(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源(1)の光(1A)を分光器(2)に入射し、分光器(2)は光(1A)の内の特定波長成分を取り出し、光検出器(3)は分光器(2)の出射光(2A)を受光して光強度に比例した電気信号を出力し、増幅回路(4)は光検出器(3)の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換器(5)は増幅回路(4)の出力をディジタル信号に変換して、光源の光スペクトル特性を測定する光スペクトル測定装置において、
光源(1)と分光器(2)との光路間あるいは分光器(2)と光検出器(3)との光路間に配置され、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力より大きい場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰可能に可変する第１の状態と、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力以下の場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰させずに通過させる第２の状態とに切り替えられる光減衰手段(8)と、
光検出器(3)の前記非飽和最大出力の値を記憶し、光検出器(3)の出力値を読み取り、前記記憶値と比較し、光検出器(3)の出力値が前記非飽和最大出力値以上のとき、光減衰手段(8)を前記第１の状態に切り替える制御部(6)と
を備えることを特徴とする光スペクトル測定装置。
【請求項２】
光源(1)の光(1A)を分光器(2)に入射し、分光器(2)は光(1A)の内の特定波長成分を取り出し、光検出器(3)は分光器(2)の出射光(2A)を受光して光強度に比例した電気信号を出力し、増幅回路(4)は光検出器(3)の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換器(5)は増幅回路(4)の出力をディジタル信号に変換して光源の光スペクトル特性を測定する光スペクトル測定装置において、
光源(1)と分光器(2)との光路間あるいは分光器(2)と光検出器(3)との光路間に配置され、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力より大きい場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰可能に可変する第１の状態と、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力以下の場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰させずに通過させる第２の状態とに切り替えられる光減衰手段(8)と、
前記分光器(2)の波長透過率特性を記憶し、この特性により、測定しようとする強度範囲と波長範囲から、光検出器(3)の出力が前記非飽和最大出力を超える可能性がある区間を求め、この区間を測定するときだけ、前記光減衰手段(8)を前記第１の状態に切り替える制御部(6)と、
を備えることを特徴とする光スペクトル測定装置。
【請求項３】
光減衰手段(8)は、光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)の光強度を減衰する複数のＮＤフィルタ(81)に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)の特定波長帯域をろ過する複数の第１の帯域フィルタ(82)を重ね合わせた複数の複合フィルタを配列するとともに、
複数の第２の帯域フィルタ(82)を配列し、
光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を前記複合フィルタで減衰する第１の状態と、
光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を第２の帯域フィルタ(82)でろ過する第２の状態に切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載の光スペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光源の光スペクトル特性を測定する、光スペクトル測定装置についてのものである。
【０００２】
【従来の技術】
次に、従来の光スペクトル測定装置を図５により説明する。図５の１は光源、２は分光器、３は光検出器、４は増幅回路、５はＡ／Ｄ変換器、６は制御部、７は表示部である。
【０００３】
図５では、光源１の光１Ａは分光器２に入力される。分光器２は入力光のうちの特定の波長成分だけを取り出す。光検出器３は分光器２の出射光２Ａを受光し、出射光２Ａの光強度に比例した電気信号に変換する。増幅回路４は光検出器３の出力をＡ／Ｄ変換器５の入力に適した電圧まで増幅する。Ａ／Ｄ変換器５は増幅回路４の出力をディジタル信号に変換する。
【０００４】
制御部６は分光器２を制御し、分光器２の通過波長を可変し、出射光２Ａの光強度をＡ／Ｄ変換器５の出力より取り込む。制御部６は、分光器２の通過波長を掃引しながら繰り返し得られた波長−光強度特性を光スペクトルとして表示部７に表示させる。
【０００５】
次に、分光器２の内部構成を図６により説明する。図６の２１は入口スリット、２２は凹面鏡、２３は回折格子、２４は凹面鏡、２５は出口スリットである。図６はツェルニー・ターナー形分光器といわれる分散形分光器である。
【０００６】
図６では、光源１から出た光１Ａは、分光器２の入口スリット２１に入射する。スリット２１の通過光は凹面鏡２２により平行光に変換され、回折格子２３に入射する。回折格子２３は多数の溝が形成され、前記溝に平行な軸を中心として、回転機構２３Ａにより任意の角度に可変する。
【０００７】
前記平行光は、回折格子２３により、任意の角度によって決まる特定の波長成分だけの回折光を凹面鏡２４の方向に反射する。凹面鏡２４は、回折光を出口スリット２５上に結像させる。そして、出口スリット２５の横幅の範囲内となる波長成分だけが出口スリット２５を通過し、分光器２の出射光２Ａとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
次に、分光器２の波長−透過率特性を図７により説明する。図７の横軸は分光器２の通過波長であり、縦軸は分光器２の通過波長に対する透過率である。図５に示されるように、分光器２の透過率は通過波長により異なる。これは、回折格子２３の反射率が波長により異なるためである。例えば、測定波長 400nmでは、透過率が10％以下に減衰してしまうので、光源１の光は測定波長 400nmで出射光２Ａが10％以下に減衰するので測定光強度を補正しなければならないという問題がある。
【０００９】
分光器２は図７に示された特性があるため、図５の光スペクトル測定装置は、次に示される解決手段を採用している。すなわち、制御部６に分光器２の各波長毎の透過率を予め記憶させておく。光を測定するときは、各波長毎の光強度の測定値に対し、記憶された透過率に基づいて補正した後、表示部７に表示させる。
【００１０】
また、測定波長によっては、出射光２Ａの光強度が著しく低減するため、増幅回路４の出力電圧がＡ／Ｄ変換器５の入力に適した電圧範囲内にならないという問題もある。このため、図５の制御部６は増幅回路４の増幅率を適正に制御する必要がある。
【００１１】
前述の課題を解決するため、各設定波長点ごとに増幅回路４の増幅率を設定する第１の方法が考えられる。すなわち、第１の測定でＡ／Ｄ変換器５により通過する光強度をいったん、測定し、測定値が適切な範囲内であるかどうかを判定する。適切な範囲内でない場合には、増幅回路４の増幅率を修正する。第２の測定でＡ／Ｄ変換器５により通過光強度を測定する。前記手順を全測定測定波長点に対して適用する。
【００１２】
第１の方法によれば、すべての設定波長点に対し、増幅回路４の増幅率を適切に設定することができるので、測定できる光強度範囲が広くなる。しかし、各波長点ごとに、回折格子２３の回転角度を制動しなければならないため、測定波長帯が広くなると測定に時間がかかるという問題がある。実機では、例えば、図７の測定波長帯では約10秒要する。
【００１３】
第１の方法に変わるものてして、増幅回路４の増幅率を固定する第２の方法がある。まず、測定しようとする光強度範囲をあらかじめ定めておく。次に、光強度の最大値に対して、Ａ／Ｄ変換器５に入力される電圧が適切な範囲の上限となるような増幅回路４の増幅率を測定前に設定する。ここで、分光器２の透過率は波長により異なるため、測定波長範囲内で透過率が最大となる波長に対して増幅率が適切となるよう設定する。
【００１４】
第２の方法によれば、各波長点ごとにＡ／Ｄ変換器５の出力が適切な範囲であるか判定をせず、測定中に増幅率を変更することがない。このため、回折格子２３を一定速度で回転させて測定でき、第１の方法に比べて測定時間が短縮されるという利点がある。一方、測定できる強度範囲は、Ａ／Ｄ変換器５の性能により制限を受けるという欠点もある。
【００１５】
次に、光検出器３の特性を図８により説明する。光検出器には、一般にフォトダイオードが用いられる。図８は、フォトダイオードの入力光強度に対する出力電流の関係を示したものであり、横軸は入力光の強度、縦軸は出力電流を示す。
【００１６】
図８に示されるように、入力光の強度が一定のレベル以上になると、フォトダイオードの出力電流は飽和するという特性がある。このため、図５の光スペクトル測定装置は、入力光の強度が強いと光スペクトルの光強度を測定できないという問題がある。
【００１７】
また、増幅回路４の増幅率を固定とする場合は、波長により分光器２の透過率が異なるため、ある波長では問題がないが、他の波長ではフォトダイオードが飽和する。このため、同様に光スペクトルの光強度を測定できないという問題がある。
【００１８】
第１の発明は、分光器の出射光を可変する光減衰手段を設け、光検出器への入射光の強度が、光検出器を飽和させない範囲となるように光減衰手段で分光器の出射光の減衰量を制御することで、測定感度を損なうとすることなく、入力光の強度が大きい場合でも正しい光スペクトルを測定できる光スペクトル測定装置を提供することを目的とする。
【００１９】
第２の発明は、分光器の通過波長を変化させたときの透過率変化を補償するように光減衰手段で出射光の減衰量を制御することにより、増幅器の増幅率を固定とした場合に、正しい光スペクトルを高速で測定できる光スペクトル測定装置を提供することを目的とする。
【００２０】
第１と第２の光減衰手段は、分光器の出射光の光減衰を要不要に多段階に切り替える第１の減衰手段と、第１の減衰手段に付加して分光器の不要出射光を除去する第２の減衰手段を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、第１の発明は、光源(1)の光(1A)を分光器(2)に入射し、分光器(2)は光(1A)の内の特定波長成分を取り出し、光検出器(3)は分光器(2)の出射光(2A)を受光して光強度に比例した電気信号を出力し、増幅回路(4)は光検出器(3)の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換器(5)は増幅回路(4)の出力をディジタル信号に変換して光源の光スペクトル特性を測定する光スペクトル測定装置において、
光源(1)と分光器(2)との光路間あるいは分光器(2)と光検出器(3)との光路間に配置され、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力より大きい場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰可能に可変する第１の状態と、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力以下の場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰させずに通過させる第２の状態とに切り替えられる光減衰手段(8)と、
光検出器(3)の前記非飽和最大出力の値を記憶し、光検出器(3)の出力値を読み取り、前記記憶値と比較し、光検出器(3)の出力値が前記非飽和最大出力値以上のとき、光減衰手段(8)を前記第１の状態に切り替える制御部(6)とを備える。
【００２２】
第２の発明は、
光源(1)の光(1A)を分光器(2)に入射し、分光器(2)は光(1A)の内の特定波長成分を取り出し、光検出器(3)は分光器(2)の出射光(2A)を受光して光強度に比例した電気信号を出力し、増幅回路(4)は光検出器(3)の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換器(5)は増幅回路(4)の出力をディジタル信号に変換して光源の光スペクトル特性を測定する光スペクトル測定装置において、
光源(1)と分光器(2)との光路間あるいは分光器(2)と光検出器(3)との光路間に配置され、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力より大きい場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰可能に可変する第１の状態と、
光検出器(3)の出力電流が非飽和最大出力以下の場合に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を減衰させずに通過させる第２の状態とに切り替えられる光減衰手段(8)と、
前記分光器(2)の波長透過率特性を記憶し、この特性により、測定しようとする強度範囲と波長範囲から、光検出器(3)の出力が前記非飽和最大出力を超える可能性がある区間を求め、この区間を測定するときだけ、前記光減衰手段(8)を前記第１の状態に切り替える制御部(6)、
とを備える。
【００２３】
第３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、光減衰手段(8)は、光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)の光強度を減衰する複数のＮＤフィルタ(81)に光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)の特定波長帯域をろ過する複数の第１の帯域フィルタ(82)を重ね合わせた複数の複合フィルタを配列するとともに、
複数の第２の帯域フィルタ(82)を配列し、
光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を前記複合フィルタで減衰する第１の状態と、
光源(1)の光(1A)あるいは分光器(2)の出射光(2A)を第２の帯域フィルタ(82)でろ過する第２の状態に切り替える。
【００２５】
【作用】
次に、この発明による光スペクトル測定装置を図１により説明する。図１の８は光減衰手段であり、その他は図５と同じものである。すなわち、図１は図５に光減衰手段８を追加したものである。
【００２６】
次に、図１の作用を説明する。なお、図１で図５と同じ構成部分では作用が同じであるので、説明は省略する。図１では、光減衰手段８は分光器２と光検出器３の間に配置され、分光器２の出射光２Ａを減衰させる。制御部６は光減衰手段８による光減衰量を制御する。
【００２７】
次に、各波長点ごとに増幅回路４の増幅率を設定する場合に、制御部６による光減衰手段８の第１の制御方法を説明する。制御部６に光検出器３の使用可能な最大出力電流を予め記憶させておく。測定の際には、まず、光強度をＡ／Ｄ変換器５により測定し、適切な出力電流範囲内であるかどうかを判定する。また、Ａ／Ｄ変換器５の出力値と増幅器４の増幅率より、光検出器３の出力電流を求め、最大出力電流を超えていないかどうかを判定する。
【００２８】
最大出力電流を超えている場合は、光減衰手段８で減衰するように制御部６は指令する。すでに、光減衰手段８により出射光２Ａが減衰させられており、光検出器３の出力電流が最大出力電流より十分に小さい場合には、逆に光減衰手段８を、減衰しないよう制御部６は指令する。また、Ａ／Ｄ変換器５の出力値が適切な範囲にない場合は、従来技術と同様に増幅回路４の増幅率を設定し直す。光減衰手段８の減衰量、または増幅回路４の増幅率を変更した場合は、再度Ａ／Ｄ変換器５により光強度を測定する。この手順を全波長点に対して行う。
【００２９】
前述の第１の方法によれば、光検出器３の出力電流が使用可能な最大出力電流を超える場合だけ光減衰手段８により光を減衰させるので、測定感度を損なうことなく、入力光の強度が大きい場合でも正しい光スペクトルを測定することができる。
【００３０】
次に、増幅回路４の増幅率を固定とする場合の、制御部６による光減衰手段８の第２の制御方法について説明する。測定しようとする波長範囲での分光器２の透過率の変化を調べ、測定しようとする強度範囲の最大値を測定した場合に、光検出器の出力電流が最大出力電流を超える波長区間を求める。そして、この波長区間を、光検出器の出力電流が最大出力電流を超えないよう、光減衰手段８により光を減衰させる区間とする。次に、測定しようとする強度範囲の最大値に対し、Ａ／Ｄ変換器５の入力電圧が適切な範囲の上限となるように、増幅回路４の増幅率を設定する。このとき、光を減衰させる区間の内外で別々に増幅率を設定する。
【００３１】
測定の際は、先に求めた波長区間の前後で回折格子２３の回転を停止させ、光減衰手段８の減衰量を変更する。すなわち、先に求めた区間を測定するときだけ光減衰手段８により光を減衰させるようにする。これに合わせて増幅率の設定を変更する。
【００３２】
第２の方法では、光検出器３の出力が最大出力電流を超える可能性のある波長区間を測定するときだけ光減衰手段８により光を減衰させている。つまり、分光器２の通過波長を変化させたときの透過率変化を補償するように光減衰手段８の減衰量を制御している。このため、分光器２の損失が大きく、光検出器３の出力が最大出力電流を超えるおそれのない区間の感度を悪化させることがない。また、測定中に回折格子２３の回転を停止させるのは先に求めた区間の前後だけなので、測定時間の増加は最小限に抑えられる。
【００３３】
ここでは、光減衰手段８の減衰量を２段階に制御するものとして説明したが、多段階に制御することもできる。
【００３４】
【実施例】
次に、光減衰手段８の構成を図２により説明する。図２の８Ａは回転板、８Ｂは回転板８Ａを回転する手段となるモータである。回転板８Ａの円周上には、分光器２の出射光２Ａを通過させる穴８０が形成されると共に、回転板８Ａの円周上に出射光２Ａを減衰させる複数の光減衰板８１が取り付けられる。回転板８Ａとモータ８Ｂと光減衰板８１で光減衰手段８を構成する。また、レンズＬ１は回転板８Ａと出口スリット２５間に配置され、分光器２の出射光２Ａを平行光にして光減衰板８１に入射する。レンズＬ２は回転板８Ａと光検出器３間に配置され、前記平行光を集光して光検出器３に入射する。
【００３５】
図２では、回転板８Ａには光減衰板８１が取り付けられる穴と、入射光２Ａをそのまま通過させる穴があけられている。モータ８Ｂで回転板８Ａを回転させることにより、回転板８Ａにあけられた複数の穴のうちの１つが入射光２Ａの光路に挿入される。モータ８Ｂで回転板８Ａの回転角度を制御することにより、光減衰板８１を光路に挿入する第１の状態と、光減衰板８１を光路に挿入しない第２状態とを切り替えることができる。
【００３６】
次に、光減衰手段８による光減衰量を多段階にする場合の実施例を図３により説明する。図３では、３種類の異なる減衰量をもつＮＤフィルタ板８１Ａ〜８１Ｃを回転板１８に取り付けている。設定する減衰量に応じてＮＤフィルタ板の１枚、または光を透過させる穴８０を光路に挿入すれば良い。
【００３７】
また、分光器２から出力される高次回折光、低次回切光などの不要光を抑圧するため、波長区間ごとに異なる特性の帯域フィルタ板を光路に挿入する場合がある。例えば 400〜1750nmの波長範囲を測定するとき、 400〜 700nmを通過する第１の帯域フィルタ板、 700〜1200ｎｍを通過する第２の帯域フィルタ板、1200〜1750ｎｍを通過する第３の帯域フィルタ板の３種類を測定波長に対応させて使い分けることで、高次回折光を抑圧することができる。このような場合に、前述のＮＤフィルタ板に帯域フィルタ板を重ね、回転板の円周上に配置して多段階に切り替えできる。
【００３８】
図４は、前述の場合の実施例による回転板である。帯域フィルタ板８２Ａ・８２Ｂ・８２Ｃは互いに異なる波長帯域をろ過し、光強度を減衰するＮＤフィルタ板８１Ａ〜８１Ｃに重ねて複合フィルタとし、回転板１９上に配列される。また、帯域フィルタ板８２Ａ〜８２Ｃは単独で回転板１９の円周上に配列される。
【００３９】
図４の回転板１９をこの発明による光スペクトル測定装置で測定の際には、帯域フィルタ板８２Ａ〜８２Ｃの内、測定波長に対応した帯域フィルタ板を選び、さらに光を減衰の有無に応じて、ＮＤフィルタが組み合わされた複合フィルタ板と、単独の帯域フィルタ板のどちらかを出射光２Ａの光路中に挿入する。
【００４０】
この発明では、分光器２に回折格子を使用した場合を説明したが、ファブリペロー共振器などの干渉形の分光器でもよい。また、図１では光減衰手段８を分光器２と光検出器３の間に配置したが、光源１から光検出器３までの間光路間であれば、他の配置でもよい。また、分光器２と光減衰手段８および光検出器３の相互の接続は空間結合によるものとして説明したが、光ファイバを介して接続してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
第１の発明は、光検出器への入力光強度が、光検出器を飽和させない範囲となるように光減衰手段で光強度の減衰量を制御するので、入力光の強度が大きい場合でも正しい光スペクトルを測定できる。
【００４２】
第２の発明は、分光器の通過波長を変化させたときの透過率変化を補償するように光減衰手段で入射光の減衰量を制御することにより、増幅器の増幅率を固定で使用した場合に、正しい光スペクトルを高速で測定できる。
【００４３】
この発明による光減衰手段は、回転板の円周上に光強度を減衰する光減衰板を配置し、回転板を回転制御する簡易な構成となっており、分光器の不要光を除去するための帯域フィルタ板の切り替えも可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光スペクトル測定装置の構成図である。
【図２】図１の光減衰手段８の構成図である。
【図３】第１の光減衰手段８の構成図である。
【図４】第２の光減衰手段８の構成図である。
【図５】従来の光スペクトル測定装置の構成図である。
【図６】図５の分光器２の構成図である。
【図７】図５の分光器２の波長−透過率特性を示す図である。
【図８】図５の光検出器３の光強度−出力電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  分光器
３  光検出器
４  増幅回路
５  Ａ／Ｄ変換器
６  制御部
７  表示部
８  光減衰手段
８Ａ  回転板
８Ｂ  モータ
１８  回転板
１９  回転板
８０  穴
８１  ＮＤフィルタ
８２  帯域フィルタ
【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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