JP2006322710A - 分光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射または反射された光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定可能な分光測定装置を提供する。
【解決手段】 測定対象物の一点に焦点位置を有し、放射または反射された光を平行光化する第一のレンズ群と、平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、スリットを通過した光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、撮像手段と、データ処理装置とを有し、放射（反射）角度と分光強度を同時に測定する。なお、反射光を分光測定する場合には、光源と、レンズとピンホールとの組み合わせになる光学系とを有し、光源からの光をスポット光とする照射手段を備えることが好ましい。また、偏光特性を測定する場合には、光源からの光に偏光を与える偏光子を照射手段の光路上に備え、かつ第一のレンズ群と二次元分光器の間の光路上に検光子を配設することが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、測定対象物から放射または反射された光の分光測定装置に係り、とくに分光強度の放射角度または反射角度分布の測定に関する。

分光測定では一般に、測定対象物からの放射または反射された光を分光器内に取り込み、その分光強度、すなわち波長および波長ごとの光の強度についての情報を得る。また、微小な一点（測定点）からの光について分光測定を行なう場合には、その測定点に焦点を有するレンズを介して該光を分光器内に取り込み測定している。
しかしながら、従来の分光測定装置では、測定対象物からの放射または反射光の分光強度を、放射角度または反射角度の関数として同時に測定することができないという問題があった。従来の分光測定装置では、微小な一点（測定点）からの光について、分光強度の放射角度分布あるいは反射角度分布を測定するには、測定点に対し放射角度方向あるいは反射角度方向に分光器をゴニオメータ等により移動させるか、あるいは光学系（鏡系）を動かすことによって分光器に到達する光の放射角度あるいは反射角度を変化せしめる方法が採用されているが、いずれにしても移動角度ごとに分光強度をそれぞれ個別に測定することが必要であった。

このような問題に対し、分光測定ではないが、散乱光の強度を散乱角の関数として測定できる散乱強度測定装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された装置では、試料に光を照射する照射光源と、試料からの散乱光を反射させて集光するための、好ましくは回転楕円体面の一部から構成される反射鏡と、反射鏡の表面上の像を結像する結像レンズと、絞りと、結像レンズにより結像された像を記録する撮像手段とを備えて、光学系を構成する要素を動かすことなしに一度に、広い角度範囲で散乱光の散乱強度の角度依存性を測定可能としている。

しかしながら、特許文献１に記載された装置では、散乱光強度の角度分布は得られるが、その分光強度の測定はできないという問題がある。というには、特許文献１の装置で得られる二次元の散乱光強度の角度分布画像は湾曲しており、湾曲した画像を分光器に取り入れることはできないため、この装置を直ちに分光測定に適用することはできない。また、特許文献１に記載された装置で得られる散乱強度の散乱角度分布画像から、散乱強度の角度依存性を求めるには、光学系の湾曲の影響を考慮しなければならないため複雑な計算が必要となり、精度を確保するのが難しくなるうえ計算にも時間を要するという問題があった。

また、非特許文献１には、二次元分光測定器についての解説が記載され、対象物の部分位置とその各位置の分光強度（光スペクトル）を同時に測定可能な二次元分光器が記載されている。しかし、非特許文献１に記載された二次元分光器では、微小な一点からの放射または反射光について放射角度または反射角度と分光強度との関係を同時には測定できないという問題があった。
特許第3234183号公報 守屋進：光アライアンス vol.10 No.11（1999.11）p.４ 〜９、日本工業出版発行

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑み、測定対象物あるいは分光器を移動させることなく、測定対象物の一点（測定点）から放射される光または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定可能な、分光測定装置を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、測定対象物の一点（測定点）から放射または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定する方法について鋭意検討した。その結果、測定点の位置に焦点を持つレンズ群を配設し、測定点からの放射または反射角度に応じた光を空間的に平行な光とすることを想到した。そしてその平行光を、二次元分光器のスリットの位置に結像するようにして二次元分光器に取り込むことにより、放射または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定できる分光測定が可能となることを知見した。

本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）測定対象物から放射された光を分光測定する分光測定装置であって、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有し、該測定対象点から放射された光を平行光化する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から放射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有し、放射角度と分光強度とを同時に測定し、分光強度の放射角度分布を得ることを特徴とする分光測定装置。

（２）測定対象物から反射された光を分光測定する分光測定装置であって、光源と、レンズとピンホールとの組み合わせになる光学系とを有し、該光源からの光をスポット光として前記測定対象物の測定対象点に照射する照射手段を備え、さらに該照射されたスポット光の前記測定対象点から反射された光を平行光化する、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から反射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有し、反射角度および分光強度を同時に測定し、測定対象点の分光強度の反射角度分布を得ることを特徴とする分光測定装置。

（３）（２）において、前記照射手段が、前記光源からの光に偏光を与える偏光子を光路上に備え、かつ前記第一のレンズ群と前記二次元分光器の間の光路上に検光子を配設することを特徴とする分光測定装置。

本発明によれば、測定対象物の一点（測定点）から放射される光または反射される光の角度情報と分光強度情報とを同時に測定することが可能となり、分光測定の精度が向上するとともに、分光測定装置の小型が実現でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、偏光特性の測定も容易となるという効果もある。

本発明の分光測定装置は、基本的な構成として、第一のレンズ群２と、第二のレンズ群３と、二次元分光器４と、撮像手段５と、データ処理装置６とを有する。本発明の分光測定装置の構成の一例を模式的に図１に示す。図１は、測定対象物１の一点（測定点）から放射された光を分光測定する場合の例であるが、反射された光の場合でも測定原理は同じである。

第一のレンズ群２は、複数のレンズを組み合わせ、測定対象物１の測定点の位置に焦点を有し、入射した光を平行光化可能なように構成される。測定対象物１の一点（測定点）から放射された光は、このような第一のレンズ群２に導かれ、放射角度に応じて空間的に平行な光とされる。本発明では、放射された光を放射角度に応じて空間的に平行な光とすることがその後の分光測定において重要となる。なお、図１では、ミラー10を配設し平行光の方向を変えているが、装置の小型化のためでありこれに限定されるものではなく、ミラー10は必要に応じて配設することが好ましい。

平行光化された光は、ついで第二のレンズ群３に導かれる。
第二のレンズ群３は、複数のレンズを有し、入射する平行光を二次元分光器４のスリット4aの位置に結像可能なように構成される。第二のレンズ群３に導かれた平行光は、第二のレンズ群３によりスリット4aの位置に結像させられる。これにより、放射された光の放射角度の情報をスリットの幅方向に投影することができる。

測定点から放射されスリット4aの位置に結像した光は、スリット4aを通過しついで二次元分光器４で分光される。
二次元分光器４は、スリット4aと、レンズ4b1と、分光素子4cと、レンズ4b2とから構成される。二次元分光器４の構成の一例を図３に模式的に示す。分光素子4cは、前段のプリズム4c1と回折格子（透過型）4c2と後段のプリズム4c3とで構成される。なお、測定対象に応じて、スリット、分光素子は適宜選択可能とすることが好ましい。

スリット4aを通過した光は、レンズ4b1により平行光化され、分光素子4cにより分光され、後方のレンズ4b2により、二次元分光器４の出側に設けられた撮像手段５の撮像素子面に二次元分光画像として結像され、保存される。
撮像手段５は、分光された二次元分光画像を撮像可能なものであればよく、とくに限定されないが、ＣＣＤ撮像素子を二次元に配列した通常のＣＣＤカメラとすることが好ましい。撮像手段５の撮像素子面に得られる二次元分光画像は、図４に示すように一方の軸をスリットの位置情報、他方の軸を波長の情報として表示され、撮像素子の各画素における強度が各波長の強度となる。本発明では、上記したように二次元分光器４のスリット4aの位置情報（スリットの幅方向）が放射または反射光の角度情報となるようにしており、したがって、得られた二次元分光画像から、測定点からの放射または反射光の角度情報および分光強度情報が同時に測定できることになる。

撮像手段５には、撮像された二次元分光画像のデータ処理を行なうデータ処理装置６が接続され、撮像手段５の撮像素子からの出力を取り込み、得られた二次元分光画像のデータ処理を行なう。データ処理装置６には、得られた二次元分光画像から分光強度情報と放射（反射）角度情報とを関連づける計算等を実行できるコンピュータ（図示せず）およびそれら計算結果を図面等に表示する表示手段（図示せず）、さらにはこれらデータを格納する格納手段（図示せず）が含まれることは言うまでもない。

データ処理された結果の一例を模式的に図５に示す。図５（ａ）は波長と放射角度との関係を、図５（ｂ）はある波長における光強度と放射角度との関係を、図５（ｃ）はある角度における光強度と波長との関係を、それぞれ示す。本発明によれば、このような関係を一度の測定により得ることができる。
図２に、測定対象物の一点（測定点）で反射された光を分光測定する場合の分光測定装置の一例を示す。反射された光を分光測定する場合は、放射された光を測定する場合と分光測定装置の主要部の構成は同じであるが、測定対象物の一点（測定点）にスポット光を照射する照射手段20を必要とする。照射手段20は、光源21と、レンズ21，23とピンホール24との組み合わせになる光学系とを有する。この光学系により、光源21からの光をスポット光化する。照射手段20により得られたスポット光は、ハーフミラー25により反射されて、測定対象物１の一点（測定点）に照射される。ハーフミラー25は、測定対象物からの反射光を透過するものであり、装置の配列により必要としない場合もあり、必要に応じて配設すればよい。

照射された光は、測定点で反射されて、ハーフミラー25を透過して第一のレンズ群２に入射し、放射光と同様に平行光化され、第二のレンズ群３によりスリット4aの位置に結像され、二次元分光器４を介して分光され、撮像手段５に二次元分光画像を表示する。得られた二次元分光画像は、放射光と同様に、撮像手段５により撮像され、撮像手段５から出力されデータ処理装置６によりデータ処理され表示される。

なお、偏光特性を測定する場合には、偏光子31および検光子32を光路内に配設する。図２には、光源21からの光に偏光を与える偏光子31を照射手段の光路上に、さらに第一のレンズ群２と二次元分光器４の間の光路上に検光子32が、それぞれ着脱可能に配設されている場合を示す。偏光子31および検光子32を配設することにより、光源21から発せられた光は偏光特性をもつ光となり、反射光の偏光特性を測定することが可能となる。

本発明の分光測定装置の一例を模式的に示す概略図である。 本発明の分光測定装置の他の一例を模式的に示す概略図である。 本発明に好適な二次元分光器の構造を模式的に示す説明図である。 本発明における二次元分光器と撮像手段との関係を模式的に示す説明図である。 本発明の分光測定装置で測定されたデータを模式的に示すグラフである。

符号の説明

１ 測定対象物
２ 第一のレンズ群
３ 第二のレンズ群
４ 二次元分光器
4a スリット
4b1、4b2、レンズ
4c 分光素子
4c1、4c3 プリズム
4c2 回折格子
５ 撮像手段
６ データ処理装置
10 ミラー
20 照射手段
21 光源
22、23 レンズ
24 ピンホール
25 ハーフミラー
31 偏光子
32 検光子

Claims (3)

1. 測定対象物から放射された光を分光測定する分光測定装置であって、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有し、該測定対象点から放射された光を平行光化する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から放射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有することを特徴とする分光測定装置。
2. 測定対象物から反射された光を分光測定する分光測定装置であって、光源と、レンズとピンホールとの組み合わせになる光学系とを有し、該光源からの光をスポット光として前記測定対象物の測定対象点に照射する照射手段を備え、さらに該照射されたスポット光の前記測定対象点から反射された光を平行光化する、前記測定対象物の測定対象点に焦点位置を有する第一のレンズ群と、該平行光化された光を二次元分光器のスリットの位置に結像させる第二のレンズ群と、該スリットの位置に結像させられ、該スリットを通過した前記測定対象点から反射された光を分光し二次元分光画像とする二次元分光器と、該二次元分光画像を撮像する撮像手段と、該撮像された二次元分光画像をデータ処理するデータ処理装置とを有することを特徴とする分光測定装置。
3. 前記照射手段が前記光源からの光に偏光を与える偏光子を光路上に備え、かつ前記第一のレンズ群と前記二次元分光器の間の光路上に検光子を配設することを特徴とする請求項２に記載の分光測定装置。

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