JP2000205954A - Spectroscope - Google Patents

Spectroscope

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JP2000205954A
JP2000205954A JP11002425A JP242599A JP2000205954A JP 2000205954 A JP2000205954 A JP 2000205954A JP 11002425 A JP11002425 A JP 11002425A JP 242599 A JP242599 A JP 242599A JP 2000205954 A JP2000205954 A JP 2000205954A
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JP
Japan
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prism
light
image
spherical surface
point
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JP11002425A
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Japanese (ja)
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Hideo Seki
英夫 関
Kuniaki Takahashi
邦明 高橋
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NABA KK
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NABA KK
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously measure multipoints with high efficiency and high accuracy without having a movable part by providing a spectral means composed of a prism having two spherical surfaces and a concave mirror having a spherical surface. SOLUTION: A prism 1 has two spherical surfaces 3, 7, and is formed of a material of quality having a refractive index (n). When arranging an object 11 in the vicinity of an external conjugate surface 13, in the case where an input space medium is air, the first spherical surface 3 forms a virtual image 15 of the object 11 in the vicinity of a stigmatic internal conjugate surface 17 at a distance of R1/n from the center 5. A point 15 is positioned at an intersection between a circle 17 and a circle 19, and the second spherical surface 7 forms a second virtual image 21 on a stigmatic external conjugate surface 23. The image is relayed to a concave mirror 27 having the curve center 29 arranged in the almost middle between a point 21 and a point 25. The light reflected by the concave mirror 27 concentrates on the point 25. The reflected light again reaches the second spherical surface 7 of the prism 1 to place a focus on a fourth virtual image 31. Finally, the first spherical surface 3 of the prism 1 forms a real image 33 on the last image forming point.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は分光装置に関し、特
に、高精度で多点の同時解析が可能な分光装置に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spectroscopic device, and more particularly to a spectroscopic device capable of high-accuracy simultaneous multipoint analysis.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、可視光、赤外線、紫外線等の光の
スペクトラムを解析する分光装置としては、例えば赤緑
青3色のセンサを使用したRGB方式や回折格子素子を
使用したグレーティング方式などがあった。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a spectroscopic device for analyzing the spectrum of light such as visible light, infrared light and ultraviolet light, for example, there are an RGB method using three red, green and blue sensors and a grating method using a diffraction grating element. Was.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の例えばRGB方
式においては、3色のセンサの検出値に基づきスペクト
ラムを演算によって求めるために、正確性や精細性に欠
け、また一度に1点しか測定できないという問題点があ
った。また、グレーティング方式においては、光学系に
可動部が存在するので、故障や誤差の問題があり、ま
た、ブレージング特性で回折効率が一定でないために測
定対象が限定されるという問題点があった。更に、高次
波長が発生するためにブロッキングフィルタを使用する
必要があるので一度に広範囲のスペクトロ解析を行うこ
とが困難であり、入射光の持つ偏光特性により回折効率
が異なるという本質的な問題点もあった。本発明の目的
は、前記のような従来技術の問題点を解決し、可動部が
存在せず、効率が高く、高精度で多点同時測定が可能な
分光装置を提供することにある。
In the conventional RGB system, for example, the spectrum is obtained by calculation based on the detection values of the three color sensors, so that it lacks accuracy and definition and only one point can be measured at a time. There was a problem. Further, in the grating method, there is a problem of a failure or an error due to the presence of a movable part in the optical system, and there is also a problem that the measurement target is limited because the diffraction efficiency is not constant due to the brazing characteristics. Furthermore, it is necessary to use a blocking filter to generate higher-order wavelengths, so it is difficult to perform a wide-range spectroscopic analysis at a time, and the essential problem that the diffraction efficiency differs depending on the polarization characteristics of incident light. There was also. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a spectroscopic device that has no moving parts, has high efficiency, and can perform multipoint simultaneous measurement with high accuracy.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、分光装置にお
いて、それぞれ内部および外部の共役面を持つ2つの球
面を有するプリズムと、球面を有する凹面鏡からなる分
光手段を備えたことを特徴とし、更に、被測定光の入射
部に装着されたスリットと、結像部に装着された2次元
光センサを備えた点にも特徴がある。本発明によれば、
特殊形状のプリズムを使用することによって高効率でし
かも可動部が無く、偏光依存性のない小型分光器を作製
可能であり、更に、スリットおよび2次元CCDセンサ
と組み合わせることにより、同時に多点のスペクトラム
を高精度で測定可能である。
According to the present invention, there is provided a spectroscopic apparatus, comprising: a prism having two spherical surfaces each having an inner and an outer conjugate surface; and a spectral device comprising a concave mirror having a spherical surface. Further, it is characterized in that it has a slit mounted on the incident portion of the light to be measured and a two-dimensional optical sensor mounted on the image forming portion. According to the present invention,
By using a specially shaped prism, it is possible to manufacture a compact spectroscope that is highly efficient, has no moving parts, and does not depend on polarization. Furthermore, by combining it with a slit and a two-dimensional CCD sensor, it is possible to simultaneously produce multiple points of spectrum. Can be measured with high accuracy.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。まず分光装置の光学系の構成要素であるプ
リズムおよび凹面鏡について説明する。図1は、本発明
の分光装置の光学系の構成を示す説明図である。この発
明の主要な構成要素の1つは2つの球面を持つプリズム
1である。図1を参照すると、プリズム1は2つの球面
3、7を持ち、屈折率nの材質で形成されている。第1
の球面3は、中心が点5であり、半径がR1である。第
2の球面7は、中心が点9であり、半径がR2である。
Embodiments of the present invention will be described below in detail. First, a prism and a concave mirror which are components of the optical system of the spectroscopic device will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the optical system of the spectroscopic device of the present invention. One of the main components of the present invention is a prism 1 having two spherical surfaces. Referring to FIG. 1, a prism 1 has two spherical surfaces 3 and 7, and is formed of a material having a refractive index n. First
Has a point 5 at the center and a radius R1. The second spherical surface 7 has a center at the point 9 and a radius of R2.

【0006】対象物11(通常は分光装置の入力開口
部)は、第1の球面3に対する無収差な外部共役面13
の近傍に配置される。もし、入力空間媒体が空気の場合
には、球面3の無収差な外部共役面は、中心が同じく5
で、半径R1の円となる。第1の球面3は、中心5から
R1/nの距離の、無収差な内部共役面17の近傍に対
象物の虚像15を形成する。即ち、球面3による屈折後
は、対象物11からの光の広がりは点15が光源である
ように見える。
An object 11 (usually an input aperture of a spectroscopic device) is provided with an external aberration-free conjugate surface 13 with respect to the first spherical surface 3.
Is arranged in the vicinity of. If the input space medium is air, the astigmatic outer conjugate surface of the spherical surface 3 has the same center at 5
Thus, a circle having a radius R1 is obtained. The first spherical surface 3 forms a virtual image 15 of the object in the vicinity of the stigmatic internal conjugate plane 17 at a distance of R1 / n from the center 5. In other words, after refraction by the spherical surface 3, the light from the object 11 spreads so that the point 15 is a light source.

【0007】点15は、円17および第2のプリズム球
面7の無収差な内部共役面である円19の交点に位置し
ている。第2のプリズム球面7の無収差な内部共役面で
ある円19は中心が9、半径がR2/nの円である。従
って、第2の球面7は、無収差な外部共役面23上に、
第2の虚像21を形成する。無収差な外部共役面23は
同じく中心が9、半径がR2*nの円である。従って、
点21から光が放射されているようにプリズム1から光
が出力される。
[0007] The point 15 is located at the intersection of the circle 17 and the circle 19 which is the aberration-free internal conjugate surface of the second prism spherical surface 7. A circle 19, which is a stigmatic internal conjugate surface of the second prism spherical surface 7, has a center of 9 and a radius of R2 / n. Therefore, the second spherical surface 7 is located on the external conjugate surface 23 having no aberration.
A second virtual image 21 is formed. The aberration-free outer conjugate surface 23 is also a circle having a center of 9 and a radius of R2 * n. Therefore,
Light is output from the prism 1 as if the light were emitted from the point 21.

【0008】像は、カーブの中心29が点21と点25
のほぼ中間に配置された凹面鏡27に中継される。凹面
鏡27で反射した光は、点25に集中する。反射光は再
びプリズムの第2の球面7に達し、第4の虚像31に焦
点を結ぶ。最後に、プリズムの第1の球面3が、最後の
結像点に実像33を形成する。点31と点33とはプリ
ズムの第1の表面3の無収差な共役面の近傍に位置す
る。光線の経路34は、カバーすべきスペクトル領域の
中心付近の単一波長の光線の経路を示している。他の波
長の場合には、プリズムの材質の屈折率の違いによっ
て、虚像の位置が少しずれる。実際の変位は、入射光の
方向とほぼ垂直な結像面35における、スペクトラムを
構成する波長による最終像33の位置の(上下の)シフ
トとなる。
In the image, the center 29 of the curve is at points 21 and 25
Is relayed to the concave mirror 27 arranged substantially in the middle of the above. The light reflected by the concave mirror 27 is concentrated on a point 25. The reflected light again reaches the second spherical surface 7 of the prism and focuses on the fourth virtual image 31. Finally, the first spherical surface 3 of the prism forms a real image 33 at the last imaging point. The points 31 and 33 are located near the aberration-free conjugate plane of the first surface 3 of the prism. Ray path 34 shows the path of a single wavelength ray near the center of the spectral region to be covered. In the case of other wavelengths, the position of the virtual image is slightly shifted due to the difference in the refractive index of the material of the prism. The actual displacement is the (up and down) shift of the position of the final image 33 by the wavelength constituting the spectrum on the image plane 35 substantially perpendicular to the direction of the incident light.

【0009】図2は、図1の光学系の設計手順を示す説
明図である。第1に、プリズム1の第1の球面3の半径
R1が選択され、与えられたプリズムの材質の屈折率n
によって無収差な共役面13および17が決定される。
対象物11およびその第1の虚像15がプリズム1の第
1の球面3の中心5を通る線16上に配置される。第2
に、対象物11と最終像33との距離が選択される。す
ると、第4の虚像31はプリズムの第1の球面3の中心
5と最終像33とを結ぶ線32と無収差な内部共役面1
7との交点に位置する。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a procedure for designing the optical system of FIG. First, the radius R1 of the first spherical surface 3 of the prism 1 is selected, and the refractive index n of a given prism material
Determines the conjugate planes 13 and 17 having no aberration.
The object 11 and its first virtual image 15 are arranged on a line 16 passing through the center 5 of the first spherical surface 3 of the prism 1. Second
Then, the distance between the object 11 and the final image 33 is selected. Then, the fourth virtual image 31 is a line 32 connecting the center 5 of the first spherical surface 3 of the prism and the final image 33 and the aberration-free internal conjugate plane 1
It is located at the intersection with 7.

【0010】第3に、第2のプリズム球面7の半径R2
が選択され、無収差な共役面19および23が決定され
る。第2のプリズム球面7の無収差な内部共役面19に
結像する第1の虚像15のために、第2のプリズム球面
7の中心9は、中心15、半径R2/nの弧18上に配
置される。中心5と中心9の間の距離は、分解能に影響
する。第4に、第2のプリズム球面7の中心9と第1の
虚像15とを通過する直線20と、第2のプリズム球面
7の無収差な外部共役面23との交点に、第2の虚像2
1が配置される。
Third, the radius R2 of the second prism spherical surface 7
Is selected, and the conjugate planes 19 and 23 having no aberration are determined. For the first virtual image 15 to be imaged on the stigmatic internal conjugate surface 19 of the second prism spherical surface 7, the center 9 of the second prism spherical surface 7 is located on the center 15 on the arc 18 having the radius R2 / n. Be placed. The distance between the center 5 and the center 9 affects the resolution. Fourth, a second virtual image is formed at the intersection of a straight line 20 passing through the center 9 of the second prism spherical surface 7 and the first virtual image 15 and the astigmatic outer conjugate surface 23 of the second prism spherical surface 7. 2
1 is arranged.

【0011】第5に、第2のプリズム球面7の中心9と
第4の虚像31を通る直線30上に、第3の虚像25が
配置される。中心9に関して、点31および点25は周
知の屈折の法則によって決定される。第6に、第3の虚
像位置25に第2の虚像が中継されるように、反射鏡2
7の中心位置29が決定される。第2のプリズム球面7
と鏡27の間に適当に分離されるように、反射鏡27の
カーブの半径(R3)が選択される。
Fifth, a third virtual image 25 is arranged on a straight line 30 passing through the center 9 of the second prism spherical surface 7 and the fourth virtual image 31. With respect to center 9, points 31 and 25 are determined by the well-known law of refraction. Sixth, the reflecting mirror 2 is arranged such that the second virtual image is relayed to the third virtual image position 25.
7 is determined. Second prism spherical surface 7
The radius (R3) of the curve of the reflecting mirror 27 is selected so that it is appropriately separated between the mirror 27 and the mirror.

【0012】第7に、性能を最適化するために、目的と
する波長全体における除去できないシステム収差をバラ
ンスさせるコンピュータ化した光学設計手法を使用可能
である。この手法は、プログラムが良好な解答へ迅速に
収れんすることを可能にする最初の解答を生成すること
が知られている。
Seventh, to optimize performance, computerized optical design techniques that balance unremovable system aberrations over the entire target wavelength can be used. This approach is known to generate a first answer that allows the program to quickly converge to a good answer.

【0013】プリズムの材質の選択は、目的とする波長
帯における光の伝導性および分散性(波長による屈折率
の変化)に依存する。可視波長帯においては、高性能な
装置を形成するためにガラスプリズムおよびCCD素子
が組み合わされる。紫外領域においては、プリズムの材
質として溶融シリカあるいはふっ化マグネシウムが使用
できる。赤外領域においては、目的とする波長により、
ふっ化カルシウム、塩化ナトリウム、酸化マグネシウ
ム、塩化カリウム、臭化カリウムが適当である。
The selection of the material of the prism depends on the light conductivity and dispersion (change in the refractive index depending on the wavelength) in the target wavelength band. In the visible wavelength band, glass prisms and CCD elements are combined to form high performance devices. In the ultraviolet region, fused silica or magnesium fluoride can be used as the prism material. In the infrared region, depending on the target wavelength,
Calcium fluoride, sodium chloride, magnesium oxide, potassium chloride, potassium bromide are suitable.

【0014】図3は、分光器のカバー波長範囲を広げる
ために、複数のタイプのプリズムを組み合わせて使用す
る1つの方式を示す説明図である。この装置は例えば
2.9〜13.5マイクロメートルの波長の赤外線を観
測するために使用される。外部からの入射光は、図示し
ない光学系によって、点11において焦点を結ぶ。光は
次に、6.5〜13.5マイクロメートルの波長は透過
し、2.9〜6.5マイクロメートルの波長は反射する
スペクトラムビームスプリッタ51に到達する。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing one system in which a plurality of types of prisms are used in combination in order to extend the cover wavelength range of the spectroscope. This device is used, for example, to observe infrared light having a wavelength of 2.9 to 13.5 micrometers. External incident light is focused at a point 11 by an optical system (not shown). The light then reaches a spectral beam splitter 51 that transmits wavelengths between 6.5 and 13.5 micrometers and reflects wavelengths between 2.9 and 6.5 micrometers.

【0015】透過光52は、例えば前記したように、塩
化ナトリウムプリズム53および凹面反射鏡55によっ
て分散され、再結像される。このチャネルの分散スペク
トラムは、赤外線検出素子アレー57によって検出、記
録される。反射光59は、塩化カルシウムプリズム63
および反射鏡65によって同様に分散し、第2のアレー
61上に結像する。
The transmitted light 52 is dispersed and re-imaged by the sodium chloride prism 53 and the concave reflecting mirror 55, for example, as described above. The dispersion spectrum of this channel is detected and recorded by the infrared detecting element array 57. The reflected light 59 is reflected by the calcium chloride prism 63
The light is similarly dispersed by the reflecting mirror 65 and forms an image on the second array 61.

【0016】上記した実施例においては、対象物と像の
比率は1:1で動作する。図4は、光経路にレンズ79
を追加することにより、他の比率にする方法を示してい
る。この方法は、利用可能な検出器72の大きさに像の
大きさを合わせるために必要である。この例において
は、対象物71からの光73(例えば3つの波長を含ん
でいるものとする)は、比較的小さな焦点レシオ(f/
number)で広がる。光は、上記した二重無収差理論に関
するプリズム75および鏡77によって分散され、再結
像される。
In the embodiment described above, the ratio of the object to the image is 1: 1. FIG. 4 shows a lens 79 in the optical path.
The method of adding another ratio to make the ratio different is shown. This method is necessary to match the image size to the available detector 72 size. In this example, the light 73 from the object 71 (for example, including three wavelengths) has a relatively small focal ratio (f /
spread by number). The light is dispersed and re-imaged by the prism 75 and mirror 77 relating to the double astigmatism theory described above.

【0017】分散されたビーム78は、焦点に達する前
にシステムの実質的な焦点距離を変更するレンズ79に
達する。示された例においては、拡大されたスペクトラ
ムを生成する凸レンズ79が使用されている。この構成
による付加的な利点は、プリズム75がより広がらない
(小さなf/number)ビーム中で動作するので、全体と
して像の精度が向上することである。焦点にあるセンサ
72上には、図4の右上にあるような3つの波長に分散
された拡大されたスペクトラムが得られる。
The dispersed beam 78 reaches a lens 79 that changes the substantial focal length of the system before reaching focus. In the example shown, a convex lens 79 that produces an expanded spectrum is used. An additional advantage of this configuration is that overall image accuracy is improved because the prism 75 operates in a less divergent (small f / number) beam. On the sensor 72 at the focal point, an expanded spectrum is obtained which is distributed over three wavelengths as shown in the upper right of FIG.

【0018】以上、スペクトラムを生成する光学系につ
いて説明したが、取り付け位置のずれに対する許容誤差
を増加させ、光学像の質を向上させるために、凹面鏡
(27、55、65、77)として、回転対称な円錐形
状を使用可能である。更に、光学的位置合わせを単純に
するために、凹面鏡の球面とプリズムの球面とを同軸に
することができる。
Although the optical system for generating the spectrum has been described above, the concave mirror (27, 55, 65, 77) is used as a concave mirror (27, 55, 65, 77) in order to increase the permissible error with respect to the displacement of the mounting position and improve the quality of the optical image. Symmetrical conical shapes can be used. Furthermore, the spherical surface of the concave mirror and the spherical surface of the prism can be made coaxial in order to simplify the optical alignment.

【0019】プリズムの第2の球面と凹面鏡との間の空
気の空間が影響する許容誤差が最もクリチカルである。
しかし、公知の製造誤差(例えば半径や厚さ)は組み立
て中に補正可能である。また、焦点を合わせたり、焦点
面を僅かに動かすことにより、誤差(組み立てあるいは
熱の影響による配置誤差)の主な部分は補正可能であ
る。プリズムの円柱状のエッジが凹面鏡の中心と同軸に
なるようにすることにより、プリズムの形状を単純化す
ることができる。このことにより、単純な機械的工具を
使用して精度を検証することが可能な、従来の光学的手
法を使用した比較的単純な方法によってプリズムを製造
可能である。
The tolerances affected by the air space between the second spherical surface of the prism and the concave mirror are the most critical.
However, known manufacturing errors (eg, radius and thickness) can be corrected during assembly. By adjusting the focus or slightly moving the focal plane, the main part of the error (the assembly error due to the assembly or the influence of heat) can be corrected. By making the cylindrical edge of the prism coaxial with the center of the concave mirror, the shape of the prism can be simplified. This allows the prism to be manufactured by a relatively simple method using conventional optical techniques, where the accuracy can be verified using simple mechanical tools.

【0020】プリズムおよび鏡に球面のみを使用するこ
とにより、そのままでも満足する像の精度を達成するこ
とができる。しかし、(波長632.8ナノメートルにおい
て)鏡を球面よりも2〜4波長分離れた偏球面とするこ
とにより、像の精度は更に改善される。
By using only spherical surfaces for the prisms and mirrors, satisfactory image accuracy can be achieved as is. However, the accuracy of the image is further improved by making the mirror a spherical surface (at a wavelength of 632.8 nanometers) separated from the spherical surface by two to four wavelengths.

【0021】次に、分光装置の光学系全体の構成例につ
いて説明する。図5は、可視領域の分光装置の光学系全
体の構成の一例を示す説明図である。分光装置80は、
前記したプリズム81および凹面鏡82からなる分散光
学系、対象物から放射される光を分散光学系に入力する
入力光学系および分散光学系によって生成されたスペク
トラムを検出する検出手段からなる。
Next, an example of the configuration of the entire optical system of the spectrometer will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of the configuration of the entire optical system of the spectrometer in the visible region. The spectroscopic device 80
A dispersive optical system including the prism 81 and the concave mirror 82, an input optical system for inputting light emitted from an object to the dispersive optical system, and a detecting unit for detecting a spectrum generated by the dispersive optical system.

【0022】入力光学系の構成要素であるレンズ88
は、測定対象物89(例えばXY可動テーブル上のカラ
ー印刷物)から放出された光を分散光学系の入力点(図
1の11)に結像させる。レンズ88としては、市販の
カメラ用交換レンズを使用可能である。ハーフミラー8
6は、測定対象物からの光の一部を一定の割合で反射
し、カラーCCDカメラ87に入力する。カラーCCD
カメラ87は、市販されているものを使用可能であり、
測定対象物89のスペクトル測定範囲を含むカラー映像
信号(例えばNTSC信号)を出力する。なお、ハーフ
ミラー86およびCCDカメラ87は、使用者が測定す
べき箇所を容易に指定できるようにするためのものであ
り、スペクトラムの測定そのものには必要ではない。
Lens 88 as a component of the input optical system
Focuses light emitted from the measurement object 89 (for example, a color print on the XY movable table) at the input point (11 in FIG. 1) of the dispersive optical system. As the lens 88, a commercially available camera interchangeable lens can be used. Half mirror 8
Reference numeral 6 reflects a part of the light from the object to be measured at a fixed rate, and inputs the reflected light to the color CCD camera 87. Color CCD
As the camera 87, a commercially available camera can be used.
A color video signal (for example, an NTSC signal) including the spectrum measurement range of the measurement target 89 is output. Note that the half mirror 86 and the CCD camera 87 are for allowing the user to easily specify the location to be measured, and are not necessary for the spectrum measurement itself.

【0023】スリット85は分散光学系の入力点(図1
の11)に配置された長方形の開口部(スリット)を有
する板である。開口部の長手方向の長さは、分散光学系
の倍率や検出手段であるCCD素子の大きさによるが、
例えば5ミリメートルであり、開口部の幅は例えば数十
〜100ミクロン程度である。光量が十分にある場合に
は開口部の幅は狭い方が波長の分解能が向上する。開口
部の長手方向は、分散光学系によって光が分散される方
向と垂直になっている。従って、スリットの各点を通過
した光はスリットの長手方向と直角な方向に分散され、
結像点(図1の33)である図5上部のCCDチップ上
には、横方向がスリットの各位置、縦方向がスリットの
各点のスペクトラムとなる2次元の光信号が結像する。
The slit 85 is provided at the input point of the dispersion optical system (FIG. 1).
This is a plate having a rectangular opening (slit) arranged in 11). The length of the opening in the longitudinal direction depends on the magnification of the dispersive optical system and the size of the CCD element serving as the detection means.
For example, it is 5 mm, and the width of the opening is, for example, about several tens to 100 microns. If the light amount is sufficient, the narrower the aperture, the better the wavelength resolution. The longitudinal direction of the opening is perpendicular to the direction in which light is dispersed by the dispersion optical system. Therefore, light passing through each point of the slit is dispersed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit,
On the CCD chip in the upper part of FIG. 5, which is an image forming point (33 in FIG. 1), a two-dimensional optical signal whose spectrum is the position of each slit in the horizontal direction and the spectrum of each point of the slit in the vertical direction is formed.

【0024】なお、平面鏡84は、入力光の取り込みを
容易にするために、入力光の方向をほぼ90度変化させ
るために設けられているものであり、使用しなくても装
置の設計は可能である。また、分散されて結像する前の
光を平面鏡によって方向を変えるようにしてもよい。ま
た、図5においては、図4に示したような拡大用のレン
ズ79は使用していないが、無論使用することも可能で
ある。
The plane mirror 84 is provided to change the direction of the input light by approximately 90 degrees in order to easily take in the input light, and the device can be designed without using it. It is. Further, the direction of the light before being dispersed and formed into an image may be changed by a plane mirror. Further, in FIG. 5, the enlargement lens 79 as shown in FIG. 4 is not used, but it is of course possible to use it.

【0025】分散されたスペクトル光を検出する検出手
段であるモノクロCCDカメラ83は、結像点(図1の
33)に配置され、2次元スペクトル光の強さを検出し
て、映像信号を出力する。CCD撮像素子としては、例
えばチップサイズが6×5ミリメートル、画素数が水平
700×垂直500程度、波長レンジが400〜110
0ナノメートルの市販されているものを使用することが
できる。CCD撮像素子(チップ)は90度回転した位
置で装着されており、CCDの水平走査の1ラインがス
リットの任意の点におけるスペクトラムデータ(図5の
CCDチップ上の縦の1ライン)に相当する。出力する
映像信号としては例えばNTSC方式の映像信号であっ
てもよい。
A monochrome CCD camera 83, which is a detecting means for detecting the dispersed spectrum light, is arranged at an image point (33 in FIG. 1), detects the intensity of the two-dimensional spectrum light, and outputs a video signal. I do. As the CCD image pickup device, for example, a chip size is 6 × 5 mm, the number of pixels is about 700 × horizontal × 500, and a wavelength range is 400 to 110.
A commercially available product of 0 nanometers can be used. The CCD image pickup device (chip) is mounted at a position rotated by 90 degrees, and one line of horizontal scanning of the CCD corresponds to spectrum data (one vertical line on the CCD chip in FIG. 5) at an arbitrary point of the slit. . The output video signal may be, for example, an NTSC video signal.

【0026】図6は、分光システム全体の構成例を示す
ブロック図である。分光装置80のカラーCCDカメラ
87の出力信号はモニタ装置90に入力され、XY可動
テーブル96上の測定対象物(例えばカラー印刷物)8
9のスペクトラム測定領域(点線で囲んだ長方形の領
域)を含む所定の領域を表示する。なお、モニタ画面上
のスペクトラム測定領域を示す点線の長方形は、予め画
面上に書き込んでおくか、あるいは電子的に長方形画像
を発生させてCCDカメラ87からの画像と合成する。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the entire spectroscopic system. The output signal of the color CCD camera 87 of the spectroscopic device 80 is input to the monitor device 90, and the measurement target (for example, a color print) 8 on the XY movable table 96 is output.
A predetermined area including nine spectrum measurement areas (rectangular areas surrounded by dotted lines) is displayed. The dotted rectangle indicating the spectrum measurement area on the monitor screen is previously written on the screen, or a rectangular image is generated electronically and combined with the image from the CCD camera 87.

【0027】スペクトラム検出用のモノクロCCDカメ
ラ83の出力信号はコンピュータ91に入力され、例え
ば周知のビデオキャプチャー機能により、各画素に対応
する輝度情報がデジタル画像信号として取り込まれる。
コンピュータ91は例えば市販のパソコンやワークステ
ーションを使用可能であり、ビデオキャプチャーカード
等の映像信号入力手段を装着する。コンピュータ91に
は、周知のキーボード92、マウス93、CRTディス
プレイ94、プリンタ95が接続されており、また、X
Y可動テーブル装置96が例えば周知のRS-232Cインタ
ーフェイスにより接続されている。
The output signal of the monochrome CCD camera 83 for spectrum detection is input to the computer 91, and luminance information corresponding to each pixel is captured as a digital image signal by, for example, a well-known video capture function.
As the computer 91, for example, a commercially available personal computer or workstation can be used, and a video signal input means such as a video capture card is mounted. A well-known keyboard 92, mouse 93, CRT display 94, and printer 95 are connected to the computer 91.
The Y movable table device 96 is connected by, for example, a well-known RS-232C interface.

【0028】使用者は、まず、スペクトラム測定領域が
測定対象物89の所望の位置に来るように、モニタ90
をみながらキーボード92、マウス93等を操作してX
Y可動テーブルを移動させる。次に、コンピュータ91
に対してスペクトラム測定用CCDカメラ83の出力信
号を取り込むように指示をする。
The user first sets the monitor 90 so that the spectrum measurement area is at a desired position on the measurement target 89.
And operate keyboard 92, mouse 93, etc.
Move the Y movable table. Next, the computer 91
Is instructed to take in the output signal of the CCD camera 83 for spectrum measurement.

【0029】コンピュータ91は例えばビデオキャプチ
ャー機能を使用して映像信号を取り込み、光学系やCC
D素子に関する各種の補正、所望の分解能によるスペク
トラム解析を行い、例えば3次元グラフ化してディスプ
レイ94に表示し、あるいはプリンタ95によってプリ
ントする。スリットの長手方向の分解能は、例えば最大
値の150以下であれば任意に設定可能である。
The computer 91 captures a video signal using, for example, a video capture function,
Various corrections relating to the D element and spectrum analysis with a desired resolution are performed, for example, a three-dimensional graph is displayed on the display 94, or printed by the printer 95. The resolution in the longitudinal direction of the slit can be arbitrarily set, for example, as long as the maximum value is 150 or less.

【0030】図7は、分光装置の入力光学系の第2実施
例の構成を示す説明図である。例えば放電管98あるい
は電球等の発光する対象物を測定する場合には、効率が
低くても測定可能であるので、収差のないピンホール9
7を使用することができる。分光装置80の第2実施例
の入力光学系としては、第1実施例である図5のレンズ
88の代わりにピンホール97が装備されている。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the configuration of a second embodiment of the input optical system of the spectrometer. For example, when measuring a light-emitting object such as a discharge tube 98 or a light bulb, the pinhole 9 having no aberration can be measured even if the efficiency is low.
7 can be used. As an input optical system of the second embodiment of the spectroscopic device 80, a pinhole 97 is provided instead of the lens 88 of FIG. 5 which is the first embodiment.

【0031】スリット85上にはピンホール97によっ
て測定対象物の像ができ、その内のスリットの部分に達
した光のみが分散光学系に入力され、分散してCCDカ
メラ83に達する。放電管98を例えばXY可動テーブ
ル上に配置すれば、放電管98内の2次元のスペクトル
分布を自動測定可能となり、放電状態の解析や電極の設
計等に有用である。ピンホール97およびスリット85
を通過した光は断面が直線状であり、プリズム81およ
び凹面鏡82の限られた範囲のみを通過する。従って、
プリズム81および凹面鏡82は球面ではなく円筒面と
することもできる。
An image of the object to be measured is formed on the slit 85 by the pinhole 97, and only the light that reaches the slit portion of the image is input to the dispersive optical system, dispersed and reaches the CCD camera 83. If the discharge tube 98 is arranged on, for example, an XY movable table, a two-dimensional spectral distribution in the discharge tube 98 can be automatically measured, which is useful for analyzing a discharge state, designing electrodes, and the like. Pinhole 97 and slit 85
Passes through the prism 81 and the concave mirror 82 only in a limited range. Therefore,
The prism 81 and the concave mirror 82 may be cylindrical surfaces instead of spherical surfaces.

【0032】図8は、分光装置の入力光学系の第3実施
例の構成を示す説明図である。例えば立体的な対象物1
00の複数の点におけるスペクトルを測定する場合に
は、光ファイバー99を使用することができる。分光装
置80の第3実施例の入力光学系としては、第1実施例
である図5のスリット85の開口部の位置に整列された
光ファイバー99の端部を配置する。光ファイバー99
の他端101には例えばレンズを装着し、対象物100
から離れた位置において、対象物100の測定点から放
出された光を光ファイバー内に取り込む。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the configuration of a third embodiment of the input optical system of the spectrometer. For example, a three-dimensional object 1
When measuring spectra at a plurality of points of 00, an optical fiber 99 can be used. As the input optical system of the third embodiment of the spectroscopy device 80, the end of the optical fiber 99 aligned with the position of the opening of the slit 85 of FIG. Optical fiber 99
For example, a lens is attached to the other end 101 of the object 100.
The light emitted from the measurement point of the object 100 is taken into the optical fiber at a position away from the optical fiber.

【0033】光ファイバー99を例えば100本整列さ
せ、その他端101を10行×10列の2次元的に配列
すれば、対象物の100個の2次元測定点におけるスペ
クトラム情報を同時に入力することもできる。その他、
他端101の配置は任意であり、同時に複数の対象物の
測定も可能である。
By arranging, for example, 100 optical fibers 99 and arranging the other end 101 two-dimensionally in 10 rows × 10 columns, it is possible to simultaneously input spectrum information at 100 two-dimensional measurement points of the object. . Others
The arrangement of the other end 101 is arbitrary, and a plurality of objects can be measured at the same time.

【0034】以上、本発明の実施例を開示したが、本発
明には下記のような変形例も考えられる。実施例におい
ては、モニタ手段とスペクトラム測定手段とは分離して
いるが、モニタ画像もコンピュータ91に取り込み、ス
ペクトル情報と同時にあるいは切り替えてディスプレイ
装置に表示可能に構成してもよい。センサとしては、C
CD撮像素子を使用する例を開示したが、光の強度を検
出可能なセンサであれば、CMOSセンサ、フォトダイ
オードアレー、撮像管などCCD以外の任意のセンサを
使用可能である。
While the embodiment of the present invention has been disclosed above, the present invention may have the following modifications. In the embodiment, the monitor means and the spectrum measuring means are separated from each other. However, the monitor image may be taken into the computer 91 and displayed on the display device simultaneously with or after switching the spectrum information. As the sensor, C
Although an example using a CD image sensor has been disclosed, any sensor other than a CCD, such as a CMOS sensor, a photodiode array, or an image pickup tube, can be used as long as the sensor can detect light intensity.

【0035】実施例としてはXY可動テーブルを使用す
る例を開示したが、対象物を移動させることが困難な場
合には、分光装置80を移動あるいは回転させてもよ
い。実施例においては凹面鏡によって光路を折り返す例
を開示したが、凹面鏡なしでプリズムのみでも分光装置
を構成可能である。この場合には、部品数は減少する
が、装置が大型化し、分解能が悪化する。
Although an example using an XY movable table has been disclosed as an embodiment, if it is difficult to move an object, the spectroscopic device 80 may be moved or rotated. In the embodiment, the example in which the optical path is turned back by the concave mirror is disclosed. However, the spectral device can be configured only by the prism without the concave mirror. In this case, the number of components is reduced, but the size of the apparatus is increased and the resolution is deteriorated.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
分光装置において、2つの球面を持つプリズムと、球面
を有する凹面鏡からなる分光手段を備え、更に、被測定
光の入射部に装着されたスリットと、結像部に装着され
た2次元光センサを備えている。従って、本発明によれ
ば、プリズムおよび凹面鏡を使用することによって高効
率でしかも可動部が無く、偏光依存性のない小型の分光
器を作製可能であるという効果がある。また、スリット
および2次元CCDセンサと組み合わせることにより、
同時に多点のスペクトラムを高精度で測定可能であると
いう効果もある。更に、微小な対象物から距離の離れた
巨大な構造物まで任意の距離の任意の大きさの対象物を
測定可能であるという効果がある。従って、本発明の分
光装置を使用することによって、印刷物、農産物、液
晶、CRT、投射型など任意のディスプレイ等の色彩測
定、分析、判別等が高速に処理可能となる。
As described above, in the present invention,
The spectroscopic device includes a prism having two spherical surfaces and a spectroscopic unit including a concave mirror having a spherical surface, and further includes a slit mounted on an incident portion of the measured light, and a two-dimensional optical sensor mounted on an image forming portion. Have. Therefore, according to the present invention, by using the prism and the concave mirror, there is an effect that it is possible to manufacture a small-sized spectroscope having high efficiency, having no movable portion, and having no polarization dependency. In addition, by combining with a slit and a two-dimensional CCD sensor,
At the same time, there is an effect that a spectrum at multiple points can be measured with high accuracy. Furthermore, there is an effect that an object of an arbitrary size at an arbitrary distance can be measured from a minute object to a huge structure at a distance. Therefore, by using the spectroscopic device of the present invention, color measurement, analysis, discrimination, and the like of any display such as printed matter, agricultural products, liquid crystal, CRT, and projection type can be processed at high speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の分光装置の光学系の構成を示す説明図
である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an optical system of a spectroscopic device of the present invention.

【図2】図1の光学系の設計手順を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a design procedure of the optical system of FIG. 1;

【図3】複数のタイプのプリズムを組み合わせて使用す
る1つの方式を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing one system in which a plurality of types of prisms are used in combination.

【図4】光経路にレンズ79を追加することにより、他
の比率にする方法を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a method of adding a lens 79 to the optical path to obtain another ratio.

【図5】可視領域の分光装置の光学系全体の構成の一例
を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the entire optical system of the spectroscopic device in the visible region.

【図6】分光システム全体の構成例を示すブロック図で
ある。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of an entire spectroscopic system.

【図7】分光装置の入力光学系の第2実施例の構成を示
す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a second embodiment of the input optical system of the spectroscopic device.

【図8】分光装置の入力光学系の第3実施例の構成を示
す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of a third embodiment of the input optical system of the spectroscopic device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…プリズム、3…第1の球面、7…第2の球面、11
…対象、13…外部共役面、15…対象物の虚像、17
…内部共役面、18…弧、19…共役面、20、30、
32…直線、21…第2の虚像、23…外部共役面、2
5…第3の虚像、27…凹面鏡、29…中心、31…第
4の虚像、33…結像点の実像、35…結像面、51…
ビームスプリッタ、52…透過光、53、63…プリズ
ム、55、65…凹面鏡、57、61…検出素子アレ
ー、59…反射光、71…対象物、72…センサ、73
…光ビーム、75…プリズム、77…凹面鏡、78…散
乱されたビーム、79…レンズ、80…分光装置、81
…プリズム、82…凹面鏡、83…CCDカメラ、84
…平面鏡、85…スリット、86…ハーフミラー、87
…CCDカメラ、88…レンズ、89…測定対象物、9
0…モニタ装置、91…コンピュータ、92…キーボー
ド、93…マウス、94…ディスプレイ、95…プリン
タ、96…XY可動テーブル、97…ピンホール、98
…放電管、99…光ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Prism, 3 ... 1st spherical surface, 7 ... 2nd spherical surface, 11
... object, 13 ... external conjugate plane, 15 ... virtual image of the object, 17
... internal conjugate plane, 18 ... arc, 19 ... conjugate plane, 20, 30,
32: straight line, 21: second virtual image, 23: external conjugate plane, 2
Reference numeral 5: third virtual image, 27: concave mirror, 29: center, 31: fourth virtual image, 33: real image of an imaging point, 35: imaging surface, 51 ...
Beam splitter, 52: transmitted light, 53, 63: prism, 55, 65: concave mirror, 57, 61: detecting element array, 59: reflected light, 71: target object, 72: sensor, 73
... light beam, 75 ... prism, 77 ... concave mirror, 78 ... scattered beam, 79 ... lens, 80 ... spectroscope, 81
... Prism, 82 ... Concave mirror, 83 ... CCD camera, 84
... plane mirror, 85 ... slit, 86 ... half mirror, 87
... CCD camera, 88 ... Lens, 89 ... Measurement object, 9
0: Monitor device, 91: Computer, 92: Keyboard, 93: Mouse, 94: Display, 95: Printer, 96: XY movable table, 97: Pinhole, 98
... discharge tube, 99 ... optical fiber

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G020 AA03 AA04 AA05 CA01 CB04 CB31 CB42 CB43 CC02 CC14 CC15 CC42 CC47 CD06 CD12 CD13 CD24 CD33 CD52 2H042 CA17 2H087 KA12 TA03 TA04  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G020 AA03 AA04 AA05 CA01 CB04 CB31 CB42 CB43 CC02 CC14 CC15 CC42 CC47 CD06 CD12 CD13 CD24 CD33 CD52 2H042 CA17 2H087 KA12 TA03 TA04

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 それぞれ内部および外部の共役面を持つ
2つの球面を有するプリズムと、球面を有する凹面鏡と
からなる分光手段を備えたことを特徴とする分光装置。
1. A spectroscopic apparatus comprising: a spectroscopic unit comprising a prism having two spherical surfaces each having an inner and an outer conjugate surface, and a concave mirror having a spherical surface.
【請求項2】 長手方向が前記分光手段による光の分散
方向と直角になるように、被測定光の入射部に装着され
たスリットと、 前記分光手段の結像部に装着された2次元光センサとを
備えたことを特徴とする請求項1に記載の分光装置。
2. A slit mounted on an incident portion of the light to be measured so that a longitudinal direction is perpendicular to a direction in which the light is dispersed by the spectral unit, and a two-dimensional light mounted on an image forming unit of the spectral unit. The spectroscopic device according to claim 1, further comprising a sensor.
【請求項3】 測定対象物の像を前記スリットの位置に
結像する入力光学系と、 被測定対象物を少なくともスリットの長手方向と直角な
方向に移動させる可動テーブル手段と、 前記可動テーブル手段の制御および前記光センサからの
出力信号の解析を行うコンピュータとを備えたことを特
徴とする請求項2に記載の分光装置。
3. An input optical system for forming an image of an object to be measured at the position of the slit, movable table means for moving the object to be measured at least in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit, and the movable table means The spectrometer according to claim 2, further comprising: a computer that controls the temperature and analyzes an output signal from the optical sensor.
【請求項4】 前記入力光学系はピンホール手段である
ことを特徴とする請求項3に記載の分光装置。
4. The spectroscope according to claim 3, wherein said input optical system is a pinhole means.
【請求項5】 被測定光の入射部に装着された、配列方
向が前記分光手段による光の分散方向と直角になるよう
に、一端が直線状に配列された複数の光ファイバーと、 前記分光手段の結像部に装着された2次元光センサとを
備えたことを特徴とする請求項1に記載の分光装置。
5. A plurality of optical fibers mounted on the incident portion of the light to be measured, the plurality of optical fibers having one end linearly arranged so that the arrangement direction is perpendicular to the direction of light dispersion by the dispersing means, The spectroscopic device according to claim 1, further comprising a two-dimensional optical sensor attached to the imaging unit.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013213838A (en) * 2007-07-31 2013-10-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Spectroscope

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02226027A (en) * 1989-02-27 1990-09-07 Hamamatsu Photonics Kk Spectroscopic analyser
US5127728A (en) * 1990-01-18 1992-07-07 The Aerospace Corporation Compact prism spectrograph suitable for broadband spectral surveys with array detectors
JPH09105673A (en) * 1995-10-11 1997-04-22 Yokogawa Electric Corp Spectral apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02226027A (en) * 1989-02-27 1990-09-07 Hamamatsu Photonics Kk Spectroscopic analyser
US5127728A (en) * 1990-01-18 1992-07-07 The Aerospace Corporation Compact prism spectrograph suitable for broadband spectral surveys with array detectors
JPH09105673A (en) * 1995-10-11 1997-04-22 Yokogawa Electric Corp Spectral apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013213838A (en) * 2007-07-31 2013-10-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Spectroscope

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