JP3792273B2 - Spectrometer - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は分光測定装置に関し、特に、試料上の一次元領域を分光測定するに際し、複数の微小受光素子が二次元的に配置された光検出器上に分光画像を結像させ、位置情報と波長方向の情報とを同時に測定する分光測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図19は、複数の微小な受光素子が二次元的に配置された光検出器19を備えている分光測定装置の光学系の構成図である。図において、光源10から照射された光は、試料11のY軸方向に伸びる線領域で反射され、スリット14に導かれる。スリット14を通過した光は、レンズ15でコリメートされ、回折格子16で分光されたあと、2次光除去フィルタ17及びレンズ18を介して光検出器19上に投影される。このとき、試料11の線領域内の位置情報は、光検出器19上では位置方向(y軸方向)に得られ、位置方向に直交する波長方向(λ軸方向)には線領域の各点における波長の広がりの情報が得られる。
【0003】
この分光画像から分光強度分布を求めるために、λ軸方向に配列された受光素子によって得られた光の強度信号はそれぞれ所定の中心波長λmに対する波長幅Δλmが設定されてその波長幅内で積分又は平均化される。これにより線領域内の或る点における分光強度分布が求められる。続いて、線領域内の各点において分光強度分布が算出されることにより、試料11上の一次元領域の分光強度分布が得られる。更に、試料11を載置した移動台13と、光源10〜光検出器19より成る光学系とをX軸方向に順次相対移動させながら繰り返し一次元領域の分光画像を得ることにより、二次元領域の分光強度分布を測定することができる。
【0004】
上記構成において、光路が理想的であるときに光検出器19で得られる分光画像の一例を図20に示す。ここで、理想的な光路とは、レンズ15、18やスリット14等の光学部品の配置にずれが無く、且つレンズ15、18に収差が無いなどの諸条件がすべて満たされている場合である。線領域の試料Aに対応する分光画像として、例えばB1の如き二次元的な分光画像が得られる。ここで、試料A内の位置Yaに対する分光強度分布を求めるためには、位置yaのλ軸方向に配列されている受光素子(図中の破線に沿った受光素子)の検出信号を読み出せば良い。
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところが、実際の分光測定装置では、光学部品の相対的な位置のずれやレンズの収差等により光検出器19の結像には歪みや変形が生じる。図21は、理想的でない光路条件により歪みが発生している分光画像の一例を示す図である。図示の如く、図20の場合とは異なり、試料A内の或る位置に対応する波長の広がりの方向はλ軸方向とは一致しない。従って、このような歪みや変形がある場合には、λ軸方向に配列された受光素子の検出信号を読み出しても、正確な分光強度分布は得られない。更に、光学部品の調整や装置の分解・組立てを行なったときにはこの歪みや変形の状態は変わる可能性があるため、測定結果の信頼性や再現性が一層低下することになる。
【0006】
ところで、上記構成のような二次元領域の分光測定は工業製品の欠陥検査など様々な用途への応用が考えられる。その一つに色彩計、色差計等の測色器への応用がある。一般に測色を行なうときは、JIS規格等に定められた色見本に対する相対反射率を求め、その相対反射率に基づき色値が計算される。従って、二次元領域の測色器を実現するとき、上述のような光学系によるy軸方向、更にはλ軸方向の歪みが生じていると、当然、正確な相対反射率が求められず、正しい色値が計算できないことになる。
【0007】
本発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、光路が理想的な状態でない場合でも正確な分光強度分布の測定が行なえるとともに、特に、色彩計等の測色器に好適な分光測定装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、試料上の一次元領域を分光測定するための分光測定装置において、
a)複数の微小受光素子が二次元的に配置された光検出手段と、
b)該光検出手段の一つの次元方向に試料の一次元領域像を投影させるとともに他の次元方向に光を分散させるための分光手段と、
c)測定対象の試料の分光測定に先立ち、既知の分光強度分布及びパターンをスリット長手方向の線領域内に有する基準試料を分光測定することにより求められた二次元分光画像中の分光強度分布パターンに対応する受光素子の位置情報を、位置補正情報として記憶しておくための第1の記憶手段と、
d)測定対象の試料の分光測定に先立ち、前記基準試料とは相違する既知の分光強度分布を有する参照試料を分光測定することにより求められた分光強度分布を参照情報として記憶しておくための第2の記憶手段と、
e)測定対象の試料を分光測定するに際し、前記第1の記憶手段から読み出した位置補正情報に基づいて各受光素子による検出信号の位置歪みを補正処理するための歪み補正手段と、
f)前記測定対象の試料について前記歪み補正手段により位置歪みが補正された分光強度分布と前記第2の記憶手段から読み出した参照情報とに基づき相対反射率分布を計算する演算手段と、
を備えることを特徴としている。
【0009】
【作用】
分光強度分布パターンが既知である基準試料を予め分光測定することにより、分光手段を含む光学系が理想的でないことに起因する分光画像の歪みや変形の状態を把握することができる。そこで、既知の分光強度分布及びパターンをスリット長手方向の線領域内に有する基準試料を分光測定し、その測定結果である分光強度分布パターンの波長の広がり方向又は試料の一次元領域像の方向に対応する受光素子の位置情報を補正情報とし第1の記憶手段に予め格納しておく。そして、試料測定時に、歪み補正手段は、上記補正情報に基づいて各受光素子の検出信号を読み出す又は検出信号を配置し直す等の補正処理を行なうことにより、歪みや変形を軽減した分光画像を作成する。
【0010】
一方、相対反射率を求める際の参照情報を得るため、基準試料とは相違する特定の分光強度分布を有する参照試料を予め分光測定してその分光強度分布を第2の記憶手段に格納しておく。試料測定時に、演算手段は、歪み補正手段により歪み補正された分光画像に基づいて分光強度分布を求めたあと、参照情報の分光強度分布に対する相対反射率分布を計算する。
【0011】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、光学部品の位置のずれやレンズの収差等による影響を補正した分光画像が得られるため、複雑なパターンを有する試料を測定する場合でも緻密で正確な分光強度分布を測定することができる。また、装置の調整を行なった場合でも、再度、基準試料を測定し直して位置補正情報を入れ替えることにより、常に高い精度を保つことができる。更に、本発明によれば、参照試料の分光強度分布に対する相対反射率分布を容易に、且つ精度良く求めることができるため、測色器への応用に好適な分光測定装置が得られる。
【0012】
【実施例】
以下、本発明に係る分光測定装置の一実施例について図を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る分光測定装置を用いた二次元色彩計の概略構成図、図2は図1中の信号処理部20を中心とした要部の構成図である。図1の光学系における図19との相違点は、測定対象の試料11の代わりに、参照試料12が可動アーム(図示せず)によって試料11と同じ位置に移動可能とされる構成となっていることである。
【0013】
光検出器19の出力信号は信号処理部20にて処理され、測定結果は出力部21にて表示又はプリントアウトされる。信号処理部20において、光検出器19による検出信号は、各受光素子毎にアナログ/デジタル(A/D)変換器201にてデジタル信号に変換され位置補正処理部202へ供給される。位置補正処理部202では、後述する補正処理よって光学系にて生じた分光画像の歪みや変形が補正される。位置補正処理部202には位置補正情報を格納するための位置補正データメモリ203が接続されている。この位置補正データメモリ203には、基準試料の分光測定によって得られる位置補正データが予め書き込まれている。
【0014】
位置補正処理部202にて補正された分光画像信号は反射率演算部204へ供給される。反射率演算部204には参照情報を格納するための参照データメモリ205が接続されている。この参照データメモリ205には、参照試料の分光測定によって得られる分光強度分布に基づく参照データが予め書き込まれている。反射率演算部204では、入力された分光画像から分光強度分布が求められ、その結果と参照データとにより波長毎の相対反射率分布が計算される。データ後処理部206では必要に応じて相対反射率データの平滑化などの処理が行なわれ、更に、色値演算部207では所定の計算を行なうことにより相対反射率から色値が算出される。この結果は出力部21から出力される。
【0015】
次いで、図1及び図2の装置における処理動作を、位置補正処理、相対反射率演算処理の順に図を用いて詳説する。
【0016】
[位置補正処理の実施例]
まず、位置補正処理の一実施例について図3乃至図5を参照して説明する。
(i) 位置補正データの作成処理
試料11の測定に先立ち、位置補正を行なうための基本情報である位置補正データを作成するために、基準試料の分光測定が行なわれる。基準試料として、例えば、必要な位置分解能程度の大きさの微小パターンを線領域内の位置Yk(k=1〜m)に有する試料が用いられる。図3は基準試料A及びその分光画像Bの一例を示す図である。光路が理想的である場合にはm本の曲線Ckはそれぞれλ軸方向に伸びる直線となる筈であるから、曲線の状態は歪みや変形を反映したものとなる。従って、この曲線に基づいて基準試料のm個のパターンに対する波長方向と受光素子との対応関係が得られる。この対応関係が位置補正データとして位置補正データメモリ203に予め記憶され、試料11の測定時にこの対応関係に基づき各受光素子の検出信号が配置し直される。
【0017】
波長方向と受光素子の位置との対応関係を得るための具体的な処理方法を、図4を用いて以下に説明する。基準試料A内の位置Yk(k=1〜m)に存するm個の微小パターンに対する分光画像Bにおいて、λi(i=1〜n)の位置にある縦一列の受光素子(図4の分光画像中の斜線部)の検出値が読み出され、光強度のピーク値が現われる受光素子の位置がpki(k=1〜m)として記憶される。例えば、λiの位置の縦一列の受光素子の検出値が図4中のPに示すようなy軸上の位置でピークを示す場合、このピークの位置(例えばy軸方向での受光素子の位置を識別するために付された番号)がpkiとして順次、位置補正データメモリ203に記憶される。
【0018】
この操作がi=1からλ軸方向の受光素子数nまで繰り返し行なわれることにより、基準試料A内の位置Yk(k=1〜m)と曲線Ckに沿った受光素子の位置pki(i=1〜n)との対応関係が得られる。すなわち、位置Ykの分光強度分布を得るためには、pk1、pk2、…、pknの順に、そこに位置している受光素子の信号値を読み出せば良いことになる。このようにして、試料内の位置Ykと該位置に対する波長の広がり方向を示す受光素子の位置pkiとの対応関係が位置補正データとして求められる。
【0019】
なお、光学部品の相対的位置関係が変更されたり、光学部品自体が交換されたりした場合に、分光画像の歪みや変形の状態が変わる可能性があるため、測定者が基準試料を移動台13上に載置し外部から適当なキー操作を行なうと、基準試料の分光測定が自動的に行なわれて位置補正データが書き換えられるようにすることが好ましい。また、基準試料を、参考試料と同様に装置自体に組み込むようにしても良い。
【0020】
(ii) 試料測定時の補正処理
位置補正処理部202には、A/D変換された全受光素子の信号値を記憶するための画像メモリが設けられている。そして、A/D変換器201の出力信号を該画像メモリに書き込む際に、位置補正データメモリ203に記憶されている位置補正データに基づいた書込みアドレスが生成される。このとき、図5のように、位置Ykと位置Yk+1との間に存する位置Yjに対しては、位置補正データメモリ203に記憶している曲線Ckと曲線Ck+1とに関する位置補正データが読み出され、両者の重み付き平均の計算により曲線Cj(図5中の破線の曲線)が推定され書き込みアドレスが求められる。これにより、試料11の線領域内の如何なる位置に対する分光画像も、その波長の広がり方向に沿った適切な画像メモリ内の位置に書き込まれる。すなわち、画像メモリには歪みや変形が補正された分光画像が得られる。
【0021】
なお、光検出器19を構成する複数の受光素子から検出信号を読み出す際に、位置補正データに基づき読み出すべき受光素子を選択し、画像メモリへは所定のアドレス順序で書込みを行なうようにしても同様の結果が得られる。
【0022】
また、光検出器19に得られる歪みのある分光画像を、一旦、第1の画像メモリへ書き込み、第1の画像メモリから第2の画像メモリへ書き移すときに位置補正を行なうようにしても良い。この場合には、第1の画像メモリ内には歪みのある分光画像が、第2の画像メモリ内には歪みの補正された分光画像が得られる。
【0023】
[位置補正処理の他の実施例]
次に、位置補正処理の他の実施例について説明する。上記実施例による位置補正データの作成処理では、λ軸方向に対して曲線Ck上のすべての受光素子の位置情報を位置補正データメモリ203に記憶させるため、大容量のメモリが必要となる。図6は、このメモリ容量を削減することができる位置補正データの作成処理を説明するための図である。本実施例では、曲線Ckに対応する受光素子の位置pkiをλ軸方向にi=1からi=nまで順番に求めるのではなく、λ軸方向に所定の受光素子数間隔毎に求めて記憶させる。
【0024】
すなわち、図6中の斜線部の縦の列についてのみ、光強度のピークが現われる受光素子の位置をpki(k=1〜m)として記憶させる。従って、上記実施例ではλ軸方向の受光素子数に等しいn回繰り返し操作を行なうことにより位置補正データを得ていたのに対し、本実施例ではその繰り返し操作の回数を大幅に減らすことができ、その分だけ位置補正データメモリ203の容量も削減できる。
【0025】
λ軸方向にスキップした間の波長領域に関しては、補正処理時に、多項式近似や補間等の計算によって曲線を定式化し、これに基づき画像メモリのアドレス又は読み出すべき受光素子の位置が決定される。
【0026】
[位置補正処理の変形例]
また、上記実施例とは相違する基準試料を用いて位置補正データを得ることも可能である。図7は線領域内に唯一の微小パターンを有する基準試料Aとその分光画像Bの一例を示す図である。基準試料内の微小パターンをY軸方向に必要な分解能程度のステップ幅で移動させつつ、曲線Cに対応する受光素子の位置pを求める。このとき、λ軸方向に対しては、対応するすべての受光素子の位置を記憶させるようにしても良いし、所定間隔毎に対応する受光素子の位置を記憶させるようにしても良い。
【0027】
なお、上述の如くy軸方向の歪みや変形を補正するのみならず、同様の方法を用いてλ軸方向の歪みも補正することが可能である。その場合、例えば、特定の波長域で鋭いピークを有するような輝線スペクトルを有する基準試料が用いられる。そして、分光画像上でy軸方向に伸びる1乃至複数本のスペクトル曲線を得て、その曲線に沿う受光素子の位置を求めることにより波長方向の補正データが作成される。勿論、位置方向と波長方向の歪みを同時に補正するようにすることも可能である。
【0028】
[相対反射率演算の処理の実施例]
さて、続いて、相対反射率演算の処理動作について説明する。
(i) 参照データの作成処理
試料11の測定に先立ち、相対反射率を求める際の基準となる参照データが作成され、参照データメモリ205に格納される。まず、測定者のキー操作により参照試料12の測定が指示されると、試料11が載置された移動台13はZ方向に後退され、アームにより支持された参照試料12が試料11の元の位置まで移動される。そして、この参照試料12の分光測定が行なわれる。
【0029】
色彩計では、通常、色むらの無い所定の標準白板が参照試料12として用いられる。分光測定により、まず、光学系の歪みや変形が補正された参照試料12の分光画像が得られる。そして、参照試料12の二次元領域における分光画像から分光強度分布が計算され、参照データメモリ205に記憶される。従って、参照データメモリ205には光学系の歪みが補正された分光強度分布が記憶される。なお、参照試料12は測定の目的に応じて適当なものに交換され、参照データメモリ205内のデータは新たに書き換えられる。例えば、特定の色との色差を求めたい場合には、青、赤等の所定の色を有する試料が参照試料12として用いられる。
【0030】
(ii) 試料測定時の演算処理
試料11が元の所定位置に戻され、光源10によって照射される一次元領域の分光強度分布が測定される。移動台13と、スリット14〜光検出器19より成る光学系とがX軸方向にステップ状に相対移動されつつ分光強度分布が測定されることにより、反射率演算部204では試料11上の二次元領域の分光強度分布が求められる。この分光分布強度は位置補正処理部202にて補正処理がなされた分光画像に基づくものであるから、反射率演算部204内のメモリには光学系の歪みが補正された試料11の分光強度分布が記憶される。
【0031】
反射率演算部204では、この試料11の分光強度分布と該分光強度分布の各位置及び各波長に対応する参照データとから相対反射率分布が計算される。この際、参照試料12の測定時と試料11の測定時とで光源10の光量が相違すると相対反射率の誤差となる。そこで、参照試料12測定時に光量モニタ22で計測した光源10の光量をA/D変換器201にてデジタル信号に変換した値を反射率演算部204内のメモリに記憶させておき、試料11測定時に計測した光量との差の基づき反射率を補正するようにしている。
【0032】
次に、本発明の如き分光測定装置の光学系の他の実施例について以下に説明する。
【0033】
[光源10の変形例]
図8乃至図10は光源10の構成及び構造の実施例を示す図である。図8はライン照明を用いた例である。光源10の照射光を光ファイバ102によりライン状の出射部101へ導き、試料11面上に照射させる。斯くの如きライン照明を用いれば、試料11面上の一次元領域を均一に照射することができる。
【0034】
図9は、図8の如きライン照明を2個用いた例である。ライン状出射部101a及び101bは、それぞれα=45°の角度をもって二方向から試料11面上の一次元領域を照射する。これによれば影のできにくい光源が実現できる。
【0035】
図10は試料11の裏側から光を照射し透過光を測定する例である。試料11を載置する移動台13には光の照射範囲に窓部が設けられ、この窓部を介して試料11に光が照射される。
【0036】
なお、光源10としてキセノンランプなどの励起光を使用し、試料11から放出される蛍光を分光測定することも可能である。
【0037】
[光量モニタ22の変形例]
図11乃至図14は光量モニタ22の構成及び設置の実施例を示す図である。図11は光源10から光を導くための光ファイバ102を分岐させ、光量モニタ22へ光の一部を照射するようにした例である。図12は、試料11からの反射光の光路上にハーフミラー23を設置し、反射光の一部を光量モニタ22の方向へ導くようにした例である。図13は移動台13上の試料11近傍に光量モニタ22を取り付けた例である。図14は光源10のランプハウスに光量モニタ22を組み込むようにした例である。いずれも、光源10の光量のバラつきや経時変化による光量変化を光量モニタ22によって検出し、前述のような信号処理を施すことにより反射率等の誤差を修正することができる。
【0038】
[試料11位置確認の実施例]
図15乃至図16は、試料11上での測定箇所の位置確認を行なうための装置の構成を示す図である。図15はビデオカメラ25を用いた例を示す図である。試料11からの反射光の光路上にハーフミラー24或いは移動可能なミラー(図中の実線の位置及び破線の位置との間で移動可能)を設置し、該ミラー24で反射させた試料像をビデオカメラ25によりモニタする。これにより、モニタ画面で測定位置を確認しながら移動台13を調整することができる。
【0039】
図16は、光源10により照射される試料11上の領域を目視で確認できるような発光部26を設けるようにした例である。発光部26の発光素子には可視光発光ダイオード又は可視光の微小パワーのレーザーダイオード等が用いられる。試料11位置確認時には、発光部26が取り付けられたアーム27を所定位置まで引き出して試料11上にスポット光を照射させる。このスポット光の位置が実際に測定される領域となるようにアーム27は予め調整される。また、発光部26は、測定される一次元領域全体を照射するように複数の発光素子が配列されたライン状のものとすることがより好ましい。
【0040】
更に、図1の構成において、測定箇所の位置確認時には、試料11からの反射光がスリット14により遮られない位置まで該スリット14を後退又は移動させるとともに、回折格子16を回転させ試料11からの反射光の0次光が光検出器19に入射されるような構成としても良い。このとき、試料像がそのまま光検出器19上に投影されるため、光検出器19で得た画像を用いて試料11の位置調整を行なうことができる。この場合、回折格子16を回転させる代わりに回折格子16の位置にミラーを移動可能に設置し、光検出器19上に試料像を投影させるようにしても良い。
【0041】
[移動台13の変形例]
また、図17乃至図18は広い面積を有する試料11を測定するための移動台13の実施例を示す図である。図17は二次元的に広い面積を有する試料11を測定可能にした移動台13の例である。光源10によって照射される一次元領域は試料のY軸方向の一部分であるが、試料測定時には、図示の如く、X軸方向及びY軸方向に試料11を移動させつつ一次元領域の測定を行なうことにより、試料11全体の測定を実行させる。或いは、試料11を固定し光学系を移動させて測定を行なうようにしても良い。
【0042】
図18はリボン状の細長い試料11の測定を行なうための移動台13の例である。送り側リール28から巻き取り側リール29へ試料11をステップ状に送りつつ一次元領域の測定が行なわれる。このような移動台13を用いることにより、広い面積を有する試料の分光測定或いは測色が効率的に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る分光測定装置の実施例を用いた二次元色彩計の概略構成図。
【図2】 図1中の信号処理部の要部の構成図。
【図3】 位置補正処理の一例を説明するための図。
【図4】 位置補正データ作成処理を説明するための図。
【図5】 試料測定時の位置補正処理動作を説明するための図。
【図6】 位置補正処理の他の実施例を説明するための図。
【図7】 位置補正データ作成処理の他の実施例を説明するための図。
【図8】 他の実施例による光源の構成を示す図。
【図9】 他の実施例による光源の構成を示す図。
【図10】 他の実施例による光源の構成を示す図。
【図11】 光量モニタの構成の一例を示す図。
【図12】 他の実施例による光量モニタを示す図。
【図13】 他の実施例による光量モニタを示す図。
【図14】 他の実施例による光量モニタを示す図。
【図15】 試料位置確認方法の一例を示す図。
【図16】 他の実施例による試料位置確認方法を示す図。
【図17】 他の実施例による試料移動台の構成図。
【図18】 他の実施例による試料移動台の構成図。
【図19】 分光測定装置の光学系のブロック構成図。
【図20】 理想的な光学系による分光画像を示す図。
【図21】 理想的でない光学系による分光画像を示す図。
【符号の説明】
10…光源
11…試料
12…参照試料
13…移動台
14…スリット
16…回折格子
19…光検出器
20…信号処理部
202…位置補正処理部
203…位置補正データメモリ
204…反射率演算部
205…参照データメモリ
22…光量モニタ
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a spectroscopic measurement apparatus, and in particular, when spectroscopically measuring a one-dimensional region on a sample, a spectroscopic image is formed on a photodetector in which a plurality of micro light receiving elements are two-dimensionally arranged, and positional information and The present invention relates to a spectroscopic measurement device that simultaneously measures information in a wavelength direction.
[0002]
[Prior art]
FIG. 19 is a configuration diagram of an optical system of a spectroscopic measurement apparatus including a photodetector 19 in which a plurality of minute light receiving elements are two-dimensionally arranged. In the figure, the light emitted from the light source 10 is reflected by the line region extending in the Y-axis direction of the sample 11 and guided to the slit 14. The light that has passed through the slit 14 is collimated by the lens 15, dispersed by the diffraction grating 16, and then projected onto the photodetector 19 via the secondary light removal filter 17 and the lens 18. At this time, the position information in the line region of the sample 11 is obtained in the position direction (y-axis direction) on the photodetector 19, and each point of the line region is in the wavelength direction (λ-axis direction) orthogonal to the position direction. Information on the spread of the wavelength is obtained.
[0003]
In order to obtain the spectral intensity distribution from this spectral image, the light intensity signals obtained by the light receiving elements arranged in the λ-axis direction are each set with a wavelength width Δλm with respect to a predetermined center wavelength λm and integrated within that wavelength width. Or averaged. Thereby, the spectral intensity distribution at a certain point in the line region is obtained. Subsequently, the spectral intensity distribution at each point in the line area is calculated, whereby the spectral intensity distribution of the one-dimensional area on the sample 11 is obtained. Further, a two-dimensional region is obtained by repeatedly obtaining a spectral image of a one-dimensional region while sequentially moving the moving table 13 on which the sample 11 is placed and the optical system including the light source 10 to the photodetector 19 sequentially in the X-axis direction. The spectral intensity distribution of can be measured.
[0004]
FIG. 20 shows an example of a spectral image obtained by the photodetector 19 when the optical path is ideal in the above configuration. Here, the ideal optical path is a case where all the conditions such as no displacement of the optical components such as the lenses 15 and 18 and the slit 14 and no aberration of the lenses 15 and 18 are satisfied. . As a spectral image corresponding to the sample A in the line region, a two-dimensional spectral image such as B 1 is obtained. Here, in order to determine the spectral intensity distribution with respect to the position Y a in the sample A reads the detection signals of the light receiving elements arranged in λ axial position y a (light receiving elements along the broken line in the figure) Just put it out.
[Problems to be solved by the invention]
[0005]
However, in an actual spectroscopic measurement apparatus, image formation of the photodetector 19 is distorted or deformed due to a relative displacement of optical components, lens aberration, or the like. FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a spectral image in which distortion occurs due to non-ideal optical path conditions. As shown in the figure, unlike the case of FIG. 20, the direction of the spread of the wavelength corresponding to a certain position in the sample A does not coincide with the λ-axis direction. Therefore, when there is such distortion or deformation, an accurate spectral intensity distribution cannot be obtained even if the detection signals of the light receiving elements arranged in the λ-axis direction are read. In addition, when the optical components are adjusted and the apparatus is disassembled and assembled, the state of distortion and deformation may change, so that the reliability and reproducibility of the measurement results are further reduced.
[0006]
By the way, the spectroscopic measurement in the two-dimensional region as described above can be applied to various uses such as defect inspection of industrial products. One of them is application to colorimeters such as color meters and color difference meters. In general, when performing colorimetry, a relative reflectance with respect to a color sample defined in the JIS standard or the like is obtained, and a color value is calculated based on the relative reflectance. Therefore, when realizing a colorimeter in a two-dimensional region, if relative distortion occurs in the y-axis direction and further in the λ-axis direction due to the optical system as described above, naturally, an accurate relative reflectance cannot be obtained. The correct color value cannot be calculated.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and its purpose is to accurately measure the spectral intensity distribution even when the optical path is not in an ideal state. Another object of the present invention is to provide a spectroscopic measurement apparatus suitable for the colorimeter.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a spectroscopic measurement apparatus for spectroscopically measuring a one-dimensional region on a sample.
a) light detecting means in which a plurality of micro light receiving elements are two-dimensionally arranged;
b) a spectroscopic means for projecting a one-dimensional region image of the sample in one dimensional direction of the light detecting means and dispersing light in the other dimensional direction;
c) Spectral intensity distribution pattern in a two-dimensional spectroscopic image obtained by spectroscopic measurement of a reference sample having a known spectral intensity distribution and pattern in the linear region of the slit longitudinal direction prior to spectroscopic measurement of the sample to be measured First storage means for storing position information of the light receiving element corresponding to the position correction information;
d) Prior to spectroscopic measurement of the sample to be measured, a spectral intensity distribution obtained by spectroscopically measuring a reference sample having a known spectral intensity distribution different from the reference sample is stored as reference information. A second storage means;
e) distortion correction means for correcting the positional distortion of the detection signal by each light receiving element based on the position correction information read from the first storage means when performing spectroscopic measurement of the sample to be measured;
f) calculating means for calculating a relative reflectance distribution based on the spectral intensity distribution in which positional distortion is corrected by the distortion correcting means and the reference information read from the second storage means for the sample to be measured;
It is characterized by having.
[0009]
[Action]
By spectroscopically measuring a reference sample having a known spectral intensity distribution pattern, it is possible to grasp the state of distortion or deformation of the spectral image resulting from the non-ideal optical system including the spectroscopic means. Therefore, a reference sample having a known spectral intensity distribution and pattern in the line area in the longitudinal direction of the slit is subjected to spectroscopic measurement, and the wavelength distribution direction of the spectral intensity distribution pattern that is the measurement result or the direction of the one-dimensional area image of the sample is measured. The position information of the corresponding light receiving element is stored in advance in the first storage means as correction information. Then, at the time of sample measurement, the distortion correction means performs a correction process such as reading the detection signal of each light receiving element or rearranging the detection signal based on the correction information, thereby obtaining a spectral image with reduced distortion and deformation. create.
[0010]
On the other hand, in order to obtain reference information for obtaining the relative reflectance, a reference sample having a specific spectral intensity distribution different from the reference sample is spectroscopically measured, and the spectral intensity distribution is stored in the second storage means. deep. At the time of sample measurement, the computing means calculates a spectral intensity distribution based on the spectral image whose distortion has been corrected by the distortion correcting means, and then calculates a relative reflectance distribution with respect to the spectral intensity distribution of the reference information.
[0011]
【The invention's effect】
Therefore, according to the present invention, a spectral image in which the influence of the displacement of the optical component, the aberration of the lens, and the like is corrected can be obtained. Therefore, a precise and accurate spectral intensity distribution can be obtained even when measuring a sample having a complicated pattern. Can be measured. Even when the apparatus is adjusted, high accuracy can always be maintained by measuring the reference sample again and replacing the position correction information. Furthermore, according to the present invention, the relative reflectance distribution with respect to the spectral intensity distribution of the reference sample can be easily and accurately obtained, so that a spectroscopic measurement device suitable for application to a colorimeter can be obtained.
[0012]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a spectrometer according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional colorimeter using a spectroscopic measurement apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of a main part centering on a signal processing unit 20 in FIG. The optical system of FIG. 1 differs from FIG. 19 in that the reference sample 12 can be moved to the same position as the sample 11 by a movable arm (not shown) instead of the sample 11 to be measured. It is that you are.
[0013]
The output signal of the photodetector 19 is processed by the signal processing unit 20, and the measurement result is displayed or printed out by the output unit 21. In the signal processing unit 20, the detection signal from the photodetector 19 is converted into a digital signal by an analog / digital (A / D) converter 201 for each light receiving element, and supplied to the position correction processing unit 202. The position correction processing unit 202 corrects the distortion and deformation of the spectral image generated in the optical system by the correction process described later. The position correction processing unit 202 is connected to a position correction data memory 203 for storing position correction information. In the position correction data memory 203, position correction data obtained by spectroscopic measurement of the reference sample is written in advance.
[0014]
The spectral image signal corrected by the position correction processing unit 202 is supplied to the reflectance calculation unit 204. A reference data memory 205 for storing reference information is connected to the reflectance calculation unit 204. In this reference data memory 205, reference data based on a spectral intensity distribution obtained by spectroscopic measurement of a reference sample is written in advance. The reflectance calculation unit 204 obtains a spectral intensity distribution from the input spectral image, and calculates a relative reflectance distribution for each wavelength based on the result and reference data. The data post-processing unit 206 performs processing such as smoothing of the relative reflectance data as necessary, and the color value calculation unit 207 calculates a color value from the relative reflectance by performing a predetermined calculation. This result is output from the output unit 21.
[0015]
Next, the processing operation in the apparatus of FIGS. 1 and 2 will be described in detail with reference to the drawings in the order of position correction processing and relative reflectance calculation processing.
[0016]
[Example of position correction processing]
First, an embodiment of the position correction process will be described with reference to FIGS.
(i) Generation processing of position correction data Prior to measurement of the sample 11, spectroscopic measurement of the reference sample is performed in order to generate position correction data which is basic information for performing position correction. As the reference sample, for example, a sample having a minute pattern having a size about the required position resolution at the position Y k (k = 1 to m) in the line region is used. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the reference sample A and the spectral image B thereof. When the optical path is ideal, the m curves C k should be straight lines extending in the λ-axis direction, and therefore the state of the curve reflects distortion and deformation. Therefore, the correspondence between the wavelength direction and the light receiving element for the m patterns of the reference sample is obtained based on this curve. This correspondence is stored in advance in the position correction data memory 203 as position correction data, and the detection signals of the respective light receiving elements are rearranged based on this correspondence when the sample 11 is measured.
[0017]
A specific processing method for obtaining the correspondence between the wavelength direction and the position of the light receiving element will be described below with reference to FIG. In the spectral image B for m minute patterns existing at the position Y k (k = 1 to m) in the reference sample A, a vertical line of light receiving elements (in FIG. 4) at the position of λ i (i = 1 to n). The detected value of the hatched portion in the spectral image is read, and the position of the light receiving element where the peak value of the light intensity appears is stored as p ki (k = 1 to m). For example, when the detection value of the light receiving elements in the vertical line at the position of λ i shows a peak at the position on the y axis as indicated by P in FIG. 4, the position of this peak (for example, the light receiving element in the y axis direction). The number assigned to identify the position) is sequentially stored in the position correction data memory 203 as p ki .
[0018]
By repeating this operation from i = 1 to the number n of light receiving elements in the λ-axis direction, the position Y k (k = 1 to m) in the reference sample A and the position p ki of the light receiving element along the curve C k. Correspondence with (i = 1 to n) is obtained. In other words, in order to obtain the spectral intensity distribution of the position Y k is, p k1, p k2, ..., in the order of p kn, so that may be read the signal value of the light receiving elements located therein. In this way, the correspondence between the position Y k in the sample and the position p ki of the light receiving element indicating the wavelength spreading direction with respect to the position is obtained as position correction data.
[0019]
Note that when the relative positional relationship of the optical components is changed or the optical components themselves are replaced, the state of distortion or deformation of the spectral image may change. It is preferable that the position correction data is rewritten by automatically performing spectroscopic measurement of the reference sample when placed on the surface and performing an appropriate key operation from the outside. Further, the reference sample may be incorporated into the apparatus itself in the same manner as the reference sample.
[0020]
(ii) Correction processing at the time of sample measurement The position correction processing unit 202 is provided with an image memory for storing A / D converted signal values of all light receiving elements. When the output signal of the A / D converter 201 is written into the image memory, a write address based on the position correction data stored in the position correction data memory 203 is generated. At this time, as shown in FIG. 5, for the position Y j existing between the position Y k and the position Y k + 1 , the curves C k and C k + 1 stored in the position correction data memory 203 are used. The position correction data related to and are read out, and the curve C j (the dashed curve in FIG. 5) is estimated by calculating the weighted average of both, and the write address is obtained. As a result, the spectral image for any position in the line region of the sample 11 is written at an appropriate position in the image memory along the direction in which the wavelength spreads. That is, a spectral image in which distortion and deformation are corrected is obtained in the image memory.
[0021]
When reading detection signals from a plurality of light receiving elements constituting the photodetector 19, a light receiving element to be read is selected based on the position correction data, and the image memory is written in a predetermined address order. Similar results are obtained.
[0022]
Further, the spectral image with distortion obtained in the photodetector 19 is temporarily written in the first image memory, and position correction is performed when the spectral image is transferred from the first image memory to the second image memory. good. In this case, a spectral image with distortion is obtained in the first image memory, and a spectral image with distortion corrected is obtained in the second image memory.
[0023]
[Another embodiment of position correction processing]
Next, another embodiment of the position correction process will be described. In the position correction data creation process according to the above embodiment, the position correction data memory 203 stores the position information of all the light receiving elements on the curve C k with respect to the λ-axis direction, so that a large capacity memory is required. FIG. 6 is a diagram for explaining a process of creating position correction data that can reduce the memory capacity. In the present embodiment, the position p ki of the light receiving element corresponding to the curve C k is not obtained sequentially from i = 1 to i = n in the λ axis direction, but is obtained at predetermined intervals of the number of light receiving elements in the λ axis direction. To remember.
[0024]
That is, the position of the light receiving element where the peak of the light intensity appears is stored as p ki (k = 1 to m) only for the vertical row in the shaded area in FIG. Therefore, in the above embodiment, the position correction data is obtained by repeating the operation n times equal to the number of light receiving elements in the λ axis direction, whereas in this embodiment, the number of the repeated operations can be greatly reduced. Thus, the capacity of the position correction data memory 203 can be reduced accordingly.
[0025]
With respect to the wavelength region skipped in the λ-axis direction, a curve is formulated by calculation such as polynomial approximation or interpolation during correction processing, and the address of the image memory or the position of the light receiving element to be read is determined based on this.
[0026]
[Modification of position correction processing]
Further, it is also possible to obtain position correction data using a reference sample different from the above embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the reference sample A having a single minute pattern in the line region and the spectral image B thereof. The position p of the light receiving element corresponding to the curve C is obtained while moving the minute pattern in the reference sample with a step width of about the necessary resolution in the Y-axis direction. At this time, with respect to the λ-axis direction, the positions of all corresponding light receiving elements may be stored, or the positions of the corresponding light receiving elements may be stored at predetermined intervals.
[0027]
It is possible to correct not only the distortion and deformation in the y-axis direction as described above, but also the distortion in the λ-axis direction using the same method. In that case, for example, a reference sample having an emission line spectrum having a sharp peak in a specific wavelength range is used. Then, one or more spectral curves extending in the y-axis direction on the spectral image are obtained, and the correction data in the wavelength direction is created by obtaining the position of the light receiving element along the curve. Of course, it is also possible to correct the distortion in the position direction and the wavelength direction at the same time.
[0028]
[Example of relative reflectance calculation processing]
Now, the processing operation of the relative reflectance calculation will be described.
(i) Reference Data Creation Processing Prior to measurement of the sample 11, reference data serving as a reference for obtaining the relative reflectance is created and stored in the reference data memory 205. First, when measurement of the reference sample 12 is instructed by the key operation of the measurer, the movable table 13 on which the sample 11 is placed is retracted in the Z direction, and the reference sample 12 supported by the arm is the original of the sample 11. Moved to position. Then, the spectroscopic measurement of the reference sample 12 is performed.
[0029]
In the colorimeter, a predetermined standard white plate having no color unevenness is usually used as the reference sample 12. By spectroscopic measurement, first, a spectroscopic image of the reference sample 12 in which distortion and deformation of the optical system are corrected is obtained. Then, the spectral intensity distribution is calculated from the spectral image in the two-dimensional region of the reference sample 12 and stored in the reference data memory 205. Accordingly, the reference data memory 205 stores the spectral intensity distribution in which the distortion of the optical system is corrected. The reference sample 12 is exchanged for an appropriate one according to the purpose of measurement, and the data in the reference data memory 205 is newly rewritten. For example, when it is desired to obtain a color difference from a specific color, a sample having a predetermined color such as blue or red is used as the reference sample 12.
[0030]
(ii) Processing Sample 11 at Sample Measurement The sample 11 is returned to the original predetermined position, and the spectral intensity distribution in the one-dimensional region irradiated by the light source 10 is measured. By measuring the spectral intensity distribution while the movable table 13 and the optical system including the slit 14 to the light detector 19 are relatively moved stepwise in the X-axis direction, the reflectance calculation unit 204 performs two measurements on the sample 11. A spectral intensity distribution in the dimension region is obtained. Since the spectral distribution intensity is based on the spectral image corrected by the position correction processing unit 202, the spectral intensity distribution of the sample 11 in which the distortion of the optical system is corrected is stored in the memory in the reflectance calculation unit 204. Is memorized.
[0031]
The reflectance calculation unit 204 calculates a relative reflectance distribution from the spectral intensity distribution of the sample 11 and the reference data corresponding to each position and each wavelength of the spectral intensity distribution. At this time, if the light amount of the light source 10 is different between when the reference sample 12 is measured and when the sample 11 is measured, an error in relative reflectance occurs. Therefore, the value obtained by converting the light amount of the light source 10 measured by the light amount monitor 22 at the time of measuring the reference sample 12 into a digital signal by the A / D converter 201 is stored in the memory in the reflectance calculation unit 204 to measure the sample 11. The reflectance is corrected based on the difference from the light quantity measured at times.
[0032]
Next, another embodiment of the optical system of the spectroscopic measurement apparatus as in the present invention will be described below.
[0033]
[Modification of Light Source 10]
8 to 10 are diagrams showing an example of the configuration and structure of the light source 10. FIG. 8 shows an example using line illumination. The irradiation light of the light source 10 is guided to the line-shaped emission part 101 by the optical fiber 102 and irradiated onto the surface of the sample 11. If such line illumination is used, a one-dimensional region on the surface of the sample 11 can be uniformly irradiated.
[0034]
FIG. 9 shows an example in which two line lights as shown in FIG. 8 are used. Each of the line-shaped emission portions 101a and 101b irradiates a one-dimensional region on the surface of the sample 11 from two directions with an angle of α = 45 °. According to this, it is possible to realize a light source that is not easily shadowed.
[0035]
FIG. 10 shows an example in which the transmitted light is measured by irradiating light from the back side of the sample 11. The moving table 13 on which the sample 11 is placed is provided with a window portion in the light irradiation range, and the sample 11 is irradiated with light through this window portion.
[0036]
In addition, it is also possible to spectroscopically measure the fluorescence emitted from the sample 11 using excitation light such as a xenon lamp as the light source 10.
[0037]
[Modified example of light intensity monitor 22]
11 to 14 are diagrams showing an example of the configuration and installation of the light quantity monitor 22. FIG. 11 shows an example in which an optical fiber 102 for guiding light from the light source 10 is branched and a part of the light is irradiated to the light quantity monitor 22. FIG. 12 shows an example in which a half mirror 23 is installed on the optical path of the reflected light from the sample 11 and a part of the reflected light is guided toward the light amount monitor 22. FIG. 13 shows an example in which a light amount monitor 22 is attached in the vicinity of the sample 11 on the moving table 13. FIG. 14 shows an example in which the light quantity monitor 22 is incorporated in the lamp house of the light source 10. In either case, an error such as reflectance can be corrected by detecting the light amount variation of the light source 10 or the light amount change due to the change with time by the light amount monitor 22 and performing the signal processing as described above.
[0038]
[Example of confirming position of sample 11]
15 to 16 are diagrams showing the configuration of an apparatus for confirming the position of the measurement location on the sample 11. FIG. 15 is a diagram showing an example using the video camera 25. A half mirror 24 or a movable mirror (movable between a solid line position and a broken line position in the figure) is installed on the optical path of the reflected light from the sample 11, and the sample image reflected by the mirror 24 is displayed. The video camera 25 monitors. Thereby, it is possible to adjust the movable table 13 while confirming the measurement position on the monitor screen.
[0039]
FIG. 16 shows an example in which a light emitting unit 26 is provided so that a region on the sample 11 irradiated by the light source 10 can be visually confirmed. As the light emitting element of the light emitting unit 26, a visible light emitting diode, a laser diode having a minute power of visible light, or the like is used. When the position of the sample 11 is confirmed, the arm 27 to which the light emitting unit 26 is attached is pulled out to a predetermined position, and the sample 11 is irradiated with spot light. The arm 27 is adjusted in advance so that the position of the spot light is an area to be actually measured. Moreover, it is more preferable that the light emitting unit 26 has a line shape in which a plurality of light emitting elements are arranged so as to irradiate the entire one-dimensional region to be measured.
[0040]
Furthermore, in the configuration of FIG. 1, when confirming the position of the measurement location, the slit 14 is moved backward or moved to a position where the reflected light from the sample 11 is not blocked by the slit 14, and the diffraction grating 16 is rotated to remove the light from the sample 11. A configuration in which the zero-order light of the reflected light is incident on the photodetector 19 may be adopted. At this time, since the sample image is directly projected onto the photodetector 19, the position of the sample 11 can be adjusted using the image obtained by the photodetector 19. In this case, instead of rotating the diffraction grating 16, a mirror may be movably installed at the position of the diffraction grating 16, and the sample image may be projected onto the photodetector 19.
[0041]
[Modified example of moving table 13]
FIGS. 17 to 18 are views showing an example of the movable table 13 for measuring the sample 11 having a large area. FIG. 17 shows an example of the movable table 13 that enables measurement of the sample 11 having a two-dimensionally large area. The one-dimensional region irradiated by the light source 10 is a part of the sample in the Y-axis direction. At the time of sample measurement, as shown in the figure, the one-dimensional region is measured while moving the sample 11 in the X-axis direction and the Y-axis direction. Thus, measurement of the entire sample 11 is executed. Alternatively, the measurement may be performed by fixing the sample 11 and moving the optical system.
[0042]
FIG. 18 shows an example of the movable table 13 for measuring the ribbon-like elongated sample 11. A one-dimensional region is measured while the sample 11 is fed stepwise from the feed reel 28 to the take-up reel 29. By using such a moving table 13, the spectroscopic measurement or colorimetry of a sample having a large area can be performed efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional colorimeter using an embodiment of a spectroscopic measurement apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of a signal processing unit in FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of position correction processing;
FIG. 4 is a diagram for explaining position correction data creation processing;
FIG. 5 is a diagram for explaining a position correction processing operation during sample measurement.
FIG. 6 is a diagram for explaining another embodiment of the position correction process.
FIG. 7 is a diagram for explaining another example of position correction data creation processing;
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a light source according to another embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a light source according to another embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a light source according to another embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of a light amount monitor.
FIG. 12 is a diagram showing a light amount monitor according to another embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing a light amount monitor according to another embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing a light amount monitor according to another embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing an example of a sample position confirmation method.
FIG. 16 is a diagram showing a sample position confirmation method according to another embodiment.
FIG. 17 is a configuration diagram of a sample moving table according to another embodiment.
FIG. 18 is a configuration diagram of a sample moving table according to another embodiment.
FIG. 19 is a block configuration diagram of an optical system of a spectroscopic measurement apparatus.
FIG. 20 is a diagram showing a spectral image by an ideal optical system.
FIG. 21 is a diagram showing a spectral image by a non-ideal optical system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light source 11 ... Sample 12 ... Reference sample 13 ... Moving stage 14 ... Slit 16 ... Diffraction grating 19 ... Photo detector 20 ... Signal processing unit 202 ... Position correction processing unit 203 ... Position correction data memory 204 ... Reflectance calculation unit 205 ... Reference data memory 22 ... Light intensity monitor

Claims (1)

試料上の一次元領域を分光測定するための分光測定装置において、
a)複数の微小受光素子が二次元的に配置された光検出手段と、
b)該光検出手段の一つの次元方向に試料の一次元領域像を投影させるとともに他の次元方向に光を分散させるための分光手段と、
c)測定対象の試料の分光測定に先立ち、既知の分光強度分布及びパターンをスリット長手方向の線領域内に有する基準試料を分光測定することにより求められた二次元分光画像中の分光強度分布パターンに対応する受光素子の位置情報を、位置補正情報として記憶しておくための第1の記憶手段と、
d)測定対象の試料の分光測定に先立ち、前記基準試料とは相違する既知の分光強度分布を有する参照試料を分光測定することにより求められた分光強度分布を参照情報として記憶しておくための第2の記憶手段と、
e)測定対象の試料を分光測定するに際し、前記第1の記憶手段から読み出した位置補正情報に基づいて各受光素子による検出信号の位置歪みを補正処理するための歪み補正手段と、
f)前記測定対象の試料について前記歪み補正手段により位置歪みが補正された分光強度分布と前記第2の記憶手段から読み出した参照情報とに基づき相対反射率分布を計算する演算手段と、
を備えることを特徴とする分光測定装置。
In a spectroscopic measurement device for spectroscopic measurement of a one-dimensional region on a sample,
a) light detecting means in which a plurality of micro light receiving elements are two-dimensionally arranged;
b) a spectroscopic means for projecting a one-dimensional region image of the sample in one dimensional direction of the light detecting means and dispersing light in the other dimensional direction;
c) Spectral intensity distribution pattern in a two-dimensional spectroscopic image obtained by spectroscopic measurement of a reference sample having a known spectral intensity distribution and pattern in the line area in the slit longitudinal direction prior to spectroscopic measurement of the sample to be measured First storage means for storing the position information of the light receiving element corresponding to the position correction information;
d) Prior to the spectroscopic measurement of the sample to be measured, a spectral intensity distribution obtained by spectroscopically measuring a reference sample having a known spectral intensity distribution different from the reference sample is stored as reference information. A second storage means;
e) distortion correction means for correcting the positional distortion of the detection signal by each light receiving element based on the position correction information read from the first storage means when performing spectroscopic measurement of the sample to be measured;
f) a computing means for calculating a relative reflectance distribution based on the spectral intensity distribution in which positional distortion is corrected by the distortion correcting means and the reference information read from the second storage means for the sample to be measured;
A spectroscopic measurement device comprising:
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