分光测定装置

1.本发明涉及一种分光测定装置。


背景技术：

2.已知以下一种方法：向生物体的被检部位照射光，根据从该被检部位发出的透射光、扩散光、散射光等物体光的分光特性来定性、定量地测定生物体成分(血液中的葡萄糖、胆固醇等)。作为测定物体光的分光特性的方法，存在以下方法：将物体光通过物镜变为平行光束后导向移相器，通过该移相器将该平行光束分割为具有光路长度差的两个光束，根据相对于这两个光束的相位差而由这两个光束形成的干涉光的强度变化来求出分光特性。作为对这两个光束设置相位差的方法，一般采用以下方法：一边利用并排配置的两个反射镜使变为平行光束的物体光反射来使两光束发生干涉，一边使这两个反射镜中的一方沿光轴方向移动。在该方法中，需要用于使其中一个反射镜移动的移动机构，另外，为了测定干涉光的强度变化，需要用于使反射镜移动的时间。
3.与此相对地，在专利文献1中记载了一种不需要反射镜移动机构且一举得到干涉光的强度变化的方法。
4.专利文献1所公开的移相器由并排配置且反射面的倾斜度不同的两个反射镜(基准反射镜、倾斜反射镜)构成，被导入到移相器的平行光束在基准反射镜和倾斜反射镜各自的反射面上反射，并通过成像光学系统会聚到同一直线上。因而，在该直线(成像直线)上，通过被基准反射镜反射的光(基准反射光)和被倾斜反射镜反射的光(倾斜反射光)来形成直线状的干涉像。在此，由于基准反射镜的反射面与倾斜反射镜的反射面的倾斜度不同，因此在该成像直线上，在基准反射光与倾斜反射光之间产生与两反射面所成的角度相应的连续的光路长度差。因而，能够通过检测沿着该成像直线的干涉像的光强度变化来获取干涉图。另外，通过对该干涉图进行傅立叶变换，能够获取物体光的分光特性。
5.在专利文献1所记载的方法中，成像直线上的干涉像的光量分布(干涉图)受到由被检部位的纹理(表面状况)引起的衍射角的差异等的影响。也就是说，成像直线上的光量分布由于被检部位的折射率分布等、物体光所穿过的部位的光学纹理的差异而不同，因此这样的光量分布与依赖于生物体成分的浓度的干涉像的光量分布(干涉图)叠加，无法准确地测定生物体成分的浓度。
6.另外，在空间上相干的光的情况下，从几乎没有纹理的被检部位不会产生高次衍射光，而仅为0次光。例如，在通过柯勒照明对被检部位进行了照射的情况下，在几乎没有纹理的被检部位不会扩散、散射，来自光源的0次光直接以平行光束形式到达物镜，并在基准反射镜或倾斜反射镜的反射面上会聚。在这样的情况下，无法对物体光进行分割，因此无法获取分光特性。
7.与此相对地，提出了以下方法：通过共轭成像光学系统暂时在与物体面光学共轭的面(共轭像面)上形成物体光的像，通过设置在该共轭像面上的振幅型衍射光栅对物体光赋予空间上的周期变化(专利文献2)。振幅型衍射光栅是在成像光学系统的聚光方向(与上
述成像直线正交的方向)上交替地排列矩形形状的透光部和遮光部而形成的。例如，透光部由纵横的长度(聚光方向上的长度以及沿着成像直线的方向上的长度)或间隔(周期)为几十μm～几百μm的开口构成，也被称为多重狭缝。
8.即使是来自几乎没有纹理的被检部位的光，也由于通过多重狭缝而向与该光的波长相应的方向衍射。因而，通过将这些衍射光经由物镜导向移相器，能够得到直线状的干涉像，能够根据沿着成像直线的该干涉像的光强度变化来获取所述光的分光特性。
9.现有技术文献
10.专利文献
11.专利文献1：日本特开2012-058068号公报
12.专利文献2：国际公开wo2014/054708
13.专利文献3：日本特开2016-142522号公报


技术实现要素：

14.发明要解决的问题
15.通过使用多重狭缝，无论是怎样的纹理的被检部位，都能够获取从该被检部位发出的光的干涉图，另一方面，有时由于使用多重狭缝反而使干涉图的清晰度降低。本发明人对干涉图的清晰度与多重狭缝的关系反复进行了研究，发现了提高干涉图的清晰度所需要的多重狭缝的设计条件(专利文献3)。
16.在专利文献3中记载了以下内容：基于检测干涉像的光强度所使用的光检测器的像素间距、成像光学系统的光学倍率，来适当地设定多重狭缝的透光部的周期以及透光部的在聚光方向上的长度，由此提高干涉图的清晰度。
17.光检测器的检测灵敏度依赖于到达该光检测器的光量、即多重狭缝的透光部的大小。另外，如上所述，透光部的在聚光方向上的长度受到干涉图的清晰度的限制。因而，为了提高光检测器的检测灵敏度，考虑增大干涉方向(沿着成像直线的方向)上的长度。另外，如果增大透光部的在干涉方向上的长度，则朝向各个方向的物体光通过透光部，因此干涉清晰度反而降低。
18.本发明要解决的课题在于提高分光测定装置的检测灵敏度以及干涉清晰度。
19.用于解决问题的方案
20.为了解决上述课题而完成的本发明所涉及的分光测定装置的第一方式具备：
21.a)整合光学系统，其将从物体面上的测定点发出的光整合为一个平行光束；
22.b)光检测器，其具有将多个像素沿规定的方向以规定的间隔排列的受光面；
23.c)移相器，其将所述平行光束分割为第一光束和第二光束这两个光束，并对该第一光束与该第二光束之间赋予光路长度差；
24.d)干涉部，其使被所述移相器赋予了光路长度差的所述第一光束和所述第二光束在所述受光面上发生干涉来生成干涉光；
25.e)遮光构件，其被配置在所述物体面或与所述整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面，具有沿所述像素的排列方向以隔开规定的间隔的方式排列的多个透光部；以及
26.f)处理部，其基于由所述光检测器检测到的所述干涉光的强度分布来求出所述测
定点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱，
27.其中，所述遮光构件的所述透光部的在所述排列方向上的长度及在所述排列方向上相邻的两个透光部的间隔与从所述测定点发出的光的波长、从所述整合光学系统到所述移相器的距离、从所述移相器到所述光检测器的受光面的距离、所述像素的在该像素所排列的方向上的的长度及对在所述排列方向上相邻的两个像素分别赋予的光路长度差之差之间具有规定的关系。
28.另外，本发明所涉及的分光测定装置的第二方式具备：
29.a)整合光学系统，其将从物体面上的测定点发出的光整合为一个平行光束；
30.b)移相器，其将所述平行光束在规定的第一轴方向上分割为两个光束来形成第一光束和第二光束，对该第一光束与该第二光束之间赋予沿着与所述第一轴方向正交的第二轴方向连续地变化的光路长度差；
31.c)成像光学系统，其使被所述移相器赋予了光路长度差的所述第一光束和所述第二光束沿所述第一轴方向会聚到成像面上，来形成沿所述第二轴方向的直线状的干涉像；
32.d)光检测器，其在所述成像面上具有受光面，具有用于检测所述直线状的干涉像的光强度分布的多个像素；
33.e)遮光构件，其被配置在所述物体面或与所述整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面，具有在所述第二轴方向上以隔开规定的间隔的方式排列的多个透光部；以及
34.f)处理部，其基于由所述光检测器检测到的所述直线状的区域的光的强度分布来求出所述测定点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱，
35.其中，在将所述整合光学系统的焦距设为f1、将所述成像光学系统的焦距设为f2、将所述光检测器的像素的在所述第二轴方向上的间隔设为p、将对在所述第二轴方向上相邻的两个像素分别赋予的光路长度差之差设为δλ、将从所述测定点发出的光的波长范围内包含的规定的波长设为λc、将所述遮光构件的所述透光部的在所述第二轴方向上的长度及在所述第二轴方向上相邻的两个透光部的间隔均设为l时，l用以下的式(1)来表示。
36.l＝{(λc
×
f1)/(4
×
δλ
×
f2)}
×
p
…
(1)
37.另外，本发明所涉及的分光测定装置的第三方式具备：
38.a)整合光学系统，其将从物体面上的多个测定点发出的光整合为一个平行光束；
39.b)光检测器，其具有配置在受光面上的多个像素；
40.c)移相器，其将利用所述整合光学系统整合出的平行光束在规定的第一轴方向上分割为两个光束来形成第一光束和第二光束，对该第一光束与该第二光束之间赋予沿着与所述第一轴方向正交的第二轴方向连续地变化的光路长度差并且使该第一光束和该第二光束朝向所述受光面射出，以所述受光面中的所述第一光束的入射区域的至少一部分与所述第二光束的入射区域的至少一部分重叠的方式使所述第一光束和所述第二光束面状地入射到所述受光面；
41.d)遮光构件，其配置在所述物体面或与所述整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面，具有在所述第二轴方向上以隔开规定的间隔的方式排列的多个透光部；以及
42.e)处理部，其基于所述受光面中的所述第一光束的入射区域与所述第二光束的入射区域重叠的区域的沿所述第二轴方向的光的强度分布，来求出所述测定点的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取光谱，
43.其中，在将所述整合光学系统的焦距设为f、将从所述整合光学系统到所述移相器的距离设为h1、将从所述移相器到所述受光面的距离设为h2、将所述多个像素的在所述第二轴方向上的间隔设为p、将对在所述第二轴方向上相邻的两个像素分别赋予的光路长度差之差设为δλ、将从所述测定点发出的光的波长范围内包含的规定的波长设为λc、将所述遮光构件的所述透光部的在所述第二轴方向上的长度及在所述第二轴方向上相邻的两个透光部的间隔均设为l时，l用以下的式(2)来表示。
44.l＝[(λc
×
f)/{2
×
δλ
×
(h1 h2)}]
×
p
…
(2)
[0045]
在本发明中，整合光学系统能够由一个物镜(准直透镜)构成，或者由聚光透镜和物镜(准直透镜)构成，或者由聚光透镜及物镜以及配置在两透镜的共同的焦点位置处的针孔构成。另外，作为整合光学系统，也能够使用凹面镜。
[0046]
另外，遮光构件只要构成为使从测定点发出的光通过透光部而不通过该透光部以外的部分即可，例如通过在遮光构件中形成多个开口，能够将这些开口作为透光部。
[0047]
另外，对在第二轴方向上相邻的两个像素分别赋予的光路长度差是指形成了由各像素检测到的干涉光的第一光束与第二光束的光路长度差，光路长度差之差是指由某个像素检测到的干涉光的光路长度差与由其相邻的像素检测到的干涉光的光路长度差之差。在该情况下，与各像素对应的光路长度差既可以是平均值，也可以是最大值或最小值。
[0048]
在本发明的第二方式和第三方式中，规定的波长λc只要包含在从测定点发出的光的波长范围内即可，例如能够设为该波长范围的中心波长、最短波长、最长波长等。另外，根据求出测定点的分光特性的目的，例如在以求出某种成分的浓度或种类为目的的情况下，能够将某种成分所特有的波长设为规定的波长λc。
[0049]
在第一方式的分光测定装置中，从测定点发出的光在被整合光学系统整合为平行光束之后被导入到移相器，被该移相器分割为第一光束和第二光束。第一光束和第二光束通过干涉部而在光检测器的受光面上发生干涉。此时，由于对第一光束与第二光束之间赋予了规定的光路长度差，因此在所述受光面上的聚光区域形成第一光束和第二光束的干涉像。
[0050]
另外，由于在物体面或与整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面配置有遮光构件，因此在受光面上形成由穿过了所述透光部后的光产生的干涉像。因此，利用光检测器检测受光面上的干涉像的光强度分布，通过用处理部对其进行处理来得到干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来得到测定点的分光特性。
[0051]
在第二方式的分光测定装置中，从测定点发出的光在被整合光学系统整合为平行光束之后被导入到移相器，被该移相器分割为第一光束和第二光束。第一光束和第二光束通过成像光学系统而在第一轴方向上会聚，在成像面上的沿所述第二轴方向的直线状区域成像。此时，由于对第一光束与第二光束之间赋予了规定的光路长度差，因此在所述直线状区域形成第一光束和第二光束的干涉像。
[0052]
另外，由于在物体面或与整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面配置有遮光构件，因此在成像面上的沿所述第二轴方向的直线状区域形成由穿过了所述透光部后的光产生的干涉像。由于在成像面配置有光检测器的多个像素，因此利用光检测器检测由穿过了所述透光部的光形成的干涉像的光的强度分布，通过用处理部对其进行处理来得到干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来得到测定点的分光特性。
[0053]
在第三方式的分光测定装置中，从测定点发出的光在被整合光学系统整合为平行光束后被导入到移相器，被该移相器分割为第一光束和第二光束，并且以受光面中的所述第一光束的入射区域的至少一部分与所述第二光束的入射区域的至少一部分重叠的方式使所述第一光束和所述第二光束面状地入射到所述受光面。此时，由于对第一光束与第二光束之间赋予了规定的光路长度差，因此在两光束的入射区域重叠的区域(重叠区域)形成第一光束和第二光束的干涉像。
[0054]
另外，由于在物体面或与整合光学系统相关并与该物体面光学共轭的面配置有遮光构件，因此在受光面上的重叠区域形成由穿过了所述透光部后的光产生的干涉像。由于在受光面配置有光检测器的多个像素，因此利用光检测器检测所述重复区域的光的强度分布，通过用处理部对其进行处理来得到干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换来得到测定点的分光特性。
[0055]
发明的效果
[0056]
如上所述，根据本发明的分光特性装置，由于在物体面或与整合光学系统相关并与物体面光学共轭的面上配置了具有多个透光部的遮光构件，因此能够获取清晰的干涉图。而且，在本发明中，所述遮光构件的所述透光部的在所述排列方向上的长度及在所述排列方向上相邻的两个透光部的间隔与从所述测定点发出的光的波长、从所述整合光学系统到所述移相器的距离、从所述移相器到所述光检测器的受光面的距离、所述像素的在该像素所排列的方向上的长度及对在所述排列方向上相邻的两个像素分别赋予的光路长度差之差之间具有规定的关系，因此能够简单地设计所述遮光构件。
附图说明
[0057]
图1a是示出本发明的第一实施方式所涉及的分光测定装置的整体结构的立体图。
[0058]
图1b是图1a所示的分光测定装置的俯视图。
[0059]
图1c是图1a所示的分光测定装置的侧视图。
[0060]
图2是从受光面侧观察光检测器而得到的图。
[0061]
图3是从物镜侧观察遮光板而得到的图。
[0062]
图4a是示出从测定对象物的某个测定点射出的单色光在被整合光学系统整合为平行光束后，被移相器分割为被赋予了光路长度差的第一光束和第二光束，并会聚到成像面上的直线状区域的情形的图。
[0063]
图4b是示出从测定对象物的其它测定点射出的单色光在被整合光学系统整合为平行光束后，被移相器分割为被赋予了光路长度差的第一光束和第二光束，并会聚到成像面上的直线状区域的情形的图。
[0064]
图5是示出在受光面形成的干涉像的光的强度变化的图。
[0065]
图6是示出共轭面、物镜、移相器、成像透镜以及受光面的位置关系的图。
[0066]
图7是示出由增大了透光部的在第二轴方向上的长度引起的干涉像的光强度的振幅的变化的图。
[0067]
图8a是示出实际测定在共轭面上配置有遮光板时的hene激光的干涉像的强度变化而得到的结果的图，(b)是(a)的局部放大图。
[0068]
图8b是示出为了比较而实际测定在共轭面上配置有遮光板时的hene激光的干涉
像的强度变化而得到的结果的图，(b)是(a)的局部放大图。
[0069]
图9a是示出实际测定在共轭面上配置有遮光板时的白色光(光源：金属卤化物灯)的干涉像的强度变化而得到的结果的图，(b)是将在(a)中用矩形框包围的部分沿横轴方向放大后的图。
[0070]
图9b是示出比较例的实际测定在共轭面上配置有遮光板时的白色光(光源：金属卤化物灯)的干涉像的强度变化而得到的结果的图，(b)是将在(a)中用矩形框包围的部分沿横轴方向放大后的图。
[0071]
图10是示出本发明第二实施方式所涉及的分光测定装置的概要整体结构的图。
[0072]
图11是从透射型光学元件侧观察遮光板而得到的图。
[0073]
图12是示出透射型光学元件的结构的图(a)～(d)、是示出穿过了透射型光学元件的光向光检测器的受光面入射的情形的图(e)。
[0074]
图13是示出物体面、透射型光学元件以及受光面的位置关系的图。
[0075]
图14a是本发明的第三实施方式的分光测定装置的概要立体图。
[0076]
图14b是示出基准反射镜的反射面与倾斜反射镜的反射面的位置关系的图。
[0077]
图15a是概要地示出构成本发明第四实施方式的分光测定装置的振幅分割型干涉光学系统的图。
[0078]
图15b是示出图15a所示的振幅分割型干涉光学系统的透射型的等效光学系统的图。
具体实施方式
[0079]
接着，对本发明所涉及的分光测定装置的具体实施方式进行说明。
[0080]
[第一实施方式]
[0081]
图1a～图1c分别是示出第一实施方式的分光测定装置1的结构的立体图、俯视图、侧视图。该分光测定装置1由共轭面成像光学系统100和透射成像型一维傅立叶分光光学系统200(以下，称为“单次自动对焦光学系统200”。)构成。共轭面成像光学系统100使用与作为观察条件的视野范围、倍率相应的透镜11(成像透镜、广角透镜、显微物镜等)，在与物体面光学共轭的面形成测定对象物(物体面)s的像。该共轭面为单次自动对焦光学系统200的物体面。在该共轭面上配置有遮光板13(相当于本发明的遮光构件)。
[0082]
单次自动对焦光学系统200是由物镜(准直透镜)15和成像透镜17构成的无限远校正成像光学系统，在光学傅立叶变换面的附近配置有移相器19，在成像透镜17的成像面的附近配置有光检测器21。光检测器21由在成像透镜17的成像面二维配置有多个像素的ccd摄像机、mos型图像传感器、ingaas摄像机、微辐射热测量计、mct传感器等二维区域传感器构成。光检测器21的检测信号由处理部25进行处理。
[0083]
移相器19由作为透射型光学构件的第一透射部191和第二透射部192构成。第一透射部191由光入射面与光射出面平行且厚度固定的矩形板状的光学构件构成。第二透射部192由具有相对于第一透射部191的光入射面倾斜的光入射面以及与第一透射部191的射出面处于同一面上的射出面的矩形板状的光学构件构成。第一透射部191和第二透射部192排列的方向(图1a中的上下方向)相当于本发明的第一轴方向，与第一轴方向及物镜15的光轴这双方正交的方向相当于本发明的第二轴方向。在本实施方式中，第二透射部192构成为：
第二轴方向中心处的厚度与第一透射部191的厚度相同，厚度从该中心朝向图1a中的跟前侧逐渐变小，厚度从该中心朝向内侧逐渐变大。
[0084]
成像透镜17由平凸面柱面透镜构成。成像透镜17的处于移相器19侧的面由朝向该移相器19突出的圆筒面状的凸面构成，成像透镜17的处于光检测器21侧的面由与移相器19的射出面平行的平面构成。
[0085]
图2是从受光面21a侧观察光检测器21而得到的图。如图2所示，在光检测器21的受光面21a中，多个像素211在第一轴方向和第二轴方向上分别以规定的间距排列。
[0086]
图3是从物镜15侧观察遮光板13而得到的图。遮光板13由遮光部132和多个透光部131构成，其中，所述多个透光部131能够使从物体面射出的光(物体光)通过，所述遮光部132是透光部131以外的部分，无法使所述物体光通过。透光部131既可以是形成于遮光板13的开口，也可以在该开口嵌入具有透光性的玻璃等构件来作为透光部131。
[0087]
根据上述结构，在本实施方式的分光测定装置1中，从物体面s上的测定点发出的光在被透镜11会聚到与物镜15有关的共轭面之后，穿过遮光板13的透光部131而去向物镜15。然后，在被物镜15整合为平行光束后，被移相器19分割为两个光束，在被赋予了规定的光路长度差之后，被成像透镜17会聚到光检测器21的受光面21a的沿第二轴方向的直线状区域来形成干涉像。在受光面21a形成的干涉像的光强度由光检测器21检测，因此处理部25根据干涉像的光强度分布来求出干涉图，并通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取测定点的光谱。
[0088]
另外，如图3所示，多个透光部131在第一轴方向和第二轴方向上分别以规定的间隔排列。本发明是针对在第二轴方向上排成一列的多个透光部131发现与各透光部131的在第二轴方向上的长度及相邻的两个透光部131的距离有关的条件(设计条件)而创造出的，所述设计条件具有特征。下面，对遮光板13的透光部131的设计条件进行说明。
[0089]
图4a、图4b是示出从物体面s上的多个测定点发出的单一波长的光(单色光)在共轭面13c会聚后去向物镜(整合光学系统)15的情形的光路图。此外，实际上，从多个测定点发出的光是多波长光，但为了便于说明，设为单色光来进行说明。
[0090]
图4a是穿过共轭面13c与物镜15的光轴交叉的点a的单色光的光路图，图4b是穿过在第二轴方向上与点a隔开距离l的点b的单色光的光路图。如这些图所示，所述单色光在被物镜15整合为平行光束后，被移相器19分割为具有光路长度差的两个光束，被成像透镜17(在图4a、图4b中未图示)会聚到光检测器21的受光面(成像面)21a上的直线状区域。
[0091]
移相器19被配置为第一透射部191的光入射面与第二透射部192的光入射面相交的线段(光路长度差＝0)同物镜11的后侧焦点一致。也就是说，在所谓的傅立叶变换面配置有移相器19。在入射到移相器19的第一透射部191之后到达了受光面21a的光束(第一光束)的波面与该受光面21a平行时，入射到第二透射部192之后到达了受光面21a的光束(第二光束)的波面相对于受光面21a倾斜。此时，在到达了受光面21a的第一光束和第二光束中的、从点a和点b向与物镜15的光轴平行的方向行进并入射到第一透射部191或第二透射部192的光到达了受光面21a的点(在图4a、图4b中用附图标记21z表示的点(称为零点21z))处，第一光束与第二光束之间的相位差为0(rad.)，与此相对地，在比零点21z靠上侧的区域中，第二光束的相位与第一光束的相位相比延迟，越远离零点则其延迟量越大。另一方面，在比零点靠下侧的区域中，第二光束的相位与第一光束的相位相比提前，越远离零点则其提前量
越大。因而，在受光面21a上的第一光束和第二光束所会聚的直线状区域中形成相位差连续地变化的第一光束和第二光束的干涉像。
[0092]
图5示出了在受光面21a形成的干涉像的光的强度变化。在图5中，横轴表示物体面s上的第二轴方向上的位置，纵轴表示干涉像的光强度。在此，用将单色光(波长λ)的一个周期的干涉条纹的长度设为2π的相位θ(rad.)定义了受光面21a上的第二轴方向上的坐标。也就是说，将形成在受光面21a上的干涉条纹的一个周期的长度(m)设为2π(rad.)、将受光面21a上的第二轴方向上的距任意点的距离为x(m)的坐标设为θ(rad.)，通过下式来进行定义。
[0093]
θ＝x/λ
×
2π
…
(3)
[0094]
例如，在将受光面21a上的第二轴方向上的任意位置a(m)设为坐标θa(rad.)时，i(θa)表示受光面21a上的第二轴方向上的任意位置a(m)即坐标θa(rad.)处的干涉像的光的强度。另外，i(θa δθ)表示在换算为受光面21a上的距离时从坐标a(m)离开了x＝δθ/2π
×
λ(m)的位置处的干涉像的光强度。
[0095]
如图6所示，如果将物镜15的焦距设为f1、将成像透镜17的焦距设为f2，则物体面s上的点a与点b之间的距离l同受光面21a上的对应于点a的点a
′
与对应于点b的点b
′
之间的距离l
′
的关系用以下示出的式(4)来表示。将该l/l
′
的比率称为“向共轭面进行换算的换算比率”。这由各种公知的空间相移干涉光学系统决定，但在本实施方式的情况下由式(4)决定。具体地说，如图4b所记载那样，共轭面13c与物镜15之间的平行于主轴的光线穿过物镜15的后侧焦点。也就是说，能够根据2
×
f2与f1的比率来将受光面21a上的距离l
′
换算为共轭面13c上的距离l。
[0096]
l/l’＝f1/(2
×
f2)
…
(4)
[0097]
在此，考虑以下情况：在共轭面13c配置遮光板13，点a和点b位于该遮光板13的透光部131的在第二轴方向上的长度l的两端部。也就是说，点a和点b是在共轭面13c上隔开距离l的两个点。这说明，在受光面21a上，在第二轴方向上偏移了距离l
′
＝l
×2×
f2/f1的位置处分别形成干涉条纹。另外，由于在点a与点b之间存在无数个点，因此单色光也从这些点去向物镜15，在受光面21a连续地形成这些单色光的干涉像。根据图4a和图4b可知，与单色光的射出位置相应地形成在受光面21a的干涉像的零点z会根据向共轭面进行换算的换算比率进行移动。也就是说，在受光面21a上，穿过了透光部131的单色光的干涉像以它们的零点在第二轴方向上一点点地偏移的方式形成。如果将该坐标的偏移量设为δθ，则位置a即坐标θa处的干涉像的光强度i(θa)成为将图5所示的光强度i(θ)的曲线(正弦曲线)从θa积分到θa aθ所得到的值，能够根据以下式子来求出该光强度i(θa)。
[0098]
[数1]
[0099][0100]
如果对上述式子进行整理，则成为如以下的式(5)那样。
[0101]
[数2]
[0102][0103]
在式(5)中，2a
×
sin(δθ/2)表示干涉像的光强度的振幅，a
×
δθ表示光强度的基准值(偏移)。根据式(5)获知：在透光部131的在第二轴方向上的长度δθ为(2m 1)
×
π(m为0以上的整数)时，干涉像的光强度的振幅为最大值(2a)，在δθ为2n
×
π(n为1以上的整数)时，干涉像的光强度的振幅为最小值(0)。也就是说，即使增大透光部131的在第二轴方向上的长度δθ，干涉像的光强度的振幅也只是在0到2a之间周期性地变化，不会超过2a，另一方面，随着透光部131的在第二轴方向上的长度δθ变大，偏移变大(参照图7)。换言之，如果增大透光部131的在第二轴方向上的长度δθ，则虽然干涉像的光强度变大，但光强度的振幅只是在0到a
×
δθ之间周期性地变动，振幅的大小(光强度的变化量)相对于干涉像的光强度值的比例变小，因此干涉图的清晰度(干涉清晰度)反而降低。
[0104]
与此相对地，在将第二轴方向上的长度为δθ的透光部131在第二轴方向上以隔开距离δθ的方式并排地配置了n个的情况下，由于穿过各透光部131的单色光而在受光面21a叠加地形成n个干涉像。此时，在受光面21a形成的干涉像的光强度用以下的式(6)来表示。
[0105]
[数3]
[0106][0107]
如根据式(6)所获知的那样，当透光部131的在第二轴方向上的宽度δθ相当于π时，与该透光部131的数量相应地，偏移以及干涉像的振幅增大，其结果，检测灵敏度和干涉清晰度这两方提高。因而，在从物体面s的测定点发出的光的波长范围中包含的波长为λc时，将波长λc在受光面21a上形成的干涉条纹的长度的一半设为距离l
′
，将根据向共轭面进行换算的换算比率求出的l设为透光部131间的距离，并且通过增加透光部131的数量，能够使干涉图的清晰度和检测灵敏度提高。
[0108]
如果将光检测器21的像素间距设为p、将通过移相器对某个像素赋予的光路长度差同在第二轴方向上与该像素相邻的像素的光路长度差之差设为δk(例如，如果将从测定点发出的光的波长范围的最短波长设为λmin，则能够设为δλ＝λmin/4)，则受光面21a上的
长度l
′
用以下的式(7)来表示。
[0109]
l’＝{(λc/2)/δλ}
×
p
…
(7)
[0110]
根据表示距离l与距离l
′
的关系的上述式(4)及上述式(7)以及由各光学系统决定的向共轭面进行换算的换算比率，遮光板13的透光部131的在第二轴方向上的长度以及相邻的透光部131间的距离l用以下的式(1)表示。
[0111]
l＝[λc/{(2
×
δλ)
×
(2
×
f2/f1)}]
×
p
[0112]
＝{(λc
×
f1)/(4
×
δλ
×
f2)}
×
p
…
(1)
[0113]
如上所述，根据本实施方式，如果获知光检测器21的像素间距p、在第二轴方向上相邻的两个像素各自的光路长度差之差ak、从测定点发出的波长范围中包含的波长λc、物镜15、成像透镜17的焦距f1、f2，则通过基于这些值设计遮光板13的各透光部131的在第二轴方向上的长度l以及透光部131的在第二轴方向上的间隔l，能够提高干涉图的清晰度。
[0114]
此外，“l”优选为满足上述式(1)的值，但在如果将“l”设定为根据式(1)求出的值则穿过透光部的光量变少的情况下，也可以将根据式(1)求出的值的奇数倍的值设为“l”。
[0115]
另外，由于与所关注的单一波长λc相应地设计间隔l，因此波长λc的干涉清晰度最有效率地提高。在分光的情况下，由于同时处理多波长的光，因此存在希望还同时提高波长λc以外的波长的干涉清晰度的情况。在该情况下，也可以按遮光板13a的在第一轴方向上的坐标不同的每个水平列改变所关注的波长λc1、波长λc2来进行设定(参照图3)。
[0116]
(实施例)
[0117]
对在上述分光测定装置的共轭面13c配置有被设计为满足上述式(1)的具有1～3个透光部(开口)131的遮光板13(具体地说，透光部131的在第二轴方向上的距离l及间隔l均为15.57μm的遮光板13)时所得到的干涉像的强度变化进行了测定。这是以下情况：设计了移相器的倾斜率等的干涉光学系统，以使焦距f1与f2相等、向共轭面进行换算的换算比率为1/2、在受光面21a上形成的干涉条纹的长度为62.28μm。将其结果在图8a、图9a中示出。图8a是使从hene激光器射出的单色光(波长＝633nm)入射到物镜15时的测定结果，图9a是使从金属卤化物灯射出的白色光入射到物镜15时的测定结果。另外，图8a、图9a的(b)是使在(a)中用矩形框包围的部分沿横轴方向放大后的图。
[0118]
另一方面，图8b和图9b是为了比较而进行的实验的实验结果。在比较实验中，在将具有距离l为15.57μm的一个透光部的遮光板配置在共轭面13c的规定位置以及配置在相对于规定位置在第二轴方向上偏移了15.57μm的位置时，测定出各个干涉像的强度变化。图8b是使从hene激光器射出的单色光(波长＝633nm)入射到物镜15时的测定结果，图9b是使从金属卤化物灯射出的白色光入射到物镜15时的测定结果。另外，图8b、图9b的(b)是使在(a)中用矩形框包围的部分沿横轴方向放大后的图。另外，图8b的(c)是将图8b的(a)所示的两个干涉像的强度变化相加而得到的图。
[0119]
根据图8a、图9a可知，关于透光部的数量为1～3个时的干涉光的强度变化，相位均一致。另外，确认了以下内容：关于透光部的数量为1个时的干涉光的强度变化以及透光部的数量为2个、3个时的干涉光的强度变化，强度及振幅与透光部的数量增加的量相应地变大，也就是说干涉图的清晰度提高。
[0120]
与此相对地，在图8b和图9b中可知，关于透光部处于在第二轴方向上偏移了15.57μm的位置时的干涉光的强度变化，相位偏移π。透光部的在第二轴方向上的长度l为31.14μm
(＝15.57μm
×
2)时的干涉光的强度变化是将处于相互抵消的关系的、用附图标记(1)表示的强度变化与用附图标记(2)表示的强度变化相加而得到的强度变化，因此振幅变小。根据图8b的(c)也明确了这一情况。
[0121]
[第二实施方式]
[0122]
图10示出了第二实施方式的分光测定装置的概要结构。分光测定装置1a具备透射型光学元件110、具有受光面121的光检测器120以及对光检测器120的检测信号进行处理的处理部130。光检测器120由二维配置有多个像素的ccd摄像机等二维区域传感器构成。透射型光学元件110具有光入射面111及其背侧的光射出面112，且以光入射面111朝向测定对象物(物体面)s侧、光射出面112朝向光检测器120的受光面121侧的方式配置在物体面s与受光面121之间。在该分光测定装置1a中，在物体面s配置有遮光板13a。
[0123]
图11示出了从透射型光学元件110侧观察遮光板13a而得到的图。与第一实施方式的遮光板13同样地，遮光板13a由遮光部132a和多个透光部131a构成，其中，所述多个透光部131a是能够使从物体面射出的光(物体光)通过，所述遮光部132a是透光部131a以外的部分，无法使所述物体光通过。透光部131a沿第一轴方向和第二轴方向矩阵状地配置在遮光板13a上。透光部131a既可以是形成于遮光板13a的开口，也可以在该开口嵌入具有透光性的玻璃等的构件来作为透光部131a。
[0124]
图12的(a)是从透射型光学元件110的光射出面112侧观察该透射型光学元件110而得到的图，图12的(b)是该图(a)的沿b-b
′
线的剖面图，图12的(c)是从纸面的上侧观察该图(a)的沿c-c
′
线的剖面而得到的图，图12的(d)是从纸面的下侧观察该图(a)的沿d-d
′
线的剖面而得到的图，图12的(e)是示出从透射型光学元件110的光射出面112射出的光向受光面121入射的情形的图。在此，将图12的(a)中的上下左右设为透射型光学元件110的上下左右。
[0125]
根据图12的(a)～图12的(d)可知，透射型光学元件110由从光入射面111侧(或光射出面112侧)看来为圆形形状的光学元件构成，光入射面111构成为向外侧凸的大致球面状。另一方面，光射出面112由并排配置的平面状的第一光射出面112a和第二光射出面112b构成，分别从光射出面112的上下方向中央的中心线cl朝向下方和上方向光入射面111侧倾斜。
[0126]
另外，第一光射出面112a没有向图12的(a)的c-c
′
方向(即左右方向)倾斜，与此相对地，第二光射出面112b从图12的(a)的附图标记c朝向附图标记c
′
地向光入射面111侧倾斜了角度θ。也就是说，第二光射出面112b从中心线cl朝向上方地向光入射面111侧倾斜，并且从右侧朝向左侧地向光入射面111侧倾斜。因此，第一光射出面112a和第二光射出面112b不是夹着中心线cl对称的结构。
[0127]
根据上述结构，在本实施方式的分光测定装置1a中，当通过从光源140对物体面s照射光而从位于透射型光学元件110的聚集点的测定点sp产生散射光或荧光发光等光线组(物体光)时，该光在穿过了遮光板13a的透光部131a后去向透射型光学元件110。然后，入射到透射型光学元件110的光入射面111的物体光成为平行光束(以下称为“物体光束”)，并去向透射型光学元件110的光射出面112。另外，在从第一光射出面112a和第二光射出面112b各光射出面折射地射出时被分割为第一光束和第二光束，各光束向光检测器120的受光面121入射。此时，根据第一光射出面112a和第二光射出面112b的倾斜角度、物体光束的波长、
以及透射型光学元件110与外部(空气)的折射率差来决定第一光束和第二光束的行进方向。
[0128]
因而，通过适当地选择透射型光学元件110的材质、第一光射出面112a与第二光射出面112b所成的角度(参照图12的(b))、从透射型光学元件110到光检测器120的受光面121的距离h等，能够使从第一光射出面112a和第二光射出面112b各光射出面射出的第一光束和第二光束以至少一部分相互叠加的方式向受光面121入射。另外，由于第二光射出面112b相对于第一光射出面112a倾斜了角度θ(参照图12的(d))，因此在第一光束与第二光束之间产生光路长度差，在受光面121中的第一光束与第二光束叠加的区域形成第一光束和第二光束的干涉像。因而，通过利用光检测器120检测该干涉像的光强度分布，能够获取测定点sp的干涉图，通过利用处理部130对该干涉图进行傅立叶变换，能够获取测定点sp的分光特性。
[0129]
在本实施方式中，透射型光学元件110中的从光入射面111到光射出面112的部分作为整合光学系统而发挥功能，光射出面112作为移相器发挥功能。在受光面121处第一光束和第二光束叠加地入射时的、第二光射出面112b相对于第一光射出面112a的倾斜角度能够基于测定波长范围、波长分辨率等光学条件来进行设计。
[0130]
如图13所示，如果将从透射型光学元件110到物体面s的距离(相当于整合光学系统的焦距)设为f、将从所述透射型光学元件110到光检测器120的受光面121的距离设为h，则物体面s上的点a与点b之间的距离l同受光面121上的对应于点a的点a
′
与对应于点b的点b
′
间的距离l
′
的关系、即向共轭面进行换算的换算比率如以下示出的式(8)那样。
[0131]
l/l’＝f/h
…
(8)
[0132]
与第一实施方式的分光测定装置同样地，光检测器120的像素间距p、在第二轴方向上相邻的两个像素的光路长度差之差δλ以及受光面121上的长度l
′
的关系用以下的式(7)来表示。
[0133]
l’＝{(λc/2)/δλ}
×
p
…
(7)
[0134]
因而，根据式(7)和式(8)获知，在第二实施方式的分光测定装置1a中，能够根据以下的式(2)来求出l。
[0135]
l＝{(λc
×
f)/(2
×
δλ
×
h)}
×
p
…
(2)
[0136]
此外，从所述透射型光学元件110到光检测器120的受光面121的距离h相当于本发明中的从整合光学系统到移相器的距离h1与从移相器到光检测器的受光面的距离h2的合计值(h1 h2)。在本实施方式中，透射型光学元件110具有将整合光学系统和移相器形成为一体的结构，从整合光学系统到移相器的距离为“0”。因此，上述合计值与从透射型光学元件110到受光面121的距离、也就是从移相器到受光面的距离相等。
[0137]
另外，在本实施方式的情况下，不仅在第二轴方向上而且在第一轴方向上也以同样的方式来决定开口宽度。第一轴方向和第二轴方向的波长λc使用相等的值，但由于在第二轴方向上相邻的两个像素的光路长度差之差δλ不同，因此第一轴方向上的开口宽度与第二轴方向上的开口宽度为不同的值。
[0138]
[第三实施方式]
[0139]
图14a是概要地示出第三实施方式的分光测定装置300的立体图。该分光测定装置300具备：物镜(准直透镜)310；移相器320，其具有基准反射镜321和倾斜反射镜322；成像透
镜(柱面透镜)330；光检测器340，其在成为成像透镜330的成像面的位置处具有受光面；以及处理部(未图示)，其对光检测器340的检测信号进行处理。光检测器340由二维配置有多个像素的ccd摄像机等二维区域传感器构成。基准反射镜321和倾斜反射镜322均具有平面状的反射面。在该分光测定装置300中，在物体面s配置有遮光板313。该遮光板313具有与第一实施方式的遮光板13相同的构造。
[0140]
在上述分光测定装置300中，当通过从未图示的光源向物体面s照射光而从物体面s上的测定点发出散射光或荧光发光等光线组(物体光)时，该物体光在穿过了遮光板313的透光部314之后去向物镜310。入射到物镜310的物体光在被该物镜310整合为一个平行光束(物体光束)后，从倾斜方向被导入到移相器320的基准反射镜321和倾斜反射镜322的各反射面。然后，被导入到基准反射镜321和倾斜反射镜322的各反射面的物体光束在以与其入射角相同的角度(反射角)被反射后去向成像透镜330。
[0141]
图14b示出基准反射镜321的反射面与倾斜反射镜322的反射面的位置关系。在图14b中，将规定基准反射镜321的反射面的正交坐标轴定义为x轴和y轴，将与x轴及y轴正交的轴定义为z轴。在本实施方式中，以向基准反射镜321的反射面入射的物体光的光轴(入射轴)与yz平面平行的方式配置了物镜310和基准反射镜321。另外，相对于如上所述那样定义的x轴，以倾斜反射镜322的反射面与使基准反射镜321绕x轴旋转了规定角度θx时的反射面平行的方式设置了该倾斜反射镜322。其结果，倾斜反射镜322的反射面相对于基准反射镜321的反射面向y轴方向倾斜，物体光束对于各反射面的光学入射角度不同。因而，相对于被基准反射镜321反射的光(基准反射光)的行进方向而言，被倾斜反射镜322反射的光(倾斜反射光)的行进方向向y轴方向偏移规定角度，根据该偏移角度在基准反射光与倾斜反射光之间产生连续的光路长度差。
[0142]
因此，向成像透镜330入射并穿过了该成像透镜330的基准反射光和倾斜反射光通过会聚于光检测器340的受光面上来形成直线状的干涉像。通过利用光检测器340测定沿着直线状干涉像的光强度变化，能够获取从物体面s上的测定点发出的光的干涉图，通过对该干涉图进行傅立叶变换，能够获取分光特性。
[0143]
上述的分光测定装置300和第一实施方式的分光测定装置1在移相器是由透射型光学元件构成还是由反射型光学元件构成这一点上不同，但使被赋予了光路长度差的两个光束在光检测器的受光面上成像的成像光学系统以及光检测器的结构大致相同。因而，在本实施方式中，也能够与第一实施方式同样地设计遮光板313，通过将这样的遮光板313配置在物体面s，能够提高干涉图的清晰度。
[0144]
[第四实施方式]
[0145]
在空间相移干涉光学系统中存在各种结构，根据各个光学系统的结构来决定向共轭面进行换算的换算比率。直到第三实施方式为止示出了将被整合光学系统(物镜)整合为平行光束的物体光的波面一分为二的波面分割型干涉光学系统的例子，但除此之外，也存在图15a所示的迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪是最正统的干涉光学系统之一，是通过物镜410将从物体面s产生的光线变为平行光束，并通过半透半反镜420将该平行光束按光量一分为二的振幅分割型干涉光学系统。
[0146]
被半透半反镜420一分为二的平行光束入射到两个反射镜430、440。通过使这两个反射镜430、440内的一侧的反射镜440倾斜，在成像面上形成由空间相移干涉导致的干涉条
纹。由于在成像面上配置有受光设备450所具备的多个像素(未图示)，因此能够根据该受光设备450的检测结果来观测干涉条纹。在图15a中，在成像面上的用附图标记m0表示的距离与用附图标记m1表示的距离相同的点处，光路长度差为0。该干涉条纹的强度分布是干涉图，能够通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取分光特性。
[0147]
在该实施方式中，由半透半反镜420、反射镜430、440构成移相器。另外，半透半反镜420也作为干涉部发挥功能。
[0148]
在上述结构的干涉光学系统中，也能够通过在物体面s或与物镜410相关并与物体面s共轭的面配置遮光板413来提高干涉清晰度。在图15a中示出了在物体面s配置有遮光板413的例子。为了易于理解图15a的光学系统中的向共轭面进行换算的换算比率，在图15b中示出透射型的等效光学系统。如图15b所示，在从物镜410到物体面s的距离(也就是物镜410的焦距)与距离m0及距离m1相等的光学系统的情况下，向共轭面进行换算的换算比率如以下示出的式(9)那样。
[0149]
l/l’＝m0/m1
…
(9)
[0150]
附图标记说明
[0151]
1、1a、300：分光测定装置；100：共轭面成像光学系统；21、120、340：光检测器；21a、121：受光面；211：像素；13、13a、313、413：遮光板；131、131a、314：透光部；132、132a：遮光部；15、310：物镜；17：成像透镜；19、320：移相器；191：第一透射部；192：第二透射部；110：透射型光学元件；130：处理部；13c：共轭面；s：物体面。