JP2017207354A - 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、出射光の光量の変動を小さくすることである。
【解決手段】本発明に係る光源装置１００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（ＬＥＤ）１０と、これらＬＥＤ１０から出射される光を同一の合成光路に導く凹面回折格子１２と、合成光路上に配置された、凹面回折格子１２によって合成された光を測定光とモニタ光に分岐する半透膜１６と、モニタ光を、複数のＬＥＤ１０の各々が出射する光の波長範囲に対応する光に分光する分光素子（凹面回折格子１２）と、前記分光素子で分光された複数の光の強度を検出するための複数の光検出素子を有する光検出器２０と、複数の光検出素子で得られた検出信号に基づき複数のＬＥＤ１０の出力を制御する出力制御部３０とを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

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相互作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。

回折格子を用いて出射光を合成する系では、合成した後の光（合成光）を集光レンズで集光するとともに、集光レンズの集光位置に出射スリットを配置し、目的とする回折光（例えば１次回折光）のみを該出射スリットを通じて取り出すようにしている。このため、例えば装置周辺の温度変化に伴い回折格子や集光レンズ等の光学素子やそれらを保持するフレームが膨張したり収縮したりすることによって合成光の集光位置が変動すると、出射スリットを通過する光量が変化する。このような場合、各ＬＥＤの出力が安定していても、実際に測定対象に照射される出射光の光量が変化することになり、正確な分光測定を行うことが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、出射光の光量の変動を小さくすることである。

上記課題を解決するために成された本発明の第１態様に係る光源装置は、
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を同一の合成光路に導く光合成部材と、
c) 前記合成光路上に配置された、前記光合成部材によって合成された光を出射光とモニタ光に分岐する光分岐部材と、
d) 前記モニタ光を、前記複数の発光ダイオードの各々が出射する光の波長範囲に対応する光に分光する分光素子と、
e) 前記分光素子で分光された複数の光の強度を検出するための複数の光検出素子を有する光検出器と、
f) 前記複数の光検出素子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。

上記第１態様の光源装置においては、複数の発光ダイオードから出射された光を光合成部材で合成した後、光分岐部材で出射光とモニタ光に分岐する。出射光は該光源装置から出射され、例えば分光測定の対象物に照射される。一方、モニタ光は、分光素子によって、複数の発光ダイオードの各々が出射する光の波長範囲に対応する光に分光され、光検出素子によって検出される。この場合、分光素子によって分光された光の波長範囲と複数の発光ダイオードの各々の出射光の波長範囲は必ずしも一致してなくても良い。また、分光素子は、モニタ光を連続的に分光（つまり、分光後の光が連続スペクトルとなるように分光）しても良く、間欠的に分光しても良い。出力制御部は、各光検出素子の検出信号に基づき複数の発光ダイオードの出力を制御する。

この場合、出力制御部は、複数の光検出素子の各々から得られた検出信号に基づき、その光検出素子に対応する発光ダイオードの出力を制御する（つまり、光検出素子と発光ダイオードが１：１の関係になるように制御する）ようにしても良いが、複数の光検出素子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ようにしても良い。

上記光源装置においては、光合成部材を凹面回折格子から構成し、複数の発光ダイオードを、前記凹面回折格子の波長分散方向に並べて配置すると良い。
この場合、モニタ光を前記凹面回折格子に導く光導入部材を設け、該凹面回折格子が前記分光素子を兼用するように構成することにより、装置の構成部品の点数を少なくすることができ、装置を小形化することができる。

また、上記課題を解決するために成された本発明の第２態様に係る光源装置は、
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回折光を同一の合成光路に導く凹面回折格子と、
c) 前記凹面回折格子によって前記合成光路に導かれる各発光ダイオードの出射光の回折光とは次数の異なる回折光が入射する位置に配置された複数の光検出素子を有する光検出器と、
d) 前記複数の光検出素子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。

上記第２態様の光源装置においては、複数の発光ダイオードから出射された光の凹面回折格子による回折光が合成光路に導かれて出射光を構成し、該出射光を構成する回折光とは異なる次数の回折光がモニタ光として複数の光検出素子に入射する。

本発明の第１態様に係る光源装置では、光合成部材によって合成された後の光の光量に基づいて複数の発光ダイオードの出力を制御するため、装置周辺の温度が変化し、発光ダイオードから光合成部材に至るまでの光学系の配置等に変動が生じた場合でも出射光の光量の変動を小さくすることができる。

また、本発明の第２態様に係る光源装置では、複数の発光ダイオードから出射された光の凹面回折格子による回折光が合成光路に導かれて出射光を構成し、該出射光を構成する回折光とは異なる次数の回折光がモニタ光として複数の光検出素子に入射する。このとき、発光ダイオードから凹面回折格子に至るまでの光学系の配置等に変動が生じると、凹面回折格子からの回折光の出射方向が変化する。この場合、回折光の出射方向の変化は、回折次数に関係なく同じようになるため、回折光の一部をモニタ光とすることにより、出射光の光量の変動を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略的な構成を示す上面図。 スリット板から見た光源装置の側面図。 単色ＬＥＤ及び光検出器、回折格子、及び出射スリットの位置関係を示す斜視図。 単色ＬＥＤ及び白色ＬＥＤの光強度分布図。 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。 本発明の第３実施形態に係る光源装置の概略的な構成を示す上面図。

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、スリット板１３を備えている。スリット板１３には、細孔から成る出射スリット１３１及びモニタ光入射スリット１３２が上下に並んで形成されている（図２及び図３参照）。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１３１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１３１を通過するように配置されている。

図２に示すように、出射スリット１３１を通過した各単色ＬＥＤ１０１〜１０６の出射光の１次回折光、及び白色ＬＥＤ１１の出射光の０次回折光はコリメータレンズ１５に入射し、平行光束に整形された後、半透膜１６に入射する。半透膜１６に入射した光の一部は該半透膜１６を通過し、一部はミラー１７に向けて反射される。半透膜１６を通過した光は図示しない窓部から出射される。
一方、半透膜１６で反射された光はモニタ光としてミラー１７に入射し、該ミラー１７で反射された後、集光レンズ１８によってモニタ光入射スリット１３２上に集光する。そして、モニタ光入射スリット１３２を通過した後、再び凹面回折格子１２の入射面に入射する。つまり、本実施形態では半透膜１６が光分岐部材を構成する。

凹面回折格子１２に再入射したモニタ光は、図３に示すように、該凹面回折格子１２によって波長分散された後、光検出器２０が備える７個の光検出素子２０１〜２０７に入射する。光検出素子２０１〜２０７はそれぞれ、モニタ光の凹面回折格子１２による各波長分散光の集光位置に配置されている。本実施形態では、光検出素子２０１〜２０７は単色ＬＥＤ１０１〜１０６と同じく基板１４上に一列に並んで設置されていることとするが、別の基板に設置されていても良い。なお、図示しないが、７個の光検出素子２０１〜２０７の周囲及び各光検出素子の周囲には、それぞれ遮光部材が設けられており、光源装置１００の筐体内で散乱反射した光（迷光）が各光検出素子２０１〜２０７に入射しないように構成されている。

図４に、単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色ＬＥＤ１１の光強度分布を示す（図４では単色ＬＥＤ１０１〜１０６をそれぞれ単色ＬＥＤ１〜６と表す。）。各光検出素子２０１〜２０６には、各単色ＬＥＤ１０１〜１０６のピーク波長域の光が入射するように構成されている。また、検出素子２０７には白色ＬＥＤ１１のピーク波長域のうち単色ＬＥＤ１０１〜１０６の影響の少ない波長域（図４において矩形枠で囲んだ領域）の光が入射するように配置されている。

図５は、光源装置１００の信号の流れを示す図である。図５では、図４と同様、６個の単色ＬＥＤ１０１〜１０６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４０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２０１〜２０７を光検出素子１〜光検出素子７と表す。以下、この表記に従って説明する。

光源装置１００の制御回路３０は記憶装置３１及び制御演算部３２を備えており、記憶装置３１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３２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３０に入力されると、該制御回路３０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。

以上の構成により、各光検出素子１〜７に複数のＬＥＤからの光が入射した場合でも、制御回路３０は、各光検出素子１〜７が検出した光量に対する各ＬＥＤの寄与分を考慮して該ＬＥＤの出力を制御することができる。なお、各光検出素子１〜７の変換係数を求める際の各単色ＬＥＤ１〜６及び白色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、凹面回折格子１２で合成し、出射スリット１３１を通過した後の光を分光して、分光後の光の強度を光検出素子２０１〜２０７で検出した。そして、これら光検出素子２０１〜２０７の検出信号に基づいて単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色ＬＥＤ１１の出力を制御するようにした。従って、光源装置１００周辺の温度が変化し、単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色ＬＥＤ１１から出射スリット１３１までの光学系の配置等に変動が生じた場合でも、出射光の光量を安定させることができる。

また、上記実施形態では、各単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色ＬＥＤ１１の出射光を合成するための光学部材である凹面回折格子１２をモニタ光の分光素子として利用したため、部品点数が少なくなり、装置の小形化及び製造コストの低減を図ることができる。

さらに、上記実施形態によれば、各光検出素子２０１〜２０７の周りに遮光部材を設け、各光検出素子２０１〜２０７に迷光が入射することを防止したため、各単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色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６は、本発明の第２実施形態に係る光源装置の制御回路３００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。

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６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。

本実施形態に係る光源装置では、制御回路３００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３０１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３０２に送る。制御演算部３０２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３０１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３０２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３０１に保存される（図６参照）。記憶装置３０１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。

なお、図示及び説明は省略するが、白色ＬＥＤについても単色ＬＥＤと同様に、該白色ＬＥＤの近傍に温度センサＡが、光検出素子の近傍に温度センサＢが設けられており、これら温度センサの検出信号に基づいて、白色ＬＥＤの出力が補正される。

［第３実施形態］
図７は本発明の第３実施形態に係る光源装置４００の概略的な上面図である。上記第１実施形態と同一部分には同一符号を付している。この実施形態では、光検出器２０の各光検出素子２０１〜２０７は、常温状態で凹面回折格子１２に入射した各単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色光１１からの出射光の回折光が入射する位置に配置されている。この場合、光検出素子２０１〜２０７には、出射光を構成する回折光とは次数が異なる回折光が入射する。例えば、単色ＬＥＤ１０１〜１０６の１次回折光及び白色ＬＥＤ１１の０次回折光を出射光として出射スリット１３１に入射させ、単色ＬＥＤ１０１〜１０６の０次回折光及び白色ＬＥＤ１１の１次回折光をモニタ光として光検出素子２０１〜２０７に入射させる。

光源装置４００の周辺温度が変化し、各ＬＥＤから凹面回折格子１２に至るまでの光学系の配置等に変動が生じた場合、凹面回折格子１２による回折光の回折角等が変化して回折光の光軸の方向が変化することがある。この結果、出射スリット１３１を通過する光量が変動するが、同様に、各光検出素子２０１〜２０７に入射する光量も変動する。従って、各検出素子２０１〜２０７の検出信号に基づいて各単色ＬＥＤ１０１〜１０６及び白色ＬＥＤ１１の出力を制御することにより、出射光の光量の変動を小さくすることができる。

また、この構成では、出射光を分岐するための光分岐部材（半透膜）が不要となるため、部品点数を少なくすることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変更が可能である。
例えば、上記第１及び第２実施形態では、半透膜（光分岐部材）を通過した光を分光測定系に入射させ、該半透膜で反射された光をモニタ光として凹面回折格子で分光した後、光検出素子で検出したが、逆でも良い。

上記第１及び第２実施形態では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、１０１〜１０６…単色ＬＥＤ
１１…白色ＬＥＤ
１２…凹面回折格子（光合成部材）
１３…スリット板
１３１…出射スリット
１３２…モニタ光入射スリット
１５…コリメータレンズ
１６…半透膜（光分岐部材）
１７…ミラー
１８…集光レンズ
２０…光検出器
２０１〜２０７…光検出素子
３０、３２０…制御回路（出力制御部）
３１、３２１…記憶装置
３２、３２２…演算部
４０…駆動回路
１００、４００…光源装置

Claims (5)

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を同一の合成光路に導く光合成部材と、
   c) 前記合成光路上に配置された、前記光合成部材によって合成された光を出射光とモニタ光に分岐する光分岐部材と、
   d) 前記モニタ光を、前記複数の発光ダイオードの各々が出射する光の波長範囲に対応する光に分光する分光素子と、
   e) 前記分光素子で分光された複数の光の強度を検出するための複数の光検出素子を有する光検出器と、
   f) 前記複数の光検出素子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. 前記モニタ光を前記凹面回折格子に導く光導入部材を備え、前記凹面回折格子が前記分光素子を兼用する、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記光分岐部材が、前記光合成部材によって合成された光の一部を透過させ、残りの一部を反射する半透膜から構成されてい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。
5. 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回折光を同一の合成光路に導く凹面回折格子と、
   c) 前記凹面回折格子によって前記合成光路に導かれる各発光ダイオードの出射光の回折光とは次数の異なる回折光が入射する位置に配置された複数の光検出素子を有する光検出器と、
   d) 前記複数の光検出素子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。

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