JP2022096461A - 光学系及び面分光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 小型化、高分解能化又は高効率化に有利な面分光装置を提供する。【解決手段】 物体面の側から光束を分割する光学系であって、物体面からの光束を通過させる開口部又は光束を透過させる透過部が設けられた第１曲面ミラーと、第１の曲面ミラーの開口部又は透過部からの光束を分割する複数の反射面を有し、各反射面により分割された各光束を第１曲面ミラーの互いに異なる位置へ反射する第２反射部と、第２反射部で分割され、第１曲面ミラーで反射された光束をそれぞれ反射する複数の反射面を有する第３反射部と、第３反射部からの光を反射する複数の反射面を有する第４反射部と、を有し、第１曲面ミラーからの光が入射する第３反射部及び第４反射部のそれぞれの反射面の数は、第２反射部による光束の分割数と同じであり、第１曲面ミラーで反射された各光束を、第３反射部及び第４反射部により反射して結像させ、分割された前記物体面の像を形成する。【選択図】 図１
Description
本発明は、光学系及び面分光装置に関する。
ダイナミックな現象を詳細に分析する際には画像を同時かつ時間的に分光することで波長（エネルギー）情報を得ることが非常に有用で、化学反応を伴うあらゆる分野で重要となっている。２次元である画像情報を同時に分光するには、一般の検出器が２次元或いはそれ以下であることから波長情報が展開される次元が増えるため、２次元である画像を１次元に変換する必要がある。そのため、ほぼ同時刻に一括で行う面分光において面分割光学系が重要な要素である。
元の画像をより細かく分割することで、より高精細な情報を取得可能となるが、分割された画像を限られた空間で１次元に配列することは容易ではない。最も簡便には、画像部に多数の光ファイバーを敷き詰め、その柔軟性を活用して１次元状に再配置することが手段の一つであり、微細な光ファイバーを増やすことで高精細化が可能である非常に優れた方法である。しかしながら、光ファイバーの透過率は完全に一様でなく、湾曲により光の偏光状態が変化するなど元の光情報を均一な状態で取り出すことは難しい。また、光ファイバーは一般に光を通すコア部と全反射を起こすクラッド部となっており、伝送する波長により最適なサイズがあるため、広い波長に対して最適な光ファイバーはなく、広い波長帯の面分光を効率的に行うことは原理的に難しい。これに対して、画像を複数のミラーで空間的に分割し、１次元状に再配置する方法が知られている。ミラーの反射特性による光特性の変化はわずかにあるが、安定しており情報の修復が用意である。しかしながら、それぞれのミラーを位置的にも確度的にも極めて正確に配置する必要があることから、調整など製造を考慮して分割数は数十程度で、空間的に大きなものとなり、同等の分割数で一般機器に組みこむことは困難であった。また、面分割光学系は２次元検出器を使わず安価あるいは高精細、高速読出しが可能である１次元検出器での画像観察を行う際にも有効である。
そこで、本発明は、小型化、高分解能化又は高効率化に有利な面分光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の一側面としての光学系は、物体面の側から光束を分割する光学系であって、前記物体面からの光束を通過させる開口部又は前記光束を透過させる透過部が設けられた、第１曲面ミラーと、前記第１の曲面ミラーの前記開口部又は前記透過部からの光束を分割する複数の反射面を有し、各反射面により分割された各光束を前記第１曲面ミラーの互いに異なる位置へ反射する第２反射部と、前記第２反射部で分割され、前記第１曲面ミラーで反射された光束をそれぞれ反射する複数の反射面を有する第３反射部と、前記第３反射部からの光を反射する複数の反射面を有する第４反射部と、を有し、前記第１曲面ミラーからの光が入射する前記第３反射部及び前記第４反射部のそれぞれの反射面の数は、前記第２反射部による光束の分割数と同じであり、前記第１曲面ミラーで反射された各光束を、前記第３反射部及び前記第４反射部により反射して結像させ、分割された前記物体面の像を形成する、ことを特徴とする。
本発明によれば、小型化、高分解能化又は高効率化に有利な面分光装置を提供することができる。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態の面分割光学系１００の図を示す。面分割光学系１００は、物体面の側から光束を分割する光学系である。面分割光学系１００は、図１に示すように、分割される入射光束の入射方向から順に、大まかに４つのグループのミラーで構成されている。面分割光学系１００は、第１反射部１と、第２反射部２と、第３反射部３と、第４反射部４と、を有する。
図１に、第１実施形態の面分割光学系１００の図を示す。面分割光学系１００は、物体面の側から光束を分割する光学系である。面分割光学系１００は、図１に示すように、分割される入射光束の入射方向から順に、大まかに４つのグループのミラーで構成されている。面分割光学系１００は、第１反射部１と、第２反射部２と、第３反射部３と、第４反射部４と、を有する。
第１反射部１は反射面が曲面の曲面ミラーであり、物体面からの光束を通過させる開口部又は透過させる透過部１ａが設けられている。例えば、開口部は空洞であり、透過部は透明な光学部材で構成される。第１反射部１は、例えば、回転対称な凹面ミラーである。
第２反射部２は、第１反射部１の開口部又は透過部１ａからの光束を、各位置によって互いに異なる方向へ反射する複数の反射面（ミラー）２ａを有する。つまり、各反射面は、第１反射部１の反射面の互いに異なる位置へ入射光を反射することにより、入射光を各光束に分割する。第２反射部２の各反射面は、入射光の結像面に隙間なく配置され、外形形状が矩形のミラーである。
図２に第２反射部２の構成を示す。第２反射部２は、図２（ａ）に示すように、支持枠により支持されている。図２（ｂ）は第２反射部２の正面図であり、正面から見ると複数の反射面２ａが一体となっている。図２（ｃ）は第２反射部２を斜めから見た図であり、複数の反射面２ａのそれぞれの面が互いに異なる方向を向いている。
第２反射部２の各反射面により、分割される入射光束がすべて異なる別方向に反射され、その後、第１反射部１で反射される。その際、矩形の各反射面は等方的に分割光を分配するため、図３に示すように、第１反射部１の反射面上に等方的に分割された反射光が当たる。第１反射部１において、図３に丸で示す位置に光が当たる。つまり、第１反射部１の回転対称軸に対して垂直な２つの軸１ｂ、１ｃで分割された各領域に、第２反射部により分割された光束が入射する。
第１反射部１の開口部又は透過部１ａを通る光軸上に、第２反射部の中心が配置されている。また、第３反射部３と第４反射部４の複数のミラー（反射面）は、第１反射部１の光軸を中心軸にして周囲に配置された構成となっている。つまり、第１反射部１と、第２反射部２と、第３反射部３と、第４反射部４の中心軸が同軸上に配置されている。光学系１００をこのような構成にすることにより、空間的に、入射光束を軸に等方的な空間を活用することができ、小型化を実現することができる。
第３反射部３は、複数のミラー（反射面）３ａを有するミラー群であり、第２反射部２及び第１反射部１で反射された光を反射する。第１反射部１からの光が入射する第３反射部のミラー３ａの数は、第２反射部２による光束の分割数と同じである。
第４反射部は、複数のミラー（反射面）４ａを有するミラー群であり、第３反射部３からの光を反射する。第１反射部１からの光が入射する第４反射部３のミラー４ａの数は、第３反射部３のミラー３ａの数と同じである。第４反射部４の各ミラー４ａは曲面ミラーである。第４反射部４の各ミラー４ａで集光され、１次元（直線的）に配列された像を再結像エリアに形成する。つまり、第１反射部１で反射された各光束を、第３反射部３及び第４反射部４により反射して結像させ、所定の面の再結像位置５に、分割された物体面の像を形成する。
第３反射部３の各ミラーは平面、第４反射部４の各ミラーは球面であるが、逆でもよい。つまり、第３反射部及び第４反射部のミラーの一方が平面であり、他方が曲面である。第２反射部２、第３反射部３、第４反射部４の各ミラーは、異なる方向に向いている。
図４に、光学系１００の俯瞰図を示し、各反射部で反射される光路を示す。第１反射部１では中央部に開口を設けており、第２反射部で分割された光が、第３反射部３と第４反射部４のそれぞれのミラーで重ならない様に各ミラーが配置されている。第２反射部２は、入射光の像面部を満たすように、一体的に成型された配置である。
図５に、第３反射部３の構成を示す。第３反射部３の各ミラー３ａは、物理的に一体的な構造上に形成されているが、光束が通過する部分には、開口３ｂを設けている。第４反射部４も、同様に、物理的に一体的な構造上に形成されているが、光束が通過する部分には開口を設けている。
また、第１反射部１、第２反射部２、第３反射部３、第４反射部４は、入射光束軸を中心に等方的な構造を有しており、これらを所望の間隔で配置するだけで調整機構を一切もたず、面分光光学系を容易に組立てることができるようになっている。
図１の光束飛翔断面図から明らかなように、空間を最大限密に使用して、像の再配列を行っており、空間の飛翔距離、及び、ミラー構成も抑えることで高分解能を持ちながら小型、高効率な面分割が可能となる。
〔第２実施形態〕
本実施形態では、第１実施形態と比較して、第２ミラー群２と第３ミラー群３の相対位置が異なる。図６に、本実施形態の光学系２００を示す。図６に示すように、第３反射部３は、第２反射部２より前方（第１反射部側）に配置している。これにより、第３反射部３は第２反射部２の前後付近の配置となり、第２反射部２と第３反射部３を一体の構造上に形成することが可能である。
本実施形態では、第１実施形態と比較して、第２ミラー群２と第３ミラー群３の相対位置が異なる。図６に、本実施形態の光学系２００を示す。図６に示すように、第３反射部３は、第２反射部２より前方（第１反射部側）に配置している。これにより、第３反射部３は第２反射部２の前後付近の配置となり、第２反射部２と第３反射部３を一体の構造上に形成することが可能である。
〔第３実施形態〕
次に、上記実施形態の光学系を用いた面分光装置を説明する。
次に、上記実施形態の光学系を用いた面分光装置を説明する。
図７に、面分光装置５００の概略図を示す。面分光装置５００は、面分光をしたい光束を、上記実施形態の光学系５０１に入射させ、面分割により１次元に再配列した後に、結像ミラー５０２、分光素子５０３および検出部５０４を介することで、面分光を行う。分光の対象の光は、例えば赤外光である。
面分光装置５００では、面分割光学系５０１から軸外放物面ミラーである結像ミラー５０２を用い、回折格子等の分光素子５０３へ反射する。分光素子５０３で分光されて面上に拡がった光束が回折により再度放物面ミラーに入射し、２次元検出器を有する検出部５０４上に結像する。これにより、像面が分光された結果を得ることができる。
波長毎に元の像を得るには、２次元検出器上の所望の波長の１次元像を分割規則に則って再配列することで元の像状の分光像を得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
Claims (9)
- 物体面の側から光束を分割する光学系であって、
前記物体面からの光束を通過させる開口部又は前記光束を透過させる透過部が設けられた、第１曲面ミラーと、
前記第１の曲面ミラーの前記開口部又は前記透過部からの光束を分割する複数の反射面を有し、各反射面により分割された各光束を前記第１曲面ミラーの互いに異なる位置へ反射する第２反射部と、
前記第２反射部で分割され、前記第１曲面ミラーで反射された光束をそれぞれ反射する複数の反射面を有する第３反射部と、
前記第３反射部からの光を反射する複数の反射面を有する第４反射部と、を有し、
前記第１曲面ミラーからの光が入射する前記第３反射部及び前記第４反射部のそれぞれの反射面の数は、前記第２反射部による光束の分割数と同じであり、
前記第１曲面ミラーで反射された各光束を、前記第３反射部及び前記第４反射部により反射して結像させ、分割された前記物体面の像を形成する、ことを特徴とする光学系。 - 前記第１曲面ミラーと、前記第２反射部と、前記第３反射部と、前記第４反射部の中心軸が同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記第２反射部の各反射面の形状が矩形であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記第１曲面ミラーは、回転対称な凹面ミラーであり、
前記第１曲面ミラーにおいて、回転対称軸に対して垂直な２つの軸で分割された各領域に、前記第２反射部により分割された光束が入射することを特徴とする請求項１に記載の光学系。 - 前記第３反射部及び前記第４反射部の反射面の一方が平面であり、他方が曲面であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記第２反射部、前記第３反射部及び前記第４反射部の少なくとも１つが、各反射面を一体的に構成していることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記第１曲面ミラーで反射された各光束を、前記第３反射部及び前記第４反射部により反射して、分割された各像が所定の方向に直線的に配列された像を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 請求項１に記載の光学系と、
前記光学系からの光を分光する分光素子と、
前記回折格子で分光された光を検出する検出部と、を有することを特徴とする面分光装置。 - 赤外光を分光することを特徴とする請求項８に記載の面分光装置。
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