JPS63501098A - 光ファイバ分光計／比色計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光フアイバ分光計／比色計装置 皮携光１ 本発明は、特に生産環境において用いられることを意図した光フアイバ分光計／ 比色計装置に関する。

良米韮」 従来の品質の優れた分光計および比色計はしばしば、生産環境において使用する には適合性に劣る装置であった。一般に、正確な測定は、これら装置を研究室に おいて使用することによってのみ得ることができ、使用に先立ち比較的長い較正 操作を必要とし、検査のためサンプルを取出した後に個々の測定を行ない、この ことはまた分光計または比色計が受取るエネルギ量に従ってかなりの時間を要し 、その結果この種の装置を連続的な生産ラインと関連付けることは比較的困難と なる。　” ｌ肌立鳳１ 装置は特にコン′パクトな一体化された組立体の形態で提供され、規則的な間隔 においであるいはユーザの要求時に較正操作を行なうことができ、また非常に正 確かつ非常に迅速な個々の測定を実ｈべすることができるものである。

この目的のために、本発明は、分光計および比色計として使用するのに適した光 フアイバ分光計／比色計装置を提供するものであり、同装置は入射部およびモザ イク状光検出器を含む分光計からなり、制御用マイクロプロセッサと下記の構成 要素を保持するオプトエレクトロニック印刷回路板とを関連させることにより実 質的に構成されることを特徴とするものである。即ち、これらの要素とは、 分光計の入口部で終り、かつ測定経路の切換えを可能にするシャッタを嵌込めら れた少なくとも２本の光フアイバ測定経路と、 前記分光計の入口部に至る光フアイバ較正経路が結合された２つの基準発光部を 含む検出器のための波長較正装置と、 分光計およびそのモザイク状検出器と、検出器の読取りのための電子回路部とで ある。

このように、本発明による装置は、一枚のオプトエレクトロニック印刷回路板上 に集積化された下記の要素を有する単一の組立体からなる。即ち、分光計と、分 光計較正装置と、光ファイバを光のスペクトルおよび（または）色が測定される 地点まで延長させるだけでよい測定経路とであり、前記測定地点は本装置からか なりの距離に置くことができる。

本発明の別の特徴によれば、本検出器は、入射スロットにおける光ファイバの重 合端部の高さに対し充分な高さの線条を形成し、また例えば分光計の光学系組立 体が１／１の拡大比率を有する時、その高さは前記の重合された光フアイバ端部 の高さと等しい。

このため、少なくとも４つの測定および較正用経路を提供することができ、これ らの経路を入射スロットの上流側から分光計に至る光結合体により連結すること 、およびこれら経路に使用中測光損失を生じるおそれがあるシャッタを設けるこ とを必要としない。

本発明の更に別の特徴によれば、入射スロットの巾は光ファイバのコア径よりも 小さく、これにより装置の解像度を向上させる。

本発明の更に他の特徴によれば、測定経路のシャッタはその位置を再生するため の電気的装置を含み、これによりシャッタの位置を調べることにより測定を検証 することを可能にする。

複数の測定経路を含む分光計または比色計を用いて測定を行なう際、唯１つの測 定経路が開かれることおよび他の経路が確かに閉じられていることを検証できる ことは重要である。

本発明の更に他の特徴によれば、上記の測定経路は、本装置が分光計として作動 する時は独立的な分光計の測定経路を構成し、また比色計として作動する時は光 源と関連した基準経路と前記光源により照射される対象物と関連する少なくとも １つの測定経路とを構成する。

有利なことには、前記光源は基準経路および光ファイバおよびＹ字形継手を介し て照射される対象物の双方と関連している。

このため、照射された対象物の色の測定を改善する。

本発明の更に他の特徴によれば、緩やかな勾配の濃度の補償フィルタで形成され る焦点面補正装置が検出線条上に配置され、スペクトルの青の領域に光ファイバ の望ましくない透過を補償し、かつ格子からの二次的な回折を除去する。

この焦点面補正装置の使用は、第１にエネルギ束を減殺する青フィルタの使用を 避けること、および第２に検出器に達する種々の異なる可視光スペクトル線のエ ネルギ束が同じ大きさとなることを保証することを可能にする。

当然、使用される勾配濃度の補償フィルタの種類は、測定経路を構成する光ファ イバの長さおよび使用される光源のスペクトルの関数となる。

本発明の更に他の特徴によれば、上記のオプトエレクトロニック回路板上に取付 けられた電子回路は、検出器により受取られるエネルギ束を測定し、受取ったエ ネルギ束を検出器の飽和閾値と比較し、またこの飽和閾値より低いできるだけ高 いレベルを有する信号を得るように積分時間を設定することにより、検出器の積 分時間を自動的に調整するための回路を含む。

このため、測定の精度を向上させ、またスペクトルおよび色の測定値の信号／ノ イズ比を改善する。

検出器の積分時間を自動的に調整する回路は、マイクロプロセッサの制御下でプ ログラム可能なりロックを含む。

更に、線条検出器の読取り装置は多重形であり、検出器の読取りを行なう頻度は 一定でありかつ積分時間と独立している。

望ましくは、信号／ノイズ比を改善するために、読取り頻度は最も短い積分時間 の関数として調整される。

本発明の更に他の特徴によれば、検出器から読取られた信号を処理する回路は、 例えば１２ビツトのディジタル出力を生じるアナログ／ディジタル・コンバータ を含む。

上記のクロックが１１ビット単位でプログラム可能である場合、本発明による回 路は、検出器の積分時間を自動的に調整して得られる信号が検出器のダイナミッ ク・レンジの９０％と等しい値を持たせるようにすることが可能である。

更に、本発明による装置はまた、検出器がある測定のため読取られねばならない 回数を検出器により受取られるエネルギ束および対応する積分時間の関数として 決定する回路を含むことを特徴とする。

積分時間は受取られるエネルギ束の関数として約１秒乃至１ミリ秒の範囲内で変 動し得るため、測定の速度としては積分時間が長い時少数の測定を行ない、また エネルギ束が比較的大きく積分時間が比較的短い時は多数の測定を行なうことが 望ましい。

本装置はまた、規則的な周期毎もしくはユーザの要求に際して全ての測定経路の 閉鎖により検出器ノイズを測定するためにも使用することができ、またノイズ信 号はメモリーに格納され、測定経路が開かれる特待られる信号測定値から控除す ることもできる。

本装置は、オプトエレクトロニック回路板上に設けた較正装置のお陰で、周期的 もしくはユーザの要求時に定めた波長のスペクトル線に対して検出器を自動的に 設定するために使用することもできる。産業環境においては、装置が衝撃、振動 もしくは熱応力に曝されることが生じてそのいずれも線条検出器を分光計に対し て運動させるおそれがあり、またこのような運動は機械的な観点からは重要では ないが、分光計または比色計の測定のためには更に遥かに重要となり得る。

その結果、装置自体に対する組立て公差は非常に厳しくする必要はない。

事例として述べる下記の記述においては、図面を参照する。

区側１１ＩＬｒ畿朋 第１図は本発明による装置の概略図、および第２図は本装置の測定経路のシャッ タの更に詳細な図である。

ｌ０　の　−の　范　ン熊 最初に、本発明による分光計／比色計装置を示す図である第１図を参照する。

本装置は、制御用マイクロプロセッサＩＯとオプトエレクトロニック印刷回路板 １２とを関連させることにより主に構成され、このオプトエレクトロニック印刷 回路板の概要は点線内で表わされている。該回路板上には下記のものが載置され る。即ち、 入射スロット１６を含む例えばリットロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）形の光ファイバを 用いる回折格子形分光計１４と、例えばシリコン・フォトダイオードである光検 出器２゜の線条体１８とである。

これらの光検出器２０は、回路板１２上に取付けられた全体的な基準信号２２が 与えられる電子回路部と関連させられ、かつこの電子回路部は、回路例えば検出 器の電荷を読取るための多重化回路と、例えば１２ビツトのディジタル出力を生 じるアナログ／ディジタル・コンバータと、例えば１１ビツトを使用する光検出 器２０の積分時間を決定するためのプログラム可能なりロックと、バッファ・メ モリーと、計数化データを処理するための回路を含む。

回路板１２はまた、光検出器２０の波長を較正するための装置を保持し、この装 置は本例においては２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）２４で構成され、このＬＥ ＤはマイクロプロセッサｌＯの制御下で任意に直流で駆動され、また２つの較正 経路を構成する光ファイバ２６を介して分光計の入射スロット１６と結合されて いる。各Ｌ　Ｅ　Ｄ　２４は、駆動されるとある波長の光線を発射し、この２つ のＬＥＤの光の波長は可視光スペクトルにおいて相互に適当に離れている。

回路板１２上に２つの光ファイバの測定経路２８も設けられ、各測定経路の一端 部は分光計に対する入射スロット１６に配置され、各測定経路の他端部は回路板 １２上に置かれた結合器３０を介して必要に応じて非常に長い光ファイバにより 形成される測定経路３２に対して結合されている。

回路板１２上に取付けられた各測定経路３８はまた、第２図に示される形式のシ ャッタ３４が嵌込まれ、このシャッタはマイクロプロセッサｌＯの制御下で任意 に直流で駆動されて対応する測定経路２８を開放または遮蔽するよう作用する。

本装置が比色計として使用される時は、本装置は例えば基準のスペクトル線を発 光するランプで構成されて光ファイバ３８およびＹ字形結合器４ｏを介して最初 に回路板１２から外れた測定経路３２の一方の入力部に対し、次いで光ファイバ ４２および照射される対象物に対して結合される光源３８と関連させられ、回路 板１２の他の測定経路３２の端部もまた前記対象物に向いている。Ｙ字形結合器 ４０は、例えば、この結合器が第１の測定経路３２に対するその入口部で受取る エネルギ束の一部を通し、かつエネルギ束の残部を対象物４４に対して通ずため 用いることができる。

従って、第１の測定経路３２は、対象物４４により受取られる光の分光測定のた めの基準経路を構成するが、他の測定経路３２は対象物４４により反射されて光 の色で変成される光に対する分光測定経路を構成している。

望ましくは、エネルギ消費および熱の放散を制限するため、基準経路と関連する シャッタ３４はその静止位置にある時（即ち、付勢されない時）に閉じられ、測 定経路と関連するシャッタ３４はその静止位置にある時（即ち、付勢されない時 ）は開かれるが、これは対象物４４で反射された光が一般にランプ３６により照 射される基準光よりも道かに頻繁に測定されるためである。

本装置が専ら分光計として使用される時は、結合器４゜と結合さねない測定経路 ３２はそれ単独で使用することができ、あるいはもし異なる地点（組立てライン ）に対する２つの測定経路が要求されるならば、第１の測定経路３２は結合器４ ０から遮断されその端部を所要の場所に置くこともできる。

測定経路の数は、必要に応じて、これらにシャッタを嵌込み結合器４０の如きＹ 字形結合器を用いて共通の分岐路を回路板Ｉ２上の測定経路２８に対する入射部 に対して結合してこれを対をなすように結合することにより増加することもでき る。

測定経路２８および較正経路２６を形成する光ファイバの端部は、分光計に対す る入射スロット３２において相互に重ねられる。従って、光検出器２０は充分な 高さとならねばならず、即ちその高さは光ファイバの重合端部の高さと対応しな ければならない。

分光計１４が拡大率１／１を有するリットロー形光ファイバを使用する時、検出 器２ｏの高さは測定経路および較正経路を構成する４木の光ファイバの重合端部 の高さより低くなければならない、換言すれば、この高さは１本の光ファイバの 直径の４倍に等しくなければならない。

入射スロット１６の巾は、１本の光ファイバのコアの直径よりも小さいことが望 ましく、これにより分光計の解像度を増大させる。例えば、１本の光ファイバが 約２００μのコア径を有する時、入射スロット１６の巾は５０μでよい。測定を 行なうため例えば更に多くのエネルギ束が要求される時は、当然更に広いスロッ トを使用することもできる。

第１図から判るように、焦点面補正装置と呼ばれる勾配のある濃度の補償フィル タ４６を光検出器２ｏ上に置いて、これら光検出器が全て同じ大きさのエネルギ 束を受取り、望ましくはこれらが全て略々等しいエネルギ束を受取るようにする 。

スペクトルの青の領域においては光ファイバは透過度が劣り、その結果分光計に 入る青のスペクトル成分のエネルギ束は赤の成分のエネルギ束よりも遥かに少な くなり、また減衰度は測定部分を構成する光ファイバの長さが長くなると増大す る。焦点面補正器２０は、光検出器２０に対する実質的に均一なエネルギ束を再 び確保するよう作用する。更に、この補正器の使用は、入射エネルギ束の一部の みを通す１組の青のフィルタの使用よりも望ましい。

次に第１図に示される装置の回路板１２の測定経路２８上に取付けられるシャッ タ３４の図である第２図を参照する。

この測定経路２８は２木の整合された光ファイバ４８からなり、その対面する端 部は非常に狭い間隙で隔てられ、運動する。この板５０は、マイクロプロセッサ １０の制御下で直流で駆動される小型の電磁石５４の可動決心５２に対して結合 されている。板５０は、電磁石５４が付勢されるかどうかに従って光ファイバ４ ８の端部間で運動させら゛れ、あるいは端部から離れるように運動させられる開 口５６を有する。

図示の事例においては、電磁石５４が付勢されない時は、別の５６は光ファイバ ４８の端部の両側になく、この光ファイバにより形成される基準測定経路が遮蔽 される。電磁石５４が付勢されると、穴５６は光ファイバ４８の端部間に位置し て測定経路即ち基準経路が開かれる。

電磁石５４から更に離れた板５０の端部は、２つの固定接点６０．６２と共働す るのに適する導電性のある帯片５８を支持し、その接点の一方は接地されその他 方は電源と接続され、導電性帯片５８および固定接点６０がスイッチを形成する 。電磁石５４が付勢されると、このスイッチは閉路され、電流が対応する回路を 流れて板５０が適正に運動させられたことおよび光ファイバ４８により形成され る測定経路即ち基準経路が開かれることを検証することができる。逆に、電磁石 ５４が付勢されない時は、前記スイッチが開かれ、これにより対応する測定経路 即ち基準経路が遮蔽されることを検証することも可能となる。

具体例として、板５０は長さが数ｍｍ、巾が１乃至２ｍｍであり、厚さは非常に 薄く即ち　０．１ｍｍであって、電磁石５４により７１　ｍｍの行程にわたって 移動するよう変位させることができる。穴５６は、コア径が２００μの光ファイ バ４８の場合に約５００μの直径を有する。

上記の装置は下記の如く作動する。即ち、光検出器２０の較正操作は、マイクロ プロセッサ１０の制御下で周期的に、あるいはまたユーザの要求時に自動的に行 なうことができる。このためには、ぷす定経路２８におけるシャッタ３４が閉じ られ、測定はＬ　Ｅ　Ｄ　２４の一方を投入し他方を遮断し、次いで他方のＬ　 Ｅ　Ｄ　２４を投入し最初のＬＥＤを遮断することにより行なわれる。これら測 定は、ある長さの予め定めた時間間隔で規則的に反復され、測定結果が整合する ことを検証するため、また例えば機械的な衝撃または熱８１Ｎまたは振動から生 じるおそれがある偶発的な残留偏差に従って必要に応じて光検出器２０の線条を 自動的に再び較正するために、最初の測定結果はメモリーに格納して以降の測定 結果と比較される。

スペクトル測定を行なうために、両方のＬ　Ｅ　Ｄ　２４が遮断状態に保持され 、測定経路２８の一方は開放されるが他方の測定経路２８は閉鎖される。光検出 器２０により受取られるエネルギ束は測定されて飽和閾値と比較され、光検出器 が受取ワた信号を積分する期間を決定して、飽和閾値より小さなできるだけ大き な信号を得る。一般に、積分時間は約１秒乃至１ミリ秒の範囲内で変動し、１１ ビツトのプログラム可能なりロックにより決定され、これにより受取ったエネル ギ束の値に対し積分時間を自動的に整合させて光検出器のダイナミック・レンジ の９０％を表わす信号を得ることが可能となる。検出器がシリコン・フォトダイ オードである場合は、そのスペクトル応答帯域は　３５０乃至＋　１００ｒ＋ｍ となり、ダイナミック・レンジは５０００　（飽和閾値とノイズ閾値との間の比 ）にも達する。

このような検出器をプログラム可能なりロックと関連させることにより、本装置 のダイナミック・レンジは入射エネルギ束において１０６となる。

光検出器２０からの信号、即ち検出器における電荷が多重形読出し回路によって 読出され、この回路は線条の検出器に対する最大読みと等しい一定の読出し頻度 、即ち積分時間の最小値と対応する頻度で作動する。

ＬＥＤ検出器が読出される時、累計は次の測定のため零にリセットされる。

検出器から読出された信号は、例えば１２ビツトの出力信号を生じるコンバータ であるアナログ／ディジタル・コンバータにより計数化される。

できるだけ多くの測定を行なってｎ（ｎは行なわれた測定回数）の平方根に比例 する因数だけ統計的に信号／ノイズ比を改善することが呈ましい。数ｎは、測定 毎に積分時間の関数として決定さね、前記測定の総則間が小さな値、例えば１秒 より小さな状態に止まることを保証する。

光検出器のノイズは、全ての測定経路を遮蔽することにより測定される。測定さ れたノイズは、１つの測定経路即ち基準経路を開放することにより得られた測定 信号から自動的に控除される。

光検出器により受取られたエネルギ束が低い時、および積分時間が従って長い時 、１つの測定を行ない、次いでフーリエ変換形の数学的変換によりて得られる信 号を平滑化することが望ましい。適当なマイクロプロセッサと関連してフーリエ 変換を用いてカーブを１秒より小さく平滑化することを可能にする、高速のソフ トウェアが既に存在する。このような条件下で積分時間が長い時は、単一の測定 によりフーリエ変換を用いて結果として得たカーブを平滑化する方が、一連の測 定を行なうよりも早く、一連の測定は５乃至１０倍もの長さを要することもある 。

本装置を比色計として使用する時は、ランプ３６と関連する基準経路を開放し対 象物４４と関連する測定経路を遮蔽して、このランプから発射される光線のスペ クトル測定を行ない、その後基準経路を遮蔽し対象物４４と関連した測定経路を 開放して前記対象物により反射されるＬＥＤのスペクトル測定を行ない、２つの 測定の比率が対象物の色を表わしている。

本発明による分光計／比色計装置は、例えば下記の特徴を有する。即ち、 スペクトル応答帯域：３５０乃至１１００ｒ＋ｍ解像カニ５０ｍ 自動波長較正、 機械的な誤調整の自動補償、 測定可能なエネルギ束の大きなダイナミック・レンジ検、出器の積分時間の自動 調整が検出器のダイナミック・レンジの９０％を利用 約９５Ｘ　３５Ｘ　４０ｍｍの寸法を有する矩形状筐体内に収容された分光計を 支持する標準的な　１００ｍｍ巾のオプトエレクトロニック印刷回路板の使用 一体化された測定、較正および処理を行なう小さな組立体 国際調査報告 −−ａ−―−ｋＰＣＴ／ＦＲ８６１００３５１

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．分光計として、および比色計として使用に適し、入射部（１６）とモザイク 状光検出器（２０）とを有する分光計（１４）を有する分光計／比色計装置にお いて、 制御用マイクロプロセッサ（１０）と、オプトエレクトロニック印刷回路板（１ ２）とを関連させることにより実質的に構成され、該オプトエレクトロニック印 刷回路板は、 分光計の入射部（１６）で終り、測定経路の切換えを可能にするシャッタ（３４ ）が取付けられた少なくとも２つの光学的測定経路（２８）と、 光ファイバ較正経路（２６）により前記分光計の入射部（１６）に対して結合さ れた２つの基準発光部（２４）を含む、前記光検出器（２０）のための波長較正 装置と、 モザイク状の検出器（２０）を含む前記分光計（１４）と、 該検出器（２０）を読出すための電子回路（２２）と、 を含むことを特徴とする分光計／比色計装置。
2. ２．前記光検出器（２０）が、前記入射スロット（１６）に重合された光ファイ バの端部の高さに対して充分な高さの線条（１８）を形成し、該高さが、例えば 重合された前記光ファイバ端部の高さと等しいことを特徴とする請求の範囲第１ 項記載の分光計／比色計装置。
3. ３．前記入射スロット（１６）の巾が前記光ファイバのコア径よりも小さいこと を特徴とする請求の範囲第２項記載の分光計／比色計装置。
4. ４．前記測定経路上の前記シャッタ（３４）がその位置を再現するための電子装 置（５８、６０、６２）を含み、これにより前記シャッタの位置を検証すること により測定を妥当化することを可能にすることを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第３項のいずれかに記載の分光計／比色計装置。
5. ５．前記測定経路（２８、３２）が、装置が分光計として作動する時は独立的な 分光計の測定経路を構成し、また装置が比色計として作動する時は光源（３６） と関連する基準経路と前記光源により照射される対象物（４４）と関連する少な くとも１つの測定経路とを構成することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４ 項のいずれかに記載の分光計／比色計装置。
6. ６．前記光源（３６）が、第１に１つの基準経路（３２）と関連させられ、かつ 第２に光ファイバ手段（３８）とＹ字形結合器（４０）とにより照射される対象 物（４４）と関連させられることを特徴とする請求の範囲第５項記載の分光計／ 比色計装置。
7. ７．前記基準経路と関連する前記シャッタ（３４）は静止状態で閉じられるが、 測定経路と関連するシャッタ（３４）は静止状態で開かれることを特徴とする請 求の範囲第５項記載の分光計／比色計装置。
8. ８．勾配を有する濃度の補償フィルタにより形成される焦点面補正器（４６）が 、スペクトルの青の領域における光ファイバの劣る透過率を補償するため、前記 光検出器（２０）の線条（１８）上に配置されることを特徴とする請求の範囲第 １項乃至第７項のいずれかに記載の分光計／比色計装置。
9. ９．前記較正経路（２６）と関連する基準光発光手段が、可視光スペクトルにお ける予め定めた異なるスペクトル帯域を発射する発光ダイオード（２４）である ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかに記載の分光計／比色 計装置。
10. １０．前記オプトエレクトロニック印刷回路板（１２）上に取付けられた回路（ ２２）が、検出器により受取られるエネルギ束を測定することにより、前記受取 られたエネルギ束を前記検出器の飽和閾値と比較することにより、またそのレベ ルが前記飽和閾値よりは低いできるだけ高い信号を得るように前記検出器の積分 時間を設定することにより、該検出器の積分時間を自動的に調整する回路を含む ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の分光計／比色 計装置。
11. １１．前記検出器の積分時間を自動的に調整するための前記回路が、マイクロプ ロセッサ（１０）により制御されるプログラム可能なクロックを含むことを特徴 とする請求の範囲第１０項記載の分光計／比色計装置。
12. １２．前記検出器の信号を測定する前記回路が、前記測定経路のシャッタ（３４ ）が閉じられる時、該検出器からのノイズ信号を測定するために適し、測定経路 のシャッタ（３４）が開かれる時得られる測定信号から該ノイズ信号を控除する 回路が設けられることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれかに 記載の分光計／比色計装置。
13. １３．前記光検出器（２０）を読出すための前記手段が多重形式の手段であり、 該検出器の読出し頻度は一定でありかつ前記積分時間とは独立しており、かつ例 えば最も短い積分時間と対応する検出器（２０）の最大の読出し頻度と等しいこ とを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれかに記載の分光計／比色 計装置。
14. １４．読出された情報を処理する回路が、例えば１２ビットの出力信号を生じる アナログ／ディジタル・コンバータを含むことを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第１３項のいずれかに記載の分光計／比色計装置。
15. １５．前記マイクロプロセッサが、前記検出器（２０）により受取られるエネル ギ束の値の関数としてある測定を行なうため、該検出器が読出される回数を決定 するための手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれ かに記載の分光計／比色計装置。
16. １６．前記マイクロプロセッサが、読出し回数が小さい時、フーリエ変換による 平滑化を行なうことを特徴とする請求の範囲第１５項記載の分光計／比色計装置 。