単色光照射装置

【課題】単色光の高均一度と高照度を共に満たすことを可能にした単色光照射装置を提供することにある。
【解決手段】アークランプ光源１と、アークランプ光源１からの光をコリメートするレンズ光学系２と、レンズ光学系２からの光を分光する分光光学系３と、分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系４と、レンズ光学系４からの単色光の光量を調整する出射スリット５と、出射スリット５からの単色光の照度を均一化するホモジナイザ７と、ホモジナイザ７からの単色光をコリメートするレンズ光学系８とを有することを特徴とする単色光照射装置である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単色光照射装置に係わり、特に、分光応答度測定における測定精度と測定速度を向上させるために必要な、単色光の高均一度化と高照度化を実現した単色光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色光照射装置として、分光応答度測定の測定精度と測定速度を共に向上させるためには、単色光の高均一度化と共に高照度化が必要である。しかし、従来の単色光照射装置においては単色光の高均一度と高照度を共に実現することは困難であった。すなわち、従来の単色光照射装置においては、単色光の均一度を高めることを優先するため、エネルギー効率が犠牲となり、結果として得られる照度が低くかった。そのため、分光応答度測定には多くの時間を必要としていた。
【０００３】
特許文献１には、太陽電池の分光応答度測定装置について記載されている。この装置では、光の強度を得るために凹面回折格子を使用している。凹面回折格子は、近年は、ホログラフィック型が多い。しかし、これは従来型の機械的刻線方式に比べて、反射率が従来の５０％〜６０％程度と低いため、素子数を低減することはできるが、必ずしも光の強度の増強には結びつかない。素子数の低減により、費用を下げる効果はあるが、実際には、凹面回折格子は非常に高価なため、全体の費用を下げることはできない。
また、特許文献２には、色素増感型太陽電池の分光応答度測定装置について記載されている。この装置は、各種のレンズ、(凹レンズ、フライアイレンズ)を使用して、均一度を上昇させようとするものである。これは、光源、分光器、その他光学系に発生する均一度の歪みを補正しようとするものであるが、実際に発生する不均一度にマッチングさせた光学系を使用した場合にのみ、歪み補正は実現されるものであり、正確に実現することは困難であった。
【０００４】
図１２は、従来技術に係る分光器光学系を示す図である。
同図において、入射スリット１０１を通過した白色光は、球面鏡１０２で平行光となった後に回折格子１０３に入射する。回折格子１０３上では、波長により各々異なる方向に平行光として反射される。その平行光線は、球面鏡１０４により集光され、出射スリット１０５へと向かい、そのうちの特定の波長の光λ_０のみが出射スリット１０５を通過し、単色光となる。このような分光器光学系を使用して単色光を生成する場合、入射スリット１０１に光源からの光を集光する必要がある。
【０００５】
図１３は、従来技術に係る分光器光学系における光源光を集光する入射光学系を示す図である。
同図に示すように、光源１０６からの光を凹面反射鏡１０７で集光後、入射スリット１０１を介して分光器側に入射していた。この入射スリット１０１により分光器側の入射開口面積を決定し、一定の波長分解能を得ていた。光路としては、光源１０６の光を凹面反射鏡１０７等の光学系により集光し入射スリット１０１上に光源像を作り、その一部分を通過させるものである。しかし、このとき集光用光学系で発生する光源像の収差が、入射スリット１０１を通過した後の光の均一度を乱していた。
【０００６】
図１４は、従来技術に係る分光器光学系における、入射光学系、分光器、照射光学系で用いられる軸外し凹面鏡光学系を示す図である。
同図に示すように、この光学系においては、光を集光したり、平行光にしたりするために凹面反射鏡１０８を軸外しで使用していた。しかし、この軸外しは非点収差が発生する。非点収差は、分光器においては出射スリット１０５から出る光の損失と均一度の低下を、又それ以外の光学系では均一度の低下を招いていた。
【０００７】
図１５は、図１４に示した凹面鏡光学系を使用した時のスポットダイアグラムを示す図である。
同図は、凹面反射鏡１０８を軸外し角度２０°で使用した場合の非点収差を示す。焦点位置では、長くのびた楕円状に光が収束する。この楕円の長軸の長さは軸外し角度と共に大きくなる。軸外し凹面鏡光学系では、このような楕円形状の光が分光器の出射スリット１０５を通過するため光の均一度が低下していた。
【０００８】
図１６は、従来技術に係る分光器光学系において使用されていたＮＤフィルタによる光量調整法を示す図である。
同図に示すように、この光量調整法では、円板上で空間的に濃度が変化す円板形ＮＤフィルタ１０９を光路中におき、これを回転させることによって行っていた。このようなＮＤフィルタ１０９による光量調整法の欠点は、ＮＤフィルタ１０９を透過する際の光量損失と、ＮＤフィルタ１０９内部の濃度勾配による照度面の均一度低下である。
【特許文献１】特開２００６−３００３４号公報
【特許文献２】特開２００３−５７１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記の従来技術に係る分光器光学系の種々の問題点に鑑みて、単色光の高均一度と高照度を共に満たすことを可能にした単色光照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、アークランプ光源と、該アークランプ光源からの光をコリメートするレンズ光学系と、該レンズ光学系からの光を分光する分光光学系と、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系と、該レンズ光学系からの単色光の光量を調整する出射スリットと、該出射スリットからの単色光の照度を均一化するホモジナイザと、該ホモジナイザからの単色光をコリメートするレンズ光学系とを有することを特徴とする単色光照射装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記アークランプ光源は、キセノンランプ又はハロゲンランプであることを特徴とする単色光照射装置である。
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記アークランプ光源のアーク幅は１〜２ｍｍであることを特徴とする単色光照射装置である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記分光光学系は、回折格子を含むことを特徴とする単色光照射装置である。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段において、前記アークランプ光源の発光アーク幅をＳ_０、前記出射スリットの幅をＳ_１とするとき、Ｓ_０≧Ｓ_１の関係にあることを特徴とする単色光照射装置である。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記出射スリットと前記ホモジナイザ間に、所定の波長域以外の迷光を除去するフイルタを設けたことを特徴とする単色光照射装置である。
第７の手段は、第１の手段ないし第６の手段のいずれか１つの手段において、前記ホモジナイザは、ＭＥＭＳ（微小電気機械素子）で製作された反射鏡アレイシステムにおいて、特定のピクセルをオフにすることによって作製されたホモジナイザであることを特徴とする単色光照射装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アークランプ光源を従来技術の入射スリット位置に直接配置することにより、単色光の高均一度と高照度を確保することができる。
また、本発明によれば、レンズ光学系を使用することにより、光量を確保すると共に非点収差を回避することができる。
また、本発明によれば、出射スリット幅により光量を調整することができる。
また、本発明によれば、ホモジナイザの使用により、照度の均一度を上げることができる。
また、本発明によれば、測定精度を向上させ、測定時間の短縮化を図ることができる。
また、本発明によれば、照射面積の拡大化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を図１ないし図１１を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る単色光照射装置の構成を示す図である。
同図に示すように、この単色光照射装置においては、アーク光源１が、図１３に示すような分光器光学系の入射スリット１０１が配置される位置に配置される。アーク光源１からの光は、広い波長範囲において低損失と高い均一度が得られるコリメータレンズ２によって平行光とされた後、回折格子３に入射される。回折格子３によって単色光となった光は集光レンズ４を介して出射スリット５に出射される。出射スリット５では光量調節され、更にフィルタ６によって所定の波長域以外の迷光が除去される。このようにして得られた単色光は、ホモジナイザ７で面内の光量が調節され、さらに低損失と高い均一度が得られるコリメータレンズ８によって平行光とし、試料９において面内照度が均一な単色光が得られる。試料９における照射面積は、従来装置では２５ｍｍ角程度であったが、原理的に高照度が得られるため、２００ｍｍ角以上の面積の照射光の実現が可能となる。
【００１３】
以下に、図１に示した本発明に係る単色光照射装置の特徴点について説明する。
【００１４】
本発明の第１の特徴点は、従来技術の分光器光学系における入射スリットが配置される位置に、アーク光源１を配置し、発光アークを直接入射することにより光の均一度と強度を確保したことである。
図２は、本発明の単色光照射装置における入射光学系を示す図である。
同図に示すように、光源像の収差を避けるため、従来技術に係る図１３に示した入射光学系のように、集光用光学系１０６，１０７と入射スリット１０１を使用せず、入射スリット１０１の位置１０に直接アーク光源１を配置する。つまり、本発明においては、細長い長方形の発光部分（アーク）を持つ光源ランプのアークをスリット開口と考えて、アーク光源１を従来技術の入射スリット１０１の位置１０に配置する。アーク光源１として実際に使用するランプは、例えば、１ｋＷのキセノンランプ又はハロゲンランプ等であり、これらのランプのアーク幅は１〜２ｍｍであり、従来技術の分光器光学系に用いられる入射スリット１０１の幅と同程度である。
【００１５】
上記のごとく、本発明の単色光照射装置によれば、図１３に示したような従来技術の分光器光学系のような入射スリット１０１の前に集光用光学系が存在しないので、光源像の収差が生じない。そのため、分光器側において、高い均一度を保有したままの入射光から、単色光を選択することができる。更に、入射スリットを省略することにより、光の損失が最小に抑えられ高い照度が得られる。
【００１６】
本発明の第２の特徴点は、レンズ光学系を採用することにより、非点収差を解消したことである。
図１に示すように、従来技術の図１４に示すような凹面鏡光学系に代えて、レンズ光学系を使用する。レンズ光学系を採用することにより、軸外し角がゼロとなるので、非点収差が解消される。
【００１７】
図３は、本発明のレンズ光学系を使用した時のスポットダイアグラムを示す図である。
同図に示すように、従来技術の図１４に示すような軸外し凹面鏡光学系を使用した時の、図１５に示したスポットダイアグラムと比較すると、非点収差が解消されていることがわかる。さらに、焦点上でも点対称の像として光が収束するため、均一度の低下を抑えることができる。また、レンズ光学系では、球面反射鏡につきものの反射膜の劣化が無いので、長時間安定して使用することができる。
【００１８】
一方、レンズ光学系では、レンズ材の波長に対する屈折率変化により波長ごとに焦点距離が変わるため、色収差が発生する。この色収差は、特に紫外波長領域において大きい。実際のレンズ材である光学ガラス、石英ガラスでは、紫外波長領域で急に屈折率が増加し、レンズの焦点距離が短くなる。例えば、光学ガラスＢＫ７の屈折率は、波長６００ｎｍで１．５１５、波長３００ｎｍで１．５５２であり、波長６００ｎｍで焦点距離３０ｃｍのレンズの場合、波長３００ｎｍで焦点距離２９．２ｃｍと変化する。しかし、本発明では単色光しか扱わないため、その単色光の波長に対する焦点距離の変化を、レンズ位置を移動することにより、容易に補正することができる。この位置の移動は１０ｍｍ程度であり、移動精度は、０．１ｍｍ程度で十分である。
【００１９】
従来技術の分光器光学系の単色光出射系においては、色収差を避けるために凹面鏡光学系により構成されていたが、この場合、非点収差により光の均一度が低下しまう。しかし、本発明によれば、入射光学系と同様に位置調整を伴うレンズ光学系を使用することにより、均一度の低下を回避することができる。
【００２０】
本発明の第３の特徴点は、出射スリット５により光量を調整することである。
本発明の単色光照射装置においては、図１６に示したようなＮＤフィルタ１０９を使用せず、出射スリット５の幅を変化させて光量を調整すことである。得られる光量は、出射スリット５の開口面積に正比例する。この方法によれば、特別な光学素子を使用することなく光量を調整することができ、光学系としての均一度を低下させる要素がないため、単色照射装置に適した光量調整法である。
【００２１】
図４（ａ）は、出射スリット５の幅に対する光量変化を示す図である。
同図に示すように、光量は出射スリット５の幅に比例し、調整範囲もＮＤフィルタ１０９に比べて広い。ところで、一般に出射スリット５の幅が変化すると透過帯域波形が変化する。
【００２２】
図４（ｂ）は、出射スリット５の幅に対する波長分解能変化を示す図である。
本発明では、アーク光源１の発光アーク幅が一定値なので、同図に示すように、出射スリット幅が発光アーク幅よりせまい範囲内では、波長分解能は発光アーク幅による一定の波長幅となる。出射スリット幅が発光アーク幅より広くなると、波長分解能は出射スリット幅により決定される。
【００２３】
図５は、発光アーク幅Ｓ_０と出射スリット幅Ｓ_１の違いによる、波長と光強度の変化を示す図である。
発光アーク幅Ｓ_０とし、逆分散により計算される波長幅をｄλ_０、出射スリット幅Ｓ_１、その逆分散により計算される波長幅をｄλ_１とした時、本装置から得られる単色光のスペクトル波形は、発光アーク幅Ｓ_０の大小関係により、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４種類となる。
ＡＳ_０≫Ｓ_１波長幅ｄλ_０
ＢＳ_０＞Ｓ_１波長幅ｄλ_０
ＣＳ_０＝Ｓ_１波長幅ｄλ_０＝ｄλ_１
ＤＳ_０＜Ｓ_１波長幅ｄλ_１
半値幅は、発光アーク幅又は出射スリット幅のうちの大きな方により決定されるので、ＡからＢの範囲では、出射スリット幅Ｓ_１の方が小さく、出射光の半値幅は、発光アーク幅Ｓ_０により決められｄλ_０の一定値となる。その範囲では、光強度は、出射スリット幅Ｓ_１に応じて変化し、出射スリット幅Ｓ_１が大きいほど、光強度も強くなる。出射スリット幅Ｓ_１が、発光アーク幅Ｓ_０よりも大きくなると、半値幅は、出射スリット幅Ｓ_１により決められるので、出射スリット幅Ｓ_１を変更すると半値幅が変化する。
【００２４】
本発明では、Ａ、Ｂ、Ｃの状態を使用するが、発光アーク幅Ｓ_０は、アーク光源１の発光アーク幅と同じ値であるから、常に一定値に保たれている。
この場合の出射光量は、図４（ｂ）に示したように、出射スリット幅Ｓ_１に比例する。そのため、出射スリット幅Ｓ_１を変えることによって出射光量を調整することができる。この方法により光量損失、均一度低下の両方を避けて光量調整が可能となり、結果として、測定精度の高い分光応答度測定を実現することができる。
【００２５】
本発明の第４の特徴点は、出射スリット５とコリメータレンズ８間にホモジナイザ７を配置して照度の均一度を向上させたことである。
単色光照射装置の最大の難しさは、単色光の照度均一度の向上にある。従来装置においては、照度均一度向上のための積極的方法は取られていなかった。すなわち、確固たる原理のないまま、光学系の調整を繰り返しながら、均一度の高い場所を探す方法が取られていた。
【００２６】
図６は、本発明の出射光学系を示す図である。
同図に示すように、出射スリット５とコリメータレンズ８の中間の適切な場所に空間的濃度変化を与えるホモジナイザ７を配置することにより、積極的に照度均一度を向上させるものである。出射スリット５からの出力光は、試料９を照射するが、その光学系内の光線は、出射スリット５の開口とコリメータレンズ８の受光面開口の全ての点を結ぶ光線により構成される。すなわち、同図に示すように、コリメータレンズ８を通った後の光線は平行光となるから、コリメータレンズ８面上の各点と試料９の受光面開口上の各点とは基本的に重なるから、コリメータレンズ８受光面と試料９受光面開口とは同一視しても良い。
【００２７】
図７は、出射スリット５の開口上の一点Ａから見た図で、点Ａを通り試料９受光面開口の全ての点を結ぶ光線を示す図である。
図８は、図７とは逆に、試料９受光面開口上の一点Ｂから見た図で、出射スリット５上の全ての点から点Ｂに到達する光線を示す図である。
このような光学系において、２つの開口間に光を特定のパターンで遮蔽するホモジナイザ７を設置した時の光線が作る影を、図９と図１０を用いて説明する。
【００２８】
図９は、出射スリット５開口から距離Ｄの位置に置かれたホモジナイザ７中の大きさｙの遮蔽部が、点Ａからの光に対し試料９受光面開口上に作る影を示す図である。
すなわち、出射スリット５開口の点Ａからの光が試料９受光面開口上に作る影の大きさＹは、出射スリット５開口と試料９受光面開口間の距離Ｃを用いて、下記の式で与えられる。
Ｙ＝ｙ×（Ｃ／Ｄ）
しかし、出射スリット５開口上の多くの点が試料９受光面開口の異なる位置に影を作るため、上記Ｙの大きさの影ができるわけではない。
【００２９】
図１０は、出射スリット５上の全て点がホモジナイザ７上の遮蔽点により作る影の大きさ値Ｗは、出射スリット５の幅ｗとするとき、下記の式で与えられる。
Ｗ＝ｗ×（Ｃ−Ｄ）／Ｄ
【００３０】
図９、１０に示した仕組みに基づき、ホモジナイザ７上の遮蔽部によって、試料９受光面開口上に影ができる。すなわち、大きさＹの影と大きさＷの影のコンボリューションが、実際に試料９受光面開口上にできる影の形状を与える。
【００３１】
図１１は、このようにしてできた影のパターンを示す図である。
これを利用することによって、まず、試料９受光面上の照度分布を測定し、これを平坦化するために必要な影のパターンを持つホモジナイザ７を設計・適用することにより受光面上の照度について高い均一度を得ることができる。このように、ホモジナイザ７の中を通る光を微少部分ごとに調整することにより、試料９受光面の照度を積極的に制御することができる。
【００３２】
ホモジナイザ７の作製法の具体例としては、（１）板上にインクジェット方式で細かいドットを吹き付け印刷する方法、（２）細かいメッシュ板を使用し、その穴を開閉する方法、（３）ＭＥＭＳ（微小電気機械素子）で製作された反射鏡アレイシステムにおいて、特定のピクセルをオフにする方法がある。（３）の方法によれば、能動的に空間透過率を調整することが可能であり、これを使用することにより、照射光の強度空間分布を測定し、そのデータをもとに、均一な照射光を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る単色光照射装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の単色光照射装置における入射光学系を示す図である。
【図３】本発明のレンズ光学系を使用した時のスポットダイアグラムを示す図である。
【図４】出射スリット５の幅に対する光量変化、及び出射スリット５の幅に対する波長分解能変化を示す図である。
【図５】発光アーク幅Ｓ_０と出射スリット幅Ｓ_１の違いによる、波長と光強度の変化を示す図である。
【図６】本発明の出射光学系を示す図である。
【図７】出射スリット５の開口上の一点Ａから見た図であり、点Ａを通り試料９受光面開口の全ての点を結ぶ光線を示す。
【図８】試料９受光面開口上の一点Ｂから見た図であり、出射スリット５上の全ての点から点Ｂに到達する光線を示す。
【図９】出射スリット５開口から距離Ｄの位置に置かれたホモジナイザ７中の大きさｙの遮蔽部が、点Ａからの光に対し試料９受光面開口上に作る影を示す図である。
【図１０】出射スリット５上の全て点がホモジナイザ７上の遮蔽点により作る影の大きさ値Ｗを示す図である。
【図１１】Ｗ＝０、Ｗ＞Ｙ＞０、Ｙ＞Ｗ＞０の各場合における影のパターンを示す図である。
【図１２】従来技術に係る分光器光学系を示す図である。
【図１３】従来技術に係る分光器光学系における光源光を集光する入射光学系を示す図である。
【図１４】従来技術に係る分光器光学系における、入射光学系、分光器、照射光学系で用いられる軸外し凹面鏡光学系を示す図である。
【図１５】図１４に示した凹面鏡光学系を使用した時のスポットダイアグラムを示す図である。
【図１６】従来技術に係る分光器光学系において使用されていたＮＤフィルタによる光量調整法を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１アーク光源
２コリメータレンズ
３回折格子
４集光レンズ
５出射スリット
６フィルタ
７ホモジナイザ
８コリメータレンズ
９試料
１０位置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークランプ光源と、該アークランプ光源からの光をコリメートするレンズ光学系と、該レンズ光学系からの光を分光する分光光学系と、該分光光学系からの単色光を受光し集光するレンズ光学系と、該レンズ光学系からの単色光の光量を調整する出射スリットと、該出射スリットからの単色光の照度を均一化するホモジナイザと、該ホモジナイザからの単色光をコリメートするレンズ光学系とを有することを特徴とする単色光照射装置。
【請求項２】
前記アークランプ光源は、キセノンランプ又はハロゲンランプであることを特徴とする請求項１に記載の単色光照射装置。
【請求項３】
前記アークランプ光源のアーク幅は、１〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単色光照射装置。
【請求項４】
前記分光光学系は、回折格子を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の単色光照射装置。
【請求項５】
前記アークランプ光源の発光アーク幅をＳ_０、前記出射スリットの幅をＳ_１とするとき、Ｓ_０≧Ｓ_１の関係にあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載の単色光照射装置。
【請求項６】
前記出射スリットと前記ホモジナイザ間に、所定の波長域以外の迷光を除去するフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つの請求項に記載の単色光照射装置。
【請求項７】
前記ホモジナイザは、ＭＥＭＳ（微小電気機械素子）で製作された反射鏡アレイシステムにおいて、特定のピクセルをオフにすることによって作製されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つの請求項に記載の単色光照射装置。

【図１】