分光装置
【課題】小型化を図ることができると共に、高感度な計測を実現する分光装置を提供する。
【解決手段】 分光装置１は、入力部１３を通して入力される被測定光を分光素子９によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系７で集光して出力部１５を通して光信号として出力する分光器３と、光信号の波長を走査する波長走査手段１７と、光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部１９と、光検出部２９から出力された電気信号から被測定光のスペクトルを算出する演算部２１Ｂと、を備え、出力部１５は、集光光学系７によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体１５ａに各波長の光を選択する複数の光成分選択部１５ｂ〜１５ｅが設けられて構成されており、演算部は、出力部１５が有する複数の光成分選択部の空間パターンと電気信号とを利用して被測定光のスペクトルを算出する。
【解決手段】 分光装置１は、入力部１３を通して入力される被測定光を分光素子９によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系７で集光して出力部１５を通して光信号として出力する分光器３と、光信号の波長を走査する波長走査手段１７と、光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部１９と、光検出部２９から出力された電気信号から被測定光のスペクトルを算出する演算部２１Ｂと、を備え、出力部１５は、集光光学系７によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体１５ａに各波長の光を選択する複数の光成分選択部１５ｂ〜１５ｅが設けられて構成されており、演算部は、出力部１５が有する複数の光成分選択部の空間パターンと電気信号とを利用して被測定光のスペクトルを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定光のスペクトルを検出する分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この技術の分野の分光装置として、図１５に示すようなツェルニー・ターナー型のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１５に示す分光装置１０１では、入射用スリット（入力部）１０３を通して入射された被測定光は、球面鏡１０５によって平行光にされて平面回折格子１０７に照射される。そして、平面回折格子１０７によって回折された光は、球面鏡（集光光学系）１０９によって集光され、球面鏡１０９の焦点近傍に配置された出射側スリット（出力部）１１１を通って光検出器１１３によって検出される。分光装置１０１では、平面回折格子１０７を回転させることで、光検出器１０３前の出力側スリット１１１上で波長の走査を行い、出力側スリット１１１を通過した波長成分のみを検出することで、被測定光のスペクトルを検出する。このような分光装置では、検出器を、例えば、光電子増倍管にすることができるので、高感度な分光計測が可能となっている。
【特許文献１】特開昭６３−１８２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ツェルニー・ターナー型の分光装置では、検出器には、出力側スリットを通った光のみが到達する。そのため、計測可能な光信号は、全波長領域に対してスリットによって切り出されたもののみである。その結果として、スリットで切り出された波長領域以外の波長領域の光成分を捨てていることになる。
【０００４】
上記問題を解決するために、出射側スリットの位置に、１次元又は２次元の検出器アレーを配置して、分光出力全体を計測することも考えられる。
【０００５】
しかしながら、１次元又は２次元の検出器アレーでは、主に半導体フォトダイオードが用いられるため、微弱な光信号の検出が困難である。微弱な光信号を検出するためには、例えば、半導体フォトダイオードを冷却することで熱雑音を低減し、長時間積算する方法が考えられるが、装置が大型になる虞がある。また、半導体フォトダイオードの直前に光電面を配したイメージ増倍管を利用して計測の感度を向上することも考えられるが、この場合も装置が大型になる虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、小型化を図ることができると共に、高感度な計測を実現する分光装置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】
【０００７】
本発明に係る分光装置は、入力部を通して入力される被測定光を分光素子によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系で集光して出力部を通して光信号として出力する分光器と、光信号の波長を走査する波長走査手段と、光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部と、光検出部から出力された電気信号から被測定光のスペクトルを算出する演算部と、を備え、出力部は、集光光学系によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体に各波長の光を選択する複数の光成分選択部が設けられて構成されており、複数の光成分選択部によって各波長の光を選択することで光信号して出力し、演算部は、出力部が有する複数の光成分選択部の空間パターンと電気信号とを利用して被測定光のスペクトルを算出することを特徴とする。
【０００８】
この分光装置では、入力部を通って分光器内に入力された被測定光は、分光素子によって分光され、分光された各波長の光は集光光学系で出力部の異なる位置にそれぞれ集光される。そして、出力部が有する基体に設けられた複数の光成分選択部によって各波長の光が選択されて光信号として出力される。従って、あるタイミングで出力部から出力される光信号は、被測定光のスペクトルが、複数の光成分選択部の空間パターンで切り出されたものである。
【０００９】
そして、分光装置では、出力部から出力される光信号の波長は、波長走査手段によって走査される。これは被測定光のスペクトルに対する上記空間パターンによる切り出し位置が順に変化することに対応する。従って、波長走査手段で波長走査された光信号を光検出部で検出して変換された電気信号は、被測定光のスペクトルが上記空間パターンに異なる位置で切り出された光信号が順次積算されたものである。そのため、演算部において、光検出器から出力される電気信号と光成分選択部の空間パターンとを利用することで、被測定光のスペクトルを算出することができる。
【００１０】
また、上記のように出力部から出力される光信号の波長を走査することで、被測定光のスペクトルを得ているので、例えば、アレー状の検出器を使用しなくてもよい。その結果として、分光装置の小型化を図ることが可能となっている。
【００１１】
本発明に係る分光装置が有する演算部は、空間パターンを表す関数で電気信号をデコンボリューションすることによってスペクトルを算出することが好ましい。
【００１２】
光検出部から出力される電気信号は、被測定光のスペクトルと、光成分選択部の空間パターンを表す関数とのコンボリューションで表される。そのため、演算部が、光検出部から出力される電気信号を、空間パターンを示す関数でデコンボリューションすることによって、被測定光のスペクトルを算出できる。
【００１３】
更に、本発明に係る分光装置では、複数の光成分選択部の数は３つ以上であり、隣接する光成分選択部間の間隔のうちの少なくとも１つは、他の間隔と異なることが好ましい。このように光成分選択部間の間隔を不均一にすることで、スペクトルを算出する際に、アーチファクトが発生しにくく、より正確なスペクトルを算出できる傾向にある。
【００１４】
更にまた、本発明に係る分光装置では、複数の光成分選択部各々は、光を通す通光部であることが好ましい。この場合、通光部を通った光が光信号として光検出部によって検出されることになる。
【００１５】
更に、本発明に係る分光装置が有する複数の通光部は、出力部から出力される光信号の出力方向に対して交差する方向に配列された複数のスリットであり、複数のスリット各々は、その配列方向に略直交する方向に延在していることが好適である。これにより、各スリットを利用して、あるタイミングにおいて被測定光のスペクトルを確実に切り出すことが可能である。
【００１６】
また、本発明に係る分光装置が有する複数の通光部は、２次元状に配置された開口であることも有効である。
【００１７】
また、本発明に係る分光装置では、基体には、開口が形成されており、複数の光成分選択部は、出力部から出力される光信号の出力方向に対して交差する方向に配列されると共に、開口を分割するように基体に設けられた複数の線状体であることが好ましい。この場合、線状体によって線状体の位置に集光した波長の光が遮断され、隣接する線状体間の隙間を通る光が出力されるので、あるタイミングで出力部から出力される光信号は、被測定光のスペクトルが、複数の光成分選択部の空間パターンで切り出されるものになる。そして、開口に線状体を設けるので、線状体の空間パターンの再現性が高くなる傾向にある。
【００１８】
更にまた、本発明に係る分光装置では、入力部は、基体に光導入部が形成されて構成されており、光導入部と光成分選択部との形状が略同一であることが好ましい。光検出部に入力される光信号には、光導入部と光成分選択部の形状の影響が含まれているが、上記のように光導入部及び光成分選択部を略同一の形状とすることによって、演算部での演算において光導入部と光成分選択部の形状の影響を抑制でき、より正確なスペクトルを算出することが可能である。
【００１９】
また、本発明に係る分光装置の光検出部は、光電子増倍管が有効である。これにより、出力部から出力された光信号を高感度に検出することが可能である。
【００２０】
更にまた、本発明に係る分光装置の光検出部は、波長感度の異なる２つ以上の光検出器を備えていることが好ましい。これにより、各光検出器によってそれぞれ異なる波長感度領域の光信号を同時に計測することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る分光装置は、小型化を図ることができると共に、高感度な計測を実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明に係る分光装置の実施形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る分光装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。分光装置１は、被測定光を分光するツェルニー・ターナー型の分光器３を備える。
【００２４】
分光器３は、球面鏡５、球面鏡（集光光学系）７及び分光素子としての平面回折格子９を収容する筐体１１と、球面鏡５の焦点面に配置されており筐体１１内に被測定光を入力するための入力部１３と、球面鏡７の焦点面に配置されており筐体１１内で分光された光を光信号として出力するための出力部１５とを有する。
【００２５】
ここでは、分光素子は、平面回折格子９としているが、分光器に利用されるものであって被測定光を分光できれば特に限定されず、プリズム等も例示できる。また、集光光学系を球面鏡７としているが、分光素子で分光された各波長の光を集光できれば特に限定されない。
【００２６】
図２は、入力部の平面図である。入力部１３は、ステンレス製の箔等からなる基体１３ａに一方向に延在する開口であるスリット（光導入部）１３ｂが一つ形成された一重スリット構造を有するものである。入力部１３は、例えば、基体１３ａにレーザ光等を利用してスリット１３ｂを高精度に形成することで作製される。入力部１３は、スリット１３ｂの延在方向が被測定光の分光器３への入射方向と略直交する方向（鉛直方向）になるように配置される。
【００２７】
図３は、出力部の平面図である。出力部１５は、ステンレス製の箔等からなる基体１５ａに一方向に延在する開口である複数のスリット（通光部）１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅが互いに平行に配列されたものである。各スリット１５ｂ〜１５ｅの幅は均一であり、隣接するスリット１５ｂ〜１５ｅ間の間隔は不均一となっている。また、出力部１５から出力される光信号の解析において、入力部１３と出力部１５との形状の違いの影響を低減する観点から、各スリット１５ｂ〜１５ｅの幅は入力部１３のスリット１３ｂの同じ幅であることが好ましい。出力部１５は、例えば、基体１５ａにスリット１５ｂ〜１５ｅをレーザ光等を利用して高精度に切り出して作製される。出力部１５は、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向が分光器３からの光信号の出力方向と略直交するように配置されるが、これに限定されず、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向が上記出力方向と交差していればよい。
【００２８】
入力部１３及び出力部１５は、筐体１１の一側面１１ａに形成された開口（不図示）に嵌め込むこと等によって開口と一体的に形成されていてもよいし、開口から若干離して配置されていてもよい。また、筐体１１の一側面１１ａを基体１３ａ，１５ａとして利用して形成してもよい。
【００２９】
図１に示すように、分光器３では、入力部１３を通って入力された被測定光は、球面鏡５によって平行光にされて、平面回折格子９に入射される。平面回折格子９に入射され波長に応じて特定の方向に回折された光は球面鏡７によって集光される。出力部１５は、球面鏡７の焦点面、言い換えれば、球面鏡８による各波長の光の集光位置を含む面に配置されているので、各波長の光は出力部１５上の異なる位置に集光されることになる。
【００３０】
そして、出力部１５が有する各スリット１５ｂ〜１５ｅの位置に集光される光が、対応するスリット１５ｂ〜１５ｅを通って選択的に分光器３外部に光信号として出力される。この場合、あるタイミングでの分光器３から出力される光信号には、被測定光のスペクトルのうちスリット１５ｂ〜１５ｅで切り出された所定の波長幅を有する光成分が含まれることになる。このようにスリット１５ｂ〜１５ｅによってスペクトルの一部の光成分が選択的に切り出されるので、スリット１５ｂ〜１５ｅは、光成分選択部として機能することになる。
【００３１】
出力部１５から出力される光信号の波長を走査するために、分光装置１は制御部１７を備える。制御部１７は例えばパーソナルコンピュータであり、平面回折格子９を回転させて球面鏡５から入射される光に対する平面回折格子９の角度を変化させる。
【００３２】
このように平面回折格子９の角度が変化することで、平面回折格子９から特定の方向に回折される光の波長が変化する。よって、出力部１５の各スリット１５ｂ〜１５ｅを通る光の波長がそれぞれ変化するので、結果として、出力部１５から出力される光信号の波長が走査される。制御部１７が平面回折格子９を回転させることで波長が走査されるので、制御部１７は、波長走査手段として機能していることになる。この波長走査の速度は、制御部１７による平面回折格子９の回転速度に対応している。ここでは、平面回折格子９を回転させることで波長を走査しているが、波長走査手段による波長走査は、出力部１５から出力される光信号の波長を走査できればよく、分光素子の形態に応じたものとすればよい。
【００３３】
図１に示すように、分光装置１は、分光器３から出力される光信号を検出して電気信号に変換する検出器（光検出部）１９と、検出器１９の検出結果である電気信号から被測定光のスペクトルを算出する解析部２１と、解析部２１の解析結果を表示するディスプレイ等の表示部２３を更に備える。
【００３４】
検出器１９は光電子増倍管であり、制御部１７によって駆動される。検出器１９は、出力部１５の各スリット１５ｂ〜１５ｅを通った光を含む光信号を検出して電気信号に変換して解析部２１に入力する。解析部２１は、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａと演算回路（演算部）２１Ｂとを有している。Ａ／Ｄ変換回路２１Ａは検出器１９からの電気信号を受けてＡ／Ｄ変換した後、演算回路２１Ｂに入力する。演算回路２１Ｂは、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａから入力される電気信号と、制御部１７から入力される波長走査速度等の所定の情報に基づいて被測定光のスペクトルを算出し、表示部２３に入力する。演算回路２１Ｂでの演算方法は後述する。なお、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａの前後にデコンボリューションにおける信号のＳ／Ｎ劣化を避けるために、平滑化回路（図示しない）や周波数フィルター（図示しない）を導入するとなおよい。
【００３５】
分光装置１では、出力部１５が前述したように複数のスリット１５ｂ〜１５ｅを有する多重スリット構造であることを特徴とする。
【００３６】
このように出力部１５が多重スリット構造を有することで、あるタイミングで分光器３から出力される光信号は、前述したように被測定光のスペクトルのうち、ある空間パターンで配置されたスリット１５ｂ〜１５ｅで選択的に切り出された光成分を含んでいる。
【００３７】
そして、制御部１７が平面回折格子９を回転させることで、出力部１５から出力される光信号の波長は走査されるので、被測定光のスペクトルに対する上記空間パターンによる切り出し位置が順に変化する。よって、波長走査された光信号を検出器１９で検出することで、被測定光のスペクトルが上記空間パターンによって異なる位置で切り出された光信号が順次積算されたものが電気信号として得られる。そのため、解析部２１において、検出器１９から出力される電気信号を、スリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを利用して解析することで、被測定光のスペクトルが算出されることになる。
【００３８】
ここで、図１、図４及び図５を利用して、多重スリット構造としての出力部１５から出力された光信号を利用して被測定光のスペクトルを解析する方法について具体的に説明する。図４は、出力部１５が有する複数のスリット（通光部）１５ｂ〜１５ｅと出力部１５上でのスペクトル分布との配置関係を示す模式図である。図５は、各スリット１５ｂ〜１５ｅからの光の強度に対応する電気信号強度を示す模式図である。
【００３９】
出力部１５でのスペクトル分布は時間的に変化しないものとしてＳ（λ）と表す。また、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向をｘ軸方向としたとき同じスリット幅を有するスリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを表す空間関数をＳＬ（ｘ）とする。また、波長走査速度をｖとする。
【００４０】
前述したように波長が走査されると、各波長の光の集光位置が変化するので、図４に示すように、Ｓ（λ）は、同じスリット幅を有するスリット１５ｂ〜１５ｅ上を波長走査速度ｖで通過することになる。従って、個々のスリット１５ｂ〜１５ｅから出力される光のスペクトルは全て同じＳ（λ）で表されることになる。
【００４１】
しかしながら、Ｓ（λ）は、個々のスリット１５ｂ〜１５ｅを時間的にずれて通過する。そのため、各スリット１５ｂ〜１５ｅから出力される光信号に対応する電気信号は、図５に示すように、スリット１５ｂ〜１５ｅの位置とＳ（λ）の走査速度ｖによって決まるタイミングのずれをもったＳ１（t１）、Ｓ２（ｔ２）、Ｓ３（ｔ３）、Ｓ４（ｔ４）で表される。
【００４２】
分光装置１では、各スリット１５ｂ〜１５ｅから出力される各光を１つの検出器１９で全て検出するため、検出器１９からは、Ｓ１（ｔ１）〜Ｓ４（ｔ４）が時間的にずれたまま重なった電気信号Ｖ（ｔ）が得られる。従って、Ｖ（ｔ）は
【数１】
と、各信号の和であらわされる。
【００４３】
また、フーリエ変換の関係を用いるとＶ（ｔ）は、
【数２】
なるコンボリューションで表される。ここでＳＬ（ｔ）は、ＳＬ（ｘ）で表されるスリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを波長走査速度ｖで割って決まるスリット１５ｂ〜１５ｅからの光信号の時間遅れを示す時間関数である。Ｓ（ｔ）は、波長走査速度ｖでスペクトルをスリット１５ｂと同じ幅を有する単一スリットで読み出した際の出力関数である。より具体的には、Ｓ（ｔ）は、被測定光を分光し、波長走査速度ｖで波長を走査しながらスリット１５ｂと同じ幅を有する単一スリットで読み出して得られる被測定光のスペクトルを表すスペクトル関数ある。
【００４４】
式（２）の両辺をフーリエ変換すると、
【数３】
となるので、式（３）より、
【数４】
が成り立つ。
【００４５】
従って、式（４）を次式のように逆フーリエ変換することにより被測定光のスペクトル関数Ｓ（ｔ）を得ることが可能である。
【数５】
なお、上記式（１）〜式（５）までに示した計算の流れをＶ（ｔ）をＳＬ（ｔ）でデコンボリューションするという。
【００４６】
解析部２１が有する演算回路２１Ｂは、上記解析を実施するためのデコンボリューション回路である。すなわち、演算回路２１Ｂは、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａから入力された電気信号Ｖ（ｔ）と、ＳＬ（ｘ）及び波長走査速度ｖとを用いて、前述した方法によってＳ（ｔ）を求める。ＳＬ（ｘ）及び波長走査速度ｖは、演算回路２１Ｂに予め記憶させていてもよいが、波長走査速度ｖは制御部１７における平面回折格子９の回転速度で決まるため、制御部１７を利用することが好ましい。すなわち、制御部１７でＳＬ（ｘ）と波長走査速度ｖとから予めＳＬ（ｔ）を算出し数値化して記憶しておき、分光計測時に、演算回路２１Ｂに所定の情報として入力する。
【００４７】
そして、演算回路２１Ｂは、制御部１７から入力された所定の情報とＡ／Ｄ変換回路２１Ａからの電気信号に基づいて上記方法によってＳ（ｔ）を算出し、表示部２３に入力する。これにより、表示部２３に被測定光のスペクトルが表示されることになる。
【００４８】
分光装置１では、隣接するスリット１５ｂ〜１５ｅの間隔が不均一になっているので、コンボリューションの際に不必要なアーチファクトの発生が抑制されており、結果として、より高精度にスペクトルを算出できる。
【００４９】
ところで、従来のように出力部が単一のスリットから形成されていると、全波長領域に対してその１つのスリットで切り出された光信号しか取得できず、多くの重要な信号を見過ごしてしまう虞がある。
【００５０】
これに対して、分光装置１では、出力部１５が複数のスリット１５ｂ〜１５ｅを有しているので、全波長領域に対して出力部１５で切り出される光信号の数が増える。よって、より多くの重要な情報を取得することが可能であり、また、光信号の利用効率が向上している。スリット１５ｂ〜１５ｅが複数設けられているので、光信号の損失が少ない。これにより、スリット１５ｂ〜１５ｅ以外の部分で反射・散乱された光による散乱光雑音への転換が抑制されているため、雑音信号の低減を図れる。
【００５１】
また、波長走査することで被測定光のスペクトルを得ていることから、検出器１９に光電子増倍管を利用できている。その結果、例えば、１次元や２次元アレイなどを利用する場合に比べて、分光装置１の小型化の実現を図ると共に、微弱な光の計測が可能となっており、更に分光装置１の製造コストの低コスト化も図られている。
【００５２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。入力部１３は単一のスリットを有するスリット構造としたが、光ファイバを導入・固定可能な円形開口（光導入部）を有する入力構造としてもよい。この場合、図６に示すように、出力部２５は、基体２５ａに複数の円形のアパーチャ（開口）２５ｂ〜２５ｆを１次元状に配列することが有効である。出力部１５から出力される光信号には、入力部１３の形状の影響も含まれているが、このように入力部１３と出力部１５との形状を揃えることで、形状上の差異の影響を低減できる、より具体的には、読み出しの際の応答関数の変化を抑制できるため、被測定光のスペクトルをより正確に算出可能である。そして、被測定光のスペクトルをより正確に算出する観点から、開口２５ｂ〜２５ｆの直径は、入力部１３側のファイバのコア径と同じ大きさが好ましい。
【００５３】
また、図７に示すように、出力部２７は、基体２７ａに複数のアパーチャー（開口）２７ｂ〜２７ｍを２次元状に配列したものとすることも可能である。この場合には、解析部２１での解析を２次元に拡張して行う。また、この場合も、デコンボリューションの解析の際に不要なアーチファクトを抑制する観点から、開口２７ｂ〜２７ｍの配置は、ランダムであることが好ましい。
【００５４】
更に、検出器１９は光電子増倍管としたが、高感度半導体フォトダイオードも利用できる。また、検出器１９の数は２つ以上でもよい。
【００５５】
図８は、複数の検出器を利用した場合の分光装置の一実施形態の概略構成図である。図９は、複数の検出器を利用した場合の分光装置の他の実施形態の概略構成図である。図８及び図９では、分光器３と複数の検出器２９、３１，３３の配置関係を示しており、入力部１３の記載は省略している。また、図８では、１つの出力部１５に対して並列して、異なる分光感度を有する検出器２９〜３３を３つ設けた例を示している。図９では、スリットの形成状態の異なる３つの出力部３５，３７，３９に対して異なる分光感度を有する検出器２９，３１，３３をそれぞれ設けた例を示している。
【００５６】
図８及び図９の何れの場合も、各検出器２９〜３３に光信号を与えるスリットの空間パターンを表す空間関数は各検出器２９〜３３ごとに決まっているため、個々の検出データに対してデコンボリューションを行えばよい。異なる波長感度を有する検出器２９〜３３を複数個取り付けることで、それぞれの波長感度領域のデータを同時に計測することが可能となる。なお、分光出力では、波長ごとに異なる位置に出てくるのであるから、複数の検出器２９〜３３の配置は、各検出器２９〜３３の感度特性に多少依存した配置を行ってもよい。
【００５７】
また、図１０に示すように、検出器４１は、多重の光電子増倍管が１つの真空管に封じ込まれたマルチ光電子増倍管の光電面に、異なる感度の半導体光電面４３，４５，４７，４９を取り付けたものを利用しても良い。この場合、１つの真空管で高感度検出が可能となる。
【００５８】
更にまた、実施形態では、出力部１５は、例えば、ステンレスの箔にレーザなどを利用してスリット１５ｂ〜１５ｅを形成するとしたが、次のようにして作製したものとしてもよい。
【００５９】
すなわち、図１１に示す出力部５１のように、予め基板（基体）５１ａに矩形の開口５１ｂを１つ形成しておき、次いで、被測定光を通さない材質からなる複数の線状体（光成分選択部）５１ｃ〜５１ｉを張り込むことで作製したものとしてもよい。各線状体５１ｃ〜５１ｉの幅は均一であることが好ましく、また、線状体５１ｃ〜５１ｉ間の間隔は不均一であることが好ましい。この場合、各線状体５１ｃ〜５１ｉによって特定の波長幅の光成分がブロックされ、隣接する線状体５１ｃ〜５１ｉ間の隙間から光が出力される。
【００６０】
ここで、線状体５１ｃ〜５１ｉを利用した出力部５１を適用して得られるスペクトルと、出力部１５のように基体にスリットが形成されてなる出力部を適用して得られるスペクトルとの関係について説明する。
【００６１】
図１２は、図１１に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。図１２において、横軸は分光器内の平面回折格子の回転角度を表しており、縦軸は光信号強度を表している。図１３は、図１１に示した複数の線状体と同じ数のスリットが基体に形成されてなる出力部の平面図である。図１３に示した出力部５３は、出力部１５と同様に基体５３ａにスリット５３ｂ〜５３ｈを形成することで作製されたものである。図１４は、図１３に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。図１４において、横軸は分光器内の平面回折格子の回転角度を表しており、縦軸は光信号強度を表している。
【００６２】
図１１に示した出力部５１の場合には、図１２に示すように、常時レーザ光が検出されていて、線状体５１ｃ〜５１ｉのあるところにくるとブロックされて、信号出力が得られないことになる。一方、図１３に示した出力部５３の場合は、図１４に示すように、信号出力ゼロから、それぞれのスリット５３ｂ〜５３ｈをレーザ光が通過した際に信号が得られる。すなわち、出力部５１適用して得られるスペクトルは、出力部５３を適用して得られるスペクトルを反転したものに対応する。このように、線状体５１ｃ〜５１ｉを利用することで、スペクトルは反転するが、線状体５１ｃ〜５１ｉによって被測定光のスペクトルが切り出されることは、出力部５３（又は出力部１５）の場合と同様である。従って、図１１に示した出力部５３を利用した場合でも、実施形態の場合と同様の方法で被測定光のスペクトルを算出することができる。
【００６３】
そして、線状体５１ｃ〜５１ｉはより高精度に作製可能であるので、出力部５３を再現性よく作製することが可能である。また、スリットを利用する場合よりも、光の利用効率の向上を図ることが可能である。
【００６４】
また、これまで説明してきた光成分選択部としての通光部（スリットや開口）や線状体の数は、２以上であれば特に限定されないが、３つ以上である場合には、それらの間の間隔の少なくとも１つが他の間隔の何れか１つと異なっていることが、より正確なスペクトルを算出する観点から好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る分光装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である
【図２】入力部の一実施形態の平面図である。
【図３】出力部の一実施形態の平面図である。
【図４】出力部が有する複数の通光部と、出力部上でのスペクトル分布との配置関係を示す模式図である。
【図５】図４に示した各通光部からの光の強度に対応する電気信号強度を示す模式図である。
【図６】出力部の他の実施形態の平面図である。
【図７】出力部の更に他の実施形態の平面図である。
【図８】複数の検出器を利用した分光装置の一実施形態の概略構成図である。
【図９】複数の検出器を利用した分光装置の他の実施形態の概略構成図である。
【図１０】光検出部の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１１】出力部の更に他の実施形態の平面図である。
【図１２】図１１に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。
【図１３】図１１に示した出力部の複数の線状体と同じ数のスリットが基体に形成されてなる出力部の平面図である。
【図１４】図１３に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。
【図１５】従来の分光装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…分光装置、３…分光器、７…球面鏡（集光光学系）、９…平面回折格子（分光素子）、１３…入力部、１３ａ…基体、１３ｂ…スリット（入力用通光部）、１５…出力部、１５ａ…基体、１５ｂ〜１５ｅ…スリット（光成分選択部、通光部）、１７…制御部（波長走査手段）、１９…検出器（光検出部）、２１Ｂ…演算回路（演算部）、２５…出力部、２５ａ…基体、２５ｂ〜２５ｆ…開口（光成分選択部、通光部）、２７…出力部、２７ａ…基体、２７ｂ〜２７ｍ…開口（光成分選択部、通光部）、２９〜３３…検出器、３５〜３９…出力部、４１…検出器、５１…出力部、５１ｂ…開口、５１ｃ〜５１ｉ…線状体、５３…出力部、５３ａ…基体、５３ｂ〜５３ｈ…スリット（光成分選択部、通光部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定光のスペクトルを検出する分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この技術の分野の分光装置として、図１５に示すようなツェルニー・ターナー型のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１５に示す分光装置１０１では、入射用スリット（入力部）１０３を通して入射された被測定光は、球面鏡１０５によって平行光にされて平面回折格子１０７に照射される。そして、平面回折格子１０７によって回折された光は、球面鏡（集光光学系）１０９によって集光され、球面鏡１０９の焦点近傍に配置された出射側スリット（出力部）１１１を通って光検出器１１３によって検出される。分光装置１０１では、平面回折格子１０７を回転させることで、光検出器１０３前の出力側スリット１１１上で波長の走査を行い、出力側スリット１１１を通過した波長成分のみを検出することで、被測定光のスペクトルを検出する。このような分光装置では、検出器を、例えば、光電子増倍管にすることができるので、高感度な分光計測が可能となっている。
【特許文献１】特開昭６３−１８２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ツェルニー・ターナー型の分光装置では、検出器には、出力側スリットを通った光のみが到達する。そのため、計測可能な光信号は、全波長領域に対してスリットによって切り出されたもののみである。その結果として、スリットで切り出された波長領域以外の波長領域の光成分を捨てていることになる。
【０００４】
上記問題を解決するために、出射側スリットの位置に、１次元又は２次元の検出器アレーを配置して、分光出力全体を計測することも考えられる。
【０００５】
しかしながら、１次元又は２次元の検出器アレーでは、主に半導体フォトダイオードが用いられるため、微弱な光信号の検出が困難である。微弱な光信号を検出するためには、例えば、半導体フォトダイオードを冷却することで熱雑音を低減し、長時間積算する方法が考えられるが、装置が大型になる虞がある。また、半導体フォトダイオードの直前に光電面を配したイメージ増倍管を利用して計測の感度を向上することも考えられるが、この場合も装置が大型になる虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、小型化を図ることができると共に、高感度な計測を実現する分光装置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】
【０００７】
本発明に係る分光装置は、入力部を通して入力される被測定光を分光素子によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系で集光して出力部を通して光信号として出力する分光器と、光信号の波長を走査する波長走査手段と、光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部と、光検出部から出力された電気信号から被測定光のスペクトルを算出する演算部と、を備え、出力部は、集光光学系によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体に各波長の光を選択する複数の光成分選択部が設けられて構成されており、複数の光成分選択部によって各波長の光を選択することで光信号して出力し、演算部は、出力部が有する複数の光成分選択部の空間パターンと電気信号とを利用して被測定光のスペクトルを算出することを特徴とする。
【０００８】
この分光装置では、入力部を通って分光器内に入力された被測定光は、分光素子によって分光され、分光された各波長の光は集光光学系で出力部の異なる位置にそれぞれ集光される。そして、出力部が有する基体に設けられた複数の光成分選択部によって各波長の光が選択されて光信号として出力される。従って、あるタイミングで出力部から出力される光信号は、被測定光のスペクトルが、複数の光成分選択部の空間パターンで切り出されたものである。
【０００９】
そして、分光装置では、出力部から出力される光信号の波長は、波長走査手段によって走査される。これは被測定光のスペクトルに対する上記空間パターンによる切り出し位置が順に変化することに対応する。従って、波長走査手段で波長走査された光信号を光検出部で検出して変換された電気信号は、被測定光のスペクトルが上記空間パターンに異なる位置で切り出された光信号が順次積算されたものである。そのため、演算部において、光検出器から出力される電気信号と光成分選択部の空間パターンとを利用することで、被測定光のスペクトルを算出することができる。
【００１０】
また、上記のように出力部から出力される光信号の波長を走査することで、被測定光のスペクトルを得ているので、例えば、アレー状の検出器を使用しなくてもよい。その結果として、分光装置の小型化を図ることが可能となっている。
【００１１】
本発明に係る分光装置が有する演算部は、空間パターンを表す関数で電気信号をデコンボリューションすることによってスペクトルを算出することが好ましい。
【００１２】
光検出部から出力される電気信号は、被測定光のスペクトルと、光成分選択部の空間パターンを表す関数とのコンボリューションで表される。そのため、演算部が、光検出部から出力される電気信号を、空間パターンを示す関数でデコンボリューションすることによって、被測定光のスペクトルを算出できる。
【００１３】
更に、本発明に係る分光装置では、複数の光成分選択部の数は３つ以上であり、隣接する光成分選択部間の間隔のうちの少なくとも１つは、他の間隔と異なることが好ましい。このように光成分選択部間の間隔を不均一にすることで、スペクトルを算出する際に、アーチファクトが発生しにくく、より正確なスペクトルを算出できる傾向にある。
【００１４】
更にまた、本発明に係る分光装置では、複数の光成分選択部各々は、光を通す通光部であることが好ましい。この場合、通光部を通った光が光信号として光検出部によって検出されることになる。
【００１５】
更に、本発明に係る分光装置が有する複数の通光部は、出力部から出力される光信号の出力方向に対して交差する方向に配列された複数のスリットであり、複数のスリット各々は、その配列方向に略直交する方向に延在していることが好適である。これにより、各スリットを利用して、あるタイミングにおいて被測定光のスペクトルを確実に切り出すことが可能である。
【００１６】
また、本発明に係る分光装置が有する複数の通光部は、２次元状に配置された開口であることも有効である。
【００１７】
また、本発明に係る分光装置では、基体には、開口が形成されており、複数の光成分選択部は、出力部から出力される光信号の出力方向に対して交差する方向に配列されると共に、開口を分割するように基体に設けられた複数の線状体であることが好ましい。この場合、線状体によって線状体の位置に集光した波長の光が遮断され、隣接する線状体間の隙間を通る光が出力されるので、あるタイミングで出力部から出力される光信号は、被測定光のスペクトルが、複数の光成分選択部の空間パターンで切り出されるものになる。そして、開口に線状体を設けるので、線状体の空間パターンの再現性が高くなる傾向にある。
【００１８】
更にまた、本発明に係る分光装置では、入力部は、基体に光導入部が形成されて構成されており、光導入部と光成分選択部との形状が略同一であることが好ましい。光検出部に入力される光信号には、光導入部と光成分選択部の形状の影響が含まれているが、上記のように光導入部及び光成分選択部を略同一の形状とすることによって、演算部での演算において光導入部と光成分選択部の形状の影響を抑制でき、より正確なスペクトルを算出することが可能である。
【００１９】
また、本発明に係る分光装置の光検出部は、光電子増倍管が有効である。これにより、出力部から出力された光信号を高感度に検出することが可能である。
【００２０】
更にまた、本発明に係る分光装置の光検出部は、波長感度の異なる２つ以上の光検出器を備えていることが好ましい。これにより、各光検出器によってそれぞれ異なる波長感度領域の光信号を同時に計測することが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る分光装置は、小型化を図ることができると共に、高感度な計測を実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明に係る分光装置の実施形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る分光装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。分光装置１は、被測定光を分光するツェルニー・ターナー型の分光器３を備える。
【００２４】
分光器３は、球面鏡５、球面鏡（集光光学系）７及び分光素子としての平面回折格子９を収容する筐体１１と、球面鏡５の焦点面に配置されており筐体１１内に被測定光を入力するための入力部１３と、球面鏡７の焦点面に配置されており筐体１１内で分光された光を光信号として出力するための出力部１５とを有する。
【００２５】
ここでは、分光素子は、平面回折格子９としているが、分光器に利用されるものであって被測定光を分光できれば特に限定されず、プリズム等も例示できる。また、集光光学系を球面鏡７としているが、分光素子で分光された各波長の光を集光できれば特に限定されない。
【００２６】
図２は、入力部の平面図である。入力部１３は、ステンレス製の箔等からなる基体１３ａに一方向に延在する開口であるスリット（光導入部）１３ｂが一つ形成された一重スリット構造を有するものである。入力部１３は、例えば、基体１３ａにレーザ光等を利用してスリット１３ｂを高精度に形成することで作製される。入力部１３は、スリット１３ｂの延在方向が被測定光の分光器３への入射方向と略直交する方向（鉛直方向）になるように配置される。
【００２７】
図３は、出力部の平面図である。出力部１５は、ステンレス製の箔等からなる基体１５ａに一方向に延在する開口である複数のスリット（通光部）１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅが互いに平行に配列されたものである。各スリット１５ｂ〜１５ｅの幅は均一であり、隣接するスリット１５ｂ〜１５ｅ間の間隔は不均一となっている。また、出力部１５から出力される光信号の解析において、入力部１３と出力部１５との形状の違いの影響を低減する観点から、各スリット１５ｂ〜１５ｅの幅は入力部１３のスリット１３ｂの同じ幅であることが好ましい。出力部１５は、例えば、基体１５ａにスリット１５ｂ〜１５ｅをレーザ光等を利用して高精度に切り出して作製される。出力部１５は、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向が分光器３からの光信号の出力方向と略直交するように配置されるが、これに限定されず、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向が上記出力方向と交差していればよい。
【００２８】
入力部１３及び出力部１５は、筐体１１の一側面１１ａに形成された開口（不図示）に嵌め込むこと等によって開口と一体的に形成されていてもよいし、開口から若干離して配置されていてもよい。また、筐体１１の一側面１１ａを基体１３ａ，１５ａとして利用して形成してもよい。
【００２９】
図１に示すように、分光器３では、入力部１３を通って入力された被測定光は、球面鏡５によって平行光にされて、平面回折格子９に入射される。平面回折格子９に入射され波長に応じて特定の方向に回折された光は球面鏡７によって集光される。出力部１５は、球面鏡７の焦点面、言い換えれば、球面鏡８による各波長の光の集光位置を含む面に配置されているので、各波長の光は出力部１５上の異なる位置に集光されることになる。
【００３０】
そして、出力部１５が有する各スリット１５ｂ〜１５ｅの位置に集光される光が、対応するスリット１５ｂ〜１５ｅを通って選択的に分光器３外部に光信号として出力される。この場合、あるタイミングでの分光器３から出力される光信号には、被測定光のスペクトルのうちスリット１５ｂ〜１５ｅで切り出された所定の波長幅を有する光成分が含まれることになる。このようにスリット１５ｂ〜１５ｅによってスペクトルの一部の光成分が選択的に切り出されるので、スリット１５ｂ〜１５ｅは、光成分選択部として機能することになる。
【００３１】
出力部１５から出力される光信号の波長を走査するために、分光装置１は制御部１７を備える。制御部１７は例えばパーソナルコンピュータであり、平面回折格子９を回転させて球面鏡５から入射される光に対する平面回折格子９の角度を変化させる。
【００３２】
このように平面回折格子９の角度が変化することで、平面回折格子９から特定の方向に回折される光の波長が変化する。よって、出力部１５の各スリット１５ｂ〜１５ｅを通る光の波長がそれぞれ変化するので、結果として、出力部１５から出力される光信号の波長が走査される。制御部１７が平面回折格子９を回転させることで波長が走査されるので、制御部１７は、波長走査手段として機能していることになる。この波長走査の速度は、制御部１７による平面回折格子９の回転速度に対応している。ここでは、平面回折格子９を回転させることで波長を走査しているが、波長走査手段による波長走査は、出力部１５から出力される光信号の波長を走査できればよく、分光素子の形態に応じたものとすればよい。
【００３３】
図１に示すように、分光装置１は、分光器３から出力される光信号を検出して電気信号に変換する検出器（光検出部）１９と、検出器１９の検出結果である電気信号から被測定光のスペクトルを算出する解析部２１と、解析部２１の解析結果を表示するディスプレイ等の表示部２３を更に備える。
【００３４】
検出器１９は光電子増倍管であり、制御部１７によって駆動される。検出器１９は、出力部１５の各スリット１５ｂ〜１５ｅを通った光を含む光信号を検出して電気信号に変換して解析部２１に入力する。解析部２１は、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａと演算回路（演算部）２１Ｂとを有している。Ａ／Ｄ変換回路２１Ａは検出器１９からの電気信号を受けてＡ／Ｄ変換した後、演算回路２１Ｂに入力する。演算回路２１Ｂは、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａから入力される電気信号と、制御部１７から入力される波長走査速度等の所定の情報に基づいて被測定光のスペクトルを算出し、表示部２３に入力する。演算回路２１Ｂでの演算方法は後述する。なお、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａの前後にデコンボリューションにおける信号のＳ／Ｎ劣化を避けるために、平滑化回路（図示しない）や周波数フィルター（図示しない）を導入するとなおよい。
【００３５】
分光装置１では、出力部１５が前述したように複数のスリット１５ｂ〜１５ｅを有する多重スリット構造であることを特徴とする。
【００３６】
このように出力部１５が多重スリット構造を有することで、あるタイミングで分光器３から出力される光信号は、前述したように被測定光のスペクトルのうち、ある空間パターンで配置されたスリット１５ｂ〜１５ｅで選択的に切り出された光成分を含んでいる。
【００３７】
そして、制御部１７が平面回折格子９を回転させることで、出力部１５から出力される光信号の波長は走査されるので、被測定光のスペクトルに対する上記空間パターンによる切り出し位置が順に変化する。よって、波長走査された光信号を検出器１９で検出することで、被測定光のスペクトルが上記空間パターンによって異なる位置で切り出された光信号が順次積算されたものが電気信号として得られる。そのため、解析部２１において、検出器１９から出力される電気信号を、スリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを利用して解析することで、被測定光のスペクトルが算出されることになる。
【００３８】
ここで、図１、図４及び図５を利用して、多重スリット構造としての出力部１５から出力された光信号を利用して被測定光のスペクトルを解析する方法について具体的に説明する。図４は、出力部１５が有する複数のスリット（通光部）１５ｂ〜１５ｅと出力部１５上でのスペクトル分布との配置関係を示す模式図である。図５は、各スリット１５ｂ〜１５ｅからの光の強度に対応する電気信号強度を示す模式図である。
【００３９】
出力部１５でのスペクトル分布は時間的に変化しないものとしてＳ（λ）と表す。また、スリット１５ｂ〜１５ｅの配列方向をｘ軸方向としたとき同じスリット幅を有するスリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを表す空間関数をＳＬ（ｘ）とする。また、波長走査速度をｖとする。
【００４０】
前述したように波長が走査されると、各波長の光の集光位置が変化するので、図４に示すように、Ｓ（λ）は、同じスリット幅を有するスリット１５ｂ〜１５ｅ上を波長走査速度ｖで通過することになる。従って、個々のスリット１５ｂ〜１５ｅから出力される光のスペクトルは全て同じＳ（λ）で表されることになる。
【００４１】
しかしながら、Ｓ（λ）は、個々のスリット１５ｂ〜１５ｅを時間的にずれて通過する。そのため、各スリット１５ｂ〜１５ｅから出力される光信号に対応する電気信号は、図５に示すように、スリット１５ｂ〜１５ｅの位置とＳ（λ）の走査速度ｖによって決まるタイミングのずれをもったＳ１（t１）、Ｓ２（ｔ２）、Ｓ３（ｔ３）、Ｓ４（ｔ４）で表される。
【００４２】
分光装置１では、各スリット１５ｂ〜１５ｅから出力される各光を１つの検出器１９で全て検出するため、検出器１９からは、Ｓ１（ｔ１）〜Ｓ４（ｔ４）が時間的にずれたまま重なった電気信号Ｖ（ｔ）が得られる。従って、Ｖ（ｔ）は
【数１】
と、各信号の和であらわされる。
【００４３】
また、フーリエ変換の関係を用いるとＶ（ｔ）は、
【数２】
なるコンボリューションで表される。ここでＳＬ（ｔ）は、ＳＬ（ｘ）で表されるスリット１５ｂ〜１５ｅの空間パターンを波長走査速度ｖで割って決まるスリット１５ｂ〜１５ｅからの光信号の時間遅れを示す時間関数である。Ｓ（ｔ）は、波長走査速度ｖでスペクトルをスリット１５ｂと同じ幅を有する単一スリットで読み出した際の出力関数である。より具体的には、Ｓ（ｔ）は、被測定光を分光し、波長走査速度ｖで波長を走査しながらスリット１５ｂと同じ幅を有する単一スリットで読み出して得られる被測定光のスペクトルを表すスペクトル関数ある。
【００４４】
式（２）の両辺をフーリエ変換すると、
【数３】
となるので、式（３）より、
【数４】
が成り立つ。
【００４５】
従って、式（４）を次式のように逆フーリエ変換することにより被測定光のスペクトル関数Ｓ（ｔ）を得ることが可能である。
【数５】
なお、上記式（１）〜式（５）までに示した計算の流れをＶ（ｔ）をＳＬ（ｔ）でデコンボリューションするという。
【００４６】
解析部２１が有する演算回路２１Ｂは、上記解析を実施するためのデコンボリューション回路である。すなわち、演算回路２１Ｂは、Ａ／Ｄ変換回路２１Ａから入力された電気信号Ｖ（ｔ）と、ＳＬ（ｘ）及び波長走査速度ｖとを用いて、前述した方法によってＳ（ｔ）を求める。ＳＬ（ｘ）及び波長走査速度ｖは、演算回路２１Ｂに予め記憶させていてもよいが、波長走査速度ｖは制御部１７における平面回折格子９の回転速度で決まるため、制御部１７を利用することが好ましい。すなわち、制御部１７でＳＬ（ｘ）と波長走査速度ｖとから予めＳＬ（ｔ）を算出し数値化して記憶しておき、分光計測時に、演算回路２１Ｂに所定の情報として入力する。
【００４７】
そして、演算回路２１Ｂは、制御部１７から入力された所定の情報とＡ／Ｄ変換回路２１Ａからの電気信号に基づいて上記方法によってＳ（ｔ）を算出し、表示部２３に入力する。これにより、表示部２３に被測定光のスペクトルが表示されることになる。
【００４８】
分光装置１では、隣接するスリット１５ｂ〜１５ｅの間隔が不均一になっているので、コンボリューションの際に不必要なアーチファクトの発生が抑制されており、結果として、より高精度にスペクトルを算出できる。
【００４９】
ところで、従来のように出力部が単一のスリットから形成されていると、全波長領域に対してその１つのスリットで切り出された光信号しか取得できず、多くの重要な信号を見過ごしてしまう虞がある。
【００５０】
これに対して、分光装置１では、出力部１５が複数のスリット１５ｂ〜１５ｅを有しているので、全波長領域に対して出力部１５で切り出される光信号の数が増える。よって、より多くの重要な情報を取得することが可能であり、また、光信号の利用効率が向上している。スリット１５ｂ〜１５ｅが複数設けられているので、光信号の損失が少ない。これにより、スリット１５ｂ〜１５ｅ以外の部分で反射・散乱された光による散乱光雑音への転換が抑制されているため、雑音信号の低減を図れる。
【００５１】
また、波長走査することで被測定光のスペクトルを得ていることから、検出器１９に光電子増倍管を利用できている。その結果、例えば、１次元や２次元アレイなどを利用する場合に比べて、分光装置１の小型化の実現を図ると共に、微弱な光の計測が可能となっており、更に分光装置１の製造コストの低コスト化も図られている。
【００５２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。入力部１３は単一のスリットを有するスリット構造としたが、光ファイバを導入・固定可能な円形開口（光導入部）を有する入力構造としてもよい。この場合、図６に示すように、出力部２５は、基体２５ａに複数の円形のアパーチャ（開口）２５ｂ〜２５ｆを１次元状に配列することが有効である。出力部１５から出力される光信号には、入力部１３の形状の影響も含まれているが、このように入力部１３と出力部１５との形状を揃えることで、形状上の差異の影響を低減できる、より具体的には、読み出しの際の応答関数の変化を抑制できるため、被測定光のスペクトルをより正確に算出可能である。そして、被測定光のスペクトルをより正確に算出する観点から、開口２５ｂ〜２５ｆの直径は、入力部１３側のファイバのコア径と同じ大きさが好ましい。
【００５３】
また、図７に示すように、出力部２７は、基体２７ａに複数のアパーチャー（開口）２７ｂ〜２７ｍを２次元状に配列したものとすることも可能である。この場合には、解析部２１での解析を２次元に拡張して行う。また、この場合も、デコンボリューションの解析の際に不要なアーチファクトを抑制する観点から、開口２７ｂ〜２７ｍの配置は、ランダムであることが好ましい。
【００５４】
更に、検出器１９は光電子増倍管としたが、高感度半導体フォトダイオードも利用できる。また、検出器１９の数は２つ以上でもよい。
【００５５】
図８は、複数の検出器を利用した場合の分光装置の一実施形態の概略構成図である。図９は、複数の検出器を利用した場合の分光装置の他の実施形態の概略構成図である。図８及び図９では、分光器３と複数の検出器２９、３１，３３の配置関係を示しており、入力部１３の記載は省略している。また、図８では、１つの出力部１５に対して並列して、異なる分光感度を有する検出器２９〜３３を３つ設けた例を示している。図９では、スリットの形成状態の異なる３つの出力部３５，３７，３９に対して異なる分光感度を有する検出器２９，３１，３３をそれぞれ設けた例を示している。
【００５６】
図８及び図９の何れの場合も、各検出器２９〜３３に光信号を与えるスリットの空間パターンを表す空間関数は各検出器２９〜３３ごとに決まっているため、個々の検出データに対してデコンボリューションを行えばよい。異なる波長感度を有する検出器２９〜３３を複数個取り付けることで、それぞれの波長感度領域のデータを同時に計測することが可能となる。なお、分光出力では、波長ごとに異なる位置に出てくるのであるから、複数の検出器２９〜３３の配置は、各検出器２９〜３３の感度特性に多少依存した配置を行ってもよい。
【００５７】
また、図１０に示すように、検出器４１は、多重の光電子増倍管が１つの真空管に封じ込まれたマルチ光電子増倍管の光電面に、異なる感度の半導体光電面４３，４５，４７，４９を取り付けたものを利用しても良い。この場合、１つの真空管で高感度検出が可能となる。
【００５８】
更にまた、実施形態では、出力部１５は、例えば、ステンレスの箔にレーザなどを利用してスリット１５ｂ〜１５ｅを形成するとしたが、次のようにして作製したものとしてもよい。
【００５９】
すなわち、図１１に示す出力部５１のように、予め基板（基体）５１ａに矩形の開口５１ｂを１つ形成しておき、次いで、被測定光を通さない材質からなる複数の線状体（光成分選択部）５１ｃ〜５１ｉを張り込むことで作製したものとしてもよい。各線状体５１ｃ〜５１ｉの幅は均一であることが好ましく、また、線状体５１ｃ〜５１ｉ間の間隔は不均一であることが好ましい。この場合、各線状体５１ｃ〜５１ｉによって特定の波長幅の光成分がブロックされ、隣接する線状体５１ｃ〜５１ｉ間の隙間から光が出力される。
【００６０】
ここで、線状体５１ｃ〜５１ｉを利用した出力部５１を適用して得られるスペクトルと、出力部１５のように基体にスリットが形成されてなる出力部を適用して得られるスペクトルとの関係について説明する。
【００６１】
図１２は、図１１に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。図１２において、横軸は分光器内の平面回折格子の回転角度を表しており、縦軸は光信号強度を表している。図１３は、図１１に示した複数の線状体と同じ数のスリットが基体に形成されてなる出力部の平面図である。図１３に示した出力部５３は、出力部１５と同様に基体５３ａにスリット５３ｂ〜５３ｈを形成することで作製されたものである。図１４は、図１３に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。図１４において、横軸は分光器内の平面回折格子の回転角度を表しており、縦軸は光信号強度を表している。
【００６２】
図１１に示した出力部５１の場合には、図１２に示すように、常時レーザ光が検出されていて、線状体５１ｃ〜５１ｉのあるところにくるとブロックされて、信号出力が得られないことになる。一方、図１３に示した出力部５３の場合は、図１４に示すように、信号出力ゼロから、それぞれのスリット５３ｂ〜５３ｈをレーザ光が通過した際に信号が得られる。すなわち、出力部５１適用して得られるスペクトルは、出力部５３を適用して得られるスペクトルを反転したものに対応する。このように、線状体５１ｃ〜５１ｉを利用することで、スペクトルは反転するが、線状体５１ｃ〜５１ｉによって被測定光のスペクトルが切り出されることは、出力部５３（又は出力部１５）の場合と同様である。従って、図１１に示した出力部５３を利用した場合でも、実施形態の場合と同様の方法で被測定光のスペクトルを算出することができる。
【００６３】
そして、線状体５１ｃ〜５１ｉはより高精度に作製可能であるので、出力部５３を再現性よく作製することが可能である。また、スリットを利用する場合よりも、光の利用効率の向上を図ることが可能である。
【００６４】
また、これまで説明してきた光成分選択部としての通光部（スリットや開口）や線状体の数は、２以上であれば特に限定されないが、３つ以上である場合には、それらの間の間隔の少なくとも１つが他の間隔の何れか１つと異なっていることが、より正確なスペクトルを算出する観点から好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る分光装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である
【図２】入力部の一実施形態の平面図である。
【図３】出力部の一実施形態の平面図である。
【図４】出力部が有する複数の通光部と、出力部上でのスペクトル分布との配置関係を示す模式図である。
【図５】図４に示した各通光部からの光の強度に対応する電気信号強度を示す模式図である。
【図６】出力部の他の実施形態の平面図である。
【図７】出力部の更に他の実施形態の平面図である。
【図８】複数の検出器を利用した分光装置の一実施形態の概略構成図である。
【図９】複数の検出器を利用した分光装置の他の実施形態の概略構成図である。
【図１０】光検出部の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１１】出力部の更に他の実施形態の平面図である。
【図１２】図１１に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。
【図１３】図１１に示した出力部の複数の線状体と同じ数のスリットが基体に形成されてなる出力部の平面図である。
【図１４】図１３に示した出力部を適用した分光器によって単一スペクトルのレーザ光を観測した場合に得られるスペクトルを示す模式図である。
【図１５】従来の分光装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…分光装置、３…分光器、７…球面鏡（集光光学系）、９…平面回折格子（分光素子）、１３…入力部、１３ａ…基体、１３ｂ…スリット（入力用通光部）、１５…出力部、１５ａ…基体、１５ｂ〜１５ｅ…スリット（光成分選択部、通光部）、１７…制御部（波長走査手段）、１９…検出器（光検出部）、２１Ｂ…演算回路（演算部）、２５…出力部、２５ａ…基体、２５ｂ〜２５ｆ…開口（光成分選択部、通光部）、２７…出力部、２７ａ…基体、２７ｂ〜２７ｍ…開口（光成分選択部、通光部）、２９〜３３…検出器、３５〜３９…出力部、４１…検出器、５１…出力部、５１ｂ…開口、５１ｃ〜５１ｉ…線状体、５３…出力部、５３ａ…基体、５３ｂ〜５３ｈ…スリット（光成分選択部、通光部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力部を通して入力される被測定光を分光素子によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系で集光して出力部を通して光信号として出力する分光器と、
前記光信号の波長を走査する波長走査手段と、
前記光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された前記電気信号から前記被測定光のスペクトルを算出する演算部と、
を備え、
前記出力部は、前記集光光学系によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体に前記各波長の光を選択する複数の光成分選択部が設けられて構成されており、前記複数の光成分選択部によって前記各波長の光を選択することで前記光信号として出力し、
前記演算部は、前記出力部が有する前記複数の光成分選択部の空間パターンと前記電気信号とを利用して前記被測定光のスペクトルを算出することを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記空間パターンを表す関数で前記電気信号をデコンボリューションすることによって前記スペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記複数の光成分選択部の数は３つ以上であり、
隣接する前記複数の光成分選択部間の間隔のうちの少なくとも１つは、他の間隔と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記複数の光成分選択部各々は、光を通す通光部であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項５】
前記複数の通光部は、前記出力部から出力される前記光信号の出力方向に対して交差する方向に配列された複数のスリットであり、
前記複数のスリット各々は、その配列方向に略直交する方向に延在していることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
【請求項６】
前記複数の通光部は２次元状に配置された開口であることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
【請求項７】
前記基体には開口が形成されており、
前記複数の光成分選択部は、前記出力部から出力される前記光信号の出力方向に対して交差する方向に配列されると共に、前記開口を分割するように前記基体に設けられた複数の線状体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項８】
前記入力部は、基体に光導入部が形成されて構成されており、
前記光導入部と前記光成分選択部との形状が略同一であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項９】
前記光検出部は、光電子増倍管又は半導体光検出器であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項１０】
前記光検出部は、波長感度の異なる２つ以上の光検出器を備えていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項１】
入力部を通して入力される被測定光を分光素子によって分光した後、分光された各波長の光を集光光学系で集光して出力部を通して光信号として出力する分光器と、
前記光信号の波長を走査する波長走査手段と、
前記光信号を検出して電気信号に変換して出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された前記電気信号から前記被測定光のスペクトルを算出する演算部と、
を備え、
前記出力部は、前記集光光学系によって集光される各波長の光の集光位置を含む面に配置される基体に前記各波長の光を選択する複数の光成分選択部が設けられて構成されており、前記複数の光成分選択部によって前記各波長の光を選択することで前記光信号として出力し、
前記演算部は、前記出力部が有する前記複数の光成分選択部の空間パターンと前記電気信号とを利用して前記被測定光のスペクトルを算出することを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記空間パターンを表す関数で前記電気信号をデコンボリューションすることによって前記スペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記複数の光成分選択部の数は３つ以上であり、
隣接する前記複数の光成分選択部間の間隔のうちの少なくとも１つは、他の間隔と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記複数の光成分選択部各々は、光を通す通光部であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項５】
前記複数の通光部は、前記出力部から出力される前記光信号の出力方向に対して交差する方向に配列された複数のスリットであり、
前記複数のスリット各々は、その配列方向に略直交する方向に延在していることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
【請求項６】
前記複数の通光部は２次元状に配置された開口であることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
【請求項７】
前記基体には開口が形成されており、
前記複数の光成分選択部は、前記出力部から出力される前記光信号の出力方向に対して交差する方向に配列されると共に、前記開口を分割するように前記基体に設けられた複数の線状体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項８】
前記入力部は、基体に光導入部が形成されて構成されており、
前記光導入部と前記光成分選択部との形状が略同一であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項９】
前記光検出部は、光電子増倍管又は半導体光検出器であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の分光装置。
【請求項１０】
前記光検出部は、波長感度の異なる２つ以上の光検出器を備えていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−２１８７９４（Ｐ２００７−２１８７９４Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４１２３３（Ｐ２００６−４１２３３）
【出願日】平成１８年２月１７日（２００６．２．１７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１７日（２００６．２．１７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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