JP2010169493A - 分光放射計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被測定光が入射される入射スリット2と、入射スリット2を通過した被測定光を平行光にする光学素子3と、光学素子3を出射した被測定光を分光する分光素子4と、分光素子4によって分光された分光光を検知する第1及び第2の光検知手段8、9と、分光素子4と第1及び第2の光検知手段8、9間の光学系中に設けられたダイクロイックフィルタ5とを備え、第1の光検知手段8は、ダイクロイックフィルタ5を透過した第1の波長帯域の分光光を検知し、第2の光検知手段9は、ダイクロイックフィルタ5によって反射された前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。
【選択図】図1
Description
(1)高速化の困難性、パルス型ソーラシミュレータやフラッシュランプの分光測定には閃光時間内の高速測定が不可欠であるが、従来技術のように、分光器の中で回折格子の交換により波長帯を切替える方法や切り替えミラーを使用して受光素子を切替える方法では、波長掃引に10分程度が必要となる。つまり、閃光時間がミリ秒単位と短い時間内での分光測定を実現することはできない。
(2)小型化の困難性、高速・高分解能の分光計測を実現するためには、入射光を複数の波長帯に分割し、これらの入射光を複数のディテクタで同時に測定する必要がある。これを実現するためには、複数の光ファイバで複数の分光器に入射する方法やダイクロイックミラーを使用して、入射光を分岐させて複数の分光器に入射させる方法が取られている。しかし、いずれの方法も、分光器を複数個使用する上に、高い分解能を得るためには、スリットからディテクタまでの距離を大きく取る必要がある。言い換えれば、分光器のサイズが大きくなり、測定系全体を小型化することができない。当然、これらの方法では高速・高分解能で廉価な分光器を得ることはできない。以下に、従来から使用されていた高速測定分光器の具体例とその問題点について説明する。
同図に示すように、光ファイバ101を通り入射口であるスリット102から入射した被測定光は、コリメータミラー103で反射後、回折格子104に入射され、回折格子104で回折されることによって各スペクトルに分散し、分散された各スペクトル光は結像ミラー105を介して、分光器出口106において波長λs〜λeの測定スペクトルの拡がりを持って測定される。通常、分光器出口106に1次元アレー型ディテクタや2次元ディテクタを設置し、その波長域に対応したスペクトルを測定する。但し、これらの市販のディテクタは、これを構成する半導体の種類によって波長帯域が限られ、広がったスペクトルを受けるディテクタの幅も限られる。つまり、測定したいスペクトル領域や分解能は、ディテクタに制約され、測定したい波長領域を1個のアレー状ディテクタではカバーすることができない場合が往々発生する。その場合、分光器の台数を増やしたり、被測定光を伝導する光ファイバや分岐を増やしたものを、作り直さねばならない等の不都合が発生する。
同図に示すように、被測定光を光ファイバ201で導入し、これを分岐した光ファイバ202、203、204を介して、例えば、5台の分光器205、206、207に入射して分光し、分光光はディテクタ208、209、210で測定される。ここでは、各々のスペクトル領域に分けて並列に処理している例を示しており、j=1〜5とするとき、各分光器jは、波長帯域λsj〜λejを測定するように設定してある。この方式の分光器は、被測定光の波長帯域が広いと、分光器の所要台数が増え、当然光ファイバや他の部品の個数が増え、組立や調整の工数が増え、結果として価格が上昇する欠点がある。又、広い波長帯域に対して、波長の分割数、言い換えれば光ファイバの本数を増やすには、その径を小さくする必要があり、結果として光学系のために分岐後の径が小さくなり分岐後の光量が減少し、又屈曲による光量変動をきたし、更には光学系の機械的脆弱性が大きくなる欠点がある。
ここで、ダイクロイックフィルタとは、λs<λm<λeについて、波長帯域λs〜λmは透過し、波長帯域λm〜λeは反射するフィルタのことである。この方式の分光器は、入射光の光路中に複数の、例えば、3個のダイクロイックフィルタ301、302、303を配置し、それぞれのダイクロイックフィルタ301、302、303で切り出された波長帯域に対し、3個のレンズと各1個のスリット・回折格子・受光器から成る分光器304、305、306と、その出力を受けるディテクタ307、308、309を備えるものである。しかし、この方式の分光器の配置構造では、分光器相互の位置が干渉するために、高分解能の分光器を使用することができず、又、波長帯分割に応じた数だけ分光器の数を同一光路上に配置する必要があるため、構造的にミラーなどを使用して光路を折り曲げる必要があり、製造コストが上昇し、実用的ではない。
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑みて、低価格・小型・軽量・高速・高分解能・高効率・広帯域という7つの要求を満たす分光放射計を提供することにある。
第1の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する第1及び第2の光検知手段と、前記分光素子と前記第1及び第2の光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、前記第1の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光を検知し、前記第2の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタによって反射された前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。
第2の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する光検知手段と、前記分光素子と前記光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、前記光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光と、前記ダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知する2次元の光検知手段であることを特徴とする分光放射計である。
第3の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第1の光学素子と、前記入射スリットと前記第1の光学素子との間の光学系中に配置された第1のダイクロイックフィルタと、該第1のダイクロイックフィルタを透過し前記第1の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第1の分光素子と、該第1の分光素子によって分光された分光光を検知する第1及び第2の光検知手段と、前記第1の分光素子と前記第1及び第2の光検知手段との間の光学系中に配置された第2のダイクロイックフィルタと、前記第1のダイクロイックフィルタで反射された被測定光を平行光にする第2の光学素子と、該第2の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第2の分光素子と、該第2の分光素子によって分光された分光光を検知する第3及び第4の光検知手段と、前記第2の分光素子と前記第3及び第4の光検知手段との間の光学系中に配置された第3のダイクロイックフィルタと、を備え、前記第1の光検知手段は、前記第2のダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光を検知し、前記第2の光検知手段は、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射された前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を検知し、前記第3の光検知手段は、前記第3のダイクロイックフィルタを透過した第1及び第2の波長帯域とは異なる第3の波長帯域の分光光を検知し、前記第4の光検知手段は、前記第3のダイクロイックフィルタによって反射された前記第1ないし第3の波長帯域とは異なる第4の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計である。
第4の手段は、被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第1の光学素子と、前記入射スリットと前記第1の光学素子との間の光学系中に配置された第1のダイクロイックフィルタと、該第1のダイクロイックフィルタを透過し前記第1の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第1の分光素子と、該第1の分光素子によって分光された分光光を検知する第1の光検知手段と、前記第1の分光素子と前記第1の光検知手段との間の光学系中に配置された第2のダイクロイックフィルタと、前記第1のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第2の光学素子と、該第2の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第2の分光素子と、該第2の分光素子によって分光された分光光を検知する第2の光検知手段と、前記第2の分光素子と前記第2の光検知手段との間の光学系中に配置された第3のダイクロイックフィルタと、を備え、前記第1光検知手段は、2次元の光検知手段からなり、前記第の2ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光と、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知し、前記第2光検知手段は、2次元の光検知手段からなり、前記第3のダイクロイックフィルタを透過した第1及び第2の波長帯域とは異なる第3の波長帯域の分光光と、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1ないし第3の波長帯域とは異なる第4の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知することを特徴とする分光放射計である。
又、本発明によれば、パルス型ソーラシミュレータの分光測定を行う場合、パルス光には多数の鋭いピークが存在することから、分光器には 0.25nmという非常に厳しい波長精度とこれと同程度の波長分解能が要求されるが、分光光を、ダイクロイックフィルタを介して無駄なく光検知手段で検知することができるため、上記のパルス光測定に要求される波長精度と波長分解能を実現することができる。
更に、本発明によれば、入射光学系として光ファイバを使用することにより、測定対象の光源の状態に左右されずに分光測定ができる。
図1は、本実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。
同図に示すように、この分光放射計は、光ファイバ1から入射スリット2を通って被測定光が入射され、入射スリット2を通った光は、コリメータミラー3(又はコリメータレンズ)からなる光学素子で平行光に変えられ、回折格子4(又はプリズム)からなる分光素子に入射される。回折格子4で分光された波長帯λs〜λm〜λeの光は、光路中にダイクロイックフィルタ5が配置されていることにより、1台の分光放射計中において、波長帯がλs〜λmとλm〜λeの2つに分割され、それぞれの波長帯λs〜λmと波長帯λm〜λeの光は、それぞれの波長帯に対応する結像ミラー6及び結像ミラー7を介して、それぞれ光検知手段としての第1のディテクタ8及び第2のディテクタ9において同時に測定される。
図2は、本実施形態の発明に係る分光放射計の構成を示す図である。
同図に示すように、この分光放射計は、分光器外に第1のダイクロイックフィルタ13を配置すると共に、分光器中に第2のダイクロイックフィルタ17及び第3のダイクロイックフィルタ23を配置したものである。具体的には、光ファイバ11から出射した光が入射スリット12に入射され、入射スリット12から出射した光は、コリメータミラー14の手前で、第1のダイクロイックフィルタ13によって波長帯域が分けられる。第1のダイクロイックフィルタ13で波長帯λs1〜λe1の光は透過され、波長帯λs2〜λe2の光は反射される。第1のダイクロイックフィルタ13を透過した波長帯λs1〜λe1の光は、コリメータミラー14で平行光に変えられ、回折格子15に入射される。回折格子15で分光された波長帯λs1〜λe1の光は、結像ミラー16を介して光路中に配置された第2のダイクロイックフィルタ17に入射される。第2のダイクロイックフィルタ17によって、波長帯λs1〜λm1の光は第2のダイクロイックフィルタ17を透過して第1のディテクタ18において測定され、波長帯λm1〜λe1の光は第2のダイクロイックフィルタ17で反射されて第2のディテクタ19において測定される。同様にして、第1のダイクロイックフィルタ13で反射された波長帯λs2〜λe2の光は、コリメータミラー20で平行光に変えられ、回折格子21に入射される。回折格子21で分光された波長帯λs2〜λe2の光は、結像ミラー22を介して光路中に配置された第3のダイクロイックフィルタ23に入射される。第3のダイクロイックフィルタ23によって、分光された波長帯λs2〜λm2の光は第3のダイクロイックフィルタ23を透過して第3のディテクタ24において測定され、分光された波長帯λm2〜λe2の光は第3のダイクロイックフィルタ23で反射されて第4のディテクタ25において測定される。
2 入射スリット
3 コリメータミラー
4 回折格子
5 ダイクロイックフィルタ
6 結像ミラー
7 結像ミラー
8 第1のディテクタ
9 第2のディテクタ
11 光ファイバ
12 入射スリット
13 第1のダイクロイックフィルタ
14 コリメータミラー
15 回折格子
16 結像ミラー
17 第2のダイクロイックフィルタ
18 第1のディテクタ
19 第2のディテクタ
20 コリメータミラー
21 回折格子
22 結像ミラー
23 第3のダイクロイックフィルタ
24 第3のディテクタ
25 第4のディテクタ
Claims (4)
- 被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する第1及び第2の光検知手段と、前記分光素子と前記第1及び第2の光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、
前記第1の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光を検知し、前記第2の光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタによって反射された前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計。 - 被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする光学素子と、該光学素子を出射した被測定光を分光する分光素子と、該分光素子によって分光された分光光を検知する光検知手段と、前記分光素子と前記光検知手段との間の光学系中に配置されたダイクロイックフィルタとを備え、
前記光検知手段は、前記ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光と、前記ダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知する2次元の光検知手段であることを特徴とする分光放射計。 - 被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第1の光学素子と、前記入射スリットと前記第1の光学素子との間の光学系中に配置された第1のダイクロイックフィルタと、
該第1のダイクロイックフィルタを透過し前記第1の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第1の分光素子と、該第1の分光素子によって分光された分光光を検知する第1及び第2の光検知手段と、前記第1の分光素子と前記第1及び第2の光検知手段との間の光学系中に配置された第2のダイクロイックフィルタと、
前記第1のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第2の光学素子と、該第2の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第2の分光素子と、該第2の分光素子によって分光された分光光を検知する第3及び第4の光検知手段と、前記第2の分光素子と前記第3及び第4の光検知手段との間の光学系中に配置された第3のダイクロイックフィルタと、を備え、
前記第1の光検知手段は、前記第2のダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光を検知し、前記第2の光検知手段は、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射された前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を検知し、前記第3の光検知手段は、前記第3のダイクロイックフィルタを透過した第1及び第2の波長帯域とは異なる第3の波長帯域の分光光を検知し、前記第4の光検知手段は、前記第3のダイクロイックフィルタによって反射された前記第1ないし第3の波長帯域とは異なる第4の波長帯域の分光光を検知することを特徴とする分光放射計。 - 被測定光が入射される入射スリットと、該入射スリットを通過した被測定光を平行光にする第1の光学素子と、前記入射スリットと前記第1の光学素子との間の光学系中に配置された第1のダイクロイックフィルタと、
該第1のダイクロイックフィルタを透過し前記第1の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第1の分光素子と、該第1の分光素子によって分光された分光光を検知する第1の光検知手段と、前記第1の分光素子と前記第1の光検知手段との間の光学系中に配置された第2のダイクロイックフィルタと、
前記第1のダイクロイックフィルタで反射され被測定光を平行光にする第2の光学素子と、該第2の光学素子で平行光化された被測定光を分光する第2の分光素子と、該第2の分光素子によって分光された分光光を検知する第2の光検知手段と、前記第2の分光素子と前記第2の光検知手段との間の光学系中に配置された第3のダイクロイックフィルタと、を備え、
前記第1光検知手段は、2次元の光検知手段からなり、前記第の2ダイクロイックフィルタを透過した第1の波長帯域の分光光と、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1の波長帯域とは異なる第2の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知し、前記第2光検知手段は、2次元の光検知手段からなり、前記第3のダイクロイックフィルタを透過した第1及び第2の波長帯域とは異なる第3の波長帯域の分光光と、前記第2のダイクロイックフィルタによって反射され、前記第1ないし第3の波長帯域とは異なる第4の波長帯域の分光光を更に反射させた分光光とを検知することを特徴とする分光放射計。
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