JP2005321199A - 干渉フィルタの透過波長調整方法及び透過波長調整用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光に対して干渉フィルタの傾き角を調整することで透過波長を調整する作業を容易に行えるようにするとともに波長精度も高める。
【解決手段】所定の元素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有する干渉フィルタの透過波長を調整するに際し、その元素の同位体ガスを用いた放電光源１からの測定光を測定対象である光学フィルタ２に照射し、その透過光を回折格子３３で波長分散させて光検出器３４によりほぼ同時に検出する。信号処理部４は、その検出信号に基づく光強度分布をモニタ５の画面上に表示する。この光強度分布上では光源による輝線スペクトルと光学フィルタの透過ピークとが出現し、その両者の間隔は予備測定結果に基づいて波長に換算できる。また、輝線スペクトルの波長は既知であるから透過ピークの波長を容易に求めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光に対する干渉フィルタの姿勢を傾けて透過波長を調整するための透過波長調整方法、及び該方法による調整を行うための透過波長調整用装置に関する。

干渉フィルタは、光の干渉現象を利用して任意の波長を数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の狭いバンド幅で取り出すことのできる光学素子である。干渉フィルタは一般に、ガラス基板表面に蒸着処理により多層膜を形成することで作製され、その膜の材質や厚さ等によって透過波長やバンド幅などを制御することができる。こうした干渉フィルタによる光学フィルタは、光学測定機器、医療機器、カメラ等、各種の装置で広く使用されている。

干渉フィルタはその特性として透過波長が光の入射角に依存しており、垂直入射から斜方入射へと入射角が変化すると、透過率が最大となる波長（透過ピーク波長）は短波長方向にシフトする。こうした特性を利用して、入射光に対して干渉フィルタの傾き角を変更することにより透過波長を意図的にシフトさせたり（例えば特許文献１など参照）、また、入手した干渉フィルタの仕様上での透過波長と実際の波長とのずれを干渉フィルタの傾斜により調整したりすることができる。

一般に、干渉フィルタは目的に沿った透過波長を有するものが選択されるが、必ずしも目的波長を透過ピーク波長とした干渉フィルタを入手することができるとは限らない。また、干渉フィルタは中心波長とバンド幅とが仕様上規定されているが、実際の干渉フィルタの透過ピーク波長はこうした仕様値からずれている場合がよくある。そのため、目的波長に近い透過ピーク波長を有する干渉フィルタを用い、該干渉フィルタに対する光の入射角を適宜変えることで意図的に透過波長をシフトさせて目的波長となるように調整した上で使用することがある。

しかしながら、入射光に対する干渉フィルタの傾き姿勢を変えることにより透過波長が目的波長に合うように調整するという作業は、実際にはかなり面倒で時間の掛かる作業である。それは、次のような理由による。

従来、干渉フィルタの透過波長の測定には、グレーティング等を含む分光器を備えた分光光度計が使用されている。分光光度計を用いた測定では、入射光に対する傾きを或る状態に固定（又は仮固定）した干渉フィルタを分光光度計の試料室内の所定位置に設置する必要がある。そのため、干渉フィルタの傾き角を適宜調整しながら透過波長を目的波長に合わせるには、透過波長の測定を行った後に干渉フィルタを試料室から取り出し、測定結果に基づいて干渉フィルタの傾きを変更し、再びその変更後の干渉フィルタを試料室内に設置して透過波長を測定する、というような手間の掛かる作業を繰り返さなければならない。また、例えば干渉フィルタの傾きを比較的接着力の弱い接着剤等で仮固定した後に試料室内に収容するという作業を行うため、試料室に収容する際に干渉フィルタの傾きがずれてしまって正確な測定ができなくなる場合もある。

さらにまた、干渉フィルタの透過波長を測定する目的に対して一般的な分光光度計の波長測定精度は必ずしも十分に高くない。特に、分光光度計で波長校正が行われている場合でも波長によって測定精度が異なるという精度むらが存在するために、測定しようとする透過波長近傍での測定精度が低いおそれがあった。

特開２００３−１４６４６号公報 特開２００１−２１７５４号公報（段落０００５）

上述したような干渉フィルタの傾き姿勢の調整による透過波長の調整の面倒さについては、例えば特許文献２などにも記載されている。この特許文献２では、こうした面倒さを避けるため、干渉フィルタの傾き姿勢の調整が不要であるような波長選択方法が提案されている。これに対し、本発明は上記課題を解決するために、入射光に対して干渉フィルタを傾けた状態での透過ピーク波長の測定を簡便に行えるようにすることで、干渉フィルタの傾きを調整しながらその透過波長を目的波長に容易に合わせることができるようにした干渉フィルタの透過波長調整方法、及びこうした透過波長調整のために好適な装置を提供することを主たる目的としている。

上記課題を解決するために成された第１発明は、所定の元素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有する干渉フィルタの透過波長を調整する透過波長調整方法であって、
前記元素の同位体ガスを用いた放電光源から放出された、波長が既知である輝線スペクトルを含む測定光を測定対象である干渉フィルタに照射し、
その透過光を波長分散させて、多数の微小受光素子が線状に配列されて成る検出手段により波長分散光をほぼ同時に検出し、
その検出信号に基づく光強度分布を表示手段の画面上に表示させ、
該光強度分布に現れる放電光源由来の輝線スペクトルのピークと干渉フィルタ由来の透過ピークとの間隔を波長に換算することで干渉フィルタの透過波長を取得し、
その透過波長が目的波長となるように、測定光に対する前記干渉フィルタの姿勢を調整することを特徴としている。

また、上記課題を解決するために成された第２発明は、上記第１発明に係る透過波長調整方法に用いられる透過波長調整用装置であり、所定の元素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有する干渉フィルタの透過波長を調整するために用いられる透過波長調整用装置であって、
a)波長が既知である輝線スペクトルを含む測定光を放出するために前記元素の同位体ガスの放電を利用した放電光源と、
b)前記測定光に対する測定対象の干渉フィルタの傾き角を調整可能に該干渉フィルタの姿勢を保持するフィルタ保持手段と、
c)前記放電光源からの測定光が前記干渉フィルタに透過した後の光を波長分散させる波長分散手段と、
d)該波長分散光をほぼ同時に検出するために、多数の微小受光素子がその波長分散方向に線状に配列されて成る検出手段と、
e)該検出手段による検出信号に基づく光強度分布を表示手段の画面上に表示させる信号処理手段と、
を備え、前記表示手段の画面上に表示された光強度分布に現れる放電光源由来の輝線スペクトルのピークと干渉フィルタ由来の透過ピークとの間隔を波長に換算することで干渉フィルタの透過波長に関する情報を調整者に提供し、その透過波長が目的波長となるように、測定光に対する前記干渉フィルタの姿勢を調整できるようにしたことを特徴としている。

干渉フィルタの透過波長のバンド幅は一般に狭いが、輝線スペクトルの幅に比較すれば遙かに広く、また、透過スペクトルの裾も広がっている。一方、放電光源の発光スペクトルも輝線スペクトルの位置以外で発光強度がゼロとなっているわけではなく、少なくとも輝線スペクトルの周辺では或る程度の発光強度が得られる。したがって、放電光源の輝線スペクトルのピーク波長と干渉フィルタの透過ピーク波長とが比較的近い場合には、干渉フィルタの透過光に対する光強度分布（スペクトル）には両ピークが現れることになる。

干渉フィルタの透過光に対する光強度分布の測定範囲は、波長分散手段、検出手段などを含む光学系の配置によって決まるが、表示手段の画面上に表示される光強度分布において検出手段の微小受光素子の位置に対応した波長軸の波長目盛りは、予備的な測定によって校正しておくことができる。具体的には、例えば、任意の干渉フィルタを用い、入射光に対する干渉フィルタの傾き角を変えたときの透過波長を分光光度計により測定して傾き角θと透過波長λとの関係を求めておく。また、同じ干渉フィルタを用い、第２発明に係る装置で、入射光に対する干渉フィルタの傾き角を変えたときの、光強度分布に現れる放電光源由来の輝線スペクトルのピークと干渉フィルタ由来の透過ピークとの間隔を測定し、傾き角θと間隔Ｔとの関係も求める。そして、その両者の関係から間隔Ｔと波長との関係を求め、その関係と放電光源による輝線スペクトルの既知波長とに基づいて波長軸の波長目盛りを定めることができる。

第２発明に係る透過波長調整用装置を用いて調整を行う際に、フィルタ保持手段により保持される干渉フィルタの傾き角を変化させると、放電光源による輝線スペクトルのピーク位置は変化しないが、干渉フィルタによる透過ピークの位置は波長軸に沿ってシフトする。調整者はその透過ピークの位置から透過波長の値を容易に知ることができるから、その透過波長が目的波長となるように干渉フィルタの傾きを調整し、調整し終えた時点で干渉フィルタの姿勢を固定すればよい。このようにして、透過波長の調整を簡便に行うことができる。

なお、干渉フィルタの透過波長が或る元素の輝線スペクトル付近の波長である場合、この元素の同位体ガスの放電を利用した放電光源は、必ずその波長近傍に輝線スペクトルを有するような発光スペクトル特性を示す。したがって、光源の発光光の輝線スペクトルの波長を一々調べることなく、波長測定に適切な光源を容易に決めることができる。具体的な一例として、第１及び第２発明では、測定対象である干渉フィルタは水素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有するものであり、放電光源は水素の同位体である重水素ガスの放電を利用した重水素ランプである構成とすることができる。

第１発明に係る干渉フィルタの透過波長調整方法及び第２発明に係る透過波長調整用装置によれば、従来の分光光度計を利用した調整のように、測定対象の干渉フィルタを試料室内に一々セットする必要がなく、また表示手段の画面上に表示された情報から、その時点での干渉フィルタの透過波長を容易に知ることができる。したがって、調整者は干渉フィルタの透過波長を確認しながら干渉フィルタの傾き角を適宜に調整して、目的とする透過波長が得られるように簡便に調整することができる。それにより、透過波長の調整作業が大幅に効率化され、調整に要する時間を短縮することができる。また、調整作業の煩雑さが軽減されるので、調整者は短時間で作業に慣れることができ、作業ミスも減らすことができる。

さらにまた、表示手段の画面上に表示される光強度分布に現れている透過ピーク波長を調整者が読み取る際に、波長が既知である輝線ピークを基準とした波長校正が実質的に施された状態であるので、分光光度計に起因する測定誤差を軽減して高い精度で以て透過波長を取得し、波長精度の高い干渉フィルタを得ることができる。

以下、本発明に係る干渉フィルタの透過波長調整方法及び透過波長調整用装置の一実施例について図面を参照して説明する。

図１は本実施例の透過波長調整方法を容易に行うために好適な透過波長調整用装置の概略構成図である。この透過波長調整用装置は、大別して、光源１と、光学フィルタ２と、ポリクロメータ３と、信号処理部４と、ディスプレイモニタ５とから成る。図２は図１中の光学フィルタ２の縦断面図である。

光源１としては、測定対象である光学フィルタ２の透過ピーク波長に近い波長に輝線スペクトル線を有するものを用いる必要がある。光学フィルタ２の透過ピーク波長が或る元素（原子）の輝線スペクトルの波長に近い場合、その元素の同位体ガスの放電を利用した放電管から放出される光には必ず上記透過ピーク波長に近い輝線スペクトルが含まれる。そこで、ここではこのような放電光源を利用する。例えば、水素の輝線スペクトル又はそれに近い透過ピーク波長を有する干渉フィルタの透過波長を調整する場合には、水素の同位体である重水素ガスの放電を利用した重水素ランプを光源１として採用する。

測定対象である光学フィルタ２は、図２（ａ）に示すように、干渉フィルタ板２４と、これを保持する本発明におけるフィルタ保持手段としてのフィルタホルダ２１とを含む。フィルタホルダ２１は干渉フィルタ板２４がちょうど嵌合する凹部２２と光が通過する窓部２３とを有し、図示するように、干渉フィルタ板２４の傾き角θを容易に変化させることができるようになっている。実際に干渉フィルタ板２４の傾き角θを調整する際には、例えば図２（ｂ）に示すように干渉フィルタ板２４とフィルタホルダ２１との間に適宜の厚さのスペーサ２５を挟んだ状態で容易に剥離可能な接着剤や粘着テープ等で仮止めし、調整終了後に強固な接着剤等で固着すればよい。もちろん、フィルタホルダ２１の構造はこれに限るものでなく、例えば干渉フィルタ板２４を任意の傾き角θで保持し得るような回動保持機構などを備えてもよい。

ポリクロメータ３は、レンズ３１、スリット３２、回折格子３３、及び光検出器３４から成る。レンズ３１は光源１から放射された光を効率良く集めてスリット３２の開口に集光し、回折格子３３はこのスリット３２を通過してきた光を波長分散させる。光検出器３４は例えば多数の微小受光素子（フォトダイオード素子）が波長分散方向に線状に配列されたフォトダイオードアレイ検出器やＣＣＤラインセンサ等であって、入射した波長分散光をほぼ同時に検出して各受光素子毎に受光光量に応じた光強度信号を出力する。なお、回折格子３３による波長分散光のうち、光学フィルタ２の透過波長付近の所定範囲の光が光検出器３４に入射するように各光学素子の配置を決めることとする。こうした構成によって、ポリクロメータ３からは、光学フィルタ２の透過波長付近の光強度分布（スペクトル）を表す検出信号が出力される。

信号処理部４はこの検出信号を受け、ディスプレイモニタ５の画面上に光強度分布を後述するようなグラフとして表示させる。この信号処理部４は専用の電気回路で構成してもよいが、汎用のパーソナルコンピュータで所定の制御プログラムを動作させることにより具現化することもできる。

次に、上記構成の透過波長調整用装置における光学フィルタ２の透過波長測定の原理を図３により説明する。図３（ａ）は光源１の発光スペクトルの一例であり、図３（ｂ）は光学フィルタ２の透過波長特性の一例である。

図３（ａ）に示すように光源１の発光スペクトルでは、波長λａにおいて鋭い輝線スペクトルが出現するが、その前後の波長でも或る程度の発光強度が得られる。一方、図３（ｂ）に示すように光学フィルタ２の透過スペクトルは裾が両側に広がっており、中心波長（透過ピーク波長）λｂから或る程度離れた波長においても透過率は０％とはならない。そのため、光源１の輝線スペクトルの波長λａと光学フィルタ２の透過ピーク波長λｂとが或る程度近い場合、図３（ｃ）に示すように、光検出器３４により得られる光強度分布では光学フィルタ２を通過した輝線スペクトルによるピークＰａと光学フィルタ２の透過ピークＰｂとの２箇所で相対強度が高くなる。基本的には、この透過ピークＰｂの波長を読み取ることにより、その時点での光学フィルタ２の透過波長を得ることができる。

但し、もともとディスプレイモニタ５の画面上に表示される光強度分布の横軸は光検出器３４の各微小受光素子の配列上の位置情報であるから、上記のようにして透過波長を求めるためには、その位置情報が波長情報に対応付けられるように予め光強度分布の横軸の波長目盛りを定めておく必要がある。そのためには、例えば次のようにすればよい。

すなわち、まず、所定の光学フィルタを傾き角θ＝０°〜３０°の範囲で３°ずつ傾けながら、各傾き角θにおける透過波長λを分光光度計により測定し、傾き角θ−透過波長λの校正曲線（θ−λ校正曲線）を作成する。次いで上記構成の装置により、同じ光学フィルタの傾き角θを同様に変化させながら、ディスプレイモニタ５の画面上に表示される光強度分布での透過ピークＰｂと輝線スペクトルによるピークＰａとの間の間隔（距離）Ｔを測定し、傾き角θ−間隔Ｔの校正曲線（θ−Ｔ校正曲線）を作成する。そして、上記θ−λ校正曲線とθ−Ｔ校正曲線とから、間隔Ｔとその間隔Ｔに対応した波長（又は波数）との関係を表すＴ−λ校正曲線を求め、さらに、このＴ−λ校正曲線と既知である輝線スペクトルによるピークＰａの波長λａとを利用して横軸の波長目盛りを決める。このようにして、ディスプレイモニタ５の画面上に表示される光強度分布からその時点での光学フィルタ２の透過波長を容易に読み取ることが可能となる。

次に、上記構成の装置を使用して、水素Ｆ線（４８６．１ｎｍ）に透過ピーク波長を有する干渉フィルタ板２４を含む光学フィルタ２の透過波長の調整を行う場合を例に挙げて具体的に説明する。

この場合には、上述したように光源１として重水素ランプを用いる。図４はこの干渉フィルタ板の透過スペクトルと重水素ランプの発光スペクトルとを示すグラフ、図５はこのときにディスプレイモニタ５の画面上に表示される光強度分布を示すグラフである。図５の光強度分布に現れている輝線スペクトルによるピークＰ１は波長が決まっているから、その出現位置は固定されている。一方、光学フィルタ２による透過ピークＰ２は上述したように干渉フィルタ板の傾き角θを変化させると横方向（波長方向）にシフトする。具体的には、傾き角θを０°から徐々に大きくしてゆくと、透過ピークＰ２は図５で左方向（短波長方向）にシフトする。したがって、調整者は、ディスプレイモニタ５の画面上に表示された光強度分布から透過波長を読み取り、この透過波長が目的波長になるように干渉フィルタ板の傾き角θを適宜に調整すればよい。

上記構成の透過波長調整用装置では、測定対象である光学フィルタ２を分光光度計の試料室内に設置するような面倒な手間が掛からず、傾き角θを調整しながら透過波長を目的波長に合わせる場合でも、その作業は非常に簡単になる。もちろん、上記構成の透過波長調整用装置を用いて、既に傾き角θが調整されている光学フィルタの透過波長の検査を行うことも可能である。

なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行ってもよいことは明らかである。

本発明の一実施例による光学フィルタの透過波長調整用装置の概略構成図。 図２は図１中の光学フィルタの縦断面。 本実施例による透過波長測定の原理を説明するための図。 干渉フィルタ板の透過スペクトルと重水素ランプの発光スペクトルとの一例を示すグラフ。 図４の条件の下でディスプレイモニタの画面上に表示される光強度分布を示すグラフ。

符号の説明

１…光源
２…光学フィルタ
２１…フィルタホルダ
２２…凹部
２３…窓部
２４…干渉フィルタ板
２５…スペーサ
３…ポリクロメータ
３１…レンズ
３２…スリット
３３…回折格子
３４…光検出器
４…信号処理部
５…ディスプレイモニタ

Claims (3)

1. 所定の元素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有する干渉フィルタの透過波長を調整する透過波長調整方法であって、
   前記元素の同位体ガスを用いた放電光源から放出された、波長が既知である輝線スペクトルを含む測定光を測定対象である干渉フィルタに照射し、
   その透過光を波長分散させて、多数の微小受光素子が線状に配列されて成る検出手段により波長分散光をほぼ同時に検出し、
   その検出信号に基づく光強度分布を表示手段の画面上に表示させ、
   該光強度分布に現れる放電光源由来の輝線スペクトルのピークと干渉フィルタ由来の透過ピークとの間隔を波長に換算することで干渉フィルタの透過波長を取得し、
   その透過波長が目的波長となるように、測定光に対する前記干渉フィルタの姿勢を調整することを特徴とする干渉フィルタの透過波長調整方法。
2. 所定の元素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有する干渉フィルタの透過波長を調整するために用いられる透過波長調整用装置であって、
   a)波長が既知である輝線スペクトルを含む測定光を放出するために前記元素の同位体ガスの放電を利用した放電光源と、
   b)前記測定光に対する測定対象の干渉フィルタの傾き角を調整可能に該干渉フィルタの姿勢を保持するフィルタ保持手段と、
   c)前記放電光源からの測定光が前記干渉フィルタに透過した後の光を波長分散させる波長分散手段と、
   d)該波長分散光をほぼ同時に検出するために、多数の微小受光素子がその波長分散方向に線状に配列されて成る検出手段と、
   e)該検出手段による検出信号に基づく光強度分布を表示手段の画面上に表示させる信号処理手段と、
   を備え、前記表示手段の画面上に表示される光強度分布に現れる放電光源由来の輝線スペクトルのピークと干渉フィルタ由来の透過ピークとの間隔を波長に換算することで干渉フィルタの透過波長に関する情報を調整者に提供し、その透過波長が目的波長となるように、測定光に対する前記干渉フィルタの姿勢を調整できるようにしたことを特徴とする干渉フィルタの透過波長調整用装置。
3. 測定対象である干渉フィルタは水素の輝線スペクトル付近の波長を透過させる特性を有するものであり、放電光源は水素の同位体である重水素ガスの放電を利用した重水素ランプであることを特徴とする請求項１に記載の干渉フィルタの透過波長調整方法、又は請求項２に記載の干渉フィルタの透過波長調整用装置。

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