JP2005338021A - 波長測定方法およびこれを用いた分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する分光方法およびこれを用いた分光装置を提供すること。
【解決手段】 被測定光を波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化を補正する第１の補正演算処理を行い、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、温度変化に対する波長誤差の温度係数を求め、第１の補正演算処理により求めた波長に対して、前記波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第２の補正演算処理を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長分散素子を用いた光測定装置に関し、詳しくは、温度変化に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる分光装置に関するものである。

分光装置は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器で検出し、この光検出器からの出力によって、光信号の波長測定を行うものである。

図１１は、このような分光装置の従来例を示す構成図である。図１１において、分光器１０は、光ファイバ１０Ａ、コリメーティングレンズ１０Ｂ、回折格子１０Ｃ、フォーカシングレンズ１０Ｄ、フォトダイオードアレイモジュール１０Ｅを有する。

光ファイバ１０Ａは、被測定光を出射する出射口を有する伝送路である。コリメーティングレンズ１０Ｂは、光ファイバ１０Ａの出射口に対向して設置され、光ファイバ１０Ａから出射された被測定光を平行光にして出射する。

回折格子１０Ｃは波長分散素子であり、コリメーティングレンズ１０Ｂからの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ１０Ｂに対して傾けて設置してある。また、回折格子１０Ｃは被測定光を波長ごと異なる角度に出射して分光する。フォーカシングレンズ１０Ｄは、回折格子１０Ｃからの出射光の光路上に設置され、出射光を収束して結像させる。

フォトダイオードアレイモジュール（以下、ＰＤＭと略す）１０Ｅは光検出器であり、受光素子であるフォトダイオードを複数有するものであり、被測定光が収束し、結像する位置に設置される。また、ＰＤＭ１０Ｅは、被測定光の光パワーを受光素子によってサンプリングし、サンプリングデータを測定データとして出力する。そして、ＰＤＭ１０Ｅは、受光素子ごとにあらかじめ波長が割り当てられている。

波長演算手段２は、ＰＤＭ１０Ｅの受光素子ごとに割り当てられた波長から光信号の波長を演算する。

一般に、図１１のような構成の分光装置において、光学系の測定精度は外部要因に影響される。その外部要因の一つとして温度変化が挙げられるが、この温度変化による測定誤差については、後述するような補正処理が行われる。

図６は従来技術における補正処理を行う分光装置の構成図である。図６の動作を図７のフローチャートを参照して説明する。図６で、分光器１は図１１の分光器１０と基本部分は同様の構成である。図１の分光器１に入射された被測定光２０は（ステップ７Ａ）、回折格子等の波長分散素子によって分光され、ＰＤＡ上に結像される（ステップ７Ｂ）。次に、ＰＤＡ上のデータから波長演算部２が波長を演算する（ステップ７Ｃ）。

分光器１内に設置された温度センサ１Ａは温度を検出し（ステップ７Ｄ）、補正参照データ保持部１３に格納されている補正データから、波長補正演算部１４により波長を演算し（ステップ７Ｅ）、温度による波長変化分を補正した結果を出力する（ステップ７Ｆ）。

温度変化による波長補正のためのデータについて説明する。図８は、例として波長0.8〜1.0μmの入射光を、900本/mmの回折格子を用いて入射角10°で分光した回折光の結像位置と波長の関係を示した図であり、縦軸がＰＤＡの相対的な位置、横軸は被測定入射光の波長である。すなわち、被測定光の波長が長くなると、ＰＤＡ上に結像される位置がほぼ線形に変化することを示している。

図９は、例として周囲温度が５０℃になった場合の波長変化を示したものである。これは、温度が変化したことにより、回折格子等の波長分散素子が熱膨張などによって溝ピッチが変わり、ＰＤＡに対する結像位置が変化したことによるものである。

従来、この温度変化による波長補正を図１０のように中心波長付近で求めた補正式λ(T)のみで行っていた。すなわち、測定波長帯である０．８〜１．０μｍの中心波長０．９μｍの時の波長変化を基準に、温度変化に対する近似式を求め、補正していた。

特開２０００−３０４６１３号公報 特開２００４−７７４１６号公報 特許文献１および特許文献２では、本発明のように、周囲温度の変化により生じる測定誤差を、波長誤差の温度係数でさらに補正することを示唆していない。

しかし、図１０に示すように、中心波長付近の波長変化を基準に、温度変化に対する近似式を求めて補正を行った場合、全波長域で一律にシフトするような補正しかできないため短波長側および長波長側で補正過多あるいは補正不足となり、充分な補正が行われず正確な波長測定ができないという問題がある。

すなわち、図９に示すように、温度が５０℃になった場合でも、短波長側では波長変化は少なく、長波長側では波長変化が大きくなっており、温度により、波長変化幅も異なるため、正確な測定ができない。

本発明の目的は、温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する波長測定方法およびこれを用いた分光装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１の発明は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化を補正する第１の補正演算処理を行い、第１の補正演算処理により求めた波長に対して、波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第２の補正演算処理を行うことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の波長測定方法において、前記波長誤差の温度係数は、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、近似式を求めて得ることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１および請求項２に記載の波長測定方法において、前記波長誤差係数は、前記第１の補正演算処理による結果と、複数の温度における前記第１の補正演算処理による結果から各波長ごとの誤差を求め、その傾きと切片より近似式を求めて得ることを特徴とする。

請求項４の発明は、被測定光を入射し、波長分散素子により波長ごとに分光する分光器と、前記分光器の出力を入力とし、被測定光の波長を演算する波長演算部を備える分光装置であって、前記分光器近傍に設ける温度センサと、波長誤差係数と基準温度係数と基準波長と波長誤差の温度係数を保持する補正参照データ保持部と、前記波長演算部の出力を入力とし、前記温度センサの検出温度により得られる前記基準温度係数と演算する第１の波長補正演算部と、前記第１の波長補正演算部の出力を入力とし、前記波長誤差の温度係数と演算する第２の波長補正演算部とを備えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の分光装置において、前記補正参照データ保持部は、あらかじめ演算されたデータが格納され、前記温度センサのデータに応じた値を出力することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４記載の分光装置において、前記補正参照データ保持部は、係数を算出する式が格納され、前記温度センサのデータを参照して演算を行い、得られた値を出力することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項４乃至６に記載の分光装置において、前記温度センサを複数備え、それぞれの検出結果を参照して適切なデータを出力するとともに、検出結果の差が大きいときは、温度センサ不良と判定し通知することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項４乃至７に記載の分光装置において、前記分光器はアレイ型ポリクロメータ方式分光器であることを特徴とする。

本発明によれば、基準温度における波長の誤差補正式で補正し、さらに、温度の異なる複数の波長誤差特性から、温度に対する誤差係数を求め、これを温度による補正値の変化としてさらに演算して補正するので、確度のよい測定を行う分光装置を提供することができる。例えば、相対波長誤差が±5pm程度に改善される。

図１は、本発明のブロック図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。図１において、分光器１に入射された被測定光２０は（ステップ２Ａ）、回折格子等の波長分散素子によって分光され、ＰＤＡ上に結像される（ステップ２Ｂ）。結像されたＰＤＡ上のデータから波長演算部２が波長を演算する（ステップ２Ｃ）。

次に、分光器１内に設置された温度センサ１Ａは温度を検出し（ステップ２Ｄ）、補正参照データ保持部１３に格納されている補正データから、第１の波長補正演算部４Ａにより波長を演算し、温度による波長変化分を補正した結果を出力する（ステップ２Ｅ）。

補正参照データ保持部３には、図６の補正参照データ保持部１３に保持される温度変化による波長補正のためのデータとともに、波長誤差の温度係数のデータが保持される。これとステップ２Ｅで得られた波長を演算し（ステップ２Ｆ）、補正後の波長を出力する（ステップ２Ｇ）。

次に、波長誤差の温度係数の算出方法を説明する。図３は、温度環境が−５℃、２３℃および６５℃の場合において、従来の温度変化による波長補正をかけた場合の波長誤差特性図である。

図３で、温度環境が−５℃の場合、低波長側では波長誤差がプラス側に生じており、高波長側では逆にマイナス側に波長誤差が生じている。温度環境が２３℃の場合、低波長側から高波長側までほぼ均一の誤差となっている。温度環境が６５℃の場合、−５℃の場合とは逆に、低波長側では波長誤差がマイナス側に生じており、高波長側では逆にプラス側に波長誤差が生じている。

ここで、異なる温度下（本発明では-5,23，65℃）で波長誤差係数を求め，直線補正式(1)を求め、傾きα_jを求める。

次に，傾きα_jと温度Ｔ_jとから直線補正式を(2)を求める。求めた傾きaが(3)式の傾きとなる。

すなわち、図３に示す各温度ごとの波長誤差特性から、図４に示すように傾きの特性が得られ、これから近似式を求め、これを波長誤差の温度係数とする。

温度による波長変化分を補正した結果に、この波長誤差の温度係数を演算することにより、図５の波長誤差特性図に示すように、温度に関係なく、波長誤差が補正される。図５では、相対波長誤差が±5pm程度に改善された例を示している。

上記実施例では、波長温度係数を求める際、３点の温度を用いて最小二乗法で近似式を求めたが、４点以上の温度を用いて２次以上の高次近似式から波長温度係数を求めるようにしてもよい。

また、上記実施例では、波長演算部２で第１の補正をした後に波長補正演算部４にて第２の補正を行う構成としているが、あらかじめ、これらを併せた補正式を求めておくことにより、一つの演算部で補正処理を行う構成としてもよい。

温度センサを複数備え、各センサの出力を平均する等、総合して最終的な温度センサ出力とすることにより、確度の高い温度検出が可能となるとともに、各センサの出力に大きな格差が生じた場合には、温度センサ不良と判定して通知する構成としてもよい。これにより、波長補正の確度が高くなる。

本発明の実施の形態例を示すブロック図である。 本発明の動作の流れを説明するフローチャートである。 異なる温度において波長補正をかけた場合の波長誤差特性図である。 波長誤差の温度係数特性図である。 波長誤差の温度係数でさらに補正した波長誤差特性図である。 従来技術における補正処理を行う分光装置の構成図である。 従来技術の動作の流れを説明するフローチャートである。 分光した回折光の結像位置と波長の関係を示した図である。 周囲温度が５０℃になった場合の波長変化を示した特性図である。 中心波長付近で温度変化に対する誤差を補正する近似式の特性図である。 分光装置の従来例を示す構成図である。

符号の説明

１ 分光器
１Ａ 温度センサ
２ 波長演算部
３ 補正参照データ保持部
４、４Ａ、４Ｂ 波長補正演算部
５ 表示部

Claims (8)

1. 被測定光を波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、
   波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化を補正する第１の補正演算処理を行い、
   第１の補正演算処理により求めた波長に対して、波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第２の補正演算処理を行うことを特徴とする波長測定方法。
2. 前記波長誤差の温度係数は、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、近似式を求めて得ることを特徴とする請求項１記載の波長測定方法。
3. 前記波長誤差係数は、前記第１の補正演算処理による結果と、複数の温度における前記第１の補正演算処理による結果から各波長ごとの誤差を求め、その傾きと切片より近似式を求めて得ることを特徴とする請求項１および２記載の波長測定方法。
4. 被測定光を入射し、波長分散素子により波長ごとに分光する分光器と、前記分光器の出力を入力とし、被測定光の波長を演算する波長演算部を備える分光装置であって、
   前記分光器近傍に設ける温度センサと、
   波長誤差係数と基準温度係数と基準波長と波長誤差の温度係数を保持する補正参照データ保持部と、
   前記波長演算部の出力を入力とし、前記温度センサの検出温度により得られる前記基準温度係数と演算する第１の波長補正演算部と、
   前記第１の波長補正演算部の出力を入力とし、前記波長誤差の温度係数と演算する第２の波長補正演算部と、
   を備えることを特徴とする分光装置。
5. 前記補正参照データ保持部は、あらかじめ演算されたデータが格納され、前記温度センサのデータに応じた値を出力することを特徴とする請求項４記載の分光装置。
6. 前記補正参照データ保持部は、係数を算出する式が格納され、前記温度センサのデータを参照して演算を行い、得られた値を出力することを特徴とする請求項４記載の分光装置。
7. 前記温度センサを複数備え、それぞれの検出結果を参照して適切なデータを出力するとともに、検出結果の差が大きいときは、温度センサ不良と判定し通知することを特徴とする請求項４乃至６記載の分光装置。
8. 前記分光器はアレイ型ポリクロメータ方式分光器であることを特徴とする請求項４乃至７記載の分光装置。
   
   

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