JP6014166B2 - 分光装置及びスペクトル分析の方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光装置、特に、分光装置の画像処理システム、光干渉断層撮影のシステム、及び、スペクトル分析の方法に関する。

光干渉断層撮影（略してＯＣＴ）は、試料の二次元及び三次元（略して２Ｄ及び３Ｄ）構造検査として役に立つ。いわゆるスペクトル領域ＯＣＴ（略してＳＤ ＯＣＴ）又はいわゆる周波数領域ＯＣＴ（略してＦＤ ＯＣＴ）において、スペクトル的に広帯域の、すなわち多色光のビームをスペクトル的に分析するために、分光装置が使用される。光のビームは、分光装置に接続され、分光装置でスペクトル的に分離され、そしてスペクトル強度分布（スペクトル）Ｉは、いくつかのセンサー部品を有するセンサーにより記録される。このスペクトル強度分布Ｉから、検査される試料の空間構造を推定することができ、試料の一次元（略して１Ｄ）の断層写真（いわゆるＡスキャン）を決定することができる。

Ａスキャンを決定するために、スペクトル強度分布Ｉは、波数ｋにおける分布、すなわちＩ＝Ｉ（ｋ）でなければならないため、ここで現れる周期性（いわゆる変調周波数）は、試料の空間構造に関する情報を直接提供する。一定の波数範囲Δｋ（又はその倍数）だけ互いと異なる複数の波数ｋに対するその強度値が得られる場合、変調周波数は、スペクトル強度分布から容易に求めることができる。これは、波数ｋ全体に亘って線形的なスペクトルの結像を考慮に入れている。

しかしながら、スペクトル強度分布を測定するための従来の分光装置において、スペクトルは、通常、強度値が一定の波長範囲Δλ（又はその倍数）の分だけ実質的に互いと異なる複数の波長λに対して記録されるようにして、センサーに結像される。すなわち、スペクトル強度分布は、波長λに亘って線形的にサンプリングされる。波長λ及び波数ｋが、ｋ＝２π／λを介して非線形的に互いに関係しているため、スペクトルは、ｋに関して非線形的に得られる。したがって、変調周波数を測定するために、ｋに関して線形的なスペクトルＩ（ｋ）は、λに関して線形であるスペクトルＩ（λ）から、適切なデータ処理により求めなければならない。この手順は、リサンプリングと呼ばれる。このリサンプリングは、ある程度の演算時間を必要とし、特にスペクトル強度分布のために大量のデータを求める際に、ＯＣＴ信号を迅速に表示することを困難にする。加えて、リサンプリングは、測定深度に関する感度の低下（すなわち、ＳＮＲの下落、ＳＮＲのトレードオフ、又は、感度の低下と呼ばれる、信号対雑音比における品質の損失）を通常伴う。

光干渉断層撮影、特に光干渉断層撮影と関連したスペクトル分析に関する、より広範囲な情報は、以下の刊行物から集めることができる。
Ｗ． Ｄｒｅｘｌｅｒ， Ｊ．Ｇ． Ｆｕｊｉｍｏｔｏ： Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ： Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ ２０１０年
Ｖ．Ｍ． Ｇｅｌｉｋｏｎｏｖ， Ｇ．Ｖ． Ｇｅｌｉｋｏｎｏｖ， Ｐ．Ａ． Ｓｈｉｌｙａｇｉｎ： Ｌｉｎｅａｒ−Ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ−Ｄｏｍａｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ， Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， １０６， ４５９−４６５， ２００９年
Ｖ．Ｍ． Ｇｅｌｉｋｏｎｏｖ， Ｇ．Ｖ． Ｇｅｌｉｋｏｎｏｖ， Ｐ．Ａ． Ｓｈｉｌｙａｇｉｎ： Ｌｉｎｅａｒ ｗａｖｅ−ｎｕｍｂｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ６８４７， ６８４７０Ｎ， ２００８年
Ｚ． Ｈｕ， Ａ．Ｍ． Ｒｏｌｌｉｎｓ： Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ａ ｌｉｎｅａｒ−ｉｎ−ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ３２， ３５２５−３５２７， ２００７年

本発明の実施形態の目的は、高画質の断層写真を迅速に確認することを可能にする、分光装置、特に分光装置の画像処理システム、光干渉断層撮影のシステム、及びスペクトル分析の方法を具体的に記載することである。

有利な実施形態によれば、分光装置は、第１の光学部品に入射する多色光のビームを空間的にスペクトル的に分離するように構成される第１の光学部品と、異なる空間領域に対して、分離した光のビームの複数のスペクトル領域の経路を定めるように構成される対物レンズと、分離した光のビームの光路において対物レンズの下流に位置し、複数の感光センサー部品を有するセンサーとを含み、複数の感光センサー部品は、分離した光のビームの光路内に配置され、感光センサー部品のそれぞれは、光のビームのスペクトル区分の強度を記録するように構成され、スペクトル区分の中央値が、ｋを波数としたとき、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する。換言すれば、第１の光学部品及び対物レンズを通過した後に、多色光のビームのスペクトルは、波数ｋに亘って線形的にセンサーに結像される。

したがって、分光装置自体は、波数ｋに亘って線形的であるスペクトル強度分布を提供する。よって、分光装置から出力された生データを、後でリサンプリングする必要はない。ゆえに、提案された分光装置は、ＯＣＴ断層写真を抽出するために必要な時間を減らすことができる。加えて、リサンプリングすることによる、測定の深度における感度の低下を、回避及び／又は軽減させることができる。

第１の光学部品は、回折部品の形をとることができる。特に、回折部品は、回折格子、透過格子、反射格子、体積格子、レリーフ格子、振幅格子、ホログラフィー格子、及び／又はフレネルゾーンプレートの形をとってもよい。回折部品の回折中心は、特に、切れ込み、溝、薄板、ランド、及び／又はフレネルゾーンにより構成される。第１の光学部品の回折中心は、互いから等距離でないように、特に、回折中心の相互間隔がわずかに可変であるように、配置されてもよい。特に、第１の光学部品に入る光のビームに関して第１の光学部品から出る光のビームの回折角θが、波数ｋに亘って線形的に依存する場合、第１の光学部品が角分散ｄθ／ｄｋを示すことになるように、第１の光学部品の回折中心は、互いに対して配置され、及び／又は、前記のようにさせながら、第１の光学部品は、入射光のビームに応じて配置される。回折の問題に限り、以下においては、一次回折のみであると解釈される。回折中心は、わずかに可変的な格子定数を示すことができる。

第１の光学部品は、分散素子の形をとることができる。分散素子は、くさび形の構造及び／又はプリズム、特に分散プリズム及び／又は反射プリズムの形をとってもよい。第１の光学部品が角分散ｄθ／ｄｋを示すようにさせながら、プリズムの幾何学的形状（例えば、屈折角α）、材質（例えば、ガラス）、及び／又は、材質の光学特性（例えば、屈折率ｎ（ｋ）及び／又は分散ｄｎ／ｄｋ）を選択してもよく、及び／又は、前記のようにさせながらプリズムを、入射光のビームに応じて配置してもよい。そして、その場合、第１の光学部品に入る光のビームに関して第１の光学部品から出る光のビームの偏角θは、波数ｋに線形的に依存する。

第１の光学部品は、格子プリズム（いわゆるグリズム）の形をとることができる。格子プリズムは、分散素子（例えば、プリズム）及び回折部品（例えば、回折格子）からなるモジュラーユニットの形をとってもよい。モジュラーユニットは、分散素子及び回折部品が互いに関して調節不可能に配置されるように、設計されてもよい。この目的のために、（例えば、適切なコーティング、蒸着、エンボシング、スコーリング等により）複数の回折中心は、プリズムの表面に適用されていてもよい。回折格子プリズムが、回折格子プリズムの回折格子の回折格子角分散と回折格子プリズムのプリズムのプリズム角分散とを組み合わせた角分散ｄθ／ｄｋに従って、光のビームを分離することになるように、プリズムの幾何学的形状（例えば、屈折角α）、材質（例えば、ガラス）、及び／又は、材質の光学特性（たとえば屈折率ｎ（ｋ）及び／又は分散ｄｎ／ｄｋ）は、選択されてもよく、及び／又は、前記のようになるように、プリズムに適用される回折格子の回折中心は、互いに対して配置されてもよく、及び／又は、格子プリズムは、入射光のビームに応じて配置されてもよい。そして、その場合、第１の光学部品に入る光のビームに関して第１の光学部品から出る光のビームの偏角θは、波数ｋに線形的に依存する。

対物レンズは、物体側の第１の光学部品から出る、分離した光のビームの平行な光束が、対物レンズを通過した後に、対物レンズの光軸からの焦点の横方向の間隔が、平行な光束が対物レンズに入射する際の対物レンズの光軸に対するその入射角の増加に伴って、その入射角とともに線形的に増加することとなるように、像側の焦点に焦点合わせされるような特性を示してもよい。

対物レンズは、回転対称であるように設計されてもよい。特に、対物レンズは、その光軸に関して円筒状に対称的に設計されてもよい。対物レンズは、特に、平坦な平面走査レンズ、ｆθ対物レンズ、又はテレセントリックｆθ対物レンズ、特に像側のテレセントリックであるｆθ対物レンズの形をとる。対物レンズは、対物レンズの外側に位置する入射瞳を示してもよい。対物レンズは、第１の光学部品だけでなく、特に分離した光のビームが第１の光学部品から出る際の第１の光学部品上の位置も、対物レンズの入射瞳の中心に位置するように、第１の光学部品に関して配置されてもよい。

あるいは、又は、加えて、対物レンズは、歪曲するように負荷をかけられた結像特性及び／又は横方向の色彩の結像特性を示す。対物レンズは、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する、多色光のビームの複数のスペクトル領域の中央値が、それぞれ異なる焦点に焦点を合わせるように、第１の光学部品により分離された光のビームの経路を定めることに適合されたものであってもよい。ここで、異なる焦点の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置する。

この目的のために、屈折素子のための対物レンズ内で使用されるレンズ、特にその材質及び／又は形状を適切に選択することにより、対物レンズは、非線形関数に従う軸外方向の間隔が、波長に応じて生じる結果となるような、歪曲するように負荷をかけられた結像特性及び／又は横方向の色彩の結像特性を示してもよい。特に、この効果は、ｋ空間において、複数のスペクトル区分の、各々等距離に離れて位置する中央値が、異なる焦点に焦点合わせされることとなるように、分離した光のビームが、対物レンズにより経路を定められるようにして、第１の光学部品により分離した光のビームの光路に関して、対物レンズの位置及び／又は方位を調整することに利用することができる。ここで、異なる焦点の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置する。

「横方向の」とは、対物レンズの光軸と直角をなす軸に沿うことを意味する。「色彩の」とは、波長λに依存していることを意味する。「軸外方向」とは、光軸から０ではない間隔を有した横方向を意味する。

対物レンズは、分離した光のビームが、対物レンズの光軸が位置する平面の実質的に又は排他的に上方で、対物レンズを通過するように、第１の光学部品に対して配置されてもよい。あるいは、又は、加えて、対物レンズは、対物レンズの光軸が、ｋ空間において多色光のビームのスペクトル全体の中央値を表す、分離した光のビームの波列の伝搬方向に対して傾くように、第１の光学部品に対して配置されてもよい。

分光装置は、分散素子及び／又は回折部品の形をとる第２の光学部品を含んでもよく、第２の光学部品は、対物レンズ及び第２の光学部品が互いに対して調整ができないように配置されることとなるように、モジュラーユニットを形成するために、対物レンズと組み合わされている。特に、第２の光学部品は、対物レンズの付属物の形をとってもよい。第２の光学部品は、光のビームの光路において対物レンズの上流に配置されていてもよい。あるいは、第２の光学部品は、光のビームの光路において対物レンズの下流に配置されていてもよい。

第１の光学部品、対物レンズ、センサー、センサー部品、上記のモジュラーユニットのうちの１つ、及び／又は分光装置のすべての更なる構成要素は、例えばレール、滑りテーブル、棒リンク機構、柱、移動ステージ、又は回動ステージなど、それらに設けられる調節手段を用いて、分光装置のベースプレートの上に位置調節可能であるように形成されていてもよい。特に、第１の光学部品、対物レンズ、センサー、センサー部品、及び／又は互いの間のモジュラーユニットの、相互の位置及び／又は方位は、特に手動で調節可能である。一方、モジュラーユニットの構成要素は、相関的な位置及び／又は方位が調整不可能であることとなるように、互いに固く接続されている。

センサーのセンサー部品の感光表面の中心は、各々等距離に離れて配置されてもよい。あるいは、センサーのセンサー部品の感光表面の中心は、対物レンズが、像側の多色光のビームの複数のスペクトル領域の、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する中央値を合わせた焦点の中心に従って、空間的に配置されていてもよい。特に、センサーは、センサー部品の感光表面の中心が直線上にあるＣＣＤラインセンサー又はＣＭＯＳラインセンサーの形をとってもよい。センサー部品の感光表面は、等しいサイズで、又は、異なるサイズであるように設計されていてもよい。

分光装置用のための画像処理システムは、上記の第１の光学部品のうちの１つ、上記の対物レンズのうちの１つ、及び／又は上記のモジュラーユニットのうちの１つを含む。

光干渉断層撮影のシステムは、上記の分光装置のうちの１つを含む。システムは、可干渉多色光を利用可能にするための光源と、参照アームと試料アームとに可干渉多色光を接続し、多色光のビームを形成するように参照アームと試料アームとから後方散乱する光を重畳し、かつ、スペクトル分析の目的で分光装置に多色光のビームを接続するように設定されたビームスプリッタとを含む。

スペクトル分析の方法は、
第１の光学部品に入射する多色光のビームを空間的にスペクトル的に分離する工程と、
対物レンズにより異なる空間領域に対して、分離した光のビームの複数のスペクトル領域の経路を定める工程と、
複数の感光センサー部品を有する光のビームの光路において対物レンズの下流に配置されたセンサーにより分離した光のビームの強度を記録する工程とを含み、
それぞれの感光センサー部品で、光のビームのスペクトル区分の強度を記録し、ｋを波数としたとき、スペクトル区分の中央値をｋ空間において各々等距離に離れて位置させる。

スペクトル分析の方法又は方法の個々の工程が本願明細書に記載される範囲内で、方法又は個々の工程を、適切に構成された装置により実行することができる。同様の見解が、方法の工程を実行する装置の作動モードの説明に適用される。この点で、本願明細書の装置の特徴及び方法の特徴は、同等である。特に、本発明による適切なプログラムが実行されるコンピュータを用いた方法又は方法の個々の工程を実現することが可能である。

本発明は、添付の図面に基づいて、以下に更に詳細に説明される。

一実施形態における光干渉断層撮影システムの一般的な模式図である。 分光装置の模式図である。 複数のスペクトル領域の中央値の分布の模式図である。 複数のスペクトル領域の中央値の分布の模式図である。 複数のスペクトル領域の中央値の分布の模式図である。 複数のスペクトル領域の中央値の分布の模式図である。 複数のスペクトル領域の中央値の分布の模式図である。 波長λに関して線形であり、波数ｋに関して非線形であるスペクトルのグラフである。 波長λに関して線形であり、波数ｋに関して非線形であるスペクトルのグラフである。 波数ｋに関して線形であり、波長λに関して非線形であるスペクトルのグラフである。 波数ｋに関して線形であり、波長λに関して非線形であるスペクトルのグラフである。 第１の実施形態における分光装置の模式図である。 第２の実施形態における分光装置の模式図である。 第３の実施形態における分光装置の模式図である。 第４の実施形態における分光装置の模式図である。 第５の実施形態における分光装置の模式図である。 第６の実施形態における分光装置の模式図である。 第７の実施形態における分光装置の模式図である。

光干渉断層撮影のシステムは、図１において全体として１０で示される。システム１０は、例示の場合において、人間の眼球の形で示される物体１２を検査に用いられる。光干渉断層撮影は、ＳＤ ＯＣＴ、又は、ＦＤ ＯＣＴに基づく。

システム１０は、可干渉多色光のビーム１６を発するための光源１４を含む。光源１４は、周波数空間で広帯域である可干渉光のスペクトルを発する。光源１４から放たれる光のビームは、ビームスプリッタ１８に向かう。ビームスプリッタ１８は、干渉計２０の構成要素の一部であり、所定の分離比、例えば５０：５０の比に従って、光のビーム１６の入射光のアウトプットを分離する。１つの光束２２は、参照アーム２４内を進み、他の光束２６は、試料アーム２８内を進む。

参照アーム２４に分岐した光束２２は、光束２２をビームスプリッタ１８へ同一線上で戻すように反射させるミラー３０に入射する。集束光学トレイン３２及び制御可能な走査部品３４は、試料アーム２８内に設けられている。制御可能な走査部品３４は、ビームスプリッタ１８から集束光学トレイン３２を通して物体１２上に入ってくる光束２６の経路を定めるように設定されている。この点について、ビームスプリッタ１８からきた光束２６が集束光学トレイン３２に入る際の入射角は、走査部品３４を用いて調節可能である。図１に示される実施例において、走査部品３４は、回転可能に支持されるミラーとしてこの目的のために設計されている。ミラーの回転軸は、互いに対して垂直でもよい。ミラーの回転角は、例えば、検流計の原理に従って作動する素子を用いて調整される。集束光学トレイン３２は、物体１２内に、あるいは、物体１２上に、光束２６を焦束させる。

試料アーム２８内で物体１２から後方散乱する光束２６は、多色光のビーム３６を形成するために、参照アーム２４におけるミラー３０から反射される光束２２と同一直線上に存在するように、ビームスプリッタ１８で重畳される。参照アーム２４及び試料アーム２８内の光路長は、実質的に等しい長さであるため、光のビーム３６は、参照アーム２４及び試料アーム２８から後方散乱した光束２２と光束２６との干渉を表す。分光装置又は分光計３８は、多色光のビーム３６のスペクトル強度分布を記録する。

図１において表される自由な空間配置の代わりに、光ファイバ部品を用いて、干渉計２０を、部分的に、又は、全体的に、実現することもできる。特に、ビームスプリッタ１８は、光ファイバ・ビームスプリッタという形をとることができ、光線１６、２２、２６、３６を、光ファイバを用いて導くことができる。

分光装置３８は、図２において更に詳細に示される。図２から分かるように、ビームスプリッタ１８からきた光のビーム３６は、光ファイバ４０を用いて、分光装置３８に接続される。この光ファイバは、ファイバ接続４２を介して、コリメーター４４で終端している。コリメーター４４は、いくつかのレンズから成ることができ、光ファイバ４０から分岐して出てくる光のビーム３６を集め、それを平行な多色光のビーム４６に形成し、第１の光学部品４８へ平行な多色光のビーム４６を導くように設置されている。コリメーター４４と第１の光学部品４８との間で構造上小型な設計となるように、光のビーム４６の光路内で、平行な光のビーム４６の経路を第１の光学部品４８に定めるために追加として設置される（図示されていない）偏向ミラーが配置されていてもよい。

第１の光学部品４８は、第１の光学部品４８に入射する多色光のビーム４６を、そのスペクトル成分に空間的に分離するように設置されている。例として、分離された多色光のビーム４６の異なるスペクトル領域の３つの平行な光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの進路を示す。対物レンズ５０は、光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃを集め、それらを異なる空間領域５２ａ、５２ｂ、５２ｃに導く。対物レンズ５０は、いくつかのレンズから構成されることができる。対物レンズ５０は、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路内の、対物レンズ５０のすべての屈折表面の上流に配置される（図示されていない）入射瞳を示す。対物レンズ５０は、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃが第１の光学部品４８から出てくる際の第１の光学部品４８上の位置が、対物レンズ５０の入射瞳の中央にあるように、第１の光学部品４８に対して配置されてもよい。

分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路において対物レンズ５０の下流に位置するのは、複数の感光センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃを有するセンサー５４である。ここで示される例において、センサー５４は、複数のピクセル、例えば４０９６ピクセルを表示するＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラ（又はラインカメラ）の形をとる。その結果、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、カメラ５４の個々のピクセルを表す。センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、各センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃが光のビーム４６のスペクトルの異なるスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の強度を記録するように、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路内に配置される。センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃにより記録された強度値全体から、出力信号５６の形でスペクトル強度分布が得られる。

分光装置３８により生成される出力信号５６は、制御装置６０に転送される。図１を参照のこと。制御装置６０は、記録されたスペクトル強度分布に基づいて、物体１２の断層写真を求める。制御装置６０は、１Ｄ、２Ｄ、及び／又は３Ｄの断層写真の抽出を可能とするように、走査部品３４を制御する。求められた断層写真を、ディスプレイ装置６２に表示し、メモリ６４に保存することができる。

平行な多色光のビーム４６は、実質的に平行に伝播する多数の波列から成る。波列の場合、簡易化するために、調和平面波を想定してもよい。光のビーム４６の各波列は、ちょうど１つの波数ベクトルｋにより特徴付けられる。波数ベクトルｋの方向／方位は、波列の伝播方向を表す。波数ｋと呼ばれる、ベクトルｋの大きさｋは、波列内の２つの波面の空間的な間隔の基準の尺度である。波列の空間的な周期性は、波長λに反映される。ここで、λ＝（２π）／ｋである。

光のビーム４６のスペクトル６６は、図３ａに概略的に示される。例として、ｋ空間のスペクトル６６は、３つのスペクトル領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３から成る。「ｋ空間」により、直線又は軸において、波数ｋを大きさにより線形的に順序付けると理解されたい。各領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３は、中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３により特徴付けられる。しかしながら、その代わりに、（例えば４０９６ピクセルを使用しているような）以下の実施形態において、例えば、中央値の番号に対応する番号の異なるスペクトル領域を、定めてもよい。以下では、中央値Ｍｋ_２は、同時に、ｋ空間におけるスペクトル６６全体の中央値を表す。

ｋ空間の中央値Ｍｋ_ｉ（ｉ＝１、２、３）は、以下の通りに決定される。ｎ_ｉがスペクトル領域Ｂ_ｉ（スペクトル区分Ａ_ｉ）内の波数の数を表すとき、領域Ｂ_ｉ（又は区分Ａ_ｉ）内に現れる波数ｋ_１から波数ｋ_ｎｉが、数学的順序において大きさにより順序付けられる場合、ｎ_ｉが奇数のとき、中央値Ｍｋ_ｉは（ｎ_ｉ＋１／２）番目の場所の値を意味し、ｎが偶数のとき、中央値Ｍｋ_ｉはｎ_ｉ／２番目と（ｎ_ｉ／２＋１）番目の場所における値の平均値を意味する。その代わりとして、スペクトル領域Ｂ_ｉ（区分Ａ_ｉ）内の波数ｋ_１から波数ｋ_ｎｉの連続的な、あるいは、準連続的な分布において、スペクトル領域Ｂ_ｉ（区分Ａ_ｉ）内に現れる波数のうち、ｋ_１が最小の波数を表し、ｋ_ｎｉが最大の波数を表すとき、中央値は、ｋ_１とｋ_ｎｉの平均値により設定されてもよい。これと対応する見解が、λ空間における中央値の決定にも適用される。

光のビーム４６が第１の光学部品４８に入射する前に、中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３に対応する波数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３により特徴付けられる波列は、図２に破線として示される同じ経路６７に実質的に沿って移動する。経路６７の方向は、波数ベクトルｋ_１、ｋ_２、ｋ_３の方向から決定される。したがって、全３つの波列は、図２に引かれた直線ｘを通過する。直線ｘは、同じ位置ｘ_１＝ｘ_２＝ｘ_３で、光のビーム４６を横切る。図３ｂを参照のこと。

第１の光学部品４８を通過した後には、スペクトル６６は、（例えば、特定の角分散に従って）空間的に分離されている。第１の光学部品４８は、波数ｋに応じて、波数ベクトルｋ_１、ｋ_２、ｋ_３の方位を変えるが、その大きさ、すなわち波数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３自体は変わらない。これは、中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３に対応する波列が、破線として図２に同様に示される異なる経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃに実質的に沿って移動することを意味する。経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃの方向は、波数ベクトルｋ_１、ｋ_２、ｋ_３のそれぞれの方向から決定される。したがって、３つの波列は、図２に引かれた直線ｙを通過し、直線ｙは、異なる位置ｙ１、ｙ２、ｙ３で、経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃを横切る。図３ｃを参照のこと。

経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃを、対物レンズ５０により更なる進路に、動かす／経路を決める、特に、曲折させることができるため、中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３に対応する波列は、図２に引かれた直線ｚを通過し、直線ｚは、異なる位置ｚ_１、ｚ_２、ｚ_３で、対物レンズ５０により定められた経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃを横切る。図３ｄも参照のこと。

波列の経路を、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃ上の経路６８ａ、６８ｂ、６８ｃに沿うように定めることにより、スペクトル６６は、センサー５４で結像される。センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、図３ｅの通りに、スペクトル領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の１つ、あるいは、（さらに一般的にいえば）スペクトル領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３を、それぞれ記録する。なお、スペクトル領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３は、スペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３と一致してもよいが、必ずしも一致する必要はない。

従来の分光装置３８において、センサー５４の個々のセンサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃがスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３を記録するように、分離された光のビーム４６、４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路に配置され、中央値Ｍλ_１、Ｍλ_２、Ｍλ_３は、λ空間において各々等距離に離れて位置する、あるいは、ｋ空間において少なくとも非線形的に位置するものである。

この状態は、図４ａ及び図４ｂのグラフにおいて、より正確に示される。縦軸は、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃの連続的な番号付与を示し、ここに示される実施例においては、例えば、１から始まり、４０９６で終わる。図４ａの横軸は、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃによりμｍ単位で記録される、異なるスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の中央値Ｍλ_１、Ｍλ_２、Ｍλ_３の波長λを示す。図４ａにおいて表される曲線７０は、波長λに亘ってほぼ線形的に延びていることを示す（比較のために、追加して直線７１が引かれている）。したがって、スペクトル６６は、λに関してほぼ線形的にセンサー５４上で結像される。

一方では、従来の分光装置３８の場合、これは、波数ｋと波長λとの間の非線形関係ｋ＝２π／λのために、多色光のビーム４６のスペクトル６６が、波数ｋに関して非線形的にセンサー５４上で結像されることを示す。これは図４ｂのグラフにより明白にされる。図４ｂのグラフは、図４ａからのグラフのデータから上述の式により算出され、横軸は、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃにより１／μｍ単位で記録される、異なるスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３の波数ｋを示している（比較のために、追加して直線７１が引かれている）。

本発明における分光装置３８の場合、センサー５４のセンサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃにより記録される光のビーム４６のスペクトル６６のスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３が、ｋ空間において各々等距離に離れて位置することになるように、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路に配置される。

この状態は、図５ｂにおいて再び示される。縦軸は、同様に１から４０９６まで、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃの連続的な番号付与を示す。横軸は、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃにより１／μｍ単位で記録される、異なるスペクトル区分Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３の中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３の波数ｋを示す。例示として示される６．９／μｍから９．３／μｍへの範囲の中で、曲線７２は、波数ｋに亘って線形的に延びていることを示している。したがって、多色光のビーム４６のスペクトル６６は、波数ｋに関して線形的にセンサー５４上で結像される。図５ａは、図５ｂから算出して得られたもので、波長λに亘って非線形に延びていることを示している（比較のために、追加して直線７１が引かれている）。

図６から図１１に、本発明による分光装置３８の様々な実施形態を示す。より明確にするという目的のためだけに、これらの場合において、光４６ａ及び光４６ｃの２つの光だけを表したが、例示の第３の光のビーム４６ｂは表されていない。光のビーム４６ａ（４６ｂ又は４６ｃ）は、スペクトル領域Ｂ_１（Ｂ_２又はＢ_３）の中央値Ｍｋ_１（Ｍｋ_２又はＭｋ_３）に対応する波数ｋ_１（ｋ_２又はｋ_３）により特徴付けられる波列を表す。ここで、Ｍｋ_１＜Ｍｋ_２＜Ｍｋ_３である。

図６に示される第１の実施形態において、第１の光学部品４８は、回折格子の形をとる。第１の光学部品４８に入る光のビーム４６に関して第１の光学部品４８から出る光のビーム４６ａ、４６ｃの回折角θが、線形的に波数ｋに依存する、すなわちｄθ／ｄｋ＝定数である場合、第１の光学部品４８が角分散ｄθ／ｄｋを示すことになるように、回折格子４８の回折中心は、互いに対して配置され、回折格子４８は、入射光のビーム４６に対する方位が定められる。したがって、θ_１が光のビーム４６ａが偏光する回折角であり、θ_３が光のビーム４６ｃが偏光する回折角であるとき、θ_１／ｋ_１＝θ_３／ｋ_３である。

図７に示される第２の実施形態において、第１の光学部品４８は、格子プリズムの形をとり、プリズム７４と複数の回折中心を有し、プリズム７４の入射面７７ａに置かれる回折格子７６を有する。あるいは、回折格子７６は、プリズム７４の出射面７７ｂに置かれてもよい。格子プリズム４８に入る光のビーム４６に関して格子プリズム４８から出る光のビーム４６ａ、４６ｃの回折角θが、線形的に波数ｋに依存する、すなわちｄθ／ｄｋ＝定数である場合、プリズム７６のプリズム角分散及び格子７４の格子角分散を組み合わせた角分散ｄθ／ｄｋに従って、格子プリズム４８が、光のビーム４６を分離することになるように、プリズム７４の屈折角α、材料、及び材料の屈折率ｎ（ｋ）は選択され、また、前記のようになるように、回折格子７６の回折中心は互いに対して配置され、また、前記のようになるように、格子プリズム４８は入射光のビーム４６に対する方位が定められる。したがって、θ_１が光のビーム４６ａが偏光する回折角であり、θ_３が光のビーム４６ｃが偏光する回折角であるとき、ここにおいても、θ_１／ｋ_１＝θ_３／ｋ_３である。

図６及び図７に図示した第１及び第２の実施形態の対物レンズ５０は、光束４６ａ、４６ｃが対物レンズ５０に入射する際の光軸８０に対する入射角δ_１、δ_３が増加するにつれ、対物レンズ５０の光軸８０からの焦点７８ａ、７８ｃの横方向の間隔Ｄ_ａ、Ｄ_ｃが、その入射角δ_１、δ_３とともに線形的に増加するようにして、物体側の第１の光学部品４８から出る分離した光のビーム４６の実質的に平行な光束４６ａ又は４６ｃを、対物レンズ５０を通過した後に、像側の焦点７８ａ、７８ｃに焦点合わせさせるというような特性を有する。この目的のために、対物レンズは、例えば、ｆθ対物レンズの形をとる。

図８、図９、図１０ａ、図１０ｂ、及び図１１において、第３の、第４の、第５の、第６の、及び第７の実施形態を示す。これらの実施形態において、第１の光学部品４８は、例えば、空間的に各々等距離に離れて配置された回折中心を有する従来の回折格子、あるいは、従来の分散プリズムの形をとる。第１の光学部品４８は角分散ｄθ／ｄｋを示し、そこでは光学部品４８に入る光のビーム４６に関して第１の光学部品４８から出る光のビーム４６ａ、４６ｃの回折角θが、非線形的に波数ｋに依存する、すなわちｄθ／ｄｋ≠定数である。

第３、第４、第５、及び第６の実施形態において、対物レンズ５０は、ｋ空間において、複数のスペクトル領域Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の、各々等距離に離れて位置する中央値Ｍｋ₁、Ｍｋ₂、Ｍｋ₃が、異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃに焦点合わせされることとなるように、第１の光学部品４８により分離された光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃが、対物レンズ５０により経路を定められるような結像特性を示す。そして、例えば、図９、図１０ａ、及び図１０ｂの通りに、異なる焦点の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置する。ゆえに、対物レンズ５０は、図２に示される直線ｚに沿った位置ｚ₁、ｚ₂、ｚ₃に光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの経路を定め、直線ｚは、対物レンズ５０により経路を定められた分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路と交差し、空間的に各々等距離に離れて位置する。図３ｄを参照のこと。この目的のために、対物レンズ５０は、光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの経路がその波数ｋに依存するというような特性を示す。

図８及び図９において、第３及び第４の実施形態を表す。これらの場合、対物レンズ５０は、屈折素子のために対物レンズ５０内で用いられるレンズを適切に選択することにより、横方向の色彩の結像特性を示す。これらの横方向の色彩の結像特性は、波長に応じて、非線形関数に従う軸外方向の間隔が生じる結果になるようなものである。この効果は、ｋ空間において、複数のスペクトル領域Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の各々等距離に離れて位置する中央値Ｍｋ₁、Ｍｋ₂、Ｍｋ₃が、異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃに焦点合わせされることとなるように、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃが、対物レンズ５０により経路を定めるようにして、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路に関して、対物レンズ５０の方位及び／又は位置を調整することに利用される。ここで、異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃの中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置する。
この調整は、対物レンズ５０を偏心する及び／又は傾けることにより成される。

第３の実施形態において、図８で対物レンズ５０の偏心を見ることができる。対物レンズ５０は、分離した光のビーム４６ａ、４６ｃが、対物レンズ５０の光軸８０がある平面８２より実質的に上方で対物レンズ５０を通過するように、第１の光学部品４８に関して配置される。

第４の実施形態において、図９で対物レンズ５０の傾きを見ることができる。対物レンズ５０は、対物レンズ５０の光軸８０が、ｋ空間の多色光のビーム４６のスペクトル６６の中央値Ｍｋ_２を表す分離した光のビーム４６ｂの波列の伝播方向ｋ_２に関して傾くように、第１の光学部品４８に関して配置される。その結果、図９の光軸８０と伝播方向ｋ_２との間の角度ε_２は、０ではない。

図１０ａ及び図１０ｂに、第５及び第６の実施形態をそれぞれ示す。これらの場合、分光装置３８は、プリズムという形をとっている第２の光学部品８２’を含み、この第２の光学部品は、対物レンズ５０及び第２の光学部品８２’が、互いに対して調節不可能に配置されるように、モジュラーユニット８４を形成するために対物レンズ５０と結合している。あるいは、第２の光学部品８２’は、くさび形の光学素子の形をとることができる。
第２の光学部品８２’及び対物レンズの組み合わせは、分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃがモジュラーユニット８４を通る時、光のビーム４６のスペクトル６６の複数のスペクトル領域Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する中央値Ｍｋ_１、Ｍｋ_２、Ｍｋ_３が、中心が位置座標空間において各々等距離に離れて位置している異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃに焦点合わせされることとなるように経路が定められるような特性を示す。

図１０ａにおいて、第２の光学部品８２’は、光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路の対物レンズ５０の上流に配置される。この場合、第２の光学部品８２’は、対物レンズの付属物という形をとる。一方では、図１０ｂにおいて、第２の光学部品８２’は、光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃの光路の対物レンズ５０の下流に配置される。

第１の光学部品４８、対物レンズ５０、センサー５４、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、８４によって示されるモジュラーユニット、及び／又は分光装置３８のすべての更なる構成要素４０、４２、４４は、例えばレール、滑りテーブル、棒リンク機構、鏡柱、移動ステージ又は回動ステージなど、それらに設けられる調節手段８６を用いて、分光装置３８のベースプレート８８の上に位置調節可能であるように形成されていてもよい。特に、第１の光学部品４８、対物レンズ５０、センサー５４、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、及び／又はモジュラーユニット８４の、相互の位置及び／又は方位は、特に手動で調節可能である。一方、モジュラーユニット４８及び８４のそれぞれの構成要素７４及び７６あるいは５０及び８２’は、その相関的な位置及び／又は方位が調整不可能であるように、事前に互いに固く接続されている。

図６から図１０ｂに示される第１から第６の実施形態において、センサー５４のセンサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃの感光表面は、等しい大きさに設計されている。さらに、感光表面の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて配置される。

図１１に、分光装置３８の第７の実施形態を示す。この場合、対物レンズ５０は、従来の対物レンズの形をとる。対物レンズ５０は、複数のスペクトル領域Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する中央値Ｍｋ₁、Ｍｋ₂、Ｍｋ₃が、異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃに合わせられることとなるように、第１の光学部品４８により分離した光のビーム４６ａ、４６ｂ、４６ｃが、対物レンズ５０により経路を定められるような結像特性を示す。ここで異なる焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃの中心は、位置座標空間において互いに関して等距離でないように位置する。一方、本実施形態において、センサー５４の感光素子５４ａ、５４ｂ、５４ｃの感光表面の中心は、対物レンズ５０が、像側の複数のスペクトル領域Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する中央値Ｍｋ₁、Ｍｋ₂、Ｍｋ₃に合わせた焦点７８ａ、７８ｂ、７８ｃに従って、配置される。この点について、センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃの感光表面の中心は、位置座標空間において互いに関して等距離でないように位置する。センサー部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃの感光表面は、可変的に拡大できる。

Claims (14)

1. 分光装置であって、
   第１の光学部品に入射する多色光のビームを、一定の角分散に従って空間的にスペクトル的に分離し、回折角が波数ｋに線形的に依存するように構成される前記第１の光学部品と、
   異なる空間領域に対して、前記分離した光のビームの複数のスペクトル領域の経路を定めるように構成される対物レンズであって、ｋを波数としたとき、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する複数のスペクトル領域の中央値が、それぞれ異なる焦点に焦点を合わせるように、前記光のビームの経路を定めるように構成され、前記異なる焦点の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置するものである、対物レンズと、
   前記分離した光のビームの光路において前記対物レンズの下流に位置し、複数の感光センサー部品を有するセンサーと、を含み、
   前記複数の感光センサー部品は、前記分離した光のビームの前記光路内に配置され、
   該感光センサー部品のそれぞれは、前記光のビームのスペクトル区分の強度を記録するように構成され、前記スペクトル区分の中央値が、ｋ空間において各々等距離に離れて位置するものであることを特徴とする分光装置。
2. 前記対物レンズは、回転対称である及び／又は横方向の色彩の結像特性を示すものであることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
3. 前記対物レンズは、前記分離した光のビームが、前記対物レンズの光軸が位置する平面の上方で、前記対物レンズを通過するように、第１の光学部品に対して配置されるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分光装置。
4. 前記対物レンズは、前記対物レンズの光軸が、ｋ空間において前記光のビームのスペクトル全体の中央値を表す前記分離した光のビームの波列の伝搬方向に対して傾くように、前記第１の光学部品に対して配置されるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光装置。
5. 前記分光装置は、プリズム又は回折部品を有する第２の光学部品を含み、前記第２の光学部品は、前記対物レンズ及び第２の光学部品が互いに対して調整ができないように配置されるモジュラーユニットを形成するために対物レンズと組み合わされたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分光装置。
6. 前記第２の光学部品は、前記光のビームの光路において前記対物レンズの上流に配置されるものであることを特徴とする請求項５に記載の分光装置。
7. 前記第２の光学部品は、前記光のビームの光路において前記対物レンズの下流に配置されるものであることを特徴とする請求項５に記載の分光装置。
8. 前記第１の光学部品は、回折部品の形をなし、前記回折部品の回折の中心は、偏角が波数ｋに線形的に依存する場合に、前記第１の光学部品が前記光のビームを角分散に従って分離することになるように、各々に対して等距離でないようにして配置されるものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分光装置。
9. 前記第１の光学部品は、回折格子プリズムの形をなし、前記回折格子プリズムは、偏角が波数ｋに線形的に依存する場合に、前記回折格子プリズムの前記回折格子の回折格子角分散と前記回折格子プリズムの前記プリズムのプリズム角分散とを組み合わせた角分散に従って、前記光のビームを分離するものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分光装置。
10. 前記対物レンズは、前記第１の光学部品の物体側から出る前記分離した光のビームの実質的に平行な光束を、前記対物レンズを通過した後、像側の焦点に焦点を合わせ、前記対物レンズの光軸からの前記焦点の横方向の間隔が、前記光束が前記対物レンズに入射する際の前記対物レンズの前記光軸に対する入射角の角度の増加に伴って、該入射角の角度とともに線形的に増加するように構成されたものであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の分光装置。
11. 前記センサーの前記感光センサー部品の感光表面の中心は、各々等距離に離れて位置することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の分光装置。
12. 前記センサーの前記感光センサー部品の前記感光表面の中心は、前記対物レンズが、前記像側の複数のスペクトル領域のｋ空間において各々等距離に離れて位置する中央値を合わせた焦点の中心に従って、空間的に配置されるものであることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の分光装置。
13. 光干渉断層撮影（ＯＣＴ）のためのシステムであって、
    請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の分光装置と、
    可干渉多色光を提供するように構成された光源と、
    参照アームと試料アームとに前記可干渉多色光を接続し、多色光のビームを形成するように前記参照アームと前記試料アームとから後方散乱する光を重畳し、かつ、スペクトル分析の目的で前記分光装置に前記多色光のビームを接続するように構成されたビームスプリッタとを含むものであることを特徴とするシステム。
14. スペクトル分析の方法であって、
    第１の光学部品に入射する多色光のビームを、一定の角分散に従って空間的にスペクトル的に分離する工程であって、回折角が波数ｋに線形的に依存する、工程と、
    対物レンズにより複数の異なる空間領域に対して、前記分離した光のビームの複数のスペクトル領域の経路を定める工程であって、ｋを波数としたとき、ｋ空間において各々等距離に離れて位置する複数のスペクトル領域の中央値が、それぞれ異なる焦点に焦点を合わせるように、前記光のビームの経路を定める工程であり、前記異なる焦点の中心は、位置座標空間において各々等距離に離れて位置するものである、工程と、
    複数の感光センサー部品を有する前記光のビームの光路において前記対物レンズの下流に配置されたセンサーにより前記分離した光のビームの１つ以上の強度を記録する工程とを含み、
    それぞれの前記感光センサー部品で、前記光のビームのスペクトル区分の強度を記録し、前記スペクトル区分の前記中央値をｋ空間において各々等距離に離れて位置させることを特徴とする方法。

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