JP2003214952A

JP2003214952A - 分光器

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Publication number: JP2003214952A
Application number: JP2002015920A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Katsunuma; 淳勝沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: CN1613004A; WO2003062776A1; US7173695B2; JP4151271B2; US20050088649A1; CN100425958C

Abstract

(57)【要約】【課題】環境温度の変化によるスペクトル像の波長分
散方向のドリフトを分光器の形態に関わらず確実に軽減
できる温度補償機構を備えた簡素な分光器を得る。【解決手段】入射部材１１と集光光学系１３と検出素
子１５とを一体に支持する第１部材１７と、線膨張係数
が第１部材とは異なる材料により構成され、波長分散素
子１４を支持する第２部材２１と、環境温度が変化した
ときに、第１部材の伸縮量を第２部材に伝達する伝達部
材２４,２５とを備える。第２部材は、環境温度が変化
したときに、自身の伸縮量と第１部材の伸縮量との相異
に応じて弾性変形する変形部材２８を含み、変形部材の
弾性変形に応じて微小回転する回転部材２６を含む。波
長分散素子は、波長分散方向が回転部材の軸方向に対し
て直交する向きで、回転部材に取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グレーティングや
プリズムなどの波長分散素子を用いた分光器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、波長分散素子を用いた分光器
は、物理分析や化学分析などの様々な分野において広く
使用されている。ただし、分光器の測定波長精度は環境
温度の変化による影響を受けて不安定になりやすいた
め、分光器を使用する際の環境温度は原則として一定に
保たれる。環境温度が一定に保たれていれば、分光器に
入射した光のスペクトル像が波長分散方向にドリフトす
る事態をほぼ回避することができ、分光器の測定波長精
度が安定化する。

【０００３】しかし、分光器の使用環境によっては温度
を一定に保つことが難しい場合もある。このため、近年
では、環境温度が変化してもスペクトル像が波長分散方
向にドリフトしないように分光器を構成することが望ま
れている。このような温度補償機構付き分光器として既
に提案されているものは、波長分散素子として凹面反射
型のグレーティングを用い、スペクトル像を検出するデ
ィテクタとしてダイオードアレイを用いた分光器がほと
んどである。

【０００４】そして、例えば特開平８−２５４４６３号
公報や特開平９−２１８０９１号公報には、ダイオード
アレイの熱膨張係数と適合するようにグレーティングホ
ルダとケーシングの熱膨張係数を選択し、グレーティン
グホルダの形状をケーシングと適合させることで、環境
温度の変化によるスペクトル像のドリフトを軽減するこ
とが提案されている。

【０００５】また、特開２０００−２９８０６６号公報
には、グレーティングやダイオードアレイの保持の仕方
を工夫し、グレーティング保持部材とダイオードアレイ
保持部材とキャリアとの位置決め構造を最適化すること
で、環境温度の変化によるスペクトル像のドリフトを軽
減することが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の温度補償機構付き分光器において提案された温
度補償技術は、飽くまでも、波長分散素子として凹面反
射型のグレーティングを用い、ディテクタとしてダイオ
ードアレイを用いた分光器に固有の技術である。このた
め、その他の様々な形態の分光器に上記の温度補償技術
を適用することは困難であり、無理に適用しようとする
と構成が複雑になってしまう。

【０００７】本発明の目的は、環境温度の変化によるス
ペクトル像の波長分散方向のドリフトを分光器の形態に
関わらず確実に軽減できる温度補償機構が組み込まれた
簡素な分光器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の分光器
は、被測定光を取り込む入射部材と、前記入射部材から
の前記被測定光を波長に応じて分散させる波長分散素子
と、前記波長分散素子による分散後の前記被測定光を集
光してスペクトル像を形成する集光光学系と、前記スペ
クトル像を検出する検出素子と、前記入射部材と前記集
光光学系と前記検出素子とを一体に支持する第１支持部
材と、線膨張係数が前記第１支持部材とは異なる材料に
よって構成され、前記波長分散素子を支持する第２支持
部材と、環境温度が変化したときに、前記第１支持部材
の伸縮量を前記第２支持部材に伝達する伝達部材とを備
えたものであり、さらに、前記第２支持部材は、環境温
度が変化したときに、前記伝達部材から伝達される前記
第１支持部材の伸縮量と当該第２支持部材の伸縮量との
相異に応じて弾性変形する変形部材を含むと共に、該変
形部材の弾性変形に応じて微小回転する回転部材を含
み、前記波長分散素子は、その波長分散方向が前記回転
部材の軸方向に対して直交する向きで、前記回転部材に
取り付けられている。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の分光器において、環境温度が変化したときの前記回転
部材の回転角度および回転方向が、前記スペクトル像の
波長分散方向のドリフトを相殺するように予め設定され
たものである。請求項３に記載の発明は、請求項１また
は請求項２に記載の分光器において、前記第２支持部材
は、２つのアーム部材が薄肉状の前記変形部材を介して
連結され、前記２つのアーム部材のうち一方が前記回転
部材を構成しているＶ字形部材であり、前記伝達部材
は、前記Ｖ字形部材の両端部と前記第１支持部材とを各
々連結すると共に、前記２つのアーム部材のなす角度を
前記第１支持部材の伸縮に応じて変化させる部材であ
る。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の分光器において、環境温度が１℃変化したときの前記
スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺可能な前
記回転部材の回転角度をΔａとするとき、前記第１支持
部材の線膨張係数ρｂと、前記第２支持部材の線膨張係
数ρｍと、前記２つのアーム部材のうち一方の長さｙお
よび他方の長さｚと、前記２つのアーム部材のなす角度
ａとは、以下の関係式を満足するものである。

【００１１】ｙ/ｚ＝｛Ａ±√(Ａ²−４)｝/２Ａ＝２cosａ＋sinａ・Δａ/(ρｂ−ρｍ)

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００１３】本発明の実施形態は、請求項１〜請求項４
に対応する。本実施形態の分光器１０は、図１に示すよ
うに、オプティカルファイバ１１と、ミラー１２と、リ
トローレンズ１３と、グレーティング１４と、１次元ラ
インセンサ１５と、グレーティングマウント１６と、ベ
ース部材１７とで構成されている。なお、オプティカル
ファイバ１１の前段には不図示の光源が配置されてい
る。

【００１４】また、分光器１０を構成する光学素子(１
１〜１５)のうち、オプティカルファイバ１１,ミラー１
２,リトローレンズ１３,１次元ラインセンサ１５は、ベ
ース部材１７の上に設置され、グレーティング１４は、
グレーティングマウント１６の上に設置され、このグレ
ーティングマウント１６は、ベース部材１７の上に設置
されている。

【００１５】本実施形態の分光器１０は、環境温度が−
２０℃から＋６０℃までの範囲において使用可能な温度
補償機能付き分光器である。先ず初めに、光学素子(１
１〜１５)の構成や機能の説明を行い、その後で、グレ
ーティングマウント１６とベース部材１７について具体
的に説明する。オプティカルファイバ１１は、光源(不
図示)からの被測定光を分光器１０の内部に取り込むた
めの部材（例えばシングルモードファイバ）であり、そ
の光射出部の直径は例えば１０μｍである。オプティカ
ルファイバ１１は、請求項の「入射部材」に対応する。

【００１６】ミラー１２は、オプティカルファイバ１１
からの被測定光を反射してリトローレンズ１３に導くた
めの光学素子である。リトローレンズ１３は、ミラー１
２からの被測定光Ｌ１をコリメートする機能と、グレー
ティング１４からの回折光Ｌ３(後述する)を集光してス
ペクトル像を形成する機能とを兼ね備えたレンズである
（焦点距離は例えば５０ｍｍ）。リトローレンズ１３に
よってコリメートされた被測定光Ｌ２は、グレーティン
グ１４に導かれ、リトローレンズ１３によって集光され
た被測定光Ｌ４は、１次元ラインセンサ１５に導かれ
る。リトローレンズ１３は、請求項の「集光光学系」に
対応する。

【００１７】グレーティング１４は、細長い多数の溝が
１次元配列された反射型平面回折格子である。多数の溝
の配列方向は、グレーティング１４の波長分散方向に相
当する。グレーティング１４は、オプティカルファイバ
１１からミラー１２とリトローレンズ１３を介して導か
れた被測定光Ｌ２を波長に応じて分散させる。グレーテ
ィング１４による分散後の被測定光が上記の回折光Ｌ３
に対応する。グレーティング１４は、請求項の「波長分
散素子」に対応する。

【００１８】また、本実施形態において、リトローレン
ズ１３とグレーティング１４とは、両側テレセントリッ
ク光学系を構成している。すなわち、グレーティング１
４を開口絞りと見なして、リトローレンズ１３の焦点位
置に配置している。１次元ラインセンサ１５は、多数の
受光部が１次元配列された受光面を有し、この受光面が
リトローレンズ１３の焦点位置（スペクトル像が形成さ
れる位置）と一致するように配置されている。１次元ラ
インセンサ１５は、リトローレンズ１３によって形成さ
れたスペクトル像を検出する検出素子である。なお、多
数の受光部の配列方向は、グレーティング１４の波長分
散方向に相当する。

【００１９】また、各々の受光部の波長分散方向の幅
は、スペクトル像の検出に必要な波長分解能に応じて設
定されている（例えば２５μｍ）。１次元ラインセンサ
１５の受光面に配列された受光部の数は、スペクトル像
の検出に必要な波長範囲に応じて、この波長範囲を余す
ところなく検出できるように設定される。上記した光学
素子(１１〜１５)において、オプティカルファイバ１１
から分光器１０の内部に入射した被測定光は、リトロー
レンズ１３でコリメートされ、グレーティング１４で回
折され、再びリトローレンズ１３に戻って集光される。
その結果、１次元アレイセンサ１５の受光面上にはスペ
クトル像が形成され、受光面に配列された各々の受光部
によってスペクトル像が検出される。

【００２０】ここで、分光器１０に入射する被測定光が
単色光（任意の単一波長の光）である場合、スペクトル
像は、オプティカルファイバ１１の光射出部とほぼ相似
なスポット状になる。また、被測定光が波長の異なる多
種類の光を含む場合、スペクトル像は、波長分散方向に
沿って広がった形状となる。波長分散方向に沿ってスポ
ット状のスペクトル像が離散的に多数配列された状態と
なることもある。

【００２１】ところで、１次元アレイセンサ１５の受光
面上においてスペクトル像が波長分散方向にドリフトす
ると、分光器１０の測定精度が低下してしまう。このよ
うなスペクトル像の波長分散方向のドリフトは、環境温
度が変化したときに生じやすく、次の(１)〜(５)が主な
要因として考えられる。(１)は、リトローレンズ１３の
焦点距離の変動である。(２)は、空気の屈折率の変動で
ある。(３)は、グレーティング１４の伸縮による格子定
数の変動である。(４)は、ベース部材１７の伸縮による
オプティカルファイバ１１の波長分散方向への移動であ
る。(５)は、グレーティング１４の刻線方向を中心とし
た回転である。

【００２２】ただし、上記した要因(１)〜(５)のうち、
(１)リトローレンズ１３の焦点距離の変動は、光学設計
により実用上問題とならない程度に小さく抑えることが
できる。また、(２)空気の屈折率の変動は、環境温度の
変化幅が１００℃程度であれば問題とならない。すなわ
ち、環境温度が１００℃程度変化しても、空気中の光の
波長変化は無視できる程度にしかならない。

【００２３】すなわち、本実施形態の分光器１０におい
て実際に考慮するべきスペクトル像のドリフトの要因
は、(３)グレーティング１４の格子定数の変動と、(４)
オプティカルファイバ１１の波長分散方向への移動と、
(５)グレーティング１４の刻線方向を中心とした回転と
の３つである。

【００２４】本実施形態の分光器１０の場合、環境温度
が最低温度(−２０℃)から最高温度(＋６０℃)まで８０
℃上昇したときに、スペクトル像が上記した要因(３)
(４)によって２０μｍだけ短波長側にドリフトするよう
設計されているとする。短波長側とは図１に矢印Ｂで示
す方向である。また、環境温度の変化によるスペクトル
像のドリフトは、温度変化にほぼ比例している。このた
め、スペクトル像の温度変化１℃あたりのドリフト量Δ
ｓは、２０μｍ/８０℃＝０.２５μｍ/℃となる。この
ドリフト量Δｓは、１次元アレイセンサ１５の１つの受
光部の波長分散方向の幅（２５μｍ）に対して無視でき
ない量である。

【００２５】なお、分光器１０に入射する被測定光が波
長の異なる多種類の光を含む場合のスペクトル像は、既
に述べたように、波長分散方向に沿って広がった形状と
なったり、スポット像が離散的に多数配列された状態と
なったりする。厳密にいえば、各々の波長ごとにドリフ
ト量は少し異なるが、その相違は無視できる程度であ
る。このため、本実施形態では、分光器１０に入射する
被測定光のうち、着目する波長の光（例えば中心波長の
光）と、この着目する波長前後近傍の波長の光とは、環
境温度の変化によってほぼ同じ挙動を示す、つまり、同
じ量Δｓだけドリフトする(０.２５μｍ/℃)と見なすこ
とにする。

【００２６】さて、上記の要因(３)(４)により、環境温
度の上昇に伴ってスペクトル像が短波長側(矢印Ｂの方
向)に０.２５μｍ/℃だけドリフトすることは、既に説
明した通りである。また、スペクトル像のドリフトの要
因には、あと、(５)グレーティング１４の刻線方向を中
心とした回転が残されていることも、既に説明した通り
である。

【００２７】本実施形態の分光器１０は、上記の要因
(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(短波長側
に０.２５μｍ/℃)を相殺するように、グレーティング
１４を回転させるものである。グレーティング１４を回
転させる機構（グレーティングマウント１６,ベース部
材１７）についての詳細な説明は後述する。

【００２８】グレーティング１４が刻線方向（図１の紙
面に垂直な方向）を中心として回転すると、グレーティ
ング１４から射出される回折光Ｌ３は偏向され、その結
果、１次元アレイセンサ１５の受光面上においてスペク
トル像が波長分散方向にドリフトする。このとき、グレ
ーティング１４に入射する被測定光Ｌ２の入射角度αが
小さくなる方向（図１に矢印Ｃで示す方向）にグレーテ
ィング１４を回転させると、この回転によってスペクト
ル像は長波長側（矢印Ｂとは反対の方向）にドリフトす
ることになる。これは、上記の要因(３)(４)によるドリ
フトΔｓを相殺する方向へのドリフトである。上記の入
射角度αは、グレーティング１４の法線１４ａを起点と
する角度である。

【００２９】また、上記の要因(３)(４)によるドリフト
Δｓ(＝０.２５μｍ/℃)を相殺可能なグレーティング１
４の回転角度Δａは、リトローレンズ１３の焦点距離ｆ
と、グレーティング１４に入射する被測定光Ｌ２の入射
角度αと、グレーティング１４から射出される回折光Ｌ
３の回折角度βとを用いて、次の式(１)で表すことがで
きる。回折角度βも法線１４ａを起点とする角度であ
る。

【００３０】 Δａ＝Δｓ/ｆ/(１＋cosα/cosβ) …(１) なお、上記式(１)が成立するのは、空気中の光の波長変
動を無視できることが前提となっている。グレーティン
グ１４の回転角度Δａは、温度変化１℃あたりの必要な
回転角度である。上記式(１)に基づいて具体的なグレー
ティング１４の回転角度Δａを計算すると、Δａ＝２.
７６×１０^-6radian となる。この計算に当たっては、
Δｓ＝０.２５μｍ/℃,ｆ＝５０ｍｍ,α＝７０°,β＝
６５°を用いた。α,βの値は、着目する波長の光（例
えば中心波長の光）に関する角度である。

【００３１】このように、環境温度が変化したときに、
グレーティング１４を入射角度αが小さくなる方向（矢
印Ｃの方向）に上記した回転角度Δａだけ回転させれ
ば、上記の要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフト
Δｓ(短波長側に０.２５μｍ/℃)を相殺することができ
る。次に、グレーティング１４を回転させる機構（グレ
ーティングマウント１６,ベース部材１７）について、
詳細に説明する。この機構の特徴は、ベース部材１７と
グレーティングマウント１６の線膨脹係数の違いを利用
した点にある。

【００３２】ベース部材１７は、オプティカルファイバ
１１,ミラー１２,リトローレンズ１３,１次元ラインセ
ンサ１５を一体に支持している。このベース部材１７
は、請求項の「第１支持部材」に対応する。本実施形態
のベース部材１７は、線膨張係数ρｂ(＝２４.３×１０
^-6degree^-1)のアルミニウム合金によって構成されてい
る。環境温度が変化したとき、ベース部材１７は、自身
の線膨張係数ρｂに応じて伸縮する。なお、ベース部材
１７の上に設置されたオプティカルファイバ１１,ミラ
ー１２,リトローレンズ１３,１次元ラインセンサ１５の
相対位置関係は、等方的に変化する。

【００３３】グレーティングマウント１６は、図２
(ａ),(ｂ)に示すように、グレーティング１４を支持す
るＶ字形部材２１と、このＶ字形部材２１の両端部２
２,２３をベース部材１７に各々連結する連結部材２４,
２５とで構成されている。図２(ａ)は上面図、図２(ｂ)
は側面図である。図２(ｂ)において、Ｖ字形部材２１に
対応する部分には、点ハッチングを付した。

【００３４】本実施形態のグレーティングマウント１６
は、線膨張係数ρｍ(＝２３.６×１０^-6degree^-1)のア
ルミニウム合金によって構成されている。グレーティン
グマウント１６のＶ字形部材２１は請求項の「第２支持
部材」に対応する。連結部材２４,２５は「伝達部材」
に対応する。環境温度が変化したとき、グレーティング
マウント１６は、自身の線膨張係数ρｍに応じて伸縮す
る。なお、グレーティングマウント１６の線膨張係数ρ
ｍがベース部材１７の線膨張係数ρｂとは異なるため、
環境温度が変化したときの伸縮量は、グレーティングマ
ウント１６とベース部材１７とで異なることになる。

【００３５】ここで、Ｖ字形部材２１をさらに詳しく説
明する。Ｖ字形部材２１は、２つのアーム部材２６,２
７が、弾性変形可能な薄肉状の変形部材２８を介して連
結された構成となっている。また、Ｖ字形部材２１は、
上記の通り、その両端部２２,２３が連結部材２４,２５
を介してベース部材１７に各々連結されている。さら
に、Ｖ字形部材２１の両端部２２,２３は、上記した変
形部材２８と同様、弾性変形可能な薄肉状の変形部材で
ある。

【００３６】このため、環境温度が変化したときにベー
ス部材１７が線膨張係数ρｂに応じて伸縮すると、ベー
ス部材１７の伸縮量は、連結部材２４,２５からＶ字形
部材２１に伝達される。つまり、ベース部材１７が伸縮
した分だけ連結部材２４,２５の距離が変化し、Ｖ字形
部材２１の両端部２２,２３の距離も変化することにな
る。また、Ｖ字形部材２１の両端部２２,２３と変形部
材２８とは、自身の伸縮量とベース部材１７の伸縮量と
の相異に応じて弾性変形する。この弾性変形は、全て、
折れ曲がり角度の変化によって吸収される。そして、Ｖ
字形部材２１のアーム部材２６,２７は、自身の線膨張
係数ρｍに応じて伸縮する。

【００３７】ここで、Ｖ字形部材２１の一端部２２の中
心を「Ｉ」、他端部２３の中心を「Ｋ」、変形部材２８の中
心を「Ｊ」とし、３つの中心Ｉ,Ｊ,Ｋを結んで得られる三
角形ＩＪＫ（図３）に注目して、環境温度の変化による
Ｖ字形部材２１の変形、つまり三角形ＩＪＫの変形につ
いて考える。環境温度が変化すると、三角形ＩＪＫの辺
ＩＫの長さ（両端部２２,２３の距離）は、ベース部材
１７の伸縮量に応じて変化する。これに対し、残りの２
辺の長さ、つまり、辺ＩＪの長さ（アーム部材２７の長
さ）と、辺ＪＫの長さ（アーム部材２６の長さ）とは、
自身のＶ字形部材２１の伸縮量に応じて変化する。

【００３８】したがって、環境温度が変化した後の三角
形Ｉ'Ｊ'Ｋ'は、元々の三角形ＩＪＫとは相似形になら
ない。また、三角形Ｉ'Ｊ'Ｋ'の頂角ａ'（＝∠Ｉ'Ｊ'
Ｋ'）は、三角形ＩＪＫの頂角ａ（＝∠ＩＪＫ）とは異
なることになる。なお、頂角ａ'または頂角ａは、変形
部材２８の折れ曲がり角度を表す。変形部材２８の折れ
曲がり角度の変化（頂角ａ→ａ'）は、弾性変形であ
る。

【００３９】さらに、変形部材２８の弾性変形に応じて
三角形ＩＪＫの頂角ａが変化すると、この頂角ａを挟む
２つの辺ＪＫ,ＪＩ（アーム部材２６,２７）は、なす角
度が変化し、結果として微小回転することになる。この
微小回転の軸方向は、三角形ＩＪＫによる平面（紙面に
平行な平面）に対して直交する。また、環境温度が上昇
したときに三角形ＩＪＫの辺ＪＫ（アーム部材２６）が
微小回転する方向（回転方向）は、自身の線膨張係数ρ
ｍがベース部材１７の線膨張係数ρｂより小さいことを
考慮すると、三角形ＩＪＫの頂角ａは環境温度の上昇に
よって大きくなるため、図１に示す矢印Ｃの方向（入射
角度αが小さくなる方向）と一致することが分かる。

【００４０】このため、グレーティング１４は、Ｖ字形
部材２１の一方のアーム部材２６の上に、波長分散方向
がアーム部材２６の軸方向（紙面に垂直な方向）に対し
て直交する向きで取り付けられる。これにより、グレー
ティング１４の刻線方向は、アーム部材２６の軸方向に
対して平行となる。なお、アーム部材２６とグレーティ
ング１４とは、それぞれの線膨張係数の差によってたわ
みが生じないように、例えば弾力性のある接着剤を使用
するなどの方式で接合される。Ｖ字形部材２１のアーム
部材２６は、請求項の「回転部材」に対応する。

【００４１】このようにしてアーム部材２６の上に取り
付けられたグレーティング１４は、常に、アーム部材２
６と共に、グレーティング１４の刻線方向を中心に微小
回転することになる。そして、環境温度が上昇したとき
には、図１に示す入射角度αが小さくなる方向（矢印Ｃ
の方向）に微小回転する。ここで、前述した要因(３)
(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(＝０.２５μｍ
/℃)を相殺可能なグレーティング１４の回転角度Δａ、
つまり、環境温度が１℃変化したときに必要な回転角度
Δａは、上記式(１)の通りであり、具体的には Δａ＝
２.７６×１０^-6radian である。

【００４２】したがって、グレーティング１４を支持し
ているＶ字形部材２１のアーム部材２６が温度変化１℃
のときに上記の回転角度Δａだけ回転するように構成す
れば、グレーティング１４の回転角度Δａが実際に実現
することになる。温度変化１℃のときのアーム部材２６
の回転角度Δａ＝ａ'−ａとするとき、この回転角度Δ
ａと、ベース部材１７の線膨張係数ρｂと、グレーティ
ングマウント１６の線膨張係数ρｍと、アーム部材２６
(辺ＪＫ)の長さｙと、アーム部材２７(辺ＪＩ)の長さｚ
と、アーム部材２６,２７のなす角度ａ(＝∠ＩＪＫ)と
は、次の関係式(２),(３)を満足する。

【００４３】ｙ/ｚ＝｛Ａ±√(Ａ²−４)｝/２ …(２) Ａ＝２cosａ＋sinａ・Δａ/(ρｂ−ρｍ) …(３) この関係式(２),(３)に対して、本実施形態の分光器１
０における具体的な数値（ａ＝９０°,Δａ＝２.７６×
１０^-6radian，ρｂ＝２４.３×１０^-6degree^- ¹，ρｍ
＝２３.６×１０^-6degree^-1）を代入することにより、
パラメータＡの値はＡ＝３.９４と求められ、結果と
して、アーム部材２６(辺ＪＫ)とアーム部材２７(辺Ｊ
Ｉ)との長さの比(ｙ/ｚ)はｙ/ｚ＝３.６７(または１/
３.６７）と求められる。

【００４４】そして、得られた結果に基づいてアーム部
材２６,２７(辺ＪＫ,ＪＩ)の長さｙ,ｚを決定し、アー
ム部材２６,２７のなす角度ａが９０°となるようにＶ
字形部材２１を構築すれば、環境温度が１℃上昇したと
きに、アーム部材２６を上記の回転角度Δａだけ図１の
矢印Ｃの方向に微小回転させることができる。その結
果、アーム部材２６の上に取り付けられたグレーティン
グ１４も、環境温度が１℃上昇したときに、上記の回転
角度Δａだけ図１の矢印Ｃの方向（入射角度αが小さく
なる方向）に微小回転することになる。したがって、前
述した要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ
(短波長側に０.２５μｍ/℃)を相殺することができる。

【００４５】上記した本実施形態の分光器１０によれ
ば、環境温度が変化したときにベース部材１７とグレー
ティングマウント１６(Ｖ字形部材２１)とが異なる量の
伸縮をし、この伸縮量の違いに応じてグレーティング１
４が予め定めた角度だけ微小回転して、スペクトル像の
波長分散方向のドリフトを確実に相殺するので、１次元
アレイセンサ１５の受光面におけるスペクトル像の位置
を環境温度が変化しても同じ位置に留めることができ
る。

【００４６】このため、分光器１０の環境温度を一定に
保つことが難しく、環境温度が−２０℃から＋６０℃ま
での範囲において変化した場合でも、安定した測定精度
による被測定光のスペクトル測定が可能となる。また、
特別に環境温度をコントロールする必要もなく、分光器
１０自体に環境温度をコントロール機能を設ける必要も
ないため、安価で使いやすい分光器１０が実現できる。

【００４７】さらに、本実施形態の分光器１０では、ス
ペクトル像を受光する素子として１次元ラインセンサ１
５を用いたので、グレーティング１４を固定させた状態
でも、多数の波長のスペクトル像を同時に受光すること
ができる。つまり、被測定光が波長の異なる多種類の光
を含む場合、被測定光の波長ごとの強度を簡単に測定す
ることができる。

【００４８】このような分光器１０は、例えば、波長分
割多重(ＷＤＭ)方式の光通信システムにおいて、光源で
ある半導体レーザ（予め決められた複数の周波数光が重
合された光源)(例えば１.５μｍ帯）から射出される光
を分光し、各々の周波数ごとの強度特性を監視する装置
（波長モニター）として用いるのに好適である。光通信
機器には一般に厳しい環境温度条件の下で作動すること
が要求されるため、本実施形態の分光器１０を波長モニ
ターとして用い、分光器１０による測定結果を半導体レ
ーザにフィードバックすることで、環境温度が変化した
場合でも、半導体レーザから射出される光の強度を波長
ごとに一定に保つことができ、安定した光通信が可能と
なる。

【００４９】なお、上記した実施形態では、反射型の回
折格子を用いた分光器１０の例を説明したが、透過型の
回折格子を用いた構成にも本発明を適用できる。また、
平面回折格子およびリトローレンズに代えて、１つの凹
面回折格子を用いた分光器にも適用できる。さらに、１
つのリトローレンズに代えて、コリメート光学系と集光
光学系とを別々に配置しても良い。コリメート光学系と
集光光学系とは、屈折光学系でも反射光学系でも良い。
また、波長分散素子としてグレーティング(回折格子)を
用いたが、プリズムを用いることもできる。

【００５０】このような様々な形態の分光器の何れに
も、本発明は簡単に適用することができる。つまり、各
々の分光器の波長分散素子を上記アーム部材２６と同様
の回転部材に取り付けるだけで、スペクトル像の波長分
散方向のドリフトを相殺することができる。つまり、本
発明を適用した温度補償機能付き分光器の構成が複雑に
なることはない。

【００５１】ただし、波長分散素子を回転部材に取り付
けるに当たっては、波長分散方向を回転部材の軸方向に
対して直交させなければならない。また、この回転部材
を含む支持部材(Ｖ字形部材２１に対応)の線膨張係数ρ
ｍや、波長分散素子を除く他の部材(オプティカルファ
イバ１１など)を支持するベース部材の線膨張係数ρｂ
などの各種パラメータを適切に選択することも必要であ
る。さらに、温度補償に必要な波長分散素子の回転角度
Δａは、個々の分光器を設計する際に、最適な値を決定
することが好ましい。

【００５２】また、上記した実施形態では、スペクトル
像を検出する素子として１次元ラインセンサ１５を用い
たが、この１次元ラインセンサ１５に代えて、射出スリ
ットとディテクタとを用いることもできる。射出スリッ
ト（検出素子）は、細長い１つの開口部を有し、この開
口部がスペクトル像の形成位置と一致するように配置さ
れる。そして、スペクトル像のうち開口部を通過した部
分像がディテクタにより受光される。

【００５３】この構成では、射出スリットおよびディテ
クタを波長分散方向に沿って移動させたり、波長分散素
子を波長分散方向と直交する軸まわりに回転させたりす
ることで、異なる波長の光を測定することができる。こ
のような構成の分光器も、波長分割多重(ＷＤＭ)方式の
光通信システムにおける上記の波長モニターとして用い
るのに好適である。

【００５４】さらに、上記した実施形態では、分光器１
０に被測定光を入射させる入射部材としてオプティカル
ファイバ１１を用いたが、これに代えて入射スリットを
用いることもできる。入射スリットは、細長い１つの開
口部を有する。また、上記した実施形態では、リトロー
レンズ１３とグレーティング１４とで両側テレセントリ
ック光学系を構成したが、本発明はこれに限定されな
い。リトローレンズ１３とグレーティング１４とのテレ
セン性がずれた構成でも、本発明を適用できる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
環境温度の変化によるスペクトル像の波長分散方向のド
リフトを分光器の形態に関わらず確実に軽減できる温度
補償機構が組み込まれた簡素な分光器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の分光器１０の全体構成を示す図で
ある。

【図２】グレーティングマウント１６の構造を示す図で
ある。

【図３】グレーティングマウント１６の変形を説明する
図である。

【符号の説明】

１０分光器１１オプティカルファイバ１２ミラー１３リトローレンズ１４グレーティング１５１次元ラインセンサ１６グレーティングマウント１７ベース部材２１Ｖ字形部材２４，２５連結部材２６，２７アーム部材２８変形部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定光を取り込む入射部材と、前記入射部材からの前記被測定光を波長に応じて分散さ
せる波長分散素子と、前記波長分散素子による分散後の前記被測定光を集光し
てスペクトル像を形成する集光光学系と、前記スペクトル像を検出する検出素子と、前記入射部材と前記集光光学系と前記検出素子とを一体
に支持する第１支持部材と、線膨張係数が前記第１支持部材とは異なる材料によって
構成され、前記波長分散素子を支持する第２支持部材
と、環境温度が変化したときに、前記第１支持部材の伸縮量
を前記第２支持部材に伝達する伝達部材とを備え、前記第２支持部材は、環境温度が変化したときに、前記
伝達部材から伝達される前記第１支持部材の伸縮量と当
該第２支持部材の伸縮量との相異に応じて弾性変形する
変形部材を含むと共に、該変形部材の弾性変形に応じて
微小回転する回転部材を含み、前記波長分散素子は、その波長分散方向が前記回転部材
の軸方向に対して直交する向きで、前記回転部材に取り
付けられることを特徴とする分光器。
【請求項２】請求項１に記載の分光器において、環境温度が変化したときの前記回転部材の回転角度およ
び回転方向は、前記スペクトル像の波長分散方向のドリ
フトを相殺するように予め設定されていることを特徴と
する分光器。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の分光器
において、前記第２支持部材は、２つのアーム部材が薄肉状の前記
変形部材を介して連結され、前記２つのアーム部材のう
ち一方が前記回転部材を構成しているＶ字形部材であ
り、前記伝達部材は、前記Ｖ字形部材の両端部と前記第１支
持部材とを各々連結すると共に、前記２つのアーム部材
のなす角度を前記第１支持部材の伸縮に応じて変化させ
る部材であることを特徴とする分光器。
【請求項４】請求項３に記載の分光器において、環境温度が１℃変化したときの前記スペクトル像の波長
分散方向のドリフトを相殺可能な前記回転部材の回転角
度をΔａとするとき、前記第１支持部材の線膨張係数ρｂと、前記第２支持部
材の線膨張係数ρｍと、前記２つのアーム部材のうち一
方の長さｙおよび他方の長さｚと、前記２つのアーム部
材のなす角度ａとは、以下の関係式を満足することを特
徴とする分光器。ｙ/ｚ＝｛Ａ±√(Ａ²−４)｝/２Ａ＝２cosａ＋sinａ・Δａ/(ρｂ−ρｍ)