JP4151271B2

JP4151271B2 - 分光装置

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Publication number: JP4151271B2
Application number: JP2002015920A
Authority: JP
Inventors: 淳勝沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: US20050088649A1; JP2003214952A; WO2003062776A1; CN1613004A; US7173695B2; CN100425958C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グレーティングやプリズムなどの波長分散素子を用いた分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、波長分散素子を用いた分光装置（以下「分光器」）は、物理分析や化学分析などの様々な分野において広く使用されている。ただし、分光器の測定波長精度は環境温度の変化による影響を受けて不安定になりやすいため、分光器を使用する際の環境温度は原則として一定に保たれる。環境温度が一定に保たれていれば、分光器に入射した光のスペクトル像が波長分散方向にドリフトする事態をほぼ回避することができ、分光器の測定波長精度が安定化する。
【０００３】
しかし、分光器の使用環境によっては温度を一定に保つことが難しい場合もある。このため、近年では、環境温度が変化してもスペクトル像が波長分散方向にドリフトしないように分光器を構成することが望まれている。このような温度補償機構付き分光器として既に提案されているものは、波長分散素子として凹面反射型のグレーティングを用い、スペクトル像を検出するディテクタとしてダイオードアレイを用いた分光器がほとんどである。
【０００４】
そして、例えば特開平８−２５４４６３号公報や特開平９−２１８０９１号公報には、ダイオードアレイの熱膨張係数と適合するようにグレーティングホルダとケーシングの熱膨張係数を選択し、グレーティングホルダの形状をケーシングと適合させることで、環境温度の変化によるスペクトル像のドリフトを軽減することが提案されている。
【０００５】
また、特開２０００−２９８０６６号公報には、グレーティングやダイオードアレイの保持の仕方を工夫し、グレーティング保持部材とダイオードアレイ保持部材とキャリアとの位置決め構造を最適化することで、環境温度の変化によるスペクトル像のドリフトを軽減することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の温度補償機構付き分光器において提案された温度補償技術は、飽くまでも、波長分散素子として凹面反射型のグレーティングを用い、ディテクタとしてダイオードアレイを用いた分光器に固有の技術である。このため、その他の様々な形態の分光器に上記の温度補償技術を適用することは困難であり、無理に適用しようとすると構成が複雑になってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、環境温度の変化によるスペクトル像の波長分散方向のドリフトを分光装置の形態に関わらず確実に軽減できる温度補償機構が組み込まれた簡素な分光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の分光装置は、被測定光を取り込む入射部材と、該入射部材からの前記被測定光を波長に応じて分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子を間接的に支持する第１支持部材と、線膨張係数が前記第１支持部材とは異なる材料によって構成され、前記波長分散素子を支持する第２支持部材とを備え、前記第２支持部材は、弾性変形可能な変形部材を介して互いにそれぞれの一端部で連結された二つのアーム部材を有し、該各アーム部材の他端部には、それぞれ前記第１支持部材に固定され、且つ、環境温度が変化したときに前記第１支持部材の伸縮量を前記各アーム部材に伝達する伝達部材がそれぞれ弾性変形可能な変形部材を介して連結されており、前記各アーム部材のうち一方の該アーム部材には、前記波長分散素子が取り付けられており、前記各変形部材は、それぞれ環境温度が変化したときに前記各伝達部材から伝達される前記第１支持部材の伸縮量と当該第２支持部材の伸縮量との相異に応じて弾性変形し、前記一方のアーム部材は、前記変形部材の弾性変形に応じて微小回転するものである。
【０００９】
請求項２に記載の分光装置は、請求項１に記載の分光装置において、前記波長分散素子は、その波長分散方向が前記一方のアーム部材の回転軸方向に対して直交する向きで、該一方のアーム部材に取り付けられているものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の分光装置において、更に、前記波長分散素子による分散後の前記被測定光を集光してスペクトル像を形成する集光光学系を備え、前記一方のアーム部材の回転角度および回転方向は、環境温度の変化による前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺するように予め設定されているものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の分光装置において、前記一方のアーム部材は、該アーム部材を設けないときに予め測定された前記環境温度の変化に対する前記スペクトル像のドリフト量に基づいて、前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺するように構成されているものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の分光装置において、更に、前記集光光学系で形成された前記スペクトル像を受光する受光素子を備え、前記集光光学系と、前記受光素子とが、それぞれ前記第１支持部材に支持されているものである。
請求項６に記載の発明は、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の分光装置において、環境温度が１℃変化したときの前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺可能な前記一方のアーム部材の回転角度をΔａとするとき、前記第１支持部材の線膨張係数ρｂと、前記第２支持部材の線膨張係数ρｍと、前記２つのアーム部材のうち一方の長さｙおよび他方の長さｚと、前記２つのアーム部材のなす角度ａとは、以下の関係式を満足するものである。
ｙ／ｚ＝｛Ａ±√ ( Ａ 2 −４ ) ｝／２
Ａ＝２ cos ａ＋ sin ａ・Δａ／ ( ρｂ−ρｍ )
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の分光装置において、更に、前記入射部材からの光をコリメートして前記波長分散素子に入射させるコリメート光学系を備え、前記入射部材と前記コリメート光学系とが、それぞれ前記第１支持部材に支持されているものである。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の分光装置において、前記コリメート光学系と前記集光光学系とは、少なくとも１枚の共通のレンズを含むものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項８に対応する。
本実施形態の分光器１０（請求項の「分光装置」に対応）は、図１に示すように、オプティカルファイバ１１と、ミラー１２と、リトローレンズ１３と、グレーティング１４と、１次元ラインセンサ１５と、グレーティングマウント１６と、ベース部材１７とで構成されている。なお、オプティカルファイバ１１の前段には不図示の光源が配置されている。
【００１４】
また、分光器１０を構成する光学素子(１１〜１５)のうち、オプティカルファイバ１１,ミラー１２,リトローレンズ１３,１次元ラインセンサ１５は、ベース部材１７の上に設置され、グレーティング１４は、グレーティングマウント１６の上に設置され、このグレーティングマウント１６は、ベース部材１７の上に設置されている。
【００１５】
本実施形態の分光器１０は、環境温度が−２０℃から＋６０℃までの範囲において使用可能な温度補償機能付き分光器である。
先ず初めに、光学素子(１１〜１５)の構成や機能の説明を行い、その後で、グレーティングマウント１６とベース部材１７について具体的に説明する。
オプティカルファイバ１１は、光源(不図示)からの被測定光を分光器１０の内部に取り込むための部材（例えばシングルモードファイバ）であり、その光射出部の直径は例えば１０μｍである。オプティカルファイバ１１は、請求項の「入射部材」に対応する。
【００１６】
ミラー１２は、オプティカルファイバ１１からの被測定光を反射してリトローレンズ１３に導くための光学素子である。
リトローレンズ１３は、ミラー１２からの被測定光Ｌ１をコリメートする機能と、グレーティング１４からの回折光Ｌ３(後述する)を集光してスペクトル像を形成する機能とを兼ね備えたレンズである（焦点距離は例えば５０ｍｍ）。リトローレンズ１３によってコリメートされた被測定光Ｌ２は、グレーティング１４に導かれ、リトローレンズ１３によって集光された被測定光Ｌ４は、１次元ラインセンサ１５に導かれる。リトローレンズ１３は、請求項の「集光光学系」に対応する。
【００１７】
グレーティング１４は、細長い多数の溝が１次元配列された反射型平面回折格子である。多数の溝の配列方向は、グレーティング１４の波長分散方向に相当する。グレーティング１４は、オプティカルファイバ１１からミラー１２とリトローレンズ１３を介して導かれた被測定光Ｌ２を波長に応じて分散させる。グレーティング１４による分散後の被測定光が上記の回折光Ｌ３に対応する。グレーティング１４は、請求項の「波長分散素子」に対応する。
【００１８】
また、本実施形態において、リトローレンズ１３とグレーティング１４とは、両側テレセントリック光学系を構成している。すなわち、グレーティング１４を開口絞りと見なして、リトローレンズ１３の焦点位置に配置している。
１次元ラインセンサ１５は、多数の受光部が１次元配列された受光面を有し、この受光面がリトローレンズ１３の焦点位置（スペクトル像が形成される位置）と一致するように配置されている。１次元ラインセンサ１５は、リトローレンズ１３によって形成されたスペクトル像を検出する検出素子である。なお、多数の受光部の配列方向は、グレーティング１４の波長分散方向に相当する。
【００１９】
また、各々の受光部の波長分散方向の幅は、スペクトル像の検出に必要な波長分解能に応じて設定されている（例えば２５μｍ）。１次元ラインセンサ１５の受光面に配列された受光部の数は、スペクトル像の検出に必要な波長範囲に応じて、この波長範囲を余すところなく検出できるように設定される。
上記した光学素子(１１〜１５)において、オプティカルファイバ１１から分光器１０の内部に入射した被測定光は、リトローレンズ１３でコリメートされ、グレーティング１４で回折され、再びリトローレンズ１３に戻って集光される。その結果、１次元アレイセンサ１５の受光面上にはスペクトル像が形成され、受光面に配列された各々の受光部によってスペクトル像が検出される。
【００２０】
ここで、分光器１０に入射する被測定光が単色光（任意の単一波長の光）である場合、スペクトル像は、オプティカルファイバ１１の光射出部とほぼ相似なスポット状になる。また、被測定光が波長の異なる多種類の光を含む場合、スペクトル像は、波長分散方向に沿って広がった形状となる。波長分散方向に沿ってスポット状のスペクトル像が離散的に多数配列された状態となることもある。
【００２１】
ところで、１次元アレイセンサ１５の受光面上においてスペクトル像が波長分散方向にドリフトすると、分光器１０の測定精度が低下してしまう。このようなスペクトル像の波長分散方向のドリフトは、環境温度が変化したときに生じやすく、次の(１)〜(５)が主な要因として考えられる。
(１)は、リトローレンズ１３の焦点距離の変動である。(２)は、空気の屈折率の変動である。(３)は、グレーティング１４の伸縮による格子定数の変動である。(４)は、ベース部材１７の伸縮によるオプティカルファイバ１１の波長分散方向への移動である。(５)は、グレーティング１４の刻線方向を中心とした回転である。
【００２２】
ただし、上記した要因(１)〜(５)のうち、(１)リトローレンズ１３の焦点距離の変動は、光学設計により実用上問題とならない程度に小さく抑えることができる。また、(２)空気の屈折率の変動は、環境温度の変化幅が１００℃程度であれば問題とならない。すなわち、環境温度が１００℃程度変化しても、空気中の光の波長変化は無視できる程度にしかならない。
【００２３】
すなわち、本実施形態の分光器１０において実際に考慮するべきスペクトル像のドリフトの要因は、(３)グレーティング１４の格子定数の変動と、(４)オプティカルファイバ１１の波長分散方向への移動と、(５)グレーティング１４の刻線方向を中心とした回転との３つである。
【００２４】
本実施形態の分光器１０の場合、環境温度が最低温度(−２０℃)から最高温度(＋６０℃)まで８０℃上昇したときに、スペクトル像が上記した要因(３)(４)によって２０μｍだけ短波長側にドリフトするよう設計されているとする。短波長側とは図１に矢印Ｂで示す方向である。
また、環境温度の変化によるスペクトル像のドリフトは、温度変化にほぼ比例している。このため、スペクトル像の温度変化１℃あたりのドリフト量Δｓは、２０μｍ/８０℃＝０.２５μｍ/℃となる。このドリフト量Δｓは、１次元アレイセンサ１５の１つの受光部の波長分散方向の幅（２５μｍ）に対して無視できない量である。
【００２５】
なお、分光器１０に入射する被測定光が波長の異なる多種類の光を含む場合のスペクトル像は、既に述べたように、波長分散方向に沿って広がった形状となったり、スポット像が離散的に多数配列された状態となったりする。厳密にいえば、各々の波長ごとにドリフト量は少し異なるが、その相違は無視できる程度である。
このため、本実施形態では、分光器１０に入射する被測定光のうち、着目する波長の光（例えば中心波長の光）と、この着目する波長前後近傍の波長の光とは、環境温度の変化によってほぼ同じ挙動を示す、つまり、同じ量Δｓだけドリフトする(０.２５μｍ/℃)と見なすことにする。
【００２６】
さて、上記の要因(３)(４)により、環境温度の上昇に伴ってスペクトル像が短波長側(矢印Ｂの方向)に０.２５μｍ/℃だけドリフトすることは、既に説明した通りである。また、スペクトル像のドリフトの要因には、あと、(５)グレーティング１４の刻線方向を中心とした回転が残されていることも、既に説明した通りである。
【００２７】
本実施形態の分光器１０は、上記の要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(短波長側に０.２５μｍ/℃)を相殺するように、グレーティング１４を回転させるものである。グレーティング１４を回転させる機構（グレーティングマウント１６,ベース部材１７）についての詳細な説明は後述する。
【００２８】
グレーティング１４が刻線方向（図１の紙面に垂直な方向）を中心として回転すると、グレーティング１４から射出される回折光Ｌ３は偏向され、その結果、１次元アレイセンサ１５の受光面上においてスペクトル像が波長分散方向にドリフトする。
このとき、グレーティング１４に入射する被測定光Ｌ２の入射角度αが小さくなる方向（図１に矢印Ｃで示す方向）にグレーティング１４を回転させると、この回転によってスペクトル像は長波長側（矢印Ｂとは反対の方向）にドリフトすることになる。これは、上記の要因(３)(４)によるドリフトΔｓを相殺する方向へのドリフトである。上記の入射角度αは、グレーティング１４の法線１４ａを起点とする角度である。
【００２９】
また、上記の要因(３)(４)によるドリフトΔｓ(＝０.２５μｍ/℃)を相殺可能なグレーティング１４の回転角度Δａは、リトローレンズ１３の焦点距離ｆと、グレーティング１４に入射する被測定光Ｌ２の入射角度αと、グレーティング１４から射出される回折光Ｌ３の回折角度βとを用いて、次の式(１)で表すことができる。回折角度βも法線１４ａを起点とする角度である。
【００３０】
Δａ＝Δｓ/ｆ/(１＋cosα/cosβ) …(１)
なお、上記式(１)が成立するのは、空気中の光の波長変動を無視できることが前提となっている。グレーティング１４の回転角度Δａは、温度変化１℃あたりの必要な回転角度である。
上記式(１)に基づいて具体的なグレーティング１４の回転角度Δａを計算すると、Δａ＝２.７６×１０^-6radian となる。この計算に当たっては、Δｓ＝０.２５μｍ/℃,ｆ＝５０ｍｍ,α＝７０°,β＝６５°を用いた。α,βの値は、着目する波長の光（例えば中心波長の光）に関する角度である。
【００３１】
このように、環境温度が変化したときに、グレーティング１４を入射角度αが小さくなる方向（矢印Ｃの方向）に上記した回転角度Δａだけ回転させれば、上記の要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(短波長側に０.２５μｍ/℃)を相殺することができる。
次に、グレーティング１４を回転させる機構（グレーティングマウント１６,ベース部材１７）について、詳細に説明する。この機構の特徴は、ベース部材１７とグレーティングマウント１６の線膨脹係数の違いを利用した点にある。
【００３２】
ベース部材１７は、オプティカルファイバ１１,ミラー１２,リトローレンズ１３,１次元ラインセンサ１５を一体に支持している。このベース部材１７は、請求項の「第１支持部材」に対応する。本実施形態のベース部材１７は、線膨張係数ρｂ(＝２４.３×１０^-6degree^-1)のアルミニウム合金によって構成されている。
環境温度が変化したとき、ベース部材１７は、自身の線膨張係数ρｂに応じて伸縮する。なお、ベース部材１７の上に設置されたオプティカルファイバ１１,ミラー１２,リトローレンズ１３,１次元ラインセンサ１５の相対位置関係は、等方的に変化する。
【００３３】
グレーティングマウント１６は、図２(ａ),(ｂ)に示すように、グレーティング１４を支持するＶ字形部材２１と、このＶ字形部材２１の両端部２２,２３をベース部材１７に各々連結する連結部材２４,２５とで構成されている。図２(ａ)は上面図、図２(ｂ)は側面図である。図２(ｂ)において、Ｖ字形部材２１に対応する部分には、点ハッチングを付した。
【００３４】
本実施形態のグレーティングマウント１６は、線膨張係数ρｍ(＝２３.６×１０^-6degree^-1)のアルミニウム合金によって構成されている。グレーティングマウント１６のＶ字形部材２１は請求項の「第２支持部材」に対応する。連結部材２４,２５は「伝達部材」に対応する。
環境温度が変化したとき、グレーティングマウント１６は、自身の線膨張係数ρｍに応じて伸縮する。なお、グレーティングマウント１６の線膨張係数ρｍがベース部材１７の線膨張係数ρｂとは異なるため、環境温度が変化したときの伸縮量は、グレーティングマウント１６とベース部材１７とで異なることになる。
【００３５】
ここで、Ｖ字形部材２１をさらに詳しく説明する。
Ｖ字形部材２１は、２つのアーム部材２６,２７が、弾性変形可能な薄肉状の変形部材２８を介して連結された構成となっている。また、Ｖ字形部材２１は、上記の通り、その両端部２２,２３が連結部材２４,２５を介してベース部材１７に各々連結されている。さらに、Ｖ字形部材２１の両端部２２,２３は、上記した変形部材２８と同様、弾性変形可能な薄肉状の変形部材である。
【００３６】
このため、環境温度が変化したときにベース部材１７が線膨張係数ρｂに応じて伸縮すると、ベース部材１７の伸縮量は、連結部材２４,２５からＶ字形部材２１に伝達される。つまり、ベース部材１７が伸縮した分だけ連結部材２４,２５の距離が変化し、Ｖ字形部材２１の両端部２２,２３の距離も変化することになる。
また、Ｖ字形部材２１の両端部２２,２３と変形部材２８とは、自身の伸縮量とベース部材１７の伸縮量との相異に応じて弾性変形する。この弾性変形は、全て、折れ曲がり角度の変化によって吸収される。そして、Ｖ字形部材２１のアーム部材２６,２７は、自身の線膨張係数ρｍに応じて伸縮する。
【００３７】
ここで、Ｖ字形部材２１の一端部２２の中心を「Ｉ」、他端部２３の中心を「Ｋ」、変形部材２８の中心を「Ｊ」とし、３つの中心Ｉ,Ｊ,Ｋを結んで得られる三角形ＩＪＫ（図３）に注目して、環境温度の変化によるＶ字形部材２１の変形、つまり三角形ＩＪＫの変形について考える。
環境温度が変化すると、三角形ＩＪＫの辺ＩＫの長さ（両端部２２,２３の距離）は、ベース部材１７の伸縮量に応じて変化する。これに対し、残りの２辺の長さ、つまり、辺ＩＪの長さ（アーム部材２７の長さ）と、辺ＪＫの長さ（アーム部材２６の長さ）とは、自身のＶ字形部材２１の伸縮量に応じて変化する。
【００３８】
したがって、環境温度が変化した後の三角形Ｉ'Ｊ'Ｋ'は、元々の三角形ＩＪＫとは相似形にならない。また、三角形Ｉ'Ｊ'Ｋ'の頂角ａ'（＝∠Ｉ'Ｊ'Ｋ'）は、三角形ＩＪＫの頂角ａ（＝∠ＩＪＫ）とは異なることになる。なお、頂角ａ'または頂角ａは、変形部材２８の折れ曲がり角度を表す。変形部材２８の折れ曲がり角度の変化（頂角ａ→ａ'）は、弾性変形である。
【００３９】
さらに、変形部材２８の弾性変形に応じて三角形ＩＪＫの頂角ａが変化すると、この頂角ａを挟む２つの辺ＪＫ,ＪＩ（アーム部材２６,２７）は、なす角度が変化し、結果として微小回転することになる。この微小回転の軸方向は、三角形ＩＪＫによる平面（紙面に平行な平面）に対して直交する。
また、環境温度が上昇したときに三角形ＩＪＫの辺ＪＫ（アーム部材２６）が微小回転する方向（回転方向）は、自身の線膨張係数ρｍがベース部材１７の線膨張係数ρｂより小さいことを考慮すると、三角形ＩＪＫの頂角ａは環境温度の上昇によって大きくなるため、図１に示す矢印Ｃの方向（入射角度αが小さくなる方向）と一致することが分かる。
【００４０】
このため、グレーティング１４は、Ｖ字形部材２１の一方のアーム部材２６の上に、波長分散方向がアーム部材２６の軸方向（紙面に垂直な方向）に対して直交する向きで取り付けられる。これにより、グレーティング１４の刻線方向は、アーム部材２６の軸方向に対して平行となる。
なお、アーム部材２６とグレーティング１４とは、それぞれの線膨張係数の差によってたわみが生じないように、例えば弾力性のある接着剤を使用するなどの方式で接合される。Ｖ字形部材２１のアーム部材２６は、請求項の「一方のアーム部材」に対応する。
【００４１】
このようにしてアーム部材２６の上に取り付けられたグレーティング１４は、常に、アーム部材２６と共に、グレーティング１４の刻線方向を中心に微小回転することになる。そして、環境温度が上昇したときには、図１に示す入射角度αが小さくなる方向（矢印Ｃの方向）に微小回転する。
ここで、前述した要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(＝０.２５μｍ/℃)を相殺可能なグレーティング１４の回転角度Δａ、つまり、環境温度が１℃変化したときに必要な回転角度Δａは、上記式(１)の通りであり、具体的には Δａ＝２.７６×１０^-6radian である。
【００４２】
したがって、グレーティング１４を支持しているＶ字形部材２１のアーム部材２６が温度変化１℃のときに上記の回転角度Δａだけ回転するように構成すれば、グレーティング１４の回転角度Δａが実際に実現することになる。
温度変化１℃のときのアーム部材２６の回転角度Δａ＝ａ'−ａとするとき、この回転角度Δａと、ベース部材１７の線膨張係数ρｂと、グレーティングマウント１６の線膨張係数ρｍと、アーム部材２６(辺ＪＫ)の長さｙと、アーム部材２７(辺ＪＩ)の長さｚと、アーム部材２６,２７のなす角度ａ(＝∠ＩＪＫ)とは、次の関係式(２),(３)を満足する。
【００４３】
ｙ/ｚ＝｛Ａ±√(Ａ²−４)｝/２ …(２)
Ａ＝２cosａ＋sinａ・Δａ/(ρｂ−ρｍ) …(３)
この関係式(２),(３)に対して、本実施形態の分光器１０における具体的な数値（ａ＝９０°,Δａ＝２.７６×１０^-6radian，ρｂ＝２４.３×１０^-6degree^-1，ρｍ＝２３.６×１０^-6degree^-1）を代入することにより、パラメータＡの値はＡ＝３.９４と求められ、結果として、アーム部材２６(辺ＪＫ)とアーム部材２７(辺ＪＩ)との長さの比(ｙ/ｚ)はｙ/ｚ＝３.６７(または１/３.６７）と求められる。
【００４４】
そして、得られた結果に基づいてアーム部材２６,２７(辺ＪＫ,ＪＩ)の長さｙ,ｚを決定し、アーム部材２６,２７のなす角度ａが９０°となるようにＶ字形部材２１を構築すれば、環境温度が１℃上昇したときに、アーム部材２６を上記の回転角度Δａだけ図１の矢印Ｃの方向に微小回転させることができる。
その結果、アーム部材２６の上に取り付けられたグレーティング１４も、環境温度が１℃上昇したときに、上記の回転角度Δａだけ図１の矢印Ｃの方向（入射角度αが小さくなる方向）に微小回転することになる。したがって、前述した要因(３)(４)によるスペクトル像のドリフトΔｓ(短波長側に０.２５μｍ/℃)を相殺することができる。
【００４５】
上記した本実施形態の分光器１０によれば、環境温度が変化したときにベース部材１７とグレーティングマウント１６(Ｖ字形部材２１)とが異なる量の伸縮をし、この伸縮量の違いに応じてグレーティング１４が予め定めた角度だけ微小回転して、スペクトル像の波長分散方向のドリフトを確実に相殺するので、１次元アレイセンサ１５の受光面におけるスペクトル像の位置を環境温度が変化しても同じ位置に留めることができる。
【００４６】
このため、分光器１０の環境温度を一定に保つことが難しく、環境温度が−２０℃から＋６０℃までの範囲において変化した場合でも、安定した測定精度による被測定光のスペクトル測定が可能となる。
また、特別に環境温度をコントロールする必要もなく、分光器１０自体に環境温度をコントロール機能を設ける必要もないため、安価で使いやすい分光器１０が実現できる。
【００４７】
さらに、本実施形態の分光器１０では、スペクトル像を受光する素子として１次元ラインセンサ１５を用いたので、グレーティング１４を固定させた状態でも、多数の波長のスペクトル像を同時に受光することができる。つまり、被測定光が波長の異なる多種類の光を含む場合、被測定光の波長ごとの強度を簡単に測定することができる。
【００４８】
このような分光器１０は、例えば、波長分割多重(ＷＤＭ)方式の光通信システムにおいて、光源である半導体レーザ（予め決められた複数の周波数光が重合された光源)(例えば１.５μｍ帯）から射出される光を分光し、各々の周波数ごとの強度特性を監視する装置（波長モニター）として用いるのに好適である。
光通信機器には一般に厳しい環境温度条件の下で作動することが要求されるため、本実施形態の分光器１０を波長モニターとして用い、分光器１０による測定結果を半導体レーザにフィードバックすることで、環境温度が変化した場合でも、半導体レーザから射出される光の強度を波長ごとに一定に保つことができ、安定した光通信が可能となる。
【００４９】
なお、上記した実施形態では、反射型の回折格子を用いた分光器１０の例を説明したが、透過型の回折格子を用いた構成にも本発明を適用できる。また、平面回折格子およびリトローレンズに代えて、１つの凹面回折格子を用いた分光器にも適用できる。さらに、１つのリトローレンズに代えて、コリメート光学系と集光光学系とを別々に配置しても良い。コリメート光学系と集光光学系とは、屈折光学系でも反射光学系でも良い。また、波長分散素子としてグレーティング(回折格子)を用いたが、プリズムを用いることもできる。
【００５０】
このような様々な形態の分光器の何れにも、本発明は簡単に適用することができる。つまり、各々の分光器の波長分散素子を上記アーム部材２６と同様の回転部材に取り付けるだけで、スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺することができる。つまり、本発明を適用した温度補償機能付き分光器の構成が複雑になることはない。
【００５１】
ただし、波長分散素子を回転部材に取り付けるに当たっては、波長分散方向を回転部材の軸方向に対して直交させなければならない。また、この回転部材を含む支持部材(Ｖ字形部材２１に対応)の線膨張係数ρｍや、波長分散素子を除く他の部材(オプティカルファイバ１１など)を支持するベース部材の線膨張係数ρｂなどの各種パラメータを適切に選択することも必要である。さらに、温度補償に必要な波長分散素子の回転角度Δａは、個々の分光器を設計する際に、最適な値を決定することが好ましい。
【００５２】
また、上記した実施形態では、スペクトル像を検出する素子として１次元ラインセンサ１５を用いたが、この１次元ラインセンサ１５に代えて、射出スリットとディテクタとを用いることもできる。射出スリット（検出素子）は、細長い１つの開口部を有し、この開口部がスペクトル像の形成位置と一致するように配置される。そして、スペクトル像のうち開口部を通過した部分像がディテクタにより受光される。
【００５３】
この構成では、射出スリットおよびディテクタを波長分散方向に沿って移動させたり、波長分散素子を波長分散方向と直交する軸まわりに回転させたりすることで、異なる波長の光を測定することができる。このような構成の分光器も、波長分割多重(ＷＤＭ)方式の光通信システムにおける上記の波長モニターとして用いるのに好適である。
【００５４】
さらに、上記した実施形態では、分光器１０に被測定光を入射させる入射部材としてオプティカルファイバ１１を用いたが、これに代えて入射スリットを用いることもできる。入射スリットは、細長い１つの開口部を有する。
また、上記した実施形態では、リトローレンズ１３とグレーティング１４とで両側テレセントリック光学系を構成したが、本発明はこれに限定されない。リトローレンズ１３とグレーティング１４とのテレセン性がずれた構成でも、本発明を適用できる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、環境温度の変化によるスペクトル像の波長分散方向のドリフトを分光器の形態に関わらず確実に軽減できる温度補償機構が組み込まれた簡素な分光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の分光器１０の全体構成を示す図である。
【図２】グレーティングマウント１６の構造を示す図である。
【図３】グレーティングマウント１６の変形を説明する図である。
【符号の説明】
１０分光器
１１オプティカルファイバ
１２ミラー
１３リトローレンズ
１４グレーティング
１５１次元ラインセンサ
１６グレーティングマウント
１７ベース部材
２１Ｖ字形部材
２４，２５連結部材
２６，２７アーム部材
２８変形部材

Claims

被測定光を取り込む入射部材と、
該入射部材からの前記被測定光を波長に応じて分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子を間接的に支持する第１支持部材と、
線膨張係数が前記第１支持部材とは異なる材料によって構成され、前記波長分散素子を支持する第２支持部材とを備え、
前記第２支持部材は、弾性変形可能な変形部材を介して互いにそれぞれの一端部で連結された二つのアーム部材を有し、該各アーム部材の他端部には、それぞれ前記第１支持部材に固定され、且つ、環境温度が変化したときに前記第１支持部材の伸縮量を前記各アーム部材に伝達する伝達部材がそれぞれ弾性変形可能な変形部材を介して連結されており、前記各アーム部材のうち一方の該アーム部材には、前記波長分散素子が取り付けられており、前記各変形部材は、それぞれ環境温度が変化したときに前記各伝達部材から伝達される前記第１支持部材の伸縮量と当該第２支持部材の伸縮量との相異に応じて弾性変形し、前記一方のアーム部材は、前記変形部材の弾性変形に応じて微小回転する
ことを特徴とする分光装置。
請求項１に記載の分光装置において、
前記波長分散素子は、その波長分散方向が前記一方のアーム部材の回転軸方向に対して直交する向きで、該一方のアーム部材に取り付けられている
ことを特徴とする分光装置。
請求項１又は２に記載の分光装置において、
更に、前記波長分散素子による分散後の前記被測定光を集光してスペクトル像を形成する集光光学系を備え、
前記一方のアーム部材の回転角度および回転方向は、環境温度の変化による前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺するように予め設定されている
ことを特徴とする分光装置。
請求項３に記載の分光装置において、
前記一方のアーム部材は、該アーム部材を設けないときに予め測定された前記環境温度の変化に対する前記スペクトル像のドリフト量に基づいて、前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺するように構成されている
ことを特徴とする分光装置。
請求項３又は４に記載の分光装置において、
更に、前記集光光学系で形成された前記スペクトル像を受光する受光素子を備え、
前記集光光学系と、前記受光素子とが、それぞれ前記第１支持部材に支持されている
ことを特徴とする分光装置。
請求項３乃至５のいずれか一項に記載の分光装置において、
環境温度が１℃変化したときの前記スペクトル像の波長分散方向のドリフトを相殺可能な前記一方のアーム部材の回転角度をΔａとするとき、
前記第１支持部材の線膨張係数ρｂと、前記第２支持部材の線膨張係数ρｍと、前記２つのアーム部材のうち一方の長さｙおよび他方の長さｚと、前記２つのアーム部材のなす角度ａとは、以下の関係式を満足する
ｙ／ｚ＝｛Ａ±√(Ａ2−４)｝／２
Ａ＝２cosａ＋sinａ・Δａ／(ρｂ−ρｍ)
ことを特徴とする分光装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の分光装置において、
更に、前記入射部材からの光をコリメートして前記波長分散素子に入射させるコリメート光学系を備え、
前記入射部材と前記コリメート光学系とが、それぞれ前記第１支持部材に支持されている
ことを特徴とする分光装置。
請求項７に記載の分光装置において、
前記コリメート光学系と前記集光光学系とは、少なくとも１枚の共通のレンズを含む
ことを特徴とする分光装置。