光学測定装置、光学測定システムおよびファイバ結合器
【課題】量子効率の測定時における再励起（二次励起）に起因する誤差を低減できる量子効率測定方法、量子効率測定装置、およびそれに向けられた積分器を提供する。
【解決手段】本実施の形態に従う光学測定装置は、分光測定器５０と、測定対象の光を伝搬するための入射側ファイバ２０と、内壁に光拡散反射層１ａを有する半球部１と、半球部１の開口部を塞ぐように配置された、半球部１の内壁側に鏡面反射層２ａを有する平面部２とを含む。平面部２は、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５と、出射窓６を通じて積分空間内の光を分光測定器５０へ伝搬するための出射側ファイバ３０を含む。
【解決手段】本実施の形態に従う光学測定装置は、分光測定器５０と、測定対象の光を伝搬するための入射側ファイバ２０と、内壁に光拡散反射層１ａを有する半球部１と、半球部１の開口部を塞ぐように配置された、半球部１の内壁側に鏡面反射層２ａを有する平面部２とを含む。平面部２は、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５と、出射窓６を通じて積分空間内の光を分光測定器５０へ伝搬するための出射側ファイバ３０を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる光学測定装置および光学測定システム、ならびにそれに向けられたファイバ結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、分光光学系を用いて、測定対象物の光学的特性を測定する技術が知られている。より具体的には、測定対象物が発光体（光源）である場合には、当該測定対象物が発する光のスペクトル、光源色、輝度、照度、および、量子効率などが測定される。また、測定対象物が非発光体である場合には、当該測定対象物に光を照射することで得られる反射光または透過光に基づいて、反射率または透過率や、吸光度などが測定される。さらに、このように測定された光学的特性から、測定対象物の膜厚などの物理量が算出される場合もある。
【０００３】
このような分光測定における測定誤差を低減する方法が提案されている。たとえば、特公平０８−０２７２１２号公報（特許文献１）には、波長に依存した偏光特性に起因する測定誤差を低減することが可能な構成が開示されている。
【０００４】
一方、上述のような分光測定の用途ではなく光源装置として、積分球を用いて光源からの光を均一化または混合するような構成が知られている（たとえば、特開昭６０−２０２４１１号公報（特許文献２）、特開昭６３−２８５４４１号公報（特許文献３）、特開平０７−２１２５３７号公報（特許文献４）、特表２００３−５２７６１９号公報（特許文献５）、特開２００５−０５５５７１号公報（特許文献６）、米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書（特許文献７）など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平０８−０２７２１２号公報
【特許文献２】特開昭６０−２０２４１１号公報
【特許文献３】特開昭６３−２８５４４１号公報
【特許文献４】特開平０７−２１２５３７号公報
【特許文献５】特表２００３−５２７６１９号公報
【特許文献６】特開２００５−０５５５７１号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
分光測定においては、上述したような偏光特性に起因する測定誤差に加えて、配光分布の変動に起因する測定誤差が生じ得る。典型的には、測定対象の光が光ファイバ内を伝搬する際の透過率の変動によって、光ファイバから射出される光の配光分布が変動し得る。このような配光分布が変動すると、分光測定器の受光面において輝度ムラが生じる。
【０００７】
また、複数の測定対象の光を複数の光ファイバ内をそれぞれ伝搬させて共通の分光測定器にて測定する場合には、複数の光ファイバを１つの光ファイバと光学的に結合する必要がある。このような場合において、上述のような配光分布の変動があると、光学的な結合量が変化し、その結果、分光測定器に導かれる光量などもばらつくという課題もある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる光学測定装置および光学測定システム、ならびにそれに向けられたファイバ結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある局面に従う光学測定装置は、分光測定器と、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定装置は、積分空間内の光を平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバとを含む。
【００１０】
本発明の別の局面に従う光学測定装置は、分光測定器と、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する１／４球部と、１／４球部の開口部を塞ぐように配置された、１／４球部の内壁側に鏡面反射層を有する第１および第２の平面部とを含む。第１および第２の平面部の一方は、第１の光ファイバを通じて射出される光を１／４球部と第１および第２の平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定装置は、積分空間内の光を第１の光ファイバが接続される平面部と同じ平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを含む。
【００１１】
好ましくは、第１の光ファイバは、各々が測定対象の光を伝搬する複数の光ファイバ素線を含む。
【００１２】
好ましくは、平面部において、第１の窓と第２の窓とは予め定められた距離だけ離れて配置される。
【００１３】
好ましくは、第１の光ファイバと第２の光ファイバとが一体化して平面部を貫通するように構成される。
【００１４】
本発明のさらに別の局面に従う光学測定システムは、光源と、分光測定器と、光源からの光を複数に分配するための光分配器と、光分配器からの複数の光を測定対象物にそれぞれ照射することで得られる、測定対象物の特性を示す複数の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定システムは、積分空間内の光を平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを含む。
【００１５】
本発明のさらに別の局面に従えば、分光測定器の入力側に接続されるファイバ結合器を提供する。ファイバ結合器は、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと接続されるとともに、当該第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓と、積分空間内の光を分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバと接続される第２の窓とを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に関連するファイバ結合器を用いた光学測定装置の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動について説明するための図である。
【図３】図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光学測定装置の一例を示す模式図である。
【図５】図４に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の第１変形例に係るファイバ結合器を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態の第２変形例に係るファイバ結合器を示す模式図である。
【図８】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた反射光測定システムの模式図である。
【図９】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた透過光測定システムの模式図である。
【図１０】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた光源評価システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
＜Ａ．概要＞
本実施の形態に従う光学測定装置は、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器からなるファイバ結合器を分光測定器の入力側に設けることにより、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減する。
【００２０】
＜Ｂ．従来構成＞
先に、本発明に関連する構成について説明する。
【００２１】
（ｂ１．対向配置型）
図１は、本発明に関連するファイバ結合器を用いた光学測定装置の一例を示す模式図である。図２は、図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動について説明するための図である。図３は、図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【００２２】
図１には、測定対象の複数の光を共通の分光測定器により測定する光学系の一例を示す。図１に示す光学系は、測定対象の光源装置４０−１，４０−２，４０−３，４０−４（以下、「光源装置４０」とも総称する。）からの光を分光測定するものであり、ファイバ結合器９０と、入射側ファイバ２０と、出射側ファイバ３０と、分光測定器５０とを含む。
【００２３】
各光源装置４０は、内蔵のランプなどで発生した光を射出する。それぞれの光源装置４０で生成された光は、入射側ファイバ２０を通じてファイバ結合器９０へ導かれる。すなわち、入射側ファイバ２０は、測定対象の光をファイバ結合器９０へ伝搬する。
【００２４】
ファイバ結合器９０は、光源装置４０がそれぞれ生成した測定対象の光を結合した上で、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導く。すなわち、ファイバ結合器９０は、複数の光ファイバ（ファイバ素線）と１本の光ファイバ（ファイバ素線）とを光学的に結合するための光学デバイスである。
【００２５】
分光測定器５０は、出射側ファイバ３０を通じて導入された測定対象の光について、スペクトルを検出する。典型的に、分光測定器５０は、回折格子および当該回折格子の回折方向に関連付けられたラインセンサ等を含んで構成され、入力された光の波長毎の強度を出力する。さらに、分光測定器５０は、スペクトルの検出結果に基づいて、色度・照度・輝度・演色性といった光源としての性能評価、表面特性・反射特性・透過特性といった測定対象の光学的性能の測定、ならびに、膜厚といった測定対象の物理的測定の測定などを行なうこともできる。
【００２６】
ファイバ結合器９０では、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４（以下、「ファイバ素線２２」とも総称する。）の各々と、出射側ファイバ３０の１本のファイバ素線との間で光軸を一致させることで、光学的な結合が実現される。すなわち、ファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４のそれぞれのファイバ端２４−１，２４−２，２４−３，２４−４（以下、「ファイバ端２４」とも総称する。）と、出射側ファイバ３０のファイバ端３４とを所定距離だけ離して対向配置する。
【００２７】
しかしながら、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線２２（ファイバ端２４）と出射側ファイバ３０のファイバ素線とを直接対向させると、入射側ファイバ２０のファイバ素線２２から射出される光が出射側ファイバ３０のファイバ素線を照明する状態について、互いに一致させることが難しい。その結果、各ファイバ素線２２を通じて分光測定器５０へ至るまでの光学経路の伝達率を同一にできず、測定に使用されるファイバ素線の種類によって、測定値にばらつきが生じることになる。
【００２８】
すなわち、上述のようにファイバ素線を対向配置した構成では、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布の変動により、出射側ファイバ３０へ伝達される光量が変動する。
【００２９】
そこで、このような変動による影響を受けないように構成する必要がある。通常のファイバ結合器９０においては、透過拡散板を配置した上で、その両端に、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線と、出射側ファイバ３０の１本のファイバ素線とを対向させて配置する。
【００３０】
一例として、図２（ａ）および図２（ｂ）には、ファイバ素線２２のファイバ端２４から射出される光の配光パターンの変動例を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、入射側ファイバ２０の配光パターンが変動することにより、出射側ファイバ３０へ到達する光の割合が変化することになる。
【００３１】
図２に示す実験結果では、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とを１５ｍｍだけ離して対向配置したファイバ結合器を用いて、入射側ファイバ２０を人為的に屈曲させつつ、光源装置４０からの光を複数回に亘って分光測定器５０で測定した結果（分光測定結果）を示す。なお、光源装置４０としては、ハロゲンランプを用いるとともに、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０との間には透過拡散板を配置していない。また、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とは、光学ベンチを用いて位置決めを行なった。
【００３２】
図３に示す実験結果によれば、入射側ファイバ２０を屈曲させることにより、測定されるスペクトルの強度が大きく変動していることがわかる。これは、入射側ファイバ２０を屈曲させることにより、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布が変動するためであると考えられる。なお、配光分布の変動は、入射側ファイバ２０の種類（マルチモードファイバおよびシングルモードファイバ）にかかわらず、いずれの場合であっても生じ得る。
【００３３】
このような光の配光分布の変動による影響を低減して、各ファイバ素線２２を通じて分光測定器５０へ至るまでの光学経路の伝達率を均一化するためには、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０との間の距離を十分に大きくするか、あるいは、透過拡散板の拡散率を相対的に高くする必要がある。
【００３４】
しかしながら、いずれの方法を採用したとしても、光の伝達損失が大きくなり、測定感度が低下するという課題があった。
【００３５】
（ｂ２．積分球型）
上述のファイバ結合器に代えて、積分球を用いて、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とを光学的に結合することも考えられる。この積分球は、その内面に光拡散反射層を有する球状の部材からなり、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０は、当該球状の部材の所定位置を貫通して、積分球内部の積分空間と接続される。
【００３６】
この積分球を用いた場合に、入射側ファイバ２０から射出される光束が積分球の内面の全体を照らすことで生じる壁面照度に応じた光が出射側ファイバ３０へ伝達される。そのため、入射側ファイバ２０から積分空間に射出される光束をφとすると、出射側ファイバ３０を通じて測定される照度Ｅは、以下に示す（１）式のように表わすことができる。
【００３７】
照度Ｅ＝（φ／４πｒ２）｛ρ／（１−ρ）｝ …（１）
但し、ｒは積分球の半径、ρは積分球内面の拡散反射率を示す。
【００３８】
この（１）式に示すように、積分球の半径ｒが小さいほど出射側ファイバ３０を通じて測定される光の強度は大きくなる。すなわち、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が高くなる。
【００３９】
しかしながら、入射側ファイバ２０から射出される光が出射側ファイバ３０に直接的に入射すると、各ファイバ素線２２についての照明条件を同一に維持することが難しく、かつ、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布が変動した場合には、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が変動する。
【００４０】
このような影響を低減するため、積分球の内部に、入射側ファイバ２０から射出される光が出射側ファイバ３０に直接的に入射しないように、バッフル（遮光板）を設ける必要がある。しかしながら、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が高める目的で積分球の半径を小さくしている場合には、積分空間におけるこのバッフルの占める空間の比率が大きく、その結果、バッフル自身での光吸収による光量低下が顕在化する。そのため、かえって光の伝達損失が大きくなり、測定感度が低下するという課題があった。
【００４１】
＜Ｃ．基本構成＞
本実施の形態に従う光学測定装置においては、上述したファイバ結合器および積分球における課題を解消することを目的とする。
【００４２】
図４は、本発明の実施の形態に係る光学測定装置の一例を示す模式図である。図５は、図４に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【００４３】
図４に示す光学測定装置は、図１に示す光学測定装置と比較して、対向配置型のファイバ結合器９０に代えて、半球型の積分器を用いたファイバ結合器１０を利用している点が異なっている。
【００４４】
ファイバ結合器１０は、内壁に拡散反射層１ａを有する半球部１と、半球部の開口部を塞ぐように配置され、半球部１の内壁側（内面側）に鏡面反射層２ａを有する円板状の平面部２とで構成される。この平面部２は、半球部１の実質的な曲率中心Ｏを通るように配置される。拡散反射層１ａは、代表的に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）焼結体や硫酸バリウム等の拡散材料を塗布または吹付けることによって形成される。
【００４５】
平面部２の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、半球部１についての虚像が生成される。上述したように、平面部２は半球部１の曲率中心Ｏを通るように配置されるので、平面部２により生成される虚像は、一定の曲率半径をもつ半球状になる。半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２により形成される虚像とを組合せると、全球型の積分器を用いた場合と実質的に同じ照度分布を得ることができる。
【００４６】
このように、ファイバ結合器１０においては、半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２により形成される虚像とを組合せた空間が実質的な積分空間となる。
【００４７】
平面部２には、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５を含む。入射窓５には、入射側ファイバ２０の先端に形成される接続カプラ３が装着される。
【００４８】
入射側ファイバ２０を通じて積分空間内に導かれた光は、半球部１と平面部２による半球部１の虚像とからなる積分球内部で拡散反射を繰返し、その結果、半球部１の内壁における照度は均一化される。
【００４９】
平面部２には、出射側ファイバ３０を装着するための出射窓６がさらに形成されている。この出射窓６には、出射側ファイバ３０の先端に形成される接続カプラ４が装着される。これにより、積分空間内の光は、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導かれる。
【００５０】
平面部２における入射窓５および出射窓６の位置関係は、特に制限されることはないが、図４に示す例においては、入射窓５と出射窓６との間は、半球部１の実質的な曲率中心Ｏを基準として、予め定められた距離だけ離れて配置される。
【００５１】
ファイバ結合器１０を用いる場合には、入射側ファイバ２０を構成する、各々が測定対象の光を伝搬するためのファイバ素線２２の数は特に制限されることはない。すなわち、半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導かれた、１または複数の測定対象の光がそれぞれ積分空間内で繰返し反射するので、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導かれる光（照度Ｅ）は、積分空間内へ導かれた測定対象の光の総和を示す値となる。
【００５２】
上述したように、入射窓５および出射窓６は、いずれも平面部に形成される。すなわち、これらの窓は、共通の平面上に存在するため、光が直接的に入射することがない。すなわち、入射窓５と出射窓６とは、相互に照明する位置にないので、全球型の積分器を用いた場合とは異なり、両者の間にバッフル（遮光板）を設ける必要がない。
【００５３】
そのため、バッフル自身での光吸収による光量低下という問題が生じることはなく、かつ、内部にバッフルを設ける必要がないので、積分空間をより小さくできる。すなわち、半球部１の曲率半径をより小さくできるので、（１）式に示すように、出射側ファイバ３０を通じて測定される光の強度を大きくできる。すなわち、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率の高いファイバ結合器１０を実現できる。
【００５４】
その他の構成については、図１に示す光学測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００５５】
図５に示す実験結果では、図４に示す光学測定装置において、入射側ファイバ２０を人為的に屈曲させつつ、光源装置４０からの光を複数回に亘って分光測定器５０で測定した結果（分光測定結果）を示す。なお、光源装置４０としては、上述の図３に示す実験結果と同様に、ハロゲンランプを用いた。
【００５６】
図５に示す実験結果によれば、入射側ファイバ２０を屈曲させたとしても、測定されるスペクトルには実質的な影響を与えないことがわかる。より具体的には、入射側ファイバ２０の屈曲によって生じたスペクトルでの変動率は、０．１％以下となった。これにより、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布の変動による影響は実質的に無視できるとみなすことができる。
【００５７】
＜Ｄ．変形例＞
（ｄ１．ファイバ一体型）
図４に示す光学測定装置においては、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０をそれぞれ装着するための入射窓５および出射窓６をそれぞれ平面部２に形成した構成を示したが、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０を一体化して、平面部２を貫通するように構成してもよい。
【００５８】
図６は、本発明の実施の形態の第１変形例に係るファイバ結合器１０Ａを示す模式図である。図６に示すファイバ結合器１０Ａでは、入射窓５および出射窓６が隣接して形成される。なお、入射窓５および出射窓６を一体的に形成してもよい。この場合には、共通の１つの窓が入射窓５および出射窓６として機能することになる。
【００５９】
入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０が一体化した状態で、平面部２を貫通する。図６においては、入射窓５に、入射側ファイバ２０の先端に形成される接続カプラ３が装着され、出射窓６に、出射側ファイバ３０の先端に形成される接続カプラ４が装着される構成を模式的に示すが、接続カプラ自体を共通化してもよい。
【００６０】
なお、複数のファイバ素線からなる入射側ファイバ２０を用いてもよい。この場合には、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線と、出射側ファイバ３０を構成する１本のファイバ素線とを一体化することもできる。
【００６１】
本実施の形態の第１変形例に従う光学測定装置は、ファイバ結合器１０Ａを用いる点を除いて、上述の図４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００６２】
このように、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０が一体化することで、ファイバ結合器１０Ａへのファイバの接続処理を簡素化できる。
【００６３】
（ｄ２．１／４球型の積分器）
図７に示す光学測定装置においては、半球型の積分器を用いたファイバ結合器１０を用いる構成を示したが、１／４球型の積分器を用いてもよい。
【００６４】
図７は、本発明の実施の形態の第２変形例に係るファイバ結合器１０Ｂを示す模式図である。図７に示すファイバ結合器１０Ｂは、内壁に拡散反射層１ａを有する１／４球部１＃と、半球部の開口部を塞ぐように配置され、１／４球部１＃の内壁側（内面側）に鏡面反射層２ａを有する円板状の平面部２−１，２−２とで構成される。平面部２−１と平面部２−２との交点は、１／４球部１＃の実質的な曲率中心Ｏを通るように配置される。
【００６５】
平面部２−１の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、１／４球部１＃についての虚像（紙面下側）が生成される。同様に、平面部２−２の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、１／４球部１＃についての虚像（紙面右側）が生成される。上述したように、平面部２−１と平面部２−２との交点は１／４球部１＃の曲率中心Ｏを通るように配置されるので、半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２−１および２−２によりそれぞれ生成される虚像とを組合せると、全球型の積分器を用いた場合と実質的に同じ照度分布を得ることができる。
【００６６】
このように、ファイバ結合器１０Ｂにおいては、１／４球部１＃の内面で定義される空間（実像）と、平面部２−１および２−２によりそれぞれ形成される虚像とを組合せた空間が実質的な積分空間となる。
【００６７】
平面部２−１および２−２の一方（図７に示す例では、平面部２−１）には、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５と、出射側ファイバ３０を装着するための出射窓６とが形成される。なお、入射窓５および出射窓６は共通の平面上に形成されていれば、平面部２−１および２−２のいずれに配置されてもよい。
【００６８】
本実施の形態の第２変形例に従う光学測定装置は、ファイバ結合器１０Ａを用いる点を除いて、上述の図４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。すなわち、入射側ファイバ２０を構成する、各々が測定対象の光を伝搬するためのファイバ素線２２の数は特に制限されることはない。また、本実施の形態の第２変形例に従うファイバ結合器１０Ｂにおいて、図６に示すように、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０を一体化して、平面部２−１または２−２を貫通するように構成してもよい。
【００６９】
このように、１／４球型の積分器を用いることで、装置をより小型化できる。
＜Ｅ．アプリケーション＞
次に、上述の光学測定装置を用いたアプリケーションの一例について説明する。
【００７０】
（ｅ１．反射光測定システム）
図８は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた反射光測定システム１００の模式図である。図８に示す反射光測定システム１００は、測定対象ＳＭＰの表面で生じる反射光を測定することで、測定対象ＳＭＰの反射特性や表面特性を評価する。
【００７１】
反射光測定システム１００は、光学測定装置に加えて、光源装置４０と、光分配器６２と、ファイバ切替ユニット６４とを含む。
【００７２】
光源装置４０は、測定対象ＳＭＰで生じる反射光に適した波長帯域の基準光を発生する。この光源装置４０から発生された基準光は、接続ファイバ６６を通じて光分配器６２へ導かれる。光分配器６２は、光源装置４０からの基準光を複数に分配する。図８に示す例では、光分配器６２は、光源装置４０からの基準光を５分割する。
【００７３】
光分配器６２の他方端には、５つのＹ字分岐ファイバが接続されており、それぞれ分割された基準光は、対応するＹ字分岐ファイバの入力ファイバ６８−１，６８−２，６８−３，６８−４，６８−５へそれぞれ出力される。入力ファイバ６８−１，６８−２，６８−３，６８−４，６８−５の先端には、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５がそれぞれ接続されている。そして、光分配器６２により分割された各基準光は、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５の各々から測定対象ＳＭＰへ向けて照射される。
【００７４】
測定対象ＳＭＰに照射された基準光のうち、測定対象ＳＭＰの表面状態に応じた成分が反射光として生じる。そして、生じた反射光は、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５へそれぞれ再入射する。
【００７５】
出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５の各々へ入射した反射光は、対応する出力ファイバ７２−１，７２−２，７２−３，７２−４，７２−５を通じて、ファイバ切替ユニット６４へ導かれる。
【００７６】
ファイバ切替ユニット６４は、一方端に出力ファイバ７２−１，７２−２，７２−３，７２−４，７２−５が接続され、他方端に入射側ファイバ２０を構成するファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，２２−５が接続される。ファイバ切替ユニット６４は、図示しない切替指令に応答して、指定された出力ファイバ７２と対応するファイバ素線２２との間を光学的に接続する。たとえば、ファイバ切替ユニット６４に対して１番目の経路を有効化する旨の切替指令が与えられると、ファイバ切替ユニット６４は、出力ファイバ７２−１を通じて伝搬する反射光を対応するファイバ素線２２−１へ導く。以下同様にして、ファイバ切替ユニット６４は、指定された出力ファイバ７２を伝搬する反射光をファイバ結合器１０へ導く。
【００７７】
ファイバ結合器１０における動作については、上述したので、詳細な説明は繰返さない。
【００７８】
図８に示す反射光測定システム１００においては、長手方向に製造されるフィルムなどの表面状態を、短手方向の複数点において評価するような状況に向けられる。
【００７９】
（ｅ２．透過光測定システム）
図９は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた透過光測定システムの模式図である。図９に示す透過光測定システム２００は、測定対象ＳＭＰで生じる透過光を測定することで、測定対象ＳＭＰの透過特性や膜厚などを評価する。透過光測定システム２００は、基本的には、図８に示す反射光測定システム１００において、光源装置４０から基準光の照射方向を測定対象ＳＭＰの一方面から照射し、測定対象ＳＭＰの他方面から透過光を受光するようにしたものである。
【００８０】
光分配器６２には、測定対象ＳＭＰの一方側に整列配置された出射部８２−１，８２−２，８２−３，８２−４，８２−５へそれぞれ基準光を導くための入力ファイバ８０−１，８０−２，８０−３，８０−４，８０−５がそれぞれ接続される。また、ファイバ切替ユニット６４には、測定対象ＳＭＰの他方側に整列配置された入射部８４−１，８４−２，８４−３，８４−４，８４−５でそれぞれ受光された透過光を導くための出力ファイバ８６−１，８６−２，８６−３，８６−４，８６−５がそれぞれ接続される。
【００８１】
ファイバ結合器１０における動作については、上述したので、詳細な説明は繰返さない。
【００８２】
図９に示す透過光測定システム２００においては、長手方向に製造されるフィルムなどの膜厚を短手方向の複数点において評価するような状況に向けられる。
【００８３】
（ｅ３．光源評価システム）
図１０は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた光源評価システムの模式図である。図１０に示す光源評価システム３００は、測定対象ＳＭＰとして、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源（発光体）を評価する。光源評価システム３００は、基本的には、図９に示す透過光測定システム２００において、測定対象ＳＭＰおよび測定対象ＳＭＰに基準光を照射するための構成に代えて、測定対象ＳＭＰである複数のＬＥＤに対応付けて、入射部８４−１，８４−２，８４−３，８４−４，８４−５を配置した構成に相当する。
【００８４】
この光源評価システム３００では、測定対象ＳＭＰである複数のＬＥＤの各々についての、色度・照度・輝度・演色性および発光主波長などの性能評価を行なう。
【００８５】
＜Ｆ．作用効果＞
本実施の形態に従う光学測定装置は、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器からなるファイバ結合器を分光測定器の入力側に設けることにより、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる。
【００８６】
また、本実施の形態に従う光学測定装置は、ファイバ結合器として、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器を用いるので、装置構成をより小型化できる。同時に、積分器内のバッフル（遮光板）が不要であるので、バッフルによる自己吸収が生じない。そのため、測定対象の光の伝達効率（測定効率）を高めて、測定感度を向上させることができる。
【００８７】
また、本実施の形態に従う光学測定装置は、配光分布の変動の影響に加えて、偏光特性に起因する測定誤差についても低減できる。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８９】
１ 半球部、１＃ １／４球部、１ａ 拡散反射層、２ 平面部、２ａ 鏡面反射層、３，４ 接続カプラ、５ 入射窓、６ 出射窓、１０，１０Ａ，１０Ｂ，９０ ファイバ結合器、２０ 入射側ファイバ、２２ ファイバ素線、２４，３４ ファイバ端、３０ 出射側ファイバ、４０ 光源装置、５０ 分光測定器、６２ 光分配器、６４ ファイバ切替ユニット、６６ 接続ファイバ、６８，８０ 入力ファイバ、７０，８４ 入射部、７２，８６ 出力ファイバ、８２ 出射部、１００ 反射光測定システム、２００ 透過光測定システム、３００ 光源評価システム、ＳＭＰ 測定対象。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる光学測定装置および光学測定システム、ならびにそれに向けられたファイバ結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、分光光学系を用いて、測定対象物の光学的特性を測定する技術が知られている。より具体的には、測定対象物が発光体（光源）である場合には、当該測定対象物が発する光のスペクトル、光源色、輝度、照度、および、量子効率などが測定される。また、測定対象物が非発光体である場合には、当該測定対象物に光を照射することで得られる反射光または透過光に基づいて、反射率または透過率や、吸光度などが測定される。さらに、このように測定された光学的特性から、測定対象物の膜厚などの物理量が算出される場合もある。
【０００３】
このような分光測定における測定誤差を低減する方法が提案されている。たとえば、特公平０８−０２７２１２号公報（特許文献１）には、波長に依存した偏光特性に起因する測定誤差を低減することが可能な構成が開示されている。
【０００４】
一方、上述のような分光測定の用途ではなく光源装置として、積分球を用いて光源からの光を均一化または混合するような構成が知られている（たとえば、特開昭６０−２０２４１１号公報（特許文献２）、特開昭６３−２８５４４１号公報（特許文献３）、特開平０７−２１２５３７号公報（特許文献４）、特表２００３−５２７６１９号公報（特許文献５）、特開２００５−０５５５７１号公報（特許文献６）、米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書（特許文献７）など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平０８−０２７２１２号公報
【特許文献２】特開昭６０−２０２４１１号公報
【特許文献３】特開昭６３−２８５４４１号公報
【特許文献４】特開平０７−２１２５３７号公報
【特許文献５】特表２００３−５２７６１９号公報
【特許文献６】特開２００５−０５５５７１号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０１５６１０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
分光測定においては、上述したような偏光特性に起因する測定誤差に加えて、配光分布の変動に起因する測定誤差が生じ得る。典型的には、測定対象の光が光ファイバ内を伝搬する際の透過率の変動によって、光ファイバから射出される光の配光分布が変動し得る。このような配光分布が変動すると、分光測定器の受光面において輝度ムラが生じる。
【０００７】
また、複数の測定対象の光を複数の光ファイバ内をそれぞれ伝搬させて共通の分光測定器にて測定する場合には、複数の光ファイバを１つの光ファイバと光学的に結合する必要がある。このような場合において、上述のような配光分布の変動があると、光学的な結合量が変化し、その結果、分光測定器に導かれる光量などもばらつくという課題もある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる光学測定装置および光学測定システム、ならびにそれに向けられたファイバ結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある局面に従う光学測定装置は、分光測定器と、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定装置は、積分空間内の光を平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバとを含む。
【００１０】
本発明の別の局面に従う光学測定装置は、分光測定器と、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する１／４球部と、１／４球部の開口部を塞ぐように配置された、１／４球部の内壁側に鏡面反射層を有する第１および第２の平面部とを含む。第１および第２の平面部の一方は、第１の光ファイバを通じて射出される光を１／４球部と第１および第２の平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定装置は、積分空間内の光を第１の光ファイバが接続される平面部と同じ平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを含む。
【００１１】
好ましくは、第１の光ファイバは、各々が測定対象の光を伝搬する複数の光ファイバ素線を含む。
【００１２】
好ましくは、平面部において、第１の窓と第２の窓とは予め定められた距離だけ離れて配置される。
【００１３】
好ましくは、第１の光ファイバと第２の光ファイバとが一体化して平面部を貫通するように構成される。
【００１４】
本発明のさらに別の局面に従う光学測定システムは、光源と、分光測定器と、光源からの光を複数に分配するための光分配器と、光分配器からの複数の光を測定対象物にそれぞれ照射することで得られる、測定対象物の特性を示す複数の光を伝搬するための第１の光ファイバと、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含む。さらに、光学測定システムは、積分空間内の光を平面部の第２の窓を通じて分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを含む。
【００１５】
本発明のさらに別の局面に従えば、分光測定器の入力側に接続されるファイバ結合器を提供する。ファイバ結合器は、内壁に光拡散反射層を有する半球部と、半球部の開口部を塞ぐように配置された、半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを含む。平面部は、測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと接続されるとともに、当該第１の光ファイバを通じて射出される光を半球部と平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓と、積分空間内の光を分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバと接続される第２の窓とを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に関連するファイバ結合器を用いた光学測定装置の一例を示す模式図である。
【図２】図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動について説明するための図である。
【図３】図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光学測定装置の一例を示す模式図である。
【図５】図４に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の第１変形例に係るファイバ結合器を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態の第２変形例に係るファイバ結合器を示す模式図である。
【図８】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた反射光測定システムの模式図である。
【図９】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた透過光測定システムの模式図である。
【図１０】本実施の形態に従う光学測定装置を用いた光源評価システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
＜Ａ．概要＞
本実施の形態に従う光学測定装置は、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器からなるファイバ結合器を分光測定器の入力側に設けることにより、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減する。
【００２０】
＜Ｂ．従来構成＞
先に、本発明に関連する構成について説明する。
【００２１】
（ｂ１．対向配置型）
図１は、本発明に関連するファイバ結合器を用いた光学測定装置の一例を示す模式図である。図２は、図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動について説明するための図である。図３は、図１に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【００２２】
図１には、測定対象の複数の光を共通の分光測定器により測定する光学系の一例を示す。図１に示す光学系は、測定対象の光源装置４０−１，４０−２，４０−３，４０−４（以下、「光源装置４０」とも総称する。）からの光を分光測定するものであり、ファイバ結合器９０と、入射側ファイバ２０と、出射側ファイバ３０と、分光測定器５０とを含む。
【００２３】
各光源装置４０は、内蔵のランプなどで発生した光を射出する。それぞれの光源装置４０で生成された光は、入射側ファイバ２０を通じてファイバ結合器９０へ導かれる。すなわち、入射側ファイバ２０は、測定対象の光をファイバ結合器９０へ伝搬する。
【００２４】
ファイバ結合器９０は、光源装置４０がそれぞれ生成した測定対象の光を結合した上で、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導く。すなわち、ファイバ結合器９０は、複数の光ファイバ（ファイバ素線）と１本の光ファイバ（ファイバ素線）とを光学的に結合するための光学デバイスである。
【００２５】
分光測定器５０は、出射側ファイバ３０を通じて導入された測定対象の光について、スペクトルを検出する。典型的に、分光測定器５０は、回折格子および当該回折格子の回折方向に関連付けられたラインセンサ等を含んで構成され、入力された光の波長毎の強度を出力する。さらに、分光測定器５０は、スペクトルの検出結果に基づいて、色度・照度・輝度・演色性といった光源としての性能評価、表面特性・反射特性・透過特性といった測定対象の光学的性能の測定、ならびに、膜厚といった測定対象の物理的測定の測定などを行なうこともできる。
【００２６】
ファイバ結合器９０では、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４（以下、「ファイバ素線２２」とも総称する。）の各々と、出射側ファイバ３０の１本のファイバ素線との間で光軸を一致させることで、光学的な結合が実現される。すなわち、ファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４のそれぞれのファイバ端２４−１，２４−２，２４−３，２４−４（以下、「ファイバ端２４」とも総称する。）と、出射側ファイバ３０のファイバ端３４とを所定距離だけ離して対向配置する。
【００２７】
しかしながら、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線２２（ファイバ端２４）と出射側ファイバ３０のファイバ素線とを直接対向させると、入射側ファイバ２０のファイバ素線２２から射出される光が出射側ファイバ３０のファイバ素線を照明する状態について、互いに一致させることが難しい。その結果、各ファイバ素線２２を通じて分光測定器５０へ至るまでの光学経路の伝達率を同一にできず、測定に使用されるファイバ素線の種類によって、測定値にばらつきが生じることになる。
【００２８】
すなわち、上述のようにファイバ素線を対向配置した構成では、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布の変動により、出射側ファイバ３０へ伝達される光量が変動する。
【００２９】
そこで、このような変動による影響を受けないように構成する必要がある。通常のファイバ結合器９０においては、透過拡散板を配置した上で、その両端に、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線と、出射側ファイバ３０の１本のファイバ素線とを対向させて配置する。
【００３０】
一例として、図２（ａ）および図２（ｂ）には、ファイバ素線２２のファイバ端２４から射出される光の配光パターンの変動例を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、入射側ファイバ２０の配光パターンが変動することにより、出射側ファイバ３０へ到達する光の割合が変化することになる。
【００３１】
図２に示す実験結果では、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とを１５ｍｍだけ離して対向配置したファイバ結合器を用いて、入射側ファイバ２０を人為的に屈曲させつつ、光源装置４０からの光を複数回に亘って分光測定器５０で測定した結果（分光測定結果）を示す。なお、光源装置４０としては、ハロゲンランプを用いるとともに、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０との間には透過拡散板を配置していない。また、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とは、光学ベンチを用いて位置決めを行なった。
【００３２】
図３に示す実験結果によれば、入射側ファイバ２０を屈曲させることにより、測定されるスペクトルの強度が大きく変動していることがわかる。これは、入射側ファイバ２０を屈曲させることにより、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布が変動するためであると考えられる。なお、配光分布の変動は、入射側ファイバ２０の種類（マルチモードファイバおよびシングルモードファイバ）にかかわらず、いずれの場合であっても生じ得る。
【００３３】
このような光の配光分布の変動による影響を低減して、各ファイバ素線２２を通じて分光測定器５０へ至るまでの光学経路の伝達率を均一化するためには、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０との間の距離を十分に大きくするか、あるいは、透過拡散板の拡散率を相対的に高くする必要がある。
【００３４】
しかしながら、いずれの方法を採用したとしても、光の伝達損失が大きくなり、測定感度が低下するという課題があった。
【００３５】
（ｂ２．積分球型）
上述のファイバ結合器に代えて、積分球を用いて、入射側ファイバ２０と出射側ファイバ３０とを光学的に結合することも考えられる。この積分球は、その内面に光拡散反射層を有する球状の部材からなり、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０は、当該球状の部材の所定位置を貫通して、積分球内部の積分空間と接続される。
【００３６】
この積分球を用いた場合に、入射側ファイバ２０から射出される光束が積分球の内面の全体を照らすことで生じる壁面照度に応じた光が出射側ファイバ３０へ伝達される。そのため、入射側ファイバ２０から積分空間に射出される光束をφとすると、出射側ファイバ３０を通じて測定される照度Ｅは、以下に示す（１）式のように表わすことができる。
【００３７】
照度Ｅ＝（φ／４πｒ２）｛ρ／（１−ρ）｝ …（１）
但し、ｒは積分球の半径、ρは積分球内面の拡散反射率を示す。
【００３８】
この（１）式に示すように、積分球の半径ｒが小さいほど出射側ファイバ３０を通じて測定される光の強度は大きくなる。すなわち、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が高くなる。
【００３９】
しかしながら、入射側ファイバ２０から射出される光が出射側ファイバ３０に直接的に入射すると、各ファイバ素線２２についての照明条件を同一に維持することが難しく、かつ、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布が変動した場合には、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が変動する。
【００４０】
このような影響を低減するため、積分球の内部に、入射側ファイバ２０から射出される光が出射側ファイバ３０に直接的に入射しないように、バッフル（遮光板）を設ける必要がある。しかしながら、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率が高める目的で積分球の半径を小さくしている場合には、積分空間におけるこのバッフルの占める空間の比率が大きく、その結果、バッフル自身での光吸収による光量低下が顕在化する。そのため、かえって光の伝達損失が大きくなり、測定感度が低下するという課題があった。
【００４１】
＜Ｃ．基本構成＞
本実施の形態に従う光学測定装置においては、上述したファイバ結合器および積分球における課題を解消することを目的とする。
【００４２】
図４は、本発明の実施の形態に係る光学測定装置の一例を示す模式図である。図５は、図４に示すファイバ結合器における配光分布の変動についての実験結果を示す図である。
【００４３】
図４に示す光学測定装置は、図１に示す光学測定装置と比較して、対向配置型のファイバ結合器９０に代えて、半球型の積分器を用いたファイバ結合器１０を利用している点が異なっている。
【００４４】
ファイバ結合器１０は、内壁に拡散反射層１ａを有する半球部１と、半球部の開口部を塞ぐように配置され、半球部１の内壁側（内面側）に鏡面反射層２ａを有する円板状の平面部２とで構成される。この平面部２は、半球部１の実質的な曲率中心Ｏを通るように配置される。拡散反射層１ａは、代表的に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）焼結体や硫酸バリウム等の拡散材料を塗布または吹付けることによって形成される。
【００４５】
平面部２の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、半球部１についての虚像が生成される。上述したように、平面部２は半球部１の曲率中心Ｏを通るように配置されるので、平面部２により生成される虚像は、一定の曲率半径をもつ半球状になる。半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２により形成される虚像とを組合せると、全球型の積分器を用いた場合と実質的に同じ照度分布を得ることができる。
【００４６】
このように、ファイバ結合器１０においては、半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２により形成される虚像とを組合せた空間が実質的な積分空間となる。
【００４７】
平面部２には、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５を含む。入射窓５には、入射側ファイバ２０の先端に形成される接続カプラ３が装着される。
【００４８】
入射側ファイバ２０を通じて積分空間内に導かれた光は、半球部１と平面部２による半球部１の虚像とからなる積分球内部で拡散反射を繰返し、その結果、半球部１の内壁における照度は均一化される。
【００４９】
平面部２には、出射側ファイバ３０を装着するための出射窓６がさらに形成されている。この出射窓６には、出射側ファイバ３０の先端に形成される接続カプラ４が装着される。これにより、積分空間内の光は、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導かれる。
【００５０】
平面部２における入射窓５および出射窓６の位置関係は、特に制限されることはないが、図４に示す例においては、入射窓５と出射窓６との間は、半球部１の実質的な曲率中心Ｏを基準として、予め定められた距離だけ離れて配置される。
【００５１】
ファイバ結合器１０を用いる場合には、入射側ファイバ２０を構成する、各々が測定対象の光を伝搬するためのファイバ素線２２の数は特に制限されることはない。すなわち、半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導かれた、１または複数の測定対象の光がそれぞれ積分空間内で繰返し反射するので、出射側ファイバ３０を通じて分光測定器５０へ導かれる光（照度Ｅ）は、積分空間内へ導かれた測定対象の光の総和を示す値となる。
【００５２】
上述したように、入射窓５および出射窓６は、いずれも平面部に形成される。すなわち、これらの窓は、共通の平面上に存在するため、光が直接的に入射することがない。すなわち、入射窓５と出射窓６とは、相互に照明する位置にないので、全球型の積分器を用いた場合とは異なり、両者の間にバッフル（遮光板）を設ける必要がない。
【００５３】
そのため、バッフル自身での光吸収による光量低下という問題が生じることはなく、かつ、内部にバッフルを設ける必要がないので、積分空間をより小さくできる。すなわち、半球部１の曲率半径をより小さくできるので、（１）式に示すように、出射側ファイバ３０を通じて測定される光の強度を大きくできる。すなわち、入射側ファイバ２０から出射側ファイバ３０への伝達効率の高いファイバ結合器１０を実現できる。
【００５４】
その他の構成については、図１に示す光学測定装置と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００５５】
図５に示す実験結果では、図４に示す光学測定装置において、入射側ファイバ２０を人為的に屈曲させつつ、光源装置４０からの光を複数回に亘って分光測定器５０で測定した結果（分光測定結果）を示す。なお、光源装置４０としては、上述の図３に示す実験結果と同様に、ハロゲンランプを用いた。
【００５６】
図５に示す実験結果によれば、入射側ファイバ２０を屈曲させたとしても、測定されるスペクトルには実質的な影響を与えないことがわかる。より具体的には、入射側ファイバ２０の屈曲によって生じたスペクトルでの変動率は、０．１％以下となった。これにより、入射側ファイバ２０から射出される光の配光分布の変動による影響は実質的に無視できるとみなすことができる。
【００５７】
＜Ｄ．変形例＞
（ｄ１．ファイバ一体型）
図４に示す光学測定装置においては、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０をそれぞれ装着するための入射窓５および出射窓６をそれぞれ平面部２に形成した構成を示したが、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０を一体化して、平面部２を貫通するように構成してもよい。
【００５８】
図６は、本発明の実施の形態の第１変形例に係るファイバ結合器１０Ａを示す模式図である。図６に示すファイバ結合器１０Ａでは、入射窓５および出射窓６が隣接して形成される。なお、入射窓５および出射窓６を一体的に形成してもよい。この場合には、共通の１つの窓が入射窓５および出射窓６として機能することになる。
【００５９】
入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０が一体化した状態で、平面部２を貫通する。図６においては、入射窓５に、入射側ファイバ２０の先端に形成される接続カプラ３が装着され、出射窓６に、出射側ファイバ３０の先端に形成される接続カプラ４が装着される構成を模式的に示すが、接続カプラ自体を共通化してもよい。
【００６０】
なお、複数のファイバ素線からなる入射側ファイバ２０を用いてもよい。この場合には、入射側ファイバ２０を構成する複数のファイバ素線と、出射側ファイバ３０を構成する１本のファイバ素線とを一体化することもできる。
【００６１】
本実施の形態の第１変形例に従う光学測定装置は、ファイバ結合器１０Ａを用いる点を除いて、上述の図４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００６２】
このように、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０が一体化することで、ファイバ結合器１０Ａへのファイバの接続処理を簡素化できる。
【００６３】
（ｄ２．１／４球型の積分器）
図７に示す光学測定装置においては、半球型の積分器を用いたファイバ結合器１０を用いる構成を示したが、１／４球型の積分器を用いてもよい。
【００６４】
図７は、本発明の実施の形態の第２変形例に係るファイバ結合器１０Ｂを示す模式図である。図７に示すファイバ結合器１０Ｂは、内壁に拡散反射層１ａを有する１／４球部１＃と、半球部の開口部を塞ぐように配置され、１／４球部１＃の内壁側（内面側）に鏡面反射層２ａを有する円板状の平面部２−１，２−２とで構成される。平面部２−１と平面部２−２との交点は、１／４球部１＃の実質的な曲率中心Ｏを通るように配置される。
【００６５】
平面部２−１の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、１／４球部１＃についての虚像（紙面下側）が生成される。同様に、平面部２−２の鏡面反射層２ａが半球部１の内壁側に対向配置されることで、１／４球部１＃についての虚像（紙面右側）が生成される。上述したように、平面部２−１と平面部２−２との交点は１／４球部１＃の曲率中心Ｏを通るように配置されるので、半球部１の内面で定義される空間（実像）と、平面部２−１および２−２によりそれぞれ生成される虚像とを組合せると、全球型の積分器を用いた場合と実質的に同じ照度分布を得ることができる。
【００６６】
このように、ファイバ結合器１０Ｂにおいては、１／４球部１＃の内面で定義される空間（実像）と、平面部２−１および２−２によりそれぞれ形成される虚像とを組合せた空間が実質的な積分空間となる。
【００６７】
平面部２−１および２−２の一方（図７に示す例では、平面部２−１）には、入射側ファイバ２０を通じて射出される光を半球部１と平面部２とにより形成される積分空間内へ導くための入射窓５と、出射側ファイバ３０を装着するための出射窓６とが形成される。なお、入射窓５および出射窓６は共通の平面上に形成されていれば、平面部２−１および２−２のいずれに配置されてもよい。
【００６８】
本実施の形態の第２変形例に従う光学測定装置は、ファイバ結合器１０Ａを用いる点を除いて、上述の図４と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。すなわち、入射側ファイバ２０を構成する、各々が測定対象の光を伝搬するためのファイバ素線２２の数は特に制限されることはない。また、本実施の形態の第２変形例に従うファイバ結合器１０Ｂにおいて、図６に示すように、入射側ファイバ２０および出射側ファイバ３０を一体化して、平面部２−１または２−２を貫通するように構成してもよい。
【００６９】
このように、１／４球型の積分器を用いることで、装置をより小型化できる。
＜Ｅ．アプリケーション＞
次に、上述の光学測定装置を用いたアプリケーションの一例について説明する。
【００７０】
（ｅ１．反射光測定システム）
図８は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた反射光測定システム１００の模式図である。図８に示す反射光測定システム１００は、測定対象ＳＭＰの表面で生じる反射光を測定することで、測定対象ＳＭＰの反射特性や表面特性を評価する。
【００７１】
反射光測定システム１００は、光学測定装置に加えて、光源装置４０と、光分配器６２と、ファイバ切替ユニット６４とを含む。
【００７２】
光源装置４０は、測定対象ＳＭＰで生じる反射光に適した波長帯域の基準光を発生する。この光源装置４０から発生された基準光は、接続ファイバ６６を通じて光分配器６２へ導かれる。光分配器６２は、光源装置４０からの基準光を複数に分配する。図８に示す例では、光分配器６２は、光源装置４０からの基準光を５分割する。
【００７３】
光分配器６２の他方端には、５つのＹ字分岐ファイバが接続されており、それぞれ分割された基準光は、対応するＹ字分岐ファイバの入力ファイバ６８−１，６８−２，６８−３，６８−４，６８−５へそれぞれ出力される。入力ファイバ６８−１，６８−２，６８−３，６８−４，６８−５の先端には、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５がそれぞれ接続されている。そして、光分配器６２により分割された各基準光は、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５の各々から測定対象ＳＭＰへ向けて照射される。
【００７４】
測定対象ＳＭＰに照射された基準光のうち、測定対象ＳＭＰの表面状態に応じた成分が反射光として生じる。そして、生じた反射光は、出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５へそれぞれ再入射する。
【００７５】
出射／入射部７０−１，７０−２，７０−３，７０−４，７０−５の各々へ入射した反射光は、対応する出力ファイバ７２−１，７２−２，７２−３，７２−４，７２−５を通じて、ファイバ切替ユニット６４へ導かれる。
【００７６】
ファイバ切替ユニット６４は、一方端に出力ファイバ７２−１，７２−２，７２−３，７２−４，７２−５が接続され、他方端に入射側ファイバ２０を構成するファイバ素線２２−１，２２−２，２２−３，２２−４，２２−５が接続される。ファイバ切替ユニット６４は、図示しない切替指令に応答して、指定された出力ファイバ７２と対応するファイバ素線２２との間を光学的に接続する。たとえば、ファイバ切替ユニット６４に対して１番目の経路を有効化する旨の切替指令が与えられると、ファイバ切替ユニット６４は、出力ファイバ７２−１を通じて伝搬する反射光を対応するファイバ素線２２−１へ導く。以下同様にして、ファイバ切替ユニット６４は、指定された出力ファイバ７２を伝搬する反射光をファイバ結合器１０へ導く。
【００７７】
ファイバ結合器１０における動作については、上述したので、詳細な説明は繰返さない。
【００７８】
図８に示す反射光測定システム１００においては、長手方向に製造されるフィルムなどの表面状態を、短手方向の複数点において評価するような状況に向けられる。
【００７９】
（ｅ２．透過光測定システム）
図９は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた透過光測定システムの模式図である。図９に示す透過光測定システム２００は、測定対象ＳＭＰで生じる透過光を測定することで、測定対象ＳＭＰの透過特性や膜厚などを評価する。透過光測定システム２００は、基本的には、図８に示す反射光測定システム１００において、光源装置４０から基準光の照射方向を測定対象ＳＭＰの一方面から照射し、測定対象ＳＭＰの他方面から透過光を受光するようにしたものである。
【００８０】
光分配器６２には、測定対象ＳＭＰの一方側に整列配置された出射部８２−１，８２−２，８２−３，８２−４，８２−５へそれぞれ基準光を導くための入力ファイバ８０−１，８０−２，８０−３，８０−４，８０−５がそれぞれ接続される。また、ファイバ切替ユニット６４には、測定対象ＳＭＰの他方側に整列配置された入射部８４−１，８４−２，８４−３，８４−４，８４−５でそれぞれ受光された透過光を導くための出力ファイバ８６−１，８６−２，８６−３，８６−４，８６−５がそれぞれ接続される。
【００８１】
ファイバ結合器１０における動作については、上述したので、詳細な説明は繰返さない。
【００８２】
図９に示す透過光測定システム２００においては、長手方向に製造されるフィルムなどの膜厚を短手方向の複数点において評価するような状況に向けられる。
【００８３】
（ｅ３．光源評価システム）
図１０は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いた光源評価システムの模式図である。図１０に示す光源評価システム３００は、測定対象ＳＭＰとして、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源（発光体）を評価する。光源評価システム３００は、基本的には、図９に示す透過光測定システム２００において、測定対象ＳＭＰおよび測定対象ＳＭＰに基準光を照射するための構成に代えて、測定対象ＳＭＰである複数のＬＥＤに対応付けて、入射部８４−１，８４−２，８４−３，８４−４，８４−５を配置した構成に相当する。
【００８４】
この光源評価システム３００では、測定対象ＳＭＰである複数のＬＥＤの各々についての、色度・照度・輝度・演色性および発光主波長などの性能評価を行なう。
【００８５】
＜Ｆ．作用効果＞
本実施の形態に従う光学測定装置は、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器からなるファイバ結合器を分光測定器の入力側に設けることにより、光ファイバから射出される光の配光分布の変動による測定誤差を低減できる。
【００８６】
また、本実施の形態に従う光学測定装置は、ファイバ結合器として、半球型の積分器、または、１／４球型の積分器を用いるので、装置構成をより小型化できる。同時に、積分器内のバッフル（遮光板）が不要であるので、バッフルによる自己吸収が生じない。そのため、測定対象の光の伝達効率（測定効率）を高めて、測定感度を向上させることができる。
【００８７】
また、本実施の形態に従う光学測定装置は、配光分布の変動の影響に加えて、偏光特性に起因する測定誤差についても低減できる。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８９】
１ 半球部、１＃ １／４球部、１ａ 拡散反射層、２ 平面部、２ａ 鏡面反射層、３，４ 接続カプラ、５ 入射窓、６ 出射窓、１０，１０Ａ，１０Ｂ，９０ ファイバ結合器、２０ 入射側ファイバ、２２ ファイバ素線、２４，３４ ファイバ端、３０ 出射側ファイバ、４０ 光源装置、５０ 分光測定器、６２ 光分配器、６４ ファイバ切替ユニット、６６ 接続ファイバ、６８，８０ 入力ファイバ、７０，８４ 入射部、７２，８６ 出力ファイバ、８２ 出射部、１００ 反射光測定システム、２００ 透過光測定システム、３００ 光源評価システム、ＳＭＰ 測定対象。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光測定器と、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、前記平面部は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定装置。
【請求項２】
分光測定器と、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する１／４球部と、
前記１／４球部の開口部を塞ぐように配置された、前記１／４球部の内壁側に鏡面反射層を有する第１および第２の平面部とを備え、前記第１および第２の平面部の一方は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記１／４球部と前記第１および第２の平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記第１の光ファイバが接続される平面部と同じ平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定装置。
【請求項３】
前記第１の光ファイバは、各々が測定対象の光を伝搬する複数の光ファイバ素線を含む、請求項１または２に記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記平面部において、前記第１の窓と前記第２の窓とは予め定められた距離だけ離れて配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが一体化して前記平面部を貫通するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
【請求項６】
光源と、
分光測定器と、
前記光源からの光を複数に分配するための光分配器と、
前記光分配器からの複数の光を測定対象物にそれぞれ照射することで得られる、前記測定対象物の特性を示す複数の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、前記平面部は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定システム。
【請求項７】
分光測定器の入力側に接続されるファイバ結合器であって、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、
前記平面部は、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと接続されるとともに、当該第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓と、
前記積分空間内の光を前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバと接続される第２の窓とを含む、ファイバ結合器。
【請求項１】
分光測定器と、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、前記平面部は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定装置。
【請求項２】
分光測定器と、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する１／４球部と、
前記１／４球部の開口部を塞ぐように配置された、前記１／４球部の内壁側に鏡面反射層を有する第１および第２の平面部とを備え、前記第１および第２の平面部の一方は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記１／４球部と前記第１および第２の平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記第１の光ファイバが接続される平面部と同じ平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定装置。
【請求項３】
前記第１の光ファイバは、各々が測定対象の光を伝搬する複数の光ファイバ素線を含む、請求項１または２に記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記平面部において、前記第１の窓と前記第２の窓とは予め定められた距離だけ離れて配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとが一体化して前記平面部を貫通するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
【請求項６】
光源と、
分光測定器と、
前記光源からの光を複数に分配するための光分配器と、
前記光分配器からの複数の光を測定対象物にそれぞれ照射することで得られる、前記測定対象物の特性を示す複数の光を伝搬するための第１の光ファイバと、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、前記平面部は、前記第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓を含み、
前記積分空間内の光を前記平面部の第２の窓を通じて前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバを備える、光学測定システム。
【請求項７】
分光測定器の入力側に接続されるファイバ結合器であって、
内壁に光拡散反射層を有する半球部と、
前記半球部の開口部を塞ぐように配置された、前記半球部の内壁側に鏡面反射層を有する平面部とを備え、
前記平面部は、
測定対象の光を伝搬するための第１の光ファイバと接続されるとともに、当該第１の光ファイバを通じて射出される光を前記半球部と前記平面部とにより形成される積分空間内へ導くための第１の窓と、
前記積分空間内の光を前記分光測定器へ伝搬するための第２の光ファイバと接続される第２の窓とを含む、ファイバ結合器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２０３０７７（Ｐ２０１１−２０３０７７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６９９６４（Ｐ２０１０−６９９６４）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００２０６９６７）大塚電子株式会社 (50)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００２０６９６７）大塚電子株式会社 (50)
【Ｆターム（参考）】
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