(57)【要約】【課題】入射光束の強度が時間的に変化する場合でも、高精度に入射光束の分光強度を計測することができるようにする。【解決手段】光束干渉部１の光軸と平行な方向に光軸を有し、入射光束の強度を測定する強度モニタ部３と、強度モニタ部３により測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、そのゲイン係数を光束強度検出部２により検出された合成光束の強度に乗算するゲイン調整部４とを備える。これにより、入射光束の強度が時間的に変化する場合でも、高精度に入射光束の分光強度を計測することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束を長さの差が時間的に変化する２つの光路に分岐し、前記２つの光路を通った光束を合成する光束干渉手段と、
前記光束干渉手段により合成された光束の強度を検出する光束強度検出手段と、
前記光束干渉手段の光軸と平行な方向に光軸を有し、前記入射光束の強度を測定する光束強度測定手段と、
前記光束強度測定手段により測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、前記ゲイン係数を前記光束強度検出手段により検出された強度に乗算するゲイン調整手段と、
前記ゲイン調整手段によりゲイン係数が乗算された強度から、前記乗算された強度の平均値を減算する平均値減算手段と、
前記平均値減算手段の減算結果をフーリエ変換によって前記入射光束の分光強度に変換する分光強度変換手段と
を備えたフーリエ干渉型分光器。
【請求項２】
前記平均値減算手段の減算結果のうち、初めからｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）番目の減算結果と、終わりからｎ番目の減算結果との平均値を算出し、初めからｎ番目の減算結果及び終わりからｎ番目の減算結果を前記算出した減算結果との平均値に置き換える補正手段を備え、
前記分光強度変換手段は、前記補正手段により平均値に置き換えられた減算結果をフーリエ変換によって前記入射光束の分光強度に変換することを特徴とする請求項１記載のフーリエ干渉型分光器。
【請求項３】
前記光束強度検出手段により検出された強度を積算し、その積算した強度を前記ゲイン調整手段に出力する強度積算手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のフーリエ干渉型分光器。
【請求項４】
前記光束強度測定手段の光軸は、前記光束干渉手段の光軸と同一であり、前記入射光束がミラーによって前記光束干渉手段と前記光束強度測定手段に分配されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のフーリエ干渉型分光器。
【請求項５】
光束干渉手段が、入射光束を長さの差が時間的に変化する２つの光路に分岐し、前記２つの光路を通った光束を合成する光束干渉処理ステップと、
光束強度検出手段が、前記光束干渉処理ステップで合成された光束の強度を検出する光束強度検出処理ステップと、
前記光束干渉手段の光軸と平行な方向に光軸を有する光束強度測定手段が、前記入射光束の強度を測定する光束強度測定処理ステップと、
ゲイン調整手段が、前記光束強度測定処理ステップで測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、前記ゲイン係数を前記光束強度検出処理ステップで検出された強度に乗算するゲイン調整処理ステップと、
平均値減算手段が、前記ゲイン調整処理ステップでゲイン係数が乗算された強度から、前記乗算された強度の平均値を減算する平均値減算処理ステップと、
分光強度変換手段が、前記平均値減算処理ステップでの減算結果をフーリエ変換によって前記入射光束の分光強度に変換する分光強度変換処理ステップと
を備えた分光強度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射された光束の分光スペクトルを光の干渉作用を利用して計測するフーリエ干渉型分光器に関し、特に時間的に強度が変化する光束を測定するフーリエ干渉型分光器及び分光強度計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下の特許文献１には、入射光束を長さの差が時間的に変化する２つの光路に分岐し、２つの光路を通った光束を合成して得られる干渉信号の強度から分光透過率などを計測するフーリエ干渉型分光器が開示されている。
干渉信号の強度は、２つの光路の光路長差に対して、光線の波長と等しい周期で増減を繰り返すため、光路長差に対する強度変化を解析することで、波長毎の強度に分解することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２８６９０２号公報（段落番号［００１６］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のフーリエ干渉型分光器は以上のように構成されているので、入射光束の強度が常に一定であれば、干渉信号の強度から分光透過率などを計測することができる。しかし、入射光束の強度が時間によって変化すると、干渉信号の強度変化として現われ、この干渉信号の強度変化が、２つの光路の光路長差の変化として誤って解析される。その結果、入射光束の強度の時間変化が誤差として現れて測定精度が低下してしまう課題があった。
特に、堅固に固定されていない測定対象の分光特性の測定、屋外などで強度が制御されていない光源を用いた測定、移動体などから観測することで視軸が僅かに変化する状態での測定、測定対象までの距離の変化やその間の領域での透過率の変化を伴う測定などが行われる場合、分光特性は時間的に変化しないが、強度は時間的に変化し易いため、測定精度が低下してしまう課題があった。
【０００５】
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、入射光束の強度が時間的に変化する場合でも、高精度に入射光束の分光強度を計測することができるフーリエ干渉型分光器及び分光強度計測方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るフーリエ干渉型分光器は、入射光束を長さの差が時間的に変化する２つの光路に分岐し、２つの光路を通った光束を合成する光束干渉手段と、光束干渉手段により合成された光束の強度を検出する光束強度検出手段と、光束干渉手段の光軸と平行な方向に光軸を有し、その入射光束の強度を測定する光束強度測定手段と、光束強度測定手段により測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、そのゲイン係数を光束強度検出手段により検出された強度に乗算するゲイン調整手段と、ゲイン調整手段によりゲイン係数が乗算された強度から、その強度の平均値を減算する平均値減算手段とを設け、分光強度変換手段が、平均値減算手段の減算結果をフーリエ変換によって入射光束の分光強度に変換するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、光束干渉手段の光軸と平行な方向に光軸を有し、入射光束の強度を測定する光束強度測定手段と、光束強度測定手段により測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、そのゲイン係数を光束強度検出手段により検出された強度に乗算するゲイン調整手段とを備えるように構成したので、入射光束の強度が時間的に変化する場合でも、高精度に入射光束の分光強度を計測することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるフーリエ干渉型分光器の処理内容（分光強度計測方法）を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図である。
図１において、光束干渉部１は長さの差が時間的に変化する２つの光路を備えており、入射光束を２つの光路に分岐して、２つの光束に時間的に連続的な光路長差を与えたのち、２つの光束を合成する処理を実施する。なお、光束干渉部１は光束干渉手段を構成している。
光束強度検出部２は例えば光検出器などから構成されており、光束干渉部１により合成された光束の強度を検出し、その強度を示す合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）をゲイン調整部４に出力する処理を実施する。
ただし、入射光束の強度が時間的に変化する場合、光束強度検出部２から出力される合成光束強度信号は、Ｉobs（ｘ）からＩ’obs（ｘ）に変化する。
なお、光束強度検出部２は光束強度検出手段を構成している。
【００１０】
強度モニタ部３は例えば光束干渉部１の光軸と平行な方向に光軸を有する輝度センサなどから構成されており、入射光束の強度を測定して、その強度を示す入射光束測定強度信号Ｉrad（ｘ）をゲイン調整部４に出力する処理を実施する。なお、強度モニタ部３は光束強度測定手段を構成している。
ゲイン調整部４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、強度モニタ部３から出力された入射光束測定強度信号Ｉrad（ｘ）の逆数をゲイン係数に設定し、そのゲイン係数を光束強度検出部２から出力された合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）に乗算することで入射光束の強度変動を補正し、ゲイン係数乗算後の合成光束強度信号であるＩsup（ｘ）をハイパスフィルタ部５に出力する処理を実施する。なお、ゲイン調整部４はゲイン調整手段を構成している。
【００１１】
ハイパスフィルタ部５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、ゲイン調整部４から出力されたゲイン係数乗算後の合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）の平均値を算出し、その合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）から当該平均値を減算する処理を実施する。なお、ハイパスフィルタ部５は平均値減算手段を構成している。
フーリエ変換部６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、ハイパスフィルタ部５の減算結果をフーリエ変換によって入射光束の分光強度Ｂ（σ）に変換する処理を実施する。なお、フーリエ変換部６は分光強度変換手段を構成している。
【００１２】
図１の例では、フーリエ干渉型分光器の構成要素である光束干渉部１、光束強度検出部２、強度モニタ部３、ゲイン調整部４、ハイパスフィルタ部５及びフーリエ変換部６のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、フーリエ干渉型分光器の全部又は一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、フーリエ干渉型分光器の一部（例えば、ゲイン調整部４、ハイパスフィルタ部５、フーリエ変換部６）がコンピュータで構成されている場合、ゲイン調整部４、ハイパスフィルタ部５及びフーリエ変換部６の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図２はこの発明の実施の形態１によるフーリエ干渉型分光器の処理内容（分光強度計測方法）を示すフローチャートである。
【００１３】
次に動作について説明する。
光束干渉部１は、光束を入射すると、その入射光束を２つの光路に分岐することで、２つの光束に時間的に連続的な光路長差を与える。
光束干渉部１は、２つの光束がそれぞれの光路を通過すると、それらの光束を合成して、合成後の光束を光束強度検出部２に出力する（ステップＳＴ１）。
【００１４】
光束強度検出部２は、光束干渉部１から合成後の光束を受けると、その光束の強度を検出し、その強度を示す合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）をゲイン調整部４に出力する（ステップＳＴ２）。
光束の強度を示す合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）は、光の干渉作用によって、下記の式（１）のように表される。
2015064228.tif 000003
式（１）において、σは光線波数であり、Ｂ（σ）は光線波数σにおける光束の分光強度である。
【００１５】
ここで、入射光束の強度の平均値Ｉobs（ｘ）バー（明細書の文書中では、電子出願の関係上、文字の上に“−”を記述することができないので、Ｉobs（ｘ）バーのように表記している）は、下記の式（２）のように表すことができる。
2015064228.tif 000004
【００１６】
そして、合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）から平均値Ｉobs（ｘ）バーを減算し（式（３）を参照）、その減算結果を２倍してフーリエ余弦変換（あるいは、負の空間に拡張して通常のフーリエ変換）すると、入射光束の分光強度Ｂ（σ）が得られる。
2015064228.tif 000005
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【００１７】
ただし、測定対象の分光特性が変化しなくても、強度だけが時間的に変化する場合には、光束強度検出部２から出力される合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）は、下記の式（５）に示すようにＩ’obs（ｘ）に変化する。
2015064228.tif 000007
式（５）において、Ｓ（ｘ）は、下記の式（６）に示すように、光路長差がｘである場合の入射光束の強度比（光路長差が０である場合の入射光束強度と、光路長差がｘである場合の入射光束強度との比）であり、光路長差が０である場合の入射光束強度で正規化している。即ち、Ｓ（０）＝１としている。
2015064228.tif 000008
【００１８】
このように、光束強度検出部２から出力される合成光束強度信号がＩobs（ｘ）からＩ’obs（ｘ）に変化すると、式（４）からは正確な入射光束の分光強度Ｂ（σ）が得られなくなる。
そこで、この実施の形態１では、入射光束の強度が時間的に変化しても、正確な入射光束の分光強度Ｂ（σ）が得られるようにするために、強度モニタ部３及びゲイン調整部４を備えている。
【００１９】
強度モニタ部３は、光束干渉部１と同じ光束を入射すると、その入射光束の強度を測定して、その強度を示す入射光束測定強度信号Ｉrad（ｘ）をゲイン調整部４に出力する（ステップＳＴ３）。
ゲイン調整部４は、強度モニタ部３から入射光束測定強度信号Ｉrad（ｘ）を受けると、その入射光束測定強度信号Ｉrad（ｘ）の逆数をゲイン係数１／Ｉrad（ｘ）に設定する。
ゲイン調整部４は、ゲイン係数１／Ｉrad（ｘ）を設定すると、下記の式（７）に示すように、そのゲイン係数１／Ｉrad（ｘ）を光束強度検出部２から出力された合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）に乗算することで入射光束の強度変動を補正し、ゲイン係数乗算後の合成光束強度信号であるＩsup（ｘ）をハイパスフィルタ部５に出力する（ステップＳＴ４）。
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式（６）において、Ｉrad（０）は光路長差が０である場合の入射光束の強度であり、式（６）は光路長差が０である場合を基準にしている。
【００２０】
ここで、Ｓ（ｘ）は、上述したように、入射光束の強度比であり、式（６）で表されるため、式（５）及び式（６）を式（７）に代入すると、ゲイン係数乗算後の合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）は、下記の式（８）に示すように、合成光束強度信号Ｉobs（ｘ）と一致する。
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これにより、ゲイン調整部４から出力される合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）は、時間的に変化していない場合の入射光束の強度として取り扱うことができる。
【００２１】
ハイパスフィルタ部５は、ゲイン調整部４からゲイン係数乗算後の合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）を受けると、下記の式（９）に示すように、その合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）の平均値Ｉsup（ｘ）バー（明細書の文書中では、電子出願の関係上、文字の上に“−”を記述することができないので、Ｉsup（ｘ）バーのように表記している）を算出する。
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【００２２】
ハイパスフィルタ部５は、合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）の平均値Ｉsup（ｘ）バーを算出すると、下記の式（１０）に示すように、その合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）から平均値Ｉsup（ｘ）バーを減算する（ステップＳＴ５）。
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【００２３】
フーリエ変換部６は、ハイパスフィルタ部５が合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）から平均値Ｉsup（ｘ）バーを減算すると、下記の式（１１）に示すように、その減算結果を２倍してフーリエ余弦変換（あるいは、負の空間に拡張して通常のフーリエ変換）することで、入射光束の分光強度Ｂ（σ）を算出する（ステップＳＴ６）。
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【００２４】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、光束干渉部１の光軸と平行な方向に光軸を有し、入射光束の強度を測定する強度モニタ部３と、強度モニタ部３により測定された入射光束の強度の逆数をゲイン係数に設定し、そのゲイン係数を光束強度検出部２により検出された合成光束の強度に乗算するゲイン調整部４とを備えるように構成したので、入射光束の強度が時間的に変化する場合でも、高精度に入射光束の分光強度を計測することができる効果を奏する。
【００２５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
信号補正部７は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、ハイパスフィルタ部５が合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）から平均値Ｉsup（ｘ）バーを減算する処理をＮ回実施している場合、初めからｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）番目の減算結果と、終わりからｎ番目の減算結果との平均値を算出し、初めからｎ番目の減算結果及び終わりからｎ番目の減算結果を前記平均値に置き換える処理を実施する。なお、信号補正部７は補正手段を構成している。
【００２６】
上記実施の形態１では、入射光束の強度が時間的に変化しても、正確な入射光束の分光強度Ｂ（σ）が得られるようにするために、強度モニタ部３及びゲイン調整部４を備えて、ゲイン調整部４が入射光束の強度変動を補正するものを示したが、補正残差が生じると、その補正残差が測定誤差につながる。
即ち、光路長差を正負両方向に変化させるフーリエ干渉型分光器では、絶対値が等しい位置にある時に観測されると、光束干渉部１による合成後の入射光線の強度が等しくなり、出力に時間的な対称性が発生するが、補正残差が存在する場合には、その時間的な対称性が失われる。
そこで、この実施の形態２では、ハイパスフィルタ部５とフーリエ変換部６の間に、信号補正部７を実装して、ゲイン調整部４による補正残差を低減するようにしている。
【００２７】
信号補正部７は、ハイパスフィルタ部５が合成光束強度信号Ｉsup（ｘ）から平均値Ｉsup（ｘ）バーを減算する処理をＮ回実施している場合、初めからｎ番目の減算結果と、終わりからｎ番目の減算結果との平均値を算出し、初めからｎ番目の減算結果及び終わりからｎ番目の減算結果を前記平均値に置き換える処理を実施する。
これにより、初めからｎ番目の減算結果と、終わりからｎ番目の減算結果は、同じ平均値に置き換えられる。
その結果、出力信号は完全に対称になり、補正残差によって発生していた非対称成分は除去される。
【００２８】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３によるフーリエ干渉型分光器を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
信号積算部８は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、光束強度検出部２から出力された合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）を積算し、その積算した合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）をゲイン調整部４に出力する処理を実施する。なお、信号積算部８は強度積算手段を構成している。
図４のフーリエ干渉型分光器は、図１のフーリエ干渉型分光器に信号積算部８を適用している例を示しているが、図３のフーリエ干渉型分光器に信号積算部８を適用するようにしてもよい。
【００２９】
光束強度検出部２は、検出器としての感度、雑音の有無、帯域などによって、有意な信号範囲として扱うことが可能なダイナミックレンジが決まる。
信号積算部８は、光束強度検出部２から出力された任意の時間分の合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）を積算し、その積算した合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）をゲイン調整部４に出力するものであるが、信号積算部８の出力信号に含まれている信号量は、積算分に応じて増加する一方、雑音の増加は、信号量の増加より抑えられる。例えば、白色雑音の場合、その増加分は信号量の増加分の１／１．４１倍である。
このため、信号積算部８が合成光束強度信号Ｉ’obs（ｘ）を積算することで信号のＳＮ比が増加する。
ＳＮ比が増加するということは、微小な信号であっても検出することが可能になり、有意な信号として扱える範囲が拡大して、ダイナミックレンジも拡大する効果が得られる。
【００３０】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、強度モニタ部３が光束干渉部１の光軸と平行な方向に光軸を有しているものを示したが、強度モニタ部３の光軸が光束干渉部１の光軸と同一であってもよい。
強度モニタ部３の光軸が光束干渉部１の光軸と同一である場合、入射光束を光束干渉部１と強度モニタ部３に分配する必要がある。
入射光束を光束干渉部１と強度モニタ部３に分配する方法としては、例えば、光軸上に測定対象の波長帯の入射光束を透過する一方、非測定対象の波長帯の入射光束を反射するダイクロイックミラーを配置し、そのダイクロイックミラーを透過する入射光束を光束干渉部１に与えて、そのダイクロイックミラーを反射する入射光束を強度モニタ部３に与える方法が考えられる。
このような方法であれば、測定対象の波長帯では、信号を減少させずに強度変化を取得することができる。
このとき、例えば、ＳＮ比が比較的高い波長の光束を強度モニタ部３に与えることで、ＳＮ比が低い波長の信号を減少させずに、強度変化を取得することができる。
【００３１】
この実施の形態４では、強度モニタ部３と光束干渉部１の光軸を同一の光軸にしているので、強度モニタ部３では、光束干渉部１に入射される光束の強度自体を測定することになるため、ゲイン調整部４における信号のゲイン補正の精度を高めることができる効果を奏する。
【００３２】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  光束干渉部（光束干渉手段）、２  光束強度検出部（光束強度検出手段）、３  強度モニタ部（光束強度測定手段）、４  ゲイン調整部（ゲイン調整手段）、５  ハイパスフィルタ部（平均値減算手段）、６  フーリエ変換部（分光強度変換手段）、７  信号補正部（補正手段）、８  信号積算部（強度積算手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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