JP2000171300A - 半導体ラインセンサ又は光電子倍増器を備えた二重格子―同時分光計 - Google Patents
半導体ラインセンサ又は光電子倍増器を備えた二重格子―同時分光計Info
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明の課題は、分析的課題へのス
ペクトルレンジ及びその分散の適合が達成されるような
分光計ユニットの実現と、分散平面の近くの光のみが検
証されかつ最適のスペクトル分解が保証されかつ提示さ
れたスペクトルの市販の半導体ラインセンサによるでき
るかぎり隙間のない検出が行われる焦点曲線での検出器
配置の実現にある。 【解決手段】 半導体ラインセンサ又は光電子倍増
管をローランド円に配置した二重格子同時分光計におい
て、等しい曲率半径の２つの凹面分散格子が、両格子の
焦点曲線が一致するように配設されていることを特徴と
する前記二重格子同時分光計。
ペクトルレンジ及びその分散の適合が達成されるような
分光計ユニットの実現と、分散平面の近くの光のみが検
証されかつ最適のスペクトル分解が保証されかつ提示さ
れたスペクトルの市販の半導体ラインセンサによるでき
るかぎり隙間のない検出が行われる焦点曲線での検出器
配置の実現にある。 【解決手段】 半導体ラインセンサ又は光電子倍増
管をローランド円に配置した二重格子同時分光計におい
て、等しい曲率半径の２つの凹面分散格子が、両格子の
焦点曲線が一致するように配設されていることを特徴と
する前記二重格子同時分光計。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学格子同時分光
計に関する。
計に関する。
【０００２】
【従来の技術】パッシェン−ルンゲ構造は、分析的分光
測定において長年来使用されている。この事情は、同一
の光学的要素−凹面格子−による分散及び結像が行われ
ることに本質的に起因する。入射角及び分散格子の線密
度条件の下にローランド円上に所定のスペクトルレンジ
が結像される。スペクトル分解−分光測定における検出
限界にとって決定的である−は、その際ローランド円の
直径及び分散度によって決定される。コンパクトな構造
に対する要求は、大きなローランド円直径の使用を必要
とする。必要なスペクトル分解能は、好ましくは高い分
散度即ち１ｍｍ当たりの高い格子線数によって得られ
る。利用可能なスペクトルレンジは、利用されたローラ
ンド円セグメントの長さから得られる。１つの分散格子
のみを備えた従来のパッシェン−ルンゲ分光計は次の事
実に基づく欠点を有する。１．大きな回折角度の下で、
収差の著しい増加はスペクトル分解の悪化に繋がり、そ
の結果ローランド円の利用可能な円弧長さ従って利用可
能なスペクトルレンジは狭められる。２．関連する唯一
のスペクトルレンジのみが表され、その結果ローランド
円のスペクトルの往々にして分析的に興味の少ない部分
は、覆われている。上記１．及び２．に述べた制限は、
従来度々複数の分光計列上に全スペクトルレンジを分配
することによってのみ除去されることができる。３．商
業的半導体ラインセンサは、その幾何学的寸法が感光部
分の寸法に渡って広く延びている標準化されたチップハ
ウジング内に配置される。焦点曲線に沿う複数のライン
センサの順次配置では、従ってスペクトルの完全な検出
のために、個々のチップハウジングが重ねて配設されな
ければならない。このことは、分散平面に対して斜めの
位置によって行われるか（ドイツ国特許公開公報第１９
５２３１４０号「ラインセンサを備えたマルチプレクス
分光器」）又は水平に位置するラインの重なりによって
行われる。両場合、ラインセンサによって有力な光が、
ローランド配置の結像光学系が収差の増加、即ちスペク
トル分解の減少を生じさせる分散平面の上方又は下方数
ｍｍの距離の領域で検出される。
測定において長年来使用されている。この事情は、同一
の光学的要素−凹面格子−による分散及び結像が行われ
ることに本質的に起因する。入射角及び分散格子の線密
度条件の下にローランド円上に所定のスペクトルレンジ
が結像される。スペクトル分解−分光測定における検出
限界にとって決定的である−は、その際ローランド円の
直径及び分散度によって決定される。コンパクトな構造
に対する要求は、大きなローランド円直径の使用を必要
とする。必要なスペクトル分解能は、好ましくは高い分
散度即ち１ｍｍ当たりの高い格子線数によって得られ
る。利用可能なスペクトルレンジは、利用されたローラ
ンド円セグメントの長さから得られる。１つの分散格子
のみを備えた従来のパッシェン−ルンゲ分光計は次の事
実に基づく欠点を有する。１．大きな回折角度の下で、
収差の著しい増加はスペクトル分解の悪化に繋がり、そ
の結果ローランド円の利用可能な円弧長さ従って利用可
能なスペクトルレンジは狭められる。２．関連する唯一
のスペクトルレンジのみが表され、その結果ローランド
円のスペクトルの往々にして分析的に興味の少ない部分
は、覆われている。上記１．及び２．に述べた制限は、
従来度々複数の分光計列上に全スペクトルレンジを分配
することによってのみ除去されることができる。３．商
業的半導体ラインセンサは、その幾何学的寸法が感光部
分の寸法に渡って広く延びている標準化されたチップハ
ウジング内に配置される。焦点曲線に沿う複数のライン
センサの順次配置では、従ってスペクトルの完全な検出
のために、個々のチップハウジングが重ねて配設されな
ければならない。このことは、分散平面に対して斜めの
位置によって行われるか（ドイツ国特許公開公報第１９
５２３１４０号「ラインセンサを備えたマルチプレクス
分光器」）又は水平に位置するラインの重なりによって
行われる。両場合、ラインセンサによって有力な光が、
ローランド配置の結像光学系が収差の増加、即ちスペク
トル分解の減少を生じさせる分散平面の上方又は下方数
ｍｍの距離の領域で検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、次の通りである。 １．分析の課題へのスペクトルレンジ及びその分散度の
適合が達成されることができる分光計ユニットの実現 ２．焦点曲線における分光計配置の実現、その際 （ａ）分散平面の近くの光のみが検証されるので最適の
スペクトル分解が保証されることと、（ｂ）提示される
スペクトルの市販の半導体ラインセンサによるできる限
り隙間のない検出が行われることとである。
は、次の通りである。 １．分析の課題へのスペクトルレンジ及びその分散度の
適合が達成されることができる分光計ユニットの実現 ２．焦点曲線における分光計配置の実現、その際 （ａ）分散平面の近くの光のみが検証されるので最適の
スペクトル分解が保証されることと、（ｂ）提示される
スペクトルの市販の半導体ラインセンサによるできる限
り隙間のない検出が行われることとである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】１つの分散格子の代わり
に、本発明によればローランド円上の２つの分散格子
（１、２）が使用される（図１）。その際両格子の幾何
学的寸法及び曲率半径は一致するが、１ｍｍ当たりの格
子線数は相違し得る。格子は、その焦点曲線が合致しか
つ共通のローランド円（３）を形成するように調整され
る（請求項１）。格子法線はローランド円（４）の中心
点で交わりかつ両格子相互のなす角度δ（５）を形成す
る。
に、本発明によればローランド円上の２つの分散格子
（１、２）が使用される（図１）。その際両格子の幾何
学的寸法及び曲率半径は一致するが、１ｍｍ当たりの格
子線数は相違し得る。格子は、その焦点曲線が合致しか
つ共通のローランド円（３）を形成するように調整され
る（請求項１）。格子法線はローランド円（４）の中心
点で交わりかつ両格子相互のなす角度δ（５）を形成す
る。
【０００５】分光計は、第１格子（１）を入射角α
1 （７）で照明する入射スリット（６）のみを有する。
入射スリットのゼロ次の回折光の像個所に光を第２格子
（２）上に反射する転向ミラー（８）がある。この方法
で入射スリットの像は、入射角α 2 （９）で入射される
第２格子（２）に対するバーチャル入射スリットとして
作用する（請求項２）。常に対称的制約の下に；α2 ＝
−（α1 ＋δ）が成り立つ。大きさ及び正負符号による
α1 ＋δ並びに両格子定数の選択によって、ローランド
円の各部分に一次の回折の相異なる分散度を有する相異
なるスペクトルレンジが同時に結像されることができる
（請求項３）。このことから格子自体、入射スリット又
は転向ミラーが位置する個所のみが除外される。スペク
トル組合せ可能性の多様化は、高い回折次数の使用の際
に一層高められる。一般に対象とされたローランド部分
における格子の１つのエミッションのみが関心のもとで
ある。それぞれ不所望の格子の絞りによって、ローラン
ド円で分離された各格子のためのレンジが残され、その
レンジ上に分離され又は重ねられたスペクトルレンジが
結像される。その所属のスペクトルレンジを有する両ス
ペクトルレンジは、分析の実際的な必要性に適合され
る。α1 とα2 とが相異なる正負符号を有する構成が特
別に有利である。この場合に第２格子の結像の収差の一
層の補正が行われる（請求項４）。第２格子の作動レン
ジに対して２つの利点が得られる。 （ａ）スペクトル分解の損失なしに大きな入射−及び回
折角が利用される。 （ｂ）改良された像品質により高い光密度即ち大きな信
号強度が得られる。
1 （７）で照明する入射スリット（６）のみを有する。
入射スリットのゼロ次の回折光の像個所に光を第２格子
（２）上に反射する転向ミラー（８）がある。この方法
で入射スリットの像は、入射角α 2 （９）で入射される
第２格子（２）に対するバーチャル入射スリットとして
作用する（請求項２）。常に対称的制約の下に；α2 ＝
−（α1 ＋δ）が成り立つ。大きさ及び正負符号による
α1 ＋δ並びに両格子定数の選択によって、ローランド
円の各部分に一次の回折の相異なる分散度を有する相異
なるスペクトルレンジが同時に結像されることができる
（請求項３）。このことから格子自体、入射スリット又
は転向ミラーが位置する個所のみが除外される。スペク
トル組合せ可能性の多様化は、高い回折次数の使用の際
に一層高められる。一般に対象とされたローランド部分
における格子の１つのエミッションのみが関心のもとで
ある。それぞれ不所望の格子の絞りによって、ローラン
ド円で分離された各格子のためのレンジが残され、その
レンジ上に分離され又は重ねられたスペクトルレンジが
結像される。その所属のスペクトルレンジを有する両ス
ペクトルレンジは、分析の実際的な必要性に適合され
る。α1 とα2 とが相異なる正負符号を有する構成が特
別に有利である。この場合に第２格子の結像の収差の一
層の補正が行われる（請求項４）。第２格子の作動レン
ジに対して２つの利点が得られる。 （ａ）スペクトル分解の損失なしに大きな入射−及び回
折角が利用される。 （ｂ）改良された像品質により高い光密度即ち大きな信
号強度が得られる。
【０００６】追加的利点は、第２格子の波長レンジが第
１格子の限界波長よりも長く選択された場合に得られる
（請求項５）。反射格子の限界波長は、一次回折の回折
角が９０°である波長である。長い波長の光に対しては
ゼロ次の回折のみが存在する。第１格子は、光エネルギ
ーが複数の次数には分割されない中空ミラーとしてのみ
作用し、第２格子の作動レンジに対して強度損失は殆ど
生じない。
１格子の限界波長よりも長く選択された場合に得られる
（請求項５）。反射格子の限界波長は、一次回折の回折
角が９０°である波長である。長い波長の光に対しては
ゼロ次の回折のみが存在する。第１格子は、光エネルギ
ーが複数の次数には分割されない中空ミラーとしてのみ
作用し、第２格子の作動レンジに対して強度損失は殆ど
生じない。
【０００７】スペクトル情報の検証は、一方では従来の
方法で相応して位置決めされた射出スリット及び光電子
倍増器（光電子倍増管）による不連続的なスペクトル線
上で行われる。他方では、本発明によれば、半導体ライ
ンセンサによって広帯域スペクトル検証が達成される。
市販のラインアレイが対象とされ、ラインアレイは通常
の方法で他の応用において分光測定に使用され、分散方
向の１０μｍの範囲における２〜３０００程度のピクセ
ル数及び相応のピクセルの大きさを備える。ラインセン
サは、−必要な場合−後から蛍光層を付けられ、蛍光層
は、３６０ｎｍ以下の波長の光に感ずる。各ラインセン
サ１３は、円筒ミラー１２と共に、分散平面に対して相
違して配置され得る分光計ユニットを構成する（図
２）。円筒ミラーの長さは、略感光アレイの長さに相応
する。円筒ミラーの円筒軸線は、ローランド円の接線方
向に向けられる。円筒ミラーは、焦点曲線の個所にはな
くむしろある量だけ円の中心点の方に引込まれている。
ここでは円筒ミラーはペアで作用する（請求項６）。 （ａ）円筒ミラーの領域のローランド円の部分は、円弧
から切断されかつラインセンサのある個所で９０°上方
又は下方に向けられる。その際ローランド結像の品質は
変わらない。円筒ミラーの代わりに用いた平面ミラーが
同一の結果をもたらした。 （ｂ）円筒ミラーは伝播方向に対して垂直の光を集束さ
せる。円筒ミラーの前の絞り１４によって、集束の際に
有効な垂直領域が特定される。絞りの正しい寸法は、ラ
インセンサが、像品質が最良、スペクトル分解が最高で
ある分散平面の近くの領域からの光を検出することを確
保する。上方又は下方へ変位したミラーによって、セン
サの幾何学的に大きなスペース要求にもかかわらす、隣
接した検出器ユニットの円筒ミラーが接触し得ることが
達成される。スペクトルの検出は、ローランド円の各位
置での円筒ミラーの幾何学的適合によって最適にされ
る。このために円筒ミラーの側縁は、円筒ミラーが格子
の見る方向（格子方向）から観察して垂直に見えるよう
に切断される。この方法で隣接したラインセンサでの光
検出の際のシャープなスペクトル分離個所が得られかつ
検出器ユニットが隙間なく相互に移動され得る（請求項
７）。
方法で相応して位置決めされた射出スリット及び光電子
倍増器（光電子倍増管）による不連続的なスペクトル線
上で行われる。他方では、本発明によれば、半導体ライ
ンセンサによって広帯域スペクトル検証が達成される。
市販のラインアレイが対象とされ、ラインアレイは通常
の方法で他の応用において分光測定に使用され、分散方
向の１０μｍの範囲における２〜３０００程度のピクセ
ル数及び相応のピクセルの大きさを備える。ラインセン
サは、−必要な場合−後から蛍光層を付けられ、蛍光層
は、３６０ｎｍ以下の波長の光に感ずる。各ラインセン
サ１３は、円筒ミラー１２と共に、分散平面に対して相
違して配置され得る分光計ユニットを構成する（図
２）。円筒ミラーの長さは、略感光アレイの長さに相応
する。円筒ミラーの円筒軸線は、ローランド円の接線方
向に向けられる。円筒ミラーは、焦点曲線の個所にはな
くむしろある量だけ円の中心点の方に引込まれている。
ここでは円筒ミラーはペアで作用する（請求項６）。 （ａ）円筒ミラーの領域のローランド円の部分は、円弧
から切断されかつラインセンサのある個所で９０°上方
又は下方に向けられる。その際ローランド結像の品質は
変わらない。円筒ミラーの代わりに用いた平面ミラーが
同一の結果をもたらした。 （ｂ）円筒ミラーは伝播方向に対して垂直の光を集束さ
せる。円筒ミラーの前の絞り１４によって、集束の際に
有効な垂直領域が特定される。絞りの正しい寸法は、ラ
インセンサが、像品質が最良、スペクトル分解が最高で
ある分散平面の近くの領域からの光を検出することを確
保する。上方又は下方へ変位したミラーによって、セン
サの幾何学的に大きなスペース要求にもかかわらす、隣
接した検出器ユニットの円筒ミラーが接触し得ることが
達成される。スペクトルの検出は、ローランド円の各位
置での円筒ミラーの幾何学的適合によって最適にされ
る。このために円筒ミラーの側縁は、円筒ミラーが格子
の見る方向（格子方向）から観察して垂直に見えるよう
に切断される。この方法で隣接したラインセンサでの光
検出の際のシャープなスペクトル分離個所が得られかつ
検出器ユニットが隙間なく相互に移動され得る（請求項
７）。
【０００８】
【実施例】次に記載の分光計配置を例で説明する（図
３）。光源の光は、入射スリット６で分光計に入射しか
つ第１格子１を照明する。回折されたゼロ次の部分は、
転向ミラー８上に集束されかつそこから第２格子２上に
反射する。両格子の入射角は、相異なる正負符号を有し
即ち第２格子２での結像の収差は一層補正される。隔壁
板は、格子のエミッションを、格子の作業レンジとして
のローランド円上の２つの分離した円弧セグメント（１
０、１１）に一次の回折の位置に来るように制限する。
検出器ユニット−図３においては見通しをよくするため
に円筒ミラーのみが示されている−は、ローランド円の
接線方向に並べられる。丁度上方又は下方に反射される
か否かにかかわらず、ミラー縁１５は格子線に対して平
行と見なされる。
３）。光源の光は、入射スリット６で分光計に入射しか
つ第１格子１を照明する。回折されたゼロ次の部分は、
転向ミラー８上に集束されかつそこから第２格子２上に
反射する。両格子の入射角は、相異なる正負符号を有し
即ち第２格子２での結像の収差は一層補正される。隔壁
板は、格子のエミッションを、格子の作業レンジとして
のローランド円上の２つの分離した円弧セグメント（１
０、１１）に一次の回折の位置に来るように制限する。
検出器ユニット−図３においては見通しをよくするため
に円筒ミラーのみが示されている−は、ローランド円の
接線方向に並べられる。丁度上方又は下方に反射される
か否かにかかわらず、ミラー縁１５は格子線に対して平
行と見なされる。
【０００９】この方法で、隣接した検出器ユニットのス
ペクトルレンジの明らかな分離が行われかつミラーは殆
ど隙間なく並べられる。更に絞り１４は検出器ユニット
の前にあり、検出器ユニットによって垂直の集束のため
の有効レンジが円筒ミラーによって調整される。
ペクトルレンジの明らかな分離が行われかつミラーは殆
ど隙間なく並べられる。更に絞り１４は検出器ユニット
の前にあり、検出器ユニットによって垂直の集束のため
の有効レンジが円筒ミラーによって調整される。
【００１０】前記分光計配置は既に技術的に実現され、
記載の特性が測定上実証された。
記載の特性が測定上実証された。
【図１】図１は、本発明による二重格子同時分光計の原
理図である。
理図である。
【図２】図２は、分散平面における光の検出のためのラ
インセンサの配列を示す図である。
インセンサの配列を示す図である。
【図３】図３は、本発明による二重格子同時分光計の配
置の例を示す図である。
置の例を示す図である。
１ 第１格子 ２ 第２格子 ３ ローランド円 ４ ローランド円 ５ 角度δ ６ 入射スリット ７ 角度α1 ８ 転向ミラー ９ 格子 １０ 一次回折 １１ 一次回折 １２ 円筒ミラー １３ ラインセンサ １４ 絞り １５ 円筒ミラーのミラー縁
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体ラインセンサ又は光電子倍増器を
備えたローランド配置の光学格子同時分光計において、 等しい曲率半径の２つの凹面分散格子が、両格子の焦点
円が一致するように配列されていることを特徴とする前
記光学格子同時分光計。 - 【請求項２】 １つの入射スリット（６）のみが存在
し、この入射スリット（６）を通って第１格子（１）に
光が当たりかつそのゼロ次回折の像個所が、転向ミラー
（８）と関連して第２格子（２）のためのバーチャル入
射スリットとして作用することを特徴とする請求項１に
記載の光学格子同時分光計。 - 【請求項３】 両格子定数、第１格子の入射角（７）及
び格子相互のなす角度（５）の選択によって相異なるス
ペクトル分解の相異なるスペクトルレンジが、ローラン
ド円弧の格子によって覆われていない任意の個所に同時
に表わされることができることを特徴とする請求項１又
は２に記載の光学格子同時分光計。 - 【請求項４】 格子の入射角（７、９）が、相異なる正
負符号を有し、その結果第２格子での像の収差の一層の
補正が行われることを特徴とする請求項１から３までの
うちのいずれか１つに記載の光学格子同時分光計。 - 【請求項５】 両格子定数、第１格子の入射角（７）及
び格子相互のなす角度（５）の選択によって、両格子の
作動スペクトルレンジが、第２格子の作動レンジにおけ
る光が第１格子の限界波長よりも長い波長であり、そこ
ではゼロ次でのみ回折されるように分配されることがで
きることを特徴とする請求項１から４までのうちのいず
れか１つに記載の光学格子同時分光計。 - 【請求項６】 ローランド円の接線方向に円筒軸線を向
けて複数の円筒ミラー（１２）が整列されており、複数
の円筒ミラーは、焦点曲線が断続的に下方へ又は上方へ
移行され、かつ同時に光の集束が予め選択された有効レ
ンジにおける分散平面に対して垂直に行われることを特
徴とする請求項１から５までのうちのいずれか１つに記
載の光学格子同時分光計。 - 【請求項７】 一方では上方へ又は下方へ交互に変わる
ミラーによって並びに他方ではミラー縁が投影上分散平
面に対して垂直の格子方向に現れる角度で円筒ミラーの
側縁（１５）を斜めに切断することによって、半導体ラ
インセンサによるスペクトルの殆ど隙間のない検出が達
成されることを特徴とする請求項１から６までのうちの
いずれか１つに記載の光学格子同時分光計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19853754A DE19853754B4 (de) | 1998-11-21 | 1998-11-21 | Simultanes Doppelgitter-Spektrometer mit Halbleiterzeilensensoren oder Photoelektronenvervielfachern |
| DE19853754:9 | 1998-11-21 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000171300A true JP2000171300A (ja) | 2000-06-23 |
Family
ID=7888556
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11329921A Withdrawn JP2000171300A (ja) | 1998-11-21 | 1999-11-19 | 半導体ラインセンサ又は光電子倍増器を備えた二重格子―同時分光計 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6614528B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000171300A (ja) |
| DE (1) | DE19853754B4 (ja) |
| FR (1) | FR2786271B1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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