JP2002541471A - 光波分光装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、干渉縞を生成する手段と、生成された干渉縞を受信する空間解像検出器とを備えた光波分光装置に関する。本発明では、干渉縞に関連する少なくとも１つの部分光線の波面が、その波長に応じてスペクトル分散光学素子またはスペクトル回折光学素子の影響を受ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は光波分光装置及び方法に関する。

【０００２】 分光計は分散型または回折型分光計とフーリエ変換型分光計とに分類すること
ができる。

【０００３】 分散型（プリズム）分光計または回折型（グレーティング）分光計は入射光線
を回折角または反射角の波長依存性によってスペクトル成分に分解する。それに
より、異なるスペクトル成分が空間的に分離され、求める対象のスペクトル成分
を選択することができる（モノクロメータ）。その後、可動部品を用いて、選択
と測定に成功した様々なスペクトル成分によってスペクトルが記録される。

【０００４】 ツェルニー−ターナー光路を有する、すなわち、入射スリットと出射スリット
との間の回転可能な平面格子と相互に独立した複数のコリメータ鏡あるいは収束
鏡を有するモノクロメータが最もよく利用されている。

【０００５】 現在、空間解像検出器（ＣＣＤ、ダイオードアレイ）の開発により、各スペク
トル成分ごとに設けられた検出器の個別の素子によって全ての周波数成分を同時
に測定することが可能になっている。そのような装置は、可動部品を必要とせず
、利用可能な入射光をより効率的に利用する。

【０００６】 現在の計器は、例えば、入射スリットを適切なスペクトル分散でダイオードア
レイに直接に結像できるホログラフィック光学格子を使用している。

【０００７】 フーリエ変換型分光計は、干渉状態の部分光線の光路長の差を高精度に設定可
能な干渉計に基づいている。スペクトルは、適切な光路差範囲にわたる干渉信号
の測定からフーリエ変換により確定することができる。

【０００８】 計器は、通常、マイケルソン干渉計のやり方で設定される。しかしながら、こ
の場合、変位可能な鏡群や傾斜可能な鏡の組合せ群による光路長設定用の機械的
構成部品がとりわけ厳しい技術的要求を受ける。分散型または回折型分光計の実
現可能なパフォーマンスケイパビリティは、一定のパラメータ、特に、入射スリ
ットまたは出射スリットの寸法、結像素子の焦点距離と開口及び分散素子または
回折素子自体の特性に左右される。現在の計器はこれら物理的に設定された限界
にほぼ達している。

【０００９】 フーリエ変換型分光計の実現可能なパフォーマンスケイパビリティは、一定の
パラメータ、この場合、特に、光路長変化の距離と刻み幅によって決まる。フー
リエ変換型分光計のパフォーマンスケイパビリティは、分散型分光計または回折
型分光計の可能性を遥かに超越している。

【００１０】 フーリエ変換型分光計もそのパフォーマンスケイパビリティの物理的限界に到
達することはほぼ可能であるが、そのような場合、技術的努力は非常に大きい。
フーリエ変換型分光計は干渉計を基礎としているので、全ての光学要素、特に、
可動部品が測定対象の波長の何分の一かの精度で製造及び配置される必要がある
。

【００１１】 本発明の目的は、光学要素の品質に対する要求を軽減させ、さらに、場合によ
っては測定時間を短縮させるとともに、可動部品を使用することなく、フーリエ
変換型分光計の利点を利用できる装置と方法を提供することである。

【００１２】 上記の目的は、請求項１の前文にかかる干渉計装置を由来とする本発明に従い
、請求項１の特徴部分の追加構成によって達成される。

【００１３】 本発明の実施形態は、主要請求項に続く従属請求項２ないし２５によることが
好ましい。本発明にかかる適用例は請求項２６ないし２８により、本発明の方法
と方法の好ましい変形は請求項２９ないし３６による。

【００１４】 本発明は、分散型光学素子または回折型光学素子と干渉計を備えた空間解像検
出器との組合せに基づく装置と、入射光のスペクトルを記録済みの干渉縞から再
生可能する方法とを備えている。

【００１５】 本発明の装置は、調査対象のスペクトル範囲の様々なスペクトル成分からなる
干渉縞が互いに異なるように構成されている。一定のスペクトル成分に伴うその
ような干渉縞を、以下、基本縞と称する。これらの縞は一次元的もしくは二次元
的に観測可能である。本発明の装置によって生成される干渉縞は、それぞれ異な
る一連の基本縞が重畳した形で観測される。

【００１６】 干渉縞の記録は、検出器により、離散した複数の点で行われる。したがって、
干渉縞は常に一定数の（測定）値の形で存在する。精度と代表的な空間周波数は
サンプリング則による。

【００１７】 本発明の方法では、干渉縞は、一連の値の形で、したがって、線形代数の点か
らは、ベクトル、特に、対応する次元からなる離散ヒルベルト空間の成分の形で
解釈される。上述した各基本縞は、線形代数の点からは、それぞれ線形独立の基
本ベクトルの形で解釈される。

【００１８】 本発明の方法は、本発明の装置に必要な各基本縞を計算によってあるいは測定
によって確定する手段に基づいている。本発明の方法によれば、干渉縞をこれら
基本縞に分解することによって入射光のスペクトルを得ることができる。

【００１９】 上記の方法は様々な形で実現することができる。

【００２０】 好ましい状況（高い信号対雑音比、位相位置の固定、“空間的に密に”存在す
る基本縞）下では、基本縞で形成された行列の逆数を利用して線形結合を直接算
出する。

【００２１】 原則的かつ一般的には、各基本縞を干渉縞と相関させることによって分解が近
似的に起こる。この場合、基本縞に対して高度な要求はなされず、例えば、一ス
ペクトル成分につき様々な位相位置の複数の基本縞を使用する可能性が存在する
。

【００２２】 フーリエ変換型分光計の場合、それは完全に異なる方向性に依拠しているが、
縞は一次元であり、基本縞群は、それぞれの位相位置に依存し、各スペクトル成
分の波長によって一義的に付与された空間周波数を有する正弦成分または余弦成
分の和である。この理想的な場合においては、スペクトルは測定された干渉縞を
フーリエ変換することによって求めることができる。

【００２３】 本発明の装置によって生成された干渉縞の場合、基本縞は、一般に、正弦曲線
でも余弦曲線でもない。基本関数の正確な種類並びに各基本縞とスペクトル成分
の波長との対応関係は、それぞれの装置の特性によって一義的に決まる。

【００２４】 干渉縞、すなわち、可能なスペクトル成分に関する基本縞群が測定の解像度と
精度の枠組みの範囲内で線形独立である限りは、入射光の各スペクトル成分、し
たがって、スペクトルは、各基本縞と記録された干渉縞との相関によって確定す
ることができる。

【００２５】 装置の全構成要素の特性が充分精確に求められる範囲では、必要な基本縞群を
算出することができる。

【００２６】 適切な調整可能単色参照光源を用いて各装置特有の構成に関して基本縞群を測
定する方法は、特に有利である。基本縞はこの場合の各装置で発生するあらゆる
種類の光学収差をすでに含んでいるので、基本縞が線形独立を維持する限り、装
置の構成要素の光学品質に対する要求は相対的に低い。

【００２７】 本発明の好ましい態様では、半反射鏡を利用してあるいは適切なグレーティン
グとその後の検出器位置での光線の重畳を利用して入射光線の振幅を（場合によ
っては３つ以上の部分光線に）分割することによって、干渉縞を生成することが
できる。この場合、分散素子あるいは回折素子を必要に応じて補った伝統的なあ
らゆる干渉計、例えば、マイケルソン干渉計、マッハ−ツェンダー干渉計、サニ
ャック干渉計、ファブリ−ペロー干渉計、シヤリング干渉計等を使用することが
できる。さらに、各検出器で解像可能な空間的周期を有する干渉縞を生成するあ
らゆる構成を使用することができる。装置を適切に寸法決めすることによって、
検出器で発生する空間周波数を各場合の調査対象の波長範囲とは関係なく選択す
ることができる。

【００２８】 また、不規則な表面形状あるいは回折素子を利用し、例えば、フレネルの双プ
リズムや他の複数のプリズムの組合せによって波面を分割することによっても、
部分光線の生成が可能である。

【００２９】 必要なスペクトル分散は、ビームスプリッタ自体が適切な構成であることや光
学素子を追加することによって常にもたらすことができる。

【００３０】 一次元の場合、適切なダイオードアレイやＣＣＤ列を空間解像検出器として使
用することができる。さらに、検出器や装置の他の構成要素の移動によって様々
な測定点を連続的に走査、すなわち、記録することも可能である。この方法は、
特に、超高解像度測定（例えば、その広がりに垂直なダイオードアレイによる走
査）のために、あるいは、適切な空間解像検出器が利用できない波長範囲内にお
いて利用可能である。

【００３１】 二次元検出器（ＣＣＤ他）を利用することは、この場合、測定値の数が増加す
るほど基本関数の特性に対する考慮が実質的により大きくなり、線形独立関数が
“より優れている”ほどそれに応じて各相関をより厳密に算出できるので、特に
有利である。

【００３２】 以下に説明する装置及び方法のパフォーマンスケイパビリティは、部分光線の
相対的位相位置に適切に影響を及ぼすことができれば、実質的に向上させること
ができる。このことは、例えば、反射光の相対的位相位置を高精度に変更可能で
、波長の大きさ順に或る距離にわたって直線的に移動可能な鏡を使用することに
よって、あるいは、例えばシヤリング干渉計タイプの干渉計を設定する場合や複
数の空間周波数成分を有するグレーティングの場合に、光学要素を適切に“横方
向”移動させることによって実現可能である。

【００３３】 実施形態と図面に示す比較図とに基づいて、本発明の細部と利点をさらに詳細
に説明する。

【００３４】 図１はマイケルソン干渉計タイプの干渉計の構成により干渉縞を生成する本発
明の装置の一変形例を示す。ＣＣＤは検出器として働く一方、分散素子はプリズ
ムで構成されている。この構成は、調整以外には可動素子を必要としない。入射
開口Ｅと開口絞りＡを経た入射光は、最初に、レンズＬで平行光線に収束された
後、ビームスプリッタＴによって分割される。部分光線は、鏡Ｓ１または鏡Ｓ２
によって反射され、Ｔで再結合されて空間解像検出器ＣＣＤに達する。それによ
り、部分光線は各プリズムＰ１またはＰ２を２度通過し、その波長に応じて影響
を受ける。したがって、検出器で生じる干渉縞は入射光の波長に対して高い依存
性を示す。

【００３５】 装置の寸法決定と調整次第で、様々な解像度で様々なスペクトル範囲を検出す
ることができる。

【００３６】 鏡の一つが、例えば、圧電機械アクチュエータ上に取り付けることによって、
波長領域内の或る波長を有する光軸に沿って移動可能に構成されていれば、干渉
に寄与する部分光線の相対的位相位置を必要に応じて調整できる。

【００３７】 本発明の装置の別の変形例では、プリズムまたは他のスペクトル分散素子また
はスペクトル回折素子と、ビームスプリッタとして半反射性を有する鏡面で被覆
された表面を有するもう１つのプリズムを使用する。図２は可動素子を全くなし
で済ませたそのような装置を示す。

【００３８】 入射開口Ｅと開口絞りＡを経た入射光は、まず、レンズＬで平行光線に収束さ
れ、プリズムＰ１を通過する。プリズムＰ２の表面は半反射性を有する鏡面で被
覆されている。入射光の一部が検出器ＣＣＤに直接到達し、入射光の別の部分が
プリズムＰ２内で二回反射した後にだけ検出器に到達するので、検出器ＣＣＤで
干渉縞が生成される。さらに、同様に、多数回反射した部分光線も干渉に寄与す
る。

【００３９】 図３は１つのプリズムを分散素子としてかつビームスプリッタとして兼用して
いる本発明の装置のさらに別の単純な変形例を示す。この構成は可動素子を全く
なしで済ましている。

【００４０】 入射開口Ｅと開口絞りＡを経た入射光は、まず、レンズＬで平行光線に収束さ
れ、プリズムＰに達する。プリズムの表面は半反射性の鏡面で被覆されている。
入射光の一部が検出器ＣＣＤに直接到達し、入射光の別の部分がプリズムＰ内で
二回反射した後にだけ検出器に達するので、検出器ＣＣＤで干渉縞が生成される
。さらに、同様に、多数回反射した部分光線も干渉に寄与する。

【００４１】 適切な厚肉のプリズムを備えた同様の変形例（図４）は、線スペクトルの記録
に特によく適している。

【００４２】 この場合、充分に大きなコヒーレンス長を有する、すなわち、それに応じて非
常に小さな線幅を有する入射光部分のみが干渉に寄与する。

【００４３】 １個のＣＣＤ上に厚みまたは傾きまたはその両方がそれぞれ異なる複数のプリ
ズムを互いに隣接して搭載することを意味する上記２つの変形例の組合せは、特
に有利である。

【００４４】 図５はシヤリング干渉計に基づく、装置の別の変形例を示す。

【００４５】 入射開口Ｅと開口絞りＡを経た入射光は、まず、レンズＬ１によってプリズム
とグレーティングの組合せＧＲＩＳＭ上に結像される。グレーティングは２つの
空間周波数成分をもたらすので、それに応じて、レンズＬ２を介して検出器上で
結像される１次の回折波はわずかに異なる角度で回折された２つの成分から構成
される。したがって、グレーティングはビームスプリッタとして作用し、検出器
で、入射光の波長に大きく左右される干渉縞が生成される。

【００４６】 グレーティングすなわちＧＲＩＳＭは、光軸に対して横方向に移動可能に適切
なアクチュエータに取り付けられることで搭載されているので、干渉に寄与する
部分光線の相対的位相位置を必要に応じて設定することができる。

【００４７】 上述の干渉計装置は光共振器を作成するように構成またはさらに形成すること
ができる。このことは、装置または装置の部品を多重に使用し、その結果、複数
の、場合によっては多数の部分光線の重畳によって干渉が形成されるという結果
をもたらす。そのような多数の部分光線の重畳は、場合によっては、２光線束干
渉に比べて遥かに急峻な光強度最小値と最大値を示す。

【００４８】 各測定値を適切に処理することにより、それに応じて、より高精度またはより
高スペクトル分解能を達成することが可能である。

【００４９】 この点に関しては、共振器の技術的構成が副次的に重要である。わずか２つの
構成要素を備えた単純な共振器（図６）に加えて、あらゆるタイプの共振器、特
にリング空洞共振器も使用することができる。

【００５０】 共振器の少なくとも１つの要素が波長依存素子として構成された、あるいは、
波長依存素子が共振器内部に配置された（あるいはその両方である）構成は特に
有利である。

【００５１】 図６に基づいて作用を示す。

【００５２】 ビームスプリッタは、光の一部を反射する半反射鏡Ｓによって形成されている
。この例では、波長依存素子は、グレーティングＧとして構成され、一定の波長
λの光が反射して鏡Ｓに戻る（格子定数＝λ／（２sin(φ)）ように寸法決定及
び配置（角度φ）されている。そこに伝達された部分は以前に鏡から反射された
光と干渉を起こす。

【００５３】 グレーティングの効率と鏡の反射係数または透過係数次第では、生じる干渉縞
に上述のようにして影響を及ぼす、光強度の異なる多数回の反射光線が発生する
。部分光線の相対的位相位置は、Ｓの適切な移動によって左右することができる
。

【００５４】 図７は上記作用原理の実施形態を示す。共振器は素子Ｓ１と素子Ｇによって形
成されている。共振器の波長はグレーティングＧの回転によって変更することが
でき、部分光線の相対的位相位置はＳ１の適切な移動によって左右することがで
きる。干渉縞はもう１つのビームスプリッタＳ２を介して空間解像検出器ＣＣＤ
に案内される。入射開口はＥで示されており、開口絞りはＡで示されている。Ｌ
はコリメータである。

【００５５】 図８は特に有利な実施形態を示す。この場合、グレーティングの０次の回折波
、すなわち、回折なしに反射した光の部分が空間解像検出器（ＣＣＤ）に案内さ
れる。

【００５６】 相対的位相位置の制御をなしで済ますことができる限り、図９にかかる実施形
態は有利な構成を形成する。この場合、グレーティングＧと鏡Ｓは断面三角形状
のガラス製支持体上に設けられている（図４）。

【００５７】 回折格子Ｇを格子定数がそれぞれ異なる区域に分割したり（図１０）、周期性
のない回折構造を使用することは特に有利である。

【００５８】 さらに別の実施形態（図１１）では、光路長ｄが意図的に拡張され、場合によ
っては、変更可能にされている。それにより、干渉は、（光路長ｄに応じて）高
コヒーレンス長すなわち小帯域幅を有する入射光成分に限定される。

【００５９】 ｄに依存する測定値を適切に評価することにより、特に、グレーティングＧが
高効率でかつＳが高反射係数である場合に、非常に高いスペクトル分解能を達成
することができる。

【００６０】 本発明の非常に有利な実施形態では、装置は、干渉に寄与する光成分をそのコ
ヒーレンス特性に従って選択するように、干渉状態となる部分光線の光路差を変
更する手段を有している。

【００６１】 上述の干渉計装置は、部分光線を干渉状態にする光路長が分散素子がもたらす
寸法を超えて異なるように構成もしくはさらに形成することができる。

【００６２】 その関係は、図１２に示す構成例に関して以下のように表すことができる。

【００６３】 干渉状態となる部分光線の光路差は２＊ｄ₁と２＊ｄ₂の差である。光路距離２
＊（ｄ₂−ｄ₁）はスペクトル選択のために光学格子から利用することができる。
この光路差に相当するコヒーレンス長は装置のスペクトル分解能を決める。さら
に、干渉信号は、入射光が２＊ｄ₁と２＊ｄ₂の光路差の範囲内でコヒーレンス特
性すなわち自己相関特性を示す場合にのみ生成される。

【００６４】 光波分光法分野での適用例では、これによって、線スペクトルを選択的に記録
することが可能になる。この場合、２＊ｄ₁より長いコヒーレンス長を有する入
射光の狭いスペクトル幅成分のみが測定信号に寄与する。

【００６５】 光学データ伝送分野での適用例では、２＊ｄ₁と２＊ｄ₂の間の領域内の自己相
関特性を有する搬送波が選択的に記録もしくは測定可能である。このことは、特
にコヒーレンス長多重化分野での適用にとって有利である。

【００６６】 上記両適用分野に関する構成が特に有利であることは、スペクトル分解能（分
光法）や帯域幅（データ伝送）が選択対象の線幅（分光法）や自己相関位置（デ
ータ伝送）とは無関係に設定可能であるということから分かる。

【００６７】 本発明の別の態様では、装置が、生成される干渉縞の空間周波数を設定可能に
するように、干渉計を回転させる手段もしくは入射角を変更または選択する手段
を備えている。

【００６８】 可動部品のない構成で検出可能な波長範囲は、干渉縞内の対応する空間周波数
を検出する検出器の能力によってもたらされる。その構成を技術的に実現するた
めには、波長の選択を実現すること、すなわち、この場合、この波長範囲による
空間周波数を検出器によって、干渉計全体の回転によって、あるいは、入射角の
適切な変更によって検出できるように干渉計の調整を実現することが、特に有利
となる。この構成の場合、干渉計自体は、場合に応じて必要とされる位相変調手
段以外は可動部品をなしで済ましており、それにもかかわらず、様々な波長範囲
に対して使用可能である。

【００６９】 この場合、干渉計の構成要素は互いに固定可能であり、それによって、調整の
安定性に有利な効果がもたらされる。入射角による波長整合の要件は、干渉計内
での部分光線の重畳角度が入射角に適切に依存することを示していることである
。このことは、例えば、部分光線が鏡像のように重畳される場合、すなわち、部
分光線がそれに対して非対称な干渉計内で常に１だけ異なる数の鏡によって案内
される場合に当てはまる。

【００７０】 本発明の別の有利な態様では、このような状態は、対称形の干渉計においてリ
トロリフレクタを用いて達成することができる。

【００７１】 本発明の別の有利な態様では、装置は、生成される干渉縞の空間周波数を設定
可能にするように、構成要素の位置を変更する手段、特に、構成要素を回転させ
る手段を備えている。

【００７２】 波長範囲を選択する簡単な方法、すなわち、この場合、この波長範囲に関して
生じる空間周波数が検出器で検出されるように干渉計を調節する簡単な方法は、
部分光線を干渉状態にする角度を変更可能にする手段を利用することである。

【００７３】 本発明の別の有利な態様では、干渉し合う部分光線の相対的位相位置の変更と
生成される干渉縞の空間周波数の変更とが、上記装置の少なくとも１つの構成要
素の移動によって同時に引き起こされる。

【００７４】 部分光線の相対的位相位置を変えて測定を行うと有利である。部分光線の光路
長が等しくないか、光学素子の傾動によって部分光線の光路差が変化するか、あ
るいは、その両方である場合、干渉縞の相対的位相位置も波長の設定時に変化す
る。この作用は、様々な位相位置で測定する場合に直接利用可能である。このこ
とは、位相位置変調用の個々の機構を省略できるので、技術的な実施形態として
有利である。

【００７５】 図１３はスペクトル選択と相対的位相位置の変調を共通の動きによって可能に
する干渉計の一変形例の部品を示す。光路外の支点Ｐを中心として１つの光学素
子を回転させることにより、角度変更及びしたがって選択すべき波長の設定に加
え、光の波長の変更及びしたがって相対的位相位置の変調という効果が同時にも
たらされる。

【００７６】 本発明の別の有利な態様では、上記スペクトル分散素子またはスペクトル回折
素子は、多重格子、合成ホログラムまたは計算機ホログラム（ＣＧＨ）である。

【００７７】 二次元分解検出器を使用する場合、各部分光線の単純な偏向を起こすだけでは
ないスペクトル分散素子を使用すると特に有利である。複合干渉縞の生成は、特
に、上述した相関方法との関係で有利と思われる。そのような複合縞は、場合に
よっては、単純な帯状の縞よりも輪郭の鮮明な相関信号を示す。

【００７８】 技術的に特に単純な装置では、同時にビームスプリッタとしても使用され、検
出器の位置で干渉縞を直接生成するスペクトル分散光学素子またはスペクトル回
折光学素子が使用される。図１４は、透過時に回折光学素子を使用したそのよう
な構成を示す。透過した未屈折の部分光線が複数の部分光線と干渉することによ
って、これら部分光線が様々な方向に回折し、互いに干渉し合い、その結果、複
合干渉縞（スペックルパターン）が発生する。同様の効果は、凹凸の表面を有す
るガラス体がもたらす光線によっても達成可能である。

【００７９】 この非常に単純な構成は、表面に非常に“凹凸の多い”スペクトル分散光学素
子やスペクトル回折光学素子を使用する場合に特に適している。

【００８０】 光学素子がむしろ表面の平坦なものであり、特に、鏡面被覆された半反射性の
プリズムや回折格子である場合、干渉縞を生成するために、この光学素子または
同様の光学素子によって部分光線を再度重畳させれば技術的に有利である。

【００８１】 図１５に、特に技術的に有利な本発明の装置の構成を示す。この場合、反射時
に回折格子が利用される。入射開口“Ｅ”、開口絞り“Ａ”及びコリメータレン
ズ“Ｌ”を経た入射光線は、まず、回折格子で反射した部分光線と回折した部分
光線に分割される。図示の形状寸法では、１次回折波が相対的に大きな角度で発
生し、より高次の回折波が起こり得ないようになっている。最初に回折した部分
光線は鏡Ｓ１で反射して戻され、回折格子によって検出器上に反射される一方、
最初に反射した部分光線は鏡Ｓ２で反射して戻され、検出器上に回折される。検
出器において、必要とする干渉縞が生成される。

【００８２】 位相位置の変調は、場合に応じてＳ２（“位相シフタ”）によって行われ、結
合した光線が干渉する角度は、場合に応じてＳ１によって調節することができる
。

【００８３】 上記の装置構成は、非常にコンパクトな構成に加えて、さらに以下の利点を示
す。

【００８４】 周期性を有する回折格子を使用すると、異なる波長に関して同じ光路長の、し
たがって、同じ最大振幅あるいは変調の位置が、（通常のフーリエ変換スペクト
ルと異なり）検出器の様々な点に存在する。これにより、検出素子の必要なダイ
ナミックレンジに好ましい効果がもたらされる。

【００８５】 特定の適用例、例えば、化学測定において、吸収スペクトルの一定領域内のス
ペクトルの“指紋”を測定したり、一定のスペクトル線を同時に測定することに
よって物質を検出する場合には、本発明の他の構成においても同じであるが、特
別な回折格子を使用することができる。空間的に分離されたあるいは空間的に重
畳された多重格子と、場合によっては複数の検出器を備えた構成とに加えて、例
えば、同じ角度でそれぞれ異なるスペクトル線群全てを回折可能なホログラフィ
ック素子を考慮に入れることもできる。この変形例は、マスクを利用して縞の認
識を行う検出器を使用する際（光学的相関方法）に特に好ましい。

【００８６】 測定に必要な適切な干渉縞と一定のスペクトル成分あるいはスペクトル成分群
について既知の干渉縞との相関は、直接光学的にマスクを用いることにより、場
合によっては、さらに干渉計の適切な位相変調や別の種類の離調を用いることに
より行うことができるので、非常に有利である。

【００８７】 特に、複数のスペクトル成分を有するスペクトルの指紋からなる干渉縞を１つ
のマスクに予め含ませることができる。

【００８８】 検出器の前面に設けられたマスクを用いた、部分光線の様々な相対的位相位置
での干渉縞の多重記録は、その信号の適切に積分された全体強度が、マスクと相
関する干渉縞を生じる入射光のスペクトル成分に関してのみ相対的位相位置に大
きく依存していることを示している。図１６は、図１５の構成例に対応する一変
形例を示す。

【００８９】 完全な光学素子と充分に小さな光源または光入射面積を使用すれば、干渉縞の
フーリエ変換によって光波スペクトルを得ることができる。

【００９０】 必ずしも完全ではない光学素子あるいはもっと大きな入射絞りを使用すると、
特に、位置と波長に基づいて波面に影響を及ぼす分散素子をさらに使用すると、
結果生じる干渉縞を正弦関数または余弦関数によって表すことができない。にも
かかわらず、単一のスペクトル成分は、調査対象の単一のスペクトル成分によっ
て常に生成される基本縞が曖昧でない限りは、現在の干渉縞を用いて相関によっ
て求めることができる。

【００９１】 したがって、この方法は、表面に非常に“凹凸の多い”スペクトル分散光学素
子またはスペクトル回折光学素子を使用する上述の装置にも適している。

【００９２】 測定後にスケールの見直しを行うことによって個々のスペクトル成分に関して
必要な干渉縞を得ることは、特に好ましい。

【００９３】 また、様々な相対的位相位置で干渉縞を記録すると特に好ましい。これにより
、信号対雑音比に対して好ましい影響があることに加えて、場合によっては、測
定過程の人為的結果を取り除くことができる。

【００９４】 様々な相対的位相位置での測定は、個々のスペクトル成分（基本関数）の干渉
縞の測定に特に役立つことができる。逆位相で記録された干渉縞を減算する場合
、その信号部分が総計されるが、測定過程の不変の背景と人為的結果は大幅に消
去される。

【００９５】 上述の装置を使用する光波スペクトルは、以下の工程を備えた方法に従って計
算さすると有利である。すなわち、最初に、干渉し合う部分光線のそれぞれ異な
る相対的位相位置に関して複数の干渉縞が記録される。次の工程では、干渉に寄
与する部分光線のスペクトル成分の様々な際立った位相シフトを考慮に入れるよ
う、高度に分解された干渉縞あるいは高度に分解された干渉縞成分が算出する。

【００９６】 例えば、図１７にかかる検出器アレイを有する装置は、様々な位相位置での複
数の測定結果によって干渉縞を測定する空間分解能を向上させるように、検出器
において、干渉状態となる部分光線の相対的位相位置の変化を用いて結果生じる
干渉縞を移動または変化させる方法を実現する。位相位置の変化によって生じる
干渉縞の様々な成分の目に見える移動により、一定の範囲の干渉縞が検出器の個
々の素子を用いて段階的に高解像度で検出されるようになる。その際に考慮しな
ければならないことは、例えば、干渉状態となる部分光線の相対的位相位置を調
節する手段が発生させるような、光路長の非常に小さな変化が、干渉縞の微視的
な“ずれ”を起こす可能性があること、そして、この点に関して、干渉縞の様々
なスペクトル成分が様々な強さで移動し、場合によっては、様々な方向に移動す
ることである。

【００９７】 本発明の装置は本発明の方法によって分光計として利用可能になる。理想的な
干渉計では、一スペクトル成分の干渉縞は、入射光の波長にのみ依存する空間周
波数を有する光強度の一次正弦波変調を有している。異なるスペクトル成分の各
部分は、この場合、干渉縞のフーリエ変換によって得ることができる。

【００９８】 実際の分光計及び、特に、本発明の装置の様々な変形は、より複雑な干渉縞を
示す。そのスペクトル成分は本発明の方法を用いて確定することができる。

【００９９】 図１８は、左側に“理想”のインターフェログラムの測定結果の場合、右側に
不完全な光学素子によってもたらされる実際のシミュレーションの場合の、ＣＣ
Ｄによるインターフェログラムの模擬写真を示す。

【０１００】 本発明の装置の光学素子は、本発明の方法を適用した場合、光学干渉計の構成
要素に対して通常なされる要求を満たす必要はない。

【０１０１】 図１９ないし図２１は、５１２個の素子を有する線形空間解像検出器の数値シ
ミュレーションによる新しい方法の利点を示している。図面の部分Ａはそれぞれ
検出器の各素子の位置に依存する干渉に寄与する２つの部分光線の光路差を示す
。図面の部分Ｂはそれぞれ検出器が記録した信号の一部を示す。図面の部分Ｃと
部分Ｄはそれぞれ単色光源の再生スペクトルを示す。図の部分Ｃでは、比較例と
してフーリエ変換によって求められており、図の部分Ｄでは、本発明の方法によ
って求められている。図の部分Ｃと部分Ｄはそれぞれさらに勾配を１０倍にした
（細線）再生スペクトル（太線）を示す。

【０１０２】 図１９は、最初に、完全な光学装置を想定したシミュレーションを示し、すな
わち、干渉に寄与する２つの部分光線の光路差が検出器の各素子の位置に線形に
関係していることを示す（図１９Ａ）。スペクトル成分の干渉縞は正弦波であり
、それに対応する測定された干渉縞（図１９Ｂ）は空間周波数に依存してサンプ
リングによる人為的結果を示しているが、干渉縞は良好に再生している。

【０１０３】 この特殊な場合において、その状態は、全く別の装置で記録されたにもかかわ
らず、フーリエ変換型分光計による測定結果にほぼ対応している。したがって、
スペクトルをフーリエ変換によって確定することができる（図１９Ｃ）。測定さ
れた基本縞との相関による本発明の方法は、同じ結果を示している（図１９Ｄ）
。

【０１０４】 図２０は必ずしも完全ではない光学装置を想定した対応するシミュレーション
を示す。したがって、関連する光線の光路差と検出器の各素子の位置との関係は
完全には線形でない（図２０Ａ）。その結果生じた干渉縞はもはや正弦波そのも
のではなく、空間周波数がわずかに変動を示している（図２０Ｂ）。フーリエ変
換によってスペクトルを復元する試みは失敗している（図２０Ｃ）。本発明の方
法は、品質を低下させることなくスペクトルを再生することができる（図２０Ｄ
）。

【０１０５】 図２１は非常に欠陥の多い光学素子を想定した対応するシミュレーションを示
し、関連する光線の光路差と検出器の各素子の位置との関係は、まだ単調ではあ
るが、もはや線形ではない（図２１Ａ）。結果生じる干渉縞はそれに応じて不規
則である（図２１Ｂ）。この場合、フーリエ変換は何の結果ももたらしていない
（図２１Ｃ）。スペクトルは、本発明の方法を用いれば、品質の低下なしにほぼ
再生可能である（図２１Ｄ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 １９９ ３３ ２９０．８ (32)優先日 平成11年７月15日(1999．7．15) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ 【要約の続き】

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 干渉縞を生成する手段と、上記生成された干渉縞の記録が可
   能な空間解像検出器とを備えた光波分光装置であって、 上記干渉縞に関連する少なくとも１つの部分光線の波面がその波長に応じてス
   ペクトル分散光学素子またはスペクトル回折光学素子の影響を受けることを特徴
   とする光波分光装置。
2. 【請求項２】 非周期性回折構造を有する少なくとも１つの回折光学素子を
   特徴とする請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 上記干渉縞を生成する手段は入射光の振幅の分割を行う請求
   項１または２のいずれかに記載の装置。
4. 【請求項４】 上記干渉縞を生成する手段は入射光の波面の分割を行う請求
   項１または２のいずれかに記載の装置。
5. 【請求項５】 空間を一次元的に解像するかあるいは走査を行う検出器を備
   えている請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
6. 【請求項６】 空間を二次元的に解像するかあるいは走査を行う検出器を備
   えている請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
7. 【請求項７】 ビームスプリッタが上記少なくとも１つの部分光線の波面に
   対してその波長に応じて影響を及ぼす請求項１ないし６のいずれかに記載の装置
   。
8. 【請求項８】 光学素子は上記少なくとも１つの部分光線の波面及び／また
   は光路長に対してその波長に応じて影響を及ぼす請求項１ないし７のいずれかに
   記載の装置。
9. 【請求項９】 上記少なくとも１つの部分光線の位相位置の変更もしくは変
   調（位相シフト）を可能にする手段を特徴とする請求項１ないし８のいずれかに
   記載の装置。
10. 【請求項１０】 上記装置または上記装置の部品は光共振器を構成している
    請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
11. 【請求項１１】 上記共振器の内側に１つ以上の波長依存素子が配設されて
    いるか、あるいは、上記共振器の少なくとも１つの素子が波長に依存して構成さ
    れている請求項１０記載の装置。
12. 【請求項１２】 上記装置または上記装置の部品は多重に構成されている先
    の請求項のいずれかに記載の装置。
13. 【請求項１３】 干渉状態となる上記光線の光路差が変更可能である先の請
    求項のいずれかに記載の装置。
14. 【請求項１４】 干渉状態となる上記光成分の選択がそのコヒーレンス特性
    に応じて行われるように、干渉状態となる上記部分光線の波長差を設定する手段
    を備えている先の請求項のいずれかに記載の装置。
15. 【請求項１５】 上記干渉計はリトロリフレクタを備えている先の請求項の
    いずれかに記載の装置。
16. 【請求項１６】 生成される干渉縞の空間周波数を調整可能にするように、
    上記干渉計を回転させる手段もしくは入射角を変化または選択する手段を備えて
    いる先の請求項のいずれかに記載の装置。
17. 【請求項１７】 生成される干渉縞の空間周波数を調整可能にするように、
    上記装置の構成要素の位置を変更する手段、特に、上記構成要素を回転させる手
    段を備えている先の請求項のいずれかに記載の装置。
18. 【請求項１８】 干渉し合う部分光線の相対的位相位置の変更と生成される
    干渉縞の空間周波数の変更とが、上記装置の少なくとも１つの構成要素の移動に
    よって同時に引き起こされる先の請求項のいずれかに記載の装置。
19. 【請求項１９】 上記スペクトル分散素子または上記スペクトル回折素子は
    、多重格子、合成ホログラム、ホログラフィック光学素子または計算機ホログラ
    ムである先の請求項のいずれかに記載の装置。
20. 【請求項２０】 生じる干渉縞あるいは該干渉縞の一部は、複数の空間周波
    数及び／または空間周波数の連続スペクトルを備えている先の請求項のいずれか
    に記載の装置。
21. 【請求項２１】 回折光学素子がビームスプリッタとしてかつ波長分散素子
    として兼用される先の請求項のいずれかに記載の装置。
22. 【請求項２２】 上記ビームスプリッタとして使用される回折光学素子は回
    折格子であり、上記干渉縞を生成する手段は該素子であるかまたは分割された光
    線を再結合する同様の素子である請求項２１記載の装置。
23. 【請求項２３】 上記部分光線は、回折しなかったかまたは反射した部分光
    線（“０次”）を場合によって含む様々な回折次数で回折格子によって生成され
    、適切な手段によって反射して上記回折格子に戻され、そこで様々な次数の回折
    波でさらに重畳される請求項２１または２２のいずれかに記載の装置。
24. 【請求項２４】 上記検出器は、検出対象の少なくとも１つの干渉サンプル
    と相関する空間マスクを備えている先の請求項のいずれかに記載の装置。
25. 【請求項２５】 空間変調を認識する検出器の能力は、主として非空間的に
    解像する検出器を適切な空間マスクと組み合わせるようにして実現される先の請
    求項のいずれかに記載の装置。
26. 【請求項２６】 先の請求項のいずれかに記載の装置の分光計としての使用
    。
27. 【請求項２７】 入射光の成分が、上記干渉し合う部分光線のそれぞれ設定
    された光路差に応じたコヒーレンス長またはコヒーレンス特性に応じて選択的に
    測定されることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の装置の光波分光用の
    使用。
28. 【請求項２８】 干渉縞を生成する手段と、空間解像検出器と、少なくとも
    １つの部分光線の位相位置の変更（位相シフト）を可能にする手段とを備えた装
    置の分光計としての使用。
29. 【請求項２９】 請求項１ないし２５のいずれかに記載の装置または請求項
    ２６ないし２８のいずれかに記載の装置を用いて測定された干渉縞の解析によっ
    て光波スペクトルを確定する方法。
30. 【請求項３０】 干渉縞のフーリエ変換あるいは干渉縞の正弦関数及び／ま
    たは余弦関数の線形結合（例えば、ハートレー変換）の形での表現からなる請求
    項２９記載の方法。
31. 【請求項３１】 上記スペクトルの確定は、干渉縞を装置依存性の基本縞群
    へ分解すること、特に、干渉縞と各装置用に作成された基本縞及び確定対象のス
    ペクトル成分との相関によってスペクトル成分を確定することよりなる請求項２
    ９または３０のいずれかに記載の方法。
32. 【請求項３２】 上記スペクトル成分を確定するのに必要な基本縞は測定に
    よって得られる請求項２９ないし３１のいずれかに記載の方法。
33. 【請求項３３】 上記スペクトルの確定は、様々な干渉縞を様々な相対的位
    相位置で記録することよりなる請求項２９ないし３２のいずれかに記載の方法。
34. 【請求項３４】 上記基本縞の確定は、様々な干渉縞を様々な相対的位相位
    置で記録することよりなる請求項２９ないし３３のいずれかに記載の方法。
35. 【請求項３５】 請求項９ないし２５のいずれかに記載の装置を使用して光
    波スペクトルを算出する方法であって、 ａ） 干渉し合う部分光線のそれぞれ異なる相対的位相位置に対して複数の干
    渉縞を記録する工程と、 ｂ） 干渉に寄与する部分光線のスペクトル成分の様々な際立った位相シフト
    を考慮に入れるよう、高度に分解された干渉縞あるいは高度に分解された干渉縞
    成分を算出する工程とを特徴とする光波スペクトル算出方法。
36. 【請求項３６】 請求項３５記載の方法を使用する請求項２９ないし３４の
    いずれかに記載の方法。