JP5557225B2 - 単色光照射装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、色素増感型太陽電池の分光応答度測定装置について記載されている。この装置は、各種のレンズ、(凹レンズ、フライアイレンズ)を使用して、均一度を上昇させようとするものである。これは、光源、分光器、その他光学系に発生する均一度の歪みを補正しようとするものであるが、実際に発生する不均一度にマッチングさせた光学系を使用した場合にのみ、歪み補正は実現されるものであり、正確に実現することは困難であった。
同図において、入射スリット101を通過した白色光は、球面鏡102で平行光となった後に回折格子103に入射する。回折格子103上では、波長により各々異なる方向に平行光として反射される。その平行光線は、球面鏡104により集光され、出射スリット105へと向かい、そのうちの特定の波長の光λ0のみが出射スリット105を通過し、単色光となる。このような分光器光学系を使用して単色光を生成する場合、入射スリット101に光源からの光を集光する必要がある。
同図に示すように、光源106からの光を凹面反射鏡107で集光後、入射スリット101を介して分光器側に入射していた。この入射スリット101により分光器側の入射開口面積を決定し、一定の波長分解能を得ていた。光路としては、光源106の光を凹面反射鏡107等の光学系により集光し入射スリット101上に光源像を作り、その一部分を通過させるものである。しかし、このとき集光用光学系で発生する光源像の収差が、入射スリット101を通過した後の光の均一度を乱していた。
同図に示すように、この光学系においては、光を集光したり、平行光にしたりするために凹面反射鏡108を軸外しで使用していた。しかし、この軸外しは非点収差が発生する。非点収差は、分光器においては出射スリット105から出る光の損失と均一度の低下を、又それ以外の光学系では均一度の低下を招いていた。
同図は、凹面反射鏡108を軸外し角度20°で使用した場合の非点収差を示す。焦点位置では、長くのびた楕円状に光が収束する。この楕円の長軸の長さは軸外し角度と共に大きくなる。軸外し凹面鏡光学系では、このような楕円形状の光が分光器の出射スリット105を通過するため光の均一度が低下していた。
同図に示すように、この光量調整法では、円板上で空間的に濃度が変化す円板形NDフィルタ109を光路中におき、これを回転させることによって行っていた。このようなNDフィルタ109による光量調整法の欠点は、NDフィルタ109を透過する際の光量損失と、NDフィルタ109内部の濃度勾配による照度面の均一度低下である。
第1の手段は、アークランプ光源と、該アークランプ光源からの光をコリメートするレンズ光学系と、該レンズ光学系からの光を分光し、単色光を得るための回折格子を含む分光光学系と、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系と、該レンズ光学系からの単色光の光量を調整する出射スリットからの単色光の照度を均一化する、MEMS(微小電気機械素子)で製作された反射鏡アレイシステムにおいて特定のピクセルをオフにすることによって作製された照射面の照度を均一性を高くし、かつ高照度にするホモジナイザと、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系を有することを特徴とする単色光照射装置である。
第2の手段は、第1の手段において、前記アークランプ光源は、キセノンランプ又はハロゲンランプであることを特徴とする単色光照射装置である。
第3の手段は、第1の手段または第2の手段において、前記アークランプ光源のアーク幅は、1〜2mmであることを特徴とする単色光照射装置である。
第4の手段は、第1の手段ないし第3の手段のいずれか1つの手段において、前記アークランプ光源の発光アーク幅をS0、前記出射スリットの幅をS1とするとき、S0≧S1の関係にあることを特徴とする単色光照射装置である。
第5の手段は、第1の手段ないし第4の手段のいずれか1つの手段において、前記出射スリットと前記ホモジナイザ間に、所定の波長域以外の迷光を除去するフィルタを設けたことを特徴とする単色光照射装置である。
また、本発明によれば、レンズ光学系を使用することにより、光量を確保すると共に非点収差を回避することができる。
また、本発明によれば、出射スリット幅により光量を調整することができる。
また、本発明によれば、ホモジナイザの使用により、照度の均一度を上げることができる。
また、本発明によれば、測定精度を向上させ、測定時間の短縮化を図ることができる。
また、本発明によれば、照射面積の拡大化が可能となる。
図1は、本実施形態の発明に係る単色光照射装置の構成を示す図である。
同図に示すように、この単色光照射装置においては、アーク光源1が、図13に示すような分光器光学系の入射スリット101が配置される位置に配置される。アーク光源1からの光は、広い波長範囲において低損失と高い均一度が得られるコリメータレンズ2によって平行光とされた後、回折格子3に入射される。回折格子3によって単色光となった光は集光レンズ4を介して出射スリット5に出射される。出射スリット5では光量調節され、更にフィルタ6によって所定の波長域以外の迷光が除去される。このようにして得られた単色光は、ホモジナイザ7で面内の光量が調節され、さらに低損失と高い均一度が得られるコリメータレンズ8によって平行光とし、試料9において面内照度が均一な単色光が得られる。試料9における照射面積は、従来装置では25mm角程度であったが、原理的に高照度が得られるため、200mm角以上の面積の照射光の実現が可能となる。
図2は、本発明の単色光照射装置における入射光学系を示す図である。
同図に示すように、光源像の収差を避けるため、従来技術に係る図13に示した入射光学系のように、集光用光学系106,107と入射スリット101を使用せず、入射スリット101の位置10に直接アーク光源1を配置する。つまり、本発明においては、細長い長方形の発光部分(アーク)を持つ光源ランプのアークをスリット開口と考えて、アーク光源1を従来技術の入射スリット101の位置10に配置する。アーク光源1として実際に使用するランプは、例えば、1kWのキセノンランプ又はハロゲンランプ等であり、これらのランプのアーク幅は1〜2mmであり、従来技術の分光器光学系に用いられる入射スリット101の幅と同程度である。
図1に示すように、従来技術の図14に示すような凹面鏡光学系に代えて、レンズ光学系を使用する。レンズ光学系を採用することにより、軸外し角がゼロとなるので、非点収差が解消される。
同図に示すように、従来技術の図14に示すような軸外し凹面鏡光学系を使用した時の、図15に示したスポットダイアグラムと比較すると、非点収差が解消されていることがわかる。さらに、焦点上でも点対称の像として光が収束するため、均一度の低下を抑えることができる。また、レンズ光学系では、球面反射鏡につきものの反射膜の劣化が無いので、長時間安定して使用することができる。
本発明の単色光照射装置においては、図16に示したようなNDフィルタ109を使用せず、出射スリット5の幅を変化させて光量を調整すことである。得られる光量は、出射スリット5の開口面積に正比例する。この方法によれば、特別な光学素子を使用することなく光量を調整することができ、光学系としての均一度を低下させる要素がないため、単色照射装置に適した光量調整法である。
同図に示すように、光量は出射スリット5の幅に比例し、調整範囲もNDフィルタ109に比べて広い。ところで、一般に出射スリット5の幅が変化すると透過帯域波形が変化する。
本発明では、アーク光源1の発光アーク幅が一定値なので、同図に示すように、出射スリット幅が発光アーク幅よりせまい範囲内では、波長分解能は発光アーク幅による一定の波長幅となる。出射スリット幅が発光アーク幅より広くなると、波長分解能は出射スリット幅により決定される。
発光アーク幅S0とし、逆分散により計算される波長幅をdλ0、出射スリット幅S1、その逆分散により計算される波長幅をdλ1とした時、本装置から得られる単色光のスペクトル波形は、発光アーク幅S0の大小関係により、A、B、C、Dの4種類となる。
A S0≫S1 波長幅dλ0
B S0>S1 波長幅dλ0
C S0=S1 波長幅dλ0=dλ1
D S0<S1 波長幅dλ1
半値幅は、発光アーク幅又は出射スリット幅のうちの大きな方により決定されるので、AからBの範囲では、出射スリット幅S1の方が小さく、出射光の半値幅は、発光アーク幅S0により決められdλ0の一定値となる。その範囲では、光強度は、出射スリット幅S1に応じて変化し、出射スリット幅S1が大きいほど、光強度も強くなる。出射スリット幅S1が、発光アーク幅S0よりも大きくなると、半値幅は、出射スリット幅S1により決められるので、出射スリット幅S1を変更すると半値幅が変化する。
この場合の出射光量は、図4(b)に示したように、出射スリット幅S1に比例する。そのため、出射スリット幅S1を変えることによって出射光量を調整することができる。この方法により光量損失、均一度低下の両方を避けて光量調整が可能となり、結果として、測定精度の高い分光応答度測定を実現することができる。
単色光照射装置の最大の難しさは、単色光の照度均一度の向上にある。従来装置においては、照度均一度向上のための積極的方法は取られていなかった。すなわち、確固たる原理のないまま、光学系の調整を繰り返しながら、均一度の高い場所を探す方法が取られていた。
同図に示すように、出射スリット5とコリメータレンズ8の中間の適切な場所に空間的濃度変化を与えるホモジナイザ7を配置することにより、積極的に照度均一度を向上させるものである。出射スリット5からの出力光は、試料9を照射するが、その光学系内の光線は、出射スリット5の開口とコリメータレンズ8の受光面開口の全ての点を結ぶ光線により構成される。すなわち、同図に示すように、コリメータレンズ8を通った後の光線は平行光となるから、コリメータレンズ8面上の各点と試料9の受光面開口上の各点とは基本的に重なるから、コリメータレンズ8受光面と試料9受光面開口とは同一視しても良い。
図8は、図7とは逆に、試料9受光面開口上の一点Bから見た図で、出射スリット5上の全ての点から点Bに到達する光線を示す図である。
このような光学系において、2つの開口間に光を特定のパターンで遮蔽するホモジナイザ7を設置した時の光線が作る影を、図9と図10を用いて説明する。
すなわち、出射スリット5開口の点Aからの光が試料9受光面開口上に作る影の大きさYは、出射スリット5開口と試料9受光面開口間の距離Cを用いて、下記の式で与えられる。
Y=y×(C/D)
しかし、出射スリット5開口上の多くの点が試料9受光面開口の異なる位置に影を作るため、上記Yの大きさの影ができるわけではない。
W=w×(C−D)/D
これを利用することによって、まず、試料9受光面上の照度分布を測定し、これを平坦化するために必要な影のパターンを持つホモジナイザ7を設計・適用することにより受光面上の照度について高い均一度を得ることができる。このように、ホモジナイザ7の中を通る光を微少部分ごとに調整することにより、試料9受光面の照度を積極的に制御することができる。
2 コリメータレンズ
3 回折格子
4 集光レンズ
5 出射スリット
6 フィルタ
7 ホモジナイザ
8 コリメータレンズ
9 試料
10 位置
Claims (5)
- アークランプ光源と、該アークランプ光源からの光をコリメートするレンズ光学系と、該レンズ光学系からの光を分光し、単色光を得るための回折格子を含む分光光学系と、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系と、該レンズ光学系からの単色光の光量を調整する出射スリットからの単色光の照度を均一化する、MEMS(微小電気機械素子)で製作された反射鏡アレイシステムにおいて特定のピクセルをオフにすることによって作製された照射面の照度を均一性を高くし、かつ高照度にするホモジナイザと、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系を有することを特徴とする単色光照射装置。
- 前記アークランプ光源は、キセノンランプ又はハロゲンランプであることを特徴とする請求項1に記載の単色光照射装置。
- 前記アークランプ光源のアーク幅は、1〜2mmであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の単色光照射装置。
- 前記アークランプ光源の発光アーク幅をS0、前記出射スリットの幅をS1とするとき、S0≧S1の関係にあることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つの請求項に記載の単色光照射装置。
- 前記出射スリットと前記ホモジナイザ間に、所定の波長域以外の迷光を除去するフィルタを設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つの請求項に記載の単色光照射装置。
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