JP2010048640A

JP2010048640A - 絶対分光放射計

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Publication number: JP2010048640A
Application number: JP2008212493A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Igari; 真一猪狩; Tsutomu Okura; 力大倉
Original assignee: SOMA KOGAKU KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: SOMA KOGAKU KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04

Abstract

【課題】分光放射測定の不確かさが非常に小さく、高速測定可能で、掃引波長誤差も小さく、高精度の絶対分光放射計を提供する。
【解決手段】測定系を校正する国際標準の標準電球からなる光源３と被測定光源２とを切り替え可能に設けた光源１と、光源１の光を導入するための入射光学系４〜１０と、該入射光学系からの光を取り込み、複数個の波長域毎に最適化された、各々の波長域毎に分岐された光ファイバ１１〜１５と、分岐された光ファイバ１１〜１５毎に並列配置した各分光器１６〜２０と、各分光器に対応して設けられた各検知器２１〜２５と、を有することを特徴とする絶対分光放射計である。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶対分光放射計に係わり、特に、ソーラシミュレータ等の特性を計測するための絶対分光放射計に関する。

図４は、従来技術に係る標準的な絶対分光放射計の構成を示す図である。
同図に示すように、この絶対分光放射計は、光源ボックス１００にソーラシミュレータ等から導入された被測定光１０１又は標準電球からなる標準光源１０２からの入射光を、入射光を均一化するための反射拡散板１０３及び反射鏡１０４を介して、光ファイバ１０５によって光伝導し、単一の分光器１０７に入射させる。分光器１０７は、回折格子１０８をパルスモータ１０６による波長駆動により、機械的に駆動して、紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ２）に至る全波長領域の分光を取得する。取得された分光光は、回折格子１０８が機械的に駆動されることによって発生する迷光を除去するためのフィルタ１１０を介して、複数個（本例では５個）の検知器（ＵＶ：紫外域）１１１、検知器（ＶＩＳ：可視域）１１２、検知器（ＮＩＲ：近赤外域）１１３、検知器（ＩＲ１：赤外域１）１１４、検知器（ＩＲ２：赤外域２）１１５に各々入射される。制御器１１６は、５つの検知器（ＵＶ：紫外域）１１１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）１１５の中から、各分光に対応する検知器を選択して、分光の強度を測定する。これによって、紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ２）に至る全波長領域の分光を測定することができる。この絶対分光放射計によれば、単一の時系列制御で時間をかけて波長全域の分光測定を行うことになる。
特開２００３−２１５０４１特開２００３−２１４９４６特開２００３−２１４９４５特開平０９−２１８０９９特開平５−４００５９特開平５−２０３４９０

しかしながら、上記従来技術に係る絶対分光放射計には、以下に示すような問題点がある。
第１は、単一の時系列制御による波長掃引をしているため、時間がかかり、高速な分光測定が不可能なことである。
第２に、パルスモータの順逆転に関しギア系統において全波長範囲で蓄積される機械的誤差の蓄積が掃引波長の再現性を損ねることから、結果として測定波長の不確かさが大きくなる。
第３は、フィルタ、回折格子、検知器を波長に応じて切り換える必要があり、そのための切り換え時間の浪費と、切り換え機構の不安定性からくる精度の低下がある。
第４は、標準電球が寿命により、発光強度が変化した場合、それを確認する方法が無い。
第５は、測定中に発生する、標準電球または被測定光源の強度の変動が未知のために、その変動補正ができないことである。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、従来の絶対分光放射計に比べて、分光放射測定の不確かさが非常に小さく、高速測定が可能で、掃引波長誤差も小さく、高精度の絶対分光放射計を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用する。
第１の手段は、測定系を校正する国際標準の標準電球からなる光源と被測定光源とを切り替え可能に設けた光源と、該光源の光を導入するための入射光学系と、該入射光学系からの光を取り込み、複数個の波長域毎に最適化された、各々の波長域毎に分岐された光ファイバと、前記分岐された光ファイバ毎に並列配置した各分光器と、該各分光器に対応して設けられた各検知器と、を有することを特徴とする絶対分光放射計である。
第２の手段は、第１の手段において、前記標準電球は、群管理された複数の標準電球からなることを特徴とする絶対分光放射計である。
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記入射光学系は、分光応答度の値付けを施した光検知器と特定波長範囲の光を透過するフィルタとを有し、標準電球の値を確認する機能を持たせたことを特徴とする絶対分光放射計である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記入射光学系は、前記光源の光の強度をモニタする検知器を有し、測定中の光の変動を測定して補償する機能を持たせたことを特徴とする絶対分光放射計である。
なお、第２の手段に関して、現在利用できる国際標準は、BIPM/CCPRでのMRAに準拠するものである。ただし、BIPMは国際度量衡局、CCPRは光放射測定諮問委員会、MRAはMutual
Recognition Agreement（日・欧州共同体相互承認定）であり、相互承認に関する日本国と欧州共同体（EC)間の協定を指す。

本発明によれば、標準電球を用いて装置を校正することにより、分光放射照度の測定値の誤差を低く抑えることができる。また、Ｎ個の分光器の並列構成により、測定波長全域に渡る分光放射照度測定の高速化、高安定化および標準電球に関する費用の削減が可能となる。また光ファイバの最適化により、各波長領域の透過損失が最小となる。
また、分光放射照度測定の度毎に、複数個の分光光学系を校正するために標準電球が組み込まれており、この光源により校正することで、測定の絶対精度を上げることができる。
また、分光応答度の分かっている検知器とフィルタにより、標準光源の劣化具合を確認することができる。これによって、標準電球の分光放射照度値を確認することが可能となり、標準電球の劣化具合を知ることができる。
また、検知器により、拡散反射された光の一部分を検出して、入射光強度を測定し、測定対象の強度変動を補正することができる。

本発明の一実施形態を図１ないし図３を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る絶対分光放射計の構成を示す図である。
同図に示すように、この絶対分光放射計は、光源ボックス１にソーラシミュレータ等から導入された被測定光２又は標準電球からなる標準光源３からの、例えば、３００ｎｍ〜２５００ｎｍの全波長範囲の入射光を、入射光を均一化するための反射拡散板６及び反射鏡７を介して、複数個の波長域毎に最適化された、各々の波長域に分岐された複数個の光ファイバ１１〜１５に入射させる。各分岐された光ファイバ１１〜１５毎に光伝導された光は、並列配置した複数個の各分光器（ＵＶ：紫外域）１６、分光器（ＶＩＳ：可視域）１７、分光器（ＮＩＲ：近赤外域）１８、分光器（ＩＲ１：赤外域１）１９、分光器（ＩＲ２：赤外域２）２０に入射される。各分光器（ＵＶ：紫外域）１６〜（ＩＲ２：赤外域２）２０で分光された光は、各分光器（ＵＶ：紫外域）〜（ＩＲ２：赤外域２）２０に各々対応する検知器（ＵＶ：紫外域）２１、検知器（ＶＩＳ：可視域）２２、検知器（ＮＩＲ：近赤外域）２３、検知器（ＩＲ１：赤外域１）２４、検知器（ＩＲ２：赤外域）２５において直ちに各分光強度が測定される。なお、ここで、光源ボックス１から光ファイバ１１〜１５に至る光学系が本発明における入射光学系に相当する。

なお、標準電球の測定の際には、干渉フィルタ４によって波長域を狭めた光の強度を標準検知器８で検知し、これに繋いだ電流計９によって標準電球の波長ごとの光の強度を求める。これによって、標準電球の出力光を校正機関で値付けした標準検知器８で測ることにより、標準電球の波長ごとの値を確認することができる。
また、ソーラシミュレータ等からの被測定光の測定の際には、波長掃引中に光度が変化する影響を相殺するために、その光度を、光路の脇に設置したモニタ検知器５で検知し、これに繋いだ電流計１０で常時測定する。これによって、波長掃引中に被測定光の分光前光度の電源変動や光源ランプの不安定性による短期変動を常時測定して、分光出力を相殺する。この処理により、被測定光の分光前の光度が一定値（測定中の平均値）を保つと仮定したときの分光照度を得ることができる。

本発明の絶対分光放射計の特徴は、光源ボックス１に収めた標準光源３を用いて、検知器２１〜２５を検定処理すること、及び光源２，３の光の波長範囲を複数個（本実施例では５個）に分割して並列処理することの２点にある。

第１の特徴点に関しては、光源ボックス１には、ソーラシミュレータ等の被測定光２又は検知器（ＵＶ）２１〜検知器（ＩＲ２）２５自体を検定するための標準光源３のいずれかが配置される。ここで、標準光源３は、複数個の標準電球が用いられ、これらの標準電球３は、群管理によって測定精度を保つように構成されている。
検知器２１〜２５の検定手順は、光源ボックス１に分光放射照度が知られている標準電球３を入れ、その出力をそれぞれの波長帯における検知器（ＵＶ：紫外域）２１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）２５を用いて測定する。この時得られた結果を、先に与えられている標準電球３の分光放射照度と比較することにより、検知器（ＵＶ：紫外域）２１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）２５の感度を検定しておく。次に、標準電球３に替えて被測定光２を入れ、その分光放射照度を検知器（ＵＶ：紫外域）２１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）２５によって測定する。この手順により、測定対象光源である被測定光２の分光照度が得られる。

ここで、４はバンドパスフィルタであり、標準電球３からの光をバンドパスフィルタ４を通して、この絶対分光放射計で測定した場合、分光放射照度Ｉ_０（λ）得ることができる。こうして得られた光源の分光放射照度を、分光応答度Ｑ（λ）、受光面積Ｓが既知の標準検知器（例えば、シリコンフォトダイオード）８により測定した場合、電流計９で得られる信号電流Ｉは、下記の式で予測される値となる。
Ｉ＝Ｓ・∫Ｉ_０（λ）・Ｑ（λ）・ｄλ
実際の測定電流値をｉとし、分光応答度の測定を正しいものと考えると、標準電球３の分光放射照度には下記の式により得られる係数Ｋをかけることが必要となる。
Ｋ＝ｉ／Ｉ
この係数Ｋを数波長により測定することにより、より正しい、分光放射照度を求めることができる。

第２の特徴点に関しては、光源ボックス１の光源からの出射光を均一化させる入射光学系を用いる。本実施例では、光の均一化を図るために拡散性の高い反射拡散板６を用いて光源光を反射させる。なお、反射拡散板６に代えて積分球を用いても良い。反射拡散板６を反射した光は、反射鏡７で反射されて後、複数個（本実施例では５個）に分岐された光ファイバ１１〜１５に入射されて光伝導され、各々の光ファイバ１１〜１５に対応する各並列に配置された分光器（ＵＶ：紫外域）２１〜分光器（ＩＲ２：赤外域２）２５において、波長帯毎の出射光照度を波長帯毎の検知器（ＵＶ：紫外域）２１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）２５で測定する。このような並列の分光器（ＵＶ：紫外域）１６〜分光器（ＩＲ２：赤外域２）２０を用いることによって、出射光を同時測定することができる。そのため、波長全域に対する測定時間を分光器の個数分の１（本実施例では５分の１）に短縮することができる。また、従来技術の絶対分光放射計のように、波長誤差の原因となる広い波長域の掃引機構を要しないため掃引波長の高精度化が可能となる。

図２は、図１に示した本発明の絶対分光放射計を用いて測定した絶対測定誤差を示すグラフである。横軸は、ｎｍで測った分光波長、縦軸は、標準電球３で検定した検知器（ＵＶ：紫外域）２１〜検知器（ＩＲ２：赤外域２）２５を用いて、標準電球３の照度を自己測定したときの測定結果を元の標準電球３の検定値で規格化して示した絶対測定誤差である。同図に示すように、絶対測定誤差が、全波長範囲で±１％以内に収まっていることが分かる。

図３は、図４に示した従来技術の絶対分光放射計を用いて測定した絶対測定誤差を示すグラフである。横軸は、ｎｍで測った分光波長、縦軸は、標準電球１０２で検定した分光器１０７を用いて、標準電球１０２の照度を自己測定したときの測定結果を元の標準電球１０２の検定値で規格化して示した絶対測定誤差である。
同図に示すように、絶対測定誤差は、最大±５％程度に及んでいる。

図３と図４とを比較すると、本発明に係る絶対分光放射計によれば、従来の絶対分光放射計において存在した絶対測定誤差±５％程度の大きな値から、全波長範囲で±１％以内に改善されていることが分かる。

本発明の絶対分光放射計の利点をまとめると以下のとおりである。
第１に、国際標準の標準電球の使用により、分光放射照度の絶対測定の誤差を３００ｎｍ〜２５００ｎｍの全波長範囲に渡り±１％以下にすることができ、分光放射照度測定の不確かさを非常に小さくすることができる。
第２に、複数個（Ｎ個）の分光器を並列構成することにより、全波長範囲の測定時間をＮ分の１に短縮でき、さらに光ファイバの最適化により、各波長領域の透過損失も最小とすることができる。
第３に、Ｎ個の分光器を並列構成することにより、分割波長帯の波長を各々制御するので、従来技術における、掃引誤差や、パルスモータの順逆転に関るギア系統において全波長範囲で蓄積される機械的誤差の蓄積による、掃引波長の不確かさを、小さくすることができる。
第４に、測定時間を検知器の個数（Ｎ個）分の１に短縮できることから、短寿命で高価な標準電球の使用回数をＮ倍に伸ばすことができるため、標準電球の必要経費をＮ分の１に削減することができる。
第５に、従来技術のような、回折格子、フィルタ、検知器等の切り替え光学系を必要としないため、測定値の安定化を図ることができる。
第６に、標準電球の値付けの変化を確認することができる。
第７に、測定中の測定対象である光源の強度変動を補正することができる。

本発明に係る絶対分光放射計の構成を示す図である。図１に示した本発明の絶対分光放射計を用いて測定した絶対測定誤差を示すグラフである。図４に示した従来技術の絶対分光放射計を用いて測定した絶対測定誤差を示すグラフである。従来技術に係る標準的な絶対分光放射計の構成を示す図である。

符号の説明

１光源ボックス
２被測定光
３標準光源
４干渉フィルタ
５モニタ検知器
６反射拡散板
７反射鏡
８標準検知器
９電流計
１０電流計
１１〜１５光ファイバ
１６分光器（ＵＶ：紫外域）
１７分光器（ＶＩＳ：可視域）
１８分光器（ＮＩＲ：近赤外域）
１９分光器（ＩＲ１：赤外域１）
２０分光器（ＩＲ２：赤外域２）
２１検知器（ＵＶ：紫外域）
２２検知器（ＶＩＳ：可視域）
２３検知器（ＮＩＲ：近赤外域）
２４、検知器（ＩＲ１：赤外域１）
２５検知器（ＩＲ２：赤外域２）
２６制御器

Claims

測定系を校正する国際標準の標準電球からなる光源と被測定光源とを切り替え可能に設けた光源と、該光源の光を導入するための入射光学系と、該入射光学系からの光を取り込み、複数個の波長域毎に最適化された、各々の波長域毎に分岐された光ファイバと、前記分岐された光ファイバ毎に並列配置した各分光器と、該各分光器に対応して設けられた各検知器と、を有することを特徴とする絶対分光放射計。
前記標準電球は、群管理された複数の標準電球からなることを特徴とする請求項１に記載の絶対分光放射計。
前記入射光学系は、分光応答度の値付けを施した光検知器と特定波長範囲の光を透過するフィルタとを有し、標準電球の値を確認する機能を持たせたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶対分光放射計。
前記入射光学系は、前記光源の光の強度をモニタする検知器を有し、測定中の光の変動を測定して補償する機能を持たせたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の絶対分光放射計。