JP2012159353A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの配列集積度が比較的高くないフォトダイオードアレイや欠陥フォトダイオードが存在するフォトダイオードアレイであっても、所定の測定波長範囲で高い波長分解能が得られる分光装置を提供すること。
【解決手段】被測定光を波長分散素子で波長ごとに分散させ、任意の波長幅に存在する光信号の強度をフォトダイオードアレイで測定する分光装置において、
前記分散光の集光位置に両端が回転可能に支持されるとともに列方向に沿って配列された複数のミラーよりなるミラーアレイが配置され、前記フォトダイオードアレイには、前記ミラーアレイで反射された光信号が入射されることを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置に関し、詳しくは、光信号スペクトラム解析の波長分解能の改善に関する。

分光装置は、波長分散素子、波長フィルタなどを用いて被測定光を波長ごとに分離し、任意の波長幅に存在する光信号スペクトラムの強度を求め、この求めた光信号スペクトラムの強度から被測定光の特性を測定する装置である。

このような分光装置は、測定対象物質に測定光を照射することにより得られる透過光や反射光に基づいて測定対象物質の組成分析や定量分析を行ったり、特許文献１に記載されているように、光通信におけるＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）信号の測定解析にも用いられている。

図４は、特許文献１に記載されている分光装置の一例を示す構成説明図である。図４において、分光器１０はポリクロメータ方式と呼ばれるものであり、被測定光が入力され、任意の波長幅に存在する光パワーに対応した出力を測定データとして出力する。

分光器１０は、光ファイバ１１、コリメーティングレンズ１２、波長分散素子として用いる回折格子１３、集光光学系として用いるフォーカシングレンズ１４、フォトダイオードアレイ１５、光シャッター１６から構成される。図５は、図４に示す分光器１０の主要部分の構成説明図である。

光ファイバ１１は、被測定光１００を分光器１０に入射する伝送路である。コリメーティングレンズ１２は、光ファイバ１１の出射口に対向して設置され、光ファイバ１１から出射された被測定光１００を平行光にして出射する。

回折格子１３は、コリメーティングレンズ１２からの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ１２に対して傾けて設置してある。また、回折格子１３は被測定光１００を波長ごと異なる角度に分離して出射する。フォーカシングレンズ１４は、回折格子１３からの出射光の光路上に設置され、出射光を収束させる。

フォトダイオードアレイ１５は、短冊状または点状のフォトダイオードが配列されたものであり、被測定光１００が収束する位置となるように設置される。これらフォトダイオードは、入射した被測定光１００の光パワーに応じた電流（光電流）を発生し、出力信号として出力する。また、各フォトダイオードには、前もって波長が割り付けられている。波長の割り付けは、被測定光１００が回折格子１３によって波長ごとに分離されてフォトダイオードアレイに収束する位置と対応している。

また、フォトダイオードアレイ１５にはフォトダイオードの出力信号を順次選択する図示しない選択回路が設けられていて、この選択回路の出力が分光器１０の測定データとして出力される。

光シャッター１６は、光ファイバ１１とコリメーティングレンズ１２の間に設けられ、被測定光１００を遮断できる。光シャッター１６は被測定光１００を遮り、その時のフォトダイオードの暗電流レベルを測定し、この値を被測定光１００の測定データから減算することにより暗電流のドリフトの影響を除去でき、高精度な測定が実現できる。

制御部２０は、フォトダイオードアレイ１５の選択回路の動作を制御する制御信号を選択回路に出力し、また、選択回路の動作の開始と終了を示す開始信号と終了信号を出力する。

変換部３０は、分光器１０のフォトダイオードアレイ１５から出力される測定データを適切な電圧レベルに変換して出力する。変換部３０には、電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路と、必要に応じて電圧レベルを調整する増幅回路や減衰回路などが設けられる。

演算部４０には、Ａ／Ｄ変換部４１、記憶部４２、検出部４３、加算部４４が設けられる。Ａ／Ｄ変換部４１は、制御部２０から入力される開始信号にしたがって、変換部３０から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し出力する。記憶部４２は、Ａ／Ｄ変換部４１から出力されたデジタル信号を格納する。

検出部４３は、記憶部４２に格納された測定データを読み出し、読み出した測定データからピーク条件を満たす測定データを検出して出力する。検出部４３には、制御部２０から終了信号が入力される。加算部４４は、検出部４３から出力された検出結果と記憶部４２に格納された測定データに基づいて演算を行い、この演算結果を出力する。出力部５０には、演算部４０から出力された結果が入力され、図示しない画面に表示や、図示しない外部装置に出力を行う。

特開２００３−１６１６５５

ところで、このような分析装置における波長分解能は、フォトダイオードアレイにおけるフォトダイオードの配列集積度（密度）が支配的である。

しかし、フォトダイオードアレイにおけるフォトダイオードの配列集積度を現状よりも高めることは、技術的な課題が多くて容易に実現することは困難である。

また、フォトダイオードアレイの中に欠陥フォトダイオードが存在すると、そのフォトダイオードの位置に対応する波長が検出できないことになる。

本発明は、このような課題を解決するもので、その目的は、フォトダイオードの配列集積度が比較的高くないフォトダイオードアレイや欠陥フォトダイオードが存在するフォトダイオードアレイであっても、所定の測定波長範囲で高い波長分解能が得られる分光装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定光を波長分散素子で波長ごとに分散させ、任意の波長幅に存在する光信号の強度をフォトダイオードアレイで測定する分光装置において、
前記分散光の集光位置に両端が回転可能に支持されるとともに列方向に沿って配列された複数のミラーよりなるミラーアレイが配置され、
前記フォトダイオードアレイには、前記ミラーアレイで反射された光信号が入射されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の分光装置において、
前記フォトダイオードアレイのフォトダイオードの配列数ＰＤと前記ミラーアレイを構成するミラーの配列数ＭＲは、ＰＤ＞ＭＲに選定されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２記載の分光装置において、
前記ミラーアレイのミラーを測定したい波長領域に応じて選択的に駆動することを特徴とする。

これらにより、所定の測定波長範囲で高い波長分解能が得られる。

本発明の一実施例の主要部分を示す構成説明図である。 図１のミラーアレイ１７の具体例を示す構成説明図である。 ミラーアレイ１７の他の具体例を示す構成説明図である。 従来の分光装置の一例を示す構成説明図である。 図４に示す分光器１０の主要部分の構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の主要部分を示す構成説明図であって、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図５の相違点は、図１では図５のフォトダイオードアレイ１５に代えてミラーアレイ１７を設け、ミラーアレイ１７で反射された光を集光光学系１８を介してフォトダイオードアレイ１５上に集光していることである。

図２は、ミラーアレイ１７の具体例を示す構成説明図である。ミラーアレイ１７は、複数のミラー（たとえばマイクロミラーＭＭ）が、支持部材１７ａに形成された矩形の取付窓１７ｂの列方向に沿って等間隔に配列されるとともにそれぞれの両端が回転軸１７ｃを介して水平面に対して回転可能に取り付けられたものである。これらマイクロミラーＭＭは、図示しない静電駆動手段や電磁駆動手段により、水平面に対して所望の角度回転するように選択的に駆動される。

ここで、フォトダイオードアレイ１５を構成するフォトダイオードの配列数ＰＤとミラーアレイ１７を構成するミラーの配列数ＭＲは、
ＰＤ＞ＭＲ
になるように選定されている。

たとえば、２５０個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオードアレイ１５を用いて測定波長範囲１０００ｎｍのポリクロ型分光器を実現する場合、図５に示す従来の構成ではその波長分解能はフォトダイオードアレイ１５の分解能と等しく、４ｎｍになる。

これに対し、本発明では、たとえば２５０個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオードアレイ１５と、１０分割されたミラーアレイ１７を用いる。これにより、ミラーアレイ１７上における波長の分解能は２ｎｍになる。

測定動作を説明する。
はじめに、測定波長範囲１０００ｎｍのうちの前半５００ｎｍ分を、１０分割されたミラーアレイ１７の５個のマイクロミラーＭＭによりフォトダイオードアレイ１５の２５０個のフォトダイオードに向けて反射させ、フォトダイオードアレイ１５上にフォーカスさせて測定する。このとき、測定波長範囲１０００ｎｍのうちの後半５００ｎｍを受けるマイクロミラーＭＭについては、反射光がフォトダイオードアレイ１５に入らない方向に向ける。

次に、測定波長範囲１０００ｎｍのうちの後半５００ｎｍ分を受けるマイクロミラーＭＭを動かし、同様にフォトダイオードアレイ１５により受光して測定を行う。

全波長域での測定が不要である場合には、測定したい特定波長に対応するマイクロミラーＭＭのみを選択的にフォトダイオードアレイ１５に向けて調整し、測定を行う。たとえば前述と同様、測定波長範囲１０００ｎｍにおけるはじめの５０ｎｍの部分と５５０ｎｍの部分を測定したい場合には、測定対象光を１０分割されたミラーアレイ１７の１番目と６番目のマイクロミラーＭＭによりフォトダイオードアレイ１５の２５０個のフォトダイオードに向けて反射させ、フォトダイオードアレイ１５上にフォーカスさせて測定する。

フォトダイオードアレイ１５として、欠陥フォトダイオードを含むものを用いることもできる。この場合、１回目の測定でミラーアレイ１７の反射光を測定することにより欠陥フォトダイオードに該当する波長部分を識別し、２回目以降の測定ではフォトダイオードアレイ１５の正常なフォトダイオードで検出するようにミラーアレイ１７を構成するマイクロミラーＭＭの反射角度を調整する。

このようにフォトダイオードアレイ１５とミラーアレイ１７を組み合わせて複数回の測定を行うことにより、従来のようにフォトダイオードアレイ１５単体で構成された場合に比べて、より高い波長分解能が得られる。

そして、フォトダイオードアレイ１５による同時読み取りにより、測定の高速化も達成できる。

さらに、一部のフォトダイオードが欠陥を有するようなフォトダイオードアレイ１５であっても、それらの欠陥フォトダイオードに反射光が入射されないようにミラーアレイ１７のマイクロミラーＭＭの反射角度を調整することにより、欠陥フォトダイオードの影響を受けることなく測定できる。

なお、ミラーアレイ１７のマイクロミラーＭＭの反射角度は、各波長が測定できるようにあらかじめフォトダイオードアレイ１５に向けて調整しておき、マイクロミラーＭＭのそれぞれに個別にたとえばシャッターを設けて選択的に遮光するようにしてもよい。

また、ミラーアレイ１７の各マイクロミラーＭＭの反射角度があらかじめ分かっている場合でも、動作時にその都度スキャンして駆動条件を求めて保持することにより、高精度の制御が行える。

図３は、ミラーアレイ１７の他の具体例を示す構成説明図である。図３において、支持部材は、２重構造として形成されている。すなわち、マイクロミラーＭＭの両端が回転軸１７ｃを介して水平面に対して回転可能に取り付けられた矩形の取付窓１７ｄを有する第１の支持部材１７ｅの長手方向の両端は、回転軸１７ｆを介して第２の支持部材１７ｇに形成された矩形の取付窓１７ｈに回転可能に取り付けられている。

図３の構成によれば、第１の支持部材１７ｅ全体の角度を第２の支持部材１７ｇの水平面に対して任意の角度で回転させることができることから、光学系の調整条件を緩和できるとともに、温度変化や経年変化によるマイクロミラーＭＭの位置ずれなどを適切に補正できる。

以上説明したように、本発明によれば、フォトダイオードの配列集積度が比較的高くないフォトダイオードアレイや欠陥フォトダイオードが存在するフォトダイオードアレイであっても、所定の測定波長範囲で高い波長分解能が得られる分光装置が実現でき、各種の分光分析装置の分光装置として好適である。

１３ 回折格子
１４、１８ 集光光学系（フォーカシングレンズ）
１５ フォトダイオードアレイ
１７ ミラーアレイ
１７ａ 支持部材
１７ｂ、１７ｄ、１７ｈ 取付窓
１７ｃ、１７ｆ 回転軸
１７ｅ 第１の支持部材
１７ｇ 第２の支持部材

Claims (3)

1. 被測定光を波長分散素子で波長ごとに分散させ、任意の波長幅に存在する光信号の強度をフォトダイオードアレイで測定する分光装置において、
   前記分散光の集光位置に両端が回転可能に支持されるとともに列方向に沿って配列された複数のミラーよりなるミラーアレイが配置され、
   前記フォトダイオードアレイには、前記ミラーアレイで反射された光信号が入射されることを特徴とする分光装置。
2. 前記フォトダイオードアレイのフォトダイオードの配列数ＰＤと前記ミラーアレイを構成するミラーの配列数ＭＲは、ＰＤ＞ＭＲに選定されていることを特徴とする請求項１記載の分光装置。
3. 前記ミラーアレイのミラーを測定したい波長領域に応じて選択的に駆動することを特徴とする請求項１または請求項２記載の分光装置。