JP4368163B2 - 分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法 - Google Patents
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Description
また、上記特許文献2に開示されるファブリペローフィルタ検出器では、ファブリペロー空洞の間隔を制御してフィルタリング波長を変えるため、ブリッジ構造のファブリペロー空洞を中間位置で平行度を保って姿勢制御することは容易ではなく、同文献に開示されるように容量検出の電極などを使って制御する必要があり、構成が複雑且つ大型となる。なお、一画素毎に波長を同調する記載もあるが、この原理や構造では困難がある。
更に、上記特許文献3に開示される分光イメージング装置では、回折格子を高精度に駆動しようとすれば、装置が大型且つ高価になるなどの問題がある。これに加えて分光素子が大きいため、高速での駆動は困難であった。また、高速駆動する場合でも、一定方向(例えば短波長から長波長)に動作させることしかできない欠点があった。そして、装置が大型であり、画素単位での分光や分光波長の制御が困難であるため、例えばスペクトル特性の異なる複数の蛍光の速い時間変化を追いかけるなどの計測は困難であった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、画素単位での分光が可能になるとともに、小型・簡素な構造で高速の作動が可能となり、スペクトルの時間的変化と空間的な変化とを同時に観測可能な分光素子アレイ及びこれを備えた分光画像測定装置並びに分光画像測定方法を得ることにある。
図1は本発明に係る分光画像測定装置の第1の実施の形態を表す構成図、図2は図1に示した分光素子アレイの要部拡大図、図3は分光素子の拡大図、図4は分光素子の原理説明図、図5は分光素子の動作説明図、図6は回折格子を同一傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図、図7は回折格子を異なる傾斜角に制御して回折光を検出する分光素子アレイの動作説明図、図8は図7に示した回折格子の斜視図である。
図3に示すように、溝間隔(格子定数)dの回折格子35へ波長λの光が入射角iで入射し、その回折角をθとすると下記の関係式(1)が成り立つ。
iは常に正にとり、回折面35aの法線Lに対して入射光と回折光が同じ側にあればθ>0、反対側にあればθ<0とする。
一般の単色光を取り出すタイプの分光素子では、図4に示すように、入射光と回折光のなす角(これを2K=θ+i:とする)は一定で回折格子35を回転させて波長走査するので、式(1)を、下記の関係式(2)と変形したほうが波長と回折格子35の回転角の関係がわかり易い。
即ち、可動電極41と固定電極43の所定のもの同士の間に電位差を与えると、それぞれの可動電極41と固定電極43との間に静電気力が発生し、ヒンジの捩れ中心を中心に回転モーメントが働く。従って、それぞれの可動電極41、固定電極43の電位を制御することにより、回折格子35を左右に回転変位させることが可能となる。
図9は本発明に係る分光画像測定装置の第2の実施の形態を表す構成図、図10は図9に示した分光素子アレイの要部拡大図である。なお、図1〜図8に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
[変形例1]
図11は本変形例における分光画像測定装置の構成図、図12は図10に示した分光素子アレイにマイクロレンズアレイを加えた状態を示す要部拡大図である。
この変形例による分光素子アレイ81は、検出側光学系73が、分光素子アレイ81の光路前方(図12の下方)に取り付けたマイクロレンズアレイ83を含んで構成される。即ち、基板75は、それぞれの開口75aにマイクロレンズ83aを備えたマイクロレンズアレイ83として形成されている。
図13は本変形例における分光画像測定装置の構成図、図14は図10に示した分光素子アレイにブラッグ回折型の回折格子が用いられた変形例2を表す要部拡大図である。
この変形例による分光素子アレイ91は、図13に示すように、入射光に対して所定角度に傾斜して配置され、回折格子93がブラッグ回折型の回折格子となっている。被検出体23からの入射光は、絞り板27c、対物レンズ系25aを通り、分光素子アレイ91に入射する。分光素子アレイ91では、図14に示すように、入射光はアパーチャ77の開口77aを通り、レンズ28により集光され、ピンホールアレイ85を介してアレイ検出器29によって読み取られる。
図15は傾斜角を異なる角度に設定して回折光を一度に検出する手順のフローチャート、図16は検出されたピーク波長付近の波長帯域のみの回折光を検出する手順のフローチャートである。
この分光画像測定方法では、上記の分光画像測定装置100又は分光画像測定装置200の何れにも用いることができる。以下に、分光画像測定装置100を用いる場合を例に説明する。
次いで、入力操作部63から測定条件を入力する(st3)。
これにより、制御部31が作動し、各分光素子37における回折格子35の傾斜角度が設定される(st5)。
次いで、回折光がアレイ検出器29によって検出され(st7)、スペクトルデータ処理部61によって詳細スペクトル分布データに変換される(st9)。
次いで、ピーク位置付近の狭帯域角度を設定する(st17)。
この狭帯域角度における回折光が検出され(st19)、詳細スペクトル分布データに変換される。(st21)。
図17は複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出する手順のフローチャートである。
この分光画像測定方法では、分光素子アレイ21において、異なる複数の素子角度を設定し(st23)、この分光素子アレイ21から回折光を検出する(st25)。
所定時間が経過したなら(st27)、分光素子37における回折格子35の傾斜角を異なるものに設定し直し(st29)、回折光を検出する(st31)。
この動作が測定の終了まで所定時間経過ごとに(st35)繰り返される。(st33)。
従って、特定の異なる波長域の分光強度が同時に検出され、これにより、異なる複数の分光波長(蛍光)の速い時間変化を追尾するなどの計測が可能となる。
このような分光画像測定方法によれば、全分光素子37の回折格子35が同期して同一傾斜角に設定され、2次元状に複数配列された回折格子35の任意のものから当該傾斜角に対応した回折光が得られる。これにより、その回折光によって同定される物質の空間的な分布が検出可能となる。
23 被検出体
25 導入側光学系
27 検出側光学系
27c 絞り板
29 アレイ検出器
33,75 基板
35,93 回折格子
35a 回折面
37,72 分光素子
39,77 アパーチャ
39a,75a,77a 開口
41 可動電極
43 固定電極
51 分光素子駆動部
83 マイクロレンズアレイ
100,200 分光画像測定装置
Claims (9)
- 基板上に回動自在に支持された回折格子を電界印加によって傾斜させ、該回折格子の回折面に入射される光を分光する微小電気駆動機械式の分光素子が2次元状に複数配列されてなり、
これらの分光素子のそれぞれが、前記回折格子を傾斜駆動するための可動電極と、該可動電極に対峙して前記回折格子の脇部に積層して設けられ、設定する各傾斜角に対応して前記可動電極と対峙する複数層の固定電極とを備え、該可動電極と該複数層の固定電極のいずれか一層の固定電極との間に電位差を与える電圧が両電極に印加され、個別に傾斜角を設定可能とされていることを特徴とする分光素子アレイ。 - 前記回折格子の格子面上に配設され、入射光及び回折光の該回折格子に対する入出射角度を規制する開口が形成されたアパーチャを備えたことを特徴とする請求項1記載の分光素子アレイ。
- 請求項1又は請求項2に記載の分光素子アレイと、
前記分光素子を駆動する分光素子駆動部と、
前記分光素子アレイヘ被検出体からの光を導入する導入側光学系と、
前記分光素子アレイからの回折光を結像させる検出側光学系と、
該検出側光学系を通して前記回折光を検出するアレイ検出器と
を備えたことを特徴とする分光画像測定装置。 - 前記検出側光学系の光路の焦点位置に絞り板を設けたことを特徴とする請求項3記載の分光画像測定装置。
- 前記検出側光学系が、前記分光素子アレイから射出される回折光の光路上に設けられたマイクロレンズアレイを含むことを特徴とする請求項3記載の分光画像測定装置。
- 請求項3〜請求項5のいずれか1項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
前記分光素子アレイの各分光素子の傾斜角を所望の分光範囲に応じてそれぞれ異なる角度に設定し、
該分光素子アレイからの回折光強度をアレイ検出器で一度に検出することを特徴とする分光画像測定方法。 - 請求項3〜請求項5のいずれか1項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
前記分光素子アレイからの回折光強度を検出した後に、回折光強度分布のピークを検出し、
前記分光素子アレイの回折格子を該検出されたピークの波長付近に対応する傾斜角に設定し、
前記強度ピーク付近の波長帯域のみの回折光強度を検出することを特徴とする分光画像測定方法。 - 請求項3〜請求項5のいずれか1項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
前記分光素子アレイの回折格子を複数の異なる波長域に対応した傾斜角に順次繰り返し設定し、
それぞれの傾斜角でアレイ検出器により回折光強度を検出することにより、特定の異なる波長域の分光強度を同時に検出することを特徴とする分光画像測定方法。 - 請求項3〜請求項5のいずれか1項記載の分光画像測定装置を用いた分光画像測定方法であって、
前記分光素子アレイの全回折格子を特定の同一傾斜角に設定し、
特定の波長に対する空間強度分布を検出することを特徴とする分光画像測定方法。
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