JP2019174151A

JP2019174151A - 分光器

Info

Publication number: JP2019174151A
Application number: JP2018059657A
Authority: JP
Inventors: 正章北脇; Masaaki Kitawaki
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-10-10
Also published as: CN110320669A; US20190302368A1; US10663668B2

Abstract

【課題】目的波長以外の波長の光が出射されることを抑制できる分光器を提供する。【解決手段】分光器１は、筐体２と、回折格子５と、光学フィルタ６とを備えている。筐体２には、入射部３及び出射部４が設けられている。光学フィルタ６は、筐体２内において、出射部４と回折格子５との間に配置されている。光学フィルタ６のフィルタ本体６１における出射部４側の表面には、反射防止コーティング６２が形成されている。そのため、回折格子５で分散されて光学フィルタ６を透過した光のうち、出射部４の裏面で反射した光は、光学フィルタ６の裏面で反射することなく、光学フィルタ６を透過して筐体の内方側に向かう。その結果、光学フィルタ６を透過した光であって目的波長以外の波長の光が、出射部４の出射スリット４１から出射することを抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、入射した光を回折格子により波長ごとの光に分散して出射スリットから出射させる分光器に関するものである。

従来より、波長可変単色光源を利用する分野において分光器が用いられている。分光器では、入射スリットから入射した光が回折格子により波長ごとの光に分散される。そして、その分散された光が出射スリットから出射される（例えば、下記特許文献１参照）。

このような分光器において、分光器内において光が散乱することや、回折格子で高次光が発生することなどにより、目的波長以外の波長の光が出射スリットから出射することがある。目的波長以外の波長の光が、例えば、分析装置で用いられると、分析に悪影響を及ぼしてしまう。このような点から、目的の波長以外の波長の光（ノイズ源となる光）をカットするための光学フィルタを設けた分光器が用いられている。

特開２０１３−１６０７０１号公報

例えば、図５に示すように、分光器１００の内部に光学フィルタ１０５を設けることが考えられる。図５に示す例では、分光器１００は、筐体１０１と、入射部１０２と、出射部１０３と、回折格子１０４と、光学フィルタ１０５とを備えている。

入射部１０２及び出射部１０３のそれぞれは、筐体１０１上に設けられている。入射部１０２には、入射スリットが形成されており、出射部１０３には、出射スリットが形成されている。回折格子１０４及び光学フィルタ１０５は、筐体１０１内に配置されている。光学フィルタ１０５は、出射部１０３と間隔を隔てて対向するように配置されている。光学フィルタ１０５は、所定の波長範囲の光のみを透過するように構成されている。

分光器１００の周辺に配置された光源１２０から光が出射されると、その光は、集光レンズ１２１により集光され、入射部１０２の入射スリットを通過して筐体１０１内に向かう。入射部スリットを通過した光は、回折格子１０４で回折することにより、各波長の光に分光される。そして、分光された特定の波長の光は、光学フィルタ１０５を透過し、出射部１０３の出射スリットを介して筐体１０１の外部に出射される。そして、筐体１０１の外部に出射された光は、検出器１２２によって検出される。このとき、出射部１０３に向かうノイズ源となる光（目的波長以外の波長の光）の多くは、光学フィルタ１０５でカットされる。

この分光器１００では、目的の波長と比べて波長が大きく異なる光は、光学フィルタ１０５でカットされる。一方、目的の波長ではないが、目的の波長に近い波長を有する光は、光学フィルタ１０５を透過する。分光器１００では、このような目的波長以外の波長の光であって光学フィルタ１０５を透過する光が、出射スリットから出射することがあった。

具体的には、分光器１００では、目的波長以外の波長の光であって光学フィルタ１０５を透過する光が、図５の点線で示すように、出射部１０３の裏面（光学フィルタ１０５側の面）と光学フィルタ１０５の裏面（出射部１０３側の面）との間で反射を繰り返し、その後に出射スリットから出射することがあった。そして、この光は目的波長以外の波長の光であるため、その後の分析などに悪影響を及ぼしてしまう。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、目的波長以外の波長の光が出射されることを抑制できる分光器を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る分光器は、筐体と、回折格子と、光学フィルタとを備える。前記筐体は、内部に光が入射し、その入射した光を出射スリットから出射させる。前記回折格子は、前記筐体内に設けられ、当該筐体内に入射した光を波長ごとの光に分散させる。前記光学フィルタは、前記回折格子と前記出射スリットとの間に設けられ、選択された波長の光のみを透過させて前記出射スリットから出射させる。前記光学フィルタには、少なくとも前記出射スリット側の表面に反射防止コーティングが形成されている。

このような構成によれば、分光器において、光学フィルタにおける出射スリット側の表面には、反射防止コーティングが形成されている。

そのため、回折格子で分散されて光学フィルタを透過した光のうち、出射スリットが形成される部分の裏面（光学フィルタ側の表面）で反射した光は、光学フィルタの裏面（出射スリット側の表面）で反射することなく、光学フィルタを透過して筐体の内方側に向かう。

その結果、光学フィルタを透過した光であって目的波長以外の波長の光が、出射スリットが形成される部分の裏面（光学フィルタ側の表面）と、光学フィルタの裏面（出射スリット側の表面）との間で反射を繰り返して出射スリットから出射することを抑制できる。
よって、分光器において、目的波長以外の波長の光が出射されることを抑制できる。

（２）また、前記分光器は、フィルタ切替機構をさらに備えてもよい。前記フィルタ切替機構は、複数の前記光学フィルタを切り替えて、いずれか１つの前記光学フィルタを前記回折格子と前記出射スリットとの間に配置させる。前記複数の光学フィルタのそれぞれには、少なくとも前記出射スリット側の表面に反射防止コーティングが形成されていてもよい。

このような構成によれば、分光器では、フィルタ切替機構の切替えにより選択された光学フィルタが、回折格子と出射スリットとの間に配置される。そして、その光学フィルタを透過した光が出射スリットから出射される。
そのため、複数の光学フィルタの中から所定の波長範囲の光学フィルタを選択して用いることができる。

本発明によれば、回折格子で分散されて光学フィルタを透過した光のうち、出射スリットの裏面で反射した光は、光学フィルタの裏面で反射することなく、光学フィルタを透過して筐体の内方側に向かう。その結果、光学フィルタを透過した光であって目的波長以外の波長の光が、出射スリットの裏面と、光学フィルタの裏面との間で反射を繰り返して出射スリットから出射することを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る分光器の構成を示した概略図である。図１の分光器における光学フィルタの反射率を表したグラフである。分光器から出射される光の波長と強度との関係を表したグラフであって、分光器から出射する光の波長を４２０ｎｍに設定した際のグラフである。分光器から出射される光の波長と強度との関係を表したグラフであって、分光器から出射する光の波長を８５０ｎｍに設定した際のグラフである。反射防止コーティングが形成されていない光学フィルタを備える分光器の構成を示した概略図である。

１．分光器の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る分光器１の構成を示した概略図である。
分光器１は、光源８からの光を分光するためのモノクロメータであり、光源８からの光は集光レンズ９により集光されて分光器１内に入射する。また、分光器１から出射する光は、検出器１０によって検出される。この分光器１は、分光光度計の他、膜厚計などの各種分析装置に適用することができる。

光源８は、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ又はＬＥＤ（発光ダイオード）などにより構成される。
集光レンズ９は、光源８から分光器１に光を導くための光学系を構成している。

分光器１は、例えば、筐体２と、入射部３と、出射部４と、回折格子５と、光学フィルタ６と、フィルタ切替機構７と備えている。
筐体２は、ボックス状に形成されている。筐体２には、入射側開口部２１及び出射側開口部２２が形成されている。

入射部３は、板状に形成されている。入射部３には、入射スリット３１が形成されている。入射部３は、入射側開口部２１を覆うようにして筐体２に設けられている。

出射部４は、板状に形成されている。出射部４には、出射スリット４１が形成されている。出射部４は、出射側開口部２２を覆うようにして筐体２に設けられている。

回折格子５は、筐体２内に配置されている。回折格子５には、凹面からなる格子面５１が形成されている。回折格子５は、図示しない回転体上に固定されており、回転軸Ａを中心として回転可能である。

分光器１では、光学フィルタ６は、筐体２内において複数個設けられている。光学フィルタ６は、反射又は吸収により選択された波長の光のみ（所定の波長範囲の光のみ）を透過するように構成されている。各光学フィルタ６は、板状のフィルタ本体６１の表面に反射防止のためのコーティング（ＡＲコーティング）である反射防止コーティング６２が形成された構成となっている。反射防止コーティング６２は、フィルタ本体６１の一方側の面に形成されている。複数の光学フィルタ６において、一の光学フィルタ６における透過可能な波長範囲は、他の光学フィルタ６における透過可能な波長範囲と異なっている。すなわち、分光器１では、透過可能な波長範囲が異なる複数の光学フィルタ６が設けられている。

光学フィルタ６の反射防止コーティング６２は、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）により形成される膜である。反射防止コーティング６２は、例えば、蒸着によりフィルタ本体６１上に形成される。

フィルタ切替機構７は、複数の光学フィルタ６を切り替えて、いずれか１つの光学フィルタ６を出射部４（出射スリット４１）と回折格子５との間に配置するように構成されている。例えば、フィルタ切替機構７は、図示しない回転体を備えており、各光学フィルタ６は、この回転体に設けられている。そして、回転体が回転することでいずれか１の光学フィルタ６が、出射スリット４１と回折格子５との間に配置される。なお、フィルタ切替機構７は、いずれか１の光学フィルタ６を選択して出射スリット４１と回折格子５との間に配置するように構成されるものであればよく、上記した構成と異なる構成であってもよい。各光学フィルタ６は、反射防止コーティング６２が出射スリット４１側を向くように配置されている。

分光器１を用いる際には、まず、フィルタ切替機構７によりいずれか１つの光学フィルタ６が出射部４（出射スリット４１）と回折格子５との間に配置される。このとき、透過可能な光の波長範囲が適切である光学フィルタ６が選択されて配置される。また、光学フィルタ６は、出射部４（出射スリット４１）と回折格子５との間において、出射部４（出射スリット４１）の近傍に配置される。具体的には、光学フィルタ６は、反射防止コーティング６２が出射部４（出射スリット４１）に対向するようにして、出射部４（出射スリット４１）と間隔を隔てて配置される。このとき、光学フィルタ６は、出射部４（出射部４の裏面）に対して平行になるように配置される。また、このときの光学フィルタ６と出射部４との間の寸法Ｌは、回折格子５に入射する光軸上外で回折格子５の分光光と出射光の中間位置から出射スリット４１までの距離になる。例えば、光学フィルタ６と出射部４との間の寸法Ｌは、焦点距離１２０ｍｍの光学系では１０〜６０ｍｍである。

光源８から光が出射されると、その光は、集光レンズ９により集光されて、入射部３の入射スリット３１を通過して筐体２内に向かう。入射スリット３１を通過した光は、拡がりながら回折格子５の格子面５１に到達し、格子面５１で回折することにより、各波長の光に分光される。また、回折格子５は、回転軸Ａを中心として回転され、所定の位置（所定の角度の位置）に配置される。これにより、回折格子５の回転角度に応じた特定波長の光が出射部４に向かう。

分光された特定の波長の光は、光学フィルタ６を透過し、出射部４の出射スリット４１を介して筐体２の外部に出射される。そして、筐体２の外部に出射された光は、検出器１０によって検出される。このとき、出射部４に向かうノイズ源となる光（目的波長以外の波長の光）の多くは、光学フィルタ６でカットされる。

このとき、目的の波長ではないが、目的の波長に近い波長を有する光は、光学フィルタ６を透過する。そして、この光（目的波長以外の波長の光であって光学フィルタ６を透過する光）は、図１の点線で示すように、出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）で反射した後、光学フィルタ６に向かう。上記したように、光学フィルタ６のフィルタ本体６１における出射部４側の面には、反射防止コーティング６２が形成されている。そのため、出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）で反射した光は、光学フィルタ６の裏面（出射部４側の表面）で反射することなく、光学フィルタ６を透過して筐体２の内方に向かう。すなわち、目的波長以外の波長の光であって光学フィルタ６を透過する光は、一度出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）で反射した後は、反射を繰り返すことなく筐体２の内方に向かう。

なお、出射部４の裏面とは、出射部４と光学フィルタ６との対向方向における出射部４の内側の表面であり、光学フィルタ６の裏面とは、出射部４と光学フィルタ６との対向方向における光学フィルタ６の内側の表面である。

そのため、目的波長以外の波長の光が、出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）と、光学フィルタ６の裏面（出射部４側の表面）との間で反射を繰り返して出射スリット４１から出射することを抑制できる。その結果、分光器１において、目的波長以外の波長の光が出射されることを抑制できる。

２．光学フィルタの反射率、及び、光の強度分布
図２は、分光器１の光学フィルタ６の反射率を表したグラフである。図２では、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）で形成される反射防止コーティング６２を設けた部分のフィルタ本体６１の反射率（光の反射率）がグラフａで示されており、反射防止コーティング６２を設けない部分のフィルタ本体６１の反射率（光の反射率）がグラフｂで示されている。なお、図２では、縦軸が光の反射率を表しており、横軸が光の波長を表している。

図２から、波長の全域にわたって、反射防止コーティング６２を設けた部分の反射率が低くなっていることが確認できる。特に、反射防止コーティング６２をフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）で形成した場合に、４００〜５００ｎｍの波長域で最も反射率が低くなることが確認できる。

図３は、分光器から出射される光の波長と強度との関係を表したグラフであって、分光器から出射する光の波長を４２０ｎｍに設定した際のグラフである。図３では、分光器１（図１参照）における出射光の強度分布が実線のグラフｃで示されており、分光器１００（図５参照）における出射光の強度分布が点線のグラフｄで示されている。

図４は、分光器から出射される光の波長と強度との関係を表したグラフであって、分光器から出射する光の波長を８５０ｎｍに設定した際のグラフである。図４では、分光器１（図１参照）における出射光の強度分布が実線のグラフｅで示されており、分光器１００（図５参照）における出射光の強度分布が点線のグラフｆで示されている。

すなわち、分光器内の光学フィルタに反射防止コーティングを設けたときの出射光の強度分布がグラフｃ，ｅで示されており、分光器内の光学フィルタに反射防止コーティングを設けないときの出射光の強度分布がグラフｄ，ｆで示されている。なお、図３及び図４では、縦軸が光の強度を表しており、横軸が光の波長を表している。

図３及び図４から、分光器１を用いた場合（グラフｃ，ｅ）には、分光器１００を用いる場合（グラフｄ，ｆ）に比べて、出射光として設定した波長（４２０ｎｍ又は８５０ｎｍ）の以外の波長の光の強度が小さくなっていることが確認できる。このことから、分光器１を用いると、目的波長以外の波長の光の出射を抑制できることが分かる。

３．作用効果
（１）本実施形態によれば、図１に示すように、分光器１は、筐体２と、回折格子５と、光学フィルタ６とを備えている。筐体２には、入射部３及び出射部４が設けられている。光学フィルタ６は、筐体２内において、出射部４（出射スリット４１）と回折格子５との間に配置されている。光学フィルタ６のフィルタ本体６１における出射部４（出射スリット４１）側の表面には、反射防止コーティング６２が形成されている。

そのため、回折格子５で分散されて光学フィルタ６を透過した光のうち、出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）で反射した光は、光学フィルタ６の裏面（出射部４側の表面）で反射することなく、光学フィルタ６を透過して筐体の内方側に向かう。

その結果、光学フィルタ６を透過した光であって目的波長以外の波長の光が、出射部４の裏面（光学フィルタ６側の表面）と、光学フィルタ６の裏面（出射部４側の表面）との間で反射を繰り返して出射スリット４１から出射することを抑制できる。
よって、分光器１において、目的波長以外の波長の光が出射されることを抑制できる。
また、分光器１では、筐体２内に光学フィルタ６が設けられている。そのため、分光器１の小型化を図ることができる。

（２）また、本実施形態によれば、図１に示すように、分光器１は、フィルタ切替機構７を備えている。フィルタ切替機構７は、複数の光学フィルタ６を切り替えて、いずれか１つの光学フィルタ６を出射部４（出射スリット４１）と回折格子５との間に配置させる。

そのため、分光器１において、複数の光学フィルタ６の中から所定の波長範囲の光学フィルタ６を選択して用いることができる。

４．変形例
以上の実施形態では、反射防止コーティング６２は、フィルタ本体６１の一方の面にのみ形成されるとして説明した。しかし、反射防止コーティング６２は、フィルタ本体６１の全面にコーティングされていてもよい。このようにすれば、反射防止コーティング６２をフィルタ本体６１上に容易に形成できる。

１分光器
２筐体
４出射部
５回折格子
６光学フィルタ
７フィルタ切替機構
４１出射スリット
６１フィルタ本体
６２反射防止コーティング

Claims

内部に光が入射し、その入射した光を出射スリットから出射させる筐体と、
前記筐体内に設けられ、当該筐体内に入射した光を波長ごとの光に分散させる回折格子と、
前記回折格子と前記出射スリットとの間に設けられ、選択された波長の光のみを透過させて前記出射スリットから出射させる光学フィルタとを備え、
前記光学フィルタには、少なくとも前記出射スリット側の表面に反射防止コーティングが形成されていることを特徴とする分光器。
複数の前記光学フィルタを切り替えて、いずれか１つの前記光学フィルタを前記回折格子と前記出射スリットとの間に配置させるフィルタ切替機構をさらに備え、
前記複数の光学フィルタのそれぞれには、少なくとも前記出射スリット側の表面に反射防止コーティングが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光器。