JP3702889B2 - 分光装置及び分光装置の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定光の分光強度分布を測定し、光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置及び分光装置の補正方法に関するものである。

従来、被測定光の分光強度分布を測定する分光装置の分光手段として、可動部がなく、全測定波長域を同時測定するために光束の利用効率が高いポリクロメータが多く用いられている。ポリクロメータは、被測定光が入射する入射スリット、入射光を波長に応じて分散させる回折格子、入射スリットの分散像を結像させる結像光学系及び分散像の結像位置に配置され、分散像の光束強度を検知する受光センサアレイを備えて構成される。これらの構成要素は、構造部材により支持されているが、各構成要素の相対位置の経時的及び熱的変化は避けられず、ポリクロメータ等の分散型の分光手段の場合、波長精度は各構成要素の相対位置の変化に敏感に影響されるため、高い精度を維持するには波長精度のチェックと補正が必須である。

分光装置の波長精度のチェックと補正には、安定した波長基準が必要である。この安定した波長基準としては、ガスレーザや水銀（Ｈｇ）、カドミウム（Ｃｄ）及びヘリウム（Ｈｅ）などの輝線光源の放射光が用いられたり、透過、あるいは反射型の基準試料からの透過光や反射光が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２０８６０７号公報

しかしながら、前者のガスレーザや輝線光源の放射光を用いる場合はコストが高く、後者の基準試料からの透過光や反射光を用いる場合は精度維持のために周囲の温度を一定に保つ必要があり、共に分光装置に組み込むことはもちろん、ユーザ側で取り扱うことが困難である。そのため、ユーザは、波長精度のチェックと補正とを行う際に分光装置を製造工場等に返送する必要があった。このように、分光装置を返送して波長精度のチェックと補正とを行う場合は、製造者側にもユーザ側にもコストと時間がかかり、十分な頻度で行うことは困難である。さらに、返送している期間に代替のための予備の分光装置を必要とする場合は、そのためのコストも必要となる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、各光学要素の相対位置の経時的及び熱的変化による波長シフトが生じても、これを補正することにより、初期の波長校正時の波長精度を維持することができる分光装置及び分光装置の補正方法を提供することを目的とするものである。

本発明の第一の手段に係る分光装置は、光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置であって、
単色光を出力する光源と、
前記光源からの単色光が入射する少なくとも一つの入射スリットと、
前記入射スリットを通過した光の分散像を結像する結像部と、
前記結像部によって結像される分散像の結像面に配置され、波長に応じて分散した光を受光し、受光した各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子が配列されてなる受光センサアレイと、
前記光源を点灯して単色光を前記入射スリットに入射させ、前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量を第一の像シフト量として求め、前記入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量を第二の像シフト量として求め、求めた前記第一の像シフト量と前記第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求める前記演算制御部とを備える。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記第一の像シフト量をｄ１とし、前記第二の像シフト量をｄ２とし、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量をｄｘとするとき、
ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２
によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリットとを有し、
前記光源は、前記第一の入射スリットと前記第二の入射スリットとに単色光を入射させ、
前記演算制御部は、前記第一の入射スリットを通過した光の一次分散像と前記第二の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は前記第一の入射スリットを通過した光の二次分散像と前記第二の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリット及び第三の入射スリットとを有し、
前記光源は、前記第二の入射スリットと前記第三の入射スリットとに単色光を入射させ、
前記演算制御部は、前記第二の入射スリットを通過した光の一次分散像と前記第三の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は前記第二の入射スリットを通過した光の二次分散像と前記第三の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、被測定光が入射する入射スリットと、波長シフト補正用の入射スリットとは、同一のスリット板に設けられていることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記入射スリットの前に被測定光を遮断するチョッパーをさらに備え、
前記演算制御部は、前記チョッパーを閉じた状態で前記光源を点灯し、前記光源からの単色光は前記チョッパーによって反射されて前記入射スリットに入射することが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比の変化を一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報として記憶していることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記光源と略同一の半値幅を有し、既知の異なる中心波長を有する複数の単色光を前記入射スリットに入射させ、そのときの前記受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比から、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を求め、求めた一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を記憶することが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記光源からの単色光を前記入射スリットに入射させたときの、前記受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力を求め、前記一次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比と、前記受光センサアレイの一次分散像が結像される領域における各光電変換素子の一次分散像に対する既知の分光感度とから、前記単色光の一次分散像の強度プロファイルの半値幅を推定し、前記強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと前記分光感度とから、一次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比を求めて記憶し、前記一次分散像の強度プロファイルから前記二次分散像の強度プロファイルを推定し、推定された二次分散像の強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する既知の分光感度とから、前記二次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比を求めて記憶することが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、推定された二次分散像の強度プロファイルと、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の出力の相対比とから、前記各光電変換素子の二次分散像に対する未知の分光感度を推定することが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記単色光の半値幅として、予め求められた平均値を用いることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部は、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する分光感度として予め求められた平均的な分光感度を用いることが好ましい。

また、上記の第一の手段に係る分光装置において、前記演算制御部によって求められた像シフト量が、予め設定されている許容限度以上である場合、像シフト量が異常であることをユーザに対して警告する警告部をさらに備えることが好ましい。

本発明の第二の手段に係る分光装置の補正方法は、光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置の補正方法であって、
単色光を光源より出力し、
前記光源からの単色光が少なくとも一つの入射スリットに入射し、
前記入射スリットを通過した光の分散像を結像し、
結像される分散像の結像面に配置され、受光した各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子が配列されてなる受光センサアレイで波長に応じて分散した光を受光し、
前記光源を点灯して単色光を前記入射スリットに入射させ、前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量を第一の像シフト量として求め、
前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量を第二の像シフト量として求め、
求めた前記第一の像シフト量と前記第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求める。

上記第一の手段に係る発明によれば、光源が点灯されて単色光が入射スリットに入射され、受光センサアレイの結像位置において、入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量が第一の像シフト量として求められ、入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量が第二の像シフト量として求められ、求められた第一の像シフト量と第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、単色光を出力する光源を基準に波長シフトを補正することが可能になり、各光学要素の相対位置の経時的及び熱的変化による波長シフトが生じても、これを補正することにより、初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。

また、第一の像シフト量をｄ１とし、第二の像シフト量をｄ２とし、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量をｄｘとするとき、ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量ｄｘを求めることができる。

また、入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリットとを有しており、第一の入射スリットと第二の入射スリットとに光源からの単色光が入射され、第一の入射スリットを通過した光の一次分散像と第二の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は第一の入射スリットを通過した光の二次分散像と第二の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、単色光を出力する光源の波長選択において、一次分散像と二次分散像とが共に受光センサアレイ上に結像するという条件を省くことができ、受光感度、発光効率及びコスト面で優れる、より長波長の単色光を出力する光源を用いることができる。

また、入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリット及び第三の入射スリットとを有しており、第二の入射スリットと第三の入射スリットとに光源からの単色光が入射され、第二の入射スリットを通過した光の一次分散像と第三の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は第二の入射スリットを通過した光の二次分散像と第三の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、被測定光が入射する入射スリットと、波長シフトの補正に用いる入射スリットとを個別に設けているので、さらに長波長の単色光を出力する光源を用いることができる。

また、被測定光が入射する入射スリットと、波長シフト補正用の入射スリットとが、同一のスリット板に設けられているので、２つのスリット間の相対位置の変化を無視することができ、２つのスリットによる分散像は、各構成要素の相対位置変化によって同じ像シフトを生じ、これらの像シフトから十分小さい誤差で各構成要素の相対位置変化による像シフト量を求めることができる。

また、入射スリットの前に設けられ、被測定光を遮断するチョッパーを閉じた状態で光源が点灯され、光源からの単色光はチョッパーによって反射されて入射スリットに入射することとなる。したがって、分光輝度計などに通常備えられているオフセット測定用のチョッパーの裏面を拡散反射面とするだけで光源の放射光束を入射スリットに入射させることができる。

また、受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の光電変換素子の出力の相対比の変化が、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報として記憶されているので、求められた出力の相対比の変化から簡単に波長シフト量を求めることができる。

また、光源と略同一の半値幅を有し、既知の異なる中心波長を有する複数の単色光が入射スリットに入射され、そのときの受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比から、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報が求められる。そして、求められた一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報が記憶される。

したがって、複数の外部単波長光源を用意するだけで、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を得ることができる。

また、光源からの単色光が入射スリットに入射されたときの、受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の光電変換素子の出力が求められる。そして、一次分散像が結像される領域における複数の光電変換素子の出力の相対比と、受光センサアレイの一次分散像が結像される領域における各光電変換素子の一次分散像に対する既知の分光感度とから、単色光の一次分散像の強度プロファイルの半値幅が推定される。強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと分光感度とから、一次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比が求められて記憶される。一次分散像の強度プロファイルから二次分散像の強度プロファイルが推定され、推定された二次分散像の強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと、受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する既知の分光感度とから、二次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比が求められて記憶される。

したがって、単色光を出力する外部光源を用いることなく、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を得ることができる。

また、推定された二次分散像の強度プロファイルと、受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の出力の相対比とから、各光電変換素子の二次分散像に対する未知の分光感度が推定される。したがって、受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する分光感度が未知であっても、単色光を出力する外部光源なしに一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を得ることができる。

また、単色光の半値幅として、予め求められた平均値が用いられるので、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報の精度に大きな影響を与えることなく、誤差を招きやすい半値幅の推定を行うことなく、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を得ることができる。

また、受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の分光感度として予め求められた平均的な分光感度が用いられるので、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報の精度に大きな影響を与えることがなくなり、誤差を招きやすい二次分散像の強度プロファイルの推定を行うことなく、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報を得ることができる。

また、許容限度以上の像シフト量が確認されると、ユーザに対して警告が出されるので、ユーザは警告が出るまでは安心して使用することができ、警告があった場合は必要な対応を取ることができる。

上記第二の手段に係る発明によれば、光源が点灯されて単色光が入射スリットに入射され、受光センサアレイの結像位置において、入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量が第一の像シフト量として求められ、入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量が第二の像シフト量として求められ、求められた第一の像シフト量と第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、単色光を出力する光源を基準に波長シフトを補正することが可能になり、各光学要素の相対位置の経時的及び熱的変化による波長シフトが生じても、これを補正することにより、初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置の一例である分光輝度計の構成を示す図である。図１に示す分光輝度計１は、受光レンズ２、光源３、シャッタ４、シャッタ駆動モータ５、演算制御部６及びポリクロメータ１０を備えて構成される。

受光レンズ２は、被測定光をポリクロメータ１０に導くものである。なお、被測定光としては、試料によって反射した反射光、試料を透過した透過光、あるいは光源から照明される照明光等がある。

光源３は、例えばＬＥＤで構成され、波長変化がある単色光を出力する。シャッタ（チョッパー）４は、開閉可能に構成され、裏面には拡散反射面が設けられており、シャッタ４が開かれることで、受光レンズ２を透過した被測定光がポリクロメータ１０に入射し、シャッタ４が閉じられることで、光源３から出力された単色光が拡散反射面により反射し、反射した単色光の反射光がポリクロメータ１０に入射する。シャッタ駆動モータ５は、演算制御部６より出力される制御信号に基づいて、シャッタ４の開閉を行う。

ポリクロメータ１０は、スリット板１１、コリメータレンズ１２、回折格子１３及び受光センサアレイ１４を備えて構成される。

スリット板１１には、第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１が形成されている。コリメータレンズ１２は、第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１を通過した被測定光又は単色光を平行光にするとともに、回折格子１３によって分散された入射スリット（第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１）の分散像を受光センサアレイ１４の受光面に結像させる。

回折格子１３は、入射した単色光を波長に応じて反射・分散させ、第１スリットＳＬ０に入射した単色光の一次分散像と、第２スリットＳＬ１に入射した単色光の二次分散像とが受光センサアレイ１４上に形成される。

受光センサアレイ１４は、所定の間隔、例えば分散光の波長でおよそ１０ｎｍに相当する間隔で配列された複数の光電変換素子（以下、センサともいう）からなり、各センサから出力される受光強度に応じた電気信号は、演算制御部６によって処理される。

演算制御部６は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）及びＥＥＰＲＯＭ（電気的に書き換え可能な記憶装置）等で構成され、光源３を点灯して単色光を第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射させ、第１スリットＳＬ０による一次分散像の受光センサアレイ１４における結像位置の初期位置からの変化量を第一の像シフト量として求め、第２スリットＳＬ１による二次分散像の受光センサアレイ１４における結像位置の初期位置からの変化量を第二の像シフト量として求め、求めた第一の像シフト量と第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求める。なお、演算制御部６は、波長シフト補正のための各種演算処理、光源３の点灯制御及びシャッタ駆動モータ５の駆動制御等を行う。

測定時において、演算制御部６は、シャッタ駆動モータ５を駆動してシャッタ４を開き、受光レンズ２を通過した被測定光を第１スリットＳＬ０に入射させる。演算制御部６は、入射光の分散像が結像した受光センサアレイ１４の各センサの出力をＡ／Ｄ変換し、分光強度を測定する。この直後、演算制御部６は、シャッタ駆動モータ５を駆動してシャッタ４を閉じて被測定光を遮断し、オフセット信号を測定する。そして、演算制御部６は、測定した分光強度からオフセット信号を減算することによって、オフセットを除去した被測定光の分光強度を求める。

波長シフト補正時において、演算制御部６は、シャッタ駆動モータ５を駆動してシャッタ４を閉じて被測定光を遮断し、光源３を点灯させる。光源３からの単色光は、シャッタ４の裏面の拡散反射面で拡散反射して第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射する。演算制御部６は、単色光の一次分散像及び二次分散像が結像した受光センサアレイ１４の各センサの出力をＡ／Ｄ変換し、強度プロファイルを測定する。この直後、演算制御部６は、光源３を消灯させ、オフセット信号を測定する。そして、演算制御部６は、測定した強度プロファイルからオフセット信号を減算することによって、オフセットを除去した単色光の強度プロファイルを求め、後述する方法で波長シフト量を推定する。

ここで、波長シフト量の推定について説明する。図２は、波長シフト量の推定について説明するための図である。

ＬＥＤやＬＤなどの光源の単色光は、波長が変動するため、これを基準として検出された像シフト量には、単色光の波長変化による像シフトとポリクロメータの機械的変化による像シフトとの双方が含まれる。これらを分離するために、回折格子の一次分散像及び二次分散像の２つの要因に対する反応の違いを利用する。つまり、ポリクロメータの機械的変化では、一次分散像及び二次分散像に等しい像シフトが生じるのに対し、二次分散像は一次分散像の倍の波長分散を持つため、単色光の波長変化では、二次分散像には一次分散像の倍の像シフトが生じる。

図２では、中心波長が３７０ｎｍの単色光を用いた場合における受光センサアレイ１４上に結像される一次分散像Ａと二次分散像Ｂを表している。中心波長が３７０ｎｍの入射光は分散して、受光センサアレイ１４の３７０ｎｍに対応するセンサ＃２を中心に結像する。なお、図２では、各分散像を半値幅１５ｎｍに相当する三角分布で近似している。二次分散像Ｂは、３７０ｎｍの２倍の７４０ｎｍに対応するセンサ＃３９を中心に結像する。二次分散像Ｂは、半値幅が倍になり、回折効率が落ちるので光量が低下する。

受光センサアレイ１４の短波長側（図２の矢印Ｙ１，Ｙ３の方向）への移動、すなわち、ポリクロメータの機械的変化による像シフトが、一次分散像及び二次分散像ともにｄｘであるのに対し、受光センサアレイ１４の長波長側（図２の矢印Ｙ２，Ｙ４の方向）への移動、すなわち、単色光の波長変化ｄｗによる像シフトは、一次分散像及び二次分散像の波長分散をＤ１＝（ｄｎ／ｄｗ）₁及びＤ２＝（ｄｎ／ｄｗ）₂とすると、一次分散像ではＤ１×ｄｗ、二次分散像ではＤ２×ｄｗとなる。但し、
Ｄ２＝２・Ｄ１・・・・（１）
である。

実際に検出される一次分散像及び二次分散像の第１及び第２の像シフト量ｄ１及びｄ２は、前述した２つの要因の混合であるため、下記の（２）式及び（３）式で表される。
ｄ１＝Ｄ１×ｄｗ＋ｄｘ・・・・（２）
ｄ２＝Ｄ２×ｄｗ＋ｄｘ・・・・（３）

上記（１）〜（３）式より、ｄｘは、下記の（４）式で表すことができる。
ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２・・・・（４）

したがって、単色光の波長変化ｄｗの影響を除外して、ポリクロメータの像シフトｄｘを求めることができる。なお、像シフト量ｄ１及びｄ２は、受光センサアレイ１４の一次分散像が結像される領域及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサ出力の相対比から推定することができる。

図３は、本実施形態におけるポリクロメータの構成を示す図である。光源３から出力される単色光Ｌ０は、シャッタ４の拡散反射面によって反射し、スリット板１１に形成された第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射する。第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１を通過した単色光Ｌ０₀及びＬ０₁は、コリメータレンズ１２によって平行光にされ、回折格子１３に入射する。回折格子１３に入射したスリットＳＬ０を通過した単色光Ｌ０₀は、回折格子１３によって分散される。回折格子１３によって分散された一次光Ｌ１は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射する。このとき、第１スリットＳＬ０を通過して回折格子１３によって分散された一次分散像が受光センサアレイ１４に結像される。また、回折格子１３に入射したスリットＳＬ１を通過した単色光Ｌ０₁は、回折格子１３によって分散される。回折格子１３によって分散された二次光Ｌ２は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射する。このとき、第２スリットＳＬ１を通過して回折格子１３によって分散された二次分散像が受光センサアレイ１４に結像される。

なお、本実施形態では、第１スリットＳＬ０を通過した単色光の一次分散像を受光センサアレイ１４に結像させ、第２スリットＳＬ１を通過した単色光の二次分散像を受光センサアレイ１４に結像させているが、本発明は特にこれに限定されず、第１スリットＳＬ０を通過した単色光の二次分散像を受光センサアレイ１４に結像させ、第２スリットＳＬ１を通過した単色光の一次分散像を受光センサアレイ１４に結像させてもよい。

このように、入射スリットは、被測定光が入射する第１スリットＳＬ０と、波長シフト補正用の第２スリットＳＬ１とを有しており、第１スリットＳＬ０と第２スリットＳＬ１とに光源からの単色光が入射され、第１スリットＳＬ０を通過した光の一次分散像と第２スリットＳＬ１を通過した光の二次分散像、又は第１スリットＳＬ０を通過した光の二次分散像と第２スリットＳＬ１を通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、単色光を出力する光源の波長選択において、後述する図４の実施例のように１つの入射スリットの一次分散像と二次分散像とが共に受光センサアレイ１４上に結像するという条件を省くことができ、光源３として、受光感度、発光効率及びコスト面で優れる、より長波長の単色光を出力する光源を用いることができる。

また、被測定光が入射する第１スリットＳＬ０と、波長シフト補正用の第２スリットＳＬ１とが、同一のスリット板１１に設けられているので、２つのスリットＳＬ０，ＳＬ１間の相対位置の変化を無視することができ、２つのスリットＳＬ０，ＳＬ１による分散像は、各構成要素の相対位置変化によって同じ像シフトを生じ、これらの像シフトから十分小さい誤差で波長シフト量を求めることができる。

さらに、第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１の前（被測定光及び光源３からの光が入射する側）に設けられ、被測定光を遮断するシャッタ４を閉じた状態で光源３が点灯され、光源３からの単色光はシャッタ４によって反射されて第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射することとなる。したがって、分光輝度計などに通常備えられているオフセット測定用のシャッタ４の裏面を拡散反射面とするだけで光源の放射光束を第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射させることができる。

なお、本発明に係る分光装置におけるポリクロメータの構成としては、以下の２つの変形例が採用可能である。

図４は、本実施形態の第１の変形例におけるポリクロメータの構成を示す図である。上記の本実施形態におけるポリクロメータ１０では、第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１の２つのスリットを設けてそれぞれのスリットを通過した一次分散像及び二次分散像を受光センサアレイ１４で受光しているが、第１の変形例におけるポリクロメータ１０’では、１つのスリットを設けて、このスリットを通過した光の一次分散像及び二次分散像を受光センサアレイで受光している。図４に示すように、第１の変形例におけるポリクロメータ１０’は、スリット板１１’、コリメータレンズ１２、回折格子１３及び受光センサアレイ１４を備えて構成され、スリット板１１’には、１つのスリットＳＬ０が形成されている。

光源３から出力される単色光Ｌ０は、シャッタ４の拡散反射面によって反射し、スリット板１１’に形成されたスリットＳＬ０に入射する。スリットＳＬ０を通過した単色光Ｌ０₀は、コリメータレンズ１２によって平行光にされ、回折格子１３に入射する。回折格子１３に入射したスリットＳＬ０を通過した単色光Ｌ０₀は、回折格子１３によって分散される。回折格子１３によって分散された一次光Ｌ１は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射し、回折格子１３によって分散された二次光Ｌ２は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射する。このとき、スリットＳＬ０の一次分散像及び二次分散像が受光センサアレイ１４に結像される。

図５は、本実施形態の第２の変形例におけるポリクロメータの構成を示す図である。上記の本実施形態におけるポリクロメータ１０では、第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１の２つのスリットを設けてそれぞれのスリットを通過した一次分散像及び二次分散像を受光センサアレイ１４で受光しているが、第２の変形例におけるポリクロメータ１０”では、第１スリットＳＬ０、第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２の３つのスリットを設けて、このうち第１スリットＳＬ０を被測定光の測定に用い、第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２を波長シフトの校正に用いる。

図５に示すように、第２の変形例におけるポリクロメータ１０”は、スリット板１１”、コリメータレンズ１２、回折格子１３及び受光センサアレイ１４を備えて構成され、スリット板１１”には、第１スリットＳＬ０、第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２が形成されており、光源３と第２スリットＳＬ１とは、光ファイバ３１ａを介して接続され、光源３と第３スリットＳＬ２とは、光ファイバ３１ｂを介して接続されている。

光源３から出力される単色光Ｌ０は、光ファイバ３１ａを介してスリット板１１”に形成された第２スリットＳＬ１に入射すると共に、光ファイバ３１ｂを介してスリット板１１”に形成された第３スリットＳＬ２に入射する。第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２を通過した単色光Ｌ０₁及びＬ０₂は、コリメータレンズ１２によって平行光にされ、回折格子１３に入射する。回折格子１３に入射した第２スリットＳＬ１を通過した単色光Ｌ０₁は、回折格子１３によって分散される。回折格子１３によって分散された一次光Ｌ１は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射する。このとき、第２スリットＳＬ１を通過して回折格子１３によって分散された一次分散像が受光センサアレイ１４に結像される。また、回折格子１３に入射した第３スリットＳＬ２を通過した単色光Ｌ０₂は、回折格子１３によって分散される。回折格子１３によって分散された二次光Ｌ２は、再度コリメータレンズ１２を通って、受光センサアレイ１４に入射する。このとき、第３スリットＳＬ２を通過して回折格子１３によって分散された二次分散像が受光センサアレイ１４に結像される。

このように、入射スリットは、被測定光が入射する第１スリットＳＬ０と、波長シフト補正用の第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２とを有しており、第２スリットＳＬ１と第３スリットＳＬ２とに光源３からの単色光が入射され、第２スリットＳＬ１を通過した光の一次分散像と第３スリットＳＬ２を通過した光の二次分散像、又は第２スリットＳＬ１を通過した光の二次分散像と第３スリットＳＬ２を通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量が求められる。

したがって、被測定光が入射する第１スリットＳＬ０と、波長シフトの補正に用いる第２スリットＳＬ１及び第３スリットＳＬ２とを個別に設けているので、光源３として、さらに長波長の単色光を出力する光源を用いることができる。

次に、本発明の分光装置における校正方法について説明する。本発明に係る分光装置では、推定による校正、直接測定による校正及び固定値による校正の３つの校正方法が採用可能であり、３つの校正方法のうちのいずれか１つの校正方法を採用することによって分光装置の波長シフト量の校正を行う。

（推定による校正方法）
２つのスリットＳＬ０，ＳＬ１をもつ図１の実施例に適用する。この場合、基準モノクロメータから単色光を入射させることができる第１スリットの分散像に対する受光センサアレイ１４の感度プロファイルは既知であるが、基準モノクロメータから単色光を入射させることができない第２スリットの分散像に対する受光センサアレイ１４の感度プロファイルは未知であるとする。まず、推定による校正方法について説明する。この推定による校正方法では、像シフト量はセンサ番号ｎのシフト量として求められる。センサ番号ｎのシフト量は、各センサのセンサ番号と中心波長の対応表によって波長シフト量に変換される。

図６は、半値幅１２ｎｍの単色光のセンサ番号ｎについての強度プロファイルと、一次分散像及び二次分散像に関連する半値幅２８ｎｍの３つのセンサについての感度プロファイルとを示す図である。なお、図６において、実線ａは一次光の強度プロファイルを表し、破線ｂは二次光の強度プロファイルを表し、破線ｃ、一点鎖線ｄ及び二点鎖線ｅは一次分散像及び二次分散像に関連する３つのセンサｎ＝Ｎ−１，Ｎ，Ｎ＋１についての感度プロファイルを表している。

図７は、像が３つのセンサｎ＝Ｎ−１，Ｎ，Ｎ＋１の中央から−０．５〜＋０．５の範囲でシフトしたときの両端のセンサＮ−１，Ｎ＋１の出力比Ｒを示す図である。なお、図７は、半値幅Δｎ＝１．０，１．２，１．４（１０ｎｍ，１２ｎｍ，１４ｎｍに相当）の単色光に対する一次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を示す図であり、図７において、実線ｐｉは半値幅Δｎ＝１．０の単色光に対する一次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表し、破線ｑｉは半値幅Δｎ＝１．２の単色光に対する一次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表し、一点鎖線ｒｉは半値幅Δｎ＝１．４の単色光に対する一次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表している。

図７に示すように、出力比Ｒの変化ｄＲをセンサ番号ｎの変化ｄｎに変換することができる。この出力比Ｒとセンサ番号ｎとの対応関係を一次分散像及び二次分散像について求めることによって像シフトの校正を行う。この場合、出力比Ｒの初期値Ｒ₀からの変化ｄＲ（ｄＲ＝Ｒ−Ｒ₀）をｎの変化ｄｎに変換すればいいので、ｄＲ／ｄｎのみに意味がある。

なお、推定による波長シフトの校正方法は、以下の（Ａ）〜（Ｆ）を前提としている。
（Ａ）受光センサアレイ１４の各センサｎの一次分散像に対する分光感度は既知である。
（Ｂ）受光センサアレイ１４の各センサｎの二次分散像に対する分光感度と光源３の分光分布とは各々数学関数（ここでは共にガウス関数）で近似することができる。
（Ｃ）受光センサアレイ１４の各センサｎの分光感度と光源３の分光分布とは共に中心波長は経時的に変化するが、半値幅は変化しない。
（Ｄ）受光センサアレイ１４の各センサｎは等間隔で配置されている。
（Ｅ）受光センサアレイ１４の隣り合うセンサの分光感度は、相似な形状と等間隔の中心波長とを有する。
（Ｆ）一次光に対する受光センサアレイ１４の各センサの出力は、一次光に対するゲイン補正係数Ｃｇ（ｎ）でゲイン補正される。二次光に対しても一次光と同じゲイン補正が行われるが、さらに、一次光のゲインと二次光のゲインとの比Ｒｇ（ｎ）による補正が行われる。比Ｒｇ（ｎ）は、隣り合うセンサについてはセンサ番号をｎ、基準センサ番号をｎ₀として、定数ａによってＲｇ（ｎ）＝ａ×（ｎ−ｎ₀）で近似できる。

ここで、工場で行われる校正の手順について説明する。

まず、モノクロメータから等エネルギー単色光をポリクロメータ１０の測定用の第１スリットＳＬ０に入射させ、演算制御部６は、一次分散像に対する各センサの分光感度Ｓ１_n（ｗ）を測定し、中心波長ｗｃ_nを得る。そして、演算制御部６は、各センサの分光感度Ｓ１_n（ｗ）に基づいて光学ゲイン及び回路ゲインを含む各センサの一次光に対するゲイン補正係数Ｃｇ（ｎ）を求める。

次に、演算制御部６は、光源３を点灯させ、受光センサアレイ１４における一次分散像の周辺の５つのセンサの感度補正された出力と分光感度Ｓ１_n（ｗ）とから、光源３から出力される単色光の分光強度をガウス関数Ｇ（ｗ）で近似する。つまり、演算制御部６は、ガウス関数Ｇ（ｗ）の中心波長ｗｃ、半値幅ｄｗ及びピーク強度を最小二乗法で推定する。演算制御部６は、一次分散像についてのセンサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの関係からガウス関数Ｇ（ｗ）をセンサ番号ｎについての強度プロファイルＧ１（ｎ）に変換する。なお、このときの半値幅は、Δｎ１とする。

演算制御部６は、光源３から出力される単色光の二次光のセンサ番号ｎについての強度プロファイルＧ２（ｎ）を半値幅Δｎ２（＝２×Δｎ１）としたガウス関数で近似する。

そして、演算制御部６は、単色光の二次分散像に関連する５つのセンサ（センサ番号ｎ＝Ｎ，Ｎ±１，Ｎ±２）の補正された出力を基に、最小二乗法により、二次分散像の中心ｎｃ２、５つのセンサのセンサ番号ｎについての感度プロファイルを近似するガウス関数Ｓ２_N（ｎ），Ｓ２_N±1（ｎ），Ｓ２_N±2（ｎ）に共通の半値幅Δｎ、及び一次光のゲインと二次光のゲインとの比Ｒｇ（ｎ）を与える定数ａをそれぞれ推定する。

演算制御部６は、推定した光源３の単色光の一次及び二次光の強度プロファイルＧ１（ｎ）及びＧ２（ｎ）、受光センサアレイ１４の一次分散像が結像する領域（以下、一次分散像結像域とする）における５つのセンサの一次光に対する既知の感度プロファイルＳ１_N（ｎ），Ｓ１_N±1（ｎ），Ｓ１_N±2（ｎ）、及び受光センサアレイ１４の二次分散像が結像する領域（以下、二次分散像結像域とする）における５つのセンサの二次光に対する既知の感度プロファイルＳ２_N（ｎ），Ｓ２_N±1（ｎ），Ｓ２_N±2（ｎ）から、単色光の一次分散像及び二次分散像の結像位置がシフトしたときの一次分散像結像域及び二次分散像結像域の５つのセンサの相対出力を数値計算によって求める。

演算制御部６は、単色光の一次分散像の結像位置ｎとその中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ１とを対応付ける第１の対応表と、単色光の二次分散像の結像位置ｎとその中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ２とを対応付ける第２の対応表とを作成する。

演算制御部６は、一次分散像結像域の５つのセンサの感度補正された出力と、二次分散像周辺の５つのセンサの感度補正された出力とから、前述の出力比Ｒ１及びＲ２の初期値Ｒ１₀及びＲ２₀を求めて記憶する。

以上が、工場で行われる手順である。続いて、ユーザ側で行われる手順について説明する。

演算制御部６は、光源３を点灯させ、光源３より出力される単色光での受光センサアレイ１４上における一次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ１と、受光センサアレイ１４上における二次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ２とを求める。

演算制御部６は、第１の対応表及び第２の対応表によって、出力比Ｒ１の初期値Ｒ１₀からの変化及び出力比Ｒ２の初期値Ｒ２₀からの変化を第１及び第２の像シフト量ｄ１及びｄ２に変換する。

演算制御部６は、上記（４）式に基づいて、ポリクロメータの機械的変化による像シフト量ｄｘを求め、求めた像シフト量ｄｘを一次分散像に対するセンサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの対応表によって波長シフトに変換する。

このように、光源３が点灯されて単色光が第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射され、受光センサアレイ１４の結像位置において、第１スリットＳＬ０による一次分散像の初期位置からの変化量が第１の像シフト量ｄ１として求められ、第２スリットＳＬ１による二次分散像の初期位置からの変化量が第２の像シフト量ｄ２として求められ、求められた第１の像シフト量ｄ１と第２の像シフト量ｄ２とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量ｄｘが求められ、求められた像シフト量ｄｘが一次分散像に対するセンサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの対応表によって波長シフトに変換される。

したがって、単色光を出力する光源３を基準に波長シフトを補正することが可能になり、ポリクロメータ１０における各光学要素の相対位置の経時的及び熱的変化による波長シフトが生じても、これを補正することにより、初期の波長校正時の波長精度を維持することができる。

なお、波長シフトの補正は、一次分散象についての、センサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの対応表を、求められた像シフト量ｄｘあるいは波長シフト量ｄｗｘで一律に補正して、被測定光の測定に適用することで行われる。

また、第１の像シフト量をｄ１とし、第２の像シフト量をｄ２とし、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量をｄｘとするとき、ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量ｄｘを求めることができる。

また、受光センサアレイ１４の一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力の相対比Ｒ１及びＲ２の、予め記憶されている初期値Ｒ１₀及びＲ２₀からの変化を、一次分散像及び二次分散像の結像位置の像シフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報が記憶されているので、求められた出力の相対比Ｒ１及びＲ２と初期値Ｒ１₀及びＲ２₀から簡単に第１及び第２の像シフト量ｄ１及びｄ２を求めることができる。

また、光源３からの単色光が第１スリットＳＬ０及び第２スリットＳＬ１に入射されたときの、受光センサアレイ１４の一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力が求められる。そして、一次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力の相対出力と、受光センサアレイ１４の一次分散像が結像される領域における各センサの既知の感度プロファイルとから、単色光の一次分散像の強度プロファイルの半値幅が推定される。強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと感度プロファイルとから、一次分散像のシフトに対応する各センサの出力の相対比が求められて記憶される。一次分散像の強度プロファイルから二次分散像の強度プロファイルが推定され、推定された二次分散像の強度プロファイルと二次分散像が結像される領域における各センサの相対出力とから、二次分散像が結像される領域における各センサの感度プロファイルが推定される。推定された二次分散像の強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと、二次分散像が結像される領域における各センサの推定された感度プロファイルとから、二次分散像のシフトに対応する各センサの出力の相対比Ｒ２が求められて記憶される。

したがって、単色光を出力する外部光源を用いることなく、受光センサアレイ１４の一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力の相対比Ｒ１及びＲ２の予め記憶されている初期値Ｒ１₀及びＲ２₀からの変化を、一次分散像及び二次分散像の結像位置の像シフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報を得ることができる。

さらに、推定された二次分散像の強度プロファイルと、受光センサアレイ１４の二次分散像が結像される領域における各センサの出力の相対比Ｒ２とから、各センサの二次分散像に対する未知の感度プロファイルが推定される。したがって、受光センサアレイ１４の二次分散像が結像される領域における各センサの二次分散像に対する感度プロファイルが未知であっても、単色光を出力する外部光源を用いることなく、受光センサアレイ１４の一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力の相対比Ｒ１及びＲ２の予め記憶されている初期値Ｒ１₀及びＲ２₀からの変化を、一次分散像及び二次分散像の結像位置の像シフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報を得ることができる。

また、単色光の半値幅として、予め求められた平均値が用いられることで、一次分散像及び二次分散像の結像位置のシフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報の精度に大きな影響を与えることなく、誤差を招きやすい半値幅の推定を行うことなく、一次分散像及び二次分散像の結像位置のシフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報を得ることができる。

また、受光センサアレイ１４の二次分散像が結像される領域における各センサの感度プロファイルとして予め求められた平均的な分光感度が用いられることで、一次分散像及び二次分散像の結像位置のシフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報の精度に大きな影響を与えることがなくなり、誤差を招きやすい二次分散像の強度プロファイルの推定を行うことなく、一次分散像及び二次分散像の結像位置のシフト量ｄ１及びｄ２に変換するための情報を得ることができる。

（直接測定による校正方法）
次に、直接測定による校正方法について説明する。一次分散像の像シフト量ｄ１に対応する波長シフト量をｄｗ１、二次分散像の像シフト量ｄ２に対応する波長シフト量をｄｗ２、ポリクロメータの機械的変化による一次分散像の像シフト量ｄｘに対応する波長シフト量をｄｗｘとすると、ｄ１、ｄ２及びｄｘは下記の（５）〜（７）式で表される。
ｄ１＝Ｄ１×ｄｗ１・・・・（５）
ｄ２＝Ｄ２×ｄｗ２・・・・（６）
ｄｘ＝Ｄ１×ｄｗｘ・・・・（７）

上記（１）、（５）、（６）、（７）式によって、上記（２）、（３）式を下記の（８）、（９）式のように書き換える。
ｄｗ１＝ｄｗ＋ｄｗｘ・・・・（８）
ｄｗ２＝ｄｗ＋ｄｗｘ／２・・・・（９）

上記（８）、（９）式より、波長シフト量ｄｗｘは、下記の（１０）式のように表すことができる。
ｄｗｘ＝２×（ｄｗ１−ｄｗ２）・・・・（１０）

図２に示すように、一次分散像の第１の波長シフト量ｄｗ１は、一次分散像が結像されるセンサ＃２を挟むセンサ＃１とセンサ＃３との出力比Ｒ１＝Ｓ１／Ｓ３の変化ｄＲ１から求められ、二次分散像の第２の波長シフト量ｄｗ２は、二次分散像が結像されるセンサ＃３９を挟むセンサ＃３８とセンサ＃４０との出力比Ｒ２＝Ｓ３８／Ｓ４０の変化ｄＲ２から求められる。すなわち、一次分散像の第１の波長シフト量ｄｗ１及び二次分散像の第２の波長シフト量ｄｗ２は、下記の（１１）式及び（１２）式で表される。
ｄｗ１＝Ｋ１×ｄＲ１・・・・（１１）
ｄｗ２＝Ｋ２×ｄＲ２・・・・（１２）

ただし、上記（１１）式及び（１２）式において、ｄｗ１は、一次分散像の波長シフト量（第１の波長シフト量）であり、ｄｗ２は、二次分散像の波長シフト量（第２の波長シフト量）であり、Ｋ１及びＫ２は、個々のポリクロメータに固有の比例定数であり、ｄＲ１は、受光センサアレイ１４の一次分散像が結像されるセンサに隣接する２つのセンサの出力比の変化であり、ｄＲ２は、受光センサアレイ１４の二次分散像が結像されるセンサに隣接する２つのセンサの出力比の変化である。

上記（１１）式及び（１２）式に示すように、比例定数Ｋ１及びＫ２を求めることによって、一次分散像の波長シフト量ｄｗ１及び二次分散像の波長シフト量ｄｗ２を求めることができ、波長シフト量ｄｗｘの校正を行う。

ここで、工場で行われる校正の手順について説明する。

まず、演算制御部６は、基準モノクロメータから光源３の単色光と同程度の半値幅で中心波長ｗ０_j（ｊ＝１〜３）が３６５ｎｍ，３７０ｎｍ，３７５ｎｍの単色光をポリクロメータに入射させたときの比Ｒ１_j及びＲ２_jを求める。なお、光源３から出力される単色光の波長範囲を３７０±５ｎｍ、予想されるポリクロメータの波長シフト量を±１ｎｍとし、作業時間を考慮して３６５ｎｍ，３７０ｎｍ，３７５ｎｍの３波長の単色光を入射させる。

一次分散像については、ｗ１＝ｗ０とし、ｗ１をＲ１の二次関数ｗ１＝Ｗ１（Ｒ１）＝Ｃ１×Ｒ１²＋Ｄ１×Ｒ１＋Ｅ１で近似する係数Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１をｗ０_jとＲ１_jとの関係から求め、導関数Ｗ１’（Ｒ１）＝Ｃ１×Ｒ１＋Ｄ１を求める。二次分散像についても、ｗ１＝ｗ０とし、同様に二次関数Ｗ２（Ｒ２）＝Ｃ２×Ｒ２²＋Ｄ２×Ｒ２＋Ｅ２とその導関数Ｗ２’（Ｒ２）＝Ｃ２×Ｒ２＋Ｄ２を求める。

演算制御部６は、光源３を点灯させ、光源３から出力される単色光での前述の出力比Ｒ１及びＲ２の初期値Ｒ１₀及びＲ２₀を求めて記憶する。

演算制御部６は、初期値Ｒ１₀及びＲ２₀を上記の導関数Ｗ１’（Ｒ１）及びＷ２’（Ｒ２）に代入して、比例定数Ｋ１＝Ｗ１’（Ｒ１₀）及びＫ２＝Ｗ２’（Ｒ２₀）を求めて記憶する。

以上が、工場で行われる手順である。続いて、ユーザ側で行われる手順について説明する。

演算制御部６は、光源３を点灯させ、光源３より出力される単色光での受光センサアレイ１４上における一次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ１と、受光センサアレイ１４上における二次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ２とを求める。

演算制御部６は、求めた出力比Ｒ１及びＲ２の予め記憶されている初期値Ｒ１₀及びＲ２₀からの変化ｄＲ１（＝Ｒ１−Ｒ１₀）及びｄＲ２（Ｒ２−Ｒ２₀）を求める。

演算制御部６は、予め記憶されている比例定数Ｋ１及びＫ２を用いて、上記の（１１）式及び（１２）式に基づいて、求めたｄＲ１及びｄＲ２を第１及び第２の波長シフト量ｄｗ１及びｄｗ２に変換する。

演算制御部６は、上記（１０）式に基づいて、ポリクロメータの機械的変化による波長シフト量ｄｗｘを求める。

なお、上述の直接測定による校正方法では、モノクロメータの単色光を入射させやすい図４に示すポリクロメータ１０’に適している。この場合、単色光の半値幅の影響が懸念されるが、その影響は小さく無視することができる。また、製品ごとにモノクロメータの単色光を入射させなければならないが、各受光センサアレイの分光感度測定をモノクロメータで行う場合は大した負担とはならない。

このように、光源３と略同一の半値幅を有し、既知の異なる中心波長を有する複数の単色光がスリットＳＬ０に入射され、そのときの受光センサアレイ１４の一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数のセンサの出力の相対比Ｒ１，Ｒ２から、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に対応する第１及び第２の波長シフト量ｄｗ１及びｄｗ２に変換するための情報である比例係数Ｋ１，Ｋ２が求められる。そして、求められた一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に対応する第１及び第２の波長シフト量ｄｗ１及びｄｗ２に変換するための情報である比例係数Ｋ１，Ｋ２が記憶される。

したがって、複数の外部単波長光源を用意するだけで、一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に対応する第１及び第２の波長シフト量ｄｗ１及びｄｗ２に変換するための情報である比例係数Ｋ１，Ｋ２を得ることができる。

（固定値による校正方法）
次に、固定値による校正方法について説明する。固定値による校正方法では、製品に内蔵されるポリクロメータ個々にｄｎとＲとの関係を求めず、平均的な関係を全ての製品に適用する。この固定値による校正方法での処理も、波長でなくセンサ番号＃ｎについて行われ、像シフトは波長でなくｎのシフトｄｎとして求められるので、受光センサアレイ１４の中心波長のばらつきの影響を無視することができ、取り扱いが簡単になる。

図８は、半値幅Δｎ＝２．０，２．４，２．８（１０ｎｍ，１２ｎｍ，１４ｎｍに相当）の単色光の二次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を示す図である。図９は、半値幅Δｎ＝１．２の単色光の一次分散像を、半値幅Δｎ１＝２．６，２．８，３．０（２６ｎｍ，２８ｎｍ，３０ｎｍに相当）の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を示す図であり、図１０は、半値幅Δｎ＝２．４の単色光の二次分散像を、半値幅Δｎ２＝２．６，２．８，３．０（１３ｎｍ，１４ｎｍ，１５ｎｍに相当）の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を示す図である。

なお、図８において、実線ｐｉは半値幅Δｎ＝２．０の単色光の二次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表し、破線ｑｉは半値幅Δｎ＝２．４の単色光の二次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表し、一点鎖線ｒｉは半値幅Δｎ＝２．８の単色光の二次分散像の結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表している。

また、図９において、実線ｐｉは半値幅Δｎ＝１．２の単色光の一次分散像を、半値幅Δｎ１＝２．６の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表し、破線ｑｉは半値幅Δｎ＝１．２の単色光の一次分散像を、半値幅Δｎ１＝２．８の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表し、一点鎖線ｒｉは半値幅Δｎ＝１．２の単色光の一次分散像を、半値幅Δｎ１＝３．０の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ１との関係を表している。同様に、図１０において、実線ｐｉは半値幅Δｎ＝２．４の単色光の二次分散像を、半値幅Δｎ２＝２．６の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表し、破線ｑｉは半値幅Δｎ＝２．４の単色光の二次分散像を、半値幅Δｎ２＝２．８の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表し、一点鎖線ｒｉは半値幅Δｎ＝２．４の単色光の二次分散像を、半値幅Δｎ２＝３．０の感度プロファイルを有する受光センサアレイ１４で受光したときの結像位置ｎと出力比Ｒ２との関係を表している。

図７及び図８において、単色光の半値幅Δｎが０．２変化したときに、一次及び二次分散像についての傾斜ｄＲ１／ｄｎ及びｄＲ２／ｄｎが受ける影響を見ると、ｄｎ＝−０．３から−０．２への像位置変化についてｄＲ１／ｄｎで０．０６７であり、ｄＲ２／ｄｎで０．１５５である。しかしながら、ｄＲ１／ｄｎ及びｄＲ２／ｄｎともに同じ方向で生じ、ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２では０．０２に過ぎないため主要な誤差要因とはならない。

図９及び図１０において、受光センサアレイ１４の感度プロファイルの半値幅Δｎ１及びｎ２が０．２変化したときに、一次及び二次分散像についての傾斜ｄＲ１／ｄｎ及びｄＲ２／ｄｎが受ける影響を見ると、ｄｎ＝−０．３から−０．２への像位置変化についてｄＲ１／ｄｎで０．０９５であり、ｄＲ２／ｄｎで０．０９６である。ここで、ｄＲ１／ｄｎ及びｄＲ２／ｄｎともに同じ方向で生じるとは限らないので、ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２では約０．３となり大きな誤差要因となる。

そこで、二次分散像についてのみ固定の結像位置ｎとＲ２との関係を採用し、一次分散像については、個々に関連する受光センサアレイ１４の分光感度の半値幅を求め、単色光の半値幅は固定して数値計算で結像位置ｎとＲ１との関係を求めることによって、一次分散象の像シフトの誤差を大きく縮小することができる。この結果、残留する誤差は、二次分散像による１０％程度となり、総合誤差をこの倍の２０％としても補正精度としては十分である。一次分散像についてのみ個々に半値幅を求めるのは、一次光についての受光センサアレイ１４の分光感度が測定可能な図４に示すポリクロメータ１０’を想定しているからである。

続いて、固定値による校正の手順について説明する。なお、以下の手順では感度補正については省略している。

まず、前段階として行われる校正の手順について説明する。

演算制御部６は、光源３より出力される単色光の分散像に関連する５つの受光センサアレイ１４の二次光に対する感度プロファイルＳ２_N（ｗ），Ｓ２_N±1（ｗ），Ｓ２_N±2（ｗ）を測定する。なお、この測定は、複数台数のポリクロメータについて行われる。

演算制御部６は、二次光に対するセンサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの関係から、測定した感度プロファイルＳ２_N（ｗ），Ｓ２_N±1（ｗ），Ｓ２_N±2（ｗ）をガウス関数Ｓ２_N（ｎ），Ｓ２_N±1（ｎ），Ｓ２_N±2（ｎ）に変換する。

演算制御部６は、単色光の平均的な分光強度の形状である平均分光強度プロファイルＧａ（ｗ）を求める。

演算制御部６は、一次光及び二次光のセンサ番号ｎと中心波長ｗｃ_nとの関係から、平均分光強度プロファイルＧａ（ｗ）を一次光及び二次光の平均強度プロファイルＧ１ａ（ｎ）及びＧ２ａ（ｎ）に変換する。

演算制御部６は、Ｓ２_N（ｎ），Ｓ２_N±1（ｎ），Ｓ２_N±2（ｎ）と、像中心を変化させた平均強度プロファイルＧ２ａ（ｎ）とから、二次分散像の像シフトに対応する二次分散像結像域の５つのセンサの推定出力を数値計算により求める。

演算制御部６は、二次分散像の結像位置ｎと、二次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ２とを対応付ける第２の対応表を作成する。

演算制御部６は、上記の手順によって、複数台数のポリクロメータについて作成された対応表の平均を求めて平均対応表を作成する。

以上が、前段階として行われる手順である。続いて、工場で行われる手順について説明する。

演算制御部６は、上記のようにして作成された平均対応表を記憶させる。演算制御部６は、一次分散像結像域のセンサの一次光に対する既知の分光感度Ｓ１_n（ｗ）をｎについての感度プロファイルＳ１_n（ｎ）に変換する。演算制御部６は、感度プロファイルＳ１_n（ｎ）と、平均的な単色光の一次光のｎについての平均強度プロファイルＧ１ａ（ｗ）とから、単色光の一次分散像の結像位置ｎと、一次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ１とを対応付ける第１の対応表を数値計算により作成する。

演算制御部６は、光源３を点灯させ、光源３から出力される単色光での一次分散像及び二次分散像における出力比Ｒ１及びＲ２の初期値Ｒ１₀及びＲ２₀を求めて記憶する。

以上が、工場で行われる手順である。続いて、ユーザ側で行われる手順について説明する。

演算制御部６は、光源３を点灯させ、光源３より出力される単色光での受光センサアレイ１４上における一次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ１と、受光センサアレイ１４上における二次分散像の中心を挟む２つのセンサの出力比Ｒ２とを求める。

演算制御部６は、第１の対応表及び第２の対応表によって、求めた出力比Ｒ１及びＲ２の、予め記憶されている初期値Ｒ１₀及びＲ２₀からの変化をｎの変化ｄ１及びｄ２に変換する。

演算制御部６は、上記（４）式に基づいて、ポリクロメータの機械的変化による像シフト量ｄｘを求める。

（第２の実施形態）
図１１は、波長シフトを補正することが可能な分光装置の一例である垂直受光型の分光測色計の構成を示す図である。図１１に示す分光測色計１’は、受光レンズ２、光源３、演算制御部６、積分球７、試料照明用光源８及びポリクロメータ１０’を備えて構成される。

積分球７は、その内壁に高拡散性、高反射率の例えば酸化マグネシウムや硫酸バリウム等の白色拡散反射塗料が塗布された中空の球で、内部に試料照明用光源８を備え、試料照明用光源８からの光線を内壁で多重反射して拡散光を生成するものである。試料照明用光源８は、例えばキセノンフラッシュランプ等で構成される。また、積分球７には、光源３からの光が入射する光源用開口７１、試料又は白色校正板等の測定対象９が配置される試料用開口７２及び試料又は白色校正板等の測定対象９によって反射した反射光が入射する測定用開口７３が形成されている。

演算制御部６は、試料照明用光源８を瞬時点灯させ、測定時には拡散照明された試料の垂直方向の反射光、白色校正時には拡散照明された白色校正板の垂直方向の反射光が、測定用開口７３を通過して受光レンズ２を介してポリクロメータ１０’のスリット板１１に形成されたスリットＳＬ０に入射する。演算制御部６は、入射光の分散像が結像した受光センサアレイ１４の各センサの出力をＡ／Ｄ変換し、分光強度を測定する。この直後、演算制御部６は、上記と同様の動作を行い、オフセット信号を測定する。そして、演算制御部６は、測定した分光強度からオフセット信号を減算することによって、オフセットを除去した被測定光の分光強度を求め、さらに試料による反射光の分光強度と白色校正板による反射光の分光強度との比から試料の分光反射率係数を求める。

波長シフト補正時において、試料用開口７２に白色校正板を置いた状態で、演算制御部６は光源３を点灯させる。光源３からの単色光は、白色校正板で拡散反射してスリットＳＬ０に入射する。演算制御部６は、単色光の一次分散像及び二次分散像が結像した受光センサアレイ１４の各センサの出力をＡ／Ｄ変換し、強度プロファイルを測定する。この直後、演算制御部６は、光源３を消灯させ、オフセット信号を測定する。そして、演算制御部６は、測定した強度プロファイルからオフセット信号を減算することによって、オフセットを除去した単色光の強度プロファイルを求め、前述した方法で波長シフト量を推定する。

この構成では、積分球７によって生成された拡散光により測定対象９をあらゆる方向から均等に照明することができ、拡散光による測定対象９の反射光の強度プロファイルを測定することができ、測定した強度プロファイルから波長シフト量を推定することができる。

なお、本実施形態では、波長シフトの補正を行っているが、本発明は特にこれに限定されず、本発明を波長精度の監視に用いてもよい。この場合、波長シフトを補正することが可能な分光装置は、演算制御部６によって求められた波長シフト量が、予め設定されている許容限度以上である場合、波長シフト量が異常であることをユーザに対して警告する警告部をさらに備える。許容限度以上の波長シフトが確認されると、ユーザに対して警告が出されるので、ユーザは警告が出るまでは安心して使用することができ、警告があった場合は必要な対応を取ることができる。

また、本実施形態では、ポリクロメータ１０の各構成要素を支持する構造部材を、経時的及び熱的に安定しているとはいえないＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂等の汎用プラスチックで構成することができ、低コスト化と軽量化とを実現することができる。

光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置の一例である分光輝度計の構成を示す図である。 波長シフト量の推定について説明するための図である。 本実施形態におけるポリクロメータの構成を示す図である。 本実施形態の第１の変形例におけるポリクロメータの構成を示す図である。 本実施形態の第２の変形例におけるポリクロメータの構成を示す図である。 半値幅１２ｎｍの単色光の一次分散像及び二次分散像のセンサ番号ｎについての強度プロファイルと、一次分散像及び二次分散像に関連する半値幅２８ｎｍの３つのセンサのｎについての感度プロファイルとを示す図である。 半値幅Δｎ＝１．０，１．２，１．４（１０ｎｍ，１２ｎｍ，１４ｎｍに相当）の一次分散像が３つのセンサ（ｎ＝Ｎ−１，Ｎ，Ｎ＋１）の中央から−０．５〜＋０．５の範囲でシフトしたときの両端のセンサ（ｎ＝Ｎ−１，Ｎ＋１）の出力比Ｒ１を示す図である。 半値幅Δｎ＝２．０，２．４，２．８（１０ｎｍ，１２ｎｍ，１４ｎｍに相当）の二次分散像の結像位置ｎと両端のセンサ（ｎ＝Ｎ−１，Ｎ＋１）の出力比Ｒ２との関係を示す図である。 半値幅△ｎ＝１．２の単色光の一次分散像を、半値幅Δｎ＝２．６，２．８，３．０（２６ｎｍ，２８ｎｍ，３０ｎｍに相当）の感度プロファイルを有する受光センサアレイで受光したときの結像位置ｎと両端のセンサ（ｎ＝Ｎ−１，Ｎ＋１）の出力比Ｒ１との関係を示す図である。 半値幅△ｎ＝２．４の単色光の二次分散像を、半値幅Δｎ＝２．６，２．８，３．０（１３ｎｍ，１４ｎｍ，１５ｎｍに相当）の感度プロファイルを有する受光センサアレイで受光したときの結像位置ｎと両端のセンサ（ｎ＝Ｎ−１，Ｎ＋１）の出力比Ｒ２との関係を示す図である。 波長シフトを補正することが可能な分光装置の一例である垂直受光型の分光測色計の構成を示す図である。

符号の説明

１ 分光輝度計
２ 受光レンズ
３ 光源
４ シャッタ
５ シャッタ駆動モータ
６ 演算制御部
１０ ポリクロメータ
１１ スリット板
１２ コリメータレンズ
１３ 回折格子
１４ 受光センサアレイ
ＳＬ０ 第１スリット
ＳＬ１ 第２スリット

Claims (13)

1. 光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置であって、
   単色光を出力する光源と、
   前記光源からの単色光が入射する少なくとも一つの入射スリットと、
   前記入射スリットを通過した光の分散像を結像する結像部と、
   前記結像部によって結像される分散像の結像面に配置され、波長に応じて分散した光を受光し、受光した各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子が配列されてなる受光センサアレイと、
   前記光源を点灯して単色光を前記入射スリットに入射させ、前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量を第一の像シフト量として求め、前記入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量を第二の像シフト量として求め、求めた前記第一の像シフト量と前記第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求める前記演算制御部とを備えることを特徴とする分光装置。
2. 前記演算制御部は、前記第一の像シフト量をｄ１とし、前記第二の像シフト量をｄ２とし、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量をｄｘとするとき、
   ｄｘ＝２×ｄ１−ｄ２
   によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることを特徴とする請求項１記載の分光装置。
3. 前記入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリットとを有し、
   前記光源は、前記第一の入射スリットと前記第二の入射スリットとに単色光を入射させ、
   前記演算制御部は、前記第一の入射スリットを通過した光の一次分散像と前記第二の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は前記第一の入射スリットを通過した光の二次分散像と前記第二の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の分光装置。
4. 前記入射スリットは、被測定光が入射する第一の入射スリットと、波長シフト補正用の第二の入射スリット及び第三の入射スリットとを有し、
   前記光源は、前記第二の入射スリットと前記第三の入射スリットとに単色光を入射させ、
   前記演算制御部は、前記第二の入射スリットを通過した光の一次分散像と前記第三の入射スリットを通過した光の二次分散像、又は前記第二の入射スリットを通過した光の二次分散像と前記第三の入射スリットを通過した光の一次分散像によって、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の分光装置。
5. 被測定光が入射する入射スリットと、波長シフト補正用の入射スリットとは、同一のスリット板に設けられていることを特徴とする請求項３又は４記載の分光装置。
6. 前記入射スリットの前に被測定光を遮断するチョッパーをさらに備え、
   前記演算制御部は、前記チョッパーを閉じた状態で前記光源を点灯し、前記光源からの単色光は前記チョッパーによって反射されて前記入射スリットに入射することを特徴とする請求項１記載の分光装置。
7. 前記演算制御部は、前記受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比の変化を一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化、あるいは一次分散像及び二次分散像の結像位置の変化に基づく波長シフト量に変換するための情報として記憶していることを特徴とする請求項１記載の分光装置。
8. 前記演算制御部は、前記光源からの単色光を前記入射スリットに入射させたときの、前記受光センサアレイの一次分散像及び二次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力を求め、前記一次分散像が結像される領域における複数の前記光電変換素子の出力の相対比と、前記受光センサアレイの一次分散像が結像される領域における各光電変換素子の一次分散像に対する既知の分光感度とから、前記単色光の一次分散像の強度プロファイルの半値幅を推定し、前記強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと前記分光感度とから、一次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比を求めて記憶し、前記一次分散像の強度プロファイルから前記二次分散像の強度プロファイルを推定し、推定された二次分散像の強度プロファイルの中心をシフトさせた強度プロファイルと、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する既知の分光感度とから、前記二次分散像のシフトに対応する各光電変換素子の出力の相対比を求めて記憶することを特徴とする請求項７記載の分光装置。
9. 前記演算制御部は、推定された二次分散像の強度プロファイルと、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の出力の相対比とから、前記各光電変換素子の二次分散像に対する未知の分光感度を推定することを特徴とする請求項８記載の分光装置。
10. 前記演算制御部は、前記単色光の半値幅として、予め求められた平均値を用いることを特徴とする請求項８記載の分光装置。
11. 前記演算制御部は、前記受光センサアレイの二次分散像が結像される領域における各光電変換素子の二次分散像に対する分光感度として予め求められた平均的な分光感度を用いることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の分光装置。
12. 前記演算制御部によって求められた像シフト量が、予め設定されている許容限度以上である場合、像シフト量が異常であることをユーザに対して警告する警告部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の分光装置。
13. 光の分散像のシフトまたは分散像のシフトに伴う波長シフトを補正することが可能な分光装置の補正方法であって、
    単色光を光源より出力し、
    前記光源からの単色光が少なくとも一つの入射スリットに入射し、
    前記入射スリットを通過した光の分散像を結像し、
    結像される分散像の結像面に配置され、受光した各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子が配列されてなる受光センサアレイで波長に応じて分散した光を受光し、
    前記光源を点灯して単色光を前記入射スリットに入射させ、前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる一次分散像の初期位置からの変化量を第一の像シフト量として求め、
    前記受光センサアレイの結像位置において、前記入射スリットによる二次分散像の初期位置からの変化量を第二の像シフト量として求め、
    求めた前記第一の像シフト量と前記第二の像シフト量とに基づいて、単色光の波長変化の影響を除去した像シフト量を求めることを特徴とする分光装置の補正方法。
    

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