JPH06103223B2 - ２次元像分光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２次元像分光装置に係り、特に分光波長に対応
する発光体像を観測するのに好適な２次元像分光装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、分光イメージャ（Spectrometric Imager）として
は、古くはアプライド・オプチツクス、12巻，（1973
年）第510頁（Appl,Opt.12,P510（1973））において論
じられている。また、近年、分光研究、36巻（1987
年），第195頁から第202頁にツエルニ・ターナ分光器を
２台横置きした２連分光器について詳しい論文がある。

第２図は、従来の２連分光器の２次元像分光装置であっ
て、第１の分光器72と、第２の分光器74が平面的に接続
される。

第１の分光器72は、入射スリット５、コリメート鏡15,2
0、平面回折格子20よりなり、第２の分光器74は、コリ
メート鏡45,55、平面回折格子50よりなり、第１の分光
器72の出射側と第２の分光器74の入射側に設けた平面鏡
30,40及び中間スリット35とで２個の分光器72,74が光学
的に連結されている。

第１の分光器72は、入射スリット１から取り入れた被観
測像の光１をコリメート鏡15を介して平面回折格子20に
導き、この回折格子20でスペクトルを分散させ、コリメ
ート鏡25、平面鏡30を介して中間スリット35により、分
散されたスペクトルの中から任意の波長を中心とする狭
い分光帯域のスペクトルのみを選択する。

選択された狭い分光帯域のスペクトルは、第２の分光器
74の平面鏡40,コリメート鏡45を介して平面回折格子50
により０分散形の分光を行なって再結合し、コリメート
鏡55を介して出射スリット65に導かれる。この０分散に
より、光線９を結像光学系で実像にすれば、像に周辺ぼ
けが生じない。

この場合、スペクトル帯域の選択のために平面回折格子
20,50を対称に回転させるため、第３図のような回転駆
動手段90が必要となる。プーリ80,85には交叉したワイ
ヤ83が引きばね84で一定の張力を保って掛けられてお
り、回転軸82,87は互に逆方向に回転することになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第１の従来技術は、特別なマスクを必要とし、空間
分解能もマスク紋様の細かさに依存するから、マスクの
製作精度、光学系の収差などの影響を受ける。また、検
出結果は、一連の行列計算によるため、実時間での観測
には使えない。また、計算時間を実用的にすると、空間
要素63点、分光要素16程度の極めて低分解能しかない。

第２の従来技術は、上述の如きマスクを使用しない０分
散形の分光方式であり、像形成に計算を必要とせず、実
時間での像観測が可能で、空間及び分光の分解能も向上
する。

しかし、２連の分光器を横置に連結するために、装置も
大型にならざるを得なかった。

また、一般に回折格子はブレーズ特性を有しており、従
来は平面回折格子20,50として同一のブレーズ特性のも
のを使用している。このブレーズ特性は、格子溝の傾斜
角θ、すなわちブレーズ角と格子定数ｄとで定まるブレ
ーズ波長の付近で、回折効率が最大となり、ブレーズ波
長の短波長側では急激に、長波長側では穏やかに効率が
低下する。従って、回折格子面で２回反射する０分散形
の分光器では、ブレーズ波長以外の効率が著しく低下す
ることになる。

本発明の目的は、空間解像度や波長分解能を低下させる
ことなく、小形にして回折効率の平均化を図り幅広い波
長領域において良好な分光特性を有する２次元像が得ら
れる装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、ツェルニ・ター
ナ形の２個の分光器のうち第１の分光器で被観測像の光
スペクトルを分散させて任意の波長を中心とする狭い分
光帯域のスペクトルのみを選択し、第２の分光器で選択
されたスペクトルを０分散形に分光して再結合する２次
元像分光装置において、 前記第1,第２の分光器は、各々の平面回折格子の回転軸
が一致する如く上下２段に配置され、前記上下の平面回
折格子が一体となって回転する構成とし、前記第１の分
光器の出射側と前記第２の分光器の入射側にこれらの分
光器を光学的に連結する上下配置の平面鏡を備え、この
平面鏡間に中間スリットを配置し、 前記第１の分光器に用いる平面回折格子と前記第２の分
光器に用いる平面回折格子とには、それぞれ格子定数が
同じでブレーズ角の異なる２種の格子溝形成ゾーンが等
幅の帯状をなして交互に隣接配置してあり、且つ、前記
第１の分光器の平面回折格子に結像される実像と前記第
２の分光器の平面回折格子に結像される実像のどの部分
も一部づつ異なるブレーズ角の格子溝形成ゾーンで反射
するように設定してある。

ここで、異なるブレーズ角の格子溝は、代表的なものと
して一つが250nm、もう一つが500nmである。

〔作用〕

第１の分光器は、観測すべき像（イメージ）を形成する
光線群（スペクトル）のうち、任意の波長を中心とする
狭い分光帯域の光線のみを取り出すものであって、第２
の分光器は、第１の分光器と全く逆の過程を経てスペク
トルによる分散のない、すなわち、０分散形の分光を行
い、出力像に周辺ぼけを生じさせぬようにするものであ
る。

このため、２個の分光器は同一分光方式で同一の格子定
数を有する平面回折格子を用いて対称的に配置し、格子
の回転角度も対称的に走査しなければならない。すなわ
ち、第１の分光器の出射スリット面上に現われた入射ス
リットの像は、波長毎に異なった位置に分散し、出射ス
リットを通過した光線の中にも、波長の微小な差により
出射角度が異なっているため、このままで周囲の明確な
像を取り出すことができない。

第２の分光器は、第１の分光器の出射スリット面上に分
散した光線を逆に１個の入射スリット像に混合する役目
を果し、したがって０分散形と呼ばれる。

通常、分光器に用いられるエシェレツト回折格子は、特
定の波長（ブレーズ波長と呼ぶ）の近辺で回折効率が90
％にもなり、その短波長側で急激に、長波長側で緩やか
に減衰するいわゆるブレーズ特性を示す。第４図はこの
様子を説明した図であって、平面回折格子面26に溝面2
7,28が傾斜角（ブレーズ角）θで刻線されている。この
とき、入射光81,82が溝面28に垂直に入射すると、反射
光線は溝面28の反射率に等しい回折効率を示すが、この
とき、回折条件を満す波長は、距離▲▼の２倍の整
数倍となる。格子定数をｄとすると、ブレーズ波長λ_Ｂ
は整数値、すなわち、回折次数が１のときであり、 λ_Ｂ＝2d・sinθ …（１） で与えられる。

第５図は平面回折格子の反射効率92を分光波長94に対し
てグラフ化したもので、96は平面回折格子としてブレー
ズ波長250nmの特性を有する格子溝を形成した場合の単
一の平面回折格子のブレーズ効率、97は平面回折格子と
してブレーズ波長500nmの特性を有する格子溝を形成し
た場合の単一の平面回折格子のブレーズ効率、98はブレ
ーズ波長250nmの特性を有する平面回折格子とブレーズ
波長500nmの特性を有する平面回折格子とに一度づつ光
を反射した場合の平均のブレーズ効率（いわゆるダブル
フレーズ効率）を示したものである。

以上のブレーズ波長特性からすれば、２個の同一ブレー
ズ波長特性の分光器を用いると、分散手段として回折格
子で２回反射することになり、回折格子の反射効率（回
折効率）をＲ（λ）とすると、総合効率はR₂（λ）とな
り、ブレーズ波長以外の効率が著しく低下することにな
る。

これに対して、本発明では、前述したように、第１の分
光器に用いる平面回折格子と前記第２の分光器に用いる
平面回折格子とには、それぞれ格子定数が同じでブレー
ズ角の異なる２種の格子溝形成ゾーン（すなわち２種の
ブレーズ波長特性ゾーン）が等幅の帯状をなして交互に
隣接配置してあり、且つ、前記第１の分光器の平面回折
格子に結像される実像と前記第２の分光器の平面回折格
子に結像される実像のどの部分も一度づつ異なるブレー
ズ角の格子溝形成ゾーン（ブレーズ波長特性ゾーン）で
反射するように設定したので、光を平面回折格子に２回
反射されても、異なるブレーズ波長特性ゾーンの相補作
用により、波長特性に応じて一方のブレーズ波長特性ゾ
ーンの反射効率の低下を他方のブレーズ波長特性ゾーン
の反射効率で補うため、第５図の符号98で示すようなダ
ブルブレーズ効率により広い波長領域において回折効率
を平均化し、広範囲な波長領域から任意のスペクトルを
選択して、２次元画像（単色画像）に再生した場合でも
均質な画像が得られる。

以上からすれば、本発明によれば、平面回折格子の格子
面の部分毎に、異なるブレーズ角の２種の格子溝を有す
るものである場合であっても、これをツエルニ・ターナ
形の２個の分光器に適用することができ、しかも、広い
波長領域において反射効率（回折効率）を平均化して均
質な画像を実現可能となる。

また、本発明では、被測定像のスペクトルを分散させる
第１の分光器と、０分散形の第２の分光器を上下に２段
重ねに配置できる構成としたことで、装置全体をコンパ
クトにまとめることができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面の第１図、第５図〜第９図を用い
て詳細に説明する。

第１図は本発明の二次元像分光装置の一実施例を示す透
視図である。

第１図において、第１の分光器は、入射スリツト５、平
面鏡10、コリメート鏡15,25、平面回折格子20からな
り、被測定光１を波長分散させるツエルニ・ターナ形の
分光器である。

第２の分光器は、コリメート鏡45,55、平面回折格子50
からなり、分散光線６を再び混合させる０分散形のツエ
ルニ・ターナ形の分光器であって、第１の分光器の光線
進行が全く逆の光路を進む。

前記第1,第２の分光器は、各々の平面回折格子20,50の
回転軸53が一致する如く上下２段に重ねて配置され、前
記上下の平面回折格子20,50が一体となって回転する構
成とし、前記第１の分光器の出射側と前記第２の分光器
の入射側にこれらの分光器を光学的に連結する上下配置
の平面鏡20,50を備え、この平面鏡間に中間スリツト35
を配置してある。

すなわち、中間スリット35の置かれた一組の平面鏡30,4
0により第１の分光器の真下に位置する第２の分光器に
入射する。

この場合の第1,第２の分光器の平面回折格子20,50は第
６図のように構成されている。

すなわち、第１の分光器に用いる平面回折格子20と第２
の分光器に用いる平面回折格子50とには、それぞれ格子
定数が同じでブレーズ角の異なる２種の格子溝形成ゾー
ンが等幅の帯状（本実施例では、各格子溝形成ゾーンの
幅を約10mmとしてある）をなして交互に隣接配置してあ
る。第６図における符号の21,22は平面回折格子20に交
互配置した格子溝形成ゾーン、符号の51,52は平面回折
格子50に交互配置した格子溝形成ゾーンで、格子溝形成
ゾーン21,51はブレーズ波長特性が250nmとなるブレーズ
角の格子溝とし、格子溝形成ゾーン22,52はブレーズ波
長特性が500nmとなるブレーズ角の格子溝としてある。
且つ、平面回折格子20に結像される実像と平面回折格子
50に結像される実像のどの部分も一度づつ異なるブレー
ズ角の格子溝形成ゾーンで反射するように設定してあ
る。

平面回折格子20,50は、入射角が対称になるよう同一平
面内に取り付けられ、上下同じ角度に回転すればよい。
すなわち、２個の平面回折格子20,50は回転軸53で連結
され、一体として回転54すれば、光路はまったく対称的
となって、出射光線９では０分散が達成される。この結
果、光線９を結合光学系で実像とすれば、被測定光の源
である発光体の像に周辺ぼけが生じない。

既に述べたように、一般に回折格子はブレーズ特性を有
しており、格子溝の傾斜角θ、すなわち、ブレーズ角と
格子定数ｄとで定まるブレーズ波長の付近で、回折効率
が最大となる。ブレーズ波長の短波長側では急激に、長
波長側では穏やかに効率が低下する。したがって、同一
のブレーズ波長特性を有する２個の平面回折格子を用い
て、回折格子面で計２回反射する０分散形の分光器で
は、ブレーズ波長以外の効率が著しく低下することにな
る。

しかし、本実施例においては、第６図に示すように、第
１の分光器の平面回折格子20に結像される実像と第２の
分光器の平面回折格子50に結像される実像のどの部分も
一度づつ異なるブレーズ角の格子溝形成ゾーンで反射す
るように設定したので、光を平面回折格子に２回反射さ
せても、異なるブレーズ波長特性ゾーン21,52、22,52の
それぞれの相補作用により、波長特性に応じて一方のブ
レーズ波長特性ゾーンの反射効率の低下を他方のブレー
ズ波長特性ゾーンの反射効率で補うため、第５図の符号
98で示すようなタブルブレーズ効率により広い波長領域
において回折効率を平均化し、広範囲な波長領域から任
意のスペクトルを選択して、２次元画像（単色画像）に
再生した場合でも均質な画像が得られる。

なお、第６図では、第１の平面回折格子20に形成される
実像11と第２の平面回折格子50に形成される実像12との
像の左右反転は倒立像などは考慮されているものとし
て、正立正像で説明してある。

第１図の２次元像分光装置の筐体70は、外部からの不要
光を除去するとともに、遮光板75により上下の分光器間
の迷光を防止する。

一体として回転する２個の平面回折格子20,50は、只一
個の上下に長い平面回折格子であってもよく、この場合
は遮光板75の貫通孔を大きくする。

第７図は２次元像分光装置への光導入方法を示したもの
で、入射スリット５の前方に対物レンズ14を配置し、発
光体17からの光を平行光線１として入射スリット５に入
射する。第１の分光器のコリメート鏡15の実効焦点距離
は、コリメート鏡15の中心Ｏと平面回折格子20の中心間
距離に等しく、対物レンズ14の焦点距離とコリメート鏡
15の実効焦点距離の比に等しい倍率で発光体17の倒立実
像22を結像する。同様に、実像22はコリメート鏡25によ
り平行光束６となって、中間スリツト35を経て第２の分
光器に入射する。

第８図においては、第２の分光器の回折格子50付近に結
像した実像52は、中間距離が実効焦点距離に等しいコリ
メート鏡55により平行光線９となり、結像レンズ64によ
って実像18を、例えば、２次元光電センサ上に形成す
る。

平行光線９は、スペクトル幅の比較的狭い単色光である
から、結像レンズ64による色収差はないが、出射光の波
長によって焦点距離が変化し、実像18の結像位置も移動
する。第９図は結像レンズ64を用いる代りに、焦点距離
の短い凹面鏡57を用いて、直接実像18を出射アパーチャ
65の外部に形成したもので、このときは波長による結像
位置の移動は生じない。

第10図は本発明に関連して、他の応用例を示す透視図で
あって、これまで説明してきた２台の分光器を只１台で
往復使用するものであって、分光器は２回使用されるこ
とになる。第１図と同じ符号は同じ部分を示し説明を省
略する。

入射スリツト５を通過した光線１は、平面鏡10で光路を
変えてコリメート鏡15に入射する。このとき第７図の入
射光学系を用いると、平面回折格子20の仮想面に発光体
の実像を形成する。平面回折格子20で分散した光はコリ
メート鏡25で平行化され、平面回折格子20の回転24に対
応した波長の光成分が中間スリツト35を通過する。コリ
メート鏡15に最初に入射する点は上方に偏位しているか
ら、コリメート鏡25から最初に出射する光線４は、下方
に偏位しており、一組の中間平面鏡30,40で対称位置に
戻し、再度コリメート鏡25に入射する。入射光線７は再
び平面回折格子20の仮想面に第２の実像を形成するが、
このとき回折した光線が、同じ回折角で逆進するため、
反射光線８は元の分散しない光線（すなわち０分散）に
戻る。この光をコリメート鏡15で反射させれば、平行光
束または集束光束９として出射アパーチヤ65より外部に
取り出される。分光していない強い光量の入射光線１
と、２度分光器を経た微弱光線９とが近接しているた
め、迷光を除去するため遮光フード60が設けられてい
る。

このような２重使用形の分光器における迷光の防止のた
めには、入射光線１として直線偏光を用い、折返し直角
平面鏡30,40の位置で偏光角を90°回転して、出射アパ
ーチヤ65に入射光の偏光方向と直交する偏光板を用いる
方法がある。しかし、最も有効なのは、コリメート鏡及
び回折格子の表面の汚れ、ほこりを完全に除去すること
である。ただし、本応用例では、本発明のように２個の
平面回折格子のブレーズ波長を相補的に異ならせること
はできない。

第11図は、他の応用例で、多ブレーズ平面回折格子の一
例を示す断面図であって、格子溝面27〜29はブレーズ角
θ_１〜θ_３を持ち、格子溝１本毎にブレーズ波長が異な
る。この場合は、３種の格子溝が格子定数ｄを保って格
子面26に各溝の頂上部が一致するように循環的に配列し
てあり、第６図のような配慮をすることなく、分光効率
の平均化が達成できるが、微細なブレーズ角を一つづつ
交互に異ならせるため、本願発明に比べて平面回折格子
の製作が複雑となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、２台の横置分光
器に比較して1/2の設置面積となり、波長走査のための
回折格子回転機構が只一個と単純化できるので、２次元
像分光装置の小形化と簡略化ができ、さらに、平面回折
格子の格子面の部分毎に、異なるブレーズ角の２種の格
子溝を有するものであっても、２個の平面回折格子のブ
レーズ角を相補的に異ならせることが可能となり、その
結果、分光効率（回折効率）の平均化を図り得るので、
従来数％以下と低効率であったブレーズ波長から離れた
波長帯域を選択した場合の二次元画像であっても（すな
わち広い波長領域から任意な波長帯域を選択した場合で
も）、その分光効率を簡単な手法により大幅に向上させ
て良好な分光特性を有する２次元像を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の２次元像分光装置の一実施例を示す透
視図、第２図は従来の二連分光器の構成図、第３図は第
２図の二連分光器に必要な回折格子回転駆動部の構成
図、第４図はエシエレツト平面回折格子の説明図、第５
図はブレーズ特性図、第６図は２ブレーズ平面回折格子
の使用例を示す図、第７図は第１図の入射光導入方法の
説明図、第８図，第９図はそれぞれ像出力方法の説明
図、第10図は本発明に関連して他の応用例を示す透視
図、第11図はもう一つの他の応用例における多ブレーズ
平面回折格子の断面図である。 ５…入射スリツト、10,30,40…平面鏡、15,25,45,55…
コリメート鏡、20,50…平面回折格子、35…中間スリツ
ト、53…回転軸、60…遮光フード、65…出射アパーチ
ヤ、70…筐体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−139222（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−120826（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−191936（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−17458（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ツェルニ・ターナ形の２個の分光器のうち
   第１の分光器で被観測像の光スペクトルを分散させて任
   意の波長を中心とする狭い分光帯域のスペクトルのみを
   選択し、第２の分光器で選択されたスペクトルを０分散
   形に分光して再結合する２次元像分光装置において、 前記第1,第２の分光器は、各々の平面回折格子の回転軸
   が一致する如く上下２段に配置され、前記上下の平面回
   折格子が一体となって回転する構成とし、前記第１の分
   光器の出射側と前記第２の分光器の入射側にこれらの分
   光器を光学的に連結する上下配置の平面鏡を備え、この
   平面鏡間に中間スリットを配置し、 前記第１の分光器に用いる平面回折格子と前記第２の分
   光器に用いる平面回折格子とには、それぞれ格子定数が
   同じでブレーズ角の異なる２種の格子溝形成ゾーンが等
   幅の帯状をなして交互に隣接配置してあり、且つ、前記
   第１の分光器の平面回折格子に結像される実像と前記第
   ２の分光器の平面回折格子に結像される実像のどの部分
   も一度づつ異なるブレーズ角の格子溝形成ゾーンで反射
   するように設定してあることを特徴とする２次元像分光
   装置。