JPWO2017037872A1

JPWO2017037872A1 - 光学ユニット及びこれを備えた分光器

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Publication number: JPWO2017037872A1
Application number: JP2017537122A
Authority: JP
Inventors: 悠悟石原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: JP6544433B2; US20180245980A1; WO2017037872A1; US10337919B2

Abstract

ＰＤＡ５は、複数の受光素子を有する。Ａ／Ｄ変換器３０は、ＰＤＡ５の各受光素子からの出力信号を変換する。変換処理部４２は、予め設定された時間範囲内で同一の受光素子からの出力信号をＡ／Ｄ変換器３０により２回以上変換させて２つ以上の出力値を取得する変換処理を、複数の受光素子について順次実行する。平均値算出部４３は、変換処理部４２の処理により取得された各受光素子についての２つ以上の出力値の平均値を算出する。

Description

本発明は、複数の受光素子を有するイメージセンサを備え、当該イメージセンサの各受光素子からの出力信号をＡ／Ｄ変換器で変換する光学ユニット及びこれを備えた分光器に関するものである。

分光分析装置などの各種光学装置において、複数の受光素子を有するイメージセンサが用いられている。例えば下記特許文献１には、イメージセンサの一例であるフォトダイオードアレイ検出器を備え、フォトダイオードアレイ検出器の各受光素子からの出力信号をＡ／Ｄ変換器で変換する分光器が開示されている。

この種のイメージセンサの各受光素子では、受光した光量に応じて電荷が蓄積され、その電荷量に応じたアナログ信号がＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。このような変換処理が複数の受光素子について高速で順次実行されることにより、各受光素子における受光量に応じた出力値が１つずつ取得され、それらの出力値に基づいて各波長における受光量がスペクトルデータとして取得される。

図７は、複数の受光素子からの出力信号をＡ／Ｄ変換器で変換する際の従来の態様について説明するためのタイミングチャートである。この例では、ｎ個（ｎは自然数）の受光素子からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する場合について説明する。

図７に示すように、各受光素子から出力されるアナログ信号の波形は、イメージセンサや回路の時定数の影響により、立ち上がりが緩やかな矩形波として現れる。そのため、各受光素子から出力されるアナログ信号は、波形が十分に立ち上がった一定のタイミングＴ_ｎ（ｎは自然数）でＡ／Ｄ変換器により変換され、その後に次の受光素子に切り替えられる。

このような処理が各受光素子に対応するタイミングＴ_１〜Ｔ_ｎで順次実行されることにより、１回のスキャン動作が終了する。すなわち、１回のスキャン動作で各受光素子についての出力値が１つずつ取得されることとなる。分析中は、このようなスキャン動作が繰り返し実行されることにより、各受光素子についての出力値が一定周期で取得される。

特開平８−１９３９４５号公報

上記のような従来の態様では、１回のスキャンで、各受光素子について１つの出力値しか取得することができない。そのため、フォトダイオードアレイ検出器における光ショットノイズや回路上のノイズといった各種ノイズの影響により、いずれかの受光素子における出力値が不正確な値となった場合に、分析結果に与える影響が大きいという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ノイズの影響を受けにくい光学ユニット及びこれを備えた分光器を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る光学ユニットは、イメージセンサと、Ａ／Ｄ変換器と、変換処理部と、平均値算出部とを備える。前記イメージセンサは、複数の受光素子を有する。前記Ａ／Ｄ変換器は、前記イメージセンサの各受光素子からの出力信号を変換する。前記変換処理部は、予め設定された時間範囲内で同一の受光素子からの出力信号を前記Ａ／Ｄ変換器により２回以上変換させて２つ以上の出力値を取得する変換処理を、前記複数の受光素子について順次実行する。前記平均値算出部は、前記変換処理部の処理により取得された各受光素子についての２つ以上の出力値の平均値を算出する。前記光学ユニットは、積分部と、信号保持部とをさらに備えていてもよい。前記積分部は、前記イメージセンサの各受光素子からの出力信号を電圧に変換する。前記信号保持部は、前記積分部により変換された電圧を保持する。この場合、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記信号保持部による保持電圧をデジタル値に変換してもよい。また、前記変換処理は、予め設定された時間範囲内で同一の受光素子からの前記保持電圧を前記Ａ／Ｄ変換器により２回以上変換させて２つ以上の出力値を取得する処理であってもよい。

このような構成によれば、複数の受光素子についての一連の変換処理により、各受光素子について２つ以上の出力値が取得され、それらの２つ以上の出力値の平均値が受光素子ごとに算出される。したがって、ノイズの影響により、いずれかの出力値が不正確な値となった場合でも、他の正確な値との平均値が算出されるため、ノイズの影響を受けにくい。

（２）前記光学ユニットは、周期の設定を受け付ける設定受付部をさらに備えていてもよい。この場合、前記変換処理部は、前記複数の受光素子についての一連の変換処理を前記設定受付部により受け付けられた周期で繰り返し実行してもよい。また、前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数は、前記設定受付部により受け付けられた周期に応じて変動してもよい。

このような構成によれば、複数の受光素子についての一連の変換処理が、設定された周期で繰り返し実行され、一連の変換処理ごとに、その周期に応じた数の出力値が各受光素子について取得される。上記周期に応じた数は、例えば周期が長いほど大きい値となり、周期が短いほど小さい値となる。この場合、設定された周期が長いほど、より多くの出力値を取得して平均値を算出することができるため、よりノイズの影響を受けにくくなる。

（３）前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数は、一定数であってもよい。

このような構成によれば、常に一定数の出力値を取得して平均値を算出することができるため、安定してノイズの影響を受けにくくすることができる。

（４）前記光学ユニットは、前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数の設定を受光素子ごとに受け付ける設定受付部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、受光素子ごとに異なる数の出力値を取得して平均値を算出することができるため、受光素子ごとのノイズを考慮して適切な値を設定すれば、よりノイズの影響を受けにくくすることができる。

（５）本発明に係る分光器は、前記光学ユニットと、格子面で光を分光し、分光した各波長の光を前記複数の受光素子に入射させる回折格子とを備える。

本発明によれば、ノイズの影響により、いずれかの出力値が不正確な値となった場合でも、他の正確な値との平均値が算出されるため、ノイズの影響を受けにくい。

本発明の第１実施形態に係る分光分析装置の構成例を示した概略図である。図１の分光分析装置の電気的構成を示したブロック図である。変換処理の具体的態様について説明するためのタイミングチャートである。分析中のデータ処理部による処理の一例を示したフローチャートである。第２実施形態における分析中のデータ処理部による処理の一例を示したフローチャートである。第３実施形態における分析中のデータ処理部による処理の一例を示したフローチャートである。複数の受光素子からの出力信号をＡ／Ｄ変換器で変換する際の従来の態様について説明するためのタイミングチャートである。

１．分光分析装置の構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る分光分析装置の構成例を示した概略図である。この分光分析装置は、光源１、集光レンズ２、スリット板３、回折格子４及びＰＤＡ（フォトダイオードアレイ検出器）５などを含む光学系１０を備えている。分析時には、光学系１０により形成される光路Ｌ上に、例えばフローセルなどからなる試料セル２０が配置され、当該試料セル２０内の試料に白色光などの光が照射される。

光源１から照射された光は、集光レンズ２により集光され、試料セル２０内の試料に照射される。試料セル２０内を透過した光のうち、スリット板３を通過した光は、回折格子４に入射する。回折格子４は、例えば凹状の格子面７を有しており、この格子面７により、試料セル２０内を透過した光が波長ごとの光に分光される。集光レンズ２は、集光素子の一例であり、光源１からの光を集光させるものであれば、放物面鏡などの他の部材により構成されていてもよい。

ＰＤＡ５は、イメージセンサの一例であり、１列に並べて配置された複数の受光素子６を備えている。回折格子４により分光された各波長の光は、ＰＤＡ５のそれぞれ異なる受光素子６に入射する。したがって、各受光素子６からの出力信号に基づいて、各波長の光量を算出することができる。

図２は、図１の分光分析装置の電気的構成を示したブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係る分光分析装置は、Ａ／Ｄ変換器３０、データ処理部４０、記憶部５０及び操作部６０などを備え、これらの各部の動作に基づいて、ＰＤＡ５の各受光素子６からの信号が処理される。

ＰＤＡ５、Ａ／Ｄ変換器３０及びデータ処理部４０は、光学ユニット１００を構成している。また、光学ユニット１００及び回折格子４により、入射した光を分光してスペクトルデータを取得するための分光器が構成されている。

Ａ／Ｄ変換器３０では、ＰＤＡ５の各受光素子６からのアナログ信号（出力信号）が、デジタル信号に変換される。データ処理部４０には、Ａ／Ｄ変換器３０によりデジタル変換された各受光素子６の受光量を表す値が出力値として入力される。

データ処理部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、当該ＣＰＵがプログラムを実行することにより、設定受付部４１、変換処理部４２及び平均値算出部４３などとして機能する。記憶部５０は、例えばハードディスク又はＲＡＭ（Random-Access Memory）などにより構成される。操作部６０は、例えばキーボード又はマウスなどにより構成される。

設定受付部４１は、作業者が操作部６０を用いて設定操作を行った場合に、その設定を受け付ける処理を行う。具体的には、操作部６０を用いて設定された分析条件などのパラメータが設定受付部４１により受け付けられ、当該パラメータに基づいて、データ処理部４０がＰＤＡ５の動作の制御、又は、Ａ／Ｄ変換器３０からの出力値に対する処理などを行う。

変換処理部４２は、ＰＤＡ５の各受光素子６からＡ／Ｄ変換器３０に信号を順次出力させることにより、各受光素子６からの出力信号をＡ／Ｄ変換器３０で変換させる処理（変換処理）を行う。各受光素子６では、受光量に応じて電荷が蓄積され、その電荷量に応じた出力信号がＡ／Ｄ変換器３０で変換されることにより出力値が得られる。各受光素子６からの出力信号の変換処理は、一定の順序に従って、全ての受光素子６について行われる。その全ての受光素子６についての一連の変換処理（スキャン動作）が、複数回繰り返して行われることにより、各受光素子６についての出力値が一定周期で取得される。なお、ＰＤＡ５とＡ／Ｄ変換器３０との間には、プリアンプ回路（図示せず）が設けられていてもよい。プリアンプ回路は、例えば積分部及び信号保持部を備える。積分部は、ＰＤＡ５の各受光素子６からの出力信号を電圧に変換する。信号保持部は、積分部により変換された電圧を保持する。この場合、Ａ／Ｄ変換器３０は、信号保持部による保持電圧をデジタル値に変換してもよい。変換処理部４２は、プリアンプ回路（信号保持部）に対する制御により、ＰＤＡ５の各受光素子６からの出力信号（信号保持部による保持電圧）をＡ／Ｄ変換器３０により変換させてもよい。

本実施形態では、上記周期を操作部６０の操作によって作業者が任意に設定できるようになっている。すなわち、変換処理部４２は、複数の受光素子６についての一連の変換処理を設定受付部４１により受け付けられた周期で繰り返し実行する。上記周期が長いほど、各受光素子６における受光量は多くなり、ノイズの影響を受けにくくなる。

変換処理部４２は、上記のような一連の変換処理において、同一の受光素子６からの出力信号をＡ／Ｄ変換器３０により２回以上変換させる。これにより、１回のスキャン動作で各受光素子６について２つ以上の出力値が取得される。平均値算出部４３は、変換処理部４２の処理により取得された各受光素子６についての２つ以上の出力値を平均化することにより、各受光素子６について平均値を算出する。

上記のようにして算出された各受光素子６についての平均値は、各波長における受光量を表すスペクトルデータとして記憶部５０に記憶される。記憶部５０に記憶されたスペクトルデータは、例えば表示部（図示せず）への表示、又は、プリンタ（図示せず）からの印刷といった各種態様で、分析結果として出力される。

２．変換処理の具体的態様
図３は、変換処理の具体的態様について説明するためのタイミングチャートである。この例では、ＰＤＡ５がｎ個（ｎは２以上の自然数）の受光素子６を備えており、各受光素子６からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器３０でデジタル信号に変換する場合について説明する。

図３に示すように、各受光素子６から出力されるアナログ信号の波形は、ＰＤＡ５や回路の時定数の影響により、立ち上がりが緩やかな矩形波として現れる。この例では、各受光素子６について、予め設定された時間範囲Ｒ内で４回の変換処理が行われるようになっている。各受光素子６についての変換処理のタイミングは、波形が十分に立ち上がった後、時間範囲Ｒ内で可能な限り多く設定される。

すなわち、この例では、各受光素子６について４回のタイミングＴ_ｎ１〜Ｔ_ｎ４で変換処理が行われるようになっているが、変換処理の回数は４回に限られるものではなく、その回数は時間範囲Ｒの長さに応じて変動する。時間範囲Ｒは、一連の変換処理が繰り返し実行される際の周期に応じて予め設定される。したがって、予め設定された時間範囲Ｒ内で取得される各受光素子６についての出力値の数（図３の例では４つ）は、設定受付部４１により受け付けられた周期に応じて変動することとなる。具体的には、上記出力値の数は、周期が長いほど大きい値となり、周期が短いほど小さい値となる。

３．分析中のデータ処理部による処理
図４は、分析中のデータ処理部４０による処理の一例を示したフローチャートである。分析中は、ＰＤＡ５におけるｘ番目（ｘ＝１，２，３，・・・，ｎ）の受光素子６からの出力信号が、Ａ／Ｄ変換器３０により順次変換される。

具体的には、分析が開始されると、まず１番目の受光素子６からの出力信号がＡ／Ｄ変換器３０に入力される（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。その後、一定時間が経過して波形が十分に立ち上がった後（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、所定の時間範囲Ｒ内で可能な限りＡ／Ｄ変換が繰り返され、得られた出力値を積算する処理が行われる（ステップＳ１０４〜Ｓ１０６）。

所定の時間範囲Ｒを超えた場合には（ステップＳ１０６でＮｏ）、その時点における出力値の積算値が、取得された出力値の数（Ａ／Ｄ変換の回数）で除算されることにより、出力値の平均値が算出される（ステップＳ１０７）。そして、次は２番目の受光素子６について（ステップＳ１０８，Ｓ１０９でＮｏ）、ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理が行われる。

このようにして、ｎ番目の受光素子６までステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理が順次実行される。この一連の変換処理（ステップＳ１０１〜Ｓ１０９）は、分析が終了するまで（ステップＳ１１０でＹｅｓとなるまで）、予め設定された周期で繰り返し実行される。

４．第１実施形態の作用効果
（１）本実施形態では、複数の受光素子６についての一連の変換処理（１回のスキャン動作）により、各受光素子６について２つ以上の出力値（図３の例では４つ）が取得され、それらの２つ以上の出力値の平均値が受光素子６ごとに算出される。したがって、ノイズの影響により、いずれかの出力値が不正確な値となった場合でも、他の正確な値との平均値が算出されるため、ノイズの影響を受けにくい。

（２）特に、本実施形態では、複数の受光素子６についての一連の変換処理が、設定された周期で繰り返し実行され、一連の変換処理ごとに、その周期に応じた数の出力値（図３の例では４つ）が各受光素子６について取得される。具体的には、設定された周期が長いほど、より多くの出力値を取得して平均値を算出することができるため、よりノイズの影響を受けにくくなる。

５．第２実施形態
第１実施形態では、予め設定された時間範囲Ｒ内で取得される各受光素子６についての出力値の数が、一連の変換処理が繰り返し実行される際の周期に応じて変動するような構成について説明した。これに対して、第２実施形態では、予め設定された時間範囲Ｒ内で取得される各受光素子６についての出力値の数が、一定数（２以上の数）となっている点が異なっている。

図５は、第２実施形態における分析中のデータ処理部４０による処理の一例を示したフローチャートである。分析中は、ＰＤＡ５におけるｘ番目（ｘ＝１，２，３，・・・，ｎ）の受光素子６からの出力信号が、Ａ／Ｄ変換器３０により順次変換される。

具体的には、分析が開始されると、まず１番目の受光素子６からの出力信号がＡ／Ｄ変換器３０に入力される（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）。その後、一定時間が経過して波形が十分に立ち上がった後（ステップＳ２０３でＹｅｓ）、一定回数（２回以上の予め定められた回数）に到達するまでＡ／Ｄ変換が繰り返され、得られた出力値を積算する処理が行われる（ステップＳ２０４〜Ｓ２０６）。

Ａ／Ｄ変換の回数が一定回数に到達した場合には（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、その時点における出力値の積算値が、上記一定回数であるＡ／Ｄ変換の回数で除算されることにより、出力値の平均値が算出される（ステップＳ２０７）。そして、次は２番目の受光素子６について（ステップＳ２０８，Ｓ２０９でＮｏ）、ステップＳ２０２〜Ｓ２０８の処理が行われる。

このようにして、ｎ番目の受光素子６までステップＳ２０２〜Ｓ２０８の処理が順次実行される。この一連の変換処理（ステップＳ２０１〜Ｓ２０９）は、分析が終了するまで（ステップＳ２１０でＹｅｓとなるまで）、予め設定された周期で繰り返し実行される。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、複数の受光素子６についての一連の変換処理（１回のスキャン動作）により、各受光素子６について２つ以上の出力値が取得され、それらの２つ以上の出力値の平均値が受光素子６ごとに算出される。したがって、ノイズの影響により、いずれかの出力値が不正確な値となった場合でも、他の正確な値との平均値が算出されるため、ノイズの影響を受けにくい。

特に、本実施形態では、常に一定数の出力値を取得して平均値を算出することができるため、安定してノイズの影響を受けにくくすることができる。

６．第３実施形態
第１実施形態では、予め設定された時間範囲Ｒ内で取得される各受光素子６についての出力値の数が、一連の変換処理が繰り返し実行される際の周期に応じて変動するような構成について説明した。これに対して、第３実施形態では、予め設定された時間範囲Ｒ内で取得される各受光素子６についての出力値の数の設定が、設定受付部４１により受光素子６ごとに受け付けられるようになっている点が異なっている。

図６は、第３実施形態における分析中のデータ処理部４０による処理の一例を示したフローチャートである。分析中は、ＰＤＡ５におけるｘ番目（ｘ＝１，２，３，・・・，ｎ）の受光素子６からの出力信号が、Ａ／Ｄ変換器３０により順次変換される。

具体的には、分析が開始されると、まず１番目の受光素子６からの出力信号がＡ／Ｄ変換器３０に入力される（ステップＳ３０１，Ｓ３０２）。その後、一定時間が経過して波形が十分に立ち上がった後（ステップＳ３０３でＹｅｓ）、受光素子６ごとに設定された回数（２回以上の設定回数）に到達するまでＡ／Ｄ変換が繰り返され、得られた出力値を積算する処理が行われる（ステップＳ３０４〜Ｓ３０６）。

Ａ／Ｄ変換の回数が設定回数に到達した場合には（ステップＳ３０６でＹｅｓ）、その時点における出力値の積算値が、上記設定回数であるＡ／Ｄ変換の回数で除算されることにより、出力値の平均値が算出される（ステップＳ３０７）。そして、次は２番目の受光素子６について（ステップＳ３０８，Ｓ３０９でＮｏ）、ステップＳ３０２〜Ｓ３０８の処理が行われる。

このようにして、ｎ番目の受光素子６までステップＳ３０２〜Ｓ３０８の処理が順次実行される。この一連の変換処理（ステップＳ３０１〜Ｓ３０９）は、分析が終了するまで（ステップＳ３１０でＹｅｓとなるまで）、予め設定された周期で繰り返し実行される。

特に、本実施形態では、受光素子６ごとに異なる数の出力値を取得して平均値を算出することができるため、受光素子６ごとのノイズを考慮して適切な値を設定すれば、よりノイズの影響を受けにくくすることができる。

７．変形例
以上の実施形態では、複数の受光素子６を有するイメージセンサの一例として、ＰＤＡ５を用いた場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサなどの他の各種イメージセンサを用いることが可能である。

回折格子４は、凹状の格子面７を有するような構成に限らず、例えば凸状などの他の形状の格子面を有するような構成であってもよい。また、回折格子４は、入射する光を反射させる際に分光する反射型回折格子に限らず、入射する光を透過させる際に分光する透過型回折格子であってもよい。

以上の実施形態では、本発明に係る光学ユニット１００が、回折格子４と組み合わせられた分光器として分光分析装置に用いられる場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、光学ユニット１００は、回折格子４以外から入射する光を複数の受光素子６で受光するものであってもよく、分光分析装置以外の各種光学装置に適用可能である。

１光源
２集光レンズ
３スリット板
４回折格子
５ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ検出器）
６受光素子
７格子面
１０光学系
２０試料セル
３０Ａ／Ｄ変換器
４０データ処理部
４１設定受付部
４２変換処理部
４３平均値算出部
５０記憶部
６０操作部
１００光学ユニット

Claims

複数の受光素子を有するイメージセンサと、
前記イメージセンサの各受光素子からの出力信号を変換するＡ／Ｄ変換器と、
予め設定された時間範囲内で同一の受光素子からの出力信号を前記Ａ／Ｄ変換器により２回以上変換させて２つ以上の出力値を取得する変換処理を、前記複数の受光素子について順次実行する変換処理部と、
前記変換処理部の処理により取得された各受光素子についての２つ以上の出力値の平均値を算出する平均値算出部とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
周期の設定を受け付ける設定受付部をさらに備え、
前記変換処理部は、前記複数の受光素子についての一連の変換処理を前記設定受付部により受け付けられた周期で繰り返し実行し、
前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数は、前記設定受付部により受け付けられた周期に応じて変動することを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数は、一定数であることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
前記予め設定された時間範囲内で取得される各受光素子についての出力値の数の設定を受光素子ごとに受け付ける設定受付部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
請求項１〜４のいずれかに記載の光学ユニットと、
格子面で光を分光し、分光した各波長の光を前記複数の受光素子に入射させる回折格子とを備えたことを特徴とする分光器。