JPH05256701A - 回折格子モノクロメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】円錐回折を利用したCzerny−Turner型のモノク
ロメータを実現可能にすること。 【構成】角度φをCzerny−Turner型配置の２φの１／２
とし、図１に示す実施例のように平面回折格子５と平面
鏡７を連動して回転し、波長走査を行う。 【効果】円錐回折とCzerny−Turner型配置の両者の特長
を併せ持ったモノクロメータが実現可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分光スペクトルを測定
する分光装置に用いられ、化学分析，物理計測，臨床検
査などの分野で利用される。

【０００２】

【従来の技術】分光光度計などの分光分析装置において
は、多波長の連続あるいは輝線スペクトル光源からの光
束から所定の単色光を取り出すためのモノクロメータが
必要不可欠であり、一般には光の波長分散に平面回折格
子を用いたモノクロメータが広く普及しており、その代
表的な光学系配置としては図２に示すLittrow 型と図３
に示すCzerny−Turner型が知られている。Littrow 型は
それほど分解能を必要としない簡易型モノクロメータと
して、またCzerny−Turner型は高分解能型モノクロメー
タとしてそれぞれ使用されている。なお、Czerny−Turn
er型配置における角２φは、１０〜３０°程度で通常使
用される。

【０００３】従来の平面回折格子モノクロメータは、図
２，図３に示すように、入射および出射スリット１，
２、平行および集光用光学系３，４、平面回折格子５等
で構成され、平面回折格子の回転により出射スリットを
通過する単色光の波長走査を行う。このとき、平行光と
して入射し、平面回折格子により回折される光束の光軸
は、通常回折格子の格子溝に垂直な平面内に配置され、
回折格子は格子溝と平行な回転軸まわりに回転する。こ
のような光学系の配置を通常in−plane の配置と呼ぶ。
回折格子としては、一般に図４に示すような鋸歯状溝断
面形状を持ったブレーズド回折格子と呼ばれる平面回折
格子が用いられる。この回折格子をモノクロメータに使
用する場合、例えばin−plane でしかも入射光と出射光
の方向が一致するLittrow 型配置の場合、回折格子の格
子定数（格子溝間隔）をσ、反射溝角をθとすると、ｍ
λ＝２σsinθ の関係を満足する波長λのｍ次回折光に
対し、回折格子表面材料と同じ材料の金属鏡に等しい反
射光強度が得られる。一般に溝角θをブレーズ角、１次
回折光すなわちｍ＝１の場合に上式を満足する波長λを
ブレーズ波長と呼んでいる。また、入射光と出射光のな
す角度が２φのCzerny−Turner型配置では、ｍλ＝２σ
sinθcosφの関係を満足する波長λのｍ次回折光に対
し、回折格子表面材料と同じ材料の金属鏡に等しい反射
光強度が得られる。

【０００４】一般のモノクロメータでは、その使用波長
範囲内にブレーズ波長を持つよう回折格子の選択が行わ
れるが、広い波長範囲を走査するとき、波長がブレーズ
波長から離れるにつれて回折光強度（あるいはその波長
の入射光強度と回折光強度の比によって定義される回折
効率）が低下する。そのため可視紫外域といったような
広い波長範囲を対象にしたモノクロメータでは、全波長
域に高い回折光強度が得られない欠点があった。また、
in−plane の配置の場合、格子定数，溝断面形状，光学
系配置，回折格子表面材料等で定まる特定波長において
回折光強度（回折効率）が急変するいわゆるアノマリー
現象が発生し、これが光源や測定試料の分光特性と混同
して分光装置の性能を低下させる欠点もあった。

【０００５】これに対し、広い波長範囲の入射光に対
し、理論的には常に鏡面反射に等しい高い回折光強度が
得られる平面回折格子の使用法として、円錐回折（coni
cal diffraction)を利用する方法が提案されている。す
なわち、図５に示すように、格子定数σ，ブレーズ角θ
の平面回折格子において、格子溝に平行でかつ溝反射面
に垂直な平面に沿って平行光束を入射せしめると、その
入射方向と溝反射面の方線のなす角(格子溝反射面への
入射角)がΨであるとき、ｍλ＝２σsinθcosΨの関係
を満足する波長λのｍ次折光が、入射光束と溝反射面の
法線を含む平面内に溝面への反射角Ψをもって反射回折
し、このとき回折される光の強度は、理論的には同一材
料の平面鏡に同じ入射角で入射したときの鏡面反射光強
度に等しい。このような回折現象は円錐回折と呼ばれて
いるが、この円錐回折を利用すれば、上式のΨとλの関
係を満足する限り、いかなる波長λに対しても鏡面反射
に等しい高い強度の回折光が得られる。しかしながら、
円錐回折の場合、高い強度の得られる回折光の方向が入
射光方向に対して常に変化するため、一般に入射および
出射スリットをそれぞれ固定して回折格子の回転のみで
波長走査を行うことが望ましいモノクロメータへの応用
が困難であったが、この問題を解決する一方法として、
米国特許3,069,966 がある。この発明は、平面回折格子
による２回の円錐回折と、平面鏡の垂直反射を組み合わ
せることにより、入射および出射スリットをそれぞれ固
定したまま光学系の回転のみで円錐回折の波長走査を可
能にしたものである。しかし利用可能な光学系配置とし
ては、図２，図３に示した二つのタイプのうち、入射角
と回折角が等しい、あるいは両者の差が小さいLittrow
型に限定され、Littrow 型より収差が少なく一般に高分
解能装置に使用されるCzerny−Turner型には利用できな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、円錐
回折を利用したCzerny−Turner型配置の回折格子モノク
ロメータを実現することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図５に示した平面回折格
子による円錐回折において、図６に示すように溝反射面
に垂直な入射平面を格子溝に対して角度φ傾けると、ｍ
λ＝２σsinθcosφcosΨ の関係を満足する波長λのｍ
次回折光が、入射光束と溝反射面の法線を含む平面内に
溝面への反射角Ψをもって反射回折し、このとき回折さ
れる光の強度は、入射平面を傾けない場合（φ＝０）と
同様、理論的には同一材料の平面鏡に同じ入射角で入射
したときの鏡面反射光強度に等しい。本発明は、上記入
射平面の傾斜角φをCzerny−Turner型配置における入射
光と回折光のなす角（２φ）の１／２とし、互いに２φ
の角度で交差する二つの平面内での２回の円錐回折と、
平面鏡の反射を組み合わせる。

【０００８】

【作用】上記手段により、入射および出射スリットをそ
れぞれ固定したまま光学計の回転のみで、Czerny−Turn
er型配置での円錐回折の波長走査が可能になる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【００１０】入射スリット１を通過した多波長光束１２
は、凹面鏡３により平行光束化され、平面回折格子５に
向う。平面回折格子５は、異なる波長の入射光に対して
もそれぞれ鏡面反射に等しい強度の円錐回折が行えるよ
う、格子溝に垂直でかつ反射溝面に平行な回転軸６まわ
りに回転が可能であり、入射光束が常に格子溝に対しφ
傾きかつ反射溝面に垂直な平面内で入射するよう回折格
子回転軸が配置されている。平面回折格子５は、図３に
示したように格子定数をσ、ブレーズ角をθとすると、
溝反射面の法線と入射光束のなす角がΨであるとき、ｍ
λ＝２σsinθcosφcosΨの関係を満足する波長λのｍ
次回折光に対し、鏡面反射と同じ回折光強度が得られ、
回折光の方向は、入射光と格子溝反射面の法線を含む平
面内にあって、入射光に対し２Ψの角度をなす。この円
錐回折光を平面鏡７により２φの方向に反射させると、
反射光は入射光路を含む平面と２φの角度をなす平面内
を逆行して再び平面回折格子５で円錐回折し、凹面鏡４
に入射する。この回折光を凹面鏡４で収束せしめ、収束
光束１３から出射スリット２により単色光を取り出す。

【００１１】出射スリット２より異なる単色光を取り出
す場合、平面回折格子５を回転軸６まわりに回転させ、
溝反射面への入射角Ψを変化させることにより、格子溝
面で鏡面反射する回折光波長λを変化せしめ、さらに平
面鏡７もその回転軸８まわりに回転させて常に入射光に
対する反射光の方向を一定に保つ必要が有る。この場
合、所定の回折光は入射光束に対し２Ψの方向に反射す
るので、反射光を再度同じ入射角Ψで格子溝面に入射さ
せるために、平面鏡７は平面回折格子５の２倍角同方向
へ回転させなければならない。歯車９，１０，１１は平
面回折格子５と平面鏡７を常に１：２の角度比で連動回
転させるためのものであり、歯車９と１０の歯数比を
２：１にとり、中間に歯車１１を介することにより、平
面回折格子５が回転軸６まわりに回転するとき、平面鏡
７は常に２倍の回転角で同方向に回転するため、出射ス
リット２には、平面回折格子５の溝面への入射角Ψに対
応しｍλ＝２σsinθcosφcosΨ の関係を満足する波長
λの単色光が通過する。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、使用領域のすべての波
長に対し鏡面反射に等しい高い回折強度を持った単色光
が取り出せる、Czerny−Turner型配置の回折格子モノク
ロメータが実用可能となる。そのため従来のCzerny−Tu
rner型配置の回折格子モノクロメータと比較し、その効
率が著しく向上する。これと同時にLittrow 型に比較し
て高分解能であるという、Czerny−Turner型本来の特長
を有しており、モノクロメータの性能を著しく向上せし
めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円錐回折を用いた平面回折格子モノク
ロメータの光学系構成説明図である。

【図２】従来の平面回折格子モノクロメータの光学系構
成の説明図である。

【図３】同じく光学系構成の説明図である。

【図４】平面回折格子の格子溝断面図である。

【図５】平面回折格子による円錐回折の説明図である。

【図６】同じく円錐回折の説明図である。

【符号の説明】

１…入射スリット、２…出射スリット、３，４…凹面
鏡、５…平面回折格子、６…平面回折格子の回転軸、７
…平面鏡、８…平面鏡回転軸、９…平面回折格子回転用
歯車、１０…平面鏡回転用歯車、１１…中間歯車、１２
…入射光束、１３…回折光束。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射スリットを通過後平行光束化された多
   波長光束を、鋸歯状溝断面形状を有する平面回折格子の
   格子溝と角度φをなしかつ溝反射面に垂直な平面内にそ
   の光軸を配するよう入射せしめ、該平面内に回折した回
   折光を平面鏡により反射せしめ、溝反射面に垂直でかつ
   該平面と２φの角度をなす第２の平面内を逆行して平面
   回折格子に入射，回折した平行光束を収束し、単色光と
   して出射スリットを通過せしめることを特徴とする回折
   格子モノクロメータ。