JPH0326926A - 分光分析用光学装置 - Google Patents

分光分析用光学装置

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JPH0326926A
JPH0326926A JP2155551A JP15555190A JPH0326926A JP H0326926 A JPH0326926 A JP H0326926A JP 2155551 A JP2155551 A JP 2155551A JP 15555190 A JP15555190 A JP 15555190A JP H0326926 A JPH0326926 A JP H0326926A
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stage
optical device
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mirror
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Andre Baranne
アンドル・バラン
Francis Pilloud
フランシス・ピル
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Fisons Ltd
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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〕 本発明は光の分光分析に使用される光学装置、すなわち
、分光写真器、分光計または比色計に使用される装置に
関する。
〔従来の技術および発明が解決しようとする課創 光の分光分析に使用される分光技術は2つの種類、すな
わち、逐次分光分析および同時分光分析に大きく区分す
ることができる。前者の技術にはモノクロメーターの分
散要素を回転することにより選択される個々の波長を分
離するためにモノクロメーターを使用して波長毎にスペ
クトル波長を記録することが包含される。
一方、同時分光分析では、いくつかの異なる波長が、代
表的には静的分散要素および検出器のアレイにより同時
に測定される。
逐次分光分析装置および同時分光分析装置は、操作モー
ドが異なっているために、異なる光学的特性を有し、そ
して一方の使用型式のために設計されたユニットは他方
の使用型式に適さなくなる可能性がある。
〔課題を解決するための手段〕
そこで、本発明者はこの欠点を克服しまたは実質的に軽
減しかつ既知の光学装置よりさらに有利な特性を有する
、光の分光分析に使用するための光学装置の改良された
型式を考案した。
本発明によれば、(a)分教要素を含む分光写真器アセ
ンブリーおよび(b)古典的コリーメーターとを備え、
前記分光写真器アセンブリーが古典的コリーメーターの
物焦点で完全な中間スペクトルを供給し、かつ古典的コ
リーメーターがその像焦点で分散要素の像を矯正( r
eform)することを特徴とする、光源の分光分析用
光学装置が提供される。
本発明による光学装置は同時測定と逐次測定lこ容易に
使用可能できる点で有利である。そのほかに、例えば、
耀心率に起因する収差が最小限にされる。この光学装置
はすべての構成部分が1つまたは2つの平面内に配置さ
れるように比較的コンパクトに構成することができる。
このように構成することにより、熱膨脹等lこより生じ
た誤差が最小限になる。
中間スペクトルは分光写真器アセンブリーの入口スリッ
トの分散像である。
この分光写真器アセンブリーは入口スリット、同じ焦点
距離を有する並置された2つの凹面鏡、2つの凹面鏡の
共通の焦点面内に厳密に配置された分散要素とを備えた
チェルニーターナ−(Czerny−Turner)ま
たはその他の型式の分光写真器であれば最も好都合であ
る。Z−アセンブリーと称されるこの型式のアセンブリ
ーは、既知であるように、2つの鏡への入射角が同じで
あれば、不均一収差(例えば、ゆがみ)を有していない
分散要素は格子が好ましく、エシェル(eche一1 
1e)格子が最も好ましい。エシェル格子はより大きな
分散を与えるので好ましい。格子は円錐分散で使用する
のが最も好ましい。
それ故、本発明の好ましい態様によれば、入口スリット
、同じ焦点距離を有する並置された2つの凹面鏡、2つ
の凹面鏡の共通の焦点面にある格子とからなるチェルニ
ーターナーまたはその他の型式の分光写真器を備え、前
記格子が円錐分散で使用され、前記分光写真器が古典的
コリーメーターの物焦点で完全な中間スペクl・ルを供
給しそして古典的コリーメーターがその像焦点で格子の
像を矯正(リフォーム)する、光源の分光分析用光学装
置が提供される。
しかしながら、かかるZ−アセンブリーは2つの厄介な
収差すAわち口径が大きい場合の球面収差と鏡への入射
角の平方として増加する非点収差を有する結果、離心率
を最小限にしなければならない。
分散要素がエシェル格子である場合、2次分散器によっ
て光列(order)を垂直に分散させることが必要で
ある。この効果はエシェル格子の前方に復路プリズム(
ダブルバッセージプリズム)を配置することによって普
通に得られる。
ところが、このプリズムは一般に格子より極めて大きく
そして赤の分散が紫外の分散より極めて小さいので、ス
リットの高さが制限される(異なった光列の像がオーバ
ーラップするのを避けるために)。鏡への入射角が大き
くなり非点収差を増大する。平面回折(入射光線が格子
線に垂直に回折する)状態では、これらの角度が大きく
なりそして寄生分光Cキャリー則( cary’ s 
rule))の危険によって既に制限された口径を制限
する。円錐回折(同一平面にある入射光線と回折光線が
格子線と平行になりかつブレーズ(blaze)軸を含
む)状態では、これらの過大な角度がスペクトルのひず
みと勾配差を誘発し、スリットの単色像にとって厄介な
ものとなる。
これらの問題は古典的コリーメーターが第2のチェルニ
ーターナー分光写真器の第1の鏡となるように2つの連
続するチェルニーターナー配置(同じ型式のもの)を組
合せることによって本発明の好ましい態様で解決される
。第1および第2のチェルニーターナー分光写真器は以
下「第1および第2のステージ」と称される。
第1ステージは円錐分散に用いられるエシェル格子を備
えているのが好ましい。リトロウ(Littrow)ア
センブリー条件を用いてもよくそして離心角は最小にさ
れる。この結果明るさがよくなりそしてすべての光列が
重なり合う中間スペクトルのひずみがほとんどなくなる
第2ステージでは、第2の分散要素は後方反射プリズム
または古典的格子であってもよいが、これは分散要素の
面と一致する最終のサジタル平面の中間スペクトルを分
散させる。知られているように、中間像と最終像が球面
収差と非点収差を受けるならば、サジタルがこの面に含
まれるのが効果的である。vg2の分散要素はスペクト
ルの紫外域における解像力をよくするので後方反射プリ
ズムであることが好ましい。
2段階配置の別の利点はプリズムの大きさを第1ステー
ジに用いられるエシェル格子の大きさとまったく関係な
く最小にすることができることである。また、2段階設
計では第2の分散要素の大きさを第1の分散要素の大き
さと同じようにすることができる。こうすれば普通より
も小さくなりそしてコストが低くなる。プリズムを用い
る場合、比較的薄くすることができる結果光の吸収が減
少しそのため光の強さが向上する。
l!械的にコンパクトであるので、例えば中間スペクト
ルのレベルにある全反射プリズムによって第2ステージ
を第1ステージの上に折り重ねることが有利である。こ
れによって装[(7)すべての光学要素が2つの平行な
面(以下、「サイド」と称する)に分配される。第1サ
イドは平行な軸に沿って結合された4つの鏡で構威され
、第2の対面するサイドは光学要素の残り(入口スリッ
ト、エシェル格子、中間スペクトル、全反射プリズム、
後方反射プリズムおよび最終像)で構威される。この配
置は特に構戒が簡単でかつ例えばユニットの熱膨脹によ
るエラーが少なくなるという点でかなりの利点を有する
全反射プリズムの代りに、一対の平面鏡を用いて第1お
よび第2のステージを折り曲げてもよい(2つの鏡は反
射が生じるプリズムの2つの内面と同様に作用する)。
種々のスペクトル線の強さが変動するので、全反射プリ
ズムの直前にマスクを配置してスペクトル中の特定の線
を抑えるか除去することが有利であるかもしれない。例
えば、マスクヲ用いると、光がほとんど存在せずかつプ
リズムによる分散が赤色域(光が多く存在しかつプリズ
ムによる分散がほとんど生じない域)におけるよりも大
きい紫外域において多くの光が通過するようになる。ま
た、不要な線例えば特に他の測定値に支障を来たす強い
線を抑えるか除去することができる。
球面収差や非点収差を修正するように装置を構成するこ
とが望ましい。これは3個所で行うことができる。すな
わち、他方の鏡ではビームが分散されるので、第1ステ
ージの第1の鏡があるいは分散要素のいずれかで行うこ
とができる。
分光計(単一の入口スリットを有する)に対する好まし
い解決策は第1ステージの収差を第1の鏡で修正しそし
て第2ステージの収差を第2の分散要素で修正すること
である。実に、第1の鏡が2つのステージのために全体
の修正を行うことができる。この場合、第1の鏡は他方
の鏡の軸に平行な対称軸を有するアスチグマチ。・ク双
曲面であり、双曲面のひずみ率は修正装五における鏡の
数の(−)に等しい(すなわち、:司じ曲率半径の鏡が
4枚ある場合は−4である)。また、双曲面の主曲率半
径の差は離心角とその方向に依存する。
それ故、中間スペクトルのレベルで2つの収差の反転が
存在する。これは問題とならない。
それは幾何学的マスクを配置して光線の高さを制限でき
る場合はサジタル像は子午像より先になるからである。
2段階装置の重要な利点は各波長域の微分ビ不ツト(d
ifferential vignetting)によ
って画質を改善できることである。エシェル格子の光列
では、青色光列は赤色光列より直線的lこ短いというこ
とがわかる。それ故、青色波長の像は軸に近くそして赤
色光列の一番端の像より質がよい。赤色の領域では、よ
り多くの光が存在するので、赤色を何ら支障なく別々に
ビネットすることができる。この効果は第1ステージの
第2の鏡と第2ステージの第1の鏡の外形を長円形にす
ることによって得られる。中間スペクトルのレベルでひ
とみが反転した後、ひとみの中央部だけが最終の像とし
て残るであろう。これによってより多くの線を有する格
子を一次分散器として使用することができ、かくして光
列はより容易に分離することができそしてより小さな角
度のプリズムを第2ステージに用いることができる。
光学要素自体が熱変動に敏感でなければ、最終および中
間の像を厳密にテレセントリズム( telecenL
rism) Lて装置を膨脹または収縮に感じjこ〈〈
させる。このテレセントリズムによって中間スペクトル
が逐次分光分析法に使用できるようになる。この目的の
ために、逐次ユニットを中間スペクトルのレベルに挿入
することができる。この逐次ユニットは小さな寸法のコ
ンパクトなアセンブリーであって中間スペクトルに沿っ
て変位させることができる。該ユニットは光をチェルニ
ーターナーユニット(この中の分散器がプリズムである
)に偏向させる長斜方形プリズムで構戊されていること
が好都合である。このプリズムは2次分散が格子による
分散と同じ方向になるようにスリットと平行な端部を有
している。該プリズムは選択された波長の光が出口スリ
ットに存在するように回転させてもよい。光をチェルニ
ーターナーユニットに偏向させるのに用いられる長斜方
形プリズムは、場合により使用される幾何学的マスクの
前方に配置できる位極めて薄い方が好都合である。これ
は逐次ユニットに通じる出口スリッI・の高さが制限さ
れていないことを意味している。
逐次ユニットの出口スリットによって選ばれた波長はK
−一定により離散される。それ故、これらの波長はお互
いにかなり良好に分離されそしてチェルニーターナー鏡
の焦点距離は短くなり、出口スリットは大きくなる可能
性がある。
一般に単独の検出器は注目の全分光域に適していないの
で、青色波長域に1つの検出器を用いそしてスペクトル
の赤色端に別の検出器を用いることが好ましい。この場
合、分散器のプリズムは2個の互換性プリズムの集或体
である方が好都合であり、適切な検出器の選択は対応す
るプリズムの選択によって行われる。
逐次ユニッ1・が用いられる場合、装置の残存収差は該
ユニットの第1ステージで修正することができる.第1
ステージの収差はひずみ率が−2であるアスチグマチッ
ク双曲面によって第1の鏡で修正されそして第2ステー
ジの収差はシュミット(SchmidL)オプチソクス
によってブリズムで修正される。
ある範囲の波長の逐次記録は2つの連結した動作すなわ
ち逐次ユニットの直線変位およびそのプリズムの回転に
伴う。
逐次ユニットの出口スリットはプリズムの端と直線にな
っていて平行でなければならないことIこ注目すべきで
ある。このため、装置の出口スリット全般に適当な勾配
、できるかぎり湾曲をつけて円錐分散に用いられるエシ
ェル格子による影響を補償することが好都合である。
逐次ユニットの代りにあるいはそれに加えて、中間スペ
クトルのレベルに1個またはそれ以上の固定ユニットを
設けてもよい。各固定ユニットは1つの分光線の測定に
用いられる。そのような固定ユニットの使用は特に関心
のある分光線が紫外部に発生する場合それ故装置の後の
段階の構成部分(プリズムなど)における吸収が問題と
なる場合に特に有用である。1つの例は例えば鋼中の窒
素の測定である。
固定ユニノトは、固定されるほかは逐次ユニットと類似
の構成を有していることが好都合である。すなわち、そ
れは光を適切に配置された出口スリットと光電子増倍管
を備えたコンパクトなチェルニーターナーアセンブリー
に偏向させる小さな鏡まt;はプリズムを含んでいても
よい。
天体オプチックスでは、この種の装置を使用できるが、
望遠鏡の焦点距離によって与えられる像領域が使用検出
器にとって大きすぎそして空中乱れによって拡大される
恒星像の大きさが検出器の画素より大きい点が異なる。
それ故、装置に焦点レデュサーを組合せることが必要で
ある。望遠鏡によって供給される像はテレセントリック
(telecenLric)でありそして装置の対物、
中間および像空間は単色光により位相同形であり、望遠
鏡の内部に直接用いられる焦点レデュサーは中間焦点ま
たは装置の最終焦点に存在していてもよい。
天体焦点レデュサーの内部ひとみは通常実像であって使
用することができる。必要ならば2次分散器を配置する
ことができる。同じ焦点レデュサーを望遠鏡の直接焦点
かあるいはいずれかのステージからの出口に用いてもよ
いということは最少の光学装置をいつでも使用できるこ
とを意味している。
焦点レデュサーは反射屈折( caLadiopLri
c)であってもよくこの際装置はよりコンノくクトにす
ることができる。前記焦点レデュサーのコリーメーター
はチェルニーターナー鏡と同じ鏡である。必要な焦点リ
ダクンヨンを与えるため6こ自由設計の屈折対物レンズ
を第2のひとみに配置してもよい。
次分散器が一次で作用する格子であるならf、装置はそ
のまま用いられる。分散器が工・/ェル格子である場合
、対物レンズの前方に2次分散器を置くのが最もよい。
上述したように、球面収差と非点収差の修正は鏡の数と
離心率によって行われる。天体オブチックスと関連性の
ある特別な場合は多重出口スリット(多重スリット分光
写真器)が使用される。これらの収差の修正は、格子表
面を変形させるかあるいは格子の前方にシュミット、復
党路式非点収差スクリーンを挿入することによってひと
みレベルで行うことができる。天体分光写真器では、こ
のような複合光学装置はその購入価格にあまり影響を与
えないので、このことは正当化される。
ステージの数は1つまたは2つに限定されないことと、
非常に大きな天体視野に対しては数個の同じ装置を並置
できることが明らかである。
本発明の光学装置は光の分光分析を包含する任意の用途
に使用できる。本発明の装置を用1,%ることができる
1つの特定なタイプの機器は光学発光分光計である。
次に、本発明を添付図面を参照して詳しく説明する。
まず第1図について説明すると、円錐回折用の既知のチ
ェルニーターナー機構は入口スリ・冫}(11)、第1
および第2の凹面鏡(12.13)および分散要素(1
4) (格子であってもよい)で構戊されている。装置
は分光像(l5)を生じる。
本発明では、この装置に古典的コリーメーターが補充さ
れる。このコリーメーターは分散要素(l4)の像をそ
の像焦点に再び焦点合せすることによってチエノレニー
ターナーユニ・冫トからの分光像(l5)を無限大にす
るものである。
第2図は古典的コリーメーターが別のチエノレニーター
ナー配置の第1の鏡である本発明の装置を示す。第1の
チェルニーターナーの分散器はエンエル格子(26)で
ありそして第2のチェルニーターナーの分散器は光列を
垂直に分散させるプリズム(27)である。このアセン
ブリーにより離心角が減少しそして格子の寸法をプリズ
ムの寸法と独立したものにさせる。この場合、第2のチ
ェルニーターナーユニットの焦点距離は第1のものより
大きい。
第3図は2個のチェルニーターナーユニットが全反射プ
リズムによって折り曲げられI;同様の装置を示す。こ
れは機械的にコンパク1・であるという利点を有してい
る。すなわち、2つのチェルニーターナーユニッ1・の
4つの鏡(1,2.3.4)が同じ面に配置されそして
残りの構或部分が対向する面に配置されている。これら
の残りの構戊部分は入口スリット(3l)、エシェル格
子(32)、全反射プリズム(33)およびプリズム(
34)である。この場合、2つのチェルニーターナーユ
ニットの焦点距離は極めて類似している。
幾何学的マスク(35)は中間スペクトルの面内に配置
されていて特定波長における中間スペクトルの高さを制
限する作用をする。マスク(35)の典型的な形態は第
4図に明らかに示されている。F′線は装置の入口スリ
ット全般の単色像を表わし、像の高さが幾何学的マスク
によって如何に制限されるかを示している。
同様に、鏡(1.2,3.4)の形状と鏡(1.2,3
.4)に配置されている幾何学的絞りの形状が第5図に
示されている。これらの絞りはその中央部に対する軸か
ら最も遠くにある単色ひとみを赤色域で制限する。ひと
みは対称軸に沿って絞りで制限されるのではむく、第4
番目の!(4)のベースに存在する。点線はこれらの単
色ひとみをトレースするものである(第3番目のs(3
)の端では、実際にはひとみは第2番目の鏡(2)の像
である)。
移動逐次ユニットは第6A図に示すように中間スペクト
ルの直ぐ後方に配置される。この逐次ユニットは入口ス
リット(F′)、第1および第2の鏡(5.6)および
分散器としてのプリズム(P)を有する別のチェルニー
ターナーユニットからなっている。プリズム(P)によ
る2次分散は第1のチェルニーターナーユニットの格子
による分散と同じ方向にある。プリズム(P)は所望の
波長の光が出口スリットと整合しかつ光電子増倍1r(
PM)で検出されるように回転することができる。
第6B図に示されているように、プリズム(I’)は実
際には2個のプリズムのアセンブリであり、調査中の特
定分光線により適切なプリズムの選択はアセンブリーを
単に回転させて行われる。また、2つの光電子増倍管(
 PM)が用いられる。その際、一方はスペクトルの赤
色域用であり、他方はスペクトルの青色域用である。
使用時に、分光測定は第3図に示される装置を用いて行
われる。出口スリットマスク(図示せず)におけるいく
つかまたはすべてのスリットからの光(すなわち、注目
の波長の光)は慣用のようにして例えば光学繊維を用い
て光電子増陪管のアレイに送られる。
逐次測定のために、第6C図に示される長斜方形プリズ
ムは注目の光が逐次ユニットの中に偏向されるようにマ
スク(35)の前方の位置に移動される。注目の特定な
波長はプリズム(P)の回転によって選択されそして光
の強さは適切な光電子増倍管( PM)によって測定さ
れる。
第7A図に示されるように、天体望遠鏡(70)に用い
られる装置は第1および第2の鏡(1.2)、円錐回折
モードに用いられる二次格子( Rl)および焦点レデ
ュサ−( RF)で構成されている。
望遠鏡(70)からの像はFで焦点を結び、これは装置
への入口スリットと符号しそしてF′で再び焦点を結ぶ
。この場合、古典的コリーメーターは焦点レデュサーの
屈折コリーメーターである。
第7B図は4個の鏡(1−4)、格子(Rl)および第
2ステージにおける分散器としてのプリズム( DS)
からなる2段階装置を示し、最終スペクトルは焦点レデ
ュサーによって受け取られる。
第7C図は凹面鏡(1−6)が同じ面に存在する3段階
システムを示す。連統する焦点(F,F′、F#、F″
)は対向する平行な面に存在しそこでは連統するひとみ
(PL, P2、P3)と交互になっている。
種々の理由で、例えば青色および赤色域のエシェル分離
を使用するために、望遠鏡の焦点(F)が残りの焦点(
F’、F″、F“)のいずれか1つを占めることが望ま
しいかもしれない。これは平面鏡を用いて行うことがで
きる。システムのひとみの少なくとも1つには円錐回折
に用いられる格子が備え付けられている。
第8A図は古典的コリーメーターがその像焦点で第2の
ひとみを矯正する鏡(3)であるシステムを示す。古典
的チャンバ一対物レンズ(8l)がこの第2のひとみに
配置され、鏡(3)およびチャンバー(8l)が共にカ
タジオプトリ・冫ク焦点レデュサーとして作用する。
第8B図は類似のシステムを示すが、一次分散器がエシ
ェル格子(R′)でありそして2次分散器がチャンバ一
対物レンズ(8l)の前方に配置されている点が異なっ
ている。2次分散器(82)は複合分散器(プリズム+
格子)である。
【図面の簡単な説明】
第1図は円鱈回折用の既知のチェルニーターナー機構(
上下型)を示し、第2図は2つの連続しI;チェルニー
ターナーユニットを示し、第3図は光学要素が2つの平
行面に分割されるように全反射プリズムによって折り重
ねられる、第2図と同じアセンブリーを示し、第4図は
第3図のアセンブリーの中間スペクトル像の平面に配置
された幾何学的マスクを示し、第5図は第3図の鏡(2
.3)に配置された幾何学的絞りを示し、第6A図は第
3図のアセンブリーの中間スペクトル像の後方に配置さ
れた移動逐次ユニットを示し、第6B図は第6A図の逐
次ユニットの分散器プリズムの拡大図を示し、第6C図
は第6図の逐次ユニットの一部を形戊する長斜方形の入
口プリズムの拡大図を示し、第7A図は本発明の装置を
天体望遠鏡に使用する例を示し、第7B図は天体用の2
段階配置を示し、第7C図は天体用の−多段階折り重ね
システムを示し、第8A図は使用される格子が一次で操
作する反射屈折レデュサーと一緒に用いられる装置を示
しそして第8B図は使用される格子が工シェル格子であ
る第8A図のものと類似する装置の絞りを示す。 従来技術

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)a)分散要素を含む分光写真器アセンブリーおよび b)古典的コリーメーター からなり、前記分光写真器アセンブリーが古典的コリー
    メーターの物焦点で完全な中間スペクトルを供給しそし
    て前記の古典的コリーメーターがその像焦点で分散要素
    の像を矯正することを特徴とする光源の分光分析用光学
    装置。 2)分光写真器アセンブリーが入口スリット、同じ焦点
    距離を有する並置された2つの凹面鏡および2つの凹面
    鏡の共通の焦点面内に厳密に配置された分散要素を有す
    るチェルニーターナーまたはその他の型式の分光写真器
    である、請求項第1項の光学装置。 3)入口スリット、同じ焦点距離を有する並置された2
    つの凹面鏡および2つの凹面鏡の共通の焦点面内に厳密
    に配置された分散要素からなる第1ステージおよび第2
    の同様な分光写真器からなる第2ステージを有し、第2
    ステージの第1の鏡がその像焦点で第1ステージの分散
    要素の像を矯正する古典的コリーメーターである、請求
    項第2項の光学装置。4)第2ステージの分散要素が後
    方反射プリズムである、請求項第3項の光学装置。 5)装置のすべての光学要素が2つの平行な面−一方の
    面は平行な軸に沿って結合された4つの鏡を含みそして
    他方の対向する面は光学要素の残りを含む−に位置する
    ように第2ステージが第1ステージの上に折り重ねられ
    る、請求項第3項または第4項の光学装置。6)スペク
    トルの特定な線を抑えるか除去するようにマスクを中間
    スペクトルのレベルに位置させる、請求項第5項の光学
    装置。 7)赤色域の光学軸から最も遠くの光列を選択的にビネ
    ットするように第1ステージの第2の鏡と第2ステージ
    の第1の鏡の輪郭を長円形にする、請求項第3項ないし
    第5項のいずれか1つの光学装置。 8)光をモノクロメーターへ偏向させる長斜方形プリズ
    ムを有する逐次ユニットを中間スペクトルのレベルに設
    ける、請求項第5項ないし第7項のいずれか1つの光学
    装置。 9)分散要素が円錐分散に使用されるエシェル格子であ
    る前記請求項のいずれか1つの光学装置。 10)前記請求項のいずれか1つの光学装置を有する光
    学発光分光計。
JP2155551A 1989-06-16 1990-06-15 分光分析用光学装置 Pending JPH0326926A (ja)

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