JP7159823B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置に関する。

分光器は、分光分析等のために、ＵＶ（Ultra Violet）、可視、近赤外、赤外等の様々な波長に光を分散させる光デバイスである。近年、屋内だけでなく、野外等のオンサイトでの分光分析のニーズが増加し、様々な用途に適用させるために、分光分析ユニットの小型化が進んでいる。

小型の分光分析ユニットとして、光の分散機能と集光機能を持つ分光素子である凹面回折格子と、ＳｉやＩｎＧａＡｓ等のフォトダイオードのアレイセンサと、所望の波長帯域のＬＥＤ（Light Emitted Diode）やハロゲンランプ等の光源とを備えるものが知られている。

小型の分光分析ユニットの場合、光源や検出器等を近接配置する必要があり、光源の発熱が取得される分光スペクトルに影響が出る場合がある。これに対し、被測定物からの光を集光レンズで半導体分光センサまで導く光路に、筐体を設けた分光分析ユニットが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の分光分析ユニットは集光レンズを備えるため、分光分析ユニットが大型化する場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、小型の分光分析ユニットにおいて熱の影響を抑制することを課題とする。

開示の技術の一態様に係る光学装置は、対象物に光を照射する光源と、前記対象物からの反射光を分光する分光器と、前記光源及び前記分光器を収容する筐体と、前記光源を前記筐体の内面に固定する光源固定部材と、前記分光器を前記筐体の内面に固定する分光器固定部材と、を有し、前記光源は、前記光源固定部材を介して、前記光源固定部材が固定された前記筐体の第１内面との間に空隙部を含み、前記第１内面に固定され、前記分光器は、少なくとも４つの開口を備える中空構造の支持枠と、第１の開口の位置に配置される回折格子と、第２の開口の位置に配置され、反射部により前記回折格子による分散光を反射角度可変に反射させる可動部と、前記支持枠内に光を入射させる第３の開口と、前記反射部で反射された光を前記支持枠外に出射させる第４の開口と、を有し、前記分光器固定部材を介して、前記分光器固定部材が固定された前記筐体の第２内面との間に空隙部を含み、前記第２内面に固定されている。

本発明の実施形態によれば、小型の分光分析ユニットにおいて熱の影響を抑制することができる。

実施形態に係る分光器による分光の基本原理を説明する図である。 実施形態に係る可動部の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は可動部の側面図であり、（ｂ）は可動部の平面図である。 実施形態に係る分光器の構成の一例を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は斜視図である。 第１の実施形態に係る分光分析ユニットの構成の一例を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａの方向から分光分析ユニットを見た図であり、（ｃ）は（ａ）の矢印Ｂの方向から分光分析ユニットを見た図である。 第１の実施形態に係る処理部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る処理部が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。 光源固定部材と分光器固定部材の筐体の内面への固定位置を説明する図である。 第２の実施形態に係る分光分析ユニットの構成の一例を説明する図である。 可動部の反射部を周期的に回動させた時の可動光検出器による検出信号の一例を説明する図である。 第２の実施形態に係る処理部が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

実施形態では、光学装置の一例として、分光分析ユニットについて説明する。

尚、各図面において実線の矢印で方向を示す場合があるが、各図面で共通のＸ、Ｙ、及びＺ方向を示すものとする。

＜実施形態に係る分光の基本原理＞
先ず実施形態に係る分光の基本原理を説明する。図１は、実施形態に係る分光器１００による分光の基本原理を説明する図である。

図１に示すように、分光器１００は、入射スリット１と、凹面回折格子２と、可動部３と、出射スリット４とを有する。図中に点線で示す光線４０は、入射スリット１を通って分光器１００の内部に入射して伝搬した後、出射スリット４を通って分光器１００の外部に出射する光線を示している。

入射スリット１は、分光の対象となる光を分光器１００の内部に入射させるための細い矩形の開口であり、ニッケル等で構成された板状の金属基材に形成された矩形の貫通孔である。入射スリット１の短手方向の開口の幅は、一例として数１０～数１００μｍである。

但し、基材の材質は金属に限定されず、樹脂等であってもよい。また入射スリット１は、矩形開口に限定されるものではなく、円形開口のピンホール等であってもよい。

入射スリット１から分光器１００の内部に入射した光は、発散光として凹面回折格子２に入射する。

凹面回折格子２は、金属の凹面ミラーの表面に等間隔の細線が形成された光学素子である。凹面回折格子２は、回折格子による光の分散機能と、凹面ミラーによる反射・集光機能とを兼ね備える。凹面回折格子２は、入射した光を回折して分散させ、分散光を可動部３に向けて集光する。ここで、光の分散とは、入射光が波長ごとに別々に分離する現象をいう。

凹面回折格子２の基材は金属に限定されるものではなく、半導体、ガラス、樹脂等であってもよい。また、凹面回折格子２に形成される細線は、基材上に直接形成されてもよいし、基材上に設けられた薄い樹脂等の層に形成されてもよい。

一方、可動部３は、反射面を備える反射部７が弾性梁部と一体に形成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。

ここで、図２は、可動部３の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は可動部３の側面図であり、（ｂ）は可動部３の平面図である。

可動部３では、反射部７が弾性梁部８を介して基板６に回動可能に支持されている。弾性梁部８はねじりバネの機能を有し、圧電駆動や静電駆動、電磁駆動等の図示しない駆動部から駆動力が加えられることで、反射部７を図２（ｂ）の破線Ａ－Ａ'を軸に、図２（ａ）の一点鎖線の矢印の方向に回動させる。尚、回動は「駆動」の一例である。

反射部７の駆動部を基板６にモノリシックに形成することで、モーター等の外部駆動手段を用いずに反射部７を回動させることができるとともに、可動部３を小型化することができる。

基板６の材質は特に限定はされないが、一例としてＳｉ（シリコン）やガラス等である。基板６にＳｉ等の半導体材料を用いると、半導体製造技術による高精度な微細加工が可能になる。

図１に戻り、可動部３は、凹面回折格子２による分散光を出射スリット４に向けて反射する。可動部３による反射光の反射角度は、反射部７の回動により可変である。

出射スリット４は、凹面回折格子２による分散光の結像位置に配置された細い矩形の開口であり、凹面回折格子２による分散光を分光器１００の外部に出射させる。

ここで、凹面回折格子２による分散光は波長に応じて結像位置が横ずれ（シフト）する。そのため、反射部７での反射角度を変化させることで、出射スリット４を通過する光の波長を変えることができ、これにより分散光のうちの所望の波長の光を、分光器１００から選択的に出射させることができる。

分光器１００から出射された光は、Ｓｉフォトダイオード等の光検出器により検出され、分光分析等が行われる。尚、出射スリット４の材質や形状は、入射スリット１と同様である。

ところで、図１に破線で示されているローランド円５は、凹面回折格子２の凹面の曲率半径を直径とする円である。凹面回折格子２はローランド円５上に外接して配置される。換言すると、凹面回折格子２は、凹面がローランド円５の一部を形成するように配置される。但し、凹面回折格子２の凹面の曲率半径とローランド円の直径は一致するため、完全なローランド円による配置では、凹面回折格子２の凹面とローランド円とは一点のみで交わることになる（図１参照）。

円周上に配置された入射スリット１を介して、光を分光器１００の内部に入射させることにより、凹面回折格子２による分散光の波長毎の光を、全てローランド円の円周上に結像させることができる。

また実施形態では、可動部３の反射部７を回動させて、所望の波長の光を出射スリット４から選択的に出射させるため、反射部７の回動に対応した波長の光が出射スリット４を通過するように、出射スリット４と可動部３の配置が適正化されている。

このような配置は、予め光学シミュレーション等で決定することができる。尚、図１では、出射スリット４をローランド円５上から外れた位置に配置する例を示したが、光学シミュレーション等の結果に応じて、出射スリット４をローランド円５上に配置してもよい。

＜実施形態に係る分光器の構成＞
次に、図３は、実施形態に係る分光器１００の構成の一例を示す図であり、（ａ）は分光器１００の断面図であり、（ｂ）は分光器１００の斜視図である。尚、図１で説明した構成要素と同じ機能を有する要素には図１と同じ番号を付し、重複した説明を省略する。

図３に示すように、分光器１００は、断面が多角形の中空構造の角柱であるフレーム９を有している。フレーム９の材質は特に制限されないが、樹脂や金属、セラミック等である。ここでフレーム９は「支持枠」の一例である。

フレーム９を構成する面の所定の位置には、フレーム９の外部と中空部を連通させる矩形の開口９ａ～９ｄが形成されている。

開口９ａの位置には入射スリット１が配置されている。入射スリット１を通過する光は、開口９ａを介してフレーム９の中空部に入射し、開口９ｂに向かって伝搬する。尚、開口９ａは「第３の開口」の一例である。

入射スリット１は、フレーム９の外側の面に固定されている。この固定方法は、接着剤で固定してもよいし、嵌合やネジ止めによる固定であってもよい。この点は、以下で説明する各開口に配置される光学素子の固定方法でも同様である。

次に、開口９ｂの位置には凹面回折格子２が配置され、凹面回折格子２はフレーム９の外側の面に固定されている。開口９ａに入射した光は、開口９ｂを通過して凹面回折格子２に入射する。凹面回折格子２は、入射した光を回折して分散させ、分散光を開口９ｃに向かって集光させる。尚、開口９ｂは「第１の開口」の一例である。

次に、開口９ｃの位置には可動部３が配置され、可動部３はフレーム９の外側の面に固定されている。凹面回折格子２による分散光は、開口９ｃを通過し、可動部３の反射部７に入射する。尚、開口９ｃは「第２の開口」の一例である。

可動部３の反射部７に入射した光は、反射部７で開口９ｄに向けて反射される。ここで、可動部３の反射部７は図３（ａ）に一点鎖線の矢印の方向に回動するが、反射部７はフレーム９の開口９ｃの領域で回動するため、回動中に反射部７がフレーム９に接触することはない。

また、開口９ｄの位置には出射スリット４が配置され、出射スリット４はフレーム９の外側の面に固定されている。反射部７で反射された光は、開口９ｄを通過し、出射スリット４を介してフレーム９の外部に出射される。尚、開口９ｄは「第４の開口」の一例である。

実施形態では、入射スリット１がローランド円５上に配置されるように位置が調整されて、開口９ａが形成されている。また凹面回折格子２の凹面がローランド円５の円周の一部を形成するように位置が調整されて、開口９ｂが形成されている。このように配置することで、フレーム９に固定される入射スリット１及び凹面回折格子２等の部材の位置や傾きの調整を、容易に行うことができる。

また実施形態では、断面が多角形形状であるフレーム９を用い、多角形の隣接する頂点間を結ぶ直線部が連続的に結合する構成にしている。換言すると、凹面回折格子２や可動部３等の部材を固定するフレーム９の各面を一体に形成している。この構成によりフレーム９等の基材の変形を抑制することができる。

さらに実施形態では、フレーム９の外側の面に各部材を配置し、固定している。そのため、電子部品をプリント基板に表面実装するために用いられるチップマウンター等の装置を、凹面回折格子２や可動部３等の部材の実装に利用することができる。

チップマウンター等の装置を利用することで、実装する部材を高精度にアライメントすることができる。また製作する分光器毎での個体差を抑制することができる。部材が配置される各面には、実装時に部材が傾くことを抑制するために、付き当て部やアライメントマーク等の傾き補正部位が設けられていることが望ましい。

また実施形態では、凹面回折格子２や可動部３等の部材をプリント基板等の一次実装基板（キャリア部材）に実装せず、フレーム９に直接実装する。これにより、一次実装基板同士が干渉して部材の近接配置が制限されることを防止し、また分光器の小型化が制限されることを防止することができる。

実施形態に係る比較例として、各部材をそれぞれ実装した一次実装基板でフレームを形成するように配置して分光器を構成することも考えられるが、この場合は、一次実装基板を精度よく配置することは困難になる。また別々の基板を組合せた構成となるため、剛性が低くなり、変形等が発生して分光器の安定性が損なわれる。

これに対し、実施形態によれば、フレーム９に実装するため、各部材を精度よく配置することができ、分光器の高精度化を図ることができる。また分光器の高剛性化により、分光器の安定性を確保することができる。

このように実施形態では、アライメント精度良く、光学素子を近接して配置することができ、小型の分光器を高精度に実現することができる。

［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態に係る分光分析ユニットについて説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部には同一の番号を付し、説明を省略する場合がある。

＜第１の実施形態に係る分光分析ユニットの構成＞
図４は、本実施形態に係る分光分析ユニット３００の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は分光分析ユニット３００の断面図である。また（ｂ）は（ａ）において矢印Ａの方向から分光分析ユニット３００を見た図であり、（ｃ）は（ａ）において矢印Ｂの方向から分光分析ユニット３００を見た図である。尚、図４（ｂ）及び（ｃ）は、図４（ａ）において、分光分析ユニット３００を破線で示す部分を切断した場合に、矢印Ａ及びＢの方向からみた図である。

分光分析ユニット３００は、窓部５１を有する筐体５０を有し、筐体５０の内部に、光源２０と、光源固定部材２１と、分光部２００と、分光器固定部材２０１とを収容している。

光源２０は、窓部５１を介して、筐体５０の外部にある分光分析の対象物に、光を照射する光源であり、ハロゲンランプやＬＥＤ等を含んで構成されている。光源２０には、対象物に対して適正な波長帯域の光を照射するものが選択されている。

分光部２００は、外側フレーム１０と、分光器１００と、分光検出器１４と、処理部１５とを有し、光源２０から照射された光の対象物からの反射光を、筐体５０の外部から窓部５１を介して入射させ、分光分析を行う機能部である。

外側フレーム１０は、図４に示すように、断面が多角形で、内部に中空部１１を有する角柱である。外側フレーム１０の中空部１１には、分光器１００が配置されている。

分光器１００は、上述したように、入射スリット１と、凹面回折格子２と、可動部３と、出射スリット４と、フレーム９とを有している。中空部１１には、フレーム９の外側の各面に対向する面がそれぞれ形成されている。

図４のＹ方向における外側フレーム１０の両側の側面は開放されているため、開放された側面から中空部１１に分光器１００を挿入し、固定することが可能である。

外側フレーム１０において、中空部１１に配置された分光器１００の入射スリット１に対向する面には、外側フレーム１０の外部と中空部１１とを連通させるテーパ孔１２が形成されている。窓部５１を介して分光部２００に入射される光は、テーパ孔１２を通って入射スリット１に導光される。

テーパ孔１２には、角度θのテーパ角が付けられており、このテーパ角により、分光器１００に入射する光の視野角が決定される。テーパ孔１２は、分光器１００に必要な視野角に応じたテーパ角で形成されている。

また外側フレーム１０において、中空部１１に配置された分光器１００の出射スリット４と対向する面には、外側フレーム１０の外部と中空部１１とを連通させる連通孔１３が形成されている。連通孔１３には、分光検出器１４が挿入され、固定されている。分光器１００の出射スリット４から出射された光は、分光検出器１４に入射される。

分光検出器１４は、Ｓｉ受光素子、Ｇｅ（ゲルマニウム）受光素子、あるいはＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）受光素子等であってもよい。

分光検出器１４は単一画素の受光素子である。また、Ｓｉ受光素子とＧｅ受光素子など複数の検出器を出射スリット４に対向する平面内に並列に配置してもよい。分光検出器１４は、受光強度に応じた電気信号を出力し、出力された電気信号は処理部１５に入力される。

ここで、入射スリット１がローランド円５上に配置され、凹面回折格子２の凹面がローランド円５の円周の一部を形成するように配置される場合、凹面回折格子２で分散された波長毎の光は、全てローランド円５の円周上に結像する。波長毎で光の結像位置が横ずれするため、分散された波長毎の光を一度に受光するには、ラインセンサ等のアレイ型の受光素子が必要となる。

ＧｅやＩｎＧａＡｓ等の受光素子は、単一画素の受光素子であれば比較的安価に入手できるが、アレイ型の受光素子になると非常に高価になる。このように、ローランド円５を利用した配置は、凹面回折格子等の光学素子の配置、調整が容易になるメリットがある一方で、高価な受光素子及び光検出器が必要になるというデメリットがある。

本実施形態では、可動部３の反射部７による反射角度を変化させて、凹面回折格子２で分散された光のうち所望の波長の光を分光器１００から選択的に出射させる。従って、アレイ型の受光素子を使わずに、単一画素の受光素子で分散された波長毎の光を受光することが可能となり、分光スペクトルを得ることができる。

このように、本実施形態では、支持枠を利用した配置により、凹面回折格子等の光学素子の配置、調整が容易となる。また、可動部３により、分光器を単一画素の受光素子を用いて安価に構成することができる。またＳｉ受光素子が受光感度を有する３００ｎｍ程度の短い波長帯域の光から、Ｇｅ受光素子やＩｎＧａＡｓ受光素子が受光感度を有する２０００ｎｍ程度の長い波長帯域の光まで、広い波長帯域での分光分析を行うことができる。

また、様々な分光分析の対象物に対して、光源２０から適正な波長帯域の光を照射することができ、野外等のオンサイトでの分光分析に好適である。

＜第１の実施形態に係る処理部の構成＞
処理部１５は、入力される電気信号に基づき、分光スペクトルを取得する演算を行い、また所望の波長の光を選択的に出射させるために可動部３の反射部７の回動を制御する機能を備える。

図５は、本実施形態に係る処理部１５のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

処理部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５３とを有する。また処理部１５は、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile Memory）１５４と、出力Ｉ／Ｆ（Inter／Face）１５５と、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換回路１５６と、反射駆動回路１５７と、光源駆動回路１５８とを有する。これらは、システムバス１５９を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１５１は、処理部１５の動作を統括的に制御する。またＣＰＵ１５１は、分光検出器１４が出力する電気信号に基づき、分光スペクトルを算出する処理を実行する。

ＣＰＵ１５１は、ＲＡＭ１５３をワークエリア（作業領域）としてＲＯＭ１５２等に格納されたプログラムを実行することで、上述の処理を実行し、後述する各種機能を実現する。尚、ＣＰＵ１５１の有する機能の一部、又は全部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）といったワイヤードロジックによるハードウェアにより実現させてもよい。

ＮＶＲＡＭ１５４は、入力された電気信号データや分光スペクトル等の演算処理結果を記憶する不揮発性のメモリである。出力Ｉ／Ｆ１５５は、ＰＣ（Personal Computer）や映像機器等の外部機器と接続するためのインターフェースである。

Ａ／Ｄ変換回路１５６は、分光検出器１４に電気的に接続され、分光検出器１４が出力するアナログの電気信号を受信して、デジタル信号に変換する電気回路である。

反射駆動回路１５７は、可動部３に電気的に接続され、反射部７の回動する角度を示す電圧、又は電流を可動部３に出力する電気回路である。反射駆動回路１５７から入力される電圧、又は電流に応じて、可動部３の反射部７は所定の角度に回動される。

光源駆動回路１５８は、光源２０に電気的に接続され、照射光の光強度を示す電圧、又は電流を光源２０に出力する電気回路である。光源駆動回路１５８から入力される電圧、又は電流に応じて、光源２０は所定の強度の光を照射する。

次に図６は、本実施形態に係る処理部１５が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。尚、図６に図示される各機能ブロックは概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。各機能ブロックの全部又は一部を、任意の単位で機能的又は物理的に分散・結合して構成してもよい。

処理部１５は、Ａ／Ｄ変換部１６１と、スペクトル取得部１６２と、記憶部１６３と、出力部１６４と、駆動制御部１６５と、反射駆動部１６６と、光源駆動部１６７とを有している。

Ａ／Ｄ変換部１６１は、Ａ／Ｄ変換回路１５６等により実現され、分光検出器１４が出力するアナログの電気信号をデジタル信号に変換し、スペクトル取得部１６２及び記憶部１６３等に出力する。

スペクトル取得部１６２は、ＣＰＵ１５１等により実現され、Ａ／Ｄ変換部１６１が出力したデジタル信号に基づき、分光器１００に入射する光の分光スペクトルを算出する。本実施形態では公知の演算方法を使用可能であるため、ここでは説明を省略する。演算結果は、記憶部１６３及び出力部１６４等に出力される。

記憶部１６３は、ＮＶＲＡＭ１５４等により実現され、スペクトル取得部１６２により取得された分光ペクトル等の分光情報やＡ／Ｄ変換部１６１の出力するデジタル信号データを記憶し、要求に応じてこれらを出力部１６４に出力する。

出力部１６４は、出力Ｉ／Ｆ１５５等により実現され、スペクトル取得部１６２により取得された分光スペクトル等の分光情報やＡ／Ｄ変換部１６１の出力するデジタル信号データをＰＣ（Personal Computer）や映像機器等の外部機器に出力する。

駆動制御部１６５は、ＣＰＵ１５１等により実現され、制御信号を出力して反射駆動部１６６と、光源駆動部１６７とを制御する。

反射駆動部１６６は、反射駆動回路１５７等により実現され、制御信号に応じて電圧、又は電流を可動部３に出力し、所望の反射角度が得られるように反射部７を回動させる。

光源駆動部１６７は、光源駆動回路１５８等により実現され、制御信号に応じて電圧、又は電流を光源２０に出力し、所望の照射光の強度が得られるように光源２０を駆動させる。

尚、処理部１５は、筐体５０の内部に設けられてもよいし、外部に設けられてもよい。

＜光源支持部材及び分光部支持部材の構成＞
次に、光源支持部材及び分光部支持部材の構成を、図４及び図７を参照して説明する。

図４において、光源固定部材２１は屈曲部を有する柱状部材であり、一端の面２１ａが筐体５０の正のＺ方向側の内面５２に固定されている。また光源固定部材２１の他端の面に設けられた挿入部に光源２０が挿入され、固定されている。尚、光源固定部材２１が固定される筐体５０の内面は、正のＺ方向側の内面５２に限定されるものではなく、何れの面であってもよい。また固定は、接着やネジ止め等で行うことができる。

図４（ａ）に示すように、光源固定部材２１が屈曲部を有することで、光源固定部材２１が固定される内面５２と、光源固定部材２１に固定される光源２０との間に、空隙部２１ｂが形成されている。つまり光源２０は、光源固定部材２１を介して、光源固定部材２１が固定された筐体５０の内面５２との間に空隙部２１ｂを含み、内面５２に固定されている。尚、内面５２は「第１内面」の一例である。

一方、分光器固定部材２０１も屈曲部を有する柱状部材であり、一端の面２０１ａが筐体５０の負のＹ方向側の内面５３に固定されている。また分光器固定部材２０１の他端の面２０１ｂに分光器１００を含む分光部２００が固定されている。分光器固定部材２０１は分光部２００を介して分光器１００を固定している。

尚、分光器固定部材２０１が固定される筐体５０の内面は、負のＹ方向側の内面５３に限定されるものではなく、何れの面であってもよい。また上述と同様に、固定は、接着やネジ止め等で行うことができる。

図４（ｃ）に示すように、分光器固定部材２０１が屈曲部を有することで、分光器固定部材２０１が固定される内面５３と、分光器固定部材２０１に固定される分光器１００との間に、空隙部２０１ｃが形成されている。つまり分光器１００は、分光器固定部材２０１を介して、分光器固定部材２０１が固定された筐体５０の内面５３との間に空隙部２０１ｃを含み、内面５３に固定されている。尚、内面５３は「第２内面」の一例である。

ここで、分光器と光源を同じ筐体内に収容する場合、光源の発熱が筐体を通じて分光器に伝熱され、凹面回折格子や可動部、フレーム等が熱変形することで、分光分析精度が低下する場合がある。

分光分析精度の低下を防ぐために分光器と光源との間の距離を長くして伝熱を抑制することも考えられるが、この方法では、距離を長くする分、分光分析ユニットが大型化する場合がある。また分光器と光源との間の距離を長くすることに伴い、光源から対象物までの光路や対象物から分光器までの光路に導光光学系が必要になり、導光光学系内での多重反射による光量低下が分光分析精度を低下させる場合がある。

これに対し、本実施形態では、筐体５０の内面５２との間に空隙部２１ｂを含み、光源２０を内面５２に固定し、筐体５０の内面５３との間に空隙部２０１ｃを含み、分光器１００を内面５３に固定する。筐体の内面との間に空隙部を含むため、光源２０と分光器１００間の伝熱経路を長くし熱抵抗を高くすることができる。これにより、光源２０で生じる熱が分光器１００に伝熱されることを抑制することができる。また分光器１００と光源２０との間の距離を長くしないため、分光分析ユニットが大型化することもなく、また導光光学系での多重反射による光量低下で分光分析精度が低下することもない。

このようにして、小型の分光分析ユニットにおいて、分光分析に対する熱の影響を抑制し、分光分析精度を確保することができる。

一方、光源固定部材２１と分光器固定部材２０１は、筐体５０の空間中心に対して対称となる位置で、筐体５０の内面に固定されていてもよい。ここで、空間中心とは筐体５０を構成する立方体の中心位置をいう。

図７は、光源固定部材２１と分光器固定部材２０１の筐体５０の内面への固定位置を説明する図である。

図７において、空間中心５４は筐体５０の空間中心を示している。固定位置５５ａは、光源固定部材２１の一端の面２１ａが筐体５０の内面に固定される位置の一例を示し、固定位置５５ｂは、分光器固定部材２０１の一端の面２０１ａが筐体５０の内面に固定される位置の一例を示している。固定位置５５ａと固定位置５５ｂは空間中心５４に対して対称な位置である。

また固定位置５６ａは、光源固定部材２１の一端の面２１ａが筐体５０の内面に固定される位置の他の例を示し、固定位置５６ｂは、分光器固定部材２０１の一端の面２０１ａが筐体５０の内面に固定される位置の他の例を示している。固定位置５６ａと固定位置５６ｂも空間中心５４に対して対称な位置である。

このように光源固定部材２１と分光器固定部材２０１を、筐体５０の空間中心に対して対称となる位置で筐体５０の内面に固定することで、光源２０の発熱の筐体５０を介した伝熱経路において最も離間した位置に分光器１００を配置することができる。これにより光源２０の発熱が分光器１００に伝熱されることをさらに抑制して、分光分析精度を確保することができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る分光分析ユニットを、図８を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する。

図８は、本実施形態に係る分光分析ユニット３００ａの構成の一例を説明する図である。分光分析ユニット３００ａは、光源導光孔２２Ａが形成された光源固定部材２３と、可動部導光孔２２Ｂ及び検出器固定孔１６が形成された外側フレーム１０ａを備える分光部２００ａとを有している。

光源導光孔２２Ａは、光源固定部材２３に形成され、光源固定部材２３の挿入部と光源固定部材２３の外部とを連通させる孔であり、光源２０から射出される光の一部を分光部２００ａに向けて導光する孔である。

また可動部導光孔２２Ｂは、外側フレーム１０ａに形成され、中空部１１と外側フレーム１０ａの外部とを連通させる孔であり、光源導光孔２２Ａを通過した光源２０からの光を可動部３の反射部７に導光する孔である。可動部導光孔２２Ｂは、光源導光孔２２Ａを通過した光源２０からの光を、反射部７の凹面回折格子２による分散光が入射する面とは反対側の面（裏面）に入射させるように導光する。

ここで、光源導光孔２２Ａ及び可動部導光孔２２Ｂから構成される導光部２２は、「光源から射出される光の一部を可動部に導光する導光部」の一例である。

一方、検出器固定孔１６は、外側フレーム１０ａに形成され、中空部１１と外側フレーム１０ａの外部とを連通させる孔であり、可動光検出器１７が挿入され固定される孔である。光源導光孔２２Ａを通過し、反射部７で反射された光は、検出器固定孔１６を通過して可動光検出器１７に入射され、可動光検出器１７は入射光を検出する。

反射部７の裏面で反射された光を可動光検出器１７が検出できるのであれば、反射部７の裏面には、必ずしもアルミニウム等の反射面が形成されていなくてもよい。

可動光検出器１７は、ＰＤ（フォトダイオード；Photo Diode）等の光検出器であり、受光した光強度を示す検出信号を出力する。可動光検出器１７は処理部１５ａに電気的に接続され、可動光検出器１７による検出信号は処理部１５ａに入力される。

反射部７を周期的に回動させると、光源２０からの光の反射部７の裏面による反射光が回動方向に走査され、可動光検出器１７上を光が通過する瞬間に光強度を示す検出信号が得られる。

ここで、図９は、可動部３の反射部７を周期的に回動させた時の可動光検出器１７による検出信号の一例を説明する図である。図９の横軸は時間を示し、縦軸は可動光検出器１７による検出信号を示している。

反射部７は周期的に往復回動（搖動、又は振動）するため、走査光は１周期の回動で、往きと帰りの２回、可動光検出器１７上を通過する。図９の時刻Ｔ１において、時間間隔Ｔｄで検出されている２つの信号は、反射部７の回動の往きと帰りで走査光が可動光検出器１７上を通過した時の信号である。２つの信号のうち、往きの信号が１つ目の信号であり、帰りの信号が２つ目の信号である。

時刻Ｔ２では、次の周期において、反射部７の回動の往きと帰りで走査光が可動光検出器１７上を通過した時の２つの検出信号が得られている。ここで時間間隔Ｔｓは、１周期目の帰りの信号から２周期目の往きの信号までの時間間隔である。

尚、この例では、反射部７が最大振幅近くまで回動した時に、走査光が可動光検出器１７上を通過するように設定されているため、時間間隔Ｔｄは回動周期Ｔに対して短くなっている。しかしこれに限定されるものではなく、反射部７の回動に対し、走査光が可動光検出器１７上を通過するタイミングは、検出器固定孔１６を設ける位置により、任意に調整してもよい。

ここで、反射部７の回動が一定の周期で行われないと、凹面回折格子２による分散光の走査が不安定になり、分光分析の精度が低下する場合がある。

そのため本実施形態では、図９の示す検出信号において、時間間隔Ｔｄ及び時間間隔Ｔｓの少なくとも１つが一定の時間間隔になるように、検出信号に基づき、反射部７の回動を制御している。

次に図１０は、本実施形態に係る処理部１５ａが有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。

処理部１５ａは、Ａ／Ｄ変換部１６１ａと、駆動制御部１６５ａとを有している。

Ａ／Ｄ変換部１６１ａは、分光検出器１４の検出信号をＡ／Ｄ変換してスペクトル取得部１６２に出力するとともに、可動光検出器１７の検出信号をＡ／Ｄ変換して駆動制御部１６５ａに出力する。

駆動制御部１６５ａは、Ａ／Ｄ変換された可動光検出器１７の検出信号に基づいて、反射駆動部１６６を介して反射部７の回動を制御する。ここで、駆動制御部１６５ａは、「制御部」の一例である。

駆動制御部１６５ａによる制御は、反射駆動部１６６から可動部３に印加する電流、又は電圧を増減させ、反射部７の回動角度を変化させる制御である。駆動制御部１６５ａは、反射部７の回動中に、可動光検出器１７の検出信号に基づいて、可動部３に印加する電流、又は電圧を実時間で制御してもよい。或いは、反射部７の回動周期を校正する目的で、駆動制御部１６５ａは、分光分析ユニット３００ａを動作させる前に、可動光検出器１７の検出信号に基づいて、可動部３に印加する電流、又は電圧を調整するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態では、反射部７の回動を検出し、処理部１５ａは検出信号に基づいて反射部７が一定周期で回動するように制御する。これにより、分光分析精度を確保することができる。

また本実施形態では、光源２０の射出する光の一部を可動部３の反射部７に導光するための導光部を備え、反射部７からの反射光を可動光検出器１７で検出して、反射部７の回動を検出する。反射部７の回動を検出するための光源を別途追加しないため、分光分析ユニット３００ａの大型化、及びコスト増大を招くことなく、分光分析精度を確保することができる。

さらに本実施形態では、光源２０の射出する光の一部を、反射部７の凹面回折格子２による分散光が入射する面とは反対側の面（裏面）に入射させるように導光する。凹面回折格子２による分散光の入射面を利用しないため、簡単な構成で、また光源２０と分光部２００ａを近接させた配置で、反射部７の回動を検出することができる。

尚、光源２０と可動部３の間の光路に矩形スリット等の細隙部材を設けてもよい。細隙部材を通過させることで、光源２０からの光を所望の形状に整形することができ、これにより可動光検出器１７による検出信号のなまり等を低減させることができる。

以上、本発明の実施形態に係る例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 入射スリット
２ 凹面回折格子（回折格子の一例）
３ 可動部
４ 出射スリット
５ ローランド円
６ 基板
７ 反射部
８ 弾性梁部
９ フレーム
９ａ 開口（第３の開口の一例）
９ｂ 開口（第１の開口の一例）
９ｃ 開口（第２の開口の一例）
９ｄ 開口（第４の開口の一例）
１０ 外側フレーム
１１ 中空部
１２ テーパ孔
１３ 連通孔
１４ 分光検出器
１５、１５ａ 処理部
１６ 検出器固定孔
１７ 可動光検出器
２０ 光源
２１、２３ 光源固定部材
２２ 導光部
２２Ａ 光源導光孔
２２Ｂ 可動部導光孔
５２ 内面（第１内面の一例）
５３ 内面（第２内面の一例）
１００ 分光器
１６２ スペクトル取得部
１６５ 駆動制御部
１６５ａ 駆動制御部（制御部の一例）
１６６ 反射駆動部
１６７ 光源駆動部
２００、２００ａ 分光部
２０１ 分光器固定部材
３００、３００ａ 分光分析ユニット（光学装置の一例）

特開２０１８－０２５４９５号公報

Claims (7)

1. 対象物に光を照射する光源と、
   前記対象物からの反射光を分光する分光器と、
   前記光源及び前記分光器を収容する筐体と、
   前記光源を前記筐体の内面に固定する光源固定部材と、
   前記分光器を前記筐体の内面に固定する分光器固定部材と、を有し、
   前記光源は、前記光源固定部材を介して、前記光源固定部材が固定された前記筐体の第１内面との間に空隙部を含み、前記第１内面に固定され、
   前記分光器は、
   少なくとも４つの開口を備える中空構造の支持枠と、
   第１の開口の位置に配置される回折格子と、
   第２の開口の位置に配置され、反射部により前記回折格子による分散光を反射角度可変に反射させる可動部と、
   前記支持枠内に光を入射させる第３の開口と、
   前記反射部で反射された光を前記支持枠外に出射させる第４の開口と、を有し、
   前記分光器固定部材を介して、前記分光器固定部材が固定された前記筐体の第２内面との間に空隙部を含み、前記第２内面に固定されている
   光学装置。
2. 前記分光器により分光された光を検出する分光検出器と、
   前記分光検出器の検出信号に基づき取得された分光情報を出力する出力部と、を有する請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光源固定部材及び前記分光器固定部材は、それぞれ屈曲部を含む部材である
   請求項１、又は２に記載の光学装置。
4. 前記光源固定部材と前記分光器固定部材は、前記筐体の空間中心に対して対称となる位置で、前記筐体の内面に固定されている
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学装置。
5. 前記回折格子は、凹面回折格子である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学装置。
6. 前記光源から射出される光の一部を前記反射部に導光する導光部と、
   前記導光部により導光された光の前記反射部による反射光を検出する可動光検出器と、
   前記可動光検出器の検出信号に基づき、前記反射部の駆動を制御する制御部と、を有する
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学装置。
7. 前記導光部は、前記光源から射出される光の一部を、前記反射部の前記分散光を反射させる面とは反対側の面に導光する
   請求項６に記載の光学装置。

Images