JP2000131143A

JP2000131143A - 分光装置及びこの分光装置を備えた測定装置

Info

Publication number: JP2000131143A
Application number: JP10305925A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nagai; 慶郎長井; Shigeru Osaki; 繁大崎; Toru Kobayashi; 徹小林; Masao Nakamuro; 正雄中室
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】光学部品点数を低減して光学系を簡素に構成
する。【解決手段】印加電圧に応じて入射光を透過又は遮断
する光シャッタ素子が複数配列されてなる光シャッタア
レイ３と、各光シャッタ素子に電圧を印加して、各光シ
ャッタ素子において入射光を透過又は遮断させる電圧印
加手段５と、複数の波長成分を有する光を発光する光源
１３と互いに異なる波長帯の光を透過する複数の帯域通
過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M とを有し、光源１３からの光を各
帯域通過フィルタを介して対応する光シャッタ素子に導
く照明手段１と、各光シャッタ素子を透過した透過光を
波長に応じて分散する凹面回折格子６とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光シャッタアレイ
を用いた分光装置及びこの分光装置を備えた測定装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業製品の製造プロセスにおいて
オンラインで近赤外分光分析による非破壊計測を行うこ
とへの要望が強い。そこで、従来、短時間で計測を行う
に好適なマルチスリット分光方式を採用するとともに、
更にマルチスリットを電気的に制御可能にした複数の光
シャッタ素子からなる光シャッタアレイを用いる分光装
置が提案されている（米国特許５，６３１，７３５
号）。

【０００３】上記従来の米国特許５，６３１，７３５号
では、光源からの光が、回折格子によって波長毎に分散
され、集光レンズによって光シャッタアレイに集光さ
れ、光シャッタアレイの透過後、再度回折格子によって
分散されたあと、集光レンズによって検出器に集光され
るように構成され、各光シャッタ素子の開閉により任意
の波長の光が透過するようになっている。このように、
光シャッタアレイの両側の対称な位置に集光レンズが配
置され、光シャッタアレイの端部を透過する光の光量を
向上するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記米国特許
５，６３１，７３５号に記載の分光装置において、検出
器上で光源の像をぼけないように結像させるためには、
集光レンズの収差特性を良好にする必要があることか
ら、集光レンズを複数のレンズ部品で構成することとな
っていた。また、２個の回折格子を用いていることか
ら、多数の光学部品が必要となり、光学系が複雑になる
とともに、コストが上昇するという問題があった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するもので、光
学部品点数を低減して光学系を簡素に構成した分光装置
及びこの分光装置を備えた測定装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、印加電圧に応
じて入射光を透過又は遮断する光シャッタ素子が複数配
列されてなる光シャッタアレイと、上記各光シャッタ素
子に電圧を印加して、上記各光シャッタ素子において入
射光を透過又は遮断させる電圧印加手段と、複数の波長
成分を有する光を発光する光源と、互いに異なる波長帯
の光を透過する複数の帯域通過フィルタとを有し、上記
光源からの光を上記各帯域通過フィルタを介して対応す
る上記光シャッタ素子に導く照明手段と、上記各光シャ
ッタ素子を透過した透過光を波長に応じて分散する分散
手段とを備えたことを特徴としている（請求項１）。

【０００７】この構成によれば、光源から複数の波長成
分を有する光が発光され、互いに異なる波長帯の光を透
過する複数の帯域通過フィルタを介して対応する光シャ
ッタ素子に導かれ、光シャッタ素子に電圧が印加され、
印加電圧に応じて入射光が透過又は遮断され、光シャッ
タ素子を透過した透過光が波長に応じて分散されること
により、光源から光シャッタ素子までの光学系が簡易に
なり、これによって光学部品による光量の損失が発生す
るのが防止される。

【０００８】また、請求項１記載の分光装置において、
上記帯域通過フィルタと上記光シャッタアレイとの間に
介設された偏光子をさらに備え、上記光シャッタアレイ
は、電気光学効果を有する材料で形成されていることを
特徴としている（請求項２）。

【０００９】この構成によれば、帯域通過フィルタと光
シャッタアレイとの間に偏光子が介設されることによ
り、直線偏光成分を有する光のみが光シャッタアレイに
入射することとなり、電気光学効果を有する材料で形成
された光シャッタアレイにより確実に光の透過又は遮断
が行われる。このとき、帯域通過フィルタにより偏光子
に入射する光の波長成分が制限されているので、偏光子
の発熱が抑制される。

【００１０】また、請求項１又は２記載の分光装置にお
いて、上記光源と上記帯域通過フィルタとの間に上記光
源からの光を集光する集光手段を介設したことを特徴と
している（請求項３）。

【００１１】この構成によれば、光源と帯域通過フィル
タとの間に光源からの光を集光する集光手段が介設され
ていることにより、光シャッタアレイに光源からの光が
効率よく入射することとなる。

【００１２】また、請求項１〜３のいずれかに記載の分
光装置により構成された分光手段と、入射光の強度に応
じた電気信号を出力する第１、第２の光検出手段と、上
記分散手段に関して上記光シャッタアレイと共役な位置
において上記分散手段により分散された分散光を各波長
毎に受光して上記第１の光検出手段に導く第１の導光手
段と、上記共役な位置において上記各波長と同一波長の
上記分散光を受光して測定試料に導いて照射し、当該測
定試料からの光を上記第２の光検出手段に導く第２の導
光手段と、上記第１、第２の光検出手段から出力された
電気信号を用いて上記測定試料の分光特性を算出する演
算手段とを備えたことを特徴としている（請求項４）。

【００１３】この構成によれば、分散手段に関して光シ
ャッタアレイと共役な位置において分散光が各波長毎に
受光されて第１の光検出手段に導かれ、一方、上記共役
な位置において上記各波長と同一波長の分散光が受光さ
れ、測定試料に導かれて照射され、当該測定試料からの
光、例えば透過光又は反射光が第２の光検出手段に導か
れる。そして、第１、第２の光検出手段から出力された
電気信号を用いて測定試料の分光特性、例えば分光透過
特性又は分光反射特性が算出されることにより、簡易な
構成の光学系により測定試料の分光特性が好適に求めら
れることとなる。

【００１４】また、請求項４記載の測定装置において、
上記電圧印加手段により所定の変調タイミングで上記各
光シャッタ素子に電圧を印加させる制御手段を備え、上
記演算手段は、上記電圧印加手段による電圧印加タイミ
ングに関する情報を用いて上記分光特性を算出するもの
であることを特徴としている（請求項５）。

【００１５】この構成によれば、所定の変調タイミング
で各光シャッタ素子に電圧が印加され、この電圧印加タ
イミングに関する情報を用いて測定試料の分光特性が算
出されることにより、分光特性の算出が好適に行われる
こととなる。

【００１６】また、請求項４又は５記載の測定装置にお
いて、上記第１、第２の導光手段は、それぞれ複数の光
ファイバで構成され、上記第１の導光手段を構成する光
ファイバの入射端と上記第２の導光手段を構成する光フ
ァイバの入射端とが、上記共役な位置において、所定の
方向に交互に並んで配設されていることを特徴としてい
る（請求項６）。

【００１７】この構成によれば、第１の導光手段を構成
する光ファイバの入射端と第２の導光手段を構成する光
ファイバの入射端とが、上記共役な位置において、所定
の方向に交互に並んで配設されていることにより、第１
の導光手段と第２の導光手段とに、互いに同一波長の分
散光が受光されることとなり、これによって測定試料の
分光特性が好適に求められることとなる。

【００１８】また、請求項４〜６のいずれかに記載の測
定装置において、上記第１、第２の光検出手段の温度を
変更する第１、第２の温度変更手段と、上記第１、第２
の光検出手段の温度を検出する第１、第２の温度検出手
段と、上記第１、第２の温度変更手段を駆動する第１、
第２の駆動手段と、上記第１、第２の光検出手段の温度
が所定値に維持されるように上記第１、第２の駆動手段
の動作を制御する第１、第２の温度制御手段とを備え、
上記第１、第２の駆動手段は、上記第１、第２の温度変
更手段を駆動する際の時定数が、それぞれ、第１の時定
数と第１の時定数より長い第２の時定数とで切替可能に
構成され、上記第１、第２の温度制御手段は、所定の切
替条件を満足したときに、上記第１、第２の駆動手段の
時定数を上記第１の時定数から上記第２の時定数に切り
替えるものであることを特徴としている（請求項７）。

【００１９】この構成によれば、第１、第２の駆動手段
は、第１、第２の温度変更手段を駆動する際の時定数
が、それぞれ、第１の時定数と第１の時定数より長い第
２の時定数とで切替可能に構成され、所定の切替条件を
満足したとき、例えば第１、第２の光検出手段の温度が
所定値に到達したときや所定時間が経過したときに、第
１、第２の駆動手段の時定数が第１の時定数から第２の
時定数に切り替えられることにより、第１、第２の光検
出手段の温度の所定値への到達が素早く行われるととも
に、切替後は第１、第２の光検出手段の温度変動が低減
される。

【００２０】なお、第１、第２の温度制御手段は、一方
の所定条件が満足されたときに、第１、第２の駆動手段
の時定数の切替を同時に行うようにしてもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】まず、図１〜図３を用いて、本発
明に係る分光装置を備えた測定装置の一実施形態の全体
構成について説明する。図１は同実施形態を模式的に示
す構成図、図２は光シャッタ素子を示す図、図３は２分
岐ファイバの構成図、図４は各部の位置関係を示す図で
ある。

【００２２】この測定装置は、図１に示すように、照明
手段１、偏光子２、光シャッタアレイ３、検光子４、電
圧印加手段５、凹面回折格子（分散手段）６、２分岐フ
ァイバ７、光検出部８及び信号処理部９などを備え、測
定試料Ｍの分光透過特性を測定するものである。

【００２３】照明手段１は、光源ユニット１１及びフィ
ルタ１２を備え、光源ユニット１１は、光源１３を備え
ている。光源１３は、例えば直線状のフィラメントから
なり、複数の波長成分を有する光を発光する。フィルタ
１２は、互いに異なる波長帯の光を透過するＭ個の帯域
通過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M から構成される。

【００２４】偏光子２、検光子４は、ポリビニルアルコ
ールとヨウ素からなる偏光フィルムやCaF₂等の基板にア
ルミニウム導体を平行に線引きしたワイヤグリッド偏光
子等が用いられ、入射する光の直線偏光成分のみを透過
するもので、光シャッタアレイ３を挾んで、偏光子２が
入射光側に配置され、検光子４が透過光側に配置される
とともに、透過する光の偏光角度が互いに直角になるよ
うに配置されている。

【００２５】光シャッタアレイ３は、例えばＰＬＺＴ等
の電気光学効果の大きい材料で形成され、図２に示すよ
うに、スリット形状の光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N を備え
ている。電圧印加手段５は、光シャッタアレイ３に電圧
を印加して、各光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N を個別にオン
にして入射光を透過させるもので、電圧を印加しないと
きは入射光が遮断されることとなる。

【００２６】凹面回折格子６は、入射光を波長に応じて
回折するもので、図１の長手方向Ｘにおいて各波長に応
じた位置に回折光を集光するように構成されている。こ
のため、光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N を透過した光は、凹
面回折格子６によって回折された後、２分岐ファイバ７
に入射する。

【００２７】２分岐ファイバ７は、複数の光ファイバの
束で構成され、その口金はスリット形状をしており、図
３に示すように、各光ファイバの入射端が一方向に直線
状に並んで配置されている。

【００２８】２分岐ファイバ７の光ファイバ(第１の導
光手段)７１，…は、入射光を直接光検出部８に導く光
量モニタ用で、光ファイバ(第２の導光手段)７２，…
は、入射光を測定試料Ｍを介して光検出部８に導く測定
用で、光ファイバ７１の入射端と光ファイバ７２の入射
端とが交互に配置されている。これによって、光量モニ
タ用と測定用とで入射光が同一波長になるようにしてい
る。

【００２９】２分岐ファイバ７の入射端は、凹面回折格
子６に関して光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N と共役な位置に
配置されている。これによって、図４に示すように、光
が透過する光シャッタ素子Ｓ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）
のスリットの位置と、凹面回折格子６の位置と、２分岐
ファイバ７の口金７０のスリットの位置とによって決ま
る特定の波長λ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）の光を得るこ
とができる。

【００３０】図１に戻り、光検出部８は、光量モニタ用
の受光センサ(第１の光検出手段)８１と、測定用の受光
センサ(第２の光検出手段)８２とを備えている。受光セ
ンサ８１，８２は、入射光の強度に応じた電気信号を出
力するもので、同一構成になっている。

【００３１】そして、光ファイバ７１により導かれた光
は、レンズ７３ａにより集光された後、更に光ファイバ
７４ａにより導かれ、レンズ７３ｂにより受光センサ８
１の受光面に結像される。

【００３２】一方、光ファイバ７２により導かれた光
は、レンズ７３ｃにより集光された後、更に光ファイバ
７４ｂにより導かれ、レンズ７３ｄにより平行光にされ
て測定試料Ｍに照射される。そして、測定試料Ｍの透過
光は、レンズ７３ｅにより集光され、光ファイバ７４ｃ
により導かれ、レンズ７３ｆにより受光センサ８２の受
光面に結像される。

【００３３】信号処理部９は、増幅器９１，９２、Ａ／
Ｄコンバータ９３及びＣＰＵ９４を備えている。増幅器
９１，９２は、受光センサ８１，８２から出力される電
気信号を増幅するもので、Ａ／Ｄコンバータ９３は、各
電気信号をアナログ値からディジタル値に変換するもの
である。

【００３４】ＣＰＵ９４は、以下の機能を有する。 (1) 電圧印加手段５による各光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N
への電圧印加タイミングを制御する制御手段としての機
能。 (2) 上記電圧印加タイミングに関する情報と、受光セン
サ８１，８２から出力される電気信号レベルとを用い
て、測定試料Ｍの分光透過特性を算出する演算手段とし
ての機能。なお、ＣＰＵ９４が有する他の機能については後述す
る。

【００３５】例えば、光シャッタ素子Ｓ_i をオンにし
て、受光センサ８１，８２から出力される電気信号の比
を求めることにより、測定試料Ｍの特定の波長λ_i にお
ける透過率を求めることができる。また、透過率が既知
の標準試料を予め測定して出力値を校正しておくことに
より、測定試料Ｍの透過率の絶対値を求めることができ
る。

【００３６】次に、図面を参照しながら、（Ａ）項〜
（Ｆ）項に分けて、図１に示す各部の構成例、配置例や
動作例について説明する。

【００３７】（Ａ）光源ユニット１１（図５〜図１２参
照）図５〜図１２では、説明の便宜上、光源ユニット１１と
光シャッタアレイ３との間に配置されたフィルタ１２の
図示を省略している。

【００３８】図５の光源ユニット１１は、図１の光源１
３に代えて、先端にレンズ１４ａが設けられた小型ラン
プ１４を一列に並べて構成された光源を備えている。こ
のようなレンズ付き小型ランプ１４を用いることによ
り、それぞれ一方向を非常に効率よく照明することがで
き、これによって、光シャッタアレイ３の長方形のエリ
アを効率よく照明することができる。

【００３９】図６（ａ）（ｂ）の光源ユニット１１は、
図５の光源ユニット１１を改良したものである。図６
（ａ）はレンズ付き小型ランプ１４を周辺に行くほど傾
斜させており、図６（ｂ）はレンズ付き小型ランプ１４
と光シャッタアレイ３との間にくさび形状の硝材１４ｂ
を介設している。これらによって、光シャッタアレイ３
を透過した光を、凹面回折格子６に効率よく入射させる
ことができる。

【００４０】図７の光源ユニット１１は、図１の光源１
３に加えて、後方に向けて出射された光を反射する凹面
ミラー１５と、前方に向けて出射された光を集光するロ
ッドレンズ１６とを備えている。図８の光源ユニット１
１は、図７のロッドレンズ１６に代えて、レンズアレイ
１７を備えている。これらの形態でも、図５の光源ユニ
ット１１と同様に、光シャッタアレイ３の長方形のエリ
アを効率よく照明することができる。

【００４１】図９の光源ユニット１１は、内面が高反射
率で、その側面に長方形の開口部１８ａを有する円筒１
８の一端から凹面ミラー１５を用いて効率よくランプ１
９の光を入射させるようにしたものである。この形態に
よれば、円筒１８の内面における複数回の反射の後、側
面の長方形の開口部１８ａから一様な光が出射されるこ
ととなる。なお、図１０に示すように、円筒１８ｂの両
端からランプ１９の光を入射させるようにしてもよい。

【００４２】図１１の光源ユニット１１は、ランプ１９
からの光を光ファイバの束からなるバンドルファイバ２
０の一端に凹面ミラー１５を用いて集光し、バンドルフ
ァイバ２０の出口側の形状を長方形にすることによっ
て、光シャッタアレイ３の長方形エリアを照明するよう
にしたものである。

【００４３】図１２の光源ユニット１１は、セラミック
ヒータ２１を光源として用いたものである。このよう
に、光源としては、フィラメントランプに限られず、測
定波長領域の波長成分を有する光を発光するものであれ
ばよい。

【００４４】（Ｂ）フィルタ１２（図１３、図１４参
照）フィルタ１２を構成する各帯域通過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M
は、図１３に示すような分光透過特性を有する。すなわ
ち、帯域通過フィルタＦ₁ は波長λ₁ 〜λ₂ を透過し、
帯域通過フィルタＦ₂ は波長λ₂ 〜λ₃ を透過し、帯域
通過フィルタＦ_M は波長λ_N-1 〜λ_N を透過する。な
お、本実施形態では測定波長範囲をλ₁ 〜λ_N とする。

【００４５】そして、照明手段１は、光源ユニット１１
により所定の照明エリア、すなわちフィルタ１２全体を
照明し、光源ユニット１１からの光を、図１４に示すよ
うに、各帯域通過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M を介して対応する
光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N に導くように構成されてい
る。

【００４６】このように、帯域通過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M
を光源ユニット１１と光シャッタアレイ３との間に配置
し、光シャッタアレイ３の各光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N
の位置に応じて必要な波長成分の光を透過し、それ以外
の波長成分の光を遮断することにより、高次の回折光が
２分岐ファイバ７に入射しないようにすることができ
る。

【００４７】高次の回折光が２分岐ファイバ７に入射し
ないようにするためには、各帯域通過フィルタＦ_j （ｊ
＝１，２，…，Ｍ）の透過波長領域（λ_j,min，
λ_j,max）において、下記数１の関係を満たしていれば
よい。

【００４８】

【数１】λ_j,max＜２・λ_j,min また、フィルタ１２によって、必要な波長成分以外の光
を透過させないようにすることにより、偏光子２の発熱
を抑制することができる。特に、偏光子２として、フィ
ルムタイプのものを使用する場合には、偏光子２が光源
ユニット１１からの光を吸収して発熱しても、偏光子２
の温度が使用温度範囲を越えてしまうことを防止するこ
とができる。この場合、各帯域通過フィルタＦ₁ 〜Ｆ_M
の透過波長範囲（λ_j,max−λ_j,min）が小さいほど、偏
光子２の発熱を抑えることができる。

【００４９】（Ｃ）光シャッタアレイ３（図１５〜図１
８参照）図１５は光シャッタアレイ３の部分斜視図である。光シ
ャッタアレイ３は、薄板形状で、その入射光側には横長
で直方体形状の凸部３１がＮ個並設されている。各凸部
３１間に形成される凹部には、共通電極３２及び個別電
極３３（図中、ハッチング部分）が交互に櫛の歯状に蒸
着等によって形成配設されている。

【００５０】共通電極３２は、配線ケーブル３２ａを介
して接地され、個別電極３３は、それぞれ配線ケーブル
３３ａを介して電圧印加手段５に接続されており、両電
極で挾まれた凸部３１によって、上記図２に示す光シャ
ッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N が形成される。そして、電圧印加手
段５により、共通電極３２と個別電極３３との間に電圧
が印加されると、挾まれた位置の光シャッタ素子Ｓ₁ 〜
Ｓ_N (図２)がオンにされて入射光を透過し、電圧が印加
されないときは光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N (図２)はオフ
にされて入射光を遮断する。

【００５１】図１６は異なる構成の光シャッタアレイ３
を示す斜視図である。この光シャッタアレイ３は、凸部
３１を２列に並べ、かつ各列が半ピッチずれるように形
成し、プリント配線基板３４の孔に嵌め込まれている。
この光シャッタアレイ３によって、図１７に示すように
光シャッタ素子Ｓ₁ 〜Ｓ_N が形成される。従って、凸部
３１を形成する際のピッチ縮小化の限界から更にピッチ
を１／２にすることができることから、分光スペクトル
の分解能を２倍にすることができる。

【００５２】図１８は図１６の光シャッタアレイ３の周
辺のモジュール構成例を示す図で、（ａ）は正面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線
断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。ＰＬ
ＺＴの特性は温度に依存して変化するので、測定精度向
上のためには環境温度が変化してもＰＬＺＴの温度を一
定に維持する必要がある。そこで、図１８のモジュール
は、光シャッタアレイ３の温度を制御する手段を備えて
いる。

【００５３】図１８において、金属ブロック３５は、光
シャッタアレイ３の光を透過しない非シャッタ部分に接
着され、光シャッタアレイ３の温度の安定化を図るもの
である。更に、金属ブロック３５に接着されたヒータ又
はペルチエ素子からなる加熱手段３６と、温度制御回路
３７と、図１８（ｄ）に示すように金属ブロック３５に
埋め込まれた温度センサ３８とを備えている。

【００５４】そして、温度制御回路３７は、加熱手段３
６に電流を供給する電流供給手段を備え、温度センサ３
８によって検出される光シャッタアレイ３の温度が一定
になるように加熱手段３６に供給する電流を制御するも
のである。

【００５５】また、図１８のモジュールは、測定波長範
囲の光を透過する光学材料からなる封止部材３９によっ
て光シャッタアレイ３の表面を封止している。これによ
って、電圧印加手段５（図１）による光シャッタアレイ
３への印加電圧が百数十Ｖと非常に高いため、結露等に
よる短絡を防止することができる。

【００５６】なお、ＣＰＵ９４が、温度センサ３８によ
って検出される光シャッタアレイ３の温度を判定する機
能と、この温度が一定になるように加熱手段３６に供給
する電流を制御する機能とを有するようにしてもよい。

【００５７】（Ｄ）凹面回折格子６（図１９〜図２１参
照）図１９〜図２１は凹面回折格子６の配置例を示す図であ
る。図１９に示すように、光シャッタアレイ３の中心に
おける法線と、凹面回折格子６の中心軸とを一致させて
配置すると、光シャッタアレイ３上の点Ｑ１を透過した
光による凹面回折格子６からの０次光（正反射光）は、
光シャッタアレイ３上の点Ｑ２に集光され、光シャッタ
アレイ３の表面で反射された後、再び凹面回折格子６に
入射し、その回折光が２分岐ファイバ７に入射すると、
迷光が発生してしまう。

【００５８】そこで、そのような迷光の発生を防止する
ために、図２０に示すように、凹面回折格子６を角度θ
だけ水平方向に傾斜して配置すればよい。

【００５９】すなわち、図２０では、光シャッタアレイ
３の点Ｑ１を透過した光による凹面回折格子６からの０
次光は、光シャッタアレイ３外の点Ｑ３に集光するよう
に構成されている。この場合には、光シャッタアレイ３
の周囲の部材に反射率が低下するような処理を施すこと
により、点Ｑ３に集光した光が再び凹面回折格子６に戻
って、２分岐ファイバ７に入射する迷光を非常に少なく
することができる。

【００６０】また、図２１に示すように、凹面回折格子
６の中心を通る法線が、光シャッタアレイ３の中心を通
る法線に対して光シャッタ素子の長手方向に寸法ｄだけ
ずれるように配置しても、同様に、２分岐ファイバ７に
入射する迷光を非常に少なくすることができる。

【００６１】（Ｅ）光検出部８（図２２、図２３参照）図２２は受光センサ８１，８２の構成図である。一般
に、受光センサの温度が変化すると、その分光感度が変
化してしまう。そこで、本測定装置のように、受光セン
サ８１，８２から出力される電気信号の比を用いて測定
試料Ｍの透過率を求める場合には、各受光センサ８１，
８２の温度を一定にするとともに、温度変動が極力小さ
くなるように制御する必要がある。

【００６２】受光センサ８１（８２）として、図２２に
示すように、受光部Ｌ１（Ｌ２）とともに、ペルチエ素
子Ｐ１（Ｐ２）及び温度センサＴ１（Ｔ２）がセンサモ
ジュールに内蔵されたものが知られており、温度センサ
Ｔ１（Ｔ２）の検出温度が設定温度になるようにペルチ
エ素子Ｐ１（Ｐ２）に供給する電流を制御することによ
って、受光センサ８１（８２）の温度を一定に維持する
ことができる。

【００６３】図２３は受光センサ８１，８２の温度制御
回路を示す回路図である。抵抗Ｒａは、温度センサＴ
１，Ｔ２の検出温度が設定温度Ｔａのときの抵抗値に等
しい抵抗値のものが採用され、差動増幅器Ａ１（Ａ２）
は、温度センサＴ１（Ｔ２）の抵抗値と抵抗Ｒａの抵抗
値との差を増幅するもので、ドライバＤ１（Ｄ２）は、
差動増幅器Ａ１（Ａ２）の出力値に応じた電流をペルチ
エ素子Ｐ１（Ｐ２）に供給するものである。

【００６４】マルチプレクサＭ１（Ｍ２）は、抵抗Ｒ１
１，Ｒ１２（Ｒ２１，Ｒ２２）を切り替えることにより
回路の時定数を切り替えるものである。ここで、抵抗Ｒ
１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２は、抵抗値が、それぞれ
Ｒ₁ ，Ｒ₂ ，Ｒ₁ ，Ｒ₂ のものが採用され、Ｒ₁ ≪Ｒ₂
に設定されており、コンデンサＣの容量はＣとする。従
って、マルチプレクサＭ１（Ｍ２）により、抵抗Ｒ１１
（Ｒ２１）を接続すると、回路の時定数が（Ｃ・Ｒ₁）に
なり、抵抗Ｒ１２（Ｒ２２）を接続すると、回路の時定
数が（Ｃ・Ｒ₂）になる。このとき、（Ｃ・Ｒ₁ ）≪（Ｃ・
Ｒ₂ ）である。

【００６５】抵抗Ｒｂは、温度センサＴ１，Ｔ２の検出
温度が設定温度Ｔａより多少高い温度Ｔｂのときの抵抗
値に等しい抵抗値のものが採用されている。コンパレー
タＣＰ１，ＣＰ２は、温度センサＴ１，Ｔ２の検出温度
が温度Ｔｂに達しているか否かを検出し、検出温度が温
度Ｔｂに達するまでは抵抗Ｒ１１，Ｒ２１を接続させて
おき、検出温度が温度Ｔｂに達すると、マルチプレクサ
Ｍ１，Ｍ２のスイッチを切り替えて、抵抗Ｒ１２，Ｒ２
２を接続させる。

【００６６】この構成により、装置の電源投入時には受
光センサ８１，８２の温度を設定温度に早く到達させる
ことができ、設定温度に到達後には受光センサ８１，８
２の温度変動を極力抑制することができる。

【００６７】なお、ペルチエ素子Ｐ１，Ｐ２は、加熱又
は冷却のいずれでも、受光センサ８１，８２の温度が変
更できればよい。また、ペルチエ素子Ｐ１，Ｐ２に代え
てヒータを用いてもよい。また、図２３の回路では、マ
ルチプレクサＭ１，Ｍ２を同時に制御するようにしてい
るが、それぞれ個別に制御するようにしてもよい。ま
た、コンパレータＣＰ１，ＣＰ２に代えて、ＣＰＵ９４
が、マルチプレクサＭ１（Ｍ２）を制御して、装置の電
源投入時には抵抗Ｒ１１（Ｒ２１）を接続し、所定の切
替条件を満足したとき、例えば電源投入から所定時間が
経過したときに、抵抗Ｒ１２（Ｒ２２）を接続するよう
に切り替える機能を有するようにしてもよい。上記所定
時間は、受光センサ８１，８２が設定温度に到達するの
に要する時間程度に設定しておけばよい。なお、上記所
定の切替条件は、所定時間の経過に限られない。例え
ば、温度センサＴ１，Ｔ２からの出力信号をＣＰＵ９４
に入力し、ＣＰＵ９４は、温度を判定するとともに、設
定温度に到達したときに切替条件を満足したとして、マ
ルチプレクサＭ１，Ｍ２の切替制御を行うようにしても
よい。

【００６８】（Ｆ）信号処理部９（図２４〜図２７参
照）図２４はシーケンシャルスキャン法における光シャッタ
アレイ３の駆動を示すタイミングチャートである。図２
４の動作は、光シャッタ素子を１つずつ順番にオンにす
るもので、光シャッタ素子Ｓ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）
をオンにすると、その光シャッタ素子Ｓ_iの位置に応じ
て、単色光λ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）が得られる。そ
れぞれの波長λ_i の光について、受光センサ８１，８２
から出力される電気信号の比を求めることにより、測定
試料Ｍの各波長λ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）に対する透
過率を求めることができる。

【００６９】図２５はフーリエ変換分光法における光シ
ャッタアレイ３の駆動を示すタイミングチャートであ
る。図２５の動作は、光シャッタアレイ３を同時に、か
つ各光シャッタ素子_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）毎に異な
る周波数ｆ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）でオンオフさせる
ものである。これによって、２分岐ファイバ７には、各
波長λ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）毎に異なる周波数ｆ_i
（ｉ＝１，２，…，Ｎ）で変調された信号がマルチプレ
クスされて入射することになる。そして、図１に示すよ
うに、光量モニタ用の光ファイバ７１に入射した光はそ
のまま受光センサ８１に入射し、測定用の光ファイバ７
２に入射した光は、測定試料Ｍの分光透過率による振幅
変調を受けた後、受光センサ８２に入射する。受光セン
サ８１，８２から出力された電気信号は、それぞれ同時
に増幅され、Ａ／Ｄ変換された後、ＣＰＵ９４に取り込
まれる。

【００７０】そして、ＣＰＵ９４により高速フーリエ変
換演算をすることによって、図２６に示すように、信号
の各周波数成分の振幅が求められる。

【００７１】各光シャッタ素子Ｓ_i （ｉ＝１，２，…，
Ｎ）の駆動周波数ｆ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）が既知で
あるので、信号の各周波数ｆ_i の振幅が各波長λ_i （ｉ
＝１，２，…，Ｎ）の光強度に対応することとなる。

【００７２】この方法によれば、シーケンシャルスキャ
ン法に比べて各波長毎の測定時間が長くなる分だけＳ／
Ｎの向上を図ることができる。

【００７３】なお、特定の波長の透過率を求める場合に
は、それらの波長に対応する光シャッタ素子のみをオン
オフすればよい。

【００７４】図２７はアダマール変換分光法における光
シャッタアレイ３の駆動を示すタイミングチャートであ
る。図２７の動作は、光シャッタアレイ３の各光シャッ
タ素子Ｓ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）を一定周期毎に時系
列的に開閉（オンオフ）させるもので、各光シャッタ素
子Ｓ_i の開閉パターンは、アダマール行列[ｗ_ij]の各行
の成分の１及び０の値に応じて、１のときは光シャッタ
素子Ｓ_i を開き（オンにし）、０のときは光シャッタ素
子Ｓ_i を閉じる（オフにする）ように設定する。

【００７５】ここで、光シャッタ素子Ｓ_i （ｉ＝１，
２，…，Ｎ）が開いたときに受光センサ８１，８２に入
射する光量をｅ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）とすると、各
周期ｊ（ｊ＝１，２，…，Ｋ）において受光センサ８
１，８２に入射する光量ｘ_j（ｊ＝１，２，…，Ｋ）
は、その周期において開いている光シャッタ素子Ｓ_i
（ｉ＝１，２，…，Ｎ）からの光量の和となる。従っ
て、列ベクトル{ｅ_i }と列ベクトル{ｘ_j }との関係は、
下記数２のようになる。

【００７６】

【数２】{ｘ_j }＝{ｅ_i }・[ｗ_ij] 但し、{ｘ_j }＝［ｘ₁，ｘ₂，…，ｘ_K］、{ｅ_i }＝
［ｅ₁，ｅ₂，…，ｅ_N］、ｗ_ij＝１or０（ｉ＝１，２，
…，Ｎ）（ｊ＝１，２，…，Ｋ）である。

【００７７】Ｋ≧Ｎの場合には、各光シャッタ素子Ｓ_i
（ｉ＝１，２，…，Ｎ）を透過して受光センサ８１，８
２に入射する光量ｅ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）は、受光
センサ８１，８２から出力される時系列データｘ_j （ｊ
＝１，２，…，Ｋ）を用いて下記数３に従って算出され
る。

【００７８】

【数３】{ｅ_i }＝{ｘ_j }・[ｗ_ji]（[ｗ_ij]・[ｗ_ji]）^-1 各光シャッタ素子Ｓ_i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）を透過し
て受光センサ８１，８２に入射する光の波長はλ_i （ｉ
＝１，２，…，Ｎ）であり、受光センサ８１，８２から
出力される電気信号により求めた各波長λ_i の光量ｅ_i
（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の比をそれぞれ求めることによ
り、測定試料Ｍの分光透過率を求めることができる。

【００７９】このアダマール変換分光法も、フーリエ変
換分光法と同様に、各波長毎の測定時間が長くなる分だ
けＳ／Ｎの向上を図ることができる。また、特定の波長
の透過率を求める場合には、それらの波長に対応する光
シャッタ素子Ｓ_i のみを開閉すればよい。

【００８０】このように、本実施形態によれば、複数の
波長成分を有する光を発光する光源ユニット１１と、互
いに異なる波長帯の光を透過する複数の帯域通過フィル
タＦ₁ 〜Ｆ_M を有するフィルタ１２を介して対応する光
シャッタ素子Ｓ_i に導くようにしたので、光源ユニット
１１から光シャッタアレイ３までの光学系を簡易にする
ことができ、これによって光学部品による光量の損失が
発生するのを防止することができる。

【００８１】また、光源ユニット１１として発光波長範
囲の広い光源を用いているので、測定波長範囲を広くす
ることができる。また、入射光の波長成分の透過又は遮
断を電気的に行う光シャッタアレイ３を用いることによ
り、可動部がなく、耐振動性や信頼性を向上できる。

【００８２】なお、本発明は、上記実施形態に限られ
ず、以下の変形形態を採用することができる。（１）図１に一点鎖線で示すように、光源ユニット１１
と光シャッタアレイ３との間に拡散板４１を配置するよ
うにしてもよい。この形態によれば、光源ユニット１１
からの光を一様にすることができ、照度むらの発生を抑
制することができる。

【００８３】（２）図２８に示すように、光シャッタア
レイ３と凹面回折格子６との間に集光レンズ４２を配置
するようにしてもよい。この形態によれば、光シャッタ
アレイ３の端部を透過した光の２分岐ファイバ７への入
射光量を増大することができる。

【００８４】（３）図２９に示すように、２分岐ファイ
バ７に代えて、複数チャネルを有する多分岐ファイバ５
０を備え、Ｌ個の測定試料Ｍ₁ 〜Ｍ_L を同時に測定でき
るようにしてもよい。

【００８５】多分岐ファイバ５０は、２分岐ファイバ７
における光ファイバが複数列並んで各列がそれぞれチャ
ネルを形成している。すなわち、多分岐ファイバ５０の
口金は、図３０に示すように、各チャネル毎にスリット
形状をしており、各チャネル毎に光ファイバの入射端が
一方向に直線状に並んで配置されている。

【００８６】そして、ＣＰＵ９４は、マルチプレクサ９
５を制御して、チャネル毎に順に光検出部８からの電気
信号を取り込むようにすればよい。

【００８７】なお、図３０の形状の多分岐ファイバ５０
を用いて複数チャネルの測定を行う場合には、同一の光
シャッタ素子Ｓ_i がオンしても、光が入射する光ファイ
バの位置が各チャネル毎に異なるので、各チャネル毎に
入射波長を予め調べて波長校正を行う必要がある。

【００８８】（４）図３１は複数の発光ダイオード２２
を長手方向に並べて構成した照明手段１を示す図であ
る。この形態によれば、各発光ダイオード２２の発光波
長帯が狭いので、光シャッタアレイ３の位置に応じて必
要な波長成分の光を発光する発光ダイオードを配置する
ことによって、光源ユニット１１及びフィルタ１２の役
割を兼用させることができる。

【００８９】（５）図１、図２８、図２９では、それぞ
れ測定試料の透過光を光検出部８に導くように構成して
いるが、測定試料の反射光を光検出部８に導くように構
成することにより、測定試料の反射率を測定することが
できる。

【００９０】（６）上記実施形態では、ＰＬＺＴで形成
した光シャッタアレイ３を用いているが、これに限られ
ず、他の電気光学効果を有する材料や、液晶等で形成し
たものを用いてもよい。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、光源から複数の波長成分を有する光を発光し、
互いに異なる波長帯の光を透過する複数の帯域通過フィ
ルタを介して対応する光シャッタ素子に導くようにした
ので、光源から光シャッタ素子までの光学系を簡易な構
成することができ、これによって、光学部品による光量
の損失が発生するのを防止することができる。

【００９２】また、請求項２の発明によれば、帯域通過
フィルタと光シャッタアレイとの間に偏光子を介設する
ことにより、電気光学効果を有する材料で形成された光
シャッタアレイにより確実に光の透過又は遮断を行うこ
とができるとともに、帯域通過フィルタにより偏光子に
入射する光の波長成分を制限することができ、これによ
って、偏光子の発熱を抑制することができる。

【００９３】また、請求項３の発明によれば、光源と帯
域通過フィルタとの間に光源からの光を集光する集光手
段を介設することにより、光シャッタアレイに光源から
の光が効率よく入射することができる。

【００９４】また、請求項４の発明によれば、分散手段
に関して光シャッタアレイと共役な位置において分散光
を各波長毎に受光して第１の光検出手段に導き、一方、
上記共役な位置において上記各波長と同一波長の分散光
を受光し、測定試料に導いて照射し、当該測定試料から
の光を第２の光検出手段に導いて、第１、第２の光検出
手段から出力された電気信号を用いて測定試料の分光特
性を算出することにより、簡易な構成の光学系により測
定試料の分光特性を好適に求めることができる。

【００９５】また、請求項５の発明によれば、所定の変
調タイミングで各光シャッタ素子に電圧を印加し、この
電圧印加タイミングに関する情報を用いて測定試料の分
光特性を算出することにより、分光特性の算出を好適に
行うことができる。

【００９６】また、請求項６の発明によれば、第１の導
光手段を構成する光ファイバの入射端と第２の導光手段
を構成する光ファイバの入射端とを、上記共役な位置に
おいて、所定の方向に交互に並んで配設することによ
り、第１の導光手段と第２の導光手段とに、互いに同一
波長の分散光を受光させることができ、これによって測
定試料の分光特性を好適に求めることができる。

【００９７】また、請求項７の発明によれば、第１、第
２の駆動手段を、第１、第２の温度変更手段を駆動する
際の時定数が、それぞれ、第１の時定数と第１の時定数
より長い第２の時定数とで切替可能に構成し、所定の切
替条件を満足したときに、第１、第２の駆動手段の時定
数を第１の時定数から第２の時定数に切り替えることに
より、第１、第２の光検出手段の温度の所定値への到達
を素早く行うことができるとともに、切替後は第１、第
２の光検出手段の温度変動を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る分光装置を備えた測定装置の一実
施形態を模式的に示す構成図である。

【図２】光シャッタ素子を示す図である。

【図３】２分岐ファイバの構成図である。

【図４】各部の位置関係を示す図である。

【図５】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図６】（ａ）（ｂ）は光源ユニットの構成例を示す図
である。

【図７】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図８】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図９】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図１０】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図１１】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図１２】光源ユニットの構成例を示す図である。

【図１３】フィルタを構成する各帯域通過フィルタの分
光透過特性を示す図である。

【図１４】照明手段の光源ユニットによる照明状態を示
す図である。

【図１５】光シャッタアレイの部分斜視図である。

【図１６】異なる構成の光シャッタアレイを示す斜視図
である。

【図１７】図１６の光シャッタアレイに形成される光シ
ャッタ素子を示す図である。

【図１８】図１６の光シャッタアレイの周辺のモジュー
ル構成例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は温度制
御回路を模式的に示す平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ
線断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

【図１９】凹面回折格子の配置例を示す図である。

【図２０】凹面回折格子の配置例を示す図である。

【図２１】凹面回折格子の配置例を示す図である。

【図２２】受光センサの構成図である。

【図２３】受光センサの温度制御回路を示す回路図であ
る。

【図２４】シーケンシャルスキャン法における光シャッ
タアレイの駆動を示すタイミングチャートである。

【図２５】フーリエ変換分光法における光シャッタアレ
イの駆動を示すタイミングチャートである。

【図２６】信号の各周波数成分の振幅の一例を示す図で
ある。

【図２７】アダマール変換分光法における光シャッタア
レイの駆動を示すタイミングチャートである。

【図２８】分光装置を備えた測定装置の変形形態を模式
的に示す構成図である。

【図２９】分光装置を備えた測定装置の変形形態を模式
的に示す構成図である。

【図３０】多分岐ファイバの構成図である。

【図３１】複数の発光ダイオードを長手方向に並べて構
成した照明手段を示す図である。

【符号の説明】

１照明手段１１光源ユニット１２フィルタ１３光源３光シャッタアレイ５電圧印加手段６凹面回折格子（分散手段）７２分岐ファイバ７１光ファイバ（第１の導光手段）７２光ファイバ（第２の導光手段）８光検出部８１受光センサ（第１の光検出手段）８２受光センサ（第２の光検出手段）９信号処理部９４ＣＰＵ（演算手段、制御手段、第１の温度制御手
段、第２の温度制御手段）Ｄ１ドライバ（第１の駆動手段）Ｄ２ドライバ（第２の駆動手段）Ｆ₁ 〜Ｆ_M 帯域通過フィルタＰ１ペルチエ素子（第１の温度変更手段）Ｐ２ペルチエ素子（第１の温度変更手段）Ｓ₁ 〜Ｓ_N 光シャッタ素子Ｔ１温度センサ（第１の温度検出手段）Ｔ２温度センサ（第２の温度検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林徹大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者中室正雄大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA17 CB21 CB27 CB42 CC05 CC26 CC27 CC29 CC42 CC48 CC51 CD12 CD22 CD31 CD32 CD34 CD35 CD41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加電圧に応じて入射光を透過又は遮断
する光シャッタ素子が複数配列されてなる光シャッタア
レイと、上記各光シャッタ素子に電圧を印加して、上記各光シャ
ッタ素子において入射光を透過又は遮断させる電圧印加
手段と、複数の波長成分を有する光を発光する光源と、互いに異
なる波長帯の光を透過する複数の帯域通過フィルタとを
有し、上記光源からの光を上記各帯域通過フィルタを介
して対応する上記光シャッタ素子に導く照明手段と、上記各光シャッタ素子を透過した透過光を波長に応じて
分散する分散手段とを備えたことを特徴とする分光装
置。
【請求項２】請求項１記載の分光装置において、上記
帯域通過フィルタと上記光シャッタアレイとの間に介設
された偏光子をさらに備え、上記光シャッタアレイは、
電気光学効果を有する材料で形成されていることを特徴
とする分光装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の分光装置におい
て、上記光源と上記帯域通過フィルタとの間に上記光源
からの光を集光する集光手段を介設したことを特徴とす
る分光装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の分光装
置により構成された分光手段と、入射光の強度に応じた電気信号を出力する第１、第２の
光検出手段と、上記分散手段に関して上記光シャッタアレイと共役な位
置において上記分散手段により分散された分散光を各波
長毎に受光して上記第１の光検出手段に導く第１の導光
手段と、上記共役な位置において上記各波長と同一波長の上記分
散光を受光して測定試料に導いて照射し、当該測定試料
からの光を上記第２の光検出手段に導く第２の導光手段
と、上記第１、第２の光検出手段から出力された電気信号を
用いて上記測定試料の分光特性を算出する演算手段とを
備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項５】請求項４記載の測定装置において、上記
電圧印加手段により所定の変調タイミングで上記各光シ
ャッタ素子に電圧を印加させる制御手段を備え、上記演算手段は、上記電圧印加手段による電圧印加タイ
ミングに関する情報を用いて上記分光特性を算出するも
のであることを特徴とする測定装置。
【請求項６】請求項４又は５記載の測定装置におい
て、上記第１、第２の導光手段は、それぞれ複数の光ファイ
バで構成され、上記第１の導光手段を構成する光ファイバの入射端と上
記第２の導光手段を構成する光ファイバの入射端とが、
上記共役な位置において、所定の方向に交互に並んで配
設されていることを特徴とする測定装置。
【請求項７】請求項４〜６のいずれかに記載の測定装
置において、上記第１、第２の光検出手段の温度を変更する第１、第
２の温度変更手段と、上記第１、第２の光検出手段の温度を検出する第１、第
２の温度検出手段と、上記第１、第２の温度変更手段を駆動する第１、第２の
駆動手段と、上記第１、第２の光検出手段の温度が所定値に維持され
るように上記第１、第２の駆動手段の動作を制御する第
１、第２の温度制御手段とを備え、上記第１、第２の駆動手段は、上記第１、第２の温度変
更手段を駆動する際の時定数が、それぞれ、第１の時定
数と第１の時定数より長い第２の時定数とで切替可能に
構成され、上記第１、第２の温度制御手段は、所定の切替条件を満
足したときに、上記第１、第２の駆動手段の時定数を上
記第１の時定数から上記第２の時定数に切り替えるもの
であることを特徴とする測定装置。