JP2009532666A - 偽光を補償するための分光学的測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本解決法は、分光学的測定結果を高い精度で決定するための測定システムおよび方法に関する。
【解決手段】少なくとも１基の放射源、少なくとも１本の入射スリット、分散素子および線型または行列型の１枚または数枚の平面内に配置された検出器素子を有する検出器から成り、検出器は検出器素子上に、少なくとも２枚の異なる波長選択フィルタの規則的な分割を有し、かつフォトおよびビデオ適用による検出器が使用されるが、本発明の適用は可視スペクトル領域に制限されない。必要な場合カラーカメラ製作の最終ステップにおいて、カラーフィルタは画素上で一部なくすか、または変更することができる。しかし他のタイプの、波長選択フィルタおよび割り当てられた検出器が数枚の平面内で前後して配置されている検出器も使用可能であり、この場合それぞれ個別の画像ポイントに十分なカラー情報が使用に供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光学的測定結果を高い精度で決定するための測定システムおよび方法に関する。

既知の技術の現状によれば、多チャンネル分光計出力において光を検出するために、通常は分光計により把握されるスペクトル全領域に感度のある検出器が用いられる。多チャンネル検出器は、画素と記すこともできる複数個の行型または行列型配置の検出器素子から成る。

それぞれの画素にはこの場合、光エネルギーが測定されるべきスペクトル領域全体のうちのある決まった部分領域が割り当てられる。光の分離は、そのスペクトル成分において決して完全には行われないから、このような広帯域検出器によっては、常にある光の成分が、画素に割り当てられていない他のスペクトル領域から、いわゆる偽光の形で把握される。このことが不正確な測定結果に導く。

格子分光計の場合、他の回折配置からの光も偽光として把握され得る。偽光もしくは反対側のスペクトルチャンネルの漏話の成分を最小にするため、さまざまな措置が知られている：
そこで、ＵＳ ６，１８１，４１８
Ｂ１において、散光を減少させるために特別な「光トラップ」と名づける面を使用する同心放射計が記述される。この「光トラップ」は、この場合、写像光学系のデザイン中に組み入れられており、斜めの面として形成されている。「光トラップ」は、入射スリットにより作り出された散光を除去し、または減衰させるために特別に投入された面である。これは、さまざまな回折配置の光を含めて散光が検出器に写像されないように防ぐはずである。
「光トラップ」は、この場合、反射せず、吸収もしくは散乱する特性を有する斜めの面である。可能な限り多くの部分の散光を除去するように、写像光学系の斜めの面は粗にされ、加えて光学的吸収材質で被覆加工されている。加えてこの斜めの面には、同心分光計のハウジング内面が相応に形成されており、材質の選択について、その弾性、剛性、耐熱性等の機械的特性が決定的である。

ＵＳ ６，７００，６６４ Ｂ１では、伝達光のスペクトル特性を決定できるように、光線が線型の可変フィルタ（ＬＶＦ）によって選択的に分割され、フォト検出器列上に導かれる装置が記述される。線型可変フィルタ（ＬＶＦ）は光学的薄膜層によって基板上に作られ、ここでは個別の層の強度は変動してよい。ＬＶＦは傾度型帯域通過フィルタか「ハイ／ロウ・カット」フィルタのいずれかで投入することができる。選択的に分割された光線の幅は、この場合、これがほぼ画素幅に対応するように検出器に適合させることができる。
短所としては、この解決法では、ＬＶＦが検出器列の表面に取り付けられない結果となり、なぜならこれが感度の良い表面のため、検出器列に配線することの実現が難しいからである。さまざまなＬＶＦ素子は、それゆえに検出器列から数ミリメートルの間隔をおいて配置される枠盤上におかれる。このとき乱光の影響を減少させるため、光学的光線を検出器画素上に焦点合わせさせるミクロ対物レンズが挿入される。一方では、装置がこれによってその構造において、より複雑かつより高価になり、他方では、ミクロ対物レンズがこれもまた付加的な散光の原因となり得る。

これとは反対に、カール・ツァイス・イェナ社の「モノリシック・ミニアチュア―分光計」（型式番号ＭＭＳ）では、整列フィルタが直接検出器素子上に配置されている。

挙げられたすべての解決法では、常にただ１個の偽光の最小化のみ可能であり、独立に把握しおよび／または補償することが可能でないという問題がある。別の前記解決法の短所は、分光計の付加的な構成部品および検出器上の付加的な光学層によって高価になってしまうハードウェア費用である。
ＵＳ ６１８１４１８ Ｂ１ ＵＳ ６７００６６４Ｂ１

本発明の根底には、分光学的測定システムおよび方法を発展させ、これを用いて、これについて高価な機器技術費用を必要とせずに、偽光についての測定結果が補償できるようにする課題がある。

本発明により、本課題は独立請求項の特徴によって解決される。優遇される再構成および構築は、従属請求項の対象である。

本課題は本発明により、分光計出力において光を検出するために、線型または行列型に配置された画素およびさまざまな波長選択フィルタ（カラーフィルタ）の規則的な配分を有する検出器が、画素に使用されることによって解決される。
検出器はフォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラでよく、これは生産の際に非常に大量な製品数ゆえ徳用で、場合により特殊用途のみに今なお製造される同程度の白黒カメラよりも安い。

本発明の適用は可視スペクトル領域に限定されない。必要な場合、カラーカメラ製造の最終段階でカラーフィルタは、必要なスペクトル領域について最適化するため、画素上で部分的になくし、または変更することができる。

しかし、波長選択フィルタおよび割り当てられた検出器が数枚の面内で前後して配置されている、他のタイプのたとえばアメリカの商社、Ｆｏｖｅｏｎ有限会社のいわゆるＸ３画像変換機におけるような検出器を使用することも可能である。従来の画像変換機とは反対に、ここでは各個別画像ポイントに完全なカラー情報が使用に供される。

本発明は、次の実施例に基づいてより詳しく記述される。

本発明にかかる偽光補償を有する分光学的測定システムは、少なくとも１基の放射源、少なくとも１本の入射スリット、１基の分散素子および１枚以上の平面内に配置された線型または行列型の検出器素子を有する１基の検出器から成る。検出器はここでその検出器素子上に、少なくとも２枚の異なる波長選択フィルタの規則的な配分を有する。検出器として、特にフォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラ・センサが使用できる。

図１は、このために、正方形図式に配置されている４枚の異なる波長選択フィルタの規則的な配分を有するカラーカメラ・センサを示す。検出器は、たとえば、色：シアン（Ｃｙ）、黄（Ｙｅ）、緑（Ｇｎ）およびマゼンタ（Ｍｇ）を使用する。検出器には、さまざまな色の検出器素子の信号値を求め、評価または保存するために、１基の制御ユニット（示されない）が後置されている。

分散素子としては、公知の方法で回折格子または分散プリズムが設けられ、検出器上に写像される部分スペクトルが同一の波長割り当てを所有するように、入射スリットが格子線もしくは分散プリズムの屋根稜方向に整列している（図２を参照）。

他の異なる設計としては、検出器上に写像される各入射スリットの部分スペクトルが、スペクトル領域全体のさまざまな部分領域を把握できるように、入射スリットが格子線もしくは分散プリズムの屋根稜への平行線に対し転移して整列している。（図３を見よ）。

検出器に後置された制御ユニットは、同一のカラーフィルタを用いて、分散方向を横断する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉを、加重総和として選択的に漏話の補償ありまたはなしで決定するようになっている。

本発明にかかる分光学的測定システム内の偽光を補償するための方法においては、光は少なくとも１基の放射源から、少なくとも１本の入射スリットおよび１基の分散素子を通じて、１枚以上の平面内に配置された線型または行列型の検出器素子を有する１基の検出器上に写像され、かつ異なる波長選択フィルタの規則的配分を検出器素子上に有する検出器が使用される。

分散素子としては、特に回折格子または分散プリズムが使用される。検出器は少なくとも２枚の波長選択フィルタの規則的に配分された配置を使用し、たとえばフォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラ・センサに対応する。

図２および３はそれぞれ分光計配置の１変種を写像格子と共に示す。
検出器に後置された制御ユニットが、さまざまな検出器素子の信号値を求め、評価しまたは保存することを引き受ける。

第１のことなる構築においては、入射スリットは格子線もしくは分散プリズムの屋根稜に平行に整列している。

このために図２は分光計配置を示し、ここで３本の入射スリットが分散素子の格子構造に平行に整列しており、３本の入射スリット１，１’および１”から来る光２は回折格子３を通じて３本の部分スペクトル４，４’および４”の形で検出器５上に写像されるようになる。
各部分スペクトル４，４’および４”は同一の波長目盛りを所有する。入射スリット１，１’および１”について異なる放射源を使用する際には、部分スペクトルは個別の放射源に割り当てられる。同一の放射源においては、部分スペクトルはノイズを減少させるために合算することができる。

第２の異なる構築においては、入射スリットは格子線もしくは分散プリズムの屋根稜への平行線に対して転移して整列している。

このために、図３は分光計配置を３本の格子線に平行な互いに転移して整列する入射スリットと共に示し、３本の入射スリット１，１’および１”から来る光２は分散素子３を通じて全波長領域の異なる部分領域４，４’および４”を有する３本の部分スペクトルの形で検出器５上に写像されるようになる。（示されない）制御ユニットにより、検出器５上に写像された部分スペクトル４，４’および４”は別々に把握され、一方では全波長領域を把握するスペクトルが総括される。

加えて回折格子には、その分散方向で回折格子に垂直にあるプリズムが使用できる。回折格子は、写像すべきスペクトル領域のいくつかの回折配置が検出器に当たるような大きさになっているから、ＤＥ１９０９８４１Ｃ２に記述された解決法にかかる付加のプリズムが、回折配置を分離させることに役立つ。

信号処理のためには、制御ユニットにより、各検出器素子の正味信号値Ｓ_ｊ，ｋが明・暗信号の差として求められ、スペクトル強度値Ｉ_ｉの和が同一のカラーフィルタを有する検出器素子について分散方向を横切って決定される。正味信号値Ｓ_ｉ，ｊの決定は別の同一条件のもとに検出器の各画素について行われ、ここでｉはスリット番号を、ｊは行番号を特徴づける。正味信号値Ｓ_ｉ，ｋの決定によって、暗流も電子ゼロ信号も除外される。

個別の写像されたスペクトルは分散方向内に（水平に、引数ｉ）異なるカラーフィルタ（ｋ＝カラーフィルタ番号）を所有するから、まず正味信号値Ｓ_ｉ，ｊは分散方向の同一重心および同一カラーフィルタ（カラーフィルタ番号ｋ）で分散方向を横切って加えられる。次に加重総和が、同一波長引数および同一カラー引数に同一加重された信号が割り当てられるように行われる。

図１にかかる正方形図式に配置されている４枚の異なる波長選択フィルタ（シアン―Ｃｙ、黄―Ｙｅ、緑―Ｇｎおよびマゼンタ―Ｍｇ）の規則的配分を有する検出器について、これらの加重正味信号値Ｓ_ｉ，ｋの決定は以下のように行われる：

規範的にここでは、全４行の総和についての方程式が掲げられている。大多数のスリットおよび行を有する検出器については、方程式は対応して補完される。この方法ステップによって、正味信号値Ｓ_ｉ，ｋの数は色ごとに分散方向に２倍となる。

１平面（引数ｋ）ごとに波長選択画素を有する検出器変種の場合、各スリットの正味信号値のみが合算される。

続いて制御ユニットにより、同一カラーフィルタと共に分散方向を横切って存在する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉが加重総和
として決定され、ここで
Ｉ_ｉはスリットｉにおけるスペクトル強度値に、
Ｇ_ｉ，ｋはスリットｉにおけるカラーフィルタｋの加重因子に、
Ｓ_ｉ，ｋはスリットｉにおけるカラーフィルタｋの正味信号値に
ｋはカラーフィルタの番号に、および
ｎはカラーフィルタの数に対応する。

別の構築においては、制御ユニットにより、同一カラーフィルタと共に分散方向を横切って存在する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉが、漏話の補償なしの加重総和として決定され、ここで以下の加重因子
が考慮され、ここで
Ｒ_ｋ（λ_ｉ）はカラーフィルタｋの相対スペクトル感度に、
λ_ｉは利用波長に、
ｉは検出器のスリット番号に、
ｋはカラーフィルタの番号に、および
ｎはカラーフィルタの数に対応する。

それゆえに、図４はカラーフィルタｋの相対感度の表示を画素ｉに割り当てられた（利用）波長λ_ｉの関数として示す。

利用波長λ_ｉにおける最小感度を有する信号は、漏話を補償するのに適合する。この時、対応する加重因子は負でなければならない。負の補償値の高さは、与えられた分光計および適用ケースについてのさまざまな散光感度の試料に基づき最適化されねばならない。

本発明にかかる分光学的測定システムにおいて、偽光を補償するための解決法を使用し、適用法に応じて機器技術上の構成を変更することなく、加重因子Ｇのみを変更することによって、分光計が最大の信号・ノイズ比または最小の反対側の漏話へと最適化される。

複数本の入射スリットによって、複数個の光源のスペクトルあるいは１基の光源の複数個のスペクトル区分が検出器上に写像できる。どちらの場合にも、それぞれの入射スリットが１本のスペクトル帯を検出器上に作り出す。スペクトル強度値の算出は、記述したようにそれぞれの帯について分離して行われる。それによってスリット方向での総和は各帯の領域で区切られる。総和の区切りは、格子線が検出器に不完全に整列している場合または波長依存の点対点結像の場合、スリット番号ｉに依存して適合させることができる。これによって、結果は製造許容と写像誤差に対して敏感でなくなる。

特に有利なのは、フォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラ・検出器の使用であり、これらは製造時に非常に大量な製品数ゆえ非常に徳用で、時には今なお特殊用途にのみ製造される同程度の白黒カメラの検出器よりも安価である。

４枚の異なる波長選択フィルタの規則的な配分を有するカラーカメラ・センサ。 格子線に平行に整列された３本の入射スリットを有する分光計配置。 格子線に平行に、しかし互いに転移して整列された３本の入射スリットを有する分光計配置。 画素ｉに割り当てられた（利用）波長λ_ｉの関数としてのカラーフィルタｋの相対感度の表示。

符号の説明

１ 入射スリット
２ 光
３ 分散素子
４ スペクトル
５ 検出器

Claims (20)

1. 少なくとも１基の放射源、少なくとも１本の入射スリット、１基の分散素子および線型または行列型に配置された検出器素子を有する１基の検出器から成る、偽光を補償するための分光学的測定システムであって、検出器が異なる波長選択フィルタの規則的配分をその検出器素子上に有する分光学的測定システム。
2. 検出器が少なくとも２枚の波長選択フィルタの規則的に配分された配置を使用する、請求項１に記載の分光学的測定システム。
3. 検出器としてフォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラ・センサが使用される、請求項１および２の少なくとも１項に記載の分光学的測定システム。
4. 分散素子が写像ホログラフィ格子または分散プリズムである、請求項３に記載の分光学的測定システム。
5. 写像ホログラフィ格子も分散プリズムも使用される、請求項１ないし４のうちの１項に記載の分光学的測定システム。
6. さまざまな色の検出器素子の信号値を求め、評価しまたは保存するための制御ユニットが、検出器に後置されている、請求項１ないし５のうちの１項に記載の分光学的測定システム。
7. 検出器上に写像された部分スペクトルが、制御ユニットによりスペクトルへと総括されることができるように、入射スリットが格子構造または分散素子の屋根稜に垂直に、互いに転移して方向づけられている、請求項１ないし５のうちの１項に記載の分光学的測定システム。
8. 検出器上に写像された各入射スリットの部分スペクトルが、制御ユニットにより分離して把握され、入射スリットについて異なる放射源を使用する場合に個別放射源に割り当てられることができるように、入射スリットが格子構造または分散素子の屋根稜に平行に方向づけられている、請求項１ないし５のうちの１項に記載の分光学的測定システム。
9. 制御ユニットが、同一カラーフィルタと共に分散方向を横切って存在する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉを、加重総和として選択的に漏話の補償ありまたはなしで決定する状況にある、請求項１ないし８のうちの１項に記載の分光学的測定システム。
10. 光が、少なくとも１基の放射源から、少なくとも１枚の入射スリットおよび１基の分散素子を通じて、線型または行列型に配置された検出器素子を有する１基の検出器上に写像される、分光学的測定システム内で偽光を補償するための方法であって、異なる波長選択フィルタの規則的な配分を検出器素子上に有する検出器が使用される方法。
11. 少なくとも２枚の波長選択フィルタの規則的に配分された配置を有する検出器が使用される、請求項１０に記載の方法。
12. 検出器としてフォトおよびビデオ適用により知られるカラーカメラ・センサが使用される、請求項１０あるいは１１に記載の方法。
13. 分散素子として写像ホログラフィ格子または分散プリズムが使用される、請求項１０ないし１２のうちの１項に記載の方法。
14. 写像ホログラフィも分散プリズムも使用される、請求項１０ないし１３のうちの１項に記載の方法。
15. 検出器に後置された制御ユニットにより、さまざまな色の検出器素子の信号値を求め、評価しまたは保存することが実現される、請求項１０ないし１４のうちの１項に記載の方法。
16. 入射スリットが格子構造または分散素子の屋根稜に垂直に、互いに転移して整列され、および検出器上に写像された部分スペクトルが制御ユニットによりスペクトルへと総括される、請求項１０ないし１５のうちの１項に記載の方法。
17. 入射スリットが格子構造または分散素子の屋根稜に平行に整列され、および検出器上に写像された各入射スリットのスペクトルが制御ユニットにより分離して把握され、入射スリットについて異なる放射源を使用する場合に個別放射源に割り当てられる、請求項１０ないし１６のうちの１項に記載の方法。
18. 制御ユニットにより、各検出器素子の正味信号値Ｓ_ｉ，ｋが、明・暗信号の差として求められ、および同一カラーフィルタを有する検出器素子についてのスペクトル強度値Ｉ_ｉの総和が分散方向を横切って決定される、請求項１０ないし１７のうちの１項に記載の方法。
19. 制御ユニットにより、同一カラーフィルタと共に分散方向を横切って存在する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉが、
    加重総和
    として決定され、ここで
    Ｉ_ｉはスリットｉにおけるスペクトル強度値に、
    Ｇ_ｉ，ｋはスリットｉにおけるカラーフィルタｋの加重因子に、
    Ｓ_ｉ，ｋはスリットｉにおけるカラーフィルタｋの正味信号値に、
    ｉは検出器のスリット番号に、
    ｋはカラーフィルタの番号に、および
    ｎはカラーフィルタの数に対応する、
    請求項１０ないし１８のうちの１項に記載の方法。
20. 制御ユニットにより、同一カラーフィルタと共に分散方向を横切って存在する検出器素子のスペクトル強度値Ｉ_ｉが、漏話の補償なしの加重総和として、
    加重因子
    を考慮することによって決定され、ここで
    Ｒ_ｋ（λ_ｉ）はカラーフィルタｋの相対スペクトル感度に、
    λ_ｉは利用波長に、
    ｉは検出器のスリット番号に、
    ｋはカラーフィルタの番号に、および
    ｎはカラーフィルタの数に対応する、
    請求項１０ないし１９のうちの１項に記載の方法。