JP6445814B2 - 分光器およびスペクトル測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光のスペクトルを測定する分光器およびスペクトル測定方法に関する。

従来、光の波長あるいはスペクトルの測定において、光の波長に対する角度分散特性を有する分散素子（例えば、回折格子、プリズムあるいはエタロンなど）または干渉計などが用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

このような測定において、測定可能な光の帯域（以下、測定帯域という）の広さと分解能の高さとはトレードオフの関係を有する。一般的な分解能は、測定帯域が広い場合には数ナノメートル程度であり、測定帯域が狭い場合には数ピコメートル程度である。

特開２００５−３３８０２１号公報

Tsuyoshi Konishi, Kazunori Tanimura, and KousukeAsano, "All-optical analog-to-digital converter by use of self-frequency shifting in fiber and a pulse-shaping technique", JOSA B, Vol.19, Issue 11, pp.2817-2823 (2002)

近年、直交周波数分割多重化方式（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）による情報通信の分野などにおいて、従来よりも高精度な光波長測定技術が求められている。

しかしながら、上記従来のスペクトル測定の技術レベルは既に完成度が高く、従来のアプローチでは高精度化が難しい。例えば、最も普及している分散型の分光器によるスペクトルの測定では、撮像デバイスの画素の大きさによって分解能の向上が制限される。

そこで、本発明は、光のスペクトルの測定において分解能を向上させることができる分光器等を提供する。

本発明の一態様に係る分光器は、入力光のスペクトルを測定する分光器であって、前記入力光を分散する分散素子と、前記分散素子によって分散された前記入力光を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞である第１縞を生成する第１干渉計と、前記第１縞が観測される観測面上に、前記第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞を形成する縞形成器と、前記第１縞および前記第２縞の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出し、検出された前記モアレ縞の位置に対応する波長の強度を特定することにより、前記入力光のスペクトルを測定する測定器と、を備える。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本発明の一態様に係る分光器等は、光のスペクトルの測定において分解能を向上させることができる。

基礎となった知見に係る分光器の構成を示す図 基礎となった知見に係る分光器によって形成される第１スリットアレイの像と第２スリットアレイとの位置関係を示す図 入力光が第１波長の単色光である場合におけるモアレ縞の検出結果を示す図 入力光が第２波長の単色光である場合におけるモアレ縞の検出結果を示す図 実施の形態１に係る分光器の構成を示す図 実施の形態１に係るスペクトル測定方法における処理を示すフローチャート 第１スリットアレイおよび第２スリットアレイのスリット幅と分解能との関係を説明するための図 実施の形態２に係る分光器の構成を示す図 実施の形態２における第１縞（干渉縞）の一例を示す図 他の実施の形態における主尺と副尺との関係を示す図

（本発明の基礎となった知見）
上述したように、分散型の分散素子によるスペクトルの測定では、撮像デバイスの画素の大きさによって分解能の向上が制限されるため、測定精度を向上させることが難しい。そこで、発明者は、分散デバイスを用いて入力光の波長に対応する複数の位置に複数のビームを出力し、その複数のビームを副尺として利用することにより、測定精度の向上を図る技術を考え出した。

以下に、この技術について、図１〜図４を参照しながら具体的に説明する。

図１は、基礎となった知見に係る分光器１０の構成を示す図である。図２は、基礎となった知見に係る分光器１０によって形成される第１スリットアレイ１２の像１６と第２スリットアレイ１７との位置関係を示す図である。

図１に示すように、分光器１０は、第１スリットアレイ１２と、第１レンズ１３と、回折格子１４と、第２レンズ１５と、第２スリットアレイ１７とを備える。

第１スリットアレイ１２は、第１ピッチｐ₁で並ぶ複数のスリットを有する。第１スリットアレイ１２は、入力光１１を複数のビームに分離するデバイスとして機能する。

第１レンズ１３は、第１スリットアレイ１２を通過した光を平行光にするためのレンズである。

回折格子１４は、光の波長に対して回折角度が変化する特性（角度分散特性）を有する反射型回折格子である。つまり、回折格子１４は、入力光の波長に対応する位置に光を出力する。

第２レンズ１５は、回折格子１４から出力された平行光を第２スリットアレイ１７上に集光するためのレンズである。つまり、第２レンズ１５は、第２スリットアレイ１７上に第１スリットアレイ１２の像１６を形成する。

この第１スリットアレイ１２の像１６が副尺として機能する。つまり、像１６は、入力光の波長に対応する複数の位置に出力された複数のビームに相当する。言い換えると、第１スリットアレイ１２、第１レンズ１３、回折格子１４、および第２レンズ１５の組み合わせによって、入力光の波長に対応する複数の位置に複数のビームを出力する分散デバイスが実現される。

第２スリットアレイ１７は、第１ピッチｐ₁とは異なる第２ピッチｐ₂で並ぶ複数のスリットを有する。ここでは、一例として、第１ピッチｐ₁と第２ピッチｐ₂との比を６：７にしている。

この第２スリットアレイ１７が主尺として機能する。つまり、第１スリットアレイ１２の像１６（副尺）と第２スリットアレイ１７（主尺）との位置関係によって入力光１１のスペクトルが測定される。具体的には、図２に示すように、第１スリットアレイ１２の像１６と第２スリットアレイ１７との重ね合わせによって生じるモアレ縞１８を検出することにより、入力光１１のスペクトルが測定される。

モアレ縞とは、複数の周期的な模様を重ね合わせた場合に、その複数の周期的な模様の周期のずれによりうなりとして発生するパターンである。モアレ縞の位置（つまり、モアレ縞における輝度のピークの位置）は、複数の周期的な模様の位置関係によって変化する。

ここで、第１スリットアレイ１２の像１６と第２スリットアレイ１７とによる入力光１１のスペクトルの測定原理についてより詳しく説明する。ここでは、入力光１１が単色光であり、撮像デバイスを利用してモアレ縞が検出される場合について説明する。

図３は、入力光１１が第１波長の単色光である場合におけるモアレ縞の検出結果を示す図である。図４は、入力光１１が第２波長の単色光である場合におけるモアレ縞の検出結果を示す図である。

図３および図４において、（ａ）は、第１スリットアレイ１２の像と撮像デバイスの画素１９との位置関係を示す。また、（ｂ）は、第１スリットアレイ１２の像および撮像デバイスの画素１９と、第２スリットアレイ１７との位置関係を示す。（ｃ）は、撮像デバイスの各画素において検出される輝度を示す。

入力光が第１波長を有する場合には、図３の（ａ）に示すように第１スリットアレイ１２の像１６ａが形成される。そして、図３の（ｂ）に示すように、第１スリットアレイ１２の像１６ａと第２スリットアレイ１７との重ね合わせによってモアレ縞が生じる。

その結果、図３の（ｃ）に示すように、各画素においてモアレ縞の輝度が検出される。ここでは、画素Ｐ５において輝度のピークが検出される。

入力光が第２波長を有する場合には、図４の（ａ）に示すように第１スリットアレイ１２の像１６ｂが形成される。像１６ｂは、像１６ａに比べて一画素より小さい大きさで右にシフトしている。これは、第１波長の入力光と第２波長の入力光とでは回折格子１４における回折角度が異なるためである。

図４の（ｂ）に示すように、第１スリットアレイ１２の像１６ｂと第２スリットアレイ１７との重ね合わせによってモアレ縞が生じる。その結果、図４の（ｃ）に示すように、各画素においてモアレ縞の輝度が検出される。ここでは、画素Ｐ４で輝度のピークが検出される。つまり、図４におけるモアレ縞は、図３におけるモアレ縞に対して、一画素左にシフトしている。

このように第１スリットアレイ１２の像（副尺）と第２スリットアレイ１７（主尺）との重ね合わせによって生じるモアレ縞の位置の変化は、第１スリットアレイ１２の像の位置の変化よりも大きい。したがって、第１スリットアレイ１２の像の微小な位置の変化を検出することができ、入力光の微小な波長の違いを判別することができる。

このようなピッチが異なる２つの目盛り（主尺および副尺）の重なりによって副尺の微小な変化を拡大して測定することができることを、副尺（バーニア）効果という。つまり、分光器１０は、副尺効果を利用して、主尺の分解能によって定まる帯域内におけるスペクトルの分解能を向上させることができる。

しかしながら、分光器１０の分解能をさらに向上させるためには、第１スリットアレイ１２のピッチと第２スリットアレイ１７のピッチとの差（ピッチ差）をさらに小さくする必要がある。この場合、回折限界（結像限界）により、このような微細なピッチ差を表現可能な高い解像度で第１スリットアレイ１２の像１６を得ることが難しくなる。

例えば、第１スリットアレイ１２のピッチをさらに小さくした場合、光学系（例えば、第１レンズ１３および第２レンズ１５など）の結像限界を超えてしまい、第１スリットアレイ１２の像１６にボケが生じてしまう。また例えば、ピッチ差をさらに小さくした場合、結像限界によるボケによって微細なピッチ差が表現できなくなる。つまり、結像限界によって第１スリットアレイ１２の像１６に生じるボケは、スペクトルの分解能を低下させてしまう。

そこで、本発明の一態様に係る光波長測定装置は、入力光のスペクトルを測定する分光器であって、前記入力光を分散する分散素子と、前記分散素子によって分散された前記入力光を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞である第１縞を生成する第１干渉計と、前記第１縞が観測される観測面上に、前記第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞を形成する縞形成器と、前記第１縞および前記第２縞の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、前記入力光のスペクトルを測定する測定器と、を備える。

この構成によれば、分散素子によって分散された光の干渉によって生成された第１ピッチの第１縞（干渉縞）と第２ピッチの第２縞との重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、入力光のスペクトルを測定することができる。したがって、第２縞および第１縞をそれぞれ主尺および副尺として機能させることができ、副尺効果によってスペクトルの分解能を向上させることができる。また、干渉縞を副尺として用いることができるので、スリットアレイが副尺として用いられるときのように光学系の結像限界によって副尺のピッチの精度が制限されない。したがって、主尺と副尺との間のより微細なピッチ差を実現することができ、さらにスペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

例えば、前記第１干渉計は、前記分散素子によって分散された前記入力光の干渉によって得られる複数の第１干渉縞を重ね合わせることにより、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比であるアスペクト比が前記複数の第１干渉縞の各々よりも高い干渉縞を前記第１縞として生成してもよい。

この構成によれば、同一波長の光から生成された複数の第１干渉縞の各々よりもアスペクト比が高い干渉縞を第１縞として生成することができる。したがって、モアレ縞において、高輝度領域の幅を小さくすることができ、低輝度領域を広げることができる。その結果、さらにスペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

例えば、前記縞形成器は、前記観測面上に配置された、前記第２ピッチで並ぶ複数のスリットを有するスリットアレイであってもよい。

この構成によれば、第２ピッチで並ぶ複数のスリットを有するスリットアレイを第２縞（主尺）として用いることができる。

例えば、前記縞形成器は、前記入力光を干渉させることにより、前記第２ピッチの干渉縞を前記第２縞として生成する第２干渉計であってもよい。

この構成によれば、入力光の干渉によって生成された第２ピッチの干渉縞を第２縞（主尺）として用いることができる。

例えば、前記第２干渉計は、前記入力光の干渉によって得られる複数の第２干渉縞を重ね合わせることにより、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比であるアスペクト比が前記複数の第２干渉縞の各々よりも高い干渉縞を前記第２縞として生成してもよい。

この構成によれば、同一波長の光から生成された複数の第２干渉縞の各々よりもアスペクト比が高い干渉縞を第２縞として生成することができる。したがって、モアレ縞において、高輝度領域の幅を小さくすることができ、低輝度領域を広げることができる。その結果、さらにスペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１について図面を参照しながら具体的に説明する。ここでは、主尺の分解能によって定まる測定帯域内の波長の光のみを入力光が含む場合について説明する。

［分光器の構成］
図５は、実施の形態１に係る分光器１００の構成を示す図である。この分光器１００は、入力光１０１のスペクトルを測定する。ここでは、入力光１０１は、例えば、数百〜千数百ナノメールの波長を有する。図５に示すように、分光器１００は、分散素子１１０と、干渉計１２０と、スリットアレイ１３０とを備える。

分散素子１１０は、入力光を分散する。つまり、分散素子１１０は、入力光１０１の波長に対応する角度で光を出力する。つまり、分散素子１１０における光の出力角度は、入力光１０１の波長に依存する。

本実施の形態では、分散素子１１０は、入力光１０１の波長に対して回折角度が変化する特性（角度分散特性）を有する透過型回折格子である。なお、分散素子１１０は、図５のような透過型回折格子に限定されない。例えば、分散素子１１０は、反射型回折格子であってもよい。また、分散素子１１０は、例えばプリズムあるいはエタロンであってもよい。

干渉計１２０は、分散素子１１０の出力光から第１縞を生成する。具体的には、干渉計１２０は、分散素子１１０によって分散された入力光１０１を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞１２５（第１縞）を生成する。

干渉縞とは、光の干渉によって得られるパターンである。つまり、干渉縞とは、複数の波の重ね合わせによって生じる周期的なパターンである。言い換えると、干渉縞とは、光の干渉によって生じる明暗の縞模様である。

干渉縞における第１ピッチとは、予め定められた第１方向において周期的にあらわれる輝度のピークの間隔である。つまり、第１ピッチは、第１方向における干渉縞１２５の周期に対応する。

分散素子１１０によって分散された入力光１０１の干渉計１２０への入射角度（または入射位置）は、入力光１０１の波長によって変化する。したがって、干渉計１２０によって生成される干渉縞１２５の位置も入力光１０１によって変化する。つまり、干渉縞１２５の位置は、入力光１０１の波長に依存する。

本実施の形態では、干渉計１２０は、分散素子１１０によって分散された光を分割し、分割された光を再度統合させることにより干渉縞１２５を生成する。具体的には、干渉計１２０は、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２とを備える。

第１ミラー１２１は、半透過型のミラーであり、分散素子１１０から出力された光を２つに分割する。第２ミラー１２２は、第１ミラー１２１によって分割された２つの光の一方を反射して、２つの光の他方と統合する。その結果、観測面（スリットアレイ１３０）上に干渉縞１２５が形成される。

スリットアレイ１３０は、干渉縞１２５の観測面上に配置され、第２ピッチで並ぶ複数のスリットを有する。つまり、スリットアレイ１３０は、第１縞（干渉縞１２５）が観測される観測面上に、第１ピッチと異なる第２ピッチの第２縞を形成する縞形成器の一例である。

第２縞における第２ピッチとは、予め定められた第２方向において周期的にあらわれる光の透過率のピークまたは輝度のピークの間隔である。つまり、第２ピッチは、第２方向における第２縞の周期に対応する。ここでは、第２方向は、第１縞の第１ピッチが観測される第１方向と一致する。

モアレ縞は、干渉縞１２５（第１縞）およびスリットアレイ１３０（第２縞）の重ね合わせにより生じる。モアレ縞の位置は、干渉縞１２５とスリットアレイ１３０との位置関係によって変化する。また、上述したように干渉縞１２５の位置は、入力光１０１の波長によって変化する。したがって、入力光１０１の波長によってモアレ縞の位置が変化する。このとき、モアレ縞の位置の変化は、図３および図４に示すような副尺効果によって干渉縞１２５の位置の変化よりも大きい。したがって、より高い分解能で入力光１０１の波長を測定することができる。

なお、ここでは、スリットアレイ１３０が主尺として機能し、干渉縞１２５が副尺として機能している。つまり、干渉縞１２５は、図１の第１スリットアレイ１２の像１６に対応し、スリットアレイ１３０は、図１の第２スリットアレイ１７に対応する。

測定器１４０は、干渉縞１２５（第１縞）およびスリットアレイ１３０（第２縞）の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、入力光１０１のスペクトルを測定する。つまり、測定器１４０は、モアレ縞の位置に基づいて入力光１０１のスペクトルを測定する。

例えば、測定器１４０は、図示しないイメージセンサ、プロセッサおよびメモリを含む。イメージセンサは、例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサあるいはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサであり、モアレ縞の画像を撮影する。プロセッサは、モアレ縞の画像内の各画素の位置と波長との対応関係を示す情報を参照することにより、モアレ縞の画像内の各画素の輝度に対応する、入力光１０１の各波長における強度（スペクトル）を特定する。ここで参照される情報は、例えば、あらかじめ実験的に求められており、メモリに格納される。

［スペクトル測定方法における処理］
次に、以上のように構成された分光器１００を用いた入力光１０１のスペクトルの測定方法について説明する。図６は、実施の形態１に係るスペクトル測定方法における処理を示すフローチャートである。

まず、入力光１０１が分散される（Ｓ１０１）。続いて、分散された入力光１０１を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞である第１縞が生成される（Ｓ１０２）。そして、第１縞と、第１縞が観測される観測面上に形成された第２縞であって第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞との重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、入力光１０１のスペクトルが測定される（Ｓ１０３）。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る分光器１００によれば、分散素子１１０によって分散された入力光１０１の干渉によって生成された第１ピッチの第１縞（干渉縞１２５）と第２ピッチの第２縞（スリットアレイ１３０）との重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、入力光１０１のスペクトルを測定することができる。したがって、第２縞および第１縞をそれぞれ主尺および副尺として機能させることができ、副尺効果によってスペクトルの分解能を向上させることができる。また、干渉縞１２５を副尺として用いることができるので、図１のようにスリットアレイが副尺として用いられるときのように光学系の結像限界によって副尺のピッチの精度が制限されない。したがって、主尺と副尺との間のより微細なピッチ差を実現することができ、さらにスペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について図面を参照しながら具体的に説明する。本実施の形態では、さらに高い分解能を得るために、複数の干渉縞を重ね合わせて、高輝度領域の幅（面積）に対する低輝度領域の幅（面積）の比であるアスペクト比が高い第１縞（副尺）を生成する点が、実施の形態１と異なる。

なお、低輝度領域とは、所定の輝度未満の領域である。また、高輝度領域とは、当該所定の輝度以上の領域である。

［アスペクト比と分解能との関係］
まず、２つのスリットアレイを用いて主尺および副尺を実現する場合における２つのスリットアレイのアスペクト比と分解能との関係について説明する。図７は、第１スリットアレイのアスペクト比および第２スリットアレイのアスペクト比と分解能との関係を説明するための図である。なお、スリットアレイのアスペクト比は、スリット領域（光透過領域）の幅（面積）に対する非スリット領域（非光透過領域）の幅（面積）の比に相当する。

図７の（ａ）は、第１スリットアレイのアスペクト比および第２スリットアレイのアスペクト比がともに低い場合におけるモアレ縞を示す。図７の（ｂ）は、第１スリットアレイのアスペクト比および第２スリットアレイのアスペクト比がともに高い場合におけるモアレ縞を示す。なお、図７の（ａ）は、図３の（ｂ）および（ｃ）と同じである。

図７からわかるように、第１スリットアレイのアスペクト比および第２スリットアレイのアスペクト比がともに増加すれば、第１スリットアレイの像に含まれるスリットと、第２スリットアレイのスリットとの重なりが減少する。したがって、１つの波長に対して輝度が検出される画素の数を減少させることができる。その結果、スペクトルの分解能を向上させることができる。

例えば、図７の（ａ）の第１スリットアレイの像１６ａおよび第２スリットアレイ１７のようにアスペクト比がともに低い場合、入力光に第１波長の光と第２波長の光とが含まれれば、図３の（ｃ）の輝度分布と図４の（ｃ）の輝度分布とが同時に検出される。したがって、各画素では、第１波長の光に対応するモアレ縞の輝度と第２波長の光に対応するモアレ縞の輝度との加算結果が検出される。そのため、第１波長の光の強度および第２波長の光の強度を同時に分解して測定することが難しい。

これに対して、図７の（ｂ）の第１スリットアレイの像１６ｃおよび第２スリットアレイ１７ｃのようにアスペクト比がともに高い場合、入力光に第１波長の光と第２波長の光とが含まれていても、それぞれ異なる画素（画素Ｐ５および画素Ｐ４）で第１波長の光に対応するモアレ縞の輝度と第２波長の光に対応するモアレ縞の輝度とが検出される。したがって、第１波長の光の強度および第２波長の光の強度を同時に分解して測定することができる。

つまり、主尺のアスペクト比および副尺のアスペクト比をともに増加させることにより、スペクトルの分解能を向上させることができる。このようなアスペクト比の増加による分解能の向上を実現するための本実施の形態に係る分光器について説明する。

［分光器の構成］
図８は、実施の形態２に係る分光器２００の構成を示す図である。図８において、図５と同一または類似の構成要素については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

分光器２００は、分散素子１１０と、干渉計２２０と、スリットアレイ２３０とを備える。

干渉計２２０は、分散素子１１０の出力光から第１ピッチの第１縞（ここでは干渉縞２２５）を生成する。具体的には、干渉計２２０は、分散素子１１０によって分散された入力光１０１の干渉によって得られる複数の干渉縞を重ね合わせることにより、干渉縞２２５を生成する。この干渉縞２２５のアスペクト比は、複数の干渉縞の各々のアスペクト比よりも高い。つまり、干渉縞２２５は、同一波長の光から生成された複数の干渉縞の各々のアスペクト比よりも高いアスペクト比を有する。

図９は、実施の形態２における第１縞（干渉縞２２５）の一例を示す図である。図９では、ｃｏｓ（ｘ）、ｃｏｓ（２ｘ）、ｃｏｓ（３ｘ）、ｃｏｓ（４ｘ）、およびｃｏｓ（５ｘ）で表される５つの干渉縞を重ね合わせることにより干渉縞２２５が生成されている。干渉縞２２５では、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比（アスペクト比）が高くなっていることがわかる。このように、複数の干渉縞を重ね合わせることにより、様々なパターンの高アスペクト比の干渉縞を第１縞（副尺）として生成することができる。

スリットアレイ２３０は、第１縞（干渉縞２２５）が観測される観測面上に、第２ピッチの第２縞を形成する縞形成器の一例である。スリットアレイ２３０のアスペクト比は、実施の形態１のスリットアレイ１３０のアスペクト比よりも高い。ここでは、スリットアレイ２３０は、干渉縞２２５のアスペクト比に対応するアスペクト比を有する。つまり、スリットアレイ２３０は、干渉縞２２５のアスペクト比と同程度のアスペクト比を有する。

測定器１４０は、干渉縞２２５（第１縞）およびスリットアレイ２３０（第２縞）の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、入力光１０１のスペクトルを測定する。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る分光器２００によれば、同一の波長から生成された複数の干渉縞の各々よりもアスペクト比が高い干渉縞２２５を第１縞として生成することができる。したがって、モアレ縞において、高輝度領域の幅を小さくすることができ、低輝度領域を広げることができる。その結果、スペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

（他の実施の形態）
以上、１つまたは複数の態様に係る分光器およびスペクトル測定方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、１つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、上記各実施の形態では、縞形成器がスリットアレイである場合について説明したが、縞形成器はスリットアレイに限られない。例えば、縞形成器は、干渉計であってもよい。つまり、縞形成器は、入力光を干渉させることにより、第２ピッチの干渉縞を第２縞として生成する干渉計であってもよい。

具体的には、縞形成器は、例えば、分散素子１１０における回折格子の０次光を干渉させることにより第２ピッチの干渉縞を生成する。なお、０次光の回折角度は、入力光の波長に依存しない。また例えば、縞形成器は、分散素子１１０に入力される前に分割された入力光を干渉させることにより第２ピッチの干渉縞を生成してもよい。

このように第２縞が干渉縞である場合でも、第１縞（副尺）と第２縞（主尺）との重ね合わせによってモアレ縞が生じる。図１０は、他の実施の形態における主尺と副尺との関係を示す図である。図１０の（ａ）は、ｃｏｓ（ｘ）で表される干渉縞（第２縞、主尺）を示す。また、図１０の（ｂ）は、ｃｏｓ（１．１ｘ）で表される干渉縞（第１縞、副尺）を示す。この２つの干渉縞の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出することにより、上記各実施の形態と同様に入力光のスペクトルを高い分解能で測定することができる。

さらに、縞形成器（干渉計）は、実施の形態２の第１縞と同様に、複数の干渉縞を重ね合わせることにより、アスペクト比が高い干渉縞を第２縞として生成してもよい。つまり、縞形成器は、入力光の干渉によって得られる複数の干渉縞を重ね合わせることにより、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比であるアスペクト比が複数の干渉縞の各々よりも高い干渉縞を第２縞として生成してもよい。これにより、モアレ縞において、高輝度領域の幅を小さくすることができ、低輝度領域を広げることができる。その結果、さらにスペクトルの分解能を向上させることが可能となる。

なお、上記各実施の形態における干渉計の内部構成は例示であり、この構成に限定されない。例えば、干渉計は、マッハツェンダ干渉計およびマイケルソン干渉計等であってもよく、測定対象の光によって干渉縞を形成できる干渉計であればよい。例えばマッハツェンダ干渉計が用いられる場合、コヒーレンス長が短い光であっても確実に干渉縞を生成することができる。

なお、上記各実施の形態では、主尺の分解能によって定まる測定帯域内の波長の光のみを入力光が含む場合について説明したが、入力光はこれに限定されない。例えば、入力光は、測定帯域外の波長の光を含んでもよい。この場合、測定帯域内の波長の光の干渉縞（第１縞）と、測定帯域外の波長の光の干渉縞（第１縞）とが同一の位置に生成されるため、入力光のスペクトルを正確に測定することが難しい。

そこで、この場合、分光器は、例えば、測定帯域外の波長の光をカットする波長フィルタを備えてもよい。この波長フィルタを通過した入力光を分散素子に入力することにより、上記実施の形態と同様に、測定帯域内において、入力光のスペクトルを高精度に測定することができる。

また例えば、上記波長フィルタの通過帯域は、時間的に変化されてもよい。これにより、複数の測定帯域において入力光のスペクトルを測定することもできる。

また例えば、分光器は、帯域ごとに入力光を異なる領域に分散する分散素子を備えてもよい。この場合、各領域に分散された光において、上記各実施の形態における副尺効果を利用したスペクトル測定を行うことにより、より広い帯域において高分解能でスペクトルの測定を一度に行うことができる。

本発明の一態様に係る分光器は、入力光のスペクトルの測定において分解能を向上させることができ、例えば波長測定装置、スペクトル分析装置および光Ａ／Ｄ変換装置などに適用できる。

１０、１００、２００ 分光器
１１、１０１ 入力光
１２ 第１スリットアレイ
１３ 第１レンズ
１４ 回折格子
１５ 第２レンズ
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 第１スリットアレイの像
１７、１７ｃ 第２スリットアレイ
１８ モアレ縞
１９ 画素
１１０ 分散素子
１２０、２２０ 干渉計
１２１ 第１ミラー
１２２ 第２ミラー
１２５、２２５ 干渉縞
１３０、２３０ スリットアレイ
１４０ 測定器

Claims (7)

1. 入力光のスペクトルを測定する分光器であって、
   前記入力光を分散する分散素子と、
   前記分散素子によって分散された前記入力光を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞である第１縞を生成する第１干渉計と、
   前記第１縞が観測される観測面上に、前記第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞を形成する縞形成器と、
   前記第１縞および前記第２縞の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出し、検出された前記モアレ縞の位置に対応する波長の強度を特定することにより、前記入力光のスペクトルを測定する測定器と、を備える
   分光器。
2. 前記第１干渉計は、前記分散素子によって分散された前記入力光の干渉によって得られる複数の第１干渉縞を重ね合わせることにより、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比であるアスペクト比が前記複数の第１干渉縞の各々よりも高い干渉縞を前記第１縞として生成する
   請求項１に記載の分光器。
3. 前記縞形成器は、前記観測面上に配置された、前記第２ピッチで並ぶ複数のスリットを有するスリットアレイである
   請求項１または２に記載の分光器。
4. 前記縞形成器は、前記入力光を干渉させることにより、前記第２ピッチの干渉縞を前記第２縞として生成する第２干渉計である
   請求項１または２に記載の分光器。
5. 前記第２干渉計は、前記入力光の干渉によって得られる複数の第２干渉縞を重ね合わせることにより、高輝度領域の幅に対する低輝度領域の幅の比であるアスペクト比が前記複数の第２干渉縞の各々よりも高い干渉縞を前記第２縞として生成する
   請求項４に記載の分光器。
6. 入力光のスペクトルを測定するスペクトル測定方法であって、
   前記入力光を分散する分散ステップと、
   前記分散ステップにおいて分散された前記入力光を干渉させることにより、第１ピッチの干渉縞である第１縞を生成する干渉ステップと、
   前記第１縞と、前記第１縞が観測される観測面上に形成された第２縞であって前記第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞と、の重ね合わせによって生じるモアレ縞を検出し、検出された前記モアレ縞の位置に対応する波長の強度を特定することにより、前記入力光のスペクトルを測定する測定ステップと、を含む
   スペクトル測定方法。
7. 入力光の波長を測定する光波長測定方法であって、
   前記入力光の波長に対応する複数の位置であって、予め定められた波長の分解能に対応する目盛りを有する主尺の目盛りとは異なる間隔を有する複数の位置に、複数のビームを出力する分散デバイスに前記入力光を入力するステップと、
   前記分散デバイスから出力された前記複数のビームの間隔を、前記主尺によって特定される波長の範囲内で前記入力光の波長を測定するための副尺の目盛りとして用いて、前記主尺の目盛りと前記副尺の目盛りとの位置関係に基づいて前記入力光の波長を測定するステップとを含み、
   前記分散デバイスが、前記入力光を前記複数のビームに分離するデバイスと、前記入力光の波長に対応する位置に光を出力するデバイスとを含み、
   前記入力光の波長を測定するステップでは、
   前記主尺の目盛り間隔に対応する大きさの波長の範囲ごとに、前記分散デバイスから出力された前記複数のビームのうち前記主尺の目盛りに対応する位置に出力されたビームの強度を測定することにより、前記入力光に含まれる各成分の波長および強度を測定する
   光波長測定方法。