JP2005533249A - 光学分光計 - Google Patents

Abstract

入射光は、格子で入射光を回折させることによりスペクトル分析される。入射光の少なくとも一部が分割されてこの分割部分が主として入射光の一偏光成分を含むようにする。入射光のこの分割部分及び残りの部分は、これらの偏光方向が格子により最大効率で回折される偏光の主方向にほぼ平行な状態で格子に到達するようにする。この目的のため、少なくとも分割部分を偏光回転要素の通過後、回折させる。

Description

本発明は、光学分光計に関する。

周知の形式の光学分光計は、光を回折させる格子を用いている。格子は例えば、反射又は透明な基板上に設けられた細く、略平行且つ略等間隔に設けられた溝（「ライン」又は「罫線」）のアレイである。この溝が、強め合う干渉が生じる別々の方向に反射され又は伝送された電磁エネルギを集中させる回折相互干渉効果が生じさせる。これらの方向は、本明細書で用いられる「回折」の定義に含まれるとは考えられない直線伝送又は反射（入射角＝反射角）の方向を除き、波長依存性がある。分光計では、結果的に得られた波長依存性分散を用いて光のスペクトル特性を分析する。強度検出装置（例えば、光検出器）が、回折角の関数として光の強度を測定する。

弱い入射光のスペクトル特性の高感度測定が必要な用途の場合、かかる分光計は、用いられる１又は複数の回折次数について高い回折効率を有することが望ましい。このような要望は、例えば調査中の物体により非弾性散乱された一般に強度の低い光のスペクトルを分析する必要があるラマン分光法のような用途で存在する。

残念なことに、いくつかの条件下では、格子からの回折効率は、非常に高くはなく、或いは、入射光の一偏光方向についてのみ高く、これは、例えば入射光の方向と格子表面の垂線とのなす角が６０°以上の値に増大するとかかる効果が既に顕著になるかすめ入射（グレーズ光）下で用いられる格子の場合である。通常、光の互いに異なる偏光も又、互いに異なる波長領域で最適に回折される。

本発明の目的は、とりわけ、格子型分光計の効率を高めることにある。
本発明の別の目的は、光がかすめ入射角で格子に入射したときの効率を増大させることにある。
本発明の別の目的は、とりわけ、格子による回折から得ることができる情報を増加させることにある。

本発明は、請求項１に記載された分光計を提供する。格子からの回折効率は、入射光の互いに異なる偏光方向について互いに異なるのがよい。その結果、格子は、回折の最大効率を得るよう光を偏光させなければならない主方向を有する。例えば、実質的に正弦波形溝プロフィールを備えたホログラフィー格子の場合、格子表面の法線に対し大きな角度をなした状態で入射（かすめ入射）した場合、電界ベクトルが格子の溝の方向に垂直な状態で偏光された光（ＴＭ偏光）についての回折効率は、或る特定の波長間隔において非常に高い（例えば、＞９０％）場合があり、これに対し、かかる状況下において、電界成分が格子の溝の方向に平行な入射光（ＴＥ偏光）についての回折効率は、非常に低い（例えば、＜１５％）場合がある。かくして、この場合、主方向は、電界ベクトルが格子の溝の方向に垂直な平行である。本発明では、入射光の少なくとも一部を入射光の残りの部分から分割して入射光の第１の偏光成分が入射光の第２の偏光成分よりも高い効率で分割されるようにする。分割部分を格子に送って分割部分が格子によって回折されたとき、分割部分中の第１の偏光成分の方向が格子の主方向と少なくとも１度平行になるようにする。入射光の残りの部分を格子に送り、残りの部分が格子によって回折されたとき、残りの部分中の第２の偏光成分の方向が少なくとも１回主方向と平行になるようにする。本明細書で用いる「残りの部分」という用語は、分割部分と残りの部分が一緒になって入射光の少なくとも一部を構成するということを意味していることは理解されるべきである。この用語は、残りの部分が分光計中のどこかで分割部分から別個に伝搬することを必要としない。

したがって、分割部分と残りの部分を回折させると、これらは両方共、入射光とは異なり、主方向に沿って一層偏光される。その結果、入射光の最大回折効率が増大する。これは例えば、入射光を偏光しない場合である。しかしながら、偏光される入射光の回折効率は、偏光が非最適偏光状態で受け入れられると、このように増大する場合がある。

さらに、関心のある波長範囲にわたり高く且つ一様であり、しかも再現性の高いスペクトル分解能を達成するため、回折光を好ましくは格子の平面に実質的に垂直に回折させるべきであることが発見された。分解能は、回折方向と格子の平面の法線のなす角度のコサインで決まる。関心のある波長間隔中の光をこの角度のコサインの変化が最小限である方向の範囲に回折させると、スペクトル分解能の波長依存性が最小限に抑えられる。さらに、格子への入射光の入射角度が所与であれば、分解能は、最大である。この場合、偏光方向を回転させて両方の偏光成分の偏光方向が主方向にほぼ平行な状態で両方の偏光成分が格子に少なくとも１回到達するようにすることが有利である。というのは、垂直方向の回折では、効率を低下させる角度での入射が必要だからである。

さらに、高い効率を達成するため、１次波長依存性回折だけが生じることが望ましい。かくして、強度検出装置に到達しない又は別々に分析されなければならない回折次数に対して失われるエネルギは０である。これを格子平面の法線に近い回折と組み合わせて実現するためには、入射光は、格子の平面に対し比較的小さな角度で入射しなければならず、これは、かすめ角と呼ばれ、このかすめ角は、典型的には、関心のある波長範囲に応じて、格子の平面の法線に対し６０°〜８５°の範囲にある。角度が大きい場合、回折光を集めるには非現実的なほど大きな格子及びレンズが必要である。角度が小さい場合、２次回折が生じない波長範囲の１次回折光の方向は、上述したように、実質的に垂直な回折で得られる波長の関数としての実質的に波長独立性のスペクトル分解能の利点が失われる程度まで垂直回折から外れる。

この場合、格子の主方向に対する入射光中の偏光成分の位置合わせを向上させる手段が特に有利である。というのは、もしそうでなければ、かすめ入射と組み合わさった垂直方向の回折が一般に用いられている格子、例えばホログラフィー格子の回折効率を低下させるからである。

かすめ入射を利用することは、入射光で照明される格子の面積が光が格子に到達する前における入射光の経路中の光学要素の所要面積よりも大きいという効果がある（というのは、これら要素は、光の伝搬方向に対しほぼ垂直だからである）。これは、この経路中に比較的小さく且つ安価な光学要素を利用できるということを意味する。これは特に、両方の偏光成分の偏光方向を格子の主方向に平行に差し向けるために用いられる偏光回転要素について当てはまる。しかしながら、これは、より一般的に、偏光が両方共主方向に差し向けられている場合だけでなく、かすめ入射状態下で入射経路中に用いられる任意の光学要素について当てはまる。

従来、画像化要素（例えば、レンズ又は湾曲ミラー）が、格子の前及び後ろに光学的に分光計中に用いられていて、分光計の入口開口部が検出器に合焦されるようになっている（本発明では、分光計の入口開口部は、分光計により分析されるべき光を分光計に入れる箇所を意味し、かかる箇所としては、ピンホール、絞り、スリット、光ファイバ、光導波路又はこれら要素の１以上の組合せが挙げられるが、これらには限定されない）。入射光がかすめ入射角度で格子に到達すると、焦点距離の比較的短い比較的小さなコリメーティング光学要素を格子の前に用いるのがよく（回折前の画像化）、焦点距離の比較的長い比較的大きな光学要素が好ましくは、格子の後ろに用いられる（回折後の画像化）。かくして、信号検出効率が最適化され、波長分散方向における検出器への入口開口部の画像の縮小が達成され、これにより、検出器のところでのスペクトル分解能が高くなる。

好ましくは、分光計は、分光計の入口開口部と格子との間に第１及び第２の光路を有し、入射光の第１の成分は、実質的に第１の光路を介してのみ格子に到達し、入射光の第２の成分は、第２の光路を介して格子に到達し、分光計は、第２の光路中に設けられていて、第２の成分の偏光方向を回転させてこれが主方向に実質的に最適に偏光された格子に到達するよう構成された偏光回転要素を有する。第１の成分は、主方向に既に主として差し向けられている場合、非回転状態の格子に到達することができる。少ない数のコンポーネントで分光計を実現することができる。別の実施形態では、第２の光路は第１の光路を含む。第２の光路は更に、格子からの第１の光路からの光の正反射の経路、正反射された光を反射してこれを格子に戻す反射要素及び正反射された光の偏光を第２の光路中で実質的に垂直に回転させる偏光回転要素を有する。このように、格子からの正反射の偏光選択効果は、その偏光の回転について第２の偏光成分を抽出するために用いられる（正反射光は通常は完全には偏光されないが、通常、入射光よりも偏光度が高い）。かくして、主方向の任意の波長依存性変形例が、自動的に考慮に入れられる。

別の実施形態では、分析されるべき光の直交偏光成分は、分光計の入口開口部と格子との間の光路中で格子による回折前に分離される。これら経路に続く分離後の格子への２つの偏光成分は、これらそれぞれの偏光回転量が互いに対し異なっており、両方の偏光成分が主方向に偏光された格子に到達するようになる。かくして、２つの成分は、実質的に同一方向から格子に到達し、これにより１次回折の波長依存性方向が両方の成分について実質的に同一であるようになる。

分光計は、回折光を検出器上に画像化する。一実施形態では、第１の光路及び第２の光路は、分光計が入射光の第２の偏光成分の対応関係にある波長成分を画像化するのと実質的に同一の場所で入射光の第１の偏光成分の各波長成分を検出器上に画像化するよう構成される。このようにすると、高効率の分光計が得られる。

別の実施形態では、光路は、格子からの回折後、分光計が入射光の第２の偏光成分の波長成分を画像化する別の位置とは異なる検出可能な一連の位置に入射光の第１の偏光成分の波長成分を画像化するよう構成される。かくして、単一の格子による単一の回折実験法を用いて偏光成分のそれぞれについて各々２つのスペクトルを分析することができる。検出器要素の二次元アレイ、例えば、ＣＣＤを用いると種々の波長の２つの偏光成分の回折光の強度を測定することができる。これとは異なり、波長の関数として偏光成分のうちの１つの回折光の強度を測定するためにそれぞれ１対の検出器を用いてもよい。

格子から正反射された光をこれが格子から反射される際に辿る方向に沿って反射して格子に戻す場合、２つの偏光成分のスペクトルは、これらの空間波長依存性が検出器のところで相互に逆方向に向いた状態で画像化される。したがって、２つのスペクトルは好ましくは、検出器上に空間的に異なる位置で画像化される。別の実施形態では、正反射光は、この光を元々入射した光として実質的に同一方向から格子に差し向ける経路に通される。かくして、両方の偏光成分の回折光は、検出器のところで同一タイプの空間波長依存性を有する。

別の実施形態では、分光計は、格子と検出器との間に光学的に設けられていて、主方向に垂直な偏光方向で回折光の成分を遮断するよう差し向けられた偏光フィルタを有する。かくして、特定の検出器要素は、実質的に主方向に平行な偏光状態のみを備える光を受け取るようになる。

好ましくは、分光計の入口開口部からの光は、１次回折が関心のある波長範囲について格子の平面に実質的に垂直な又は少なくともこれに垂直に近い方向で生じるよう選択された角度で格子に到達する。その結果、最大分解能が得られ、分解能は、最小限波長に依存する。この効果は、たとえ分光計の入口開口部からの光の偏光成分をこれら両方が格子のラインに平行に差し向けられる状態を達成するよう回転させなくても達成されることは理解されよう。しかしながら、かかる偏光角度の回転は、垂直の回折角度の場合に特に有用である。というのは、後者の場合、両方の偏光成分の効率的な回折を保証する対策が講じられない場合、効率が低下するからである。これは、格子周期及び入射角が実質的に格子からの１次回折だけが可能であり、効率を向上させるために格子の平面に実質的に垂直に起こるよう選択されている場合、一層そのことが言える。この対策も又、２つの偏光成分の両方の電界ベクトルが２つの偏光成分を格子により回折させたときに、格子のラインに垂直に差し向けられることを達成するために２つの偏光成分を回転させない場合であっても適用できる。しかしながら、後者の場合、効率が増大する。

分光計及び測定方法の上記目的及び利点並びに他の目的及び利点を、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
図１は、分光計１００を概略的に示している。分光計１００は、入口光学系１１０、格子２、検出光学系１１２及び検出器１１４を有している。分光計１００は、波長の関数として光の強度を測定するのに役立つ。かかる分光計１００の用途の一例は、非弾性散乱光（試験片に入射した光とは異なる光の散乱光）の強度の波長依存性を測定するラマン散乱実験である。一例を挙げると、図１は、好ましくは短縮光源１０２及び試験片１０４を含むラマン測定形態を概略的に示している。動作原理を説明すると、光源１０２は、試験片１０４を照明する光を生じさせ、試験片は、この光を散乱させる。散乱した光は、分光計１００に送られ、分光計１００は、波長（又は、等価的に周波数）の関数として散乱光の強度を測定する。

図１Ａは、分光計に用いられる反射格子２を示している。この格子は、互いに平行に延びる一連の溝を有している。格子２の回折構造は一般に「溝」又は「ライン」と呼ばれるが、これら用語は、空間的に周期性のある回折特性を備えた任意タイプの構造を含むものと理解されるべきである。互いに異なる溝からの回折光から得られる光の強め合う干渉が原因となって、或る特定の角度での溝からの波長依存性回折が得られる。

本発明を説明の目的上、格子２に対する座標系を定めている。座標系の中心は、分光計に用いられる格子の前面の中心に位置している。Ｘ軸は、座標系の中心を通り、格子表面に直角である。Ｙ軸は、座標系の中心を通り、Ｘ軸及び格子の溝の方向に垂直である。Ｚ軸は、座標系の中心を通り、Ｘ軸とＹ軸の両方に垂直であり、したがって、格子の溝の方向に平行である。

正のＹ軸と光ビームによって挟まれた角度である角度αが定められ、ＸＹ平面中の入射ベクトルは、格子表面に向かって進む。反射格子の場合、角度β_λ1が、正のＹ軸と格子により１次回折された波長λの光ビームとのなす角度として定められる。

光のｎ次回折状態の回折は、次の方程式（式１）を満たす。
ｎλ＝ｄ・（ｃｏｓα＋ｃｏｓβ_λ）・・・式１
上式において、ｎ＝回折次数、λ＝回折光の波長、ｄ＝回折定数（格子の一連の溝相互間の距離）、αは上記において定義されている、β_λnは、波長λの光のｎ次回折の角度である。

本発明に関連して、一次回折は、式１により正数ｎが値１を取る回折として定義される。（ｎ＝０のとき、スペクトル反射が生じ、これは本発明でいう場合の「回折」とは称さない。）

図２Ａは、座標系のＺ軸に平行な溝を備えた平面反射格子２に入射した関心のある多くの波長λを持つ成分を含む光ビーム１を示している。ビーム１は、座標系のＸＹ平面内に位置し、格子平面と角度αをなしている。ビーム３は、格子２によってスペクトル反射された光である。更に、格子定数ｄ及びビーム１の入射角αを正しく選択することにより光の１次回折だけが可能になる。これは、以下の条件が関心のある波長について満たされる場合である。

２λ／ｄ−ｃｏｓα＞１（ｎ＞１について回折は無いと考えられる）
及び
λ／ｄ＋ｃｏｓα＞１（ｎ＜０については回折は無いと考えられる）

これら条件が実際示唆するところは、平面反射格子の場合、関心のある波長についての１次回折が図２Ａに示すように９０°よりも小さな角度β_λで生じるということである。
この条件下においては、角度αが小さくなると、ＴＭ偏光についての１次回折効率は、非常に高くなることができ（＞９０％）、溝プロフィール及び格子被膜の正しい選択は、市販の専用ソフトウェアパッケージ、例えばＩＩＣインコーポレイテッド（ニューヨーク州ペンフィールド所在）から入手できる“pCgrate-software”により計算できる。これとは対照的に、入射ＴＥ偏光は、１次回折の度合いは非常に不十分な場合があり、その結果、正反射光の状態に（即ち、ビーム３の状態）に集中する。

検出器光学系１１２のレンズ４を用いると、１次回折した関心のある波長を検出器１１４中の（マルチチャネル）光電デバイス５、例えばフォトダイオードアレイ又は電荷結合素子上に合焦させることができる。

光は、入口開口部を通って分光計１００に入る。好ましくは、入口光学系１１０は、幅の狭い入口開口部、例えばピンホール、スリット等を有し、入口光学系１１０と検出光学系１１２は協働して、この入口開口部を格子２経由で検出器１１４上に画像化する。好ましくは、入口開口部からの光は、光を格子２のところでコリメートする仕方で検出器１１４上に合焦される。これにより、潜在的な光学収差を導入することなく入口光学系１１０と検出光学系１１２との間に光学要素を容易に挿入することができ、かかる光学収差は、例えばスペクトル分解能又は信号全てに関し分光計の性能の低下を阻止するために余剰の測定を必要とする。しかしながら、当然のことながら、分光計１００は、光を格子２のところで完全にコリメートしなくても働くであろう。

したがって、好ましくは、入口光学系１１０は、入口開口部を通過した光をコリメートする光学要素を有する。この開口部は、例えば、ピンホール、絞り、スリットであってもよく、或いは光ファイバ又は多数の光ファイバを貫通して設けられたものであってもよい。分散分光計、例えば本発明に記載するタイプの場合、ピンホール又は絞り、或いは光ファイバのコアの直径又はスリットの幅は、分光計のスペクトル分解能に直接関連していることは周知である。分析されるべき光が小さなピンホール又は小径の光ファイバを通って分光計に入る場合、格子に入射するコリメートされた光ビームの幅Ｄ_beamは、分析されるべき光が分光計に入る際の立体角及びこの光をコリメートする光学要素の焦点距離で決まる。

１次回折ビームの幅の相当大きな倍率Ｍが生じ、式２によって与えられる。
Ｍ＝Ｄ_beam′／Ｄ_beam＝ｓｉｎβ_λ／ｓｉｎα・・・式２
上式において、波長λのとき、
Ｄ_beam′＝１次回折ビームの直径（ＸＹ平面内）であり、Ｄ_beam＝入射ビームの直径である。

格子２の幅（Ｙ寸法）は、入射ビーム１に完全に対応するためにはＤ_beam／ｓｉｎαよりも大きくなければならない。検出器光学系１１２中のレンズ４の寸法は、１次回折光の効率的な検出を行うようにするためにはそれに従って選択されなければならない。

ビーム倍率Ｍの利点は、ピンホール又は光ファイバのコア、或いは光を分光計に入射させる他の手段の画像を波長分散方向において同一の係数Ｍだけ縮小し（レンズ収差は考慮せず）、それによりスペクトル分解能が高められるということにある。

図３は、偏光回転要素６及びミラーが格子２からの正反射経路中に追加した分光計を示している。偏光回転要素は、これを通って全部で９０°の角度にわたり前後に通過する光の偏光を回転させるよう設計されている。λ／４（これは、四分の一波長位相遅れとも呼ばれている）板を例えば偏光回転要素として用いることができる。動作原理を説明すると、格子２によって正反射された入射光１（ビーム３）をλ／４板６に通し、このλ／４板は、光を円偏光に変換する。次に、光をミラー７で反射させて戻し、その後この光は再びλ／４板６を通過する。正反射光をλ／４板６に２回通すと、光の偏光を９０°回転させる効果が得られる。これは、元々ＴＥ偏光され、１次回折の度合いが不十分であった光が今や、ＴＭ偏光で再び格子に入射し、格子２によって効果的に１次回折されるということを意味している。レンズ４は、直接回折された１次回折光とミラー７によって反射され、偏光回転要素６を通過した後に１次回折された光の両方を集める。レンズ４は、関心のある波長を検出器５上に合焦させる。

図３の構成では、先ず最初に正反射され、次に格子２上に逆投射された光を、直接１次回折された光１とは別の位置で検出器５上に合焦させる。これは、全ての１次回折光を集めるには十分に大きな検出器が必要であり、それによりこれに並んで投射される２つのスペクトルからの光を検出する。

図４は、１次回折光路中に追加された線形偏光子１０を備えた分光計を示している。偏光子１０は、１次回折光路中でＴＭ偏光された光を透過させ、この方向に垂直に偏光された光を遮断する。

動作原理を説明すると、ＴＭ偏光を含む回折光だけを検出する。検出器５上に画像化された１次回折光１１は、ＴＭ偏光を含む入射光１の部分のスペクトルをもたらす。検出器５上に画像化された１次回折光１２は、入射光１のＴＥ偏光部分のスペクトルをもたらす。入射光中に生じる波長に応じて、関心のあるスペクトル領域の外部のスペクトル領域中の検出器上の２つのスペクトル相互間にはオーバーラップが生じる場合がある。光が関心のあるスペクトル領域の外部のビーム位置中に存在していると、１以上のフィルタが好ましくは分光計に、好ましくは入口光学系１１０中に追加される。フィルタは、関心のある波長領域の光を通すが、検出器への入射前に障害となるスペクトルオーバーラップの原因となる場合のある波長の光を遮断する。関心のあるスペクトル領域を除き、全ての障害となる波長を遮断するよう入射光をこのように制限することは、例えば、それ自体公知の誘電広帯域フィルム又は他の手段によって達成できる。フィルタは優先的にコリメートされたビームの経路中に配置される。

しかしながら、正反射光及び偏光が回転した光の２つのスペクトル相互間のスペクトルオーバーラップを回避する幾つかの別法が存在する。例えば、図３の入射ビーム１を格子２に差し向けてビーム１がＸＹ平面と僅かな角度γをなすようにする。

図５は、入射ビーム１がＸＹ平面と角度γをなす場合を示している。レンズ４の光軸中心及び検出器５の中心は依然としてＸＹ平面内に存在する。この場合、入射光１及び回折光は、格子の溝方向に正確に平行な偏光成分をもはや持たない。しかしながら、小さな角度αの場合、格子の回折特性は、著しくは影響を受けないであろう。ＴＭ偏光（電界ベクトルは格子の溝に垂直である）は、依然として効率的に１次回折され、ＴＥ偏光（ＴＭ偏光成分に垂直である）は、１次回折の度合いが不十分である。図５に示す状況では、入射光は、ＸＹ平面の上から格子に達する。したがって、直接１次回折された入射光のＴＭ偏光部分を検出器５の下半分上に合焦させる。正反射された光、主としてＴＥ偏光は、ミラー７によって反射されて戻される。このように、この光は、λ／４板６を２回通り、このλ／４板は、光の偏光を９０°だけ回転させる効果がある。ミラー７によって反射されて戻り、格子２によって効率的に１次回折された光は今や、検出器５の上半分上に合焦される。検出器５の場合、光電性要素、例えば電荷結合素子の二次元アレイを用いるのがよい。かかる検出器の場合、２つのスペクトルが画像化される検出器要素列を別々の読み出すことができ、かくしてスペクトルオーバーラップに関する問題が回避される。

格子２に戻されるＴＥ偏光成分を含む光をこれが格子２から反射された同一の経路に沿って反射させるミラー７を有する実施形態の利点は、最小数のコンポーネントで対称構成が実現されるということにある。しかしながら本発明は、この実施形態には限定されない。

図６は、１対のミラー６０，６１及び通過する光を９０°だけ回転させるのに役立つλ／２板６２を有する構成を示している。第１のミラー６０が、格子２から正反射された光を、λ／２板６２を通って第２のミラー６１に反射させる。第２のミラー６１は、入射光ビーム６の下又は上に位置決めされている。二分の一波長位相板６２は、光の偏光を９０°だけ回転させる。第２のミラー６１は、光をＸＹ平面と角度γ₂をなして格子２に反射させる。角度γ₂は、入射光ビームとＸＹ平面とのなす角度γ₁とは異なっている。その結果、１次回折された光は、図６に示すようにミラー６０，６１を介して格子２上に反射された後に１次回折される光とは別の位置で検出器１１４上に合焦される。この構成の利点は、２つのスペクトル相互間のスペクトルオーバーラップが回避され、レンズ４及び検出器１１４の形状寸法を図３の構成と比べて非常に小さくできるということにある。これにより、相当なコスト削減が得られる。

位相遅れ板に代えて、光の偏光を回転させる種々の他の周知の装置を用いることができる。かかる装置としては、平行方向を回転させる多数の反射表面の組立体を用いることが挙げられるが、これには限定されない。

図２〜図６に示す構成では、格子それ自体は、入射光を主としてＴＭ偏光と主としてＴＥ偏光に分離するのに役立つ。しかしながら、追加の偏光スプリッタを用いると、偏光成分の分離を行うことができる。

図７は、別の方式を示している。この方式では、セパレート７０が、入射光ビームを２つのビーム、即ちＴＭ偏光を含むビームとＴＥ偏光を含むビームに分離する。第２のビームの偏光を格子２上での光の案内に先立ってセパレータ７０で回転させる。

図８は、偏光成分を分割し、偏光を回転させるのに用いることができる無彩偏光ビームスプリッタを示している。相互に直交する偏光状態の分離されたビームを格子２（図示せず）に差し向ける。ＴＥ偏光を含むビームの偏光を、二分の一波長位相遅れ板により９０°回転させる。図８のスプリッタは、一例として示されているに過ぎず、この偏光分離を達成するのに任意公知の方法を用いることができる。

図７の分光計の実施形態では、両方のビームを同一角度（平行ビーム）で格子２に入射するよう差し向ける。その結果、格子により両方のビーム中の光の１次回折に起因して得られる波長の異なる成分をレンズ４により検出器１１４の同一場所に合焦させる。このオプションは、入射光ビームを偏光しない場合又は分光計に入る光中に含まれる偏光情報を必要としない場合有用である。

別の実施形態では、ビームを互いに異なる角度で（互いに平行ではない）格子２に入射するよう差し向ける。その結果、２つのビームからの１次回折光を空間的に分離された位置で検出器上に合焦させる。このオプションは、検出した信号の偏光状態に関する情報が関心のあるものであれば有用である。例えば、両方のスペクトルの別々の読み出しを可能にする二次元検出器付きアレイ、例えば電荷結合素子を用いることができる。

分光計を示す図である。 格子及び座標系を示す図である。 格子による分散の際の光ビームを示す図である。 ビームの幅を示す図である。 偏光によるビームの分散を示す図である。 異なる偏光によるビームの分散を示す図である。 異なる偏光によるビームの分散を示す図である。 異なる偏光によるビームの分散を示す図である。 分光計の別の形態を示す図である。 ビーム分割及び偏光回転要素を示す図である。

Claims (15)

1. 光学分光計であって、入射光を受け入れる入口開口部と、格子と、入射光が格子に入射する際に辿る第１及び第２の光路とを有し、
   第２の光路のうち少なくとも一部は、第１の光路と一致せず、
   偏光特性に基づいて選択された入射光の成分が、第２の光路の前記一部を通り、
   前記光学分光計は、前記一部内に設けられ、入射光の成分の偏光方向を回転させて入射光が、格子により最大効率で回折される偏光の主方向に実質的に沿ってその最大偏光方向で格子に達するようにする少なくとも１つの偏光回転要素を更に有している、
   ことを特徴とする光学分光計。
2. 入射光の第１の偏光成分が、実質的に第１の光路だけを通って格子に到達した後に回折され、
   入射光の第２の偏光成分が、第２の光路を経て格子に達した後に回折され、前記少なくとも１つの偏光回転要素は、
   第２の偏光成分からの光の偏光方向を回転させて第２の偏光成分が第１の成分に対し直角に回転した格子に到達するように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の分光計。
3. 第２の光路は、第１の光路の次に光が非回折状態の格子から正反射する際に辿る副経路を有し、
   分光計は、副経路からの反射光を反射させてこれを格子に戻す反射要素を有し、
   偏光回転要素は、反射光の偏光方向を格子からの反射と格子への戻りとの間で実質的に直角に回転させるよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の分光計。
4. 偏光に敏感な分割要素を有し、
   第１の光路は、第１の偏光成分についての分割要素の第１の出力を有し、
   第２の光路は、分割要素の第２の出力から格子まで延びており、
   第２の光路と分割要素から格子まで延びる第１の光路の一部は、少なくとも１つの偏光回転要素によってもたらされる偏光の回転量に関し互いに異なっていて、両方の偏光成分が主方向に平行なこれらの偏光方向で格子に到達するようになっている、
   ことを特徴とする請求項２記載の分光計。
5. 格子によって回折された光を検出する検出器を有し、
   第１の光路及び第２の光路は、分光計が入射光の第２の偏光成分の対応関係にある波長成分を画像化するのと実質的に同一の場所で入射光の第１の偏光成分の各波長成分を検出器上に画像化するよう構成されている、
   ことを特徴とする請求項２、３又は４記載の分光計。
6. 格子によって回折された光を検出する検出器を有し、
   光路は、格子からの回折後、分光計が入射光の第２の偏光成分の波長成分を画像化する別の位置とは異なる検出可能な一連の位置に入射光の第１の偏光成分の波長成分を画像化するよう構成されている、
   ことを特徴とする請求項２、３又は４記載の分光計。
7. 格子と検出器との間に光学的に設けられた偏光フィルタを有し、
   フィルタは、主方向に垂直な偏光方向で回折光の成分を遮断するよう差し向けられている、
   ことを特徴とする請求項６記載の分光計。
8. １次回折が関心のある波長範囲について格子の平面に実質的に垂直な方向に生じるよう構成されている格子によって回折された光を検出する検出器を有し、
   検出器は、垂直な方向を含み又はこれに隣接する方向の範囲で回折された光を受け取るよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の分光計。
9. 分光計は、入射光が入射光を回折させたとき、かすめ角で格子に入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一に記載の分光計。
10. 格子の周期及び格子への光の入射角は、格子からの１次回折以外には、関心のある波長領域で波長依存性回折が実質的に生じないように選択された値を有している、
    ことを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の分光計。
11. 格子は、主方向において、格子に入射する光の電界ベクトルが格子のラインに実質的に垂直であるタイプのものである、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の光学分光計。
12. 光をスペクトル分析する方法であって、
    入射光を受け取る段階を有し、
    格子を用いて入射光を回折させる段階を有し、格子は、主方向を有していて、偏光の偏光方向が主方向と平行である場合に最大効率で偏光が回折されるようになっており、
    入射光の残りの部分から入射光の少なくとも一部を分割して入射光の第１の偏光成分が入射光の第２の偏光成分よりも高い効率で分割されるようにする段階を有し、
    分割部分を格子に送って分割部分の第１の偏光成分の方向が分割部分を格子によって回折させたときに主方向と少なくとも１回平行になるようにする段階を有し、
    入射光の残りの部分を格子に送って残りの部分中の第２の偏光成分の方向が残りの部分を格子により回折させると、主方向と少なくとも１回平行になるようにする段階を有している、
    ことを特徴とする方法。
13. 前記分割は、入射光を格子に案内し、分割部分を格子からの正反射方向に受け取ることにより行われ、
    分割部分は、偏光回転要素を含む経路に沿って回折のために格子に戻され、偏光要素は、前記経路中で分割部分の偏光を直角に回転させる、
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 分割部分は、反射されて格子に戻り、格子から経路上に折り返されて分割部分が偏光回転要素を前後に通過するようになっており、
    偏光回転要素は、前記直交回転の半分以上が行われるたびに前後の通過中、分割部分の偏光回転させる、
    ことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記分割は、入射光が格子に到達する前に偏光分割要素で行われ、
    分割部分及び残りの部分は、それぞれ第１及び第２の経路を介して格子に案内され、
    少なくとも第１の経路には、残りの部分に対して分割部分の偏光を直角に回転させる偏光回転要素が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。

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