JP3861792B2

JP3861792B2 - 分光方法

Info

Publication number: JP3861792B2
Application number: JP2002303736A
Authority: JP
Inventors: 頼樹岡田; 義広三瓶; 誠小宮山; 泰幸鈴木; 修平岡田; 伸亀井
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004138515A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分散素子を用いた分光方法に関し、詳しくは、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる分光方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分光装置は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器で受光し検出するものである（例えば、特許文献１参照）。例えば、複数の光信号が波長分割多重された被測定光において、各光信号の波長測定に用いられたりする。
【０００３】
図３は、このような分光装置の従来例を示す構成図である。図３において、光ファイバ１１は、被測定光を出射する出射口を有する伝送路である。コリメーティングレンズ１２は、光ファイバ１１の出射口に対向して設置され、光ファイバ１１から出射された被測定光を平行光にして出射する。
【０００４】
回折格子１３は波長分散素子であり、コリメーティングレンズ１２からの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ１２に対して傾けて設置してある。また、回折格子１３は被測定光を波長ごと異なる角度に出射して分光する。フォーカシングレンズ１４は、回折格子１３からの出射光の光路上に設置され、出射光を収束して結像させる。
【０００５】
光検出器１５は、例えば、受光素子を複数有するフォトダイオードアレイであり、被測定光が収束し、結像する位置に設置される。また、受光素子ごとにあらかじめ波長が割り当てられている。
【０００６】
このような装置の動作を説明する。光ファイバ１１から出射された被測定光は、コリメーティングレンズ１２で平行光となる。コリメーティングレンズ１２を透過した被測定光は、回折格子１３に入射する。被測定光は回折格子１３によって、波長ごとに分光される。すなわち、波長ごとに回折格子１３からの出射角度が異なる。そして、回折格子１３によって波長ごとに分光された被測定光は、フォーカシングレンズ１４によって光検出器１５の受光素子それぞれで収束し、結像する。
【０００７】
例えば、図３中”ＦＰ０１”、”ＦＰ０２”、”ＦＰ０３”に位置する受光素子では、異なる波長の光が収束され、結像する。そして、図示しない出力検出部が光検出器１５の各受光素子からの出力と割り当てられた波長によって、被測定光の波長を求める。
【０００８】
続いて、回折格子１３による被測定光の入射角度と出射角度の関係を説明する。回折格子１３による被測定光の入射角度と出射角度は下記の式（１）で表される
ｓｉｎθ_ｇｉ＋ｓｉｎθ_ｇｏ＝λ／（ｎ_ａ・ｄ）（１）
【０００９】
ここで、θ_ｇｉは、回折格子１３への被測定光の入射角度である。θ_ｇｏは、回折格子１３からの被測定光の出射角度である。λは、波長である。ｎ_ａは回折格子１３が使用される環境の媒質（一般的には空気）の屈折率であり、ｄは、回折格子１３の格子定数である。
【００１０】
また、波長の変化と出射角度の変化の関係は式（１）より、下記の式（２）で表される。
Δλ／Δθ_ｇｏ＝ｎ_ａ・ｄ・ｃｏｓθ_ｇｏ（２）
【００１１】
このように、複数の波長の光信号が重畳された被測定光であっても、回折格子１３が波長ごとに異なる角度で出射し、光検出器１５の受光素子の異なる位置で被測定光が収束されて結像されるので、各光信号の波長を求めることができる。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−３０４６１３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所望の波長を求める場合、媒質の屈折率が一定であることが必要となる。通常、分光装置が使用される環境は空気中であり、さらに、分光装置は、屋内、屋外を問わず用いられるので、気圧、気温、水蒸気圧等の異なる環境下で使用され、空気の屈折率が変動する。そのため、同じ波長の被測定光であっても、回折格子１３からの出射角度が変動してしまう。
【００１４】
そして、媒質の屈折率変化に対する出射角度の変化は、式（１）より、下記の式（３）で表される。
Δθ_ｇｏ／Δｎ_ａ＝−λ／（ｎ_ａ ^２・ｄ・ｃｏｓθ_ｇｏ）（３）
【００１５】
例えば、λ＝１．５５［μｍ］、ｄ＝１．１１１［μｍ］、ｎ_ａ＝１．０００２６８、θ_ｇｏ＝１．２４８［ｒａｄ］（７１．５［ｄｅｇ］）の場合、式（３）より、
Δθ_ｇｏ／Δｎ_ａ≒−４．４２
となる。
【００１６】
よって空気の屈折率ｎ_ａが、１．０００２６８から１．０００２５８へと、僅か０．００００１変化（標高でいえば、０［ｍ］から約３００［ｍ］に変化）しても、出射角度は０．０４４２［ｍｒａｄ］変化する。これは、式（２）より、波長換算で１５．５［ｐｍ］に相当する。すなわち、同一の波長であっても空気の屈折率が変化すると光検出器１５上の結像位置も変化してしまい、波長測定の確度を悪化させるという問題があった。
【００１７】
そこで本発明の目的は、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上した分光方法を実現することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
被測定光を回折格子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この回折格子が分光した被測定光を光検出器で受光し検出する分光方法において、
前記被測定光が光検出器で受光されるまでの光路上に設けられ、気圧、水蒸気圧の変化によって変動する媒質の屈折率に基づいて、第一面に入射した被測定光を偏向させて第二面から出射するプリズムの第一面と第二面とでなす頂角αが、下記の関係式を満たし、

ただし、ｎ _ａは、前記媒質の屈折率であり、ｎ _ｇは、プリズムの屈折率であり、θ _ｇｉは、回折格子への被測定光の入射角度であり、θ _ｇｏは、回折格子からの被測定光の出射角度であり、λは波長であり、ｄは、回折格子の格子定数であることを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、屈折率補償手段であるプリズム１６が新たに設けられる。プリズム１６は、回折格子１３の設けられる媒質の屈折率の変化により、回折格子１３が被測定光を出射する角度の変動を補償するものであり、回折格子１３と密着して一体化されている。また、プリズム１６の材質は、例えば、硝子である。
【００２４】
第一面１６ａにコリメーティングレンズ１２からの被測定光がほぼ垂直に入射され、第二面１６ｂが回折格子１３の回折面と密着し、第三面１６ｃから回折格子１３で分光された被測定光がほぼ垂直に出射する。また、第二面１６ｂと回折格子１３は、例えば接着剤によって固定されている。
【００２５】
このような装置の動作を説明する。光ファイバ１１から出射された被測定光は、コリメーティングレンズ１２で平行光となる。コリメーティングレンズ１２を透過した被測定光は、プリズム１６の第一面１６ａにほぼ垂直に入射する。そして、第二面１６ｂと密着する回折格子１３によって、被測定光が波長ごとに分光される。すなわち、波長ごとに回折格子１３からの出射角が異なる。そして、回折格子１３によって波長ごとに分光された被測定光は、プリズム１６の第三面１６ｃをほぼ垂直に出射して、フォーカシングレンズ１４によって光検出器１５の受光素子のそれぞれに収束し結像する。
【００２６】
例えば、図３中”ＦＰ０１”、”ＦＰ０２”、”ＦＰ０３”に位置する受光素子では、異なる波長の光が収束される。そして、図示しない出力検出部が光検出器の各受光素子からの出力によって、被測定光の波長を求める。
【００２７】
回折格子１３とプリズム１６は密着して設置され、回折格子１３の回折面が接する媒質はプリズム１６の硝子材となり、空気の屈折率が変動しても、回折面からの出射角度に変化は生じない。また、プリズムの第一面に対して、被測定光が垂直に入射して通過するので、空気の屈折率の変化による光路の変動はない。
【００２８】
また、プリズムの第三面から被測定光が出射する時には、波長ごとに第三面に対して、わずかに角度をもって通過するがほとんど影響は生じない。すなわち、回折格子１３からの被測定光がプリズムの第三面に対する入射角度と出射角度の関係は下記の式（４）で表される。
【００２９】
ｎ_ｇ・ｓｉｎθ_２ｉ＝ｎ_ａ・ｓｉｎθ_２ｏ（４）
【００３０】
ただし、θ_２ｉは入射角度であり、θ_２ｏは出射角度であり、ｎ_ｇはプリズムに使われている硝子材の屈折率、ｎ_ａは空気の屈折率である。
【００３１】
そして、空気の屈折率の変化に対する出射角度の変化は、下記の式（５）で表される。
Δθ_２ｏ／Δｎ_ａ＝−ｔａｎθ_２ｏ／ｎ_ａ（５）
【００３２】
θ_２ｏ≒５[ｄｅｇ]程度であるとすれば、Δθ_２ｏ／Δｎ_ａ≒０．１程度であり、特にプリズムの第三面１６ｃに対して垂直に通過する波長の光に対しては、Δθ_２ｏ／Δｎ_ａ＝０．０となる。よって、空気の屈折率が変化しても、光検出器１５上の被測定光の結像位置はほとんど変化しない。
【００３３】
このように、回折格子１３と密着されたプリズム１６の第一面にほぼ垂直に被測定光が入射し、回折格子１３からの出射光がプリズム１６の第二面からほぼ垂直に被測定が出射されるので、使用環境が異なり媒質（空気）の屈折率が変化しても、被測定光が光検出器１５のほぼ同じ位置で結像する。これにより、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。
【００３４】
［第２の実施例］
図３は本発明の第２の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２において、プリズム１６の代わりに、プリズム１７が、コリメーティングレンズ１２と回折格子１３の間に設けられ、コリメーティングレンズ１２からの被測定光を偏向して回折格子１３の出射する。プリズム１７の頂角αは、被測定光が入射する面と出射する面によって形成される角度である。また、プリズム１７の材質は、例えば硝子である。
【００３５】
このような装置の動作を説明する。コリメーティングレンズ１２によって平行光となった被測定光がプリズム１７に入射される。そして、プリズム１７が被測定光を偏向し、回折格子１３に出射する。さらに、回折格子１３が被測定光を波長ごとに異なる角度に出射して分光する
【００３６】
すなわち、空気の屈折率が変化すると、プリズム１７が被測定光を偏向する角度が変動し、プリズム１７から回折格子１３への入射角度も変動するが、このプリズム１７の変動分は、回折格子１３が被測定光を出射する角度の変動分を相殺する。
【００３７】
ここで、プリズム１７によって被測定光が偏向される角度（以下、偏向角と略す）の具体例を説明する
【００３８】
プリズム１７の頂角αと偏向角の関係は以下の式（６）で表される。
ｎ_ｇ・ｓｉｎα＝ｎ_ａ・ｓｉｎ（α＋θ_ｐ）（６）
ここで、θ_ｐ偏向角である。
【００３９】
また、空気の屈折率の変化と偏向角θ_ｐの変化の関係は、式（６）より下記の式（７）で表される。
【００４０】
【数１】

【００４１】
一方、回折格子１３における被測定光の入射角度の変化と出射角度の変化の関係は、以下の式（８）で表される。
Δθ_ｇｏ／Δθ_ｇｉ＝−ｃｏｓθ_ｇｉ／ｃｏｓθ_ｇｏ（８）
【００４２】
従って、式（３）式（７）、式（８）より、Δθ_ｐ＝Δθ_ｇｉとなるように符合をとることにより、満たすべき条件は下記の式（９）となる。
【００４３】
【数２】

【００４４】
式（９）より、例えば、以下の条件において頂角αを設定することにより、空気の屈折率が変化しても、光検出器１５上の被測定光の結像位置は変化しない。
空気の屈折率n_a:1.000268。
プリズム１７の屈折率n_g:1.5。
回折格子１３への被測定光の入射角度θ_gi:0.463[rad]（26.5[deg]）。
回折格子１３からの被測定光の出射角度θ_go:1.250[rad]（71.6[deg]）。
波長λ:1.55[μｍ]。
回折格子１３の格子定数d:1.111[μｍ]。
プリズム１７の頂角α:0.595[rad]（34.1[deg]）。
【００４５】
また、プリズム１７がコリメーティングレンズ１２からの被測定光を偏向し、回折格子１３に出射して、回折格子１３が被測定光を分光する以外の動作は、図1に示す装置と同様なので説明を省略する。
【００４６】
このように、空気の屈折率変化によって生ずる回折格子１３からの出射角度の変動分を、頂角αを有するプリズム１７がコリメーティングレンズ１２からの被測定光を偏向させて相殺するので、使用環境が異なり媒質（空気）の屈折率が変化しても、被測定光が光検出器１５のほぼ同じ位置で結像する。これにより、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。
【００４７】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。出力検出部が光検出器１５からの出力によって被測定光の波長を求める構成を示したが、出力検出部を設けずに、光検出器１５からの出力を外部の機器に出力する構成としてもよい。
【００４８】
図２に示す装置において、プリズム１７は、コリメーティングレンズ１２と回折格子１３の間に設ける構成を示したが、プリズム１７は、光検出器１５で被測定光が受光されるまでの光路に設ければよい。例えば、光ファイバ１１とコリメーティングレンズ１２の間、回折格子１３とフォーカシングレンズ１４の間フォーカシングレンズ１４と光検出器１５の間のいずれかに設けてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１によれば、プリズムが、媒質の屈折率の変化により波長分散素子が被測定光を出射する角度の変動を補償するので、使用環境が異なり媒質の屈折率が変化しても、被測定光が光検出器のほぼ同じ位置で結像する。これにより、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。
【００５１】
請求項１によれば、媒質の屈折率の変化によって生ずる波長分散素子からの出射角度の変動分を、プリズムが被測定光を偏向させて相殺するので、使用環境が異なり媒質の屈折率が変化しても、被測定光が光検出器のほぼ同じ位置で結像する。これにより、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示した構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示した構成図である。
【図３】従来の分光装置の構成図である。
【符号の説明】
１３回折格子（波長分散素子）
１５光検出器
１６、１７プリズム（屈折率補償手段）

Claims

被測定光を回折格子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この回折格子が分光した被測定光を光検出器で受光し検出する分光方法において、
前記被測定光が光検出器で受光されるまでの光路上に設けられ、気圧、水蒸気圧の変化によって変動する媒質の屈折率に基づいて、第一面に入射した被測定光を偏向させて第二面から出射するプリズムの第一面と第二面とでなす頂角αが、下記の関係式を満たし、

ただし、ｎ_ａは、前記媒質の屈折率であり、ｎ_ｇは、プリズムの屈折率であり、θ_ｇｉは、回折格子への被測定光の入射角度であり、θ_ｇｏは、回折格子からの被測定光の出射角度であり、λは波長であり、ｄは、回折格子の格子定数であることを特徴とする分光方法。