WO2010084957A1 - 分光放射計 - Google Patents

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真一 猪狩
一彦 菊池
孝一 大木
光博 下斗米
俊輔 武田
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独立行政法人産業技術総合研究所
株式会社オプトリサーチ
オーケーラボ有限会社
日清紡ホールディングス株式会社
山下電装株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a spectroradiometer, and more particularly to a spectroradiometer that performs spectroscopic measurement of flash light.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a typical Zellnitana spectrometer that has been conventionally used.
  • the light to be measured that has passed through the optical fiber 101 and entered from the slit 102 that is the entrance is reflected by the collimator mirror 103, incident on the diffraction grating 104, and diffracted by the diffraction grating 104.
  • Each spectral light dispersed in the spectrum is measured through the imaging mirror 105 at the spectroscope outlet 106 with the spread of the measurement spectrum of wavelengths ⁇ s to ⁇ e.
  • a one-dimensional array type detector or a two-dimensional detector is installed at the spectroscope outlet 106, and a spectrum corresponding to the wavelength band is measured.
  • the wavelength band is limited depending on the type of semiconductor constituting the detector, and the width of the detector that receives a broad spectrum is also limited. That is, the spectral region to be measured and the resolution are limited by the detector, and often the wavelength band to be measured cannot be covered by a single array detector. In that case, inconveniences such as an increase in the number of spectrometers, an optical fiber that conducts light to be measured, and an increased number of branches have to be made.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional branching optical fiber type high-speed measurement spectrometer.
  • light to be measured is introduced through an optical fiber 201, and is incident on, for example, five spectroscopes 205, 206, and 207 via branched optical fibers 202, 203, and 204.
  • the spectroscopic light is measured by detectors 208, 209, and 210.
  • each spectral region is processed in parallel.
  • j 1 to 5
  • each spectrometer j is set to measure wavelength bands ⁇ sj to ⁇ ej. is there.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a dichroic filter array type high-speed measurement spectrometer described in Patent Document 1.
  • the dichroic filter refers to a filter that transmits the wavelength bands ⁇ s to ⁇ m and reflects the wavelength bands ⁇ m to ⁇ e for ⁇ s ⁇ m ⁇ e.
  • a plurality of, for example, three dichroic filters 301, 302, and 303 are arranged in the optical path of incident light, and the wavelength bands cut out by the respective dichroic filters 301, 302, and 303 are used.
  • Spectroscopes 304, 305, and 306 each including three lenses and one slit, a diffraction grating, and a light receiver, and detectors 307, 308, and 309 that receive the outputs are provided.
  • a high-resolution spectrometer cannot be used, and the number of spectrometers corresponding to the wavelength band division is the same.
  • An object of the present invention is to provide a spectroradiometer that satisfies the seven requirements of low cost, small size, light weight, high speed, high resolution, high efficiency, and wide bandwidth in view of the above-mentioned problems of the prior art.
  • the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
  • the first means includes an incident slit into which the measured light is incident, an optical element that collimates the measured light that has passed through the incident slit, and a spectroscopic element that splits the measured light emitted from the optical element; , First and second light detecting means for detecting the spectral light split by the spectroscopic element, and a dichroic disposed in the optical system between the spectroscopic element and the first and second light detecting means.
  • the first light detection means detects the spectral light of the first wavelength band that has passed through the dichroic filter, and the second light detection means reflects the first light reflected by the dichroic filter.
  • a spectral radiometer that detects spectral light in a second wavelength band different from the first wavelength band.
  • the second means includes an incident slit into which the measured light is incident, an optical element that collimates the measured light that has passed through the incident slit, and a spectroscopic element that splits the measured light emitted from the optical element; , A light detection means for detecting the spectral light split by the spectral element, and a dichroic filter disposed in an optical system between the spectral element and the light detection means, the light detection means, Detecting spectral light in the first wavelength band that has passed through the dichroic filter and spectral light reflected by the dichroic filter and further reflected from the second wavelength band that is different from the first wavelength band.
  • the third means includes an incident slit into which the measured light is incident, a first optical element that makes the measured light that has passed through the incident slit parallel light, and the incident slit and the first optical element.
  • a first dichroic filter disposed in the optical system between the first dichroic filter, a first spectroscopic element that splits the measured light that has passed through the first dichroic filter and has been collimated by the first optical element
  • a second dichroic filter disposed on the first dichroic filter, a second optical element that converts the measured light reflected by the first dichroic filter into parallel light, and a measured light that has been collimated by the second optical element
  • a second spectroscopic element for splitting light for detecting the spectral light split by the element, and a second optical element disposed in the optical system between the second spectral element and the third and fourth light detection means.
  • the first light detecting means detects the spectral light of the first wavelength band that has passed through the second dichroic filter
  • the second light detecting means comprises the second dichroic filter.
  • Spectral light having a second wavelength band different from the first wavelength band reflected by the first dichroic filter is detected, and the third light detecting means transmits the first and second light transmitted through the third dichroic filter.
  • Spectral light of a third wavelength band different from the second wavelength band is detected, and the fourth light detection means is different from the first to third wavelength bands reflected by the third dichroic filter. 4th wavelength
  • the fourth means includes an incident slit into which the measured light is incident, a first optical element that makes the measured light that has passed through the incident slit parallel light, and the incident slit and the first optical element.
  • a first dichroic filter disposed in the optical system between the first dichroic filter, a first spectroscopic element that splits the measured light that has passed through the first dichroic filter and has been collimated by the first optical element,
  • the first light detection means comprises a two-dimensional light detection means, and is reflected by the first wavelength band of spectral light transmitted through the second dichroic filter, and by the second dichroic filter, Spectral light obtained by further reflecting spectroscopic light in a second wavelength band different from the wavelength band is detected, and the second light detection means includes a two-dimensional light detection means, and the third dichroic filter is The transmitted spectral light of the third wavelength band different from the first and second wavelength bands and the fourth wavelength band reflected by the third dichroic filter and
  • the present invention it is possible to realize a spectroradiometer that satisfies the seven requirements of low price, small size, light weight, high speed, high resolution, high efficiency, and broadband. Further, it is possible to realize a portable and high-performance spectroradiometer that can withstand the stress caused by transportation and can be used outdoors. Also, according to the present invention, when performing spectroscopic measurement with a pulsed solar simulator, there are many sharp peaks in the pulsed light, so the spectroscope has a very strict wavelength accuracy of 0.25 nm and the same.
  • spectral light can be detected by light detection means through a dichroic filter without waste, so that the wavelength accuracy and wavelength resolution required for the above pulsed light measurement can be realized. Can do. Furthermore, according to the present invention, by using an optical fiber as the incident optical system, spectroscopic measurement can be performed regardless of the state of the light source to be measured.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a spectroradiometer according to the invention of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a spectroradiometer according to the invention of the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a Zernitana spectrometer according to the prior art.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a branching optical fiber type high-speed measurement spectrometer according to the prior art.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a dichroic filter array type high-speed measurement spectrometer described in Patent Document 1. In FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a spectroradiometer according to the invention of this embodiment.
  • a spectroradiometer As shown in the figure, in this spectroradiometer, light to be measured is incident from an optical fiber 1 through an incident slit 2, and the light that has passed through the incident slit 2 is an optical made up of a collimator mirror 3 (or a collimator lens). The light is converted into parallel light by the element and is incident on the spectroscopic element formed of the diffraction grating 4 (or prism).
  • the light in the wavelength band ⁇ s to ⁇ m to ⁇ e dispersed by the diffraction grating 4 has a wavelength band of ⁇ s to ⁇ m and ⁇ m to ⁇ m in one spectral radiometer because the dichroic filter 5 is disposed in the optical path.
  • the light of each of the wavelength bands ⁇ s to ⁇ m and the wavelength bands ⁇ m to ⁇ e is divided into two parts as ⁇ e, and the light detection means passes through the imaging mirror 6 and the imaging mirror 7 corresponding to the respective wavelength bands.
  • the first detector 8 and the second detector 9 are simultaneously measured.
  • FIG. 1 shows a state in which the light diffracted by the diffraction grating 4 is imaged by the imaging mirrors 6 and 7 with the spread of the entire spectrum ⁇ s to ⁇ e at the exit of the spectrometer.
  • the difference from the conventional spectroscope is that the wavelength band is divided into two by inserting the dichroic filter 5 in the middle.
  • the dichroic filter 5 By providing the dichroic filter 5, two light outlets divided into two parts are provided, and one of the outlets is provided with a light detection means including the first detector 8 to measure light in the wavelength band ⁇ s to ⁇ m, At the other outlet, a light detection means comprising a second detector 9 is placed to measure light in the wavelength band ⁇ m to ⁇ e.
  • the spectroradiometer By configuring the spectroradiometer in this way, even if the wavelength band ⁇ s to ⁇ e is wide, it is not necessary to prepare two spectroscopes, and further, it is not necessary to increase the number of optical fibers for wavelength branching. Can be miniaturized. In other words, since a wide wavelength band ⁇ s to ⁇ e can be measured at a time in a small housing, there is no need for branching by an optical fiber, and a single optical fiber can be obtained, and a spectrometer can be saved. In addition, the manufacturing cost of the spectroradiometer can be reduced, and a portable spectroradiometer can be realized with an appropriate design.
  • the dichroic filter 5 by disposing the dichroic filter 5 after being dispersed by the diffraction grating 4 (or diffraction prism), all the light passing through the entrance slit 2 can be used by the plurality of detectors 8 and 9 without waste. It can be detected and high light utilization efficiency can be obtained. Thereby, it is possible to perform spectroscopic measurement in a wide wavelength band at the same time without using a plurality of spectroscopes. If a detector having a finer resolution is used, the wavelength accuracy and wavelength resolution of the spectrum to be measured can be increased.
  • the present invention is not limited to the optical system shown in FIG. 1, but is applied to most other spectroscopes such as a spectroscope using a concave diffraction grating and a spectroradiometer using a transmission diffraction grating. be able to.
  • the same detector is used to separate the spectra in the two wavelength bands by adopting the configuration described below. It can be measured separately in the sensor area. Specifically, consider the case where the detector is changed to a two-dimensional sensor in FIG.
  • a mirror (not shown) is arranged between the dichroic filter 5 and the imaging mirror 7, and the optical path of the light in the wavelength band ⁇ m to ⁇ e reflected by the dichroic filter 5 is changed downward so that the light in the wavelength band ⁇ m to ⁇ e Are incident on the imaging mirror 6 together with the light of the wavelength band ⁇ s to ⁇ m, and the light of the wavelength band ⁇ m to ⁇ e and the light of the wavelength band ⁇ s to ⁇ m are different from each other on the two-dimensional sensor surface of the detector that is the light detection means. Image the area.
  • the optical path is adjusted so that the images in the two wavelength bands do not interfere with each other in the two-dimensional sensor, the light in the wavelength bands ⁇ s to ⁇ m and the light in the wavelength bands ⁇ m to ⁇ e can be measured simultaneously by a single detector. Can do. However, it is necessary to select a detector having spectral response in the entire wavelength band ⁇ s to ⁇ m and the wavelength band ⁇ m to ⁇ e. If a two-dimensional sensor having a spectral response in a wide wavelength band and a sufficiently large area can be obtained, the above-described configuration can be applied to measure a multi-divided wavelength band with a single detector. it can.
  • the light branched for each wavelength by a dichroic filter or the like is divided into an upper half and a lower half of one two-dimensional sensor, or three or more divisions, and one two-dimensional sensor performs the functions of a plurality of line sensors. Can do.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the spectroradiometer according to the invention of this embodiment.
  • this spectroradiometer has a first dichroic filter 13 arranged outside the spectrometer, and a second dichroic filter 17 and a third dichroic filter 23 arranged in the spectrometer. is there. Specifically, light emitted from the optical fiber 11 enters the entrance slit 12, and the wavelength of the light emitted from the entrance slit 12 is divided by the first dichroic filter 13 before the collimator mirror 14.
  • the first dichroic filter 13 transmits light in the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ e1, and reflects light in the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ e2.
  • the light in the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ e1 transmitted through the first dichroic filter 13 is converted into parallel light by the collimator mirror 14 and is incident on the diffraction grating 15.
  • the light in the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ e1 dispersed by the diffraction grating 15 enters the second dichroic filter 17 disposed in the optical path via the imaging mirror 16.
  • the second dichroic filter 17 By the second dichroic filter 17, light in the wavelength band ⁇ s 1 to ⁇ m 1 passes through the second dichroic filter 17 and is measured by the first detector 18.
  • Light in the wavelength band ⁇ m 1 to ⁇ e 1 is measured by the second dichroic filter 17. Reflected and measured at the second detector 19. Similarly, the light in the wavelength band ⁇ s 2 to ⁇ e 2 reflected by the first dichroic filter 13 is converted into parallel light by the collimator mirror 20 and is incident on the diffraction grating 21. The light in the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ e2 dispersed by the diffraction grating 21 is incident on the third dichroic filter 23 disposed in the optical path via the imaging mirror 22.
  • the light in the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ m2 dispersed by the third dichroic filter 23 is transmitted through the third dichroic filter 23 and measured by the third detector 24, and the light in the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 dispersed is 3 is reflected by the third dichroic filter 23 and measured by the fourth detector 25.
  • the light in the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ m1 is in the first detector 18, the light in the wavelength band ⁇ m1 to ⁇ e1 is in the second detector 19, and the light in the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ m2 is the first.
  • 3 and the light in the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 are respectively measured in the fourth detector 25, and a wide wavelength band of ⁇ s1 to ⁇ m1 to ⁇ e1 and ⁇ s2 to ⁇ m2 to ⁇ e2 can be measured simultaneously. Therefore, it is possible to cover a wider measurement wavelength band without increasing the number of branching optical fibers.
  • the spectroradiometer can be miniaturized to be portable. Furthermore, according to the invention of the present embodiment, since the branching optical fiber for wavelength division as shown in FIG. 1 is not required, the cost can be reduced and the number of adjustment steps at the time of incorporation is small. Become. Furthermore, since only one optical fiber is required and a highly rigid optical fiber can be used, it is possible to improve performance such that the rigidity of the measurement system and hence the reproducibility of the measurement is increased. Furthermore, even when the length of a commercially available array detector is limited, measurement of a wide wavelength band can be realized with an optical system and a small number of optical fibers in a small housing.
  • the spectrum of four wavelength bands can be separated by the two detectors. Can be measured separately in different sensor areas.
  • a mirror (not shown) is arranged in an optical system that emits light in the wavelength band ⁇ m1 to ⁇ e1 reflected by the second dichroic filter 17, and light in the wavelength band ⁇ m1 to ⁇ e1 reflected by the second dichroic filter 17 is used.
  • the light of the wavelength band ⁇ m1 to ⁇ e1, together with the light of the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ m1, are imaged on different areas of the two-dimensional sensor surface of one detector.
  • a mirror (not shown) is disposed in an optical system that emits light in the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 reflected by the third dichroic filter 23, and light in the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 reflected by the third dichroic filter 23.
  • the light of the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 together with the light of the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ m2 is imaged on different regions of the two-dimensional sensor surface of the other detector.
  • the light in the wavelength band ⁇ s1 to ⁇ m1 and the light in the wavelength band ⁇ m1 to ⁇ e1 are simultaneously measured in one two-dimensional sensor, and the light in the wavelength band ⁇ s2 to ⁇ m2 and the light in the wavelength band ⁇ m2 to ⁇ e2 are measured in the other two-dimensional sensor. Can be measured simultaneously.
  • two contradictory demands of downsizing and cost reduction of the apparatus are applied to the diffraction grating or the prism through the collimator mirror or the collimating lens through the entrance slit and spectrally separated.
  • Light is applied to a dichroic filter through an imaging mirror to divide the wavelength band, and each wavelength band can be measured by an individual detector using a line sensor or a two-dimensional sensor.
  • the wavelength band of the detector for measuring all the wavelength bands simultaneously can be extended without increasing the size of the apparatus.
  • the complicated system structure of the conventional high-speed measurement spectrometer can be simplified, the number of assembly and adjustment processes can be reduced, and the price can be reduced.
  • the present invention can contribute to the establishment of international standards for spectroradiometer evaluation methods.

Abstract

　閃光の分光特性を測定する低価格・小型・軽量・高速・高分解能・高効率・広帯域の分光放射計を実現する。被測定光が入射される入射スリット（２）と、入射スリット（２）を通過した被測定光を平行光にする光学素子（３）と、光学素子（３）を出射した被測定光を分光する分光素子（４）と、分光素子（４）によって分光された分光光を検知する第１及び第２の光検知手段（８）、（９）と、分光素子（４）と第１及び第２の光検知手段（８）、（９）間の光学系中に設けられたダイクロイックフィルタ（５）とを備え、第１の光検知手段（８）は、ダイクロイックフィルタ（５）を透過した第１の波長帯域の分光光を検知し、第２の光検知手段（９）は、ダイクロイックフィルタ（５）によって反射された前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。

Description

分光放射計
　本発明は、分光放射計に係わり、特に、閃光の分光測定を行う分光放射計に関する。
　近年、環境問題に対する意識が極めて高く、例えば、その現れとして、化石燃料削減対策としての太陽電池による発電、更には照明の省エネルギー対策としての白熱電球から蛍光灯やＬＥＤへの転換が行われている。これらの施策を実現のためには、太陽電池の性能評価に用いられるソーラシミュレータの出射光の分光特性、更には蛍光灯やＬＥＤの分光特性を高速に測定することが必要とされている。特に、太陽電池の製造ラインでその性能を評価するソーラシミュレータは、測定のスループットの向上や省電力のためにパルス点灯型が主流となっており、ソーラシミュレータの分光測定は、閃光ランプから放射される閃光をミリ秒単位中に行う必要がある。又、カメラのフラッシュランプについても自然光に近い閃光を実現するためには分光特性の把握が欠かせない。このような閃光の分光測定のためには、太陽光と同様の幅広い波長領域における正確な分光分布をミリ秒単位の閃光時間中に測定することのできる分光器が必要となってきている。又、照明ランプメーカーにおいても、検査・保守要員が携帯できる安価で小型の分光器に対する需要が強まっている。そのためは、低価格、小型、軽量、高速測定、高分解能・高効率、広帯域測定という７つの要求を満たす分光放射計の早期の実現が望まれている。
特開平１０－７８３５３号公報
　しかしながら、従来技術においては、上記の７つの要求を満たす分光器は実現されていない。まず、従来技術の分光器の問題点を定性的に説明すると次の２つになる。
（１）高速化の困難性、パルス型ソーラシミュレータやフラッシュランプの分光測定には閃光時間内の高速測定が不可欠であるが、従来技術のように、分光器の中で回折格子の交換により波長帯域を切替える方法や切り替えミラーを使用して受光素子を切替える方法では、波長掃引に１０分程度が必要となる。つまり、閃光時間がミリ秒単位と短い時間内での分光測定を実現することはできない。
（２）小型化の困難性、高速・高分解能の分光計測を実現するためには、入射光を複数の波長帯域に分割し、これらの入射光を複数のディテクタで同時に測定する必要がある。これを実現するためには、複数の光ファイバで複数の分光器に入射する方法やダイクロイックミラーを使用して、入射光を分岐させて複数の分光器に入射させる方法が取られている。しかし、いずれの方法も、分光器を複数個使用する上に、高い分解能を得るためには、スリットからディテクタまでの距離を大きく取る必要がある。言い換えれば、分光器のサイズが大きくなり、測定系全体を小型化することができない。当然、これらの方法では高速・高分解能で廉価な分光器を得ることはできない。以下に、従来から使用されていた高速測定分光器の具体例とその問題点について説明する。
　図３は、従来から使用されている典型的なツェルニターナ型分光器の構成を示す図である。
　同図に示すように、光ファイバ１０１を通り入射口であるスリット１０２から入射した被測定光は、コリメータミラー１０３で反射後、回折格子１０４に入射され、回折格子１０４で回折されることによって各スペクトルに分散し、分散された各スペクトル光は結像ミラー１０５を介して、分光器出口１０６において波長λｓ～λｅの測定スペクトルの拡がりを持って測定される。通常、分光器出口１０６に１次元アレー型ディテクタや２次元ディテクタを設置し、その波長帯域に対応したスペクトルを測定する。但し、これらの市販のディテクタは、これを構成する半導体の種類によって波長帯域が限られ、広がったスペクトルを受けるディテクタの幅も限られる。つまり、測定したいスペクトル領域や分解能は、ディテクタに制約され、測定したい波長帯域を１個のアレー状ディテクタではカバーすることができない場合が往々発生する。その場合、分光器の台数を増やしたり、被測定光を伝導する光ファイバや分岐を増やしたものを、作り直さねばならない等の不都合が発生する。
　図４は、従来から使用されている分岐型光ファイバ方式の高速測定分光器の構成を示す図である。
　同図に示すように、被測定光を光ファイバ２０１で導入し、これを分岐した光ファイバ２０２、２０３、２０４を介して、例えば、５台の分光器２０５、２０６、２０７に入射して分光し、分光光はディテクタ２０８、２０９、２１０で測定される。ここでは、各々のスペクトル領域に分けて並列に処理している例を示しており、ｊ＝１～５とするとき、各分光器ｊは、波長帯域λｓｊ～λｅｊを測定するように設定してある。この方式の分光器は、被測定光の波長帯域が広いと、分光器の所要台数が増え、当然光ファイバや他の部品の個数が増え、組立や調整の工数が増え、結果として価格が上昇する欠点がある。又、広い波長帯域に対して、波長の分割数、言い換えれば光ファイバの本数を増やすには、その径を小さくする必要があり、結果として光学系のために分岐後の径が小さくなり分岐後の光量が減少し、又屈曲による光量変動をきたし、更には光学系の機械的脆弱性が大きくなる欠点がある。
　図５は、特許文献１に記載されているダイクロイックフィルタアレイ方式の高速測定分光器の構成を示す図である。
　ここで、ダイクロイックフィルタとは、λｓ＜λｍ＜λｅについて、波長帯域λｓ～λｍは透過し、波長帯域λｍ～λｅは反射するフィルタのことである。この方式の分光器は、入射光の光路中に複数の、例えば、３個のダイクロイックフィルタ３０１、３０２、３０３を配置し、それぞれのダイクロイックフィルタ３０１、３０２、３０３で切り出された波長帯域に対し、３個のレンズと各１個のスリット・回折格子・受光器から成る分光器３０４、３０５、３０６と、その出力を受けるディテクタ３０７、３０８、３０９を備えるものである。しかし、この方式の分光器の配置構造では、分光器相互の位置が干渉するために、高分解能の分光器を使用することができず、又、波長帯域分割に応じた数だけ分光器の数を同一光路上に配置する必要があるため、構造的にミラーなどを使用して光路を折り曲げる必要があり、製造コストが上昇し、実用的ではない。
　上記の従来の３種類の方式の分光器においては、パルス型ソーラシミュレータの分光測定には、高速測定という要求のために波長帯域ごとに光を分岐させる構造が不可欠であるが、これは測定システム全体を大型化させる傾向にあり、装置の小型化と低価格化という要求とは矛盾し、相容れるものではないという問題がある。
　本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、低価格・小型・軽量・高速・高分解能・高効率・広帯域という７つの要求を満たす分光放射計を提供することにある。
　本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
　第１の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する第１及び第２の光検知手段と、前記分光素子と前記第１及び第２の光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、前記第１の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光を検知し、前記第２の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタによって反射された前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。
　第２の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する光検知手段と、前記分光素子と前記光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、前記光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光と、前記ダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知する２次元の光検知手段であることを特徴とする分光放射計である。
　第３の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第１の光学素子と、前記入射スリットと前記第１の光学素子との間の光学系中に配置された第１のダイクロイックフィルタと、該第１のダイクロイックフィルタを透過し前記第１の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第１の分光素子と、該第１の分光素子によって分光された分光光を検知する第１及び第２の光検知手段と、前記第１の分光素子と前記第１及び第２の光検知手段との間の光学系中に配置された第２のダイクロイックフィルタと、前記第１のダイクロイックフィルタで反射された被測定光を平行光にする第２の光学素子と、該第２の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第２の分光素子と、該第２の分光素子によって分光された分光光を検知する第３及び第４の光検知手段と、前記第２の分光素子と前記第３及び第４の光検知手段との間の光学系中に配置された第３のダイクロイックフィルタとを備え、前記第１の光検知手段は、前記第２のダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光を検知し、前記第２の光検知手段は、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射された前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を検知し、前記第３の光検知手段は、前記第３のダイクロイックフィルタを透過した第１及び第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の分光光を検知し、前記第４の光検知手段は、前記第３のダイクロイックフィルタによって反射された前記第１ないし第３の波長帯域とは異なる第４の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。
　第４の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第１の光学素子と、前記入射スリットと前記第１の光学素子との間の光学系中に配置された第１のダイクロイックフィルタと、該第１のダイクロイックフィルタを透過し前記第１の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第１の分光素子と、該第１の分光素子によって分光された分光光を検知する第１の光検知手段と、前記第１の分光素子と前記第１の光検知手段との間の光学系中に配置された第２のダイクロイックフィルタと、前記第１のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第２の光学素子と、該第２の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第２の分光素子と、該第２の分光素子によって分光された分光光を検知する第２の光検知手段と、前記第２の分光素子と前記第２の光検知手段との間の光学系中に配置された第３のダイクロイックフィルタとを備え、前記第１の光検知手段は、２次元の光検知手段からなり、前記第２のダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光と、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知し、前記第２の光検知手段は、２次元の光検知手段からなり、前記第３のダイクロイックフィルタを透過した第１及び第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の分光光と、前記第３のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１ないし第３の波長帯域とは異なる第４の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知することを特徴とする分光放射計である。
　本発明によれば、低価格・小型・軽量・高速・高分解能・高効率・広帯域という７つの要求を満たす分光放射計を実現することができる。又、輸送によるストレスにも耐え、屋外においても使用できる剛性の高い携帯可能な高性能な分光放射計を実現することができる。
　又、本発明によれば、パルス型ソーラシミュレータの分光測定を行う場合、パルス光には多数の鋭いピークが存在することから、分光器には
０．２５ｎｍという非常に厳しい波長精度とこれと同程度の波長分解能が要求されるが、分光光を、ダイクロイックフィルタを介して無駄なく光検知手段で検知することができるため、上記のパルス光測定に要求される波長精度と波長分解能を実現することができる。
　更に、本発明によれば、入射光学系として光ファイバを使用することにより、測定対象の光源の状態に左右されずに分光測定ができる。
図１は、第１の実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。 図２は、第２の実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。 図３は、従来技術に係るツェルニターナ型分光器の構成を示す図である。 図４は、従来技術に係る分岐型光ファイバ方式の高速測定分光器の構成を示す図である。 図５は、特許文献１に記載されているダイクロイックフィルタアレイ方式の高速測定分光器の構成を示す図である。
　本発明の第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
　図１は、本実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。
　同図に示すように、この分光放射計は、光ファイバ１から入射スリット２を通って被測定光が入射され、入射スリット２を通った光は、コリメータミラー３（又はコリメータレンズ）からなる光学素子で平行光に変えられ、回折格子４（又はプリズム）からなる分光素子に入射される。回折格子４で分光された波長帯域λｓ～λｍ～λｅの光は、光路中にダイクロイックフィルタ５が配置されていることにより、１台の分光放射計中において、波長帯域がλｓ～λｍとλｍ～λｅの２つに分割され、それぞれの波長帯域λｓ～λｍと波長帯域λｍ～λｅの光は、それぞれの波長帯域に対応する結像ミラー６及び結像ミラー７を介して、それぞれ光検知手段としての第１のディテクタ８及び第２のディテクタ９において同時に測定される。
　図１においては、回折格子４で回折された光が結像ミラー６、７により分光器出口で全体のスペクトルλｓ～λｅの拡がりをもって結像している状態を示しているが、図３に示した従来型の分光器と異なるのは、途中にダイクロイックフィルタ５が挿入されていることにより波長帯域が２つに分けられている点にある。ダイクロイックフィルタ５を設けることにより、２つに分かれた光の出口を２箇所設け、一方の出口には第１のディテクタ８からなる光検知手段を置き、波長帯域λｓ～λｍの光を測定させ、他方の出口には第２のディテクタ９からなる光検知手段を置き、波長帯域λｍ～λｅの光を測定させるものである。
　分光放射計をこのように構成することにより、波長帯域λｓ～λｅが広くても、分光器を２台用意する必要がなく、さらに、波長分岐用の光ファイバ本数も増やさずに済み、分光器を小型化することができる。即ち、小型筐体中で一度に広い波長帯域λｓ～λｅを測定することができることにより、光ファイバによる分岐を必要とせず、光ファイバを１本とすることができ、又分光器も節約することができ、更に分光放射計の製造コストを低廉価化することができ、更に適切な設計により携帯用の分光放射計を実現することができる。
　本実施形態の発明によれば、回折格子４（又は回折プリズム）で分光された後にダイクロイックフィルタ５を配置することにより、入射スリット２を通った全ての光を無駄なく複数のディテクタ８、９で検知することができ、高い光利用効率が得られる。これにより、複数の分光器を使用しなくても同時に広い波長帯域の分光測定ができる。更に細かい分解能を持つディテクタを使用すれば、測定される分光の波長精度と波長分解能を上げることができる。又、複数の光ファイバにより複数の分光器に光を分岐する際に避けられない光強度の減少もなくなるので、強度が弱い波長帯域の光をも、より高い精度で測定することができる。更に、必要に応じ高次光カットフィルタ機能をダイクロイックフィルタ５に付加しておけば、迷光除去もできる。なお、本発明は、図１に示した光学系に限らず、他の殆どの分光器、例えば、凹面回折格子を利用した分光器や透過型回折格子を利用した分光放射計等にも応用することができる。
　更に、本実施形態の発明によれば、分光測定に２次元センサのディテクタを用いる場合は、以下に説明するような構成を採用することにより、２つの波長帯域の分光を同一ディテクタの分離されたセンサ領域で別々に測定することができる。具体的には、図１において、ディテクタを２次元センサに変えた場合について考える。まず、ダイクロイックフィルタ５と結像ミラー７の間に不図示のミラーを配置して、ダイクロイックフィルタ５で反射された波長帯域λｍ～λｅの光の光路を下向きに変え、波長帯域λｍ～λｅの光を、波長帯域λｓ～λｍの光と共に、結像ミラー６に入射させ、それぞれの波長帯域λｍ～λｅの光と波長帯域λｓ～λｍの光を光検知手段であるディテクタの２次元センサ面の異なる領域に結像させる。つまり、２次元センサ内で２つの波長帯域の像が干渉しないように光路を調整しておけば単一のディテクタによって、波長帯域λｓ～λｍの光と波長帯域λｍ～λｅ光を同時に測定することができる。ただし、このディテクタは波長帯域λｓ～λｍと波長帯域λｍ～λｅの全域で分光応答度を持つものを選ぶ必要がある。広い波長帯域で分光応答度を持ち、十分に広い面積を有する２次元センサを入手することができれば、上記の構成を適用することにより、多分割した波長帯域を単一のディテクタで測定することができる。このように、ダイクロイックフィルタ等で波長別に分岐した光を１つの２次元センサの上半分と下半分、又は３分割以上に分割して１つの２次元センサに複数のラインセンサの働きを行わせることができる。
　次に、本発明の第２の実施形態を、図２を用いて説明する。
　図２は、本実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。
　同図に示すように、この分光放射計は、分光器外に第１のダイクロイックフィルタ１３を配置すると共に、分光器中に第２のダイクロイックフィルタ１７及び第３のダイクロイックフィルタ２３を配置したものである。具体的には、光ファイバ１１から出射した光が入射スリット１２に入射され、入射スリット１２から出射した光は、コリメータミラー１４の手前で、第１のダイクロイックフィルタ１３によって波長帯域が分けられる。第１のダイクロイックフィルタ１３で波長帯域λｓ１～λｅ１の光は透過され、波長帯域λｓ２～λｅ２の光は反射される。第１のダイクロイックフィルタ１３を透過した波長帯域λｓ１～λｅ１の光は、コリメータミラー１４で平行光に変えられ、回折格子１５に入射される。回折格子１５で分光された波長帯域λｓ１～λｅ１の光は、結像ミラー１６を介して光路中に配置された第２のダイクロイックフィルタ１７に入射される。第２のダイクロイックフィルタ１７によって、波長帯域λｓ１～λｍ１の光は第２のダイクロイックフィルタ１７を透過して第１のディテクタ１８において測定され、波長帯域λｍ１～λｅ１の光は第２のダイクロイックフィルタ１７で反射されて第２のディテクタ１９において測定される。同様にして、第１のダイクロイックフィルタ１３で反射された波長帯域λｓ２～λｅ２の光は、コリメータミラー２０で平行光に変えられ、回折格子２１に入射される。回折格子２１で分光された波長帯域λｓ２～λｅ２の光は、結像ミラー２２を介して光路中に配置された第３のダイクロイックフィルタ２３に入射される。第３のダイクロイックフィルタ２３によって、分光された波長帯域λｓ２～λｍ２の光は第３のダイクロイックフィルタ２３を透過して第３のディテクタ２４において測定され、分光された波長帯域λｍ２～λｅ２の光は第３のダイクロイックフィルタ２３で反射されて第４のディテクタ２５において測定される。
　本実施形態の発明によれば、波長帯域λｓ１～λｍ１の光は第１のディテクタ１８において、又波長帯域λｍ１～λｅ１の光は第２のディテクタ１９において、又波長帯域λｓ２～λｍ２の光は第３のディテクタ２４において、又波長帯域λｍ２～λｅ２の光は第４のディテクタ２５においてそれぞれ測定され、λｓ１～λｍ１～λｅ１、λｓ２～λｍ２～λｅ２という広い波長帯域を同時に測定することができる。そのため、分岐用光ファイバの本数を増やさずに、さらに広い測定波長帯域をカバーすることができる。つまり、分光器への入射前と分光器以降の光学系中に、ダイクロイックフィルタそれぞれ挿入することにより、分光放射計を携帯できる程に小型化することが可能となる。更に、本実施形態の発明によれば、図１に示したような波長域分割用の分岐用光ファイバを必要としないので、コストを削減することができ、かつ組み込み時の調整の工数が少なくなる。更に、必要な光ファイバ本数が１本だけとなり剛性が高いものを使用することができるので、測定系の剛性、従って測定の再現性が増大するという、性能向上を図ることができる。更に、市販のアレー状ディテクタの長さが制限されている場合でも広い波長帯域の測定が小型筐体中の光学系と少数の光ファイバによって実現することができる。
　更に、本実施形態の発明によれば、分光測定に２次元センサのディテクタを用いる場合は、以下に説明するような構成を採用することにより、４つの波長帯域の分光を２つのディテクタの分離されたセンサ領域で別々に測定することができる。具体的には、図２において、ディテクタを２次元センサに変えた場合について考える。まず、第２のダイクロイックフィルタ１７で反射される波長帯域λｍ１～λｅ１の光が出射する光学系に不図示のミラーを配置して、第２のダイクロイックフィルタ１７で反射した波長帯域λｍ１～λｅ１の光の光路を上向きに変え、波長帯域λｍ１～λｅ１の光を、波長帯域λｓ１～λｍ１の光と共に、一方のディテクタの２次元センサ面の異なる領域に結像させる。更に、第３のダイクロイックフィルタ２３で反射される波長帯域λｍ２～λｅ２の光が出射する光学系に不図示のミラーを配置して、第３のダイクロイックフィルタ２３で反射した波長帯域λｍ２～λｅ２の光の光路を右上向きに変え、波長帯域λｍ２～λｅ２の光を、波長帯域λｓ２～λｍ２の光と共に、他方のディテクタの２次元センサ面の異なる領域に結像させる。つまり、一方の２次元センサにおいて波長帯域λｓ１～λｍ１の光と波長帯域λｍ１～λｅ１の光を同時に測定すると共に、他方の２次元センサにおいて波長帯域λｓ２～λｍ２の光と波長帯域λｍ２～λｅ２の光を同時に測定することができる。
　上記の各実施形態の発明によれば、装置の小型化と低価格化という相矛盾する２つの要求を、入射スリットを通りコリメータミラー又はコリメ－トレンズを介して回折格子又はプリズムに当てて分光した光を、結像ミラーを介してダイクロイックフィルタに当てて波長帯域を分割し、それぞれの波長帯域をラインセンサ又は２次元センサを用いた個別のディテクタで測定することができる。このように構成することにより、装置を大型化することなく、全波長帯域を同時に測定するためのディテクタの波長帯域を伸ばすことができる。又、限られた分解能のディテクタを、同時に複数用いることで、結果として被測定光の波長分解能を上げた高速測定を実現することができる。又、被測定光の導入に光ファイバを用いることにより、測定対象の光源の状態に左右されずに測定ができる。更に、従来の高速測定分光器の持つ複雑なシステム構造を簡素化し、組立や調整の工数を減らし、価格を下げることが可能となる。
　本発明の将来的に使用が期待される分野として、分光放射計の国際的な評価方法の基準の確立に寄与することができる。

Claims (4)

  1. 　被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する第１及び第２の光検知手段と、前記分光素子と前記第１及び第２の光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、
    　前記第１の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光を検知し、前記第２の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタによって反射された前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計。
  2. 　被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する光検知手段と、前記分光素子と前記光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、
    　前記光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光と、前記ダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知する２次元の光検知手段であることを特徴とする分光放射計。
  3. 　被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第１の光学素子と、前記入射スリットと前記第１の光学素子との間の光学系中に配置された第１のダイクロイックフィルタと、
    　該第１のダイクロイックフィルタを透過し前記第１の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第１の分光素子と、該第１の分光素子によって分光された分光光を検知する第１及び第２の光検知手段と、前記第１の分光素子と前記第１及び第２の光検知手段との間の光学系中に配置された第２のダイクロイックフィルタと、
    　前記第１のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第２の光学素子と、該第２の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第２の分光素子と、該第２の分光素子によって分光された分光光を検知する第３及び第４の光検知手段と、前記第２の分光素子と前記第３及び第４の光検知手段との間の光学系中に配置された第３のダイクロイックフィルタとを備え、
    　前記第１の光検知手段は、前記第２のダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光を検知し、前記第２の光検知手段は、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射された前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を検知し、前記第３の光検知手段は、前記第３のダイクロイックフィルタを透過した第１及び第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の分光光を検知し、前記第４の光検知手段は、前記第３のダイクロイックフィルタによって反射された前記第１ないし第３の波長帯域とは異なる第４の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計。
  4. 　被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第１の光学素子と、前記入射スリットと前記第１の光学素子との間の光学系中に配置された第１のダイクロイックフィルタと、
    　該第１のダイクロイックフィルタを透過し前記第１の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第１の分光素子と、該第１の分光素子によって分光された分光光を検知する第１の光検知手段と、前記第１の分光素子と前記第１の光検知手段との間の光学系中に配置された第２のダイクロイックフィルタと、
    　前記第１のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第２の光学素子と、該第２の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第２の分光素子と、該第２の分光素子によって分光された分光光を検知する第２の光検知手段と、前記第２の分光素子と前記第２の光検知手段との間の光学系中に配置された第３のダイクロイックフィルタとを備え、
    　前記第１の光検知手段は、２次元の光検知手段からなり、前記第２のダイクロイックフィルタを透過した第１の波長帯域の分光光と、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知し、前記第２の光検知手段は、２次元の光検知手段からなり、前記第３のダイクロイックフィルタを透過した第１及び第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の分光光と、前記第３のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第１ないし第３の波長帯域とは異なる第４の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知することを特徴とする分光放射計。
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