JP2019039957A - 光学フィルタ及びこれを用いた測定装置の校正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造を容易化しつつ、低透過率であって特定の波長領域においては定常の透過率を有することのできる光学フィルタを提供すること、及び、この光学フィルタを用いて、容易に且つ高精度に校正を行うことのできる測定装置の校正方法を提供すること。【解決手段】光学フィルタ１は、光透過性を有する基材２と、基材２の一面に設けられ、第１の波長領域及び第２の波長領域で、同じ透過率で且つ定常な透過率特性を有しつつ、全体の波長領域において光量を低下させる吸収膜３と、基材２の他面に設けられ、第１の波長領域及び第２の波長領域でそれぞれ定常な透過率特性を有する誘電体多層膜４と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、光学フィルタ及びこれを用いた測定装置の校正方法に関する。
近年、例えば農業分野において作物の生育状況を把握するために、作物の葉等に波長の異なる２種類の測定光を照射し、２つの異なる波長の反射率（光量）に基づいて正規化差植生指数（ＮＤＶＩ）を求める植物用センサ装置が知られている（特許文献１参照）。
このような測定対象に測定光を照射し、その反射光に基づいて測定対象の状態を把握する測定装置では、反射光の状態と測定対象物の状態との関連を事前に設定する必要がある。そこで、種々の光学フィルタを使用して、装置の校正が行われる。光学フィルタの種類として、例えば、高波長フィルタ、低波長フィルタ、バンドパスフィルタ、偏向フィルタ、ＮＤフィルタ等がある。
光学フィルタは、その種類に応じて様々な効果を得ることが可能である。例えば、透過する光量を低下させるＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタと、透過光の波長を選択する機能を有する透過光選択フィルタを組み合わせることで、特定の波長領域の光を得ることのできる光学フィルタが開発されている（特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献１のような植物用センサ装置が受光する反射光は光量が非常に低く、その中の特定の波長領域の光に基づいて測定を行うため、校正に用いる光学フィルタは、低い透過率である必要がある。また、測定時の温度環境や対象物の状態、光学システム（光源・センサなど）の製造のばらつき等を許容するためにも、校正に用いる光学フィルタは、測定に用いる特定の波長を含むある程度幅を持った波長領域において定常な透過率を有する必要がある。
これに対して、特許文献２に記載されているようなＮＤフィルタは、分光透過率が全く定常的ではなく波長に応じて透過率が大きく変化する。また、ＮＤフィルタは、その厚さによっても透過率が大きく変化するため、異なる波長領域で異なる透過率を実現するＮＤフィルタを製造するのは困難であるという問題がある。
ＮＤフィルタに限らず、一つのフィルタで、低い透過率を有しつつ特定の波長領域の透過率を定常とすることは設計することは可能であっても、フィルタ作製時の微妙な誤差でも定常性が崩れるため、実際に製造するには非常に高い精度が必要なるという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは製造を容易化しつつ、低透過率であって特定の波長領域においては定常の透過率を有することのできる光学フィルタを提供することにある。また、この光学フィルタを用いて、容易に且つ高精度に校正を行うことのできる測定装置の校正方法を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係る光学フィルタでは、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に設けられ、少なくとも２以上の所定の波長領域で、同じ透過率で且つ定常な透過率特性を有しつつ、全体の波長領域において光量を低下させる吸収膜と、前記基材の他面に設けられ、前記２以上の所定の波長領域で、それぞれ定常な透過率特性を有する誘電体多層膜と、を備える。
また、上記光学フィルタとして、前記基材は、前記一面側の第１の基材と、前記他面側の第２の基材とを貼り合わせて構成されていてもよい。
また、上記光学フィルタとして、前記吸収膜及び前記誘電体多層膜における定常な透過率特性は、透過率±０．１％の範囲で定常であるのが好ましい。
また、上記光学フィルタとして、前記誘電体多層膜は、前記２以上の所定の波長領域でそれぞれ異なる透過率で定常な透過率特性を有していてもよい。
または、上記光学フィルタとして、前記誘電体多層膜は、前記誘電体多層膜は、前記２以上の所定の波長領域でそれぞれ同じ透過率で定常な透過率特性を有していてもよい。
また、上述の光学フィルタを用いた測定装置の校正方法としては、測定対象に測定光を照射し、その反射光に基づいて測定対象の状態を測定する測定装置の校正方法であって、前記測定装置の受光部に、光量を低下させ且つ２以上の所定の波長領域で定常な透過率特性を有する光学フィルタを設けた上で、試験体に前記測定光を照射し、その反射光を受光する受光工程と、前記受光工程にて受光した反射光の前記２以上の所定の波長領域における光量比に基づいて校正を行う校正工程と、を備える。
上記手段を用いる本発明に係る光学フィルタによれば、製造を容易化しつつ、低透過率であって特定の波長領域においては定常の透過率を有することができる。また、本発明に係る測定装置の校正方法によれば、この光学フィルタを用いて、容易に且つ高精度に校正を行うことができる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１には本実施形態に係る光学フィルタの概略断面図が示されており、図２には（ａ）吸収膜、（ｂ）誘電体多層膜、（ｃ）光学フィルタ、それぞれの透過率特性を示す説明図が示されている。これらの図に基づき光学フィルタの構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る光学フィルタ１は、基材２と、基材２の一面に設けられた（光）吸収膜３と、基材２の他面に誘電体多層膜４とを有する。
基材２は、例えば厚さ２ｍｍ程度のガラス板であり、後述する吸収膜３及び誘電体多層膜４を保持するための強度を有しており且つ光透過性を有する素材からなる。なお、基材２はガラス板に限られず、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリオレフィン等の有機材料であってもよい。また、基材の強度を向上させるために、これらの材料にガラス繊維やカーボン繊維等を混入させたり、複数貼り合わせた積層体とすることで強度を向上させた複合材であってもよい。
吸収膜３は、金属膜を誘電体膜で挟んだ３層の積層体である。本実施形態の吸収膜３は、金属膜としてニオブ（Ｎｂ）を用い、誘電体膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いているが、素材はこれに限られるものではない。このように構成された吸収膜３は、入射された光の一部が金属膜によって吸収され、残りの光が金属膜を透過する性質を有するため、全体の波長領域において光量を低下させる機能を有している。
また、特に本実施形態の吸収膜３は、図２（ａ）に示すように、７２０〜７４０ｎｍの第１の波長領域と、８００〜８２０ｎｍの第２の波長領域の２つの波長領域において、同じ約５．９０％の透過率で定常な透過率特性を有するように、各膜の厚さ等が設定されている。なお、本実施形態において定常な透過率特性とは、透過率が少なくとも±０．１％の範囲で定常であることをいう。
誘電体多層膜４は、高屈折率の透明誘電体材料からなる誘電体膜と、低屈折率の透明誘電体材料からなる誘電体膜とを交互に１６層貼り合わせた積層体である。本実施形態の高屈折率誘電体膜は五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）であり、低屈折率誘電体膜は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。
誘電体多層膜４は、入射された光が高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜の境界で反射を生じる。積層された各層で反射を生じることで、位相が揃った反射光は強め合い、位相が揃わない反射光は打ち消しあう。これにより所定の波長領域の光の透過率を調整している。
特に本実施形態の誘電体多層膜４は、図２（ｂ）に示すように、第２の波長領域では定常に１００％に近いの透過率を有する一方で、８００ｎｍ以下の波長領域において透過率が低下し、特に第１の波長領域においては、約６８％の透過率で定常な透過率特性を有するように、各膜の厚さ等が設定されている。
なお、図２（ｂ）では、一点鎖線で吸収膜３の透過率特性も示されているが、図２（ｂ）の透過率のスケールで見ると、吸収膜３は誘電体多層膜４に比べて非常に低い透過率であり、ほぼ一定の透過率特性を有しているように示される。
このように構成された光学フィルタ１は、元々は基材２が図１にて一点鎖線にて示される貼り合わせ面Ａを境に一面側の第１の基材２ａと他面側の第２の基材２ｂとが分かれており、吸収膜３を積層した第１の基材２ａと、誘電体多層膜４を積層した第２の基材２ｂとを貼り合わせる形で作製されている。そのため、事前に吸収膜３を積層した第１の基材２ａと、誘電体多層膜４を積層した第２の基材２ｂとを複数作製しておき、図２（ａ）、（ｂ）に示したような所望の透過率特性を高精度で有している吸収膜３及び誘電体多層膜４を選択して、それらの第１の基材２ａと第２の基材２ｂとを貼り合わせることで、高精度な光学フィルタ１を製造可能である。
そして、吸収膜３及び誘電体多層膜４を有する光学フィルタ１としての透過率は、図２（ｃ）に示すように、主に吸収膜３の機能により全体の波長領域（図２（ｃ）では７００〜８４０ｎｍ）において、４〜６％程度の低い透過率を実現している。また、主に誘電体多層膜４の機能により２段階の透過率特性を示しており、特に第１の波長領域では約４．５％、第２の波長領域では約５．９％の定常な透過率特性を有している。
このように、光学フィルタ１は、一つのフィルタとしては製造が困難であった低透過率と定常性を、吸収膜３と誘電体多層膜４との組み合わせにより実現することができている。つまり、吸収膜３においては、段階的な透過率を有する必要はなく、少なくとも第１の波長領域及び第２の波長領域で、同じ透過率で且つ定常な透過率を有しつつ、全体の波長領域において光量を低下させることを実現すればよい。一方、誘電体多層膜４は、全体としての透過率を下げる必要はなく、第１の波長領域と第２の波長領域とで異なる透過率で定常な透過率特性を実現すればよい。このような吸収膜３及び誘電体多層膜４は、容易に製造可能な範囲である。
これにより、一つのフィルタとして製造するよりも容易に且つ高精度に低透過率と定常性を有した光学フィルタ１を製造することができる。
また、特に基材２を第１の基材２ａ及び第２の基材２ｂを貼り合わせる形で光学フィルタ１を構成することで、最適な吸収膜３と最適な誘電体多層膜４とを容易に組み合わせることができ、より確実に高精度な光学フィルタ１を製造することができる。さらに、透過率特性の異なる光学フィルタを製造する場合には、吸収膜及び誘電多層膜のいずれか一方を変更するだけで容易に製造できる。
また、吸収膜３及び前記誘電体多層膜４における定常な透過率特性は、透過率±０．１％の範囲で定常とすることで、光学フィルタ１として第１の波長領域及び第２波長領域にて十分な定常性を確保することができる。そして、ある程度の幅（本実施形態では２０ｎｍ）を持つ第１の波長領域及び第２波長領域にて透過率の定常性を保つことで、当該光学フィルタ１を測定装置の校正等に用いた際にも、測定時の温度環境や対象物の状態、光学フィルタ自体の製造のばらつき等を許容することができる。
また、誘電体多層膜４が、第１の波長領域と第２の波長領域とで異なる透過率で定常な透過率特性を有することで、後述する測定装置の校正方法で使用する際に、一方の波長領域を基準とし、他方の波長領域の光に基づいた校正を行うことができる。
さらに、誘電体多層膜４は、第１の波長領域と第２の波長領域とで同じ透過率で定常な透過率特性を有してもよく、この場合の光学フィルタは、後述する測定装置の校正方法で使用する際に、校正の基準を作成するのに用いることができる。
続いて、上記実施形態の光学フィルタ１を用いた、測定装置の校正方法について説明する。
ここで図３及び図４を参照すると、図３には植物用センサ装置の校正方法についての説明図が示されており、図４には植物用センタ装置に対して３種類の光学フィルタを用いた場合のそれぞれの透過率特性を示す説明図が示されている。以下、これらの図に基づき植物用センサ装置の構成及び、当該装置の校正方法について説明する。
まず植物用センサ装置１０は、植物の中でも特に農作物の生育状況を把握するために、例えば、野菜等の農作物に含まれる栄養素の量を測定する装置である。農業に携わる者は、生育状況に関する情報を活用することで、肥料の投与量や投与タイミング等を適切に管理することが可能となる。また、この情報を通信等により他の装置、例えば、肥料散布機に送信することで、肥料の投与を自動で効率的に行うようにすることも可能である。
生育状況に関する情報は、互いに異なる２つの波長を用い、農作物の反射率によって求めることが可能である。具体的には、生育状況測定対象の生育状況を的確に示していると言われている正規化差植生指数｛（近赤外波長の反射率−赤波長の反射率）／（近赤外波長の反射率＋赤波長の反射率）｝を求める。
そこで、植物用センサ装置１０は、第１の測定光Ｌ１の発光強度のピーク波長を上記第１の波長領域に含まれる赤波長（７３０ｎｍ）、第２の測定光Ｌ２のピーク波長を上記第２の波長領域に含まれる近赤外波長（８０５ｎｍ）としている。
具体的には図３に示すように、本実施形態に係る植物用センサ装置１０は、第１の測定光Ｌ１を発光する第１の発光部１１と、第２の測定光Ｌ２を発光する第２の発光部１２と、第１の測定光Ｌ１及び第２の測定光Ｌ２が対象物に当たり反射された反射光Ｒを受光する受光部１３と、これら各部の制御を行うとともに農作物の生育状態を解析する制御部１４とを有している。
このように構成された植物用センサ装置１０は、第１の発光部１１から照射する第１の測定光Ｌ１、第２の発光部１２から照射される第２の測定光Ｌ２を、交互に一定の時間及び間隔をもって測定対象である農作物に照射する。
そして、農作物からの反射光は、受光部１３で受光され、光電変換された後、デジタル信号に変換されて制御部１４に入力される。
制御部１４は、取得したデジタル信号をもとに、農作物の生育状況に関する情報の処理を行い、図示しない通信インターフェイスを介して外部の装置（例えば、肥料を投与する装置）に出力する。
このように構成された植物用センサ装置１０に対し、例えば製品出荷前に反射光Ｒと農作物の生育状況との関連付けの設定を行うべく、受光部１３に光学フィルタを設けて校正を行う。この校正の際には複数の光学フィルタを用いて行うのが好ましく、本実施形態では第１の光学フィルタ１ａ、第２の光学フィルタ１ｂ、第３の光学フィルタ１ｃの３種類を用いる場合について説明する。
各光学フィルタは上述の光学フィルタ１と同じ原理で製造されたものであり、第２の波長領域においてはいずれも透過率が約５．９％で定常性を有している点で共通しているが、主に第１の波長領域の透過率がそれぞれ異なっている。具体的には、図４に示すように、第１の光学フィルタ１ａは第１の波長領域と第２の波長領域の透過率が同じ（約５．９％）ものであり、第２の光学フィルタ１ｂは上述の光学フィルタ１と同じ透過率特性であり、第３の光学フィルタ１ｃは第２の光学フィルタ１ｂよりも第１の波長領域の透過率が低い（約３．５％）ものである。
以下に、校正の手順について説明する。
まずは、第１の光学フィルタ１ａを受光部１３前に設けた状態で、第１の発光部１１より第１の測定光Ｌ１を試験体Ｔに照射する。なお、光学フィルタは特に表裏はなく、吸収層側、誘電多層膜側のどちらを受光部１３側に設けてもよい。
試験体Ｔは例えば白色の板であり、当該試験体Ｔにより反射された反射光Ｒを第１の光学フィルタ１ａを通して、受光部１３が受光する（受光工程）。このとき受光される反射光Ｒ（以下、反射光Ｒ１ａとする）は、第１の光学フィルタ１ａにより第１の測定光Ｌ１の波長に対応している第１の波長領域の透過率で光量が低減される。これにより、制御部１４は、第１の発光部１１から照射される第１の測定光Ｌ１の光量と、受光部１３にて受光された反射光Ｒ１ａの光量から、赤波長の反射率が算出可能となる。
続いて、第２の発光部１２より第２の測定光Ｌ２を試験体Ｔに照射し、この反射光Ｒ（以下、反射光Ｒ１ｂとする）を第１の光学フィルタ１ａを通して、受光部１３が受光する（受光工程）。この際受光される反射光Ｒは、第１の光学フィルタ１ａにより第２の測定光Ｌ２の波長に対応する第２の波長領域の透過率で光量が低減される。これにより、制御部１４は、第２の発光部１２から照射される第２の測定光Ｌ２の光量と、受光部１３にて受光された反射光Ｒ１ｂの光量から、近赤外波長の反射率が算出可能となる。
そして、受光部１３にて受光した各反射光Ｒ１ａ、Ｒ１ｂの光量比に基づいて正規化差植生指数を算出し、これに対応する生育状態を校正する（校正工程）。
これと同様に、第２の光学フィルタ１ｂ及び第３の光学フィルタ１ｃを通しての反射光Ｒの受光を行い、各反射光Ｒに基づく正規化差植生指数を算出し、それぞれ対応する生育状態を校正する。
このように、農作物と同程度の光量まで低下させる透過率を有し、且つ生育状況に影響する２つの波長領域において定常な透過率を有する光学フィルタ１ａ、１ｂ、１ｃを用いることで、透過率が共通する一方の波長領域（第２の波長領域）を基準として、各波長領域における光量比を求めることができる。このような光量比に基づき、反射光と生育状態との関係についての校正を行うことで、容易且つ高精度な校正を行うことができる。
以上で本発明の一実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、光学フィルタ１は第１の波長領域と第２の波長領域において定常な透過率特性を有しているが、定常な透過率特性を有する所定の波長領域は２つに限られるものではなく、３以上としてもよい。
また、上記実施形態では、植物用センサ装置１０についての校正方法について説明したが、本発明の光学フィルタを用いて校正可能な測定装置はこれに限られるものではない。例えば、コンクリートの劣化判定や、部品の良否判定等、測定対象に測定光を照射し、その反射光に基づいて測定対象の状態を把握する測定装置であれば適用可能である。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 光学フィルタ
２ 基材
３ 吸収膜
４ 誘電体多層膜
１０ 植物用センサ装置
１１ 第１の発光部
１２ 第２の発光部
１３ 受光部
１４ 制御部
Ａ 貼り合わせ面
Ｌ１ 第１の測定光
Ｌ２ 第２の測定光
Ｒ 反射光
Ｔ 試験体
２ 基材
３ 吸収膜
４ 誘電体多層膜
１０ 植物用センサ装置
１１ 第１の発光部
１２ 第２の発光部
１３ 受光部
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Ａ 貼り合わせ面
Ｌ１ 第１の測定光
Ｌ２ 第２の測定光
Ｒ 反射光
Ｔ 試験体
Claims (6)
- 光透過性を有する基材と、
前記基材の一面に設けられ、少なくとも２以上の所定の波長領域で、同じ透過率で且つ定常な透過率特性を有しつつ、全体の波長領域において光量を低下させる吸収膜と、
前記基材の他面に設けられ、前記２以上の所定の波長領域で、それぞれ定常な透過率特性を有する誘電体多層膜と、
を備える光学フィルタ。 - 前記基材は、前記一面側の第１の基材と、前記他面側の第２の基材とを貼り合わせて構成されている請求項１に記載の光学フィルタ。
- 前記吸収膜及び前記誘電体多層膜における定常な透過率特性は、透過率±０．１％の範囲で定常である請求項１又は２記載の光学フィルタ。
- 前記誘電体多層膜は、前記２以上の所定の波長領域でそれぞれ異なる透過率で定常な透過率特性を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 前記誘電体多層膜は、前記２以上の所定の波長領域でそれぞれ同じ透過率で定常な透過率特性を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 測定対象に測定光を照射し、その反射光に基づいて測定対象の状態を測定する測定装置の校正方法であって、
前記測定装置の受光部に、光量を低下させ且つ２以上の所定の波長領域で定常な透過率特性を有する光学フィルタを設けた上で、試験体に前記測定光を照射し、その反射光を受光する受光工程と、
前記受光工程にて受光した反射光の前記２以上の所定の波長領域における光量比に基づいて校正を行う校正工程と、
を備える測定装置の校正方法。
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