(57)【要約】【課題】分光測定において不要なものとして考えられていた０次回折光を有効活用する分光測定器を提供する。【解決手段】被測定光Ｌを分光する回折手段１０と、前記回折手段１０からの０次回折光Ｌ０を受光する第一光電変換素子１８と、前記回折手段１０からの高次回折光Ｌ１を受光する第二光電変換素子１６と、前記第一光電変換素子１８で光電変換された０次回折光Ｌ０の受光出力に基づいて、第二光電変換素子１６での受光を制御する制御手段３０とを備える。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光を分光する回折手段と、
前記回折手段からの０次回折光を受光する第一光電変換素子と、
前記回折手段からの高次回折光を受光する第二光電変換素子と、
前記第一光電変換素子で光電変換された０次回折光の受光出力に基づいて、第二光電変換素子での受光を制御する制御手段とを備えることを特徴とする分光測定器。
【請求項２】
０次回折光を第一光電変換素子に集光させる集光レンズが、回折手段と第一光電変換素子との間に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の分光測定器。
【請求項３】
前記制御手段は、第二光電変換素子での積分時間を制御することを特徴とする、請求項１記載の分光測定器。
【請求項４】
前記制御手段は、第二光電変換素子の出力ゲインを制御することを特徴とする、請求項１記載の分光測定器。
【請求項５】
被測定光を分光する回折手段と、前記回折手段からの０次回折光を受光する第一光電変換素子と、前記回折手段からの高次回折光を受光する第二光電変換素子とを備える分光測定器を用いて、
前記第一光電変換素子で光電変換された０次回折光の受光出力に基づいて、被測定光の経時的変化を計測することを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、これまでの分光測定において不要とされていた回折手段からの０次回折光を利用した分光測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、分光色彩計や分光輝度計等の分光測定器には、光源１０２からの被測定光を分光する分光素子１１０として、一般に、反射型回折格子１１０が用いられている。反射型回折格子１１０に対して被測定光が入射されると、回折格子１１０の反射面で正反射する０次回折光（正反射光）と、分光測定に使用される高次回折光（例えば１次回折光）とが出射される。回折格子１１０で回折された高次回折光は、集光レンズ１１２で集光されたあと、各波長に対応したライン型受光センサ１１６の所定位置で受光される。
【０００３】
ところで、０次回折光（正反射光）は反射型回折格子１１０の反射面でそのまま反射した光であるので、０次回折光（正反射光）には、被測定光の全ての波長成分が含まれている。全ての波長成分を含む０次回折光は、分光測定には邪魔であり且つ不必要であるので、図１に示すように、分光測定器に設けられた光トラップ１２０で取り除かれていた。
【０００４】
このように、従来の分光測定器では、０次回折光は、分光測定において不要なものと考えられていたが、本願発明者らは、この０次回折光を分光測定に有効に活用できないかを考えた結果、本願発明に想到するに至ったのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、分光測定において不要なものとして考えられていた０次回折光を有効活用する分光測定器を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記技術的課題を解決するために、本発明は、被測定光を分光する回折手段と、前記回折手段からの０次回折光を受光する第一光電変換素子と、前記回折手段からの高次回折光を受光する第二光電変換素子と、前記第一光電変換素子で光電変換された０次回折光の受光出力に基づいて、第二光電変換素子での受光を制御する制御手段とを備える分光測定器を提供するものである。
【０００７】
一般に、被測定光が回折手段に入射されると、被測定光は回折手段で回折される。すなわち、回折手段に対して単色光の被測定光が入射される場合、回折の原理に従って、０次回折光、１次回折光、２次回折光、・・・、高次回折光の像が、所定の角度位置に形成される。被測定光が単色光でない場合も、各波長に対して同様のことが成立し、各次数の回折像位置に、各波長に対応した回折像がつくられる。
【０００８】
したがって、上記構成によれば、第一光電変換素子上には、０次回折光に対応した０次回折像が形成され、第二光電変換素子上には、０次回折光以外の回折光すなわち１次回折光、２次回折光等に対応した高次回折像が形成される。
【０００９】
第一光電変換素子上で形成された０次回折像は、各波長に対応して回折される回折像ではなくて、各波長を含む正反射像である。０次回折光の受光出力は、０次回折光以外の回折光すなわち１次回折光、２次回折光等の高次回折光の受光出力に対して、ある一定の相関関係を有している。したがって、第一光電変換素子での０次回折光の受光出力に基づいて、第二光電変換素子での積分条件の推定が可能となるので、制御手段で第二光電変換素子での受光を適切に制御することができる。
【００１０】
０次回折光を第一光電変換素子上に効率良く集光させるために、０次回折光を第一光電変換素子に集光させる集光レンズが、回折手段と第一光電変換素子との間に設けられている。
【００１１】
第二光電変換素子の飽和現象を防止したり適切な受光量を得たりするために、制御手段は、第二光電変換素子の積分時間を制御する。
【００１２】
被測定光の光量の大小によって、第二光電変換素子で積分される積分量が増減するために、制御手段は、第二光電変換素子の出力ゲインを制御する。
【００１３】
また、本発明に係る分光測定器は、第一光電変換素子で光電変換された０次回折光の受光出力に基づいて、被測定光の経時的変化を計測することができる。すなわち、分光測定器は、本来の分光測定機能に加えて、被測定光の短時間での経時的な変化を計測できるという機能も備えている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第一実施形態に係る分光測定器について、図２及び４を参照しながら説明する。
【００１５】
図２に示すように、分光測定器は、光源２からの被測定光Ｌを光ファイバー６に集光する対物レンズ４と、測定領域をその側端面で限定する光ファイバー６と、光ファイバー６から出射された被測定光Ｌを平行光にする照明レンズ８と、被測定光Ｌを回折して０次回折光Ｌ０（正反射光）及び１次回折光Ｌ１（高次回折光）に分離する反射型回折格子１０と、各回折光Ｌ０，Ｌ１をそれぞれ集光する集光レンズ１２，１４と、０次回折光Ｌ０を受光するスポット型受光センサ１８と、１次回折光Ｌ１を受光するライン型受光センサ１６とを備えている。
【００１６】
図４に示すように、分光測定器は、さらに、ライン型受光センサ１６やスポット型受光センサ１８で光電変換されたアナログ電気信号をそれぞれ増幅するアンプ２２，２３と、アンプ２２，２３で増幅されたアナログ電気信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２４，２５と、ライン型受光センサ１６の積分動作の開始・終了の制御やアンプ２２のゲインの制御やデジタル信号の読み出し制御等の各種制御を行うＣＰＵ３０とを備えている。
【００１７】
上記分光測定器を用いた分光計測方法について、図２、４、５、６及び７を参照しながら説明する。
【００１８】
光源２から発せられた被測定光Ｌは、対物レンズ４で光ファイバー６の側端面に集光されたあと、光ファイバー６を通って、照明レンズ８で平行にされる。平行光の被測定光Ｌが反射型回折格子１０に照射されると、被測定光Ｌは、所定の角度で、０次回折光Ｌ０、１次回折光Ｌ１、２次回折光、３次回折光等に回折される。
【００１９】
正反射光としての０次回折光Ｌ０は、集光レンズ１４によって、スポット型受光センサ１８の上に集光される。スポット型受光センサ１８で受光された光は、光電変換されたあと、アナログ電気信号がアンプ２３で増幅される。０次回折光Ｌ０に関するアナログ電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ２５でデジタル信号に変換されたあと、ＣＰＵ３０で読み出される。
【００２０】
一方、高次回折光としての１次回折光Ｌ１も、集光レンズ１２によって、ライン型受光センサ１６の上に集光される。多数の光電変換素子が一直線状に配置されたライン型受光センサ１６では、１次回折光Ｌ１の各波長（λ１，・・λ２，・・λ３）に対応する位置に、各波長の回折像が形成される。ライン型受光センサ１６の上で受光された光は、光電変換されたあと、アナログ電気信号がアンプ２４で増幅される。１次回折光Ｌ１の各波長に関する各アナログ電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４でデジタル信号に変換されたあと、デジタル信号がＣＰＵ３０によって順次読み出される。
【００２１】
次に、スポット型受光センサ１８及びライン型受光センサ１６における積分動作の制御方法について、図５，６及び７を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
一般に、０次回折光Ｌ０の強度が１次回折光Ｌ１の強度と一対一に対応しているので、図５に示すように、０次回折光用のスポット型受光センサ１８の出力レベル（Ａ／Ｄ値）は、１次回折光用のライン型受光センサ１６の出力レベル（Ａ／Ｄ値）と一対一に対応している。
【００２３】
プレ測定によって、ライン型受光センサ１６及びスポット型受光センサ１８について、おおよその測定時間すなわち積分時間（ｔＬ１，ｔＳ１）が決定される（ステップ＃１１０，＃２１０）。スポット型受光センサ１８は短時間でデータの読み出しが可能であるので、１回目の０次回折光Ｌ０の積分時間ｔＳ１は、１回目の１次回折光Ｌ１の積分時間ｔＳ１より同等以下であること、すなわちｔＬ１≧ｔＳ１でよい。ライン型受光センサ１６及びスポット型受光センサ１８において、被測定光Ｌに関する１回目の１次回折光Ｌ１及び０次回折光Ｌ０の積分動作が同時に開始される（ステップ＃１２０，＃２２０）。０次回折光Ｌ０の積分動作はｔＳ１経過後に終了し（ステップ＃２３０）、１次回折光Ｌ１の積分動作はｔＬ１経過後に終了する（ステップ＃１３０）。
【００２４】
上記積分動作の終了後に、１次回折光Ｌ１及び０次回折光Ｌ０に関する各測定値は、デジタル信号に変換される。その後、０次回折光Ｌ０に関する出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ１）は、ＣＰＵ３０で読み出された上で、不図示のメモリーに一時的に蓄えられる（ステップ＃２４０）。
【００２５】
次に、２回目の測定が行われる。２回目の積分動作では、０次回折光Ｌ０の積分結果を１次回折光Ｌ１の積分動作に利用し、且つスポット型受光センサ１８は短時間でのデータの読み出すことができるので、２回目の０次回折光Ｌ０の積分時間ｔＳ２が、１回目の０次回折光Ｌ０の積分時間ｔＳ１より短く、すなわちｔＳ２≪ｔＳ１に設定される（ステップ＃２４２）。
【００２６】
ライン型受光センサ１６及びスポット型受光センサ１８において、２回目の１次回折光Ｌ１及び０次回折光Ｌ０の積分動作が同時に開始される（ステップ＃１５０，＃２５０）。
【００２７】
０次回折光Ｌ０の積分動作がｔＳ２経過後に終了して（ステップ＃２５２）、デジタル信号に変換されたあと、０次回折光Ｌ０に関する出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ２）は、ＣＰＵ３０で読み出される（ステップ＃２５４）。このとき、ライン型受光センサ１６での１次回折光Ｌ１の積分動作は継続している。
【００２８】
２回目の０次回折光Ｌ０に関する出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ２）から、１回目の積分時間ｔＳ１に相当する出力レベルの推定Ａ／Ｄ値（Ｃ２’）が算出される（ステップ＃２５６）。その後、ライン型受光センサ１６の出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ２）が適正となる積分時間Ｌ２が推定される（ステップ＃２５８）。２回目の１次回折光Ｌ１の積分動作はｔＬ２経過後に終了する（ステップ＃１６０）。
【００２９】
積分動作の終了後に、２回目の１次回折光Ｌ１の各波長に関する各アナログ電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４でデジタル信号に変換された（ステップ＃１７０）あと、デジタル信号がＣＰＵ３０で順次読み出される。
【００３０】
本発明に係る分光測定器は、例えば、蛍光灯等のように被測定光が周期的に変動する光（すなわちフリッカー光）を所望のタイミングで計測する場合にも適用可能である。フリッカー光の計測について、図８及び９を参照しながら説明する。
【００３１】
図８に示すように、蛍光灯の光は、所定の周期で点滅を繰り返している。蛍光灯の光を被測定光として計測するとき、０次回折光Ｌ０の測定タイミングは、蛍光灯の点滅周期より短周期に設定される。
【００３２】
スポット型受光センサ１８において、被測定光の０次回折光Ｌ０の積分動作が開始される（ステップ＃３２０）。０次回折光Ｌ０の積分動作は短時間で終了し（ステップ＃３３０）、０次回折光Ｌ０に関する測定値は、デジタル信号に変換されたあと、０次回折光Ｌ０に関する出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ）が算出される（ステップ＃３４０）。Ａ／Ｄ値（Ｃ）は、ＣＰＵ３０で読み出された上で、所定の閾値以上であるか否かが判断される（ステップ＃３４２）。Ａ／Ｄ値（Ｃ）が所定の閾値より小さければ、再び、０次回折光Ｌ０の積分動作が行われる。
【００３３】
Ａ／Ｄ値（Ｃ）が所定の閾値以上であるならば、被測定光の１次回折光Ｌ１の積分動作が開始される（ステップ＃３５０）。１次回折光Ｌ１の積分動作は、所定時間経過後に終了する（ステップ＃３６０）。１次回折光Ｌ１の各波長に関する各アナログ電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４でデジタル信号に変換された（ステップ＃３７０）あと、デジタル信号がＣＰＵ３０で順次読み出される。
【００３４】
このような一連の計測を繰り返すことによって、所望のタイミングで、蛍光灯の発光状態やその安定性を知ることができる。
【００３５】
上記構成の分光測定器は、本来の分光測定機能に加えて、被測定光の短時間での経時的な変化を計測するという機能も備えている。
【００３６】
例えば、液晶応用製品では、液晶分子の捩れ状態を変化させることによって、光源からの光を透過又は遮断させている。液晶デバイスが高速の光シャッターとしても使用されており、液晶デバイスの高速応答性を知りたいという要望がある。本発明に係る分光測定器を液晶デバイス計測に適用することについて、図１０及び１１を参照しながら説明する。
【００３７】
液晶デバイスが光源からの光を遮断状態から透過状態にする際、被測定光の強さは、図１０の上図に示すように変化する。このとき、微視的には、液晶分子の捩れ状態が変化している。液晶デバイスから発せられる光が被測定光として計測されるとき、０次回折光Ｌ０の測定タイミングは、図１０の中図に示すように、液晶デバイスの遮断／透過の切換周期より短周期に設定される。
【００３８】
図１１に示すように、スポット型受光センサ１８において、被測定光の０次回折光Ｌ０の積分動作が開始される（ステップ＃４２０）。０次回折光Ｌ０の積分動作が短時間で終了し（ステップ＃４３０）、０次回折光Ｌ０に関する測定値は、デジタル信号に変換されたあと、０次回折光Ｌ０に関する出力レベルのＡ／Ｄ値（Ｃ）が算出される（ステップ＃４４０）。一つのＡ／Ｄ値（Ｃ）は、ＣＰＵ３０で読み出された上で、グラフ上にプロットされる（ステップ＃４５０）。
【００３９】
このような一連の計測を繰り返すことによって、図１０の下図に示すように、多くのＡ／Ｄ値（Ｃ）がグラフ上にプロットされ、液晶分子の捩れの時系列変化や液晶デバイスの応答速度等を知ることができる。
【００４０】
次に、本発明の第二実施形態に係る分光測定器について、図３を参照しながら説明する。
【００４１】
図３に示した分光測定器では、図２で示したものと比較して、集光レンズ１４の有無及びスポット型受光センサ１８の配置が異なっているが、その他の構成が図２で示したものと同じであるので、両者の相違点に着目して説明する。
【００４２】
すなわち、スポット型受光センサ１８がライン型受光センサ１６の近傍に配置されているとともに、ライン型受光センサ１６に使用される集光レンズ１２がスポット型受光センサ１８に使用される集光レンズ１４を兼用している。すなわち、回折格子１０で回折された０次回折光Ｌ０及び１次回折光Ｌ１は、近接した位置にある。このことを実現するために、図２で示したものより、溝本数の少ない回折格子１０が使用される。上記構成によって、部品点数の削減や小型・省スペース化が達成される。
【００４３】
本発明に係る分光測定器は、回折格子１０を測定光路中に含む各種分光測定器、例えば、分光輝度計や分光測色計や分光色彩計等に適用される。また、回折格子１０の一例として、平面又は凹面の基板上に格子溝を配置して反射回折光を利用する反射型回折格子について説明したが、格子面を透過する透過回折光を利用する透過型回折格子も使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例に係る分光測定器を示す説明図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る分光測定器を示す説明図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る分光測定器を示す説明図である。
【図４】本発明の分光測定器で使用されるセンサ制御回路のブロック図である。
【図５】本発明の分光測定器において、０次回折光用センサ出力と高次回折光用センサ出力との関係を説明する図である。
【図６】各受光センサでの積分動作のタイミングチャートである。
【図７】図６に関する、各受光センサでの積分動作のフローチャートである。
【図８】周期的変動光に対する、各受光センサでの積分動作のタイミングチャートである。
【図９】図８に関する、各受光センサでの積分動作のフローチャートである。
【図１０】本発明の分光測定器の他の使用形態を説明する図である。
【図１１】図１０に関する、スポット型受光センサでの積分動作のフローチャートである。
【符号の説明】
２　光源
４　対物レンズ
６　光ファイバー
８　照明レンズ
１０　回折格子
１２，１４　集光レンズ
１６　ライン型受光センサ
１８　スポット型受光センサ
２２，２３　アンプ
２４，２５　Ａ／Ｄコンバータ
３０　ＣＰＵ
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004037282.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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