JPH0560998A - プリズム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、小型で、分光性能が高く、且つ、
簡単な取扱いの可能な分光装置を提供するものである。 【構成】この発明の分光装置２は、入射光線を所望の角
度で分離する第一のプリズム12と、この第一のプリズム
12から延出されている光軸を共有するとともに、この光
軸を含む面内を光軸に沿って移動可能であって、上記第
一のプリズム12を介して分離された光線を、自身が移動
された量δに対応する間隔を有する平行な光線に変換す
る第二のプリズム14とを有している。上記第一及び第二
のプリズム12及び14の間隔δを所望の数値に設定するこ
とで第一の光Ｌ₁ と第二の光Ｌ₂ との間隔ｄを所望の距
離に設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電磁波即ち可視光線
及び近赤外光線を分離する装置、特に、干渉用ビ−ムス
プリッタ或いは可変空間周波数フィルタなどに利用され
るプリズム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、物質の可視光線或いは近赤外光線
に関する特性を計測する手法としてフ−リエ分光法（装
置）が多用されている。この種の分光法（装置）の特徴
としては、雑音（光雑音）が少なく、且つ、計測精度が
高いことが知られている。

【０００３】上記フ−リエ分光法（装置）では、被測定
光は、ビ−ムスプリッタを介して第一及び第二の光束に
分割され、互いに異なる第一及び第二の光路を伝搬され
て、スクリ−ン或いは光検出器上で重ね合わせられる。
この重ね合わせられた上記第一及び第二の光束は、上記
スクリ−ン或いは光検出器上に、上記第一及び第二の光
路の差に応じた干渉縞を形成する。この干渉縞は、コン
ピュ−タなどを介してフ−リエ変換され、被測定光に関
するスペクトル分布に置き換えられる。

【０００４】上記分光法（装置）では、被測定光、即
ち、可視光線或いは近赤外光線を上記第一及び第二の光
束に分離する装置としてサバ−ル板が知られている。こ
のサバ−ル板は、異方性結晶即ち結晶自身が光学軸を有
する材質、例えば、水晶、方解石及び酸化チタン等の結
晶が上記光学軸に対して概ね４５°の角度で切出された
平行平板即ち複屈折板が２枚組合わせられたものであっ
て、それぞれの主断面が互いに直交するよう貼合わられ
ている。この場合、上記２枚の平行平板即ち複屈折板
は、実質的に等しい厚さに形成される。尚、上記主断面
は、上記異方性結晶に固有の光学軸と上記異方性結晶に
上記被測定光が入射される光線軸（即ち、分光装置にお
ける光軸）とを含む平面として規定される。

【０００５】上記サバ−ル板に入射された光線は、第一
の複屈折板を介して、複屈折板内をスネルの法則に従っ
て進行する常光線と上記光学軸に対して偏角が与えられ
て進行する異常光線とに分離される。また、上記常光線
と異常光線とに分離された上記入射光線（被測定光）
は、第二の複屈折板を介して、互いに平行な幅を有する
２つの光線として上記サバ−ル板から出射される。

【０００６】しかしながら、上記複屈折板における上記
常光線と上記異常光線とが分離される角度は、上記複屈
折板に利用される異方性結晶の材質によって概ね固定さ
れた値に規定されることから、上記被測定光を複数の異
なる分離幅に分離しなければならない場合には、分離し
ようとする分離幅に応じて厚さの異なる多くのサバ−ル
板が用意されなければならない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記分離しようとする
分離幅に応じて上記複屈折板を交換することは、分光作
業にかかる時間を増大させるばかりでなく、所望の分離
幅が得られにくい問題がある。また、上記分離幅を十分
に大きくしようとする場合には、分離幅に応じて上記サ
バ−ル板（即ち、２枚貼合わられる複屈折板、それぞ
れ）の厚さが増大されなければならないことから、上記
分離幅に対応する厚さを有する複屈折板（結晶）が入手
できにくくなるとともに、結晶（複屈折板）の加工が困
難になる問題がある。さらに、この複屈折板の厚さが増
大された場合には、屈折率などの均質性が得にくくなる
ことで、ゆらぎが生じたり、光線を分離するに際して好
ましくない収差が増大されることで、分光精度が劣化す
る問題がある。

【０００８】この発明の目的は、小型で、分光性能の高
い分光装置を提供することにある。また、この発明の目
的は、操作性が高く、且つ、簡単な取扱いの可能な分光
装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、入射光線を所望の角度で分離
する第一のプリズムと、この第一のプリズム装置から延
出されている光線軸を共有するとともに、この光線軸を
含む面内を光線軸に沿って移動可能であって、上記第一
のプリズムを介して分離された光線を、自身が移動され
た量に対応する間隔を有する平行な光線に変換する第二
のプリズムとを有するプリズム装置を提供するものであ
る。

【００１０】

【作用】この発明のプリズム装置では、被測定光は、第
一のプリズムに入射され、この第一のプリズムの主断面
を介して、所定の角度を有する２光線に分割される。上
記第一のプリズムより出射された（２光線に分離されて
いる）被測定光は、上記所定の角度を維持しつつ、それ
ぞれ、第二のプリズムに入射される。

【００１１】この第二のプリズムに入射された上記２光
線は、上記第一のプリズムを介して与えられた角度に対
して実質的に等しい大きさであって逆向きの角度が与え
られて、互いに平行な２光線に戻される。

【００１２】この場合、上記２光線の分離幅は、プリズ
ムに対して規定されている接合角と厚さ、及び、上記光
線軸に沿った上記第一のプリズムの出射面と上記第二の
プリズムの入射面との隔間によって規定されることか
ら、上記第一のプリズムと第二のプリズムとの間隔を変
化させることで変化される。尚、上記第一及び第二のプ
リズム12及び14は、上記異方性結晶即ち光学軸を有する
２個の一軸或いは二軸光学結晶が組合わせられたもので
ある。この種のプリズムとしては、ウオラストンプリズ
ム等が知られている。

【００１３】

【実施例】図１には、この発明の実施例であるウオラス
トンプリズムを用いたフ−リエ分光装置の概略が示され
ている。

【００１４】フ−リエ分光装置２は、互いに光線軸Ｏを
共有する第一及び第二のプリズム12及び14を含み、被測
定光を２光束に分離するための分離装置10、この分離装
置10を通過することで、所望の間隔に分離された上記２
光束によって生じる干渉縞を検出するとともに電気信号
に変換するマルチチャンネル光検出器30、及び、この検
出器30を介して検出された上記干渉縞をフ−リエ変換す
るとともに、上記被測定光のスペクトル分布を求める図
示しないコンピュ−タなどを有している。

【００１５】上記第一のプリズム12及び上記第二のプリ
ズム14には、実質的に等しく形成された２個のウオラス
トンプリズムが利用されている。この第一及び第二のプ
リズム12及び14では、それぞれのプリズムに対して光線
が入射される側に配置されているプリズム12ａ及びプリ
ズム14ａの、それぞれの光学軸が直交するよう配置され
ている。即ち、上記第一のプリズム12と第二のプリズム
14とは、光線軸Ｏ上であって、それぞれの中間点を中心
として空間的点対称の位置に位置づけられている。（換
言すると、図１の紙面に表されている状態で点対称であ
って、図１の紙面に直交する方向に対して光線軸Ｏを中
心に概ね１８０°回転されている。）

【００１６】また、上記分離装置10の前段には、上記分
離装置10（第一のプリズム12）の入射面12ａに入射され
る光束の偏光方向を、上記第一及び第二のプリズム12及
び14を構成する異方性結晶に固有の光学軸と上記異方性
結晶に上記被測定光が入射される光線軸（即ち、分光装
置における光軸）とを含む平面、即ち、主断面に対して
概ね４５°に傾けるための第一の偏光子22、及び、上記
分離装置10の後段には、上記分離装置10（第二のプリズ
ム14）の出射面14ｃから出射された２光束の偏光方向を
揃えるために、再び、上記主断面に対して概ね４５°に
傾ける第二の偏光子24がそれぞれ配置されている。尚、
上記分離装置10における第一のプリズム12と第二のプリ
ズム14との間隔は、図示しない移動機構を介して所望の
間隔δに設定可能に構成されている。次に、図１に示さ
れている通常のウオラストンプリズムが組込まれている
分光装置が利用された場合の被測定光の挙動を説明す
る。図示しない光源からの被測定光Ｌは、上記第一の偏
光子22によって第一のプリズムの主断面に対して４５°
に偏向され、第一のプリズム12に入射される。

【００１７】上記第一のプリズム12に対して垂直に入射
された光Ｌは、入射面12ａ側の光学結晶と出射面12ｃ側
の光学結晶との接合面12ｂを介して、角度φで光線軸Ｏ
から離脱される光線Ｌ₁ 、角度ψで光線軸Ｏから離脱さ
れる光線Ｌ₂ とに分割される。この分割された光Ｌ₁ 及
びＬ₂ は、それぞれ、出射面12ｃを介して出射され、第
二のプリズム14の入射面14ａに入射される。

【００１８】上記第二のプリズム14に入射された光Ｌ₁
及びＬ₂ は、入射面14ａ側の光学結晶と出射面14ｃ側の
光学結晶との接合面14ｂを通過され、上記第二の偏光子
24を介して偏向方向が同一方向にそろえられ、互いに平
行な光Ｌ₁ 及びＬ₂ に戻される。この場合、互いに平行
に戻された上記光Ｌ₁ とＬ₂との間隔ｄは、上記第一の
プリズム12における光線軸Ｏからの離脱角度φ及びψ及
び上記第一のプリズム12と上記第二のプリズム14との間
隔δによって規定される。尚、一般には、上記第一及び
第二のプリズム12及び14の間隔δは、上記被測定光Ｌを
測定する際に要求される波長域及び波長分解能に応じて
規定される。

【００１９】次に図２を利用して、上記被測定光Ｌが上
記分離装置10に対して垂直に入射される場合における、
上記分離装置10の第一のプリズム12と第二のプリズム14
との間隔δと、分離装置10を介して分離される第一の光
Ｌ₁ と第二の光Ｌ₂ との間隔ｄとの関係を詳細に説明す
る。既に説明したように、上記第一及び第二のプリズム
12及び14は、主断面即ち異方性結晶に固有の光学軸と上
記異方性結晶に上記被測定光が入射される光線軸とを含
む平面を有し、光線軸Ｏに沿って入射された被測定光Ｌ
をスネルの法則に従って進行する常光線と上記光学軸に
対して偏角が与えられて進行する異常光線とに分離でき
る。

【００２０】分離装置10即ち上記第一のプリズム12に入
射された被測定光Ｌは、光線軸Ｏに対して角度θの傾き
を有する上記接続面12ｂを介して、上記入射面12ａから
出射面12ｃを常光線から異常光線としてふるまう第一の
光Ｌ₁ と、上記入射面12ａから出射面12ｃを異常光線か
ら常光線としてふるまう第二の光Ｌ₂ に分離される。こ
の図２によれば、図１に示されている上記光Ｌ₁ と上記
光線軸Ｏとのなす角φ及び上記光Ｌ₂ と上記光線軸Ｏと
のなす角ψは、上記接続面12ｂとのなす角、θ_oe及びθ
_eoに、それぞれ、書替えられる。

【００２１】上記接続面12ｂにて角度θ_oe及びθ_eoが与
えられた上記第一及び第二の光Ｌ₁及びＬ₂ は、上記出
射面12ｃにおいて、上記光線軸Ｏに対する角度θ₁ 及び
θ₂が、それぞれ、与えられて上記第一のプリズム12か
ら出射される。このプリズム12から出射された上記第一
及び第二の光Ｌ₁ 及びＬ₂ は、上記角度θ₁ 及びθ₂が
維持された状態で距離δを伝搬され、上記入射面14ａに
おいて、上記光線軸Ｏに対する角度θ₃ 及びθ₄ が、そ
れぞれ、与えられて上記第二のプリズム14に入射され
る。尚、この角度θ₃ 及びθ₄ は、上記角度θ₁ 及びθ
₂ に等しく規定される。

【００２２】このプリズム14に入射された上記第一及び
第二の光Ｌ₁及びＬ₂ は、上記接続面14ｂを介して、そ
れぞれ、光線軸Ｏに平行に戻される。この場合、上記第
一及び第二の光Ｌ₁ 及びＬ₂ には、光線軸Ｏに対してｄ
₁ 及びｄ₂ の間隔が、それぞれ、与えられる。従って、
上記第一の光Ｌ₁ と上記第二の光Ｌ₂ との間の距離ｄ
は、上記ｄ₁ ＋ｄ₂ に規定される。

【００２３】より詳細には、上記ｄ₁ ＋ｄ₂ は、上記第
一のプリズム12の入射面12ａにおける光線軸Ｏから端面
までの間の距離をｂ、上記第一のプリズム12の出射面12
ｂ側の光学部材における上記光線軸Ｏに平行な最大長さ
をａ、上記第一のプリズム12の入射面の高さをＤ、及
び、上記第二のプリズム14の入射面14ａ側の光学部材に
おける上記光線軸Ｏに平行な最小長さをｃとするとき、
上記θ_eo，θ_oe，θ₁ 及びθ₂ が上記θに比較して十分
に小さければ、上記第一及び第二のプリズム12と14との
間の光路長は、 ａ−ｂｔａｎθ＋ｃ＋ｂｔａｎθ＝ａ＋ｃ より求められる。

【００２４】また、 ｄ₁ ＝（ａ＋ｃ）ｔａｎ（θ−θ_oe）＋δｔａｎθ₁ ・・・（１）、及び、 ｄ₂ ＝（ａ＋ｃ）ｔａｎ（θ_eo−θ）＋δｔａｎθ₂ ・・・（２） となる。

【００２５】ここで、ｎ₀ ｓｉｎθ＝ｎ_e ｓｉｎθ_oeで
あるから、 θ_oe＝ｓｉｎ^-1{(ｎ₀ ／ｎ_e ) ｓｉｎθ} ・・・・・・・・・（３）、及び、 ｎ_e ｓｉｎθ＝ｎ_o ｓｉｎθ_eoであるから、 θ_eo＝ｓｉｎ^-1{(ｎ_e ／ｎ_o ) ｓｉｎθ} ・・・・・・・・・（４） が求められる。

【００２６】一方、真空中に、上記プリズムを置いた場
合には、ｎ_e ｓｉｎ（θ−θ_oe）＝ｓｉｎθ₁ であるか
ら、θ₁ ＝ｓｉｎ^-1｛ｎ_e ｓｉｎ（θ−θ_oe)}、及び、
ｎ_o ｓｉｎ（θ_eo−θ）＝ｓｉｎθ₂ であるから、 θ₂ ＝ｓｉｎ^-1｛ｎ_o ｓｉｎ（θ_eo−θ)} が得られる。

【００２７】この場合、例えば、ｎ_o ＝１．５４４２
４，ｎ_e ＝１．５５３３５，ａ＝２０mm，θ＝３０°，
δ＝１０mm、及び、ｃ＝２．６８mm（Ｄ＝３０mmの場
合）とすれば、上記ａ＋ｃ＝２２．６８mmとなることか
ら、上記（３）及び（４）より θ_oe＝ｓｉｎ^-1{(１．５４４２４／１．５５３３５) ｓｉｎ３０°} ＝２９°４８´２２”、及び、 θ_eo＝ｓｉｎ^-1{(１．５５３３５／１．５４４２４) ｓｉｎ３０°} ＝３０°１１´４３” が求められる。

【００２８】また、 θ₁ ＝ｓｉｎ^-1｛１．５５３３５×ｓｉｎ（３０°−２９°４８´２２”)} ＝ｓｉｎ^-1 (１．５５３３５×ｓｉｎ１１´３８”) ＝１８´０４”、及び、 θ₂ ＝ｓｉｎ^-1｛１．５４４２４×ｓｉｎ（３０°１１´４３”−３０°)} ＝ｓｉｎ^-1 (１．５４４２４×ｓｉｎ１１´４３”) ＝１８´０６” となる。

【００２９】このことから、上記ｄ₁ ＋ｄ₂ は、 ｄ₁ ＝２２．６８×ｔａｎ１１´３８”＋１０×ｔａｎ１８´０４” ＝０．１２９mm、及び、 ｄ₂ ＝２２．６８×ｔａｎ１１´４３”＋１０×ｔａｎ１８´０６” ＝０．１３０mm が得られる。

【００３０】従って、上記第一の光θＬ₁ と上記第二の
光Ｌ₂ との間の距離ｄは、 ｄ＝ｄ₁ ＋ｄ₂ ＝０．１２９＋０．１３０ ＝０．２５９mm となる。

【００３１】ここで、ａ＝２０mm，θ＝３０°，δ＝２
０mm、及び、ｃ＝２．６８mm（Ｄ＝３０mmの場合）とす
れば、上記δ＝１０mmの例と同様に θ_oe＝２９°４８´２２”、及び、θ_eo＝３０°１１´４３” が求められる。

【００３２】さらに、 θ₁ ＝１８´０４”、及び、θ₂ ＝１８´０６” となる。

【００３３】このことから、上記ｄ₁ ＋ｄ₂ は、 ｄ₁ ＝２２．６８×ｔａｎ１１´３８”＋２０×ｔａｎ１８´０４” ＝０．１８２mm、及び、 ｄ₂ ＝２２．６８×ｔａｎ１１´４３”＋２０×ｔａｎ１８´０６” ＝０．１８３mm が得られる。

【００３４】従って、上記第一の光θＬ₁ と上記第二の
光Ｌ₂ との間の距離ｄは、 ｄ＝ｄ₁ ＋ｄ₂ ＝０．１８２＋０．１８３ ＝０．３６５mm となる。

【００３５】以上説明したように、図１及び図２に示さ
れている上記第一及び第二のプリズム12及び14の間隔δ
を所望の数値に設定することで、上記分離装置10を介し
て分離される第一の光Ｌ₁ と第二の光Ｌ₂ との間隔ｄを
所望の距離に設定できる。上記に開示されたこの発明の
方法及び装置は単なる例に過ぎず、この分野の技術を有
するものであれば上記説明を基にしてこの発明をいかよ
うにも変形できることはいうまでもない。従って、この
発明の方法及び装置は、ここに開示された実施例によっ
て限定されるものではなく、この発明は、添付の請求の
範囲の範囲によってのみ制限されるものである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、分光すべき光線が入射される第一のプリズム装置
と、この第一のプリズムと光軸を共有するとともに、光
軸に沿って移動可能に構成された第二のプリズム装置に
よって、上記第一のプリズムと上記第二のプリズムとの
距離に対応する分離幅に分離された光線が得られる。

【００３７】この場合、上記光線の分離幅は、上記第一
のプリズムと上記第二のプリズムとの距離を変化させる
ことで、容易に変更できる。従って、分離幅に対応する
多くの複屈折体を用意する必要がなくなるとともに、複
屈折体の厚さに起因する収差の補正が不要になる。この
ことから、分光作業にかかる時間が低減され、その一方
で、分光精度が向上される。また、一組のプリズム装置
によって、分光できる波数（波長）領域が拡大されるこ
とから、分光装置及び分光作業にかかるコストが大幅に
削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である分光装置を示す概略
図。

【図２】図１に示されている分光装置における光線の特
性を示す概略図。

【符号の説明】

２…フ−リエ分光装置、10…分離装置、12…第一のプリ
ズム、12ａ…入射面、12ｂ…接合面、12ｃ…出射面、14
…第二のプリズム、14ａ…入射面、14ｂ…接合面、14ｃ
…出射面、22…第一の偏光子、24…第二の偏光子、30…
光検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光線を所望の角度で分離する第一のプ
   リズムと、 この第一のプリズム装置から延出されている光線軸を共
   有するとともに、この光線軸を含む面内を光線軸に沿っ
   て移動可能であって、上記第一のプリズムを介して分離
   された光線を、自身が移動された量に対応する間隔を有
   する平行な光線に変換する第二のプリズムと、を有する
   プリズム装置。