JP4924288B2 - 校正用基準光源およびそれを用いる校正システム - Google Patents

Description

本発明は、分光輝度計および分光照度計の波長および感度の再校正をユーザサイドで行うことを可能にする校正用基準光源、およびそれを用いる校正システムに関する。

前記分光輝度計および分光照度計は、各種光源や表示装置における輝度や色彩を測定、評価するために広く用いられており、通常、図８に示すような構成をもつ。この分光輝度計では、被測定光２０１は、対物光学系２０２によってポリクロメータ２１０の入射スリット２１１に収束して入射する。スリットに入射した光束は、回折格子２１２と結像光学系２１３とによって入射スリット２１１の波長分散像をセンサアレイ２１４上につくる。その入射光の分光強度に応じたセンサアレイ２１４の画素強度分布Ｅｎ（ｎは画素番号で、１，２，・・・）が、処理回路２０３を経て制御処理手段２０４に送られ、分光放射輝度Ｌ（λ）に変換される。

このような分光輝度計の校正には、波長校正と感度校正とがある。前記波長校正は、センサアレイ２１４の各画素の画素番号ｎと重心波長λｎとの対応表（ｎ−λｎ対応表）を保存することで行われる。そして、実際の被測定光における前記画素強度分布Ｅｎは、保存されている前記ｎ−λｎ対応表に基づいて、分光強度分布Ｅ（λ）に変換される。また、前記感度校正は、Ａ光源（２８５６Ｋ）などの分光放射輝度基準値Ｌ０（λ）が既知の黒体放射光源から成る基準光源を測定したときの分光強度分布Ｅ０（λ）と前記分光放射輝度基準値Ｌ０（λ）との比を校正係数Ｃ０（λ）として保存することで行われる。すなわち、
Ｃ０（λ）＝Ｌ０（λ）／Ｅ０（λ） …（１）
である。

こうして校正された分光輝度計の測光時は、画素強度分布Ｅｎから前記ｎ−λｎ対応表で求められた分光強度分布Ｅ（λ）を、前記校正係数Ｃ０（λ）を用いて、下記のように分光放射輝度Ｌ（λ）に変換する。
Ｌ（λ）＝Ｃ０（λ）・Ｅ（λ） …（２）

ところが、分光輝度計は、製造時に上記に準じて校正されても、内蔵するポリクロメータ２１０の光学配置の変化などによる波長変化、対物光学系２０２や回折格子２１２などの光学要素および回路要素の特性変化による感度変化が避けられず、長期に亘って精度を維持するためには、充分な頻度での再校正（補正）が必要になる。しかしながら、従来から分光輝度計の感度校正に用いられてきた前記Ａ光源の分光放射発散度Ｍ（λ，Ｔ）は、Ｃ１，Ｃ２を定数とするプランク放射則
Ｍ（λ，Ｔ）＝Ｃ１・λ^−５・ｅｘｐ［１−Ｃ２／（λ・Ｔ）］ …（３）
で与えられ、相対的にも絶対的にも、色温度Ｔに大きく依存する。

したがって、このＡ光源を校正基準とするには、色温度を制御するか、色温度をモニタする必要がある。色温度２８５６ＫのＡ光源の４００ｎｍでの放射強度を±１％で維持するには、前記色温度を±２Ｋの精度で制御する必要がある。このため、電源電圧を安定させる等、Ａ光源の駆動に充分な注意を払う必要がある。一方、色温度のモニタには、少なくとも２つの分光感度の異なるモニタセンサが必要になる。そして、そのセンサには、通常、温度依存が避けられないフィルタが介在されており、その波長誤差を０．５ｎｍ以下とする必要がある。さらに、前記Ａ光源やフィルタの経時変化（たとえばＡ光源ではフィラメントの損耗等）にも注意が必要である。

こうした取り扱いの難しさから、分光輝度計の感度再校正（感度補正）は、該分光輝度計をメーカの工場やサービス拠点に返送して行われることが多いが、返送および再校正にコストおよび時間が掛かり、精度維持に必要な頻度で行うことは難しい。そこで、本件発明者は、先に、特許文献１において、波長が安定した複数の単波長光源と特性が安定した半導体モニタセンサとで構成される校正用基準光源を提案している。これによって、前記Ａ光源を用いないこの校正用基準光源は、取り扱いが容易で、ユーザサイドでの校正を可能にしている。
特開２００６−１７７７８５号公報

上述の従来技術でも、単波長光源の波長安定性が必須であり、該単波長光源には、ガスレーザや温度制御された半導体レーザなどの高コストな波長安定化レーザを用いる必要がある。また、レーザは利用できる波長に制限があり、分光輝度計の一般的な測定波長域である可視域（３８０−７８０ｎｍ）内で、３波長（４０８ｎｍ、５３２ｎｍ、６３５ｎｍ）程度の単波長基準光しか得られず、これらの少ない波長での補正係数のデータに基づいて、補間などで推定した全測定波長での補正係数の精度が低いという問題がある。

本発明の目的は、ユーザサイドで、分光輝度計や分光照度計の感度補正を高い精度および信頼性で行うことができる低コストな校正用基準光源およびそれを用いる校正システムを提供することである。

本発明の校正用基準光源は、予め校正された校正用基準光源であって、分光輝度計または分光照度計の波長および感度を校正するために使用される校正用基準光源において、相互に異なる単波長の基準光を放射する複数の発光ダイオードと、単波長基準光を放射する輝度基準面と、前記単波長基準光の波長を参照波長として測定する波長測定手段と、前記単波長基準光の強度を参照強度として測定する強度測定手段と、前記分光輝度計または分光照度計の校正時に、前記複数の発光ダイオードを順次点灯させて前記単波長基準光を放射させるとともに、前記波長測定手段および強度測定手段によって測定された前記単波長基準光の参照波長および参照強度ならびに基準光源校正時からの前記参照波長の変化量から、該参照波長での前記輝度基準面の参照輝度を求める制御処理手段とを含むことを特徴とする。

また、本発明の感度校正システムは、前記の校正用基準光源と、被校正分光輝度計とで構成される分光輝度計の感度校正システムであって、前記複数の単波長基準光の各々について求めた前記被校正分光輝度計による輝度測定値と、該単波長基準光の参照波長での参照輝度との差異に基づいて、前記被校正分光輝度計の分光感度変化を補正することを特徴とする。

上記の構成によれば、白色の光を放射する黒体放射光源を使用するのではなく、単波長光源としての複数の発光ダイオードを光源とする輝度基準面からの単波長放射を放射輝度基準として、測定波長域に分散する各参照波長での強度を強度測定手段で測定する点は前述の特許文献１と同様であるが、波長を波長測定手段（分光器）で測定して、制御処理手段がそれらの測定結果から、予め与えられている強度−輝度変換用データを用いて、測定された参照強度を参照輝度に変換し、各参照波長での感度補正係数を求め、さらに数学的補間によって全測定波長での感度補正係数を求める点が前記特許文献１と異なる。

したがって、単波長基準光は相対分光強度の影響を無視できるので、強度モニタ用センサとして、温度、経時に対して高安定な分光感度を有する裸のシリコンフォトダイオードなどを用いることができ、得られた参照輝度の信頼性が高いという特許文献１と同じ特徴を有する。こうして、ユーザサイドで、分光輝度計や分光照度計の感度補正を高い精度および信頼性で行うことができる。

その上、前記単波長光源に、特許文献１のような高価で波長の種類が少ない半導体レーザではなく、半値幅がやや大きく、波長の安定性で劣るものの、安価で多くの波長があり、補間による補正係数の精度確保に必要な密度で参照波長を測定波長域内に配置することができる発光ダイオードを使用することができ、測定波長域全体の校正（補正）精度を上げることができる。また、前記強度測定手段が単波長基準光の強度のみをモニタし、前記波長測定手段は前記単波長基準光の波長のみをモニタするので、本質的に安定性が高く、精度が維持し易い。

すなわち、校正基準を光源から波長モニタ用分光器と強度モニタ用センサとに置き換えたこの校正用基準光源は、温度、経時に対する安定性が高く、ユーザサイドでの波長および感度の再校正（補正）を高い精度と信頼性で行うことができる。これによって、ユーザはメーカでの再校正のためのコストや時間を節約できるとともに、充分な頻度で分光輝度計を再校正（補正）して、常に高い精度で分光輝度計を使用できる。

好ましくは、本発明の校正用基準光源では、前記制御処理手段は、測定された前記単波長基準光の参照波長および参照強度から求められた各単波長基準光の参照輝度が、その参照波長における所定の参照輝度基準値に一致するように、前記発光ダイオードを制御することを特徴とする。

さらにまた、本発明の校正用基準光源では、前記強度測定手段は、前記複数の発光ダイオードによる単波長基準光の波長域に感度を有する光検知器のみで構成され、該光検知器の感度に影響を与える光学要素を持たないことを特徴とする。

上記の構成によれば、温度、経時に対して安定性の高い、シリコンフォトダイオードなどの光検知器を、付属光学要素無しの裸の状態で前記強度モニタ用センサとして使用し、高い安定性と信頼性とで参照強度を得ることができる。

また、本発明の校正用基準光源では、前記輝度基準面は、前記複数の発光ダイオードからの光束が入射し、前記波長測定手段と強度測定手段とを具える積分球の射出開口であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記輝度基準面を拡散輝度面とすることができ、積分球内の多重拡散反射光の一部を前記強度測定手段で測定することで、該基準輝度面の放射輝度を安定してモニタすることができる。

さらにまた、本発明の校正用基準光源は、前記参照波長における参照強度と輝度基準面の参照輝度との関係が、前記参照波長近傍の基準波長の単波長基準光による前記輝度基準面の基準輝度と該単波長基準光の参照強度との比である変換係数と、前記単波長基準光の波長変化に対する前記変換係数の変化率とで与えられることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記強度−輝度変換用データとして、前記参照波長近傍の基準波長λ０ｍでの強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）と、その変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍとが用いられる。

したがって、単波長基準光の参照波長λｍでの変換係数Ｋ（λｍ）を、基準波長λ０ｍでの変換係数Ｋ（λ０ｍ）を参照波長λｍと基準波長λ０ｍとの差および前記変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍで補正して求めることができる。

また、本発明の校正用基準光源は、前記複数の発光ダイオードのそれぞれにおいて、発光ダイオードを複数の異なる温度で動作させることで、前記変換係数の変化率を得ることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光ダイオードを前記単波長光源として、該発光ダイオードを複数の異なる温度で動作させることで前記変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを求めるので、該変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを容易に求めることができる。

さらにまた、本発明の校正用基準光源は、既知の分光感度を持つ基準光検知器をさらに備え、前記単波長基準光を受光した前記基準光検知器の出力信号を、該基準光検知器の既知の分光感度から求めた前記単波長基準光の参照波長での感度と、前記基準光検知器の前記輝度基準面からの距離と、前記輝度基準面の面積とに基づいて輝度に変換して、前記輝度基準面の参照輝度とする。

上記の構成によれば、基準シリコン検知器の分光感度Ｄ（λ）、単波長基準光Ｐ０ｍの参照波長λ０ｍ、輝度基準面の面積Ｓ、前記輝度基準面から基準シリコン検知器までの距離Ｌの精度が校正精度に影響するが、面積Ｓと距離Ｌとは高精度に求めることができるので、実質的に基準シリコン検知器６の分光感度Ｄ（λ）と波長モニタ用分光器の波長精度とに依存することになる。また、構造が単純な基準シリコン検知器の分光感度は、温度、経時に対して安定性が高く、波長モニタ用分光器の波長精度は、Ｈｇランプなどの輝線光源によって正確に校正でき、校正後の波長変化も補正できる。

したがって、この方法で得られた基準輝度Ｌ０ｍは本質的に高い精度と信頼性をもつ。

本発明の校正用基準光源およびそれを用いる感度校正システムは、以上のように、分光輝度計および分光照度計の波長および感度を校正するために使用される校正用基準光源において、白色の光を放射する黒体放射光源を使用するのではなく、相互に異なる単波長の基準光を放射する複数の単波長光源を使用し、前記単波長基準光の強度だけではなく、波長も測定して、強度−輝度変換用データにおける感度補正係数を求める。

それゆえ、得られた参照輝度の信頼性が高く、ユーザサイドで、前記分光輝度計や分光照度計の感度補正を高い精度および信頼性で行うことができるとともに、前記単波長光源には、安価で多くの波長があり、補間による補正係数の精度確保に必要な密度で参照波長を測定波長域内に配置することができる発光ダイオードを使用することができ、測定波長域全体の校正（補正）精度を上げることができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る分光輝度計の校正用基準光源１００とそれを用いた校正システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の校正用基準光源１００は、高反射率かつ高拡散の内壁を有する積分球１と、前記積分球１に形成された７つの入射開口１１〜１７から該積分球１内に、発光波長の異なる単波長光Ｉｍ（ｍ＝１〜７）をそれぞれ送り込むＬＥＤ２１〜２７（以下、ＬＥＤｍ（ｍ＝１〜７）という）を有する光源部２と、前記積分球１の波長モニタ用開口１８に取り付けられる波長モニタ用分光器３と、前記積分球１の強度モニタ用開口１９に取り付けられる強度モニタ用センサ４と、制御処理手段５とを主な構成要素とする。波長モニタ用分光器３には、前述の分光輝度計に用いられているポリクロメータ２１０と同様のポリクロメータが用いられる。

前記ＬＥＤｍは、可視域（３８０〜７８０ｎｍ）に分散する、たとえば３７５、４０５、４６８、５１８、５８５、６６０、７２０ｎｍをそれぞれ中心（重心）波長とし、図２において破線で示す相対分光分布を有する。これらのＬＥＤｍを、前記制御処理手段５が、ＬＥＤ駆動回路２８を介して所定の駆動電流で順次点灯すると、各ＬＥＤｍの放射する単波長光Ｉｍが積分球１内で多重拡散反射し、単波長基準光Ｐｍとして射出開口１０から拡散放射され、被校正分光輝度計１０１によって分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）が測定される。同時に、積分球１内で多重拡散反射する単波長光の一部Ｌｍが、積分球１の波長モニタ用開口１８を通って、波長モニタ用分光器３に入射して分光分布Ｉｍ（λ）が測定され、前記制御処理手段５に送られる。制御処理手段５は、前記分光分布Ｉｍ（λ）の重心波長を求めて参照波長λｍとする。同様に、単波長光の一部Ｒｍが、積分球１の強度モニタ用開口１９を通って、強度モニタ用センサ４に入射して参照強度Ｉｒｍ（λ）が測定され、モニタ用センサ処理回路４１を介して制御処理手段５に送られる。

ここで、前記ＬＥＤｍによる単波長光Ｉｍは、波長が既知の単波長光であるので、その波長で感度があり、安定さえしておれば、分光感度の如何にかかわらずモニタ可能であり、このため本実施の形態では、フィルタなどの変動要因を伴わない、高安定の裸のシリコンフォトダイオードを強度モニタ用センサ４としている。これは、従来の黒体放射光源を用いる校正用基準光源では、前述のように基準値となる分光放射輝度の安定性、ならびに分光放射輝度をモニタする場合はモニタの精度が校正精度に直結するが、前記各単波長光Ｉｍによって参照波長λｍでの放射輝度基準を与える本実施の形態の校正用基準光源１００では、特許文献１と同様に、相対的な分光分布（プロファイル）の影響は基本的に無視できるからである。

すなわち、図２に示すように、各ＬＥＤｍの分光分布は１０−２０ｎｍの半値幅をもち、厳密には単波長光とは言えないが、各ＬＥＤｍの分光分布が重心に対してほぼ対称であり、一方、図２の実線で示すように、シリコンフォトダイオードの分光感度がなだらかで、局部的に直線近似できる場合、半値幅の影響は無視できる。しかしながら、広い半値幅をもつＬＥＤについては、必要な半値幅を得るために、発光波長を中心波長とするバンドパスフィルタを組合わせてもよい。

校正にあたって、制御処理手段５は、後述するようにして予め与えられて保存されている、測定された参照強度を参照輝度に変換するための強度−輝度変換用データに基づいて、参照波長λｍの強度−輝度変換係数Ｋ（λｍ）を求める。本実施の形態では、後述するように、基準光源校正時の参照波長λ０ｍでの強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）およびその変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍが強度−輝度変換用データとして保存されているので、参照波長λｍの強度−輝度変換係数Ｋ（λｍ）を以下で求める。
Ｋ（λｍ）＝Ｋ（λ０ｍ）＋（λｍ−λ０ｍ）・ｄＫ（λｍ）／ｄλｍ …（４）
更に、求めた強度−輝度変換係数Ｋ（λｍ）を用いて、上述の強度モニタの参照強度Ｉｒｍを参照輝度Ｌｒｍに変換する。
Ｌｒｍ＝Ｋ（λｍ）・Ｉｒｍ …（５）
これによって、射出開口１０は、参照波長λｍで参照輝度Ｌｒｍの単波長基準光Ｐｍを放射する輝度基準面として機能することになる。

一方、被校正分光輝度計１０１は、前述のように製造時に波長および各波長での感度が校正されているが、その後の経時変化によって生じる誤差（波長誤差および感度誤差）、特に感度誤差を、本実施の形態の校正用基準光源１００およびこれを用いた校正システムで補正するには、図１に示すように、該被校正分光輝度計１０１を前記射出開口１０からの単波長基準光Ｐｍが測定可能な位置に対向させ、更に制御処理手段５に接続する。これによって、該被校正分光輝度計１０１は制御処理手段５によって制御される。そして、波長誤差が前記感度誤差に影響するので、感度誤差の補正に先立って、波長誤差が以下のように補正される。

すなわち、波長誤差の補正は、前述の画素−重心波長（ｎ−λｎ）対応表を修正することで行われる。制御処理手段５は、各ＬＥＤｍを順次点灯させて、それによる単波長基準光Ｐｍの分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）を被校正分光輝度計１０１に測定させる。そして、得られた分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）の重心波長λｔｍを求め、以下のように前記波長モニタ用分光器３で得られる参照波長λｍとの差（波長誤差）ｄλｍを求める。
ｄλｍ＝λｔｍ−λｍ …（６）
さらに、参照波長λｍでの波長誤差ｄλｍを補間して、各画素の重心波長λｎでの波長誤差ｄλｎを求め、補正重心波長λ´ｎを求める。
λ´ｎ＝λｎ−ｄλｎ …（７）
こうして修正したｎ−λ´ｎ対応表を被校正分光輝度計１０１に保存することで波長誤差を補正することができる。

次に、感度誤差の補正は、波長λ毎の感度補正係数Ｃ（λ）を求めて被補正分光輝度計１０１に保存することで実施される。制御処理手段５は、前記式４によって参照波長λｍの強度−輝度変換係数Ｋ（λｍ）を求め、式５によって単波長基準光Ｐｍの参照強度Ｉｒｍを参照輝度Ｌｒｍに変換し、更に以下のように被校正分光輝度計１０１で測定された分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）の輝度積分値Ｓｔｍを求める。
Ｓｔｍ＝∫Ｌｔｍ（λ）ｄλ …（８）
続いて、前記参照輝度Ｌｒｍと前記輝度積分値Ｓｔｍとの比によって、参照波長λｍでの感度補正係数Ｃ（λｍ）を求める。
Ｃ（λｍ）＝Ｌｒｍ／Ｓｔｍ …（９）
これを補間して全測定波長での感度補正係数Ｃ（λ）を求めて保存することで感度誤差を補正することができる。

図３は、上述の波長誤差と感度誤差との補正方法を説明するためのフローチャートである。先ずステップＳ１〜Ｓ７では、７つのＬＥＤｍを順次点灯し（ステップＳ２）、それによる放射光Ｉｍに対して、波長モニタ用分光器３から参照波長λｍを、強度モニタ用センサ４から参照強度Ｉｒｍを取得し（ステップＳ３）、また被補正分光輝度計１０１からは画素強度分布測定値（Ｅｎ）ｍおよび分光放射輝度測定値Ｌｔｍ（λ）を取得（ステップＳ４）した後、消灯（ステップＳ５）するプロセスを繰り返す。

続いてステップＳ８〜Ｓ１２で波長誤差の補正が行われ、ステップＳ８では、各単波長基準光Ｐｍについて、分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）の重心波長λｔｍを求め、ステップＳ９では、前記式６によって、参照波長λｍとの差（波長誤差）ｄλｍを求める。ステップＳ１０では、補間によって、画素の重心波長λｎでの波長誤差ｄλｎを求め、ステップＳ１１では、前記式７によって、補正重心波長λ´ｎを求め、ステップＳ１２では、その補正重心波長λ´ｎによって修正されたｎ−λ´ｎ対応表を保存する。

さらにステップＳ１３〜Ｓ１８で感度誤差の補正が行われ、ステップＳ１３では、前記ｎ−λ´ｎ対応表によって、画素強度分布（Ｅｎ）ｍを分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）に再変換する。ステップＳ１４では、前記式８によって、分光放射輝度Ｌｔｍ（λ）の輝度積分値Ｓｔｍを求め、ステップＳ１５では、前記式４によって、参照波長λｍでの変換係数Ｋ（λｍ）を求め、ステップＳ１６では、前記式５によって、参照強度Ｉｒｍを参照輝度Ｌｒｍに変換する。ステップＳ１７では、前記式９によって、参照波長λｍでの感度補正係数Ｃ（λｍ）を求め、ステップＳ１８では、補間によって、全測定波長での感度補正係数Ｃ（λ）を求めて保存する。

上述の説明では、各単波長基準光Ｐｍの発光毎に、波長モニタ用分光器３から参照波長λｍが、強度モニタ用センサ４から参照強度Ｉｒｍが、異なる値で与えられるが、予め参照波長λの参照輝度基準値Ｌｒ０（λ）を定めておき、単波長基準光Ｐｍを発光させる際に、参照波長λｍでの参照輝度Ｌｒｍが前記所定の参照輝度基準値Ｌｒ０（λｍ）に一致するように、ＬＥＤｍの駆動電流を制御するようにしてもよい。この場合は、各単波長基準光Ｐｍの発光時に、参照波長λｍのみが与えられ、参照輝度Ｌｒｍには前記所定の参照輝度基準値Ｌｒ０（λｍ）が用いられる。

上述のようにして再校正された分光輝度計１０１による実際の被測定光の測定時には、得られた画素分布強度Ｅｎは、保存されているｎ−λ´ｎ対応表を用いて分光放射輝度Ｌ（λ）に変換され、同じく保存されている感度補正係数Ｃ（λ）を用いて、以下のようにＬ´（λ）に補正されて出力される。
Ｌ´（λ）＝Ｃ（λ）・Ｌ（λ） …（１０）

図４は、その測定時における動作を説明するためのフローチャートである。ステップＳ２１では、被測定光を測定して画素強度分布Ｅｎを求め、ステップＳ２２では、保存されているｎ−λ´ｎ対応表によって分光強度分布Ｅ（λ）に変換する。ステップＳ２３では、保存されている校正係数Ｃ０（λ）を用い、式２によって分光強度分布Ｅ（λ）を分光放射輝度Ｌ（λ）に変換する。ステップＳ２４では、保存されている補正係数Ｃ（λ）を用い、前記式１７によって、分光放射輝度Ｌ（λ）をＬ´（λ）に補正して出力する。

一方、校正用基準光源１００自身の校正として、前記波長モニタ用分光器３を校正する必要がある。そのために、前記被校正分光輝度計１０１に代えて、射出開口１０にＨｇランプなどを配置し、それから入射させた輝線スペクトル光を用いて、本件発明者が先に提案した特許文献２（特開２００７−１０３６４号公報）の手法を用いて校正することができる。校正後のユーザサイドでの波長変化は、ＬＥＤ１の波長３７５ｎｍの単波長光を用い、特許文献３（特開２００５−６９７８４号公報）の手法によって補正される。その補正方法では、全測定波長が一律の補正量で補正されるが、たとえば１回／年で行われる波長再校正間の精度維持には充分である。

前記波長モニタ用分光器３の校正後には、強度モニタ用センサ４およびモニタ用センサ処理回路４１における放射輝度校正が行われ、前述の強度−輝度変換用データが求められて保存される。ここでは、参照波長λ０ｍでの強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）と、その変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍとが求められる。それには、先ず図５に示すように、射出開口１０（輝度基準面）から順次放射されるＬＥＤｍによる参照波長λ０ｍの単波長基準光Ｐ０ｍを、所定の距離Ｌ（ｍ）を隔てて配置された既知の分光感度Ｄ（λ）（単位エネルギーの単波長入射光に対する光電流（Ａ／Ｗ））をもつ基準シリコン検知器６で受光する。その検知結果は、基準センサ処理回路６１を介して、制御処理手段５に入力される。

ここで、前記輝度基準面の面積をＳ（ｍ^２）とすると、前記基準シリコン検知器６の光電流Ｑ０ｍ（Ａ）は、以下によって輝度基準面の放射輝度Ｌ０ｍ（Ｗ／ｍ^２）に変換される。基準シリコン検知器６の分光感度Ｄ（λ）は、各国の標準維持施設で値付けすることができる。
Ｌ０ｍ＝〔Ｑ０ｍ・Ｌ^２〕／〔Ｄ（λ０ｍ）・Ｓ〕 …（１１）
さらに、同時に測定された参照強度をＩｒ０ｍ、参照波長をλ０ｍとすると、波長λ０ｍでの強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）は以下で与えられる。
Ｋ（λ０ｍ）＝Ｌ０ｍ／Ｉｒ０ｍ …（１２）

そして、ＬＥＤｍの発光波長は安定していないので、Ｋ（λ０ｍ）とともに、変換係数Ｋ（λｍ）の波長λｍの変化に対する変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを求めて保存する。この変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを求めるためには、ＬＥＤｍの発光波長を変化させる必要があるが、図６に示すように、ＬＥＤの発光波長は動作温度に依存するので、各ＬＥＤｍを動作温度を変えて発光させることで、発光波長を変化させることができる。ＬＥＤｍの動作温度を変えるには、駆動電流値を変化させたり、或いは一定の駆動電流であっても、その印加直後と一定時間後、つまり駆動による温度上昇前後の発光を用いる等の方法があるが、ここでは容易に実施できる後者を用いる。

上述のような放射輝度校正においては、基準シリコン検知器６の分光感度Ｄ（λ）、単波長基準光Ｐ０ｍの参照波長λ０ｍ、輝度基準面の面積Ｓ、前記輝度基準面から基準シリコン検知器６までの距離Ｌの精度が、校正精度に影響する。ここで、面積Ｓと距離Ｌとは高精度で求めることができ、したがって校正精度は、実質的に基準シリコン検知器６の分光感度Ｄ（λ）と波長モニタ用分光器３の波長精度とに依存することになる。しかしながら、前述のように構造が単純な基準シリコン検知器６の分光感度は、温度、経時に対して安定性が高く、波長モニタ用分光器３の波長精度は、Ｈｇランプなどの輝線光源によって正確に校正でき、校正後の波長変化も補正できる。したがって、上述の放射輝度校正方法は、本質的に高い精度と信頼性とを有することになる。

図７は、上述のような校正用基準光源１００の校正過程を説明するためのフローチャートである。ステップＳ３１〜Ｓ３８では、ＬＥＤｍを順次点灯させて、強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）を求め、温度上昇前後の波長変化ｄλｍと変換係数の変化ｄＫ（λｍ）とから、変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを求める。具体的には、ＬＥＤｍを点灯し（ステップＳ３２）、放射光Ｉｍの点灯直後の参照波長λ０ｍ、参照強度Ｉｒ０ｍ、基準シリコン検知器６の光電流Ｑ０ｍを取得（ステップＳ３３）する。点灯状態のまま、一定時間経過後（ステップＳ３４）、参照波長λ１ｍ、参照強度Ｉｒ１ｍ、基準シリコン検知器６の光電流Ｑ１ｍを取得し（ステップＳ３５）、消灯する（ステップＳ３６）プロセスを繰り返す。

続いて、ステップＳ３９で、与えられた基準シリコン検知器６の分光感度Ｄ（λ）から、各単波長基準光Ｐｍの参照波長λ０ｍ、λ１ｍでの感度Ｄ（λ０ｍ）、Ｄ（λ１ｍ）を求め、ステップＳ４０で、前記式１１によって、光電流Ｑ０ｍ，Ｑ１ｍを輝度基準面の放射輝度Ｌ０ｍ，Ｌ１ｍに変換する。ステップＳ４１では、前記式１２によって、強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）およびＫ（λ１ｍ）を求め、ステップＳ４２では、下式から変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを求め、ステップＳ４３で前記強度−輝度変換係数Ｋ（λ０ｍ）および変化率ｄＫ（λｍ）／ｄλｍを保存する。
ｄＫ（λｍ）／ｄλｍ＝〔Ｋ（λ０ｍ）−Ｋ（λ１ｍ）〕／〔λ０ｍ−λ１ｍ〕
…（１３）

本実施の形態では、校正用基準光源１００を、製造時に初期校正された分光輝度計１０１の経時変化による誤差（波長誤差と感度誤差）の補正に用いているが、同じ方法を製造時の初期校正に用いることができ、それによって初期校正と経時に対する校正とのトレーサビリティを統一することができる。その場合、被校正分光輝度計１０１は、先ず、分光放射輝度基準値が与えられたＡ光源などの黒体放射光源による白色基準光によって分光感度が予備校正され、続いて上述の単波長基準光による波長および感度補正によって最終的に校正される。校正精度は、最終的に前記波長および感度の補正精度に依存し、結局、その基準である校正用基準光源１００の波長モニタ用分光器３の波長精度と強度モニタ用センサ４の分光感度の精度とに依存するが、波長モニタ用分光器３および強度モニタ用センサ４共に、黒体放射光源より安定性が高く、精度を維持し易い。また、単波長基準光によって補正されるので、予備校正に用いられる白色基準光の分光放射輝度基準値には高い精度を要求されない。

以上のように、本実施の形態では、黒体放射光源を使用するのではなく、複数の単波長光源を光源部２とする輝度基準面からの単波長放射を放射輝度基準として、測定波長域に分散する各参照波長での強度を強度モニタ用センサ４で測定する点は前述の特許文献１と同様であり、前記単波長基準光は相対分光強度の影響を無視できるので、強度モニタ用センサ４として、温度、経時に対して高安定な分光感度を有する裸のシリコンフォトダイオードなどを用いることができ、得られた参照輝度の信頼性が高いという特許文献１と同じ特徴を有する。こうして、ユーザサイドで、分光輝度計や分光照度計の感度補正を高い精度および信頼性で行うことができる。

その上、前記単波長光源に、特許文献１のような波長が安定しているものの、高価で波長の種類が少ない波長安定化レーザではなく、半値幅がやや大きく、波長の安定性で劣るものの、安価で多くの波長があり、補間による補正係数の精度確保に必要な密度で参照波長を測定波長域内に配置することができるＬＥＤ２１〜２７を使用することができ、測定波長域全体の校正（補正）精度を上げることができる。また、前記強度モニタ用センサ４が単波長基準光の強度のみをモニタし、前記波長モニタ用分光器３は前記単波長基準光の波長のみをモニタするので、本質的に安定性が高く、精度が維持し易い。

すなわち、校正基準を光源から波長モニタ用分光器３と強度モニタ用センサ４とに置き換えたこの校正用基準光源１００は、温度、経時に対する安定性が高く、ユーザサイドでの波長および感度の再校正（補正）を高い精度と信頼性とで行うことができる。これによって、ユーザはメーカでの再校正のためのコストや時間を節約できるとともに、充分な頻度で分光輝度計１０１を再校正（補正）して、常に高い精度で分光輝度計を使用できる。

また、前記輝度基準面が前記複数の単波長光源であるＬＥＤ２１〜２７からの光束が入射し、前記波長モニタ用分光器３と強度モニタ用センサ４とを具える積分球１の射出開口１０であることで、該輝度基準面を拡散輝度面とすることができ、積分球１内の多重拡散反射光の一部を前記強度モニタ用センサ４で測定することで、該基準輝度面の放射輝度を安定してモニタすることができる。

本発明の実施の一形態に係る分光輝度計の校正用基準光源とそれを用いた校正システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係る単波長光源であるＬＥＤによる発光の相対分光分布とシリコン検知器の分光感度とを示すグラフである。 被校正分光輝度計の波長誤差と感度誤差との補正方法を説明するためのフローチャートである。 分光輝度計の測定時における動作を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る校正用基準光源の校正方法を説明するためのブロック図である。 ＬＥＤの発光波長の温度依存性を説明するためのグラフである。 本発明に係る校正用基準光源の校正動作を説明するためのフローチャートである。 分光輝度計の一構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 積分球
２ 光源部
３ 波長モニタ用分光器
４ 強度モニタ用センサ
５ 制御処理手段
６ 基準シリコン検知器
１０ 射出開口
１１〜１７ 入射開口
１８ 波長モニタ用開口
１９ 強度モニタ用開口
２１〜２７ ＬＥＤ
２８ ＬＥＤ駆動回路
４１ モニタ用センサ処理回路
６１ 基準センサ処理回路
１００ 校正用基準光源
１０１ 被校正分光輝度計
２１０ ポリクロメータ

Claims (8)

1. 予め校正された校正用基準光源であって、分光輝度計または分光照度計の波長および感度を校正するために使用される校正用基準光源において、
   相互に異なる単波長の基準光を放射する複数の発光ダイオードと、
   単波長基準光を放射する輝度基準面と、
   前記単波長基準光の波長を参照波長として測定する波長測定手段と、
   前記単波長基準光の強度を参照強度として測定する強度測定手段と、
   前記分光輝度計または分光照度計の校正時に、前記複数の発光ダイオードを順次点灯させて前記単波長基準光を放射させるとともに、前記波長測定手段および強度測定手段によって測定された前記単波長基準光の参照波長および参照強度ならびに基準光源校正時からの前記参照波長の変化量から、該参照波長での前記輝度基準面の参照輝度を求める制御処理手段とを含むことを特徴とする校正用基準光源。
2. 前記制御処理手段は、測定された前記単波長基準光の参照波長および参照強度から求められた各単波長基準光の参照輝度が、その参照波長における所定の参照輝度基準値に一致するように、前記発光ダイオードを制御することを特徴とする請求項１記載の校正用基準光源。
3. 前記強度測定手段は、前記複数の発光ダイオードによる単波長基準光の波長域に感度を有する光検知器のみで構成され、該光検知器の感度に影響を与える光学要素を持たないことを特徴とする請求項１または２記載の校正用基準光源。
4. 前記輝度基準面が前記複数の発光ダイオードからの光束が入射し、前記波長測定手段と強度測定手段とを具える積分球の射出開口であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の校正用基準光源。
5. 前記参照波長における参照強度と輝度基準面の参照輝度との関係が、前記参照波長近傍の基準波長の単波長基準光による前記輝度基準面の基準輝度と該単波長基準光の参照強度との比である変換係数と、前記単波長基準光の波長変化に対する前記変換係数の変化率とで与えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の校正用基準光源。
6. 前記複数の発光ダイオードのそれぞれにおいて、発光ダイオードを複数の異なる温度で動作させることで、前記変換係数の変化率を得ることを特徴とする請求項５記載の校正用基準光源。
7. 既知の分光感度を持つ基準光検知器をさらに備え、
   前記単波長基準光を受光した前記基準光検知器の出力信号を、該基準光検知器の既知の分光感度から求めた前記単波長基準光の参照波長での感度と、前記基準光検知器の前記輝度基準面からの距離と、前記輝度基準面の面積とに基づいて輝度に変換して、前記輝度基準面の参照輝度とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の校正用基準光源。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の校正用基準光源と、被校正分光輝度計とで構成される分光輝度計の感度校正システムであって、前記複数の単波長基準光の各々について求めた前記被校正分光輝度計による輝度測定値と、該単波長基準光の参照波長での参照輝度との差異に基づいて、前記被校正分光輝度計の分光感度変化を補正することを特徴とする校正システム。

Images