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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024133889
(43)【公開日】2024-10-03
(54)【発明の名称】量子吸収分光システムおよび量子吸収分光方法
(51)【国際特許分類】
G01J 3/45 20060101AFI20240926BHJP
G01N 21/35 20140101ALI20240926BHJP
G01J 3/42 20060101ALI20240926BHJP
G01J 3/02 20060101ALI20240926BHJP
G02F 1/39 20060101ALN20240926BHJP
【ＦＩ】
G01J3/45
G01N21/35
G01J3/42 U
G01J3/02 C
G02F1/39
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043893
(22)【出願日】2023-03-20
(71)【出願人】
【識別番号】000001993
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
(71)【出願人】
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】勝 秀昭
(72)【発明者】
【氏名】東條 公資
(72)【発明者】
【氏名】田窪 健二
(72)【発明者】
【氏名】長田 侑也
(72)【発明者】
【氏名】竹内 繁樹
(72)【発明者】
【氏名】岡本 亮
【テーマコード（参考）】
2G020
2G059
2K102
【Ｆターム（参考）】
2G020AA03
2G020CA02
2G020CA12
2G020CA17
2G020CB05
2G020CB08
2G020CB23
2G020CB42
2G020CB43
2G020CB54
2G020CC22
2G020CC47
2G020CC56
2G020CC63
2G020CD04
2G020CD16
2G020CD24
2G020CD35
2G020CD38
2G059EE01
2G059EE10
2G059EE20
2G059GG01
2G059HH01
2G059HH02
2G059HH06
2G059JJ07
2G059JJ11
2G059JJ15
2G059JJ18
2G059JJ22
2G059KK04
2G059MM01
2G059MM05
2G059MM10
2G059MM14
2G059NN01
2G059NN06
2G059NN08
2K102AA06
2K102AA21
2K102AA37
2K102BA01
2K102BA18
2K102BB02
2K102BB04
2K102BC01
2K102BC04
2K102BD09
2K102DA01
2K102DA02
2K102DA10
2K102DA20
2K102DB02
2K102DD03
2K102DD05
2K102DD10
2K102EA25
2K102EB02
2K102EB06
2K102EB10
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB26
(57)【要約】
【課題】量子吸収分光法の測定精度を向上させる。
【解決手段】量子光学系２は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成されている。光検出器３は、試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、各々がシグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む。プロセッサ４０１は、複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、試料の吸収分光特性を算出する。プロセッサ４０１は、複数のピクセルの間でインターフェログラムの位相差を低減させ、位相差が低減したインターフェログラムを複数のピクセルについて空間的に積算し、積算されたインターフェログラムに基づいて吸収分光特性を算出する。
【選択図】図９
【解決手段】量子光学系２は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成されている。光検出器３は、試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、各々がシグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む。プロセッサ４０１は、複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、試料の吸収分光特性を算出する。プロセッサ４０１は、複数のピクセルの間でインターフェログラムの位相差を低減させ、位相差が低減したインターフェログラムを複数のピクセルについて空間的に積算し、積算されたインターフェログラムに基づいて吸収分光特性を算出する。
【選択図】図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成された量子光学系と、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、各々が前記シグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む光検出器と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させ、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算し、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム。
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、各々が前記シグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む光検出器と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させ、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算し、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム。
【請求項2】
前記プロセッサは、
前記複数のピクセルの各々について、前記インターフェログラムのフーリエ変換により前記インターフェログラムの位相スペクトルを算出し、
前記位相スペクトルによる前記インターフェログラムの畳み込み演算により、前記位相差を低減させる、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
前記複数のピクセルの各々について、前記インターフェログラムのフーリエ変換により前記インターフェログラムの位相スペクトルを算出し、
前記位相スペクトルによる前記インターフェログラムの畳み込み演算により、前記位相差を低減させる、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
【請求項3】
前記複数のピクセルは、二次元アレイ状に配列され、
前記プロセッサは、前記位相スペクトルをフィルタとして用いて前記インターフェログラムの二次元畳み込み演算を行うことによって、前記位相差を低減させる、請求項２に記載の量子吸収分光システム。
前記プロセッサは、前記位相スペクトルをフィルタとして用いて前記インターフェログラムの二次元畳み込み演算を行うことによって、前記位相差を低減させる、請求項２に記載の量子吸収分光システム。
【請求項4】
前記プロセッサは、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が第１閾値よりも高いピクセルについて、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象とする一方で、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が前記第１閾値よりも低いピクセルについては、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象としない、請求項１～３のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が第１閾値よりも高いピクセルについて、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象とする一方で、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が前記第１閾値よりも低いピクセルについては、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象としない、請求項１～３のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
【請求項5】
前記プロセッサは、
前記位相スペクトルのスペクトル強度が第２閾値よりも高い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象とする一方で、
前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象としない、請求項２または３に記載の量子吸収分光システム。
前記位相スペクトルのスペクトル強度が第２閾値よりも高い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象とする一方で、
前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象としない、請求項２または３に記載の量子吸収分光システム。
【請求項6】
前記プロセッサは、前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数について、前記位相スペクトルの位相値をゼロに設定する、請求項５に記載の量子吸収分光システム。
【請求項7】
前記位相スペクトルを記憶するメモリをさらに備え、
前記プロセッサは、
第１の測定において算出された前記位相スペクトルを前記メモリに記憶させ、
前記第１の測定と第２の測定との間で前記位相スペクトルが変化しない場合、前記第２の測定では、前記メモリに記憶された位相スペクトルを用いて前記位相差を低減させる、請求項２または３に記載の量子吸収分光システム。
前記プロセッサは、
第１の測定において算出された前記位相スペクトルを前記メモリに記憶させ、
前記第１の測定と第２の測定との間で前記位相スペクトルが変化しない場合、前記第２の測定では、前記メモリに記憶された位相スペクトルを用いて前記位相差を低減させる、請求項２または３に記載の量子吸収分光システム。
【請求項8】
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるステップと、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、光検出器に含まれる複数のピクセルの各々から前記シグナル光子の検出信号を取得するステップと、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するステップとを含み、
前記算出するステップは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させるステップと、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算するステップと、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出するステップとを含む、量子吸収分光方法。
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、光検出器に含まれる複数のピクセルの各々から前記シグナル光子の検出信号を取得するステップと、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するステップとを含み、
前記算出するステップは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させるステップと、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算するステップと、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出するステップとを含む、量子吸収分光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、量子吸収分光システムおよび量子吸収分光方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、量子技術分野において、量子力学的な相関を持つ光子対は「量子もつれ光子対」を利用して新規機能を実現する試みがなされている。量子もつれ光子対を用いて試料の吸収分光特性を求める手法は「量子吸収分光法」（ＱＡＳ：Quantum Absorption Spectroscopy）と呼ばれる。量子吸収分光法に関する技術が国際公開第２０２１／１１７６３２号（特許文献１）等に提案されている。
【0003】
古典的な光学系が用いられるフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectroscopy）に対し、特許文献１に開示された量子吸収分光法は、「量子フーリエ変換赤外分光法」（Ｑ－ＦＴＩＲ：Quantum Fourier Transform InfraRed spectroscopy）と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０２１／１１７６３２号
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Chiara Lindner, Sebastian Wolf, Jens Kiessling and Frank Kuhnemann, "Fourier transform infrared spectroscopy with visible light", Optics Express Vol. 28, Issue 4, pp. 4426-4432 (2020)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来の吸収分光法と同様に、量子吸収分光法においても測定精度を向上させるための要求が常に存在する。より具体的には、量子吸収分光法では、量子光学系を構成する光学素子（たとえば移動ミラー、固定ミラー、レンズ）の反射／透過波面のズレ、光学素子のアライメント（たとえば移動ミラーと固定ミラーとの相対的な傾き）のズレなどにより、ポンプ光、シグナル光および／またはアイドラー光の光路によって決定される光路長差(または遅延時間）が、光検出器により検出される光束内の位置ごとに異なり得る。また、当該光束内の同一位置においても、光学素子による波長分散の影響により、波長ごとに光路長差が異なり得る。さらに、測定対象とする試料がアイドラー光の経路に設置されるところ、アイドラー光は、試料による透過／反射の波面のズレ、試料による波長分散の影響を受け得る。このような様々な要因により、試料の吸収分光特性の測定精度が低下する可能性がある。
【0007】
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的の１つは、量子吸収分光法の測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の第１の態様に係る量子吸収分光システムは、量子光学系と、光検出器と、プロセッサとを備える。量子光学系は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成されている。光検出器は、試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、各々がシグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む。プロセッサは、複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、試料の吸収分光特性を算出する。プロセッサは、試料の吸収分光特性を算出する。プロセッサは、複数のピクセルの間でインターフェログラムの位相差を低減させ、位相差が低減したインターフェログラムを複数のピクセルについて空間的に積算し、積算されたインターフェログラムに基づいて吸収分光特性を算出する。
【0009】
本開示の第２の態様に係る量子吸収分光方法は、第１～第３のステップを含む。第１のステップは、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるステップである。第２のステップは、試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、光検出器に含まれる複数のピクセルの各々からシグナル光子の検出信号を取得するステップである。第３のステップは、複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、試料の吸収分光特性を算出するステップである。算出するステップ（第３のステップ）は、第４～第６のステップを含む。第４のステップは、複数のピクセルの間でインターフェログラムの位相差を低減させるステップである。第５のステップは、位相差が低減したインターフェログラムを複数のピクセルについて空間的に積算するステップである。第６のステップは、積算されたインターフェログラムに基づいて吸収分光特性を算出するステップである。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、量子フーリエ変換赤外分光の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の実施の形態に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。
【図2】量子吸収分光の原理を説明するための概念図である。
【図3】コントローラによる演算処理を概略的に説明するための機能ブロック図である。
【図4】建設的積算処理部による演算処理を詳細に説明するための機能ブロック図である。
【図5】ピクセル判定部による判定処理の概念図である。
【図6】建設的積算処理部による演算処理の概念図である。
【図7】波数域判定部による判定処理の概念図である。
【図8】畳み込み演算部による畳み込み演算の概念図である。
【図9】本実施の形態に係る量子吸収分光方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図10】積算処理の処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【0013】
＜用語の定義＞
本開示およびその実施の形態において、紫外域とは、１０ｎｍ～３６０ｎｍの波長域を意味する。可視域とは、３６０ｎｍ～１０５０ｎｍの波長域を意味する。近赤外域とは、１０５０ｎｍ～２μｍの波長域を意味する。中赤外域とは、２μｍ～５μｍの波長域を意味する。遠赤外域とは、５μｍ～２０μｍの波長域を意味する。超遠赤外域（テラヘルツ域）とは、２０μｍ～１ｍｍの波長域を意味する。赤外域とは、近赤外域、中赤外域、遠赤外域および超遠赤外域をすべて含み得る。
本開示およびその実施の形態において、紫外域とは、１０ｎｍ～３６０ｎｍの波長域を意味する。可視域とは、３６０ｎｍ～１０５０ｎｍの波長域を意味する。近赤外域とは、１０５０ｎｍ～２μｍの波長域を意味する。中赤外域とは、２μｍ～５μｍの波長域を意味する。遠赤外域とは、５μｍ～２０μｍの波長域を意味する。超遠赤外域（テラヘルツ域）とは、２０μｍ～１ｍｍの波長域を意味する。赤外域とは、近赤外域、中赤外域、遠赤外域および超遠赤外域をすべて含み得る。
【0014】
［実施の形態］
本開示の実施の形態では、本開示に係る量子吸収分光システムにより赤外域における試料の吸収分光特性を測定する構成について説明する。しかし、本開示に係る量子吸収分光システムにより測定可能な波長域は、赤外域に限定されず、紫外域、可視域などの他の波長域であってもよい。
本開示の実施の形態では、本開示に係る量子吸収分光システムにより赤外域における試料の吸収分光特性を測定する構成について説明する。しかし、本開示に係る量子吸収分光システムにより測定可能な波長域は、赤外域に限定されず、紫外域、可視域などの他の波長域であってもよい。
【0015】
＜全体構成＞
図１は、本開示の実施の形態に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム１００は、量子もつれ光子対を用いて試料の赤外吸収分光特性を測定する。試料の赤外吸収分光特性は、たとえば、試料のフーリエスペクトル、複素透過率スペクトル、赤外吸収スペクトルを含む。量子吸収分光システム１００は、たとえば、レーザ光源１と、量子光学系２と、光検出器３と、コントローラ４と、入力機器５と、出力機器６とを備える。
図１は、本開示の実施の形態に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム１００は、量子もつれ光子対を用いて試料の赤外吸収分光特性を測定する。試料の赤外吸収分光特性は、たとえば、試料のフーリエスペクトル、複素透過率スペクトル、赤外吸収スペクトルを含む。量子吸収分光システム１００は、たとえば、レーザ光源１と、量子光学系２と、光検出器３と、コントローラ４と、入力機器５と、出力機器６とを備える。
【0016】
レーザ光源１は、非線形光学結晶２３（後述）を励起するためのポンプ光を発する。図中、ポンプ光をＬｐで示す。レーザ光源１は、この例では可視域に含まれる連続波（ＣＷ：Continuous wave）のレーザ光を発する。たとえば波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光を発する半導体レーザがレーザ光源１として採用され得る。
【0017】
量子光学系２は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対を生成する複数の物理過程の間で量子干渉を起こすように構成されている。図中、シグナル光（シグナル光子からなる光）の光路をＬｓで示し、アイドラー光（アイドラー光子からなる光）の光路をＬｉで示す。また、以下ではシグナル光の光路を「シグナル光路」と略し、アイドラー光の光路を「アイドラー光路」と略す場合がある。
【0018】
量子光学系２は、たとえばマイケルソン（Michelson）干渉計に類似の構成を応用した光学系である。量子光学系２は、たとえば、レンズ２１１～２１４と、ダイクロイックミラー２２１，２２２と、非線形光学結晶２３と、試料ホルダ２４と、移動ミラー２５と、固定ミラー２６とを含む。
【0019】
レンズ２１１は、レーザ光源１とダイクロイックミラー２２１との間に配置されている。レンズ２１１は、レーザ光源１からのポンプ光を集光し、集光したポンプ光が非線形光学結晶２３に焦点を結ぶように構成されている。
【0020】
ダイクロイックミラー２２１は、レンズ２１１と非線形光学結晶２３との間に配置されている。ダイクロイックミラー２２１は、シグナル光の波長を含む波長域の光を透過する一方で、上記の波長域外の光を反射する。この例では、ポンプ光の波長は５３２ｎｍである。シグナル光の波長は、たとえば、６０３ｎｍ以上かつ７２５ｎｍ以下の波長域内である。アイドラー光の波長は、たとえば、２μｍ以上かつ４．５μｍ以下の波長域内である。そのため、ダイクロイックミラー２２１は、シグナル光を透過する一方で、ポンプ光およびアイドラー光は反射する。ポンプ光は、ダイクロイックミラー２２１で反射して非線形光学結晶２３に照射される。
【0021】
非線形光学結晶２３は、レンズ２１１により集光されたポンプ光からシグナル光とアイドラー光とを発生させる。より詳細には、非線形光学結晶２３は、ポンプ光の自発パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ：Spontaneous Parametric Down-Conversion）によりシグナル光子とアイドラー光子との光子対を生成する。非線形光学結晶２３を用いた量子吸収分光の原理については図２にて説明する。
【0022】
非線形光学結晶２３は、たとえばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶である。この場合、シグナル光は可視光であり、アイドラー光は赤外光（より詳細には近赤外光または中赤外光）である。ただし、非線形光学結晶２３の種類は特に限定されるものでない。タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、銀チオガレート（ＡｇＧａＳ２）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）なども採用可能である。
【0023】
なお、本明細書において化合物が化学量論的組成式によって表現されている場合、その化学量論的組成式は代表例に過ぎない。組成比は非化学量論的であってもよい。たとえば、ニオブ酸リチウムが「ＬｉＮｂＯ３」と表現されている場合、特に断りのない限り、ニオブ酸リチウムは「Ｌｉ／Ｎｂ／Ｏ＝１／１／３」の組成比に限定されず、任意の組成比でＬｉ、ＮｂおよびＯを含み得る。他の化合物についても同様である。
【0024】
量子光学系２は、非線形光学結晶２３に代えて擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matched）デバイス（図示せず）を含んでもよい。ＱＰＭデバイスは、チャープ型の素子であってもよいし、ファン型の素子であってもよい。適切な材料および適切な分極反転周期の非線形光学結晶を含むＱＰＭデバイスを採用することによって、広い波長域の全域にわたってフラットな強度分布を有するアイドラー光を発生させることができる。その結果、赤外吸収分光が可能な波長域を広げることができる。あるいは、量子光学系２は、非線形光学結晶２３に代えてリング共振器または光導波路（いずれも図示せず）を含んでもよい。
【0025】
ダイクロイックミラー２２２は、非線形光学結晶２３と移動ミラー２５との間、かつ、非線形光学結晶２３と固定ミラー２６との間に配置されている。ダイクロイックミラー２２２は、この例では可視光を透過し、赤外光を反射する。可視域のシグナル光は、ポンプ光とともにダイクロイックミラー２２２を透過して固定ミラー２６に向かう。一方、赤外域のアイドラー光は、ダイクロイックミラー２２２で反射して移動ミラー２５に向かう。ダイクロイックミラー２２２は、赤外光を透過し、可視光を反射するものであってもよい。
【0026】
レンズ２１２は、ダイクロイックミラー２２２と試料ホルダ２４との間に配置されている。レンズ２１２は、ダイクロイックミラー２２２で反射したアイドラー光を平行光にする。レンズ２１３は、ダイクロイックミラー２２２と固定ミラー２６との間に配置されている。レンズ２１３は、ダイクロイックミラー２２２を透過したポンプ光およびシグナル光を平行光にする。
【0027】
試料ホルダ２４は、非線形光学結晶２３と移動ミラー２５との間に配置されている。試料ホルダ２４は、試料（図中、ＳＰで示す）を保持する。試料ホルダ２４の材料には、アイドラー光（この例では赤外光）に対して透明な材料が用いられている。アイドラー光は、試料に照射され、その透過光が移動ミラー２５に向かう。
【0028】
移動ミラー２５は、アイドラー光の伝搬方向に沿って移動するように構成されている。具体的には、移動ミラー２５には駆動装置２５０が設けられている。駆動装置２５０は、たとえば、コントローラ４からの制御指令に従って機械的に変位する電動アクチュエータ（サーボモータ、ステッピングモータなど）である。駆動装置２５０は、コントローラ４からの印加電圧に応じて変位する圧電デバイス（ピエゾ素子）であってもよい。駆動装置２５０を用いて移動ミラー２５の位置を周期的に変化させる（移動ミラー２５を往復運動させる）ことによってアイドラー光路が掃引される。
【0029】
移動ミラー２５は、好ましくは平面ミラーであって、試料を透過したアイドラー光を反射する。反射したアイドラー光は、ダイクロイックミラー２２２でさらに反射して非線形光学結晶２３に戻る。アイドラー光は、非線形光学結晶２３を通過するが、ダイクロイックミラー２２１で反射するので、光検出器３には到達しない。
【0030】
なお、アイドラー光の伝搬方向に沿って移動する移動ミラー２５に代えて、シグナル光の伝搬方向に沿って移動する移動ミラーが設けられていてもよい。すなわち、アイドラー光路およびシグナル光路のどちらが掃引されてもよい。
【0031】
この例では、移動ミラー２５の移動によって量子干渉の位相が変調される。しかし、量子干渉の位相の変調は、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）などの位相変調器（図示せず）により実現されてもよい。量子光学系２は、移動ミラー２５に代えてまたは加えて位相変調器を含んでもよい。たとえば、移動ミラー２５を用いて位相を相対的に粗く変調させた上で、位相変調器を用いて位相を微細に変調させてもよい。
【0032】
固定ミラー２６は、たとえば平面ミラーであって、各々ダイクロイックミラー２２２を透過したポンプ光およびシグナル光を反射する。ポンプ光の反射光およびシグナル光の反射光は、ダイクロイックミラー２２２を再び透過して非線形光学結晶２３に戻る。ポンプ光は、非線形光学結晶２３を通過するが、ダイクロイックミラー２２１で反射する。一方、シグナル光は、非線形光学結晶２３を通過し、ダイクロイックミラー２２１も透過する。なお、固定ミラー２６は凹型ミラーであってもよい。この場合、レンズ２１３を省略できる。
【0033】
レンズ２１４は、ダイクロイックミラー２２１と光検出器３との間に配置されている。レンズ２１４は、ダイクロイックミラー２２１を透過したシグナル光を集光し、集光したシグナル光を光検出器３に出力する。
【0034】
光検出器３は、マルチピクセル型であって、たとえば２次元アレイ状に配列した複数のピクセルを含む（図６参照）。光検出器３は、シリコンベースであって、可視光（および近赤外光の一部）を分光可能な光学特性を有する。具体的には、光検出器３は、ＣＣＤ(Charged-Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサなどである。この例ではｓＣＭＯＳ（scientific ＣＭＯＳ）イメージセンサが用いられる。光検出器３は、コントローラ４からの制御指令に応答してシグナル光を検出する。そして、光検出器３は、複数のピクセルの各々によるシグナル光子の検出数を示す信号を出力する。以下、アイドラー光路の掃引（移動ミラー２５の往復運動）に伴うシグナル光子の検出数の変化を示す信号波形を「インターフェログラム」（量子干渉波形）と称する。
【0035】
コントローラ４は、プロセッサ４０１と、メモリ４０２と、ストレージ４０３とを含む。プロセッサ４０１は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＭＰＵ（Micro-Processing Unit）である。メモリ４０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性メモリである。ストレージ４０３は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリなどの書き換え可能な不揮発性メモリである。ストレージ４０３には、ＯＳ（Operating System）を含むシステムプログラムと、制御演算に必要なコンピュータ読み取り可能なコードを含む制御プログラムとが格納されている。プロセッサ４０１は、ストレージ４０３に格納されたシステムプログラムおよび制御プログラムを読み出してメモリ４０２に展開して実行する。
【0036】
なお、本明細書において、「プロセッサ」は、ストアードプログラム方式で処理を実行する狭義のプロセッサに限られず、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードワイヤード回路を含み得る。そのため、「プロセッサ」との用語は、コンピュータ読み取り可能なコードおよび／またはハードワイヤード回路によって予め処理が定義されている、処理回路（processing circuitry）と読み替えることもできる。
【0037】
コントローラ４は、量子吸収分光システム１００内の機器（レーザ光源１および駆動装置２５０）を制御する。また、コントローラ４は、量子吸収分光を実現するための各種演算処理を実行する。より具体的には、コントローラ４は、光検出器３からのシグナル光子の検出数を示す信号（検出信号）に基づいて試料の赤外吸収分光特性を算出する。
【0038】
入力機器５は、キーボード、マウスなどであって、後述する各種測定を実施する測定者の入力操作を受け付ける。出力機器６は、たとえばディスプレイであって、様々な情報（コントローラ４による演算処理の結果など）を表示する。これにより、試料のフーリエスペクトルなどの赤外吸収分光特性を測定者が確認できる。
【0039】
＜測定原理＞
図２は、量子吸収分光の原理を説明するための概念図である。図１では、ポンプ光の光路中に非線形光学結晶２３が１つだけ配置された構成を説明した。図２では、測定原理の理解を容易にするため、ポンプ光の光路中に２つの非線形光学結晶が配置された構成を例に説明する。２つの非線形光学結晶を第１の結晶２３１および第２の結晶２３２と記載する。
図２は、量子吸収分光の原理を説明するための概念図である。図１では、ポンプ光の光路中に非線形光学結晶２３が１つだけ配置された構成を説明した。図２では、測定原理の理解を容易にするため、ポンプ光の光路中に２つの非線形光学結晶が配置された構成を例に説明する。２つの非線形光学結晶を第１の結晶２３１および第２の結晶２３２と記載する。
【0040】
レーザ光源１からのポンプ光を第１の結晶２３１に照射すると、第１の結晶２３１におけるＳＰＤＣにより、エネルギーが相対的に大きい１つの光子が、エネルギー保存則を満たしつつ、エネルギーがより小さい２つの光子に分かれる。図２に示す例では、１つの可視光子（ポンプ光子）から、１つの可視光子（シグナル光子）と１つ赤外光子（アイドラー光子）との量子もつれ光子対が発生する。第２の結晶２３２へのポンプ光の照射によって様に、１つの可視光子と１つ赤外光子との量子もつれ光子対が発生する。この例では、量子もつれ光子対のうちの可視光子の進行方向に光検出器３が配置されている。
【0041】
第１の結晶２３１により量子もつれ光子対が発生する事象（以下、「第１の物理過程」と呼ぶ）と、第２の結晶２３２により量子もつれ光子対が発生する事象（以下、「第２の物理過程」と呼ぶ）との間で量子干渉が起こる。より詳細には、第１の物理過程を表す確率振幅と第２の物理過程を表す確率振幅とを足し合わせた場合に、上記２つの確率振幅が同位相であれば第１の物理過程と第２の物理過程とが強め合う一方で、上記２つの確率振幅が逆位相であれば第１の物理過程と第２の物理過程とが打ち消し合う（量子干渉効果）。以下では、第１の物理過程と第２の物理過程とが打ち消し合う破壊的干渉を例に説明する。ただし、量子光学系２は、第１の物理過程と第２の物理過程とが強め合う建設的干渉を起こすように構成されていてもよい。
【0042】
赤外吸収体である試料がアイドラー光路に配置されていない場合、第１の物理過程と第２の物理過程との見分けが付かず、第１の物理過程と第２の物理過程とが量子干渉を起こす（この例では打ち消し合う）。この場合、第２の結晶２３２よりも後段では、量子もつれ光子対が発生していないように観測される。つまり、シグナル光（可視光子）が光検出器３により検出されることはない。これに対し、試料がアイドラー光路に配置されている場合には、アイドラー光が試料に吸収される。そうすると、第１の物理過程と第２の物理過程との見分けが付くことになり、第１の物理過程と第２の物理過程との間の量子干渉が不完全になる。その結果、シグナル光が光検出器３により検出される。
【0043】
このように、量子吸収分光においては、量子もつれ光子対のうちの一方の可視光子（シグナル光子）を光検出器３により検出することで、もう一方の赤外光子（アイドラー光子）が試料により吸収されたと判定することが可能である。
【0044】
＜演算処理＞
図３は、コントローラ４による演算処理を概略的に説明するための機能ブロック図である。コントローラ４は、制御部４１と、インターフェログラム生成部４２と、建設的積算処理部４３と、フーリエ変換部４４と、第１記憶部４５と、第２記憶部４６と、透過率算出部４７と、吸収スペクトル算出部４８と、出力部４９とを含む。
図３は、コントローラ４による演算処理を概略的に説明するための機能ブロック図である。コントローラ４は、制御部４１と、インターフェログラム生成部４２と、建設的積算処理部４３と、フーリエ変換部４４と、第１記憶部４５と、第２記憶部４６と、透過率算出部４７と、吸収スペクトル算出部４８と、出力部４９とを含む。
【0045】
マルチピクセル型の光検出器３では、典型的には複数のピクセルが２次元アレイ状に配列している。以下、行方向にｍ番目に配列され、かつ列方向にｎ番目に配列されたピクセルをピクセル（ｍ，ｎ）と記載する（ただし、１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）。シグナル光路とアイドラー光路との間の光路長差をｘと記載する。
【0046】
制御部４１は、量子吸収分光システム１００内の機器を制御する。より具体的には、制御部４１は、レーザ光の出力（レーザパワー）が設定値になるようにレーザ光源１を制御する。測定中のレーザパワーは基本的に一定に維持される。また、制御部４１は、移動ミラー２５が移動（往復運動）するように駆動装置２５０を制御する。
【0047】
インターフェログラム生成部４２は、光検出器３に含まれる複数のピクセルの各々からのシグナル光の検出信号に基づいて、各ピクセルのインターフェログラムを生成する。より詳細には、移動ミラー２５の往復運動により、シグナル光路とアイドラー光路との間の光路長差ｘが周期的に変化する。各ピクセルからのシグナル光の検出信号は光路長差ｘの関数である。ピクセル（ｍ，ｎ）の検出信号から生成されるインターフェログラムをｉ（ｘ，ｍ，ｎ）と記載する。インターフェログラム生成部４２は、複数のピクセルの各々について、当該ピクセルのインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）を建設的積算処理部４３に出力する。
【0048】
単に、複数のピクセルの各々から生成されたインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）を全てのピクセル（１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）について空間的に積算することによって、光検出器３全体のインターフェログラムＩ（ｘ）を算出することも考えられる。しかしながら、前述のように、Ｑ－ＦＴＩＲでは量子光学系２における様々な誤差要因（ピクセル間での光路長差ｘの差異、波数間での光路長差ｘの差異、光学素子および試料による波長分散の影響など）が存在する。そのため、ピクセル間でインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）が打ち消し合い、インターフェログラムＩ（ｘ）の強度（パワースペクトルに対応する量子干渉の振幅）が減少し得る。そこで、本実施の形態において、建設的積算処理部４３は、ピクセル間でのインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の打ち消し合いを避けるための演算処理を実行する。
【0049】
図４は、建設的積算処理部４３による演算処理を詳細に説明するための機能ブロック図である。建設的積算処理部４３は、たとえば、ピクセル判定部４３１と、位相合わせ部４３２と、空間積算処理部４３３と、記憶部４３４とを含む。
【0050】
ピクセル判定部４３１は、ピクセル（ｍ，ｎ）ごとに、インターフェログラム生成部４２から受けたインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）を位相合わせ部４３２による後述の処理（以下、「位相合わせ処理」とも称する）の対象とするかどうかを判定する。量子光学系２内の迷光、光検出器３のダークノイズなどにより、シグナル光子が検出されていないピクセルからも一定レベルを超える検出信号が発生し得る。ピクセル判定部４３１は、そのようなピクセルからのインターフェログラムを位相合わせ処理の対象から外すための判定処理を実行する。ピクセル判定部４３１は、たとえば、ピクセル（ｍ，ｎ）ごとに、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の最大信号強度（シグナル光子の最大検出数）が閾値ｉｔｈ（本開示に係る「第１閾値」に相当）よりも大きいかどうかを判定する（下記式（１）参照）。
【数1】
【0051】
図５は、ピクセル判定部４３１による判定処理の概念図である。横軸は光路長差ｘを表し、縦軸は信号強度を表す。ピクセル判定部４３１は、最大信号強度が閾値ｉｔｈよりも大きいピクセルからのインターフェログラムを位相合わせ処理の対象とする一方で、最大信号強度が閾値ｉｔｈ以下のピクセルからのインターフェログラムについては位相合わせ処理の対象から外す。
【0052】
以下、インターフェログラムが位相合わせ処理の対象と判定されたピクセルを「対象ピクセル」と称する。対象ピクセルは、この例では、行方向にｍｍｉｎからｍｍａｘまでの範囲内に配列され、かつ、列方向にｎｍｉｎからｎｍａｘまでの範囲内に配列されたピクセルである。ピクセル判定部４３１は、複数の対象ピクセルの各々のインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）（ただし、ｍｍｉｎ≦ｍ≦ｍａｘ，ｎｍｉｎ≦ｎ≦ｎｍａｘ）を位相合わせ部４３２に出力する。
【0053】
図６は、建設的積算処理部４３による演算処理の概念図である。波形Ａには、列方向に並んだ３つの対象ピクセル（ｍ，ｎ），（ｍ，ｎ＋１），（ｍ，ｎ＋２）から生成される３つのインターフェログラムが示されている。これらのインターフェログラムの間では位相がずれていることが分かる。
【0054】
図４に戻り、位相合わせ部４３２は、複数の対象ピクセルからのインターフェログラムの間で互いにずれた位相を低減して理想的には位相を合わせる（揃える、一致させる）。位相合わせ部４３２は、たとえば、位相スペクトル算出部４３２ａと、波数域判定部４３２ｂと、畳み込み演算部４３２ｃとを含む。
【0055】
位相スペクトル算出部４３２ａは、対象ピクセルごとに、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）のフーリエ変換を実施することによってインターフェログラムの位相スペクトルφ（ν，ｍ，ｎ）（ν：波数）を算出する。具体的には、下記式（２）に示すように、複素平面での角度（位相角）を算出するアングル関数が用いられる。位相スペクトル算出部４３２ａは、複数の対象ピクセル（ｍ，ｎ）の各々のインターフェログラムの位相スペクトルφ（ν，ｍ，ｎ）をインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）とともに波数域判定部４３２ｂに出力する。
【数2】
【0056】
波数域判定部４３２ｂは、波数νごとに（または所定幅の波数域ごとに）、当該波数を位相合わせ処理の対象とするかどうかを判定する。波数域判定部４３２ｂは、たとえば、波数νごとに、フーリエ変換されたインターフェログラムの絶対値（スペクトル強度）が閾値ｓｔｈ（本開示に係る「第２閾値」に相当）よりも大きいかどうかを判定する（下記式（３）参照）。
【数3】
【0057】
図７は、波数域判定部４３２ｂによる判定処理の概念図である。横軸は波数νを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。
【0058】
波数域判定部４３２ｂは、スペクトル強度が閾値ｓｔｈよりも大きい波数域（式（３）を満たす波数域）を位相合わせ処理の対象と判定する一方で、スペクトル強度が閾値ｓｔｈ以下の波数域（下記式（３）を満たさない波数域）については位相合わせ処理の対象でないと判定する。以下、位相合わせ処理の対象と判定された波数域を「対象波数域」と称する。
【0059】
この例では、波数域判定部４３２ｂは、対象波数域に関する情報を位相スペクトルφ’（ν，ｍ，ｎ）に持たせる。位相スペクトルφ’（ν，ｍ，ｎ）とは、下記式（４）のように位相スペクトルφを再定義することで得られるパラメータである。
【数4】
【0060】
波数域判定部４３２ｂは、式（３）を満たす波数について、位相スペクトルφ’として位相スペクトルφを使用する。つまり、式（３）を満たす波数については位相がφだけ変化させられる。これに対し、波数域判定部４３２ｂは、式（３）を満たさない波数については位相スペクトルφ’（位相スペクトルの位相値）に０［ｒａｄ］を設定する。これは、式（３）を満たさない波数については位相が維持されることを意味する。
【0061】
図４に戻り、波数域判定部４３２ｂは、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）とともに位相スペクトルφ’を畳み込み演算部４３２ｃに出力する。波数域判定部４３２ｂは、位相スペクトルφ’を記憶部４３４に記憶させてもよい。複数の測定が行なわれ、位相スペクトルφ’が変化しない場合（同一条件下で繰り返し測定する場合、バックグラウンドを測定する場合など）には、波数域判定部４３２ｂは以下のようにしてもよい。波数域判定部４３２ｂは、第１の測定において位相スペクトルφ’を記憶部４３４に記憶させる。そして、波数域判定部４３２ｂは、第２の測定以降では式（３）および式（４）の演算処理を省略し、記憶部４３４に記憶された位相スペクトルφ’を畳み込み演算部４３２ｃに出力する。これにより、コントローラ４の演算負荷を低減できる。なお、記憶部４３４はストレージ４０３（図１参照）により実装される。
【0062】
図８は、畳み込み演算部４３２ｃによる畳み込み演算の概念図である。図８に示すように、畳み込み演算部４３２ｃは、位相スペクトルφ’をフィルタ（カーネル）として用いてインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の二次元畳み込み演算を行う（下記式（５）参照）。＊は畳み込み演算を意味する。Ｆ［］は、引数となっている関数の逆フーリエ変換関数である。ｉは虚数単位である。ｒｅａｌ（）は、複素数の実部を取得することを意味する。この例ではストライドは１である。
【数5】
【0063】
式（５）を下記式（６）のように表現してもよい。
【数6】
【0064】
量子光学系２における様々な誤差要因に起因してインターフェログラムの位相に進みまたは遅れが生じる。このような位相の進み／遅れが位相スペクトルφ’（ν，ｍ，ｎ）による畳み込み演算により補償される。より具体的には、位相スペクトルφ’（ν，ｍ，ｎ）では、位相の進み／遅れが大きいピクセルほど、その値（重み付け）が大きい。位相の進み／遅れに応じた重み係数が与えられた平滑化フィルタとして位相スペクトルφ’（ν，ｍ，ｎ）が機能することにより、図６の波形Ｂに示すように、対象ピクセル間でインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の位相差が低減され、好ましくは位相が合う。畳み込み演算部４３２ｃは、位相合わせが行われたインターフェログラムｉ’（ｘ，ｍ，ｎ）を空間積算処理部４３３に出力する。
【0065】
空間積算処理部４３３は、位相合わせが行われたインターフェログラムｉ’（ｘ，ｍ，ｎ）を全ての対象ピクセルについて足し合わせる（空間積算する）ことによってインターフェログラムＩ（ｘ）を算出する（下記式（７）参照）。
【数7】
【0066】
空間積算の結果、図６の波形Ｃに示されるようなインターフェログラムＩ（ｘ）が得られる。空間積算処理部４３３は、インターフェログラムＩ（ｘ）をフーリエ変換部４４に出力する。
【0067】
図３を再び参照して、フーリエ変換部４４は、インターフェログラムＩ（ｘ）をフーリエ変換する。試料が試料ホルダ２４に配置された状態と、試料が試料ホルダ２４に配置されていない状態との両方でインターフェログラムＩ（ｘ）が取得される。試料が試料ホルダ２４に配置された状態で取得されるインターフェログラムＩ（ｘ）のフーリエ変換により得られるフーリエスペクトルを「Ａｓ（ω）」（ω：角周波数）と記載する。一方、試料が試料ホルダ２４に配置されていない状態で取得されるインターフェログラムＩ（ｘ）のフーリエ変換により得られるフーリエスペクトルを「Ａｓ
０（ω）」と記載する。フーリエ変換部４４は、フーリエスペクトルＡｓ（ω）を第１記憶部４５および出力部４９に出力し、フーリエスペクトルＡｓ
０（ω）を第２記憶部４６に出力する。
【0068】
第１記憶部４５は、試料が試料ホルダ２４に配置された状態でのフーリエスペクトルＡｓ（ω）を不揮発的に記憶する。第２記憶部４６は、試料が試料ホルダ２４に配置されていない状態でのフーリエスペクトルＡｓ０（ω）を不揮発的に記憶する。記憶されたフーリエスペクトル（Ａｓ（ω）またはＡｓ０（ω））は、透過率算出部４７により適宜読出される。なお、第１記憶部４５および第２記憶部４６はストレージ４０３（図１参照）により実装される。
【0069】
透過率算出部４７は、フーリエスペクトルＡｓ（ω）およびフーリエスペクトルＡｓ
０（ω）に基づいて、試料の複素透過率スペクトルτ（ω）を算出する。なお、位相合わせ処理により試料自体の位相情報は失われる。そのため、複素透過率スペクトルτ（ω）は、本来の、試料の波長分散が含むものではなく、試料の振幅透過率またはエネルギー透過率を示すものである。透過率算出部４７は、複素透過率スペクトルτ（ω）の算出結果を吸収スペクトル算出部４８および出力部４９に出力する。
【0070】
吸収スペクトル算出部４８は、試料の複素透過率スペクトルτ（ω）に基づいて試料の赤外吸収スペクトルＤ（ω）を算出する。吸収スペクトル算出部４８は、赤外吸収スペクトルＤ（ω）の算出結果を出力部４９に出力する。
【0071】
出力部４９は、コントローラ４による演算結果、すなわち、試料のフーリエスペクトルＡｓ（ω）、複素透過率スペクトルτ（ω）および赤外吸収スペクトルＤ（ω）を出力機器６に表示させる。これらの算出手法の詳細については特許文献１を参照できる。
【0072】
＜処理フロー＞
図９は、本実施の形態に係る量子吸収分光方法の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、予め定められた条件の成立時（たとえば入力機器５が測定者の操作を受け付けた場合）に実行される。各ステップは、基本的にはコントローラ４によるソフトウェア処理により実現されるが、コントローラ４内に配置されたハードウェア（電気回路）により実現されてもよい。以下、ステップをＳと略す。なお、アイドラー光路に配置された試料ホルダ２４に試料が設置されている状況を想定する。
図９は、本実施の形態に係る量子吸収分光方法の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、予め定められた条件の成立時（たとえば入力機器５が測定者の操作を受け付けた場合）に実行される。各ステップは、基本的にはコントローラ４によるソフトウェア処理により実現されるが、コントローラ４内に配置されたハードウェア（電気回路）により実現されてもよい。以下、ステップをＳと略す。なお、アイドラー光路に配置された試料ホルダ２４に試料が設置されている状況を想定する。
【0073】
Ｓ１において、コントローラ４は、ポンプ光の出力を開始するようにレーザ光源１を制御する。
【0074】
Ｓ２において、コントローラ４は、移動ミラー２５が高速での往復運動を開始（または継続）するように、移動ミラー２５に設けられた駆動装置２５０を制御する。
【0075】
Ｓ３において、コントローラ４は、光検出器３に含まれる複数のピクセルの各々からシグナル光子の検出信号を取得する。
【0076】
Ｓ４において、コントローラ４は、移動ミラー２５の往復運動を終了する条件が成立したかどうかを判定する。コントローラ４は、たとえば、規定回数または規定時間の間、移動ミラー２５を往復させた場合に終了条件が成立したと判定する。終了条件が成立していない場合（Ｓ４においてＮＯ）、コントローラ４は処理をＳ３に戻す。これにより、規定回数または規定時間のデータが取得されるまでＳ２，Ｓ３の処理が繰り返される。終了条件が成立すると（Ｓ４においてＹＥＳ）、コントローラ４は処理をＳ５に進める。
【0077】
Ｓ５において、コントローラ４は、移動ミラー２５の往復運動を停止するように、移動ミラー２５の駆動装置２５０を制御する。
【0078】
Ｓ６において、コントローラ４は、ポンプ光の出力を停止するようにレーザ光源１を制御する。
【0079】
Ｓ７において、コントローラ４は、ピクセルごとに、シグナル光子の検出信号に基づいてインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）を生成する。
【0080】
Ｓ８において、コントローラ４は、ピクセルごとに生成されたインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）に対する積算処理を実行する。
【0081】
図１０は、積算処理の処理手順を示すフローチャートである。Ｓ８０１において、コントローラ４は、ピクセル（ｍ，ｎ）ごとに、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の最大信号強度が閾値ｉｔｈよりも大きいかどうかを判定する（式（１）参照）。閾値ｉｔｈは、たとえば、量子光学系２の構成に応じて予め定められた固定値であるが、測定条件（レーザ光源１のレーザパワー、光検出器３のゲインなど）に応じて調整される可変値であってもよい。
【0082】
インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の最大信号強度が閾値ｉｔｈよりも大きい場合（Ｓ８０１においてＹＥＳ）、コントローラ４は、当該ピクセルを対象ピクセルと判定する（Ｓ８０２）。一方、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の最大信号強度が閾値ｉｔｈ以下である場合（Ｓ８０１においてＮＯ）、コントローラ４は、当該ピクセルを対象ピクセルでないと判定する（Ｓ８０３）。全てのピクセルに対する判定処理が終了すると、コントローラ４は処理をＳ８０４に進める。
【0083】
なお、ここでは、複数のピクセルの各々から取得されるインターフェログラムの最大信号強度に基づいて判定される例を説明した。最大信号強度は、本開示に係る「信号強度」の一例に過ぎず、他のパラメータが用いられてもよい。たとえば、２以上の規定数のインターフェログラムの平均信号強度（規定数のピクセルによるシグナル光子の検出数の平均値）が用いられ得る。あるいは、各ピクセルのインターフェログラムから算出される量子干渉の明瞭度（visibility）Ｖ＝（ｉｍａｘ－ｉｍｉｎ）／（ｉｍａｘ＋ｉｍｉｎ）を「信号強度」として用いてもよい（ただし、ｉｍａｘ：検出光子数の最大値、ｉｍｉｎ：検出光子数の最小値）。また、最大信号強度、平均信号強度、明瞭度のうちのいずれか２つまたは３つ全部を併用してもよい。
【0084】
Ｓ８０４において、コントローラ４は、対象ピクセルごとに、インターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）のフーリエ変換により位相スペクトルφ（ν，ｍ，ｎ）を算出する（式（２）参照）。フーリエ変換では窓関数をかけてもよい。窓間数としては、たとえば、ハップ・ゲンゼル（Happ-Genzel）窓または三角窓を用いてもよい。
【0085】
Ｓ８０５において、コントローラ４は、波数νごとに、スペクトル強度が閾値ｓｔｈよりも大きいかどうかを判定する（式（３）参照）。なお、閾値ｓｔｈに関しても、量子光学系２の機器構成に応じて予め定められた固定値であってもよいし、測定条件に応じて調整される可変値であってもよい。
【0086】
スペクトル強度が閾値ｓｔｈよりも大きい場合（Ｓ８０５においてＹＥＳ）、コントローラ４は、当該波数を対象波数域内であると判定する（Ｓ８０６）。一方、スペクトル強度が閾値ｓｔｈ以下である場合（Ｓ８０５においてＮＯ）、コントローラ４は、当該波数を対象波数域外であると判定する（Ｓ８０７）。全ての波数νに対する判定処理が終了すると、コントローラ４は、式（４）に従って再定義される位相スペクトルφ’を算出する（Ｓ８０８）。
【0087】
Ｓ８０９において、コントローラ４は、対象ピクセルごとに、位相スペクトルφ’を用いてインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の畳み込み演算を行う（式（５）または式（６）参照）。これにより、対象ピクセル間での位相合わせが実現される。
【0088】
Ｓ８１０において、コントローラ４は、位相合わせが行われたインターフェログラムｉ’（ｘ，ｍ，ｎ）を全ての対象ピクセルについて空間積算する（式（７）参照）。これにより、全ての対象ピクセルに関するインターフェログラムＩ（ｘ）が得られる。
【0089】
図９に戻り、コントローラ４は、続くＳ９～Ｓ１１の処理において、試料の赤外吸収分光特性を示す各種スペクトルを算出する。これらの処理については概略的に説明する。各処理の詳細については特許文献１が参照される。
【0090】
Ｓ９において、コントローラ４は、試料がアイドラー光路に配置された状態でのインターフェログラムＩ（ｘ）をフーリエ変換することによってフーリエスペクトルＡｓ（ω）を算出する。
【0091】
Ｓ１０において、コントローラ４は、試料がアイドラー光路に配置されていない状態でのフーリエスペクトルＡｓ
０（ω）と、試料がアイドラー光路に配置された状態でのフーリエスペクトルＡｓ（ω）との比を算出することで、試料の複素透過率スペクトルτ（ω）を算出する。なお、フーリエスペクトルＡｓ
０（ω）は、事前のバックグラウンド測定により取得されている。
【0092】
Ｓ１１において、コントローラ４は、試料の複素透過率スペクトルτ（ω）の絶対値の２乗を算出することで、試料の赤外吸収スペクトルＤ（ω）を算出する。
【0093】
Ｓ１２において、コントローラ４は、Ｓ９～Ｓ１１の処理による赤外吸収分光特性の算出結果を表示するように出力機器６を制御する。
【0094】
以上のように、本実施の形態では、建設的積算処理において、空間的積算処理に先立って位相合わせ処理が実行される。複数の対象ピクセルのインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の位相を合わせることによって、対象ピクセル間でのインターフェログラムｉ（ｘ，ｍ，ｎ）の打ち消し合いが抑制される。その結果、空間積算により得られるインターフェログラムＩ（ｘ）の強度が十分に増大する。量子吸収分光システム１００における主要なノイズはショットノイズである。たとえば（Ｍ×Ｎ）個全てのピクセルからの検出信号が等しいと仮定すると、建設的積算処理の結果、空間積算後のインターフェログラムＩ（ｘ）の強度が（Ｍ×Ｎ）倍に増大するのに対し、ショットノイズの大きさは√（Ｍ×Ｎ）倍にしか増大しない。したがって、量子吸収分光システム１００のＳＮ比は√（Ｍ×Ｎ）倍だけ改善される。よって、本実施の形態によれば、Ｑ－ＦＴＩＲの測定精度を向上させることができる。
【0095】
別の見方をすると、同程度の測定精度を実現すればよいのであれば、インターフェログラムの打ち消し合いを生じさせ得る量子光学系２の構成部品に対する要求精度を低くすることが可能になる。たとえば、光学素子（移動ミラー２５、固定ミラー２６、レンズ２１１～２１４など）の反射／透過波面の加工精度を低くすることが許容され得る。また、光学素子のアライメント（移動ミラー２５と固定ミラー２６との相対的な傾きなど）の制御精度を低くすることも許容され得る。よって、量子光学系２の実装が容易になるとともに部材コストを低減できる。
【0096】
［態様］
上記の例示的な実施形態は以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
上記の例示的な実施形態は以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【0097】
＜第１項＞
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成された量子光学系（２）と、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、各々が前記シグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む光検出器（３）と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するプロセッサ（４０１）とを備え、
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させ、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算し、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム（１００）。
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるように構成された量子光学系（２）と、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、各々が前記シグナル光子を検出し、その検出信号を出力する複数のピクセルを含む光検出器（３）と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するプロセッサ（４０１）とを備え、
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させ、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算し、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム（１００）。
【0098】
＜第２項＞
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルの各々について、前記インターフェログラムのフーリエ変換により前記インターフェログラムの位相スペクトルを算出し、
前記位相スペクトルによる前記インターフェログラムの畳み込み演算により、前記複数のピクセルの間で前記位相差を低減させる、第１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルの各々について、前記インターフェログラムのフーリエ変換により前記インターフェログラムの位相スペクトルを算出し、
前記位相スペクトルによる前記インターフェログラムの畳み込み演算により、前記複数のピクセルの間で前記位相差を低減させる、第１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0099】
＜第３項＞
前記複数のピクセルは、二次元アレイ状に配列され、
前記プロセッサ（４０１）は、前記位相スペクトルをフィルタとして用いて前記インターフェログラムの二次元畳み込み演算を行うことによって、前記複数のピクセルの間で前記位相差を低減させる、第２項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記複数のピクセルは、二次元アレイ状に配列され、
前記プロセッサ（４０１）は、前記位相スペクトルをフィルタとして用いて前記インターフェログラムの二次元畳み込み演算を行うことによって、前記複数のピクセルの間で前記位相差を低減させる、第２項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0100】
第１項～第３項によれば、量子光学系における様々な誤差要因に起因して生じるインターフェログラムの位相の進み／遅れが位相差の低減（より具体的には位相スペクトルによる畳み込み演算）により補償される。これにより、インターフェログラムを複数のピクセルについて空間的に積算する際にピクセル間でのインターフェログラムの打ち消し合いが抑制される。したがって、積算されたインターフェログラムの強度が十分に大きくなる。よって、量子吸収分光システムの測定精度を向上させることができる。
【0101】
＜第４項＞
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が第１閾値よりも高いピクセルについて、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象とする一方で、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が前記第１閾値よりも低いピクセルについては、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象としない、第１項～第３項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記プロセッサ（４０１）は、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が第１閾値よりも高いピクセルについて、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象とする一方で、
前記複数のピクセルのうち前記シグナル光子の信号強度が前記第１閾値よりも低いピクセルについては、前記位相差の低減および前記空間的な積算の対象としない、第１項～第３項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0102】
第４項によれば、シグナル光子の信号強度が第１閾値よりも高いピクセルのみが後に続く処理（位相差の低減、空間的な積算など）の対象とされる。これにより、量子光学系内の迷光に起因するノイズ、光検出器のダークノイズなどしか検出していないピクセルから出力されたインターフェログラムが処理に使用されなくなる。よって、量子吸収分光システムの測定精度を一層向上させることができる。
【0103】
＜第５項＞
前記プロセッサ（４０１）は、
前記位相スペクトルのスペクトル強度が第２閾値よりも高い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象とする一方で、
前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象としない、第２項～第４項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記プロセッサ（４０１）は、
前記位相スペクトルのスペクトル強度が第２閾値よりも高い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象とする一方で、
前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数を、前記位相スペクトルを用いた前記位相差の低減の対象としない、第２項～第４項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0104】
＜第６項＞
前記プロセッサ（４０１）は、前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数について、前記位相スペクトルの位相値をゼロに設定する、第５項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記プロセッサ（４０１）は、前記スペクトル強度が前記第２閾値よりも低い波数について、前記位相スペクトルの位相値をゼロに設定する、第５項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0105】
第５項および第６項によれば、スペクトル強度が第２閾値よりも高い波数のみが後に続く処理（位相スペクトルを用いた位相差の低減など）の対象とされる。これにより、量子光学系における誤差要因（光学素子のズレ、波長分散などに起因するノイズ）が低減されるため、量子吸収分光システムの測定精度を一層向上させることができる。
【0106】
＜第７項＞
前記位相スペクトルを記憶するメモリ（４０３）をさらに備え、
前記プロセッサ（４０１）は、
第１の測定において算出された前記位相スペクトルを前記メモリ（４０３）に記憶させ、
前記第１の測定と第２の測定との間で前記位相スペクトルが変化しない場合、前記第２の測定では、前記メモリ（４０３）に記憶された位相スペクトルを用いて前記位相差を低減させる、第２項～第６項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
前記位相スペクトルを記憶するメモリ（４０３）をさらに備え、
前記プロセッサ（４０１）は、
第１の測定において算出された前記位相スペクトルを前記メモリ（４０３）に記憶させ、
前記第１の測定と第２の測定との間で前記位相スペクトルが変化しない場合、前記第２の測定では、前記メモリ（４０３）に記憶された位相スペクトルを用いて前記位相差を低減させる、第２項～第６項のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム（１００）。
【0107】
第７項によれば、第１の測定（試料が設置されていない状態でのバックグラウンド測定であってもよいし、試料が設置された状態での複数回の測定のうちの先の測定であってもよい）と第２の測定（上記バックグラウンド測定に続く試料が設置された状態での測定であってもよいし、上記複数回の測定のうちの後の測定であってもよい）との間で位相スペクトルが変化しない場合には、第２の測定において位相スペクトルを算出することが不要になる。これにより、プロセッサの演算負荷を低減できる。
【0108】
＜第８項＞
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるステップ（Ｓ２）と、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、光検出器（３）に含まれる複数のピクセルの各々から前記シグナル光子の検出信号を取得するステップ（Ｓ３）と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するステップ（Ｓ８～Ｓ１１）とを含み、
前記算出するステップは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させるステップ（Ｓ８０４～Ｓ８０９）と、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算するステップ（Ｓ８１０）と、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出するステップ（Ｓ９～Ｓ１１）とを含む、量子吸収分光方法。
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で起こる量子干渉の位相を変化させるステップ（Ｓ２）と、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、光検出器（３）に含まれる複数のピクセルの各々から前記シグナル光子の検出信号を取得するステップ（Ｓ３）と、
前記複数のピクセルの各々から取得される信号強度の、前記量子干渉の位相の変化に伴う変動を示すインターフェログラムに基づいて、前記試料の吸収分光特性を算出するステップ（Ｓ８～Ｓ１１）とを含み、
前記算出するステップは、
前記複数のピクセルの間で前記インターフェログラムの位相差を低減させるステップ（Ｓ８０４～Ｓ８０９）と、
位相差が低減したインターフェログラムを前記複数のピクセルについて空間的に積算するステップ（Ｓ８１０）と、
積算されたインターフェログラムに基づいて前記吸収分光特性を算出するステップ（Ｓ９～Ｓ１１）とを含む、量子吸収分光方法。
【0109】
第８項によれば、第１項と同様に、量子吸収分光方法の測定精度を向上させることができる。
【0110】
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0111】
１００ 量子吸収分光システム、１ レーザ光源、２ 量子光学系、２１１～２１４ レンズ、２２１，２２２ ダイクロイックミラー、２３ 非線形光学結晶、２３１ 第１の結晶、２３２ 第２の結晶、２４ 試料ホルダ、２５ 移動ミラー、２５０ 駆動装置、２６ 固定ミラー、３ 光検出器、４ コントローラ、４０１ プロセッサ、４０２ メモリ、４０３ ストレージ、４１ 制御部、４２ インターフェログラム生成部、４３ 建設的積算処理部、４３１ ピクセル判定部、４３２ 位相合わせ部、４３２ａ 位相スペクトル算出部、４３２ｂ 波数域判定部、４３２ｃ 積分部、４３３ 空間積算処理部、４３４ 記憶部、４４ フーリエ変換部、４５ 第１記憶部、４６ 第２記憶部、４７ 透過率算出部、４８ 吸収スペクトル算出部、４９ 出力部、５ 入力機器、６ 出力機器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】