JPH10111176A

JPH10111176A - 回折格子分光計

Info

Publication number: JPH10111176A
Application number: JP26415796A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kuze; 暁彦久世
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JP3125688B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の波長帯を１つの光学計で性能を低下させ
ることなく同時に測定できるとともに、機械的駆動部を
有することなく信頼性、保守性、操作性を向上させる。【解決手段】入射スリット１は入射光を制限する。折り
曲げ鏡２は入射した測定光を反射する。コリメート放物
面鏡３は反射した測定光を平行光にする。エシェル回折
格子４はこの平行光を受け回折させる。集光放物面円柱
鏡５はエシェル回折格子４からの回折光を波長帯（バン
ド）別にバンド分割する。集光放物面円柱鏡６は各バン
ド分割した光束を各々集光する。２次元アレイ検出器７
は集光放物面円柱鏡６で分光方向と垂直方向とに集光し
た光束を結像させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回折格子分光計に関
し、特に光スペクトル測定において回折格子を使用し複
数の波長帯の光を高分解能で分光する回折格子分光計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、気体の吸収、発光スペクトル等
の光のスペクトルを測定する装置として、高分光分解能
を実現するマイケルソン干渉計が使用される。このマイ
ケルソン干渉計は複雑な駆動機構が必要なため大型化
し、かつフーリエ変換を行なうため高性能の計算機が必
要とされる。また、機械的な走査を行なうためにアクセ
ス時間を要するので、測定に時間がかかり時間変化の大
きい現象の測定が困難である。駆動機構があるために信
頼性および保守作業が必要である。さらにマイケルソン
干渉計は測定対象の波長範囲が広いため不必要なスペク
トルを取得する場合がある。このような干渉計に改良を
加えた装置の一例として、特開平５−２８１０４１号公
報記載の「分光器」が知られている。

【０００３】この公報では、光の特定の出射方向の光を
検出することにより特定波長の光の強度を検出し、かつ
駆動機構により移動可能な回折格子と光反射手段とから
構成された折り返し光学系を使用して、１つの回折格子
に光ビームを往復させて２度分光作用を及ぼし光ビーム
の分解能を向上させている。しかも折り返し光学系を使
用しているため、分光器をコンパクト化した技術が記載
されているが、駆動機構が依然存在している。

【０００４】なお、駆動機構が不要で高次の回折光を使
用して高い分光分解能を得ることができるのが、エシェ
ル回折格子分光計等の回折格子分光計である。これらの
回折格子分光計はプリズムまたは回折格子（別途設置し
た粗分光用の回折格子）等で次数分離（粗分光）を行な
い、精分光用のエシェル回折格子等の回折格子で高精度
に分光することにより２次元のスペクトル像を得ること
を特徴としている。

【０００５】ただし、エシェル回折格子による分光計
は、分解能を上げるため分散を大きくしている。このよ
うな次数分離を行なうことで、複数の波長帯を１つの分
光計で測定できる。

【０００６】一方、特開平５−１３３８０７号公報記載
の「明るい高分解能分光装置」では、明るさの要求と高
分解能の要求を共に満たし、ラマン分光のような微弱で
分光波長領域が比較的狭い光の分光に適した高分解能装
置について記載されているが、複雑な光学系を必要と
し、また使用できる波長範囲も限られている。

【０００７】上述の通り、従来の方式では光軸上以外の
集光光学系の結像特性が悪く、所望の分光分解能が得ら
れない。

【０００８】また、「１９８８年２月、アプライドオプ
テイクス、第２７巻、第３号（ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴ
ＩＣＳ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３，Ｆｅｂｒｕａｒｙ，
１９８８）」の論文によると、観測毎にターゲットとす
るスペクトルの回折光束が光軸に平行になるように回折
格子、プリズム等を移動させる技術が記載されている。

【０００９】一般に、複数の波長帯の所望のスペクトル
の分散方向が全波長帯にわたり光軸上になるように光学
系を設置するのは困難で、これを行なうと画角が大きく
なり結像特性が低下し、さらに次数の分離にプリズムや
回折格子を用いると次数分離にも画角が生じるので、結
像性能が低下し分光分解能の低下を誘発することにな
る。さらに、スリット像が歪曲するためスリットの大き
さも限定されることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の回折格
子分光計は、分散を大きくとっているため、同時に複数
の波長帯のスペクトルを取得すると分光分解能が低下す
ると云う欠点を有している。

【００１１】また、機械的可動部を有するため、短時間
に変化する現象を測定できないばかりでなく、信頼性、
操作性、保守性に問題があるという欠点を有している。

【００１２】本発明の目的は、複数の波長帯を１つの光
学計で性能を低下させることなく同時に測定できるとと
もに、機械的駆動部を有することなく信頼性、保守性、
操作性を向上させる回折格子分光計を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の回折格子分光計
は、測定光の光束を回折させ、この回折した光束を波長
帯別に分割し、前記分割した光束毎に一対の集光放物面
鏡を用い集光し、バンドパスフィルタにより前記集光し
た光束の次数分離を行ない、１つの焦点面に前記次数分
離した複数の波長帯の光束を結像させることを特徴とし
ている。

【００１４】また、測定光を通過させる入射スリット
と；この入射スリットからの前記測定光を反射する反射
鏡と；この反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする
放物面鏡と；前記平行光を回折させる回折格子と；この
回折格子からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１
の集光放物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を
各々集光する第２の集光放物面鏡と；この第２の集光放
物面鏡が反射した前記光束の次数分離を行なう光学フィ
ルタと；この光学フィルタを透過した前記光束が結像す
る検出器と；を備えたことを特徴としている。

【００１５】測定光を通過させる入射スリットと；この
入射スリットからの前記測定光を反射する反射鏡と；こ
の反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする放物面鏡
と；前記平行光を回折させる回折格子と；この回折格子
からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１の集光放
物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を各々集光
する第２の集光放物面鏡と；前記第２の集光放物面鏡が
反射した前記光束が結像する検出器と；前記第１の集光
放物面鏡と前記第２の集光放物面鏡との間に設置され、
前記波長帯別に分割した前記光束の次数分離を行なうプ
リズムと；を備えたことを特徴としている。

【００１６】測定光を通過させる入射スリットと；この
入射スリットからの前記測定光を反射する反射鏡と；こ
の反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする放物面鏡
と；前記平行光を回折させる回折格子と；この回折格子
からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１の集光放
物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を各々集光
する第２の集光放物面鏡と；前記第２の集光放物面鏡が
反射した前記光束が結像する検出器と；前記第１の集光
放物面鏡と前記第２の集光放物面鏡との間に設置され、
前記波長帯別に分割した前記光束の次数分離を行なう透
過型回折格子と；を備えたことを特徴としている。

【００１７】前記回折格子が、エシェル回折格子である
ことを特徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１９】図１は本発明の回折格子分光計の一つの実
施の形態を示すブロック図である。

【００２０】図１に示す本実施の形態は、入射スリット
１と、入射スリット１から入射した測定光を反射する折
り曲げ鏡２と、折り曲げ鏡２が反射した測定光を平行光
にするコリメート放物面鏡３と、この平行光を受け回折
させるエシェル回折格子４と、エシェル回折格子４から
の回折光を波長帯（バンド）別にバンド分割する集光放
物面円柱鏡５と、各バンド分割した光束を各々集光し反
射させる集光放物面円柱鏡６と、集光放物面円柱鏡６で
分光方向と垂直方向とに集光した光束の次数分離を行な
うバンドパスフィルタ１１と、これら光束を結像させる
２次元アレイ検出器７とから構成されている。

【００２１】次に、図１を参照して本実施の形態の動作
をより詳細に説明する。

【００２２】入射スリット１から入射した測定光は、折
り曲げ鏡２でコリメート放物面鏡３に照射され、平行光
となり、エシェル回折格子４に入射する。

【００２３】エシェル回折格子４からの回折光は、光束
を波長帯別にバンド１光束８、バンド２光束９、バンド
３光束１０に分割され、各々の光束用に設置された集光
放物面円柱鏡５で分光方向の集光が行なわれ、さらに集
光放物面円柱鏡６により分光方向と垂直方向との集光が
なされる。その後、次数分離のためのバンドパスフィル
タ１１で所望する次数以外の光は除かれ、２次元アレイ
検出器７上に結像する。ここでバンドパスフィルタ１１
は光学フィルタを示す。従って、複数の次数に存在する
波長帯のスペクトルを同時に結像させることができる。

【００２４】すなわち、各波長帯毎に２組の集光放物面
円柱鏡５および６が用意されており各波長帯において測
定したいスペクトルが光軸上に集光し、最適の位置に結
像できるように各々の円柱鏡の位置を調整する。また、
２次元アレイ検出器７の面上に各波長帯の焦点面がくる
ように焦点方向の調整も各円柱鏡の配置調整により行な
うことができる。集光放物面円柱鏡５は設置位置の微調
整を行なうことで分光方向の焦点距離の微調整を行な
い、集光放物面円柱鏡６は設置位置の微調整を行なうこ
とで分光方向と垂直方向との焦点距離の微調整を行な
う。

【００２５】また、光束分割による光量ロスに伴うＳ／
Ｎ比（信号／雑音比）低減を補償するため、集光放物面
円柱鏡５および６の２つの円柱鏡を利用して、分光方向
と垂直方向との集光倍率を変えている。一般的な検出器
では同じ光量の光が入射した場合、受光面積の小さい方
がノイズを小さく抑えることができる。ここでは、分光
方向と垂直な方向には通常の分光計に比べてスリットの
長さを長くしている。

【００２６】スリットの長手方向は分光分解能と直接関
係がないので、焦点距離を短くとり明るい光学系として
多少結像性能を悪くしても分光計としての性能上の問題
がないようにしている。

【００２７】スリットの長手方向の集光は、集光放物面
円柱鏡６で行ない、集光放物面円柱鏡５よりも数倍焦点
距離を短くすることにより縮小率を上げてＳ／Ｎを向上
させている。

【００２８】すなわち、上述のようにエシェル回折格子
４からの回折光の光束を観測ターゲット数（３波長帯程
度を仮定）に分離し、光束分離後は各光束毎に結像特性
が最適になるように分割光束毎に集光光学系を設置して
いる。光束分割による光量ロスを補償するために２組の
放物面円柱鏡を組み合わせ、２次元アレイセンサの所望
の位置に結像するように円柱鏡の角度を調整する。

【００２９】光束を分割することにより、１つの光学系
システムで複数の波長帯の光を同時に高分解能で分解す
るとともに、光束分割によるＳ／Ｎ比（信号／雑音比）
が低下しないようにスリット長を長くとりかつ焦点距離
の異なる集光放物面円柱鏡５，６を２つ組み合わせて対
処している。

【００３０】なお、本構成においては回折格子としてエ
シェル回折格子分光計を使用しているが、これに限定さ
れるものではなくその他の回折格子分光計、例えばエシ
ェレット回折格子分光計や透過型回折格子分光計の適用
も可能である。また、次数のカットに光学的なバンドパ
スフィルタを使用しているがこれに限定されるものでは
なく、プリズム、回折格子を使用してもよい。

【００３１】図２は本発明の第２の実施の形態を示すブ
ロック図である。

【００３２】図２を参照すると、入射スリット１と、入
射スリット１から入射した測定光を反射する折り曲げ鏡
２と、折り曲げ鏡２が反射した測定光を平行光にするコ
リメート放物面鏡３と、この平行光を受け回折させるエ
シェル回折格子４と、エシェル回折格子４からの回折光
を波長帯（バンド）別にバンド分割する集光放物面円柱
鏡５と、各バンド分割した光束を各々集光し反射させる
集光放物面円柱鏡６と、集光放物面円柱鏡６で分光方向
と垂直方向とに集光した光束を結像させる２次元アレイ
検出器７と、集光放物面円柱鏡５と集光放物面円柱鏡６
との間に設置され光束の次数を分離するプリズム１２と
から構成されている。

【００３３】なお、図２において図１に示す構成要素に
対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その
説明を省略する。

【００３４】図１に示す構成との差異は、２次元アレイ
検出器７の前部に設置されたバンドパスフィルタ１１の
代わりに、次数分離のためのプリズム１２を集光放物面
円柱鏡５と集光放物面円柱鏡６との間に設置し、このプ
リズムにより所望する次数以外の光を除いたものであ
る。その他の動作は同じなのでここでは説明を省略す
る。

【００３５】図３は本発明の第３の実施の形態を示すブ
ロック図である。

【００３６】図３を参照すると、入射スリット１と、入
射スリット１から入射した測定光を反射する折り曲げ鏡
２と、折り曲げ鏡２が反射した測定光を平行光にするコ
リメート放物面鏡３と、この平行光を受け回折させるエ
シェル回折格子４と、エシェル回折格子４からの回折光
を波長帯（バンド）別にバンド分割する集光放物面円柱
鏡５と、各バンド分割した光束を各々集光し反射させる
集光放物面円柱鏡６と、集光放物面円柱鏡６で分光方向
と垂直方向とに集光した光束を結像させる２次元アレイ
検出器７と、集光放物面円柱鏡５と集光放物面円柱鏡６
との間に設置され光束の次数を分離する透過型回折格子
１３とから構成されている。

【００３７】なお、図３において図１に示す構成要素に
対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その
説明を省略する。

【００３８】図１に示す構成との差異は、２次元アレイ
検出器７の前部に設置されたバンドパスフィルタ１１の
代わりに、次数分離のための透過型回折格子１３を集光
放物面円柱鏡５と集光放物面円柱鏡６との間に設置し、
この透過型回折格子により所望する次数以外の光を除い
たものである。その他の動作は同じなのでここでは説明
を省略する。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の回折格子
分光計は、スリットを長くとり分光分解能を低下させな
いよう焦点距離の異なる集光鏡を２つ組み合わせている
ので、光束を分割してもＳ／Ｎ比が低下しないこと、ま
た集光鏡の位置と向きが分割された光束毎に調整できる
ので、一つの焦点面に各波長帯のスペクトル像を最適の
結像性能で最適の結像位置に集光させているため、各々
の光束に対して結像特性が最適になるように集光鏡を設
置できかつ複数の波長帯のスペクトルを同時に高分光分
解能で取得できると云う効果を有している。

【００４０】また、機械的な可動部が無いので、信頼
性、操作性、保守性が向上すると云う効果を有してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回折格子分光計の一つの実施の形態を
示すブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１入射スリット２折り曲げ鏡３コリメート放物面鏡４エシェル回折格子５，６集光放物面円柱鏡７２次元アレイ検出器８バンド１光束９バンド２光束１０バンド３光束１１バンドパスフィルタ１２プリズム１３透過型回折格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定光の光束を回折させ、この回折した
光束を波長帯別に分割し、前記分割した光束毎に一対の
集光放物面鏡を用い集光し、バンドパスフィルタにより
前記集光した光束の次数分離を行ない、１つの焦点面に
前記次数分離した複数の波長帯の光束を結像させること
を特徴とした回折格子分光計。
【請求項２】測定光を通過させる入射スリットと；こ
の入射スリットからの前記測定光を反射する反射鏡と；
この反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする放物面
鏡と；前記平行光を回折させる回折格子と；この回折格
子からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１の集光
放物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を各々集
光する第２の集光放物面鏡と；この第２の集光放物面鏡
が反射した前記光束の次数分離を行なう光学フィルタ
と；この光学フィルタを透過した前記光束が結像する検
出器と；を備えたことを特徴とする回折格子分光計。
【請求項３】測定光を通過させる入射スリットと；この
入射スリットからの前記測定光を反射する反射鏡と；こ
の反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする放物面鏡
と；前記平行光を回折させる回折格子と；この回折格子
からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１の集光放
物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を各々集光
する第２の集光放物面鏡と；前記第２の集光放物面鏡が
反射した前記光束が結像する検出器と；前記第１の集光
放物面鏡と前記第２の集光放物面鏡との間に設置され、
前記波長帯別に分割した前記光束の次数分離を行なうプ
リズムと；を備えたことを特徴とする回折格子分光計。
【請求項４】測定光を通過させる入射スリットと；こ
の入射スリットからの前記測定光を反射する反射鏡と；
この反射鏡が反射した前記測定光を平行光にする放物面
鏡と；前記平行光を回折させる回折格子と；この回折格
子からの回折光を波長帯別の光束に分割する第１の集光
放物面鏡と；前記波長帯別に分割した前記光束を各々集
光する第２の集光放物面鏡と；前記第２の集光放物面鏡
が反射した前記光束が結像する検出器と；前記第１の集
光放物面鏡と前記第２の集光放物面鏡との間に設置さ
れ、前記波長帯別に分割した前記光束の次数分離を行な
う透過型回折格子と；を備えたことを特徴とする回折格
子分光計。
【請求項５】前記回折格子が、エシェル回折格子であ
ることを特徴とした請求項２，３，又は４記載の回折格
子分光計。