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技術 光干渉デバイス

出願人 ナショナルユニバーシティオブシンガポール
発明者 ホイスラー,サシャピエールモーザー,ヘルベルトオスカーパタック,アロック
出願日 2015年3月12日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2016-556955
公開日 2017年3月23日 (2年3ヶ月経過) 公開番号 2017-508160
状態 特許登録済
技術分野 各種分光測定と色の測定
主要キーワード 角度公差 スループット比 各測定チャンネル 演算ツール ブランクセル 平面光波 四方形 集束鏡
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図面 (20)

課題・解決手段

光干渉デバイス100が本明細書に開示されている。記載の実施形態では、光干渉デバイス100は光コリメートビームを受ける位相調整器アレイ108を備えている。位相調整器アレイ108は、光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成するためにアレイ状に配置される複数のセル128を有している。複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部は異なる位相シフトを有している。光干渉デバイス100は集束レンズ110をさらに有している。集束レンズ110は、焦点距離を有し、光学的光チャンネルから集束される光ビームをその焦点面に生成すると同時に、光検出器116により検出される位相調整器アレイ108の下流側のイメージを生成するように構成されている。光干渉デバイス100は光学式空間フィルタ112をさらに有している。光学式空間フィルタ112は、集束レンズ110の焦点距離に配置され、集束された光ビームをフィルタリングして0次空間分布干渉光パターンを生成するように構成されている。この0次空間分布干渉光パターンは光検出器116により検出される。さらに、空間分布干渉光パターンを生成する方法も開示されている。

概要

背景

光干渉デバイスの一例としては、電磁スペクトルの特定の部分における光スペクトル特性を測定するために一般的に用いられる格子分光器が挙げられる。分光法において用いられる場合、露光された材料の特性が測定結果分析から求められる。

概要

光干渉デバイス100が本明細書に開示されている。記載の実施形態では、光干渉デバイス100は光コリメートビームを受ける位相調整器アレイ108を備えている。位相調整器アレイ108は、光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成するためにアレイ状に配置される複数のセル128を有している。複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部は異なる位相シフトを有している。光干渉デバイス100は集束レンズ110をさらに有している。集束レンズ110は、焦点距離を有し、光学的光チャンネルから集束される光ビームをその焦点面に生成すると同時に、光検出器116により検出される位相調整器アレイ108の下流側のイメージを生成するように構成されている。光干渉デバイス100は光学式空間フィルタ112をさらに有している。光学式空間フィルタ112は、集束レンズ110の焦点距離に配置され、集束された光ビームをフィルタリングして0次空間分布干渉光パターンを生成するように構成されている。この0次空間分布干渉光パターンは光検出器116により検出される。さらに、空間分布干渉光パターンを生成する方法も開示されている。

目的

本発明の一つの目的は、従来の技術の欠点のうちの少なくとも一つに対処する光干渉デバイスを提供しかつ/または社会に有用な選択肢を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

光干渉デバイスであって、光コリメートビームを受けるための位相調整器アレイであって、該位相調整器アレイが前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルを有し、前記複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフト有している、位相調整器アレイと、焦点距離を有し、前記複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器により検出される前記位相調整器アレイの下流側のイメージを形成するように構成されている集光器と、前記集光器の前記焦点距離に配置され、前記集束光ビームをフィルタリングして前記光検出器により検出される0次光空間分布光干渉パターンを形成するように構成されている光学式空間フィルタとを備えてなる、光干渉デバイス。

請求項2

前記集光器がアレイ状に配置される複数の小レンズを有しており、該複数の小レンズの各々が前記複数の光学的光チャンネルのうちの一部のまたはそれに対応する光学的光チャンネルを受けるように構成されてなる、請求項1に記載の光干渉デバイス。

請求項3

前記空間フィルタがアレイ状に配置される複数のアパチャを有しており、各アパチャが前記アレイ状に配置される複数の小レンズのうちの対応する小レンズの焦点距離に配置されてなる、請求項2に記載の光干渉デバイス。

請求項4

前記アレイ状に配置される複数のセルのうちの少なくとも一部が、入射してくる光線の位相に対して影響を与えないブランクセルである、請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項5

前記アレイ状に配置される複数のセルのうちの少なくとも一部が層状構造を有してなる、請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項6

前記層状構造が交互に配置される凸面と凹面とを有してなる、請求項5に記載の光干渉デバイス。

請求項7

前記層状構造が偶数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項6に記載の光干渉デバイス。

請求項8

前記層状構造が奇数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項6に記載の光干渉デバイス。

請求項9

前記交互に配置される凸面および凹面が同心状のパターンを形成してなる、請求項6に記載の光干渉デバイス、

請求項10

前記集光器が集束レンズまたは集束鏡である、請求項1乃至9のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項11

前記光コリメートビームを形成するように構成される光コリメータをさらに備えてなる、請求項1乃至10のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項12

前記光コリメータの方に入射光を導くための入射アパチャをさらに備えてなる、請求項11に記載の光干渉デバイス。

請求項13

前記空間分布干渉光パターンからインターフェログラムが導かれ、連立一次方程式を用いて前記インターフェログラムからスペクトルが導かれるように構成されてなる、請求項1乃至12のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項14

前記連立一次方程式を用いることがマトリクスインバージョンを用いることを含んでなる、請求項13に記載の光干渉デバイス。

請求項15

フーリエ分光器の形態を有してなる、請求項1乃至14のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項16

ラマン分光器の形態を有してなる、請求項1乃至15のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項17

前記位相調整器アレイに隣接していて配置されるさらなる位相調整器アレイをさらに備えており、該さらなる位相調整器アレイが参照光ビームを受けるように構成されてなる、請求項1乃至16のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項18

組み合わせとして、前記光干渉デバイスが、前記光コリメータ、前記位相調整器アレイ、前記集束レンズおよび前記空間フィルタを収容するための光学式ハウジングと、カメラまたは焦点面アレイの形態の前記光検出器を有するポータブル演算デバイスであって、前記光学ハウジングが前記カメラまたは前記焦点面アレイに嵌合するように構成される、ポータブル演算デバイスとをさらに有しており、前記カメラが前記空間分布干渉光パターンを検出するように構成されてなる、請求項1乃至17のうちのいずれか1項に記載の光干渉デバイス。

請求項19

光コリメートビームを受けるための位相調整器アレイであって、前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルであって、前記複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、アレイ状に配置される複数のセルを備えており、前記アレイ状に配置される複数のセルが、入射してくる光線の位相に影響を与えない少なくともいくつかのブランクセルを含み、位相シフトの異なる複数の光学的光チャンネルを形成するための深さの異なる複数のセルを有する層状構造を有してなる、位相調整器アレイ。

請求項20

前記ブランクセルがおおむね平坦である、請求項19に記載の位相調整器アレイ。

請求項21

前記層状構造が交互に配置される凸面と凹面とを有してなる、請求項19または20に記載の位相調整器アレイ。

請求項22

前記層状構造が偶数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項19または20に記載の位相調整器アレイ。

請求項23

前記層状構造が奇数個の前記凸面と前記凹面とを有してなる、請求項19または20に記載の位相調整器アレイ。

請求項24

前記交互に配置される凸面と凹面とが同心状のパターンを形成してなる、請求項19または20に記載の位相調整器アレイ。

請求項25

空間分布干渉光パターンを生成する方法であって、光コリメートビームを受ける工程と、受けた前記光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成することであって、該複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、複数の光学的光チャンネルを生成する工程と、焦点距離を有する集光器を提供する工程と、前記集光器によって、光学的光チャンネルから、その焦点面に前記複数の集束光ビームを生成すると同時に、光検出器によって検出されるための下流側のイメージを生成する工程と、前記集光器の前記焦点距離に光学式空間フィルタを設け、該光学式空間フィルタにより前記集束光ビームをフィルタリングし、前記光検出器により検出される0次空間分布干渉光パターンを生成する工程とを含む、方法。

技術分野

0001

本発明は光干渉デバイスに関する。

背景技術

0002

光干渉デバイスの一例としては、電磁スペクトルの特定の部分における光スペクトル特性を測定するために一般的に用いられる格子分光器が挙げられる。分光法において用いられる場合、露光された材料の特性が測定結果分析から求められる。

発明が解決しようとする課題

0003

しかしながら、既存の分光器はサイズが大きいか、または、サイズが小さい場合であっても光処理能力が低くかつスペクトル分解能も低いという問題がある。
本発明の一つの目的は、従来の技術の欠点のうちの少なくとも一つに対処する光干渉デバイスを提供しかつ/または社会に有用な選択肢を提供することにある。

課題を解決するための手段

0004

第一の態様にかかる光干渉デバイスは、光コリメートビーム(collimated beam of light)を受けるための位相調整器アレイ(phase shifter array)であって、当該位相調整器アレイが光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを形成するためにアレイ状に配置される複数のセルを有し、複数の光学的光チャンネルうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、位相調整器アレイと、焦点距離を有し、複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器により検出される位相調整器アレイの下流側のイメージを形成するように構成されている集光器と、この集光器の焦点距離に配置され、集束光ビームをフィルタリングして光検出器により検出される0次光空間分布光干渉パターン(spatially distributed interference light pattern in zeroth order)を形成するように構成されている光学式空間フィルタとを備えている。

0005

記載の実施形態の利点としては、上述のように構成することにより、光干渉デバイスのコンポーネントを同一の光学面に配置することが可能となるため、非常にコンパクトな光干渉デバイスを実現することができるようになるという点が挙げられる。
集光器がアレイ状に配置される小レンズを有し、各小レンズが複数の光学的光チャンネルのうちの一部またはそれに対応する光学的光チャンネルを受けるように構成されていることが明らかである。この実施形態では、空間フィルタはアレイ状に配置される複数のアパチャを有し、各アパチャがアレイ状に配置される小レンズのうちの対応する小レンズの焦点距離に配置されている。

0006

好ましくは、アレイ状に配置されるセルのうちの少なくとも一部は、入射してくる光線の位相に影響を与えないブランクセルであってもよい。このことは発光源均一性の測定にとくに有用であり、この情報は非均一な照射補償するために用いられてもよい。
位相調整器アレイはさまざまな構成および寸法を有していてもよい。たとえば、一実施形態では、アレイ状に配置される複数のセルのうちの少なくとも一部は層状構造を有していてもよい。一実施形態では、層状構造は交互に配置される凸面と凹面とを有していてもよい。層状構造は偶数個の凸面と凹面とを有していてもよいしまたは奇数個の凸面と凹面とを有していてもよい。他の実施形態では、交互に配置される凸面と凹面とは同心状のパターンを形成するようになっていてもよい。

0007

詳細にいえば、集光器は集束レンズ(focusing lens)であってもよいしまたは集束鏡であってもよい。かかる光干渉デバイスの一部を光コリメータが形成するようになっていてもよい。このような場合には、光干渉デバイスは、光コリメートビームを生成するように構成される光コリメータをさらに備えたものとなる。かかる光干渉デバイスは、さらに入射光線を光コリメータに向けて導くための入射アパチャをさらに備えていてもよい。

0008

好ましくは、空間分布干渉光パターンからインターフェログラムが導かれるようになっていてもよいし、また、連立一次方程式を用いて、インターフェログラムからスペクトルが導かれるようになっていてもよい。連立一次方程式を用いることはマトリクスインバージョンを用いることを含んでいてもよい。
かかる光干渉デバイスをさまざまな用途に用いることが可能である。したがって、かかる光干渉デバイスはフーリエ分光器として構成されてもよいしまたはラマン分光器として構成されてもよい。

0009

かかる光干渉デバイスは、2つ(またはそれ以上)の数の分光器チャンネルを同時に検出するように構成されてもよい。したがって、かかる光干渉デバイスは、上述の位相調整器アレイに隣接するとともに参照光ビームを受けるように構成されるさらなる位相調整器アレイをさらに有していてもよい。
かかる光学干渉デバイスは、その非常にコンパクトなサイズのため、透過率または吸光度測定用ハンドヘルドデバイスまたはポータブルデバイスに用いられるように構成されてもよい。したがって、第二の態様では、上述の光干渉デバイスを備えた複合製品が提供される。光干渉デバイスは、上述の光コリメータ、上述の位相調整器アレイ、上述の集束レンズおよび上述の空間フィルタを収容するための光学式ハウジングと、カメラまたは焦点面アレイの形態をとる光検出器を有するポータブル演算デバイスであって、カメラまたは焦点面アレイに光学ハウジングが嵌合するように構成される、ポータブル演算デバイスとを有し、カメラは、空間分布干渉光パターンを検出するように構成されている。

0010

第三の態様では、光コリメートビームを受けるための位相調整器アレイが提供されている。かかる位相調整器アレイは、光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成するためのアレイ状に配置される複数のセルであって、複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフタを有している、アレイ状に配置される複数のセルを備えており、当該アレイ状に配置される複数のセルは、入射してくる光線の位相に影響を与えない少なくともいくつかのブランクセルと、位相シフトが異なる複数の光学的光チャンネルを生成するための深さの異なる層状構造を有する複数のセルとを有している。

0011

記載の実施形態の利点としては、上述のように構成することにより発光源の均一性を同時に測定することができるようになり、また、この情報を非均一な照射を補償するために用いることが可能となるという点が挙げられる。このようにして、スペクトル情報演算が可能となる。
好ましくは、ブランクセルはおおむね平坦であってもよい。ある実施形態では、層状構造は交互に配置される凸面と凹面とを有していてもよい。また、層状構造は偶数個の凸面と凹面とを有していてもよいしまたは奇数個の凸面と凹面とを有していてもよい。たとえばある記載の実施形態では、交互に配置される凸面と凹面とが同心状のパターンを形成するようになっている。

0012

第四の態様では、空間分布干渉光パターンを生成する方法が提供されている。かかる方法は、光コリメートビームを受ける工程と、受けた光コリメートビームの複数の光線から対応する複数の光学的光チャンネルを生成する工程であって、当該複数の光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有している、複数の光学的光チャンネルを生成する工程と、焦点距離を有する集光器を提供する工程と、この集光器によって、複数の光学的光チャンネルから、焦点面に集束光ビームを形成するとともに、光検出器によって検出される下流側のイメージを形成する工程と、集光器の焦点距離に光学式空間フィルタを設け、この光学式空間フィルタにより集束光ビームをフィルタリングし、光検出器により検出される0次空間分布干渉光パターンを生成する工程とを含んでいる。
1つの態様に適用可能な特徴はその他の態様にも適用可能であることは当然のことである。

図面の簡単な説明

0013

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態が説明されている。
位相調整器アレイを備えたある好ましい実施形態にかかる分光器の形態を有する光干渉デバイスを示す概略図である。
図1に記載の分光器を示す側面図である。
図1に記載の位相調整器アレイを示す拡大図である。
図3に記載の位相調整器アレイのセル部を示す拡大表示である。
図4に記載のセル部のセルの一例としてブランクセルの形態を有する単一セルを示す図である。
図4に記載のセル部のセルの一例として第一の層状構造を有する単一セルを示す図である。
図4に記載のセル部のセルの一例として第二の層状構造を有する単一セルを示す図である。
図4に記載のセル部のセルの一例として同心状のパターンを有する単一セルを示す図である。
図6に記載の単一セルを示す図であって、単一セルの2つのファセット面を通過する平面光波を示す図である。
図9に記載の2つのファセット面を示す断面図である。
図1および図2に記載の分光器の構成とは異なる構成を有する分光器であって、複数の小レンズを備える分光器を示す概略図である。
図11に記載の異なる構成を有する分光器を示す水平断面図である。
図1および図2に記載の分光器の構成とは異なる構成を有する分光器であって、複数の小レンズを備える分光器を示す概略図である。
350nmの波長における10nm〜0.5nmの範囲のスペクトル分解能について、図1に記載の分光器と例示的な分光器とに対して要求されるコリメーション角度を比較するグラフである。
図1に記載の分光器と例示的な分光器とに対して要求されるコリメーション角度の比をプロットしたグラフである。
図15示唆される分光器サイズ縮小の可能性を示すために2mm目盛りに対する図1に記載の分光器のサイズの一例を拡大して示す図である。
スマートフォンのカメラに取り付けられた図16に記載の分光器を示す図である。
λmin=350nm波長におけるスループット比TMCFTS/TGratingであって、TMCFTSが図1に記載の分光器100のスループットであり、TGratingが例示的な格子デバイスのスループットであるスループット比をスペクトル分解能を関数としてプロットしたグラフである。
図1に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。
図1に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。
図1に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。
図1に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。
図1に記載の位相調整器アレイの他の例示的な形状および構造を示す図である。

実施例

0014

図1は、ある好ましい実施形態にかかる分光器100の形態を有する光干渉デバイスを示す図である。分光器100は、入射アパチャ104を有する入射側光学式空間フィルタ102と、コリメータレンズ106と、位相調整器アレイ108と、集束レンズ110の形態を有する集光器と、出射アパチャ114を有する出射側光学式空間フィルタ112とを備えている。

0015

入射側光学式空間フィルタ102は発光源(図示せず)からの光を受けるように構成されており、また、入射側光学式空間フィルタ102は発光源からの光を制限してコリメータレンズ106に伝搬させるように構成されている。コリメータレンズ106は、光を平行にして位相調整器アレイ108向けの光コリメートビームを形成し、位相調整器アレイ108は光コリメートビームの複数の光線から対応する光学的光チャンネル(optical light channel)を生成する。特すべきことは、これらの光学的光チャンネルのうちの少なくとも一部が異なる位相シフトを有しているという点にある。
集束レンズ110は、位相調整器アレイ108から光学的光チャンネルを受け取り、集束レンズ110の焦点面に集束光ビームを生成するように構成されている。出射側光学式空間フィルタ112(したがって、出射アパチャ114)は、集束レンズ110の焦点距離に配置され、集束レンズ110から集束光ビームを受け取り、光検出器116により検出される0次空間分布干渉光パターン(spactially distributed interference light pattern)を生成するように構成されている。

0016

特筆すべきことは、集束レンズ110は、集束光ビームに加えて、同時に、位相調整器アレイ108のイメージを生成し、そのイメージを光検出器116により検出されるように伝えるように構成されているという点にある。
光検出器116は、ピクセル処理された干渉パターンを記録し、このピクセル情報処理モジュールへ送ってこの光のスペクトル組成を演算するようになっていてもよい。

0017

図3は、図1の分光器の位相調整器アレイ108を示す詳細図である。位相調整器アレイ108は、微細構造化されたガラスまたはプラスチックの如き透明な材料からなっている(したがって、ミクロ位相調整器アレイまたはMPSAと呼ぶのがより適切である)。この実施形態では、位相調整器アレイ108は複数のブランクセル118を有している。これらの複数のブランクセル118は、位相調整器アレイ108全体にわたって5つの垂直方向ストライプ120と水平方向ストライプ122とにより形成される格子構造として形成されている。図3に示されているように、複数のブランクセル118から形成される格子構造は、位相調整器アレイ108を6×6のアレイ部124(この数は用途に応じて変更されてもよい)に分割し、各アレイ部124は複数のセル部126を有している。

0018

図4は、NxMのセルまたはセル要素を有する複数のセル部126のうちの1つのセル部を拡大した図である。この実施形態では、各セル部126は、ブランクセル118のうちの一部に隣接する4×4のセル128から構成されている。各セルは、その個々のトップリッジボトムリッジとの間の構造上の深さの点において近隣するセルと異なっている。このことにより、個々の独立したセル128は、構造上の深さが異なることになるため(図4の段部を参照)、異なる光学的位相特性を呈することになる。コリメータレンズ106からの光コリメートビームが位相調整器アレイ108に伝搬されると、セル128は光学的光チャンネル(または、測定チャンネル光流))を生成する。ブランクセル118(または、他のセル128と比較した場合「深さが0の」セル)は、位相調整器アレイ全体にわたる発光源の空間強度分布を記録するために用いられる。特筆すべきことは、これらのブランクセル118が当該ブランクセル118に入射する光コリメートビームの光線の位相に影響を与えないという点にある。もっと正確にいえば、これらのブランクセル118は(光線の位相に影響を与えることなく)強度を測定するために用いられる。さらに特筆すべきことは、a)位相調整器アレイ108により生成される干渉パターン(干渉パターン)と、b)分光器100の位相調整器アレイ108に対する照射の非均一性とが、スペクトル情報の演算または測定に必要な情報であるという点にある。

0019

ブランクセル18を用いることにより、発光源の均一性を測定し、この情報を用いて非均一性照射を補償することが可能となる。入射光線の位相シフトを引き起こすセル128とブランクセル118とが組み合わさった位相調整器アレイ108を用いることにより、発光源が位相調整器アレイを照射する分布を同時に監視することが可能となる。
先に記載の場合と同様、非均一性照射の補償に空間強度分布は有用である。ブランクセル118を含む何百個ものセル128とを1つまたは2つの直角の方向に配置することにより図3に記載のスペクトルの計算用の位相調整器アレイ108を構築することができる。このことにより、発光源の均一性の検出のために別個ブランクシートが必要となることが回避されるので非常に有用である。

0020

図4は4×4セル部126を例示している。4×4セル部126という表現は、各セル部126が、複数のブランクセル118に隣接して配置される16個の個別のセル128から構成されることを意味している。図5には、面118a全てが平面またはおおむね平坦であるブランクセル18のうちの1つのブランクセルの構造が示されている。
特筆すべきことは、測定の必要性に応じてセル128がさまざまな形状、サイズおよび構造を有してもよいという点にある。図6には第一の例示的なセル130が示されている。第一の例示的なセル130は照射面130aを有し、照射面130aには層状構造130bが設けられている。この第一の例示的なセル130では、層状構造130bは、交互に配置される実質的に幅の等しい同数個の凸面130cと凹面130dとを有している。この場合、偶数である4個の交互に配置される凸面130cと凹面130dとある。いうまでもなく、凹面130c、130dの数が奇数であってもよい。

0021

図7には、照射面132aを有し、当該照射面132aに層状構造132bが設けられている第二の例示的なセル132が示されている。第一の例示的なセル130とは異なり、層状構造132bは異なる数の交互に配置される凸面132cと凹面132dとを有しており、また、これらの交互に配置される凸面132cおよび凹面132dの幅も互いに異なるものである。
セルの層状構造が異なる構造および寸法を有していてもよいことは明らかであり、図8に一例が示されている。これは第三の例示的なセル134である。この第三の例示的なセル134は、交互に配置される凸面134bおよび凹面134cを有する同心状の層状構造134aを有している。

0022

セル128の間に配置されるブランクセル118を用いることにより、発光源が位相調整器アレイを照射する分布を同時に監視することが可能となる。このことにより、非均一性照射を補償することが可能となる。
次に、光線が位相調整器アレイ108を透過する際に位相調整器アレイ108がどのようにその光線を屈折させるかを説明することが適切であると考えられる。図を簡単にするために、図9には、平面光波u1j、u2jがセル130の第一および第二のファセット面136,138を透過している図6の単一セル130が示されている。説明を容易にするために、第一のファセット面136が複数の凸面130cのうちの1つであり、第二のファセット面138が複数の凹面130dのうちの1つであるので、2つのファセット面136,138の間にはある深さが生じることとなる。図10は、X軸およびY軸が記載された図9に記載の2つのファセット面136,138を示す断面図である。

0023

スペクトル範囲内における屈折率のばらつきを評価するために、平面波、u1j、u2jがセル130の2つのファセット面136,138をX軸線方向に透過し、2つのファセット面136,138がそれぞれ厚みL、dj(すなわち、セル長さ)を有していることが想定されている。
図10の厚みLにおける2つの光波または光線の振幅の減少は次の式で計算することが可能である:






ここで、k0=真空波数添字「0」は真空を表わす)、L=第一のファセット面136の最大の厚み、dj=第二のファセット面38の厚み、j=位相調整器アレイ108の個々のセル128を数える自然数、およびt=時間である。

0024

n’=実際の屈折率、K=透過係数とすると、以下の式が得られる:



これらを用いると、2の光ビームu1j、u2jの間の干渉は次の式により演算される:

0025

式1−4を用いると、パワーに比例する2つの光ビームu1j、u2jの振幅の合計の絶対値の二乗は以下の式により計算される:



吸収物質の場合にはK=0となり、次の単純化された式で表される:



その結果、j番目のセルの設計スペクトル範囲内(







はセルの数)の波数値



スペクトルパワーは次の式で演算することができる。



ここで、



、g2(kol)は発光源のスペクトルパワー分布である。

0026

式1−7により、マトリクスインバージョンを用いて解くことが可能な連立一次方程式の演算を行って、セル130により生成される干渉パターンを求めることができる。フーリエ変換により干渉図を評価する場合には、波数依存ピーク位置シフト(wave number dependent peak position shift)を補償するために周波数スペクトルの追加の修正が要求される場合もある。
上述の説明は、セル130に基づくものであるが、いうまでもなく位相調整器アレイ108全体に同様に当てはまる

0027

また、いうまでもなく、集光器が図1および図2に記載の集束レンズ110だけでなく他の形態を有していてもよい。たとえば、位相調整器アレイ108全体のイメージを得るために単一の集束レンズ110を用いる代わりに、位相調整器アレイの各セル128から個々の小レンズがイメージを得るようにしてもよい。図11には、この第一の代替分光器装置200が示されている(説明を容易にするために他のコンポーネントの一部が省略されている)。また、図12は、図11に記載の装置を示す水平断面図である。

0028

第一の代替分光器装置200は代替位相調整器アレイ202を備えている。代替位相調整器アレイ202は、図1に記載の位相調整器アレイに類似しているものの、図6に記載のセル130(すなわち、層状構造130bを備えたセル)をアレイ状に配置したものと、ブランクセル118とを有している。また、第一の代替分光器装置200は、単一の集束レンズ110に代えて、複数の小レンズ206を有する小レンズアレイ204を備えている。各小レンズ206はそれに対応するセル130(または、場合に応じてブランクセル118)から光学的光チャンネル208を受けるように構成されている。この光学的光チャンネル208は図11陰影をつけて示されている。また、他の実施形態では、各小レンズ206はセル130(または場合に応じてブランクセル118)によって生成される光学的光チャンネルのうちの一部を受けるように構成されていてもよいことも明らかである。

0029

第一の代替分光器装置200は、小レンズアレイ204の焦点距離に配置されるアパチャーアレイ210の形態を有する光学式空間フィルタをさらに備えている。アパチャーアレイ210は複数のスリット状のアパチャ212を有し、各スリット状のアパチャ212はそれに対応する小レンズ206の焦点距離に配置されている。また、第一の代替分光器装置200は、小レンズアレイ204およびアパチャーアレイ210の下流側に、複数の第二の小レンズ216を有する第二の小レンズアレイ214と、検出器アレイ218の形態を有する光検出器とをさらに有している。
図12に示されているように、複数の第二の小レンズ216はそれぞれ、検出器アレイ218の検出器220により検出されるように、アパチャーアレイ210からの光ビームを単一ピクセルとしてまたは一群ビン処理されたピクセルとして再び焦光するように構成されている。

0030

小レンズアレイ204を用いることにより、非常にコンパクトな分光器を実現することが可能となる。いうまでもなく、図11に記載の単一の小レンズアレイに代えて、小レンズアレイ204(および第二の小レンズアレイ214)を2つの円筒状の小レンズアレイを十字状に公差させたもののように2つ以上の個々のレンズアレイを組み合わせて形成するようにしてもよい。いうまでもなく、代替位相調整器アレイ202は他の形態をとってもよい。第二の代替分光器装置300を例示する図13にはさらなる一例が示されている。
第二の代替分光器装置300は代替位相調整器アレイ302を備えている。代替位相調整器アレイ302は図11に記載のものと類似しているものの、図8に記載のセル134(すなわち、同心状の構造134aを有するセル)をアレイ状に配置したものと、ブランクセル118とを有している。先の場合と同様に、小レンズアレイ304が下流側に配置され、アパチャーアレイ306が小レンズアレイ304の焦点距離に配置され、第二の小レンズアレイ308および検出器アレイ310がさらに配置されている。
位相調整器アレイ302の同心状の構造を考えると、図11の装置とは異なり、アパチャーアレイ306は、位相調整器アレイ302から(屈折した)光ビームを受ける複数の円形状またはピンホール状のアパチャ312を有している。
記載の実施形態および代替装置は、複数の利点を有し、複数の問題を解決する。以下には、いくつかの例が記載されている。

0031

広くて自由なスペクトル動作範囲
格子またはプリズムのような分散素子は、自由スペクトル範囲と呼ばれるデバイスのスペクトル帯域幅を制限してしまう傾向がある。たとえば、直角入射の格子の分散式は次の式によって表される:



ここで、d=スリット間隔、いわゆる格子定数、m=回析次数、θm=回析次数がmの時の回折角度、α=格子法線に対する入射角、λ=波長である。

0032

したがって、α=0の場合において回析格子固定格子間隔がd、回析次数が1(m=1)である時、回折ビーム9mは、θm=1=sin−1(λ/d)の角度で最大値を形成する。m=2、波長がλ/2の時にも同じ結果となり、回析格子の自由スペクトル範囲が1オクターブ動作帯域(λmax/λmin<2)に制限されていることを分かる。その結果、従来の格子分光器は、格子の動作帯域を超える波長をフィルタリングすることを必要とする。
それとは対照的に、実施形態に記載の光干渉デバイスは、波長のフィルタリングを必要とせず、光検出器により設定されるスペクトル帯域幅全体にわたって動作するようにカスタム化することができる。これは通常10倍に相当する。

0033

小さな製造公差
格子は、機械刻線法(mechanical ruling)またはホログラフィ法により製造可能である。機械刻線法の場合、格子を製造するための必要条件が非常に厳しい。格子の溝のファセット面が平坦で、縁が真っ直ぐに滑らかに延び、λmin/10未満のスケール凹凸がないことが要件として知られている。溝の間隔は波長の約1%以内に維持される必要がある。たとえばサイズが10×10mm2で、λminが300nmである格子の場合には、上述の要件は10mmの溝の全長にわたって製造公差が30nmであることを必要とする。これは、ファセット面に沿った3μradの角度公差および30nm未満の表面粗さに等しい。高度な平坦性の要求は低コスト複製技術を困難なものとする。というのは、プロセス時に格子が変形してはならないからである。

0034

ホログラフィを用いた製造の場合には、格子パターンが2つのコヒーレントレーザービームの干渉によって生成されるため、比較的容易に必要条件が満たされる。しかしながら、ホログラフィ格子はろう付けが容易でなく、機械刻線格子よりも効率が非常に低い。
記載の実施形態では、個別のセル130,132,134を用いて位相調整器アレイ108を形成することが提案されている。この場合、全表面が小さな表面要素に分割されていると見なすことができ、表面の平坦性に関する公差のレベルがはるかに低いものとなる。両方のタイプを300nmの波長について比較すると、記載の実施形態の表面平坦性の公差は、30mradの範囲でしかない。この範囲は厳しさが40、000倍小さく、表面粗さに対する要求も同程度のものである。

0035

光軸ステム上で(On−optical−axis system)
格子は、透過(屈折)モードまたは反射モードにおいてオフアクシス(off−axis)で用いられる。比較すると、記載の実施形態は、すべて光学部品を共通の光軸上に配置するという利点を有する(上述のような)透過型セットアップを提供する。このことにより光学収差が小さくなり、光学要素の数を最少限に抑えたコンパクトなデバイスを実現することができるようになる。いうまでもなく、記載の実施形態が反射セットアップに同様に適用されてもよい。
光干渉デバイスを非常にコンパクトなものにすることで、当該デバイスを携帯用電子デバイス(スマートフォン)に用いることができるよう適合させることが可能となる。もっと正確にいえば、このようにすることにより、スマートフォンに一体化された分光器を偏在(ubiquitous)させ、容易に利用可能とすることにより、本発明は、日常生活コマーシャル)、商業分野、産業分野、科学分野、医学分野化粧品分野生物学分野において分光器を用いるというしきい値を著しく低下させることができるとともに、他の従来の分光器と比べて上述の分光器の利点をすべて提供することができる。

0036

コンパクトなデバイスサイズ
上述の実施形態に記載の分光器100が高度なコリメーションを必要としないため、コンパクトな焦点距離の短いコリメータおよびサイズが可能となる。
コリメータを備えた従来の回折格子分光器では、コリメータの焦点距離および入射アパチャのサイズがスペクトル分解能に対して大な影響を及ぼしうる。
コリメーション角度ψは次の式で与えられる:



ここで、Θ=発光源の直径、f=コリメータの焦点距離である。
スペクトル内の2つの波長を分離するためには、格子は、入射ビームをコリメーション角度よりも大きな角度に分散させなければならない(たとえば、Δθ=θm、λ2−θm、λ1>ψ)。λ、θmなどの定義については式2−1を参照されたい。

0037

以上のように、スペクトル分解能(2の隣り合う分離後スペクトル線の間の差 Δλ=λ2−λ1)は、コリメーション角度ψによって必然的に制限されることになる。それは式2−1を微分することにより推定可能である。



小さなコリメーション角度ψの為に、Δθ>=ψを仮定すると、式2—4は、



または、ψ<=Δλm/(dcos(θm))

0038

式2−4によれば、回折格子分光器は、高分解能(より小さな値のΔλ)を得るためにはψを最小限に抑えければならないので、入射アパチャーが小さいこと(小さなΘ)を必要とするかまたは受光角が小さくコリメータ装置光学的に長いこと(長い焦点距離f)を必要とする。

0039

図1に記載の実施形態では、スペクトル分解能は、互いに干渉するビーム間において生じる最大光路長差に依存する。コリメーション角度ψが分解能を制限するときとは、位相調整器アレイのセルの互いに干渉するビームが傾斜角度に起因して位相をπだけ異にするとき(条件1)またはコリメーション角度が最長波長の0次回折最短波長の一次回析とをオーバーラップさせることができるほど十分に大きいとき(条件2)である。
したがって、次の場合に、ψ=min[条件1、条件2]となる。
条件1:



Δλ=λ2/(2δmax)の場合には、
ψ=cos−1(1−Δλ/λ)
Δλ=(1−cos(ψ))λ
条件2:



ここで、P=位相調整器アレイの周期、λmin=スペクトル中の最小波長である。

0040

したがって、位相調整器アレイ100の分極影響を回避または最小限に抑えるために、Pは、P=3〜10λmaxの範囲で選択することが可能である。特筆すべきことは、3λmax未満の周期を有するように意図的に設計された位相調整器アレイは極性高感度な測定かつ極性に依存する検出を提供することができるが、このこともまた記載の実施形態の技術範囲に含まれるという点にある。

0041

図14は、350nmの波長における10nm〜0.5nmの範囲のスペクトル分解能について、例示的な分光器と記載の実施形態にかかる分光器図100(図14に記載のMCFTS)とに対して要求されるコリメーション角度を比較するグラフである。例示的な分光器はミリメートル当たり1200刻線という典型的な格子を有しており、AA線はこのような分光器の要求コリメーション角度を示している。図14から分かるように、分解能が10nmの場合、このような分光器の格子は、0.013rad未満のコリメーション角度を必要とする。それとは対照的に、記載の実施形態にかかる分光器100は、条件2によりP=3λmaxの周期(すなわち、この例では最大波長が700nm)において0.16radに制限されており、厳格性が12倍低くなっている。このことは図14のBB線によって示されている。記載の実施形態にかかる分光器100の場合、コリメーション角度は条件1または条件2(式2−5または式2−6)のうちの小さい方により与えられる。

0042

図15は、例示的な分光器と記載の実施形態にかかる分光器100とを比較するにあたって、350nmの波長における10nm〜0.1nmの範囲のスペクトル分解能について、例示的な分光器に要求されるコリメーション角度に対する図1に記載の分光器に要求されるコリメーション角度の比をプロットしたグラフである。図15のグラフは、サイズの縮小および処理能力の利点についての分光器100の可能性を実証したものである。とくに高分解能において分光器100が例示的な分光器よりも10倍〜100倍性能が優れていることが理解されるべきである。一例として、最小波長350nmにおける1nmの分解能については、10λmaxの周期を有する分光器100は40倍大きなコリメーション角度ψを可能とする。式2−2によれば、このことにより、両方の分光器間でアパチャーサイズを一定に保った場合、コリメータ焦点距離を40倍縮小することが可能となる。コリメータの長さを縮小することによりシステム全体のサイズを縮小することができ、そのことにより、分光器に入射する放射線総合的な受理角度(overall acceptance angle)、ひいては光収集能力(light collection ability)が同時に著しく向上されることが明らかである。このことは、たとえばラマン分光器の場合や、スマートフォン内のCMOS検出器の場合のように検出器がそれほど感度が良くない場合などの光量が十分でないような用途において重要な利点であり、処理能力の利点を際だたせるものである。

0043

図16には、記載の実施形態の寸法の点における利点を示すために2mmのスケールに対する分光器100の物理的サイズの一例が拡大して示されている。また、図17には、図16に記載の分光器100が典型的なスマートフォン400の光学ハウジングに収容されてカメラに取り付けられている状態が示されている。ここで、分光器100の主要な光軸140はスマートフォン400の長手方向の軸142に対して実質的に直角となっている。このことに限定されることなく、分光器100の主要な光軸140がスマートフォン400の長手方向の軸142に対して実質的に平行になるように分光器100が取り付けられてもよいことは明らかである。また、分光器100のサイズをとくに図11に示唆されているような小レンズのアレイ204を用いてさらに縮小することにより、分光器100をスマートフォンのハウジング内に統合することができるようにしてもよいことも明らかである。

0044

高光処理能力
光学系の処理能力(T)または幾何学的範囲(geometric extent)がビームの断面積(A)とビームの投影される立体角(Ω)との積により与えられることがよく知られている。



投影される立体角は次の式で与えられる:



ここで、Θは、光学システムを通過することができるメリジオナル光線(meridional rays)により形成される最大円錐の角度の半分の値を表している。

0045

処理能力(throughput)とは、デバイスが光学システムを介して放射線を集めて伝える能力について表す重要な性能指数のことである。次の導出においては、従来の回折格子分光器デバイスに対する利点が評価されている。先に記載のように、検出器が敏感でないまたは信号を捕捉するための露光時間が短いというラマン分光器の如き光量が十分にないような用途の場合、処理能力が重要になってくる。

0046

分光器100の場合、処理能力はコリメーション角度について説明したのと同じ条件下に置かれる。したがって、Θは、与えられた分解能に対して必要となるコリメーション角度(上述の条件1)、または、(MCFTSの符号が付けられている)分光器100から発射される最短波長(λmin)の第一回析の角度(条件2)のうちの小さい方により制限されることになる。すなわち、TMCFTS=min[TMCFTS、1 TMCFTS、2]
条件1:式2−5、式2−7および式2−8を結合してΘ<=ψの要件をセットすると、処理能力は次の式で与えられる:



条件2:



ここで、θ=第一次回折角度であり、Pは格子セルの周期である。
式2−7、式2−8および式2−10を結合してΘ<=θの要件をセットすると、処理能力は次の式で与えられる。



ここで、システム全体の処理能力を検討する場合にはA=位相調整器アレイ108(MPSA)構造の総面積であるか、または、Aは各測定チャンネルを個別に検討する場合には単一セル要素の面積により与えられる。

0047

式2−9および式2−11を導出するために、sin2(cos-1(x))=1−x2とsin2(sin-1(x))=x2との2つの式がxの値が小さいという理由で単純化されている。
処理能力Tを格子デバイスの如き従来の分光器と比較する。式2−1、式2−4、式2−7および式2−8を結合させることによりTGratingを推定することができる。cos(sin-1(x))=(1−x2)1/2)を用いて単純化すると、このような格子デバイスに対して垂直に入射する放射線に対する処理能力が次の式により与えられる:



ここで、A=照射される格子面積、Δλ=波長分解能、m=回析次数、λ=検査ビームの波長、d=格子デバイスの溝周期である。

0048

コリメーション要件に関する議論の場合と同じ仮定を用い、両方のデバイスの照射面積Aが同じであるというケースにおける両方のデバイスの処理能力TMCFTS/TGratingが、P=100λmax、P=10λmaxおよびP=3λmaxについて、スループット比TMCFTS/TGratingを350nmの波長(λmaxを700nmにセット)における分解能の関数としてプロットすることにより比較されている。この結果が、図18に示され、記載の実施形態にかかる分光器100の処理能力の利点を実証している。具体的にいえば、高分解能では、1200刻線の格子デバイスと比較して分光器100の光処理能力を最大40,000倍まで増大させることが可能である。このことは、ラマン分光器の如き光量が十分でない用途においてまたは光検出器が敏感でないケースにおいて非常に有益である。また、光処理能力が高いと分光器100が与えられた時間においてより多くの光子を集めることができるようになり露光時間を短くすることが可能となるのでシステムの速度性能が向上する。したがって、光処理能力の向上は速い信号の検出する場合にも同様に重要なこととなる。

0049

空間フィルタリング
既知の技術と異なり、空間フィルタリング(Spatial filtering)技術と位相調整器アレイ108とが組み合わされている。図1に記載のように、出口側光学式空間フィルタ112(これは単一のスリット状のアパチャを有していてもよければまたは円形状のアパチャアレイを有していてもよい)を集束レンズ110の焦点距離に置いて高次の回析を空間フィルタリングすることにより高次の回析が光検出器116の中に入って行かないようにするようになっている。小レンズアレイ204およびアパチャーアレイ210が用いられる場合にも同様のことが可能である。このことにより、既知の技術(たとえば、Soller−collimator)の複雑さが回避されるので、光学部品の数およびシステムコストが削減される。

0050

分光器は非常に広い用途を有しており、判断要素はスペクトル範囲である。たとえば、可視分光法の分野であってかつ読出演算ツールとしてスマートフォンカメラが用いられるような用途は個別のスマートフォンユーザを含む産業用の用途を越えるものであると考えられる。スマートフォン市場は常に拡大しているので、スマートフォン分光器は、癌の危険性および日光浴におけるUV保護を予測または測定するために用いられうるUVA(紫外線A)の測定に対して血糖値レベルまたは血中酸素濃度の検出の如き壮大な可能性を提供することができる。加えて、分光器をスマートフォンプラットフォームと組み合わせることにより、低コストポイントオブケア検出に向けた解決策を提供することができる。この解決策は、フィードバックロケーション識別子およびクラウドサービスを用いたデータロギングを含みうる情報がウェブを介して送られることを可能とする。

0051

一般的に、可視分光法は、次のものに関する情報を提供する:
原子内での電子遷移−原子情報 >赤外線分子情報を提供することに加えて
蛍光分光学では、励起状態から基底状態までの遷移
ラマン分光法では、分子情報が得られうる > 大きなインパクト
**レーザー励起:IRにおけるラマン共鳴を演算するために可視光線スペクトルに対応する高分解能位相調整器アレイとスマートフォンとの組み合わせの活用。検出が困難となる恐れのある非常に低い信号強度
吸光光度分析法:濃度または酸性度の変化を示す標識薬の色の変化(たとえば、pH指標としてメチルオレンジ色変化)を含む色の正確な測定。妊娠の如き出来事を検出するために分光器100により色変化を読み取ることができるラタラフロー試験(lateral flow tests)
**濃度の監視:可視分光法を用いることにより、未知サンプルに光を透過させて入射量I0に対する透過量Iを比較して透過量を演算することにより濃度を定量することが可能となる。透過量Tから、吸光度A=log(1/T)を計算することができる。
***ベールの法則により、A=εCIを用いて濃度を演算することが可能となる。ここで、Aは吸光度であり、εはモル吸光係数(l/mol cm)であり、Cは吸収物質の濃度(mol/L)であり、「I」は光路長(cm)である。
***化学的標識−可視光線スペクトルでは、発色団は光を多く吸収するので、被検出される必要のある分子に発色団を付加することが可能である。
***酵素タンパク質はすべての生物の細胞の中にある)を研究するための濃縮倍率(concentration rate)の測定。酵素はUV光可視光に反応する標識分子を付加することにより測定される。
****組織破壊の指標として医学の中で最も広く用いられている。細胞が疾病により損傷を受けたとき、酵素が血流の中に流れ込む。その存在量が組織障害の厳しさを表す。
***遷移金属イオン、複数の共役結合を有する有機化合物および生体高分子溶液定量測定
***遷移金属イオンの溶液は色付け可能である。金属イオン溶液の色は強く影響を受ける。
*医学
**パルスオキシメーター:指を透過する光を測定し、血液酸含有量を監視する。
**腫瘍の非侵入性検出:腫瘍をその自己蛍光の増大および異なる光学的物性により健康な組織から区別する。

0052

記載の実施形態は制限的なものとして解釈されるべきでない。たとえば、プロファイル深さ(profile depth)が異なる個別のセル128を並べて配置すると、図3および図4に記載のグローバルな位相調整器アレイ108が形成される。位相調整器アレイ108全体にわたるブランク要素の配置はいかなる形状のものであってもよく、四方形格子であってもよいし、円形状であってもよいし、任意に分布されてもよい。必要なブランクセルの数は、どの程度の均一性が照明に期待されるかに応じて異なる。セル128は格子セル(grating cell)であってもよい。

0053

光検出器116は、検出光(たとえば、UV)用のCCDまたはCMOS光子検出器の如き電磁放射線に対して敏感ないかなるデバイスであってもよい。MCT(水銀カドミウムテルル、すなわちHgCdTe)および/または赤外線用熱検出器が用いられてもよい。分光器100を構成する光学コンポーネント検出器材料およびスペクトル特性によりスペクトルの動作帯域が決まる。可視分光器の場合、提示の分光器は、干渉パターンを読み込むためにスマートフォンのカメラシステムまたはタブレットの如き他の電出デバイスのカメラシステムを用いるようになっていてもよい。加えて、スペクトル情報を得るために必要となるフーリエ変換またはマトリクスインバージョンの演算にスマートフォンのプロセッサーが用いられてもよい。図17には、このような構成が示されている。

0054

分光器100およびさまざまなコンポーネント(たとえば、入射側光学フィルタ102、コリメータレンズ106、位相調整器アレイ108など)のサイズが設計され、最適化されるようになっていてもよいし、また、分光器100をスマートフォンの光学システムの一部分として統合されるようになっていてもよい。また、スマートフォン400において、さらなる光学機器、たとえば第三のレンズを用いて出射側光学式空間フィルタ112の出射アパチャ114から来るビームを平行にしてシステムサイズをさらに縮小するようにしてもよい。コリメータレンズを追加する場合には、位相調整器アレイ108のイメージを「無限設定条件で形成するようにし、また、位相調整器アレイ108のイメージを検出器面に形成するためにスマートフォンのカメラ光学機器を「無限」設定位置にロックしなければならない。さらに、分光器100がスマートフォンの長手方向の軸142に対して平行に配置する場合、非常にコンパクトな分光器セットアップを可能とするために複数の鏡をスマートフォン400の長手方向の軸142の光路に沿って配置するようにしてもよい。また、レンズシステムによりもたらされる色収差を回避するために、アクロマティックレンズを用いてもよい。

0055

干渉パターンを処理するためにスマートフォン(またはタブレットの如き携帯用電子機器)を用いる場合、スマートフォンのカメラが光検出器116として機能してもよい。このように、カメラが、分光器100により生成されピクセル処理された干渉パターンを記録し、スマートフォンのプロセッサが、この情報をインターフェログラムとしてプロットするようになっていてもよい。このインターフェログラムから、フーリエ変換またはマトリクスインバージョンを用いてスペクトル組成が計算され、結果が示される。

0056

また、2つ(またはそれ以上)の数の同一の位相調整器アレイ108を並べて構築または配置することにより2つ(またはそれ以上)の数の分光器チャンネルを同時に検出することを可能とするようにしてもよい。このことは、透過率または吸光度の測定においてとくに重要である。たとえば、一方の位相調整器アレイがサンプル用の光ビームに用いられ、他方の位相調整器アレイが参照用の光ビームに用いられるようになっていてもよい。このことは、一方の位相調整器アレイが他方の位相調整器アレイの隣に配置され、両方の位相調整器アレイがイメージをCCD上の異なる位置に投影するような状態で、図1に記載のものと同様の焦点レンズおよび出射アパチャを用いて行なわれるようになっていてもよい。それに代えて、同様の測定が図11に記載の小レンズアレイ204を用いて行なわれてもよい。透過率測定の場合、位相調整器アレイよりも前の位置でサンプルを平行ビームの中に設置してサンプルビームを形成し、参照ビームの光路には妨げるものがないようにして、サンプルビームと参照ビームとを同時に測定するようにしてもよい。
図1に例示されている分光器100のコンポーネントのうちの一部は必要ではない場合もある。たとえば、コリメータレンズ106が必要ではない場合があることは明らかである。

0057

位相調整器アレイ108は異なる形状および寸法を有するように製造されてもよい。 たとえば、位相調整器アレイ108が三角形状の断面を有していてもよいし、または、対角線に沿って延びる階段状の面を有していてもよい。図19図23には、位相調整器アレイ108の代替の形状および構造の一例が示されている。位相調整器アレイ108は、階段状の正面、階段状の背面またはこれらを組み合わせたものを有していてもよい。たとえば図19には、細長正面側溝部504と交互に配置される細長い正面側凸部506を有する透過用層状構造502(ビームCCが透過を示している)を有する第一の位相調整器アレイの変形例500が例示されている。当該層状構造502はさらに細長い背面側凸部508と細長い背面側凹部510とを有している。特筆すべきことは、細長い正面側凸部504は高さ変わっている(Y軸に沿って)。この変形例では、細長い正面側凸部505の高さは、図19に示されるようにX軸に沿って、すなわちY軸に対して直角な軸に沿って高くなっている。当該層状構造502は階段状の背側面512をさらに有しており、この階段状の背側面512は層状構造502のZ軸に沿って変わっていく段部を有している。

0058

他の変形例として、図20には、位相調整器アレイの第二の変形例530が示されている。第二の変形例530は正面側凹部536と交互に配置される一連の正面側凸部534を有する反射層状構造532を備えている。正面側凸部534は高さが変わっていくことは明らかであり、このことは図21からも分かる。図21は、位相調整器アレイの第二の変形例530を図20の方向DDに向かって見たものを示す端面図である。特筆すべきことは、正面側凹部536が階段状538に構成されている点にある。この変形例では、正面側凸部534および正面側凹部536の面が反射層により覆われており、(光線EEにより示されているように)光が頂面から入射した時、それらの光線は正面側凸部534または正面側凹部536によって反映されるようになっている。

0059

さらなる変形例として、図22には位相調整器アレイの第三の変形例550が示されている。第三の変形例550は異なる媒体、たとえば媒体1としての空気と媒体2としてのPMMAから形成される反射層状構造552を有している。層状構造552は、正面側凹面556と正面側凹面556との間に配置される正面側凸部554を有しており、正面側凸部554はプロファイル高さが変わっていくようになっている。位相調整器アレイの第三の変形例550は階段状の構造560を有する背面558を備えている、階段状の構造560は、図23に示されているような対角線に沿って変わっていく段部を有している。図23図22の位相調整器アレイの第三の変形例550を示す背面図である。正面側凸部554の頂面は反射コーティング562で覆われており、背面558は背面側反コーティング564で同様に覆われている。このようにすることにより、光線が正面側凸部554の頂面に入射すると、矢印FFにより示されているように(媒体2を通り抜けることなく)反射コーティング562により反映されるようになっており、光線が正面側凹部556に入射すると、媒体2を透過するが矢印GGにより示されているように背面側反射コーティング564により反映されるようになっている。
なお、これらの変形例から理解すべきことは、位相調整器アレイ108の他の構造および構成が用いられてもよいという点にある。
本発明を十分説明してきたが、当業者にとって明らかなように、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく複数の修正を上述の実施形態に加えることができる。

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