JP2006047270A - Wavelength-variable monochromatic light source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸光分光分析等で用いられる波長可変単色光源、特にその出力光学系に関する。 The present invention relates to a wavelength tunable monochromatic light source used in absorption spectroscopic analysis or the like, and particularly to an output optical system thereof.
波長を或る範囲内で任意に選択できる単色光源として分光器が利用される。
図4に、分光器の基本的な構成例を示す。これは、回折格子(グレーティング)を中心に、光源、ミラー等を配して構成される光学系であって、ツェルニ・ターナ型分光器として知られるものである(例えば、特許文献1参照)。
A spectroscope is used as a monochromatic light source whose wavelength can be arbitrarily selected within a certain range.
FIG. 4 shows a basic configuration example of the spectrometer. This is an optical system configured by arranging a light source, a mirror, and the like with a diffraction grating (grating) as a center, and is known as a Zerni-Turner spectrometer (see, for example, Patent Document 1).
同図において、光源11から発した光は集光ミラー12で集光され、入口スリット13を通過し、コリメータミラー14で平行光に変換されてグレーティング15へと送られる。ここで波長分散された光のうち所定波長範囲の光が結像ミラー16により集光されて、入口スリット13の像(以下、単に像と記す)が投射面17に結像される。投射面17は仮想的な面であって、分光分析の場合はここに試料セル(図示しない)が置かれ、出力された単色光はこの試料セルに照射され、これを透過した光の光度を受光部(図示しない)で検出するように構成される。グレーティング15の表面中心を通る紙面に垂直な軸の廻りにグレーティング15を回転させると、出口スリット17aの位置に到達する光の波長が変化するから、これにより出力される単色光の波長を適宜選択することができる。
In the figure, light emitted from a light source 11 is collected by a
投射面17に出口スリット17aを設け、これを通して外部に単色光を取り出すように構成する場合もある。分光器から出力される単色光は、分析・計測等の目的で照射対象(例えば、比色計のセル)に照射されるが、その際、照射対象まで単色光を導くために光ファイバが用いられることがある。この場合、分光器から光ファイバへ効率よく光を伝達するための接続装置が必要となる。
In some cases, the
図5に、従来から用いられている分光器と光ファイバとの接続装置の構成例を示す。
同図において、10は分光器であって、例えば図4に示すような光学系から成るものとする。8は光ファイバであり、図においては分光器10に近い端部のみが示されている。7は、光学像を適当に拡大/縮小しながら他の位置に伝送するリレーレンズであり、ここでは分光器10の出口スリット17aの像を光ファイバ8の端面に伝送して再度結像させる役割を負う。4は、例えば図4に示すグレーティング15を回転させることにより出力光の波長を選択する波長選択機構であって、オペレータが手動で操作するもの、或いはモータ等を用いて自動化したもの等がある。
このような構成により、分光器10と光ファイバ8をリレーレンズ7を介して接続し、選択された波長の単色光を図示しない照射対象まで伝送できる。これ以外の従来の接続装置の構成においても小異はあるが、いずれも分光器10の出口スリット17aの像を光ファイバ8の端面に結像することで分光器10からの出力光を効率よく光ファイバ8に導入するように構成されている
FIG. 5 shows a configuration example of a conventional connection device for a spectroscope and an optical fiber.
In the figure,
With such a configuration, the
図4に示す光学系は、光源11からの光を集めて送り出す光源部1、その光を分光する分光光学系2、及び分光された光を投射出力する出力光学系3に区分される。なお、例えば特許文献1の図7に示されているように、分光光学系2と出力光学系3とを一括して全体を2区分する場合もあるが、ここでは説明の便宜上、上記の3区分に従うものとする。図5の例のように、外部に単色光を取り出す場合は、出力光学系3は外部まで延長される。即ち、図5におけるリレーレンズ7等は出力光学系3の一部と考えることができる。
The optical system shown in FIG. 4 is divided into a
図4に示す光学系は、光学素子として主にミラーを用いて構成する反射光学系であるが、この他に主にレンズを用いて構成する屈折光学系もある。屈折光学系は、反射光学系と比べて振動に強いという利点があるが、一方、色収差(波長により焦点距離が異なる現象)の問題がある。即ち、出力光学系にレンズを用いた場合、ある波長で投射面に正しく結像するように調整しても、他の波長では像がぼやけて拡がるため、出口スリットで所謂ケラレが生じて出力光量が減少する。このため、屈折光学系は振動に強いという特徴を有するにも拘わらず、波長可変単色光源にはこれまで殆ど適用されることがなかった。 The optical system shown in FIG. 4 is a reflective optical system mainly configured by using a mirror as an optical element, but there is also a refractive optical system mainly configured by using a lens. Refractive optical systems have the advantage of being more resistant to vibration than reflective optical systems, but have the problem of chromatic aberration (a phenomenon in which the focal length varies depending on the wavelength). That is, when a lens is used in the output optical system, even if adjustment is made so that the image is correctly formed on the projection surface at a certain wavelength, the image is blurred and spreads at other wavelengths, so the so-called vignetting occurs at the exit slit, and the output light quantity Decrease. For this reason, although the refractive optical system has a characteristic of being resistant to vibration, it has hardly been applied to a wavelength variable monochromatic light source.
図5におけるリレーレンズ7についても色収差の問題が生じる。例えば、図5において、単レンズを使用した場合、波長550nmの場合に焦点距離F1は200mmとすると、波長200nmでは焦点距離F2は160nmとなる。即ち、一般に図5に示すような光学系において、分光器10の出力波長を変えたときは、リレーレンズ7から出射される単色光の像はぼやけて光ファイバ8の端面よりも大きく拡がり、光エネルギーの伝送損失が生じる。
The problem of chromatic aberration also occurs in the
また、汎用の単色光源としては、照射対象(試料セルや受光部)の大きさに応じて照射域(投射面に結像する像の大きさ)を調整できることが望ましいが、これは従来は基本的に不可能であり、強いて照射域を変えるために光路に可変絞りを設ける例もあるが、絞りによる照射域調整は出力光量の減少を伴うことが問題であった。 As a general-purpose monochromatic light source, it is desirable that the irradiation area (the size of the image formed on the projection surface) can be adjusted according to the size of the irradiation target (sample cell or light receiving unit). Although there is an example in which a variable stop is provided in the optical path in order to strongly change the irradiation region, adjustment of the irradiation region by the stop is accompanied by a decrease in the amount of output light.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その第一の目的は、出力光学系にレンズを用いながら色収差に起因する光エネルギー損失のない波長可変単色光源を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、光量減少を伴うことなく照射域を調整可能にした波長可変単色光源を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a first object of the present invention is to provide a wavelength-tunable monochromatic light source that has no optical energy loss due to chromatic aberration while using a lens in the output optical system. is there. A second object of the present invention is to provide a wavelength-tunable monochromatic light source that can adjust the irradiation area without reducing the amount of light.
本発明は、上記課題を解決するための基本的構成として、出力光学系に焦点距離可変のレンズ系、所謂ズームレンズを用いると共に、このレンズ系の焦点距離を変えるズーム駆動機構とこのレンズ系の全体または一部をその光軸方向に移動させる合焦機構とを備えるように構成する。このように構成することにより、レンズ系の焦点距離を変えること(ズーミング)で出力波長を変えたときに生じる焦点のズレ(色収差)を補正することができ、また、照射域を調整することも可能となる。 As a basic configuration for solving the above-described problems, the present invention uses a variable focal length lens system, a so-called zoom lens, as an output optical system, and a zoom drive mechanism for changing the focal length of the lens system and the lens system. And a focusing mechanism that moves all or part of the focusing mechanism in the optical axis direction. With this configuration, it is possible to correct the focal shift (chromatic aberration) that occurs when the output wavelength is changed by changing the focal length of the lens system (zooming), and also to adjust the irradiation area. It becomes possible.
本発明の第2は、上記基本構成に加えて、ハーフミラー等の光路分割手段により分割された出力光をイメージセンサー上に投射し、その出力画像信号を処理して焦点情報または照射域情報を取り出し、これをフィードバックしてズーム駆動機構を制御する制御装置を備えるように構成する。これにより、波長を変えたときに自動的にレンズ系の焦点距離を調整して色収差を補正することが可能となり、また、照射域の調整を自動化できる。 In the second aspect of the present invention, in addition to the above basic configuration, output light divided by an optical path dividing means such as a half mirror is projected on an image sensor, and the output image signal is processed to obtain focus information or irradiation area information. A control device that controls the zoom drive mechanism by taking out and feeding back this is configured. Thus, it is possible to automatically adjust the focal length of the lens system when the wavelength is changed to correct chromatic aberration, and it is possible to automatically adjust the irradiation area.
本発明の第3は、上記イメージセンサーの出力画像信号を処理して焦点情報を取り出し、これをフィードバックして合焦機構を制御する制御装置を備えるように構成する。これにより、照射域設定時に焦点を自動的に調整できる。 A third aspect of the present invention is configured to include a control device that processes the output image signal of the image sensor to extract focus information and feeds back the focus information to control the focusing mechanism. Thereby, the focus can be automatically adjusted when the irradiation area is set.
さらに本発明の第4は、光ファイバ等を介して出力光を照射対象まで伝送する場合に、投射面(例えば光ファイバの端面)をリレーレンズの出射側光軸に沿って移動させる駆動機構とこれを分光器の波長選択機構に連動して制御する制御手段とを設けるように構成する。このように構成することにより、単色光の波長を変えたとき、波長変化にもとづく焦点距離の変化に応じてリレーレンズと投射面との間の距離を変えることで焦点を合わせることができるので、像のぼやけによる光エネルギーの伝送損失が防止できる。 Further, a fourth aspect of the present invention is a drive mechanism that moves the projection surface (for example, the end surface of the optical fiber) along the output side optical axis of the relay lens when the output light is transmitted to the irradiation target via an optical fiber or the like. Control means for controlling this in conjunction with the wavelength selection mechanism of the spectroscope is provided. By configuring in this way, when changing the wavelength of monochromatic light, it can be focused by changing the distance between the relay lens and the projection surface according to the change in focal length based on the change in wavelength, Transmission loss of light energy due to image blurring can be prevented.
本発明は上記のように構成されているので、振動に強い屈折光学系を用いながら、屈折光学系に特有の色収差の問題を解消することが可能となり、特に色収差が大きく出る350nm以下の紫外域まで波長域を拡大した波長可変単色光源を提供することができる。また、照射域の調整が可能であるから、汎用性にすぐれた波長可変単色光源を提供できる。 Since the present invention is configured as described above, it becomes possible to solve the problem of chromatic aberration peculiar to the refractive optical system while using a refractive optical system that is resistant to vibration. It is possible to provide a wavelength tunable monochromatic light source whose wavelength range is expanded to a maximum. In addition, since the irradiation area can be adjusted, it is possible to provide a variable wavelength monochromatic light source with excellent versatility.
図1に本発明の一実施形態を示す。本発明は出力光学系3に関するものであり、本発明に直接関係のない光源部1及び分光光学系2については図1では略示されている。略示された光源部1及び分光光学系2は、図4に示す従来例と同様のもの、または図4におけるミラー等の反射光学素子をレンズ等の屈折光学素子で置き換えて構成されるものである。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. The present invention relates to the output
図1において、18は複数のレンズを組み合わせて焦点距離可変の凸レンズとして作用するように構成されたレンズ系であって、一般にズームレンズとして知られるものであり、モータ等で駆動されるズーム駆動機構23によりズーミング(焦点距離の変更)が行われる。22は、同様にモータ等で駆動され、このレンズ系18をその光軸方向に移動させて焦点調整を行うための合焦機構である。17は図4におけると同じく仮想的な投射面、19はレンズ系18の出力光路中に設置されたハーフミラー、20は、平面的に配置された多数の受光素子(画素)により画像情報を出力するイメージセンサーであって、例えば電荷結合素子(CCD)で構成されるものである。イメージセンサー20と投射面17はハーフミラー19から等距離に配置されており、レンズ系18の出力光はハーフミラー19で分割されてイメージセンサー20の表面と投射面17とに同じ像を結ぶ。
21はコンピュータで構成される制御装置であって、イメージセンサー20から送られる画像信号を処理して、合焦機構22及びズーム駆動機構23を制御するものである。
In FIG. 1, reference numeral 18 denotes a lens system configured to function as a convex lens having a variable focal length by combining a plurality of lenses, and is generally known as a zoom lens, and is a zoom driving mechanism driven by a motor or the like. The zooming (changing the focal length) is performed according to 23. Reference numeral 22 denotes a focusing mechanism that is similarly driven by a motor or the like and moves the lens system 18 in the optical axis direction to perform focus adjustment. 17 is a virtual projection surface as in FIG. 4, 19 is a half mirror installed in the output optical path of the
このように構成された本実施形態は以下のように動作する。
光源部1から発して分光光学系2で分光された光が出力光学系3のレンズ系18に入射し、ここで集光されて投射面17に結像するが、同時にハーフミラー19で反射された光がイメージセンサー20の表面にも同じ像を結ぶ。この像はイメージセンサー20により画像信号に変えられ、制御装置21に送られ、その内部のコンピュータにより処理されて、焦点情報が抽出される。焦点情報は、例えば、像の輪郭付近の近接する画素間で明るさを比較することによって得られ、その差が最大になる点を以て合焦とする。このような焦点情報により合焦機構22を制御し、レンズ系18を前後に移動させるようにフィードバック制御を行うことで焦点調節ができる。こうした焦点調節には、カメラ分野で既に確立されているオートフォーカスの技術が応用できる。
こうしてイメージセンサー20上で焦点が合えば、ハーフミラー19からイメージセンサー20と等距離にある投射面17上でも合焦像が得られる。
The present embodiment configured as described above operates as follows.
The light emitted from the
If the focus is thus achieved on the
照射域を調整する場合は、イメージセンサー20からの画像信号を処理して照射域情報を抽出する。照射域情報としては、例えば、光を受けている画素数を集計すれば照射域の面積が求められるから、これを設定値と比較してその差がより小さくなるようにズーム駆動機構23を制御する。ズーム駆動機構23によりレンズ系18のズーミングが行われると、その焦点距離が変化し投射される像の大きさが変わるから、このフィードバック制御により、投射面17に結ばれる像の大きさが設定値に合致するように自動調整できる。なお、ズーミングにより焦点距離が変化すると焦点がずれるから、上記の合焦機構22による焦点調節を併用する。また、この照射域調整のためのフィードバック制御系は常時働く必要はなく、設定を変えるときだけスイッチ等(図示しない)の操作により作動するように構成すればよい。
When adjusting the irradiation area, the image signal from the
このようにして或る波長において照射域を設定し焦点を合わせた状態で、出力波長を変更したときはレンズ系18の色収差により焦点のズレが生じる。色収差を補正する場合は、イメージセンサー20からの画像信号を処理して上記焦点調節の場合と同様の焦点情報を得、これをフィードバックしてズーム駆動機構23を制御して合焦させる。このとき合焦機構22を動かしてはならない。このようにズーミングによって焦点を合わせることにより、波長による焦点距離の変化をレンズ系18の焦点距離を変えることで補正することになるので、像の大きさ(照射域)を変化させることなく色収差を解消することができる。
In this way, when the output wavelength is changed in the state where the irradiation area is set and focused at a certain wavelength, the focus shift occurs due to the chromatic aberration of the lens system 18. When correcting chromatic aberration, the image signal from the
上記はフィードバック制御により焦点及び照射域を自動調整する場合についての説明であるが、オペレータが手動操作により調整するように構成することも可能である。
即ち、イメージセンサー20からの画像信号を適当な表示装置(図示しない)に表示するように装置を構成し、オペレータはこの表示を見ながら合焦機構22とズーム駆動機構23を手動操作して合焦像の大きさ(照射域)が所望の大きさになるように調整し、また、出力波長を変更したときは、ズーム駆動機構23を手動操作して焦点を再調整すればよい。
The above is a description of the case where the focus and irradiation area are automatically adjusted by feedback control. However, it is also possible for the operator to make a manual adjustment.
That is, the apparatus is configured to display an image signal from the
なお、単色光を外部に取り出す場合は、照射域に応じてスリットの大きさを変えられる可変スリット(図示しない)を投射面17に設ければよい。
また、ハーフミラー19は他の光路分割手段で置き換えることもできる。
さらに、レンズ系18の焦点調節は、レンズ系全体を前後に動かすことなく、レンズ系18を構成する一部のレンズのみを動かして行うように設計することも可能であり、これにより合焦機構22をより小型簡易化することができる。
In addition, when taking out monochromatic light outside, what is necessary is just to provide the
Also, the
Further, the focus adjustment of the lens system 18 can be designed so as to be performed by moving only a part of the lenses constituting the lens system 18 without moving the entire lens system back and forth. 22 can be further reduced in size and simplified.
図2に本発明の他の実施例を示す。同図においては、図5と同じ構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例において図5に示す従来構成と相違する点は、投射面9(光ファイバ8の端面)をリレーレンズ7の出射側光軸に沿って移動させる駆動機構5と、この駆動機構5を制御する制御手段6を設けたことである。制御手段6は、コンピュータを内蔵し、波長選択機構4からの波長信号を受けて波長に応じた合焦位置まで投射面9を移動させるように駆動機構5を制御するものである。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
In this embodiment, the difference from the conventional configuration shown in FIG. 5 is that the
上記のように構成された本実施例の動作を以下に説明する。
いま、分光器10から波長λ1の単色光が出力されているとき、光ファイバ8の端面はリレーレンズ7からL1の距離にあって端面には正確な合焦像が結像されているものとする。オペレータが波長選択機構4を操作して、分光器10からの出力波長をλ2に変更すると、その波長信号が制御手段6に入力される。制御手段6は、内蔵コンピュータに予め種々の波長に対して実験的に求めた合焦位置情報を記憶しており、或いは、予め記憶した計算式により合焦位置を算出するように構成されている。これにより、波長λ2に対する合焦位置L2が直ちに求められ、光ファイバ8をこの位置(図2において点線で示す位置)まで移動させるように駆動機構5を制御する。この結果、光ファイバ8の端面(投射面9)に合焦像が得られるから、出力光は損失なく光ファイバ8に伝達される。
The operation of this embodiment configured as described above will be described below.
Now, when monochromatic light of wavelength λ1 is output from the
図2における駆動機構5の具体的な構成の一例を図3に示す。
図3(A)において、制御手段6により制御されるパルスモータ56の出力軸には、ナット53と螺合するねじ54が直結されており、ナット53と連結された支持板52には保持具51を介して光ファイバ8が保持されている。
このような構成において、制御手段6からの制御信号に応じてパルスモータ56が正逆いずれかの方向に回転すると、ねじ54も共に回転し、これに螺合するナット53がナット案内台57上を図の左右方向に駆動され、これに従って光ファイバ8が光軸に沿って移動する。このような機構により光ファイバ8の端面を合焦像が得られる位置に移動させることが可能となる。ピエゾ素子55は、制御手段6からの印加電圧に応じて微小に伸縮することで焦点の微調整を行うものである。また、同図(B)は保持具51を光軸方向から見た図であって、環状の保持具51のほぼ中心に光ファイバ8が4個のピエゾ素子58を介して保持されており、このピエゾ素子58に印加する電圧を適当に調整することで光軸調整(光ファイバ8の中心を光軸に合わせる)を行うことができる。
An example of a specific configuration of the
In FIG. 3A, the output shaft of the pulse motor 56 controlled by the control means 6 is directly connected to a
In such a configuration, when the pulse motor 56 rotates in either the forward or reverse direction in response to a control signal from the control means 6, the
なお、図2における制御手段6は、必ずしもコンピュータを用いなくても、カム等のメカニズムにより波長選択機構4と駆動機構5を機械的に連動させる構造とすることも不可能ではない。また、駆動機構5としては図3と異なる構造も設計可能であり、投射面9は光ファイバ8の端面に限定されない。
Note that the control means 6 in FIG. 2 is not necessarily impossible to use a structure in which the wavelength selection mechanism 4 and the
本発明は、単色光を利用して分析、計測、その他の光照射を行う装置に利用できる。 The present invention can be used in an apparatus that performs analysis, measurement, and other light irradiation using monochromatic light.
1 光源部
2 分光光学系
3 出力光学系
4 波長選択機構
5 駆動機構
6 制御手段
7 リレーレンズ
8 光ファイバ
9 投射面
10 分光器
11 光源
12 集光ミラー
13 入口スリット
14 コリメータミラー
15 グレーティング
16 結像ミラー
17 投射面
17a 出口スリット
18 レンズ系
19 ハーフミラー
20 イメージセンサー
21 制御装置
22 合焦機構
23 ズーム駆動機構
51 保持具
52 支持板
53 ナット
54 ねじ
55 ピエゾ素子
56 パルスモータ
57 ナット案内台
58 ピエゾ素子
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