JP7236170B2 - 光検出装置、光検出方法、光検出装置の設計方法、試料分類方法、及び、不良検出方法 - Google Patents

光検出装置、光検出方法、光検出装置の設計方法、試料分類方法、及び、不良検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置、光検出方法、及び、光検出装置の設計方法等に関する。
入力光の波長を検出したり、入力光に含まれる所望の波長成分の強度を検出したりする光検出装置として、従来、ヴァーニア効果を利用した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、ヴァーニア効果とは、ノギスのように、主尺と副尺（ヴァーニア）とを用いることで被検出物の寸法等の物理量を主尺の最小目盛よりも細かい分解能で検出できる効果をいう。
特許文献１には、入力光の波長を検出する光波長検出装置であって、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と、分散デバイスから出力された複数のビームを、主尺によって特定される波長の範囲内で入力光の波長を検出するための副尺として用いて入力光の波長を検出する検出手段とを備える光波長検出装置が開示されている。これにより、高分解能で、入力光の波長が検出される。
国際公開第２０１４／１４１６６６号
しかしながら、特許文献１の光波長検出装置では、入力光のスペクトルにおける１箇所の波長帯域を拡大することによって入力光の波長を検出する原理を利用しているために、検出できる波長帯域が狭いという問題がある。
そこで、本発明は、従来よりも広い波長帯域にわたって、入力光に含まれる所望の波長成分を高い波長分解能で検出できる光検出装置、光検出方法、及び、光検出装置の設計方法等を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る光検出装置は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置であって、前記入力光を入力とし、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する分光器と、前記分光器から出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有するスリットアレイと、前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を受光する、画素の並びで構成される撮像素子とを備え、前記３以上のスリットの並びにおける少なくとも２以上のピッチは、異なる。
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る光検出方法は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出方法であって、前記入力光が入力されると、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する分光ステップと、３以上のスリットの並びを有するスリットアレイにより、前記分光ステップで出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる波長選択ステップと、画素の並びで構成される撮像素子により、前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を検出する検出ステップとを含み、前記３以上のスリットの並びにおける少なくとも２以上のピッチは、異なる。
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る光検出装置の設計方法は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置の設計方法であって、前記光検出装置は、前記入力光を入力とし、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する分光器と、前記分光器から出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有するスリットアレイと、前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を受光する画素の並びで構成される撮像素子とを備え、前記設計方法は、前記３以上のスリットに、前記入力光の分光スペクトルの特徴箇所に対応する波長の光を通過させるスリットが含まれるように、前記スリットアレイにおける前記３以上のスリットの位置を決定するステップを含む。
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る試料分類方法は、試料の種類を分類する試料分類方法であって、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによって前記スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップと、上記光検出装置を用いて、種類が既知の複数の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記種類とを対応づけた参照データを生成する参照データ生成ステップと、上記光検出装置を用いて、種類が未知の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記参照データとを照合することで、前記種類が未知の試料の種類を判別する判別ステップとを含む。
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る不良検出方法は、不良の試料を検出する不良検出方法であって、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによって前記スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップと、上記光検出装置を用いて、良品の複数の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果を示す参照データを生成する参照データ生成ステップと、上記光検出装置を用いて、良品か不良品かが未知の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記参照データとを照合することで、前記未知の試料が良品か不良品かを判別する判別ステップとを含む。
本発明により、従来よりも広い波長帯域にわたって、入力光に含まれる所望の波長成分を高い波長分解能で検出できる光検出装置、光検出方法、及び、光検出装置の設計方法等が提供される。
図１は、従来の技術による波長成分の検出原理を説明する図である。 図２Ａは、実施の形態に係る光検出装置の構成を示す図である。 図２Ｂは、実施の形態に係る光検出装置の基本動作を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態に係る光検出装置による波長成分の検出原理を説明する図である。 図４は、実施の形態に係る光検出装置に入力される入力光の一例であるラマン散乱光のスペクトル例を示す図である。 図５は、実施の形態に係る光検出装置により、図４に示される入力光に含まれる２つのピークに対して高い波長分解能で波長成分を検出する検出原理及び光検出装置の構成例を説明する図である。 図６は、実施の形態に係る光検出装置により、検出したい一つのピークに対して２箇所以上の波長成分を検出する検出原理及び光検出装置の構成例を説明する図である。 図７は、実施の形態に係る光検出装置を用いた光ファイバセンシングシステムの構成例を示すブロック図である。 図８は、図７におけるＦＢＧセンサの原理を説明する図である。 図９は、図７に示される光ファイバセンシングシステムにおける光検出装置で得られた測定結果例を示す３次元図である。 図１０は、実験に用いる光検出装置の設計方法を示すフローチャートである。 図１１は、図１０におけるスパース主成分分析に用いられたオリーブオイルの透過スペクトルの例を示す図である。 図１２は、図１０におけるスパース主成分分析による処理の概要を示す図である。 図１３は、図１０におけるスパース主成分分析によって得られた３つの測定波長を示す図である。 図１４は、実施の形態に係る光検出装置が備える撮像素子の例（３個のフォトセンサ）を示す図である。 図１５は、実験１における光検出装置による測定で得られた３つの波長成分の例を示す図である。 図１６は、図１５に示された光検出装置による測定結果を３次元の分布で表した図である。 図１７は、実験１で得られた知見を利用した試料の分類方法を示すフローチャートである。 図１８は、実験２における光検出装置による測定で得られた３つの波長成分の例を示す図である。 図１９は、図１８に示された光検出装置による測定結果を３次元の分布で表した図である。 図２０は、図１８に示された光検出装置による測定結果から不良検出率を算出した結果を示す図である。 図２１は、実験２で得られた知見を利用した試料の不良検出方法を示すフローチャートである。
（本発明者が得た知見）
まず、ヴァーニア効果を利用して入力光に含まれる所望の波長成分を高い波長分解能で検出する従来の技術を説明する。図１は、特許文献１等の従来の技術による波長成分の検出原理を説明する図である。
従来の技術では、まず、分光器を用いて、図１の（ａ）に示されるように、入力光の分光スペクトルの複製を複数、ｘ軸方向に並べて出力する。次に、分光器から出力された複数の分光スペクトルの並びに対して、スリットアレイを用いて、図１の（ｂ）に示されるように、図１の（ａ）に示される複数の分光スペクトルの並びにおけるそれぞれの分光スペクトルに対して、少しずつｘ軸方向にずらした波長帯域の光を通過させる。なお、ｘ軸における位置は、空間位置であり、かつ、波長にも対応する。
すると、スリットアレイを通過した光は、図１の（ｃ）に示されるように、図１の（ａ）に示される複数の分光スペクトルの並びにおける一つの分光スペクトルを波長方向に拡大したスペクトルが得られる。この拡大したスペクトルが、画素の並びで構成される撮像素子で検出される。これは、ヴァーニア効果によるものであり、複数の分光スペクトルの並ぶ間隔と、スリットアレイを構成する複数のスリットの並ぶ間隔との、間隔の長さの比に応じて、スペクトルが拡大される。このヴァーニア効果により、図１の（ａ）に示される複数の分光スペクトルの並びにおける一つの分光スペクトルを撮像素子で検出する場合に比べ、空間的に拡大された分光スペクトルを撮像素子で検出することになるので、より高い波長分解能で、分光スペクトルが検出される。つまり、スリットの一つの間隔が一つの撮像素子の分解能と同じかそれ以上に広ければ、空間的に拡大された分光スペクトルをスリット毎に別々の画素で検出できる。なお、スリットアレイを構成する各スリットの幅は、ヴァーニア効果によって発揮される波長分解能と同じかそれより狭いのが望ましい。
しかしながら、このような方法では、分光スペクトルの空間的な幅が、複数の分光スペクトルの並ぶ間隔以上に広くなると、分光スペクトル同士が重なってしまうため、未知のスペクトルを入力光とする場合には、一度に検出できる波長帯域は分光スペクトルの間隔以下に制約され、狭帯域化するという問題がある。つまり、波長の高分解能化と引き換えに、全体として検出できる波長帯域が狭帯域化するという問題がある。
そこで、本発明者は、高い波長分解能を維持したまま、広い波長帯域（例えば分光スペクトルの空間的な幅が、複数の分光スペクトルの並ぶ間隔以上に広くなるほどの波長帯域）にわたって所望の波長成分を検出することを目的として、鋭意検討を繰り返した。その結果、広帯域な分光スペクトルの並びがスリットアレイに入力された場合には、各スリットを通過する光には、一定の波長帯域だけ離れた（つまり、一定の周期で波長がずれた）異なる複数の波長成分の光が含まれることに着目し、従来よりも広い波長帯域にわたって、入力光に含まれる所望の波長成分を高い波長分解能で検出できる光検出装置を考案した。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示す。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、ステップの順序等は、一例であり、本発明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、本発明の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。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
図２Ａは、本実施の形態に係る光検出装置１０の構成を示す図である。光検出装置１０は、導光ファイバ１１、コリメータ１２、第１スリットアレイ１３、第１ミラー１４、凹面鏡１５、回折格子１６、第２ミラー１７、第２スリットアレイ１８、及び、撮像素子１９で構成される。
導光ファイバ１１は、広帯域な波長成分を含む入力光を伝送する光ファイバであり、例えば、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）から出力される反射光、あるいは、ラマン分光光度計で得られるラマン散乱光等を伝送してコリメータ１２に入力する。
コリメータ１２は、導光ファイバ１１からの入力光を平行光線に変換する。
第１スリットアレイ１３は、平行に並ぶ複数のスリットを有し、コリメータ１２から出力された平行光線に対して、複数のスリットを通過させることで、複数に分離された光を出力する。平行に並ぶ複数のスリットは、一定のピッチで配列されている。
第１ミラー１４は、第１スリットアレイ１３から出力された複数の光を、凹面鏡１５へ向けて反射させる。
凹面鏡１５は、光を反射させる凹面を有し、第１ミラー１４からの複数の光を集光させるとともに、回折格子１６に向けて反射させる。
回折格子１６は、凹面鏡１５からの複数の光のそれぞれを、波長ごとに分ける分散を行うことで、凹面鏡１５からの複数の光のそれぞれの分光スペクトル（つまり、分光スペクトルの複製）を生成し、凹面鏡１５へ向けて出力する。なお、凹面鏡１５から回折格子１６に入力される複数の光は、第１スリットアレイ１３が有する複数のスリットの並びに対応しており、回折格子１６は、凹面鏡１５からの複数の光のそれぞれの分光スペクトル（つまり、分光スペクトルの複数）を、一定の空間位置だけずらすように、並べて出力する。
なお、第１スリットアレイ１３と回折格子１６とを合わせたものは、入力光を入力とし、入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する分光器の一例ということができる。
第２ミラー１７は、回折格子１６から出力され、凹面鏡１５で反射された複数の分光スペクトルの並びを、第２スリットアレイ１８に向けて反射する。
第２スリットアレイ１８は、第２ミラー１７からの複数の分光スペクトルの並びに対して、所望の３箇所以上の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有するスリットアレイの一例である。３以上のスリットは、平行に並べられ、入力される複数の分光スペクトルに対して、高い波長分解能で検出したい波長に対応する所望の位置に配置される。例えば、入力される複数の分光スペクトルのそれぞれに、検出したい２つのピーク（第１ピーク及び第２ピーク）が含まれる場合には、３以上のスリットの中に、第１ピークのうちの所望の波長成分の光を通過させる少なくとも一つのスリット、及び、第２ピークのうちの所望の波長成分の光を通過させる少なくとも一つのスリットが含まれることとなるように、３以上のスリットを配置しておく。よって、３以上のスリットの並びは、一定のピッチで配置されてもよいし、少なくとも２以上のピッチが異なるように配置されてもよい。ただし、第２スリットアレイ１８を構成する複数のスリットの間隔は、撮像素子１９を構成する画素の間隔と同じかそれ以上に大きいことが望ましい。
撮像素子１９は、スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を受光する、画素の並びで構成される撮像素子の一例である。具体的には、撮像素子１９は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の固体撮像素子である。なお、撮像素子１９は、イメージセンサに限られず、独立した複数のフォトセンサの並びであってもよい。
図２Ｂは、本実施の形態に係る光検出装置１０の基本動作（つまり、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出方法）を示すフローチャートである。
まず、導光ファイバ１１を介して入力光が入力されると、コリメータ１２、第１スリットアレイ１３及び回折格子１６により、入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて生成する（分光ステップＳ１０）。次に、第２スリットアレイ１８により、分光ステップＳ１０で生成された複数の分光スペクトルの並びに対して、所望の３箇所以上の波長成分の光を通過させることで、検出したい所望の波長成分を選択する（波長選択ステップＳ１１）。最後に、撮像素子１９により、第２スリットアレイ１８を通過した３以上の波長成分の光の強度を検出する（検出ステップＳ１２）。
図３は、本実施の形態に係る光検出装置１０による波長成分の検出原理を説明する図である。図３の（ａ）は、回折格子１６から出力され、凹面鏡１５及び第２ミラー１７を経て、第２スリットアレイ１８に入力される複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋの並びを示す。本実施の形態では、入力光が広帯域な信号であるために、本図に示されるように、第２スリットアレイ１８に入力される複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋは、従来技術の検出原理を示す図１とは異なり、一部の波長成分が空間的に重なった状態で、ｘ軸方向に並んでいる。なお、図３の（ａ）には、撮像素子１９を構成する画素（ここでは、６個の画素）の大きさ（つまり、分解能）を示す枠（６個に区分された実線枠）も同時に示されている。また、図３の（ａ）では、複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋは、ｘ軸と直交する方向にずれて配置されているが、必ずしもその必要はなく、ｘ軸と直交する方向において同じ位置に配置されてもよい。
図３の（ｂ）は、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット５１ａ～５１ｆの配置例を示す。ここでは、理解を容易にするために、図３の（ａ）に示される複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋの並びにおけるそれぞれの分光スペクトルに対して、少しずつｘ軸方向にずらした波長帯域の光を通過させるように、複数のスリット５１ａ～５１ｆが配置された例が示されている。
図３の（ｃ）は、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット５１ａ～５１ｆを通過した複数の光５２～５７（つまり、図３の（ａ）に示されるように、撮像素子１９を構成する６個の画素で検出される複数の光）のそれぞれの波長成分を示す図である。本図に示されるように、複数のスリット５１ａ～５１ｆを通過した複数の光５２～５７のそれぞれには、従来技術の検出原理を示す図１とは異なり、一つの波長成分だけが含まれるのではなく、図３の（ａ）に示される複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋにおけるｘ軸方向の同じ位置に対応する複数の波長成分が含まれている。
具体的には、図３の（ｃ）に示されるように、スリット５１ａを通過した光５２には、６つの波長成分５２ａ～５２ｆが含まれる。波長成分５２ａは、スリット５１ａの位置に対応する分光スペクトル５０ａの波長成分であり、波長成分５２ｂは、スリット５１ａの位置に対応する分光スペクトル５０ｂの波長成分であり、波長成分５２ｃは、スリット５１ａの位置に対応する分光スペクトル５０ｃの波長成分であり、（以下、同様の記載を省略し）、波長成分５２ｆは、スリット５１ａの位置に対応する分光スペクトル５０ｆの波長成分である。
同様に、スリット５１ｂを通過した光５３には、６つの波長成分５３ａ～５３ｆが含まれる。波長成分５３ａは、スリット５１ｂの位置に対応する分光スペクトル５０ｂの波長成分であり、波長成分５３ｂは、スリット５１ｂの位置に対応する分光スペクトル５０ｃの波長成分であり、波長成分５３ｃは、スリット５１ｂの位置に対応する分光スペクトル５０ｄの波長成分であり、（以下、同様の記載を省略し）、波長成分５３ｆは、スリット５１ｂの位置に対応する分光スペクトル５０ｇの波長成分である。以下、同様に、スリット５１ｃ～５１ｆを通過した光５４～５７のそれぞれについて、スリット５１ｃ～５１ｆの位置に対応する６つの分光スペクトルでの波長成分が含まれる。
例えば、いま、入力光は、１５００ｎｍ付近の波長成分を含んでおり、回折格子１６は、１５００ｎｍ付近の波長成分を分散した分光スペクトルの並びを出力しているとする。そして、図３の（ａ）に示される複数の分光スペクトル５０ａ～５０ｋの並びにおけるｘ軸方向の位置ずれが１．５ｎｍに相当する位置ずれとする。さらに、図３の（ｂ）に示される複数のスリット５１ａ～５１ｆは、対応する分光スペクトルに対して、ｘ軸方向に０．１ｎｍずつずれて配置されているとする（すなわちスリット５１ａ～５１ｆの間隔は１．６ｎｍ）。このｘ軸方向の位置ずれは、ヴァーニア効果を発揮させるためである。
すると、図３の（ｃ）に示される複数の光のうち、光５２は、１５００ｎｍ（５２ｆ）と、１５０１．５ｎｍ（５２ｅ）と、１５０３ｎｍ（５２ｄ）と、１５０４．５ｎｍ（５２ｃ）と、１５０６ｎｍ（５２ｂ）と、１５０７．５ｎｍ（５２ａ）というように、１．５ｎｍの波長周期でずれた波長成分５２ａ～５２ｆを含んでいる。同様に、光５３は、１５００．１ｎｍ（５３ｆ）と、１５０１．６ｎｍ（５３ｅ）と、１５０３．１ｎｍ（５３ｄ）と、１５０４．６ｎｍ（５３ｃ）と、１５０６．１ｎｍ（５３ｂ）と、１５０７．６ｎｍ（５３ａ）というように、左に隣接する光５２が含む波長成分よりも０．１ｎｍだけ大きい波長での波長成分５３ａ～５３ｆを含んでいる。このように、第２スリットアレイ１８を通過した複数の光５２～５７は、０．１ｎｍという高い波長分解能で波長成分が分離されていると同時に、１．５ｎｍの整数倍という広い波長帯域だけ離れた波長成分も同時に観測される。
以上の検出原理を用いた本実施の形態に係る光検出装置１０の具体的な構成例を説明する。
図４は、本実施の形態に係る光検出装置１０に入力される入力光の一例であるラマン散乱光のスペクトル例を示す図である。ここには、同定の対象となる第１試料から得られるラマン散乱光のスペクトル６０ａ（実線）、及び、第１試料に類似するが別の第２試料から得られるラマン散乱光のスペクトル６０ｂ（破線）の例が示されている。いま、第１試料から得られるラマン散乱光を入力光とする場合を考える。この入力光は、波数が１６７０ｃｍ－１付近と１７３０ｃｍ－１付近にピークがあるスペクトルをもつ（ラマン散乱光のスペクトル６０ａ参照）。このように、波数が６０ｃｍ－１という広い波長帯域だけ離れた２つのピークに対して、波数で０．１ｃｍ－１という高い波長分解能で波長成分を検出する例を説明する。
図５は、本実施の形態に係る光検出装置１０により、図４に示される入力光に含まれる２つのピークに対して高い波長分解能で波長成分を検出する検出原理及び光検出装置１０の構成例を説明する図である。図５の（ａ）は、回折格子１６から出力され、凹面鏡１５及び第２ミラー１７を経て、第２スリットアレイ１８に入力される複数の分光スペクトルの例を示す（ここでは、複数の分光スペクトルのうちの一つの分光スペクトル６２だけが図示されている）。なお、分光スペクトル６２では、第１試料のラマン散乱光のスペクトル６０ａを実線のスペクトルで示し、参考までに、第２試料のラマン散乱光のスペクトル６０ｂを破線のスペクトルで示している。また、図５の（ａ）における枠（６個に区分された実線枠）は、撮像素子１９を構成する画素（ここでは、６個の画素）の大きさ（つまり、分解能）を示している。
本図に示される２つのピーク６２ａ及び６２ｂは、それぞれ、波数が１６７０ｃｍ－１付近のピークと、波数が１７３０ｃｍ－１付近のピークに対応する。実際には、複数の分光スペクトル（分光スペクトルの複製）の並びが第２スリットアレイ１８に入力される。ここで、複数の分光スペクトルの並びは、波数に換算して、５ｃｍ－１（これは、例えば、撮像素子１９の分解能に相当する）だけｘ軸方向にずれた並びとなるように、第１スリットアレイ１３が有する複数のスリットの並びにおけるピッチを設計しておく。
図５の（ｂ）は、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット６３ａ～６３ｆの配置例を示す。ここでは、図５の（ａ）に示される一つの分光スペクトル６２に対して検出したい波長に相当する位置に複数のスリット６３ａ～６３ｆ等が配置された例が示されている。具体的には、例えば、図示されたスリット６３ａ～６３ｆのうちスリット６３ｃは、図５の（ａ）に示される分光スペクトル６２における波数が１６７０ｃｍ－１（つまり、一つ目のピーク６２ａ）付近に相当する位置に配置され、スリット６３ｅは、図５の（ａ）に示される分光スペクトル６２における波数が１７３０ｃｍ－１（つまり、２つ目のピーク６２ｂ）付近に相当する位置に配置される。なお、スリット６３ａ～６３ｆそれぞれ自体の幅は、例えば、ヴァーニア効果によって発揮される波長分解能に対応する値（ここでは、波数で０．１ｃｍ－１に相当する値）となるように設計しておく。ただし、スリット６３ａ～６３ｆそれぞれ自体の幅は、ヴァーニア効果によって発揮される波長分解能に対応する値に限定されず、各スリットを通過させたい波長帯域の大きさに応じて、ヴァーニア効果によって発揮される波長分解能に対応する値よりも小さい値、あるいは、ヴァーニア効果によって発揮される波長分解能に対応する値よりも大きい値、あるいは、それらが混在していてもよい。
図５の（ｃ）は、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット６３ａ～６３ｆを通過した複数の光６４～６９（つまり、撮像素子１９で検出される複数の光）のそれぞれの波長成分を示す図である。いま、光６６に着目すると、この光６６には、波数が１６５０ｃｍ－１の波長成分６６ａと、１６５５ｃｍ－１の波長成分６６ｂと、１６６０ｃｍ－１の波長成分６６ｃと、１６６５ｃｍ－１の波長成分６６ｄと、１６７０ｃｍ－１の波長成分６６ｅと、１６７５ｃｍ－１の波長成分６６ｆというように、５ｃｍ－１の波数周期でずれた波長成分（かつ、波数で０．１ｃｍ－１に相当する帯域幅での成分）を含んでいる。ところが、図４に示される入力光のスペクトルから分かるように、この光６６に含まれる複数の波長成分６６ａ～６６ｆのうち、波数が１６７０ｃｍ－１の波長成分６６ｅを除く他の波数での波長成分の量は、相対的に低い。よって、この光６６には、実質的に、波数が１６７０ｃｍ－１の波長成分６６ｅだけが含まれる。その結果、この光６６を受光した撮像素子１９の画素が示す光の強度は、実質的に、波数が１６７０ｃｍ－１の波長成分６６ｅ、つまり、一つ目のピーク６２ａにおける中心位置での強度（つまり、波数で１６７０ｃｍ－１における０．１ｃｍ－１の帯域幅での成分）だけを示す。
同様に、図５の（ｃ）において、光６８に着目すると、この光６８には、波数が１７２５ｃｍ－１の波長成分６８ａと、１７３０ｃｍ－１の波長成分６８ｂと、１７３５ｃｍ－１の波長成分６８ｃと、１７４０ｃｍ－１の波長成分６８ｄと、１７４５ｃｍ－１の波長成分６８ｅと、１７５０ｃｍ－１の波長成分６８ｆというように、５ｃｍ－１の波数周期でずれた波長成分（かつ、波数で０．１ｃｍ－１に相当する帯域幅での成分）を含んでいる。ところが、図４に示される入力光のスペクトルから分かるように、この光６８に含まれる複数の波長成分のうち、波数が１７３０ｃｍ－１の波長成分６８ｂを除く他の波数での波長成分の量は、相対的に低い。よって、この光６８には、実質的に、波数が１７３０ｃｍ－１の波長成分６８ｂだけが含まれる。その結果、この光６８を受光した撮像素子１９の画素が示す光の強度は、実質的に、波数が１７３０ｃｍ－１の波長成分６８ｂ、つまり、二つ目のピーク６２ｂにおける中心位置での強度（つまり、波数で１７３０ｃｍ－１における０．１ｃｍ－１の帯域幅での成分）だけを示す。
よって、図５を用いて例示した仕様の構成を備える光検出装置１０によれば、波数が１６７０ｃｍ－１付近と１７３０ｃｍ－１付近にピークをもつ入力光（つまり、ラマン散乱光）に対して、０．１ｃｍ－１の帯域幅という高い波長分解能で、かつ、６０ｃｍ－１という広い波長帯域だけ離れた２つのピークでの波長成分を検出できている。
いま、このような光検出装置１０を用いて、図４に示される第２試料から得られるラマン散乱光のスペクトル６０ｂを検出する場合を考える。図４に示される第２試料のラマン散乱光のスペクトル６０ｂは、第１試料から得られるラマン散乱光のスペクトル６０ａと類似するが、ピークの位置がわずかに低い波数の方向にずれている（図５の（ａ）の破線のスペクトル参照）。このようなラマン散乱光を入力光として光検出装置１０で検出した場合には、ピーク位置のずれにより、図５の（ｃ）における光６６に含まれる１６７０ｃｍ－１の波長成分は、第１試料のケースに比べ、大きく減少する。同様に、図５の（ｃ）における光６８に含まれる１７３０ｃｍ－１の波長成分は、第１試料のケースに比べ、大きく減少する。よって、このような光検出装置１０を用いることで、図４に示される２つのスペクトル６０ａ及び６０ｂを弁別することができ、第１試料と第２試料の同定が可能になる。
このように、本実施の形態に係る光検出装置１０は、ヴァーニア効果による出力波長における副尺成分の周期性を利用することにより、広帯域な波長信号を高い波長分解能で検出する。なお、図５の（ｂ）の例において、第２スリットアレイ１８には、広い波長帯域にわたる所望の２つの波長のピーク６２ａ及び６２ｂのそれぞれに対して一つのスリットが配置された。この場合、他のスリットの数や位置は任意でもよいため、第２スリットアレイ１８の３以上のスリットの並びにおける少なくとも２以上のピッチは、異なってもよい。
なお、図５の（ｂ）に示される例では、第２スリットアレイ１８には、図５の（ａ）に示される一つの分光スペクトルに含まれる２つのピーク６２ａ及び６２ｂのそれぞれに対して一つのスリットが配置された。しかしながら、検出したい一つのピークに対して、一つのスリットだけでなく、複数のスリットを設けてもよい。つまり、検出したい一つのピークに対して、２箇所以上の波長成分を検出してもよい。
図６は、本実施の形態に係る光検出装置１０により、検出したい一つのピークに対して２箇所以上の波長成分を検出する検出原理及び光検出装置１０の構成例を説明する図である。
図６の（ａ）は、回折格子１６から出力され、凹面鏡１５及び第２ミラー１７を経て、第２スリットアレイ１８に入力される複数（ここでは、３つ）の分光スペクトル７０～７２の例を示す。分光スペクトル７０～７２のそれぞれにおける２つのピーク７０ａ及び７０ｂ、７１ａ及び７１ｂ、７２ａ及び７２ｂは、例えば、それぞれ、波数が１６７０ｃｍ－１付近のピークと、波数が１７３０ｃｍ－１付近のピークである。ここで、複数の分光スペクトルの並びは、波数に換算して、５ｃｍ－１だけｘ軸方向にずれた並びとなるように、第１スリットアレイ１３が有する複数のスリットの並びにおけるピッチを設計しておく。
図６の（ｂ）は、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット７３ａ～７３ｆの配置例を示す。ここで、スリット７３ａは、図６の（ａ）に示される分光スペクトル７０における１６７０ｃｍ－１に相当する位置に配置され、スリット７３ｂは、図６の（ａ）示される分光スペクトル７１における１６７０．１ｃｍ－１に相当する位置に配置され、スリット７３ｃは、図６の（ａ）に示される分光スペクトル７２における１６７０．２ｃｍ－１に相当する位置に配置され、スリット７３ｄは、図６の（ａ）に示される分光スペクトル７０における１７３０ｃｍ－１に相当する位置に配置され、スリット７３ｅは、図６の（ａ）に示される分光スペクトル７１における１７３０．１ｃｍ－１に相当する位置に配置され、スリット７３ｆは、図６の（ａ）に示される分光スペクトル７２における１７３０．２ｃｍ－１に相当する位置に配置されている。このように、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリット７３ａ～７３ｆのうち、左側に配置された３つのスリット７３ａ～７３ｃは、対応する分光スペクトルにおける１６７０ｃｍ－１付近の波数に対応する位置において波数に換算して０．１ｃｍ－１だけｘ軸方向にずれて配置され、一方、右側に配置された３つのスリット７３ｄ～７３ｆは、対応する分光スペクトル１７３０ｃｍ－１付近の波数に対応する位置において、波数に換算して、０．１ｃｍ－１だけｘ軸方向にずれて配置されている。
このような第２スリットアレイ１８を通過した複数の光は、図５を参照して説明したように、実質的に、以下の波長成分を含む。つまり、図６の（ｂ）に示される６つのスリット７３ａ～７３ｆのうち、左側に配置された３つのスリット７３ａ～７３ｃを通過した光は、それぞれ、波数が１６７０ｃｍ－１、１６７０．１ｃｍ－１、及び、１６７０．２ｃｍ－１の波長成分、つまり、一つ目のピークにおける中心付近での強度を示す。また、右側に配置された３つのスリット７３ｄ～７３ｆを通過した光は、それぞれ、波数が１７３０ｃｍ－１、１７３０．１ｃｍ－１、及び、１７３０．２ｃｍ－１の波長成分、つまり、２つ目のピークにおける中心付近での強度を示す。
よって、図６を用いて例示した仕様の構成を備える光検出装置１０によれば、波数が１６７０ｃｍ－１付近と１７３０ｃｍ－１付近にピークをもつ入力光（つまり、ラマン散乱光）に対して、６０ｃｍ－１という広い波長帯域だけ離れた２つのピークのそれぞれについて、０．１ｃｍ－１という高い波長分解能で波長成分を検出できる。
なお、スリット７３ａ～７３ｃを通過した光を検出する撮像素子１９の画素と、スリット７３ｄ～７３ｆを通過した光を検出する撮像素子１９の画素とは、大きく離れすぎないように工夫することが望ましい。そのために、第２スリットアレイ１８におけるこれらのスリットの配置位置を接近させる、あるいは、これらの光が接近して撮像素子１９に入射されるように凹面鏡１５及び第２ミラー１７による光路設計をしておく等の工夫をすればよい。逆に、波長が接近した複数のピークを検出する場合には、これらと逆の工夫をするとよい。
また、本発明は、光検出装置１０の設計方法として実現することもできる。つまり、本発明は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置の設計方法であって、上記実施の形態に係る光検出装置１０の設計において、第２スリットアレイ１８が有する３以上のスリットに、第１ピーク及び第２ピークが含まれることが既知である分光スペクトルに対して、第１ピークの光を通過させるスリット、及び、第２ピークの光を通過させるスリットが含まれることとなるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定するステップを含んでもよい。これにより、従来よりも広い波長帯域にわたって、入力光に含まれる所望の波長成分を高い波長分解能で検出できる光検出装置の設計方法が実現される。
次に、本実施の形態に係る光検出装置１０を、光ファイバセンシングにおけるインテロゲータ内で用いられるコアエンジン（分光器）に適用した例を示す。
図７は、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いた光ファイバセンシングシステム２０の構成例を示すブロック図である。ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源２１から出射された光は、光ファイバを経て、バンドパスフィルタ２２に入力され、検出に必要な帯域の光だけがバンドパスフィルタ２２から出力され、サーキュレータ２３を経て、ＦＢＧセンサ２４に入力される。ＦＢＧセンサ２４は、温度制御可能な恒温室２６に置かれている。ＦＢＧセンサ２４からの反射光は、サーキュレータ２３を経て、光の波長を計測するインテロゲータ２５内のコアエンジンである光検出装置１０に入力される。
図８は、図７におけるＦＢＧセンサ２４の原理を説明する図である。ＦＢＧセンサ２４は、光ファイバ内に回折格子を刻んだ構成を備える。帯域を持った入力光がＦＢＧセンサ２４を通過する際に、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長成分がＦＢＧセンサ２４により反射し、他の波長成分は透過する。ＦＢＧセンサ２４が置かれている温度が変わると光ファイバが伸縮し、その伸縮に伴ってＦＢＧセンサ２４の間隔（つまり、回折格子の間隔）も変わるので、反射するブラッグ波長も変化する。このＦＢＧセンサ２４では、温度が１０℃上昇すると、反射光のスペクトルが０．１ｎｍの波長だけ低い方向にシフトする。
図９は、図７に示される光ファイバセンシングシステム２０における光検出装置１０で得られた測定結果例を示す３次元図である。横軸は、光検出装置１０の撮像素子１９が有する画素の番号を示し、縦軸は、恒温室２６によって実現したＦＢＧセンサ２４の温度を示し、高さ軸は、画素が検出した波長成分の強度を示す。ここでは、恒温室２６によってＦＢＧセンサ２４の温度を１０℃ずつ変化させた実験における、光検出装置１０の撮像素子１９が有する各画素で検出された強度の変化が示されている。
なお、光検出装置１０は、例えば、図６を用いた説明と同様の構成を備える。つまり、光検出装置１０は、入力光に含まれる複数のピークのそれぞれに対して０．１ｎｍの波長分解能で複数の波長箇所を検出する。
図９から分かるように、光検出装置１０により、１０℃の温度変化に対応してピークの位置がシフトしていることが鮮明に判別できている。
次に、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いてオリーブオイルの分析（種類の判別及び不良検出）を行った実験例を説明する。
光検出装置１０を用いて試料を分析するには、入力光におけるどの波長成分を検出するかが重要となるので、まず、試料の分析に適した光検出装置１０の設計方法（つまり、製造方法ともいえる）について、説明する。
図１０は、実験に用いる光検出装置１０の設計方法を示すフローチャートである。ここでは、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットを入力光のどの波長に合わせるかについての決定手順が示されている。
まず、試料（ここでは、オリーブオイル）の分析に適した３以上の測定波長を決定し（測定波長決定ステップＳ２０）、次に、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットに、測定波長決定ステップＳ２０で決定された３以上の測定波長の光のそれぞれを通過させるスリットが含まれるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定する（位置決定ステップＳ２１）。
測定波長決定ステップＳ２０では、より詳しくは、試料（ここでは、オリーブオイル）についての複数の分光スペクトル（ここでは、透過スペクトル）を取得し（Ｓ２０ａ）、取得した複数の分光スペクトルに対してスパース主成分分析を行うことで（Ｓ２０ｂ）、３以上の測定波長を特定する。つまり、圧縮センシングによって分光スペクトルを復元するのに適した３以上の測定波長を決定する。なお、スパース主成分分析とは、次元圧縮のための統計学上のデータ解析の一つである主成分分析であって、主成分がなるべく０になるように推定（つまり、スパース推定）する分析手法である。
図１１は、図１０におけるスパース主成分分析に用いられたオリーブオイルの透過スペクトルの例を示す図である。ここでは、３種類のオリーブオイル（Ａ、Ｂ、Ｃ）の透過スペクトル（それぞれ、実線、破線、点線）が示されている。各透過スペクトルは、１０００点の測定データ（１０００個の波長成分）で構成される。
図１２は、図１０におけるスパース主成分分析による処理の概要を示す図である。３種類のオリーブオイル（Ａ、Ｂ、Ｃ）のそれぞれについて複数の透過スペクトル（図１２の（ａ））から、複数の主成分（波長成分を要素とするベクトル）が生成され（図１２の（ｂ））、さらに、スパース推定によって測定する必要がある波長成分が削減され（図１２の（ｃ））、その結果、３つの測定波長に絞り込まれたこと（図１２の（ｄ））が示されている。
図１３は、図１０におけるスパース主成分分析によって得られた３つの測定波長を示す図である。図中の（i）第１主成分ベクトル、（ii）第２主成分ベクトル、及び、（iii）第３主成分ベクトルが、実験におけるスパース主成分分析によって得られた３つの測定波長である。
光検出装置１０の製作では、このようなスパース主成分分析によって得られた図１３に示される３つの測定波長のそれぞれを通過させるスリットが含まれるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定した。具体的には、回折格子１６等で構成される分光器から出力される複数の分光スペクトルが１５１．２μｍの間隔で並ぶように、分光器（つまり、主尺）を構成し、出力された複数の分光スペクトルの並びに対して、第２スリットアレイ１８のスリットの並び及び撮像素子１９（つまり、副尺）によって１６６．３２μｍの間隔で波長成分を検出し、かつ、スパース主成分分析によって得られた図１３に示される３つの測定波長に対応する位置にある３つのスリットを通過した光のそれぞれが検出されるように、第２スリットアレイ１８のスリットの並び及び撮像素子１９（つまり、副尺）を構成した。上記主尺及び副尺によって得られる波長分解能は、０．１２５ｎｍであった。
なお、あらかじめ波長フィルタ等により、入力光の分光スペクトルの特徴箇所に対応する波長（前記３つの波長）以外の波長の光を、第２スリットアレイ１８のスリットを通過しないように除いておいてもよい。
また、撮像素子１９として、図１４に示されるように、３個のフォトセンサ１９ａ～１９ｃを並べたもの（つまり、フォトセンサアレイ）を使用してもよい。さらに、撮像素子１９（フォトセンサアレイ等）の並ぶ間隔は、測定波長に対応する位置にあるスリットを通過した光が検出されるようであれば、必ずしも等間隔でなくてもよい。
（実験１）
以上の設計方法に従って製作した光検出装置１０を用いて、種類が既知の複数のオリーブオイルＡ、Ｂ及びＣの透過スペクトルを測定する実験をしたので、その内容及び結果を説明する。
図１５は、実験１における光検出装置１０による測定で得られた３つの波長成分の例を示す図である。より詳しくは、図１５の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、複数のオリーブオイルＡ、Ｂ及びＣの測定で得られた３つの波長成分の代表例を示している。
図１６は、図１５に示された光検出装置１０による測定結果を３次元の分布で表した図である。ここでは、複数のオリーブオイルＡ、Ｂ及びＣの測定結果が、３つの波長成分のそれぞれに対応する軸で構成される３次元空間にプロット（それぞれ、黒丸、黒三角、黒四角）された図が示されている。個々のプロットが、個々のオリーブオイルの測定結果（３つの波長成分）に対応する。
図１６において破線で囲まれた枠で示されるように、複数のオリーブオイルＡ、Ｂ及びＣの測定結果は、３つの波長成分に対応する３次元空間において、重なることなく分離された領域に分布している。このことから、種類が未知のオリーブオイルの種類を判別するために、通常であれば、１０００点で構成されるオリーブオイルの透過スペクトルを分析する必要があるのに対して、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いることで、わずか３点の波長成分の測定結果を用いてオリーブオイルの種類を判別できることが分かる。つまり、９９．７％のデータ削減率が実現されていることが分かる。
なお、本実験では、オリーブオイルの透過スペクトルを測定したが、対象の試料によっては、吸収スペクトルを測定してもよい。
図１７は、実験１で得られた知見を利用した試料の分類方法を示すフローチャートである。ここでは、種類が未知の試料について、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、その種類を判別する試料分類方法の手順が示されている。
まず、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによってスペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する（測定波長決定ステップＳ３０）。このステップは、例えば、図１０のステップＳ２０（ステップＳ２０ａ～２０ｂ）の処理（つまり、スパース主成分分析）である。
次に、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、種類が既知の複数の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ３０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と試料の種類とを対応づけた参照データを生成する（参照データ生成ステップＳ３１）。この処理は、例えば、図１５及び図１６を用いて説明した処理である。参照データは、例えば、図１６に示されるデータである。
最後に、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、種類が未知の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ３０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と参照データ生成ステップＳ３１で生成された参照データとを照合することで、種類が未知の試料の種類を判別する（判別ステップＳ３２）。例えば、種類が未知の試料から得られた３以上の測定波長の波長成分が、図１６に示される分布におけるいずれの領域に属するかを判別することで、属する領域に対応する種類を判別結果とする。この判別ステップＳ３２は、種類を判別したい試料が複数ある場合には、それら複数の試料について、繰り返される。
このような試料分類方法により、わずか３点の波長成分から試料の種類を判別することができ、簡易な撮像素子１９を備える光検出装置１０による高速な試料分類が実現される。
なお、本実験に係る試料分類方法では、本実施の形態に係る光検出装置１０を利用するために、圧縮センシングによって３以上の測定波長を決定した（Ｓ３０）。しかしながら、試料分類方法としては、必ずしも、測定波長の個数は、３以上に限られず、３未満であってもよい。例えば、スパース主成分分析によって得られた主成分の数が２である場合には、測定波長の個数は、２であってもよい。要するに、試料分類方法としては、測定波長の個数は、圧縮センシングが可能な個数であればよく、具体的には、スパース主成分分析によって得られた数に設定すればよい。
（実験２）
次に、実験１で用いた光検出装置１０を用いて、オリーブオイルの不良を検出する実験をしたので、その内容及び結果を説明する。本実験では、オリーブオイルＢを良品とし、そのオリーブオイルＢに、様々な混入割合で、不良品としてのオリーブオイルＡを混ぜた複数の試料（ここでは、各混入割合について５０サンプル）を準備し、それら複数の試料を本実施の形態に係る光検出装置１０で測定した。
図１８は、実験２における光検出装置１０による測定で得られた３つの波長成分の例を示す図である。より詳しくは、図１８の（ａ）～（ｆ）は、それぞれ、不良品の混入率が、０、３、５、７、１０、３３重量％である複数の試料の測定で得られた３つの波長成分の代表例を示している。
図１９は、図１８に示された光検出装置１０による測定結果を３次元の分布で表した図である。ここでは、各試料の測定結果が、３つの波長成分のそれぞれに対応する軸で構成される３次元空間にプロットされた図が示されている。個々のプロットが、個々の試料の測定結果（３つの波長成分）に対応する。本図において、黒丸、黒三角、黒四角、白丸、白三角、白四角は、それぞれ、不良品の混入率が、０、３、５、７、１０、３３重量％である試料の測定結果を示す。
図２０は、図１８に示された光検出装置１０による測定結果から不良検出率を算出した結果を示す図である。ここでは、不良品の混入率が０重量％である試料の分布中心からの距離を基に、不良検出率を算出した。つまり、不良品が混入した試料が、不良品の混入率が０重量％である試料が分布している領域外にある場合に「検出できた」と判定し、領域内にある場合に「検出できなかった」と判定し、不良検出率を算出した。本図から分かるように、極めて高い検出率で、各種混入率で不良品が混入した試料を検出できている。
図２１は、実験２で得られた知見を利用した試料の不良検出方法を示すフローチャートである。ここでは、良品か不良品かが未知の試料について、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、良品か不良品を判別する不良検出方法の手順が示されている。
まず、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによってスペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する（測定波長決定ステップＳ４０）。このステップは、例えば、図１０のステップＳ２０（ステップＳ２０ａ～２０ｂ）の処理（つまり、スパース主成分分析）である。
次に、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、良品の複数の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ４０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果を示す参照データを生成する（参照データ生成ステップＳ４１）。この処理は、例えば、図１８の（ａ）及び図１９（黒丸のプロット）を用いて説明した処理である。参照データは、例えば、図１９に示される黒丸プロットのデータである。
最後に、本実施の形態に係る光検出装置１０を用いて、良品か不良品かが未知の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ４０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と参照データ生成ステップＳ４１で生成された参照データとを照合することで、未知の試料が良品か不良品かを判別する（判別ステップＳ４２）。例えば、良品か不良品かが未知の試料から得られた３以上の測定波長の波長成分が、図１９の黒丸プロットに示される分布の領域に属する場合には良品と判別し、属さない場合には不良品と判別する。この判別ステップＳ４２は、良品／不良品を判別したい試料が複数ある場合には、それら複数の試料について、繰り返される。
このような不良検出方法により、わずか３点の波長成分から試料の良／不良を判別することができ、簡易な撮像素子１９を備える光検出装置１０による高速な不良検出が実現される。
なお、本実験に係る不良検出方法では、本実施の形態に係る光検出装置１０を利用するために、圧縮センシングによって３以上の測定波長を決定した（Ｓ４０）。しかしながら、不良検出方法としては、必ずしも、測定波長の個数は、３以上に限られず、３未満であってもよい。例えば、スパース主成分分析によって得られた主成分の数が２である場合には、測定波長の個数は、２であってもよい。要するに、不良検出方法としては、測定波長の個数は、圧縮センシングが可能な個数であればよく、具体的には、スパース主成分分析によって得られた数に設定すればよい。
なお、このような不良検出方法、及び、上述した試料分類方法は、本実施の形態に係る光検出装置１０と、本実施の形態に係る光検出装置１０で検出された光の強度を取得して情報処理を行うコンピュータ装置（プログラム及び参照データ等を保持する記憶装置、プログラムを実行するプロセッサ、光の強度を取得するＡ／Ｄ変換器を含む各種入出力装置など）によって、実現され得る。
以上のように、本実施の形態に係る光検出装置１０は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する装置であって、入力光を入力とし、入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する、回折格子１６等で構成される分光器と、分光器から出力された複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有する第２スリットアレイ１８と、第２スリットアレイ１８を通過した３以上の波長成分の光を受光する、画素の並びで構成される撮像素子１９とを備え、３以上のスリットの並びにおける少なくとも２以上のピッチは、異なる。
これにより、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリットは、従来のように一定ピッチで配置されるのではなく、複数の分光スペクトルの並びに対して、検出したい波長成分に対応する位置に配置される。よって、広い波長帯域だけ離れた複数の箇所であっても、ヴァーニア効果を利用することで、高い波長分解能で所望の波長成分が検出される。
ここで、複数の分光スペクトルの並びでは、隣接する分光スペクトルは、広い波長帯域にわたって所望の波長成分を検出するために、一部が空間的に重ねられており、第２スリットアレイ１８が有する３以上のスリットの少なくとも１つには、複数の分光スペクトルの並びのうち、一部が空間的に重ねられた複数の分光スペクトルにおける同じ空間位置に対応する複数の波長成分の光を通過させる。
これにより、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリットの少なくとも１つを通過した光には、複数の分光スペクトルにおける同じ位置に対応する複数の波長成分が含まれる。しかし入力光が所望の波長成分であるため、スリットごとに検出される光の波長は高い波長分解能で特定される。よって、広い波長帯域だけ離れた複数の箇所であっても、高い波長分解能で所望の波長成分が検出される。
また、一例として、複数の分光スペクトルのそれぞれには、第１ピーク及び第２ピークが含まれ、第２スリットアレイ１８が有する３以上のスリットには、第１ピークの光を通過させるスリット、及び、第２ピークの光を通過させるスリットが含まれる。
これにより、広い波長帯域だけ離れた２つのピークのそれぞれについて、高い波長分解能で所望の波長成分が検出される。
このとき、撮像素子１９が有する画素の並びは、所望の波長帯域の光の受光に必要な数の画素の並びで構成され、第１ピークと第２ピークとは、例えば、複数の分光スペクトルの並ぶ間隔に相当する波長帯域よりも大きい波長だけ離れていてもよい。なお所望の波長帯域とは、所望の波長成分を含む波長帯域のことである。
これにより、従来では一度に観測することができなかった広帯域な入力光に対して、広い波長帯域だけ離れた２つのピークのそれぞれについて、高い波長分解能で所望の波長成分が検出される。
また、本実施の形態に係る光検出方法は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する方法であって、入力光が入力されると、入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する分光ステップＳ１０と、３以上のスリットの並びを有する第２スリットアレイ１８により、分光ステップＳ１０で得られた複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる波長選択ステップＳ１１と、画素の並びで構成される撮像素子１９により、第２スリットアレイ１８を通過した３以上の波長成分の光を検出する検出ステップＳ１２とを含み、３以上のスリットの並びにおける少なくとも２以上のピッチは、異なる。
これにより、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリットは、複数の分光スペクトルの並びに対して、検出したい波長成分に対応する位置に配置しておける。よって、広い波長帯域だけ離れた複数の箇所であっても、ヴァーニア効果を利用することで、高い波長分解能で所望の波長成分が検出される。
また、本実施の形態に係る光検出装置１０の設計方法は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置１０の設計方法であって、光検出装置１０は、入力光を入力とし、入力光の分光スペクトルの複製を複数、並べて出力する、回折格子１６等で構成される分光器と、分光器から出力された複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有する第２スリットアレイ１８と、第２スリットアレイ１８を通過した３以上の波長成分の光を受光する画素の並びで構成される撮像素子１９とを備え、設計方法は、３以上のスリットに、入力光の分光スペクトルの特徴箇所に対応する波長の光を通過させるスリットが含まれるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定する位置決定ステップＳ２１を含む。
これにより、第２スリットアレイ１８が有する複数のスリットは、従来のように一定ピッチで配置されるのではなく、複数の分光スペクトルの並びに対して、検出したい波長成分に対応する位置に配置される。よって、広い波長帯域だけ離れた複数の箇所であっても、ヴァーニア効果を利用することで、高い波長分解能で所望の波長成分を検出できる光検出装置が製造される。
ここで、複数の分光スペクトルのそれぞれには、第１ピーク及び第２ピークが含まれ、位置決定ステップＳ２１では、３以上のスリットに、第１ピークの光を通過させるスリット、及び、第２ピークの光を通過させるスリットが含まれるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定してもよい。これにより、分光スペクトルを特徴づける第１ピーク及び第２ピークの波長成分を測定する光検出装置が製造される。
また、本実施の形態に係る設計方法では、さらに、位置決定ステップＳ２１に先立ち、入力光の分光スペクトルを複数取得し、取得した複数の分光スペクトルから、圧縮センシングによって分光スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップＳ２０を含み、位置決定ステップＳ２１では、３以上のスリットに、測定波長決定ステップＳ２０で決定された３以上の測定波長の光のそれぞれを通過させるスリットが含まれるように、第２スリットアレイ１８における３以上のスリットの位置を決定する。
これにより、圧縮センシングによって測定に必要な波長が絞り込まれ、少ない測定波長の光を検出することで入力光を分析する、簡易な構成で、かつ、高速処理が可能な光検出装置が製造される。
また、測定波長決定ステップＳ２０では、取得した分光スペクトルに対して、スパース主成分分析を適用することで、分光スペクトルにおける３以上の測定波長を決定する。これにより、必要な測定波長の数が確実に削減される。
また、本実施の形態に係る試料分類方法は、試料の種類を分類する方法であって、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによってスペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップＳ３０と、上記光検出装置１０を用いて、種類が既知の複数の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ３０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と種類とを対応づけた参照データを生成する参照データ生成ステップＳ３１と、上記光検出装置１０を用いて、種類が未知の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ３０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と参照データとを照合することで、種類が未知の試料の種類を判別する判別ステップＳ３２とを含む。
これにより、圧縮センシングを用いて削減された数の測定波長の光を検出することで試料を分類できるので、簡易な光検出装置による高速な分類が可能になり、製造、分類及び検査等の工程においてインラインで試料を分類する産業用分析器が実現される。
また、本実施の形態に係る不良検出方法は、不良の試料を検出する方法であって、複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによってスペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップＳ４０と、上記光検出装置１０を用いて、良品の複数の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ４０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果を示す参照データを生成する参照データ生成ステップＳ４１と、上記光検出装置１０を用いて、良品か不良品かが未知の試料を対象として、測定波長決定ステップＳ４０で決定された３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と参照データとを照合することで、未知の試料が良品か不良品かを判別する判別ステップＳ４２とを含む。
これにより、圧縮センシングを用いて削減された数の測定波長の光を検出することで試料の良／不良を判別できるので、簡易な光検出装置による高速な不良検出が可能になり、製造、分類及び検査等の工程においてインラインで不良試料を検出する産業用分析器が実現される。
なお、上記実施の形態に係る光検出装置１０は、ヴァーニア効果による出力波長における副尺成分の周期性を利用することにより、広帯域な波長信号を高い波長分解能で検出したが、モアレによる出力波長における副尺成分の周期性を利用してもよい。例えば、変形例に係る光検出装置は、入力光のスペクトルを測定する分光器であって入力光を分離することによって第１ピッチを有する第１縞を形成する縞形成器と、第１縞を分散する回折格子と、分散された第１縞を第１ピッチとは異なる第２ピッチの第２縞に重ね合わせることでモアレを形成するモアレ形成器と、モアレを検出することによって入力光のスペクトルを測定する撮像素子とを備える。縞形成器及びモアレ形成器の少なくとも一方は、シリンドリカルレンズアレイであってもよい。このような構成により、上記実施の形態と同様に、モアレによる出力波長における副尺成分の周期性を利用することにより、広帯域な波長信号を高い波長分解能で検出できる。
また、本発明におけるヴァーニア効果は第１スリットアレイ１３と第２スリットアレイ１８との相対的な空間位置関係により生じるものであり、上記実施の形態は第１スリットアレイ１３と第２スリットアレイ１８とを置き換えて実現させてもよく、また混在させて実現させてもよい。
以上、本発明に係る光検出装置、光検出方法、光検出装置の設計方法、試料分類方法、及び、不良検出方法について、実施の形態、変形例、適用例及び実験例に基づいて説明したが、本発明は、実施の形態、変形例、適用例及び実験例に限定されるものではない。本発明の主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、変形例、適用例及び実験例に施したものや、実施の形態、変形例、適用例及び実験例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置として、例えば、ＦＢＧから出力される反射光、あるいは、ラマン分光光度計で得られるラマン散乱光の波長成分を検出する装置として、より応用的には、光ファイバセンシングにおけるインテロゲータ内で用いられるコアエンジン（分光器）、並びに、製造、分類及び検査等の工程においてインラインで試料を分析する産業用分析器として、利用できる。
１０：光検出装置、１１：導光ファイバ、１２：コリメータ、１３：第１スリットアレイ、１４：第１ミラー、１５：凹面鏡、１６：回折格子、１７：第２ミラー、１８：第２スリットアレイ、１９：撮像素子、１９ａ～１９ｃ：フォトセンサ、２０：光ファイバセンシングシステム、２１：ＡＳＥ光源、２２：バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、２３：サーキュレータ、２４：ＦＢＧセンサ、２５：インテロゲータ、２６：恒温室、５０ａ～５０ｋ，６２，７０～７２：分光スペクトル、５１ａ～５１ｆ，６３ａ～６３ｆ，７３ａ～７３ｆ：スリット、５２～５７，６４～６９：光、５２ａ～５２ｆ，５３ａ～５３ｆ，６６ａ～６６ｆ，６８ａ～６８ｆ：波長成分、６０ａ，６０ｂ：ラマン散乱光のスペクトル、６２ａ，６２ｂ，７０ａ～７２ａ，７０ｂ～７２ｂ：ピーク

Claims (11)

  1. 入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置であって、
    前記入力光を入力とし、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、第１ピッチの間隔で並べて出力する分光器と、
    前記分光器から出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の所望の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有するスリットアレイと、
    前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を受光する、画素の並びで構成される撮像素子とを備え、
    前記３以上のスリットの並びにおける、少なくとも２以上のピッチは、異なり、
    前記２以上のピッチの少なくとも１つである第２ピッチは、前記第１ピッチと異なる
    光検出装置。
  2. 前記複数の分光スペクトルの並びでは、隣接する分光スペクトルは、一部が空間的に重ねられており、
    前記３以上のスリットの少なくとも１つは、前記複数の分光スペクトルの並びのうち、一部が空間的に重ねられた複数の分光スペクトルにおける同じ空間位置に対応する複数の波長成分の光を通過させる
    請求項１記載の光検出装置。
  3. 前記複数の分光スペクトルのそれぞれには、第１ピーク及び第２ピークが含まれ、
    前記３以上のスリットには、前記第１ピークの光を通過させるスリット、及び、前記第２ピークの光を通過させるスリットが含まれる
    請求項１又は２記載の光検出装置。
  4. 前記画素の並びは、所望の波長帯域の光の受光に必要な数の画素の並びで構成され、
    前記第１ピークと前記第２ピークとは、前記複数の分光スペクトルの並ぶ間隔に相当する波長帯域よりも大きい波長だけ離れている
    請求項３記載の光検出装置。
  5. 入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出方法であって、
    前記入力光が入力されると、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、第１ピッチの間隔で並べて出力する分光ステップと、
    ３以上のスリットの並びを有するスリットアレイにより、前記分光ステップで出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の所望の波長成分の光を通過させる波長選択ステップと、
    画素の並びで構成される撮像素子により、前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を検出する検出ステップとを含み、
    前記３以上のスリットの並びにおける、少なくとも２以上のピッチは、異なり、
    前記２以上のピッチの少なくとも１つである第２ピッチは、前記第１ピッチと異なる
    光検出方法。
  6. 入力光に含まれる所望の波長成分を検出する光検出装置の設計方法であって、
    前記光検出装置は、
    前記入力光を入力とし、前記入力光の分光スペクトルの複製を複数、第１ピッチの間隔で並べて出力する分光器と、
    前記分光器から出力された前記複数の分光スペクトルの並びに対して、３箇所以上の所望の波長成分の光を通過させる３以上のスリットの並びを有するスリットアレイと、
    前記スリットアレイを通過した３以上の波長成分の光を受光する画素の並びで構成される撮像素子とを備え、
    前記３以上のスリットの並びにおける、少なくとも１つのピッチである第２ピッチは、前記第１ピッチと異なり、
    前記設計方法は、
    前記３以上のスリットに、前記入力光の分光スペクトルの特徴箇所に対応する波長の光を通過させるスリットが含まれるように、前記スリットアレイにおける前記３以上のスリットの位置を決定する位置決定ステップを含む
    光検出装置の設計方法。
  7. 前記複数の分光スペクトルのそれぞれには、第１ピーク及び第２ピークが含まれ、
    前記位置決定ステップでは、前記３以上のスリットに、前記第１ピークの光を通過させるスリット、及び、前記第２ピークの光を通過させるスリットが含まれるように、前記スリットアレイにおける前記３以上のスリットの位置を決定する
    請求項６記載の光検出装置の設計方法。
  8. さらに、前記位置決定ステップに先立ち、前記入力光の分光スペクトルを複数取得し、取得した前記複数の分光スペクトルから、圧縮センシングによって前記分光スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップを含み、
    前記位置決定ステップでは、前記３以上のスリットに、前記測定波長決定ステップで決定された前記３以上の測定波長の光のそれぞれを通過させるスリットが含まれるように、前記スリットアレイにおける前記３以上のスリットの位置を決定する
    請求項６記載の光検出装置の設計方法。
  9. 前記測定波長決定ステップでは、取得した前記分光スペクトルに対して、スパース主成分分析を適用することで、前記分光スペクトルにおける３以上の測定波長を決定する
    請求項８記載の光検出装置の設計方法。
  10. 試料の種類を分類する試料分類方法であって、
    複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによって前記スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップと、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置を用いて、種類が既知の複数の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記種類とを対応づけた参照データを生成する参照データ生成ステップと、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置を用いて、種類が未知の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記参照データとを照合することで、前記種類が未知の試料の種類を判別する判別ステップと
    を含む試料分類方法。
  11. 不良の試料を検出する不良検出方法であって、
    複数の試料のそれぞれについて透過又は吸収のスペクトルを取得し、取得した複数のスペクトルに対して圧縮センシングによって前記スペクトルを復元するのに用いられる３以上の測定波長を決定する測定波長決定ステップと、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置を用いて、良品の複数の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果を示す参照データを生成する参照データ生成ステップと、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置を用いて、良品か不良品かが未知の試料を対象として、前記３以上の測定波長の波長成分を測定し、得られた測定結果と前記参照データとを照合することで、前記未知の試料が良品か不良品かを判別する判別ステップと
    を含む不良検出方法。
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