光源には、レーザやLEDのように特定の波長域を利用するものや、ランプのように幅広い波長帯域を利用するものなど、さまざまな種類があります。用途や測定対象によって求められる波長帯域や出力特性が異なるため、適切な光源を選ぶことが重要です。
その中でも幅広い波長帯域を利用できるブロードバンド光源 (広帯域光源・白色光源)に着目し、その特長と選定ポイントをご紹介します。
ブロードバンド光源 (広帯域光源)とは、一般に白色光源とも呼ばれる広帯域のスペクトルを有する光源の総称です。紫外 (UV)から可視 (VIS)、近赤外 (NIR)、製品によっては赤外 (IR)領域までの幅広い波長帯域を出力できることから、分光分析、材料評価、半導体検査・計測、ライフサイエンス分野などで広く利用されています。
浜松ホトニクスでは、連続点灯に適したキセノンランプ、高速パルス発光が可能なキセノンフラッシュランプ、高輝度・高安定なレーザ駆動プラズマ光源 (LDLS®)、高輝度かつ優れたビーム品質を有するスーパーコンティニューム光源など、多様なブロードバンド光源をラインアップしています。
これらの光源は、波長や発光モード、照射エリア、安定性・寿命などによって特性が大きく異なります。本ページでは、光源選定で重要となるこれらの観点から、各光源の特長と選定ポイントをご紹介します。
ブロードバンド光源を選定する際には、まず使用したい波長帯を明確にすることが重要です。光源ごとに対応可能な波長域は異なるため、目的とする波長帯に応じて最適な光源を選択する必要があります。
例えば、390 nm未満のUV領域ではSuperKは発振できません。そのため、UV領域の光が必要な場合には他の光源を選択する必要があります。また、MWIR ~ FIR領域が求められる場合にはキセノンフラッシュランプやLDLSの赤外タイプが選択肢となります。
このように「どの波長を使用して何を観察・計測したいのか」を明確にすることが、ブロードバンド光源選定の第一歩となります。
光源の発光モード (連続光・放電パルス光・レーザパルス光)は、それぞれ本質的に対応可能な時間スケールが異なります。そのため、どの時間幅で信号を捉えたいかによって、最適な光源は大きく変わります。
ここでは、各発光モードの時間特性を比較しながら、発光モードの違いによる選定の考え方を整理します。
なお、瞬間的な発光強度 (ピークパワー)を求める式を次の通り仮定します。(fR: 繰り返し周波数、tP: パルス幅、PAV: 平均出力)
照射エリアを検討する場合、主に(1) 照度と輝度、(2) 光の利用目的、(3) 発光点サイズと光の切り出し条件の3点が密接に関係します。
以下では、照射エリアに応じた光源選定の考え方を整理します。
小さく集光するほど同じ光量でも照度は高くなり、その集光限界は輝度で決まります。
高輝度光源ほど小スポット化でき、高照度が得られます。 輝度は発光点サイズと光学系による光の切り出し条件に大きく依存します。
発光点サイズが大きい光源が適しています。NAの大きいレンズと組み合わせることで、照射ムラを抑えた均一な照明を実現します。
発光点サイズが小さく高輝度な光源が適しています。LDLSは高輝度な点光源であり、小スポットへの集光によって高照度を実現します。
光ファイバ (シングルモード)への効率的な結合には、ビーム品質の高い光源が適しています。SuperKは狭発散で優れたビーム品質を有しており、高効率な光ファイバ結合を実現します。
輝度は、発光点サイズと光学系による切り出し条件に左右されます。SuperKやLDLSは発光点が非常に小さく、小スポットへ集光する場合でも高い照度を得ることが可能です。
「短時間の出力安定性」と「長時間の出力安定性」も光源の選定に重要です。
短時間の出力変動は測定精度やS/N (信号対雑音比)に直結し、長時間の出力変化は、光源の経年劣化による出力低下として現れ、交換周期や再校正頻度、装置停止 (ダウンタイム)などの製品寿命に直結します。
微小信号の測定や積算測定においてS/Nを重視する場合は、短時間安定性に優れた光源が適しています。
短時間の出力変動によるノイズは、平均回数や積算時間を増やすことで低減できますが、測定時間が長くなりスループットは低下します。
光源の交換頻度を低減したい場合やダウンタイムを避けたい場合、また装置の稼働率を重視する場合は、長寿命で長時間安定性に優れた光源が適しています。
お客様のご要求仕様や使用する光学系にもとづきシミュレーションを行い、用途に適した光源をご提案します。
お気軽にお問い合わせください。
各光源からΦ1 mmおよびΦ0.1 mmのアパーチャで光を切り出した場合の分光放射束を比較したシミュレーション事例です。
シミュレーションの結果、アパーチャ径が大きいΦ1 mmでは光源間の差は比較的小さい一方、Φ0.1 mmでは光源特性の違いが分光放射束に大きく現れました。SuperKは発光点が非常に小さく、指向性の高い光源であるため、小さなアパーチャでも光を効率よく取り出すことができ、高い分光放射束を維持できることがシミュレーション結果から示されました。一方、他の光源では、アパーチャ径を小さくすることで取り出せる光量が減少し、分光放射束が低下する結果となりました。
このように、シミュレーションを活用することで、光源の特性や光学条件の違いが取り出せる光に与える影響を比較・評価することができます。
切り出しサイズが大きく、光源間の分光放射束の差は比較的小さい
切り出しサイズが小さく、光源特性の違いが分光放射束に大きく反映される
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