JP4876943B2 - 波長変化補正システム及び波長変化補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポリクロメータ、特に、構成要素がプラスチック成型されたポリクロメータに生じる経時的、熱的な波長変化を補正することができる波長変化補正システム及び波長変化補正方法に関する。

従来、分光測色計や分光輝度計等の分光機器における分光装置として、回折格子による波長分散光を受光素子アレイで同時受光するポリクロメータが多用される。ポリクロメータは、コストダウンを考慮した場合、回折格子やハウジングなどの主要構成要素にプラスチック成型品を用いることが望まれるが、プラスチック成型品は成型後の熱的、経時的な変化が避けられず、これに伴う波長変化が避けられない。こうした波長変化には、回折格子の熱膨張による格子定数変化を主要因とする分散幅変化（波長に比例する変化）と、光学配置の変化を主要因とする一律の変化（波長に比例しない変化）とがあり、これらを補正する技術として、以下、２つの従来例が挙げられる。
特開２００５−６９７８４号公報 特開２０００−２９８０６６号公報

第１の従来例として、特許文献１には、一次回折光（一次光）及び二次回折光（二次光）の波長を測定することで、低価格ながら波長が安定していないＬＥＤ（Light Emitting Diode）の単色光を基準とすることを可能にする技術、すなわち、ＬＥＤの波長変化が二次光に一次光の倍の波長変化をもたらすのに対し、光学配置の変化が一次光及び二次光に同じ波長変化をもたらす、ということを利用し、ＬＥＤの波長変化を除去して光学配置の変化による波長変化を検知、補正する技術が開示されている。しかしながらこの技術は、いずれも二次光に一次光の倍の波長変化をもたらすＬＥＤの波長変化と分散幅変化とを区別できず、したがって、熱膨張の大きい上記プラスチック製の回折格子を用いた場合に問題となる格子定数変化による分散幅変化を補正できない。

第２の従来例として、特許文献２には、回折格子とハウジングとに同じプラスチック材料を用い、熱膨張による格子定数変化に起因する分散幅減少変化を、ハウジングの熱膨張による分散幅拡大によって打ち消すとともに、熱膨張による光学配置の変化がもたらす一律の波長変化を、ハウジングと異なる材料で構成される受光素子アレイ支持部材の熱膨張によって打ち消す技術が開示されている。しかしながらこの技術は、ポリクロメータ全体が一様に温度変化することを前提としており、不均一な温度変化に対応できないだけでなく、経時変化などの温度以外の原因による波長変化には対応できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、プラスチック成型品の回折格子やハウジングで構成されたポリクロメータの熱的或いは非熱的（経時的）な変化に起因する、分散幅変化及び一律な波長変化を共に補正することが可能な波長変化補正システム及び波長変化補正方法を提供することを目的とする。

本発明に係る波長変化補正システムは、入射スリットから入射した入射光を回折格子により回折して該入射スリットの分散像を作成して受光素子アレイで同時受光し、該作成した分散像の情報を出力する分光装置と、１つ又は複数の定電流により駆動されるＬＥＤと、前記分光装置からの出力情報に基づいて所定の演算を行うとともに前記ＬＥＤの駆動を制御する演算制御装置とを備える分光装置の変化に起因する波長変化補正システムであって、前記演算制御装置は、前記入射光として入射される、前記ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光に対して、前記分光装置から出力された分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及び前記ＬＥＤ駆動用の前記定電流による１つ又は複数の順電圧値と、前記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び前記１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、を用いて下記第１〜第３の演算を行い、当該演算結果から前記分光装置の変化に起因する初期からの波長変化を補正することを特徴とする波長変化補正システム。
第１の演算：前記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて前記ＬＥＤ単色光の波長変化量を算出する。
第２の演算：前記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量を算出する。
第３の演算：前記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて前記分光装置の前記入射スリット、前記回折格子および前記受光素子アレイを含む光学素子における相対位置の変化を主要因とする一律の波長変化量及び前記回折格子の変化を主要因とする分散変化量を算出する。

上記構成によれば、分光装置によって、入射スリットから入射した入射光が回折格子により回折されて該入射スリットの分散像が作成され、該作成された分散像の情報が出力される。また、ＬＥＤが１つ又は複数の定電流により駆動される。また、演算制御装置によって、分光装置からの出力情報に基づいて所定の演算が行われるとともにＬＥＤの駆動が制御される。この演算制御装置において、ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光が入射光として入射される場合の、分光装置から出力された分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及びＬＥＤ駆動用の定電流による１つ又は複数の順電圧値と、少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、が用いられて上記第１〜第３の演算が行われ、当該演算結果から分光装置における波長変化の補正が行われるので、分光装置の回折格子やハウジングがプラスチック成型品からなるような場合の、熱的或いは非熱的（経時的）な変化に起因する、分散幅変化及び一律な波長変化を共に補正することができ、当該分光装置における任意波長の変化を補正する（波長変化補正を行う）ことができる。

また、上記構成において、前記少なくとも２つの回折光は、一次回折光及び二次回折光であることが好ましい。

これによれば、少なくとも２つの回折光は、一次回折光及び二次回折光であるので、回折光出力をより確実に得ることが可能となり、ひいては精度良く上記分散幅変化及び一律な波長変化の補正を行うことができる。

また、上記構成において、前記第１の演算において算出される前記ＬＥＤ単色光の波長変化量をｄλ_Ｌとし、前記第２の演算において算出される前記２つの回折光としての前記一次回折光及び二次回折光の波長変化量をそれぞれｄλ_１、ｄλ_２とすると、前記演算制御装置は、前記第３の演算において下記（１）式により前記一律の波長変化量ｄλ_Ａを算出するとともに下記（２）式により前記分散変化量ｄλ_Ｄを算出し、当該第３の演算により得られたｄλ_Ａ及びｄλ_Ｄを用いて下記（３）式により任意の波長λの波長変化量ｄλを算出することにより前記補正を行うことが好ましい。
ｄλ_Ａ＝２＊ｄλ_１−ｄλ_２ ・・・（１）
ｄλ_Ｄ＝（ｄλ_２−ｄλ_１−ｄλ_Ｌ）／λ_Ｌ ・・・（２）
ｄλ＝λ＊ｄλ_Ｄ＋ｄλ_Ａ ・・・（３）
但し、記号「＊」及び「／」はそれぞれ乗算及び除算を示す。

これによれば、演算制御装置によって、第３の演算において上記（１）式により一律の波長変化量ｄλ_Ａが算出されるとともに上記（２）式により分散幅変化量ｄλ_Ｄが算出され、当該第３の演算により得られたｄλ_Ａ及びｄλ_Ｄが用いられて上記（３）式により任意の波長λの波長変化量ｄλを算出することにより補正が行われるので、一律の波長変化量ｄλ_Ａ及び分散幅変化量ｄλ_Ｄを、上記（１）及び（２）式を用いて容易に算出することができ、ひいては任意波長λの波長変化の補正を容易に行うことができる。

また、上記構成において、前記演算制御装置は、前記第１の演算において、前記ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、１つの順電圧値Ｖｆにおける順電圧初期値Ｖｆ_０からの変化量である順電圧変化量ｄＶｆと所定の比例定数Ｋとを用いて下記（４）式により算出することが好ましい。
ｄλ_Ｌ＝Ｋ＊ｄＶｆ ・・・（４）

これによれば、演算制御装置によって、第１の演算において、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌが、１つの順電圧値Ｖｆにおける順電圧初期値Ｖｆ_０からの変化量である順電圧変化量ｄＶｆと所定の比例定数Ｋとを用いて上記（４）式により算出されるので、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、ＬＥＤ駆動時の１つの順電圧値Ｖｆを用いた簡易な方法によって容易に算出することができる。

また、上記構成において、前記演算制御装置は、前記第１の演算において、前記ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２の差Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の値における初期値Ｖｆ_１０−Ｖｆ_２０からの変化量である順電圧差変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）と所定の比例定数Ｋ’とを用いて下記（５）式により算出することが好ましい。
ｄλ_Ｌ＝Ｋ’＊ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２） ・・・（５）

これによれば、演算制御装置によって、第１の演算において、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌが、２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２の差Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の値における初期値Ｖｆ_１０−Ｖｆ_２０からの変化量である順電圧差変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）と所定の比例定数Ｋ’とを用いて上記（５）式により算出されるので、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、ＬＥＤ駆動用の２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２を用いて精度良く算出することができる。

また、本発明に係る波長変化補正方法は、分光装置において、入射スリットから入射した入射光を回折格子により回折させて該入射スリットの分散像を作成して受光素子アレイで同時受光し、該作成した分散像の情報を取得する第１の工程と、１つ又は複数の定電流によりＬＥＤを駆動する第２の工程と、前記第１の工程により取得された分散像情報に基づいて所定の演算を行うとともに前記ＬＥＤの駆動を制御する第３の工程とを有する分光装置の変化に起因する波長変化補正方法であって、前記第３の工程は、前記入射光として入射される、前記ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光に対して、前記分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及び前記ＬＥＤ駆動用の前記定電流による１つ又は複数の順電圧値と、前記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び前記１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、に基づく下記第４〜第６の工程を有するとともに、当該第４〜第６の工程により得られた結果から前記分光装置の変化に起因する初期からの波長変化を補正する第７の工程を有する工程であることを特徴とする。
第４の工程：前記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて前記ＬＥＤ単色光の波長変化量を算出する工程。
第５の工程：前記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量を算出する工程。
第６の工程：前記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて前記分光装置の前記入射スリット、前記回折格子および前記受光素子アレイを含む光学素子における相対位置の変化を主要因とする一律の波長変化量及び前記回折格子の変化を主要因とする分散変化量を算出する工程。

上記構成によれば、第１の工程によって、分光装置において、入射スリットから入射した入射光が回折格子により回折されて該入射スリットの分散像が作成され、該作成された分散像の情報が出力される。また、第２の工程によって、１つ又は複数の定電流によりＬＥＤが駆動され、第３の工程によって、第１の工程により取得された分散像情報に基づいて所定の演算が行われるとともにＬＥＤの駆動が制御される。この第３の工程において、ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光が入射光として入射される場合の、分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及びＬＥＤ駆動用の定電流による１つ又は複数の順電圧値と、上記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、に基づいて上記第４〜第６の工程が実行されるとともに、第７の工程によって、当該第４〜第６の工程により得られた結果から分光装置における波長変化の補正が行われるので、分光装置の回折格子やハウジングがプラスチック成型品からなるような場合の、熱的或いは非熱的（経時的）な変化に起因する、分散幅変化及び一律な波長変化を共に補正することができ、当該分光装置における任意波長の変化を補正する（波長変化補正を行う）ことができる。

本発明によれば、分光装置の光学要素やその相対位置の熱的或いは非熱的（経時的）な変化に起因する分散幅変化と一律な波長変化との双方を補正することができ、初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。特に、回折格子を含む分光装置の構成要素を熱的或いは非熱的（経時的）に不安定なプラスチック成型品としても、波長精度を安定して維持することができる。

（波長変化補正システムの全体的な説明）
図１は、本発明の一実施形態に係る波長変化補正システムの一例を示すブロック構成図である。波長変化補正システム１００は、測定用照明部２、補正用照明部３、測定光学系４、ポリクロメータ５及び演算制御部６を備えている。測定用照明部２は、光源としての白熱ランプ２１と白熱ランプ２１の点消灯動作を制御するランプ制御部２２とを有し、白熱ランプ２１によって試料１又は白色基準試料１０を照明するものである。補正用照明部３は、光源としての紫外ＬＥＤ３１と紫外ＬＥＤ３１の点消灯動作を制御するＬＥＤ制御部３２とを有し、紫外ＬＥＤ３１によって試料１又は白色基準試料１０を照明するものである。なお、ＬＥＤ制御部３２は、紫外ＬＥＤ３１を定電流Ｉｆで駆動する定電流源と、駆動時の紫外ＬＥＤ３１の順電圧Ｖｆを測定する回路（順電圧測定回路）とを備えており（いずれも図示省略）、順電圧測定回路によって測定した順電圧測定値Ｖｆをデジタル信号に変換して演算制御部６へ出力する。

測定光学系４は、測定用照明部２や補正用照明部３により照明された試料１又は白色基準試料１０それぞれからの法線方向の反射光１ａ、１０ａをポリクロメータ５の入射スリット５１に導く各種レンズ等からなる光学系である。ポリクロメータ５は、入射スリット５１の開口部５１ａを通過した光束の分光分布に応じた信号を出力するものである。演算制御部６は、測定用照明部２及び補正用照明部３の照明動作（点消灯動作）を、それぞれランプ制御部２２及びＬＥＤ制御部３２を介して制御するとともに、ポリクロメータ５からの出力データに対する各種演算処理を行うものである。なお、測定用照明部２は、試料１又は白色基準試料１０を試料面法線に対して約４５°の角度で傾斜した方向（４５°の方向という）から照明し、所謂４５／０ジオメトリーを形成している。

入射スリット５１の開口部５１ａから入射した上記反射光１ａ又は反射光１０ａは、凹面回折格子（単に回折格子という）５２によって波長毎に分散、収束され、受光素子アレイ５３上に上記開口部５１ａ（開口）の分散像をつくる。受光素子アレイ５３は、複数の画素５３ｎから構成されており、画素５３ｎへの入射光強度に応じた画素信号を出力するものである。受光素子アレイ５３からの出力信号は信号処理部５５に入力される。信号処理部５５は、受光素子アレイ５３からの出力信号を処理してデジタル画素信号に変換し、このデジタル画素信号を演算制御部６に出力する。

本実施形態では、演算制御部６による演算処理によってポリクロメータ５の波長変化を補正すること（波長変化補正）が主な特徴点であるが、ここで、この波長変化補正の原理について説明する。

本実施形態の波長変化補正技術は、定電流駆動された紫外ＬＥＤの順電圧によって、出力波長をモニタされた紫外ＬＥＤ出力光を用いて、上記特許文献１の技術を用いる。ここでは、可視域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ；図１の符号３０１〜３０２の範囲）を測定域とするポリクロメータの短波長端を３６０ｎｍまで拡張し、波長３７５ｎｍの紫外ＬＥＤ出力の一次光（λ_１＝３７５ｎｍ；符号３０３で示す位置）と二次光（λ_２＝７５０ｎｍ；符号３０４で示す位置）とを同時測定可能にして特許文献１の技術を適用する。

このポリクロメータの紫外ＬＥＤ出力の一次光及び二次光それぞれの重心波長λ_１、λ_２の初期値λ_１０、λ_２０からの変化量ｄλ_１、ｄλ_２（以下（１）、（２）式参照）には、以下の３つの要因がある。
ｄλ_１＝λ_１−λ_１０ ・・・（１）
ｄλ_２＝λ_２−λ_２０ ・・・（２）

（要因１）紫外ＬＥＤの初期からの波長変化（ｄλ_Ｌ）。この変化は主として紫外ＬＥＤの温度変化による。
（要因２）分散幅の初期からの変化（変化率ｄλ_Ｄ／ｎｍ）。この変化の場合、波長１ｎｍ当たりｄλ_Ｄだけ変化するので、波長λ_Ｌ全体の変化量はλ_Ｌ＊ｄλ_Ｄとなる。この変化は主として回折格子の熱膨張に伴う格子定数変化による。
（要因３）光学配置の変化（ｄλ_Ａ）。この変化はハウジングや接着剤などの経時的、熱的な変化による。

これら要因のうち、要因１及び２によって一次光及び二次光で観察される波長変化が、１：２（一次光での波長変化量を１とすると、二次光での波長変化量はこの１の２倍である２となる）であるのに対し、要因３による変化は波長に依らず一律であって、一次光及び二次光で等しい波長変化ｄλ_Ａが観察される。

すなわち、紫外ＬＥＤの発光波長をλ_Ｌとすると、一次光及び二次光の初期からの波長変化ｄλ_１、ｄλ_２は以下の（３）、（４）式で表される。
ｄλ_１＝［ｄλ_Ｌ＋（λ_Ｌ＋ｄλ_Ｌ）＊ｄλ_Ｄ］＋ｄλ_Ａ≒（ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ）＋ｄλ_Ａ ・・・（３）
ｄλ_２＝２＊［ｄλ_Ｌ＋（λ_Ｌ＋ｄλ_Ｌ）＊ｄλ_Ｄ］＋ｄλ_Ａ≒２＊（ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ）＋ｄλ_Ａ ・・・（４）
但し、記号「＊」は乗算を示す。また、これら各式における近似（上記≒）は、ｄλ_Ｌ＊ｄλ_Ｄの項が微小な量同士の乗算値であることからこれを無視する（ゼロとする）ことによる。換言すれば、分散幅の変化ｄλ_Ｄは波長に比例するが、この波長を変化前の波長（λ_Ｌ）とするか変化後の波長（λ_Ｌ＋ｄλ_Ｌ）とするかの違いであり、ここでは変化前の波長（λ_Ｌ）を用いている（λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ）。

これを波長変化補正システム１００の場合で説明する。図２は、波長変化補正の原理について説明するための模式図であって、紫外ＬＥＤ３１の単色光が、変化前のポリクロメータ５に入射したときに受光素子アレイ５３上に結像する一次分散像３１１及び二次分散像３１２と、変化後のポリクロメータ５に入射したときに受光素子アレイ５３上に結像する一次分散像３２１及び二次分散像３２２とを概念的に示すものである。この図に示すように、変化の前後で一次分散像の重心波長は、一次分散像３１１におけるλ_１０から一次分散像３２１におけるλ_１までｄλ_１だけ変化し、一方、二次分散像の重心波長は、二次分散像３１２におけるλ_２０から二次分散像３２２におけるλ_２までｄλ_２だけ変化している。これらｄλ_１、ｄλ_２は、それぞれ共通（一律）の変化ｄλ_Ａと、波長に依存するすなわち次数（一次光、二次光・・・）に比例する変化ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ、２＊ｄλ_Ｌ＋２＊λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ（＝２＊（ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ））とからなる。すなわち上記（３）、（４）式に示すｄλ_１＝ｄλ_Ａ＋（ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ）、ｄλ_２＝ｄλ_Ａ＋２＊（ｄλ_Ｌ＋λ_Ｌ＊ｄλ_Ｄ）となる。

したがって、（３）、（４）式から、要因３による一律な波長変化ｄλ_Ａは、以下の（５）式によって求めて補正することができる。
ｄλ_Ａ＝２＊ｄλ_１−ｄλ_２ ・・・（５）

一方、要因１によるｄλ_Ｌと、要因２によるλ_Ｌ＊ｄλ_Ｄとは互いに分離して扱うことができず、したがって、分散幅変化による波長変化（ｄλ_Ｄ）を求めて補正することができない。

ところで、定電流駆動された紫外ＬＥＤの発光波長λ_Ｌと温度との間には一定の関係があり、温度と順電圧（Ｖｆとする）との間にも一定の関係があるので、発光波長λ_Ｌ（ｎｍ）と順電圧Ｖｆ（Ｖ）との間には、例えば図３に示すような略直線的な関係がある。したがって、この関係が既知であれば、ポリクロメータの波長校正時に、一次光及び二次光の重心波長初期値λ_１０、λ_２０とともに順電圧初期値（Ｖｆ_０とする）を測定しておき、波長補正時にも変化後の一次光及び二次光の重心波長λ_１、λ_２とともに順電圧Ｖｆを測定することによって、初期からの紫外ＬＥＤの波長変化ｄλ_Ｌを推定することができる。

例えば、図３に示す順電圧Ｖｆと発光波長λ_Ｌとの関係を、傾きＫの直線で近似すると、以下（６）式で示す順電圧の変化ｄＶｆ（順電圧変化ｄＶｆ）に伴う紫外ＬＥＤの発光波長の変化ｄλ_Ｌ（発光波長変化ｄλ_Ｌ）は、以下の（７）式で近似できる。
ｄＶｆ＝Ｖｆ−Ｖｆ_０ ・・・（６）
ｄλ_Ｌ＝Ｋ＊ｄＶｆ ・・・（７）

上記（７）式により得られたｄλ_Ｌと、上記（３）、（４）式とから、すなわち（４）式−（３）式にｄλ_Ｌを代入することで、以下の（８）式に示すように分散幅の初期からの変化（ｄλ_Ｄ／ｎｍ；分散幅変化ｄλ_Ｄ）を求めることができる。
ｄλ_Ｄ＝（ｄλ_２−ｄλ_１−ｄλ_Ｌ）／λ_Ｌ ・・・（８）

したがって、これら（５）式及び（８）式から求められたｄλ_Ａ、ｄλ_Ｄを用いて、任意の波長λの変化量つまり補正量ｄλは、以下の（９）式で与えられることになる。
ｄλ＝λ＊ｄλ_Ｄ＋ｄλ_Ａ ・・・（９）

なお、上記傾きＫには典型的な値を用いることができる。上記図３に示すように紫外ＬＥＤ３１の発光波長の温度による変化は１０℃で０．５ｎｍ程度であり、傾きＫの当該典型値からのずれが例えば２０％あったとしても、それによる補正誤差は０．１ｎｍであって十分小さい。

図１に戻って、演算制御部６は、中央処理部６１、記憶部６２及び操作表示部６３を備えている。中央処理部６１はＣＰＵ（中央演算処理装置）等を備え、後述の処理プログラム等をＲＯＭから読み出して各種演算処理を行うものである。記憶部６２は、ＲＯＭやＲＡＭからなり、上記演算処理に関する各種処理プログラム等を記憶したり、当該演算処理におけるデータを一時的に格納したりする。本実施形態では、記憶部６２には、製造時等における波長校正によって予め求められた、受光素子アレイ５３の各画素５３ｎの画素番号ｎと、この画素番号ｎの画素（画素ｎという）における重心波長λｎ（又は中心波長λｎ；重心と中心とが一致する場合に重心波長の代わりに中心波長としてもよい）との対応関係の情報を有する対応表（ｎ−λｎ対応表という）が記憶されている。また記憶部６２は、紫外ＬＥＤ３１の一次光及び二次光の重心波長の初期値（重心波長初期値という）λ_１０、λ_２０とこの初期値取得時の順電圧初期値Ｖｆ_０、及び紫外ＬＥＤ３１の順電圧Ｖｆと発光波長λ_Ｌとの関係を近似する直線（図３参照）の傾き「Ｋ」の値が記憶されている。演算制御部６（中央処理部６１）は、このｎ−λｎ対応表を用いて、デジタル画素信号を分光情報に変換する。操作表示部６３は、ユーザからの各種の操作指示が入力される入力キーとして機能したり、演算処理等に関する各種情報を表示するものである。

（全体的な処理フローの説明）
演算制御部６は、補正フローにおいて、試料１の測定に先立って、分光反射率係数が既知の白色基準試料１０を測定用照明部２により照明し、ポリクロメータ５で測定した分光出力（分光分布）から、公知の方法で校正係数を求めて記憶する。そして、測定フローにおいて、同様に試料１を測定用照明部２により照明して得られた分光出力（分光分布）と上記記憶しておいた校正係数とから、公知の方法で試料１の分光反射率係数を算出する。以下に補正フロー及び測定フローについて説明する。

＜補正フロー＞
本実施形態では、当該波長変化補正を白色校正時に行う。演算制御部６は、測定用照明部２が点灯していない状態で、補正用照明部３の紫外ＬＥＤ３１をＬＥＤ制御部３２の定電流源によって定電流Ｉｆで点灯して、波長変化補正システム１００の測定開口に置かれた白色基準試料１０を照明し、上記（９）式に基づいて各画素ｎの重心波長λｎの波長シフト量ｄλｎを推定（算出）する（以下の（１０）式参照）。
ｄλｎ＝λｎ＊ｄλ_Ｄ＋ｄλ_Ａ ・・・（１０）
このｄλｎを用いてｎ−λｎ対応表におけるλｎの値をλｎ＋ｄλｎに更新して波長変化補正を終了する。

すなわち、図４の補正フローに示すように、先ず中央処理部６１は、記憶部６２から初期の（ｎ−λｎ）_０対応表と、紫外ＬＥＤ３１の一次光及び二次光の重心波長初期値λ_１０、λ_２０と、このときの順電圧初期値Ｖｆ_０と、順電圧Ｖｆと発光波長λ_Ｌとの関係を近似する直線の傾きＫの値とを読み出す（ステップＳ１）。次に上記測定開口に白色基準試料１０を置いた状態で、紫外ＬＥＤ３１を点灯する（ステップＳ２）。中央処理部６１（演算制御部６）は、白色基準試料１０で反射された紫外ＬＥＤ３１の単色光に対するポリクロメータ５のデジタル画素出力と紫外ＬＥＤ３１の順電圧Ｖｆの測定値とを取り込み（ステップＳ３）、このデジタル画素出力と（ｎ−λｎ）_０対応表とから、紫外ＬＥＤ３１の一次分散像及び二次分散像の重心波長λ_１、λ_２を求める（ステップＳ４）。そして、中央処理部６１は、上記（１）、（２）式及び（６）式によってそれぞれ重心波長初期値λ_１０、λ_２０からの変化量ｄλ_１、ｄλ_２と、順電圧変化ｄＶｆとを算出し（ステップＳ５）、上記（７）式によって順電圧変化ｄＶｆを発光波長変化ｄλ_Ｌに変換する（ステップＳ６）。次に、上記（５）式によって一律の波長変化ｄλ_Ａを算出するとともに、上記（８）式によって分散幅変化ｄλ_Ｄを算出する（ステップＳ７）。そして、これら波長変化ｄλ_Ａ及び分散幅変化ｄλ_Ｄを用いて、上記（１０）式によって波長シフト量ｄλｎを算出し、このｄλｎによって（ｎ−λｎ）_０対応表を補正して記憶部６２の現在のｎ−λｎ対応表を更新する（ステップＳ８）。紫外ＬＥＤ３１を消灯して（ステップＳ９）フロー終了となる。

＜測定フロー＞
試料１の測定時には、上記更新されたｎ−λｎ対応表に基づいて、以下の図５に示す測定フローに従って試料１の分光反射率係数が求められる。すなわち、先ず中央処理部６１は、記憶部６２から最新のｎ−λｎ対応表を読み出す（ステップＳ２１）。次に測定開口に試料１を置いた状態で、白熱ランプ２１（白熱光源）を点灯する（ステップＳ２２）。中央処理部６１（演算制御部６）は、試料１による反射光（試料反射光）に対するポリクロメータ５のデジタル画素出力を取り込み（ステップＳ２３）、このデジタル画素出力とｎ−λｎ対応表とから、試料反射光の分光分布を求める（ステップＳ２４）。そして、上記白色校正時にポリクロメータ５で白色基準試料１０を上記と同様の手順で測定して得られた分光分布から求めておいた校正係数を用いて、上記ステップＳ２４における試料１の測定により得られた分光分布情報から、試料１の分光反射率係数を算出して出力する（ステップＳ２５）。白熱ランプ２１を消灯して（ステップＳ２６）フロー終了となる。

なお、上記実施形態では、紫外ＬＥＤ３１の順電圧変化ｄＶｆと発光波長変化ｄλ_Ｌとの関係を傾きＫの直線、すなわち一次関数で近似したが、これに限らず、より高次の関数で近似してもよい。この場合、順電圧変化ｄＶｆと発光波長変化ｄλ_Ｌとの関係（関数）を変換テーブル情報として持つようにしてもよい。

また、上記実施形態では、紫外ＬＥＤ３１を１つの定電流Ｉｆで駆動したときの順電圧Ｖｆを利用しているが、これに限らず、２つ（２種類）の定電流で駆動したときの順電圧を利用してもよい。すなわち、紫外ＬＥＤ３１を２つの定電流Ｉ_１、Ｉ_２で駆動したときの順電圧をそれぞれＶｆ_１、Ｖｆ_２とすると、これら順電圧の差Ｖｆ_１−Ｖｆ_２と紫外ＬＥＤ３１の温度Ｔとの関係は、以下の（１１）式で近似することができ、また、温度Ｔと発光波長λ_Ｌとの間にも略比例関係があることから、発光波長変化ｄλ_Ｌを、Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）を用い、比例定数をＫ’として以下の（１２）式より求めるようにしてもよい。なお、この順電圧変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）は、Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の値から、このＶｆ_１−Ｖｆ_２の変化前の初期値であるＶｆ_１０−Ｖｆ_２０を減算して得られるものである。
Ｖｆ_１−Ｖｆ_２＝（ｋ_ｂ／ｑ）＊Ｔ＊Ｌｎ（Ｉ_１／Ｉ_２） ・・・（１１）
但し、記号「ｋ_ｂ」はボルツマン定数、記号「ｑ」は電子の電荷を示す。
ｄλ_Ｌ＝Ｋ’＊ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２） ・・・（１２）

この変形例の場合、温度と順電圧との関係の比例関係からの乖離による誤差を排除することが可能となる。すなわち先の実施形態における上記（７）式で示すｄλ_Ｌ＝Ｋ＊ｄＶｆでは、Ｖｆと温度とが近似的に直線関係であることを前提にしているが、ここでの（１２）式の場合は、Ｖｆ_１−Ｖｆ_２と温度とは、理論的に直線関係であるので、（７）式の場合よりも精度が高いものとなる。

なお、上記実施形態では、波長変化量の違いを調べる（比較する）ためのポリクロメータ５の紫外ＬＥＤ３１による回折光（分散像）として、符号３０３で示す一次光及び符号３０４で示す二次光を利用しているが、これに限らず、例えば二次光及び三次光（二次回折光及び三次回折光）というように利用してもよい。また、このように次数が連続したものでなくともよく、例えば一次光及び三次光というように次数に飛びがあるように利用してもよいし、マイナス（−）一次光及びマイナス二次光というようにマイナス値として得た回折光を利用してもよい。また、このように必ずしも２つの回折光でなくともよく、３つ以上の回折光を利用してもよい。さらに、一次光及び二次光からなるグループを第一回折光、二次光及び三次光からなるグループを第二回折光などと、グループ毎に纏めてなる回折光を少なくとも２つ利用するようにしてもよい。要は、少なくとも２つ（２種類）の回折光を利用できればよい。

以上のように、本実施形態における波長変化補正システム１００によれば、ポリクロメータ５（分光装置）によって、入射スリット５１から入射した入射光が回折格子５２により回折されて該入射スリット５１（開口部５１ａ）の分散像が作成され、該作成された分散像の情報が出力される。また、紫外ＬＥＤ３１（ＬＥＤ）が１つ又は複数の定電流（Ｉｆ又はＩ_１、Ｉ_２）により駆動される。また、演算制御部６（演算制御装置）によって、分光装置からの出力情報に基づいて所定の演算が行われるとともにＬＥＤの駆動が制御される。この演算制御装置において、ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光が入射光として入射される場合の、分光装置から出力された分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値（λ_１、λ_２）及びＬＥＤ駆動用の定電流による１つ又は複数の順電圧値（Ｖｆ又はＶｆ_１、Ｖｆ_２）と、少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値（λ_１０、λ_２０）及び１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値（Ｖｆ_０又は（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）_０）と、が用いられて下記第１〜第３の演算が行われ、当該演算結果から分光装置における波長変化の補正が行われるので、分光装置の回折格子５２（光学要素）やハウジングがプラスチック成型品からなるような場合の、熱的或いは非熱的（経時的）な変化（相対位置の変化等）に起因する、分散幅変化（ｄλ_Ｄ）及び一律な波長変化（ｄλ_Ａ）を共に補正することができ、当該分光装置の任意波長λにおける変化（ｄλ）を補正する（波長変化補正を行う）ことができる。すなわち初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。なお、当該波長精度を維持するためのコストが、紫外ＬＥＤ３１とその駆動回路であるＬＥＤ制御部３２（順電圧測定回路を含む）だけであるので、コストダウンというプラスチック成型品導入のメリットを損なわない。

第１の演算：上記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて上記ＬＥＤ単色光の波長変化量（ｄλ_Ｌ）を算出する。
第２の演算：上記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量（ｄλ_１、ｄλ_２）を算出する。
第３の演算：上記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて上記分光装置における一律の波長変化量（ｄλ_Ａ）及び分散幅変化量（ｄλ_Ｄ；分散幅変化率）を算出する。

また、少なくとも２つの回折光は一次回折光（例えば符号３０３で示す一次光）及び二次回折光（例えば符号３０４で示す二次光）であるので、回折光出力をより確実に得ることが可能となり、ひいては精度良く上記分散幅変化及び一律な波長変化の補正を行うことができる。

また、演算制御装置によって、上記第３の演算において上記（５）式により一律の波長変化量ｄλ_Ａが算出されるとともに上記（８）式により分散幅変化量ｄλ_Ｄが算出され、当該第３の演算により得られたｄλ_Ａ及びｄλ_Ｄが用いられて上記（９）式により任意の波長λの波長変化量ｄλを算出することにより補正が行われるので、一律の波長変化量ｄλ_Ａ及び分散幅変化量ｄλ_Ｄを、上記（５）及び（８）式を用いて容易に算出することができ、ひいては任意波長λの波長変化補正を容易に行うことができる。

また、演算制御装置によって、上記第１の演算において、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌが、１つの順電圧値Ｖｆにおける順電圧初期値Ｖｆ_０からの変化量である順電圧変化量ｄＶｆと所定の比例定数Ｋとを用いて上記（７）式により算出されるので、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_ＬをＬＥＤ駆動用の１つの順電圧値Ｖｆを用いた簡易な方法によって容易に算出することができる。

また、演算制御装置によって、上記第１の演算において、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌが、２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２の差Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の値における初期値Ｖｆ_１０−Ｖｆ_２０からの変化量である順電圧差変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）と所定の比例定数Ｋ’とを用いて上記（１２）式により算出されるので、ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_ＬをＬＥＤ駆動用の２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２を用いて精度良く算出することができる。

さらに、本実施形態における波長変化補正方法によれば、第１の工程によって、分光装置において、入射スリットから入射した入射光が回折格子により回折されて該入射スリットの分散像が作成され、該作成された分散像の情報が出力される。また、第２の工程によって、１つ又は複数の定電流によりＬＥＤが駆動され、第３の工程によって、第１の工程により取得された分散像情報に基づいて所定の演算が行われるとともにＬＥＤの駆動が制御される。この第３の工程において、ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光が入射光として入射される場合の、分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値（λ_１、λ_２）及びＬＥＤ駆動用の定電流による１つ又は複数の順電圧値（Ｖｆ又はＶｆ_１、Ｖｆ_２）と、上記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値（λ_１０、λ_２０）及び１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値（Ｖｆ_０又はＶｆ_１０、Ｖｆ_２０）と、に基づいて下記第４〜第６の工程が実行されるとともに、第７の工程によって、当該第４〜第６の工程により得られた結果から分光装置における波長変化の補正が行われるので、分光装置の回折格子５２やハウジングがプラスチック成型品からなるような場合の、熱的或いは非熱的（経時的）な変化（相対位置の変化等）に起因する、分散幅変化（ｄλ_Ｄ）及び一律な波長変化（ｄλ_Ａ）を共に補正することができ、当該分光装置における任意波長λの変化（ｄλ）を補正する（波長変化補正を行う）ことができる。すなわち初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。

第４の工程：前記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて前記ＬＥＤ単色光の波長変化量（ｄλ_Ｌ）を算出する工程。
第５の工程：前記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量（ｄλ_１、ｄλ_２）を算出する工程。
第６の工程：前記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて前記分光装置における一律の波長変化量（ｄλ_Ａ）及び分散幅変化量（ｄλ_Ｄ）を算出する工程。

本発明の一実施形態に係る波長変化補正システムの一例を示すブロック構成図である。 波長変化補正の原理について説明するための模式図である。 紫外ＬＥＤのＶｆ−λ_Ｌ特性を示すグラフ図である。 本実施形態に係る波長変化補正動作の一例を示すフローチャートである。 試料の反射特性測定動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 試料
２ 測定用照明部
２１ 白熱ランプ
２２ ランプ制御部
３ 補正用照明部
３１ 紫外ＬＥＤ（各請求項に記載のＬＥＤ）
３２ ＬＥＤ制御部
４ 測定光学系
５ ポリクロメータ（分光装置）
５１ 入射スリット
５２ 回折格子
５３ 受光素子アレイ
５５ 信号処理部
５１ａ 開口部
６ 演算制御部（演算制御装置）
６１ 中央処理部
６２ 記憶部
６３ 操作表示部
１０ 白色基準試料
１ａ、１０ａ 反射光
１００ 波長変化補正システム

Claims (6)

1. 入射スリットから入射した入射光を回折格子により回折して該入射スリットの分散像を作成して受光素子アレイで同時受光し、該作成した分散像の情報を出力する分光装置と、
   １つ又は複数の定電流により駆動されるＬＥＤと、
   前記分光装置からの出力情報に基づいて所定の演算を行うとともに前記ＬＥＤの駆動を制御する演算制御装置とを備える分光装置の変化に起因する波長変化補正システムであって、
   前記演算制御装置は、
   前記入射光として入射される、前記ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光に対して、前記分光装置から出力された分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及び前記ＬＥＤ駆動用の前記定電流による１つ又は複数の順電圧値と、
   前記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び前記１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、を用いて下記第１〜第３の演算を行い、当該演算結果から前記分光装置の変化に起因する初期からの波長変化を補正すること
   を特徴とする波長変化補正システム。
   第１の演算：前記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて前記ＬＥＤ単色光の波長変化量を算出する。
   第２の演算：前記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量を算出する。
   第３の演算：前記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて前記分光装置の前記入射スリット、前記回折格子および前記受光素子アレイを含む光学素子における相対位置の変化を主要因とする一律の波長変化量及び前記回折格子の変化を主要因とする分散変化量を算出する。
2. 前記少なくとも２つの回折光は、一次回折光及び二次回折光であること
   を特徴とする請求項１に記載の波長変化補正システム。
3. 前記第１の演算において算出される前記ＬＥＤ単色光の波長変化量をｄλ_Ｌとし、
   前記第２の演算において算出される前記２つの回折光としての前記一次回折光及び二次回折光の波長変化量をそれぞれｄλ_１、ｄλ_２とすると、
   前記演算制御装置は、
   前記第３の演算において下記（１）式により前記一律の波長変化量ｄλ_Ａを算出するとともに下記（２）式により前記分散変化量ｄλ_Ｄを算出し、
   当該第３の演算により得られたｄλ_Ａ及びｄλ_Ｄを用いて下記（３）式により任意の波長λの波長変化量ｄλを算出することにより前記補正を行うこと
   を特徴とする請求項２に記載の波長変化補正システム。
   ｄλ_Ａ＝２＊ｄλ_１−ｄλ_２ ・・・（１）
   ｄλ_Ｄ＝（ｄλ_２−ｄλ_１−ｄλ_Ｌ）／λ_Ｌ ・・・（２）
   ｄλ＝λ＊ｄλ_Ｄ＋ｄλ_Ａ ・・・（３）
   但し、記号「＊」及び「／」はそれぞれ乗算及び除算を示す。
4. 前記演算制御装置は、
   前記第１の演算において、前記ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、１つの順電圧値Ｖｆにおける順電圧初期値Ｖｆ_０からの変化量である順電圧変化量ｄＶｆと所定の比例定数Ｋとを用いて下記（４）式により算出すること
   を特徴とする請求項３に記載の波長変化補正システム。
   ｄλ_Ｌ＝Ｋ＊ｄＶｆ ・・・（４）
5. 前記演算制御装置は、
   前記第１の演算において、前記ＬＥＤ単色光の波長変化量ｄλ_Ｌを、２つの順電圧値Ｖｆ_１、Ｖｆ_２の差Ｖｆ_１−Ｖｆ_２の値における初期値Ｖｆ_１０−Ｖｆ_２０からの変化量である順電圧差変化量ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２）と所定の比例定数Ｋ’とを用いて下記（５）式により算出すること
   を特徴とする請求項３に記載の波長変化補正システム。
   ｄλ_Ｌ＝Ｋ’＊ｄ（Ｖｆ_１−Ｖｆ_２） ・・・（５）
6. 分光装置において、入射スリットから入射した入射光を回折格子により回折させて該入射スリットの分散像を作成して受光素子アレイで同時受光し、該作成した分散像の情報を取得する第１の工程と、
   １つ又は複数の定電流によりＬＥＤを駆動する第２の工程と、
   前記第１の工程により取得された分散像情報に基づいて所定の演算を行うとともに前記ＬＥＤの駆動を制御する第３の工程とを有する分光装置の変化に起因する波長変化補正方法であって、
   前記第３の工程は、
   前記入射光として入射される、前記ＬＥＤの駆動によるＬＥＤ単色光に対して、前記分散像情報における次数の異なる少なくとも２つの回折光出力値及び前記ＬＥＤ駆動用の前記定電流による１つ又は複数の順電圧値と、
   前記少なくとも２つの回折光出力値における回折光出力初期値及び前記１つ又は複数の順電圧値における順電圧初期値と、に基づく下記第４〜第６の工程を有するとともに、当該第４〜第６の工程により得られた結果から前記分光装置の変化に起因する初期からの波長変化を補正する第７の工程を有する工程であること
   を特徴とする波長変化補正方法。
   第４の工程：前記１つ又は複数の順電圧値及び順電圧初期値を用いて前記ＬＥＤ単色光の波長変化量を算出する工程。
   第５の工程：前記少なくとも２つの回折光出力値及び回折光出力初期値を用いて当該少なくとも２つの回折光の波長変化量を算出する工程。
   第６の工程：前記算出したＬＥＤ単色光の波長変化量及び少なくとも２つの回折光の波長変化量を用いて前記分光装置の前記入射スリット、前記回折格子および前記受光素子アレイを含む光学素子における相対位置の変化を主要因とする一律の波長変化量及び前記回折格子の変化を主要因とする分散変化量を算出する工程。

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