JP6513697B2 - 光干渉デバイス - Google Patents

Description

本発明は光干渉デバイスに関する。

光干渉デバイスの一例としては、電磁スペクトルの特定の部分における光スペクトル特性を測定するために一般的に用いられる格子分光器が挙げられる。分光法において用いられる場合、露光された材料の特性が測定結果の分析から求められる。

しかしながら、既存の分光器はサイズが大きいか、または、サイズが小さい場合であっても光処理能力が低くかつスペクトル分解能も低いという問題がある。
本発明の一つの目的は、従来の技術の欠点のうちの少なくとも一つに対処する光干渉デバイスを提供しかつ／または社会に有用な選択肢を提供することにある。

第一の態様にかかる光干渉デバイスは、光コリメートビーム（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ ｂｅａｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）を受けるための位相調整器アレイ（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ ａｒｒａｙ）であって、当該位相調整器アレイが光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルを有し、複数の光学的光チャンネルうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、位相調整器アレイと、焦点距離を有し、複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器により検出される位相調整器アレイの下流側のイメージを形成するように構成されている集光器と、この集光器の焦点距離に配置され、集束光ビームをフィルタリングして光検出器により検出される０次光空間分布光干渉パターン（ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ｚｅｒｏ^ｔｈ ｏｒｄｅｒ）を形成するように構成されている光学式空間フィルタとを備えている。

記載の実施形態の利点としては、上述のように構成することにより、光干渉デバイスのコンポーネントを同一の光学面に配置することが可能となるため、非常にコンパクトな光干渉デバイスを実現することができるようになるという点が挙げられる。
集光器がアレイ状に配置される小レンズを有し、各小レンズが複数の光学的光チャンネルのうちの一部またはそれに対応する光学的光チャンネルを受けるように構成されていることが明らかである。この実施形態では、空間フィルタはアレイ状に配置される複数のアパチャを有し、各アパチャがアレイ状に配置される小レンズのうちの対応する小レンズの焦点距離に配置されている。

好ましくは、アレイ状に配置されるセルのうちの少なくとも一部は、入射してくる光線の位相に影響を与えないブランクセルであってもよい。このことは発光源の均一性の測定にとくに有用であり、この情報は非均一な照射を補償するために用いられてもよい。
位相調整器アレイはさまざまな構成および寸法を有していてもよい。たとえば、一実施形態では、アレイ状に配置される複数のセルのうちの少なくとも一部は層状構造を有していてもよい。一実施形態では、層状構造は交互に配置される凸面と凹面とを有していてもよい。層状構造は偶数個の凸面と凹面とを有していてもよいしまたは奇数個の凸面と凹面とを有していてもよい。他の実施形態では、交互に配置される凸面と凹面とは同心状のパターンを形成するようになっていてもよい。

詳細にいえば、集光器は集束レンズ（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ）であってもよいしまたは集束鏡であってもよい。かかる光干渉デバイスの一部を光コリメータが形成するようになっていてもよい。このような場合には、光干渉デバイスは、光コリメートビームを生成するように構成される光コリメータをさらに備えたものとなる。かかる光干渉デバイスは、さらに入射光線を光コリメータに向けて導くための入射アパチャをさらに備えていてもよい。

好ましくは、空間分布干渉光パターンからインターフェログラムが導かれるようになっていてもよいし、また、連立一次方程式を用いて、インターフェログラムからスペクトルが導かれるようになっていてもよい。連立一次方程式を用いることはマトリクスインバージョンを用いることを含んでいてもよい。
かかる光干渉デバイスをさまざまな用途に用いることが可能である。したがって、かかる光干渉デバイスはフーリエ分光器として構成されてもよいしまたはラマン分光器として構成されてもよい。

かかる光干渉デバイスは、２つ（またはそれ以上）の数の分光器チャンネルを同時に検出するように構成されてもよい。したがって、かかる光干渉デバイスは、上述の位相調整器アレイに隣接するとともに参照光ビームを受けるように構成されるさらなる位相調整器アレイをさらに有していてもよい。
かかる光学干渉デバイスは、その非常にコンパクトなサイズのため、透過率または吸光度の測定用のハンドヘルドデバイスまたはポータブルデバイスに用いられるように構成されてもよい。したがって、第二の態様では、上述の光干渉デバイスを備えた複合製品が提供される。光干渉デバイスは、上述の光コリメータ、上述の位相調整器アレイ、上述の集束レンズおよび上述の空間フィルタを収容するための光学式ハウジングと、カメラまたは焦点面アレイの形態をとる光検出器を有するポータブル演算デバイスであって、カメラまたは焦点面アレイに光学ハウジングが嵌合するように構成される、ポータブル演算デバイスとを有し、カメラは、空間分布干渉光パターンを検出するように構成されている。

第三の態様では、光コリメートビームを受けるための位相調整器アレイが提供されている。かかる位相調整器アレイは、光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成するためのアレイ状に配置される複数のセルであって、複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフタを有している、アレイ状に配置される複数のセルを備えており、当該アレイ状に配置される複数のセルは、入射してくる光線の位相に影響を与えない少なくともいくつかのブランクセルと、位相シフトが異なる複数の光学的光チャンネルを生成するための深さの異なる層状構造を有する複数のセルとを有している。

記載の実施形態の利点としては、上述のように構成することにより発光源の均一性を同時に測定することができるようになり、また、この情報を非均一な照射を補償するために用いることが可能となるという点が挙げられる。このようにして、スペクトル情報の演算が可能となる。
好ましくは、ブランクセルはおおむね平坦であってもよい。ある実施形態では、層状構造は交互に配置される凸面と凹面とを有していてもよい。また、層状構造は偶数個の凸面と凹面とを有していてもよいしまたは奇数個の凸面と凹面とを有していてもよい。たとえばある記載の実施形態では、交互に配置される凸面と凹面とが同心状のパターンを形成するようになっている。

第四の態様では、空間分布干渉光パターンを生成する方法が提供されている。かかる方法は、光コリメートビームを受ける工程と、受けた光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成する工程であって、当該複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、複数の光学的光チャンネルを生成する工程と、焦点距離を有する集光器を提供する工程と、この集光器によって、複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器によって検出される下流側のイメージを形成する工程と、集光器の焦点距離に光学式空間フィルタを設け、この光学式空間フィルタにより集束光ビームをフィルタリングし、光検出器により検出される０次空間分布干渉光パターンを生成する工程とを含んでいる。
１つの態様に適用可能な特徴はその他の態様にも適用可能であることは当然のことである。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態が説明されている。
位相調整器アレイを備えたある好ましい実施形態にかかる分光器の形態を有する光干渉デバイスを示す概略図である。 図１に記載の分光器を示す側面図である。 図１に記載の位相調整器アレイを示す拡大図である。 図３に記載の位相調整器アレイのセル部を示す拡大表示である。 図４に記載のセル部のセルの一例としてブランクセルの形態を有する単一セルを示す図である。 図４に記載のセル部のセルの一例として第一の層状構造を有する単一セルを示す図である。 図４に記載のセル部のセルの一例として第二の層状構造を有する単一セルを示す図である。 図４に記載のセル部のセルの一例として同心状のパターンを有する単一セルを示す図である。 図６に記載の単一セルを示す図であって、単一セルの２つのファセット面を通過する平面光波を示す図である。 図９に記載の２つのファセット面を示す断面図である。 図１および図２に記載の分光器の構成とは異なる構成を有する分光器であって、複数の小レンズを備える分光器を示す概略図である。 図１１に記載の異なる構成を有する分光器を示す水平断面図である。 図１および図２に記載の分光器の構成とは異なる構成を有する分光器であって、複数の小レンズを備える分光器を示す概略図である。 ３５０ｎｍの波長における１０ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲のスペクトル分解能について、図１に記載の分光器と例示的な分光器とに対して要求されるコリメーション角度を比較するグラフである。 図１に記載の分光器と例示的な分光器とに対して要求されるコリメーション角度の比をプロットしたグラフである。 図１５に示唆される分光器サイズ縮小の可能性を示すために２ｍｍ目盛りに対する図１に記載の分光器のサイズの一例を拡大して示す図である。 スマートフォンのカメラに取り付けられた図１６に記載の分光器を示す図である。 λ_ｍｉｎ＝３５０ｎｍ波長におけるスループット比Ｔ_{ＭＣＦＴＳ}／Ｔ_{Ｇｒａｔｉｎｇ}であって、Ｔ_{ＭＣＦＴＳ}が図１に記載の分光器１００のスループットであり、Ｔ_{Ｇｒａｔｉｎｇ}が例示的な格子デバイスのスループットであるスループット比をスペクトル分解能を関数としてプロットしたグラフである。 図１に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。 図１に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。 図１に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。 図１に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。 図１に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。

図１は、ある好ましい実施形態にかかる分光器１００の形態を有する光干渉デバイスを示す図である。分光器１００は、入射アパチャ１０４を有する入射側光学式空間フィルタ１０２と、コリメータレンズ１０６と、位相調整器アレイ１０８と、集束レンズ１１０の形態を有する集光器と、出射アパチャ１１４を有する出射側光学式空間フィルタ１１２とを備えている。

入射側光学式空間フィルタ１０２は発光源（図示せず）からの光を受けるように構成されており、また、入射側光学式空間フィルタ１０２は発光源からの光を制限してコリメータレンズ１０６に伝搬させるように構成されている。コリメータレンズ１０６は、光を平行にして位相調整器アレイ１０８向けの光コリメートビームを形成し、位相調整器アレイ１０８は光コリメートビームの複数の光線から対応する光学的光チャンネル（ｏｐｔｉｃａｌ ｌｉｇｈｔ ｃｈａｎｎｅｌ）を生成する。特筆すべきことは、これらの光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有しているという点にある。
集束レンズ１１０は、位相調整器アレイ１０８から光学的光チャンネルを受け取り、集束レンズ１１０の焦点面に集束光ビームを生成するように構成されている。出射側光学式空間フィルタ１１２（したがって、出射アパチャ１１４）は、集束レンズ１１０の焦点距離に配置され、集束レンズ１１０から集束光ビームを受け取り、光検出器１１６により検出される０次空間分布干渉光パターン（ｓｐａｃｔｉａｌｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｔｅｒｎ）を生成するように構成されている。

特筆すべきことは、集束レンズ１１０は、集束光ビームに加えて、同時に、位相調整器アレイ１０８のイメージを生成し、そのイメージを光検出器１１６により検出されるように伝えるように構成されているという点にある。
光検出器１１６は、ピクセル処理された干渉パターンを記録し、このピクセル情報を処理モジュールへ送ってこの光のスペクトル組成を演算するようになっていてもよい。

図３は、図１の分光器の位相調整器アレイ１０８を示す詳細図である。位相調整器アレイ１０８は、微細構造化されたガラスまたはプラスチックの如き透明な材料からなっている（したがって、ミクロ位相調整器アレイまたはＭＰＳＡと呼ぶのがより適切である）。この実施形態では、位相調整器アレイ１０８は複数のブランクセル１１８を有している。これらの複数のブランクセル１１８は、位相調整器アレイ１０８全体にわたって５つの垂直方向ストライプ１２０と水平方向ストライプ１２２とにより形成される格子構造として形成されている。図３に示されているように、複数のブランクセル１１８から形成される格子構造は、位相調整器アレイ１０８を６×６のアレイ部１２４（この数は用途に応じて変更されてもよい）に分割し、各アレイ部１２４は複数のセル部１２６を有している。

図４は、ＮｘＭのセルまたはセル要素を有する複数のセル部１２６のうちの１つのセル部を拡大した図である。この実施形態では、各セル部１２６は、ブランクセル１１８のうちの一部に隣接する４×４のセル１２８から構成されている。各セルは、その個々のトップリッジとボトムリッジとの間の構造上の深さの点において近隣するセルと異なっている。このことにより、個々の独立したセル１２８は、構造上の深さが異なることになるため（図４の段部を参照）、異なる光学的位相特性を呈することになる。コリメータレンズ１０６からの光コリメートビームが位相調整器アレイ１０８に伝搬されると、セル１２８は光学的光チャンネル（または、測定チャンネル（光流））を生成する。ブランクセル１１８（または、他のセル１２８と比較した場合「深さが０の」セル）は、位相調整器アレイ全体にわたる発光源の空間強度分布を記録するために用いられる。特筆すべきことは、これらのブランクセル１１８が当該ブランクセル１１８に入射する光コリメートビームの光線の位相に影響を与えないという点にある。もっと正確にいえば、これらのブランクセル１１８は（光線の位相に影響を与えることなく）強度を測定するために用いられる。さらに特筆すべきことは、ａ）位相調整器アレイ１０８により生成される干渉パターン（干渉パターン）と、ｂ）分光器１００の位相調整器アレイ１０８に対する照射の非均一性とが、スペクトル情報の演算または測定に必要な情報であるという点にある。

ブランクセル１８を用いることにより、発光源の均一性を測定し、この情報を用いて非均一性照射を補償することが可能となる。入射光線の位相シフトを引き起こすセル１２８とブランクセル１１８とが組み合わさった位相調整器アレイ１０８を用いることにより、発光源が位相調整器アレイを照射する分布を同時に監視することが可能となる。
先に記載の場合と同様、非均一性照射の補償に空間強度分布は有用である。ブランクセル１１８を含む何百個ものセル１２８とを１つまたは２つの直角の方向に配置することにより図３に記載のスペクトルの計算用の位相調整器アレイ１０８を構築することができる。このことにより、発光源の均一性の検出のために別個のブランクシートが必要となることが回避されるので非常に有用である。

図４は４×４セル部１２６を例示している。４×４セル部１２６という表現は、各セル部１２６が、複数のブランクセル１１８に隣接して配置される１６個の個別のセル１２８から構成されることを意味している。図５には、面１１８ａ全てが平面またはおおむね平坦であるブランクセル１８のうちの１つのブランクセルの構造が示されている。
特筆すべきことは、測定の必要性に応じてセル１２８がさまざまな形状、サイズおよび構造を有してもよいという点にある。図６には第一の例示的なセル１３０が示されている。第一の例示的なセル１３０は照射面１３０ａを有し、照射面１３０ａには層状構造１３０ｂが設けられている。この第一の例示的なセル１３０では、層状構造１３０ｂは、交互に配置される実質的に幅の等しい同数個の凸面１３０ｃと凹面１３０ｄとを有している。この場合、偶数である４個の交互に配置される凸面１３０ｃと凹面１３０ｄとある。いうまでもなく、凹面１３０ｃ、１３０ｄの数が奇数であってもよい。

図７には、照射面１３２ａを有し、当該照射面１３２ａに層状構造１３２ｂが設けられている第二の例示的なセル１３２が示されている。第一の例示的なセル１３０とは異なり、層状構造１３２ｂは異なる数の交互に配置される凸面１３２ｃと凹面１３２ｄとを有しており、また、これらの交互に配置される凸面１３２ｃおよび凹面１３２ｄの幅も互いに異なるものである。
セルの層状構造が異なる構造および寸法を有していてもよいことは明らかであり、図８に一例が示されている。これは第三の例示的なセル１３４である。この第三の例示的なセル１３４は、交互に配置される凸面１３４ｂおよび凹面１３４ｃを有する同心状の層状構造１３４ａを有している。

セル１２８の間に配置されるブランクセル１１８を用いることにより、発光源が位相調整器アレイを照射する分布を同時に監視することが可能となる。このことにより、非均一性照射を補償することが可能となる。
次に、光線が位相調整器アレイ１０８を透過する際に位相調整器アレイ１０８がどのようにその光線を屈折させるかを説明することが適切であると考えられる。図を簡単にするために、図９には、平面光波ｕ_１ｊ、ｕ_２ｊがセル１３０の第一および第二のファセット面１３６，１３８を透過している図６の単一セル１３０が示されている。説明を容易にするために、第一のファセット面１３６が複数の凸面１３０ｃのうちの１つであり、第二のファセット面１３８が複数の凹面１３０ｄのうちの１つであるので、２つのファセット面１３６，１３８の間にはある深さが生じることとなる。図１０は、Ｘ軸およびＹ軸が記載された図９に記載の２つのファセット面１３６，１３８を示す断面図である。

スペクトル範囲内における屈折率のばらつきを評価するために、平面波、ｕ_１ｊ、ｕ_２ｊがセル１３０の２つのファセット面１３６，１３８をＸ軸線方向に透過し、２つのファセット面１３６，１３８がそれぞれ厚みＬ、ｄ_ｊ（すなわち、セル長さ）を有していることが想定されている。
図１０の厚みＬにおける２つの光波または光線の振幅の減少は次の式で計算することが可能である：
ここで、ｋ_０＝真空波数（添字「０」は真空を表わす）、Ｌ＝第一のファセット面１３６の最大の厚み、ｄ_ｊ＝第二のファセット面３８の厚み、ｊ＝位相調整器アレイ１０８の個々のセル１２８を数える自然数、およびｔ＝時間である。

ｎ’＝実際の屈折率、Ｋ＝透過係数とすると、以下の式が得られる：
これらを用いると、２の光ビームｕ_１ｊ、ｕ_２ｊの間の干渉は次の式により演算される：

式１−４を用いると、パワーに比例する２つの光ビームｕ_１ｊ、ｕ_２ｊの振幅の合計の絶対値の二乗は以下の式により計算される：
非吸収物質の場合にはＫ＝０となり、次の単純化された式で表される：
その結果、ｊ番目のセルの設計スペクトル範囲内（
、
はセルの数）の波数値
のスペクトルパワーは次の式で演算することができる。
ここで、
、ｇ^２（ｋ_ｏｌ）は発光源のスペクトルパワー分布である。

式１−７により、マトリクスインバージョンを用いて解くことが可能な連立一次方程式の演算を行って、セル１３０により生成される干渉パターンを求めることができる。フーリエ変換により干渉図を評価する場合には、波数依存ピーク位置シフト（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｅａｋ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｈｉｆｔ）を補償するために周波数スペクトルの追加の修正が要求される場合もある。
上述の説明は、セル１３０に基づくものであるが、いうまでもなく位相調整器アレイ１０８全体に同様に当てはまる。

また、いうまでもなく、集光器が図１および図２に記載の集束レンズ１１０だけでなく他の形態を有していてもよい。たとえば、位相調整器アレイ１０８全体のイメージを得るために単一の集束レンズ１１０を用いる代わりに、位相調整器アレイの各セル１２８から個々の小レンズがイメージを得るようにしてもよい。図１１には、この第一の代替分光器装置２００が示されている（説明を容易にするために他のコンポーネントの一部が省略されている）。また、図１２は、図１１に記載の装置を示す水平断面図である。

第一の代替分光器装置２００は代替位相調整器アレイ２０２を備えている。代替位相調整器アレイ２０２は、図１に記載の位相調整器アレイに類似しているものの、図６に記載のセル１３０（すなわち、層状構造１３０ｂを備えたセル）をアレイ状に配置したものと、ブランクセル１１８とを有している。また、第一の代替分光器装置２００は、単一の集束レンズ１１０に代えて、複数の小レンズ２０６を有する小レンズアレイ２０４を備えている。各小レンズ２０６はそれに対応するセル１３０（または、場合に応じてブランクセル１１８）から光学的光チャンネル２０８を受けるように構成されている。この光学的光チャンネル２０８は図１１に陰影をつけて示されている。また、他の実施形態では、各小レンズ２０６はセル１３０（または場合に応じてブランクセル１１８）によって生成される光学的光チャンネルのうちの一部を受けるように構成されていてもよいことも明らかである。

第一の代替分光器装置２００は、小レンズアレイ２０４の焦点距離に配置されるアパチャーアレイ２１０の形態を有する光学式空間フィルタをさらに備えている。アパチャーアレイ２１０は複数のスリット状のアパチャ２１２を有し、各スリット状のアパチャ２１２はそれに対応する小レンズ２０６の焦点距離に配置されている。また、第一の代替分光器装置２００は、小レンズアレイ２０４およびアパチャーアレイ２１０の下流側に、複数の第二の小レンズ２１６を有する第二の小レンズアレイ２１４と、検出器アレイ２１８の形態を有する光検出器とをさらに有している。
図１２に示されているように、複数の第二の小レンズ２１６はそれぞれ、検出器アレイ２１８の検出器２２０により検出されるように、アパチャーアレイ２１０からの光ビームを単一ピクセルとしてまたは一群のビン処理されたピクセルとして再び焦光するように構成されている。

小レンズアレイ２０４を用いることにより、非常にコンパクトな分光器を実現することが可能となる。いうまでもなく、図１１に記載の単一の小レンズアレイに代えて、小レンズアレイ２０４（および第二の小レンズアレイ２１４）を２つの円筒状の小レンズアレイを十字状に公差させたもののように２つ以上の個々のレンズアレイを組み合わせて形成するようにしてもよい。いうまでもなく、代替位相調整器アレイ２０２は他の形態をとってもよい。第二の代替分光器装置３００を例示する図１３にはさらなる一例が示されている。
第二の代替分光器装置３００は代替位相調整器アレイ３０２を備えている。代替位相調整器アレイ３０２は図１１に記載のものと類似しているものの、図８に記載のセル１３４（すなわち、同心状の構造１３４ａを有するセル）をアレイ状に配置したものと、ブランクセル１１８とを有している。先の場合と同様に、小レンズアレイ３０４が下流側に配置され、アパチャーアレイ３０６が小レンズアレイ３０４の焦点距離に配置され、第二の小レンズアレイ３０８および検出器アレイ３１０がさらに配置されている。
位相調整器アレイ３０２の同心状の構造を考えると、図１１の装置とは異なり、アパチャーアレイ３０６は、位相調整器アレイ３０２から（屈折した）光ビームを受ける複数の円形状またはピンホール状のアパチャ３１２を有している。
記載の実施形態および代替装置は、複数の利点を有し、複数の問題を解決する。以下には、いくつかの例が記載されている。

広くて自由なスペクトル動作範囲
格子またはプリズムのような分散素子は、自由スペクトル範囲と呼ばれるデバイスのスペクトル帯域幅を制限してしまう傾向がある。たとえば、直角入射の格子の分散式は次の式によって表される：
ここで、ｄ＝スリット間隔、いわゆる格子定数、ｍ＝回析次数、θｍ＝回析次数がｍの時の回折角度、α＝格子法線に対する入射角、λ＝波長である。

したがって、α＝０の場合において回析格子の固定格子間隔がｄ、回析次数が１（ｍ＝１）である時、回折ビーム９ｍは、θ_ｍ＝１＝ｓｉｎ^−１（λ／ｄ）の角度で最大値を形成する。ｍ＝２、波長がλ／２の時にも同じ結果となり、回析格子の自由スペクトル範囲が１オクターブの動作帯域（λ_ｍａｘ／λ_ｍｉｎ＜２）に制限されていることを分かる。その結果、従来の格子分光器は、格子の動作帯域を超える波長をフィルタリングすることを必要とする。
それとは対照的に、実施形態に記載の光干渉デバイスは、波長のフィルタリングを必要とせず、光検出器により設定されるスペクトル帯域幅全体にわたって動作するようにカスタム化することができる。これは通常１０倍に相当する。

小さな製造公差
格子は、機械刻線法（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｕｌｉｎｇ）またはホログラフィ法により製造可能である。機械刻線法の場合、格子を製造するための必要条件が非常に厳しい。格子の溝のファセット面が平坦で、縁が真っ直ぐに滑らかに延び、λ_ｍｉｎ／１０未満のスケールで凹凸がないことが要件として知られている。溝の間隔は波長の約１％以内に維持される必要がある。たとえばサイズが１０×１０ｍｍ^２で^、λ_ｍｉｎが３００ｎｍである格子の場合には、上述の要件は１０ｍｍの溝の全長にわたって製造公差が３０ｎｍであることを必要とする。これは、ファセット面に沿った３μｒａｄの角度公差および３０ｎｍ未満の表面粗さに等しい。高度な平坦性の要求は低コスト複製技術を困難なものとする。というのは、プロセス時に格子が変形してはならないからである。

ホログラフィを用いた製造の場合には、格子パターンが２つのコヒーレントなレーザービームの干渉によって生成されるため、比較的容易に必要条件が満たされる。しかしながら、ホログラフィ格子はろう付けが容易でなく、機械刻線格子よりも効率が非常に低い。
記載の実施形態では、個別のセル１３０，１３２，１３４を用いて位相調整器アレイ１０８を形成することが提案されている。この場合、全表面が小さな表面要素に分割されていると見なすことができ、表面の平坦性に関する公差のレベルがはるかに低いものとなる。両方のタイプを３００ｎｍの波長について比較すると、記載の実施形態の表面平坦性の公差は、３０ｍｒａｄの範囲でしかない。この範囲は厳しさが４０、０００倍小さく、表面粗さに対する要求も同程度のものである。

光軸システム上で（Ｏｎ−ｏｐｔｉｃａｌ−ａｘｉｓ ｓｙｓｔｅｍ）
格子は、透過（屈折）モードまたは反射モードにおいてオフ・アクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）で用いられる。比較すると、記載の実施形態は、すべて光学部品を共通の光軸上に配置するという利点を有する（上述のような）透過型セットアップを提供する。このことにより光学収差が小さくなり、光学要素の数を最少限に抑えたコンパクトなデバイスを実現することができるようになる。いうまでもなく、記載の実施形態が反射セットアップに同様に適用されてもよい。
光干渉デバイスを非常にコンパクトなものにすることで、当該デバイスを携帯用電子デバイス（スマートフォン）に用いることができるよう適合させることが可能となる。もっと正確にいえば、このようにすることにより、スマートフォンに一体化された分光器を偏在（ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ）させ、容易に利用可能とすることにより、本発明は、日常生活（コマーシャル）、商業分野、産業分野、科学分野、医学分野、化粧品分野、生物学分野において分光器を用いるというしきい値を著しく低下させることができるとともに、他の従来の分光器と比べて上述の分光器の利点をすべて提供することができる。

コンパクトなデバイスサイズ
上述の実施形態に記載の分光器１００が高度なコリメーションを必要としないため、コンパクトな焦点距離の短いコリメータおよびサイズが可能となる。
コリメータを備えた従来の回折格子分光器では、コリメータの焦点距離および入射アパチャのサイズがスペクトル分解能に対して大な影響を及ぼしうる。
コリメーション角度ψは次の式で与えられる：
ここで、Θ＝発光源の直径、ｆ＝コリメータの焦点距離である。
スペクトル内の２つの波長を分離するためには、格子は、入射ビームをコリメーション角度よりも大きな角度に分散させなければならない（たとえば、Δθ＝θ_ｍ、λ２−θ_ｍ、λ１＞ψ）。λ、θｍなどの定義については式２−１を参照されたい。

以上のように、スペクトル分解能（２の隣り合う分離後のスペクトル線の間の差 Δλ＝λ_２−λ_１）は、コリメーション角度ψによって必然的に制限されることになる。それは式２−１を微分することにより推定可能である。
小さなコリメーション角度ψの為に、Δθ＞＝ψを仮定すると、式２―４は、
または、ψ＜＝Δλｍ／（ｄｃｏｓ（θｍ））

式２−４によれば、回折格子分光器は、高分解能（より小さな値のΔλ）を得るためにはψを最小限に抑えければならないので、入射アパチャーが小さいこと（小さなΘ）を必要とするかまたは受光角が小さくコリメータ装置が光学的に長いこと（長い焦点距離ｆ）を必要とする。

図１に記載の実施形態では、スペクトル分解能は、互いに干渉するビーム間において生じる最大光路長差に依存する。コリメーション角度ψが分解能を制限するときとは、位相調整器アレイのセルの互いに干渉するビームが傾斜角度に起因して位相をπだけ異にするとき（条件１）またはコリメーション角度が最長波長の０次回折と最短波長の一次回析とをオーバーラップさせることができるほど十分に大きいとき（条件２）である。
したがって、次の場合に、ψ＝ｍｉｎ［条件１、条件２］となる。
条件１：
Δλ＝λ^２／（２δｍａｘ）の場合には、
ψ＝ｃｏｓ^−１（１−Δλ／λ）
Δλ＝（１−ｃｏｓ（ψ））λ
条件２：
ここで、Ｐ＝位相調整器アレイの周期、λ_ｍｉｎ＝スペクトル中の最小波長である。

したがって、位相調整器アレイ１００の分極影響を回避または最小限に抑えるために、Ｐは、Ｐ＝３〜１０λ_ｍａｘの範囲で選択することが可能である。特筆すべきことは、３λ_ｍａｘ未満の周期を有するように意図的に設計された位相調整器アレイは極性に高感度な測定かつ極性に依存する検出を提供することができるが、このこともまた記載の実施形態の技術範囲に含まれるという点にある。

図１４は、３５０ｎｍの波長における１０ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲のスペクトル分解能について、例示的な分光器と記載の実施形態にかかる分光器図１００（図１４に記載のＭＣ ＦＴＳ）とに対して要求されるコリメーション角度を比較するグラフである。例示的な分光器はミリメートル当たり１２００刻線という典型的な格子を有しており、ＡＡ線はこのような分光器の要求コリメーション角度を示している。図１４から分かるように、分解能が１０ｎｍの場合、このような分光器の格子は、０．０１３ｒａｄ未満のコリメーション角度を必要とする。それとは対照的に、記載の実施形態にかかる分光器１００は、条件２によりＰ＝３λ_ｍａｘの周期（すなわち、この例では最大波長が７００ｎｍ）において０．１６ｒａｄに制限されており、厳格性が１２倍低くなっている。このことは図１４のＢＢ線によって示されている。記載の実施形態にかかる分光器１００の場合、コリメーション角度は条件１または条件２（式２−５または式２−６）のうちの小さい方により与えられる。

図１５は、例示的な分光器と記載の実施形態にかかる分光器１００とを比較するにあたって、３５０ｎｍの波長における１０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲のスペクトル分解能について、例示的な分光器に要求されるコリメーション角度に対する図１に記載の分光器に要求されるコリメーション角度の比をプロットしたグラフである。図１５のグラフは、サイズの縮小および処理能力の利点についての分光器１００の可能性を実証したものである。とくに高分解能において分光器１００が例示的な分光器よりも１０倍〜１００倍性能が優れていることが理解されるべきである。一例として、最小波長３５０ｎｍにおける１ｎｍの分解能については、１０λ_ｍａｘの周期を有する分光器１００は４０倍大きなコリメーション角度ψを可能とする。式２−２によれば、このことにより、両方の分光器間でアパチャーサイズを一定に保った場合、コリメータ焦点距離を４０倍縮小することが可能となる。コリメータの長さを縮小することによりシステム全体のサイズを縮小することができ、そのことにより、分光器に入射する放射線の総合的な受理角度（ｏｖｅｒａｌｌ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｎｇｌｅ）、ひいては光収集能力（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ）が同時に著しく向上されることが明らかである。このことは、たとえばラマン分光器の場合や、スマートフォン内のＣＭＯＳ検出器の場合のように検出器がそれほど感度が良くない場合などの光量が十分でないような用途において重要な利点であり、処理能力の利点を際だたせるものである。

図１６には、記載の実施形態の寸法の点における利点を示すために２ｍｍのスケールに対する分光器１００の物理的サイズの一例が拡大して示されている。また、図１７には、図１６に記載の分光器１００が典型的なスマートフォン４００の光学ハウジングに収容されてカメラに取り付けられている状態が示されている。ここで、分光器１００の主要な光軸１４０はスマートフォン４００の長手方向の軸１４２に対して実質的に直角となっている。このことに限定されることなく、分光器１００の主要な光軸１４０がスマートフォン４００の長手方向の軸１４２に対して実質的に平行になるように分光器１００が取り付けられてもよいことは明らかである。また、分光器１００のサイズをとくに図１１に示唆されているような小レンズのアレイ２０４を用いてさらに縮小することにより、分光器１００をスマートフォンのハウジング内に統合することができるようにしてもよいことも明らかである。

高光処理能力
光学系の処理能力（Ｔ）または幾何学的範囲（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｅｘｔｅｎｔ）がビームの断面積（Ａ）とビームの投影される立体角（Ω）との積により与えられることがよく知られている。
投影される立体角は次の式で与えられる：
ここで、Θは、光学システムを通過することができるメリジオナル光線（ｍｅｒｉｄｉｏｎａｌ ｒａｙｓ）により形成される最大円錐の角度の半分の値を表している。

処理能力（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）とは、デバイスが光学システムを介して放射線を集めて伝える能力について表す重要な性能指数のことである。次の導出においては、従来の回折格子分光器デバイスに対する利点が評価されている。先に記載のように、検出器が敏感でないまたは信号を捕捉するための露光時間が短いというラマン分光器の如き光量が十分にないような用途の場合、処理能力が重要になってくる。

分光器１００の場合、処理能力はコリメーション角度について説明したのと同じ条件下に置かれる。したがって、Θは、与えられた分解能に対して必要となるコリメーション角度（上述の条件１）、または、（ＭＣＦＴＳの符号が付けられている）分光器１００から発射される最短波長（λ_ｍｉｎ）の第一回析の角度（条件２）のうちの小さい方により制限されることになる。すなわち、Ｔ_{ＭＣＦＴＳ}＝ｍｉｎ［Ｔ_{ＭＣＦＴＳ、１} Ｔ_{ＭＣＦＴＳ、２}］
条件１：式２−５、式２−７および式２−８を結合してΘ＜＝ψの要件をセットすると、処理能力は次の式で与えられる：
条件２：
ここで、θ＝第一次回折角度であり、Ｐは格子セルの周期である。
式２−７、式２−８および式２−１０を結合してΘ＜＝θの要件をセットすると、処理能力は次の式で与えられる。
ここで、システム全体の処理能力を検討する場合にはＡ＝位相調整器アレイ１０８（ＭＰＳＡ）構造の総面積であるか、または、Ａは各測定チャンネルを個別に検討する場合には単一セル要素の面積により与えられる。

式２−９および式２−１１を導出するために、ｓｉｎ^２（ｃｏｓ^-１（ｘ））＝１−ｘ^２とｓｉｎ^２（ｓｉｎ^-１（ｘ））＝ｘ^２との２つの式がｘの値が小さいという理由で単純化されている。
処理能力Ｔを格子デバイスの如き従来の分光器と比較する。式２−１、式２−４、式２−７および式２−８を結合させることによりＴ_{Ｇｒａｔｉｎｇ}を推定することができる。ｃｏｓ（ｓｉｎ^-１（ｘ））＝（１−ｘ^２）^１／２）を用いて単純化すると、このような格子デバイスに対して垂直に入射する放射線に対する処理能力が次の式により与えられる：
ここで、Ａ＝照射される格子面積、Δλ＝波長分解能、ｍ＝回析次数、λ＝検査ビームの波長、ｄ＝格子デバイスの溝周期である。

コリメーション要件に関する議論の場合と同じ仮定を用い、両方のデバイスの照射面積Ａが同じであるというケースにおける両方のデバイスの処理能力ＴＭＣＦＴＳ／Ｔ_{Ｇｒａｔｉｎｇ}が、Ｐ＝１００λ_ｍａｘ、Ｐ＝１０λ_ｍａｘおよびＰ＝３λ_ｍａｘについて、スループット比Ｔ_{ＭＣＦＴＳ}／Ｔ_{Ｇｒａｔｉｎｇ}を３５０ｎｍの波長（λ_ｍａｘを７００ｎｍにセット）における分解能の関数としてプロットすることにより比較されている。この結果が、図１８に示され、記載の実施形態にかかる分光器１００の処理能力の利点を実証している。具体的にいえば、高分解能では、１２００刻線の格子デバイスと比較して分光器１００の光処理能力を最大４０，０００倍まで増大させることが可能である。このことは、ラマン分光器の如き光量が十分でない用途においてまたは光検出器が敏感でないケースにおいて非常に有益である。また、光処理能力が高いと分光器１００が与えられた時間においてより多くの光子を集めることができるようになり露光時間を短くすることが可能となるのでシステムの速度性能が向上する。したがって、光処理能力の向上は速い信号の検出する場合にも同様に重要なこととなる。

空間フィルタリング
既知の技術と異なり、空間フィルタリング（Ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）技術と位相調整器アレイ１０８とが組み合わされている。図１に記載のように、出口側光学式空間フィルタ１１２（これは単一のスリット状のアパチャを有していてもよければまたは円形状のアパチャアレイを有していてもよい）を集束レンズ１１０の焦点距離に置いて高次の回析を空間フィルタリングすることにより高次の回析が光検出器１１６の中に入って行かないようにするようになっている。小レンズアレイ２０４およびアパチャーアレイ２１０が用いられる場合にも同様のことが可能である。このことにより、既知の技術（たとえば、Ｓｏｌｌｅｒ−ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）の複雑さが回避されるので、光学部品の数およびシステムコストが削減される。

分光器は非常に広い用途を有しており、判断要素はスペクトル範囲である。たとえば、可視分光法の分野であってかつ読出・演算ツールとしてスマートフォンカメラが用いられるような用途は個別のスマートフォンユーザを含む産業用の用途を越えるものであると考えられる。スマートフォン市場は常に拡大しているので、スマートフォン分光器は、癌の危険性および日光浴におけるＵＶ保護を予測または測定するために用いられうるＵＶＡ（紫外線Ａ）の測定に対して血糖値レベルまたは血中酸素濃度の検出の如き壮大な可能性を提供することができる。加えて、分光器をスマートフォンプラットフォームと組み合わせることにより、低コストポイント・オブ・ケア検出に向けた解決策を提供することができる。この解決策は、フィードバック、ロケーション識別子およびクラウドサービスを用いたデータロギングを含みうる情報がウェブを介して送られることを可能とする。

一般的に、可視分光法は、次のものに関する情報を提供する：
＊原子内での電子の遷移−原子情報 > 赤外線が分子情報を提供することに加えて
＊蛍光分光学では、励起状態から基底状態までの遷移
＊ラマン分光法では、分子情報が得られうる > 大きなインパクト
＊＊レーザー励起：ＩＲにおけるラマン共鳴を演算するために可視光線スペクトルに対応する高分解能位相調整器アレイとスマートフォンとの組み合わせの活用。検出が困難となる恐れのある非常に低い信号強度。
＊吸光光度分析法：濃度または酸性度の変化を示す標識薬の色の変化（たとえば、ｐＨ指標としてメチルオレンジの色変化）を含む色の正確な測定。妊娠の如き出来事を検出するために分光器１００により色変化を読み取ることができるラタラルフロー試験（ｌａｔｅｒａｌ ｆｌｏｗ ｔｅｓｔｓ）
＊＊濃度の監視：可視分光法を用いることにより、未知のサンプルに光を透過させて入射量Ｉ_０に対する透過量Ｉを比較して透過量を演算することにより濃度を定量することが可能となる。透過量Ｔから、吸光度Ａ＝ｌｏｇ（１／Ｔ）を計算することができる。
＊＊＊ベールの法則により、Ａ＝εＣＩを用いて濃度を演算することが可能となる。ここで、Ａは吸光度であり、εはモル吸光係数（ｌ／ｍｏｌ ｃｍ）であり、Ｃは吸収物質の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、「Ｉ」は光路長（ｃｍ）である。
＊＊＊化学的標識−可視光線スペクトルでは、発色団は光を多く吸収するので、被検出される必要のある分子に発色団を付加することが可能である。
＊＊＊酵素（タンパク質はすべての生物の細胞の中にある）を研究するための濃縮倍率（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）の測定。酵素はＵＶ光／可視光に反応する標識分子を付加することにより測定される。
＊＊＊＊組織破壊の指標として医学の中で最も広く用いられている。細胞が疾病により損傷を受けたとき、酵素が血流の中に流れ込む。その存在量が組織の障害の厳しさを表す。
＊＊＊遷移金属イオン、複数の共役結合を有する有機化合物および生体高分子の溶液の定量測定
＊＊＊遷移金属イオンの溶液は色付け可能である。金属イオン溶液の色は強く影響を受ける。
＊医学
＊＊パルスオキシメーター：指を透過する光を測定し、血液酸素含有量を監視する。
＊＊腫瘍の非侵入性検出：腫瘍をその自己蛍光の増大および異なる光学的物性により健康な組織から区別する。

記載の実施形態は制限的なものとして解釈されるべきでない。たとえば、プロファイル深さ（ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｅｐｔｈ）が異なる個別のセル１２８を並べて配置すると、図３および図４に記載のグローバルな位相調整器アレイ１０８が形成される。位相調整器アレイ１０８全体にわたるブランク要素の配置はいかなる形状のものであってもよく、四方形格子であってもよいし、円形状であってもよいし、任意に分布されてもよい。必要なブランクセルの数は、どの程度の均一性が照明に期待されるかに応じて異なる。セル１２８は格子セル（ｇｒａｔｉｎｇ ｃｅｌｌ）であってもよい。

光検出器１１６は、検出光（たとえば、ＵＶ）用のＣＣＤまたはＣＭＯＳ光子検出器の如き電磁放射線に対して敏感ないかなるデバイスであってもよい。ＭＣＴ（水銀カドミウムテルル、すなわちＨｇＣｄＴｅ）および／または赤外線用熱検出器が用いられてもよい。分光器１００を構成する光学コンポーネントの検出器材料およびスペクトル特性によりスペクトルの動作帯域が決まる。可視分光器の場合、提示の分光器は、干渉パターンを読み込むためにスマートフォンのカメラシステムまたはタブレットの如き他の電出デバイスのカメラシステムを用いるようになっていてもよい。加えて、スペクトル情報を得るために必要となるフーリエ変換またはマトリクスインバージョンの演算にスマートフォンのプロセッサーが用いられてもよい。図１７には、このような構成が示されている。

分光器１００およびさまざまなコンポーネント（たとえば、入射側光学フィルタ１０２、コリメータレンズ１０６、位相調整器アレイ１０８など）のサイズが設計され、最適化されるようになっていてもよいし、また、分光器１００をスマートフォンの光学システムの一部分として統合されるようになっていてもよい。また、スマートフォン４００において、さらなる光学機器、たとえば第三のレンズを用いて出射側光学式空間フィルタ１１２の出射アパチャ１１４から来るビームを平行にしてシステムサイズをさらに縮小するようにしてもよい。コリメータレンズを追加する場合には、位相調整器アレイ１０８のイメージを「無限」設定条件で形成するようにし、また、位相調整器アレイ１０８のイメージを検出器面に形成するためにスマートフォンのカメラ光学機器を「無限」設定位置にロックしなければならない。さらに、分光器１００がスマートフォンの長手方向の軸１４２に対して平行に配置する場合、非常にコンパクトな分光器セットアップを可能とするために複数の鏡をスマートフォン４００の長手方向の軸１４２の光路に沿って配置するようにしてもよい。また、レンズシステムによりもたらされる色収差を回避するために、アクロマティックレンズを用いてもよい。

干渉パターンを処理するためにスマートフォン（またはタブレットの如き携帯用電子機器）を用いる場合、スマートフォンのカメラが光検出器１１６として機能してもよい。このように、カメラが、分光器１００により生成されピクセル処理された干渉パターンを記録し、スマートフォンのプロセッサが、この情報をインターフェログラムとしてプロットするようになっていてもよい。このインターフェログラムから、フーリエ変換またはマトリクスインバージョンを用いてスペクトル組成が計算され、結果が示される。

また、２つ（またはそれ以上）の数の同一の位相調整器アレイ１０８を並べて構築または配置することにより２つ（またはそれ以上）の数の分光器チャンネルを同時に検出することを可能とするようにしてもよい。このことは、透過率または吸光度の測定においてとくに重要である。たとえば、一方の位相調整器アレイがサンプル用の光ビームに用いられ、他方の位相調整器アレイが参照用の光ビームに用いられるようになっていてもよい。このことは、一方の位相調整器アレイが他方の位相調整器アレイの隣に配置され、両方の位相調整器アレイがイメージをＣＣＤ上の異なる位置に投影するような状態で、図１に記載のものと同様の焦点レンズおよび出射アパチャを用いて行なわれるようになっていてもよい。それに代えて、同様の測定が図１１に記載の小レンズアレイ２０４を用いて行なわれてもよい。透過率測定の場合、位相調整器アレイよりも前の位置でサンプルを平行ビームの中に設置してサンプルビームを形成し、参照ビームの光路には妨げるものがないようにして、サンプルビームと参照ビームとを同時に測定するようにしてもよい。
図１に例示されている分光器１００のコンポーネントのうちの一部は必要ではない場合もある。たとえば、コリメータレンズ１０６が必要ではない場合があることは明らかである。

位相調整器アレイ１０８は異なる形状および寸法を有するように製造されてもよい。 たとえば、位相調整器アレイ１０８が三角形状の断面を有していてもよいし、または、対角線に沿って延びる階段状の面を有していてもよい。図１９〜図２３には、位相調整器アレイ１０８の代替の形状および構造の一例が示されている。位相調整器アレイ１０８は、階段状の正面、階段状の背面またはこれらを組み合わせたものを有していてもよい。たとえば図１９には、細長い正面側溝部５０４と交互に配置される細長い正面側凸部５０６を有する透過用層状構造５０２（ビームＣＣが透過を示している）を有する第一の位相調整器アレイの変形例５００が例示されている。当該層状構造５０２はさらに細長い背面側凸部５０８と細長い背面側凹部５１０とを有している。特筆すべきことは、細長い正面側凸部５０４は高さ変わっている（Ｙ軸に沿って）。この変形例では、細長い正面側凸部５０５の高さは、図１９に示されるようにＸ軸に沿って、すなわちＹ軸に対して直角な軸に沿って高くなっている。当該層状構造５０２は階段状の背側面５１２をさらに有しており、この階段状の背側面５１２は層状構造５０２のＺ軸に沿って変わっていく段部を有している。

他の変形例として、図２０には、位相調整器アレイの第二の変形例５３０が示されている。第二の変形例５３０は正面側凹部５３６と交互に配置される一連の正面側凸部５３４を有する反射層状構造５３２を備えている。正面側凸部５３４は高さが変わっていくことは明らかであり、このことは図２１からも分かる。図２１は、位相調整器アレイの第二の変形例５３０を図２０の方向ＤＤに向かって見たものを示す端面図である。特筆すべきことは、正面側凹部５３６が階段状５３８に構成されている点にある。この変形例では、正面側凸部５３４および正面側凹部５３６の面が反射層により覆われており、（光線ＥＥにより示されているように）光が頂面から入射した時、それらの光線は正面側凸部５３４または正面側凹部５３６によって反映されるようになっている。

さらなる変形例として、図２２には位相調整器アレイの第三の変形例５５０が示されている。第三の変形例５５０は異なる媒体、たとえば媒体１としての空気と媒体２としてのＰＭＭＡから形成される反射層状構造５５２を有している。層状構造５５２は、正面側凹面５５６と正面側凹面５５６との間に配置される正面側凸部５５４を有しており、正面側凸部５５４はプロファイル高さが変わっていくようになっている。位相調整器アレイの第三の変形例５５０は階段状の構造５６０を有する背面５５８を備えている、階段状の構造５６０は、図２３に示されているような対角線に沿って変わっていく段部を有している。図２３は図２２の位相調整器アレイの第三の変形例５５０を示す背面図である。正面側凸部５５４の頂面は反射コーティング５６２で覆われており、背面５５８は背面側反射コーティング５６４で同様に覆われている。このようにすることにより、光線が正面側凸部５５４の頂面に入射すると、矢印ＦＦにより示されているように（媒体２を通り抜けることなく）反射コーティング５６２により反映されるようになっており、光線が正面側凹部５５６に入射すると、媒体２を透過するが矢印ＧＧにより示されているように背面側反射コーティング５６４により反映されるようになっている。
なお、これらの変形例から理解すべきことは、位相調整器アレイ１０８の他の構造および構成が用いられてもよいという点にある。
本発明を十分説明してきたが、当業者にとって明らかなように、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく複数の修正を上述の実施形態に加えることができる。

Claims (23)

1. 光干渉デバイスであって、
   光コリメートビームが透過することができるように構成された位相調整器アレイであって、該位相調整器アレイが前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルを有し、光学的光チャンネルは非均一性照射を有している、位相調整器アレイであって、
   アレイ状に配置された複数のセルは、異なる深さを有する層状構造のセルと、少なくとも一部の層状構造のセルに隣接して配置されるブランクセルを備え、前記複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が、層状構造のセルによって生成される異なる位相シフトを有し、ブランクセルは空間強度分布を記録し、前記光コリメートビームの均一性を測定することを可能にする位相調整器アレイと、
   焦点距離を有し、層状構造のセルとブランクセルによって生成される前記複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器により検出される前記位相調整器アレイの下流側のイメージを形成するように構成されている集光器と、
   前記集光器の前記焦点距離に配置され、前記集束光ビームをフィルタリングして前記光検出器により検出される０次光空間分布光干渉パターンを形成するように構成されている光学式空間フィルタと
   を備えてなる、光干渉デバイス。
2. 前記集光器がアレイ状に配置される複数の小レンズを有しており、該複数の小レンズの各々が前記複数の光学的光チャンネルのうちの一部のまたはそれに対応する光学的光チャンネルを受けるように構成されてなる、請求項１に記載の光干渉デバイス。
3. 前記空間フィルタがアレイ状に配置される複数のアパチャを有しており、各アパチャが前記アレイ状に配置される複数の小レンズのうちの対応する小レンズの焦点距離に配置されてなる、請求項２に記載の光干渉デバイス。
4. 前記層状構造が交互に配置される凸面と凹面とを有してなる、請求項１に記載の光干渉デバイス。
5. 前記層状構造が偶数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項４に記載の光干渉デバイス。
6. 前記層状構造が奇数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項４に記載の光干渉デバイス。
7. 前記交互に配置される凸面および凹面が同心状のパターンを形成してなる、請求項４に記載の光干渉デバイス、
8. 前記集光器が集束レンズまたは集束鏡である、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
9. 前記光コリメートビームを形成するように構成される光コリメータをさらに備えてなる、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
10. 前記光コリメータの方に入射光を導くための入射アパチャをさらに備えてなる、請求項９に記載の光干渉デバイス。
11. 前記空間分布干渉光パターンからインターフェログラムが導かれ、連立一次方程式を用いて前記インターフェログラムからスペクトルが導かれるように構成されてなる、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
12. 前記連立一次方程式を用いて、前記インターフェログラムからスペクトルが導かれることが、マトリクスインバージョンを用いることを含んでなる、請求項１１に記載の光干渉デバイス。
13. フーリエ分光器の形態を有してなる、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
14. ラマン分光器の形態を有してなる、請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
15. 前記位相調整器アレイに隣接していて配置されるさらなる位相調整器アレイをさらに備えており、該さらなる位相調整器アレイが参照光ビームを受けるように構成されてなる、請求項１乃至１４のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
16. 組み合わせとして、前記光干渉デバイスが、前記光コリメータ、前記位相調整器アレイ、前記集束レンズおよび前記空間フィルタを収容するための光学式ハウジングと、カメラまたは焦点面アレイの形態の前記光検出器を有するポータブル演算デバイスであって、前記光学ハウジングが前記カメラまたは前記焦点面アレイに嵌合するように構成される、ポータブル演算デバイスとをさらに有しており、前記カメラが前記空間分布干渉光パターンを検出するように構成されてなる、請求項１乃至１５のうちのいずれか１項に記載の光干渉デバイス。
17. 光コリメートビームが透過することができるように構成された位相調整器アレイであって、
    前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルを有し、光学的光チャンネルは非均一性照射を有し、
    アレイ状に配置された複数のセルは、異なる深さを有する層状構造のセルと、少なくとも一部の層状構造のセルに隣接して配置されるブランクセルを備え、前記複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が層状構造のセルによって生成される異なる位相シフトを有し、
    ブランクセルは空間強度分布を記録し、前記光コリメートビームの均一性を測定することを可能にする、位相調整器アレイ。
18. 前記ブランクセルが平坦である、請求項１７に記載の位相調整器アレイ。
19. 前記層状構造が交互に配置される凸面と凹面とを有してなる、請求項１７または１８に記載の位相調整器アレイ。
20. 前記層状構造が偶数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項１７または１８に記載の位相調整器アレイ。
21. 前記層状構造が奇数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項１７または１８に記載の位相調整器アレイ。
22. 前記交互に配置される凸面と凹面とが同心状のパターンを形成してなる、請求項１７または１８に記載の位相調整器アレイ。
23. 空間分布干渉光パターンを生成する方法であって、
    アレイ状に配置される複数のセルを有する位相調整器アレイを通って、光コリメートビームを透過させる工程であって、アレイ状に配置された複数のセルは、異なる深さを有する層状構造のセルと、少なくとも一部の層状構造のセルに隣接して配置されるブランクセルを備えた工程と、
    前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成する工程であって、該複数の光学的光チャンネルは非均一性照射を有し、少なくとも一部の光学的光チャンネルは層状構造のセルによって生成される異なる深さを有し、ブランクセルは空間強度分布を記録し、前記光コリメートビームの均一性を測定することを可能にする、複数の光学的光チャンネルを生成する工程と、
    焦点距離を有する集光器を提供する工程と、
    前記集光器によって、層状構造のセルとブランクセルによって生成される前記複数の光学的光チャンネルから、その焦点面に前記複数の集束光ビームを生成すると同時に、光検出器によって検出されるための下流側のイメージを生成する工程と、
    前記集光器の前記焦点距離に光学式空間フィルタを設け、該光学式空間フィルタにより前記集束光ビームをフィルタリングし、前記光検出器により検出される０次空間分布干渉光パターンを生成する工程と
    を含む、方法。