JP3593559B2

JP3593559B2 - 高速分光観測装置

Info

Publication number: JP3593559B2
Application number: JP2001216548A
Authority: JP
Inventors: 徳昭小原; 雅行菊池
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2003028714A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、１ミリ秒程度の短時間に推移する現象に付随する放射、吸収あるいは反射スペクトルの変化を測定することのできる高速分光観測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超高層物理学で使用されていた微弱光用分光器は、100ミリ秒程度の現象に対しては、特定の一波長を選択する干渉フィルターと光電子増倍管の組み合わせを用いたものが主であった。しかしこの分光器は単一波長の観測のみが可能であり、連続波長領域にわたる分光観測は不可能であった。
【０００３】
これに対して連続波長にわたる分光を行うためには、分散系と二次元センサー（CCDあるいは写真フィルム）を用いた装置が用いられてきた。しかし、検出器の感度が、先の光電子増倍管よりも低く、分光測定には、上記の微弱光用分光器と比較すると数桁長い露出時間が必要であった。
【０００４】
また光電子増倍管を用いる連続分光装置はよく使われているが、これは測定用の精密分光が主目的であり、高速で波長掃引が行われる事はなく、短時間におこる自然現象の観測に適した速さで波長の連続掃引を行うものはなかった。
【０００５】
このように、従来の高速分光観測装置としては、概ね次の３タイプに分類することができる。
１）分散系と多チャンネル型の検出器とを用いて、多波長での検出を同時に行うもの。
２）検出器と干渉計型の分光器とをもちいて透過スペクトルを高速に掃引するもの。
３）検出器と分散系とを用いるが、３−１）検出器を分散系の回りで高速に移動するか、３−２）固定された検出器にたいして分散系を高速で回転するか、により、検出器と分散系との相対位置を高速に移動するもの。
【０００６】
上記の１）の分散系と多チャンネル型のものでは、高感度の検出器を用いるには光電子増倍管を用いる必要があったが、これは、小型にすることが難しく、従って、波長分解能に制限がある、という特徴があった。また、十分な波長分解能が得られるものとしては、半導体光検出器を用いたものがあるが、高感度の光検出が困難であることに問題があった。
【０００７】
また、上記の２）干渉計型の分光器を用いたものでは、自由スペクトル幅内の分光は可能であるが、それ以上の波長に渡って分光することができず、また分光できる波長範囲が狭かった。
【０００８】
上記の３）の構成は、本発明の構成に近いので、以下に詳しく説明する。
３−１）検出器を分散系の回りで高速に移動するためには、移動機構や電気信号の配線などに困難な問題があるため、この構成をもった分光器は、原理上可能であるが、殆ど使われていない。
【０００９】
また、３−２）固定された検出器にたいして分散系を低速で回転する分光器は、通常よく使われている。このため、固定された検出器にたいして分散系を高速で回転する分光器は、通常よく使われている分光器の外延にあたるが、波長掃引には、通常は１秒以上を要し、ミリ秒オーダーで起こる現象を観測することはできなかった。また、分散系のみ高速で回転するものは、例えば、テラワット級レーザーとして知られるＴキューブレーザーのパルス拡張器やパルス圧縮器などに使われているが、分光器としては使われていない。
【００１０】
本発明は、分光中は、配置の固定された分散系と固定された検出器を用いる点で、これらの分光器あるいは分散系とは異なっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様に、従来の高速分光観測装置で、分散系と多チャンネル型の検出器を用いた分光器では、十分な波長分解能を取りづく、また高感度の光検出に問題があった。また、検出器と干渉計型の分光器を用いた分光器では、分光できる波長範囲が狭かった。また、検出器と分散系との相対位置を高速に移動するものでは、ミリ秒オーダーで起こる現象を観測することは困難であった。
【００１２】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、従来１秒以上を要した微弱光に対する連続波長分光を、ミリ秒オーダーの周期で行い、過渡現象の分光観測を、時系列的に連続に行うことができる高速分光観測装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、点状の光源からの光の高速分光観測装置に関しており、入射光の光路を第１と第２の光路に分岐する手段と、一方の光路の光に他方の光にくらべて遅延を与える遅延手段と、第１の光路の光束を絞り込む第１の絞り込み手段と、波長分散特性を持った第１の光学部品と、回転するポリゴンミラーと、上記ポリゴンミラーの第１の反射部と、この第１の反射部からの光を絞り込む第２の絞り込み手段と、第２の絞り込み手段を通過した光の強度を検出する第１の検出器と、第２の光路の光束を絞り込む第３の絞り込み手段と、波長分散特性を持った第２の光学部品と、前記ポリゴンミラーの第２の反射部と、上記ポリゴンミラーの第２の反射部からの光を絞り込む第４の絞り込み手段と、第４の絞り込み手段を通過した光の強度を検出する第２の検出器と、を含む装置で、第１と第２の波長分散特性を持った光学部品に光を入力し、その出力光を回転するポリゴンミラーの第１と第２の反射部に照射し、そのポリゴンミラーの第１と第２の反射部からの反射光を第２と第４の絞り込み手段により選別し、第２と第４の絞り込み手段を通過した光の強度を第１と第２の検出器で検出し、その検出結果を比較し、伝送し、記録し、あるいは表示することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、点光源からの光を分光するための実施形態を図１に実施例１として示し、その動作を、図２を用いて説明する。次に、線上に広がった光源からの光を分光する実施形態を実施例２として示し、さらに、平面状に広がった光源からの光を分光する実施形態を実施例３として以下に示す。
【００１５】
【実施例】
［実施例１］
図１は点光源からの光を分光するための光学系を示す模式図である。観測目的の光源１から得られた光はレンズ２とスリット３を通過した後、分散系４に到達する。この光源１は、オーロラや流星などが対象となり、その組成に応じたスペクトルを持ち、かつ、時間によって変動するスペクトル特性を持つ。このような時間的に変化するスペクトルを持つ光源１の光は、プリズムや回折格子などを用いた分散系４によって波長別に分解され、およそ６０ｃｍ離れたポリゴンミラー５の面８に波長ごとに違った角度で到達する。可視光全体に渡るとき、その分散角は、約２度である。この面８上の光で、ちょうどスリット６との反射条件を満たしたもののみがスリット６の背後にある光電子増倍管を用いた検出器７に到達する。検出器７の電気信号は、コンピュータ１０に送られ、データは、デジタル処理されて表示される。このデジタル処理においては、必要に応じて、蓄積あるいは保存され、あるいは他のコンピュータに伝送される。このような構成において、ポリゴンミラー５が回転すると、分光を繰り返し行うことが可能となる。次に、この動作を、図２を用いて説明する。
【００１６】
図２は、ポリゴンミラーの回転により繰り返し分光を行うことの動作原理を示す図である。光源１から放射された光は、スリット３により一条の光線とされた後、分散系（プリズム）４に入射する。分散系４では、可視光線についてみると、青色光の方が赤色光よりも大きい屈折角を持つが、青色光（波長４００ｎｍ）は、ポリゴンミラー反射面８が位置１にあるとき、ポリゴンミラー反射面８と角度α１で、また、赤色光（波長６００ｎｍ）は、α２で交わるとする。このとき、角度α１で反射される光線が検出器に入射し、その他の角度で反射する光は入射しない様にレンズ９とピンホール絞り６による光学系が調整されているものとする。従って、この構成では、ポリゴンミラー反射面８が位置１にあるとき、検出器７は、青の光線を検出する。
【００１７】
次に、ポリゴンミラー５が角度（α１−α２）だけ回転し、ポリゴンミラー反射面８が位置２になったとき、ポリゴンミラー反射面８で反射された赤の光線と、ポリゴンミラー反射面８の位置１とのなす角度がα１となって、検出器７は、赤の光線を検出する事になる。
【００１８】
この様に、ポリゴンミラーの回転により、分散系（プリズム）４でスペクトルに分解された光線を選択することができる様に成り、分光を行うことができる様になる。さらにポリゴンミラーは、多数の反射面を備えているため、繰り返し分光を行うことができる。速い現象の分光観測を行うためには、高速でポリゴンミラーを回転させることが望ましいが、既に５０ｋｒｐｍで回転できるポリゴンミラーが知られており、１２角柱のポリゴンミラーの場合は、0.１ミリ秒の時間分解能で分光できることになる。
【００１９】
このような分光をさらに頻繁に行うためには、図３に示した構成とすれば良い。図３は、時間分解能を改善するための構成を示す模式図である。光源１からの光を分岐し、分岐された一方の光は、図１の構成と同様の構成の装置により分光するが、他の一方の光は、制御された遅延を分光する光に与えた後に図１の構成と同様の構成の装置により分光するものである。この構成で検出器１からの信号と検出器２からの信号を比較することにより、図１の構成をもつ分光器の時間分解能以下の任意の時間分解能で、高速現象の分光観測を行うことができる。
【００２０】
また、図４は、時間分解能を改善するための他の構成を示す模式図である。図１の構成の装置に比べて、分光をさらに頻繁に行うための装置の模式図を示す。この装置においては、光を分岐することなしに、同一のポリゴンミラー反射面からのそれぞれ反射角の異なる光を、複数の検出器で受光するものである。それぞれの検出器は、予め決められた帯域の光を順次受光するが、反射面からの反射角がそれぞれ異なるために、受光する帯域は、それぞれの検出器が重複しない帯域を持つ場合もある。しかし、重複する帯域では、図１の構成による時間分解能時間内に複数回分光観測を行うことになるので、さらに時間分解能が向上したことになる。この構成の特徴は、光を分岐しないため、分岐による損失を引起さずに時間分解能を向上させることができる点にある。
【００２１】
［実施例２］
図５は、線状に広がった光源５１からの光を分光するための構成を示す模式図である。光源５１からの光は、レンズ５２とスリット５３からなる光学系により帯状の光とされて、ポリゴンミラー５５に入射される。ポリゴンミラー５５は、前記の帯状の光を走査してその一部を順次、レンズ２とピンホール絞り３からなる光学系に送出する。この光学系から先は、先述の図１における構成と同様の構成により分光が行われ、図には示されていないが、光検出器で検出された後、コンピュータでデータ処理される。
【００２２】
ここで、ポリゴンミラー５５とポリゴンミラー５との関係は、以下のごとくである。ポリゴンミラー５が１２角柱で、５０ｋｒｐｍで回転するものを用いると、毎秒１万回の分光ができる。ここで、ポリゴンミラー５５に５角柱で１.２ｋｒｐｍで回転するものを用いると、１０ミリ秒で直線状にならぶ１００画素を分光できることになる。
【００２３】
［実施例３］
図６は、平面状に広がった光源６１からの光を分光するための構成を示す模式図である。光源６１からの光は、ポリゴンミラー６５によりｚ方向の走査が行われ、レンズ６２とスリット６３からなる光学系とレンズ５２とスリット５３からなる光学系により帯状の光とされて、ポリゴンミラー５５に入射される。ポリゴンミラー５５は、前記の帯状の光を走査してその一部を順次、レンズ２とピンホール絞り３からなる光学系に送出する。この光学系から先は、先述の図１における構成と同様の構成により分光、光検出およびデータ処理が行われる。
【００２４】
ここで、ポリゴンミラー６５とポリゴンミラー５５とポリゴンミラー５との関係は、以下のごとくである。ポリゴンミラー５が１２角柱で、５０ｋｒｐｍで回転するものを用いると、毎秒１万回の分光ができる。また、ポリゴンミラー５５に、５角柱で１.２ｋｒｐｍで回転するものを用いると、１０ミリ秒で直線上にならぶ１００画素を分光できることになる。さらに、ポリゴンミラー６５に、６角柱で１０ｒｐｍで回転するものを用いると、１秒で平面状にならぶ１００００画素を分光できることになる。
【００２５】
上記の例でも分かる様に、ポリゴンミラー６５には、高速回転が必要でないので、その代わりに、平面鏡を機械的に振動させる方法によっても、同様の機能を果たすことができる。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２７】
第１の発明では、高速回転のポリゴンミラーを用いた高速分光観測装置によって、予め決められた波長範囲の分光測定をミリ秒以下の時間で行う事ができるようになり、短時間におこる遷移現象に伴うスペクトルの変化を測定できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】点光源からの光を分光するための光学系を示す模式図である。
【図２】ポリゴンミラーの回転により繰り返し分光を行うことの動作原理を示す図である。
【図３】時間分解能を改善するための構成を示す模式図である。
【図４】時間分解能を改善するための構成を示す模式図である。
【図５】線状に広がった光源からの光を分光するための構成を示す模式図である。
【図６】平面状に広がった光源からの光を分光するための構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１、５１、６１光源
２、３２、５２、６２レンズ
３、３３ピンホール絞り
４、３４分散系
５、５５、６５ポリゴンミラー
６、３６ピンホール絞り
７、３７検出器
８、３８反射面
９、３９レンズ
１０コンピュータ
２０分岐器
２１反射鏡
２２遅延器
５３、６３スリット
６０反射鏡

Claims

入射光の光路を第１と第２の光路に分岐する手段と、一方の光路の光に他方の光にくらべて遅延を与える遅延手段と、第１の光路の光束を絞り込む第１の絞り込み手段と、波長分散特性を持った第１の光学部品と、回転するポリゴンミラーと、上記ポリゴンミラーの第１の反射部と、この第１の反射部からの光を絞り込む第２の絞り込み手段と、第２の絞り込み手段を通過した光の強度を検出する第１の検出器と、
第２の光路の光束を絞り込む第３の絞り込み手段と、波長分散特性を持った第２の光学部品と、前記ポリゴンミラーの第２の反射部と、上記ポリゴンミラーの第２の反射部からの光を絞り込む第４の絞り込み手段と、第４の絞り込み手段を通過した光の強度を検出する第２の検出器と、
を含む装置で、
第１と第２の波長分散特性を持った光学部品に光を入力し、その出力光を回転するポリゴンミラーの第１と第２の反射部に照射し、そのポリゴンミラーの第１と第２の反射部からの反射光を第２と第４の絞り込み手段により選別し、第２と第４の絞り込み手段を通過した光の強度を第１と第２の検出器で検出し、その検出結果を比較し、伝送し、記録し、あるいは表示することを特徴とする高速分光観測装置。