JP2007514953A - 多重回転スペクトロメータ - Google Patents

多重回転スペクトロメータ Download PDF

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Abstract

複数の入力ポートを含む回転スペクトロメータ。各入力ポートは、電磁放射を伝える光導波路を受けるように配設されてもよい。スペクトロメータはまた、複数の光学帯域通過フィルタを含み、これらのフィルタは、各光学帯域通過フィルタが各入力ポートと整列した状態にされてもよいように、モータの制御下で回転する第１の本体に収容される。さらに、スペクトロメータは、第１の本体とともに回転する第２の本体に配置された複数の検出器回路を含む。各検出器回路が複数の光学帯域通過フィルタの１つに光電結合されることで、各検出器回路は、光電結合された帯域通過フィルタによって決定される波長範囲に応答することになる。

Description

本発明は、多重回転スペクトロメータに関し、さらに詳しく言えば、電磁放射をスペクトロメータに伝える複数の入力ポートの各々に複数の光学帯域通過フィルタの各々を整列した状態に配向する手法を採用した多重回転スペクトロメータに関する。
図１は、１０個の入力ポート１０１、１０３、および１０５を有する回転スペクトロメータ１００を示し、同図には３個の入力ポートしか図示していない。図１から解かるように、光導波路を介して第１の入力ポート１０１に、第１の電磁放射源１０２が結合され、第２の入力ポート１０３に、第２の電磁放射源１０４が結合され、以下同様である。各放射源１０２、１０４、１０６は、ランプとして具体化される必要がないことは言うまでもない。放射源１０２、１０４、１０６は、ＬＥＤ、レーザ、または任意の他の電磁放出源として具体化されてもよい。さらに、入力ポート１０１、１０３、および１０５の各々は、実際、単一の放射源に結合されてもよい。原則的に、回転スペクトロメータは、入力ポートと同程度の数の放射源に結合されてもよく、わずか１つ（およびその間の数）の放射源に結合されてもよい。例示的目的のために、各入力ポートが異なる放射源に結合される設定で使用されている回転スペクトロメータのさまざまな実施形態が示されている。先に説明したように、これは、説明的な目的でしかなく、本発明の必須な部分ではない。回転本体（図示せず）が、１０個の光学帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２を収容するが、そのうちの３個しか図示していない。回転本体はまた、１つ以上の減光フィルタ１１４および１１６を収容してもよく、これらのフィルタは、光学帯域通過フィルタ１０８および１１０に整列される。減光フィルタ１１４および１１６は、それぞれに対応する帯域通過フィルタ１０８および１１０の前方または後方のいずれかで整列されてもよい。回転本体は、モータ（図示せず）の制御下で作動される。本体が回転すると、光学帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２が、入力ポート１０１、１０３、または１０５と整列した状態になる。図１に示すように、光学帯域通過フィルタ１０８が第１の入力ポート１０１と整列した状態にあると、この入力ポート１０１は、第１の電磁放射源１０２から電磁放射を伝える。同様に、光学帯域通過フィルタ１１０が第２の入力ポート１０３と整列した状態にあると、この入力ポート１０３は、第２の電磁放射源１０４からの電磁放射を伝え、以下同様である。
動作中、電磁放射は、第１の放射源１０２から放出され、光導波路（図示せず）によって第１の入力ポート１０１に伝えられる。電磁放射は、入力ポート１０１から、入力ポートと整列した状態にある光学帯域通過フィルタ１０８に伝播する。光学帯域通過フィルタ１０８は、通過域内の電磁放射が通過でき、通過域外の電磁放射を減衰するようにされたデバイスである。他のタイプのフィルタは、特定の波長を下回る放射または上回る放射を通過させることができるカットフィルタ（すなわち、高域フィルタまたは低域フィルタ）を含む。
電磁放射源は、ランプであってもよく、これは、例えば、生産、実験室、または物質を硬化するためのパイロットスケールラインにおいて使用されてもよい。ランプは、特徴的な波長・エネルギープロファイルを呈し、言い換えれば、ランプの化学組成により、ある波長では比較的多量のエネルギーが伝えられるのに対して、他の波長では比較的少量のエネルギーしか伝えられないということである。通過域が比較的多量のエネルギーを伝えることが予測された波長を含む光学帯域通過フィルタ１０８および１１０と整列する状態に、減光フィルタ１１４および１１６が置かれてもよい。
光学帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２を伝播した後、電磁放射は、光電素子（図示せず）の方へ伝播して入射し、この光電素子は、電圧を発生させることによって入射電磁放射と反応する。光電素子の両端にかかる電圧は、光電素子に入射する電磁放射の強度にほぼ比例する。光電素子は、検出回路１１８、１２０、および１２２に結合され、この検出回路は、信号を増幅し、任意に、コンピュータシステム（図示せず）に送り出すために、信号をディジタル化してもよい。検出回路１１８、１２０、および１２２は、利得係数に応じて、それぞれに対応する入力信号を増幅し、この利得係数は、例えば、演算増幅器のフィードバック経路に介在させたポテンショメータを調節することによって選択されてもよい。光学帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２と、減光フィルタ１１４および１１６とを収容する本体が完全に一回転すると、帯域通過フィルタ１０８、１１０、１１２の各々の通過域によって決定された波長範囲で、各放射源１０２、１０４、および１０６の１つの測定値が得られる。コンピュータシステムは、例えば、帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２が呈する帯域通過範囲内の電磁放射強度に関する情報を表示するために使用されてもよい。
上述したシステムは、検出回路１１８、１２０、および１２２が飽和することがないように可能な限り大きい利得係数が、検出回路１１８、１２０、および１２２において利用されるようにデザインされるべきである。このような原則に従うと、検出回路１１８、１２０、および１２２とコンピュータとの間に介在させたアナログ・ディジタル変換器から、最大解像度の測定が確実に得られる（上述したように、検出回路１１８、１２０、および１２２内に、アナログ検出回路が具体化されてもよい）。
各検出回路１１８、１２０、および１２２に対して適切な利得係数を選択するプロセスは、手間がかかる。例えば、第１の検出回路１１８に対して適切な利得係数を選択するプロセスについて考慮してみる。第１の帯域通過フィルタ１１８は、第１の放射源１０２に間接的に光電結合され、第１の放射源１０２は、単位ｅＶ／（面積）（秒）で測定されてもよい強度Ｉを有する電磁放射を放出する。電磁放射が、第１の入力ポート１０１と整列した状態にある減光フィルタ１１４を伝播すると、係数ＫAによってほぼ等しくすべての波長が減衰され、言い換えれば、減光フィルタの出力で示される強度が、Ｉ／ＫAに等しいということである。その後、電磁放射は、第１の帯域通過フィルタ１０８によってフィルタリングされるため、通過域内にある波長だけが通過できるようになる。このように、第１の帯域通過フィルタの出力で、電磁放射の強度はＩA／ＫAに等しく、ここで、ＩAは、第１の帯域通過フィルタ１０８の通過域内にある電磁放射の強度を表す。ただし、すべての波長が等しく容易に通過するわけではないため、これが理想的な値であることは言うまでもない。例えば、短い波長より長い波長の方が通過しやすく、言い換えれば、より短い波長を通過させるようにデザインされた帯域通過フィルタは、その通過域内にある電磁放射を、ある程度、比較的多く減衰することになる。本目的のために、この影響は無視されるが、利得の設定をさらに複雑にしてしまう。最後に、電磁放射が光電素子（図示せず）に入射すると、電磁放射は電圧に変換され、利得係数ＧAによって増幅され、言い換えれば、第１の検出回路の出力電圧は、［ＧA］［ＩA／ＫA］に等しい。本明細書において、光電素子は、入射電磁放射を電圧に変換するものとして記載される。光電素子が、入射電磁放射を電流に変換してもよいことは言うまでもない。このような光電素子は、本発明の範囲内に含まれる。例示的目的のみのために、本明細書において、光電素子は、入射電磁放射を電圧に変換するものとして記載されているが、電流への変換も同様に、本発明の範囲内である。検出回路１１８が飽和することなく可能な限り大きくなるように利得係数が選択されるべきであるという上述した原則を満たすために、以下の条件
［ＧA］［ＩA／ＫA］≦最大出力 （１）
（式中、最大出力は、検出回路のリニア領域の最大出力電圧を表す）
が満たされるべきである。
図２に示すように、満たすべき条件は、光学帯域通過フィルタ１０８、１１０、および１１２を収容する本体が回転すると変化する。図２は、第１０の帯域通過フィルタ１１２を第１の入力ポート１０１と整列させるように本体を回転させた後の図１のスペクトロメータを示す。再度言うが、第１の帯域通過フィルタ１１８は、第１の放射源１０２に間接的に光電結合され、第１の放射源１０２は、強度Ｉを有する電磁放射を放出する。第１の放射源１０２からの電磁放射は、第１０の帯域通過フィルタ１１２に伝播してフィルタリングされることで、通過域内にある波長だけが通過できるようになる。このようにして、第１０の帯域通過フィルタ１１２の出力で、電磁放射の強度はＩJに等しく、ここで、ＩJは、第１０の帯域通過フィルタ１１２の通過域内にある電磁放射の強度を表す。最後に、電磁放射が光電素子（図示せず）に入射すると、電磁放射は電圧に変換され、利得係数ＧAによって増幅され、言い換えれば、第１の検出回路の出力電圧は、［ＧA］［ＩJ］に等しい。検出回路１１８が飽和することなく可能な限り大きくなるように利得係数が選択されるべきであるという上述した原則を満たすために、以下の条件が満たされるべきである。
［ＧA］［ＩJ］≦最大出力 （２）
理解されうるように、条件２は条件１と異なり、適切な利得係数が、光学帯域通過フィルタを収容する本体の向きの関数であるという点を示している。満たすべき条件は、本体内に収容される光学帯域通過フィルタの数だけあるため（すなわち、図１および図２に示すスペクトロメータの場合、１０個の条件）、利得係数は、条件の各々を踏まえて設定されなければならない。このようにして、各検出回路１１８、１２０、および１２２に対して、利得係数は、各位置に本体を回転させ、各条件に適合する最良の値に利得係数を設定することによって選択される。
手間がかかることに加えて、上述した手法には別の欠点がある。詳しく言えば、到達した利得係数は、放射源が比較的ほとんどエネルギーを放出しない波長を通過させる帯域通過範囲を有する帯域通過フィルタに特に不適切なこともある。このような波長の場合、選択した利得により、アナログ・ディジタル変換器のわずかな量子化範囲しか使用されないという条件が生じる。これにより、測定解像度が低くなり、ノイズの影響をさらに受け易くなり、スペクトロメータの適切な機能に好ましくない品質になる。さらに、減光フィルタ（さまざまな光電素子に入射する電磁放射の強度をほぼ同様の範囲にするために含まれる）を含むことには欠点がある。減光フィルタは、機器の正確さおよび精度を高めるために使用されるはずの放射が、光電素子に到達するのを阻止してしまい、正確さおよび精度の目的に好ましくない結果となる。
前述したことから明らかなように、利得係数が、簡単に選択され、光学帯域通過フィルタを収容する本体の任意の位置で適している方式が必要とされている。さらに、減光フィルタを省くことも必要とされている。
本発明は、このような背景を鑑みて開発されたものである。本発明の１つの実施形態によれば、スペクトロメータが、モータの制御下で回転する第１の本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタを含んでもよい。スペクトロメータはまた、複数の検出器回路を含んでもよい。各検出器回路は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光電結合されてもよい。
本発明の別の実施形態によれば、スペクトロメータが、複数の入力ポートを含んでもよい。各入力ポートは、電磁放射を伝える光導波路を受けるように配設されてもよい。スペクトロメータはまた、複数の光学帯域通過フィルタを含んでもよく、これらのフィルタは、各光学帯域通過フィルタが各入力ポートと整列した状態にされるように、モータの制御下で回転する第１の本体に収容される。さらに、スペクトロメータは、第１の本体とともに回転する第２の本体に配置された複数の検出器回路を含んでもよい。各検出器回路は、複数の光学帯域通過フィルタの１つに光電結合されることによって、各検出器回路が、光電結合された帯域通過フィルタによって決定された波長範囲に応答することになる。
本発明のさらなる別の実施形態によれば、スペクトロメータにおける検出器回路の利得係数を選択する方法が得られうる。スペクトロメータは、複数の入力ポートと、複数の光学帯域通過フィルタと、複数の検出器回路と、を含んでもよい。各入力ポートは、電磁放射を伝える光導波路を受けるように配設されてもよい。各光学帯域通過フィルタは、任意の所与の入力ポートと整列した状態にされるように可動であってもよい。検出器回路の各々は、１つの光学帯域通過フィルタに光電結合されてもよい。このようなスペクトロメータにおいて利得係数を選択するための方法は、放射源から光ファイバの１つに沿って光学帯域通過フィルタの１つへ電磁放射を供給することを含んでもよい。次に、１つの光学帯域通過フィルタを通過した電磁放射は、光電素子に入射する。光電素子は、光電素子に衝突する電磁放射の強度にほぼ比例した電流または電圧振幅を有する電気信号を生じる。次に、電気信号は、１つの光学帯域通過フィルタに結合された検出器回路に供給されることで、電気信号にほぼ比例した検出器出力信号を生じる。最後に、１つの光学帯域通過フィルタに結合された検出器回路の利得係数は、入力ポートの別のものと整列した状態にするように１つの光学帯域通過フィルタを動かすことなく調節される。
本発明のさらなる別の実施形態によれば、少なくとも１つの製造段階中に、電磁放射にさらされる物品の製造方法が、第１の状態にある物質を電磁放射源にもたらすことを含んでもよい。この物質は、電磁放射にさらされて、第２の状態に転移する。電磁放射源は、モータの制御下で回転する第１の本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタと、複数の検出器回路と、を有するスペクトロメータを用いてモニタリングされる。各検出器回路は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光電結合される。
図３は、Ｎ個の入力ポート３０２、３０４、および３０６を有する回転スペクトロメータ３００を示し、そのうち３個しか図示していない。光導波路３０８、３１０、および３１２が、Ｎ個の放射源３１４、３１６、および３１８の各々からＮ個の入力ポート３０２、３０４、および３０６の各々に電磁放射を伝える。図３において、Ｎは１０に等しいものとして示しているが、原則的に、Ｎは任意の値であってもよい。
第１の回転本体（図３に示していないが、図６および図７に示す）が、Ｎ個の光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４を収容する。回転本体は、モータ（図３に示していないが、図６および図７に示す）の制御下で作動されるため、光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４の各々は、入力ポート３０２、３０４、および３０６の各々と整列した状態にされてもよい。通常、光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４の各々は、固有の通過域を有するが、これは必須ではない。また、電磁放射の放射源３１４、３１６、および３１８の各々は、典型的に、同様の化学組成のものであり、調節可能な強度を有する電磁放射を放出する。一般に、放射源３１４、３１６、および３１８の強度レベルは、導波路に沿って伝えられた強度レベルが入力ポートごとに根本的に異なることがないように、電磁放射を運ぶ導波路の向きを考慮しながら選択される。前述したように、原則的に、回転スペクトロメータが、入力ポートと同程度の数の放射源に結合されてもよく、わずか１つの放射源（およびその間の数）に結合されてもよい。再度言うが、例示的目的のために、各入力ポートが異なる放射源に結合される設定で使用されている回転スペクトロメータのさまざまな実施形態が示されている。先に説明したように、これは、説明的な目的でしかなく、本発明の必須な部分ではない。
光電素子（図３に示していないが、図６および図７に示す）が、各帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４に光学的に結合される。本体が回転しても、光電素子とそれらに対応する光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４との間の光学的および／または電気的接続を妨げることがないように、光電素子は、それらに対応する光学帯域通過フィルタに結合される。この品質を呈する結合のことを、本願明細書において「永久（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ）」結合と呼ぶ。永久結合方式の１つの例は、以下の通りである。すなわち、光電素子は、光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４を収容する第１の本体とともに回転する第２の回転本体内に収容される。２つの本体を相互に回転させることで、光電素子は、それぞれの本体の向きに関係なく、それらに対応する光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４と整列した状態に保たれる。
検出回路３２６、３２８、および３３０が、対応する光電素子に永久的に電気的結合される。例えば、検出回路３２６、３２８、および３３０は、光電素子を収容する同一の本体に配置されてもよい。このような実施形態によれば、検出回路３２６、３２８、および３３０は、光電素子とともに回転し、言い換えれば、これらの電気的接続は、光電素子の回転にかかわらず容易に維持される。
光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４と、それらに対応する光電素子および検出回路３２６、３２８、および３３０との間の結合が永久的であることにより、検出回路３２６、３２８、および３３０に対して利得係数を選択するプロセスが非常に単純化される。この点については、以下の計算で説明される。第１の検出回路３２６に対して適切な利得係数を選択するプロセスについて考える。第１の帯域通過フィルタ１１８は、第１の放射源３１４に間接的に光電結合され、この第１の放射源３１４は、強度Ｉ1を有する電磁放射を放出する。電磁放射は、第１の帯域通過フィルタ３２０に伝播してフィルタリングされることで、通過域内にある波長だけが通過できるようになる。このようにして、第１の帯域通過フィルタ３２０の出力で、電磁放射の強度はＩ1Aに等しく、ここで、Ｉ1Aは、第１の帯域通過フィルタ３２０の通過域内の電磁放射の強度を表す。最後に、電磁放射が光電素子（図示せず）に入射すると、電磁放射は電圧に変換され、利得係数ＧAによって増幅され、言い換えれば、第１の検出回路３２６の出力電圧は、［ＧA］［Ｉ1A］に等しい。検出回路３２６が飽和することなく可能な限り大きくなるように利得係数が選択されるべきであるという上述した原則を満たすために、以下の条件が満たされるべきである。
［ＧA］［Ｉ1A］≦最大出力 （３）
実際、放射源３１４、３１６、および３１８からの電磁放射の放出強度の変動に対応するために、最大出力に安全係数（例えば、８０％）を掛け合わせてもよく、このような変動は、時間の経過とともに生じたり、入力放射源ごとに生じたりするものである。
図４に示すように、満たすべき条件は、光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４を収容する本体の回転とともにわずかに変化する。図４は、第１の帯域通過フィルタ３２０が第２の入力ポート３０４と整列した状態になるように本体を回転させた後の図３のスペクトロメータを示す。この場合、第１の帯域通過フィルタ３２０は、第２の放射源３１６に間接的に光電結合され、第２の放射源３１６は、強度Ｉ2を有する電磁放射を放出する。第２の放射源３１６からの電磁放射は、第１の帯域通過フィルタ３２０に伝播してフィルタリングされることで、通過域内にある波長だけが通過できるようになる。このようにして、第１の帯域通過フィルタ３２０の出力で、電磁放射の強度はＩ2Aに等しく、ここで、Ｉ2Aは、第１の帯域通過フィルタ３２０の通過域内の電磁放射の強度を表す。最後に、電磁放射が光電素子（図示せず）に入射すると、電磁放射は電圧に変換され、利得係数ＧAによって増幅され、言い換えれば、第１の検出回路３２６の出力電圧は、［ＧA］［Ｉ2A］に等しい。検出回路３２６が飽和することなく可能な限り大きくなるように利得係数が選択されるべきであるという上述した原則を満たすために、以下の条件が満たされるべきである。
［ＧA］［Ｉ2A］≦最大出力 （４）
再度言うが、放射源３１４、３１６、および３１８からの電磁放射の放出強度の変動に対応するために、最大出力に安全係数（例えば、８０％）を掛け合わせてもよく、このような変動は、時間の経過とともに生じたり、入力放射源ごとに生じたりする。
理解されうるように、条件４は、Ｉ1≒Ｉ2（言い換えれば、Ｉ1A≒Ｉ2A）であるという事実から、条件３と実質的に類似している。これらの条件の各々は互いに実質的に類似しているため、減光フィルタの必要性がなく、図３〜図８に示す実施形態には、減光フィルタが含まれていない。さらに、利得係数を選択する前に、光学帯域通過フィルタ３２０、３２２、および３２４を収容する本体をＮ個の位置の各々に回転する必要もない。利得係数は、Ｎ個の位置の任意の１つに残る光学帯域通過フィルタを収容する本体を用いて簡単なプロセスを実行することによって選択されてもよい。
図３および図４において提示した方式の別の利点は、減光フィルタがまったくないということである。その結果、電磁放射が通過する光学フィルタの通過域内にある電磁放射のすべてが、光電素子に入射し、測定用に増幅され使用される電圧または電流に変換される。このように、スペクトロメータの正確さおよび精度が高められる。部品をなくすことに伴って、コストが削減されるというさらなる利点があることは言うまでもない。
図５は、回転帯域通過フィルタにおける検出回路の利得係数が選択されうる方法を示す。図５の方法は、動作５００に示すように、調整されている検出回路に間接的に結合された電磁放射源を最大出力させるように設定することから始まる。これに応じて、電磁放射（図５では「光」と呼ぶが、原則的に、電磁放射は任意の波長のものであってもよい）が、放射源から放出され、光導波路を経由して入力ポートに誘導される。電磁放射は、動作５０２に示すように、入力ポートから、入力ポートと整列する帯域通過フィルタに伝播する。次いで、電磁放射は、光学帯域通過フィルタによってフィルタリングされることで、通過域にある波長だけが通過できるようになる。その後、動作５０４に示すように、電磁放射は、光電素子に入射して、電圧に変換される。次に、動作５０６に示すように、電圧は、調整可能な利得係数によって増幅される。電圧が増幅されている間、動作５０８に示すように、利得は調整されるため、検出器回路の出力電圧は、規定のレベルに等しくなる。例えば、規定のレベルは、検出器回路のリニア領域の最大電圧レベルに等しくてもよい。他の形態として、規定の電圧レベルは、安全係数が７０％、８０％、または９０％などの安全係数と掛け合わせた前述したレベルに等しくてもよい。
特に、図５を参照しながら記載した方法では、光学帯域通過フィルタを収容する本体を回転させる必要がない。さらに、この方法により、同一の波長範囲内に常にある信号を増幅する検出器回路によって用いられる利得係数が選択される（検出器回路が、特定の光学帯域通過フィルタに永久結合されるため）。したがって、この方式によれば、本発明の背景技術の項目において述べたスペクトロメータに関する場合のように、光学帯域フィルタと波長の強度との最悪の組み合わせに対して調整されるのとは対照的に、検出器回路は、結合される特定の光学帯域通過フィルタに対して調整される。
図６は、本発明による回転スペクトロメータの１つの実施形態を示す。図６から解かるように、スペクトロメータは、入力ポート６００〜６０６を含み、これらの入力ポートは、放射源セットから電磁放射を伝える光導波路をしっかりと保持するような寸法である、プレート６０８の開口として具体化されてもよい。図６のスペクトロメータは、４個の入力ポート６００〜６０６として示されるが、原則的に、スペクトロメータは、任意の数の入力ポートを含んでもよい。
入力ポート６００〜６０６を収容するプレート６０８に、第１の本体６１０が並置される。本体６１０は、４個の光学帯域通過フィルタ６１２〜６１８を収容する。本体６１０は、モータ６２０の制御下で回転可能である。モータは、光学帯域通過フィルタ６１２〜６１８の任意の１つが、入力ポートの任意のものと整列するように、本体６１０を回転させることができる。典型的に、入力ポート６００〜６０６および帯域通過フィルタ６１２〜６１８は、同一のパターンに配設されるため、所与の帯域通過フィルタ６１２〜６１８が、所与の入力ポート６００〜６０６に整列されれば、すべての帯域通過フィルタ６１２〜６１８が、入力ポート６００〜６０６に整列される。
第１の本体６１０に、第２の本体６２２が並置される。第２の本体６１０は、４個の光電素子６２４〜６３０と、４個の検出器回路６３２〜６３８とを収容する。検出器回路６３２〜６３８などの検出器回路の構造は、当業者に知られているため、以下の点に着目する以外は、本明細書において記載する必要はない。このような回路６３２〜６３８は、利得係数粗調節機構と、利得係数微調節機構と、暗電流中性調節機構とを含んでもよい。「暗電流」とは、放射源からの入射電磁放射が存在しなくても、光電素子６２４〜６３０から流れる電流をさす。光電素子６２４〜６３０の出力からこの量を効果的に差し引くために、オフセットが採用されてもよい。このオフセットは、「暗電流中性係数」とも呼ばれる。光電素子６２４〜６３０に関して、フォトトランジスタ、フォトダイオード、および入射電磁放射に応答して電圧または電流を生じる任意の他の素子を含む多くの適切な素子が存在する。光電素子６２４〜６３０は、能動素子であっても、受動素子であってもよい。
第２の本体６２２は、第１の本体とともに回転するため、光電素子６２４〜６３０は、それに対応する光学帯域通過フィルタ６１２〜６１８に結合された状態を維持する。例えば、第１のフォトダイオード６２４は、第１の光学帯域通過フィルタ６１２と常に整列した状態を維持する。同様に、第２のフォトダイオード６２６は、第２の光学帯域通過フィルタ６１４と常に整列した状態を維持し、以下同様である。
第２の本体６２２が第１の本体６１０とともに確実に回転するようにするための１つの方式が、２つの本体６１０および６２２の間に、それらが物理的につながるように、堅固な結合部材６４０を介在させることである。このようにして、第１の本体６１０を回転すると、第２の本体６２２が回転する。他の形態として、第２の本体６２２は、第１のモータ６２０に従って回転するように制御された第２のモータ６４２の制御下にあってもよい。第２の本体６２２が第１の本体６１０とともに回転するようにするための他の方式も本明細書において想定されており、本願の範囲内である。
図６から解かるように、第２の本体６２２とコンピュータシステム６４６との間に、スリップリング６４４が介在している。スリップリング６４４により、１つ以上の電気的接続が維持できるが、スリップリングの一方側の電気経路が動作している（すなわち、第２の本体側の電気経路が動作してもよい）一方で、他方側の電気経路が静止している（すなわち、コンピュータ側の電気経路が静止している）。このようにして、検出器回路６３２〜６３８の出力は、コンピュータシステム６４６に結合されてもよい。コンピュータ６４６によって信号が処理可能になるように、検出器回路６３２〜６３８とコンピュータシステム６４６との間に、さらなる信号処理回路を介在させてもよい。
また、検出器回路６３２〜６３８および／または光電素子６２４〜６３０に、電源６４８が結合されてもよい。このようにして、検出器回路６３２〜６３８および／または光電素子に、電力が送り出されてもよい。
最後に、前述したように、コンピュータシステム６４６は、検出器回路６３２〜６３８から出力を受信し、強度と波長の関係に関する情報をユーザに表示するようにプログラミングされてもよい。
図７は、本発明による回転スペクトロメータの別の実施形態を示す。図７から解かるように、スペクトロメータは、入力ポート７００〜７０６を含む。入力ポート７００〜７０６を収容するプレート７０８に、第１の本体７１０が並置される。本体７１０は、４個の光学帯域通過フィルタ７１２〜７１８を収容する。本体７１０は、モータ７２０の制御下で回転可能である。
第１の本体７１０に、第２の本体７２２が並置される。第２の本体７２２は、４個の光電素子７２４〜７３０を収容する。第２の本体７２２は、第１の本体とともに回転するため、光電素子７２４〜７３０は、それぞれに対応する光学帯域通過フィルタ７１２〜７１８に結合された状態を維持する。例えば、第１の光電素子７２４は、第１の光学帯域通過フィルタ７１２と常に整列した状態を維持する。同様に、第２のフォトダイオード７２６は、第２の光学帯域通過フィルタ７１４と常に整列した状態を維持し、以下同様である。
第２の本体７２２が第１の本体７１０とともに確実に回転するようにするための１つの方式が、２つの本体７１０および７２２の間に、それらが物理的につながるように、堅固な結合部材７４０を介在させることである。他の形態として、第２の本体７２２は、第１のモータ７２０に従って回転するように制御された第２のモータ７４２の制御下にあってもよい。
図７から解かるように、第２の本体７２２と、４個の検出器回路７３２〜７３８を収容する静止本体７４８との間に、スリップリング７４４が介在している。このように、回転可能な光電素子７１２〜７１８の出力は、静止検出回路７３２〜７３８に結合されてもよい。検出器回路７３２〜７３８の出力は、コンピュータシステム７４６に結合される。コンピュータ７４６によって信号が処理可能になるように、検出器回路７３２〜７３８とコンピュータシステム７４６との間に、さらなる信号処理回路を介在させてもよい。
光電素子７２４〜７３０に能動素子が使用されれば、スリップリング７４４を介して、光電素子７２４〜７３０に電源７５０が結合されてもよい。このようにして、光電素子７２４〜７３０に電力が送り出されても良い。一方で、光電素子７２４〜７３０に受動素子が使用されれば、光電素子７２４〜７３０にこのような電源７５０は必要ない。
図８は、本発明によるスペクトロメータの１つの実施形態を示す。スペクトロメータは、光ファイバ取り付けプレート８０２が取り付けられるベースプレート８００を含む。光ファイバ取り付けプレート８０２は、バルクヘッド８０６が設置される１０個の凹形の開口８０４を含む。バルクヘッド８０６は、周囲穴が画成されたプレート状のヘッドと、プレート状のヘッドの中央に取り付けられた細長い中空のステムとを有する構造体である。バルクヘッドは、プレート状ヘッドに画成された周囲穴を通って延在するねじ８０８を介して、凹形開口８０４内に取り付けられる。バルクヘッド８０６は、ステムが光ファイバ取り付けプレート８０２の方を指す方向に向けられる。１つ以上の放射源から電磁放射を伝える光ファイバは、バルクヘッド８０６の中空ステム内に収容される（すなわち、各バルクヘッドは、スペクトロメータの入力ポートに対応する）。
光ファイバ取り付けプレート８０２の外側に、サーボモータ８１０が取り付けられる。モータのスピンドルは、シャーシハブ８１２と係合するため、シャーシハブ８１２は、スピンドルが回転すると回転する。転じて、シャーシハブ８１２に、円形のコンポーネントシャーシ８１４が取り付けられる。このようにして、モータ８１０がスピンドル回転すると、円形のコンポーネントシャーシ８１４も同様に回転する。円形のコンポーネントシャーシ８１４は、光学帯域通過フィルタ（図示せず）を収容する開口８１６を含む。モータは、開口８１６の任意のものが、バルクヘッド８０６の任意のものに収容された光ファイバの任意のものと整列するようにし、言い換えれば、光学帯域通過フィルタがこれらの光ファイバと整列する。
プリント回路基板８１８の周囲に沿った位置にあるねじ８２０を介して、円形のコンポーネントシャーシ８１４にプリント回路基板８１８が取り付けられる。プリント回路基板８１８に光電素子（図示せず）を取り付けることで、円形のコンポーネントシャーシ８１４に収容された光学帯域通過フィルタとこれらの光電素子とが整列する。プリント回路基板８１８上に、検出器回路（図示せず）が同様に配置される。検出器回路および光電素子は、これまでの図面を参照しながら記載したように機能する。プリント回路基板８１８は、円形のコンポーネントシャーシ８１４に機械的に結合されるため、円形のコンポーネントシャーシ８１４とともに回転し、言い換えれば、光電素子は、それに対応した光学帯域通過フィルタ（円形のコンポーネントシャーシ８１４に収容）と常に整列した状態を維持する。
プリント回路基板８１８とスリップリング取り付けプレート８２２との間に、ドライブピン８２１が延在する。ドライブピン８２１は、ドライブピンレシーバ８２４によってプリント回路基板８１８に固定され、スリップリングドライブクランプ８２８によって（スリップリング取り付けプレート８２２を部分的に通って延在する）スリップリング８２６の回転部材に固定される。プリント回路基板８１８が回転すると、スリップリング８２６の回転部材も同様に回転する。電力およびデータ用の電導経路（図示せず）が、スリップリング８２６を通って、検出回路および／または光電素子へ延在する。
図８から解かるように、スリップリング取り付けプレート８２２は、ベース８３０の表面８３３から突出するドエルピン８３２を介して、スリップリング取り付けプレートベース８３０と結合する。ベース８３０は、その反対側の縁に沿って延びる細長いチャネル８３４を有する。ねじ８３６が、チャネルを通ってシャーシベースプレート８００に延在することで、スリップリング取り付けプレートベース８３０をシャーシベースプレート８００に係合させる。細長いチャネル８３４によって、ベース８３０は、シャーシベースプレート８００の長手軸に沿って前後に滑動してもよい。カバー８３８が、光ファイバ取り付けプレート８０２とスリップリング取り付けプレート８２２との間の領域にはまることで、迷走電磁放射から光電素子を遮蔽する。
上述したように、図１〜図８を参照しながら記載した実施形態は、少なくとも１つの製造段階中に電磁放射にさらされる物品の製造方法において使用されてもよい。まず、未硬化状態などの第１の状態にある物質は、ランプなどの電磁放射源にもたらされる。次に、物質は、放射源からの電磁放射にさらされるため、この物質は、硬化または半硬化状態などの第２の状態に転移する。これらのステップの前、後、または最中に、電磁放射源は、上述した実施形態の任意のものによるスペクトロメータによってモニタリングされる。例えば、スペクトロメータは、モータの制御下で回転する第１の本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタと、複数の検出器回路と、を有してもよい。各検出器回路は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光電結合されてもよい。放射源から送り出される電磁放射の強度は、このようなスペクトロメータによって到達した測定値に基づいて制御されてもよい。
本発明のさまざまな修正例および変更例は、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者らに明らかになり、本発明は、本願明細書に示した例示的な実施形態に過度に限定されるべきではないことを理解されたい。
１０個の入力ポートを有する一般的な回転スペクトロメータを示す。 第１０の帯域通過フィルタを第１の入力ポートと整列した状態にするように本体を回転した後の図１のスペクトロメータを示す。 本発明の１つの実施形態によるＮ個の入力ポートを有する回転スペクトロメータを示す。 第１の帯域通過フィルタを第２の入力ポートと整列した状態にするように本体を回転させた後の図３のスペクトロメータを示す。 本発明の１つの実施形態による、回転帯域通過フィルタにおける検出回路の利得係数が選択されうる方法を示す。 本発明による回転スペクトロメータの１つの実施形態を示す。 本発明による回転スペクトロメータの別の実施形態を示す。 本発明による回転スペクトロメータのさらなる別の実施形態を示す。

Claims (45)

  1. 第１の可動本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタと、
    複数の検出器回路と、
    を備えるスペクトロメータであって、前記各検出器回路は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光電結合される、スペクトロメータ。
  2. 前記複数の検出器回路は、前記第１の本体とともに回転する第２の本体に配置される、請求項１に記載のスペクトロメータ。
  3. 前記第１の本体および前記第２の本体は、互いに固定結合される、請求項２に記載のスペクトロメータ。
  4. 前記スペクトロメータは、
    前記検出器回路の各々に動作可能に結合されたコンピュータをさらに備える、請求項１に記載のスペクトロメータ。
  5. 前記スペクトロメータは、
    前記検出器回路の各々に動作可能に結合されたコンピュータをさらに備える、請求項２に記載のスペクトロメータ。
  6. 前記検出器回路および前記コンピュータは、複数の電気経路を介して動作可能に結合され、前記各経路は、前記検出器回路と前記コンピュータとの間に介在させたスリップリングを通る、請求項５に記載のスペクトロメータ。
  7. 前記スペクトロメータは、
    複数の光電素子をさらに有し、
    前記各光電素子は、前記複数の光学帯域通過フィルタの１つと、前記複数の検出器回路の１つとの間に介在され、前記光電素子の各々は、電磁放射を受け取り、受け取った電磁放射の強度にほぼ比例した電気信号を生成するように配設される、請求項１に記載のスペクトロメータ。
  8. 前記各光電素子は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光学的に結合され、単一の検出器回路に永久的に電気的に結合される、請求項７に記載のスペクトロメータ。
  9. 前記各光電素子は、前記第１の本体とともに回転する第２の本体に配置される、請求項８に記載のスペクトロメータ。
  10. 前記複数の検出器回路は、前記第２の本体に配置される、請求項９に記載のスペクトロメータ。
  11. 前記第１の本体および前記第２の本体は、互いに固定結合される、請求項９に記載のスペクトロメータ。
  12. 前記光電素子および前記検出回路は、複数の電気経路を介して動作可能に結合され、前記各経路は、前記光電素子と前記検出器回路との間に介在させたスリップリングを通る、請求項９に記載のスペクトロメータ。
  13. 電磁放射を伝える光導波路を受けるように各々が配設された複数の入力ポートと、
    当該各光学帯域通過フィルタが各入力ポートと整列した状態になるように配設された第１の可動本体に収容された、複数の光学帯域通過フィルタと、
    前記第１の本体とともに動く第２の本体に配置された複数の検出器回路と、
    を具備するスペクトロメータであって、
    前記各検出器回路が前記複数の光学帯域通過フィルタの１つに光電結合されることで、前記各検出器回路は、光電結合された帯域通過フィルタによって決定される波長範囲に応答することになる、スペクトロメータ。
  14. 前記各検出器回路は、制御可能な利得係数を有する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  15. 前記各検出器回路が、利得粗制御および利得微制御を有する、請求項１４に記載のスペクトロメータ。
  16. 前記各検出器回路は、暗電流を補償するためのオフセット係数を有する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  17. 前記第２の本体は、前記第１の本体に固定結合される、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  18. 前記スペクトロメータは、
    前記検出器回路の各々に動作可能に結合されたコンピュータをさらに具備する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  19. 前記検出器回路および前記コンピュータが、複数の電気経路を介して動作可能に結合され、前記各経路は、前記検出器回路と前記コンピュータとの間に介在させたスリップリングを通る、請求項１８に記載のスペクトロメータ。
  20. 前記スリップリングは、前記第２の本体に固定結合された、請求項１９に記載のスペクトロメータ。
  21. 前記スリップリングを通り、前記検出回路まで延在する電気経路を介して、前記検出器回路に電力が供給される、請求項２０に記載のスペクトロメータ。
  22. 前記入力ポートは、プレートの片面から反対側の面へ延在する開口を有する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  23. 前記第１の本体は、円形のプレートを有する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
  24. 前記円形プレートは、前記プレートの片面から他方の面まで延在する複数の開口を有し、前記開口は、前記光学帯域通過フィルタを収容するような寸法のものである、請求項２３に記載のスペクトロメータ。
  25. 電磁放射を伝える光導波路を受けるように各々が配設された複数の入力ポートと、任意の所与の前記入力ポートと整列した状態になるように各々が可動である複数の光学帯域通過フィルタと、１つの光学帯域通過フィルタに各々が光電結合された複数の検出器回路と、を具備するスペクトロメータにおいて検出器回路の利得係数を選択する方法であって、
    放射源から前記光導波路の１つに沿って、前記光学帯域通過フィルタの１つに電磁放射を供給するステップと、
    光電素子を用いて、前記１つの光学帯域通過フィルタを通過した電磁放射を受け取り、前記光電素子に衝突する電磁放射の強度にほぼ比例した振幅を有する電気信号を生じるステップと、
    前記１つの光学帯域通過フィルタに結合された前記検出器回路に電気信号を供給することで、前記電気信号にほぼ比例した検出器出力信号を生じるステップと、
    前記光導波路の別のものと整列するように前記１つの光学帯域通路フィルタを動かすことなく、前記１つの光学帯域通過フィルタに結合された前記検出器回路の利得係数を調節するステップと、
    を有する方法。
  26. 前記電磁放射源は、選択可能な出力レベルを有し、前記出力レベルが、最大レベルに選択される、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記利得係数は、前記検出器出力信号を規定の電圧レベルにするように前記利得係数を選択することによって調節される、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記利得係数は、前記検出器出力信号を規定の電圧レベルにするように前記利得係数を選択することによって調節される、請求項２５に記載の方法。
  29. 前記指定の電圧レベルは、前記１つの光学帯域通過フィルタに結合された前記検出器回路の最大出力電圧の約８０パーセントである、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記光導波路の各々は、別個の電磁放射源からの電磁放射を方向付ける、請求項２５に記載の方法。
  31. 前記別個の電磁放射源の各々は、実質的に同様の波長強度特性を呈する、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記光導波路の各々は、同一の電磁放射源からの電磁放射を方向付ける、請求項２５に記載の方法。
  33. 前記光導波路の第１および第２の導波路が、第１の電磁放射源からの電磁放射を方向付け、第３の光導波路が、第２の電磁放射源からの電磁放射を方向付ける、請求項２５に記載の方法。
  34. 少なくとも１つの製造段階中に、電磁放射にさらされる物品の製造方法であって、
    第１の状態にある物質を電磁放射源にもたらすステップと、
    前記物質を前記電磁放射にさらすことで、前記物質が第２の状態に転移されるステップと、
    モータの制御下で回転する第１の本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタと、単一の光学帯域通過フィルタに各々が永久的に光電結合された複数の検出器回路と、を有するスペクトロメータで電磁放射源をモニタリングするステップと、
    を有する方法。
  35. 前記複数の検出器回路は、前記第１の本体とともに回転する第２の本体に配置される、請求項３４に記載の方法。
  36. 前記第１の本体および第２の本体は、互いに固定結合される、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記スペクトロメータは、
    前記検出器回路の各々に動作可能に結合されたコンピュータをさらに具備する、請求項３４に記載の方法。
  38. 前記スペクトロメータは、
    前記検出器回路の各々に動作可能に結合されたコンピュータをさらに具備する、請求項３５に記載の方法。
  39. 前記検出器回路およびコンピュータは、複数の電気経路を介して動作可能に結合され、前記各経路は、前記検出器回路と前記コンピュータとの間に介在させたスリップリングを通る、請求項３８に記載の方法。
  40. 前記スペクトロメータは、
    複数の光電素子をさらに有し、
    前記各光電素子は、前記複数の光学帯域通過フィルタの１つと、前記複数の検出器回路の１つとの間に介在され、前記光電素子の各々は、電磁放射を受け取り、受け取った電磁放射の強度にほぼ比例した電気信号を生成するように配設される、請求項３４に記載の方法。
  41. 前記各光電素子は、単一の光学帯域通過フィルタに永久的に光学的に結合され、単一の検出器回路に永久的に電気的に結合される、請求項４０に記載の方法。
  42. 前記各光電素子は、前記第１の本体とともに回転する第２の本体に配置される、請求項４１に記載の方法。
  43. 前記複数の検出器回路は、前記第２の本体に配置される、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記第１の本体および前記第２の本体は、互いに固定結合される、請求項４２に記載の方法。
  45. モータの制御下で回転する第１の本体に収容された複数の光学帯域通過フィルタと、
    複数の検出器回路と、
    を具備するスペクトロメータであって、減光フィルタを含まない、スペクトロメータ。
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