JP2009092680A - 回折格子及びこれを用いた分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で駆動部の少ない回折格子及びこれを用いた分光装置を実現する。
【解決手段】 入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子において、入射光を分散させる格子が一方の面に形成された基板と、この基板の格子が形成された面に一方の面が密着して固定されたプリズムと、長手方向が格子の形成方向に平行になるようにプリズムの他方の面に形成された長方形のミラーと、プリズムの他方の面であってミラーの長辺に接すると共に格子の形成方向に垂直な方向にそれぞれ形成された２つの光吸収膜とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子及びこれを用いた分光装置に関し、特に小型で駆動部の少ない回折格子及びこれを用いた分光装置に関する。

従来の入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子及びこれを用いた分光装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０５−１４９７８７号公報 特開平０８−１３６３４４号公報 特表２００１−１８３２３３号公報 特開２００２−０４８６４４号公報

図４は従来の分光装置を用いた分析システムの一例を示す構成ブロック図である。図４において、１はキセノンランプや重水素ランプ等の光を出射する光源、２及び３は回折格子等で入射光を分光して出力する分光器、４は分析対象の試料が充填等された試料セル、５は入射光を検出する光電子増倍管やフォトダイオード等の光検出器である。

光源１からの出射光は分光器２に入射され、分光器２からの出射光は分光器３に入射される。また、分光器３からの出射光は試料セル４に入射され、試料セル４の透過光は光検出器５に入射される。

ここで、図４に示す従来例の動作を説明する。図４中”ＬＧ０１”に示す光源１の出射光は、第１の分光手段である分光器２で分光されて図４中”ＬＧ０２”に示す分散光として出射される。

図４中”ＬＧ０２”に示す分光器２の出射光（分散光）には迷光が含まれているので、当該出射光（分散光）は第２の分光手段である分光器３において更に分光されて図４中”ＬＧ０３”に示す加分散光として出射される。

図４中”ＬＧ０３”に示す２つの分光手段（或いは、ダブルモノクロメータ）で順次分光された出射光（加分散光）に含まれる迷光は、図４中”ＬＧ０２”に示す１つの分光器２で分光された出射光（分散光）に含まれる迷光と比較して少なくなる。

このような、図４中”ＬＧ０３”に示す迷光が少ない出射光（加分散光）を試料セル４に照射させ、図４中”ＬＧ０４”に示す透過光の強度を光検出器５で検出することにより、試料セル４の充填等されている試料の光学的な分析を行なう。

この結果、光源からの出射光を２つの分光手段（或いは、ダブルモノクロメータ）によって順次分光することにより得られる迷光の少ない出射光（加分散光）を試料セル４に照射させ、その透過光の強度を光検出器５で検出することにより、より正確な分光分析を行なうことができる。

しかし、図４に示す従来例では、分光手段が２つ必要となると共に、十分な光伝播距離を確保する必要性等に起因して、分析システム（或いは、２つの分光手段で構成される分光装置自身）の規模が大きくなってしまうと言った問題点がった。

また、２つの分光手段を使用する場合、分光手段の回折格子等の分散素子を駆動するための駆動系が２系統必要となると共に２つの駆動系の連携動作も必要となり、駆動系の制御が非常に煩雑になると言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、小型で駆動部の少ない回折格子及びこれを用いた分光装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子において、
入射光を分散させる格子が一方の面に形成された基板と、この基板の前記格子が形成された面に一方の面が密着して固定されたプリズムと、長手方向が前記格子の形成方向に平行になるように前記プリズムの他方の面に形成された長方形のミラーと、前記プリズムの他方の面であって前記ミラーの長辺に接すると共に前記格子の形成方向に垂直な方向にそれぞれ形成された２つの光吸収膜とを備えたことにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

請求項２記載の発明は、
入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子において、
入射光を分散させる格子が一方の面に形成された基板と、この基板の前記格子が形成された面に一方の面が密着して固定されたプリズムと、長手方向が前記格子の形成方向に平行になるように前記プリズムの他方の面にそれぞれ形成された長方形の２つのミラーと、前記プリズムの他方の面であって前記２つのミラーの一方の長辺にそれぞれ接すると共に前記２つのミラーの間に形成された第１の光吸収膜と、前記プリズムの他方の面であって前記２つミラーの他方の長辺に接すると共に前記格子の形成方向に垂直な方向にそれぞれ形成された第２及び第３の光吸収膜とを備えたことにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である回折格子を、
前記格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させて特定の波長の出射光を出射させることにより、駆動部を少なくすることが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である回折格子を、
入射光の入射位置を中心に回転させ入射角を変化させて特定の波長の出射光を出射させることにより、駆動部を少なくすることが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、基板の格子面に密着するようにプリズムの一方の面を固定し、プリズムの他方の面に長手方向が格子の形成方向に平行になるように長方形のミラーを形成し、ミラーの長辺に接すると共に格子の形成方向に垂直な方向に２つの光吸収膜をそれぞれ形成することにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

また、請求項２の発明によれば、基板の格子面に密着するようにプリズムの一方の面を固定し、プリズムの他方の面に長手方向が格子の形成方向に平行になるように長方形のミラーを２つ形成し、２つのミラーの間であって各ミラーの一方の長辺に接するように光吸収膜を形成し、ミラーの他方の長辺に接すると共に格子の形成方向に垂直な方向に２つの光吸収膜をそれぞれ形成することにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

また、請求項３の発明によれば、回折格子を格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させて特定の波長の出射光を出射させることにより、駆動部を少なくすることが可能になる。

また、請求項４の発明によれば、入射光の入射位置を中心に回折格子を回転させ入射角を変化させて特定の波長の出射光を出射させることにより、駆動部を少なくすることが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る回折格子の一実施例を示す断面図である。

図１において、６は格子が形成された面（以下、格子面と呼ぶ。）への入射光を分散させる基板、７は入射光を屈折させ伝播させるプリズム、８は入射光を反射させるミラー、９及び１０は入射光を吸収する光吸収膜である。また、６，７，８，９及び１０は回折格子を構成している。

但し、図１中”ＧＤ１１”に示す格子は図面に対して垂直方向に形成されているものとする。

図１中"ＧＤ１１”示す格子が形成された基板６の格子面に密着するようにプリズム７の一面が接着剤等により固定され、プリズム７であって密着する格子面とは反対の面に、長手方向が当該格子の形成方向に平行になるように長方形のミラー８が形成される。

また、プリズム７のミラー８が形成された面上であって、長方形であるミラー８の長辺に接すると共に基板６の格子の形成方向に垂直な方向に光吸収膜９及び１０がそれぞれ形成される。

ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。入射光は、プリズム７の表面で屈折してプリズム７内に入射し、プリズム７内を伝播して基板６の格子面に到達する。

例えば、図１中”ＩＬ１１”に示す入射光（但し、実際に、入射光は幅を有する平行光であって矢印はその中心線を示すものとする。）は、プリズム７の表面で屈折してプリズム７内に入射し、図１中”ＲＬ１１”に示すようにプリズム７内を伝播して基板６の格子面に到達する。

基板６の格子面に到達した光は、基板６の格子面で反射され、波長毎に分散され複数の分散光としてプリズム７内を伝播して、プリズム７であって密着する格子面とは反対の面に形成されたミラー８、光吸収膜９及び１０に到達する。

例えば、図１中”ＲＬ１１”に示す屈折光は、基板６の格子面で反射され、図１中”ＤＬ１１”，”ＤＬ１２”及び”ＤＬ１３”に示す分散光としてプリズム７内を伝播して、プリズム７であって密着する格子面とは反対の面に形成された光吸収膜９、ミラー８及び光吸収膜１０にそれぞれ到達する。

光吸収膜９及び１０に到達した分散光は吸収されてしまうものの、ミラー８に到達した分散光は反射され、再び、プリズム７内を伝播して基板６の格子面に到達する。

例えば、図１中”ＲＬ１２”に示すように反射光はプリズム７内を伝播して基板６の格子面に到達する。

そして、基板６の格子面に到達したミラー８における反射光は、基板６の格子面で反射され、波長毎に分散され複数の分散光としてプリズム７内を伝播して、プリズム７であって密着する格子面とは反対の面に到達し、プリズム７の表面で屈折して出射光として出射される。

例えば、図１中”ＲＬ１２”に示す反射光は、基板６の格子面で反射され、図１中”ＤＬ１４”，”ＤＬ１５”及び”ＤＬ１６”に示す分散光としてプリズム７内を伝播して、プリズム７であって密着する格子面とは反対の面に到達し、プリズム７の表面でそれぞれ屈折して図１中”ＯＬ１１”に示す出射光としてそれぞれ出射される。

すなわち、図１に示す実施例では、ミラー８における反射光が、再度分散されて出射光（加分散光）として出射することになる。特に、長方形のミラー８は長手方向が基板６の格子の形成方向に平行になるように形成されているので、特定の波長領域を限定的に反射することになるのでスリットしての機能も兼ねることになる。

そして、特定の波長の出射光（加分散光）を出射させる場合には、分光装置を基板６の格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させる、或いは、入射光の入射位置を中心に分光装置を回転させ入射角を変化させる。

特定の波長の出射光（加分散光）を出射させる方法を図２を用いてより詳細に説明する。図２は特定の波長の出射光（加分散光）を出射させる方法を説明する説明図である。

先ず、第１に、入射位置を変化させる方法では、入射角”θin”を一定にし、分光装置を基板６の格子の形成方向に垂直な方向に移動させることにより、入射光の入射位置”Ａ”からミラーまでの距離”Ｑ”を変化させる。

距離”Ｑ”は、分散光のそれぞれの波長によって異なるので、距離”Ｑ”を変化させながら出射光（加分散光）を出射させればスペクトルを得ることができる。

例えば、回折格子の１ｍｍ当たりの溝本数が”１００本”、プリズムの高さ”ｈ＝１５ｍｍ”、入射角”θin＝６０度”、測定波長範囲”４００〜１２００ｎｍ”とすると、距離”Ｑ”を”１９．８０ｍｍ〜１８．５３ｍｍ”の間で移動させれば良い。

この場合、ミラーから出射位置”Ｂ”までの距離”Ｒ”が”１８．５０ｍｍ〜１６．０２ｍｍ”の間で変化し、出射角”θout”は”５１．８２度〜４３．５７度”の間で変化する。

また、第２に、入射角を変化させる方法では、図２中”Ａ”点を回転中心とし、距離”Ｑ”を一定にすることにより、等価的に入射角”θin”が変化することになるので、格子面での回折角も変化して、ミラーで反射される分散光の波長も変化してスペクトルを得ることができる。

例えば、回折格子の１ｍｍ当たりの溝本数が”１００本”、プリズムの高さ”ｈ＝１５ｍｍ”、距離”Ｑ”が”１５ｍｍ”、測定波長範囲”４００〜１２００ｎｍ”とすると、入射角度”θin”を”４５．０度〜１８．３度”の間で回転させれば良い。

この場合、ミラーから出射位置”Ｂ”までの距離”Ｒ”が”１３．９４ｍｍ〜１２．８４ｍｍ”の間で変化し、出射角”θout”は”３８．８４度〜３４．９１度”の間で変化する。

この結果、基板の格子面に密着するようにプリズムの一方の面を固定し、プリズムの他方の面に長手方向が格子の形成方向に平行になるように長方形のミラーを形成し、ミラーの長辺に接すると共に格子の形成方向に垂直な方向に２つの光吸収膜をそれぞれ形成することにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

また、回折格子を格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させる、或いは、入射光の入射位置を中心に回折格子を回転させ入射角を変化させることにより、スペクトルを得ることができるので、駆動部を少なくすることが可能になる。

なお、図１に示す実施例では、単一の回折格子で２回の分散をおこなっているが、回折格子で３回以上の分散を行なわせても構わない。

図３は本発明に係る回折格子の他の実施例を示す断面図である。図３において、１１は格子面への入射光を分散させる基板、１２は入射光を屈折させ伝播させるプリズム、１３及び１４は入射光を反射させるミラー、１５，１６及び１７は入射光を吸収する光吸収膜である。また、１１，１２，１３，１４，１５，１６及び１７は回折格子を構成している。

但し、図３中”ＧＤ３１”に示す格子は図面に対して垂直方向に形成されているものとする。

図３中"ＧＤ３１”示す格子が形成された基板１１の格子面に密着するようにプリズム１２の一面が接着剤等により固定され、プリズム１２であって密着する格子面とは反対の面に、長手方向が当該格子の形成方向に平行になるように長方形のミラー１３及び１４が格子の形成方向に垂直な方向に間隔をあけて形成される。

また、プリズム１２のミラー１３及び１４が形成された面上であって、長方形であるミラー１３及び１４の一方の長辺にそれぞれ接すると共にミラー１３及び１４の間に光吸収層１６が形成される。

また、長方形であるミラー１３の他方の長辺に接すると共に基板１１の格子の形成方向に垂直な方向に光吸収膜１５が形成され、長方形であるミラー１４の他方の長辺に接すると共に基板１１の格子の形成方向に垂直な方向に光吸収膜１７が形成される。

ここで、図３に示す実施例の動作を説明する。但し、基本的には図１に示す実施例と同様であるのでその部分の説明は適宜省略する。

図３中”ＩＬ３１”に示す入射光は、プリズム１２の表面で屈折してプリズム１２内に入射し、プリズム１２内を伝播して基板１１の格子面に到達する。

基板１１の格子面に到達した光は、基板１１の格子面で反射され、波長毎に分散され複数の分散光としてプリズム１２内を伝播して、プリズム１２であって密着する格子面とは反対の面に形成されたミラー１３、光吸収膜１５及び１６に到達する。

光吸収膜１５及び１６に到達した分散光は吸収されてしまうものの、ミラー１３に到達した分散光は反射され、再び、プリズム１２内を伝播して基板１１の格子面に到達する。

そして、基板１１の格子面に到達したミラー１３における反射光は、基板１１の格子面で反射され、波長毎に分散され複数の分散光としてプリズム１２内を伝播して、プリズム１２であって密着する格子面とは反対の面に形成されたミラー１４、光吸収膜１６及び１７に到達する。

光吸収膜１６及び１７に到達した分散光は吸収されてしまうものの、ミラー１４に到達した分散光は反射され、再び、プリズム１２内を伝播して基板１１の格子面に到達する。

さらに、基板１１の格子面に到達したミラー１４における反射光は、基板１１の格子面で反射され、波長毎に分散され複数の分散光としてプリズム１２内を伝播して、プリズム１２であって密着する格子面とは反対の面に到達し、プリズム１２の表面で屈折して図３中”ＯＬ３１”に示すように出射光として出射される。

すなわち、図３に示す実施例では、ミラー１３における反射光に２回目の分散を行い、更に、ミラー１４の反射光に３回目の分散を行なって出射光（加分散光）として出射することになる。

特に、長方形のミラー１３及び１４は長手方向が基板１１の格子の形成方向に平行になるように形成されているので、特定の波長領域を限定的に反射することになるのでスリットしての機能も兼ねることになる。

この結果、基板の格子面に密着するようにプリズムの一方の面を固定し、プリズムの他方の面に長手方向が格子の形成方向に平行になるように長方形のミラーを２つ形成し、２つのミラーの間であって各ミラーの一方の長辺に接するように光吸収膜を形成し、ミラーの他方の長辺に接すると共に格子の形成方向に垂直な方向に２つの光吸収膜をそれぞれ形成することにより、単一の回折格子を用いて加分散光を出射させることができるので、小型化が可能になる。

また、回折格子を格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させる、或いは、入射光の入射位置を中心に回折格子を回転させ入射角を変化させることにより、スペクトルを得ることができるので、駆動部を少なくすることが可能になる。

また、図１及び図３に示す実施例では、駆動部に関しては、当業者が容易に想到可能な機構或いは構成であれば良い。

本発明に係る回折格子の一実施例を示す断面図である。 特定の波長の出射光（加分散光）を出射させる方法を説明する説明図である。 本発明に係る回折格子の他の実施例を示す断面図である。 従来の分光装置を用いた分析システムの一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１ 光源
２，３ 分光器
４ 試料セル
５ 光検出器
６，１１ 基板
７，１２ プリズム
８，１３，１４ ミラー
９，１０，１５，１６，１７ 光吸収膜

Claims (4)

1. 入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子において、
   入射光を分散させる格子が一方の面に形成された基板と、
   この基板の前記格子が形成された面に一方の面が密着して固定されたプリズムと、
   長手方向が前記格子の形成方向に平行になるように前記プリズムの他方の面に形成された長方形のミラーと、
   前記プリズムの他方の面であって前記ミラーの長辺に接すると共に前記格子の形成方向に垂直な方向にそれぞれ形成された２つの光吸収膜と
   を備えたことを特徴とする回折格子。
2. 入射光を複数回分散して迷光を減少させた分散光を出射する回折格子において、
   入射光を分散させる格子が一方の面に形成された基板と、
   この基板の前記格子が形成された面に一方の面が密着して固定されたプリズムと、
   長手方向が前記格子の形成方向に平行になるように前記プリズムの他方の面にそれぞれ形成された長方形の２つのミラーと、
   前記プリズムの他方の面であって前記２つのミラーの一方の長辺にそれぞれ接すると共に前記２つのミラーの間に形成された第１の光吸収膜と、
   前記プリズムの他方の面であって前記２つミラーの他方の長辺に接すると共に前記格子の形成方向に垂直な方向にそれぞれ形成された第２及び第３の光吸収膜と
   を備えたことを特徴とする回折格子。
3. 請求項１若しくは請求項２記載の回折格子を、
   前記格子の形成方向に垂直な方向に移動させて入射光の入射位置を変化させて特定の波長の出射光を出射させることを特徴とする分光装置。
4. 請求項１若しくは請求項２記載の回折格子を、
   入射光の入射位置を中心に回転させ入射角を変化させて特定の波長の出射光を出射させることを特徴とする分光装置。

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