JP2000298066A - 分光計 - Google Patents
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Abstract
て易く経済的なものにするとともに、熱によるスペクト
ルのドリフトを実用上十分小さいものに改善する。 【解決手段】キャリア1と、キャリアに配置された計線
光線入力2、回折格子4、光学要素と、光電子検出器を
支持するベース板11がキャリアに取り付けられている
分光計において、ベース板上の光電子検出器の位置とキ
ャリアに対するベース板の位置を所定の位置に位置決め
する部材が、キャリアとベース板に設けられる。ベース
板の熱膨張を、計測スペクトルの中間波長に対して補償
するように、ベース板上の光電子検出器の位置が選択さ
れる。回折格子およびキャリアの熱膨張によって生じる
温度ドリフトは、回折格子とキャリアのプラスチック材
料の熱膨張係数を選択することにより、ベース板の温度
ドリフトを打ち消し、全スペクトルに対してドリフトが
補償される。
Description
のである。
早い計測時間および5−20nmの並のスペクトル分解
能を与える小型で経済的な検出器に向いている。このよ
うなセンサについての代表的な応用は、色彩計測技術ま
たは工業工程制御の領域にある。
く分光計は、上述した要求を満たす潜在能力を有し、ま
た、本発明の基礎を構成する。本発明の適用条件は、後
に述べる。
く全計測スペクトルの並列評価を与える。
の焦点距離をもつ小型分光計結合構造によって実現され
る。いくつかの例は、平面回折格子、例えば、米国特許
第4,744,618号に記載されたEbert−Fa
stie結合構造のデマルチプレクサまたは例えば、E
P−A0489286号の収差修正を備えた凹面回折格
子にもとづく古典的分光計構造をもって実現される。
術の使用を要求する。このような分光計についての費用
は、3つのパラメータ、すなわち光システムの精密同調
の費用のみならず、ダイオード・アレイおよび回折格子
要素の費用によって主として決定される。
ジングまたはプラスチック・ハウジングにおけるいくつ
かの製造業者、例えば、浜松により市場に提供されてい
る。この種の検出器製造は、既存のダイオード・アレイ
分光計、例えば、EP−A0489286において使用
される。それにもかかわらず、この検出器結合構造は、
いくつかの基本的な欠点を有している。
ジングは、非常に高価で、検出器ユニットの全体の費用
に大きく影響を及ぼす。次に、与えられた用途について
光線感知検出器領域の位置が、標準ハウジングの外側寸
法に関して、特に垂直方向に十分に特定されない。この
ために、ハウジングは組立て中機械的基準として働かな
い。ハウジング内側ダイオード・アレイ、すなわち実際
の検出器チップまたは回折格子は、分光計に組立て中積
極的に位置決めされなければならない(米国特許第5,
040,889号、EP−A0727681号、EP−
A0489286号)。この製造工程は、費用がかか
り、高い追加の費用を伴う。
キシ層に複製される。その手順は必要なものであり、経
済的な大量生産には適していない。回折格子の費用は、
射出成形法において製造されるプラスチック回折格子を
用いることによって劇的に低減されうる。この技術は、
最近利用できるようになった。射出成形法は、積極的な
調整をせずに中央分光計モジュールに回折格子の単純な
組立てを与える回折格子に非常に精密な機械的位置決め
補助の直接的取付けを許す。
う主な問題は、それらの大きな温度感受性である。回折
格子の線が、ダイオード線に関して計測されたスペクト
ルのシフトを生じるプラスチック材料の熱膨張係数に比
例して膨張し、分光計の波長の較正に誤差を生じる。射
出成形光プラスチック材料は、ガラスよりも約10倍大
きい8×10−5/°Kの大きさ程度の熱膨張係数を有
するので、このスペクトル・シフトは分光計の温度ドリ
フトの主な要素になる。このようにして、温度ドリフト
の補償は、この技術の適用を必要とする。
の補償をする既存の技術は、EP−A0727681号
および米国特許第4,709,989号に開示されてい
る。その技術は、低い熱膨張係数を有する材料の使用お
よび様々な分光計要素熱膨張係数の正確な採用にもとづ
く。米国特許第4,709,989号は、セラミック材
料の使用を通して結像光の材料にスペクトル・モジュー
ルの熱膨張係数を採用することに関している。EP−A
0727681号は、シリカからなるダイオード・アレ
イにセラミックのスペクトル・モジュールの熱膨張係数
を採用することを開示している。両技術は、分光計内側
の光路の角度が同じに留まり、かつ、熱ドリフトが最少
化されるように、全体の分光計のほぼ均等な熱膨張を与
えることを試みている。しかし、両技術は、スペクトル
・モジュール用材料の選択に制約を受け、したがってプ
ラスチック材料からスペクトル・センサを経済的に製造
するために用いられえない。
光計が、プラスチック要素の使用と共に、例えば、実際
の応用に十分な小さい熱ドリフトを与えるようにプラス
チック材料からなる要素から容易に、経済的に組み立て
られるように、分光計を改善する必要性がある。
889号に開示されている。この従来の分光計において
は、検出器が、分光計ハウジング(キャリヤ)に関して
可動であり、かつ、マイクロメータねじによって調節自
在であるベース板に配置される。この分光計の製造は、
比較的に構造を補強し、労力を軽減することであり、し
たがって、大きな追加の費用を必要とする。さらに、温
度がこれらの従来の分光計において連続的に計測され、
自動的再較正が所定の温度変化および一定時間間隔で実
施される。したがって、検出器単独セル感度の温度概況
およびそれらの信号振幅が、ダイオード・アレイに関し
て計測されたスペクトルの温度依存シフトを除いて、し
たがって、分光計の波長較正の合成誤差を補償する。最
後に述べた問題は、米国特許第5,040,889号に
は検討されていない。
の解決は、独立請求項の特徴部分に検討されている。本
発明にもとづく好適実施例は、従属請求項の主題であ
る。
く新規な分光計結合構造は、検出器、特にダイオード・
アレイ用のハウジングを必要とせず、経済的に製造され
る。さらに、特別の分光計結合構造は、キャリヤに簡単
に装着できる。
ス板に検出器を装着することは、特に膨張係数に関して
キャリヤ、回折格子、ベース板材料の選択の採用と組み
合わせて、プラスチック材料からなる要素を有する分光
計システムにおいて温度ドリフトの完全な補償を許す。
本発明にもとづく補償は、最適結合構造ならびにキャリ
ヤおよび検出器の接続に基礎を置いている。この新規な
技術は、材料の自由な選択を与え、また、製造費のよう
な生産の追加技術的パラメータの考慮を許す。
して計測されたスペクトルの温度依存シフトがベース板
の熱膨張によって生じる温度依存シフトを少なくともほ
ぼ補償するように、キャリヤに装着される。
レイ分光計は、いくつかの基本要素から総体的に構成さ
れる。それらの基本要素は、光ファイバおよび/または
機械的進入ギャップのような光線入力2を装着する可能
性をもつキャリヤ1と、ダイオード・アレイ3の形体の
検出器と、ダイオード・アレイ3への到来光線を結像す
る光要素と、光入力をかいしてそのスペクトル要素に与
えられる計測光線を分散する回折格子4とからなる。
格子にもとづく結合構造に関する本発明の好適実施例を
示す。この構造において、凹面反射回折格子4は、到来
光線の光結像および計測光線のスペクトル分散を与え
る。
た従来技術に関連して上述した従来技術とほぼ一致す
る。
た中空キャリヤとしてのキャリヤを示す。キャリヤは、
最適温度応答のために円筒形中空体の形体を有し、射出
成形法を用いてプラスチック材料から有利につくられ
る。機械的位置決めおよび追加の要素の装着補助は、E
P−A0194613号に類似してキャリヤ1に装着さ
れる。凹面反射回折格子4は、射出成形法を用いてまた
はその他の複製技術によってプラスチック材料からつく
られることが好ましい。凹面反射回折格子の光作用領域
は、計測のスペクトル領域内に高度の反射層(例えば、
可視光線に対してアルミニウムが石英(SiO2)の保
護層と共に使用される。)を有する。機械的位置決めの
補助は、キャリヤ1上の正確な装着および回折格子線の
円弧指向を許すようにプラスチック材料からなる回折格
子要素に形成される。キャリヤ1への回折格子の装着
は、支持板5によって実施される。
入ギャップ8を有する滑り管6によって形成される。代
案として、光ファイバそれ自体が、機械的進入ギャップ
を形成してもよい。滑り管6は、キャリヤの案内穴に定
置され、機械的案内トラックによって指向され、キャリ
ヤ上の基準位置を横切って定置される。
違する点が以下にさらに説明される。温度ドリフトの補
償のみならずダイオード・アレイの支持および装着のた
めに本発明にもとづく方法は、図1にもとづく結合構造
に適用するばかりではなく、Czerny−Turner,Ebert
−Fastie,またはLittrow 構造のような、回折格子に
もとづくその他の分光計結合構造にも直接適用できる。
トル要素に分散される凹面反射回折格子4によって出口
領域に結像される。光線入力の中心および回折格子の中
心点を通る垂線9は、いわゆる分散面を画定する。その
分散面において、計測光線のスペクトル分散が起こる。
凹面反射回折格子4の回折格子線は、分散面に垂直な、
本実施例においては紙面に垂直な回折格子の中心点に向
けられる。
クトルを横切る出口領域に正確な位置決めを必要とす
る。ダイオード・アレイの位置決めの精度に対する代表
的な要請は、出口領域内で±0.1mm、出口面に垂直
なフィールドの深さにおいて±0.050mm以下であ
る。この精度は、標準のハウジングにおいて市販のダイ
オード・アレイでは達成されない。
の他の検出器式のものを分光計のキャリヤ1に装着する
新たな可能性を提供する。本発明の実施例にもとづく結
合構造が、図2に示される。本発明の一実施例によれ
ば、半導体材料からなる検出器チップ10(ダイオード
・アレイ・フィールド)が、代表的なハウジングなしに
平面ベース板11に直接に接着される。好ましくは、ベ
ース板は導体板(印刷回路板(PCB))である。これ
は、追加の電子回路を備えた直接装置を許す。代案とし
て、ベース板は、他の材料、例えば、セラミックからな
っていてもよい。
の操作および装着中に検出器チップの電気接触線(結合
線)を保護するために、検出器チップ10よりも高くな
っているのが好ましい。
せず)に可撓ケーブル13をかいして案内される。
は、半導体材料(一般に可視光線に対してはシリカ)か
らつっくられている検出器チップ10の厚みが集積電子
回路の製造方法をかいして正確に特定されるので(一般
に±0.01mm以上)、ベース板11の表面に関して
検出器チップ10の垂直位置決めのために機械的基準と
して働くことができる。以下においては、ダイオード・
アレイおよび検出器チップという用語は、互いに取り違
える危険性がないように同意語として使われる。
垂直なダイオード・アレイ3の垂直位置決めのためにス
ペクトル・モジュールのキャリヤ1に形成される。長方
形リブ14は、ダイオード・アレイの縦軸15の上下に
配置され、ベース板11に対してある距離を維持する要
素を形成する。図3は、キャリヤの構造を詳細に示す。
リブ14間に、計測光線用の穴として働く長方形開口1
6がある。接着されたとき、検出器チップ10はベース
板の基準点から横切ってベース板11の面内に横に定置
される。位置決めおよび接着は、半導体の製造において
用いられているような軽打機械によって要求された精度
をもって自動的かつ経済的に実施される。基準点は、例
えば、ベース板の外縁からいくつかの方法で決定されう
る。好ましくは、基準は、スペクトル・モジュールのキ
ャリヤに簡単に装着することを許すベース板11上の機
械的位置決め補助手段によってなされる。
オード・アレイ分光計におけるダイオード・アレイの光
線感受領域に適合され、したがって、1mmの大きさ程
度の高さと数ミリメートルの長さを有する長方形領域か
らなる。この長さは、ダイオード・アレイの長さよりも
わずかに小さく選定される。したがって、ダイオード・
アレイの縦軸の方向に計測されたスペクトルの絶対シフ
トは、このシフトが波長を較正するさいに考慮に入れら
れうるので、厳密なものではない。しかし、ダイオード
・アレイに関する計測されたスペクトルの傾斜は、装着
に対しては特に厳密である。この場合、ダイオード・ア
レイと計測されたスペクトルとの間の重なりは、著しい
信号喪失を生じる全スペクトルに対するそれ以上の保証
はなされない。
決め補助は、ベース板11の丸穴17および長円穴18
の形体が好ましい。丸穴17は、絶対的な基準位置とし
て働く。長円穴18は、ダイオード・アレイの縦軸に関
する傾斜が防止されるように、配置される必要がある。
分光計のキャリヤ1と共に組み立てられた状態の最適熱
安定性を達成するために、位置決め穴17および18の
両者は、ダイオード・アレイ3の同じ側でかつキャリヤ
1の基準軸9に近接して配置されなければならない。好
ましくは、ベース板11とキャリヤ1との接着は、位置
決め穴17および18において実施される。検出器チッ
プ10に関するベース板11上の位置決め穴17および
18の正確な位置は、温度ドリフトの補償のために自由
なパラメータとして用いられる。位置決め穴の最適位置
の補償方法および較正は、以下に記載される。
れる。ベース板11の丸穴および長円穴を有する好適実
施例においては、2つの機械的に密接嵌合された円筒形
棒19が、図3に示すように、用いられる。円筒形棒1
9の上にベース板が置かれる。
1の位置決め構造19に置かれる。キャリヤ上の支持面
は、リブ14を通して画定される。2つの部品間の確実
な機械的結合は、丸穴、長円穴、位置決め棒からなる位
置決め構造の接着によって達成される。確実に接着され
た領域に加えて、ベース板は、安定性を向上させるため
に、バネをもったキャリヤの支持面に押し付けられる。
ット、ずなわち、ダイオード・アレイ3およびキャリヤ
1を装着したベース板11は、好ましくは外部散乱光線
を絶縁するために黒色塗料で絶縁される。
に異なる要素間を識別する必要がある。その第1は信号
の強さの変化を、第2はダイオード・アレイに関して計
測された信号のスペクトルシフトを識別するためであ
る。第1のドリフト要素、すなわち信号強さの変化は、
多くの用途に対して厳密ではない。このドリフトは、基
準チャネルまたは白色基準サンプルで計測を実施するこ
とによって完全に補償される。
信号の波長依存シフトは、干渉パラメータである。この
シフトは、分光計の別の波長較正に対応し、簡単な基準
計測によって補償されえない。
ペクトル・ドリフトを最少にするように温度ドリフトの
補償に主に関係している。その結果、分光計ユニット
は、一定の波長の光線が温度から独立して同じ位置でダ
イオード・アレイに必ず当たるように、構成される必要
がある。もしこの条件に合致するならば、一定の信号の
強さが通常達成される。
技術は、結合構造の最適化にもとづき、ほぼ同じ熱膨張
係数を有する材料の選択にはもとづかない。キャリヤお
よびベース板の機械的取付け位置、ならびに検出器の正
確に特定された位置は、自由な最適化パラメータとして
働く。これは、分光計の材料の選択よりは大きい自由度
を与える。理想的な取付け点は、分散面内に配置され
る。好ましくは、接着のために、位置決め構造がベース
板とキャリヤに配置されて、それらが理想的な取付け点
をもちかつ分散面に垂直な直線上にすべてある。
備えたダイオード・アレイ支持に関連して以下に詳細に
記載される。しかし、必要があれば、本発明はさらに広
く適用され、2次元CMOSまたはCCD検出器アレイ
のようなその他の検出器形式およびその他の形式の検出
器ハウジングにも適用できる。
のスペクトル温度ドリフトに対する簡単な数学的モデル
にもとづく。その計算は、ダイオード・アレイが配置さ
れている回折格子の中心を通る進入の中心から単独の主
ビーム光路の数式にもとづく。ダイオード・アレイの主
ビームの位置は、ウオーミングアップ前後に計算され
る。位置の差は、スペクトルシフトとして波長較正をか
いして計算される。
知の式にもとづき、したがって一般の分光計結合構造に
適用できる。シミュレーションが、等方性加温の場合に
ついての分光計要素の熱膨張を考慮する。すなわち、距
離が対応する材料の熱膨張係数を伴う温度差に比例す
る。回折格子の中心は、熱膨張の較正についての基準点
として選択される。このシミュレーションにおいては、
光要素の熱変形の結果として起こる結像誤差および温度
勾配のような高次の効果は無視される。
で表される。回折格子Mの中心への距離は、1aで表さ
れる。光線ビームは、回折格子で反射され、第一次回折
をもつ格子についての式にもとづいて逸らされる。 sinθ1=―sinθin+λ/∧ ここで、θ1は第一次回折の角度を表し、θinは格子
上の光線ビームの波長を表し、λは媒体中の光線ビーム
の波長を表し、∧は格子の周期を表す。9は格子に垂直
な垂直線を表す。
イ上)の計測点Bまでの距離は、1bで示される。出口
面と分散面との交線は、x軸として表される。x軸のゼ
ロ点は、格子の垂線9上にあり、また、プラス軸は計測
点Bの方向に選ばれる。ベース板11は、x軸に関して
キャリヤ上の点Pにおいて取り付けられる。格子の垂線
9と点Pとの間の距離はhpで表される。ダイオード・
アレイ3または検出器チップ10上の点Bまでのベース
板11上の距離は、hbで表される。
加温する前後の距離を表し、αは各材料の熱膨張係数で
ある。距離1a、1b、hpは、キャリヤ1に存在し、
キャリヤ材料の熱膨張係数αtで膨張する。
膨張し、格子についての式によって与えられるように第
一次回折の角度θ1に影響を及ぼす。距離hbは、ベー
ス板上に存在し、ベース板の熱膨張係数αdで膨張す
る。ベース板上に存在しかつ半導体材料からなる検出器
チップ10の熱膨張は、半導体材料の小寸法でかつ小熱
膨張係数(例えば、シリカα=2.5×10−61/°
K)であるために無視される。
される。第1はキャリヤ1および格子期間Λの熱膨張の
結果として、x軸Δx1にそう計測点Bのシフトであ
り、第2はx軸Δx2に関するダイオード・アレイ3の
絶対シフトである。温度ドリフトについての完全な補償
は、両要素が計測されたスペクトルの全波長領域にわた
って同一であるときに、達成される。 Δx1=Δx2 シフトΔx1は上記式を用いて計算される。ダイオード
・アレイのシフトΔx2は、キャリヤ1およびベース板
11の熱膨張(hbおよびhpの変化)を用いて決定さ
れる。 Δx2=hpαtΔT+hbαdΔT 2つの要素のベース板およびキャリヤが異なる材料から
できているので、接着点Pの位置、すなわちベース板1
1上の接着点Pからx軸にそう検出器チップ10の相対
距離を注意深く選択することによって、温度ドリフトΔ
x1をΔx2のそれに適合させることが可能である。ダ
イオード・アレイのスペクトルシフトΔx 2は、計測光
線の波長から独立している。このようにして、位置の最
適化を用いることによって、一定のスペクトル・ドリフ
トのみが計測されたスペクトルの波長領域にわたって補
償される。ベース板11およびキャリヤ1上の位置決め
構造17,18,19をかいした取付けは、分散面に垂
直な理想点Pを通る直線上で実施される。
の最適補償の方法は、2つの工程で実施される。
ってほぼ一定に近いスペクトル・シフトΔx1を達成す
るために、分光計の一定の結合構造についてキャリヤ1
および回折格子4の材料を選択すること。検出器ユニッ
ト3におけるキャリヤ1およびベース板11の取付け点
Pの最適位置を見い出すことによって計測されたスペク
トルの中間波長についてスペクトル・シフトの残りの補
償を行うこと。もちろん、結果の取付け点Pは、結合構
造要求に一致しなければならない。すなわち、それはキ
ャリヤ1上で実行できなければならない。さもなけれ
ば、材料の選択は、それに応じて変えられなければなら
ない。
れる。図4にもとづく分光計の変数: 測定されたスペクトル: 380nm−730nm 格子の期間: 2.1μm 1a=22.3mm 1b(380nm)=27.61mm 傾斜角度θin: −7.034° 第一次回折の角度θ1(380nm): 17.521
° 格子の垂線に関するx軸の傾斜γ: −2.946° 熱膨張係数を有する好適製造材料: 格子: プラスチック材料、αg=53×10−61/
°K キャリヤ: プラスチック材料、αt=最適温度ドリフ
トを与えるように選定できる。 ベース板、ダイオード・アレイ: PCB材料、αd=
16×10−61/°K
ル領域にわたってほぼ一定に近いシフトについてαt=
58×10−61/°Kの最適熱膨張係数を与える。
温度ドリフト値の補償は、格子の垂線上方取付け点Pに
対して最適位置を与える。結果的スペクトル温度ドリフ
トは、10℃で加温している間に0.05nm以下であ
る。
図を示す。
分光計のベース板を示す。
示す。
す。
ギャップ 9 垂線 10 検出器チッ
プ 11 ベース板 12 保護枠 13 可撓ケーブル 14 長方形リ
ブ 15 縦軸 16 長方形開
口 17 丸穴 18 長円穴 19 円筒形棒
Claims (13)
- 【請求項1】 キャリヤと、該キャリヤに配置された計
測光線入力と、前記キャリヤに配置されていて前記計測
光線入力から受けた計測光線を分散させる回折格子と、
前記キャリヤに配置されていて前記回折格子によって分
散された計測光線を受けかつ検出する光電子検出器と、
前記回折格子をかいして前記計測光線を前記検出器に結
像化する少なくとも1つの光学要素と、前記キャリヤに
取り付けられていて前記光電子検出器を支持するベース
板とからなり、前記光電子検出器は前記ベース板上の所
定の位置に取り付けられ、前記ベース板および前記キャ
リヤは該ベース板を前記キャリヤの所定の位置に相対的
に位置決めする位置決め部材を含む、分光計。 - 【請求項2】 前記光電子検出器はハウジングを除外す
る、請求項1に記載の分光計。 - 【請求項3】 前記光電子検出器はハウジングなしのダ
イオード・アレイ・チップ検出器である、請求項2に記
載の分光計。 - 【請求項4】 前記光電子検出器が前記ベース板に装着
された、請求項2または3に記載の分光計。 - 【請求項5】 前記ベース板は電子回路板である、請求
項1に記載の分光計。 - 【請求項6】 前記ベース板が該ベース板の熱膨張を許
すように点Pにおいて前記キャリヤに取り付けられ、前
記ベース板の熱膨張が計測されたスペクトルの少なくと
も中間波長において前記光電子検出器に関するスペクト
ル光線要素の少なくともドリフトを実質的に補償するよ
うに、前記点Pが前記ベース板上で前記光電子検出器の
位置に関して選定され、前記ドリフトが前記回折格子お
よび前記キャリヤの熱膨張の合成となる、請求項1に記
載の分光計。 - 【請求項7】 前記ベース板が該ベース板の熱膨張を許
すように少なくとも1つの取付け点において前記キャリ
ヤに取り付けられ、前記少なくとも1つの取付け点が分
散面に垂直な直線上に配置され、前記ベース板の熱膨張
が計測されたスペクトルの少なくとも中間波長において
前記光電子検出器に関するスペクトル光線要素の少なく
ともドリフトを実質的に補償するように、前記少なくと
も1つの点の位置が前記ベース板上で前記光電子検出器
の位置に関して選定され、前記ドリフトが前記回折格子
および前記キャリヤの熱膨張の合成となる、請求項1に
記載の分光計。 - 【請求項8】 第1線熱膨張係数を有するキャリヤ材
料、第2線熱膨張係数を有するベース板材料、および第
3線熱膨張係数を有する回折格子材料が、前記検出器に
関するスペクトル光線要素が計測された全スペクトルに
対して実質的に補償されるように、それぞれ選定されか
つ互いに関して調節され、前記ドリフトが前記回折格子
および前記キャリヤの熱膨張によって生じる、請求項6
または7に記載の分光計。 - 【請求項9】 前記回折格子および前記少なくとも1つ
の光要素が凹面反射回折格子に組み込まれている、請求
項2に記載の分光計。 - 【請求項10】 前記回折格子がプラスチック材料から
なる、請求項1に記載の分光計。 - 【請求項11】 前記キャリヤがプラスチック材料から
なる、請求項1に記載の分光計。 - 【請求項12】 前記キャリヤが本質的に円筒形形状を
しており、前記回折格子および前記ベース板が前記キャ
リヤの2つの両端面に配置された、請求項2に記載の分
光計。 - 【請求項13】 前記光電子検出器の位置に関して計測
光線のスペクトルの温度依存ドリフトが前記ベース板の
熱膨張をかいして部分的に補償されるように、前記ベー
ス板が前記キャリヤに配置される、請求項1に記載の分
光計。
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