JP2008501104A - 光スペクトルを検出する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ここに記載した光スペクトルを検出する方法及び装置は、入射ビーム（４）から発生させた、互いに異なる複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた２本またはそれ以上の複数の部分ビーム（１、２、３）を、スペクトロメータ光学系（８）を通過させ、空間的に分離して検出するようにしたものである。本発明によれば、前記入射ビーム（４）から発生させた、前記複数の部分ビーム（１、２、３）を、空間的に互いに分離され、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にあり、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の回折格子（１１、１２、１３）へ導き、それら複数の回折格子（１１、１２、１３）を経由させた後に、前記スペクトロメータ光学系（８）を通過する１本の共通光路（９）へ併合するようにしている。また、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた前記複数の部分ビーム（１、２、３）を、前記スペクトロメータ光学系（８）の通過後にスペクトル的に分離することで発生させ、そして、空間的に互いに分離され、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器（２１、２２、２３）によって検知するようにすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スペクトルを検出する方法及び装置に関する。

光スペクトルを検出するスペクトロメータは、原理的に、調べようとする光ビームを分光してスペクトルとするための回折機構と、その光ビームが分光されたスペクトルを検知するための検出機構とを備えている。光スペクトルをより広いスペクトル領域に亘って検知するためには、多くの場合、何らかの補助的な手段を講じなければならない。その手段としては、互いに異なる複数のスペクトル領域の各々に対して、個別のスペクトロメータを使用するか、或いは、１台のスペクトロメータの内部において個別に処理するかの、いずれかが行われている。

米国特許第５，６３８，１７３号公報によって公知となっている光スペクトルを検出する装置、即ちスペクトロメータでは、入射ビームの光路中に、光学格子から成る回折機構が配設されている。入射ビームの光路中のこの回折格子の後方には、２枚のエッジフィルタと１枚の反射ミラーとで構成された機構が配設されており、この機構によって、互いに異なるスペクトル領域に割り当てられた３本の部分ビームが発生される。そして、それら３本の部分ビームが、それらに共通する１つのスペクトロメータ光学系を通過した後に、検出機構において、互いに空間的に分離されて検知される。複数の部分ビームが互いに空間的に分離されているため、上述したスペクトロメータ光学系は、大型の光学素子、即ち大型のレンズを備えたものとせざるを得ず、そのことが、重量の増大、並びにコストの上昇をもたらしている。

これとは別の公知の構成として、スペクトロメータの「リボルバー機構」に、互いに異なる複数の格子を装備して、スペクトロメータ光学系を通過する１本の光路だけを処理すればよいようにしたものがある。しかしながら、この構成では、互いに異なる複数のスペクトル領域を同時に計測することができないため、順次方式で計測せざるを得ず、また何よりも、格子を交替させるための非常に精密な機構を付加しなければならない。
米国特許第５，６３８，１７３号公報

本発明の目的は、小型で軽量のスペクトロメータで、より広いスペクトル領域を処理することのできる、光スペクトルを検出する方法及び装置を提供することにある。

上記目的は、方法に関しては、請求項１に記載の光スペクトルを検出する方法によって達成される。

また、装置に関しては、上記目的は、請求項６に記載の光スペクトルを検出する装置によって達成される。

従属請求項は、本発明の特に好適な実施の形態に係る特徴を記載したものである。

本発明方法は、入射ビームから発生させた、互いに異なる複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた２本またはそれ以上の複数の部分ビームを、スペクトロメータ光学系を通過させ、空間的に分離して検出するようにした、光スペクトルを検出する方法である。そして、本発明によれば、前記入射ビームから発生させた前記複数の部分ビームを、空間的に互いに分離され、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にあり、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の回折格子へ導き、それら複数の回折格子を経由させた後に、前記スペクトロメータ光学系を通過する１本の共通光路へ併合するようにしている。

また、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた前記複数の部分ビームを、前記スペクトロメータ光学系の通過後にスペクトル的に分離することで発生させ、そして、空間的に互いに分離され、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器によって検知するようにすることが好ましい。

本発明方法の好適な１つの実施の形態によれば、前記複数の部分ビームを発生させる際に、それら複数の部分ビームを入射ビームからスペクトル的に分離することができる。

更に、前記入射ビームと、前記共通光路へ併合した前記複数の部分ビームとを、同一のスペクトロメータ光学系を通過させるようにすることが好ましい。ただし、用途によっては、技術的な理由から個別のスペクトロメータ光学系を用いることが有利な場合もあり、即ち、前記入射ビームを通過させるための１つのスペクトロメータ光学系と、前記共通光路へ併合した前記複数の部分ビームを通過させるための別の１つのスペクトロメータ光学系とを用いることが有利なこともある。

本発明方法の特に好適な１つの実施の形態によれば、前記入射ビームから、スペクトル的に分離した３本の部分ビームを発生させ、それら３本の部分ビームを、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にある３枚の回折格子へ導き、更に、前記スペクトロメータ光学系を通過させた後に、前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた３個の検出器によって検知するようにしている。

更に、本発明装置は、入射ビームの光路中に配設された回折機構と、前記入射ビームから発生させた互いに異なるスペクトル領域の夫々に割り当てられた２本またはそれ以上の複数の部分ビームを通過させる共通スペクトロメータ光学系と、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた前記複数の部分ビームを、空間的に分離して検出するための検出機構とを備えた、光スペクトルを検出する装置である。そして、本発明によれば、前記回折機構が、空間的に互いに分離され、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の回折格子と、ビームスプリッタ機構とを含んでおり、該ビームスプリッタ機構は、前記入射ビームを分割して、前記複数の回折格子へ導かれる前記複数の部分ビームとすると共に、それに続いて、それら複数の部分ビームを、前記共通スペクトロメータ光学系を通過する１本の共通光路へ併合することによって、前記複数の回折格子が実質的に互いに重ね合わされた関係にあるようにするものである。

また、前記検出機構が、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器と、前記共通光路へ併合された前記複数の部分ビームをスペクトル的に分離して、前記複数の検出器の夫々へ導くためのスペクトル的分離機構とを含んでいるようにすることが好ましい。

本発明装置の好適な実施の形態においては、前記ビームスプリッタ機構が、前記入射ビームを分割して前記複数の部分ビームとする際に、それら複数の部分ビームをスペクトル的に分離するようにしてある。

更に、前記共通スペクトロメータ光学系が、前記入射ビームの光路中に、並びに、併合された前記複数の部分ビームの前記共通光路中に、配設されているようにすることが好ましい。

本発明装置の好適な実施の形態においては、前記回折機構が、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にある３枚の回折格子を含んでおり、前記検出機構が、前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器を含んでいる。

以下に、本発明に係る光スペクトルを検出する方法、並びに、本発明に係る光スペクトルを検出する装置を、１つの実施の形態に即して説明して行く。

図１は、本発明の方法及び装置をその１つの実施の形態に従って実現した光スペクトルを検出するスペクトロメータの、重要な光学素子及び光路を示した模式図である。

図１に示したのは、光スペクトルを検出する装置、即ちスペクトロメータであり、このスペクトロメータにおいては、そのスペクトル成分を測定しようとする光ビームが、入射ビーム４として、入射スリット７を介して入射する。入射ビーム４は、適当なレンズ系から成るスペクトロメータ光学系８を通過して、その全体を参照符号１０で示した回折機構へ導かれる。

回折機構１０は、第１回折格子１１、第２回折格子１２、及び第３回折格子１３を含んでおり、それら３枚の回折格子は、第１ビームスプリッタ５及び第２ビームスプリッタ６を含んで成るビームスプリッタ機構により、入射ビーム４の光路中において、実質的に互いに重ね合わされた関係とされている。即ち、入射ビーム４の一部分から成る第１部分ビーム１は、第１ビームスプリッタ５により反射されて第１回折格子１１へ導かれており、一方、入射ビーム４の残りの部分は、第１ビームスプリッタ５を透過して第２ビームスプリッタ６へ到達している。この第２ビームスプリッタ６において反射された第２部分ビーム２が、第２回折格子１２へ導かれており、一方、入射ビーム４のうちの最後に残った部分は、第３部分ビーム３として、第２ビームスプリッタ６を透過して第３回折格子１３へ到達している。

回折格子１１、１２、１３の夫々に到達した部分ビーム１、２、３は、回折作用によりスペクトルに分光されて分散した状態となり、そして、その分散した状態のまま、再びビームスプリッタ５、６によって１本の共通光路９へ併合される。即ち、第１回折格子１１を出た第１部分ビーム１は、第１ビームスプリッタ５により反射されて共通光路９へ導かれる。第２回折格子１２を出た第２部分ビーム２は、第２ビームスプリッタ６により反射されて第１ビームスプリッタ５へ導かれ、この第１ビームスプリッタ５を透過することで共通光路９へ導かれる。また、第３回折格子１３を出た第３部分ビーム３は、第２ビームスプリッタ６を透過すると共に第１ビームスプリッタ５をも透過して、これもまた共通光路９へ導かれる。

共通光路９へ併合された部分ビーム１、２、３は、１つにまとまってスペクトロメータ光学系８を通過し、そして、このスペクトロメータ光学系８によって、その全体を参照符号２０で示した検出機構の上に合焦される。

検出機構２０は、第１検出器２１と、第２検出器２２と、第３検出器２３とを含んでいる。それら検出器２１、２２、２３と、スペクトロメータ光学系８との間に、第１スペクトルスプリッタ２５及び第２スペクトルスプリッタ２６が配設されている。第１スペクトルスプリッタ２５は、共通光路９のスペクトルに分光した光ビームの一部分を透過させて第１検出器２１へ入射させ、一方、その光ビームの残りの部分を反射させて第２スペクトルスプリッタ２６へ導く。第２スペクトルスプリッタ２６は、その残りの部分の光ビームのうちの更に一部分を反射させて第２検出器２２へ導き、一方、その光ビームのうちの最後に残った部分は、第２スペクトルスプリッタ２６を透過して第３検出器２３へ入射する。

２個のスペクトルスプリッタ２５、２６の夫々のスペクトル透過／反射特性としては、共通光路９のスペクトルのうち、第１部分ビーム１、第２部分ビーム２、及び第３部分ビームの各々に割り当てられたスペクトル領域の部分が、夫々、第１検出器２１、第２検出器２２、及び第３検出器２３へ到達するような特性を選択することが好ましい。以上の構成とすることで、入射ビーム４からビームスプリッタ５、６によって発生させた複数の部分ビーム１、２、３が、回折機構１０内において実質的に互いに重ね合わされた関係にある複数の回折格子１１、１２、１３を経由して、また更にスペクトロメータ光学系８を通過した後に、空間的に互いに分離され、互いに異なるスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器２１、２２、２３において、スペクトル的に分離された状態で検知されるようになっている。

入射ビーム４から部分ビーム１、２、３を発生させるビームスプリッタ５、６は、それらにおいて部分ビーム１、２、３を発生させる際に、その時点で既に、それら入射ビーム４からの部分ビーム１、２、３をスペクトル的に分離するような構成のものとすることが好ましい。即ち、部分ビーム１、２、３の各々のスペクトル領域と、スペクトルスプリッタ機構２５、２６から検出器２１、２２、２３の各々へ導くスペクトル領域とが、実質的に対応しているようにすることが好ましい。

以上の構成によれば、例えば、第１回折格子１１で処理した第１部分ビームを第１検出器２１へ到達させ、第２回折格子１２で処理した第２部分ビーム２を第２検出器２２へ到達させ、第３検出格子１３で処理した第３部分ビーム３を第３検出器２３へ到達させることができる。これらを可能にしている前提条件は、第１部分ビーム１が第１ビームスプリッタ５で反射されると共に第１スペクトルスプリッタ２５を透過するようにしてあること、第２部分ビーム２が第１ビームスプリッタ５を透過して第２ビームスプリッタ６で反射されると共に第１スペクトルスプリッタ２５及び第２スペクトルスプリッタ２６で反射されるようにしてあること、それに、第３部分ビーム３がスペクトルスプリッタ５及び６の両方を透過すると共に第１スペクトルスプリッタ２５で反射されて第２スペクトルスプリッタ２６を透過するようにしてあることである。かかる構成に対して変更を加えた場合や、ビームスプリッタ機構５、６、及び／または、スペクトルスプリッタ機構２５、２６の１つまたは幾つかの透過／反射特性に対して変更を加えた場合には、複数の部分ビーム１、２、３の夫々の、複数の回折機構１１、１２、１３の夫々と、複数の検出器２１、２２、２３の夫々とに対する対応関係が、それに応じて変化することになる。

図１から明らかなように、入射ビーム４と、共通光路９へ併合された複数の部分ビーム１、２、３とを、同一のスペクトロメータ光学系８を通過させるようにしており、ただしその通過方向は互いに逆向きである。ここでは、入射スリット７の像が、スペクトロメータ光学系８によって無限遠に結像するようにしてあり、そして、その無限遠において３枚の回折格子１１、１２、１３が実質的に互いに重なり合った関係となるようにしてある。更に、そこから再びスペクトロメータ光学系８によって、入射スリット７の像が検出器２１、２２、２３上に結像するようにしてある。従って、図示した実施の形態では、入射スリット７と、検出器２１、２２、２３とは、いずれもスペクトロメータ光学系８の焦点上に位置している。

図示した実施の形態では、回折機構１０は、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にある３枚の回折格子１１、１２、１３を含んでおり、また検出機構２０も同様に、夫々のスペクトル領域に割り当てられた３個の検出器２１、２２、２３を含んでいる。ただし、これとは別の実施の形態として、３枚の回折格子１１、１２、１３のうちの２枚だけを備え、或いは、４枚以上の回折格子を備えるようにしたり、３個の検出器２１、２２、２３のうちの２個だけを備え、或いは、４個以上の検出器を備えるようにした実施の形態とすることも可能である。

本発明に従って処理することのできる光スペクトルは、光学素子によって処理することのできるあらゆる光スペクトルであると理解されるべきである。

本発明の方法及び装置をその１つの実施の形態に従って実現した光スペクトルを検出するスペクトロメータの、重要な光学素子及び光路を示した模式図である。

符号の説明

１、２、３ 部分ビーム
４ 入射ビーム
５、６ ビームスプリッタ
７ 入射スリット
８ スペクトロメータ光学系
９ 共通光路
１０ 回折機構
１１、１２、１３ 回折格子
２０ 検出機構
２１、２２、２３ 検出器
２５、２６ スペクトルスプリッタ

Claims (10)

1. 入射ビーム（４）から発生させた、互いに異なる複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた２本またはそれ以上の複数の部分ビーム（１、２、３）を、スペクトロメータ光学系（８）を通過させ、空間的に分離して検出するようにした、光スペクトルを検出する方法において、
   前記入射ビーム（４）から発生させた、前記複数の部分ビーム（１、２、３）を、空間的に互いに分離され、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にあり、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の回折格子（１１、１２、１３）へ導き、それら複数の回折格子（１１、１２、１３）を経由させた後に、前記スペクトロメータ光学系（８）を通過する１本の共通光路（９）へ併合するようにしたことを特徴とする方法。
2. 互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた前記複数の部分ビーム（１、２、３）を、前記スペクトロメータ光学系（８）の通過後にスペクトル的に分離することで発生させ、そして、空間的に互いに分離され、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器（２１、２２、２３）によって検知するようにしたことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記複数の部分ビーム（１、２、３）を前記入射ビーム（４）から発生させる際に、それら複数の部分ビームをスペクトル的に分離するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記入射ビーム（４）と、前記共通光路（９）へ併合した前記複数の部分ビーム（１、２、３）とを、同一のスペクトロメータ光学系（８）を通過させるようにしたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の方法。
5. 前記入射ビーム（４）から、スペクトル的に分離した３本の部分ビーム（１、２、３）を発生させ、それら３本の部分ビーム（１、２、３）を、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にある３枚の回折格子（１１、１２、１３）へ導き、更に、前記スペクトロメータ光学系（８）を通過させた後に、前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた３個の検出器（２１、２２、２３）によって検知するようにしたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
6. 入射ビーム（４）の光路中に配設された回折機構（１０）と、前記入射ビーム（４）から発生させた互いに異なるスペクトル領域の夫々に割り当てられた２本またはそれ以上の複数の部分ビーム（１、２、３）を通過させるスペクトロメータ光学系（８）と、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた前記複数の部分ビーム（１、２、３）を、空間的に分離して検出するための検出機構（２０）とを備えた、光スペクトルを検出する装置において、
   前記回折機構（１０）が、空間的に互いに分離され、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の回折格子（１１、１２、１３）と、ビームスプリッタ機構（５、６）とを含んでおり、該ビームスプリッタ機構（５、６）は、前記入射ビーム（４）を分割して、前記複数の回折格子（１１、１２、１３）へ導かれる前記複数の部分ビーム（１、２、３）とすると共に、それに続いて、それら複数の部分ビーム（１、２、３）を、前記スペクトロメータ光学系（８）を通過する１本の共通光路（９）へ併合することによって、前記複数の回折格子（１１、１２、１３）が実質的に互いに重ね合わされた関係にあるようにするものであることを特徴とする装置。
7. 前記検出機構（２０）が、互いに異なる前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器（２１、２２、２３）と、前記共通光路（９）へ併合された前記複数の部分ビーム（１、２、３）をスペクトル的に分離して、前記複数の検出器（２１、２２、２３）の夫々へ導くためのスペクトル的分離機構（２５、２６）とを含んでいることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記ビームスプリッタ機構（５、６）が、前記入射ビーム（４）を分割して前記複数の部分ビーム（１、２、３）とする際に、それら複数の部分ビームをスペクトル的に分離するようにしてあることを特徴とする請求項６又は７記載の装置。
9. 前記スペクトロメータ光学系（８）が、前記入射ビーム（４）の光路中に、並びに、併合された前記複数の部分ビーム（１、２、３）の前記共通光路（９）中に、配設されていることを特徴とする請求項６、７、又は８記載の装置。
10. 前記回折機構（１０）が、光路中において実質的に互いに重ね合わされた関係にある３枚の回折格子（１１、１２、１３）を含んでおり、前記検出機構（２０）が、前記複数のスペクトル領域の夫々に割り当てられた複数の検出器（２１、２２、２３）を含んでいることを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項記載の装置。

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