JPH06129907A - 2次元像分光装置 - Google Patents

2次元像分光装置

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JPH06129907A
JPH06129907A JP27833092A JP27833092A JPH06129907A JP H06129907 A JPH06129907 A JP H06129907A JP 27833092 A JP27833092 A JP 27833092A JP 27833092 A JP27833092 A JP 27833092A JP H06129907 A JPH06129907 A JP H06129907A
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JP
Japan
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slit
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light
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JP27833092A
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Katsu Inoue
克 井上
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】分光器に係り、小形軽量で且つ波長選択が任意
で連続的な2次元像分光装置であり、同時に分光スペク
トルが監視できること。 【構成】入射スリット10,平面鏡15,コリメータ2
0,30,平面回折格子25とからなツェルニ・ターナ
型分光器と、平面鏡35,出射スリット40と、光電素
子配列50とからなり、出射スリットの後には、平面鏡
65,球凹面鏡70からなる結像系とからなっている。 【効果】小形軽量の零分散分光器を用いる事により、同
一光軸,同一方向入出射性と、任意波長連続選択性,分
解幅可変機能を有し、更に、連続波長走査による分光ス
ペクトルの常時観測機能を持たせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃焼する火炎や、放電
プラズマを利用する産業において、それ等の雰囲気中の
各種の化学反応基,化学種などの空間分布を知る事によ
り、安定した処理工程が期待できる分野。特に、精錬
業,窯業,半導体素子製造業,燃焼やプラズマの研究分
野に関する。
【0002】
【従来の技術】2次元像分光装置としては、零分散型分
光器を利用した「特開平1−314927 号」や、光学フィルタ
を用いた「特開平3−197845 号」が知られている。前者
は紫外可視域の任意の波長を連続的に選択可能である
が、装置が大型で比較的高価である。
【0003】それに対して後者は小型軽量であるが、透
過波長は本質的に固定で、波長分解能も分光器方式には
全く及ばない。更に、前者は内蔵する分光器を利用し
て、分光スペクトルを測定することができる「特開平2
−165022 号」が、後者では多数の光学フィルターを用
意したとしても極めて困難である。
【0004】一方、分光器と光電素子配列を用いた光学
多チャンネル分析装置(OMA)が知られており、特に
光ファイバによる光導入方式のものは、光通信その他の
分野で実用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】出射スリットの共役面
に光電素子配列を置き、出射スリットを通過しない分散
光を電子的に走査すると共に、入射スリットに導入する
光が光軸に平行な成分と、入射スリットに集光する成分
を持つ2重焦点光学系を用いる方法が考えられる。
【0006】しかしこの場合、入射スリット位置で光軸
に平行な成分による2次元像と、集光成分による分光ス
ペクトルとが同時に観測されるが、入射スリット集光成
分は2次元結像面では平行光束となり、2次元像を一様
に照らし低照度部分を持ち上げ可視度を低下させる。そ
のため、2次元像の可視度を低下させずに、同時に分光
スペクトルを測定する方法を用いなければならない。
【0007】この解決法として、入射スリット平行光束
と集光光束とを交互に切替て、同時に両成分を受光しな
い様にすることができるが、これには通常光セクタ等の
機械的可動手段が必要となる上、真の意味での同時観測
とは云えない。
【0008】本発明の目的は、像観測と同時に分光スペ
クトルを測定可能な2次元像分光装置を提供するにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来2次元像
分光装置に新たな分光器を追加することなく、小型軽量
で且つ波長選択が任意で連続的であり、観測対象の分光
スペクトルを常時監視できる様にする。
【0010】
【作用】平面回折格子を用いた分光器として、ツェルニ
・ターナ型を考える。この分光器を用いて2次元像を分
光するには、観測対象からの光を入射スリットに平行光
束で通過させ、回折格子の仮想平面上に結像する。この
結果、出射スリットでは再び平行光束となり、ここから
取り出された光が回折格子の法線となす回折角に対応す
る波長の光成分になる。従って、出射スリットの後に置
かれえた結像光学系により、分光された光からなる2次
元の実像が得られる。
【0011】一方、分光スペクトルは、出射スリット面
上の分散光を検出すればよい。観測対象からの光を平行
光束で入射スリットを通過させると、出射スリット面上
でも波長成分毎の平行光束となるが、入出射スリットを
2個のコリメータの共役焦点に配置すれば、入射スリッ
ト像の、波長により結像位置が異なるいわゆる分散像が
得られるから、この位置に1次元の光電素子配列を置け
ばよい。
【0012】
【実施例】図1において、入射平行光束1は入射スリッ
ト10に入射し、偏向平面鏡15でコリメート凹面鏡
(以下コリメータと略す)20に向い、平面回折格子2
5の仮想平面上に結像する。格子25で回折された光束
の一部26は、コリメータ30で平行光束となり、第2
の偏向平面鏡35で出射スリット40に向かう。スリッ
ト40を出た光束41は、折返し平面鏡65,結像球面
鏡70を経て、結像面72に2次元像を結像する。一
方、平面鏡35に当らない長波長光36は、コリメータ
30の焦点面に置かれた光電素子配列50に入射する。
【0013】ここで、平面鏡15は同一方向入出射のた
めの偏向用であり、図2の様に省略することはできる
が、入射平行光束はほぼ直角(下より上に向かう)にな
る。又、平面鏡35を省略すると2次元像の位置は下方
になるが、今度は光電素子配列50に偏向するための、
やや大型の平面鏡45が必要になる。これは、2次元像
の波長と、分光スペクトルの開始波長との差を小さくす
るため光路を分離させるもので、平面鏡の大きさや2次
元像の出力方向を考えると、図1の平面鏡35を用いる
構成が良いといえる。
【0014】図3は図1,図2に用いる光電素子配列5
0の例で、絶縁筐体51は石英窓54で封止してあり、
その内部に半導体光電素子群53と、その受光表面に形
成された微小レンズ群52がある。
【0015】図4はその部分の拡大で、光強度の弱い平
行光束59を各素子の有効受光面56に集光する。この
微小レンズ群は、図示の様に円筒形であればシリコン酸
化膜の光蝕刻で、図示しない屈折率分布型であればイオ
ン打ち込み等、現今の半導体製造技術の応用で容易に実
現できる。
【0016】図5は、ツェルニ・ターナ型の平面回折格
子分光器を零分散とするため、分光するための第1分光
器の上に第2分光器を重ねたもので、回折格子25,8
5は一体として回動89する。水平に置かれた出射スリ
ット40と、該スリットの上下に水平に対し45度に置
かれた2枚の偏向平面鏡35,45により、分散成分を
含む分光光束は、第1分光器の格子25の回折角と同じ
角度で第2分光器の格子85に入射する。このため、第
3,第4のコリメータ80,90がコリメータ30,2
0の直上に配置されている。回折格子25,85は同一
の格子定数であるから、格子85の出射角は格子25の
入射角に等しく、この出射光束は元の白色光線と同様に
波長分散成分が全く無い。この2個の回折格子は、単一
の細長い回折格子の下部25と上部85である方が、光
学調整などで有利である。
【0017】入射スリットの前の集光光学系には、平面
鏡115と球凹面鏡110を用いて、レンズを使用した
時に問題となる色収差を除去している。又、結像光学系
の球凹面鏡70の結像面にはイメージ増強管100の光
電面102が位置し、その後に図示していないリレー・
レンズを介して、2次元像検出用の固体カメラが設置さ
れる。
【0018】図6は、零分散ツェルニ・ターナ型分光器
の入力部に光ファイバを用いた例で、測定対象が狭い窓
からしか見られない場合に効果がある。光ファイバ12
0から導入された光は、凹球面鏡110,偏向平面鏡1
15を介して入射スリット10に平行光束を入射するも
ので、他の機能は図5と同じである。
【0019】図7は、図5と同様の零分散ツェルニ・タ
ーナ型分光器を用いた2次元像分光装置の斜視図で、同
一方向同軸入出射を達成している。又、図5と同一部品
には同一番号を付している。
【0020】図8は、機械的に光路を切替るセクタ鏡1
25,135を用いて、入射スリットに平行光束と集光
光束とを交互に入射させるもので、出射スリット40の
前のセクタ鏡145により、光電素子配列50と出射ス
リット40へ向かう光を切替る。この場合は2次元分光
像の波長を中心に含めた分光スペクトルを測定すること
ができる。ここで、観測対象5からの導入光は、凹球面
鏡110,140により平行化され、セクタ鏡125で
偏向した光は、凹球面鏡130により入射スリット上に
焦点を結ぶ。この時は、第2のセクタ鏡135が光路中
に入り、通常の分光を行うことになる。
【0021】この方式によれば、3か所の可動部が新た
に追加され、装置全体も約2倍と大きくなるが、3個の
セクタ鏡の位相を合わせた状態で、2次元像モード(図
7の実線位置),分光スペクトル・モード(破線),交
互モード(準同時観測)が切替えられる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、2次元像分光と同時に
その近傍の分光スペクトルが監視できるから、被測定対
象の発光波長が判っていない時の中心波長の確認や、測
定波長以外の干渉発光線の確認が極めて容易になる。ま
た、小形軽量の零分散分光器を用いる事により、同一光
軸,同一方向入出射性と、任意波長連続選択性,分解幅
可変機能などを有しながら、従来の光学フィルタ同様の
使い勝手の良好な2次元像分光手段を得る事ができる。
【0023】更に、セクタ鏡を用いる方式では、各セク
タ鏡の位相を合わせた状態で、2次元像モード,分光ス
ペクトル・モード,交互モード(準同時観測)が切替え
られるので、観測対象に応じ適宜モードを選択して、最
良の測定表示が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の主たる一実施例の構成図である。
【図2】変形例を示す図である。
【図3】光電素子配列の改良例を示す図である。
【図4】光電素子配列の改良例を示す図である。
【図5】本発明の零分散型における実施例の光学系統図
である。
【図6】光ファイバ導入の例を示す図である。
【図7】図5の変形光学系の斜視図である。
【図8】本発明の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
10,40…入出射スリット、15,35,45,5
5,65,115…偏向平面鏡、20,30,80,9
0…コリメート凹面鏡、25,85…平面回折格子、5
0…光電素子配列、70,110…球凹面鏡、100…
イメージ増強管、120…光ファイバ、125,13
5,145…セクタ鏡、132,134,138…駆動
モータ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平面回折格子を用いた分光器において、入
    射スリットの前に配置された集光手段と、出射スリット
    の後に配置された結像手段と、前記入出射スリットの間
    に第1のコリメート凹面鏡と、格子の刻線溝に平行な軸
    のまわりに回動可能な平面回折格子と、第2のコリメー
    タ凹面鏡を有し、第2のコリメート凹面鏡からの光の一
    部を前記出射スリットに偏向するための平面鏡と、前記
    第2のコリメータ平面鏡の焦点面上に置かれた光電素子
    配列とからなり、前記集光手段が観測対象からの光を前
    記入射スリットに平行光束として導入することにより、
    前記結像手段が分光された2次元像を形成すると共に、
    前記光電素子配列では分光スペクトルを同時に測定可能
    なことを特徴とする2次元像分光装置。
  2. 【請求項2】平面回折格子を用いた分光器において、入
    射スリットの前に配置された集光手段と、出射スリット
    の後に配置された結像手段と、前記入出射スリットの間
    に第1のコリメート凹面鏡と、格子の刻線溝に平行な軸
    のまわりに回動可能な平面回折格子と、第2のコリメー
    ト凹面鏡を有し、該コリメート凹面鏡からの光の一部を
    前記出射スリットに導くと共に、残りを偏向する平面鏡
    と、前記第2のコリメート凹面鏡の焦点面上に置かれた
    光電素子配列とからなり、前記集光手段が観測対象から
    の光を前記入射スリット上に平行光束として導入するこ
    とにより、前記結像手段が分光された2次元像を形成す
    ると共に、前記光電素子配列では分光スペクトルを同時
    に測定可能なことを特徴とする2次元像分光装置。
  3. 【請求項3】平面回折格子を用いた分光器において、集
    光光学系の第1の凹球面鏡に前置する第1のセクタ鏡
    と、入射スリットに前置する第2のセクタ鏡と、第2,
    第3の凹球面鏡と、第1及び第2のコリメート凹面鏡
    と、該コリメート凹面鏡に対向配置された平面回折格子
    と、前記第2のコリメート凹面鏡に後置された第3のセ
    クタ鏡と光電素子配列と、出射スリットと、該スリット
    に後置された結像光学系とからなり、前記3個のセクタ
    鏡の同期回転により、第1,第2のセクタ鏡が光路に入
    らず第3のセクタ鏡が光路に入る時に2次元像を検出
    し、逆に第1,第2のセクタ鏡が光路に入り第3のセク
    タ鏡が光路に入らない時に分光スペクトルを検出すると
    ころの、分光スペクトルが同時に測定可能なことを特徴
    とする2次元像分光装置。
  4. 【請求項4】請求項1又は3記載の2次元像分光装置に
    おいて、上記結像手段の後に2次元分光像を増強するた
    めのイメージ増強管と、該イメージ増強管の出力像を固
    体撮像素子に結像するための手段と、固体撮像素子カメ
    ラを有するところの、分光スペクトルが同時に測定可能
    なことを特徴とする2次元像分光装置。
  5. 【請求項5】請求項1ないし4のいずれか1項に記載の
    2次元像分光装置において、入射スリットに平行光束を
    導入する集光光学系が、光ファイバーを用いた導入光学
    系を含む分光スペクトルが同時に測定可能なことを特徴
    とする2次元像分光装置。
  6. 【請求項6】請求項1ないし5のいずれか1項に記載の
    2次元像分光装置において、分光スペクトルを検出する
    ための光電素子配列が、その受光面に集光用の微小レン
    ズ配列(レンチキュラ・レンズ)を有する分光スペクト
    ルが同時に測定可能なことを特徴とする2次元像分光装
    置。
  7. 【請求項7】請求項1ないし6のいずれか1項に記載の
    平面回折格子を用いた分光器において、平面回折格子を
    格子溝に平行な軸のまわりに、手動又はモータ駆動によ
    り回動することにより、2次元像の観測波長を連続的に
    選択すると共に、像観測波長付近の分光スペクトルを常
    時測定表示することが可能なことを特徴とする2次元像
    分光装置。
JP27833092A 1992-10-16 1992-10-16 2次元像分光装置 Pending JPH06129907A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005337793A (ja) * 2004-05-25 2005-12-08 Olympus Corp 分光画像入力装置及びそれを備えた光学装置
JP2008510964A (ja) * 2004-08-19 2008-04-10 ヘッドウォール フォトニクス,インコーポレイテッド マルチチャネル、マルチスペクトル型撮像分光計
JP2009222727A (ja) * 2009-07-07 2009-10-01 Canon Inc 分光器

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005337793A (ja) * 2004-05-25 2005-12-08 Olympus Corp 分光画像入力装置及びそれを備えた光学装置
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