されている。出射ファイバー5は終端は一つに束ねられており、そこに出射端素子51が設けられている。出射端素子51としては、例えばアレイ導波路回折格子が使用される。即ち、アレイ導波路回折格子を波長分割素子として使用する場合とは逆向きに光を入射することにより、各出射ファイバー5からの光を1本の導波路に合波することができる。また出射端素子51として、バンドルファイバーやファンイン/ファンアウトデバイスが使用される場合もあり得る。
尚、変調素子は光のオンオフを行うと説明したが、オフの状態は、変調素子3の構成によっては異なる態様を取り得る。光がそこで減衰して強度が実質的にゼロになる場合もあるし、通常とは異なる方向に反射することで出射ファイバー5に入射しなくなる(伝送されなくなる)場合もあり得る。
As shown in FIG. 1, the apparatus includes a
As shown in FIG. 1, the
Although it has been described that the modulation element turns on and off the light, the off state may take a different mode depending on the configuration of the
この実施形態では、出射端素子51から出射される光を対象物Sに照射するための照射光学系50が設けられている。照射光学系50は、コリメートレンズ52を含んでいる。コリメートレンズ52は、対象物Sのサイズに応じてビームをコリメートして照射するための素子である。
この例では、対象物Sは受け板6に載置されるようになっており、照射光学系50は受け板6上の対象物Sに照射するための光学系である。この例ではミラーを使用しているが、導光用ファイバーを使用する場合もある。導光用ファイバーを使用する場合、出射端素子51に導光用ファイバーを接続し、その終端にコリメートレンズ52を取り付ける構成が採用され得る。
In this embodiment, an irradiation
In this example, the object S is placed on the receiving
実施形態の装置は、対象物Sの透過特性を分析する装置となっており、従って対象物Sの透過光を受光する位置に受光器7が配置されている。受光器7は、測定可能波長帯域の全域に亘って感度を有するものであり、例えばSiやInGaAsといった半導体受光セルを使用したものが使用される。二つの異なる受光器が交換されながら使用されることもある。
The device of the embodiment is a device for analyzing the transmission characteristics of the object S, and therefore, the
図1に示すように、実施形態の分光測定装置は、測定データを処理するデータ処理ユニット8を備えている。データ処理ユニット8は、この例ではPCのような汎用コンピュータで構成されている。
データ処理ユニット8は、プロセッサ81や記憶部(ハードディスク、メモリ等)82を備えている。記憶部82には、受光器7からのデータを処理して測定結果を得るデータ処理プログラム83やその他の必要なプログラムがインストールされている。尚、受光器7とデータ処理ユニット8との間にはADコンバータ80が設けられており、受光器7の出力はデジタル化されてデータ処理ユニット8に入力されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the spectroscopic measuring device of the embodiment includes a
The
この例では、データ処理ユニット8は、装置全体を制御する制御ユニット及びデータ入力ユニットにも兼用されている。即ち、データ処理ユニット8には、各部を所定のシーケンスで制御する測定シーケンス制御プログラム84や、任意波長選択のための入力をさせる波長選択入力プログラム85等が実装されている。
図1に示すように、データ処理ユニット8は、表示部801や入力部802を備えている。波長選択入力プログラム85は、任意波長を選択する画面を表示部801に表示し、入力部802で入力させるプログラムである。入力により選択された波長の情報(選択波長情報)は、記憶部82に一時的に記憶され、データ処理プログラム83が実行される際に引数として渡されるようになっている。
In this example, the
As shown in FIG. 1, the
尚、波長選択入力プログラム85による波長の選択は、波長分割素子2における波長分割を単位として行われる。波長分割素子2が、λ1~λnまでのn個の波長を選択する構成である場合、変調素子3もn個設けられて、それぞれ中継ファイバー4により接続される。この場合、波長選択プログラムにおいて、n個の波長のうちの特定の一つを選択することも可能とされ、λ1~λ5のように連続した複数の波長を選ぶことも可能とされる。さらに、連続していない(とびとびの)複数の波長を選ぶことも可能とされ、全波長を選ぶことも可能とされる。
The wavelength selection by the wavelength
このような実施形態の分光測定装置の動作について、以下に説明する。
測定者は、受け板6に対象物Sを載置するとともに入力部802において測定波長の入力をする。そして、入力部802から測定開始の指令を入力すると、データ処理ユニット8にインストールされた測定シーケンス制御プログラム84が実行される。
測定シーケンス制御プログラム84は、光源1を動作させ、SC光を出射させる。出射されたSC光は、波長分割素子2で波長分割され、変調素子3で変調されて出射する。そして、コリメートレンズ52でビームがコリメートされて対象物Sに照射される。この際、測定シーケンス制御プログラム84は、変調制御部30に制御信号を送る。この制御信号は、選択された波長に対応する変調素子3を動作させ、それ以外の変調素子3は動作しないようにする信号である。変調制御部30は、この制御信号に従って各変調制御部30を制御し、選択された波長の変調素子3のみをオンにする。
The operation of the spectroscopic measuring device of such an embodiment will be described below.
The measurer places the object S on the receiving
The measurement
この結果、対象物Sには、選択された波長の光のみが照射される。対象物Sに入射して透過した光は、受光器7に達し、その強度が検出されてそのデータがADコンバータ80を介してデータ処理ユニット8に入力される。
データ処理ユニット8で実行されるデータ処理プログラム83は、必要なデータ処理を行ってその結果を表示部801に表示する。必要なデータ処理とは、吸収率の測定の場合、対象物Sを受け板6に配置しない状態で測定した参照値のうち当該波長(選択された波長)の参照値と比較して吸収率を算出する処理である。
尚、全波長が順次選択された場合、全波長が対象物Sに照射されてその透過光が受光器7で受光され、それが各参照値と比較されるので、測定結果は測定可能波長帯域の全域についての吸収スペクトルということになる。
As a result, the object S is irradiated with only the light having the selected wavelength. The light incident on the object S and transmitted reaches the
The
When all wavelengths are sequentially selected, all wavelengths are applied to the object S, and the transmitted light is received by the
実施形態の分光測定装置によれば、任意波長選択型の分光測定装置において、波長分割素子2として導波路型であるアレイ導波路回折格子を使用し、分割された各波長の光を変調素子3でオンオフしており、自由空間での波長分割及び波長選択の構成ではないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。このため、波長選択の精度が高く、任意波長選択の分光測定を精度良く安定して行うことができる。
According to the spectroscopic measurement apparatus of the embodiment, in the arbitrary wavelength selection type spectroscopic measurement apparatus, an array waveguide diffraction grating which is a waveguide type is used as the
また、この実施形態では、波長分割素子2と変調素子3とを中継ファイバー4で接続しているので、より実用的な構成となっている。中継ファイバー4を使用しない場合、波長分割素子2の各出射端(分割された各波長の光が出射される各端部)に各変調素子3を直接設ける構成が考えられる。しかしながら、波長分割素子2として採用されたアレイ導波路回折格子の場合、このようなことが可能なものは市販されていないので、自作する必要がある。そのような面倒がない点で、中継ファイバー4を使用する構成は実用的である。
尚、分割素子2としてのアレイ導波路回折格子の出力はシングルモードであり、変調素子3もシングルモード動作の場合が多いので、中継ファイバー4はシングルモードファイバーであることが望ましい。
Further, in this embodiment, since the
Since the output of the arrayed waveguide diffraction grating as the dividing
このような実施形態の分光測定装置は、いわゆるアダマール分光(アダマール変換分光)を行う装置として構成することも可能である。以下、この点について説明する。
特許文献2や非特許文献3に記載されているように、アダマール分光を行う場合、アダマール行列に基づいてアダマールマスクを作成して使用する。例えば非特許文献3に記載されているように、n次のアダマール行列(H行列)からn-1次のS行列を作成し、このS行例に対応するアダマールマスクを作成する。そして各アダマールマスクを順次入れ替えて測定を行う。特許文献2では、プログラマブルミラーによってアダマールマスクの入れ替えに相当する光の制御を行っている。
The spectroscopic measurement device of such an embodiment can also be configured as a device that performs so-called Hadamard spectroscopy (Hadamard transform spectroscopy). This point will be described below.
As described in
一方、実施形態の分光測定装置を使用してアダマール分光を行う場合、各変調素子3を制御するシーケンスをアダマールマスクの入れ替えに相当するものとする。即ち、n-1次のS行列に対応した形で光のオンオフがされるようにする。この場合、nは2mの整数であるから、例えば、15個の変調素子3を使用して15次のアダマールマスクの入れ替えに相当するシーケンスで変調素子3は制御され得る。つまり、1回目は1番目(S行列における1行目)のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子3をオンオフする。2回目は、2番目(2行目)のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子3をオンオフする。これを繰り返し、15回目は、15番目(15行目)のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子3をオンオフする。
On the other hand, when Hadamard spectroscopy is performed using the spectroscopic measuring device of the embodiment, the sequence for controlling each
データ処理プログラム83は、上記のように各変調素子3がシーケンス制御されて得られた各測定値からスペクトルを得るようプログラミングされる。上記の15次のアダマールマスクを例にすると、15回の測定における各測定値についてS行列の逆行列を掛け合わせ、スペクトルの算出結果とする。
実施形態の分光測定装置を用いてアダマール分光を行う場合(アダマール分光測定装置の場合)、上記のように変調制御部30とデータ処理プログラム83の構成が変更されるが、この構成によれば、アダマールマスクの入れ替えが各変調素子3の制御シーケンスで実現されるので、極めて簡便となる。また、引用文献2のようにプログラマブルミラーを使用する必要もないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。
The
When performing Hadamard spectroscopy using the spectroscopic measuring device of the embodiment (in the case of the Hadamard spectroscopic measuring device), the configurations of the
さらに、上記手法では、対象物Sに光照射してそこからの光に対してアダマールマスクを適用するのではなく、アダマールマスクに相当するシーケンスで波長を選択して対象物Sに光照射するので、対象物Sに対して瞬時的に与えられる光エネルギーは小さい。このため、耐熱性や耐光性の低い対象物Sについても好適にアダマール分光による分析をすることができる。 Further, in the above method, instead of irradiating the object S with light and applying the adamar mask to the light from the object S, the wavelength is selected in the sequence corresponding to the adamar mask and the object S is irradiated with the light. , The light energy instantaneously given to the object S is small. Therefore, even an object S having low heat resistance and light resistance can be suitably analyzed by Hadamard spectroscopy.
次に、第二の実施形態の分光測定装置について説明する。図3は、第二の実施形態の分光測定装置の概略図である。
第二の実施形態の分光測定装置は、第一の実施形態と同様、対象物Sに対して任意に選択された波長の光を照射する装置となっている。そして、第二の実施形態では、第一の実施形態と異なり、光照射された対象物Sからの反射光を測定する装置となっている。
Next, the spectroscopic measuring device of the second embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic view of the spectroscopic measuring device of the second embodiment.
Similar to the first embodiment, the spectroscopic measuring device of the second embodiment is a device that irradiates the object S with light having an arbitrarily selected wavelength. Then, unlike the first embodiment, the second embodiment is a device for measuring the reflected light from the object S irradiated with light.
第二の実施形態においても、光源1からの光を波長分割素子2で分割し、変調素子3でオンオフして対象物Sに照射する構成が採用されている。図3に示すように、第二の実施形態では、照射光学系50は導光用ファイバー53を含んでいる。導光用ファイバー53は出射端素子51に接続されており、その終端にコリメートレンズ52が設けられている。
コリメートレンズ52は、受け板6に載置された対象物Sに対して斜め上から光照射する姿勢で取り付けられており、その反射光を受光する位置にレンズ71を介して受光器7が設けられている。受光器7は、同様にADコンバータ80を介してデータ処理ユニット8に接続されている。
Also in the second embodiment, a configuration is adopted in which the light from the
The collimating
この実施形態では、受光器7は、受光セルを二次元に配置した二次元アレイ受光器となっている。二次元アレイ受光器7は、エリアイメージセンサのような撮像素子(カメラ)であり得る。この場合、レンズ71は、対象物Sの表面の像を受光面に結像させるものであり得る。
データ処理ユニット8に実装されたデータ処理プログラム83は、受光器7からの二次元データを処理するプログラムとなっている。データ処理プログラム83は、二次元データ処理の結果を、選択された波長についての対象物Sの表面の二次元の分光測定の結果とする。この場合、選択された波長が単一の波長であれば、当該波長の反射率が対象物Sの表面においてどのように分布しているかの測定結果となる。複数波長が順次選択されている場合、測定結果はいわゆるハイパースペクトル画像となる。全波長を順次選択すると、測定可能波長帯域全域でのハイパースペクトル画像が測定結果として得られる。
尚、反射率の算出に際しては参照値が必要であるので、予め標準反射板を使用して取得しておく。標準反射板は、各波長の反射率が既知である反射板である。標準反射板を使用した際の測定値に対する比率に基づいて対象物Sの表面の反射率が算出される。
In this embodiment, the
The
Since a reference value is required when calculating the reflectance, a standard reflector is used to obtain the reflectance in advance. The standard reflector is a reflector whose reflectance at each wavelength is known. The reflectance of the surface of the object S is calculated based on the ratio to the measured value when the standard reflector is used.
第二の実施形態の分光測定装置によれば、受光器7が二次元アレイ受光器であるので、対象物Sの分光特性を二次元データとして得ることができ、面内での分光特性の分布等を知る必要がある場合、特に好適なものとなる。そして、複数波長を選択することでハイパースペクトル画像を得ることも可能であり、対象物Sの二次元光特性をより詳細に分析する必要がある場合、特に好適となる。
According to the spectroscopic measuring device of the second embodiment, since the
ハイパースペクトル画像を得る従来の方式として、ラインスキャン方式やスナップショット方式が知られている。ラインスキャン方式では、スリットを通過した光を回折格子等で分光し、それをスキャンしながら行うので、構造的に複雑で測定に時間を要する欠点がある。また、測定環境の変化や外乱の影響も受け易い。スナップショット方式では、受光器の入射側に液晶素子等を用いる分光フィルタを組み込んで構成したり、画素ごとに異なる分光フィルタを組み込んだイメージセンサを受光器として使用したりする構成が知られているが、カメラの構造が大型になったり高コストになったりする問題がある。さらに、フィルタ組み込み型イメージセンサを使用する方式では、厳密に同一点の分光データではないため空間分解能が低下し易いという問題がある。実施形態の装置によりハイパースペクトル画像を得る場合、これらの問題はない。 As a conventional method for obtaining a hyperspectral image, a line scan method and a snapshot method are known. In the line scan method, the light that has passed through the slit is separated by a diffraction grating or the like, and the light is scanned while scanning, so that there is a drawback that the measurement is structurally complicated and takes time. It is also susceptible to changes in the measurement environment and disturbances. In the snapshot method, a configuration is known in which a spectroscopic filter using a liquid crystal element or the like is incorporated on the incident side of the photoreceiver, or an image sensor incorporating a spectroscopic filter different for each pixel is used as the photoreceiver. However, there is a problem that the structure of the camera becomes large and the cost becomes high. Further, in the method using the filter built-in image sensor, there is a problem that the spatial resolution tends to decrease because the spectral data is not exactly the same point. When the hyperspectral image is obtained by the apparatus of the embodiment, these problems do not exist.
尚、従来のハイパースペクトル画像を得る方式は、対象物Sに全波長の光を照射しておいて、照射された対象物Sからの光を二次元で受光しておいて、その際に分光する方式である。一方、この実施形態の装置は、一波長ずつ光を対象物Sに照射しておいて、受光器7からのデータ処理において統合して二次元の分光スペクトルとする方式であり、基本的な考え方が異なっている。実施形態の装置によれば、対象物Sに対して瞬時的に照射される光のエネルギーが小さくなるので、耐熱性の低い対象物や耐光性の低い対象物の場合に特に好適である。
In the conventional method for obtaining a hyperspectral image, the object S is irradiated with light of all wavelengths, the irradiated object S is received in two dimensions, and the spectrum is dispersed at that time. It is a method to do. On the other hand, the apparatus of this embodiment is a method in which light is irradiated to the object S one wavelength at a time and integrated in the data processing from the
第二の実施形態では、反射光を二次元アレイ受光器7で受光して二次元のデータ(反射率データ)を得たが、透過光を二次元アレイ受光器7で受光して二次元の透過率データを得ても良い。但し、どちらかというと、透過光を受光する位置に受光器7を設けた場合、受光器7に入射する光に含まれる散乱光の量が多くなる傾向があるので、反射光について二次元データを取得する構成の方が好ましい。
In the second embodiment, the reflected light is received by the two-
第二の実施形態のように二次元アレイ受光器7を使用する構成において、前述したアダマール分光を行うようにすることも可能である。即ち、前述したようにアダマールマスクの入れ替えに相当するシーケンスで各変調素子3を制御しながら二次元アレイ受光器7で受光し、各受光セル(画素)における出力列(各回の出力データ)について逆行列を掛け合わせて各点の分光スペクトル(上記の例では分光反射率分布)とする。
In the configuration using the two-
この構成によれば、アダマールマスクの入れ替えが各変調素子3の制御シーケンスで実現されるので、極めて簡便となる。また、引用文献2のようにプログラマブルミラーを使用する必要もないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。
さらに、上記手法では、対象物Sに光照射してそこからの光に対してアダマールマスクを適用するのではなく、アダマールマスクに相当するシーケンスで波長を選択して対象物Sに光照射するので、対象物Sに対して瞬時的に与えられる光エネルギーは小さい。このため、耐熱性や耐光性の低い対象物Sについても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
According to this configuration, the replacement of the Hadamard mask is realized by the control sequence of each
Further, in the above method, instead of irradiating the object S with light and applying the adamar mask to the light from the object S, the wavelength is selected in the sequence corresponding to the adamar mask and the object S is irradiated with the light. , The light energy instantaneously given to the object S is small. Therefore, even an object S having low heat resistance and light resistance can be suitably analyzed by Hadamard spectroscopy.
上述した各実施形態において、波長分割素子2としてWDMカプラを使用することもできる。選択できる波長は二つ又は三つ程度となるが、その程度の選択で十分なのであれば、WDMカプラをすることで装置コストを下げることができる。但し、アレイ導波路回折格子を波長分割素子2として使用すると、分割数を多くして選択可能な波長数を多くするのが容易であるので、この点で好適となる。
In each of the above-described embodiments, a WDM coupler can also be used as the
また、変調素子3としては、電気光学変調器の他、熱光学型変調器を使用することもできる。例えば、マッハツェンダ干渉計型PLC光スイッチは、分岐部と合波部の途中に設けた一方の導波路を薄膜ヒータで加熱して位相を遅らせることで合波部で光をオフにする構造を有する。このような熱光学型変調器を変調素子3として使用することができる。
また、変調素子3として、音響光学型変調器を使用することもできる。音響光学型変調器は、音響光学結晶の一面に圧電変換器が取り付けられており、高周波信号を圧電変換器に印加することによって結晶内に音響進行波を発生させ、光弾性効果によって特定の波長に対する変調器として動作するよう設計された素子である。このような音響光学型変調器を変調素子3として使用することができる。
Further, as the
Further, as the
さらに、各実施形態における変調素子3は、光のオンオフを目的とするので光スイッチということもできるが、機械式光ファイバースイッチを使用することができる。特に、実用化されている機械式光ファイバースイッチの中では、MEMS型光ファイバースイッチを好適に使用することができる。MEMS型光ファイバースイッチは、微細加工により製作したマイクロミラーを駆動して光のオンオフを行う素子である。各実施形態における変調素子3として用いる場合、全ての変調素子3を各スイッチとして微細加工により一つの素子の中に作り込むことも可能であり、装置全体のコンパクト化に貢献できる。この他、機械式ファイバースイッチとしては、プリズムミラーを変位させることでスイッチ動作する素子や、ファイバー自体を変位させることでスイッチ動作する素子なども使用することができる。
変調素子3は、導波路型の波長分割素子2の後段に設けられる素子であるので、上記各変調器も含め、PLC(Planar Lightwave Circuit)型やファイバー型の変調器が一般論として親和性が高く、好適に用いることができる。
Further, although the
Since the
上記各実施形態では、変調素子3は光のオンオフを行うものであったが、完全に遮断するのではなく、ある程度弱める(振幅を小さくする)変調を行う変調素子が採用されることがあり得る。例えば、波長分割素子2から出射された際の強度の10%以下又は5%以下になるように遮断するものが変調素子3として使用される場合もあり得る。分光測定の用途や目的によっては、非選択の波長の光の強度を弱めるだけで足りる場合もあり、選択された波長の強度に対して非選択の波長の強度が無視できる程度に小さくできる場合、このような変調素子が使用される場合もある。一例として、MEMS型光ファイバースイッチを強度変調素子として利用したVOAアレイ(Variable Optical Attenuator Array、可変光アッテネータアレイ)を用いることができる。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態において、参照値の取得をリアルタイムに行う構成が採用されることもあり得る。例えば、第一の実施形態の場合、コリメートレンズ52の出射側にビームスプリッタを設けて光を分割し、一方を対象物Sに光照射する照射光学系とし、他方を参照用光学系とする。参照用光学系では、対象物Sが配置されていない受け板6を通して参照用受光器7で光を受光し、その出力を参照値とする。第二の実施形態の場合、参照用光学系は標準反射板に光を照射してその反射光を参照用受光器で受光する構成とされる。いずれの場合も、リアルタイムの参照値の取得になるので、測定結果の信頼性がより高められる。
Further, in each of the above embodiments, a configuration in which the reference value is acquired in real time may be adopted. For example, in the case of the first embodiment, a beam splitter is provided on the exit side of the collimating
また、光源1として用いたSC光源は、ファイバー光源の一例であるが、ファイバー光源を用いることも、導波路型の波長選択素子2との親和性を考慮したものである。ファイバー光源は、出射部がファイバーであるので、導波路型の波長選択素子2に対して自由空間を経ることなく接続することができる。このため、同様に使用環境や外乱の影響を受けにくい。
光源1としては、この他、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源、SLD(Superluminescent diode)光源等を使用することもできる。さらに、レーザー系の光源である必要はなく、LEDその他のインコヒーレント光源が使用されることもあり得る。これらの光源についても、出射部にファイバーを設けたファイバー光源とすると、同様に使用環境や外乱の影響を受けにくいという効果が得られる。
The SC light source used as the
As the
対象物Sとしては、光特性を知る必要があるものであれば、特に制限はない。固体に限らず、液体や気体が対象物Sになる場合もある。例えば、透光性のセル中に対象物Sとして液体又は気体を封入し、透過スペクトルを測定する場合があり得る。
さらに、対象物Sからの光は、透過光や反射光に限らず、散乱光や蛍光の場合もあり得る。尚、いずれの場合も、対象物Sからの光をさらに分光する分光光学系が設けられる場合があり得る。具体的には、対象物Sからの光をレンズで集光し、集光位置にスリットを設ける。そして、スリットを通過した光をコリメーターレンズで平行光にした後に回折格子で分散させ、一次元のアレイ型受光器で受光する(ポリクロメーター)。このような構成は、蛍光の観察において特に効果的である。即ち、対象物Sに照射する光を各変調素子3の制御でスキャンしながら(順次変えながら)発生蛍光を分光分析することで、励起光の波長と発生蛍光のスペクトルとの関係を極めて短時間に調べることができる。
The object S is not particularly limited as long as it is necessary to know the optical characteristics. Not limited to solids, liquids and gases may be objects S. For example, a liquid or gas may be encapsulated as an object S in a translucent cell, and the transmission spectrum may be measured.
Further, the light from the object S is not limited to transmitted light and reflected light, but may be scattered light or fluorescence. In either case, a spectroscopic optical system that further disperses the light from the object S may be provided. Specifically, the light from the object S is focused by a lens, and a slit is provided at the focused position. Then, the light that has passed through the slit is made into parallel light by a collimator lens, dispersed by a diffraction grating, and received by a one-dimensional array type light receiver (polychromator). Such a configuration is particularly effective in observing fluorescence. That is, by spectroscopically analyzing the generated fluorescence while scanning the light irradiating the object S under the control of each modulation element 3 (while changing sequentially), the relationship between the wavelength of the excitation light and the spectrum of the generated fluorescence is extremely short. Can be investigated.
また、対象物Sからの蛍光寿命を測定する場合もあり得る。この場合、時間相関単一光子計数法(Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC)を行うこともできる。TCSPCを行う実施形態を、以下、第三の実施形態として説明する。図4は、TCSPCを行う第三の実施形態の分光測定装置の概略図である。
図4に示すように、TCSPCを行う場合、データ処理ユニット8は、TCSPCモジュール86を含んだ構成とされ、光源1から出射されるパルスに同期した同期信号発生部が設けられる。同期信号発生部については幾つかの構成が考えられるが、ここでは、光の一部を分割して受光器で受光してその出力を同期信号とする構成が採用されている。即ち、図4に示すように、照射光学系50は、コリメートレンズ52の出射側にビームスプリッタのような分割素子54を備えている。そして、分割された一方の光が入射する位置に高速フォトダイオード等の同期用受光器70が配置され、他方の光が入射する位置にレンズ61を介して対象物Sが配置される。
In addition, the fluorescence lifetime from the object S may be measured. In this case, a time-correlated single photon counting method (TCSPC) can also be performed. An embodiment in which TCSPC is performed will be described below as a third embodiment. FIG. 4 is a schematic diagram of a spectroscopic measuring device according to a third embodiment for performing TCSPC.
As shown in FIG. 4, when performing TCSPC, the
対象物Sで発生する蛍光を捉える蛍光用受光器700として、アバランシェフォトダイオード等がレンズ701を介して配置される。同期用受光器70及び蛍光用受光器700の各出力は、TCSPCモジュール86を含むデータ処理ユニット8に入力される。尚、各光路上には、NDフィルタ55が適宜配置される。TCSPCモジュール86としては、例えばBecker & Hickl社製のものを使用することができる。TCSPCモジュール86は、二つの受光器70,700からの入力パルスの遅延時間を時間波高変換器(Time to Amplitude Convertor, TAC)により求め、各遅延時間における蛍光光子数のヒストグラムデータを得る。
An avalanche photodiode or the like is arranged via the
このような第三の実施形態の分光測定装置によれば、TCSPCを分光しながら行うことができる。即ち、対象物Sに照射するパルス光を各変調素子3の制御でスキャンしながら(順次変えながら)蛍光寿命を測定することで、励起光の波長と蛍光寿命との関係を極めて短時間に調べることができる。
尚、分割素子54を設ける位置は他の位置でも良く、波長分割素子2の入射側や光源1の内部でも良い。さらに、超短パルスレーザ源11内において光を分割して同期用に受光して同期信号を発生させても良く、また超短パルスレーザ源11における駆動用の信号(例えば励起用レーザの駆動信号)を取り出して同期信号としても良い。
According to the spectroscopic measuring device of the third embodiment as described above, the TCS PC can be separated and performed. That is, the relationship between the wavelength of the excitation light and the fluorescence lifetime is investigated in an extremely short time by measuring the fluorescence lifetime while scanning (sequentially changing) the pulsed light irradiating the object S under the control of each
The position where the dividing
1 光源
2 波長分割素子
3 変調素子
30 変調制御部
4 中継ファイバー
5 出射ファイバー
51 出射端素子
52 ビームエキスパンダ
53 導光用ファイバー
6 受け板
7 受光器
700 蛍光用受光器
8 データ処理ユニット
80 ADコンバータ
86 TCSPCモジュール
S 対象物
1
Claims (10)
光源から出射された光を波長分割する導波路型の波長分割素子と、
波長分割素子で分割された各波長の光のうち特定の波長の光が選択的に対象物に照射されるように光を変調する変調素子と、
変調素子で変調された光が照射された対象物からの光を受光する受光器と、
変調素子により選択的に照射された光の波長についての対象物の光学特性を受光器からの出力を処理することで得るデータ処理ユニットと
を備えていることを特徴とする分光測定装置。 A light source that emits light in a band containing multiple different wavelengths that can be selected,
A waveguide-type wavelength dividing element that divides the wavelength of light emitted from a light source,
A modulation element that modulates the light so that the light of a specific wavelength is selectively irradiated to the object among the light of each wavelength divided by the wavelength dividing element.
A receiver that receives light from an object irradiated with light modulated by a modulation element, and a receiver.
A spectroscopic measuring device including a data processing unit that obtains the optical characteristics of an object with respect to the wavelength of light selectively irradiated by a modulation element by processing an output from a light receiver.
前記データ処理ユニットは、前記受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の分光測定装置。 A modulation control unit that controls the modulation element is provided so as to correspond to the replacement of the Hadamard mask.
The spectroscopic measurement device according to any one of claims 1 to 6, wherein the data processing unit is a unit that processes an output from the photoreceiver to perform Hadamard spectroscopy.
前記光源が出射させるパルス光に同期した同期信号を発生させる同期信号発生部が設けられており、
前記受光器は、前記変調素子により変調されたパルス光が照射された対象物において発生した蛍光を受光する蛍光用受光器であり、
前記データ処理ユニットは、同期信号発生部が発生させた同期信号と蛍光用受光器の出力とに従って時間相関単一光子計数法を行うモジュールを含んでいることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の分光測定装置。 The light source is a pulse light source.
A synchronization signal generation unit that generates a synchronization signal synchronized with the pulsed light emitted by the light source is provided.
The receiver is a fluorescence receiver that receives fluorescence generated in an object irradiated with pulsed light modulated by the modulation element.
Any of claims 1 to 6, wherein the data processing unit includes a module that performs a time-correlated single photon counting method according to a synchronization signal generated by a synchronization signal generator and an output of a fluorescence receiver. The spectroscopic measuring device described in the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020139157A JP2022035080A (en) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | Spectroscopy measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020139157A JP2022035080A (en) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | Spectroscopy measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022035080A true JP2022035080A (en) | 2022-03-04 |
Family
ID=80442905
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020139157A Pending JP2022035080A (en) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | Spectroscopy measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022035080A (en) |
-
2020
- 2020-08-20 JP JP2020139157A patent/JP2022035080A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2020196689A1 (en) | Light source device for optical measurement, spectroscopic measurement device, and spectroscopic measurement method | |
US7265830B2 (en) | Fourier Transform spectrometer apparatus using multi-element MEMS | |
JP3820411B2 (en) | Detection device, optical path length measurement device, optical member evaluation method, temperature change detection method | |
Martinod et al. | Scalable photonic-based nulling interferometry with the dispersed multi-baseline GLINT instrument | |
US8416416B2 (en) | Measuring method for SPR and system thereof | |
US11041760B2 (en) | Optical measurement device and optical measurement method | |
US6707021B2 (en) | Transparent medium processing device | |
KR102235512B1 (en) | Pulsed light generating device, light irradiation device, light processing device, light response measuring device, microscope device, and pulsed light generating method | |
US20140347659A1 (en) | Stationary Waveguide Spectrum Analyser | |
WO2020196692A1 (en) | Broadband pulse light source device, spectrometry device, and spectrometry method | |
JP5051744B2 (en) | Multiphoton excitation spectrum and multiphoton absorption spectrum measurement equipment | |
JP2007303954A (en) | Interferometers sensor, optical measuring apparatus using it, and optical measuring method | |
JP7147657B2 (en) | Broadband pulse light source device, spectroscopic measurement device and spectroscopic measurement method | |
JP2022035080A (en) | Spectroscopy measuring device | |
US7515262B2 (en) | Crystal grating apparatus | |
US20220276153A1 (en) | Broadband pulsed light source apparatus and spectroscopic measurement method | |
JP2006300808A (en) | Raman spectrometry system | |
WO2022186383A1 (en) | Quantum absorption spectroscopy system | |
RU2525698C2 (en) | System for measuring refraction index and birefringence changes caused by nonlinear effects in optical material microareas | |
US20240044705A1 (en) | Optical spectrometer system | |
JP7238541B2 (en) | Spectroscopic measurement device and spectroscopic measurement method | |
Moslemi | Photonic generation of multi-channel chirped microwave waveforms | |
JP2022042444A (en) | Pulse spectrometer and irradiation unit for multifibers | |
JP2014126491A (en) | Information acquisition system, information acquisition device and information acquisition method | |
La Torre et al. | Agile wavefront splitting interferometry and imaging using a digital micromirror device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230324 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231031 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231227 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240315 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240409 |