JP2011013054A - 分光装置および分光方法および、受光信号の検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透過光の常光と異常光の位相差を制御可能な液晶素子13を1対の偏光子11、12により挟持してる干渉手段10と、液晶素子13の駆動電圧を位相制御信号として調整し、液晶素子における常光と異常光の位相差を連続的に変化させる位相制御手段30と、位相制御手段による位相制御の開始と同期して常光と異常光の合成光の受光を開始し、所定の信号検出レートで時間的に離散した受光信号とする光検出手段20と、位相差の変化に伴って変化する受光信号をスペクトル情報に変換する信号処理手段40と、光検出手段に入射する合成光に対応するインタフェログラムに忠実に対応する受光信号が得られるように、駆動電圧および/または信号検出レートを制御する制御手段とを有する分光装置である。
【選択図】図1
Description
近来、新たな分光装置として、1対の偏光子で挟んだ液晶素子に分光分析の対象となる光を透過させ、液晶素子で分離された常光線・異常光線を合成し、液晶素子により常光線・異常光線間の位相差を変化させて「干渉による光強度変化」を受光素子で信号化し、フーリエ変換によりスペクトル情報に変換するものが提案されている(特許文献1)。
しかしながら、発明者らがこの分光方式につき研究した結果、適正な分光分析を実現するためには、常光・異常光間の位相差を変化させる液晶素子の特性が考慮されねばならないことが明らかとなった。
「干渉手段」は、液晶素子と1対の偏光子とを有する。
「液晶素子」は、これに光を透過させるとき、透過光が常光と異常光とに分離し、且つ、常光と異常光との間の位相差を制御可能な「液晶層を用いた素子」である。
即ち、分光分析される光は、液晶素子の入射側に配置された偏光子(以下「入射側偏光子」と呼ぶ。)を透過して「直線偏光状態」となって液晶素子を透過する。このとき、透過光は液晶層により複屈折し、偏光面が互いに直交する常光と異常光に分かれる。
液晶素子は、常光・異常光間の屈折率差を制御可能であり、この屈折率差を制御することにより、常光・異常光間に付与される位相差を制御することが可能となっている。
合成光をなす常光・異常光は互いに干渉するが、「与えられた位相差」に応じて、干渉状態が変化する。
光検出手段としては、単一の受光面を持つ受光素子を用いることもできるし、微小な受光部を1次元もしくは2次元に配列したラインセンサやエリアセンサを用いることもできる。このようなラインセンサやエリアセンサ、あるいは受光素子としてはCCDやCMOS等を用いることができる。
「離散的な受光信号」は、上述の「時間的に離散した受光信号」である。
即ち、この分光方法は、透過光における「常光と異常光の位相差」を制御可能な液晶素子を1対の偏光子により挟持してなる干渉手段により、1対の偏光子と液晶素子を透過した常光と異常光とを干渉させ、液晶素子の駆動電圧を位相制御手段により位相制御信号として調整して液晶素子における常光と異常光の位相差を連続的に変化させ、位相制御手段による制御の開始に同期して、常光と異常光の合成光の「光検出手段による受光」を開始し、所定の信号検出レートで離散的な受光信号とし、位相差の変化に伴って変化する受光信号を信号処理手段によりスペクトル情報に変換する分光方法であって、制御手段により駆動電圧および/または信号検出レートを制御することにより「光検出手段に入射する合成光に対応するインタフェログラムに忠実に対応する離散的な受光信号」が得られるようにする方法である。
即ち、上記分光方法において「光検出手段に入射する合成光に対応するインタフェログラムに忠実に対応する離散的な受光信号」が得られるように、駆動電圧および/または信号検出レートを制御手段により制御する点に特徴がある。
図1は、分光装置の実施の1形態を説明図的に示している。
図1(a)は全体的な構成を示す説明図であって、符号L1で示す入射光は「分光分析される光」である。
符号10は「干渉手段」を示し、干渉手段10は、液晶素子13を1対の偏光子11、12で挟んだ構成となっている。符号11で示す偏光子は入射側に設けられた「入射側偏光子」、符号12で示す偏光子は射出側に設けられた「射出側偏光子」である。
1対の偏光子による液晶素子の「挟持の態様」は、図1(a)のように、液晶素子が1対の偏光子の間に「各偏光子と分離して配置」される態様でもよいし、一方の偏光子が液晶素子に密着し、他方の偏光子が液晶素子と分離していている態様でもよい。
位相制御手段30は、液晶素子13の駆動電圧を位相制御信号として調整し、液晶素子13から射出する常光と異常光の位相差を連続的に変化させる。
即ち、位相制御信号である駆動電圧の調整により、液晶素子13の液晶層を透過する常光に対する屈折率と「異常光に対する屈折率」の差が変化させられる。
このような常光・異常光間の屈折率差の変化により、液晶素子13を透過する常光と異常光との間の「位相差」が連続的に変化する。
請求項2の場合のように、信号検出レートのみを制御するのであれば、信号処理手段40がこの制御を行なうことになり、信号処理手段40は「制御手段」を構成することになる。
図1(b)は、入射側偏光子11の透過軸TA1と、射出側偏光子12の透過軸TA2とが互いに直交する(所謂「クロスニコル」を構成する)場合を示し、図1(c)は、偏光子11、12の透過軸TA1、TA2が互いに平行である(所謂「パラレルニコル」を構成する)場合を示している。
図1(b)、(c)に示す例では、角:θ1、θ2が「液晶素子13の透過軸TALに対する交差角」であるが、交差角:θ1、θ2はθ1=θ2=45度とするのが好ましい。
液晶素子としてはこのような「1軸性のもの」に限らず、2軸性のものやTN(ツイストネマティック)液晶素子、コレステリック液晶素子、強誘電性液晶素子を使用することも可能である。
この干渉光を受光する撮像素子20としてはPDアレイ、CCDあるいはCMOSイメージセンサを使用できるが、高性能(ダイナミックレンジ、フレームレート等)と小型・低コストを実現容易なCMOSイメージセンサの使用が好ましく、以下に説明する形態例では、撮像素子20としてCMOSイメージセンサを想定している。
ここで、干渉手段による「合成光の干渉」を説明する。
もっとも簡単な場合として、入射光L1を「波長:λの単色光」として説明する。
交差角:θ1=θ2=45度とした場合を例に取ると、この場合、射出側偏光子12から射出する射出光L2における「常光・異常光の各成分の強度」は互いに等しくなる。
It=(1/2)Ii{1−cos(2πδν)} (A)
「パラレルニコル」である場合:
It=(1/2)Ii{1+cos(2πδν)} (B) 。
δ=Δn(V)・d
で与えられる。
Δn(V)は、屈折率差が液晶素子に対する駆動電圧:Vの関数として与えられることを示す。
「位相差」は、上記「δν(=δ/λ)」である。
上に説明した波長:λの単色光の場合に即して「スペクトル情報への変換および信号処理」について説明する。
説明中の例では、入射光は波長:λ(波数:ν=1/λ)の単色光であるから、合成光の強度:Itは、光路差:δが「λ/2の整数倍」の部分では、常光・異常光が互いに逆位相となって最も弱めあい、光路差:δが波長:λの整数(0を含む)倍の部分では、常光・異常光が同位相となって最も強めあう。
この光強度変化(上の式(A)または(B)で示される)を「光路差:δを横軸、光強度を縦軸」としてグラフ化すると「入射光の波長:λを周期とするコサイン波」になる。
入射光が「連続スペクトルを持つ光」である場合には、合成光の強度は、上記式(A)または(B)の変化成分:cos(2πνδ)に係数「B(ν)」による重み付けを行い、波数:νについて積分した次式:
F(δ)=∫B(ν)cos(2πνδ)dν (1)
で与えられる。
インタフェログラム:F(δ)が与えられたとき、インタフェログラムからスペクトル情報:B(ν)を得るには、式(1)をフーリエ変換して「その実数部分」を採ればよく、解析的には、以下の式(2)で与えられる。
B(ν)=∫F(δ)cos(2πνδ)dδ (2)
この積分においても、積分の下限は「−∞」上限は「+∞」である。
最大エントロピー法は「信号処理に使用する信号データが少なくて済む」というメリットがあるし、後述する実例の場合のように精度も高い。
図2(a)、(b)を参照して説明する。
図2(a)は、液晶素子の断面構造を示している。
図示のように、1対の透明基板131、132が用いられる。
これら透明基板131、132の片面には、それぞれ透明電極1311、1321が薄膜として形成され、さらにこれら透明基板1311、1321の上にそれぞれ、配向膜1312、1322が形成されている。
配向膜1312、1322の間は、図示されないスペーサにより、液晶層LCの層厚が「d」となるように設定され、配向膜1312、1322とスペーサにより形成される閉じた空間内に液晶が「厚さ:dの液晶層」として封入される。
「配向1」では、図2の(a)及び「(a)の状態を入射光L1の入射方向から見た状態」を示す図2(b)のように、液晶分子LCMの長手方向は「配向膜の膜面に平行」である。
即ち、配向1における液晶分子LCMの配向方向は、図2(b)において図の上下方向に平行である。
即ち、液晶(誘電異方性:Δε>0)の初期配向(駆動電圧を印加しない状態の配向)を上記の配向1とすれば、基板間へ「駆動電圧による電界」を印加すると、液晶分子LCMの配向方向が徐々に「配向膜に垂直となるように変化」する。
「配向2」は、図2の(a)に示すように「電界方向に平行」であり、(b)に示すように「(b)の図面に直交する方向」であって、入射光L1の進行方向と平行である。
また、液晶ダイレクタの方向を強く規制するため、ラビング処理や光配向処理を別途施すことが好ましい。
透明電極1311、1321はITO等を用いて形成できる。
液晶素子における位相制御(前記光路差:δの制御)は、一般に、液晶層LCへの印加電界の制御によって行なうことができる。
液晶素子を挟む偏光子11、12の透過軸TA1、TA2を、図2(b)のように配向1に対してそれぞれ±45度の角度で配置すると「配向1で光路差:δによる位相差:δνが最大」となり「配向2で光路差:δによる位相差:δνが最小」となる。
印加電界は、液晶素子構成における「電極や配向膜の抵抗値」にも依存するが、主として「液晶層LCへの印加電圧」と液晶層厚:dで決定される(図3(a)、(b)では、印加電圧:Vと液晶層厚:dから定まる印加電界(=V/d)を横軸として表示している。
図3(b)は、初期配向が配向膜に直交する「直交配向」の場合であり、印加電圧の増加に伴いリタデーションは増加し、配向が配向膜に平行になった状態で飽和する。
リタデーション:0は、垂直配向の方が「低電圧で得られる」が、平行配向においても別途に位相差板を設け、平行配向された液晶素子に入射する光に「予め位相差」を与えておくことにより低電圧化を図ることもできる。
厚さ:1.1mmの「無アルカリガラスの平行平板」を透明基板とし、その片面に透明電極としてITO膜(膜厚:1000Å、表面抵抗:50Ω/□)を成膜した。
さらに透明電極面にポリイミド配向膜(AL3046−R31 JSR 社製)をスピンコートにより約800Åの厚さに形成し、その基板表面に対し「ラビング法による配向処理」を行った。
このように配向処理した2枚の透明ガラス基板を「互いのラビング方向がアンチパラレル方向となる」ようにして、ITO電極面同士を対向させ、基板間隔:約50μmとなるように「ビーズスペーサを混入した接着剤」にて貼り合わせて空セルを作製した。
この空セルをホットプレート上で90度Cに加熱した状態において、空セル内に、液晶層としてネマチック液晶(メルク製:ZLI2293 Δn=0.13)を、毛管法で注入し、放置冷却後に注入口等を封止し、図2に即して説明したような「平行配向の液晶素子」を作製した。
波長:650nmの入射光に対する測定結果を、図4、図5(a)、(b)および図6に示す。
図4において縦軸:Reは「液晶素子による位相差(δν)」、横軸:Eは印加電界を示す。図の如く「位相差:Reが印加電解:Eに依存する」ことを確認した。
図5(a)、(b)における縦軸:intensityは、上記液晶素子と1対の偏光子を図2のように組み合わせたときの、合成光の干渉による光強度変化であり、この光強度変化が横軸の印加電界:Eに依存して変化することを確認した。
図5(b)は、図5(a)の「長方形で囲んだ部分」を、横軸のスケールを拡大して示している。
図6は、横軸として示す位相差:Reに対する「合成光の光強度の干渉による変化」、即ち「インタフェログラム」の図である。
実線による連続曲線は「理論値」、丸印は「実験値」である(入射光が波長:650nmの単色光であるので連続曲線は単純なコサイン曲線となっている。)。
入射する合成光の光強度は「信号検出レートに従ったタイミング」でサンプリングされ「時間的に分離した離散的な受光信号」となる。
即ち、インタフェログラムは時間的に連続して変化するが、撮像素子20によりサンプリングされることにより「時間的に分離した離散的な受光信号」として取り込まれる。
この位相制御信号は、一定時間:TDの間「高周波の矩形波電圧信号」として液晶素子の透明電極間に印加され、一定時間:TDの経過後は「0電圧」とされる。
そして、この配向状態の変化により位相差が変化する。
即ち、駆動電圧が印加されている時間:TDの初期における位相差は大きく、時間が経過するに従い減少し、時間:TDの最後においては最も小さくなる。
そして、時間:TDが経過すると駆動電圧の印加は停止され、液晶分子の配向は初期配向へ向かって復元しつつ位相差が漸次増加して初期状態に戻る。
図7(c)は、この状態を示している。
時間の原点(印加時点)近傍で干渉光信号(干渉光の強度の変化)の周期が短く、時間の経過とともに周期が長くなっていく。そして、駆動電圧の印加が停止されると、液晶分子の配向が初期配向(平行配向)へ向かって戻るのに応じて、干渉光強度の周期は次第に短くなっていく。
光検出手段としての撮像素子20は、図7(c)に示すような干渉光信号を強度変化とする合成光を入射され、入射合成光の強度を所定の信号検出レート(単位時間当たりのサンプリング数)でサンプリングして「検出信号」とする。
分光分析の目的である「スペクトル情報」は、このようにして得られた検出信号に対してフーリエ変換や最大エントロピー法による変換処理を行うことにより得られる。
このことは、図7(d)に示す検出信号にもとづいて「干渉光信号を復元処理」してみると分かる。
図7(e)の曲線RIF1はこの「復元された干渉光信号(以下「復元インタフェログラム」という。)」である。
図7(e)と図7(c)とを比較すれば明らかなように、「復元インタフェログラム」の特に「位相制御信号印加直後の部分」が適正でない。
図8(a)〜(c)は図7(a)〜(c)と同一である。
即ち、上記のタイミングを合致させるのみでは、適正な「検出信号」を得ることはできない。
しかし、サンプリング間隔を小さくして「取り込む情報量が大量になる」と、スペクトル情報に変換する演算量も大きくなり、分光分析に時間がかかり易くなる。
それで、分光分析に必要とされる精度が担保できる程度のサンプリング間隔で、インタフェログラムの離散情報を得るのがよい。
図9(d)では、駆動電圧(位相制御信号)を一定とし(図9(a))、信号検出レートを、信号検出レート:R1、R2、R3の3ステップに段階的に変化させている。
即ち、位相制御信号の印加時間中で、インタフェログラムIF(図9(b))の周期が「短から長へと漸増」するのに合わせて、信号検出レートを上記3段階:R1、R2、R3に変化させて、サンプリング間隔が、各時間領域内でインタフェログラムIFの周期と良く適合するようにするのである。
「撮像素子による画像取り込みの信号検出レート」の変更は、撮像素子に用いるクロック周波数の面での制限があるが、例えば、撮像素子の最大の信号検出レートが60fps(1秒当たりのサンプリングフレーム数)である場合、その公約数である30fpsや15fpsと設定することで、上記の例の如く3ステップに変化させることができる。
以下に説明する実施の形態では、位相制御手段30が「制御手段」となって「位相制御信号」の駆動電圧の制御を行なう。
図10(d)において、位相差の変化PD1、PD2、PD3はそれぞれ、印加された位相制御信号の駆動電圧が中程度(図10(a))の場合、大きい場合(図10(b))、小さい場合(図10(c))に対応している。
また、位相制御信号の駆動電圧が小さいと、位相差変化の傾きが小さくなり、変化PD3のように位相差の現象は緩慢となり、印加時間:TDの長さでは最小値に到達しなくなる。
液晶素子13は図2に即して説明した試作の素子を用い、位相制御手段30は「任意波形発生器(NFファンクションジェネレータ)」を用いた。
この分光装置を用いて「2次元イメージの分光スペクトル情報」を測定した。
「2次元イメージ」としては、ヘリウムネオンレーザ(He−Ne)からのレーザ光およびバイオレッドレーザダイオード(VLD)からのレーザ光を、拡散板を介して干渉手段10に入射させた。
バイオレッドレーザダイオード(VLD)からのレーザ光は波長:405nmで、ヘリウムネオンレーザ(He−Ne)からのレーザ光の波長:633nmよりも短く、短波長側の方が「短周期のインタフェログラム」が生成されていることが分かる。
今回使用した液晶素子で実現できる「最大位相差」の制限から、スペクトル変換するためのデータ数が少なく、このため測定精度は若干悪いが、略実スペクトルが測定できており、FFTに比べてMEMの方が高精度測定できていることも確認できる。
別の例として、結像光学系によるマクベスカラーチャートの像を、干渉手段10を介して撮像素子20で撮影し、「チャートの赤・緑・青(R・G・B)の部分の像」から得られる検出信号を個別に「FFTによりスペクトル変換したデータ」を、図14に示す。
光源スペクトルおよび撮像素子の分光感度から「短波長側の感度が悪い」が、チャート色R・G・Bのスペクトルデータが得られている。
11 入射側の偏光子
12 射出側の偏光子
13 液晶素子
LO 常光
LE 異常光
20 撮像素子(光検出手段)
Claims (7)
- 透過光の常光と異常光の位相差を制御可能な液晶素子を1対の偏光子により挟持してなり、上記1対の偏光子と液晶素子を透過した常光と異常光とを干渉させる干渉手段と、
上記液晶素子の駆動電圧を位相制御信号として調整し、上記液晶素子における常光と異常光の位相差を連続的に変化させる位相制御手段と、
上記位相制御手段による位相制御の開始と同期して上記常光と異常光の合成光の受光を開始し、所定の信号検出レートで時間的に離散した受光信号とする光検出手段と、
上記位相差の変化に伴って変化する上記受光信号をスペクトル情報に変換する信号処理手段と、
上記光検出手段に入射する上記合成光に対応するインタフェログラムに忠実に対応する上記離散的な受光信号が得られるように、上記駆動電圧および/または信号検出レートを制御する制御手段と、を有することを特徴とする分光装置。 - 請求項1記載の分光装置において、
位相制御手段による位相差の制御の際に、
制御手段が、駆動電圧を一定とし、信号検出レートを2ステップ以上に変化させることを特徴とする分光装置。 - 請求項1記載の分光装置において、
位相制御手段による位相差の制御の際に、
制御手段が、信号検出レートを一定とし、位相制御信号を2ステップ以上に変化させることを特徴とする分光装置。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の分光装置において、
信号処理手段による、受光信号をスペクトル情報に変換する信号処理が、最大エントロピー法であることを特徴とする分光装置。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の分光装置において、
信号処理手段による、受光信号をスペクトル情報に変換する信号処理が、受光信号のフーリエ変換処理であることを特徴とする分光装置。 - 請求項1〜5の任意の1に記載の分光装置により実施される分光方法。
- 請求項6記載の分光方法において実施される、受光信号の検出方法。
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