JPH07103823A

JPH07103823A - 多重分光器及びその分光器を用いた測定方法

Info

Publication number: JPH07103823A
Application number: JP24677093A
Authority: JP
Inventors: Yukio Adachi; 幸男足立
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-21
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JP2914122B2

Abstract

(57)【要約】【目的】分散素子として複数の回折格子を組み合せて
使用する多重分光器として、光量損失の問題がなく、よ
り簡易な構成で簡単な切換え操作により、ゼロ分散測定
又は加分散測定を選択して行うことができる安価な多重
分光器を提供することと、その分光器を用いた測定方法
を提供することにある。【構成】分散素子としての複数の回折格子（４〜６）
の１つ（回折格子５）を、回折光の次数の正負が反転す
る入射角にそれぞれ設定変更されるよう回動可能に設
け、その入射角の設定変更により加分散機能とゼロ分散
機能の切り換えを行うようにした。その回動手段として
は、回折格子の格子溝５ｍとほぼ平行な回転軸を中心に
して回折格子を回転させる回転駆動機構３０を採用す
る。上記の切換え操作により、ゼロ分散測定又は加分散
測定を選択して行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、簡単な切換え操作によ
り、加分散測定又はゼロ分散測定を選択して行うことが
できる多重分光器及びその分光器を用いた測定方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ラマン散乱光などの微弱光を分光測定す
るに当たって使用する分光器としては、分散素子として
１つの回折格子を使うシングルモノクロメーターや、２
つの回折格子を使うダブルモノクロメーターが主に知ら
れている。また最近、分光器内の回折格子や各鏡におい
て反射を繰り返すことにより発生する迷光が微弱光の検
出を不可能にする虞れがあり、この迷光を抑制できる理
由からトリプルモノクロメーター等の多重分光器が注目
されている。一方、このような分光器と組み合せて使用
する検出器としては、光電子倍増管やマルチチャンネル
光検出器が採用されている。但し、これら光検出器のう
ちマルチチャンネル光検出器（電荷結合素子（ＣＣＤ）
など）は、微弱光の検出性能に優れているという利点が
ある反面、多重検出を行うには分光器のスリット幅を大
きくする必要があるためスリットによる迷光除去機能が
低下してしまうという問題がある。

【０００３】さて、トリプルモノクロメーターは分散素
子として３つの回折格子を組み合せて使用するように構
成したものであるが、その具体的な構成例としては、加
分散ダブルモノクロメーターとシングルモノクロメータ
ーを接続したもの（加分散トリプルモノクロメーター）
と、ゼロ分散ダブルモノクロメーターとシングルモノク
ロメーターを接続したもの（ゼロ加分散トリプルモノク
ロメーター）が挙げられる。ここで、加分散とは入射さ
れた光の分散が大きくなるように分光器を構成して細部
の分光測定を行うものをいい、また、ゼロ分散とは入射
された光の分散が抑制されるように分光器を構成して分
光測定を行うものをいう。

【０００４】そして、このトリプルモノクロメーターと
マルチチャンネル光検出器とを組み合せて使用する場
合、加分散トリプルモノクロメーターはゼロ加分散トリ
プルモノクロメーターに比べて、３倍大きい分散がなさ
れるので分解能が約３倍よくなるが、その反面、一度に
測定できる試料領域が１／３程度の狭い領域になる。こ
のため、測定試料の条件、測定時間の短縮等の測定目的
などに応じて、加分散トリプルモノクロメーターとゼロ
加分散トリプルモノクロメーターとをその都度使い分け
る必要があった。

【０００５】そこで、従来においては、このような加分
散機能とゼロ加分散機能を兼ね備え、その両機能を切り
換えるための切換え手段を備えたトリプルモノクロメー
ターが提案されている。図４は、その切換え手段を備え
たトリプルモノクロメーターの構成を概略的に示すもの
で、図中において１０１〜１０３は分光器本体、Ｇ₁〜
Ｇ₃は回折格子、Ｓ₁〜Ｓ₃はスリット、Ｍ₁〜Ｍ₆は凹面
鏡、Ｔ₁〜Ｔ₄は平面鏡、１０４は切換え手段としてのス
リット像反転用光学系、１０５はマルチチャンネル光検
出器をそれぞれ示し、上記のスリット像反転用光学系１
０４は反射鏡Ｒ₁〜Ｒ₃とスリットＳ ₄〜Ｓ₅とでその主要
部が構成されている。

【０００６】すなわち、このトリプルモノクロメーター
は、例えば、加分散測定時には、分光器１０１のスリッ
トＳ₁から入射した光λを図中矢印付実線で示すような
光路に沿い各回折格子Ｇ₁〜Ｇ₃等を順次経由させ、最後
に検出器１０５で検出することにより測定を行い、ゼロ
分散測定時には、その入射光を、平面鏡Ｔ₁において反
射させずに透過させ、図中矢印付点線で示すように一旦
スリット像反転用光学系１０４内に導き、該光学系１０
４内の各光学部品を経由させてスリット像を反転させた
後、その光を分光器本体１０２内に戻し、その後は各回
折格子Ｇ₂〜Ｇ₃等を順次経由させ、最後に検出器１０５
で検出することにより測定を行うものである。従って、
このトリプルモノクロメーターは、入射光をスリット像
反転用光学系１０４を経由させるか否かによってゼロ分
散機能と加分散機能との切換えができるようになってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな切換え手段を備えたトリプルモノクロメーターは、
分光器に係る光学部品以外にスリット像反転用光学系用
の光学部品が必要となるためにコストアップや光学的設
定調整作業の煩雑化を招き、また、スリット像反転用光
学系を経由する光路を選択した場合、その付加した光学
部品を余分に通過することにより光量の損失が生じる等
の問題がある。特に、光量損失の問題は、この種の微弱
光の分光測定にとっては、測定結果等に直接悪影響を及
ぼすため重大な欠点ともいえる。

【０００８】本発明の目的は、光量損失の問題がなく、
より簡易な構成で簡単な切換え操作により、ゼロ分散測
定又は加分散測定を選択して行うことができる安価な多
重分光器を提供することと、その分光器を用いた測定方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、本発明の多重分光器は、分散素子として複数の回
折格子を組み合せて使用する多重分光器において、その
複数の回折格子の１つを、回折光の次数の正負が反転す
る入射角にそれぞれ設定変更するよう回動可能に設け、
その入射角の設定変更により加分散機能とゼロ分散機能
の切り換えを行うようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】上記の技術的手段において、回折格子とし
ては、通常の分光器における分散素子として使用され、
しかも、入射角の変更により正負両方の次数の回折光を
共に使用することができるものであれば如何なるもので
も用いることができる。通常は、エシェル型、エシェレ
ット型等の回折格子が使用される。

【００１１】また、本発明の多重分光器は、上記の技術
的手段において、回折格子の入射角を設定変更するため
の回動手段が、その回折格子の幅方向における中心線と
平行な回転軸を中心にして回折格子を回転させる回転駆
動機構であることを特徴とするものである。

【００１２】ここで、上記の回折格子の格子溝とほぼ平
行な回転軸とは、その軸線が格子溝に沿う直線と一致す
るか、或いはその直線から垂直方向にほぼ平行状態で離
れて位置する回転軸をいう。

【００１３】また、本発明の多重分光器は、上記の技術
的手段において、入射角を設定変更する回折格子が、そ
の回折格子面を垂直に通る回転軸を中心にして回折格子
を回転させる回転駆動機構に支持されていることを特徴
とするものである。

【００１４】この回転駆動機構は、回折格子面の中心点
を垂直に通る回転軸を中心にして格子面をその光学面内
において回転させるものであれば特に限定されるもので
はないが、少なくとも格子面を１８０度以上回転させる
ことができることが必要である。

【００１５】そして、この駆動機構により回折格子をそ
の光学面内で所定の角度（理論的には１８０度）回転さ
せることにより、入射角とブレーズ角の関係を最適な状
態にし、使用する回折光の次数の正負に関係なく、回折
効率の最適化を図ることができる。つまり、回折格子は
通常正の次数側に効率よく反射するようになっているた
め、回折格子をその光学面内で適宜な角度、好ましくは
１８０度回転させることにより、負の次数側にも効率よ
く反射させることができるのである。

【００１６】また、本発明の多重分光器は、上記の技術
的手段において、少なくとも入射角を設定変更する回折
格子が、回折特性が異なる２種の回折格子を対向配置さ
せた一対構成のものであることを特徴とするものであ
る。

【００１７】このような一対構成の回折格子を分光器全
体における複数の回折格子の全て或いはその一部に適用
して適宜選択しながら使用することにより、回折特性の
違いを利用した多様な測定を行うことが可能となる。

【００１８】さらに、本発明の多重分光器は、通常、分
散素子としての複数の回折格子を３つ使用するものが好
ましいが、それ以上の数の回折格子を使用するものであ
っても構わない。いずれの場合であっても、本発明にお
いては、それら複数の回折格子の１つを少なくとも前記
のごとき回動可能に設ければよい。

【００１９】また、本発明の多重分光器を用いた測定方
法は、分散素子として複数の回折格子を組み合せて使用
する多重分光器を用いて分光測定を行うに際し、その複
数の回折格子の１つを、回折光の次数の正負が反転する
入射角にそれぞれ設定変更するよう回動させることによ
り、加分散機能とゼロ分散機能を切り換えて加分散測定
又はゼロ分散測定を選択して行うことを特徴とするもの
である。

【００２０】このような多重分光器は、微弱光の分光測
定に適用することができ、例えば、ラマン分光測定、蛍
光スペクトル測定等に用いることができる。

【００２１】

【作用】本発明によれば、回折格子への入射角を変更す
ることにより、その回折光の次数の正負が反転し、回折
格子の分散の方向が逆転するため、これにより加分散測
定機能とゼロ分散測定機能が切り換えられる。従って、
このようにきわめて簡単な切換え操作により、加分散測
定又はゼロ分散測定のいずれか一方を適宜選択して行う
ことができる。

【００２２】また、本発明の分光器は、基本的に既存の
回折格子の１つを所定の入射角に設定変更される方向に
回動させるだけのものであるため、その構成が簡易であ
り、付加する光学部品もないため切換え操作により光量
損失が発生することがなく、しかも、大幅なコストアッ
プを招くこともない。

【００２３】更に、回折格子をその光学面内で回転させ
ることにより、使用する回折光の次数が正負のいずれの
側であっても、回折効率の最適化を図ることができる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る多重分光器を
示すもので、この実施例の分光器は分散素子として３つ
の回折格子を使用するトリプルモノクロメーターであ
る。

【００２５】図中、１〜３は互いに接続された第１〜３
段目の各分光器本体をそれぞれ示し、４〜６は分散素子
としての回折格子、７は入射スリット、８〜９は中間ス
リット、１０〜１５は凹面鏡、１６〜１９は平面鏡、２
０は第３段目の分光器本体３の結像位置に設置されたＣ
ＣＤからなるマルチチャンネル光検出器をそれぞれ示
す。

【００２６】この分光器においては、３つの回折格子の
うち２段目の分光器本体２における回折格子５を回動可
能に設けている。すなわち、回折格子５は、図１及び図
２に示すように保持部材２１を介して入射角変更用の回
転駆動機構３０に支持されて図中矢印Ａ−Ｂ方向に回動
されるように設置されている。しかも、この回折格子５
は、回折効率改善用の回転駆動機構４０にも支持され、
図中矢印Ｃ−Ｄ方向に回動されるように設置されてい
る。

【００２７】回転駆動機構３０は、図２に示すように、
その軸線が回折格子の格子溝５ｍに沿う直線ｘと平行状
態で離れて位置する回転軸３１とその回転軸３１を回転
させる駆動手段３２とからなるもので、駆動手段３２に
より回転軸３１を回転させることにより回折格子５を矢
印Ａ−Ｂ方向に自在に回動させるようになっている。

【００２８】また、回転駆動機構４０は、回折格子面
（の中心点ｐ）を垂直に通る回転軸４１とその回転軸４
１を１８０度以上回転させる駆動手段４２とからなるも
ので、駆動手段４２により回転軸４１を回転させること
により回折格子５を矢印方向Ｃ−Ｄ方向に自在に回動さ
せるようになっている。

【００２９】次に、このような構成からなる多重分光器
を用いて行う分光測定方法について説明する。

【００３０】例えば、最初に加分散で分光測定を行う場
合、回折格子５を回転駆動機構３０により加分散がなさ
れる入射角となるように回動させて初期設定する。な
お、これと同時に他の回折格子４、６についても、必要
に応じて所定の入射角となるよう適宜調整する。

【００３１】そして、不図示の光源からの白色光を試料
に照射して得られる微弱な散乱光を集光した光λを、入
射スリット７から第１段目の分光器本体１内に入射す
る。その入射光は、図中矢印付実線で示す光路にそって
進み、まず凹面鏡１０でコリメートされ、回折格子４で
回折された後、凹面鏡１１を経由して中間スリット８に
結像される。

【００３２】続いて、中間スリット８を透過した光は、
第２段目の分光器本体２内の凹面鏡１２でコリメートさ
れ、回折格子５で回折された後、凹面鏡１３を経由して
中間スリット９に結像される。ここで、回折格子５に入
射した光は加分散される。

【００３３】最後に、中間スリット９を透過した光は、
第３段目の分光器本体３内の凹面鏡１４でコリメートさ
れ、回折格子６で回折された後、凹面鏡１５を経由して
ＣＣＤ検出器２０の受光面に結像され、その入射光の信
号強度が検出される。そして、その検出された信号強度
が常法によりデータ処理されることにより、加分散測定
に基づく測定結果が得られる。

【００３４】次に、加分散測定に代えてゼロ分散測定を
行う場合、回折格子５を回転駆動機構３０によりゼロ分
散がなされる入射角となるように矢印Ａ方向へ回動させ
て初期設定する。この回動時の回転角は、例えば刻線数
１８００本／ｍｍの回折格子を使用して５００ｎｍの散
乱光を観測する場合には、約６０°である。またこのと
き、回折格子５を回転駆動機構４０により１８０°回転
させて回折効率が最適になるように設定する。

【００３５】これ以後は、前記した加分散測定の場合と
同様に、光λが入射スリット７から第１段目の分光器本
体１内に入射されると、図１中の実線で示す光路に沿っ
て各分光器内を経由して進み、最後にＣＣＤ検出器２０
に受光されて光の信号強度が検出される。このとき、光
は回折格子５においてゼロ分散される。そして、検出さ
れた信号強度が常法によりデータ処理されることによ
り、ゼロ分散測定に基づく測定結果が得られる。

【００３６】また、再度、加分散測定を行う場合には、
回折格子５を回転駆動機構３０により加分散がなされる
入射角となるように矢印Ｂ方向へ回動させて初期設定す
ればよい。なお、上述した回転駆動機構３０、４０の駆
動、他の回折格子の微調整等はコンピュータにより制御
される。このように、この多重分光器を用いた測定にお
いては、回折格子５を所定の入射角になるよう設定変更
するという簡単な操作によって、加分散測定とゼロ分散
測定を容易に切り換えて行うことができる。

【００３７】なお、本発明においては、上記の実施例に
おける回折格子４〜６に代えて図３に示すように回折特
性が異なる２種の回折格子を対向配置させた一対構成の
ものを適用して構成することができる。

【００３８】図３は、便宜的に回折格子５に代えて使用
するもののみを代表して例示しているが、他の回折格子
４、６に適用するものもこれと同一の構成からなるもの
である。図中、５ａ、５ｂは、非格子面どうしを対向し
て設置された回折特性が異なる２種の回折格子を示す。
この場合、回転駆動機構３０により回転軸３１を中心に
して矢印Ａ−Ｂ方向に回動させることにより、回折格子
５ａ、５ｂの設定位置を交換することができると共に各
回折格子における入射角の設定変更を行うことができ
る。また、回転駆動機構４０により回転軸４１を中心に
して矢印Ｃ−Ｄ方向に回動させることにより、回折格子
５ａ、５ｂをいずれもその光学面内において回転させる
ことができる。

【００３９】分散素子として、このような一対構成の回
折格子を使用する場合、例えば、その一方の回折格子
（４ａ〜６ａ）として可視領域を良好に回折するもの
を、その他方の回折格子（４ｂ〜６ｂ）として近赤外領
域を良好に回折するものをそれぞれ適用して組み合せる
ことにより、１台の分光器で可視領域から近赤外領域ま
での加分散測定及びゼロ分散測定ができるようになる。

【００４０】また、一方の回折格子（４ａ〜６ａ）に対
し、格子溝の本数が３倍多い他方の回折格子（４ｂ〜６
ｂ）を適用して組み合せることにより、加分散測定とゼ
ロ分散測定を切り換えて行えることも含めると、マルチ
チャンネル検出器２０で測定可能な範囲を１倍、３倍、
９倍と３段階に設定変更することができる。これによ
り、１台の分光器で高分解能測定に加えてより高範囲な
測定を行うことができる。

【００４１】なお、この多重分光器を構成する各光学部
品、回転駆動機構等は以上の実施例のものに限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で適宜変更するこ
とができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の回折格子の１つを回折光の次数の正負が反転する
入射角に設定変更するよう回動させるという簡単な切換
え操作により、加分散機能とゼロ分散機能を切り換えて
加分散測定又はゼロ分散測定のいずれかを選択して行う
ことできる。

【００４３】また、本発明の多重分光器は、その切換え
手段となる構成が簡易であり、付加する光学部品もない
ため切換え時の光量損失が発生することがなく、しか
も、大幅なコストアップを招くこともない。

【００４４】更に、回折格子をその光学面内で回転させ
ることにより、使用する回折光の次数が正負のいずれの
側であっても、回折効率の最適化を図かることができ
る。また、回折格子として、回折特性が異なる２種の回
折格子を対向配置させた一対構成のものを使用すること
により、回折特性の違いを利用した多様な測定が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る多重分光器を示す概
略構成図である。

【図２】図１の多重分光器において回動可能に設ける
回折格子の構成例を示すもので、（ａ）はその上面図、
（ｂ）はその正面図である。

【図３】図１の多重分光器における回折格子の他の構
成例を示すもので、（ａ）はその上面図、（ｂ）はその
側面図である。

【図４】従来の切換え手段を備えた多重分光器を示す
概略構成図である。

【符号の説明】

４、５、６…回折格子、３０…回転駆動機構、３１…回
転軸、４０…回転駆動機構、４１…回転軸、５ａ、５ｂ
…回折特性が相異なる回折格子、５ｍ…格子溝、ｘ…中
心線、ｐ…中心点。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分散素子として複数の回折格子を組み合
せて使用する多重分光器において、その複数の回折格子
の１つを、回折光の次数の正負が反転する入射角にそれ
ぞれ設定変更されるよう回動可能に設け、その入射角の
設定変更により加分散機能とゼロ分散機能の切り換えを
行うようにしたことを特徴とする多重分光器。
【請求項２】請求項１記載の分光器において、回折格
子の入射角を設定変更するための回動手段が、その回折
格子の格子溝とほぼ平行な回転軸を中心にして回折格子
を回転させる回転駆動機構であることを特徴とする多重
分光器。
【請求項３】請求項１記載の分光器において、入射角
を設定変更する回折格子が、その回折格子面を垂直に通
る回転軸を中心にして回折格子を回転させる回転駆動機
構に支持されていることを特徴とする多重分光器。
【請求項４】請求項１記載の分光器において、少なく
とも入射角を設定変更する回折格子が、回折特性が異な
る２種の回折格子を対向配置させた一対構成のものであ
ることを特徴とする多重分光器。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の分光器
において、複数の回折格子の数が３つ以上であることを
特徴とする多重分光器。
【請求項６】分散素子として複数の回折格子を組み合
せて使用する多重分光器を用いて分光測定を行うに際
し、その複数の回折格子の１つを、回折光の次数の正負
が反転する入射角にそれぞれ設定変更するよう回動させ
ることにより、加分散機能とゼロ分散機能を切り換えて
加分散測定又はゼロ分散測定を選択して行うことを特徴
とする多重分光器を用いた測定方法。