JPH0694527A

JPH0694527A - 分光光学系

Info

Publication number: JPH0694527A
Application number: JP4242388A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Katsunuma; 淳勝沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】複数枚の回折格子を１枚の回折格子を形成す
るように配列する分光光学系において、得られる合成回
折像の強度プロファイルの崩れを解消する。【構成】プリズム１１で光束を２分割し、凹面鏡１
２，１４及びフィールド鏡１３，１５により光路差が可
干渉距離より大きい２つの光束ＩＬ１及びＩＬ２を得
て、光束ＩＬ１及びＩＬ２を回折格子２０Ａ及び２０Ｂ
に入射させ、回折格子２０Ａ及び２０Ｂからの回折光を
凹面鏡２１で観察面２２上に集束する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば複数枚の回折格
子を１枚の回折格子として用いる分光器に適用して好適
な分光光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば天体観測用の分光器として、回折
格子（グレーティング）を使用した分光器が使用されて
いる。一般に、波長分解能を維持しつつ、分光器への入
射光量を増大させるためには、回折格子の表面積を大き
くすることが必要条件である。しかし、一枚の回折格子
の大きさには製造上の限界があるため、これを超える大
型の回折格子が必要な場合には、複数枚の回折格子をモ
ザイク状に並べて、あたかも一枚の回折格子のようにし
て使用している。

【０００３】図４は従来の複数枚の回折格子をモザイク
状に並べた分光器を示し、この図４において、１はスリ
ット板であり、図示省略した集光光学系から供給された
分光対象とする光束ＩＬがスリット板１に入射してい
る。スリット板１のスリットから射出された発散光束
は、凹面鏡２によって反射されてコリメートされた後
に、モザイク状に並べられた２枚の反射型の回折格子３
Ａ及び３Ｂに入射する。回折格子３Ａ及び３Ｂにはそれ
ぞれ図４の紙面に平行なＸ方向に所定ピッチで溝（格
子）が形成されている。但し、回折格子３Ａ及び３Ｂが
それぞれ凹面回折格子である場合には、Ｘ方向とは或る
半径の円周の円周方向を意味する。

【０００４】これら回折格子３Ａ及び３Ｂによって回折
された光束は、凹面鏡４によって観察面５上に集束され
る。スリット板１と観察面５とは共役である。観察面５
上に配置される写真乾板又はイメージセンサ等により、
分光対象とする光束ＩＬのスペクトルが観察される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、各回折格子３Ａ，３Ｂについて回折格子面
の法線の方向と、回折格子の溝の方向とを、あたかも一
枚の回折格子の一部であるかのように配列することによ
り、各回折格子３Ａ，３Ｂからの回折光の波面を最終的
に観察面５上の一点に収斂させることは可能である。し
かしながら、各回折光の波面を同位相にすることは、単
一波長に関しては比較的容易であるが、全ての波長につ
いて位相を揃えるのは非常に難しい。

【０００６】なぜならば、波面の位相は、各回折格子面
間のＸ方向にほぼ垂直なＹ方向の段差と各回折格子の溝
幅方向（Ｘ方向）とのずれの２つの要素に対して不可分
に依存していて、これらを両方共にほぼ０にしたときに
初めて全ての波長の回折波面の位相を揃えることができ
る。しかし、それらのずれ量の許容量は波長の数十分の
一程度であり、それらのずれ量を許容値以下にするに
は、極めて厳しいずれ量検出精度とアライメント精度と
が要求されるからである。

【０００７】例えば、図４の２枚の回折格子３Ａ及び３
Ｂを合わせた大きさの１枚の回折格子を用いて単色光を
分光した場合に観察面５で観察される回折像の強度プロ
ファイル（スペクトル）は、光学系の収差を無視すると
図５（ｅ）に示すような単一のピークを有する波形にな
る。ところが、図４の２枚の回折格子３Ａ及び３Ｂを用
いてその単色光を分光する場合、仮に各回折格子の大き
さが同じで、各回折光の波面の方向がほぼ完全に揃って
はいるが、位相がずれているものとすると、観察面５上
の合成回折像の強度プロファイルは、図５（ａ）〜
（ｄ）に示すように複雑に崩れてしまうことになる。但
し、偶然に図５（ｅ）のような強度プロファイルが得ら
れる場合も有り得る。

【０００８】因に、その単色光の波長をλとすると、図
５（ａ）は位相がλ／２ずれているとき、図５（ｂ）は
位相が３λ／８ずれているとき、図５（ｃ）は位相がλ
／４ずれているとき、図５（ｄ）は位相がλ／８ずれて
いるとき、図５（ｅ）は位相のずれが無いときの波形図
である。しかも、各回折光の波面の位相差はほぼ固定さ
れているため、像が崩れているときにはその崩れも固定
的である。このままで分光計測を行った場合は、例えば
輝線の微細構造を誤って測定する虞があるという不都合
がある。

【０００９】本発明は斯かる点に鑑み、複数枚の回折格
子を全体で１枚の回折格子を形成するようにモザイク状
に配列して使用する分光光学系において、得られる合成
回折像の強度プロファイルの崩れを解消することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による分光光学系
は、例えば図１に示す如く、分光対象とする光束の断面
を複数に分割して複数の小光束（ＩＬ１，ＩＬ２）を形
成し、これら複数の小光束の各小光束同士にそれぞれ所
定の光路差を与える光路差発生手段（１１〜１５）と、
この光路差発生手段から射出されたそれら複数の小光束
のそれぞれを分光すると共に、全体で１枚の回折格子を
形成するようにモザイク状に配列された複数の回折格子
（２０Ａ，２０Ｂ）と、これら複数の回折格子からの回
折光を集光する集光手段（２１）とを有し、分光対象と
する光束の基準波長（中心波長）をλ₀ 、分光対象とす
る光束の波長幅をΔλ、その光路長発生手段によりそれ
ら複数の小光束の間にそれぞれ与えるその所定の光路差
をＬとしたとき、次の関係が成立するようにしたもので
ある。

【数１】Ｌ＞λ₀ ² ／Δλ

【００１１】但し、その所定の光路差Ｌは次の関係を充
足することが望ましい。

【数２】Ｌ≫λ₀ ² ／Δλ

【００１２】この場合、その光路差発生手段は、一例と
して、それら小光束を形成するために、その分光対象と
しての光束の断面の異なる部分の光束をそれぞれ異なる
方向へ反射させる複数の反射面（１１ａ，１１ｃ）を持
つ入射側反射部材と、この入射側反射部材により反射さ
れたそれら複数の小光束の各小光束同士に所定の光路差
を生成させる光路差生成光学系（１２〜１５）と、この
光路差生成光学系を介した複数の小光束を同一方向へ反
射させるための複数の反射面（１１ｂ，１１ｄ）を持つ
射出側反射部材とを有し、その入射側反射部材の複数の
反射面とその射出側反射部材の複数の反射面とのそれぞ
れを光学的に共役に構成したものである。

【００１３】更に、その射出側反射部材と複数の回折格
子（２０Ａ，２０Ｂ）との間に、その射出側反射部材の
複数の反射面（１１ｂ，１１ｄ）と複数の回折格子（２
０Ａ，２０Ｂ）とのそれぞれを光学的に共役にするリレ
ー光学系（１６〜１９）を配置するようにしてもよい。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、光路差発生手段（１１
〜１５）によって、異なる回折格子（２０Ａ，２０Ｂ）
へ入射する光束の波面間に、一波束長（可干渉距離）よ
り大きい光路差を発生させている。即ち、例えば図６に
示される中心波長がλ₀で、波長幅がΔλの波束の波束
長Ｌｗは、次式で与えられる。

【数３】Ｌｗ≒λ₀ ² ／Δλ

【００１５】従って、その光路差発生手段によって発生
させる各光束間の光路差Ｌを（数３）で表される波束長
Ｌｗより十分大きくすれば、各回折格子（２０Ａ，２０
Ｂ）へ同時刻に入射する波束長Ｌｗの波束はそれぞれ無
関係なものになる。即ち、互いの位相のずれ量は、時間
と共に無秩序に変化する。例えば図１に示すように２枚
の回折格子２０Ａ，２０Ｂからなる系を考えると、光学
系が無収差のとき、観測面２２上での合成像の強度分布
として２光束間の相対位相差に応じて図５（ａ）〜
（ｅ）に示すような強度プロファイルが、瞬間的に形成
される。２光束間の位相は無秩序に変化するため、図５
（ａ）〜（ｅ）の状態もランダムに入れ替わる。

【００１６】従って時間平均をとれば、観測面２２上の
強度プロファイルは、２つの回折格子２０Ａ，２０Ｂか
らの回折光による像の強度プロファイルの和となり、図
５（ｅ）に示したプロファイルを、強度のピークを１／
２、像幅を２倍にした形状となる。その図５（ａ）の強
度プロファイルを図３（ａ）に示し、図３（ｂ）に本発
明を適用した場合に得られる２枚の回折格子２０Ａ，２
０Ｂからの回折光の合成像の強度プロファイルを示す。
また、例えば１枚の回折格子２０Ａだけを用いた場合に
は、図３（ａ）の強度のピークを１／４、像幅を２倍に
した図３（ｃ）に示す強度プロファイルが得られる。即
ち本発明で２枚の回折格子２０Ａ，２０Ｂを使用すれ
ば、１枚の回折格子２０Ａだけを使用した場合と同じ像
幅で、強度が２倍の安定なプロファイルが得られる。

【００１７】それを一般化して、同一形状の回折格子が
ｎ個ある場合に本発明を適用すると、強度プロファイル
は１枚の回折格子だけを使用する場合に対して、強度が
ｎ倍で且つ像幅が同じものになり、強度プロファイルの
複雑な分裂は解消される。仮に、（数１）で定まる光路
差Ｌより波束長が長い波束が入射した場合には、像の強
度プロファイルは分裂するがそのような波束の波長幅
は、分光器の限界波長分解幅を超えているので、元々測
定できない。また、像の分裂のプロファイルパターンが
分光器の理想的像幅よりも細かくなり、明らかに、分光
器の測定能力を超えた波長幅の光が入射したことが分か
るので、見誤ることはない。

【００１８】次に、その光路差発生手段が、それら小光
束を形成するために、その分光対象としての光束の断面
の異なる部分の光束をそれぞれ異なる方向へ反射させる
複数の反射面（１１ａ，１１ｃ）を持つ入射側反射部材
と、この入射側反射部材により反射されたそれら複数の
小光束の各小光束同士に所定の光路差を生成させる光路
差生成光学系（１２〜１５）と、この光路差生成光学系
を介した複数の小光束を同一方向へ反射させるための複
数の反射面（１１ｂ，１１ｄ）を持つ射出側反射部材と
を有し、その入射側反射部材の複数の反射面とその射出
側反射部材の複数の反射面とのそれぞれを光学的に共役
に構成した場合には、比較的簡単な構成で容易に各小光
束同士に所定の光路差を生成させることができる。

【００１９】また、その射出側反射部材と複数の回折格
子（２０Ａ，２０Ｂ）との間に、その射出側反射部材の
複数の反射面（１１ｂ，１１ｄ）と複数の回折格子（２
０Ａ，２０Ｂ）とのそれぞれを光学的に共役にするリレ
ー光学系（１６〜１９）を配置した場合、仮にリレー光
学系中にスリット板（１８）を設けて光束の入射側にそ
のスリット板（１８）と共役なスリット板（９）を設け
ると、それらスリット板（１８）及び（９）のそれぞれ
の全長に亘って、入射する光束にけられを生ずるのを防
止することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明による分光光学系の一実施例に
つき図１〜図３を参照して説明する。図１は、本実施例
の分光器を示し、この図１において、光軸上に貫通孔６
ａが形成された凹面鏡６と凸面鏡７とより望遠鏡系（対
物光学系）が構成されている。分光対象とする光束ＩＬ
は凹面鏡６で反射された後に凸面鏡７で反射されて集光
され、この集光された光束が凹面鏡６の貫通孔６ａを経
て平面鏡８に向かい、平面鏡８で反射された光束がスリ
ット板９に入射する。

【００２１】次に、スリット板９のスリットから射出さ
れた光束は、凹面鏡１０によってコリメートされて４角
柱状のプリズム１１の直交する２つの反射面１１ａ及び
１１ｃに入射する。即ち、２つの反射面１１ａ及び１１
ｃにより分光対象とする光束は２つの光束１Ｌ１及びＩ
Ｌ２に分割される。一方の反射面１１ａで反射された光
束ＩＬ１は、凹面鏡１２に反射されて凸面鏡よりなるフ
ィールド鏡１３上に一度中間結像する。その後、フィー
ルド鏡１３で反射された光束ＩＬ１は再び凹面鏡１２に
よってコリメートされてプリズム１１の反対側の反射面
１１ｂに入射する。同様に、他方の反射面１１ｃで反射
された光束ＩＬ２は、凹面鏡１４に反射されて凸面鏡よ
りなるフィールド鏡１５上に中間結像し、再び凹面鏡１
４でコリメートされてプリズム１１の反対側の反射面１
１ｄに入射する。

【００２２】この場合、本例で分光対象とする光束の中
心波長をλ₀ 、分光対象とする光束の波長幅をΔλとす
ると、分割された２つの光束ＩＬ１及びＩＬ２がそれぞ
れ反射面１１ｂ及び１１ｄに入射するまでに、それら２
つの光束ＩＬ１及びＩＬ２には次式を充足する光路差Ｌ
１を与える。そのためには、一方の凹面鏡１２及びフィ
ールド鏡１３からプリズム１１までの平均的な距離と、
他方の凹面鏡１４及びフィールド鏡１５からプリズム１
１までの平均的な距離との間にその光路差Ｌ１を与えれ
ばよい。

【数４】Ｌ１＞λ₀ ² ／Δλ

【００２３】これは光路差Ｌ１を可干渉距離より大きく
することを意味する。具体的に、例えば中心波長λ₀ が
１０００ｎｍ、波長幅Δλが４×１０^-3ｎｍの場合に
は、λ ₀ ² ／Δλ＝２５０［ｍｍ］であり、光路差Ｌ１
は２５０ｍｍより大きく、望ましくは充分に大きく設定
する。また、例えば中心波長λ₀ が３μｍ、波長幅Δλ
が０．０１ｎｍの場合には、λ₀ ² ／Δλ＝９００［ｍ
ｍ］であり、光路差Ｌ１は９００ｍｍより大きく、望ま
しくは充分に大きく設定する。

【００２４】反射面１１ｂ及び１１ｄで反射された２つ
の光束は、再び同一方向に沿って進み凹面鏡１６に入射
し、凹面鏡１６での反射によって集光された２つの光束
は、平面鏡１７で反射されてスリット板１８上のスリッ
ト上に集光される。スリット板１８のスリット上にスリ
ット板９のスリットの像が結像される。スリット板１８
の開口から射出された２つの光束ＩＬ１及びＩＬ２は、
凹面鏡１９によってコリメートされた後に、それぞれモ
ザイク状に配列された反射型の回折格子２０Ａ及び２０
Ｂに入射する。そして、回折格子２０Ａ及び２０Ｂによ
り同一方向に回折された光束が、それぞれ凹面鏡２１に
より観察面２２上の同一点に集束される。観察面２２と
スリット板１８とは共役であり、観察面２２上に例えば
撮像用のカメラを配置することによって、合成された回
折像の強度プロファイルを観察することができる。

【００２５】この場合、本例では２枚の回折格子２０Ａ
及び２０Ｂに入射する光束同士の間には（数４）で示さ
れる光路差Ｌ１がある。従って、回折格子２０Ａ及び２
０Ｂからの回折光の間の位相差は、時間的に無秩序に変
化するため、観察面２２上でそれら２つの回折格子から
の回折光を加算して時間平均することにより、単に強度
が加算された合成像の強度プロファイルが観察される。
例えば１枚の回折格子２０Ａのみを使用した場合に得ら
れる強度プロファイルが図３（ｃ）に示すものとする
と、本例の観察面２２上では、図３（ｂ）に示すよう
に、図３（ｃ）と像幅が同じで且つ強度のピークが２倍
の強度プロファイルが得られる。従って、従来例のよう
に強度プロファイルが複雑に分裂することがなく、輝線
スペクトル等を正確に高い分解能で分光することができ
る。

【００２６】なお、図１の分光光学系において、分光対
象とする光束の波長幅Δλを制限するには、望遠鏡系の
直後のスリット板９のスリット幅を調整するか、又は回
折格子２０Ａ，２０Ｂの前の凹面鏡１９の直前のスリッ
ト板１８のスリット幅を調整するかのどちらでもよい。
しかし、前者のスリット板９によって波長幅Δλを制限
して、後者のスリット板１８によって光学系中で発生す
る迷光を遮断する方が、光学系のアライメントが容易で
ある。

【００２７】また、図２は図１の分光光学系の共役関係
を示し、この図２に示すように、望遠鏡系（６，７）の
開口絞りに相当する凸面鏡７と、プリズム１１の反射面
１１ａ及び１１ｃとは共役である。また、反射面１１ａ
及び１１ｃに対してそれぞれプリズム１１の反射面１１
ｂ及び１１ｄが共役であり、これら反射面１１ｂ及び１
１ｄとモザイク状に配列された回折格子２０Ａ及び２０
Ｂとがそれぞれ共役である。従って、スリット板９のス
リット長及びスリット板１８のスリット長をどのように
設定しても、光学素子による光束のけられは回避され
る。従って、本例の分光器によれば、例えば広がりのあ
る光源からの光束の分光特性を一度に測定することがで
きる。

【００２８】なお、上述実施例では、光学素子は全て反
射型を使用しているが、透過型の光学レンズ及び透過型
の回折格子等を使用して分光光学系（分光器）を構成し
てもよいことは明かである。また、２枚の回折格子２０
Ａ及び２０Ｂを配列するのではなく、３枚以上の回折格
子をモザイク状に配列して、各回折格子に入射する光束
の間にそれぞれ可干渉距離より大きい（望ましくは充分
に大きい）光路差を与えるようにしてもよい。このよう
に、本発明は上述実施例に限定されず本発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、光路差発生手段により
複数の回折格子からの回折光の間に可干渉性がほとんど
無くなるので、得られる合成回折像の強度プロファイル
の崩れを解消することができ、波長分解能を向上できる
利点がある。従って、例えば天体観測等のように非常に
微弱な光源からの光束の分光測定を行う場合に非常に有
効である。

【００３０】また、光路差発生手段を複数の反射面を持
つ入射側反射部材と、この入射側反射部材により反射さ
れた複数の小光束の各小光束同士に所定の光路差を生成
させる光路差生成光学系と、この光路差生成光学系を介
した複数の小光束を同一方向へ反射させるための複数の
反射面を持つ射出側反射部材とより構成し、その入射側
反射部材の複数の反射面とその射出側反射部材の複数の
反射面とのそれぞれを光学的に共役に構成した場合に
は、簡単な構成で容易にその所定の光路差を発生するこ
とができる。更に、その射出側反射部材とそれら複数の
回折格子との間に、その射出側反射部材の複数の反射面
とそれら複数の回折格子とのそれぞれを光学的に共役に
するリレー光学系を配置した場合には、光学系中に配置
したスリット板のスリット全長に亘って、光束のけられ
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による分光光学系の一実施例を示す光学
配置図である。

【図２】図１の光学系の像及び瞳の共役関係を示す光路
図である。

【図３】本発明により得られる分光像の強度プロファイ
ルの説明に供する波形図である。

【図４】従来の分光器を示す光学配置図である。

【図５】従来の分光器において、同一の２枚の回折格子
からの一様で且つ同一振幅をもつ単一の回折波が、同一
の結像点で結像するときの強度プロファイルの種々の例
を示す波形図である。

【図６】波束長Ｌｗの波束を示す模式図である。

【符号の説明】

６凹面鏡７凸面鏡８平面鏡９スリット板１０凹面鏡１１プリズム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ反射面１２，１４凹面鏡１３，１５フィールド鏡１６凹面鏡１７平面鏡１８スリット板１９凹面鏡２０Ａ，２０Ｂ回折格子２１凹面鏡２２観察面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分光対象とする光束の断面を複数に分割
して複数の小光束を形成し、該複数の小光束の各小光束
同士にそれぞれ所定の光路差を与える光路差発生手段
と、該光路差発生手段から射出された前記複数の小光束のそ
れぞれを分光すると共に、全体で１枚の回折格子を形成
するようにモザイク状に配列された複数の回折格子と、該複数の回折格子からの回折光を集光する集光手段とを
有し、分光対象とする光束の基準波長をλ₀ 、分光対象とする
光束の波長幅をΔλ、前記光路長発生手段により前記複
数の小光束の間にそれぞれ与える前記所定の光路差をＬ
としたとき、Ｌ＞λ₀ ² ／Δλ の関係が成立するようにした事を特徴とする分光光学
系。
【請求項２】前記光路差発生手段は、前記小光束を形
成するために、前記分光対象としての光束の断面の異な
る部分の光束をそれぞれ異なる方向へ反射させる複数の
反射面を持つ入射側反射部材と、該入射側反射部材によ
り反射された前記複数の小光束の各小光束同士に所定の
光路差を生成させる光路差生成光学系と、該光路差生成
光学系を介した複数の小光束を同一方向へ反射させるた
めの複数の反射面を持つ射出側反射部材とを有し、前記入射側反射部材の複数の反射面と前記射出側反射部
材の複数の反射面とのそれぞれを光学的に共役に構成し
た事を特徴とする請求項１記載の分光光学系。
【請求項３】前記射出側反射部材と前記複数の回折格
子との間に、前記射出側反射部材の複数の反射面と前記
複数の回折格子とのそれぞれを光学的に共役にするリレ
ー光学系を配置した事を特徴とする請求項２記載の分光
光学系。