分光装置
【課題】 高速で高感度な分光が可能であるとともに、分光可能な波長範囲が広く、かつ小型化を実現可能な分光装置を提供する。
【解決手段】 光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子と、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１１９、及び屈折率変化領域１１９を挟むように電極１２０が配置された光偏向素子１０７と、波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタ１０８と、共鳴フィルタ１０８で反射された光を検出する光検出器１１４とを少なくとも備え、共鳴フィルタ１０８への光線の入射角及び共鳴フィルタ１０８の波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置である。
【解決手段】 光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子と、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１１９、及び屈折率変化領域１１９を挟むように電極１２０が配置された光偏向素子１０７と、波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタ１０８と、共鳴フィルタ１０８で反射された光を検出する光検出器１１４とを少なくとも備え、共鳴フィルタ１０８への光線の入射角及び共鳴フィルタ１０８の波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光装置に関し、特に高速な光走査デバイスを用いた分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より分光技術を用いた装置が数多く提案されており、分光方式として分散型回折格子を用いた分光装置、音響光学素子を用いた分光装置などが知られている。
分散型回折格子を用いた分光装置の例は数多くあるが、回折格子による分光は、高次回折光の影響による回折光の光量低減などが課題となる。また、極めて高分解能での計測が可能ではあるが、スリットを設ける必要があり、光量の減衰や光学系の大型化を避けることができない。さらに機械的な駆動に頼る必要があるため、高速な分光が期待できない。
【０００３】
これに対し、機械的な駆動部を持たない方式として、音響光学素子を用いた分光装置が知られている。
音響光学素子による分光装置は、ブラッグ回折を用いているため、上述の回折格子でみられる不具合は生じず、また音響波を用いるため、比較的高速な分光が可能となる。しかしながら、音響波を発生させるトランデューサで消費される電力が大きく、駆動回路も複雑となる。さらに、分光装置を構成する中核部品のサイズが大きいという課題がある。
【０００４】
一方、電気光学効果を用いた光偏向素子とプリズムや回折格子、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＦ）などの分散素子を用いた高速分光装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、電気光学効果を用いた光偏向素子から出射された光を偏向させながらフィルタに照射することにより、フィルタで反射する光の波長が選択される分光装置の構成が開示されている。
電気光学効果を用いた光偏向素子は、電圧印加により高速に光を偏向させることができるため、偏向された光を分散素子であるプリズムによって分光し、その集光位置を、光を偏向させることで変化させ、スリットを通過する光の波長を変化させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の装置の構成では、高速な分光は実現できるが、分散プリズムによる分散特性が、その材料に大きく依存するために、分光できる波長領域が制限されるという問題がある。
一方、本発明者は、高速偏向素子と共鳴フィルタを用い、数値計算から分光性能が見積もられ、高速な分光と小型化が可能な装置を提案している。しかしながら、分光できる波長範囲の広さは、必ずしも十分ではなかった。
【０００６】
よって、本発明の課題は、高速で高感度な分光が可能であるとともに、分光可能な波長範囲が広く、かつ小型化を実現可能な分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る分光装置は、
光源からの光が入力される光入力部と、
光学素子と、
電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置された光偏向素子と、
波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタと、
前記共鳴フィルタで反射された光を検出する光検出器とを少なくとも備え、
前記共鳴フィルタへの光線の入射角及び前記共鳴フィルタの波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高速で高感度な分光が可能であるとともに、分光可能な波長範囲が広く、かつ小型化を実現可能な分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の分光装置の一実施態様（第１の実施形態）を示す概略構成図である。
【図２】本発明の分光装置の一実施態様（第２の実施形態）を示す概略構成図である。
【図３】シミュレーションにより算出した共鳴フィルタの反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】本発明の分光装置の一実施態様（第３の実施形態）を示す概略構成図である。
【図５】本発明の分光装置の一実施態様（第４の実施形態）を示す概略構成図である。
【図６】共鳴フィルタのシミュレーションモデル図である。
【図７】共鳴フィルタのシミュレーション結果による分光スペクトルの一例を示すグラフである。
【図８】本発明の分光装置の一実施態様（第５の実施形態）を示す概略構成図である。
【図９】本発明の分光装置の一実施態様（第６の実施形態）を示す概略構成図である。
【図１０】本発明の分光装置の一実施態様（第７の実施形態）を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る分光装置について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施例の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００１１】
〔第１の実施形態〕
本発明の分光装置の第１の実施形態の概略構成を図１に示す。
図１に示すように、本発明の分光装置１０１は、光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子として偏光子１０３、コリメートレンズ１０４、集光レンズ１０５，１０６、及びレンズ１１１と、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１１９、及び屈折率変化領域１１９を挟むように電極１２０が配置された光偏向素子１０７と、波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタ１０８と、共鳴フィルタ１０８で反射された光を検出する光検出器１１４により構成されている。
【００１２】
光入力部１０２に入射した様々な波長を有する光は、偏光子１０３により紙面垂直方向に振動する直線偏光に調整される。次いでコリメートレンズ１０４により幅が数百μｍから数ｍｍ程度の平行光に変換され、集光レンズ１０５により光偏向素子１０７に入力される。図１に示す例では、紙面平行方向の光の幅を保ちながら、紙面垂直方向のみを集光するシリンドリカルレンズを用いている。なおコリメートレンズ１０４は、図１では模式的に１枚しか描いていないが、数枚のレンズ群からなるものから構成されていてもよい。
【００１３】
光偏向素子１０７には、屈折率変化領域１１９と、その屈折率変化領域１１９を覆うように電極１２０が配置されている。この電極１２０に電圧印加制御部１１７から電圧が供給され、最大で数１００Ｖから数ｋＶが印加される。
屈折率変化領域１１９は、ここでは三角プリズム型の連鎖形状から構成されており、電圧が印加されると、三角形内の屈折率変化と三角形外の屈折率変化が異なるために、屈折率差が生じ、光が屈折を起こしながら徐々に光路を変化させていく。
【００１４】
ここでは、一例として電気光学結晶に分極反転技術により屈折率変化領域を形成している。分極反転部分を覆うように形成された電極に電圧を印加すると、電界が生じ、電気光学結晶のポッケルス効果により屈折率が変化する。
この屈折率変化が分極反転によって正負逆転するので、三角形形状の屈折変化部分ができることにより、光は偏向する。屈折率の変化は印加電圧の大きさに依存し、電圧が大きくなると偏向角が大きくなる。また電圧の極性が変わると振れ方向が中心軸から反対方向へ偏向する。分極反転技術で屈折率が反転する領域を形成する以外に、電極形状自体を三角形形状にすることで、電極形状に応じた屈折率変化を与えるようにしてもよい。
【００１５】
偏向された光は集光レンズ１０６によって再びコリメート光にされ、共鳴フィルタ１０８に入射される。共鳴フィルタ１０８には波長選択性があり、ビームの入力角度によって、異なる波長が反射され、反射された光の波長以外の光は透過させることができる。
【００１６】
共鳴フィルタ１０８について説明する。
共鳴フィルタ１０８とは、波長と同程度の一次元または二次元の周期構造を使った狭帯域の光学フィルタである。導波モード共鳴格子や共振モード格子と呼ばれることもある。周期構造のピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルタを作製することができる。
共振波長での反射率は理論的には１００％に達するため、高次回折光が出てくる回折格子と比較して光量を効率良く得ることができる。また、波長選択フィルタであるため、反射波長以外は透過する。この点においても、すべての波長を回折してしまう反射型の回折格子と異なる特徴である。
多層膜から形成される波長フィルタでも垂直入射に対しては同様な性能を得ることができるが、斜入射の光に対しては反射率が低下することや、反射スペクトルの半値全幅が大きくなるなどの課題があるため、本発明の分光装置においては、共鳴フィルタを用いる必要がある。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態では、複数の共鳴フィルタ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び複数の光検出器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを備え、複数の共鳴フィルタ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、光偏向素子１０７から出射された光の入射角がそれぞれ異なる角度となるように配置され、複数の光検出器は、共鳴フィルタごとに配置されている。
【００１８】
光入力部１０２側に配置された共鳴フィルタ１０８ａは、入射光に対して１５度の角度で配置されている。
電極１２０に電圧が印加されなかった場合の光は、共鳴フィルタ１０８ａに１５度傾いて入射する。光偏向素子１０７によって光は±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ａに入射する光偏向素子からの光の入射角は、１０度から２０度の間で変化することになる。
【００１９】
異なる入射角で光が入射すると、共鳴フィルタ１０８ａで反射される光の波長も異なる性質がある。このように入射した角度に対応した波長が反射され、レンズ１１１ａによって光路が調整されて光検出器１１４ａで光量が検出される。
検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２０】
一方、共鳴フィルタ１０８ａで反射されなかった波長の光は共鳴フィルタ１０８ａを透過し、共鳴フィルタ１０８ｂに入射する。
共鳴フィルタ１０８ｂを入射光に対して２５度の角度で配置させておくと、電極１２０に電圧が印加されなかった場合、光は直進してくるので、共鳴フィルタ１０８ｂに入射角２５度で入射する。光偏向素子１０７によって±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ｂに入射する光の入射角は２０度から３０度の間で変化する。
入射した角度に対応した波長が共鳴フィルタ１０８ｂで反射され、レンズ１１１ｂによって光路が調整され、光検出器１１４ｂで反射光が検出される。検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２１】
さらに、共鳴フィルタ１０８ｂで反射されなかった波長の光は共鳴フィルタ１０８ｂを透過し、共鳴フィルタ１０８ｃに入射する。
共鳴フィルタ１０８ｃを入射光に対して３５度の角度で配置させておくと、電極１２０に電圧が印加されなかった場合、光は直進してくるので、共鳴フィルタ１０８ｃに入射角３５度で入射する。光偏向素子１０７によって±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ｃに入射する光の入射角は３０度から４０度の間で変化する。
入射した角度に対応した波長が共鳴フィルタ１０８ｃで反射され、レンズ１１１ｃによって光路が調整され、光検出器１１４ｃで反射光が検出される。検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２２】
このように、最大偏向角に応じた角度で複数の共鳴フィルタ１０８を直列に配置することによって、異なる波長帯域を同時に分光することが可能である。
ただし、多段に共鳴フィルタ１０８を配列すると、それぞれの共鳴フィルタ１０８での光損失により、スペクトルが不連続になる可能性がある。そこで、ビーム偏向に対して少し余裕を持って偏向させることで、つなぎ目部分をそれぞれの検出器１１４で検出し、そのつなぎ目部分の光量は一致するもとと仮定して、信号制御部１１８でゲインをかけて出力することにより、連続的なスペクトルを出力させることが可能である。
【００２３】
本発明で使用する光偏向素子１０７は、１００ｋＨｚ程度の高速スキャンが可能であるため、電圧印加スピードに応じた高速分光が可能である。
さらに、本発明で使用する共鳴フィルタ１０８により高反射率での分光が可能であるため、高効率であり、光検出器１１４の直前にスリットを置く必要がないために、波長間の迷光による影響を低減することができる。
【００２４】
本実施形態では、共鳴フィルタ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃはすべて同じ構造であることを仮定しているが、同じ構造でなくても良い。構造がわずかに異なる共鳴フィルタ１０８を配置することにより、同じ角度で光が入射された場合であっても異なる分光特性を与えることが可能となる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
本発明の分光装置の第２の実施形態の概略構成を図２に示す。
比較的広い波長成分をもつ光を分光する場合、共鳴フィルタ１０８で反射した光に、目的の波長成分以外の光が混合される場合がある。
そこで、目的の波長成分以外の光をカットするために、光検出器１１４の入射面側の前方に、特定の波長の光を反射または吸収するカットフィルタ１２１を配置する。
【００２６】
光偏向素子１０７からの光の入射角度に応じた反射波長λはあらかじめ設定することが可能である。入射角度に応じ、反射波長をλa１＜λ＜λa２と設定することができ、設定した値に応じて、所望の反射波長だけを透過するようなカットフィルタ１２１を配置しておくことができる。
【００２７】
さらに、誤信号を発生させる波長成分は、シミュレーションなどから予想できるため、誤信号を発生させる成分を反射または吸収するような性質を持つフィルタを予め選択して配置してもよい。
このようなカットフィルタとしては、例えば、多層膜フィルタや吸収材料を含ませたフィルタ等が挙げられる。
【００２８】
図３は、シミュレーションにより算出した共鳴フィルタの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図２に示すように、あらかじめ２５度傾けて設置した共鳴フィルタ１０８ｂに、光偏向素子１０７からの光が５度傾いて照射されたとき、つまり３０度の角度で光が照射されたときのスペクトルを示している。
この角度で反射される波長として、図３にあるようなλ２を期待しているときに、広い波長範囲で観察すると、λ１も反射されることがわかる。つまり、カットフィルタ１２１ｂがない場合ではλ１とλ２が同時に反射され、誤信号を発生させる原因となる。
【００２９】
例えば、共鳴フィルタ１０８の構造を調整することにより、λ１とλ２との間隔を大きくすることは可能であるが、根本的な解決には至らない。
そこで、本実施形態のようにλ１を反射または吸収させるカットフィルタ１２１を配置することにより、λa1＜λ＜λa2を満たす波長だけを透過させる、もしくはλa1＞λの波長を透過させるようにすることにより、誤信号発生を抑制することが可能となる。
【００３０】
〔第３の実施形態〕
本発明の分光装置の第３の実施形態の概略構成を図４に示す。
図４に示すように、本実施形態において分光装置１０１は、共鳴フィルタ１０８を回転可能に保持する回転部材（以下、「可動ステージ」という）１０９を備えている。
共鳴フィルタ１０８が可動ステージ１０９上に配置され、可動ステージ１０９は、ステージコントローラ１１０により回転して、共鳴フィルタ１０８を回転させ傾斜させることができる。これにより共鳴フィルタ１０８に対する光偏向素子１０７からの光の入射角度を変化させることができる。
【００３１】
例えば、共鳴フィルタ１０８を傾斜させる角度をあらかじめ１５度とすることにより、光偏向素子１０７からの光が±５度変化したときに、入射角１０度から２０度の間に対応した光を分光することができる。
その後、共鳴フィルタ１０８の傾斜角度を２５度に設定すると、同様に光偏向素子１０７からの光を偏向させたときに、入射角２０度から３０度の間に対応した光を分光することができる。さらに可動ステージ１０９を回転させ、共鳴フィルタ１０８の傾斜角度を３５度に設定すると、同様に光偏向素子１０７からの光を偏向させたときに、入射角３０度から４０度に対応した光を分光することができる。
【００３２】
可動ステージ１０９は連続して動作させる必要がないので、駆動時間が大きな制約になることがない。また、１００ｎｍ程度の波長範囲であれば、必ずしも可動ステージ１０９を動かす必要がなく、分光する波長範囲が比較的大きいときにステップ状にステージを動かすことにより広い波長範囲を分光することができる。
【００３３】
本実施形態に示すような構成とすることにより、複数の共鳴フィルタ１０８を配置することなく広い波長範囲を分光することができるため、装置の小型化が可能となる。
また、可動ステージ１０９を使うことにより、測定波長のキャリブレーションも可能となる。
例えば、入射角度に対する感度が非常に高く、共鳴フィルタ１０８の配置がわずかにずれた場合であっても正しい出力が得られなくなる場合がある。このようなときに標準波長の光を入射して、電圧値との対応により補正を行うこともできるが、それでも対応できないときに、この可動ステージ１０９を共鳴フィルタ１０８の角度調整を行うために用いることができる。可動ステージ１０９の回転は、ステージコントローラ１１０を外部入出力機器と接続することにより、所望の値に調整することができる。
【００３４】
〔第４の実施形態〕
本発明の分光装置の第４の実施形態の概略構成を図５に示す。
図５に示すように、本実施形態の分光装置１０１は、波長選択性の異なる共鳴フィルタ１０８を複数備え、それぞれの共鳴フィルタ１０８は、光偏向素子１０７から出射された光の入射角が略同一の角度となるように配置されている。
【００３５】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、コリメートレンズ１０４により平行光にされ、集光レンズ１０５により紙面方向のビームが集光されて光偏向素子１０７に入力される。
光偏向素子１０７に電圧が印加されることで光は偏向され、集光レンズ１０６でビーム径を元に戻して、共鳴フィルタ１０８に入射される。
【００３６】
ここで、共鳴フィルタ１０８ｄ、１０８ｅには、それぞれ異なる構造が形成され、光の入射角度が同じであっても反射される光の波長が異なるようになっている。
それぞれの共鳴フィルタ１０８ｄ、１０８ｅは、光の進行方向に対してほぼ同じ角度で配置され、光偏向素子１０７で偏向された入射角に対応させて反射される波長が異なるように設定されている。
例えば、光偏向素子によって光が角度θだけ偏向されて共鳴フィルタ１０８ｄに入射したとき、波長λ１が反射され光検出器１１４ｄで検出される。それ以外の波長は透過し、共鳴フィルタ１０８ｅに入射する。共鳴フィルタ１０８ｅには、１０８ｄと異なる構造が形成されているので、角度θに偏向された光に対して、波長λ２（λ１≠λ２）が反射され、光検出器１１４ｅで検出される。光偏向素子１０７によって偏向角が最大値から最小値まで変化することで、異なる波長帯域で同時に分光することができる。
【００３７】
図６及び図７に、異なる構造の共鳴フィルタ１０８による分光シミュレーションを示す。
シミュレーションには厳密結合波解析（RCWA）法を用いた。
図６は共鳴フィルタのシミュレーションモデル図である。
図６に示すように、基板３１１上に高屈折率材料層３１２と低屈折率材料層３１３とサブ波長構造（Sub-Wavelength Structure：SWS）層３１４を形成している。
基板、高屈折率材料、低屈折率材料の屈折率を、それぞれｎｓ＝１．５１、ｎＨ＝２．２３、ｎＬ＝１．４４とし、サブ波長構造は高屈折率材料層と同質の材料と仮定し、その屈折率はｎＳ＝２．２３としてシミュレーションを行った。また、図６にあるような電界の振動方向に対してシミュレーションした。各層の厚みを、高屈折率材料層ｄ１、低屈折率材料層ｄ２、サブ波長構造層ｄ３としたときに、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝３００ｎｍとしてシミュレーションした。構造が異なる構成としてＳＷＳの周期をパラメータとしてシミュレーションした。
【００３８】
図７（Ａ）及び（Ｂ）にシミュレーション結果の一例を示す。
共鳴フィルタの傾きを２５度とし、±５度の偏光角変化を与えたと仮定して、入射角度を３０度から３０度まで変化させたときの分光スペクトルを示している。
周期を変化させた２種類の構造（周期ｐ＝２５０ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４；２３５ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４）に関してシミュレーションを行ったもので、図７（Ａ）が周期２３５ｎｍのシミュレーション結果であり、図７（Ｂ）が２５０ｎｍのシミュレーション結果である。
図７（Ａ）では波長６１０ｎｍから６５０ｎｍまで、図７（Ｂ）では波長５７０ｎｍから６１０ｎｍまでの光を入射角に応じて分光できていることを示している。それ以外の波長の光は透過することになり、このように構造を変化させた共鳴フィルタ１０８を直列に配置することで、異なる波長帯域で分光させることができる。反射率もシミュレーション上では１００％であり、入射角度に対応した波長の光を効率よく反射させることができる。
【００３９】
本発明では、光偏向素子１０７に印加する電圧を連続的に変化させることにより、出力する偏向角を連続的に変化させることができるので、分解能は共鳴フィルタ１０８の性能に依存する。この共鳴フィルタ１０８から見積もられる分解能は０．５ｎｍ以下である。
共鳴フィルタ１０８では、スペクトルの線幅や中心波長の設計を、パラメータ（層の厚さ、屈折率、周期）の設定で比較的容易に調整できるため、シミュレーションにより示したように、同じ入射角度に対して異なる反射スペクトル持つようにすることができる。
【００４０】
共鳴フィルタ１０８を構成する材料の一例として、基板には合成石英ガラス、高屈折率材料には酸化チタン（ＴｉＯ２）、低屈折率材料には二酸化シリコン（ＳｉＯ２）がある。上記材料で均一な層を形成することは、スパッタリングや蒸着などの一般的な方法で可能である。それ以外の材料も可能で、基板としてはシリコン、石英、サファイアなど、高屈折率材料としては五酸化二タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、ハフニウム酸化物など、低屈折率材料としては酸化マグネシウムなども用いることができる。さらに無機材料以外で有機材料を用いることも可能である。
サブ波長構造部分は、リソグラフィーとエッチングにより形成する。ここでは、電子ビーム描画により波長以下の周期構造をパターニングし、ドライエッチングで酸化チタンをエッチングして形成することを想定している。
【００４１】
〔第５の実施形態〕
本発明の分光装置の第５の実施形態の概略構成を図８に示す。
図８に示すように、本実施態様の分光装置１０１は、光偏向素子１０７が、複数の屈折率変化領域１１９を備え、かつ光偏向素子１０７の光の出力側に光路調整素子１１３が配置されている。なお、光路調整素子１１３は光偏向素子１０７の光の入力側に設けられていても良い。
また、共鳴フィルタ１０７と光偏向素子１１３との間に、遮光壁１１２が配置されている。
【００４２】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、コリメートレンズ１０４で平行光にされ、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、集光レンズ１０５で光偏向素子１０７に入力される。光偏向素子１０７には複数の電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、複数の屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃが形成されている。
なお、一の屈折率変化領域と電極からなる光偏向素子１０７を並列に並べることもできるが、ここでは同一基板上に複数の屈折率変化領域１１９と、それに対応した電極１２０が複数形成された態様とする。
【００４３】
コリメートされた光は、それぞれの屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃに入力され、屈折率の変化に応じて出力方向が変更される。このとき光偏向素子１０７から出力された光は、集光レンズ１０６でビーム形状を調整され、一部は光路調整素子１１３により光路が変化する。ここでは、光路調整素子１１３として反射ミラーをとして利用している。
光路調整素子１１３により光路を変化させることにより、異なる入射角で共鳴フィルタ１０８に入射させることが可能である。
【００４４】
３つの屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃをもつ光偏向素子１０７の動作を説明する。
屈折率変化領域１１９ｂを直進する光に対して、θの傾きで入射するように共鳴フィルタ１０８を配置しておく。屈折率変化領域１１９ａと１１９ｂを通過した光に対しては、図のように角度φ１、φ２だけ傾けた光路調整素子１１３で反射されて入射角が変化しながら共鳴フィルタ１０８に入射するように設定する。
このようにすることで、電圧印加されない（Ｖ＝０）ときに、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃを通過する光がそれぞれ、θ、θ+φ１、θ+φ２で入射されるために、共鳴フィルタ１０８で反射される光の波長が異なる。
つまり、異なる波長帯域に対して分光することが可能となる。
【００４５】
ただし、同時に電圧を印加すると、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃを通過した異なる入射角をもつ光が同時に共鳴フィルタ１０８に入射されるため、異なる波長がそれぞれ反射されて、光検出器で誤信号が検出されてしまう。
このような誤信号の発生要因は、信号処理を行うか、または遮光壁１１２を設けることで回避することができる。
【００４６】
図８に示すように、遮光壁１１２には、光偏向素子１０７からの最大偏向角で偏向された光を透過する開口を空けておく。最大偏向角以上の偏向角で光が偏向されたときには、光を遮光するように設定しておく。ここで、最大偏向角を素子に印加できる電圧の８０％程度で偏向される角度としておけば、光を遮光するための電圧の余剰分を残しておくことができる。
本実施形態の分光装置１０１では、わずかな入射角の違いでも十分に分光することができ、またこの分光波長拡大方式を用いることにより、電圧の余剰を残していても十分に分光することが可能である。
【００４７】
具体的な電圧動作について説明する。
本実施形態においては、時分割で電圧を印加する方法を用いるために、ひとつの光検出器１１４で異なる帯域の光を分光することが可能となる。
まず、屈折率変化領域１１９ｂ、１１９ｃに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域１１９ａに電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０(Ｖ１＞Ｖ０)まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
次に、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｃに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域１１９ｂに電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
最後に屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域４０３に電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
このようにして、異なる波長帯域での分光強度を得ることができる。ここで用いている光偏向素子１０７の偏向スピードは極めて速く、数１０ｋＨｚのスピードで動作可能であるため、上述のように時分割で分光スペクトルを計測することが十分に可能である。
また、遮光壁１１２を用いずに、電極に印加する電圧の組合せにより、信号処理することによりそれぞれの分光特性を分離する方法を用いてもよい。
【００４８】
〔第６の実施形態〕
本発明の分光装置の第６の実施形態の概略構成を図９に示す。
図９に示すように、光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、コリメートレンズ１０４で平行光にされ、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、集光レンズ１０３で光偏向素子１０７に入力される。
集光レンズ１０３と光偏向素子１０７との間には光路調整素子１１３が設けてある。
本実施形態では、光路調整素子１１３として、斜めにカットされたプリズムを使用している例を示す。
【００４９】
光はこの光路調整素子１１３によって光路をわずかに変更されて光偏向素子１０７に入射する。光偏向素子１０７には複数の電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、複数の屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃが形成されている。
光路調整素子１１３によって変更された光路に沿って、この屈折率変化領域１１９が形成されている。このように傾いていることによって、共鳴フィルタ１０８に入射する光の角度が異なり、反射される光の波長が異なる。
【００５０】
また、集光レンズ１０６と共鳴フィルタ１０８との間に遮光壁１１２を設けることにより、時分割での分光スペクトル計測を可能としている。
【００５１】
〔第７の実施形態〕
本発明の分光装置の第７の実施形態の概略構成を図１０に示す。
図１０に示すように、本実施形態の分光装置１０１は、光入力部と前記光偏向素子との間に偏光分離素子（以下、「偏光ビームスプリッタ」という）１１５、及び偏光子１１６を備える。
【００５２】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、通常はランダム偏光である。そこで、コリメートレンズ１０４を通過した後に、偏光ビームスプリッタ１１５により紙面に垂直方向に電界が振動する偏光（ＴＥ偏光と呼ぶ）と、紙面に平行に電界が振動する偏光（ＴＭ偏光と呼ぶ）に分離する。光偏向素子１０７はＴＥ偏光に対して偏向性能を与える素子であるので、ＴＭ偏光は偏光子１１６によってＴＥ偏光に変換する。
【００５３】
それぞれの光は集光レンズ１０５を通過し、光路調整素子１１３によって一部または全部の光路が傾斜をつけられて光偏向素子１０７に入射する。このように異なる入射角で光を共鳴フィルタ１０８に入力することができるため、電極１２０に電圧を印加することにより、異なる波長帯域を分光することができる。
さらに、集光レンズ１０６と共鳴フィルタの間に遮光壁１１２を設けることにより、時分割でのスペクトルを得ることが可能となる。
【００５４】
このような構造の分光装置とすることにより、従来の構造においてカットしていた偏光成分を有効に利用することができるので、光量を大きくすることが可能となり、より精度が高い分光スペクトルを得ることが可能となる。
【００５５】
以上のように、本発明の分光装置は、小型で高速に光を偏向できる光偏向素子１０７と、わずかな角度変化に対して反射される波長が変化し、かつそれ以外の波長が透過する共鳴フィルタ１０８で構成され、ひとつの屈折率変化領域１１９をもつ光偏向素子１０７に対して、配置角度が異なる共鳴フィルタ１０８を複数設けることにより、複数の波長帯域を分光することができ、また異なる角度で光を入射させることができるように配置した複数の屈折率変化部１１９をもつ光偏向素子１０７に対して、ひとつの共鳴フィルタ１０８を設けることで複数の波長帯域を分光することができる。
また、光偏向素子１０７で同じ角度に偏向された光が、それぞれの共鳴フィルタ１０８で反射される波長が異なるようにすることで、ひとつの光偏向素子１０７に対して複数の波長帯域の分光が可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１ 分光装置
１０２ 光入力部
１０３ 偏光子
１０４ コリメートレンズ
１０５ 集光レンズ
１０６ 集光レンズ
１０７ 光偏向素子
１０８ 共鳴フィルタ
１０９ 回転部材（ステージ）
１１０ ステージコントローラ
１１１ レンズ
１１２ 遮光壁
１１３ 光路調整素子
１１４ 光検出器
１１５ 偏光分離素子（ビームスプリッタ）
１１６ 偏光子
１１７ 電圧印加制御部
１１８ 信号制御部（信号検出部）
１１９ 屈折率変化領域
１２０ 電極
１２１ カットフィルタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５７】
【特許文献１】ＷＯ２００８／００５５２５公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光装置に関し、特に高速な光走査デバイスを用いた分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より分光技術を用いた装置が数多く提案されており、分光方式として分散型回折格子を用いた分光装置、音響光学素子を用いた分光装置などが知られている。
分散型回折格子を用いた分光装置の例は数多くあるが、回折格子による分光は、高次回折光の影響による回折光の光量低減などが課題となる。また、極めて高分解能での計測が可能ではあるが、スリットを設ける必要があり、光量の減衰や光学系の大型化を避けることができない。さらに機械的な駆動に頼る必要があるため、高速な分光が期待できない。
【０００３】
これに対し、機械的な駆動部を持たない方式として、音響光学素子を用いた分光装置が知られている。
音響光学素子による分光装置は、ブラッグ回折を用いているため、上述の回折格子でみられる不具合は生じず、また音響波を用いるため、比較的高速な分光が可能となる。しかしながら、音響波を発生させるトランデューサで消費される電力が大きく、駆動回路も複雑となる。さらに、分光装置を構成する中核部品のサイズが大きいという課題がある。
【０００４】
一方、電気光学効果を用いた光偏向素子とプリズムや回折格子、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＦ）などの分散素子を用いた高速分光装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、電気光学効果を用いた光偏向素子から出射された光を偏向させながらフィルタに照射することにより、フィルタで反射する光の波長が選択される分光装置の構成が開示されている。
電気光学効果を用いた光偏向素子は、電圧印加により高速に光を偏向させることができるため、偏向された光を分散素子であるプリズムによって分光し、その集光位置を、光を偏向させることで変化させ、スリットを通過する光の波長を変化させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の装置の構成では、高速な分光は実現できるが、分散プリズムによる分散特性が、その材料に大きく依存するために、分光できる波長領域が制限されるという問題がある。
一方、本発明者は、高速偏向素子と共鳴フィルタを用い、数値計算から分光性能が見積もられ、高速な分光と小型化が可能な装置を提案している。しかしながら、分光できる波長範囲の広さは、必ずしも十分ではなかった。
【０００６】
よって、本発明の課題は、高速で高感度な分光が可能であるとともに、分光可能な波長範囲が広く、かつ小型化を実現可能な分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る分光装置は、
光源からの光が入力される光入力部と、
光学素子と、
電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置された光偏向素子と、
波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタと、
前記共鳴フィルタで反射された光を検出する光検出器とを少なくとも備え、
前記共鳴フィルタへの光線の入射角及び前記共鳴フィルタの波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高速で高感度な分光が可能であるとともに、分光可能な波長範囲が広く、かつ小型化を実現可能な分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の分光装置の一実施態様（第１の実施形態）を示す概略構成図である。
【図２】本発明の分光装置の一実施態様（第２の実施形態）を示す概略構成図である。
【図３】シミュレーションにより算出した共鳴フィルタの反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】本発明の分光装置の一実施態様（第３の実施形態）を示す概略構成図である。
【図５】本発明の分光装置の一実施態様（第４の実施形態）を示す概略構成図である。
【図６】共鳴フィルタのシミュレーションモデル図である。
【図７】共鳴フィルタのシミュレーション結果による分光スペクトルの一例を示すグラフである。
【図８】本発明の分光装置の一実施態様（第５の実施形態）を示す概略構成図である。
【図９】本発明の分光装置の一実施態様（第６の実施形態）を示す概略構成図である。
【図１０】本発明の分光装置の一実施態様（第７の実施形態）を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る分光装置について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施例の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００１１】
〔第１の実施形態〕
本発明の分光装置の第１の実施形態の概略構成を図１に示す。
図１に示すように、本発明の分光装置１０１は、光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子として偏光子１０３、コリメートレンズ１０４、集光レンズ１０５，１０６、及びレンズ１１１と、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１１９、及び屈折率変化領域１１９を挟むように電極１２０が配置された光偏向素子１０７と、波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタ１０８と、共鳴フィルタ１０８で反射された光を検出する光検出器１１４により構成されている。
【００１２】
光入力部１０２に入射した様々な波長を有する光は、偏光子１０３により紙面垂直方向に振動する直線偏光に調整される。次いでコリメートレンズ１０４により幅が数百μｍから数ｍｍ程度の平行光に変換され、集光レンズ１０５により光偏向素子１０７に入力される。図１に示す例では、紙面平行方向の光の幅を保ちながら、紙面垂直方向のみを集光するシリンドリカルレンズを用いている。なおコリメートレンズ１０４は、図１では模式的に１枚しか描いていないが、数枚のレンズ群からなるものから構成されていてもよい。
【００１３】
光偏向素子１０７には、屈折率変化領域１１９と、その屈折率変化領域１１９を覆うように電極１２０が配置されている。この電極１２０に電圧印加制御部１１７から電圧が供給され、最大で数１００Ｖから数ｋＶが印加される。
屈折率変化領域１１９は、ここでは三角プリズム型の連鎖形状から構成されており、電圧が印加されると、三角形内の屈折率変化と三角形外の屈折率変化が異なるために、屈折率差が生じ、光が屈折を起こしながら徐々に光路を変化させていく。
【００１４】
ここでは、一例として電気光学結晶に分極反転技術により屈折率変化領域を形成している。分極反転部分を覆うように形成された電極に電圧を印加すると、電界が生じ、電気光学結晶のポッケルス効果により屈折率が変化する。
この屈折率変化が分極反転によって正負逆転するので、三角形形状の屈折変化部分ができることにより、光は偏向する。屈折率の変化は印加電圧の大きさに依存し、電圧が大きくなると偏向角が大きくなる。また電圧の極性が変わると振れ方向が中心軸から反対方向へ偏向する。分極反転技術で屈折率が反転する領域を形成する以外に、電極形状自体を三角形形状にすることで、電極形状に応じた屈折率変化を与えるようにしてもよい。
【００１５】
偏向された光は集光レンズ１０６によって再びコリメート光にされ、共鳴フィルタ１０８に入射される。共鳴フィルタ１０８には波長選択性があり、ビームの入力角度によって、異なる波長が反射され、反射された光の波長以外の光は透過させることができる。
【００１６】
共鳴フィルタ１０８について説明する。
共鳴フィルタ１０８とは、波長と同程度の一次元または二次元の周期構造を使った狭帯域の光学フィルタである。導波モード共鳴格子や共振モード格子と呼ばれることもある。周期構造のピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルタを作製することができる。
共振波長での反射率は理論的には１００％に達するため、高次回折光が出てくる回折格子と比較して光量を効率良く得ることができる。また、波長選択フィルタであるため、反射波長以外は透過する。この点においても、すべての波長を回折してしまう反射型の回折格子と異なる特徴である。
多層膜から形成される波長フィルタでも垂直入射に対しては同様な性能を得ることができるが、斜入射の光に対しては反射率が低下することや、反射スペクトルの半値全幅が大きくなるなどの課題があるため、本発明の分光装置においては、共鳴フィルタを用いる必要がある。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態では、複数の共鳴フィルタ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、及び複数の光検出器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを備え、複数の共鳴フィルタ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、光偏向素子１０７から出射された光の入射角がそれぞれ異なる角度となるように配置され、複数の光検出器は、共鳴フィルタごとに配置されている。
【００１８】
光入力部１０２側に配置された共鳴フィルタ１０８ａは、入射光に対して１５度の角度で配置されている。
電極１２０に電圧が印加されなかった場合の光は、共鳴フィルタ１０８ａに１５度傾いて入射する。光偏向素子１０７によって光は±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ａに入射する光偏向素子からの光の入射角は、１０度から２０度の間で変化することになる。
【００１９】
異なる入射角で光が入射すると、共鳴フィルタ１０８ａで反射される光の波長も異なる性質がある。このように入射した角度に対応した波長が反射され、レンズ１１１ａによって光路が調整されて光検出器１１４ａで光量が検出される。
検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２０】
一方、共鳴フィルタ１０８ａで反射されなかった波長の光は共鳴フィルタ１０８ａを透過し、共鳴フィルタ１０８ｂに入射する。
共鳴フィルタ１０８ｂを入射光に対して２５度の角度で配置させておくと、電極１２０に電圧が印加されなかった場合、光は直進してくるので、共鳴フィルタ１０８ｂに入射角２５度で入射する。光偏向素子１０７によって±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ｂに入射する光の入射角は２０度から３０度の間で変化する。
入射した角度に対応した波長が共鳴フィルタ１０８ｂで反射され、レンズ１１１ｂによって光路が調整され、光検出器１１４ｂで反射光が検出される。検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２１】
さらに、共鳴フィルタ１０８ｂで反射されなかった波長の光は共鳴フィルタ１０８ｂを透過し、共鳴フィルタ１０８ｃに入射する。
共鳴フィルタ１０８ｃを入射光に対して３５度の角度で配置させておくと、電極１２０に電圧が印加されなかった場合、光は直進してくるので、共鳴フィルタ１０８ｃに入射角３５度で入射する。光偏向素子１０７によって±５度程度偏向させることが可能であるため、共鳴フィルタ１０８ｃに入射する光の入射角は３０度から４０度の間で変化する。
入射した角度に対応した波長が共鳴フィルタ１０８ｃで反射され、レンズ１１１ｃによって光路が調整され、光検出器１１４ｃで反射光が検出される。検出された光は電気に変換され、信号制御部１１８を経て外部に出力される。
【００２２】
このように、最大偏向角に応じた角度で複数の共鳴フィルタ１０８を直列に配置することによって、異なる波長帯域を同時に分光することが可能である。
ただし、多段に共鳴フィルタ１０８を配列すると、それぞれの共鳴フィルタ１０８での光損失により、スペクトルが不連続になる可能性がある。そこで、ビーム偏向に対して少し余裕を持って偏向させることで、つなぎ目部分をそれぞれの検出器１１４で検出し、そのつなぎ目部分の光量は一致するもとと仮定して、信号制御部１１８でゲインをかけて出力することにより、連続的なスペクトルを出力させることが可能である。
【００２３】
本発明で使用する光偏向素子１０７は、１００ｋＨｚ程度の高速スキャンが可能であるため、電圧印加スピードに応じた高速分光が可能である。
さらに、本発明で使用する共鳴フィルタ１０８により高反射率での分光が可能であるため、高効率であり、光検出器１１４の直前にスリットを置く必要がないために、波長間の迷光による影響を低減することができる。
【００２４】
本実施形態では、共鳴フィルタ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃはすべて同じ構造であることを仮定しているが、同じ構造でなくても良い。構造がわずかに異なる共鳴フィルタ１０８を配置することにより、同じ角度で光が入射された場合であっても異なる分光特性を与えることが可能となる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
本発明の分光装置の第２の実施形態の概略構成を図２に示す。
比較的広い波長成分をもつ光を分光する場合、共鳴フィルタ１０８で反射した光に、目的の波長成分以外の光が混合される場合がある。
そこで、目的の波長成分以外の光をカットするために、光検出器１１４の入射面側の前方に、特定の波長の光を反射または吸収するカットフィルタ１２１を配置する。
【００２６】
光偏向素子１０７からの光の入射角度に応じた反射波長λはあらかじめ設定することが可能である。入射角度に応じ、反射波長をλa１＜λ＜λa２と設定することができ、設定した値に応じて、所望の反射波長だけを透過するようなカットフィルタ１２１を配置しておくことができる。
【００２７】
さらに、誤信号を発生させる波長成分は、シミュレーションなどから予想できるため、誤信号を発生させる成分を反射または吸収するような性質を持つフィルタを予め選択して配置してもよい。
このようなカットフィルタとしては、例えば、多層膜フィルタや吸収材料を含ませたフィルタ等が挙げられる。
【００２８】
図３は、シミュレーションにより算出した共鳴フィルタの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図２に示すように、あらかじめ２５度傾けて設置した共鳴フィルタ１０８ｂに、光偏向素子１０７からの光が５度傾いて照射されたとき、つまり３０度の角度で光が照射されたときのスペクトルを示している。
この角度で反射される波長として、図３にあるようなλ２を期待しているときに、広い波長範囲で観察すると、λ１も反射されることがわかる。つまり、カットフィルタ１２１ｂがない場合ではλ１とλ２が同時に反射され、誤信号を発生させる原因となる。
【００２９】
例えば、共鳴フィルタ１０８の構造を調整することにより、λ１とλ２との間隔を大きくすることは可能であるが、根本的な解決には至らない。
そこで、本実施形態のようにλ１を反射または吸収させるカットフィルタ１２１を配置することにより、λa1＜λ＜λa2を満たす波長だけを透過させる、もしくはλa1＞λの波長を透過させるようにすることにより、誤信号発生を抑制することが可能となる。
【００３０】
〔第３の実施形態〕
本発明の分光装置の第３の実施形態の概略構成を図４に示す。
図４に示すように、本実施形態において分光装置１０１は、共鳴フィルタ１０８を回転可能に保持する回転部材（以下、「可動ステージ」という）１０９を備えている。
共鳴フィルタ１０８が可動ステージ１０９上に配置され、可動ステージ１０９は、ステージコントローラ１１０により回転して、共鳴フィルタ１０８を回転させ傾斜させることができる。これにより共鳴フィルタ１０８に対する光偏向素子１０７からの光の入射角度を変化させることができる。
【００３１】
例えば、共鳴フィルタ１０８を傾斜させる角度をあらかじめ１５度とすることにより、光偏向素子１０７からの光が±５度変化したときに、入射角１０度から２０度の間に対応した光を分光することができる。
その後、共鳴フィルタ１０８の傾斜角度を２５度に設定すると、同様に光偏向素子１０７からの光を偏向させたときに、入射角２０度から３０度の間に対応した光を分光することができる。さらに可動ステージ１０９を回転させ、共鳴フィルタ１０８の傾斜角度を３５度に設定すると、同様に光偏向素子１０７からの光を偏向させたときに、入射角３０度から４０度に対応した光を分光することができる。
【００３２】
可動ステージ１０９は連続して動作させる必要がないので、駆動時間が大きな制約になることがない。また、１００ｎｍ程度の波長範囲であれば、必ずしも可動ステージ１０９を動かす必要がなく、分光する波長範囲が比較的大きいときにステップ状にステージを動かすことにより広い波長範囲を分光することができる。
【００３３】
本実施形態に示すような構成とすることにより、複数の共鳴フィルタ１０８を配置することなく広い波長範囲を分光することができるため、装置の小型化が可能となる。
また、可動ステージ１０９を使うことにより、測定波長のキャリブレーションも可能となる。
例えば、入射角度に対する感度が非常に高く、共鳴フィルタ１０８の配置がわずかにずれた場合であっても正しい出力が得られなくなる場合がある。このようなときに標準波長の光を入射して、電圧値との対応により補正を行うこともできるが、それでも対応できないときに、この可動ステージ１０９を共鳴フィルタ１０８の角度調整を行うために用いることができる。可動ステージ１０９の回転は、ステージコントローラ１１０を外部入出力機器と接続することにより、所望の値に調整することができる。
【００３４】
〔第４の実施形態〕
本発明の分光装置の第４の実施形態の概略構成を図５に示す。
図５に示すように、本実施形態の分光装置１０１は、波長選択性の異なる共鳴フィルタ１０８を複数備え、それぞれの共鳴フィルタ１０８は、光偏向素子１０７から出射された光の入射角が略同一の角度となるように配置されている。
【００３５】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、コリメートレンズ１０４により平行光にされ、集光レンズ１０５により紙面方向のビームが集光されて光偏向素子１０７に入力される。
光偏向素子１０７に電圧が印加されることで光は偏向され、集光レンズ１０６でビーム径を元に戻して、共鳴フィルタ１０８に入射される。
【００３６】
ここで、共鳴フィルタ１０８ｄ、１０８ｅには、それぞれ異なる構造が形成され、光の入射角度が同じであっても反射される光の波長が異なるようになっている。
それぞれの共鳴フィルタ１０８ｄ、１０８ｅは、光の進行方向に対してほぼ同じ角度で配置され、光偏向素子１０７で偏向された入射角に対応させて反射される波長が異なるように設定されている。
例えば、光偏向素子によって光が角度θだけ偏向されて共鳴フィルタ１０８ｄに入射したとき、波長λ１が反射され光検出器１１４ｄで検出される。それ以外の波長は透過し、共鳴フィルタ１０８ｅに入射する。共鳴フィルタ１０８ｅには、１０８ｄと異なる構造が形成されているので、角度θに偏向された光に対して、波長λ２（λ１≠λ２）が反射され、光検出器１１４ｅで検出される。光偏向素子１０７によって偏向角が最大値から最小値まで変化することで、異なる波長帯域で同時に分光することができる。
【００３７】
図６及び図７に、異なる構造の共鳴フィルタ１０８による分光シミュレーションを示す。
シミュレーションには厳密結合波解析（RCWA）法を用いた。
図６は共鳴フィルタのシミュレーションモデル図である。
図６に示すように、基板３１１上に高屈折率材料層３１２と低屈折率材料層３１３とサブ波長構造（Sub-Wavelength Structure：SWS）層３１４を形成している。
基板、高屈折率材料、低屈折率材料の屈折率を、それぞれｎｓ＝１．５１、ｎＨ＝２．２３、ｎＬ＝１．４４とし、サブ波長構造は高屈折率材料層と同質の材料と仮定し、その屈折率はｎＳ＝２．２３としてシミュレーションを行った。また、図６にあるような電界の振動方向に対してシミュレーションした。各層の厚みを、高屈折率材料層ｄ１、低屈折率材料層ｄ２、サブ波長構造層ｄ３としたときに、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝３００ｎｍとしてシミュレーションした。構造が異なる構成としてＳＷＳの周期をパラメータとしてシミュレーションした。
【００３８】
図７（Ａ）及び（Ｂ）にシミュレーション結果の一例を示す。
共鳴フィルタの傾きを２５度とし、±５度の偏光角変化を与えたと仮定して、入射角度を３０度から３０度まで変化させたときの分光スペクトルを示している。
周期を変化させた２種類の構造（周期ｐ＝２５０ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４；２３５ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４）に関してシミュレーションを行ったもので、図７（Ａ）が周期２３５ｎｍのシミュレーション結果であり、図７（Ｂ）が２５０ｎｍのシミュレーション結果である。
図７（Ａ）では波長６１０ｎｍから６５０ｎｍまで、図７（Ｂ）では波長５７０ｎｍから６１０ｎｍまでの光を入射角に応じて分光できていることを示している。それ以外の波長の光は透過することになり、このように構造を変化させた共鳴フィルタ１０８を直列に配置することで、異なる波長帯域で分光させることができる。反射率もシミュレーション上では１００％であり、入射角度に対応した波長の光を効率よく反射させることができる。
【００３９】
本発明では、光偏向素子１０７に印加する電圧を連続的に変化させることにより、出力する偏向角を連続的に変化させることができるので、分解能は共鳴フィルタ１０８の性能に依存する。この共鳴フィルタ１０８から見積もられる分解能は０．５ｎｍ以下である。
共鳴フィルタ１０８では、スペクトルの線幅や中心波長の設計を、パラメータ（層の厚さ、屈折率、周期）の設定で比較的容易に調整できるため、シミュレーションにより示したように、同じ入射角度に対して異なる反射スペクトル持つようにすることができる。
【００４０】
共鳴フィルタ１０８を構成する材料の一例として、基板には合成石英ガラス、高屈折率材料には酸化チタン（ＴｉＯ２）、低屈折率材料には二酸化シリコン（ＳｉＯ２）がある。上記材料で均一な層を形成することは、スパッタリングや蒸着などの一般的な方法で可能である。それ以外の材料も可能で、基板としてはシリコン、石英、サファイアなど、高屈折率材料としては五酸化二タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、ハフニウム酸化物など、低屈折率材料としては酸化マグネシウムなども用いることができる。さらに無機材料以外で有機材料を用いることも可能である。
サブ波長構造部分は、リソグラフィーとエッチングにより形成する。ここでは、電子ビーム描画により波長以下の周期構造をパターニングし、ドライエッチングで酸化チタンをエッチングして形成することを想定している。
【００４１】
〔第５の実施形態〕
本発明の分光装置の第５の実施形態の概略構成を図８に示す。
図８に示すように、本実施態様の分光装置１０１は、光偏向素子１０７が、複数の屈折率変化領域１１９を備え、かつ光偏向素子１０７の光の出力側に光路調整素子１１３が配置されている。なお、光路調整素子１１３は光偏向素子１０７の光の入力側に設けられていても良い。
また、共鳴フィルタ１０７と光偏向素子１１３との間に、遮光壁１１２が配置されている。
【００４２】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、コリメートレンズ１０４で平行光にされ、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、集光レンズ１０５で光偏向素子１０７に入力される。光偏向素子１０７には複数の電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、複数の屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃが形成されている。
なお、一の屈折率変化領域と電極からなる光偏向素子１０７を並列に並べることもできるが、ここでは同一基板上に複数の屈折率変化領域１１９と、それに対応した電極１２０が複数形成された態様とする。
【００４３】
コリメートされた光は、それぞれの屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃに入力され、屈折率の変化に応じて出力方向が変更される。このとき光偏向素子１０７から出力された光は、集光レンズ１０６でビーム形状を調整され、一部は光路調整素子１１３により光路が変化する。ここでは、光路調整素子１１３として反射ミラーをとして利用している。
光路調整素子１１３により光路を変化させることにより、異なる入射角で共鳴フィルタ１０８に入射させることが可能である。
【００４４】
３つの屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃをもつ光偏向素子１０７の動作を説明する。
屈折率変化領域１１９ｂを直進する光に対して、θの傾きで入射するように共鳴フィルタ１０８を配置しておく。屈折率変化領域１１９ａと１１９ｂを通過した光に対しては、図のように角度φ１、φ２だけ傾けた光路調整素子１１３で反射されて入射角が変化しながら共鳴フィルタ１０８に入射するように設定する。
このようにすることで、電圧印加されない（Ｖ＝０）ときに、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃを通過する光がそれぞれ、θ、θ+φ１、θ+φ２で入射されるために、共鳴フィルタ１０８で反射される光の波長が異なる。
つまり、異なる波長帯域に対して分光することが可能となる。
【００４５】
ただし、同時に電圧を印加すると、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃを通過した異なる入射角をもつ光が同時に共鳴フィルタ１０８に入射されるため、異なる波長がそれぞれ反射されて、光検出器で誤信号が検出されてしまう。
このような誤信号の発生要因は、信号処理を行うか、または遮光壁１１２を設けることで回避することができる。
【００４６】
図８に示すように、遮光壁１１２には、光偏向素子１０７からの最大偏向角で偏向された光を透過する開口を空けておく。最大偏向角以上の偏向角で光が偏向されたときには、光を遮光するように設定しておく。ここで、最大偏向角を素子に印加できる電圧の８０％程度で偏向される角度としておけば、光を遮光するための電圧の余剰分を残しておくことができる。
本実施形態の分光装置１０１では、わずかな入射角の違いでも十分に分光することができ、またこの分光波長拡大方式を用いることにより、電圧の余剰を残していても十分に分光することが可能である。
【００４７】
具体的な電圧動作について説明する。
本実施形態においては、時分割で電圧を印加する方法を用いるために、ひとつの光検出器１１４で異なる帯域の光を分光することが可能となる。
まず、屈折率変化領域１１９ｂ、１１９ｃに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域１１９ａに電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０(Ｖ１＞Ｖ０)まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
次に、屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｃに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域１１９ｂに電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
最後に屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂに電圧Ｖ１を印加して、光を遮断しながら、屈折率変化領域４０３に電圧を−Ｖ０から＋Ｖ０まで印加して光を偏向し、光検出器１１４によって光を検出して分光強度を得る。
このようにして、異なる波長帯域での分光強度を得ることができる。ここで用いている光偏向素子１０７の偏向スピードは極めて速く、数１０ｋＨｚのスピードで動作可能であるため、上述のように時分割で分光スペクトルを計測することが十分に可能である。
また、遮光壁１１２を用いずに、電極に印加する電圧の組合せにより、信号処理することによりそれぞれの分光特性を分離する方法を用いてもよい。
【００４８】
〔第６の実施形態〕
本発明の分光装置の第６の実施形態の概略構成を図９に示す。
図９に示すように、光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、コリメートレンズ１０４で平行光にされ、偏光子１０３で紙面に対して垂直な直線偏光に変換され、集光レンズ１０３で光偏向素子１０７に入力される。
集光レンズ１０３と光偏向素子１０７との間には光路調整素子１１３が設けてある。
本実施形態では、光路調整素子１１３として、斜めにカットされたプリズムを使用している例を示す。
【００４９】
光はこの光路調整素子１１３によって光路をわずかに変更されて光偏向素子１０７に入射する。光偏向素子１０７には複数の電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、複数の屈折率変化領域１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃが形成されている。
光路調整素子１１３によって変更された光路に沿って、この屈折率変化領域１１９が形成されている。このように傾いていることによって、共鳴フィルタ１０８に入射する光の角度が異なり、反射される光の波長が異なる。
【００５０】
また、集光レンズ１０６と共鳴フィルタ１０８との間に遮光壁１１２を設けることにより、時分割での分光スペクトル計測を可能としている。
【００５１】
〔第７の実施形態〕
本発明の分光装置の第７の実施形態の概略構成を図１０に示す。
図１０に示すように、本実施形態の分光装置１０１は、光入力部と前記光偏向素子との間に偏光分離素子（以下、「偏光ビームスプリッタ」という）１１５、及び偏光子１１６を備える。
【００５２】
光入力部１０２から入射された様々な波長をもつ光は、通常はランダム偏光である。そこで、コリメートレンズ１０４を通過した後に、偏光ビームスプリッタ１１５により紙面に垂直方向に電界が振動する偏光（ＴＥ偏光と呼ぶ）と、紙面に平行に電界が振動する偏光（ＴＭ偏光と呼ぶ）に分離する。光偏向素子１０７はＴＥ偏光に対して偏向性能を与える素子であるので、ＴＭ偏光は偏光子１１６によってＴＥ偏光に変換する。
【００５３】
それぞれの光は集光レンズ１０５を通過し、光路調整素子１１３によって一部または全部の光路が傾斜をつけられて光偏向素子１０７に入射する。このように異なる入射角で光を共鳴フィルタ１０８に入力することができるため、電極１２０に電圧を印加することにより、異なる波長帯域を分光することができる。
さらに、集光レンズ１０６と共鳴フィルタの間に遮光壁１１２を設けることにより、時分割でのスペクトルを得ることが可能となる。
【００５４】
このような構造の分光装置とすることにより、従来の構造においてカットしていた偏光成分を有効に利用することができるので、光量を大きくすることが可能となり、より精度が高い分光スペクトルを得ることが可能となる。
【００５５】
以上のように、本発明の分光装置は、小型で高速に光を偏向できる光偏向素子１０７と、わずかな角度変化に対して反射される波長が変化し、かつそれ以外の波長が透過する共鳴フィルタ１０８で構成され、ひとつの屈折率変化領域１１９をもつ光偏向素子１０７に対して、配置角度が異なる共鳴フィルタ１０８を複数設けることにより、複数の波長帯域を分光することができ、また異なる角度で光を入射させることができるように配置した複数の屈折率変化部１１９をもつ光偏向素子１０７に対して、ひとつの共鳴フィルタ１０８を設けることで複数の波長帯域を分光することができる。
また、光偏向素子１０７で同じ角度に偏向された光が、それぞれの共鳴フィルタ１０８で反射される波長が異なるようにすることで、ひとつの光偏向素子１０７に対して複数の波長帯域の分光が可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１ 分光装置
１０２ 光入力部
１０３ 偏光子
１０４ コリメートレンズ
１０５ 集光レンズ
１０６ 集光レンズ
１０７ 光偏向素子
１０８ 共鳴フィルタ
１０９ 回転部材（ステージ）
１１０ ステージコントローラ
１１１ レンズ
１１２ 遮光壁
１１３ 光路調整素子
１１４ 光検出器
１１５ 偏光分離素子（ビームスプリッタ）
１１６ 偏光子
１１７ 電圧印加制御部
１１８ 信号制御部（信号検出部）
１１９ 屈折率変化領域
１２０ 電極
１２１ カットフィルタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５７】
【特許文献１】ＷＯ２００８／００５５２５公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光が入力される光入力部と、
光学素子と、
電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置された光偏向素子と、
波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタと、
前記共鳴フィルタで反射された光を検出する光検出器とを少なくとも備え、
前記共鳴フィルタへの光線の入射角及び前記共鳴フィルタの波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記共鳴フィルタ及び前記光検出器を複数備え、
複数の前記共鳴フィルタは、前記光偏向素子から出射された光の入射角がそれぞれ異なる角度となるように配置され、
複数の前記光検出器は、前記共鳴フィルタごとに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記光検出器の入射面側に、特定の波長の光を反射または吸収するカットフィルタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記共鳴フィルタを回転可能に保持する回転部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項５】
波長選択性の異なる前記共鳴フィルタを複数備え、それぞれの前記共鳴フィルタは、前記光偏向素子から出射された光の入射角が略同一の角度となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項６】
前記光偏向素子が、複数の前記屈折率変化領域を備え、かつ前記光偏向素子の光の入力側及び出力側のいずれかに光路調整素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項７】
前記共鳴フィルタと前記光偏向素子との間に、遮光壁を備えることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
【請求項８】
前記光入力部と前記光偏向素子との間に、偏光分離素子及び偏光子を備えることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
【請求項１】
光源からの光が入力される光入力部と、
光学素子と、
電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置された光偏向素子と、
波長選択性を有し、特定波長の光を共鳴反射する共鳴フィルタと、
前記共鳴フィルタで反射された光を検出する光検出器とを少なくとも備え、
前記共鳴フィルタへの光線の入射角及び前記共鳴フィルタの波長選択性の少なくともいずれかを変化させることにより、複数の波長帯域を分光することを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記共鳴フィルタ及び前記光検出器を複数備え、
複数の前記共鳴フィルタは、前記光偏向素子から出射された光の入射角がそれぞれ異なる角度となるように配置され、
複数の前記光検出器は、前記共鳴フィルタごとに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記光検出器の入射面側に、特定の波長の光を反射または吸収するカットフィルタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記共鳴フィルタを回転可能に保持する回転部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項５】
波長選択性の異なる前記共鳴フィルタを複数備え、それぞれの前記共鳴フィルタは、前記光偏向素子から出射された光の入射角が略同一の角度となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項６】
前記光偏向素子が、複数の前記屈折率変化領域を備え、かつ前記光偏向素子の光の入力側及び出力側のいずれかに光路調整素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項７】
前記共鳴フィルタと前記光偏向素子との間に、遮光壁を備えることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
【請求項８】
前記光入力部と前記光偏向素子との間に、偏光分離素子及び偏光子を備えることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１３６０４（Ｐ２０１３−１１３６０４Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７４３４（Ｐ２０１１−２５７４３４）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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