JP5556370B2

JP5556370B2 - 分光器およびこれを用いた光スペクトラムアナライザ

Info

Publication number: JP5556370B2
Application number: JP2010118927A
Authority: JP
Inventors: 力金子; 学小島
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-05-25
Also published as: JP2011247655A

Description

本発明は、平行光化された入射光を回折格子に入射し、回折格子から出射される第１回目の回折光を平面鏡で反射させると共にこの反射光を前記回折格子で回折させて任意の波長成分の光を取り出す分光器およびこれを用いた光スペクトラムアナライザに関し、詳しくは、周囲温度の変化に対し、安価に波長ドリフトを抑えることが可能な分光器およびこれを用いた光スペクトラムアナライザに関するものである。

図４は、従来の分光器の一例を示した構成図である。
図４において、入射スリット１は、分光器に入射される被測定光の幅を制限する。コリメータレンズ２は、一方から入射された光を平行光とし、他方から入射された光を集光するレンズである。回折格子３は、一定間隔で平行に延在する複数の刻線を備える反射板であり、入射される光を分散分光し、その回折光を出射する。

また、回折格子３は、駆動機構（不図示）により、回折格子３の中央部を刻線の延在方向と平行に延在する回転軸を中心にして回動可能な構成となっており、入射される光に対する角度を任意に変更可能となっている。平面鏡４は、入射光を反射して出射する鏡である。出射スリット５は、所定の波長の光のみを通過させ、波長帯域制限を行う。

このような分光器の動作を図５を用いて説明する。
図５は、従来の分光器の構成を上から見た平面図である。入射スリット１から入射された光は、コリメータレンズ２で平行光とされ、回折格子３へ入射される。回折格子３で分散分光された光は、ほぼ垂直に配置された平面鏡４で反射され、再度、回折格子３へ入射される。

回折格子３へ入射された光は、再度、分散分光されてコリメータレンズ２へ出射される。回折格子３から入射された光は、コリメータレンズ２で集光され、出射スリット５で特定の波長範囲のみが取り出される。この取り出される波長は、回折格子３の角度を制御することで操作され、その波長は、平面鏡４で反射された光が、同じ角度で回折格子３に戻るように配置されている場合には、（１）式で示される。

ｍ・λ１＝ｄ・ｃｏｓθ１・（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）（１）
ｍ：回折次数
λ１：波長
ｄ：回折格子の格子間隔
α：回折格子の反射面に対する被測定光の入射角（図５参照）
β：回折格子の反射面に対する回折光の出射角（図５参照）
θ１：回折格子の溝方向に対する光の入射角

図４および図５に示す分光器は、例えば、光スペクトラムアナライザに使用される。光スペクトラムアナライザは、分光器を用いて被測定光を所望の波長幅でサンプリングし、このサンプリングデータから被測定光のスペクトルの解析、測定等を行う装置である。

特許文献１には、被測定光を回折格子に複数回入射させて分光することにより上記被測定光に含まれる任意の波長成分を取り出す分光器が記載されている。

特開２００９−１７５０３８号公報

図４および図５に示す従来例のように、被測定光を回折格子に入射させ、分光させることで任意の波長成分を取り出す分光器において、取り出す光は周囲の温度変化による影響を受けないことが望ましい。そのため、分光器を構成している光学部品（図４では、入射スリット１、コリメータレンズ２、回折格子３、平面鏡４および出射スリット５）の位置関係は、周囲の温度変化によりズレが生じないように設計上配慮し、波長や波長分解能等、光学特性の温度変化を抑えている。

しかし、図４および図５に示す構成では、周囲温度の変化で発生する回折格子の溝本数変化の影響をそのまま受けてしまい、取り出し波長のドリフトが生じてしまうという問題があった。

例えば、比較的安価な光学ガラスとしてＢＫ７があるが、この線膨張係数は、7.1×10E-6である。この硝材を回折格子に使用した分光器の場合、（１）式のｄ項の値が温度により変化するため、他の項の角度関係に変化が起こらないようにしていた場合でも、通過波長は-11pm/℃（pmはピコメートル）変わってしまう。

また、別の硝材例として、パイレックス（登録商標）硝子があるが、この線膨張係数は、3.25×10E-6であり、この硝材を回折格子に使用した分光器の場合、通過波長は約-5pm/℃変わってしまう。この値は、ＢＫ７と比較すると半分程度になるが、パイレックス（登録商標）硝子を使用することでコストが高くなってしまう。

このように、温度変化があっても、溝本数変化ができるだけ生じない回折格子を使用することで上記問題を回避する方法があるが、このような材料を用いた回折格子は、その変化量が小さいほど高額なものとなってしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、周囲温度の変化に対し、安価に波長ドリフトを抑えることが可能な分光器を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
平行光化された入射光を回折格子に入射し、回折格子から出射される第１回目の回折光を平面鏡で反射させると共にこの反射光を前記回折格子で回折させて任意の波長成分の光を取り出す分光器において、
前記回折格子から前記平面鏡に向かう前記第１回目の回折光の周囲温度変化で生じる出射角度の変化を相殺する方向に前記平面鏡の角度を変化させるホルダ部を備え、
前記ホルダ部は、
前記平面鏡が固定される可動面と、
前記周囲温度に応じて伸縮し、前記平面鏡が前記回折光の角度変化を相殺する方向に前記可動面の傾きを変える支持部と、
この支持部が固定され、前記可動面の傾きの基準となる固定面とを有し、
前記固定面と前記可動面とはコの字型で連結する形状で一体に形成され、前記可動面の連結箇所に溝が形成されていることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明において、前記可動面および前記固定面を形成する材質と前記支持部を形成する材質は、異なる線膨張係数を有する材質であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明において、前記可動面および前記固定面はアルミニウムで形成され、前記支持部は鉄で形成されていることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の分光器を用いた光スペクトラムアナライザであることを特徴とするものである。

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、平行光化された入射光を回折格子に入射し、回折格子から出射される第１回目の回折光を平面鏡で反射させると共にこの反射光を前記回折格子で回折させて任意の波長成分の光を取り出す分光器において、前記回折格子から前記平面鏡に向かう前記第１回目の回折光の周囲温度変化で生じる出射角度の変化を相殺する方向に前記平面鏡の角度を変化させるホルダ部を備えたことにより、回折格子は安価な材質のものを選定できるので、周囲温度の変化に対し、安価に波長ドリフトを抑えることができる。また、前記ホルダ部が、前記平面鏡が固定される可動面と、前記周囲温度に応じて伸縮し、前記平面鏡が前記回折光の角度変化を相殺する方向に前記可動面の傾きを変える支持部と、この支持部が固定され、前記可動面の傾きの基準となる固定面とを有し、前記固定面と前記可動面とはコの字型で連結する形状で一体に形成され、前記可動面の連結箇所に溝が形成されていることにより、ホルダ部６は安価な材質で簡易に構成でき、温度変化を検出する手段も特に必要としないので、周囲温度の変化に対し、安価に波長ドリフトを抑えることができる。

本発明の分光器の一実施例を示した構成図である。ホルダ部を上から見た上面図である。本発明の分光器の構成を上から見た平面図である。従来の分光器の一例を示した構成図である。従来の分光器の構成を上から見た平面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の分光器の一実施例を示した構成図である。ここで、図４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、図４に示す構成と異なる点は、ホルダ部６が新たに設けられている点である。

ホルダ部６は、回折格子３から平面鏡４に向かう第１回目の回折光の周囲温度変化で生じる出射角度の変化を相殺する方向に平面鏡４の角度を変化させる。

このような分光器の動作を図２および図３を用いて説明する。
図２は、ホルダ部６を上から見た上面図である。図３は、本発明の分光器の構成を上から見た平面図である。図２に示すように、ホルダ部６は、平面鏡４が固定される可動面６ａと、周囲温度に応じて伸縮し、平面鏡４が回折格子３からの回折光の角度変化を相殺する方向に可動面６ａの傾きを変える支持部６ｂと、支持部６ｂが固定され、可動面６ａの傾きの基準となる固定面６ｃとを有している。固定面６ｃは、回折格子３からの回折光と平面鏡で反射される反射光を遮らないように開口部６ｄを有しており、分光器を固定しているケース類に固定されている。

また、可動面６ａおよび固定面６ｃはアルミニウムで形成され、支持部６ｂは鉄で形成されている。入射スリット１から入射された光は、コリメータレンズ２で平行光とされ、回折格子３へ入射される。回折格子３で分散分光された光は、ほぼ垂直に配置された平面鏡４で反射され、再度、回折格子３へ入射される。

回折格子３へ入射された光は、再度、分散分光されてコリメータレンズ２へ出射される。回折格子３から入射された光は、コリメータレンズ２で集光され、出射スリット５で特定の波長範囲のみが取り出される。

温度変化が生じた場合、可動面６ａおよび固定面６ｃを形成しているアルミニウムと支持部６ｂを形成している鉄では、線膨張係数が異なるため、膨張／収縮量に差が生じ、支持部６ｂの長さに差が生じる。そして、その差分だけ、ホルダ部６の可動面６ａが傾き、平面鏡４に角度変化が生じる。

アルミニウムの線膨張係数を24×10E-6、鉄の線膨張係数を11×10E-6、可動面６ａが支持されている間隔をL1、支持部６ｂの長さをL2とすると、支持部６ｂは、１℃の温度変化で、13×10E-6×L2の差が発生し、結果として、平面鏡４が（２）式で表される角度γだけ傾くこととなる（図３参照）。
γ＝ｔａｎ^-1（13×10E-6×L2/L1）（２）

具体的に説明する。回折格子３は、格子間隔が1/1050mm、材質がパイレックス（登録商標）硝子で構成されており、波長1550nmの光が回折格子３へ入射角度71.695度（図３のα）で入射される場合を説明する。この場合、周囲温度が１℃上昇すると、回折格子３から平面鏡４に向かう回折光の角度は、周囲温度の上昇前と比較して、回折格子３の反射面の垂線に対し、0.00041234度小さくなる（図３のβが小さくなる）。

一方、平面鏡４は、可動面６ａが支持されている間隔L1が40mm、支持部６ｂの長さL2が22.144mmのホルダ部６で支持されている場合、周囲温度が１℃上昇すると、0.00041234度（図３のγ）傾く。この結果、周囲温度の変化で回折格子３からの回折光の出射角度が変化した場合でも、その変化分を相殺するように平面鏡４の角度が変化し、再度、回折格子３に反射光が折り返すため、波長のずれが生じない。

このように、ホルダ部６が、アルミニウムで形成された可動面６ａと固定面６ｃを有すると共に鉄で形成された支持部６ｂを有し、可動面６ａに平面鏡４を固定する。そして、ホルダ部６が、回折格子３から平面鏡４に向かう第１回目の回折光の周囲温度変化で生じる出射角度の変化を相殺する方向に平面鏡４の角度を変化させることにより、ホルダ部６は安価な材質で構成できると共に回折格子も安価な材質のものを選定でき、温度変化を検出する手段も特に必要としないので、周囲温度の変化に対し、安価に波長ドリフトを抑えることができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）図１〜図３に示す実施例において、一例として、回折格子３の材質がパイレックス（登録商標）硝子の場合を示したが、ホルダ部６の可動面６ａが支持されている間隔L1と支持部６ｂの長さL2を変更することで平面鏡４の傾きの角度変化量を変えることができるので、いろいろな材質の回折格子に対応することができる。

（２）同様に、回折格子３の格子定数（（１）式で使用されている定数）や平面鏡４の位置が異なることで必要となる角度変化量の値が変わる場合にも、ホルダ部６の可動面６ａが支持されている間隔L1と支持部６ｂの長さL2を変更することで、対応することができる。

（３）また、図１〜図３に示す実施例において、一例として、回折格子３の回折光角度が周囲温度の影響により変化する場合を説明したが、光軸を決定している入射スリット１、コリメータレンズ２、出射スリット５の位置が温度により変化し、波長ドリフトが発生してしまう場合でも、その分の角度補正量をカバーすることができるホルダ部６を用意することで対応可能となる。

（４）また、図１〜図３に示す実施例において、コリメータレンズ２が、回折格子３への光を平行光とし、回折格子３からの光を集光する構成を示したが、平行光とするコリメータレンズと集光するフォーカスレンズとを別々に用意する構成にしてもよい。さらに、反射手段により回折格子から２回の回折光を得る構成にも適用でき、同じ効果が得られる。すなわち、本発明は、回折格子からの１回目の回折光を平面鏡を用いて再度、回折格子に入射し、２回目の回折光を利用して任意の波長成分の光を取り出す分光器に適用できる。

（５）また、図１〜図３に示す実施例において、ホルダ部６の可動面６ａおよび固定面６ｃをアルミニウムで形成し、支持部６ｂを鉄で形成する場合を示したが、可動面６ａおよび固定面６ｃを形成する材質は、支持部６ｂを形成する材質より、線膨張係数が大きいものであればよい。ただし、図１に示す実施例では、ホルダ部６の支持部６ｂを紙面向かって左側に配置しているが、支持部６ｂを紙面向かって右側に配置し場合には、可動面６ａおよび固定面６ｃを形成する材質は、支持部６ｂを形成する材質より、線膨張係数が小さいものにする。

１入射スリット
２コリメータレンズ
３回折格子
４平面鏡
５出射スリット
６ホルダ部
６ａ可動面
６ｂ支持部
６ｃ固定面
６ｄ開口部

Claims

平行光化された入射光を回折格子に入射し、回折格子から出射される第１回目の回折光を平面鏡で反射させると共にこの反射光を前記回折格子で回折させて任意の波長成分の光を取り出す分光器において、
前記回折格子から前記平面鏡に向かう前記第１回目の回折光の周囲温度変化で生じる出射角度の変化を相殺する方向に前記平面鏡の角度を変化させるホルダ部を備え、
前記ホルダ部は、
前記平面鏡が固定される可動面と、
前記周囲温度に応じて伸縮し、前記平面鏡が前記回折光の角度変化を相殺する方向に前記可動面の傾きを変える支持部と、
この支持部が固定され、前記可動面の傾きの基準となる固定面とを有し、
前記固定面と前記可動面とはコの字型で連結する形状で一体に形成され、前記可動面の連結箇所に溝が形成されていることを特徴とする分光器。
前記可動面および前記固定面を形成する材質と前記支持部を形成する材質は、異なる線膨張係数を有する材質であることを特徴とする請求項１記載の分光器。
前記可動面および前記固定面はアルミニウムで形成され、前記支持部は鉄で形成されていることを特徴とする請求項１記載の分光器。
請求項１〜３のいずれかに記載の分光器を用いたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。