JP2016517018A - 広帯域フィルタを用いて光の波長を選択することができる単色化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光に対する出力光の効率を増加させると共に、必要とする特定の波長の選択をより容易に行うことのできる単色化装置を提供する。【解決手段】光の入射方向に対して第１の回転角度を有するように配置され、入射する光に対して第１の波長帯域を通過させる第１広帯域フィルタ、光の入射方向に対して第２の回転角度を有するように配置され、第１広帯域フィルタを通過した光に対して第２の波長帯域を通過させる第２広帯域フィルタ、および第２広帯域フィルタを通過した光の経路を第１広帯域フィルタに入射する光の経路と同一になるように調整する経路補償手段を含む、単色化装置。【選択図】図４

Description

本発明は、広帯域フィルタを用いる単色化装置に関し、より詳しくは、波長の選別が可能な広帯域フィルタを特殊に配置することによって、光の中心波長と波長幅を任意に調節して、光を選択的に単色化させる単色化装置に関する。

広い波長領域を含む光を分光して単色光を抽出するための装置としては、分光素子として回折格子またはプリズムを用いる単色化装置が知られている。従来の回折格子を用いた単色化装置は、選択された波長を有する光源を提供するための用途、および検出器としてターゲットから検出しようとする光を選択的に検出するための用途として用いられてきた。例えば、光源を提供するための用途としての単色化装置は、例えば、分光光度計（ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）内で、複数の帯域を含む光源から分析の対象となる光源の波長を選択するのに用いられる。韓国公開特許第２００８−００１５７５９号においては、特定の波長範囲および分解能を有するように光を分離するための回折格子を有するモノクロメータシステムを開示している。

回折格子を用いた通常の単色化装置（１００）について、図１に示した。図１の単色化装置（１００）は、回折格子（１１０）、光を制限的に通過させるためのスリット（１２０）、および光の経路を調整するための平面または曲面のミラー（１３０、１４０、１５０）を含む。具体的には、広い波長帯域を有する光が単色化装置に提供されると、曲面のミラー（１３０）によって進行経路が変更され、回折格子（１１０）に入射する。回折格子（１１０）は、入射した光の波長を分離し、スリット（１２０）は、スリットの位置または幅等を調節することによって、分離した波長帯域の中で所望の波長帯域を選択的に通過させる。スリット（１２０）を通過した光は、曲面または平面のミラー（１４０、１５０）等を経て、特定の波長を有する光として単色化装置から出力される。

しかし、従来の回折格子を用いた単色化装置には、入射した光が回折格子によって散乱されたり、また、１つ以上のミラーに反射または透過される過程において、該装置に入射した光に対し、装置から出力される特定の波長の光の効率が相当減少するという問題があった。また、回折格子を用いた単色化装置には、スキャニング方式のイメージング方法を除き、他のイメージング方法に根本的に適用され得ないという限界があった。従って、入射した光に対し、出力される選択された波長の光の効率を相当減少させず、かつ様々なイメージング方法に柔軟に適用され得る単色化装置が具現されなければならないという必要性があった。

韓国公開特許第２００８−００１５７５９号公報

本発明は、前述した回折格子を用いた単色化装置の問題点を解決するためのものであって、本発明の１つの目的は、回折格子を用いずに、通過させる光の波長帯域が異なる１つ以上の広帯域フィルタを直列に配置して単色化装置を具現することによって、増加した光効率を有し、入射する光に対し、所望の中心波長および波長幅を選択的に得ることを可能とする技術を提供することである。

但し、本発明の解決しようとする課題は、これに限定されるわけではなく、本発明の思想および領域から外れない範囲で多様に拡張され得る。

本発明の１つの目的を達成するために、本発明の実施例における特定の波長の光を選択するための単色化装置は、光の入射方向に対して第１の回転角度を有するように配置され、入射する光に対して第１の波長帯域を通過させる第１広帯域フィルタ、光の入射方向に対して第２の回転角度を有するように配置され、第１広帯域フィルタを通過して入射する光に対して、第２の波長帯域を通過させる第２広帯域フィルタ、および第２広帯域フィルタを通過した光の経路を、第１広帯域フィルタに入射する光の経路と同一になるように調整する経路補償手段を含む。

一実施形態によると、第１広帯域フィルタ、第２広帯域フィルタ、および経路補償手段は、光の入射方向に対して直列に配置されることもある。

一実施形態によると、第１広帯域フィルタの第１の回転角度、および第２広帯域フィルタの第２の回転角度を調整することによって、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタを通過した光の所定の波長帯域、および/または所定の中心波長を選択することもできる。

一実施形態によると、光の入射方向に対して配置された回転角度に応じて、通過する光の波長帯域を変化させる１つ以上の広帯域フィルタをさらに含み得る。

一実施形態によると、特定の波長の光を選択するための第１の波長帯域および第２の波長帯域を決定し、第１広帯域フィルタの第１の回転角度および第２広帯域フィルタの第２の回転角度を調整するように構成された制御手段をさらに含み得る。第１の回転角度および第２の回転角度の調整は、電動機モータによって行われることもある。

本発明の実施例による特定の波長の光を選択する単色化装置は、回折格子を用いた単色化装置と比較して、入射した光に対し、単色化装置から出力される光の効率を相当増加させることができ、スキャン方式のイメージング以外の様々なイメージング方法に柔軟に活用され得る。

また、本発明の実施例における単色化装置には、角度によって通過する光の波長帯域を変化させる第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタが配置され、第１広帯域フィルタの第１の回転角度および第２広帯域フィルタの第２の回転角度をそれぞれ調整することによって、所望の中心波長および波長帯域を有する光を出力することができる。これは、広帯域フィルタを交換しなくても、フィルタの回転角度のみを調整することにより、所望の波長をいくらでも選択することができるという点において、利用の便宜性を提供すると同時に、比較的高価な光学システムの設備費用を低減させることができる、という利点を有する。

但し、本発明の効果は、これに限定されるわけではなく、本発明の思想および領域から外れない範囲において多様に拡張され得る。

図１は、従来の回折格子を有する単色化装置を示す。 図２は、本発明に用いられる例示的な広帯域フィルタを示す。 図３の（ａ）乃至（ｄ）は、図２の広帯域フィルタの回転角度に応じて透過した波長帯域の例示的な結果を示す。 図４は、本発明の一実施例による単色化装置を示す。 図５ａは、本発明の一実施例における特定の波長の選択の過程を示す。 図５ｂは、本発明の一実施例において、２つの広帯域フィルタを用いて特定の波長を選択する原理を示す。

本明細書に開示されている本発明の実施例について、特定の構造的乃至機能的な説明は、単に本発明の実施例を説明するための目的で例示されたものであって、本発明の実施例は多様な形態で行われ得、本明細書に説明されている実施例に限定されるものと解釈されてはならない。

本発明は、様々な変更を加えられることができ、いろいろな形態を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示し、本明細書にて詳しく説明することとする。しかし、これは、本発明を特定の開示形態について限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術的範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

本明細書において用いられた用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたものであって、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈上、明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」等の用語は、説示された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

別途定義されない限り、技術的または科学的な用語を含め、本明細書で用いられる全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるところと同一の意味を有する。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味であると解釈されるべきであり、本明細書において明白に定義されない限り、理想的であったり、過度に形式的な意味であるとは解釈されない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例について、より詳しく説明することとする。図面上の同一の構成要素については同一の参照符号を用い、同一の構成要素について重複した説明は省略する。

図２は、本発明に用いられる例示的な広帯域フィルタを示す。一実施形態として、本発明に用いられる広帯域フィルタは、入射する光を選択的に透過させるフィルタ部、および広帯域フィルタを支持し、フィルタの回転を調整する回転軸を含む回転制御部とにより構成され得る。回転軸は、３６０°回転することが可能であり、手動または電動機のモータのような動力によって回転し得る。

図３の（ａ）乃至（ｄ）は、図２の広帯域フィルタの回転角度に応じて透過した波長帯域の結果を、例示的に示す。具体的に、図３（ａ）には、広帯域フィルタの回転角度を９０°に設定して光を透過させた場合を示し、その結果、透過した光の結果について、図３（b）に例示的に示した。図３（ｂ）を参照すると、広帯域フィルタの回転角度を９０°に設定して光を透過させた場合に中心波長を６２８ｎｍとし、かつ一定の幅の帯域幅を有する光のみが透過することが分かる。また、図３（ｃ）は、広帯域フィルタの回転角度を３０°に設定して光を透過させた場合であり、図３（ｄ）に示されるように、中心波長を５６２ｎｍとし、かつ一定の帯域幅を有する光のみが透過することが分かる。このように、本発明に用いられる広帯域フィルタは、回転角度に応じて中心波長が変化する帯域通過フィルタであり得る。また、回転角度に応じて中心波長および帯域幅がいずれも変化する帯域通過フィルタが用いられることもある。

回転角度に応じて通過させる波長帯域が異なる広帯域フィルタを用いた本発明の単色化装置の一実施形態を、図４に示す。本発明の単色化装置（４００）は、第１広帯域フィルタ（４１０）、第２広帯域フィルタ（４２０）、および補償器（４３０）を含む。第１広帯域フィルタ（４１０）は、光の入射方向に対して第１の回転角度（θ_１）を有するように配置される。入射光（Ｌ）は、第１広帯域フィルタ（４１０）を通過しながら、第１の回転角度（θ_１）に応じて、所定の帯域幅の波長のみを有する光（Ｌ１）となる。第２広帯域フィルタ（４２０）は、光の入射方向に対して第２の回転角度（θ_２）を有するように配置される。第２広帯域フィルタ（２２０）は、入射光（Ｌ１）について、第２の回転角度（θ_２）に応じて所定の帯域幅に該当する波長部分のみを通過させる。従って、入射光（Ｌ）は、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタを順に通過することにより、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタの通過帯域のうち共通した波長帯域のみを波長として有する光（Ｌ２）となる。

一方、光が広帯域フィルタを通過する際、フィルタの厚さ、個数、入射角度等によって光の経路が変化するようになる。例えば、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタを通過したＬ１およびＬ２には、図４に示されるように、入射光（Ｌ）に比べて経路差が発生する。このように、広帯域フィルタの厚さ、個数、角度等が異なる度に光の経路が異なってくるのであれば、多様な波長の範囲を選択するために、広帯域フィルタの様々な組み合わせを活用する上で大きな制約となり得る。従って、本発明の単色化装置（４００）は、補償器（４３０）を含むことにより、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタを通過することにより発生した光の経路変化を、広帯域フィルタを通過する前の光が有する経路と同一となるように、光の経路を補正する。これによって、補償器（４３０）を通過した光（Ｌ３)は、第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタを共通して通過する波長帯域のみを有すると同時に、単色化装置への入射光（Ｌ）が広帯域フィルタを通過しないような光経路を有することができる。

一実施形態として、単色化装置内で、第１広帯域フィルタ、第２広帯域フィルタおよび補償器は直列に配置され得、１つ以上の広帯域フィルタが追加されることもある。図に示されてはいないが、第１広帯域フィルタ、第２広帯域フィルタおよび補償器は、メモリおよびプロセッサを含むコンピュータのような制御装置に連結され、プロセッサにおいて所望の波長帯域を導き出すための広帯域フィルタの回転角度、および光経路を補正するための補償器のパラメータを計算することができ、その計算された値をメモリに貯蔵することもできる。

図５ａに、本発明の一実施例における特定の波長選択の過程を示す。単色化装置に広い帯域の波長を有する光（Ｌ）が提供される。第１広帯域フィルタは、回転角度（θ_１）を有するように配置された時に、中心波長（λ_ｃ１）および帯域幅（ｄ_１）を有する第１帯域通過フィルタとして動作する。光（Ｌ１）は、光（Ｌ）が回転角度（θ_１）を有する第１広帯域フィルタを通過した結果、中心波長（λ_ｃ１）および帯域幅（ｄ_１）を有する。第２広帯域フィルタは、回転角度（θ_２）を有するように配置された時に、中心波長（λ_ｃ２）および帯域幅（ｄ_２）を有する第２帯域通過フィルタとして動作する。光（Ｌ１）の波長のうち、第２帯域通過フィルタに該当する部分のみが通過して、光（Ｌ２）となる。これと関連して、図５ｂには、中心波長（λ_ｃ１）および帯域幅（ｄ_１）を有する広帯域フィルタと、中心波長（λ_ｃ２）および帯域幅（ｄ_２）を有する広帯域フィルタとを通過させることによって、特定の波長を選択するという原理を示す。かかる原理により、光（Ｌ２）は、結果として中心波長（λ_ｃ）および帯域幅（ｄ）を有し、ここで、λ_ｃおよびｄは、それぞれ次の数学式１および数学式２によって導き出される。

本発明の単色化装置は、前記のような原理により広帯域フィルタの回転角度を調整することによって、通過する波長帯域の中心波長および帯域幅を変化させて所望の波長を自由に選択することができる。

前記においては、本発明を好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練の当業者は、下記の特許請求の範囲に記載されている本発明の思想および領域から外れない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させ得ることを理解するであろう。

本発明によると、回折格子を用いなくても、通過させる光の波長帯域が異なる１つ以上の広帯域フィルタを直列に配置して単色化装置を具現することができ、増加した光効率を有し、入射する光に対して所望の中心波長および波長幅を選択的に得ることを可能とする。

１００ 通常の単色化装置
１１０ 回折格子
１２０ スリット
１３０ ミラー
１４０ ミラー
１５０ ミラー
４００ 本発明の単色化装置
４１０ 第１広帯域フィルタ
４２０ 第２広帯域フィルタ
４３０ 補償器
Ｌ 入射光
Ｌ１ 第１の回転角度に応じて所定の帯域幅の波長のみを有する光
Ｌ２ 第１広帯域フィルタおよび第２広帯域フィルタの通過帯域のうち共通した波長帯域のみを波長として有する光
Ｌ３ 補償器を通過した光
θ_１ 第１の回転角度
θ_２ 第２の回転角度
λ_ｃ 中心波長
λ_ｃ１ 中心波長
λ_ｃ２ 中心波長
ｄ 帯域幅
ｄ_１ 帯域幅
ｄ_２ 帯域幅

Claims (6)

1. 特定の波長の光を選択するための単色化装置であって、
   光の入射方向に対して第１の回転角度を有するように配置され、
   入射する光に対して第１の波長帯域を通過させる第１広帯域フィルタ；
   光の入射方向に対して第２の回転角度を有するように配置され、前記第１広帯域フィルタを通過した光に対して第２の波長帯域を通過させる第２広帯域フィルタ；および
   前記第２広帯域フィルタを通過した光の経路を前記第１広帯域フィルタに入射する光の経路と同一になるように調整する経路補償手段を含む、単色化装置。
2. 前記第１広帯域フィルタ、前記第２広帯域フィルタ、および前記経路補償手段は、光の入射方向に対して直列に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の単色化装置。
3. 前記第１広帯域フィルタの前記第１の回転角度、および前記第２広帯域フィルタの前記第２の回転角度を調整することによって、前記第１広帯域フィルタおよび前記第２広帯域フィルタを通過した光の所定の波長帯域および所定の中心波長のうち少なくとも１つを選択することを特徴とする、請求項１に記載の単色化装置。
4. 光の入射方向に対して配置された回転角度に応じて通過する光の波長帯域が変化する１つ以上の広帯域フィルタをさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の単色化装置。
5. 前記特定の波長の光を選択するための前記第１の波長帯域および前記第２の波長帯域を決定し、前記第１広帯域フィルタの前記第１の回転角度および前記第２広帯域フィルタの前記第２の回転角度を調整するように構成された制御手段をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の単色化装置。
6. 前記第１広帯域フィルタの前記第１の回転角度および前記第２広帯域フィルタの前記第２の回転角度の調整が、電動機モータによる、請求項５に記載の単色化装置。