JP2000088648A - 分光分析装置 - Google Patents

分光分析装置

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JP2000088648A
JP2000088648A JP11246179A JP24617999A JP2000088648A JP 2000088648 A JP2000088648 A JP 2000088648A JP 11246179 A JP11246179 A JP 11246179A JP 24617999 A JP24617999 A JP 24617999A JP 2000088648 A JP2000088648 A JP 2000088648A
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diffraction grating
exit slit
axis
mandrel
spectroscopic analyzer
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Bargen Kenneth P Von
ピー． ボンバーゲン ケネス
Karl H Norris
エイチ．ノリス カール
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FOSS NIRSYST Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホログラフィック球面回折格子を用いて入射
光をスペクトルに分散し、全ての範囲のスペクトルに亘
って焦点を整合することのできる分光分析装置を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 本発明に係る加速度センサは、光を出口
スリットへ向けたスペクトルに分散するために回転して
焦点を整合する回折格子を有し、分散光の狭帯域幅が出
口スリットを通過し、出口スリットを通過する光の中心
波長が少なくともスペクトルの一部に亘って走査される
分光分析装置であって、回折格子が、回折格子の表面か
ら一定間隔を隔てた位置にある軸線上を回転され、軸線
が、回折格子が該回折格子によって分散された光を出口
スリットにおいて、スペクトルの一部に亘って実質的に
焦点整合させるように配置されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラフィック
球面回折格子を用いて入射光をスペクトルに分散する分
光分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】分光分析装置は、光を狭帯域幅に分散
し、これらの狭帯域幅を用いてサンプルの反射率又は透
過率を測定して物質及び色彩を分析する為に用いられ
る。特に、近赤外線領域で操作される分光分析装置は物
質の構成成分を決定したり物質を特定するだけでなく、
物質の物理特性を分析するためにも用いられる。
【０００３】近年の分光分析装置は、ホログラフィック
球面回折格子を用いて入射光をスペクトルに分散する。
回折格子は分散スペクトルの狭帯域を幅出口スリットに
向け、その出口スリットを通過する。回折格子を選択さ
れた軸線上で回転させると、出口スリットを通過する光
の中心波長がスペクトルに亘って測定される。一般的な
装置では、回折格子は物質の分析を速く行うために高速
で振動される。
【０００４】ホログラフィック球面回折格子は、分散ス
ペクトルの焦点を精度良く整合することが知られてい
る。回折格子は、分散スペクトルを出口スリットで焦点
整合して、出口スリットを通過する光が最狭の帯域幅を
与えるように配置されることが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
球面回折格子を用いた分光分析装置においては、回折格
子は出口スリットを通過する光が分散スペクトルのうち
のある一つの波長となるように配置される。この配置に
より選択された波長においては最適な焦点整合をするこ
とができるが、全てのスペクトルに亘って最適な焦点整
合を得ることができるわけではない。
【０００６】そこで、本発明は、回折格子が振動する際
に、出口スリットを通過する光が、全ての範囲のスペク
トルに亘って最適に焦点整合され、装置によって測定さ
れる全ての範囲のスペクトルに亘って出口スリットを通
過する帯域幅の焦点整合を実質的に改良し、標準化する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
前述の課題を解決するために、光を出口スリットへ向け
たスペクトルに分散するために回転して焦点を整合する
回折格子を有し、前記分散光の狭帯域幅が前記出口スリ
ットを通過し、前記出口スリットを通過する光の中心波
長が少なくともスペクトルの一部に亘って走査される分
光分析装置であって、前記回折格子が、前記回折格子の
表面から一定間隔を隔てた位置にある軸線上を回転さ
れ、前記軸線が、前記回折格子が該回折格子によって分
散された光を前記出口スリットにおいて、前記スペクト
ルの前記一部に亘って実質的に焦点整合させるように配
置される。
【０００８】請求項２に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項１に記載の分光分析装置において、
前記回折格子が、前記軸線を中心とした心棒上に載せら
れ、前記回折格子が前記心棒に接続されて前記心棒を動
かすモーターによって回転される。
【０００９】請求項３に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項１に記載の分光分析装置において、
前記回折格子が、支持台に載せられ、前記支持台が、前
記支持台と前記回折格子の結合体が前記軸線上で重心を
持つように構築されている。
【００１０】請求項４に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項３に記載の分光分析装置において、
前記支持台が、前記軸線を中心とした心棒上に載せら
れ、前記心棒を動かすモーターが設けられ、前記回折格
子を回転させる。
【００１１】請求項５に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項１に記載の分光分析装置において、
前記軸線が、前記回折格子よりも前記出口スリットから
離れている。
【００１２】請求項６に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項１に記載の分光分析装置において、
入口スリットを通過して、前記回折格子を照射する光源
をさらに有する。
【００１３】請求項７に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項１に記載の分光分析装置において、
前記回折格子が、ホログラフィック回折格子である。
【００１４】請求項８に係る発明は、前述の課題を解決
するために、入射光を出口スリットへ向けたスペクトル
に分散するために回転して焦点を整合する回折格子を有
し、前記分散光の狭帯域幅が出口スリットを通過し、前
記出口スリットを通過する光の中心波長が少なくとも前
記スペクトルの所定の一部に亘って走査される分光分析
装置であって、前記回折格子が、該回折格子の表面から
一定間隔を隔てた位置にある軸線上で、前記出口スリッ
トを第１中心波長で通過するよう前記出口スリットを通
過する分散光の焦点を整合する第１位置から、前記出口
スリットを第２中心波長で通過するよう前記出口スリッ
トを通過する分散光の焦点を整合する第２位置へ回転さ
れる位置に配置される。
【００１５】請求項９に係る発明は、前述の課題を解決
するために、請求項８に記載の分光分析装置において、
前記回折格子が、前記軸線上を所定の範囲で回転し、前
記回折格子が前記所定の範囲の一端に近づいたときに前
記第１中心波長が前記出口スリットを通過し、前記回折
格子が前記所定の範囲の多端に近づいたときに前記第２
中心波長が前記出口スリットを通過する。
【００１６】請求項１０に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項８に記載の分光分析装置におい
て、前記回折格子が、前記軸線を中心とした心棒上に載
せられ、前記回折格子が前記心棒に接続されて前記心棒
を動かすモーターによって回転される。
【００１７】請求項１１に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項８に記載の分光分析装置におい
て、前記回折格子が、支持台に載せられ、前記支持台
が、前記支持台と前記回折格子の結合体が前記軸線上で
重心を持つように構築されている。
【００１８】請求項１２に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項１１に記載の分光分析装置におい
て、前記支持台が、前記軸線を中心とした心棒上に載せ
られ、前記心棒を動かすモーターが設けられ、前記回折
格子を回転させる。
【００１９】請求項１３に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項８に記載の分光分析装置におい
て、前記軸線が、前記回折格子よりも前記出口スリット
から離れている。
【００２０】請求項１４に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項８に記載の分光分析装置におい
て、入口スリットを介して、前記回折格子を照射する光
源をさらに有する。
【００２１】請求項１５に係る発明は、前述の課題を解
決するために、請求項８に記載の分光分析装置におい
て、前記回折格子が、ホログラフィック回折格子であ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明は、図１に示したように、
回折格子システムに導入される。図１に示したように、
ホログラフィック球面回折格子１１は、モーター１３に
よって振動されるように回転自在に設置されており、モ
ーター１３の心棒１４によって直接駆動される。回折格
子１１は４２度の間で、高速で振動される。光源１５か
らの光は入口スリット１７を通過して平面ミラー１９に
入射する。平面ミラー１９で反射された光は、回折格子
１１の格子表面２１全体を照射する。格子表面２１は光
をスペクトルに分散し、分散光は回折格子１１から反射
されて出口スリット２３を通過する。分散スペクトルの
狭帯域波長が出口スリット２３を通過して、サンプル又
は標準物質２５を照射する。サンプル又は標準物質２５
は入射光を拡散反射してその拡散反射光は光検出器２７
によって検出される。
【００２３】図１に示した実施例は、サンプルを反射率
によって分析する為の配置である。しかし、この装置
は、サンプル２５と光検出器２７の配置を変えて、透過
性のあるサンプルを透過した光を光検出器が受けるよう
にしてもよい。代替的には、幅広いスペクトルの光が拡
散的にサンプルから反射し、又はサンプルを透過して、
サンプルから反射した光又はサンプルを透過した光が回
折格子を照射するようにしてもよい。
【００２４】従来の回折格子システムにおいては、ホロ
グラフィック球面回折格子が振動する軸線は回折格子の
格子表面の中心に接していた。回折格子が振動すると、
出口スリットを通過する光の狭帯域幅がスペクトルに亘
って測定される。可視−赤外線システムにおいては、波
長は一般的に４００ｎｍ〜２５００ｎｍの間で測定され
る。回折格子は出口スリットを透過する光の狭帯域幅が
ある一つの特定の中心波長に焦点整合されるように配置
される。一般的な近赤外線分光分析装置では、回折格子
を２５００ｎｍの波長が出口スリットを通過する極限振
動位置で焦点整合し、その他の位置ではよい焦点整合が
得られない。
【００２５】図２は、本発明に係る回折格子１１がモー
ター１３の心棒１４によって駆動される様子を示してい
る。回転軸２９は、回折格子１１を第１位置と第２位置
に配置し、回折格子１１をその第１配置位置から第２配
置位置へ回転させる軸線を選ぶことによって決定され
る。回折格子１１は、第１位置において、第１回折格子
位置で光を焦点整合し、第２位置において、第１位置と
は実質的に異なる波長となるよう第１回折格子位置とは
異なる回折格子位置で光を焦点整合する。選択された角
度の回折格子位置を焦点整合する位置は、回折格子１１
と出口スリット２３の間の距離を、出口スリット２３を
通過する狭帯域幅が最少となる距離となるよう調整する
ことによって決定される。図２は回折格子１１の格子表
面２１の屈曲部の半径が１９２．４ｍｍである例を示し
ている。同図において、参照ラインＲは、図１に示した
出口スリット２３と同一平面上で、垂直な関係にある。
回折格子１１は分散光を出口スリット２３で焦点整合す
る2つの位置で示されている。これらの２つの位置で、
回折格子１１は参照ラインＲに対してプラス３１度とマ
イナス１１度の間で回転される。
【００２６】回折格子１１の中心は、回折格子１１がプ
ラス３１度の位置に回転されたとき、出口スリット２３
から１８４．９ｍｍで、入口スリット１７から（平面ミ
ラー１９で折り曲げられて）２０６．９ｍｍの位置にあ
る。入口スリット１７を通過し、平面ミラー２９の中心
で反射された光は、回折格子１１に参照ラインＲに対し
て３８度の角度で当たる。回折格子１１がプラス３１度
の角度で回転される第１位置では、格子表面２１の中心
はＡ点に位置する。このＡ点では、出口スリットを通過
する分散光の中心波長は２５００ｎｍである。回折格子
がマイナス１１度の角度で回転される第２位置では、格
子表面２１の中心はＢ点に位置する。このＢ点では、出
口スリット２３を通過する分散光の中心波長は４００ｎ
ｍである。回折格子１１を第１位置から第２位置に回転
させるためには、回折格子１１は軸線２９上を回転し、
格子表面２１の中心をＡ点からＢ点まで弧３１上をシフ
トし、回折格子１１を角度位置プラス３１度のＡ点から
角度位置マイナス１１度のＢ点に回転させる。 軸線２
９は参照ラインＲから９ｍｍ下で、参照ラインＲに垂直
な線から４ｍｍ後方で、Ａ点を通過する。回折格子１１
が軸線２９上を回転するとき、出口スリット２３を通過
する分散光は、２５００ｎｍから４００ｎｍの間の全て
の範囲に亘って実質的に焦点整合される。
【００２７】この効果は以下の表１に示している。
【表１】 出口スリット２３で焦点整合された光を得ることによっ
て、より狭い帯域幅の光が出口スリット２３を通過す
る。表１は各３つの中心波長９４５ｎｍ、１３９２ｎ
ｍ、２２９０ｎｍにおける帯域幅を示している。「従来
の回折格子による帯域幅」とは、これらの３つの波長に
おいて、回転軸２９が回折格子１１の球面の中心に接し
ている場合に得られる帯域幅を示している。「本発明の
回折格子による帯域幅」とは、これらの３つの波長にお
いて、回折格子１１の球面の中心が図２に示したように
Ａ点とＢ点との間をシフトする場合に得られる帯域幅を
示している。帯域幅の限界は、ピーク強度の２分の１の
強度に落として測定した波長によって測定された。つま
り、本発明の回折格子１１によって、全てのスペクトル
に亘って、１０ｎｍ程度の帯域幅が得られることが明ら
かである。
【００２８】回折格子１１の球面の中心のシフトによっ
て、回折格子１１の回転軸が回折格子の重心からずれる
傾向がある。高速で振動する回折格子においては、この
回転軸の重心からのずれは、モーター１３を駆動し、回
折格子１１を振動する心棒１４を支えているベアリング
の摩耗を生じさせる。この問題を避けるために、回折格
子１１は、図３及び図４に示したように、心棒１４を受
入れる穴４３を有する支持台４１に載せられている。支
持台４１は、穴４３を２つに分割するくぼみ４５を有
し、そのくぼみ４５の両側に２つの板を形成する。ねじ
４７は、２つの板を、穴を通して貫通し、２つの板を心
棒１４に留め付け、回折格子１１を心棒１４の固定角度
位置にしっかりと取付ける。穴４３は、回折格子１１が
回転する軸線２９が、図２に示したような選択位置に位
置させるように配置される。重心は支持台４１にかか
り、基板を含む回折格子１１と、支持台４１との結合体
の重心が心棒１４の軸線上にかかり、そのため、重心は
回折格子１１が振動する軸線上にかかることになる。支
持台４１は、回折格子１１の裏面と係合する裏面部４８
と、ねじ５１によって裏面部４８にねじ留めされ、回折
格子１１のリムを受入れる弧状くぼみを形成する前面部
４９を有している。前面部４９は、内部に突出したタブ
５３を穴４３に対して末端位置に有しており、前表面回
折格子の一部分と係合して回折格子１１が振動するとき
に固定されるようになっている。
【００２９】本実施例では、ホログラフィック球面回折
格子を用いたが、出口スリットで分散光を焦点整合する
どのような回折格子が用いられてもよい。回折格子を回
転させる軸線を配置させる技術には、回折格子の走査範
囲の２つの極限における分散光を焦点整合させる回折格
子位置を決めることも含まれている。しかし、走査範囲
中の広く分離されたどのような２つの焦点整合位置から
決定されても良い。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、回折格子が振動する際
に、出口スリットを通過する光が、全ての範囲のスペク
トルに亘って最適に焦点整合され、装置によって測定さ
れる全ての範囲のスペクトルに亘って出口スリットを通
過する帯域幅の焦点整合を実質的に改良し、標準化する
ことができる。つまり、本発明の回折格子によって、全
てのスペクトルに亘って、１０ｎｍ程度の帯域幅が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回折格子システムが導入された分
光分析装置を示す模式図である。
【図２】回折格子の回転軸のシフトを示す模式図であ
る。
【図３】回折格子と支持台との結合体を示す斜視図であ
る。
【図４】回折格子と支持台との結合体を示す斜視図であ
る。
【符号の説明】
１１ 回折格子 １３ モーター １４ 心棒 １５ 光源 １７ 入口スリット １９ 平面ミラー ２１ 格子表面 ２３ 出口スリット ２５ サンプル ２７ 光検出器 ２９ 軸線 ４１ 支持台 ４３ 穴 ４５ くぼみ ４７ ねじ ４８ 裏面部 ４９ 前面部 ５１ ねじ ５３ タブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597087712 12101 Ｔｅｃｈ Ｒｏａｄ Ｓｉｌｖｅ ｒ Ｓｐｒｉｎｇ，Ｍａｒｙｌａｎｄ 20904 Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ケネス ピー． ボンバーゲン アメリカ合衆国 メリーランド 20740 カレッジ パーク シックスティーサード アベニュー 8801 (72)発明者 カール エイチ．ノリス アメリカ合衆国 メリーランド 20705 ベルツビル モンゴメリー アベニュー 11204

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光を出口スリットへ向けたスペクトルに分
    散するために回転して焦点を整合する回折格子を有し、
    前記分散光の狭帯域幅が前記出口スリットを通過し、前
    記出口スリットを通過する光の中心波長が少なくとも前
    記スペクトルの一部に亘って走査される分光分析装置で
    あって、 前記回折格子が、該回折格子の表面から一定間隔を隔て
    た位置にある軸線上を回転され、 前記軸線が、前記回折格子が該回折格子によって分散さ
    れた光を前記出口スリットにおいて、前記スペクトルの
    前記一部に亘って実質的に焦点整合させるように配置さ
    れる分光分析装置。
  2. 【請求項２】前記回折格子が、前記軸線を中心とした心
    棒上に載せられ、前記回折格子が前記心棒に接続されて
    前記心棒を動かすモーターによって回転される請求項１
    に記載の分光分析装置。
  3. 【請求項３】前記回折格子が、支持台に載せられ、前記
    支持台が、前記支持台と前記回折格子の結合体が前記軸
    線上で重心を持つように構築されている請求項１に記載
    の分光分析装置。
  4. 【請求項４】前記支持台が、前記軸線を中心とした心棒
    上に載せられ、前記心棒を動かすモーターが設けられ、
    前記回折格子を回転させる請求項３に記載の分光分析装
    置。
  5. 【請求項５】前記軸線が、前記回折格子よりも前記出口
    スリットから離れている請求項１に記載の分光分析装
    置。
  6. 【請求項６】入口スリットを通過して、前記回折格子を
    照射する光源をさらに有する請求項１に記載の分光分析
    装置。
  7. 【請求項７】前記回折格子が、ホログラフィック回折格
    子である請求項１に記載の分光分析装置。
  8. 【請求項８】入射光を出口スリットへ向けたスペクトル
    に分散するために回転して焦点を整合する回折格子を有
    し、前記分散光の狭帯域幅が出口スリットを通過し、前
    記出口スリットを通過する光の中心波長が少なくとも前
    記スペクトルの所定の一部に亘って走査される分光分析
    装置であって、 前記回折格子が、該回折格子の表面から一定間隔を隔て
    た位置にある軸線上で、前記出口スリットを第１中心波
    長で通過するよう前記出口スリットを通過する分散光の
    焦点を整合する第１位置から、前記出口スリットを第２
    中心波長で通過するよう前記出口スリットを通過する分
    散光の焦点を整合する第２位置へ回転される位置に配置
    される分光分析装置。
  9. 【請求項９】前記回折格子が、前記軸線上を所定の範囲
    で回転し、前記回折格子が前記所定の範囲の一端に近づ
    いたときに前記第１中心波長が前記出口スリットを通過
    し、前記回折格子が前記所定の範囲の多端に近づいたと
    きに前記第２中心波長が前記出口スリットを通過する請
    求項８に記載の分光分析装置。
  10. 【請求項１０】前記回折格子が、前記軸線を中心とした
    心棒上に載せられ、前記回折格子が前記心棒に接続され
    て前記心棒を動かすモーターによって回転される請求項
    ８に記載の分光分析装置。
  11. 【請求項１１】前記回折格子が、支持台に載せられ、前
    記支持台が、前記支持台と前記回折格子の結合体が前記
    軸線上で重心を持つように構築されている請求項８に記
    載の分光分析装置。
  12. 【請求項１２】前記支持台が、前記軸線を中心とした心
    棒上に載せられ、前記心棒を動かすモーターが設けら
    れ、前記回折格子を回転させる請求項１１に記載の分光
    分析装置。
  13. 【請求項１３】前記軸線が、前記回折格子よりも前記出
    口スリットから離れている請求項８に記載の分光分析装
    置。
  14. 【請求項１４】入口スリットを介して、前記回折格子を
    照射する光源をさらに有する請求項８に記載の分光分析
    装置。
  15. 【請求項１５】前記回折格子が、ホログラフィック回折
    格子である請求項８に記載の分光分析装置。
JP11246179A 1998-09-03 1999-08-31 分光分析装置 Pending JP2000088648A (ja)

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US09/146424 1998-09-03
US09/146,424 US6031608A (en) 1998-09-03 1998-09-03 Spectroscopic instrument with offset grating to improve focus

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