JP2000304613A - 分光装置 - Google Patents

分光装置

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JP2000304613A
JP2000304613A JP11113558A JP11355899A JP2000304613A JP 2000304613 A JP2000304613 A JP 2000304613A JP 11113558 A JP11113558 A JP 11113558A JP 11355899 A JP11355899 A JP 11355899A JP 2000304613 A JP2000304613 A JP 2000304613A
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JP
Japan
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beam shape
wavelength dispersion
light
dispersion element
correcting means
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Withdrawn
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JP11113558A
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English (en)
Inventor
Yasuyuki Suzuki
泰幸 鈴木
Yoshihiro Sanpei
義広 三瓶
Yoriki Okada
頼樹 岡田
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化が可能な分光装置を実現する。 【解決手段】 波長分散素子を用いた分光装置におい
て、入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、
このコリメーティングレンズからの平行光のビームの断
面を拡張するビーム形状補正手段と、このビーム形状補
正手段の出力光を波長分散させる波長分散素子と、この
波長分散素子の出力を集光するフォーカシングレンズ
と、このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検
出器とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長分散素子を用
いた分光装置に関し、特に波長特性の高分解能化が可能
な分光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の分光装置では入射光を波長分散素
子である回折格子等に照射して波長分散された光を光検
出器で受光することにより波長毎に光を分離して検出す
るものである。
【0003】図5はこのような従来の分光装置の一例を
示す構成図である。図5において1は外部から光源の出
力光、若しくは、光ファイバからの出射光が入射される
入射端、2はコリメーティングレンズ、3は回折格子等
の波長分散素子、4はフォーカシングレンズ、5はフォ
トダイオードアレイ等を用いた光検出器である。
【0004】入射端1からの出力光はコリメーティング
レンズ2により平行光に変換されて波長分散素子3に入
射される。波長分散素子3からの波長分散された光はフ
ォーカシングレンズ4により集光されて光検出器5に入
射される。
【0005】ここで、図5に示す従来例の動作を説明す
る。回折格子等の波長分散素子3に入射された光はその
波長により回折角が異なるので、それぞれ異なる方向に
回折光として出射され、フォーカシングレンズ4により
光検出器5を構成する各受光素子にそれぞれ集光され
る。
【0006】例えば、図5中”FP01”、”FP0
2”及び”FP03”に位置する受光素子では異なる波
長の光が集光される。
【0007】回折格子等の波長分散素子3の回折の次数
を”m”、回折格子等の波長分散素子3の格子定数を”
d”、回折格子等の波長分散素子3への入射角及び出射
角を”i”及び”θ”、波長を”λ”とすれば、 mλ/d=sini+sinθ (1) となる。
【0008】さらに、フォーカシングレンズ4の焦点距
離を”f1”、光検出器5の受光素子の素子間隔を”Pi
tch”とし、式(1)を微分すれば、 dλ/dθ=(d/m)・cosθ =dλ・f1/Pitch (2) となる。
【0009】例えば、”λ=1.55[μm]”、格子
定数の本数”900[line/mm]”及び”32
[nm]”の波長範囲で”190個”の受光素子とすれ
ば、平均波長分散は”32/190=約0.17[n
m]”となる。
【0010】従って、”Pitch=50[μm]”に対し
て”f1=100[mm]”とすると、式(2)から出
射角θは”約72°”となり、式(1)から入射角i
は"約26°”となる。
【0011】また、コリメーティングレンズ2として焦
点距離f2が”50mm”のものを用いると回折格子等
の波長分散素子3の使用領域は入射端1の開口数及び波
長分散素子3への入射角で決まり、”11.1[m
m]”の長軸の楕円となる。
【0012】Reileigh基準による理論分解能”
λ/Δλ”は波長分散素子3である回折格子の総溝本数
で求まるので” 900×11.1≒10000 (3) であり、 λ/Δλ=1.55/Δλ=10000 (4) ∴Δλ=1.55/10000≒0.15[nm] (5) となる。
【0013】また、結像の大きさ”ω”は、回折光のビ
ーム幅を”3.4[mm]”、フォーカシングレンズ4
に入射する光の半径と焦点距離との比を”NA”とすれ
ば、 ω=2・λ/(π・NA) (6) となる。
【0014】式(6)から結像の大きさは”59[μ
m]”なり、分解能は平均波長分散”0.17nm/5
0μm”との積で”0.2[nm]”となり、理論分解
能“Δλ=0.15[nm]”をやや下回り適切な値と
なる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図5に示す従
来例では式(5)から分かるように分解能は回折格子等
の波長分散素子3で使用される領域の大きさに依存して
いるため、分解能を向上させるためには光学系を構成す
る光学部品を小さくすることが困難であり、装置の小型
化が困難であると言った問題点があった。従って本発明
が解決しようとする課題は、小型化が可能な分光装置を
実現することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために、本発明のうち請求項1記載の発明は、波長分
散素子を用いた分光装置において、入射光を平行光にす
るコリメーティングレンズと、このコリメーティングレ
ンズからの前記平行光のビームの断面を拡張するビーム
形状補正手段と、このビーム形状補正手段の出力光を波
長分散させる波長分散素子と、この波長分散素子の出力
を集光するフォーカシングレンズと、このフォーカシン
グレンズの出力光を検出する光検出器とを備えたことに
より、光学系を大きくすることなく分解能の向上が図れ
るので小型化が可能になる。
【0017】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明である分光装置において、前記波長分散手段が、回折
格子であることにより、光学系を大きくすることなく分
解能の向上が図れるので小型化が可能になる。
【0018】請求項3記載の発明は、請求項1記載の発
明である分光装置において、前記ビーム形状補正手段
が、プリズムであることにより、光学系を大きくするこ
となく分解能の向上が図れるので小型化が可能になる。
【0019】請求項4記載の発明は、請求項1記載の発
明である分光装置において、前記ビーム形状補正手段
が、前記コリメーティングレンズからの前記平行光を同
一平面上で相対する方向に1回づつ屈折するように同一
屈折角の2つのプリズムを配置したことにより、屈折角
の温度特性を補償することが可能になる。
【0020】請求項5記載の発明は、請求項1記載の発
明である分光装置において、前記ビーム形状補正手段と
前記波長分散素子を一体化したことにより、格子定数の
小さな波長分散素子を用いる可能性があり、互いの位置
の調整が不要になるので信頼性が向上する。
【0021】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面を用いて詳細に
説明する。図1は本発明に係る分光装置の一実施例を示
す構成図である。図1において1,2,3,4及び5は
図5と同一符号を付してあり、6はプリズム等のビーム
形状補正手段である。
【0022】入射端1からの出力光はコリメーティング
レンズ2により平行光に変換されビーム形状補正手段6
を介して回折格子等の波長分散素子3に入射される。回
折格子等の波長分散素子3からの回折光はフォーカシン
グレンズ4により集光されて光検出器5に入射される。
【0023】ここで、図1に示す実施例を図2を用いて
説明する。図2はプリズム等のビーム形状補正手段6の
動作を説明する説明図であり、また、基本的な動作は図
5に示す従来例と同様であるので説明は省略する。
【0024】図2において入射角を”θi”、出射角
を”θo”、入射光断面を”Wi”、出射光断面を”W
o”、ビーム形状補正手段6の媒質の屈折率を”n”と
した場合、空気中では、 Wo/Wi=cosθo/cosθi (7) sinθo=sinθi/n (8) なる関係を有する。
【0025】例えば、ビーム形状補正手段6の媒質の屈
折率nを”1.5”、入射角θiを”60°”とした場
合、式(8)から屈折角θoは”約35°”となり、図
2中”IS01”に示す入射光断面”Wi”と図2中”
OS01”に示す出射光断面”Wo”との比”Wo/W
i”は式(7)から”約1.6”となり、回折格子等の
波長分散素子に入射されるビーム形状が”約1.6倍”
に拡張される。
【0026】このため、波長分解能も約1.6倍向上し
て従来例の”0.2[nm]”に対して”0.125
[nm]”となる。
【0027】この結果、回折格子等の波長分散素子3の
前段に入射光のビームの断面を拡張するビーム形状補正
手段6を設けることにより、同一形状の波長分散素子で
あっても波長分解能を向上させることが可能になる。言
い換えれば、光学系を大きくすることなく分解能の向上
が図れるので小型化が可能になる。
【0028】なお、図1に示す実施例ではビーム形状補
正手段6として1つのプリズムを用いているが同一屈折
角のプリズムを2つ用いることにより、屈折角の温度特
性を補償することが可能になる。
【0029】図3はビーム形状補正手段として同一形状
のプリズムを2つ用いた場合を示す説明図である。図3
において7a及び7bは同一屈折角のプリズムであり、
7a及び7bはビーム形状補正手段50を構成してい
る。
【0030】図3中”IL01”に示す入射光はプリズ
ム7aによって紙面時計回りに屈折角”θo’”で屈折
されて図3中”OL01”に示す出射光となる。さら
に、図3中”OL01”に示す出射光はプリズム7bに
より紙面反時計回りに屈折角”θo’’”で屈折されて
図3中”OL02”に示す出射光となる。
【0031】すなわち、同一平面上で相対する方向に1
回づつ屈折されるため図3中”IL01”に示す入射光
と図3中”OL02”に示す出射光との角度は同一であ
り、且つ、ビーム形状が大きくなる。
【0032】このため、プリズム7a及び7bの温度特
性により屈折角が変動しても互いにその変動分は相殺さ
れるので、屈折角の温度特性の補償ができることにな
る。
【0033】また、図1に示す実施例ではビーム形状補
正手段6と波長分散素子3を別個に記載しているが一体
化したものであっても構わない。図4はこのような波長
分散素子と一体化したプリズム等のビーム形状補正手段
の一例を示す構成図である。
【0034】図4において3aは回折格子等の波長分散
素子、8は波長分散素子3aに一体形成されたプリズム
等のビーム形状補正手段である。図4中”IL11”に
示す入射光は図4中”S001”に示すビーム形状補正
手段8の表面で屈折してビームの断面が拡張されて端面
に設けられた波長分散素子3aに入射する。波長分散素
子3aで生じた回折光はビーム形状補正手段8内を伝播
して図4中”S002”に示す表面で再び屈折して図4
中”OL11”に示す出射光として出射される。
【0035】この場合には、波長分散素子とビーム形状
補正手段とを一体化することにより、ビーム形状補正手
段8を構成する媒質内で回折が発生するため、格子定
数”d”の小さな波長分散素子を用いる可能性がある。
また、一体化することにより互いの位置の調整が不要に
なるので信頼性が向上する。
【0036】また、波長分散素子とビーム形状補正手段
を一体化する場合には波長分散素子3aをビーム形状補
正手段8に貼りつけても、ビーム形状補正手段8に直接
形成しても構わない。
【0037】また、波長分散素子としては回折格子を例
示したが、回折格子のみならずエシュレ格子であっても
同様に用いることが可能である。
【0038】また、ビーム形状補正手段としてはプリズ
ムを例示したが、プリズムのみならず回折格子であって
も同様に用いることが可能である。
【0039】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。請求項1,2及
び請求項3の発明によれば、回折格子等の波長分散素子
の前段に入射光のビーム形状を拡張するビーム形状補正
手段を設けることにより、同一形状の波長分散素子であ
っても波長分解能を向上させることが可能になる。言い
換えれば、光学系を大きくすることなく分解能の向上が
図れるので小型化が可能になる。
【0040】また、請求項4の発明によれば、ビーム形
状補正手段として同一屈折角のプリズムを2つ用いるこ
とにより、屈折角の温度特性を補償することが可能にな
る。
【0041】また、請求項5の発明によれば、波長分散
素子とビーム形状補正手段とを一体化することにより、
ビーム形状補正手段を構成する媒質内で回折が発生する
ため、格子定数の小さな波長分散素子を用いる可能性が
ある。また、一体化することにより互いの位置の調整が
不要になるので信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る分光装置の一実施例を示す構成図
である。
【図2】ビーム形状補正手段の動作を説明する説明図で
ある。
【図3】ビーム形状補正手段として同一形状のプリズム
を2つ用いた場合を示す説明図である。
【図4】波長分散素子と一体化したプリズム等のビーム
形状補正手段の一例を示す構成図である。
【図5】従来の分光装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
1 入射端 2 コリメーティングレンズ 3,3a 波長分散素子 4 フォーカシングレンズ 5 光検出器 6,8,50 ビーム形状補正手段 7a,7b プリズム

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】波長分散素子を用いた分光装置において、 入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、 このコリメーティングレンズからの前記平行光のビーム
    の断面を拡張するビーム形状補正手段と、 このビーム形状補正手段の出力光を波長分散させる波長
    分散素子と、 この波長分散素子の出力を集光するフォーカシングレン
    ズと、 このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検出器
    とを備えたことを特徴とする分光装置。
  2. 【請求項2】前記波長分散手段が、 回折格子であることを特徴とする請求項1記載の分光装
    置。
  3. 【請求項3】前記ビーム形状補正手段が、 プリズムであることを特徴とする請求項1記載の分光装
    置。
  4. 【請求項4】前記ビーム形状補正手段が、 前記コリメーティングレンズからの前記平行光を同一平
    面上で相対する方向に1回づつ屈折するように同一屈折
    角の2つのプリズムを配置したことを特徴とする請求項
    1記載の分光装置。
  5. 【請求項5】前記ビーム形状補正手段と前記波長分散素
    子を一体化したことを特徴とする請求項1記載の分光装
    置。
JP11113558A 1999-04-21 1999-04-21 分光装置 Withdrawn JP2000304613A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6885447B2 (en) 2002-10-18 2005-04-26 Yokogawa Electric Corporation Spectrometer and optical spectrum analyzer
JP2011081132A (ja) * 2009-10-06 2011-04-21 Olympus Corp 分散素子、分光装置、及び波長選択スイッチ
CZ305559B6 (cs) * 2014-12-10 2015-12-09 Meopta- optika, s.r.o. Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
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