JP2000266601A

JP2000266601A - マルチチャンネル分光器

Info

Publication number: JP2000266601A
Application number: JP11073199A
Authority: JP
Inventors: Koji Masutani; 浩二増谷
Original assignee: SOMA KOUGAKU KK
Current assignee: SOMA KOUGAKU KK
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】マルチチャンネル分光器においてロックイン
アンプ方式を採用し、信号処理中でも測定ができ、シス
テム全体も大がかりにならないようにする。【解決手段】分散素子２で波長毎に分散され被測定光
用検出器３１で検出された被測定光の信号は、変調手段
としてのチョッパ８により参照信号と同じ周期で変調さ
れており、掛け算器５５により参照信号に掛け合わさ
れ、積分器５９で積分された後、表示部６で表示され
る。被測定光用検出器３１はＣＣＤであり、掛け算器５
５への参照信号の入力は、ＣＣＤより成る被測定光用検
出器３１の電荷の読み出し周期に相当する時間だけ積分
器５７により遅らされ、被測定光の信号と参照信号との
同期が取られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願の発明は、光の強度を各
波長域毎に分けて測定する分光器に関するものであり、
特に、異なる波長域を同時に測定できるマルチチャンネ
ルタイプの分光器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光の強度を各波長域毎に分けて測定する
分光測定は、産業の各分野で盛んに行われている。例え
ば、材料分析の分野では、吸光度や光透過率等の光学特
性の分析に分光測定が盛んに利用されているし、新光源
の開発においては、光源の発光スペクトルを測定するこ
とが必須となっている。

【０００３】図５を使用して、このような分光測定を行
う従来の分光器の構成について説明する。図５は、従来
の分光器の概略構成を示す図である。図５に示す分光器
は、測定される光が入射する入射スリット１と、入射ス
リット１からの光を各波長毎に分散させる回折格子等の
分散素子２と、分散素子２で分散された光が入射する被
測定光用検出器３１と、分散素子２で分散された光を出
射スリット１１を通して被測定光用検出器３１の入射面
に結像させる結像光学系４と、被測定光用検出器３１が
検出した光の強度の信号を処理する信号処理部５と、信
号処理部５が処理した結果に基づいて測定結果を表示す
る表示部６等から主に構成されている。

【０００４】例えば試料の吸光度を測定する場合を例に
して、図５の分光器の動作について説明する。標準光源
として分光スペクトルが既知である光源７からの光が、
試料１０を透過して入射スリット１に入射するように試
料が配置される。試料１０を透過した光は、入射スリッ
ト１を経て分散素子２で各波長毎の光に分散し、これが
出射スリット１１を通って被測定光用検出器３１に入射
する。被測定光用検出器３１は、各波長毎の光の強度を
電気信号に変換し、これが信号処理部５で処理され、そ
の結果が表示部６で表示される。そして、その分光スペ
クトルから各波長毎の試料１０の吸光度が計算され、試
料１０の組成や状態等が分析される。

【０００５】上述したような分光測定の分野でも、他の
分野と同様に測定のＳＮ比を向上させることが常に重要
な課題となっている。分光測定では、太陽光や照明光等
の被測定光以外の光が主なバックグラウンド信号（背景
信号）となっており、これらの光の影響をいかに少なく
するかが重要な課題となっている。バックグラウンド信
号を減じる非常に効果的な手段として、ロックインアン
プ方式を用いることが従来から行われている。図５に示
す従来の分光器は、このロックインアンプ方式を用いた
構成となっている。

【０００６】即ち、まず、入射スリット１よりも光源７
側の光路上には、チョッパ８が設けられている。チョッ
パ８は、光源７からの光をチョッピングして光強度が例
えば正弦波状に変化するようにする（変調させる）。ま
た、チョッパ８と入射スリット１との間の光路上には、
ビームスプリッタ９が設けられている。チョッパ８によ
って変調された光は、ビームスプリッタ９によって分割
され、その一方（被測定光）が入射スリット１に入射す
るようになっている。他方の光は、測定のバックグラウ
ンド信号を減じるための参照光として利用される。参照
光は、参照光用検出器３２でその強度が検出される。

【０００７】検出器３１，３２から送られる電気信号は
微弱であり、このため信号処理部５は増幅器を通常備え
ている。図５に示す分光器では、被測定光の信号の増幅
器（以下、被測定光用増幅器）５２として交流増幅器が
用いられている。尚、参照光用検出器３２の後段にも、
同様に交流増幅器（以下、参照光用増幅器）５３が設け
られている。また、参照光用増幅器５３の出力は、ＤＣ
カットフィルタ５１でその直流成分がカットされるよう
になっている。

【０００８】図５に示す従来例では、被測定光の信号Ss
と、参照光の信号Srとを掛け合わせ、その出力をローパ
スフィルタ５４に通すことでバックグラウンド信号を除
去している。即ち、図５に示すように、被測定光用増幅
器５２と参照光用増幅器５３との後段には、両者から出
力される信号を掛け合わせる掛け算器５５と、掛け算器
５５の出力が入力されるローパスフィルタ５４が設けら
れている。

【０００９】今、チョッパ８の変調周波数をｆとする
と、被測定光用増幅器５２から出力される被測定光の信
号Ssは、 Ss=Asin(2πft)+Bsin(2πf't)+C…(1) と表せる。式（１）において、Ａは被測定光の強度を示
す。また、Bは被測定光に含まれる交流成分のバックグ
ラウンド信号の振幅で、f'はその周波数である。さら
に、Cは被測定光の信号の直流成分であり、これには、
被測定光のエネルギー量の平均値と、迷光や太陽光等の
バックグラウンドとして存在する直流分のノイズとが含
まれる。また、参照光用増幅器５３から出力される参照
光の信号Srは、ＤＣカットフィルタ５１で直流成分がカ
ットされているので、 Sr=Dsin(2πft)…(2) と表せる。式（２）において、Ｄは参照光の強度を示
す。

【００１０】掛け算器５５において、上記SsとSrとを掛
け合わせると、式（１）×式（２）より、 Ss*Sr={Asin(2πft)+Bsin(2πf't)+C}*{Dsin(2πft)} =ADsin²(2πft)+Bsin(2πf't)*Dsin(2πft)+CDsin(2πft)…（３）となる。式（３）の右辺の第１項は、AD{1-cos(4πft)}
/2と書き直せる。また、第２項は、BD{cos2π(f'-f)t-c
os2π(f'+f)t}/2となる。従って、各周波数f,f',f-f',f
+f'を充分に遮断するローパスフィルタ５４を通すと、
式（３）の値は、AD/2というバックグラウンド信号が除
去された直流信号が得られる。

【００１１】そして、その後必要な信号処理を行って、
このバックグラウンド信号が除去された測定結果が表示
部６で表示される。絶対値が必要な場合は、参照光の信
号の振幅Ｄを予め調べておき、ローパスフィルタ５４の
出力に対して２／Ｄを掛ける演算を行うようにする。
尚、上記信号処理では、説明を簡単にするため、参照光
用検出器３２からの信号Ssに交流分のノイズが無いよう
になっているが、あったとしても同様にローパスフィル
タ５４で遮断される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した分光器は、回
折格子の角度を変えるなどして測定波長域を順次変えな
がら測定するものが従来多かった。しかしながら、異な
る波長域の光の強度を同時に測定することが必要な場合
がある。例えば、対象物の刻々と変化する分光特性を調
べたい場合や、フラッシュランプ等の非連続光源の発光
スペクトルを調べたい場合等では、多波長の強度測定を
同時に行うことが好ましい。このような要請に応えるた
め、一回の測定で異なる波長の光を同時に測定できるタ
イプの分光器（本明細書ではマルチチャンネル分光器と
呼ぶ）が開発されている。

【００１３】マルチチャンネル分光器は、被測定光用検
出器として、フォトダイオードを並べたダイオードアレ
イを用いる。フォトダイオードの配列方向は分散素子の
分散方向に一致させる。ダイオードアレイの各フォトダ
イオードには、分散素子が分散させた各波長の光が入射
する。そして、各フォトダイオードで光電変換された信
号を処理することで、多数の異なる波長の測定が同時に
できる。

【００１４】しかしながら、上述したようなロックイン
アンプ方式の信号処理をこのマルチチャンネル分光器に
おいて行おうとすると、信号処理中には測定できなかっ
たり、非常に大がかりなシステムになってしまったりす
る欠点がある。この点を、図６を使用して具体的に説明
する。図６は、ダイオードアレイを検出器として用いた
マルチチャンネル分光器において、ロックインアンプ方
式を行う構成とした場合の一例の概略構成を示す図であ
る。

【００１５】図６に示すシステムでは、ダイオードアレ
イ３３の各フォトダイオード３３１の出力電圧が増幅器
３３２で増幅され、パラレルインシリアルアウトのシフ
トレジスタ３３３によって順次読み出される。この出力
は、シリアルインパラレルアウトのシフトレジスタ３３
４によって掛け算用メモリ３３５の各セルに記憶され
る。そして、マルチプレクサ３３６が掛け算用メモリ３
３５の各セルから所定の順序で選択して信号を読み出
し、掛け算器５５に入力する。参照光用検出器３２の検
出信号も同様に増幅され、掛け算器５５に入力される。
そして、掛け算器５５が両者を掛け算してその出力がロ
ーパスフィルタ５４を通され、前述したようにバックグ
ラウンド信号が除去された測定結果が得られる。

【００１６】その後、この信号は、シリアルインパラレ
ルアウトのシフトレジスタ３３７によって表示用メモリ
３３８の各セルに記憶される。そして、表示用メモリ３
３８の各セルから信号を読み出して表示用のデータを作
る表示プロセッサ３３９によって表示用データが作ら
れ、これが表示部６に送られて測定結果が表示される。

【００１７】この図６に示すシステムでは、電荷蓄積型
の検出器を用いていないため、信号処理中は信号が失わ
れる。このため、信号処理時間中では測定ができず、測
定の効率が悪いという欠点がある。また、参照信号と同
期が取れる被測定信号は一つしかない。一方、ダイオー
ドアレイ３３の各フォトダイオード３３１から出力され
る検出信号をパラレル処理するようにすれば、測定時間
を短縮することは可能である。しかしながら、パラレル
処理しようとすると、チャンネル数と同数の増幅器３３
２、掛け算器５５及びローパスフィルタ５４の組が必要
になる。チャンネル数は、測定可能波長域を広くしたり
分解能を高くしたりする必要性から多くなる傾向にあ
り、例えば実用的なマルチチャンネル分光器ではチャン
ネル数は１０００を越えている。従って、増幅器３３
２、掛け算器５５及びローパスフィルタ５４の組をこの
程度の数だけ設ける必要が生じ、非常に大がかりなシス
テムとなってしまう。

【００１８】本願の発明は、このような技術的課題を解
決するために成されたものであり、マルチチャンネル分
光器においてロックインアンプ方式を採用するとととも
に、信号処理中でも測定ができる効率の良いものにし、
システム全体も大がかりにならないようにする技術的意
義を有する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の請求項１記載の発明は、被測定光を波長毎に
分散させる分散素子と、分散素子で分散された被測定光
の強度を検出する被測定光用検出器と、被測定光用検出
器からの信号を処理して被測定光の各波長毎の強度を算
出する信号処理部とを備え、各波長域の光を同時に測定
できるマルチチャンネル分光器であって、交流信号であ
る参照信号と同じ周期で被測定光を変調する変調手段
と、参照信号と前記被測定光用検出器からの信号とを掛
け合わせる掛け算器と、掛け算器の出力が入力される積
分器又はローパスフィルタとを備えたロックインアンプ
方式のマルチチャンネル分光器であり、さらに、前記被
測定光用検出器は、光電変換した結果を電荷として蓄積
し、蓄積した電荷を所定の周期毎に読み出して信号処理
部に送る電荷蓄積型のものであり、被測定光用検出器か
らの信号と参照信号とが前記掛け算器に入力される際に
同期が取れるようにする同期手段を備えているという構
成を有する。上記課題を解決するため、請求項２記載の
発明は、上記請求項１の構成において、前記同期手段
は、前記被測定光用検出器における電荷の読み出し周期
に相当する時間だけ前記参照光用検出器からの信号を遅
らせる積分器であるという構成を有する。上記課題を解
決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項１又は
２の構成において、前記被測定光用検出器における電荷
の読み出し周期は、前記変調手段による変調の周期の１
／２以下であるという構成を有する。上記課題を解決す
るため、請求項４記載の発明は、上記請求項１，２又は
３の構成のおいて、前記被測定光用検出器からの信号を
サンプリングする被測定光用サンプリング回路と、前記
参照信号をサンプリングする参照用サンプリング回路と
を備えており、前記掛け算器では、デジタル化された信
号を掛け算するものであるという構成を有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態につ
いて説明する。図１は、本願発明の実施形態に係るマル
チチャンネル分光器の概略構成を示す図である。図１に
示すマルチチャンネル分光器は、検出器及び信号処理部
の構成が図５に示すものと大きく異なっている。まず、
本実施形態では、被測定光用検出器３１としてＣＣＤ
（電荷結合素子）が使用されている。ＣＣＤとしては、
外付けで電荷蓄積用のコンデンサを備えたタイプのもの
でもよい。尚、本実施形態では、光検出を行う各素子
（以下、ピクセル）にＳｉやＩｎＧａＡｓを使用したＣ
ＣＤが採用されている。

【００２１】図２は、図１に示す被測定光用検出素子３
１としてのＣＣＤにおける信号の読み出しについて説明
した図である。ＣＣＤの各ピクセル３１１には、分散素
子２によって分散された各波長の光が入射する。ＣＣＤ
はイメージセンサであり、各ピクセル３１１は図２に示
すように二次元に配列されている。各ピクセル３１１の
配列方向をＸ方向及びＹ方向とすると、このうちの一方
例えばＸ方向が分散素子２による光の分散方向と一致す
るようＣＣＤが配置されている。尚、一次元配列のＣＣ
Ｄを用いてもよい。一次元配列のＣＣＤの場合は、各ピ
クセルはＸ方向に並んでいて、そのＸ方向が分散素子２
による分散方向と一致するように配置される。

【００２２】ＣＣＤは、受光した光による光電効果によ
り各ピクセル３１１に生じた電荷を蓄積し、この蓄積電
荷を転送して信号として読み出す検出器である。即ち、
各ピクセル３１１には、電荷蓄積用のコンデンサ（以
下、蓄積用コンデンサ）３１０が等価的に設けられてい
る。各ピクセル３１１に設けられた蓄積用コンデンサ３
１０の蓄積電荷は、まずＹ方向シフトレジスタ３１２に
よって全てが同時に読み出され、その後、Ｘ方向シフト
レジスタ３１３によって読み出されるようになってい
る。但し、本実施形態では、Ｙ方向の蓄積電荷量の違い
は必要ではないので、Ｙ方向では積分した値を出力する
ようになっている。

【００２３】次に、信号処理部５の構成について説明す
る。信号処理部５は、ＣＣＤからの信号（以下、測定信
号）を増幅する被測定光用増幅器５２と、被測定光用増
幅器５２で増幅された信号をサンプリングする被測定光
用サンプリング回路５６と、参照光用検出器３２で検出
された信号（以下、参照信号）を増幅する参照光用増幅
器５３と、参照光用増幅器５３で増幅された参照信号の
直流分をカットするＤＣカットフィルタ５１と、ＤＣカ
ットフィルタ５１で直流分がカットされた参照信号の位
相を所定の周期だけ遅らせる積分器５７と、積分器５７
で所定の周期だけ遅延された参照信号をサンプリングす
る参照用サンプリング回路５８と、被測定光用サンプリ
ング回路５６及び参照用サンプリング回路５８の出力が
入力されて測定信号と参照信号とを掛け合わせる掛け算
器５５と、掛け算器５５の出力信号を積分する積分器５
９と、積分器５９の出力から各波長域の光の強度の測定
結果を記憶する表示用メモリ５００と、表示用メモリ５
００から測定結果を読み出して表示用データを作成する
表示プロセッサ５０１とから主に構成されている。

【００２４】まず、被測定光用検出器３１で検出された
測定信号の処理について説明する。図１及び図２に示す
ＣＣＤからの信号は、Ｙ方向で積分した各ピクセル３１
１の蓄積電荷量をＸ方向でシリアルに読み出したもので
ある。従って、この信号は、高さの異なる矩形波状であ
る。一つ一つの矩形の部分は、その波長域における被測
定光の強度を意味している。

【００２５】このような出力波形の信号はアナログ信号
であり、このまま掛け算器５５に入力させて参照用信号
と掛け算を行うようにすると、全ての被測定信号と参照
信号を同期をとる構成が非常に複雑になる欠点がある。
そこで、本実施形態では、被測定光用サンプリング回路
５６及び参照光用サンプリング回路５８を設けてサンプ
リングしている。被測定光用サンプリング回路５６は、
各矩形の例えば中央のところでデータをサンプリングす
るようになっている。即ち、各矩形の高さを所定のビッ
ト数のデジタル信号に変換して出力するようになってい
る。尚、以上の説明から明らかであるが、被測定光用サ
ンプリング回路５６のサンプリング周期は、図２のＣＣ
ＤのＸ方向シフトレジスタ３１３の周期であり、マスタ
ークロックの周期に依存している。

【００２６】次に、参照光の信号処理について説明す
る。図３は、図１に示す参照光用検出器３２で検出され
た参照信号の処理について説明する図である。図１から
わかるように、参照光についても被測定光と同様に変調
されており、参照光用検出器３２で検出された参照信号
は図３中の一番上の（１）に示すような交流波形であ
る。そして、この参照信号には、参照光のエネルギー量
の平均値である直流分の信号が重畳している。このよう
な参照信号は、ＤＣカットフィルタ５１に通されること
により、図３中の上から２番目の（２）に示すように直
流分がカットされた状態となる。

【００２７】次に、直流分がカットされた参照信号は、
積分器５７で遅延される。この積分器５７における遅延
時間は、被測定光用検出器３１として用いられたＣＣＤ
の信号読み出し周期に密接に関連している。図３中の上
から三番目の（３）には、上述したＣＣＤの各ピクセル
３１１の信号読み出しのタイミングパルスが示されてい
る。このパルスの周期がＣＣＤの各ピクセル３１１の蓄
積用コンデンサ３１０からの電荷の読み出し周期Ｔr に
なっている。そして、その下の（４）には、積分器５７
により積分される参照信号の時間的変化が示されてい
る。

【００２８】この図３（４）に示すように、積分器によ
り積分される参照信号はほぼ三角波状に変化する。三角
波の周期は、被測定光の読み出し周期Ｔr と同期してい
る。図３（５）はサンプリングされた参照信号で、上述
した被測定光信号の変化と同じ周期でかつ同じ位相で周
期的に変化する。図１に示す積分器５７は、参照光用検
出器３２で検出された参照信号を、このＣＣＤにおける
電荷の読み出し周期Ｔr に相当する時間だけ遅らせるよ
うになっている。即ち、図３（５）に示すように、ＤＣ
カットフィルタ５１を経た参照信号は、周期Ｔr の分だ
け遅延される。

【００２９】次に、掛け算器５５における掛け算処理及
び積分器５９における積分処理について説明する。図４
は、掛け算器５５における掛け算処理及び積分器５９に
おける積分処理について説明する図である。まず、図４
中の一番上の（１）には、ＣＣＤの各ピクセル３１１の
蓄積用コンデンサ３１０における電荷蓄積量の時間的変
化が示されている。このように蓄積された電荷が測定信
号として読み出され、前述したように被測定光用サンプ
リング回路５６でサンプリングされる。

【００３０】図４中の上から二番目の（２）には、掛け
算器５５の一方に入力される測定信号の時間的変化が概
略的に示されている。この図４（２）では、上下に長い
細い一つの波長域の測定信号の大きさを意味する。この
図４（２）は、前述したデジタル化された測定信号の大
きさを、帯の高さに変換して図示している。つまり、こ
の帯の高さの値のデジタル信号が図４（２）に示すよう
にシリアルにつながって入力される。

【００３１】尚、この図４（２）では、図示の都合上、
帯は五つのみであるが、実際には、測定する波長域数即
ち図２におけるＸ方向のピクセル３１１数に相当する数
だけこの帯が存在し、例えば２０４８個存在する。ま
た、図４では、図示を簡単にするため、被測定光は各波
長域において全て同じ強度であるとしている。従って、
図４（２）の各帯の高さは、一つの周期Ｔr において皆
同じとなっている。しかし、実際にはこの帯の高さは同
じではなく、それが測定信号の分光強度分布を意味す
る。

【００３２】一方、掛け算器５５の他方の入力には、前
述した通り、参照用サンプリング回路５８でサンプリン
グされた参照信号が入力される。図４（３）は、この掛
け算器５５への参照信号の入力状況を示している。この
図４（３）においても、（２）と同様、デジタル化され
た参照信号の大きさを帯の高さに変換して図示してい
る。従って、図４（３）の帯の高さは、図３（１）に示
す交流と同じ周期で変化し、その位相は読み出し周期Ｔ
r の分だけ遅れている。

【００３３】図４の（２）に示す測定信号と（３）に示
す参照信号とを掛け算器５５で掛け合わせると、図４
（４）に示す積算信号が得られる。図４（４）の積算信
号は、（２）の各帯で示された各波長域の測定信号のそ
れぞれに（３）の参照信号を掛け合わせたものである。
尚、掛け算器５５の出力は全ての波長域の測定信号が入
力されてから行われる場合には、積算信号は図４（４）
に示すように（２）や（３）の信号に比べて少し遅れた
状態となる。

【００３４】今、図４（２）（３）に示すように、測定
信号Ｓs のうちの一つの帯（一つの波長域）の信号の変
化がXsin(2πft)+Yの線上であるとし、参照信号の変化
ＳrがZsin(2πft)の線上であるとすると、 Ss*Sr=XZsin²(2πft)+Ysin(2πft)…（４）となる。上の式（４）の右辺第２項は、変調されていな
い分の信号の積算結果であり、光源７からの光のエネル
ギー量の平均値と、バックグラウンド信号の直流分とを
含む。この無変調分の積算結果は、図４（４）に示すよ
うな時間的変化となる。図４（４）に示すように、無変
調分の積算結果は、平均値がゼロである交流信号であ
り、図１に示す積分器５９で積分することにより出力は
ゼロとなる。

【００３５】また、式（４）の右辺第１項は、変調され
た分の信号の積算結果である。この分は、正弦波の二乗
であるから常に正であり、図４（５）に示すような時間
的変化となる。そして、となるから、変調分の積算信号を積分器５９で積分する
と、X及びZの大きさに応じた直流分が出力される。Ｚの
大きさは参照光の強度であって一定であり、従って、XZ
/2の大きさは相対的に被測定光の大きさを意味する。こ
のようにして得られた値は、太陽光等のバックグラウン
ド信号が除去されたものである。また、計算及び説明は
省略するが、変調周波数以外の交流分のノイズが存在す
る場合も、従来と同様に、変調周波数と異なる周波数の
ものについてはすべて除去される。そして、図４（２）
に示す別の帯（別の波長域）の信号についても同様に処
理され、積分器５９で出力された信号はすべてバックグ
ラウンド信号とノイズが除去されたものとなる。

【００３６】このように各波長域の測定信号について同
様に参照信号との掛け算し、その結果を積分した後に、
表示用メモリ５００に順次記憶するようになっている。
全ての波長域についてデータが記憶されると、それらが
表示プロセッサ５０１によって読み出されて表示用のデ
ータが作成され、それが表示部６に送られて表示される
ようになっている。

【００３７】上述した説明から解る通り、本実施形態で
は、ＣＣＤのような検出結果を電荷として蓄積するタイ
プの受光素子を被測定光用検出器３１として使用し、そ
の電荷の読み出し周期Ｔr 内で測定信号と参照信号の掛
け算をシリアルで行っている。つまり、ＣＣＤの蓄積用
コンデンサ３１０から一回電荷の読み出した後、次の電
荷を読み出すまでの空きの時間を使用して掛け算処理を
行っている。このため、測定信号を損失することがな
い。従って、信号処理時間においても効率よく信号測定
ができる。また、掛け算器５５や積分器５９は一つで済
むのでシステム全体が大がかりになることもない。尚、
参照光用検出器３２としては、シリコンフォトダイオー
ド等の任意のものが使用できる。

【００３８】また、上記説明から理解されるように、参
照信号を遅延させる積分器５７は、測定精度の向上のた
め重要な意義を有する。即ち、蓄積用コンデンサ３１０
で蓄積された電荷を読み出して得た信号を測定信号とす
る関係上、掛け算器５５での掛け算処理は、ＣＣＤへの
被測定光の入射が実際に開始された時点に比べて電荷読
み出し周期Ｔr の分だけ遅れざるを得ない。この場合、
参照信号をそのまま掛け算器５５に入力してしまうと、
周期Ｔr の分だけ時間的に後の参照光の強度と掛け算を
していることになってしまう。これだと、上述したよう
なノイズ除去の作用がえられず、測定精度が低下してし
まうことになる。従って、積分器５７における参照信号
の遅延は、測定精度の向上のために非常に重要な意義を
有する。

【００３９】次に、電荷読み出し周期Ｔr と変調周期と
の関係について説明する。上述した通り、本実施形態に
おける測定信号のノイズ除去は、掛け算器５５の出力が
三角関数状に変化することを利用している。これは、当
然のことながら、光源７の出力をチョッパ８に変調させ
ていることに起因するものである。しかし、変調の周期
に対して電荷読み出し周期Ｔr が相対的に長くなってく
ると、掛け算器５５に入力される信号は電荷読み出し周
期Ｔr における蓄積電荷の総量に基づいているので、掛
け算器５５の出力が三角関数状に変化しないようになっ
てしまう。例えば、電荷読み出し周期Ｔr が変調の周期
と同じになってしまうと、掛け算器５５の出力は常に同
じになる。これでは、積分器５９を通してもノイズ成分
は除去されない。ノイズを充分除去するには、変調の周
期に比べて電荷読み出し周期Ｔrが充分小さい必要があ
る。電荷読み出し周期Ｔr は、変調の周期の１／２以下
であることが好ましい。

【００４０】より具体的な数値について、波長域の数
（チャンネル数）が２０４８である場合を例にして説明
する。図２に示すＸ方向シフトレジスタ３１３における
一つの電荷読み出し周期は、例えば２μ秒程度に設定さ
れる。これは、例えばマスタークロックの周波数が１メ
ガヘルツである場合、二つのマスタークロックのパルス
で一つの波長域の読み出しを行う構成である。この読み
出しを２０４８回行うから、全部で４ｍ秒程度というこ
とになる。電荷読み出し周期Ｔr は、この４ｍ秒より大
きくする必要があり、例えば１０ｍ秒程度に設定され
る。そして、変調周波数は、一つの変調周期内に１０個
程度の電荷読み出し周期Ｔr が入るように設定される。
即ち、例えば電荷読み出しの周波数は１００Ｈｚ程度に
設定され、変調周波数は１０Ｈｚ程度に設定される。

【００４１】上記説明では、光源７の出力を変調させる
手段としてチョッパ８を用いたが、光源７の電源を制御
して変調させるようにしてもよい。また、変調の構成と
しては、三角関数の波形でなくともよい。上記説明から
解るように、変調した結果、ノイズ成分が積分によって
除去されれば足りるのであるから、正負に対称に振れる
三角波や矩形波にする変調であっても良い。

【００４２】次に、図１に示す積分器５７は、上述した
ように測定精度の向上に重要な意義を有し、これは請求
項１に規定された同期手段の一例である。しかしなが
ら、積分器５７以外でも同様の結果が得られる場合があ
る。例えば、被測定光用と参照光用で別々の光源又はチ
ョッパを設け、参照光用チョッパの位相を被測定用チョ
ッパの位相に対して電荷読み出し周期Ｔr 分だけ遅らせ
るようにしても良い。また、被測定光用サンプリング回
路５６でサンプリングされる前のアナログ信号である測
定信号を電荷読み出し周期Ｔr 分だけ進ませるような回
路を設けるようにしても良い。要は、掛け算器５５で掛
け算される際に、測定信号と参照信号の位相が合ってい
る状態即ち同期が取れている状態であれば良い。

【００４３】尚、上述した実施形態では、被測定光用サ
ンプリング回路５６及び参照用サンプリング回路５８を
使用し、デジタル化された測定信号及び参照信号を掛け
算器５５で掛け算している。アナログ信号に比べるとデ
ジタル信号の掛け算処理の構成は容易であるので、この
構成は、掛け算器５５の構成を簡略化するのに貢献して
いる。

【００４４】また尚、本実施形態では、掛け算器５５の
出力を積分器５９を通すことによって三角関数成分を除
去したが、従来のようにローパスフィルタ５４と通すよ
うにしても良いことは勿論である。さらに、上記説明で
は、被測定光用検出器３１としてＣＣＤを用いるとした
が、これは、光電変換された結果を電荷として蓄積する
タイプの検出器の例として挙げたものであって、通常は
ＣＣＤと呼ばれていないものであっても本願発明におけ
る被測定光用検出器として用いることができる場合があ
る。

【００４５】尚、上述した実施形態では、参照信号は、
光源からの光を分割して用いた参照光を参照光用検出器
３２に入射させて得たものであったが、被測定信号と同
期が取れている信号を電気的に作るようにする構成もあ
る。また、参照光にも積分回路を用い、被測定光と同じ
ように一定時間積算された信号に変換することで同期を
取るようにしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明した通り、本願の各請求項のマ
ルチチャンネル分光器によれば、ロックインアンプ方式
を採用するので、ＳＮ比の良い高精度の測定ができる。
その上、被測定光用検出器における電荷の蓄積時間を利
用して掛け算処理を行うので、測定信号を損失すること
がなく、信号処理中でも測定が行える効率の良いものに
なる。また、掛け算器等が一つで済むのでシステム全体
が大がかりになることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施形態に係るマルチチャンネル分
光器の概略構成を示す図である。

【図２】図１に示す被測定光用検出素子としてのＣＣＤ
における信号の読み出しについて説明した図である。

【図３】図１に示す参照光用検出器で検出された参照信
号の処理について説明する図である。

【図４】図１に示す掛け算器における掛け算処理及び積
分器における積分処理について説明する図である。

【図５】従来の分光器の概略構成を示す図である。

【図６】ダイオードアレイを検出器として用いたマルチ
チャンネル分光器において、ロックインアンプ方式を行
う構成とした場合の一例の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

２チョッパ３１被測定光用検出器３１０蓄積用コンデンサ３１１ピクセル３１２Ｙ方向シフトレジスタ３１３Ｘ方向シフトレジスタ３２参照光用検出器５信号処理部５１ＤＣカットフィルタ５２被測定光用増幅器５３参照光用増幅器５５掛け算器５６被測定光用サンプリング回路５７積分器５８参照用サンプリング回路５９積分器５００表示用メモリ５０１表示プロセッサ６表示部７光源８チョッパ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定光を波長毎に分散させる分散素子
と、分散素子で分散された被測定光の強度を検出する被
測定光用検出器と、被測定光用検出器からの信号を処理
して被測定光の各波長毎の強度を算出する信号処理部と
を備え、各波長域の光を同時に測定できるマルチチャン
ネル分光器であって、交流信号である参照信号と同じ周期で被測定光を変調す
る変調手段と、参照信号と前記被測定光用検出器からの
信号とを掛け合わせる掛け算器と、掛け算器の出力が入
力される積分器又はローパスフィルタとを備えたロック
インアンプ方式のマルチチャンネル分光器であり、さらに、前記被測定光用検出器は、光電変換した結果を
電荷として蓄積し、蓄積した電荷を所定の周期毎に読み
出して信号処理部に送る電荷蓄積型のものであり、被測
定光用検出器からの信号と参照信号とが前記掛け算器に
入力される際に同期が取れるようにする同期手段を備え
ていることを特徴とするマルチチャンネル分光器。
【請求項２】前記同期手段は、前記被測定光用検出器
における電荷の読み出し周期に相当する時間だけ前記参
照信号を遅らせる積分器であることを特徴とする請求項
１記載のマルチチャンネル分光器。
【請求項３】前記被測定光用検出器における電荷の読
み出し周期は、前記変調手段による変調の周期の１／２
以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のマル
チチャンネル分光器。
【請求項４】前記被測定光用検出器からの信号をサン
プリングする被測定光用サンプリング回路と、前記参照
信号をサンプリングする参照用サンプリング回路とを備
えており、前記掛け算器では、デジタル化された信号を
掛け算するものであることを特徴とする請求項１，２又
は３記載のマルチチャンネル分光器。