JP5547969B2

JP5547969B2 - 測光装置

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Publication number: JP5547969B2
Application number: JP2010000259A
Authority: JP
Inventors: 二三男成沢; 知行丸山
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-01-04
Also published as: JP2011137789A

Description

本発明は、一般には、蛍光灯、電球、ＬＥＤ照明、ＬＥＤ素子、ＬＤ、ＬＣＤ（液晶ディスプレー）などの光源の光の光束、色度、波長、演色性などの光の特性を測定する測光装置に関し、特に、光源からの光を、光ファイババンドルケーブルにより積分球に導き、積分球により拡散反射させた後に、分光手段と光電変換素子アレイとを有する光検出器を使用して測定する測光装置に関するものである。

従来、光源の光の光束、色度、波長、演色性などの光の特性を測定する測光装置として、積分球を用いた測光装置（測光システム）がある。積分球は、その内壁が、反射率が高く拡散性に優れた材料やコーティングで構成されている。そして、積分球の中に集められた光は、その内壁で拡散反射が繰り返され、空間的に積分されて、略均一な強度分布の光となる。

従って、積分球を用いた測光装置によれば、光を直接光検出器で検出する場合と異なり、偏光、ビーム強度分布、入射角度などが平均化（均一化）された後の光が光検出器に照射される。その結果、光検出器の測定誤差要因となる入射位置依存性、入射角依存性、偏光依存性などが軽減されて、光の特性をより高精度に測定することが可能となる。

積分球に光を集める方法としては、積分球に設けられたポートを、光を入射するための入射開口として用いて、この入射開口から積分球の中に光を入射する方法がある。又、入射開口まで光を導く方法としては、光ファイバを備えた光ファイバケーブルを入射開口に接続する方法がある。

又、積分球により略均一化された光を検出する方法としては、積分球に設けられたポートを、光を出射するための出射開口として用いて、この出射開口に光検出器を接続する方法がある。

又、光検出器としては、入射する光を複数の異なる波長帯の光に分光する分光手段と、分光手段により分光された光を受光して電気信号に変換する複数の光電変換素子から成る光電変換素子アレイと、を有するものがある（特許文献１参照）。

特許文献２は、光ファイバに入射した光を、積分球の内面で拡散反射させ、拡散光の一部をダイクロイックミラーアレイ分光素子に照射し、ダイクロイックミラーアレイ分光素子で透過波長が制限された光を、受光素子アレイに入射する分光装置を開示する。ダイクロイックミラーアレイ分光素子は、反射率の立ち上がり波長が互いに異なる複数個のダイクロイックミラーから構成される第１のダイクロイックミラーアレイと、反射率の立ち下がり波長が互いに異なる複数個のダイクロイックミラーから構成される第２のダイクロイックミラーアレイが積層されて構成される。これにより、光電変換用の受光素子アレイの複数個の受光素子のそれぞれに、第１及び第２のダイクロイックミラーを透過した、異なる特定の波長帯の光が入射する。従って、当該分光装置は、光を分光して検出することができる。しかし、特許文献２には、光ファイバをバンドル化することは記載されていない。

分光手段と複数の光電変換素子から成る光電変換素子アレイとを有する光センサには、分光手段として、上記特許文献１におけるダイクロイックミラーアレイの代わりに、透過波長が異なるバンドパスフィルタアレイ（リニアバリアブルフィルタなど）を使用することも可能である。

ここで、光ファイバと、光電変換素子アレイと、を用いて、光を分光して検出する方式としては、一般に、回折格子を使用したポリクロメータがある。このようなポリクロメータでは、光ファイバから出射された光は、スリットを通って回折格子に入射され、分光された後に光電変換素子アレイ（イメージセンサ）に入射される。ポリクロメータの場合には、光ファイバと、回折格子と、光電変換素子アレイとの相対位置は厳密に設計されて、必要な場合は位置を微調整し固定される。又、回折格子を使用する場合は、回折格子から出射される高次光をカットするために、高次カットフィルタを光電変換素子アレイの光入射面に固定させることが必要である。

一方、光ファイバと、積分球と、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイと、光電変換素子アレイと、を用いて光を分光して検出する方式では、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイと、光電変換素子アレイと、の相対位置のみを調整して固定すればよく、一般に、光ファイバとの位置関係は特に重要ではない。又、ポリクロメータで必要となる高次カットフィルタも必要ない。

特開２００２−１３９８１号公報特開平１０−６２２４７号公報

しかしながら、光ファイバと、積分球と、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイと、光電変換素子アレイと、を用いて光を分光して検出する方式では、次のような課題がある。

例えば、被試験光が電球やディスプレイなどの空間的に広がりを持つランバート光源の場合は、光ファイバで被試験光を取り込むと、光ファイバに入射される光束は、光ファイバのＮＡとコア径に依存する。

又、光ファイバの出射光は、積分球で拡散反射されるため、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイに照射される光は、その分減衰される。

従って、例えば、ランバート光源を測定する場合、測定系の感度やＳＮ比を上げるためには、積分球の径を小さくすること、光ファイバをバンドル化して全体として光ファイバに入射する光束を多くすることが有効となる。

しかしながら、光ファイバをバンドル化した場合、バンドル化した光ファイバの積分球に隣接して配置される側の端面の配列によっては、分光結果に影響を与える場合があることが分かった。

従って、本発明の目的は、光ファイバと、積分球と、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイなどの分光手段と、光電変換素子アレイと、を用いて光を分光して検出する測光装置において、バンドル化した光ファイバを通して積分球に光を導く場合の測定誤差を軽減することのできる測光装置を提供することである。

上記目的は本発明に係る測光装置にて達成される。要約すれば、本発明は、積分球であって、測定対象光源からの光が入射される入射開口と、前記入射開口から入射されて前記積分球の内壁で拡散反射された光が出射される出射開口と、を備えた積分球と、少なくとも両端部において束ねられている複数の光ファイバ素線を有する光ファイババンドルケーブルであって、前記積分球の前記入射開口に隣接して配置される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を備え、前記第２の端部から入力された測定対象光源からの光を導き、前記入射開口を通して前記積分球内に入射する光を前記第１の端部から出力する光ファイババンドルケーブルと、入射する光を複数の異なる波長帯の光に分光する分光手段と、前記分光手段により分光された光を受光して電気信号に変換する複数の光電変換素子から成る光電変換素子アレイと、を備え、前記出射開口に隣接して配置され、前記出射開口から出射された光を検出する光検出器と、を有し、前記光ファイババンドルケーブルの前記第１の端部における前記複数の光ファイバ素線の端面は第１の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列され、前記光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子は第２の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列されており、前記出射開口を含む平面と直交し且つ前記第２の軸方向と平行な平面を基準平面としたとき、前記光ファイババンドルケーブルの前記第１の端部は、前記第１の軸方向と前記基準平面とが成す角度が４５°〜９０°となるように前記入射開口に隣接して配置される、ことを特徴とする測光装置である。

本発明によれば、光ファイバと、積分球と、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイなどの分光手段と、光電変換素子アレイと、を用いて光を分光して検出する測光装置において、バンドル化した光ファイバを通して積分球に光を導く場合の測定誤差を軽減することができる。

本発明に係る測光装置の一実施例の部分分解斜視図である。本発明に係る測光装置の一実施例の要部の断面側面図である。本発明に係る測光装置の一実施例における光検出器の模式図である。光電変換素子アレイによる相対分光感度を示すグラフ図である。本発明に係る測光装置の一実施例の電気的構成を示すブロック図である。本発明の原理及び効果を示す実験における光の入射位置の移動方向を説明する模式図である。本発明の原理及び効果を示す実験における積分球に対する光の入射位置による光電変換素子への照射光の強度分布を示すグラフ図である。本発明の原理及び効果を示す実験における積分球に対する光の入射位置の移動方向を説明する模式図である。本発明の原理及び効果を示す実験における積分球に対する光の入射位置による光電変換素子への照射光の強度分布を示すグラフ図である。光ファイババンドルケーブルの端部における光ファイバの端面の配列方向を説明するための模式図である。光電変換素子アレイへの照射光の強度分布の変化について説明するための積分球の断面模式図である。

以下、本発明に係る測光装置を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
１．測光装置の全体的構成
図１は、本発明に係る測光装置１００の一実施例の概略構成を示す。本実施例では、測光装置１００は、測定対象光源Ｔからの被試験光の光束、色度、波長、演色性などの光の特性を測定することができる。

測光装置１００は、入射された光をその内壁で拡散反射した後に出射する積分球１を有する。本実施例では、積分球１は、内部が球面状の中空とされる積分球ブロック１０の内壁１１によって形成される。

積分球ブロック１０は、例えば、ポリテトラフッ化エチレン、ポリクロロトリフッ化エチレン、ポリクロロフッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルなどとされる、適宜に焼結したフッ素樹脂の固体ブロックで形成される。

尚、積分球１は、フッ素樹脂の固体ブロックで形成されるものに限定されるものではない。例えば、斯界にて周知のように、適当な材料で形成された略球状の中空の内面に、硫酸バリウムなどの適当な拡散反射性のコーティングを施したものを用いることができる。

積分球１の中空の内面（本実施例では、積分球ブロック１０の内壁１１）の直径は、被試験光の利用効率を高めるなどの観点から、例えば、４０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲が好ましい。

積分球１は、測定対象光源Ｔからの被試験光が入射されるポート（開口部）である入射開口１２と、入射開口１２から入射されて積分球１の内壁１１で拡散反射された被試験光が出射されるポートである出射開口１３と、を有する。本実施例では、入射開口１２及び出射開口１３は、いずれも円形である。

一般に、積分球１は、積分球１の球面（内壁面）１１の全表面積をＡ、入射開口１２の開口面積をＡ１、出射開口１３の開口面積をＡ２としたとき、次式、
Ａ１＋Ａ２≦Ａ×５％
を満足することにより良好な性能を得ることができる。

図１に示すように、積分球１の一の極を北極ＮＰとし、反対側の極を南極ＳＰとしたとき、本実施例では、入射開口１２は赤道上の０°位置を中心として設けられ、出射開口１３は赤道上の９０°位置を中心として設けられている。図２は、図１の北極ＮＰ側から見た本実施例の積分球１の赤道上の断面を示す。

尚、入射開口１２の位置、出射開口１３の位置は、本実施例のものに限定されるものではない。例えば、入射開口１２が赤道上の０°位置を中心として設けられているとした場合に、出射開口１３は赤道上の４５°〜１３５°、好ましくは９０°の位置を中心として設けることができる。

ここで、積分球１の北極ＮＰ及び南極ＳＰを通る直線は、図中では垂直方向に配置されており、これに対し赤道を想定して入射開口１２及び出射開口１３の位置などを説明しているが、当該北極ＮＰ及び南極ＳＰの設定は説明のためのものであり、測光装置１００の使用時における積分球１の配向を何ら限定するものではない。

本実施例における積分球１の具体的寸法、形状、材質の一例を挙げれば次の通りである。積分球ブロック１０は、フッ素樹脂、特に、ＰＴＦＥ（ポリテトラフッ化エチレン）の固体ブロックで作製した。積分球ブロック１０の中空の内面（即ち、積分球１の内壁１１）の直径（Ｄ）は６０ｍｍとした。入射開口１２の直径（ｄ１）は２０ｍｍとし、出射開口１３の直径（ｄ２）は１３ｍｍとした。又、積分球ブロック１０は、一辺の長さ（Ｗ）が７０ｍｍの立方体形状とした。但し、積分球１は、これらの寸法、形状、材質、に限定されるものではない。

入射開口１２には、後述する光ファイババンドルケーブル２を接続するためのアダプタ１４が、螺合、圧入嵌合、接着、溶着などの適当な結合手段により結合される。入射開口１２には、アダプタ１４を結合するためのフレーム（図示せず）が取り付けられていて良い。光ファイババンドルケーブル２の入射開口１２側の端部２２は、積分球１の外側で且つ入射開口１２に近接して配置される。

出射開口１３には、後述する検出器ユニット３が螺合、圧入嵌合、接着、溶着などの適当な結合手段により結合される。出射開口１３には、検出器ユニット３を結合するためのフレーム（図示せず）が取り付けられていて良い。検出器ユニット３は、後述する光検出器３０を有する。光検出器３０は、積分球１の外側で且つ出射開口１３に近接して配置される。

積分球１の入射開口１２には、上述のアダプタ１４を介して、光ファイババンドルケーブル２が接続される。本実施例では、光ファイババンドルケーブル２は、積分球１に対して着脱可能とされている。光ファイババンドルケーブル２は、少なくとも両端部において束ねられている複数の光ファイバ素線２１を有する。光ファイバをバンドル化することで、全体として光ファイバに入射する光束を多くすることができる。光ファイババンドルケーブル２は、積分球１の入射開口１２に隣接して配置される第１の端部２２と、第１の端部２２とは反対側の第２の端部２３と、を備えている。第１の端部２２では、光ファイバ素線２１は第１の端部部材２４によって所定の配列態様で束ねられている。又、第２の端部２３では、光ファイバ素線２１は第２の端部部材２５によって所定の配列態様で束ねられている。第１、第２の端部部材２４、２５は、樹脂、金属などの適当な材料で作製することができる。第１、第２の端部剤２４、２５によって束ねられている部分以外の光ファイバ素線２１は、外装シース２０によって被覆されている。外装シース２０は、樹脂、金属などの適当な材料で作製することができる。この光ファイババンドルケーブル２は、第２の端部２３から入力された測定対象光源Ｔからの被試験光を導き、入射開口１２を通して積分球１内に入射する被試験光を第１の端部２２から出力する。そして、詳しくは後述するように、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面は第１の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列されている。

光ファイババンドルケーブル２は、積分球１の入射開口１２に結合されたアダプタ１４に第１の端部部材２４が結合されることによって、積分球１に対して固定される。光ファイババンドルケーブル２とアダプタ１４との結合は、螺合、圧入嵌合、或いは所望により接着、溶着などの適当な結合手段により行うことができる。好ましくは、光ファイババンドケーブル２は、第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａが積分球１に対して一定の方向に配列されるように、積分球１に対して固定される。積分球１に対する第１の端部部材２４の位置決めは、例えば、位置決め手段として、第１の端部部材２４の周面には突起２４ａを設け、アダプタ１４には溝１４ａを設け、これらの突起２４ａと溝１４ａとを嵌合することによって行うことができる。但し、位置決め手段は、これに限定されるものではなく、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面が積分球１に対して一定の方向に配列された状態で、光ファイババンドルケーブル２を積分球１に対して固定することができればよい。例えば、使用者が視認して光ファイババンドルケーブル２を積分球１に対して所定の方向に配向させることができるように、アダプタ１４及び第１の端部部材２４に位置合わせ用のマークを付してもよい。

本実施例では、光ファイババンドルケーブル２は、２４本の光ファイバ素線２１を有する。図２（ａ）に示すように、第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａは、互いに密接して２列に配列されている。従って、当該端面２１ａは、一方向に長くなるように配列されている。この配列方向については、後述して詳しく説明する。

一方、図２（ｂ）に示すように、第２の端部２３における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ｂは、互いに密接して縦横略均等に配列されている。このように、第２の端部２３においては、測定対象光源Ｔからの光を効率良く取り込むために、縦横略均等に配列されていることが好ましい。但し、第２の端部２３における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ｂの配列はこれに限定されるものではなく、例えば、ランダムに配置したり、ライン状や同心円状に配列したりするなど、所望に応じて任意の配列態様を選択することができる。

本実施例では、光ファイバ素線２１としては、石英製のコアと石英製のクラッドとから成る石英ファイバを用いた。この光ファイバ素線２１のＮＡは０．３５、コア径は４００μｍであった。

光ファイババンドルケーブル２の光ファイバ素線２１の本数は、集光効率などの観点から適宜選択することができるが、一般に１０本〜３２０本のものを好適に使用することができ、例えば、１２本、２４本、４８本、３２本、６４本などとすることができる。

図３をも参照して、積分球１の出射開口１３には、検出器ユニット３が結合される。検出器ユニット３は、入射する光を複数の異なる波長帯の光に分光する分光手段３１と、分光手段３１により分光された光を受光して電気信号に変換する複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎから成る光電変換素子アレイ３２と、を備えた光検出器３０を有する。光検出器３０は、積分球１の出射開口１３に隣接して配置される。そして、詳しくは後述するように、光センサ３０において、光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎは、第２の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列されている。

更に説明すると、検出器ユニット３は、積分球１の出射開口１３から出射された被試験光を検出する光検出器３０及び光検出器３０の検出信号を処理する電気回路などをホルダー３３内に固定して有する。ホルダー３３は、螺合、圧入嵌合、接着、溶着などの適当な結合手段により、積分球１の出射開口１３に結合される。好ましくは、検出器ユニット３のホルダー３３は、光検出器３０の複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎが積分球１に対して一定の方向に配列されるように、積分球１に対して固定される。本実施例では、検出器ユニット３は、製造時に、積分球１に対して所定の方向に配向された状態で固定される。又、例えば、検出器ユニット３が積分球１に対して着脱可能とされている場合などにおいて、積分球１に対する検出器ユニット３の位置決めは、上述の光ファイババンドルケーブル２の位置決めと同様にして、例えば、位置決め手段として、突起と溝を設けたり、位置合わせ用のマークを付したりすることができる。光検出器３０の複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎが積分球１に対して一定の方向に配列された状態で、光検出器３を積分球１に対して固定することができればよい。

本実施例では、分光手段３１は、リニアバリアブルフィルタとされる。リニアバリアブルフィルタは、バンドパスフィルタの透過光の中心波長が位置により連続的に変化する部材である。従って、フィルタは１種類製作すればよく、従来の干渉フィルタアレイのような、光電変換素子アレイへの貼り付け作業も必要としない。リニアバリアブルフィルタの透過スペクトルの半値幅は中心波長に比例し、例えば、中心波長の１〜２％である。

本実施例では、分光手段３１に隣接して配置され、分光手段３１により分光された光が入射する複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎから成る光電変換素子アレイ３２は、複数の光電変換素子としてのフォトダイオードから成るフォトダイオードアレイとされる。分光手段３１と光電変換素子アレイ３２とで、光検出器３０が構成される。

又、本実施例では、測光装置１００は、積分球１内に、入射開口１２から入射した被試験光が、直接出射開口１３から出射されて光検出器３に入射することを防止するために、遮光手段としてのバッフル（遮光板）１５を有する。本実施例では、バッフル１５は、積分球１内において、赤道上の０°と９０°との間、特に、４５°の位置に配置されている。尚、本発明において、バッフル１５を設けることは必須ではないが、入射開口１２、出射開口１３の位置に応じて、入射開口１２から入射された光が直接出射開口１３から出射されないように、適宜な位置にバッフル１５を設けることが、より高精度な測定のために好ましい。

更に、本実施例では、測光装置は、積分球１の入射開口１２に拡散透過板１６を有する。本実施例では、入射開口１２の領域を全面的に覆うように、拡散透過板１６が積分球１に固定されている。光ファイババンドルケーブル２によって導かれた被試験光は、直接、拡散透過板１６に入射する。本実施例では、拡散透過板１６としては、シグマ光機株会社製のオパール型拡散板を使用した。尚、本発明において、拡散透過板１６を設けることは必須ではないが、拡散透過板１６を設けることによって、例えば、光ファイババンドルケーブル２の取り付け精度の誤差などによって被試験光の入射角度が変化した場合などにおいても、光分布の偏りの影響を軽減して、より高精度に被試験光の色度、波長などの光の特性を測定することが可能となる。

２．測色計としての測光装置
次に、測色計として使用する場合を例として、本実施例の測光装置１００の構成及び動作について更に詳しく説明する。

測光装置１００を測色計として使用する場合には、一般に、光検出器３０は、国際照明委員会（略称ＣＩＥ）が規定する等色関数（ｘ、ｙ、ｚ）に近似した出力特性（感度特性）を持つ構成とすることが重要である。

本実施例では、分光手段３１としてのリニアバリアブルフィルタ３１には、波長範囲３８０ｎｍ〜７２０ｎｍとされる、米国ＪＤＳＵ社製のリニアバリアブルフィルタを使用した。又、出射開口１３からリニアバリアブルフィルタ３１までの距離は１０ｍｍとされ、このリニアバリアブルフィルタ３１に１ｍｍ以下にて密着して光電変換素子アレイ３２を配置した。

本実施例では、光電変換素子アレイ３２には、複数の光電変換素子としての１６個のフォトダイオードＳ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６からなるフォトダイオードアレイを使用した。つまり、本実施例では、１６個のフォトダイオードＳ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６を備えたフォトダイオードアレイ３２は、図４に示すように、３８０ｎｍ〜７２０ｎｍまで２０ｎｍピッチでピークを持つ１６個の分光感度特性Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、・・・Ｓ１６（λ）を持ち、各光電変換素子は１６個の受光信号を出力する。尚、光電変換素子の数は、１６個に限定されるものではなく、所望により、これ以外の個数（例えば５〜１００個）とすることもできる。

図５は、本実施例における測光装置１００の電気的構成の一実施例を示すブロック図である。本実施例では、１６個のフォトダイオードＳ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６から成る光電変換素子アレイ３２からの受光信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１０１と、Ａ／Ｄ変換器１０１にて変換された受光信号を受信する制御手段（ＣＰＵ）１０２とを備えている。

又、本実施例では、制御手段１０２は、Ａ／Ｄ変換器１０１から送信される受光信号をＲＡＭ１０３に保存する。そして、制御手段１０２は、ＲＡＭ１０３に保存されている受光信号と、ＲＯＭ１０４に保存されている重み付け係数を用いて等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に近似した等色関数ｘ’（λ）、ｙ’（λ）、ｚ’（λ）とから、この近似等色関数に基づく三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。制御手段１０２は、得られた三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚに基づいて、測定対象光源１００の色度、照度などの測定対象光源からの被試験光の特性を表す測定値を算出する。

上記近似等色関数を求める工程、及び、近似等色関数から三刺激値を求める工程は、例えば、上述の特許文献１などに記載されており、当業者には周知である。又、本発明においては、当該工程を実施する方法には、利用可能なものを任意に選択して用いることができるので、これ以上の説明は省略する。

３．光ファイババンドルケーブル端部構造
前述のように、光ファイバと、積分球と、バンドパスフィルタアレイ又はダイクロイックミラーアレイなどの分光手段と、光電変換素子アレイと、を用いて光を分光して検出する方式では、測定系の感度やＳＮ比を上げるためには、積分球の径を小さくすること、光ファイバをバンドル化して全体として光ファイバに入射する光束を多くすることが有効となる。

そこで、本実施例では、光ファイババンドルケーブル２における光ファイバ素線２１の配列、特に、積分球１に入射する光の出口となる積分球１の入射開口１２に隣接して配置される側の端部における光ファイバ素線２１の配列を規定することで、光ファイバをバンドル化した場合の測定誤差を軽減する。

つまり、光ファイババンドルケーブル２の積分球１の入射開口１２に隣接して配置される側の端部である第１の端部２２における光ファイバ素線２１の端面２１ａは、ライン状、即ち、第１の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列される。本実施例では、複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａから成る配列の長手方向（第１の軸方向）及び短手方向（第１の軸方向と直交する方向）の中央が、入射開口１３の中央に位置するように配置される。より詳しくは、本実施例では、図２（ａ）に示すように、第１の端部２２において、２４本の光ファイバ素線２１の端面２１ａは、互いに密接して２列に配列されている。又、本実施例では、光ファイバ素線２１の外径は８００μｍであり、２４個の光ファイバ素線２１の端面２１ａから成る配列の長手方向の長さＬ１は９．６ｍｍ、２個の光ファイバ素線２１の端面２１ａから成る配列の短手方向の長さＬ２は１．６ｍｍである。又、本実施例では、第１の軸方向は、積分球１の入射開口１２を含む平面と平行であり、つまり、本実施例では、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａに平行な平面は、積分球１の赤道を含む平面と直交する。

一方、積分球１の出射開口１３に隣接して配置される光検出器３０の光電変換素子アレイ３２における光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎは、ライン状、即ち、第２の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列される。本実施例では、光センサ３０は、光電変換素子アレイ３２の長手方向（第２の軸方向）及び短手方向（第２の軸方向と直交する方向）の中央が、出射開口１３の中央に位置するように配置される。より詳しくは、本実施例では、１６個の光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１が、均等間隔で１列に配列されている。又、本実施例では、光電変換素子アレイ３２の長手方向の長さは、約１３ｍｍである。又、本実施例では、第２の軸方向は、積分球１の出射開口１３を含む平面と平行であり、つまり、本実施例では、光検出器３０の複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの受光平面は、積分球１の赤道を含む平面と直交する。

そして、この光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における光ファイバ素線２１の端面２１ａの配列方向（第１の軸方向）が、光検出器３０の光電変換素子アレイ３２における光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向（第２の軸方向）とクロスするようにして、光ファイババンドルケーブル２は積分球１に対して固定される。

４．効果の確認
次に、本発明の原理を明らかにし、その効果を確認することのできる実験結果について説明する。

本実施例の測光装置１００とほぼ同一構成の測光装置を用意した。本実験用の測光装置は、本実施例の測光装置１００の積分球１の入射開口に光ファイババンドルケーブル２を接続せず、入射開口１２においてビームの入射位置を変更できるようにした点が本実施例の測光装置１００と異なる。

尚、以下の説明では、本実験に用いた測光装置に関し、本実施例の測光装置１００のものと同一又はそれに相当する機能、構成を有する要素には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

積分球１の入射開口１２から微小なビームを入射させて、光電変換素子アレイ３２に照射される放射強度を測定した。当該ビームの光源としては、ヘリウムネオンレーザを用いた。この際、ビームの入射位置を、光電変換素子アレイ３２の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向に対して平行な方向と、垂直な方向にそれぞれスキャンして測定した。

即ち、上述のように、入射開口１２は積分球１の赤道上の０°位置を中心として設けられており、出射開口１３は積分球１の赤道上の９０°位置を中心として設けられている。又、光検出器３０は、光電変換素子アレイ３２の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向である第２の軸方向が、積分球１の赤道を含む平面と平行となるように、積分球１の出射開口１３に隣接して配置される。これに対し、ビームの入射位置は、積分球１の入射開口１２において、赤道を含む平面と平行な方向及び垂直な方向にそれぞれ直線的に移動させた。

ここで、本実施例においては積分球１の赤道を含む平面とされる、出射開口１３を含む平面と直交し、且つ、光電変換素子アレイ３２の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向である第２の軸方向と平行な平面を、「基準平面Ｐ」とする。

図７は、図６に示すように、ビームの入射位置を入射開口１２の中心位置（即ち、積分球１の赤道上の０°位置）である「基準位置」としたときに各光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６に照射される光の強度である「基準強度」（１００％）に対する、ビームの入射位置を上記基準位置から光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６の配列方向と平行、即ち、基準平面Ｐと平行に直線的に移動させたときに各光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６に照射される光の強度の偏差を、光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６ごとに求めた結果のうち代表的なもの５例を示す。

図９は、図８に示すように、上記基準強度に対する、ビームの入射位置を上記基準位置から光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６の配列方向と垂直、即ち、基準平面Ｐと垂直に直線的に移動させたときに各光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６に照射される光の強度の偏差を、光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６ごとに求めた結果のうち代表的なもの５例（図７の結果を得たものと同じ５個の光電変換素子に関する結果）を示す。

図７及び図９から分かるように、いずれの光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６についても、ビームの入射位置を基準位置から移動させると、その移動方向が基準平面Ｐと平行又は垂直のいずれの方向であっても、その移動距離に応じて照射光の強度は低下する傾向にある。

積分球１に対する光の入射位置によりそれぞれの光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６において照射光の強度に差があっても、その照射光の強度分布が全ての光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６について略同一であれば、測光装置１００として問題なく使用することができる。即ち、当該照射光の強度分布を予め求めておくことで、例えば、測光装置１００を測色計として用いる場合には、当該照射光の強度分布に基づく重み付け係数を用いて上記近似等色関数を求めることができ、被試験光のスペクトルに従った正確な測定が可能である。

しかしながら、積分球１に対する光の入射位置によりそれぞれの光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６において照射光の強度に差があり、その照射光の強度分布が光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６ごとに異なる場合には、測光装置１００としての測定誤差が問題となる場合がある。即ち、当該照射光の強度分布が光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６ごとに異なる場合、例えば、測光装置１００を測色計として用いる場合には、被試験光のスペクトルを変形させて測定しているのと同様の結果となり、測定誤差（例えば、色度誤差）の原因となる。

図７と図９とを比較すると明らかなように、光電変換素子間での、積分球１に対するビームの入射位置による光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６への照射光の強度分布の違いは、ビームの入射位置を光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６の配列方向と垂直、即ち、基準平面Ｐと垂直に移動させた方が少ない。

ここで、図７に示されるように、積分球１に対するビームの入射位置による光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６への照射光の強度分布が、光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６ごとに異なってしまう理由については、必ずしも明確ではないが、本発明者らの検討によれば、次の通りである。

即ち、光電変換素子の受光面は、一般に、パッケージの内部に位置しており、受光面に入射する光の領域は、このパッケージの壁などによって制限される。従って、積分球の出射開口に複数の光電変換素子を並べて固定した場合、各光電変換素子の積分球の内壁面に対する視野が異なることになる。

一方、図１１を参照して、例えば、入射開口に拡散透過板が設けられていない場合、入射光がレーザ光であるときには、入射開口における異なる入射位置Ｐ１、Ｐ２から積分球の内部に入射した光は、最初に積分球の内壁面の異なる照射位置Ｐ１’、Ｐ２’を照射することになる。この場合、これら異なる照射位置Ｐ１’、Ｐ２’に点光源が存在することと同様となり、照射位置Ｐ１’、Ｐ２’からの光は積分球の内壁面で多重反射を繰り返す光と、多重反射を繰り返す前に光電変換素子に直接照射する光が存在する。

図１１（ａ）、（ｂ）は、積分球を北極ＮＰ側から見た場合の断面を模式的に示す。図１１（ａ）は、ビームの入射位置を光電変換素子の配列方向と平行、即ち、基準平面Ｐと平行に移動させた場合、図１１（ｂ）はビームの入射位置を光電変換素子の配列方向と略垂直、即ち、基準平面Ｐと略垂直に移動させた場合における、光電変換素子の視野と入射位置Ｐ１、Ｐ２、照射位置Ｐ１’、Ｐ２’の関係を示す。

一般に積分球の内面は高反射率であるが、反射率は１００％と理想的なものは実際上入手困難であるため、光は積分球の内壁面で反射されることで減衰される。従って、照射位置Ｐ１’、Ｐ２’からの直接光と積分球の内壁面からの反射光とが光電変換素子に照射されることにより、光電変換素子の視野に入る積分球の内壁面の輝度が均一ではなく、照射位置Ｐ１’、Ｐ２’だけ他の領域よりも輝度が高いこととなる。入射開口に拡散透過板を追加することによって、積分球の内壁面の輝度の均一性は向上するが、わずかながら光電変換素子の視野に入る領域で輝度分布が偏るものと考えられる。

このように、光電変換素子アレイの各光電変換素子の積分球の内壁面に対する視野の領域が異なること、光の入射位置によって各光電変換素子の視野に入る積分球の内壁面の輝度分布が変化することにより、光電変換素子アレイの個々の光電変換素子が検出する光の強度が、積分球への光の入射位置によって変化する。そして、これらの要因の影響が、図１１（ａ）に示すようにビームの入射位置を光電変換素子の配列方向と平行、即ち、基準平面Ｐと平行に移動させた場合よりも、図１１（ｂ）に示すようにビームの入射位置を光電変換素子の配列方向と垂直、即ち、基準平面Ｐと略垂直に移動させた方が少ないものと考えられる。

従って、光ファイバをバンドル化して積分球に光を導く場合、バンドル化した光ファイバの積分球の入射開口に隣接して配置される側の端面の配列方向を、積分球の出射開口に隣接して配置された光電変換素子アレイにおける光電変換素子の配列方向に対してクロスさせることによって、測定誤差（例えば、色度誤差）を低減することができる。

５．光ファイバの配列態様
図７及び図９に示す結果に基づいて、本実施例では、図１０に示すように、測光装置１００において、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２は、第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａの配列方向である第１の軸方向が、基準平面Ｐと交差するように、入射開口１２に隣接して配置される。

ここで、本実施例では、前述のように、第１の軸方向は、積分球１の入射開口１２を含む平面と平行である。換言すれば、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における複数の光ファイバ素線２１の端面２１ａに平行な平面は、基準平面Ｐと直交する。又、本実施例では、第２の軸方向は、積分球１の出射開口１３を含む平面と平行である。換言すれば、光センサ３０の複数の光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの受光平面は、基準平面Ｐと直交する。

このように、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における光ファイバ素線２１の端面２１ａの配列方向を、光電変換素子アレイ３２における光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向とクロスさせることで、積分球１への入射位置、即ち、バンドル化された光ファイバのうちどの光ファイバで導かれたかによる各光電変換素子Ｓ１〜Ｓ１６への照射光の強度分が、光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎごとに異なってしまうことを抑制することができる。これにより、分光測光への誤差が少なくなり、高精度で被試験光の色度、波長などの光の特性を測定することが可能となる。

ここで、図７及び図９から分かるように、上記の効果を最大限に得るためには、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における光ファイバ素線２１の端面２１ａの配列方向である第１の軸方向が基準平面Ｐと直交するようにすることが好ましい。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、所望により、第１の軸方向と基準平面Ｐとが成す角度が４５°〜９０°となるように、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２を積分球１の入射開口１２に隣接して配置することで、本発明の効果を得ることができる。

又、本実施例では、光電変換素子Ｓ１〜Ｓｎの配列方向である第２の軸方向と平行な基準平面Ｐが赤道を含む平面と平行であり、光ファイババンドルケーブル２の第１の端部２２における光ファイバ素線２１の端面２１ａの配列方向である第１の軸方向が赤道を含む平面と直交（即ち、基準平面Ｐと直交）するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施例と同様に入射開口の中心と出射開口の中心とがそれぞれ赤道上に配置されている場合に、第２の軸方向と平行な基準平面Ｐが赤道を含む平面と垂直であり、第１の軸方向が赤道を含む平面と平行（即ち、基準平面Ｐと直交）であってもよい。但し、この場合も、第１の軸方向が基準平面Ｐと直交する場合に限らず、第１の軸方向と基準平面Ｐと成す角度が４５°〜９０°であれば、本発明の効果を得ることができる。

１積分球
２光ファイババンドルケーブル
３検出器ユニット
１２入射開口
１３出射開口
１５バッフル
１６拡散透過板
２１光ファイバ素線
２２第１の端部
２３第２の端部
１００測光装置
Ｐ基準平面

Claims

積分球であって、測定対象光源からの光が入射される入射開口と、前記入射開口から入射されて前記積分球の内壁で拡散反射された光が出射される出射開口と、を備えた積分球と、
少なくとも両端部において束ねられている複数の光ファイバ素線を有する光ファイババンドルケーブルであって、前記積分球の前記入射開口に隣接して配置される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を備え、前記第２の端部から入力された測定対象光源からの光を導き、前記入射開口を通して前記積分球内に入射する光を前記第１の端部から出力する光ファイババンドルケーブルと、
入射する光を複数の異なる波長帯の光に分光する分光手段と、前記分光手段により分光された光を受光して電気信号に変換する複数の光電変換素子から成る光電変換素子アレイと、を備え、前記出射開口に隣接して配置され、前記出射開口から出射された光を検出する光検出器と、
を有し、
前記光ファイババンドルケーブルの前記第１の端部における前記複数の光ファイバ素線の端面は第１の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列され、前記光電変換素子アレイの前記複数の光電変換素子は第２の軸方向に沿って一方向に長くなるように配列されており、
前記出射開口を含む平面と直交し且つ前記第２の軸方向と平行な平面を基準平面としたとき、前記光ファイババンドルケーブルの前記第１の端部は、前記第１の軸方向と前記基準平面とが成す角度が４５°〜９０°となるように前記入射開口に隣接して配置される、
ことを特徴とする測光装置。
前記光ファイババンドルケーブルの前記第１の端部は、前記第１の軸方向が前記基準平面と直交するように前記入射開口に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
前記第１の軸方向は、積分球の入射開口を含む平面と平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測光装置。
前記第２の軸方向は、前記出射開口を含む平面と平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の測光装置。
前記積分球の一の極を北極とし、反対側の極を南極としたとき、前記入射開口は赤道上の０°位置に設けられ、前記出射開口は赤道上の９０°位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の測光装置。
前記積分球の前記入射開口には拡散透過板が設けられており、前記測定対象光源からの光は前記拡散透過板を透過した後に前記内壁により拡散反射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の測光装置。