JP2011089961A - 分光器およびそれを備えた測光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】分光器およびそれを用いた測光装置において、受光素子の波長に対する感度のばらつきが生じる広帯域の分光測定であっても、高精度な分光測定を行うことができるようにする。
【解決手段】絞りを通して入射される被測定光束Ｌを波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像ＩＳｍを形成するグレーティングと、スペクトル像ＩＳｍの像面においてスペクトル像ＩＳｍの波長変化方向Ｓに沿って複数の受光素子１８ａが線状に配列されたラインセンサー１８とを有する分光器１５であって、グレーティングと、ラインセンサー１８の複数の受光素子１８ａとの間の光路上に配置され、グレーティングから複数の受光素子１８ａに向かう光束の透過率を波長変化方向Ｓに沿って変化させるカラーバランス調整スリット１７備える。
【選択図】図５
【解決手段】絞りを通して入射される被測定光束Ｌを波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像ＩＳｍを形成するグレーティングと、スペクトル像ＩＳｍの像面においてスペクトル像ＩＳｍの波長変化方向Ｓに沿って複数の受光素子１８ａが線状に配列されたラインセンサー１８とを有する分光器１５であって、グレーティングと、ラインセンサー１８の複数の受光素子１８ａとの間の光路上に配置され、グレーティングから複数の受光素子１８ａに向かう光束の透過率を波長変化方向Ｓに沿って変化させるカラーバランス調整スリット１７備える。
【選択図】図５
Description
本発明は、ポリクロメータ型の分光器およびそれを備えた測光装置に関する。
従来、スリットから入射する光束をプリズムや回折格子といった波長分散素子にて分光し、分光スリット像を半導体の光検出素子の配列上に結像して、分光強度分布を各光検出素子から出力される光電流の強弱として取り出すポリクロメータ型の分光器が知られている。また、このような分光器を備えた種々の測光装置、例えば分光反射率測定装置などが知られている。
ポリクロメータ型の分光器では、光検出器として、主にシリコン半導体を用いた受光部を有する受光素子が１列に配列されたラインセンサー（１次元受光素子アレイ）が使われている。また、測定に用いる光源としては、タングステンランプなどの白色光源が用いられる。
このような測光装置として、特許文献１には、白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させて前記被検面の反射率を測定する反射率測定機において、前記白色光源から前記被検面に至るまでの間に、反射光を前記受光素子で検出したときの前記受光素子の検出強度の波長に依存するばらつきを減少させる補正手段を設けたことを特徴とする反射率測定機が記載されている。
この補正手段の例としては、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲で、検出強度が高くなる波長域の光量をカットし、検出強度が低くなる波長域の出力が、検出強度が高くなる領域の出力の１％以上になるように補正する光学フィルタと、同じく波長３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲で、検出強度が低くなる波長域の光束を出射し、この光束を前記白色光源からの光束に合成するように配置された補償用光源とが挙げられている。
ポリクロメータ型の分光器では、光検出器として、主にシリコン半導体を用いた受光部を有する受光素子が１列に配列されたラインセンサー（１次元受光素子アレイ）が使われている。また、測定に用いる光源としては、タングステンランプなどの白色光源が用いられる。
このような測光装置として、特許文献１には、白色光源からの光束を被検面に入射させ、前記被検面からの反射光を分光器で分光した後に受光素子に受光させて前記被検面の反射率を測定する反射率測定機において、前記白色光源から前記被検面に至るまでの間に、反射光を前記受光素子で検出したときの前記受光素子の検出強度の波長に依存するばらつきを減少させる補正手段を設けたことを特徴とする反射率測定機が記載されている。
この補正手段の例としては、波長３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲で、検出強度が高くなる波長域の光量をカットし、検出強度が低くなる波長域の出力が、検出強度が高くなる領域の出力の１％以上になるように補正する光学フィルタと、同じく波長３８０ｎｍから７８０ｎｍの範囲で、検出強度が低くなる波長域の光束を出射し、この光束を前記白色光源からの光束に合成するように配置された補償用光源とが挙げられている。
しかしながら、上記のような従来の分光器およびそれを備えた測光装置では、以下のような問題があった。
前記測定装置は蒸着膜の分光反射率測定等に用いられている。近年、光学部品の蒸着膜に要求される波長範囲が可視域から近紫外域（波長３５０ｎｍ〜４００ｎｍ）、あるいは近赤外域(波長９００ｎｍ〜１０００ｎｍ)に広がってきている。従来の１次元受光素子アレイを用いた分光器では、受光素子にシリコン半導体を用いているため、このような、可視域から近紫外域、あるいは近赤外域に広がるような広帯域での分光測定に対応できないという問題がある。
この理由は、受光素子に用いられるシリコン半導体の感度が、近紫外域および近赤外域では可視域に比べて低いためである。なお、近紫外域については光源として使われるタングステンランプの分光輝度が近紫外域で低いことも理由の１つに挙げられる。
受光素子の感度が低いと、光信号に対する暗電流ノイズの割合が増えて、ＳＮ比が悪くなり、測定値の誤差が大きくなる。一般的にこのようなＳＮ比を改善するためには、光信号の積分強度を増やせばよく、受光素子の受光時間を長く取ることが行われるが、そうすると、感度の高い可視波長を受光している受光素子の電荷が先に飽和してしまうため、可視域での測定誤差が大きくなってしまう。
特許文献１に記載の技術によれば、白色光源から被検面までの間に光学フィルターまたは補償用光源からなる補正手段を備えることで、被検面での反射光の分光分布をある程度調整することができるためＳＮ比をある程度は向上することができるが、近紫外域から近赤外域にわたる広帯域の測定では、分光分布の補正も広帯域に行う必要があるため、光学フィルターや補償用光源を白色光源から被検面までの間に配置した補正手段では補正特性を所望特性に合わせて作製することができなくなるという問題がある。
複数の補正特性を有する光学フィルターや補償用光源を組み合わせることも考えられるが、部品点数が多くなるため、高価な装置になるという問題がある。
前記測定装置は蒸着膜の分光反射率測定等に用いられている。近年、光学部品の蒸着膜に要求される波長範囲が可視域から近紫外域（波長３５０ｎｍ〜４００ｎｍ）、あるいは近赤外域(波長９００ｎｍ〜１０００ｎｍ)に広がってきている。従来の１次元受光素子アレイを用いた分光器では、受光素子にシリコン半導体を用いているため、このような、可視域から近紫外域、あるいは近赤外域に広がるような広帯域での分光測定に対応できないという問題がある。
この理由は、受光素子に用いられるシリコン半導体の感度が、近紫外域および近赤外域では可視域に比べて低いためである。なお、近紫外域については光源として使われるタングステンランプの分光輝度が近紫外域で低いことも理由の１つに挙げられる。
受光素子の感度が低いと、光信号に対する暗電流ノイズの割合が増えて、ＳＮ比が悪くなり、測定値の誤差が大きくなる。一般的にこのようなＳＮ比を改善するためには、光信号の積分強度を増やせばよく、受光素子の受光時間を長く取ることが行われるが、そうすると、感度の高い可視波長を受光している受光素子の電荷が先に飽和してしまうため、可視域での測定誤差が大きくなってしまう。
特許文献１に記載の技術によれば、白色光源から被検面までの間に光学フィルターまたは補償用光源からなる補正手段を備えることで、被検面での反射光の分光分布をある程度調整することができるためＳＮ比をある程度は向上することができるが、近紫外域から近赤外域にわたる広帯域の測定では、分光分布の補正も広帯域に行う必要があるため、光学フィルターや補償用光源を白色光源から被検面までの間に配置した補正手段では補正特性を所望特性に合わせて作製することができなくなるという問題がある。
複数の補正特性を有する光学フィルターや補償用光源を組み合わせることも考えられるが、部品点数が多くなるため、高価な装置になるという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、受光素子の波長に対する感度のばらつきが生じる広帯域の分光測定であっても、簡素な構成で高精度な分光測定を行うことができる分光器およびそれを用いた測光装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、絞りを通して入射される被測定光束を波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像を形成する波長分散光学系と、前記スペクトル像の像面において前記スペクトル像の波長変化方向に沿って複数の受光素子が線状に配列された１次元受光素子アレイとを有する分光器であって、前記波長分散光学系と、前記１次元受光素子アレイの前記複数の受光素子との間の光路上に配置され、前記波長分散光学系から前記複数の受光素子に向かう光束の透過率を前記波長変化方向に沿って変化させる光量規制部材を備える構成とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の分光器において、前記光量規制部材の透過率特性は、前記スペクトル像を構成し前記受光素子によって受光される波長光のうち、少なくとも前記受光素子の感度が最大となる波長光の透過位置における透過率が、前記受光素子の感度が最小となる波長光の透過位置における透過率よりも小さく設定された構成とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の分光器において、前記光量規制部材の透過率特性は、前記波長変化方向における中間部の透過位置で最小となり、前記波長変化方向における両端部の透過位置に向かって漸次増大する透過率分布を有する構成とする。
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の分光器において、前記光量規制部材は、前記波長変化方向および該波長変化方向に直交する方向に沿って光学的な開口を有し、該開口の前記波長変化方向に直交する方向の開口幅の大きさが、前記波長変化方向に沿って変化されている開口板からなる構成とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の分光器において、前記光量規制部材は、前記波長変化方向に沿って透過率が変化されたＮＤフィルターからなる構成とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の分光器において、前記ＮＤフィルターは、前記波長変化方向に沿う透過率分布が可変とされた透過率可変フィルターからなる構成とする。
請求項７に記載の発明では、測光装置において、請求項１〜６に記載の分光器を備えた構成とする。
本発明の分光器およびそれを備えた測光装置によれば、光量規制部材により、受光素子の波長に対する感度に応じて、１次元受光素子アレイの各受光素子の受光量を受光素子の波長に対する感度に応じて調整することができるため、受光素子の波長に対する感度のばらつきが生じる広帯域の分光測定であっても、簡素な構成で高精度な分光測定を行うことができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る分光器およびそれを備えた測光装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る測光装置の概略構成を示す模式的な装置構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る測光装置の光源部から出射される光束の断面形状を示す模式図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の絞りにおける反射像の様子を示す模式図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の波長分散光学系の結像の様子を説明するための模式図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材および１次元受光素子アレイの位置関係を示す模式的な斜視図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材および１次元受光素子アレイの位置関係を示す模式的な断面図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の１次元受光素子アレイの模式的な分解斜視図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材の開口幅の変化を示すグラフである。横軸は波長変化方向である長手方向に沿う位置ｈを、縦軸は波長変化方向に直交する方向の開口幅ｗをそれぞれ示す。
なお、各図は模式図であり、見易さのために各部材の大きさや形状は誇張されている（以下の図面も同様）。
本発明の第１の実施形態に係る分光器およびそれを備えた測光装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る測光装置の概略構成を示す模式的な装置構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る測光装置の光源部から出射される光束の断面形状を示す模式図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の絞りにおける反射像の様子を示す模式図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の波長分散光学系の結像の様子を説明するための模式図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材および１次元受光素子アレイの位置関係を示す模式的な斜視図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材および１次元受光素子アレイの位置関係を示す模式的な断面図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の１次元受光素子アレイの模式的な分解斜視図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材の開口幅の変化を示すグラフである。横軸は波長変化方向である長手方向に沿う位置ｈを、縦軸は波長変化方向に直交する方向の開口幅ｗをそれぞれ示す。
なお、各図は模式図であり、見易さのために各部材の大きさや形状は誇張されている（以下の図面も同様）。
本実施形態の反射率測定装置１００は、例えば、レンズなどの光学素子の表面の分光反射率を測定する測光装置である。
反射率測定装置１００に用いる被検体は特に限定されないが、以下では一例として、図１に示すように、第１面８ａが凸球面、第２面８ｂが平面からなる凸平レンズからなる被検体８の第１面８ａの分光反射率を測定する場合の例で説明する。
反射率測定装置１００の概略構成は、光源部１、本体部２、対物レンズ７、観察光学系１０、ピンホール板１１、シャッター１３、および分光器１５を備える。
光源部１は、被検体８を照射するための照明光束Ｌ０を発生させる白色光源であり、例えば、タングステンランプやハロゲン光源などを採用することができる。光源部１には、輪帯状に光ファイバを束ねたライトガイド１ａが接続されており、光源部１の内部で発生された照明光束Ｌ０は、ライトガイド１ａを通して伝送され、ライトガイド１ａの出射口１ｂから本体部２の内部に出射されるようになっている。
このため、出射口１ｂから出射される照明光束Ｌ０は、図２に示すように、光軸に直交する光束の断面形状が輪帯状の光束として放射される。
反射率測定装置１００に用いる被検体は特に限定されないが、以下では一例として、図１に示すように、第１面８ａが凸球面、第２面８ｂが平面からなる凸平レンズからなる被検体８の第１面８ａの分光反射率を測定する場合の例で説明する。
反射率測定装置１００の概略構成は、光源部１、本体部２、対物レンズ７、観察光学系１０、ピンホール板１１、シャッター１３、および分光器１５を備える。
光源部１は、被検体８を照射するための照明光束Ｌ０を発生させる白色光源であり、例えば、タングステンランプやハロゲン光源などを採用することができる。光源部１には、輪帯状に光ファイバを束ねたライトガイド１ａが接続されており、光源部１の内部で発生された照明光束Ｌ０は、ライトガイド１ａを通して伝送され、ライトガイド１ａの出射口１ｂから本体部２の内部に出射されるようになっている。
このため、出射口１ｂから出射される照明光束Ｌ０は、図２に示すように、光軸に直交する光束の断面形状が輪帯状の光束として放射される。
本体部２の内部には、ライトガイド１ａから出射される照明光束Ｌ０の光路上に、出射口１ｂ側から、ピンホール板３と、ビームスプリッタ４と、結像レンズ５と、ビームスプリッタ６とがこの順に間隔をおいて配置されている。
照明光束Ｌ０の光路は水平方向には限定されないが、以下では、一例として、図１に示すような水平方向に光軸が設けられている場合の例で説明する。
照明光束Ｌ０の光路は水平方向には限定されないが、以下では、一例として、図１に示すような水平方向に光軸が設けられている場合の例で説明する。
ピンホール板３の中心には、照明光束Ｌ０のうちの一部を透過して発散する照明光束Ｌ１を形成するピンホール３ａが設けられている。
ビームスプリッタ４は、ピンホール３ａを透過した照明光束Ｌ１の一部を結像レンズ５側に透過させるとともに、結像レンズ５側から水平に入射する光束の一部を、上方に向かって反射させる光分岐素子である。
結像レンズ５は、ビームスプリッタ４を介した焦点位置がピンホール３ａの中心に一致して設けられた正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群である。このため、ビームスプリッタ４および結像レンズ５を透過した照明光束Ｌ１は、平行光としてビームスプリッタ６側に出射される。
ビームスプリッタ６は、照明光束Ｌ１の一部を本体部２の下方に配置された対物レンズ７に向けて反射し、対物レンズ７を通って下方側から入射する光束の一部を結像レンズ５に向かう水平方向に反射するとともに、対物レンズ７を通って下方側から入射する光束の他を上方向に透過させる光分岐素子である。
ビームスプリッタ４は、ピンホール３ａを透過した照明光束Ｌ１の一部を結像レンズ５側に透過させるとともに、結像レンズ５側から水平に入射する光束の一部を、上方に向かって反射させる光分岐素子である。
結像レンズ５は、ビームスプリッタ４を介した焦点位置がピンホール３ａの中心に一致して設けられた正の屈折力を有するレンズまたはレンズ群である。このため、ビームスプリッタ４および結像レンズ５を透過した照明光束Ｌ１は、平行光としてビームスプリッタ６側に出射される。
ビームスプリッタ６は、照明光束Ｌ１の一部を本体部２の下方に配置された対物レンズ７に向けて反射し、対物レンズ７を通って下方側から入射する光束の一部を結像レンズ５に向かう水平方向に反射するとともに、対物レンズ７を通って下方側から入射する光束の他を上方向に透過させる光分岐素子である。
対物レンズ７は、ビームスプリッタ６によって反射された照明光束Ｌ１を被検体８の被検面である第１面８ａに結像させるとともに、第１面８ａからの反射光束Ｌ１０を集光して、反射光束Ｌ１１として上方に出射する光学素子である。
対物レンズ７の下方側の光軸上には、対物レンズ７に対して位置移動可能に設けられた被検体保持部９が設けられている。被検体８は、この被検体保持部９によって第１面８ａが対物レンズ７に対向する位置関係に配置されている。このため、測定者は、被検体保持部９の位置を調整することによって、被検体保持部９に保持された被検体８の第１面８ａ上の適宜位置に対物レンズ７の焦点位置を一致させる位置調整を行えるようになっている。
対物レンズ７の下方側の光軸上には、対物レンズ７に対して位置移動可能に設けられた被検体保持部９が設けられている。被検体８は、この被検体保持部９によって第１面８ａが対物レンズ７に対向する位置関係に配置されている。このため、測定者は、被検体保持部９の位置を調整することによって、被検体保持部９に保持された被検体８の第１面８ａ上の適宜位置に対物レンズ７の焦点位置を一致させる位置調整を行えるようになっている。
観察光学系１０は、対物レンズ７による被検体８の被検面の拡大像を観察するためのもので、ビームスプリッタ６の上方に配置され、ビームスプリッタ６から上方に透過した反射光束Ｌ１３を集光できるようになっている。
ピンホール板１１は、ピンホール３ａよりも大きい径を有するピンホール１１ａを中心に備える円板状の絞りであり、ピンホール１１ａの中心が、ビームスプリッタ４によって反射された光軸上で結像レンズ５の焦点に一致するように配置されている。
したがって、ピンホール３ａ、１１ａは、結像レンズ５に対して共焦点の位置関係にある。
したがって、ピンホール３ａ、１１ａは、結像レンズ５に対して共焦点の位置関係にある。
対物レンズ７の焦点位置が第１面８ａに合わされた場合には、図１に示すように、対物レンズ７によって平行光とされた反射光束Ｌ１１のうち、ビームスプリッタ６で水平方向に反射された反射光束Ｌ１２が、結像レンズ５で集光され、その一部がビームスプリッタ４で上方に反射されて、ピンホール１１ａ内の中心部に像を結ぶ。
この場合、ピンホール１１ａがピンホール３ａと共焦点になっているため、ピンホール１１ａ内に形成される像は、第１面８ａで反射されたピンホール３ａの像であり、図３に示すように、ピンホール１１ａの内径より小さい範囲に第１面反射像１２ａになっている。したがって、反射光束Ｌ１２は遮光されることなくピンホール板１１のピンホール１１ａを通過することができる。
この場合、ピンホール１１ａがピンホール３ａと共焦点になっているため、ピンホール１１ａ内に形成される像は、第１面８ａで反射されたピンホール３ａの像であり、図３に示すように、ピンホール１１ａの内径より小さい範囲に第１面反射像１２ａになっている。したがって、反射光束Ｌ１２は遮光されることなくピンホール板１１のピンホール１１ａを通過することができる。
また、ビームスプリッタ４とピンホール板１１との間には、ピンホール１１ａを下側から覆う範囲に進退可能に設けられ、進出時にビームスプリッタ４で反射された反射光束Ｌ１２を遮光してピンホール１１ａへの通過を阻止できるようにしたシャッター１３が配置されている。
このため、シャッター１３を適宜タイミングで進出させることにより、反射光束Ｌ１２の分光器１５への入射を規制することができる。
このため、シャッター１３を適宜タイミングで進出させることにより、反射光束Ｌ１２の分光器１５への入射を規制することができる。
一方、図１に示すように、第２面８ｂで反射された反射光束Ｌ２０は、対物レンズ７、ビームスプリッタ６、結像レンズ５、ビームスプリッタ４を経て、反射光束Ｌ２１として、ピンホール板１１上に到達する。
この場合、第２面８ｂは、対物レンズ７の焦点位置に対してデフォーカス位置になっており、第２面８ｂ上では、ピンホール３ａのデフォーカス位置の像に対応して輪帯状の像が形成されている。このため、図３に示すように、ピンホール板１１上でも、ピンホール３ａのデフォーカス位置の像に対応して、ピンホール３ａより大きな内径を有する輪帯状の第２面反射像１２ｂが結ばれる。
したがって、反射光束Ｌ２１は、シャッター１３が退避された状態でも、全光量がピンホール板１１によって遮光され、分光器１５の内部には到達できないようになっている。
この場合、第２面８ｂは、対物レンズ７の焦点位置に対してデフォーカス位置になっており、第２面８ｂ上では、ピンホール３ａのデフォーカス位置の像に対応して輪帯状の像が形成されている。このため、図３に示すように、ピンホール板１１上でも、ピンホール３ａのデフォーカス位置の像に対応して、ピンホール３ａより大きな内径を有する輪帯状の第２面反射像１２ｂが結ばれる。
したがって、反射光束Ｌ２１は、シャッター１３が退避された状態でも、全光量がピンホール板１１によって遮光され、分光器１５の内部には到達できないようになっている。
分光器１５は、ピンホール板１１のピンホール１１ａを通過した光束を被測定光束として分光測定を行うものであり、ピンホール板１１を挟んで、本体部２の上部に配置されている。
分光器１５の概略構成は、グレーティング１６（波長分散光学系）、ラインセンサー１８（１次元受光素子アレイ）、カラーバランス調整スリット１７（光量規制部材）、および演算処理部２０を備える。
分光器１５の概略構成は、グレーティング１６（波長分散光学系）、ラインセンサー１８（１次元受光素子アレイ）、カラーバランス調整スリット１７（光量規制部材）、および演算処理部２０を備える。
グレーティング１６は、ピンホール板１１を通して入射される被測定光束Ｌを波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像を形成する光学素子である。本実施形態では、凹面鏡の表面に回折格子が形成された構成を有している。
グレーティング１６の凹面鏡の光軸Ｒは、鉛直軸上を進む被測定光束Ｌの光軸Ｑに対して、図１の紙面内で図示右側に向かって斜め下側に傾斜して配置されている。このため、グレーティング１６の像面における波長変化方向Ｓは、図１の紙面内で水平方向左側から右側に向かって斜め上方に向かう方向になっている。
したがって、被測定光束Ｌは、グレーティング１６の凹面鏡の光軸に対して斜めに入射し、グレーティング１６の回折格子によって波長の大きさに応じた回折方向に回折されるとともに、グレーティング１６の凹面鏡によって所定の像面に波長変化方向Ｓに沿う略線状に結像される。
グレーティング１６の凹面鏡の光軸Ｒは、鉛直軸上を進む被測定光束Ｌの光軸Ｑに対して、図１の紙面内で図示右側に向かって斜め下側に傾斜して配置されている。このため、グレーティング１６の像面における波長変化方向Ｓは、図１の紙面内で水平方向左側から右側に向かって斜め上方に向かう方向になっている。
したがって、被測定光束Ｌは、グレーティング１６の凹面鏡の光軸に対して斜めに入射し、グレーティング１６の回折格子によって波長の大きさに応じた回折方向に回折されるとともに、グレーティング１６の凹面鏡によって所定の像面に波長変化方向Ｓに沿う略線状に結像される。
また、被測定光束Ｌがグレーティング１６の光軸Ｒに対して斜め入射されているため、軸外光束の影響により被測定光束Ｌの結像位置には非点収差が生じる。
このため、図４に示すように、焦点面の前側にはメリジオナル焦点面３０が、後側にはサジタル焦点面３１が形成される。被測定光束Ｌとして単色光が結像される場合には、ピンホール３ａの像は、メリジオナル焦点面３０では波長変化方向Ｓに幅が狭く波長変化方向Ｓと直交する方向の幅が広い細長の楕円像Ｐｍとなり、サジタル焦点面３１では、逆に波長変化方向Ｓに直交する方向に幅が狭く波長変化方向Ｓに幅が広い細長の楕円像Ｐｓとなる。
本実施形態の被測定光束Ｌは、連続スペクトルを有する白色光であるから、グレーティング１６によって、これらの単色光の像が波長変化方向Ｓに連続的に連なった状態に相当する波長変化方向Ｓに長い帯状または線状のスペクトル像が得られる。
例えば、メリジオナル焦点面３０では、グレーティング１６で分光された特定波長の近赤外光束ＬＵＲ、可視光束ＬＶＬ、近紫外光束ＬＵＶは、それぞれ図４の図示左側から右側に向かう波長変化方向Ｓにおける特定の位置にそれぞれ楕円像Ｐｍとして結像され、全体として波長変化方向Ｓに長い帯状のスペクトル像ＩＳｍが形成される。
ここで、近赤外光束ＬＵＲは、波長が９００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にある光束を意味し、近紫外光束ＬＵＶは、波長が３５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にある光束を意味する。
このため、図４に示すように、焦点面の前側にはメリジオナル焦点面３０が、後側にはサジタル焦点面３１が形成される。被測定光束Ｌとして単色光が結像される場合には、ピンホール３ａの像は、メリジオナル焦点面３０では波長変化方向Ｓに幅が狭く波長変化方向Ｓと直交する方向の幅が広い細長の楕円像Ｐｍとなり、サジタル焦点面３１では、逆に波長変化方向Ｓに直交する方向に幅が狭く波長変化方向Ｓに幅が広い細長の楕円像Ｐｓとなる。
本実施形態の被測定光束Ｌは、連続スペクトルを有する白色光であるから、グレーティング１６によって、これらの単色光の像が波長変化方向Ｓに連続的に連なった状態に相当する波長変化方向Ｓに長い帯状または線状のスペクトル像が得られる。
例えば、メリジオナル焦点面３０では、グレーティング１６で分光された特定波長の近赤外光束ＬＵＲ、可視光束ＬＶＬ、近紫外光束ＬＵＶは、それぞれ図４の図示左側から右側に向かう波長変化方向Ｓにおける特定の位置にそれぞれ楕円像Ｐｍとして結像され、全体として波長変化方向Ｓに長い帯状のスペクトル像ＩＳｍが形成される。
ここで、近赤外光束ＬＵＲは、波長が９００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にある光束を意味し、近紫外光束ＬＵＶは、波長が３５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にある光束を意味する。
ラインセンサー１８は、図５、６、７に示すように、スペクトル像の像面においてスペクトル像の波長変化方向Ｓに沿って、光電変換を行う複数の受光素子１８ａが線状に配列された１次元受光素子アレイである。例えば、ＣＣＤラインセンサーやＣＭＯＳラインセンサーなどを採用することができる。本実施形態では、シリコン半導体によって受光素子１８ａが形成されたＣＣＤラインセンサーを用いている。
ラインセンサー１８は、演算処理部２０に電気的に接続され、各受光素子１８ａによって光電変換された光信号を、受光素子１８ａごとに、演算処理部２０に送出できるようになっている。
ラインセンサー１８は、演算処理部２０に電気的に接続され、各受光素子１８ａによって光電変換された光信号を、受光素子１８ａごとに、演算処理部２０に送出できるようになっている。
各受光素子１８ａの受光面１８ｂは、波長分解能を高めるため、配列方向に幅が狭く、配列方向と直交する方向に幅が広い矩形状に設けられている。
これら各受光素子１８ａは、は、ラインセンサー１８のパッケージ部１８ｅに設けられた凹穴の内部に、各受光面１８ｂが一定の平面上に整列するように配置され、凹穴の内縁部に設けられた窓枠部１８ｄにカバーガラス１９が嵌め込まれることによって、凹穴内に封止されている。
また、本実施形態の各受光素子１８ａの受光面１８ｂは、図６に示すように、波長変化方向Ｓに直交する面内では、グレーティング１６によって回折されて受光素子１８ａに入射される入射光束の光軸Ｏが、受光面１８ｂの法線Ｎに対して受光面１８ｂの端部Ａ（一端）の側に向かって傾くように、傾斜して配置されている。
これら各受光素子１８ａは、は、ラインセンサー１８のパッケージ部１８ｅに設けられた凹穴の内部に、各受光面１８ｂが一定の平面上に整列するように配置され、凹穴の内縁部に設けられた窓枠部１８ｄにカバーガラス１９が嵌め込まれることによって、凹穴内に封止されている。
また、本実施形態の各受光素子１８ａの受光面１８ｂは、図６に示すように、波長変化方向Ｓに直交する面内では、グレーティング１６によって回折されて受光素子１８ａに入射される入射光束の光軸Ｏが、受光面１８ｂの法線Ｎに対して受光面１８ｂの端部Ａ（一端）の側に向かって傾くように、傾斜して配置されている。
本実施形態のラインセンサー１８の配置位置は、グレーティング１６のメリジオナル焦点面３０に各受光素子１８ａの受光面１８ｂが整列し、グレーティング１６による波長変化方向Ｓが、受光素子１８ａの配列方向に一致するように配置される。
この場合、受光素子１８ａの配列方向の両端部は、それぞれ短波長と長波長との分光位置に対応している。本実施形態では、短波長側には近紫外光束ＬＵＶが、長波長側には近赤外光束ＬＵＲが分光される。以下では波長変化方向Ｓにおける相対位置関係を表す場合、短波長側をＵＶ側、長波長側をＵＲ側と称する場合がある。
このように各受光素子１８ａの矩形状の受光面１８ｂの長手方向がメリジオナル焦点面に結像される楕円像Ｐｍの長手方向と一致されている。したがって、各受光素子１８ａでは、スペクトル像のうち、受光素子１８ａの配列位置に応じた狭帯域の波長を有する光成分のみを効率的に受光することができるため、波長分解能を高めることができる。
この場合、受光素子１８ａの配列方向の両端部は、それぞれ短波長と長波長との分光位置に対応している。本実施形態では、短波長側には近紫外光束ＬＵＶが、長波長側には近赤外光束ＬＵＲが分光される。以下では波長変化方向Ｓにおける相対位置関係を表す場合、短波長側をＵＶ側、長波長側をＵＲ側と称する場合がある。
このように各受光素子１８ａの矩形状の受光面１８ｂの長手方向がメリジオナル焦点面に結像される楕円像Ｐｍの長手方向と一致されている。したがって、各受光素子１８ａでは、スペクトル像のうち、受光素子１８ａの配列位置に応じた狭帯域の波長を有する光成分のみを効率的に受光することができるため、波長分解能を高めることができる。
また、分光器１５では、グレーティング１６に入射する被測定光束ＬのＮＡ（開口数）を調整して、楕円像Ｐｍの長手方向の幅が、受光素子１８ａの受光面１８ｂの長手方向の幅内に収まるようにしておくことが好ましい。この場合、入射光が、すべて各受光面１８ｂの範囲内に入射して、全受光量を光信号に変換することできる。このため、照明光束の光量を有効利用して分光測定を行うことができる。
カバーガラス１９は、被測定光束を透過させる適宜のガラス材料を採用することができる。ただし、本実施形態では、図７に示すように、ラインセンサー１８の長手方向の略中心部の受光素子１８ａからＵＲ側の端部の受光素子１８ａまでを覆う範囲に、波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの短波長光を遮光し、波長６００ｎｍ以上の長波長光を透過させる波長特性を有する長波長透過コート層１９ａを設けている。これにより、ＵＶ側の２次回折光がＵＲ側の受光素子１８ａに入射することを防止でき、２次回折光の影響による測定誤差を低減することができる。
カラーバランス調整スリット１７は、図５に示すように、グレーティング１６とラインセンサー１８との間の光路上に配置され、グレーティング１６からラインセンサー１８に向かう光束の透過率を波長変化方向Ｓに沿って変化させるものである。
本実施形態では、分光測定の波長範囲の光を遮光する板部材に分光測定の波長範囲の光を一様に透過させる開口１７ａを設けた開口板を採用している。カラーバランス調整スリット１７の材質としては、例えば、黒色の表面処理が施された金属板などを採用することができる。
本実施形態の開口１７ａの形状は、一例として、距離Ｈの範囲で波長変化方向Ｓに延ばされた直線状の長手エッジ１７ｂと、長手エッジ１７ｂに向かって略弓状に突出された長手エッジ１７ｃと、これらのＵＲ側、ＵＶ側の端部でそれぞれ波長変化方向Ｓに直交する方向に延ばされた直線状の短手エッジ１７ｅ、１７ｄとで囲まれた、全体として凹平レンズのレンズ断面状の形状に形成されている。
本実施形態では、分光測定の波長範囲の光を遮光する板部材に分光測定の波長範囲の光を一様に透過させる開口１７ａを設けた開口板を採用している。カラーバランス調整スリット１７の材質としては、例えば、黒色の表面処理が施された金属板などを採用することができる。
本実施形態の開口１７ａの形状は、一例として、距離Ｈの範囲で波長変化方向Ｓに延ばされた直線状の長手エッジ１７ｂと、長手エッジ１７ｂに向かって略弓状に突出された長手エッジ１７ｃと、これらのＵＲ側、ＵＶ側の端部でそれぞれ波長変化方向Ｓに直交する方向に延ばされた直線状の短手エッジ１７ｅ、１７ｄとで囲まれた、全体として凹平レンズのレンズ断面状の形状に形成されている。
長手エッジ１７ｃの形状は、例えば、両端部には、長手エッジ１７ｂに対して距離Ｗ（ただし、Ｗ＜Ｈ）だけ離れた平行な直線部分を有し、これらの中間部に、波長変化方向Ｓの中心側に向かうにつれて長手エッジ１７ｂに対する距離が、距離Ｗから最小値ｗ０（ただし、ｗ０＜Ｗ）まで減少し、さらに最小値ｗ０から増大して距離Ｗになるような、長手エッジ１７ｂ側に凸の曲線部分が設けられている。
このため、開口１７ａの波長変化方向Ｓに直交する方向の開口幅ｗは、短手エッジ１７ｅから短手エッジ１７ｄに向かう波長変化方向Ｓでの位置を位置ｈとして、図８に直線２００ｃ、曲線２００ｂ、および直線２００ａで示されるグラフで表される。直線２００ｃ、２００ａは、ｗ＝Ｗの直線であり、曲線２００ｂは、ｈ＝Ｈ０で最小値ｗ０をとる上に凸の曲線である。曲線２００ｂの関数形は特に限定されないが、本実施形態では一例として２次関数を採用している。
このため、開口１７ａの波長変化方向Ｓに直交する方向の開口幅ｗは、短手エッジ１７ｅから短手エッジ１７ｄに向かう波長変化方向Ｓでの位置を位置ｈとして、図８に直線２００ｃ、曲線２００ｂ、および直線２００ａで示されるグラフで表される。直線２００ｃ、２００ａは、ｗ＝Ｗの直線であり、曲線２００ｂは、ｈ＝Ｈ０で最小値ｗ０をとる上に凸の曲線である。曲線２００ｂの関数形は特に限定されないが、本実施形態では一例として２次関数を採用している。
このような開口１７ａの形状は、本実施形態では、カラーバランス調整スリット１７を除いた測定系の波長特性、すなわち、カラーバランス調整スリット１７を除き、被検体８として分光特性が平坦なサンプルを測定した場合に測定される光信号出力の分布に応じて設定している。
測定系の波長特性に関与する主な特性としては、光源部１の分光スペクトル、グレーティング１６の回折効率、および受光素子１８ａの波長に対する感度分布を挙げることができる。
測定系の波長特性に関与する主な特性としては、光源部１の分光スペクトル、グレーティング１６の回折効率、および受光素子１８ａの波長に対する感度分布を挙げることができる。
本実施形態の光源部１の分光スペクトルは、例えば、波長約９００ｎｍでピーク値をとり、波長約３００ｎｍから波長約７００ｎｍの間でピーク値の０％から約８０％まで略直線的に増大し、波長約７００ｎｍから波長約１２００ｎｍの間では、ピーク値の約８０％以上の緩やかな山形を描く、といった分布を示す。したがって、近紫外域から近赤外域の測定範囲では、高輝度部が長波長側の偏った特性を有する。
また、本実施形態のグレーティング１６の回折効率は、例えば、波長約４００ｎｍでピーク値をとり、波長約２００ｎｍから波長約４００ｎｍの間で０％から１００％まで急峻に増大し、波長約４００ｎｍから長波長側では、波長約８００ｎｍで約４０％に、波長１２００ｎｍで約２０％になるように減少する、といった特性を示す。したがって、近紫外域から近赤外域の測定範囲では、高効率部が短波長側の偏った特性を有する。
また、本実施形態の受光素子１８ａはシリコン半導体を用いているため、可視波長に対する感度に比べると近紫外波長や近赤外波長の感度が低い。具体的には、波長約７６０ｎｍで最大のピーク感度となり、波長約７６０ｎｍから短波長側に向かって感度が波形に変動しながら低下して行き、波長約４００ｎｍでピーク感度の約４０％程度に下がり、波長約４００ｎｍから緩やかに感度が低下して波長約２００ｎｍで、ピーク感度の約１５％程度になり、長波長側では、波長約７６０ｎｍから緩やかに感度が低下して、波長約８５０ｎｍでピーク感度の約８０％程度となり、波長約８５０ｎｍから略感度がなくなる波長約１１００ｎｍに向かって急峻に感度が低下する、といった特性を示す。したがって、近紫外域から近赤外域の測定範囲では、高感度を有する部分が可視波長の長波長側で高感度となる特性を有する。
また、本実施形態のグレーティング１６の回折効率は、例えば、波長約４００ｎｍでピーク値をとり、波長約２００ｎｍから波長約４００ｎｍの間で０％から１００％まで急峻に増大し、波長約４００ｎｍから長波長側では、波長約８００ｎｍで約４０％に、波長１２００ｎｍで約２０％になるように減少する、といった特性を示す。したがって、近紫外域から近赤外域の測定範囲では、高効率部が短波長側の偏った特性を有する。
また、本実施形態の受光素子１８ａはシリコン半導体を用いているため、可視波長に対する感度に比べると近紫外波長や近赤外波長の感度が低い。具体的には、波長約７６０ｎｍで最大のピーク感度となり、波長約７６０ｎｍから短波長側に向かって感度が波形に変動しながら低下して行き、波長約４００ｎｍでピーク感度の約４０％程度に下がり、波長約４００ｎｍから緩やかに感度が低下して波長約２００ｎｍで、ピーク感度の約１５％程度になり、長波長側では、波長約７６０ｎｍから緩やかに感度が低下して、波長約８５０ｎｍでピーク感度の約８０％程度となり、波長約８５０ｎｍから略感度がなくなる波長約１１００ｎｍに向かって急峻に感度が低下する、といった特性を示す。したがって、近紫外域から近赤外域の測定範囲では、高感度を有する部分が可視波長の長波長側で高感度となる特性を有する。
これらの特性の積をとることで測定系の波長特性が得られるため、本実施形態の測定系の波長特性は、近紫外域から近赤外域の測定範囲の略中心に当たる波長約７００ｎｍから波長約７５０ｎｍの帯域の波長感度が高くなり、短波長側、長波長側に向かってそれぞれ波長感度が減少する全体として山形の分布を備える。
そこで、本実施形態カラーバランス調整スリット１７では、一例として、波長約７１５ｎｍの分光位置に対応するｈ＝Ｈ０の位置で開口幅ｗを最小値ｗ０とし、波長変化方向Ｓの両端部での開口幅ｗは最大値Ｗに設定している。これにより、開口１７ａは、波長変化方向Ｓにおける中間部の透過位置で最小となり、波長変化方向Ｓにおける両端部の透過位置に向かって漸次増大する透過率特性を有している。
そこで、本実施形態カラーバランス調整スリット１７では、一例として、波長約７１５ｎｍの分光位置に対応するｈ＝Ｈ０の位置で開口幅ｗを最小値ｗ０とし、波長変化方向Ｓの両端部での開口幅ｗは最大値Ｗに設定している。これにより、開口１７ａは、波長変化方向Ｓにおける中間部の透過位置で最小となり、波長変化方向Ｓにおける両端部の透過位置に向かって漸次増大する透過率特性を有している。
また、カラーバランス調整スリット１７は、図６に示すように、長手エッジ１７ｂが波長変化方向Ｓと平行、かつラインセンサー１８の各受光素子１８ａの受光面１８ｂに略平行となるように、ラインセンサー１８に近接して配置されている、
カラーバランス調整スリット１７の波長変化方向Ｓに直交する方向の配置位置は、長手エッジ１７ｂは、カラーバランス調整スリット１７、ラインセンサー１８を受光面１８ｂの法線Ｎの方向から見たとき、受光面１８ｂの端部Ａの反対側の端部Ｂ（他端）を見ることができるように、図示右側にずらして配置されている。
このような位置関係により、開口１７ａは、開口幅ｗが狭くなる位置ほど、受光面１８ｂの中心線Ｃに対して受光面１８ｂの端部Ｂ側に偏心して配置されている。
すなわち、図６の実線の長手エッジ１７ｂ、１７ｃは、ｗ＝ｗ０となるｈ＝Ｈ０の位置の断面を示しており、開口１７ａの中心は中心線Ｃに対して端部Ｂ側に偏心している。
一方、図６に実線の長手エッジ１７ｂと二点鎖線の長手エッジ１７ｃとは、ｗ＝Ｗとなる位置での開口１７ａの断面を示しており、開口１７ａの中心は、受光面１８ｂの中心線Ｃに略一致している。このため、法線Ｎから見たとき、長手エッジ１７ｂ、１７ｃの間に、受光面１８ｂの端部Ａ、Ｂを両方とも見ることができるように開口されている。
このような配置によれば、受光面１８ｂへの入射光束Ｌｉｎの一部が受光面１８ｂや、カバーガラス１９で反射されて反射光束Ｌｏｕｔが発生する場合に、反射光束Ｌｏｕｔを開口１７ａから逃がすことができる。
カラーバランス調整スリット１７の波長変化方向Ｓに直交する方向の配置位置は、長手エッジ１７ｂは、カラーバランス調整スリット１７、ラインセンサー１８を受光面１８ｂの法線Ｎの方向から見たとき、受光面１８ｂの端部Ａの反対側の端部Ｂ（他端）を見ることができるように、図示右側にずらして配置されている。
このような位置関係により、開口１７ａは、開口幅ｗが狭くなる位置ほど、受光面１８ｂの中心線Ｃに対して受光面１８ｂの端部Ｂ側に偏心して配置されている。
すなわち、図６の実線の長手エッジ１７ｂ、１７ｃは、ｗ＝ｗ０となるｈ＝Ｈ０の位置の断面を示しており、開口１７ａの中心は中心線Ｃに対して端部Ｂ側に偏心している。
一方、図６に実線の長手エッジ１７ｂと二点鎖線の長手エッジ１７ｃとは、ｗ＝Ｗとなる位置での開口１７ａの断面を示しており、開口１７ａの中心は、受光面１８ｂの中心線Ｃに略一致している。このため、法線Ｎから見たとき、長手エッジ１７ｂ、１７ｃの間に、受光面１８ｂの端部Ａ、Ｂを両方とも見ることができるように開口されている。
このような配置によれば、受光面１８ｂへの入射光束Ｌｉｎの一部が受光面１８ｂや、カバーガラス１９で反射されて反射光束Ｌｏｕｔが発生する場合に、反射光束Ｌｏｕｔを開口１７ａから逃がすことができる。
演算処理部２０は、ラインセンサー１８から送出された光信号に、例えば暗電流補正や時間平均処理など適宜の信号処理を施してから、被検体８の反射光量の分光強度分布を求めるものである。また、被検体８の反射光量の分光強度分布を、分光反射率が既知の基準試料において同様に取得した分光強度分布に基づいて、分光反射率に換算する演算を行うものである。
次に、本実施形態の反射率測定装置１００の光路、動作とともに、本実施形態の分光器１５の作用について説明する。
図１に示すように、光源部１で発生された白色光は、ライトガイド１ａを介して出射口１ｂに導かれ、出射口１ｂから、光軸に直交する断面が周方向に略均一な光強度分布を有する輪帯状とされた照明光束Ｌ０が出射される。
照明光束Ｌ０は、水平方向に進んでピンホール板３を照射し、ピンホール板３のピンホール３ａによって整形されて、発散光である照明光束Ｌ１として、ビームスプリッタ４に入射する。
照明光束Ｌ１は、一部がビームスプリッタ４を透過して直進して結像レンズ５に到達し、結像レンズ５により集光されて、平行光束としてビームスプリッタ６側に出射される。
図１に示すように、光源部１で発生された白色光は、ライトガイド１ａを介して出射口１ｂに導かれ、出射口１ｂから、光軸に直交する断面が周方向に略均一な光強度分布を有する輪帯状とされた照明光束Ｌ０が出射される。
照明光束Ｌ０は、水平方向に進んでピンホール板３を照射し、ピンホール板３のピンホール３ａによって整形されて、発散光である照明光束Ｌ１として、ビームスプリッタ４に入射する。
照明光束Ｌ１は、一部がビームスプリッタ４を透過して直進して結像レンズ５に到達し、結像レンズ５により集光されて、平行光束としてビームスプリッタ６側に出射される。
ビームスプリッタ６に到達した照明光束Ｌ１は、ビームスプリッタ６によって一部が下方に反射されて、対物レンズ７に入射し、対物レンズ７によって被検体８の近傍に結像される。
第１面８ａで反射された反射光束Ｌ１０は、対物レンズ７によって集光され、一部がビームスプリッタ６を透過し反射光束Ｌ１３として観察光学系１０に入射する。これにより、測定者は観察光学系１０を通して、第１面８ａでの反射像を観察することができる。
第１面８ａで反射された反射光束Ｌ１０は、対物レンズ７によって集光され、一部がビームスプリッタ６を透過し反射光束Ｌ１３として観察光学系１０に入射する。これにより、測定者は観察光学系１０を通して、第１面８ａでの反射像を観察することができる。
測定者は、反射率測定装置１００によって分光反射率測定を行うために、観察光学系１０を見ながら被検体保持部９を昇降させ、被検体８の第１面８ａの測定を行いたい位置に対物レンズ７の焦点を合わせる調整を行う。これにより、観察光学系１０では、第１面８ａの表面で反射したピンホール３ａの像を観察することができる。
この調整状態では、第１面８ａの反射光束Ｌ１０は、対物レンズ７によって平行光束化されて、反射光束Ｌ１１としてビームスプリッタ６側に出射され、一部がビームスプリッタ６で水平方向に反射され、反射光束Ｌ１２として結像レンズ５の光軸上に入射する。
反射光束Ｌ１２は、結像レンズ５によって集光されてビームスプリッタ４に入射し、その一部がビームスプリッタ４で上方に反射されてピンホール板１１に向かう。
また、反射光束Ｌ１２は、ピンホール３ａと共焦点の関係にあるピンホール１１ａの中心に第１面反射像１２ａを結んだ後、発散し、被測定光束Ｌとして、分光器１５に入射する。
このとき、ピンホール１１ａの内径はピンホール３ａの内径より大きいため、上述したように、反射光束Ｌ１２は光量損失することなくピンホール１１ａを通過する。
ここで、ピンホール１１ａを通過させるためには、シャッター１３を開放しておく。ただし、受光素子１８ａの露光量を調整する必要がある場合には、シャッター１３を適宜タイミングで閉止し、露光時間を調整する。
この調整状態では、第１面８ａの反射光束Ｌ１０は、対物レンズ７によって平行光束化されて、反射光束Ｌ１１としてビームスプリッタ６側に出射され、一部がビームスプリッタ６で水平方向に反射され、反射光束Ｌ１２として結像レンズ５の光軸上に入射する。
反射光束Ｌ１２は、結像レンズ５によって集光されてビームスプリッタ４に入射し、その一部がビームスプリッタ４で上方に反射されてピンホール板１１に向かう。
また、反射光束Ｌ１２は、ピンホール３ａと共焦点の関係にあるピンホール１１ａの中心に第１面反射像１２ａを結んだ後、発散し、被測定光束Ｌとして、分光器１５に入射する。
このとき、ピンホール１１ａの内径はピンホール３ａの内径より大きいため、上述したように、反射光束Ｌ１２は光量損失することなくピンホール１１ａを通過する。
ここで、ピンホール１１ａを通過させるためには、シャッター１３を開放しておく。ただし、受光素子１８ａの露光量を調整する必要がある場合には、シャッター１３を適宜タイミングで閉止し、露光時間を調整する。
一方、被検体８の第２面８ｂで反射された反射光束Ｌ２０は、同様の光路をたどって、ビームスプリッタ４によって反射光束Ｌ２１として反射され、図３に示すように、ピンホール板１１のピンホール１１ａの外周側に第２面反射像１２ｂを形成するため、ピンホール板１１によって遮光され、分光器１５には入射されない。
このため、ピンホール板１１は、分光測定のノイズ光となる反射光束Ｌ２１などの光を遮光し、分光器１５に入射する被測定光束Ｌとして、第１面８ａにおける反射光束Ｌ１０のみを入射させる絞りになっている。これにより反射率測定装置１００では、被検体８の被検面以外からの反射光の影響を受けることなく、被検面の表面反射率を正確に測定することができる。
このため、ピンホール板１１は、分光測定のノイズ光となる反射光束Ｌ２１などの光を遮光し、分光器１５に入射する被測定光束Ｌとして、第１面８ａにおける反射光束Ｌ１０のみを入射させる絞りになっている。これにより反射率測定装置１００では、被検体８の被検面以外からの反射光の影響を受けることなく、被検面の表面反射率を正確に測定することができる。
分光器１５に入射した被測定光束Ｌは発散しつつ、グレーティング１６に到達し、グレーティング１６の回折格子によって回折されて波長変化方向Ｓに沿って分光されるとともに、グレーティング１６の凹面鏡によって、全体として集光される。
このため、被測定光束Ｌは、図５に模式的に示すように、カラーバランス調整スリット１７の近傍では、光束の断面が波長変化方向Ｓに沿って延びる帯状の光束ＩＳとなって進む。ここで、本実施形態の光束ＩＳの波長変化方向Ｓに沿う長さは、Ｈよりわずかに長く、波長変化方向Ｓに直交する方向の幅はＷよりわずかに狭くなっている。
光束ＩＳは、カラーバランス調整スリット１７によって透過率が規制され、開口１７ａの内側の光束ＩＳのみがラインセンサー１８側に透過する。そして、メリジオナル焦点面３０に整列されたラインセンサー１８の各受光面１８ｂ上に、ピンホール３ａのスペクトル像ＩＳｍを形成する。
このため、被測定光束Ｌは、図５に模式的に示すように、カラーバランス調整スリット１７の近傍では、光束の断面が波長変化方向Ｓに沿って延びる帯状の光束ＩＳとなって進む。ここで、本実施形態の光束ＩＳの波長変化方向Ｓに沿う長さは、Ｈよりわずかに長く、波長変化方向Ｓに直交する方向の幅はＷよりわずかに狭くなっている。
光束ＩＳは、カラーバランス調整スリット１７によって透過率が規制され、開口１７ａの内側の光束ＩＳのみがラインセンサー１８側に透過する。そして、メリジオナル焦点面３０に整列されたラインセンサー１８の各受光面１８ｂ上に、ピンホール３ａのスペクトル像ＩＳｍを形成する。
スペクトル像ＩＳｍは、図５に示すように、カラーバランス調整スリット１７の開口１７ａによって、開口１７ａと同様な略凹平レンズの断面状の形状に空間変調される。
このため、開口１７ａの波長変化方向Ｓと直交する方向の開口幅の分布に対応して、波長変化方向Ｓに沿って光束ＩＳの透過率が変化される。すなわち、ＵＲ側およびＵＶ側の波長光は、開口幅Ｗに対応して略１００％透過されてそれぞれの分光位置の受光素子１８ａに到達し、可視光域の波長光は、約７１５ｎｍの分光位置である位置ｈの開口幅ｗ０に対応して約７１５ｎｍの波長光の透過率が最小となり、より短波長側およびより長波長側では、漸次１００％に向かって透過率が増大されている。
したがって、受光素子１８ａの感度が低いＵＲ側およびＵＶ側の分光位置の受光素子１８ａでは、相対的に受光量が大きく、受光素子１８ａの感度が高い可視光域の分光位置の受光素子１８ａでは、相対的に受光量が小さくなっている。すなわち、受光素子１８ａの感度に応じて、被測定光束Ｌの透過率を変化させることで、スペクトル像のカラーバランス（波長バランス）を調整していることになる。
これにより、測定系の波長特性に起因する受光素子１８ａの光信号のゲインのばらつきを低減することができる。また、開口１７ａの形状を２次関数に限らず、測定系の波長特性に合わせてより細かく変化させて、適宜の形状に設定すれば、光信号のゲインを均一化することも可能である。
すなわち、光源部１の分光輝度特性を補正したり、グレーティング１６の回折効率によるムラを補正したり、ラインセンサー１８の受光素子１８ａの分光感度特性を補正したりすることができる。
このため、開口１７ａの波長変化方向Ｓと直交する方向の開口幅の分布に対応して、波長変化方向Ｓに沿って光束ＩＳの透過率が変化される。すなわち、ＵＲ側およびＵＶ側の波長光は、開口幅Ｗに対応して略１００％透過されてそれぞれの分光位置の受光素子１８ａに到達し、可視光域の波長光は、約７１５ｎｍの分光位置である位置ｈの開口幅ｗ０に対応して約７１５ｎｍの波長光の透過率が最小となり、より短波長側およびより長波長側では、漸次１００％に向かって透過率が増大されている。
したがって、受光素子１８ａの感度が低いＵＲ側およびＵＶ側の分光位置の受光素子１８ａでは、相対的に受光量が大きく、受光素子１８ａの感度が高い可視光域の分光位置の受光素子１８ａでは、相対的に受光量が小さくなっている。すなわち、受光素子１８ａの感度に応じて、被測定光束Ｌの透過率を変化させることで、スペクトル像のカラーバランス（波長バランス）を調整していることになる。
これにより、測定系の波長特性に起因する受光素子１８ａの光信号のゲインのばらつきを低減することができる。また、開口１７ａの形状を２次関数に限らず、測定系の波長特性に合わせてより細かく変化させて、適宜の形状に設定すれば、光信号のゲインを均一化することも可能である。
すなわち、光源部１の分光輝度特性を補正したり、グレーティング１６の回折効率によるムラを補正したり、ラインセンサー１８の受光素子１８ａの分光感度特性を補正したりすることができる。
なお、光信号の絶対値は、シャッター１３の開放時間を調整することによってラインセンサー１８における各受光素子１８ａの露光時間を変えることで調整することができる。このため、得られた光信号が一部の受光素子１８ａで飽和する場合には、露光時間を低減し、全体の光信号が小さすぎて測定精度が低下しそうな場合には、露光時間を増やす調整を行う。
このように、測定系の波長特性が補正されることで、第１面８ａの分光反射率特性に応じて分光強度分布が形成される場合にも、カラーバランス調整スリット１７を有しない場合に比べて、光信号の大きさのばらつきが小さくなる。このため、受光素子１８ａが飽和しない範囲で露光時間の長さを調整しても、感度が悪い受光素子１８ａの光信号が著しく小さくなることがないから、ＳＮ比が良好な分光測定を行うことができる。
また、受光面１８ｂの反射率は、可視光域では約３０％から約４０％あり、受光面１８ｂでの反射光がカラーバランス調整スリット１７の裏面側で多重反射を繰り返すと測定ノイズとなる。
本実施形態では、図６に示すように、カラーバランス調整スリット１７の開口１７ａは、開口幅ｗが狭くなる位置ほど、受光面１８ｂの中心線Ｃに対して受光面１８ｂの端部Ｂ側に偏心して配置されている。これにより、受光面１８ｂの法線Ｎに対して端部Ａ側に傾いて入射する入射光束Ｌｉｎによる受光面１８ｂでの反射光束Ｌｏｕｔは、開口１７ａ内を通って逃がされることになる。このため、反射光束Ｌｏｕｔがカラーバランス調整スリット１７の裏面で反射して受光面１８ｂへの再入射することによるノイズ光を抑制することができる。
本実施形態では、図６に示すように、カラーバランス調整スリット１７の開口１７ａは、開口幅ｗが狭くなる位置ほど、受光面１８ｂの中心線Ｃに対して受光面１８ｂの端部Ｂ側に偏心して配置されている。これにより、受光面１８ｂの法線Ｎに対して端部Ａ側に傾いて入射する入射光束Ｌｉｎによる受光面１８ｂでの反射光束Ｌｏｕｔは、開口１７ａ内を通って逃がされることになる。このため、反射光束Ｌｏｕｔがカラーバランス調整スリット１７の裏面で反射して受光面１８ｂへの再入射することによるノイズ光を抑制することができる。
各受光素子１８ａの受光面１８ｂ上に形成されたスペクトル像ＩＳｍは、各受光素子１８ａによって光電変換され、光信号として演算処理部２０に送出される。
演算処理部２０では、送出された光信号に、例えば暗電流補正や時間平均処理など適宜の信号処理を施してから分光強度分布の測定値を算出する。そして、予め被検体８と同様に測定され、演算処理部２０に記憶された基準試料の分光強度分布を用いて、分光反射率を算出する。
演算処理部２０では、送出された光信号に、例えば暗電流補正や時間平均処理など適宜の信号処理を施してから分光強度分布の測定値を算出する。そして、予め被検体８と同様に測定され、演算処理部２０に記憶された基準試料の分光強度分布を用いて、分光反射率を算出する。
本実施形態のカラーバランス調整スリット１７の作用を具体例に基づいて説明する。
図９（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材の有無による測定系の波長特性の一例を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光信号である。本グラフでは、光信号出力の相対比較ができればよいので、縦軸は、任意単位（ａ．ｕ．）で示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）の波長特性を規格化して示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光信号を示す。
図９（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る分光器の光量規制部材の有無による測定系の波長特性の一例を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光信号である。本グラフでは、光信号出力の相対比較ができればよいので、縦軸は、任意単位（ａ．ｕ．）で示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）の波長特性を規格化して示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光信号を示す。
図９（ａ）において、曲線２０２は、上記に説明したような特性を有する光源部１の分光スペクトル、グレーティング１６の回折効率、および受光素子１８ａの波長に対する感度分布の積をとって得られる測定系の波長特性の一例を示す。また、曲線２０１は、分光器１５においてカラーバランス調整スリット１７を設置し、カラーバランス調整スリット１７によって補正された測定系の波長特性を示す。
本例に用いたカラーバランス調整スリット１７の開口１７ａは、ｈ＝０、Ｈでの透過率が１００％、ｈ＝Ｈ０での透過率が２５％となるようにした。
本例に用いたカラーバランス調整スリット１７の開口１７ａは、ｈ＝０、Ｈでの透過率が１００％、ｈ＝Ｈ０での透過率が２５％となるようにした。
まず、カラーバランス調整スリット１７を外した場合の測定系の波長特性は、曲線２０２に示すように、波長３５０ｎｍから６１０ｎｍの間で光信号が漸次増大し、波長６１０ｎｍで極大値をとってから、わずかに減少して波長６３０ｎｍで極小値をとってから、さらに増大して、波長７５０ｎｍで最大値をとり、波長１０５０ｎｍまでの間で漸次減少している。すなわち、全体的には波長７５０ｎｍにピークを有する山形の変化を示している。
これに対して、カラーバランス調整スリット１７によって補正された測定系の波長特性は、開口１７ａの透過率が波長約７１５ｎｍを中心にして約２５％まで落とされているため、近赤外域および近紫外域に比べて可視域における長波長側の透過率が低減され、光信号のゲインが低減されている。この結果、分光強度分布は、曲線２０１に示すように、波長３５０ｎｍから５７０ｎｍの間で光信号が緩やかに増大して、波長５７０ｎｍで極大値をとってから、ごくわずかに減少して波長６７０ｎｍで極小値をとってから、さらにごくわずかに増大して、波長７９０ｎｍで、波長５７０ｎｍと略同じ極大値をとり、波長１０５０ｎｍまでの間で緩やかに減少し、きわめて緩やかな２峰性の変化を示している。
光信号の絶対値は、３５０ｎｍおよび１０５０ｎｍの近傍では比較例と略同じであるのに対して、最大値は約１／４になっている。また、光信号の絶対値の波長間でのばらつきは、比較例に比べて格段に小さくなり、よりなだらか、かつ平坦に近い分布になっている。
光信号の絶対値は、３５０ｎｍおよび１０５０ｎｍの近傍では比較例と略同じであるのに対して、最大値は約１／４になっている。また、光信号の絶対値の波長間でのばらつきは、比較例に比べて格段に小さくなり、よりなだらか、かつ平坦に近い分布になっている。
図９（ｂ）のグラフの曲線２１１、２１２は、図９（ａ）の曲線２０１、２０２に対応し、これらの補正された測定系の波長特性および補正無しの測定系の波長特性をそれぞれの光信号の最大値で規格化したものである。図９（ｂ）に示すように、光信号の最大値に対する波長３５０ｎｍ、１０５０ｎｍの光信号の比率は、曲線２１２ではそれぞれ２％、５％であるのに対して、曲線２１１ではそれぞれ１０％、１８％である。
また、光信号の最大値に対する光信号の比率が５０％以上となる波長範囲は、曲線２１２が波長５３０ｎｍから８７０ｎｍ（幅３４０ｎｍ）であるのに対し、曲線２１１では、波長４３０ｎｍから９５０ｎｍ（幅５２０ｎｍ）になっている。同様に波長３５０ｎｍから５７０ｎｍ、および波長７７０ｎｍから１０５０ｎｍの範囲で、光信号の比率は曲線２１１が曲線２１２を上回っている。また、波長５７０ｎｍから７７０ｎｍの範囲では、曲線２１２と曲線２１１との光信号の比率は１０％以下に収まっている。
つまり、補正された測定系の波長特性は、補正無しの場合に比べて、光信号の最大値と、近紫外域および近赤外域の光信号との差が小さくなっている。このため、可視波長を受光する受光素子１８ａの飽和を回避できる範囲で、露光時間を延ばすことで、近紫外域から可視域を経て近赤外域までの全範囲にわたって、良好な大きな光信号を取得することができ、特に、近紫外域および近赤外域での光信号の大きさを比較例に比べて格段に大きくすることができるので、分光測定の測定精度を向上することができる。
また、光信号の最大値に対する光信号の比率が５０％以上となる波長範囲は、曲線２１２が波長５３０ｎｍから８７０ｎｍ（幅３４０ｎｍ）であるのに対し、曲線２１１では、波長４３０ｎｍから９５０ｎｍ（幅５２０ｎｍ）になっている。同様に波長３５０ｎｍから５７０ｎｍ、および波長７７０ｎｍから１０５０ｎｍの範囲で、光信号の比率は曲線２１１が曲線２１２を上回っている。また、波長５７０ｎｍから７７０ｎｍの範囲では、曲線２１２と曲線２１１との光信号の比率は１０％以下に収まっている。
つまり、補正された測定系の波長特性は、補正無しの場合に比べて、光信号の最大値と、近紫外域および近赤外域の光信号との差が小さくなっている。このため、可視波長を受光する受光素子１８ａの飽和を回避できる範囲で、露光時間を延ばすことで、近紫外域から可視域を経て近赤外域までの全範囲にわたって、良好な大きな光信号を取得することができ、特に、近紫外域および近赤外域での光信号の大きさを比較例に比べて格段に大きくすることができるので、分光測定の測定精度を向上することができる。
このように本実施形態の分光器１５は、グレーティング１６とラインセンサー１８との間にカラーバランス調整スリット１７を設けることにより、受光素子の波長に対する感度に応じて、各受光素子１８ａの受光量を受光素子１８ａの波長に対する感度に応じて調整することができる。このため、受光素子１８ａの感度が高い波長光で受光素子１８ａを飽和させることなく、かつ受光素子１８ａの感度が低い波長光での受光量を相対的に増大させることができる。この結果、受光素子１８ａの波長に対する感度のばらつきが増大する広帯域の分光測定であっても、高精度な分光測定を行うことができる。
また、本実施形態の反射率測定装置１００は、このような分光器１５を備えることにより、簡素な構成で高精度の分光反射率測定を行うことができる。
また、本実施形態の反射率測定装置１００は、このような分光器１５を備えることにより、簡素な構成で高精度の分光反射率測定を行うことができる。
本実施形態では、各受光素子１８ａ上の光量分布を、受光素子１８ａの分光感度特性に応じて変えるため、グレーティング１６で分光して被測定光束Ｌの波長分布を空間分布に変換したのちに、カラーバランス調整スリット１７によって各分光位置での透過率を規制している。
カラーバランス調整スリット１７は遮光部材に適宜形状の開口１７ａを形成するだけなので製作が容易であり、簡素な構成となる。また、測定系の波長特性が異なる場合でも開口１７ａの形状を変更するだけ対応することができる。
カラーバランス調整スリット１７は遮光部材に適宜形状の開口１７ａを形成するだけなので製作が容易であり、簡素な構成となる。また、測定系の波長特性が異なる場合でも開口１７ａの形状を変更するだけ対応することができる。
一方、測定系の波長特性を補正する他の方法として、光源部１の内部、または、本体部２内に、誘電体多層膜等によって波長分布を規制する光学フィルターを設け、分光器１５に入射する被測定光束Ｌの波長分布特性を制御して、受光素子１８ａの感度が高い波長光の光強度を低減することも考えられる。
しかしながら、誘電帯多層膜による光学フィルターでは多層膜内での光の干渉を利用しているため、低波長域の波長の高調波が、広波長域の光量分布に影響を与えるという問題がある。例えば、３８０ｎｍの高調波は、２倍の波長である７６０ｎｍ以上の波長の光量分布に影響を与えることになる。このため、誘電帯多層膜による光学フィルターでは、せいぜい３８０ｎｍ〜８４０ｎｍ程度の範囲の狭い波長帯でしか波長分布を制御できない。
したがって、本実施形態のように、３５０ｎｍ〜１０５０ｎｍといった広帯域の精密な分光測定には対応できないものである。
また、短波長側、長波長側を規制する複数の光学フィルターを組み合わせることも考えられるが、部品点数が増えるため、高価となり構成も複雑になってしまう。
しかしながら、誘電帯多層膜による光学フィルターでは多層膜内での光の干渉を利用しているため、低波長域の波長の高調波が、広波長域の光量分布に影響を与えるという問題がある。例えば、３８０ｎｍの高調波は、２倍の波長である７６０ｎｍ以上の波長の光量分布に影響を与えることになる。このため、誘電帯多層膜による光学フィルターでは、せいぜい３８０ｎｍ〜８４０ｎｍ程度の範囲の狭い波長帯でしか波長分布を制御できない。
したがって、本実施形態のように、３５０ｎｍ〜１０５０ｎｍといった広帯域の精密な分光測定には対応できないものである。
また、短波長側、長波長側を規制する複数の光学フィルターを組み合わせることも考えられるが、部品点数が増えるため、高価となり構成も複雑になってしまう。
［変形例］
次に、本実施形態の変形例の反射率測定装置および分光器について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る分光器の光量規制部材を示す模式的な斜視図である。図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る分光器の光量規制部材の透過率分布の一例を示す模式的なグラフである。横軸は波長変化方向Ｓである長手方向に沿う位置ｈ、縦軸は透過率Ｔ（％）を示す。
次に、本実施形態の変形例の反射率測定装置および分光器について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る分光器の光量規制部材を示す模式的な斜視図である。図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る分光器の光量規制部材の透過率分布の一例を示す模式的なグラフである。横軸は波長変化方向Ｓである長手方向に沿う位置ｈ、縦軸は透過率Ｔ（％）を示す。
本変形例の反射率測定装置１００Ａは、図１に示すように、上記第１の実施形態の反射率測定装置１００の分光器１５に代えて、分光器１５のカラーバランス調整スリット１７をカラーバランス調整フィルター１７Ａ（光量規制部材）に代えた分光器１５Ａを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
カラーバランス調整フィルター１７Ａは、図１０に示すように、細長い矩形板状の部材であり、幅ｄ×長さＨ１（ただし、Ｈ１＞ｄ）の矩形状の有効フィルター領域１７ｆの透過率が、短手方向には一様で、長手方向には位置ｈによって変化するように設けられた透過率分布型のＮＤフィルターである。
カラーバランス調整フィルター１７Ａは、グレーティング１６と、ラインセンサー１８との間の光路上において、有効フィルター領域１７ｆの長手方向が波長変化方向Ｓに沿うように配置される。
カラーバランス調整フィルター１７Ａは、グレーティング１６と、ラインセンサー１８との間の光路上において、有効フィルター領域１７ｆの長手方向が波長変化方向Ｓに沿うように配置される。
有効フィルター領域１７ｆの短手方向の幅ｄは、被測定光束Ｌの短手方向幅よりも大きな幅であれば、適宜の幅に設定することができる。幅ｄは被測定光束Ｌの短手幅に対して適宜余裕を持たせておくことが好ましい。この場合、有効フィルター領域１７ｆの短手方向に沿う透過率は一様とされるため、被測定光束Ｌが有効フィルター領域１７ｆから外れない範囲では、有効フィルター領域１７ｆの位置ずれが透過率分布に影響することがない。このため、短手方向の位置ずれによって透過率が変化するカラーバランス調整スリット１７に比べて、短手方向の配置精度を緩めることができる。
また、本変形例では、カラーバランス調整フィルター１７Ａの裏面でラインセンサー１８からの反射光を反射させないため、カラーバランス調整フィルター１７Ａとラインセンサー１８との光軸方向の位置は、上記第１の実施形態のカラーバランス調整スリット１７の配置位置よりも離しておくことが好ましい。
また、本変形例では、カラーバランス調整フィルター１７Ａの裏面でラインセンサー１８からの反射光を反射させないため、カラーバランス調整フィルター１７Ａとラインセンサー１８との光軸方向の位置は、上記第１の実施形態のカラーバランス調整スリット１７の配置位置よりも離しておくことが好ましい。
カラーバランス調整フィルター１７Ａの具体的な構成としては、例えば、矩形のガラス板上に、分光測定範囲の波長光を均一に減光する減光膜を、例えば蒸着やスパッタリングなどによって形成したものを採用することができる。
本変形例のカラーバランス調整フィルター１７Ａの透過率分布は、図１１に示すように、受光素子１８ａの感度が最大となる波長約７１５ｎｍの分光位置に対応するｈ＝Ｈ０の位置で透過率Ｔを最小値Ｔ０とし、波長変化方向Ｓの両端部での透過率Ｔは最大値Ｔ１（ただし、Ｔ０＜Ｔ１≦１００（％））に設定している。これにより、透過率分布が、上記第１の実施形態のカラーバランス調整スリット１７と同様に、波長変化方向Ｓにおける中間部の透過位置で最小となり、波長変化方向Ｓにおける両端部の透過位置に向かって漸次増大する透過率特性を備えている。
本変形例の分光器１５Ａは、上記第１の実施形態の分光器１５が、カラーバランス調整スリット１７の開口１７ａの波長変化方向Ｓに直交する方向の開口幅を波長変化方向Ｓに沿って変えることによって波長変化方向Ｓに沿う透過率分布を変更していたのに対して、カラーバランス調整フィルター１７Ａによって、透過率自体を変更した場合の例になっている。
カラーバランス調整フィルター１７Ａは、透過率分布型のＮＤフィルターなので、誘電帯多層膜を用いた光学フィルターに比べて、設計、製造が容易であり、安価かつ簡素な構成となる。
このため、上記第１の実施形態と同様に、受光素子の波長に対する感度のばらつきが生じる広帯域の分光測定であっても、簡素な構成で高精度な分光測定を行うことができる。
カラーバランス調整フィルター１７Ａは、透過率分布型のＮＤフィルターなので、誘電帯多層膜を用いた光学フィルターに比べて、設計、製造が容易であり、安価かつ簡素な構成となる。
このため、上記第１の実施形態と同様に、受光素子の波長に対する感度のばらつきが生じる広帯域の分光測定であっても、簡素な構成で高精度な分光測定を行うことができる。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る分光器およびそれを備えた測光装置について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る分光器の主要部の概略構成を示す模式的な斜視図である。
本発明の第２の実施形態に係る分光器およびそれを備えた測光装置について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る分光器の主要部の概略構成を示す模式的な斜視図である。
本実施形態の反射率測定装置１００Ｂは、図１に示すように、上記第１の実施形態の反射率測定装置１００の分光器１５に代えて、分光器１５のカラーバランス調整スリット１７を透過率規制部２７に代えた分光器１５Ｂを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
透過率規制部２７は、図１２に示すように、カラーバランス調整スリット１７に代えてグレーティング１６とラインセンサー１８との間の光路上に配置された透過型液晶パネル２７ａ（光量規制部材）と、透過型液晶パネル２７ａの液晶画素の透過率を制御するため透過型液晶パネル２７ａに電気的に接続された透過率分布制御部２７ｂとからなる。
透過型液晶パネル２７ａの有効画素領域２７ｆは、上記第１の実施形態の変形例のカラーバランス調整フィルター１７Ａの有効フィルター領域１７ｆと同様に、幅ｄ×長さＨ１の矩形状に設けられている。この有効画素領域２７ｆには、短手方向および長手方向に沿って、矩形状の多数の液晶画素が格子状に配列されている。各液晶画素は、透過率分布制御部２７ｂによって、それぞれ独立に駆動可能とされ、これにより、各液晶画素の透過率を、液晶の消光比に応じて最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまでの間で、多段階に濃度を変化させることができる。
透過型液晶パネル２７ａは、液晶の偏光特性を用いているため、入射光の偏光が同じであれば各液晶画素の透過率は入射光の波長には依存しないのでＮＤフィルターの一種になっている。
また、有効画素領域２７ｆは、グレーティング１６とラインセンサー１８との間の光路上で、上記第１の実施形態の変形例の有効フィルター領域１７ｆとまったく同様な位置関係に配置される。
このため、透過型液晶パネル２７ａは、ＮＤフィルターであって、波長変化方向Ｓに沿う透過率分布が可変とされた透過率可変フィルターになっている。
透過型液晶パネル２７ａの有効画素領域２７ｆは、上記第１の実施形態の変形例のカラーバランス調整フィルター１７Ａの有効フィルター領域１７ｆと同様に、幅ｄ×長さＨ１の矩形状に設けられている。この有効画素領域２７ｆには、短手方向および長手方向に沿って、矩形状の多数の液晶画素が格子状に配列されている。各液晶画素は、透過率分布制御部２７ｂによって、それぞれ独立に駆動可能とされ、これにより、各液晶画素の透過率を、液晶の消光比に応じて最小値Ｔｍｉｎから最大値Ｔｍａｘまでの間で、多段階に濃度を変化させることができる。
透過型液晶パネル２７ａは、液晶の偏光特性を用いているため、入射光の偏光が同じであれば各液晶画素の透過率は入射光の波長には依存しないのでＮＤフィルターの一種になっている。
また、有効画素領域２７ｆは、グレーティング１６とラインセンサー１８との間の光路上で、上記第１の実施形態の変形例の有効フィルター領域１７ｆとまったく同様な位置関係に配置される。
このため、透過型液晶パネル２７ａは、ＮＤフィルターであって、波長変化方向Ｓに沿う透過率分布が可変とされた透過率可変フィルターになっている。
次に、分光器１５Ｂの作用について説明する。
図１３（ａ）は、被測定光束の分光強度分布の一例を示す模式的なグラフである。図１３（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る光量規制部材によって、光量規制された後の分光強度分布を示す模式的なグラフである。横軸は波長、縦軸は光強度を示す。図１４は、本発明の第２の実施形態に係る分光器の光量規制部材の透過率分布の一例を示す模式的なグラフである。横軸は波長変化方向Ｓである長手方向に沿う位置ｈ、縦軸は透過率Ｔ（％）を示す。
図１３（ａ）は、被測定光束の分光強度分布の一例を示す模式的なグラフである。図１３（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る光量規制部材によって、光量規制された後の分光強度分布を示す模式的なグラフである。横軸は波長、縦軸は光強度を示す。図１４は、本発明の第２の実施形態に係る分光器の光量規制部材の透過率分布の一例を示す模式的なグラフである。横軸は波長変化方向Ｓである長手方向に沿う位置ｈ、縦軸は透過率Ｔ（％）を示す。
本実施形態によれば、透過率分布制御部２７ｂによって、透過型液晶パネル２７ａの透過率分布を液晶画素単位で多段階に変化させることができる。このため、例えば、被検体８に必要な分光測定の波長範囲や光源部１の分光輝度分布などに応じて、分光測定ごとに、透過率分布を変更することができる。
本実施形態は、上記第１の実施形態やその変形例のような透過率が滑らかに変化する透過率分布も実現できるが、液晶画素単位で、急峻に透過率が変化する透過率分布も容易に実現できる。このため、被測定光束Ｌの分光強度分布が、階段状をしている場合や、鋭いピークをしている場合などの測定において、特に有効である。
例えば、図１３（ａ）の曲線２０３に示すように、被測定光束Ｌが、短波長側の波長λＬから波長λ０（ただし、λ１＞λＬ）までは略一定の光強度Ｉ０を有し、波長λ１を越えると急激に光強度が低下して、波長λ２（ただし、λ２＞λ１）で光強度Ｉ１（ただし、Ｉ１＜Ｉ０）に低下し、波長λ２から波長λＨ（ただし、λＨ＞λ２）では、光強度Ｉ１からきわめて緩やかに低下して略平坦な変化を示す階段状の分光強度分布を測定する場合を例にとる。このとき、ラインセンサー１８の受光素子１８ａを飽和させないためには、図１３（ｂ）の曲線２０４に示すように、波長λＬから波長λ１までの光強度Ｉ０を光強度Ｉ２（ただし、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ０）に低減する必要があるとする。
例えば、図１３（ａ）の曲線２０３に示すように、被測定光束Ｌが、短波長側の波長λＬから波長λ０（ただし、λ１＞λＬ）までは略一定の光強度Ｉ０を有し、波長λ１を越えると急激に光強度が低下して、波長λ２（ただし、λ２＞λ１）で光強度Ｉ１（ただし、Ｉ１＜Ｉ０）に低下し、波長λ２から波長λＨ（ただし、λＨ＞λ２）では、光強度Ｉ１からきわめて緩やかに低下して略平坦な変化を示す階段状の分光強度分布を測定する場合を例にとる。このとき、ラインセンサー１８の受光素子１８ａを飽和させないためには、図１３（ｂ）の曲線２０４に示すように、波長λＬから波長λ１までの光強度Ｉ０を光強度Ｉ２（ただし、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ０）に低減する必要があるとする。
このような場合、本実施形態では、透過率分布制御部２７ｂによって、透過型液晶パネル２７ａの透過率分布を、例えば、図１４に示すような透過率分布特性とすればよい。
すなわち、透過型液晶パネル２７ａ上で、波長λＬからλ１に対応する分光位置である位置０からｈ１までは、直線２０５ｃに示すように、各液晶画素の透過率Ｔを最大値Ｔｍａｘとし、位置ｈ１から、波長λ２に対応する分光位置である位置ｈ２までは、直線２０５ｂに示すように、透過率Ｔｍａｘから透過率Ｔｍｉｎまで直線的に減少させ、位置ｈ２から位置Ｈ１までは、直線２０５ａに示すように、透過率Ｔｍｉｎに保持する透過率分布とすればよい。
また、特に図示しないが、位置ｈ１からｈ２までもＴｍａｘとして、位置ｈ２の前後で、透過率がＴｍａｘからＴｍｉｎに切り替わる急峻な階段状の透過率分布としてもよい。
すなわち、透過型液晶パネル２７ａ上で、波長λＬからλ１に対応する分光位置である位置０からｈ１までは、直線２０５ｃに示すように、各液晶画素の透過率Ｔを最大値Ｔｍａｘとし、位置ｈ１から、波長λ２に対応する分光位置である位置ｈ２までは、直線２０５ｂに示すように、透過率Ｔｍａｘから透過率Ｔｍｉｎまで直線的に減少させ、位置ｈ２から位置Ｈ１までは、直線２０５ａに示すように、透過率Ｔｍｉｎに保持する透過率分布とすればよい。
また、特に図示しないが、位置ｈ１からｈ２までもＴｍａｘとして、位置ｈ２の前後で、透過率がＴｍａｘからＴｍｉｎに切り替わる急峻な階段状の透過率分布としてもよい。
このような階段状の分光反射率を持った光学素子としては、例えば、ダイクロイックミラー等の光学素子を挙げることができる。すなわち、本実施形態の分光器１５によれば、ダイクロイックミラー等の光学素子誘電体多層膜の分光反射率を精度よく測定することができる。
このよう透過率分布のパターンは、各液晶画素の駆動電圧のデータとして容易に数値化することができ、種々の透過率分布を容易に設定することができる。
また、これらの数値化された透過率分布のデータを演算処理部２０に記憶しておき、ラインセンサー１８からの光信号の大きさを、これらの透過率分布のデータに基づいて、実際の光強度分布に換算し、図１３（ａ）のような階段状の光強度分布の絶対値を復元することもできる。すなわち、分光反射率測定以外にも、広帯域でダイナミックレンジの高い分光強度分布測定を行うことができる。
また、これらの数値化された透過率分布のデータを演算処理部２０に記憶しておき、ラインセンサー１８からの光信号の大きさを、これらの透過率分布のデータに基づいて、実際の光強度分布に換算し、図１３（ａ）のような階段状の光強度分布の絶対値を復元することもできる。すなわち、分光反射率測定以外にも、広帯域でダイナミックレンジの高い分光強度分布測定を行うことができる。
なお、上記の第１の実施形態およびその変形例の説明では、光量規制部材の透過率分布が、波長変化方向の中間部で最小値をとり、両端部側に向かって透過率が１００％となる場合の例で説明したが、このような透過率分布は、一例であり、必要に応じて、適宜の透過率分布を採用することができる。
例えば、両端部での透過率は等しくなくてもよく、近赤外側、および近紫外側のいずれか一方をやや低い透過率としてもよい。
また、上記第３の実施形態で示したように、近赤外側、および近紫外側のいずれか一方の透過率が高く、他方の透過率が低い階段状の透過率分布としてもよい。
また、特定の波長帯域で、局所的に透過率が増大するまたは減少するような透過率分布としてもよい。
例えば、両端部での透過率は等しくなくてもよく、近赤外側、および近紫外側のいずれか一方をやや低い透過率としてもよい。
また、上記第３の実施形態で示したように、近赤外側、および近紫外側のいずれか一方の透過率が高く、他方の透過率が低い階段状の透過率分布としてもよい。
また、特定の波長帯域で、局所的に透過率が増大するまたは減少するような透過率分布としてもよい。
また、上記第１の実施形態の説明では、光量規制部材である開口板の開口が、貫通孔で構成された場合の例で説明したが、開口は、被測定光束が透過することができる光学的な開口であればよい。このため、開口板は、例えば、ガラス板の表面に部分的に遮光膜を形成し、遮光膜を除く部分がガラス板により光学的な開口部となっている部材も好適に採用することができる。
また、上記第１の実施形態の説明では、開口板の開口の形状が一定の場合の例で説明したが、例えば羽根板などを可動に保持した可動部材によって、開口板の開口形状を変更できるようにしてもよい。
また、上記の第１の実施形態の変形例（第１変形例）では、カラーバランス調整フィルター１７Ａは、グレーティング１６とラインセンサー１８との間の光路上に配置された場合の例で説明したが、この第１変形例は、さらに、カラーバランス調整フィルター１７Ａの裏面にカバーガラス１９に施した長波長透過コート層１９ａを設け、長波長透過コート層１９ａが設けられたカラーバランス調整フィルターを、カバーガラス１９の代わりに用いる構成に変形してもよい（第２変形例）。
この第２変形例では、部品点数を削減して部品コストを低減することができる。
また、カラーバランス調整フィルターを窓枠部１８ｄに固定することで、カラーバランス調整フィルターの位置決めを、容易かつ高精度に行うことができるため、組立の作業性を向上することができる。
この第２変形例は、光量規制部材が、１次元受光アレイ素子に一体化され、波長分散光学系と、１次元受光素子アレイの複数の受光素子との間の光路上に配置された場合の例になっている。
この第２変形例では、部品点数を削減して部品コストを低減することができる。
また、カラーバランス調整フィルターを窓枠部１８ｄに固定することで、カラーバランス調整フィルターの位置決めを、容易かつ高精度に行うことができるため、組立の作業性を向上することができる。
この第２変形例は、光量規制部材が、１次元受光アレイ素子に一体化され、波長分散光学系と、１次元受光素子アレイの複数の受光素子との間の光路上に配置された場合の例になっている。
また、上記の第２の実施形態の説明では、ＮＤフィルターが、透過型液晶パネル２７ａからなる透過率可変フィルターである場合の例で説明したが、透過率可変フィルターは、液晶デバイスには限定されず、濃度分布を可変できる他の光学デバイスを採用してもよい。
他の光学デバイスの例としては、例えば、エレクトロクロミックを挙げることができる。
他の光学デバイスの例としては、例えば、エレクトロクロミックを挙げることができる。
また、上記の説明では、ラインセンサー１８のカバーガラス１９が、ガラス板の表面に長波長透過コート層１９ａが設けられた場合の例で説明したが、カバーガラス１８ｂは、長波長透過コート層１９ａと同様の透過率特性を有する色ガラスフィルターに置き換えてもよい。好適な色ガラスフィルターの例としては、例えばシャープカットフィルタＯ−５８（商品名；HOYA CANDEO OPTRONICS（株）製）などの例を挙げることができる。
また、上記の説明では、波長分散光学系は、凹面鏡の表面に回折格子が設けられた構成の場合の例で説明したが、レンズ光学系と回折格子とを組み合わせた光学系や、レンズ光学系とプリズムとを組み合わせた光学系などから構成されていてもよい。
また、上記の説明では、被測定光束Ｌが、ラインセンサー１８の受光面１８ｂに斜め入射する場合の例で説明したが、受光面１８ｂでの反射光の再入射を防止できる場合には、垂直入射（入射角０°）させてもよい。
また、上記の説明では、測光装置が、分光反射率を測定する反射率測定装置である場合の例で説明したが、測光装置は、本発明の分光器を備えることで、被測定光束の分光測定を行う装置であれば、反射率測定装置には限定されない。
また、上記の各実施形態、各変形例で説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
例えば、光量規制部材として、開口板とＮＤフィルターとを組合せた構成としてもよい。
例えば、光量規制部材として、開口板とＮＤフィルターとを組合せた構成としてもよい。
１ 光源部
２ 本体部
３ａ、１１ａ ピンホール
５ 結像レンズ
７ 対物レンズ
８ 被検体
８ａ 第１面
１３ シャッター
１５、１５Ａ、１５Ｂ 分光器
１６ グレーティング（波長分散光学系）
１７ カラーバランス調整スリット（光量規制部材、開口板）
１７Ａ カラーバランス調整フィルター（光量規制部材、ＮＤフィルター）
１７ａ 開口
１７ｆ 有効フィルター領域
１８ ラインセンサー（１次元受光素子アレイ）
１８ａ 受光素子
１８ｂ 受光面
１９ カバーガラス
１９ａ 長波長透過コート層
２０ 演算処理部
２７ 透過率規制部
２７ａ 透過型液晶パネル（光量規制部材、ＮＤフィルター、透過率可変フィルター）
２７ｂ 透過率分布制御部
２７ｆ 有効画素領域
３０ メリジオナル焦点面
３１ サジタル焦点面
１００、１００Ａ、１００Ｂ 反射率測定装置
Ｌ０、Ｌ１ 照明光束
ＬＵＲ 近赤外光束
ＬＵＶ 近紫外光束
ＬＶＬ 可視光束
Ａ 端部（受光面の一端）
Ｂ 端部（受光面の他端）
Ｃ 中心線
ＩＳｍ スペクトル像
Ｌ 被測定光束
Ｎ 法線
Ｏ 光軸（波長分散光学系からの入射光束の光軸）
Ｓ 波長変化方向
ｗ 開口幅（波長変化方向に直交する方向の開口幅）
２ 本体部
３ａ、１１ａ ピンホール
５ 結像レンズ
７ 対物レンズ
８ 被検体
８ａ 第１面
１３ シャッター
１５、１５Ａ、１５Ｂ 分光器
１６ グレーティング（波長分散光学系）
１７ カラーバランス調整スリット（光量規制部材、開口板）
１７Ａ カラーバランス調整フィルター（光量規制部材、ＮＤフィルター）
１７ａ 開口
１７ｆ 有効フィルター領域
１８ ラインセンサー（１次元受光素子アレイ）
１８ａ 受光素子
１８ｂ 受光面
１９ カバーガラス
１９ａ 長波長透過コート層
２０ 演算処理部
２７ 透過率規制部
２７ａ 透過型液晶パネル（光量規制部材、ＮＤフィルター、透過率可変フィルター）
２７ｂ 透過率分布制御部
２７ｆ 有効画素領域
３０ メリジオナル焦点面
３１ サジタル焦点面
１００、１００Ａ、１００Ｂ 反射率測定装置
Ｌ０、Ｌ１ 照明光束
ＬＵＲ 近赤外光束
ＬＵＶ 近紫外光束
ＬＶＬ 可視光束
Ａ 端部（受光面の一端）
Ｂ 端部（受光面の他端）
Ｃ 中心線
ＩＳｍ スペクトル像
Ｌ 被測定光束
Ｎ 法線
Ｏ 光軸（波長分散光学系からの入射光束の光軸）
Ｓ 波長変化方向
ｗ 開口幅（波長変化方向に直交する方向の開口幅）
Claims (7)
- 絞りを通して入射される被測定光束を波長に応じて分散させて一定方向に沿って波長が変化するスペクトル像を形成する波長分散光学系と、前記スペクトル像の像面において前記スペクトル像の波長変化方向に沿って複数の受光素子が線状に配列された１次元受光素子アレイとを有する分光器であって、
前記波長分散光学系と、前記１次元受光素子アレイの前記複数の受光素子との間の光路上に配置され、前記波長分散光学系から前記複数の受光素子に向かう光束の透過率を前記波長変化方向に沿って変化させる光量規制部材を備えることを特徴とする分光器。 - 前記光量規制部材の透過率特性は、
前記スペクトル像を構成し前記受光素子によって受光される波長光のうち、少なくとも前記受光素子の感度が最大となる波長光の透過位置における透過率が、前記受光素子の感度が最小となる波長光の透過位置における透過率よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１に記載の分光器。 - 前記光量規制部材の透過率特性は、
前記波長変化方向における中間部の透過位置で最小となり、前記波長変化方向における両端部の透過位置に向かって漸次増大する透過率分布を有することを特徴とする請求項２に記載の分光器。 - 前記光量規制部材は、
前記波長変化方向および該波長変化方向に直交する方向に沿って光学的な開口を有し、該開口の前記波長変化方向に直交する方向の開口幅の大きさが、前記波長変化方向に沿って変化されている開口板からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。 - 前記光量規制部材は、
前記波長変化方向に沿って透過率が変化されたＮＤフィルターからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。 - 前記ＮＤフィルターは、
前記波長変化方向に沿う透過率分布が可変とされた透過率可変フィルターからなることを特徴とする請求項５に記載の分光器。 - 請求項１〜６に記載の分光器を備えたことを特徴とする測光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009245640A JP2011089961A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 分光器およびそれを備えた測光装置 |
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| JP2009245640A JP2011089961A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 分光器およびそれを備えた測光装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011089961A true JP2011089961A (ja) | 2011-05-06 |
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ID=44108331
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|---|---|---|---|
| JP2009245640A Withdrawn JP2011089961A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 分光器およびそれを備えた測光装置 |
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-
2009
- 2009-10-26 JP JP2009245640A patent/JP2011089961A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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