JP6780791B2 - 分光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光分析装置に関する。

特定の分子が持つキラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ；光学活性）は、左回り円偏光、右回り円偏光の吸光度が異なる円二色性を持つ。一般的に、キラリティがあるキラル分子の光学活性を分析するためには、円二色性スペクトルメータで計測する。円二色性スペクトルメータは、光源から試料への入射光に対して、光弾性変調器を用いて、右回り円偏光，左回り円偏光にそれぞれ切り替えて吸光度を測定する。これらの比を取ることで円二色スペクトルを得る。この手法では、右回り偏光，左回り円偏光をそれぞれ２回計測しなければならず、同時性が失われる上に、測定速度が遅くなる。

このため、白色光を試料に照射し、試料を透過した光を偏光回折格子によって左回り円偏光と右回り円偏光に分離かつ波長分散し、分離かつ波長分散した左回り円偏光と右回り円偏光それぞれを２つの撮像素子で撮像し、撮像した信号の位相差に基づいて試料の構造を解析する手法が提案されている。試料が有する分子構造によって、右回り円偏光成分と左回り円偏光成分の吸収率が異なるため、試料を透過した右回り円偏光成分と左回り円偏光成分とを分離して、これらの信号の差分を取ることで、試料の分子の構造を解析する（例えば、非特許文献１参照）。

また、複屈折測定装置では、光源から出射した光線から偏光素子によって直線偏光を作り、直線偏光をビームエキスパンダによって拡張し、拡張した直線偏光から時計回りの円偏光を１／４波長板によって生成し、生成した円偏光の光線を試料に照射する。そして、複屈折測定装置では、試料を透過した光を結像させる結像光学系に、複数の回折光を生じさせる偏光回折素子を配置し、偏光回折素子によって生じた−１次回折光の明暗を撮像素子で撮像する。そして、複屈折測定装置では、撮像した明暗に基づいて求めた、円偏光（入射光）を基準とした透過光（出射光）における異常光成分と常光成分の間の位相差に関する情報をディスプレイに表示させる。偏光回折素子は、透過樹脂液に複数の格子単位を並べて形成した構造複屈折偏光回折格子であり、４つのパターンの格子が形成されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１６／０３１５６７号

"Method for artifact-free circular dichroism measurements based on polarization grating", Clementina Provenzano, Pasquale Pagliusi, Alfredo Mazzulla, and Gabriella Cipparrone, Optics Letters Vol. 35, Issue 11, pp. 1822-1824, 2010

しかしながら、従来技術では、連続的な配向分布を持たせる構造の偏光回折格子を有する構成であった。このため、従来技術では、格子幅が大きくなり、回折格子数が制限されるので、回折格子数を高めることができなかった。このように、従来技術では、回折格子数を高められないことから波長分散性が低かった。この結果、従来技術では、波長分解能を高めることができないという問題があった。
また、従来技術では、分光分析装置が大型になるという問題があった。具体的には、非特許文献１に記載の技術では、２つの撮像素子を有し、分光分析装置が大型になる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、波長分解能を向上させることができる分光分析装置を提供することを目的とする。また、本発明は、小型の分光分析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る分析装置は、複数の波長成分を含む光を出射する光源と、前記光源から出射された光を、試料に照射させる直線偏光の光に変換する偏光子と、前記試料を介した光に含まれる第１偏光成分を第１方向に回折させて波長分散させ、第２偏光成分を前記第１方向とは異なる第２方向に回折させて波長分散させる偏光回折素子と、前記偏光回折素子の出射側に配置され、前記第１方向と交差する第１出射面と前記第２方向と交差する第２出射面とを有し、前記第１方向及び前記第２方向が含まれる基準面に対する前記第１出射面及び前記第２出射面の角度が互いに異なるプリズムと、前記プリズムの前記第１出射面から出射される前記第１偏光成分の像と、前記第２出射面から出射される前記第２偏光成分の像とを撮像する撮像素子と、前記撮像素子の撮像結果に基づいて、前記試料を分析する処理装置と、を備える。

また、本発明の一態様に係る分析装置において、前記第１方向と前記第１出射面との前記基準面内における角度は、波長分散された前記第１偏光成分の分散角度を拡大させる角度に設定され、前記第２方向と前記第２出射面との前記基準面内における角度は、波長分散された前記第２偏光成分の分散角度を拡大させる角度に設定されるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る分析装置は、前記偏光子と前記試料との間に配置され、前記試料に照射される光を前記基準面に交差する方向に延びる光に整形するシリンドリカルレンズ、を備えるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る分析装置において、前記基準面に対する前記第１出射面の角度は、９０度であり、前記基準面に対する前記第２出射面の角度は、４５度であるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る分析装置において、前記プリズムは、前記基準面における形状が台形である板状の部材であり、前記プリズムの前記第１出射面は、前記台形の第１の脚を含む面であり、前記プリズムの前記第２出射面は、前記台形の第２の脚を含む面であるようにしてもよい。

本発明によれば、波長分解能を向上させることができる。

第１実施形態に係る分光分析装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係るプリズムの斜視図である。 第１実施形態に係るプリズムの三面図である。 第１実施形態に係るプリズムによる撮像素子上の結像位置を示す図である。 本実施形態に係るプリズムによって波長分散された右回り円偏光成分と左回り円偏光成分の撮像素子の結像位置を示す図である。 第１実施形態に係るプリズムに入射する光線と、プリズムが出射する光線の例を示す図である。 第１実施形態に係る基準面、右回り円偏光成分が波長分散された光線による平面、左回り円偏光成分が波長分散された光線による平面の関係例を示す図である。 第１実施形態に係る基準面、右回り円偏光成分が波長分散された光線による平面、左回り円偏光成分が波長分散された光線による平面のなす角を示す図である。 第１実施形態に係る第１出射面が、基準面に対して垂直ではない場合の各平面の関係例を示す図である。 第２実施形態に係る分光分析装置の構成例を示す図である。 第２実施形態に係る撮像素子上に結像する右回り円偏光成分のそれぞれの波長のライン光と左回り円偏光成分のそれぞれの波長のライン光を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る分光分析装置１００の構成例を示す図である。図１に示すように、分光分析装置１００は、光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、撮像素子７、処理装置８、および記憶部８１を備える。
なお、本実施形態では、試料２０に光を照射して、試料２０中の各成分量の分析を行う。
また、図１において、光軸をｘ軸方向、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向、ｘｙ平面の奥行き方向をｚ軸方向とする。

光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、撮像素子７は、光源１の光軸方向であるｘ軸方向において、光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、撮像素子７の順に配置される。プリズム５は、偏光回折素子４に近接または密接して配置される。
試料２０は、光源１の光軸方向であるｘ軸方向において、偏光子２と偏光回折素子４との間に置かれる。

光源１は、分析を行う試料に応じた波長の光源であり、例えば、広帯域光源、または赤外光を出射する光源である。

偏光子２は、光源１から入射した光線を、直線偏光の光線３に変換する透過型偏光子である。偏光子２が変換した直線偏光の光線３は、試料２０に照射される。

偏光回折素子４には、試料２０を透過した光線が入射する。偏光回折素子４は、構造性複屈折もしくは分子配向（液晶）性複屈折を有する透過型偏光回折素子である。偏光回折素子４は、ｘｙ平面において右回り円偏光成分を光軸に対して上側（＋側）の角度φを有する第１方向ｇ１へ回折しつつ波長分散する。偏光回折素子４は、ｘｙ平面において左回り円偏光成分を光軸に対して下側（−側）の角度φを有する第２方向ｇ２へ回折しつつ波長分散する。なお、本実施形態では、第１方向ｇ１と第２方向ｇ２とが含まれる面を基準面ｆ１とする。尚、波長分散（spectrally disperse）とは、入射光を波長に応じて異なる屈折率で屈折することにより、波長に応じて入射光を分散させることである。

プリズム５は、例えばｘｙ平面における形状が台形でありｚ軸方向に厚みを有する板状の光学部材である。プリズム５は、台形の形状の第１の脚を含む面である第１出射面５ａと、台形の形状の第２の脚を含む面である第２出射面５ｂと、台形の形状の底辺を含む面である入射面５ｃを有する。プリズム５の入射面５ｃには、偏光回折素子４から、第１方向に波長分散された右回り円偏光成分と、第２方向に波長分散された左回り円偏光成分と、が入射する。
プリズム５は、入射した波長分散された右回り円偏光成分の波長分散角を拡大して波形分散し、波形分散された右回り円偏光成分６ａを第１方向と交差する第１出射面５ａから出射する。プリズム５は、入射した右回り円偏光成分の波長分散角を拡大して波長分散し、波形分散された左回り円偏光成分６ｂを第２方向と交差する第２出射面５ｂから出射する。これにより、本実施形態では、プリズム５を用いて、偏光回折素子４の波長分解能を拡大している。なお、プリズム５の構成については、後述する。

撮像素子７は、例えば、二次元のＣＣＤ（Ｃｏｌｏｎｙ Ｃｏｌｌａｐｓｅ Ｄｉｓｏｒｄｅｒ；電荷結合素子）や二次元のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ；相補型ＭＯＳ）等の撮像素子である。撮像素子７には、ｚ軸方向において、第１の位置７ａに、第１出射面５ａから出射された波長分散された右回り円偏光成分６ａが結像する。
撮像素子７には、ｚ軸方向において、第２の位置７ｂに、第２出射面５ｂから出射された波長分散された左回り円偏光成分６ｂが結像する。撮像素子７は、第１の位置７ａ、第２の位置７ｂそれぞれの結像を撮像する。撮像素子７は、撮像した波長分散された右回り円偏光成分と波長分散された左回り円偏光成分それぞれの光信号を、処理装置８に出力する。

処理装置８は、撮像素子７が出力した波長分散された右回り円偏光成分と波長分散された左回り円偏光成分それぞれの光信号のスペクトルに基づいて、それぞれの波長における右回り円偏光成分と左回り円偏光成分とに対する試料２０の吸光度の差を演算することにより円偏光二色性の大きさを導出する。そして、処理装置８は、それぞれの波長における円偏光二色性の大きさをプロットすることにより円二色スペクトル（ＣＤスペクトル）を算出することで、試料２０の成分を分析する。処理装置８は、例えば、非特許文献１の（８）式を用いて、それぞれの波長における右回り円偏光成分の強さ（intensity）と左回り円偏光成分の強さ（intensity）との比を取り、比の対数（ｌｏｇ）を算出し、比の対数を２で除算することで、円偏光二色性の大きさを導出する。

記憶部８１は、撮像素子７上に結像される像の位置と、波長と、偏光成分と、の関係を予め記憶しておく。

次に、プリズム５について、さらに説明する。
図２は、本実施形態に係るプリズム５の斜視図である。図３は、本実施形態に係るプリズム５の三面図である。図３（Ａ）は、正面図である。図３（Ｂ）は、右側面図である。
図３（Ｃ）は、下面図である。

図２、図３に示すように、プリズム５の第１出射面５ａは、基準面ｆ１に対して９０度の第１出射面５ａを有する。プリズム５の第２出射面５ｂは、基準面ｆ１に対して４５度の角度を有する第２出射面５ｂを有する。

このように、本実施形態では、プリズム５の第１出射面５ａとｘｙ平面との角度と、第２出射面５ｂとｘｙ平面との角度を異なるように構成することで、図４に示すように、撮像素子７に結像されるｚ軸方向の位置を分離することができる。図４は、本実施形態に係るプリズム５による撮像素子７上の結像位置を示す図である。

図４に示すように、第１の位置７ａに、第１出射面５ａから出射された波長分散された右回り円偏光成分６ａが結像する。第１の位置７ａは、ｚ軸方向の光軸の位置であり、例えば、撮像素子７のｚ軸方向の中心位置である。
図４に示すように、第２の位置７ｂに、第２出射面５ｂから出射された波長分散された左回り円偏光成分６ｂが結像する。第２の位置７ｂは、ｚ軸方向の光軸の位置から上方の位置である。

図５は、本実施形態に係るプリズム５によって波長分散された右回り円偏光成分６ａと左回り円偏光成分６ｂの撮像素子７上の結像位置を示す図である。図５（Ａ）は、ｘｙ平面における偏光回折素子４とプリズム５と撮像素子７の平面図である。図５（Ｂ）は、ｙｘ平面における撮像素子７の平面図である。

偏光回折素子４によって右回り円偏光成分がｙ軸方向の上側（＋側）に回折される。偏光回折素子４によって左回り円偏光成分がｙ軸方向の下側（−側）に回折される。そして、プリズム５の入射面５ｃから入射した右回り円偏光成分が、プリズム５の第１出射面５ａのｘｙ平面における角度によって、回折角度が＋側に拡大される。同様に、プリズム５の入射面５ｃから入射した左回り円偏光成分が、プリズム５の台形の第２出射面５ｂのｘｙ平面における角度によって、回折角度が−側に拡大される。このように、プリズム５によって、回折光の傾き角度を拡大することで、波長分散性を高めることができる。この結果、本実施形態によれば、図５（Ｂ）に示すように、偏光回折素子４と撮像素子７との距離を短くすることができる。

この結果、右回り円偏光成分が、プリズム５によって波長分散された光線は、図５に示すように、光線６ａ１〜６ａ５のように波長分散角が拡大されて波長分散される。そして、光線６ａ１は、撮像素子７の位置７ａ１に結像する。光線６ａ２は、撮像素子７の位置７ａ２に結像する。光線６ａ３は、撮像素子７の位置７ａ３に結像する。光線６ａ４は、撮像素子７の位置７ａ４に結像する。光線６ａ５は、撮像素子７の位置７ａ５に結像する。
また、左回り円偏光成分が、プリズム５によって波長分散された光線は、図５に示すように、光線６ｂ１〜６ｂ５のように波長分散角が拡大されて波長分散される。そして、光線６ｂｎ（ｎは１から５のいずれかの整数）は、撮像素子７の位置７ａｎに結像する。

なお、図５において、光線６α（αはａまたはｂ）１〜６α５において、光線６α１の第１の波長が最も短く、光線６α５の第５の波長が最も長い。光線６α２の第２の波長が光線６α１の第１の波長より長い。光線６α３の第３の波長が光線６α２の第２の波長より長い。光線６α４の第４の波長が光線６α３の第３の波長より長い。光線６α５の第５の波長が最も長い波長である。

また、図５に示した例では、偏光回折素子４によって、５つの波長に分散される例を示したが、これに限らない。偏光回折素子４によって分散される波長の数は、２つ以上であればよく、３、５以上であってもよい。なお、図５等に示した例では説明を簡略化するために、撮像素子７上に形成される像をドットで示している。実際に撮像素子７上に形成される像は、位置７ａ１〜７ａ５の像が連続した像であり、位置７ｂ１〜７ｂ５の像が連続した像である。
なお、記憶部８１は、このような、撮像素子７上に結像される像と波長と、偏光成分の関係を予め記憶しておく。

さらに、プリズム５に入射する光線と、プリズム５が出射する光線について説明する。
図６は、本実施形態に係るプリズム５に入射する光線と、プリズム５が出射する光線の例を示す図である。座標系は、図１と同じである。なお、図６では、光線の説明のため、偏光回折素子４とプリズム５を離して示している。

偏光回折素子４には、試料２０（図１）から透過した光線３ａが入射する。そして、偏光回折素子４は、光線３ａを、右回り円偏光成分６ｃ（第１偏光成分）と左回り円偏光成分６ｄ（第２偏光成分）に回折して分離する。右回り円偏光成分６ｃは、光軸３ｂに対して反時計回りに角度φを有する。左回り円偏光成分６ｄは、光軸３ｂに対して時計回りに角度φを有する。なお、右回り円偏光成分６ｃの光線と、左回り円偏光成分６ｄの光線は、基準面ｆ１に形成される。なお、図６では、波長分散した光線のうち代表の光線を図示している。また、偏光回折素子４は、例えば特許文献１に記載されているように構成されている。

プリズム５の入射面５ｃには、偏光回折素子４が分離して波長分散された右回り円偏光成分６ｃと左回り円偏光成分６ｄが入射する。そして、プリズム５の第１出射面５ａから、波長分散された右回り円偏光成分６ａの光線が出射される。プリズム５の第２出射面５ｂから、波長分散された右回り円偏光成分６ｂの光線が出射される。
ここで、第１出射面５ａが基準面ｆ１に垂直に配置されているため、右回り円偏光成分６ａの光線は、基準面ｆ１に形成される。一方、ここで、第２出射面５ｂが基準面ｆ１に対して４５度の角度を有して配置されているため、左回り円偏光成分６ｂの光線は、基準面ｆ１に対して４５度（第２所定角度）の角度を有する平面に形成される。

さらに、基準面ｆ１、右回り円偏光成分が波長分散された右回り円偏光成分６ａによる平面、左回り円偏光成分波長分散された左回り円偏光成分６ｂによる平面の関係を説明する。
図７は、本実施形態に係る基準面ｆ１、右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２、左回り円偏光成分６ｂが波長分散された光線による平面ｆ３の関係例を示す図である。図８は、本実施形態に係る基準面ｆ１、右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２、左回り円偏光成分６ｂが波長分散された光線による平面ｆ３のなす角を示す図である。

図７、図８において、上述のように、基準面ｆ１は、第１方向ｇ１と第２方向ｇ２とが含まれる面である。平面ｆ２は、右回り円偏光成分６ａが波長分散されることによって得られる光線を含む平面である。平面ｆ３は、左回り円偏光成分６ｂが波長分散されることによって得られる光線を含む平面である。
右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２と、基準面ｆ１とは、同じｘｙ平面に形成される。このため、右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２を、ｘｙ平面内で移動させた場合、右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２と、基準面ｆ１とは、重なる。

一方、左回り円偏光成分６ｂが波長分散された光線による平面ｆ３を、ｘｙ平面内で移動させた場合、左回り円偏光成分６ｂが波長分散された光線による平面ｆ３と、基準面ｆ１とは、なす角βを有する。すなわち、本実施形態では、右回り円偏光成分６ａが波長分散された光線による平面ｆ２に対して、左回り円偏光成分６ｂが波長分散された光線による平面ｆ３は、第２所定角度であるなす角βを有する。

なお、上述した例では、プリズム５において、第２出射面５ｂが、基準面ｆ１に対して４５度傾いている例を説明したが、これに限らない。図５に示したように、撮像素子７上に結像される像が分離される角度であればよい。例えば、ｚ軸方向の第２出射面５ｂが、基準面ｆ１より−４５度傾いていてもよい。この場合、図４において、第２出射面５ｂから出射された波長分散された左回り円偏光成分６ｂは、ｚ軸方向の光軸の位置から下方の位置に結像する。
また、第２出射面５ｂが、基準面ｆ１に垂直であり、第１出射面５ａが、基準面ｆ１に対して、例えば４５度傾いていてもよい。

さらに、第１出射面５ａが、基準面ｆ１に対して第１所定角度傾いていて、第２出射面５ｂが、基準面ｆ１に対して第１所定角度±第２所定角度傾いていてもよい。

このように、第１出射面５ａが、基準面ｆ１に対して垂直ではない場合は、図９に示すように、第１出射面５ａから出射される右回り円偏光成分６ａの光線による平面ｆ３が、基準面ｆ１に対して第１所定角度（なす角γ）を有していてもよい。
図９は、本実施形態に係る第１出射面５ａが、基準面ｆ１に対して垂直ではない場合の各平面の関係例を示す図である。

また、第１出射面５ａが、基準面ｆ１に対して、例えば４５度傾いていて、第２出射面５ｂが、基準面ｆ１に対して、例えば−４５度傾いていてもよい。このように構成することで、右回り円偏光成分６ａと左回り円偏光成分６ｂとのクロストークを、図１に示した構成と比較して、さらに低減することができる。

上述した構成により、本実施形態では、プリズム５に入射される右回り円偏光成分６ｃ（第１偏光成分）と左回り円偏光成分６ｄ（第２偏光成分）とによって形成される基準面ｆ１と、第１出射面５ａから出射される右回り円偏光成分６ａの光線により形成される平面とが同一平面上に形成される。そして、本実施形態では、第１出射面５ａから出射される右回り円偏光成分６ａの光線により形成される平面と基準面ｆ１が同一平面であり、第２出射面５ｂから出射される左回り円偏光成分６ｂの光線により形成される平面と基準面ｆ１とが第２所定角度（４５度）を有している。これにより、本実施形態によれば、図４、図５に示したように、撮像素子７上のｚ軸方向の異なる位置に、右回り円偏光成分６ａと左回り円偏光成分６ｂとを結像させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、プリズム５により、右回り円偏光成分と左回り円偏光成分を同軸上に角度調整することができるので、１つの２次元撮像素子で円二色スペクトルを得ることが出来る。この結果、本実施形態によれば、２つの円偏光成分の同時性を実現できる。

また、本実施形態によれば、偏光回折素子４とプリズム５を併用することで、右回り円偏光成分６ａと左回り円偏光成分６ｂとのクロストークを低減しつつ、波長分散性が高めることが出来るため、撮像素子７までの距離を短縮することができる。この結果、本実施形態によれば、波長分解能を向上することができ、かつ分光分析装置１００を従来より小型化することができる。このように、本実施形態によれば、撮像素子７を一つにすることで分光分析装置１００が小型になる。

また、本実施形態によれば、１つの撮像素子７で撮像することができるように構成したので、２つの撮像素子を使う場合のように光学系の調整が不要になる。

プリズム５の入射面５ｃは、偏光回折素子４に近接または密着して配置される。なお、偏光回折素子４とプリズム５の入射面５ｃは、接着剤や研磨接着で接合されていてもよい。または、偏光回折素子４とプリズム５の入射面５ｃのとの間には、空間を設けて機械的に固定するように構成してもよい。偏光回折素子４とプリズム５の入射面５ｃは、接着剤や研磨接着で接合されている場合は、偏光回折素子４とプリズム５との光学的な調整が不要になる効果を得ることができる。この場合、光学的な調整は、撮像素子７のｚ軸方向だけで済む。
なお、従来のように、光学素子を３つに分けた場合は、撮像素子７のｚ軸方向の調整に加えて、あおり方向（tilt angle）の調整も必要になる。このように、本実施形態によれば、従来と比較して調整を減らすことができるので、調整により発生する精度の誤差も低減することができる。

［第２実施形態］
図１０は、本実施形態に係る分光分析装置１００Ａの構成例を示す図である。図１０に示すように、分光分析装置１００は、光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、撮像素子７Ａ、処理装置８Ａ、記憶部８１Ａ、およびシリンドリカルレンズ９を備える。
なお、本実施形態では、試料２０に光を照射して、試料２０中の各成分量の分析を行う。
また、図６において、光軸をｘ軸方向、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向、ｘｙ平面の奥行き方向をｚ軸方向とする。また、分光分析装置１００と同様の機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。

光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、シリンドリカルレンズ９、撮像素子７Ａは、光源１の光軸方向であるｘ軸方向において、光源１、偏光子２、偏光回折素子４、プリズム５、シリンドリカルレンズ９、撮像素子７Ａの順に配置される。プリズム５の底辺は、偏光回折素子４に近接して配置される。
試料２０は、光源１の光軸方向であるｘ軸方向において、シリンドリカルレンズ９と偏光回折素子４との間に置かれる。

偏光子２は、光源１から入射した光線を、直線偏光の光線３に変換する透過型偏光子である。偏光子２が変換した直線偏光の光線３は、シリンドリカルレンズ９に出射される。

シリンドリカルレンズ９には、偏光子２が出射した直線偏光の光線３が入射する。シリンドリカルレンズ９は、入射した直線偏光の光線をライン光３１に変換し、変換したライン光３１を試料２０に照射する。すなわち、シリンドリカルレンズ９は、試料２０に照射される光を基準面ｆ１に交差する方向に延びる光に整形する。これにより、本実施形態によれば、試料２０のｚ軸方向に沿った光学特性の計測を一度に行うことができる。

偏光回折素子４には、試料２０を透過した光線が入射する。ここで、試料２０を透過した光線がライン光であるため、透過光にはｚ軸方向の位置情報が含まれている。偏光回折素子４は、構造性複屈折もしくは分子配向（液晶）性複屈折を有する透過型偏光回折素子である。偏光回折素子４は、右回り円偏光成分のライン光を光軸に対して上側の＋側へ回折しつつ波長分散する。偏光回折素子４は、左回り円偏光成分ライン光を光軸に対して下側の−側へ回折しつつ波長分散する。

プリズム５は、例えばｘｙ平面における形状が台形の四角柱のプリズムであり、プリズム５の底辺には、偏光回折素子４から、光軸に対して所定の角度を有する波長分散された右回り円偏光成分のライン光と、光軸に対して所定の角度を有する波長分散された左回り円偏光成分のライン光と、が入射する。プリズム５は、入射した波長分散された右回り円偏光成分のライン光に対して、波長分散角を拡大し波形分散された右回り円偏光成分６ａのライン光を、第１出射面５ａから出射する。プリズム５は、入射した右回り円偏光成分に対して、波長分散角を拡大し波長分散された波形分散した左回り円偏光成分６ｂのライン光を、第２出射面５ｂから出射する。これにより、本実施形態では、プリズム５を用いて、偏光回折素子４の波長分解能を拡大している。

撮像素子７Ａは、例えば、二次元のＣＣＤや二次元のＣＭＯＳ等の撮像素子である。撮像素子７Ａは、プリズム５が出射する、右回り円偏光成分６ａの結像と、左回り円偏光成分６ｂの結像と、を撮像する。撮像素子７Ａは、撮像した右回り円偏光成分６ａの信号と、撮像した左回り円偏光成分６ｂの信号を、処理装置８Ａに出力する。処理装置８Ａは、例えば非特許文献１の（８）式を用いて、それぞれの波長における右回り円偏光成分の強さ（intensity）と左回り円偏光成分の強さ（intensity）との比を取り、比の対数（ｌｏｇ）を算出し、比の対数を２で除算することで、円偏光二色性の大きさを導出する。なお、撮像素子７Ａに入射する光線、結像する位置については、後述する。

処理装置８Ａには、撮像素子７Ａが出力した回り円偏光成分６ａの信号と、撮像した左回り円偏光成分６ｂの信号が入力される。処理装置８Ａは、それぞれの波長における右回り円偏光成分と左回り円偏光成分とに対する試料２０の吸光度の差を演算して、円二色スペクトルを算出することで、試料２０の成分を分析する。なお、処理装置８Ａが、差分を取る像については、図８を用いて後述する。

記憶部８１Ａは、撮像素子７Ａ上に結像される像の位置と、波長と、偏光成分と、の関係を予め記憶しておく。

図１１は、本実施形態に係る撮像素子７Ａ上に結像する右回り円偏光成分６ａのそれぞれの波長のライン光と左回り円偏光成分６ｂのそれぞれの波長のライン光を示す図である。図１１において、長手方向がｙ軸方向、短手方向がｚ軸方向である。

右回り円偏光成分６ａのそれぞれの波長のライン光７ａ１０〜７ａ４０が、撮像素子７Ａ上に結像する。なお、ｙ軸方向は、試料２０の分子構造に対応する位置を表す。ライン光７ａ１０〜７ａ４０のそれぞれは、第１の波長の像７ａＮ１、第２の波長の像７ａＮ２、第３の波長の像７ａＮ３、第４の波長の像７ａＮ４、第５の波長の像７ａＮ５を含む（Ｎは１から４の整数である）。なお、第１の波長が最も短い波長である。第２の波長が第１の波長より長い。第３の波長が第２の波長より長い。第４の波長が第３の波長より長い。第５の波長が最も長い波長である。

また、左回り円偏光成分６ｂのそれぞれの波長のライン光７ｂ１０〜７ｂ４０が、撮像素子７Ａ上に結像する。なお、ｙ軸方向は、試料２０の分子構造に対応する位置を表す。ライン光７ｂ１０〜７ｂ４０のそれぞれは、第１の波長の像７ｂＮ１、第２の波長の像７ｂＮ２、第３の波長の像７ｂＮ３、第４の波長の像７ｂＮ４、第５の波長の像７ｂＮ５を含む（Ｎは１から４の整数である）。

処理装置８Ａは、同じ位置かつ同じ波長の右回り円偏光成分６ａと左回り円偏光成分６ｂとに対する試料２０の吸光度の差を演算して、円二色スペクトルを算出することで、試料２０の成分を分析する。処理装置８Ａは、例えば、第１の波長に対して、右回り円偏光成分の像７ａ４１の信号と、左回り円偏光成分の像７ｂ４１との差を演算する。

なお、図１１に示した例では、説明を簡略化するために、各位置、各波長の像をドットで示した。実際に撮像素子７Ａ上に形成される像は、７ａ１１〜７ａ４５を含む面の像となり、７ｂ１１〜７ｂ４５を含む面の像となる。

この構成により、本実施形態では、試料の分子構造に対応する位置を二次元的に得ることができるので、試料２０または分光分析装置１００Ａを移動させながら撮像することで、試料の分子構造に対応する位置を二次元的に分析することができる。

なお、上述した例では、プリズム５において、第２出射面５ｂが、基準面ｆ１に対して４５度傾いている例を説明したが、これに限らない。基準面ｆ１に対する台形の第２出射面５ｂの傾きは、撮像素子７Ａ上に結像される像が分離される角度であればよい。

このように、本実施形態では、プリズム５によって波長分散された光線を、さらにシリンドリカルレンズ９でライン光に変換するようにした。
これにより、本実施形態によれば、シリンドリカルレンズ９でライン光に変換したので、試料２０を移動させて撮像することで、試料２０の分子構造の解析を二次元的に行うことができる。

なお、第１実施形態、第２実施形態では、ｚｙ平面におけるプリズム５の形状ｘｙ平面において台形でありｚ軸方向に厚みを有する例を説明したが、これに限られない。プリズム５の形状は、少なくとも１つの入射面と、互いに角度の異なる第１の出射面と第２の出射面とを備える立体であれば、どのような形状であっても構わない。プリズム５の形状は、例えば、基準面の形状が四角形である四角柱などの多角形柱、四角錐体などの形状であってもよい。プリズム５の形状が、基準面の形状が四角形である四角柱である場合は、四角形の一辺を含む面が第１出射面５ａであり、四角形の別の一辺を含む面が第２出射面５ｂであり、四角形の更に別の一辺を含む面が入射面５ｃであってよい。

なお、第１実施形態、第２実施形態では、第１出射面５ａから右回り円偏光成分を出射し、第２出射面５ｂから左回り円偏光成分を出射する例を説明したが、これに限らない。第１出射面５ａが、左回り円偏光成分を出射し、第２出射面５ｂが、右回り円偏光成分を出射するようにしてもよい。

なお、本発明における処理装置８（または８Ａ）の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより処理装置８（または８Ａ）が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

１００，１００Ａ…分光分析装置、１…光源、２…偏光子、４…偏光回折素子、５…プリズム、７，７Ａ…撮像素子、８，８Ａ…処理装置、９…シリンドリカルレンズ、８１…記憶部、５ａ…第１出射面、５ｂ…第２出射面、５ｃ…入射面、ｆ１…基準面

Claims (20)

1. 複数の波長成分を含む光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を、試料に照射させる直線偏光の光に変換する偏光子と、
   前記試料を通過した光に含まれる第１偏光成分を第１方向に回折させて波長分散させ、第２偏光成分を前記第１方向とは異なる第２方向に回折させて波長分散させる偏光回折素子と、
   前記偏光回折素子の出射側に配置され、前記第１方向と交差する第１出射面と前記第２方向と交差する第２出射面とを有し、前記第１方向及び前記第２方向が含まれる基準面に対する前記第１出射面及び前記第２出射面の角度が互いに異なるプリズムと、
   前記プリズムの前記第１出射面から出射される前記第１偏光成分の像と、前記第２出射面から出射される前記第２偏光成分の像とを撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子の撮像結果に基づいて、前記試料を分析する処理装置と、
   を備える分光分析装置。
2. 前記第１方向と前記第１出射面との前記基準面内における角度は、波長分散された前記第１偏光成分の分散角度を拡大させる角度に設定され、
   前記第２方向と前記第２出射面との前記基準面内における角度は、波長分散された前記第２偏光成分の分散角度を拡大させる角度に設定される、
   請求項１に記載の分光分析装置。
3. 前記偏光子と前記試料との間に配置され、前記試料に照射される光を前記基準面に交差する方向に延びる光に整形するシリンドリカルレンズ、
   を備える請求項１または請求項２に記載の分光分析装置。
4. 前記基準面に対する前記第１出射面の角度は、９０度であり、
   前記基準面に対する前記第２出射面の角度は、４５度である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
5. 前記プリズムは、前記基準面における形状が台形である板状の部材であり、
   前記プリズムの前記第１出射面は、前記台形の第１の脚を含む面であり、
   前記プリズムの前記第２出射面は、前記台形の第２の脚を含む面である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分光分析装置。
6. 第１偏光成分は、右回り円偏光成分または左回り円偏光成分のうちいずれか一方であり、
   第２偏光成分は、右回り円偏光成分または左回り円偏光成分のうちいずれか他方である
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の分光分析装置。
7. 前記偏光回折素子は、構造性複屈折もしくは分子配向性複屈折を有する透過型偏光回折素子である
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の分光分析装置。
8. 前記プリズムは、前記台形の底辺を含む面である入射面を有し、
   前記偏光回折素子から出射された前記回折され波長分散された第１偏光成分と前記回折され波長分散された第２偏光成分とが、前記入射面に入射する
   請求項５に記載の分光分析装置。
9. 前記プリズムは、前記基準面における形状が四角形である板状の部材であり、
   前記プリズムの前記第１出射面は、前記四角形の任意の一辺を含む面であり、
   前記プリズムの前記第２出射面は、前記四角形の別の一辺を含む面である
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分光分析装置。
10. 前記プリズムは、前記四角形の更に別の一辺を含む面である入射面を有し、
    前記偏光回折素子から出射された前記回折され波長分散された第１偏光成分と前記回折され波長分散された第２偏光成分とが、前記入射面に入射する
    請求項９に記載の分光分析装置。
11. 前記偏光回折素子は、前記回折され波長分散された第１偏光成分と前記回折され波長分散された第２偏光成分とが出射される出射面を有し、
    前記プリズムの前記入射面と、前記偏光回折素子の前記出射面は、密着している
    請求項８または１０に記載の分光分析装置。
12. 前記偏光回折素子は、前記回折され波長分散された第１偏光成分と前記回折され波長分散された第２偏光成分とが出射される出射面を有し、
    前記プリズムと前記偏光回折素子は、前記プリズムの前記入射面と前記偏光回折素子の前記出射面との間に空間が設けられるように、固定されている
    請求項８または１０に記載の分光分析装置。
13. 前記撮像素子において、前記第１偏光成分の像と前記第２偏光成分の像とは、前記撮像素子の結像面において、互いにずれて結像している
    請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の分光分析装置。
14. 前記処理装置は、前記撮像素子の結像面上に結像される像の位置と、波長と、偏光成分との関係を予め記憶しておく記憶部を備えており、
    前記処理装置は、前記撮像素子によって撮像された前記第１偏光成分の像と前記第２偏光成分の像と、前記記憶部に記憶された前記関係に基づいて、所定の演算を行うことによって前記波長における前記試料の円偏光二色性の大きさを導出する
    請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
15. 前記所定の演算とは、前記波長における前記第１偏光成分と前記第２偏光成分とに対する前記試料の吸光度の差を導出することである
    請求項１４に記載の分光分析装置。
16. 前記第１偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第１波長分散平面と、前記基準面とは、重なり、
    前記第２偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第２波長分散平面の、前記基準面に対する角度は、所定の第１角度である
    請求項４に記載の分光分析装置。
17. 前記基準面に対する前記第１出射面の角度は、−４５度であり、
    前記基準面に対する前記第２出射面の角度は、４５度である
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
18. 前記第１偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第１波長分散平面の、前記基準面に対する角度は、所定の第２角度であり、
    前記第２偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第２波長分散平面の、前記基準面に対する角度は、所定の第１角度であり、
    前記所定の第２角度は、前記所定の第１角度とは、互いに符号の異なる数値であり、前記所定の第２角度の絶対値は、前記所定の第１角度の絶対値とは、等しい、
    請求項１７項に記載の分光分析装置。
19. 前記基準面に対する前記第１出射面の角度は、正または負のいずれか一方の値を有する角度であり、
    前記基準面に対する前記第２出射面の角度は、正または負のいずれか他方の値を有する角度である
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
20. 前記第１偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第１波長分散平面の、前記基準面に対する角度は、所定の第２角度であり、
    前記第２偏光成分が前記偏光回折素子によって波長分散されることによって得られる光線を含む第２波長分散平面の、前記基準面に対する角度は、所定の第１角度であり、
    前記所定の第２角度は、前記所定の第１角度とは、互いに符号の異なる数値である
    請求項１９に記載の分光分析装置。