JP3576538B2 - グリズム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グリズムに関し、さらに詳細には、天文学、地球惑星科学、気象学、環境衛生学などの各種観測装置、理化学、鉱物、生物、病理学などの各種分光分析装置、食品、医薬品、化学製品の製造装置や品質管理装置、光通信の光多重技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の根幹をなす全光ルーティング装置などに用いて好適なグリズムに関する。
【０００２】
なお、グリズム（ｇｒｉｓｍ）とは、任意の次数、任意の波長の光を直進あるいは任意の方向に進ませるように透過型回折格子とプリズムとを組み合わせた透過型分散素子である。
【０００３】
【従来の技術】
近年、天文学、地球惑星科学、気象学、大気環境学の分野においては、２次元検出器の進歩により、撮像機能と分光機能との両方の機能を備えた多数の観測装置が開発されてきており、こうした観測装置においては、分散素子としてグリズムが多く用いられている。
【０００４】
従来のグリズムは、グリズムを構成するプリズムの頂角が固定されているために、直進波長や最大効率波長は固定されていた。
【０００５】
そのため、広い波長で高分散分光測定を行う場合に、直進波長の異なる複数のグリズムを用意しなければならないという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数のグリズムを用いることなしに、単一で広い波長の高分散分光測定を行うことができるグリズムを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるグリズムは、頂角が変角可能なプリズムとボリューム・フェイズ・ホログラム（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ：ＶＰＨ）とを組み合わせて構成するようにしたものである。
【０００８】
即ち、本発明のうちの請求項１に記載の発明は、頂角が変角可能なプリズムと、上記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムとを有し、上記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化するようにしたものである。
【０００９】
また、本発明のうちの請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、外部から上記プリズムの表面を介して光が入射され、上記プリズム内に入射された光は上記プリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１０】
また、本発明のうちの請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、外部から上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して光が入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して上記プリズムに入射され、上記プリズム内を透過した光は、上記プリズムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうちの請求項４に記載の発明は、頂角が変角可能なプリズムと、上記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムと、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを保持する保持基板とを有し、上記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうちの請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、外部から上記プリズムの表面を介して光が入射され、上記プリズム内に入射された光は上記プリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、上記保持基板の表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうちの請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、外部から上記保持基板の表面を介して光が入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して上記プリズムに入射され、上記プリズム内を透過した光は、上記プリズムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうちの請求項７に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記プリズムは、透明な材料により形成される２つの外部部材と、使用波長領域において透明であり上記２つの外部部材の間に封入される液体の内部部材とを有するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうちの請求項８に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の発明において、上記プリズムの頂角と上記傾斜角とをそれぞれ所定の角に変化させて、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうちの請求項９に記載の発明は、頂角が変角可能な第１のプリズムと、頂角が変角可能な第２のプリズムと、回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムとを有し、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角とを対向させるようにして、上記第１のプリズムと上記第２のプリズムとによって上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを挟み込んで形成し、外部から上記第１のプリズムの表面を介して光が入射され、上記第１のプリズム内に入射された光は上記第１のプリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を通過した光は上記第２のプリズム内に入射され、上記第２のプリズム内を透過した光は、上記第２のプリズムの表面を介して外部へ出射されるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうちの請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、上記第１のプリズムならびに上記第２のプリズムはそれぞれ、上記第１のプリズムならびに上記第２のプリズムの外部の屈折率の２倍の屈折率を有するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうちの請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０のいずれか１項に記載の発明において、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角とをそれぞれ所定の角に変化させて、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持するようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるグリズムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２０】
図１には、本発明によるグリズムの第１の実施の形態を示す概念構成説明図が示されているが、このグリズム１０は、頂角が変角可能なプリズム１２と回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラム１６とを有して構成されている。
【００２１】
ここで、プリズム１２は、一方の端部１２ａ−ｔ，１２ｂ−ｔを支点として互いに角度を大きくする方向と小さくする方向とに開閉自在な２枚の板状の外部部材１２ａ，１２ｂと、外部部材１２ａの他方の端部１２ａ−ｂと外部部材１２ｂの他方の端部１２ｂ−ｂとを連結するようにして配設されたゴム状の封止部材１２ｃによって形成される内部空間に封入された内部部材１２ｄとを有して構成されている。
【００２２】
ここで、外部部材１２ａ，１２ｂや内部部材１２ｄは、透明な材質により形成されている。例えば、外部部材１２ａ，１２ｂはガラスにより形成され、内部部材１２ｄとしては、使用波長領域において透明な液体であるシリコンオイルなどが用いられる。また、封止部材１２ｃは、例えば、合成ゴムにより形成されている。
【００２３】
そして、プリズム１２の外部部材１２ａと外部部材１２ｂとのなす角を、プリズム１２の頂角αとする。このプリズム１２の頂角αは、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００２４】
一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を構成する材料としては、例えば、重クロムゼラチンや感光性樹脂などを用いることができる。そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、プリズム１２の頂角αを含む側面（図１において略三角形形状の領域を示すプリズム１２の面に対応する。）と略直交して配設されている。
【００２５】
そして、外部部材１２ａと密着されたボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とのなす角を、グリズム１０の傾斜角βとする。このグリズム１０の傾斜角βは、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００２６】
なお、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、２枚の保持基板１７−１，１７−２のよって狭持されるものであってもよい。この場合、図２に示すグリズム１０’のように、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を保持する保持基板１７−１が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６とプリズム１２との間に位置するようになる。
【００２７】
この保持基板１７−１と保持基板１７−２とはそれぞれ、使用波長領域において透明で均質な材質、例えば、ガラスやプラスチック（樹脂）などにより形成されている。また、保持基板１７−１，１７−２の屈折率は、例えば、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と等しくするとよい。
【００２８】
以上の構成において、グリズム１０（図１参照）においては、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内を透過した光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光は、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａ側から外部に出射されることになる。
【００２９】
また、保持基板１７−１，１７−２を有するグリズム１０’（図２参照）の場合には、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内を透過した光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光は、保持基板１７−２の端面１７−２ａ側から外部に出射されることになる。
【００３０】
ここで、図示しない駆動手段の駆動力により、例えば、プリズム１２の外部部材１２ｂの端部１２ｂ−ｔと外部部材１２ａの端部１２ａ−ｔとを支点として、外部部材１２ｂの他方の端部１２ｂ−ｂを外部部材１２ａの他方の端部１２ａ−ｔから離隔する方向あるいは端部１２ａ−ｔに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１２ｄが移動し、プリズム１２の頂角αを変角させることが可能である。
【００３１】
同様に、図示しない駆動手段の駆動力によって、グリズム１０全体を、プリズム１２の側面と略直交する軸線周りに、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６のプリズム１２の頂角α側の端部１６ｔを支点として回転すると、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とがなす傾斜角βを変角させることが可能である。
【００３２】
ここで、図３に示すように、表面にノコギリ状の格子形状をもつレリーフ格子の場合には、プリズム基板の頂角や入射角を変化させても、回折効率を大きく変化させることができない。一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、ブラッグの条件を満たす場合に最も高い効率を示す回折格子である。
【００３３】
そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の格子が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面および側面に対してほぼ垂直である場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、回折次数を「ｍ」とし、波長を「λ」とすると、ブラッグ回折の式は、次の式（１）である。
【００３４】
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθｂ ・・・式（１）
ここで、θｂは、ブラッグ角である。図１において、プリズム１２における光の入射面１２ｂｂおよびプリズム１２とボリューム・フェイズ・ホログラム１６との界面における屈折の式は、外部媒質の屈折率を「ｎ０」、プリズム１２の内部部材１２ｄの屈折率を「ｎ１」、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とすると、次の式（２）および式（３）である。
【００３５】
ｎ０ｓｉｎ（α＋β）＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（２）
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（３）
このとき、θ２がブラッグの条件を満たすとするとθ２＝θｂなので、式（３）は次の式（４）となる。
【００３６】
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθｂ ・・・式（４）
一方、ブラッグの条件を満たしながら、出射光が入射光と角度θ３をなす方向にボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面（例えば、図１に示すグリズム１０の場合には、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａ）、あるいは、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟む保持基板の表面（例えば、図２に示すプリズム１０’の場合には、保持基板１７−２の端面１７−２ａ）から外部に出射される場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面あるいはボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟む保持基板の表面における屈折の式は、次の式（５）である。
【００３７】
ｎ２ｓｉｎθｂ＝ｎ０ｓｉｎ（β＋θ３） ・・・式（５）
ここで、厳密にブラッグの条件を満たしていなくても、ブラッグ角の近傍ではボリューム・フェイズ・ホログラム１６の回折効率が高いので（図３に示す回折効率ｂを参照）、
ｓｉｎ（α＋β）＝α＋β
ｓｉｎθ１＝θ１
ｓｉｎ（α−θ１）＝α−θ１
ｓｉｎθｂ＝θｂ
ｓｉｎ（β＋θ３）＝β＋θ３
とみなすことができるとすると、式（２）、式（４）ならびに式（５）より、次の式（６）が導かれる。
【００３８】
α＝ｎ０（２β＋θ３）／（ｎ１−ｎ０） ・・・式（６）
なお、出射光が入射光と平行に外部に出射される場合にはθ３＝０なので、式（５）は、次に式（７）となる。
【００３９】
ｎ２ｓｉｎθｂ＝ｎ０ｓｉｎβ ・・・式（７）
また、式（６）は、次の式（８）となる。
【００４０】
α＝２ｎ０β／（ｎ１−ｎ０） ・・・式（８）
即ち、上記の式（６）あるいは式（８）により求められる比率でプリズム１２の頂角αと、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とがなす傾斜角βとを変化させることにより、常にブラッグの条件を保ちながら高い回折効率を維持した状態で波長を変えることができる（図３に示す回折効率ａを参照）。
【００４１】
例えば、外部媒質の屈折率「ｎ０」が１．０であって、出射光が入射光と平行に外部に出射され、内部部材１２ｄの屈折率「ｎ１」が１．５の場合には、α＝４β、「ｎ１」が２．０の場合には、α＝２βの比率にすると、高い回折効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００４２】
従って、本発明によるグリズム１０，１０’によれば、複数のグリズムを用いることなしに、単一のグリズムによって、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００４３】
一方、頂角可変プリズムの表面に階段形状の透過型回折格子（レリーフ格子）を組み合わせてグリズムを形成することも可能である。しかしながら、こうしたグリズムの場合には、プリズムの頂角を変角することにより、出射光の方向と波長を任意に変えることはできるが、最大効率波長を変えることはできない（図３に示す回折効率ｃを参照）。
【００４４】
即ち、本発明によるグリズム１０，１０’は、このような頂角可変プリズムの表面に階段形状の透過型回折格子を組み合わせたグリズムを用いてはできない、広い波長における高い効率を保った高分散分光測定を行うことができるものである。
【００４５】
また、本発明によるグリズム１０，１０’においては、頂角が変角可能なプリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射されるのに限られるこものではない。
【００４６】
例えば、図１に示すグリズム１０の場合には、外部からボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面を介して、即ち、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａから光が入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射された光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過してプリズム１２に入射され、プリズム１２内を透過した光は、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部に出射されるようにしてもよい。
【００４７】
図２に示すグリズム１０’の場合には、外部から保持基板１７−２の表面を介して、即ち、保持基板１７−２の端面１７−２ａから光が入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射された光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過してプリズム１２に入射され、プリズム１２内を透過した光は、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部に出射されるようにしてもよい。
【００４８】
こうした場合においても、グリズム１０，１０’によれば、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００４９】
次に、図４を参照しながら、本発明によるグリズムの第２の実施の形態について説明する。
【００５０】
なお、図４においては、図１乃至図２に示す構成と同一または相当する構成に関しては、図１乃至図２において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００５１】
この第２の実施の形態のグリズム２０は、上記した第１の実施の形態のグリズム１０と比較して、プリズム１４が配設されている点が異なっている。
【００５２】
より詳細には、このグリズム２０は、頂角が変角可能なプリズム１２と頂角が変角可能なプリズム１４とによって、回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟み込むようにして構成されている。
【００５３】
プリズム１４は、プリズム１２と共通な構造を備えており、一方の端部１４ａ−ｔ，１４ｂ−ｔを支点として互いに角度を大きくする方向と小さくする方向とに開閉自在な２枚の板状の外部部材１４ａ，１４ｂと、外部部材１４ａの他方の端部１４ａ−ｂと外部部材１４ｂの他方の端部１４ｂ−ｂとを連結するようにして配設されたゴム状の封止部材１４ｃによって形成される内部空間に封入された内部部材１４ｄとを有して構成されている。
【００５４】
ここで、外部部材１４ａ，１４ｂや内部部材１４ｄは、透明な材質により形成されている。例えば、外部部材１４ａ，１４ｂはガラスにより形成され、内部部材１４ｄとしては、使用波長領域において透明な液体であるシリコンオイルなどが用いられる。また、封止部材１４ｃは、例えば、合成ゴムにより形成されている。
【００５５】
なお、この実施の形態においては、プリズム１２とプリズム１４とは共通な材料により形成され、プリズム１２の屈折率とプリズム１４の屈折率とは同一である。
【００５６】
そして、プリズム１２の外部部材１２ａと外部部材１２ｂとのなす角を、プリズム１２の頂角αとし、プリズム１４の外部部材１４ａと外部部材１４ｂとのなす角を、プリズム１４の頂角γとする。このプリズム１２の頂角αならびにプリズム１４の頂角γはそれぞれ、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００５７】
こうしたプリズム１２の外部部材１２ａとプリズム１４の外部部材１４ａとを対向させるとともに、プリズム１２の頂角αとプリズム１４の頂角γとを対向させるようにして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟み込んでいる。この際、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、プリズム１２の頂角αを含む側面（図４において略三角形形状の領域を示すプリズム１２の面に対応する。）ならびにプリズム１４の頂角γを含む側面（図４において略三角形形状の領域を示すプリズム１４の面に対応する。）と略直交して配設される。
【００５８】
以上の構成において、このグリズム２０においては、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内に入射された光はプリズム１２内を透過してボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光はプリズム１４内に入射される。このプリズム１４内に入射された光は、プリズム１４内を透過しプリズム１４の表面を介して、即ち、プリズム１４の外部部材１４ｂ側から外部へ出射されることになる。
【００５９】
ここで、図示しない駆動手段の駆動力により、プリズム１２の外部部材１２ｂを外部部材１２ａから離隔する方向あるいは外部部材１２ａに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１２ｄが変動し、プリズム１２の頂角αを変角させることが可能である。
【００６０】
同様に、図示しない駆動手段の駆動力により、プリズム１４の外部部材１４ｂを外部部材１４ａから離隔する方向あるいは外部部材１４ａに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１４ｄが変動し、プリズム１４の頂角γを変角させることが可能である。
【００６１】
ここで、図３に示すように、表面にノコギリ状の格子形状をもつレリーフ格子の場合には、プリズム基板の頂角や入射角を変化させても、回折効率を大きく変化させることができない。一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、ブラッグの条件を満たす場合に最も高い効率を示す回折格子である。
【００６２】
そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の格子が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面および側面に対してほぼ垂直である場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、回折次数を「ｍ」とし、波長を「λ」とすると、ブラッグ回折の式は、次の式（９）である。
【００６３】
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθｂ ・・・式（９）
ここで、θｂは、ブラッグ角である。図４において、プリズム１２における光の入射面１２ｂｂおよびプリズム１２とボリューム・フェイズ・ホログラム１６との界面における屈折の式は、外部媒質の屈折率を「ｎ０」とし、プリズム１２の屈折率を「ｎ１」とすると、次の式（１０）および式（１１）である。
【００６４】
ｎ０ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（１０）
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（１１）
そして、θ２＝θｂとして、式（１１）に式（９）を代入すると、式（１２）が得られる。
【００６５】
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１２）
ここで、頂角が変角可能なプリズム１２が、プリズム１２の外部媒質の屈折率「ｎ０」の２倍の屈折率を有する。即ち、ｎ１＝２ｎ０の場合に、式（１０）よりｓｉｎα＝２ｓｉｎθ１なので、α＝２θ１とみなせると、式（１２）は、
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１３）
となり、この式（１３）ならびに式（１０）とより、次の式（１４）が導かれる。
【００６６】
ｎ０ｓｉｎα＝ｍλ／２ｄ
ｍλ＝２ｎ０ｄｓｉｎα ・・・式（１４）
即ち、上記した式（１４）により、頂角αを変化させることによって、常にブラッグの条件を保ちながら高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００６７】
また、頂角が変角可能なプリズム１４の屈折率を「ｎ３」とすると、
ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎ（γ−θ３） ・・・式（１５）
である。さらに、出射光が入射光と角度θ４をなす方向に進むとすると、
ｎ３ｓｉｎθ３＝ｎ０ｓｉｎ（γ＋θ４） ・・・式（１６）
である。ここで、ｎ３＝２ｎ０、θ４＝０の場合に、式（１６）は、
ｓｉｎγ＝２ｓｉｎθ３ ・・・式（１７）
なので、γ＝２θ３とみなせると、式（１５）は、
ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎθ３
なので、式（１２）と同様に、
ｎ３ｓｉｎθ３＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１８）
となり、この式（１８）ならびに式（１７）とにより、式（１９）が導かれる。
【００６８】
ｎ０ｓｉｎγ＝ｍλ／２ｄ
ｍλ＝２ｎ０ｄｓｉｎγ ・・・式（１９）
この式（１９）と式（１４）より、
γ＝α
となり、直進方向に常に高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００６９】
例えば、グリズム２０の外部媒質が空気である場合には、空気の屈折率「ｎ０＝１」に対してプリズム１２の屈折率ｎ１＝２にすると、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６がブラッグの条件を満足するために、高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。従って、プリズム１２の外部が空気や、水や、あるいは、その他の種類液体などに変更されるのに応じて、プリズム１２の材料を変更し、プリズム１２の屈折率を外部の屈折率の２倍になるように変更すればよい。
【００７０】
従って、本発明によるグリズム２０によれば、複数のグリズムを用いることなしに、単一のグリズムによって、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７１】
また、本発明によるグリズム２０においては、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射される位置と、プリズム１４の外部部材１４ｂ側から外部へ光が出射される位置とが一致しており、光軸をずらさずに広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７２】
なお、頂角γを任意に選択することにより、所望の方向に任意の波長を進ませることも可能である。
【００７３】
また、グリズム２０においては、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射されるのに限られることなしに、外部からプリズム１４の表面を介して、即ち、外部部材１４ｂ側から光が入射され、プリズム１４内に入射された光はプリズム１４内を透過してボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光はプリズム１２内に入射される。そして、このプリズム１２内に入射された光は、プリズム１２内を透過しプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部へ出射されるようにしてもよい。この場合においてもグリズム２０によれば、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７４】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（３）に示すように変形することができるものである。
【００７５】
（１）上記した実施の形態においては、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を構成する材料として、重クロムゼラチンや感光性樹脂などを示したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【００７６】
（２）上記した実施の形態においては、液体を用いてプリズム１２やプリズム１４の頂角が変化するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、プリズムとして、頂角が変角可能な他の種類のプリズムを用いるようにしてもよい。
【００７７】
（３）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数のグリズムを用いることなしに、単一で広い波長の高分散分光測定を行うことができるグリズムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるグリズムの第１の実施の形態を示す概念構成説明図である。
【図２】本発明によるグリズムの実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
【図３】ボリューム・フェイズ・ホログラムの回折角を固定した場合（ｂ）とブラッグ角に保った場合（ａ）およびレリーフ回折格子（ｃ）との回折効率を示すグラフである。
【図４】本発明によるグリズムの第２の実施の形態を示す概念構成説明図である。
【符号の説明】
１０，１０’２０ グリズム
１２ プリズム
１２ａ，１２ｂ 外部部材
１２ａ−ｔ，１２ｂ−ｔ 端部
１２ａ−ｂ，１２ｂ−ｂ 端部
１２ｂｂ 入射面
１２ｃ 封止部材
１２ｄ 内部部材
１４ プリズム
１４ａ，１４ｂ 外部部材
１４ａ−ｔ，１４ｂ−ｔ 端部
１４ａ−ｂ，１４ｂ−ｂ 端部
１４ｃ 封止部材
１４ｄ 内部部材
１６ ボリューム・フェイズ・ホログラム
１６ａ 端面
１６ｔ 端部
１７−１，１７−２ 保持基板
１７−２ａ 端面
【発明の属する技術分野】
本発明は、グリズムに関し、さらに詳細には、天文学、地球惑星科学、気象学、環境衛生学などの各種観測装置、理化学、鉱物、生物、病理学などの各種分光分析装置、食品、医薬品、化学製品の製造装置や品質管理装置、光通信の光多重技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の根幹をなす全光ルーティング装置などに用いて好適なグリズムに関する。
【０００２】
なお、グリズム（ｇｒｉｓｍ）とは、任意の次数、任意の波長の光を直進あるいは任意の方向に進ませるように透過型回折格子とプリズムとを組み合わせた透過型分散素子である。
【０００３】
【従来の技術】
近年、天文学、地球惑星科学、気象学、大気環境学の分野においては、２次元検出器の進歩により、撮像機能と分光機能との両方の機能を備えた多数の観測装置が開発されてきており、こうした観測装置においては、分散素子としてグリズムが多く用いられている。
【０００４】
従来のグリズムは、グリズムを構成するプリズムの頂角が固定されているために、直進波長や最大効率波長は固定されていた。
【０００５】
そのため、広い波長で高分散分光測定を行う場合に、直進波長の異なる複数のグリズムを用意しなければならないという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数のグリズムを用いることなしに、単一で広い波長の高分散分光測定を行うことができるグリズムを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるグリズムは、頂角が変角可能なプリズムとボリューム・フェイズ・ホログラム（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ：ＶＰＨ）とを組み合わせて構成するようにしたものである。
【０００８】
即ち、本発明のうちの請求項１に記載の発明は、頂角が変角可能なプリズムと、上記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムとを有し、上記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化するようにしたものである。
【０００９】
また、本発明のうちの請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、外部から上記プリズムの表面を介して光が入射され、上記プリズム内に入射された光は上記プリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１０】
また、本発明のうちの請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、外部から上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して光が入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して上記プリズムに入射され、上記プリズム内を透過した光は、上記プリズムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうちの請求項４に記載の発明は、頂角が変角可能なプリズムと、上記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムと、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを保持する保持基板とを有し、上記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうちの請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、外部から上記プリズムの表面を介して光が入射され、上記プリズム内に入射された光は上記プリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、上記保持基板の表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうちの請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、外部から上記保持基板の表面を介して光が入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して上記プリズムに入射され、上記プリズム内を透過した光は、上記プリズムの表面を介して外部へ出射され、上記プリズムの頂角と上記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、上記外部に出射する光の方向を変化させるようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうちの請求項７に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記プリズムは、透明な材料により形成される２つの外部部材と、使用波長領域において透明であり上記２つの外部部材の間に封入される液体の内部部材とを有するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうちの請求項８に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の発明において、上記プリズムの頂角と上記傾斜角とをそれぞれ所定の角に変化させて、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうちの請求項９に記載の発明は、頂角が変角可能な第１のプリズムと、頂角が変角可能な第２のプリズムと、回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムとを有し、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角とを対向させるようにして、上記第１のプリズムと上記第２のプリズムとによって上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを挟み込んで形成し、外部から上記第１のプリズムの表面を介して光が入射され、上記第１のプリズム内に入射された光は上記第１のプリズム内を透過して上記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、上記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を通過した光は上記第２のプリズム内に入射され、上記第２のプリズム内を透過した光は、上記第２のプリズムの表面を介して外部へ出射されるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうちの請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、上記第１のプリズムならびに上記第２のプリズムはそれぞれ、上記第１のプリズムならびに上記第２のプリズムの外部の屈折率の２倍の屈折率を有するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうちの請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０のいずれか１項に記載の発明において、上記第１のプリズムの頂角と上記第２のプリズムの頂角とをそれぞれ所定の角に変化させて、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持するようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるグリズムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２０】
図１には、本発明によるグリズムの第１の実施の形態を示す概念構成説明図が示されているが、このグリズム１０は、頂角が変角可能なプリズム１２と回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラム１６とを有して構成されている。
【００２１】
ここで、プリズム１２は、一方の端部１２ａ−ｔ，１２ｂ−ｔを支点として互いに角度を大きくする方向と小さくする方向とに開閉自在な２枚の板状の外部部材１２ａ，１２ｂと、外部部材１２ａの他方の端部１２ａ−ｂと外部部材１２ｂの他方の端部１２ｂ−ｂとを連結するようにして配設されたゴム状の封止部材１２ｃによって形成される内部空間に封入された内部部材１２ｄとを有して構成されている。
【００２２】
ここで、外部部材１２ａ，１２ｂや内部部材１２ｄは、透明な材質により形成されている。例えば、外部部材１２ａ，１２ｂはガラスにより形成され、内部部材１２ｄとしては、使用波長領域において透明な液体であるシリコンオイルなどが用いられる。また、封止部材１２ｃは、例えば、合成ゴムにより形成されている。
【００２３】
そして、プリズム１２の外部部材１２ａと外部部材１２ｂとのなす角を、プリズム１２の頂角αとする。このプリズム１２の頂角αは、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００２４】
一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を構成する材料としては、例えば、重クロムゼラチンや感光性樹脂などを用いることができる。そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、プリズム１２の頂角αを含む側面（図１において略三角形形状の領域を示すプリズム１２の面に対応する。）と略直交して配設されている。
【００２５】
そして、外部部材１２ａと密着されたボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とのなす角を、グリズム１０の傾斜角βとする。このグリズム１０の傾斜角βは、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００２６】
なお、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、２枚の保持基板１７−１，１７−２のよって狭持されるものであってもよい。この場合、図２に示すグリズム１０’のように、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を保持する保持基板１７−１が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６とプリズム１２との間に位置するようになる。
【００２７】
この保持基板１７−１と保持基板１７−２とはそれぞれ、使用波長領域において透明で均質な材質、例えば、ガラスやプラスチック（樹脂）などにより形成されている。また、保持基板１７−１，１７−２の屈折率は、例えば、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と等しくするとよい。
【００２８】
以上の構成において、グリズム１０（図１参照）においては、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内を透過した光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光は、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａ側から外部に出射されることになる。
【００２９】
また、保持基板１７−１，１７−２を有するグリズム１０’（図２参照）の場合には、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内を透過した光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光は、保持基板１７−２の端面１７−２ａ側から外部に出射されることになる。
【００３０】
ここで、図示しない駆動手段の駆動力により、例えば、プリズム１２の外部部材１２ｂの端部１２ｂ−ｔと外部部材１２ａの端部１２ａ−ｔとを支点として、外部部材１２ｂの他方の端部１２ｂ−ｂを外部部材１２ａの他方の端部１２ａ−ｔから離隔する方向あるいは端部１２ａ−ｔに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１２ｄが移動し、プリズム１２の頂角αを変角させることが可能である。
【００３１】
同様に、図示しない駆動手段の駆動力によって、グリズム１０全体を、プリズム１２の側面と略直交する軸線周りに、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６のプリズム１２の頂角α側の端部１６ｔを支点として回転すると、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とがなす傾斜角βを変角させることが可能である。
【００３２】
ここで、図３に示すように、表面にノコギリ状の格子形状をもつレリーフ格子の場合には、プリズム基板の頂角や入射角を変化させても、回折効率を大きく変化させることができない。一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、ブラッグの条件を満たす場合に最も高い効率を示す回折格子である。
【００３３】
そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の格子が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面および側面に対してほぼ垂直である場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、回折次数を「ｍ」とし、波長を「λ」とすると、ブラッグ回折の式は、次の式（１）である。
【００３４】
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθｂ ・・・式（１）
ここで、θｂは、ブラッグ角である。図１において、プリズム１２における光の入射面１２ｂｂおよびプリズム１２とボリューム・フェイズ・ホログラム１６との界面における屈折の式は、外部媒質の屈折率を「ｎ０」、プリズム１２の内部部材１２ｄの屈折率を「ｎ１」、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とすると、次の式（２）および式（３）である。
【００３５】
ｎ０ｓｉｎ（α＋β）＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（２）
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（３）
このとき、θ２がブラッグの条件を満たすとするとθ２＝θｂなので、式（３）は次の式（４）となる。
【００３６】
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθｂ ・・・式（４）
一方、ブラッグの条件を満たしながら、出射光が入射光と角度θ３をなす方向にボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面（例えば、図１に示すグリズム１０の場合には、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａ）、あるいは、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟む保持基板の表面（例えば、図２に示すプリズム１０’の場合には、保持基板１７−２の端面１７−２ａ）から外部に出射される場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面あるいはボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟む保持基板の表面における屈折の式は、次の式（５）である。
【００３７】
ｎ２ｓｉｎθｂ＝ｎ０ｓｉｎ（β＋θ３） ・・・式（５）
ここで、厳密にブラッグの条件を満たしていなくても、ブラッグ角の近傍ではボリューム・フェイズ・ホログラム１６の回折効率が高いので（図３に示す回折効率ｂを参照）、
ｓｉｎ（α＋β）＝α＋β
ｓｉｎθ１＝θ１
ｓｉｎ（α−θ１）＝α−θ１
ｓｉｎθｂ＝θｂ
ｓｉｎ（β＋θ３）＝β＋θ３
とみなすことができるとすると、式（２）、式（４）ならびに式（５）より、次の式（６）が導かれる。
【００３８】
α＝ｎ０（２β＋θ３）／（ｎ１−ｎ０） ・・・式（６）
なお、出射光が入射光と平行に外部に出射される場合にはθ３＝０なので、式（５）は、次に式（７）となる。
【００３９】
ｎ２ｓｉｎθｂ＝ｎ０ｓｉｎβ ・・・式（７）
また、式（６）は、次の式（８）となる。
【００４０】
α＝２ｎ０β／（ｎ１−ｎ０） ・・・式（８）
即ち、上記の式（６）あるいは式（８）により求められる比率でプリズム１２の頂角αと、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６と入射光に垂直な面１００とがなす傾斜角βとを変化させることにより、常にブラッグの条件を保ちながら高い回折効率を維持した状態で波長を変えることができる（図３に示す回折効率ａを参照）。
【００４１】
例えば、外部媒質の屈折率「ｎ０」が１．０であって、出射光が入射光と平行に外部に出射され、内部部材１２ｄの屈折率「ｎ１」が１．５の場合には、α＝４β、「ｎ１」が２．０の場合には、α＝２βの比率にすると、高い回折効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００４２】
従って、本発明によるグリズム１０，１０’によれば、複数のグリズムを用いることなしに、単一のグリズムによって、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００４３】
一方、頂角可変プリズムの表面に階段形状の透過型回折格子（レリーフ格子）を組み合わせてグリズムを形成することも可能である。しかしながら、こうしたグリズムの場合には、プリズムの頂角を変角することにより、出射光の方向と波長を任意に変えることはできるが、最大効率波長を変えることはできない（図３に示す回折効率ｃを参照）。
【００４４】
即ち、本発明によるグリズム１０，１０’は、このような頂角可変プリズムの表面に階段形状の透過型回折格子を組み合わせたグリズムを用いてはできない、広い波長における高い効率を保った高分散分光測定を行うことができるものである。
【００４５】
また、本発明によるグリズム１０，１０’においては、頂角が変角可能なプリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射されるのに限られるこものではない。
【００４６】
例えば、図１に示すグリズム１０の場合には、外部からボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面を介して、即ち、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の端面１６ａから光が入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射された光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過してプリズム１２に入射され、プリズム１２内を透過した光は、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部に出射されるようにしてもよい。
【００４７】
図２に示すグリズム１０’の場合には、外部から保持基板１７−２の表面を介して、即ち、保持基板１７−２の端面１７−２ａから光が入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射された光はボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過してプリズム１２に入射され、プリズム１２内を透過した光は、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部に出射されるようにしてもよい。
【００４８】
こうした場合においても、グリズム１０，１０’によれば、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００４９】
次に、図４を参照しながら、本発明によるグリズムの第２の実施の形態について説明する。
【００５０】
なお、図４においては、図１乃至図２に示す構成と同一または相当する構成に関しては、図１乃至図２において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００５１】
この第２の実施の形態のグリズム２０は、上記した第１の実施の形態のグリズム１０と比較して、プリズム１４が配設されている点が異なっている。
【００５２】
より詳細には、このグリズム２０は、頂角が変角可能なプリズム１２と頂角が変角可能なプリズム１４とによって、回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟み込むようにして構成されている。
【００５３】
プリズム１４は、プリズム１２と共通な構造を備えており、一方の端部１４ａ−ｔ，１４ｂ−ｔを支点として互いに角度を大きくする方向と小さくする方向とに開閉自在な２枚の板状の外部部材１４ａ，１４ｂと、外部部材１４ａの他方の端部１４ａ−ｂと外部部材１４ｂの他方の端部１４ｂ−ｂとを連結するようにして配設されたゴム状の封止部材１４ｃによって形成される内部空間に封入された内部部材１４ｄとを有して構成されている。
【００５４】
ここで、外部部材１４ａ，１４ｂや内部部材１４ｄは、透明な材質により形成されている。例えば、外部部材１４ａ，１４ｂはガラスにより形成され、内部部材１４ｄとしては、使用波長領域において透明な液体であるシリコンオイルなどが用いられる。また、封止部材１４ｃは、例えば、合成ゴムにより形成されている。
【００５５】
なお、この実施の形態においては、プリズム１２とプリズム１４とは共通な材料により形成され、プリズム１２の屈折率とプリズム１４の屈折率とは同一である。
【００５６】
そして、プリズム１２の外部部材１２ａと外部部材１２ｂとのなす角を、プリズム１２の頂角αとし、プリズム１４の外部部材１４ａと外部部材１４ｂとのなす角を、プリズム１４の頂角γとする。このプリズム１２の頂角αならびにプリズム１４の頂角γはそれぞれ、図示しない駆動手段によって変角可能となされている。
【００５７】
こうしたプリズム１２の外部部材１２ａとプリズム１４の外部部材１４ａとを対向させるとともに、プリズム１２の頂角αとプリズム１４の頂角γとを対向させるようにして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を挟み込んでいる。この際、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、プリズム１２の頂角αを含む側面（図４において略三角形形状の領域を示すプリズム１２の面に対応する。）ならびにプリズム１４の頂角γを含む側面（図４において略三角形形状の領域を示すプリズム１４の面に対応する。）と略直交して配設される。
【００５８】
以上の構成において、このグリズム２０においては、外部からプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射され、プリズム１２内に入射された光はプリズム１２内を透過してボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光はプリズム１４内に入射される。このプリズム１４内に入射された光は、プリズム１４内を透過しプリズム１４の表面を介して、即ち、プリズム１４の外部部材１４ｂ側から外部へ出射されることになる。
【００５９】
ここで、図示しない駆動手段の駆動力により、プリズム１２の外部部材１２ｂを外部部材１２ａから離隔する方向あるいは外部部材１２ａに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１２ｄが変動し、プリズム１２の頂角αを変角させることが可能である。
【００６０】
同様に、図示しない駆動手段の駆動力により、プリズム１４の外部部材１４ｂを外部部材１４ａから離隔する方向あるいは外部部材１４ａに接近する方向に移動させるのに応じて内部部材１４ｄが変動し、プリズム１４の頂角γを変角させることが可能である。
【００６１】
ここで、図３に示すように、表面にノコギリ状の格子形状をもつレリーフ格子の場合には、プリズム基板の頂角や入射角を変化させても、回折効率を大きく変化させることができない。一方、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６は、ブラッグの条件を満たす場合に最も高い効率を示す回折格子である。
【００６２】
そして、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の格子が、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の表面および側面に対してほぼ垂直である場合に、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６の屈折率を「ｎ２」とし、格子間隔を「ｄ」とし、回折次数を「ｍ」とし、波長を「λ」とすると、ブラッグ回折の式は、次の式（９）である。
【００６３】
ｍλ＝２ｎ２ｄｓｉｎθｂ ・・・式（９）
ここで、θｂは、ブラッグ角である。図４において、プリズム１２における光の入射面１２ｂｂおよびプリズム１２とボリューム・フェイズ・ホログラム１６との界面における屈折の式は、外部媒質の屈折率を「ｎ０」とし、プリズム１２の屈折率を「ｎ１」とすると、次の式（１０）および式（１１）である。
【００６４】
ｎ０ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎθ１ ・・・式（１０）
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・式（１１）
そして、θ２＝θｂとして、式（１１）に式（９）を代入すると、式（１２）が得られる。
【００６５】
ｎ１ｓｉｎ（α−θ１）＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１２）
ここで、頂角が変角可能なプリズム１２が、プリズム１２の外部媒質の屈折率「ｎ０」の２倍の屈折率を有する。即ち、ｎ１＝２ｎ０の場合に、式（１０）よりｓｉｎα＝２ｓｉｎθ１なので、α＝２θ１とみなせると、式（１２）は、
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１３）
となり、この式（１３）ならびに式（１０）とより、次の式（１４）が導かれる。
【００６６】
ｎ０ｓｉｎα＝ｍλ／２ｄ
ｍλ＝２ｎ０ｄｓｉｎα ・・・式（１４）
即ち、上記した式（１４）により、頂角αを変化させることによって、常にブラッグの条件を保ちながら高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００６７】
また、頂角が変角可能なプリズム１４の屈折率を「ｎ３」とすると、
ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎ（γ−θ３） ・・・式（１５）
である。さらに、出射光が入射光と角度θ４をなす方向に進むとすると、
ｎ３ｓｉｎθ３＝ｎ０ｓｉｎ（γ＋θ４） ・・・式（１６）
である。ここで、ｎ３＝２ｎ０、θ４＝０の場合に、式（１６）は、
ｓｉｎγ＝２ｓｉｎθ３ ・・・式（１７）
なので、γ＝２θ３とみなせると、式（１５）は、
ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎθ３
なので、式（１２）と同様に、
ｎ３ｓｉｎθ３＝ｍλ／２ｄ ・・・式（１８）
となり、この式（１８）ならびに式（１７）とにより、式（１９）が導かれる。
【００６８】
ｎ０ｓｉｎγ＝ｍλ／２ｄ
ｍλ＝２ｎ０ｄｓｉｎγ ・・・式（１９）
この式（１９）と式（１４）より、
γ＝α
となり、直進方向に常に高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。
【００６９】
例えば、グリズム２０の外部媒質が空気である場合には、空気の屈折率「ｎ０＝１」に対してプリズム１２の屈折率ｎ１＝２にすると、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６がブラッグの条件を満足するために、高い効率を維持した状態で波長を変えることができる。従って、プリズム１２の外部が空気や、水や、あるいは、その他の種類液体などに変更されるのに応じて、プリズム１２の材料を変更し、プリズム１２の屈折率を外部の屈折率の２倍になるように変更すればよい。
【００７０】
従って、本発明によるグリズム２０によれば、複数のグリズムを用いることなしに、単一のグリズムによって、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７１】
また、本発明によるグリズム２０においては、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射される位置と、プリズム１４の外部部材１４ｂ側から外部へ光が出射される位置とが一致しており、光軸をずらさずに広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７２】
なお、頂角γを任意に選択することにより、所望の方向に任意の波長を進ませることも可能である。
【００７３】
また、グリズム２０においては、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから光が入射されるのに限られることなしに、外部からプリズム１４の表面を介して、即ち、外部部材１４ｂ側から光が入射され、プリズム１４内に入射された光はプリズム１４内を透過してボリューム・フェイズ・ホログラム１６に入射され、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６内を透過した光はプリズム１２内に入射される。そして、このプリズム１２内に入射された光は、プリズム１２内を透過しプリズム１２の表面を介して、即ち、プリズム１２の外部部材１２ｂの入射面１２ｂｂから外部へ出射されるようにしてもよい。この場合においてもグリズム２０によれば、高い効率を保ったまま、広い波長の高分散分光測定を行うことができる。
【００７４】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（３）に示すように変形することができるものである。
【００７５】
（１）上記した実施の形態においては、ボリューム・フェイズ・ホログラム１６を構成する材料として、重クロムゼラチンや感光性樹脂などを示したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【００７６】
（２）上記した実施の形態においては、液体を用いてプリズム１２やプリズム１４の頂角が変化するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、プリズムとして、頂角が変角可能な他の種類のプリズムを用いるようにしてもよい。
【００７７】
（３）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数のグリズムを用いることなしに、単一で広い波長の高分散分光測定を行うことができるグリズムを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるグリズムの第１の実施の形態を示す概念構成説明図である。
【図２】本発明によるグリズムの実施の形態の他の例を示す概念構成説明図である。
【図３】ボリューム・フェイズ・ホログラムの回折角を固定した場合（ｂ）とブラッグ角に保った場合（ａ）およびレリーフ回折格子（ｃ）との回折効率を示すグラフである。
【図４】本発明によるグリズムの第２の実施の形態を示す概念構成説明図である。
【符号の説明】
１０，１０’２０ グリズム
１２ プリズム
１２ａ，１２ｂ 外部部材
１２ａ−ｔ，１２ｂ−ｔ 端部
１２ａ−ｂ，１２ｂ−ｂ 端部
１２ｂｂ 入射面
１２ｃ 封止部材
１２ｄ 内部部材
１４ プリズム
１４ａ，１４ｂ 外部部材
１４ａ−ｔ，１４ｂ−ｔ 端部
１４ａ−ｂ，１４ｂ−ｂ 端部
１４ｃ 封止部材
１４ｄ 内部部材
１６ ボリューム・フェイズ・ホログラム
１６ａ 端面
１６ｔ 端部
１７−１，１７−２ 保持基板
１７−２ａ 端面
Claims (11)
- 頂角が変角可能なプリズムと、
前記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムと
を有し、
前記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化する
ことを特徴とするグリズム。 - 請求項１に記載のグリズムにおいて、
外部から前記プリズムの表面を介して光が入射され、前記プリズム内に入射された光は前記プリズム内を透過して前記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して外部へ出射され、前記プリズムの頂角と前記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、前記外部に出射する光の方向を変化させる
ものであるグリズム。 - 請求項１に記載のグリズムにおいて、
外部から前記ボリューム・フェイズ・ホログラムの表面を介して光が入射され、前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して前記プリズムに入射され、前記プリズム内を透過した光は、前記プリズムの表面を介して外部へ出射され、前記プリズムの頂角と前記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、前記外部に出射する光の方向を変化させる
ものであるグリズム。 - 頂角が変角可能なプリズムと、
前記プリズムの頂角を含む側面と略直交して配設された回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムと、
前記ボリューム・フェイズ・ホログラムを保持する保持基板と
を有し、
前記プリズムの側面と略直交する軸線周りに、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムが回転し、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムと所定の面とにより形成される傾斜角が変化する
ことを特徴とするグリズム。 - 請求項４に記載のグリズムにおいて、
外部から前記プリズムの表面を介して光が入射され、前記プリズム内に入射された光は前記プリズム内を透過して前記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過した光は、前記保持基板の表面を介して外部へ出射され、前記プリズムの頂角と前記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、前記外部に出射する光の方向を変化させる
ものであるグリズム。 - 請求項４に記載のグリズムにおいて、
外部から前記保持基板の表面を介して光が入射され、前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内に入射された光は前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を透過して前記プリズムに入射され、前記プリズム内を透過した光は、前記プリズムの表面を介して外部へ出射され、前記プリズムの頂角と前記傾斜角との少なくともいずれか一方を変化させて、前記外部に出射する光の方向を変化させる
ものであるグリズム。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載のグリズムにおいて、
前記プリズムは、透明な材料により形成される２つの外部部材と、使用波長領域において透明であり前記２つの外部部材の間に封入される液体の内部部材とを有する
ものであるグリズム。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載のグリズムにおいて、
前記プリズムの頂角と前記傾斜角とをそれぞれ所定の角に変化させて、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持する
ものであるグリズム。 - 頂角が変角可能な第１のプリズムと、
頂角が変角可能な第２のプリズムと、
回折格子としてのボリューム・フェイズ・ホログラムと
を有し、
前記第１のプリズムの頂角と前記第２のプリズムの頂角とを対向させるようにして、前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとによって前記ボリューム・フェイズ・ホログラムを挟み込んで形成し、外部から前記第１のプリズムの表面を介して光が入射され、前記第１のプリズム内に入射された光は前記第１のプリズム内を透過して前記ボリューム・フェイズ・ホログラムに入射され、前記ボリューム・フェイズ・ホログラム内を通過した光は前記第２のプリズム内に入射され、前記第２のプリズム内を透過した光は、前記第２のプリズムの表面を介して外部へ出射される
ものであるグリズム。 - 請求項９に記載のグリズムにおいて、
前記第１のプリズムならびに前記第２のプリズムはそれぞれ、前記第１のプリズムならびに前記第２のプリズムの外部の屈折率の２倍の屈折率を有する
ものであるグリズム。 - 請求項９または請求項１０のいずれか１項に記載のグリズムにおいて、
前記第１のプリズムの頂角と前記第２のプリズムの頂角とをそれぞれ所定の角に変化させて、前記ボリューム・フェイズ・ホログラムがブラッグの条件を満たす状態を保持しながら、外部に出射する光の方向を所定の方向に維持する
ものであるグリズム。
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