(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を回折格子で分散させ波長毎の分散光を受光素子アレイで受光してスペクトルを得る分光器において、
入射光を回折させる回折格子と、
複数の受光素子を受光波長の変化方向に沿って配置した受光素子アレイと、
前記回折格子からの分散光を前記受光素子アレイに集光するフォーカスレンズと、
前記受光素子で受光された光強度に基づき、所定の出力波長間隔ごとに区分される波長帯を代表する光強度を算出し、スペクトルとして出力する出力手段と、
を備え、
前記出力波長間隔は、前記受光波長の変化方向における前記受光素子の配置間隔に対応する波長間隔よりも小さく、
前記出力手段は、前記波長帯が隣り合う２つの前記受光素子にかかる領域に対応する場合には、当該２つの前記受光素子で受光された光強度に基づいて当該波長帯を代表する光強度を算出し、
前記出力手段は、前記波長帯が１つの前記受光素子の範囲内の領域に対応する場合には、当該１つの前記受光素子で受光された光強度のみに基づいて当該波長帯を代表する光強度を算出することを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記出力手段は、前記波長帯が隣り合う２つの前記受光素子にかかる領域に対応する場合には、当該２つの前記受光素子の各々の受光面と、前記波長帯に対応する領域とが重なり合う面積に応じて、当該２つの前記受光素子の各々で受光された光強度に重みづけをして当該波長帯を代表する光強度を算出することを特徴とする請求項１記載の分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を回折格子で分散させ波長毎の分散光を受光素子アレイで受光してスペクトルを得る分光器に関し、特に分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能な分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の入射光を回折格子で分散させ波長毎の分散光を受光素子アレイで受光してスペクトルを得る分光器に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２８４２２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１２１４３６号公報
【特許文献３】特表２００３−２０７３９４号公報
【特許文献４】特開２００４−１１７３４６号公報
【０００４】
図４は従来の分光器を用いた分析システムの一例を示す構成ブロック図である。図４において、１はキセノンランプや重水素ランプ等の光を出射する光源、２は出射光をコリメート光にするコリメートレンズ、３は入射光を分散させる回折格子、４は分散光を集光するフォーカスレンズ、５はフォトダイオードアレイ等の複数の受光素子を直線状に配置した受光素子アレイである。また、３，４及び５は分光器５０を構成している。
【０００５】
光源１からの出射光はコリメートレンズ２でコリメート光にされ、回折格子３に入射される。回折格子３で分散された波長毎の分散光はフォーカスレンズ４により集光され、受光素子アレイ５に入射される。
【０００６】
ここで、図４に示す従来例の動作を図５及び図６を用いて説明する。図５は各受光素子と入射光の関係を説明する説明図、図６は分光されたスペクトルの一例を示す特性曲線図である。
【０００７】
図５中”ＰＥ０１”、”ＰＥ０２”、”ＰＥ０３”、”ＰＥ０４”、”ＰＥ０５”及び”ＰＥ０６”は受光素子アレイを構成する各々の受光素子であり、図５中”ＰＣ０１”に示すピッチで直線状に配置されている。
【０００８】
また、図５中”ＬＧ０１”は回折格子３で分散されフォーカスレンズ４で受光素子アレイ５に集光された分散光であり、図５中”ＰＥ０１”〜図５中”ＰＥ０６”に示す各受光素子に一様に照射される。
【０００９】
そして、図５中”ＰＥ０１”〜図５中”ＰＥ０６”に示す各受光素子で受光された光強度を波長毎にプロットすることにより、例えば、図６中”ＣＨ１１”に示すようなスペクトルを得ることができる。
【００１０】
具体的に、受光素子数を”１２８個”、測定波長範囲が”７００〜１０００ｎｍ”、図５中”ＰＣ０１”に示す受光素子のピッチを”２．４ｎｍ”とした場合、各受光素子の中心波長は、順番に、
１番目の受光素子：６９７．６ｎｍ
２番目の受光素子：７００．０ｎｍ
３番目の受光素子：７０２．４ｎｍ
４番目の受光素子：７０４．８ｎｍ
８２番目の受光素子：８９２．０ｎｍ
８３番目の受光素子：８９４．４ｎｍ
８４番目の受光素子：８９６．８ｎｍ
１２６番目の受光素子：９９７．６ｎｍ
１２７番目の受光素子：１０００．０ｎｍ
１２８番目の受光素子：１００２．４ｎｍ
となる。
【００１１】
この結果、光源からの出射光を回折格子で分散させ分散光を受光素アレイで受光し、各受光素子で受光された光強度を波長毎にプロットすることにより、スペクトルを得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、図６に示すようなスペクトルを描画する場合、前述の通り、波長の間隔は”２．４ｎｍ”ピッチとなり、データ処理やデータ比較の取扱が単純ではないと言った問題点があった。
【００１３】
また、実際には受光素子のピッチは小数点以下３桁を超えるような端数の値であったり、間隔が等間隔ではなかったりして、単純に各受光素子で受光された光強度を順次プロットするだけではデータ処理が容易ではないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能な分光器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光を回折格子で分散させ波長毎の分散光を受光素子アレイで受光してスペクトルを得る分光器において、
入射光を回折させる回折格子と、
複数の受光素子を受光波長の変化方向に沿って配置した受光素子アレイと、
前記回折格子からの分散光を前記受光素子アレイに集光するフォーカスレンズと、
前記受光素子で受光された光強度に基づき、所定の出力波長間隔ごとに区分される波長帯を代表する光強度を算出し、スペクトルとして出力する出力手段と、
を備え、
前記出力波長間隔は、前記受光波長の変化方向における前記受光素子の配置間隔に対応する波長間隔よりも小さく、
前記出力手段は、前記波長帯が隣り合う２つの前記受光素子にかかる領域に対応する場合には、当該２つの前記受光素子で受光された光強度に基づいて当該波長帯を代表する光強度を算出し、
前記出力手段は、前記波長帯が１つの前記受光素子の範囲内の領域に対応する場合には、当該１つの前記受光素子で受光された光強度のみに基づいて当該波長帯を代表する光強度を算出することにより、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能になる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である分光器において、
前記出力手段は、前記波長帯が隣り合う２つの前記受光素子にかかる領域に対応する場合には、当該２つの前記受光素子の各々の受光面と、前記波長帯に対応する領域とが重なり合う面積に応じて、当該２つの前記受光素子の各々で受光された光強度に重みづけをして当該波長帯を代表する光強度を算出することにより、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２及び請求項３の発明によれば、波長補間処理手段が、出力するデータの中心波長を中心に波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる隣接する２つの受光素子で受光された光強度に基づき中心波長における光強度を演算等することにより、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る分光器の一実施例を示す構成ブロック図である。
【００１９】
図１において、１及び２は図４と同一符号を付してあり、６は入射光を分散させる回折格子、７は分散光を集光するフォーカスレンズ、８はフォトダイオードアレイ等の複数の受光素子を直線状に配置した受光素子アレイ、９は出力されるデータの出力波長間隔を等間隔にする波長補間処理手段である。また、６，７，８及び９は分光器５１を構成している。
【００２０】
光源１からの出射光はコリメートレンズ２でコリメート光にされ、回折格子６に入射される。回折格子６で分散された波長毎の分散光はフォーカスレンズ７により集光され、受光素子アレイ８に入射される。さらに、受光素子アレイ８の出力は波長補間処理手段９を介して出力される。
【００２１】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は受光素子の間隔と出力されるデータの波長間隔の関係を説明する説明図である。
【００２２】
図２において、”λn-1”、”λn”及び”λn+1”は、従来例と同様に、図２中”ＰＥ２１”、”ＰＥ２２”及び”ＰＥ２３”に示す素子数”ｎ−１”、”ｎ”及び”ｎ＋１”番目の受光素子（ｎ＝１〜１２８）の中心波長である。
【００２３】
また、”ａ”は受光素子の幅、言い換えれば、波長ピッチである。さらに、”λm”は波長補間処理手段９から出力されるデータの中心波長であり、”ｂ”は波長補間処理手段９の出力データの波長ピッチである。
【００２４】
中心波長”λm”における光強度は、”ｎ”番目の受光素子で受光され光強度のうち図２中”Ａ”に示す領域で受光された光強度と、”ｎ＋１”番目の受光素子で受光され光強度のうち図２中”Ｂ”に示す領域で受光された光強度との和となる。
【００２５】
すなわち、中心波長”λm”における光強度”Ｐm”は、素子数”ｎ−１”、”ｎ”及び”ｎ＋１”番目の受光素子において受光された光強度を”Ｐn-1”、”Ｐn”及び”Ｐn+1”、出力されるデータの中心波長と受光素子の境界との差分を”ｄ”すれば、
Ｐm＝Ｐn（Ａ／ａ）＋Ｐn+1（Ｂ／ａ）      （１）
となる。
【００２６】
ここで、
Ａ＝ｂ／２＋ｄ      （２）
Ｂ＝ｂ／２−ｄ      （３）
であるので、中心波長”λm”における光強度”Ｐm”は、
Ｐm＝Ｐn｛（ｂ／２＋ｄ）／ａ｝＋Ｐn+1｛（ｂ／２−ｄ）／ａ｝    （４）
となる。
【００２７】
例えば、”ｎ＝８３”とした場合、”λn-1”、”λn”及び”λn+1”はそれぞれ”８９２．０ｎｍ”、”８９４．４ｎｍ”及び”８９６．８ｎｍ”である。
【００２８】
そして、”λm”を”８９５．０ｎｍ”とすると、出力波長と受光素子の境界との差分を”ｄ”は、
ｄ＝（λn＋λn+1）／２−λm
＝（８９４．４＋８９６．８）／２−８９５．０
＝０．６ｎｍ      （５）
となる。
【００２９】
受光素子の波長ピッチは、前述の通り”２．４ｎｍ”であるので、波長”８９５．０ｎｍ”における光強度”Ｐ895”は、
Ｐ895＝Ｐ83｛（３／２＋０．６）／２．４｝
＋Ｐ84｛（３／２−０．６）／２．４｝      （６）
として演算することができる。
【００３０】
すなわち、波長補間処理手段９が、受光素子アレイ８から出力される光強度のデータ（例えば、”Ｐn”及び”Ｐn+1”等）を用いて、波長補間処理手段９の出力データの波長ピッチに含まれる領域の面積に応じて、式（４）に示す演算処理を行い、隣接する２つの受光素子で受光された光強度を割り振ることにより、波長補間処理手段９から出力されるデータの中心波長における光強度を演算することができる。言い換えれば、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能になる。
【００３１】
この結果、波長補間処理手段が、出力するデータの中心波長を中心に出力するデータの波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる隣接する２つの受光素子で受光された光強度に基づき中心波長における光強度を演算することにより、分光されたスペクトルの出力波長間隔を任意の波長間隔で出力することが可能になる。
【００３２】
なお、図１に示す実施例の説明に際しては、出力するデータの中心波長を中心に出力するデータの波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる隣接する２つの受光素子で受光された光強度に基づき中心波長における光強度を演算する旨説明しているが、データの波長ピッチが受光素子の波長ピッチよりも小さい場合には、データの波長ピッチの１／２の幅の領域に１つの受光素子しか含まれないこともあり、この場合、出力するデータの中心波長を中心に出力するデータの波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる１つの受光素子で受光された光強度に基づき中心波長における光強度を演算することができる。
【００３３】
同様に、データの波長ピッチが受光素子の波長ピッチよりも大きい場合には、データの波長ピッチの１／２の幅の領域に隣接する３以上の受光素子が含まれることもあり、この場合、出力するデータの中心波長を中心に出力するデータの波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる隣接する３以上の受光素子で受光された光強度に基づき中心波長における光強度を演算することができる。
【００３４】
また、図１に示す実施例の説明に際しては、受光素子の波長ピッチを等間隔として説明しているが、等間隔でなくても構わない。
【００３５】
また、図１に示す実施例の説明に際しては、受光素子間の波長ピッチは、出力データの波長ピッチよりも大きい場合を例示しているが、出力データの波長ピッチよりも小さくても構わない。
【００３６】
また、図１に示す実施例の説明に際しては、出力するデータの中心波長を中心に波長ピッチの１／２の幅の領域に含まれる２つの受光素子で受光された光強度を単純に割り振っている、言い換えれば、或る受光素子で受光された光強度は受光素子の位置に関わりなく同一の光強度としているが、光強度がリニアに変化するものとして出力されるデータの中心波長における光強度を演算することができる。
【００３７】
図３は、受光素子の間隔と出力されるデータの波長間隔に対する光強度の関係を説明する説明図である。
【００３８】
図３中”ＣＨ３１”に示すように隣接する受光素子間で光強度がリニアに変化すると想定すると、波長補間処理手段９から出力されるデータの中心波長”λm”の一点における光強度”Ｐ’m”は、
Ｐ’m＝｛（Ｐn+1−Ｐn）／ａ｝・（λm−λn）＋Ｐn      （７）
となり、出力するデータの中心波長”λm”を中心に出力するデータの波長ピッチの１／２の幅の領域で受光される光強度”Ｐm”は、
Ｐm＝（ｂ／ａ）・Ｐ’m      （８）
となる。
【００３９】
また、光強度がリニアに変化するのではなく、高次関数等により補間できる場合には、当該高次関数等を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る分光器の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】受光素子の間隔と出力されるデータの波長間隔の関係を説明する説明図である。
【図３】受光素子の間隔と出力されるデータの波長間隔に対する光強度の関係を説明する説明図である。
【図４】従来の分光器を用いた分析システムの一例を示す構成ブロック図である。
【図５】各受光素子と入射光の関係を説明する説明図である。
【図６】分光されたスペクトルの一例を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  光源
２  コリメートレンズ
３，６  回折格子
４，７  フォーカスレンズ
５，８  受光素子アレイ
９  波長補間処理手段
５０、５１  分光器
【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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