JP2022043483A - 分光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトルから把握することが難しい情報を取得できる分光測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る分光測定装置の一態様は、レーザ光である被測定光を波長分散する回折格子（１１２）と、回折格子で波長分散された光を同時に検出するための複数の受光素子を有する検出部（１２）と、複数の受光素子の出力信号に基づいて、前記レーザ光のスペクトルを繰り返し作成するスペクトル作成部（２１）と、スペクトル作成部でスペクトルが作成される毎に、前記複数の受光素子の出力信号を合算して光強度を算出する光強度算出部（２２）と、光強度算出部が算出した光強度の時間的な経過を示すトレンドグラフを作成するグラフ作成部（２３）と、スペクトル作成部で得られたスペクトルと、グラフ作成部が作成したトレンドグラフを、表示部の同一の画面上にリアルタイムで表示する表示処理部（２４）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、分光測定装置に関する。

レーザは、精密光学機器のほか、光通信、印刷、医療、機械加工などの様々な分野で広く利用されており、近年、その利用範囲はますます拡大している。レーザ装置の研究・開発、製造工程における調整、或いは品質評価・管理などの際には、レーザ光の発光スペクトルのモニタリングが不可欠であり、光スペクトラムアナライザと呼ばれる一種の分光測定装置が広く使用されている。光スペクトラムアナライザは、光ファイバ等により入力された被測定光の光強度分布（光スペクトル）を測定して表示する装置であり、スペクトル上でピーク波長やピーク幅、或いは光強度の確認などが可能である。

一般的な光スペクトラムアナライザはレーザ装置のみならず様々な光デバイスの解析や評価を目的としているため、詳細な解析には向いているものの、リアルタイム性に劣る傾向にある。これに対し、リアルタイム性をより重視した分光測定装置として、装置に入力された被測定光について所定波長範囲に亘る光強度を同時に測定可能であるマルチチャンネル分光器と呼ばれる装置が知られている（非特許文献１など参照）。こうした分光測定装置は、主として、発光、吸収、反射等のスペクトルを略リアルタイムで測定するために利用されている。また、波長分解能を高めることによって、ピーク波長幅の狭いレーザ光のモニタなどに対応したマルチチャンネル分光器も開発されている。

「PMA-12 マルチチャンネル分光器シリーズ」、［online］、［2020年2月3日検索］、浜松ホトニクス株式会社、インターネット＜URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/sys/SDSS0008J_PMA12.pdf＞

上述したような高波長分解能のマルチチャンネル分光器では、入力されたレーザ光の光スペクトルをほぼリアルタイムでユーザに提示することができるため、例えばレーザ装置の調整を行うような場合に有用である。しかしながら、例えばレーザ加工機に用いられるＤＤＬ（ダイレクト・ダイオード・レーザ）、画像投影に用いられるマルチカラーレーザ、計測器に利用されるレーザモージュール等の装置では、レーザ光の出力が安定しているか否かの評価が必要であるが、リアルタイムで表示されるスペクトルからは、そのような情報は把握することができない。

本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その目的は、スペクトルから把握することが難しい情報を取得できる分光測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置の一態様は、
レーザ光である被測定光を波長分散する回折格子と、
前記回折格子で波長分散された光を同時に検出するための複数の受光素子を有する検出部と、
前記複数の受光素子の出力信号に基づいて、前記レーザ光のスペクトルを繰り返し作成するスペクトル作成部と、
前記スペクトル作成部でスペクトルが作成される毎に、前記複数の受光素子の出力信号を合算して光強度を算出する光強度算出部と、
前記光強度算出部が算出した光強度の時間的な経過を示すトレンドグラフを作成するグラフ作成部と、
前記スペクトル作成部で得られたスペクトルと、前記グラフ作成部が作成したトレンドグラフを、表示部の同一の画面上にリアルタイムで表示する表示処理部と
を備えるものである。

上記態様の分光測定装置では、装置に入射したレーザ光である被測定光は回折格子で波長分散された後、検出部の各受光素子に到達する。各受光素子は、そこに入射した光の強度に応じた信号を出力する。検出部の受光素子の各々には、被測定光の波長範囲内でそれぞれ異なる波長の光が到達するため、複数の受光素子の出力信号から被測定光のスペクトルを取得することができる。

しかしながら、上記態様の分光測定装置で使用される回折格子は波長によって回折効率が異なる。また、一般的に検出部はＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサ等の半導体検出器が用いられるが、半導体検出器は波長によって感度特性が異なることが知られている。したがって、受光素子によっては、その出力信号が入射した光の強度を反映しない場合がある。これに対して、レーザ光のような波長範囲の狭い光の場合は、回折格子の回折効率、受光素子の感度特性に及ぼす波長の影響が小さいため、受光素子に入力した光の強度と出力信号との間にほぼ一定の相関がみられる。本願発明者は、こうした点に着目し、スペクトルをリアルタイムで取得するためのデータを、被測定光の強度を算出するために利用することに想到した。

つまり、本発明に係る上記態様の分光測定装置では、被測定光としてレーザ光が与えられると、スペクトルが更新される毎に、そのスペクトルを取得する元となったデータから被測定光の光強度が算出され、その時間的な経過を示すトレンドグラフがスペクトルとともに表示部の同一画面上に表示される。したがって、ユーザは表示部の画面上でリアルタイムに測定対象のレーザ光の強度を確認することができる。

本発明の一実施形態である分光測定装置の要部の構成図。 本実施形態の分光測定装置におけるマルチチャンネル分光器の概略光路構成図。 本実施形態の分光測定装置における表示画面の一例を示す図。

以下、本発明に係る分光測定装置の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。

［本実施形態の分光測定装置の構成］
図１は、本実施形態である分光測定装置の要部の構成図である。
図１に示すように、本装置は、マルチチャンネル分光器１と、データ処理部２と、制御部３と、操作部４と、表示部５と、を備える。マルチチャンネル分光器１は、被測定光を入力するための光ファイバが接続される光入力用コネクタ１０と、入力された被測定光を波長分散する分光部１１と、波長分散光を検出するマルチチャンネル型の検出部１２と、を含む。データ処理部２は、機能ブロックとして、データ記憶部２０、スペクトル作成部２１、光強度算出部２２、トレンドグラフ作成部２３、及び、表示処理部２４、を含む。

データ処理部２及び制御部３はＣＰＵ等から成るコンピュータをハードウェア資源とし、該コンピュータに搭載されたソフトウェアに従ってそれぞれの機能を実現するものとすることができる。

図２は、図１中のマルチチャンネル分光器１における概略光路構成図である。
分光部１１はツェル二ターナー型の分光器であり、入射スリット１１０、第１凹面鏡１１１、回折格子１１２、第２凹面鏡１１３、及び回動部１１４、を含む。回折格子１１２は、モータ等を含む回動部１１４により所定角度範囲で回動自在である。検出部１２は、所定の波長範囲の光を一斉に検出可能であるように、波長分散方向に多数の受光素子が配置されたリニアセンサである。ＣＭＯＳリニアセンサ、ＣＣＤリニアセンサ等を用いることができる。

［本実施形態の分光測定装置の測定動作］
本実施形態の分光測定装置のマルチチャンネル分光器１における通常の測定動作を、図２を参照して簡単に説明する。被測定光（マルチモードレーザ光等）の測定時には、該被測定光を入力するための光ファイバが光入力用コネクタ１０に接続される。
ユーザは操作部４において所定の操作を行うことで、測定のための所定のパラメータを入力する。具体的に、ここでは、測定対象である波長範囲の中心波長、露光時間などのパラメータについて、予め用意された複数の選択肢から選択する。

制御部３は回動部１１４を制御して、回折格子１１２の回折面が第１凹面鏡１１１に対して所定の初期角度になるようにする。このときの初期角度は、はじめに選択された波長範囲の中心波長に応じたものである。測定が開始され、光ファイバを通して被測定光が本装置に導入されると、該被測定光は入射スリット１１０を通して分光部１１内に導入される。

分光部１１内において被測定光はまず第１凹面鏡１１１に当たり、反射されて回折格子１１２の回折面に向かって進行する。このときの被測定光はほぼ平行光である。回折格子１１２の回折面に当たった被測定光は波長分散され、第２凹面鏡１１３に送られる。第２凹面鏡１１３に当たった波長分散光はそれぞれ収束されつつ反射され、検出部１２の各受光素子に到達する。検出部１２の各受光素子には、所定の波長範囲λ1～λ2内でそれぞれ異なる波長の光が到達する。受光素子はそれぞれ入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。

この検出信号は波長範囲λ1～λ2の光のスペクトルに相当する。データ処理部２においてデータ記憶部２０は、検出部１２の各受光素子で得られた検出信号をデジタル化したうえでその値（強度値、又はカウント値）を一旦記憶する。このとき、検出部１２では、はじめに選択された露光時間だけ受光信号を蓄積（つまり積分）して検出信号を生成する。したがって、入射する光の強度が弱い場合には、露光時間を長くすることで高い強度（又は大きいカウント値）の検出信号を得ることができる。被測定光が単一レーザ光である場合には、通常、この一つの波長範囲で光スペクトルを十分にカバーすることができる。

一方、異なる中心波長のレーザ光が結合された光が被測定光である場合には、異なる波長範囲に対する検出信号の取得を繰り返す。即ち、回折格子１１２の位置（角度）を固定した状態で所定の波長範囲に亘る検出信号が得られると、制御部３は回動部１１４を制御して、第１凹面鏡１１１から到来する被測定光に対する回折格子１１２の回折面の角度を所定角度だけ変化させる。これによって、回折格子１１２から第２凹面鏡１１３へと送られる波長分散光の波長範囲が変化する。このため、検出部１２の各受光素子では、上記波長範囲λ1～λ2とは異なる波長範囲（例えばλ3～λ4。なお、波長λ2と波長λ3は同じでもよく、異なっていても良い）の光に対する検出信号が得られる。

こうして回折格子１１２を所定角度ずつ回動させながら、検出部１２による検出信号の取得を繰り返す。それによって、データ記憶部２０は、はじめに選択された波長範囲全体に亘る光のスペクトルを表すデータを収集することができる。所定の波長範囲に亘るデータの収集が終了すると、光強度算出部２２は、その波長範囲に亘るデータから各受光素子に入射した光の強度値又はカウント値を求めるとともに、それらの値を合算して被測定光の光強度を算出する。このとき、光強度算出部２２は、各受光素子から得られたデータを、その受光素子の暗電流信号に基づき補正した上で、光強度値又はカウント値を求める。各受光素子の暗電流信号の値は、データ記憶部２０に予め記憶されていてもよく、被測定光の測定動作を実施する都度、測定しても良い。

光強度算出部２２による被測定光の光強度の算出が終了したならば、制御部３は回折格子１１２を初期位置に戻し、上述した測定を繰り返す。これによって、所定の波長範囲に亘る光スペクトルのデータ、及び光強度値（又はカウント値）が、所定時間間隔で以て繰り返し得られる。

［本実施形態の分光測定装置における表示処理］
次に、上述したように得られたデータに基いてデータ処理部２で実施される表示処理動作について説明する。図３は表示部５の表示画面の一例を示す図である。図３では、光強度がカウント値で表されている。
所定の波長範囲に亘る光スペクトルのデータが得られると、スペクトル作成部２１は、そのデータに基いてスペクトル（発光スペクトル）を作成する。次に、表示処理部２４は、スペクトル作成部２１で作成された最新の光スペクトルをスペクトル表示欄６０に表示する。新たな光スペクトルが取得される毎に、スペクトル表示欄６０に表示される光スペクトルは更新される。また表示処理部２４は、光強度算出部２２で求められた光強度を示すカウント値を数値で光強度値表示欄６１に表示する。図３の例では、「１，２３４，５６７」が光強度を表している。この数値も、新たにスペクトルが作成される毎に、つまりはほぼリアルタイムで更新される。

また、トレンドグラフ作成部２３は、光スペクトルが作成される毎に、横軸を測定回数、縦軸をカウントとして、その時間的な変化を示すトレンドグラフを作成する。表示処理部２４はこの作成されたトレンドグラフをトレンドグラフ表示欄６３に表示する。したがって、新たな光スペクトルが得られる毎に、トレンドグラフも更新されてグラフ上に新たな線が追加される。ピーク数表示欄６１に表示される数値は最新の光強度であるので、これを見ても過去の値は分からない。これに対し、トレンドグラフは時間的な経過であるので、ユーザは過去のカウント値やその変化の状況をトレンドグラフで確認することができる。

例えばレーザ光を使って機械加工を行う場合は、所定の光強度のレーザ光が安定的に出力されるよう、レーザ発振器の調整を行う必要がある。このような場合、トレンドグラフ表示欄６３に表示されるトレンドグラフを目視で確認しながら、レーザ発振器の動作が安定しているか否かを判定することができる。

［変形例］
上記説明において、光スペクトル、光強度値、及びトレンドグラフの表示の態様は図３に示したものに限らず、適宜に変更することができる。

また、上記実施形態は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

［種々の態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）本発明に係る分光測定装置の一態様は、
レーザ光である被測定光を波長分散する回折格子と、
前記回折格子で波長分散された光を同時に検出するための複数の受光素子を有する検出部と、
前記複数の受光素子の出力信号に基づいて、前記レーザ光のスペクトルを繰り返し作成するスペクトル作成部と、
前記スペクトル作成部でスペクトルが作成される毎に、前記複数の受光素子の出力信号を合算して光強度を算出する光強度算出部と、
前記光強度算出部が算出した光強度の時間的な経過を示すトレンドグラフを作成するグラフ作成部と、
前記スペクトル作成部で得られたスペクトルと、前記グラフ作成部が作成したトレンドグラフを、表示部の同一の画面上にリアルタイムで表示する表示処理部と
を備えるものである。

第１項に記載の分光測定装置によれば、被測定光であるレーザ光のスペクトルだけでなく、そのレーザ光の光強度の時間的な変化を把握することができる。そのため、例えばレーザ加工機に用いられるＤＤＬ、画像投影に用いられるマルチカラーレーザ、計測器に利用されるレーザモージュール等において、そのレーザ光の出力が安定しているかどうかを速やかに評価することができる。

（第２項）第１項に記載の分光測定装置において、前記表示処理部は、前記光強度算出部の算出結果である光強度の数値を、前記スペクトル及び前記トレンドグラフと同一の画面上に表示するものとすることができる。

第２項に記載の分光測定装置によれば、レーザ光の光強度値がリアルタイムで表示画面上に表示される。そのため、例えばレーザ加工機に用いられるＤＤＬ、画像投影に用いられるマルチカラーレーザ、計測器に利用されるレーザモージュール等において、そのレーザ光の光強度が安定しているかどうかの評価に加え、絶対値としての光強度を把握することができる。

（第３項）第１項又は第２項に記載の分光測定装置において、前記光強度算出部は、前記複数の受光素子のそれぞれに光が入射しない状態において、各受光素子から出力される暗電流信号に基づき、その受光素子の出力信号を補正し、補正後の出力信号から光強度を算出するものとすることができる。

第３項に記載の分光測定装置によれば、受光素子の暗電流信号の影響を除去することができるため、正確な光強度を得ることができる。

１…マルチチャンネル分光器
１０…光入力用コネクタ
１１…分光部
１１０…入射スリット
１１１…第１凹面鏡
１１２…回折格子
１１３…第２凹面鏡
１１４…回動部
１２…検出部
２…データ処理部
２０…データ記憶部
２１…スペクトル作成部
２２…光強度算出部
２３…トレンドグラフ作成部
２４…表示処理部
３…制御部
４…操作部
５…表示部

Claims (3)

1. レーザ光である被測定光を波長分散する回折格子と、
   前記回折格子で波長分散された光を同時に検出するための複数の受光素子を有する検出部と、
   前記複数の受光素子の出力信号に基づいて、前記レーザ光のスペクトルを繰り返し作成するスペクトル作成部と、
   前記スペクトル作成部でスペクトルが作成される毎に、前記複数の受光素子の出力信号を合算して光強度を算出する光強度算出部と、
   前記光強度算出部が算出した光強度の時間的な経過を示すトレンドグラフを作成するグラフ作成部と、
   前記スペクトル作成部で得られたスペクトルと、前記グラフ作成部が作成したトレンドグラフを、表示部の同一の画面上にリアルタイムで表示する表示処理部と
   を備える、分光測定装置。
2. 前記表示処理部が、前記光強度算出部の算出結果である光強度の数値を、前記スペクトル及び前記トレンドグラフと同一の画面上に表示する、請求項１に記載の分光測定装置。
3. 前記光強度算出部が、前記複数の受光素子のそれぞれに光が入射しない状態において、各受光素子から出力される暗電流信号に基づき、その受光素子の出力信号を補正し、補正後の出力信号から光強度を算出する、
   請求項１又は２に記載の分光測定装置。

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