JP2015215196A - 分光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象光を光ファイバで凹面回折格子に導き、波長分散された光をフォトダイオードアレイで検出して測定対象光の波長スペクトル情報を得る分光センサにおける光学的分解能の向上とノイズレベルの低減を達成する。
【解決手段】光ファイバとしてバンドルファイバ４を用い、その出射側のバンドル端面４ａの形状を、回折格子２の溝の伸びる方向に一方の対角線を沿わせた菱形とし、スリットとしての機能を持たせることにより光ファイバとスリットとを実質的に一体化させ、光ファイバの偏心に伴うスリットとの位置ズレを防ぐとともに、回折格子２の形状精度が良好でない四隅付近への測定対象光の照射を制限し、光学的分解能の向上とノイズレベルの低減を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象光を光ファイバにより筐体内に導き、その筐体内に配置した回折格子とフォトダイオードアレイによって測定対象光の波長スペクトルを測定するための分光センサに関する。

分光法に基づく各種分析装置や、カラーセンサ、果実糖度計等においては、一般に、試料に測定光を照射し、その透過光もしくは反射光を分光して波長ごとの光強度を計測することにより、試料による光のスペクトル情報を得て、試料に含まれる成分や色情報の特定等を行っている。

このような分光法を用いた各種装置における測定光学系と光導入用光学系とをユニット化し、汎用的に用いることのできる製品として、分光センサ、あるいはポリクロメータ等と称されるものが知られている（例えば非特許文献１、特許文献１参照）。

分光センサの基本的な構造は、回折格子とフォトダイオードアレイとを筐体内に配置するとともに、測定対象となる光を光ファイバによってその筐体内に導き、入口スリットを介して回折格子に照射することによって分光し、分光後の光をフォトダイオードアレイで受光して電気信号に変換するものであり、これにより測定対象光の波長（エネルギ）スペクトルを表す信号が得られる。

測定対象光を筐体に導く光ファイバの先端は、ＳＭＡやＦＣコネクタで筐体に固定する構造が多用されており、その光ファイバのコネクタ前面の直近に、入口スリットとして長方形スリットを配置し、そのスリットを通過した光のみが回折格子に照射されるようになっている。なお、入口スリットのスリット形状は、上記した長方形の他、正方形、円形、菱形などが一般的に用いられ、光ファイバのＮＡ（開口数）や回折格子の形状により適宜に使い分けされている。

特開２００３−１３９６１１号公報

島津製作所ホームページ＞製品情報＞光学デバイス／レーザ機器＞分光センサ［online］平成２５年２月１５日検索 インターネット＜ＵＲＬ；http://www.shimadzu.co.jp/opt/products/optsens/index.html＞

ところで、上記したような分光センサでは、通常、外形が矩形の回折格子を有するものにあっては、矩形のスリット構造を持たせるものが多い。しかしながら、回折格子の表面の形状精度は一様ではなく、特に凹面回折格子では四隅付近の形状精度は中央に比して低く、この近辺に光が照射されると、光学的分解能を悪化させたり、迷光と呼ばれるノイズレベルを上げる原因となる。

また、光ファイバの先端を筐体に固定するために用いられるＳＭＡやＦＣコネクタは、メス側のコネクタが筐体に取り付けられ、そのメス側のコネクタに対し、光ファイバ端に取り付けられたオス側のコネクタを接続するのであるが、ＳＭＡコネクタの芯ズレにより回折格子の中心に光が当たらず、このことも分解能の低下やノイズレベルの上昇の原因となっている。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、測定対象光を光ファイバで筐体内の回折格子およびフォトダイオードアレイに導く分光センサにおける上記した問題を一挙に解消し、従来の光センサに比して光学的分解能を向上させ、かつ、ノイズレベルを低減させることのできる分光センサの提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の分光センサは、測定対象光を光ファイバを通じて筐体内の回折格子に導き、その回折格子により回折した光をフォトダイオードアレイで受光することによって、測定対象光の波長スペクトル情報を得るとともに、上記回折格子として、凹面回折格子を搭載した分光センサにおいて、上記光ファイバがバンドルファイバであり、かつ、そのバンドルファイバの出射側の端面形状が菱形であり、その一方の対角線が上記回折格子の溝の伸びる方向と一致するように当該出射側の端部が上記筐体に固定されていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記回折格子の外形形状が矩形であるものを用いること（請求項２）ができる。

また、本発明においては、上記フォトダイオードアレイとして、その各素子の受光面が、素子の配列方向への寸法よりもそれに直交する方向への寸法が長いものを用いるとともに、上記バンドルファイバの出射側の端面形状の菱形を、上記回折格子の溝の伸びる方向に沿った一方の対角線の長さが他方の対角線の長さよりも長い形状とすること（請求項３）が望ましい。

本発明は、測定対象光を筐体内の回折格子へと導く光ファイバをバンドルファイバとし、そのバンドル端面の形状によってスリットとしての機能を持たせ、そのスリット形状を菱形とすることで、前記した従来の問題点を解消しようとするものである。

すなわち、凹面回折格子は、平面回折格子に比して他に凹面鏡などの光学素子を必要とせず、分光センサのコンパクト化と構造の簡素化に有用である反面、前記したように四隅付近の形状精度が低くなる傾向にあるが、その凹面回折格子への測定対象光の照射領域を、バンドルファイバの端面形状によって菱形に制限する。これにより、凹面回折格子において比較的形状精度の低い四隅付近への光の照射が抑制される。また、凹面回折格子への光の照射領域の制限をバンドルファイバの端面形状により行い、実質的に光ファイバとスリットとを一体化しているので、光ファイバの偏心に伴うスリットとの位置ズレも生じることがない。以上の結果、光学的分解能の向上とノイズレベルの低減を実現できる。

ここで、本発明においては、凹面回折格子の外形形状については特に限定されるものではないが、矩形を基本とする外形形状の回折格子を用いることにより、筐体への組み付け時に、光の分散方向を決定づける溝の配列方向と、フォトダイオードアレイの素子の配列方向とを一致させることが容易となるという利点がある。請求項２に係る発明は、このような組み付けに際しての利点を奏しながら、その四隅付近への光の照射を抑制して光学的分解能の向上とノイズの低減を実現することができる。

また、フォトダイオードアレイの各素子の受光面形状は、光の分散方向に直交する方向に長くすることによって、入射光量の増大を可能とするように考慮され、回折格子により分散される光は、その素子の長手方向全域を照射するような広がり（厚み）を有することが望ましい。請求項３に係る発明はこの点を考慮したものであり、バンドルファイバの端面により形成される菱形は、回折格子の溝の伸びる方向、つまり光の分散方向に直交する方向の対角線を他方の対角線よりも長くして、これにより、フォトダイオードアレイの素子の長手方向全域に分散後の光が照射され、フォトダイオードアレイの各素子の受光面形状と相俟って各素子の受光量を十分に大きくすることができる。

本発明によれば、光学系をコンパクトで簡素なものとすることのできる凹面回折格子を用いて、その凹面回折格子に対して測定対象光をバンドルファイバで導くとともに、そのバンドルファイバの端面形状を、一方の対角線が回折格子の溝の伸びる方向に沿った菱形とし、バンドルファイバとスリットとを実質的に一体化した構造としているので、光ファイバの芯ズレによる組み付け精度の悪化の虞がなく、凹面回折格子の四隅部分を除く領域に確実に測定対象光が照射される結果、高い分解能で低いノイズレベルのもとに測定対象光の波長（エネルギ）スペクトルを得ることができる。

本発明の実施形態の説明図であって、（ａ）は模式的構成図、（ｂ）はバンドルファイバ出射側の端面形状を示すＢ矢視拡大図を示す。 本発明の実施形態と、比較例としてスリット形状が矩形時の、特定波長の回折光のフォトダイオードアレイ上での光量分布のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）は比較例の結果、（ｂ）は本発明の実施形態での結果を示す。 本発明の実施形態と、比較例としてスリット形状が矩形時の、フォトダイオードアレイ上での特定の波長の光の理論上の微小領域に入射した光の波長分布のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）は比較例の結果、（ｂ）は本発明の実施形態での結果を示す。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１（ａ）に実施形態の模式的構成図を示し、同図（ｂ）にはそのバンドルファイバの出射側の端面形状をＢ矢視拡大図で示す。図１（ａ）に示す通り、筐体１内には回折格子２とフォトダイオードアレイ３が配置されており、その筐体１内にバンドルファイバ４を通じて測定対象光が導かれ、回折格子２に照射される。

回折格子２は、球状の凹面に互いに平行な多数の溝を形成した凹面回折格子であり、各溝は図１（ａ）において紙面に直交する方向に形成されており、したがってこの回折格子２に光が照射されることにより、その光は紙面に平行な方向に波長分散された回折光となる。この例においては、回折格子２の外形形状は矩形である。

フォトダイオードアレイ３の各素子の配列方向は回折格子２による波長の分散方向と同方向であり、その各素子の受光面は、素子の配列方向に直交する方向の寸法が素子の配列方向の寸法よりも長い長方形である。

バンドルファイバ４の出射側のバンドル端面４ａは端末金具５によって束ねられており、この端末金具５は例えばその外周に形成されたフランジ５ａにおいて筐体１にねじ（図示略）によって固定されている。このバンドル端面４ａの形状は図１（ｂ）に示すように菱形とされている。この菱形は、回折格子２の溝の伸びる方向に一方の対角線が沿う姿勢となるように、端末金具５が筐体１に対して固定される。このバンドル端面４ａは直接的に回折格子２に所要の角度で対向し、伝送される測定対象光の回折格子２への照射領域を制限するスリットとしての機能を有し、実質的に光ファイバとスリットとを一体化したものと言える。そして、この菱形は、回折格子２の溝の伸びる方向に沿った上記の対角線が、他方の対角線よりも長く形成されている。

以上の実施の形態において、測定対象光は、例えば光源からの光を試料に照射して得られる透過光であって、その透過光は、集光レンズ等でバンドルファイバ４の入射側端面４ｂに集光されることによりバンドルファイバ４内に取り込まれる。

バンドルファイバ４により筐体１内に導かれた測定対象光は、矩形の回折格子２の表面のうち、出射側のバンドル端面４ａの形状に応じた菱形領域に照射され、波長ごとに分散されてフォトダイオードアレイ３の各素子に受光されて、波長スペクトルを表す信号に変換される。この測定動作において、矩形の回折格子２への測定対象光の照射領域は、菱形、つまり比較的形状精度の低い四隅付近を除いた領域であるため、得られる回折光中での波長の空間分解能が高く、かつ、ノイズレベルも低くなる。また、バンドル端面４ａの形状を回折格子２の溝の伸びる方向と同方向に長い菱形とし、フォトダイオードアレイ３の各素子の受光面を同方向に長い形状としているため、各素子には十分な光量の光が入射し、高分解能かつ低ノイズでありながら感度を低下させることもない。

図２、図３に本発明の菱形のバンドル端面を用いた場合と、比較例として、バンドルファイバを用いるがそのバンドル端面を回折格子の溝方向に沿った細長い矩形とした場合のシミュレーション結果を示す。これらの各図において（ａ）は比較例、（ｂ）に本発明の実施の形態の結果を示している。

図２は、回折格子２による回折光のうち、波長４００ｎｍの光のフォトダイオードアレイ３の受光面上での空間濃度（光量）分布のシミュレーション結果を表すグラフであり、図３は、回折格子２による回折光のうち、４００ｎｍの波長の光が入射すべきフォトダイオードアレイ３の受光面上での理論上の微小領域に入射した光の波長分布を表すグラフである。

これらの図から明らかなように、バンドル端面の形状を菱形にすることによって、矩形の場合に比して回折格子２による回折光の波長ごとの分解能が向上することが確かめられた。これは、回折格子２上で比較的形状精度の低い四隅部分への測定対象光の入射を確実に抑制することができる結果であると推定できる。

ここで、以上の実施の形態においては、回折格子２として外形形状が矩形のものを用いた例を示したが、このような矩形の回折格子２を使用すれば、溝の配列方向を正しく組み付けるための作業が容易化されて好ましい。しかしながら本発明は、この回折格子の外形形状については特に限定されるものではなく、例えば矩形を基本としてその四隅部分を切欠いた概略八角形のものなどを等しく用いることができる。さらに、回折格子２として球状の凹面に互いに平行な多数の溝を形成した凹面回折格子を用いた例を示したが、本発明においては、溝が形成される凹面は球面に限定されるものではなく、非球面であってもよい。

１ 筐体
２ 回折格子
３ フォトダイオードアレイ
４ バンドルファイバ
４ａ 出射側のバンドル端面
４ｂ 入射側のバンドル端面
５ 端末金具
５ａ フランジ

Claims (3)

1. 測定対象光を光ファイバを通じて筐体内の回折格子に導き、その回折格子により回折した光をフォトダイオードアレイで受光することによって、測定対象光の波長スペクトル情報を得るとともに、上記回折格子として、凹面回折格子を搭載した分光センサにおいて、
   上記光ファイバがバンドルファイバであり、かつ、そのバンドルファイバの出射側の端面形状が菱形であり、その一方の対角線が上記回折格子の溝の伸びる方向と一致するように当該出射側の端部が上記筐体に固定されていることを特徴とする分光センサ。
2. 上記回折格子の外形形状が矩形であることを特徴とする請求項１に記載の分光センサ。
3. 上記フォトダイオードアレイの各素子の受光面は、素子の配列方向への寸法よりもそれに直交する方向への寸法が長く、上記バンドルファイバの出射側の端面形状の菱形は、上記回折格子の溝の伸びる方向に沿った一方の対角線の長さが他方の対角線の長さよりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の分光センサ。