特許 7191311 集光機能を有する分光素子を利用した分光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-09

(45)【発行日】2022-12-19

(54)【発明の名称】集光機能を有する分光素子を利用した分光装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20221212BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G01J3/18

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018038277

(22)【出願日】2018-03-05

(65)【公開番号】P2019152768

(43)【公開日】2019-09-12

【審査請求日】2021-03-04

(73)【特許権者】

【識別番号】304020292

【氏名又は名称】国立大学法人徳島大学

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】江本 顕雄

(72)【発明者】

【氏名】西田 翔太

(72)【発明者】

【氏名】田中 絢也

(72)【発明者】

【氏名】油谷 剛

(72)【発明者】

【氏名】福田 隆史

【審査官】中村 和正

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－００５２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１５３５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／２０３５７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０９－０１８８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０３３７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３３８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０９１７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２９６１１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００３８９１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２９１４２５６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０１Ｊ ３／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｘ軸と該Ｘ軸に直交するＹ軸とによって規定されるＸＹ平面上にある回折面を有する、透光性を有する基板からなるバイナリ型の分光素子と、
前記回折面に平行な受光面を有する受光部と、
を備え、
前記回折面の中心は、Ｚ軸に直交する前記ＸＹ平面の原点にあり、
前記回折面は、遮光性を有する層を部分的に設けることにより、または前記基板の厚みを部分的に薄くすることにより形成した、回折格子の役割を果たす複数の帯構造を含み、
前記複数の帯構造は、Ｘ＞０およびＸ＜０のそれぞれの領域において、前記中心からの距離が大きくなるにつれて前記帯構造の幅が減少していき、かつ、Ｘ＞０の領域における前記幅の減少は、Ｘ＜０の領域における前記幅の減少よりも緩やかであり、
前記回折面は、回折光の強度が相対的に強くなる点の前記Ｘ軸方向の位置を該回折光の波長と前記Ｚ軸方向の位置とに基づいて変化させるよう構成されており、
前記受光面は、前記Ｚ軸方向において、前記回折面から予め定められた距離だけ離れて配置されている
ことを特徴とする分光装置。

【請求項2】

前記帯構造のそれぞれが、前記Ｙ軸に平行な直線状を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置。

【請求項3】

前記帯構造のそれぞれが、前記中心を取り囲む環状を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置。

【請求項4】

前記複数の帯構造は、Ｙ＞０およびＹ＜０のそれぞれの領域において、前記中心からの距離が大きくなるにつれて前記帯構造の幅が減少していく
ことを特徴とする請求項３に記載の分光装置。

【請求項5】

前記受光部は、カバーガラス付きのＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラからなり、
前記分光素子は、前記カバーガラスに貼り付けられており、
前記カバーガラスの厚みが前記予め定められた距離に等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定の対象となる光を集光しながら分光する分光素子を利用した分光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

分光測定技術によってもたらされる情報は、現代社会において欠かせないものとなっている。分光測定技術の適用分野は、化学的分析のほか、環境測定および製品開発に関わる検査等の広範囲にわたっている。このため、従来から、各分野における要求を満足するように、様々なタイプの分光装置の開発が進められている。

【0003】

その一例として、図１５に、いわゆる「前分光方式」を採用した分光装置を示す。この方式では、ランプ等の光源からの入射光Ｌ１を回折格子１００で分光し、これにより生じた回折光Ｌ２のうち、遮光板１０１のスリット１０２を透過した特定波長の光（例えば、回折光Ｌ２ａ）だけを測定対象物１０３に入射させ、測定対象物１０３を透過した光を受光部１０４で検出することにより、その特定波長における測定対象物１０３の物性を測定する。この方式によれば、回折格子１００の回転に同期した複数回の測定を行うことにより、波長毎の測定を行うことができる。しかしながら、この方式は、波長毎の測定が時間的に分解されているので、測定に時間がかかることが問題であった。また、この方式は、回折格子１００を回転させる機構が必要なので、装置が大型化することも問題であった。

【0004】

また、別の一例であるいわゆる「後分光方式」では、図１６に示すように、光源からの入射光Ｌ１を測定対象物１０３に入射させ、測定対象物１０３を透過した光Ｌ１’を回折格子１００で分光し、これにより波長毎に空間的に分解された回折光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃのそれぞれをアレイ状に配置された受光部１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃで検出する。この方式によれば、測定対象物１０３の波長毎の物性を同時に測定することができる。また、前分光方式で必要とされる回転機構も不要である。ただし、前分光方式では測定対象物１０３に特定波長の光しか照射されないのに対し、後分光方式では測定対象１０３に常に入射光Ｌ１の全部が照射されるため、入射光Ｌ１に短波長の光が含まれる場合は該短波長の光によって測定対象物１０３が蛍光を発したり、光劣化を起こしたりすることがある。このため、後分光方式では、測定対象物１０３や測定条件に制限がかかる場合がある点に注意が必要である。

【0005】

回折素子としてフレネルレンズを利用した方式も検討されている。フレネルレンズには、図１７（Ａ），（Ｂ）に示した振幅型フレネルレンズ２００および図１７（Ｃ），（Ｄ）に示した位相型フレネルレンズ２０１等がある。前者は、透光性を有する基板の一方の面（回折面）の一部に遮光性を有する材料（例えばクロム）からなる層を設けることにより、回折格子の役割を果たす複数の帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・を形成したものである。また、後者は、透光性を有する基板の一方の面（回折面）の一部を除去して厚みに差を設けることにより、複数の帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・を形成したものである。

【0006】

ここで、波長λにおける焦点距離をｆとした場合、各帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・の幅を決定するために必要な定数ａは、次式で求められる。

【数1】

回折面がＸＹ平面上にある場合、帯構造Ｂ_１，Ｂ_２の境界は、［２］式中のｒと［３］式から求めたｒ_１が一致するときの座標（ｘ，ｙ）によって規定される。つまり、帯構造Ｂ_１，Ｂ_２の境界は、座標（０，０）を中心とした半径ｒ_１（＝ａ）の円を描く。

【数2】

【数3】

また、帯構造Ｂ_２，Ｂ_３の境界は、［２］式中のｒと［３］式から求めたｒ_２が一致するときの座標（ｘ，ｙ）によって規定される。つまり、帯構造Ｂ_２，Ｂ_３の境界は、座標（０，０）を中心とした半径ｒ_２（＝ａ√３）の円を描く。同様に、帯構造Ｂ_３，Ｂ_４の境界は、座標（０，０）を中心とした半径ｒ_３（＝ａ√５）の円を描き、帯構造Ｂ_４，Ｂ_５の境界は、座標（０，０）を中心とした半径ｒ_４（＝ａ√７）の円を描く。

【0007】

これらから明らかなように、回折格子の役割を果たす複数の帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・は、座標（０，０）からの距離が大きくなるにつれて幅が減少する。より詳しくは、帯構造Ｂ_１の幅はａ（＝ｒ_１）であり、帯構造Ｂ_２の幅は約０．７３２ａ（＝ｒ_２－ｒ_１）であり、帯構造Ｂ_３の幅は約０．５０４ａ（＝ｒ_３－ｒ_２）であり、帯構造Ｂ_４の幅は約０．４１０ａ（＝ｒ_４－ｒ_３）である。

【0008】

図１８に、上記のようなフレネルレンズ２００またはフレネルレンズ２０１を利用した、非特許文献１に記載の従来の分光装置を示す。同図に示すように、この装置は、回折面がＸＹ平面上にあるフレネルレンズ２００（２０１）と、Ｚ軸方向に移動可能な台車２０２と、台車２０２に取り付けられた受光部２０４とを備えている。また、台車２０２は、ピンホール付きの遮光板２０３を有している。

【0009】

フレネルレンズ２００（２０１）の焦点は、明確な波長依存性を有している。より詳しくは、フレネルレンズ２００（２０１）が生じさせた回折光Ｌ２のうち、波長が比較的短い光は回折面からの距離Ｚが比較的大きいところで集光し、波長が比較的長い光は回折面からの距離Ｚが比較的小さいところで集光する。したがって、この装置によれば、Ｚ軸方向における台車２０２の位置Ｚｒを調整することにより、ピンホールを通過することができた任意の波長の回折光Ｌ２だけを受光部２０４で検出することができる。

【0010】

図１９に、フレネルレンズ２００（２０１）を利用した、非特許文献２に記載の従来の分光装置を示す。同図に示すように、この装置は、回折面がＸＹ平面上にあるフレネルレンズ２００（２０１）と、位置Ｚｒに固定された受光部２０５とを備えている。また、この装置は、入射光Ｌ１が斜めに入射するように構成されている。

【0011】

この装置では、各波長の回折光Ｌ２が、位置Ｚｒにおいて、Ｘ軸方向またはＹ軸方向にずれた位置で集光する。したがって、この装置によれば、受光部２０５の位置Ｚｒを変えることなく、波長毎に空間的に分解された回折光Ｌ２を同時に検出することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0012】

【文献】Nobuyuki Kitaura, Shiro Ogata and Yuzo Mori, "Spectrometer employing a micro-Fresnel lens," Optical Engineering, 1995, Vol.34, No.2, p.584-588.

【文献】Chenji Zhang, Gong Cheng, Perry Edwards, Ming-Da Zhou, Siyang Zheng and Zhiwen Liu, "G-Fresnel smartphone spectrometer," Lab on a Chip, The Royal Society of Chemistry, 2016, Vol.16, p.246-250.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、非特許文献１に記載の装置は、台車２０２をＺ軸方向に移動させる必要があるため、小型化に不向きであった。また、非特許文献２に記載の装置は、入射光Ｌ１を斜めに入射させる必要があるため、やはり小型化に不向きであった。

【0014】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、装置の小型化に寄与する分光素子を利用した分光装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するために、本発明に係る分光装置は、Ｘ軸と該Ｘ軸に直交するＹ軸とによって規定されるＸＹ平面上にある回折面を有する、透光性を有する基板からなるバイナリ型の分光素子と、回折面に平行な受光面を有する受光部と、を備え、回折面の中心が、Ｚ軸に直交するＸＹ平面の原点にあり、回折面が、遮光性を有する層を部分的に設けることにより、または基板の厚みを部分的に薄くすることにより形成した、回折格子の役割を果たす複数の帯構造を含み、複数の帯構造が、Ｘ＞０およびＸ＜０のそれぞれの領域において、上記中心からの距離が大きくなるにつれて帯構造の幅が減少していき、かつ、Ｘ＞０の領域における幅の減少が、Ｘ＜０の領域における幅の減少よりも緩やかであり、回折面が、回折光の強度が相対的に強くなる点のＸ軸方向の位置を該回折光の波長とＺ軸方向の位置とに基づいて変化させるよう構成されており、受光面は、Ｚ軸方向において、回折面から予め定められた距離だけ離れて配置されていることを特徴とする。

【0016】

上記分光装置を構成する分光素子は、帯構造のそれぞれが、Ｙ軸に平行な直線状を有していてもよいし、上記中心を取り囲む環状を有していてもよい。

【0017】

上記分光装置を構成する分光素子の複数の帯構造は、Ｙ＞０およびＹ＜０のそれぞれの領域において、上記中心からの距離が大きくなるにつれて帯構造の幅が減少していくように構成されていてもよい。

【0019】

上記分光装置は、受光部がカバーガラス付きのＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラからなる場合、分光素子がカバーガラスに貼り付けられており、カバーガラスの厚みが上記予め定められた距離に等しいことが好ましい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、装置の小型化に寄与する分光素子を利用した分光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る分光装置の概略的な構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施例に係る一次元分光素子の平面図である。

【図3】一次元分光素子を備えた分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフである。

【図4】第１実施例に係る一次元分光素子を備えた分光装置による測定の結果を示すグラフである。

【図5】第１実施例に係る一次元分光素子を備えた分光装置による測定の結果と該測定をシミュレートした結果との一致の程度を示すグラフである。

【図6】本発明の第２実施例に係る二次元分光素子の平面図である。

【図7】二次元分光素子を備えた分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフである。

【図8】第２実施例に係る二次元分光素子を備えた分光装置による測定の結果を示すグラフである。

【図9】本発明の第３実施例に係る二次元分光素子を備えた分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフである。

【図10】本発明の第４実施例に係る一次元分光素子を備えた分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフである。

【図11】本発明の第５実施例に係る一次元分光素子を備えた分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフである。

【図12】本発明の第６実施例に係る分光装置による測定をシミュレートした結果を示すグラフであって、（Ａ）は一次元分光素子の全面を使用した場合、（Ｂ）は一次元分光素子の一部を遮光して不使用とした場合である。

【図13】本発明の第６実施例に係る分光装置による別の測定をシミュレートした結果を示すグラフであって、（Ａ）は一次元分光素子の全面を使用した場合、（Ｂ）は一次元分光素子の一部を遮光して不使用とした場合である。

【図14】本発明の変形例に係る分光装置の概略的な構成を示す図である。

【図15】前分光方式を採用した従来の分光装置の概略的な構成を示す図である。

【図16】後分光方式を採用した従来の分光装置の概略的な構成を示す図である。

【図17】代表的なフレネルレンズの構成を示す図であって、（Ａ），（Ｂ）は振幅型フレネルレンズ、（Ｃ），（Ｄ）は位相型フレネルレンズである。

【図18】フレネルレンズを利用した従来の分光装置の概略的な構成を示す図である。

【図19】フレネルレンズを利用した従来の別の分光装置の概略的な構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

まず、図１を参照しながら、本発明に係る分光装置１について説明する。なお、以下の説明において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交するものとする。

【0023】

図１に示すように、分光装置１は、入射光Ｌ１に対応する回折光Ｌ２を生じさせる分光素子２と、回折光Ｌ２を受光するとともに該回折光Ｌ２に対応する電気信号を適当な処理装置４に向けて出力する受光部３とを備えている。

【0024】

分光素子２は、ＸＹ平面上にある回折面２ａを有し、受光部３は、ＸＹ平面上にある受光面３ａを有している。また、回折面２ａを基準とした受光面３ａのＺ軸方向における位置は、Ｚｒである。言い換えると、回折面２ａおよび受光面３ａは、互いに平行であり、かつＺｒだけ離間している。位置Ｚｒは、調整可能になっていることが好ましい。

【0025】

分光素子２は、実施例毎に構成が異なる。ただし、いずれの実施例においても、回折面２ａの中心は、ＸＹ平面の原点（０，０）にあることを基本とするが、必要に応じてＸ軸またはＹ軸方向にオフセットさせてもよい。

【0026】

受光部３は、例えば、ＣＭＯＳカメラまたはＣＣＤカメラからなる。処理装置４は、例えば、ディスプレイ付きのコンピュータ等からなる。また、入射光Ｌ１は、ランプ等の光源からの光であってもよいし、ランプ等の光源からの光を測定対象物に照射したときに生じる透過光または反射光であってもよいし、環境光であってもよい。

【0027】

続いて、図２～図１３を参照しながら、本発明に係る分光素子および該素子を備えた分光装置の実施例について説明する。

【0028】

［第１実施例］
第１実施例では、分光素子２として、図２に示すような複数の帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・および帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・を回折面２ａに形成してなる振幅型の一次元分光素子（フレネルレンズ）を使用した。同図から明らかなように、帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・はＸ＞０の領域にあり、帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・はＸ＜０の領域にある。また、帯構造Ｂ_２ｐ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_４ｐ，Ｂ_４ｎ・・・には、遮光性を有する材料からなる層が設けられているが、帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_１ｎ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_３ｎ・・・には、そのような層は設けられていない。

【0029】

本実施例に係る分光素子２は、波長λ＝５３５ｎｍにおける焦点距離ｆが２３ｍｍになるように、定数ａが８０μｍに設定されている（［１］式参照）。また、帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・および帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・の境界は、［２］式の代わりに使用する［４］式中のｒと［３］式から求めたｒ_ｎとが一致するときの座標（ｘ，０）を通る、Ｙ軸に平行な直線を描く。

【数4】

ここで、Ｎは、帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・および帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・をＹ軸に対して非対称なものとするための非対称変数である。本実施例では、非対称変数Ｎを１５０に設定した。

【0030】

Ｘ＞０の領域では、［４］式中のｒが［５］式によって求められるｒよりもＮｘ^３の項の分だけ大きくなる。一方、Ｘ＜０の領域では、［４］式中のｒが［５］式によって求められるｒよりもＮｘ^３の項の分だけ小さくなる。このため、図２に示すように、Ｘ＞０の領域にある帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・の幅は、Ｘ＜０の領域にある帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・の幅よりも、Ｙ軸から遠ざかるにつれて緩やかに減少していく。

【数5】

【0031】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍである３つの光を使用した。

【0032】

図３に、本実施例に係る分光素子２を使用した測定のシミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）と、非対称変数Ｎを０，７５とした比較例に係る分光素子２を使用した測定のシミュレーション結果（Ａ）～（Ｆ）とを示す。シミュレーション結果を示す各グラフの横軸は、Ｘ軸方向における測定位置（単位はμｍ）を示しており、縦軸は、Ｚ軸方向における測定位置、すなわち図１における位置Ｚｒ（単位はｍｍ）を示している。また、各グラフにおける２．５ｍｍ刻みの１５本の線の振動は、その位置における回折光Ｌ２の強度を示している。なお、Ｙ軸方向における測定位置は０ｍｍである。

【0033】

本実施例におけるシミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）と、比較例におけるシミュレーション結果（Ａ）～（Ｆ）との比較から明らかなように、本実施例によれば、各波長の回折光Ｌ２をＸ＞０の領域に集光することができる。

【0034】

また、本実施例によれば、シミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）の比較から明らかなように、各位置Ｚｒにおいて各波長の回折光Ｌ２の集光点がＸ軸方向に空間的に分離される。例えば、本実施例によれば、図４に示した測定結果から明らかなように、位置Ｚｒ＝１３ｍｍにおいて、Ｘ＝７５０μｍ付近で波長λ＝４５０ｎｍの回折光Ｌ２の強度を選択的に測定することができる。同様に、本実施例によれば、位置Ｚｒ＝１３ｍｍにおいて、波長λ＝５５０ｎｍの回折光Ｌ２の強度をＸ＝４００μｍ付近で選択的に測定することができ、波長λ＝６５０ｎｍの回折光Ｌ２の強度をＸ＝１５０μｍ付近で選択的に測定することができる。

【0035】

なお、図４に示した測定結果は、シミュレーション結果と概ね一致する（図５参照）。ただし、図３および図５を得るためのシミュレーションでは、入射光Ｌ１としての波長λ＝４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍの光の半値幅を無限に小さく設定したのに対し、図４および図５を得るための測定では、入射光Ｌ１としての波長λ＝４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍの光の半値幅を１０ｎｍに設定した。

【0036】

このように、本実施例に係る分光素子２によれば、非常にシンプルな構成でありながら集光機能と分光機能を同時に実現することができる。このため、本実施例に係る分光素子２を使用すれば、集光機能を有していない素子では分光スペクトルを取得し得ないような微弱な入射光Ｌ１の分光計測が可能になる。この効果は、位相型の素子（図１７（Ｃ），（Ｄ）参照）において特に顕著である。

【0037】

また、本実施例に係る分光装置１によれば、回折面２ａに極めて近いところ、言い換えると、位置Ｚｒが極めて小さいところで各波長の回折光Ｌ２がＸ軸方向に分離されるように分光素子２を設計することにより、装置の小型化を実現することができる。

【0038】

なお、図４および図５に示したグラフの横軸は、Ｘ軸方向における測定位置（単位はμｍ）を示しており、縦軸は、無次元の光の強度を示している。図８～図１３に示したグラフについても同様である。

【0039】

［第２実施例］
第２実施例では、分光素子２として、図６に示すような複数の帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・を回折面２ａに形成してなる振幅型の二次元分光素子（フレネルレンズ）を使用した。同図から明らかなように、帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・は、回折面２ａの中心を取り囲む環状を有し、Ｘ軸に対しては対称であるが、Ｙ軸に対しては非対称である。また、帯構造Ｂ_１，Ｂ_３，Ｂ_５・・・には、遮光性を有する材料からなる層が設けられているが、帯構造Ｂ_２，Ｂ_４・・・には、そのような層は設けられていない。

【0040】

本実施例に係る分光素子２は、波長λ＝５３５ｎｍにおける焦点距離ｆが５０ｍｍになるように、定数ａが１１６μｍに設定されている（［１］式参照）。また、帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・の境界は、［２］式に代わる［６］式中のｒと［３］式から求めたｒ_ｎとが一致するときの座標（ｘ，ｙ）によって規定される、偏芯した円を描く。

【数6】

ここで、Ｎは、帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・をＹ軸に対して非対称なものとするための非対称変数である。本実施例では、非対称変数Ｎを１５０に設定した。

【0041】

Ｘ＞０の領域では、［６］式中のｒが［２］式によって求められるｒよりもＮｘ^３の項の分だけ大きくなる。一方、Ｘ＜０の領域では、［６］式中のｒが［２］式によって求められるｒよりもＮｘ^３の項の分だけ小さくなる。このため、図６に示すように、Ｘ＞０の領域にある帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・の幅は、Ｘ＜０の領域にあるものよりも、Ｙ軸から遠ざかるにつれて緩やかに減少していく。

【0042】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍである３つの光を使用した。

【0043】

図７に、本実施例に係る分光素子２を使用した測定のシミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）と、非対称変数Ｎを０，７５とした比較例に係る分光素子２を使用した測定のシミュレーション結果（Ａ）～（Ｆ）とを示す。シミュレーション結果を示す各グラフの横軸は、Ｘ軸方向における測定位置（単位はμｍ）を示しており、縦軸は、Ｚ軸方向における測定位置、すなわち図１における位置Ｚｒ（単位はｍｍ）を示している。また、各グラフにおける５ｍｍ刻みの１５本の線の振動は、その位置における回折光Ｌ２の強度を示している。なお、Ｙ軸方向における測定位置は０ｍｍである。

【0044】

本実施例におけるシミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）と、比較例におけるシミュレーション結果（Ａ）～（Ｆ）との比較から明らかなように、本実施例によれば、第１実施例と同様に、各波長の回折光Ｌ２をＸ＞０の領域に集光することができる。

【0045】

また、本実施例によれば、シミュレーション結果（Ｇ）～（Ｉ）の比較から明らかなように、第１実施例と同様に、各位置Ｚｒにおいて、各波長の回折光Ｌ２の集光点をＸ軸方向に空間的に分離させることができる。

【0046】

図８に、定数ａを３４０μｍに設定した以外は第２実施例と同一の構成とした比較例における測定結果を示す。この結果は、位置Ｚｒを４１ｍｍとした場合、および６２ｍｍとした場合のいずれにおいても、各波長の回折光Ｌ２の集光点がＸ軸方向に空間的に分離していることを示している。

【0047】

なお、図７を得るためのシミュレーションでは、入射光Ｌ１としての波長λ＝４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍの光の半値幅を無限に小さく設定した。また、図８を得るための測定では、入射光Ｌ１としての波長λ＝４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍの光の半値幅を１０ｎｍに設定した。

【0048】

［第３実施例］
第３実施例に係る分光素子２（フレネルレンズ）は、振幅型ではなく位相型の二次元分光素子である点、波長λ＝５８０ｎｍにおける焦点距離ｆが１５ｍｍになるように定数ａを６６μｍに設定した点、および［６］式に代わる［７］式を用いて、非対称変数Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３をそれぞれ０．１６０５，１，１０９．９５に設定した点において、第２実施例に係る二次元の分光素子２と相違している。

【数7】

【0049】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ３８０ｎｍ、５８０ｎｍおよび７８０ｎｍであり、かつ半値幅が無限に小さい３つの光を使用した。

【0050】

図９に、本実施例に係る分光素子２を使用した、位置Ｚｒ＝３１ｍｍにおける測定をシミュレートした結果を示す。この結果は、各波長の回折光Ｌ２の集光点がＸ軸方向に空間的にほぼ完全に分離していることを示している。

【0051】

［第４実施例］
第４実施例に係る分光素子２（フレネルレンズ）は、非対称変数ＮをＸ＞０の領域においては５０に設定するとともにＸ＜０の領域においては１００に設定した点において、第１実施例に係る一次元の分光素子２と相違している。

【0052】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍであり、かつ半値幅が無限に小さい３つの光を使用した。

【0053】

図１０に、本実施例に係る分光素子２を使用した、位置Ｚｒ＝３１ｍｍにおける測定をシミュレートした結果を示す。この結果は、各波長の回折光Ｌ２の集光点がＸ軸方向に空間的に良好に分離していることを示している。

【0054】

［第５実施例］
第５実施例に係る分光素子２（フレネルレンズ）は、波長λ＝５３５ｎｍにおける焦点距離ｆが２３ｍｍになるように定数ａを８０μｍに設定した点、および［４］式に代わる［８］式を用いて、非対称変数Ｎを９００に設定した点において、第１実施例に係る一次元の分光素子２と相違している。

【数8】

【0055】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍであり、かつ半値幅が無限に小さい３つの光を使用した。

【0056】

図１１に、本実施例に係る分光素子２を使用した、位置Ｚｒ＝１３ｍｍにおける測定をシミュレートした結果を示す。この結果は、各波長の回折光Ｌ２の集光点がＸ軸方向に空間的に良好に分離していることを示している。

【0057】

［第６実施例］
第６実施例に係る分光装置１は、回折面２ａの一部を覆う遮光板をさらに備えている点において、一次元の分光素子２を備えた第１実施例に係る分光装置１と相違している。

【0058】

また、本実施例では、入射光Ｌ１として、強度が最大となる波長λがそれぞれ４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍであり、かつ半値幅が無限に小さい３つの光を使用した。

【0059】

図１２（Ａ）は、遮光版を使用しない場合の、位置Ｚｒ＝３７ｍｍにおける測定をシミュレートした結果であり、図１２（Ｂ）は、回折面２ａのＸ＜０の領域を遮光板で覆った場合の、位置Ｚｒ＝３７ｍｍにおける測定をシミュレートした結果である。また、図１３（Ａ）は、遮光版を使用しない場合の、位置Ｚｒ＝１３ｍｍにおける測定をシミュレートした結果であり、図１３（Ｂ）は、回折面２ａのＸ＞０の領域を遮光板で覆った場合の、位置Ｚｒ＝１３ｍｍにおける測定をシミュレートした結果である。これらの結果は、遮光板を用いると、集光点以外の位置に不要な光が生じにくくなり、分光機能が向上することを示している。

【0060】

［変形例］
以上、本発明に係る分光素子および分光装置の実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれらに限定されるものではない。

【0061】

例えば、本発明は、スペクトルカメラに適用することができる。この場合は、図１４に示すように、分光素子２をＸ軸方向およびＹ軸方向に並べて分光アレイ２０を構成するとともに、分光素子２のそれぞれに対応する受光部３をＸ軸方向およびＹ軸方向に並べて受光アレイ３０を構成すればよい。

【0062】

また、本発明は、スペクトルから求めた色度をユーザに提示する色度計に適用することもできる。

【0063】

また、分光素子２の回折面２ａと受光部３の受光面３ａとの間は、受光部３としてのＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラのカバーガラスで埋められていてもよい。言い換えると、分光素子２は、受光部３としてのＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラのカバーガラスに貼り合わされていてもよい。この構成によれば、非常に小型の分光装置を実現することができる。

【0064】

この場合、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラは、スマートフォンに搭載されたカメラであることが好ましい。この構成によれば、専用のアプリケーションを実行することにより、当該スマートフォンを分光装置として使用したり、色度計として使用したりすることができる。

【0065】

また、本発明に係る分光素子２は、図１７（Ａ），（Ｂ）に示した振幅型フレネルレンズ２００または図１７（Ｃ），（Ｄ）に示した位相型フレネルレンズ２０１を改良したものに限定されず、階調（厚み）を３以上にした位相型フレネルレンズ（いわゆる、ブレーズドフレネルレンズ）を改良したものであってもよい。このような分光素子２によれば、より高度に位相を制御することができる。

【0066】

また、本発明に係る二次元の分光素子２の帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・（図６参照）は、Ｙ軸のみならずＸ軸に対しても非対称であってもよい。このような分光素子２を設計する場合は、例えば、［６］式の代わりに［９］式を用いればよい。

【数9】

ここで、Ｎ_４は、Ｙ軸に対する非対称の度合いを決定づける非対称係数であり、Ｎ_５は、Ｘ軸に対する非対称の度合いを決定づける非対称係数である。

【0067】

また、第１実施例および第４～第６実施例に係る一次元の分光素子２（図２参照）は、帯構造Ｂ_２ｐ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_４ｐ，Ｂ_４ｎ・・・ではなく帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_１ｎ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_３ｎ・・・が遮光性を有していてもよい。同様に、第２，第３実施例に係る二次元の分光素子２（図６参照）は、帯構造Ｂ_１，Ｂ_３，Ｂ_５・・・ではなく帯構造Ｂ_２，Ｂ_４・・・が遮光性を有していてもよい。つまり、本発明に係る分光素子２は、遮光性を有する帯構造と透光性を有する帯構造とが交互に並んでさえいればよい。

【0068】

また、一次元の分光素子２に形成された帯構造Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ・・・および帯構造Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ・・・を非対称化させるための［４］，［８］式、および二次元の分光素子２に形成された帯構造Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５・・・を非対称化させるための［６］，［７］，［９］式は、単なる一例に過ぎない。本発明では、これらの式の代わりに、Ｘ＞０の領域における帯構造の幅の減少がＸ＜０の領域における帯構造の幅の減少よりも緩やかになるような任意の式を使用して分光素子２を設計してもよい。

【符号の説明】

【0069】

１ 分光装置
２ 分光素子
２ａ 回折面
３ 受光部
３ａ 受光面
４ 処理装置
Ｂ_１ｐ，Ｂ_２ｐ，Ｂ_３ｐ，Ｂ_４ｐ （一次元分光素子の）帯構造
Ｂ_１ｎ，Ｂ_２ｎ，Ｂ_３ｎ，Ｂ_４ｎ （一次元分光素子の）帯構造
Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_５ （二次元分光素子の）帯構造
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 回折光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】