JP2013088263A - 分光装置校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分光装置において複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を高精度に校正することができる方法を提供する。
【解決手段】検出ステップでは、既知の透過スペクトルを有する光フィルタ４Ａ，４Ｂに白色光を入射させて該光フィルタを透過した光を分光器２により分光して、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する。解析ステップでは、検出された複数の受光センサそれぞれによる受光強度と透過スペクトルとに基づいて、透過スペクトルがピークまたはボトムとなる波長に対応する位置を、複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求める。校正ステップでは、解析ステップにおいて求められた位置および波長に基づいて、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力光を分光器により分光して、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサを含むアレイ型受光部により各波長の光を受光する分光装置において、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する方法に関するものである。

分光装置として、アレイ配置された複数の受光センサを含むアレイ型受光部および分光器を備えるものが知られている。このような分光装置において、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正することは重要である。特許文献１，２には、分光装置における波長校正の方法に関する発明が開示されている。また、特許文献３には、分光装置における波長校正に用いられる波長校正用光源に関する発明が開示されている。

特許文献１に開示された発明では、複数の輝線を含むスペクトルを有する光を出力する波長校正用光源が用いられ、この波長校正用光源から出力された光が分光器により分光されて、複数の受光センサを含むアレイ型受光部により各波長の光が受光され、これにより、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が校正される。特許文献３に開示された発明でも、複数の輝線を含むスペクトルを有する光を出力する波長校正用光源が用いられる。特許文献２に開示された発明では、測定波長域内で既知波長の鋭い吸収ピークを有する光フィルタが用いられ、この光フィルタを透過して出力された光が分光器により分光されて、これにより波長校正が行われる。

特開平０４−１０６４３０号公報 特開昭６１−５６９２２号公報 特開平０１−２３９４２９号公報

特許文献１，３に記載された発明では分光器に入力される光のスペクトルは帯域幅が狭いピークを有する。特許文献２に記載された発明では分光器に入力される光のスペクトルは帯域幅が狭いボトムを有する。しかしながら、分光器に入力される光のスペクトルのピークまたはボトムの帯域幅が狭いと、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長の校正を正確に行うことができない場合があることを、本発明者は見出した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、分光装置において複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を高精度に校正することができる方法を提供することを目的とする。

本発明の分光装置校正方法は、入力光を分光器により分光して、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサを含むアレイ型受光部により各波長の光を受光する分光装置において、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する方法であって、(1) 第一帯域において既知の第一透過スペクトルを有する第一光フィルタに白色光を入射させて第一光フィルタを透過した光を分光器により分光し、複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する第一検出ステップと、(2) 第一検出ステップにおいて検出された複数の受光センサそれぞれによる受光強度と第一透過スペクトルとに基づいて、第一帯域において第一透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第一波長に対応する所定ライン上の第一位置を、複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求める第一解析ステップと、(3) 第二帯域において既知の第二透過スペクトルを有する第二光フィルタに白色光を入射させて第二光フィルタを透過した光を分光器により分光し、複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する第二検出ステップと、(4) 第二検出ステップにおいて検出された複数の受光センサそれぞれによる受光強度と第二透過スペクトルとに基づいて、第二帯域において第二透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第二波長に対応する所定ライン上の第二位置を、複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求める第二解析ステップと、(5) 第一解析ステップにおいて求められた第一位置および第一波長と、第二解析ステップにおいて求められた第二位置および第二波長とに基づいて、複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する校正ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の分光装置校正方法では、第一帯域における第一透過スペクトルおよび第二帯域における第二透過スペクトルそれぞれがガウシアンスペクトルであるのが好適である。また、第一検出ステップにおいて、拡散板により拡散させた白色光を第一光フィルタに入射させ、第二検出ステップにおいて、拡散板により拡散させた白色光を第二光フィルタに入射させるのが好適である。

本発明によれば、分光装置において複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を高精度に校正することができる。

分光装置１の構成を示す図である。 本実施形態の分光装置校正方法のフローチャートである。 本実施形態の分光装置校正方法の各検出ステップで検出されたアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度の分布を示す図である。 本実施形態の分光装置校正方法の各検出ステップで検出されたアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度の分布を示す図である。 本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップの処理内容を説明する図である。 本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップの処理内容を説明する図である。 本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップの処理内容を説明する図である。 本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップで求められた位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎを纏めた図表である。 本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップで求められた位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎの関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、分光装置１の構成を示す図である。分光装置１は、分光器２およびアレイ型受光部３を備える。分光器２は、入力光を分光して、各波長の光を該波長に応じた方向に出力する。アレイ型受光部３は、所定ライン（同図中のｙ方向に平行なライン）に沿ってアレイ配置された複数の受光センサを含む。各受光センサは、配置されている位置に応じた波長の光を受光して、その受光強度に応じた電気信号を出力する。

本実施形態の分光装置校正方法は、分光装置１のアレイ型受光部３に含まれる複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する方法であって、第一光フィルタ４Ａ，第二光フィルタ４Ｂおよび拡散板５を用いる。第一光フィルタ４Ａは、第一帯域において既知の第一透過スペクトルを有する。第二光フィルタ４Ｂは、第二帯域において既知の第二透過スペクトルを有する。

第一光フィルタ４Ａおよび第二光フィルタ４Ｂそれぞれはバンドパスフィルタであってもよい。第一光フィルタ４Ａおよび第二光フィルタ４Ｂは、互いに別個のものであってもよいし、共通のものであって互いに異なる第一帯域と第二帯域とを利用するものであってもよい。第一透過スペクトルは、第一帯域内の第一波長においてピークまたはボトムを有する。第二透過スペクトルは、第二帯域内の第二波長においてピークまたはボトムを有する。第一帯域と第二帯域とは、互いに異なっていてもよいし、一部が互いに重なっていてもよい。第一波長と第二波長とは互いに異なる。ピークまたはボトムの帯域幅は任意である。第一帯域における第一透過スペクトルおよび第二帯域における第二透過スペクトルそれぞれはガウシアンスペクトルであるのが好適である。

本実施形態の分光装置校正方法では、白色光を光フィルタ４Ａ，４Ｂに入射させて該光フィルタを透過した光を分光器２により分光して、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する。好適には、拡散板５により拡散させた白色光を光フィルタ４Ａ，４Ｂに入射させる。

図２は、本実施形態の分光装置校正方法のフローチャートである。本実施形態の分光装置校正方法は、第一検出ステップＳ１、第一解析ステップＳ２、第二検出ステップＳ３、第二解析ステップＳ４および校正ステップＳ５を備える。

第一検出ステップＳ１では、第一光フィルタ４Ａが用いられる（図１（ａ））。第一検出ステップＳ１では、この第一光フィルタ４Ａに白色光が入射されて第一光フィルタ４Ａを透過した光が分光器２により分光され、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度が検出される。

第一解析ステップＳ２では、第一検出ステップＳ１において検出されたアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度と第一透過スペクトルとに基づいて、第一帯域において第一透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第一波長λ_１に対応する所定ライン上の第一位置Ｙ_１が、アレイ型受光部３の複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求められる。

第二検出ステップＳ３では、第二光フィルタ４Ｂが用いられる（図１（ｂ））。第二検出ステップＳ３では、この第二光フィルタ４Ｂに白色光が入射されて第二光フィルタ４Ｂを透過した光が分光器２により分光され、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度が検出される。

第二解析ステップＳ４では、第二検出ステップＳ３において検出されたアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度と第二透過スペクトルとに基づいて、第二帯域において第二透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第二波長λ_２に対応する所定ライン上の第二位置Ｙ_２が、アレイ型受光部３の複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求められる。

校正ステップＳ５では、第一解析ステップＳ２において求められた第一位置Ｙ_１および第一波長λ_１と、第二解析ステップＳ４において求められた第二位置Ｙ_２および第二波長λ_２とに基づいて、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が校正される。

なお、一般にＮ個の光フィルタが用いられて、第ｎの光フィルタについて上記のような検出ステップおよび解析ステップが行われて位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎが求められ、これらからアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が校正されてもよい。ここで、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。

以下では、Ｎ値が４である場合について実施例を説明する。図３および図４は、本実施形態の分光装置校正方法の各検出ステップで検出されたアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度の分布を示す図である。図３（ａ）は、ピーク波長λ_１が１２１７.２９ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第一光フィルタを用いた場合の受光強度分布を示す。図３（ｂ）は、ピーク波長λ_２が１４５６.６０ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第二光フィルタを用いた場合の受光強度分布を示す。図４（ａ）は、ピーク波長λ_３が１９４５.４０ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第三光フィルタを用いた場合の受光強度分布を示す。また、図４（ｂ）は、ピーク波長λ_４が２１９０.４９ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第四光フィルタを用いた場合の受光強度分布を示す。

図５〜図７は、本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップの処理内容を説明する図である。ここでは、ピーク波長λ_２が１４５６.６０ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第二光フィルタを用いた場合について説明する。

第二光フィルタの透過スペクトルは、図５に示されるように、ガウシアン型であって、波長１４５６.６０ｎｍにピークを有し、１１.０ｎｍの半値幅を有する。アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれが波長間隔３.３ｎｍに相当するピッチで配置されているとすると、第二光フィルタを用いた場合の受光強度分布は図６に示されるようになる。

図６に示されるように、アレイ型受光部３により得られる受光強度分布のピーク位置が示す波長は、光フィルタの透過スペクトルのピーク波長と対応しない場合があり、両者間に波長ずれが生じる場合がある。このような波長ずれがある場合、アレイ型受光部３により得られる受光強度分布のピーク位置が示す波長を光フィルタの透過スペクトルのピーク波長として扱うと、波長校正を正確に行うことができない。

そこで、図７に示されるように、解析ステップにおいて、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度と第二光フィルタの既知の透過スペクトルとに基づいて、透過スペクトルがピークとなる波長に対応する位置が、アレイ型受光部３の複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求められる。

解析ステップの具体的な処理内容は以下のとおりである。解析ステップでは、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれによる受光強度の分布が下記(1)式のガウシアン分布に非線形最小二乗法によりフィッティングされ、下記(1)式中の係数Ａ，平均値μ，分散σ^２および定数ｄが求められる。このフィッティングにより得られたガウシアン分布のピーク位置すなわち平均値μが、光フィルタの透過スペクトルがピークとなる波長に対応する位置として求められる。
ｆ(ｙ)＝Ａ・exp{−(ｙ−μ) ²／２σ²}＋ｄ …(1)

図８は、本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップで求められた位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎを纏めた図表である。ピーク波長λ_１が１２１７.２９ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第一光フィルタを用いた場合、この波長λ_１に対応する位置Ｙ_１は３０.６１である。ピーク波長λ_２が１４５６.６０ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第二光フィルタを用いた場合、この波長λ_２に対応する位置Ｙ_２は６８.７７である。ピーク波長λ_３が１９４５.４０ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第三光フィルタを用いた場合、この波長λ_３に対応する位置Ｙ_３は１４６.８９である。また、ピーク波長λ_４が２１９０.４９ｎｍであるガウシアン型の透過スペクトルを有する第四光フィルタを用いた場合、この波長λ_４に対応する位置Ｙ_４は１８６.３０である。

図９は、本実施形態の分光装置校正方法の各解析ステップで求められた位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎの関係を示すグラフである。校正ステップでは、各解析ステップ位置Ｙ_ｎおよび波長λ_ｎに基づいて、アレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が校正される。具体的には、グラフ中の４つの点（Ｙ_１，λ_１）、（Ｙ_２，λ_２）、（Ｙ_３，λ_３）および（Ｙ_４，λ_４）に基づいて、最小二乗近似法により下記(2)式の近似式における係数ａ，ｂ，ｃが求められる。その結果、近似式として下記(3)式が得られる。
λ(Ｙ)＝ａＹ²＋ｂＹ＋ｃ …(2)
λ(Ｙ)＝−0.0002Ｙ²＋6.3009Ｙ＋1024.5 …(3)

校正ステップでは、この(3)式に基づいて、アレイ型受光部３の複数の受光センサのうち、Ｙ＝１の位置にある受光センサが受光する光の波長λ(１)が校正され、Ｙ＝２の位置にある受光センサが受光する光の波長λ(２)が校正され、同様にして一般に、Ｙ＝ｍの位置にある受光センサが受光する光の波長λ(ｍ)が校正される。

本実施形態の分光装置校正方法では、このようにしてアレイ型受光部３の複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長が校正されることで、高精度の波長校正が可能となる。

本実施形態の分光装置校正方法は以下のような効果をも有する。本実施形態では、任意の透過スペクトルを有する光フィルタが分光器の前面に配置されることで波長校正が可能であるので、その透過スペクトルのピークまたはボトムの波長が任意に選択され得る。したがって、既存の波長校正用光源では対応できない波長範囲の分光装置においても波長校正が可能である。また、従来では、一般に安全上の問題を有するＨｇランプ、Ｋｒランプ、Ｘｅランプなどが波長校正用光源として用いられているが、本実施形態では、任意の白色光源が用いられ得るので、安全対策が簡易となり、波長校正作業が容易である。

１…分光装置、２…分光器、３…アレイ型受光部、４Ａ…第一光フィルタ、４Ｂ…第二光フィルタ、５…拡散板。

Claims (3)

1. 入力光を分光器により分光して、所定ラインに沿ってアレイ配置された複数の受光センサを含むアレイ型受光部により各波長の光を受光する分光装置において、前記複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する方法であって、
   第一帯域において既知の第一透過スペクトルを有する第一光フィルタに白色光を入射させて前記第一光フィルタを透過した光を前記分光器により分光し、前記複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する第一検出ステップと、
   前記第一検出ステップにおいて検出された前記複数の受光センサそれぞれによる受光強度と前記第一透過スペクトルとに基づいて、前記第一帯域において前記第一透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第一波長に対応する前記所定ライン上の第一位置を、前記複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求める第一解析ステップと、
   第二帯域において既知の第二透過スペクトルを有する第二光フィルタに白色光を入射させて前記第二光フィルタを透過した光を前記分光器により分光し、前記複数の受光センサそれぞれによる受光強度を検出する第二検出ステップと、
   前記第二検出ステップにおいて検出された前記複数の受光センサそれぞれによる受光強度と前記第二透過スペクトルとに基づいて、前記第二帯域において前記第二透過スペクトルがピークまたはボトムとなる第二波長に対応する前記所定ライン上の第二位置を、前記複数の受光センサの配置間隔より高い位置分解能で求める第二解析ステップと、
   前記第一解析ステップにおいて求められた前記第一位置および前記第一波長と、前記第二解析ステップにおいて求められた前記第二位置および前記第二波長とに基づいて、前記複数の受光センサそれぞれが受光する光の波長を校正する校正ステップと、
   を備えることを特徴とする分光装置校正方法。
2. 前記第一帯域における前記第一透過スペクトルおよび前記第二帯域における前記第二透過スペクトルそれぞれがガウシアンスペクトルであることを特徴とする請求項１に記載の分光装置校正方法。
3. 前記第一検出ステップにおいて、拡散板により拡散させた白色光を前記前記第一光フィルタに入射させ、
   前記第二検出ステップにおいて、拡散板により拡散させた白色光を前記前記第二光フィルタに入射させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置校正方法。
   

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