JP6273996B2 - ポリクロメータ及びこれを備えた分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子により分光された各波長の光を検出器で検出するためのポリクロメータ及びこれを備えた分析装置に関するものである。

分光測定器の一種として、試料から透過した光を入口スリットから入射した後、回折格子により分光し、各波長の光をそれぞれ検出器で検出するポリクロメータが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。ポリクロメータを備えた分析装置においては、例えば光源から試料に測定光を照射し、試料からの透過光又は反射光をポリクロメータの検出器で波長ごとに受光することにより、試料の分析を行うことができる。

図３は、従来のポリクロメータ１００の構成例を示した概略図である。ポリクロメータ１００には、回折格子１０１及び検出器１０２の他、スリット１０３や光学フィルタ１０４などが備えられている。

試料からの光は、スリット１０３を通過して回折格子１０１に入射する。回折格子１０１は、入射した光を波長ごとの光に分光し、検出器１０２側へと導く。検出器１０２側へと導かれた各波長の光は、光学フィルタ１０４を透過する過程で、二次光や迷光などの不要な光が除去された後、検出器１０２に入射する。

検出器１０２の受光面１２１には、例えば複数の受光素子が設けられており、各波長の光をそれぞれ異なる受光素子で受光することができる。光学フィルタ１０４は、薄い平板状の部材であり、検出器１０２の受光面１２１に対して平行になるように、回折格子１０１と検出器１０２との間に配置されている。

光学フィルタ１０４は、例えばガラスにより形成された平板状の基板の表面に、光学薄膜を成膜することにより構成されている。光学フィルタ１０４には、吸収型と反射型とがあり、吸収型の色ガラスフィルタが従来から一般的に使用されている。近年では、特定の波長領域で高い透過率又は反射率を有する誘電体多層膜フィルタが用いられる場合もある（例えば、下記特許文献２参照）。

特開２０００−５５７３３号公報 特開２００８−２０５６３号公報

上記のような従来のポリクロメータ１００では、回折格子１０１において分光された各波長の光が、それぞれ対応する受光素子側に向かって集光される。このとき、図３に示すように、検出器１０２の受光面１２１に焦点Ｐ１０１が合致する波長の光もあれば、受光面１２１よりも手前側に焦点Ｐ１０２がずれたり、受光面１２１よりも奥側に焦点Ｐ１０３がずれたりする波長の光もある。

検出器１０２の受光面１２１に対する各波長の光の焦点位置は、検出器１０２の各受光素子における受光量や分解能に影響を与えるため、非常に重要である。そこで、回折格子１０１と光学フィルタ１０４との間に、各波長の光の焦点位置を補正するための焦点補正部材を配置することが考えられる。

ここで、光学フィルタ１０４として色ガラスフィルタやアセテートフィルタなどを用いた場合には、当該光学フィルタ１０４が蛍光を発生し、迷光源となるおそれがある。一方、光学フィルタ１０４として誘電体多層膜フィルタを用いた場合には、当該光学フィルタ１０４から蛍光は発生しないが、当該光学フィルタ１０４で反射した特定波長の光が焦点補正部材で再度反射し、当該光学フィルタ１０４と干渉した結果、不要な光が検出器１０２に入射するおそれがある。

このように、従来のポリクロメータ１００では、検出器１０２に不要な光が入射するのを防止し、かつ、各波長の光の焦点位置を補正することが困難であった。そのため、不要な光による悪影響を防止しつつ、高出力かつ高分解能で各波長の光を検出するのには限界があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、不要な光による悪影響を防止しつつ、高出力かつ高分解能で各波長の光を検出することができるポリクロメータ及びこれを備えた分析装置を提供することを目的とする。

本発明に係るポリクロメータは、入口スリットと、回折格子と、検出器と、焦点補正部材と、多層膜フィルタとを備える。前記回折格子は、前記入口スリットから入射する光を分光させる。前記検出器は、前記回折格子により分光された各波長の光を検出する。前記焦点補正部材は、前記回折格子と前記検出器との間に配置され、前記回折格子からの光を透過させる過程で、前記検出器に対する各波長の光の焦点位置を補正する。前記多層膜フィルタは、非蛍光性であり、前記焦点補正部材に成膜され、所定の波長の光を全反射させる。

このような構成によれば、焦点補正部材により検出器に対する各波長の光の焦点位置を補正することができる。また、多層膜フィルタで所定の波長の光を全反射させることにより、不要な光を除去することができるとともに、当該多層膜フィルタが非蛍光性であるため、多層膜フィルタ自体が迷光源となることがない。

特に、多層膜フィルタが焦点補正部材に成膜されることにより、多層膜フィルタと焦点補正部材とが一体的に構成されているため、多層膜フィルタで反射した所定の波長の光が焦点補正部材で干渉するのを防止することができる。したがって、不要な光による悪影響を防止しつつ、焦点補正部材で各波長の光の焦点位置を適切に補正することにより、高出力かつ高分解能で各波長の光を検出することができる。

また、多層膜フィルタと焦点補正部材とを一体的に構成することにより、部品点数を削減することができるとともに、回折格子及び検出器に対する位置合わせを同時に行うことができるため、メンテナンス性も向上する。

前記多層膜フィルタは、屈折率の異なる複数種類の膜が前記焦点補正部材に順次成膜されることにより構成されていてもよい。

このような構成によれば、屈折率の異なる複数種類の膜を焦点補正部材に順次成膜させるだけの簡単な構成により、多層膜フィルタと焦点補正部材とを一体的に構成することができる。

前記焦点補正部材は、凹湾曲面からなる入射面と、平面からなる出射面とを有していてもよい。この場合、前記多層膜フィルタは、前記焦点補正部材の出射面に成膜されていていてもよい。

このような構成によれば、凹湾曲面からなる入射面により、各波長の光の焦点位置を適切に補正することができるとともに、平面からなる出射面に多層膜フィルタを良好に成膜させることができる。

また、出射面側に多層膜フィルタが成膜されるため、焦点補正部材が蛍光性を有する場合であっても、当該焦点補正部材で発生した蛍光を多層膜フィルタで除去することができる。したがって、不要な光による悪影響を効果的に防止することができる。

本発明に係る分析装置は、前記ポリクロメータを備え、試料からの光を前記ポリクロメータにより測定する。

本発明によれば、不要な光による悪影響を防止しつつ、焦点補正部材で各波長の光の焦点位置を適切に補正することにより、高出力かつ高分解能で各波長の光を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る分析装置の構成例を示した概略図である。 ポリクロメータの具体的構成について説明するための概略図である。 従来のポリクロメータの構成例を示した概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る分析装置の構成例を示した概略図である。この分析装置は、ポリクロメータ１及び光源２を備えており、光源２から試料Ｓに光を照射することにより、試料Ｓからの透過光又は反射光をポリクロメータ１で測定することができる。

ポリクロメータ１には、回折格子１１、検出器１２、スリット１３、焦点補正部材１４及び多層膜フィルタ１５などが備えられている。試料Ｓからの光のうちスリット１３を通過した光は、回折格子１０１で反射した後、焦点補正部材１４及び多層膜フィルタ１５を透過して、検出器１２で受光される。

この例における回折格子１１は、反射型回折格子であり、スリット１３側から入射する光を凹面状の回折格子面で反射させることにより、波長ごとの光に分光することができる。回折格子１１により分光された各波長の光は、検出器１２により波長ごとに受光され、各波長の受光強度が検出される。検出器１２は、例えばフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ又はＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)センサなどにより構成することができる。

本実施形態では、回折格子１１と検出器１２との間に、一体的に構成された焦点補正部材１４及び多層膜フィルタ１５が配置されている。焦点補正部材１４は、例えば石英ガラスにより構成されている。また、多層膜フィルタ１５は、例えば誘電体多層膜により構成されている。

図２は、ポリクロメータ１の具体的構成について説明するための概略図である。焦点補正部材１４は、凹湾曲面からなる入射面４１と、平面からなる出射面４２とを有している。回折格子１１からの光は、入射面４１から焦点補正部材１４に入射し、当該焦点補正部材１４を透過して出射面４２から出射される。

検出器１２の受光面２１には、例えば複数の受光素子（図示せず）が設けられており、回折格子１１で分光された各波長の光をそれぞれ異なる受光素子で受光することができる。焦点補正部材１４は、その出射面４２が検出器１２の受光面１２１に対して平行になるように配置される。

焦点補正部材１４の入射面４１が凹湾曲面（例えば凹球面）で構成されることにより、回折格子１１からの光は、入射面４１における入射位置に応じた角度で屈折する。この入射面４１の形状を適切に設定することにより、回折格子１１で分光された各波長の光が焦点補正部材１４を透過する過程で、それらの各波長の光の焦点位置を補正することができる。

具体的には、焦点補正部材１４を透過した各波長の光は、それらの焦点Ｐが同一平面上に位置するように、検出器１２側へと導かれる。したがって、検出器１２の受光面２１に対する焦点補正部材１４の位置を調整することにより、検出器１２の受光面２１に対して各波長の光の焦点Ｐが合致するように、焦点補正部材１４により各波長の光の焦点位置を補正することができる。

多層膜フィルタ１５は、焦点補正部材１４の出射面４２に成膜されている。多層膜フィルタ１５は、屈折率の異なる複数種類の膜により構成されており、これらの膜を焦点補正部材１４の出射面４２に対して順次成膜させるだけの簡単な構成により、均一な厚みの膜が積層された多層膜フィルタ１５を焦点補正部材１４と一体的に構成することができる。なお、成膜方法はスパッタリング、真空蒸着、化学気相成長（ＣＶＤ）等、成膜する材料に応じて公知の方法を適用することができる。

多層膜フィルタ１５は、屈折率の低い材料により形成された低屈折率膜と、屈折率の高い材料により形成された高屈折率膜とが、交互に積層された構成であってもよい。この場合、例えば低屈折率膜をＳｉＯ_２膜により構成し、高屈折率膜をＴｉＯ_２膜により構成することができる。

この種の多層膜フィルタ１５は、所定の波長の光を全反射させるとともに、非蛍光性、すなわち蛍光を発生しない特性を有している。当該多層膜フィルタ１５は、二次光や迷光などの不要な光を全反射させることができるように設計される。ただし、多層膜フィルタ１５は、上記のような構成に限られるものではなく、他の各種材料を用いて構成することができるとともに、３種類以上の光学薄膜を積層することにより構成することもできる。

以上のように、本実施形態では、焦点補正部材１４により検出器１２に対する各波長の光の焦点位置を補正することができる。また、多層膜フィルタ１５で所定の波長の光を全反射させることにより、不要な光を除去することができるとともに、当該多層膜フィルタ１５が非蛍光性であるため、多層膜フィルタ１５自体が迷光源となることがない。

特に、多層膜フィルタ１５が焦点補正部材１４に成膜されることにより、多層膜フィルタ１５と焦点補正部材１４とが一体的に構成されているため、多層膜フィルタ１５で反射した所定の波長の光が焦点補正部材１４で干渉するのを防止することができる。したがって、不要な光による悪影響を防止しつつ、焦点補正部材１４で各波長の光の焦点位置を適切に補正することにより、高出力かつ高分解能で各波長の光を検出することができる。

また、多層膜フィルタ１５と焦点補正部材１４とを一体的に構成することにより、部品点数を削減することができるとともに、回折格子１１及び検出器１２に対する位置合わせを同時に行うことができるため、メンテナンス性も向上する。

さらに、本実施形態では、凹湾曲面からなる入射面４１により、各波長の光の焦点位置を適切に補正することができるとともに、平面からなる出射面４２に多層膜フィルタ１５を良好に成膜させることができる。

また、出射面４２側に多層膜フィルタ１５が成膜されるため、焦点補正部材１４が蛍光性を有する場合であっても、当該焦点補正部材１４で発生した蛍光を多層膜フィルタ１５で除去することができる。したがって、不要な光による悪影響を効果的に防止することができる。

以上の実施形態では、回折格子１１が凹面状の回折格子面で光を反射させるような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、回折格子１１は、平面状などの他の形状からなる回折格子面で光を反射させるような構成であってもよい。また、回折格子１１は、反射型回折格子に限らず、光を透過させる過程で分光することができるような透過型回折格子であってもよい。

また、以上の実施形態では、光源２から試料Ｓに光を照射するような構成について説明したが、このような構成に限らず、例えば試料Ｓ自体が発光する場合に、その試料Ｓからの光をポリクロメータ１により測定するような構成であってもよい。

１ ポリクロメータ
２ 光源
１１ 回折格子
１２ 検出器
１３ スリット
１４ 焦点補正部材
１５ 多層膜フィルタ
２１ 受光面
４１ 入射面
４２ 出射面

Claims (3)

1. 入口スリットから入射する光を分光させて、各波長の光を１つの焦点に集光させる回折格子と、
   前記回折格子により分光された各波長の光を検出する受光面を有する検出器と、
   前記回折格子と前記検出器との間に配置され、前記回折格子からの光を透過させる過程で、前記検出器に対する各波長につき１つの焦点位置を前記受光面に合致するように補正する焦点補正部材と、
   前記焦点補正部材に成膜され、所定の波長の光を全反射させる非蛍光性の多層膜フィルタとを備え、
   前記焦点補正部材は、凹湾曲面からなる入射面と、平面からなる出射面とを有し、
   前記多層膜フィルタは、前記焦点補正部材の出射面に成膜されていることを特徴とするポリクロメータ。
2. 前記多層膜フィルタは、屈折率の異なる複数種類の膜が前記焦点補正部材に順次成膜されることにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポリクロメータ。
3. 請求項１又は２に記載のポリクロメータを備え、
   試料からの光を前記ポリクロメータにより測定することを特徴とする分析装置。

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