JP2007205991A

JP2007205991A - 光源装置及び分光測光装置

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Publication number: JP2007205991A
Application number: JP2006027379A
Authority: JP
Inventors: Tomiji Minekane; 富治峯金
Original assignee: KLV KK
Current assignee: KLV KK
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】２つの波長の異なる光を合波することで、均一性を有する広帯域の光を光線のロスなく出力する光源装置を提供する。
【解決手段】所望の波長領域を有する２つの光路と、前記光路を各々平行光線に変え合波ミラー方向に出力する２つの光学素子２ａ，２ｂと、入射してきた前記平行光線を表面の断面が二等辺三角形の連続的に並べた形状を有し同一光軸方向に反射させ、前記光を合波して所望の波長領域の光を出力する合波ミラー３と、前記合波した光を集光する集光手段４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、必要な波長領域を有する光を放射する光源装置に関するものである。

従来、分光光度計や内視鏡等には様々な光源が使われてきた。例えば、紫外（１０ｎｍ〜３８０ｎｍ）、可視（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）・近赤外（７８０ｎｍ〜２５００ｎｍ）領域の広帯域の分光測光装置の光源としては、紫外領域には重水素ランプ、可視・近赤外線領域にはハロゲンランプ等が使用されているし、内視鏡では光源としてキセノンランプ等が使用され、光源の故障等により照明が中断されることを防ぐために、予備の光源を備えるものも存在する（特許文献１参照）。

さらに、従来の紫外可視領域を測定する分光光度計では、１つの光源で広範囲の波長領域をカバーする適当な光源がないため、２つの異なる光源を測定波長範囲に応じて使い分けられてきた。例えば、そのような２つの光源で広範囲の波長領域に亘って光を走査する上で、それぞれの光源の波長領域において可視・近赤外用としてのハロゲンランプと紫外用の重水素ランプを、反射鏡などの光学素子を必要に応じて回転させることで切換えて入射スリットに集光して、連続的に測定を実施していた。

しかし、最近の半導体検出器の進歩で検出器にフォトダイオードアレイを使用した多波長分光光度計が主流となりつつある。この分光光度計の特徴は、例えば５１２個の受光素子が配列されており、紫外領域から可視領域にわたり、波長毎にその波長を測定する受光素子により瞬時測定がなされる。そこで、この検出器が有する多波長同時測定できる特性を生かすためにも、瞬時の測定が測定波長の全領域にわたって実行されるのが理想的である。そのため、紫外、可視・近赤外領域の広帯域の分光光度計では反射鏡などの光学素子を切換えて使用するのでは、時間がかかりすぎて適当でなくなってしまった。

そこで、この問題を解決する手段として、重水素ランプの発光体の中心部をシースルーの構造にして、重水素ランプの後方部にハロゲンランプと凹面反射鏡を配置し、その出力光が重水素ランプのシースルー部を透過し、重水素ランプの放射光方向と同一方向に重なって出力することによって、従来のような光学素子の切換えを必要としない方法がある（特許文献２参照）。また、その他の方法として、ダイロイックミラーにより出力光を合成する方式（特許文献３参照）や、バンドルファイバーによる合成の方法もある。

特開２００５−２４１９２１号公報特開２００５−１７１４０号公報特開平８−２９７０８８号公報

しかし、これらの方式にも欠点が存在する。重水素ランプのシースルーの構造の場合には、重水素ランプにおけるシースルーの開口部の大きさにより、透過するハロゲンランプの光束の大きさに制限が設けられるため、ハロゲンランプの放射光の光量に限界が出てくる。また、その光量を増強する手段として、重水素ランプのシースルーの開口部を大きくすると、重水素ランプの発光点が中心部から大きく外れ、分光器部への入射光としての同一性が保持できなくなり、分光測光の精度が落ちてしまう。また、ダイクロイックミラー方式の場合は、光量がダイクロイックミラーにより減衰されてしまうし、３００ｎｍ以下の紫外領域では光がダイクロイックミラーを透過しないため、その領域では使用が不可能である。さらにバンドルファイバーによる合成の方法も、バンドルファイバーの充填率を考慮すると放射光の効率低下につながる。
また、前述した、故障のための予備の光源をもつ内視鏡の場合には、予備の光源への切り替えにはミラーの角度調整などに一定の時間がかかり、連続的に被写体の観察を行うことが不可能である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、波長の異なるもしくは同種の光源を１つ又は２つ備え、その光源からの２つの光路の光を合波することで、それぞれの出力光を同一光軸方向に集光性を高め出力する光源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光源装置は、２つの光路と、前記２つの光路からの光を各々平行光に変える２つの光学素子と、表面の断面が三角形を連続的に並べた形状を有し、入射してきた前記２つの平行光をそれぞれ前記三角形の異なる辺で受けて同一光軸方向に反射させ、前記２つの光路からの光を合波して出力する合波ミラーと、前記合波した光を集光する集光手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記三角形は二等辺三角形であること特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記２つの光路のそれぞれに異なる波長の光を送る２つの光源を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記合波ミラーは表面の断面が頂角１２０°の二等辺三角形が並んだ形状をしており、前記二等辺三角形の配列方向と直交する方向に対し角度６０°の入射角で入ってきた光が、前記配列方向と直交する方向に反射することを特徴とする請求項１の光源装置。

請求項５に記載の分光測光装置は、所望の波長領域の光を出力する１つ又は２つの光源部と、前記光源部から出力される２つの光路からの光を各々平行光に変える光学素子と、入射してきた前記２つの平行光をそれぞれ前記二等辺三角形の異なる辺で受けて同一光軸方向に反射させ、前記２つの光路からの光を合波して出力する合波ミラーと、前記合波した光を集光させ被測定物へ出力する集光手段と、前記被測定物からの光を分光測定する分光光度計とを備えることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記光源と光学素子との間に特定波長域を透過する光学フィルターをさらに備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、平行光になった２つの光が、三角形を連続的に並べた形状の合波ミラーにより、表面の三角形の配列方向と直交する同一光軸方向全反射されるため、それぞれの前記平行光のロスを少なく合波することが出来、また、三角形を細かくすることにより合波された光は２つの光の分布が均一になる（以下「均一性」ということがある）。したがって、必要とされる光の光量を効率よく利用でき集光性が高くなると共に、分光光度計や内視鏡等に使用するのに適した均一性を有する光を得ることができる。さらに、２つの光源に同じ種類の光源を使用している場合には、片方の光源が故障した場合でも、残りの光源により光は照射され続けるため、光源の使用の中断が起こらない。

請求項２の発明によれば、２つの光路からの光が合波ミラーで反射されたときに、それぞれ同じ幅をもつ光路となるため、均一性が高い合波を得ることが出来る。

請求項３の発明によれば、異なる波長領域の光源を配置することができるので、２つの光源の組み合わせにより必要とされる広帯域の波長を得ることが出来る。

請求項４の発明によれば、合波ミラー表面に並ぶ頂角１２０°の二等辺三角形の配列方向と直交する方向から６０°の入射角を有する光路は、前記二等辺三角形の一方の等辺に平行になるため、前記表面の三角形により光路をさえぎられることなく、すべての光路が反射面に到達し前記二等辺三角形の配列方向と直交する同一光軸方向に反射されるため、それぞれの光のロスを少なく合波された光を得ることが出来る。

請求項５の発明によれば、開口部の大きさなどの制限が存在しないので十分な光量を得ることがでる。また、波長の異なる２つの光源からの光を、その光のロスを少なく均一に合波した後、その光を分光測光に使用することができるので、集光性の高い均一性に優れた光で測光することができる。したがって、広帯域の分光光度計における波長の測定精度を高めることができる。

請求項６の発明によれば、２つの光源に同種の光源を配置するもしくは１つの光源からの２つの光路を使用する場合、光源と凹面鏡との間に２つの異なる特定波長領域を透過させる光学フィルターを挿入すれば、２つの異なる特定波長領域を有する出力光を取り出せる。したがって、同時に２つの異なる特定波長領域を必要とする検査などを容易に行うことが可能になる。

本発明に係る光源装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る光源装置の第１の実施形態の構成を示す概略図であり、図２は光源装置における合波ミラーの平面図（Ａ）と断面図（Ｂ）であり、図３で（Ａ）、（Ｂ）は合波ミラーの表面の構造を説明する図であり、（Ｃ）は（Ａ）、（Ｂ）の一部を拡大した図である。

まず、図１に示すように２つの光源部１ａ、１ｂに所望の異なった波長を持った光源が配置される。例えば図では光源部１ａには可視・近赤外域の波長を持つハロゲンランプ、光源部１ｂに紫外域の波長を持つ重水素ランプが設置されている。この光源にはその他に、タングステンランプなどその他の波長領域を持つものを設置することもでき、必要とする波長領域を得ることができる。この光源１ａ、１ｂからそれぞれ凹面鏡である光学素子２ａ、２ｂに向けて光が放出される。次に、光学素子２ａ、２ｂに入射した光は合波ミラー３に向けて反射されそれぞれ平行光になる。次にその平行光は合波ミラー３で反射さる。そして、合波ミラー３から出力された光は集光手段４に入射し集光される。ここで、光学素子として平行光をつくるレンズを用いることも出来る。この場合レンズを通過した光が、前記凹面鏡で反射された光と同様の光路をとることになる。

次に、合波ミラー３について図２を用いて説明する。合波ミラー３は図２に示すように細かい溝５を有している。例えば１ｍｍあたり１００本程度の溝で構成される。そして、その溝５の形状は合波ミラーの表面の断面６において頂角１２０°の二等辺三角形が連続的に並んだ形状を有する。このミラーの大きさは自由であり必要に応じた大きさを使用することが出来る。

次に合波ミラー３における反射光の光路を図３を用いて説明する。まず、一方の光学素子２ａからの平行光は反射面６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに入射角９が３０°で入射する。他方の光学素子２ｂからの平行光は反射面６ａ’，６ｂ’，６ｃ’，６ｄ’に入射角１１が３０°で入射する。そして、どちらの反射光も反射角３０°（１０、１２）であるので、二等辺三角形の配列方向に直交する方向に反射することになる。したがって、２つの光路の光が同一光軸を有する光として出力される。このとき光学素子２ａ，２ｂからの平行光は他方の光が反射する面とは平行に入射するため、それぞれの平行光にとっては１枚の平行な仮想線上のミラー７、８で反射されるのと同じことになり、それぞれの光のロスをすくなく全反射することができる。これにより、光のロスを最小限に抑えて、所望の出力光を得ることが可能になる。そして、合波ミラー３の溝５が細かいほど反射光が細くなり合波の均一化が図れる。ただし、あまりに溝５が細かいと光が回折してしまうため、１ｍｍあたり１００本程度が限度である。

さらに本実施形態で、３つ以上の光源を使用する場合には、合波ミラー３の表面の形状を３角錐や４角錐などの多角錘にしたり、合波した光と他の光源からの平行光をさらに合波ミラー３と同様の合波ミラーで合波したりする方法が考えられる。

本実施形態では、最も効率のよい合波ができる形態を示すため、合波ミラー３の表面の断面における三角形の形状を頂角１２０°の二等辺三角形としたが、これは他の角度の二等辺三角形や二等辺三角形以外の三角形としても、少し効率は落ちるが合波することが可能である。

これにより、光学素子２ａ，２ｂの設置範囲が限定されているような場合にも、効率のよい合波を行うことが可能になる。

〔第２の実施形態〕
本発明に係る光源装置の第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４の構成は、光源部が１つであることを除き、他の構成は、図１と同じである。本実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置において、光源部に１つの光源１ｃを配置し、１つの光源１ｃから出力された光を２つの光路へ導光して、その後合波する。

本実施例においては、光源から出力された光の光路上には障害になるものはなく、また合波ミラーは２つの光路からの光のロスを少なく全反射することが可能である。そのため、例えば光源の後ろにミラーを配置し後ろへ向かう光を再び光源側に集光させて光量の増加を図る方法では、１つの光路を利用する場合の１．２倍程度の光量しか得られなかったものが、本実施例では１つの光路を利用する場合に比べ２倍の光量を得ることが可能になる。

〔第３の実施形態〕
本発明に係る光源装置の第３の実施形態について図５を用いて説明する。図５の構成は、光源部が異なることを除き、他の構成は、図１と同じである。本実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置において、一方に所望の波長の光源１３を配置し（例えばハロゲンランプなど）、他方に波長校正可能な輝線スペクトルを出力する光源１４（例えば低圧水銀ランプなど）を配置したものである。そして、他方の光源１４の輝線スペクトルを基に、一方の光源１３の波長を校正することが出来る波長校正手段を備えている。

本実施例においては、波長校正用の光源１４が常に照射されているので、定期的に低圧水銀灯を手動で挿入し、水銀の輝線スペクトルで波長の校正を実施する必要はなく、所望の波長の光源１３を測定等に使用しながら自動的でリアルタイムに装置の光源１３の波長校正が可能である。したがって精度の高い分光分析や機器の保守管理及び検査のトレーサビリティに寄与できる。

〔第４の実施形態〕
図６は本発明に係る第４の実施形態である分光測光装置の構成を示す概略図である。１５ａ，１５ｂには分光測光のための所望の波長を持った光源が配置されている。次に各光源１５ａ，１５ｂから放出された光がそれぞれ凹面鏡で構成される光学素子１６ａ，１６ｂに入射する。そして、光学素子１６ａ，１６ｂに入射した光は反射して平行光になり合波ミラー１７に向かう。合波ミラー１７に入射したそれぞれの光は同一光軸方向に反射され集光手段１８に向かう。集光手段１８で集光された光は試料が入っているセル１９を通過し、再び分光光度計もしくは多波長分光光度計の入射スリット２０に集光された後、グレーディング２１で分光され、その分光された光がフォトダイオードアレイ２２で検出される。

このとき、光源１５ａ，１５ｂに異なる波長域を有する光源（例えば１５ａにハロゲンランプ、１５ｂに重水素ランプ）を配置すれば、所望する紫外、可視・近赤外領域の広帯域の波長を有する光を試料に照射することが出来るため、広帯域の分光光度計であるフォトダイオードアレイ１７に対応でき、広い波長域を瞬時測定することが可能になる。また、照射される光は均一性に優れ、かつ、それぞれの光源の特性を低下させることがないため、精度の良い分光測光装置を提供できる。

〔第５の実施形態〕
本発明に係る第５の実施形態である分光測光装置について図７を用いて説明する。本実施形態の分光測光装置は第４の実施形態の分光測光装置とほぼ同様の構成を備えている。第４の実施形態との相違点は光源と光学素子との間に光学フィルター２４ａ，２４ｂを備えていることである。ここで光学フィルターとは、例えばバンドパスフィルター、ダイクロイックミラー、ダイクロイックフィルター、ＮＤフィルターなどである。

図７に示すように、まず光学フィルター２４ａ，２４ｂを使用して広帯域光源である光源部１５ａ，１５ｂ特定波長領域を取り出す場合を考える。図７で光学フィルター２４ａ，２４ｂを、それぞれ異なる特定波長領域を透過する光学フィルターにしておけば、異なる特定波長領域を有する２つの光を取り出すことができ、さらに合波ミラー２５で合波される。こうすることで、合波された光は同時に２つの異なる特定波長領域を持つ光になる。そして、その合波された光を分光光度計で使用することができる。

これにより、分光測光において特定波長と反応する物質のそれ以外の波長での効果を計測するような場合に、十分な光量を持ち明確な２つの特定波長領域を持つ光での計測が行えるため、測光精度を高めることができる。

次に、光学フィルター２４ａ，２４ｂの組み合わせにより光の強度を均一化する場合を考える。まず、２つの光源１５ａ，１５ｂから出力された両方もしくは片方の光は、ＮＤフィルターなどの光学フィルター２４ａ，２４ｂを通過することで、特定の波長域の光量が必要なだけ減少する。そして特定の波長域の光量が減少した光を合波することで、必要とされる波長領域で均一な強度を持つ光が得られ、その強度が均一化された光を分光光度計で使用することができる。例えば光源２５ａにハロゲンランプ、光学フィルター２４ａにＮＤフィルターを配置し、光源２５ｂにタングステンランプを配置すれば５００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長領域で均一な強度に光を調整でき、その光を可視・近赤外での分光測光に使用できる。

このように、光の強度の均一化をすることにより、マルチチャンネルのフォトダイオードアレイ（例えばシリコンフォトダイオード）を用いた分光測定の場合に、フォトダイオードからの検出信号のＡＤ変換において、必要とする波長領域全体にわたり十分なＡＤ変換器の処理能力が確保できる。

本発明に係る光源装置の第１の実施形態の構成の概略を示す図である。本発明に係る光学装置に用いられる合波ミラーの説明図であり、（Ａ）は合波ミラーの断面図、（Ｂ）は合波ミラーの平面図である。本発明に係る光源装置の第１の実施形態が備える合波ミラーの表面を説明する図であり、（Ａ），（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はその一部拡大図である。本発明に係る光源装置の第２の実施形態の構成の概略を示す図である。本発明に係る光源装置の第３の実施形態の構成の概略を示す図である。本発明の第４の実施形態である分光測光装置の構成の概略を示す図である。本発明の第５の実施形態である分光測光装置の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｃ光源
２ａ，２ｂ光学素子
３合波ミラー
４集光手段
５溝
６表面の断面
６ａ〜６ｄ合波ミラーにおける１ａからの光路の反射面
６ａ’〜６ｄ’ 合波ミラーにおける１ｂからの光路の反射面
９１ａからの光の入射角
１０１ａからの光の反射角
１１１ｂからの光の入射角
１２１ｂからの光の反射角
１３光源
１４波長校正用光源
１５ａ，１５ｂ光源
１６ａ，１６ｂ光学素子
１７合波ミラー
１８集光手段
１９セル
２０スリット
２１グレーティング
２２フォトダイオードアレイ
２４ａ，２４ｂ光学フィルター

Claims

２つの光路と、前記２つの光路からの光を各々平行光に変える２つの光学素子と、表面の断面が三角形を連続的に並べた形状を有し、入射してきた前記２つの平行光をそれぞれ前記三角形の異なる辺で受けて同一光軸方向に反射させ、前記２つの光路からの光を合波して出力する合波ミラーと、前記合波した光を集光する集光手段とを備えることを特徴とする光源装置。
前記三角形は二等辺三角形であること特徴とする請求項１の光源装置。
前記２つの光路のそれぞれに、異なる波長の光を送る２つの光源を備えたことを特徴とする請求項１の光源装置。
前記合波ミラーは表面の断面が頂角１２０°の二等辺三角形が並んだ形状をしており、前記二等辺三角形の配列方向と直交する方向に対し角度６０°の入射角で入ってきた光が、前記配列方向と直交する方向に反射することを特徴とする請求項１の光源装置。
所望の波長領域の光を出力する１つ又は２つの光源部と、前記光源部から出力される２つの光路からの光を各々平行光に変える光学素子と、入射してきた前記２つの平行光をそれぞれ前記二等辺三角形の異なる辺で受けて同一光軸方向に反射させ、前記２つの光路からの光を合波して出力する合波ミラーと、前記合波した光を集光させ被測定物へ出力する集光手段と、前記被測定物からの光を分光測定する分光光度計とを備えることを特徴とする分光測光装置。
前記光源と光学素子との間に特定波長域を透過する光学フィルターをさらに備えたことを特徴とする請求項５の分光測光装置。