JP6199374B2 - 光特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、積分球を使用した光特性測定装置に関する。

特許文献１には、光検出装置が開示されている。

特開２００７―１９８９８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置においては、遮光板（特許文献１の図２における符号２０６、及び、本願の図２を参照）を必要とする。
そして、遮光板があると、測定対象物の光のうち特定の方向の光が、遮光板に遮られることで積分球表面での反射回数が増加し、吸収されてしまうため、せっかく積分球を使用しても所定の方向の光の成分の部分が減少した積分光しか測定できないという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一例は、より正確な測定値を得ることができる光特性測定装置を提供することである。

本発明の光特性測定装置は、入射した光を拡散反射する積分球内部表面と、測定対象物が出射した光が入射される第１貫通穴と、入射した光の一部を受光する受光部へ光を導光する第２貫通穴を有する積分球と、測定対象物が出射した光を通過及び反射させて、前記積分球に導光する導光部と、を備え、前記導光部は、前記積分球側及び測定対象物側以外の面は、光を正反射するように形成され、前記導光部は、断面積が、測定対象物側よりも前記積分球側が大きく形成され、前記積分球における前記第２貫通穴は、前記第１貫通穴から入射された前記光が前記第２貫通穴に直接入射しないような位置に設けられる。

本発明の第１の実施形態の説明図である。 積分球の機能を説明する説明図である。 第１の実施形態の効果の説明図である。 第１の実施形態の効果の一例の説明図である。 第２の実施形態の説明図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の説明図である。

以下、本発明の第１の実施形態を、図１を用いて詳細に説明する。
光特性測定装置１は、積分球２と、導光部構成部材５とを有している。
積分球２は、積分球本体３、第１貫通穴部３１及び第２貫通穴部３３を有している。

積分球本体３は、内部空間が球形状の中空空間を有している。
この積分球本体３は、この中空空間側の表面である積分球内部表面３ａが拡散反射（乱反射）をするように形成されている。
なお、積分球本体３の積分球内部表面３ａが形成する中空空間は球形状である必要があるが、外部形状は球である必要は必ずしも無い。
この積分球本体３には、第１貫通穴部３１及び第２貫通穴部３３が接続されている。

なお、積分球２の積分球内部表面３ａは、拡散反射をするものについて記載した。しかし、積分球内部表面３ａについて、正反射するものであってもよい。
ただ、このように正反射する積分球２を用いる場合には、適切な構成及び使用方法が必要となる。
具体的には、正反射の場合には内面の凹凸の影響を受けやすいため高精度の加工が必要となる。
また、積分球２の中心を通る光（特に、レーザ等）などに対して使用した場合には、正反射してしまうと、入射した光が反射して入射口からそのまま出て行ってしまうということが生じてしまう。その為、光の入射角度を適切に選ぶ必要が生ずる。
したがって、一般的には拡散反射する積分球２を用いるのが好適である。また、拡散反射させる方式で積分球２を形成する場合には、正反射させる方式で積分球２を形成する場合に比べて、小型で、安価、安定した積分球２を形成できる。よって、この点からも、拡散反射する積分球２が有利である。
ただし、エネルギー密度が高い光（特に、レーザ等）では、拡散反射させた場合には、積分球内部表面３ａに使用している反射材料（例えば、硫酸バリウム）が破損するおそれがある。そのため、比較的エネルギー密度が高い光に対して耐性の高い金属蒸着膜を用いて正反射する積分球２を使用することが好適である。

第１貫通穴部３１には、円柱状の中空空間が形成されている。この中空空間を形成するために、第１貫通穴部３１の外部から積分球本体３の中空空間まで貫通する第１貫通穴３１ｃが形成されている。
この第１貫通穴部３１の第１貫通穴３１ｃを通過して、積分球２は測定対象の光の入力を受ける。
なお、この第１貫通穴部３１は、この実施形態では円柱形状であるが、角柱形状（３角柱、４角柱、５角柱、及びそれ以上の角柱形状）であっても良い。
さらになお、第１貫通穴３１ｃにより形成される円柱形状の外側の面を第１外部面３１ｂという。また、第１貫通穴３１ｃにより形成される円柱形状の内側（積分球本体３側）の面を第１内部面３１ａという。

第２貫通穴部３３には、円柱状の中空空間が形成されている。この中空空間を形成するために、第２貫通穴部３３の外部から積分球本体３の中空空間まで貫通する第２貫通穴３３ｃが形成されている。
この第２貫通穴部３３の第２貫通穴３３ｃを通過して、積分球２は測定対象の光を出力する。
ここで、第２貫通穴部３３を通過する光は、第１貫通穴部３１を通過した光が少なくとも１回は積分球内部表面３ａで拡散反射をした後のものである。この理由については、詳細に後述する。
なお、この第２貫通穴部３３は、この実施形態では円柱形状であるが、角柱形状（３角柱、４角柱、５角柱、及びそれ以上の角柱形状）であっても良い。
さらになお、第２貫通穴３３ｃにより形成される円柱形状の外側の面を第２外部面３３ｂという。また、第２貫通穴３３ｃにより形成される円柱形状の内側（積分球本体３側）の面を第２内部面３３ａという。

第２外部面３３ｂの位置には、受光部７と波長測定部９が配設される。
受光部７は、積分球本体３によって拡散反射された後の光の光量を測定するために用いられる。例えば、受光部７はフォトディテクタが使用されていても良い。更に、ＣＣＤ等が使用されても良い。
波長測定部９は、積分球本体３によって拡散反射された後の光の波長を測定するために用いられる。
なお、波長測定部９は、光ファイバの先端の面から光を入射させてこの光ファイバによって光を導光して波長測定装置に導いて、その波長測定装置によって実際に波長を測定しても良い。
さらに、この光ファイバの先端に更に導光部材を使用して、この導光部材にまずは導光させその後光ファイバに導光し、その後波長測定装置に導光しても良い。導光部材としては、円筒状の部材の内表面を反射する部材を用いても良いし、延長上の内表面が反射するような部材（例えば、ガラス）によって形成しても良い。更に、導光部材は、円柱又は角柱形状の側面の表面が反射する部材によって形成しても良い。
また、波長測定部９は、波長測定装置が直接第２外部面３３ｂに面していても良い。

なお、図１では、受光部７と波長測定部９が第２外部面３３ｂに当接する様に記載されているが、当接する必要性は必ずしも無く、第２外部面３３ｂのより外側位置であっても良い。さらに、第２外部面３３ｂの中側に挿入されていても良い。
また、受光部７及び波長測定部９は第２貫通穴部３３に設けられていたが、必ずしも２つともに第２貫通穴部３３に設けられる必要性はない。例えば、第３貫通穴部を形成して、どちらかをそちらに配置することも可能である。

図２は、積分球２の機能を説明する説明図である。

ここで、図２を用いて積分球２の機能について簡単に説明する。
積分球２は、入射した光（第１貫通穴３１ｃから入射）が拡散反射を繰り返すことによって、平均化した光を出力（第２貫通穴３３ｃから出射）する。
つまり、積分球２によって、測定対象物１０１（例えば、ＬＥＤ）の方向における光の偏光、配光、波長などが平均化された光を測定することが可能となる。
なお、この時の入力された光量に対する出力される光量は、以下の式が成立する。
出力される光量／入力された光量
∝ 出力口面積（第２貫通穴３３ｃの第２外部面３３ｂ）／積分球内部の全表面積（＝（図１の場合）３ａ＋３１ａ＋３３ａ）

図１のように、第１貫通穴３１ｃには、導光部構成部材５が挿入される。
導光部構成部材５は、円錐台形状の中空の内部空間を有する。この内部空間が導光部である。
一例として、円錐台形状は、測定対象物１０１と積分球２（積分球本体３）の中心とを結ぶ直線（以下、光軸中心ＣＡという）を中心とした回転体である。ただし、光軸中心CAが積分球２の中心と一致することは必須ではない。
このため、導光部構成部材５は、測定対象物１０１側にゆくほど断面積が小さくなる、円筒形状を有している。もっとも、導光部構成部材５の外形形状に限定はなくどのような形状であっても良い。
導光部構成部材５の内部空間側の導光部材内周面５ａは、光を正反射するように形成されている。具体的には、導光部材内周面５ａにメッキ等を施してもよい。
また、内部空間は、積分球本体３側の積分球側開口部５ｂを有している。また、内部空間は、測定対象物１０１側の測定対象物側開口部５ｃを有している。
測定対象物側開口部５ｃ内側又は外側に測定対象物１０１が配置させる。

以上の説明では、導光部構成部材５の内部空間は、円錐台形状を有していたがこれに限る趣旨ではない。例えば、導光部構成部材５の内部空間は角錐台形状でもよい。
さらに、場合によっては、導光部の形状は単なる円錐形状であってもよい。後述するが、第２貫通穴３３ｃへ直接光が入射しなければ足り、どのような形状であっても直接光が入射位置は存在しうるからである。

導光部構成部材５の、測定対象物１０１側には、プローブ１１（第１プローブ１１ａ及び第２プローブ１１ｂ）を挿入するためのスリット（切り込み）（第１スリット５ｅ及び第２スリット５ｄ）が形成されている。
このプローブ１１の先端は測定対象物１０１（例えばＬＥＤ）の電極に当接する。このプローブ１１は、測定対象物１０１に電力を供給して発光させるために用いられる。
もっとも、プローブ１１及びスリット（第１スリット５ｅ及び第２スリット５ｄ）は、測定対象物１０１がプローブ１１を必要としない場合等には必須ではない。

第１の実施形態のように、導光部材内周面５ａが正反射するように形成した場合には、導光部構成部材５内を通過・反射した光は積分球側開口部５ｂを出射した際には、光軸中心ＣＡに対して０〜θ１の範囲の角度を有することになる。なお、理由は後述する（以下、θ１を最大角度θ１という）
そうすると、積分球側開口部５ｂの最も受光部７側の端部であるＡ地点から光軸中心ＣＡに対して最大角度θ１の角度範囲までは、導光部構成部材５を通過・反射した後の光が到達してしまう。
そこで、第１の実施形態では、Ａ地点を基点として光軸中心ＣＡに対して最大角度θ１の角度となる位置よりもＡ地点を基点として光軸中心ＣＡに対して大きな角度となる位置に第２貫通穴３３ｃの第２内部面３３ａを配置している。
より具体的には、第２内部面３３ａのうち積分球側開口部５ｂから最も遠方の位置に当たるＢ地点が、Ａ地点を基点として光軸中心ＣＡに対してθ２（θ２≧θ１）の角度となる位置に配置している。

ここで、特許文献１では、図１に示された実施形態と形状は類似する部分があるが、その構成が全く異なる。以下、説明する。
特許文献１では、第１の実施形態における導光部構成部材５に対応する反射部材の内壁面は、拡散反射材料で構成されている（特許文献１の段落〔００３２〕を参照のこと）。
それに対して、第１の実施形態では、正反射するように形成されている。
これによって、第１の実施形態では、測定対象物１０１から出射された光が積分球内部表面３ａによって１度も拡散反射されること無く、受光部７に入射してしまうことを防ぐことができる。
なお、通常の積分球２の場合、第１貫通穴３１ｃから入射した光が一度も拡散反射せずに第２貫通穴３３ｃに直接入射されることを防ぐために、第１貫通穴３１ｃと第２貫通穴３３ｃとの間に遮蔽板（遮光板）を設けている。

第１の実施形態では、測定対象物１０１から出射された光が積分球内部表面３ａによって１度も拡散反射されること無く、受光部７に入射してしまうことを防ぐことができる理由を以下説明する。
図３は、第１の実施形態の効果の説明図である。
図４は、第１の実施形態の効果の一例の説明図である。

まず、図３のように、光軸中心ＣＡに対してθの角度を有する光が測定対象物１０１から出射された場合について説明する。なお、ここでは、測定対象物側開口部５ｃ側から積分球側開口部５ｂ側に進むに連れて断面積が広くなっていく角度（＝導光部材傾斜角度）が、図３の様にαとした場合について説明する。
この場合、導光部構成部材５内を直進した光は、導光部材内周面５ａにおいて反射される。
そして、反射された後の、光は、光軸中心ＣＡに対して、θ−２αの角度を有して反射される。さらに、図３のでは２回目以降の反射はされないが、２回目の反射が有った場合には、（（θ−２α）-２α）で反射される。
その結果、例えば、積分球側開口部５ｂと測定対象物側開口部５ｃとの間の距離が無限の長さを有する場合には、導光部構成部材５の積分球側開口部５ｂから出射する光は、光軸中心ＣＡに対する角度が、θ〜αの間の光となることになる。
つまり、この場合には、図１において、θ１＝αである。ここで、最大角度θ１は、導光部構成部材５を通過・反射した光が積分球内部表面３ａで拡散反射せずに直接入射する範囲の最大の範囲である。
ここでは、積分球側開口部５ｂと測定対象物側開口部５ｃとの間の距離が無限の長さを有するとしていたが、実際にはこのようなことはありえない。しかし、積分球側開口部５ｂと測定対象物側開口部５ｃとの間の距離が有限であるとしても、必ず、導光部構成部材５を通過・反射した光が積分球内部表面３ａで拡散反射せずに直接入射しない範囲は存在するはずである。
そこで、実際に積分球側開口部５ｂと測定対象物側開口部５ｃとの間の距離（導光部材長Ｌ）が有限である場合の最大角度θ１を計算した結果を表したのが図４である。
なお、図４は、測定対象物側開口部５ｃがφ＝７ｍｍ、積分球側開口部５ｂがφ＝２０ｍｍである場合の計算結果である。当然、これらの値が異なれば異なる計算結果となることはいうまでもない。

図４に示された計算結果を説明する。
横軸は、導光部構成部材５の導光部材傾斜角度αである。縦軸は、最大角度θ１の角度である。
なお、測定対象物側開口部５ｃがφ＝７ｍｍであり積分球側開口部５ｂがφ＝２０ｍｍであることから、導光部材傾斜角度αが確定すれば、導光部材長Ｌは自動的に計算されるが、視覚的に理解するために補助的に図４に示している。

この図４からわかるように、測定対象物側開口部５ｃの直径、積分球側開口部５ｂの直径、及び、φ＝２０ｍｍ導光部材傾斜角度αが決定されると、最大角度θ１が自動的に計算可能である。
そして、このθ１よりも大きな角度となる位置に、第２外部面３３ｂを位置させれば、受光部７には、積分球内部表面３ａにおいて拡散反射していない光が入射することは無いことになる。
その結果、遮光板が不要となり、より適切な測定結果を得ることが可能となる。
それに対して、特許文献１では、導光部構成部材５に該当する部材における反射が拡散反射であるため、図１の例えばＣ位置に入射して拡散反射した光は、第２外部面３３ｂに入射してしまう。
さらに、測定対象物１０１の光は水平方向の光になるにつれて、拡散反射の回数が増えるため、積分球２の内部に到達する光の光量が減衰することが明白である。
したがって、特許文献１の方法では適切な測定値が得られないおそれがある。
なお、拡散反射する導光部構成部材５を用いた場合、拡散反射の結果あらゆる方向に反射するため、積分球２の方向に向かわない光が発生してしまう。
それに対して、正反射する導光部構成部材５を用いた場合には、正反射には指向性が有るため、反射した光はほぼすべて積分球２に向かう。
したがって、本実施形態では、正反射する導光部構成部材５を使用することで、減衰の影響を最小限にすることが可能となる。

また、測定対象物１０１の搭載されている面であり、導光部構成部材５が配置されている側とは反対側位置に、反射部材を配置した場合には、測定対象物１０１が反対方向へ出射した光も加えた光について平均的な光量及び波長を測定することができる。

なお、導光部構成部材５の導光部材内周面５ａは、反射の回数が多い場合（例えば３回）には、光が減衰する反射率にしても良い。なぜなら、反射の回数が多い場合には、反射材の波長吸収特性の影響により光の波長が偏向することがあり、この場合、測定値が正確ではなくなるおそれがある場合があるからである。

また、図１のように、受光部７と波長測定部９とが同一の第２貫通穴３３ｃに対して配置されている。これによって、受光部７に入射した光の波長を測定する事が可能となる。
つまり、受光部７と波長測定部９のそれぞれの為に、積分球本体３に貫通穴を作成した場合には、測定位置が異なるために、受光部７に入射した光と、波長測定部９とが異なる特性を有する光である可能があるが、第１の実施形態ではこのような恐れはない。
さらに、受光部７と波長測定部９とが同一の第２貫通穴３３ｃに対して配置されていることによって、測定のための部分が減り、拡散反射する積分球内部表面３ａの面積をより多くできる。その為、より正確な測定値を得ることができるという効果もある。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態の説明図である。より詳細には、図５は、第２の実施形態の第２貫通穴３３ｃ部分の拡大部であり、他の部分は第１の実施形態と同一である。

第２の実施形態では、図５のように、波長測定部９の入射面９ａを第２貫通穴３３ｃに当接するように形成しても良い。
また、図５のように、波長測定部９が第２貫通穴部３３を貫通させても良い。
波長測定部９の入射面９ａの法線方向と、第２貫通穴３３ｃの中心軸の受光部側の方向との角度をθ３とした場合には、θ３＝９０°となる。
これによって、受光部７による光量測定において、波長測定部９が悪影響を与えることを低減することが可能となる。

また、波長測定部９の導光方向と、第２貫通穴３３ｃの中心軸の受光部７側の方向との角度をθ４とした場合には、θ４＜９０°となるように構成する。
これによって、波長測定部９はより分光器等の実際に測定する部分へ光をより円滑に導光する事ができる。

なお、第２貫通穴３３ｃの形状が円錐台などの形状の場合には、θ３＝９０°でなくても良い。

更に、波長測定部９は、第２貫通穴３３ｃの内部に侵入していても良い。その場合には、θ３は光が入射し易い角度に調整されていても良い。

＜実施形態の構成及び効果＞
光特性測定装置１は、入射した光を拡散反射する積分球内部表面３ａを有する積分球２と、測定対象物１０１が出射した光を通過及び反射させて、積分球２に導光する導光部と、を備え、導光部は、積分球２側及び測定対象物１０１側以外の面は、光を正反射するように形成されている。
このような構成を有することから、より正確な測定値を得ることができる光特性測定装置を提供することが可能となる。

導光部は、測定対象物１０１を通る直線を回転中心とした回転体形状を有し、導光部は、回転体形状の断面積が、測定対象物１０１側よりも積分球２側が大きく形成されている。
このような構成を有することから、さらに正確な測定値を得ることができる光特性測定装置を提供することが可能となる。
このような構成によって、一度、積分球本体３に入射した光が導光部を通過して、測定対象物１０１側にまで戻ってくることを低減することも可能となる。

導光部は、円錐台形状を有する。
このような形状を有することから、積分球本体３に入射した光が導光部を通過して、測定対象物１０１側にまで戻ってくることを低減することも可能となる。

導光部は、中空空間である。
このような形状を有することから、積分球本体３に入射した光が導光部を通過して、測定対象物１０１側にまで戻ってくることを低減することも可能となる。

積分球２は、測定対象物１０１が出射した光が入射される第１貫通穴３１ｃと、積分球２に入射した光の一部を受光する受光部７へ光を導光する第２貫通穴３３ｃと、を備え、第２貫通穴３３ｃには、受光部７に加えて光の波長を測定するための波長測定部９が配設される。
このような構成によって、受光部７に入射した光の波長を直接測定する事が可能となる。
さらに、受光部７と波長測定部９とが同一の第２貫通穴３３ｃに対して配置されていることによって、測定のための部分が減り、拡散反射する積分球内部表面３ａの面積をより多くできる。その為、より正確な測定値を得ることができる。

導光部は、測定対象物１０１と積分球２とを通る直線を回転中心とした回転体形状を有する。
このような構成を有することから、さらに正確な測定値を得ることができる光特性測定装置を提供することが可能となる。

第２貫通穴３３ｃは円柱形状を有し、波長測定部９は、測定対象の光が入射する入射面９ａを有し、入射面９ａは、円柱形状をした第２貫通穴３３ｃの側面部から第２貫通穴３３ｃに当接するように、又は、円柱形状をした第２貫通穴３３ｃの側面部から第２貫通穴３３ｃの内部空間内に位置するように、配設される。
このような構成を有することから、より適切な構成で、受光部７に入射した光の波長を直接測定する事が可能となる。

入射面９ａの法線方向と、第２貫通穴３３ｃの中心軸とは、所定の角度を有するように形成される。
このような構成を有することから、より適切な構成で、受光部７に入射した光の波長を直接測定する事が可能となる。

本発明における導光部は、導光部構成部材５によって形成される中空状の空間を光が導光されるものであればどのようなものであっても良い。
本発明における測定対象物の一例がＬＥＤである。測定対象物は光を出射（反射）するものであればどのようなものであっても良い。

１ 光特性測定装置
２ 積分球
３ 積分球本体
３ａ 積分球内部表面
５ 導光部構成部材（導光部）
５ａ 導光部材内周面（導光部）
５ｂ 積分球側開口部
５ｃ 測定対象物側開口部
７ 受光部
９ 波長測定部
９ａ 入射面
３１ 第１貫通穴部
３１ｃ 第１貫通穴
３３ 第２貫通穴部
３３ｃ 第２貫通穴
１０１ 測定対象物
ＣＡ 光軸中心
Ｌ 導光部材長

Claims (7)

1. 入射した光を拡散反射する積分球内部表面と、測定対象物が出射した光が入射される第１貫通穴と、入射した光の一部を受光する受光部へ光を導光する第２貫通穴を有する積分球と、
   測定対象物が出射した光を通過及び反射させて、前記積分球に導光する導光部と、を備え、
   前記導光部は、前記積分球側及び測定対象物側以外の面は、光を正反射するように形成され、
   前記導光部は、断面積が、測定対象物側よりも前記積分球側が大きく形成され、
   前記積分球における前記第２貫通穴は、前記第１貫通穴から入射された前記光が前記第２貫通穴に直接入射しないような位置に設けられる
   光特性測定装置。
2. 前記導光部は、円錐台形状を有する
   請求項１に記載の光特性測定装置。
3. 前記導光部は、中空空間である
   請求項２に記載の光特性測定装置。
4. 前記第２貫通穴には、前記受光部に加えて光の波長を測定するための波長測定部が配設される
   請求項２又は３に記載の光特性測定装置。
5. 前記導光部は、測定対象物と前記積分球とを通る直線を回転中心とした回転体形状を有する。
   請求項４に記載の光特性測定装置。
6. 前記第２貫通穴は円柱形状を有し、
   前記波長測定部は、測定対象の光が入射する入射面を有し、
   前記入射面は、
   円柱形状をした前記第２貫通穴の側面部から前記第２貫通穴に当接するように、
   又は、
   円柱形状をした前記第２貫通穴の側面部から前記第２貫通穴の内部空間内に位置するように、
   配設される
   請求項５に記載の光特性測定装置。
7. 前記入射面の法線方向と、前記第２貫通穴の中心軸とは、所定の角度を有するように形成される
   請求項６に記載の光特性測定装置。

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