JP4372314B2 - スペクトル測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子により分光されたスペクトル光を検出する検出器を備えるスペクトル測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分光スペクトル測定では、測定に先立ち、光を照射しない状態で暗スペクトルを測定する。その暗スペクトルの検出信号を、光を照射して実際に測定したスペクトルから差し引くことにより、真のスペクトルを求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、暗スペクトルの測定だけでは、検出器のオフセット信号を補正することしかできない。
光を照射した状態では、スペクトル測定装置の筐体内部の乱反射、回折格子表面での拡散反射、測定次数以外の次数の光などの影響で、測定したい光以外の光が検出素子に入射し、これが迷光ノイズとなり分光スペクトルの信号全体のレベルを変化させる。
【０００４】
この不要な光の影響を除くために、スペクトル測定装置の筐体内部を黒く塗ったり、測定光路の周囲に遮蔽物スリットを配置したりすることが行われるが、強度比にして１０^-3の程度以下の迷光は、取り除くことができないものである。
また、検出素子の表面は、通常、素子保護のための光透過窓に覆われている。このため検出素子の表面で正反射した光がこの光透過窓の内面に当たり、もう一度検出素子に入射して、分光スペクトルの測定精度を低下させる。特に、検出素子の表面は、周期構造を持っているため、ある方向への回折光が強くなる。この回折光も光透過窓の内面に当たり、もう一度検出素子に入射して、分光スペクトルの測定精度を低下させる。
【０００５】
そこで、本発明は、スペクトル測定装置内部に発生する不要な光の影響を、検出素子の検出信号の処理により取り除くことのできるスペクトル測定装置を提供することを目的とする。
また本発明は、検出素子の表面の反射や回折により生ずる不要な光の影響を検出信号の処理により取り除くことのできるスペクトル測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のスペクトル測定装置は、検出器の検出面が二次元検出面であり、前記検出面の一部に、前記回折格子により分光されたスペクトル光が照射され、前記スペクトル光は、前記検出面の法線に対して、一次元スペクラムの延びる方向に直角に交わる方向と前記法線で決まる平面の中で傾いた入射角で、前記検出面に斜めに当たり、前記検出面は、厚みを有する光透過窓で覆われ、前記検出面の、スペクトル光が照射される部分に生ずる信号強度から、当該部分以外の部分に生ずる信号強度を引き算することにより、迷光等の影響が除去されたスペクトル信号を得る信号処理部を有することを特徴とする。
【０００７】
スペクトル測定装置内部の迷光等は、検出面に比較的均一にバックグラウンドとして入射するので、前記の構成によれば、前記引き算処理をすることにより、迷光等の影響が除去されたスペクトル信号を得ることができる。当該斜め入射により、検出面と光透過窓との間で生ずる正反射の影響を避けることができる。光回折や光反射のために検出面に入る、不要な光の影響は、前記信号処理部の信号強度の引き算処理により、除くことができる。
【０００８】
前記検出面の、スペクトル光が照射される部分は、好ましくは細長い長方形状である。回折格子により分光されるスペクトル光は、通常一次元スペクトルであり、回折格子の構造上、スペクトル光が照射される部分は、細長い長方形状になるからである。
【０００９】
前記検出面の、引き算のための信号強度を得る部分は、前記長方形の長辺の外側に位置するものであってもよい。前記長方形の長辺の外側に位置するものであれば、不要な、かつ指向性を持った光の影響を、前記信号処理部の信号強度の引き算処理により、除くことができるからである。
【００１０】
また、引き算のための信号強度を得る部分は、前記長方形の長辺及び短辺の外側に位置するものであってもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、スペクトル測定装置１の内部構造を見た平面図である。スペクトル測定装置１は、内側を黒く処理した筐体１１と、筐体１１の中に設置された凹面回折格子１２と、ＣＣＤ検出器１３とを備えている。ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａは、光透過窓１３ｂに覆われている。また、筐体１１の壁にスペクトル測定したい白色光（以下「測定光」という）を導入する円孔スリット１４が形成されている。１５は、ＣＣＤ検出器１３への入射光を制限する遮光板を示す。
【００１２】
図２は、スペクトル測定装置１の信号処理部等の機能ブロック図である。ＣＣＤ検出器１３の検出信号は、パーソナルコンピュータなどにより構成される信号処理部２に入力される。信号処理部２は、迷光等の影響を除いた正味のスペクトル強度を算出する。算出の過程及び結果は、記憶部４に記憶され、随時、表示部３において表示される。
図１を参照して、スリット１４を通過した測定光は、凹面回折格子１２に照射され、ここから０次光、１次光、２次光などが反射回折される。このうち、ＣＣＤ検出器１３に入射するのは、１次光であり、０次光、２次光などは、遮光板１５により遮光され、筐体１１の内部の壁により吸収するようにしている。しかし、現実には、すべて吸収することはできず、吸収されなかった光の一部は、凹面回折格子１２に当たり、回折格子１２の表面での拡散反射や乱反射により、迷光としてＣＣＤ検出器１３に入射する。また、スリット１４を通過した測定光自体が、回折格子１２の表面で（回折するのでなく）拡散反射や乱反射してＣＣＤ検出器１３に入射するが、これも迷光として扱うことができる。
【００１３】
本発明では、迷光としてＣＣＤ検出器１３に入射する光は、ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａの広い範囲に分布する、と考える。
図３は、凹面回折格子１２による回折光の振る舞いを説明するための斜視図である。凹面回折格子１２は、フラットフォーカス型といわれるものであり、一点から広がった光を一次元のスペクトルとして結像させる。一次元スペクトルの方向をｘ、凹面回折格子１２の中心１２ａを向いた方向をｚ′としている。方向ｚ′から一定角度αだけ傾いた方向をｚとし、ｘ及びｚに直角な方向をｙとしている。
【００１４】
図４は、ＣＣＤ検出器１３を示す正面図であり、図５は側断面図である。ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａは、図４において、ｘ−ｙ面にわたって二次元的に広がっている。検出面１３ａの法線の方向がｚ方向となる。
凹面回折格子１２からの光は、ｚ′方向から入射するが、この入射ｚ′方向は、前述したように検出面１３ａの法線方向ｚから角度α傾いている。したがって入射光は、図５に示すように、検出面１３ａに斜めに入射する。入射光の一部は直接、光透過窓１３ｂを透過し、検出面１３ａに到達する。この光を以下「直接光」という。他の一部の光は光透過窓１３ｂの内部で反射を繰り返しながら光透過窓１３ｂを透過し、検出面１３ａに到達する。
【００１５】
この検出面１３ａに到達した光（直接光を含む）は、検出面１３ａにおいて正反射、回折又は乱反射し、光透過窓１３ｂの内面に当たり、再び検出面１３ａに入射する。回折するのは、検出面１３ａが一定方向への繰り返し構造（画素の配列）を持っているからである。この光透過窓１３ｂの内面に当たり再び検出面１３ａに入射する光を、以下「再入射光」という。
再入射光は、図５を見れば、検出面１３ａ上で直接光と区別できるように描かれているが、実際には、次の理由(1)(2)により、直接光の受光部分を含む広い範囲に分布していると考えられる。
【００１６】
(1)正反射だけでなく、検出面１３ａでの回折があり、また検出面１３ａや光透過窓１３ｂの内面での乱反射があること、
(2) 凹面回折格子１２からの入射角度は、図３に示すように、ｙ−ｚ平面で見て、一定の角度範囲θに広がっていること。
従って、直接光が、スペクトルを最も正確に再現する光であり、再入射光は、迷光と同様、ノイズとして扱うことが適当である。
【００１７】
図４において、破線で囲んだ部分Ａが、直接光が検出面１３ａに当たる部分を示す。他のハッチングを施した部分Ｂは、迷光や再入射光（以下、まとめて「迷光等」という）の強度を測定する部分である。
ここで、数例をあげると、検出素子１つ（「画素」という）は、２５μｍ×２５μｍの大きさを持つ。検出面１３ａは、１０２４画素×１２８画素あり、破線で囲んだ部分Ａの幅ＷＡは、２０画素である。光透過窓１３ｂの厚さｄ１は０．６ｍｍ、光透過窓１３ｂと検出面１３ａとの距離ｄ２は、２．３ｍｍである。
【００１８】
図６は、ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａの検出強度Ｉを、ｙ方向に沿ってプロットしたグラフである。グラフが盛り上がったところは、直接光の測定スペクトルの強度を表している。検出面１３ａ全体にわたって、迷光による強度Ｉ₀、再入射光の強度Ｉ₁が観測されている。
図７は、ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａを直接光の受光部分Ａと迷光等の受光部分Ｂに分割したパターンの一例を示す正面図である。迷光等受光部分Ｂは、直接光受光部分Ａの＋ｙ方向、−ｙ方向にある部分Ｂ１，Ｂ２、及び直接光受光部分Ａの＋ｘ方向、−ｘ方向にある部分Ｂ３，Ｂ４からなる。直接光の受光部分Ａの幅ＷＡは約２０画素、迷光等受光部分Ｂ１〜Ｂ４の幅ＷＢは約１０画素ある。直接光の受光部分Ａと、迷光等受光部分Ｂ１〜Ｂ４との間ＷＣは、１０画素程度である。
【００１９】
各部分Ａ，Ｂ１〜Ｂ４からの信号の分別は、ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａに発生した電荷を、電荷転送により順次取り出し、Ａ／Ｄ変換器によりディジタル化し、ソフトウェアで処理すればできる。
信号処理部２（図２参照）は、各迷光等受光部分Ｂ１〜Ｂ４の信号強度を平均化し、直接光受光部分Ａの信号強度から引き算することにより、迷光等の影響を除いた正味のスペクトル信号分布を得ることができる。
【００２０】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の形態では、フラットフォーカス型凹面回折格子を用いていたが、平面回折格子とトロイダルミラーを用いたツェルニターナー型分光光度計、エバート型分光器及びその改良型、リトロー型分光器等のマルチチャンネル分光器においても、本発明は適用できる。また、前記の処理では、迷光等受光部分Ｂ１〜Ｂ４の信号強度を平均化し、直接光受光部分Ａの信号強度から引き算していたが、迷光等受光部分Ｂ１，Ｂ２の信号強度を平均化し、直接光受光部分Ａの信号強度から引き算してもよい。平均時に重みを掛けてもよい。また、迷光等受光部分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３又はＢ４いずれか単独の信号を直接光受光部分Ａの信号強度から引き算してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明のスペクトル測定装置によれば、スペクトル測定装置内部に発生する迷光や、検出素子の表面の反射や回折により生ずる不要な光の影響を、検出信号の処理により取り除くことのできるので、精度のよいスペクトル強度信号をえることができる。特に、スペクトル強度のレンジの広い試料を測定する場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】スペクトル測定装置１の内部構造を見た平面図である。
【図２】スペクトル測定装置１の信号処理部等の機能ブロック図である。
【図３】凹面回折格子１２による回折光の振る舞いを説明するための斜視図である。
【図４】ＣＣＤ検出器１３を示す正面図である。
【図５】ＣＣＤ検出器１３を示す側断面図である。
【図６】ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａの検出強度Ｉを、ｙ方向に沿ってプロットしたグラフである。
【図７】ＣＣＤ検出器１３の検出面１３ａを直接光の受光部分Ａと迷光等の受光部分Ｂに分割したパターンの一例を示す正面図である。
【図８】スペクトル光が、検出面に、斜めに照射される場合の入射角を説明するための図である。
【符号の説明】
１ スペクトル測定装置
２ 信号処理部
３ 表示部
４ 記憶部
１１ 筐体
１２ 凹面回折格子
１３ ＣＣＤ検出器
１３ａ 検出面
１３ｂ 光透過窓
１４ 円孔スリット
１５ 遮光板

Claims (4)

1. 回折格子と、前記回折格子により分光されたスペクトル光を検出する検出器とを備えるスペクトル測定装置において、
   前記検出器は、二次元検出面を有し、
   前記検出面の一部に、前記回折格子により分光されたスペクトル光が照射され、
   前記スペクトル光は、前記検出面の法線に対して、一次元スペクラムの延びる方向に直角に交わる方向と前記法線で決まる平面の中で傾いた入射角で、前記検出面に斜めに当たり、
   前記検出面は、厚みを有する光透過窓で覆われ、
   前記検出面の、スペクトル光が照射される部分に生ずる信号強度から、当該部分以外の部分に生ずる信号強度を引き算することにより、迷光等の影響が除去されたスペクトル信号を得る信号処理部を有することを特徴とするスペクトル測定装置。
2. 前記検出面の、スペクトル光が照射される部分は、細長い長方形状であることを特徴とする請求項１記載のスペクトル測定装置。
3. 前記検出面の、引き算のための信号強度を得る部分は、前記長方形の長辺の外側に位置することを特徴とする請求項２記載のスペクトル測定装置。
4. 前記検出面の、引き算のための信号強度を得る部分は、前記長方形の長辺及び短辺の外側に位置することを特徴とする請求項２記載のスペクトル測定装置。

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