JP2009128193A - 波長センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能でありながら、簡単な構成の波長センサを提供する。
【解決手段】光の波長を検出する波長センサであって、コリメートレンズ１と、前記コリメートレンズ１からの光を干渉させて干渉光を射出するものであり、対向する２つの反射面を有し、当該反射面間の距離が連続的に変化する干渉器４と、前記干渉器４を透過した干渉光を検出する光検出器５と、前記反射面間の距離及び前記反射板間の角度を調節する反射面調節機構と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長の変化を検出する波長センサに関するものである。

この種の波長センサとしては、例えば透過型、反射型等の回折格子を用いたものがある（特許文献１）。このように、回折格子を用いた波長センサにおいては、波長分解能を上げるには、回折格子に格子面に形成された溝の密度（lines/mm）を大きくする必要がある。

しかしながら、回折格子の加工が難しいという問題、また、コストが大きくなるという問題がある。

また、検出する波長帯域によって、回折格子を交換しなくてはならないという問題もある。
特開２００６−１６２５０９号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、高分解能でありながら、簡単な構成の波長センサを提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る波長センサは、光の波長を検出する波長センサであって、コリメートレンズと、前記コリメートレンズからの光を干渉させて干渉光を射出するものであり、対向する２つの反射面を有し、当該反射面間の距離が連続的に変化する干渉器と、前記干渉器を透過した干渉光を検出する光検出器と、前記反射面間の距離及び当該前記反射板間の角度を調節する反射面調節機構と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、対向する２つの反射面により光を多重反射及び干渉させることで強め合った干渉光を検出することができ、いわゆるファブリ・ペロー干渉計の原理により高分解能で波長を検出することができる。また、干渉器を対向する２つの反射面で構成すると共に、反射面調節機構により、その反射面間の距離及び反射面間の角度を調節可能としているので、その距離及び角度を調節することにより、簡単に波長分解能を調節することができ、検出する波長帯域に好適な距離及び角度に調節することができる。

また、前記コリメートレンズと前記干渉器との間に、前記コリメートレンズからの光を波長毎に分光する回折格子、及び当該回折格子により分光された各色光を線状に前記干渉器の光入射面に集光するシリンドリカルレンズが設けられていることが望ましい。

これならば、波長帯域の広い光が、回折格子及びシリンドリカルレンズにより、低い分解能で分光されてから、干渉器に入射する。そしてその光は、干渉器により高分解で分光されるため、測定帯域の狭い干渉器の測定帯域が広がり、波長センサの分解能を良くすることができる。なお、回折格子及びシリンドリカルレンズによる分解の分解能は、干渉器の波長測定帯域より僅かに小さくする。また、前段階の分光方向と干渉器の分光方向は直行させる。

さらに、前記干渉器及び前記光検出器の間に結像レンズが設けられていることが望ましい。これならば、干渉器出射面における像を光検出器に結像することができるので、波長センサの分解能をより一層良くすることができる。

このように構成した本発明によれば、高分解能且つ簡単な構成の波長センサを提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、図１は、本実施形態に係る波長センサ１００の模式的構成図であり、図２は、波長センサ１００の光学的配置を示す斜視図である。

＜装置構成＞

本実施形態に係る波長センサ１００は、図１に示すように、コリメートレンズ１と、シリンドリカルレンズ１１と、回折格子２と、シリンドリカルレンズ３と、干渉器４と、光検出器５と、それらを収容するケーシング６と、を備える。なお、コリメートレンズ１、シリンドリカルレンズ１１、回折格子２、シリンドリカルレンズ３、干渉器４、光検出器５は、ケーシング６内に固定されている。

以下、各部について説明する。

コリメートレンズ１は、ケーシング６の側壁に接続された光ファイバ７によりケーシング６内部に導かれた光を平行光束に変換するものである。

シリンドリカルレンズ１１は、コリメートレンズ１より射出された平行光束を線状に集光するものである。

回折格子２は、シリンドリカルレンズ１１からの光を波長毎に分光するものであり、具体的には、図２に示すように、Ｚ軸方向に各色光に分光する。

シリンドリカルレンズ３は、回折格子２より分光された各色光を線状に集光するものであり、具体的には、干渉器４の光入射面４０１にＺ軸方向に各色光が平行光になるようにする。

本実施形態では、コリメートレンズ１及びシリンドリカルレンズ１１の光軸と、回折格子２及びシリンドリカルレンズ３の光軸とは、図４に示すようにずらしてある。これにより、回折格子２からの一次回折光を利用することができる。なお、ずらしてある角度は、回折格子２からの一次回折光の光軸及びシリンドリカルレンズ３の光軸が平行になる角度である。

干渉器４は、コリメートレンズ１からの光を干渉させて干渉光を射出するものであり、具体的には、対向する２つの反射面４１１、４２１を有し、当該反射面４１１、４２１間の距離が連続的に変化するものである。より詳細には、干渉器４は、光透過性を有する２枚のガラス平板４１、４２を、互いに間隙を設けて重ね合わせた構造である。それら反射板４１、４２の対向する面には、反射コーティングが施された反射面４１１、４２１が形成されている。

光検出器５は、干渉器４により得られた干渉光を検出するものであり、例えばエリアイメージセンサを用いることができる。

しかして本実施形態の波長センサ１００は、反射面調節機構８を備えている。反射面調節機構８は、反射面４１１、４２１間の距離Ｈ及び反射板４１１、４２１間の角度αを調節するものである（図３参照）。本実施形態の反射面調節機構８は、干渉器４を構成する２枚のガラス平板４１、４２間の距離Ｈ及びガラス平板４１、４２の角度αを調節するものであり、検出する波長帯域に合わせて、高分解能な検出を可能とするように距離Ｈ及び角度αが調節される。

本実施形態の反射面調節機構８は、反射板４１１を保持する保持部材１及び反射板４２１を保持する保持部材２と、保持部材１と保持部材２との間に設けられ、移動することにより、反射板４１１と反射板４２１との角度を調整する可動子と、その可動子を移動させるウォームギヤを用いた可動子駆動部とから成る。また、可動子駆動部には、ウォームギヤを操作するためのつまみが設けられている。

本実施形態の反射面調節機構８は、つまみを回転させると、ウォームギヤにより可動子が移動して、反射板４２１の角度が調整される構成である。

次に、このように構成した波長センサ１００の分解能を図５に示す。このとき、反射面４１１、４２１間の距離Ｈは０．１ｍｍであり、反射面４１１、４２１間の角度αは２”（秒）であり、反射率Ｒは０．９９である。また、ｎは屈折率であり、図４においては、ｎ＝１である。

このとき、ｍ次と（ｍ＋１）次とのピーク位置の差Δｘは、３２．６ｍｍであり、渉器４における同じ位置でのｍ次と（ｍ＋１）次との波長差Δλは、２ｎｍであり、波長センサ１００の波長分解能δλは、０．００６４ｎｍであることが分かる。

干渉光（波長一定）のｍ次と（ｍ＋１）次とのピーク位置の差Δｘは、

である。この（式１）から角度α又は屈折率ｎを小さくすると、ピーク位置の間隔が広がることが分かる。

干渉器４における同じ位置でのｍ次と（ｍ＋１）次との波長差Δλは、

である。この（式２）から距離Ｈ又は屈折率ｎを小さくすると、ピーク位置の間隔が広がることが分かる。

また、干渉器の波長分解能δλは、

である。

さらに波長センサ１００の波長変化に対する干渉光のピーク位置の変化率は、

である。この（式４）から角度αを小さく、ｍを大きく（距離Ｈを大きく）すると、波長センサ１００の波長変化の感度が大きくなることが分かる。

回折格子２での分光は、上記（式２）の波長差Δλ以下の分解能で分光する。また、回折格子２の分解能に応じて反射面４１１、４２１間の最小距離Ｈを変える。

回折格子２の分解能が高い場合、反射面４１１、４２１間の最小距離Ｈを大きくする。そうすると、波長センサ１００の分解能が高くなることが分かる。

また、干渉器４の反射率Ｒが大きい場合、波長センサ１００の波長分解能δλが大きくなる。

さらに、干渉器４のガラス平板４１、４２の大きさは、ピーク位置の差Δｘ以上の大きさが必要である。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係る波長センサ１によれば、対向する２つの反射面４１１、４２１により光を多重反射及び干渉させることで強め合った干渉光を検出することができ、いわゆるファブリ・ペロー干渉計の原理により高分解能で波長を検出することができる。また、干渉器４を対向する２つの反射面４１１、４２１で構成すると共に、反射面調節機構８により、その反射面４１１、４２１間の距離Ｈ及び反射面４１１、４２１間の角度αを調節可能としているので、距離Ｈ及び角度αを調節することにより、簡単に波長分解能δλを調節することができる。したがって、検出する波長帯域に好適な距離Ｈ及び角度αに簡単に調節することができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、干渉器４及び光検出器５の間に結像レンズを設けても良い。これならば、干渉器４からの干渉光を集光させて光検出器５に入射させることができるので、波長センサの分解能をより一層良くすることができる。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る波長センサを示す機器構成図。 同実施形態における波長センサの光学配置を示す模式的斜視図。 反射面間の距離及び角度を示す模式図。 波長センサの光学配置を具体的に示す図。 同実施形態における波長センサの分解能を示す図。

符号の説明

１００・・・波長センサ
１ ・・・コリメートレンズ
１１ ・・・シリンドリカルレンズ
２ ・・・回折格子
３ ・・・シリンドリカルレンズ
４ ・・・干渉器
４１１、４２１・・・反射面
Ｈ ・・・反射面間の（最短）距離
α ・・・反射面間の角度
５ ・・・光検出器
８ ・・・反射面鏡設機構

Claims (3)

1. 光の波長を検出する波長センサであって、
   コリメートレンズと、
   前記コリメートレンズからの光を干渉させて干渉光を射出するものであり、対向する２つの反射面を有し、当該反射面間の距離が連続的に変化する干渉器と、
   前記干渉器を透過した干渉光を検出する光検出器と、
   前記反射面間の距離及び前記反射板間の角度を調節する反射面調節機構と、を具備する波長センサ。
2. 前記コリメートレンズと前記干渉器との間に、前記コリメートレンズからの光を波長毎に分光する回折格子、及び当該回折格子により分光された各色光を線状に前記干渉器の光入射面に集光するシリンドリカルレンズが設けられている請求項１記載の波長センサ。
3. 前記干渉器及び前記光検出器の間に結像レンズが設けられている請求項１又は２記載の波長センサ。