JP3142817B2 - 波長選択用受光器及び光スペクトラム分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分散された光を受
光する受光器及びこの受光器を用いて被測定光の各波長
における光スペクトラム値を測定して分析するための光
スペクトラム分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の光スペクトラム分析装置の
一構成例を示す図である。この光スペクトラム分析装置
３１は、被測定光を出射する光源３２、分光光学系３
３、受光素子３４、演算処理部３５、分光素子駆動部３
６、表示部３７を備えて概略構成される。

【０００３】図６に示すように、分光光学系３３は、光
源３２と受光素子３４との間の光路上に配設されたコリ
メータ鏡３８、回折格子３９、カメラ鏡４０、出射スリ
ット４１、集光レンズ４２で構成される。コリメータ鏡
３８は、光源３２からの被測定光を平行光にして回折格
子３９に反射させている。図７に示すように、分散素子
としての回折格子３９は、光路に対面する表面に一定間
隔で格子溝３９ａが形成されている。回折格子３９は、
回動軸３９ｂ回りに回動自在に支持されている。カメラ
鏡４０は、回折格子３９によって分散された平行光を受
けて出射スリット４１上に結像させている。出射スリッ
ト４１は、スリット方向が回折格子３９の格子溝３９ａ
の刻線方向と一致して光路上に配設されている。

【０００４】上記光スペクトラム分析装置３１では、光
源３２から出射された被測定光がコリメータ鏡３８に入
射されると、その被測定光はコリメータ鏡３８により平
行光にされて回動軸３９ｂ回りに回動される回折格子３
９に所定の入射角で入射される。回折格子３９は、コリ
メータ鏡３８から入射される被測定光を刻線に直交する
平面に分光する。回折格子３９で分光された光は、カメ
ラ鏡４０で全反射された後に出射スリット４１上に結像
される。出射スリット４１を通過した光は、集光レンズ
４２を介して受光素子３４の受光面３４ａ上に入射され
る。

【０００５】そして、演算制御部３５からの指令に基づ
く分散素子駆動部３６の駆動により回折格子３９を回動
させると、その回動角に対応して入射角が変化し、回折
格子３９により分光されて出射スリット４１上に集光さ
れた光の中心波長が変化する。そして、回折格子３９を
所定角度間隔で回動させながら受光素子３４で受光され
た光の光強度を演算処理部３５が演算処理することによ
り、被測定光の各波長におけるスペクトラム値が得られ
る。この演算されたスペクトラム値及びスペクトラム波
形は表示部３７に表示される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述した
従来の光スペクトラム分析装置３１では、回折格子３９
で分光された光をカメラ鏡４０で集光し、カメラ鏡４０
の焦点位置に出射スリット４１を配置して任意の波長成
分を取り出し、出射スリット４１の後段に受光素子３４
を配設して任意の波長成分の強度を測定している。

【０００７】また、出射スリット４１における分散方向
のスリット幅を可変することにより、装置の分解能（Fu
ll Width Hulf Maximum ：ＦＷＨＭ）を可変設定してい
る。この出射スリット４１のスリット幅を可変する機構
としては、例えば特開平２−２３１５３６号公報に開示
されるものがある。

【０００８】その構成について簡単に説明すると、図８
に示すように、出射スリット４１が左右に分かれたスリ
ット板４１ａ，４１ｂで構成され、各スリット板４１
ａ，４１の下部位置にはねじ棒４３が螺合している。ね
じ棒４３の各スリット板４１ａ，４１ｂが螺合する各部
分に互いに逆方向にねじが刻設され、ねじ棒４３の一端
が固定ブロック４４に固設されたステッピングモータ４
５の回転軸に連結されている。そして、ステッピングモ
ータ４５を回転させると、左右のスリット板４１ａ，４
１ｂの間の隙間で形成されるスリット幅ｈが変化する。

【０００９】しかしながら、上記光スペクトラム分析装
置３１では、分光された被測定光の中心波長を選択する
ために、受光素子３４とは別に構成される出射スリット
４１が必要不可欠であった。しかも、装置の分解能を調
整するためには、図８に示すような出射スリット４１の
分散方向のスリット幅を可変するための機構が必要とな
り、装置の構成を複雑化させていた。さらに、装置の組
立時には、出射スリット４１と受光素子３４の受光面３
４ａとの間の面倒な光軸合わせが必要であった。

【００１０】本発明は、上記の問題点を解消するために
なされたものであって、従来のような面倒な光軸合わせ
が不要で、構成部品を減少させて構成の簡略化が図れる
波長選択用受光器及び光スペクトラム分析装置を提供す
ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る波長選択用受光器は、光の所
定方向の幅を制限して受光するための受光領域４ｂを内
部に備え、該受光領域は、前記所定方向に幅の異なる複
数の領域を備え、前記複数の領域のいずれか一つで受光
可能とされており、前記所定方向に波長成分の分散幅を
有する前記光を受光する光路上にその分散幅を前記受光
領域で制限するように配置され、前記受光領域で選択受
光した波長成分の光を電気信号に変換して出力すること
を特徴とする。

【００１２】請求項２の発明は、被測定光を受けて、そ
の被測定光を分光して所望波長をほぼ中心とした光を選
択的に出力する分光光学系３と、該分光光学系から出力
される光を受光して電気信号に変換して出力する受光器
４とを備え、前記分光光学系からの出力を基に前記所望
波長における光スペクトラム値を測定するための光スペ
クトラム分析装置１において、前記受光器は、前記分光
光学系が出力する光が有する波長成分の分散の幅を所望
のスペクトラム分析幅に制限するための幅を持つ受光領
域４ｂを備えており、前記受光器の受光領域は、前記分
光光学系が出力する光の波長成分の分散方向に幅の異な
る複数の領域を備え、前記複数の領域のいずれか一つで
受光可能にされたことを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、受光器４は、分光光学系
３が出力する光の波長成分の分散方向に幅の異なる複数
の受光領域４ｂ（４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ，４ｂＤ）を
有している。そして、分光光学系３によって分散された
被測定光は、受光器４の複数の受光領域４ｂＡ，４ｂ
Ｂ，４ｂＣ，４ｂＤにおけるいずれか一つの受光領域で
受光される。これにより、分散方向のスリット幅が可変
され、装置の分解能が可変設定される。その後、受光し
た波長成分の光は電気信号に変換され、この電気信号を
基に被測定光の光スペクトラム値が測定される。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明による光スペクトラ
ム分析装置の全体構成の一実施の形態を示す図、図２
（ａ）は図１における受光器の一例を示す図、図２
（ｂ）は図２（ａ）の側面図、図３は受光器の受光面の
一例を示す図である。

【００１９】図１に示すように、本実施の形態による光
スペクトラム分析装置１は、光源２、分光光学系３、受
光器４、演算処理部５、分散素子駆動部６、受光器駆動
部７、表示部８を備えて概略構成される。

【００２０】光源２は、例えば発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子で構成
され、スペクトラム分析の測定対象となる所定波長の被
測定光を出射している。

【００２１】図１において、分光光学系３は、コリメー
タ鏡９、回折格子１０、カメラ鏡１１を備えて構成され
る。コリメータ鏡９は、焦点が光源２の発光面２ａの中
心に位置して光源２の光軸上に配設される。コリメータ
鏡９の反射面９ａは、例えば光軸対称の凹面で形成され
ており、光源２から入射される被測定光を平行光にして
回折格子１０に反射させている。

【００２２】分散素子としての回折格子１０は、光路に
臨む表面に格子溝１０ａが光軸と直交する方向に所定間
隔で形成されている。回折格子１０の格子溝１０ａは、
光軸と直交する方向に延出する断面三角形状の複数の凸
条で形成されている。具体的には、１ｍｍ当たり例えば
８００〜１０００本の格子溝１０ａが形成されている。
回折格子１０は、演算処理部５の指令に基づく分散素子
駆動部６の駆動により、図１の紙面に垂直な回動軸１０
ｂ回りに所定角度間隔で回動駆動される。

【００２３】回折格子１０では、コリメータ鏡９から入
射される平行光を、測定波長毎の分散光として格子溝１
０ａの刻線と直交する平面のそれぞれ異なった角度に分
光してカメラ鏡１１に出射している。

【００２４】カメラ鏡１１は、焦点が図２（ａ）に示す
受光器４の受光面４ａの中心線Ｘ−Ｘ上に位置して配設
される。カメラ鏡１１の反射面１１ａは、コリメータ鏡
９と同様に、例えば光軸対称の凹面で形成されており、
回折格子１０から入射される分散された平行光を受け、
選択されている受光器４の受光領域４ｂの中心線Ｘ−Ｘ
上に光を結像させている。

【００２５】受光器４は、例えばフォトダイオードやフ
ォトトランジスタ等で構成され、受光面４ａがカメラ鏡
１１の焦点に位置して配設されている。受光器４では、
回折格子１０により分散されてカメラ鏡１１から入射さ
れる分散光のうち所望波長の光のみを受光している。す
なわち、受光器４の受光面４ａは、従来の出射スリット
の機能を兼ね備えており、分散方向の幅の中心が常に同
じ位置になる形状とされている。更に説明すると、受光
面４ａは、図２（ａ）に示すように、中心線Ｘ−Ｘを中
心として、分散方向の幅が３段階に連続的に変化した多
角形状に形成され、分解能の異なる３つの連続した長方
形状の受光領域４ｂ（４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ）を形成
している。

【００２６】受光器４は、光の分散方向と直交する中心
線Ｘ−Ｘ上でガイド部材１２に沿って直線移動する可動
ブロック１３に取り付けられている。受光器４は、受光
面４ａにおける分散方向の幅の中心が常に同じ位置にな
るように、例えばリニアアクチュエータ等の直動機構で
構成される受光器駆動部７により中心線Ｘ−Ｘ上を移動
可能とされている。そして受光領域４ｂのいずれか一つ
（４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣのいずれか）を選択すること
により、受光器４の分散方向の受光面４ａの幅が可変さ
れ、装置の分解能を可変することができる。

【００２７】ここで、受光器４における結像スポット径
と受光領域の関係、及び受光器４における受光面４ａの
受光領域４ｂの分散方向の幅と装置の分解能との関係に
ついて説明する。

【００２８】図４に示すように、回折格子１０における
入射角をｉ、出射角をｊ、回折格子１０の幅をＷとし、
また、コリメータ鏡９の焦点距離をｆ１、カメラ鏡１１
の焦点距離をｆ２、回折格子１０への入射光束の幅をｈ
１、回折格子１０からの出射光束の幅をｈ２とすると、
発光面２ａの幅Ｓ１、図３に示す結像スポットの幅Ｓ２
の間には以下の関係がある。 （ｈ１・Ｓ１）／ｆ１＝（ｈ２・Ｓ２）／ｆ２…（１） 従って、各受光領域４ｂの分散方向に対して垂直な方向
の幅Ｈは、上記（１）式で決まる結像スポットの幅Ｓ２
よりも大きく設定される。

【００２９】また、カメラ鏡１１の焦点上でのスペクト
ラムの分散の割合を示す線分散の値は下記（２）式で表
される。 ｄＬ／ｄλ＝（ｍ・ｆ）／（ｄ・cos β）…（２） 但し、Ｌ：分散方向の距離、λ：波長、ｍ：回折次数、
ｆ：カメラ鏡１１の焦点距離、ｄ：回折格子１０の格子
溝１０ａ，１０ａの溝幅、β：回折角とする。

【００３０】従って、受光器４における受光面４ａの分
散方向の幅をＳとすると、分解能Ｒ＝Ｓ・（ｄλ／ｄ
Ｌ）となる。なお、ｄλ／ｄＬは線分散の逆数（１／
（ｄＬ／ｄλ））である。

【００３１】そして、図３に示すような４つの受光領域
４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ，４ｂＤからなる受光面４ａを
持つ受光器４を採用した場合の具体的数値の一例を示す
と、ｍ＝１、ｆ＝２００ｍｍ、ｄ＝１ｍｍ／９５０、β
＝４５ｄｅｇのとき、線分散ｄＬ／ｄλ＝（ｍ・ｆ）／
（ｄ・cos β）＝２７μｍ／０．１ｎｍとなる。

【００３２】以上のことから、図３における各受光領域
４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ，４ｂＤの分散方向の幅Ｓと分
解能Ｒとの関係は、Ｓ＝２７０μｍのときＲ＝１．０ｎ
ｍ、Ｓ＝１３５μｍのときＲ＝０．５ｎｍ、Ｓ＝５４μ
ｍのときＲ＝０．２ｎｍ、Ｓ＝２７μｍのときＲ＝０．
１ｎｍとなる。

【００３３】演算処理部５は、回折格子１０を所定間隔
で回動制御するべく、分散素子駆動部６に制御指令を出
力している。これにより、回折格子１０の回動角に対応
して入射角を変化させ、回折格子１０により分光されて
受光器４の受光面４ａ上に集光された光の中心波長を変
化させている。また、演算処理部５は、受光器４を中心
線Ｘ−Ｘ上で直線移動させるべく、受光器駆動部７に制
御指令を出力している。

【００３４】演算処理部５では、中心波長の変化に伴っ
て受光器４が受光する光の光強度を測定し、被測定光の
各波長におけるスペクトラム値を演算している。また、
受光器４の受光面４ａを中心線Ｘ−Ｘ上で直線移動させ
て所定の受光領域４ｂを選択し、所望の分解能に選択設
定している。そして、演算によって得られる波長毎のス
ペクトラム値、及びそのスペクトラム値に基づく被測定
光のスペクトラム波形は例えば液晶パネル等の表示部７
に表示している。

【００３５】上記構成による光スペクトラム分析装置１
では、光源２より被測定光がコリメータ鏡９に入射され
ると、この被測定光はコリメータ鏡９により平行光にさ
れて回折格子１０に入射される。回折格子１０では、コ
リメータ鏡９から入射された平行光を格子溝１０ａの刻
線に直交する平面に分光する。回折格子１０により分光
された光は、カメラ鏡１１に入射された後、カメラ鏡１
１により反射されて受光器４における受光面４ａのいず
れか一つの受光領域４ｂの中心線Ｘ−Ｘ上に結像され
る。

【００３６】そして、受光器４は、分光された光のうち
のある波長のみを選択されている受光領域４ｂで受光す
る。その際の装置の分解能は、選択されている受光領域
４ｂの分散方向の幅によって決定される。そして、回折
格子１０を所定角度間隔で回動させて回動角に対応して
受光器４から出力される光電変換信号から演算された光
強度信号が被測定光の各波長における光スペクトラム値
として算出される。その際、被測定光の各波長における
光スペクトラム値、及びそのスペクトラム値に基づく被
測定光のスペクトラム波形が表示部８に表示される。

【００３７】このように、上記実施の形態によれば、分
散方向の幅が連続的に変化した複数の受光領域４ｂを有
し、受光領域４ｂのそれぞれの分散方向の幅の中心が常
に同じ位置になる形状の受光面４ａを有する受光器４を
用い、しかも、受光器４は受光領域４ｂのそれぞれの分
散方向の中心が常に同じ位置になるように移動可能とさ
れているので、従来のような出射スリットと受光面との
間の面倒な光軸合わせが不要となり、構成部品を減少さ
せて構成の簡略化を図ることができる。

【００３８】ところで、上記実施の形態では、分散素子
として回折格子１０を用いた構成を例にとって説明した
が、入射される光をそれぞれ異なった角度に分散させる
素子であればよく、例えばプリズム等を用いることもで
きる。

【００３９】受光器４の受光面４ａの形状は、図２及び
図３に示すような中心線Ｘ−Ｘに対して対称の階段状多
角形の他、中心線Ｘ−Ｘに対して対称な台形や曲面形状
としてもよい。すなわち、受光器４の受光面４ａの形状
は、受光領域４ｂにおける分散方向の幅の中心が常に同
じ位置になる形状、あるいは受光領域４ｂにおける分散
方向の幅に中心が常に同じ位置になるように移動可能で
あれば、図示のものに限定されるものではない。

【００４０】また、上記実施の形態の受光器４は、分散
方向の幅が連続的に変化した複数の受光領域４ｂを有
し、受光領域４ｂのそれぞれの分散方向の幅の中心が常
に同じ位置になる形状の受光面４ａを有するものとして
説明したが、受光領域４ｂは必ずしも連続している必要
はなく、図５に示すように、例えば各々独立した受光領
域４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ，４ｂＤを分散方向と直交す
る方向に並設し、各受光領域４ｂＡ，４ｂＢ，４ｂＣ，
４ｂＤを独立して分散方向に移動できる構成としてもよ
い。

【００４１】本発明が適用できる光スペクトラム分析装
置の基本構成としては、被測定光を分光する回折格子や
プリズム等の分散素子と、分散素子によりそれぞれ異な
る角度に分光された光のうちの所定波長成分の光を受光
する受光器と、受光器の受光信号に基づいて被測定光の
波長毎の光スペクトラム値を演算する演算処理部とを備
えたものであればよく、図示のものに限定されるもので
はない。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のような出射スリットと受光面との間の面倒な光軸
合わせが不要となり、構成部品を減少させて構成の簡略
化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光スペクトラム分析装置の全体構
成を示す図

【図２】（ａ）図１における受光器の構成を示す図 （ｂ）（ａ）の側面図

【図３】図２における受光器の受光面の一例を示す図

【図４】図１における回折格子と入射角ｉ及び出射角ｊ
の関係を示す図

【図５】受光器の受光領域の他の構成例を示す図

【図６】従来の光スペクトラム分析装置の一例を示す図

【図７】（ａ）回折格子の平面図 （ｂ）回折格子の側面図

【図８】図６における出射スリットの開閉機構の一例を
示す斜視図

【符号の説明】

１…光スペクトラム分析装置、２…光源、３…分光光学
系、４…受光器、４ａ…受光面、４ｂ（４ｂＡ，４ｂ
Ｂ，４ｂＣ，４ｂＤ）…受光領域、１０…回折格子（分
散素子）、Ｘ−Ｘ…中心線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−150428（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−253451（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−48831（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 3/00 - 3/52 G01N 21/00 - 21/61

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の所定方向の幅を制限して受光するた
   めの受光領域（４ｂ）を内部に備え、該受光領域は、前
   記所定方向に幅の異なる複数の領域を備え、前記複数の
   領域のいずれか一つで受光可能とされており、前記所定
   方向に波長成分の分散幅を有する前記光を受光する光路
   上にその分散幅を前記受光領域で制限するように配置さ
   れ、前記受光領域で選択受光した波長成分の光を電気信
   号に変換して出力することを特徴とした波長選択用受光
   器。
2. 【請求項２】 被測定光を受けて、その被測定光を分光
   して所望波長をほぼ中心とした光を選択的に出力する分
   光光学系（３）と、 該分光光学系から出力される光を受光して電気信号に変
   換して出力する受光器（４）とを備え、 前記分光光学系からの出力を基に前記所望波長における
   光スペクトラム値を測定するための光スペクトラム分析
   装置（１）において、 前記受光器は、前記分光光学系が出力する光が有する波
   長成分の分散の幅を所望のスペクトラム分析幅に制限す
   るための幅を持つ受光領域（４ｂ）を備えており、 前記受光器の受光領域は、前記分光光学系が出力する光
   の波長成分の分散方向に幅の異なる複数の領域を備え、
   前記複数の領域のいずれか一つで受光可能にされたこと
   を特徴とする光スペクトラム分析装置。