JP5317298B2 - 分光計測装置及び分光計測方法 - Google Patents
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Description
無侵襲で生体膜内部の成分情報を計測するためには、皮膚の透過性の高い近赤外光を用いて分光特性を計測する方法が有効である。しかし、生体膜を対象にした場合、呼吸や心拍に伴う計測対象の動きは避けることができない。更に、日常生活で用いられる血糖値センサーなどでは、小型で可搬性に優れ、低価格であることも必須となる。
波長分散型分光法は、測定試料を透過した光、或いは測定試料面で反射した光(以下、物体光という)を回折格子に照射したときに、当該物体光の波長に応じて回折角が異なる原理を利用した分光法である。
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化する光学系と、
b) 前記光学系によって平行光線化された光が通過する光路であって該光を第1及び第2の光に分割する分割光路と、
c) 前記第1及び第2の光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
d) 前記第1及び第2の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
e) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる方向に沿った該干渉光の強度分布を検出する検出部と、
f) 前記検出部で検出される前記干渉光の強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有し、
前記光路長差付与手段が、前記分割光路内の前記第1の光の光路上に配置された、該第1の光が入射する入射面及び該第1の光が出射する出射面を有し、前記入射面に対して前記出射面が傾斜するくさび形の光学部材を備え、前記第1の光は前記くさび形の光学部材を透過して前記シリンドリカルレンズに向かい、前記第2の光はそのまま前記シリンドリカルレンズに向かうように構成されており、
前記シリンドリカルレンズの軸を挟んで一方側に前記第1の光が入射し、他方側に前記第2の光が入射することを特徴とする。
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された第1反射面と第2反射面に導く対物レンズと、
b) 前記第1反射面によって反射された第1反射光及び前記第2反射面によって反射された第2反射光が入射することによりこれら第1及び第2反射光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
c) 前記第1反射光と前記第2反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる方向に沿った該干渉光の強度分布を検出する検出部と、
e) 前記検出部で検出される前記干渉光の強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有し、
前記シリンドリカルレンズの軸が前記第1反射面と前記第2反射面の並ぶ方向と直交するように構成されており、
前記光路長差付与手段が、前記第1反射光の出射角と前記第2反射光の出射角が異なるように配置された前記第1反射面及び前記第2反射面から構成されていることを特徴とする。
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化する光学系と、
b) 前記光学系によって平行光線化された光が通過する光路であって該光を第1及び第2の光に分割する分割光路と、
c) 前記第1及び第2の光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
d) 前記第1及び第2の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
e) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光を光学的にフーリエ変換して前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を形成する分光光学系と、
f) 前記空間周波数分布を検出する検出部と
を有し、
前記光路長差付与手段が、前記分割光路内の前記第1の光の光路上に配置された、該第1の光が入射する入射面及び該第1の光が出射する出射面を有し、該入射面に対して該出射面が傾斜するくさび形の光学部材を備え、前記第1の光は前記くさび形の光学部材を透過して前記シリンドリカルレンズに向かい、前記第2の光はそのまま前記シリンドリカルレンズに向かうように構成されており、
前記シリンドリカルレンズの軸を挟んで一方側に前記第1の光が入射し、他方側に前記第2の光が入射することを特徴とする。
a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された第1反射面と第2反射面に導く対物レンズと、
b) 前記第1反射面によって反射された第1反射光及び前記第2反射面によって反射された第2反射光が入射することによりこれら第1及び第2反射光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
c) 前記第1反射光と前記第2反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記干渉光を光学的にフーリエ変換して前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を形成する分光光学系と、
e) 前記空間周波数分布を検出する検出部と
を有し、
前記シリンドリカルレンズの軸が前記第1反射面と前記第2反射面の並ぶ方向と直交するように構成されており、前記光路長差付与手段が、前記第1反射光の出射角と前記第2反射光の出射角が異なるように配置された前記第1反射面及び第2反射面から構成されていることを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された基準反射面と傾斜反射面とに入射させることによって前記基準反射面の反射光である基準光線群と前記傾斜反射面の反射光である傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を、前記基準反射面と前記傾斜反射面の並ぶ方向と直交する軸を有するシリンドリカルレンズによって同一直線上に集光させて干渉光を形成させ、
a) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる向きに沿う該干渉光の強度分布に基づき前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得することを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された基準反射面と傾斜反射面とに入射させることによって前記基準反射面の反射光である基準光線群と前記傾斜反射面の反射光である傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を、前記基準反射面と前記傾斜反射面の並ぶ方向と直交する軸を有するシリンドリカルレンズによって同一直線上に集光させて干渉光を形成させ、
c) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光を分光光学系によって光学的にフーリエ変換することにより前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を取得することを特徴とする。
本発明では、分割光学系を通過してきた光線の全てを分析に用いることができるため、極めて光の利用効率が高く、微弱光計測に適している。なお、「通過」には「透過」や「反射」が含まれる。
しかも、従来構成と異なり、干渉像を形成する第1及び第2の光(第1反射光及び第2反射光)の間に光路長差分布を与えるための駆動機構が不要であるため装置を小形化することができ、可搬性を有する分光計測装置を提供することができる。
焦点深度はλ/NA2に比例して光学的に決定されることから、超解像技術を用いて高NA光学システムを用いれば深さ方向の空間的な分解能も容易に向上させることができる。
前記対物レンズ12は、レンズ駆動機構22によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構22は、対物レンズ12の合焦位置を走査するためのものであり本発明の合焦位置変更手段に相当する。前記レンズ駆動機構22は、例えばピエゾ素子により構成することができる。
なお、以下の説明では、位相シフター14に到達した光束のうち基準ミラー部15の反射面に到達して反射される光束を基準光線群、傾斜ミラー部16の反射面に到達して反射される光束を傾斜光線群ともいう。
また、特に、中赤外光などの長波長領域においては、インターフェログラムの干渉強度変化だけでなく、干渉強度変化の包絡線を長ストロークの位相シフト領域において取得しなくてはならない。これは、フーリエ分光の原理として、波数分解能を高くするためには位相シフト量を長くしなくてはならないことからも知られている。このように、長ストロークに渡ってインターフェログラムの包絡線を検出するためには、傾斜ミラー部16に大きな傾斜角を設けなくてはならない。この場合、インターフェログラムの干渉強度変化を検出するためと、包絡線を検出するための2段階程度の傾き切り替え機構を設ければよい。中赤外領域で包絡線を計測する場合、位相シフト量が例えば50mm程度が必要になることから、光路方向に沿う長さを例えば100mmに長くして2.9degの傾きにすればよい。
検出部20は例えば二次元CCDカメラから構成されている。基準ミラー部15の反射面と傾斜ミラー部16の反射面は、検出部20の結像面で2つの光線群の集光位置がずれない程度の精度で、相対的に平行な面となるように構成されている。
ここでは、蛍光や散乱光など初期位相が必ずしも揃っていない光線群が、対物レンズ12を経て平行光線化され、その後、位相シフター14によって基準光線群と傾斜光線群に分割されて、そのうち基準光線群が結像レンズ18によって検出部20の受光面20aで位相が揃った波として一直線上に集光する光学モデルに基づいて説明する。このとき、傾斜光線群はその位相が基準光線群の位相と徐々にずれた波として受光面20aに一直線上に集光する。
このような構成により、図7に示すように、受光面20a上において基準光線群の光と傾斜光線群の光が重複する領域、つまり干渉領域を大きくすることができる。
被測定物の測定点から放射され、対物レンズによって平行光線化された光線群の一部はそのまま結像光学系(シリンドリカルレンズ)に向かい、残りの光線群はくさび形のガラス板を透過して結像光学系に向かうようにしても良い。このような構成によっても、測定点から多様な方向に向かって発せられた光を2分割し、且つ、2分割された光の間に連続的な光路長差分布を与えることができる。つまり、上記構成では、対物レンズとくさび形のガラス板から分割光学系が構成され、くさび形のガラス板から光路長差付与手段が構成される。
シリンドリカルレンズや回折格子等、分光光学系を用いた場合、分割光学系を構成する対物レンズの合焦面に計測深さを限定した分光特性を極めて高速に計測することが可能になる。
12…対物レンズ
14…位相シフター
15…基準ミラー部
16…傾斜ミラー部
18…結像レンズ
18a…基準レンズ部
18b…傾斜レンズ部
20…検出器
20a…受光面
21…処理部
22…レンズ駆動機構
30…シリンドリカルレンズ
100…単色光変換手段
200…走査手段
Claims (10)
- a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化する光学系と、
b) 前記光学系によって平行光線化された光が通過する光路であって該光を第1及び第2の光に分割する分割光路と、
c) 前記第1及び第2の光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
d) 前記第1及び第2の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
e) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる方向に沿った該干渉光の強度分布を検出する検出部と、
f) 前記検出部で検出される前記干渉光の強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有し、
前記光路長差付与手段が、前記分割光路内の前記第1の光の光路上に配置された、該第1の光が入射する入射面及び該第1の光が出射する出射面を有し、前記入射面に対して前記出射面が傾斜するくさび形の光学部材を備え、前記第1の光は前記くさび形の光学部材を透過して前記シリンドリカルレンズに向かい、前記第2の光はそのまま前記シリンドリカルレンズに向かうように構成されており、
前記シリンドリカルレンズの軸を挟んで一方側に前記第1の光が入射し、他方側に前記第2の光が入射することを特徴とする分光計測装置。 - a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化する光学系と、
b) 前記光学系によって平行光線化された光が通過する光路であって該光を第1及び第2の光に分割する分割光路と、
c) 前記第1及び第2の光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
d) 前記第1及び第2の光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
e) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光を光学的にフーリエ変換して前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を形成する分光光学系と、
f) 前記空間周波数分布を検出する検出部と
を有し、
前記光路長差付与手段が、前記分割光路内の前記第1の光の光路上に配置された、該第1の光が入射する入射面及び該第1の光が出射する出射面を有し、該入射面に対して該出射面が傾斜するくさび形の光学部材を備え、前記第1の光は前記くさび形の光学部材を透過して前記シリンドリカルレンズに向かい、前記第2の光はそのまま前記シリンドリカルレンズに向かうように構成されており、
前記シリンドリカルレンズの軸を挟んで一方側に前記第1の光が入射し、他方側に前記第2の光が入射することを特徴とする分光計測装置。 - a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された第1反射面と第2反射面に導く対物レンズと、
b) 前記第1反射面によって反射された第1反射光及び前記第2反射面によって反射された第2反射光が入射することによりこれら第1及び第2反射光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
c) 前記第1反射光と前記第2反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる方向に沿った該干渉光の強度分布を検出する検出部と、
e) 前記検出部で検出される前記干渉光の強度分布に基づき、前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有し、
前記シリンドリカルレンズの軸が前記第1反射面と前記第2反射面の並ぶ方向と直交するように構成されており、
前記光路長差付与手段が、前記第1反射光の出射角と前記第2反射光の出射角が異なるように配置された前記第1反射面及び前記第2反射面から構成されていることを特徴とする分光計測装置。 - a) 被測定物の測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された第1反射面と第2反射面に導く対物レンズと、
b) 前記第1反射面によって反射された第1反射光及び前記第2反射面によって反射された第2反射光が入射することによりこれら第1及び第2反射光を同一直線上に集光させて干渉光を形成させるシリンドリカルレンズと、
c) 前記第1反射光と前記第2反射光の間に連続的な光路長差分布を与える光路長差付与手段と、
d) 前記干渉光を光学的にフーリエ変換して前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を形成する分光光学系と、
e) 前記空間周波数分布を検出する検出部と
を有し、
前記シリンドリカルレンズの軸が前記第1反射面と前記第2反射面の並ぶ方向と直交するように構成されており、前記光路長差付与手段が、前記第1反射光の出射角と前記第2反射光の出射角が異なるように配置された前記第1反射面及び第2反射面から構成されていることを特徴とする分光計測装置。 - 前記処理部は、前記被測定物のうち前記対物レンズの合焦位置に位置する線状の測定領域内の測定点から多様な方向に向かって発せられた光のスペクトルを求めることを特徴とする請求項3に記載の分光計測装置。
- 前記線状の測定領域を走査する走査手段を備えることを特徴とする請求項5に記載の分光計測装置。
- 前記シリンドリカルレンズを透過した前記第1反射光の光軸に対する、前記シリンドリカルレンズを透過した前記第2反射光の光軸の位置を、相対的に変更する光軸位置変更手段を備えることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の分光計測装置。
- 前記被測定物に対する前記対物レンズの合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることを特徴とする請求項3又は4に記載の分光計測装置。
- a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された基準反射面と傾斜反射面とに入射させることによって前記基準反射面の反射光である基準光線群と前記傾斜反射面の反射光である傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を、前記基準反射面と前記傾斜反射面の並ぶ方向と直交する軸を有するシリンドリカルレンズによって同一直線上に集光させて干渉光を形成させ、
c) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光が延びる向きに沿う該干渉光の強度分布に基づき前記被測定物の測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する分光計測方法。 - a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた光を一つの光束にまとめて平行光線化した後、並べて配置された基準反射面と傾斜反射面とに入射させることによって前記基準反射面の反射光である基準光線群と前記傾斜反射面の反射光である傾斜光線群に分割し、
b) 前記基準光線群と前記傾斜光線群の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ前記基準光線群と前記傾斜光線群を、前記基準反射面と前記傾斜反射面の並ぶ方向と直交する軸を有するシリンドリカルレンズによって同一直線上に集光させて干渉光を形成させ、
c) 前記シリンドリカルレンズによって形成された干渉光を分光光学系によって光学的にフーリエ変換することにより前記測定点の分光スペクトルと等価な形状の空間周波数分布を取得する分光計測方法。
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