JPH0658811A - 光スペクトル分析のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光スペクトル分析に関連するパラメータのユー
ザによる設定及び、自動設定を可能とし、分析効率と確
度を向上させる。 【構成】ユーザが感度を設定すると、選定された感度と
最大入力光を測定できるように、ビデオチャネル（４
８，９０，９２，９４，９６）のゲインと帯域幅、及び
掃引速度が決定される。ビデオチャネルの通常帯域幅が
不適のときは、ディジタル・フィルタ１００が変更され
る。又高速走査時の信号振幅検出にはピーク検出器９０
が用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、光ビームのスペクトルを
分析する装置に関し、更に詳細には、掃引時間およびダ
イナミックレンジを最適にするようにユーザが感度を調
節し得る光スペクトル分析器に関する。

【０００２】

【従来技術と問題点】光スペクトル分析器は、レーザ、
発光ダイオード、およびその他の光源からの出力光ビー
ムを分析するのに使用される。光スペクトル分析器は、
光キャリアがスペクトル的に純粋な単一波長だけを備え
るのが望ましい光通信用光源を分析するのに特に有用で
ある。光スペクトル分析器では、光ビームの光強度を所
定の波長範囲にわたり波長の関数として表示する。光ス
ペクトル分析器で重要なパラメータには波長の範囲、波
長および振幅の正確度、感度、分解能、測定速度、偏り
不感性、およびダイナミックレンジがある。

【０００３】光スペクトル分析器は、分析すべき光ビー
ムをその成分波長に分解するのに屡々回折格子を使用し
ている。分析すべき入力光ビームは平行光線にされて回
折格子に導かれる。波長が異なれば回折される角度が異
なるから、光ビームは格子により部分的に分散される。
格子を、分散された光ビームがスリットにより分散され
るように回転させる。スリットを通過する光を検出して
振幅の波長の関数として表す出力信号を発生させる。ス
リットの幅はモノクロメータの分解能を確定する。従来
技術の光スペクトル分析器は上述のような単一段のモノ
クロメータ、および２段のモノクロメータを使用してお
り、この場合直列に動作する２個のモノクロメータによ
り性能が向上する。出力電気信号は回折格子の位置の関
数として表示され、入力光ビームの光スペクトルを示
す。

【０００４】光スペクトル分析器は、融通性を可能な限
り大きくするにはパラメータ値の広い範囲にわたって動
作すべきである。例えば、所定の波長の間隔は数ナノメ
ートルから数百ナノメートルの範囲にわたることがあ
る。或る場合には、ユーザは低振幅の信号を正確に測定
したいことがあり、これにより長い掃引時間が必要にな
る。他の場合には、小振幅信号を正確に測定することは
ユーザにとって重要ではなく、掃引速度を速くすること
ができることがある。従来技術の光スペクトル分析器は
広範多様なユーザの要求を適切に処理してはいなかっ
た。

【０００５】光ファイバ入力のある光スペクトル分析器
は長い掃引時間を必要とする低パワーレベルの信号を受
取ることがある。長い掃引時間が必要なのは信号対雑音
比を平均化して大きくする必要があるためである。頻繁
に、ユーザは信号のピークを捕らえるのに基準レベルを
選択し、光スペクトル分析器の表示上に垂直振幅尺度を
指定する。しかし、他に情報が無ければ、計器は、表示
画面の下に表されるパワーレベルの信号を正確に表示す
るために非常にゆっくり掃引しなければならない。表示
の下に表される信号レベルが無関係のものであるとき長
い掃引時間はユーザにとって受入れることはできない。

【０００６】従来技術の光スペクトル分析器では通常ユ
ーザが検出方法または平均化方法、または計器が高感度
であるか低感度であるかのモードを選択する必要があ
る。従来技術のシステムには幾つかの短所がある。計器
により正確に表示される最小信号に関する情報がユーザ
に提供されない。更に二つまたは三つの計器モードを示
すだけで、計器はほとんどの場合表示すべき検出可能最
小信号に必要なよりのろく掃引している。その他に、従
来技術のシステムは一般的に測定を行う仕方に関する情
報を供給しない。このような情報が無ければ、誤った測
定が行われる可能性がある。

【０００７】

【発明の目的】本発明の一般的目的は光スペクトル分析
器について、方法および装置を改良することである。

【０００８】本発明の他の目的は光スペクトル分析器に
ついて感度をユーザが調節できる方法および装置を提供
することである。

【０００９】本発明の他の目的は光スペクトル分析器に
ついて、ピーク検出器をビデオチャンネルに組込んで信
号振幅を高速走査状態で正確に測定する方法および装置
を提供することである。

【００１０】本発明の別の目的は光スペクトル分析器に
ついて、掃引時間を所定の組合わせの測定パラメータに
対して最適にする方法および装置を提供することであ
る。本発明の更に他の目的は光スペクトル分析器につい
て、掃引時間およびビデオ帯域幅をユーザの選択した感
度に応じて自動的に調節する方法および装置を提供する
ことである。

【００１１】本発明のなお他の目的は光スペクトル分析
器について感度をユーザに表示する方法および装置を提
供することである。

【００１２】

【発明の概要】前記のおよび他の目的および長所は、光
スペクトル分析器を使用して入力光ビームをスペクトル
分析する本発明の方法および装置により達成される。本
発明の方法は、感度をユーザが選択し得る光スペクトル
分析器を準備する階程、ユーザが選択した感度に応じて
必要な動作パラメータを設定し所定の感度で入力光ビー
ムの測定を行う階程、および入力光ビームの光スペクト
ルを所定の感度で提示する階程から構成されている。ユ
ーザに感度を選択させることにより、掃引の速さが所定
の測定パラメータに対して最適化され、ユーザは正確に
測定することができる最小入力信号を知る。

【００１３】光スペクトル分析器は、入力光ビームの強
さを波長の関数として表す電気信号を処理するビデオチ
ャンネルを備えている。必要な動作パラメータを測定す
る階程は典型的に、ビデオチャンネルの所要ゲインを設
定して最大入力信号の測定を行い、所定の感度を発生す
ることを含んでいる。所定動作パラメータを設定する階
程には典型的には更に、ビデオチャンネルの所要ゲイン
で所定の感度を発生するようビデオチャンネルのビデオ
帯域幅を設定すること、および光スペクトル分析器が入
力光ビームの波長走査を行い、所要ビデオ帯域幅で所定
感度を示す掃引速度を設定することを含んでいる。

【００１４】所定感度がビデオチャンネルで通常利用で
きる感度より低いときは、電気信号をディジタルフィル
タを通過させ、ディジタルフィルタのフィルタ係数を所
要ビデオ帯域幅が得られるように設定する。ビデオチャ
ンネルのアナログ帯域幅が所要感度を得るのに適切なと
きはディジタルフィルタを使用しない。

【００１５】ビデオチャンネルの所要ゲインを設定する
階程は、実質的に圧縮せずに最大入力信号を測定するこ
とができて所定感度が得られる単一ゲイン値を選択する
ことにより行うことができる。最大入力信号の測定およ
び所定の感度を単一ゲイン設定値で得ることができない
ときは、低いゲイン値を設定して圧縮せずに最大入力信
号の測定を行い、高ゲイン値を設定して所定感度を得
る。この場合には、入力光ビームの波長走査を行う階程
には、波長走査中、入力光ビームのレベルに応じて、高
ゲイン値と低ゲイン値との間で自動レンジ調節すること
が含まれる。

【００１６】本発明の他の局面によれば、光スペクトル
分析器を使用して入力光ビームのスペクトル分析を行う
方法が提供される。この方法はユーザが指定する最大入
力信号を処理する光分析器を準備する階程、ユーザが指
定する最大入力信号の測定を可能とする所要動作パレメ
ータを設定する階程、所要動作パラメータに対応する感
度を表示する階程、および入力光ビームの光スペクトル
を提示する階程から構成されている。感度をユーザが選
択しないときは、光スペクトル分析器は、所要パラメー
タに対応する感度を自動的に決定してその感度をユーザ
に表示する。

【００１７】本発明の更に他の局面によれば、高速走査
中に信号振幅を正確に測定するピーク検出器を使用して
光スペクトル分析を行う方法および装置が提供される。
入力光ビームをスペクトル分析する光スペクトル分析器
は、入力光ビームの波長走査を行って入力光ビームの強
さを波長の関数として表す電気信号を発生する手段、複
数の所定の各時間間隔中に電気信号のピーク値を検出す
る手段、所定の各時間間隔中にピーク値を測定する手
段、およびピーク値を波長の関数として表示し、入力光
ビームの光スペクトルを発生する手段から構成されてい
る。

【００１８】

【発明の実施例の詳細な説明】光スペクトル分析器の重
要な構成要素は、分析すべき入力光ビームをその波長成
分に分解するモノクロメータである。複光路走査モノク
ロメータ８を図１に絵画風に示してある。入力光ファイ
バ10は入力光ビーム12をレンズ14を通して回折格子16に
導く。入力光ファイバ10はシステムの入力スリットまた
はアパーチャとして作用する。入力光ビーム12は回折格
子16に入射する前にレンズ14により平行光線にされる。
回折格子16は入力光ビーム12を回折して部分分散光ビー
ム20を発生する。回折格子16は、周知のとおり、異なる
波長を異なる角度で回折するから、入力光ビーム12は部
分的にその成分波長に分解される。

【００１９】空間的に分散した光ビーム20はレンズ14を
通過し、ミラー22により、モノクロメータの分解能を決
定するスリット24を備えているアパーチャ板23に反射さ
れる。分散光ビーム20はレンズ14によりスリット24の平
面に焦点を結ぶ。スリット24は分散光ビーム20の所定部
分を通す。幅が異なるスリット24を使用して異なる分解
能を得る。スリット24は分散光ビーム20の空間フィルタ
として作用し、ろ波された光ビーム30を発生する。

【００２０】ろ波光ビーム30はミラー26により半波長板
32およびレンズ14を通して回折格子16に反射される。ろ
波光ビーム30は格子16に入射する前にレンズ14により平
行光線にされる。ろ波光ビーム30は回折格子16に導かれ
て時間および波長の分散が共に回折格子16により崩壊さ
れて出力光ビーム36を形成する。出力光ビーム36はミラ
ー40により出力光ファイバ42の入力端に反射される。出
力光ビーム36はレンズ14により光ファイバ42の入力端に
焦点を結ぶ。出力光ビーム36は光ファイバ42により、出
力光ビーム36を出力電気信号に変換する光検出器46に運
ばれる。出力電気信号は増幅器48により増幅される。

【００２１】回折格子16は回折格子モータ52により回転
軸50の周りを回転して空間分散光ビーム20をスリット24
に対して走査する。回転軸50は走査の方向が分散の軸と
同じになるように選定される。スリット24を通過する光
は入力光ビーム12の所定の波長範囲を横断する走査を表
す。スリット24の幅によりシステムの分解能が決まる。

【００２２】回折格子16の位置をサーボループで制御し
て非常に正確な走査および非常に正確な回折格子位置情
報を得る。掃引信号を加算装置54およびモータインター
フェース56を通して格子回折モータ52に入力する。軸50
の周りの回折格子16の回転位置を高分解能の光式位置エ
ンコーダ58で検出する。位置情報の分解能を回折格子位
置情報を出力するインターポレータ60により更に大きく
する。回折格子位置情報を加算装置54に入力する。所要
の回折格子位置を表す掃引信号と検出した格子位置との
間の差は回折格子モータ52を駆動するのに使用される誤
差信号である。モノクロメータ８に関するこれ以上の詳
細はKenneth R. Wildnauer等による米国出願第７８８，
４４４号：「 Optical Spectrum Analyzer Having Doubl
e-Pass Monochromator」の明細書に開示されており、こ
れを参照する。

【００２３】光スペクトル分析器のブロック図を図２に
示す。光検出器46は光ファイバ42の出力光ビームを電気
信号に変換する。光検出器46は典型的にはフォトダイオ
ードである。増幅器48は低ノイズ伝達インピーダンス(t
ransimpedance)増幅器70を備えている。フィードバック
抵抗器72、74、...76 は、ゲイン制御信号に応じて、そ
れぞれ、スイッチ82、84、...86 により増幅器70の出力
と反転入力との間に選択可能に接続されている。ゲイン
設定値により下に説明するように異なる感度レベルを選
択することができる。

【００２４】伝達インピーダンス増幅器48の出力はピー
ク検出器90およびサンプルホールド装置92に入力され
る。下に説明するように、サンプルホールド装置92は、
ディジタルろ波が必要なとき増幅器の出力信号をサンプ
ルするのに使用され、ピーク検出器はディジタルろ波が
必要でないときに使用される。電気的に制御されるスイ
ッチ94はピーク検出器90またはサンプルホールド装置92
の出力をアナログ・ディジタル変換器(ADC)96 の入力に
接続する。ADC96 からの信号サンプルはディジタル信号
プロセッサ106 に入力されるが、このプロセッサはADC
データをディジタルろ波手段100 またはディジタルピー
ク検出手段102 により処理する手段となる。ディジタル
ろ波が必要なときは、サンプルホールド装置92の出力を
スイッチ94によりADC96 に接続する。ディジタルろ波を
必要としないときは、ピーク検出器90の出力をADC96 に
接続し、ディジタルピーク検出を行う。光検出器46とデ
ィジタル信号プロセッサ106 との間の素子はビデオチャ
ンネルを構成する。

【００２５】ピーク検出器90は、モノクロメータの高速
走査中信号振幅を正確に測定することができるように設
けられており、この場合信号の振幅の変化の速さはADC9
6 のサンプル速さより大きい。この場合には、ピーク検
出器の出力はADC 変換の間の期間中信号の最大値を保持
している。各ADC 値は前のADC 値以来発生した最大信号
振幅を表す。ADC サンプル間隔は約40マイクロ秒であ
る。

【００２６】好適実施例では、二つの入力チャンネルが
あるADC96 を使用している。第２のチャンネルは別のピ
ーク検出器90、サンプルホールド92、およびこの回路に
先行するゲインを有するスイッチ94を備えている。この
追加チャンネルはADC96 の測定範囲を広げるのに使用さ
れる。ADC の範囲内に最高信号レベルを有するチャンネ
ルは各ADC 変換より前に選択される。

【００２７】ディジタル信号プロセッサ106 は適切な信
号を表示装置およびユーザインターフェース装置108 に
供給して下に説明するように光スペクトル表示を発生す
る。ディジタル信号プロセッサ106 はまた、掃引信号を
モノクロメータ８に供給し、フィルタ係数をディジタル
フィルタ100 に供給してフィルタ帯域幅を決定する。回
折格子位置情報はモノクロメータ８からディジタル信号
プロセッサ106 に接続され光スペクトル表示のための波
長情報を発生する。トレースプロセッサ107 は回折格子
位置情報と信号データとを組合わせて表示データを表示
装置およびユーザインターフェース装置108 に供給す
る。ディジタル信号プロセッサ106 は、たとえば、モト
ローラ56001 ディジタル信号プロセッサを備えることが
できる。

【００２８】光スペクトル分析器の表示画面およびユー
ザインターフェースを図３に示す。入力光ビームの振幅
は表示画面118 に波長の関数として表示される。典型的
なスペクトル120 を図示してある。計器はメニュー基準
ユーザ入力を供給する。画面の左縁に沿うセレクタキー
122 、124 、126 などは波長、振幅、マーカ、などのよ
うなパラメータ部類の選択ができるようにしている。パ
ラメータ部類の一つを選択すると、メニューが画面の右
側に現れて、セレクタキー130 、132 、134 、136 など
を使用して各種サブパラメータを選択することが可能に
なる。サブパラメータの値を数値キーパッド140 を用い
て入れることができる。たとえば、波長をセレクタキー
122 で選択すると、画面の右側のメニューにより中心波
長、波長間隔、開始波長、終端波長、などを選択するこ
とができる。振幅を選択すると（図５を参照）、メニュ
ーにより基準レベル、感度、目盛あたりのdB(dB/Div)な
どを選択することができる。図３に示した形式のユーザ
インターフェースはヒューレット・パッカード社が製造
し販売しているHP 71450A 型およびHP 71451A 型で実現
される。

【００２９】本発明の一特徴によれば、ユーザは、図５
〜図８に示すように、振幅パラメータの一部として感
度、基準レベル、およびdB/Divを選択することができ
る。基準レベルは表示画面上の所定の垂直位置に対する
dBm で表した入力光信号レベルを確定する。基準レベル
の垂直位置は表示画面の反対側に矢印150 および152 で
示してあり、基準レベルに対応する入力信号は154 で数
値により示してある。基準レベルは典型的には画面の上
から１目盛のところにあるが、ユーザによっては表示画
面上の他のレベルに置くことができる。第２の入力パラ
メータは表示画面上の垂直尺度であり、典型的にはdB/D
ivで指定される。基準レベルおよびdB/Div設定値から、
画面の頂部に対応する入力信号レベルが決まる。図５の
例では、基準レベルは０dBであり、尺度は10dB/Divであ
り、画面の頂部のレベルは＋10dBm である。画面の頂部
のレベルはパラメータの所定の組合わせに対して正確に
表示することができる最大入力光信号レベルを確定す
る。

【００３０】感度は計器によって正確に測定することが
できる最小入力信号レベルを確定するものでdBm で指定
される。光スペクトル分析器では、感度は計器のRMS ノ
イズレベルの６倍と規定されている。感度は表示画面上
156 で数値で示されている。下で説明するように、感度
はユーザにより設定されることができ、または計器によ
り自動的に決定されることもできる。いずれの場合で
も、感度は画面上に表示される。ユーザは感度を0.1dBm
刻みで選択することができる。図７の例では、感度は−
60dBm に設定されている。感度を設定することにより、
ユーザは関心を持っている最小入力信号レベルを指定す
る。これにより以下に説明するように掃引時間を最適に
することができる。計器がユーザが必要とするより敏感
なときは、掃引時間は必要より長い。

【００３１】ユーザが選択したパラメータ、基準レベ
ル、dB/Div、および感度は、（基準レベルおよびdB/Div
から）正確に測定することができる最高信号レベル、お
よび正確に測定することができる最低信号レベルが確定
し、これにより計器の測定レベルが規定される。これら
の値から、計器はユーザが選択した性能を発揮するよう
に組立てられる。一般に、設定すべき計器の内部パラメ
ータは(1) 伝達インピーダンス増幅器48のゲインにより
確定されるビデオチャンネルのゲイン、(2) ビデオチャ
ンネルの帯域幅、および(3) 掃引速さである。伝達イン
ピーダンス増幅器48のゲインは最大入力信号レベルで、
本質的な圧縮、またはクリッピングを回避するよう選択
しなければならない。

【００３２】その他、伝達インピーダンス増幅器のゲイ
ンが所定の感度を確実に示すようになっていなければな
らない。ユーザが大きな測定レンジを選択したときは、
伝達インピーダンス増幅器のゲインの一つの値が、低レ
ベル信号について、所要感度を得るのに必要となり、伝
達インピーダンスゲインの他の値が最大測定可能信号に
近い入力信号の圧縮を防止するのに必要なことがある。
この場合には、掃引中にシステムが自動的に停止し、ゲ
インを必要に応じて大振幅信号または小振幅信号を処理
するよう切替える自動レンジ調節モードが使用される。

【００３３】ユーザが選択した感度レベルが下がるにつ
れて（計器が一層敏感になる）、所定の感度を達成する
ためにビデオ帯域幅を大きくする。ビデオ帯域幅が大き
くなると、掃引時間がそれに従って増加しなければなら
ない。掃引時間はビデオ帯域幅に反比例するからであ
る。感度およびビデオ帯域幅は共に小さな刻みで調節す
ることができるから、掃引時間を所定パラメータに対し
て最適化することができる。これにより感度が少量増加
し掃引時間が大幅に増加するという問題が回避される。

【００３４】ディジタル信号プロセッサ106 により行わ
れる基本感度設定アルゴリズムの流れ図を図４に示して
ある。ユーザは階程160 で基準レベルおよびdB/Div尺度
を選択する。感度は自動的にまたは人手で決定すること
ができる。階程162 は感度レベルがユーザにより選択さ
れたか否かを判定する。

【００３５】感度がユーザによって選定されないとき
は、感度を自動的に決定する。階程164 で画面信号レベ
ルの頂部を選択した基準レベルおよびdB/Divから決定
し、画面信号レベルの頂部で信号の実質的圧縮を防止す
るようビデオゲインを設定する。伝達インピーダンス増
幅器48の各ゲイン設定値について、対応するアナログビ
デオ帯域幅および感度が存在する。伝達インピーダンス
増幅器ゲインの値、アナログビデオ帯域幅、および感度
はテーブルに格納される。伝達インピーダンス増幅器
は、たとえば、六つのゲイン設定値を備えることができ
る。所要のゲイン設定値に対応する感度が階程164 で画
面に表示される。自動モードでは、ビデオ帯域幅は所要
ゲイン設定値に対する最大値であり、図２に示したディ
ジタルフィルタ100 は使用されない。掃引速度は階程16
6 でアナログビデオ帯域幅に基づいて所要ゲイン設定値
に設定され、階程170 で入力光ビームの所要分析が行わ
れる。

【００３６】基準レベルをユーザが下げると、画面の頂
部に対応する入力信号が減り、それによりビデオゲイン
が高くなり、信号対ノイズ比が改善される。その結果、
感度が下がる。したがって、感度は所定の基準レベルを
自動的に追跡し、ユーザに所定パラメータに対する最良
の感度および掃引時間が提供されるようになる。感度は
画面上に表示されるので、ユーザは正確に測定すること
ができる最小入力信号を知る。

【００３７】階程162 で、ユーザが感度値を手動で選択
したことが判定されると、伝達インピーダンス増幅器、
またはビデオ、ゲインが階程172 で決定され、設定され
る。この場合には、画面信号レベルの頂部から決定され
た最大測定可能信号レベル、および選択された感度によ
って指定される最小測定可能信号レベルが共にユーザに
より入力される。最大入力信号レベルで圧縮されないよ
うにする通過増幅器ゲインが決定される。また、所定の
感度を達成するに必要な伝達インピーダンス増幅器ゲイ
ンが決定される。最大測定可能信号レベルと最小測定可
能信号レベルとの間の差が比較的小さいと、単一ゲイン
設定値を使用することができる。ユーザが大きな測定レ
ンジを必要とするときは、所定の感度を達成するのに、
基準レベルに近い入力信号に対して低ゲイン設定値が必
要であり、ノイズレベルに近い入力信号に対して高ゲイ
ン設定値が必要である。この場合には、自動レンジ調節
モードが必要である。

【００３８】自動レンジ調節モードでは、入力信号レベ
ルに応じて、高いまたは低いゲイン設定値が選択され
る。信号レベルが高ゲイン設定値で掃引中に所定のレベ
ルを超えると、掃引を停止し、わずかに後退させ、ゲイ
ン設定値を低ゲイン値に切替える。こうして信号レベル
が所定レベルより下に下がるまで掃引を低ゲイン設定値
で続ける。所定レベルより下に下がった時点で、掃引を
停止し、わずかに後退し、ゲイン設定値を高ゲイン値に
切替える。計器は、入力信号レベルに応じて、高ゲイン
値と低ゲイン値との間で自動レンジ調節を続ける。

【００３９】伝達インピーダンス増幅器ゲイン値を設定
してから、階程174 でビデオ帯域幅を決定し設定する。
所定ビデオ帯域幅は所定感度および階程172 で決定され
たゲイン設定値に基づいている。上に示したように、伝
達インピーダンス増幅器48の各ゲイン設定値は異なるア
ナログビデオ帯域幅を備えている。所定感度を更に別の
ビデオろ波を行わずに達成することができる場合には、
有効ビデオ帯域幅は伝達インピーダンス増幅器48の所定
ゲイン設定値でのアナログ帯域幅に対応する。

【００４０】ユーザが伝達インピーダンス増幅器48の最
大感度設定値に対するものより低い感度を選択する場合
には、ディジタルフィルタ100 を使用して更に感度を大
きくする。検出モードを、サンプルホールド装置92をス
イッチ94を介してアナログ・ディジタル変換器96に接続
することにより、ピーク検出モードからサンプリングモ
ードに切替える。所要ビデオ帯域幅を決定し、ディジタ
ルフィルタ100 のフィルタ係数を計算して所要ビデオ帯
域幅を達成する。

【００４１】次に、階程176 で掃引速度を決定し設定す
る。ディジタルフィルタ100 を必要とせず、システムが
ピーク検出モードで動作しているときは、掃引速度を伝
達インピーダンス増幅器48の所定ゲイン設定値に対する
アナログ帯域幅から決定する。サンプリングモードで
は、ディジタルフィルタ100 を使用してビデオ帯域幅を
小さくすると、掃引速度は伝達インピーダンス増幅器48
のアナログ帯域幅およびディジタルフィルタ100 のビデ
オ帯域幅の組合わせにより決まる。各場合に、掃引速度
を調節してモノクロメータ８に使用されているスリット
24の幅を補償する。狭いスリット幅に対しては掃引速度
が小さくなるが、広いスリットに対しては掃引速度が大
きくなる。階程126 で掃引速度を決定してから、階程17
0 で入力光ビームの必要な分析を行う。

【００４２】伝達インピーダンス増幅器ゲイン、ビデオ
帯域幅、および掃引速度の計算の詳細を下に示す。最初
に、検出回路の所要電気的ダイナミックレンジを決定す
ることが必要である。電気的ダイナミックレンジを決定
する際の一つの因子は光入力から光検出器46までのモノ
クロメータを通過する光損失である。光損失はモノクロ
メータの最も広い分解能帯域幅において波長の関数とし
て測定される。狭いスリットを使用するときは、光検出
器46はどんなときでも光源から利用可能な全部の光を受
取ることはなく、光損失に対して補正を行わなければな
らない。必要な電気的ダイナミックレンジに関する別の
因子には所定光感度、光検出器の波長の関数としての光
感度、および所定基準レベルがある。電気的感度(elect
＿sens)は

【００４３】

【数１】

【００４４】で与えられ、最大電気信号(elect＿max ＿
signal) は

【００４５】

【数２】

【００４６】で与えられる。ここでopt ＿loss( λ) は
プログラムされた波長間隔にわたる入力から光検出器ま
での波長の関数としての光損失であり、det ＿sen(λ)
は光検出器46の波長の関数としての光的感度であり、re
f ＿level は所定基準レベル設定値であり、opt ＿sens
は所定の光感度である。

【００４７】伝達インピーダンス増幅器ゲイン設定値は
上に説明したように計算した電気的感度および最大電気
信号から決まる。他に、伝達インピーダンスゲインテー
ブルは伝達インピーダンス増幅器48の各ゲイン設定値に
関する情報を備えている。伝達インピーダンス増幅器の
各ゲイン（フィードバック抵抗器）の値について、テー
ブルには対応する感度（アンペアおよびdBm で表す）お
よびアナログ帯域幅が入っている。上に説明したよう
に、伝達インピーダンスの低いゲインは基準レベルに近
い信号に対して決められ、伝達インピーダンスの高いゲ
インはノイズレベルに近い信号について決められる。伝
達インピーダンスのゲインは次のように決定される。伝
達インピーダンスの低いゲイン設定値(ti ＿low ＿gai
n) は次式に与えられる。

【００４８】

【数３】

【００４９】例、elect ＿max ＿singal＝1.5 ミリアン
ペア、r ＿max ＝6.66 kオーム、およびti＿low ＿gain
＝１Ｋオーム。伝達インピーダンスの高いゲイン設定値
(ti ＿high＿gain) は次式で与えられる。

【００５０】

【数４】

【００５１】上述のように、伝達インピーダンスの高い
ゲインが伝達インピーダンスの低いゲインに等しいとき
は、自動レンジ調節は不要である。

【００５２】ビデオ帯域幅およびディジタルフィルタ係
数は先に計算した伝達インピーダンスの高ゲイン、最も
敏感なゲイン設定値での伝達インピーダンス増幅器の感
度、および所要電気的感度の値によって決まる。所要の
感度をディジタルフィルタ無しで達成し得る場合には、
有効ビデオ帯域幅は伝達インピーダンスのゲイン設定値
の上記テーブルから直接得られる。ユーザが伝達インピ
ーダンス増幅器の最も敏感な設定値より小さい（一層敏
感な）感度を選択する場合には、伝達インピーダンス増
幅器の最も敏感なゲイン設定値を選択し、ディジタルフ
ィルタ100 を使用して感度を上げる。この場合所要感度
を与えるディジタルフィルタ帯域幅を決定することが必
要である。

【００５３】ディジタルフィルタを使用するときは、検
出モードはピークモードからサンプリングモードに切替
わる。ディジタルフィルタの正しい設定値を決定するに
は、所要感度の達成可能な感度に対する比を求める。感
度比(sens ＿ratio)はパワー比であり、次のように計算
される。

【００５４】

【数５】

【００５５】ディジタルフィルタは次の方程式を使用し
てモデル化される。

【００５６】

【数６】

【００５７】ここでfilt＿coeff はディジタルフィルタ
の係数であり、Ｚは周波数の複素変数表現である。ディ
ジタルフィルタに関連する有効ビデオ帯域幅（effectiv
e ＿vbw ）は次式で与えられる。

【００５８】

【数７】

【００５９】所要ビデオ帯域幅が与えられてフィルタ係
数(filt ＿coeff) を見出す逆公式は次のようになる。

【００６０】

【数８】

【００６１】回折格子16がその軸の周りを回転する速さ
を毎秒ラジアンで表したものである掃引速度がビデオ帯
域幅から決定される。掃引速度は、伝達インピーダンス
のゲイン設定値の関数であるビデオチャンネルの帯域
幅、ピーク検出器90の回転速さ、およびディジタルフィ
ルタの帯域幅によって制限される。掃引速度d θ/dT は
格子モータ52の毎秒回転あたりラジアンで表して計算さ
れる。画面上に表示される掃引時間は掃引速度および開
始波長λ1 および停止波長λ2 から決定される。掃引時
間Ｔは

【００６２】

【数９】

【００６３】により与えられる。ここでｄは常数であ
り、ｎは回折格子の次数である。ディジタルフィルタ10
0 を使用しないピーク検出モードでは掃引速度は次のよ
うに決定される。

【００６４】

【数１０】

【００６５】ただしf3dB(TI)は上述のようなテーブルか
ら得た伝達インピーダンス増幅器のアナログ帯域幅であ
り、α(Xs)はモノクロメータ８の所定スリットと共に変
わる掃引係数である。掃引係数は選択し得る各スリット
に対する掃引係数をリストしているテーブルから得られ
る。掃引係数は狭いスリットに対しては比較的大きく、
広いスリットに対しては比較的小さい。掃引係数の効果
は狭いスリットに対する掃引速度を下げることである。
ディジタルフィルタを使用しているサンプルモードで
は、掃引速度は次のように計算される。

【００６６】

【数１１】

【００６７】ここでfvbwはディジタルフィルタの帯域幅
と伝達インピーダンス増幅器のアナログ帯域幅とを組合
わせることにより近似されるシステムの有効ビデオ帯域
幅であり、f3dBは伝達インピーダンス増幅器のアナログ
帯域幅であり、Xsはスリット幅であり、α(Xs)は上に説
明した掃引係数である。30マイクロメートル未満のXsの
値については、掃引速度は典型的には半分だけ小さくな
る。

【００６８】光スペクトル分析器の上述の構成は、一層
使用し易い計器を提供すると共に更に多くの情報をユー
ザに提供する。感度をユーザが選択できるようにするこ
とにより、掃引速度はユーザが選択した測定条件に対し
て最適化される。更に、正確に測定し得る最小信号のよ
うな別の情報がユーザに明白になる。又、本発明の好適
実施例と考えられているものについて図示し説明した
が、当業者には、特許請求の範囲に規定した本発明の範
囲から逸脱することなくこれに種々な変更および修正を
行うことができることが明らかであろう。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したとうり、本発明の実施によ
り、前記「発明の目的」の項に記載の各目的が達成され
るという効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】光スペクトル分析器に用いる複光路走査モノ
クロメータの絵画風ブロック図である。

【図１Ｂ】光スペクトル分析器に用いる複光路走査モノ
クロメータの動作を説明するためのブロック図である。

【図２】本発明を実施した光スペクトル分析器のブロッ
ク図である。

【図３】本発明を実施した光スペクトル分析器の制御パ
ネルと表示スクリーンの配置を示す図である。

【図３Ａ】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示
スクリーンの構成を示す図である。

【図３Ｂ】本発明を実施した光スペクトル分析器の制御
パネルの構成を示す図である。

【図３Ｃ】本発明を実施した光スペクトル分析器の制御
パネルの構成を示す図である。

【図３Ｄ】本発明を実施した光スペクトル分析器の制御
パネルの構成を示す図である。

【図４】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示ス
クリーンの表示例を示す図である。

【図５】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示ス
クリーンの表示例を示す図である。

【図６】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示ス
クリーンの表示例を示す図である。

【図７】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示ス
クリーンの表示例を示す図である。

【図８】本発明を実施した光スペクトル分析器の表示ス
クリーンの表示例を示す図である。

【符号の説明】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス・リチャーズ・ウイルドナウア アメリカ合衆国カリフォルニア州サンタ・ ローザ，マードック・ドライブ2478 (72)発明者 スチーブン・デービット・ワーウイック アメリカ合衆国カリフォルニア州サンタ・ ローザ，エム・ティー・テイラー・ドライ ブ4471

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後記（イ）及至（ハ）のステップを含む光
   スペクトル分析のための方法。 （イ）ユーザが選択可能な感度を有する光スペクトル分
   析装置を用意するステップ。（ロ）前記光スペクトル分
   析装置が前記感度の選択に応じて、前記選択された感度
   において入力光ビームの測定を行うための必要な動作パ
   ラメータを設定するステップ，（ハ）前記選択された感
   度において前記入力光ビームの光スペクトラムを前記光
   スペクトル分析装置で表示するステップ。
2. 【請求項２】後記（イ）及至（ハ）を含む入力光ビーム
   のスペクトル分析をおこなうための光スペクトル分析の
   ための装置。 （イ）掃引信号に応じて前記入力光ビームの波長走査を
   おこない、該入力光ビームの強度を波長の関数として表
   わす電気信号を与える手段、（ロ）前記入力光ビームの
   光スペクトルを与えるため波長の関数として前記電気信
   号を表示する手段，（ハ）ユーザが選択した感度に応じ
   て、該感度での前記入力光ビームのスペクトル分析をお
   こなうために、必要な動作パラメータの設定をおこなう
   手段。