JP2011128516A - 分光フィルタ光学系および分光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、分光フィルタ光学系は、分光特性を正確に検出することができ、小型化が可能である分光フィルタ光学系を提供する。
【解決手段】 分光フィルタ光学系は、複数個の光学系により構成されるアレイ光学系（４０）と、透過位置により透過する光束の波長領域が異なるリニア波長可変フィルタ（１３）と、を備え、光学系は、正パワーを有する正レンズ（１２２）と、正レンズ（１２２）を透過したまたは透過する光束を他の光束と交わらないように限定する遮光部（２３）と、を有し、アレイ光学系（４０）の複数個の光学系はリニア波長可変フィルタ（１３）に対してそれぞれ異なる位置に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、分光フィルタ光学系及び該光学系を用いた分光計測装置に関する。

特許文献１に示されているように、複数のセンサが配列されているラインセンサへ透過波長可変フィルタを通した光を導き、このラインセンサ上の各センサに異なる波長成分の光を受光させる分光測光装置が知られている。一般に、上記レンズの光軸の近傍位置では透過波長可変フィルタへの入射光が略垂直であるのに対し、上記レンズの光軸から離れた位置では上記透過波長可変フィルタへの入射光が斜めになる。

特開２００２−２７７３２６号公報

透過波長可変フィルタへの入射光が斜めになってしまうと、分光特性を正確に検出することができない。さらに、分光測光装置に使用される分光フィルタ光学系は小型であることが好ましい。
そこで、波長可変フィルタの透過光線が入射する入射光の角度を所定の角度範囲内に制限するとともに容易に配置できる大きさの分光フィルタ光学系及び該光学系を用いた分光計測装置を提供することを課題とする。

第１態様に係る分光フィルタ光学系は、複数個の光学系により構成されるアレイ光学系と、透過位置により透過する光束の波長領域が異なるリニア波長可変フィルタと、を備える分光フィルタ光学系であって、光学系は、正パワーを有する正レンズと、正レンズを透過したまたは透過する光束を他の光束と交わらないように限定する遮光部と、を有し、アレイ光学系の複数個の光学系はリニア波長可変フィルタに対してそれぞれ異なる位置に配置される。

第２態様に係る分光計測装置は、第一態様に係る分光フィルタ光学系と第１の方向に並んだ光電変換素子を含む第１受光部とを備え、第一態様に係る分光フィルタ光学系の光学系が、外部からの光束を遮る枠であり正レンズの焦点面に配置される開口絞りと、観察範囲を制限する枠である視野絞りを有し、光電変換素子が視野絞りの共役位置に配置され、第１受光部がアレイ光学系に対応して配置されている。

本発明の分光フィルタ光学系は、分光特性を正確に検出することができ、小型化が可能である。

分光計測装置１００と制御部１６との概略分解斜視図である。 分光計測装置１００の概略断面図である。 絞りアレイ１１の拡大断面図である。 （ａ）は、レンズアレイ１２の平面図である。 （ｂ）は、レンズアレイ１２の側面図である。 リニア波長可変フィルタ１３の説明をするための図である。 図５（ａ）は、レンズアレイ１２を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。 図５（ｂ）は、リニア波長可変フィルタ１３を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。 図５（ｃ）は、受光部基板１５を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。 図５（ｄ）は、リニア波長可変フィルタ１３の概略側面図である。 （ａ）は、図２に示した光学系において絞りアレイ１１を取り除いた場合の光路図の例である。 （ｂ）は、リニア波長可変フィルタ１３と受光部基板１５の位置関係を示した概略側面図である。 分光計測装置１００の光学系の構成を薄肉光学系で表わした概略側面図である。 （ａ）は、分光計測装置２００の概略平面図である。 （ｂ）は、分光計測装置２００の概略断面図である。 分光計測装置２００における受光部基板１５上の光電変換素子１５１と光電変換素子１５１上の視野絞り２１の像との関係を示した概略平面図である。 （ａ）では、光電変換素子１５１が視野絞り２１の像に合わせて配置されている。 （ｂ）では、光電変換素子１５１が受光部基板１５上に敷き詰められて配置されている。 分光計測装置３００の概略断面図である。 分光計測装置３００の光学系の構成を薄肉光学系で表わした概略側面図である。 分光計測装置４００の応用例を示した図である。

（第１実施例）
＜分光計測装置１００の構成＞
第１実施例として光学系が一次元に配列された分光計測装置１００について説明する。

図１は、分光計測装置１００と制御部１６との概略分解斜視図である。分光計測装置１００は、絞りアレイ１１と、レンズアレイ１２と、リニア波長可変フィルタ１３と、受光デバイス１６と、を備えている。

絞りアレイ１１は、複数の円形の穴が開いている平行平面板である。穴があいている部分を開口部１１１、穴が開いていない板の部分を枠部１１２とする。分光計測装置１００では、複数の開口部１１１は一列に並んで形成されている。以下、絞りアレイ１１の開口部１１１が並んでいる方向をＸ軸方向、絞りアレイ１１の枠部１１２に垂直な方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向とＺ軸方向に直交する方向をＹ軸方向として説明する。

絞りアレイ１１は、外部より分光計測装置１００に入射される光束を制限する枠であり、外部からの不必要な光束を光計測装置１００内に入射されないように遮断する。開口部１１１を通過した光束はレンズアレイ１２に進む。

レンズアレイ１２は、レンズアレイ基板１２１と複数の正レンズ１２２とにより構成されている。レンズアレイ基板１２１は主面が＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向とに向くように配置される。また、レンズアレイ基板１２１の＋Ｚ軸方向に向く主面には複数の正レンズ１２２がＸ軸方向に一列に並んで形成されている。レンズアレイ１２は、絞りアレイ１１を通過した複数の光束を整形して受光デバイス１６に導く。

リニア波長可変フィルタ１３は特定の波長の光束のみを透過するバンドパスフィルタであり、光束のＸ軸方向の透過位置の違いにより異なる波長の光束を透過する。

受光デバイス１６は、受光部窓材１４と受光部基板１５と光電変換素子１５１とにより構成されている。受光部基板１５は光束を受光するための複数の受光部を有しており、各受光部にはそれぞれ光電変換素子１５１が備えられている。光電子変換素子１５１はＸ軸方向に一列に並んで形成されている。光電変換素子１５１は、受光した光束を電気エネルギーに変換する。また、受光部窓材１４は光電変換素子１５１をホコリ等の異物や油等の汚れから保護する目的で配置される。

制御部１７は、導電性ケーブル１７１を介して光電変換素子１５１に電気的に接続されている。制御部１７は、光電変換素子１５１で電気エネルギーに変換された光束の情報を収集し且つ解析する。

図２は、分光計測装置１００の概略断面図である。図２を参照して分光計測装置１００の各ユニットの機能及び配置に関してさらに詳細に説明する。

絞りアレイ１１は、さらに機能によって視野絞り２１と開口絞り２２と遮光部２３との３つの部分に分けることができる。視野絞り２１は絞りアレイ１１の−Ｚ軸側の面であり、開口絞り２２は絞りアレイ１１の＋Ｚ軸側の面であり、遮光部２３は絞りアレイ１１の視野絞り２１と開口絞り２２とに挟まれた部分である。

視野絞り１１は視野を制限する枠であり、光電変換素子１５１と共役面に配置される。開口絞り２２は光束を遮る枠である。遮光部２３は、正レンズ１２２を透過する光束を、該正レンズ１２２の光軸ＡＸＳ上にある視野絞り２１の開口部を通過した光束に限定する。つまり、遮光部２３は、正レンズ１２２の光軸ＡＸＳ上にない他の視野絞り２１の開口部を通過した光束を遮断する。

レンズアレイ１２は、レンズアレイ基板１２１の−Ｚ軸側の面が開口絞り２２に密着し、正レンズ１２２の光軸ＡＸＳに視野絞り２１の開口の中心と開口絞り２２の開口の中心とが位置するように配置される。つまり、レンズアレイ基板１２１は正レンズ１２２と開口絞り２２とに挟まれる状態になる。また、レンズアレイ１２は正レンズ１２２の焦点位置に開口絞り２２が位置するように配置される。絞りアレイ１１はレンズアレイ１２と組み合わされてアレイ光学系４０を形成する。

リニア波長可変フィルタ１３は、リニア波長可変フィルタ基板１３１とリニア波長可変フィルタ基板１３１上に形成されたリニア波長可変フィルタ薄膜１３２とにより構成されている。リニア波長可変フィルタ１３は、リニア波長可変フィルタ薄膜１３２上のＸ軸方向の位置によって異なる波長の光束を透過する。

リニア波長可変フィルタ１３の分光特性は入射する光束に対して角度特性を有しており、リニア波長可変フィルタ１３に入射する光束が設計角度θ_１（図６を参照）より小さい場合に、設計された分光特性に近い分光特性を有する。そして、リニア波長可変フィルタ１３を透過する光束の波長は、光束の入射角度が設計角度θ_１より大きくなるに従って設計された波長からずれてしまう。そのため、リニア波長可変フィルタ１３の分光特性を最大限に発揮させるためには、リニア波長可変フィルタ１３に入射される光束の入射角度が許容角度θ_１より小さいことが望ましい。

リニア波長可変フィルタ基板１３１は平行平面を有し３５０〜２０００ｎｍまでの透過率が良いＢＫ７基材である。リニア波長可変フィルタ薄膜１３２はスパッタリング法によりリニア波長可変フィルタ基板１３１に形成されたＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との多層膜である。

リニア波長可変フィルタ１３は、アレイ光学系４０の＋Ｚ軸側、つまり正レンズ１２２の＋Ｚ軸側に配置される。また、リニア波長可変フィルタ薄膜１３はリニア波長可変フィルタ１３を分光計測装置１００に組み込む時に、受光デバイス１６側に位置するように配置される。これは、リニア波長可変フィルタ１３を開口絞り像のできている受光デバイス１６になるべく近づけて、リニア波長可変フィルタ１３を通過する際のぼけを小さくするためである。アレイ光学系４０はリニア波長可変フィルタ１３と組み合わされて分光フィルタ光学系５０を形成する。

分光フィルタ光学系５０の＋Ｚ軸側には受光デバイス１６が配置される。また、受光デバイス１６の構成ユニットは、−Ｚ軸側から＋Ｚ軸側に向かって受光部窓材１４、光電変換素子１５１、受光部基板１５の順番になるように配置される。さらに、視野絞り２１を通過した光束は正レンズ１２２を透過して光電変換素子１５１の面上に像を形成する。一つの光電変換素子１５１は一つの正レンズ１２２を透過した光束のみを受光するように配置されている。特に図示しないが、一つの正レンズ１２２を透過した光束は、複数の光電変換素子１５１で受光してもよい。この分光フィルタ光学系５０は、受光デバイス１６と組み合わされて分光計測装置１００を構成する。

＜光路の説明＞
図１に戻って、分光計測装置１００の光路について説明する。
外部より分光計測装置１００に入射する光束（矢印ｓ１１）は分光計測装置１００の絞りアレイ１１に照射される。枠部１１２に照射された光束は分光計測装置１００の外側へ反射され又は吸収される。開口部１１１に入射し開口部１１１を通過した光束（矢印ｓ１２）は、レンズアレイ１２に向かう。

絞りアレイ１１の開口部１１１を透過した光束（矢印ｓ１２）は、レンズアレイ１２のレンズアレイ基板１２１に入射する。光束（矢印ｓ１２）はレンズアレイ基板１２１を透過した後に、レンズアレイ基板１２１上に形成された正レンズ１２２を透過する。正レンズ１２２を透過した光束（矢印ｓ１３）の主光線は正レンズ１２２の光軸ＡＸＳに平行であり、像側テレセントリックとなる。

正レンズ１２２を透過した光束（矢印ｓ１３）は、リニア波長可変フィルタ１３に入射する。光束（矢印ｓ１３）は、リニア波長可変フィルタ１３に入射するＸ軸方向の位置によって波長帯域が制限される。そのため、リニア波長可変フィルタ１３から射出される光束（矢印ｓ１４）は特定の（ｃ）のみを有している。

リニア波長可変フィルタ１３を射出された光束（矢印ｓ１４）は受光部窓材１４に入射する。受光部窓材１４は受光部１５を保護する目的のみを有するため、光束（矢印ｓ１４）は受光部窓材１４によって大きな影響を受けず、光束（矢印ｓ１５）となって受光部窓材１４から射出される。

受光部窓材１４を透過した光束（矢印ｓ１５）は、受光部基板１５上に配置された光電変換素子１５１に照射される。光電変換素子１５１は感知した光束（矢印ｓ１５）を電気エネルギー（矢印ｓ１６）に変換して制御部１７に送る。制御部１７は、導電性ケーブル１７１を通して光電変換素子１５１を制御し、電気エネルギー（矢印ｓ１６）を収集して解析する。

次に絞りアレイ１１を説明する。図３は、絞りアレイ１１の拡大断面図である。
絞りアレイ１１は、薄板２４にエッチング加工によって所定の位置に複数の穴を開け、複数の薄板２４を重ね合わせることにより作製することができる。分光測定装置１００における絞りアレイ１１の開口部１１１は、視野絞り２１と同じ大きさの穴を積み重ねて円筒形の穴を作製し、該円筒形の穴の径よりも小さい穴を有する薄板２４を＋Ｚ側に配置する。これにより、もっとも−Ｚ側にある薄板２４が視野絞り２１を構成し、もっとも＋Ｚ側にある薄板２４が開口絞り２２を構成する。

そして視野絞り２１の開口２１Ａの中心と開口絞り２２の開口２２Ａの中心とはＺ軸方向の同一軸上にあり、視野絞り２１の開口２１Ｂの中心と開口絞り２２の開口２２Ｂの中心とがＺ軸方向の同一軸上にある。

遮光部２３は、視野絞り２１の開口を通過した光束が、該視野絞り２１の開口の中心を通るＺ軸方向の軸上にない開口絞り２２の開口を通過することを防いでいる。例えば、視野絞り２１の開口に入射する入射角が大きい光束（矢印ｓ２１）と入射角が小さい光束（矢印ｓ２２）とを想定する。視野絞り２１への入射角が大きい光束（矢印ｓ２１）は遮光部２３で遮光される。視野絞り２１への入射角度が小さい光束（矢印ｓ２２）は視野絞り２１の開口２１Ｂから入射して開口絞り２２の開口２２Ｂから射出される。遮光部２３が存在しない場合には、開口２１Ａから入射した光束（矢印ｓ２１）が開口２２Ｂを通過してしまう可能性がある。遮光部２３は、できるだけ光速がリニア波長可変フィルタ１３に垂直に入射する役目を有している。なお、遮光部２３は隣り合う視野絞り２１の開口からの光束を遮ればよく、その構成は必ずしも薄板２４を重ね合わせる構成に限られない。

図４（ａ）は、レンズアレイ１２の平面図であり、図４（ｂ）は、レンズアレイ１２の側面図である。４つの正レンズ１２２はレンズアレイ基板１２１上に、Ｘ軸方向に等間隔に並んで形成されている。分光計測装置１００において、レンズアレイ基板１２１の正レンズ１２２が形成されている面の反対の面に開口絞り２２が密着配置されるが、レンズアレイ基板１２１の厚さＤＫは、開口絞り２２面にレンズアレイ１２の焦点面が一致するように決められる。

図４ではレンズアレイ基板１２１上に正レンズ１２２を作製しているが、レンズアレイ基板１２１を用いずに、円柱状の複数のレンズ組み合わせることでもレンズアレイ１２を作製することが可能である。

図５は、リニア波長可変フィルタ１３の説明をするための図である。図５（ａ）は、レンズアレイ１２を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。図５（ｂ）は、リニア波長可変フィルタ１３を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。図５（ｃ）は、受光部基板１５を−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向へ見たときの概略平面図である。図５（ａ）から図５（ｃ）は、正レンズ１２２の光軸と、リニア波長可変フィルタ１３の光束の透過位置と、光電変換素子１５１の光束の照射位置とのＸ軸方向における位置を一致させて描かれている。ただし、光束（矢印ｓ３１、ｓ３２）は本来Ｚ軸方向に進むが、理解を助けるため（ａ）から（ｃ）へＹ軸方向に進むように描かれている。

正レンズ１２２を透過した光束は、リニア波長可変フィルタ１３を透過し、受光デバイス１６の光電変換素子１５１に入射する正レンズ１２２を透過した光束は他の正レンズ１２２を透過した光束と交わらずにリニア波長可変フィルタ１３を透過し、光電変換素子１５１に入射する。そのため、正レンズ１２２を透過した光束がリニア波長可変フィルタ１３を透過する位置は正レンズ１２２のＸ軸方向の位置によって決まる。例えば、複数の正レンズ１２２の中の一つの正レンズ１２２Ａを説明する。正レンズ１２２Ａを透過した光束（矢印ｓ３１）は、集光しつつリニア波長可変フィルタ１３上の正レンズ１２２Ａに対応した位置１３Ａに入射する。位置１３Ａは特定の波長帯域のみを透過する。つまり、位置１３Ａを透過した光束（矢印ｓ３２）は波長帯域のみを有している。光束（矢印ｓ３２）は、集光しつつ正レンズ１２２Ａおよびリニア波長可変フィルタ１３上の位置１３Ａに対応した光電変換素子１５１Ａに入射する。光電変換素子１５１Ａでは、正レンズ１２２Ａおよび位置１３Ａを透過する光束のみを受光するため、光電変換素子１５１Ａは波長帯域の光束のみを受光する。また、リニア波長可変フィルタ１３上の位置１３Ａを透過する光束は光電変換素子１５１Ａ以外の光電変換素子１５１には入射しないため、分光測定装置１００は受光した光束の波長帯域に関する情報を調べることができる。

図６（ａ）は、図２に示した光学系において絞りアレイ１１を取り除いた場合の光路図の例である。大きく斜めに正レンズ１２２に入射し通過した光束の中には、近傍の正レンズ１２２の領域内に混入してしまう光束（ｓ４０）がある。このような光束（ｓ４０）は迷光であり正確な計測の邪魔になる。実際は絞りアレイ１１の働きによって、上記のような迷光成分は除去される。

図６（ｂ）は、リニア波長可変フィルタ１３と光電変換素子１５１との位置関係を示した概略側面図である。絞りアレイ１１を付けることで光束は図６（ｂ）に示したような形態になる。図６（ｂ）は、２つの光電変換素子１５１Ｂ及び１５１Ｃが、異なる正レンズ１２２を透過した光束（ｓ４１）及び光束（ｓ４２）をそれぞれ受光している。光束（ｓ４１）は、リニア波長可変フィルタ１３上の領域１３Ｅを透過する。光束（ｓ４２）は、リニア波長可変フィルタ１３上の領域１３Ｆを透過する。領域１３Ｅと領域１３Ｆとは重なっておらず、それぞれ異なる波長の光束を透過する。さらに、領域１３Ｅは光電変換素子１５１Ｂのみで受光され、領域１３Ｆは光電変換素子１５１Ｃのみで受光される。そのため、分光測定装置１００は領域１３Ｅと領域１３Ｆとの波長を明確に区別して測定することができる。

図６（ｂ）に示されるように、リニア波長変換フィルタ１３の任意の領域には２つ以上の正レンズ１２２からの光束の入射が同時にされないことが望ましい。そのため、リニア波長可変フィルタ１３の設置位置は以下の条件を満たすことが望まれる。
２ＤＧ×θ＜ＤＨ・・・・・・・・・・・・・・・（数式１）
ここで、正レンズ１２２を透過し、視野絞り２１の像へ入射する光束の集光角度半角をθ、光電変換素子１５１の高さ位置１５２とリニア波長可変フィルタ１３との距離をＤＧ、互いに隣接した視野絞り２１の像間の距離をＤＨとしている。
絞りアレイ１１を光学系に取り付けることで、数式１を必ず満たすことができる。

＜分光計測装置１００の光学系の説明＞
図７は、分光計測装置１００の光学系の構成を薄肉光学系で表わした概略側面図である。図７を参照して、分光計測装置１００の光学系について説明する。

視野絞り２１を通過した光束は、正レンズ１２２を透過して光電変換素子１５１の面上に視野絞り２１の像を形成する。視野絞り２１と正レンズ１２２との間で且つ正レンズ１２２の焦点面上には開口絞り２２が配置される。そのため、正レンズ１２２と開口絞り２２との間の距離は正レンズ１２２の焦点距離ｆに等しい。

視野絞り２１と開口絞り２２との間には遮光部２３が配置されている。視野絞り２１と開口絞り２２との間の距離ｄ１は、遮光部２３の厚みと等しい。視野絞り２１と正レンズ１２２のとの間の距離は（ｆ＋ｄ１）となる。また、正レンズ１２２と光電変換素子１５１との間にはリニア波長可変フィルタ１３が配置されている。

視野絞り２１の開口の中心２１Ｃと開口絞りの開口の中心２２Ｃと正レンズ１２２の光軸とは同軸上に存在している。そのため、開口絞り２２の開口部の中心２２Ｃを通り、正レンズ１２２によって視野絞り２１の像を形成する光束（図７の一点鎖線）は正レンズ１２２を透過した後にテレセントリックとなる。

開口絞り２２の開口の中心２２Ｃを通る光線、すなわち主光線は正レンズ１２２を透過した後にテレセントリックとなるため、視野絞り２１の像の正レンズ１２２を透過した後の大きさＤＩは、視野絞り２１を通過し、開口絞り２２の開口の中心２２Ｃを通る主光線が正レンズ１２２上を通過する幅ＤＩ１に等しい。また、視野絞り２１の開口の像は、ｆ／ｄ１倍投影によってＤＩ１となるため、以下の式が成り立つ。
ＤＩ１＝ＤＦ×ｆ／ｄ１・・・・・・・・・・・・（数式２）

正レンズ１２２と光電変換素子１５１との間は距離ＤＪＡである。光電変換素子１５１は正レンズ１２２を透過した視野絞り２１の像の位置に配置されるため、ＤＪＡは視野絞り２１と正レンズ１２２との間の距離（ｆ＋ｄ１）のｆ／ｄ１倍となり、以下の式が成り立つ。
ＤＪＡ＝（ｆ＋ｄ１）×ｆ／ｄ１・・・・・・・・（数式３）

開口絞り２２の開口の内径をＤＡとすると、視野絞り２１の開口の中心２１Ｃを通る光束の正レンズ１２２上での大きさＤＢは、開口絞り２２の開口の内径ＤＡの（ｆ＋ｄ１）／ｄ１倍となるため、以下の式が成り立つ。
ＤＢ＝ＤＡ×（ｆ＋ｄ１）／ｄ１・・・・・・・（数式４）

したがって、視野絞り２１の開口の中心２１Ｃを通り、正レンズ１２２を透過した光束が光電変換素子１５１上に作る像点への近軸光学的に集光角度半角βは、数式４を参考にして以下のように表わすことができる。
β＝ＤＢ×ｄ１／（２×ｆ×（ｆ＋ｄ１））＝ＤＡ／（２×ｆ）・・・・（数式５）
従って、集光角度半角βは開口絞り２２の開口の内径ＤＡと正レンズ１２２の焦点距離ｆとにより制御することができる。

また、正レンズ１２２の集光角度半角βに対応する入射角度α、すなわち、視野絞り２１の開口の中心２１Ｃを通過する光束の視野絞り２１の開口への入射角度αは、以下の式で表わされる。
α＝ＤＡ／（２×ｄ１）・・・・・・・・・・・・（数式６）

また、正レンズ１２２上での光束通過範囲外接円直径ＤＥは以下の式で表わされる。
ＤＥ＝（（ｆ＋ｄ１）×ＤＡ＋ｆ×ＤＦ）／ｄ１・・・・（数式７）

図２で述べたように、リニア波長可変フィルタ１３の透過分光特性には入射角度による特性がある。この入射角度がリニア波長可変フィルタ１３の設計角度θ_１から増加する方向へ外れるほど、本来の透過波長から透過する光束の波長がずれてしまう。そのため、集光角度半角βは設計角度θ_１より小さい値を有することが望ましい。これは数式５より以下のように表わすことができる。
β＝ＤＡ／（２×ｆ）＜θ_１・・・・・・・・・・・・・（数式８）
また、集光角度半角βが大きいほどリニア波長可変フィルタ１３の透過光量が大きくなるため、βの値は大きいほど良い。すなわち、数式８を満たす範囲で集光角度半角βが最大になるように開口絞り２２の開口部の内径ＤＡおよび正レンズ１２２の焦点距離ｆが設定されることが望ましい。

また、正レンズ１２２の有効径をＤＭとすると、ＤＭは正レンズ１２２上での光束通過範囲外接円直径ＤＥよりも大きい方が望ましい。これは、正レンズ１２２を透過する光量のけられを避けるためである。この条件は数式７を参考にして以下のように表わすことができる。
ＤＭ≧（（ｆ＋ｄ１）×ＤＡ＋ｆ×ＤＦ）／ｄ１・・・・（数式９）

（第２実施例）
＜分光計測装置２００の構成＞
分光計測装置１００は光学系が一次元に配列されていたが、光学系は二次元に配列されてもよい。以下に光学系が二次元に配列された分光計測装置２００について説明する。

図８（ａ）は、分光計測装置２００の概略平面図である。図８（ｂ）は、分光計測装置２００の概略断面図である。

分光計測装置２００では、開口部１１１がＸ軸方向とＹ軸方向とに一定の間隔で並んでいる。開口部１１１はＸ軸方向にピッチＤＬＸ、Ｙ軸方向にピッチＤＬＹで並んでいる。さらに、開口部１１１はＸ軸方向に距離ＤＬＸ／２、Ｙ軸方向に距離ＤＬＹ／２ずれた位置にも開口部１１１を有している。

分光計測装置２００の光学系は基本的には分光計測装置１００と同様な構成を取る。ただし、絞りアレイ１１の開口部１１１が二次元に配置されているため、レンズアレイ１２の正レンズ１２２と、受光デバイス１６の光電変換素子１５１は、開口部１１１に対応するように二次元に配置される。二次元に配置された光電変換素子１５１については図９で説明する。

図８（ａ）および（ｂ）では、リニア波長可変フィルタ１３は、光束のＸ軸方向の透過位置の違いにより異なる波長の光束を透過し、光束のＹ軸方向の透過位置の違いがあっても同じ波長の光束を透過する。たとえば図８（ａ）の開口部１１１Ｂを通過する光束と開口部１１１Ｂを通過する光束とは、リニア波長可変フィルタ１３で異なる波長が通過する。開口部１１１Ｂ同士を通過する光束は、リニア波長可変フィルタ１３で同じ波長しか通過しない。

図９は、分光計測装置２００における受光部基板１５上の光電変換素子１５１と光電変換素子１５１上の視野絞り２１の像との関係を示した概略平面図である。図９（ａ）では、視野絞り２１の像の面積よりも大きな光電変換素子１５１Ｕが二次元に配置されている。図９（ｂ）では、視野絞り２１の像の面積よりも小さな光電変換素子１５１Ｖが二次元に配置されている。

図８と同様に、図９でもリニア波長可変フィルタ１３は、光束のＸ軸方向の透過位置の違いにより異なる波長の光束を透過し、光束のＹ軸方向の透過位置の違いがあっても同じ波長の光束を透過する。

図９の説明をするに際し、図９の中で最も＋Ｙ軸側に位置し、Ｘ軸方向に並んでいる視野絞り２１の像の列をＸ１、列Ｘ１より−Ｙ軸方向に距離ＤＬＹだけ離れてＸ軸方向に並んだ視野絞り２１の像の列をＸ２とする。以下、列Ｘ１より−Ｙ軸方向に距離（（ｎ−１）×ＤＬＹ）だけ離れ、Ｘ軸方向に並んだ視野絞り２１の像の列をＸｎとする。ここで、ｎは自然数としている。また、図９の中で最も−Ｘ軸側に位置し、Ｙ軸方向に並んでいる視野絞り２１の像の列をＹ１とする。以下、列Ｙ１より＋Ｘ軸方向に距離（（ｍ−１）×ＤＬＸ）だけ離れ、Ｙ軸方向に並んだ視野絞り２１の像の列をＹｍとする。ここで、ｍは自然数としている。さらに、Ｘ軸方向の列がＸｎ、Ｙ軸方向の列がＹｍである視野絞り２１の像をＸｎＹｍとする。

一次元に光学系が並んでいる分光計測装置１００では隣り合う視野絞り２１にＸ軸方向の間隔が形成される。そのためは隣り合う視野絞り２１の間では波長領域を調べることができない。一方、光学系を二次元に配置した場合は、一次元に配列された光学系では測定できなかった波長領域も調べることができる、計測波長分解能を上げることができる。

例えば、図９（ａ）において列Ｘ１のみを考えた場合は、像Ｘ１Ｙ１と像Ｘ１Ｙ３との間の波長領域は測定することはできない。しかし、光学系の配列を二次元にした場合には、列Ｙ１と列Ｙ３との間であり列Ｘ１から外れた場所（例えば像Ｘ２Ｙ２等の位置）に他の光学系を配置することにより、像Ｘ１Ｙ１と像Ｘ１Ｙ３との間の波長領域を測定することができるようになる。この場合の分光計測装置２００の計測波長分解能は、列Ｘ１のみの時と比べて計測波長分解能が２倍になっていることになる。

また、受光デバイスが二次元撮像素子の場合、光学系の配列を二次元にすることにより、光の利用効率を高めることができる。例えば、図９（ａ）では３つの像Ｘ１Ｙ1、Ｘ３Ｙ１及びＸ５Ｙ1の位置に配置されている光電変換素子１５１Ｕは、同じ波長の光束を受光する。対応する３つの光電変換素子１５１Ｕを電気的に接続することにより、１つの像Ｘ１Ｙ1のみの場合に比べて３倍の光量を受光することができる。すなわち、分光計測装置の列Ｙ１における波長のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

図９（ｂ）は、受光部基板１５上に配置されている光電変換素子１５１Ｖと、視野絞り２１の像を示している図である。図９（ｂ）では、一つの光電変換素子１５１Ｖの大きさは視野絞り２１の像よりも小さい。そのため、複数の光電変換素子１５１Ｖによって一つの像の信号を読み取ることになる。

例えば、像Ｘ１Ｙ１を考える。像Ｘ１Ｙ１は４個の光電変換素子１５１Ｖ１〜１５１Ｖ４によって受光される。この４個の光電変換素子１５１Ｖ１〜１５１Ｖ４の信号を足し合わせることによって像Ｘ１Ｙ１の信号を読み取る。さらにこの４個の光電変換素子１５１Ｖ１〜１５１Ｖ４と同じＹ軸方向の列Ｙ１の光電変換素子の信号を足し合わせることにより、図９（ａ）と同じく、受光する光束の光量を増大させることができる。

（第３実施例）
＜分光計測装置３００の構成＞
図１０は、分光計測装置３００の概略断面図である。分光計測装置３００は分光計測装置１００とは異なる構成の光学系を有する。

分光測定装置３００は、表面にリニア波長可変フィルタ１３が配置されている。この配置によって光学系内にゴミ等の異物が入り込むことを防ぐことができる。リニア波長可変フィルタ１３のリニア波長可変フィルタ薄膜１３２には絞りアレイ１１Ｂの視野絞り２１が密着するように配置される。絞りアレイ１１Ｂは、視野絞り２１と遮光部２３との機能を有している。さらに、絞りアレイ１１Ｂの開口部１１１に正レンズ１２２が密着するように、レンズアレイ１２が配置される。レンズアレイ基板１２１の正レンズ１２２が配置されていない面には開口絞り２２が密着して配置されている。

絞りアレイ１１Ｂとレンズアレイ１２と開口絞り２２とでアレイ光学系４０Ｂを構成している。また、アレイ光学系４０Ｂとリニア波長可変フィルタ１３とで分光フィルタ光学系５０Ｂを構成している。

開口絞り２２のレンズアレイ１２に対した面の反対側の面には、受光部窓材１４と受光部基板１５と光電変換素子１５１とを有する受光デバイス１６が配置される。つまり、分光測定装置３００では、正レンズ１２２の光軸上に視野絞り２１の開口の中心と開口絞り２２の開口の中心とが位置している。また分光測定装置１００と同様に、正レンズ１２２の焦点位置に開口絞り２２が配置され、視野絞り２１の正レンズ１２２による像面に光電変換素子１５１が配置される。

図１０の分光計測装置３００には、−Ｚ軸方向から外部の光束が照射される。外部から分光計測装置３００に照射される光束は、初めに、リニア波長変換フィルタ１３を透過し、光束の波長が選択される。リニア波長変換フィルタ１３を透過した光束は、その後、視野絞り２１によって光束の量が制限され、遮光部２３によって正レンズ１２２に導かれる。光束はさらに正レンズ１２２を透過し、開口絞り２２を通過して光電変換素子１５１に入射する。分光計測装置３００の各ユニットの機能は分光計測装置１００と同じである。また、分光計測装置３００の構成は一次元でも二次元でも良い。

＜光学系の説明＞
図１１は、分光計測装置３００の光学系の構成を薄肉光学系で表わした概略側面図である。

正レンズ１２２と開口絞り２２との距離、すなわち正レンズ１２２の焦点の距離をｆ、開口絞り２２と光電変換素子１５１との距離をｄ２とすると、正レンズ１２２と光電変換素子１５１との距離は（ｆ＋ｄ２）である。

また、視野絞り２１と正レンズ１２２との距離をＤＪＢとすると、正レンズ１２２を透過した後の視野絞り２１の像の大きさＤＩは視野絞り２１の開口の大きさをＤＦとした場合に以下の数式で表わされる。
ＤＩ＝ＤＦ×（ｆ＋ｄ２）／ＤＪＢ・・・・・・・・・・（数式１０）

他方、視野絞り２１からテレセントリックで正レンズ１２２に入射する光束の主光線間最大間隔をＤＦ１とすると、この各主光線は開口絞り２２の開口の中心２２Ｃを通り光電変換素子１５１に到達するため、以下の式が成り立つ。
ＤＩ＝ＤＦ１×ｄ２／ｆ・・・・・・・・・・・・・・・（数式１１）
ＤＦ＝ＤＦ１であり、数式１０と数式１１とからＤＪＢを求めると、以下のようになる。
ＤＪＢ＝ｆ×（ｆ＋ｄ２）／ｄ２・・・・・・・・・・・（数式１２）

また、開口絞り２２の開口の内径をＤＡとすると、光電変換素子１５１へ集光する光束の正レンズ１２２上での断面外接円直径ＤＢは、以下の式で表わすことができる。
ＤＢ＝（ｆ＋ｄ２）×ＤＡ／ｄ２・・・・・・・・・・・（数式１３）

また、視野絞り２１を通過し、正レンズ１２２を透過した光束の光電変換素子１５１への集光角度半角βは、以下の式で表わされる。
β＝ＤＡ／（２×ｄ２）・・・・・・・・・・・・・・（数式１４）

さらに、正レンズ１２２の集光角度半角βに対応する入射角度αは、数式１２を参照して以下の式で表わされる。
α＝ＤＢ／（２×ＤＪＢ）
＝ＤＢ×ｄ２／（２×ｆ×（ｆ＋ｄ２））・・・・・・（数式１５）
また、数式１５に数式１３を代入すると、αは以下のように表わすことができる。
α＝ＤＡ／（２×ｆ）・・・・・・・・・・・・・・・・（数式１６）

リニア波長フィルタ１３の分光特性を最大限に発揮させるためには、入射角度αはリニア波長可変フィルタ１３の設計角度θ１よりも小さくなること、すなわち、以下の数式が成り立つことが望ましい。
θ１＞α＝ＤＡ／（２×ｆ）・・・・・・・・・・・・・・（数式１７）

また、正レンズ１２２上での光束通過範囲外接円直径ＤＥは、数式１３を参照して以下の式で表わされる。
ＤＥ＝ＤＦ＋ＤＢ＝ＤＦ＋ＤＡ×（ｆ＋ｄ２）／ｄ２・・・・・・・（数式１８）
また、正レンズ１２２の有効径をＤＭとすると、光電変換素子１５１に入射する光束の量を多くするためには、ＤＭは正レンズ１２２上での光束通過範囲外接円直径ＤＥよりも大きい方が望ましい。そのため正レンズ１２２の規格は以下の条件を満たしていることが望まれる。
ＤＭ≧ＤＦ＋ＤＡ×（ｆ＋ｄ２）／ｄ２・・・・（数式１９）

（分光計測装置の応用例）
図１２は、分光計測装置４００の応用例を示した図である。分光測定装置４００は、分光計測装置１００、２００または３００のいずれかである。分光測定装置４００はＬＥＤ４２の発光特性を調べる。

例えばＬＥＤ等の発光の均一性をみるために、図１２のように積分球４１を使う。積分球４１は内面に反射材が張られた球体であり、積分球４１内にある光束を一様に分布させる働きがある。この積分球４１のなかにＬＥＤ４２を入れ、発光させると、積分球４１の中でＬＥＤ４２より発せられた光束を一様化させることができる。

ＬＥＤ４２より発せられた光束を一様化させるため、図１２に示されるように、積分球４１の中心とＬＥＤ４２とを結んだ直線の延長上以外の積分球４１内の位置に分光計測装置４００が設置されている。

ＬＥＤ４２から射出された光束は積分球４１内で一様に分布して均一化され、均一化された光束の一部は分光計測装置４００に入射する。分光計測装置４００で計測された光束は電気エネルギーに変換され、導電性ケーブル１７５を通して制御部１７に送られる。で解析される。制御部１７では、分光計測装置４００の受光デバイス１７で検出された光束による分光データを分光データ生成部１７１で生成する。生成されたデータは、データ解析装置１７２で解析され、解析結果は表示装置１７４に表示される。表示装置１７４での解析データの出力方法等の指定は、入力装置１７３を用いて行う。

以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
また、実施例では視野絞り２１の開口形状、開口絞り２２の開口形状及び正レンズ１２２の形状を円形として説明したが、これらの形状は円形に限らず、長方形等の他の形状でもかまわない。

１１、１１Ｂ 絞りアレイ
１２ レンズアレイ
１３ リニア波長可変フィルタ
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ リニア波長可変フィルタ１３上の領域
１４ 受光部窓材
１５ 受光部基板
１６ 受光部デバイス
１７ 制御装置
２１ 視野絞り
２１Ｃ 視野絞り２１の開口の中心、 ２２ 開口絞り
２２Ｃ 開口絞り２２の開口の中心
２３ 遮光部、 ２４ 薄板
４０、４０Ｂ アレイ光学系
４１ 積分球、 ４２ ＬＥＤ
５０、５０Ｂ 分光フィルタ光学系
１００、２００、３００、４００ 分光計測装置
１１１ 絞りアレイ１１の開口部
１１２ 絞りアレイ１１の枠部
１２１ レンズアレイ基板
１２２ 正レンズ
１３１ リニア波長可変フィルタ基板
１３２ リニア波長可変フィルタ薄膜
１５１、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ、１５１Ｕ、１５１Ｖ 光電変換素子
１５２ 光電変換素子１５１の高さ位置
１７１ 分光データ生成部
１７２ データ解析装置
１７３ 入力装置
１７４ 表示装置
１７５ 導電性ケーブル
ｄ１ 分光計測装置１００における視野絞り２１と開口絞り２２との距離
ｄ２ 開口絞り２２と光電変換素子１５１との距離
ｆ 正レンズ１２２の焦点距離
ＡＸＳ 正レンズ１２２の光軸
ＤＡ 開口絞り２２の開口の内径
ＤＢ 視野絞り２１の開口の中心２１Ｃを通る光束の正レンズ１２２上での大きさ
ＤＥ 正レンズ１２２上での光束通過範囲外接円直径
ＤＦ 視野絞り２１の開口の大きさ
ＤＧ 光電変換素子１５１の高さ位置１５２とリニア波長可変フィルタ１３との距離
ＤＨ 互いに隣接した視野絞り２１の像間の距離
ＤＩ 視野絞り２１の正レンズ１２２を透過した後の像の大きさ
ＤＪＡ 正レンズ１２２と光電変換素子１５１との距離
ＤＪＢ 正レンズ１２２と視野絞り２１との距離
ＤＫ レンズアレイ基板１２１の厚さ
ＤＬＸ 開口部１１１のＸ軸方向へのピッチ
ＤＬＹ 開口部１１１のＹ軸方向へのピッチ
ＤＭ 正レンズ１２２の有効径
Ｘｎ Ｘ軸方向に並んだ視野絞り２１の像の列
Ｙｎ Ｙ軸方向に並んだ視野絞り２１の像の列
α 入射角度半角
β 集光角度半角
θ 視野絞り２１の像へ入射する正レンズ１２２を透過した光束の集光角度半角
θ_１ リニア波長可変フィルタ１３の設計角度

Claims (12)

1. 複数個の光学系により構成されるアレイ光学系と、
   透過位置により透過する光束の波長領域が異なるリニア波長可変フィルタと、を備える分光フィルタ光学系であって、
   前記光学系は、
   正パワーを有する正レンズと、
   前記正レンズを透過したまたは透過する光束を他の光束と交わらないように限定する遮光部と、を有し、
   前記アレイ光学系の複数個の光学系は前記リニア波長可変フィルタに対してそれぞれ異なる位置に配置される分光フィルタ光学系。
2. 前記光学系が、光束を遮るように、前記正レンズの焦点面に配置される開口絞りを有する請求項１に記載の分光フィルタ光学系。
3. 前記光学系が、視野を制限する枠である視野絞りを有する請求項２に記載の分光フィルタ光学系。
4. 前記視野絞りの開口部の中心と、
   前記開口絞りの開口部の中心と、
   前記正レンズの外接円の中心と、が同軸上に配置された請求項３に記載の分光フィルタ光学系。
5. 前記視野絞りを通過した光束が前記開口絞りを通過し、
   前記遮光部が前記視野絞りと前記開口絞りとの間に配置され、
   前記正レンズが前記開口絞りを透過した光束を透過し、
   複数の前記正レンズにより透過された複数の光束は前記波長可変フィルタに対して異なる位置で透過する請求項３又は請求項４に記載の分光フィルタ光学系。
6. 前記正レンズを透過する光束の前記視野絞りの像への集光角度半角をθ、前記視野絞りの像の位置と前記リニア波長可変フィルタとの距離をＤＧ、互いに隣接した前記視野絞りの像間の距離をＤＨとするとき、
   ２ＤＧ×θ＜ＤＨ
   を満たす請求項５に記載の分光フィルタ光学系。
7. 外部からの光束が前記リニア波長可変フィルタを透過し、
   前記リニア波長可変フィルタを透過した光束が前記視野絞りを通過し、
   前記視野絞りを通過した光束が前記遮光部を通過し、
   前記遮光部を通過した光束が前記正レンズを透過し、
   前記正レンズを透過した光束が前記開口絞りを通過する請求項３又は請求項４に記載の分光フィルタ光学系。
8. 前記複数の光学系が第１方向に並んで前記アレイ光学系を形成し、
   前記リニア波長可変フィルタは、透過する波長帯域が前記第１の方向に異なる請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の分光フィルタ光学系。
9. 前記複数の光学系が、
   前記第１方向と、
   前記第１方向と前記正レンズの光軸とに直交する第２の方向と、に並び、
   前記リニア波長可変フィルタが透過する波長帯域が前記第１の方向に異なる請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の分光フィルタ光学系。
10. 請求項８に記載の前記分光フィルタ光学系を備える分光計測装置であって、
    前記視野絞りの共役位置に配置され、前記第１の方向に並んだ光電変換素子を含む第１受光部を有し、
    前記第１受光部が前記アレイ光学系に対応して配置されている分光計測装置。
11. 請求項９に記載の前記分光フィルタ光学系を備える分光計測装置であって、
    前記視野絞りの共役位置に配置され、前記第１の方向および前記第２の方向に並んだ光電変換素子を含む第２受光部を有し、
    前記第２受光部が前記アレイ光学系に対応して配置されている分光計測装置。
12. 前記第２の方向に一列に並んだ複数の前記光電変換素子が互いに電気的に接続されている請求項１１に記載の分光計測装置。