JP6597428B2 - 分光器及びこれに用いられる０次光減衰機構 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を回折格子で回折させて分光する分光器及びこれに用いられる０次光減衰機構に関するものである。

分光器の一例として、入射スリットから入射する光を回折格子で分光し、特定の波長の光のみを出射スリットから出射させるモノクロメータが知られている。この種の分光器には、例えば回折格子、入射スリットが形成された入射部、及び、出射スリットが形成された出射部などが備えられている。

入射部から入射する光は、回折格子の格子面において回折されることにより波長ごとの光に分光され、各波長の光が異なる角度で現れる。このとき、回折格子に入射する光の入射角度と、回折格子において反射する光の反射角度とが一致する方向には、鏡面的に正反射する光（０次光）が現れる（例えば、下記特許文献１参照）。

図４は、０次光について説明するための図である。図４に示すように、回折格子１０６には、凹面からなる格子面１６１が形成されている。入射スリット１４１を通過した光は、回折格子１０６の格子面１６１で回折することにより、各波長の光に分光される。そして、分光された特定の波長の光が、出射スリット１８１を通過して取り出される。

回折格子１０６は、回転軸１６２を中心に回転可能に保持されている。したがって、回転軸１６２を中心に回折格子１０６を回転させることにより、その回転角度に応じた特定の波長の光を出射スリット１８１から出射させることができる。

回折格子１０６の格子面１６１における回転軸１６２を通る法線Ｌ１００は、通常、入射スリット１４１よりも出射スリット１８１側に位置している。法線Ｌ１００に対する入射スリット１４１からの光の入射角度αと、法線Ｌ１００に対する出射スリット１８１への光の反射角度βとが一致する方向には、図４に破線で示すように０次光が発生する。この０次光は、回折格子１０６において波長ごとに分光されていない光であり、分光されていないため強度が高いという特性を有している。

回折格子１０６を回転させて各波長の光を出射スリット１８１から取り出す際には、回折格子１０６の回転に伴い、０次光が格子面１６１から反射する方向も変化する。回転軸１６２を中心として、図４における時計回りに回折格子１０６を回転させた場合には、プラス次数の回折光が出射スリット１８１を通過する。一方、回転軸１６２を中心として、図４における反時計回りに回折格子１０６を回転させた場合には、マイナス次数の回折光が出射スリット１８１を通過する。

実用新案登録第３１１７２７５号公報

図５Ａは、プラス次数の回折光が出射スリット１８１を通過する場合の０次光の一例を示した図である。この場合、図５Ａに示すように、回転軸１６２を中心として時計回りに回折格子１０６が回転するため、格子面１６１の法線Ｌ１００は入射スリット１４１から遠ざかる方向へ移動する。したがって、図５Ａに破線で示す０次光も入射スリット１４１から遠ざかる方向へ移動する。

しかしながら、格子面１６１の法線Ｌ１００が入射スリット１４１から遠ざかるということは、入射スリット１４１を通過した光のうち格子面１６１に入射する光の角度範囲θが小さくなるということを意味している。すなわち、プラス次数の回折光が出射スリット１８１を通過するような構成の場合には、回折格子１０６の回転に伴って、格子面１６１に入射する光の光量が減少することとなる。

図５Ｂは、マイナス次数の回折光が出射スリット１８１を通過する場合の０次光の一例を示した図である。この場合、図５Ｂに示すように、回転軸１６２を中心として反時計回りに回折格子１０６が回転するため、格子面１６１の法線Ｌ１００は入射スリット１４１に近づく方向へ移動する。したがって、図５Ｂに破線で示す０次光も入射スリット１４１に近づく方向へ移動する。

このように、マイナス次数の回折光が出射スリット１８１を通過するような構成の場合には、格子面１６１の法線Ｌ１００が入射スリット１４１に近づくため、入射スリット１４１を通過した光のうち格子面１６１に入射する光の角度範囲θは大きくなる。したがって、回折格子１０６の回転に伴って、格子面１６１に入射する光の光量は増加することとなる。そのため、マイナス次数の回折光が出射スリット１８１を通過するような構成の方が、プラス次数の回折光が出射スリット１８１を通過するような構成よりも多くの光量を取り込むことができるという利点がある。

しかし、その一方で、０次光が入射スリット１４１に近づく方向へ移動するため、図５Ｂに破線で示すように、０次光が入射スリット１４１の近傍に向けて反射される場合がある。このような場合には、入射スリット１４１の近傍で反射した０次光が再び回折格子１０６に入射し、設定した波長とは異なる波長の光が迷光として出射スリット１８１から出射されるおそれがある。

そこで、入射スリット１４１の近傍を反射率の低い粗面にしたり、黒色に塗装したりすることにより、当該入射スリット１４１の近傍における０次光の反射を抑え、迷光を低減することも考えられる。しかしながら、０次光は強度が高いため、反射を抑えることが難しく、迷光を十分に低減することができないおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より効果的に迷光を低減することができる分光器及びこれに用いられる０次光減衰機構を提供することを目的とする。

本発明に係る分光器は、入射部と、回折格子と、反射部材とを備える。前記入射部は、光源からの光を入射位置から入射させる。前記回折格子は、前記入射位置から入射する光を回折させて分光する。前記反射部材は、前記入射位置の近傍に設けられ、前記回折格子からの反射光である０次光を当該回折格子とは異なる方向に向けて反射させる。

このような構成によれば、回折格子から入射位置の近傍に反射した０次光が、反射部材により回折格子とは異なる方向に向けて反射される。これにより、０次光が再び回折格子に入射しにくく、０次光が迷光の原因となるのを防止することができるため、より効果的に迷光を低減することができる。

前記分光器は、前記反射部材により反射される０次光を減衰させる減衰部材をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、反射部材により回折格子とは異なる方向に向けて反射される０次光が、減衰部材によって減衰されるため、０次光が再び回折格子に入射するのを効果的に防止することができる。したがって、さらに効果的に迷光を低減することができる。

前記減衰部材は、低反射率部材を含んでいてもよい。前記低反射率部材は、前記反射部材により反射される０次光の光路上に設けられ、当該０次光を減衰させながら反射させる。

このような構成によれば、反射部材により回折格子とは異なる方向に向けて反射される０次光が、その光路上に設けられた低反射率部材により減衰しながら反射されるため、０次光が再び回折格子に入射するのを効果的に防止することができる。

前記減衰部材は、トラップ部を含んでいてもよい。前記トラップ部には、前記反射部材により反射される０次光を繰り返し反射させることにより減衰させるトラップ空間が形成されている。

このような構成によれば、反射部材により回折格子とは異なる方向に向けて反射される０次光が、トラップ空間で繰り返し反射することにより減衰されるため、０次光が再び回折格子に入射するのを効果的に防止することができる。

本発明に係る０次光減衰機構は、入射位置から入射する光が回折格子で分光される際に生じる０次光を減衰させるための０次光減衰機構であって、反射部材と、減衰部材とを備える。前記反射部材は、前記入射位置の近傍に設けられ、前記回折格子からの反射光である０次光を当該回折格子とは異なる方向に向けて反射させる。前記減衰部材は、前記反射部材により反射される０次光を減衰させる。

本発明によれば、０次光が再び回折格子に入射しにくく、０次光が迷光の原因となるのを防止することができるため、より効果的に迷光を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る分光器の構成例を示した概略断面図である。 入射部の構成例を示した概略断面図である。 入射部の変形例を示した概略断面図である。 ０次光について説明するための図である。 プラス次数の回折光が出射スリットを通過する場合の０次光の一例を示した図である。 マイナス次数の回折光が出射スリットを通過する場合の０次光の一例を示した図である。

１．分光器の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る分光器１の構成例を示した概略断面図である。分光器１は、光源２からの光を分光するためのモノクロメータであり、光源２からの光は集光レンズ３により集光されて分光器１内に入射する。この分光器１は、分光光度計の他、膜厚計などの各種分析装置に適用することができる。

光源２は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ又はＬＥＤ（発光ダイオード）などにより構成される。集光レンズ３は、光源２から分光器１に光を導くための光学系を構成しており、当該光学系の構成をユーザが任意に選択することができるようになっている。すなわち、本実施形態に係る分光器１は汎用性が高く、集光レンズ３の種類を変更したり、光ファイバなどの集光レンズ３以外の光学系を採用したりすることができる。

分光器１は、例えば入射部４、第１反射鏡５、回折格子６、第２反射鏡７及び出射部８などを備えている。分光器１の外形はハウジング９により区画されており、当該ハウジング９内に第１反射鏡５、回折格子６及び第２反射鏡７が設けられるとともに、当該ハウジング９の壁面に入射部４及び出射部８が取り付けられている。入射部４及び出射部８は、ハウジング９の壁面に対して着脱可能であることが好ましい。

入射部４には、例えば小孔からなる入射スリット４１が設けられており、当該入射スリット４１を通過した光のみがハウジング９内に向かう。これにより、分光器１に入射する光源２からの光を制限し、分光器１に入射した光のみを第１反射鏡５で反射させ、回折格子６へと導くことができる。入射スリット４１は、光源２からの光を分光器１に入射させる入射位置を構成している。

入射スリット４１を通過した光は、拡がりながら回折格子６に到達する。ただし、第１反射鏡５が、例えばコリメート鏡で構成されることにより、入射スリット４１を通過した光が第１反射鏡５で平行光とされてから回折格子６に導かれるような構成であってもよい。また、第１反射鏡５が省略され、入射スリット４１を通過した光が回折格子６に直接導かれるような構成であってもよい。

回折格子６には、凹面からなる格子面６１が形成されており、当該格子面６１に入射スリット４１を通過した光が入射する。入射スリット４１を通過した光は、格子面６１で回折することにより、各波長の光に分光される。そして、分光された特定の波長の光が、第２反射鏡７で反射し、出射部８を介してハウジング９の外部に出射する。第２反射鏡７は、例えばフォーカス鏡で構成されており、回折格子６からの光を集光させて出射部８に導く。

回折格子６は、回転軸６２を中心に回転可能に保持されている。例えば図１に破線で示すように、回転軸６２を中心に回折格子６を回転させることにより、その回転角度に応じた特定の波長の光を出射部８からハウジング９の外部に出射させることができる。

出射部８には、例えば小孔からなる出射スリット８１が設けられており、当該出射スリット８１を通過した光のみがハウジング９の外部に出射する。これにより、分光器１内で生じた迷光の出射を制限し、回折格子６により分光された特定の波長の光のみを出射スリット８１から出射させることができる。

２．入射部の構成例
図２は、入射部４の構成例を示した概略断面図である。図２では、説明を簡略化するために第１反射鏡５が省略されている。また、光源２から分光器１に光を導くための光学系が、光ファイバ１０により構成されている。ただし、このような構成に限らず、例えば光ファイバ１０が省略されることにより、集光レンズ３により集光された光が入射スリット４１から直接入射するような構成であってもよい。

入射部４は、例えば本体４２を備えている。本体４２の一端面には、光ファイバ１０の先端部を取り付けるための凹部４２１が形成されている。光ファイバ１０は、その先端部が凹部４２１内に挿入され、先端面が凹部４２１の底面に当接するようにして固定されている。

凹部４２１の底面には開口が形成されており、当該開口が入射スリット４１を構成している。入射スリット４１は、本体４２の他端面、すなわち凹部４２１が形成されている面とは反対側の面に形成されている。これにより、光ファイバ１０の先端面から入射する光が、入射スリット４１を通過し、回折格子６へと導かれるようになっている。

回折格子６の格子面６１における回転軸６２を通る法線Ｌ１は、回転軸６２を中心とする回折格子６の回転角度に応じて移動する。入射スリット４１を通過して回折格子６で反射する光のうち、法線Ｌ１に対して入射角度と同じ反射角度で反射する光は、回折格子６において分光されずに正反射した０次光となる。

例えばマイナス次数の回折光を出射スリット８１から出射させるような構成の場合には、図２のように、回折格子６の法線Ｌ１が入射スリット４１の近傍に位置する場合がある。このような場合には、図２に破線で示すように、回折格子６において０次光が入射スリット４１の近傍に向けて反射され、その０次光が入射スリット４１の近傍で反射して再び回折格子６に入射し、迷光の原因となるおそれがある。

入射スリット４１の近傍とは、０次光が反射された場合に回折格子６に入射する入射スリット４１の周辺の領域を意味している。入射スリット４１の近傍に含まれる領域は、例えば入射スリット４１を中心として径方向に０〜１０ｍｍまでの範囲に設定することができるが、これに限られるものではない。

そこで、本実施形態では、入射スリット４１の近傍に反射部材４３が設けられている。反射部材４３は、例えば円板状の部材であり、その中心部に円形状の小孔４３１が形成されている。反射部材４３は、小孔４３１が入射スリット４１に対向するように本体４２に取り付けられる。図２の例では、小孔４３１の内径は、入射スリット４１の内径と同一であるが、これに限らず、入射スリット４１の内径以上であればよい。

反射部材４３には、０次光を反射させるための反射面４３２が形成されている。反射面４３２は、小孔４３１の周縁部に形成されており、入射スリット４１からの光の入射方向Ｄ１に対して交差し、かつ、入射方向Ｄ１に直交する方向Ｄ２に対して交差する方向に延びている。すなわち、反射面４３２は、方向Ｄ１，Ｄ２に対して傾斜する傾斜面により構成されている。この傾斜面は、平坦面であってもよいし、凸湾曲面又は凹湾曲面などの平坦面以外の面であってもよい。

これにより、回折格子６において入射スリット４１の近傍に向けて反射された０次光は、図２に破線で示すように反射部材４３の反射面４３２で反射され、回折格子６とは異なる方向に導かれる。具体的には、反射面４３２は、その法線Ｌ２が回折格子６の格子面６１を通過しない角度で形成されており、反射面４３２で反射された０次光が格子面６１に向かわないように形成されている。

さらに、本実施形態では、反射部材４３により反射される０次光を減衰させる減衰部材４４が設けられている。反射部材４３及び減衰部材４４は、入射スリット４１から入射する光が回折格子６で分光される際に生じる０次光を減衰させるための０次光減衰機構を構成している。図２の例では、減衰部材４４は、０次光を減衰させながら反射させる低反射率部材４４１により構成されている。低反射率部材４４１は、反射部材４３により反射される０次光の光路上に設けられている。

低反射率部材４４１における反射部材４３の反射面４３２に対向する面は、低反射率で光を反射させる低反射率面４４２となっている。低反射率面４４２としては、例えば黒色などの反射率が低い色で塗装された構成、又は、起毛紙などの反射率が低い素材からなる部材が貼り付けられた構成など、各種構成を採用することができる。低反射率面４４２の反射率は、２％以下であることが好ましいが、実用上は０．１〜０．２％であればより好ましい。

低反射率部材４４１における反射部材４３の小孔４３１に対向する位置には、開口４４３が形成されている。開口４４３は、小孔４３１と回折格子６の回転軸６２とを結ぶ直線上に位置している。入射スリット４１から入射する光は、反射部材４３の小孔４３１、及び、低反射率部材４４１の開口４４３を介して、回折格子６の格子面６１に導かれる。

３．作用効果
（１）本実施形態では、図２に破線で示すように、回折格子６から入射スリット４１の近傍に反射した０次光が、反射部材４３により回折格子６とは異なる方向に向けて反射される。これにより、０次光が再び回折格子６に入射しにくく、０次光が迷光の原因となるのを防止することができるため、より効果的に迷光を低減することができる。

（２）また、本実施形態では、図２に示すように、反射部材４３により回折格子６とは異なる方向に向けて反射される０次光が、減衰部材４４によって減衰されるため、０次光が再び回折格子６に入射するのを効果的に防止することができる。したがって、さらに効果的に迷光を低減することができる。

（３）特に、本実施形態では、反射部材４３により回折格子６とは異なる方向に向けて反射される０次光が、その光路上に設けられた低反射率部材４４１の低反射率面４４２により減衰しながら反射されるため、０次光が再び回折格子６に入射するのを効果的に防止することができる。

４．入射部の変形例
図３は、入射部４の変形例を示した概略断面図である。この図３の例では、減衰部材４４の構成のみが図２の例とは異なり、他の構成については図２の例と同様であるため、同様の構成については図に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この例では、反射部材４３により反射される０次光を減衰させる減衰部材４４が、トラップ部４４４により構成されている。トラップ部４４４は中空状に形成された部材により構成されており、トラップ部４４４の内部空間がトラップ空間４４５を構成している。トラップ空間４４５は、反射部材４３により反射される０次光を繰り返し反射させることにより減衰させる。

トラップ部４４４は、反射部材４３の回折格子６側を覆うように設けられており、反射部材４３の小孔４３１に対向する位置には、開口４４６が形成されている。開口４４６は、小孔４３１と回折格子６の回転軸６２とを結ぶ直線上に位置している。入射スリット４１から入射する光は、反射部材４３の小孔４３１、及び、トラップ部４４４の開口４４６を介して、回折格子６の格子面６１に導かれる。

トラップ部４４４の開口４４６は、反射部材４３により反射される０次光の光路上にはない。そのため、反射部材４３により反射される０次光は、開口４４６から回折格子６側に直接導かれることはなく、トラップ部４４４の内面で繰り返し反射する。トラップ部４４４の内面は、図２の例と同様に、低反射率で光を反射させる低反射率面となっていることが好ましいが、これに限られるものではない。

５．変形例の作用効果
図３の例では、図２の例における作用効果に加えて、反射部材４３により回折格子６とは異なる方向に向けて反射される０次光が、トラップ空間４４５で繰り返し反射することにより減衰される。そのため、０次光が再び回折格子６に入射するのをさらに効果的に防止することができる。

６．変形例
以上の実施形態では、反射部材４３が入射部４の本体４２とは別部材として構成されている場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、反射部材４３が本体４２と一体的に形成された構成であってもよい。この場合、反射部材４３の小孔４３１が、入射スリット４１を構成していてもよい。また、減衰部材４４（低反射率部材４４１又はトラップ部４４４）についても、本体４２とは別部材として構成されるものに限らず、本体４２と一体的に形成された構成であってもよい。

入射スリット４１は、本体４２に形成された構成に限らず、本体４２とは別に設けられた部材（スリット板など）に形成されていてもよい。この場合、反射部材４３や減衰部材４４（低反射率部材４４１又はトラップ部４４４）は、入射スリット４１が形成された別の部材に取り付けられていてもよいし、当該別の部材と一体的に構成されていてもよい。

また、以上の実施形態では、反射部材４３に加えて、減衰機構４４が分光器１に備えられた構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、減衰機構４４が省略され、反射部材４３により０次光を回折格子６とは異なる方向に向けて反射させるだけの構成であってもよい。

さらに、以上の実施形態では、回折格子６が回転軸６２を中心に回転することにより、特定の波長の光のみが出射スリット８１から出射するモノクロメータについて説明した。しかし、本発明は、モノクロメータに限らず、固定された回折格子６により分光される各波長の光が、それぞれ異なる受光素子で受光されるようなポリクロメータにも適用可能である。

また、以上の実施形態では、回折格子６の格子面６１が、凹面からなる格子面により構成される場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、回折格子６の格子面６１は、平面などの他の形状からなる格子面により構成されていてもよい。

１ 分光器
２ 光源
３ 集光レンズ
４ 入射部
５ 反射鏡
６ 回折格子
７ 反射鏡
８ 出射部
９ ハウジング
１０ 光ファイバ
４１ 入射スリット
４２ 本体
４３ 反射部材
４４ 減衰部材
６１ 格子面
６２ 回転軸
８１ 出射スリット
４２１ 凹部
４３１ 小孔
４３２ 反射面
４４１ 低反射率部材
４４２ 低反射率面
４４３ 開口
４４４ トラップ部
４４５ トラップ空間
４４６ 開口
Ｌ１ 法線
Ｌ２ 法線

Claims (6)

1. 光源からの光を入射位置から入射させる入射部と、
   前記入射位置から入射する光を回折させて分光する回折格子と、
   前記入射位置の近傍に設けられ、前記回折格子からの反射光である０次光を当該回折格子とは異なる方向に向けて反射させる反射部材とを備え、
   前記回折格子において０次光が前記入射位置の近傍に向けて反射され、
   前記反射部材には、前記入射位置に対向する小孔が形成されており、
   前記反射部材における前記小孔の周縁部に、０次光を反射させるための反射面が形成されていることを特徴とする分光器。
2. 前記反射部材により反射される０次光を減衰させる減衰部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
3. 前記減衰部材は、前記反射部材により反射される０次光の光路上に設けられ、当該０次光を減衰させながら反射させる低反射率部材を含むことを特徴とする請求項２に記載の分光器。
4. 前記減衰部材は、前記反射部材により反射される０次光を繰り返し反射させることにより減衰させるトラップ空間が形成されたトラップ部を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の分光器。
5. 前記トラップ部は、前記反射部材の前記回折格子側を覆うように設けられており、
   前記トラップ部における前記反射部材の前記小孔に対向する位置には、開口が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の分光器。
6. 入射位置から入射する光が回折格子で分光される際に生じる０次光を減衰させるための０次光減衰機構であって、
   前記入射位置の近傍に設けられ、前記回折格子からの反射光である０次光を当該回折格子とは異なる方向に向けて反射させる反射部材と、
   前記反射部材により反射される０次光を減衰させる減衰部材とを備え、
   前記回折格子において０次光が前記入射位置の近傍に向けて反射され、
   前記反射部材には、前記入射位置に対向する小孔が形成されており、
   前記反射部材における前記小孔の周縁部に、０次光を反射させるための反射面が形成されていることを特徴とする０次光減衰機構。

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