JPH0431720A - ２次元物体の分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２次元物体の各点からの発光、反射散乱スペ
クトルを実質的に同時に分光することができる分光装置
に関する。

〔従来の技術〕

従来、分光装置として、回折格子を用いた分光器や、マ
イケルソン干渉計を利用したフーリエ分光装置、あるい
は、色ガラスフィルターや干渉フィルターの分光素子を
用いたものが広く利用されている。しかし、これら従来
の分光装置は、出射光東側に０次元検出器を用いている
ため、空間的分光情報を得るように設計されてはいない
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、
その目的は、実質的に実時間で２次元物体の各点からの
発光、反射散乱スペクトルを正確に分光することができ
る分光装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段］ 前記目的を達成する本発明の２次元物体の分光装置の第
１のものは、回折格子の格子方向と平行な細隙を有する
入射スリット、入射スリットからの光を平行光に変換す
る集光光学系、集光光学系からの光を回折する回折格子
、回折格子によって回折された光を結像する結像光学系
、及び、結像面に配置された２次元光検出器からなる分
光器と、入射スリットの細隙と交差する方向に入射スリ
ットの前に配置した２次元物体を移動させる手段とから
なることを特徴とするものである。

また、本発明の第２の２次元物体の分光装置は、入射端
に所定方向から入射する平面波のみを出射端に伝達する
高指向性光学素子を複数本回折格子の格子方向と平行な
１次元方向に並列して束ねた１次元多光吏高指向性光学
系と、１次元多光吏高指向性光学系の出射端からの光を
平行光に変換する集光光学系、集光光学系からの光を回
折する回折格子、回折格子によって回折された光を結像
する結像光学系、及び、結像面に配置された２次元光検
出器からなる分光器と、前記１次元多光吏高指向性光学
系の入射端の長手方向と交差する方向にその入射端の前
に配置した２次元物体を相対的に移動させる手段とから
なることを特徴とするものである。

また、第３の２次元物体の分光装置は、入射端に所定方
向から入射する平面波のみを出射端に伝達して平面波と
して出射する高指向性光学素子を複数本回折格子の格子
方向と平行な１次元方向に並列して束ねた１次元多光吏
高指向性光学系と、１次元多光吏高指向性光学系の出射
端からの平面波を回折する回折格子、回折格子によって
回折された光を回折格子の格子方向と垂直な方向に結像
する結像光学系、及び、結像面に配置された２次元光検
出器からなる分光器と、前記１次元多光吏高指向性光学
系の入射端の長手方向と交差する方向にその入射端の前
に配置した２次元物体を相対的に移動させる手段とから
なることを特徴とするものである。

第４の２次元物体の分光装置は、入射端に所定方向から
入射する平面波のみを出射端に伝達する高指向性光学素
子を列方向に複数本並列して束ねてなる高指向性光学素
子列体の複数をその入射端において行方向に積み重ねて
行列形式に配列された多光束高指向性光学系の入射端と
し、前記高指向性光学素子列体のそれぞれの出射端に第
２又は第３の分光装置において用いている分光器を別々
に配置し、前記多光束高指向性光学系の入射端に２次元
物体を配置するようにしたことを特徴とするものである
。

さらに、本発明の第５の２次元物体の分光装置は、入射
端に所定方向から入射する平面波のみを出射端に伝達す
る高指向性光学素子を列方向に複数本並列して東ねてな
る高指向性光学素子列体の複数をその入射端において行
方向に積み重ねて行列形式に配列された多光束高指向性
光学系の入射端とし、前記高指向性光学素子列体の各出
射端を列方向に並列して１列に配置された多光束高指向
性光学系の出射端とし、前記多光束高指向性光学系の出
射端に第２又は第３の分光装置において用いている分光
器を配置し、前記多光束高指向性光学系の入射端に２次
元物体を配置するようにしたことを特徴とするものであ
る。

第６の２次元物体の分光装置は、マイケルソン干渉系の
集光レンズの前側焦点に２次元物体を配置するように構
成し、マイケルソン干渉系の結像レンズの後側焦点に２
次元光検出器を配置し、マイケルソン干渉系の移動鏡を
移動させた時に２次元光検出器の検出面の所定の複数の
サンプリング位置から得られるインターフェログラム信
号者々をフーリエ変換してサンプリング位置に対応する
２次元物体の位置からの光のスペクトルを求める手段を
設けたことを特徴とするものである。

第７の２次元物体の分光装置は、マイケルソン干渉系の
集光レンズの代わりに、入射端に所定方向から入射する
平面波のみを出射端に伝達して平面波として出射する高
指向性光学素子を複数本２次元方向に並列して束ねた２
次元多光吏高指向性光学系を配置し、前記２次元多光吏
高指向性光学系の入射端に２次元物体を配置するように
構成し、マイケルソン干渉系の結像レンズを省いてその
代わりにマイケルソン干渉系の出射側に２次元光検出器
を配置し、マイケルソン干渉系の移動鏡を移動させた時
に２次元光検出器の検出面の所定の複数のサンプリング
位置から得られるインターフェログラム信号者々をフー
リエ変換してサンプリング位置に対応する２次元物体の
位置からの光のスペクトルを求める手段を設けたことを
特徴とするものである。

以上の本発明の２次元物体の分光装置は何れも２次元顕
微分光装置に用いることができ、その２次元顕微分光装
置は２次元物体から所定方向に出る平面波を拡大して平
面波として出射する拡大光学系を備えたものである。

〔作用〕

本発明の第１から第３の２次元物体の分光装置によると
、分光器は１次元方向の物体の各点のスペクトルを与え
ることができるので、２次元物体を移動させることによ
り、２次元物体の各点の分光を略同時に行うことができ
る。

本発明の第４及び第５の２次元物体の分光装置によると
、入射端が２次元配列の多光束高指向性光学系と前記第
２又は第３の分光装置において用いている分光器とを用
いるので、２次元物体を移動させることなしに、２次元
物体の各点の分光を同時に行うことができる。

本発明の第６及び第７の２次元物体の分光装置によると
、マイケルソン干渉系を用いたフーリエ変換分光装置に
おいて、光検出器として２次元光検出器を用い、その２
次元検出面の各点に実質的にその点に対応する２次元物
体の点からの光が干渉しながら入射するようになってい
るので、検出面の所定の複数のサンプリング位置から得
られるインターフェログラム信号各々をフーリエ変換す
ることにより、サンプリング位置に対応する２次元物体
の位置からの光のスペクトルを求めることができる。

なお、本発明の第６の２次元物体の分光装置における２
次元光検出器の最小単位検出器の大きさは、マイケルソ
ン干渉系の結像レンズの口径と焦点距離と観測最短波長
の波長で決まるフランフォーファー回折像（エアリ−デ
ィスク）の０次スペクトル（エアリ−ディスクの第１暗
輪内の部分が対応する。）より小さいことが必要である
。したがって、最小単位検出器が比較的大きい場合、Ｆ
値の大きな結像レンズを用いることが必要となる。

もし、最小単位検出器の大きさがフランフォーファー回
折像の０次スペクトルより大きいと、時間的に位相のズ
した干渉縞が同時に最小単位検出器が入射してしまうた
め、干渉縞の時間変化が検出できなくなってしまう。

また、本発駅の第７の２次元物体の分光装置においては
、高指向性光学素子の出射口から検出器までの距離で決
まるフレネル回折光と隣りの出射口からのフレネル回折
光がオーバラップしないで、しかも、各々の出射光は最
小単位検出器で検出されるように配置することが必要で
ある。

なお、本発明の第２から第５、及び、第７の２次元物体
の分光装置によると、２次元物体からの光を分光装置に
導くのに多光束高指向性光学系を用いているので、２次
元物体から所定の方向に出る平面波のみを選択的に分離
して分光する。したがって、特に指向性のある発光物体
や反射物体の各点の分光を同時に行うのに適している。

〔実施例〕

本発明の詳細な説明する前に、本発明のいくつかの実施
例において用いる多光束高指向性光学系について脱胡す
ることにする。

本発明者は、特願平１−６２８９８号及び特願平１−２
５００３４号において、散乱光に混入している平面波を
分離して取り出し、観察するには、平面波のフランフォ
ーファ回折像（エアリ−ディスク）の０次スペクトル（
エアリ−ディスクの第１暗輪内の部分が対応する。）の
みを観察するようにすればよく、このようにすることに
よって散乱成分を殆ど除くことができることを示した。

そして、このような観察を実現する高指向性素子として
、第１図のように相互に離れた２つのピンホールＰ、　
、Ｐ、からなる光学系を提案した。この光学系は、ピン
ホールＰ２を通して０次光を検出器２３で検出するもの
である。また、第２図に示すように、直線状の細長い中
空のガラス繊維３５からなっており、その内壁面には光
吸収材、例えばカーボン等の吸収材３５が塗布されてい
る高指向性光学素子を提案した。このような光学素子に
おいては、適宜測定対象に応じて開口径と長さを設定し
、光学素子を入射開口径に比して充分長くすれば、高指
向性光学素子に入射した光のうち、光軸に平行な平面波
のみが出射面から取り出せることになる。しかも、この
ような高指向性光学素子を複数束ねて多光束高指向性光
学系を構成することにより、２次元的に強度分布を有す
る平面波のみを取り出せることも提案した。

ところで、第１図や第２図に示したような高指向性光学
素子においては、フラン７オーフア回折像を観察できる
距離においては、フランフォーコア回折の０次の回折像
（エアリ−ディスクの第１暗輪）は、入射側の開口直径
より大きくなり、入射側の開口直径と同じ大きさの取り
出し開口を用いた場合、０次の回折像の一部しか取り出
せず、しかも、観測点を離すほど上記第１暗輪は大きく
なり、取り出し開口より取り出されるエネルギーは小さ
くなることが分かった。そこで、第３図に示すように、
入口開口Ｐ、による回折波を凸レンズＬに入射させ、そ
の焦点面上に回折像の第１暗輪に略等しい径を有するピ
ンホールＰ、を配置して、０次の回折像の大部分を取り
出すようにすることにより、より明るい高指向性光学素
子を構成できることが分かった。この素子は、ピンホー
ルＰ２の径を入口開口の径以下にすることができるもの
である。なお、この場合、人口開口Ｐ１はレンズＬの開
口Ｐ。自身であってもよい。この素子において、０次の
回折像の大きさと開口Ｐ１の関係を求めてみる。レンズ
による回折像のエアリ−ディスクの第１暗輪の直径りは
、 Ｄ　＝　２．４４２・ｆ／Ｄ、　　　・・・・・・・（
１）となる。ここで、Ｄｒは開口Ｐ１の直径、ｆはレン
ズＬの焦点距離である。開口直径Ｄｒが第１暗輪直径り
以上になる条件を求めると、 Ｄｒ”≧２．４４λ・ｆ　　　−−−−−−−（２）と
なる。凸レンズを用いてこのような条件を満足する高指
向性光学素子を構成することは極めて容易である。数値
例をあげると、例えば、波長λとして５００ｎｍの光を
用いると、１ｍｍの開口直径Ｄｒに対して焦点距離ｆが
５ｃｍの凸レンズを用いると、エアリ−ディスクの第１
暗輪の直径りは６．ｌＸｌ０−２ｍｍ、焦点距ｉｆｆが
１０ｃｍの凸レンズを用いると、第１暗輪の直径りは１
．２２ＸｌＯ−’ｍｍとなり、式（２）の条件を満足し
ていることが分かる。このような式（２）の条件を満足
する高指向性光学素子を単位として用いれば、多数の高
指向性光学素子を隣接して密に並べて多光束高指向性光
学系を構成して、入射する全ての平面波を取り込む場合
でも、隣接するもの相互が相互に干渉することがな（、
場所によって強度が相違する２次元的平面波に乗った例
えば発光像が高解像力で観測できる。

次に、この高指向性光学素子の具体例を説明する。第４
図に示したものは、前記式（２）の関係を満足する例え
ば顕微鏡対物レンズからなる対物レンズｏｂとその焦点
面に配置したピンホールＰとからなり、ピンホールＰは
対物レンズ○ｂによるフランフォーコア回折の０次の回
折像のみを通過させるものである。また、第５図（ａ）
に別の形態の凸レンズＧＬを示す。これは、商品名「セ
ルフォックレンズ」として知られているもので、屈折率
分布レンズとも呼ばれる。このレンズは、屈折率が中心
軸から周辺に徐々に低下しており、凸レンズと同様に集
光作用をする。その長さを適当に選択することにより、
焦点面を円筒体の端面に一致させることかできる。この
ような屈折率分布レンズＧＬの一端の焦点面に、第５１
１（ｂ）に示すように、第４図の場合と同様なピンホー
ルＰを配置してフランフォーコア回折の０次の回折像の
みを通過させるようにすることもできる。

ところで、光ファイバーの中には、多モードファイバー
、屈折率分布ファイバー、シングルモードファイバー等
が知られているが、この中シングルモードファイバーは
コア径が極めて小さく、入射端のコア端面に入射した光
しか通さず、かつ、軸に対して大きな角度をなす光は通
さない性質を有するものであり、第４図ないし第５図（
ｂ）のピンホールＰの代わりに用いる二とができる。し
かも、シングルモードファイバーの口径は、対物レンズ
Ｏｂ又は屈折率分布レンズＧＬのフランフォーファー回
折の第１暗輪と一致する値なので、効率的にフランフォ
ーコア回折の０次の回折像のみを結合して伝達させるの
に都合がよい。さらに、光ファイバーを取り出し部に用
いるので、その光を任意の場所に導くことができ、配置
上有利である。

第６図は対物レンズＯｂの焦点にシングルモードファイ
バーＳＭを配置して高指向性光学素子を構成した例を示
し、第７図は屈折率分布レンズＧＬの一端の焦点にシン
グルモードファイバーＳＭを配置して高指向性光学素子
を構成した例を示す。

焦点距離の長いレンズの場合、該レンズによるフランフ
ォーファー回折の第１暗輪をマルチモードのファイバー
の口径と同じにすることも可能である。例えば、レンズ
の前に開口を入れ、その径を小さくして行くと、第１暗
輪をマルチモードファイバーの口径と一致させることが
できる。このような場合には、マルチモードファイバー
も使用できる。

上記のような高指向性光学素子を通過した平面波は、素
子から発散する球面波として出て行く。

例えば、ピンホールＰの背後に光検出器を配置して吸収
率を測定するような場合は、このように出射光が発散す
るものであってもよいが、例えば高指向性光学素子を多
数束ねて多光束高指向性光学系を構成し、反射散乱物体
の分布像を検知するような場合には、各高指向性光学素
子から平面波として出て行くように構成することが望ま
しい。第８図から第１１図にこのような構成のいくつか
を示す。第８図の場合は、出射側に入射側の対物レンズ
○ｂ１と同様の対物レンズＯｂ２を中間に配置したピン
ホールＰにその焦点が一致するように配置したもので、
０次の回折像がピンホールＰを通過して球面波となり、
対物レンズＯｂ２により再び平面波に変換されるもので
ある。第９図の場合は、第５図（ｂ）のピンホールＰの
後にその前に配置した屈折率分布レンズＧＬＩと同様の
屈折率分布レンズＧＬ２を共焦点に配置するものである
。

第１０図（ａ）のものは、第８図のピンホールＰの代わ
りにシングルモードファイバーＳＭを用いるものである
。なお、図の（ｂ）に示すように、一方の対物レンズＯ
ｂｌ又はＯｂ２の代わりに屈折率分布レンズＧＬを用い
てもよい。この場合、屈折率分布レンズＧＬのフランフ
ォーファー回折の第１暗輪と対物レンズＯｂｌ又は○ｂ
２の第１暗輪と略一致することが必要である。第１１図
のものは第９図のピンホールＰの代わりにシングルモー
ドファイバーＳＭを用いるものである。

以上説明してきた高指向性光学素子は、何れも２次元の
分布を有する平面波を同時検出することはできない。そ
こで、これらの高指向性光学素子を多数２次元的に並べ
て多光束高指向性光学系を構成することが必要になる場
合がある。まず、出射光が発散光になるものの例を第１
２図から第１５図を参照にして説明する。第１２図の多
光束高指向性光学系は第５図（ｂ）の高指向性光学素子
を多数並列させたものに相当する。これは、まず、枠内
に多数の同様な屈折率分布レンズＧＬを俵積み状に規則
正しく並べ、例えば黒色シリコン樹脂からなる接着剤已
によって相互に接着すると共に、隙間を通って光が後ろ
に漏れないようにする。このようにして形成された屈折
率分布レンズアレイＧＡの後ろの面にピンホールアレイ
ＰＡを密着する。ピンホールアレイＰＡの各ピンホール
は、各屈折率分布レンズＧＬの軸と一致するように設け
られている。そのたｔ１屈折率分布レンズアレイＧＡの
前方から２次元的に強度分布を有する平面波がこの屈折
率分布レンズアレイＧＡに入射すると、ピンホールアレ
イＰＡの各ピンホールを通過した光の強度はその分布に
従って異なる。したがって、各ピンホールの後ろに別々
の光検出器を配置するか、ピンホールアレイＰＡの後ろ
に２次元光強度検出器を配置することによって、平面波
の２次元的強度分布を測定できる。また、第１３図の多
光束高指向性光学系は第４図の高指向性光学素子を多数
並列させたものに相当するが、この場合、対物レンズを
並列に並べる代わりに、平板マイクロレンズＰＭを用い
ている。平板マイクロレンズＰＭは、例えばフォトリソ
グラフィクな手法を用いて、透明板に微小なレンズを規
則的にアレイ状に制作するか、イオン交換、イオン打ち
込み等の手法で屈折率分布レンズを規則的にアレイ状に
制作したものである。そして、各微小レンズの焦点の位
置に対応してピンホールを有するピンホール７Ｌ／イＰ
Ａを平板マイクロレンズＰＭの焦点面に配置することで
、第１２図の多光束高指向性光学系と同様の多光束高指
向性光学系を構成することができる。さらに、第１４図
の多光束高指向性光学系は第７図の高指向性光学素子を
多数並列させたものに相当する。すなわち、第１２図で
説明した屈折率分布レンズアレイＧＡの後ろの面に、レ
ンズアレイＧＡの各屈折率分布レンズの軸に対応してシ
ングルモードファイバーＳＭを多数曲べて構成したシン
グルモードファイバーアレイＳＡを密着させたものであ
り、第１２図のピンホールアレイＦＡの代わりにシング
ルモードファイバーアレイＳＡを用いて同様な作用をす
るものを構成している。さらに、第１５図のものは、第
１３図のもののピンホールアレイＰＡの代わりにシング
ルモードファイバーアレイＳＡと同様なシングルモード
ファイバーＳＭの配列体ＳＨを用いている。

この配列体ＳＨは、両端に支持具Ｓを設け、各支持具Ｓ
は、平板マイクロレンズＰＭの各微小レンズの焦点の位
置を中心にしてシングルモードファイバーＳＭの直径に
等しい開口を多数設けたもので、各開口にシングルモー
ドファイバーＳＭの入射端と出射端を挿入して規則的に
シングルモードファイバーＳＭを配列したものである。

ところで、第１２図から第１５図の多光束高指向性光学
系は、前記したように出射光が発散光になるものである
。このように出射光がピンホールアレイＰＡ等の後ろの
面の出射点から拡散光として出ると、２次元光強度検出
器等の検出器は余り離して配置することができない（余
り離れると隣接するチャンネル同士が干渉を起こして、
強度分布を測定することができなくなる。）。そこで、
出射光も入射光と同様に分布を持った平面波として出射
する多光束高指向性光学系を構成することができる。そ
の例を第１６図から第１９図に示す。

第１６Ｉ！Ｉの多光束高指向性光学系は、第９図の高指
向性光学素子を多数並列させたものに相当する。

この光学系を構成するには、第１２図との関連で説明し
た２個の屈折率分布レンズアレイＧＡＩ、ＧＡ２の間に
ピンホールアレイＰＡを配置し、それぞれの屈折率分布
レンズの軸とピンホールアレイＦＡの各ピンホールを整
合して密着する。このように構成すると、２次元的に強
度分布している入射平面波は散乱光がこの多光束高指向
性光学系によって取り除かれて同様に２次元的に強度分
布を有している平面波として出るので、２次元光強度検
出器等の検出器をこの多光束高指向性光学系からある程
度離して配置しても、２次元的に強度分布を測定するこ
とができる。第１７図の多光束高指向性光学系は、第１
３図の多光束高指向性光学系の後ろに共焦点で第２の平
板マイクロレンズＰＭ２を配置したものである。また、
第１８図の多光束高指向性光学系は、第１１図の高指向
性光学素子を多数並列させたものに相当する。詳細な説
明は必要なかろう。さらに、第１９５Ｕの多光束高指向
性光学系は、第１５図の多光束高指向性光学系の後ろに
、配列体ＳＨの各シングルモードファイバーの出射端の
コアに第２の平板マイクロレンズＰＭ２の前側の焦点が
一致するようにして配置したものである。

さて、本発明の２次元物体の分光装置について説明する
。まず、第２０図に回折格子５１と凹面鏡Ｍ１、Ｍ２、
入射スリット５２からなる回折格子分光器を示す。回折
格子５１の格子方向に平行な入射スリット５２から入射
した光は凹面鏡Ｍ１で乎行光に変えられ、回折格子５１
に入射して波長に応じた角度で回折され、凹面鏡Ｍ２に
よって入射スリット５２と共役な分光面５３にスペクト
ル分布を与える。入射スリット５２にその高さによって
異なるスペクトル特性の光が入射するとすると、分光面
５３のスリット５２の高さ方向（Ｘ方向）には、その高
さの位置に入射スリット５２に入射した光のスペクトル
が得られる（スペクトル分布はＸ方向に分布する。）。

したがって、分光面５３に２次元光検出器５４を配置し
て、その入射面のＸ方向にスリット５２の高さを、Ｘ方
向に波長を対応させて、強度分布を測定すれば、スリッ
ト５２の入射位置に対応した１次元物体の分光測定を行
うことができる。また、入射スリット５２の前に被測定
２次元物体５５を置いて、２次元光検出器５４により、
スリット５２の入射位置に対応した物***置の分光測定
を行いながら、２次元物体５５を図のＸ方向に移動する
ことにより、２次元物体５５の各点からのスペクトルを
略同時に測定できる。このために、図の両矢符方向に２
次元物体５５を移動する機構を設ける。この機構は図示
してないが、周知の各種の手段が用いられる。なお、２
次元物体５５とスリット５２を空間的に離間し、その間
に結像光学系を設けて２次元物体５５の像をスリット５
２上に結像させ、また、この光路中にガルバノミラ−等
の偏向光学系を介在させ、スリット５２上の２次元物体
５５の像を走査移動するようにしてもよい。

第２０図の例は入射スリット５２の前に被測定２次元物
体５５を直接配置する例であったが、この物体を分光器
から離して配置し、スリット５２と物体５５の表面間を
、第１２図から第１９図において説明した多光束高指向
性光学系ないし光ファイバー東で結んで２次元物体の各
点からの入射光の分光をすることもできる。その例を第
２１図に示す。符号５６で示された東は、第１２図から
第１５図において説明した入射平面波が各高指向性光学
素子の出射点から発散光に変換されて出る多光束高指向
性光学系であって、１次元方向にのみ並列して束ねられ
たものである。この場合、１次元配列多光束高指向性光
学系５６の出射端が入射スリット５２の作用をするたｔ
１スリット５２は配置する必要がない。このような多光
束高指向性光学系５６を用いると、物体５５から所定方
向に出る光のみが選択分離されて分光器に入射し、スペ
クトル測定がされるため、例えば散乱２次元物体の各点
の反射散乱スペクトルを測定するのに有効なものとなる
。上記の多光束高指向性光学系５６として、第１４図及
び第１５図のものを用いると、単一モード光ファイバー
東が用いられているため、その入射端と出射端の間に可
撓性を持たせることができるので、２次元物体５５自体
を移動走査する代わりに、多光束高指向性光学系５６の
入射端を物体５５の表面に沿って走査して、物体からの
平面波を取り込むようにすることができる。なお、上記
多光束高指向性光学系の代わりに１次元配列光ファイバ
ー東を用いてもよい。

ところで、多光束高指向性光学系として、第１６図から
第１９図に示したように、物体からの所定方向に出る平
面波のみを分離して平面波として取り出すものがある。

このように入射平面波を平面波として出射する多光束高
指向性光学系５７を用いる例を第２２図に示す。多光束
高指向性光学系５７から出射する光は平面波になってい
るので、第２１図における第１凹面鏡Ｍｌは最早必要で
ない。また、第２凹面鏡Ｍ２は母線がＸ方向に向いてい
る凹円筒鏡Ｍ３で置き換える必要がある。したがって、
第２２図の分光器においては、回折格子５１から出た回
折光は、凹円筒鏡Ｍ３に入射してｙ軸に垂直な方向にの
み集束され、分光面５３にＸ方向位置に応じたスペクト
ルを与える。

ところで、第２０図から第２２図の分光器において、２
次元物体５５の各点からの光を分光するには、物体をス
リット等の前で走査のために移動するか、多光束高指向
性光学系又は光ファイバー東の入射端を物体表面に沿っ
て走査移動しなければならない。これを避けて何らの機
械的な移動を行わないで、２次元物体の各点からの光を
同時に分光することができる。その例を第２３図と第２
４図に示す。第２３図の例は、図のら）に示しであるよ
うに、２次元物体の表面がｘ−ｙ平面にあるとして、そ
れをｍ行ｎ列に分割し、各分割点に対応して１個の高指
向性光学素子又は光ファイバーの入射端が対応するよう
に、多光束高指向性光学系ないし光ファイバー東５８の
入射端を構成し、多光束高指向性光学系ないし光ファイ
バー東５８の他端は、入射端の各列が対応する１次元配
列のものに分岐し、その１次元配列の出射端各々を第２
１図又は第２２図に示したように、別々の分光器１１〜
１ｏに入射させるようにしたものである。

このようにすると、２次元物体又は多光束高指向性光学
系ないし光ファイバー東５８の入射端を何ら移動せずに
、図の（ａ）に示したような、被測定物体の各点に対応
したスペクトルが得られる。この第２３図のものは、多
数の分光器１．〜１．．を用いないと、物体各点のスペ
クトルを同時に得ることはできないが、１台の分光器１
０で同時に各点の分光をできるようにした例が第２４図
のものである。すなわち、この場合は、多光束高指向性
光学系ないし光ファイバー東５９の出射端は、入射端の
各列を上下につないで１列にした配置になっており、そ
のため分光器１０は１台でよいことになる。なお、この
ような入射端と出射端の素子配列関係は、光フアイバー
束において、ライン・ラスタートランスデユーサ−又は
面−線変換器として周知のものである。

さて、以上は回折格子分光器を用いて２次元被測定物体
の各点からの光のスペクトルを求めるものであったが、
マイケルソン干渉器を用いたフーリエ分光装置によって
も、同様に２次元物体の各点からの光の分光を行うこと
ができる。その例を第２５図から第２７図を参照にして
説明する。第２５図の例においては、図の（ａ）に示す
ように、２次元物体５５は、マイケルソン干渉系の集光
レンズＬ、の前側焦点面に配置される。物体５５の各点
から出た光はこのレンズＬ、によって平行光に変換され
、この平行光は光線分割ミラーＨＭにより２分され、一
方は固定鏡Ｍ、に当たって反射され、光線分割ミラーＨ
Ｍを通過して結像レンズＬ、に人射し、その後側焦点面
の共役な位置に像を結ぶ。他方の平行光は移動鏡Ｍ、に
入射して反射され、光線分割ミラーＨＭにより反射され
て結像レンズＬ、に入射し、その後側焦点面の共役な位
置に像を結ぶ。一方の光と他方の光は結像レンズＬ２の
後側焦点面に重なって像を結ぶが、両者の光は可干渉性
であるので、この位置に光検出器を配置すると、移動鏡
Ｍ、の移動に伴ってその光検出器からインターフェログ
ラム信号が得られる。

したがって、物体５５の各点に対応して結像レンズＬ、
の後側焦点面に多数の光検出器を配置し、それぞれの光
検出器から得られたインターフェログラム信号をフーリ
エ変換することにより、２次元物体５５のそれぞれの点
のスペクトルが得られる。ただし、１個１個の光検出器
の大きさは、結像レンズＬ２の口径と焦点距離と観測最
短波長で決まる０次のフランフォーファー回折像より小
さいことが必要である。結像レンズＬ２の後側焦点面に
多数の光検出器を配置する代わりに、図（ａ）に示すよ
うに、この焦点面に光電変換面６０を有する２次元光検
出器５４を配置し、図ら）に示すように光電変換面６０
の領域を所定数の領域に区分し、各区分（ｘ＋５ｙＪ）
からのインターフェログラム信号を別々にとり、それら
をフーリエ変換してその区分に対応する２次元物体５５
の点ないし領域のスペクトルを求めるようにすればよい
。ただし、光電変換面６０の領域を所定数の領域に区別
し、各々は独立に動作するようにして、各々の区分の中
央に結像レンズＬ、の口径と焦点距離と観測最短波長で
決まる０次のフランフォーファー回折像以下径のピンホ
ールの遮光板を設置する必要がある。求めたスペクトル
を波長λ軸上にとり、２次元物体５５の領域（Ｘｔ、Ｙ
、＋）に対応させると、図の（Ｃ）に示したようなｘ−
ｙ−λ空間が得られ、この空間によって２次元物体５５
の各点のスペクトルが表される。このようなフーリエ分
光装置のシステム構成図を第２６図に示す。図中、符号
６１はマイケルソン干渉計を、６２は２次元光検出器５
４の各画素チャンネルからの信号を増幅する増幅器を、
６３はサンプルホールド回路及びＡ／Ｄ変換器を、６４
は移動鏡Ｍ、駆動機構を、また６５はコンピューターを
それぞれ示している。

システムの概要を説明すると、２次元物体５５の各点か
らの光は、干渉計６１を経て２次元光検出器５４の対応
する画素チャンネル上に干渉しながら結像し、そのスペ
クトルに応じたインターフェログラム信号を生じる。各
画素に対応したインターフェログラム信号は、増幅器６
２で増幅され、サンプルホールド回路及びＡ／Ｄ変換器
によりサンプリングとＡ／Ｄ変換されて、コンピュータ
ー６５に取り込まれ、コンピューター６５によりチャン
ネル毎にフーリエ変換されてその画素の対応する２次元
物体５５の点ないし領域のスペクトルが第２５図（Ｃ）
のような形式で求められる。なお、移動鏡Ｍ、はコンピ
ューター６５によって制御される移動鏡駆動機構６４に
よて移動される。

ところで、第２５図の例の場合、各点のインターフェロ
グラムは物体５５の発散光のなかから、光路差による位
相差を与えて、干渉させている。

したがって、検出面の中心より外側の点での干渉光束程
、放射角の大きな光束となり、しかも同一点からの光束
の干渉ではあるが異なる角度の放射光束による干渉とな
る。そのため、物体からの発光や反射の空間放射強度が
前方に強い場合、すなわち、指向性のある発光や反射の
とき、物体前方の指向性の強い方向の光束を干渉させて
インターフェログラムを形成した方が光束検出効率が良
くなる。このような場合には、第２５図の集光レンズＬ
Ｉｓ結像レンズＬ、を取り除き、その代わりに第２７図
（ａ）に示すように、２次元物体５５の前に前記した平
面波を出射する多光束高指向性光学系６６（第１６〜１
９図参照）を配置する。こうすると、物体５５の２次元
領域が多光束高指向性光学系６６の各素子によって分割
され、そこから出た平面波のみが分離されたままの状態
で２次元光検出器５４の光電変換面６０に達し、分離さ
れたままの状態でインターフェログラム信号を別々に生
じる。したがって、このインターフェログラムをフーリ
エ変換することにより、その区分に対応する２次元物体
５５からの平面波のスペクトルが求められる。なお、多
光束高指向性光学系６６は、図に点線で示したように、
光電変換面６０の前に配置するようにしてもよい。さら
に、２次元物体５５の前と光電変換面６０の前の両方に
配置してもよい。なお、物体５５からの発散光によって
インターフェログラム信号を得る場合であっても、物体
面上のサンプル点を小領域に限定したい場合は、図のら
）に示すように多光束高指向性光学系６６の代わりにピ
ンホールアレイＰＡとその各ピンホールに前側焦点が一
致するレンズアレイＬＡを配置し、各サンプル点からの
光が平行になって干渉系に入射するようにするすること
ができる。

次に、以上のような本発明の２次元物体の分光装置を微
小物体に適用する場合の例を説明する。

第２８図に示した本発明の２次元顕微分光装置において
、試料台６７上に載置した微小物体は拡大レンズ系７０
によって拡大される。拡大レンズ系７０は、微小物体の
表面から光軸に平行に出た光を光軸に平行に出射させる
ために拡大光学系に構成されている。すなわち、拡大レ
ンズ系７０は比較的焦点距離の短い対物レンズ６８と比
較的焦点距離の長い凸レンズ系６９とからなり、対物レ
ンズ６８の後側焦点と凸レンズ系６９の前側焦点とが一
致しく共焦点になっており）、物体から平行に出る光は
この系７０を経ても平行光として出て行く。このような
拡大光学系を拡大レンズ系７０として用いると、２次元
物体表面から出る光の直進成分は像が拡大されても維持
されるので都合がよい。その他に、焦点深度が深い等の
特徴もあるが、本２次元顕微分光装置において最も大き
い特徴は、特に、第２１〜２４図、第２７図（ａ）に示
すような物体５５から分光器に測定光を入射させる際に
、多光束光指向性光学系（第２８図においては符号７１
で代表して示しである。）を用いる分光器７２をその分
光系として使用する際、多光束光指向性光学系７１の入
射端面は最早試料台６７上に載置した微小物体と共役の
位置に置かなくてもよくなると言うことである。したが
って、このような場合、試料に対して拡大レンズ系７０
を厳密に焦点調節する必要はなくなる。ところで、分光
器７２として、上記した第２１〜２４図、第２７図（ａ
）の何れかのものを用いるのが望ましいが、第２０図、
第２５図（ａ）又は第２７図（ｂ）に示すような分光器
を用いる場合は、多光束光指向性光学系７１を省き、拡
大レンズ系７０の試料と共役な拡大像位置にそれぞれの
分光器の物体５５位置が一致するように配置しｔｌけれ
ばならない。

以上、本発明の２次元物体の分光装置のいくつかの実施
例について説明してきたが、本発明はこれらに限定され
ることなく、種々の変形が可能である。

〔発明の効果〕

本発明の第１から第３の２次元物体の分光装置によると
、分光器は１次元方向の物体の各点のスペクトルを与え
ることができるので、２次元物体を移動させることによ
り、２次元物体の各点の分光を略同時に行うことができ
る。

本発明の第４及び第５の２次元物体の分光装置によると
、入射端が２次元配列の多光束高指向性光学系と前記第
２又は第３の分光装置において用いている分光器とを用
いるので、２次元物体を移動させることなしに、２次元
物体の各点の分光を同時に行うことができる。

本発明の第６及び第７の２次元物体の分光装置によると
、マイケルソン干渉系を用いたフーリエ変換分光装置に
おいて、光検出器として２次元光検出器を用い、その２
次元検出面の各点に実質的にその点に対応する２次元物
体の点からの光が干渉しながら入射するようになってい
るので、検出面の所定の複数のサンプリング位置から得
られるインターフェログラム倍号各々をフーリエ変換す
ることにより、サンプリング位置に対応する２次元物体
の位置からの光のスペクトルを求めることができる。

なお、本発明の第２から第５、及び、第７の２次元物体
の分光装置によると、２次元物体からの光を分光装置に
導くのに多光束高指向性光学系を用いているので、２次
元物体から所定の方向に出る平面波のみを選択的に分離
して分光する。したがって、指向性のある発光分光や反
射散乱分光の各点の分光を同時に行うのに適している。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は高指向性光学素子の基本的原理を説
明するための図、第４図から第１１図はそれぞれ高指向
性光学素子の例を説明するための図、第１２図から第１
９図はそれぞれ本発明のいくつかの実施例において用い
られる多光束高指向性光学系の例を説明するための図、
第２０図は本発明の第１の２次元物体の分光装置の構成
と作用を説明するための図、第２１図から第２５図は第
２から第６の分光装置の構成と作用を説明するための図
、第２６図は第６の分光装置のシステム構成図、第２７
図は第７の分光装置の構成と作用を説明するための図、
第２８図は本発明による２次元顕微分光装置の構成と作
用を説明するための図である。 Ｌ・・・凸レンズ、Ｐ　Ｏ・・・レンズ開口、Ｐｌ・・
・入口開口、Ｐ２・・・ピンホール、Ｏｂ、Ｏｂｌ、Ｏ
ｂ２・・・対物レンズ、Ｐ・・・ピンホール、ＧＬＳＧ
ＬＩ、ＧＬ２・・・屈折率分布レンズ、ＳＭ・・・シン
グルモードファイバー、Ｂ・・・接着剤、Ｇ、ＡＳＧＡ
Ｉ、ＧＡ２・・・屈折率分布レンズアレイ、ＰＡ・・・
ピンホールアレイ、ＰＭ、ＰＭＩ、ＰＭ２・・・平板マ
イクロレンズ、ＳＡ・・・シングルモードファイバーア
レイ、ＳＨ・・・シングルモードファイバー配列体、Ｓ
・・・支持具、Ｍｌ、Ｍ２・・・凹面鏡、Ｍ３・・・凹
円筒鏡、Ｌ・・・集光レンズ、Ｌ、・・・結像レンズ、
ＨＭ・・・光線分割ミラー、Ｍ５・・・固定鏡、Ｍ、・
・・移動鏡、ＬＡ・・レンズアレイ、１．〜１ｏ、１０
・・・分光器、５１・・・回折格子、５２・・・入射ス
リット、５３・・・分光面、５４・・・２次元光検出器
、５５・・・２次元物体、５６．５７．５８．５９．６
６．７１・・・多光束高指向性光学系、６０・・・光電
変換面、６１・・・マイケルソン干渉計、６２・・・増
幅器、６３・・・サンプルホールド回路及びＡ／Ｄ変換
器、６４・・・移動鏡駆動機構、６５・・・コンピュー
ター、６７・・・試料台、６８・・・焦点距離の短い対
物レンズ、６９・・・焦点距離の長い凸レンズ系、７０
・・・拡大レンズ系、７２・・・分光器第１図 第２図 第３図 第４ 図 第 図 ＧＬ屈ｔ＃車今年しンス Ｌ１ Ｌ２ Ｐピレホ ル 第６ 図 Ｎ、Ａ千〇、１ Ｎ、Ａ二０．１ 第７ 図 Ｌ 第１２ 図 ＰＭ＋矛友７４グロレノ入 第１４ 図 第１６図 第１８ 図 第１９図 ＭＩ ＭＺ 第２１ 図 第２４図 第２７図 第２８図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子の格子方向と平行な細隙を有する入射ス
   リット、入射スリットからの光を平行光に変換する集光
   光学系、集光光学系からの光を回折する回折格子、回折
   格子によって回折された光を結像する結像光学系、及び
   、結像面に配置された２次元光検出器からなる分光器と
   、入射スリットの細隙と交差する方向に入射スリットの
   前に配置した２次元物体を移動させる手段とからなるこ
   とを特徴とする２次元物体の分光装置。
2. （２）入射端に所定方向から入射する平面波のみを出射
   端に伝達する高指向性光学素子を複数本回折格子の格子
   方向と平行な１次元方向に並列して束ねた１次元多光束
   高指向性光学系と、１次元多光束高指向性光学系の出射
   端からの光を平行光に変換する集光光学系、集光光学系
   からの光を回折する回折格子、回折格子によって回折さ
   れた光を結像する結像光学系、及び、結像面に配置され
   た２次元光検出器からなる分光器と、前記１次元多光束
   高指向性光学系の入射端の長手方向と交差する方向にそ
   の入射端の前に配置した２次元物体を相対的に移動させ
   る手段とからなることを特徴とする２次元物体の分光装
   置。
3. （３）入射端に所定方向から入射する平面波のみを出射
   端に伝達して平面波として出射する高指向性光学素子を
   複数本回折格子の格子方向と平行な１次元方向に並列し
   て束ねた１次元多光吏高指向性光学系と、１次元多光束
   高指向性光学系の出射端からの平面波を回折する回折格
   子、回折格子によって回折された光を回折格子の格子方
   向と垂直な方向に結像する結像光学系、及び、結像面に
   配置された２次元光検出器からなる分光器と、前記１次
   元多光束高指向性光学系の入射端の長手方向と交差する
   方向にその入射端の前に配置した２次元物体を相対的に
   移動させる手段とからなることを特徴とする２次元物体
   の分光装置。
4. （４）入射端に所定方向から入射する平面波のみを出射
   端に伝達する高指向性光学素子を列方向に複数本並列し
   て束ねてなる高指向性光学素子列体の複数をその入射端
   において行方向に積み重ねて行列形式に配列された多光
   束高指向性光学系の入射端とし、前記高指向性光学素子
   列体のそれぞれの出射端に請求項２又は３記載の分光器
   を別々に配置し、前記多光束高指向性光学系の入射端に
   ２次元物体を配置するようにしたことを特徴とする２次
   元物体の分光装置。
5. （５）入射端に所定方向から入射する平面波のみを出射
   端に伝達する高指向性光学素子を列方向に複数本並列し
   て束ねてなる高指向性光学素子列体の複数をその入射端
   において行方向に積み重ねて行列形式に配列された多光
   束高指向性光学系の入射端とし、前記高指向性光学素子
   列体の各出射端を列方向に並列して１列に配置された多
   光束高指向性光学系の出射端とし、前記多光束高指向性
   光学系の出射端に請求項２又は３記載の分光器を配置し
   、前記多光束高指向性光学系の入射端に２次元物体を配
   置するようにしたことを特徴とする２次元物体の分光装
   置。
6. （６）マイケルソン干渉系の集光レンズの前側焦点に２
   次元物体を配置するように構成し、マイケルソン干渉系
   の結像レンズの後側焦点に２次元光検出器を配置し、マ
   イケルソン干渉系の移動鏡を移動させた時に２次元光検
   出器の検出面の所定の複数のサンプリング位置から得ら
   れるインターフェログラム信号各々をフーリエ変換して
   サンプリング位置に対応する２次元物体の位置からの光
   のスペクトルを求める手段を設けたことを特徴とする２
   次元物体の分光装置。
7. （７）マイケルソン干渉系の集光レンズの代わりに、入
   射端に所定方向から入射する平面波のみを出射端に伝達
   して平面波として出射する高指向性光学素子を複数本２
   次元方向に並列して束ねた２次元多光束高指向性光学系
   を配置し、前記２次元多光束高指向性光学系の入射端に
   ２次元物体を配置するように構成し、マイケルソン干渉
   系の結像レンズを省いてその代わりにマイケルソン干渉
   系の出射側に２次元光検出器を配置し、マイケルソン干
   渉系の移動鏡を移動させた時に２次元光検出器の検出面
   の所定の複数のサンプリング位置から得られるインター
   フェログラム信号各々をフーリエ変換してサンプリング
   位置に対応する２次元物体の位置からの光のスペクトル
   を求める手段を設けたことを特徴とする２次元物体の分
   光装置。
8. （８）２次元物体から所定方向に出る平面波を拡大して
   平面波として出射する拡大光学系を備え、前記拡大光学
   系の出射側に請求項１から７の何れか１項記載の分光装
   置を設けたことを特徴とする２次元顕微分光装置。