JP2013228322A - Spectral device - Google Patents

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Eiichi Tanizuka
英一 谷塚
Takaki Hatae
仰紀 波多江
Daijiro Fujie
大二郎 藤江
Atsuo Kurokawa
敦雄 黒川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectral device for keeping a small loss of signal light even when the number of channels is large.SOLUTION: The wavelength band of the light transmitting through an optical filter 14 is ABC to travel to the right side in the figure. The light of a wavelength band DEF reflected by the optical filter 14 travels to the lower left side in the figure. Subsequently, for the light of transmitted light (band ABC) and reflected light (band DEF), a second optical filter that transmits only a wavelength band corresponding to a single channel is used.

Description

本発明は、複数の波長帯の光を出力する分光装置に関する。   The present invention relates to a spectroscopic device that outputs light in a plurality of wavelength bands.

白色光、あるいは広い波長帯域の光を入力させ、これを分光して所望の波長帯の光を出力する分光装置は、各種の分析装置に使用されている。例えば、核融合におけるプラズマの診断(トムソン散乱計測)、血液や尿の検査における吸光度計測等においては、こうした分光装置は極めて有効である。   A spectroscopic device that inputs white light or light having a wide wavelength band and splits the light to output light of a desired wavelength band is used in various analysis apparatuses. For example, such a spectroscopic device is extremely effective in plasma diagnosis in nuclear fusion (Thomson scattering measurement) and absorbance measurement in blood and urine examinations.

分光装置においては、例えば回折格子を用いることによって所望の波長の単色光を得ることができる。しかしながら、出力として望まれる所望の複数の波長帯が予め定まっている場合には、光学フィルタ(干渉フィルタ)を複数組み合わせた構成の分光装置を用いることによって、特に良好な分光特性(分光された光のスペクトルの急峻性や強度)が得られる。図13は、この場合に用いられる光学フィルタの特性を模式的に示す図である。ここで、(a)のスペクトルをもつ入射光が、この光学フィルタに入射するものとする。この場合の透過光のスペクトルは(b)のように帯域(波長帯域)Iの狭い帯域となる。干渉フィルタにおいては、フィルタ内部での光の吸収を小さくすることができ、この波長帯域以外の波長の光(帯域IIの光)の大部分は反射される。このため、反射光のスペクトルは(c)のように帯域IIのみとなる。入射光の光軸を直入射(光軸を反射面と垂直とする場合)から外れた角度とすれば、入射光と異なる方向に反射光を取り出すことができ、透過光は入射光の光軸上で取り出すことができる。これにより、帯域Iの光を透過光として、帯域IIの光を反射光として別個に出力させることができる。こうした光学フィルタは例えば誘電体多層膜を用いて形成することができ、その膜構成を調整することによって帯域I、IIを適宜設定することができる。   In the spectroscopic device, monochromatic light having a desired wavelength can be obtained by using, for example, a diffraction grating. However, when a plurality of desired wavelength bands desired as outputs are determined in advance, particularly good spectral characteristics (split light) can be obtained by using a spectroscopic device configured by combining a plurality of optical filters (interference filters). Of the spectrum). FIG. 13 is a diagram schematically showing the characteristics of the optical filter used in this case. Here, it is assumed that incident light having the spectrum of (a) enters the optical filter. In this case, the spectrum of the transmitted light is a narrow band having a band (wavelength band) I as shown in FIG. In the interference filter, the absorption of light inside the filter can be reduced, and most of light having a wavelength other than this wavelength band (light in band II) is reflected. For this reason, the spectrum of the reflected light is only in the band II as shown in (c). If the optical axis of the incident light is an angle deviated from direct incidence (when the optical axis is perpendicular to the reflecting surface), the reflected light can be extracted in a direction different from the incident light, and the transmitted light is the optical axis of the incident light. Can be taken out above. Thereby, the light of the band I can be separately output as the transmitted light, and the light of the band II can be separately output as the reflected light. Such an optical filter can be formed using, for example, a dielectric multilayer film, and the bands I and II can be appropriately set by adjusting the film configuration.

こうした特性の光学フィルタを複数組み合わせ、多チャンネルの出力をする分光装置(ポリクロメータ)の構成は、例えば非特許文献1、特許文献1に記載されている。この分光装置90の構成を図14に模式的に示す。ここでは、出力光として、A〜Fのそれぞれの狭い帯域の6種類の光(チャンネルA〜Fの6チャンネルの出力)を得るものとする。このため、初めに入射する信号光の波長は帯域A〜Fを組み合わせた広い帯域にわたっているものとし、これを分光することによってチャンネルA〜Fの出力光が得られる。ここでは、このために6種類の光学フィルタ91a〜91fが使用されており、信号光100は初めに光学フィルタ91aに入射する。光学フィルタ91aからの反射光は光学フィルタ91bに、光学フィルタ91bからの反射光は光学フィルタ91cに、光学フィルタ91cからの反射光は光学フィルタ91dに、光学フィルタ91dからの反射光は光学フィルタ91eに入射する設定とされる。こうした構成は、図示されるように、光を直入射から所定の入射角(ここでは10°)だけ外れた角度でそれぞれの光学フィルタに入射させることによって実現が可能である。   A configuration of a spectroscopic device (polychromator) that combines a plurality of optical filters having such characteristics and outputs a multi-channel is described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, for example. The configuration of the spectroscopic device 90 is schematically shown in FIG. Here, it is assumed that six types of light in the narrow bands A to F (outputs of six channels A to F) are obtained as output light. For this reason, it is assumed that the wavelength of the signal light incident first is over a wide band obtained by combining the bands A to F, and the output lights of the channels A to F can be obtained by separating the wavelength. Here, six types of optical filters 91a to 91f are used for this purpose, and the signal light 100 first enters the optical filter 91a. The reflected light from the optical filter 91a is to the optical filter 91b, the reflected light from the optical filter 91b is to the optical filter 91c, the reflected light from the optical filter 91c is to the optical filter 91d, and the reflected light from the optical filter 91d is to the optical filter 91e. It is set to enter. As shown in the figure, such a configuration can be realized by making light enter each optical filter at an angle deviated from the direct incidence by a predetermined incident angle (here, 10 °).

ここで、光学フィルタ91aは帯域Aのみ、光学フィルタ91bは帯域Bのみ、光学フィルタ91cは帯域Cのみ、光学フィルタ91dは帯域Dのみ、光学フィルタ91eは帯域Eのみ、光学フィルタ91fは帯域Fのみ、をそれぞれ透過させる(それぞれの帯域を図13における帯域Iとする)ように設定すれば、各々の光学フィルタを透過後の光を、それぞれのチャンネルの出力光として得ることができる。すなわち、光学フィルタ91a〜91fの透過光をそれぞれ検出する検出器92a〜92fは、それぞれ帯域A〜Fの光を検出する。   Here, the optical filter 91a is only in the band A, the optical filter 91b is only in the band B, the optical filter 91c is only in the band C, the optical filter 91d is only in the band D, the optical filter 91e is only in the band E, and the optical filter 91f is only in the band F. , Are set so as to be transmitted (respective bands are assumed to be band I in FIG. 13), light after passing through the respective optical filters can be obtained as output light of the respective channels. That is, the detectors 92a to 92f that detect the transmitted light of the optical filters 91a to 91f detect the light in the bands A to F, respectively.

すなわち、光学フィルタを複数組み合わせた図14の構成の分光装置によって、多チャンネルの出力光を得ることができる。   That is, multichannel output light can be obtained by the spectroscopic device having the configuration of FIG. 14 in which a plurality of optical filters are combined.

国際公開公報WO2004/076997号公報International Publication No. WO2004 / 076997

「A Compact、 Low Cost、 Seven Channel Polychromator For Thomson Scattering Measurements」、T.N.Carlstrom、 J.C.DeBoo、 R.Evanko、 C.M.Greenfield、 C.L.Hsieh、 R.T.Snider、 and P.Trost、Review of Scientific Instruments、vol.61(10)、p2858(1990年)“A Compact, Low Cost, Seven Channel Polychromator for Thomson Scattering Measurements”, T.A. N. Carlstrom, J.M. C. DeBoo, R.A. Evanko, C.I. M.M. Greenfield, C.I. L. Hsieh, R.H. T.A. Snider, and P.M. Trost, Review of Scientific Instruments, vol. 61 (10), p2858 (1990)

しかしながら、実際に得られる光学フィルタの特性は図13に示した理想的なものとは異なる。例えば、図13(b)における帯域Iの波長の光の透過率は、実際には100%ではない。また、図13(c)における帯域IIの波長の光の反射率も、実際には100%ではない、あるいは、図13(b)における帯域IIの波長の光の透過率も厳密には零ではない。このため、複数の光学フィルタによる透過や反射を繰り返した場合には、光学フィルタによる信号光の損失が大きくなり、出力光の強度は大きく低下する。このため、図14の構成の場合には、チャンネルAの出力光(検出器92aが受ける光)の強度は比較的高くなるものの、下流側に向かうに従って、損失が大きくなる。最も下流側で取り出されるチャンネルFの出力光は、5回の反射、1回の透過を得ることになるために、その損失は最も大きい。こうした傾向は、チャンネルの数が増えるほど顕著になることは明らかである。   However, the characteristics of the optical filter actually obtained are different from the ideal one shown in FIG. For example, the transmittance of the light of the wavelength in the band I in FIG. 13B is not actually 100%. Further, the reflectance of the light of the wavelength of the band II in FIG. 13C is not actually 100%, or the transmittance of the light of the wavelength of the band II in FIG. Absent. For this reason, when transmission and reflection by a plurality of optical filters are repeated, the loss of signal light by the optical filters increases, and the intensity of the output light greatly decreases. For this reason, in the configuration of FIG. 14, the intensity of the output light of channel A (light received by the detector 92a) is relatively high, but the loss increases toward the downstream side. Since the output light of the channel F taken out on the most downstream side is obtained five times of reflection and one time of transmission, the loss is the largest. Obviously, this trend becomes more pronounced as the number of channels increases.

このように、チャンネルの数が多い場合においても、信号光に対する損失を小さく保つことのできる分光装置を得ることは困難であった。   As described above, even when the number of channels is large, it is difficult to obtain a spectroscopic device that can keep the loss of signal light small.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の分光装置は、信号光を、その光路上に設けた複数の光学フィルタにより分光し、それぞれ異なる波長帯域をもつ出力光を4つ以上のチャンネルに出力する分光装置であって、入射した光を、2つ以上の前記チャンネルにわたる波長帯域をもつ透過光と、当該透過光の波長帯域と異なる2つ以上の前記チャンネルにわたる波長帯域をもつ反射光と、に分光する第1の光学フィルタと、前記信号光から見て前記光路における前記第1の光学フィルタの下流側に、入射した光を、単一の前記チャンネルに対応する波長帯域をもつ透過光又は反射光に分光する第2の光学フィルタと、を具備することを特徴とする。
本発明の分光装置において、前記信号光の光軸が前記第1の光学フィルタに対して直入射から所定の入射角だけ外れた角度となるように設定されて前記信号光が前記第1の光学フィルタに入射し、光軸が直入射から所定の入射角だけ外れた角度となるように光が入射する設定とされた前記第2の光学フィルタが、前記第1の光学フィルタからの透過光、反射光のそれぞれに対して用いられたことを特徴とする。
本発明の分光装置は、前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が、0°よりも大きく15°以下であることを特徴とする。
本発明の分光装置は、前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が0°よりも大きく45°以下であり、前記信号光の発散角が0.5°以下であることを特徴とする。
本発明の分光装置は、前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び複数の前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が、それぞれ45°となるように設定され、平面視において、前記信号光が入力する方向と垂直な二方向、及び前記信号光が入射する方向と同一の方向に、それぞれ複数の前記各チャンネルの出力光が出力されることを特徴とする。
本発明の分光装置において、前記第1の光学フィルタ及び/又は前記第2の光学フィルタは、入射側の表面と、当該入射側の表面と平行でないように形成された出射側の表面と、を具備し、入射した光を、当該入射した光が前記入射側の表面で反射された第1の反射光、前記入射側の表面を透過した光が前記出射側の表面で反射された第2の反射光、及び前記入射側の表面を透過した光が更に前記出射側の表面を透過した透過光、の3つに分岐する、ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The spectroscopic device of the present invention is a spectroscopic device that splits signal light with a plurality of optical filters provided on the optical path thereof, and outputs output light having different wavelength bands to four or more channels. A first optical filter for splitting light into transmitted light having a wavelength band extending over two or more of the channels and reflected light having a wavelength band extending over two or more of the channels different from the wavelength band of the transmitted light; The second optical system that splits the incident light downstream of the first optical filter in the optical path with respect to the signal light into transmitted light or reflected light having a wavelength band corresponding to the single channel. And a filter.
In the spectroscopic device of the present invention, the signal light is set so that an optical axis of the signal light deviates from a direct incidence by a predetermined incident angle with respect to the first optical filter, and the signal light is the first optical filter. The second optical filter that is set to enter the filter so that the optical axis is at an angle deviated from the direct incident by a predetermined incident angle is transmitted light from the first optical filter, It is used for each reflected light.
In the spectroscopic device of the present invention, the incident angle of light incident on the first optical filter and the incident angle of light incident on the second optical filter are greater than 0 ° and not greater than 15 °. It is characterized by.
In the spectroscopic device of the present invention, the incident angle of light incident on the first optical filter and the incident angle of light incident on the second optical filter are greater than 0 ° and not greater than 45 °, The signal light has a divergence angle of 0.5 ° or less.
In the spectroscopic device of the present invention, the incident angle of the light incident on the first optical filter and the incident angle of the light incident on the plurality of second optical filters are each set to 45 °. In plan view, the output light of each of the plurality of channels is output in two directions perpendicular to the direction in which the signal light is input and in the same direction as the direction in which the signal light is incident. .
In the spectroscopic device of the present invention, the first optical filter and / or the second optical filter includes an incident-side surface and an exit-side surface formed so as not to be parallel to the incident-side surface. A first reflected light in which the incident light is reflected on the surface on the incident side, and a second light in which the light transmitted through the surface on the incident side is reflected on the surface on the output side. The reflected light and the light transmitted through the incident-side surface are further branched into three parts: transmitted light transmitted through the outgoing-side surface.

本発明は以上のように構成されているので、チャンネルの数が多い場合においても、信号光に対する損失を小さく保つことのできる分光装置を得ることができる。   Since the present invention is configured as described above, it is possible to obtain a spectroscopic device that can keep the loss of signal light small even when the number of channels is large.

本発明の実施の形態に係る分光装置の第1の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 1st example of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る分光装置の第1の例において用いられる第1の光学フィルタの透過スペクトル(a)、反射スペクトル(b)の一例である。It is an example of the transmission spectrum (a) and the reflection spectrum (b) of the 1st optical filter used in the 1st example of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る分光装置において用いられる6つの第2の光学フィルタの透過スペクトルの例である。It is an example of the transmission spectrum of six 2nd optical filters used in the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る分光装置の第2の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd example of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 最大で必要となる透過・反射の総回数のチャンネル数依存性を、本発明の実施の形態に係る分光装置と、従来の分光装置とで比較した結果である。This is a result of comparing the channel number dependency of the total number of transmission / reflection required at maximum between the spectroscopic device according to the embodiment of the present invention and a conventional spectroscopic device. 本発明の実施の形態に係る分光装置の第3の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 3rd example of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 入射角の設定値を45°とした場合における広い透過帯域をもつ光学フィルタにおける透過スペクトルを、2種類の発散角(0°、4°)で算出した結果である。It is the result of calculating the transmission spectrum in an optical filter having a wide transmission band when the set value of the incident angle is 45 ° with two types of divergence angles (0 °, 4 °). 入射角の設定値を45°とした場合における狭い透過帯域をもつ光学フィルタのランダム偏光に対する透過スペクトルを、p偏光、s偏光、ランダム偏光の3種類について算出した結果である。It is the result of having calculated the transmission spectrum with respect to the random polarization | polarized-light of the optical filter with a narrow transmission band when the setting value of an incident angle is 45 degrees about three types, p polarized light, s polarized light, and random polarized light. 入射角の設定値を45°とした場合における狭い透過帯域をもつ光学フィルタのランダム偏光に対する透過スペクトルを、発散角0°、2°、4°の3種類について算出した結果である。It is the result of having calculated the transmission spectrum with respect to the random polarization | polarized-light of the optical filter with a narrow transmission band when the setting value of an incident angle is 45 degrees about three types of divergence angles 0 degree, 2 degrees, and 4 degrees. 入射角の設定値を10°とした場合における狭い透過帯域をもつ光学フィルタのランダム偏光に対する透過スペクトルを、発散角0°、4°の2種類について算出した結果である。It is the result of having calculated the transmission spectrum with respect to the random polarization | polarized-light of the optical filter with a narrow transmission band when the setting value of an incident angle is 10 degrees about two types of divergence angles of 0 degrees and 4 degrees. 入射光を3分岐する3分岐光学フィルタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 3 branch optical filter which branches incident light into 3 parts. 本発明の実施の形態に係る分光装置の第4の例(入射光を3分岐する光学フィルタを用いた例)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 4th example (example using the optical filter which branches 3 incident light) of the spectrometer which concerns on embodiment of this invention. 光学フィルタにおける入射光のスペクトルと、透過スペクトル、反射スペクトルとの関係を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the relationship between the spectrum of the incident light in an optical filter, a transmission spectrum, and a reflection spectrum. 従来の分光装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional spectroscopy apparatus.

以下、本発明の実施の形態に係る分光装置について説明する。この分光装置は、複数の光学フィルタを用いて信号光を分光することによって、4つ以上のチャンネルの出力を行う。ここで用いられる光学フィルタとしては、図13における帯域I、IIをそれぞれ複数のチャンネルにわたる帯域とした第1の光学フィルタと、図13における帯域I又はIIを単一のチャンネルに対応する帯域とした第2の光学フィルタと、が用いられる。第2の光学フィルタは、光路における信号光から見て第1の光学フィルタの下流側に設けられる。すなわち、第1の光学フィルタの反射光、透過光が第2の光学フィルタに入射して分光される設定とされる。   Hereinafter, a spectroscopic device according to an embodiment of the present invention will be described. This spectroscopic device outputs four or more channels by dispersing signal light using a plurality of optical filters. The optical filter used here is a first optical filter in which bands I and II in FIG. 13 are bands extending over a plurality of channels, respectively, and band I or II in FIG. 13 is a band corresponding to a single channel. And a second optical filter. The second optical filter is provided on the downstream side of the first optical filter when viewed from the signal light in the optical path. That is, the setting is such that the reflected light and transmitted light of the first optical filter enter the second optical filter and are dispersed.

図1は、この分光装置10(第1の例)の構成を示す図である。この分光装置10においては、光源11(例えば光ファイバ)から広い波長帯域をもつ信号光100が発せられる。この分光装置10の出力は6チャンネル(チャンネルA〜F)であり、各々の波長帯域はA〜F(帯域の中心波長はA<B<C<D<E<Fとする)とされた狭い波長帯域とし、各波長帯域には重複がないものとする。信号光100は、帯域A〜Fの全てを含む広い波長帯域をもつものとする。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the spectroscopic device 10 (first example). In the spectroscopic device 10, signal light 100 having a wide wavelength band is emitted from a light source 11 (for example, an optical fiber). The output of the spectroscopic apparatus 10 is 6 channels (channels A to F), and each wavelength band is A to F (the center wavelength of the band is A <B <C <D <E <F) and narrow. It is assumed that each wavelength band is not overlapped. The signal light 100 has a wide wavelength band including all of the bands A to F.

この信号光100は、まず収斂レンズ12に入射し、絞り13を通過することによって図1に示される発散角θが小さくなるように調整される。その後、この光の光軸が直入射から所定の入射角だけ外れた角度となるように、光学フィルタ(第1の光学フィルタ)14に入射する。ここではこの入射角は10°とする。   The signal light 100 first enters the converging lens 12 and is adjusted so that the divergence angle θ shown in FIG. Thereafter, the light is incident on the optical filter (first optical filter) 14 so that the optical axis of the light deviates from the direct incidence by a predetermined incident angle. Here, the incident angle is 10 °.

光学フィルタ14は、図13と同様の透過・反射特性をもつが、この際に、帯域ABCを透過させ、帯域DEFを反射させるものとする。すなわち、図13における帯域Iが帯域A、B、Cを組み合わせた帯域、図13における帯域IIが帯域D、E、Fを組み合わせた帯域となるように設定される。反射光は入射光の光軸に対して入射角と等しい反射角をもって反対側に反射される。ただし、ここでいう入射角は、入射光の光軸と光学フィルタ14の表面の法線のなす角度の設定値である。実際には入射光は平行光ではなく、ある発散角θをもって光学フィルタ14に入射するため、厳密には光学フィルタ14に入射する光線の入射角・反射角には分布がある。この点については後述するが、少なくとも発散角θが小さい場合には図1のように光路を単純化して考えることができる。   The optical filter 14 has the same transmission / reflection characteristics as in FIG. 13, but at this time, the band ABC is transmitted and the band DEF is reflected. That is, the band I in FIG. 13 is set to be a band that combines bands A, B, and C, and the band II in FIG. 13 is a band that combines bands D, E, and F. The reflected light is reflected to the opposite side with a reflection angle equal to the incident angle with respect to the optical axis of the incident light. However, the incident angle here is a set value of an angle formed by the optical axis of the incident light and the normal line of the surface of the optical filter 14. Actually, the incident light is not parallel light but is incident on the optical filter 14 with a certain divergence angle θ. Strictly speaking, there is a distribution in the incident angle and reflection angle of the light incident on the optical filter 14. Although this point will be described later, at least when the divergence angle θ is small, the optical path can be simplified as shown in FIG.

このため、光学フィルタ14を透過した光の波長帯域はABCとなって図中右側に進行する。一方、光学フィルタ14で反射された波長帯域DEFの光は図中の左下側に進行する。以降では、この透過光(帯域ABC)と反射光(帯域DEF)の光に対して、それぞれ図14と同様の構成が用いられる。ここでは、単一のチャンネルに対応する波長帯域のみを透過させる第2の光学フィルタが用いられる。   For this reason, the wavelength band of the light transmitted through the optical filter 14 becomes ABC and proceeds to the right side in the figure. On the other hand, the light in the wavelength band DEF reflected by the optical filter 14 travels to the lower left side in the figure. Hereinafter, the same configuration as that of FIG. 14 is used for the transmitted light (band ABC) and the reflected light (band DEF). Here, a second optical filter that transmits only a wavelength band corresponding to a single channel is used.

すなわち、光学フィルタ14の透過光(波長帯域ABC)は、まず帯域Cのみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15cに入射する。光学フィルタ15cからの反射光は、帯域Bのみを透過させる光学フィルタ15b(第2の光学フィルタ)に入射する。光学フィルタ15bからの反射光は、帯域Aのみを透過させる光学フィルタ15a(第2の光学フィルタ)に入射する。   That is, the transmitted light (wavelength band ABC) of the optical filter 14 first enters the optical filter (second optical filter) 15c that transmits only the band C. The reflected light from the optical filter 15c enters the optical filter 15b (second optical filter) that transmits only the band B. The reflected light from the optical filter 15b enters the optical filter 15a (second optical filter) that transmits only the band A.

同様に、光学フィルタ14からの反射光(波長帯域DEF)は、まず帯域Dのみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15dに入射する。光学フィルタ15dからの反射光は、帯域Eのみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15eに入射する。光学フィルタ15eからの反射光は、帯域Fのみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15fに入射する。   Similarly, the reflected light (wavelength band DEF) from the optical filter 14 first enters an optical filter (second optical filter) 15d that transmits only the band D. The reflected light from the optical filter 15d enters an optical filter (second optical filter) 15e that transmits only the band E. The reflected light from the optical filter 15e is incident on an optical filter (second optical filter) 15f that transmits only the band F.

なお、光線が各光学フィルタ15a〜15fに入射する入射角は、光学フィルタ14における場合と同様とする。また、光学フィルタを含む図1の構成要素の全てを、突起や溝等を用いた位置決め機構を用いて共通のマウントに対して固定することができる。これによって、相互の位置関係の精度が保たれ、かつこれらの構成要素の保守、交換等を容易に行うことができる。   The incident angle at which light rays enter each of the optical filters 15 a to 15 f is the same as that in the optical filter 14. Further, all of the components shown in FIG. 1 including the optical filter can be fixed to a common mount by using a positioning mechanism using protrusions, grooves, or the like. As a result, the accuracy of the mutual positional relationship can be maintained, and maintenance and replacement of these components can be easily performed.

図2(a)は、光学フィルタ14の透過スペクトルの一例(a)であり、図2(b)は反射スペクトルの一例(b)である。これに対して、図3(a)は光学フィルタ15aの透過スペクトル(帯域Aに対応)の一例、図3(b)は光学フィルタ15bの透過スペクトル(帯域Bに対応)の一例、図3(c)は光学フィルタ15cの透過スペクトル(帯域Cに対応)の一例、図3(d)は光学フィルタ15dの透過スペクトル(帯域Dに対応)の一例、図3(e)は光学フィルタ15eの透過スペクトル(帯域Eに対応)の一例、図3(f)は光学フィルタ15fの透過スペクトル(帯域Fに対応)の一例を、それぞれ示す。干渉フィルタにおいては、使用する多層膜の構成等を調整することによって、このような設定が可能である。   2A is an example (a) of the transmission spectrum of the optical filter 14, and FIG. 2B is an example (b) of the reflection spectrum. 3A is an example of a transmission spectrum (corresponding to the band A) of the optical filter 15a, FIG. 3B is an example of a transmission spectrum of the optical filter 15b (corresponding to the band B), and FIG. c) is an example of a transmission spectrum (corresponding to the band C) of the optical filter 15c, FIG. 3 (d) is an example of a transmission spectrum of the optical filter 15d (corresponding to the band D), and FIG. 3 (e) is a transmission of the optical filter 15e. An example of the spectrum (corresponding to the band E) and FIG. 3F show an example of the transmission spectrum (corresponding to the band F) of the optical filter 15f. In the interference filter, such setting is possible by adjusting the configuration of the multilayer film to be used.

光学フィルタ15a〜15fのそれぞれの透過光は、集光レンズ16a〜16fをそれぞれ通過することによって、それぞれ検出器17a〜17fの検出面で集光され、検出される。検出器17a〜17fは、それぞれ帯域A〜Fの光を検出する。すなわち、この分光装置10は、入力された帯域ABCDEFの光を、波長帯域A〜Fの出力光として6チャンネルの出力を行う。なお、光線が各光学フィルタ15a〜15fに入射する入射角を光学フィルタ14における場合と同様としているため、各チャンネルの出力を、それぞれ異なる場所(検出器17a〜17fの場所)で得ることができる。   The transmitted light of each of the optical filters 15a to 15f passes through the condenser lenses 16a to 16f, and is collected and detected on the detection surfaces of the detectors 17a to 17f, respectively. Detectors 17a to 17f detect light in bands A to F, respectively. That is, the spectroscopic device 10 outputs six channels using the input light in the band ABCDEF as output light in the wavelength bands A to F. Since the incident angle at which the light beam enters each of the optical filters 15a to 15f is the same as that in the optical filter 14, the output of each channel can be obtained at different locations (locations of the detectors 17a to 17f). .

なお、図1において、光学フィルタ15bからの反射光のスペクトルが既に帯域Aをもつ出力光として所望のスペクトルをもつものであれば、光学フィルタ15aは不要である。この点については、光学フィルタ15f、あるいは従来の構成である図14における光学フィルタ91fについても同様である。   In FIG. 1, the optical filter 15a is not necessary if the spectrum of the reflected light from the optical filter 15b already has a desired spectrum as output light having the band A. This also applies to the optical filter 15f or the conventional optical filter 91f in FIG.

この構成において用いられる第2の光学フィルタ15a〜15fと、従来の構成である図14の構成において用いられる光学フィルタ91a〜91fとは、それぞれ同一の機能をもつ。ここで、図14の構成において最も下流側にあり最も多くの透過・反射を経るチャンネルFの光は、光学フィルタ91a、91b、91c、91d、91eによる5回の反射と、光学フィルタ91fによる1回の透過を経る。すなわち、最下流で取り出されるチャンネルFの光に対する透過・反射の総回数は、チャンネル総数と同じ6回となる。チャンネルFは、図14の構成においては最も損失の大きなチャンネルとなる。   The second optical filters 15a to 15f used in this configuration and the optical filters 91a to 91f used in the conventional configuration of FIG. 14 have the same functions. Here, the light of the channel F which is the most downstream side in the configuration of FIG. 14 and undergoes the most transmission / reflection is reflected five times by the optical filters 91a, 91b, 91c, 91d and 91e, and 1 by the optical filter 91f. Through the transmission of times. That is, the total number of transmissions / reflections for the light of the channel F taken out at the most downstream is 6 times the total number of channels. The channel F is the channel with the greatest loss in the configuration of FIG.

一方、図1の構成において、最も透過・反射の総回数が多いのはチャンネルA、Fである。チャンネルFの光は、光学フィルタ(第1の光学フィルタ)14、光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15d、15eによる3回の反射と、光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15fによる1回の透過を経る。すなわち、チャンネルFの光に対する透過・反射の総回数は4回となる。同様に、チャンネルAの光は、光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15c、15dによる2回の反射と、光学フィルタ(第1の光学フィルタ)14、光学フィルタ(第2の光学フィルタ)15aによる2回の透過を経るため、チャンネルAの光に対する透過・反射の総回数も4回となる。このため、図1の構成においては、同じ6チャンネルの出力を得る際に、従来の構成である図14の構成と比べて、最下流側で出力されるチャンネルの出力光における透過・反射の総回数を減らすことができ、損失を低減することができる。   On the other hand, in the configuration of FIG. 1, channels A and F have the largest total number of transmissions and reflections. The light of the channel F is reflected three times by the optical filter (first optical filter) 14, the optical filters (second optical filter) 15d and 15e, and once by the optical filter (second optical filter) 15f. Through transmission. That is, the total number of transmissions / reflections for the light of the channel F is four. Similarly, the light of channel A is reflected twice by the optical filters (second optical filters) 15c and 15d, and by the optical filter (first optical filter) 14 and optical filter (second optical filter) 15a. Since the transmission is performed twice, the total number of transmissions / reflections for the light of channel A is four. For this reason, in the configuration of FIG. 1, when obtaining the same 6-channel output, the total transmission / reflection in the output light of the channel output on the most downstream side is compared with the configuration of FIG. The number of times can be reduced, and loss can be reduced.

図1の構成においては、複数のチャンネルにわたる透過帯域、及びこれと異なる複数のチャンネルにわたる反射帯域をもつ第1の光学フィルタ14を用い、この光学フィルタ14で分岐された2つの光線(透過光、反射光)を、その下流に設けられそれぞれ単一のチャンネルに対応する透過帯域をもつ第2の光学フィルタ15a〜15fを用いて分光している。これによって、最下流側で出力されるチャンネルの出力光における透過・反射の総回数を減らしている。   In the configuration of FIG. 1, a first optical filter 14 having a transmission band over a plurality of channels and a reflection band over a plurality of different channels is used, and two light beams (transmission light, The reflected light is dispersed using second optical filters 15a to 15f that are provided downstream thereof and each have a transmission band corresponding to a single channel. This reduces the total number of transmissions / reflections in the output light of the channel output on the most downstream side.

図1の分光装置10は6チャンネルの出力をもつが、上記の効果は、出力のチャンネル数が多い場合に、より顕著となる。図1の場合には、複数のチャンネルにわたる透過帯域、反射帯域をもつ第1の光学フィルタ(光学フィルタ14)は一つだけ用いられていたのに対し、第1の光学フィルタを多数用いることもできる。図4は、18チャンネル(A〜R)の出力をもつ分光装置20(第2の例)の構成の一例である。なお、ここでは、単純化のために収斂レンズ、絞り、各集光レンズの記載は省略している。また、各光学フィルタに対する光の入射角の設定値は図1の場合と同様に10°であるものとする。   Although the spectroscopic device 10 of FIG. 1 has an output of 6 channels, the above effect becomes more prominent when the number of output channels is large. In the case of FIG. 1, only one first optical filter (optical filter 14) having a transmission band and a reflection band over a plurality of channels is used, but many first optical filters may be used. it can. FIG. 4 shows an example of the configuration of the spectroscopic device 20 (second example) having outputs of 18 channels (A to R). Here, for the sake of simplicity, the description of the converging lens, the diaphragm, and each condenser lens is omitted. Further, it is assumed that the setting value of the incident angle of light with respect to each optical filter is 10 ° as in the case of FIG.

この構成においては、複数のチャンネルにわたる透過帯域、及びこれと異なる複数のチャンネルにわたる反射帯域をもつ光学フィルタ(第1の光学フィルタ)21a〜21hが用いられている。前記と同様に入射光の波長帯域をABCDEFGHIJKLMNOPQRと表示すると、これが初めに入射する光学フィルタ21aはIJKLMNOPQRを透過させ、ABCDEFGHを反射する。また、光学フィルタ21bはABCDEFGHのうちEFGHを透過させABCDを反射する。光学フィルタ21cはEFGHのうちEFを透過させGHを反射する。光学フィルタ21dはABCDのうちABを透過させCDを反射する。光学フィルタ21eはIJKLMNOPQRのうちOPQRを透過させIJKLMNを反射する。光学フィルタ21fはIJKLMNのうちKLMNを透過させIJを反射する。光学フィルタ21gはKLMNのうちKLを透過させMNを反射する。光学フィルタ21hはOPQRのうちQRを透過させOPを反射する。   In this configuration, optical filters (first optical filters) 21a to 21h having a transmission band over a plurality of channels and a reflection band over a plurality of different channels are used. Similarly to the above, when the wavelength band of incident light is represented as ABCDEFGHIJKLMNOPQR, the optical filter 21a that first enters this transmits IJKLMNOPQR and reflects ABCDEFGH. The optical filter 21b transmits EFGH out of ABCDEFGH and reflects ABCD. The optical filter 21c transmits EF out of EFGH and reflects GH. The optical filter 21d transmits AB of ABCD and reflects CD. The optical filter 21e transmits OPQR of IJKLMNOPQR and reflects IJKLMN. The optical filter 21f transmits KLMN out of IJKLMN and reflects IJ. The optical filter 21g transmits KL out of KLMN and reflects MN. The optical filter 21h transmits QR of OPQR and reflects OP.

また、図14に記載の光学フィルタと同様に単一のチャンネルに対応する帯域のみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)22a〜22iも用いられている。光学フィルタ22aは、ABのうちAのみを透過させBを反射する。光学フィルタ22bは、CDのうちDのみを透過させCを反射する。光学フィルタ22cは、EFのうちEのみを透過させFを反射する。光学フィルタ22dは、GHのうちGのみを透過させHを反射する。光学フィルタ22eは、IJのうちIのみを透過させJを反射する。光学フィルタ22fは、KLのうちKのみを透過させLを反射する。光学フィルタ22gは、MNのうちMのみを透過させNを反射する。光学フィルタ22hは、OPのうちOのみを透過させPを反射する。光学フィルタ22iは、QRのうちQのみを透過させRを反射する。   Similarly to the optical filter described in FIG. 14, optical filters (second optical filters) 22a to 22i that transmit only a band corresponding to a single channel are also used. The optical filter 22a transmits only A of AB and reflects B. The optical filter 22b transmits only D of the CD and reflects C. The optical filter 22c transmits only E of EF and reflects F. The optical filter 22d transmits only G of GH and reflects H. The optical filter 22e transmits only I out of IJ and reflects J. The optical filter 22f transmits only K of KL and reflects L. The optical filter 22g transmits only M of MN and reflects N. The optical filter 22h transmits only O of OP and reflects P. The optical filter 22i transmits only Q of the QR and reflects R.

この構成により、検出器23a〜23rの場所においては、それぞれ帯域A〜Rの18チャンネルの出力光が得られる。この構成においては、チャンネルK、L、M、Nに対する透過・反射の総回数が5回であり、他のチャンネルに対しては4回となっている。一方、同様に18チャンネルの出力を図14の構成で得るためには、最下流のチャンネルに対する透過・反射の総回数は、チャンネル数と同じ18回となる。すなわち、図1の構成と比べて、チャンネルの数が多い図4の構成においては、その効果がより大きい。   With this configuration, 18 channels of output light in the bands A to R are obtained at the locations of the detectors 23a to 23r, respectively. In this configuration, the total number of transmissions / reflections for the channels K, L, M, and N is five, and four for the other channels. On the other hand, in order to obtain the output of 18 channels with the configuration of FIG. 14 as well, the total number of transmissions / reflections for the most downstream channel is 18 times the number of channels. That is, the effect of the configuration of FIG. 4 having a larger number of channels is greater than that of the configuration of FIG.

図5は、図14の構成のように単一のチャンネルに対応する透過帯域をもつ光学フィルタ(第2の光学フィルタに対応)のみを用いた場合と、図1、4の構成のように第1の光学フィルタと第2の光学フィルタを組み合わせた場合において、必要となる透過・反射の総回数と、チャンネル数の関係を示す。このように、チャンネル数が多くなるほど、第1の光学フィルタと第2の光学フィルタを組み合わせた場合の効果が大きくなる。第1の光学フィルタと第2の光学フィルタを組み合わせた場合における透過・反射の総回数は、チャンネル数をnとするとlog(n)程度となる。このため、上記の構成を用いることにより、透過・反射の総回数を少なくすることができ、信号光に対する損失を小さくして出力光を得ることができる。この効果はチャンネル数が多いほど顕著である。 FIG. 5 shows a case where only an optical filter having a transmission band corresponding to a single channel (corresponding to the second optical filter) is used as in the configuration of FIG. The relationship between the total number of transmission / reflection required and the number of channels in the case of combining the first optical filter and the second optical filter is shown. Thus, as the number of channels increases, the effect of combining the first optical filter and the second optical filter increases. When the first optical filter and the second optical filter are combined, the total number of transmission / reflection is about log 2 (n), where n is the number of channels. Therefore, by using the above configuration, the total number of transmissions and reflections can be reduced, and the output light can be obtained while reducing the loss with respect to the signal light. This effect becomes more prominent as the number of channels increases.

なお、図1、4の構成においては、各光学フィルタに対する光線の入射角を10°に設定していたが、この角度を小さくすることによって、その光路に沿った複数の箇所の近辺において、各チャンネルの出力を得ることができる。ただし、入射角が零(直入射)に近くなる場合には、入射光の光軸と反射光の光軸が重複して光路の確保や出力光の取り出しが困難となる。このため、入射角は零でない範囲で適宜設定される。   In the configuration of FIGS. 1 and 4, the incident angle of the light beam with respect to each optical filter is set to 10 °, but by reducing this angle, each of the optical filters near each of a plurality of locations along the optical path. Channel output can be obtained. However, when the incident angle is close to zero (direct incidence), the optical axis of the incident light and the optical axis of the reflected light overlap, making it difficult to secure an optical path and take out output light. For this reason, the incident angle is appropriately set within a non-zero range.

この入射角の設定値を45°とした16チャンネル(A〜P)の分光装置30(第3の例)の構成を図6に示す。この構成においては、複数のチャンネルにわたる透過帯域と反射帯域をもつ光学フィルタ(第1の光学フィルタ)31a〜31gと、単一のチャンネルに対応する帯域のみを透過させる光学フィルタ(第2の光学フィルタ)32a〜32hが使用されている。各光学フィルタの機能の説明は省略する。各チャンネルの出力先に検出器33a〜33pが配置される。   FIG. 6 shows the configuration of a 16-channel (A to P) spectroscopic device 30 (third example) in which the setting value of the incident angle is 45 °. In this configuration, optical filters (first optical filters) 31a to 31g having a transmission band and a reflection band over a plurality of channels, and an optical filter (second optical filter) that transmits only a band corresponding to a single channel. ) 32a to 32h are used. A description of the function of each optical filter is omitted. Detectors 33a to 33p are arranged at the output destination of each channel.

この構成においては、分光装置30内の各光路は格子を形成するように直交し、検出器33a〜33pは矩形形状の辺上に配置することができる。この際、平面視において、信号光100が入力する方向と垂直な二方向(図中の上下方向)、及び信号光100が入射する方向と同一の方向(図中の右方向)に、それぞれ複数のチャンネルの出力光が出力される。このため、分光装置30全体を小型化した上で、各チャンネルの出力を取り出すことが特に容易となる。   In this configuration, the optical paths in the spectroscopic device 30 are orthogonal to form a grating, and the detectors 33a to 33p can be arranged on rectangular sides. At this time, in plan view, there are a plurality of each in two directions perpendicular to the direction in which the signal light 100 is input (up and down direction in the figure) and the same direction as the direction in which the signal light 100 is incident (right direction in the figure) The output light of the channels is output. For this reason, it is particularly easy to take out the output of each channel after downsizing the entire spectroscopic device 30.

なお、上記の例においては、第2の光学フィルタからの透過光及び反射光はそれぞれ異なる単一のチャンネルに対応する波長帯域をもつものとしたが、透過光、反射光のうちの一方のみが単一のチャンネルに対応する波長帯域をもつ構成としても、同様に分光装置を構成することができることは明らかである。   In the above example, the transmitted light and reflected light from the second optical filter have wavelength bands corresponding to different single channels, but only one of the transmitted light and reflected light is transmitted. It is obvious that the spectroscopic device can be configured similarly even with a configuration having a wavelength band corresponding to a single channel.

次に、図1、4、6の構成における入射光の発散角(あるいは広がり角:図1におけるθ)の設定について説明する。各光学フィルタの透過・反射スペクトルには、光の入射角度依存性が存在する。これに対して、発散角が零でない場合、すなわち厳密な平行光でない場合には、各光学フィルタに対する光の入射角度にも分布が生じる。このため、分光装置における高い波長分解能を得るためには、発散角を0°に近づけることが好ましいことは明らかである。しかしながら、発光点から信号光100が発せられる際の発散角は、様々な要因で定まる。この発散角を定める要因の指数として、例えばこの際の発散角と発光点の大きさの積を考えることができ、この値が光学系内で保存される。ここで、例えば結像光学系のF値を小さくして信号光100の強度を高めることができるが、この場合には発散角は大きくなるため、これを平行光に近づけるためには、大型のレンズが必要となる。また、例えば複数の素線からなるバンドルファイバを用いて発光点を大きくして強度を高めることもできるが、この場合においても、発散角を小さくするためには、焦点距離の長い大型のレンズが必要になる。このため、信号光100の強度を高くしてかつ発散角を小さくするためには、大型のレンズを用いた大型の光学系が必要になる。このために、発散角が0°でない場合においても充分な特性が得られることが好ましい。この発散角が分光特性に及ぼす影響は、入射角の設定値によって異なる。   Next, the setting of the divergence angle (or divergence angle: θ in FIG. 1) of incident light in the configuration of FIGS. The transmission / reflection spectrum of each optical filter is dependent on the incident angle of light. On the other hand, when the divergence angle is not zero, that is, when the light is not strictly parallel light, a distribution also occurs in the incident angle of light with respect to each optical filter. For this reason, it is clear that the divergence angle is preferably close to 0 ° in order to obtain high wavelength resolution in the spectroscopic device. However, the divergence angle when the signal light 100 is emitted from the light emitting point is determined by various factors. As an index of the factor that determines the divergence angle, for example, the product of the divergence angle and the size of the light emitting point at this time can be considered, and this value is stored in the optical system. Here, for example, the F value of the imaging optical system can be reduced to increase the intensity of the signal light 100. In this case, however, the divergence angle increases, and in order to make this close to parallel light, a large size is required. A lens is required. In addition, for example, a bundle fiber composed of a plurality of strands can be used to increase the emission point to increase the intensity, but in this case as well, in order to reduce the divergence angle, a large lens with a long focal length is used. I need it. For this reason, in order to increase the intensity of the signal light 100 and reduce the divergence angle, a large optical system using a large lens is required. For this reason, it is preferable that sufficient characteristics can be obtained even when the divergence angle is not 0 °. The influence of the divergence angle on the spectral characteristics varies depending on the setting value of the incident angle.

図7は、入射角の設定値が45°の場合(図6の構成)における、平行光(θ=0°)とθ=4°の光に対する光学フィルタ14の透過スペクトルを示す。ここで、透過帯域としては、500nm〜640nm程度の広い波長域を設定している。ここでは入射光の偏向方向による有意な差はないため、この結果においては偏光方向は任意である。このグラフにおいては、θ=0°とθ=4°のデータがほぼ重複している。このため、このような広い透過帯域をもつ光学フィルタに対しては、発散角θを4°とした場合でも、実質的にはθが0°である場合と同等の特性が得られる。   FIG. 7 shows the transmission spectrum of the optical filter 14 for parallel light (θ = 0 °) and light of θ = 4 ° when the incident angle setting value is 45 ° (configuration of FIG. 6). Here, as the transmission band, a wide wavelength range of about 500 nm to 640 nm is set. Here, since there is no significant difference depending on the deflection direction of the incident light, the polarization direction is arbitrary in this result. In this graph, the data of θ = 0 ° and θ = 4 ° substantially overlap. Therefore, for such an optical filter having a wide transmission band, even when the divergence angle θ is set to 4 °, substantially the same characteristics as when θ is 0 ° are obtained.

一方、透過帯域を狭くした場合には、まず、入射光の偏光の影響が大きくなる。図8は、入射角の設定値を45°、透過のピーク波長を1050nmとした挟帯域の光学フィルタをp偏光(電場ベクトルが入射面内で振動する偏光)に対して最適化した場合における透過スペクトルの一例である。この場合、s偏光(電場ベクトルが入射面と垂直な方向に振動する)の光の透過率は零となり、これらが混合したランダム偏光の場合には、その透過率はp偏光の半分となる。   On the other hand, when the transmission band is narrowed, first, the influence of the polarization of incident light increases. FIG. 8 shows the transmission when the narrow band optical filter with the incident angle set value of 45 ° and the transmission peak wavelength of 1050 nm is optimized for p-polarized light (polarized light whose electric field vector vibrates in the incident plane). It is an example of a spectrum. In this case, the transmittance of light of s-polarized light (the electric field vector vibrates in the direction perpendicular to the incident surface) is zero, and in the case of random polarized light mixed with these, the transmittance is half that of p-polarized light.

一方、入射角の設定値を45°とし、発散角θ=0°(平行光)、2°、4°とした場合における透過スペクトルの一例を図9に示す。ここでは、図8とは逆に、偏光依存性が最も小さくなるように最適化されており、偏光依存性は無視できる。この結果より、発散角が大きくなるに従って透過率が減少し、かつスペクトルの広がりが大きくなる。このため、入射角の設定値を45°とした場合には、出力光の強度を高くし、かつ高い波長分解能を得るためには、発散角を零に近くする、すなわち平行光に近づけることが必要である。具体的には発散角は、0.5°以下が好ましく、より好ましくは0.2°以下とすることがより好ましい。なお、図8の結果より、予め信号光100の偏向方向が定まっている場合には、これに応じて各光学フィルタを最適化することが可能である。   On the other hand, FIG. 9 shows an example of a transmission spectrum when the set value of the incident angle is 45 °, and the divergence angle θ = 0 ° (parallel light), 2 °, and 4 °. Here, contrary to FIG. 8, the polarization dependence is optimized so as to be minimized, and the polarization dependence can be ignored. From this result, as the divergence angle increases, the transmittance decreases and the spread of the spectrum increases. For this reason, when the set value of the incident angle is 45 °, in order to increase the intensity of the output light and obtain a high wavelength resolution, the divergence angle may be close to zero, that is, close to parallel light. is necessary. Specifically, the divergence angle is preferably 0.5 ° or less, more preferably 0.2 ° or less. If the deflection direction of the signal light 100 is determined in advance from the results shown in FIG. 8, each optical filter can be optimized accordingly.

一方、図10は、入射角の設定値を10°とした場合における図9と同様の特性を、θ=0°、4°の場合において示す。この場合には、両者はほぼ重なっており、発散角θが4°でも平行光と同等の特性が得られている。このため、入射角の設定値が小さな場合には、入射角の設定値が大きな場合と比べて、より発散角の大きな状態で使用しても、出力光の強度を高く、かつ波長分解能を高くすることができる。このため、発散角を0°に近づけることが困難な場合において高い波長分解能を得るためには、入射角の設定値を15°以下とすることが好ましく、10°以下とすることがより好ましい。   On the other hand, FIG. 10 shows the same characteristics as FIG. 9 when the set value of the incident angle is 10 ° in the case of θ = 0 ° and 4 °. In this case, the two are almost overlapped, and a characteristic equivalent to that of parallel light is obtained even when the divergence angle θ is 4 °. For this reason, when the setting value of the incident angle is small, the intensity of the output light is high and the wavelength resolution is high even when used with a larger divergence angle than when the setting value of the incident angle is large. can do. For this reason, in order to obtain high wavelength resolution when it is difficult to make the divergence angle close to 0 °, the setting value of the incident angle is preferably 15 ° or less, and more preferably 10 ° or less.

次に、上記の分光装置の変形例について説明する。上記の分光装置10、20において用いられた光学フィルタは、いずれも入射光を透過光と反射光の2つに分岐していた。しかしながら、一つの光学フィルタを用いて、透過光と2つの反射光に入射光を分岐(3分岐)することも可能である。図11は、この3分岐光学フィルタ(光学フィルタ)40の断面及びこれを用いた場合の入射光、透過光、反射光の経路を示す図である。   Next, a modified example of the spectroscopic device will be described. In any of the optical filters used in the spectroscopic devices 10 and 20 described above, incident light is branched into transmitted light and reflected light. However, it is also possible to branch (three branches) incident light into transmitted light and two reflected lights using one optical filter. FIG. 11 is a diagram showing a cross section of the three-branch optical filter (optical filter) 40 and paths of incident light, transmitted light, and reflected light when this is used.

この3分岐光学フィルタ40における光の上流側(左側)の表面と下流側(右側)の表面は平行とされておらず、その断面は図示されるような台形形状とされる。このため、入射光200は、上流側面(入射側の表面)41で反射され第1の反射光201が生成される。また、上流側面41で反射されなかった光線は3分岐光学フィルタ40の内部を通過し、下流側面(出射側の表面)42に達し、ここで再び反射され第2の反射光202が生成される。ここでも反射されなかった光は透過光203となる。この設定においては、上流側面41の法線の光軸に対する角度、及び下流側面42の法線の光軸に対する角度をφとした場合、上流側面41、下流側面42のどちらに対しても入射角はφとなり、第1の反射光201と入射光200の光軸との間の角度、第2の反射光202と入射光200の光軸との間の角度は共に2φとなる。第1の反射光201と第2の反射光202とはそれぞれ入射光200の光軸に対して同じ角度で逆向きに反射される。   The upstream (left side) surface and downstream (right side) surface of light in the three-branch optical filter 40 are not parallel, and the cross-section thereof is trapezoidal as shown. For this reason, the incident light 200 is reflected by the upstream side surface (incident side surface) 41 and the first reflected light 201 is generated. In addition, the light beam that has not been reflected by the upstream side surface 41 passes through the inside of the three-branch optical filter 40 and reaches the downstream side surface (surface on the emission side) 42 where it is reflected again to generate the second reflected light 202. . Here too, the light that has not been reflected becomes transmitted light 203. In this setting, when the angle of the normal line of the upstream side surface 41 with respect to the optical axis and the angle of the normal line of the downstream side surface 42 with respect to the optical axis are φ, the incident angle with respect to both the upstream side surface 41 and the downstream side surface 42. Is φ, and the angle between the first reflected light 201 and the optical axis of the incident light 200 and the angle between the second reflected light 202 and the optical axis of the incident light 200 are both 2φ. The first reflected light 201 and the second reflected light 202 are reflected in opposite directions at the same angle with respect to the optical axis of the incident light 200.

透過光203、第1の反射光201、第2の反射光202のスペクトルは、3分岐光学フィルタ40の構造によって定まるが、図13と同様にその透過帯域、2つの反射帯域をそれぞれで設定することが可能である。   The spectrum of the transmitted light 203, the first reflected light 201, and the second reflected light 202 is determined by the structure of the three-branch optical filter 40, but the transmission band and the two reflection bands are set as in FIG. It is possible.

この構成をもつ3分岐光学フィルタを用いた9チャンネル(A〜I)の分光装置50(第4の例)の構成を図12に示す。光源11から発せられた信号光100は、上記の3分岐光学フィルタと同様の構成をもつ光学フィルタ(第1の光学フィルタ)51に入射し、図11に示されるように、第1、第2の反射光と、透過光とに3分岐される。その後、この第1、第2の反射光と透過光とは、上記の3分岐光学フィルタと同様の構成をもつ光学フィルタ(第2の光学フィルタ)52a〜52cにそれぞれ入射し、検出器53a〜53iの位置でそれぞれ出力光となって検出される。ここでは、図1、4の構成と同様に、各光学フィルタにおける入射角は10°に設定されている。ただし、各光学フィルタにおいて反射光は同じ角度で上下方向に反射されるため、検出器53a〜53iを上下対称に近い形態で配置することができる。   FIG. 12 shows the configuration of a nine-channel (A to I) spectroscopic device 50 (fourth example) using a three-branch optical filter having this configuration. The signal light 100 emitted from the light source 11 enters an optical filter (first optical filter) 51 having the same configuration as the above-described three-branch optical filter, and as shown in FIG. The reflected light and the transmitted light are branched into three. Thereafter, the first and second reflected light and transmitted light are respectively incident on optical filters (second optical filters) 52a to 52c having the same configuration as the above-described three-branch optical filter, and detectors 53a to 53c. Each is detected as output light at the position 53i. Here, similarly to the configuration of FIGS. 1 and 4, the incident angle in each optical filter is set to 10 °. However, since the reflected light is reflected in the vertical direction at the same angle in each optical filter, the detectors 53a to 53i can be arranged in a form close to vertical symmetry.

この分光装置においては、一つの光学フィルタにおいて光線を3分岐するために、少ない数の光学フィルタを用いて多くのチャンネルの出力光を得ることができる。図12の構成においては、9チャンネルの出力を第1、第2の光学フィルタ合わせて4つの光学フィルタで実現している。ただし、全ての光学フィルタを3分岐光学フィルタとする必要はなく、従来の2分岐光学フィルタと3分岐光学フィルタとを適宜混合して使用することも可能である。この場合、2分岐光学フィルタ、3分岐光学フィルタで得られる透過スペクトル、反射スペクトルを考慮することによって、最適な組み合わせを設定することができる。このように、3分岐光学フィルタを第1の光学フィルタ及び/又は第2の光学フィルタとして、3分岐光学フィルタを用いることにより、使用する光学フィルタの総数(分光装置を構成する部品点数)を減らすことができる。   In this spectroscopic device, since light beams are branched into three in one optical filter, output light of many channels can be obtained using a small number of optical filters. In the configuration of FIG. 12, the output of 9 channels is realized by four optical filters in combination with the first and second optical filters. However, it is not necessary that all the optical filters are three-branch optical filters, and a conventional two-branch optical filter and a three-branch optical filter can be appropriately mixed and used. In this case, an optimum combination can be set by considering the transmission spectrum and reflection spectrum obtained by the two-branch optical filter and the three-branch optical filter. In this way, by using the three-branch optical filter as the first optical filter and / or the second optical filter, the total number of optical filters to be used (the number of parts constituting the spectroscopic device) is reduced. be able to.

なお、上記の例では、全ての光学フィルタ(第1、第2の光学フィルタ)における入射角の設定値を同一としていたが、光学フィルタ毎にこれが異なる設定とすることもできる。   In the above example, the setting value of the incident angle is the same for all the optical filters (first and second optical filters), but this may be set differently for each optical filter.

また、第1の光学フィルタ、第2の光学フィルタの組み合わせ以外の構成、例えば図1における個々の光学フィルタの形態、収斂レンズ12、絞り13、集光レンズ16a〜16fは、その機能を実現できる限りにおいて、様々な構成が可能である。例えば、上記の例では、各光学フィルタの表面(反射面)は平面形状であるとしたが、これを凹面形状とすることができる。この場合には、これによっても発散角を微調整することが可能である。ただし、各光学フィルタの表面を平面形状とした方が、アライメントがより容易である。あるいは、2つの光学フィルタ間にレンズを挿入することもできる。   Further, the configuration other than the combination of the first optical filter and the second optical filter, for example, the form of the individual optical filters in FIG. 1, the converging lens 12, the diaphragm 13, and the condenser lenses 16a to 16f can realize their functions. Insofar as various configurations are possible. For example, in the above example, the surface (reflection surface) of each optical filter has a planar shape, but this can be a concave shape. In this case, it is also possible to finely adjust the divergence angle. However, alignment is easier when the surface of each optical filter is planar. Alternatively, a lens can be inserted between the two optical filters.

検出器17a〜17fとしては、所定の波長帯域の光を検出できるものであればよく、シリコンフォトダイオードや光電子増倍管等を用いることができる。   The detectors 17a to 17f may be any detector that can detect light in a predetermined wavelength band, and a silicon photodiode, a photomultiplier tube, or the like can be used.

また、集光レンズ16a〜16fの代わりに、放物面鏡等の集光鏡を用いることもできる。   Further, a condensing mirror such as a parabolic mirror can be used instead of the condensing lenses 16a to 16f.

上記の通り、本発明の分光装置は、光学フィルタによる透過・反射の総回数を少なくすることができるため、透過・反射による信号光の損失を小さくし、出力光の強度を高くすることができる。このような構成は、図13のような透過スペクトル、反射スペクトルをもつ光学フィルタを用いた分光装置においては、光の波長によらず有効である。すなわち、可視光に限定されず、紫外光や赤外光等においても、同様の特性をもつ光学フィルタが用いられる場合において有効である。この際、上記の通り、出力のチャンネル数が多いほどその効果は大きい。   As described above, the spectroscopic device of the present invention can reduce the total number of transmissions and reflections by the optical filter, thereby reducing the loss of signal light due to transmission and reflection and increasing the intensity of output light. . Such a configuration is effective regardless of the wavelength of light in a spectroscopic device using an optical filter having a transmission spectrum and a reflection spectrum as shown in FIG. That is, the present invention is not limited to visible light, and is effective when an optical filter having similar characteristics is used for ultraviolet light, infrared light, and the like. At this time, as described above, the larger the number of output channels, the greater the effect.

このため、この分光装置は、核融合におけるプラズマの診断(トムソン散乱計測)を初め、血液や尿の検査における吸光度計測等、様々な分野での計測に使用することができる。   For this reason, this spectroscopic apparatus can be used for measurement in various fields such as plasma diagnosis in nuclear fusion (Thomson scattering measurement) and absorbance measurement in blood and urine examinations.

10、20、30、50、90 分光装置
11 光源
12 収斂レンズ
13 絞り
14、21a〜21h、31a〜31g、51 第1の光学フィルタ(光学フィルタ)
15a〜15f、22a〜22i、32a〜32h、52a〜52c 第2の光学フィルタ(光学フィルタ)
16a〜16f 集光レンズ
17a〜17f、23a〜23r、33a〜33p、53a〜53i、92a〜92f 検出器
40 3分岐光学フィルタ(光学フィルタ)
41 上流側面(入射側の表面)
42 下流側面(出射側の表面)
91a〜91f 光学フィルタ
100 信号光
200 入射光
201 第1の反射光
202 第2の反射光
203 透過光
10, 20, 30, 50, 90 Spectrometer 11 Light source 12 Converging lens 13 Aperture 14, 21a to 21h, 31a to 31g, 51 First optical filter (optical filter)
15a-15f, 22a-22i, 32a-32h, 52a-52c 2nd optical filter (optical filter)
16a to 16f Condensing lenses 17a to 17f, 23a to 23r, 33a to 33p, 53a to 53i, 92a to 92f Detector 40 Three-branch optical filter (optical filter)
41 Upstream side (incident side surface)
42 Downstream side (outgoing surface)
91a to 91f Optical filter 100 Signal light 200 Incident light 201 First reflected light 202 Second reflected light 203 Transmitted light

Claims (6)

信号光を、その光路上に設けた複数の光学フィルタにより分光し、それぞれ異なる波長帯域をもつ出力光を4つ以上のチャンネルに出力する分光装置であって、
入射した光を、2つ以上の前記チャンネルにわたる波長帯域をもつ透過光と、当該透過光の波長帯域と異なる2つ以上の前記チャンネルにわたる波長帯域をもつ反射光と、に分光する第1の光学フィルタと、
前記信号光から見て前記光路における前記第1の光学フィルタの下流側に、入射した光を、単一の前記チャンネルに対応する波長帯域をもつ透過光又は反射光に分光する第2の光学フィルタと、
を具備することを特徴とする分光装置。
A spectroscopic device that splits signal light with a plurality of optical filters provided on an optical path thereof and outputs output light having different wavelength bands to four or more channels,
A first optical device that splits incident light into transmitted light having a wavelength band extending over two or more of the channels and reflected light having a wavelength band extending over two or more of the channels different from the wavelength band of the transmitted light. Filters,
A second optical filter that splits incident light downstream of the first optical filter in the optical path with respect to the signal light into transmitted or reflected light having a wavelength band corresponding to the single channel. When,
A spectroscopic device comprising:
前記信号光の光軸が前記第1の光学フィルタに対して直入射から所定の入射角だけ外れた角度となるように設定されて前記信号光が前記第1の光学フィルタに入射し、
光軸が直入射から所定の入射角だけ外れた角度となるように光が入射する設定とされた前記第2の光学フィルタが、前記第1の光学フィルタからの透過光、反射光のそれぞれに対して用いられたことを特徴とする請求項1に記載の分光装置。
The optical axis of the signal light is set to be an angle deviated from the normal incidence by a predetermined incident angle with respect to the first optical filter, and the signal light is incident on the first optical filter,
The second optical filter, which is set so that light is incident so that the optical axis deviates from the direct incidence by a predetermined incident angle, is transmitted to each of the transmitted light and reflected light from the first optical filter. The spectroscopic device according to claim 1, wherein the spectroscopic device is used.
前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が、0°よりも大きく15°以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の分光装置。   2. The incident angle of light incident on the first optical filter and the incident angle of light incident on the second optical filter are greater than 0 ° and 15 ° or less. Or the spectroscopic apparatus according to 2. 前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が0°よりも大きく45°以下であり、前記信号光の発散角が0.5°以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の分光装置。   The incident angle of the light incident on the first optical filter and the incident angle of the light incident on the second optical filter are greater than 0 ° and not more than 45 °, and the divergence angle of the signal light is 0. The spectroscopic device according to claim 1, wherein the spectroscopic device is 5 ° or less. 前記第1の光学フィルタに入射する光の前記入射角、及び複数の前記第2の光学フィルタに入射する光の前記入射角が、それぞれ45°となるように設定され、
平面視において、前記信号光が入力する方向と垂直な二方向、及び前記信号光が入射する方向と同一の方向に、それぞれ複数の前記各チャンネルの出力光が出力されることを特徴とする請求項4に記載の分光装置。
The incident angle of the light incident on the first optical filter and the incident angle of the light incident on the plurality of second optical filters are each set to be 45 °,
The output light of each of the plurality of channels is output in two directions perpendicular to the direction in which the signal light is input and in the same direction as the direction in which the signal light is incident in a plan view. Item 5. The spectroscopic device according to Item 4.
前記第1の光学フィルタ及び/又は前記第2の光学フィルタは、
入射側の表面と、当該入射側の表面と平行でないように形成された出射側の表面と、を具備し、
入射した光を、
当該入射した光が前記入射側の表面で反射された第1の反射光、前記入射側の表面を透過した光が前記出射側の表面で反射された第2の反射光、及び前記入射側の表面を透過した光が更に前記出射側の表面を透過した透過光、の3つに分岐する、
ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の分光装置。
The first optical filter and / or the second optical filter are:
An incident-side surface, and an exit-side surface formed so as not to be parallel to the incident-side surface,
Incident light
The incident light is reflected on the incident-side surface, the first reflected light is reflected on the incident-side surface, the second reflected light is reflected on the exit-side surface, and the incident-side light is reflected on the incident-side surface. The light transmitted through the surface is further branched into three: transmitted light transmitted through the surface on the emission side.
The spectroscopic device according to any one of claims 1 to 4, wherein the spectroscopic device is provided.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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