JP6809991B2

JP6809991B2 - 分光器

Info

Publication number: JP6809991B2
Application number: JP2017129232A
Authority: JP
Inventors: 威男馬目
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: JP2019012030A

Description

本開示は、分光器に関する。

分光装置においては、情報量を増やすために、回折面の大型化が望まれている。しかしながら、回折面を有する回折体の大型化は困難であることから、複数の回折体を組み合わせることにより、大型化を図ることが行われている（非特許文献１参照）。

このような複数の回折体を有する分光器においては、例えば回折体が２つであるとき、２つの回折体の回折面同士のなす角度が所定の範囲になるように精密に制御することが必要である。また、２つの回折体を接触させて固定すると、２つの回折体同士に反力が掛かって回折面に歪みを生じさせてしまうため、２つの回折体同士の間には小さな隙間を有していることが必要である。

特許文献１には、分光器ではないものの、２つの部材の間に軟質金属（例えば、インジウム又は鉛すず合金）からなるスペーサを介在させることで２つの部材同士に掛かる反力を抑制することが記載されている。

特開平１１−２０２１６１号公報 First high-efficiency and high-resolution (R=80,000) NIR spectroscopy with high-blazed echelle grating: WINERED HIRES modes（大坪翔悟等）

軟質金属を用いた場合、それぞれの回折面を精度よく位置調整することが困難であるとともに、調整した位置を持続させることが困難であった。多くの情報量を高感度かつ高精度に得ることができる分光器が求められている。

本開示は、多くの情報量を高感度かつ高精度に得ることができる分光器を提供することを目的とする。

本開示の分光器は、第１回折面を有する第１回折体と、第２回折面を有する第２回折体と、前記第１回折面および前記第２回折面が並んで露出するように、前記第１回折体および前記第２回折体を収容する枠体とを備え、前記第１回折体および前記第２回折体の対向面の少なくともいずれかに凹部を有し、該凹部よりも突出する、セラミックスからなる球体を有する。

本開示の分光器は、多くの情報量を高感度かつ高精度に得ることができる。

本実施形態の分光器を備えた分光装置の一例を示す模式図である。図１に示す分光装置に用いられる分光器を示す斜視図である。図２に示す分光器を構成する回折体と球体を示す模式図である。（ａ）は、本実施形態における枠体の斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態における分光器を組み立てる手順を示す斜視図である。他の実施形態の分光器の横断面図である。

本開示の分光器について図を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の分光器を備えた分光装置の一例を示す模式図である。

図１に示す分光装置１００は、外部からの電磁波Ｗを制限して通過させるスリット２０と、スリット２０を通過した電磁波Ｗを平行にするコリレーションレンズ３０と、平行にされた電磁波Ｗを反射するための金が表面に被覆されたミラー４０と、反射された電磁波Ｗを波長ごとに分光する分光器５０と、分光の光路に沿って順次配置されるクロスディスパーザ（補助用の反射型回折格子）６０およびカメラレンズ群７０と、分光を結像する検出器（赤外線アレイ）８０と、を備えている。

クロスディスパーザ（補助用の反射型回折格子）６０およびカメラレンズ群７０は、分光を導入する窓部９０ａを備えた低温保持機構９０に収容され、温度変動が抑制されている。

外部から分光装置１００内に入射した電磁波Ｗは、光路に沿って進行し、検出器（赤外線アレイ）８０で結像される。そして、この結像により、エシェルグラムやスポットダイアグラム等の画像が得られ、観測対象物の情報を解析することができる。

図２は、図１に示す分光装置に用いられる分光器５０を示す斜視図である。図２に示すように、分光器５０は、第１回折面１ａを有する第１回折体１および第２回折面２ａを備える第２回折体２を備える。また、第１回折面１ａおよび第２回折面２ａが並んで露出するように、第１回折体１および第２回折体２を収容する枠体３とを備える。

さらに、分光器５０は、図３に示すように、第１回折体１と第２回折体２と対向面にセラミックスからなる球体１０が位置する。

図２、３においては、直方体状の第１回折体１と直方体状の第２回折体を示しているが、第１回折体１および第２回折体２の形状は、これに限定されるものではない。

図３に示す例において第１回折体１は、第１回折面１ａと、第１回折面１ａの反対に位置する第１下面１ｂと、第１回折面１ａと略直交する第１対向面１ｃとを有している。また、第２回折体２は、第２回折面２ａと、第２回折面２ａの反対に位置する第２下面２ｂと、第２回折面２ａと略直交する第２対向面２ｃとを有している。

そして、本開示の分光器５０は、第１対向面１ｃおよび第２対向面２ｃの少なくともいずれかに凹部４を有するものであり、図３においては、第２対向面２ｃに凹部４を有している例を示している。なお、第１対向面１ｃに凹部４を有するものであってもよい。ここで、セラミックスからなる球体１０は、凹部４から突出しているものであり、第１回折体１と第２回折体２とを組み合わせた場合において、小さな隙間が生じるものである。

第１回折面１ａおよび第２回折面２ａは、いずれも等間隔に形成されたブリーズ面（回折格子）を複数備えている。第１回折面１ａおよび第２回折面２ａに導かれた電磁波Ｗは、それぞれ反射し、波長ごとに分光された反射波となり、この反射波から観測対象物の情報を解析することができる。

本開示の分光器５０は、平行な電磁波Ｗが入射させたときの双方の反射波のなす角度が、例えば、１秒角(arcsec)以内となるように、第１回折面１ａおよび第２回折面２ａの位置が調整されている。なお、反射波のなす角度は、第１回折面１ａおよび第２回折面２ａに、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ―光を入射させ、双方の反射波のなす角度を光干渉計で測定すればよい。

球体１０は、セラミックスであり、軟質金属に比べ高い硬度、剛性を有し、変形しがたいものである。そして、球体１０が、第１対向面１ｃと第２対向面２ｃとの間に位置し、球体１０が凹部４から突出しているものであることにより、第１対向面１ｃと第２対向面２ｃとは直に接触していないため、反力による歪みが抑制される。また、球体１０が、形状が球であること、材質がセラミックスからなることにより、位置調整が容易であり、調整した位置を持続することができる。そのため、本開示の分光器５０は、多くの情報量を高感度かつ高精度に得ることができる。

以下に本開示の分光器５０の組立方法を説明する。図４（ａ）に枠体３を示す。図４（ａ）に示す例の枠体３は、底板３ａと側板３ｂと端板３ｃとを有しており、これらの組み合わせにより、第１回折体１と第２回折体とを挿入するための開口部３ｄを備えている。なお、枠体３は、底板３ａに側板３ｂと端板３ｃとが一体となったものの組み合わせでもよいし、底板３ａと側板３ｂと端板３ｃが一体となったものでもよい。

図４（ｂ）に示すように、この枠体３に第１回折体１と第２回折体２とを挿入する。その際、第１回折体１の第１対向面１ｃと第２回折体２の第２対向面２ｃの間に球体１０を挟みこんで挿入する。

図５は、枠体３に第１回折体１と第２回折体２と球体１０とを挿入した状態を示す横断面図である。

このような構成において、底板３ａと、第１下面１ｃおよび第２下面２ｃとが高い面精度を有し、第１下面１ｃと第１回折面１ａおよび第２下面２ｃと第２回折面２ａとがそれぞれ高い平行度を有し、第１回折体１および第２回折体２が高い厚み精度を有するものであれば、枠体３に挿入するのみで位置調整を行うことができる。

球体１０は、第１対向面１ｃと第２対向面２ｃの対向する領域の中央部に設けてもよく、このような構造であるときには、球体１０から第１対向面１ｃと第２対向面２ｃに掛かる力が第１回折面１ａや第２回折面２ａ、第１下面１ｂ、第２下面２ｂにおよびにくくなる。

第１対向面１ｃと第２対向面２ｃとは少なくとも一部が対向していればよい。例えば、第１回折面１ａと第２回折面２ａとを正面視したとき、第１回折面１ａと第２回折面２ａとがずれて配置されていてもよい。その様な場合、第１対向面１ｃと第２対向面２ｃとが向かい合う領域の中央部に球体１０を配置すればよい。

なお、図１〜図５においては、第１回折体１および第２回折体２が同形状のものを示したが、第１回折面１ａおよび第２回折面２ａの位置調整が図られているものであればよいため、形状が異なったり、厚みが異なるものであってもよい。

また、凹部４の深さや球体１０の大きさは、組み立てる前に第１回折体１と第２回折体２の間に、どのような隙間を設ければ、第１回折体１と第２回折体２とが適切な位置関係となるかを、予め算出した寸法とすればよい。

また、凹部４は、球体１０と接する面の算術平均粗さＲａが、０．５μｍ以下であってもよい。このような構成であるときには、球体１０に対する接触面積が増加し、微細な振動を受けたとしても球体１０は位置ずれしにくいため、信頼性が向上する。さらに、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下であれば、さらに信頼性が向上する。この算術平均粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に準拠して求めればよい。

また、図５に示すように、断面が三角で、円錐状の凹部４を有する場合には、球体１０は、凹部４の壁面に環状に線接触することになり安定しやすいものとなる。球体１０は、例えば、凹部４と３点以上で接してもよい。なお、３点以上で接するとは、例えば、線で接することも含んでいる。このような構造であるときには、凹部４と球体１０との相対位置が定まりやすくなる。

第１対向面１ｃと第２対向面２ｃとの隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下としてもよい。このような構造であるときには、第１対向面１ｃおよび第２対向面２ｃとの隙間を小さくしながら、第１対向面１ｃおよび第２対向面２ｃとが直に接触することを抑制することができるとともに、回折面の大型化を図りながらも分光器５０を小型化することができる。

球体１０の直径は、例えば、０．８ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であってもよい。また、その表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であるとよい。球体１０の算術平均粗さＲａをこの範囲とすると、第１回折体１および第２回折体２の相対的な位置関係を精度よく制御することができる。

また、球体１０は、セラミックスからなるため、球体１０が金属からなる場合よりも常温から４００℃までの球体１０の線膨張係数が小さいため、温度変化によって感度や精度が変化することが少ない。

球体１０の主成分としては、例えば、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、アルミナとジルコニアの複合物、窒化珪素などが挙げられる。

枠体３の材質としては、常温から４００℃までの線膨張係数が小さい、線膨張係数が１．５×１０^−６／Ｋ以下のコージェライト、チタン酸アルミニウムまたはＬＡＳ等のアルカリ金属アルミノケイ酸塩を主成分とするセラミックスが挙げられる。枠体３が、このような構成であるときには、温度変化に曝されても膨張しにくいため、分光器５０は高い信頼性を有する。

第１回折体１および第２回折体２は、例えば、線膨張係数が１．０×１０^−６／Ｋ以下のガラスである。

ここで、セラミックスにおける主成分とは、着目するセラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、６０質量％以上を占める成分をいう。セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて求めればよい。各成分の含有量は、成分を同定した後、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、成分を構成する元素の含有量を求め、同定された成分に換算すればよい。

球体１０や枠体３を構成するセラミックスは、強度および剛性の観点によれば、相対密度は９８％以上である。

以下に、本開示の分光器５０について、詳細に説明する。

第１回折体１および第２回折体２は、いずれも、例えば、長さが２００ｍｍ、高さが６０ｍｍ、幅が６０ｍｍの直方体である。

枠体３の側板３ｂには、第１回折体１および第２回折体２を固定するための複数のグラブスクリューを備えていてもよい。地震等の不慮の振動等により、第１回折体１および第２回折体２の相対的な位置がずれた場合は、グラブスクリューを回転させて微調整を施すことにより、第１回折体１および第２回折体２の互いのブリーズ面（回折格子）を平行にすればよい。

球体１０のような球状体を第１回折体１と第２回折体との間に配置することで、球体１０と第１回折体１や第２回折体との摩擦を小さくすることができるため、付加的に第１回折体１と第２回折体の位置関係を調整する場合でも、スムーズな調整を行うことができる。なお、球体１０は、真球である必要はなく、楕円であってもよい。

また、枠体３には、第１回折面１ａや第２回折面２ａのそれぞれの回折面の一部を覆うように固定する留め具が接続されていてもよい。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

１第１回折体
１ａ第１回折面
１ｂ第１下わく面
１ｃ第１対向面
２第２回折体
２ａ第２回折面
２ｂ第２下面
２ｃ第２対向面
３枠体
３ａ底板
３ｂ横板
３ｃ端板
４凹部
１０球体
５０分光器

Claims

第１回折面を有する第１回折体と、
第２回折面を有する第２回折体と、
前記第１回折面および前記第２回折面が並んで露出するように、前記第１回折体および前記第２回折体を収容する枠体とを備え、
前記第１回折体および前記第２回折体の対向面の少なくともいずれかに凹部を有し、
該凹部よりも突出する、セラミックスからなる球体を有する、分光器。
前記凹部は、前記球体と接する面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下である、請求項１に記載の分光器。
前記球体は、前記凹部と３点以上で接する、請求項１または２に記載の分光器。
前記対向面間の隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下である、請求項１乃至３のいずれかに記載の分光器。
前記枠体は、線膨張係数が１．５×１０^−６／Ｋ以下のセラミックスからなる、請求項１乃至４のいずれかに記載の分光器。