JPH09292278A

JPH09292278A - 光スペクトル測定装置

Info

Publication number: JPH09292278A
Application number: JP8109604A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwasaki; 隆志岩崎
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-11-11
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: US5825484A; JP3255009B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光検出器の飽和を逆バイアス電圧の印加によ
って回避し、光スペクトルを正確に測定可能にする。【解決手段】上記制御部６による制御下で上記光検出
器３の飽和回避のための逆バイアス電圧を該光検出器３
に印加する電圧印加手段８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光源が出射する
光の光スペクトル特性を測定する光スペクトル測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の光スペクトル測定装置を示
すブロック接続図であり、同図において、１は光源、２
はこの光源１の出射光から、特定波長成分の光を選択し
て取り出す分光器、３はこの分光器２によって得られた
特定波長成分の光を受けて、この光の光強度に応じた電
気信号を得る光検出器であり、一般に、フォトダイオー
ドが用いられる。

【０００３】また、４は光検出器３が出力する信号を、
次段のアナログ／ディジタル変換器の入力に適した電圧
まで増幅する増幅回路、５はこの増幅回路の出力信号を
ディジタル信号に変換する上記のアナログ／ディジタル
変換器（以下Ａ／Ｄ変換器という）である。

【０００４】さらに、６は制御部であり、これが上記分
光器２の通過波長を可変制御し、上記Ａ／Ｄ変換器５か
ら得られた光強度信号から波長―光強度特性を得るとと
もに、上記通過波長に基づく上記光強度の低減を補償す
るように上記増幅回路４の増幅率を制御するように機能
する。

【０００５】また、７は表示部であり、これが制御部６
の制御下で分光器２の通過波長を掃引しながら繰り返し
得た波長―光強度特性を光スペクトルとして表示する。

【０００６】次に動作について説明する。まず、光源１
からの出射光１Ａは分光器２に入力され、この分光器２
ではその出射光のうち特定波長成分の出射光２Ａのみを
取り出して光検出器３へ入射する。

【０００７】この光検出器３では、この入射光を受け
て、これをその光強度に比例した電気信号に変換し、こ
の電気信号を、増幅回路４によってその後段のＡ／Ｄ変
換器５の入力に適した電圧まで増幅する。そして、上記
Ａ／Ｄ変換器５はその増幅回路４の出力を後述の制御処
理に都合のよいディジタル信号に変換する。

【０００８】一方、上記制御部６は分光器２の回折格子
の回転を制御してこれによる通過波長を可変し、出射光
２Ａの光強度に応じた信号をＡ／Ｄ変換器５よりディジ
タル信号に変換し、これを掃引しながら取り込んで、波
長―光強度特性を求め、これを光スペクトルとして表示
部７に表示させる。

【０００９】また、上記制御部６は上記通過波長に基づ
く上記光強度の低下を補償するように、上記増幅回路４
の増幅率を制御する。

【００１０】図５はツェルニー・ターナー形分光器とい
われる上記分光器２の内部構成を示す概念図であり、同
図において、２１は縦長のスリット２１ａを有する入口
スリット板、２２はそのスリット２１ａの通過光を平行
光に反射変換する凹面鏡である。

【００１１】また、２３はその平行光を受けて、回転角
度によって決まる特定の波長成分だけの回折光を反射出
力する回折格子である。この回折格子２３は縦方向に多
数の溝が設けられており、これらの溝に平行な軸を中心
としてモータなどの回転機構２３Ａにより、所定の角度
に回転可能とされている。

【００１２】さらに、２４は上記回折格子２３からの回
折光を受けて、これを出口スリット板２５へ反射して結
像させる凹面鏡である。この出口スリット板２５はこれ
に設けられた縦長のスリット２５ａの横幅の範囲にある
波長成分のみを通過させて、これを上記分光器２の出射
光２Ａとするものである。

【００１３】かかる構成になる分光器２では、光源１か
らの出射光１Ａを入口スリット板２１に入射すると、ス
リット２１ａを通過した光のみが凹面鏡２２に入射され
て、ここで平行光に変換される。

【００１４】そして、この平行光は回折格子２３に入射
されて、回転機構２３Ａによって可変となるこの回折格
子２３の角度によって決まる特定の波長成分の回折光の
みが凹面鏡２４へ反射入力される。このため、この凹面
鏡２４は回折光を出口スリット板２５上に結像させる。

【００１５】このため、その出力スリット板２５のスリ
ット２５ａの横幅に対応する波長成分の光のみそのスリ
ット２５ａを通過し、分光器２の上記出射光２Ａとな
る。

【００１６】ところで、上記分光器２の波長―透過率特
性は、横軸を分光器２の通過波長、縦軸をその通過波長
に対する透過率とすると、例えば図６に示すように、分
光器２の透過率は通過波長により異なる。これは、回折
格子２３の反射率が波長により異なるためである。例え
ば、測定波長４００ｎｍでは、透過率が１０％以下に減
衰してしまうので、上記光源１の光は測定波長４００ｎ
ｍで出射光２Ａが１０％以下に減衰するところから、測
定光強度を補正しなければならない。

【００１７】このように、分光器２は図６に示した特性
があるため、図４の光スペクトル測定装置では、次に示
される解決手段を採用している。すなわち、制御部６に
分光器２の各波長毎の透過率を予め記憶させておく。そ
して、光を測定するときは、各波長毎の光強度の測定値
に対し、上記の記憶された透過率に基づいて補正処理を
施した後、表示部７に表示させる。

【００１８】また、測定波長によっては、出射光２Ａの
光強度が著しく低減するため、増幅回路４の出力電圧が
Ａ／Ｄ変換器５の入力に適した電圧範囲内にならない場
合があり、このため、制御部６は増幅回路４の増幅率を
適正に制御するように動作する。

【００１９】この増幅率の制御方法としては、各設定波
長点毎に増幅回路４の増幅率を設定する第１の方法が考
えられる。すなわち、この第１の方法ではＡ／Ｄ変換器
５により波長毎の光強度をまず測定し、この測定値が適
切な範囲内にあるかどうかを制御部６にて判定する。

【００２０】ここで、測定値が適切な範囲内にないと判
定された場合には、適切な範囲内に収まるように増幅回
路４の増幅率を修正する。この後は、Ａ／Ｄ変換器５に
より上記のような通常の手順で通過光強度を測定し、こ
の手順を全測定波長点に対して実行する。

【００２１】この第１の方法によれば、すべての測定波
長点に対し、増幅回路４の増幅率を適切に設定すること
ができるので、測定できる光強度範囲が広くなる。

【００２２】しかし、各波長点毎に、回折格子２３の回
転角度を制動しなければならないため、測定波長帯が広
くなると測定に時間がかかり、この測定時間は、実機で
は、例えば図６に示す測定波長帯では約１０秒要する。

【００２３】一方、かかる測定時間を短縮する方法とし
て、増幅回路４の増幅率を固定する第２の方法がある。
この第２の方法では、まず、測定しようとする光強度範
囲を予め定めておく。次に、光強度の最大値に対して、
Ａ／Ｄ変換器５に入力される電圧が適切な範囲の上限と
なるように、増幅回路４の増幅率を測定前に設定する。

【００２４】この場合においては、分光器２の透過率は
波長により異なるため、測定波長範囲内で透過率が最大
となる波長に対して増幅率が適切となるよう設定してお
く。

【００２５】この第２の方法によれば、各波長点毎にＡ
／Ｄ変換器５の出力が適切な範囲であるか否かを判定す
る必要がなく、測定中に増幅回路４の増幅率は変更され
ない。このため、回折格子２３を一定速度で回転させて
測定でき、上記第１の方法に比べて測定時間が短縮され
るという利点がある。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
光スペクトル測定装置にあっては、分光器２の出射光を
電気信号に変換する光検出器３として上記のようなフォ
トダイオードが用いられ、このフォトダイオードの入力
光強度に対する出力電流の関係が図７の特性曲線Ｐのよ
うに変化するところから、入力光の強度が一定のレベル
以上になると、出力電流は飽和し、結果的に光スペクト
ルの光強度を正しく測定できなくなるという課題があっ
た。

【００２７】一方、上記のように増幅回路４の増幅率を
固定とする場合は、波長により分光器２の透過率が異な
るため、ある波長では問題がないが、他の波長ではフォ
トダイオードが飽和し、上記同様に光スペクトルの光強
度を正しく測定できなくなるという課題があった。

【００２８】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、光検出器への入力光の強度が
大きい場合や分光器の透過率が変化した場合に、その光
検出器が飽和して誤った信号を出力するのを回避可能に
して、信頼性の高い光スペクトル測定を実現できる光ス
ペクトル測定装置を得ることを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明にかかる光スペクトル測定装置は、
光検出器に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を設
けたものであり、上記光検出器の飽和を上記逆バイアス
電圧の印加によって回避し、光スペクトルの光強度を正
しく測定可能にしている。

【００３０】また、請求項２の発明にかかる光スペクト
ル測定装置は、上記制御部に、上記光検出器の出力値が
予め記憶した上記光検出器の非飽和最大出力値以上とな
ったとき、上記電圧印加手段を通じて上記光検出器に逆
バイアス電圧を印加させるようにしたものである。

【００３１】また、請求項３の発明にかかる光スペクト
ル測定装置は、上記制御部に、測定しようとする光強度
範囲の最大値を測定した場合に、上記光検出器の出力値
が上記非飽和最大出力値を超える波長範囲を求めさせ、
この波長範囲の測定時に上記電圧印加手段を通じて上記
光検出器に逆バイアス電圧を印加させるようにしたもの
である。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
図について説明する。図１はこの発明の光スペクトル測
定装置を示すブロック接続図であり、同図において、１
は光源、２は分光器、３は光検出器、４は増幅回路、５
はＡ／Ｄ変換器、７は表示部であり、これらは図５に示
したものと基本的に同一の機能を有するため、その重複
する説明を省略する。

【００３３】また、８は光検出器３に接続された電圧印
加手段であり、上記制御部６の制御下で光検出器３に逆
バイアス電圧を印加するものである。

【００３４】図２はこの電圧印加手段８と、上記光検出
器３に対応するフォトダイオード３Ａおよび上記増幅回
路４に対応するオペアンプ４Ａとを含む具体回路図であ
る。

【００３５】このうち電圧印加手段８は上記制御部６か
らの制御信号を受けて付勢されるリレーコイル８ａと、
このリレーコイル８ａの消勢時に上記フォトダイオード
３Ａのアノードを接地し、一方、付勢時に上記フォトダ
イオード３Ａのアノードを−５Ｖの負電位に引き込むよ
うに切り換えられるリレースイッチ８ｂとを有する。

【００３６】なお、上記オペアンプ４Ａは、正入力端子
（非反転入力端子）が正バイアス抵抗ＢＲを介して接地
され、負入力端子（反転入力端子）と出力端子との間に
は、このオペアンプ４Ａの増幅率を決定する抵抗Ｒ１，
Ｒ２，…Ｒｎが増幅率選択用のスイッチＳ２，Ｓ３，…
Ｓｎを介してそれぞれ接続されている。

【００３７】かかる構成になる電圧印可手段８では制御
部６からの制御信号の入力がない場合には、リレーコイ
ル８ａが消勢状態であり、従ってリレースイッチ８ｂは
接地側に切り換えられ、フォトダイオード３Ａの両端の
電位差はゼロとなる。そして、この出力電流はオペアン
プ４Ａにて電圧に変換され、Ａ／Ｄ変換器５に入力され
る。

【００３８】一方、フォトダイオード３Ａが飽和したと
きは、制御部６からの制御信号の入力により、リレーコ
イル８ａが付勢されて、リレースイッチ８ｂは−５Ｖの
端子に切り換えられる。

【００３９】このため、フォトダイオード３Ａのアノー
ドは−５Ｖの電位に引かれて逆バイアス状態となる。こ
の場合も、オペアンプ４Ａからはフォトダイオード３Ａ
の出力電流に略比例したレベルの反転信号を出力させ
る。

【００４０】なお、上記分光器２として図５に示すよう
な回折格子を使用した場合を示したが、ファブリペロー
共振器などの干渉形の分光器を使用してもよく、また、
上記のように分光器２と光検出器３とを空間結合にて接
続するほか、これらを光ファイバを介して接続するよう
にしてもよい。

【００４１】次に動作について説明する。まず、光源１
からの出射光を分光器２を通して、特定波長成分のみを
取り出し、これを光検出器３に受けて電気信号に変換
し、この電気信号を増幅回路４にて増幅した後、ディジ
タル信号に変換する。かかる一連の動作は、図５につい
て説明した場合と同じである。

【００４２】また、分光器２の通過波長を可変制御し、
Ａ／Ｄ変換器５から得られた光強度信号から波長―光強
度特性を得るとともに、その通過波長に基づく光強度の
低減を増幅回路４の増幅率の制御によって実施する動作
も、図５について説明した場合と同じである。

【００４３】そして、この発明では、制御部６は電圧印
加手段８による光検出器３の逆バイアス制御を実施可能
にしている。

【００４４】次に、光検出器３の端子間に逆バイアス電
圧を印加した場合と、逆バイアス電圧を印加しない場合
の光検出器３の特性の違いについて、図３により説明す
る。

【００４５】図３において、Ｐ１は光検出器３に逆バイ
アス電圧を印加した場合の入力光強度に対する出力電流
を示す特性曲線、Ｐ２は光検出器３に逆バイアス電圧を
印加しない場合の入力光強度に対する出力電流を示す特
性曲線である。

【００４６】この特性図から分かるように、光検出器３
に逆バイアス電圧を印加することにより、光検出器３が
飽和しはじめる光入力強度が、逆バイアス電圧を印加し
ない場合に比較して略−１０ｄBｍから＋１０ｄBｍに
大きくなる。従って、光検出器３をより大きい光入力強
度まで使用できるようになる。

【００４７】また、図３において、Ｎ１は光検出器３に
逆バイアス電圧を印加した場合の雑音、Ｎ２は光検出器
３に逆バイアス電圧を印加しない場合の雑音を示す。光
検出器３に逆バイアス電圧を印加すると、印加しない場
合に比べ雑音が増加し、測定可能な光入力強度の最低レ
ベルが大きくなる。

【００４８】次に、各波長点毎に増幅回路４の増幅率を
設定した場合に、制御部６による電圧印加手段８の第１
の制御方法を説明する。まず、制御部６に光検出器３の
使用可能な、つまり非飽和状態での最大出力電流を予め
記憶させておく。

【００４９】そして、測定の際には、まず、光検出器３
が検出する光強度をＡ／Ｄ変換器５の出力により測定
し、これが適切な出力電流範囲内であるかどうかを判定
する。また、Ａ／Ｄ変換器５の出力値と増幅器４の増幅
率より、光検出器３の出力電流を求め、これが上記最大
出力電流を超えていないかどうかを判定する。

【００５０】この判定の結果、光検出器３の出力電流が
上記最大出力電流を超えている場合は、制御部６は電圧
印加手段８に対し、光検出器３の端子間に逆バイアス電
圧を印加するよう指令する。

【００５１】なお、すでに、電圧印加手段８により光検
出器３の端子間に逆バイアス電圧が印加されており、光
検出器３の出力電流が上記最大出力電流より十分に小さ
い場合には、逆に、光検出器３の端子間に逆バイアス電
圧を印加しないように、制御部６は電圧印加手段８に指
令して、リレースイッチ８ｂを接地側に接続させる。

【００５２】また、Ａ／Ｄ変換器５の出力値が適切な範
囲にない場合は、従来技術で述べた場合と同様に、増幅
回路４の増幅率を設定し直す。光検出器３への逆バイア
ス電圧印加の制御または増幅回路４の増幅率の変更を行
った場合は、再度Ａ／Ｄ変換器５により光強度を測定す
る。この手順を全波長点に対して行う。

【００５３】従って、この第１の方法によれば、光検出
器３の出力電流が予め設定された使用可能な最大出力電
流を超えた場合だけ、光検出器３の端子間に逆バイアス
電圧を印加することとなり、測定感度を損なうことな
く、入力光の強度が大きい場合でも正しいスペクトルを
測定することができる。

【００５４】次に、増幅回路４の増幅率を固定した場合
の、制御部６による電圧印加手段８の第２の制御方法に
ついて説明する。まず、制御部６により測定しようする
波長範囲での分光器２の透過率の変化を調べて記憶さ
せ、さらに光検出器３で測定しようとする強度範囲の最
大値を測定した場合に、光検出器３の出力電流が非飽和
状態での最大出力電流を超える波長区間を求める。

【００５５】そして、この波長区間を、光検出器３の端
子間に逆バイアス電圧を印加する区間とする。

【００５６】次に、測定しようとする上記強度範囲の最
大値に対し、Ａ／Ｄ変換器５の入力電圧が適切な範囲の
上限となるように、増幅回路４の増幅率を設定する。こ
のとき、上記波長区間の内外で別々に増幅率を設定す
る。

【００５７】スペクトル測定の際は、先に求めた波長区
間の前後で回折格子２３の回転を停止させ、光検出器３
への逆バイアス電圧の印加および印加停止を制御する。
すなわち、先に求めた上記波長区間を測定したときだ
け、光検出器３の端子間に逆バイアス電圧を印加し、こ
れに合わせて増幅率の設定を変更する。

【００５８】すなわち、この第２の方法では、光検出器
３の出力電流が最大出力電流を超える可能性のある波長
区間を測定したときだけ、光検出器３の端子間に逆バイ
アス電圧を印加している。

【００５９】このため、分光器２の損失が大きく、光検
出器３の出力が最大出力電流を超えるおそれのない区間
の感度を悪化させることがない。

【００６０】また、測定中に回折格子２３の回転を停止
させるのは、先に求めた波長区間の前後だけなので、測
定時間の増加を最小限に抑えることができる。

【００６１】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば
上記制御部による制御下で上記光検出器の飽和回避のた
めの逆バイアス電圧を該光検出器に印加する電圧印加手
段を設けるように構成したので、上記光検出器の飽和を
上記逆バイアス電圧の印加によって回避でき、これによ
り光源の出射光の光スペクトルを正しく測定できるとい
う効果が得られる。

【００６２】また、請求項２の発明によれば上記制御部
に、上記光検出器の出力値が予め記憶した上記光検出器
の非飽和最大出力値以上となったとき、上記電圧印加手
段を通じて上記光検出器に逆バイアス電圧を印加させる
ように構成したので、測定感度を損なうことなく、光検
出器への入力光の強度が大きい場合でも、光スペクトル
を正しく測定できるという効果が得られる。

【００６３】また、請求項３の発明によれば上記制御部
に、測定しようとする光強度範囲の最大値を測定した場
合に、上記光検出器の出力値が上記非飽和最大出力値を
超える波長範囲を求めさせ、この波長範囲の測定時に上
記電圧印加手段を通じて上記光検出器に逆バイアス電圧
を印加させるように構成したので、光検出器の出力電流
が最大出力電流を超えるおそれがない波長区間の感度を
悪化させずに、光スペクトルを短い測定時間で、正確に
測定できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態による光スペクトル測
定装置を示すブロック接続図である。

【図２】図１における光検出器，電圧印加手段および増
幅回路の詳細を示す回路図である。

【図３】図１における光検出器の入力光強度―出力電流
特性を示す特性図である。

【図４】従来の光スペクトル測定装置を示すブロック接
続図である。

【図５】図４における分光器の詳細を示す構成図であ
る。

【図６】図４における分光器の波長―透過率特性を示す
特性図である。

【図７】図４における光検出器の光強度―出力電流特性
を示す特性図である。

【符号の説明】

１光源２分光器３光検出器４増幅回路５Ａ／Ｄ変換器（アナログ／ディジタル変換器）６制御部８電圧印加手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源の出射光から特定波長成分の光を取
り出す分光器と、該分光器にて取り出された光を受光し
て電気信号に変換する光検出器と、該光検出器の出力信
号を増幅する増幅回路と、該増幅回路の出力信号をディ
ジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器と、
上記分光器の通過波長を可変制御し、上記アナログ／デ
ィジタル変換器から得られた光強度から波長―光強度特
性を得るとともに、特定の上記通過波長に基づく上記光
強度の低減を補償するように上記増幅回路の増幅率を制
御する制御部とを備えた光スペクトル測定器において、
上記制御部による制御下で上記光検出器の飽和回避のた
めの逆バイアス電圧を該光検出器に印加する電圧印加手
段を設けたことを特徴とする光スペクトル測定装置。
【請求項２】上記制御部は、上記光検出器の出力値が
予め記憶した上記光検出器の非飽和最大出力値以上とな
ったとき、上記電圧印加手段を通じて上記光検出器に逆
バイアス電圧を印加させることを特徴とする請求項１に
記載の光スペクトル測定装置。
【請求項３】上記制御部は、測定しようとする光強度
範囲の最大値を測定した場合に、上記光検出器の出力値
が上記非飽和最大出力値を超える波長範囲を求め、この
波長範囲の測定時に上記電圧印加手段を通じて上記光検
出器に逆バイアス電圧を印加させることを特徴とする請
求項１に記載の光スペクトル測定装置。