JPH02105026A - 分光装置およびその応用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１分光装置に係り、特に、測定対象を通常の分
光装置のように点としてではなく、任意波長について面
すなわち画像として、連続的に、かつ任意の測定波長幅
にわたり分光測定するのに好適な分光イメージング装置
に関するものである。

本発明は、また、反応、放電等で発光を伴う反応の制御
方法及び装置に係り、特に、発光体の構成波長成分のう
ち、任意波長成分の画像を連続的に出力する２次元分光
装置を構成要素とし、この装置からの波長毎の出力信号
により得られる画像に基づいて、反応器、装置等を監視
し制御するのに好適な発光を伴う反応器、装置等の監視
、制御方法及び装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、反応、放電等で発光を伴う反応物等を内部等に有
する反応器、装置等の監視または制御装置において、最
も簡便な監視、制御方法は、反応器、装置等に観察窓を
設け、そこから目視ｖＡ察し、その結果に基づいてプロ
セス量を適当に制御する方式があった。

火力発電所等では、燃焼火炎の状態を工業用テレビカメ
ラで観察窓から目視観察し、燃焼火炎の状態が適当か否
かを排ガス分析値等とともに総合的に判断し、燃焼用空
気量や燃料量を制御していた。または、燃焼火炎を工業
用テレビカメラで観察し、その結果を輝度分布の画像と
して解析し火炎を監視、制御していた１例えば、火炎の
光量を感知するとともに、その光量に応じた信号を発す
る光感釦装置を用いて監視制御する方法は特開昭５６−
１５１８１４に開示されており、テレビカメラによる映
像信号を利用する方法は特開昭５４−９４１２５に開示
されている。

しかし、これらの方法は、発光体の発光を工業用テレビ
カメラの全撮像波長域に亙る情報に基づいて監視または
制御するものであり１発光体の構成波長成分のうち、任
意波長成分の情報に基づいて、監視または制御する点に
ついて不充分である。

一般に、発光体を分析して得られる発光スペクトルは、
その発光体内に存在する活性な原子２分子、またはラジ
カル等に帰因するものである。構成波長成分を分析する
ことは１発光体の状態を原子１分子、またはラジカル等
のレベルで評価することになり、精度の高い監視または
制御には不可欠な技術と考えられる。

このように構成波長成分毎の情報に基づいて、細かく分
析し、火炎の状態を監視または制御する方法としては、
例えば、特開昭５３−１０７８９０が挙げられる。これ
は、火炎の発光分析により得られる○Ｈラジカル、Ｃ２
ラジカル、ＣＨラジカル等の発光強度と排ガス分析値と
の相関を検討し、火炎の状態を監視または制御するもの
である。

しかし、この手法は、火炎の発光のある一点のみの採光
の分析または広い採光領域全体の積算値としての分析で
あり、発光体の構成成分に基づく波長毎の発光分布を画
像として得るものではない。

一般に、火炎のように流れを伴う反応では、発光分布す
なおち発光体の構成成分分布の詳細な情報は１反応の進
行状況を示すものであり、火炎の詳細構造情報となり、
窒素酸化物やすすが火炎のどこから発生しているか等の
細かな監視が可能となる。したがって、例えば火炎の発
光分析のように、成分毎の情報が得られるという長所と
、前述の工業用テレビカメラによる画像としての観察が
できるという長所の両方を満す方法が必要となる。

その１つとして、任意波長の光のみを透過させる干渉フ
ィルタを工業用テレビカメラの前に設置する方法がある
。この方法を用いると、発光体の構成成分のうちの任意
成分に基づく発光のみの画像が得られることになる。

しかし、この方法では何枚ものフィルタを用意しなけれ
ばならず、フィルタ交換により波長を選択するので、測
定波長が連続可能ではないという欠点があった。また、
フィルタは一般に光の減衰が非常に大きく、使用環境の
影響を受けやすく性状が一定でないので、鮮明な画像が
得られないことが多い。

一方、発光を伴う反応器、装置、それらの制御方法等と
して、光ＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤ
　ｅｐｏｇｉｔｉｏｎ　）装置（特開昭５６−４２３３
１）。

気相エピタキシャル成長装置に関するもの（特開昭５８
−３３８２６）、半導体製造方法（特開昭５９−６１１
２３）、窒化膜形成法（特開昭５６−３８４６４）、化
学蒸着装置（特開昭５９−１６９６６）等があるが、い
ずれも、発光体の構成成分の分布状態を測定するもので
なく、それらの分布情報に基づいた監視、制御も開示さ
れていない。

従来、任意の測定対象についである任意の波長域のみの
画像を連続的に取り出して情報とする最も簡便な手段と
しては、その波長域の光のみを透過させ、他の波長域の
光は吸収または反射してしまう光学フィルタを用いてい
た０例えば、通常のカメラで撮影する場合等に、紫外線
が強い所で普通のフィルムを使用すると色むらが生じた
りするので、紫外線カットのフィルタを用いる。そして
、可視光のみを撮影できるようにしている。

また、放電や燃焼現象の解明のために、放電プラズマ中
や火炎中にあるラジカルや活性分子等の不安定な分子や
原子等の化学種の固有の特定波長について、その発光強
度の空間分析のａ祭が必要となる。その場合、その固有
の特定波長の発光のみを測定するには、特定波長のみの
光を通過させる光学フィルタを用いる。例えば、火炎中
の不安定化学種の測定については、アブライドフイジイ
クスビー、２９　（１９８２年）第９３頁から第９７頁
（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ　２９　、９３
−９７（１９８２））で述べられており、特に図１（Ｆ
ｉｇｌ）には、ＯＨラジカルの発光を対象とするフィル
タとＣ２ラジカルの発光を対象とするフィルタとを２枚
使用しているものが示されている。

しかし、フィルタを用い特定波長域を画像として取り出
す方法は、フィルタ交換作業により波長を選択する必要
があるため、測定波長を連続的には変えられないという
欠点があった。さらに、すでに述べたように、フィルタ
は一般的に光の減衰が非常に大きいが、この点について
の配慮もなかった・ そこで、任意の波長域について、連続的に画像として検
出する光学装置として１分光器を応用する光学装置が、
日本分光学会春季講演要旨集（昭和６０年５月）の第２
０頁に示されている。分光器を用いその回折格子の入射
光に対する角度を変えると、波長を連続的に変えること
が可能となり、また、分光器内では光の反射のみを繰り
返すので。

フィルタのような光の減衰は少なく押えられる。

しかし、この装置では、「連続スペクトルのバックグラ
ウンドがあるので、バンドスペクトル自身の影響の無い
側でバンドヘッドに近接した部分を用いてソフトにより
補正できるようにした。」との記載がある様に、測定対
象が連続スペクトルを持つような場合は、測定に制限が
あった。さらには、ソフトによる補正が必要であるため
、光学装置として複雑化する。

上記問題を解決するための装置が、特願昭６１−２８６
２８２号に開示されている。この装置は、第２０図に示
すように、第１分光器１１０と、中間スリット１０５を
介して第１分光器１１０に連設された第２分光器１２０
とからなる。第１分光器１１０は、光分散用回折格子１
０３に測定対象の光を結像させる集光光学系１０２と、
光分散用回折格子１０３およびこの回折格子による分散
光を中間スリット１０５に導く第１光学系１０４からな
る光分散光学系とにより形成され、第２分光器１２０は
、中間スリット１０５から入射する光を光混合用回折格
子１０７に結像させる第２光学系１０６及び光混合用回
折格子１０７とからなる光混合光学系と、光混合光学系
による混合光を結像させる結像光学系１０８とから形成
される。そして、前記光分散光学系中の光分散用回折格
子１０３と、光混合光学系中の光混合用回折格子１゜７
とを中間スリット１０５を対称中心として光学的にシン
メトリックに駆動する図示しない駆動手段を備えている
。

この種の従来例を示すものとしては、他にＵＳＰ４，４
５５，０８７号等がある。

これらの例においては、分光器が２台必要であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、光分散用の回折格子を内蔵する第１分
光器と、光混合用の回折格子を内蔵する第２分光器の２
台を用いて、任意波長について。

画像として連続的にかつ任意の測定波長幅にわたす分光
測定するのに好適な光学装置としている。

しかし、その重要な要素である２枚の回折格子は、各々
中間スリットを対称中心として光学的にシンメトリック
に同期して駆動しなければならず、それらの光軸調整や
セツティングが困難であり、駆動系が複雑となる問題が
あった。

また、装置全体として大型となる傾向にあった。

本発明の目的は、２枚の回折格子間の同期駆動の問題を
根本的に解消した小型軽量の分光装置とそれを応用した
監視、制御装置および方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、被分析光を入射
させる入射スリットと、入射した被分析光を回折格子上
に導く第１結像光学系と、被分析光を波長毎に反射方向
を変え分光する回折格子と、回折格子により反射された
光を結像させる第２結像光学系と、結像した光を任意の
波長域の光に分割する出射スリットと、分割された光を
折り返し前記出射スリットを介して前記入射時の光路と
は重ならない方向に逆進させ前記第２結像光学系により
前記回折格子に導き当該回折格子により光混合し前記第
１結像光学系により結像させる第１平面鏡とを備えたこ
とを特徴とする分光装置を提案するものである。

第１および第２結像光学系は、具体的には、凹面鏡、全
体として凸レンズ系、またはカタディオプトリック光学
系である。

また、回折格子は、反射率の波長依存性が少ない平面回
折格子を用いることが望ましい。

いずれの場合も、被分析光を平行光として採光する採光
レンズと、その平行光を前記入射スリットに集光させる
光学系とを備えることができる。

入射スリットおよび出射スリットの少なくとも一方のス
リット幅は、必要な分解能および光強度に合わせて、可
変とすることが好ましい。

上記構成は、見方を変えれば、測定対象の光を分光する
回折格子と１分光した任意の波長域の光を再び前記回折
格子により混合させ混合した光を結像させる平面鏡とを
有する分光装置である。

これらの分光装置は、測定対象の光を分光し発光状態を
監視する反応物の監視方法、燃焼により生ずる火炎の光
を分光し火炎の燃焼状態を監視する火炎の監視方法、前
記火炎がボイラの火炎である火炎の監視方法、光化学反
応性ガス雰囲気に光化学反応を生起させる刺激光を照射
し光化学反応を実行させ光化学反応により生ずる光を分
光し光化学反応の状態を監視する方法、光化学性反応ガ
スが有機金属化合物であり光化学反応が反応生成物を基
板表面に固体として祈出させる反応である光化学反応の
監視方法、細胞中の所定組織に染める色素を添加し所定
の光を当てて前記色素の発する光を分光し生化学反応の
状態を監視する方法、火炎中に金属イオンを含む溶液を
注入し溶液中の金属イオンを含む火炎の光を分光し前記
像の光強度を測定する金属イオンの分析方法等に利用可
能である。

また、火炉と、火炉内に形成される火炎の光を分光する
分光手段と分光した任意の波長域の光を前記分光手段に
より混合し混合した光を結像させる手段とを有する分光
装置とを備えたボイラや。

光化学反応性ガス雰囲気に光化学反応を生起させる刺激
光を照射し光化学反応を実行させ、光化学反応により生
ずる光を分光する分光手段と分光した任意の波長域の光
を前記分光手段により混合させ混合した光を結像させる
手段とを有する分光装置を備えた光化学反応装置や、細
胞中の所定組織に染める色素を添加し、所定の光を当て
て色素の発する蛍光をｗ４察し、細胞中の色素が発した
光を分光する分光手段と分光した任意の波長域の光を前
記分光手段により混合させ混合した光を結像させる手段
とを有する分光装置を備えた生化学反応装置や、火炎中
に金属イオンを含む溶液を注入し。

溶液中の金属イオンの種類または濃度を分析し、金属イ
オンを含む火炎の光を分光する分光手段と、分光した任
意の波長域の光を分光手段により混合させ混合した光を
結像させる手段とを有する分光装置を備えた金属イオン
の分析装置や、空気を圧縮するコンプレッサと、圧縮空
気により燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスにより回
転するタービンとを備え、燃焼器に形成される火炎の光
を分光する分光手段と分光した任意の波長域の光を前記
分光手段により混合させ混合した光を結像させる手段と
を有する分光装置を備えたガスタービンを提案するもの
である。

さらに、発光体の光を分光手段により分光させ、分光し
た任意の波長域の光を前記分光手段により混合し、混合
した光を結像させて前記任意の複数の異なる波長域につ
いて画像を形成し、前記複数の画像を予め求めておいた
基準画像と比較し、発光体の任意の波長域を有する部分
の画像が前記基準画像と同じ形状となるように発光体の
プロセス量を制御する発光を伴う反応の制御方法や、前
記複数の異なる波長域の画像が、前記プロセス量の変化
により発光体中の分布領域が互いに相反する方向に変化
する発光を伴う反応の制御方法や、より具体的には、前
記発光体が燃焼ガスであり、Ｃ２ラジカルおよびＮｏラ
ジカル成分の波長域に画像を形成する発光を伴う反応の
制御方法を提案するものである。

加えて、発光体からの光を採光する採光光学装置と、採
光した光を分光する上記基礎的構造の分光装置と、分光
された任意の複数の異なる波長域の光を画像として結像
するモニタと、基準となる複数の画像を記憶する記憶装
置と、前記任意の波長域の画像と記憶された画像とを比
較し発光体のプロセス量を制御する制御装置とを備えた
発光を伴う反応の制御装置や、前記分光装置の第１結像
光学系により結像された光を取り込む光増幅素子を設け
た発光を伴う反応の制御装置や、前記入射スリットおよ
び出射スリットの少なくとも一方のスリット幅が可変で
あり、前記回折格子の角度が連続的に変えられる発光を
伴う反応の制御装置や。

前記採光光学系が、紫外線から可視光領域までの光を透
過するレンズからなる発光を伴う反応の制御装置や、前
記任意の波長毎の画像の強度分布について彩色表示画像
を生成する画像処理装置を備えた発光を伴う反応の制御
装置を提案するものである。

上記基礎的構造の分光装置は、平面鏡を取り外し、入射
スリットと、入射スリットから入射した被分析光を回折
格子上に導く第１結像光学系と。

導かれた被分析光を波長毎に反射方向を変え分光する回
折格子と、分光された光を集光する第２結像光学系と、
集光された光を任意の波長域の光に分割する出射スリッ
トと、出射スリットを通過した光を電気信号に変換する
光電変換器とを備えた分光装置とすることもできる。

これらの分光装置は望遠鏡の接眼部、顕微鏡の接眼部、
カメラの結像部に装着でき、光学計測器にも使用でき、
さらに、小型軽量であることから。

人工衛星に搭載するのに好適である。

〔作用〕

本発明においては、出射スリット出口に配置した平面鏡
により光路を折り返し、従来の光分散用回折格子と光混
合用回折格子との機能を１枚の回折格子に果たさせるよ
うにしたので、主な部品の点数が半減し、単純な光学系
が形成され、光軸調整が容易になる。

また、従来は光分散用回折格子と光混合用回折格子とを
同期させて能動する必要があったが１本発明においては
、１枚の回折格子が光分散用回折格子と光混合用回折格
子との役割を果たすから。

同期させて能動するという複雑さが原理的になくなり、
対称性が損われることによる誤動作も根本的になくなる
。

また、本発明においては、発光を伴う反応や現象等が進
行する反応器、装置等の発光を採光し。

その構成波長成分のうち任意の波長成分の画像を連続的
に出力する画像分光装置からの波長成分毎の出力画像に
基づいて、前記反応器や装置等の内部の発光体の構成成
分分布を監視しその分布が最適になるように制御できる
ので５発光体の状態をその構成成分である原子２分子、
またはラジカル等のレベルで評価可能である。したがっ
て、精度の高い監視または制御が実現できる。さらに、
それら成分毎の分布情報が得られるので、反応での生成
、消滅過程すなわち反応の進行状況を評価し、−層高い
精度の監視または制御ができる。具体的には、火炎の燃
焼状態、光化学反応による反応状態、生化学反応におけ
る反応状態の＊ａまたは制御、細胞の組織の観察、また
は金属イオンの分析等において、極めて有用な情報が得
られる。

加えて、前記平面鏡を外すか傾きを変えて、出射スリッ
トから出た光を光電素子に取り込み、スペクトロメータ
で分光スペクトルを測定できるようにすれば、前記回折
格子の回転制御器に連結した角度検出器の出力と関連付
けて、光の波長と強度との関係を求めることも可能であ
る。

本発明による基本的構造の分光装置は、望遠鏡。

顕微鏡、カメラ、光学計測器と組合わせることができ、
さらに、小型軽量であることから、単独でまたは前記機
器と組合わせて、例えば人工衛星に搭載するのに好適で
ある。

〔実施例〕

（実施例１） 第１図により本発明の一実施例を説明する。入射スリッ
ト１から入射した測定対象光は、第１凹面鏡３に導かれ
る。この際、中心より偏った面に導かれるような光学系
とする。それは画像とじて分光分析された光を結像レン
ズ系９に反射させるにも第１凹面ｆｉ３を使用するため
である。第１凹面鏡３を経た測定対象光は１回折格子４
へ反射され、この回折格子４により分光される０分光光
は第２凹面鏡５により反射され、出射スリット７に至る
。出射スリット７は分光光のうち任意波長幅を分画し１
分画光のみを出射スリット出口に配置された平面鏡８に
至らせる。平面鏡８は、出射スリット７を通過して来た
光を、再び第２凹面鏡５を経て回折格子４に戻す、なお
、平面ｆｉ８の反射方向は、第２凹面鏡５において１回
折格子４から来た光が当る面と、平面鏡６から戻った光
が当る面とが異るようにしてあり、同様に、回折格子４
において、第１凹面鏡３から来た光が当る面と第２凹面
ｔＩｔ５から戻った光が当る面とが異るようにする。

回折格子４は、ここで再び使用されることになる。この
時の機能は、出射スリットを対称中心として光学的にシ
ンメトリックとなっているので。

通常の使い方と逆の光混合である。すなわち、入射スリ
ット１と第１凹面鏡３を経て１回折格子４により１度分
光された被対象光は、第２凹面鏡５を経て、出射スリッ
ト７により任意波長幅に分画され、平面鏡８により再び
出射スリット７を経て分光器内へ戻され、第２凹面鏡５
を経て回折格子４へ至り、光混合される。混合された光
は第１凹面＃Ｉ３を経て結像レンズ系９に至る。なお、
第１凹面鏡３においても入射スリットから来た光が当る
面と、回折格子４から戻った光が当る面とは異る。

被測定対象光のどの波長域について、どの程度の波長幅
で分画し画像として分光分析するかについては、波長は
回折格子４の回転角度により選択され、波長幅は出射ス
リット７のスリット幅で選択される。スリット幅は可変
としてもよい。

本実施例によれば、第２０図従来例の光分散用回折格子
１０３の持つ機能と、光混合用回折格子１０７の持つ機
能とを１枚の回折格子４で兼ねた光学系としであるので
、前述のようなシンメトリックに同期して駆動する機構
は必要とせず、さらに、凹面鏡や、分光器の暗箱１回折
格子等の主な光学部品点数が半減し、シンプルかつ軽量
な分光装置が得られる。

なお、ここでは第１結像光学系および第２結像光学系を
ともに、凹面鏡３および５としたが、ともに凸レンズ系
とすることも、一方を凸レンズ系他方を凹面鏡とするこ
とも可能である。

また、設計の都合上、他の機器との接続やスペース等に
制約があれば、第２図に示すように、平面鏡２や６を用
いて、光路の一部を折り曲げてもよい。

（実施例２） 通常、分光器に使用されるエシェレット型回折格子は、
ある特定波長のみで極大の反射率を持つ。

特定波長よりも短波長側及び長波長側では、反射率が低
減する。回折格子の波長と反射率の関係を第３図に示す
０図中のカーブ１０では特定波長が約３００ｎｍであり
、カーブ１１のそれは約５００ｎ＋ｕである。すなわち
、特定波長付近の波長域では反射率も大きいため、強度
の高い分散光が得られるが、それ以外の領域では強度の
低い分散光しか得られない、ある特定波長域のみで極大
の反射率を持つ回折格子を第１図に示す光学系に用いる
と。

１枚の回折格子を２回使用するので、前述の特性は自乗
の効果として作用することになり、特定波長域では使用
し得るが、それ以外の波長域では反射率は極端に低下す
る。その様子をカーブ１０について計算した結果をカー
ブ１２として示す。

その欠点を補うには、全波長域において高反射率を示し
得る回折格子を用いる必要がある。例えば、カーブ１３
に示す特性の回折格子を用いれば。

上記問題は解決される。

具体的には、第４図に示すように第３図のカーブ１０に
示す特性の回折格子１４と、カーブ１１に示す特性の回
折格子１５とを交互に配置した１枚の回折格子を用いる
。この回折格子の波長と反射率の特性は、第３図カーブ
１３のようになる。

（実施例３） 入射スリット１に測定対象１６からの光を導く光学系は
、基本的には第５図に示すものとなる。

測定対象１６からの光を採光レンズ１７で採光し、平行
光とした後、集光レンズ１８によって入射スリット１へ
導く。

ところで、測定対象１６からの光が短波長の光から長波
長の光まで広範囲に亙る光を含んでいる場合、第６図に
示すように、短波長の光は集光レンズ１８の手前側に焦
点１９を結び、波長が長くなるに従って６５．６６とレ
ンズから離れ、色収差を生ずる。通常は、色収差補正用
のレンズを数枚加えて、どのような波長の光でも、同一
の点に焦点を結ぶようにする。その場合、光学的に複雑
になるのみならず、光がレンズを透過する度毎に。

光量が低下する。

本発明では、入射スリット１に測定対象１６からの光を
導く光学系のうち、入射スリット１への集光レンズ１８
側をミラー系で構成すれば、上記欠点を補える。ミラー
系では１反射角度に対する波長依存性が無いためである
。

具体的には、第７図に示す光学系となる。測定対象１６
からの光を、採光レンズ１７で採光し、平行光とした後
、集光用の凹面ｊ！２２および凸面鏡２３により入射ス
リット１に導く、この光学系では、色収差補正を必要と
しないばかりでなく。

−船釣に、レンズ系の場合よりも光量の低下が少なく、
明るい画像として計測が可能となる。

（実施例４） 出射スリット１９からの出射出力光は分光されているた
め、強度が低く明瞭な画像とならない場合がある。ここ
では、その対策として第８図のように、微弱光増幅を画
像として行うための二次元増幅素子すなわち光増幅素子
２４を結像レンズ群９の間に配置した。

光増幅素子２４の動作原理を第９図に示す、光子２５は
それ自身としては増幅不可能なので、光子を一度電子に
変換し、電子を増幅しその電子を再び光子に変える。光
子２５は一度フオドカソード面２６で１次電子に変換さ
れる。１次電子は２次電子増倍管２７で約１０１倍以上
の２次電子に増幅される。ここでは、１次電子が金属壁
面に当ると、そこから２次電子が生じ、これを繰り返し
て電子を増幅する。２次電子増倍管２７の長さは約３０
０μｍで１００ＯＶ程度の電圧を印加し、電子をプラス
方向に加速している。２次電子増倍管２７から飛び出し
た２次電子群２８は５５００Ｖの電圧を印加したフォス
ファー面２９に衝突し、再び光子３０となる。従って、
極微弱光が１０３倍以上の強度を持つ光子となりＩｌｌ
察されることになる。

（実施例５） 燃料供給ノズルとノズルの同心円外周に配置した空気供
給ノズルとからなる拡散火炎用バーナによりプロパン空
気拡散火炎を形成し、火炎全体の発光を採光して発光ス
ペクトルを分析した結果を第１０図に示す、その結果、
火炎中には、ＯＩＩラジカル、ＣＨラジカル、Ｃ２ラジ
カル、Ｎｏラジカルが存在することが分った。そこで、
第１図実施例装置この火炎に適用し、前記ラジカルの分
布状態を監視した。その結果を第１１図に示す。本実施
例によれば、火炎中の各ラジカルの分布が明確に分る。

本実施例の中で、燃焼用空気を減少させると・Ｃ２本の
存在領域が広くなり、すすが発生し、また燃焼用空気を
増加させるとＮｏｔの存在領域が広くなり、窒素酸化物
の発生量が増えることが分った。・ｏＨ本・ＣＨ木につ
いてはあまり変化がなかった。したがって、このことを
実缶に適用するならば、すすの発生もなく、窒素酸化物
の発生も少ない最適燃焼状態が維持できるものと考えら
れる。

（実施例６） それの実施例を第１２図に示す。火炉３１のバーナ３２
が形成する火炎３３の発光をイメージファイバ３４によ
り集光し、イメージファイバ３４の出力光を第５図等の
採光レンズ１６に入力し、任意のラジカルの発光波長に
２次元分光装置を設定すると、火炎中での任意ラジカル
の分布を監視し、基準となる画像と比較しながら燃料、
燃焼用空気量、これらの圧力流速等のプロセス量をコン
トロールし、正確な燃焼火炎を得ることができる。

さらに、図示しない制御装置を機能させると、火炎の発
光分析結果に基づき、はぼリアルタイムで精度の高い空
気量、燃料量制御が可能となる。従来、火炎中の化学成
分分布に基づく火炎状態制御はなされていなかったが、
本実施例により可能となり、火炎状態制御の信頼性が高
まる。

（実施例７） 第１３図に示すように、光ＣＶＤ装置またはプラズマＣ
ＶＤ装置等において、真空反応器３５に原料ノズル３６
から原料を供給し、投光窓３８がら光化学反応に必要な
波長を有する光３９を投光し、基板３７上に固体を祈出
させる。原料ガスとしてＦｅ（Ｃｏ）ｓとＮＨ，を用い
、窒化鉄薄膜を基板上に祈出させる実験においては、発
光を伴う。

その発光全体を採光して分光分析した結果を第１４図に
示す、ここでは、Ｆｅ、Ｇｏ、ＮＨ＋Ｎ２等の存在を確
認できた。最良の窒化鉄薄膜を得るには、それらの化学
種が反応器内で最適に分布していることが望ましい１本
発明を適用し、予めメモリーされた化学種の基準となる
最適分布状態の時の原料供給量、照射光強度、照射時間
等プロセス量との関係を示す画像と実際の画像と実際の
画像とを比較し、図示しない制御装置で、現状と対比し
つつ前記プロセス量を調整する。なお、化学種の最適の
分布は、窒化鉄薄膜の性質等を他の方法で評価し決めて
おく。

（実施例８） 第１５図は、誘導コイル４５で非常に活性化させた火炎
４１中に、金属イオン等を含む溶液４２を噴出させ、そ
の際の金属イオン等による発光をレンズ４３で集光し、
分光器４４で分光分析し、金属イオン等の種類、濃度等
の情報を得る分析手法において、分析しようとする金属
イオンによる発光が火炎４１中で最も強くなる位置にレ
ンズ４３の焦点をトラバースして測定するものである。

金属が気化し、更にそれが励起され発光が最も強くなる
位置は金属の種類によって異なる。従来は、その位置を
探し出すのに時間を要していた。これに対し１本発明に
おいては、光導入系４０で取込んだ光の任意波長につい
て、画像として監視可能なので、前記発光が最も強くな
る位置が即座に判明し、その値（位置）に従って、レン
ズ４３及び分光器４４の位置を決定できる。

（実施例９） 細胞中のある組織をＩＩ！ａする際に、現状では、その
組織が効率的に染まる色素を添加し、その色素の発する
蛍光を観察し、その組織を観察していた。したがって、
細胞中の複数の組織をＩｊ！察したい時には、観察した
い組織の数と同数個の検体をサンプリングしておく必要
がある。

これに対し、本発明においては、第１６図に示すように
１例えば１個の検体で２個の組織４６゜４７をｖＡ察で
きる。すなわち、組＠４６が効率的に染まる色素と組織
４７が効率的に染まる色素とを同時に同一の検体に添加
し、それらの発光を対物レンズ群４８で集光し、その光
を本発明の採光レンズ１７に導き、初めに組織４６が効
率的に染まる色素が発する蛍光波長に２次元分光装置の
波長を設定し、次いで、組織４７が効率的に染まる色素
が発する蛍光波長に同装置の波長を設定すると１つの検
体について、複数個の組織をｗｔ察できる。ただし、組
織４６を効率的に染める色素が発する蛍光波長と、組織
４７を効率的に染める色素が発する蛍光波長とが異る色
素を用いる必要がある。

この実施例は実体顕微鏡等にも応用できる。

（実施例１０） 以下、小型軽量で光学的にもシンプルな分光装置の応用
例について述べる・ 通常、天体ｉ察等において、星や星雲からの光を分光分
析し、その星等を取り囲む気体の成分を分析する。その
際、望遠［５０の対物レンズ５１全面に、特定波長の光
のみを透過させる光干渉フィルタを配置し分光分析して
いた。この方法では、光干渉フィルタは短波長側から長
波長側まで多くの枚数を必要とする。また、光干渉フィ
ルタの性状が使用環境雰囲気に大きく左右される等の欠
点があった０本発明では、第１７図に示すように、装Ｗ
１００を望遠鏡の接眼レンズ５２出口に配置すると、任
意の波長について連続的に画像として分光分析可能とな
る。

また、本分光イメージング装置は小型軽量で光学的にシ
ンプルであり、回折格子４を可動させるのみで任意波長
について連続的に分光分析できるので、遠隔操作が容易
となる。そこで地上観察用静止人工衛星５３のカメラ５
４のフィルタとして搭載可能である。

（実施例１１） 第１９図は実施例２の平面鏡８からの反射光を光電素子
５５に導入し、分光スペクトルを直接想定するようにし
たものである。第２図分光装置の出射スリット後段に配
置され出射光を再び分光器内に戻す平面鏡８の反射角度
を変えて、前記出射光を分光器内には戻さす光電素子５
５の方向に反射させ、光電素子の出力からスペクトルを
得る。

すなわち１回折格子４の反射角度を回折格子駆動モータ
５６により変化させ、その角度と光電素子からの出力信
号とにより、スペクトロメータ５７によりスペクトルを
計測する。このとき、入射スリットから入射する測定対
象光の強度が光電素子面で最も強くなるように、入射ス
リット１前段に配置する光導入系４０と第１および第２
凹面鏡３゜５とを最適に組み合わせる。

なお、上記本発明の各実施例に用いるスリットは、すべ
てマイクロメータ等により幅を変更できる構造とし、光
強度２分解能等を調整できるようにする。

〔発明の効果） 本発明によれば、出射スリット出口に配置した平面鏡に
より、光分散として機能する回折格子と光混合として機
能する回折格子の２枚の回折格子の役割を１枚の回折格
子に果させる光学系が得られるので、部品点数が半減し
、シンプルな光学系となり、光軸調整が容易となる。

また、従来は、光分散として機能する回折格子と光混合
として機能する回折格子は、中間スリットを介して光学
的にシンメトリックに同期させて駆動する必要があった
が、本発明においては、１枚の回折格子が光分散と光混
合の両機能を果すことから、同期させながら駆動する複
雑さがなく、シンメトリック性が損われることによる誤
動作もなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による分光装置の基本的一実施例の構成
を示す図、第２図は第１図実施例の入射スリットと出射
スリットの前に光路を折り曲げる平面鏡を配置した変形
例を示す図、第３図は回折格子の反射率の波長依存性を
示す図、第４図は波長依存性が異なる２種類の回折格子
を交互に配置し１枚の回折格子とした実施例を示す図、
第５図は測定対象からの光を入射スリットに導くための
レンズによる光学系を示す図、第６図は凸レンズの色収
差を説明する図、第７図は測定対象からの光を入射スリ
ットに導くためのカタディオプトリック光学系を示す図
、第８図は第１図実施例の結像レンズ系の途中に光増幅
素子を挿入した実施例を示す図、第９図は光増幅素子の
動作原理を示す図、第１０図は火炎の発光スペクトル分
析結果を示す図、第１１図は火炎中のラジカルの分布状
態を示す図、第１２図は火炉に本発明を適用する実施例
を示す図、第１３図はＣＶＤ装置に本発明を適用する実
施例を示す図、第１４図はその分光折結果を示す図、第
１５図は金属イオン等の分光分析に本発明を適用した実
施例を示す図、第１６図は細胞組織をａ察する方法に本
発明を適用した実施例を示す図、第１７図は本発明の分
光装置を望遠鏡に装着した実施例を示す図、第１８図は
本発明の分光装置を備えたカメラを搭載した人工衛生を
示す図、第１９図は出射スリットの後方で光路を折り返
す平面鏡の傾きを変えスペクトロメータを装着した応用
例を示す図、第２０図は中間スリットを介して主な光学
部品をシンメトリックに配置し２つの回折格子を同期能
動する従来の分光装置の一例を示す図である。 １・・・入射スリット、２・・・平面鏡、３・・・第１
結像光学系（凹面［）、４・・・回折格子、５・・・第
２結像光学系（凹面鏡）、６・・・平面鏡、７・・・出
射スリット、８・・・本発明の平面鏡、９・・・結像レ
ンズ系、１０〜１３・・・反射率、１４．１５・・・回
折格子、１６・・・測定対象、１７・・・採光レンズ、
１８・・・集光レンズ、１９〜２１・・・各色の焦点、
２２・・・凹面鏡、２３・・・凸面鏡、２４・・・光増
幅素子、２５・・・光子、２６・・・フォトカソード面
、２７・・・２次電子増倍管、２８・・・２次電子群、
２９・・・フォスファ面、３０・・・光子、３１・・・
火炉、３２・・・バーナ。 ３３・・・火炎、３４・・・イメージファイバ、３５・
・・真空反応器、３６・・・原料ノズル、３７・・・基
板、３８・・・投光窓、３９・・・光化学反応用光、４
ｏ・・・入射スリットへの光導入系、４１・・・火炎、
４２・・・溶液、４３・・・レンズ、４４・・・分光装
置、４５・・・誘導コイル、４６．４７・・・組織、４
８・・・対物レンズ群。 ４９・・・平面鏡、５０・・・望遠鏡、５１・・・対物
レンズ。 ５２・・・接眼レンズ、５３・・・（地上撮影用静止）
人工衛星、５４・・・カメラ、５５・・・光電素子、５
６・・・回折格子駆動モータ、５７・・・スペクトロメ
ータ、１０１・・・入射スリット、１０２・・・集光光
学系、１０３・・・光分散用回折格子、１０４・・・第
１光学系、１０５・・・中間スリット、１０６・・・第
２光学系、１０７・・・光混合用回折格子、１０８・・
・結像光学系、１０９・・・出射スリット、１１０・・
・第１分光器、１２０・・・第２分光器。 第３図 う皮　　　長　　（ｎｒｎ） 第４図 ノ １５：口１斤＃る子（特・礁１１） 第５図 第６図 １８：集光レレグ 第　７　図 第８図 第　９　ダ ト３０：光子 第１０図 第１１図 ・０８本　　　　　−ＣＨ末　　　　　・Ｃ２”　　　
　　　　ＮＯ’第１２図 第１３図 第１４図 ｅ 渫　長　（ｎｍ） 第１５　　図 第７６　　ＦＩＪ 第１７図 第１８　図 ηメツ：）→　　　　　　　− 第１９図 ！　２０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被分析光を入射させる入射スリットと、入射した被
   分析光を回折格子上に導く第１結像光学系と、 前記被分析光を波長毎に反射方向を変え分光する回折格
   子と、 回折格子により反射された光を結像させる第２結像光学
   系と、 結像した光を任意の波長域の光に分割する出射スリット
   と、 分割された光を折り返し前記出射スリットを介して前記
   入射時の光路とは重ならない方向に逆進させ前記第２結
   像光学系により前記回折格子に導き前記回折格子により
   光混合し前記第１結像光学系により結像させる平面鏡と を備えたことを特徴とする分光装置。 ２、請求項１に記載の分光装置において、 前記第１および第２結像光学系が、凹面鏡であることを
   特徴とする分光装置。 ３、請求項１に記載の分光装置において、 前記第１および第２結像光学系が、全体として凸レンズ
   系であることを特徴とする分光装置。 ４、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光装置にお
   いて、 前記回折格子が、反射率の波長依存性が少ない平面回折
   格子であることを特徴とする分光装置。 ５、請求項１〜４のいずれか一項に記載の分光装置にお
   いて、 被分析光を平行光として採光する採光レンズと、前記平
   行光を前記入射スリットに集光させる光学系とを備えた
   ことを特徴とする分光装置。 ６、請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光装置にお
   いて、 前記入射スリットおよび出射スリットの少なくとも一方
   のスリット幅が可変であることを特徴とする分光装置。 ７、測定対象の光を分光する分光手段と、 分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   混合した光を結像させる手段とを有することを特徴とす
   る分光装置。 ８、測定対象の光を分光手段により分光させ、分光した
   任意の波長域の光を前記分光手段により混合し、 混合した光を結像させ、 測定対象の光の発光状態を監視することを特徴とする反
   応物の監視方法。 ９、燃焼により生ずる火炎の光を分光手段により分光さ
   せ、 分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   、 混合した光を結像させ、 前記火炎の燃焼状態を監視することを特徴とする火炎の
   監視方法。 １０、請求項９に記載の火炎の監視方法において、前記
   火炎がボイラの火炎であることを特徴とする火炎の監視
   方法。 １１、光化学反応性ガス雰囲気に光化学反応を生起させ
   る刺激光を照射し光化学反応を実行させる方法において
   、 光化学反応により生ずる光を分光手段により分光し、 分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   、 混合した光を結像させ、 光化学反応の状態を監視することを特徴とする光化学反
   応の監視方法。 １２、請求項１１に記載の光化学反応の監視方法におい
   て、 前記光化学性反応ガスが、有機金属化合物であり、 前記光化学反応が反応生成物を基板表面に固体として祈
   出させる反応であることを特徴とする光化学反応の監視
   方法。 １３、細胞中の所定組織に染める色素を添加し、所定の
   光を当てて前記色素の発する蛍光を観察する方法におい
   て、 前記細胞中の色素が発した光を分光手段により分光し、 分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   、 混合した光を結像させ、 生化学反応の状態を監視することを特徴とする生化学反
   応の監視方法。 １４、火炎中に金属イオンを含む溶液を注入し、前記溶
   液中の金属イオンの種類または濃度を分析する方法にお
   いて、 前記金属イオンを含む火炎の光を分光手段により分光し
   、 分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   、 混合した光を結像させ、 前記像の光強度を測定することを特徴とする金属イオン
   の分析方法。 １５、火炉と、 前記火炉内に形成される火炎の光を分光する分光手段と
   分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合し
   混合した光を結像させる手段とを有する分光装置と を備えたことを特徴とするボイラ。 １６、光化学反応性ガス雰囲気に光化学反応を生起させ
   る刺激光を照射し光化学反応を実行させる装置において
   、 光化学反応により生ずる光を分光する分光手段と分光し
   た任意の波長域の光を前記分光手段により混合させ混合
   した光を結像させる手段とを有する分光装置を備えたこ
   とを特徴とする光化学反応装置。 １７、細胞中の所定組織に染める色素を添加し、所定の
   光を当てて前記色素の発する蛍光を観察する装置におい
   て、 前記細胞中の色素が発した光を分光する分光手段と、分
   光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合させ
   混合した光を結像させる手段とを有する分光装置を備え
   たことを特徴とする生化学反応装置。 １８、火炎中に金属イオンを含む溶液を注入し、前記溶
   液中の金属イオンの種類または濃度を分析する装置にお
   いて、 前記金属イオンを含む火炎の光を分光する分光手段と、
   分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合さ
   せ混合した光を結像させる手段とを有する分光装置を備
   えたことを特徴とする金属イオンの分析装置。 １９、空気を圧縮するコンプレッサと、圧縮空気により
   燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスにより回転するタ
   ービンとを備えたガスタービンにおいて、 前記燃焼器に形成される火炎の光を分光する分光手段と
   、分光した任意の波長域の光を前記分光手段により混合
   させ混合した光を結像させる手段とを有する分光装置を
   備えたことを特徴とするガスタービン。 ２０、発光体の光を分光手段により分光させ、分光した
   任意の波長域の光を前記分光手段により混合し、 混合した光を結像させて前記任意の複数の異なる波長域
   について画像を形成し、 前記複数の画像を予め求めておいた基準画像と比較し、 前記発光体の任意の波長域を有する部分の画像が前記基
   準画像と同じ形状となるように前記発光体のプロセス量
   を制御する ことを特徴とする発光を伴う反応の制御方法。 ２１、請求項２０に記載の発光を伴う反応の制御方法に
   おいて、 前記複数の異なる波長域の画像が、前記プロセス量の変
   化により前記発光体中の分布領域が互いに相反する方向
   に変化するものであることを特徴とする発光を伴う反応
   の制御方法。 ２２、請求項２０または２１に記載の発光を伴う反応の
   制御方法において、 前記発光体が、燃焼ガスであり、Ｃ＿２ラジカルおよび
   ＮＯラジカル成分の波長域に画像を形成することを特徴
   とする発光を伴う反応の制御方法。 ２３、発光体からの光を採光する採光光学装置と、採光
   した光を分光する請求項１に記載の分光装置と、 分光された任意の複数の異なる波長域の光を画像として
   結像するモニタと、 基準となる複数の画像を記憶する記憶装置と、前記任意
   の波長域の画像と前記記憶された画像とを比較し前記発
   光体のプロセス量を制御する制御装置とを備えたことを
   特徴とする発光を伴う反応の制御装置。 ２４、請求項２３に記載の発光を伴う反応の制御装置に
   おいて、 前記分光装置の前記第１結像光学系により結像された光
   を取り込む光増幅素子を設けたことを特徴とする発光を
   伴う反応の制御装置。 ２５、請求項２４に記載の発光を伴う反応の制御装置に
   おいて、 前記入射スリットおよび出射スリットの少なくとも一方
   のスリット幅が可変であり、 前記回折格子の角度が連続的に変えられることを特徴と
   する発光を伴う反応の制御装置。２６、請求項２３〜２
   ５のいずれか一項に記載の発光を伴う反応の制御装置に
   おいて、 前記採光光学系が、紫外線から可視光領域までの光を透
   過するレンズからなることを特徴とする発光を伴う反応
   の制御装置。 ２７、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の発光を
   伴う反応の制御装置において、 前記任意の波長毎の画像の強度分布について彩色表示画
   像を生成する画像処理装置を備えたことを特徴とする発
   光を伴う反応の制御装置。 ２８、入射スリットと、 入射スリットから入射した被分析光を回折格子上に導く
   第１結像光学系と、 導かれた被分析光を波長毎に反射方向を変え分光する回
   折格子と、 分光された光を集光する第２結像光学系と、集光された
   光を任意の波長域の光に分割する出射スリットと、 出射スリットを通過した光を電気信号に変換する光電変
   換器と を備えたことを特徴とする分光装置。 ２９、請求項１〜７または２８のいずれか一項に記載の
   分光装置を接眼部に備えたことを特徴とする望遠鏡。 ３０、請求項１〜７または２８のいずれか一項に記載の
   分光装置を接眼部に備えたことを特徴とする顕微鏡。 ３１、請求項１〜７または２８のいずれか一項に記載の
   分光装置を結像部に備えたことを特徴とするカメラ。 ３２、請求項１〜７または２８のいずれか一項に記載の
   分光装置を備えたことを特徴とする光学計測器。 ３３、請求項１〜７または２８〜３２のいずれか一項に
   記載の分光装置を備えたことを特徴とする人工衛星。