JP2011128516A - 分光フィルタ光学系および分光計測装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
(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。
<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θ1(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θ1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θ1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Nb2O5とSiO2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。
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。
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。
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。
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)
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)
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)
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。
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)
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)
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θ1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θ1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)<θ1・・・・・・・・・・・・・(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。
β=DA/(2×f)<θ1・・・・・・・・・・・・・(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)
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。
<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。
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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。
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。
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
θ1 リニア波長可変フィルタ13の設計角度
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
θ1 リニア波長可変フィルタ13の設計角度
Claims (12)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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KR20180137795A (ko) * | 2017-06-19 | 2018-12-28 | 광주과학기술원 | 하이퍼스펙트럼 이미지 장치 |
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2009
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