JP5584488B2 - 走査型回折格子分光器 - Google Patents

Description

本願の発明は、分散素子として回折格子を使用した分光器（回折格子分光器）に関するものであり、回折格子を走査して各波長の光の強度を順次測定する走査型回折格子分光器に関するものである。

光の波長毎の強度を測定する分光測定においては、回折格子分光器がしばしば使用される。図５は、従来の回折格子分光器を使用した分光測定について示した概略図である。
回折格子分光器では、入射光に対する回折格子１の姿勢（光軸に対する角度）を漸次変化させ、出射スリット５２から各波長の光を漸次出射させる。そして、出射スリット５２からの光を光電変換素子より成る受光器３で受光し、被測定光の分光強度を得る。このように回折格子の角度を漸次変化させることは、「波長掃引」と呼ばれることもあるが、本明細書では、以下、「走査」と呼び、この種の分光器を走査型回折格子分光器と呼ぶ。

走査型回折格子分光器において、回折格子１の姿勢を特定波長λを測定する角度に設定した場合、受光器３で得られる出力は、設定したλの波長以外に、その波長の整数分の１の波長の光が得られる。これは、回折格子において発生する高次回折光によるものである。従って、λの波長のみ測定する場合には、λ／２よりも短い波長を透過しないカットフィルター７を併用する必要がある。

上記の点について、試料の成分測定等でしばしば行われる近赤外域の分光測定を例について説明する。例えば、特開２００９−１１５６６９号公報に開示されているように、食肉に７００〜１０００ｎｍの近赤外の光を分光しながら照射し、その反射光等の強度を知ることで食肉中の含有脂肪酸の成分量を測定する技術が知られている。また、最近特に重要視されている環境技術の分野でも、例えばエコフィード（食品廃棄物から作られた飼料、食品残渣飼料とも呼ばれる）の成分分析においても、試料に近赤外域の光を照射してその分光反射率又は分光吸収率を測定することで成分量を知ることが行われている。
このような試料の成分量測定においては、回折格子の配置角度に応じて本来入射すべきである波長の光以外の波長の光が受光器に入射すると、その分はノイズであり測定精度の低下に直結する。上述した高次回折光も、このノイズの典型的なものである。特に、試料中の成分量を測定する分光測定の場合、僅かなノイズの混入によって測定値の信頼性が大きく損なわれる場合が多く、極力ノイズを除去することが求められる。

このようなことから、近赤外域の光を分光しながら照射して行う試料の成分量測定においても、カットフィルター７を使用し、高次回折光を除去しながら測定が行われる。より具体的に説明すると、例えば、４００ｎｍ〜８００ｎｍを測定する場合には、４００ｎｍ未満を透過しないカットフィルター７を使用することにより、すべての高次光を遮断することができる。しかし、測定波長範囲がそれよりも広く、例えば４００ｎｍ〜１２００ｎｍを測定波長範囲とする場合には、４００ｎｍ未満の波長をカットフィルター７で遮断しても、８００ｎｍ以上の波長を測定する際、４００ｎｍ以上の波長が二次回折光となって被測定光に混入しまうこととなる。それを防ぐためには、８００ｎｍ〜１２００ｎｍを測定する際には、カットフィルター７を例えば７００ｎｍ以下を遮断するものに交換する必要がある。そうすれば、例えば１２００ｎｍの測定においても、二次回折光である６００ｎｍの光は混入しないことになる。

このように、従来の走査型回折格子分光器を使用して広い波長範囲に亘って分光測定しようとする場合、複数枚のカットフィルター７を波長帯により切り換えて使用する必要がある。別の具体的な一例を示すと、近赤外域の分光測定では、しばしば１２００ｎｍ〜２５００ｎｍ程度を対象波長域として測定が行われる。この場合、途中でカットフィルター７を切り換えて測定する必要がある。例えば、下記の表１に示すように、二つの波長帯において、下記のようなフィルターを切り換えて使用する。

特開２０００−５５７３３号公報

上述したように、走査型回折格子分光器においては、被測定光から高次回折光を取り除くためにカットフィルターを使用することが必要であり、波長範囲が広くなると、カットフィルターを適宜切り替えて光路上に配置することが必要となっている。しかしながら、このようなカットフィルターの切り替えは面倒であり、測定に手間がかかる要因となっている。特に、近赤外域の光を分光測定する分光器においては、後述するように走査速度の高速化が必要とされているが、上記フィルターの切り換えが大きな問題となる。即ち、回折格子の走査（姿勢変化）の高速化が可能となったとしても、フィルターの切り替えがこれに追従できず、高速化の大きな障害となる。また、フィルタ切り換えに際して、データが不連続となる。これも大きな問題である。
本願発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高次回折光を取り除いた分光測定を行うに際し、手間がかからず、走査高速化に対応でき、データの不連続性も生じないようにするという意義を有するものである。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、回折格子と、被測定光の入射方向に対する回折格子の配置角度を変化させることで被測定光を分光する走査機構と、回折格子で分光された測定波長の光を受光する受光器とを備えた走査型回折格子分光器であって、
被測定光の光路上にはカットフィルターが配置されており、
カットフィルターは、測定結果を得ようとする波長の光よりも短い所定の遮断波長以下の波長の光を遮断するものであり、
このカットフィルターは干渉フィルターであって、被測定光の入射方向に対するカットフィルターの配置角度を変化させるフィルター駆動機構が設けられており、
走査機構は、回折格子を回転させることで回折格子の配置角度を変化させるものであり、
フィルター駆動機構は、カットフィルターを回折格子の回転軸とは異なる回転軸の回りに異なる回転をさせ且つ走査機構に連動して回転させることでカットフィルターの配置角度を連続的に変化させるものであり、走査機構が回折格子の配置角度を特定波長の光が受光器に入射する角度にした際、カットフィルターの配置角度を、その特定波長より短い波長が遮断波長となる角度にするものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記フィルター駆動機構は、前記カットフィルターの回転軸と走査機構が備える前記回折格子の回転軸とを連結して連動させる機構であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項２の構成において、前記フィルター駆動機構は、前記カットフィルターの回転軸と走査機構が備える前記回折格子の回転軸とをギヤにより連結して連動させる機構であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３いずれかの構成において、前記カットフィルターは、回折格子の出射側の光路上に配置されているという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、カットフィルターとして干渉フィルターを用い、干渉フィルターの配置角度を変更することで遮断波長を変更するので、測定が簡便で短時間に済み、また高速走査にも対応が十分に対応が可能であり、また測定データの不連続化の恐れもない。さらに、カットフィルターを一枚だけ備えれば良いので、その分だけ従来に比べてコストを安くできる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、回折格子の回転軸にカットフィルターの回転軸を機構的に連結させてカットフィルターを連動回転させることでカットフィルターの配置角度を変更させるので、測定条件がさらに一様になり、また回折格子を途中で停止させる必要もない。このため、測定データの信頼性がさらに高くなり、高速走査による測定時間短縮化により十分に対応が可能なものとなる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、カットフィルターの遮断性能によって高次回折光を十分に除去できなくなる問題が無いという効果が得られる。

実施形態に係る走査型回折格子分光器の概略図である。 カットフィルター７として用いた干渉フィルターの分光特性について示した概略図である。 図１に示す実施形態におけるフィルター駆動機構７１の設定例について示した図である。 別の実施形態に係る走査型回折格子分光器の概略図である。 従来の回折格子分光器を使用した分光測定について示した概略図である。

次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、実施形態に係る走査型回折格子分光器の概略図である。図１に示す分光器は、回折格子１と、被測定光の入射方向に対する回折格子１の配置角度を変化させることで被測定光を分光する走査機構２と、回折格子１で分光された測定波長の光を受光する受光器３とを備えている。
装置の各部は、筐体４内に納められている。筐体４内には、被測定光が入射する入射スリット５１と、回折格子１で分光された光が出射する出射スリット５２と、入射スリット５１からの光を回折格子１に投影する第一の光学系６１と、回折格子１からの光を出射スリット５２に結像させる第二の光学系６２等が設けられている。第一第二の光学系６１，６２としては、チェルニー・ターナー型、エバート型、ファスティー・エバート型等、任意のものを採用し得る。特開２０００−５５７３３号公報所載の光学系を採用すると、収差が小さく分解能が高くなるので好適である。

回折格子１としては、反射型が使用されている。走査機構２は、光軸に対して垂直に交差する回転軸の周りに回折格子１を回転させることで配置角度を変化させる機構である。回折格子１は方形の板状であり、回転軸は、回折格子１の重心を通る位置に設定されている。詳細な図示は省略するが、走査機構２は、回転軸に連結されたモータと、モータを制御するモータ制御部等から構成されている。モータとしてはパルスモータやサーボモータが使用されることが多い。パルスまたはサーボ回路によってモータの回転角度を制御し、回折格子１の配置角度が光軸に対して所定の角度になるよう制御されるようモータ制御部が構成される。

受光器３は、出射スリット５２から出射された光が入射する位置に配置されている。受光器３としては、フォトトランジスタ、フォトダイオード等の半導体素子を用いたものや光電管等が使用される。
分光器は、受光器３からの信号を処理して測定結果を得る信号処理部３１を備えている。信号処理部３１は、検出素子３からの出力信号（検出信号）を処理する信号処理部３１を備えている。信号処理部３１は、受光器３からの信号を増幅し、所定の基準値と比較して光の強度（分光強度）を求めるものであり、基準値の設定や校正を行う回路を含んでいる。検出信号から被測定光による信号強度を求める演算処理等を行うようになっている。

本実施形態の走査型回折格子分光器においても、カットフィルター７が設けられている。カットフィルター７は、図１に示すように、出射スリット５２と受光器３との間の光路上に配置されている。
また、図１に示す分光器は、試料Ｓの反射率を測定するものとなっている。筐体４には、試料Ｓを収容するための試料室４１が設けられている。カットフィルター７の出射側には、試料Ｓに光を照射し、試料Ｓからの反射光を受光器３に入射させるための試料用光学系６３が設けられている。
そして、試料３を経ない光を参照光として別の不図示の受光器（参照用受光器）に入射させるための光学系（不図示）が設けられている。信号処理部３１は、受光器３の出力と参照用受光器の出力とを比較することで試料Ｓの表面における分光反射率を測定するようになっている。

本実施形態の分光器の大きな特徴点は、カットフィルター７として干渉フィルターが用いられており、被測定光の入射方向に対するカットフィルター７の配置角度を変化させるフィルター駆動機構７１が設けられている点である。
干渉フィルターは、フィルター内部における光の干渉を利用して光を選択的に遮断したり透過したりするものである。干渉フィルターは、多くの場合、光学膜を積層した多層膜構造を有し、膜の界面で反射した光の干渉を利用する。
干渉フィルターは、求められるフィルターの特性に応じて各種のものが製作されて販売されている。本願の発明者は、分光器のカットフィルター用に干渉フィルターが使用でき、且つ干渉フィルターは入射光に対する配置角度が変化すると分光特性が変化する場合が多いことに着目した。この点について、図２を使用して説明する。図２は、カットフィルター７として用いた干渉フィルターの分光特性について示した概略図である。

図２は、カットフィルター７として用いられる干渉フィルターについて、光軸に対する角度（図１にθで示す）を変えながら分光透過特性を測定した実験の結果を示した図となっている。図２中、「０度」とあるのは、θが０度であるから、光軸に対して干渉フィルターを垂直に配置した状態における結果である。
この実験では、干渉フィルターとして日本真空光学（株）製のものを用いた。この干渉フィルターは、カタログ値では、１２８０ｎｍが遮断波長とされている。実験結果を見ても、角度０度では、１３１０ｎｍあたりから急激に透過率が低下し、１２８０ｎｍ付近で透過率ゼロとなっている。尚、この程度の波長域に遮断波長が設定されている干渉フィルターを用いたのは、近赤外域の分光測定を行うことを念頭に置いたためである。

そして、図２に示すように、配置角度θを変化させると、分光透過特性が変化する。この例では、角度θを漸増させると、遮断波長は漸次短波長側にシフトするのがわかる。例えば透過率が５％程度以下になる波長を測定遮断波長と呼ぶと、図２に示す実験結果では、角度１０度では測定遮断波長は１２８０ｎｍ程度、角度２０度では１２６０ｎｍ程度、角度３０度では１２２０ｎｍ程度、角度４０度では１１７０ｎｍ程度、角度５０度では１１１５ｎｍ程度であった。
この実験結果に示されたように、カットフィルター７として用いることができる干渉フィルターの配置角度を変えることにより、遮断波長を変化させることができる。本実施形態では、このような知見に基づき、干渉フィルターをカットフィルター７として用いるとともにカットフィルター７に駆動機構（以下、フィルター駆動機構）７１を設けている。

フィルター駆動機構７１は、走査機構２とほぼ同様の機構であり、光軸に垂直な回転軸の周りにカットフィルター７を回転させることで配置角度を変化させる機構である。同様に、パルスモータまたはサーボモータ等のモータとモータ制御部とから成る機構を採用することができる。
フィルター駆動機構７１がどのようにカットフィルター７の配置角度を変化させれば良いかについて、以下に説明する。

前述したように、高次回折光は、正常な回折光の波長の整数分の１の波長の光であるから、正常な波長の光をλとすると、λ／２，λ／３，λ／４，……が高次回折光である。高次回折光を除去した測定を行うには、原理的には、ある波長λを測定するよう回折格子１を配置した場合、λ／２，λ／３，λ／４，……がすべて透過しないようにすれば良いから、結局、λ／２以下を遮断するようにすれば良いことになる。λ／２以下さえ遮断すれば良いる訳であるから、λ／２よりも少し長波長側の光までも遮断してしまっても問題はない。即ち、λ／２よりも少し長波長側の波長を遮断波長とするフィルタであっても良い。しかしながら、遮断波長がλ／２より長くても良いとはいっても、測定波長λよりも長くなってしまうと、測定波長自体を遮断してしまうことになるので、使用不可である。このように考えると、カットフィルター７の配置角度は、測定波長λについて以下の二つの条件を満足する必要があることが解る。
Ａ）λ／２以下を遮断すること。
Ｂ）λは遮断しないこと。

このうち、Ｂの条件については、カットフィルターとして考えると、λ及びλより長い波長の光を透過することと同義であるから、結局、Ａ及びＢの条件は、「遮断波長（λｃ）がλよりも短くてλ／２以上である」（λ／２≦λｃ＜λ）という条件に集約することができる。とはいえ、図２にも示すように、カットフィルターの特性は、遮断波長において垂直に透過率が減衰して０になるというものではないので、λ／２と測定波長λと間の波長域で、λやλ／２からある程度離れた波長を遮断波長とするものが好ましいことが解る。

このようにカットフィルター１について必要な特性を理解した上で、改めてフィルター駆動機構７１の設定について説明する。
フィルター駆動機構７１については、幾つかの異なる構成が考えられる。例えば、従来のフィルターの切り替えの代替的な手段として考えると、測定波長域を幾つかの群に分け、それぞれの群についてカットフィルター７の配置角度を設定するやり方が考えられる。前述した例で言うと、４００ｎｍ〜８００ｎｍを測定する場合には、遮断波長が４００ｎｍよりも少し短い波長（例えば３００ｎｍ）が遮断波長になるようにし、８００ｎｍ〜１２００ｎｍを測定する場合には遮断波長が８００ｎｍよりも少し短い波長（例えば７００ｎｍ）になるようにする。カットフィルター７の遮断波長が二段階に切り替わるということは、カットフィルター７の配置角度が二段階に切り替わるようフィルター駆動機構７１を構成することになる。

このような構成でも良いのであるが、測定条件の一様性や測定時間の短縮化の要請を考えると、工夫が必要になる。というのは、カットフィルター７の配置角度を多段階に切り替える構成では、カットフィルター７をある角度で配置した状態である範囲で回折格子１を走査して測定を行った後、回折格子１の走査を止め、カットフィルター７を別の配置角度にした後、別の範囲で回折格子１を走査することになる。このような構成では、途中で回折格子１の走査を止めてしまうため、測定データの連続性という点で信頼性が低くなってしまう。例えば、最初の走査と後の走査とで測定条件が微妙に変わってしまう場合があり、その点で測定データの信頼性が低くなってしまう。

また、回折格子１の走査を途中で止めるため、測定時間が長くなり、この点も測定データの信頼性が低くなる原因となり易い。即ち、走査型回折格子による分光測定においては、走査中に光源の出力変動のような外的測定条件の変動（回折格子の配置角度以外の条件変動という意味）があると、測定データの信頼性低下に直結する。外的測定条件の変動が避けられないとすれば、なるべく短時間に走査を完了させてしまい、外的測定条件の変動の影響をなるべく受けないようにして測定を行うことが望ましい。このような観点から、最近の走査型回折格子による分光測定では、回折格子の走査速度は非常に速くなってきており、例えば１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの走査であれば０．５〜０．７秒程度の短い時間に走査が完了する速度とされる。

回折格子の走査を途中で止める測定方法では、上記のような測定の短時間化に反するし、上記のように非常に短い時間内において回折格子をいったん停止させることは精度や再現性の点で難しい。
本実施形態では、このような点を考慮し、回折格子１の走査と機構的に連結することでカットフィルター７を連動させて回転させ、これによってカットフィルター７の配置角度を連続的に変更する構成を採用している。より具体的に説明すると、図１に模式的に示すように、走査機構１では、回折格子１の回転軸（不図示）に第一のギヤ２２が設けられている。回折格子１の回転軸は、光軸に対して垂直な方向に延びており、図１では紙面に垂直な方向である。一方、フィルター駆動機構７１では、カットフィルター７の回転軸（不図示）に第二のギヤ７２１が設けられており、第一のギヤ２２と噛み合っている。カットフィルター７の回転軸も光軸に垂直な方向で図１では紙面に垂直な方向である。したがって、回折格子１の回転軸とカットフィルター７の回転軸は互いに平行である。尚、上記説明及び図１から解るように、カットフィルター７の回転軸は、回折格子１の回転軸とは異なるものである。

図１から理解できるように、回折格子１が波長掃引のために回転すると、第一のギヤ２２及び第二のギヤ７２１のギヤ比で決まる角度範囲においてカットフィルター７も連動して従動回転する。即ち、回折格子１の角度変化に応じてカットフィルター７の配置角度も変化する。この際、回折格子１の当初の（走査開始時の）配置角度に応じてカットフィルター７の当初の配置角度を適宜設定し、第一のギヤ２２及び第二のギヤ７２１のギヤ比を適宜設定すれば、測定波長に応じてカットフィルター７の遮断波長が適宜の値となるようにすることができる。

上記フィルター駆動機構７１の設定例について、図３を使用して説明する。図３は、図１に示す実施形態におけるフィルター駆動機構７１の設定例について示した図である。図３（１）（２）における横軸は、回折格子１の配置角度（θ_１）であり、光軸に垂直な角度を０度としている。縦軸は、カットフィルター７の配置角度（θ_２）であり、同様に０度は光軸に垂直な角度である。
１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外域の分光測定を行う場合、最も短波長である１２００ｎｍの測定の際には回折格子１は例えば１５度程度の配置角度とされ、最も長波長である２５００ｎｍの測定の測定の際には例えば４５度程度とされる。図３では、この場合の設定例が示されている。尚、図３に示す例は、図２に示す特性のカットフィルター７を使用することを想定している。

この設定例において、長波長側から測定を行うとした場合、最も長波長の２５００ｎｍの測定の際（回折格子１の角度は４５度）には、カットフィルター７の配置角度は図３に示すように例えば０度とされる。図２に示すように、配置角度０度では、カットフィルター７の遮断波長は１３００ｎｍ付近である。２５００ｎｍの場合、λ／２は１２５０ｎｍとなるが、このカットフィルター７は、図２に示すように、配置角度０度では１２５０ｎｍ以下を十分に遮断する。且つ、遮断波長が１３００ｎｍであるので、測定波長である２５００ｎｍは当然ながら十分に透過する。このため、高次回折光を除去した測定となる。

そして、回折格子１の走査が開始され、２５００ｎｍから漸次短い波長を測定するよう回折格子１が回転すると、この回転に連動（従動）してカットフィルター７も回転する。例えば、１４００ｎｍの測定の際には、回折格子１の配置角度は２５度程度になるが、この際のカットフィルター１の配置角度は図３に示すように３０度程度になる。カットフィルター７の配置角度３０度の場合には、図２に示すように、カットフィルター７は１２１０ｎｍ付近が遮断波長になる。測定波長１４００ｎｍにとってみると、λ／２（７００ｎｍ）以下は十分に遮断された状態となり、且つ測定波長自身は十分に透過する状態となる。このため、高次回折光を除去した測定となる。

さらに回折格子１の走査（回転）が進み、最も短い波長である１２００ｎｍの測定の際には回折格子１の配置角度は１５度程度になる。この際、カットフィルター７も連動（従動）して回転が進んでおり、カットフィルター７の配置角度は５０度程度となる。図２から解るように、５０度の場合、カットフィルター７は１１００ｎｍ付近が遮断波長になる。この状態でも、測定波長１２００ｎｍにとってみると、λ／２以下（６００ｎｍ以下）は十分に遮断する状態となり、１２００ｎｍ自身は十分に透過する状態となる。このため、高次回折光を除去した測定となる。

上記説明から解るように、この設定例では、２５００ｎｍ→１２００ｎｍの分光測定では、回折格子１が４５度→１５度に回転するので、これに連動してカットフィルター７を０度→５０度に回転するようにする。これにより、２５００ｎｍ→１２００ｎｍの各測定波長において、高次回折光の遮断と測定波長の透過の条件が常に満足される。即ち、図２から解るように、測定波長の漸減（回折格子１の配置角度の漸減）に伴って遮断波長を漸減させる（カットフィルター７の配置角度を漸増させる）ことで、高次回折光の遮断と測定波長の透過の条件が常に満足されるようにしている。尚、測定の順序が逆の場合（即ち、１２００ｎｍ→２５００ｎｍの測定の場合）は、当然ながら、カットフィルター７の回転の向きも逆になる（５０度→０度）。

このような構成によれば、カットフィルター７は、回折格子１の回転とは角度範囲及び回転の向きが異なるのみであり、回折格子１と同様に一様に回転する。カットフィルター７の回転動作が、回折格子１の回転動作（走査）の最中に変化してしまうことはなく（即ち、回転速度や回転の向きが変化することはなく）、また回折格子１の回転動作が途中で停止させられることもない。このため、測定条件は一様であり、また測定の短時間化が可能である。したがって、上記構成によれば、高次回折光を除去しつつ、データの信頼性が低下することのない測定が行える。
この他、分光器は、各部を制御する制御部（図１中不図示）、測定結果を表示する表示部、測定条件等を入力する入力部等（いずれも不図示）が設けられている。表示部や入力部は、筐体４に取り付けられている。

次に、分光器全体の動作について説明する。
入力部において測定波長範囲等の測定条件が入力され、入射スリット５１に被測定光が入射する状態とされて測定が開始されると、制御部は、入力された測定波長範囲において走査を行うよう走査機構２に制御信号を送る。走査機構２は、測定波長範囲の下限値から上限値まで（又は上限値から下限値まで）所定の速度で回折格子１を回転させて回折格子１の配置角度を漸次変更する。回折格子１で分光された光は、出射スリット５２を経て受光器３に入射し、受光器３の出力が信号処理部３１に送られる。受光器３に入射する光の波長は、回折格子１の回転に従って順次変化する。信号処理部３１は、受光器３及び参照用受光器（不図示）からの出力を回折格子１の回転に同期したサンプリング周期でサンプリングし、両者を比較して各波長の分光反射率とする。サンプリング周期は、回折格子１の分解能に依存する。得られた分光反射率は、表示部において表示され、必要に応じて接続されたプリンタ（不図示）によって印刷される。
上記測定の際、前述したように、回折格子１の回転に連動してカットフィルター７が回転し、回折格子１の配置角度に応じて予め設定された配置角度になるよう配置角度が変化する。このため、カットフィルター７における遮断波長が漸次変化し、走査中の各測定波長において高次回折光が遮断される。

上記説明から解るように、本実施形態の走査型回折格子分光器によれば、カットフィルター７として干渉フィルターを用い、干渉フィルターの配置角度を変更することで遮断波長を変更するので、従来のようにカットフィルター７を複数種用意して切り替えて使用する必要が無い。このため、測定が簡便で短時間に済み、また高速走査にも十分に対応が可能である。
その上、一枚のカットフィルター７の配置角度を連続的に変えることで遮断波長を変更させるので、測定データの不連続化の恐れもない。従来のように複数種のカットフィルター７を切り替えて使用した場合、測定データの不連続化が生じる恐れがある。例えば、遮断波長より十分に長い波長域であっても、カットフィルター７は１００％の透過率という訳ではない。この場合、カットフィルター７が異なると、１００％に近い透過率ではあっても微妙に異なる場合があり、この場合、この違いが測定結果に含まれてしまうことになる。上記実施形態の分光器では、このような問題はない。

さらに、前述したように、本実施形態では、カットフィルター７の配置角度の変更を、回折格子１の回転に機構的に連動させてカットフィルター７を回転させることで行うので、測定条件がさらに一様になり、また回折格子１を途中で停止させる必要もない。このため、測定データの信頼性がさらに高くなり、高速走査による測定時間短縮化により十分に対応が可能なものとなる。尚、機構的な連動を行う構成の場合、上述したギヤ２２，７２１の噛み合いの他、各回転軸にプーリを設け、その間にベルトを張架して連動させる構成や、一対のギヤをチェーンで連動させる構成等を採用し得る。
また、本実施形態の分光器では、カットフィルター７を一枚だけ備えれば良いので、その分だけ従来に比べてコストを安くできる。従来におけるカットフィルター７の切り替え機構のコストと実施形態におけるフィルター駆動機構７１のコストがそれほど変わらない場合、全体のコストはカットフィルター７の分だけ節約できることになる。

次に、別の実施形態に係る走査型回折格子分光器の構成について説明する。図４は、別の実施形態に係る走査型回折格子分光器の概略図である。
図４に示す分光器は、フィルター駆動機構７１とその制御のための構成が異なるのみであり、他の部分は図１に示す実施形態とほぼ同様である。図４に示す分光器は、カットフィルター７の配置角度の変更を、機構的な連結によって回折格子１の回転（走査）と連動させることで行うのではなく、電気的な連動によって行っている。

具体的に説明すると、図４に示すように、この実施形態の分光器は、全体を制御する制御部８（図１では不図示）を備えている。制御部８は、走査機構２やフィルター駆動機構７１等の各部を制御するものである。
制御部８による走査機構１の制御は、図１に示す実施形態と同様であり、入力された測定波長範囲において分光が行われるよう回折格子１を回転させる制御である。一方、フィルター駆動機構７１については、入力された測定波長範囲に応じて制御シーケンスが予め決定され、それに基づいてフィルター駆動機構７１が制御されるようになっている。

制御部８には、測定波長範囲に応じてカットフィルター７の回転角度を決定して制御データとする角度決定手段が設けられている。例えば、前述した例と同様に１２００ｎｍ〜２５００ｎｍが測定波長範囲である場合、角度決定手段は、カットフィルター７の配置角度を０度→５０度に変化させるよう制御データを作成する。即ち、カットフィルター７を最初に０度の角度に配置した状態で、回折格子１の走査開始と同時に所定の速度で回転を始め、回折格子１が１２００ｎｍの波長を分光する位置まで回転した際には、５０度の角度に位置するような制御シーケンスのデータである。

上記説明から解るように、制御データは、カットフィルター７の配置角度の初期値（回転開始時の角度）、終期値（回転終了時の配置角度）、回転速度及び回転の向きの各情報を含んでいる。回転速度は、回折格子１の走査速度に依存する。走査速度はその分光器の性能に応じた一定の速度であり、したがってカットフィルター７の回転速度も初期設定の値で変更されないことが多い。また、回転の向きは、回折格子１の回転の向きやカットフィルター７の特性によるが、これも通常は変更されない。したがって、基本的には、測定波長範囲に応じて配置角度の初期値と終期値とを選択すれば良い。角度決定手段としては、測定波長範囲の境界値に対応してカットフィルター７の配置角度の初期値と終期値とを表データにして制御部８の記憶部（メモリ等）に保存し、それを読み出して角度を決定する構成が考えられる。前記の例で言えば、１２００ｎｍと２５００ｎｍが境界値になるが、１２００ｎｍに対応する角度として５０度を記憶しておき、２５００ｎｍに対応する角度として０度を記憶しておく。角度決定手段は、ＭＰＵ等のプロセッサであり、記憶部から角度を読み出し、０度→５０度に変化させるよう制御データを作成するものとされる。

制御部は、このようにして作成された制御データに従い、フィルター駆動機構７１を制御し、回折格子１の走査に連動してカットフィルター７を回転させ、カットフィルター７の配置角度を漸次変化させる。この他の動作は、前述した実施形態と同様である。
尚、制御部８における角度決定手段は、純粋に回路的に（ハードウェアとして）構成することも可能である。例えばＯＰアンプ回路を使用し、入力された測定波長範囲の各境界値に応じて配置角度に相当する電圧を出力するよう回路を構成すれば良い。

この実施形態の分光器においても、カットフィルター７の配置角度を変更することで遮断波長を変更するので、測定が簡便で短時間に済み、高速走査にも十分に対応が可能である。そして、測定が連続的で条件変化が一様なので、測定データの信頼性低下の問題もなく、高速測定にもより十分に対応が可能である。
また、この実施形態では、カットフィルター７の連動を電気的に（ソフトウェア的に又はハードウェア的に）行うので、制御条件の変更に柔軟に対応が可能である。図１に示す実施形態の場合、機械的な連結により連動させるので、例えばカットフィルター７を別の特性のものに変更した場合や回折格子１を別の特性のものに変更したような場合には、ギヤを別のものに変更する等、面倒な作業が必要になる可能性もある。一方、この図４の実施形態では、制御部８における設定値を変更するだけで良いので、制御条件の変更に対して柔軟に且つ容易に対応できる。
尚、この実施形態において、フィルター駆動機構７１は、カットフィルター７の回転を位置精度良く開始し、また位置精度良く終了させるとともに、回転速度を走査速度に応じて制御することから、パルスモータやサーボモータ等の高性能モータにより回転を行う構成とすることが望ましい。また、カットフィルター７の回転開始時の角度や終了時の角度をモニタするため、ロータリエンコーダのような回転角度モニタが必要に応じて設けられる。

上記各実施形態では、カットフィルター７の配置角度の変更は、回折格子１の走査に連動した一様なもの（所定角度範囲内の連続した回転）であったが、段階的に行うようにしても良い。段階的な配置角度の変更は、測定の連続性という点では前述したように劣るが、従来のようにカットフィルターを切り替えて使う構成に比べると、測定の簡便性や高速走査への対応性といった点で優れている。

段階的な角度変更を行う場合、測定波長範囲を幾つかに分け、それぞれの範囲において適したカットフィルター７の配置角度を予め選定し、その角度になるようフィルター駆動機構７１を制御する。前述したのと同様に、図２に特性を示したカットフィルター７を使用する場合、例えば、１２００ｎｍ〜１３００ｎｍの測定では配置角度を５０度とし、１３００ｎｍ〜２５００ｎｍでは配置角度を１０度とする。この場合、１２００ｎｍ〜１３００ｎｍを測定した後、回折格子１を止め、カットフィルター７の配置角度を５０度から１０度に変更する。その後、１３００ｎｍ〜２５００ｎｍの測定を行うようにする。場合によっては、回折格子１の回転（走査）を停止することなく行い、最適なタイミングでフィルター駆動機構７１を動作させて配置角度を変更することもあり得る。但し、前述した各実施形態に比べて、回折格子１の回転速度（走査速度）はある程度遅くする必要があろう。尚、この段階的な配置角度変更を行う構成の場合、各段階でカットフィルター７が所定の配置角度になっているかを監視するため、カットフィルター７の回転軸に回転角度モニタを設けておくと好適である。

上記各実施形態では、カットフィルター７は回折格子１の出射側に設けたが、回折格子１の入射側にカットフィルター７を設けても同様に測定が行える。但し、回折格子１の出射側では、遮断すべき高次回折光は、本来測定すべき回折光に比べて非常に小さい値であるのに対し、回折格子１の入射側では、まだ回折光となっていないので、遮断すべき高次回折光となる波長の光は大きな強度である場合が多い。したがって、カットフィルター７の遮断性能によっては、回折格子１の入射側にカットフィルター７を設けると問題が生じる場合がある（即ち、高次回折光を十分に除去できなくなる問題が起こり得る）。

また、カットフィルター７は、出射スリット５２の付近に配置されることが望ましい。図１や図４から解るように、被測定光は、第二の光学系６２によって出射スリット５２を透過する大きさの光芒に絞られる。出射スリット５２から離れた位置にカットフィルター７を配置しておくと、被測定光がまだ十分に絞られていないため、カットフィルター７に入射する角度が場所によってまちまちとなる。この点は、上述したようにカットフィルター７の姿勢を変化させた場合により顕著となる。このため、より精度の高い測定を行おうとした場合、問題となり得る。したがって、カットフィルター７は出射スリット５２の付近に配置することが望ましい。尚、出射スリット５２の出射側に別の光学系を設けてもう一度被測定光を絞るようにし、その絞る箇所にカットフィルター７を配置しても良い。

上記説明では、近赤外域の波長の光の測定を例にして説明したが、他の波長域の光の測定においても同様に実施することができる。また、上記各実施形態の分光器は、分光反射率の測定用であったが、各波長の強度（分光強度）の測定用であってもよく、また分光透過率等の測定用であっても良い。
カットフィルター７は一枚のみで足りると説明したが、二枚以上のカットフィルター７を切り替えて使用する場合もある。これは、測定波長範囲が広いなどの場合に一枚のカットフィルター７では対応しきれない場合があるからである。このような場合であっても、従来に比べると使用するカットフィルター７の枚数は少なくなり、切り替えの回数は少なくなるので、大きな効果がある。

１ 回折格子
２ 走査機構
２１ 回転角度モニタ
３ 分光器
３１ 信号処理部
４ 筐体
５１ 入射スリット
５２ 出射スリット
６１ 第一の光学系
６２ 第二の光学系
７ カットフィルター
７１ フィルター駆動機構

Claims (4)

1. 回折格子と、被測定光の入射方向に対する回折格子の配置角度を変化させることで被測定光を分光する走査機構と、回折格子で分光された測定波長の光を受光する受光器とを備えた走査型回折格子分光器であって、
   被測定光の光路上にはカットフィルターが配置されており、
   カットフィルターは、測定結果を得ようとする波長の光よりも短い所定の遮断波長以下の波長の光を遮断するものであり、
   このカットフィルターは干渉フィルターであって、被測定光の入射方向に対するカットフィルターの配置角度を変化させるフィルター駆動機構が設けられており、
   走査機構は、回折格子を回転させることで回折格子の配置角度を変化させるものであり、
   フィルター駆動機構は、カットフィルターを回折格子の回転軸とは異なる回転軸の回りに異なる回転をさせ且つ走査機構に連動して回転させることでカットフィルターの配置角度を連続的に変化させるものであり、走査機構が回折格子の配置角度を特定波長の光が受光器に入射する角度にした際、カットフィルターの配置角度を、その特定波長より短い波長が遮断波長となる角度にするものであることを特徴とする走査型回折格子分光器。
2. 前記フィルター駆動機構は、前記カットフィルターの回転軸と走査機構が備える前記回折格子の回転軸とを連結して連動させる機構であることを特徴とする請求項１記載の走査型回折格子分光器。
3. 前記フィルター駆動機構は、前記カットフィルターの回転軸と走査機構が備える前記回折格子の回転軸とをギヤにより連結して連動させる機構であることを特徴とする請求項２記載の走査型回折格子分光器。
4. 前記カットフィルターは、回折格子の出射側の光路上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の走査型回折格子分光器。

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