JP7487608B2 - 分光測定装置 - Google Patents
分光測定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7487608B2 JP7487608B2 JP2020139157A JP2020139157A JP7487608B2 JP 7487608 B2 JP7487608 B2 JP 7487608B2 JP 2020139157 A JP2020139157 A JP 2020139157A JP 2020139157 A JP2020139157 A JP 2020139157A JP 7487608 B2 JP7487608 B2 JP 7487608B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- wavelength
- spectroscopic measurement
- measurement device
- modulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 77
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 53
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 42
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 15
- 238000001161 time-correlated single photon counting Methods 0.000 claims description 15
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004148 unit process Methods 0.000 claims 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Description
この出願の発明は、特定の波長について対象物の光特性を測定する分光測定の技術に関するものである。
対象物に光照射し、その対象物からの透過光や反射光等を分光器で分光してスペクトルを測定する分光測定の技術は、材料分析の手法として代表的なものの一つである。典型的な分光測定の手法は、回折格子を用いる手法である。入射スリットから入射する被測定光を凹面鏡によって平行光にして回折格子に照射し、回折格子からの分散光を同様に凹面鏡で集光し、集光位置に受光器を配置して検出する。回折格子の姿勢を変化（スキャン）させることで、受光器には順次異なった波長の光が入射し、受光器の出力が分光スペクトルとなる。
このような分光測定の技術分野において、特定の波長の光のみを選択的に受光器で受光する装置が知られている。特許文献１や特許文献２は、この種の装置を開示するものである。
特定の波長の光のみを選択的に受光する場合、バンドパスフィルタのようなフィルタを介して受光するか、レーザーのような特定の波長の光のみを出射する光源を使用して対象物に光照射してその対象物からの光を受光する構成が考えられる。しかしながら、このような手法であると、選択する波長を変更することが難しい。フィルタを数多く用意して交換することが考えられるが、高コストで構造的にも複雑になる。波長の異なる光源を多数用意して交換しながら光照射することも、コストや構造の点で非現実的である。このようなことから、特許文献１や特許文献２の装置が提案されている。
特定の波長の光のみを選択的に受光する場合、バンドパスフィルタのようなフィルタを介して受光するか、レーザーのような特定の波長の光のみを出射する光源を使用して対象物に光照射してその対象物からの光を受光する構成が考えられる。しかしながら、このような手法であると、選択する波長を変更することが難しい。フィルタを数多く用意して交換することが考えられるが、高コストで構造的にも複雑になる。波長の異なる光源を多数用意して交換しながら光照射することも、コストや構造の点で非現実的である。このようなことから、特許文献１や特許文献２の装置が提案されている。
これら特許文献で提案された装置は、ある程度広い波長帯域（選択する可能性のある波長が含まれる帯域）の光を出射する光源からの光を回折格子等の分散素子で空間的に分散させ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）のような空間光変調器で特定の波長の光のみを選択的に取り出して利用する構成となっている。選択する波長を変更する場合には、空間光変調器を制御することで行う。
上記特許文献の他、分散素子としてプリズムを使用したもの（非特許文献１）や、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)型の空間光変調器を使用したもの（非特許文献２）が知られている。
上記特許文献の他、分散素子としてプリズムを使用したもの（非特許文献１）や、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)型の空間光変調器を使用したもの（非特許文献２）が知られている。
Applied Optics, Vol. 56, No. 8 / March 10 2017 / 2359-2367
NATURE PHOTONICS | VOL 10 | AUGUST 2016 534-541
J. Plasma Fusion Res. Vol.92, No.12 (2016)９１７‐９２１
上述した各特許文献や各非特許文献に開示された装置では、回折格子やプリズムのような空間分散素子を使用し、自由空間で光を波長分割して選択している。このため、温度等の環境条件や振動のような外乱の影響を受け易く、信頼性の高い測定を安定して行うことができないという課題がある。
例えば、回折格子やプリズムといった分散素子は、温度によって屈折率が変化し、分散させた各波長の光が進む位置が僅かに変化する。このため、ＤＭＤのような空間光変調器に光が達する際の位置も僅かに変化してしまい、選択される波長も、予定されていたものからずれてしまう。空間光変調器についても、温度依存性を持つ場合があり、温度変化により波長選択の再現性が低下する場合がある。選択波長の再現性低下は、振動のような機構的外乱によっても生じる。分散素子による各波長の分散位置は振動によって空間的に変位するし、ＤＭＤのようなメカニカルな空間光変調器の場合には機構的外乱の影響を受け易い。特に、上述した各特許文献や各非特許文献に開示された装置では、分散素子と空間光変調器とが自由空間を経て接続されているため、温度変化や機構的外乱によって分散素子と空間光変調器の相対的な変位が生じ、選択波長が変化し易い。
本願の発明は、任意波長選択型の分光測定の技術における上記課題を解決するために為されたものであり、環境条件の変化や機構的外乱の影響を受けにくくして高信頼性の任意波長選択型分光測定を安定して行えるようにすることを目的としている。
本願の発明は、任意波長選択型の分光測定の技術における上記課題を解決するために為されたものであり、環境条件の変化や機構的外乱の影響を受けにくくして高信頼性の任意波長選択型分光測定を安定して行えるようにすることを目的としている。
上記課題を解決するため、本願発明の分光測定装置は、選択され得る複数の異なる波長を含む帯域の光を出射する光源と、光源から出射された光を波長分割する導波路型の波長分割素子と、波長分割素子で分割された各波長の光のうち特定の波長の光が選択的に対象物に照射されるように光を変調する変調素子と、変調素子を制御する変調素子制御部と、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光を受光する受光器と、変調素子により選択的に照射された光の波長における対象物の光学特性を受光器からの出力を処理することで得るデータ処理ユニットとを備えており、変調素子制御部は、波長分割素子で分割された各波長の光のうち任意の一つの波長のみが選択されるように変調素子を制御することが可能であるとともに任意の複数の波長が選択されるように変調素子を制御することが可能であり、波長の選択を所定の順序で変化させるシーケンス制御プログラムが実装されている。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、導波路型の波長分割素子は、アレイ導波路回折格子であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、変調素子は、電気光学変調器、熱光学型変調器、音響光学変調器又は機械式ファイバースイッチであり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、ファイバー光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、スーパーコンティニウム光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、導波路型の波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、変調制御部は、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御することが可能であり、データ処理ユニットは、受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、受光器は、対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器は、分光光学系が分光した光を受光する受光器であるというという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、光源はパルス光源であり、変調素子で変調された光を分割してその一方の対象物に照射する分割素子が設けられており、受光器は、分割された一方の光が照射された対象物において発生した蛍光を受光する蛍光用受光器であり、分割素子で分割された他方の光が対象物を経ることなく入射する位置に配置された同期用受光器が設けられており、データ処理ユニットは、同期用受光器の出力及び蛍光用受光器の出力に従って時間相関単一光子計数法を行うモジュールを含んでいるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、変調制御部は、波長分割素子で分割されて出射する全ての波長の光を同時に対象物に照射する変調を行うことができるものであり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、導波路型の波長分割素子は、アレイ導波路回折格子であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、変調素子は、電気光学変調器、熱光学型変調器、音響光学変調器又は機械式ファイバースイッチであり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、ファイバー光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、光源は、スーパーコンティニウム光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、導波路型の波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、変調制御部は、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御することが可能であり、データ処理ユニットは、受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、受光器は、対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器であり得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器は、分光光学系が分光した光を受光する受光器であるというという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置は、光源はパルス光源であり、変調素子で変調された光を分割してその一方の対象物に照射する分割素子が設けられており、受光器は、分割された一方の光が照射された対象物において発生した蛍光を受光する蛍光用受光器であり、分割素子で分割された他方の光が対象物を経ることなく入射する位置に配置された同期用受光器が設けられており、データ処理ユニットは、同期用受光器の出力及び蛍光用受光器の出力に従って時間相関単一光子計数法を行うモジュールを含んでいるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この分光測定装置において、変調制御部は、波長分割素子で分割されて出射する全ての波長の光を同時に対象物に照射する変調を行うことができるものであり得る。
以下に説明する通り、本願発明の分光測定装置によれば、任意波長選択型の分光測定装置において、波長分割素子として導波路型であるアレイ導波路回折格子を使用し、分割された各波長の光を変調素子で変調しており、自由空間での波長分割及び波長選択の構成ではないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。このため、波長選択の精度が高く、任意波長選択の分光測定を精度良く安定して行うことができる。
また、波長分割素子がアレイ導波路回折格子である構成では、分割数を多くするのが容易であるので、この点で好適となる。
また、光源がファイバー光源である構成では、波長分割素子との接続についても自由空間を経ないで行うことができるので、この点でより好適となる。
また、光源がスーパーコンティニウム光源である構成では、上記効果を得つつ選択可能波長帯域を広くできるので、この点でより好適となる。
また、波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されている構成では、既存の波長分割素子を用いることができるので、この点で実用的となる。
また、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御する変調制御部が設けられており、データ処理ユニットが受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであると、極めて簡便な構成にてアダマール分光を行うことができ、また使用環境や外乱の影響を受けにくい。そして、対象物に対して瞬時的に与えられる光エネルギーが小さいので、耐熱性や耐光性の低い対象物についても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
また、受光器が対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器である構成では、任意波長選択照射型の分光測定を二次元で行うことができ、特にハイパースペクトル画像を容易に得ることができる。
また、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器が分光光学系が分光した光を受光する受光器であると、対象物からの光をさらに分光した結果を測定結果として得ることができ、特に蛍光観察の用途において有益な装置となる。
また、光源がパルス光源であって、分割素子で分割された一方の光が入射した対象物において発生した蛍光を蛍光用受光器が捉え、他方の光が入射する位置に同期用受光器が設けられており、蛍光用受光器及び同期用受光器からの入力に従って時間相関単一光子計数法が行われる構成であると、励起光の波長と蛍光寿命との関係を極めて短時間に調べることができる。
また、波長分割素子がアレイ導波路回折格子である構成では、分割数を多くするのが容易であるので、この点で好適となる。
また、光源がファイバー光源である構成では、波長分割素子との接続についても自由空間を経ないで行うことができるので、この点でより好適となる。
また、光源がスーパーコンティニウム光源である構成では、上記効果を得つつ選択可能波長帯域を広くできるので、この点でより好適となる。
また、波長分割素子における各波長の出射端と変調素子とが中継ファイバーで接続されている構成では、既存の波長分割素子を用いることができるので、この点で実用的となる。
また、アダマールマスクの入れ替えに相当するように変調素子を制御する変調制御部が設けられており、データ処理ユニットが受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであると、極めて簡便な構成にてアダマール分光を行うことができ、また使用環境や外乱の影響を受けにくい。そして、対象物に対して瞬時的に与えられる光エネルギーが小さいので、耐熱性や耐光性の低い対象物についても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
また、受光器が対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器である構成では、任意波長選択照射型の分光測定を二次元で行うことができ、特にハイパースペクトル画像を容易に得ることができる。
また、変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、受光器が分光光学系が分光した光を受光する受光器であると、対象物からの光をさらに分光した結果を測定結果として得ることができ、特に蛍光観察の用途において有益な装置となる。
また、光源がパルス光源であって、分割素子で分割された一方の光が入射した対象物において発生した蛍光を蛍光用受光器が捉え、他方の光が入射する位置に同期用受光器が設けられており、蛍光用受光器及び同期用受光器からの入力に従って時間相関単一光子計数法が行われる構成であると、励起光の波長と蛍光寿命との関係を極めて短時間に調べることができる。
以下、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、第一の実施形態に係る分光測定装置の概略図である。この分光測定装置は、複数の異なる波長のうちから一つ又は複数の波長を任意に選択して当該波長の光を対象物Ｓに照射し、光照射された対象物Ｓからの光を受光器７で受光する装置である。
ここでの波長は、厳密な意味で考えると波長帯である。即ち、例えば１１００ｎｍの波長の光とはいっても、厳密には１０９５ｎｍ～１１０４ｎｍの波長の光を意味するといった具合に、厳密に表現すれば「波長帯」ということになる。このように厳密には波長帯であるが、煩雑となるので、以下の説明では単に「波長」と表現する。したがって、ある波長を含む帯域とは、その波長の厳密な意味での帯域よりも広い帯域ということになる。
図１は、第一の実施形態に係る分光測定装置の概略図である。この分光測定装置は、複数の異なる波長のうちから一つ又は複数の波長を任意に選択して当該波長の光を対象物Ｓに照射し、光照射された対象物Ｓからの光を受光器７で受光する装置である。
ここでの波長は、厳密な意味で考えると波長帯である。即ち、例えば１１００ｎｍの波長の光とはいっても、厳密には１０９５ｎｍ～１１０４ｎｍの波長の光を意味するといった具合に、厳密に表現すれば「波長帯」ということになる。このように厳密には波長帯であるが、煩雑となるので、以下の説明では単に「波長」と表現する。したがって、ある波長を含む帯域とは、その波長の厳密な意味での帯域よりも広い帯域ということになる。
図１に示すように、実施形態の分光測定装置は、光源１と、波長分割素子２と、変調素子３とを備えている。
光源１は、対象物Ｓに照射して光特性を知る必要がある波長を含む帯域（以下、測定可能波長帯域という。）の光を出射する光源である。したがって、対象物Ｓの種類や知るべき光特性に応じて選定される。この実施形態では、光源１には、ファイバー光源が使用されており、特にスーパーコンティニウム光（以下、ＳＣ光と記す。）を出射するスーパーコンティニウム光源が使用されている。この明細書では、出射部がファイバーである光源を広くファイバー光源と呼んでいる。ファイバーレーザーが典型的なファイバー光源であるが、測定可能波長帯域という広い波長帯域の光を出射させる必要があるため、この実施形態では光源１としてＳＣ光源が使用されている。
光源１は、対象物Ｓに照射して光特性を知る必要がある波長を含む帯域（以下、測定可能波長帯域という。）の光を出射する光源である。したがって、対象物Ｓの種類や知るべき光特性に応じて選定される。この実施形態では、光源１には、ファイバー光源が使用されており、特にスーパーコンティニウム光（以下、ＳＣ光と記す。）を出射するスーパーコンティニウム光源が使用されている。この明細書では、出射部がファイバーである光源を広くファイバー光源と呼んでいる。ファイバーレーザーが典型的なファイバー光源であるが、測定可能波長帯域という広い波長帯域の光を出射させる必要があるため、この実施形態では光源１としてＳＣ光源が使用されている。
具体的には、光源１は、超短パルスレーザ源１１と、非線形素子１２とを備えている。超短パルスレーザ源１１としては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。非線形素子１２としては、ファイバーが使用されている。例えば、フォトニッククリスタルファイバーやその他の非線形ファイバーが非線形素子１２として使用できる。ファイバーのモードとしてはシングルモードの場合が多いが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、非線形素子１２として使用できる。
ＳＣ光は、超短パルスレーザ源からの光をファイバーのような非線形素子に通し、自己位相変調や誘導ラマン散乱のような非線形光学効果により波長を広帯域化させることで得られる光である。超短パルスレーザ源や非線形素子として適宜のものを選択すると、任意の波長帯域に広がった光を得ることができる。この実施形態では、近赤外域での分光分析を想定しているため、例えば１１００～１２００ｎｍ程度の波長帯域に亘って連続したスペクトルのＳＣ光を出射するものが使用されている。但し、１０００～１３００ｎｍ程度というようにさらに広い帯域のＳＣ光を出射する光源を光源１として使用されることもある。
波長分割素子２は、この実施形態の装置を大きく特徴づけている。この実施形態では、従来とは異なり、導波路型の波長分割素子２が使用されている。導波路型の波長分割素子とは、自由空間ではなく、固体材料で形成された光路（導波路）を通して光を伝搬させる際に光を波長分割する素子を指している。具体的には、この実施形態では、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が波長分割素子２として使用されている。
図２は、波長分割素子２として使用されたアレイ導波路回折格子の平面概略図である。
アレイ導波路回折格子は、光通信用として開発された素子であり、光測定用としての利用は知られていない。図２に示すようにアレイ導波路回折格子は、基板２１上に各機能導波路２２～２６を形成することで構成されている。各機能導波路は、光路長が僅かずつ異なる多数のグレーティング導波路２２と、グレーティング導波路２２の両端（入射側と出射側）に接続されたスラブ導波路２３，２４と、入射側スラブ導波路２３に光を入射させる入射側導波路２５と、出射側スラブ導波路２４から各波長の光を取り出す各出射側導波路２６となっている。
アレイ導波路回折格子は、光通信用として開発された素子であり、光測定用としての利用は知られていない。図２に示すようにアレイ導波路回折格子は、基板２１上に各機能導波路２２～２６を形成することで構成されている。各機能導波路は、光路長が僅かずつ異なる多数のグレーティング導波路２２と、グレーティング導波路２２の両端（入射側と出射側）に接続されたスラブ導波路２３，２４と、入射側スラブ導波路２３に光を入射させる入射側導波路２５と、出射側スラブ導波路２４から各波長の光を取り出す各出射側導波路２６となっている。
入射側導波路２５を通って入射した光は、入射側スラブ導波路２３において広がり、各グレーティング導波路２２に入射する。各グレーティング導波路２２は、僅かずつ長さが異なっているので、各グレーティング導波路２２の終端に達した光は、この差分だけ位相がそれぞれずれる（シフトする）。各グレーティング導波路２２からは光が回折して出射するが、回折光は互いに干渉しながら出射側スラブ導波路２４を通り、出射側導波路２６の入射端に達する。この際、位相シフトのため、干渉光は波長に応じた位置で最も強度が高くなる。つまり、各出射端導波路２６には波長が順次異なる光が入射するようになり、光が空間的に波長分割される。厳密には、そのように分割される位置に各入射端が位置するよう各出射側導波路２６が形成される。
図２に示すようなアレイ導波路回折格子は、光通信の分野で波長分割多重通信 （ＷＤＭ）用に開発されたものであるが、発明者は、用途及び波長域は大きく異なるものの、実施形態の分光測定装置において任意波長選択のための波長分割素子２として使用できることを見出したものである。
このようなアレイ導波路回折格子は、例えばシリコン製の基板２１を表面処理することで作製することができる。具体的には、シリコン製の基板２１の表面に火炎堆積法によりクラッド層（ＳｉＯ２層）を形成し、コア用のＳｉＯ２－ＧｅＯ２層を同様に火炎堆積法により形成した後、フォトリソグラフィによりＳｉＯ２－ＧｅＯ２層をパターン化して各導波路２２～２６を形成し、更にオーバークラッド層（ＳｉＯ２層）を形成することにより作製される。各グレーティング導波路２２の線幅は、例えば５～６μｍ程度である。
形成するグレーティング導波路２２の数は、波長分割数にもよるが、例えば１０００～１３００ｎｍ程度の波長帯域幅に亘って１０～１００個程度の波長帯域に分割する場合、グレーティング導波路の数は３０～３００本程度であり、光は３～３０ｎｍずつ違う波長に分割されて出射される。
このようなアレイ導波路回折格子は、例えばシリコン製の基板２１を表面処理することで作製することができる。具体的には、シリコン製の基板２１の表面に火炎堆積法によりクラッド層（ＳｉＯ２層）を形成し、コア用のＳｉＯ２－ＧｅＯ２層を同様に火炎堆積法により形成した後、フォトリソグラフィによりＳｉＯ２－ＧｅＯ２層をパターン化して各導波路２２～２６を形成し、更にオーバークラッド層（ＳｉＯ２層）を形成することにより作製される。各グレーティング導波路２２の線幅は、例えば５～６μｍ程度である。
形成するグレーティング導波路２２の数は、波長分割数にもよるが、例えば１０００～１３００ｎｍ程度の波長帯域幅に亘って１０～１００個程度の波長帯域に分割する場合、グレーティング導波路の数は３０～３００本程度であり、光は３～３０ｎｍずつ違う波長に分割されて出射される。
変調素子３も、この実施形態の分光測定装置を大きく特徴づけている。変調素子３としては、この実施形態では、電気光学変調器（ＥＯＭ）が使用されている。電気光学変調器は、電気光学結晶に電圧を印加すると屈折率が変化することを利用した素子で、電気光学結晶としては例えばニオブ酸リチウムが使用される。
変調素子３が行う変調は振幅変調であり、オンオフ（透過、遮断）である。図１に示すように、波長分割素子２と各変調素子３は、中継ファイバー４で接続されている。図２に示すように、各中継ファイバー４の入射端は、波長分割素子２としてのアレイ導波路回折格子の各出射側導波路２６に接続されている。各中継ファイバー４の出射端に、各変調素子３が取り付けられている。
変調素子３が行う変調は振幅変調であり、オンオフ（透過、遮断）である。図１に示すように、波長分割素子２と各変調素子３は、中継ファイバー４で接続されている。図２に示すように、各中継ファイバー４の入射端は、波長分割素子２としてのアレイ導波路回折格子の各出射側導波路２６に接続されている。各中継ファイバー４の出射端に、各変調素子３が取り付けられている。
図１に示すように、装置は、変調素子３を制御する変調制御部３０を備えている。変調制御部３０は、各変調素子３に制御信号を送信する制御部である。具体的には、変調制御部３０は、各変調素子３を選択的に動作させ、選択された変調素子３については光を透過させ、選択されなかった変調素子３については光を遮断させる制御部である。
図１に示すように、各変調素子３の出射側には、出射ファイバー５が接続されている。出射ファイバー５は終端は一つに束ねられており、そこに出射端素子５１が設けられている。出射端素子５１としては、例えばアレイ導波路回折格子が使用される。即ち、アレイ導波路回折格子を波長分割素子として使用する場合とは逆向きに光を入射することにより、各出射ファイバー５からの光を1本の導波路に合波することができる。また出射端素子５１として、バンドルファイバーやファンイン／ファンアウトデバイスが使用される場合もあり得る。
尚、変調素子は光のオンオフを行うと説明したが、オフの状態は、変調素子３の構成によっては異なる態様を取り得る。光がそこで減衰して強度が実質的にゼロになる場合もあるし、通常とは異なる方向に反射することで出射ファイバー５に入射しなくなる（伝送されなくなる）場合もあり得る。
図１に示すように、各変調素子３の出射側には、出射ファイバー５が接続されている。出射ファイバー５は終端は一つに束ねられており、そこに出射端素子５１が設けられている。出射端素子５１としては、例えばアレイ導波路回折格子が使用される。即ち、アレイ導波路回折格子を波長分割素子として使用する場合とは逆向きに光を入射することにより、各出射ファイバー５からの光を1本の導波路に合波することができる。また出射端素子５１として、バンドルファイバーやファンイン／ファンアウトデバイスが使用される場合もあり得る。
尚、変調素子は光のオンオフを行うと説明したが、オフの状態は、変調素子３の構成によっては異なる態様を取り得る。光がそこで減衰して強度が実質的にゼロになる場合もあるし、通常とは異なる方向に反射することで出射ファイバー５に入射しなくなる（伝送されなくなる）場合もあり得る。
この実施形態では、出射端素子５１から出射される光を対象物Ｓに照射するための照射光学系５０が設けられている。照射光学系５０は、コリメートレンズ５２を含んでいる。コリメートレンズ５２は、対象物Ｓのサイズに応じてビームをコリメートして照射するための素子である。
この例では、対象物Ｓは受け板６に載置されるようになっており、照射光学系５０は受け板６上の対象物Ｓに照射するための光学系である。この例ではミラーを使用しているが、導光用ファイバーを使用する場合もある。導光用ファイバーを使用する場合、出射端素子５１に導光用ファイバーを接続し、その終端にコリメートレンズ５２を取り付ける構成が採用され得る。
この例では、対象物Ｓは受け板６に載置されるようになっており、照射光学系５０は受け板６上の対象物Ｓに照射するための光学系である。この例ではミラーを使用しているが、導光用ファイバーを使用する場合もある。導光用ファイバーを使用する場合、出射端素子５１に導光用ファイバーを接続し、その終端にコリメートレンズ５２を取り付ける構成が採用され得る。
実施形態の装置は、対象物Ｓの透過特性を分析する装置となっており、従って対象物Ｓの透過光を受光する位置に受光器７が配置されている。受光器７は、測定可能波長帯域の全域に亘って感度を有するものであり、例えばＳｉやＩｎＧａＡｓといった半導体受光セルを使用したものが使用される。二つの異なる受光器が交換されながら使用されることもある。
図１に示すように、実施形態の分光測定装置は、測定データを処理するデータ処理ユニット８を備えている。データ処理ユニット８は、この例ではＰＣのような汎用コンピュータで構成されている。
データ処理ユニット８は、プロセッサ８１や記憶部（ハードディスク、メモリ等）８２を備えている。記憶部８２には、受光器７からのデータを処理して測定結果を得るデータ処理プログラム８３やその他の必要なプログラムがインストールされている。尚、受光器７とデータ処理ユニット８との間にはＡＤコンバータ８０が設けられており、受光器７の出力はデジタル化されてデータ処理ユニット８に入力されるようになっている。
データ処理ユニット８は、プロセッサ８１や記憶部（ハードディスク、メモリ等）８２を備えている。記憶部８２には、受光器７からのデータを処理して測定結果を得るデータ処理プログラム８３やその他の必要なプログラムがインストールされている。尚、受光器７とデータ処理ユニット８との間にはＡＤコンバータ８０が設けられており、受光器７の出力はデジタル化されてデータ処理ユニット８に入力されるようになっている。
この例では、データ処理ユニット８は、装置全体を制御する制御ユニット及びデータ入力ユニットにも兼用されている。即ち、データ処理ユニット８には、各部を所定のシーケンスで制御する測定シーケンス制御プログラム８４や、任意波長選択のための入力をさせる波長選択入力プログラム８５等が実装されている。
図１に示すように、データ処理ユニット８は、表示部８０１や入力部８０２を備えている。波長選択入力プログラム８５は、任意波長を選択する画面を表示部８０１に表示し、入力部８０２で入力させるプログラムである。入力により選択された波長の情報（選択波長情報）は、記憶部８２に一時的に記憶され、データ処理プログラム８３が実行される際に引数として渡されるようになっている。
図１に示すように、データ処理ユニット８は、表示部８０１や入力部８０２を備えている。波長選択入力プログラム８５は、任意波長を選択する画面を表示部８０１に表示し、入力部８０２で入力させるプログラムである。入力により選択された波長の情報（選択波長情報）は、記憶部８２に一時的に記憶され、データ処理プログラム８３が実行される際に引数として渡されるようになっている。
尚、波長選択入力プログラム８５による波長の選択は、波長分割素子２における波長分割を単位として行われる。波長分割素子２が、λ１～λｎまでのｎ個の波長を選択する構成である場合、変調素子３もｎ個設けられて、それぞれ中継ファイバー４により接続される。この場合、波長選択プログラムにおいて、ｎ個の波長のうちの特定の一つを選択することも可能とされ、λ１～λ５のように連続した複数の波長を選ぶことも可能とされる。さらに、連続していない（とびとびの）複数の波長を選ぶことも可能とされ、全波長を選ぶことも可能とされる。
このような実施形態の分光測定装置の動作について、以下に説明する。
測定者は、受け板６に対象物Ｓを載置するとともに入力部８０２において測定波長の入力をする。そして、入力部８０２から測定開始の指令を入力すると、データ処理ユニット８にインストールされた測定シーケンス制御プログラム８４が実行される。
測定シーケンス制御プログラム８４は、光源１を動作させ、ＳＣ光を出射させる。出射されたＳＣ光は、波長分割素子２で波長分割され、変調素子３で変調されて出射する。そして、コリメートレンズ５２でビームがコリメートされて対象物Ｓに照射される。この際、測定シーケンス制御プログラム８４は、変調制御部３０に制御信号を送る。この制御信号は、選択された波長に対応する変調素子３を動作させ、それ以外の変調素子３は動作しないようにする信号である。変調制御部３０は、この制御信号に従って各変調制御部３０を制御し、選択された波長の変調素子３のみをオンにする。
測定者は、受け板６に対象物Ｓを載置するとともに入力部８０２において測定波長の入力をする。そして、入力部８０２から測定開始の指令を入力すると、データ処理ユニット８にインストールされた測定シーケンス制御プログラム８４が実行される。
測定シーケンス制御プログラム８４は、光源１を動作させ、ＳＣ光を出射させる。出射されたＳＣ光は、波長分割素子２で波長分割され、変調素子３で変調されて出射する。そして、コリメートレンズ５２でビームがコリメートされて対象物Ｓに照射される。この際、測定シーケンス制御プログラム８４は、変調制御部３０に制御信号を送る。この制御信号は、選択された波長に対応する変調素子３を動作させ、それ以外の変調素子３は動作しないようにする信号である。変調制御部３０は、この制御信号に従って各変調制御部３０を制御し、選択された波長の変調素子３のみをオンにする。
この結果、対象物Ｓには、選択された波長の光のみが照射される。対象物Ｓに入射して透過した光は、受光器７に達し、その強度が検出されてそのデータがＡＤコンバータ８０を介してデータ処理ユニット８に入力される。
データ処理ユニット８で実行されるデータ処理プログラム８３は、必要なデータ処理を行ってその結果を表示部８０１に表示する。必要なデータ処理とは、吸収率の測定の場合、対象物Ｓを受け板６に配置しない状態で測定した参照値のうち当該波長（選択された波長）の参照値と比較して吸収率を算出する処理である。
尚、全波長が順次選択された場合、全波長が対象物Ｓに照射されてその透過光が受光器７で受光され、それが各参照値と比較されるので、測定結果は測定可能波長帯域の全域についての吸収スペクトルということになる。
データ処理ユニット８で実行されるデータ処理プログラム８３は、必要なデータ処理を行ってその結果を表示部８０１に表示する。必要なデータ処理とは、吸収率の測定の場合、対象物Ｓを受け板６に配置しない状態で測定した参照値のうち当該波長（選択された波長）の参照値と比較して吸収率を算出する処理である。
尚、全波長が順次選択された場合、全波長が対象物Ｓに照射されてその透過光が受光器７で受光され、それが各参照値と比較されるので、測定結果は測定可能波長帯域の全域についての吸収スペクトルということになる。
実施形態の分光測定装置によれば、任意波長選択型の分光測定装置において、波長分割素子２として導波路型であるアレイ導波路回折格子を使用し、分割された各波長の光を変調素子３でオンオフしており、自由空間での波長分割及び波長選択の構成ではないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。このため、波長選択の精度が高く、任意波長選択の分光測定を精度良く安定して行うことができる。
また、この実施形態では、波長分割素子２と変調素子３とを中継ファイバー４で接続しているので、より実用的な構成となっている。中継ファイバー４を使用しない場合、波長分割素子２の各出射端（分割された各波長の光が出射される各端部）に各変調素子３を直接設ける構成が考えられる。しかしながら、波長分割素子２として採用されたアレイ導波路回折格子の場合、このようなことが可能なものは市販されていないので、自作する必要がある。そのような面倒がない点で、中継ファイバー４を使用する構成は実用的である。
尚、分割素子２としてのアレイ導波路回折格子の出力はシングルモードであり、変調素子３もシングルモード動作の場合が多いので、中継ファイバー４はシングルモードファイバーであることが望ましい。
尚、分割素子２としてのアレイ導波路回折格子の出力はシングルモードであり、変調素子３もシングルモード動作の場合が多いので、中継ファイバー４はシングルモードファイバーであることが望ましい。
このような実施形態の分光測定装置は、いわゆるアダマール分光（アダマール変換分光）を行う装置として構成することも可能である。以下、この点について説明する。
特許文献２や非特許文献３に記載されているように、アダマール分光を行う場合、アダマール行列に基づいてアダマールマスクを作成して使用する。例えば非特許文献３に記載されているように、ｎ次のアダマール行列（Ｈ行列）からｎ－１次のＳ行列を作成し、このＳ行例に対応するアダマールマスクを作成する。そして各アダマールマスクを順次入れ替えて測定を行う。特許文献２では、プログラマブルミラーによってアダマールマスクの入れ替えに相当する光の制御を行っている。
特許文献２や非特許文献３に記載されているように、アダマール分光を行う場合、アダマール行列に基づいてアダマールマスクを作成して使用する。例えば非特許文献３に記載されているように、ｎ次のアダマール行列（Ｈ行列）からｎ－１次のＳ行列を作成し、このＳ行例に対応するアダマールマスクを作成する。そして各アダマールマスクを順次入れ替えて測定を行う。特許文献２では、プログラマブルミラーによってアダマールマスクの入れ替えに相当する光の制御を行っている。
一方、実施形態の分光測定装置を使用してアダマール分光を行う場合、各変調素子３を制御するシーケンスをアダマールマスクの入れ替えに相当するものとする。即ち、ｎ－１次のＳ行列に対応した形で光のオンオフがされるようにする。この場合、ｎは２ｍの整数であるから、例えば、１５個の変調素子３を使用して１５次のアダマールマスクの入れ替えに相当するシーケンスで変調素子３は制御され得る。つまり、１回目は１番目（Ｓ行列における１行目）のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子３をオンオフする。２回目は、２番目（２行目）のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子３をオンオフする。これを繰り返し、１５回目は、１５番目（１５行目）のアダマールマスクが再現されるよう各変調素子３をオンオフする。
データ処理プログラム８３は、上記のように各変調素子３がシーケンス制御されて得られた各測定値からスペクトルを得るようプログラミングされる。上記の１５次のアダマールマスクを例にすると、１５回の測定における各測定値についてＳ行列の逆行列を掛け合わせ、スペクトルの算出結果とする。
実施形態の分光測定装置を用いてアダマール分光を行う場合（アダマール分光測定装置の場合）、上記のように変調制御部３０とデータ処理プログラム８３の構成が変更されるが、この構成によれば、アダマールマスクの入れ替えが各変調素子３の制御シーケンスで実現されるので、極めて簡便となる。また、引用文献２のようにプログラマブルミラーを使用する必要もないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。
実施形態の分光測定装置を用いてアダマール分光を行う場合（アダマール分光測定装置の場合）、上記のように変調制御部３０とデータ処理プログラム８３の構成が変更されるが、この構成によれば、アダマールマスクの入れ替えが各変調素子３の制御シーケンスで実現されるので、極めて簡便となる。また、引用文献２のようにプログラマブルミラーを使用する必要もないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。
さらに、上記手法では、対象物Ｓに光照射してそこからの光に対してアダマールマスクを適用するのではなく、アダマールマスクに相当するシーケンスで波長を選択して対象物Ｓに光照射するので、対象物Ｓに対して瞬時的に与えられる光エネルギーは小さい。このため、耐熱性や耐光性の低い対象物Ｓについても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
次に、第二の実施形態の分光測定装置について説明する。図３は、第二の実施形態の分光測定装置の概略図である。
第二の実施形態の分光測定装置は、第一の実施形態と同様、対象物Ｓに対して任意に選択された波長の光を照射する装置となっている。そして、第二の実施形態では、第一の実施形態と異なり、光照射された対象物Ｓからの反射光を測定する装置となっている。
第二の実施形態の分光測定装置は、第一の実施形態と同様、対象物Ｓに対して任意に選択された波長の光を照射する装置となっている。そして、第二の実施形態では、第一の実施形態と異なり、光照射された対象物Ｓからの反射光を測定する装置となっている。
第二の実施形態においても、光源１からの光を波長分割素子２で分割し、変調素子３でオンオフして対象物Ｓに照射する構成が採用されている。図３に示すように、第二の実施形態では、照射光学系５０は導光用ファイバー５３を含んでいる。導光用ファイバー５３は出射端素子５１に接続されており、その終端にコリメートレンズ５２が設けられている。
コリメートレンズ５２は、受け板６に載置された対象物Ｓに対して斜め上から光照射する姿勢で取り付けられており、その反射光を受光する位置にレンズ７１を介して受光器７が設けられている。受光器７は、同様にＡＤコンバータ８０を介してデータ処理ユニット８に接続されている。
コリメートレンズ５２は、受け板６に載置された対象物Ｓに対して斜め上から光照射する姿勢で取り付けられており、その反射光を受光する位置にレンズ７１を介して受光器７が設けられている。受光器７は、同様にＡＤコンバータ８０を介してデータ処理ユニット８に接続されている。
この実施形態では、受光器７は、受光セルを二次元に配置した二次元アレイ受光器となっている。二次元アレイ受光器７は、エリアイメージセンサのような撮像素子（カメラ）であり得る。この場合、レンズ７１は、対象物Ｓの表面の像を受光面に結像させるものであり得る。
データ処理ユニット８に実装されたデータ処理プログラム８３は、受光器７からの二次元データを処理するプログラムとなっている。データ処理プログラム８３は、二次元データ処理の結果を、選択された波長についての対象物Ｓの表面の二次元の分光測定の結果とする。この場合、選択された波長が単一の波長であれば、当該波長の反射率が対象物Ｓの表面においてどのように分布しているかの測定結果となる。複数波長が順次選択されている場合、測定結果はいわゆるハイパースペクトル画像となる。全波長を順次選択すると、測定可能波長帯域全域でのハイパースペクトル画像が測定結果として得られる。
尚、反射率の算出に際しては参照値が必要であるので、予め標準反射板を使用して取得しておく。標準反射板は、各波長の反射率が既知である反射板である。標準反射板を使用した際の測定値に対する比率に基づいて対象物Ｓの表面の反射率が算出される。
データ処理ユニット８に実装されたデータ処理プログラム８３は、受光器７からの二次元データを処理するプログラムとなっている。データ処理プログラム８３は、二次元データ処理の結果を、選択された波長についての対象物Ｓの表面の二次元の分光測定の結果とする。この場合、選択された波長が単一の波長であれば、当該波長の反射率が対象物Ｓの表面においてどのように分布しているかの測定結果となる。複数波長が順次選択されている場合、測定結果はいわゆるハイパースペクトル画像となる。全波長を順次選択すると、測定可能波長帯域全域でのハイパースペクトル画像が測定結果として得られる。
尚、反射率の算出に際しては参照値が必要であるので、予め標準反射板を使用して取得しておく。標準反射板は、各波長の反射率が既知である反射板である。標準反射板を使用した際の測定値に対する比率に基づいて対象物Ｓの表面の反射率が算出される。
第二の実施形態の分光測定装置によれば、受光器７が二次元アレイ受光器であるので、対象物Ｓの分光特性を二次元データとして得ることができ、面内での分光特性の分布等を知る必要がある場合、特に好適なものとなる。そして、複数波長を選択することでハイパースペクトル画像を得ることも可能であり、対象物Ｓの二次元光特性をより詳細に分析する必要がある場合、特に好適となる。
ハイパースペクトル画像を得る従来の方式として、ラインスキャン方式やスナップショット方式が知られている。ラインスキャン方式では、スリットを通過した光を回折格子等で分光し、それをスキャンしながら行うので、構造的に複雑で測定に時間を要する欠点がある。また、測定環境の変化や外乱の影響も受け易い。スナップショット方式では、受光器の入射側に液晶素子等を用いる分光フィルタを組み込んで構成したり、画素ごとに異なる分光フィルタを組み込んだイメージセンサを受光器として使用したりする構成が知られているが、カメラの構造が大型になったり高コストになったりする問題がある。さらに、フィルタ組み込み型イメージセンサを使用する方式では、厳密に同一点の分光データではないため空間分解能が低下し易いという問題がある。実施形態の装置によりハイパースペクトル画像を得る場合、これらの問題はない。
尚、従来のハイパースペクトル画像を得る方式は、対象物Ｓに全波長の光を照射しておいて、照射された対象物Ｓからの光を二次元で受光しておいて、その際に分光する方式である。一方、この実施形態の装置は、一波長ずつ光を対象物Ｓに照射しておいて、受光器７からのデータ処理において統合して二次元の分光スペクトルとする方式であり、基本的な考え方が異なっている。実施形態の装置によれば、対象物Ｓに対して瞬時的に照射される光のエネルギーが小さくなるので、耐熱性の低い対象物や耐光性の低い対象物の場合に特に好適である。
第二の実施形態では、反射光を二次元アレイ受光器７で受光して二次元のデータ（反射率データ）を得たが、透過光を二次元アレイ受光器７で受光して二次元の透過率データを得ても良い。但し、どちらかというと、透過光を受光する位置に受光器７を設けた場合、受光器７に入射する光に含まれる散乱光の量が多くなる傾向があるので、反射光について二次元データを取得する構成の方が好ましい。
第二の実施形態のように二次元アレイ受光器７を使用する構成において、前述したアダマール分光を行うようにすることも可能である。即ち、前述したようにアダマールマスクの入れ替えに相当するシーケンスで各変調素子３を制御しながら二次元アレイ受光器７で受光し、各受光セル（画素）における出力列（各回の出力データ）について逆行列を掛け合わせて各点の分光スペクトル（上記の例では分光反射率分布）とする。
この構成によれば、アダマールマスクの入れ替えが各変調素子３の制御シーケンスで実現されるので、極めて簡便となる。また、引用文献２のようにプログラマブルミラーを使用する必要もないので、使用環境や外乱の影響を受けにくい。
さらに、上記手法では、対象物Ｓに光照射してそこからの光に対してアダマールマスクを適用するのではなく、アダマールマスクに相当するシーケンスで波長を選択して対象物Ｓに光照射するので、対象物Ｓに対して瞬時的に与えられる光エネルギーは小さい。このため、耐熱性や耐光性の低い対象物Ｓについても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
さらに、上記手法では、対象物Ｓに光照射してそこからの光に対してアダマールマスクを適用するのではなく、アダマールマスクに相当するシーケンスで波長を選択して対象物Ｓに光照射するので、対象物Ｓに対して瞬時的に与えられる光エネルギーは小さい。このため、耐熱性や耐光性の低い対象物Ｓについても好適にアダマール分光による分析をすることができる。
上述した各実施形態において、波長分割素子２としてＷＤＭカプラを使用することもできる。選択できる波長は二つ又は三つ程度となるが、その程度の選択で十分なのであれば、ＷＤＭカプラをすることで装置コストを下げることができる。但し、アレイ導波路回折格子を波長分割素子２として使用すると、分割数を多くして選択可能な波長数を多くするのが容易であるので、この点で好適となる。
また、変調素子３としては、電気光学変調器の他、熱光学型変調器を使用することもできる。例えば、マッハツェンダ干渉計型ＰＬＣ光スイッチは、分岐部と合波部の途中に設けた一方の導波路を薄膜ヒータで加熱して位相を遅らせることで合波部で光をオフにする構造を有する。このような熱光学型変調器を変調素子３として使用することができる。
また、変調素子３として、音響光学型変調器を使用することもできる。音響光学型変調器は、音響光学結晶の一面に圧電変換器が取り付けられており、高周波信号を圧電変換器に印加することによって結晶内に音響進行波を発生させ、光弾性効果によって特定の波長に対する変調器として動作するよう設計された素子である。このような音響光学型変調器を変調素子３として使用することができる。
また、変調素子３として、音響光学型変調器を使用することもできる。音響光学型変調器は、音響光学結晶の一面に圧電変換器が取り付けられており、高周波信号を圧電変換器に印加することによって結晶内に音響進行波を発生させ、光弾性効果によって特定の波長に対する変調器として動作するよう設計された素子である。このような音響光学型変調器を変調素子３として使用することができる。
さらに、各実施形態における変調素子３は、光のオンオフを目的とするので光スイッチということもできるが、機械式光ファイバースイッチを使用することができる。特に、実用化されている機械式光ファイバースイッチの中では、ＭＥＭＳ型光ファイバースイッチを好適に使用することができる。ＭＥＭＳ型光ファイバースイッチは、微細加工により製作したマイクロミラーを駆動して光のオンオフを行う素子である。各実施形態における変調素子３として用いる場合、全ての変調素子３を各スイッチとして微細加工により一つの素子の中に作り込むことも可能であり、装置全体のコンパクト化に貢献できる。この他、機械式ファイバースイッチとしては、プリズムミラーを変位させることでスイッチ動作する素子や、ファイバー自体を変位させることでスイッチ動作する素子なども使用することができる。
変調素子３は、導波路型の波長分割素子２の後段に設けられる素子であるので、上記各変調器も含め、ＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)型やファイバー型の変調器が一般論として親和性が高く、好適に用いることができる。
変調素子３は、導波路型の波長分割素子２の後段に設けられる素子であるので、上記各変調器も含め、ＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)型やファイバー型の変調器が一般論として親和性が高く、好適に用いることができる。
上記各実施形態では、変調素子３は光のオンオフを行うものであったが、完全に遮断するのではなく、ある程度弱める（振幅を小さくする）変調を行う変調素子が採用されることがあり得る。例えば、波長分割素子２から出射された際の強度の１０％以下又は５％以下になるように遮断するものが変調素子３として使用される場合もあり得る。分光測定の用途や目的によっては、非選択の波長の光の強度を弱めるだけで足りる場合もあり、選択された波長の強度に対して非選択の波長の強度が無視できる程度に小さくできる場合、このような変調素子が使用される場合もある。一例として、ＭＥＭＳ型光ファイバースイッチを強度変調素子として利用したＶＯＡアレイ（Variable Optical Attenuator Array、可変光アッテネータアレイ）を用いることができる。
また、上記各実施形態において、参照値の取得をリアルタイムに行う構成が採用されることもあり得る。例えば、第一の実施形態の場合、コリメートレンズ５２の出射側にビームスプリッタを設けて光を分割し、一方を対象物Ｓに光照射する照射光学系とし、他方を参照用光学系とする。参照用光学系では、対象物Ｓが配置されていない受け板６を通して参照用受光器７で光を受光し、その出力を参照値とする。第二の実施形態の場合、参照用光学系は標準反射板に光を照射してその反射光を参照用受光器で受光する構成とされる。いずれの場合も、リアルタイムの参照値の取得になるので、測定結果の信頼性がより高められる。
また、光源１として用いたＳＣ光源は、ファイバー光源の一例であるが、ファイバー光源を用いることも、導波路型の波長選択素子２との親和性を考慮したものである。ファイバー光源は、出射部がファイバーであるので、導波路型の波長選択素子２に対して自由空間を経ることなく接続することができる。このため、同様に使用環境や外乱の影響を受けにくい。
光源１としては、この他、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源等を使用することもできる。さらに、レーザー系の光源である必要はなく、ＬＥＤその他のインコヒーレント光源が使用されることもあり得る。これらの光源についても、出射部にファイバーを設けたファイバー光源とすると、同様に使用環境や外乱の影響を受けにくいという効果が得られる。
光源１としては、この他、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源等を使用することもできる。さらに、レーザー系の光源である必要はなく、ＬＥＤその他のインコヒーレント光源が使用されることもあり得る。これらの光源についても、出射部にファイバーを設けたファイバー光源とすると、同様に使用環境や外乱の影響を受けにくいという効果が得られる。
対象物Ｓとしては、光特性を知る必要があるものであれば、特に制限はない。固体に限らず、液体や気体が対象物Ｓになる場合もある。例えば、透光性のセル中に対象物Ｓとして液体又は気体を封入し、透過スペクトルを測定する場合があり得る。
さらに、対象物Ｓからの光は、透過光や反射光に限らず、散乱光や蛍光の場合もあり得る。尚、いずれの場合も、対象物Ｓからの光をさらに分光する分光光学系が設けられる場合があり得る。具体的には、対象物Ｓからの光をレンズで集光し、集光位置にスリットを設ける。そして、スリットを通過した光をコリメーターレンズで平行光にした後に回折格子で分散させ、一次元のアレイ型受光器で受光する（ポリクロメーター）。このような構成は、蛍光の観察において特に効果的である。即ち、対象物Ｓに照射する光を各変調素子３の制御でスキャンしながら（順次変えながら）発生蛍光を分光分析することで、励起光の波長と発生蛍光のスペクトルとの関係を極めて短時間に調べることができる。
さらに、対象物Ｓからの光は、透過光や反射光に限らず、散乱光や蛍光の場合もあり得る。尚、いずれの場合も、対象物Ｓからの光をさらに分光する分光光学系が設けられる場合があり得る。具体的には、対象物Ｓからの光をレンズで集光し、集光位置にスリットを設ける。そして、スリットを通過した光をコリメーターレンズで平行光にした後に回折格子で分散させ、一次元のアレイ型受光器で受光する（ポリクロメーター）。このような構成は、蛍光の観察において特に効果的である。即ち、対象物Ｓに照射する光を各変調素子３の制御でスキャンしながら（順次変えながら）発生蛍光を分光分析することで、励起光の波長と発生蛍光のスペクトルとの関係を極めて短時間に調べることができる。
また、対象物Ｓからの蛍光寿命を測定する場合もあり得る。この場合、時間相関単一光子計数法（Time-Correlated Single Photon Counting, ＴＣＳＰＣ）を行うこともできる。ＴＣＳＰＣを行う実施形態を、以下、第三の実施形態として説明する。図４は、ＴＣＳＰＣを行う第三の実施形態の分光測定装置の概略図である。
図４に示すように、ＴＣＳＰＣを行う場合、データ処理ユニット８は、ＴＣＳＰＣモジュール８６を含んだ構成とされ、光源１から出射されるパルスに同期した同期信号発生部が設けられる。同期信号発生部については幾つかの構成が考えられるが、ここでは、光の一部を分割して受光器で受光してその出力を同期信号とする構成が採用されている。即ち、図４に示すように、照射光学系５０は、コリメートレンズ５２の出射側にビームスプリッタのような分割素子５４を備えている。そして、分割された一方の光が入射する位置に高速フォトダイオード等の同期用受光器７０が配置され、他方の光が入射する位置にレンズ６１を介して対象物Ｓが配置される。
図４に示すように、ＴＣＳＰＣを行う場合、データ処理ユニット８は、ＴＣＳＰＣモジュール８６を含んだ構成とされ、光源１から出射されるパルスに同期した同期信号発生部が設けられる。同期信号発生部については幾つかの構成が考えられるが、ここでは、光の一部を分割して受光器で受光してその出力を同期信号とする構成が採用されている。即ち、図４に示すように、照射光学系５０は、コリメートレンズ５２の出射側にビームスプリッタのような分割素子５４を備えている。そして、分割された一方の光が入射する位置に高速フォトダイオード等の同期用受光器７０が配置され、他方の光が入射する位置にレンズ６１を介して対象物Ｓが配置される。
対象物Ｓで発生する蛍光を捉える蛍光用受光器７００として、アバランシェフォトダイオード等がレンズ７０１を介して配置される。同期用受光器７０及び蛍光用受光器７００の各出力は、ＴＣＳＰＣモジュール８６を含むデータ処理ユニット８に入力される。尚、各光路上には、ＮＤフィルタ５５が適宜配置される。ＴＣＳＰＣモジュール８６としては、例えばBecker & Hickl社製のものを使用することができる。ＴＣＳＰＣモジュール８６は、二つの受光器７０，７００からの入力パルスの遅延時間を時間波高変換器(Time to Amplitude Convertor, ＴＡＣ)により求め、各遅延時間における蛍光光子数のヒストグラムデータを得る。
このような第三の実施形態の分光測定装置によれば、ＴＣＳＰＣを分光しながら行うことができる。即ち、対象物Ｓに照射するパルス光を各変調素子３の制御でスキャンしながら（順次変えながら）蛍光寿命を測定することで、励起光の波長と蛍光寿命との関係を極めて短時間に調べることができる。
尚、分割素子５４を設ける位置は他の位置でも良く、波長分割素子２の入射側や光源１の内部でも良い。さらに、超短パルスレーザ源１１内において光を分割して同期用に受光して同期信号を発生させても良く、また超短パルスレーザ源１１における駆動用の信号（例えば励起用レーザの駆動信号）を取り出して同期信号としても良い。
尚、分割素子５４を設ける位置は他の位置でも良く、波長分割素子２の入射側や光源１の内部でも良い。さらに、超短パルスレーザ源１１内において光を分割して同期用に受光して同期信号を発生させても良く、また超短パルスレーザ源１１における駆動用の信号（例えば励起用レーザの駆動信号）を取り出して同期信号としても良い。
１ 光源
２ 波長分割素子
３ 変調素子
３０ 変調制御部
４ 中継ファイバー
５ 出射ファイバー
５１ 出射端素子
５２ ビームエキスパンダ
５３ 導光用ファイバー
６ 受け板
７ 受光器
７００ 蛍光用受光器
８ データ処理ユニット
８０ ＡＤコンバータ
８６ ＴＣＳＰＣモジュール
Ｓ 対象物
２ 波長分割素子
３ 変調素子
３０ 変調制御部
４ 中継ファイバー
５ 出射ファイバー
５１ 出射端素子
５２ ビームエキスパンダ
５３ 導光用ファイバー
６ 受け板
７ 受光器
７００ 蛍光用受光器
８ データ処理ユニット
８０ ＡＤコンバータ
８６ ＴＣＳＰＣモジュール
Ｓ 対象物
Claims (11)
- 選択され得る複数の異なる波長を含む帯域の光を出射する光源と、
光源から出射された光を波長分割する導波路型の波長分割素子と、
波長分割素子で分割された各波長の光のうち特定の波長の光が選択的に対象物に照射されるように光を変調する変調素子と、
変調素子を制御する変調制御部と、
変調素子で変調された光が照射された対象物からの光を受光する受光器と、
変調素子により選択的に照射された光の波長における対象物の光学特性を受光器からの出力を処理することで得るデータ処理ユニットと
を備えており、
変調制御部は、波長分割素子で分割された各波長の光のうち任意の一つの波長のみが選択されるように変調素子を制御することが可能であるとともに任意の複数の波長が選択されるように変調素子を制御することが可能であり、波長の選択を所定の順序で変化させるシーケンス制御プログラムが実装されていることを特徴とする分光測定装置。 - 前記導波路型の波長分割素子は、アレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項１記載の分光測定装置。
- 前記変調素子は、電気光学変調器、熱光学型変調器、音響光学変調器又は機械式ファイバースイッチであることを特徴とする請求項１又は２記載の分光測定装置。
- 前記光源は、ファイバー光源であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記ファイバー光源は、スーパーコンティニウム光源であることを特徴とする請求項４記載の分光測定装置。
- 前記導波路型の波長分割素子における各波長の出射端と前記変調素子とは中継ファイバーで接続されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記変調制御部は、アダマールマスクの入れ替えに相当するように前記変調素子を制御することが可能となっており、
前記データ処理ユニットは、前記受光器からの出力を処理してアダマール分光を行うユニットであることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の分光測定装置。 - 前記受光器は、対象物からの光を二次元で受光する二次元アレイ受光器であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記変調素子で変調された光が照射された対象物からの光をさらに分光する分光光学系が設けられており、前記受光器は、分光光学系が分光した光を受光する受光器であること特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記光源はパルス光源であり、
前記光源が出射させるパルス光に同期した同期信号を発生させる同期信号発生部が設けられており、
前記受光器は、前記変調素子により変調されたパルス光が照射された対象物において発生した蛍光を受光する蛍光用受光器であり、
前記データ処理ユニットは、同期信号発生部が発生させた同期信号と蛍光用受光器の出力とに従って時間相関単一光子計数法を行うモジュールを含んでいることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の分光測定装置。 - 前記変調制御部は、前記波長分割素子で分割されて出射する全ての波長の光を同時に対象物に照射する変調を行うことができるものであることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の分光測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020139157A JP7487608B2 (ja) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 分光測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020139157A JP7487608B2 (ja) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 分光測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022035080A JP2022035080A (ja) | 2022-03-04 |
| JP7487608B2 true JP7487608B2 (ja) | 2024-05-21 |
Family
ID=80442905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020139157A Active JP7487608B2 (ja) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 分光測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7487608B2 (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002156614A (ja) | 2001-08-13 | 2002-05-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 周波数選択光フィルタ |
| JP2004170118A (ja) | 2002-11-18 | 2004-06-17 | Olympus Corp | 分光法及び分光装置 |
| WO2007083755A1 (ja) | 2006-01-20 | 2007-07-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 分析装置、真贋判定装置、真贋判定方法、及び地中探索方法 |
| JP2016161845A (ja) | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 日本電信電話株式会社 | 波長フィルタ |
| US20170016769A1 (en) | 2015-07-14 | 2017-01-19 | Hc Photonics Corp. | Measurement system of real-time spatially-resolved spectrum and time-resolved spectrum and measurement module thereof |
| WO2017175747A1 (ja) | 2016-04-05 | 2017-10-12 | ウシオ電機株式会社 | スーパーコンティニウム光生成光源、スーパーコンティニウム光生成方法、多光子励起蛍光顕微鏡及び多光子励起方法 |
-
2020
- 2020-08-20 JP JP2020139157A patent/JP7487608B2/ja active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002156614A (ja) | 2001-08-13 | 2002-05-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 周波数選択光フィルタ |
| JP2004170118A (ja) | 2002-11-18 | 2004-06-17 | Olympus Corp | 分光法及び分光装置 |
| WO2007083755A1 (ja) | 2006-01-20 | 2007-07-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 分析装置、真贋判定装置、真贋判定方法、及び地中探索方法 |
| JP2016161845A (ja) | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 日本電信電話株式会社 | 波長フィルタ |
| US20170016769A1 (en) | 2015-07-14 | 2017-01-19 | Hc Photonics Corp. | Measurement system of real-time spatially-resolved spectrum and time-resolved spectrum and measurement module thereof |
| WO2017175747A1 (ja) | 2016-04-05 | 2017-10-12 | ウシオ電機株式会社 | スーパーコンティニウム光生成光源、スーパーコンティニウム光生成方法、多光子励起蛍光顕微鏡及び多光子励起方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022035080A (ja) | 2022-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113544480B (zh) | 光测定用光源装置、分光测定装置及分光测定方法 | |
| US7304798B2 (en) | Spectroscopic apparatus | |
| JP5111480B2 (ja) | 対象物の照明方法および装置 | |
| US8416416B2 (en) | Measuring method for SPR and system thereof | |
| US20140085633A1 (en) | Wavenumber-Linearized Spectrometer on Chip in a Spectral-Domain Optical Coherence Tomography System | |
| US6707021B2 (en) | Transparent medium processing device | |
| WO2006053444A1 (en) | Device and methods utilizing optical waveguide embedded blazed refractive gratings | |
| US11846545B2 (en) | Device and method for the spectroscopic analysis of Brillouin scattered light | |
| US11041760B2 (en) | Optical measurement device and optical measurement method | |
| US20190143447A1 (en) | Pulse light generation device, light irradiation device, optical processing device, optical response measurement device, microscope device, and pulse light generation method | |
| US20140347659A1 (en) | Stationary Waveguide Spectrum Analyser | |
| US20220187126A1 (en) | Broadband pulsed light source apparatus | |
| JP5051744B2 (ja) | 多光子励起スペクトル及び多光子吸収スペクトル計測装置 | |
| JP7487608B2 (ja) | 分光測定装置 | |
| US20220276153A1 (en) | Broadband pulsed light source apparatus and spectroscopic measurement method | |
| WO2022049986A1 (ja) | パルス分光装置及びマルチファイバ用照射ユニット | |
| US7515262B2 (en) | Crystal grating apparatus | |
| Tan et al. | Optical fiber speckle spectrometer based on reversed-lens smartphone microscope | |
| Reimer et al. | Ultra-short fiber Bragg grating used for spectral analysis of guided light in single-mode fibers | |
| US11898911B2 (en) | Broadband all-photonic spectrum shapers | |
| WO2022186383A1 (ja) | 量子吸収分光システム | |
| US20240044705A1 (en) | Optical spectrometer system | |
| Fathy et al. | Differential optical spectrometer based on critical angle dispersion | |
| Moslemi | Photonic generation of multi-channel chirped microwave waveforms | |
| JP2020159978A (ja) | 分光測定装置及び分光測定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230324 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231031 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231227 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240116 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240315 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240409 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240422 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7487608 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |