JP7472637B2 - Spectrometer - Google Patents
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Description
本発明は、紫外可視光分光光度計や原子吸光分光光度計等の分光光度計、波長可変単色光源(Tunable Monochromatic Light Source)等に組み込まれる分光器に関する。 The present invention relates to a spectrometer that is incorporated into a spectrophotometer such as an ultraviolet-visible spectrophotometer or an atomic absorption spectrophotometer, a tunable monochromatic light source, etc.
試料の定性・定量分析を行う装置として紫外可視光分光光度計や原子吸光分光光度計等の分光光度計が知られている。分光光度計は、所定の波長の単色光を試料に照射し、そのときの透過光量を測定することで所定波長における吸光度を求め、試料の定性・定量分析を行う。分光光度計では、所定波長の単色光を得るために通常、分光器(モノクロメータ)が用いられている。 Spectrophotometers, such as ultraviolet-visible spectrophotometers and atomic absorption spectrophotometers, are known as devices for qualitative and quantitative analysis of samples. Spectrophotometers irradiate a sample with monochromatic light of a specified wavelength and measure the amount of light transmitted at that time to determine the absorbance at the specified wavelength, thereby performing qualitative and quantitative analysis of the sample. In spectrophotometers, a spectroscope (monochromator) is usually used to obtain monochromatic light of the specified wavelength.
分光器は、入口スリット及び出口スリットを有する筐体、該筐体内に収容された回折格子(波長分散素子)、入口スリットから入射した光に対する回折格子の角度を変えるための回転駆動機構を備えており、入口スリットから入射した光を回折格子に照射し、該回折格子で波長分散された光のうち特定の方向に進む光のみを出口スリットから取り出す。回折格子の回転角度位置を適宜の位置に調整することにより任意の目的とする波長(目的波長)の単色光を取り出すことができる(特許文献1)。回折格子の回転角度位置は通常、波長を変数とする演算式に基づき算出される。前記演算式は、分光器偏角(回折格子の入射光と出射光がなす角度)や回折格子の溝間隔等をパラメータとするものであり、分光器毎に設定される。 The spectrometer is equipped with a housing having an entrance slit and an exit slit, a diffraction grating (wavelength dispersion element) housed in the housing, and a rotation drive mechanism for changing the angle of the diffraction grating with respect to the light incident from the entrance slit. The light incident from the entrance slit is irradiated onto the diffraction grating, and only the light traveling in a specific direction among the light dispersed by the diffraction grating is extracted from the exit slit. By adjusting the rotation angle position of the diffraction grating to an appropriate position, monochromatic light of any desired wavelength (target wavelength) can be extracted (Patent Document 1). The rotation angle position of the diffraction grating is usually calculated based on an arithmetic formula with the wavelength as a variable. The arithmetic formula has parameters such as the spectrometer deviation angle (the angle between the incident light and the outgoing light of the diffraction grating) and the groove spacing of the diffraction grating, and is set for each spectrometer.
このような分光器では、入口スリットや出口スリット、回折格子、回転駆動機構等を筐体に取り付ける際には取り付け誤差が発生する。そこで、取り付け誤差を校正するために、製品を工場から出荷する前に様々な調整作業が行われる。 In such spectrometers, installation errors occur when attaching the entrance slit, exit slit, diffraction grating, rotation drive mechanism, etc. to the housing. Therefore, in order to calibrate the installation errors, various adjustment procedures are performed before the product is shipped from the factory.
調整作業の一つに回折格子で波長分散された光の光軸の調整作業がある。これは、He-Neレーザ等を光源として用い、該光源から入口スリットを通して筐体内に入射するレーザ光(He-Neレーザの場合、波長632.8nm)の回折光が出口スリットのほぼ中央を通過するように、回折格子の回折溝の方向及びあおり方向(回折溝の方向と垂直な方向)の傾きを調整する作業である。具体的には、筐体の入口スリットのすぐ外側に的(まと)部材を設置し、光源からの光が的部材の中央に入射することを目視で確認した後、的部材を取り除き、該光源からの光を入口スリットから筐体内に入射させる。次に、筐体の出口スリットの外側に的(まと)部材を配置し、0次光が的部材の中央に入射するように目視で確認しつつ、回折格子のあおり方向の傾きを調整する。その後、1次回折光が的部材の中央に入射するように、回折格子の溝方向の傾きを調整する。 One of the adjustment tasks is to adjust the optical axis of the light that has been wavelength-dispersed by the diffraction grating. This is a task of adjusting the direction of the diffraction grooves of the diffraction grating and the tilt direction (perpendicular to the direction of the diffraction grooves) so that the diffracted light of the laser light (wavelength 632.8 nm in the case of a He-Ne laser) that enters the housing from the light source through the entrance slit passes through approximately the center of the exit slit. Specifically, a target member is placed just outside the entrance slit of the housing, and after visually confirming that the light from the light source enters the center of the target member, the target member is removed and the light from the light source is allowed to enter the housing from the entrance slit. Next, a target member is placed outside the exit slit of the housing, and the tilt of the tilt direction of the diffraction grating is adjusted while visually confirming that the zeroth order light enters the center of the target member. After that, the tilt of the groove direction of the diffraction grating is adjusted so that the first order diffracted light enters the center of the target member.
ところで、取り回し自由度の高さから、筐体に対する光の入出射に光ファイバが用いられる場合がある。この場合、大光量を必要としない装置に組み込まれる分光器においては、高価なバンドルファイバではなく、汎用の光ファイバがFCコネクタやSMAコネクタ等の一般的なコネクタを用いて筐体に接続される。ところが、上述した光軸調整作業を行った分光器では、コネクタを用いて出口スリットに光ファイバを接続した場合に、該出口スリットから取り出される1次回折光の光量が低下し、分光光度計に組み込んだ場合に所定の分析精度や分析感度を得るために十分な光量が得られないことがあった。 In some cases, optical fibers are used to input and output light to and from the housing, due to their high degree of freedom in handling. In such cases, in spectrometers incorporated into devices that do not require a large amount of light, general-purpose optical fibers are connected to the housing using common connectors such as FC connectors and SMA connectors, rather than expensive bundle fibers. However, in spectrometers that have undergone the above-mentioned optical axis adjustment work, when an optical fiber is connected to the exit slit using a connector, the amount of first-order diffracted light extracted from the exit slit decreases, and when incorporated into a spectrophotometer, a sufficient amount of light cannot be obtained to obtain the required analytical accuracy and analytical sensitivity.
本発明が解決しようとする課題は、光軸調整に用いられた波長に限らず、様々な波長において十分な光量の1次回折光を分光器から取り出すことができるようにすることである。 The problem that this invention aims to solve is to make it possible to extract a sufficient amount of first-order diffracted light from a spectroscope at various wavelengths, not just the wavelength used for optical axis adjustment.
上記課題を解決するために成された本発明に係る分光器は、
入口及び出口を有する筐体と、
前記筐体内に配置された、前記入口から入射した光を波長分散して目的波長の光を前記出口から出射させる波長分散素子と、
前記波長分散素子を回転する回転駆動機構と、
前記目的波長に対応する前記波長分散素子の回転角度位置を算出するための演算式を記憶する記憶部と、
前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置するように前記回転駆動機構に該波長分散素子を回転させる制御部とを備え、
第1の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第1の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過し、且つ、前記第1の波長とは異なる波長である第2の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第2の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の前記所定範囲を通過するように、前記筐体内に前記波長分散素子及び回転駆動機構が設定されているものである。
The spectrometer according to the present invention, which has been made to solve the above problems, comprises:
a housing having an inlet and an outlet;
a wavelength dispersion element disposed within the housing, which disperses the wavelength of light incident from the inlet and outputs light of a target wavelength from the outlet;
a rotation drive mechanism that rotates the wavelength dispersion element;
a storage unit that stores an arithmetic expression for calculating a rotation angle position of the wavelength dispersion element corresponding to the target wavelength;
a control unit that causes the rotary drive mechanism to rotate the wavelength dispersion element so that the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic expression,
The wavelength dispersion element and the rotation drive mechanism are set within the housing such that, in a state where the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a first wavelength as the target wavelength, when light containing light of the first wavelength is incident from the inlet, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet, and, in a state where the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a second wavelength which is different from the first wavelength as the target wavelength, when light containing light of the second wavelength is incident from the inlet, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through the predetermined range of the outlet.
ここで、前記第1の波長の光を含む光、前記第2の波長の光を含む光は、単色光及び多色光(多波長光)のいずれでもよく、指向性を有する光、無指向性の光のどちらでもよい。指向性を有する光としては、レーザ光、スリット等を用いて機械的に指向性を付与した光等が挙げられる。また、前記第1の波長の光を含む光と前記第2の波長の光を含む光は、同じでもよく異なっていてもよい。 Here, the light including the light of the first wavelength and the light including the light of the second wavelength may be either monochromatic light or polychromatic light (multi-wavelength light), and may be either directional light or non-directional light. Examples of directional light include laser light, light mechanically given directionality using a slit, etc. Furthermore, the light including the light of the first wavelength and the light including the light of the second wavelength may be the same or different.
本発明に係る分光器は、次のようにして得られる。
製品を工場から出荷する前の光軸調整において、まずは、第1の波長を目的波長として設定する。これにより、回転駆動機構は、演算式から算出された第1の波長に対応する回転角度位置に波長分散素子が位置するように該波長分散素子を回転させる。そして、この状態で前記第1の波長の光を含む光を前記入口から入射させると、その光は前記波長分散素子によって波長分散され、その分散された光の一部である第1の波長の光が前記波長分散素子から前記出口に向かって進行するため、その光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過するように、波長分散素子及び回転駆動機構の配置を調整する。続いて、第2の波長についても、第1の波長と同じ手順で、波長分散素子から出口に向かう第2の波長の光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過するように、波長分散素子及び回転駆動機構の配置を調整する。このとき、波長分散素子及び回転駆動機構の配置を変更しなくても、波長分散素子によって分散されて出口に向かう第2の波長の光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過する場合は、光軸調整作業を終了する。一方、第2の波長を目的波長に設定したときに波長分散素子及び回転駆動機構の配置を変更した場合は、再度、第1の波長を目的波長に設定して上述した作業を行い、第1の波長が波長分散素子によって分散されて出口に向かう光の光軸が出口の所定範囲を通過するか否かを確認する。そして、その光の光軸が出口の所定範囲を通過した場合は、光軸調整作業を終了する。要するに、第1及び第2の波長の光が波長分散素子によって分散されて出口に向かう光の両方が該出口の中央の所定範囲を通過したことが確認された時点で光軸調整作業は終了する。
The spectrometer according to the present invention is obtained as follows.
In the optical axis adjustment before the product is shipped from the factory, the first wavelength is set as the target wavelength. As a result, the rotary drive mechanism rotates the wavelength dispersion element so that the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position corresponding to the first wavelength calculated from the arithmetic expression. Then, when light including the light of the first wavelength is incident from the inlet in this state, the light is wavelength-dispersed by the wavelength dispersion element, and the light of the first wavelength, which is a part of the dispersed light, travels from the wavelength dispersion element to the outlet, so that the optical axis of the light passes through a predetermined range in the center of the outlet. Then, the arrangement of the wavelength dispersion element and the rotary drive mechanism is adjusted for the second wavelength as well, in the same procedure as for the first wavelength, so that the optical axis of the light of the second wavelength traveling from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet. At this time, if the optical axis of the light of the second wavelength dispersed by the wavelength dispersion element and traveling to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet without changing the arrangement of the wavelength dispersion element and the rotary drive mechanism, the optical axis adjustment work is terminated. On the other hand, if the arrangement of the wavelength dispersion element and the rotary drive mechanism is changed when the second wavelength is set as the target wavelength, the first wavelength is set as the target wavelength again and the above-mentioned operation is performed to confirm whether the optical axis of the light of the first wavelength dispersed by the wavelength dispersion element and heading toward the outlet passes through the specified range of the outlet. If the optical axis of the light passes through the specified range of the outlet, the optical axis adjustment operation is terminated. In short, the optical axis adjustment operation is terminated at the point in time when it is confirmed that both the light of the first and second wavelengths dispersed by the wavelength dispersion element and heading toward the outlet have passed through the specified range in the center of the outlet.
ここで、第1の波長及び第2の波長とは、所定の条件を満たす波長であることが好ましい。所定の条件については後述する。また、波長分散素子としては回折格子、プリズム等が挙げられる。波長分散素子が回折格子の場合の光軸調整作業は、1次回折光の光軸が出口の中央の所定範囲を通過するように、回折格子の溝方向の傾き、溝方向と垂直な方向であって回折格子の格子面に沿う方向の傾きを調整することになる。波長分散素子から出口に向かう光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過したことは、出口付近に的部材を配置し、その的部材に形成される光のスポットの位置を目視で確認してもよく、出口の所定範囲から出射される光の光量を検出器で検出し、光量が最大となることをもって確認してもよい。 Here, the first wavelength and the second wavelength are preferably wavelengths that satisfy a predetermined condition. The predetermined condition will be described later. Examples of the wavelength dispersion element include a diffraction grating and a prism. When the wavelength dispersion element is a diffraction grating, the optical axis adjustment operation involves adjusting the inclination of the groove direction of the diffraction grating and the inclination of the direction perpendicular to the groove direction and along the grating surface of the diffraction grating so that the optical axis of the first-order diffracted light passes through a predetermined range in the center of the outlet. The fact that the optical axis of the light heading toward the outlet from the wavelength dispersion element has passed through the predetermined range in the center of the outlet may be confirmed by visually checking the position of the spot of light formed on a target member placed near the outlet, or by detecting the amount of light emitted from the predetermined range of the outlet with a detector and confirming that the amount of light is maximized.
本発明に係る分光器では、2つの異なる波長を目的波長としたときに、波長分散素子から出口に向かう目的波長の光の光軸が出口の中央の所定範囲を通過するように波長分散素子及び回転駆動機構が配置されているため、光軸調整に用いられた波長に限らず、様々な目的波長において十分な光量の光を取り出すことができる。 In the spectrometer according to the present invention, when two different wavelengths are set as target wavelengths, the wavelength dispersion element and the rotary drive mechanism are arranged so that the optical axis of light of the target wavelength traveling from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet, so that it is possible to extract a sufficient amount of light at various target wavelengths, not limited to the wavelength used for adjusting the optical axis.
以下、本発明に係る分光器の一実施例について図面を参照して説明する。
図1は、本実施例の分光器100の概略構成図である。分光器100は、入口11及び出口12を備える筐体1と、該筐体1の内部に配置された波長分散素子としての回折格子2、第1反射面33及び第2反射面34を有するミラー3、前記回折格子2を回転させる回転駆動機構5、前記回折格子の回転位置が機械原点位置にあることを検出する原点センサ6、制御部7、入力部8を備えている。
Hereinafter, an embodiment of a spectrometer according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a schematic diagram of a
回転駆動機構5は、ステッピングモータと該ステッピングモータの出力軸の回転を所定の減速比で減速させて回折格子2を回転駆動する減速機構を備える。原点センサ6は例えば反射式の光電式スイッチから成り、これと回折格子2に設けられた突起(図示せず)によって、回折格子2が機械原点に位置することが検出される。原点センサ6の検出信号は制御部7に出力される。
The rotary drive mechanism 5 includes a stepping motor and a reduction mechanism that reduces the rotation of the output shaft of the stepping motor at a predetermined reduction ratio to rotate and drive the diffraction grating 2. The
筐体1の入口11及び出口12にはそれぞれ取付マウント13、14が設けられており、各マウントに入口スリット131及び出口スリット141がそれぞれ着脱可能に装着されている。
筐体1内の出口12の近傍にはフィルタ装置9が配置されている。詳しい図示は省略するが、フィルタ装置9は、円盤91と、該円盤91の外周縁に沿って配置された複数の開口と、これら複数の開口のうち1個を除く複数の開口のそれぞれに取り付けられた光学フィルタ92(図1では1個の光学フィルタのみ示す)と、円盤91を回転するための回転ダイヤル93と回転ダイヤル93の回転位置を検出する回転位置センサ94とを備えている。光学フィルタ92としては、回折格子2からの1次回折光を透過させ、該1次回折光よりも短波長の高次光をカットする次数分離フィルタが用いられる。複数の光学フィルタ92には、それぞれ透過波長帯域が異なる次数分離フィルタが選定される。回転位置センサ94の検出信号は制御部7に出力される。回転ダイヤル93は筐体1の外側に配置されており、該回転ダイヤル93を手動で回転させることにより円盤91が回転され、それにより、回折格子2から出口12に向かう光の光路上に光学フィルタ92のいずれかが配置された状態と開口が配置された状態に切り替えることができる。
A filter device 9 is disposed near the
制御部7は回転駆動機構5の動作を制御するものであって、波長移動制御部71、初期化制御部72、係数設定部73、係数記憶部74、演算式記憶部75などを機能ブロックとして備える。係数記憶部74には、初期化制御部72による初期化処理に使用されるオフセットパルス数C1、並びに波長移動制御部71による波長移動処理に用いられる光学マウント補正係数C2及びフィルタ補正係数C3が記憶されている。また、演算式記憶部75には、波長原点にある回折格子2を目的波長に対応する回転角まで回転させるために必要なステッピングモータの駆動パルス数を算出するための演算式が記憶されている。この演算式は、波長移動制御部71による波長移動処理に用いられる。前記係数記憶部74及び演算式記憶部75が本発明の記憶部に相当する。
The control unit 7 controls the operation of the rotary drive mechanism 5, and includes a wavelength
なお、上記の制御部7の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータにインストールされた専用の制御ソフトウェアをコンピュータ上で動作させることで上記各機能ブロックの機能が実現される。したがって、入力部8はキーボードやマウス等のポインティングデバイスを含む。
The control unit 7 is actually a personal computer, and the functions of each of the functional blocks are realized by running dedicated control software installed on the computer. Therefore, the
オフセットパルス数C1は、回折格子2を機械原点から波長原点まで移動させるために必要なステッピングモータの駆動パルス数である。オフセットパルス数C1は、装置個体毎に異なった値である。また、波長原点は、目的波長が0nmであると仮定したときの回折格子2の回転位置である。
The offset pulse number C1 is the number of drive pulses of the stepping motor required to move the
光学マウント補正係数C2及びフィルタ補正係数C3は、波長原点から目的波長に対応する回転位置まで回折格子2を回転駆動するために必要なパルス数の算出に用いられる。光学マウント補正係数C2及びフィルタ補正係数C3は装置個体毎に異なった値である。フィルタ補正係数C3は、光学フィルタ92の種類毎に異なった値であり、係数記憶部74には、円盤91が有する光学フィルタ92の種類と同じ数のフィルタ補正係数C3が記憶されている。
The optical mount correction coefficient C2 and the filter correction coefficient C3 are used to calculate the number of pulses required to rotate the
波長原点から目的波長に対応する回転位置まで回折格子2を移動させるために必要なステッピングモータの駆動パルス数は以下の演算式(1)を用いて算出される。
P=θ/Res ・・・ (1)
式(1)において、Pは駆動パルス数を、θ(deg)は目的波長に対応する回折格子2の回転角を、Res(deg/pulse)は回折格子2の角度分解能を表している。
The number of drive pulses of the stepping motor required to move the
P = θ / Res ... (1)
In equation (1), P represents the number of drive pulses, θ (deg) represents the rotation angle of the
また、回折格子2の回転角θは、以下の式(2)から求められる。
θ={arcsin(K ×(1+C2)× W1)/π × 180}×C3 ・・・(2)
式(2)中、Kは光学マウント定数を、W1は目的波長を表している。光学マウント定数Kは、回折格子2の偏角、溝本数等によって決まる、装置固有の値である。また、式(2)中、C2、C3は、それぞれ上述した光学マウント補正係数、フィルタ補正係数を表している。
The rotation angle θ of the
θ={arcsin(K×(1+C2)×W1)/π×180}×C3 (2)
In formula (2), K represents the optical mount constant and W1 represents the target wavelength. The optical mount constant K is a value specific to the device, which is determined by the deviation angle and the number of grooves of the
上記構成の分光器100は、工場から出荷される前に光軸調整のための作業が行われる。以下、図5を参照して光軸調整方法について説明する。光軸調整作業は、光軸調整に用いる2つの異なる波長(第1波長λ1及び第2波長λ2)を求めるための第1工程と、第1工程で求められた2つの波長(λ1,λ2)を用いて回折格子2及び回転駆動機構5の配置を調整するための第2工程とを含む。なお、以下に説明する光軸調整作業では、主に、回折格子2の溝方向の傾きが調整される。回折格子2の溝方向の傾きの調整作業に先立ち行われる、回折格子2のあおり方向の傾きを調整する作業は従来と同じであるため、説明を省略する。
The
(1)第1工程
まず、筐体1の入口11の取付マウント13から入口スリット131を取り外し、ハロゲンランプ等の白色光源を単芯光ファイバを介して取付マウント13に接続する。そして、前記白色光源が出射する光を単芯光ファイバを通して筐体1内に入射させる。また、筐体1の出口12の取付マウント14から出口スリット141を取り外し、代わりにフォトダイオードアレイセンサ(以下「フォトセンサ」という)を設置する。そして、光源から出射可能な光の波長範囲内の複数の波長を目的波長として設定し、回転駆動機構5を制御して回折格子2を回転させながら、複数の目的波長のそれぞれについて、その1次回折光の前記フォトセンサの受光面におけるスポットの画像を得る(ステップ101)。次に、スポットの画像から該スポットの大きさを求める(ステップ102)。スポットの大きさは、フォトセンサの受光面におけるスポットの画像を二値化処理等してスポットの形状を確定し、確定された形状から自動的に算出してもよく、前記スポットの画像を表示画面に表示させ、該画像の大きさを手動で測定してもよい。
(1) First step: First, the entrance slit 131 is removed from the mounting
図3は、コア径が200nmの単芯光ファイバを使って光源からの光を筐体1に入射させた場合に、複数の目的波長について得られた1次回折光のスポットの大きさを示している。また、図2は、目的波長を400nm, 550nm, 650nm, 750nm, 800nmに設定したときの1次回折光のスポットの画像を示している。ここでは、スポットの大きさは、図2に示すスポット画像の縦方向の長さ(スポット高さ(mm))を意味している。スポット画像の縦方向は、回折格子2の溝の幅方向(溝が並ぶ方向)に対応する。図2及び図3から、目的波長によってスポットの大きさが異なること、200nmから900nmの波長範囲において2個の極小値が存在することがわかる。このように目的波長によってスポットの高さが異なる理由は、入口11から出口12に至るまでの光学系に種々の収差が存在するためであり、1次回折光のスポットの高さが小さい波長は、非点収差が小さい波長を表す。
FIG. 3 shows the size of the spot of the first-order diffracted light obtained for a plurality of target wavelengths when the light from the light source is incident on the housing 1 using a single-core optical fiber with a core diameter of 200 nm. FIG. 2 shows the image of the spot of the first-order diffracted light when the target wavelength is set to 400 nm, 550 nm, 650 nm, 750 nm, and 800 nm. Here, the size of the spot means the vertical length (spot height (mm)) of the spot image shown in FIG. 2. The vertical direction of the spot image corresponds to the width direction of the grooves of the diffraction grating 2 (the direction in which the grooves are arranged). From FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the size of the spot differs depending on the target wavelength, and that there are two minimum values in the wavelength range from 200 nm to 900 nm. The reason why the height of the spot differs depending on the target wavelength is that various aberrations exist in the optical system from the
光軸作業の作業者は、ステップ102で得られた結果に基づき、光源の波長範囲に含まれる任意の異なる2つの波長(これら2つの波長の一方が本発明の第1の波長に、他方が第2の波長に相当する。)を光軸調整用の波長として選択する。光軸調整用の波長としては、図3のグラフにおいて極小値を示す2つの波長を選択することが、以下に述べる理由から好ましい。つまり、図3のグラフにおいて極小値を示すことが、「所定の条件を満たすこと」を意味する。 Based on the results obtained in step 102, the worker performing the optical axis adjustment selects two arbitrary different wavelengths (one of these two wavelengths corresponds to the first wavelength of the present invention, and the other corresponds to the second wavelength) included in the wavelength range of the light source as the wavelengths for optical axis adjustment. For the reasons described below, it is preferable to select two wavelengths that show minimum values in the graph of FIG. 3 as the wavelengths for optical axis adjustment. In other words, showing minimum values in the graph of FIG. 3 means "satisfying a specified condition."
出口12付近におけるスポットの高さが小さい1次回折光の場合に該スポットが出口12と全く重ならない状態にあるときの光軸の位置と、出口12付近におけるスポット高さが大きい1次回折光の場合に該スポットが出口12と全く重ならない状態になるときの光軸の位置とを比べると、スポット高さが小さい1次回折光の方が出口12の中央部からの距離が短くなる。このことは、スポット高さが小さい1次回折光は、その光軸の位置が出口12の中央から少しずれるだけで、出口12から出射できなくなる(つまり分光器100から取り出すことができなくなる)こと、したがって、光軸の位置を厳格に調整する必要があることを意味する。スポット高さが最小値となる波長の1次回折光は、最も厳格に光軸調整を行う必要があるため、このような波長の1次回折光を使って光軸調整を行えば、光軸調整に用いた波長に限らず、広い波長範囲の1次回折光を出口12から取り出すことができる。
Comparing the position of the optical axis when the spot of the first-order diffracted light having a small spot height near the
ただし、光軸調整用の2つの波長のうちの一方を極小値を示す波長(極小波長)にし、該極小波長とは異なる波長を他方の波長として選択しても良い。例えば、極小波長が2個存在し、且つそれら2個の極小波長の値が近接している場合は、光軸調整用の2つの波長のうちの一方を極小波長とし、他方を光源の波長範囲の端部付近の波長にすると良い。 However, one of the two wavelengths for adjusting the optical axis may be a wavelength that exhibits a minimum value (minimum wavelength), and a wavelength different from the minimum wavelength may be selected as the other wavelength. For example, if there are two minimum wavelengths and the values of these two minimum wavelengths are close to each other, it is advisable to select one of the two wavelengths for adjusting the optical axis as the minimum wavelength, and the other as a wavelength near the end of the wavelength range of the light source.
(2)第2工程
第1工程において光軸調整用の波長として選択された2個の波長を目的波長として設定する(ステップ103)。そして、回転駆動機構5を制御して回折格子2を回転させながら、2個の目的波長の各々について、その1次回折光が前記フォトセンサの受光面の所定範囲に入射した光量を検出する(ステップ104)。ステップ104の処理は、目的波長に対応する回転角度位置に回折格子2を位置させた状態で、回折格子2及び回転駆動機構5の配置を変更しつつ繰り返し行われる。これにより、フォトセンサの検出光量が最大となるように回折格子2の溝方向の傾きが調整される。この場合、光軸調整用の2個の波長のいずれにおいてもフォトセンサの検出光量が最大となることが好ましいが、2個の波長について得られたフォトセンサの検出光量の合計値が最大となれば、一方、あるいは両方の波長における検出光量は最大値でなくてもよい。
(2) Second step The two wavelengths selected as the wavelengths for optical axis adjustment in the first step are set as target wavelengths (step 103). Then, while rotating the
上記の方法で光軸調整が行われた後の分光器100を使って、白色光源から出射された光を筐体1に入射させ、回転駆動機構5を制御して回折格子2を回転させながら、複数の目的波長のそれぞれについて、その1次回折光の光量を検出したときに得られた結果を図4に示す。ここでは、図3に示すグラフの2個の極小波長を光軸調整用の波長とした。また、図4には、1つの波長の1次回折光で光軸調整が行われた従来の分光器を使って、同様に1次回折光の光量を検出した結果も併せて示されている。図4の横軸は目的波長(nm)を、縦軸は、0次光の光量に対する1次回折光の光量の比率を表している。この図からわかるように、従来の分光器に比べると本実施例の分光器は、1次回折光の光量が増加していた。
FIG. 4 shows the results obtained when the light emitted from the white light source is incident on the housing 1 and the
なお、上記説明では、第1工程(光軸調整用の波長を求める工程)で用いる光源と第2工程(光軸調整工程)で用いる光源を同じにしたが、第2工程では、光軸調整用の波長付近のレーザ光(単色光)を出射するレーザを光源として用いてもよい。
また、光軸調整作業では、回折格子2と回転駆動機構5の配置だけでなく、ミラー3の姿勢(第1及び第2反射面33、34の傾き)を調整しても良い。
In the above description, the light source used in the first step (step of determining the wavelength for optical axis adjustment) is the same as the light source used in the second step (optical axis adjustment step). However, in the second step, a laser that emits laser light (monochromatic light) close to the wavelength for optical axis adjustment may be used as the light source.
In addition, in the optical axis adjustment work, not only the arrangement of the
また、上述した光軸調整方法では、筐体1の出口12から出射してくる光の光量をフォトセンサで測定したが、出口12の取付マウント14に所定のコア径の単芯の光ファイバを接続し、これを通過してくる光の光量を検出器で検出した結果が最大となるように回折格子2及び回転駆動機構5の配置を調整してもよい。この例では、光ファイバのコアが、出口12の中央の所定範囲に相当する。また、出口12付近に的部材を設置し、該的部材に形成された1次回折光のスポットが該的部材の中央の所定範囲内に位置するように回折格子2及び回転駆動機構5の配置を調整してもよい。
In the above-mentioned optical axis adjustment method, the amount of light emitted from the
上記実施形態はあくまでも本発明の一例にすぎず、本願請求項に記載の範囲で適宜変形、追加、削除等を行っても本発明に包含されることは明らかである。 The above embodiment is merely one example of the present invention, and it is clear that any modifications, additions, deletions, etc. made within the scope of the claims are also encompassed by the present invention.
[種々の態様]
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
[Various aspects]
It will be appreciated by those skilled in the art that the exemplary embodiments described above are examples of the following aspects.
(第1項)本発明に係る分光器は、
入口及び出口を有する筐体と、
前記筐体内に配置された、前記入口から入射した光を波長分散して目的波長の光を前記出口から出射させる波長分散素子と、
前記波長分散素子を回転する回転駆動機構と、
前記目的波長に対応する前記波長分散素子の回転角度位置を算出するための演算式を記憶する記憶部と、
前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置するように前記回転駆動機構に該波長分散素子を回転させる制御部とを備え、
第1の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第1の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過し、且つ、前記第1の波長とは異なる波長である第2の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第2の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の前記所定範囲を通過するように、前記筐体内に前記波長分散素子及び回転駆動機構が設定されている。
(Item 1) The spectrometer according to the present invention comprises:
a housing having an inlet and an outlet;
a wavelength dispersion element disposed within the housing, which disperses the wavelength of light incident from the inlet and outputs light of a target wavelength from the outlet;
a rotation drive mechanism that rotates the wavelength dispersion element;
a storage unit that stores an arithmetic expression for calculating a rotation angle position of the wavelength dispersion element corresponding to the target wavelength;
a control unit that causes the rotary drive mechanism to rotate the wavelength dispersion element so that the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic expression,
The wavelength dispersion element and the rotation drive mechanism are set within the housing so that, in a state where the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a first wavelength as the target wavelength, when light containing light of the first wavelength is incident from the inlet, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet, and, in a state where the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a second wavelength which is different from the first wavelength as the target wavelength, when light containing light of the second wavelength is incident from the inlet, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through the predetermined range of the outlet.
第1項に記載の分光器によれば、2つの異なる波長を目的波長としたときに波長分散素子から出口に向かう各目的波長の光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過するように波長分散素子及び回転駆動機構が配置されているため、出口に光ファイバを接続し、該光ファイバを通じて光を出射させる構成において、光軸調整に用いられた波長に限らず、様々な目的波長において十分な光量の光を取り出すことができる。 According to the spectrometer described in paragraph 1, when two different wavelengths are set as target wavelengths, the wavelength dispersion element and the rotary drive mechanism are arranged so that the optical axis of light of each target wavelength heading from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet. Therefore, in a configuration in which an optical fiber is connected to the outlet and light is emitted through the optical fiber, it is possible to extract a sufficient amount of light at various target wavelengths, not limited to the wavelength used for adjusting the optical axis.
(第2項)第1項に記載の分光器において、前記波長分散素子が回折格子であり、前記第1の波長は、該第1の波長の光を含む多波長光の波長範囲内の複数の波長のそれぞれを目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記回折格子が位置する状態で、前記多波長光を前記入口から入射させたときに、前記回折格子から前記出口に向かう1次回折光の該出口における断面の大きさが最小となるときの波長とすることができる。 (2) In the spectrometer described in 1, the wavelength dispersion element is a diffraction grating, and the first wavelength can be the wavelength at which the cross-sectional size at the outlet of the first-order diffracted light traveling from the diffraction grating to the outlet is smallest when the multi-wavelength light is incident from the inlet in a state where the diffraction grating is positioned at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula with each of the multiple wavelengths within the wavelength range of the multi-wavelength light including the light of the first wavelength as the target wavelength.
(第3項)第1項に記載の分光器において、前記波長分散素子が回折格子であり、前記第1の波長及び前記第2の波長は、該第1の波長の光及び該第2の波長の光を含む多波長光の波長範囲内の3個以上の波長のそれぞれを目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記回折格子が位置する状態で、前記多波長光を前記入口から入射させたときに前記回折格子から前記出口に向かう1次回折光の該出口における断面の大きさが、1番目及び2番目に小さいときの波長とすることができる。 (Clause 3) In the spectrometer described in paragraph 1, the wavelength dispersion element is a diffraction grating, and the first wavelength and the second wavelength can be the wavelengths at which the cross-sectional size at the outlet of the first-order diffracted light traveling from the diffraction grating to the outlet is the first and second smallest when the multi-wavelength light is incident from the inlet while the diffraction grating is positioned at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula with each of three or more wavelengths within the wavelength range of the multi-wavelength light including the light of the first wavelength and the light of the second wavelength being the target wavelength.
前記回折格子から前記出口に向かう1次回折光の該出口における断面の大きさとは、断面の面積、断面の所定箇所(直径、周囲長)の長さ等をいう。1次回折光の結像位置が出口に近いほど、断面の大きさは小さくなる。断面が小さい1次回折光は、断面が大きい1次回折光に比べると、その光軸と出口の中央とのずれ量が小さくても該1次回折光が出口を通過できない場合があるため、光軸の位置を厳密に調整する必要がある。第2項及び第3項に記載の分光器では、出口における断面が小さくなるような波長の1次回折光を用いて光軸調整を行うため、該出口に光ファイバを接続した構成であっても、様々な波長において十分な光量の1次回折光を確実に光ファイバから取り出すことができる。
The size of the cross section at the exit of the first-order diffracted light traveling from the diffraction grating to the exit refers to the area of the cross section, the length of a specific portion of the cross section (diameter, perimeter length), etc. The closer the imaging position of the first-order diffracted light is to the exit, the smaller the size of the cross section becomes. Compared to first-order diffracted light with a large cross section, first-order diffracted light with a small cross section may not be able to pass through the exit even if the deviation between the optical axis and the center of the exit is small, so the position of the optical axis must be precisely adjusted. In the spectrometer described in
1…筐体
11…入口
12…出口
13a…入口スリット
14a…出口スリット
2…回折格子
5…回転駆動機構
7…制御部
74…係数記憶部
75…演算式記憶部
8…入力部
100…分光器
1...
Claims (3)
前記筐体内に配置された、前記入口から入射した光を波長分散して目的波長の光を前記出口から出射させる波長分散素子と、
前記波長分散素子を回転する回転駆動機構と、
前記目的波長に対応する前記波長分散素子の回転角度位置を算出するための演算式を記憶する記憶部と、
前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置するように前記回転駆動機構に該波長分散素子を回転させる制御部とを備え、
第1の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第1の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の中央の所定範囲を通過し、且つ、前記第1の波長とは異なる波長である第2の波長を前記目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記波長分散素子が位置する状態において、前記第2の波長の光を含む光を前記入口から入射させたときに前記波長分散素子から前記出口に向かう光の光軸が該出口の前記所定範囲を通過するように、前記筐体内に前記波長分散素子及び回転駆動機構が設定されている、分光器。 a housing having an inlet and an outlet;
a wavelength dispersion element disposed within the housing, which disperses the wavelength of light incident from the inlet and outputs light of a target wavelength from the outlet;
a rotation drive mechanism that rotates the wavelength dispersion element;
a storage unit that stores an arithmetic expression for calculating a rotation angle position of the wavelength dispersion element corresponding to the target wavelength;
a control unit that causes the rotary drive mechanism to rotate the wavelength dispersion element so that the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic expression,
a first wavelength being the target wavelength, the wavelength dispersion element and the rotation drive mechanism are set within the housing such that, when the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a first wavelength as the target wavelength, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through a predetermined range in the center of the outlet, and, when the wavelength dispersion element is located at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using a second wavelength different from the first wavelength as the target wavelength, the optical axis of the light proceeding from the wavelength dispersion element to the outlet passes through the predetermined range of the outlet, when light including light of the second wavelength is incident from the entrance.
前記波長分散素子が回折格子であり、
前記第1の波長が、該第1の波長の光を含む多波長光の波長範囲内の複数の波長のそれぞれを目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記回折格子が位置する状態で、前記多波長光を前記入口から入射させたときに、前記回折格子から前記出口に向かう1次回折光の該出口における断面の面積が最小となるときの波長である、分光器。 2. The spectrometer of claim 1,
the wavelength dispersion element is a diffraction grating,
a spectrometer in which the first wavelength is a wavelength at which a cross-sectional area at an outlet of first-order diffracted light proceeding from the diffraction grating to the outlet is minimum when the multi-wavelength light is incident from the inlet with the diffraction grating positioned at a rotation angle position calculated from the equation using each of a plurality of wavelengths within a wavelength range of multi-wavelength light including light of the first wavelength as a target wavelength.
前記波長分散素子が回折格子であり、
前記第1の波長及び前記第2の波長が、該第1の波長の光及び該第2の波長の光を含む多波長光の波長範囲内の3個以上の波長のそれぞれを目的波長として前記演算式から算出された回転角度位置に前記回折格子が位置する状態で、前記多波長光を前記入口から入射させたときに前記回折格子から前記出口に向かう1次回折光の該出口における断面の面積が、1番目及び2番目に小さいときの波長である、分光器。 2. The spectrometer of claim 1,
the wavelength dispersion element is a diffraction grating,
a spectrometer in which the first wavelength and the second wavelength are wavelengths at which the cross-sectional areas at the outlet of first-order diffracted light proceeding from the diffraction grating to the outlet are first and second smallest when the multi-wavelength light is incident from the inlet, with the diffraction grating positioned at a rotation angle position calculated from the arithmetic formula using each of three or more wavelengths within a wavelength range of multi-wavelength light including the first wavelength and the second wavelength as target wavelengths.
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