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技術 波長測定方法およびこれを用いた分光装置

出願人 横河電機株式会社
発明者 小宮山誠田中奈緒
出願日 2004年5月31日 (16年0ヶ月経過) 出願番号 2004-160572
公開日 2005年12月8日 (14年6ヶ月経過) 公開番号 2005-338021
状態 特許登録済
技術分野 各種分光測定と色の測定
主要キーワード 測定波長帯 温度センサ出力 誤差係数 フォトダイオードアレイモジュール 補正演算処理 波長補正 波長誤差 波長測定
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この項目の情報は公開日時点(2005年12月8日)のものです。
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図面 (12)

課題

温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する分光方法およびこれを用いた分光装置を提供すること。

解決手段

被測定光波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化補正する第1の補正演算処理を行い、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、温度変化に対する波長誤差の温度係数を求め、第1の補正演算処理により求めた波長に対して、前記波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第2の補正演算処理を行う。

概要

背景

分光装置は、被測定光波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器で検出し、この光検出器からの出力によって、光信号波長測定を行うものである。

図11は、このような分光装置の従来例を示す構成図である。図11において、分光器10は、光ファイバ10A、コリメーティングレンズ10B、回折格子10C、フォーカシングレンズ10D、フォトダイオードアレイモジュール10Eを有する。

光ファイバ10Aは、被測定光を出射する出射口を有する伝送路である。コリメーティングレンズ10Bは、光ファイバ10Aの出射口に対向して設置され、光ファイバ10Aから出射された被測定光を平行光にして出射する。

回折格子10Cは波長分散素子であり、コリメーティングレンズ10Bからの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ10Bに対して傾けて設置してある。また、回折格子10Cは被測定光を波長ごと異なる角度に出射して分光する。フォーカシングレンズ10Dは、回折格子10Cからの出射光の光路上に設置され、出射光を収束して結像させる。

フォトダイオードアレイモジュール(以下、PDMと略す)10Eは光検出器であり、受光素子であるフォトダイオードを複数有するものであり、被測定光が収束し、結像する位置に設置される。また、PDM10Eは、被測定光の光パワーを受光素子によってサンプリングし、サンプリングデータを測定データとして出力する。そして、PDM10Eは、受光素子ごとにあらかじめ波長が割り当てられている。

波長演算手段2は、PDM10Eの受光素子ごとに割り当てられた波長から光信号の波長を演算する。

一般に、図11のような構成の分光装置において、光学系の測定精度外部要因に影響される。その外部要因の一つとして温度変化が挙げられるが、この温度変化による測定誤差については、後述するような補正処理が行われる。

図6は従来技術における補正処理を行う分光装置の構成図である。図6の動作を図7のフローチャートを参照して説明する。図6で、分光器1は図11の分光器10と基本部分は同様の構成である。図1の分光器1に入射された被測定光20は(ステップ7A)、回折格子等の波長分散素子によって分光され、PDA上に結像される(ステップ7B)。次に、PDA上のデータから波長演算部2が波長を演算する(ステップ7C)。

分光器1内に設置された温度センサ1Aは温度を検出し(ステップ7D)、補正参照データ保持部13に格納されている補正データから、波長補正演算部14により波長を演算し(ステップ7E)、温度による波長変化分を補正した結果を出力する(ステップ7F)。

温度変化による波長補正のためのデータについて説明する。図8は、例として波長0.8〜1.0μmの入射光を、900本/mmの回折格子を用いて入射角10°で分光した回折光結像位置と波長の関係を示した図であり、縦軸がPDAの相対的な位置、横軸は被測定入射光の波長である。すなわち、被測定光の波長が長くなると、PDA上に結像される位置がほぼ線形に変化することを示している。

図9は、例として周囲温度が50℃になった場合の波長変化を示したものである。これは、温度が変化したことにより、回折格子等の波長分散素子が熱膨張などによって溝ピッチが変わり、PDAに対する結像位置が変化したことによるものである。

従来、この温度変化による波長補正を図10のように中心波長付近で求めた補正式λ(T)のみで行っていた。すなわち、測定波長帯である0.8〜1.0μmの中心波長0.9μmの時の波長変化を基準に、温度変化に対する近似式を求め、補正していた。

特開2000−304613号公報
特開2004−77416号公報 特許文献1および特許文献2では、本発明のように、周囲温度の変化により生じる測定誤差を、波長誤差温度係数でさらに補正することを示唆していない。

概要

温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する分光方法およびこれを用いた分光装置を提供すること。被測定光を波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化を補正する第1の補正演算処理を行い、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、温度変化に対する波長誤差の温度係数を求め、第1の補正演算処理により求めた波長に対して、前記波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第2の補正演算処理を行う。

目的

本発明の目的は、温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する波長測定方法およびこれを用いた分光装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

被測定光波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化補正する第1の補正演算処理を行い、第1の補正演算処理により求めた波長に対して、波長誤差温度係数をかけて波長を補正する第2の補正演算処理を行うことを特徴とする波長測定方法

請求項2

前記波長誤差の温度係数は、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、近似式を求めて得ることを特徴とする請求項1記載の波長測定方法。

請求項3

前記波長誤差係数は、前記第1の補正演算処理による結果と、複数の温度における前記第1の補正演算処理による結果から各波長ごとの誤差を求め、その傾きと切片より近似式を求めて得ることを特徴とする請求項1および2記載の波長測定方法。

請求項4

被測定光を入射し、波長分散素子により波長ごとに分光する分光器と、前記分光器の出力を入力とし、被測定光の波長を演算する波長演算部を備える分光装置であって、前記分光器近傍に設ける温度センサと、波長誤差係数と基準温度係数基準波長と波長誤差の温度係数を保持する補正参照データ保持部と、前記波長演算部の出力を入力とし、前記温度センサの検出温度により得られる前記基準温度係数と演算する第1の波長補正演算部と、前記第1の波長補正演算部の出力を入力とし、前記波長誤差の温度係数と演算する第2の波長補正演算部と、を備えることを特徴とする分光装置。

請求項5

前記補正参照データ保持部は、あらかじめ演算されたデータが格納され、前記温度センサのデータに応じた値を出力することを特徴とする請求項4記載の分光装置。

請求項6

前記補正参照データ保持部は、係数を算出する式が格納され、前記温度センサのデータを参照して演算を行い、得られた値を出力することを特徴とする請求項4記載の分光装置。

請求項7

前記温度センサを複数備え、それぞれの検出結果を参照して適切なデータを出力するとともに、検出結果の差が大きいときは、温度センサ不良と判定し通知することを特徴とする請求項4乃至6記載の分光装置。

請求項8

前記分光器はアレイ型ポリクロメータ方式分光器であることを特徴とする請求項4乃至7記載の分光装置。

技術分野

0001

本発明は、波長分散素子を用いた光測定装置に関し、詳しくは、温度変化に影響されずに、波長測定確度を向上することができる分光装置に関するものである。

背景技術

0002

分光装置は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器で検出し、この光検出器からの出力によって、光信号の波長測定を行うものである。

0003

図11は、このような分光装置の従来例を示す構成図である。図11において、分光器10は、光ファイバ10A、コリメーティングレンズ10B、回折格子10C、フォーカシングレンズ10D、フォトダイオードアレイモジュール10Eを有する。

0004

光ファイバ10Aは、被測定光を出射する出射口を有する伝送路である。コリメーティングレンズ10Bは、光ファイバ10Aの出射口に対向して設置され、光ファイバ10Aから出射された被測定光を平行光にして出射する。

0005

回折格子10Cは波長分散素子であり、コリメーティングレンズ10Bからの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ10Bに対して傾けて設置してある。また、回折格子10Cは被測定光を波長ごと異なる角度に出射して分光する。フォーカシングレンズ10Dは、回折格子10Cからの出射光の光路上に設置され、出射光を収束して結像させる。

0006

フォトダイオードアレイモジュール(以下、PDMと略す)10Eは光検出器であり、受光素子であるフォトダイオードを複数有するものであり、被測定光が収束し、結像する位置に設置される。また、PDM10Eは、被測定光の光パワーを受光素子によってサンプリングし、サンプリングデータを測定データとして出力する。そして、PDM10Eは、受光素子ごとにあらかじめ波長が割り当てられている。

0007

波長演算手段2は、PDM10Eの受光素子ごとに割り当てられた波長から光信号の波長を演算する。

0008

一般に、図11のような構成の分光装置において、光学系の測定精度外部要因に影響される。その外部要因の一つとして温度変化が挙げられるが、この温度変化による測定誤差については、後述するような補正処理が行われる。

0009

図6は従来技術における補正処理を行う分光装置の構成図である。図6の動作を図7フローチャートを参照して説明する。図6で、分光器1は図11の分光器10と基本部分は同様の構成である。図1の分光器1に入射された被測定光20は(ステップ7A)、回折格子等の波長分散素子によって分光され、PDA上に結像される(ステップ7B)。次に、PDA上のデータから波長演算部2が波長を演算する(ステップ7C)。

0010

分光器1内に設置された温度センサ1Aは温度を検出し(ステップ7D)、補正参照データ保持部13に格納されている補正データから、波長補正演算部14により波長を演算し(ステップ7E)、温度による波長変化分を補正した結果を出力する(ステップ7F)。

0011

温度変化による波長補正のためのデータについて説明する。図8は、例として波長0.8〜1.0μmの入射光を、900本/mmの回折格子を用いて入射角10°で分光した回折光結像位置と波長の関係を示した図であり、縦軸がPDAの相対的な位置、横軸は被測定入射光の波長である。すなわち、被測定光の波長が長くなると、PDA上に結像される位置がほぼ線形に変化することを示している。

0012

図9は、例として周囲温度が50℃になった場合の波長変化を示したものである。これは、温度が変化したことにより、回折格子等の波長分散素子が熱膨張などによって溝ピッチが変わり、PDAに対する結像位置が変化したことによるものである。

0013

従来、この温度変化による波長補正を図10のように中心波長付近で求めた補正式λ(T)のみで行っていた。すなわち、測定波長帯である0.8〜1.0μmの中心波長0.9μmの時の波長変化を基準に、温度変化に対する近似式を求め、補正していた。

0014

特開2000−304613号公報
特開2004−77416号公報 特許文献1および特許文献2では、本発明のように、周囲温度の変化により生じる測定誤差を、波長誤差温度係数でさらに補正することを示唆していない。

発明が解決しようとする課題

0015

しかし、図10に示すように、中心波長付近の波長変化を基準に、温度変化に対する近似式を求めて補正を行った場合、全波長域で一律にシフトするような補正しかできないため短波長側および長波長側で補正過多あるいは補正不足となり、充分な補正が行われず正確な波長測定ができないという問題がある。

0016

すなわち、図9に示すように、温度が50℃になった場合でも、短波長側では波長変化は少なく、長波長側では波長変化が大きくなっており、温度により、波長変化幅も異なるため、正確な測定ができない。

0017

本発明の目的は、温度変化の影響による波長測定結果の精度を向上する波長測定方法およびこれを用いた分光装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0018

上記目的を達成する請求項1の発明は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに分光し、波長演算手段により被測定光の波長を求める分光装置において、波長演算手段が求めた波長に対し、温度変化に対する波長変化を補正する第1の補正演算処理を行い、第1の補正演算処理により求めた波長に対して、波長誤差の温度係数をかけて波長を補正する第2の補正演算処理を行うことを特徴とする。

0019

請求項2の発明は、請求項1記載の波長測定方法において、前記波長誤差の温度係数は、任意の温度における波長誤差特性から波長誤差係数を求め、さらに各温度における波長誤差係数より、近似式を求めて得ることを特徴とする。

0020

請求項3の発明は、請求項1および請求項2に記載の波長測定方法において、前記波長誤差係数は、前記第1の補正演算処理による結果と、複数の温度における前記第1の補正演算処理による結果から各波長ごとの誤差を求め、その傾きと切片より近似式を求めて得ることを特徴とする。

0021

請求項4の発明は、被測定光を入射し、波長分散素子により波長ごとに分光する分光器と、前記分光器の出力を入力とし、被測定光の波長を演算する波長演算部を備える分光装置であって、前記分光器近傍に設ける温度センサと、波長誤差係数と基準温度係数基準波長と波長誤差の温度係数を保持する補正参照データ保持部と、前記波長演算部の出力を入力とし、前記温度センサの検出温度により得られる前記基準温度係数と演算する第1の波長補正演算部と、前記第1の波長補正演算部の出力を入力とし、前記波長誤差の温度係数と演算する第2の波長補正演算部とを備えることを特徴とする。

0022

請求項5の発明は、請求項4に記載の分光装置において、前記補正参照データ保持部は、あらかじめ演算されたデータが格納され、前記温度センサのデータに応じた値を出力することを特徴とする。

0023

請求項6の発明は、請求項4記載の分光装置において、前記補正参照データ保持部は、係数を算出する式が格納され、前記温度センサのデータを参照して演算を行い、得られた値を出力することを特徴とする。

0024

請求項7の発明は、請求項4乃至6に記載の分光装置において、前記温度センサを複数備え、それぞれの検出結果を参照して適切なデータを出力するとともに、検出結果の差が大きいときは、温度センサ不良と判定し通知することを特徴とする。

0025

請求項8の発明は、請求項4乃至7に記載の分光装置において、前記分光器はアレイ型ポリクロメータ方式分光器であることを特徴とする。

発明の効果

0026

本発明によれば、基準温度における波長の誤差補正式で補正し、さらに、温度の異なる複数の波長誤差特性から、温度に対する誤差係数を求め、これを温度による補正値の変化としてさらに演算して補正するので、確度のよい測定を行う分光装置を提供することができる。例えば、相対波長誤差が±5pm程度に改善される。

発明を実施するための最良の形態

0027

図1は、本発明のブロック図であり、図6と共通する部分には同一の符号を付けている。図1の動作を図2のフローチャートを参照して説明する。図1において、分光器1に入射された被測定光20は(ステップ2A)、回折格子等の波長分散素子によって分光され、PDA上に結像される(ステップ2B)。結像されたPDA上のデータから波長演算部2が波長を演算する(ステップ2C)。

0028

次に、分光器1内に設置された温度センサ1Aは温度を検出し(ステップ2D)、補正参照データ保持部13に格納されている補正データから、第1の波長補正演算部4Aにより波長を演算し、温度による波長変化分を補正した結果を出力する(ステップ2E)。

0029

補正参照データ保持部3には、図6の補正参照データ保持部13に保持される温度変化による波長補正のためのデータとともに、波長誤差の温度係数のデータが保持される。これとステップ2Eで得られた波長を演算し(ステップ2F)、補正後の波長を出力する(ステップ2G)。

0030

次に、波長誤差の温度係数の算出方法を説明する。図3は、温度環境が−5℃、23℃および65℃の場合において、従来の温度変化による波長補正をかけた場合の波長誤差特性図である。

0031

図3で、温度環境が−5℃の場合、低波長側では波長誤差がプラス側に生じており、高波長側では逆にマイナス側に波長誤差が生じている。温度環境が23℃の場合、低波長側から高波長側までほぼ均一の誤差となっている。温度環境が65℃の場合、−5℃の場合とは逆に、低波長側では波長誤差がマイナス側に生じており、高波長側では逆にプラス側に波長誤差が生じている。

0032

ここで、異なる温度下(本発明では-5,23,65℃)で波長誤差係数を求め,直線補正式(1)を求め、傾きαjを求める。

0033

次に,傾きαjと温度Tjとから直線補正式を(2)を求める。求めた傾きaが(3)式の傾きとなる。

0034

すなわち、図3に示す各温度ごとの波長誤差特性から、図4に示すように傾きの特性が得られ、これから近似式を求め、これを波長誤差の温度係数とする。

0035

温度による波長変化分を補正した結果に、この波長誤差の温度係数を演算することにより、図5の波長誤差特性図に示すように、温度に関係なく、波長誤差が補正される。図5では、相対波長誤差が±5pm程度に改善された例を示している。

0036

上記実施例では、波長温度係数を求める際、3点の温度を用いて最小二乗法で近似式を求めたが、4点以上の温度を用いて2次以上の高次近似式から波長温度係数を求めるようにしてもよい。

0037

また、上記実施例では、波長演算部2で第1の補正をした後に波長補正演算部4にて第2の補正を行う構成としているが、あらかじめ、これらを併せた補正式を求めておくことにより、一つの演算部で補正処理を行う構成としてもよい。

0038

温度センサを複数備え、各センサの出力を平均する等、総合して最終的な温度センサ出力とすることにより、確度の高い温度検出が可能となるとともに、各センサの出力に大きな格差が生じた場合には、温度センサ不良と判定して通知する構成としてもよい。これにより、波長補正の確度が高くなる。

図面の簡単な説明

0039

本発明の実施の形態例を示すブロック図である。
本発明の動作の流れを説明するフローチャートである。
異なる温度において波長補正をかけた場合の波長誤差特性図である。
波長誤差の温度係数特性図である。
波長誤差の温度係数でさらに補正した波長誤差特性図である。
従来技術における補正処理を行う分光装置の構成図である。
従来技術の動作の流れを説明するフローチャートである。
分光した回折光の結像位置と波長の関係を示した図である。
周囲温度が50℃になった場合の波長変化を示した特性図である。
中心波長付近で温度変化に対する誤差を補正する近似式の特性図である。
分光装置の従来例を示す構成図である。

符号の説明

0040

1分光器
1A温度センサ
2波長演算部
3補正参照データ保持部
4、4A、4B波長補正演算部
5 表示部

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