WO2020179628A1 - 分光装置 - Google Patents

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利夫 河野
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    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2846—Investigating the spectrum using modulation grid; Grid spectrometers
    • G01J2003/285—Hadamard transformation

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic device used for calculating spectroscopic information of light to be measured and a method for acquiring data for spectroscopic measurement.
  • a spectroscopic device that obtains spectral information by scanning a transmission wavelength variable filter (linear variable bandpass filter (LVBPF)) having a different transmission wavelength depending on a transmission site (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). ).
  • a transmission wavelength variable filter linear variable bandpass filter (LVBPF)
  • LLBPF linear variable bandpass filter
  • the measurement range is divided into a number of small areas and the spectral information of each small area is measured, so the amount of light to be measured is small and the light utilization efficiency of the LVBPF is low. There is a problem that the N ratio becomes low.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and provides a spectroscopic device capable of measuring at a high S / N ratio and a method for acquiring data for spectroscopic measurement, which has high light utilization efficiency.
  • the purpose is to
  • the filter In the wavelength range of the object of measurement, the filter has two or more wavelength bands with a transmittance of 80% or more and three or more wavelength bands with a transmittance of 20% or less. Spectroscopic device.
  • the detector is a two-dimensional sensor, and an objective optical system that forms an image of a surface to be measured on the filter, and a relay optical system that forms the light transmitted through the filter on the two-dimensional sensor.
  • a spectral transmittance differs depending on the position, and a filter having a characteristic of transmitting light of a plurality of wavelength bands from the measurement target is used, and while scanning the filter, the intensity of the light from the measurement target that has passed through the filter is used.
  • a method for acquiring spectroscopic measurement data in which a plurality of measurement data used for calculation of spectroscopic information is acquired by sequentially measuring the values with a detector.
  • the filter In the wavelength range of the measurement target, the filter has two or more wavelength bands with a transmittance of 80% or more and three or more wavelength bands with a transmittance of 20% or less. How to acquire data for spectroscopic measurement.
  • the detector is a two-dimensional sensor, an image of the surface to be measured is formed on the filter by an objective optical system, and light transmitted through the filter is imaged on the two-dimensional sensor by a relay optical system.
  • the method for acquiring data for spectroscopic measurement according to claim 4 or 5.
  • the filter has different spectral transmittances depending on the position and has a property of transmitting light in a plurality of wavelength bands. Therefore, by scanning this filter, 1 Compared with the case of using a linear variable band pass filter (LVBPF) that transmits only light in one wavelength band, the light utilization efficiency is high, and the spectroscope capable of measuring at a high S / N ratio can be obtained.
  • LLBPF linear variable band pass filter
  • the filter has two or more wavelength bands having a transmittance of 80% or more and three wavelength bands having a transmittance of 20% or less in the wavelength range to be measured.
  • the light utilization efficiency is high, and the measurement with a high S/N ratio can be stably performed.
  • a spectroscopic device capable of measuring two-dimensional spectroscopic information with a high S/N ratio can be provided.
  • FIG. 3 is a diagram showing the spectral transmittance of the filter of FIG. 2, where the horizontal axis represents the pseudo wavelength p and the vertical axis represents the transmittance.
  • FIG. 3 is a diagram similarly showing the spectral transmittance of the filter of FIG. 2, in which the horizontal axis represents wavelength p and the vertical axis represents transmittance.
  • FIG. 3 is a diagram showing spectral transmittances at a point A and a point B that is away from the point A in the y direction by a distance ⁇ y in the filter of FIG. 2. It is a figure which shows the relationship between the wavelength ⁇ and the pseudo wavelength p in the filter of FIG. It is a figure which shows the relationship between the position y in the filter of FIG. 2 and the thickness of an interference film. It is a figure which shows the result of having simulated the spectrum restoration by the measurement and calculation in a certain pixel of a two-dimensional sensor. The spectral transmittance of a linear variable bandpass filter (LVBPF) in a comparative example is shown.
  • LLBPF linear variable bandpass filter
  • the upper diagram shows the relationship between the pseudo wavelength p and the transmittance
  • the lower diagram shows the relationship between the wavelength ⁇ and the transmittance.
  • the spectral transmittance of the filter in Example 2 is shown.
  • the upper figure shows the relationship between the pseudo wavelength p and the transmittance
  • the lower figure shows the relationship between the wavelength ⁇ and the transmittance.
  • FIG. 8 is a diagram showing a result of simulating spectrum restoration by measurement and calculation in a pixel of a two-dimensional sensor in Example 2.
  • the spectral transmittance of the filter in Example 2 is shown.
  • the upper figure shows the relationship between the pseudo wavelength p and the transmittance
  • the lower figure shows the relationship between the wavelength ⁇ and the transmittance.
  • FIG. 8 is a diagram showing a result of simulating spectrum restoration by measurement and calculation at a pixel of a two-dimensional sensor in Example 3.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a spectroscopic device according to an embodiment of the present invention.
  • the spectroscopic device uses a filter 1, a two-dimensional sensor 2, an objective optical system 3 for forming an image of a measurement target surface of the measurement target 6 on the filter 1, and light transmitted through the filter.
  • It includes a relay optical system 4 that forms an image on a two-dimensional sensor and a drive unit 5.
  • the objective optical system 3 forms an image of the surface to be measured on the surface of the filter 1, and the light transmitted through the filter 1 is transmitted.
  • the relay optical system 4 forms an image on the two-dimensional sensor 2.
  • the objective optical system 3 and the relay optical system 4 each have a known configuration having a plurality of lenses.
  • the drive unit 5 drives and scans the filter 1 in the direction perpendicular to the optical axis 7 (the direction of the upward arrow in FIG. 1), and the two-dimensional sensor 2 detects the intensity of light from the measurement target.
  • It is a vessel and is composed of an image sensor.
  • the filter 1 is a filter (SLVF) which has a spectral transmittance different depending on the position in the direction perpendicular to the optical axis 7 and has a characteristic of transmitting light in a plurality of wavelength bands.
  • the filter may be referred to as SLVF.
  • the spectral transmittance is the transmittance for each wavelength of light.
  • the wavelength range to be measured has a characteristic that two or more wavelength bands having a transmittance of 80% or more exist and three or more wavelength bands having a transmittance of 20% or less exist. .. With the filter 1 having such a configuration, the light utilization efficiency is high, and the measurement at a high S / N ratio can be stably performed.
  • the calculation of the spectral information using the data obtained by the two-dimensional sensor 2 may be performed by the spectroscopic device itself, or the data obtained by the two-dimensional sensor 2 may be used in an external arithmetic unit such as a personal computer. It may be transmitted and performed by this external arithmetic unit.
  • each element is a pseudo wavelength obtained by logarithmically converting the wavelength, and is sampled at equal intervals.
  • the diagonal matrix includes the efficiency and transmittance of the optical system other than the filter 1, and the spectral sensitivity of the two-dimensional sensor 2.
  • This measurement optical system has no sensitivity other than the wavelength range to be measured.
  • the measured value vector M is a series of data sequentially measured while scanning (moving) the filter 1.
  • the spectral transmittance of the filter 1 in each measurement be a row vector, and the matrix in which they are arranged is
  • the j-th row represents the spectral transmittance of the filter 1 in the j-th measurement.
  • FIG. 2 shows an example of the filter 1 in a schematic diagram.
  • 6A is a front view seen from the light irradiation direction
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line bb of FIG.
  • the spectral transmittance of the filter 1 shown in FIG. 2 will be described.
  • the spectral transmittance at a certain point A is set as shown in FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the pseudo wavelength p on the horizontal axis and the transmittance on the vertical axis
  • FIG. 4 shows the wavelength p on the horizontal axis and the transmittance on the vertical axis, and the wavelength range to be measured.
  • the pseudo wavelength p will be described later.
  • the spectral transmittance of the filter 1 at the point B separated from a certain point A in the y direction by ⁇ y is a graph of the spectral transmittance with the horizontal axis as the pseudo wavelength p, as shown in FIG.
  • the spectral transmittance at point A is shifted to the short wavelength side by a predetermined amount.
  • the filter 1 having such characteristics is composed of an interference film filter in which dielectric multilayer films (also referred to as interference films) 12 and 12 are formed on both sides of the glass substrate 11 in the optical axis direction. it can.
  • the thickness of each of the multilayer films 12 and 12 changes continuously depending on the position, and the transmittance spectrum is shifted.
  • the matrix S of the transmittance of the filter 1 when scanning the filter 1 in the y direction where the spectral transmittance changes by the driving unit 5 by the distance ⁇ y and measuring 23 times is
  • the j-th row is the spectral transmittance of the filter 1 in the j-th measurement
  • the k-th column is the spectral transmittance at the pseudo wavelength p k
  • p k p 1 + (k-1) ⁇ p
  • k 1, 2, 3, ..., n
  • the pseudo wavelength p is evenly spaced.
  • This matrix S is the same matrix as the Hadamard transform spectrum, and the S/N ratio of the spectroscopic measurement value obtained by the calculation by the inverse matrix is a linear variable bandpass filter (LVBPF) that transmits only one wavelength band as a filter.
  • LLBPF linear variable bandpass filter
  • a detailed explanation is described in, for example, Hadamard transform spectroscopy, Tatsuo Arikawa (Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 39, No. 11, p835 (1984)).
  • the filter 1 When using the filter 1 having such characteristics, the filter 1 is moved so that the converted pseudo-wavelength p changes at an equal pitch, and the measurement and the inverse matrix calculation are performed sequentially on the pseudo-wavelength p-axis. Equal pitch spectral information can be obtained. By converting it to the wavelength ⁇ , spectral information with the wavelength ⁇ on the horizontal axis can be easily obtained. However, in that case, the data does not have the same pitch on the wavelength ⁇ axis.
  • the pitch on the wavelength ⁇ axis is proportional to the wavelength ⁇ .
  • the layer number is i
  • the position in the direction y in which the spectral transmittance changes is y k
  • y k y 1 + (k-1) * ⁇ y
  • k 1, 2, 3, ..., n
  • the thickness of the layer at that position is hi (y k )
  • the shift amount of the pseudo wavelength p is linear with respect to the position y, and if the position y is shifted at equal intervals, the pseudo wavelength p also shifts at the same pitch.
  • FIG. 6 shows the relationship between the wavelength ⁇ and the pseudo wavelength p in this embodiment
  • FIG. 7 shows the relationship between the position y in the filter 1 and the thickness of the interference film.
  • the filter 1 is shifted by 1 mm and measured 23 times, the measurement value vector M is acquired, and the spectrum is calculated by the above calculation.
  • the measured values of all the pixels can be measured by sequentially shifting the filter 1 by 0.1 mm in the y direction. You can get a vector.
  • the eleventh line of the two-dimensional sensor 2 can perform the k-1th measurement at the same time, so that the measurement can be performed efficiently. is there.
  • FIG. 8 shows a result of simulating spectrum restoration by measurement and calculation at a certain pixel of the two-dimensional sensor 2 in this example.
  • the solid line is the actual measurement value (true value) of the light source to be measured, and the broken line is the value calculated.
  • the actual measurement result and the calculation result are in good agreement, and it can be seen that they are restored correctly.
  • the transmittance matrix S in the filter according to the comparative example is a 23 ⁇ 23 diagonal matrix.
  • the basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the characteristics of the filter 1 are different, and the number of rows and the number of columns of the transmittance matrix S of the filter 1 are also different.
  • the spectral transmittance of the filter 1 in Example 2 is shown in FIG.
  • the upper diagram shows the relationship between the pseudo wavelength p and the transmittance
  • the lower diagram shows the relationship between the wavelength ⁇ and the transmittance.
  • FIG. 11 shows a result of simulating the spectrum restoration by the measurement and the calculation at a certain pixel of the two-dimensional sensor 2 in the second embodiment.
  • the solid line is the actual measured value (true value) of the light source to be measured
  • the broken line is the value calculated. In this case as well, it can be seen that the actual measurement result and the calculation result are in good agreement, and that they are correctly restored.
  • the transmittance matrix S of the linear variable bandpass filter (LVBPF) according to the comparison is a 103 ⁇ 103 diagonal matrix.
  • Example 2 the wavelength resolution is improved as compared with Example 1. In addition, the effect of improving the S / N ratio is also high.
  • Example 3 The basic configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but the characteristics of the filter 1 are different, and the number of rows and the number of columns of the transmittance matrix S of the filter 1 are also different.
  • the spectral transmittance of the filter 1 in Example 3 is shown in FIG.
  • the upper diagram shows the relationship between the pseudo wavelength p and the transmittance
  • the lower diagram shows the relationship between the wavelength ⁇ and the transmittance.
  • FIG. 13 shows a result of simulating spectrum restoration by measurement and calculation at a certain pixel of the two-dimensional sensor 2 in Example 3.
  • the solid line is the actual measurement value (true value) of the light source to be measured
  • the broken line is the value calculated. In this case as well, it can be seen that the actual measurement result and the calculation result are in good agreement and are correctly restored.
  • the transmittance matrix S of the linear variable bandpass filter (LVBPF) according to the comparison is a 111 ⁇ 111 diagonal matrix.
  • Example 3 the wavelength resolution is as high as or higher than that in Example 2.
  • the effect of improving the S / N ratio is lower than that of Example 2.
  • the filter 1 of Example 2 has a complicated spectral transmittance waveform and is difficult to manufacture, but the filter 1 of Example 3 has a relatively simple spectral transmittance waveform and is difficult to manufacture. Is preferable in that it is low.
  • the filter 1 has a characteristic that the spectral transmittance differs depending on the position and transmits light in a plurality of wavelength bands. Therefore, by scanning this filter, one wavelength is obtained. Compared with the case of using a linear variable band pass filter (LVBPF) that transmits only band light, the light utilization efficiency is high, and a spectroscopic device capable of measuring at a high S / N ratio can be obtained.
  • LLBPF linear variable band pass filter
  • the wavelength dispersion of the refractive index of the glass substrate 11 and the dielectric multilayer film 12 is ignored, but in reality, the calculation deviates slightly due to the influence of the wavelength dispersion of the refractive index.
  • the thickness of the film with respect to the film design and the position y may be corrected so that the error becomes small.
  • the transmittance waveform with respect to the pseudo wavelength is shifted by a constant amount, but the movement amount of the filter 1 does not have to be constant.
  • the shift amount of the transmittance waveform may not be constant, or the transmittance waveform may be slightly distorted. In that case, the effect of improving the S/N ratio becomes small, but the spectral information can be measured.
  • the filter 1 in the above embodiment is provided with the interference films 12 and 12 on both the front and back surfaces of the glass substrate 11 in the optical axis direction
  • the interference film 12 may be provided on only one side, or a plurality of filters 1 may be provided. Therefore, the desired spectral transmittance may be realized.
  • a short-wavelength cut filter or a long-wavelength cut filter that cuts light outside the measurement wavelength range may be installed in the optical system.
  • the present invention can be used when calculating the spectral information of the light to be measured.

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Abstract

位置により分光透過率が異なるとともに、測定対象からの複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルター（１）と、フィルターを走査する駆動手段（５）と、フィルターを透過した測定対象からの光の強度を検出する検出器２であって、駆動手段（５）によってフィルター（１）が走査されたときの光の強度を順次測定することにより、分光情報の算定に用いられる複数の測定データを取得する検出器（２）と、を備えている。

Description

分光装置
　この発明は、測定対象である光の分光情報を算定するのに用いられる分光装置及び分光測定用データの取得方法に関する。
　従来、透過部位に応じて透過波長が異なる透過波長変化型フィルター（リニアバリアブルバンドパスフィルター（LVBPF））を走査させて分光情報を得る分光装置が知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。     
特開２００６－１７７８１２号公報 特開２０１７－２０７４０６号公報
　しかし、LVBPFを走査させる分光装置では、LVBPFの透過波長域以外の光は、測定に利用されないので、光利用効率が低く、測定のＳ／Ｎ比が低くなってしまうという課題がある。
　特に２次元分光装置の場合、測定範囲を多数の小領域に分割し、各小領域の分光情報を測定するため、測定光量が小さく、さらに、LVBPFの光利用効率が低いので、測定のＳ／Ｎ比が低くなってしまうという課題がある。
　この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、光利用効率が高く、高Ｓ／Ｎ比での測定が可能な分光装置及び分光測定用データの取得方法を提供することを目的とする。
　上記目的は以下の手段によって達成される。
（１）位置により分光透過率が異なるとともに、測定対象からの複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルターと、前記フィルターを走査する駆動手段と、前記フィルターを透過した測定対象からの光の強度を検出する検出器であって、前記駆動手段によって前記フィルターが走査されたときの光の強度を順次測定することにより、分光情報の算定に用いられる複数の測定データを取得する検出器と、を備えた分光装置。
（２）前記フィルターは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する前項１に記載の分光装置。
（３）前記検出器は２次元センサーであり、測定対象面の像を前記フィルター上に形成する対物光学系と、前記フィルターを透過した光を、前記２次元センサー上に結像するリレー光学系と、をさらに備えている前項１または２に記載の分光装置。
（４）位置により分光透過率が異なるとともに、測定対象からの複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルターを用い、前記フィルターを走査しながら、フィルターを透過した測定対象からの光の強度を検出器で順次測定することにより、分光情報の算定に用いられる複数の測定データを取得する分光測定用データの取得方法。
（５）前記フィルターは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する前項４に記載の分光測定用データの取得方法。
（６）前記検出器は２次元センサーであり、測定対象面の像を対物光学系により前記フィルター上に形成し、前記フィルターを透過した光を、リレー光学系により前記２次元センサー上に結像する請求項４または５に記載の分光測定用データの取得方法。
　前項（１）に記載の発明によれば、フィルターは、位置により分光透過率が異なるとともに、複数の波長帯の光を透過させる特性を有しているから、このフィルターを走査することで、１個の波長帯の光のみを透過させるリニアバリアブルバンドパスフィルター（LVBPF））を用いる場合に較べて光利用効率が高く、高Ｓ／Ｎ比での測定が可能な分光装置とすることができる。
　前項（２）に記載の発明によれば、フィルターは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在するから、光利用効率が高く、高Ｓ／Ｎ比での測定を安定的に行うことができる。
　前項（３）に記載の発明によれば、高Ｓ／Ｎ比で２次元分光情報の測定が可能な分光装置とすることができる。
　前項（４）に記載の発明によれば、光利用効率が高く高Ｓ／Ｎ比の測定用データを得ることができる。
　前項（５）に記載の発明によれば、利用効率が高く高Ｓ／Ｎ比の測定用データを安定的に得ることができる。
　前項（６）に記載の発明によれば、高Ｓ／Ｎ比で２次元分光情報の測定が可能な測定用データを得ることができる。
本発明の一実施形態に係る分光装置の構成を示す図である。 （ａ）は光の照射方向から見たフィルターの正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ－ｂ線断面図である。 図２のフィルターの分光透過率を示す図で、横軸に疑似波長ｐを縦軸に透過率をとった図である。 同じく図２のフィルターの分光透過率を示す図で、横軸に波長ｐを縦軸に透過率をとった図である。 図２のフィルターにおいて、ある点Ａと、この点Ａからｙ方向に距離Δｙ離れた点Ｂでの分光透過率を示す図である。 図２のフィルターにおける波長λと疑似波長ｐとの関係を示す図である。 図２のフィルターにおける位置ｙと干渉膜の厚みの関係を示す図である。 ２次元センサーのある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を示す図である。 比較例におけるリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)の分光透過率を示すもので、上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示す図である。 実施例２でのフィルターの分光透過率を示すもので、上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示している。 実施例２において、２次元センサーのある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を示す図である。 実施例２でのフィルターの分光透過率を示すもので、上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示す図である。 実施例３において、２次元センサーのある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を示す図である。
　以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る分光装置の構成を示す図である。図１に示すように、分光装置は、フィルター１と、２次元センサー２と、測定対象物６における測定対象面の像をフィルター１上に形成する対物光学系３と、フィルターを透過した光を２次元センサー上に結像するリレー光学系４と、駆動部５を備えており、対物光学系３により、測定対象面の像をフィルター１の面上に形成し、フィルター１を透過した光を、リレー光学系４により２次元センサー２上に結像させるようになっている。なお、対物光学系３及びリレー光学系４は、それぞれ複数のレンズを有する公知の構成である。
　駆動部５は、フィルター１を光軸７と垂直な方向(図１中の上向き矢印の方向)へ駆動走査するものであり、２次元センサー２は、測定対象からの光の強度を検出する検出器であり、撮像素子によって構成されている。
　フィルター１は、光軸７と垂直な方向における位置により分光透過率が異なるとともに、複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルター（ＳＬＶＦ）である。以下の説明では、フィルターをＳＬＶＦと記すこともある。分光透過率とは光の波長毎の透過率である。好ましくは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する特性を有しているのが良い。このような構成のフィルター１によって、光利用効率が高く、高Ｓ／Ｎ比での測定を安定的に行うことができる。
　上記の特性を有するフィルター１を駆動部５により光軸７と垂直な方向へ駆動走査しながら、順次、２次元センサー２で撮像すると、毎回、異なる波長域の光による像（２次元情報）が得られる。それらのデータから、演算により各点の分光情報が算出される。駆動部５によるフィルター１の具体的な駆動機構も公知であり、前述した特許文献１及び２に記載の駆動機構や、その他一般的な駆動方法を使うことが可能である。
　なお、２次元センサー２で得られたデータを用いての分光情報の算定は、分光装置自身で行われても良いし、２次元センサー２で得られたデータをパーソナルコンピュータ等の外部演算装置に送信し、この外部演算装置で行われても良い。
　次に、２次元センサー２のある画素の測定データについて考える。その画素には、測定対象面の対応する領域からの光が集光され、測定される。その測定対象の分光放射輝度Ｖを、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
とする。各要素は、後で説明するように、波長を対数変換した擬似波長で、等間隔にサンプリングされている。
　フィルター１を除く測定系の分光感度を対角成分とする対角行列を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
とする。対角行列で、フィルター１以外の光学系の効率、透過率、２次元センサー２の分光感度を含む。この測定光学系は、測定対象の波長域以外には感度が無い。
　フィルター１を走査（移動）させながら順次測定した一連のデータを、測定値ベクトルＭ
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
とし、各測定におけるフィルター１の分光透過率を行ベクトルとし、それを並べた行列を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
とする。上記行列Ｓにおいて、第ｊ行目は、ｊ回目の測定におけるフィルター１の分光透過率を表している。
　Ｖ、Ｑ、Ｍ、Ｓ はＭ＝Ｓ＊Ｑ＊Ｖの関係にあり、フィルター１を駆動部５により所定量ずつ移動させながら、ｎ回測定することで、測定値の列ベクトルＭが測定される。
　よって、Ｖ＝Ｑ－１＊Ｓ－１＊Ｍの演算により、分光放射輝度Ｖを得ることができる。Ｓ、Ｑは事前に測定等によりデータを取得可能であり、その逆行列Ｓ－１、Ｑ－１も事前に算出可能である。
［実施例１］　
　図２にフィルター１の一例を模式図で示す。同図（ａ）は光の照射方向から見た正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ－ｂ線断面図である。
　図２に示したフィルター１の分光透過率について説明する。図２（ａ）の正面図において、フィルター１の走査方向と平行な方向（図２（ａ）の上下方向）をｙ方向とし、走査方向と直交する方向をｘ方向とすると、図２のフィルター１は、ｙ方向には位置により分光透過率が変化し、ｘ方向には、分光透過率は変化しない。
　図２に示すフィルターでは、ある点Ａにおける分光透過率が図３及び図４に示すように設定されている。図３は横軸に疑似波長ｐを、縦軸に透過率を示したものであり、図４は横軸に波長ｐを、縦軸に透過率を示したものであり、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する。なお、擬似波長ｐについては後述する。
　図２に示すように、ある点Ａからｙ方向に距離Δｙ離れた点Ｂでのフィルター１の分光透過率は、図５に示すように、横軸を擬似波長ｐとした分光透過率のグラフにおいて、点Ａでの分光透過率が所定の量だけ、短波長側へシフトしたものとなっている。このような特性のフィルター１は、たとえば図２に示すように、ガラス基板１１の光軸方向の両面に誘電体の多層膜（干渉膜ともいう）１２、１２を成膜した干渉膜フィルターで構成できる。模式図に示したように、多層膜１２、１２の厚みが、位置により連続的に変化することで、透過率スペクトルがシフトする特性となる。
　駆動部５により、距離Δｙずつ、フィルター１を分光透過率が変化するｙ方向へ走査して、２３回測定した場合のフィルター１の透過率の行列Ｓは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
と表せる。上記行列Ｓにおいてｊ行目は、ｊ回目の測定におけるフィルター１の分光透過率、ｋ列は擬似波長ｐｋ での分光透過率で、
ｐｋ ＝ｐ１＋（ｋ－１）Δｐ　ただしｋ＝１，２，３，・・・，ｎ
擬似波長pで等間隔になっている。
　この実施例では、
ｐ１＝５．８８６，対応波長３６０．０ｎｍ
ｐ２＝５．９２２，対応波長３７３．３ｎｍ
ｐ３＝５．９５９，対応波長３８７．１ｎｍ
・・・
ｐ２３＝６．６８５，対応波長８００．０ｎｍ
である。
　この行列Ｓは、アダマール変換分光と同じ行列となっており、逆行列による演算で求めた分光測定値のＳ／Ｎ比は、フィルターとして１つの波長域のみ透過させるリニアバリアブルバンドパスフィルタ（LVBPF）を用いた場合（透過率行列Ｓが対角行列となる）に比べ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
倍、改善される。上式において、ｎは行列の行数、列数であり、実施例１ではｎ＝２３である。詳しい説明は、たとえば、アダマール変換分光、蟻川 達男(日本物理学会誌 第３９巻 第１１号ｐ８３５（１９８４））に記載されている。
　次に、擬似波長ｐについて説明する。
　フィルター１が、図２に示したような、ガラス基板１１に誘電体の多層膜１２、１２を成膜した干渉膜フィルターの場合、多層膜１２、１２の各厚みを単純に元のｋ倍の厚みにしても、透過率スペクトルは単純な波長シフトとならない。ガラス基板１１、誘電体多層膜１２、１２の屈折率の波長分散は無視できるとすると、ある干渉膜１２の波長λでの透過率をＴ１(λ)、その干渉膜１２の各層の厚みをｋ倍した干渉膜１２の透過率をＴｋ(λ)とすると、Ｔ１(λ１)＝Ｔｋ(ｋλ１)となり、単純な波長シフトとならない。
　以下のような波長λから擬似波長ｐへの変換を考える。
λ=ｅｘｐ(ｐ)
ｐ＝ｌｏｇ(λ)
擬似波長ｐでの基準の干渉膜１２の透過率の関数をＵ１とすると、
Ｔ１(λ１)＝Ｕ１(ｐ１)
干渉膜１２の各層の厚みがｋ倍の透過率の関数をＵｋとすると、
Ｔｋ(λｋ)＝Ｕｋ (ｐｋ)
となる。ここで、
Ｔ１(λ１)＝Ｕ１(ｐ１)＝Ｔｋ(λｋ)＝Ｕｋ (ｐｋ)
とする。Ｔ１(λ１)＝Ｔｋ(ｋλ１)であるから、
λｋ＝ｋλ１
である。ここで、λ１＝ｅｘｐ(ｐ１)、λｋ＝ｅｘｐ(ｐｋ)なので、
λｋ＝ｋλ１＝ｅｘｐ(ｐｋ)＝ｋ*ｅｘｐ(ｐ１)＝ｅｘｐ(ｌｏｇ(ｋ)＋ｐ１)
よって、ｐｋ＝ｌｏｇ(ｋ)＋ｐ１であり、
Ｕ１(ｐ１)＝Ｕｋ(ｐｋ)＝Ｕｋ(ｌｏｇ(ｋ)＋ｐ１)
となる。
　つまり、干渉膜１２の各層の厚みをｋ倍すると、波長λを疑似波長ｐに座標変換した軸において、透過率がｌｏｇ(ｋ)だけシフトする。
　このような特性のフィルター１を用いる場合には、変換された疑似波長ｐが等ピッチで変化するようにフィルター１を移動させて、順次測定、逆行列演算をすれば、疑似波長ｐ軸上で等ピッチの分光情報が得られる。それを、波長λに変換すれば、容易に横軸が波長λの分光情報が得られる。ただし、その場合、波長λ軸上では等ピッチのデータとはならない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
であるから、波長λ軸上でのピッチは波長λに比例する。
　干渉膜１２の各層の厚みは、層の番号をｉとし、分光透過率が変化する方向ｙの位置を ｙｋ、
ｙｋ＝ｙ１＋（ｋ－１）*Δｙ　ただしｋ＝１，２，３，・・・，ｎ
とし、その位置での層の厚みをｈｉ(ｙｋ)とすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
となるように構成する。このように構成することで、位置がΔｙずれるごとに、厚みがｇ倍されていく。
　前述したように、干渉膜１２の各層の厚みがｋ倍されると、分光透過率は、疑似波長ｐ軸上で、ｌｏｇ(ｋ)だけシフトするので、位置ｙ１を基準としたとき、位置ｙｋにおける分光透過率の、擬似波長ｐ軸上でのシフト量はｌｏｇ(ｋ)*(ｋ－１)であり、そのシフト量だけずれる。つまり、前述の擬似波長のピッチは、Δｐ＝ｌｏｇ(ｇ)であり、
ｐｋ＝ｐ１＋(ｋ－１)*ｌｏｇ(ｇ)
である。
　位置ｙに対し擬似波長ｐのシフト量は線形であり、位置ｙを等間隔でずらすと、擬似波長ｐも等ピッチでずれていく。本実施例での波長λと疑似波長ｐとの関係を図６に、フィルター１における位置ｙと干渉膜の厚みの関係を図７に示す。本実施例では、ｙ方向に２２ｍｍずらすと厚みが２．２２２倍となり、擬似波長ｐが０．７９８５シフトする。例えば、ｐ＝６．６８４６(λ＝８００ｎｍ)が、ｐ＝５．８８６１(λ＝３６０ｎｍ)にシフトする。
　２次元センサー２のある画素を考えると、フィルター１を１ｍｍずつずらして２３回測定し、測定値ベクトルＭを取得し、上述の演算によりスペクトルを算出する。
　リレー光学系４の倍率を－１、２次元センサー２のｙ方向の画素ピッチを０．１ｍｍとすると、フィルター１をｙ方向に０．１ｍｍずつずらしながら順次測定すれば、すべての画素の測定値ベクトルを取得できる。この時、たとえば、２次元センサー２の第１行目がｋ回目の測定をする際、同時に、２次元センサー２の第１１行目はｋ－１回目の測定を行え、効率よく測定が可能である。
　本実施例において、２次元センサー２のある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を図８に示す。図８において、実線は被測定光源での実際の測定値（真値）であり、破線は演算による値である。図８から理解されるように、実際の測定結果と演算結果とが良く一致しており、正しく復元されていることが分かる。
　一般的な１つの波長域のみ透過させるリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)を用いて、同等の波長分解能とするシステム(比較例)と比べた場合に、Ｓ／Ｎ比がどれだけ改善しているかを、測定ごとにランダムなノイズが発生すると仮定して算出すると、２．５０２倍の改善であった。これは、上記［数６］に示したＳ／Ｎ理論式において、ｎ＝２３とした場合に一致している。比較例におけるリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)の分光透過率を図９に示す。同図上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示している。比較例に係るフィルタにおける透過率行列Ｓは２３×２３の対角行列になる。 
［実施例２］
　実施例２の基本構成は実施例１と同じであるが、フィルター１の特性が異なり、フィルター１の透過率行列Ｓの行数、列数も異なる。実施例２でのフィルター１の分光透過率を図１０に示す。上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示している。
　実施例２では、ｎ＝１０３の場合のアダマール変換分光の行列に一致する分光透過率となっている。
　実施例２において、２次元センサー２のある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を図１１に示す。図１１において、実線は被測定光源での実際の測定値（真値）であり、破線は演算による値である。この場合も、実際の測定結果と演算結果とが良く一致しており、正しく復元されていることが分かる。
　同等の波長分解能のリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)を基準とした場合のＳ／Ｎ比改善効果は５．１２４倍であり、上記［数６］に示したＳ／Ｎ理論式において、ｎ＝１０３とした場合に一致する。なお、比較に係るリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)の透過率行列Ｓは１０３×１０３の対角行列である。
　実施例２では、実施例１に比べ波長分解能が改善している。また、Ｓ／Ｎ比の改善効果も高い。
［実施例３］
　実施例３の基本構成は実施例１と同じであるが、フィルター１の特性が異なり、フィルター１の透過率行列Ｓの行数、列数も異なる。実施例３でのフィルター１の分光透過率を図１２に示す。上側の図は疑似波長ｐと透過率の関係を、下側の図は波長λと透過率の関係をそれぞれ示している。
　実施例３におけるフィルター１の透過率行列Ｓは、実施例１での２３×２３の行列Ｓの各行、各列の間に、要素がすべて０の行及び列を４行及び４列ずつ挿入した、１１１×１１１の行列（２３＋２２＊４＝１１１）になる。
　実施例３において、２次元センサー２のある画素での測定と演算でのスペクトル復元を、シミュレーションした結果を図１３に示す。図１３において、実線は被測定光源での実際の測定値（真値）であり、破線は演算による値である。この場合も、実際の測定結果と演算結果とが良く一致しており、正しく復元されていることが分かる。
　同等の波長分解能のリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)を基準とした場合のＳ／Ｎ比改善効果は２．５０２倍であり、実施例１と同じく上記［数６］に示したＳ／Ｎ理論式において、ｎ＝２３とした場合に一致する。なお、比較に係るリニアバリアブルバンドパスフィルタ(LVBPF)の透過率行列Ｓは１１１×１１１対角行列である。
　実施例３では、実施例２と同程度以上の高い波長分解能となっている。一方で、Ｓ／Ｎ比の改善効果は実施例２に比べると低くなっている。しかし、実施例２のフィルター１は複雑な分光透過率波形となっており、製作難易度が高いが、実施例３のフィルター１では比較的シンプルな分光透過率波形となっており、製作難易度が低い点で好ましい。
　このようにこの実施形態では、フィルター１は、位置により分光透過率が異なるとともに、複数の波長帯の光を透過させる特性を有しているから、このフィルターを走査することで、１個の波長帯の光のみを透過させるリニアバリアブルバンドパスフィルター（LVBPF））を用いる場合に較べて光利用効率が高く、高Ｓ／Ｎ比での測定が可能な分光装置とすることができる。
　以上の実施形態では、ガラス基板１１、誘電体多層膜１２の屈折率の波長分散を無視したが、実際には、屈折率の波長分散の影響により、上記計算から若干ずれる。その誤差が小さくなるように、膜設計、位置ｙに対する膜の厚みを補正しても良い。
　また、上記実施形態では、フィルター１を一定量ずつｙ方向にシフトさせると、擬似波長に対する透過率波形が一定量ずつシフトする構成としたが、フィルター１の移動量が一定でなくても良いし、透過率波形のシフト量が一定でなくても良いし、透過率波形が多少くずれても良い。その場合、Ｓ／Ｎ比の改善効果は小さくなってしまうが、分光情報の測定は可能である。
　また、上記実施形態におけるフィルター１は、ガラス基板１１の光軸方向の表裏両面に干渉膜１２、１２を設けているが、片面のみに干渉膜１２を設ける構成でも良いし、複数枚のフィルター１で、所望の分光透過率を実現しても良い。
　また、測定波長域外の光をカットする、短波長カットフィルター、長波長カットフィルターを、光学系に設置しても良い。
　本発明は、測定対象である光の分光情報を算定する際に利用可能である。
　１　　フィルター
　１１　ガラス基板
　１２　多層膜（干渉膜）
　２　　２次元センサー
　３　　対物光学系
　４　　リレー光学系
　５　　駆動部
　６　　測定対象物

Claims (6)

  1. 　位置により分光透過率が異なるとともに、測定対象からの複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルターと、
    　前記フィルターを走査する駆動手段と、
    　前記フィルターを透過した測定対象からの光の強度を検出する検出器であって、前記駆動手段によって前記フィルターが走査されたときの光の強度を順次測定することにより、分光情報の算定に用いられる複数の測定データを取得する検出器と、
    　を備えた分光装置。
  2. 　前記フィルターは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する請求項１に記載の分光装置。
  3. 　前記検出器は２次元センサーであり、
    　測定対象面の像を前記フィルター上に形成する対物光学系と、
    　前記フィルターを透過した光を、前記２次元センサー上に結像するリレー光学系と、
    　をさらに備えている請求項１または２に記載の分光装置。
  4. 位置により分光透過率が異なるとともに、測定対象からの複数の波長帯の光を透過させる特性を有するフィルターを用い、
    　前記フィルターを走査しながら、フィルターを透過した測定対象からの光の強度を検出器で順次測定することにより、分光情報の算定に用いられる複数の測定データを取得する分光測定用データの取得方法。
  5. 　前記フィルターは、測定対象の波長域において、透過率８０％以上の波長帯が２つ以上存在し、かつ、透過率２０％以下の波長帯が３つ以上存在する請求項４に記載の分光測定用データの取得方法。
  6. 　前記検出器は２次元センサーであり、
    　測定対象面の像を対物光学系により前記フィルター上に形成し、
    　前記フィルターを透過した光を、リレー光学系により前記２次元センサー上に結像する請求項４または５に記載の分光測定用データの取得方法。
     
     
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