JP2017203722A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の波長範囲が異なる複数の発光ダイオードを備えた光源装置において、各発光ダイオードの出射光の強度を正しく検出する。
【解決手段】本発明は、出射する光の波長範囲が互いに異なる複数の発光ダイオード１０と、複数の発光ダイオード１０から出射される光の一部を同一光路に導く光合成部材１２と、各発光ダイオード１０の出射光が通過する領域のうち該発光ダイオード１０から光合成部材１２に向かう光路から外れた位置に設けられた、該発光ダイオード１０の出射光の強度を検出するための光検出器１７と、前記各光検出器１７と、前記複数の発光ダイオード１０のうち該光検出器１７の検出対象である発光ダイオードを除く発光ダイオードとの間に設けられた遮光部材１８と、複数の光検出器１７で得られた検出信号に基づき複数の発光ダイオード１０の出力を制御する出力制御部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、分光光度計等の光学測定装置に組み込まれる光源装置に関する。

測定対象物に光を照射したときに該測定対象物と光との相互作用（吸収、反射、蛍光等）により発生する光を分光測定する光学測定装置では、測定対象物によって使用する光の波長が異なるため、広い波長範囲の光を出射する光源装置が使用される。このような光源装置の一つに、発光波長範囲が異なる複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤ（light emitting diode）という。）を用いた光源装置がある。この光源装置では、複数のＬＥＤの出射光を回折格子やハーフミラー等の光学素子によって合成することにより、広い波長範囲の出射光を実現している（特許文献１、２参照）。

US2011/0132077 A1 特開2004-286645号公報

正確な分光測定を行うためには各ＬＥＤの出力を安定させる必要がある。そのため、上述の光源装置では、各ＬＥＤの出射光の一部を分岐して、その光強度を検出器で検出し、その結果に基づき該ＬＥＤの駆動電流をフィードバック制御している。ところが、近年の装置の小型化のために、複数のＬＥＤが互いに近接して配置されるようになっており、このような構成では、他のＬＥＤの影響を受けることなく１個のＬＥＤの出射光の強度を検出することが難しく、個々のＬＥＤの駆動電流を正しく制御できないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、出射光の波長範囲が異なる複数の発光ダイオードを備えた光源装置において、各発光ダイオードの出射光の強度を正しく検出することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る光源装置は、
a) 出射する光の波長範囲が互いに異なる複数の発光ダイオードと、
b) 前記複数の発光ダイオードから出射される光の一部を同一光路に導く光合成部材と、
c) 前記複数の発光ダイオードの出射光が通過する領域のうち該発光ダイオードから前記光合成部材に向かう光路から外れた位置にそれぞれ設けられた、該発光ダイオードの出射光の強度を検出するための複数の光検出器と、
d) 各光検出器と、前記複数の発光ダイオードのうち該光検出器の検出対象である発光ダイオードを除く発光ダイオードとの間に設けられた遮光部材と、
e) 前記複数の光検出器で得られた検出信号に基づき前記複数の発光ダイオードの出力を制御する出力制御部と
を備える。

通常、発光ダイオードの出射光は、該発光ダイオードから約180°の範囲に広く放射され、これら出射光のうち発光ダイオードから光合成部材に向かう光が該光合成部材によって他の発光ダイオードの出射光と合成される。従って、この範囲内であって発光ダイオードから光合成部材に向かう光路から外れた位置に光検出器を配置すれば、光合成部材による光の合成に寄与する光の量を減らすことなく、各発光ダイオードの出射光の強度を検出することができる。しかも、各光検出器の検出対象である発光ダイオード以外の発光ダイオードと該光検出器の間に遮光部材を設けたため、検出対象以外の発光ダイオードから光検出器に入射する光の量を少なく抑えることができる。

遮光部材は、例えば光検出器の周りを取り囲む遮光壁とすることができる。この遮光壁は、その光検出器の検出対象である発光ダイオードの出射光の一部が該光検出器に入射する箇所が開口するように光検出器の周りに設けられる。また、光検出器を覆うように設けられた減光フィルタを遮光部材とすることも可能である。この減光フィルタは、光検出器の検出対象である発光ダイオードの出射光の波長範囲を通過させ、それ以外の通過を妨げるものとする。

上記光源装置においては、好ましくは、前記出力制御部が、複数の光検出器から得られた検出信号と、予め求められた演算式とを用いて、前記各発光ダイオードの出射光の強度を算出する演算処理部を備え、該演算処理部が算出した各発光ダイオードの出射光の強度に基づき各発光ダイオードの出力を制御する。
演算式は、例えば、各光検出器が検出した発光ダイオードの出射光の強度に、検出対象である発光ダイオードの出射光と、それ以外の発光ダイオードの出射光がそれぞれ寄与する比率を予め求めておき、その比率を係数とする式とすることができる。

上記光源装置は、さらに、前記各光検出器の温度を検出するための温度検出器を備え、前記出力制御部が、前記温度検出器の検出信号に基づいて、前記光検出器の検出信号を補正する感度補正部を備えることが好ましい。
この構成によると、各発光ダイオードの出射光の強度をより正確に求めることができる。

本発明に係る光源装置によれば、光検出器の測定対象となる発光ダイオード以外から該光検出器に入射する光の量を少なく抑えることができるため、各発光ダイオードの出射光の強度を正しく検出することができる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の側面図。 図１とは異なる方向からみた光源装置の側面図。 光源装置の信号の流れを説明するための図。 本発明の第２実施形態に係る光源装置の制御回路を中心とするブロック図。 調整工程の流れを説明するための図。 遮光部材の変形例を示す図。 遮光部材の別の変形例を示す図。

以下、本発明に係る光源装置の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、光源装置１００は、６個の単色ＬＥＤ１０（１０１〜１０６）と、１個の白色ＬＥＤ１１と、トロイダル面状の入射面を有する凹面回折格子１２と、出射スリット１３を備えている。６個の単色ＬＥＤ１０１〜１０６は平板状の基板１４に一列に並べて設置されており、一方の端から他方の端に向かって順に340nm、405nm、470nm、635nm、700nm、770nmを中心波長とする波長幅が約10〜20nmの単色光を出射する。白色ＬＥＤ１１は６個の単色ＬＥＤ１０１〜１０６の出射光の波長範囲から外れた波長範囲を補うために設けられ、約400nm〜700nmの波長範囲の光を出射する。

凹面回折格子１２は、光学素材の凹面状の表面（入射面）に一方向に等間隔で平行な多数の溝が形成されている。単色ＬＥＤ１０１〜１０６は、いずれも凹面回折格子１２の入射面に入射した光の１次回折光が出射スリット１３を通過するような位置関係となるように基板１４上に配置されている。また、白色ＬＥＤ１１は、凹面回折格子１２の入射面に入射した光の０次光が出射スリット１３を通過するように配置されている。

図２は、６個の単色ＬＥＤ１０１〜１０６のうちの一つ（図２では符号１０を付している。）を拡大して示す側面図である。この図２に示すように、単色ＬＥＤ１０の近傍にはそれぞれ細孔１５１を有する遮光板１５が配置されている。遮光板１５は、その近傍に位置する単色ＬＥＤ１０の出射光のうち特定方向の光のみが細孔１５１を通過して回折格子１２のの入射面に入射するように構成されている。言い換えると、遮光板１５の近傍に位置する単色ＬＥＤ１０の出射光のうち特定方向以外の光は遮光板１５の細孔１５１を通過せず、遮光板１５の近傍に位置する単色ＬＥＤ１０以外の単色ＬＥＤ１０の出射光がその遮光板１５の細孔１５１を通過しても、その光は回折格子１２の入射面に入射しない。

また、遮光板１５には、単色ＬＥＤ１０から放射される光の強度を検出するための光検出素子１７が取り付けられている。光検出素子１７は、例えばＣＣＤやフォトダイオード、フォトトランジスタ等から構成され、複数の単色ＬＥＤ１０の各々に対して１個ずつ、対応する単色ＬＥＤ１０の近傍に配置されている（光検出素子１７１〜１７６）。
さらに、光検出素子１７の受光面にはこれを取り囲む筒状の遮光部材１８が取り付けられている。遮光部材１８はその中心軸が、光検出素子１７と単色ＬＥＤ１０をつなぐ線上に位置するように配置され、その先端の開口から単色ＬＥＤ１０の出射光の一部が光検出素子１７に入射する。

なお、ここでは単色ＬＥＤ１０の近傍に設けられた遮光板１５、遮光部材１８、及び光検出素子１７について説明したが、白色ＬＥＤ１１の近傍にも、同様の遮光板、遮光部材、及び光検出素子が設けられている。また、白色ＬＥＤ１１の近傍にも、該白色ＬＥＤ１１から放射される光の強度を検出する光検出素子１９（図３参照）が配置されている。図示しないが、光検出素子１９にも同様に、その受光面を取り囲む筒状の遮光板が取り付けられている。

なお、遮光板１５及び遮光部材１８は、これらに光が当たったときにその光を透過させない材質であればどのようなものでも良いが、光が当たったときの反射光や散乱光の発生を抑えることができる材料であることが好ましく、そのために、例えば、遮光板１５及び遮光部材１８の表面に低反射性の塗装を施すと良い。また、遮光板１５及び遮光部材１８は熱伝導性に優れた材料から構成されていることが好ましい。

図３は、光源装置１００の信号の流れを示す図である。図３では６個の単色ＬＥＤ１０（１０１〜１０６）をそれぞれ単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６と表す。また、単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６及び白色ＬＥＤを合わせた７個のＬＥＤの駆動回路３０をそれぞれＬＥＤ１駆動回路〜ＬＥＤ７駆動回路、７個のＬＥＤの出射光の強度を検出するための光検出素子１７、１８を光検出素子１〜光検出素子７と表す。従って、以下の説明もこの表記に従う。

光源装置１００の制御回路２０は記憶装置２１及び制御演算部２２を備えており、記憶装置２１には光検出素子１〜７からの信号を用いて単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６と白色ＬＥＤの出射光強度（P1〜P7）を算出するための以下の演算式（１）が記憶されている。制御演算部２２は、演算式（１）と各光検出素子１〜７の信号とを用いて所定の演算処理を実行し、単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６及び白色ＬＥＤの出射光の強度を算出する。

単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６、及び白色ＬＥＤの駆動が開始され、光検出素子１〜７からの信号（I1〜I7）が制御回路２０に入力されると、該制御回路２０は、信号（I1〜I7）と演算式（１）とを用いて各ＬＥＤの出射光の強度を算出する。そしてこの強度が予め設定された目標値になるようにＬＥＤ１駆動回路〜ＬＥＤ７駆動回路を制御し、各ＬＥＤを駆動する。ＬＥＤ１駆動回路〜ＬＥＤ７駆動回路の制御はＰＩ制御による帰還制御の他、ＰＩＤ制御、Ｐ制御等を用いることができる。

ここで、演算式（１）について説明する。演算式（１）におけるa1〜a7、・・・、g1〜g7はそれぞれ光検出素子１〜光検出素子７の信号の変換係数である。演算式（１）は光源装置１００の初期化の際に次の手順で求められる。
まず、単色ＬＥＤ１〜単色ＬＥＤ６、白色ＬＥＤを、その出射光の強度が一定の値（P0）になるように、１個ずつ順に駆動電流を流す。そして、そのときの全ての光検出素子１〜光検出素子７の検出信号（I1〜I7）と光検出素子１〜光検出素子７の出射光強度（P0）の比を求め、これを変換係数とする。例えば、単色ＬＥＤ１を駆動した場合、
a1＝I1/P0、a2＝I2/P0・・・a7＝I7/P0
となる。

なお、各光検出素子の変換係数を求める際の各ＬＥＤの出射光強度は同じでなくても良い。また、ここでは、ＬＥＤを１個ずつ駆動して変換係数を求めることとしたが、例えば複数のＬＥＤが互いに離間して配置されており、影響が小さい場合は、これら複数のＬＥＤを同時に駆動してそれぞれの変換係数を求めても良い。

このように、本実施形態によれば、各光検出素子１７の周りに遮光板１５及び遮光部材１８を設け、各光検出素子１７に、その近傍に位置する単色ＬＥＤ１０以外の単色ＬＥＤ１０の出射光や凹面回折格子１２その他の部品からの散乱光が入射することが抑えられるため、各単色ＬＥＤ１０の出力を安定して制御することができる。白色ＬＥＤ１１についても同様に、単色ＬＥＤ１０の出射光や凹面回折格子１２その他の部品からの散乱光が光検出素子１８に入射することが抑えられるため、出力を安定して制御することができる

また、本実施形態では、遮光板１５及び１８を熱伝導性に優れた材料から構成したため、光検出素子１７、１９で発生した熱を効率よく放出することができる。光検出素子１７、１９の温度が上昇すると感度が変動し、単色ＬＥＤ１０や白色ＬＥＤ１１の出射光の強度を正確に検出することが難しくなるが、本実施形態によれば、光検出素子１７、１９の温度変化に伴う感度変化を抑えることができるため、より一層、単色ＬＥＤ１０や白色ＬＥＤ１１の出力を安定して制御することができる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る光源装置の制御回路２２０を中心とするブロック図である。この実施形態では、複数の単色ＬＥＤの近傍にそれぞれ温度センサＡを設け、各温度センサＡの検出信号に基づいて各単色ＬＥＤの駆動電流を調整するようにした点、複数の単色ＬＥＤの出射光を検出する光検出素子の近傍にそれぞれ温度センサＢを設け、各温度センサＢの検出信号に基づき光検出素子の感度補正を行うようにした点、が第１実施形態と異なり、それ以外の構成（具体的には遮蔽板、遮蔽部材の構成等）は第１実施形態と同じである。また、図示及び説明は省略するが、白色ＬＥＤについても単色ＬＥＤと同様である。

温度センサＡ及び温度センサＢは、例えば測温抵抗体や熱電対から構成されている。温度センサＡ及び温度センサＢの両方を測温抵抗体または熱電対から構成しても良く、温度センサＡ及び温度センサＢの一方を測温抵抗体、他方を熱電対としても良い。

図４では、複数の単色ＬＥＤを代表して単色ＬＥＤ１、単色ＬＥＤ２とし、これら単色ＬＥＤ１、単色ＬＥＤ２に対応する構成要素にも同様に１、２の数字を付している。また、第１実施形態と対応する構成要素には、下２桁の数字が同じ符号を付している。

本実施形態に係る光源装置では、制御回路２２０に、光検出素子１、２の検出信号、温度センサＡ１、Ａ２の検出信号、温度センサＢ１、Ｂ２の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいてＬＥＤ１駆動回路、ＬＥＤ２駆動回路等の駆動回路が制御される。

すなわち、単色ＬＥＤ１、単色ＬＥＤ２の駆動が開始され、光検出素子１、２によって単色ＬＥＤ１、単色ＬＥＤ２の出射光の強度が検出されると、その信号はデジタル化回路１、デジタル化回路２に入力され、そこでデジタル変換された後、感度補正部１、感度補正部２に入力される。また、感度補正部１、感度補正部２には、温度センサＢ１、温度センサＢ２から検出信号が入力され、これら温度センサＢ１、Ｂ２の検出信号と、記憶装置２２１に予め記憶された光検出素子毎の温度係数に基づき光検出素子１、２の検出信号を補正して制御演算部２２２に送る。制御演算部２２２は、光検出素子１、２の検出信号の補正値と上述した演算式（１）を用いてＬＥＤ１、２の出射光の強度を算出し、その結果をＬＥＤ１出力補正部、ＬＥＤ２出力補正部に出力する。

ＬＥＤ１出力補正部、ＬＥＤ２出力補正部には、それぞれ単色ＬＥＤ１、単色ＬＥＤ２の近傍に設けられた温度センサＡ１、温度センサＡ２から検出信号が入力される。記憶装置２２１には、ＬＥＤ駆動回路毎の温度係数が予め記憶されており、ＬＥＤ１出力補正部、ＬＥＤ２出力補正部は、予め設定された関係式と、上記温度係数及び制御演算部２２２から入力されたＬＥＤ１、２の出射光の強度を用いて、目標出力光強度になるように、ＬＥＤ１、ＬＥＤ２への出力電流を決定する。決定された出力電流値はアナログ化回路１、２にてアナログ化された後、ＬＥＤ１駆動回路、ＬＥＤ２駆動回路に送られる。

上述した光検出素子毎の温度係数、ＬＥＤ駆動回路毎の温度係数、ＬＥＤへの出力電流値とＬＥＤの出射光の強度との関係式は、例えば装置の調整工程時に算出され、予め記憶装置２２１に保存される（図５参照）。記憶装置２２１に保存された温度係数等の値は、光源装置に電源が投入される毎に測定され、ＬＥＤや光検出素子の経年劣化の影響が補正される。

［変形例］
図６は光検出素子及び遮光部材の別の例を示す図である。この例では、基板５２上にＬＥＤ５１と光検出素子５３が並んで設置されている。図示しないが、光合成部材は紙面上側に位置している。光検出素子５３は、ＬＥＤ５１から側方に向けて出射される光が入射するようになっており、該光検出素子５３とＬＥＤ５１との間を除く該光検出素子５３の周囲には遮蔽板５４が設けられている。なお、図示しないが、基板５２には、ＬＥＤ５１及び光検出素子５３の周辺の温度を検出する共通の温度センサも設置されている。この例では、一つの基板５２にＬＥＤ５１、光検出素子５３、温度センサをまとめて設置したため、装置を小型化することができる。

図７は光検出素子及び遮光部材のさらに別の例を示す図である。この例では、基板６２上に設置されたＬＥＤ６１の上方に遮光部材６４が配置されている。図示しないが、基板６２上には複数のＬＥＤ６１が紙面の手前側から奥側に向かって並んで配置されており、隣接するＬＥＤの間には遮光壁が配置されている。遮光部材６４は複数のＬＥＤ６１に跨る長さを有しており、各ＬＥＤ６１と対向する箇所が肉厚となっている。遮光部材６４の肉厚部６４１の中央には開口６４２が形成されており、ＬＥＤ６１の出射光はこの開口６４２を通って回折格子に向かう。

また、肉厚部６４１のうち開口６４２から横にずれた箇所には小孔６４３が形成されている。この小孔６４３は遮光部材６４の上部から下部に向かって開口６４２に近づくように斜めに延びており、その内部の上部に光検出素子６３が収容されている。

このように、この例では１個の遮光部材６４に複数の開口を形成するとともに、光検出素子６３を設置するための小孔を形成したため、組み立て作業が容易になるともに、装置の小型化が可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることはなく、適宜の変形が可能である。
例えば光合成部材として凹面回折格子を用いたが、複数のハーフミラーを光合成部材としても良い。
また、白色ＬＥＤの数、単色ＬＥＤの数は適宜変更しても良く、単色ＬＥＤだけで光源装置を構成することも可能である。

１０…単色ＬＥＤ
１１…白色ＬＥＤ
１２…凹面回折格子（光合成部材）
１３…出射スリット
１５…遮光板
１７、１９…光検出素子（光検出器）
１８…遮光部材
２０、２２０…制御回路（出力制御部）
２１、２２１…記憶装置
２２、２２２…演算部
３０…駆動回路

Claims (4)

1. a) 出射する光の波長範囲が互いに異なる複数の発光ダイオードと、
   b) 前記複数の発光ダイオードから出射される光の一部を同一光路に導く光合成部材と、
   c) 前記複数の発光ダイオードの出射光が通過する領域のうち該発光ダイオードから前記光合成部材に向かう光路から外れた位置にそれぞれ設けられた、該発光ダイオードの出射光の強度を検出するための複数の光検出器と、
   d) 各光検出器と、前記複数の発光ダイオードのうち該光検出器の検出対象である発光ダイオードを除く発光ダイオードとの間に設けられた遮光部材と、
   e) 前記複数の光検出器で得られた検出信号に基づき前記複数の発光ダイオードの出力を制御する出力制御部と
   を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記光合成部材が凹面回折格子から構成され、
   前記複数の発光ダイオードが、前記凹面回折格子の波長分散方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記出力制御部が、複数の光検出器から得られた検出信号に基づき所定の演算を行うことにより、前記各発光ダイオードの出射光の強度を算出する演算処理部を備え、該演算処理部が算出した各発光ダイオードの出射光の強度に基づき各発光ダイオードの出力を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記光検出器の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づき、前記光検出器の検出信号を補正する感度補正部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。

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