JP2010008706A

JP2010008706A - 回折格子及び分光器

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Publication number: JP2010008706A
Application number: JP2008167776A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sasai; 浩行笹井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP5315817B2

Abstract

【課題】測定する波長範囲が異なる分光器を製造する場合であっても、同一の筐体をそのまま用いることを可能にする回折格子及び分光器を提供する。
【解決手段】回折格子１２の基板上面に設けられたグレーティング面におけるグレーティング法線Ａ’を、該基板の底面に対して傾斜させる。これにより、入射光の入射角を調節することができる。従って、測定対象の波長範囲が異なる分光器を製造する場合であっても、同一の筐体をそのまま用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子及びそれを備える分光器に関する。

回折格子は光を波長成分に分離するために用いられる光学素子であり、分光器などの光学機器に使用される。回折格子には、入射光を内部に透過させる透過型回折格子と、表面で反射させる反射型回折格子がある。

反射型回折格子は、基板の上面である反射面（グレーティング面）に狭ピッチの格子溝が形成されている。格子溝の本数は、測定しようとするスペクトルの波長範囲に応じて定められ、通常１mm当たり数百本〜数千本である。グレーティング面が平面である回折格子を平面回折格子と呼び、凹面であるものを凹面回折格子と呼ぶ。凹面回折格子を用いれば、凹面鏡などの結像素子を使わずに分光光学系を構成することができる。

従来の反射型凹面回折格子を用いた分光器の例を図５（ａ）に示す。分光器４０ａは、筐体４４の側面に設けられた入口スリット部材４１と、溝本数600本/mmの反射型凹面回折格子４２ａと、フォトダイオードアレイ等のマルチチャンネル検出器４３とを備える。各パーツは、光学設計に基づいて所定の位置及び角度に正確に固定されている。

入口スリット部材４１のスリットから回折格子４２ａの中心に入射する入射光は、回折格子４２ａのグレーティング法線（グレーティング面の中心における法線）Ａに対して入射角5.0°で入射する。その入射光は、回折格子４２ａで反射する際に、波長毎に異なる回折角（グレーティング法線に対してなす角）で回折する。図５（ａ）の例では、回折角β１〜β２の範囲内で回折する波長400nm〜800nmの回折光が検出器４３の検出面に到達している。

一般に、分光器の筐体は熱膨張係数の小さい鉄などの鋳物で構成されている（例えば特許文献１など参照）。筐体には回折格子や検出器を取り付けるための取付台が設けられており、これらの取付台も鋳造により筐体と一体に形成されることが多い。その取付台における各パーツの取付面を適切な位置や角度に設定しておくことにより、入口スリット部材のスリット、回折格子のグレーティング面及び検出器の検出面を所望の位置や角度に定めることができる。つまり、分光器の製造時に、回折格子などの各パーツを前記取付台に固定するだけで、入射角等などの光学系のパラメータを所望の値に定めることができる。

特開平８−１４５７９４号公報

検出器で得られるスペクトルの波長範囲は、格子溝の本数の他、入射光の入射角によっても変化する。そのため、分光器の製造時には、その分光器が測定対象とする波長範囲に応じて、格子溝の本数とともに、回折格子取付台における回折格子の取付面（以下、格子取付面と呼ぶ）の角度も適宜変更する必要がある。例えば、図５（ａ）に示す分光器４０ａの測定波長範囲を400nm〜800nmから800nm〜1100nmに変更する際には、格子溝の本数を600本/mmから717本/mmに変更するとともに、回折格子に対する入射光の入射角を5.0°から-5.0°に変更する必要がある（図５（ｂ））。ここで、マイナスの入射角は、入射光がグレーティング法線Ｂに対して検出器４３側から入射することを意味する。

上記設計変更を行うためには、格子取付面の向きを図５（ａ）の状態から上記入射角の差（ここでは10.0°）だけ検出器４３側とは逆方向（即ち、図中の反時計回り方向）に回転させなければならない。そのため、分光器メーカーでは、測定波長範囲の異なる製品のラインナップを揃えるために、格子取付面の角度が異なる筐体を複数準備することが多い。また、筐体に回折格子取付台を回転させる機構を設けておくこともある。しかし、いずれの方法も製造コストがかさむという欠点がある。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、測定する波長範囲が異なる分光器を製造する場合であっても、同一の筐体をそのまま用いることを可能にする回折格子及び分光器を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る回折格子は、基板の上面に設けられたグレーティング面におけるグレーティング法線が、該基板の底面に対して傾斜していることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る分光器は、
筐体と、該筐体の内部に取り付けられる回折格子を備え、
前記回折格子の基板の上面に設けられたグレーティング面におけるグレーティング法線が、該基板の底面の法線に対して傾斜していることを特徴とする。

前記分光器は、前記回折格子の基板底面の法線に対する前記グレーティング法線の傾斜角が、測定対象とする波長範囲に応じた角度となっていることが好ましい。

また、前記分光器は、前記回折格子の厚さが、測定対象とする波長範囲に応じた厚さとなっていることが好ましい。

上記本発明に係る回折格子及び分光器によれば、回折格子の底面に対するグレーティング法線の傾斜角を適当な大きさとすることで、分光器の入口スリット、回折格子、及び検出器等の光学素子の取り付け位置や角度を変更することなく該回折格子に対する入射光の入射角を変化させることができる。このため、測定対象とする波長範囲に応じて分光器の筐体形状を変更する必要がなく、取り付ける回折格子の種類を変えるだけで対応波長範囲の異なる複数種類の分光器を製造することが可能となる。

以下、添付図面に基づき、本発明に係る回折格子及びそれを備える分光器の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図である。分光器１０は平面結像型分光器であり、回折格子１２以外の構成は図５（ａ）に示した従来の分光器４０ａと同一である。

筐体１４は鉄鋳物からなり、その側面には所定の幅のスリットを有する入口スリット部材１１が固定されている。筐体１４の内部には、回折格子１２又はマルチチャンネル検出器１３を固定するための回折格子取付台１６及び検出器取付台１８が設けられている。これらの取付台は鋳造により筐体１４とともに一体に形成されたものでもよいが、別途製作されて筐体１４に固定されたものでもよい。これらの取付台における各パーツの取付面は、光学設計に基づいて位置や角度が精密に定められており、機械加工により要求される寸法精度を満たしている。それらの取付面の所定位置に各パーツが固定されると、入射角等の光学系のパラメータが所望の値に定まる。本実施例では、回折格子取付台１６の格子取付面が、その面の法線Ａ’と入射光とのなす角度が5.0°になるように加工されている。

本実施例に係る回折格子１２は反射型の凹面回折格子であり、図５（ｂ）に示した従来の回折格子４２ｂと同じく、凹面に717本/mmの格子溝が設けられている。ただし、回折格子１２の底面に対してグレーティング法線Ｂ’が80.0°傾斜している点が従来の回折格子とは異なっている。このような回折格子１２は、図２に示すように、上面が下面に対して10.0°傾斜している基板１２１を用いて、その表面に凹面及び格子溝を設けることにより製作することができる。

回折格子１２を回折格子取付台１６の格子取付面の所定位置に取り付けると、入射光及び回折光の光路は図５（ｂ）に示した従来の分光器４０ｂと同一になる。つまり、入射光は、グレーティング法線Ｂ’に対して-5.0°の入射角で回折格子１２に入射し、そこで回折して、検出器１３上で800nm〜1100nmの波長のスペクトルに展開される。

このように、本実施例に係る回折格子１２を使用すれば、測定波長範囲が400nm〜800nmとなる従来の分光器用に製造された筐体をそのまま用いて測定波長範囲が800nm〜1100nmの分光器を製造することができる。

図３は、本発明の第２の実施例に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す図であり、図３（ａ）は測定波長範囲が400nm〜800nmである分光器２０ａの平面図、図３（ｂ）は測定波長範囲が800nm〜1100nmである分光器２０ｂの平面図である。これらの分光器は実施例１の分光器１０とほぼ同じ構成であるが、回折格子の形状と、筐体１４の一側面が回折格子取付台２６を兼ねている点に違いがある。なお、図３（ａ）及び（ｂ）では、既に説明した図１と同一又は対応する構成要素には同一符号を付してある。

本実施例に係る回折格子２２ａ、２２ｂはいずれも上面が下面に対して5.0°傾斜した基板を用いて製作されており、その上面に凹面及び格子溝が設けられている。格子溝の本数は、図３（ａ）の回折格子２２ａでは600本/mm、図３（ｂ）の回折格子２２ｂでは717本/mmであり、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示した従来の回折格子４２ａ又は４２ｂと同一である。ただし、従来の回折格子４２ａ、４２ｂと異なり、回折格子２２ａのグレーティング法線Ａ’’はその底面に対して85.0°傾斜しており、回折格子２２ｂのグレーティング法線Ｂ’’はその底面に対して85.0°傾斜している。

各分光器２０ａ、２０ｂの回折格子取付台２６における格子取付面はいずれも入射光の光路に対して垂直に設けられている。

図３（ａ）の分光器２０ａでは、回折格子２２ａを、グレーティング法線Ａ’’が検出器１３側に傾斜するように格子取付面の所定位置に取り付けることで、入射光の入射角が5.0°となる。このときの入射光及び回折光の光路は図５（ａ）に示した従来の分光器４０ａと同一である。また、図３（ｂ）の分光器２０ｂでは、回折格子２２ｂを、グレーティング法線Ｂ’’が検出器１３側とは逆方向に傾斜するように回折格子取付台２６の所定位置に取り付けることで、入射光の入射角が-5.0°となる。このときの入射光及び回折光の光路は図５（ｂ）に示した従来の分光器４０ｂと同一である。

このように、同一形状の基板、すなわち下面に対する上面の傾斜角が同一の基板を用いて格子溝の本数が異なる回折格子を製作し、それらを同一形状の筐体に異なる向きで固定することにより、測定対象とする波長範囲が異なる２種類の分光器を製造することができる。

図４は、本発明の第３の実施例に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図である。分光器３０は、回折格子３２以外の構成は実施例２に示した分光器２０ａと同一である。なお、図４では、既に説明した図３と同一又は対応する構成要素には同一符号を付してある。

本実施例に係る回折格子３２は、図３（ａ）に示した回折格子２２ａと同様に、グレーティング法線Ｃが底面に対して85.0°傾斜している。ただし、図３（ａ）の回折格子２２ａと異なり、その厚さは回折格子２２ａよりも10mmだけ厚くなっている。また、その凹面に設けられた格子溝の本数は500本/mmである。

本実施例の回折格子３２を回折格子取付台２６に取り付けると、入射光の入射角は図３（ａ）に示した分光器２０ａと同様に5.0°となる。しかし、回折格子の厚さの違いによりグレーティング面が入口スリット部材１１側に移動するため、検出器１３には、より回折角の大きい回折光、つまり長波長側の回折光が到達する。この例では、波長528nm〜1039nmの回折光が検出器１３にて検出される。

反射型の凹面回折格子を用いた分光器では、回折格子の格子溝の間隔を不等間隔に設計することにより、収差の補正が可能であることが知られている。しかし、実際はそれだけでは収差を十分に補正することが困難な場合がある。そこで、上記のように回折格子の厚さを変更すれば、光学設計の自由度が一つ増えることになり、収差補正を行いやすくなる。

以上、本発明に係る回折格子及び分光器について実施例を挙げて説明を行った。しかしながら上記はいずれも一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正を行ったとしても本件特許請求の範囲に包含されることは当然である。例えば、回折格子を平面回折格子としてもよく、分光器を検出器がローランド円上に配置されたローランド円型分光器にしてもよい。また、筐体などに鋳物を用いず、金属の切削加工品などを用いても構わない。更に、測定対象とする波長範囲は可視光領域に限らず、赤外領域や紫外領域であってもよい。

本発明の実施例１に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図。同回折格子の製造方法を説明する図であり、（ａ）は回折格子に用いる基板の断面図、（ｂ）はその基板を用いて製作された回折格子の断面図である。本発明の実施例２に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図であり、（ａ）は測定波長範囲が400nm〜800nmである分光器の平面図、（ｂ）は測定波長範囲が800nm〜1100nmである分光器の平面図である。本発明の実施例３に係る回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図。従来の回折格子及びそれを備える分光器の概略構成を示す平面図であり、（ａ）は測定波長範囲が400nm〜800nmである分光器の平面図、（ｂ）は測定波長範囲が800nm〜1100nmである分光器の平面図である。

符号の説明

１０、２０ａ、２０ｂ、３０、４０ａ、４０ｂ…分光器
１１、４１…入口スリット部材
１２、２２ａ、２２ｂ、３２、４２ａ、４２ｂ…反射型凹面回折格子
１２１…基板
１３、４３…マルチチャンネル検出器
１４、４４…筐体
１６、２６…回折格子取付台
１８…検出器取付台

Claims

基板の上面に設けられたグレーティング面におけるグレーティング法線が、該基板の底面の法線に対して傾斜していることを特徴とする回折格子。
筐体と、該筐体の内部に取り付けられる回折格子を備え、
前記回折格子の基板の上面に設けられたグレーティング面におけるグレーティング法線が、該基板の底面の法線に対して傾斜していることを特徴とする分光器。
前記回折格子の基板底面の法線に対する前記グレーティング法線の傾斜角が、測定対象とする波長範囲に応じた角度となっていることを特徴とする請求項２に記載の分光器。
前記回折格子の厚さが、測定対象とする波長範囲に応じた厚さとなっていることを特徴とする請求項２又は３に記載の分光器。