JP4460117B2 - グリズム - Google Patents
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Description
【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、天体観測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、任意の波長を直進させるようにプリズムと回折格子とを組み合わせた透過型直視分散素子である。
【0003】
【従来の技術】
近年、天文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用いられている。
【0004】
ここで、回折格子として、所謂、レプリカ格子を備えた高分散のグリズムが提案されているが、こうしたグリズムにおいては、レプリカ格子を構成する材料たる樹脂の屈折率が1.5程度であるので、例えば、レプリカ格子が添設されるプリズムの屈折率が2.3程度の場合には、プリズムの頂角が40°程度であっても臨界角を越えてしまい、高い分解能を得ることができないという問題点があった。
【0005】
また、上記したレプリカ格子を備えた高分散のグリズムは、臨界角を越えない範囲においては使用可能であることは勿論であるが、効率の点で不利であるという問題点があった。
【0006】
なお、プリズムの表面に直接的に回折格子を加工形成することができるのであれば、高い効率を得ることができるものであるが、深さ1μm以上の回折格子をプリズムの表面に直接加工することは困難であり、量産化することが難しくコスト高になるという問題点が指摘されていた。
【0007】
【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、プリズムの頂角を大きくしても臨界角を越えることがないようにするとともに、効率を向上することができ、しかも量産化が可能であって低コスト化を実現することができるグリズムを提供しようとするものである。
【0008】
【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、高屈折率の材料よりなる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。
【0009】
即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、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・ホログラムの屈折率よりも高屈折率の第1のプリズムと、 上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの屈折率よりも高屈折率の第2のプリズムとを有し、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを鏡映面として上記第1のプリズムの頂角と上記第2のプリズムの頂角とが略鏡映対称となるように上記第1のプリズムと上記第2のプリズムとが配置されており、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ボリューム・フェイズ・ホログラムを通過して上記第2のプリズム内に入射され、上記第2のプリズム内に入射された光は上記第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。
【0010】
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記第1のプリズムと上記第2のプリズムとはそれぞれ断面が直角三角形であり、上記第1のプリズムと上記第2のプリズムとが上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを鏡映面として上記第1のプリズムの断面の直角と上記第2のプリズムの断面の直角とが略鏡映対称となるように配置されるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、本発明のうち請求項1または2のいずれか1項に記載の発明において、上記第1のプリズムの屈折率が1.5〜4であり、上記第2のプリズムの屈折率が1.5〜4であ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、本発明のうちの請求項1または2のいずれか1項に記載の発明において、上記第1のプリズムを構成する材料は硫化亜鉛またはニオブ酸リチウムのいずれかであり、上記第2のプリズムを構成する材料は硫化亜鉛またはニオブ酸リチウムのいずれかであり、上記ボリューム・フェイズ・ホログラムを構成する材料は重クロムゼラチンであ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、本発明のうちの請求項1、2、3または4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の和が、上記第1のプリズムの屈折率と上記ボリューム・フェイズ・ホログラムの屈折率とにより決定される臨界角以上であるようにしたものである。
また、本発明のうちの請求項6に記載の発明は、本発明のうちの請求項5に記載の発明において、上記第1のプリズムの屈折率と上記第2のプリズムの屈折率とを等しくしたものである。
【0013】
【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。
【0014】
図1には、本発明によるグリズムの概念構成説明図が示されているが、このグリズム10は、高屈折率の第1プリズム12と高屈折率の第2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。
【0015】
ここで、高屈折率の第1プリズム12と高屈折率の第2プリズム14とを構成する材料としては、例えば、硫化亜鉛(ZnS)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの誘電体または半導体を用いることができ、屈折率はいずれも2.3程度の高屈折率である。
【0016】
なお、第1プリズム12と第2プリズム14との屈折率は、それぞれ1.5〜4であることが好ましい。
【0017】
また、この実施の形態においては、第1プリズム12と第2プリズム14とは、同一の材料により構成されているものとする。
【0018】
また、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、重クロムゼラチンなどの樹脂を用いることができる。なお、重クロムゼラチンの屈折率は、硫化亜鉛やニオブ酸リチウムの屈折率である2.3程度よりも小さい1.5程度である。
【0019】
ここで、硫化亜鉛、ニオブ酸リチウムならびに重クロムゼラチンは、可視域の波長の光に対して透明であるので、第1プリズム12と第2プリズム14とを構成する材料として硫化亜鉛やニオブ酸リチウムを用いるとともに、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を用いたグリズム10は、可視光を分散させるために用いることができるものである。
【0020】
次に、図1に示すグリズム10をさらに詳細に説明すると、断面が直角三角形を形成する第1プリズム12と第2プリズム14との直角(90°)を形成する一辺12a、14a同士を対面させるとともに、第1プリズム12の頂角αと第2プリズム14の頂角βとがボリューム・フェイズ・ホログラム16を挟んで対面するようにして、第1プリズム12と第2プリズム14とによってボリューム・フェイズ・ホログラム16を挟み込んでいて、ボリューム・フェイズ・ホログラム16を鏡映面として第1プリズム12の頂角αと第2プリズム14の頂角βとが略鏡映対称となるように第1プリズム12と第2プリズム14とが配置されている。
【0021】
そして、このグリズム10においては、外部から第1プリズム12の表面を介して光が入射され、第1プリズム12内に入射された光はボリューム・フェイズ・ホログラム16を通過して第2プリズム14内に入射され、第2プリズム14内に入力された光は第2プリズム14の表面を介して外部へ出射されることになる。
【0022】
ここで、第1プリズム12の屈折率を「n1」とし、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、第1プリズム12の頂角αの臨界角は、以下のようにして求めることができる。
【0023】
即ち、図1において、第1プリズム12における光の入射面12bおよび第1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、次の式(1)および式(2)である。
【0024】
【数1】
【数2】
ここで、「α−θ1」が臨界角の場合には、θ2が90°、即ち、
【数3】
が1.0であるので、
【数4】
である。
【0025】
上記した式(3)に式(1)を代入すると、頂角αに関する式(4)が得られる。
【0026】
【数5】
この式(4)により、第1プリズム12の頂角αの臨界角が示されるものである。
【0027】
また、頂角βに関しても、上記と同様な手法により、その臨界角を得ることができる。
【0028】
なお、このグリズム10においては、頂角αと頂角βとは同一の角度に設定されている。
【0029】
ここで、「n1=2.3」、「n2=1.5」とすると、上記した式(4)から、第1プリズム12の頂角αの臨界角として「α=63.6°」という大きな値を得ることができる。
【0030】
n1とn2との臨界角は40.7°であるので、このグリズム10と従来のレプリカ格子のグリズムとの光路差は、
2tan(63.6)/tan(40.7)=4.7
となる。即ち、グリズム10によれば、従来のグリズムの約4.7倍の分解能を得ることができるものである。
【0031】
このように、第1プリズム12の頂角αのみでもn1とn2との臨界角は40.7°以上を得ることができるものであり、さらに、このグリズム10においては第2プリズム14の頂角βも存在するものであるから、頂角αと頂角βとを合わせた角度(頂角αと頂角βとの和)は容易にn1とn2との臨界角は40.7°以上とすることができる。
【0032】
つまり、本発明によるグリズム10によれば、第1プリズム12の材料としてニオブ酸リチウムを用いるとともに、ボリューム・フェイズ・ホログラム16の材料として重クロムゼラチンを用いることにより、「n1=2.3」かつ「n2=1.5」である場合において、頂角αを40°以上にとっても臨界角を越えることがない。
【0033】
このように、少なくとも頂角αと頂角βとの和を、n1とn2との臨界角を越える角度に設定することが可能であるので、本発明によるグリズム10は従来のグリズムよりも確実に高い分解能を得ることができることになる。
【0034】
従って、本発明によるグリズム10によれば、高分解能であり、かつ、高効率のグリズムを実現することができる。
【0035】
また、本発明によるグリズム10によれば、上記したように、従来のレプリカ格子のグリズムより頂角を大きくすることが可能であるため、グリズム全体の小型化を図ることができるようになる。
【0036】
さらに、イオン・エッチングなどによりプリズムに直接に回折格子を加工して製造するグリズムよりも、本発明によるグリズム10は量産化が容易であって、コストも大幅に低減することができる。
【0037】
なお、上記した実施の形態は、以下の(1)〜(6)に示すように変形することができるものである。
【0038】
(1)上記した実施の形態においては、第1プリズム12と第2プリズム14との材料として、硫化亜鉛とニオブ酸リチウムとを示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、高屈折率(例えば、屈折率が1.5〜4程度である。)かつグリズムを透過させたい光の波長に対して透明な材料を適宜に用いることができる。例えば、赤外域の波長の光をグリズムに透過させたい場合には、高屈折率かつ赤外域の波長の光に対して透明な材料である砒化ガリウム(GaAs)などを用いることができる。ここで、砒化ガリウム(GaAs)の屈折率は3.5程度である。
【0039】
(2)上記した実施の形態においては、第1プリズム12と第2プリズム14とは、同じ材料を用いて構成するものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、第1プリズム12と第2プリズム14とを互いに異なる材料により形成してもよく、その際に、第1プリズム12の屈折率と第2プリズム14の屈折率とが異なるようにしてもよい。
【0040】
(3)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、重クロムゼラチンなどの樹脂を示したが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、ボリューム・フェイズ・ホログラム16の屈折率は、第1プリズム12と第2プリズム14との屈折率より小さい屈折率であればよいので、このような屈折率を備えるとともに、グリズムを透過させたい光の波長に対して透明な材料を適宜に用いることができる。
【0041】
(4)上記した実施の形態においては、第1プリズム12の頂角αと第2プリズム14の頂角βとを同一の角度としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、第1プリズム12の頂角αと第2プリズム14の頂角βとが異なる角度であってもよい。
【0042】
(5)上記した実施の形態においては、第1プリズム12と第2プリズム14との形状は、それぞれ断面が直角三角形を形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、第1プリズム12と第2プリズム14とはそれぞれの任意の形状とすることができる。
【0043】
(6)上記した実施の形態ならびに上記した(1)〜(5)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【0044】
【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、プリズムの頂角を大きくしても臨界角を越えることがないようにするとともに、効率を向上することができ、しかも量産化が可能であって低コスト化を実現する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】本発明による本発明によるグリズムの概念構成説明図である。
【符号の説明】
10 グリズム
12 第1プリズム
12a 第1プリズムにおける直角(90°)を形成する一辺
12b 入射面
14 第2プリズム
14a 第2プリズムにおける直角(90°)を形成する一辺
16 ボリューム・フェイズ・ホログラム
Claims (6)
- 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・ホログラムの屈折率よりも高屈折率の第1のプリズムと、
前記ボリューム・フェイズ・ホログラムの屈折率よりも高屈折率の第2のプリズムと
を有し、
前記ボリューム・フェイズ・ホログラムを鏡映面として前記第1のプリズムの頂角と前記第2のプリズムの頂角とが略鏡映対称となるように前記第1のプリズムと前記第2のプリズムとが配置されており、
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ボリューム・フェイズ・ホログラムを通過して前記第2のプリズム内に入射され、前記第2のプリズム内に入射された光は前記第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1に記載のグリズムにおいて、
前記第1のプリズムと前記第2のプリズムとはそれぞれ断面が直角三角形であり、
前記第1のプリズムと前記第2のプリズムとが前記ボリューム・フェイズ・ホログラムを鏡映面として前記第1のプリズムの断面の直角と前記第2のプリズムの断面の直角とが略鏡映対称となるように配置されている
ことを特徴とするグリズム。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載のグリズムにおいて、
前記第1のプリズムの屈折率は、1.5〜4であり、
前記第2のプリズムの屈折率は、1.5〜4である
グリズム。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載のグリズムにおいて、
前記第1のプリズムを構成する材料は硫化亜鉛またはニオブ酸リチウムのいずれかであり、
前記第2のプリズムを構成する材料は硫化亜鉛またはニオブ酸リチウムのいずれかであり、
前記ボリューム・フェイズ・ホログラムを構成する材料は重クロムゼラチンである
グリズム。 - 請求項1、2、3または4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の和が、前記第1のプリズムの屈折率と前記ボリューム・フェイズ・ホログラムの屈折率とにより決定される臨界角以上である
グリズム。 - 請求項5に記載のグリズムにおいて、
前記第1のプリズムの屈折率と前記第2のプリズムの屈折率とが等しい
ことを特徴とするグリズム。
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