DE19539004C2

DE19539004C2 - Polarisationsabhängigkeit eliminierende Spektrummeßvorrichtung

Info

Publication number: DE19539004C2
Application number: DE19539004A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Nishina
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1994-10-19
Filing date: 1995-10-19
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: DE19539004A1; US5657121A; JPH08122706A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Messen des Spektrums eines einfallenden Lichtsignals mit unbekannten Polarisationszuständen und insbesondere eine Spektrummeßvorrichtung bzw. Spektralmeßvorrichtung, die eine Polarisationsabhängigkeit und die Notwendigkeit einer präzisen Lagegenauigkeit hinsichtlich der Anordnung der optischen Komponenten dadurch beseitigt, daß sie zusätzlich ein Doppelbildelement beinhaltet, so daß Einschränkungen der Meßgenauigkeit und -stabilität, die sich aus Ungenauigkeiten der Positionierung der optischen Komponenten wie beispielsweise einem Beugungsgitter und üblichen zwei Doppelbildelementen hervorgerufen werden, vermieden werden.

Eine Spektrummeßvorrichtung zum Messen des optischen Spektrums in einem Lichtsignal beinhaltet im allgemeinen ein Prisma und ein Beugungsgitter, wodurch zu messendes Licht in Wellenkomponenten zerlegt wird, d. h. ein optisches Spektrum entsprechender Wellenlängen. US-A-5 080 486 beschreibt ein Spektrummeßgerät mit zwei Doppelbildpolarisationselementen zum Eliminieren einer Polarisationsabhängigkeit in dem Meßgerät. Die vorliegende Erfindung verbessert die Beseitigung der Polarisationsabhängigkeit weiter und vermeidet das akurate Positionieren der optischen Komponenten in der Spektrummeßvorrichtung.

Ein Beispiel der bekannten Spektrummeßvorrichtung, die in US-A-5 080 486 offenbart ist, wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 4, 5 und 6 skizziert. Wie in Fig. 4 gezeigt, beinhaltet die bekannte Spektrummeßvorrichtung ein optisches Verbindungselement 100, Doppelbildelemente 101 und 102, einen Kollimationsspiegel 108, ein Dispersionselement 104 wie beispielsweise ein Beugungsgitter, einen Konvergenzpiegel 105, einen Spalt 107 und einen Photodetektor 106.

Wenn zu messendes Licht auf das Dispersionselement 104 fällt, das typischerweise ein Beugungsgitter ist, werden beispielsweise Lichtwellen von Wellenlängen λ₁ und λ₂, die in dem Licht enthalten sind, zerlegt bzw. gestreut und in Richtungen mit den Winkeln θ₁ und θ₂ reflektiert, abhängig von den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Die Mengen (Intensitäten) des Lichts der Wellenlängen λ₁ und λ₂ werden von dem Photodetektor 106 gemessen und schließlich als Spektrum des einfallenden Lichts ausgedrückt.

Es ist auf diesem Gebiet bekannt, daß ein Zerstreuungselement bzw. Dispersionselement, wie beispielsweise ein Beugungsgitter, den Nachteil aufweist, daß sich, wenn das darauf treffende zu messende Licht polarisiert ist, die Beugungseffizienz mit dem Winkel der Polarisationsebene ändert, was eine Veränderung der Mengen des Lichtes der Wellenlängen λ₁ und λ₂ bedingt, die zerlegt oder getrennt werden sollen. Dieses Phänomen wird üblicherweise als eine Polarisationsabhängigkeit des Dispersionselements bezeichnet.

Es ist daher notwendig, Mittel zum Eliminieren der Polarisationsabhängigkeit des Beugungsgitters in der Spektrummeßvorrichtung vorzusehen, um die Änderung der Beugungseffizienz zu vermeiden, wenn zu messendes aufgenommenes Licht eine unbekannte Polarisation aufweist. In dem Beispiel gemäß Fig. 4 werden die Doppelbildelemente 101 und 102 für diesen Zweck des Beseitigens der Polarisationsabhängigkeit eingesetzt. Die Doppelbildelemente 101 und 102 haben die Funktion, das einfallende Licht in zwei Strahlen mit unterschiedlichen optischen Achsen zu trennen, sowie die Funktion, das Licht in zwei polarisierte Wellenkomponenten aufzuteilen.

Jedes der Doppelbildelemente 101 und 102 ist aus einer Scheibe oder Platte gebildet, die aus einem einachsigen Kristallmaterial wie beispielsweise Kalzit gefertigt ist, das die gleiche Dicke hat wie das jeweils andere. Die Doppelbildelemente 101 und 102, typischerweise Savart- Scheiben, sind schräg zu ihren Kristallachsen geschnitten und so zusammengefügt, daß ihre Haupt- oder Prinzipalschnitte um 90° weggedreht bzw. gegeneinander verdreht sind. Wie auf diesem Gebiet bekannt, kann jedes der Doppelbildelemente das einfallende Licht in einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl trennen. Durch das Verwenden der zwei Doppelbildelemente 101 und 102 in Kombination kann die Spektrummeßvorrichtung die Polarisationsabhängigkeit beseitigen und somit bleibt die Beugungseffizient konstant, unabhängig von der Polarisation des zu messenden einfallenden Lichts.

Einzelheiten der lagemäßigen Beziehungen zwischen den Doppelbildelementen und den Änderungen der optischen Zustände in dieser Anordnung werden nunmehr erläutert. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist das Doppelbildelement 101 schräg zu der Kristallachsenrichtung 101x so geschnitten, daß ein außerordentlicher Strahl in eine Z-Richtung gebrochen wird. Das Doppelbildelement 102 ist zu der optischen Kristallachsenrichtung 102x derart schräg geschnitten, daß ein außerordentlicher Strahl in eine Y-Richtung gebrochen wird. Als Ergebnis werden die Doppelbildelemente 101 und 102 so angeordnet, daß die selben zwei Kalzitscheiben so aufeinandergelegt werden, daß ihre Kristallachsen um 90° voneinander entfernt sind.

Zu messendes Licht, das von dem optischen Verbindungselement 100 geliefert wird, weist polarisierte Wellenkomponenten 110a und 111a auf, die senkrecht auf eine Oberfläche A des Doppelbildelements 101 auftreffen. Die Komponenten 110a und 111a treten durch das Doppelbildelement 101 hindurch, wobei sie in zwei Strahlen aufgetrennt werden, und fallen auf eine Oberfläche B des Doppelbildelements 102. Nach dem Durchtritt durch das Doppelbild 102 werden zwei polarisierte Wellenkomponenten 110c und 111c von einer Oberfläche C des Doppelbildelements 102 emittiert.

Genauer gesagt, für das in die Fläche A projizierte Licht sei angenommen, daß die polarisierten Wellenkomponenten 110a und 111a, die senkrecht zueinander stehen, in die in Fig. 6 (a) gezeigte Position des Doppelbildelements 101 geworfen werden. In dem Doppelbildelement 101 wird ein außerordentlicher Strahl zu der Z-Richtung hin gebrochen, so daß die polarisierte Wellenkomponente 110a seitlich verschoben wird, während die polarisierte Wellenkomponente 111a direkt verläuft. Somit werden, wie in Fig. 6(b) gezeigt, eine polarisierte Wellenkomponente 110b, die von der Komponente 110a stammt, und eine polarisierte Wellenkomponente 111b, die von der polarisierten Wellenkomponente 111a stammt, auf die Oberfläche B des Doppelbildelements 102 geworfen.

In dem Doppelbildelement 102 pflanzt sich die polarisierte Wellenkomponente 110b direkt fort, während ein außerordentlicher Strahl zur Y-Richtung hin gebrochen wird, so daß die polarisierte Wellenkomponente 111b seitlich verschoben wird. Somit werden, wie in Fig. 6(c) gezeigt, eine polarisierte Wellenkomponente 110c, die von der polarisierten Welle 110b stammt, und eine polarisierte Wellenkomponente 111c, die von der polarisierten Wellenkomponente 111b stammt, von der Oberfläche C des Doppelbildelements 102 emittiert. Die Wegstrecken für diese Wellenkomponenten in den Doppelbildelementen 101 und 102 sind identisch, da die Doppelbildelemente 101 und 102 parallele Oberflächen aufweisen und die gleiche Dicke haben.

Die obige Erläuterung setzt voraus, daß beide Doppelbildelemente horizontal angeordnet sind. In einer tatsächlichen Spektrummeßvorrichtung ist jedoch eine Anordnung gewählt, derzufolge die Doppelbildelemente 101 und 102 aus dem in Fig. 6(c) gezeigten Zustand um 45° gedreht sind, sodaß die polarisierten Wellenkomponenten 110d und 111d so verschoben sind, wie in Fig. 6(d) gezeigt. Hierbei werden zwei getrennte Strahlen 110(d) und 111(d) erhalten, die parallele optische Achsen haben sowie Polarisationebenen von entsprechend +/-45° bezüglich der Vertikalachse Z.

Ein Werfen jeder der zwei Strahlen, deren Polarisationsebenen +/-45° auseinander liegen oder einander senkrecht schneiden, auf das Beugungsgitter 104 bedeutet, daß von jeder polarisierten Wellenkomponente eine Hälfte des Amplitudenpegels an das Beugungsgitter 104 abgegeben wird, was eine Spektralanalyse ermöglicht, die nicht von der auf Polarisation basierenden Beugungseffizienz abhängig ist. Die Summe der Intensitäten der zwei polarisierten Strahlen wird von dem Photodetektor 106 als ein elektrisches Signal erfaßt, ohne durch die Polarisationszustände des von dem Photodetektor 106 bzw. von dem optischen Verbindungselement 100 zu messenden Lichtes beeinflußt zu sein.

In der Anordnung nach Fig. 4 empfängt der Kollimationsspiegel 108 Lichtstrahlen von dem optischen Verbindungselement 100 über die Doppelbildelemente 101 und 102. Der Kollimationsspiegel 108 formt die Lichtstrahlen daraufhin in parallele Lichtstrahlen um und wirft sie auf das Dispersionselement 104.

Das Dispersionselement 104 ist typischerweise ein Beugungsgitter, das einen Reflektionswinkel in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ändert. Das Beugungsgitter 104 in einer Spektrummeßvorrichtung kann auch einen Rotationsmechanismus aufweisen, der es ermöglicht, daß sich das Beugungsgitter 104 innerhalb eines vorbestimmten Winkels unter der Steuerung einer äußeren Steuereinrichtung dreht. Durch Ändern des Winkels des Beugungsgitters 104 werden gewünschte Wellenlängenkomponenten auf die Lichtachse des Konvergenzspiegels 105 reflektiert.

Der Konvergenzspiegel 105 ist ein Konkavspiegel, der von dem Beugungsgitter 104 gestreute Lichtstrahlen aufnimmt, wie zuvor ausgeführt. Der Konvergenzspiegel 105 konvergiert die Lichtstrahlen und fokussiert sie auf den bzw. an dem Spalt 107.

Der Spalt 107 sperrt unerwünschte Wellenlängenkomponenten und läßt Lichtstrahlen des gewünschten Wellenlängenbereichs hindurchtreten, damit diese zu dem Photodetektor 106 gelangen.

Der Photodetektor 106 nimmt die durch den Spalt 107 hindurchtretenden Lichtstrahlen auf und wandelt die Intensität der Lichtstrahlen in ein elektrisches Signal um, das der Intensität der Lichtstrahlen entspricht.

Wie in dem vorstehenden beschrieben, muß der Winkel der Doppelbildelemente 101 und 102 präzise fixiert werden, so daß die einander senkrecht schneidenden polarisierten Lichtstrahlen von den Doppelbildelementen immer 45° bezüglich einer Richtung wie einer Nutenrichtung in dem drehenden Beugungsgitter 104 aufrecht erhalten. Wenn diese Winkel des Doppelbildelements hinsichtlich der anderen optischen Komponenten nicht präzise ausgerichtet sind, wird ein Meßfehler erzeugt, der die Elimination der Polarisationsabhängigkeit erschwert.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung für ein optisches Spektrum bereitzustellen, die die Meßstabilität und -genauigkeit verbessert, indem sie die Polarisationsabhängigkeit in einem Dispersionselement in der Spektrummeßvorrichtung beseitigt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Spektrummeßvorrichtung bereitzustellen, die die Polarisationsabhänigkeit eines Beugungsgitters in der Spektrummeßvorrichtung minimiert, so daß eine konstante Beugungseffizienz beibehalten wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereitzustellen, das die Einschränkungen eliminieren kann, die die lagemäßige Anordnung zwischen den optischen Komponenten in einem optischen System betreffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereitzustellen, das die Anforderungen hinsichtlich einer präzisen Lagegenauigkeit eliminieren kann, die mit Doppelbild-Polarisationselementen und dem Dispersionselement zusammenhängen, so daß die Spektrummessung mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann, ohne daß das Doppelbildelement und das Dispersionselement präzise ausgerichtet werden müssen.

Diese Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß beinhaltet eine Spektrummeßvorrichtung zum Messen eines optischen Spektrums von eintretendem Licht ein erstes und ein zweites Doppelbildelement, welche zu messendes eintretendes Licht in zwei polarisierte Wellenkomponenten trennt, die entsprechende Polarisationsebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unterschiedliche optische Achsen haben, ein drittes Doppelbildelement, das die zwei polarisierten Wellenkomponenten von dem ersten und dem zweiten Doppelbildelement in vier polarisierte Wellenkomponenten teilt, von denen jeweils zwei entsprechende Polarisationsebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unterschiedliche optische Achsen haben, ein Dispersionselement, das von den vier polarisierten Wellenkomponenten von dem dritten Doppelbildelement angestrahlt wird, wobei das Dispersionselement die optischen Komponenten jeder Wellenlänge, die in den vier polarisierten Wellenkomponenten enthalten ist, unter dem gleichen Trennwinkel trennt, und einen Photodetektor zum Messen einer Gesamtintensität der vier polarisierten Wellenkomponenten der gleichen Wellenlänge, die von dem Dispersionselement getrennt wurden.

In der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Gesamtintensität W der vier polarisierten Wellenkomponenten der gleichen Wellenlänge, die von dem Photodetektor detektiert wird, unabhängig von einem Winkel θ zwischen den Doppelbildelementen und dem Dispersionselement.

Der Grund hierfür ist, wie später unter Bezug auf die Gleichung (19) erläutert werden wird, daß, wenn die Beugungseffizienz der X-Achse von polarisiertem Licht eines optischen Faktors mit "η" und die Beugungseffizienz der Y- Achse mit "ξ" bezeichnet wird, bzw. umgekehrt, die Gleichung lautet:

womit die Gesamtintensität konstant bzw. winkelunabhängig ist.

Durch Anordnung des dritten Doppelbildelements 103, das um 45° bezüglich des zweiten Doppelbildelements 102 gedreht ist, werden nämlich die zwei polarisierten Strahlen von dem zweiten Doppelbildelement 102 weiter in zwei, d. h. vier Lichtstrahlen geteilt, wobei je zwei Strahlen bezüglich ihrer Polarisation orthogonal sind und die gleiche Intensität haben. In dieser Anordnung mit dem dritten Doppelbildelement ist die Gesamtintensität der vier Strahlen, die von dem Photodetektor detektiert werden, unabhängig von dem Winkel θ zwischen den Doppelbildelementen und dem Dispersionselement 104. Die Erfindung erlaubt daher eine beliebige optische Positionierung unter den optischen Komponenten in der Spektrummeßvorrichtung, und die Messung des Spektrums durch diese Anordnung ist somit nicht abhängig von der Beugungseffizienz des Dispersionselements.

Als Ergebnis hiervon wird bei der Erfindung nicht nur die Elimination der Polarisationsabhängigkeit, sondern ebenfalls die Elimination der präzisen lagemäßigen Anordnung zwischen den optischen Komponenten, beispielsweise des bekannten Erfordernisses der Positionierung des Doppelbildelements in einem Winkel von 45° bezüglich der Richtung der Nuten bzw. Striche der Beugungselemente in dem Beugungsgitter, erreicht.

Da die präzise Positionierung der optischen Komponenten in der Erfindung nicht länger erforderlich ist, wird zudem eine Massenproduktion von optischen Systemen wie beispielsweise Spektrummeßvorrichtungen realisiert. Zudem wird die Spektrummeßvorrichtung gemäß der Erfindung nicht von Faktoren wie optischen oder mechanischen Veränderung beeinflußt und sie kann die Meßqualität mit großer Stabilität über einen langen Zeitraum hin beibehalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Spektrummeßvorrichtung mit drei Doppelbildelementen gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine lagemäßige Beziehung zwischen den drei Doppelbildelementen der Erfindung zeigt.

Fig. 3(a)-3(e) sind schematische Ansichten zur Darstellung einer Wirkungsweise des Doppelbildelements der Erfindung.

Fig. 3(a) ist ein optisches Schaubild, das orthogonale Polarisationskomponenten in dem Licht zeigt, das auf eine Oberfläche A des Doppelbildelements 101 geworfen wird.

Fig. 3(b) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die auf das Doppelbildelement 102 auftreffen.

Fig. 3(c) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die von dem Doppelbildelement 102 emittiert werden.

Fig. 3(d) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die auf das Doppelbildelement 103 fallen.

Fig. 3(e) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationkomponenten zeigt, die von dem Doppelbildelement 103 emittiert werden.

Fig. 4 zeigt einen Aufbau einer bekannten Spektrummeßvorrichtung mit zwei Doppelbildelementen.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine lagemäßige Beziehung zwischen den zwei Doppelbildelementen in der bekannten Spektrummeßvorrichtung nach Fig. 4 zeigt.

Fig. 6(a)-6(d) sind schematische Ansichten zum Darstellen einer Wirkungsweise der Doppelbildelemente der bekannten Spektrummeßvorrichtung nach Fig. 4.

Fig. 6(a) ist ein optisches Schaubild, das die orthogonalen Polarisationkomponenten in dem Licht zeigt, das auf eine Oberfläche A des Doppelbildelements 101 geworfen wird.

Fig. 6(b) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die auf das Doppelbildelement 102 fallen.

Fig. 6(c) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die von dem Doppelbildelement 102 emittiert werden.

Fig. 6(d) ist ein optisches Schaubild, das die Polarisationskomponenten zeigt, die von dem Doppelbildelement 102 emittiert werden, wobei die Doppelbildelemente 101 und 102 gegenüber dem Zustand nach Fig. 6(c) um 45° gedreht sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf die Fig. 1 bis 3 erläutert, wobei eine Vorrichtung zum Messen eines optischen Spektrums drei Doppelbildelemente aufweist, die ein Lichtsignal mit unbekannten Polarisationszuständen aufnehmen, um ein optisches Spektrum des Lichtsignals zu erhalten, ohne von den Polarisationszuständen abhängig zu sein.

Wie in Fig. 1 gezeigt, beinhaltet die Spektrummeßvorrichtung gemäß der Erfindung ein optisches Verbindungselement 100, Doppelbildelemente 101 und 102, ein Doppelbildelement 103, einen Kollimationsspiegel 108, ein Dispersionselement 104 wie beispielsweise ein Beugungsgitter, einen Konvergenzspiegel 105, einen Spalt 107 und einen Photodetektor 106. Der strukturelle Unterschied zu der bekannten Spektrummeßvorrichtung nach Fig. 4 besteht insbesondere darin, daß die Spektrummeßvorrichtung nach Fig. 1 zusätzlich ein drittes Doppelbildelement 103 beinhaltet.

Wie in der bekannten Vorrichtung trennen die Doppelbildelemente 101 und 102 zu messendes Licht in zwei polarisierte Wellenkomponenten mit unterschiedlichen optischen Achsen und die Polarisationsebenen hiervon sind senkrecht zueinander. Aufgrund dieser Wirkungsweise der Doppelbildelemente 101 und 102 ist die Polarisationsabhängigkeit des Dispersionselements 104, beispielsweise ein Beugungsgitter, beseitigt. Die Doppelbildelemente 101 und 102 und das Beugungsgitter 104 müssen jedoch hinsichtlich ihrer optischen Positionierung präzise angeordnet sein, um die Polarisationsabhängigkeit effektiv zu beseitigen. Die Erfindung dient dazu, die Polarisationsabhängigkeit selbst dann zu eliminieren, wenn die lagemäßige Beziehung unter den optischen Komponenten, beispielsweise zwischen den Doppelbildelementen 101 und 102 und dem Beugungsgitter 104, von der idealen Stellung abweicht. Die Erfindung ist besonders nützlich bei Massenproduktion der Spektrummeßvorrichtung, da die präzise lagemäßige Ausrichtung nicht erforderlich ist.

Die Anordnung der Doppelbildelemente 101, 102 und 103 und ihre optischen Wirkungen werden im folgenden beschrieben. Das erste und das zweite Doppelbildelement 101 und 102 werden in gleicher Weise positioniert wie bei der bekannten Spektrummeßvorrichtung nach Fig. 4. Das dritte Doppelbildelement 103 ist, wie die Doppelbildelemente 101 und 102 in Fig. 5, eine flache Platte oder Scheibe, die aus einem einachsigen Kristallmaterial, wie beispielsweise Kalzit, gefertigt ist und ist schräg zu der Richtung der Kristallachse derart geschnitten, daß ein außerordentlicher Strahl in eine Z-Richtung gebrochen wird. Das Doppelbildelement wirkt daher dahingehend, daß es einfallendes Licht in zwei Strahlen mit unterschiedlichen optischen Achsen aufteilt, sowie dahingehend, das Licht in zwei polarisierte Wellenkomponenten zu teilen.

Das dritte Doppelbildelement 103 ist so angeordnet, daß es um 45° bezüglich des zweiten Doppelbildelements 102 gedreht ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Doppelbildelement 103 empfängt zwei Lichtstrahlen, die orthogonal zueinander polarisiert sind, von dem Doppelbildelement 102 unter einem Winkel von 45° gegenüber dem Element 102 gedreht. Das Doppelbildelement 103 erzeugt vier Lichtstrahlen durch Teilen der einfallenden Lichtstrahlen, wie im folgenden detaillierter erläutert werden wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird angenommen, daß das zu messende Licht von dem optischen Verbindungselement 100 zwei orthogonal polarisierte Wellenkomponenten 110a und 111a aufweist. Das zu messende Licht wird senkrecht auf eine Oberfläche A des ersten Doppelbildelements 101 geworfen und anschließend auf eine Oberfläche B des zweiten Doppelbildelements 102. Die Lichtstrahlen von dem zweiten Doppelbildelement 102 treffen auf eine Oberfläche C des dritten Doppelbildelements 103. Nach dem Durchtritt durch alle Doppelbildelemente 101 bis 103 werden vier polarisierte Wellenkomponenten 110e, 110f, 111e, 111f von einer Oberfläche D des dritten Doppelbildelements 103 emittiert.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise der Doppelbildelemente 101 bis 103. Wie in Fig. 3(a) gezeigt, wird in dem Doppelbildelement 101 ein außerordentlicher Strahl zur Z- Richtung hin gebrochen, so daß die polarisierte Wellenkomponente 110a vertikal verschoben wird, während die polarisierte Wellenkomponente 111a direkt verläuft. Daher werden, wie in Fig. 3(b) gezeigt, eine polarisierte Wellenkomponente 110b, die von der Wellenkomponente 110a stammt, und eine polarisierte Wellenkomponente 111b, die von der Komponente 111a stammt, auf die Oberfläche B des Doppelbildelements 102 geworfen.

In dem Doppelbildelement 102 verläuft die Polarisationskomponente 110b direkt, während ein außerordentlicher Strahl zur Y-Richtung hin gebrochen wird, so daß die Polarisationskomponente 111b seitlich verschoben wird. Somit werden, wie in Fig. 3(c) gezeigt, eine polarisierte Wellenkomponente 110c, die von der Komponente 110b stammt, und eine Polarisationskomponente 111c, die von der Komponente 111b stammt, von der Oberfläche C des Doppelbildelements 102 emittiert. Die Wegstrecken dieser Wellenkomponenten in den Doppelbildelementen 101 und 102 sind identisch, da die Doppelbildelemente 101 und 102 mit parallelen Oberflächen gefertigt sind und die gleiche Dicke aufweisen.

Die auf das dritte Doppelbildelement 103 geworfenen Wellenkomponenten weisen die in Fig. 3(d) gezeigten Lagen auf. Die polarisierten Wellenkomponenten 110c und 111c treffen nämlich in einem Winkel von 45° auf das dritte Doppelbildelement 103 auf. Wenn die Richtung eines außerordentlichen Lichtstrahls des dritten Doppelbildelements 103 mit Q bezeichnet wird und seine senkrechte Querrichtung mit R bezeichnet wird, wird eine polarisierte Wellenkomponente in der Q-Richtung geteilt und zur Q-Richtung hin verschoben. Hieraus resultierend wird, wie in Fig. 3(e) gezeigt, die polarisierte Wellenkomponente 110c, die auf das dritte Doppelbildelement 103 auftrifft, von diesem in zwei Komponenten emittiert, einer polarisierten Wellenkomponente 110f, die in Q-Richtung verschoben ist, und einer polarisierten Wellenkomponente 110e, die in der R-Richtung direkt verläuft. In gleicher Weise wird die polarisierte Wellenkomponente 111c, die auf das dritte Doppelbildelement 103 auftrifft, von diesem in zwei Komponenten emittiert, einer polarisierten Wellenkomponente 111f, die in der Q-Richtung verschoben ist, und einer polarisierten Wellenkomponente 111e, die in der R- Richtung direkt verläuft. Diese vier Lichtstrahlen, die voneinander getrennt sind, verlaufen parallel in separaten Achsen in der Q-Richtung.

Dadurch, daß das dritte Doppelbildelement vorgesehen ist, vermeidet die Erfindung die Notwendigkeit des präzisen Ausrichtens des Richtungswinkels "θ" zwischen dem Beugungsgitter 104 und den Doppelbildelementen 101 bis 103. Diese Wirkung wird im folgenden detaillierter unter Bezug auf die nachfolgenden mathematischen Formeln erläutert.

Vollständig polarisiertes monochromatisches Licht wird als Gleichung (1) ausgedrückt, wobei Ex eine Amplitude in einer X-Richtung und Ey eine Amplitude in Y-Richtung ist. Dieser Matrixvektor wird Jones-Vektor genannt.

Wenn der als Gleichung (1) ausgedrückte Lichtstrahl durch ein optisches Polarisationselement wie etwa eine kristalline Platte (Doppelbildelement) hindurchtritt, werden seine Amplitude und seine Phase verändert. Dieses Phänomen wird durch eine Matrixgleichung (2) ausgedrückt, wobei P (θ) eine polarisierte Komponente under einem Winkel θ ist.

Wenn eine Beugungseffizienz in der X-Richtung ξ ist und eine Beugungseffizienz in der Y-Richtung η ist, wird ein Beugungsgitter G in einer Richtung O als Matrixgleichung (3) ausgedrückt.

Die polarisierte Komponente P (θ) in dem Winkel θ und die Amplituden des eintretenden und austretenden Lichts für das Beugungsgitter G werden durch die Gleichungen (4)-(6) ausgedrückt, wobei Gleichung (5) auf das eintretende Licht und Gleichung (6) auf das austretende Licht gerichtet ist.

Eine optische Intensität wird als Gleichung (7) ausgedrückt, wobei ein Zeichen * komplex-konjugiert bedeutet.

W = EE* = ExE*x + EyE*y (7)

Hier wird eine Wirkung des Eliminierens der Polarisationsabhängigkeit durch zwei Doppelbildelemente, d. h. kristalline Platten, typischerweise Savart-Platten, die polarisierte Lichtkomponenten verschieben, ohne eine Phasenverschiebung in den Wellenkomponenten zu verursachen, in Betracht gezogen.

Wenn ein eintretendes Licht mit einer Amplitude E durch die Savart-Platten hindurchtritt, wird es in zwei Strahlen mit Polarisationswinkeln +/-45° bezüglich einer Nut (Strich) des Beugungsgitters bzw. der Beugungsplatte geteilt. Die zwei Strahlen werden dann von dem Beugungsgitter emittiert, wobei diese beiden Strahlen als Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt werden. Durch Verwendung von Gleichung (2) wird die polarisierte Lichtkomponente als Gleichung (10) ausgedrückt.

E1 = GP(45°)E (8)

E2 = GP(-45°)E (9)

Wenn eintretendes Licht ein linear polarisiertes Licht eines Winkels α mit einer Amplitude Eins ist (Einheitsamplitude), wird die Amplitude E als Gleichung (11) ausgedrückt.

Durch Anwenden von Gleichung (11) auf die Gleichungen (8) und (9) ergeben sich die Gleichungen (12) und (13) wie folgt:

Eine Gesamtintensität W der von dem Photodetektor zur gleichen Zeit empfangenen zwei Lichtstrahlen wird als Gleichung (14) ausgedrückt, die unabhängig von dem Polarisationswinkel α des eintretenden Lichts konstant ist.

Im folgenden wird eine Wirkung des Eliminierens der Polarisationsabhängigkeit in einem Fall in Betracht gezogen, in dem drei Doppelbildelemente (kristalline Platten) eingebaut sind. Wenn ein Winkel der drei kristallinen Platten θ ist, werden vier von den drei kristallinen Platten aufgeteilte Lichtstrahlen von dem Beugungsgitter emittiert und als Gleichung (15) ausgedrückt, da die von dem Photodetektor detektierte Intensität im Fall der Verwendung der zwei kristallinen Patten nicht von dem Polarisationswinkel α abhängt, wie zuvor ausgeführt.

Durch Verwendung von Gleichung (2) werden die polarisierten Wellenkomponenten als Gleichung (16) ausgedrückt.

Aus den Gleichungen (15) und (16) und durch Verwendung der Beziehungen A = cos2θ + sin2θ, B = cos2θ - sin2θ ergeben sich die Gleichungen (17) und (18) wie folgt:

Basierend auf den Gleichungen (17) und (18) wird eine von dem Photodetektor für vier Lichtstrahlen detektierte Gesamtintensität als Gleichung (19) erhalten.

Diese Gleichung beinhaltet nicht den Winkel θ. Es ist somit abgeleitet, daß die Gesamtintensität konstant ist, ohne von dem Winkel θ der drei kristallinen Platten oder dem Polarisationswinkel α des eintretenden Lichtes abzuhängen. Dies zeigt, daß für den Aufbau mit drei Kristallen mit dem dritten Doppelbildelement 103, im Gegensatz zu dem bekannten Aufbau mit zwei Kristallen mit zwei Doppelbildelementen, der Abhängigkeitsfaktor des Winkels θ zwischen den Doppelbildelementen und dem Beugungsgitter ignoriert werden kann.

Im vorstehenden wird für eine bevorzugte Ausführungsform die mathematische Basis erläutert, um die Polarisationsabhängigkeit in einem Fall zu eliminieren, in dem eine optische Winkelbeziehung oder lagemäßige Beziehung zwischen den Doppelbildelementen 101 bis 103 und dem Dispersionselement wie beispielsweise dem Beugungsgitter 104 verschlechtert ist. Die gleiche Erläuterung ist jedoch anwendbar auf eine optische Winkelbeziehung oder lagemäßige Beziehung zwischen anderen optischen Komponenten der Meßvorrichtung des optischen Spektrums, solange die Meßvorrichtung ein Doppelbildelement als ein Mittel zum Eliminieren der Polarisationsabhängigkeit aufweist.

Obwohl das dritte Doppelbildelement 103 in der obigen Ausführungsform hinter dem zweiten Doppelbildelement 102 angeordnet ist, ist die Position des dritten Doppelbildelements 103 nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann die gleiche erfinderische Wirkung ebenfalls in einem Fall erzielt werden, in dem das dritte Doppelbildelement 103 vor dem ersten Doppelbildelement 101 oder zwischen dem ersten und dem zweiten Doppelbildelement 101 und 102 angeordnet ist. Desweiteren kann die Anordnungsreihenfolge des ersten und des zweiten Doppelbildelements mit der gleichen erfinderischen Wirkung geändert werden.

Die vorstehend erläuterte Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:

Durch Anordnung des dritten Doppelbildelements 103, das bezüglich des zweiten Doppelbildelements 102 um 45° gedreht ist, werden die zwei polarisierten Strahlen von dem zweiten Doppelbildelement 102 weiter in zwei, d. h. insgesamt vier Lichtstrahlen getrennt, von denen je zwei Strahlen bezüglich ihrer Polarisation orthogonal sind und die gleiche Intensität aufweisen. Bei dieser Anordnung mit dem dritten Doppelbildelement ist die von dem Photodetektor detektierte Gesamtintensität der vier Strahlen unabhängig von dem Winkel θ zwischen den Doppelbildelementen und dem Dispersionselement 104. Die Erfindung ermöglicht daher eine beliebige optische Positionierung zwischen diesen optischen Komponenten und die Messung des Spektrums mittels dieser Anordnung ist somit nicht abhängig von der Beugungseffizienz des Dispersionselements 104.

Als Ergebnis hiervon wird mit der Erfindung nicht nur die Elimination der Polarisationsabhängigkeit, sondern ebenfalls die Elimination der präzisen lagemäßigen Anordnung zwischen den optischen Komponenten, wie z. B. das bekannte Erfordernis des Positionierens des Doppelbildelements in einem 45° Winkel bezüglich der Richtung der Nuten in dem Beugungsgitter 104, erreicht.

Zudem wird eine Massenproduktion optischer Systeme wie beispielsweise Spektrummeßvorrichtungen realisiert, da das präzise Positionieren der optischen Komponenten bei der Erfindung nicht länger erforderlich ist. Zudem wird die Spektrummeßvorrichtung gemäß der Erfindung nicht durch Faktoren wie optische oder mechanische Änderungen beeinflußt und kann die Meßqualität mit großer Stabilität über eine lange Zeitspanne beibehalten.

Claims

1. Spektrummeßvorrichtung zum Messen eines optischen Spektrums von eintretendem Licht, welche aufweist:
ein erstes und ein zweites Doppelbildelement (101, 102), die zu messendes eintretendes Licht in zwei polari sierte Wellenkomponenten teilen, die jeweils Polarisations ebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unter schiedliche optische Achsen haben;
ein drittes Doppelbildelement (103), das die zwei polarisierten Wellenkomponenten von dem ersten und dem zwei ten Doppelbildelement (101, 102) in vier polarisierte Wellen komponenten teilt, von denen je zwei jeweils Polarisations ebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unter schiedliche optische Achsen aufweisen;
ein Dispersionselement (104), das von den vier po larisierten Wellenkomponenten von dem dritten Doppelbildele ment (103) angestrahlt wird, wobei das Dispersionselement op tische Komponenten jeder Wellenlänge, die in den vier (104) polarisierten Wellenkomponenten enthalten ist, unter dem gleichen Trennwinkel trennt; und
einen Photodetektor (106) zum Messen einer Gesamt intensität der von dem Dispersionselement (104) getrennten vier polarisierten Wellenkomponenten der gleichen Wellen länge.

2. Spektrummeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das dritte Doppelbildelement (103) parallel zu dem ersten und zweiten Doppelbildelement (101, 102) und 45° bezüglich einer optischen Achse gedreht angeordnet ist.

3. Spektrummeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wo bei das Dispersionselement (104) ein Beugungsgitter ist.

4. Spektrummeßvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das erste, zweite und dritte Doppelbildelement (101, 102, 103) eine Savart-Platte ist.

5. Spektrummeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend einen Kollimationsspiegel (108) zum Ausrichten der vier von dem dritten Doppelbildelement (103) emittierten polarisierten Wellenkomponenten in entspre chende parallele Strahlen zum Auftreffen auf das Dispersions element (104).

6. Spektrummeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend einen Konvergenzspiegel (105), der von den durch das Dispersionselement (104) getrennten Licht wellen angestrahlt wird, zum Konvergieren der getrennten Lichtwellen auf den Photodetektor (106).

7. Spektrummeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Spalt (107), der von dem ge trennten Licht der vier polarisierten Wellenkomponenten ange strahlt wird, wobei der Spalt (107) nahe bei dem Photodetek tor (106) positioniert ist.

8. Vorrichtung zum Eliminieren einer Polarisation, welche aufweist:
ein erstes und ein zweites Doppelbildelement (101, 102), die einfallendes Licht in zwei polarisierte Wellenkom ponenten teilen, welche entsprechende Polarisationsebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unterschied liche optische Achsen haben;
ein drittes Doppelbildelement (103), das die zwei polarisierten Wellenkomponenten von dem ersten und dem zwei ten Doppelbildelement (101, 102) in vier polarisierte Wellen komponenten teilt, von denen je zwei entsprechende Polarisa tionsebenen aufweisen, die einander senkrecht schneiden und unterschiedliche optische Achsen aufweisen;
ein Dispersionselement (104), das von den vier po larisierten Wellenkomponenten von dem dritten Doppelbildele ment (103) angestrahlt wird, wobei das Dispersionselement (104) optische Komponenten jeder Wellenlänge, die in den vier polarisierten Wellenkomponenten enthalten ist, unter dem sel ben Trennwinkel trennt; und
einen Photodetektor (106) zum Messen einer Gesamt intensität der von dem Dispersionselement (104) getrennten vier polarisierten Wellenkomponenten der gleichen Wellen länge.