(57)【要約】      （修正有）【課題】授業において受講学生全員に行き渡らせることができる低コストで製造可能な学習実験用分光器を提供する。【解決手段】電池で点灯する豆電球３先端に光ファイバ５，６の入射側端部を取付け、光ファイバの伝達する光を出射側端部５ｂ，６ｂからプラスチック製回折格子１９に入射し、回折光をＣＣＤカメラ１０に受光させ、パーソナルコンピュータ３０の画面に表示させるＣＣＤ画像を確認しつつ、支持体２０と磁石２１を動かして出射側端部５ｂ，６ｂの位置を調整しながら回折像を結ばせることが可能な学習実験用分光器である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池を電源として点灯する豆電球と、
一端を前記豆電球の先端に取付けて入射側端部とし、他端を出射側端部とする光ファイバと、
筒部に設けられる集光レンズ、ＣＣＤ受光部及びＵＳＢインターフェイスを有するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラの前記筒部の開口部に取付けられるプラスチック製回折格子とを備え、
前記ＣＣＤカメラはUSBケーブルによりパーソナルコンピュータと接続され、
前記出射側端部を前記ＣＣＤカメラの集光レンズに向けながら、前記出射側端部と前記ＣＣＤカメラの位置関係を調整することができるように、光ファイバの前記出射側端部又は前記ＣＣＤカメラの少なくともいずれか一方を手動で移動可動にした
ことを特徴とする学習実験用分光器。
【請求項２】
請求項１に記載の学習実験用分光器において、
前記ＣＣＤカメラ及び前記光ファイバの出射側端部を内蔵するボックスを更に有し、
前記光ファイバの出射側端部及び前記ＣＣＤカメラの位置関係を調整した後に、前記出射側端部及び前記ＣＣＤカメラを固定するための固定手段を備えた
ことを特徴とする学習実験用分光器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の学習実験用分光器において、
前記光ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部の間に設けられる減光機構を有し、
前記減光機構は、
前記光ファイバの中間部で二本に分割する構成とし、二本の前記光ファイバの端面同士を対向させるとともに、
前記二本の光ファイバの対向する二つの端面及び前記二つの端面の間の空間を覆うように外嵌する前記可撓性チューブを設け、
前記光ファイバと前記可撓性チューブは摺動可能であり、前記光ファイバの端面同士の距離を調節することができる
ことを特徴とする学習実験用分光器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の学習実験用分光器において、
前記光ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部の間に設けられる試料反射型光学セルを有し、
前記試料反射型光学セルは、
断面形状が半円をなす反射体と、
板状の部材であって、前記反射体と合わせて半円柱形状をなすように前記反射体に取付けられる板状部材と、
前記反射体と前記板状部材の間に設置される試料に対して、光源からの光を入射する光ファイバ入射口と、
試料からの反射した光が入る検出口とを有し、
前記検出口及び前記入射口は並べて設けられると共に、前記反射体の半円の断面形状における曲面部の中央部に設けられ
前記反射体は、反射面に高輝度再帰性反射シートを備えた
ことを特徴とする学習実験用分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大学等の学校における学習実験に用いられる学習実験用分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光を各波長成分に分ける装置として分光器が知られている。この分光器として、発光素子等の光源と、光源からの光を通過させるスリットと、スリットを通過した光を平行光線にするための凸レンズと、その平行光線を通過させて回折光を作るための回折格子と、その回折光を通過させて回折像を結ばせるための集光レンズと、その回折光を受光するＣＣＤセンサ等の受光部を備える分光器が存在する。そして受光部の映像から、光強度解析装置が波長ごとの光強度スペクトルを測定することが可能である。
【０００３】
例えば特許文献１においては、複数の光ファイバからの光を入射する入射スリットと、コリメータレンズ光学系と、反射型の回折格子と、集光レンズ光学系と、二次元受光手段とを備え、これらの位置関係等を定めて高分解能化を可能にした分光器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００６−１６２５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年において、授業を受講する学生一人一人に１個ずつ実験装置を配布して、各自に学習実験を行わせる授業により受講者の学習効果を向上させる取り組みが行われている。
【０００６】
しかし、従来の分光器は販売価格が数十万円のものが一般的であった。これに対し、学校の授業には予算の制約があるため、受講学生の数と同数という多数の実験装置を用意するためには、その実験装置の低コスト化が求められる。また、個人の机の上で装置が展開できる程度のコンパクトさも求められる。
【０００７】
また、発展途上国において学習のための実験装置を使用する場合には、更に電池駆動が可能であることが求められる。即ち、発展途上国では電力インフラが発達していないことから、送電線が教育現場まで配線されていなかったり、又は送電線が配線されていても、発電所の電力供給が電力需要に間に合わない場合や乾季などの自然環境の影響による場合などにより停電が起こる場合がある。そのような環境において停電による実験の中断などが起これば、授業のカリキュラムがこなせなくなることになって、発展途上国の教育レベル向上に貢献できない不具合が生じるおそれがある。
【０００８】
このように、学習実験装置としては、低コスト、コンパクト化及び電池駆動が求められるのに対して、一般的な分光器は、高分解能などの高性能化が重視されるため、比較的高価な装置となる傾向があった。
【０００９】
また、学習実験の主な目的は体験を通じてその技術の理解を深めるためのものであるから、学習実験用分光器は、光を復数段階の色を見分ける分けることができれば機能として足りる。即ち、リトマス試験紙等の試薬の色を分析する程度の分解能の学習実験用分光器でもよいため、必ずしも高分解能で比較的高価な分光器を用いる必要はない。
【００１０】
本発明は、低コストで製造可能な学習実験用分光器であって、授業において各学生に行き渡らせることができるとともに、発展途上国においても停電の影響を受けないで実験可能な学習実験用分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の学習実験用分光器は、
電池を電源として点灯する豆電球と、
一端を前記豆電球の先端に取付けて入射側端部とし、他端を出射側端部とする光ファイバと、
筒部に設けられる集光レンズ、ＣＣＤ受光部及びＵＳＢインターフェイスを有するＣＣＤカメラと、
前記ＣＣＤカメラの前記筒部の開口部に取付けられるプラスチック製回折格子とを備え、
前記ＣＣＤカメラはUSBケーブルによりパーソナルコンピュータと接続され、
前記出射側端部を前記ＣＣＤカメラの集光レンズに向けながら、前記出射側端部と前記ＣＣＤカメラの位置関係を調整することができるように、光ファイバの前記出射側端部又は前記ＣＣＤカメラの少なくともいずれか一方を手動で移動可動にした
ことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の学習実験用分光器は、
請求項１に記載の学習実験用分光器において、
前記ＣＣＤカメラ及び前記光ファイバの出射側端部を内蔵するボックスを更に有し、
前記光ファイバの出射側端部及び前記ＣＣＤカメラの位置関係を調整した後に、前記出射側端部及び前記ＣＣＤカメラを固定するための固定手段を備えた
ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の学習実験用分光器は、
請求項１又は請求項２に記載の学習実験用分光器において、
前記光ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部の間に設けられる減光機構であって、
前記減光機構は、
前記光ファイバの中間部で二本に分割する構成とし、二本の前記光ファイバの端面同士を対向させるとともに、
前記二本の光ファイバの対向する二つの端面及び前記二つの端面の間の空間を覆うように外嵌する前記可撓性チューブを設け、
前記光ファイバと前記可撓性チューブは摺動可能であり、前記光ファイバの端面同士の距離を調節することができる
ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の学習実験用分光器は、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の学習実験用分光器において、
前記光ファイバの前記入射側端部と前記出射側端部の間に設けられる試料反射型光学セルを有し、
前記試料反射型光学セルは、
断面形状が半円をなす反射体と、
板状の部材であって、前記反射体と合わせて半円柱形状をなすように前記反射体に取付けられる板状部材と、
前記反射体と前記板状部材の間に設置される試料に対して、光源からの光を入射する光ファイバ入射口と、
試料からの反射した光が入る検出口とを有し、
前記検出口及び前記入射口は並べて設けられ、かつ、前記反射体の半円の断面形状における曲面部の中央部に設けられ
前記反射体は、反射面に高輝度再帰性反射シートを備えた
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、
光ファイバ出射側端部を点光源とみなすことにより、スリットを省略するとともに、コリメータ光学系を省略することが可能となり、これにより学習実験用分光器の製造コスト低減が可能となる。
【００１６】
また、ＵＳＢインターフェイスを備えたＣＣＤカメラは例えば市場において数千円程度で入手可能であるので、通常において分光器のために用意される集光レンズ及び受光装置を用意するよりもコスト低減が可能になる。また、プラスチック製回折格子を採用することで、石英製回折格子等を用意するよりも製造コストの低減が可能になる。
【００１７】
また、電池を電源とする豆電球を光源として採用したので、電池による駆動が可能となり、光源が停電の影響を受けることなく実験を行う事が可能となるとともに、製造コストの低減が可能になる。
【００１８】
また、近年のＣＣＤカメラは低価格製品でも性能が向上していることから、これらの構成を採用しても、学習実験用分光器として使用可能な性能を満たすことができる。例えば、分解能を５０ナノメートルとして、光を７色に分ける学習用分光器や、分解能を１．５マイクロメートルとして、色を２５６色に分ける学習用分光器を構成することが可能である。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、ＣＣＤカメラ及び光ファイバの出射側端部を内蔵するボックスを設けたので、ボックスでこれらを覆うことにより、暗くすることができない環境においても分光実験を行うことが可能となる。また光学スリット及び平行レンズ（コリメータレンズ光学系）を省略するため、その分学習実験用分光器をコンパクト化させることができる。
【００２０】
また、光ファイバの出射側端部とＣＣＤカメラを固定する固定手段を設けたため、光ファイバ出射側端部とＣＣＤカメラの位置関係を固定したまま、較正を行なえば、光学セル及び光学セル内の試料を変えて反射光の比較等を行うことができる。このため、研究費が少ない環境にある者であってもこの学習実験用分光器を簡易分光器として研究に転用し、活用することが可能となる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、
光ファイバの中間部を分割構造として、その分割された箇所の端面同士を距離調節に対向させ、対向する二つの端面及び前記二つの端面の間の空間を覆うように可撓性チューブで外嵌したため、その対向した端面同士が離れている部分においては、光が拡散して受側ファイバへの入射光量が減る。このため、光ファイバを可撓性チューブ内で摺動させて端面同士の距離を調整することで、伝達する光の減光の程度を調整することが可能となる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、
反射体の半円の断面形状における曲面部の中央部に入射口を設けて、その入射口と並べて検出口を設け、反射体と板状部材を組み合わせて半円柱に形成し、反射体と板上部材の間に試料をセットするようにしたため、
光ファイバ入射口からの試料へ入射され、その光が試料と反射体の間で反射を繰り返す。即ち、試料への入射光により試料からの反射光が生じ、その試料からの反射光が反射体によって再度反射され、更に試料へ反射される。このため、検出口へ入射される光の強度が弱まることを抑制することが可能となる。また、反射体の反射面に高輝度再帰性反射シートを設けたことにより、更に検出口へ入射される光の強度が弱まることを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の学習実験用分光器の一実施の形態を説明する全体図である。
【図２】本実施の形態の豆電球を光ファイバに取付ける取付け機構を説明する断面図である。
【図３】本実施の形態の光ファイバを伝達する光を減光する減光機構を説明する断面図である。
【図４】本実施の形態の支持体を説明する側面図である。
【図５】本実施の形態のCCDカメラの機能を説明するブロック図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる回折虚像のCCD画像である。
【図７】本発明の学習実験用分光器の他の実施の形態を説明する全体図である。
【図８】図８（ａ）は本発明で用いられる試料反射型分光セルの一例を示す横断面図、図８（Ｂ）はその試料反射型分光セルの一例を示す縦断面図である。
【図９】本実施の形態に用いられる高輝度反射シートを説明する概念図である。
【図１０】本発明で用いられる試料透過型光学セルの一例を示す横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明による学習実験用分光器の一実施の形態を説明する全体図である。この学習実験用分光器は、電源としての電池が内蔵された電池ボックス２６、電池を電源として点灯する２つの豆電球３、その２つの豆電球３の光を伝達する光ファイバ５，６、光ファイバから出射される光を回折するプラスチック製回折格子１９、プラスチック製回折格子１９による回折光を受光するＣＣＤカメラ１０を備える。また、ＣＣＤカメラ１０は、パーソナルコンピュータ３０にＵＳＢケーブルで接続される。パーソナルコンピュータ３０はＣＣＤカメラ１０からの回折像を受信して、ソフトウエアにより受信した回折像から光強度スペクトルを算出する。２８は学習実験用分光器の構成要素を配置及び移動しやすくするための金属製の平板である。また、図１におけるＤ１は光ファイバ５，６の入射側端部５ｅ，６ｅの方向を表す。
【００２５】
光源としての豆電球３は、平板２８上に置かれた設置台３ｂに設置されるとともに、電池ボックス２６の電池と配線２により接続され点灯する。豆電球３の発光側の先端に、取付け構造７により光ファイバ５，６の入射側端部５ａ，６ａ（図２参照）が当接して取付けられることにより、点灯した豆電球３の光は光ファイバ５，６に入射される。
【００２６】
図２は、豆電球３に光ファイバ５，６の入射側端部５ａ，６ａを取付ける取付け構造７を説明する図である。この取付け構造７は、光ファイバ５，６を内嵌する可撓性チューブ９を豆電球３の発光側先端に当接させて、その可撓性チューブ９をエポキシ樹脂などの透明な接着剤８で豆電球３に固定して取付ける。
【００２７】
この可撓性チューブ９の内径は、光ファイバ５，６を内嵌しつつ摺動可能なように、光ファイバ５，６の外径とほぼ同じにするため、光ファイバ５，６が脱着可能であり、光ファイバ５，６と同径の他の光ファイバに交換することができる。
【００２８】
また、本実施の形態において豆電球３は、先端に集光レンズ３ａを備えたことにより集光レンズ付き豆電球を採用しているが、集光レンズを備えない豆電球を用いてもよい。
【００２９】
２５は、光ファイバ５を伝達する光を減光する減光機構である。図３の断面図に示すように、この減光機構２５は、光ファイバ５を光ファイバ５ｃ及び光ファイバ５ｄに分割し、これらの光ファイバ５ｃ及び光ファイバ５ｄに被せる可撓性チューブ２６とを備える。また減光機構２５は、光ファイバ５の入射側端部５ｂと出射側端部５ｂの間の中間部に設けられ、光ファイバ５を５ｃと５ｂからなる分割構造として、この光ファイバ５ｃと５ｄの各端面５ｃ１，５ｄ１が距離ｇだけ離して対向するよう構成する。更に、それらの端面５ｃ１と端面５ｄ１及びその間の空間２７を覆うように可撓性チューブ２６を光ファイバ５ｃ及び５ｄに外嵌する。
【００３０】
この減光機構２５において、光ファイバ５ｃ及び５ｄは可撓性チューブ２６内壁を摺動可能に取付けられ、空間２７における端面５ｃ１と５ｄ１の間の距離ｇを変更することが可能である。
【００３１】
この空間２７において、豆電球から入射され、伝達されてきた光が光ファイバ５ｃの端面５ｃ１から出射されて、端面５ｄ１に入射される間に、空間２７において、その光が可撓性チューブ２６の内壁に吸収又は透過され光量が減る。このため、端面５ｃ１から端面５ｄ１までの間に伝達される光が減光される。また、上述の距離ｇを変更することにより、減光の程度を調節することが可能である。
【００３２】
減光機構は、例えば、光学セル４０を通過する光ファイバ６の光と、光学セル４０を通過しない光を同時にＣＣＤカメラ１０に受光させる場合において、光ファイバ６の光の強度が弱くその光の強度に応じてＣＣＤカメラ１０の感度を上げる場合に、光ファイバ５からの光をそのままの強度にすると光量が飽和して計測できなくなってしまうことを防止するため減光する際に用いられる。
【００３３】
従来の減光機構では精密な計測の為に高額な減光フィルタ等の光学部品を用いていたのに対して、この減光装置２５によれば、高額な光学部品を用いる必要がないため、少ないコストで製造することができる。
【００３４】
図４（ａ）は、光ファイバ５及び６の出射側端部５ｅ，６ｅを支持する金属磁性材からなる支持体２０を説明する側面図である。この支持体２０は、水平部２０ｂと垂直部２０ａからなる。垂直部２０ａには、磁石２１が磁力により吸着し、上下動可能に取付けられ、出射側端部５ｅ，６ｅがその端面を露出してその磁石２１に接着材２２により固定される。出射側端部５ｅ，６ｅは、回折像が重なって解析が難しくならないように、離して設置される。２３は、接着剤２２の変形によって出射側端部５ｅ，６ｅの位置関係が変動することを防止する補強板である。図１においてＤ１は光ファイバ５，６の入射側端部５ｅ，６ｅの方向を示す。
【００３５】
水平部２０ａの底部（平板２８側）には、板磁石２４が固定される。板磁石２４によって、板磁石２４が平板２８に磁力によって吸着するため、支持体２０を手動で移動可能にしつつ、位置決め後は支持体２０が多少の外力では動かないように安定させることができる。
【００３６】
図４（ｂ）は、一本の光ファイバ５のみを分光器に用いた場合の支持体２０の構成である。この場合は、２本の光ファイバ５，６を用いる場合のように出射側端部５ｅと６ｅの距離が変わるという問題はないため、補強板２３は省略している。
【００３７】
図１のＣＣＤカメラ１０は、基板１４と、基板１４に取付けられる筒部１１と、筒部に内蔵される集光レンズ１２と、基板に取付けられるＣＣＤ受光部１３とを備える。筒部１１の光ファイバ側に位置する開口部１５には、プラスチック製回折格子１９が取付けられる。また、ＣＣＤカメラ１０の基板１４は固定金具やクランプ等（不図示）で平板２８に固定される。
【００３８】
図５は、ＣＣＤカメラ１０の機能を説明するブロック図である。ＣＣＤカメラ１０は、集光レンズ１２、ＣＣＤ受光部１３、カメラコントローラ１６、ＵＳＢインターフェイスを１７備え、パーソナルコンピュータ３０のＵＳＢインターフェイス３１とＵＳＢケーブル１８によって接続される。
【００３９】
ここで、カメラコントローラ１６はＣＣＤ受光部１３のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換や色調整等の信号処理を行う。ＵＳＢインターフェイス１７とＵＳＢインターフェイス３１は、ＣＣＤカメラ１０とパーソナルコンピュータ３０の通信を行うためのインターフェイスであるとともに、パーソナルコンピュータ３０からＣＣＤカメラ１０へ電力を供給する。
【００４０】
尚、本実施の形態におけるＣＣＤカメラ１０は、一般的にＵＳＢ接続用のＣＣＤカメラモジュールと呼ばれるものが使用できる。また、それはＵＳＢ接続用のＷＥＢカメラに内蔵されているものと同等のものであり、数千円で入手可能である。
【００４１】
本実施の形態においては、パーソナルコンピュータ３０を電力インフラの整備が不十分で停電が起こり得る環境で使用する場合には、パーソナルコンピュータ３０はバッテリーを備えたものを使用する。また、パーソナルコンピュータ３０は初めからバッテリーが内蔵されているノート型のパーソナルコンピュータがコスト面から好ましい。
【００４２】
光ファイバ５の伝達する光は、豆電球３から減光機構２５を経由して支持体２０により固定された出射側端部５ｅから、プラスチック製回折格子１９へ出射され、プラスチック製回折格子１９による回折光は、ＣＣＤカメラ１０の開口部１５を通り、集光レンズ１２へ出射され、ＣＣＤ受光部１３の表面に回折像が結像する。
【００４３】
同様に、光ファイバ６の伝達する光は、豆電球３から光学セル４０を経由して支持体２０により固定された出射側端部６ｅから、プラスチック製回折格子１９へ出射され、プラスチック製回折格子１９による回折光は、ＣＣＤカメラ１０の開口部１５を通り、集光レンズ１２へ出射され、ＣＣＤ受光部１３の表面に回折像が結像する。
【００４４】
これらの回折像の映像は、ＣＣＤ受光部１３により電気信号としてカメラコントローラ１６に送信され、カメラコントローラ１６によって信号処理されて、パーソナルコンピュータ３０で処理可能なデジタルデータとなって、ＵＳＢインターフェイス１７及びＵＳＢインターフェイス３１を介してパーソナルコンピュータ３０へ送信される。
【００４５】
図６は、受信した回折像のデータをソフトウェアによってパーソナルコンピュータ３０の画面に表示した回折虚像の一例である。本実施の形態においては二つの光ファイバ５，６から入射される光が二つであるため、回折像も二つである。
【００４６】
このとき、実験者は、パーソナルコンピュータ３０の画面に表示されるＣＣＤ画像を確認しながら、支持体２０を平板２８の上をスライドさせて光ファイバ５，６の出射側端部５ｅ，６ｅとＣＣＤカメラ１０の位置関係を調節して、ＣＣＤカメラ１０に回折像が結像する位置関係にする。また、出射側端部５ｅ，６ｅの上下位置は支持体２０に取付けられた磁石２１を上下動させて調節する。また、この２本の回折像のＣＣＤ画像を確認しながら、必要に応じて減光機構２５を調節する。
【００４７】
そして、パーソナルコンピュータ３０において波長ごとの光強度を測定するソフトウェアを用いて、この回折像の画像から光の波長と強度を算出する。尚、図６の回折像は二つ同時に表示されるため、その回折像の比較が容易である。
【００４８】
この実験実習用の分光器の分解能は、光ファイバ５，６のコアを（８０マイクロメートルから０．５ミリメートル）程度、ＣＣＤカメラ１０を現在数千円程度のＷＥＢカメラに内蔵されるカメラモジュールと同等の性能を持つものを採用すると、（１．５ナノメートルから５０ナノメートル程度）とすることが可能である。
【００４９】
なお、この学習実験用分光器の較正は、単一波長を出力するＬＤ（レーザーダイオード）又はＬＥＤ（発光ダイオード）とＬＥＤに付属するデータシートの情報を用いて行う。このうちＬＥＤを使用する較正の場合には、光源である豆電球３をＬＥＤに置換して、パーソナルコンピュータ３０により観測されるスペクトル位置と、ＬＥＤに付属するデータシートのピーク波長を比較することにより較正する。
【００５０】
光ファイバ５，６のコアは狭いことから出射側端部５ｅ，６ｅを点光源とみなせることから、一般的分光器に必要な光学スリットを省略することがきる。このため学習実験用分光器の製造コストを低減することができる。
【００５１】
また、プラスチック製回折格子１９への入射角度制御を行わないことから、平行レンズ（コリメータレンズ光学系）を省略することが可能である。このため製造コストを低減させることができる。
【００５２】
また、ＵＳＢインターフェイス１７を備えたＣＣＤカメラ１０は例えば市場において数千円程度で入手可能であるので、通常において分光器のために用意される集光レンズ及び受光装置を用意するよりもコスト低減が可能になる。また、プラスチック製回折格子１９を採用することで、石英製回折格子等を用意するよりも製造コストの低減が可能になる。
【００５３】
また、電池を電源とする豆電球３を光源として採用したので、電池による駆動が可能となり、光源が停電の影響を受けることなく実験を行う事が可能となるとともに、製造コストの低減が可能になる。
【００５４】
また、近年のＣＣＤカメラ１０は低価格製品でも性能が向上していることから、これらの構成を採用しても、学習実験用分光器として使用可能な性能を満たすことができる。例えば、分解能を５０ナノメートルとして、光を７色に分ける学習用分光器や、分解能を１．５マイクロメートルとして、色を２５６色に分ける学習用分光器を構成することが可能である。
【００５５】
また、光学部品としての特別に集光レンズを用意せずとも、ＣＣＤカメラ１０が備える集光レンズ１２がその役割を果たす。このため学習実験用分光器の製造コストを抑制することができる。
【００５６】
また、出射側端部５ｄ、６ｄとＣＣＤカメラ１０の位置関係の調整は実験者が回折像が結像することを確認するため、通常の分光器のように製造段階での厳密な位置調整が不要であり、製造工数の削減による製造コストの低減が可能である。
【００５７】
また、本実施の形態においては光ファイバは２本設けているが、光強度スペクトルを同時に調べたい本数に応じて何本でもよい。また、本実施の形態においては、出射側端部５ｅ，６ｅ及びＣＣＤカメラ１０は少なくとも一方が移動可能に設けられていれば、両者間の位置関係は調整可能であるので、出射側端部５ｅ，６ｅを支持する部材を平板２８に固定して、かつ、ＣＣＤカメラ１０に支持体２０と同様の支持体を設けて移動可能に配置してもよい。
【００５８】
図７は、本発明の学習実験用分光器の他の実施の形態を説明する図である。この実施の形態においては、前述の実施形態と同じ機能又は役割を有するものについては同じ符号を用いる。この実施の形態では、ＣＣＤカメラ１０と光ファイバ４の出射側端部４ｅがボックス５０内に備えられる。
【００５９】
ボックス５０内部は、螺子５２により基板５１が取付けられ、基板５１上に固定手段としての支持部品５９により光ファイバ４の出射側端部４ｅが取付けられる。
【００６０】
支持部品５９は、水平部５９ａと、垂直部５９ｂと、垂直部５９ｂに接着材５７により固定される磁石２１と、磁石２１に光ファイバ４の出射側端部４ａを固定する接着剤２２とを備える。支持部品５９の水平部５９ｂには長孔でなる螺子挿通孔５９ｃを設け、この根挿通孔５９ｃと基板５１の挿通孔（不図示）に、螺子５６ａを挿通させ、基板５１の裏側のナット５６ｂと螺合させることにより、基板５１に支持部品５９をＣＣＤカメラ１０に対する位置及び方向調整可能に取付ける。Ｄ２は出射側端部４ｅの方向を示す線である。
【００６１】
同様に、ボックス５０内の基板５１にＣＣＤカメラ１０を取付ける。このＣＣＤカメラ１０の基板１３には、固定手段としての支持部品５８が取付けられる。支持部品５８は水平部５８ａと垂直部５８ｂとを備え、水平部５８ａに長孔でなる螺子挿通孔５８ｃが設けられる。この螺子挿通孔５８ｃと基板５１の挿通孔（不図示）に、螺子５４ａを挿通させ、基板５１の裏側のナット５４ｂに螺合させることにより、基板５１に支持部品５８を光ファイバ４の出射側端部４ｅに対する位置及び方向調節可能に取付ける。
【００６２】
５０ａは、ボックス５０の光ファイバ４を貫通させる穴に設ける緩衝及び遮光のためのゴム部品である。また、ＣＣＤカメラ１０は、外部のパーソナルコンピュータ３０と接続するためのＵＳＢケーブル１８により接続される。このＵＳＢケーブル１８をボックス５０に貫通する孔（不図示）にもゴム部品５０ａと同じ形のゴム部品を取り付けてもよい。
【００６３】
光ファイバ４の出射側端部４ｅとＣＣＤカメラ１０の位置調整と固定について説明する。出射側端部４ｅが取付けられる支持部品５９は、螺子５６ａとナット５６ｂの螺合を緩めておくことにより、螺子５６ａを長孔である螺子挿通孔５９にスライドさせてその位置を変更することができる。
【００６４】
このとき、ＣＣＤカメラ１０が取付けられる支持部品５８についても同様に、螺子５４ａを緩めておくことにより、螺子５４ａを長孔である螺子挿通孔５８ｃとスライドさせてその位置を変更することができる。
【００６５】
そして、そのように位置変更可能な状態において、ＵＳＢカメラ１０からの映像をパーソナルコンピュータ３０の画面で確認を取りながら位置調整を行い、最も鮮明な回折像がパーソナルコンピュータ３０の画面で得られたら、螺子５６ｂと螺子５４ａを締めて、基板５１に支持部品５８と支持部品５９をその位置に固定する。
【００６６】
また、その固定が済んだらボックス５０の上部（図７の紙面の手前方向）から蓋（不図示）をして、ボックス５０の内部を暗くすることにより、例えばカーテンが無い部屋などの暗くすることができない環境においても、学習実験用分光器として使用することができる。尚、必要に応じて、豆電球３及び光ファイバ４のボックス５０の外部もケースやテープなどで外部と遮光してもよい。
【００６７】
また、支持部品５８及び５９により、ＣＣＤカメラ１０と出射口側端部４ｅの位置関係がいったん固定されれば、前述のＬＤ等を使用した較正を行えば、低分解能の簡易分光器として転用可能であり、例えば研究費が少ない環境の研究者であっても研究用分光実験を行うことが可能である。
【００６８】
ここで、本実施の形態においては、前述のとおり、光ファイバのコア径を（８０マイクロメートルから０．５ミリメートル）とし、波長の分解能を（１．５ナノメートルから５０ナノメートル）程度にすることを想定している。１．５ナノメートル程度の分解能であれば、色として２５６色に分けて色の強度分析することができる。このため、試薬の色を識別できるように数値化する用途に使用することができる。また、分解能が、５０ナノメートルでは７色を区別することができる。
【００６９】
この分解能については、光ファイバのコア径が小さいほど点光源に近くなるため分解能が向上するが、光量も少なくなるため、ＣＣＤカメラ１０の感度が求められコストが高くなる。そのため求められる分解能に応じて光ファイバのコア径を選択する。
【００７０】
図７において、光ファイバの本数は１本に限らず複数本でもよく、必要に応じて光ファイバ４の入射側端部ａから出射側端部４ｂの間に光学セル４０（図１参照）や減光機構２５（図１参照）を設けてもよい。また、支持部品５８，５９を固定する螺子５６ａ，５４ａは各１本としたが、より確実に固定するために複数本の螺子を用いてもよい。
【００７１】
図８（Ａ）は本発明の実施形態の試料反射型光学セル４０の一例を示す横断面図であり、図８（Ｂ）はその縦断面図である。この試料反射型光学セル４０は、ケース４０ａに内蔵され、横断面形状が半円をなす反射体４２と、その反射体４２と向かい合わせて半円柱形状となる板状部材４３と、光ファイバ入射口６ｆと、光ファイバ検出口６ｈとを備えるとともに、その反射体４２と板状部材４３との間に試料４５がセットされる。
【００７２】
反射体４２は、反射面側に高輝度再帰性反射シート４２ｂが凹型部材４２ａに貼り付けられて構成される。凹型部材４２ａ及び高輝度再帰性反射シート４２ｂの横断面における半円の中央部には、光ファイバ６ｅの端面である入射口６ｄと、光ファイバ６ｇの端面である検出口６ｈが、設けられている。
【００７３】
Ｄ３及びＤ４は入射口６ｆ及び検出口６ｈの方向を示している。入射口６ｆ及び検出口６ｈは試料に対向して設けられる。また、この入射口６ｄ及び検出口６ｈは凹型部材４２ａの挿通孔４２ｃ及び高輝度再帰性反射シート４２ｂに設けられた挿通孔４２ｄに、光ファイバ６ｅ，６ｇを挿通して設けられる。４１は凹型部材４２ａの外側に取付けられ、光ファイバ６ｅ，６ｇを緩衝しながら支持する補強ゴムである。また、４９は光ファイバ６ｅ，６ｇを支持する支持体である。
【００７４】
板状部材４３は、板材４３ａに反射シート４３ｂを貼り付けて構成される。そして図８（Ａ）に示すように板材４３ａに反射体４２を対向させて組合せ、図８（Ｂ）の底板部材５１と脱着可能な蓋５０を取付けて半円柱形状の容器を構成する。その容器内において試料４５はホルダ５２により固定される。
【００７５】
入射口６ｆから入射された光は、試料４５を反射し、その後破線４８のとおり、高輝度反射体４８と試料４５の間で反射を繰り返す。それらの光の一部が検出口６ｈに検出され、光ファイバ６ｇの出射側端部へ伝達される。
【００７６】
尚、板状部材４３における反射シート４３ｂは、上述の破線４８の反射を繰り返す光を減衰させないように設けるものであり、後述の高輝度再帰性反射シートでなくともよい。また、蓋５０及びホルダ５２にも反射による光の減衰を防止するために反射シートを設けてもよい。
【００７７】
図９は高輝度再帰性反射シートを説明する概念図である。この高輝度再帰性反射シート７０は、説明を簡潔にするため平面の場合で説明する。高輝度反射シートの反射面側は、断面形状がのこぎり状の凹凸を有しており、例えば入射光７１が反射面７０ａに入射されると、反射光７２となり、今度は反射面７０ｂにおいて反射されて反射光７３となって、入射光７１と反対方向の光７３を反射する。また、反射面７０ａにどのような角度の入射光が当たっても、一点鎖線で示した線７５と線７６のなす角より外側へ光を反射することがないため、反射した光が高輝度反射シートの前方に戻りやすい構造となっている。この高輝度再帰性反射シートは縦断面及び横断面が同じ形状となり、凹部の底の７０ｃを頂点として４枚の三角の反射面を貼り合わせた形の凹凸が反射面側にあることが好ましい。また、この実施の形態において、高輝度再帰性反射シート４２ｂは、住友スリーエム株式会社のダイヤモンドグレード（登録商標）超高輝度再帰性反射シートを用いてもよい。
【００７８】
図１０は、図１の光学セル４０の代わりに本発明で用いられる試料透過型光学セルの一例を示す横断面図である。この試料透過型光学セル６０は、ケース６０ａに内蔵され、半球状の反射体６２と、その反射体６２内側に設けられる試料容器６１と、光ファイバ６ｅの入射口６ｆ、光ファイバ６ｇの検出口６ｈを備える。また、４９は光ファイバ６ｅ，６ｇを支持する支持体である。
【００７９】
反射体６２は、半球形状部材６２ａの内面に高輝度再帰性反射シート６２ｂを貼り付けて構成される。入射口６ｆと検出口６ｈは並んで設けられ、これら入射口６ｆと検出口６ｈと反射体６２の間に略球状の試料容器６１が設けられる。試料容器６１は、透明プラスチック、ガラス又は石英等の光透過材料からなり、液体試料６４を入れる容器であり、液体試料流入用の管６５と、液体試料流出用の管６６が接続されている。
【００８０】
Ｄ５及びＤ６は入射口６ｆから光が入射され、検出口６ｈへ透過光が入り、光ファイバ６ｇへ伝達されることを示す直線である。入射口６ｆからの入射光は、例えばＤ５及びＤ６のように、試料容器６１及び液体試料６４を透過し、次に高輝度再帰性反射シート６２ｂで反射し、再度試料容器６１及び液体試料６４を透過して検出口６ｈに入射される。また、破線６８に示すように、試料容器６１及び液体試料６４を透過し、高輝度再帰性反射シート６２ｂを反射し、更に試料容器６１及び液体試料６４を透過することを何度か繰り返す場合もある。
【００８１】
従来の入射口と検出口の間に試料容器を設ける試料透過型セルが存在するのに比較して、上記のように、高輝度再帰性反射シート６２ｂによる反射を利用して、透過光の光路長を入射光（例えばＤ５）と反射光（例えばＤ６）を足した従来の２倍程度にすることができる。また、高輝度再帰性反射シート６２ｂが半球型としたため、破線６８のように反射と透過を繰り返しながら再度検出口６ｈの方向へ透過光が向かうため、入射口６ｆから入射された光と検出口６ｈに入るまでの光の光量の減衰を抑制することができる。また、反射体６２の反射面に高輝度再帰性反射シート６２ａを用いたので、通常のミラーよりも更に光量の減衰を抑制することが可能となる。
【００８２】
尚、この実施形態においては、反射体６２を半球形状部材６２ａの内面に高輝度再帰性反射シート６２ｂを貼り付けて構成したが、直方体の樹脂ブロックを半球状にくり抜いて凹部を形成し、そのくり抜いた凹部に高輝度反射シート６２ｂを貼り付けてもよい。また、高輝度再帰性反射シート６２ａと試料容器６１は距離を離したが、当接する構造としてもよい。
【００８３】
以上本発明を実施の形態により説明したが、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更、付加が可能である。
【符号の説明】
【００８４】
３：豆電球、２８：平板、４，５，６：光ファイバ、４ａ，５ａ，６ａ：入射側端部、４ｄ，５ｄ，６ｄ：出射側端部、５ｃ１，５ｄ１：端面、１０：ＣＣＤカメラ、１１：筒部、１２：集光レンズ、１４：基板、１５：開口部、１８：ＵＳＢケーブル、１９：プラスチック製回折格子、１７，３１：ＵＳＢインターフェイス、２０：支持体、２５：減光機構、２７：空間、２６：可撓性チューブ、４０：光学セル、５８，５９：支持部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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