JP2001289713A

JP2001289713A - 分光光度計

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Publication number: JP2001289713A
Application number: JP2000105158A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Harada; 善壽原田; Akira Tateno; 亮立野; Takeshi Fujita; 健藤田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】凹面鏡として安価な球面鏡を利用しつつ、入
口スリットでの光の損失と分光光学系での非点収差によ
る光の損失を軽減する。【解決手段】第１、第２、第３凹面鏡２、４、６を球
面鏡とし、第１凹面鏡２の入射光軸Ｌ１及び反射光軸Ｌ
２を含む照明系平面Ｓ１と、分光光学系の全ての光軸Ｌ
３〜Ｌ６を含む分光系平面Ｓ２とを直交させるととも
に、第１凹面鏡２の球欠的焦点に入口スリット３を配置
する。これにより、入口スリット３の面上では光源像が
スリット開口の長手方向にほぼ直線状となるため、光の
損失が軽減される。また、照明光学系及び分光光学系で
発生する非点収差による非点隔差は互いに逆向きになり
相殺されるため、投影面７上では非点収差の影響を受け
ない微小スポットが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分光光度計に関し、
更に詳しくは、ツェルニ・ターナ型分光器を含む光学系
の光路構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外可視分光光度計を始めとする分光光
度計においては、光源から発した光のうち、特定の波長
のみを含む単一波長光を取り出して検出セルに照射する
ために分光器が利用される。図７は、一般にツェルニ・
ターナ型として知られる構成の分光器を含む分光光度計
の光路構成図である。この光学系は、光源１１及び第１
凹面鏡１２を含む照明光学系Ａと、入口スリット１３、
第２凹面鏡１４、平面回折格子１５及び第３凹面鏡１６
を含む分光光学系Ｂとに大別される。

【０００３】光源１１から発した光は第１凹面鏡１２で
集光され、光源１１の像が入口スリット１３の面上に投
影される。入口スリット１３を通過した光は第２凹面鏡
１４で平行光に変換されて平面回折格子１５へと送ら
れ、平面回折格子１５で波長分散された光のうちの所定
波長範囲の光が第３凹面鏡１６で集光されて投影面１７
に結像される。平面回折格子１５の表面中心を通る軸を
中心にして平面回折格子１５を回転させると、投影面１
７の所定位置に到達する光の波長が変化するから、これ
により波長走査を行うことができる。なお、投影面１７
には、例えば検出セルが置かれたり、必要に応じて出口
スリットが配置されて特定の波長光のみが外部へと取り
出されたりする。この光学系では、光源１１を発した光
が投影面１７に到達するまでの全ての光路において、そ
の光軸は同一平面に含まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
学系において、第１、第２、第３凹面鏡１２、１４、１
６としては球面鏡が利用されることが多い。第１凹面鏡
１２は球面鏡を光軸からずらした状態で使用されるた
め、入口スリット１３面上では、図７の平面に垂直な方
向に細長い像となるばかりでなく、真直ぐに延伸せず湾
曲形状となる。そのため、入口スリット１３での光量の
損失が大きくなる。また、分光光学系においては、第３
凹面鏡１６の非点収差により、分光スペクトルが分散方
向と直交する方向に広がり、光量の損失が生じるという
問題がある。

【０００５】このような光量の損失を防止するために、
照明光学系の第１凹面鏡１２としてトロイダル鏡を用い
ることにより入口スリット１３面上での結像の垂直方向
の伸びを補正するとともに、回折格子１５には収差補正
型回折格子を利用して分光スペクトルの非点収差を補正
するなどの方法が採られている。しかしながら、トロイ
ダル鏡は垂直方向及び水平方向にそれぞれ異なる曲率半
径を有するものであるため、球面鏡と比較して製作が困
難であり、製造コストが高くなるにも拘わらず精度も低
く、像の曲がりを充分に補正することはできなかった。
更に、組立時の調整も困難であり、調整不足による分解
能の低下も免れなかった。また、収差補正型回折格子も
平面回折格子と比較してコストが高いものであった。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
のであり、その主たる目的は、トロイダル鏡や収差補正
型回折格子のような高価な光学部品を用いることなく、
入口スリットや投影面での光の損失を軽減することがで
きる光学系を有する分光光度計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、光源及び該光源からの光を反射す
る第１の凹面鏡を含む照明光学系と、入口スリット、該
入口スリットを通して導入された光を集光する第２の凹
面鏡、集光された光を波長分散する平面回折格子及び該
平面回折格子で波長分散された光を集光する第３の凹面
鏡から成るツェルニ・ターナ型分光光学系と、を備える
分光光度計において、第１の凹面鏡の入射光軸と反射光
軸とを含む照明系平面と、入口スリットの通過光から第
３の反射鏡の反射光までの全ての光軸を含む分光系平面
とが直交するとともに、前記入口スリットが第１の凹面
鏡の球欠的焦点に位置していることを特徴とする。

【０００８】すなわち、上述したように、従来、照明光
学系の光路を含む照明系平面と分光光学系の光路を含む
分光系平面とは同一平面上に配置されていたが、本発明
に係る分光光度計では、この両平面が直交するように光
路を形成すべく各光学部品を配置する。また、これに伴
い、従来、第１の凹面鏡の子午的焦点に集光された光を
入口スリットの開口に通過させるようにしていたもの
を、本発明に係る分光光度計では、第１の凹面鏡の球欠
的焦点に入口スリットを設置し、球欠的焦点に集光され
た光を入口スリットを通して分光光学系に導入するよう
にしている。ここで、子午的焦点と球欠的焦点とは、周
知のように、共に非点光束線において主光線上に形成さ
れる２つの焦点である。

【０００９】なお、ここでいうツェルニ・ターナ型分光
器とは広義のツェルニ・ターナ型であって、平面回折格
子への入射光と出射光とが交差するクロスド・ツェルニ
・ターナ型と、交差しない狭義のツェルニ・ターナ型と
の両方を含むものとする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
分光光度計について図面を参照して説明する。図１は、
本実施形態による分光光度計の光路構成を示す略斜視図
である。

【００１１】照明光学系はＤ２ランプである光源１及び
第１凹面鏡２から成り、分光光学系は入口スリット３、
第２凹面鏡４、平面回折格子５及び第３凹面鏡６から成
る。一般に、第２凹面鏡４はコリメータ鏡、第３凹面鏡
６はテレメータ鏡と呼ばれる。光源１から発した光は第
１凹面鏡２で集光されて入口スリット３に投影され、入
口スリット３を通過した光は第２凹面鏡４で平行光にさ
れて平面回折格子５に送られる。平面回折格子５で波長
分散された光は第３凹面鏡６で集光され、投影面７に照
射される。この投影面７には、例えば出口スリットが置
かれたり、検出セルが置かれたりする。

【００１２】本実施形態による分光光度計では、第１、
第２、第３凹面鏡２、４、６はいずれも球面鏡である。
この光学系の構成の特徴の１つは、第１凹面鏡２の入射
光軸Ｌ１及び出射光軸Ｌ２を含む平面Ｓ１（以下「照明
系平面」という）と、第２凹面鏡４への入射光軸Ｌ３以
降、投影面７への入射光軸Ｌ６までの全ての光軸Ｌ３〜
Ｌ６を含む平面Ｓ２（以下「分光系平面」という）とが
直交するように光路が形成されている点にある。つま
り、互いに直交するｘ、ｙ、ｚの三軸のうち、照明系平
面Ｓ１はｚ軸とｙ軸とを含み、分光系平面Ｓ２はｘ軸と
ｙ軸とを含む。また、入口スリット３の開口はｚ軸方向
に延伸しており、その中心軸は照明系平面Ｓ１に含まれ
る。従来の光学系では、照明系平面Ｓ１と分光系平面Ｓ
２とは同一平面上に位置しており、この点において本実
施形態による光路構成は全く相違している。

【００１３】更に、この光学系の構成の特徴は、照明光
学系の結像位置、つまり第１凹面鏡２の結像位置を第１
凹面鏡２の球欠的焦点（「球欠像点」ともいう）とする
点にある。すなわち、従来の光学系では、第１凹面鏡の
子午的焦点（「子午像点」ともいう）を結像位置とし
て、そこに入口スリット３を設置する構成としていたの
に対し、本実施形態による光学系では、第１凹面鏡２の
球欠的焦点に入口スリット３を設置している。

【００１４】このような特徴的な配置によれば、入口ス
リット３の開口の長手方向の中心軸は照明系平面Ｓ１上
に位置しているから、その面内での第１凹面鏡２の湾曲
の影響はその面内で収束し、入口スリット３の面上での
湾曲、つまり開口の短手方向の曲がりとしては現れな
い。そのため、入口スリット３の面での結像は入口スリ
ット３の長手方向にほぼ直線状に延伸する結像となる。

【００１５】また、入口スリット３が第１凹面鏡２の球
欠的焦点に位置していることにより、照明光学系で発生
する非点収差による非点隔差は、分光光学系から見ると
光源１側に位置し、一方、分光光学系で発生する非点収
差による非点隔差は投影面７の外側に位置する。この両
者の非点隔差は互いに逆方向に生じるため、この組み合
わせにより非点収差は相殺される。その結果、投影面７
における非点収差の影響は解消又は軽減され、光が拡散
せずに小さなスポットを得ることができる。

【００１６】図２は本実施形態による光学系配置の具体
例であり、（ａ）は照明光学系の配置（つまり照明系平
面Ｓ１内の配置）、（ｂ）は分光光学系の配置（つまり
分光系平面Ｓ２内の配置）を示している。各光学部品
は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような離間間隔及び角
度を持って互いに配置される。なお、図２中の寸法の単
位はすべてｍｍである（後記図５も同様）。また、各光
学部品の仕様は次の通りである。（１）光源１０．５ｍｍφ （２）第１凹面鏡２曲率半径：６５．４６４ｍｍ（３）入口スリット３開口サイズ：１×５０ｍｍ（４）第２凹面鏡４曲率半径：２２０．５６０ｍｍ（５）平面回折格子５Ｎ＝１６００本／ｍｍサイズ：２５×２５ｍｍ（６）第３凹面鏡６曲率半径：２２６．０ｍｍなお、サイズは水平方向（Ｓ２面内）×垂直方向（ｚ軸
方向）で表している。

【００１７】図２に示した光学系構成で、入口スリット
３上の結像を計算機シミュレーションにより算出した結
果を図３（ａ）に、従来のように、照明系平面Ｓ１と分
光系平面Ｓ２とを同一平面とし、且つ球面鏡である第１
凹面鏡２の子午的焦点に入口スリット３を設けたときの
入口スリット３面上での結像を図３（ｂ）に示す。図３
で明らかなように、本実施形態の構成によると、従来の
球面鏡の子午的焦点に現れる像とは異なり、結像がほぼ
直線状となる。これにより、入口スリット３を通過する
光量は増加する。

【００１８】また、図４は投影面７上でのスポットダイ
ヤグラムを計算機シミュレーションにより算出した結果
であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ
波長２００ｎｍ、３５０ｎｍ、６００ｎｍ及び９００ｎ
ｍの波長光における結果である。紫外波長領域から赤外
波長領域までの幅広い波長範囲に亘って、収束したスポ
ットが得られる。これは、第１、第２、第３凹面鏡２、
４、６として球面鏡を使用していても、非点収差が補正
されることを示している。

【００１９】上記実施形態による光路構成は、投影面７
上でできる限り収束したスポット、つまり０次元像を形
成することを目的としている。しかしながら、用途によ
っては、投影面７上で１次元像を得たい場合もある。こ
のような目的に対しては、図１に示した基本構成の中
で、第１凹面鏡２のみを球面鏡からトロイダル鏡に変更
するとともに、各光学部品の位置関係を適宜変更するこ
とで対応することができる。

【００２０】図５は、このように変更を加えた光学系配
置の具体例である。ここで、各光学部品の仕様は次の通
りである。（２）第１凹面鏡２ｂトロイダル水平方向曲率半径：６９．３９ｍｍ垂直方向曲率半径：１０９．４２２ｍｍ（４）第２凹面鏡４曲率半径：１２９．３９８ｍｍ（６）第３凹面鏡６曲率半径：２２５．９９ｍｍなお、上記以外の光学部品の仕様は先の実施形態と同一
である。

【００２１】図５に示した光学系構成において、投影面
７上でのスポットダイヤグラムを計算機シミュレーショ
ンにより算出した結果を図６に示す。図６の（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ波長２００ｎｍ、
３５０ｎｍ、６００ｎｍ及び９００ｎｍの波長光におけ
る結果である。紫外波長領域から赤外波長領域までの幅
広い波長範囲に亘って、ほぼ直線状に延伸する好ましい
スポットが得られる。

【００２２】なお、上記実施形態はクロスド・ツェルニ
・ターナ型分光器について説明したが、本発明は、回折
格子への入射光と出射光とが交差しないようなツェルニ
・ターナ型分光器にも適用できることは明らかである。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る分光光度計
によれば、照明光学系で発生する光源像の湾曲を解消す
ることができるので、入口スリットでの光の損失が軽減
される。また、照明光学系と分光光学系とで生じる非点
収差が相殺されるため、分光光学系の投影面において非
点収差による光の拡散が軽減され、光の損失も軽減され
る。そのため、より多くの光を検出器に導入することが
でき、結果的に、分析感度の向上が達成される。

【００２４】また、従来、集光効率のよい光学系を作る
にはトロイダル鏡等の複雑な構造の凹面鏡を複数用いる
必要があったが、本発明によれば、０次元スポット像を
得るためには球面鏡のみでよく、また１次元スポット像
を得るためにでも照明光学系に１個のトロイダル鏡を使
用するだけで他は球面鏡を用いればよい。したがって、
コストが安価ですむとともに、組立時の調整も容易にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による分光光度計の光路
構成を示す略斜視図。

【図２】本実施形態による光学系配置の具体例を示す
光路構成図。

【図３】入口スリット面上で得られるスポットダイヤ
グラム。

【図４】本実施形態による光学系における投影面上で
のスポットダイヤグラム。

【図５】他の実施形態による光学系配置の具体例を示
す光路構成図。

【図６】他の実施形態による光学系における投影面上
でのスポットダイヤグラム。

【図７】従来の分光光度計の光路構成図の一例。

【符号の説明】

１…光源２、２ｂ…第１凹面鏡３…入口スリット４…第２凹面鏡（コリメータ鏡）５…平面回折格子６…第３凹面鏡（テレメータ鏡）７…投影面Ｓ１…照明系平面Ｓ２…分光系平面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田健京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所内Ｆターム(参考） 2G020 CB04 CB07 CB33 CB54 CC04 CC43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源及び該光源からの光を反射する第１
の凹面鏡を含む照明光学系と、入口スリット、該入口ス
リットを通して導入された光を集光する第２の凹面鏡、
集光された光を波長分散する平面回折格子及び該平面回
折格子で波長分散された光を集光する第３の凹面鏡から
成るツェルニ・ターナ型分光光学系と、を備える分光光
度計において、第１の凹面鏡の入射光軸と反射光軸とを
含む照明系平面と、入口スリットの通過光から第３の反
射鏡の反射光までの全ての光軸を含む分光系平面とが直
交するとともに、前記入口スリットが第１の凹面鏡の球
欠的焦点に位置していることを特徴とする分光光度計。