JPH06235660A

JPH06235660A - 分光分析装置

Info

Publication number: JPH06235660A
Application number: JP2244293A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Azuma; 博美東
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-23

Abstract

(57)【要約】【目的】分光分析の際に必要な波長だけを測定するこ
とを容易にし、測定波長域の微調整を可能にする。【構成】光学系から集光された入射光１を分散させる
シリンドリカルレンズ２と固体撮像素子４の前面におい
たストライプフィルタ３ならびにストライプフィルタ３
と固体撮像素子４を回転させるステージ５からなる。ス
トライプフィルタ３は、最大透過波長が異なる干渉フィ
ルタを短冊状に複数並べて構成されている。回転ステー
ジ５は、斜め入射を行うことでストライプフィルタ３の
透過波長特性を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子を用いた
分光分析装置に関し、特に、分光特性を設定可能とする
分光分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、分光分析装置は、分光素子と受光
素子で構成されている例が多い。分光素子には、回折格
子や分光フィルタ等が用いられており、受光素子には、
フォトダイオード等の単体素子やアレイ、１次元や２次
元固体撮像素子が用いられている。しかし、分光素子に
回折格子を用いた場合、分光分析に用いる１次元と呼ば
れる分光成分以外に、０次光と呼ばれる分光されない直
接光と、２，３次光と呼ばれる１次光よりは強度の弱い
分光成分が表れる。このため、入射光が回折格子に導か
れる前に、分析に不要な波長域成分を取り除くバンドパ
スフィルタ等が必要になる上、０次直接光ならびに２次
以上の分光成分が受光素子に入射しないように光路中に
光束規制孔等が必要になり、装置の小型化には適してい
ない。分光素子として分光フィルタを用いた場合、分光
分析を行うためには、光路中で分光感度特性が異なる複
数のフィルタを切り替える機構等が必要となる。

【０００３】従来、この種の分光分析装置は、例えば、
実開昭６３−１４５１３４号公報に示されるように、ダ
イナミックレンジを拡大するために光分散素子と受光部
との間に遮光縁を片側または両側に有するマスクを設け
ている。また、特開昭６３−２４３７２５号公報に示さ
れるように、測定光が時間的に変動しても測定処理に必
要な所定レベルの分光特性を得るためにラインセンサ型
のＣＣＤを受光素子に用いるとともに、このＣＣＤの露
光時間を測定光の強さに応じて制御する露光制御手段を
設けている。また、特開平２−４０５１６号公報に示さ
れるように、入射光の各波長の光を空間的に分散させる
分光手段と、分光した各波長の光をそれぞれの受光部が
同じように受光するように配置された感度の異なる複数
の固体撮像素子と、各波長の光に応じた複数の固体撮像
素子の出力を選択的に取り出す出力選択手段を用いるこ
とで、直線性の良い、広いダイナミックレンジを得よう
としている。

【０００４】図４は、従来の分光センサの概念図を示
し、図５は、図４に示す分光センサの断面構成図を示
し、図６は、図４に示す分光センサを構成する各画素の
出力特性を示している。図４において、分光フィルタ３
は、Ｘ方向に沿って、その分光透過主波長が連続的に変
化するように、Ｚ方向の厚みがＸ方向に沿って漸次大き
くなるように形成されており、また、Ｙ方向に沿って
は、その分光透過主波長が一様であるように、Ｚ方向の
厚みが一定に形成されている。この分光フィルタ３の下
方には、受光部にＸ方向に分割された複数の画素を持つ
リニア出力のＣＣＤ固体撮像素子４が配置されている。
分光センサにＺ方向から入射した光は、分光フィルタ３
により分光された後、ＣＣＤ固体撮像素子４に到達し、
このＣＣＤ固体撮像素子４の各画素で光電変換される。

【０００５】図５において、入射光１は分光フィルタ３
に入射する。ＣＣＤ固体撮像素子の画素４ａに入射する
光は、その上方に位置する分光フィルタ３により分光さ
れた主波長λ₁の波長の光であり、また、画素４ｂに入
射する光は、分光フィルタ３により分光された主波長λ
₂の波長の光である。各画素の出力は、図６に示され、
画素４ａに対する出力６ａは、主波長λ₁の光の分光出
力に対応し、画素４ｂに対する出力６ｂは、主波長λ₂
の光の分光出力に対応する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した実開昭６３−
１４５１３４号公報では、ダイナミックレンジを拡大す
ることが述べられているが、分光特性を設定可能とする
ことについては何ら示されていない。また、特開昭６３
−２４３７２５号公報では、時間的に変動する測定光で
あっても測定処理に必要で充分なレベルをもった受光デ
ータを得る手法が述べられているが、分光系に回折格子
を使用しているため、回折格子の特性によって分光特性
が決定するという課題がある。また、特開平２−４０５
１６号公報では、分光フィルタの分光透過主波長が連続
的に変化するように形成されているため、必要な波長の
みを測定することができない上に、固体撮像素子の１画
素の上方に位置する分光フィルタの厚さが連続的に変化
しているために、透過主波長が異なる分光成分が重畳さ
れて入射するという課題がある。

【０００７】本発明の目的は、必要な波長だけを測定す
ることができ、また、固体撮像素子の１画素に対して最
大透過波長が１つの分光成分のみを入射させることがで
き、また、測定波長域の微調整を行うことができる分光
分析装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を空間
的に分散する光学系と、最大透過波長の異なる干渉フィ
ルタを短冊状に複数並べて構成され、前記光学系によっ
て空間的に分散された入射光を分光する分光フィルタ
と、前記分光フィルタの後方に配置され、分光された入
射光を電気信号に変換する固体撮像素子と、前記固体撮
像素子の後方に配置され、入射光の光軸に対して前記分
光フィルタと前記固体撮像素子の法線軸を回転させる回
転ステージとを備えたことを特徴としている。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の一実施例を示す説明図で
ある。図１に示すシリンドリカルレンズ２は、光学系に
よって集光された入射光１を空間的に分散する。ストラ
イプフィルタ３は、最大透過波長の異なる干渉フィルタ
を短冊状に複数並べて構成されており、シリンドリカル
レンズ２によって空間的に分散された入射光を分光す
る。固体撮像素子４は、複数の画素から構成され、スト
ライプフィルタ３の後方に位置し、ストライプフィルタ
３により分光された入射光を電気信号に変換する。回転
ステージ５は、ストライプフィルタ３と固体撮像素子４
の後方に配置され、ストライプフィルタ３と固体撮像素
子４を入射光の光軸に対して回転させる。

【００１０】次に、図１に示した本発明の一実施例の動
作について説明する。図２は、図１に示す分光分析装置
の断面構成図である。光学系によって集光された入射光
１は、光学系の結像面近傍に配置されたシリンドリカル
レンズ２によって空間的に分散される。空間的に分散さ
れた入射光は、ストライプフィルタ３に入射する。スト
ライプフィルタ３は、固体撮像素子４の画素サイズの整
数倍もしくは分数比の幅で、最大透過波長の異なる干渉
フィルタを短冊状に複数並べて構成されている。固体撮
像素子４の各画素には、前面に位置するストライプフィ
ルタ３によって分光された入射光が入射する。図２にお
いて、画素４ｉは、固体撮像素子４のｉ番目の画素に対
応している。ｉ＝１に対応する固体撮像素子４の画素４
ａには、前面に位置するストライプフィルタ３により分
光された最大透過波長ｆ１の分光成分が入射し、また、
ｉ＝ｎに対応する画素４ｎには、ストライプフィルタ３
により分光された最大透過波長ｆｎの分光成分が入射す
る。

【００１１】図３は、固体撮像素子４によって光電変換
された各画素の出力を示す一例である。図３において、
出力６ｉは、固体撮像素子４のｉ番目の画素４ｉの出力
に対応している。ｉ＝１に対応する画素４ａの出力６ａ
は、最大透過波長ｆ１の分光成分に対応し、また、ｉ＝
ｎに対応する画素４ｎの出力６ｎは、最大透過波長ｆｎ
の分光成分に対応する。この際、固体撮像素子４の画素
４ｉに入射する最大波長ｆｉの波長は、画素４ｉの前面
に位置するストライプフィルタ３の短冊状の干渉フィル
タの最大透過波長にだけ依存し、画素４ｉの近傍の４ｉ
−１ならびに画素４ｉ＋１を始めとした、その他の短冊
状の干渉フィルタの最大透過波長とは独立である。その
ため、分光分析に必要な波長だけを容易に測定すること
ができ、短冊状の干渉フィルタの組み合わせは、干渉膜
を多重に蒸着することで容易に作成することができる。
また、回転ステージ５は、入射光の光軸に対してストラ
イプフィルタ３と固体撮像素子４の法線軸を回転させ、
入射光の斜め入射を行うこと、およびストライプフィル
タ３の透過波長特性を変化させ、測定波長域の微調整を
行うことができる。

【００１２】また、本実施例は分光分析用としている
が、その他の用途に用いることが可能である。

【００１３】また、本実施例では、光学系によって集光
された入射光を空間的に分散させるためにシリンドリカ
ルレンズを用いているが、その他の光学系であってもよ
い。

【００１４】また、本実施例では、分光素子として透過
型のストライプフィルタを用いているが、反射型のスト
ライプフィルタであってもよく、透過型モザイクフィル
タでも反射型モザイクフィルタでも、その他の分光素子
であってもよい。

【００１５】また、本実施例では、ストライプフィルタ
を構成する短冊状の干渉フィルタの幅を固体撮像素子の
画素サイズと同じサイズとしているが、短冊状の干渉フ
ィルタの幅は、固体撮像素子の画素サイズの整数倍もし
くは分数比の幅であってもよい。

【００１６】また、本実施例では、受光素子として固体
撮像素子を用いているが、その他の光電変換素子であっ
てもよい。

【００１７】また、本実施例では、分光波長の微調整用
に回転ステージを用いているが、その他の機構であって
も良く、微調整が不必要等の場合は用いなくてもよい。

【００１８】また、本実施例では、シリンドリカルレン
ズとストライプフィルタと固体撮像素子と回転ステージ
から構成されているが、その他の光学系や機構を付加し
てもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による分光
分析装置は、分光フィルタに最大透過波長が異なる干渉
フィルタを短冊状に構成したストライプフィルタを用い
ることにより、固体撮像素子の１画素に対して最大透過
波長が１つの分光成分のみを入射させることができ、必
要な波長だけを測定することができるという効果を有す
る。

【００２０】また、回転ステージにより、入射光の光軸
に対してストライプフィルタと固体撮像素子の法線軸を
回転させ、入射光の斜め入射を行うことにより、ストラ
イプフィルタの透過波長特性を変化させ、測定波長域を
微調整することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分光分析装置の一実施例を示す説明図
である。

【図２】図１の分光分析装置の断面構成図である。

【図３】図１の分光分析装置の分光出力特性を表す図で
ある。

【図４】従来の分光センサの概念図である。

【図５】図４の分光センサの断面構成図である。

【図６】図４の分光センサの各画素の出力特性を表す図
である。

【符号の説明】

１入射光２シリンドリカルレンズ３分光フィルタ４固体撮像素子５回転ステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を空間的に分散する光学系と、最大透過波長の異なる干渉フィルタを短冊状に複数並べ
て構成され、前記光学系によって空間的に分散された入
射光を分光する分光フィルタと、前記分光フィルタの後方に配置され、分光された入射光
を電気信号に変換する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の後方に配置され、入射光の光軸に対
して前記分光フィルタと前記固体撮像素子の法線軸を回
転させる回転ステージとを備えたことを特徴とする分光
分析装置。
【請求項２】前記光学系をシリンドリカルレンズとした
請求項１記載の分光分析装置。
【請求項３】前記分光フィルタを透過型ストライプフィ
ルタまたは反射型ストライプフィルタとした請求項１記
載の分光分析装置。
【請求項４】前記分光フィルタを透過型モザイクフィル
タまたは反射型モザイクフィルタとした請求項１記載の
分光分析装置。
【請求項５】前記干渉フィルタの幅を前記固体撮像素子
の画素サイズの整数倍または分数比の幅とした請求項１
記載の分光分析装置。