JP2005283132A - 任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置並びにその分光装置内部に用いる光マスク形状設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が難しく時間がかかり、さらにコストがかかる「光学フィルター」の代わりとして、任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置を提供する。
【解決手段】第１及び第２の回折格子の回折格子定数ｄ_１、ｄ_２を同じ値に設定し、第１の回折格子からの前記スペクトル光の出射角β_１と第２の回折格子への前記スペクトル光の入射角ｉ_２とが等しくなるように少なくとも第２の回折格子を配設し、前記第１の出射スリットと第２の入射スリットに替わり光マスク収納部を備え、スペクトル光各波長に対する光透過率を任意に制限する光マスクがその光マスク収納部に挿入される中間スリット部を設け、前記光マスクは前記各波長が通過する位置の所定幅当たりの面積或いは高さが前記光透過率に比例する形状に形成され、第２の出射スリットに集光合成する前記スペクトル光の波長エネルギー特性を任意の分布にできることを特徴とする分光装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、２台のシングル分光器の間に中間スリットを設けて結合したダブル分光器を構成し、光学フィルターの代わりに用いられる分光装置に関する。詳しくは、前記中間スリットにスペクトル光の波長に関するエネルギー特性を制約するパターン形状の光マスクを設け、ダブル分光器の出射スリットから任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出し、製造困難な光学フィルターの代わりとして容易に使用できる分光装置に関する。さらに、それに使用する光マスク形状の設計方法に関する。

入射スリットにより制限された自然光を入射させコリメータ鏡ａにより一旦平行度の高い光にして回折格子（グレーティング）に入射させ、その回折格子により反射分散された各波長毎の光を再度コリメータ鏡ｂでそれぞれ集光させて出射スリットから波長の長いほうから短いほうへ並んだある波長帯域のスペクトル光を取り出すシングル分光器が知られている。

また、以上のシングル分光器を中間スリットを設けて２台直列に接続したダブル分光器についても知られている。その構成図の一例を図６に示す。

図６のようなダブル分光器は、シングル分光器によるスペクトル光の波長の単一性を高める為に２台並べて使用されていたものであった。

その場合のスペクトル光の各波長毎の出射スリットにおける各波長のスペクトル光の集光状態を図７に示す。図７に示すように、第１の出射スリットにおけるスペクトル光の波長帯域の最長波長・最短波長間の距離が、第２の出射スリット位置では拡大されてより明確にされている。

また、特許文献１には、以上のシングル分光器により超短光パルスにより生成される白色連続スペクトル光を分光し、その各波長中の複数の目的波長光のみ選択し、それを逆分光器により合成して、目的波長光を含有する合成光を生成し、その目的波長光に対応する生体試料中の複数の目的蛍光物質のみを励起する分析装置が開示されている。

しかし、そこで生成される合成光パルスの各波長成分は目的波長を選択するのみであり、合成した波長成分の光量或いは他の波長成分に対する相対的な大きさを調整することは考えられていなかった。すなわち目的波長があるか、ないかでその合成光パルス成分が選択されていた。

特開２００３−１７２７０２号公報（第２頁、第１図）

本発明が解決しようとする課題は、製造が難しく時間がかかり、さらにコストがかかる従来の「光学フィルター」の代わりとして、任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置を提供することを課題とする。

また、必要としない波長成分の光量を所望量制限する光マスク形状パターンの設計方法と、作成された光マスクを自在にセット可能な光マスク挿入部を有し、任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出し可能な分光装置を提供する。

本発明の任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置は、第１の入射スリットと、そのスリットからの制限された第１の入射光を受光し平行光線として反射させる第１のコリメータ鏡ａと、その平行光線を受光し反射分散させる第１の回折格子と、その反射分散されたスペクトル光を各波長毎に再度それぞれ集光させる第１のコリメータ鏡ｂと、それらの集光位置に配設され、所定帯域内に制限された波長のスペクトル光を取り出す第１の出射スリットとから少なくとも構成される第１のシングル分光器と、
前記第１のシングル分光器からの前記所定帯域内に制限された波長のスペクトル光を取り入れる第２の入射スリットと、そのスリットからの第２の入射光を受光し反射させる第２のコリメータ鏡ａと、その反射光を受光し分散させる第２の回折格子と、その分散されたスペクトル光を各波長毎にそれぞれ集光させる第２のコリメータ鏡ｂと、それらの集光位置に配設され前記所定帯域内の波長のスペクトル光を取り出す第２の出射スリットとから少なくとも構成される第２のシングル分光器とを具備する分光装置において、
前記第１及び第２の回折格子の回折定数ｄ_１、ｄ_２を同じ値に設定し、第１の回折格子からの前記スペクトル光の出射角β_１と第２の回折格子への前記スペクトル光の入射角ｉ_２とが等しくなるように少なくとも第２の回折格子を配設し、
前記第１の出射スリットと第２の入射スリットに替わり光マスク収納部を備え、スペクトル光各波長に対する光透過率を任意に制限する光マスクがその光マスク収納部に挿入される中間スリット部を設け、
前記光マスクは前記各波長が通過する位置の所定幅当たりの面積或いは高さが前記光透過率に比例する形状に形成され、第２の出射スリットに集光合成する前記スペクトル光の波長エネルギー特性を任意の分布にできることを特徴とする。

本発明の分光装置内部に用いる光マスク形状設計方法は、光源Ｌから出力するスペクトル光が、請求項１記載の分光装置Ｍと、波長走査を行い波長毎の透過光量或いはエネルギーが測定できる基準分光器Ｍ_０とを通過し、その光を受ける受光器Ｒとから構成するスペクトル光各波長λを関数とするエネルギー測定系において、
前記分光装置Ｍの前記中間スリット部に光マスクＳが挿入されていない場合における前記測定系すべてを通した総合エネルギー特性Ｅ_０（λ）を測定する段階と、
前記分光装置Ｍを前記測定系から取り外した状態における測定系のエネルギー特性Ｅ（λ）を測定する段階と、
前記の測定データＥ_０（λ）、Ｅ（λ）の比Ｅ_０（λ）／Ｅ（λ）から光マスクＳが挿入されていない分光装置Ｍのエネルギー特性Ｍ（λ）を算出する段階と、
光マスクＳが挿入されている分光装置Ｍに要求されているエネルギー特性Ｅ_０′（λ）を満たすように、光マスクＳのエネルギー特性Ｓ（λ）をＥ_０′（λ）／Ｍ（λ）から算出する段階と、
前記算出されたＳ（λ）の値より各波長毎の所定幅の面積又は長さのマスク形状を定める段階とからなることを特徴とする。

本発明の任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置は、以下に示す効果を奏する。すなわち、本発明の分光装置は、その分光装置に要求されたスペクトル分布の合成光が出射するよう設計したマスクを挿入して、製造が難しく、高価な光学フィルターの代わりとして使用することができる。

また、本発明の分光装置は、マスクのパターンを入れ替えることで、直ちに要求された任意のスペクトル分布の合成光にすることができる。このため、従来時間をかけて高価な光学フィルターを設計して製造しなければ求められなかった任意のスペクトル分布を持つ合成光を容易に得ることができる。

また、要求されるスペクトル分布を持つ合成光に対応するマスク形状は、本発明のパターン設計法により、通常の測定装置を備えるのみで、波長毎の計測値と要求する分光装置Ｍに対するスペクトル分布値より容易にそのマスク形状パターンを定めることができる。

本発明の任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置Ｍ（以下任意スペクトル分光装置と呼ぶ）の構造図の実施例を図１に示す。

図１において、１０は第１のシングル分光器、２０は第２のシングル分光器を示す。それぞれカバーで囲まれ中央隔壁で接続されている。

第１のシングル分光器１０においては、第１の入射スリット１１から入射された光を第１の平面ミラーａ１２により反射させて第１のコリメータ鏡ａ１３へ導く。その第１のコリメータ鏡ａ１３は、入射する発散光を平行度の高い光として第１の回折格子１４へ反射させる。その第１の回折格子１４は平行光を分散させ、第１のコリメータ鏡ｂ１５へ入射させる。

第１のコリメータ鏡ｂ１５は、各波長毎に反射鏡である第１の平面ミラーｂ１６を経由して中間スリット部３０で集光させるようにする。

その中間スリット部３０は、中央隔壁に設けられ、その中心に光マスクＳを収納する光マスク収納部３１を備える。

その中間スリット部３０へ入射されたスペクトル光の波長帯域中の必要な波長のみを透過させるスリットを設けた光マスクＳを、光マスク収納部３１にセットする。

第２のシングル分光器２０においては、前記光マスクＳのスリットを透過したスペクトル光が中間スリット部３０から出射し、第２の平面ミラーａ２２へ入射される。その第２の平面ミラーａ２２の反射光を第２のコリメータ鏡ａ２３へ入射させる。

コリメータ鏡ａ２３はその光を第２の回折格子２４へ入射させ、その分散光を第２のコリメータｂ２５で受光し、第２の平面ミラーｂ２６を経由して第２の出射スリット２７ですべての波長が集光するようにする。

すなわち、スペクトル分布の分散が一点に集光する条件は以下のようになる。
（１）第１及び第２の回折格子定数ｄ_１、ｄ_２は、ｄ_１＝ｄ_２
（第１及び第２の回折格子溝本数Ｎ_１、Ｎ_２は、Ｎ_１＝Ｎ_２）
（２）第１及び第２の回折格子の入出射角度は、β_１＝ｉ_２

以上の条件が満足するように少なくとも第２の回折格子２４が配設されていれば、出射スリット２７で波長毎に分散しているスペクトル光は一点に集光した合成光となる。

中間スリット部３０に光マスクＳが挿入されていなければ、出射スリット２７における合成光は中間スリット部３０に入射したすべての波長が含まれる合成光となる。

中間スリット部３０に光マスクＳが挿入されていれば、そのマスクに形成されているスリット（複数でもよい）の位置の波長のみが合成された合成光となる。

図３には、光マスクＳの形状の具体的な実施例を示す。これらは光学フィルターの代わりとして利用される。

図３（ａ）は、マルチバンドフィルターとして使用できる。図には波長λ_０、λ_１、λ_２の３区域のみ開放・透過するマスク形状を示す。

この光マスク形状パターンによるスペクトル分布、つまり波長を関数としたエネルギー特性をマルチバンドパス図に示している。

図３（ｂ）は光マスク形状が中心波長０．５５μｍ、最短波長０．４０μｍ、最長波長０．７０μｍとなる菱形パターンを取ることにより「標準比視感度」のスペクトル分布の出射光を求めることに利用される。

図３（ｃ）は、ある特定幅の広い波長帯域の光のみを取り出すノッチフィルターの代わりとして利用できるマスク形状である。

次に、本発明の任意スペクトル分光装置Ｍの中間スリット部３０の光マスク収納部３１に光マスクＳが挿入されたとき、その分光装置Ｍの各波長λに対するエネルギー特性Ｅ_０′（λ）が要求されているとき、その要求を満たす光マスクＳの形状をどのように設計するかを以下に述べる。

そのために、図４に示すような波長λ対エネルギーＥ特性測定系を備える。図５においてＬ（λ）は光源Ｌの特性を示し、Ｒ（λ）は受光器Ｒの特性を示す。その間に任意スペクトル分光装置Ｍ及び基準分光器Ｍ_０を配置して測定系としている。

ここで、Ｍ（λ）は任意スペクトル分光装置Ｍの特性を示し、Ｍ_０（λ）は基準分光器Ｍ_０の特性を示す。

その基準分光器Ｍ_０は、波長走査を行い、波長毎の透過光量或いは透過エネルギーを測定できる装置である。

以上の測定系により光マスクＳの形状の設計方法の各段階について以下に説明する。
Ａ段階：前記分光装置Ｍの中間スリット部３０の光マスク収納部３１に光マスクＳが挿入されていない場合における前記測定系において、光源Ｌから分光装置Ｍと基準分光器Ｍ_０を通し受光器Ｒでスペクトル光を受けるまでのすべての総合エネルギー特性Ｅ_０（λ）を測定する段階である。（図５（ａ）を参照）

このＡ段階では、基準分光器Ｍ_０により所定波長λ毎に波長をパラメータとしてそれぞれの測定波長毎にエネルギー特性Ｅ_０（λ）測定する。このとき、基準分光器の入射スリット、出射スリットの幅を細くすれば、エネルギー特性の精度は向上する。

Ｂ段階：前記分光装置Ｍを前記測定系から取り外した状態における測定系のエネルギー特性Ｅ（λ）を測定する。（図５（ａ）参照）

このＢ段階では、基準分光器のエネルギー特性のみを測定したことになる。

Ｃ段階：前記Ａ段階で測定したＥ_０（λ）と、Ｂ段階で測定したＥ（λ）の比Ｅ_０（λ）／Ｅ（λ）より、光マスクＳが挿入されていない分光装置Ｍのエネルギー特性Ｍ（λ）を算出する。（図５（ａ）参照）

このＣ段階におけるＭ（λ）の算出は以下のように求められる。
Ｅ_０（λ）＝Ｌ（λ）×Ｍ（λ）×Ｍ_０（λ）×Ｒ（λ）・・・・（１）
Ｅ（λ）＝Ｌ（λ）×Ｍ_０（λ）×Ｒ（λ）・・・・・・・・・・（２）
従って、Ｍ（λ）＝Ｅ_０（λ）／Ｅ（λ）・・・・・・・・・・・（３）

Ｄ段階：光マスクＳが挿入されている分光装置Ｍに要求されているエネルギー特性Ｅ_０′（λ）を満たすように、光マスクＳのエネルギー特性Ｓ（λ）をＥ_０′（λ）／Ｍ（λ）から算出する。（図５（ｂ）、（ｃ）を参照）

図５（ｂ）には、分光装置Ｍに要求されている、或いは所望のエネルギー特性Ｅ_０′（λ）を示し、図５（ｃ）は、Ｄ段階によって算出された光マスク特性Ｓ（λ）の値を示す。

Ｅ段階：算出されたＳ（λ）の値より各波長毎の所定幅の面積又は長さのマスク形状を求める。（図５（ｄ）参照）

Ｅ段階では、所定幅は測定波長に求められる精度によって定めればよい。波長λ対エネルギーＥとの関係で定める。例えば図５（ｃ）に示すような場合所定幅を１５μｍ程度とすればよい。

図５（ｃ）では、所定幅を１５μｍとした場合、４００ｎｍ、６００ｎｍにおける波長λのエネルギー特性Ｓ（λ）は中央の５００ｎｍの波長λのエネルギー特性Ｓ（λ）に対して約４倍大きくなければならないことを示している。

図５（ｄ）には、それに基づいて設計した光マスクＳのスリット形状を示す。波長５００ｎｍのスリットの高さは、波長４００ｎｍ、６００ｎｍのスリットの高さの約１／４に設計され、中央のスリットを透過する光量を、両側のスリットを透過する光量に対して約１／４となるようにしている。

本発明の任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置Ｍの構造図である。 本発明の任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置Ｍの各波長の集光状態を示す光路図である。 光マスクＳ形状パターンの実施例を示す図で、（ａ）はマルチバンドパスのスペクトル分布のパターン、（ｂ）は標準比視感度のスペクトル分布、（ｃ）はノッチフィルターのスペクトル分布のパターンを示す図である。 各波長λを関数とするエネルギー特性測定系を示す図である。 任意スペクトル分光装置Ｍのマスク形状作成方法の説明図で（ａ）はＡＢＣ段階の手順で求める特性を示す図、（ｂ）は、分光装置Ｍに要求された特性Ｅ_０′（λ）を示すグラフ、（ｃ）は、光マスク特性Ｓ（λ）を示す図、（ｄ）は光マスク特性Ｓ（λ）の具体的マスク形状の実施例を示す図である。 従来のダブル分光器の構造図である。 従来のダブル分光器のスペクトルの各波長の光路を示す図である。

符号の説明

１０ 第１のシングル分光器
１１ 第１の入射スリット
１２ 第１の平面ミラーａ
１３ 第１のコリメータ鏡ａ
１４ 第１の回折格子
１５ 第１のコリメータ鏡ｂ
１６ 第１の平面ミラーｂ
１７ 第１の出射スリット
２０ 第２のシングル分光器
２１ 第２の入射スリット
２２ 第２の平面ミラーａ
２３ 第２のコリメータ鏡ａ
２４ 第２の回折格子
２５ 第２のコリメータ鏡ｂ
２６ 第２の平面ミラーｂ
２７ 第２の出射スリット
３０ 中間スリット部
３１ 光マスクＳ収納部
Ｌ 光源
Ｍ 任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置（任意スペクトル分光装置）
Ｍ_０ 基準分光器
Ｒ 受光器
Ｓ 光マスク

Claims (2)

1. 第１の入射スリットと、そのスリットからの制限された第１の入射光を受光し平行光線として反射させる第１のコリメータ鏡ａと、その平行光線を受光し反射分散させる第１の回折格子と、その反射分散されたスペクトル光を各波長毎に再度それぞれ集光させる第１のコリメータ鏡ｂと、それらの集光位置に配設され、所定帯域内に制限された波長のスペクトル光を取り出す第１の出射スリットとから少なくとも構成される第１のシングル分光器と、
   前記第１のシングル分光器からの前記所定帯域内に制限された波長のスペクトル光を取り入れる第２の入射スリットと、そのスリットからの第２の入射光を受光し反射させる第２のコリメータ鏡ａと、その反射光を受光し分散させる第２の回折格子と、その分散されたスペクトル光を各波長毎にそれぞれ集光させる第２のコリメータ鏡ｂと、それらの集光位置に配設され前記所定帯域内の波長のスペクトル光を取り出す第２の出射スリットとから少なくとも構成される第２のシングル分光器とを具備する分光装置において、
   前記第１及び第２の回折格子の回折定数ｄ_１、ｄ_２を同じ値に設定し、第１の回折格子からの前記スペクトル光の出射角β_１と第２の回折格子への前記スペクトル光の入射角ｉ_２とが等しくなるように少なくとも第２の回折格子を配設し、
   前記第１の出射スリットと第２の入射スリットに替わり光マスク収納部を備え、スペクトル光各波長に対する光透過率を任意に制限する光マスクがその光マスク収納部に挿入される中間スリット部を設け、
   前記光マスクは前記各波長が通過する位置の所定幅当たりの面積或いは高さが前記光透過率に比例する形状に形成され、第２の出射スリットに集光合成する前記スペクトル光の波長エネルギー特性を任意の分布にできることを特徴とする任意スペクトル分布を持つ合成光を取り出す分光装置。
2. 光源Ｌから出力するスペクトル光が、請求項１記載の分光装置Ｍと、波長走査を行い波長毎の透過光量或いはエネルギーが測定できる基準分光器Ｍ_０とを通過し、その光を受ける受光器Ｒとから構成するスペクトル光各波長λを関数とするエネルギー測定系において、
   前記分光装置Ｍの前記中間スリット部に光マスクＳが挿入されていない場合における前記測定系すべてを通した総合エネルギー特性Ｅ_０（λ）を測定する段階と、
   前記分光装置Ｍを前記測定系から取り外した状態における測定系のエネルギー特性Ｅ（λ）を測定する段階と、
   前記の測定データＥ_０（λ）、Ｅ（λ）の比Ｅ_０（λ）／Ｅ（λ）から光マスクＳが挿入されていない分光装置Ｍのエネルギー特性Ｍ（λ）を算出する段階と、
   光マスクＳが挿入されている分光装置Ｍに要求されているエネルギー特性Ｅ_０′（λ）を満たすように、光マスクＳのエネルギー特性Ｓ（λ）をＥ_０′（λ）／Ｍ（λ）から算出する段階と、
   前記算出されたＳ（λ）の値より各波長毎の所定幅の面積又は長さのマスク形状を定める段階とからなることを特徴とする分光装置内部に用いる光マスク形状設計方法。
   

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