JPH04212025A - 分光器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は被測定光をその波長に
よって分光し、その分光した光の強度から被測定光のス
ペクトルを測定するものであり、特に２つの分光部が縦
続的に設けられ、その前段の回折格子と後段の回折格子
とが連動とされた分光器、いわゆる複単色計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の分光器を図９に示す。分
光器１１において、入射スリット１２を通じて被測定光
１３が入射され、その被測定光１３は凹面鏡１４で平行
光に変換され、その平行光は平面鏡１５で反射されて前
段平面回折格子１６に入射され、回折格子１６の反射光
は凹面鏡１７で絞られて中間スリット１８に通され、こ
こで不要光が除去され、中間スリット１８を通過した光
は凹面鏡１９で平行光に変換され、その平行光は後段下
面回折格子２１に入射され、後段回折格子２１の反射光
は凹面鏡２２が絞られて出射スリット２３に入射され、
出射スリット２３を通過した光は光検出器２４でその光
強度に応じた強度の電気信号に変換される。

【０００３】前段回折格子１６と後段回折格子２１は図
１０に示すように、回転軸２５上に背中合わせで取り付
けられ、回転軸２５はステッピングモータ２６により減
速ギア２７を介して回動される。前段回折格子１６にそ
の法線に対し、光が角度α１　で入射し、角度β１　で
出射する時、これらのはさみ角γ１　＝α１　−β１　
と入射角α１　との関係は次式となる。

【０００４】 　　α１　＝ｓｉｎ　−１｛ｍλ／〔２ｄｃｏｓ（γ１
　／２）〕＋γ１　／２｝　　　　　　　　（１）ｍ：
回折次数、ｄ：回折格子１６の溝間隔、λ：波長はさみ
角γ１　は凹面鏡１４、平面鏡１５などの配置により決
定され、波長λの変化に対して一定である。従って、前
段分光部である波長λの光のみを分光して取り出すには
、その波長λに対し、（１）式から得られるα１　の角
度になるように前段回折格子１６を回転させればよい。 後段回折格子２１に対する入射角α２　、出射角β２　
、はさみ角γ２　と、波長との関係も（１）式と同様に
なる。従って、両はさみ角γ１　とγ２　とが等しけれ
ば、（１）式の関係から入射角α１　＝α２　となり、
前段回折格子１６で分光された波長と同一波長の光が後
段回折格子２１で分光される。つまり中間スリット１８
の中心を通った光は、必ず出射スリット２３の中心を通
ることになり、両スリット１８，２３の各スリット幅を
狭くして、通過波長帯域幅を狭くして、波長分解能を向
上させ、かつ迷光を少なくすることができる。

【０００５】回折格子１６，２１の回転角度と波長λと
の関係を図７に示すように、回折格子波長−角度テーブ
ル２８に予め持っておき、操作・表示部２９により操作
入力された波長が演算処理部３１を通じて波長−角度テ
ーブル２８に与えられ、その波長に応じた角度が読み出
され、その角度に回折格子１６，２１がなるように回折
格子制御部３２を通じて制御される。あるいは操作・表
示部２９の操作に応じて、回折格子１６，２１が所定の
回転角度の範囲を回転して、つまり波長が走査され、光
検出器２４の出力はＡ／Ｄ変換部３３でデジタル信号に
変換され、そのデジタル信号は演算処理部３１に入力さ
れ、被測定光の各波長成分のレベル、つまりスペクトル
が操作・表示部２９に表示される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９に示した構成は、
前段回折格子１６と後段回折格子２１との各はさみ角γ
１　とγ２　とが等しければ、前段分光部で分光した光
を更に後段分光部で分光し、その際に中間スリット１８
、出射スリット２３の各スリット幅を十分狭くすること
ができ、高い波長分解能が得られる。しかし、はさみ角
γ１　とγ２　とを完全に等しくなるように調整するこ
とは困難であり、また周囲温度変化や、外圧による歪み
などにより調整がずれてしまう。このように、はさみ角
γ１　とγ２　とが等しくない場合は本来は同一波長に
対し、前段回折格子１６と後段回折格子２１とは別の回
転角度とさせる必要がある。しかし、回転機構は共通で
あるため、ある波長においては前段分光部と後段分光部
との通過波長帯域を一致させるように凹面鏡などの配置
を調整することは可能であるが、波長を変化させると前
段分光部と後段分光部とで通過波長帯域がずれる。この
時、スリット幅が狭いと、中間スリット１８を通過した
光が出射スリット２３で遮られることとなり、感度が低
下する。これを防止するため、従来においては演算処理
部３１から中間スリット幅制御部３４、出射スリット幅
制御部３５をそれぞれ制御して、中間スリット１８、出
射スリット２３の各スリット幅を広げ、前段分光部と後
段分光部との通過波長帯域が多少ずれても、光が両スリ
ット１８，２３を通過できるようにしていた。このよう
にスリット幅を広くすると、２重分光の特徴である高波
長分解能が十分得られず、かつ迷光特性の性能も低下す
る問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明においては、入
射スリットと出射スリットとの間の光路（入射スリット
、出射スリットを含む）に、前段回折格子または後段回
折格子に対する光路の角度を調整し、実際にまたは等価
的にする角度調整手段が設けられ、分光すべき波長に応
じてこの角度調整手段は予め決められたように制御され
て、前段回折格子による分光部と後段回折格子による分
光部との通過波長帯域が常にほぼ一致するようにされる
。あるいは測定波長帯域のほぼ中心波長で角度調整手段
を制御して、前段回折格子による分光部と、後段回折格
子による分光部との通過波長帯域がほぼ一致するように
、その制御状態が保持される。

【０００８】

【実施例】図１に請求項１の発明を加分散形２重分光器
に適用した実施例を示し、図９と対応する部分に同一符
号を付けてある。この実施例では平面鏡１５を回転機構
３６上に取り付け、平面鏡１５から前段回折格子１６に
対する入射角α１　を調整することができるようにされ
る。演算処理部３１より与えられる波長に対応した回折
格子角度を記憶している回折格子波長−角度テーブル２
８には、後段回折格子２１のはさみ角γ２　から各波長
ごとに（１）式により算出される入射角α２　の値が記
憶されている。従って、前段回折格子１６および後段回
折格子２１は、後段分光部を基準に回転することとなり
、このままでは後段回折格子２１のはさみ角γ２　と異
なるはさみ角γ１　の前段回折格子１６の分光部の通過
波長帯域は後段分光部とはずれてしまう。そこで平面鏡
制御部３７により回転角を制御される平面鏡回転機構３
６で、平面鏡１５を回転して前段回折格子１６への入射
角α１　を変化させて、前段分光部の通過波長帯域を後
段分光部の通過波長帯域に合わせるようにする。演算処
理部３１により与えられる波長に対応した平面鏡１５の
角度は、予め平面鏡波長−角度テーブル３８に記憶され
ている。従って、通過波長の設定が変化しても、入射さ
れた光の内で中間スリット１８の中心を通る光は、必ず
出射スリット２３の中心を通過することとなり、両スリ
ット１８，２３のスリット幅を狭くして通過波長帯域幅
を狭くしても感度が低下することがない。

【０００９】このように、この分光器では分光部１１に
対し、波長に対応して可動する部分を２カ所設け、その
両可動部を波長の変化に対応して、予め記憶されている
量にしたがって自動で動作させることによって前段分光
部と後段分光部との通過波長帯域を常に一致させること
ができる。従って、前段分光部と後段分光部との間で通
過波長帯域がずれた場合に従来行っていたスリット幅を
広くしたり、スリット幅が狭いままで新しい波長に対応
するように、凹面鏡など光学系の配置を調整し直す等の
作業を行うことなしに、低迷光、高分解能の測定を行う
ことができる。

【００１０】平面鏡波長−角度テーブル３８へのデータ
取得方法の例を示す。まず、波長λの光を入射し、回折
格子波長−角度テーブル２８の波長λに対応した角度だ
け回折格子１６，２１を回転する。前述したように、回
折格子波長−角度テーブル２８には後段回折格子２１の
はさみ角γ２　の値から算出した角度が記憶されている
ため、中間スリット１８の中心に波長λの光が入射した
とすれば、出射スリット２３の中心を通過させるような
角度に後段回折格子２１はある。しかし、まだ平面鏡１
５の角度が確定していないので、前段分光部に入射され
た波長λの光は中間スリット１８を通過するとは限らな
い。ここで、演算処理部３１から通路３９を通じて直接
指令値を平面鏡制御部３７に与えて平面鏡１５の回転角
をいろいろ変えて、光検出器２４で検出される光パワー
の大きさを観測する。このとき、中間スリット１８、出
射スリット２３の各スリット幅は最小にして、前段分光
部と後段分光部との通過波長帯域が完全に一致した時の
み、波長λの光が両スリット１８，２３を通過して光検
出器２４に入射するようにしておく。そして、最大の光
パワーを検出した時の平面鏡１５の角度を、平面鏡波長
−角度テーブル３８に波長λに対して記憶する。

【００１１】以上のことを、波長を変えて測定可能なす
べての波長範囲で行って、平面鏡波長−角度テーブル３
８の値を求める。図２に平面鏡回転機構３６、つまり角
度調整手段の具体例を示す。ステッピングモータ４１に
よりねじ４２が正、逆回転され、ねじ４２上にナット４
３がねじ結合され、ナット４３は図に示してないが、回
転されることなく、ねじ４２に沿って移動可能とされて
いる。回動自在に保持された支軸４４上に平面鏡１５が
取り付けられ、支軸４４にレバー４５が取り付けられ、
レバー４５はコイルばね４６でナット４３に弾性的に押
し付けられる。ステッピングモータ４１の回転により、
ナット４３がねじ４２上を移動し、これに伴ってレバー
４５が回動し、従って平面鏡１５も回動する。これはサ
インバー送りと呼ばれる機構である。

【００１２】この発明の特徴は、２重分光部の両回折格
子が一つの駆動系によって回転させられる分光器におい
て、波長の変化に対応して可動する部分を別に少なくと
も１カ所追加して回折格子に対する光路の角度を調整し
て、前段分光部と後段分光部との通過波長帯域が常に自
動的に同一となるようにしたことである。従って、図１
では前段回折格子１６に対する入射光路の角度を可動と
したが、入射スリット１２の位置をその光軸と直角に動
かしてもよい。この場合は、図３に示すように、入射ス
リツト１２を入射スリット可動機構４７に取り付け、演
算処理部３１から与えられる波長で入射スリット波長−
位置テーブル４８を読み出し、その読み出した位置に入
射スリット１２がなるように入射スリット位置制御部４
９を介して入射スリット可動機構４７を制御する。つま
り、入射スリット１２の光軸と凹面鏡１４の法線とがな
す角度が、入射スリット１２をその光軸と直角に移動す
ることにより変化し、これに伴って凹面鏡１４から平面
鏡１５へ反射する光の方向が変化し、前段回折格子１６
に対する光路の入射角も変化することになる。従って図
１の場合と同様に、既知の波長λの光を入射して、演算
処理部３１より通路５１を通じて入射スリット位置制御
部４９を直接制御し、光検出器２４の出力が最大となる
ように入射スリット１２の位置を調整し、その位置をそ
の波長λに対して入射スリット波長−位置テーブル４８
に記憶し、これを各波長に対して行って入射スリット波
長−位置テーブル４８を作っておくことにより、前段分
光部と後段分光部との通過波長帯域を一致させることが
できる。

【００１３】入射スリット可動機構４７の具体例を図４
に示す。この例も平面鏡回転機構と同様に、ステッピン
グモータ５２でねじ５３を正逆回転させ、ねじ５３上に
ナット５４をねじ結合し、ナット５４を回転しないが軸
方向に移動自在とし、そのナット５４に入射スリット１
２を取り付ける。図１において平面鏡１５を回転させる
代わりに、凹面鏡１４を回転させて波長ごとに調整する
ようにしてもよいことは容易に理解されよう。

【００１４】以上では、前段回折格子１６の入射角を調
整したが、凹面鏡１７を回転調整することにより、中間
スリット１８の中心を通るような光の前段回折格子１６
からの出射角を変えることができ、同様に前段分光部と
、後段分光部との通過波長帯域を常に一致させることが
できる。以上、角度調整用可変手段を前段分光部内に設
けて、後段分光部を基準とした回折格子波長−角度テー
ブル２８と、平面鏡波長−角度テーブル３８や入射スリ
ット波長−位置テーブル４８などとを設けたが、逆に角
度調整用可変手段を後段分光部内に設けて、前段回折格
子１６を基準とした回折格子波長−角度テーブルを持つ
構成としてもよい。この場合は、凹面鏡１９または２２
の角度を調整するようにしてもよく、また別に、後段分
光部の光路中に平面鏡を追加して、その角度を調整して
もよい。更に出射スリット２３の位置を調整してもよい
。これらの例として図５に凹面鏡２２の角度を調整する
場合を示す。この場合の回折格子波長−角度テーブル２
８には、前段回折格子１６のはさみ角γ１　の値から算
出した角度α１　が波長対応に記憶されている。ここで
、図１の場合と同様に、使用波長範囲にわたって各波長
ごとに光検出器２４から最大光パワーを検出できる凹面
鏡２２の角度を求めて、凹面鏡波長−角度テーブル５５
に記憶しておき、使用時に演算処理部３１から与えられ
る設定波長で凹面鏡波長−角度テーブル５５を読み出し
、その出力で凹面鏡制御部５６を通じて凹面鏡回転機構
５７を制御して凹面鏡２２の角度を調整する。

【００１５】以上は前段か後段の分光部のどちらかに角
度調整可変手段がある場合であったが、中間スリット１
８の位置を調整してもよい。その場合の例を図６に示す
。この場合、前段か後段の分光部のどちらか片方を基準
にして、（１）式から予め回折格子波長−角度テーブル
２８を作成しておくことができないので、テーブルデー
タの取得方法は若干異なる。このテーブルデータの取得
は次のようにして行えばよい。

【００１６】まず、波長λの光を入射する。中間スリッ
ト１８のスリット幅は最大にして、中間スリット１８が
光を遮らないようにする。出射スリット２３のスリット
幅は最小にする。そして、波長λの光が出射スリット２
３を通過し、光検出器２４によって検出される光パワー
が最大となる時の回折格子角度を求め、回折格子波長−
角度テーブル２８に記憶する。そして、光パワーが最大
となる角度に回折格子を回転し、中間スリット１８のス
リット幅を最小とする。演算処理部３１から中間スリッ
ト位置制御部５８を直接制御して中間スリット可動機構
５９を駆動し、中間スリット１８をその光軸と直角に動
かして、光パワーが最大となる位置を求め、その位置を
中間スリット波長−位置テーブル６１に波長λに対して
記憶する。この操作を入射波長λを変えて、すべての波
長範囲で行う。通常使用時は、演算処理部３１で設定さ
れた波長で中間スリット波長−位置テーブル６１を読み
出し、その出力で中間スリット位置制御部５８を制御し
て、中間スリット１８の位置を調整する。この場合も、
等価的に後段回折格子２１に対する光路の角度を調整し
たことになる。

【００１７】上述ではこの発明を加分散形２重分光器に
適用したが、差分散形２重分光器に適用することもでき
る。その例を図７に図１と対応する部分に同一符号を付
けて示す。この場合も例えば前段回折格子１６の回転軸
（図示せず）上に後段回折格子２１も取付けられるが、
後段回折格子２１は前段回折格子１６と同一向きとされ
ており、軸方向においてずらされている。このため凹面
鏡１７で絞られた前段回折格子１６の反射光は平面鏡６
３で回折格子の回転軸と平行となるように折り曲げられ
、更に平面鏡６４で凹面鏡１７側へ反射される凹面鏡１
９に入射される。平面鏡６３と６４との間の光通路に中
間スリット１８が設けられる。

【００１８】この場合は後段分光部については図１０に
対し、入射角αと出射角βとを入れ替えた形となるから
、（１）式と対応する関係式は次の（２）式となる。 　　β２　＝　ｓｉｎ−１｛ｍλ／〔２ｄ　ｃｏｓ（γ
２　／２）〕＋γ２　／２｝　　　　　　（２）両挟み
角γ１　とγ２　とが等しければ、（１），（２）式の
関係から入射角α１　＝出射角β２　となり、前段回折
格子１６で分光された波長と、同一波長の光が後段回折
格子２１で分光される。挟み角γ１　とγ２　とが等し
くない場合、前段分光部と、後段分光部との通過波長帯
域を一致させるように、先に加分散形２重分光器につい
て述べたように、入射スリット１２及び出射スリット２
３間の光路に、前段回折格子１６または後段回折格子２
１に付する光路の角度を調整する手段を設け、この角度
調整手段を波長に応じて制御するようにする。

【００１９】この図７の実施例では出射スリット２３を
出射スリット位置可動機構６５上に設け、出射スリット
２３をこのスリット及び光軸の両者に対して直角に移動
自在とし、波長に応じて出射スリット２３の位置を制御
するため波長対応に制御位置を記憶した出射スリット波
長−位置テーブル６６を設け、回折格子波長−角度テー
ブル２８で設定した波長でそのテーブル６６を読み出し
、その読み出したデータで出射スリット位置制御部６７
により出射スリット位置可動機構６５を制御するように
した場合である。出射スリット波長−位置テーブル６６
の作成は、既知の波長の光ごとに、演算処理部３１で出
射スリット位置制御部６７を直接制御して光検出器２４
の出力が最大となるようにし、その時の出射スリット位
置をその波長について出射スリット波長−位置テーブル
６６に記憶して行う。なおこの時の回折格子の回転角度
は前段回折格子について決定した波長−角度テーブルで
行う。

【００２０】上述では挟み角γ１　とγ２　とが不一致
の場合に、前段回折格子１６または後段回折格子２１に
対する光路の角度を波長ごとに調整するように、波長と
補正量との対応テーブル３８，４８，５５，６１，６６
などを用いたが、ある波長付近のみを主として測定する
場合は、そのようなテーブルを設けることなく、その測
定波長のほぼ中心でのみ補正値を予め求め、これを記憶
しておき、この記憶値で補正を行い、その補正を測定波
長に応じて、自動的に追従させる必要はない。

【００２１】例えば図８に示すように、平面鏡１５を回
転させて前段回折格子１６に対する光路の角度を補正す
る場合、測定する波長の中心付近の波長の光を入射し、
図１で説明したと同様にして、光検出器２４の出力が最
大となった時の、平面鏡１５の角度を、平面鏡角度記憶
部６８に記憶する。その後、測定を行うが、その時は、
平面鏡角度記憶部６８を読み出し、その読み出したデー
タに応じて平面鏡１５の角度を補正し、その角度位置に
保持しておく。この波長近傍の波長の光を測定する場合
は前段分光部と後段分光部との通過波長帯域のずれは微
小であるから、スリット１２，１８，２３の各スリット
幅を広くすることなく測定することができる。

【００２２】測定波長帯域を大きく変更するときは、改
めてその波長帯域の中心について平面鏡角度記憶部６８
に対する補正データを取り直してから測定する。以上述
べたように、前段分光部と後段分光部との通過波長帯域
を一致させるための角度調整手段は入射スリット１２か
ら出射スリット２３までの間の光路の適当な個所に設け
ることができる。

【００２３】これらの実施例では、回折格子波長−角度
テーブル２８、平面鏡波長−角度テーブル３８などの波
長対角度データ、波長対位置データなどをテーブルとし
て記憶したが、これらの値を波長を変数とする式と係数
の形で記憶しておいて、測定時にこれらの式と係数から
波長対角度データ、波長対位置データを算出して使用し
てもよい。要は、波長対角度データ、波長対位置データ
、あるいは特定の波長に対する補正データを記憶する部
分に相当するものがあればよい。２重分光器の構成も他
の形式としてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば入
射スリットと出射スリットとの間の光路に回折格子に対
する光路の角度を変化（等価的変化も含む）させる角度
調整手段を設け、設定波長ごとにその角度調整手段を自
動調整して、あるいは測定波長帯域の中心付近の波長で
角度調整手段を自動調整して前段分光部と後段分光部と
の通過波長帯域が常に一致するようにされているから、
中間スリット１８、出射スリット２３の各スリット幅を
狭くすることができ、高い波長分解能が得られ、かつ迷
光遮断特性がよいものが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を加分散形２重分光器に適用した実施
例を示すブロック図

【図２】その平面鏡回転機構３６の具体例を示す平面図

【図３】入射スリット位置を調整するようにしたこの発
明の実施例を示すブロック図

【図４】その入射スリット可動機構４７の具体例を示す
平面図

【図５】後段分光部の凹面鏡を回転調整するようにした
この発明の実施例を示すブロック図

【図６】中間スリットの位置を調整するようにしたこの
発明の実施例を示すブロック図

【図７】この発明を差分散形２重分光器に適用した実施
例を示すブロック図

【図８】請求項２の発明の実施例を示すブロック図

【図
９】従来の２重分光器を示すブロック図

【図１０】その
回折格子およびその回転制御部を示す斜視図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射スリットから入射された被測定光
   を平行光に変換し、その平行光を前段回折格子に入射し
   、その反射光を絞り、その絞った光を中間スリットを通
   過させ、その通過した光を平行光に変換し、その平行光
   を、前段回折格子と連動して回動される後段回折格子に
   入射し、その反射光を絞り、その絞った光を出射スリッ
   トを通過させ、その通過した光を光検出器で電気信号に
   変換する分光器において、上記入射スリットおよび上記
   出射スリット間の光路に設けられ、上記前段または後段
   回折格子に対する光路の角度を調整する角度調整手段と
   、波長に応じて予め決められたように、上記角度調整手
   段を制御し、上記前段回折格子による分光部と上記後段
   回折格子による分光部との通過波長帯域をほぼ一致させ
   る制御手段と、を設けたことを特徴とする分光器。
2. 【請求項２】　　入射スリットから入射された被測定光
   を平行光に変換し、その平行光を前段回折格子に入射し
   、その反射光を絞り、その絞った光を中間スリットを通
   過させ、その通過した光を平行光に変換し、その平行光
   を、上記前段回折格子と連動して回動される後段回折格
   子に入射し、その反射光を絞り、その絞った光を出射ス
   リットを通過させ、その通過した光を光検出器で電気信
   号に変換する分光器において、上記入射スリットおよび
   上記出射スリット間の光路に設けられ、上記前段回折格
   子または後段回折格子に対する光路の角度を調整する角
   度調整手段と、測定波長帯域のほぼ中心波長で上記角度
   調整手段を制御して、上記前段回折格子による分光部と
   上記後段回折格子による分光部との通過波長帯域がぼぼ
   一致するように、その制御状態を保持する制御手段と、
   を設けたことを制御とする分光器。