JP2009121986A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に波長分解能の改善が可能でかつ小型化が可能な分光装置を提供する。
【解決手段】分光装置１０は、コリメータレンズ１２の一方側に設けられた投光部１１および受光部１４と、コリメータレンズ１２の他方側に設けられた回折格子１３とを含む。投光部１１からの光はコリメータレンズ１２を通して回折格子１３に入射され、回折格子１３で回折された光はコリメータレンズ１２を通して受光部１４で受光される。回折格子１３は、コリメータレンズ１２からコリメータレンズ１２の焦点距離よりも短い所定の距離に配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、分光装置に関し、特に、小型化に適した分光装置に関する。

従来の小型化に適した光分波器（分光装置）が、たとえば、特許第３９０９９６９号公報（特許文献１）や特許第３４００７４８号公報（特許文献２）に開示されている。図１２は特許文献１に開示された分光装置を示す図である。図１２を参照して、分光装置１００は、投光部１０１と、無限共役比デザインのレンズ（以下、「コリメータレンズ」という）１０２と回折格子１０３と、受光部１０４とを含み、投光部１０１から投光された光はコリメータレンズ１０２で回折格子１０３に集光され、回折格子１０３で回折された光はコリメータレンズ１０２を介して受光部１０４で受光される。

特許文献１においては、回折格子１０３が後に説明するようにリトロー配置されているため、受光部１０４と投光部１０１とは近接配置され、受光部１０４を構成する受光素子は投光部１０１の下面に配置される。図１３（Ａ）は特許文献２に開示された分光装置１１０を示す斜視図である。図１３（Ａ）を参照して、この分光装置１１０も、投光部１１１と、コリメータレンズ１１２と回折格子１１３と、受光部１１４とを含み、投光部１１１から光はコリメータレンズ１１２で回折格子１１３に集光され、回折格子１１３で回折された光はコリメータレンズ１１２を介して受光部１１４で受光される。特許文献２においては、同じく回折格子１１３は入射光と回折光とが同一方向となるようにリトロー配置されているが、受光部１１４を構成する受光素子は投光部１１１の側面に配置される。
特許第３９０９９６９号公報（図１およびそれに関連する記載） 特許第３４００７４８号公報（図１およびそれに関連する記載）

従来の小型化に適した分光装置は上記のように構成されていた。リトロー配置は小型化に適した構成であるため、従来の分光装置はこの構成を採用していた。ここでリトロー配置について説明する。一般に、回折格子に角度αで入射した単一波長λの光は、回折格子の周期をｄとしたとき、下記の公式により特定の角度（回折角）βで回折する。このとき角度は、回折格子基板に対する法線からの角度で定義する。

ｍλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）
図１４はリトロー配置における回折格子への入射光と回折光との関係を示す図である。図１４において、実線は入射光を示し、破線は回折光を示している。図１４に示すように、回折格子への入射角αとｍ次の回折角βが同じ大きさ（すなわち、再帰反射の関係）になるとき、これをリトロー配置とよぶ。回折格子はリトロー配置したときに得られるスループットが最大になる。なお、図１４において、格子溝が連続する方向（周期ｄの方向）をブレーズ方向という。

リトロー配置された回折格子を用いた光学系を図１５に示す。回折格子１０３に入射した光はほぼ同一方向に回折されるため、投光部１０１と受光部１０４とは近接して配置する必要がある。すなわち、リトロー配置された回折格子１０３においては、図１５に示すように投受光の光軸をそれぞれコリメータレンズ１０２の中心軸から離す必要があるため、収差が発生し、波長分解能が低下するという問題があった。

図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）は特許文献２に示されたこの状態を避ける方法を説明するための図であり、コリメータレンズ１１２における外径１１５と、コマ収差の小さい領域１１６と、コマ収差の小さい領域１１６内で、投光部からの投光光束と受光部の受光光束とを上下方向にずらした状態を示す図である（説明上、図１３（Ｂ）および（Ｃ）は、図１３（Ａ）とは９０度ずれている）。図１３（Ｃ）はこのような、受光光束の収差を減らして回折光を受光する場合の投光部１１１に設けられた入力ファイバ１１１ａと受光部１１４となる受光素子アレイ１１４ａを示す図である。図１３（Ｃ）に示すように、受光素子アレイ１１４ａは、受光素子の一方の辺の近傍に設ける必要があり、その部分には外部リード１１４ｂを設けることができず、専用の受光素子を作成する必要があった。そのため、簡単に波長分解能の高い分光装置を得るのは困難であるという問題があった。

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、簡易に波長分解能の改善が可能でかつ小型化が可能な分光装置を提供することを目的とする。

この発明に係る分光装置は、コリメータレンズの焦点面側に設けられた投光部および受光部と、コリメータレンズの無限共役側に設けられた回折格子とを含む。分光装置においては、投光部からの光はコリメータレンズを通して回折格子に入射され、回折格子に入射された光は回折格子で回折され、回折格子で回折された光はコリメータレンズを通して受光部で受光され、回折格子は、コリメータレンズからコリメータレンズの焦点距離よりも短い所定の距離に配置される。

この発明に係る分光装置においては、回折格子をコリメータレンズの焦点距離よりも短い位置に近接して配置するようにしたため、投光部からの光はコリメータレンズの中心軸の近傍のみを通過して回折格子で回折され、受光部で受光され、コリメータレンズの収差の影響を受けにくくなる。

その結果、簡易に波長分解能の改善が可能でかつ小型化が可能な分光装置を提供できる。

まず、この発明の原理について説明する。図１は、この発明の原理を従来例と対比して説明するための図である。図１（Ａ）は従来のリトロー配置を用いた分光装置１２０の要部を示す模式図であり、図１（Ｂ）はこの発明における分光装置１０の要部を示す模式図である。図１（Ａ）を参照して、従来の分光装置１２０においては、投光部１２１および受光部１２４からコリメータレンズ１２２までの距離は、コリメータレンズ１２２から回折格子１２３までの距離と同じコリメータレンズの焦点距離ｆであった。

これに対して、この発明に係る分光装置１０においては、投光部１１および受光部１４からコリメータレンズ１２までの距離は従来と同じ焦点距離ｆであるが、回折格子１３はコリメータレンズ１２から焦点距離ｆより近い位置に設けた。これにより、投受光に用いる光束１１ａ，１４ａはコリメータレンズ１２の中心付近を通過することになる。コリメータレンズ１２の中心付近の光束を用いることにより、入射高さを低減させることができる。収差は入射高さ（光線のコリメータレンズの主表面位置での光軸高さ）と半画角（コリメータレンズの主平面中心に入る光線の光軸となす傾角）により影響される。従って、入射高さおよび／または半画角を低減することにより、収差を抑制できるようになる。また、さらに回折格子１３をコリメータレンズ１２に近接して配置することにより光軸方向の大きさを従来の分光装置１２０の場合よりも抑えることができる。

そのため、分光装置１０の小型化が可能になるとともに、コリメータレンズ１２の、より軸の中心部を光が通過するようになるため、収差を低減できる。

この様子をより具体的に説明する。図２は投受光光軸をコリメータレンズの中心に近づけることによって、入射高に起因する収差が低減される状態を示す図である。図中点線は従来の回折格子の位置、および、そこへの投光光および受光光を示し、実線がこの発明における回折格子の位置、および、そこへの投光光および受光光を示す。図２（Ａ）は正面図（ブレーズ方向（回折方向）が図２（Ａ）において矢印で示す方向であり、投光部１１と受光部１４とが紙面手前側と奥側とにずれて見える側から見た図）であり、図２（Ｂ）は側面図（図２（Ａ）に直交する方向から見た図であり、投光部１１と受光部１４とが上下方向にずれて見える側から見た図）である。図２（Ｃ）は図２（Ｂ）において、矢印Ｃ−Ｃで示す矢視図である。

図２（Ｂ）に示すように、投光部からの入射光は実線で示すようにコリメータレンズ１２の中心部を通過して回折格子１３に入射する。回折格子１３からの回折光も同様にコリメータレンズ１２の中心部を通過して受光部１４で受光される。図２（Ｃ）に示すように、この発明における軸間距離（図２（Ｃ）において２本の実線で示す距離）ａは従来のコリメータレンズにおける軸間距離（図２（Ｃ）において２本の破線で示す距離）ｂよりも小さくなる。

好ましくは、所定の距離は、コリメータレンズの焦点距離の２０％以上であり、６０％以下である。

さらに好ましくは、所定の距離は、コリメータレンズの焦点距離の２０％未満である。

また、投光部および受光部は、コリメータレンズの焦点位置に配置されるのが好ましい。

さらに好ましくは、回折格子はリトロー配置される。

コリメータレンズは平凸又はダブレットレンズが好ましい。

また、コリメータレンズとコリメータレンズの焦点位置の間には光軸を変更するための光学素子が設置され、投光部、および、受光素子はそれぞれ異なる面に設置されるようにしてもよいし、光軸を変更する光学素子は投光軸と受光軸とが交差するように設置されてもよい。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図３は、この発明の第１実施の形態における分光装置２０を示す図である。図３（Ａ）は正面図であり、図３（Ｂ）は側面図である。図３を参照して、この実施の形態における分光装置２０は、投光部となる投光スリット２１と、無限共役比のコリメータレンズ２２と、回折格子２３と、受光部である一次元ＣＣＤ２４とを含む。この実施の形態においては、回折格子２３はコリメータレンズ２２の中心からその焦点距離ｆよりも短い距離に置かれている。なお、以下の説明においては、回折格子２３の回折方向をＸ軸、それに直交する方向をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に直交する光軸方向をＺ軸と呼ぶ場合がある。このとき、正面図はＸ軸とＺ軸とで構成される面となり、側面図はＹ軸とＺ軸とで構成される。

投光スリット２１と一次元ＣＣＤ２４はコリメータレンズ２２の共役の位置に配置され、それぞれは同一平面に設置される。コリメータレンズ２２は集光性能の良い平凸レンズ、又はダブレットレンズを利用する。コリメータレンズ２２と回折格子２３とはそれぞれ近接して配置される。この時、コリメータレンズ２２は無限共役側を回折格子２３側に向けて設置する。回折格子２３はブレーズド型などの反射型回折格子を使用し、正面図上でリトロー配置にて設置される。また、側面においてもＹ軸に対して傾けて設置する。

投光スリット２１から射出した光はコリメータレンズ２２により平行光束に変換され回折格子２３に入射する。回折格子２３は反射型回折格子であるため、波長分散特性に応じて光を回折する。この時、回折格子２３は上記のようにＹ軸に対しても角度を持って設置されているため、回折格子２３へ入射する平行光束は溝方向に対して斜入射することになる。回折格子２３は溝と平行方向の光を正反射させる性質を持つ。従って、回折光も同様に入射方向と反対側に斜出射される。このような配置をとることにより、リトロー配置であっても入射光と回折光をＹ-Ｚ面（側面図）において分離することができる。分離された各波長の回折光は再びコリメータレンズ２２によって集光され、投光スリット２１とは異なる位置に集光スポットを形成する。これらの集光スポットを一次元ＣＣＤ２４を用いることにより、多波長を同時に検出することができる。

このような構成の分光装置２０は、光スイッチや、波長選択装置や、マルチプレクサ、光分波器等に利用される。

次に、第１実施の形態の変形例について説明する。図４はこの変形例における分光装置３０を示す図である。図４（Ａ）は正面図であり、図４（Ｂ）は側面図である。図４を参照して、この実施の形態の分光装置３０は、投光部となる投光スリット３１と、無限共役比のコリメータレンズ３２と、回折格子３３と、受光部である一次元ＣＣＤ３４とを含む。

この実施の形態においては、基本的に先の実施の形態と同様の構成を有しているが、回折光は一次元ＣＣＤ３４に斜入射されず、垂直に入射される。この場合、回折格子はＹ軸と平行に設置される。従って、投光軸と受光軸は側面（Ｙ-Ｚ面）で重なることになる。それ以外の点については先の実施の形態と同様であり、回折格子３３はコリメータレンズ３２の中心からその焦点距離ｆよりも短い距離に置かれている。

図５はこの発明の他の実施の形態に係る分光装置４０の全体構成を示す模式図である。図５（Ａ）は正面図であり、図５（Ｂ）は側面図である。図５（Ａ）および（Ｂ）を参照して、この実施の形態においては、分光装置４０は、投光スリット４１と、無限共役比のコリメータレンズ４２と、回折格子４３と、一次元ＣＣＤ４４に加えて、光を折り返す目的として小型のミラー４５を投光スリット４１とコリメータレンズ４２との間に設けている。ここで、小型のミラー４５は投光軸上に設置し、投光軸と受光軸が交差するよう配置する。このような配置を取ることで、ミラー４５を追加しても全体として構成の小型化が可能となっている。

投光スリット４１と一次元ＣＣＤ４４とはコリメータレンズ４２の共役の位置に配置されるが、投光軸はミラー４５によって折り返される。これにより、投光スリット４１と一次元ＣＣＤ４４とはそれぞれ干渉しない位置に配置される。

なお、ミラーは円形に限らず、矩形等の任意の形状であってもよい。

次に、第２実施の形態の変形例について説明する。図６は第２実施の形態の変形例に係る分光装置５０を示す図である。図６（Ａ）は正面図であり、図６（Ｂ）は側面図である。図６を参照して、この実施の形態の分光装置５０は、基本的に図５と同様の構成要素を含むため、対応する構成要素に５０番台の参照符号を付して個々の構成要素の説明は省略する。

この実施の形態においては、先の実施の形態と異なり、投光スリット５１からの投光の光軸が先の実施の形態に対して９０度ずれているため、回折光は一次元ＣＣＤ５４に垂直に入射されず、斜入射される。それ以外の点については先の実施の形態と同様であり、回折格子５３はコリメータレンズ５２の中心からその焦点距離ｆよりも短い距離に置かれている。

第２実施の形態においては、小型ミラー４５，５５を設けることによって、投光部（投光スリット４１，５１）と受光部（一次元ＣＣＤ４４，５４）との距離を接近させることができる。この場合の効果について説明する。

図７は第２実施の形態において投受光部間距離を短縮した際の入射高さへの作用を示す図であり、図８は半画角への作用を示す図である。実線は短縮あり時の投受光軸、破線は短縮なし時の投受光軸である。まず、図７を参照して、距離を短縮しなかった場合の投光部の位置を６１ａ、受光部の位置を６４ａとする。一方、距離を短縮した場合の投光部の位置を６１ｂ、受光部の位置を６４ｂとする。投光部６１ａ，６１ｂからの光がコリメータレンズ６２によって、回折格子６３に集光されて回折され、コリメータレンズ６２で平行光にされて受光部６４ａ，６４ｂに入射する。

図７に示すように、投受光部間距離を短縮しない場合（６１ａ−６４ａ間の距離）から短縮化する（６１ｂ−６４ｂ間の距離）ことで実線で示す投受光軸はコリメータレンズ６２の中心軸に近づくことになる。従って、入射高さを低減することが可能となる。

図８はコリメータレンズ６２近傍の詳細を示す図である。図８を参照して、投受光部間距離を短縮した際の、コリメータレンズ６２の主平面６４中心に入る光線の光軸とのなす傾角である、半画角への作用を説明する。図８において、実線は短縮あり時の投受光軸、破線は短縮なし時の投受光軸である。図８を参照して、距離を短縮しなかった場合は位置６１ａからコリメータレンズ６２の主平面６４に入射する場合の画角はγ１となるのに対して、距離を短縮した場合は位置を６１ｂから投光するため画角はγ２となる。図から
明らかなように、γ２＜γ１である。すなわち、投光部を光軸に近付けて投受光部間距離を短縮することにより半画角を低減できる。

このように、投受光部間の距離を短縮することで入射高さと半画角を低減することができる。

以上のように、この実施の形態においては、小型のミラーを用いることによって、投受光部間の距離を短縮してコリメータレンズの光軸近傍のみを用いて収差の影響を減らし、従来のように受光素子の改造等を行なうことなく、簡易かつ安価にさらなる波長分解能の改善が可能になる。また、投光スリットと一次元ＣＣＤの干渉を完全に排除できるため、さらなる小型化が期待できる。

次に、図３に示した構成で回折格子をコリメータレンズに近接させた時、集光スポット径のシミュレーション結果について説明する。図９は、このシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は集光スポット径（ｍｍ）を、横軸は回折格子とコリメータレンズ間の距離（ｍｍ）を表している。ここではコリメータレンズを、焦点距離を５０ｍｍ、直径が３０ｍｍの平凸レンズとし、回折格子としては溝数１２００本／ｍｍ、ブレーズ波長７５０ｎｍのブレーズド回折格子を用いた。回折格子はリトロー配置によりＸ軸に対して２６．４４°傾けて設置される。また、斜入射させるためにＹ軸に対しても５°傾けて設置する。評価を行う波長はブレーズ波長の７５０ｎｍとした。

図９を参照して、回折格子がコリメータレンズに近づくにつれて収差が抑制され、スポット径が小さくなることがわかる。

次に、図９に基づいて、回折格子とコリメータレンズ間の距離を、焦点距離を１００％として正規化した場合のスポット径について説明する。

図１０は評価の前提を説明するための図である。図１０（Ａ）は一次元ＣＣＤ２４上のＣＣＤ画素面７１におけるスポット７３を示す図であり、一次元ＣＣＤ２４はＸ-Ｙ平面に配置され、ＣＣＤの各画素７２がＸ方向に複数並んでいる。このときのＣＣＤから出力されるデータを図１０（Ｂ）に示す。波長分解能はスペクトルの半値全幅で一般に定義されている。したがって、ＣＣＤ画素の並び方向であるＸ方向のスポット径が波長分解能を反映している。そこで、ここでは、評価値として波長分解能を直接反映するＣＣＤの画素並び方向（Ｘ方向）のスポット径の二乗平均値を用いている。

図１１は、回折格子とコリメータレンズ間の距離とスポット径との関係を示すグラフである。図１１を参照して、スポット径は、回折格子とコリメータレンズ間の距離に応じて、ほぼ一定で変化しない範囲（図中Ｉで示す範囲）、第１の割合でわずかに比例して増加する範囲（図中ＩＩで示す範囲）、第１の割合より高い第２の割合で比例して増加する範囲（図中ＩＩＩで示す範囲）の３つの範囲に分かれていることがわかる。

まず、Ｉで示すコリメータレンズの焦点距離の０〜２０％の範囲では、スポット径は０．０１５近辺でほぼ一定であり、近接配置によるスポット径低減の効果が最大限利用でき、かなりの小型化が可能になる。

ＩとＩＩで示す、コリメータレンズの焦点距離の２０〜６０％位置では、近接配置によるスポット径低減の効果が最大限利用できる。

上記にＩＩＩで示す範囲を加えた範囲である、コリメータレンズの焦点距離の１００％未満の位置であれば、近接配置によるスポット径低減の効果が利用できる。

なお、ここで用いたコリメータレンズは、焦点距離ｆ＝５０ｍｍ、直径＝５０ｍｍの平凸レンズである。

以上のように、本発明によって、専用の受光素子を用いて投受光部間の距離を短縮せずとも簡易かつ安価に収差を抑制し、波長分解能を改善させることが可能になった。また、同時に小型の分光装置を実現できるようになった。

なお、上記実施の形態においては、投光部として、スリットを用いる場合の例について説明したが、これに限らず、ピンホールや、ファイバ等を開口として用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、回折格子の設置方法としてリトロー配置とした場合について説明したが、厳密にリトロー配置としなくても適用可能である。

また、上記実施の形態においては、一次元ＣＣＤを用いた例について説明したが、これに限らず、二次元ＣＣＤを用いてもよい。また、光分波器として広く使用されているような複数ファイバを束ねたアレイを受光素子として使用することも可能である。

また、上記実施形態では多波長の同時計測可能なマルチチャンネル用途の例を示したが、これに限らず、単波長のみを計測するシングルチャンネル用途としてフォトダイオード、ファイバを受光素子として使用してさらに小型にすることも可能である。

また、上記実施の形態においては、特に限定しなかったが、分光装置を計測用に使用する場合は、コリメータレンズの材質としては、ガラス製が好ましい。これは、プラスチックレンズであれば、温度や湿度の影響を受けやすいためである。

また、コリメータレンズとしては、平凸レンズに限らず、アクロマティックレンズ等であってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の原理を従来例と対比して説明するための図である。 この発明の原理を従来例と対比して説明するための図である。 この発明の第１実施の形態に係る分光装置の正面図および側面図である。 この発明の第１実施の形態の変形例に係る分光装置の正面図および側面図である。 この発明の第２実施の形態に係る分光装置の正面図および側面図である。 この発明の第２実施の形態の変形例に係る分光装置の正面図および側面図である。 第２実施の形態において投受光部間距離を短縮した際の入射高さへの作用を示す図である。 第２実施の形態において投受光部間距離を短縮した際の半画角への作用を示す図である。 回折格子をコリメータレンズに近接させた時の集光スポット径のシミュレーション結果を示すグラフである。 この発明に係る実施の形態の評価の前提を説明するための図である。 回折格子をコリメータレンズに近接させた時の集光スポット径のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来の分光装置の構成を示す図である。 従来の分光装置の構成を示す図である。 リトロー配置における回折格子表面への入射光と反射光との関係を示す図である。 リトロー配置における投光部、コリメータレンズ、回折格子、および、受光部の位置関係を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ 分光装置、１１ 投光部、１２，２２，３２，４２，５２，６２ コリメータレンズ、１３，２３，３３，４３ 回折格子、１４ 受光部、２１，３１，４１ 投光スリット、２４，３４，４４ 一次元ＣＣＤ。

Claims (8)

1. 無限共役比のレンズの焦点面側に設けられた投光部および受光部と、前記無限共役比のレンズの無限共役側に設けられた回折格子とを含む分光装置であって、
   前記投光部からの光は前記無限共役比のレンズを通して前記回折格子に入射され、
   前記回折格子に入射された光は前記回折格子で回折され、
   前記回折格子で回折された光は前記無限共役比のレンズを通して前記受光部で受光され、
   前記回折格子は、前記無限共役比のレンズから前記無限共役比のレンズの焦点距離よりも短い所定の距離に配置される、分光装置。
2. 前記所定の距離は、前記無限共役比のレンズの焦点距離の２０％以上であり、６０％以下である、請求項１に記載の分光装置。
3. 前記所定の距離は、前記無限共役比のレンズの焦点距離の２０％未満である、請求項２に記載の分光装置。
4. 前記投光部および受光部は、前記無限共役比のレンズの焦点位置に配置される、請求項１から３のいずれかに記載の分光装置。
5. 前記回折格子はリトロー配置される、請求項１から４のいずれかに記載の分光装置。
6. 前記無限共役比のレンズは平凸又はダブレットレンズである、請求項１から５のいずれかに記載の分光装置。
7. 前記無限共役比のレンズと前記無限共役比のレンズの焦点位置の間には光軸を変更するための光学素子が設置され、前記投光部、および、前記受光素子はそれぞれ異なる面に設置される、請求項１から６のいずれかに記載の分光装置。
8. 前記光軸を変更する光学素子は投光軸と受光軸とが交差するように設置される、請求項７に記載の分光装置。
   

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