JP7449903B2 - 第１光学系、分光器、及び光学装置 - Google Patents

Description

本開示は、第１光学系、分光器、及び光学装置に関する。

従来、例えば波長領域において高い分解能又はシャープなフィルタ特性を得るために、被測定光を回折格子に複数回入射させると共にスリットを通過させるマルチパス方式の分光器が知られている。

例えば、特許文献１には、波長分解能を向上させると共に、実質長さが短縮された二段式分光器が開示されている。例えば、特許文献２には、マルチパス方式の分光器であって、最終の分光系より前の分光系において生じた散乱光の一部が最終の分光系での回折光と同一光路をたどる場合に生じる、分光特性上の分解能及びダイナミックレンジの悪化を抑制する分光器が開示されている。

特開２０００－０８８６４７号公報 特開２００９－１７５０３８号公報

このような従来技術では、分光器において所定の波長を選択するために、回折格子は、回転軸を中心に回転可能な状態で駆動装置に取り付けられる。回折現象は、回折格子において一方向に延在する刻線が配列されている配列方向に沿って生じる。一方で、当該配列方向に直交する刻線の延在方向において、平面鏡と同様に入射角と出射角とが互いに同一となるような通常の反射現象が生じる。

このとき、一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的に平行になっていると、回折格子が回転軸を中心に回転しても刻線の延在方向における出射角は一定である。しかしながら、一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに平行になっていないと、これらがなす角度及び回折格子の回転角に依存して当該出射角が変化する。結果として、回折光は、回折格子の所定の回転角によっては、その後の光路に配置されているスリットを通過できなかったり、受光素子に入射することができなかったりする。

このような問題を極力避けるために、一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的な平行状態に近づくように、回折格子を駆動装置に取り付ける必要がある。このような作業は容易ではなく、多くの時間を費やして行われる。

本開示は、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる第１光学系、分光器、及び光学装置を提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る第１光学系は、入射した光を平行光化して、回転軸を中心に回転可能な回折格子へと導く第１レンズと、前記回折格子で回折した第１回折光であって、前記第１レンズにより第１焦点に集光された前記第１回折光を平行光化する第２レンズと、前記第２レンズを通過した前記第１回折光を前記回折格子へと折り返す一対の第１ミラーと、前記一対の第１ミラーにより折り返された前記第１回折光を第２焦点に集光する第３レンズと、前記第３レンズにより集光された前記第１回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第４レンズと、を備え、前記第１レンズと前記第４レンズとは、互いに略同一の第１焦点距離を有し、前記第２レンズと前記第３レンズとは、互いに略同一の第２焦点距離を有し、前記第１焦点から前記第２焦点までの光路に沿った第１距離は、第１所定条件により定まり、前記第１所定条件は、前記回折格子において一方向に延在する刻線と前記回転軸とがなす角度に依存する前記第１回折光の集光位置のずれが、前記第１焦点と前記第２焦点との間で互いに反転する条件を含む。

これにより、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる。第１光学系では、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに平行になっていない場合であっても、これらがなす角度及び回折格子の回転角に依存する非分散方向における集光位置のずれの量が光学系全体として見ればゼロとなる。

これにより、回折格子が回転軸に対して理想的な平行状態となるように駆動装置に取り付けられていなくても、第２回折光の非分散方向の焦点位置は、回折格子の任意の回転角において一定である。したがって、特定波長の第２回折光は、第１光学系の後の光路に配置されているスリットを回折格子の回転角に依存せずに通過可能である。第２回折光は、スリットの後の光路に配置されている受光素子に、回折格子の回転角に依存せずに入射可能である。

このように、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的な平行状態になっていなくても、分光器は装置として正常に機能する。すなわち、回転軸に対する回折格子の状態について、理想的な平行状態からのずれの許容度が向上する。したがって、駆動装置への回折格子の取付作業に対して高い精度が要求されない。結果として、このような取付作業が容易になり、取付作業を短時間で行うことが可能となる。以上のように作業コストが低下することで、分光器及び分光器が搭載される光学装置等は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

一実施形態における第１光学系では、前記第１所定条件は、前記第１距離が前記第２焦点距離の略４倍であるという条件を含んでもよい。これにより、第３レンズの第２焦点から第１回折光が進む方向の角度は、第２レンズに入射する第１回折光の方向の角度と一致する。したがって、第４レンズとして第１レンズと同一の大きさのものを使用すれば第１回折光が第４レンズを確実に通過する。したがって、ユーザは、第４レンズとして第１レンズと同一のものを使用することができる。

一実施形態における第１光学系では、前記第１焦点距離は、前記第２焦点距離よりも長くてもよい。これにより、第１回折光の集光位置と第１レンズとの距離が大きくなる。同様に、第２回折光の集光位置と第４レンズとの距離が大きくなる。したがって、一の波長に基づく回折光の集光位置と、他の波長に基づく回折光の集光位置との間の距離が各焦点において大きくなる。したがって、スリット幅が細いスリットを使用しても、第２回折光について特定波長のみを容易に取り出すことが可能となる。したがって、分光器による波長の選択精度が向上する。

幾つかの実施形態に係る分光器は、上記のいずれかに記載の第１光学系と、前記回折格子と、前記回折格子で回折した第２回折光が前記第４レンズにより集光される第３焦点に位置する第１スリットと、を備える。

これにより、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる。分光器では、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに平行になっていない場合であっても、これらがなす角度及び回折格子の回転角に依存する非分散方向における集光位置のずれの量が光学系全体として見ればゼロとなる。

これにより、回折格子が回転軸に対して理想的な平行状態となるように駆動装置に取り付けられていなくても、第２回折光の非分散方向の焦点位置は、回折格子の任意の回転角において一定である。したがって、特定波長の第２回折光は、第１光学系の後の光路に配置されている第１スリットを回折格子の回転角に依存せずに通過可能である。第２回折光は、第１スリットの後の光路に配置されている受光素子に、回折格子の回転角に依存せずに入射可能である。

このように、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的な平行状態になっていなくても、分光器は装置として正常に機能する。すなわち、回転軸に対する回折格子の状態について、理想的な平行状態からのずれの許容度が向上する。したがって、駆動装置への回折格子の取付作業に対して高い精度が要求されない。結果として、このような取付作業が容易になり、取付作業を短時間で行うことが可能となる。以上のように作業コストが低下することで、分光器及び分光器が搭載される光学装置等は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

一実施形態における分光器は、第２光学系をさらに備え、前記第２光学系は、前記第４レンズにより前記第３焦点に集光された前記第２回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第５レンズと、前記回折格子で回折した第３回折光であって、前記第５レンズにより第４焦点に集光された前記第３回折光を平行光化する第６レンズと、前記第６レンズを通過した前記第３回折光を前記回折格子へと折り返す一対の第２ミラーと、前記一対の第２ミラーにより折り返された前記第３回折光を第５焦点に集光する第７レンズと、前記第７レンズにより集光された前記第３回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第８レンズと、を備え、前記第５レンズと前記第８レンズとは、互いに略同一の第３焦点距離を有し、前記第６レンズと前記第７レンズとは、互いに略同一の第４焦点距離を有し、前記第４焦点から前記第５焦点までの光路に沿った第２距離は、第２所定条件により定まり、前記第２所定条件は、前記刻線と前記回転軸とがなす角度に依存する前記第３回折光の集光位置のずれが、前記第４焦点と前記第５焦点との間で互いに反転する条件を含む。

これにより、回折格子による回折の回数が増えることで、より波長精度を向上させて光を取り出すことができる。すなわち、分光器による光の波長の測定誤差が小さくなる。

一実施形態における分光器では、前記第２所定条件は、前記第２距離が前記第４焦点距離の略４倍であるという条件を含んでもよい。これにより、第７レンズの第５焦点から第３回折光が進む方向の角度は、第６レンズに入射する第３回折光の方向の角度と一致する。したがって、第８レンズとして第５レンズと同一の大きさのものを使用すれば第３回折光が第８レンズを確実に通過する。したがって、ユーザは、第８レンズとして第５レンズと同一のものを使用することができる。

一実施形態における分光器では、前記第３焦点距離は、前記第４焦点距離よりも長くてもよい。これにより、第３回折光の集光位置と第５レンズとの距離が大きくなる。同様に、第４回折光の集光位置と第８レンズとの距離が大きくなる。したがって、一の波長に基づく回折光の集光位置と、他の波長に基づく回折光の集光位置との間の距離が各焦点において大きくなる。したがって、スリット幅が細いスリットを使用しても、第４回折光について特定波長のみを容易に取り出すことが可能となる。したがって、分光器による波長の選択精度が向上する。

一実施形態における分光器は、前記回折格子で回折した第４回折光が前記第８レンズにより集光される第６焦点に位置する第２スリットを備えてもよい。これにより、第６焦点に集光した特定波長の第４回折光のみを容易に取り出すことが可能となる。

一実施形態における分光器では、前記回折格子は、前記第１光学系と共に光に対して光学的に作用する第１回折格子と、前記第２光学系と共に光に対して光学的に作用する第２回折格子と、を備え、前記第１回折格子と前記第２回折格子とは互いに別体として構成されていてもよい。

これにより、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になるという上述した効果がより顕著となる。例えば、従来技術において２つの回折格子を駆動装置に取り付ける場合、回折格子における刻線の延在方向が回転軸と平行になるように各回折格子を駆動装置に取り付ける作業は、１つの回折格子のときと比較してさらに複雑になる。一実施形態における分光器では、各回折格子について取付作業の高い精度が要求されない。したがって、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になるという効果が、１つの回折格子のときよりもさらに顕著となる。

加えて、２つの回折格子を用いると、サイズが大きい単一の回折格子を用いるときと比較して、コストがより低下する。したがって、分光器及び分光器が搭載される光学装置等は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

幾つかの実施形態に係る光学装置は、上記のいずれかに記載の分光器を備える。

これにより、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる。光学装置では、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに平行になっていない場合であっても、これらがなす角度及び回折格子の回転角に依存する非分散方向における集光位置のずれの量が光学系全体として見ればゼロとなる。

これにより、回折格子が回転軸に対して理想的な平行状態となるように駆動装置に取り付けられていなくても、回折光の非分散方向の焦点位置は、回折格子の任意の回転角において一定である。したがって、特定波長の回折光は、光学系の後の光路に配置されているスリットを回折格子の回転角に依存せずに通過可能である。回折光は、スリットの後の光路に配置されている受光素子に、回折格子の回転角に依存せずに入射可能である。

このように、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的な平行状態になっていなくても、光学装置は装置として正常に機能する。すなわち、回転軸に対する回折格子の状態について、理想的な平行状態からのずれの許容度が向上する。したがって、駆動装置への回折格子の取付作業に対して高い精度が要求されない。結果として、このような取付作業が容易になり、取付作業を短時間で行うことが可能となる。以上のように作業コストが低下することで、分光器が搭載される光学装置は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

本開示によれば、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる第１光学系、分光器、及び光学装置を提供可能である。

本開示の第１実施形態に係る分光器の概略構成を示す模式図である。 図１の光学系の概略構成のみを示す模式図である。 回折格子に光が入射する様子を示した模式図である。 本開示の第２実施形態に係る分光器の概略構成を示す模式図である。 本開示の第３実施形態に係る分光器の概略構成を示す模式図である。 回折格子における光の回折及び反射の様子を示した模式図である。

従来技術の背景及び問題点についてより詳細に説明する。

特許文献１に記載の二段型分光器では、入射スリットより入射した光が、コリメータで平行光に変換され、回折格子に入射する。回折格子は、一定間隔で互いに平行に延在する複数の刻線を有する反射板であり、入射する光を分散分光してその回折光を出射する。当該回折格子は、不図示の駆動装置により、回折格子の中央部において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転可能に構成されている。回折格子は、入射する光に対する角度を任意に変更可能に構成されている。

回折格子で分散分光された光は、コリメ－タで収束光に変換され、折り返し反射手段により折り返される。折り返された光は、再度コリメ－タにて平行光に変換され、回折格子に入射する。入射した光は２回目の分散分光により回折光として回折格子から出射する。出射した光はコリメ－タにより集光され、出射スリットにより選択される。

特許文献２に記載の分光器では、入射スリットとなっている光ファイバから入射した光が、コリメ－タで平行光に変換され、回折格子に入射する。回折格子で分散分光された光は、コリメ－タにより集光される。折り返し反射手段部で折り返された光は、コリメ－タに入射し、平行光に変換され、回折格子に再入射する。入射した光は２回目の分散分光により回折光として回折格子から出射する。出射した光はコリメ－タにより集光され、出射スリットにより取り出される。

図６は、回折格子における光の回折及び反射の様子を示した模式図である。出射スリットにより取り出される波長は、回折格子の角度を制御することで選択可能である。当該波長は、以下の式１により示される。

ｍ・λ1＝ｄ・cosθ・（sinα＋sinβ）・・・・（式１）

ここで、ｍは、回折次数である。λ1は、光の波長である。ｄは、回折格子の格子間隔である。αは、図６に示すとおり、回折格子の反射面に対する被測定光の入射角である。βは、図６に示すとおり、回折格子の反射面に対する回折光の出射角である。θは、図６に示すとおり、回折格子の刻線の延在方向に沿った光の入射角及び反射角である。

回折格子の反射光のうち分散方向については、回折格子の回転角を制御することで、取り出す波長が選択可能となる。本明細書において、「分散方向」は、回折格子において一方向に延在する刻線が配列されている配列方向を含み、例えば図６の方向ｄ１を含む。一方で、非分散方向については回転角に依存せず、光は、平面鏡と同様に入射角θと反射角θとが互いに一致する関係で反射する。本明細書において、「非分散方向」は、回折格子において一方向に延在する刻線の延在方向を含み、例えば図６の方向ｄ２を含む。非分散方向における光の出射角は、回折格子の回転角に依存せずに一定である。

仮に、回折格子において一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに平行にならず、角度γだけ傾きをもった状態で回折格子が駆動装置に取り付けられていた場合、非分散方向における光の出射角は、角度γだけ変化する。このとき、回折格子が角度α１だけ回転すると、角度γの出射角成分はγ/cosα１の関係式で変化することになる。

出射角が変化した回折光はコリメ－タにより集光される。その集光位置の非分散方向におけるずれの量は、sin（γ/cosα１）に比例することとなる。集光位置は、回転角である角度α１に依存して変化することになる。その結果、回折光は、回折格子の所定の回転角によっては、その後の光路に配置されているスリットを通過できなかったり、受光素子に入射することができなかったりする。したがって、分光器としての光の選択及び取り出しが正常に機能しなくなり、装置として成り立たない。スリット幅を広げることでこのような光の通過の妨げを抑制することも可能であるが、この場合、必要となる光以外の成分もスリットを通過しやすくなってしまい、結果的に分光器としての光学特性が低下することになる。

以上のような問題点を避けるために、回折格子の回転に依存せずに、刻線の延在方向における出射角が一定となるようにする必要がある。すなわち、一方向に延在する刻線と回転軸とが互いに理想的な平行状態に近づくように、回折格子を駆動装置に取り付ける必要がある。通常、駆動装置と回折格子とは別部品として構成されているため、理想的な平行状態に近づけるための取付作業には、多くの時間が費やされる。

本開示は、以上のような問題点を解決するために、回折格子を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる第１光学系、分光器、及び光学装置を提供することを目的とする。以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る分光器１の概略構成を示す模式図である。図２は、図１の光学系１０の概略構成のみを示す模式図である。図１及び図２を参照しながら、第１実施形態に係る分光器１の構成及び機能について主に説明する。

分光器１は、回折現象を利用して、光ファイバ２から入射した光の中から特定波長の回折光のみを取り出す。分光器１は、大きな構成要素として、光学系１０と、回折格子３と、スリット４と、受光素子５と、を有する。

光学系１０は、光ファイバ２から光路に沿って順に配置されている、第１レンズ１１１、第２レンズ１１２、ミラー１２、ミラー１３、第３レンズ１１３、及び第４レンズ１１４を有する。

第１レンズ１１１は、入射スリットを兼ねた光ファイバ２から入射した光Ｌ０を平行光化して、回転軸Ｃを中心に回転可能な回折格子３へと導く。第１レンズ１１１は、回折格子３で回折した第１回折光Ｌ１に作用し、第１焦点ｆ１に第１回折光Ｌ１を集光する。第２レンズ１１２は、第１レンズ１１１により第１焦点ｆ１に集光され、再度拡散する第１回折光Ｌ１を平行光化する。

一対のミラー１２、１３は、第２レンズ１１２を通過した第１回折光Ｌ１を回折格子３へと折り返す。ミラー１２は、第２レンズ１１２により平行光となった第１回折光Ｌ１を９０°の角度又は９０°に近似する角度でミラー１３に向けて反射させる。ミラー１３は、ミラー１２で反射した第１回折光Ｌ１を第３レンズ１１３に向けて９０°の角度又は９０°に近似する角度でさらに反射させる。

第３レンズ１１３は、一対のミラー１２、１３により折り返された第１回折光Ｌ１を第２焦点ｆ２に集光する。第４レンズ１１４は、第３レンズ１１３により第２焦点ｆ２に集光され、再度拡散する第１回折光Ｌ１を平行光化して回折格子３へと導く。第４レンズ１１４は、回折格子３で回折した第２回折光Ｌ２に作用し、第３焦点ｆ３に第２回折光Ｌ２を集光する。

スリット４は、回折格子３で回折した第２回折光Ｌ２が第４レンズ１１４により集光される第３焦点ｆ３に位置する。スリット４は、特定波長の第２回折光Ｌ２のみを取り出す。受光素子５は、スリット４を通過した特定波長の第２回折光Ｌ２のみを受光する。分光器１は、受光素子５で受光した第２回折光Ｌ２の光強度を測定する。

第１レンズ１１１と第４レンズ１１４とは、互いに略同一の第１焦点距離を有する。すなわち、第１レンズ１１１と第４レンズ１１４とは、互いに同一の、又は近似する第１焦点距離を有する。第２レンズ１１２と第３レンズ１１３とは、互いに略同一の第２焦点距離を有する。すなわち、第２レンズ１１２と第３レンズ１１３とは、互いに同一の、又は近似する第２焦点距離を有する。第１焦点距離は、第２焦点距離よりも長い。

図２に示すとおり、第１焦点ｆ１から第２焦点ｆ２までの光路に沿った距離は、所定条件により定まる。所定条件は、回折格子３において一方向に延在する刻線と回転軸Ｃとがなす角度に依存する第１回折光Ｌ１の集光位置のずれが、第１焦点ｆ１と第２焦点ｆ２との間で互いに反転する条件を含む。より具体的には、所定条件は、上記距離が第２焦点距離ｆの略４倍であるという条件を含む。すなわち、所定条件は、上記距離が第２焦点距離ｆの４倍又は４に近似する値で乗算された第２焦点距離ｆの倍数であるという条件を含む。

所定条件は、第１焦点ｆ１から第２焦点ｆ２までの光路に沿った距離が第２焦点距離ｆの略４倍であるという条件に限定されず、第２焦点ｆ２を通過して拡散する第１回折光Ｌ１が第４レンズ１１４の大きさ内に収まるのであれば、任意の条件を含んでもよい。

以上のような第１実施形態によれば、回折格子３を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になる。光学系１０及び分光器１では、回折格子３において一方向に延在する刻線と回転軸Ｃとが互いに平行になっていない場合であっても、これらがなす角度及び回折格子３の回転角に依存する非分散方向における集光位置のずれの量が光学系１０全体として見ればゼロとなる。

より具体的には、第１回折光Ｌ１の第２焦点ｆ２での集光位置の非分散方向におけるずれは、第１回折光Ｌ１の第１焦点ｆ１での集光位置の非分散方向におけるずれに対して反転する。第１回折光Ｌ１が回折格子３でさらに回折することで第１焦点ｆ１でのずれと同一のずれが第３焦点ｆ３において第２回折光Ｌ２に生じるので、第２焦点ｆ２におけるずれと打ち消し合って第３焦点ｆ３ではずれがゼロとなる。

これにより、回折格子３が回転軸Ｃに対して理想的な平行状態となるように駆動装置に取り付けられていなくても、第２回折光Ｌ２の非分散方向の焦点位置は、回折格子３の任意の回転角において一定である。したがって、特定波長の第２回折光Ｌ２は、光学系１０の後の光路に配置されているスリット４を回折格子３の回転角に依存せずに通過可能である。第２回折光Ｌ２は、スリット４の後の光路に配置されている受光素子５に、回折格子３の回転角に依存せずに入射可能である。

このように、回折格子３において一方向に延在する刻線と回転軸Ｃとが互いに理想的な平行状態になっていなくても、分光器１は装置として正常に機能する。すなわち、回転軸Ｃに対する回折格子３の状態について、理想的な平行状態からのずれの許容度が向上する。したがって、駆動装置への回折格子３の取付作業に対して高い精度が要求されない。結果として、このような取付作業が容易になり、取付作業を短時間で行うことが可能となる。以上のように作業コストが低下することで、分光器１及び分光器１が搭載される光学装置等は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

図３は、回折格子３に光が入射する様子を示した模式図である。図３を参照しながら、上述した効果を数式も用いながらより厳密に説明する。

回折格子３における刻線の延在方向が回転軸Ｃに対して角度γでずれている場合、第１レンズ１１１により集光される第１回折光Ｌ１の第１焦点ｆ１での非分散方向の集光位置は、角度γがゼロであるときの位置と比較して、f（sinθ-sin（γ/cosα））により表される。ここで、ｆは、第２焦点距離である。θは、回折格子３の刻線の延在方向に沿った光の入射角である。αは、回折格子３の反射面の垂線と入射する光の分散方向成分とがなす角度である。第１焦点ｆ１における第１回折光Ｌ１の集光位置は、角度γがゼロであるときと比較して、光軸に直交する方向、例えば図２の紙面において左右方向に-sin（γ/cosα）に比例する量だけずれることになる。

第１レンズ１１１による第１焦点ｆ１での集光位置のこのようなずれは、第２レンズ１１２、一対のミラー１２、１３、及び第３レンズ１１３を第１回折光Ｌ１が通過することで、+sin（γ/cosα）に比例する量に反転する。より具体的には、第１回折光Ｌ１の第２焦点ｆ２での非分散方向の集光位置は、f（sinθ+sin（γ/cosα））により表される。

第２焦点ｆ２においてf（sinθ+sin（γ/cosα））により表される集光位置から第４レンズ１１４に入射した第１回折光Ｌ１は、平行光に変換されて回折格子３に再入射する。このとき、回折格子３に対する光Ｌ０の最初の入射と同様に、第３焦点ｆ３における第２回折光Ｌ２の集光位置は、-sin（γ/cosα）に比例する量だけずれることになる。したがって、第２焦点ｆ２で発生した、符号を反転させた+sin（γ/cosα）に比例する誤差は、２回目の回折格子３での反射により生じる-sin（γ/cosα）に比例する誤差と相殺される。

結果として、第４レンズ１１４により集光される第２回折光Ｌ２の集光位置は、ｆ（sinθ）で表され、角度γに依存しない。すなわち、これは、回転軸Ｃが回折格子３における刻線の延在方向と平行であり、角度γがゼロである場合の集光位置に対応する。第２回折光Ｌ２の集光位置は、回折格子３の回転角に依存せず一定である。

第１焦点ｆ１から第２焦点ｆ２までの光路に沿った距離が第２焦点距離ｆの略４倍であるという条件を所定条件が含むことで、第３レンズ１１３の第２焦点ｆ２から第１回折光Ｌ１が進む方向の角度は、第２レンズ１１２に入射する第１回折光Ｌ１の方向の角度と一致する。したがって、第４レンズ１１４として第１レンズ１１１と同一の大きさのものを使用すれば第１回折光Ｌ１が第４レンズ１１４を確実に通過する。したがって、ユーザは、第４レンズ１１４として第１レンズ１１１と同一のものを使用することができる。

第１焦点距離が第２焦点距離ｆよりも長いことで、第１回折光Ｌ１の集光位置と第１レンズ１１１との距離が大きくなる。同様に、第２回折光Ｌ２の集光位置と第４レンズ１１４との距離が大きくなる。したがって、一の波長に基づく回折光の集光位置と、他の波長に基づく回折光の集光位置との間の距離が各焦点において大きくなる。したがって、スリット幅が細いスリット４を使用しても、第２回折光Ｌ２について特定波長のみを容易に取り出すことが可能となる。したがって、分光器１による波長の選択精度が向上する。

（第２実施形態）
図４は、本開示の第２実施形態に係る分光器１の概略構成を示す模式図である。図４を参照しながら、第２実施形態に係る分光器１の構成及び機能について主に説明する。

第２実施形態では、第１光学系としての光学系１０に加えて第２光学系２０を分光器１が有し、２回ではなく４回にわたって回折格子３により光が回折する点で第１実施形態と相違する。その他の構成、機能、効果、及び変形例等については、第１実施形態と同様であり、対応する説明が第２実施形態に係る分光器１においても当てはまる。以下では、第１実施形態と同様の構成部については同一の符号を付し、その説明を省略する。第１実施形態とは異なる構成及び機能について主に説明する。

第２実施形態に係る分光器１は、第１実施形態に係る分光器１のスリット４と受光素子５との間に第２光学系２０を含むさらなる光学系を有する。分光器１は、第１光学系としての光学系１０と、回折格子３と、第１スリット４ａと、レンズ６と、ミラー７と、ミラー８と、レンズ９と、第２光学系２０と、第２スリット４ｂと、受光素子５と、を有する。

レンズ６は、第１スリット４ａを通過して、再度拡散する特定波長の第２回折光Ｌ２を平行光化する。一対のミラー７、８は、レンズ６を通過した第２回折光Ｌ２を回折格子３へと折り返す。ミラー７は、レンズ６により平行光となった第２回折光Ｌ２を９０°の角度又は９０°に近似する角度でミラー８に向けて反射させる。ミラー８は、ミラー７で反射した第２回折光Ｌ２をレンズ９に向けて９０°の角度又は９０°に近似する角度でさらに反射させる。レンズ９は、一対のミラー７、８により折り返された第２回折光Ｌ２を焦点ｆ０に集光する。

第２光学系２０は、焦点ｆ０に集光した第２回折光Ｌ２の光路に沿って順に配置されている、第５レンズ２１１、第６レンズ２１２、ミラー２２、ミラー２３、第７レンズ２１３、及び第８レンズ２１４を有する。

第５レンズ２１１は、光学系１０の第４レンズ１１４により第３焦点ｆ３に集光された第２回折光Ｌ２を平行光化して回折格子３へと導く。より具体的には、第５レンズ２１１は、レンズ９により焦点ｆ０に集光され、再度拡散する第２回折光Ｌ２を平行光化して回折格子３へと導く。第５レンズ２１１は、回折格子３で回折した第３回折光Ｌ３に作用し、第４焦点ｆ４に第３回折光Ｌ３を集光する。第６レンズ２１２は、第５レンズ２１１により第４焦点ｆ４に集光され、再度拡散する第３回折光Ｌ３を平行光化する。

一対のミラー２２、２３は、第６レンズ２１２を通過した第３回折光Ｌ３を回折格子３へと折り返す。ミラー２２は、第６レンズ２１２により平行光となった第３回折光Ｌ３を９０°の角度又は９０°に近似する角度でミラー２３に向けて反射させる。ミラー２３は、ミラー２２で反射した第３回折光Ｌ３を第７レンズ２１３に向けて９０°の角度又は９０°に近似する角度でさらに反射させる。

第７レンズ２１３は、一対のミラー２２、２３により折り返された第３回折光Ｌ３を第５焦点ｆ５に集光する。第８レンズ２１４は、第７レンズ２１３により第５焦点ｆ５に集光され、再度拡散する第３回折光Ｌ３を平行光化して回折格子３へと導く。第８レンズ２１４は、回折格子３で回折した第４回折光Ｌ４に作用し、第６焦点ｆ６に第４回折光Ｌ４を集光する。

第２スリット４ｂは、回折格子３で回折した第４回折光Ｌ４が第８レンズ２１４により集光される第６焦点ｆ６に位置する。第２スリット４ｂは、特定波長の第４回折光Ｌ４のみを取り出す。受光素子５は、第２スリット４ｂを通過した特定波長の第４回折光Ｌ４のみを受光する。分光器１は、受光素子５で受光した第４回折光Ｌ４の光強度を測定する。

第５レンズ２１１と第８レンズ２１４とは、互いに略同一の第３焦点距離を有する。すなわち、第５レンズ２１１と第８レンズ２１４とは、互いに同一の、又は近似する第３焦点距離を有する。第６レンズ２１２と第７レンズ２１３とは、互いに略同一の第４焦点距離を有する。すなわち、第６レンズ２１２と第７レンズ２１３とは、互いに同一の、又は近似する第４焦点距離を有する。第３焦点距離は、第４焦点距離よりも長い。第３焦点距離は第１焦点距離と同一であってもよい。第４焦点距離は第２焦点距離と同一であってもよい。

図２と同様に、第４焦点ｆ４から第５焦点ｆ５までの光路に沿った距離は、所定条件により定まる。所定条件は、回折格子３において一方向に延在する刻線と回転軸Ｃとがなす角度に依存する第３回折光Ｌ３の集光位置のずれが、第４焦点ｆ４と第５焦点ｆ５との間で互いに反転する条件を含む。より具体的には、所定条件は、上記距離が第４焦点距離ｆの略４倍であるという条件を含む。すなわち、所定条件は、上記距離が第４焦点距離ｆの４倍又は４に近似する値で乗算された第４焦点距離ｆの倍数であるという条件を含む。

所定条件は、第４焦点ｆ４から第５焦点ｆ５までの光路に沿った距離が第４焦点距離ｆの略４倍であるという条件に限定されず、第５焦点ｆ５を通過して拡散する第３回折光Ｌ３が第８レンズ２１４の大きさ内に収まるのであれば、任意の条件を含んでもよい。

以上のような第２実施形態に係る分光器１によれば、回折格子３による回折の回数が増えることで、より波長精度を向上させて光を取り出すことができる。すなわち、分光器１による光の波長の測定誤差が小さくなる。

第４焦点ｆ４から第５焦点ｆ５までの光路に沿った距離が第４焦点距離ｆの略４倍であるという条件を所定条件が含むことで、第７レンズ２１３の第５焦点ｆ５から第３回折光Ｌ３が進む方向の角度は、第６レンズ２１２に入射する第３回折光Ｌ３の方向の角度と一致する。したがって、第８レンズ２１４として第５レンズ２１１と同一の大きさのものを使用すれば第３回折光Ｌ３が第８レンズ２１４を確実に通過する。したがって、ユーザは、第８レンズ２１４として第５レンズ２１１と同一のものを使用することができる。

第３焦点距離が第４焦点距離ｆよりも長いことで、第３回折光Ｌ３の集光位置と第５レンズ２１１との距離が大きくなる。同様に、第４回折光Ｌ４の集光位置と第８レンズ２１４との距離が大きくなる。したがって、一の波長に基づく回折光の集光位置と、他の波長に基づく回折光の集光位置との間の距離が各焦点において大きくなる。したがって、スリット幅が細い第２スリット４ｂを使用しても、第４回折光Ｌ４について特定波長のみを容易に取り出すことが可能となる。したがって、分光器１による波長の選択精度が向上する。

回折格子３で回折した第４回折光Ｌ４が第８レンズ２１４により集光される第６焦点ｆ６に位置する第２スリット４ｂを分光器１が有することで、第６焦点ｆ６に集光した特定波長の第４回折光Ｌ４のみを容易に取り出すことが可能となる。

（第３実施形態）
図５は、本開示の第３実施形態に係る分光器１の概略構成を示す模式図である。図５を参照しながら、第３実施形態に係る分光器１の構成及び機能について主に説明する。

第３実施形態では、光が単一の回折格子３ではなく一対の第１回折格子３ａ及び第２回折格子３ｂによって回折する点で第２実施形態と相違する。その他の構成、機能、効果、及び変形例等については、第２実施形態と同様であり、対応する説明が第３実施形態に係る分光器１においても当てはまる。以下では、第２実施形態と同様の構成部については同一の符号を付し、その説明を省略する。第２実施形態とは異なる構成及び機能について主に説明する。

回折格子３は、第１光学系としての光学系１０と共に光に対して光学的に作用する第１回折格子３ａと、第２光学系２０と共に光に対して光学的に作用する第２回折格子３ｂと、を有する。より具体的には、第１回折格子３ａは、光Ｌ０に作用して第１回折光Ｌ１を生じさせる。第１回折格子３ａは、第１回折光Ｌ１に作用して第２回折光Ｌ２を生じさせる。第２回折格子３ｂは、第２回折光Ｌ２に作用して第３回折光Ｌ３を生じさせる。第２回折格子３ｂは、第３回折光Ｌ３に作用して第４回折光Ｌ４を生じさせる。第１回折格子３ａと第２回折格子３ｂとは互いに別体として構成されている。

以上のような第３実施形態に係る分光器１によれば、第１実施形態における効果がより顕著となる。例えば、従来技術において２つの回折格子３を駆動装置に取り付ける場合、回折格子３における刻線の延在方向が回転軸Ｃと平行になるように各回折格子３を駆動装置に取り付ける作業は、１つの回折格子３のときと比較してさらに複雑になる。第３実施形態に係る分光器１によれば、各回折格子３について取付作業の高い精度が要求されない。したがって、回折格子３を駆動装置に取り付けるときの作業が容易になるという効果が、１つの回折格子３のときよりもさらに顕著となる。

加えて、２つの回折格子３を用いると、サイズが大きい単一の回折格子３を用いるときと比較して、コストがより低下する。したがって、分光器１及び分光器１が搭載される光学装置等は、高性能化を容易としつつ、製品として安価になる。

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

上記各実施形態において、第１焦点距離は第２焦点距離ｆよりも長いと説明したが、これに限定されない。第１焦点距離は第２焦点距離ｆ以下であってもよい。

上記各実施形態において、第３焦点距離は第４焦点距離ｆよりも長いと説明したが、これに限定されない。第３焦点距離は第４焦点距離ｆ以下であってもよい。

上記第２実施形態及び第３実施形態において、分光器１は、第１スリット４ａ及び第２スリット４ｂを有すると説明したが、これに限定されない。分光器１は、第１スリット４ａを有さずに第２スリット４ｂのみを有してもよい。

上記各実施形態において、第１レンズ１１１及び第４レンズ１１４は、それぞれ光を平行光に変換して回折格子３に入射させるレンズとしての機能と、回折光を集光するレンズとしての機能の両方を１つのレンズで有すると説明したが、これに限定されない。これらの機能は、互いに焦点距離が略同一である２つの異なるレンズによりそれぞれ実現されてもよい。

上記第２実施形態及び第３実施形態において、第５レンズ２１１及び第８レンズ２１４は、それぞれ光を平行光に変換して回折格子３に入射させるレンズとしての機能と、回折光を集光するレンズとしての機能の両方を１つのレンズで有すると説明したが、これに限定されない。これらの機能は、互いに焦点距離が略同一である２つの異なるレンズによりそれぞれ実現されてもよい。

上記各実施形態において、回折格子３からの回折光の反射先にその伝搬方向に略直角に配置された平面鏡が配置されていてもよい。これにより、回折光を再度回折格子３に入射させることが容易となり、回折の回数が増える。したがって、波長の選択性がより向上する。

上記各実施形態において、分光器１は、光スペクトラムアナライザ等の任意の光学装置に搭載されてもよい。

１ 分光器
２ 光ファイバ
１０ 光学系（第１光学系）
１１１ 第１レンズ
１１２ 第２レンズ
１１３ 第３レンズ
１１４ 第４レンズ
１２ ミラー（第１ミラー）
１３ ミラー（第１ミラー）
２０ 第２光学系
２１１ 第５レンズ
２１２ 第６レンズ
２１３ 第７レンズ
２１４ 第８レンズ
２２ ミラー（第２ミラー）
２３ ミラー（第２ミラー）
３ 回折格子
３ａ 第１回折格子
３ｂ 第２回折格子
４ スリット（第１スリット）
４ａ 第１スリット
４ｂ 第２スリット
５ 受光素子
６ レンズ
７ ミラー
８ ミラー
９ レンズ
Ｃ 回転軸
Ｌ０ 光
Ｌ１ 第１回折光
Ｌ２ 第２回折光
Ｌ３ 第３回折光
Ｌ４ 第４回折光
ｄ１ 方向
ｄ２ 方向
ｆ０ 焦点
ｆ１ 第１焦点
ｆ２ 第２焦点
ｆ３ 第３焦点
ｆ４ 第４焦点
ｆ５ 第５焦点
ｆ６ 第６焦点

Claims (10)

1. 入射した光を平行光化して、回転軸を中心に回転可能な回折格子へと導く第１レンズと、
   前記回折格子で回折した第１回折光であって、前記第１レンズにより第１焦点に集光された前記第１回折光を平行光化する第２レンズと、
   前記第２レンズを通過した前記第１回折光を前記回折格子へと折り返す一対の第１ミラーと、
   前記一対の第１ミラーにより折り返された前記第１回折光を第２焦点に集光する第３レンズと、
   前記第３レンズにより集光された前記第１回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第４レンズと、
   を備え、
   前記第１レンズと前記第４レンズとは、互いに略同一の第１焦点距離を有し、
   前記第２レンズと前記第３レンズとは、互いに略同一の第２焦点距離を有し、
   前記第１焦点から前記第２焦点までの光路に沿った第１距離は、第１所定条件を満たし、
   前記第１所定条件は、前記回折格子において一方向に延在する刻線と前記回転軸とがなす角度に依存する前記第１回折光の集光位置のずれが、前記第１焦点と前記第２焦点との間で互いに反転する条件を含む、
   第１光学系。
2. 前記第１距離は、前記第２焦点距離の略４倍である、
   請求項１に記載の第１光学系。
3. 前記第１焦点距離は、前記第２焦点距離よりも長い、
   請求項１又は２に記載の第１光学系。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の第１光学系と、
   前記回折格子と、
   前記回折格子で回折した第２回折光が前記第４レンズにより集光される第３焦点に位置する第１スリットと、
   を備える、
   分光器。
5. 第２光学系をさらに備え、
   前記第２光学系は、
   前記第４レンズにより前記第３焦点に集光された前記第２回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第５レンズと、
   前記回折格子で回折した第３回折光であって、前記第５レンズにより第４焦点に集光された前記第３回折光を平行光化する第６レンズと、
   前記第６レンズを通過した前記第３回折光を前記回折格子へと折り返す一対の第２ミラーと、
   前記一対の第２ミラーにより折り返された前記第３回折光を第５焦点に集光する第７レンズと、
   前記第７レンズにより集光された前記第３回折光を平行光化して前記回折格子へと導く第８レンズと、
   を備え、
   前記第５レンズと前記第８レンズとは、互いに略同一の第３焦点距離を有し、
   前記第６レンズと前記第７レンズとは、互いに略同一の第４焦点距離を有し、
   前記第４焦点から前記第５焦点までの光路に沿った第２距離は、第２所定条件を満たし、
   前記第２所定条件は、前記刻線と前記回転軸とがなす角度に依存する前記第３回折光の集光位置のずれが、前記第４焦点と前記第５焦点との間で互いに反転する条件を含む、
   請求項４に記載の分光器。
6. 前記第２距離は、前記第４焦点距離の略４倍である、
   請求項５に記載の分光器。
7. 前記第３焦点距離は、前記第４焦点距離よりも長い、
   請求項５又は６に記載の分光器。
8. 前記回折格子で回折した第４回折光が前記第８レンズにより集光される第６焦点に位置する第２スリットを備える、
   請求項５乃至７のいずれか１項に記載の分光器。
9. 前記回折格子は、
   前記第１光学系と共に光に対して光学的に作用する第１回折格子と、
   前記第２光学系と共に光に対して光学的に作用する第２回折格子と、
   を備え、
   前記第１回折格子と前記第２回折格子とは互いに別体として構成されている、
   請求項５乃至８のいずれか１項に記載の分光器。
10. 請求項５乃至９のいずれか１項に記載の分光器を備える光学装置。

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