JP5470534B2 - 分光器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光計測装置等において所定帯域の光を分光する分光器に関する。

ラマン散乱光、自発光、プラズマ光、蛍光、燐光、放射光など、物理、化学、または、プラズマ反応（以下、これらの反応を単に「反応」という。）に伴い生じる光の諸特性は、これら反応の微細なメカニズムとその時間変化に大きく依存している。そのため、光によってそのような微細なメカニズムについて計測によって情報を得ることにより、反応量の特性やそれらの相関を知ることができる。また、計測により得ることができる反応の微細なメカニズムの情報と、それらの高時間分解能の計測データから求めることのできる時間変動量等の情報とをフィードバックさせて反応を制御することも可能になる。また、反応を発生する装置の改良を行うために有用なデータを得ることも可能となる。このような計測は、例えば、自動車のエンジンやガスタービンにおける燃焼解析など、様々な燃焼装置の制御及び改良において非常に重要である。

前述した反応の微細なメカニズムを計測によって知るためには、まず、局所計測、すなわち、反応の生じる空間のスケールに比して充分に小さい測定体積に対する計測が必要となる。また、時系列計測、すなわち、反応のメカニズムが変化する時間スケールに比して充分に短い測定時間について繰り返して継続的に行う計測も必要となる。

このような計測を実現するものとして、非特許文献１には、反応による自然発光である自発光を計測する光計測装置が記載されている。この光計測装置は、局所点計測用に最適設計された反射光学系を集光光学系として適用し、測定体積を１．６ｍｍ×φ０．２ｍｍと小さくし、また、高速処理が可能な受光素子として光電子増倍管を使用して、２５０ｋＨｚの高速のサンプリングレートで計測を行うことにより、反応についての局所的な時系列計測を実現している。また、この文献には、自発光については、ＯＨ^＊、ＣＨ^＊、Ｃ₂ ^＊の３つの成分からの発光について、各々の対応する波長を測定することによって同時に計測を行うことが記載されている。

そして、本発明者らは、先に、特許文献１に記載されているように、複数の測定点からの光の局所的な時系列計測を効率的に行うことができるようにした光計測装置を提案している。この光計測装置は、反射光学系を用いて、燃焼室内の局所の反応（燃焼）による発光計測を行い、局所的な反応特性の検出を行うものである。

この光計測装置においては、反射光学系の焦点位置に光ファイバの入射端面を配置し、この光ファイバによって導かれた光を分光することにより、この反射光学系の物点にあたる燃焼室内の局所における反応による光の計測を行う。反射光学系は、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、反応による光の良好な計測を実現することができる。

特開２０００−１１１３９８公報

Proceedings of the Thirty-FifthJapanese Symposium on Combustion, p.54-56（1997)

ところで、前述したような光計測装置において使用されている分光器は、測定点からの全波長帯域の光を均等に分光する。すなわち、反応の微細なメカニズムについての情報を得るためには必要のない波長帯域の光も均等に分光する。したがって、このように分光した光を解析するにあたっては、不要な波長帯域の光を無視し、必要な波長帯域の光のみについて分析を行うという作業が必要となる。そのために、このような反射光学系を用いた光計測装置においては、必要な波長帯域の光についての波長分解能が不十分になるおそれがある。また、全波長帯域の光について十分な波長分解能を確保しようとすると、分光器が大型化してしまう。このように、十分な性能を備えた分光器を製造、または、使用することが比較的困難である。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、小型化が可能で製造が容易であり、必要な波長帯域の光について高い波長分解能が得られる分光器を提供しようとするものである。

前述の課題を解決し、その目的を達成するために、本発明に係る分光器は、以下のいずれか一の構成を有するものである。

〔構成１〕
本発明の構成１を有する分光器は、入射光をその成分に応じて異なる方向に偏向させて分離させる分光素子と、分光素子を経た光が入射され、この光を拡散させる少なくとも一の光学素子と、光学素子を経た光を受光する受光手段とを備え、光学素子に入射される光のうち偏向角が特定の範囲内の光のみを選択的に拡大して受光することを特徴とするものである。

〔構成２〕
本発明の構成２を有する分光器は、構成１を有する分光器において、前記受光手段の受光面において、前記光学素子において拡散された光の各成分が重複しないように構成されていることを特徴とするものである。

〔構成３〕
本発明の構成３を有する分光器は、構成１又は構成２を有する分光器において、分光素子が入射光を波長に応じて異なる方向に偏向させて分離させることを特徴とするものである。

〔構成４〕
本発明の構成４を有する分光器は、構成３を有する分光器において、分光素子が回折格子であることを特徴とするものである。

〔構成５〕
本発明の構成５を有する分光器は、構成４を有する分光器において、回折格子が入射光を平行光に変換するコリメータの屈折面上に形成されていることを特徴とするものである。

〔構成６〕
本発明の構成６を有する分光器は、構成３を有する分光器において、分光素子がプリズムであることを特徴とするものである。

〔構成７〕
本発明の構成７を有する分光器は、構成２乃至構成６のいずれか一を有する分光器において、光学素子に入射される光の波長帯域が、分光法での計測における試料の成分に応じて予め選ばれた少なくとも一の帯域であること特徴とするものである。

〔構成８〕
本発明の構成８を有する分光器は、構成２乃至構成６のいずれか一を有する分光器において、光学素子に入射される光の波長帯域は、波長３０６．４ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第１の帯域、波長３８８ｎｍ、半値幅１０ｎｍ乃至１５ｎｍの第２の帯域、波長４３１．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第３の帯域、波長４７３．３ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第４の帯域、波長５１６．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第５の帯域、波長６５０ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第６の帯域、または、波長８１０ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第７の帯域のうち少なくとも一の帯域を含むこと特徴とするものである。

〔構成９〕
本発明の構成９を有する分光器は、構成１又は構成２を有する分光器において、分光素子が、入射光を偏光角に応じて異なる方向に偏向させて分離させることを特徴とするものである。

〔構成１０〕
本発明の構成１０を有する分光器は、構成１又は構成２を有する分光器において、分光素子が、偏向プリズムであることを特徴とするものである。

〔構成１１〕
本発明の構成１１を有する分光器は、構成１乃至構成１０のいずれか一を有する分光器において、受光手段が、ラインセンサであることを特徴とするものである。

〔構成１２〕
本発明の構成１２を有する分光器は、構成１乃至構成１０のいずれか一を有する分光器において、受光手段が、マトリクス状に配置された受光素子を有するイメージセンサであることを特徴とするものである。

〔構成１３〕
本発明の構成１３を有する分光器は、構成１２を有する分光器において、入射光が、複数の位置より、分光素子による光の偏向面に対し平行にかつイメージセンサにおける受光素子の配置面と所定の角度をなす光軸に沿ってそれぞれ入射されることを特徴とするものである。

〔構成１４〕
本発明の構成１４を有する分光器は、構成１乃至構成１０のいずれか一を有する分光器において、受光手段が、前記光学素子を経た光を受光しこの光を所定の感光材料に対し露光するための露光装置であることを特徴とするものである。

〔構成１５〕
本発明の構成１５を有する分光器は、構成１乃至構成１４のいずれか一を有する分光器において、入射光が、複数の位置より入射され、これら入射光のうち、分光素子により分光され、光学素子により選択的に拡大された光の各々を、所定の一の直線上で受光することを特徴とするものである。

〔構成１６〕
本発明の構成１６を有する分光器は、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する分光器において、光学素子が、凹レンズ、または、凸面鏡であることを特徴とするものである。

〔構成１７〕
本発明の構成１７を有する分光器は、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する分光器において、光学素子が、光の偏光面が分光素子による偏光面と一致するよう配置されたプリズム、または、回折格子であることを特徴とするものである。

〔構成１８〕
本発明の構成１８を有する分光器は、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する分光器において、光学素子が、ニコルプリズム、プリズムロッション、または、ウォーラストンプリズムであることを特徴とするものである。

〔構成１９〕
本発明の構成１９を有する分光器は、構成１乃至構成１８のいずれか一を有する分光器において、分光器が、さらに受光素子に向けて参照光を照射するための手段を有することを特徴とするものである。

構成１を有する分光器においては、少なくとも一の光学素子が、分光素子を経た光が入射されこの光を拡散させるため、光学素子に入射される特定の成分の光のみが受光素子により選択的に拡大されて受光されるので、分光素子から受光素子までの距離を長くとらなくても、特定の成分について高い分解能を実現することができる。よって、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、特定の成分の光について高い波長分解能を実現することができる。

構成２を有する分光器においては、受光手段の受光面において、光学素子において拡散された光の各成分が重複しないので、光の各成分を正確に分析できる。

構成３を有する分光器においては、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、特定の波長帯域の光について高い波長分解能を実現することができる。

構成４を有する分光器においては、分光素子が回折格子であるので、この回折格子に対する入射光は、波長に応じて、一平面内における異なる方向に偏向されて分離される。

構成５を有する分光器においては、回折格子がコリメータの屈折面上に形成されるので、回折による偏向角をコリメータによる屈折によって増大させることができる。このことは、分光器の小型化及び高波長分解能化に資する。

構成６を有する分光器においては、分光素子がプリズムであるので、このプリズムに対する入射光は、屈折により、波長に応じて、異なる方向に偏向されて分離される。

構成７を有する分光器においては、光学素子に入射される光の波長帯域が、分光法での計測における試料の成分に応じて予め選ばれた少なくとも一の帯域であるので、所望の成分についての計測に用いる帯域の光を選択して高い波長分解能で分光することができる。

構成８を有する分光器においては、光学素子に入射される光の波長帯域が、波長３０６．４ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第１の帯域、波長３８８ｎｍ、半値幅１０ｎｍ乃至１５ｎｍの第２の帯域、波長４３１．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第３の帯域、波長４７３．３ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第４の帯域及び波長５１６．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第５の帯域であるので、例えば、ＯＨ^＊、ＣＮ^＊、ＣＨ^＊、Ｃ₂ ^＊など特定の成分からの光を選択して高い波長分解能で分光することができる。

構成９を有する分光器においては、分光素子が入射光を偏光角に応じて異なる方向に変更させて分離させるため、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、特定の偏光について高い波長分解能を実現することができる。

構成１０を有する分光器においては、分光素子が偏向プリズムであるので、この偏向プリズムに対する入射光においては、その偏光角に応じて、異なる方向に偏向されて分離される。

構成１１を有する分光器においては、受光手段がラインセンサであるので、分光素子によって分離された光を効率的に受光することができる。

構成１２を有する分光器においては、受光手段がマトリクス状に配置されているので、ラインセンサを複数並べたものと同様の構成である。したがって、分光素子によって分離された光を効率的に受光することができる。

構成１３を有する分光器においては、入射光が複数の位置から、分光素子による光の偏向面に対し平行に、かつイメージセンサにおける受光素子の配置面と所定の角度をなす光軸に沿ってそれぞれ入射されるので、複数の位置から入射される光を輻輳させることなく、イメージセンサによって一括に受光させることができる。このことは、分光器のシステム全体の小型化に資する。

構成１４を有する分光器においては、光学素子を経た光を露光装置が感光材料に対し露光させるので、分光素子によって分離された光を感光材料上に写真撮影することができる。これにより、分光器の適用可能な光の種類が増え、適用範囲が広がる。

構成１５を有する分光器においては、複数の位置から入射された入射光に対し、分光及び選択的な拡大を行った後に、一の直線上で受光するので、複数の入射光うち選択的に拡大された成分を合成することが可能になる。

構成１６を有する分光器においては、光学素子は、凹レンズ、または、凸面鏡であるので、分光素子を経てこの光学素子に入射された光は、拡散される。

構成１７を有する分光器においては、光学素子は、プリズム、または、回折格子であるので、分光素子を経てこの光学素子に入射された光は、その波長に応じて拡散される。

構成１８を有する分光器においては、光学素子は、ニコルプリズム、プリズムロッション、または、ウォーラストンプリズムであるので、分光素子を経てこの光学素子に入射された光は、その偏光角に応じて拡散・分離される。

構成１９を有する分光器においては、分光され光学素子を経た光と参照光とを共に受光素子に照射することにより、ホログラフィを行うことができる。これにより位相の情報をえることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る分光器３０３を使用した光計測装置３００の概略構成を示すブロック図である。 光計測装置３００における集光光学系３０１の構成を示す側面図である。 分光器３０３の構成を示す側面図である。 反応と光との関係を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る分光器４０１を使用した光計測装置４００の概略構成を示すブロック図である。 分光器４０１の構成を示す斜視図である。 分光器４０１の構成を示す図６のＡ−Ａ′断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る分光器の構成を示す斜視図である。 第２の実施形態の変形例に係る分光器の別の構成を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。

〔第１の実施形態〕
本発明の一実施形態に係る分光器３０３が適用された光計測装置３００について、以下に説明する。

図１は、分光器３０３を使用した光計測装置３００の構成を示すブロック図である。なお、図１においては、測定点の個数をｎ個（ｎは２以上の整数）とし、単一の測定点からの光の集光のみを示している。

この光計測装置３００は、多点からの光を検出するようにした光学系を用いることにより、例えば、燃焼室内の複数箇所における自発光、蛍光、燐光、または、放射光等の反応による光の計測を、同時に、または、順次的に行う装置である。すなわち、光計測装置３００は、例えば、エンジン等の内燃機関の燃焼室内における反応の発生箇所の移動（燃焼面の移動）や、移動中の反応状態の変化や、燃焼室内における化学反応特性の測定などを行うことができる。

本使用例においては、例えば、燃焼等の反応領域Ｆ内の測定点Ｆｐからの光は、集光光学系３０１によって、集光面上の対応する集光点（図示せず）に集光される。なお、測定点Ｆｐは、反応領域Ｆの挙動によって、反応領域Ｆの外部に位置することもあり得る。

この使用例における入射光は、燃焼等の反応において、ＯＨ^＊、ＣＨ^＊、ＣＮ^＊、Ｃ₂ ^＊などに起因して自然発光している反応発光、または、煤等の黒体輻射に起因する光であり、反応の反応強度、あるいは、熱発生との相関を有し、反応状態の直接的な指標となるものである。

この光計測装置における集光光学系３０１としては、充分な位置分解能及び集光効率によって集光が可能（局所計測）なものを用いる必要がある。この集光光学系３０１は、図２に示すような一体的な光学素子１１を用いて構成することができる。

この光学素子１１は、いわゆるカセグレン光学系を一体的に形成している。すなわち、第１面１と、第１面１側から見て凹な形状の第２面２とを有しており、第１面の外周部１ａ及び第２面の中央部２ｂは透過面を形成しており、第１面の中央部１ｂ及び第２面の外周部２ａには、反射面が形成されている。第１面１と第２面２との間は、透光性のある一様な媒質３となっている。この光学素子１１は、一体的な光学素子であるため、第１面１及び第２面２間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面１，２間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入したりする虞がない。すなわち、この光学素子１１は、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化が極めて少ないので、温度変化の激しい環境下や、塵挨の多い環境下においても、良好な光学特性を維持することができる。

この光学素子１１においては、多点である測定点Ｆ₁〜Ｆ_nからの光は、各面１，２において反射され、第２面２の第２領域２ｂを通過して、集光面ＦＰ上の集光点Ｐ₁〜Ｐ_nにそれぞれ集光・結像される。

なお、図２においては図示していないが、集光光学系３０１には、光ファイバアレイ３０２（図１参照）が接続されている。光ファイバアレイ３０２は、ｎ点の測定点に対応してｎ本の光ファイバ３２０₁〜３２０_nから構成され、その入射端面は、集光光学系３０１による集光面上に、各測定点からの集光点Ｐ₁〜Ｐ_nの位置にそれぞれ対応されて配置されている。これによって、集光点に集光された複数の測定点からの光は、光ファイバ３２０₁〜３２０_nによって光計測系に高効率で導光される。

また、これらの測定点Ｆ₁〜Ｆ_nに対応する集光点Ｐ₁〜Ｐ_n及び光ファイバ３２０₁〜３２０_nは、１次元配列、または、マトリクス状の２次元配列、あるいは、３次元配列とすることができ、これによって、より効率的に、反応状態の計測及び観測を行うことができる。

なお、光ファイバアレイ３０２は、図１に示すように、入射端面及び出射端面以外では、光ファイババンドル３０２ａを形成している。

これらの集光光学系及び光ファイバ等の設定・選択については、計測に必要とされる位置分解能・測定体積や、多点間の間隔等に基づいて好適なものを適宜選択することができる。例えば、集光光学系の作業距離（Working Distance）としては、エンジンや小型バーナを対象とした短距離焦点（１５０ｍｍ以下）から、中距離焦点（１５０〜６００ｍｍ）、長距離焦点（６００ｍｍ以上）まで、様々に設定可能である。

そして、光計測装置３００は、それぞれｎ個の分光器３０３₁〜３０３_n、信号路３０９₁〜３０９_n及び信号増幅装置３０４₁〜３０４_nと、それらからの信号を一括して処理する信号処理装置３０５と、この信号処理装置３０５を制御し、かつ、信号処理装置３０５からのデータを取り込むコンピュータ３０６と、このコンピュータ３０６に接続されデータを表示・記録するモニタ３０７及び記録装置３０８とからなる光計測系を有している。

ｎ本の光ファイバ３２０₁〜３２０_nの出射端面は、それぞれ分光器３０３₁〜３０３_nの接続部３３０₁〜３３０_nに接続されて、各測定点からの光は、その分光・測定等が行われる分光器３０３₁〜３０３_nに入射される。このように構成することによって、多点からの光を、それぞれに対して別個に配置された分光器３０３₁〜３０３_nを用いて同時に計測することができ、例えば、リアルタイムで２次元の反応状態及びその時間変化を観測することが可能となる。

分光器３０３₁〜３０３_nからそれぞれ出力された１つまたは複数の信号は、それぞれ対応する信号増幅装置３０４₁〜３０４_nに入力され、さらに信号処理回路などからなる信号処理装置３０５に入力される。信号処理装置３０５は、コンピュータ３０６に接続されている。コンピュータ３０６は、信号処理等について信号処理装置３０５を制御するとともに、信号処理装置３０５からのデータを取り込み、解析ソフト等に基づいて、それらのデータの解析、データ及びその解析結果のモニタ３０７への表示、記録装置３０８への記録などを行う。

図３に、分光器３０３の構成を側面図にて示す。この分光器３０３においては、光ファイバ３２０によって導光された光のうち、観測したい物質からの光の成分を選択して測定を行うこと、及び、時系列計測を効率的に行うために高速での計測が可能な測定系とすることが必要とされる。

図３に示す分光器３０３においては、炭化水素燃焼反応において特に重要な中間生成物であるＯＨ^＊、ＣＨ^＊、ＣＮ^＊及びＣ₂ ^＊からの光の成分を測定するように装置が構成されていることが望ましい。また、Ｃ₂ ^＊に関しては、２成分について（以下Ｃ₂ ^＊（１）及びＣ₂ ^＊（２）と表記する）測定を行う。ＯＨ^＊発光は燃焼反応及び高温ガスに対応して観測され、ＣＨ^＊／Ｃ₂ ^＊発光は燃焼反応領域（反応帯）と高い相関があり、さらに、Ｃ₂ ^＊発光は反応及び煤生成と強い関係がある。

したがって、これらラジカルによる光を計測することによって、燃焼反応に関する重要な情報を得ることができる。また、同一ラジカル（例えば、Ｃ₂ ^＊）についての２波長成分以上の同時測定を行うことによって、温度に関する情報等を得ることができる。

分光器３０３は、光ファイバの出射端面３３４から出射され、出射端面３３４に形成された図示しないコリメータにより平行光となった光のうち、総数ｋの波長帯域の光について、特に高い波長分解能によって分光するものである。前述の光の成分を測定するよう構成する場合には、波長帯域の数ｋは５以上となる。この場合、これらの波長帯域のうちの５つは、それぞれ、ＯＨ^＊、ＣＨ^＊、ＣＮ^＊、Ｃ₂ ^＊（１）及びＣ₂ ^＊（２）による光に対応する。

分光器３０３は、入射光を波長に応じて異なる方向に偏向させて分離させる分光素子となる回折格子３３１を有して構成される。この回折格子３３１は、入射光の波長成分に応じて、この入射光を一平面内の異なる方向に偏向させて分離させる。この回折格子３３１を経た光は、この光を拡散させる光学素子３３２ａ₁，・・・３３２ａ_kに入射される。以下では、これらの光学素子を「拡散光学素子」と呼ぶ。これら拡散光学素子３３２ａ₁，・・・３３２ａ_kは、一体的な平板状の光学材料３３２に形成された複数の凹部として構成されており、それぞれが凹シリンドリカルレンズとなっている。そして、平板状の光学材料３３２の入射面側において、これら拡散光学素子３３２ａ以外の領域には、遮光膜３３２ｂが形成されている。光学材料３３２では、所望の光の成分（所望の波長帯域）のみが複数選択され、選択された光の成分の間の成分が除去される。光学材料３３２は、所望の光の成分の選択（抽出）と不要な光の成分の除去とを行う１つの部材である。なお、拡散光学素子３３２ａは、凸面鏡（凸シリンドリカル面鏡）としてもよい。

この分光器３０３においては、各拡散光学素子３３２ａに入射される光は、ＯＨ^＊、ＣＨ^＊、ＣＮ^＊、Ｃ₂ ^＊（１）及びＣ₂ ^＊（２）による光に対応して、波長３０６．４ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第１の帯域、波長３８８．０ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第２の帯域、波長４３１．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第３の帯域、波長４７３．３ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第４の帯域及び波長５１６．５ｎｍ、半値幅１乃至２ｎｍの第５の帯域、波長６５０ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第６の帯域、または、波長８１０ｎｍ、半値幅１０乃至１５ｎｍの第７の帯域のうち少なくとも一の帯域を含む光とすることが望ましい。

各拡散光学素子３３２ａ₁，・・・３３２ａ_kに入射された各波長帯域の光は、それぞれ拡散されて、受光手段となるラインセンサ（ラインイメージセンサ）３３３によって受光される。この受光手段としては、高感度・高速の位置検出型光計測装置として、高速動作可能なＣＣＤなどのイメージセンサや、それを用いたもの、例えば、イメージインテンシファイアなどのイメージ管にＣＣＤを接続したものや、蛍光面に電子打ち込み型ＣＣＤが用いられているイメージ管、または、位置検出が可能な受光素子、例えば、マルチアノード型光電子増倍管なども用いることができる。受光手段としては、特に、高速の光計測が可能な、光電子増倍管の如き受光素子を用いることによって、高速での時系列計測が可能となる。この場合には、測定のサンプリングレートも、例えば、１００ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ程度に設定することができる。

このようにして、この分光器においては、各拡散光学素子３３２ａ₁，・・・３３２ａ_kに入射される特定の波長帯域の光のみが選択的に拡大されて受光され、すなわち、ＯＨ^＊からの光に対応する波長光の成分、ＣＨ^＊からの光に対応する波長光の成分、ＣＮ^＊からの光に対応する波長光の成分、Ｃ₂ ^＊（１）からの光に対応する波長光の成分及びＣ₂ ^＊（２）からの光に対応する波長光の成分が拡大されて受光され、高い波長分解能による分光を行うことができる。

以上に示したように、本発明に係る分光器３０３を適用することによって、特定の波長帯域の光について高い波長分解能での局所計測が可能となり、高速・高時間分解能での時系列計測が可能となる。これらを用いて、例えば、図１に示したように、光計測装置３００を構成することによって、多点についての光の局所・時系列計測が実現され、これによって、プラズマ、蛍光、燃焼等の反応の微細なメカニズムについての情報を得ることが可能となる。

このような光計測装置３００を様々な燃焼装置等における反応の解析に用いることによって、多くの重要な情報を得ることができる。例えば、自動車のエンジンにおいては、反応は、図４に示すように、その幅ＷＦが０．１ｍｍオーダの反応帯Ｆを形成して、移動速度ＶＦで移動・伝播する。このとき、測定点ＦＰにおいて光を測定すると、反応帯Ｆの通過に対応した光の強度の立ち上がり（ピーク）が観測される。このピークの時間ｔから通過時刻、ピーク幅Δｔから通過に要した時間、またピーク強度ｈから反応の強度についての情報をそれぞれ得ることができる。

ただし、前述したような光計測を行っても、単一の測定点についての測定によっては、幅ＷＦ及び移動速度ＶＦを求めることはできず、多点計測を行って、各測定点での光変化の相関をみることによって、はじめてそれらの反応状態及びその時間変化についての直接的な情報を得ることが可能となる。さらに、例えば、多点をマトリクス状の２次元構成、または、３次元構成とすることによって、反応の移動方向など多くの情報を効率的に得ることができる。また、高分解タイプの測定を行うことによって、反応帯内部の反応強度分布など、さらに微細なメカニズムを解明することができる。その他にも、各化学種からの光の変化・相関等から、局所的な空燃比（Ａ／Ｆ）、乱流の構造とそれに関する局所ダムケラー数等、多くの情報を得ることができる。

なお、このような計測の適用対象は自動車のエンジンに限らず、船舶、発電、航空機などに使用されるレシプロ、ロータリ、ディーゼル等の方式のエンジン、水素エンジン、航空機や火力発電に使用されるガスタービン、ラム、スクラムジェットエンジンなどの内燃機関に対しても適用可能である。また、スターリングエンジン等の外燃機関において熱源が反応を行うものであればその熱源にも適用できる。さらには、燃焼器、オイルバーナを用いた噴霧燃焼方式の火炉やボイラ、ごみ焼却炉や溶鉱炉、オーブン、陶磁器・ガラス製造用の窯などの炉、給湯器など、様々な燃焼装置にも適用できる。また、除菌・滅菌装置、半導体製造におけるプロセスプラズマ行程に使用される装置など、プラズマ反応等を利用した装置にも適用可能である。

また、光計測以外の従来の反応状態の計測法を併用することによって、さらに多くの情報を得ることが可能になる。特に、前述した光計測装置における集光光学系は、通常のレンズ系と比較して非常に高い集光率を有しているので、反応についてのレーザ計測の集光系としても適用することも可能である。

例えば、前述した光計測装置における測定体積は、レーザ・ドップラー流速計（Laser Doppler Anemometry：ＬＤＡ）やフェイズ・ドップラー流速計（Phase Doppler Anemometry：ＰＤＡ）と同程度またはそれ以下であり、それらの計測と光計測の同時計測を行うことにより、局所的なガス流速速度と反応の移動速度から、局所燃焼速度を見積もることができる。また、ＬＤＶやＰＤＡの測定体積は、一般に光軸方向に数百ｎｍ〜数十ｍｍ程度の長さを持つので、光計測装置を高分解タイプの設定として同時計測を行うことによって、ＬＤＡやＰＤＡの測定体積内の流速測定値の分布などを計測することが可能になる。また、レーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence Method：ＬＩＦ）による測定を併用することによって、反応のメカニズムについての知見を得ることが可能となる。

本実施形態に係る分光器は、反応状態の計測に限らず、品質検査、成分分析等に使用される分光測定、光での情報伝送等における分光処理に対しても適用可能である。

なお、前述の実施形態においては、各拡散光学素子に入射される光として、ＯＨ^＊、ＣＨ^＊、ＣＮ^＊、Ｃ₂ ^＊（１）及びＣ₂ ^＊（２）による光に対応して選ばれた帯域の光を例示した。しかし、各拡散光学素子に入射される光の帯域は、このようなものには限定されない。分光法での計測において計測の対象となる試料の放射光若しくは反射光若しくはラマン散乱光、または、試料に含まれる原子、分子、イオン、ラジカル等の成分の発光若しくは吸収光に対応する波長帯域から所望の波長帯域を所望の数だけ選択し、分光された光のうち選択した波長帯域の成分が拡散光学素子に入射させるようにすればよい。

〔第２の実施形態〕
第１の実施形態では、分光器３０３は、単一の光ファイバから出射される光を処理する構成のものであった。しかし、本発明はこのようなものは限定されない。以下に、本発明の第２の実施形態を説明する。

図５に、本実施形態に係る分光器４０１を使用した光計測装置４００の構成をブロック図で示す。この光計測装置４００は、図５に示すように、第１の実施形態のものとそれぞれ同一の信号処理装置３０５と、コンピュータ３０６と、モニタ３０７と、記録装置３０８とを有する。光計測装置４００はさらに、それぞれ図１に示す第１の実施形態の集光光学系３０１、光ファイバアレイ３０２、光ファイバ３２０₁₁，・・・３２０_1n及び接続部３３０₁₁，・・・３３０_1nからなる光学系と同様の光学系をｍ（ｍ≧１）系統有する。以下、これらｍ系統の光学系を構成する集光光学系、光ファイバアレイ、光ファイバ及び接続部を、それぞれ集光光学系３０１₁，・・・３０１_m、光ファイバアレイ３０２₁，・・・３０２_m、光ファイバ３２０₁₁，・・・３２０_mn及び接続部３３０₁₁，・・・３３０_mnという。光計測装置４００はさらに、図１に示す分光器３０３、信号路３０９及び信号増幅装置３０４₁，・・・３０４_nにそれぞれ代えて、分光器４０１、信号路４０９及び信号増幅装置４４０を有する。

分光器４０１は、後述のとおり複数の光ファイバから出射される光を並列に同時処理する機能を備える。信号路４０９及び信号増幅装置４４０は、それぞれ同時処理で生成される信号を一括して伝送・増幅する機能を備える。

図６に、分光器４０１の内部構成を斜視図にて示す。図７に、分光器４０１の図６に示すＡ−Ａ´断面図を示す。図６に示すように、分光器４０１には、光ファイバ３２０₁₁，・・・３２０_mn出射端面が接続部３３０₁₁，・・・３３０_mnを介してＺ方向に一列に接続される。この分光器４０１は、光ファイバ３２０₁₁，・・・３２０_mnの出射端面４３４₁₁，・・・４３４_mnに対向する位置にそれぞれ凸部４３１ａ₁₁，・・・４３１_mnの形成された分光素子４３１と、分光素子４３１に対向する側の面に、溝状の拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_k及び遮光膜４３２ｂが形成された平板状の光学素子４３２と、イメージセンサ４３３とを有する。分光素子４３１、平板状の光学素子４３２及びイメージセンサ４３３は、光ファイバ３２０の側からＸ方向にこの順で配設される。イメージセンサ４３３は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管等の受光素子がＹ−Ｚ面上にマトリクス状に配置されたものである。

分光素子４３１は、図７に示すように、凸部４３１ａが形成されている面４３１ｃ及びその反対側の面４３１ｄには、回折格子が形成されており、それらの面の間は、透光性のある一様な媒質４３１ｂとなっている。凸部４３１ａは、光ファイバ３２０からのＸ軸方向に入射される光の各々のコリメータとして機能する。回折格子の形成されている面４３１ｃ及び４３１ｄは、それら入射光を波長に応じてＸ−Ｙ平面内の異なる方向に偏向させて分離させる。すなわち、入射光は、波長に応じて４３１ｃ及び４３１ｄにより２度に亘って偏向されることになり、偏向角がさらに大きくなる。このことは、分光器４０１の小型化及び波長選択性の向上に資する。なお、媒質４３１ｂに高屈折率の媒質を選択しておけば、光の波長の違いによる偏向角が増大する。このこともまた、分光器４０１の小型化及び波長選択性の向上に資する。

平板状の光学素子４３２の拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_kは、分光素子４３１を経た光を拡散させる。この拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_kの幅、深さ及びＹ軸方向での位置は、図６に示すように、測定目標となる光の成分の波長とＺ軸方向での位置に応じて任意に選択される。拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_kは、Ｚ方向に途中で途切れていてもよい。また、拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_k同士が交差していてもよい。

以上の説明からも明らかなように、本実施形態に係る分光器４０１は、分光素子４３１がコリメータを兼ねることを除けば、第１の実施形態に係る分光器３０３をＺ方向に多数並べたものと同様の作用を奏する。

以下、本実施形態に係る分光器４０１の動作を、光ファイバ３２０から出射された光の光路に沿って説明する。図７を参照して、光ファイバ３２０_mnの出射端面４３４_mnから分光器４０１に光が入射されると、その光は、分光素子４３１の凸部４３１ａ_mnに到達する。到達した光は、凸部４３１ａ_mnにより屈折して平行光に変換されるとともに、回折格子の形成された一方の面４３１ｃにより波長に応じて異なる方向に偏向されて分離される。偏向され分離された光は、媒質４３１ｂ中を透過し、回折格子の形成された他方の面４３１ｄで波長に応じてさらに偏向されて分離されて、平板状の光学素子４３２に向けて出射される。

分光素子４３１から出射された光のうち、拡散光学素子４３２ａに到達した光の成分は、拡散光学素子４３２ａにより拡散されてイメージセンサ４３３に向けて出射される。

平板状の光学素子４３２から出射された光は、イメージセンサ４３３に到達する。この光は、到達した位置に配置されている光学素子により受光され、逐次的に電気信号に変換される。変換された電気信号は、光学素子の位置ごとに順次信号路４０９を介して図５に示す信号増幅装置４４０に入力される。信号増幅装置４４０は、入力された電気信号を増幅して信号処理装置３０５へ出力する。したがって、信号処理装置３０５に入力される信号は、光を受光した受光素子の位置すなわちイメージセンサ４３３に到達した光のＹ及びＺ方向での到達位置、並びにその位置に到達した光の強度、並びにその光の到達時刻を表す情報を含むものとなる。

イメージセンサ４３３に到達する光のＺ方向での位置は、その光を出射させた光ファイバによって定まる。イメージセンサ４３３に到達する光のＹ方向での位置は、到達した光の波長及びその成分の光のＺ方向での位置における拡散光学素子４３２ａの形状によって定まる。拡散光学素子４３２ａの深さ、幅、曲率及びＹ方向での位置は、Ｚ方向の位置により予め定められる。すなわち、光ファイバの接続順序と拡散光学素子４３２ａの形状とを適切に選択することにより、各光ファイバから出射される光の任意の帯域成分を、所望の分解能で、イメージセンサ４３３上の所望の受光素子で受光させることが可能になる。

このようにして、この分光器４０１においては、各拡散光学素子４３２ａ₁，・・・４３２ａ_kに入射される特定の波長帯域の光のみが選択的に拡大されて受光され、高い波長分解能による分光を行うことができる。さらに選択的に拡大して受光する帯域を、光ファイバごとに選択することができる。

なお、本実施形態では、イメージセンサ４３３の代りに写真機により受光を行うようにしてもよい。具体的には、写真フィルム、乾板、印画紙等をイメージセンサ４３３の位置に感光材料の塗布された面を拡散光学素子に向けて配置すればよい。さらに、露光時間を調整するためのシャッタを備えていればなお好ましい。シャッタは、感光材料の塗布面付近に配置されたものであってもよく、光学素子、回折格子、または、コリメータの前段に配置されたものであってもよい。シャッタは、機械式、電子式の別を問わない。

〔変形例等〕
前述の第２の実施形態においては、各光ファイバから分光器４０１に入射された光は、図６のＺ方向には偏向せず、Ｘ−Ｙ面内において偏向した。しかし、本発明は、このようなものには限定されない。例えば図８に示すように、光ファイバ３２０_ijから出射された光の光路上にウェッジプリズム５４０を配置して、この光をＺ方向に偏向するようにしてもよい。図８に示す例では、この分光素子５３１は、第２の実施形態に係る分光素子４３１と同様に光の入射側及び出射側の面に回折格子が形成されている。ただし、分光素子５３１の凸部は、分光素子４３１のものと異なり、光ファイバ３２０_ij及び３２０_ij+1側に、Ｘ−Ｙ面上において光を平行に変換させるようＺ方向に一様な凸部が形成されている。

また、この例では、各光ファイバ３２０_ij及び３２０_ij+1の出射端面５３４_ij及び５３４_ij+1にはそれぞれ、これらの光ファイバから出射される光がＸ−Ｚ面上において平行光になるよう光路を変換するコリメータ（図示せず）が設置されており、これにより各光ファイバ３２０_ij及び３２０_ij+1から出射される光は、Ｘ−Ｚ面上において互いに他と平行に進行する。これらの光のうち、３２０_ij+1から出射された光は、Ｘ−Ｚ面上において直進しつつ、分光素子５３１に入射する。

３２０_ij+1から出射された光が分光素子５３１に入射すると、この光は、分光素子５３１によりＸ−Ｙ面上においてコリメートされるとともに波長ごとに偏向され、平板状の光学素子４３２により所望の帯域成分が選択的に拡散されてイメージセンサ４３３に到達する。これに対し、光ファイバ３２０_ijから出射された光は、ウェッジプリズム５４０により、Ｚ方向に偏向される。偏向されたこの光は、分光素子５３１及び平板状の光学素子４３２を経て、イメージセンサ４３３に到達する。その結果、両者の光のうち所望の波長帯域の成分は、イメージセンサ４３３上においてＺ方向の同一位置に配列された一連の受光素子により受光される。これらの受光素子の各々により受光される光は、光ファイバ３２０_ij及び３２０_ij+1の両者から出射された光のうち、その受光素子のＹ方向での位置と対応関係にある光が重畳したものとなる。

このように、第２の実施形態に係る分光器において、光をＺ方向に偏向させることにより、複数の光ファイバから出射された光を一つの受光素子に重畳させて受光させることが可能になる。これにより、例えば次のような処理を光学的に実行することができる。

すなわち、平板状の光学素子４３２とイメージセンサ４３３との間にウェッジプリズム５４０を配置することにより、２本の光ファイバから出射された光のうち特定の波長帯域の成分のみを重畳させることができる。この際に、光ファイバから光を互いに他と同位相としておくと、その光を受光した受光素子は、それらの光の強度の和に対応した信号を出力することになる。光ファイバからの光を互いに他と逆位相にしておくと、該受光素子は、それらの光の強度の差の絶対値に対応した信号を出力することになる。これら偏向による強度の加算と減算とを組合せることにより、光の強度に関する演算のうちいくつかを光学的に行うことが可能になる。このような光学的な演算は、複数の光ファイバから出射された光同士で行うばかりでなく、一つの光ファイバで出射された光のうち選ばれた所定成分同士で行ってもよい。例えば、ある物質のプラズマ発光、自発光、または吸収に起因する光は、離散的に複数の波長においてピークを持つ波長特性を有することがある。このような光のピークの帯域成分同士を重畳するようにしてもよい。この重畳された光は、入射された光に対応する物質を代表するものとなる。

なお、この変形例においては、複数の光ファイバから出射される光を重畳する場合においては、それらの光を出射させる光ファイバ同士は、必ずしもＺ方向に並べて配置される必要はない。Ｙ方向に並べて配置するようにしてもよい。また、この変形例においては、ウェッジプリズムによるＺ方向の偏向の際に生じる色収差を補正するための回折格子等をウェッジプリズム上に形成するようにしてもよい。また、ウェッジプリズムを平板状の光学素子４３２上に形成するようにしてもよい。

前述の各実施形態においては、平板状の光学素子上には、不要な波長帯域の光の成分が到達する部分に遮光膜を形成していたが、この部分に凸レンズを形成するようにしてもよい。このようにしておくと、必要な帯域の光の成分を多数の受光素子で受光することと、必要性の低い帯域の光の成分を少数の受光素子で受光するようにして光ファイバから出射された光全体を一つのイメージセンサにより受光することとを両立させることが可能になる。

不要な波長帯域の光の成分のイメージセンサへの到達を抑止するために、干渉フィルタ、偏光フィルタ等のフィルタを用いてもよい。このようなフィルタは、光学素子上に配置されてもよい。

前述の各実施形態においては、分光素子として回折格子を例示した。しかし、本発明はこのような実施形態には限定されない。分光素子として、プリズムを用いてもよいし、プリズムと回折格子との組合せからなる光学素子を用いてもよい。また、反射（一部反射）と透過との組合せによって分光を行うものであってもよい。また、例えばローランド円分光器等のように、反射と回折との組合せによって分光を行うものであってもよい。また、例えばフィルタ及び／又はダイクロイックミラーの組合せによって分光素子を形成するようにしてもよい。ただしこの場合、フィルタ、または、ダイクロイックミラーにより選択された光は、その選択を行った素子に応じて別の角度に偏向されることが必要である。

前述の各実施形態においては、拡散光学素子として凹レンズと凸面鏡とを例示したが、本発明は、このようなものには限定されない。例えば拡散光学素子としてプリズム、回折格子等を用いてもよい。拡散光学素子による光の偏光面が分光素子による偏光面と一致するよう配置されると、拡散光学素子は、分光素子による各波長成分の偏向角を増大または減少させて拡散を行うこととなる。その結果、凹レンズ、または、凸面鏡を拡散光学素子に用いた場合と同様、所望の波長帯域成分を拡大して受光することが可能になる。また例えば、ニコルプリズム、プリズムロッション、ウォーラストンプリズム等を用いてもよい。この場合、分光素子により偏向された各波長成分は、その偏光に応じて拡散・分離される。

また、分光素子は、入射光を波長に応じて異なる方向に偏向させて分離させるものには限定されない。例えばニコルプリズム等の偏光プリズムを分光素子として用いることにより、入射光を偏光に応じて異なる方向に偏向させて分離させ、さらに拡散光学素子によって所望の偏光成分のみを拡大して受光するようにすることができる。ニコルプリズムに代えてプリズムロッション、ウォーラストンプリズム等を用いれば、紫外線帯域において偏光による分光とその偏光成分の選択的な拡大とを行うことも可能である。

さらに、この分光器にホログラフィ装置の参照光を導入し、イメージセンサに向けて照射するようにしてもよい。この参照光は、分光素子及び拡散光学素子を介してイメージセンサに照射されるようにしてもよく、また、イメージセンサの所望の位置に向けて直接に導入するようにしてもよい。これにより、位相の情報を得ることも可能になる。

また、上記実施形態では、各拡散分光素子において拡散された光の成分が受光手段（イメージセンサ等）の受光面において重複しないように、分光器が構成されている。その場合に、各拡散分光素子の直径を調節することにより、受光手段の受光面において各光の成分が重複しないようにしてもよいし、各拡散分光素子が形成された光学材料と受光手段との距離を調節することにより、受光手段の受光面において各光の成分が重複しないようにしてもよい。また、受光手段の受光面において、隣接する２つの光の成分の間に隙間を形成してもよいし（図９）、隣接する２つの光の成分の端を一致させてもよい。この構成は、実施形態２だけでなく、実施形態１にも適用可能である。

また、上記実施形態では、ラジカルの波長に対応する光の成分を選択できるように、分光器が構成されていたが、重金属（鉛、水銀、カドミウム、六価クロム等）の波長に対応する光の成分を選択できるように、分光器が構成されていてもよい。

また、上記実施形態において、拡散分光素子において光を拡散させる角度を光の成分に応じて異ならせてもよい。具体的に、空間分解能を高めたい光の成分（詳細に分析したい光の成分）は、拡散分光素子において拡散させる角度を他の光の成分に比べて広くする。その結果、受光手段では、空間分解能を高めたい光の成分の受光面積が相対的に広くなり、イメージセンサの場合はピッチ数が多くなる。一方、空間分解能を高める必要がない光の成分は、拡散分光素子において拡散させる角度を他の光の成分に比べて狭くする。その結果、受光手段では、空間分解能を高める必要がない光の成分の受光面積が相対的に狭くなり、イメージセンサの場合はピッチ数が少なくなる。このように、希望する空間分解能に応じて、拡散分光素子において光を拡散させる角度を異ならせることで、受光手段の受光面を有効活用することができる。

また、上記実施形態において、光ファイバーの光の出射面と分光素子との間に、様々な光学素子を設けることが可能である。例えば、必要のない成分を予め除外するための光学素子（例えば、ダイクロイックミラー、広帯域波長選択フィルター）や、光の入射角度に応じて選択波長を調節できる光学素子などを設けることが可能である。

なお、今回開示した実施形態は単なる例示であって、本発明の範囲が前述の各実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、明細書及び図面の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明は、例えば光計測装置等において所定帯域の光を分光する分光器に適用される。

３３１ 回折格子
３３２ａ 拡散光学素子
３３３ ラインセンサ
４３１ 分光素子
４３２ａ 拡散光学素子
４３３ イメージセンサ
５３１ 分光素子
５４０ ウェッジプリズム

Claims (2)

1. 入射光をその波長に応じて異なる方向に偏向させて分離させる分光素子と、
   前記分光素子を経た光が入射され、この光を拡散させる少なくとも一の光学素子と、
   前記光学素子を経た光を受光する受光手段と
   を備え、
   前記分光素子は、入射光を平行光に変換するコリメータの屈折面上に形成されている回折格子からなり、
   前記光学素子に入射される光のうち偏向角が特定の範囲内の光のみを選択的に拡大して受光する
   ことを特徴とする分光器。
2. 前記受光手段の受光面において、前記光学素子において拡散された光の波長が重複しないように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の分光器。

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