特開 2018-84482 光スペクトル測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-84482(P2018-84482A)

(43)【公開日】2018年5月31日

(54)【発明の名称】光スペクトル測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/18 20060101AFI20180427BHJP

   G01J 3/02 20060101ALI20180427BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/18

   G01J3/02 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-227570(P2016-227570)

(22)【出願日】2016年11月24日

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】596157780

【氏名又は名称】横河計測株式会社

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】小島 学

【テーマコード（参考）】

2G020

【Ｆターム（参考）】

2G020AA03

2G020AA04

2G020CC02

2G020CC26

2G020CC62

2G020CD03

2G020CD24

2G020CD34

2G020CD36

2G020CD37

2G020CD38

2G020CD51

(57)【要約】

【課題】光学フィルタの特性が測定精度に影響を与えない光スペクトル装置を提供する。
【解決手段】回折格子分光器を用いた光スペクトル測定装置であって、波長λａについての測定対象次数回折光と不要次数回折光との回折効率の比率に基づいて、波長λａが不要次数回折光である波長λｂの測定値に現われる不要次数光スペクトルを推定し、推定された前記不要次数光スペクトルを用いて波長λｂの測定値を補正する不要次数カット演算部を備えた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回折格子分光器を用いた光スペクトル測定装置であって、
波長λａについての測定対象次数回折光と不要次数回折光との回折効率の比率に基づいて、波長λａが不要次数回折光である波長λｂの測定値に現われる不要次数光スペクトルを推定し、
推定された前記不要次数光スペクトルを用いて波長λｂの測定値を補正する不要次数カット演算部
を備えたことを特徴とする光スペクトル測定装置。

【請求項2】

前記不要次数カット演算部は、
さらに、波長λｂと波長λａとの分解能帯域幅の比率に基づいて前記不要次数光スペクトルを推定することを特徴とする請求項１に記載の光スペクトル測定装置。

【請求項3】

不要次数回折光の波長λｂを遮断する光学フィルタをさらに備え、
前記不要次数カット演算部は、
さらに、前記光学フィルタの遮断特性に基づいて、前記不要次数光スペクトルを推定することを特徴とする請求項１または２に記載の光スペクトル測定装置。

【請求項4】

前記不要次数カット演算部は、
前記回折効率の比率をあらかじめ記録していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スペクトル測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回折格子分光器を使用した光スペクトル測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光スペクトル測定装置は、入力光に対して、各波長に対応した光パワーを分光により測定して分析を行なう測定器であり、光ファイバ伝送システムの評価や光通信用デバイスの特性評価を目的とした測定等に広く使用されている。

【0003】

図１０は、従来の光スペクトル測定装置５００の測定原理を示す図である。測定対象の入力光は、光バンドパスフィルタ５２１で、狭い波長スロットに分割され、フォトダイオード５４０で電気信号に変換される。そして、増幅器５５０で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５６０でデジタル信号に変換される。

【0004】

光バンドパスフィルタ５２１の中心波長を掃引させることで得られる信号をプロットしていくことで光スペクトラムが得られ、表示装置５７０に測定結果として表示される。この光バンドパスフィルタ５２１は，回折格子を波長分散素子として使用したメカニカルな装置でモノクロメータと呼ばれる。光バンドパスフィルタ５２１では、回転ステージ上に配された回折格子の角度を、モータを備えた位置制御部５２６で変更することにより中心波長を掃引させる。

【0005】

回折格子分光器５２０の出力波長は、［数１］で与えられる。

【数1】

ここで、ｍは回折次数、ｄは回折格子５２２の溝間隔、θａは回折格子５２２の入射光と出射光との挟み角、θは回折格子５２２の法線と、入射光と出射光の中心とのなす角度である。（図１１参照）。

【0006】

［数１］から分かるように、波長λの光が回折格子５２２に入射すると、回折次数ｍの値によっていろいろな角度に回折する。ここで、ｍは整数であるから、回折角は離散的な値となる。

【0007】

このため、広い波長範囲（λａ〜λｂ）が回折格子５２２に入射すると、図１２に示すように、隣り合う次数のスペクトルが一部重なり合う現象が起こる。例えば、１次回折光の８００ｎｍを取り出せる回折角度θ_８００は、４００ｎｍの２次回折光を取り出す回折角度θ_４００と同一であるため、その角度でスペクトルが重なり合うことになる。

【0008】

したがって、１次回折光の８００ｎｍを取り出したい場合は、４００ｎｍの光を遮蔽する必要がある。このために、従来の光スペクトル測定装置５００は、不要次数をカットする光学フィルタ５３０を備えている。光学フィルタ５３０は、波長帯域毎に複数種類用意されており、適宜切り換えられて用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平０２−０８５７２９号公報

【特許文献2】特開２００５−２４９７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従来の光スペクトル測定装置５００は、光学フィルタ５３０を用いているため、光学フィルタ５３０の特性に測定精度が左右される。例えば、光学フィルタ５３０の遮蔽能力には限界があり、遮蔽したい波長帯域において完全な遮蔽ができるわけではない。

【0011】

例えば、１０００ｎｍ以上の波長を取り出すために、４００ｎｍ〜９００ｎｍを遮蔽する光学フィルタ５３０を用いる際に、光学フィルタ５３０の遮蔽能力が９９．９％であるとすると、０．１％の不要な回折次数の光が漏れ込んでしまい、測定結果の精度に悪影響を与えることになる。

【0012】

そこで、本発明は、光学フィルタの特性が測定精度に影響を与えない光スペクトル装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するため、本発明の光スペクトル測定装置は、回折格子分光器を用いた光スペクトル測定装置であって、波長λａについての測定対象次数回折光と不要次数回折光との回折効率の比率に基づいて、波長λａが不要次数回折光である波長λｂの測定値に現われる不要次数光スペクトルを推定し、推定された前記不要次数光スペクトルを用いて波長λｂの測定値を補正する不要次数カット演算部を備えたことを特徴とする。
ここで、前記不要次数カット演算部は、さらに、波長λｂと波長λａとの分解能帯域幅の比率に基づいて前記不要次数光スペクトルを推定することができる。
また、不要次数回折光の波長λｂを遮断する光学フィルタをさらに備え、前記不要次数カット演算部は、さらに、前記光学フィルタの遮断特性に基づいて、前記不要次数光スペクトルを推定してもよい。
また、前記不要次数カット演算部は、前記回折効率の比率をあらかじめ記録していることが好ましい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、光学フィルタの特性が測定精度に影響を与えない光スペクトル装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の光スペクトル測定装置の第１実施例を示すブロック図である。

【図2】不要次数カットの原理について説明するための図である。

【図3】１次回折光と２次回折光の回折効率の例を示す図である。

【図4】第１実施例の光スペクトル測定装置の動作について説明するフローチャートである。

【図5】関数Ｋ（λ）の算出について説明する図である。

【図6】分解能帯域幅のパラメータを説明する図である。

【図7】本発明の光スペクトル測定装置の第３実施例を示すブロック図である。

【図8】不要次数カット用光学フィルタの遮蔽特性例を示す図である。

【図9】測定波長に合わせて回折次数を変える光スペクトル測定装置を説明する図である。

【図10】従来の光スペクトル測定装置の測定原理を示す図である。

【図11】回折格子分光器の出力波長を説明する図である。

【図12】隣り合う次数のスペクトルが一部重なり合う現象を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の光スペクトル測定装置の第１実施例を示すブロック図である。本図に示すように、光スペクトル測定装置１００は、回折格子分光器１２０、フォトダイオード１４０、増幅器１５０、Ａ／Ｄ変換器１６０、表示装置１７０、不要次数カット演算部１８０を備えている。

【0017】

回折格子分光器１２０は、回折格子を波長分散素子として使用したモノクロメータで構成された光バンドパスフィルタ１２１と、回転ステージ上に配された回折格子の角度を、モータを用いて変更することにより中心波長を掃引させる位置制御部１２６を備えている。

【0018】

第１実施例の光スペクトル測定装置１００は、不要次数カット用の光学フィルタを備えておらず、その代わりに不要次数カット演算部１８０を備えている。不要次数カット演算部１８０は、不要次数によって現われる光スペクトルを推定し、測定結果から減算することで不要次数成分のカットを行なう。このため、光学フィルタの特性が測定精度に影響を与えることはない。不要次数カット演算部１８０は、推定用テーブル１８１を備えており、不要次数カット演算の際に参照する。

【0019】

ここで、本発明の不要次数カットの原理について説明する。ここでは、８００ｎｍから１８００ｎｍの測定波長帯域を、１次回折光を使用して測定する光スペクトル測定装置を例にする。不要次数回折光をカットする光学フィルタは用いていないものとする。この装置に、８５０ｎｍの単色光と、１３００ｎｍの単色光を同時入力すると、測定結果には、図２に示すように、８５０ｎｍと１３００ｎｍのピークに加え、８５０ｎｍの２倍である１７００ｎｍにピークが現われる。

【0020】

１７００ｎｍのピークは８５０ｎｍの２次回折光であるため、不要次数によって測定されたスペクトルである。ここで、［数２］に示すように、１７００ｎｍのピークの高さＰ_１７００は、８５０ｎｍのピークの高さＰ_８５０に対して、係数Ｋを掛け合わした値と表すことができる。

【数2】

ただし、η_{８５０ｎｍ1ｓｔ}は、８５０ｎｍにおける１次回折光の回折効率であり、η_{８５０ｎｍ２ｎｄ}は、８５０ｎｍにおける２次回折光の回折効率である。回折効率は、使用する回折格子等の部品固有の値であり、あらかじめ取得することができる。すなわち、Ｋが既知であれば、８５０ｎｍのピークの高さＰ_８５０に基づいて、２次回折光のピークの高さを推定することができるため、１７００ｎｍの不要次数によるスペクトルをカットすることができる。

【0021】

ここでは、説明のため、８５０ｎｍの単色光と１３００ｎｍの単色光を例にしたが、各波長において１次回折光の回折効率と２次回折光の回折効率が得られ、係数Ｋが定まることになる。すなわち、［数３］に示すように係数Ｋは、波長の関数Ｋ（λ）として考えることができる。ただし、η_λ1ｓｔは、波長λにおける１次回折光の回折効率であり、η_λ２ｎｄは、波長λにおける２次回折光の回折効率である。

【数3】

このことから、波長λの１次回折光スペクトルの高さがＰ（λ）のとき、不要次数として波長２λに現われる波長λの２次回折光スペクトルＰｃａｌ（２λ）は［数４］と表すことができる。

【数4】

したがって、波長２λの測定スペクトルをＰ（２λ）とすると、不要次数成分をカットした１次回折光のスペクトルＰ０（２λ）は［数５］と表すことができる

【数5】

ところで、１次回折光と２次回折光の回折効率は、一般に図３に示すような特性となる。すなわち、２次回折光の回折効率が高いのは、４００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲であり、８００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲に不要次数スペクトルとして現われることになる。

【0022】

このため、関数Ｋ（λ）のλは、実質的に、２次回折光の回折効率が高いおよそ４００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲を得ておけばよい。そして、得られた関数Ｋ（λ）と測定された４００ｎｍ〜９００ｎｍのスペクトルを用いて８００ｎｍ〜１８００ｎｍに現われる２次回折光のスペクトルを推定して、不要次数成分として測定値から減算すればよい。

【0023】

次に、第１実施例の光スペクトル測定装置１００の動作について図４のフローチャートを参照して説明する。光スペクトル測定装置１００の動作は、事前フェーズと測定フェーズとに分けることができる。事前フェーズは、２次回折光のスペクトルを推定する際に用いる関数Ｋ（λ）を作成して記録するフェーズであり、製造時等に１回行なえばよい。ただし、メンテナンス時等に再度行なって更新してもよい。測定フェーズは、実際の光スペクトル測定を行なうフェーズであり、ユーザにより繰り返し行なわれる。

【0024】

まず、事前フェーズとして、推定用テーブル１８１を作成する（Ｓ１０１）。本処理では、実測等に基づいて関数Ｋ（λ）を求めて、推定用テーブル１８１として記録する。関数Ｋ（λ）は、個体毎に異なるため、個体毎に事前フェーズを行なうことが好ましい。

【0025】

関数Ｋ（λ）は、［数３］により求めることができる。このため、２次回折光の回折効率の高い波長帯域を対象にして、波長λの単光色を順次変化させながら、１次回折光の光パワーと２次回折光の光パワーとを測定し、その比をＫ（λ）とすればよい。

【0026】

例えば、図５（ａ）に示すように、２次回折光の回折効率の高い波長として４００ｎｍの単光色を入射した場合は、４００ｎｍの１次回折光の光パワーと８００ｎｍの２次回折光の光パワーとの比を算出することで、Ｋ（４００ｎｍ）を求めることができる。単光色の波長間隔を細かくするほど、精度の高い関数Ｋ（λ）を求めることができる。測定ポイント間のデータは補間計算により求めることができる。

【0027】

測定フェーズでは、光バンドパスフィルタ１２１の中心波長を掃引することで測定対象の入射光の測定を行なう（Ｓ１０２）。この時点の測定結果には不要次数成分が含まれている。

【0028】

次に、他波長の２次回折光の影響を受ける帯域（図５の例では、９００〜１８００ｎｍ）について、不要次数光スペクトルの推定を行なう（Ｓ１０３）。不要次数光スペクトルの推定は、［数４］にしたがって、他波長の２次回折光の影響を受けない帯域（図５の例では、４００〜９００ｎｍ）の測定光スペクトルに、それぞれの波長の係数Ｋを乗じればよい。

【0029】

そして、他波長の２次回折光の影響を受ける帯域について、［数５］にしたがって、波長λごとに、測定光スペクトルから推定された不要次数光スペクトルを引くことで、測定光スペクトルを補正する（Ｓ１０４）。

【0030】

最後に、補正後の測定光スペクトルを測定結果として表示装置１７０等に出力する（Ｓ１０５）。出力される測定結果は、光学フィルタを用いることなく、不要次数成分をカットした精度の高い値である。

【0031】

次に、本発明の第２実施例について説明する。第１実施例の光スペクトル測定装置１００により、不要次数成分をカットした精度の高い測定結果を得ることができる。この精度は、不要次数によって現われる光スペクトルの推定精度を高めることで、一層高まることになる。

【0032】

そこで、第２実施例では、光スペクトル測定装置１００で測定される光パワーの値が、光パワー密度と呼ばれる分解能帯域幅当たりの光パワーであることを考慮し、［数４］に示した不要次数成分として波長２λに現われる波長λの２次回折光スペクトルＰｃａｌ（２λ）を、［数６］に示す式により求めるものとする。

【数6】

ここで、ＰＢは、分解能帯域幅であり、［数７］で与えられる。ただし、εは回折格子分光器１２０内の出力スリット幅であり、ｆは回折格子分光器１２０内のフォーカシングミラーの焦点距離、βは回折格子の法線と回折角とのなす角度である（図６参照）。

【数7】

分解能帯域幅ＰＢは、回折格子分光器１２０固有の値であり、あらかじめ取得することができる。このため、事前フェーズにおいて、関数Ｋ（λ）とともに求めて、推定用テーブル１８１として記録する。

【0033】

次に、本発明の第３実施例について説明する。図７は、本発明の光スペクトル測定装置の第３実施例を示すブロック図である。第１実施例と同じブロックは同じ符号を付している。本図に示すように、光スペクトル測定装置１０１は、回折格子分光器１２０、不要次数カット用光学フィルタ１３０、フォトダイオード１４０、増幅器１５０、Ａ／Ｄ変換器１６０、表示装置１７０、不要次数カット演算部１８０を備えている。すなわち、第３実施例では、不要次数カット演算部１８０とともに不要次数カット用光学フィルタ１３０を用いている。

【0034】

第３実施例では、［数４］に示した不要次数として波長２λに現われる波長λの２次回折光スペクトルＰｃａｌ（２λ）を、［数８］に示す式により求めるものとする。

【数8】

ここで、ＯＤは、図８に例示するような不要次数カット用光学フィルタ１３０の遮蔽特性である。不要次数カット用光学フィルタ１３０で遮蔽され、十分低減された不要次数回折光に対して、不要次数カット演算部１８０による不要次数カット演算を行なうため、より正確な光スペクトルを測定結果として得ることができる。このとき、不要次数カット用光学フィルタ１３０の遮蔽特性を考慮して不要次数カット演算を行なうため、光学フィルタの特性が測定精度与える影響を取り除くことができる。

【0035】

遮蔽特性は、不要次数カット用光学フィルタ１３０固有の値であり、あらかじめ波長毎に取得できる。このため、事前フェーズにおいて、関数Ｋ（λ）とともに求めて、推定用テーブル１８１として記録する。なお、［数８］において、分解能帯域幅ＰＢは省いてもよい。

【0036】

ところで、本発明の不要次数カットの原理として、８００ｎｍから１８００ｎｍの測定波長帯域を、１次回折光を使用して測定する光スペクトル測定装置を例に用いて説明したが、光スペクトル測定装置の中には、測定波長に合わせて回折次数を変えることで、広い波長帯域で高効率の測定を可能としているものがある。

【0037】

ここでは、図９に示すように、１次回折光と２次回折光との回折効率に応じて、４００ｎｍから５５０ｎｍの帯域は２次回折光を使用し、５５０ｍｍから１２００ｎｍの帯域は１次回折光を使用する光スペクトル測定装置を例に、本発明の第４実施例を説明する。

【0038】

第４実施例では、例えば、４００ｎｍの２次回折光と、８００ｎｍの１次回折光とが回折格子の同じ回転角度で得られるため、不要次数カット用光学フィルタが必須となる。すなわち、４００ｎｍの２次回折光を測定する際に、８００ｎｍを遮蔽する光学フィルタが必要となり、８００ｎｍの１次回折光を測定する際に、４００ｎｍを遮蔽する光学フィルタが必要となる。このため、図７に示した第３実施例と同様の構成とすることができる。

【0039】

仮に光学フィルタがない場合、例えば、８００ｎｍの単色光が入力されると、８００ｎｍの１次回折光と、４００ｎｍの２次回折光として測定され、それぞれのピーク高さは等しくなる。

【0040】

同様に、４００ｎｍの単色光が入力されると、８００ｎｍの１次回折光と、４００ｎｍの２次回折光として測定され、それぞれのピーク高さは等しくなる。

【0041】

このことから、光学フィルタがない場合、２次回折光で測定される波長λと、１次回折光で測定される波長２λとは、係数Ｋ＝１で互いの測定に不要次数光スペクトルとして現われることになる。

【0042】

第４実施例では、実装上、不要次数カット用光学フィルタ１３０が必須となることから、不要次数カット用光学フィルタ１３０の遮蔽特性をＯＤとすると、２次回折光で測定される波長λに現われる１次回折光で測定される波長２λの不要回折光は、［数９］で表すことができ、波長λの測定値の補正は、［数１０］で行なうことができる。ここで、Ｋ＝１のため、Ｋは不要となる。

【数9】

【数10】

また、１次回折光で測定される波長２λに現われる２次回折光で測定される波長λの不要回折光は、［数１１］で表すことができ、波長２λの測定結果の補正は、［数１２］で行なうことができる。

【数11】

【数12】

ここで、不要次数成分カットを行なう波長範囲は、２次回折光で測定される波長λの範囲と、対応する２λの範囲とすることができる。例えば、図９の例では、λを４００ｎｍから５５０ｎｍの範囲とし、２λを８００ｎｍから１１００ｎｍの範囲とすればよい。

【符号の説明】

【0043】

１００…光スペクトル測定装置
１０１…光スペクトル測定装置
１２０…回折格子分光器
１２１…光バンドパスフィルタ
１２６…位置制御部
１３０…不要次数カット用光学フィルタ
１４０…フォトダイオード
１５０…増幅器
１６０…Ａ／Ｄ変換器
１７０…表示装置
１８０…不要次数カット演算部
１８１…推定用テーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】