JP3861496B2

JP3861496B2 - ２段式分光器

Info

Publication number: JP3861496B2
Application number: JP05194499A
Authority: JP
Inventors: 徹森; 力金子; 学小島
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: EP1462781B1; EP1462781A3; EP1462781A2; US6166805A; JP2000088647A; DE69943248D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分解能が改善された２段式分光器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２段式分光器の一例を図１１に示す。
図１１において、符号１は光源、符号２Ａは入射スリット、符号２Ｂは出射スリット、符号２Ｃ、２Ｄは中間スリット、符号３は凹面鏡（入射部材）、符号４は回折格子、符号５０は直角プリズム、符号６０はレンズ、符号７は折り返し反射手段、符号８は受光器である。
以下の説明において、図面では凹面鏡３が２個設けられているように記載されているが、これは説明の便宜のためであり、実際は１個の凹面鏡であっても差し支えない。
【０００３】
この２段式分光器では、光源１から出射された光が同一の回折格子４で２回回折され、出力光として受光器８に入射される。
［１回目の回折］
光源１から出射された広い波長帯域の源入射光１ａは、入射スリット２Ａを通過して凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射されて１回目入射光１ｂとして回折格子４に入射し、この回折格子４よって回折される。このとき１回目入射光１ｂは、波長によって、回折格子面内の格子と直角な方向（ｘ軸）に対して異なる角度で反射される。そして１回目入射光１ｂのうち、格子と平行な軸（ｙ軸）を回転軸とする回折格子４の回転角によって決まる特定の波長成分が、１回目出射光１ｃとして凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射され、反射光のうち中間スリット２Ｃを通過した波長成分がレンズ６０を透過した後、折り返し反射手段入射光１ｄとして折り返し反射手段７に入射する。この従来例で、折り返し反射手段７は直角プリズム５０からなっている。
【０００４】
［２回目の回折］
前記折り返し反射手段７によって反射された折り返し反射手段出射光１ｅは、レンズ６０を透過したのち、中間スリット２Ｄを通過した光が凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射された光が２回目入射光１ｆとして、再び前記の回折格子４に入射し回折される。このとき、２回目入射光１ｆは、波長によってｘ軸に対して異なる角度で反射され、回折格子４の回転角によって決まる特定の波長成分が２回目出射光１ｇとして凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射され、反射光のうち出射スリット２Ｂを通過した波長成分だけが出力光１ｈとして受光器８に入射し、これによって狭い波長帯域の光を得ることができる。
【０００５】
従来の２段式分光器において、前記の折り返し反射手段７は直角プリズムではなく、平面鏡を組合わせて構成される場合もある。その一例を、凹面鏡を１枚用いた場合について図１５に示す。
図１５において、符号１は光源、符号２Ａは入射スリット、符号２Ｂは出射スリット、符号２Ｃは中間スリット、符号３は凹面鏡、符号４は回折格子、符号６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは平面鏡、符号７は折り返し反射手段、符号８は受光器である。
【０００６】
この２段式分光器では、光源１から出射された広い波長帯域の源入射光１ａは入射スリット２Ａを通過して凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射されて１回目入射光１ｂとして回折格子４に入射し、この回折格子４よって回折される。このとき１回目入射光１ｂは、波長によって、回折格子面内の格子と直角な方向（ｘ軸）に対して異なる角度で反射される。そして１回目入射光１ｂのうち、格子と平行な軸（ｙ軸）を回転軸とする回折格子４の回転角によって決まる特定の波長成分が、１回目出射光１ｃとして凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射され折り返し反射手段入射光１ｄとして折り返し反射手段７に入射する。この従来例で、折り返し反射手段７は２枚の平面鏡６Ｃ、６Ｄと中間スリット２Ｃとからなっている。
【０００７】
折り返し反射手段７を構成する平面鏡６Ｃで反射され、中間スリット２Ｃを通過し、平面鏡６Ｄで再び反射された光は、折り返し反射手段出射光１ｅとして凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射された光が２回目入射光１ｆとして、再び前記の回折格子４に入射し回折される。このとき、２回目入射光１ｆは、波長によってｘ軸に対して異なる角度で反射され、回折格子４の回転角によって決まる特定の波長成分が２回目出射光１ｇとして凹面鏡３に入射し、凹面鏡３で反射され、平面鏡６Ｂで反射され、反射光のうち出射スリット２Ｂを通過した波長成分だけが出力光１ｈとして受光器８に入射する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来の２段式分光器においては、例えば図１１で示した例について説明すると、折り返し反射手段入射光１ｄは、図１２に示すように、回折格子４によって分散された波長の広がりの方向である光の分散方向Ｘ（図中、矢印が短波長側から長波長側に向いた２点鎖線で示す）が、中間スリット２Ｃのスリット孔２ｃの長さ方向であるＹ方向と直交している。すなわち、スリット孔２ｃの幅Ｓ方向に、例えば紫色光などの短波長光Ｐ側から例えば赤色光などの長波長光Ｒ側にかけての波長帯が分散している。
【０００９】
この折り返し反射手段入射光１ｄは、図１３に示すように、前記折り返し反射手段７に入射し、直角プリズム５０によって２回反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとして出射される。このとき、光の分散方向Ｘは直角プリズム５０を通過する過程で変化しない。また図１５に示した２段式分光器においても、折り返し反射手段入射光１ｄは、前記折り返し反射手段７に入射し、平面鏡６Ｃ、６Ｄで２回反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとして出射される過程で光の分散方向Ｘは変化しない。従って、従来の２段式分光器による分光においては、１回目出射光１ｃと２回目入射光１ｆの光の分散方向Ｘは同一方向となっている。すなわち、回折格子４は同一分散方向Ｘの光を２回回折することとなり、この点で波長分解能に限界があった。
【００１０】
また、これら従来の２段式分光器においては、折り返し反射手段７において直角プリズム５０または２枚の平面鏡６Ｃ、６Ｄにおける二つの反射点の距離に起因して、回折格子４における分光に際して、１回目と２回目の前記入出射光の、回折格子の格子面に対する角度が変化する。この状態では光源１から受光器８に至る光路の構成が困難になるため、分光器内の光学系、特に凹面鏡３の焦点距離を十分に延ばして実質的に前記２回の入出射光の格子面に対する角度を近似的に同一とする必要があった。このため２段式分光器が実質的にかなり長くなるという問題もあった。
【００１１】
さらに、２段式分光器において迷光を除去して十分な近傍ダイナミックレンジを得るためには、光路に挿入された複数のスリットのスリット幅や設置位置の精密な調整を必要とする。しかし従来の２段式分光器においては、回折波長を選択するため回折格子４を回転すると、その都度、光路の各経路に挿入されたスリット系を調整しなおす必要があって調整が煩雑であるという問題もあった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、従ってその目的は、十分な波長分解能が得られ、２段式分光器の実質長さを短縮し、またスリット系の調整を簡易化して良好な近傍ダイナミックレンジを得る２段式分光器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の２段式分光器は、源入射光を回折格子に１回目入射光として入射させ、得られた１回目出射光を折り返し反射手段において反射させたのち、再び前記回折格子に２回目入射光として入射させ、特定の波長を有する光のみを出力光として出力させる２段式分光器において、前記の折り返し反射手段は、光の分散方向を反射の前後で反転させる手段を有し、入射する光の前記分散方向と直交する直交方向の成分を反転する第１反射部材と、当該第１反射部材を介した光の前記直交方向の成分を反転する第２反射部材とを含み、前記回折格子が回転する際に生じる光の分散方向と直交する方向の変動を相殺するものであり、前記回折格子の格子面に対する前記２回目入射光の角度を、前記回折格子の格子面に対する前記１回目出射光の角度に一致させるものであることを特徴としている。
本発明によれば、回折格子は光をそれぞれ異なる分散方向で２回回折することとなり、十分な波長分解能が得られるようになる。また、分光器内の光学系、特に凹面鏡の焦点距離を短縮することができ、２段式分光器の実質長さが短縮される。更に、回折格子が回転しても前記回折格子から出射される１回目出射光の格子面に対する角度と回折格子に入射する２回目入射光の格子面に対する角度とを一致させることができ、スリットの調整を容易にすることができる。
【００１５】
また、本発明の２段式分光器は、前記折り返し反射手段が、光の分散方向と直交する方向を反射の前後で同一とするものであることを特徴としている。この発明によれば、回折格子に入出射する１回目および２回目の光路を一致させることができ、波長分解能を更に高めることができる。
【００１６】
また、本発明の２段式分光器は、前記源入射光を前記１回目入射光として前記回折格子に入射させる入射部材を備え、前記折り返し反射手段が、１回目の分光器通過の際に前記入射部材で生じる光の収差を、２回目の分光器通過において相殺するものであることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の２段式分光器は、源入射光を制限する入射スリットと、出力光を制限する出射スリットとをそれぞれ独立に設けたことを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を、図面を参照し実施例を示して詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
図１は、本発明の２段式分光器の一例を示した図である。図１において、符号１は光源であり、この２段式分光器で測定される被測定光である。符号２Ａは入射スリット、符号２Ｂは出射スリット、符号２Ｃ、２Ｄは中間スリットであり、符号３は凹面鏡、符号４は回折格子、符号７は折り返し反射手段、符号８は光出力の受光器である。
【００２１】
本発明の２段式分光器が、従来の２段式分光器と異なるところは、折り返し反射手段７が、光の分散方向Ｘを反射の前後で反転させるものであることである。
この２段式分光器では、折り返し反射手段７は、光の分散方向Ｘを反転させることが可能である任意の手段とされる。
【００２２】
この実施例の２段式分光器において、入射スリット２Ａは、光源１と凹面鏡３との間に設けられて入力スリットとされるものであり、出射スリット２Ｂは、凹面鏡３と受光器８との間に設けられて２回目出射光１ｇから特定の波長を選択し、２段式分光器の分解波長を選択するものである。
また、中間スリット２Ｃ、２Ｄは、凹面鏡３と折り返し反射手段７との間に設けられて２回目の回折における回折波長を選択するものである。
【００２３】
これら入出射スリット２Ａ、２Ｂおよび中間スリット２Ｃ、２Ｄは、これらに設けられているスリット穴の幅や位置などを、２段式分光器の波長分解能や近傍ダイナミックレンジなどに応じて調整して使用する。
この入出射スリット２Ａ、２Ｂおよび中間スリット２Ｃ、２Ｄに使用されるスリットとしては、分光器などに一般に使用されているものを用いることができ、とくに限定されないが、平スリット、切替式スリット、可変式スリットなどが好ましい。
【００２４】
本発明の２段式分光器による未知のスペクトルを有する光の分光では、従来の２段式分光器と同様に、１回目の回折および２回目の回折が行われたのち、出力光１ｈとして出射され、受光器８に出力されることにより分光される。
【００２５】
分光時における折り返し反射手段入射光１ｄの分散方向Ｘは、回折格子４により波長毎に異なる角度で反射される際に決定される。
この折り返し反射手段入射光１ｄは、波長が短い方向に分散している短波長光Ｐおよび波長が長い方向に分散している長波長光Ｒを有し、その分散方向Ｘが、図２に示すように、折り返し反射手段７から見て右側を長波長光Ｒ、左側を短波長光Ｐとされた状態で、折り返し反射手段７に入射されて、反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
【００２６】
このようにして得られた折り返し反射手段出射光１ｅの短波長光Ｐおよび長波長光Ｒの折り返し反射手段７から見た位置は、右側が短波長光Ｐ、左側が長波長光Ｒとされ、前記折り返し反射手段入射光１ｄを反転させた状態とされる。すなわち、光の分散方向Ｘは、折り返し反射手段７による反射の前後で反転される。
【００２７】
このような２段式分光器においては、光の分散方向Ｘを反射の前後で反転させる折り返し反射手段７を備えてなるものであるので、分光するに際し、折り返し反射手段入射光１ｄを、折り返し反射手段７に反射させることによって、光の分散方向Ｘが反転された折り返し反射手段出射光１ｅとなり、２回目の分光器の通過によりさらに回折されるため、波長分解能を向上させることができるものとなる。
【００２８】
すなわち、この２段式分光器による分光においては、前記折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段７によって反射された折り返し反射手段出射光１ｅの光の分散方向Ｘは、反転された方向となるため、１回目出射光１ｃと２回目入射光１ｆの分散方向Ｘは、異なるものとなる。
このため、１回目出射光１ｃと２回目入射光１ｆの分散方向Ｘは、回折格子４から見た場合においては、１回目出射光１ｃを進行方向と逆向きから見ることになり、逆となる。
【００２９】
この２段式分光器の波長分解能Δλは、回折次数をｍ、凹面鏡３の焦点距離をｆ、出力光１ｈを出射する出射スリット２Ｂのスリット孔２ｃの幅をＳとし、図１４に示すように、回折格子４の溝４ａ間隔をｄ、回折格子４から出射される２回目出射光１ｇと１回目入射光１ｂとによって形成される面７０と、回折格子４の面に対する法線２０とがなす角度をα（２回目出射光１ｇと法線２０とがなす角度および１回目入射光１ｂと法線２０とがなす角度はαである）としたとき、以下の式（ｉ）で得られる。
Δλ＝(ｄ／(２・ｍ・ｆ))・Ｓ・ｃｏｓα ・・・（ｉ）
【００３０】
この２段式分光器における式（ｉ）で示される波長分解能は、従来の２段式分光器における下記式（ｉｉ）で示される波長分解能と比較すると、前記式（ｉ）中におけるｃｏｓαが、式（ｉｉ）中におけるｃｏｓβと同一値であれば、１／２となる。
Δλ＝(ｄ／(ｍ・ｆ))・Ｓ・ｃｏｓβ ・・・（ｉｉ）
すなわち、この２段式分光器では、分光するに際し、折り返し反射手段７によって、折り返し反射手段入射光１ｄの分散方向Ｘが反転されるため、回折格子４から見た、１回目出射光１ｃと２回目入射光１ｆとの分散方向Ｘは、逆となるので、回折格子４によって反射される角度が１回目および２回目の回折において同じとなり、例えば、前記式（ｉ）中におけるｃｏｓαと前記式（ｉｉ）中におけるｃｏｓβとの値を同一とした場合、従来の２段式分光器と比較して、波長分解能が１／２である優れた２段式分光器となる。
このように、光の分散方向Ｘを、折り返し反射手段７によって反転させることで、波長分解能を向上させることができる。
【００３１】
また、この２段式分光器は、２回の回折による波長選択性が向上するとともに、中間スリット２Ｃ、２Ｄが備えられているものであるので、前記中間スリット２Ｃ、２Ｄにより迷光を除去することができ、近傍ダイナミックレンジを向上させることができるものとなる。
【００３２】
（実施例２）
図３は、本発明の２段式分光器の第２の例を示した図である。
図３において、符号１は光源であり、符号２Ａは入射スリット、２Ｂは出射スリット、符号２Ｅは中間スリット、符号３は凹面鏡、符号４は回折格子、符号７は折り返し反射手段、符号８は受光器である。
この２段式分光器は、折り返し反射手段７が、回折格子４によって分光される際の入出射光の角度を、１回目および２回目の回折において同一とするものである。
【００３３】
このような２段式分光器に備えられている折り返し反射手段７としては、例えば、図５に示すように、光を反射させる平面鏡９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、中間スリット２Ｅとからなる手段などが好ましく使用される。
ここでの平面鏡９ａ、９ｄは、図３に示すように、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとが平行となるように、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となるように配置されている。
また、中間スリット２Ｅは、平面鏡９ｂと平面鏡９ｃとの間に、凹面鏡３の焦点位置と同様の位置となるように備えられている。
【００３４】
この２段式分光器による光の分光では、実施例１の２段式分光器と同様に、１回目の回折および２回目の回折が行われたのち、出力光１ｈとして出射され、受光器８に出力されることにより分光される。
【００３５】
この分光時における折り返し反射手段入射光１ｄは、図５に示すように、折り返し反射手段７に入射され、平面鏡９ａおよび平面鏡９ｂで反射されたのち、中間スリット２Ｅに入射される。
そして、この中間スリット２Ｅに入射された光は、中間スリット２Ｅのスリット孔２ｃの幅Ｓで制限される波長分解能で波長選択されたのち、平面鏡９ｃを介して平面鏡９ｄで反射されて、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
【００３６】
このとき、折り返し反射手段入射光１ｄは、その分散方向Ｘが、図５に示すように、右側を長波長光Ｒ、左側を短波長光Ｐとされた状態で、折り返し反射手段７に入射され、平面鏡９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
そして、得られた折り返し反射手段出射光１ｅの短波長光Ｐおよび長波長光Ｒの位置は、図５に示すように、右側が短波長光Ｐ、左側が長波長光Ｒとされ、前記折り返し反射手段入射光１ｄを反転させた状態とされる。すなわち、光の分散方向Ｘは、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０の延長面から見て、折り返し反射手段７による反射の前後で反転される。
【００３７】
また、この２段式分光器による分光においては、折り返し反射手段７によって、折り返し反射手段出射光１ｅは、折り返し反射手段入射光１ｄと平行で、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となる方向に反射される。
【００３８】
このような２段式分光器は、光の分散方向Ｘを反射の前後で反転させ、なおかつ、折り返し反射手段出射光１ｅを折り返し反射手段入射光１ｄと平行にするとともに、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０と、回折格子４の溝４ａ方向とを平行にしうる方向に反射させる折り返し反射手段７を備えてなるものであるので、分光するに際し、波長分解能を向上させることができるものとなり、かつ、以下のような効果がある。
（１）源入射光１ａを通過させる入射スリット２Ａと、２回目出射光１ｇを凹面鏡３を介して通過させる出射スリット２Ｂとを共用することができるものとなる。
（２）凹面鏡３の収差を軽減することができるものとなる。
【００３９】
すなわち、この２段式分光器による分光においては、折り返し反射手段７によって、折り返し反射手段出射光１ｅは、折り返し反射手段入射光１ｄと平行で、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となる方向に反射されるため、回折格子４がいかなる角度に設定されていても、図３に示すように、回折格子４から出力される１回目出射光１ｃの回折格子４に対する出射角度φと、回折格子に入力される２回目入射光１ｆの回折格子４に対する入射角度ξは、同一となり、さらに、１回目および２回目の回折は、同一の回折格子４で回折されるので、１回目入射光１ｂの回折格子４に対する入射角度δと、２回目出射光１ｇの回折格子４に対する出射角度θも同一となる。
【００４０】
したがって、１回目入射光１ｂと２回目出射光１ｇとは平行となり、かつ、１回目入射光１ｂと２回目出射光１ｇとによって形成される面４０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となるので、図４に示す本発明の２段式分光器の他の例のように、源入射光１ａを通過させる入射スリット２Ａと、２回目出射光１ｇを凹面鏡３を介して通過させる出射スリット２Ｂとを共用する入出射スリット２Ｆとすることができる。
また、この２段式分光器においては、折り返し反射手段７によって、回折格子４に回折される入出射光の角度が、１回目および２回目の回折において同一となるので、凹面鏡３に対する入出射光の角度も、１回目および２回目の回折において同一となり、凹面鏡３の収差を最小限にすることが可能となる。
【００４１】
（実施例３）
実施例２の２段式分光器に、図６に示すような折り返し反射手段７を備えてなる２段式分光器とした。
この２段式分光器は、折り返し反射手段７が、回折格子４が回転する際に生じる光の分散方向と直交する方向の変動を相殺するものである。
このような２段式分光器に備えられている折り返し反射手段７としては、例えば図６に示すような、折り返し反射手段７などが好ましく使用される。
図６において、符号９ｅ、９ｆは、平面鏡であり、符号１０ａ、１０ｂはリフレクタ（第１、第２反射部材）であり、符号２Ｅは中間スリットである。
【００４２】
ここでの平面鏡９ｅ、９ｆは、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとが平行となるように、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となるように配置されている。
また、中間スリット２Ｅは、リフレクタ１０ａとリフレクタ１０ｂとの間に、凹面鏡３の焦点位置と同様の位置となるように備えられている。
また、リフレクタ１０ａ、１０ｂは、前記リフレクタ１０ａ、１０ｂが有する２つの反射面の接している部分１０ｃが、入射光の分散方向Ｘと平行となるように設置されることが好ましい。
【００４３】
このような折り返し反射手段７を備えてなる２段式分光器による分光では、前記折り返し反射手段７に入射される折り返し反射手段入射光１ｄは、図６に示すように、平面鏡９ｅおよびリフレクタ１０ａで反射されたのち、スリット２に入射される。
そして、この中間スリット２Ｅに入射された光は、中間スリット２Ｅのスリット穴の幅で制限される波長分解能で波長選択されたのち、リフレクタ１０ｂを介して平面鏡９ｆで反射されて、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
【００４４】
このとき、折り返し反射手段入射光１ｄは、その分散方向Ｘが、右側を長波長光Ｒ、左側を短波長光Ｐとされた状態で、折り返し反射手段７に入射され、平面鏡９ｅ、リフレクタ１０ａ、リフレクタ１０ｂ、平面鏡９ｆで反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
そして、得られた折り返し反射手段出射光１ｅの短波長光Ｐおよび長波長光Ｒの位置は、図６に示すように、右側が短波長光Ｐ、左側が長波長光Ｒとされ、前記折り返し反射手段入射光１ｄを反転させた状態とされる。すなわち、光の分散方向Ｘは、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０の延長面から見て、折り返し反射手段７による反射の前後で反転される。
【００４５】
また、折り返し反射手段入射光１ｄの前記分散方向Ｘと直交するＹ方向の成分は、折り返し反射手段７に入射され、平面鏡９ｅに反射されたのち、リフレクタ１０ａによって反転され、さらに、リフレクタ１０ｂによって反転される。
つまり、折り返し反射手段入射光１ｄのＹ方向の成分が、例えば、上方へ変位している場合、前記折り返し反射手段７から出射される折り返し反射手段出射光１ｅも上方へ変位して出射される。
したがって、得られた折り返し反射手段出射光１ｅの前記Ｙ方向の成分は、折り返し反射手段入射光１ｄと同一とされる。
【００４６】
さらに、折り返し反射手段出射光１ｅは、折り返し反射手段入射光１ｄと平行で、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となる方向に反射される。
【００４７】
このような２段式分光器は、例えば、分光時に、回折格子４が回転し、あおり角度が変位した回折格子４を経由させる場合や、源入射光１ａが入射した入射スリット２Ａに、２回目出射光１ｇを凹面鏡３を経由して入射させる際に、前記入射スリット２Ａのスリット穴２ｃの長さ方向であるＹ方向の変動を、とくに軽減させたい場合などに好ましく使用される。
【００４８】
このような２段式分光器にあっては、２つの反射面の接している部分１０ｃが入射光の分散方向Ｘと平行となるように設置された２つのリフレクタ１０ａ、１０ｂを有する折り返し反射手段７を備えてなるものであるので、分光するに際し、反射手段入射光１ｄのＹ方向の成分が、折り返し反射手段７の有するリフレクタ１０ａによって反転され、さらに、リフレクタ１０ｂによって反転されるため、結果的に反射手段入射光１ｄと同一のＹ方向の成分を有する折り返し反射手段出射光１ｅが得られ、受光器８におけるＹ方向の成分の変位をなくすことができるものとなる。
【００４９】
例えば、あおり角度が変位した回折格子４を経由して、折り返し反射手段入射光１ｄのＹ方向の成分が変位した場合、折り返し反射手段７によって、折り返し反射手段出射光１ｅのＹ方向の成分が前記折り返し反射手段入射光１ｄと同一となり、Ｙ方向の成分の変動が相殺されるため、２回目出射光１ｇがＹ方向の成分の変位を受けることがなく、源入射光１ａが入射した入射スリット２Ａに、２回目出射光１ｇを凹面鏡３を経由して入射させる際に、前記入射スリット２Ａのスリット穴２ｃの長さ方向であるＹ方向の変動を軽減することができ、さらに、受光器８におけるＹ方向の成分の変位をなくすことができるものとなる。
【００５０】
さらに、このような２段式分光器では、例えば、折り返し反射手段入射光１ｄのＹ方向の成分が上方向に変動した場合、折り返し反射手段７を直角プリズム５０としたときのように、折り返し反射手段出射光１ｅのＹ方向の成分が下方向に変位することがなく、受光器８におけるＹ方向の成分の変位がないので、受光器８の位置変動に伴って行われる受光器８を観測する点の調整を不要とすることができる。
【００５１】
このように、折り返し反射手段７が、光の分散方向と直交する方向の変動を、相殺する２段式分光器とすることで、より一層優れた２段式分光器となる。
【００５２】
（実施例４）
実施例２の２段式分光器に、図７に示すような、折り返し反射手段７を備えてなる２段式分光器とした。
この２段式分光器は、折り返し反射手段７が、１回目の分光器通過（１回目の回折）の際に生じる光の収差を、２回目の分光器通過（２回目の回折）において相殺するものである。
このような２段式分光器に備えられている折り返し反射手段７としては、例えば、図７に示すような、折り返し反射手段７などが好ましく使用される。
図７において、符号９ｇ、９ｈ、９ｉは平面鏡であり、符号１０は、リフレクタであり、符号２Ｅは、中間スリットである。
【００５３】
ここでの平面鏡９ｇ、９ｉは、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとが平行となるように、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となるように配置されている。
また、中間スリット２Ｅは、リフレクタ１０と平面鏡９ｈとの間に、凹面鏡３の焦点位置と同様の位置となるように備えられている。
また、リフレクタ１０は、前記リフレクタ１０が有する２つの反射面の接している部分１０ｃが、入射光の分散方向Ｘと平行となるように設置されることが好ましい。
【００５４】
このような折り返し反射手段７を備えてなる２段式分光器による分光では、前記折り返し反射手段７に入射される折り返し反射手段入射光１ｄは、図７に示すように、平面鏡９ｇおよびリフレクタ１０で反射されたのち、中間スリット２Ｅに入射され、中間スリット２Ｅのスリット穴２ｃの幅で制限される波長分解能で波長選択されたのち、平面鏡９ｈを介して平面鏡９ｉで反射されて、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
【００５５】
このとき、折り返し反射手段入射光１ｄは、その分散方向Ｘが、図７に示すように、右側を長波長光Ｒ、左側を短波長光Ｐとされた状態で、折り返し反射手段７に入射され、平面鏡９ｇ、リフレクタ１０、平面鏡９ｈ、平面鏡９ｉで反射されたのち、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
そして、得られた折り返し反射手段出射光１ｅの短波長光Ｐおよび長波長光Ｒの位置は、図７に示すように、右側が短波長光Ｐ、左側が長波長光Ｒとされ、前記折り返し反射手段入射光１ｄを反転させた状態とされる。すなわち、光の分散方向Ｘは、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０の延長面から見て、折り返し反射手段７による反射の前後で反転される。
【００５６】
また、折り返し反射手段入射光１ｄは、折り返し反射手段７によって奇数回反射されて、折り返し反射手段出射光１ｅとされる。
【００５７】
さらに、折り返し反射手段出射光１ｅは、折り返し反射手段入射光１ｄと平行で、なおかつ、折り返し反射手段入射光１ｄと折り返し反射手段出射光１ｅとによって形成される面３０が、回折格子４の溝４ａ方向と平行となる方向に反射される。
【００５８】
このような２段式分光器においては、折り返し反射手段７の反射面の数を奇数としたものであるので、分光する場合、折り返し反射手段７によって、収差の向きが逆向きとなり、偶数面とした場合のように、凹面鏡３を経由する際に、収差により出射スリット２Ｂの位置で結像する光の像がぼやけて、波長分解能を劣化させることがなく、１回目の回折で生じた収差と２回目の回折で生じた収差が足し合わされることもないものとなる。
【００５９】
このように、折り返し反射手段７が、１回目の分光器通過（１回目の回折）の際に生じる光の収差を、２回目の分光器通過（２回目の回折）において相殺する２段式分光器とすることで、出射スリット２Ｂにおける光の結像がぼやけることを防ぎ、高い波長分解能を実現することができる優れた２段式分光器となる。
【００６０】
本発明の２段式分光器では、上述した図１に示した例のように、入射スリット２Ａを光源１と凹面鏡３との間に、中間スリット２Ｃ、２Ｄを凹面鏡３と折り返し反射手段７との間に、出射スリット２Ｂを凹面鏡３と受光器８との間に、それぞれ設けたものとすることができるが、所望の近傍ダイナミックレンジを得ることができればよく、これらのスリットの数および位置は、とくに限定されない。
【００６１】
また、本発明の２段式分光器では、上述した図１に示した例のように、２つの凹面鏡３を備えたものとすることができるが、この凹面鏡３をレンズに変えたものとすることもできる。
さらに、本発明の２段式分光器では、必要に応じて、必要とされる位置に、レンズを設けてなるものとしてもよく、より一層、良好な２段式分光器となすることもできる。
【００６２】
さらにまた、本発明の２段式分光器では、分光するに際し、上述した例に示した光の進行方向で折り返し反射手段７へ入射させることができるが、反対方向から入射させることもでき、とくに限定されない。
【００６３】
また、本発明の２段式分光器では、折り返し反射手段７は、上述した図５、図６、図７に示した例のように、平面鏡９のみ、あるいは平面鏡９とリフレクタ１０とに反射させる手段とすることができるが、これらの折り返し反射手段７を用いたときと同様に、折り返し反射手段入射光１ｄを折り返し反射手段出射光１ｅとして反射させることができれば、前記平面鏡９あるいは前記リフレクタ１０を、平面鏡９、リフレクタ１０、プリズム、または、これらを組み合わせたものなどに変えた手段とすることもできる。
さらに、反射面の数は、必要に応じて決定することができ、とくに限定されない。
【００６４】
（実施例５）
図８は、本発明の２段式分光器の他の一例を示した図である。
図８において、符号１は光源であり、この２段式分光器で測定される被測定光である。符号２Ａは入射スリット、符号３Ａはレンズ（入射部材）、符号４は回折格子、符号３Ｂはレンズ、符号２Ｃは中間スリット、符号５はコリメートレンズ、符号６は平面鏡であってこの中間スリット２Ｃとコリメートレンズ５と平面鏡６とが折り返し反射手段７を構成する。符号９は平面鏡、符号２Ｂは最終の出射スリット、符号８は受光部である。
【００６５】
本発明の２段式分光器による分光では、従来の２段式分光器と同様に、１回目の回折および２回目の回折が行われた後、出力光１ｈとして出射される。
図９に示すように、折り返し反射手段７において、コリメートレンズ５の光軸５ａは、回折格子４により回折された１回目出射光１ｃの中心線と高さが異なる。そのためコリメートレンズ５への入射光は、コリメートレンズ５の光軸より下側（あるいは上側）を通過して平行光となり平面鏡６に反射される。平面鏡６の反射光はコリメートレンズ５の上側（あるいは下側）を再び通過して、折り返し反射光１ｆとなる。
【００６６】
このように２段式分光器内のコリメートレンズ５と平面鏡６とで構成される折り返し反射手段７において、コリメートレンズ５を、回折格子４により回折された出射光１ｃの中心線に対して、回折格子３の回転軸方向（ｙ）にのみ異なる位置に配置し、平面鏡により反射させることで、折り返し反射光１ｆは、分散方向Ｘが折り返し反射手段７による反射の前後で反転される。また、図１０に示すように、回折格子４によって分光される際の入出射光の角度を、１回目および２回目の回折において同一とできる。
【００６７】
２段式分光器において分光するに際し、折り返し反射手段７に反射させることにより光の分散方向Ｘが反転され、折り返し反射光１ｆとなり、２回目の分光器の通過によりさらに回折されるため、波長分解能が向上する。
【００６８】
また、この２段式分光器の折り返し手段７は、回折格子４によって分光される際の入出射光の角度が、１回目および２回目の回折において同一となることから、分光器の１回目通過波長と２回目通過波長とを広い波長範囲にわたって一致させることができる。このことで中間スリット２Ｃや出射スリット２Ｂを横方向に移動させるなどの複雑な制御が不要となり、簡素に構成することができる。
【００６９】
図８の２段式分光器における波長分解能Δλは、およそ次式で表される。
Δλ＝（ｄ／（２ｍ・ｆ））・Ｓ・cosβ・・・・・（ｉｉｉ）
ここで、ｄは回折格子の溝間隔、ｍは回折次数、ｆはコリメートレンズの焦点距離、Ｓはスリット幅、βは回折格子の反射光と回折格子の法線とのなす角度である。
【００７０】
この２段式分光器において、折り返し反射手段７によって得られる折返し反射光の分散方向Ｘは反転されるため、回折格子４から見た、１回目出射光と２回目入射光との分散方向Ｘが逆となり、２回目の分光がさらに精細に回折されることになる。このとき、回折格子４の１回目反射光と回折格子４の法線とのなす角度および回折格子４の２回目反射光と回折格子４の法線とのなす角度を同一とすれば、式（ｉｉｉ）の波長分解能の関係式が成立する。
【００７１】
式（ｉｉｉ）によれば、この２段式分光器は、コリメートレンズの焦点距離ｆを伸ばすことなく、あたかも焦点距離が２倍となった分光器を実現できることになる。すなわち、光の分散方向Ｘを、折返し反射手段７によって反転させることで、コリメートレンズの焦点距離を伸ばさずに波長分解能を向上させることができる。
【００７２】
また、折り返し反射手段７において、平面鏡６はコリメートレンズ５の光軸の延長線上で、コリメートレンズ５からコリメートレンズ５の焦点距離分だけ離した焦点位置に配置することで、折り返し反射手段７に入出射する光を、欠くことなく縦方向に最大限に分離できる。このことにより、迷光を除去することができ、近傍ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００７３】
また、この２段式分光器は、２回の回折による波長選択性が向上するとともに、中間スリットが備えられているものであるので、この中間スリットにより迷光を除去することができ、近傍ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００７４】
この２段式分光器のように光の入射部側に受光部８が存在する場合、分光器へ入射する入射光と同一の方向へ反射するリトロー光が迷光を悪化させるため問題となる。しかし、図８の２段式分光器の折り返し手段７は、分散方向Ｘと垂直の方向（ｙ）へ光を分離するため、分光器に入射される入射光の光路と、分光器から出力される出射光の光路とでは高さが異なる。すなわち、受光部８では入射光によるリトロー光を影響を受けにくいため、近傍ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００７５】
この実施例の２段式分光器では、例えば前記図１に示した例のように、レンズ３Ａ，３Ｂを凹面鏡３に変えることもできる。
また、前記の２段式分光器では、前記図８に示したツェルニ・ターナ型の光学配置を、リトロー型とすることもできる。
【００７６】
さらにまた、前記の２段式分光器では、中間スリット２Ｃは、折り返し反射手段７による反射の前後どちらか一方、または反射の前後両方に配置してもいずれでもよい。
また、本発明の２段式分光器では、前記図８に示したように入射スリット２Ａを介して分光器内に入射させてもよいが、入射スリット２Ａの代わりに光ファイバを用いることもできる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の２段式分光器は、折り返し反射手段が、光の分散方向を反射の前後で反転させる手段を有してなるものであるので、波長分解能を向上させることができる。
また、本発明の２段式分光器は、折り返し反射手段が、回折格子の格子面に対する２回目入射光の角度を、回折格子の格子面に対する１回目出射光の角度に一致させるものであるので、２段式分光器の実質長さを短縮することができる。
更に、本発明の２段式分光器は、折り返し反射手段が、前記回折格子が回転する際に生じる光の分散方向と直交する方向の変動を相殺するものであるので、スリットの調整を容易にし良好な近傍ダイナミックレンジを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２段式分光器の一例を示した図である。
【図２】折り返し反射手段に入射される折り返し反射手段入射光ならびに折り返し反射手段出射光の分散方向を示した図である。
【図３】本発明の２段式分光器の他の例を示した図である。
【図４】本発明の２段式分光器の更に他の例を示した図である。
【図５】図３に示した２段式分光器に備えられている折り返し反射手段を示した図である。
【図６】実施例３の２段式分光器に備えられている折り返し反射手段を示した図である。
【図７】実施例４の２段式分光器に備えられている折り返し反射手段を示した図である。
【図８】実施例５の２段式分光器を示した図である。
【図９】実施例５の２段式分光器に備えられている折り返し反射手段を示した図である。
【図１０】実施例５の回折格子における反射角を示した図である。
【図１１】従来の２段式分光器の一例を示した図である。
【図１２】中間スリットにおける光の分散方向と、前記分散方向と直交する方向を説明するための図である。
【図１３】図１１に示した従来の２段式分光器に備えられている折り返し反射手段を示した図である。
【図１４】回折格子によって分光される光の状況の一例を示した斜視図である。
【図１５】従来の２段式分光器の他の一例を示した図である。
【符号の説明】
１・・・・光源
１ａ・・・源入射光
１ｂ・・・１回目入射光
１ｃ・・・１回目出射光
１ｄ・・・折り返し反射手段入射光
１ｅ・・・折り返し反射手段出射光
１ｆ・・・２回目入射光
１ｇ・・・２回目出射光
１ｈ・・・出力光
２Ａ・・・入射スリット
２Ｂ・・・出射スリット
２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ・・・中間スリット
２Ｆ・・・入出射スリット
３・・・・凹面鏡
３Ａ、３Ｂ・・・レンズ
４・・・・回折格子４ａ・・・溝
５・・・・コリメートレンズ
６・・・・平面鏡
７・・・・折り返し反射手段
８・・・・受光器
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ・・・平面鏡
１０ａ、１０ｂ・・・リフレクタ
Ｘ・・・・光の分散方向
Ｐ・・・・短波長光
Ｒ・・・・長波長光

Claims

源入射光を回折格子に１回目入射光として入射させ、得られた１回目出射光を折り返し反射手段において反射させたのち、再び前記回折格子に２回目入射光として入射させ、特定の波長を有する光のみを出力光として出力させる２段式分光器において、
前記の折り返し反射手段は、光の分散方向を反射の前後で反転させる手段を有し、
入射する光の前記分散方向と直交する直交方向の成分を反転する第１反射部材と、当該第１反射部材を介した光の前記直交方向の成分を反転する第２反射部材とを含み、前記回折格子が回転する際に生じる光の分散方向と直交する方向の変動を相殺するものであり、
前記回折格子の格子面に対する前記２回目入射光の角度を、前記回折格子の格子面に対する前記１回目出射光の角度に一致させるものである
ことを特徴とする２段式分光器。
前記折り返し反射手段は、光の分散方向と直交する方向を反射の前後で同一とするものであることを特徴とする請求項１記載の２段式分光器。
前記源入射光を前記１回目入射光として前記回折格子に入射させる入射部材を備え、
前記折り返し反射手段は、１回目の分光器通過の際に前記入射部材で生じる光の収差を、２回目の分光器通過において相殺するものであることを特徴とする請求項１記載の２段式分光器。
源入射光を制限する入射スリットと、出力光を制限する出射スリットとをそれぞれ独立に設けたことを特徴とする請求項１記載の２段式分光器。