KR20110107761A

KR20110107761A - 광학 측정 장치, 광학 측정 시스템 및 파이버 결합기

Info

Publication number: KR20110107761A
Application number: KR20110026347A
Authority: KR
Inventors: 가즈아끼 오오꾸보; 구니까즈 다구찌
Original assignee: 오츠카 일렉트로닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-10-04
Also published as: JP2011203077A; JP5643983B2; US20110235036A1; CN102235910B; CN102235910A; TWI495854B; US8456638B2; TW201213779A

Abstract

광학 측정 장치는, 분광 측정기(50)와, 측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버(20)와, 내벽에 광 확산 반사층(1a)을 갖는 반구부(1)와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 반구부의 내벽측에 경면 반사층(2a)을 갖는 평면부(2)를 포함한다. 평면부는, 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 반구부와 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창(5)을 포함한다. 광학 측정 장치는, 적분 공간 내의 광을 평면부의 제2 창(6)을 통해 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버(30)를 더 포함한다.

Description

광학 측정 장치, 광학 측정 시스템 및 파이버 결합기 {OPTICAL MEASUREMENT APPARATUS, OPTICAL MEASUREMENT SYSTEM, AND FIBER COUPLER}

본 발명은, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 측정 오차를 저감할 수 있는 광학 측정 장치 및 광학 측정 시스템 및 그를 위한 파이버 결합기에 관한 것이다.

종래로부터, 분광 광학계를 사용하여, 측정 대상물의 광학적 특성을 측정하는 기술이 알려져 있다. 보다 구체적으로는, 측정 대상물이 발광체(광원)인 경우에는, 당해 측정 대상물이 발하는 광의 스펙트럼, 광원색, 휘도, 조도 및 양자 효율 등이 측정된다. 또한, 측정 대상물이 비발광체인 경우에는, 당해 측정 대상물에 광을 조사함으로써 얻어지는 반사광 또는 투과광에 기초하여, 반사율 또는 투과율이나, 흡광도 등이 측정된다. 또한, 이와 같이 측정된 광학적 특성으로부터, 측정 대상물의 막 두께 등의 물리량이 산출되는 경우도 있다.

이와 같은 분광 측정에 있어서의 측정 오차를 저감하는 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평01―124723호 공보에는, 파장에 의존한 편광 특성에 기인하는 측정 오차를 저감하는 것이 가능한 구성이 개시되어 있다.

한편, 상술한 바와 같은 분광 측정의 용도가 아닌 광원 장치로서, 적분구를 사용하여 광원으로부터의 광을 균일화 또는 혼합하는 구성이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 소60―202411호 공보, 일본 특허 출원 공개 소63―285441호 공보, 일본 특허 출원 공개 평07―212537호 공보, 일본 특허 출원 공표 제2003―527619호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2005―055571호 공보, U. S. Patent Application Publication US 2005／0156103 A1 등).

분광 측정에 있어서는, 상술한 바와 같은 편광 특성에 기인하는 측정 오차에 더하여, 배광 분포의 변동에 기인하는 측정 오차가 발생할 수 있다. 전형적으로는, 측정 대상의 광이 광 파이버 내를 전반할 때의 투과율의 변동에 의해, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포가 변동될 수 있다. 이와 같은 배광 분포가 변동되면, 분광 측정기의 수광면에 있어서 휘도 불균일이 발생한다.

또한, 복수의 측정 대상의 광을 복수의 광 파이버 내를 각각 전반시켜 공통의 분광 측정기에 의해 측정하는 경우에는, 복수의 광 파이버를 1개의 광 파이버와 광학적으로 결합할 필요가 있다. 이와 같은 경우에 있어서, 상술한 바와 같은 배광 분포의 변동이 있으면, 광학적인 결합량이 변화되고, 그 결과, 분광 측정기에 유도되는 광량 등도 변동된다는 과제도 있다.

본 발명은, 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 측정 오차를 저감할 수 있는 광학 측정 장치 및 광학 측정 시스템 및 그를 위한 파이버 결합기를 제공하는 것이다.

본 발명의 어느 국면에 따르는 광학 측정 장치는, 분광 측정기와, 측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와, 내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 포함한다. 평면부는, 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 반구부와 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함한다. 또한, 광학 측정 장치는, 적분 공간 내의 광을 평면부의 제2 창을 통해 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 포함한다.

본 발명의 다른 국면에 따르는 광학 측정 장치는, 분광 측정기와, 측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와, 내벽에 광 확산 반사층을 갖는 1／4 구부와, 1／4 구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 1／4 구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 제1 및 제2 평면부를 포함한다. 제1 및 제2 평면부의 한쪽은, 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 1／4 구부와 제1 및 제2 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함한다. 또한, 광학 측정 장치는, 적분 공간 내의 광을 제1 광 파이버가 접속되는 평면부와 동일한 평면부의 제2 창을 통해 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 포함한다.

바람직하게는, 제1 광 파이버는, 각각이 측정 대상의 광을 전반하는 복수의 광 파이버 소선(素線)을 포함한다.

바람직하게는, 평면부에 있어서, 제1 창과 제2 창은 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치된다.

바람직하게는, 제1 광 파이버와 제2 광 파이버가 일체화되어 평면부를 관통하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 국면에 따르는 광학 측정 시스템은, 광원과, 분광 측정기와, 광원으로부터의 광을 복수로 분배하기 위한 광 분배기와, 광 분배기로부터의 복수의 광을 측정 대상물에 각각 조사함으로써 얻어지는, 측정 대상물의 특성을 나타내는 복수의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와, 내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 포함한다. 평면부는, 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 반구부와 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함한다. 또한, 광학 측정 시스템은, 적분 공간 내의 광을 평면부의 제2 창을 통해 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 포함한다.

본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 분광 측정기의 입력측에 접속되는 파이버 결합기를 제공한다. 파이버 결합기는, 내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 포함한다. 평면부는, 측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와 접속되는 동시에, 당해 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 반구부와 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창과, 적분 공간 내의 광을 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버와 접속되는 제2 창을 포함한다.

본 발명에 따르면, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 측정 오차를 저감할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부의 도면과 관련되어 이해되는 본 발명에 관한 다음 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1은, 본 발명에 관련되는 파이버 결합기를 사용한 광학 측정 장치의 일례를 모식적으로 도시하는 도면.
도 2a 및 2b는, 도 1에 도시하는 파이버 결합기에 있어서의 배광 분포의 변동에 대해 설명하기 위한 도면.
도 3은, 도 1에 도시하는 파이버 결합기에 있어서의 배광 분포의 변동에 대한 실험 결과를 도시하는 도면.
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 관한 광학 측정 장치의 일례를 모식적으로 도시하는 도면.
도 5는, 도 4에 도시하는 파이버 결합기에 있어서의 배광 분포의 변동에 대한 실험 결과를 도시하는 도면.
도 6은, 본 발명의 실시 형태의 제1 변형예에 관한 파이버 결합기를 모식적으로 도시하는 도면.
도 7은, 본 발명의 실시 형태의 제2 변형예에 관한 파이버 결합기를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8은, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 반사광 측정 시스템을 모식적으로 도시하는 도면.
도 9는, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 투과광 측정 시스템을 모식적으로 도시하는 도면.
도 10은, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 광원 평가 시스템을 모식적으로 도시하는 도면.

본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 그 설명은 반복하지 않는다.

<A. 개요>

본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치는, 반구형의 적분기 또는, 1／4 구형의 적분기로 이루어지는 파이버 결합기를 분광 측정기의 입력측에 설치함으로써, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 측정 오차를 저감한다.

<B. 관련 기술>

먼저, 본 발명에 관련되는 구성에 대해 설명한다.

(b1. 대향 배치형)

도 1을 참조하여, 본 발명에 관련되는 파이버 결합기를 사용한 광학 측정 장치에 대해 설명한다.

도 1에는, 측정 대상의 복수의 광을 공통의 분광 측정기에 의해 측정하는 광학계의 일례를 도시한다. 도 1에 도시하는 광학계는, 측정 대상의 광원 장치(40―1, 40―2, 40―3, 40―4)(이하, 「광원 장치(40)」로도 총칭함.)로부터의 광을 분광 측정하는 것으로, 파이버 결합기(90)와, 입사측 파이버(20)와, 출사측 파이버(30)와, 분광 측정기(50)를 포함한다.

각 광원 장치(40)는, 내장된 램프 등에서 발생한 광을 사출한다. 각각의 광원 장치(40)에서 생성된 광은, 입사측 파이버(20)를 통해 파이버 결합기(90)로 유도된다. 즉, 입사측 파이버(20)는, 측정 대상의 광을 파이버 결합기(90)로 전반한다.

파이버 결합기(90)는, 광원 장치(40)가 각각 생성된 측정 대상의 광을 결합한 뒤, 출사측 파이버(30)를 통해 분광 측정기(50)로 유도한다. 즉, 파이버 결합기(90)는, 복수의 광 파이버(파이버 소선)와 1개의 광 파이버(파이버 소선)를 광학적으로 결합하기 위한 광학 디바이스이다.

분광 측정기(50)는, 출사측 파이버(30)를 통해 도입된 측정 대상의 광에 대해, 스펙트럼을 검출한다. 전형적으로, 분광 측정기(50)는, 회절 격자 및 당해 회절 격자의 회절 방향에 관련된 라인 센서 등을 포함하여 구성되고, 입력된 광의 파장마다의 강도를 출력한다. 또한, 분광 측정기(50)는, 스펙트럼의 검출 결과에 기초하여, 색도ㆍ조도ㆍ휘도ㆍ연색성 등의 광원으로서의 성능 평가, 표면 특성ㆍ반사 특성ㆍ투과 특성 등의 측정 대상의 광학적 성능의 측정 및 막 두께 등의 측정 대상의 물리적 측정의 측정 등을 행할 수도 있다.

파이버 결합기(90)에서는, 입사측 파이버(20)를 구성하는 복수의 파이버 소선(22―1, 22―2, 22―3, 22―4)(이하, 「파이버 소선(22)」으로도 총칭함.)의 각각과, 출사측 파이버(30)의 1개의 파이버 소선 사이에서 광축을 일치시킴으로써, 광학적인 결합이 실현된다. 즉, 파이버 소선(22―1, 22―2, 22―3, 22―4)의 각각의 파이버 단부(24―1, 24―2, 24―3, 24―4)(이하, 「파이버 단부(24)」로도 총칭함.)와, 출사측 파이버(30)의 파이버 단부(34)를 소정 거리만큼 이격하여 대향 배치한다.

그러나, 입사측 파이버(20)를 구성하는 복수의 파이버 소선(22)[파이버 단부(24)]과 출사측 파이버(30)의 파이버 소선을 직접 대향시키면, 입사측 파이버(20)의 파이버 소선(22)으로부터 사출되는 광이 출사측 파이버(30)의 파이버 소선을 조명하는 상태를 서로 일치시키는 것이 어렵다. 그 결과, 각 파이버 소선(22)을 통해 분광 측정기(50)에 이르기까지의 광학 경로의 전달률을 동일하게 할 수 없어, 측정에 사용되는 파이버 소선의 종류에 따라, 측정치에 편차가 발생하게 된다.

즉, 상술한 바와 같이 파이버 소선을 대향 배치한 구성에서는, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의해, 출사측 파이버(30)로 전달되는 광량이 변동된다.

따라서, 이와 같은 변동에 의한 영향을 받지 않도록 구성할 필요가 있다. 통상의 파이버 결합기(90)에 있어서는, 투과 확산판을 배치한 뒤에, 그 양단부에, 입사측 파이버(20)를 구성하는 복수의 파이버 소선과, 출사측 파이버(30)의 1개의 파이버 소선을 대향시켜 배치한다.

일례로서, 도 2a 및 2b에는, 파이버 소선(22)의 파이버 단부(24)로부터 사출되는 광의 배광 패턴의 변동예를 도시한다. 도 2a 및 2b에 도시하는 바와 같이, 입사측 파이버(20)의 배광 패턴이 변동됨으로써, 출사측 파이버(30)에 도달하는 광의 비율이 변화되게 된다.

도 1에 도시하는 파이버 결합기에 있어서의 배광 분포의 변동에 대한 실험 결과를 도 3에 도시한다. 이 실험에서는, 입사측 파이버(20)와 출사측 파이버(30)를 15㎜만큼 이격하여 대향 배치한 파이버 결합기를 사용하였다. 이 구성에 있어서, 입사측 파이버(20)를 인위적으로 굴곡시키면서, 광원 장치(40)로부터의 광을 복수회에 걸쳐 분광 측정기(50)에서 측정한 결과(분광 측정 결과)를 도 3에 도시한다. 또한, 광원 장치(40)로서는, 할로겐 램프를 사용하는 동시에, 입사측 파이버(20)와 출사측 파이버(30)의 사이에는 투과 확산판을 배치하고 있지 않다. 또한, 입사측 파이버(20)와 출사측 파이버(30)는, 광학 벤치(bench)를 사용하여 위치 결정을 행하였다.

도 3에 도시하는 실험 결과에 따르면, 입사측 파이버(20)를 굴곡시킴으로써, 측정되는 스펙트럼의 강도가 크게 변동하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 입사측 파이버(20)를 굴곡시킴으로써, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광의 배광 분포가 변동되기 때문이라고 생각된다. 또한, 배광 분포의 변동은, 입사측 파이버(20)의 종류(멀티 모드 파이버 및 싱글 모드 파이버)에 관계없이, 어떠한 경우라도 발생할 수 있다.

이와 같은 광의 배광 분포의 변동에 의한 영향을 저감하여, 각 파이버 소선(22)을 통해 분광 측정기(50)에 이르기까지의 광학 경로의 전달률을 균일화하기 위해서는, 입사측 파이버(20)와 출사측 파이버(30) 사이의 거리를 충분히 크게 하거나, 혹은, 투과 확산판의 확산율을 상대적으로 높게 할 필요가 있다.

그러나, 어느 방법을 채용했다고 해도, 광의 전달 손실이 커져, 측정 감도가 저하된다는 과제가 있었다.

(b2. 적분구형)

상술한 파이버 결합기 대신에, 적분구를 사용하여, 입사측 파이버(20)와 출사측 파이버(30)를 광학적으로 결합하는 것도 생각된다. 이 적분구는, 그 내면에 광 확산 반사층을 갖는 구 형상의 부재로 이루어지고, 입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)는, 당해 구 형상 부재의 소정 위치를 관통하여, 적분구 내부의 적분 공간과 접속된다.

이 적분구를 사용한 경우에, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광속이 적분구의 내면의 전체를 비춤으로써 발생하는 벽면 조도에 따른 광이 출사측 파이버(30)로 전달된다. 그로 인해, 입사측 파이버(20)로부터 적분 공간에 사출되는 광속을 φ로 하면, 출사측 파이버(30)를 통해 측정되는 조도 E는, 이하에 도시하는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

단, r은 적분구의 반경, ρ는 적분구 내면의 확산 반사율을 나타낸다.

이 수학식 1에 나타내는 바와 같이, 적분구의 반경 r이 작을수록 출사측 파이버(30)를 통해 측정되는 광의 강도는 커진다. 즉, 입사측 파이버(20)로부터 출사측 파이버(30)로의 전달 효율이 높아진다.

그러나, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광이 출사측 파이버(30)에 직접적으로 입사되면, 각 파이버 소선(22)에 대한 조명 조건을 동일하게 유지하는 것이 어렵고, 또한, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광의 배광 분포가 변동된 경우에는, 입사측 파이버(20)로부터 출사측 파이버(30)로의 전달 효율이 변동된다.

이와 같은 영향을 저감하기 위해, 적분구의 내부에, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광이 출사측 파이버(30)에 직접적으로 입사되지 않도록, 배플(차광판)을 설치할 필요가 있다. 그러나, 입사측 파이버(20)로부터 출사측 파이버(30)로의 전달 효율을 높이는 목적으로 적분구의 반경을 작게 하고 있는 경우에는, 적분 공간에 있어서의 이 배플이 차지하는 공간의 비율이 커, 그 결과, 배플 자체에서의 광 흡수에 의한 광량 저하가 현재(顯在)화된다. 그로 인해, 오히려 광의 전달 손실이 커져, 측정 감도가 저하된다는 과제가 있었다.

<C. 기본 구성>

본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치에 있어서는, 상술한 파이버 결합기 및 적분구에 있어서의 과제를 해소하는 것을 목적으로 한다.

도 4에 도시하는 본 발명의 실시 형태에 관한 광학 측정 장치는, 도 1에 도시하는 광학 측정 장치와 비교하여, 대향 배치형의 파이버 결합기(90) 대신에, 반구형의 적분기를 사용한 파이버 결합기(10)를 이용하고 있는 점이 다르다.

파이버 결합기(10)는, 내벽에 확산 반사층(1a)을 갖는 반구부(1)와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치되고, 반구부(1)의 내벽측(내면측)에 경면 반사층(2a)을 갖는 원판 형상의 평면부(2)로 구성된다. 이 평면부(2)는, 반구부(1)의 실질적인 곡률 중심 O를 지나도록 배치된다. 확산 반사층(1a)은, 대표적으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE:polytetrafluoroethylene) 소결체나 황산바륨 등의 확산 재료를 도포 또는 분사함으로써 형성된다.

평면부(2)의 경면 반사층(2a)이 반구부(1)의 내벽측에 대향 배치됨으로써, 반구부(1)에 대한 허상이 생성된다. 상술한 바와 같이, 평면부(2)는 반구부(1)의 곡률 중심 O를 지나도록 배치되므로, 평면부(2)에 의해 생성되는 허상은, 일정한 곡률 반경을 갖는 반구 형상이 된다. 반구부(1)의 내면으로 정의되는 공간(실상)과, 평면부(2)에 의해 형성되는 허상을 조합시키면, 전구형의 적분기를 사용한 경우와 실질적으로 동일한 조도 분포를 얻을 수 있다.

이와 같이, 파이버 결합기(10)에 있어서는, 반구부(1)의 내면으로 정의되는 공간(실상)과, 평면부(2)에 의해 형성되는 허상을 조합시킨 공간이 실질적인 적분 공간으로 된다.

평면부(2)에는, 입사측 파이버(20)를 통해 사출되는 광을 반구부(1)와 평면부(2)에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 입사창(5)을 포함한다. 입사창(5)에는, 입사측 파이버(20)의 선단에 형성되는 접속 커플러(3)가 장착된다.

입사측 파이버(20)를 통해 적분 공간 내에 유도된 광은, 반구부(1)와 평면부(2)에 의한 반구부(1)의 허상으로 이루어지는 적분구 내부에서 확산 반사를 반복해, 그 결과, 반구부(1)의 내벽에 있어서의 조도는 균일화된다.

평면부(2)에는, 출사측 파이버(30)를 장착하기 위한 출사창(6)이 또한 형성되어 있다. 이 출사창(6)에는, 출사측 파이버(30)의 선단에 형성되는 접속 커플러(4)가 장착된다. 이에 의해, 적분 공간 내의 광은, 출사측 파이버(30)를 통해 분광 측정기(50)로 유도된다.

평면부(2)에 있어서의 입사창(5) 및 출사창(6)의 위치 관계는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 도 4에 도시하는 예에 있어서는, 입사창(5)과 출사창(6)의 사이는, 반구부(1)의 실질적인 곡률 중심 O를 기준으로 하여, 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치된다.

파이버 결합기(10)를 사용하는 경우에는, 입사측 파이버(20)를 구성하는, 각각이 측정 대상의 광을 전반하기 위한 파이버 소선(22)의 수는 특별히 제한되는 일은 없다. 즉, 반구부(1)와 평면부(2)에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도된, 하나 또는 복수의 측정 대상의 광이 각각 적분 공간 내에서 반복해 반사되므로, 출사측 파이버(30)를 통해 분광 측정기(50)로 유도되는 광(조도 E)은, 적분 공간 내로 유도된 측정 대상의 광의 총합을 나타내는 값으로 된다.

상술한 바와 같이, 입사창(5) 및 출사창(6)은, 모두 평면부에 형성된다. 즉, 이들 창은, 공통의 평면 상에 존재하므로, 광이 직접적으로 입사될 일이 없다. 즉, 입사창(5)과 출사창(6)은, 서로 조명하는 위치에 없으므로, 전구형의 적분기를 사용한 경우와는 달리, 양자 사이에 배플(차광판)을 설치할 필요가 없다.

그로 인해, 배플 자체에서의 광 흡수에 의한 광량 저하라는 문제가 발생되는 일은 없고, 또한, 내부에 배플을 설치할 필요가 없으므로, 적분 공간을 보다 작게할 수 있다. 즉, 반구부(1)의 곡률 반경을 보다 작게할 수 있으므로, 수학식 1로 나타내는 바와 같이, 출사측 파이버(30)를 통해 측정되는 광의 강도를 크게 할 수 있다. 즉, 입사측 파이버(20)로부터 출사측 파이버(30)로의 전달 효율이 높은 파이버 결합기(10)를 실현할 수 있다.

그 밖의 구성에 대해서는, 도 1에 도시하는 광학 측정 장치와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.

도 4에 도시하는 파이버 결합기에 있어서의 배광 분포의 변동에 대한 실험 결과를 도 5에 도시한다. 도 5에는, 도 4에 도시하는 광학 측정 장치에 있어서, 입사측 파이버(20)를 인위적으로 굴곡시키면서, 광원 장치(40)로부터의 광을 복수회에 걸쳐 분광 측정기(50)에 의해 측정된 결과(분광 측정 결과)를 도시한다. 또한, 광원 장치(40)로서는, 상술한 도 3에 도시하는 실험 결과와 마찬가지로, 할로겐 램프를 사용하였다.

도 5에 도시하는 실험 결과에 따르면, 입사측 파이버(20)를 굴곡시켰다고 해도, 측정되는 스펙트럼에는 실질적인 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로는, 입사측 파이버(20)의 굴곡에 의해 발생한 스펙트럼에서의 변동율은, 0.1％이하로 되었다. 이에 의해, 입사측 파이버(20)로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 영향은 실질적으로 무시할 수 있다고 간주할 수 있다.

<D. 변형예>

(d1. 파이버 일체형)

도 4에 도시하는 광학 측정 장치에 있어서는, 입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)를 각각 장착하기 위한 입사창(5) 및 출사창(6)을 각각 평면부(2)에 형성한 구성을 도시했지만, 입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)를 일체화하여, 평면부(2)를 관통하도록 구성해도 된다.

도 6은, 본 발명의 실시 형태의 제1 변형예에 관한 파이버 결합기(10A)를 모식적으로 도시한다. 도 6에 도시하는 파이버 결합기(10A)에서는, 입사창(5) 및 출사창(6)이 인접하여 형성된다. 또한, 입사창(5) 및 출사창(6)을 일체적으로 형성해도 된다. 이 경우에는, 공통인 1개의 창이 입사창(5) 및 출사창(6)으로서 기능하게 된다.

입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)가 일체화된 상태에서, 평면부(2)를 관통한다. 도 6에 있어서는, 입사창(5)에, 입사측 파이버(20)의 선단에 형성되는 접속 커플러(3)가 장착되고, 출사창(6)에, 출사측 파이버(30)의 선단에 형성되는 접속 커플러(4)가 장착되는 구성을 모식적으로 도시하지만, 접속 커플러 자체를 공통화해도 된다.

또한, 복수의 파이버 소선으로 이루어지는 입사측 파이버(20)를 사용해도 된다. 이 경우에는, 입사측 파이버(20)를 구성하는 복수의 파이버 소선과, 출사측 파이버(30)를 구성하는 1개의 파이버 소선을 일체화할 수도 있다.

본 실시 형태의 제1 변형예를 따르는 광학 측정 장치는, 파이버 결합기(10A)를 사용하는 점을 제외하고, 상술한 도 4와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.

이와 같이, 입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)가 일체화됨으로써, 파이버 결합기(10A)로의 파이버의 접속 처리를 간소화할 수 있다.

(d2. 1／4 구형의 적분기)

도 4에 도시하는 광학 측정 장치에 있어서는, 반구형의 적분기를 사용한 파이버 결합기(10)를 사용하는 구성을 도시했지만, 1／4 구형의 적분기를 사용해도 된다.

도 7은, 본 발명의 실시 형태의 제2 변형예에 관한 파이버 결합기(10B)를 모식적으로 도시한다. 도 7에 도시하는 파이버 결합기(10B)는, 내벽에 확산 반사층(1a)을 갖는 1／4 구부(1#)와, 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치되고, 1／4 구부(1#)의 내벽측(내면측)에 경면 반사층(2a)을 갖는 원판 형상의 평면부(2―1, 2―2)로 구성된다. 평면부(2―1)와 평면부(2―2)의 교선은, 1／4 구부(1#)의 실질적인 곡률 중심 O를 지나도록 배치된다.

평면부(2―1)의 경면 반사층(2a)이 반구부(1)의 내벽측에 대향 배치됨으로써, 1／4 구부(1#)에 대한 허상(지면 하측)이 생성된다. 마찬가지로, 평면부(2―2)의 경면 반사층(2a)이 반구부(1)의 내벽측에 대향 배치됨으로써, 1／4 구부(1#)에 대한 허상(지면 좌측)이 생성된다. 상술한 바와 같이, 평면부(2―1)와 평면부 (2―2)의 교선은 1／4 구부(1#)의 곡률 중심 O를 지나도록 배치되므로, 반구부(1)의 내면으로 정의되는 공간(실상)과, 평면부(2―1 및 2―2)에 의해 각각 생성되는 허상을 조합시키면, 전구형의 적분기를 사용한 경우와 실질적으로 동일한 조도 분포를 얻을 수 있다.

이와 같이, 파이버 결합기(10B)에 있어서는, 1／4 구부(1#)의 내면으로 정의되는 공간(실상)과, 평면부(2―1 및 2―2)에 의해 각각 형성되는 허상을 조합시킨 공간이 실질적인 적분 공간으로 된다.

평면부(2―1 및 2―2)의 한쪽[도 7에 도시하는 예에서는, 평면부(2―1)]에는, 입사측 파이버(20)를 통해 사출되는 광을 반구부(1)와 평면부(2)에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 입사창(5)과, 출사측 파이버(30)를 장착하기 위한 출사창(6)이 형성된다. 또한, 입사창(5) 및 출사창(6)은 공통의 평면 상에 형성되어 있으면, 평면부(2―1 및 2―2) 중 어디에 배치되어도 좋다.

본 실시 형태의 제2 변형예에 따르는 광학 측정 장치는, 파이버 결합기(10B)를 사용하는 점을 제외하고, 상술한 도 4와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다. 즉, 입사측 파이버(20)를 구성하는, 각각이 측정 대상의 광을 전반하기 위한 파이버 소선(22)의 수는 특별히 제한되는 일은 없다. 또한, 본 실시 형태의 제2 변형예에 따르는 파이버 결합기(10B)에 있어서, 도 6에 도시하는 바와 같이, 입사측 파이버(20) 및 출사측 파이버(30)를 일체화하여, 평면부(2―1 또는 2―2)를 관통하도록 구성해도 된다.

이와 같이, 1／4 구형의 적분기를 사용함으로써, 장치를 보다 소형화할 수 있다.

<E. 어플리케이션>

다음에, 상술한 광학 측정 장치를 사용한 어플리케이션의 일례에 대해 설명한다.

(e1. 반사광 측정 시스템)

도 8은, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 반사광 측정 시스템(100)을 모식적으로 도시한다. 도 8에 도시하는 반사광 측정 시스템(100)은, 측정 대상(SMP)의 표면에서 발생하는 반사광을 측정함으로써, 측정 대상(SMP)의 반사 특성이나 표면 특성을 평가한다.

반사광 측정 시스템(100)은, 광학 측정 장치에 더하여, 광원 장치(40)와, 광 분배기(62)와, 파이버 전환 유닛(64)을 포함한다.

광원 장치(40)는, 측정 대상(SMP)에서 발생하는 반사광에 적합한 파장 대역의 기준 광을 발생한다. 이 광원 장치(40)로부터 발생된 기준 광은, 접속 파이버(66)를 통해 광 분배기(62)로 유도된다. 광 분배기(62)는, 광원 장치(40)로부터의 기준 광을 복수로 분배한다. 도 8에 도시하는 예에서는, 광 분배기(62)는, 광원 장치(40)로부터의 기준 광을 5분할한다.

광 분배기(62)의 다른 쪽 단부에는, 5개의 Y자 분기 파이버가 접속되어 있고, 각각 분할된 기준 광은, 대응하는 Y자 분기 파이버의 입력 파이버(68―1, 68―2, 68―3, 68―4, 68―5)에 각각 출력된다. 입력 파이버(68―1, 68―2, 68―3, 68―4, 68―5)의 선단에는, 출사／입사부(70―1, 70―2, 70―3, 70―4, 70―5)가 각각 접속되어 있다. 그리고, 광 분배기(62)에 의해 분할된 각 기준 광은, 출사／입사부(70―1, 70―2, 70―3, 70―4, 70―5)의 각각으로부터 측정 대상(SMP)을 향해 조사된다.

측정 대상(SMP)에 조사된 기준 광 중, 측정 대상(SMP)의 표면 상태에 따른 성분이 반사광으로서 발생한다. 그리고, 발생한 반사광은, 출사／입사부(70―1, 70―2, 70―3, 70―4, 70―5)에 각각 재입사한다.

출사／입사부(70―1, 70―2, 70―3, 70―4, 70―5)의 각각에 입사한 반사광은, 대응하는 출력 파이버(72―1, 72―2, 72―3, 72―4, 72―5)를 통하여, 파이버 전환 유닛(64)으로 유도된다.

파이버 전환 유닛(64)은, 한쪽 단부에 출력 파이버(72―1, 72―2, 72―3, 72―4, 72―5)가 접속되고, 다른 쪽 단부에 입사측 파이버(20)를 구성하는 파이버 소선(22―1, 22―2, 22―3, 22―4, 22―5)이 접속된다. 파이버 전환 유닛(64)은, 도시하지 않은 전환 지령에 응답하여, 지정된 출력 파이버(72)와 대응하는 파이버 소선(22)의 사이를 광학적으로 접속한다. 예를 들어, 파이버 전환 유닛(64)에 대하여 1번째의 경로를 유효화하는 취지의 전환 지령이 주어지면, 파이버 전환 유닛(64)은, 출력 파이버(72―1)를 통해 전반하는 반사광을 대응하는 파이버 소선(22―1)으로 유도한다. 이하 마찬가지로 하여, 파이버 전환 유닛(64)은, 지정된 출력 파이버(72)를 전반하는 반사광을 파이버 결합기(10)로 유도한다.

파이버 결합기(10)에 있어서의 동작에 대해서는, 상술했으므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.

도 8에 도시하는 반사광 측정 시스템(100)은, 길이 방향으로 제조되는 필름 등의 표면 상태를, 짧은 방향의 복수점에 있어서 평가하는 상황에 적합하다.

(e2. 투과광 측정 시스템)

도 9는, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 투과광 측정 시스템을 모식적으로 도시한다. 도 9에 도시하는 투과광 측정 시스템(200)은, 측정 대상(SMP)에서 발생하는 투과광을 측정함으로써, 측정 대상(SMP)의 투과 특성이나 막 두께 등을 평가한다. 투과광 측정 시스템(200)은, 기본적으로는, 도 8에 도시하는 반사광 측정 시스템(100)에 있어서, 광원 장치(40)로부터 기준 광의 조사 방향을 측정 대상(SMP)의 한쪽 면으로부터 조사하고, 측정 대상(SMP)의 다른 쪽 면으로부터 투과광을 수광하도록 한 것이다.

광 분배기(62)에는, 측정 대상(SMP)의 한쪽 측에 정렬 배치된 출사부(82―1, 82―2, 82―3, 82―4, 82―5)에 각각 기준 광을 유도하기 위한 입력 파이버(80―1, 80―2, 80―3, 80―4, 80―5)가 각각 접속된다. 또한, 파이버 전환 유닛(64)에는, 측정 대상(SMP)의 다른쪽 측에 정렬 배치된 입사부(84―1, 84―2, 84―3, 84―4, 84―5)에 의해 각각 수광된 투과광을 유도하기 위한 출력 파이버(86―1, 86―2, 86―3, 86―4, 86―5)가 각각 접속된다.

도 9에 도시하는 투과광 측정 시스템(200)은, 길이 방향으로 제조되는 필름 등의 막 두께를 짧은 방향의 복수점에 있어서 평가하는 상황에 적합하다.

(e3. 광원 평가 시스템)

도 10은, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치를 사용한 광원 평가 시스템을 모식적으로 도시한다. 도 10에 도시하는 광원 평가 시스템(300)은, 측정 대상(SMP)으로서, LED(Light Emitting Diode) 등의 광원(발광체)을 평가한다. 광원 평가 시스템(300)은, 기본적으로는, 도 9에 도시하는 투과광 측정 시스템(200)에 있어서, 측정 대상(SMP) 및 측정 대상(SMP)에 기준 광을 조사하기 위한 구성 대신에, 측정 대상(SMP)인 복수의 LED에 대응시켜, 입사부(84―1, 84―2, 84―3, 84―4, 84―5)를 배치한 구성에 상당한다.

이 광원 평가 시스템(300)에서는, 측정 대상(SMP)인 복수의 LED 각각에 대한, 색도ㆍ조도ㆍ휘도ㆍ연색성 및 발광 주파장 등의 성능 평가를 행한다.

<F. 결론>

본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치는, 반구형의 적분기 또는, 1／4 구형의 적분기로 이루어지는 파이버 결합기를 분광 측정기의 입력측에 설치함으로써, 광 파이버로부터 사출되는 광의 배광 분포의 변동에 의한 측정 오차를 저감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치는, 파이버 결합기로서, 반구형의 적분기 또는, 1／4 구형의 적분기를 사용하므로, 장치 구성을 보다 소형화할 수 있다. 동시에, 적분기 내의 배플(차광판)이 불필요하므로, 배플에 의한 자기 흡수가 발생하지 않는다. 그로 인해, 측정 대상의 광의 전달 효율(측정 효율)을 높여, 측정 감도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르는 광학 측정 장치는, 배광 분포의 변동의 영향에 더하여, 편광 특성에 기인하는 측정 오차에 대해서도 저감할 수 있다.

본 발명을 상세하게 설명해 나타내어 왔지만, 이것은 예시를 위할 뿐이며, 한정으로 취급해서는 안되고, 발명의 범위는 첨부의 청구의 범위에 의해 해석되는 것이 명백하게 이해될 것이다.

1 : 반구부
1# : 1／4 구부
1a : 확산 반사층
2 : 평면부
2a : 경면 반사층
3, 4 : 접속 커플러
5 : 입사창
6 : 출사창
10, 10A, 10B, 90 : 파이버 결합기
20 : 입사측 파이버
22 : 파이버 소선
24, 34 : 파이버 단부
30 : 출사측 파이버
40 : 광원 장치
50 : 분광 측정기
62 : 광 분배기
64 : 파이버 전환 유닛
66 : 접속 파이버
68, 80 : 입력 파이버
70, 84 : 입사부
72, 86 : 출력 파이버
82 : 출사부
100 : 반사광 측정 시스템
200 : 투과광 측정 시스템
300 : 광원 평가 시스템
SMP : 측정 대상

Claims

분광 측정기와,
측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와,
내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와,
상기 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 상기 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 구비하고, 상기 평면부는, 상기 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 상기 반구부와 상기 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함하고,
상기 적분 공간 내의 광을 상기 평면부의 제2 창을 통해 상기 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 구비하는, 광학 측정 장치.
분광 측정기와,
측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와,
내벽에 광 확산 반사층을 갖는 1／4 구부와,
상기 1／4 구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 상기 1／4 구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 제1 및 제2 평면부를 구비하고, 상기 제1 및 제2 평면부의 한쪽은, 상기 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 상기 1／4 구부와 상기 제1 및 제2 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함하고,
상기 적분 공간 내의 광을 상기 제1 광 파이버가 접속되는 평면부와 동일한 평면부의 제2 창을 통해 상기 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 구비하는, 광학 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 광 파이버는, 각각이 측정 대상의 광을 전반하는 복수의 광 파이버 소선을 포함하는, 광학 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평면부에 있어서, 상기 제1 창과 상기 제2 창은 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치되는, 광학 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 광 파이버와 상기 제2 광 파이버가 일체화되어 상기 평면부를 관통하도록 구성되는, 광학 측정 장치.
광원과,
분광 측정기와,
상기 광원으로부터의 광을 복수로 분배하기 위한 광 분배기와,
상기 광 분배기로부터의 복수의 광을 측정 대상물에 각각 조사함으로써 얻어지는, 상기 측정 대상물의 특성을 나타내는 복수의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와,
내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와,
상기 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 상기 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 구비하고, 상기 평면부는, 상기 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 상기 반구부와 상기 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창을 포함하고,
상기 적분 공간 내의 광을 상기 평면부의 제2 창을 통해 상기 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버를 구비하는, 광학 측정 시스템.
내벽에 광 확산 반사층을 갖는 반구부와,
상기 반구부의 개구부를 폐색하도록 배치된, 상기 반구부의 내벽측에 경면 반사층을 갖는 평면부를 구비하고,
상기 평면부는,
측정 대상의 광을 전반하기 위한 제1 광 파이버와 접속되는 동시에, 당해 제1 광 파이버를 통해 사출되는 광을 상기 반구부와 상기 평면부에 의해 형성되는 적분 공간 내로 유도하기 위한 제1 창과,
상기 적분 공간 내의 광을 상기 분광 측정기로 전반하기 위한 제2 광 파이버와 접속되는 제2 창을 포함하는, 분광 측정기의 입력측에 접속되는 파이버 결합기.