JP5608919B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を均一化するための半球型の積分球を含む光学測定装置に関し、特に、積分効率を向上させることのできる構成に関するものである。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＥＬ（Electro Luminescence）等の新しい光源の開発が急速に進んでいる。このような光源を評価する指標としては、光源の全光束や光色といった指標が用いられる。特に、光源の全光束は、その光源の出力（ｌｍ：ルーメン）だけでなくランプ効率（ｌｍ／Ｗ）を求める上で重要な指標である。

このような光源の全光束を測定する方法として、中空の球の内壁に硫酸バリウム等の拡散材料を塗布した積分球（球形光束計）が用いられてきた。この積分球を用いる場合には、積分球の中心において光源を点灯することで、その光源から放射される光を均一化し、その均一化した光の照度に基づいて、全光束を算出する。

このような積分球を用いた従来の全光束の測定方法では、測定対象の光源を積分球の中心に固定するためのジグによる光吸収、および、光源自身の自己吸収が誤差要因となる。そのため、このような誤差を補正する方法も提案されているが、そのような補正だけでは、高出力のＬＥＤ等のように点灯回路および放熱・冷却デバイスが一体化された光源や、ＥＬまたはバックライト等の光学系と一体となった面光源を精度よく測定することは難しかった。

このような課題を解決する手段として、特開平０６−１６７３８８号公報（特許文献１）に開示されるような半球型の積分球が提案されている。

また、蛍光ランプやディスプレイ等に用いられる蛍光体を評価する指標として、量子効率が用いられるようになっている。なお、量子効率を測定する典型的な方法として、“大久保、重田 「ＮＢＳ標準蛍光体の量子効率の測定」”（非特許文献１）および特開平１０−２９３０６３号公報（特許文献２）に、蛍光体の量子効率を測定するための光学系が開示されている。このような量子効率を測定する場合においても、上述したような半球型の積分球を用いることができる。

より具体的には、特開平０６−１６７３８８号公報（特許文献１）に開示されるような半球型の積分球は、その内壁に硫酸バリウム等の拡散材料からなる拡散反射層を有する半球部と、光を正反射（鏡面反射）する平面ミラーとからなる。光源の全光束を測定する場合には、平面ミラーの面上で、かつ、半球部の曲率中心の位置に、測定対象の光源を装着する。このとき、半球部と平面ミラーにより生じる半球部の虚像とにより、仮想的な球状の積分空間が形成される。

測定対象の光源を点灯するための回路や、測定対象の光源を固定するためのジグ等は、平面ミラーに対して半球部と反対側に位置するため、この仮想的な積分空間内から排除できる。そのため、これらの回路やジグ等による光吸収の誤差を原理的に回避できる。
また、面光源を測定対象とする場合には、発光部分のみが平面ミラーの窓から露出するように装着することで、当該測定対象の発光しない部分による光吸収の影響を回避できる。

なお、米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書（特許文献３）には、複数の光源からの異なる波長の長さのエネルギーを組合せることのできる積分チャンバーが開示されている。この積分チャンバーは、光源からの光を混合するに過ぎず、全光束を測定する際に必要な光の均一化を行なうものではない。

特開平０６−１６７３８８号公報 特開平１０−２９３０６３号公報 米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書

大久保、重田，「ＮＢＳ標準蛍光体の量子効率の測定」、照明学会誌、社団法人照明学会、１９９９年、第８３巻、第２号、ｐ．８７−９３

上述したように、半球型の積分球においては、測定対象の光は、半球部の内壁に形成された拡散反射層および平面ミラーを順次反射することで均一化される。そのため、半球部の内壁および平面ミラーのそれぞれの反射面には、測定対象の光に含まれる波長域の全般に亘って、相対的に高い反射率を有する材質を使用する必要がある。

しかしながら、平面ミラーに用いられる材質のうち、特に波長の短い紫外波長域等において相対的に高い反射率を有するものは比較的高価である。そのため、より高い積分効率を実現しようとすると、平面ミラーのコストが高くなり、一方、コストを低減しようとすると、積分効率が低下するという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、より高い積分効率を実現するとともに、コストを低減した光学測定装置を提供することである。

本発明のある局面に従う光学測定装置は、内壁に拡散反射層を有する半球部と、半球部の実質的な曲率中心を通り、かつ、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内面側に反射層を有する平面部とを含む。平面部は、半球部と平面部との間に形成される積分空間内で均一化されるべき光を導入するための窓、および、積分空間内で均一化された光を抽出するための窓の少なくとも一方を含む。平面部は、平面部が半球部の内壁と接する最外周から所定幅の領域を少なくとも占める、主として正反射を生じる第１の材質からなる外周部と、第１の材質に比較して、少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有し、かつ、主として拡散反射を生じる第２の材質からなる、外周部の内側の領域を占める内周部とを含む。

好ましくは、内周部の範囲は、内周部と半球部の内壁との間での光吸収による影響を実質的に無視できるように定められる。

好ましくは、内周部の範囲は、積分空間における光の吸収率が所定値以下となるように定められる。

さらに好ましくは、所定値は、１０％である。
好ましくは、内周部は、半球部の実質的な曲率中心から最外周までの距離を基準としたときに、５０％〜７０％の長さの半径を有する円の内部に配置される。

さらに好ましくは、内周部は、円を外接円とする多角形である。
好ましくは、内周部は、最外周内の面積を基準としたときに、２５％〜５０％の面積を有するように定められる。

好ましくは、外周部は、金属蒸着ミラーからなり、内周部は、ポリテトラフルオロエチレン焼結体、または、硫酸バリウムの一方からなる。

好ましくは、平面部は、測定対象である光源をその発生する光束が半球部の内壁に向けて照射されるように装着可能な第１の窓を含み、光学測定装置は、半球部または平面部の第２の窓を通じて、半球部の内壁における照度を測定するための検出器と、第１の窓から第２の窓までの経路上に配置された遮蔽部とをさらに含む。

好ましくは、平面部は、半球部の実質的な曲率中心の近傍に設けられた第１の窓と、第１の窓から所定距離だけ離れた位置に設けられた第２の窓とを含み、光学測定装置は、第１の窓を通じて励起光を照射する光源と、第２の窓を通じて、半球部の内壁におけるスペクトルを測定するための分光器と、少なくともその一部が半球部内に露出するように配置した測定対象に対して光源からの励起光を照射した場合に分光器で測定される第１のスペクトルと、測定対象に代えて配置された既知の反射率特性または透過率特性をもつ標準体に対して光源からの励起光を照射した場合に分光器で測定される第２のスペクトルとに基づいて、測定対象の量子効率を算出する演算処理部とをさらに含む。

本発明に係る光学測定装置によれば、より高い積分効率を実現するとともに、コストを低減することである。

本発明の実施の形態に従う半球型の積分球の断面図の一例である。 平面部として用いられる材質の反射率の波長特性を示す図である。 本発明の実施の形態に従う半球型の積分球を構成する平面部を示す模式図である。 半球部と平面部との接続部付近における光の挙動の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う半球型の積分球における平面部の非鏡面反射領域による積分機能への影響を評価するためのモデルを示す図である。 図５に示すモデルにおいて算出される平面部の半径を基準とした非鏡面反射領域の半径の比率に対する、非鏡面反射領域による影で遮られる光束の割合を示す図である。 図５に示すモデルにおいて算出される平面部の面積を基準とした非鏡面反射領域の面積の比率に対する、非鏡面反射領域による影で遮られる光束の割合を示す図である。 本発明の実施の形態に従う半球型の積分球を構成する平面部のバリエーションを示す模式図である。 本発明の実施の形態に従う半球型の積分球を構成する平面部のバリエーションを示す模式図である。 本実施の形態の適用例１に係る光学測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の適用例１に係る光学測定装置を用いて光源の全光束を測定する処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態の適用例２に係る光学測定装置の構成を示す図である。 図１２に示す光学測定装置において提供される仮想的な積分空間を示す図である。 本発明の実施の形態の適用例２に係る量子効率の測定原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態の適用例２に係る光学測定装置を用いて試料の量子効率を測定する処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態の適用例３に係る光学測定装置の構成を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜Ａ．概要＞
本実施の形態に従う光学測定装置は、半球型の積分球を含む。この半球型の積分球は、内壁に拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された平面部とで構成される。この平面部は、半球部の実質的な曲率中心を通り、かつ、少なくとも半球部の内面側に反射層を有する。

この半球部と平面部との間には積分空間が形成される。すなわち、半球部と平面部との間に現れる像（実像）が平面部により反射されることで、虚像となって現れる。この実像と虚像とが合成されることで、従来の全球型の積分球と実質的に同じ積分空間を提供することができる。

なお、平面部には、後述するように、その用途に応じて、半球部と平面部との間に形成される積分空間内で均一化されるべき光を導入するための窓、および、積分空間内で均一化された光を抽出するための窓の少なくとも一方を含む。さらに、用途によっては、半球部の一部に窓が設けられる場合もある。

特に、本実施の形態に従う半球型の積分球では、平面部全体を鏡面反射（正反射）を生じるミラーを用いるのではなく、平面部の外周側（以下「外周部」とも称す。）に正反射を生じる材質を採用するとともに、その内周側（以下「内周部」とも称す。）には当該外周部の材質に比較して少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有する材質を採用する。

後述するように、内周部に採用される材質は、外周部に採用される材質に比較して、安価であり、かつ、紫外波長域における反射率も高い。しかしながら、このような材質の表面では拡散反射が生じるので、積分球としてより適切な機能を実現するためには、外周部および内周部の範囲（位置、領域、大きさ等）を適切に選択する必要がある。

このように、それぞれ適切な材質を用いて、外周部および内周部を適切な範囲に配置することで、コストを低減しつつ、積分効率が高い（光吸収が少ない）半球型の積分球を提供することができる。

＜Ｂ．積分球の概要＞
まず、本実施の形態に従う半球型の積分球について説明する。図１は、本発明の実施の形態に従う半球型の積分球の断面図の一例である。

図１を参照して、本実施の形態に従う半球型の積分球４０は、半球部１と、この半球部１の開口部を塞ぐように配置された円板状の平面部１０とを含む。半球部１は、その内面（内壁）に拡散反射層１ａを有する。この拡散反射層１ａは、代表的に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）焼結体や硫酸バリウム等の拡散材料を塗布または吹付けることによって形成される。

平面部１０は、半球部１の実質的な曲率中心を通るように配置される。なお、半球部１の曲率中心とは、代表的に半球部１の内面側についての曲率の中心Ｏを意味する。また、少なくとも平面部１０における半球部１の内面側には反射面が形成される。

図１には、半球型の積分球４０を用いて、測定対象である光源ＳＭＰ１からの全光束を測定する場合の構成例を示す。この構成例においては、平面部１０には、半球部１の内面側と外部との間を連通可能な光源窓２が形成される。光源窓２は、半球部１と平面部１０との間に形成される積分空間内で均一化されるべき光を導入するための窓である。すなわち、光源窓２には、測定対象である光源ＳＭＰ１をその発生する光束が半球部１の内壁に向けて照射されるように装着可能となっている。

また、半球部１は、半球部１の内壁における照度を測定するための観測窓６を有する。この観測窓６には、受光部７が接続されており、図示しない検出器を用いて、半球部１の内壁における照度が検出される。さらに、半球型の積分球４０の内部には、光源ＳＭＰ１の発光面と観測窓６との間に設けられた遮蔽部（バッフル：baffle）８が設けられている。このバッフル８は、光源ＳＭＰ１からの光束が直接的に観測窓６を通じて検出器へ入射することによる誤差を低減する。

図１に示す構成において、光源ＳＭＰ１から照射される全光束をΦとした場合に、半球部１と平面部１０との間に形成される積分空間内で均一化されて得られる照度は以下のように表わすことができる。すなわち、受光部７で測定される受光面照度Ｅａは、（１）式のようになる。

上述の（１）式から明らかなように、半球部１の拡散反射層１ａの平均反射率ρおよび平面部１０の平均反射率ρ_Ｍの値が大きいほど、受光面照度Ｅａの絶対値を大きくすることができる。そのため、半球部１の拡散反射層１ａおよび平面部１０の反射層は、その反射率が概ね０．９５以上であることが好ましい。

図２は、平面部として用いられる材質の反射率の波長特性を示す図である。図２には、平面部１０の反射層として用いられる、アルミニウム蒸着ミラー（ＡＬ蒸着ミラー）と、アルミニウム蒸着ミラーに対してコーティング処理を施した高反射処理ミラーとを比較して示す。

アルミニウム蒸着ミラーは、紫外波長域および可視波長域を含む、３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長域に亘って、０．９以上の反射率を維持する。これに対して、高反射処理ミラーでは、可視波長域において０．９５以上の反射率を維持するものの、紫外波長域では、その反射率が極端に低下する。すなわち、高反射処理ミラーの使用可能範囲としては、概ね４５０ｎｍ〜７５０ｎｍとなる。

なお、半球部１の拡散反射層１ａとして用いられる、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）焼結体や硫酸バリウム等では、紫外波長域から可視波長域のほぼ全域に亘って、０．９５程度の反射率を実現することができる。

図２に示すような反射率の波長特性から、測定対象である光源ＳＭＰ１から可視波長域の光束が主として照射される場合には、平面部１０として高反射処理ミラーを採用することで、積分効率を高めることができる。

しかしながら、測定対象である光源ＳＭＰ１から照射される光束に紫外波長域の成分が含まれている場合には、高反射処理ミラーを採用することができず、アルミニウム蒸着ミラーを採用せざるを得なかった。この結果、平面部１０の反射率が高反射処理ミラーを採用した場合に比較して低くなるので、積分効率、すなわち、受光部７で測定される受光面照度Ｅａの絶対値が低下するという課題があった。

そこで、本実施の形態に従う半球型の積分球４０では、平面部１０を、正反射を生じる材質からなる部分（外周部）と、外周部に比較して少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有する材質からなる部分（内周部）とで構成する。

図３は、本発明の実施の形態に従う半球型の積分球４０を構成する平面部１０を示す模式図である。図３を参照して、平面部１０は、平面部１０が半球部１の内壁（拡散反射層１ａ）と接する最外周から所定幅の領域を少なくとも占める外周部１２と、外周部１２の内側の領域を占める内周部１４とを含む。外周部１２は、金属蒸着ミラー（典型的には、アルミニウム蒸着ミラー）からなり、入射した光を主として正反射する。内周部１４は、外周部１２に比較して少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有し、かつ、入射した光を主として拡散反射する。典型的には、内周部１４は、半球部１の拡散反射層１ａと同様に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）焼結体や硫酸バリウム等からなる。なお、このようなポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）焼結体としては、ラブスフェア（Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ）社のスペクトラロン（登録商標）が好適である。

＜Ｃ．平面部＞
図３に示すような平面部１０を構成する外周部１２よび内周部１４については、その範囲（位置、領域、大きさ等）を適切に設計する必要がある。以下、外周部１２および内周部１４をどのように設計するかについて説明する。

外周部１２および内周部１４の設計については、以下の２つのファクタを考慮する必要がある。

（１）積分球全体としての積分効率が予め定められた設計値以上となること
（２）内周部１４で生じる拡散反射によって積分球としての性能に影響を受けないこと
すなわち、（１）のファクタに基づけば、内周部１４の占める範囲は大きいほど好ましい。一方（２）のファクタに基づけば、内周部１４に占める範囲は小さいほど好ましい。そのため、（１）および（２）のファクタを満たすように、平面部１０を設計することになる。

（ｃ１．最外周部における光吸収）
上述の（１）のファクタとして考慮すべき点として、半球部１と平面部１０との接続部付近（最外周部）における光吸収について考察する。

図４は、半球部１と平面部１０との接続部付近における光の挙動の一例を示す模式図である。図４（ａ）には、平面部１０を正反射部材で構成した場合を示し、図４（ｂ）には、平面部１０を拡散反射部材で構成した場合を示す。

図４（ａ）に示すように、平面部１０を正反射部材で構成した場合には、何らかの光が平面部１０に入射すると、その入射角と同じ出射角で反射する。そのため、半球部１の拡散反射層１ａで光が拡散反射されたとしても、入射方向とは反対の方向に反射されるため、光が半球部１と平面部１０との接続部付近に閉じ込められることはない。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、平面部１０を拡散反射部材で構成した場合には、何らかの光が平面部１０に入射すると、その入射角に応じた方向を中心として複数の方向に反射光が生じる。また、半球部１の拡散反射層１ａにおいても光が拡散反射される。そのため、一部の光は、半球部１と平面部１０との間で多重反射を生じ得る。このように、平面部１０を拡散反射部材で構成した場合には、光が半球部１と平面部１０との接続部付近に閉じ込められて、その結果、この付近で光吸収が生じる。

したがって、外周部１２は、少なくとも、平面部１０が半球部１の内壁と接する最外周から所定幅の領域を少なくとも占めるように設計される。言い換えれば、内周部１４の範囲は、内周部１４と半球部１の内壁との間での光吸収による影響を実質的に無視できるように定められる。

（ｃ２．積分効率／吸収率）
上述の（１）のファクタとして考慮すべき点として、半球部１と平面部１０との間に形成される積分空間における光の吸収率が所定値以下となるように、外周部１２および内周部１４の比率は定められる。図２に示すようなアルミニウム蒸着ミラーの反射率が０．９（９０％）付近であるので、少なくとも、積分空間における光の吸収率が１０％以下となるように設計されることが好ましい。

言い換えれば、測定対象の光源から射出される全光束のうち、９０％以上が半球部１の内壁の照度として現れるようにすることが好ましい。

（ｃ３．平面部の非鏡面反射領域による積分機能への影響）
上述の（１）および（２）のファクタとして考慮すべき点として、平面部１０に形成される非鏡面反射領域による積分機能への影響について考察する。

半球型の積分球の場合、平面部１０における非鏡面反射領域（内周部１４あるいは光源ＳＭＰ１）の占める割合が大きくなると、虚像としての光束が生じなくなり、光学的な積分球として成り立たなくなる。すなわち、非鏡面反射領域が内周部１４等のように拡散反射を生じる部材である場合には、正しい虚像が現れなくなる。また、非鏡面反射領域が光源ＳＭＰ１等のように光を吸収するような部材である場合には、虚像が現れなくなるだけでなく、積分効率も低下する。

図５は、本実施の形態に従う半球型の積分球４０における平面部１０の非鏡面反射領域による積分機能への影響を評価するためのモデルを示す図である。図５を参照して、非鏡面反射領域により虚像として生じる影について考察する。

図５には、半球部１の拡散反射層１ａのいずれかの位置で生じた反射光が平面部１０の非鏡面反射領域で遮られて生じる影ＳおよびＳ’を示す。なお、平面部１０は半球部１の曲率の中心Ｏから半径ｒの円であるとし、平面部１０の非鏡面反射領域は、半球部１の曲率の中心Ｏから半径ｒ_Ｓの円であるとする。図５に示すように、平面部１０の非鏡面反射領域により生じる影のうち最も大きいのは、平面部１０の非鏡面反射領域の鉛直方向にある半球部１の壁面上の点Ａで生じた反射光による影Ｓである。

さらに、影Ｓを基準として、平面部１０の非鏡面反射領域の鉛直方向に対して角度βにある半球部１の壁面上の点Ａ’で生じた反射光による影Ｓ’は、Ｓ’＝Ｓ・ｃｏｓβとなる。

非鏡面反射領域の端部における鉛直角をθとすれば、半球部１の内面側についての曲率の中心Ｏから球帽状の非鏡面反射領域についての影に対する立体角ω_Ｓは、（２）式のように表わすことができる。

実像および虚像からなる積分空間における、半球部１の曲率の中心Ｏからの全立体角は４πであるから，積分空間の内面積に対する非鏡面反射領域による影Ｓ（Ａの反射光によってできる影の球帽）の割合Ｒは、ω_Ｓ／４πとなる。したがって、平面部１０の非鏡面反射領域の鉛直方向に対して角度βにある半球部１の壁面上の点Ａ’で生じた反射光による影Ｓ’の割合Ｒ（β）は、（３）式のように表わすことができる。

半球部１の拡散反射層１ａが完全拡散反射であるとすると、拡散反射層１ａでの反射光の配光は完全拡散となる。そのため、半球部１の壁面上の点Ａと点Ａ’とがいずれも同一の反射光を生じるとすれば、（３）式を角度βで積分したものが、積分空間の内面積を基準とした、発生する影の面積の比率となる。

図６は、図５に示すモデルにおいて算出される平面部の半径ｒを基準とした非鏡面反射領域の半径ｒ_Ｓの比率に対する、非鏡面反射領域による影で遮られる光束の割合を示す図である。図７は、図５に示すモデルにおいて算出される平面部の面積を基準とした非鏡面反射領域の面積の比率に対する、非鏡面反射領域による影で遮られる光束の割合を示す図である。

たとえば、平面部１０の非鏡面反射領域の半径ｒ_Ｓが平面部１０の半径ｒに対して６０％である（平面部１０の非鏡面反射領域の面積が平面部１０の面積に対して３６％である）場合を考える。この場合において、非鏡面反射領域の反射率が約０．９５であるとすると、非鏡面反射領域の影による半球部１の壁面における照度の低下は、当該非鏡面反射領域が存在しない場合と比較して、１％以下に抑えることができる。

このような設計値をもつように平面部１０を構成することで、積分球としての性能を劣化させることなく、積分球全体としての積分効率を高めることができる。

なお、上述の場合に、非鏡面反射領域に測定対象である光源ＳＭＰ１が装着されて、当該光源ＳＭＰ１の反射率がゼロ（入射した光をすべて吸収する場合）には、非鏡面反射領域の影による半球部１の壁面における照度は、当該非鏡面反射領域が存在しない場合に比較して約１２％低下する。すなわち、図６および図７に示すように、非鏡面反射領域による影で遮られる光束の割合が０．１２となる。

したがって、図６に示すように、平面部１０の非鏡面反射領域の半径ｒ_Ｓが平面部１０の半径ｒに対して６０％を中心として±１０％程度の範囲、すなわち、約５０％〜７０％の範囲となるように設計することが好ましい。言い換えれば、内周部１４は、半球部１の実質的な曲率の中心Ｏから最外周までの距離（半径ｒ）を基準としたときに、約５０％〜７０％の長さの半径（半径ｒ_Ｓ）を有する円の内部に配置されることが好ましい。

あるいは、図７に示すように、平面部１０の面積を基準とした非鏡面反射領域の面積の比率が、３６％を中心として概ね±１５％程度の範囲、すなわち、約２５％〜５０％の範囲となるように設計することが好ましい。言い換えれば、内周部１４は、最外周内の面積を基準としたときに、約２５％〜５０％の面積を有するように定められることが好ましい。

典型的な設計例として、半球部１の実質的な曲率の中心Ｏから最外周までの距離を約７０ｍｍ（２．７５インチ）とした場合に、内周部１４の半径を約４２ｍｍ（１．６５インチ）とすることができる。

＜Ｄ．バリエーション＞
上述した図３に示すような平面部１０に加えて、Ｃ．の項において考察したような２つのファクタを満たせば、外周部１２および内周部１４について任意の形状を採用することができる。

図８および図９は、本発明の実施の形態に従う半球型の積分球４０を構成する平面部１０のバリエーションを示す模式図である。図８には、内周部１４の重心が平面部１０の中心Ｏと一致するように構成した例を示し、図９には、内周部１４の重心が平面部１０の中心Ｏとは異なるように構成した例を示す。

一例として、図８（ｂ）に示す正方形の内周部１４、図８（ｃ）に示す正六角形の内周部１４、図８（ｅ）に示す正三角形の内周部１４、図８（ｆ）に示す正五角形の内周部１４、図８（ｇ）に示す正七角形の内周部１４、および、図８（ｉ）に示す正八角形の内周部１４については、図８（ａ）に示す円状の内周部１４を外接円とするようなサイズに設計されることが好ましい。すなわち、これらの多角形状の内周部１４は、平面部１０の半径ｒに対して５０％〜７０％の半径ｒ_Ｓを有する円に内接するように構成することができる。

また、図９（ａ）〜図９（ｋ）に示すように、内周部１４の重心が平面部１０の中心Ｏとは異なるように構成されていてもよい。

なお、内周部１４の形状は、測定対象の大きさおよび形状に適合するように設計される場合もある。すなわち、本実施の形態に従う半球型の積分球４０は、各種の光学測定方法に適用可能であり、その適用先の測定方法によっては、測定対象の光源等を半球内に露出するように配置する必要がある。その場合、外周部１２と内周部１４とを分離可能に構成し、内周部１４の全部または一部を取除いた上で、測定対象の光源を装着するような使用形態も想定される。

＜Ｅ．適用例１＞
次に、本実施の形態に従う半球型の積分球４０を用いて、測定対象の光源から放射される全光束を測定する場合の構成について説明する。この全光束を測定する場合には、基本的には、図１と同様の光学測定装置を構成する。但し、以下の説明では、光源等による光吸収を補正するための機構を有する構成について例示する。

図１０は、本実施の形態の適用例１に係る光学測定装置１００の構成を示す図である。図１０を参照して、光学測定装置１００を構成する半球型の積分球４０は、基本的には、図１に示す半球型の積分球と同様であるが、平面部１０に、自己吸収を測定するために使用される光束を半球部１の内面側に向けて照射するための開口である照明窓４が設けられている点が異なっている。平面部１０の外側には、照明窓４と連通するように、補正光源２４を格納するための光源格納部２２が配置される。補正光源２４は、後述するように、測定対象の光源ＳＭＰ１での光吸収に起因する補正係数を算出するための自己吸収測定用の光源である。以下では、光源ＳＭＰ１から発生する光束と区別するために、補正光源２４から発生する光束を「補正光束」とも称す。

光学測定装置１００は、観測窓６および受光部７を通じて、半球部１の内壁における照度が検出することにより、光源ＳＭＰ１での自己吸収補正係数を算出した上で、光源ＳＭＰ１の全光束を測定する検出演算部５０を含む。

次に、光学測定装置１００を用いて光源ＳＭＰ１の全光束を測定するための処理手順について説明する。図１１は、本発明の実施の形態の適用例１に係る光学測定装置１００を用いて光源ＳＭＰ１の全光束を測定する処理手順を示すフローチャートである。

図１１を参照して、まず、ユーザは、光源窓２に校正用ミラーを装着し（ステップＳ１００）、補正光源２４を発光させる（ステップＳ１０２）。そして、ユーザは、検出演算部５０に、「光源窓２に校正用ミラーが装着されており、かつ補正光源２４のみが発光状態」であることを示す選択指令を入力する。すると、検出演算部５０は、そのときに受光部７で検出される照度を出力値ｉ_０として一時的に格納する（ステップＳ１０４）。

なお、平面部１０を構成する内周部１４の全体を校正用ミラーとしてもよい。すなわち、測定対象の光源ＳＭＰ１（光源窓２）と同一の断面形状を有するように内周部１４を設計し、内周部１４が装着された状態を「光源窓２に校正用ミラーが装着された状態」としてもよい。

次に、ユーザは、光源窓２に測定対象の光源ＳＭＰ１を装着し（ステップＳ１０６）、補正光源２４を発光させる（ステップＳ１０８）。そして、ユーザは、検出演算部５０に、「光源窓２に測定対象の光源ＳＭＰ１が装着されており、かつ、補正光源２４のみが発光状態」を示す選択指令を入力する。すると、検出演算部５０は、そのときに受光部７で検出される照度を出力値ｉ_１として一時的に格納する（ステップＳ１１０）。

さらに、検出演算部５０は、出力値ｉ_１を出力値ｉ_０で割り算することで、自己吸収補正係数αを算出する（ステップＳ１１２）。検出演算部５０は、この算出した自己吸収補正係数αを格納する。

次に、ユーザは、光源窓２に測定対象の光源ＳＭＰ１が装着された状態で、補正光源２４を非発光状態にするとともに、測定対象の光源ＳＭＰ１を発光させる（ステップＳ１１４）。そして、ユーザは、検出演算部５０に、「光源窓２に測定対象の光源ＳＭＰ１が装着されており、かつ、測定対象の光源ＳＭＰ１のみが発光状態」を示す選択指令を入力する。すると、検出演算部５０は、そのときに受光部７で検出される照度である出力値ｉ_ｄに対して、ステップＳ１１２において算出された自己吸収補正係数αを乗じた値を算出し、測定対象の光源ＳＭＰ１の全光束を示す相対値として出力する（ステップＳ１１６）。そして、処理は終了する。

＜Ｆ．適用例２＞
次に、本実施の形態に従う半球型の積分球４０を用いて、測定対象の量子効率を測定する場合の構成について説明する。この量子効率は、測定対象（典型的には、蛍光体）に吸収された光量子数に対する蛍光発光の光量子数の割合を意味する。

図１２は、本実施の形態の適用例２に係る光学測定装置２００の構成を示す図である。図１２を参照して、光学測定装置２００を構成する半球型の積分球４０は、半球部１と、この半球部１の開口部を塞ぐように配置された円板状の平面部１０とを含む。平面部１０は、半球部１の内面側と外部との間を連通可能な、光源窓１７および観測窓１８を有する。すなわち、光源窓１７は、半球部１の実質的な曲率中心を含む領域に形成される。また、観測窓１８は、半球部１の内壁における照度を測定するための開口であり、光源窓１７からより外周側に所定距離だけ離れた位置に設けられる。

光学測定装置２００は、試料ＳＭＰ２または標準体ＲＥＦ２（透過率特性が既知）に励起光を照射するための光源６０と、試料ＳＭＰ２の量子効率を測定する分光演算部７０とを含む。

光源６０で生成された励起光は、光源窓１７を通じて、平面部１０の法線と一致する光軸Ａｘ３に沿って照射される。この励起光は、光源窓１７に装着される試料ＳＭＰ２または標準体ＲＥＦ２を透過する。この励起光としては、低圧水銀蛍光ランプの場合には、２００〜４００ｎｍの紫外単色光が用いられ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）分野では、３００〜６００ｎｍの紫外もしくは可視単色光等が用いられる。

平面部１０の外側には、観測窓１８と連通するように、半球部１の内壁におけるスペクトルを検出するための受光部２６が配置される。受光部２６では、観測窓１８を覆う筐体２６ａ内には、分光演算部７０へ光を導くための光ファイバ２６ｄおよび光ファイバ２６ｄに接続されたファイバ端部２６ｂが挿入されている。また、筐体２６ａ内には、観測窓１８を通じて入射する光の伝搬方向を約９０°変換した上で、ファイバ端部２６ｂに導くための反射部２６ｃが設けられている。

分光演算部７０は、光ファイバ２６ｄによって導入された光のスペクトルを検出する。典型的に、分光演算部７０は、回折格子および回折格子の回折方向に関連付けられたラインセンサ等を含んで構成され、入力された光の波長毎の強度を出力する。

図１２に示す半球型の積分球４０内に装着される試料ＳＭＰ２または標準体ＲＥＦ２が発する蛍光についても、上述したように、実像および虚像が現れる。すなわち、図１３に示すように、仮想的な積分空間内には、２つの試料ＳＭＰ２または標準体ＲＥＦ２が配置されることになる。

図１４は、本発明の実施の形態の適用例２に係る量子効率の測定原理を説明するための図である。図１４（ａ）を参照して、たとえば蛍光体である試料ＳＭＰ２に対して、励起光Ｌ１が照射されると、その一部（光量子）が吸収されて蛍光の発光に用いられるとともに、残りの励起光Ｌ１はその表面で反射される。ここで、励起光Ｌ１の波長範囲をλ_１Ｌ〜λ_１Ｈとし、試料ＳＭＰ２から発生する蛍光成分の波長範囲をλ_２Ｌ〜λ_２Ｈとする。なお、一般的に、励起光Ｌ１は紫外線であり、蛍光は可視光線であるので、波長範囲λ_１Ｌ〜λ_１Ｈと波長範囲λ_２Ｌ〜λ_２Ｈとは重複しない。そのため、分光演算部７０において、測定されるスペクトルのうち、それぞれの波長範囲に対応する成分を選択的に抽出することで、両者を分離することができる。

ここで、励起光Ｌ１のスペクトルをＥ_０（λ）とする。また、励起光Ｌ１を照射することで試料ＳＭＰ２から発生する蛍光成分のスペクトルをＰ（λ）とし、試料ＳＭＰ２で反射される反射光成分のスペクトルをＲ（λ）とする。すなわち、蛍光成分のスペクトルＰ（λ）は、試料ＳＭＰ２を装着した場合に分光演算部７０で測定されたスペクトルＥ^（１）（λ）の蛍光に対応する波長範囲（λ_２Ｌ〜λ_２Ｈ）の成分に相当し、反射光成分のスペクトルをＲ（λ）は、分光演算部７０で測定されたスペクトルＥ^（１）（λ）の励起光Ｌ１に対応する波長範囲（λ_１Ｌ〜λ_１Ｈ）の成分に相当する。

また、図１４（ｂ）に示すように、標準体ＲＥＦ２の反射率特性をρ_Ｓ（λ）とすると、スペクトルＥ_０（λ）をもつ励起光Ｌ１を標準体ＲＥＦ２に照射することで測定されるスペクトルは、Ｅ^（２）（λ）＝ρ_Ｓ（λ）・Ｅ_０（λ）となる。この式より、励起光Ｌ１のスペクトルＥ_０（λ）は、（４）式のように表わすことができる。

Ｅ_０（λ）＝Ｅ^（２）（λ）／ρ_Ｓ（λ） …（４）
また、図１４（ａ）に示すように、励起光Ｌ１のスペクトルＥ_０（λ）から試料ＳＭＰ２で反射される反射光成分のスペクトルＲ（λ）を除いた成分（光量子）が、試料ＳＭＰ２に吸収されたものとみなすことができる。

したがって、スペクトル（放射パワー）を光量子数に変換するために、ｈｃ／λ（但し、ｈ：プランク定数、ｃ：光速）でスペクトルを除算すると、試料ＳＭＰ２に吸収された光量子数Ａｂは、（５）式のように表わすことができる。なお、ｋ＝１／ｈｃである。

また、蛍光の光量子数Ｐｐｈは、（６）式のように表わすことができる。

したがって、試料ＳＭＰ２の内部量子効率ＱＥｉｎは、（７）式のように表わすことができる。

ＱＥｉｎ＝Ｐｐｈ／Ａｂ …（７）
以上のように、光学測定装置２００を用いて量子効率を測定する場合には、少なくともその一部が半球部１内に露出するように配置した測定対象である試料ＳＭＰ２に対して光源６０からの励起光を照射した場合に分光演算部７０で測定される第１のスペクトル（Ｅ^（１）（λ））と、試料ＳＭＰ２に代えて配置された既知の反射率特性または透過率特性をもつ標準体ＲＥＦ２に対して光源６０からの励起光を照射した場合に分光演算部７０で測定される第２のスペクトル（Ｅ^（２）（λ））とに基づいて、試料ＳＭＰ２の量子効率が算出される。

次に、光学測定装置２００を用いて試料ＳＭＰ２の量子効率を測定するための処理手順について説明する。図１５は、本発明の実施の形態の適用例２に係る光学測定装置２００を用いて試料ＳＭＰ２の量子効率を測定する処理手順を示すフローチャートである。

図１５を参照して、まず、ユーザは、光源窓１７に試料ＳＭＰ２を装着し（ステップＳ２００）、光源６０からの励起光の照射および分光演算部７０での測定を開始させる（ステップＳ２０２）。ユーザは、分光演算部７０に、「光源窓１７に試料ＳＭＰ２が装着されている」ことを示す選択指令を入力する。分光演算部７０は、そのときに測定されたスペクトルＥ^（１）（λ）を一時的に格納する（ステップＳ２０４）。

次に、ユーザは、光源窓１７に標準体ＲＥＦ２を装着し（ステップＳ２０６）、光源６０からの励起光の照射および分光演算部７０での測定を開始させる（ステップＳ２０８）。ユーザは、分光演算部７０に、「光源窓１７に標準体ＲＥＦ２が装着されている」ことを示す選択指令を入力する。分光演算部７０は、そのときに測定されたスペクトルＥ^（２）（λ）を一時的に格納する（ステップＳ２１０）。

スペクトルＥ^（１）（λ）およびＥ^（２）（λ）の取得が完了すると、分光演算部７０は、これらのスペクトルに基づいて、試料ＳＭＰ２の内部量子効率ＱＥｉｎを算出する（ステップＳ２１２）。より具体的には、分光演算部７０は、スペクトルＥ^（１）（λ）の波長範囲λ_１Ｌ〜λ_１Ｈに対応する波長成分、スペクトルＥ^（２）（λ）の波長成分、および、標準体ＲＥＦ２の反射率特性をρ_Ｓ（λ）に基づいて、試料ＳＭＰ２に吸収された光量子数Ａｂを算出する。また、分光演算部７０は、スペクトルＥ^（１）（λ）の波長範囲λ_２Ｌ〜λ_２Ｈに対応する波長成分に基づいて、蛍光の光量子数Ｐｐｈを算出する。そして、分光演算部７０は、光量子数Ａｂおよび光量子数Ｐｐｈに基づいて、試料ＳＭＰ２の内部量子効率ＱＥｉｎを算出する。

さらに、分光演算部７０は、算出した試料ＳＭＰ２の内部量子効率ＱＥｉｎを出力する（ステップＳ２１４）。なお、内部量子効率ＱＥｉｎの出力の一例としては、内部量子効率ＱＥｉｎのモニタ上等での表示、内部量子効率ＱＥｉｎのプリント出力、内部量子効率ＱＥｉｎの記憶媒体への格納等が挙げられる。そして、処理は終了する。

なお、図１５に示すフローチャートでは、測定手順の一例として、先に試料ＳＭＰ２についてのスペクトルＥ^（１）（λ）を取得し、続いて、標準体ＲＥＦ２についてのスペクトルＥ^（２）（λ）を取得する処理例を説明したが、スペクトルＥ^（１）（λ）およびスペクトルＥ^（２）（λ）が取得できる限り、この順序に限定されることはない。たとえば、先に標準体ＲＥＦ２についてのスペクトルＥ^（２）（λ）を取得した後、試料ＳＭＰ２についてのスペクトルＥ^（１）（λ）を取得してもよい。この場合には、標準体ＲＥＦ２について取得したスペクトルＥ^（２）（λ）を用いて、複数の試料ＳＭＰ２のそれぞれについてのスペクトルＥ^（１）（λ）を順次取得することで、複数の試料ＳＭＰ２についての内部量子効率ＱＥｉｎを効率的に算出できる。すなわち、光源窓１７に標準体ＲＥＦ２を装着してスペクトルＥ^（２）（λ）を取得した後、光源窓１７に複数の試料ＳＭＰ２を順次装着すればよい。

＜Ｇ．適用例３＞
上述した本実施の形態の適用例２に係る光学測定装置２００においては、試料ＳＭＰ２および標準体ＲＥＦ２に励起光を透過させて量子効率を測定する構成について例示した。一方、試料ＳＭＰ２および標準体ＲＥＦ２に励起光を照射して、その反射光を測定して量子効率を測定してもよい。

図１６は、本実施の形態の適用例３に係る光学測定装置３００の構成を示す図である。図１６を参照して、本実施の形態の適用例３に係る光学測定装置３００は、本実施の形態の適用例２に係る光学測定装置２００（図１２）に比較して、光源窓１７が半球部１の内面側についての曲率の中心Ｏからずれた位置に形成されている点、および、半球部１の頂点付近に試料ＳＭＰ３および標準体ＲＥＦ３を装着するための試料窓１９が設けられている点が異なっている。その他の点については、光学測定装置２００と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

光源６０で生成された励起光は、光源窓１７を通じて、平面部１０の法線Ｎ１に対して角度θをもつ光軸Ａｘ４に沿って、試料窓１９に装着される試料ＳＭＰ３または標準体ＲＥＦ３に向けて照射される。

試料窓１９は、半球部１の内面側についての曲率の中心Ｏを通る平面部１０の法線Ｎ１との交点の位置に設けられる。すなわち、試料窓１９は、半球部１および平面部１０とによって囲まれる半球の頂点位置に設けられる。そして、試料窓１９に試料ＳＭＰ３または標準体ＲＥＦ３が装着される。この装着された試料ＳＭＰ３に励起光が照射されることで、蛍光が発生する。

光学測定装置３００を用いて試料ＳＭＰ３の量子効率を測定するための処理手順については、図１５に示すフローチャートと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

＜Ｈ．測定例＞
本願発明者らは、図１６に示す光学測定装置３００を用いて、アルミニウム蒸着ミラーに対してコーティング処理を施した高反射処理ミラーで作成した平面部と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）焼結体で作成した平面部との間の測定効率の差を評価した。

より具体的には、図１６に示す光学測定装置３００の試料窓１９に、硫酸バリウムの標準体または青色蛍光体サンプル（ＢＡＭサンプル）を装着し、励起光を標準体またはＢＡＭサンプルへ照射した場合のゲートタイムを測定した。このゲートタイムは、分光演算部７０において所定の光量が得られるまでに要した露光時間を意味する。

また、ＢＡＭサンプルへ直接的に励起光を照射する場合の他、半球部１のＢＡＭサンプルが存在しない内面へ励起光を照射して、間接的に励起させる場合についても測定した。

この測定結果は、以下の通りである。

上述の表において、「鏡面反射体」が高反射処理ミラーで作成した平面部の場合を示し、「拡散反射体」がポリテトラフルオロエチレン焼結体で作成した平面部の場合を示す。また、「励起」が硫酸バリウムを表面に塗布した標準体に励起光を直接照射した場合を示し、「サンプル」がＢＡＭサンプルに励起光を直接照射した場合を示し、「再励起」がＢＡＭサンプルに励起光を間接照射した場合を示す。また、励起光としては、２６０ｎｍ〜４００ｎｍまでの波長を２０ｎｍずつ異ならせた８種類の単色光を用いた。

上表における数値の単位は「ｍｓｅｃ」である。なお、波長２６０ｎｍでＢＡＭサンプルを励起した場合には、生じる光が微弱であるため、十分に光を取得することができず、分光演算部７０における露光時間の最大値である２００００ｍｓｅｃを表示している。

さらに、上表においては、それぞれの測定結果について、異なる２つの材質間の差（比率）を算出している（比率の項目）。この算出結果によれば、平面部をポリテトラフルオロエチレン焼結体で作成することで、よりゲートタイムを短縮できることがわかる。すなわち、ポリテトラフルオロエチレン焼結体からなる平面部を採用することで、積分球における光吸収を低減して、より高い積分効率を得られることを意味する。

＜Ｉ．まとめ＞
本実施の形態に従う半球型の積分球は、積分空間を形成するための平面部として、鏡面反射（正反射）を生じる材質からなる外周部と、当該外周部の材質に比較して少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有する材質からなる内周部とを組合せた構造を採用する。

このような平面部を採用することで、反射率が相対的に高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）焼結体などからなる反射部材を用いることができ、これにより、半球型の積分球における積分効率を高めることができる。同時に、ＰＴＦＥなどの反射部材は、高反射処理ミラーなどに比較して安価であるため、光学測定装置全体のコストを抑えることができる。

このように、相対的に積分効率の高い積分球を実現することができるので、光源の全光束測定などにおいては、検出される壁面の照度をより高めることができる。その結果、積分球内における光吸収や検出器のノイズなどに起因する誤差を低減することができる。また、発光強度の弱い蛍光試料などについても、より高精度にその量子効率を測定することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 半球部、１ａ 拡散反射層、２ 光源窓、４ 照明窓、６，１８ 観測窓、７，２６ 受光部、８ 遮蔽部（バッフル）、１０ 平面部、１２ 外周部、１４ 内周部、１７ 光源窓、１９ 試料窓、２２ 光源格納部、２４ 補正光源、２６ａ 筐体、２６ｂ ファイバ端部、２６ｃ 反射部、２６ｄ 光ファイバ、４０ 積分球、５０ 検出演算部、６０ 光源、７０ 分光演算部、１００，２００，３００ 光学測定装置、ＲＥＦ２，ＲＥＦ３ 標準体、ＳＭＰ１ 光源、ＳＭＰ２，ＳＭＰ３ 試料。

Claims (10)

1. 内壁に拡散反射層を有する半球部と、
   前記半球部の実質的な曲率中心を通り、かつ、前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内面側に反射層を有する平面部とを備え、前記平面部は、前記半球部と前記平面部との間に形成される積分空間内で均一化されるべき光を導入するための窓、および、前記積分空間内で均一化された光を抽出するための窓の少なくとも一方を含み、
   前記平面部は、
   前記平面部が前記半球部の内壁と接する最外周から所定幅の領域を少なくとも占める、主として正反射を生じる第１の材質からなる外周部と、
   前記第１の材質に比較して、少なくとも紫外波長域においてより高い反射率を有し、かつ、主として拡散反射を生じる第２の材質からなる、前記外周部の内側の領域を占める内周部とを含む、光学測定装置。
2. 前記内周部の範囲は、前記内周部と前記半球部の内壁との間での光吸収による影響を無視できるように定められる、請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記内周部の範囲は、前記積分空間における光の吸収率が所定値以下となるように定められる、請求項１に記載の光学測定装置。
4. 前記所定値は、１０％である、請求項３に記載の光学測定装置。
5. 前記内周部は、前記半球部の実質的な曲率中心から前記最外周までの距離を基準としたときに、５０％〜７０％の長さの半径を有する円の内部に配置される、請求項１に記載の光学測定装置。
6. 前記内周部は、前記円を外接円とする多角形である、請求項５に記載の光学測定装置。
7. 前記内周部は、前記最外周内の面積を基準としたときに、２５％〜５０％の面積を有するように定められる、請求項１に記載の光学測定装置。
8. 前記外周部は、金属蒸着ミラーからなり、
   前記内周部は、ポリテトラフルオロエチレン焼結体、または、硫酸バリウムの一方からなる、請求項１に記載の光学測定装置。
9. 前記平面部は、測定対象である光源をその発生する光束が前記半球部の内壁に向けて照射されるように装着可能な第１の窓を含み、
   前記光学測定装置は、
   前記半球部または前記平面部の第２の窓を通じて、前記半球部の内壁における照度を測定するための検出器と、
   前記第１の窓から前記第２の窓までの経路上に配置された遮蔽部とをさらに備える、請求項１に記載の光学測定装置。
10. 前記平面部は、前記半球部の実質的な曲率中心の近傍に設けられた第１の窓と、前記第１の窓から所定距離だけ離れた位置に設けられた第２の窓とを含み、
    前記光学測定装置は、
    前記第１の窓を通じて励起光を照射する光源と、
    前記第２の窓を通じて、前記半球部の内壁におけるスペクトルを測定するための分光器と、
    少なくともその一部が前記半球部内に露出するように配置した測定対象に対して前記光源からの前記励起光を照射した場合に前記分光器で測定される第１のスペクトルと、前記測定対象に代えて配置された既知の反射率特性または透過率特性をもつ標準体に対して前記光源からの前記励起光を照射した場合に前記分光器で測定される第２のスペクトルとに基づいて、前記測定対象の量子効率を算出する演算処理部とをさらに備える、請求項１に記載の光学測定装置。

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