JPH0282125A - ダブルグレーティング型分光装置 - 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２個の分散型分光素子を光路に対して直列に介
挿したダブルグレーティング型分光装置に関する。

［従来の技術］ 回折格子（グレーティング）等の分散型分光素子を被測
定光の光路に２個直列に介挿してなるダブルグレーティ
ング型分光装置は例えば第５図に示すように構成されて
いる。すなわち、外部から入射された被測定光ａは入射
スリット１を介して第１のコリメータ鏡２で平行光線に
直されて第１の回折格子３に入射される。第１の回折格
子３にて分光された被測定光は凹面鏡からなる第１のカ
メラ鏡４で反射され、中間スリット５を介して第２のコ
リメータ鏡６へ入射される。この第２のコリメータ鏡６
で再び平行光線に直された被測定光は第２の回折格子７
へ入射される。第２の回折格子７でさらに分光された被
測定光は凹面鏡からなる第２のカメラ鏡８で集光され、
出射スリット９を介して、この出射スリット９の裏面に
配設されたフォトダイオードからなる測定光受光器１０
へ入射される。

前記第１の回折格子３および第２の回折格子７は例えば
ステッピングモータからなる各駆動機構１１．１２で、
図中矢印で示すように、回折溝の刻線に平行する軸心回
りに回動させられる。そして、図示するように、前記第
１のコリメータ鏡２゜第１の回折格子３．および第１の
カメラｊｌ！！４からなる第１の光学系と第２のコリメ
ータ鏡６．第２の回折格子７および第２のカメラ鏡８か
らなる第２の光学系と同じ構造とし、各回折格子３．７
１：ｌ：対する被測定光の入射角θは互いに一致するよ
うに、各回折格子３，７は前記各駆動機構１１゜１２に
て連動して回動される。したがって、各回折格子３．７
から各カメラ鏡４，８へ入射される分光された光の中心
位置の波長λは一致する。

このような構成のダブルグレーティング型分光装置にお
いて、入射スリット１を介して入力された被測定光ａは
第１の回折格子３で分光されて、分光された被測定光が
さらに第２の回折格子７で分光される。

一般に回折格子の分光性能は、第６図に示すように、単
一波長λ。の基準光を分光した場合にこの中心波長λ０
の両側の波長領域に存在する光レベルの減衰度で示すこ
とができる。すなわち、第１の回折格子３にて分光され
た第６図のＢ特性を有する光をさらに第２の回折格子７
で分光することによって、前記中心波長λ。の両側の波
長領域に存在する前記第１の回折格子３によって減衰さ
れた光レベルをさらに減衰させたＡ特性とすることが可
能となる。したがって、２個の回折格子３゜７を入射角
θが常時一致するように連動させて使用することにより
、被測定光ａに対する分光性能を大幅に向上できる。

［発明が解決しようとする課８］ しかしながら、２個の回折格子３，７を使用して分光性
能を向上させた第５図に示すダブルグレーティング型分
光装置においてもまだ次のような課題があった。すなわ
ち、前述した第６図の分光特性を得るためには、被測定
光ａの第１の回折格子３に対する入射角θと第２の回折
格子７に対する入射角θとが完全に一致する必要がある
。

しかし、前述したように各回折格子３，７は例えばステ
ッピングモータやサーボモータで駆動されている。また
、サインバー等を用いて駆動される場合もある。したが
って、これらの駆動源と各回折格子３，７との間には機
械的連結部材が介在することがある。機械的連結部材は
、寸法精度やバックラッシュ等の問題あり、第１の回折
格子３と第２の回折格子７における入射角θが常に完全
に一致している保障はない。

このような不都合を解消するために、各回折格子３，７
の固定位置からの回動角度位置をポテンションメータ等
で計測して各回動角度が一致するように補正することが
実施されている。

しかし、実際に２個の回折格子３，７を使用したダブル
グレーディング型分光装置において、最終の被測定光受
光器１０から出力される光強度信号で検出された波長λ
は、前述した各回動角（入射角θ）に依存するのみでな
く、第１のコリメータ鏡２．第１の回折格子３および第
１のカメラ鏡４からなる第１の光学系と、第２のコリメ
ータ鏡６、第２の回折格子７および第２のカメラ鏡８か
らなる第２の光学系との間における光軸のずれ等にも依
存する。

したがって、前述した各回折格子３，７に対する被測定
光の各入射角θが理論的に完全に一致したとしても、第
２の回折格子７にて分光されて出射スリット９を介して
被測定光受光器１０へ入射される光の中心波長λとその
時点における第１の回折格子３で分光されて中間スリッ
ト５を通過する光の中心波長λが正確に一致するとは限
らない。

このように、第１の回折格子３と第２の回折格子７から
出力される光の中心波長λがずれていれば、当然第６図
に示した良好な分光特性を得ることが不可能になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
第１および第２の分散型分光素子から出力された光の中
心波長をエタロンの干渉現象を利用して検出することに
より、各分散型分光素子から出力される光の中心波長を
一致させるように補正でき、分光性能を大幅に向上でき
るダブルグレーティング型分光装置を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解消するために本発明は、入力された被測定
光を分光する第１の分散型分光素子と、この第１の分散
型分光素子で分光された光をさらに分光する第２の分散
型分光素子と、この第２の分散型分光素子にて分光され
た光を出射スリットを介して受光する被測定光受光器と
、第１および第２の分散型分光素子を連動して回動させ
る駆動機構とを有したダブルグレーティング型分光装置
において、 広波長帯域を有する参照光を第１の分散型分光素子へ入
射させる参照光源と、第１の分散型分光素子にて分光さ
れた参照光を受光する第１の参照光受光器と、この第１
．の参照先受光器と第１の分散型分光素子との間に介挿
された第１のエタロンと、第１の分散型分光素子にて分
光され、さらに第２の分散型分光素子で分光された参照
光を受光する第２の参照光受光器と、この第２の参照光
受光器と第２の分散型分光素子との間に介挿された第２
のエタロンと、第１および第２の参照光受光器から出力
される第１および第２の光強度信号に含まれる各エタロ
ンの物理的特性で定まる各ビク信号が互いに同期するよ
うに各分散型分光素子相互間における回動角の角度補正
を行なう回動角度補正手段とを備えたものである。

［作用］ このような構成のダブルグレーティング型分光装置であ
れば、第１の分散型分光素子へ入射されれた参照光は第
１のエタロンを介して第１の参照光受光器へ入射される
。また、第１の分散型分光素子にて分光された参照光は
前記第１の参照光受光器へ入射されるとともに第２の分
散型分光素子へ入射される。そして第２の分散型分光素
子で分光された前記参照光は第２のエタロンを介して第
２の参照光受光器へ入射される。

周知のようにエタロンは、第２図に示すように、このエ
タロンに入射する光の波長λを順次変化させると、この
エタロンを通過する光の光強度信号において、厚さｄ、
屈折率ｎ等のエタロンの持つ物理的特性および入射角ｉ
にて一義的に定まる波。

長間隔Δλ毎にピーク信号Ｃが生じる。また、ピーク信
号Ｃの生じる波長λは（１）式から求まる。

（ｍ＋φ／π）λ−２ｎ　ｄ　　ｃｏｓ　ｉ　　　　−
（１）但し９ｍは整数であり、φは位相ずれである。

したがって、このピーク信号Ｃの発生する波長λを特定
することが可能である。

よって、参照光を出力した状態で第１の分散型分光素子
を回動させると第１の参照光受光器の第１の光強度信号
には前記波長間隔Δλ毎にピーク信号が生じる。

参照光は元来広波長帯域を有するので、第１の分散型分
光素子で分光され、かつ第２の分散型分光素子でさらに
分光された光を第２のエタロンを介して受光する第２の
参照光受光器から出力される第２の光強度信号にも前記
第１の光強度信号と同様に波長間隔Δλ毎にピーク信号
が生じる。

したがって、この第１の光強度信号と第２の光強度信号
とに生じるピーク信号が一致するように第１および第２
の分散型分光素子の回動角を補正すれば、第１および第
２の分散型分光素子にて分光された光の中心波長λを一
致させることが可能となる。よって、被測定光受光器か
ら得られる分光特性の精度が大幅に向上する。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は実施例のダブルグレーディング型分光装置を示
す模式図である。外部から入力された被測定光ａは第１
の光切換器２１．スリット２３を介して第１のコリメー
タ鏡２４へ入射され、この第１のコリメータ鏡２４で平
行光線に直されて第１の分散型分光素子としての第１の
回折格子２５に入射される。第１の回折格子２５にて分
光された被測定光ａは凹面鏡からなる第１のカメラ鏡２
６で集光され、中間スリット２７および第２の光切換器
２８を通過する。第２の光切換器２８を通過した被測定
光ａは第２のコリメータ鏡２９へ入射される。この第２
のコリメータ鏡２９で再び平行光線に直された被測定光
ａは第２の分散型分光素子としての第２の回折格子３０
へ入射される。

第２の回折格子３０でさらに分光された被測定光ａは凹
面鏡からなる第２のカメラ鏡３１で集光され、出射スリ
ット３２．出射レンズ３３および第３の光切換器３４を
介してフォトダイオードからなる被測定光受光器３５へ
入射される。

前記第１の回折格子２５と第２の回折格子３゜とは同一
構成を有しており、例えばステッピングモータからなる
駆動機構３６．３７でもって連動して回動される。した
がって、各回折格子２５゜３０に入射される被測定光ａ
の入射角θは連動して変化する。

また、第１の光切換器２１にはフィルタ３８を介して参
照光源としての白色光源３９がら出力される広波長帯域
を有する参照光すが入力される。

また、第２の光切換器２８にて分岐された光はレンズ４
０および第１のエタロン４１を介して第１の参照光受光
器４２へ照射される。さらに、第３の光切換器３４にて
分岐された光は前記第１のエタロン４１と同一構成を有
する第２のエタロン４３を介して第２の参照光受光器４
４へ入射される。

前記各光切換器２１，２８．３４は図示しない制御部か
らの指令にて各光切換器を通過する光および反射される
光を制御する。すなわち、第１の光切換器２１は第１の
コリメータ鏡２４に入射される光を被測定光ａ又は参照
光すに切換える切換スイッチの機構を有する。また、第
２の光切換器２８は、第１の光切換器２１が被測定光ａ
を選択した場合には第１のカメラ鏡２６にて集光された
光を１００％透過し、第１の光切換器２１が参照光すを
選択した場合は、５０％の光を透過し残り５０％の光を
反射して第１のエタロン４１へ導く。

さらに、第３の光切換器３４は、第１の光切換器２１が
被測定光ａを選択した場合に第２のカメラ鏡３１にて反
射された光を１００％透過させて被測定光受光器３５へ
導き、第１の光切換器２１が参照光すを選択した場合は
第２のカメラ鏡３１にて反射された光を１００％反射さ
せて第２のエタロン４３を介して第２の参照光受光器４
４へ導く　。

また、第１．第２のエタロン４１．４３は２個のエタロ
ンの共振長が同じになるような入射角に配置されている
。

このような構成のダブルグレーティング型分光装置にお
いて、第１の回折格子２５と第２の回折格子３０の回動
角の角度補正を行なう手順を説明する。

まず、前述した周知の一般的手法を用いて第１の回折格
子２５に対する被測定光ａの入射角θと第２の回折格子
３０に対する被測定光ａの入射角θを概略一致させてお
く。

そして、第１の光切換器２１を参照光す側に切換える。

すると、被測定光ａが遮光されて、参照光すが第１の光
切換器２１を介して第１のコリメタ鏡２４へ入射される
。そして、第１のコリメータ鏡２４でコリメートされて
第１の回折格子２５へ入射される。参照光すは第１の回
折格子２５で分光されて、第１のカメラ鏡２６で反射さ
れて中間スリット２７を介して第２の光切換器２８へ入
射される。すなわち、中間スリット２７を通過した分光
された参照光すの波長λは前記第１の回折格子２５の回
動角の変化に対応して変化する。

第２の光切換器２８へ入射した波長λが連続的に変化す
る参照光すの５０％は、この第２の光切換器２８で反射
されて、第１のエタロン４１を介して第１の参照光受光
器４２へ入射される。したがって、この第１の参照光受
光器４２から出力される第１の光強度信号には第３図に
示すように、所定波長間隔Δλ毎にピーク信号Ｃが生じ
る。

また、第２の光切換器２８を透過した残り５０％の波長
λが連続変化する参照光すは第２のコリメータ鏡３１で
平行光線に直されて第２の回折格子３０へ入射される。

第２の回折格子３０は第１の回折格子２５と入射角θが
ほぼ一致するように連動して回動しているので、この第
２の回折格子３０にて分光され出射スリット３２を通過
した光の波長λは、前記中間スリット２７を通過した光
の波長λに同期して連続的に変化する。

出射スリット３２を通過した波長λが連続して変化する
参照光すは第３の光切換器３４で１００％反射されて、
第２のエタロン４３を介して第２の参照光受光器４４へ
入射される。しかして、第２の参照光受光器４４から出
力される第２の光強度信号には、第３図に示すよ−うに
、前記第１の光強度信号と同様に、所定波長間隔Δλ毎
にピーク信号ｄが生じる。

前述したように第１．第２のエタロン４１゜４３の共振
長さは同一であるので、入力した光に対して同一の光強
度信号波形となる。したがって、第３図に示すように、
第１の光強度信号と第２の光強度信号のピーク信号ｃ、
ｄの間に位相差Δａが生じると、一つの時刻において第
１の回折格子２５にて分光された光の中心波長λ、と第
２の回折格子３０にて分光された光の中心波長λ２とが
一致しないことになる。

したがって、この位相差ΔαがＯになるように、互いに
連動して回動する第１の回折格子２５の回動角と第２の
回折格子３０の回動角との間の角度関係を微調整する。

第１の光強度信号のピーク信号Ｃと第２の光強度信号の
ピーク信号ｄとの間の位相差Δαが解消されると、第１
の回折格子２５および第２の回折格子３０にて同時刻に
分光された光の波長λが一致するので、これら第１の回
折格子２５および第２の回折格子３０の分光波長は完全
に同期することになる。

以上の操作で第１の回折格子２５と第２の回折格子３０
との間の回動角の角度補正が終了すると、第１の光切換
器２１を被測定光ａ側へ切換る。すると、被測定光ａが
第１のコリメータ鏡２４を介して第１の回折格子２５で
分光され、分光された被測定光ａが第２の光切換器２８
および第２のコリメータ鏡２９を介して第２の回折格子
３０で分光され、分光された被測定光ａは第３の光切換
器３４を介して披７！Ｐ１定光受光器３５へ入射される
。

しかして、第６図に示した良好な分光特性が得られる。

このように、２個のエタロン４１．４３を用いることに
よって、各回折格子２５．３０から出力される分光され
た光の中心波長λを完全に一致させることが可能である
ので、たとえ第１の回折格子２５を含む第１の光学系と
第２の回折格子３０を含む第２の光学系との間に分光さ
れた波長成分の誤差が生じていたとしても、そのずれを
補正することができる。よって、最終の被測定光受光器
３５から得られる分光特性の分光精度を大幅に向上でき
る。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

この実施例に於いては、第１図に示すように、先の実施
例装置に基準波長λ３を有する第１の基準光と基準波長
λ４を有する第２の基準光を出力する基準光源５０を付
加している。

このような構成において、基準光源５０から基準波長λ
３を有する第１の基準光を入射し、第１の回折格子２５
．第２の光切換器２８．第２の回折格子３０および第３
の光切換器３５を介してこの第１の基準光の分光された
光を被測定光受光器３５へ入射すると、この被測定光受
光器３５から第４図に示す光強度信号Ｃが出力される。

次に参照光すと基準波長λ４を有する第２の基準光とを
切換ながら入射し、参照光入射時には第１の参照光受光
器４２および第２の参照光受光器４４て、また第２の基
準光入射時には１＆測定光受光器３５で受光しながら、
第２の基準光のピーク信号りが被測定光受光器３５に得
られるまでの第１の参照光受光器４２の前述したピーク
信号りおよび第２の参照光受光器４３の前記ピーク信号
りの数を読取る。

次に第１の光強度信号Ｅにおける基準波長λ３のピーク
と基準波長λ４のピークとの間に存在するピーク信号Ｃ
の数Ｎと第２のエタロン４３を介した第２の参照光受光
器４３から出力される第２の光強度信号Ｆにおける基準
波長λ３のピークと基準波長λ４のピークとの間に存在
するピーク信号ｄの数Ｎが前記第１の光強度信号Ｅにお
けるピーク信号の数Ｎに一致するように第２のエタロン
４３の入射角ｉを調整する。

以上で第１．第２のエタロン４１．４２の姿勢角および
寸法誤差成分が補正されたことになる。

しかして、前述した実施例と同様に、第１の光強度信号
りと第２の光強度信号Ｅの各ピーク信号Ｃ１ｄの間の位
相差ΔαがＯになるように第１の回折格子２５と第２の
回折格子３０との間の回動角の角度補正を実行すればよ
い。

このように構成されたダブルグレーティング型分光装置
であれば、第１．第２のエタロン４１゜４３間における
光路に対する姿勢角および厚み等の物理的特性の誤差も
補正されるので、分光特性の測定精度をさらに向上でき
る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のダブルグレーティング型分
光装置によれば、第１および第２の分散型分光素子から
出力された光の中心波長をエタロンの干渉現象を利用し
て検出することにより、各分散型分光素子から出力され
る光の中心波長を精度よく一致させることできる。した
がって、得られた分光特性の測定精度を大幅に向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるダブルグレーティン
グ型分光装置の概略構成を示す模式図、第２図はエタロ
ンの特性を示す図、第３図は同実施例の動作を示す信号
波形図、第４図は本発明の他の実施例の動作を示す信号
波形図、第５図は従来のダブルグレーティング型分光装
置の概略構成を示す模式図、第６図は一般的な分光特性
図である。 ２４・・・第１のコリメータ鏡、２５・・・第１の回折
格子、２６・・・第１のカメラ鏡、２９・・・第２のコ
リメータ鏡、３０・・・第２の回折格子、３１・・・第
２のカメラ鏡、３２・・・出射スリット、３５・・・被
測定光受光器、３６．３７・・・駆動機構、３９・・・
白色光源、４１・・・第１のエタロン、４２・・・第１
の参照光受光器、４３・・・第２のエタロン、４４・・
・第２の参照光受光器、５０・・・基準光源。 Δα 冶λ１ 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　３７ 第 図 入０ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力された被測定光を分光する第１の分散型分光素子（
   ２５）と、この第１の分散型分光素子で分光された光を
   さらに分光する第２の分散型分光素子（３０）と、この
   第２の分散型分光素子にて分光された光を出射スリット
   を介して受光する被測定光受光器（３５）と、前記第１
   および第２の分散型分光素子を連動して回動させる駆動
   機構（３６、３７）とを有したダブルグレーティング型
   分光装置において、 広波長帯域を有する参照光を前記第１の分散型分光素子
   へ入射させる参照光源（３９）と、前記第１の分散型分
   光素子にて分光された前記参照光を受光する第１の参照
   光受光器（４２）と、この第１の参照光受光器と前記第
   １の分散型分光素子との間に介挿された第１のエタロン
   （４１）と、前記第１の分散型分光素子にて分光され、
   さらに前記第２の分散型分光素子で分光された参照光を
   受光する第２の参照光受光器（４４）と、この第２の参
   照光受光器と前記第２の分散型分光素子との間に介挿さ
   れた第２のエタロン（４３）と、前記第１および第２の
   参照光受光器から出力される第１および第２の光強度信
   号に含まれる前記各エタロンの物理的特性で定まる各ピ
   ーク信号が互いに同期するように前記各分散型分光素子
   相互間における回動角の角度補正を行なう回動角度補正
   手段とを備えたことを特徴とするダブルグレーティング
   型分光装置。