JP6257065B2 - 二重入射スリット分光器の設計方法及び二重入射スリット分光器 - Google Patents

Description

本発明は分光器の設計方法に関し、特に凹面グレーティングを使用する二重入射スリット分光器の設計方法及び二重入射スリット分光器に関する。

近年、環境試験、生物医学、科学技術農業、軍事分析及び工業プロセス監視等の現場でのリアルタイム試験を必要とする応用分野の現代化発展に伴って、実験室における大型分光器は既に上記実際の要求を満たし難い。小型ポータブル分光器製品の開発は重要な実用的意義及び幅広い市場の見通しを有する。従来の小型分光器において、凹面グレーティングで構築された分光器があり、一般的に凹面グレーティングと、1つの入射スリットと、複数の検出器とを含む。凹面グレーティングの製造パラメータ、入射スリットの入射角度及び各デバイス間の相対位置を設計調整することにより、分光器を構築し、ある波長域範囲内の光波検出を実現する。しかし、従来の設計方法で構築された分光器は、広いスペクトル領域にわたる光波検出を実現することができるが、一部のスペクトル領域内において対応する回折効率が低く、要求の高い応用を満たすことができない。

本発明が解決しようとする技術的問題は、上記従来技術の欠点を補足するために、大部分のスペクトル領域内に高い回折効率を有し、全体的に回折効率が高い二重入射スリット分光器の設計方法及び二重入射スリット分光器を提供することである。

本発明の技術的問題は以下の技術的解決手段により解決される。

設計により、凹面グレーティング、2つの入射スリット及び2つの光検出器でスペクトル検出範囲がλ₁〜λ₄である分光器を構築する二重入射スリット分光器の設計方法であって、前記設計方法は、前記分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて単一入射スリットの場合の入射角度値と前記入射角度値での前記凹面グレーティングの溝周期を算出し、得られた入射角度値を第1入射スリットの入射角Θ_A1の値とするステップ1)と、前記凹面グレーティングのブレーズ角を推定し、前記凹面グレーティングの表面材料と溝構造を確定するステップ2)と、スペクトルのブレーズ条件により、入射角度Θ_A1と同一のブレーズ角でのスペクトルのブレーズ条件を満たす入射角範囲を確定し、該入射角範囲を第2入射スリットの入射角Θ_A2の範囲とし、ブレーズ角の値が前記ステップ2)で推定されたブレーズ角の値を取り、入射角度がΘ_A1である時の前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線、及び前記第2入射スリットの入射角範囲内に分布された複数の角度での前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を取得するステップ3)と、ステップ3)で得られた複数の入射角度での波長-回折効率曲線により、第2入射スリットの入射角Θ_A2の値としての角度を確定し、角度がΘ_A1である時の波長-回折効率曲線とΘ_A2角度での波長-回折効率曲線との比較に基づいて、波長λ₂とλ₃の値を確定するステップ4)と、得られた2つの入射角Θ_A1、Θ_A2の値、4つの波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄の値及び前記分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて、光学設計ソフトウェアであるZEMAXソフトウェアでパラメータの最適化を行い、記録構造パラメータ及び使用構造パラメータを得るステップ5)と、ステップ1)における凹面グレーティングの溝周期、ステップ2)における凹面グレーティングのブレーズ角、表面材料及び溝構造、並びにステップ5)で得られた記録構造パラメータにより前記凹面グレーティングの製造パラメータを確定し、応用を満たす凹面グレーティングを得るステップ6)と、ステップ5)で得られた使用構造パラメータにより、前記凹面グレーティングに対する2つの入射スリットと2つの光検出器の位置を確定し、それにより分光器を構築するステップ7)と、を含む。

二重入射スリット分光器であって、凹面グレーティングと、2つの入射スリットと、2つの光検出器とを含み、前記凹面グレーティングの製造パラメータ、及び前記凹面グレーティングに対する2つの入射スリットと2つの光検出器の位置は以上の設計方法により確定される。

本発明は従来技術と比べて有益な効果は以下の通りである。

本発明の二重入射スリット分光器の設計方法は、まず単一の入射角度値を確定し、そして、各波長の角度Θ_A1での回折効率及び推定されたΘ_A2の角度範囲内の回折効率状況により、もう1つの入射角度及びスペクトル検出領域(λ₁〜λ₄)内の波長域カットオフ点λ₂とλ₃を確定し、更に確定された2つの入射角度と4つの波長値に基づいて光学設計し、記録構造パラメータと使用構造パラメータを得、更に凹面グレーティングの構造、及び凹面グレーティングと2つの入射スリット、2つの光検出器間の相対位置を確定し、分光器を構築する。該構築された分光器により、λ₁〜λ₄範囲内の光波を検出するという予定目標を実現することができる。分光器は二重入射スリットにより二重角度の入射を実現し、それにより二重波長ブレーズを実現し、それに対して従来の分光器は1つのブレーズ波長しか実現することができない。本発明で設計された分光器は大きな角度で入射された入射スリットを使用する場合、そのブレーズ波長が小さな角度で入射された入射スリットに比べて短波長部分へ移動することで、2つの異なる入射角で2つの異なるブレーズ波長を有することを実現し、それにより回折効率を向上させる。従来の分光器に比べて、大部分のスペクトル領域の回折効率を向上させることができ、且つ回折効率が0.4と高い波長域の光波検出範囲全体に占める割合も向上させる(81.9%以上と高い)。

図1は本発明の具体的な実施形態の二重入射スリット分光器の光路構造の模式図である。 図2は本発明の具体的な実施形態の二重入射スリット分光器の設計方法のフローチャートである。 図3は本発明の具体的な実施形態において設計する場合、ステップP3)における入射角度Θ_A1である時に得られた波長-回折効率グラフである。 図4は発明の具体的な実施形態において新規構造の分光器と普通の分光器が各波長での回折効率の比較模式図である。

以下、具体的な実施形態及び図面を参照しながら本発明を更に詳しく説明する。

図1は、本具体的な実施形態が設計しようとする二重入射スリット分光器の光路構造模式図である。分光器は2つの入射スリットと、凹面グレーティングと、2つの光検出器とを含む。光検出器は、好ましくは光電子増倍管、焦電検出器、半導体光検出器又はCCD(Charge-coupled Device、電荷結合デバイス)アレイ検出器を採用することができるが、これらに限定されたものではない。図1において、A₁、A₂は入射スリットで、B₁B₂、B₁'B₂'は光検出器である。凹面グレーティングGの中心O点を座標原点として座標系を作成し、光の伝播方向に従って、光路に入射スリット、凹面グレーティングG及び光検出器を順次設置する。凹面グレーティングGのパラメータ及び入射スリット、光検出器の位置は以下の設計方法により設計され、それにより波長範囲がλ₁〜λ₄である光波を検出することができる凹面グレーティング分光器を構築する。設計構築により、第1入射スリットA₁は凹面グレーティングGで集光して分光した後出射した光線が光検出器B₁'B₂'に照射し、波長範囲がλ₃〜λ₄であり、第2入射スリットA₂は凹面グレーティングGで集光して分光した後出射した光線が光検出器B₁B₂に照射し、波長範囲がλ₁〜λ₂であり、λ₁＜λ₂≦λ₃＜λ₄である。

設計方法のフローチャートは、図2に示すように、以下のステップを含む。

P1)第1入射スリットの入射角及び凹面グレーティングの溝周期を確定する。具体的には、分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて単一入射スリットの場合の入射角度値と前記入射角度値での前記凹面グレーティングの溝周期を算出し、得られた入射角度値を第1入射スリットの入射角Θ_A1の値とする。

分光器を構築する必要がある場合、その固定構造パラメータ、例えばスペクトル検出範囲値、選択された凹面グレーティングの露光波長、作動次数、辺長、ベース曲率半径、グレーティング定数、選択された2つの入射スリットの幅等の固有属性パラメータは既知のものである。固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法を使用すれば、単一入射スリットの場合のグレーティングの入射角度を算出すると同時に、前記入射角度値での前記凹面グレーティングの溝周期を得ることができる。該算出された入射角度を第1入射スリットの入射角Θ_A1の値とする。本具体的な実施例において、分光器の固定構造パラメータを以下の表1に示す。

更に、上記パラメータから分かるように、λ₁＝190nm、λ₄＝800nmとする。表1における固定構造パラメータに基づいて、算出した入射角が-7°であり、溝周期が450個/ミリメートルであり、Θ_A1=-7°になる。

P2)凹面グレーティングのブレーズ角を推定し、凹面グレーティングの表面材料と溝構造を確定する。

ブレーズ角を推定する時、従来の方法で推定することができる。好ましくは、以下の方法により、ブレーズ角をより正確かつ迅速に推定できる。まず、PCGrateソフトウェアを使用して、入射角度Θ_A1で、(λ₀,λ₀+100)の範囲内の複数の波長をそれぞれブレーズ波長とする場合に対応する凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を得、スペクトル検出範囲全体内の長波長域範囲内の回折効率の平均値が他の波長に比べて高いとともに分散が他の波長に比べて小さい波長(λ_y)を最終的なブレーズ波長として選択し、更にブレーズ角を推定して得る。ただし、λ₀は、分光器が入射角Θ_A1のみで入射される場合、前記凹面グレーティングのスペクトル検出範囲全体にわたる回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さい場合の波長、即ち、グレーティングが1つの入射スリットのみを設置する場合構築された分光器のブレーズ波長を表す。λ₀で表すものを確定する時、スペクトル検出範囲全体内の複数の波長をそれぞれブレーズ波長とし、回折効率曲線の平均値、分散を判断することができる。各波長の対応する回折効率曲線は相互に絡み合って、一部の波長の対応する曲線は、長波長域での値が高く、短波長域での値が低い。一方、一部の波長の対応する曲線は短波長域での値が高く、長波長域での値が低い。このため、以上を考慮して、曲線の値が比較的高く(平均値が高い)、且つ変化が緩やかである(分散が小さい)場合に対応する波長をブレーズ波長とする。

本具体的な実施形態において、入射角度Θ_A1=-7°のみで入射される場合、検出スペクトル範囲が190nm〜800nmの分光器に対して、検出により、300nmをブレーズ波長とする場合、他の波長をブレーズ波長とする場合に比べて、スペクトル検出範囲全体にわたる回折効率がいずれも比較的良い(比較的良いとは、大部分の領域の回折効率が高く、回折効率の平均値が比較的高く、且つ分散が比較的小さく、即ち回折効率の波動が比較的小さく、曲線が緩やかであることをいう)ことを確定できるため、λ₀=300nmを確定することができる。そして、範囲(310,350)内の複数の波長、例えば310nm、320nm、330nm、340nm、350nmという5つの波長を取って、PCGrateソフトウェアを使用して入射角度Θ_A1で、310nm、320nm、330nm、340nm、350nmをそれぞれブレーズ波長とする5つの波長-回折効率曲線を得ることができる。波長340nmで、長波長域範囲(190〜800nmのスペクトル検出範囲に対して、長波長域が300nm〜800nmである)の回折効率の平均値が他の4つの波長に比べて高く、且つ対応する分散が他の4つの波長に比べて低い(即ち曲線が緩やかである)と発見すると、340nmを最終的なブレーズ波長とし、更にブレーズ角γ=4.5°を推定して得る。ここでの回折効率の平均値、分散は、計算により直接に取得できる。設計者により、回折効率曲線に基づいて直接に判断されてもよく、回折効率が長波長域範囲の大部分の領域で高いと、その平均値が比較的高いと認定することができ、同時に、回折効率の長波長域範囲内での各値の変化が緩やかであると、その分散が比較的低いと認定することができ、それにより平均値、分散の具体的な値を正確的に算出する必要がない。

凹面グレーティングの表面材料と溝構造は設計者により自由に選択されることができ、本具体的な実施形態において、PCGrateにおいてカスタマイズされたAl類材料を表面材料として選択し、溝形状が鋸歯状であるが、上記例示に限定されず、他の材料、他の溝形状、例えば台形構造を選択して適用してもよい。

P3)スペクトルのブレーズ条件により、入射角度Θ_A1と同一のブレーズ角でのスペクトルのブレーズ条件を満たす入射角範囲を確定し、該入射角範囲を第2入射スリットの入射角Θ_A2の範囲とし、ブレーズ角の値は前記ステップP2)で推定されたブレーズ角の値を取る。入射角度がΘ_A1である時の前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線、及び前記第2入射スリットの入射角範囲内に分布された複数の角度での前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を取得する。

本具体的な実施形態の設計方法の設計目的は、同一のグレーティング分光器の光路により2つの入射角度の入射を実現し、且つ第2入射角度が第1入射角度よりも大きいことである。このため、入射角Θ_A1と入射角Θ_A2は同じスペクトルのブレーズ条件式を満たすべきである。この原則によると、入射角Θ_A1及びスペクトルのブレーズ条件式により、入射角範囲を第2個の入射スリットの入射角Θ_A2の範囲として確定することができる。好ましくは、入射角Θ_A1をスペクトルのブレーズ条件式に代入し、簡略化した後Θ_B1-Θ_A1=2γを得ることができ、Θ_B1は入射角度がΘ_A1である時のブレーズ波長の出射角度を表す。入射角Θ_A2が同じスペクトルのブレーズ条件式を満たすと、Θ_B2-Θ_A2=2γとし、相応的に、Θ_B2は入射角度がΘ_A2である時のブレーズ波長の出射角度を表す。グレーティング式により、式ｄ（ｓｉｎΘ_A2＋ｓｉｎΘ_B2）＝ｍλ_bとする。ただし、m=1で、dがステップP1)で推定された溝周期数を表し、γがステップP2)で推定されたブレーズ角を表す。以上をまとめると、上記2つの式によりΘ_A2の値を算出することができる。λ_bが(λ₀-100,λ₀)の範囲内で値を変化させると、対応する入射角Θ_A2の範囲を得る。λ₀は以上に確定された、グレーティングが1つの入射スリットのみを設置する場合構築された分光器のブレーズ波長である。本具体的な実施形態において、確定された範囲は-35°〜-45°である。

入射角度の範囲を取得した後、グレーティング設計ソフトウェアであるPCGrateソフトウェアを使用して対応する角度での対応する波長-回折効率グラフを得ることができる。ステップP2)で確定された前記凹面グレーティングの表面材料と溝構造をグレーティング設計ソフトウェアであるPCGrateソフトウェアに入力すれば、入射角度がΘ_A1である時の前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線、及び入射角度が上記範囲内に分布された複数の角度での前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線をそれぞれ得ることができる。

図3は、本具体的な実施形態において、入射角度Θ_A1＝-7°である時に得られた波長-回折効率グラフである。入射角度の範囲が-35°〜-45°の複数の角度に対して、例えば-35°、-37°、-40°、-43°及び-45°を入射角度としてそれぞれ選択して、これらの5つの入射角度での波長-回折効率グラフをそれぞれ得ることができる。選択された角度が多いほど、設計の精度が高くなるが、作業量も相応的に大きくなる。各角度での対応する波長-回折効率グラフを得、水平方向、垂直方向に移動がある以外、曲線の形状は図3と類似するので、ここでそれぞれ列挙しない。

P4)ステップP3)で得られた複数の入射角度での波長-回折効率曲線により、第2入射スリットの入射角Θ_A2の値としての角度を確定し、角度がΘ_A1である時の波長-回折効率曲線とΘ_A2角度での波長-回折効率曲線との比較に基づいて、波長λ₂とλ₃の値を確定する。

具体的には、上記複数の入射角度での波長-回折効率曲線を比較して、スペクトル検出範囲全体における短波長域範囲内の回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さい角度を選択してΘ_A2値とし、そして、Θ_A1とΘ_A2との2つの入射角で同じ波長の位置に回折効率が同じである時の波長λ_xを探す。設計された分光器は波長域全体にわたって検出を実現しようとすると、λ₂=λ₃=λ_xである。設計された分光器は波長域全体にわたって検出を実現する必要がなく、仮にλ₅〜λ₆の範囲内で検出を必要としない場合、λ_xがλ₅〜λ₆の範囲にあると、λ₂=λ₅、λ₃=λ₆であり、λ_x＜λ₅であると、λ₂=λ_x、λ₃=λ₆であり、λ_x＞λ₆であると、λ₂=λ₅、λ₃=λ_xである。上記方法によりΘ_A2の値及び波長λ₂とλ₃の値を得る。本具体的な実施形態において、スペクトル検出範囲は190〜800nmであるため、その短波長域範囲は190nm〜300nmである。ステップP3)における5つの入射角度での波長-回折効率曲線を比較することにより、-40°で、短波長域範囲190〜300nmの回折効率の平均値が他の4つの角度に比べて高く、且つ分散が他の4つの角度よりも小さいと発見し、このため、最終的に確定される角度はΘ_A2=-40°である。-40°と-7°での回折効率曲線を比較すると、285nmの位置に2つの角度での回折効率が同じであると発見し、このため、それぞれ波長λ₂=285nm、波長λ₃=285nmと確定される。

上記ステップP4)により、もう1つの入射スリットの入射角、及び2つの波長λ₂、λ₃の値を得る。ここまで、上記ステップにより、2つの角度値、4つの波長値、グレーティングブレーズ角が既に確定された。本具体的な実施形態において、2つの角度値はそれぞれΘ_A1=-7°、Θ_A2=-40°であり、4つの波長値はそれぞれλ₁=190nm、λ₂=285nm、λ₃=285nm、λ₄=800nmである。且つグレーティングブレーズ角γ=4.5°を推定して得る。以下、これらの情報に基づいて凹面グレーティング及び光学デバイス間の相対位置を設計する。

P5)得られた2つの入射角Θ_A1、Θ_A2の値、4つの波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄の値及び前記分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて、光学設計ソフトウェアであるZEMAXソフトウェアでパラメータの最適化を行い、記録構造パラメータ及び使用構造パラメータを得る。

本具体的な実施形態において、光路関数級数展開法に基づいて、光学設計ソフトウェアであるZEMAXソフトウェアで、2つの角度値、4つの波長値及び表1における固定構造パラメータ値を代入してパラメータの最適化を行い、得られた記録構造パラメータ及び使用構造パラメータを表2に示す。

ただし、r₁とr₂はホログラフィ法で凹面グレーティングを製造する場合2つの入射点が極座標における動径長さをそれぞれ表す。θ₁とθ₂は動径r₁と動径r₂のx軸との角度をそれぞれ表す。r_A1、r_A2は2つの入射スリットが極座標における動径長さを表す。θ_A1、θ_A2は入射点の動径r_A1、r_A2がそれぞれx軸との角度、即ち上記確定された入射角を表す。B₁、B₂、B₁'、B₂'は光検出器B₁B₂とB₁'B₂'の両端がデカルト座標系における座標値である。

P6)ステップP1)における凹面グレーティングの溝周期、ステップP2)における凹面グレーティングのブレーズ角、表面材料及び溝構造、並びにステップP5)で得られた記録構造パラメータにより前記凹面グレーティングの製造パラメータを確定し、応用を満たす凹面グレーティングを得る。上記パラメータの要求に従って、ホログラフィ法で応用要求を満たす凹面グレーティングを製造することができる。

P7)ステップP5)で得られた使用構造パラメータにより、前記凹面グレーティングに対する2つの入射スリットと2つの光検出器の位置を確定し、それにより分光器を構築する。使用構造パラメータにおける動径長さ情報、角度情報及び座標情報により、凹面グレーティング、スリット、検出器の位置を確定して、光路を構築し、凹面グレーティング分光器を得ることができる。

以上により、分光器を設計することができる。設計された分光器が作動する時、第1入射スリットA₁は凹面グレーティングGで集光して分光した後出射した光線が光検出器B₁'B₂'に照射し、波長範囲がλ₃〜λ₄であり、第2入射スリットA₂は凹面グレーティングGで集光して分光した後出射した光線が光検出器B₁B₂に照射し、波長範囲がλ₁〜λ₂であり、λ₁＜λ₂≦λ₃＜λ₄である。光波検出する時、2つの光検出器B₁B₂、B₁'B₂'はスペクトル検出する時相互に干渉しない。短波長域(λ₁〜λ₂)を検出する必要がある場合、前記第2入射スリットA₂が開けられ、第1入射スリットA₁が遮断され、長波長域(λ₃〜λ₄)を検出する必要がある場合、前記第1入射スリットA₁が開けられ、第2入射スリットA₂が遮断され、最終的にλ₁〜λ₂とλ₃〜λ₄範囲内の光波検出を実現することができ、λ₂=λ₃であるので、即ちλ₁〜λ₄範囲内の光波検出を実現することができる。且つ検出する時、まず短波長域λ₁〜λ₂の検出を行い、そして、それにより短波長域λ₁〜λ₂の+2次スペクトルが長波長域λ₃〜λ₄の検出を行う時の影響を除去する必要がある。

本具体的な実施形態で設計された凹面グレーティング分光器は、λ₁〜λ₄範囲内の光波検出を実現することができる。光波検出過程において、2つの異なる入射角度に2つの異なるブレーズ波長がそれぞれ対応するので、小さな角度の入射スリットは長波長域範囲のスペクトル検出に対応し、大きな角度の入射スリットは短波長域範囲のスペクトル検出に対応する。1つの入射角度のみでスペクトルを検出する場合に比べて、二重角度二重ブレーズ波長によりスペクトルを検出する場合、大部分のスペクトルのブレーズ波長からの距離が近くなり、回折効率が向上し、それにより回折効率を全体的に向上させる。

以下、普通の設計プロセスで設計された普通の分光器を設置し、本具体的な実施形態の分光器と普通分光器の回折効率曲線を比較することにより、本具体的な実施形態の分光器が回折効率の性能向上を検証する。

普通の分光器：凹面グレーティングと、1つの入射スリットと、2つの光検出器とを含む。まず、分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法とZEMAXソフトウェアによる最適化に基づいて、入射角度、記録構造パラメータ及び使用構造パラメータを得る。そして、入射角度を導入して、PCGrateソフトウェアを利用して、波長域回折効率全体の平均値が比較的高く、且つ分散が比較的小さいブレーズ波長が求められ、更にブレーズ波長によりブレーズ角が確定される。本例において、普通の分光器の入射角度は-4.8°であり、ブレーズ波長は300nmであり、ブレーズ角はγ=3.05である。最後に、ブレーズ角と記録構造パラメータにより凹面グレーティングの製造パラメータを確定し、応用を満たす凹面グレーティングが得られ、入射角度と使用構造パラメータにより凹面グレーティングに対する入射スリット及び2つの光検出器の位置を確定し、それにより分光器を構築する。

PCGrateソフトウェアで本具体的な実施形態におけるグレーティング分光器と上記普通分光器が各波長(190nm〜800nm)での回折効率値を計算し、図4に示す回折効率のグラフを得る。点線は本具体的な実施形態の新規構造の分光器が各波長での回折効率であり、入射角度がそれぞれ-7°、-40°であり、実線は普通の分光器が各波長での回折効率であり、入射角度が-4.8°である。図4から分かるように、2種の構造を同じ条件(前記「同じ条件」とは、同じ材料、同じスペクトル範囲を採用し、回折効率を分析する時入射角度とブレーズ角が異なる以外、他の設計パラメータが同じであることである)とする場合、本具体的な実施形態の新規構造を採用する分光器は、230nm〜235nm、330nm〜380nm及び780nm〜800nm範囲内の回折効率を0〜10%程度向上させ、380nm〜780nmと190nm〜230nmの範囲には回折効率を10%〜14%程度向上させた。他のスペクトル領域235nm〜330nmでは回折効率が低下することがあるが、全体から見ると、新規構造の分光器において回折効率が0.4、0.5、0.6よりも大きい波長はそれぞれ81.97%、69.67%、55.74%を占めるが、普通構造の分光器においてそれぞれ67.21%、52.46%、37.70%を占める。

以上により、本具体的な実施形態において、2つの回折スリットを採用して、それぞれ1つの小さな角度の入射と1つの大きな角度の入射により、二重波長ブレーズを実現し、広いスペクトル分光器の回折効率の低い波長域の回折効率を向上させる。当該新規構造により一部の波長域の回折効率を低減するが、全体的に分光器の回折効率分布を最適化し、それにより広いスペクトル分光器の大部分のスペクトル領域の回折効率が低い問題を改善する。

以上、具体的な好適な実施形態を参照しながら本発明を更に詳しく説明したが、本発明の具体的な実施がこれらの説明のみに限定されると認定できない。当業者にとって、本発明の思想から逸脱しない前提下で行った性能又は用途が同じである若干の代替又は明らかな変形は、いずれも本発明の保護範囲に属すべきである。

Claims (7)

1. 設計により、凹面グレーティング、2つの入射スリット及び2つの光検出器でスペクトル検出範囲がλ₁〜λ₄である分光器を構築する二重入射スリット分光器の設計方法であって、前記設計方法は、
   前記分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて単一入射スリットの場合の入射角度値と前記入射角度値での前記凹面グレーティングの溝周期を算出し、得られた入射角度値を第1入射スリットの入射角Θ_A1の値とするステップ1)と、
   前記凹面グレーティングのブレーズ角を推定し、前記凹面グレーティングの表面材料と溝構造を確定するステップ2)と、
   スペクトルのブレーズ条件により、入射角度Θ_A1 のときのブレーズ角と同一のブレーズ角となるような、スペクトルのブレーズ条件を満たす入射角範囲を確定し、該入射角範囲を第2入射スリットの入射角Θ_A2の範囲とし、ブレーズ角の値が前記ステップ2)で推定されたブレーズ角の値を取り、入射角度がΘ_A1である時の前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線、及び前記第2入射スリットの入射角範囲内に分布された複数の角度での前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を取得するステップ3)と、
   ステップ3)で得られた複数の入射角度での波長-回折効率曲線により、第2入射スリットの入射角Θ_A2の値としての角度を確定し、角度がΘ_A1である時の波長-回折効率曲線とΘ_A2角度での波長-回折効率曲線との比較に基づいて、波長λ₂とλ₃の値を確定するステップ4)と、
   得られた2つの入射角Θ_A1、Θ_A2の値、4つの波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄の値及び前記分光器の固定構造パラメータにより、光路関数級数展開法に基づいて、光学設計ソフトウェアであるZEMAXソフトウェアでパラメータの最適化を行い、記録構造パラメータ及び使用構造パラメータを得るステップ5)と、
   ステップ1)における凹面グレーティングの溝周期、ステップ2)における凹面グレーティングのブレーズ角、表面材料及び溝構造、並びにステップ5)で得られた記録構造パラメータにより前記凹面グレーティングの製造パラメータを確定し、応用を満たす凹面グレーティングを得るステップ6)と、
   ステップ5)で得られた使用構造パラメータにより、前記凹面グレーティングに対する前記第1入射スリットおよび前記第2入射スリットと2つの光検出器の位置を確定し、それにより分光器を構築するステップ7)と、を含み、
   前記記録構造パラメータは、r ₁ 、r ₂ 、θ _１ 、およびθ _２ を含み、r ₁ およびr ₂ は、ホログラフィ法で凹面グレーティングを製造する場合2つの入射点が極座標における動径長さをそれぞれ表し、θ _１ およびθ _２ は、動径r ₁ と動径r ₂ のx軸との角度をそれぞれ表し、
   前記使用構造パラメータは、r _A1 、r _A2 、θ _A1 、θ _A2 、B ₁ 、B _２ 、B ₁ '、およびB _２ 'を含み、r _A1 およびr _A2 は、2つの入射スリットが極座標における動径長さを表し、θ _A1 およびθ _A2 は、入射点の動径r _A1 、r _A2 がそれぞれx軸との角度、即ち上記確定された入射角を表し、B ₁ 、B _２ 、B ₁ '、およびB _２ 'は、光検出器B ₁ B ₂ とB ₁ 'B ₂ 'の両端がデカルト座標系における座標値であり、
   前記ステップ1)において、前記分光器の固定構造パラメータは、スペクトル検出範囲値、前記凹面グレーティングの露光波長、作動次数、辺長、ベース曲率半径、グレーティング定数、前記2つの入射スリットの幅を含み、
   前記ステップ4)において、ステップ3)における複数の角度での波長-回折効率曲線を比較して、スペクトル検出範囲全体における短波長域範囲内の回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さい角度を選択して第2入射スリットの入射角Θ _A2 値とし、
   前記ステップ3)において、以下の2つの数式により入射角範囲を推定し、ｄ（ｓｉｎΘ _A2 ＋ｓｉｎΘ _B2 ）＝ｍλ _b 、２γ＝Θ _B2 −Θ _A2 (ただし、m=1であり、dがステップ1)で推定された溝周期数を表し、γがステップ2)におけるブレーズ角を表し、Θ _B2 は入射角度がΘ _A2 である時のブレーズ波長の出射角度を表す)、λ _b が(λ ₀ -100,λ ₀ )の範囲内で値を変化させる場合に対応する入射角Θ _A2 の値を算出し、それにより入射角範囲を推定して得る(λ ₀ は分光器が入射角Θ _A1 のみで入射される場合、前記凹面グレーティングのスペクトル検出範囲全体にわたる回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さい波長を表す)、二重入射スリット分光器の設計方法。
2. 入射角Θ_A1と入射角Θ_A2での波長-回折効率曲線を比較し、同じ波長の位置に回折効率も同じである時の波長λ_xを探し、λ₂=λ₃=λ_xとする請求項1に記載の二重入射スリット分光器の設計方法。
3. 前記ステップ2)において、ブレーズ角を推定する時、まずPCGrateソフトウェアを使用して、入射角度Θ_A1で、(λ₀,λ₀+100)の範囲内の複数の波長をそれぞれブレーズ波長とする場合に対応する凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を得、波長λ_yである時の長波長域範囲内の回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さいと、波長λ_yを最終的なブレーズ波長とし、更にブレーズ角を推定して得る(ただし、λ₀は分光器が入射角Θ_A1のみで入射される場合、前記凹面グレーティングのスペクトル検出範囲全体にわたる回折効率の平均値が比較的高く、分散が比較的小さい波長を表す)請求項1に記載の二重入射スリット分光器の設計方法。
4. 前記ステップ2)において、設計者の経験により凹面グレーティングの表面材料と溝構造を確定する請求項1に記載の二重入射スリット分光器の設計方法。
5. 前記ステップ3)において、凹面グレーティングの波長-回折効率曲線を取得する時、グレーティング設計ソフトウェアであるPCGrateソフトウェアを使用して、ステップ2)で確定された前記凹面グレーティングの表面材料と溝構造を入力し、入射角度がΘ_A1である時の前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線、及び入射角度が前記第2入射スリットの入射角範囲内に分布された複数の角度での前記凹面グレーティングの波長-回折効率曲線をそれぞれ得る請求項1に記載の二重入射スリット分光器の設計方法。
6. 凹面グレーティングと、2つの入射スリットと、2つの光検出器とを含み、前記凹面グレーティングの製造パラメータ、及び前記凹面グレーティングに対する2つの入射スリットと2つの光検出器の位置は請求項1〜5のいずれか一項に記載の設計方法により確定される二重入射スリット分光器。
7. 前記光検出器は光電子増倍管、焦電検出器、半導体光検出器又はCCDアレイ検出器である請求項6に記載の二重入射スリット分光器。

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