JPH0617054Y2 - 光伝送体を備えた積分球 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、試料の光に関する特性、例えば反射率や色
などを知るために試料の反射光を測定する際に用いられ
る積分球に関し、特に試料の反射率（あるいは反射量）
を測定するときの測定範囲を拡大した光伝送体を備えた
積分球に関する。

（従来の技術） 第４図は従来の積分球の断面とその積分球を用いた反射
率測定のための構成を示す図である。

白色光源２０から出力される光のなかから分光器２１に
より所望の波長の光のみが選択される。選択された光は
コリメータレンズ２２で平行光にされ、積分球７にその
入射開口７ａより照射される。

入射開口７ａより照射された光は反射開口７ｂに取り付
けられた標準反射材９により反射される。この標準反射
材９は第５図に示すように拡散反射性を有する硫酸バリ
ューム９ａを塗布した金属板９ｂからなり、硫酸バリュ
ーム９ａを塗布した金属面は細かい凸凹を有し、その金
属面からの拡散反射は図の反射分布曲線に示すような分
布を呈する。標準反射材９の反射率は約９９％である。

積分球７は空洞を有し、その内壁には図示していないが
反射効率をよくするために硫酸バリューム９ａが塗布さ
れている。標準反射材９が反射した反射光（これは拡散
反射であるがここでは単に反射光と言う）は内壁で多重
に反射（以下、この反射を拡散反射と言う）を繰り返
し、受光器１０に入射される（ここでは、受光器１０に
入射された光を積分光と言う）。

受光器１０が積分光のパワーを電気量に変換にする。

指示装置１１は受光器１０からの電気量をもとに標準反
射材９からの反射光のパワーを指示する。

今、反射開口７ｂに標準反射材９を設置したときの指示
装置１１の指示をＡとし、試料９を設置したときの指示
をＢとすると、試料９の反射率ηは（Ｂ／Ａ）×１００
（単位：％）で求められる。

積分球７において、この反射率ηを測定できる範囲を決
める要素となるものの１つに入射開口７ａ、反射開口７
ｂおよび受光開口７ｃ、の各開口の大きさと積分球の大
きさの関係があった。積分球７内で各開口の面積だけ光
は拡散反射することができず、反射率測定などの測定精
度が悪化する原因となる。したがって、積分球の大きさ
（これを内径２Ｒで表わす）、あるいは内壁の面積に対
して受光開口７ｃ及び入射開口７ａの開口径（内径２ｒ
で表わす）あるいは面積がもつ関係（ｒ／Ｒ）が小さい
程、測定精度が良くなる。

ここで、受光開口７ｃの面積は受光器１０そのものの面
積により決まる。一方、積分球７の内径２Ｒを大きくす
ると、入射開口７ａと反射開口７ｂの間の距離が長くな
り、入射光の全てを狭い反射開口７ｂに集光させるのが
困難になる。なぜなら、入射光はコリメータレンズ２２
で平行光にさせられているとはいえ、完全な平行光では
ないことによる。完全な平行光にするのも困難である。
また、受光器１０を大きくし光量を多く得ようとする
と、受光器１０を大きくしたことによる測定精度を損な
わないようにするため、積分球の内径２Ｒを大きくしな
ければならない。再び、入射光の全てを反射開口７ｂに
集光させることが問題になる。

このようなことから、積分球７としてはその内径２Ｒが
５０〜７０mmのものが用いられ、ｒ／Ｒとしては約１／
５のものが多かったから、十分な測定精度が得られてい
るとは言えなかったなかった。

さらに、一般的にいって白色光源２０は波長単位あたり
のパワーが少ないため、白色光源２０から選択されたと
き所望の波長の光パワーが少なくなる。このことが反射
率ηの測定範囲を狭くしている１つの要因であった。所
望の波長における光パワーの大きいレーザダイオードを
光源として用い、さらにコリメータレンズ２２で平行光
にして入射開口７ａより照射させれば光パワーは確保で
きる。しかし、反射率ηの波長に対する特性（以下、波
長特性と言う）を測定する場合には、複数のレーザダイ
オードとそれらの光源毎に対応するコリメータレンズ２
２とを備え、かつこれらのコリメータレンズ２２からく
る平行光を切換て積分球７内の試料９に正確に照射され
る必要がある。このような光学系の構成は膨大、かつ高
価であるという問題のうえ、前記した積分球７自体のｒ
／Ｒに起因する測定精度に関する問題も残されたままで
ある。

一方、実開昭60-165823号に示される従来技術があっ
た。その要旨は「光源からの照射光を拡散させて試料に
照射する積分球であって、該積分球内に、試料からの反
射光を受光して外部へ伝送する光伝送体を挿入装備して
なることを特徴とする積分球」である。この積分球にお
いても、反射開口や入射開口などの各開口と積分球の大
きさからくる測定精度の問題は考慮されていない。ちな
みに、各開口の中でも大きくなるであろうと考えられる
入射開口（実開昭60-165823号の中の説明における「天
窓１１」に該当）は従来技術同様であるし、また、この
考案においては入射光を試料に集光させてはいない。こ
の状態で入射光を試料に集光させるには入射開口は相当
大きくなってしまう。この先例において前記例で説明し
たように、平行光で照射させた方が入射開口を狭くする
ことが可能であろうが、そのような考慮さえしていな
い。

（考案が解決しようとする課題） 上記のように従来の技術においては、積分球７および光
源の両面から、反射率の測定範囲を拡大する事が困難で
あるという問題点があった。例えば、従来技術で測定で
きる反射率ηは１％が限度で、これを０．１％とするこ
とはできなかった。

さらに、実開昭60-165823号における従来の技術では、
積分球内において、試料からの反射光を外部へ伝送する
光伝送体と光源からのハイパワーの入射光との直接的な
光結合について考慮されていない。この光結合の量はそ
のまま測定の際の雑音とみなされるので測定範囲を狭く
する原因と考えられる。

上記の従来の技術を用いて反射率ηを測定すると、反射
率ηは１％が下限の測定限界であった。つまり、１％の
反射率ηを測定するときの測定系の信号対雑音比が約Ｏ
ｄＢであった。

特に最近、反射率ηの非常に低い黒色吸収体等が得られ
るようになり、このような黒色吸収体等を測定するには
従来の技術のものでは測定ができないという問題点があ
った。

この考案の目的は上記問題点を解決するため、光源から
直接に光ファイバなどの光伝送体で光を積分球内に導入
できるように構成できれば積分球の径が大きくても入射
開口７ａから反射開口７ｂへ確実に全ての光を導けるだ
ろうということ、同時にレーザダイオードから直接に光
伝送体で光を積分球内に導入できれば波長単位のパワー
の高い光が得られ、しかもその構成が簡易であろうとい
うこと等を考慮し、反射率ηが０．１％以下というもの
まで精度良く測定でき、かつその波長特性を簡易に測定
できる積分球を提供することにある。

このためには、積分球のｒ／Ｒとしては約１／１０以下
のものが要求されるところであろう。

（課題を解決するための手段） 本考案では上記目的を達成するための手段として、積分
球内に第１の開口（入射開口７ａ）から第３の開口（反
射開口７ｂであって測定の対象である試料を置くとこ
ろ）の極近くまで光を導入する光ファイバなどの光伝送
体を備え、その端面から照射される光を試料が反射し、
試料が反射する反射光を積分球の内壁で拡散反射し、そ
の拡散光を第２の開口（受光開口７ｃ）から取り出す構
造とした。この際、光伝送体の側面を遮蔽部材で被覆
し、光伝送体の側面と空洞内との光結合を防止しする構
造とするとよりよい。

（作用） 本考案では、例えばレーザダイオード等の波長単位あた
り高いパワーを有する光源から、第１の開口（入射開口
７ａ）の光伝送体で確実に第３の開口（反射開口７ｂ）
まで光を導けるので、第２の開口（受光開口７ｃ）を大
きくしなくても積分球の径を大きくできる。したがっ
て、測定範囲を拡大できるとともに、簡易な構成で反射
率η及びその波長特性を高精度で測定できる。

遮蔽部材により、光伝送体の側面と空洞内との光結合を
防止でき、この点からも測定範囲を拡大できる。

（実施例） 第１図は本考案（請求項１及び２に係る）の実施例の構
成を示す図である。この図で第４図と同一の符号を付し
たものは同一の機能を示す。また、従来技術の説明で用
いた用語はここの説明でも同一の意味を有する。

この実施例では、第１の開口、第２の開口及び第３の開
口は入射開口７ａ、受光開口７ｃ及び反射開口７ｂに該
当する。

ＬＤ光源１から４は波長の異なるレーザダイオードで構
成された光源である。光切換器５は前記ＬＤ光源１から
４と光ファイバ６で接続され、その中から所望の波長の
光を選択するためのものである。光ファイバ６は光伝送
体として用いられ、前記光切換器５で選択された所望の
波長の光を直接に積分球７へ導き、反射開口７ｂは（あ
るいは試料９）の極近くでその端面からの光の全てをほ
ぼ平行光に近い状態で照射させる。光ファイバ６の端面
と試料９との間隔は試料９に届く端面からの光がほぼ平
行光の状態を維持する範囲で、長い距離が選ばれてい
る。なお、光伝送体としては光ファイバ６の外に、ガラ
ス系の導波路、高分子系の導波路（ポリウレタン，エオ
キシ等）、カルコゲナイロ非晶質薄膜導波路又はLiNbO₃
導波路等がある。遮蔽部材８は積分球７内で光が光ファ
イバ６の側面からリークし、測定誤差となるのを防止す
るためのものである。なお、積分球７内の光パワーと光
ファイバ６内の光パワーの差は非常に大であり、互いの
リークが測定精度に及ぼす影響も大である。遮蔽部材８
と光ファイバ６の構造を拡大した図を第２図に示す。こ
の例では、積分球７内における光ファイバ６として、そ
の素線６ａのみを用いている。遮蔽部材８は金属筒８ａ
及びそれに拡散性塗料として塗布された硫酸バリューム
８ｂ（これは第５図における硫酸バリューム９ａと同一
ものである）からなる。金属筒８ａは光ファイバ６の素
線６ａを保持し、かつ素線６ａの側面から空洞への光の
リークを防止し、硫酸バリューム８ｂは積分球７の内壁
の作用と同様に拡散反射を行なわせるためのものであ
る。

また、積分球７内で素線６ａを用いたのは第２図におけ
る素線６ａと金属筒８ａを含めた端面の面積を小さくす
るためである。これは、標準反射材又は試料９からの反
射光は第５図に示すような拡散反射分布をしているた
め、できるだけこの反射光を受けないようにするためで
ある。この影響は従来技術（第４図参照）がその入射開
口７ａで受けていた影響に比し無視できるオーダである
といえる。

その外の構造、機能および動作は従来の技術で説明した
ものと同じであるが、動作において、この実施例ではＬ
Ｄ光源１から４を切換えながらそれぞれの波長における
反射率を測定している。

上記のように光ファイバ６を積分球７内の試料９の近傍
まで延在させて、光ファイバ６で光を積分球７内に導い
たことから、各開口の大きさに影響することなく積分球
７の大きさを内径で約１５０mmにすることができる。こ
の結果、ｒ／Ｒを１／１０以下に小さくできることから
積分球７としての効率がよくなる。また、簡易な構成で
高いパワーを有するＬＤ光源（１から４）からの光を直
接利用できることができる。このようなことから反射率
ηの測定範囲を拡大することができる。

実験結果の一例を第３図に示す。第３図は、ＬＤ光源
（１から４）からの光を光切換器５で順次切換て反射率
ηを測定し、波長を横軸にその反射率ηを縦軸にプロッ
トして線で結んだものである。この際の測定対象である
試料は、金黒と呼ばれるアモルファス状の金の吸収体
と、ニッケル・リン合金に表面処理を施した吸収体とで
ある。この第３図から少なくとも０．１％のオーダで測
定できることが明かである。

また、上記実施例において、第２の開口に第１の開口に
設けた光ファイバ６と同じものを設け、ＬＤ光源１から
４および受光器１０側と積分球７側とをこの光ファイバ
６で直接に結ぶことにより、光の入射及び光の取り出し
を第１の開口又は第２の開口のいずれに設定しても行な
える。この場合は、この考案の効果が現われる。

（考案の効果） この考案では上記説明のように、光ファイバなどの光伝
送体で光源から直接に積分球内の試料の近傍に光を導入
できるように構成したことから、他の開口を変えること
なく積分球の径を大きくすることができるので、積分球
に起因する測定精度を改善できる効果がある。

さらに、光伝送体の外側壁面に遮蔽部材を備えられるよ
うにしたことからしても、測定精度を改善できる効果が
ある。

また、レーザダイオードからの高いパワーの光を光伝送
体で直接に試料に照射できるので、この点からも測定精
度を改善でき、それも簡易な構成でできる効果がある。

特に、複数のレーザダイオードと積分球を備えて反射率
の波長特性を測定するためのシステムを構成した場合に
おいては、格別に、測定精度を改善し、かつ構成規模の
簡易化を図れる効果がある。

精度に関しては、反射率ηが０．１％以下のものでも高
精度に測定できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例の構成を示す図、第２図は遮
蔽部材と光ファイバの構造を拡大した図、第３図は実験
の結果の一例を示す図、第４図は積分球とその積分球を
用いた反射率測定のための構成を示す図、第５図は標準
反射材の構造および拡散反射分布を示す図である。 図中の、１，２，３，４はＬＤ光源、５は光切換器、６
は光ファイバ、６ａは素線、７ａは入射開口（第１の開
口）、７ｂは反射開口（第３の開口）、７ｃは受光開口
（第２の開口）、８は遮蔽部材、８ａは金属筒、８ｂ，
９ａは硫酸バリューム、９は標準反射材又は試料、９ｂ
は金属板、１０は受光器、１１は指示装置、２０は白色
光源、２１は分光器、２２はコリメータレンズである。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】球状の内壁に囲まれた空洞を有し、第１，
   第２の開口（７ａ，７ｃ）および試料を取り付け可能に
   された第３の開口（７ｂ）を備えて、前記第１の開口か
   ら前記試料に対して照射された光に対する前記試料から
   の反射光を拡散反射し、拡散反射された拡散光を前記第
   ２の開口より取り出すようにされた積分球において、 前記第１の開口を介して前記内壁を貫通して第３の開口
   の近傍まで延在し、かつその端面から前記試料に光を照
   射するように配置された光伝送体（６）を備え、前記球
   状の内壁の面積に対する前記第１の開口の面積の比を小
   さくできることを特徴とする光伝送体を備えた積分球。
2. 【請求項２】空洞内の光伝送体の外側面を被覆するため
   の遮蔽部材（８）を設け、前記光伝送体内の光が前記光
   伝送体の外側面から前記空洞内へ入るのを遮断するよう
   にしたことを特徴とする請求項(1)記載の光伝送体を備
   えた積分球。