JP2023117889A - 分光器および分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光精度を向上させた分光器を提供する。【解決手段】外部からの光を第１光通過部１１を通して入射させる光入射手段１と、光入射手段によって入射された光を波長分散させる回折格子２と、回折格子による波長分散光を反射する反射面３２を有し、反射面の傾きが可変である反射手段３と、反射手段によって反射された波長分散光に含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第２光通過部４１を通して外部に出射させる光出射手段４と、を有し、以下の（１）式および（２）式の条件を満足する。｜θr｜＜｜θｍ｜・・・（１）｜θr｜＜｜θＭ｜・・・（２）（θｍは、波長分散光における最小波長の光が第２光通過部に入射する入射角を表し、θＭは、波長分散光における最大波長の光が第２光通過部に入射する入射角を表し、θｒは、最小波長と最大波長との範囲内から選択される波長の光が第２光通過部に入射する入射角を表す。）【選択図】図１

Description

本発明は、分光器および分析装置に関する。

従来、測定光を波長ごとに分光することにより、波長ごとの分光スペクトルが得られるようにしたいわゆる分光器が知られている。

分光器には、反射面の傾きが可変である反射手段により反射された光を共焦点光学系により集光し、集光された光を回折格子により波長ごとに異なる方向へ波長分散し、スリット付きミラーにより、波長分散された光のうち一部の波長の光のみを出射させる構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の構成では、波長分散光に含まれる異なる波長の光のうちスリット付きミラー等の光出射手段に入射する光の入射角に応じて、光利用効率や、光出射手段から出射される迷光の強度が変化する場合がある。光利用効率や迷光の強度が変化すると、分光器による分光精度が低下する。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、分光器による分光精度を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の分光器は、外部からの光を、第１光通過部を通して入射させる光入射手段と、前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる回折格子と、前記回折格子による波長分散光を反射する反射面を有し、前記反射面の傾きが可変である反射手段と、前記反射手段によって反射された前記波長分散光に含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第２光通過部を通して外部に出射させる光出射手段と、を有し、以下の（１）式および（２）式の条件を満足する。
｜θr｜＜｜θｍ｜ ・・・（１）
｜θr｜＜｜θＭ｜ ・・・（２）
（λｍは、前記波長分散光における波長の最小値を表し、λＭは、前記波長分散光における波長の最大値を表し、λｒは、前記波長分散光における異なる波長のうちλｍとλＭとの範囲内から選択される波長を表し、θｍは、波長λｍの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表し、θＭは、波長λＭの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表し、θｒは、波長λｒの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表す。）

本発明によれば、分光器による分光精度を向上させることができる。

第１実施形態に係る分光器の全体構成を例示する斜視図である。 図１におけるII－II切断線に沿った断面図である。 第１実施形態に係る光出射部と光検出部の配置を例示する図である。 光出射部への入射角を例示する第１図であり、図４（ａ）は入射角θＭの図、図４（ｂ）は入射角θｒの図、図４（ｃ）は入射角θｍの図である。 光出射部への入射角を例示する第２図であり、図５（ａ）は入射角θＭの図、図５（ｂ）は入射角θｒの図、図５（ｃ）は入射角θｍの図である。 光出射部への入射角を例示する第３図であり、図６（ａ）は入射角θＭの図、図６（ｂ）は入射角θｒの図、図６（ｃ）は入射角θｍの図である。 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第１図である。 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第２図である。 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第３図である。 第２実施形態に係る光入射部の投影像を説明する図である。 第２実施形態に係る光出射部の投影像を説明する図である。 第３実施形態に係る光入射部および光出射部の断面図である。 第１変形例に係る光入射部および光出射部の断面図である。 第２変形例に係る光入射部および光出射部の断面図である。 第３実施形態に係る非光通過部での反射光強度を説明する図である。 第３実施形態に係る光通過部内壁での反射を説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について詳細に説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

以下に示す実施形態は、本開示の技術思想を具体化するための分光器および分析装置を例示するものであって、本開示を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本開示の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

［実施形態］
＜分光器１０の全体構成例＞
図１は、実施形態に係る分光器１０の全体構成を例示する斜視図である。分光器１０は、光入射部１と、凹面回折格子２と、可動光反射部３と、光出射部４と、基板５と、光検出部６と、を有する。

光入射部１は、外部からの光Ｌｉを、第１光通過部１１を通して入射させる光入射手段の一例である。光入射部１における第１光通過部１１以外の領域は、光Ｌｉを通過させない第１非光通過部１２を構成している。

第１光通過部１１は、例えばピンホール形状、スリット形状等を有し、光の入射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりするために設けられている。

凹面回折格子２は、光入射部１によって入射された光Ｌｉを波長分散させる回折格子の一例である。凹面回折格子２は、基板５上に形成されている。凹面回折格子２は、光Ｌｉを回折させることにより波長分散させつつ、波長分散光Ｌｄを可動光反射部３に向けて反射する。波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光は、それぞれ集束しながら伝搬して、反射面３２上の反射ライン３３上の異なる位置に入射し、反射面３２により反射される。

基板５の材料には、例えば半導体、ガラス、金属、樹脂等を適用できるが、これらに限定されるものではない。なお、凹面回折格子２は、基板５上に直接形成されてもよく、基板５上に形成された薄膜層、例えば樹脂層等の上に形成されてもよい。

可動光反射部３は、凹面回折格子２による波長分散光Ｌｄを反射する反射面３２を有し、反射面の傾きが可変である反射手段の一例である。可動光反射部３は、凹面回折格子２による波長分散光Ｌｄを、反射面３２により光出射部４に向けて反射する。

可動光反射部３は揺動軸３１を有している。可動光反射部３は、揺動軸３１周りに揺動することにより、波長分散光Ｌｄを反射する反射面３２の傾きを変化させることができる。

可動光反射部３は、例えば、半導体基板に半導体プロセス、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセス等によって薄型且つ小型に形成可能である。また、半導体基板に可動光反射部３を形成することにより、圧電駆動、静電駆動、電磁駆動等の駆動素子部を半導体基板上にモノリシックに形成できる。これにより、分光器１０は、モータ等の外部駆動装置を用いなくても可動光反射部３を駆動させることができるため、さらなる小型化が可能となる。但し、可動光反射部３が形成される基板は半導体に限定されるものではなく、ガラス、金属、樹脂等であってもよい。

光出射部４は、可動光反射部３によって反射された波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第２光通過部４１を通して外部に出射させる光出射手段の一例である。波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光うち一部の光は、その略焦点位置において第２光通過部４１を通って外部に出射する。光出射部４における第２光通過部４１以外の領域は、波長分散光Ｌｄを通過させない第２非光通過部４２を構成している。

第２光通過部４１は、例えばピンホール形状、スリット形状等を有し、波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち一部の光の出射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりするために設けられている。

波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光は、それぞれ反射面３２上の反射ライン３３上の異なる位置において反射され、光出射部４上の出射ライン４３上の異なる位置に入射する。

可動光反射部３の反射面３２が揺動軸３１周りに傾きを変化させることにより、波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光それぞれの出射ライン４３上における入射位置が変化する。

波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち、第２光通過部４１の位置に入射する光は、第２光通過部４１を通って出射する。光出射部４は、波長分散光Ｌｄに含まれる波長であって、可動光反射部３の揺動角により決定される波長の光を、第２光通過部４１を通して出射させることができる。

なお、光入射部１および光出射部４についても、基板上に形成されたものであってもよい。この場合、基板の材料には、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を適用できるが、これらに限定されるものではない。但し、基板の材料として半導体を用いると、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて高精度且つ廉価に光入射部１および光出射部４を形成できるため好ましい。

光検出部６は、光出射部４からの出射光を検出する光検出手段の一例である。光検出部６には、例えばフォトダイオードを使用できる。近赤外領域の光Ｌｉを分光する場合には、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードが好ましい。

分光器１０において、上記各構成部は、図１に示すように所定の位置に配置され、さらに所定の姿勢を維持できるように、筐体や治具等に対して固定されている。

＜凹面回折格子２の構成例＞
図２は、凹面回折格子２の構成を例示する図であり、図１におけるII－II切断線に沿った断面図である。

図２に示すように、凹面回折格子２は、反射部材１５を有する。具体的には、基板５の上面に凹曲面が形成されており、この凹曲面に回折格子が形成されている。さらに、回折格子の表面に、反射率を向上させるためのＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いた反射部材１５が形成されている。例えば、基板５の凹曲面に対してレジストを塗布し、干渉露光法等を用いてレジストに格子パターンを形成し、ドライエッチング等を行うことにより、基板５の凹曲面に回折格子を形成できる。

凹面回折格子２には、例えば、回折格子の溝部の断面形状として、矩形形状、正弦波形状、ノコギリ波形状等を有するものを適用できる。

凹面回折格子２は、反射部材１５を有さない構成であってもよい。また、凹面回折格子２の構成は、同様の波長分散機能を有するものであれば、図２に例示したものに限定されない。光入射部１から平行光が入射する場合には、凹面回折格子２の代わりに平面回折格子を用いることによっても、同様の波長分散機能が得られる。この場合には、平面回折格子の傾きを変える構成を採用した場合に必要となる複雑な装置構成（例えば、平面回折格子の前後で光を平行光にするためのコリメート光学系等）は不要である。

凹面回折格子２では、基板５の上面に形成された凹曲面に薄膜状の樹脂層が形成され、この樹脂層に回折格子が形成されていてもよい。この場合には、反射率を向上させるために、樹脂層に形成された回折格子の表面に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属材料を用いた反射部材が形成されることが好ましい。

＜光出射部４と光検出部６の配置例＞
図３は、光出射部４と光検出部６の配置を例示する図であり、光出射部４および光検出部６の側面図である。

図３に示すように、光出射部４は、光検出部６に接触するように設けられている。光検出部６は、接着部材または粘着部材等により光出射部４を接着することによって、光出射部４を支持している。

光出射部４と光検出部６とを接着する接着部材または粘着部材には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム又はエラストマー、シリコーン系、編成シリコーン系を含むもの等を使用できる。光検出部６は、電力消費により温度上昇する場合があるため、該接着部材は、光出射部４の熱変形を抑制する応力緩和特性に優れた接着部材あるいは粘着部材であることが望ましい。なお、光検出部６は、光出射部４に接触せずに、接着部材以外の部材を介して、光出射部４に近接した状態において光出射部４を接着支持してもよい。

光検出部６は、受光窓６１を含んでいる。光出射部４の第２光通過部４１を通過した出射光は、受光窓６１を通して光検出部６により検出される。

入射角θｒは、波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち、所定波長としての波長λｒの光Ｌｒが光出射部４に入射する入射角を表す。より詳しくは、入射角θｒは、受光窓６１の略中心を通り、受光窓６１の略法線方向に延伸する受光中心軸６０と、光Ｌｒの中心軸である光軸Ｌｒ１と、がなす角度である。光軸Ｌｒ１は光Ｌｒの主光線ということもできる。

ここで、受光中心軸６０に沿って光出射部と光検出部が離隔していると、入射角θｒが大きい場合には、第２光通過部を通過した光Ｌｒの光検出部への入射位置と受光中心軸６０との間の距離が長くなるため、光Ｌｒが光検出部の受光窓に入射せず、光検出部によって検出されない場合がある。

本実施形態では、光検出部６を光出射部４に接触または近接するように設けているため、入射角θｒが大きい場合にも、光Ｌｒの光検出部６への入射位置を受光中心軸６０に近づけることができる。これにより、入射角θｒが大きい場合にも光Ｌｒが受光窓６１に入射するため、光検出部６は光Ｌｒを検出可能になる。

また、受光中心軸６０に沿って光出射部と光検出部が離隔し、光出射部および光検出部がそれぞれ別部材により支持されていると、光出射部と光検出部との間の相対的な位置が変動しやすくなる。本実施形態では、光検出部６が光出射部４を支持するため、光出射部４と光検出部６との間の相対的な位置変動を抑制可能である。

＜光出射部４への入射角と光利用効率および迷光との関係＞
図４から図６は、光出射部４への入射角を例示する図である。図４は第１図であり、図４（ａ）は入射角θＭの図、図４（ｂ）は入射角θｒの図、図４（ｃ）は入射角θｍの図である。図５は第２図であり、図５（ａ）は入射角θＭの図、図５（ｂ）は入射角θｒの図、図５（ｃ）は入射角θｍの図である。図６は第３図であり、図６（ａ）は入射角θＭの図、図６（ｂ）は入射角θｒの図、図６（ｃ）は入射角θｍの図である。

本実施形態では、入射角θＭ、θｒおよびθｍの関係は、以下の（１）式および（２）式により表される。
｜θr｜＜｜θｍ｜ ・・・（１）
｜θr｜＜｜θＭ｜ ・・・（２）

ここでλｍは、波長分散光Ｌｄにおける波長の最小値を表す。λＭは、波長分散光Ｌｄにおける波長の最大値を表す。λｒは、波長分散光Ｌｄにおける異なる波長のうちλｍとλＭとの範囲内から選択される波長を表す。またθｍは、波長λｍの光Ｌｍが第２光通過部４１に入射する入射角を表す。θＭは、波長λＭの光ＬＭが第２光通過部４１に入射する入射角を表す。θｒは、波長λｒの光Ｌｒが第２光通過部４１に入射する入射角を表す。

より詳しくは、入射角θｍは、上述した受光中心軸６０と、光Ｌｍの中心軸である光軸Ｌｍ１と、がなす角度である。入射角θＭは、受光中心軸６０と、光ＬＭの中心軸である光軸ＬＭ１と、がなす角度である。入射角θｒは、受光中心軸６０と、光Ｌｒの中心軸である光軸Ｌｒ１と、がなす角度である。光軸Ｌｍ１は光Ｌｍの主光線、光軸ＬＭ１は光ＬＭの主光線、光軸Ｌｒ１は光Ｌｒの主光線と、それぞれいうこともできる。

なお、図４から図６では、可動光反射部３における反射面３２の揺動軸３１周りの傾き角度が小さい場合に光ＬＭが第２光通過部４１を通過し、反射面３２の揺動軸３１周りの傾き角度が大きい場合に光Ｌｍが第２光通過部４１を通過する配置になっている。

図４に示すように、可動光反射部３における反射面３２の傾き変化に応じて、波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のそれぞれは、光出射部４への入射位置が変化するとともに、第２光通過部４１への入射角が変化する。

第２光通過部４１を通過する光の光量は、入射角に応じて変化する。入射角が大きくなると、第２光通過部４１を通過できない光が増加するため、分光器１０における光利用効率が低下する。

上記（１）式および（２）式の条件を満足することにより、入射角θｍ、θＭおよびθｒの相互の差が小さくなるため、光Ｌｍ、ＬＭおよびＬｒの光利用効率を向上させることができる。

図５および図６は、図４に対して、光出射部４の傾きを変化させた場合の入射角θｍ、θＭおよびθｒの関係を示している。図５の例では、入射角θＭがほぼ０度になるように配置することにより、｜θＭ｜<｜θｒ｜<｜θｍ｜の関係になっている。図６の例では、入射角θｍがほぼ０度になるように配置することにより、｜θｍ｜<｜θｒ｜<｜θＭ｜の関係になっている。

ここで、光出射部４に入射した波長分散光Ｌｄのうち、第２光通過部４１を通過できない光は、光出射部４の第２非光通過部４２により反射された後、迷光になる場合がある。なお、迷光とは、分光器１０による分光に寄与しない光をいう。

図４に示す配置では、第２非光通過部４２により反射された光の大部分は、往きにきた光路を逆行し、可動光反射部３、凹面回折格子２および光入射部１の順に導光され、光入射部１における第１非光通過部１２によってその一部の光が反射される。

第１非光通過部１２により反射された光は、再び凹面回折格子２、可動光反射部３および第２非光通過部４２の順に導光され、第２非光通過部４２によってその一部の光が反射される。

以上のように、第２非光通過部４２により反射された光は、光出射部４と光入射部１との間において多重反射される。例えば第１非光通過部１２および第２非光通過部４２それぞれの反射率を低くすると、多重反射における反射回数が増えるにつれて多重反射光は消衰するため、この多重反射光に基づく迷光が抑制される。

一方、図５に示す配置では、入射角θｍ、θＭおよびθｒが｜θＭ｜<｜θｒ｜<｜θｍ｜の関係にあるため、第２非光通過部４２により反射された光Ｌｍが往きにきた光路を逆行せず、光入射部１、凹面回折格子２、可動光反射部３および光出射部４それぞれを支持する支持部材等によって反射されることによって迷光となりやすい。

同様に、図６に示す配置の場合には、入射角θｍ、θＭおよびθｒが｜θｍ｜<｜θｒ｜<｜θＭ｜の関係にあるため、第２非光通過部４２により反射された光ＬＭが往きにきた光路を逆行せず、光入射部１、凹面回折格子２、可動光反射部３および光出射部４それぞれを支持する支持部材等によって反射されることによって迷光となりやすい。

以上のことから、図４に示す配置において、上記（１）式および（２）式の条件を満足すると、迷光発生を抑制する効果が高くなる。

＜光利用効率のシミュレーション結果＞
図７から図９は、第２光通過部４１への入射角に応じた光利用効率の変化例を示す図であり、図７は第１図、図８は第２図、図９は第３図である。図７から図９は、いずれも照明解析ソフトウェアを用いたシミュレーションにより、入射角に応じた光利用効率を算出した結果を示している。各図において、横軸は第２光通過部４１への入射角を表し、縦軸は規格化された光利用効率を表している。

各図に示すシミュレーション結果は、可動光反射部３における反射面３２の揺動軸３１周りの傾き角度が小さい場合に光ＬＭが第２光通過部４１を通過し、反射面３２の揺動軸３１周りの傾き角度が大きい場合に光Ｌｍが第２光通過部４１を通過する配置におけるものである。

図７は（１）式および（２）式を満足する場合、図８は｜θＭ｜<｜θｒ｜<｜θｍ｜の関係にある場合、図９は｜θｍ｜<｜θｒ｜<｜θＭ｜の関係にある場合をそれぞれ示している。

光利用効率の最大値に対する最小値の比率は、図７では約８９％であるのに対し、図８では約８１％、図９では約７４％であった。このことから、上記（１）式および（２）式の条件を満足することにより、優れた光利用効率が得られることが分かった。

＜分光器１０の作用効果＞
以上説明したように、分光器１０は、外部からの光Ｌｉを、第１光通過部１１を通して入射させる光入射部１（光入射手段）と、光入射部１によって入射された光Ｌｉを波長分散させる凹面回折格子２（回折格子）と、を有する。また分光器１０は、凹面回折格子２による波長分散光Ｌｄを反射する反射面３２を有し、反射面３２の傾きが可変である可動光反射部３（反射手段）と、可動光反射部３によって反射された波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第２光通過部４１を通して外部に出射させる光出射部４（光出射手段）と、を有する。分光器１０は、上記（１）式および（２）式の条件を満足する。

上記（１）式および（２）式の条件を満足することにより、入射角θｍ、θＭおよびθｒの相互の差が小さくなるため、分光器１０では、光出射部４から出射される光Ｌｍ、ＬＭおよびＬｒの光利用効率が向上する。光利用効率が向上することにより光検出部６における信号雑音比が高くなるため、本実施形態では、分光器１０による分光精度を向上させることができる。

また、上記（１）式および（２）式の条件を満足することにより、第２非光通過部４２により反射された光は、光出射部４と光入射部１との間において多重反射される。このため、例えば第１非光通過部１２および第２非光通過部４２それぞれの反射率を低くすると、多重反射における反射回数が増えるにつれて多重反射光は消衰する。従って、分光器１０では、光入射部１、凹面回折格子２、可動光反射部３および光出射部４それぞれを支持する支持部材等によって反射される光に基づく迷光を抑制し、光検出部６における信号雑音比を高くすることができる。

また、本実施形態では、分光器１０は、光出射部４からの出射光を検出する光検出部６（光検出手段）を有し、光検出部６は、光出射部４に接触または近接するように設けられている。これにより、入射角θｒが大きい場合にも、受光窓６１に入射しないことで光検出部６によって検出されない光を抑制できるため、光利用効率を向上させ、分光器１０による分光精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、光検出部６は光出射部４を支持するため、光出射部４と光検出部６との間の相対的な位置変動を抑制でき、分光器１０による分光精度を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、分光器１０の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一構成部には、同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。この点は、以降に示す実施形態においても同様である。

＜第１光通過部１１の形状と第２光通過部４１の形状の関係例＞
図１０は、本実施形態に係る光入射部１の投影像１ｓを説明する図である。図１１は、本実施形態に係る光出射部４の投影像４ｓを説明する図である。

図１０は、光Ｌｉが光入射部１の第１光通過部１１を通過する様子を示している。投影像１ｓは、第１光通過部１１を通過する光Ｌｉの主光線Ｌｉ０に直交する面Ｐｉに投影される第１光通過部１１の投影像である。

図１１は、波長分散光Ｌｄに含まれる異なる波長の光のうち波長λｒである光Ｌｒが光出射部４の第２光通過部４１を通過する様子を示している。投影像４ｓは、第２光通過部４１を通過する光Ｌｒの主光線Ｌｒ０に直交する面Ｐｒに投影される第２光通過部４１の投影像である。

本実施形態では、分光器１０は、投影像１ｓの形状が投影像４ｓの形状に等しくなるように構成されている。この構成により、光入射部１から入射される光Ｌｉの光量低下を抑制するとともに、第２光通過部４１を高効率に通過した光Ｌｒを光検出部６によって検出することができる。この結果、本実施形態では、分光器１０の光利用効率を向上させ、分光器１０による分光精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、波長λｍと波長λＭとの範囲内における所定波長の光に対し、第１光通過部１１と第２光通過部４１は共役関係である。可動光反射部３における反射面３２の傾き変化に伴い、光出射部４に到達する光はその波長に応じて焦点位置が変化し、波長分解能が低下する場合がある。本実施形態では、所定波長の光に対し、第１光通過部１１と第２光通過部４１を共役関係にすることによって、所定波長の光に対し、焦点位置の変化量を抑制でき、波長分解能の低下を抑制できる。

第１光通過部１１および第２光通過部４１がスリット状に形成されている場合には、スリットの長手方向に中央から離れるにつれ、収差により焦点位置が、第１光通過部１１および第２光通過部４１の法線方向に変化しやすくなる。このため、凹面回折格子２の形状を非球面形状にすることにより、上記の第１光通過部１１と第２光通過部４１との共役関係を成立させることが好ましい。

［第３実施形態］
次に、分光器１０の第３実施形態について説明する。

図１２は、本実施形態に係る光入射部１および光出射部４の構成を例示する断面図である。なお、光入射部１および光出射部４は、同様の構成を有するため、図１２では符号を併記している。この点は、以降の図１３および図１４においても同様とする。

図１２に示すように、光入射部１は、ニッケル（Ｎｉ）基板１１１と、黒色クロム（Ｃｒ）膜１１２と、第１光通過部１１と、を含む。

黒色クロム膜１１２は、分光器１０の内側に対応するニッケル基板１１１の面上に積層形成されており、第１非光通過部１２を構成している。第１光通過部１１は、ニッケル基板１１１および黒色クロム膜１１２を貫通するように形成されている。

光出射部４は、ニッケル基板４１１と、黒色クロム膜４１２と、第２光通過部４１と、を含む。

黒色クロム膜４１２は、分光器１０の内側に対応するニッケル基板４１１の面上に積層形成されており、第２非光通過部４２を構成している。第２光通過部４１は、ニッケル基板４１１および黒色クロム膜４１２を貫通するように形成されている。

光入射部１および光出射部４は、それぞれエレクトロフォーミング加工法により形成される。エレクトロフォーミング加工法とは、金属イオンを母材に電着させて形状を形成する加工法をいう。光入射部１および光出射部４は、母材としてのニッケル基板に金属イオンであるクロムが電着されることによって形成される。

光入射部１および光出射部４をエレクトロフォーミング加工法により形成することにより、光入射部１および光出射部４を薄く形成できる。これにより本実施形態では、第１光通過部１１および第２光通過部４１の内壁での光反射を低減し、迷光を抑制できる。

ニッケル材料は、エレクトロフォーミング加工が容易である点において、光入射部１および光出射部４の基板の材料として好適である。

スズ－ニッケル合金、ニッケル－亜鉛合金、スズ－ニッケル－銅合金等の黒ニッケル材料を含んで光入射部１および光出射部４の基板を構成すると、光入射部１および光出射部４の反射率を低減し、例えば第１光通過部１１および第２光通過部４１それぞれの内壁での反射を低減できる。これにより分光器１０における迷光を抑制できる。

光入射部１が黒色クロム膜１１２を含み、光出射部４が黒色クロム膜４１２を含むことにより、光入射部１と光出射部４との間において多重反射が生じた際に、多重反射の回数が増えるにつれ、多重反射光が消衰する。これにより多重反射光に基づく迷光を抑制できる。

図１３は、第１変形例に係る光入射部１ａおよび光出射部４ａの構成を例示する断面図である。

図１３に示すように、光入射部１ａは、シリコン（Ｓｉ）基板１１１ａと、真空蒸着遮光膜１１２ａと、第１光通過部１１と、を含む。

真空蒸着遮光膜１１２ａは、分光器１０の内側に対応するシリコン基板１１１ａの面上に積層形成されており、第１非光通過部１２を構成している。第１光通過部１１は、シリコン基板１１１ａおよび真空蒸着遮光膜１１２ａを貫通するように形成されている。

光出射部４ａは、シリコン基板４１１ａと、真空蒸着遮光膜４１２ａと、第２光通過部４１と、を含む。

真空蒸着遮光膜４１２ａは、分光器１０の内側に対応するシリコン基板４１１ａの面上に積層形成されており、第２非光通過部４２を構成している。第２光通過部４１は、シリコン基板４１１ａおよび真空蒸着遮光膜４１２ａを貫通するように形成されている。

真空蒸着遮光膜１１２ａおよび４１２ａは、それぞれ第１反射膜の一例であり、反射率が低い低反射膜である。低反射膜には、真空蒸着またはメッキにより形成可能な粒状金属膜等を使用できる。

シリコン基板４１１ａを含んで光入射部１ａおよび光出射部４ａを構成することにより、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセス等を用いて光入射部１ａおよび光出射部４ａを高精度且つ廉価に製作可能となる。これ以外の効果は、光入射部１および光出射部４と同様である。

図１４は、第２変形例に係る光入射部１ｂおよび光出射部４ｂの構成を例示する断面図である。

図１４に示すように、光入射部１ｂは、ガラス基板１１１ｂと、クロム／酸化クロム膜１１２ｂと、第１光通過部１１と、を含む。

クロム／酸化クロム膜１１２ｂは、分光器１０の内側に対応するガラス基板１１１ｂの面上に積層形成されており、第１非光通過部１２を構成している。第１光通過部１１は、クロム／酸化クロム膜１１２ｂを貫通するように形成されている。

光出射部４ｂは、ガラス基板４１１ｂと、クロム／酸化クロム膜４１２ｂと、第２光通過部４１と、を含む。

クロム／酸化クロム膜４１２ｂは、分光器１０の内側に対応するガラス基板４１１ｂの面上に積層形成されており、第２非光通過部４２を構成している。第２光通過部４１は、クロム／酸化クロム膜４１２ｂを貫通するように形成されている。

クロム／酸化クロム膜１１２ｂおよび４１２ｂは、第２反射膜の一例であり、反射率が低い低反射膜である。低反射膜には、真空蒸着またはメッキにより形成可能な粒状金属膜等を使用できる。また、低反射膜は、クロム膜と酸化ケイ素膜またはクロム膜と酸化クロム膜等の交互積層膜で形成することも可能である。

ガラス基板を用いることにより、光入射部１ｂおよび光出射部４ｂを廉価に製作できる。また第１非光通過部１２および第２非光通過部４２を誘電体薄膜の多層積層により形成することによって、光入射部１ｂおよび光出射部４ｂの光透過特性を調整でき、迷光を低減できる。これ以外の効果は、光入射部１および光出射部４と同様である。

本実施形態では、光入射部として光入射部１、１ａおよび１ｂのいずれを使用してもよいし、光出射部として光出射部４、４ａおよび４ｂのいずれを使用してもよい。光入射部１、１ａおよび１ｂと、光出射部４、４ａおよび４ｂを適宜組み合わせて用いてもよい。

以下の説明では、光入射部１および光出射部４を一例とするが、光入射部１ａまたは１ｂ、あるいは光出射部４ａまたは４ｂに置き換えることもできる。

ここで、図１５は、第１非光通過部１２および第２非光通過部４２での反射光強度を説明する図である。図１５の横軸は、反射面３２の規格化された傾きを表し、縦軸は光検出部６での規格化された受光量を表している。

図１５において、実線のグラフ１５１は、メイン光の光検出部６による受光強度を表している。破線のグラフ１５２は、第１非光通過部１２の反射率が９０％である光入射部１と、第２非光通過部４２の反射率が９０％である光出射部４と、の間を多重反射により１回往復した光（１回往復光という）の光検出部６による受光強度を表している。

一点鎖線のグラフ１５３は、第１非光通過部１２の反射率が５０％である光入射部１と、第２非光通過部４２の反射率が５０％である光出射部４と、の間を多重反射により１回往復した光の光検出部６による受光強度を表している。

二点鎖線のグラフ１５３は、第１非光通過部１２の反射率が３０％である光入射部１と、第２非光通過部４２の反射率が３０％である光出射部４と、の間を多重反射により１回往復した光の光検出部６による受光強度を表している。

メイン光および１回往復光は、波長λｍと波長λＭとの範囲内における所定波長の光である。

１回往復光は、適正な角度とは異なる角度の反射面３２により反射された後、光検出部６により検出される光であるため、迷光となる光である。１回往復光のメイン光に対する相対強度は、グラフ１５１では０．３５、グラフ１５２では０．１１、グラフ１５３では０．０４である。

例えば、分光器１０による分光反射率から物質の材料を判定する用途では、メイン光に対する迷光が５％程度以下であれば判定が可能となる。このため、図１５に基づくと、波長λｍと波長λＭとの範囲内における所定波長の光に対し、第１非光通過部１２および第２非光通過部４２の反射率は、いずれも３０％以下にすることが好ましい。このようにすることで、光検出部６により検出される１回往復光の光強度を５％以下に低減でき、分光器１０による分光精度を高く確保できる。

図１６は、第１光通過部１１および第２光通過部４１それぞれの内壁での反射を説明する図である。図１６は、光入射部１における第１光通過部１１および光出射部４における第２光通過部４１を拡大して示している。

図１６において、内壁１３は第１光通過部１１の内壁を表し、内壁４４は第２光通過部４１の内壁を表している。厚みｔは、第１光通過部１１および第２光通過部４１それぞれの厚みを表している。

内壁１３および４４により反射される光は、凹面回折格子２の有効領域以外の領域で反射されるため、迷光となる。第１光通過部１１および第２光通過部４１それぞれの厚みｔを０．１ｍｍ以下とすると、内壁１３および４４により反射される光の光強度は、分光のために用いられる光の光強度に対して十分小さくなるため、分光器１０による分光精度を高く確保できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

また、実施形態に係る分光器は、分析装置に用いることができる。このような分析装置は、例えば分光器により得られるスペクトルを分光分析することにより、対象物の樹脂種等を同定し、対象物をリサイクル材料として樹脂種ごとに選別回収するために用いられる。

１ 光入射部（光入射手段の一例）
１ｓ 投影像
１１ 第１光通過部
１２ 第１非光通過部
１３ 内壁
２ 凹面回折格子（回折格子の一例）
３ 可動光反射部（反射手段の一例）
３１ 揺動軸
３２ 反射面
３３ 反射ライン
４ 光出射部（光出射手段の一例）
４ｓ 投影像
４１ 第２光通過部
４２ 第２非光通過部
４３ 出射ライン
４４ 内壁
５ 基板
６ 光検出部（光検出手段の一例）
６０ 受光中心軸
６１ 受光窓
１０ 分光器
１５ 反射部材
１１２ａ、４１２ａ 真空蒸着遮光膜（第１反射膜の一例）
１１２ｂ、４１２ｂ クロム／酸化クロム膜（第２反射膜の一例）
１５１、１５２、１５３ グラフ
４１１ ニッケル基板
４１１ａ シリコン基板
４１１ｂ ガラス基板
Ｌｉ、Ｌｒ、Ｌｍ、ＬＭ 光
Ｌｉ０、Ｌｒ０ 主光線
Ｌｒ１、Ｌｍ１、ＬＭ１ 光軸
Ｌｄ 波長分散光
θｒ、θｍ、θＭ 入射角
λｒ、λｍ、λＭ 波長
Ｐｉ、Ｐｒ 面
ｔ 厚み

特許５５５８９２７号公報

Claims (11)

1. 外部からの光を、第１光通過部を通して入射させる光入射手段と、
   前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる回折格子と、
   前記回折格子による波長分散光を反射する反射面を有し、前記反射面の傾きが可変である反射手段と、
   前記反射手段によって反射された前記波長分散光に含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第２光通過部を通して外部に出射させる光出射手段と、を有し、
   以下の（１）式および（２）式の条件を満足する、分光器。
   ｜θr｜＜｜θｍ｜ ・・・（１）
   ｜θr｜＜｜θＭ｜ ・・・（２）
   （λｍは、前記波長分散光における波長の最小値を表し、λＭは、前記波長分散光における波長の最大値を表し、λｒは、前記波長分散光における異なる波長のうちλｍとλＭとの範囲内から選択される波長を表し、θｍは、波長λｍの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表し、θＭは、波長λＭの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表し、θｒは、波長λｒの光が前記第２光通過部に入射する入射角を表す。）
2. 前記光出射手段からの出射光を検出する光検出手段をさらに有し、
   前記光検出手段は、前記光出射手段に接触または近接するように設けられている、
   請求項１に記載の分光器。
3. 前記光検出手段は前記光出射手段を支持する、請求項２に記載の分光器。
4. 前記第１光通過部を通過する前記光の主光線に直交する面に投影される前記第１光通過部の投影像の形状は、前記光出射手段からの出射光の主光線に直交する面に投影される前記第２光通過部の投影像の形状に等しい、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光器。
5. 波長λｍと波長λＭとの範囲内における所定波長の光に対し、前記第１光通過部と前記第２光通過部は共役関係である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分光器。
6. 前記光入射手段における第１非光通過部の反射率と、前記光出射手段における第２非光通過部の反射率は、波長λｍと波長λＭとの範囲内における所定波長の光に対し、いずれも３０％以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の分光器。
7. 前記第１光通過部および前記第２光通過部それぞれの厚みは０．１ｍｍ以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の分光器。
8. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、エレクトロフォーミング加工法により形成されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分光器。
9. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された第１反射膜と、を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分光器。
10. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された第２反射膜と、を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分光器。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の分光器を有する、分析装置。

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