JPH10325754A - 走査モノクロメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モノクロメータの精度を高める。 【解決手段】入力光ビームを分散するための第１の回折
格子と該第１の回折格子を回転する手段とを備え、第１
段出力光ビームを与えるための第１段モノクロメータ
と、前記第１段出力光ビームを分散するための第２の回
折格子と該第２の回折格子を回転する手段とを備え、該
第２の回折格子により前記第１段出力光ビームを再結合
して第２段出力光ビーム与えるための第２段モノクロメ
ータの間に，前記第１段出力光ビームの偏光成分を回転
して前記第２の回折格子に入力せしめ、前記第２段出力
光ビームを前記入力光ビームの偏光に依存しないように
するための偏光回転手段を設けた。また、前記第２段出
力光ビームを入力して，該第２段出力光ビームの所定の
部分を濾波して通過せしめ、選択度を高めて該走査モノ
クロメータの隣接ダイナミック・レンジを広げるための
出力アパーチャが備えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、光学分光分析器に関する
ものであり、とりわけ、光ファイバ入力と光ファイバ出
力を備えた走査モノクロメータを利用し、偏光に反応せ
ず、感度が高く、ダイナミック・レンジの広い分光分析
を可能にする技術に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその問題点】分光分析器は、レーザ、発光
ダイオード（ＬＥＤ）、及び、他の光源からの出力光ビ
ームの分析に利用される。分光分析器は、とりわけ、光
搬送波に、単一で、分光的に純粋な波長が備わっている
ことを確かめることが望ましい、光遠隔通信の光源を分
析するのに有効である。分光分析器の場合、低周波に用
いられるスペクトル分析器のように、光の強さが、所定
の波長範囲における波長の関数として表示される。分光
分析器の重要なパラメータには、波長範囲、波長及び振
幅の確度、分解能、測定速度、偏光依存度、感度、及
び、ダイナミック・レンジが含まれる。ここで用いられ
るダイナミック・レンジは、「隣接（ｃｌｏｓｅ−ｉ
ｎ）」ダイナミック・レンジを表しており、大振幅信号
から０．５〜１．０ナノメートルの波長だけ隔てられた
小振幅の光信号を測定する計器の能力に関する尺度であ
る。このパラメータは、ＤＦＢレーザのようなレーザの
スペクル純度を分析する上において特に重要である。

【０００３】分光分析器に関する先行技術の技法には、
マイケルソン干渉計、ファブリー・ペロー干渉計、及
び、入力光ビームの空間分散についてプリズムまたは回
折格子を利用するモノクロメータが含まれている。マイ
ケルソン干渉計は、不十分なダイナミック・レンジ及び
低速動作を特徴とする。ファブリー・ペロー干渉計は、
分解能が高いが、光共振器のマルチ・モード性によって
生じる問題を有している。

【０００４】回折格子を備えたモノクロメータの場合、
分析すべき入力光ビームは、平行化され、回折格子に向
けられる。異なる波長が異なる角度で回折されるので、
光ビームは、回折格子によって空間的に分散する。回折
格子は、回転し、分散光ビームは、スリット越しに走査
される。スリットを通過する光を検出して、波長の関数
として振幅を表す出力信号が送り出される。スリットの
幅、入力イメージのサイズ、システムのＦナンバー、及
び、回折格子の分散によって、モノクロメータの分解能
が設定される。

【０００５】分光分析器に、回折格子を備えた単段モノ
クロメータが用いられてきた。単段モノクロメータは、
比較的低コストで、高感度であるが、比較的ダイナミッ
ク・レンジが狭い。さらに、単段モノクロメータは、出
力光ファイバを備えており、この光ファイバのアパーチ
ャが、観測可能な光帯域幅を制限する。単段モノクロメ
ータに固有のもう１つの問題は、出力光検出器の有効ア
パーチャは、最大分解能帯域幅と同じでなければならな
いということである。検出器が大きくなると、検出器の
出力における迷光パワー及びノイズ量が増大する。最後
に、単段モノクロメータに生じる固有の時間分散は、観
測可能な変調の帯域幅を制限する。

【０００６】回折格子を備えた２段モノクロメータによ
って、単段モノクロメータの欠点のいくつかが解消され
たが、他の問題が生じることになった。２段モノクロメ
ータには、第１のモノクロメータと直列をなす第２のモ
ノクロメータが含まれている。２段モノクロメータは、
比較的広いダイナミック・レンジをもたらすが、単段モ
ノクロメータに比べて１０ｄＢ〜１５ｄＢ感度が低くな
る。さらに、第１と第２の段における回折格子間の正確
な同期が困難であり、段間の光結合も困難になる可能性
がある。例えば、段間の結合に光ファイバを用いる場
合、分解能の帯域幅が、光ファイバによって制限され
る。さらに、２段モノクロメータは、比較的複雑であ
り、高価である。

【０００７】回折格子の効率は、入射光の偏りによって
決まる。結果として、回折された光ビームの振幅は、振
幅は一定しているが、偏りの異なる入力光ビームに関し
て変動する可能性がある。従って、分光分析器は、偏光
感度を抑えるか、あるいは、排除する補償技法を必要と
する。先行技術による補償技法には、偏光スクランブリ
ングを施すこと、及び、入力光ビームを２つの偏光に空
間的に分離し、各偏光を利得の異なる増幅器に印加して
別個に分析することが含まれた。

【０００８】先行技術の１つでは、入力光ビームは、回
折格子によって決まるｓ及びｐ偏光に対し４５゜の配向
をなす、２つの空間的に分離した直線偏光に分離され
る。この結果、両方のビームに関する平均効率が得られ
る。先行技術による既知の偏光補償技法は、全て、光ビ
ームを出力光ファイバに結合する場合に加わる複雑さ及
び困難さを含めて、１つ以上の欠点を備えている。

【０００９】モノクロメータの走査に関連したもう１つ
の問題は、出力光ビームを光ファイバに結合するのが困
難という点である。とりわけ、回折格子の走査に関連し
た機械的公差によって、回折格子の回転時に、出力ビー
ムにふらつきが生じ、従って、出力ビーム位置は、波長
の関数として変化する。先行技術によるシステムの１つ
では、選択された波長範囲の変更時には、手動による機
械的調整が必要になる。先行技術によるもう１つのシス
テムでは、波長範囲の変更時に、ユーザが機械的調整ル
ーチンを開始しなければならない。いずれの場合にも、
測定の波長パラメータを変更する毎に、アライメントが
必要になる。

【００１０】米国特許第３７４９４９８号明細書（１９
７３）に開示された走査モノクロメータは入力光ビーム
を形成するための入力スリットを有する光源と第１の回
折格子を有する第１段モノクロメータ、第２の回折格子
を有する第２段モノクロメータを備えている。

【００１１】特開昭５７−６９２２１号公報に開示され
たモノクロメータは２段構成で、２つの回折格子と該回
折格子を回転させるための手段を備えている。

【００１２】

【発明の目的】本発明の一般的な目的は、改良された分
光分析器を提供することにある。

【００１３】本発明のもう１つの目的は、改良されたモ
ノクロメータを提供することにある。

【００１４】本発明のもう１つの目的は、単一回折格子
を利用した二重通過型走査モノクロメータを提供するこ
とにある。

【００１５】本発明のさらにもう１つの目的は、入力光
ビームの偏りには比較的反応を示さない走査モノクロメ
ータを提供することにある。

【００１６】本発明のもう１つの目的は、回折格子の回
転時に、出力光ファイバが自動的に出力光ビームのトラ
ッキングを行うようにした、走査モノクロメータを提供
することにある。

【００１７】本発明のさらにもう１つの目的は、ダイナ
ミック・レンジが広く、感度の高い走査モノクロメータ
を提供することにある。

【００１８】本発明のさらにもう１つの目的は、製造し
やすく、低コストな分光分析器を提供することにある。

【００１９】

【発明の概要】本発明によれば、光ビームを分析するた
めの方法及び装置において、以上の及びその他の目的及
び利点が達成される。本発明による二重通過型走査モノ
クロメータは、入力光ビームを発生するための手段と、
分散軸に沿って入力光ビームを回折し、空間的に分散し
た光ビームを発生する回折格子と、分散光ビームの選択
部分を通過させて、濾波された光ビームを発生するため
のスリットと、回折格子を回転させて、分散光ビームが
分散軸に沿って走査されるようにするための手段と、濾
波された光ビームを回折格子に向け、濾波された光ビー
ムが、回折格子によって再結合されて、出力光ビームが
発生するようにするための手段と、出力光ビームを受け
るための出力アパーチャから構成される。入力光ビーム
を発生する手段は、入力光ファイバから構成するのが望
ましい。出力アパーチャは、出力光ファイバから構成す
るのが望ましい。

【００２０】分光分析器として動作する場合、出力光フ
ァイバは、出力光ビームを出力電気信号に変換する光検
出器に接続される。出力電気信号は、回折格子の回転と
同期して、波長の関数として光振幅の表示を行う。代替
案として、二重通過型走査モノクロメータを光フィルタ
として利用することも可能である。この場合、出力光ビ
ームは、ユーザが必要とする用途に合わせて出力コネク
タに結合される。

【００２１】二重通過型走査モノクロメータには、一般
に、回折格子に対する入射前に、入射光ビームを平行化
して、分散光ビームの焦点をスリットまたはその近くに
合わせ、また、回折格子に対する入射前に、濾波された
光ビームを平行化して、出力光ファイバの入力端または
その近くに出力光ビームの焦点を合わせるための光手段
が含まれている。光手段は、単一レンズで構成するのが
望ましい。分析すべき光ビームは、二重通過型走査モノ
クロメータにおいて４回レンズを通過する。代替案とし
て、光手段は、光ビームの焦点を合わせ、その平行化を
行うための単一凹面鏡または２つ以上の凹面鏡で構成す
るか、あるいは、異なるレンズ構成で構成することも可
能である。

【００２２】本発明の望ましい実施例の場合、入力光ビ
ーム及び分散光ビームは、レンズの光軸の両側に第１の
等距離だけ変位し、濾波された光ビーム及び出力光ビー
ムは、レンズの光軸の両側に第２の等距離だけ変位す
る。入力光ビーム、分散光ビーム、濾波された光ビー
ム、及び、出力光ビームの中心光線は、同一平面内に位
置するのが望ましい。

【００２３】本発明の重要な特徴によれば、二重通過型
走査モノクロメータには、分散光ビームまたは濾波され
た光ビームの偏光成分を約９０度回転させる手段が含ま
れていることが望ましい。回折格子によって生じる、モ
ノクロメータを通る光の偏光成分は、回折格子に対する
光ビームの最初の入射時後、及び、回折格子に対する光
ビームの第２の入射前に、９０゜回転する。光ビームの
偏光成分が回転することによって、回折格子の効率が、
入射光ビームの偏りに応じて変動することになる。結果
として、出力光ビームの振幅は、入射光ビームの振幅と
はほぼ無関係になる。２段モノクロメータの第１段と第
２段の間において、偏光成分を約９０゜回転させる手段
を利用し、回折格子の偏光依存性を補償することができ
る。

【００２４】本発明のもう１つの特徴によれば、二重通
過型走査モノクロメータには、出力光ファイバまたは他
の出力アパーチャと出力光ビームの間で相対運動を生じ
させ、出力アパーチャが、回折格子の回転時に、出力光
ビームとアライメントのとれた状態に保たれるようにす
る手段を備えることが望ましい。相対運動を生じさせる
手段は、出力光ビームに垂直な平面において出力光ファ
イバを並進させ、回折格子の回転時に、出力光ビームの
トラッキングを行う手段から構成することが望ましい。
並進手段は、たわみ板と線形アクチュエータを利用し
て、並進を制御する微細位置決めアセンブリから構成す
ることが望ましい。微細位置決めアセンブリは、回折格
子の位置の関数として出力光ビームのふらつきを生じさ
せる可能性のある、光路における機械的公差及び非対称
性を補償する。出力光ファイバを並進させる手段は、走
査モノクロメータのいずれにおいて利用することができ
る。

【００２５】回折格子を回転させる手段は、回折格子に
しっかり固定されて、回転軸を形成する駆動シャフト
と、回転軸まわりで駆動シャフトを回転させるモータか
ら構成するのが望ましい。本発明のもう１つの特徴によ
れば、モノクロメータには、直接駆動シャフトに接続さ
れて、駆動シャフトの回転位置を検知する手段と、検知
された回転位置及び掃引信号に応答し、モータの制御を
行うフィードバック手段が含まれている。検知手段は、
高分解能のシャフト角度エンコーダから構成するのが望
ましい。直接接続されたシャフト角度エンコーダを利用
することによって、ギヤ・ドライブに関連した位置エラ
ーが解消される。モータは、駆動シャフトに直接接続し
て、高速走査を可能にすることが望ましい。回折格子及
び直接接続されたシャフト角度エンコーダの直接駆動を
走査モノクロメータに利用することによって、走査速度
を増し、位置エラーを減少させることが可能になる。

【００２６】本発明のもう１つの特徴によれば、二重通
過型走査モノクロメータには、出力光ファイバまたは他
の出力アパーチャと出力光ビームの間における相対変位
を生じさせて、光検出器の出力電気信号が該モノクロメ
ータの迷光及び光検出器によって発生する電気的ノイズ
だけを表すようにする手段を設けることが望ましい。出
力アパーチャは、光チョッピング手順の一部として、出
力光ビームに対して変位させられる。

【００２７】本発明のもう１つの特徴によれば、出力ア
パーチャを備えたモノクロメータの出力光ビームを正確
に検出するための方法が得られる。該方法は、出力アパ
ーチャと出力光ビームのアライメントを正確にとって、
モノクロメータの出力を検出し、第１の測定値が得られ
るようにするステップと、出力アパーチャを出力光ビー
ムに対して変位させ、出力光ビームが出力アパーチャに
はもはや入射しないようにするステップと、出力アパー
チャを出力光ビームから変位させて、モノクロメータの
出力を検出し、第２の測定値が得られるようにするステ
ップと、第１の測定値から第２の測定値を引いて、出力
光ビームの正確な測定値が得られるようにするステップ
から構成される。光チョッピング技法は、任意の走査モ
ノクロメータに利用することが可能である。

【００２８】本発明のさらにもう１つの特徴によれば、
回転回折格子及び出力アパーチャを備えたモノクロメー
タの出力光ビームをインターセプトする方法が得られ
る。この方法は、回折格子の回転時に、出力アパーチャ
に対する出力光ビームの位置を測定して、校正値が得ら
れるようにするステップと、この校正値に応答して、出
力アパーチャと出力光ビームの間に相対運動を生じさ
せ、出力光ビームと出力アパーチャが、回折格子の回転
中、アライメントのとれた状態に保たれるようにするス
テップから構成される。

【００２９】

【実施例の詳細な説明】図１には、本発明による二重通
過型走査モノクロメータが絵画図法で示されている。図
２には、該モノクロメータの望ましい実施例が示されて
いる。入力光ファイバ１０は、レンズ１４を介して入力
光ビーム１２を回折格子１６に導く。入力光ファイバ１
０は、システムの入力スリットまたはアパーチャの働き
をする。回折格子１６は、入力光ビーム１２を回折し
て、空間的に分散した光ビーム２０が得られるようにす
る。回折格子１６は、周知のように、異なる角度で、異
なる波長の回折を行うので、入力光ビーム１２は、空間
的に分離されて、その成分波長が得られることになる。

【００３０】空間的に分散した光ビーム２０が、レンズ
１４を通過し、ミラー２２に反射されて、モノクロメー
タの分解能を決めるスリット２４を備えた窓板２３に送
られる。分散した光ビーム２０は、レンズ１４によっ
て、スリット１４の面に焦点が合わせられる。スリット
２４は、分散した光ビーム２０の選択部分を通過させ
る。後述のように、幅の異なるスリット２４を利用する
ことによって、異なる分解能が得られる。スリット２４
は、分散した光ビームに対する空間フィルタの働きを
し、濾波された光ビーム３０を発生する。スリット２４
において、入力光ビームの波長の分散と時間の分散の両
方が生じる。

【００３１】濾波された光ビーム３０は、ミラー２６を
介して反射し、半波長板３２及びレンズ１４を介して、
回折格子１６に送られる。濾波された光ビーム３０は、
回折格子１６に入射する前に、レンズ１４によって平行
化される。濾波された光ビーム３０は、回折格子１６に
送られ、時間分散と波長分散が、両方とも、回折格子に
よって収縮し、出力光ビーム３６が形成される。出力光
ビーム３６は、ミラー４０によって反射され、出力光フ
ァイバ４２の入力端に送られる。出力光ファイバ４２
は、二次、すなわち、出力アパーチャとして、光にさら
に濾波を施す働きをする。出力光ビーム３６は、光ファ
イバ４２によって光検出器４６に送られ、出力電気信号
に変換される。出力電気信号は、増幅器４８によって増
幅される。

【００３２】二重通過型モノクロメータは、出力光ファ
イバを利用するのが望ましいが、二重通過型モノクロメ
ータは、光ファイバ４２の入力端と同じ位置に取り付け
られた小形検出器で構成することが可能である。代替案
として、光ファイバ４２の入力端と同じ位置に、スリッ
トまたはピン・ホール・アパーチャを備えた大形検出器
を取り付けることも可能である。

【００３３】回折格子１６は、回転軸５０のまわりで回
転し、スリット２４に対する空間的に分散した光ビーム
２０の走査が行えるようにする。回転軸５０は、走査方
向が、分散軸と同じになるように選択される。スリット
２４を通る光は、入力光ビーム１２の選択波長範囲の走
査を行う。スリット２４の幅は、システムの分解能を決
めることになる。狭いスリットを用いることによって、
入力光ビームの狭い波長帯域が、選択される。しかしな
がら、狭いスリットを通る光のパワーは小さく、弱い光
ビームの場合、検出器の感度レベル未満になる可能性が
ある。スリットを広くすると、通過する光のパワーが大
きくなる。しかし、分散光ビームの選択部分が増すの
で、波長の分解能が低下する。

【００３４】図１に示すモノクロメータは、光ビームが
回折格子１６に２回入射し、レンズを４回通過するの
で、二重通過型モノクロメータとしての特徴を示してい
る。最初に通過するのは、回折格子１６に入射する入力
光ビーム１２と、スリット２４に入射する空間的に分散
した光ビーム２０である。スリット２４を通る光は、実
際上、最初の通過における出力である。２回目に通過す
るのは、回折格子１６に入射する濾波された光ビーム３
０と、出力光ファイバ４２に入射する出力光ビーム３６
である。ミラー２２は、分散光ビーム２０に対して、４
０．３゜の配向が施されており、ミラー２６は、濾波さ
れた光ビーム３０に対して、４９．７゜の配向が施され
ている。ミラー２２及び２６の機能は、２回目の回折格
子通過のために、光の方向を逆にし、光ビーム３０を光
ビーム２０からオフセットさせることである。半波長板
によって生じる光路長の変化に対処するため、ミラー２
２及び２６を４５゜以外の角度に配置し、光ビームがわ
ずかに角度をつけて、スリット２４に当たり、反射が阻
止され、また、第２の通過の物理的光路長が増すように
する。スリット２４を形成する窓板２３が、ミラー２２
と２６の間に配置されるが、もちろん、他の構成を用い
ることも可能である。

【００３５】回折格子１６の分散面に対するミラー２２
と２６の配向のため、光ビームが回折格子１６に入射す
る２回目には、光ビームをさらに分散させるのではな
く、最初の通過時に生じた時間分散及び波長分散を、両
方とも、収縮させるように、光ビームの方向づけが行わ
れる。時間分散及び波長分散の収縮は、回折格子が繰り
返し動作可能になることから明らかになる。従って、多
くの波長からなる白色光によって回折格子を照射する
と、該光は、回折格子によってさまざまな角度で回折ま
たは拡散される。同じ光が、回折格子によって回折され
るのと同じ角度で反射される場合、その光は、回折格子
によって再結合され、もとの白色光になる。従って、回
折された光は、最初の通過時に、回折格子１６によって
空間的に拡散し、２回目の通過時に回折格子によって空
間的に再結合される。システムに収差がなければ、その
光は、もとの入力スポット・サイズに結像する。光ファ
イバ４２の入力端において、出力光ビーム３６は、定位
置にとどまり、モノクロメータに生じる空間分散及び走
査にもかかわらず、空間的に再結合される。

【００３６】図５には、図１のモノクロメータの各種光
ビームの相対位置が示されている。Ｘ軸とＹ軸は、レン
ズ１４の光軸５４に対して垂直な方向を表している。図
５に示すＸ−Ｙ座標系の原点が、レンズの軸５４であ
る。図５に示すスポットは、各光ビームの中心光線を表
していることが分かる。入力光ビーム１２は、レンズの
軸５４の一方の側において距離Ａだけ変位し、分散光ビ
ーム２０は、レンズの軸５４のもう一方の側において等
しい距離Ａだけ変位する。同様に、濾波された光ビーム
３０は、レンズの軸５４の一方の側において距離Ｂだけ
変位し、出力光ビーム３６は、レンズの軸５４のもう一
方の側において距離Ｂだけ変位する。望ましい実施例の
場合、距離Ａは、１．１ミリメートル、距離Ｂは、４．
３ミリメートルである。４つの光ビームが、図５に示す
線形構成による異なるパターンをなすように、二重通過
型モノクロメータを構成することができるのは明らかで
ある。例えば、４つの光ビームを正方形または平行四辺
形のコーナに位置決めすることが可能である。

【００３７】図５において、ライン５６は、分散軸を表
している。入力光ビーム１２の異なる波長成分は、回折
格子１６によって分散軸５６に沿って空間的に分散され
る。また、回折格子１６が軸５０のまわりを回転する
と、分散光ビーム２０は、分散軸５６に沿って移動し、
スリット２４越しに走査される。光ビーム２０は、軸５
６に沿って空間的に分散し、分散軸５６に沿って走査を
受けるが、出力光ビーム３６は、上述のように、２回目
の通過時における回折格子１６による光ビーム成分の再
結合の結果、一定の位置を保つことになる。

【００３８】図１の二重通過型モノクロメータにおい
て、レンズ１４は、回折格子１６に対する入射前に、入
力光ビーム１２を平行化し、分散光ビーム２０の焦点を
スリット２４またはその近くに合わせ、回折格子１６に
対する入射前に、濾波された光ビーム３０を平行化し、
出力光ビーム３６の焦点を出力ファイバ４２の入力端ま
たはその近くに合わせる。従って、分析すべき光は、モ
ノクロメータを横切る際、レンズを４回通過し、平行化
及び焦点合わせ機能は、単一レンズによって実施され
る。平行化及び焦点合わせ機能は、明らかに、単一の凹
面鏡または２つ以上の凹面鏡によって実施することがで
きるのが有利である。代替案として、凹面回折格子を利
用することも可能である。凹面回折格子の場合、平行化
及び焦点合わせ光装置は不要である。

【００３９】出力光ビーム３６の焦点が、光ファイバ４
２の入力端に合わせられる。光ファイバ４２は、二重通
過型モノクロメータの２回目の通過に関して、アパーチ
ャの働きをする。モノクロメータの１つの例では、光フ
ァイバ４２は、コアの直径が６２．５マイクロメートル
である。本発明の範囲内において、直径の異なる出力光
ファイバを用いることが可能である。スリット２４は、
二重通過型モノクロメータの最初の通過に関して、アパ
ーチャの働きをする。光ファイバ４２のスリット２４及
びアパーチャは、共に、２極フィルタと等価な光装置を
形成し、選択性が増すことになる。

【００４０】本発明の二重通過型モノクロメータ及び単
段モノクロメータによって得られる選択性の比較が、図
６に示されている。出力振幅は、モノクロメータの光入
力の波長の関数として作図されている。曲線８５は、先
行技術による単段モノクロメータを表している。曲線８
６は、本発明の二重通過型モノクロメータを表してい
る。二重通過型モノクロメータの選択性が増すと、「隣
接」ダイナミック・レンジが広くなる。

【００４１】本発明のモノクロメータ構成の利点は、光
ファイバ４２によって形成される出力アパーチャが、ス
リット２４の異なる幅に対して一定に保たれる点であ
る。従って、光検出器４６は、極めて小さい入力アパー
チャ、及び、極めて低いノイズ・レベルを備えることが
できる。光検出器４６のアパーチャは、モノクロメータ
の分解能設定を変えても一定に保たれる。

【００４２】図１を再度参照すると、半波長板３２は、
回折格子によって決まる、濾波された光ビーム３０の偏
光成分を９０゜回転させる。半波長板３２の目的は、回
折格子１６が、一般に、それに入射する光の偏りに応じ
て変動する効率を有しているという事実を補償すること
にある。これに関して、効率は、入射波の強さに対する
回折波の強さを表している。偏光を補償しなければ、出
力光ビーム３６の強さは、入力光ビーム１０の強さが一
定であったとしても、入力光ビーム１０の偏りの関数と
して変動する。

【００４３】最初の通過と第２の通過の間において、モ
ノクロメータを通る光の偏光成分を９０゜回転させるこ
とによって、偏光は、最初の通過と第２の通過時におけ
る効率が異なるように回折される。回折格子１６からの
最初の回折時に、垂直方向において偏った光は、ｓ偏光
に関するある効率で回折され、水平方向において偏った
光は、ｐ偏光に関するある効率で回折される。入力光ビ
ームには、垂直方向と水平方向に偏った成分（いずれ
も、ゼロの可能性がある）があるのは明らかである。光
ビームが半波長板３２を通過した後、垂直成分は、回転
すると、水平成分になり、水平成分は、回転すると、垂
直成分になる。回折格子１６からの第２の回折時には、
半波長板３２による回転のため、光がｐ方向に向けられ
るので、もとの垂直成分は、ｐ偏光に関する効率で回折
される。同様に、もとの水平成分は、ｓ偏光に関する効
率で回折される。従って、任意の入力偏光について、モ
ノクロメータの最終光出力は、回折格子のｓ偏光に関す
る効率とｐ偏光に関する効率の積の関数である。

【００４４】半波長板３２については、図１に示され、
上述のところであるが、光の偏光成分を９０゜回転させ
ることの可能な光素子を利用することができる。偏光の
回転に適した光素子の例には、フレネル菱面体、ファラ
デー回転子、無彩色半波長板または遅延器等がある。半
波長板は、回折格子のラインに対して４５゜をなすよう
にアライメントのとられた主軸を備えている。このアラ
イメントは、図示のように、偏光成分を９０゜回転させ
ることができる。

【００４５】偏光成分を９０゜回転させるための光装置
の一般的な要件は、次の通りである。光装置は、関係す
る波長範囲にわたって、偏光成分を約９０゜回転させな
ければならない。偏光回転装置は、回折格子１６に対し
て最初に入射する、分析すべき光ビームと、回折格子に
対して２回目に入射する光ビームの間の光路内に配置さ
れる。従って、偏光回転装置は、原理的に、分散光ビー
ム２０の光路または濾波された光ビーム３０の光路内に
配置することができる。

【００４６】偏光回転装置は、図１２に示す２段モノク
ロメータにおける偏光依存性を低下させ、あるいは、解
消させるために用いることも可能である。この場合、偏
光回転装置２５０は、第１段モノクロメータ２５２の回
折格子と、第２段モノクロメータ２５４の回折格子の間
における光路内に配置される。光ビームは、偏光を保存
するバルク光素子（偏光回転装置２５０を除く）、また
は、偏光を保存する光ファイバによって、第１段モノク
ロメータ２５２から第２段モノクロメータ２５４に光的
に結合しなければならない。本発明のもう１つの特徴に
よれば、図１２に示す２段モノクロメータには、出力光
ファイバ２５６が設けられている。出力光ファイバ２５
６は、図１に示された、上述の出力光ファイバ４２と同
様に、第２段モノクロメータ２５４の出力アパーチャと
して機能する。偏光回転装置２５０及び出力光ファイバ
２５６は、２段モノクロメータの場合、別個に利用する
こともできるし、あるいは、組み合わせて利用すること
もできる。

【００４７】上述のように、スリット２４越しに分散光
ビームを走査したとしても、出力光ビーム３６は、光フ
ァイバ４２の入力端において定位置にとどまることにな
る。出力光ビームは、理想のシステムの場合、一定のま
まであるが、回折格子１６が回転すると、回折格子１６
の機械的ミスアライメント及びシステムにおけるわずか
な非対称性といった機械的エラーによって、出力光ビー
ムが少し移動することになる。出力光ファイバのアパー
チャが小さいので、出力光ビーム３６が移動すると、出
力光ファイバは出力光ビームをインターセプトできなく
なる。出力光ビーム３６と光ファイバ４２のミスアライ
メントによって、測定エラーが生じることになるのは、
明らかである。

【００４８】本発明のもう１つの特徴によれば、本発明
の二重通過型走査モノクロメータには、光ファイバ４２
の縦軸に垂直で、かつ、出力光ビーム３６に対して垂直
な平面において光ファイバ４２を並進させるための手段
が設けられている。図１には、並進面の概略が、Ｘ及び
Ｙ方向で示されている。光ファイバ４２は、回折格子１
６の回転時に、並進して、出力光ビーム３６のトラッキ
ングを行う。トラッキングは、回折格子１６の走査時
に、自動的に行われ、出力光ビーム３６は、光ファイバ
４２の入力端との一定のアライメントがとれた状態に保
たれる。トラッキングのための望ましい技法及び光ファ
イバを並進させるための微細位置決めアセンブリについ
ては、詳細に後述することになる。光ファイバ４２を並
進させて、出力光ビーム３６のトラッキングを行うこと
が望ましいが、モノクロメータにおける光素子を並進ま
たは回転させて、出力光ビームが、回折格子の回転時
に、出力アパーチャとアライメントとれた状態に保たれ
るようにすることによって、トラッキングを行うことも
可能である。

【００４９】本発明による二重通過型走査モノクロメー
タの望ましい実施例が、図２に示されている。図３に
は、明確にするため、入力端の拡大図が示されている。
図４には、光素子と光ビームだけを表した入力端の拡大
図が示されている。モノクロメータの光素子は、機械加
工されたハウジング６０に取り付けられている。入力端
６１は、入力光ファイバ１０、ミラー２２、２６、及
び、４０、及び、半波長板３２を取り付けることができ
るようになっている。入力光コネクタ６２によって、分
析すべき光源の取付が可能になっている。出力光ファイ
バ４２は、ハウジング６０の入力端６１に接続されてい
る。レンズ１４は、ハウジング６０の中心部分６４に配
置され、回折格子１６は、ハウジング６０の一部６５に
取り付けられる。入力端６１及びハウジング部分６５
は、カバーを外して、示されている。

【００５０】上述のように、スリット２４は、システム
の分解能を設定する。異なるシステム分解能を得るた
め、異なるスリットを選択することが可能である。ディ
スク６８には、複数のスリット２４が、半径方向に形成
される。望ましい実施例の場合、１１レンジのスリット
は、幅が７．５マイクロメートル〜１．８ミリメートル
まである。ディスク６８は、駆動シャフト７０によって
モータ７２に取り付けられる。モータ７２は、ディスク
６８を回転させ、所望の幅のスリットをビーム経路に配
置する。シャフト角度エンコーダ７４が、ディスク６８
の回転位置を検知し、光ビームに対する選択されたスリ
ット２４の正確な位置決めを確保するため、サーボ・ル
ープにおいてこの位置情報が利用される。

【００５１】シャフト７０には、ディスク７６も取り付
けられている。ミラー４０と出力光ファイバ４２の間の
光路には、ディスク７６の一部が配置される。モノクロ
メータの通常の動作時には、出力光ビーム３６は、ディ
スク７６のアパーチャを通過するので、ディスク７６に
よって影響されることはない。ディスク７６は、零位モ
ードにおいて利用される。零位モードの場合、ディスク
７６は、モータ７２によって回転し、光は、出力光ファ
イバ４２に達しないように遮断される。また、光を遮断
するため、ディスク６８も回転する。この状態におい
て、ゼロ光入力に対応する光検出器４６及び増幅器４８
の電気出力レベルが決定され、検出器の電子回路におけ
る電子ドリフトの補償のため用いられる。

【００５２】出力光ファイバ４２の位置決めを可能にす
るため、ハウジング６０の入力端６１には、微細位置決
めアセンブリ８０が取り付けられる。上述のように、回
折格子１６の回転時、出力光ファイバ４２は、出力光ビ
ーム３６と出力光ファイバ４２の正確なアライメントを
確保するため、出力光ビーム３６に垂直な平面内を移動
する。出力光ファイバは、アダプタ８２によって、微細
位置決めアセンブリ８０に取り付けられる。微細位置決
めアセンブリ８０については、詳細に後述する。

【００５３】入力光ビーム１２が放出される入力光ファ
イバ１０の先端は、分析を受ける光源に向かう反射を減
少させるため、通常は約６．０゜といったわずかな斜角
がつけられている。入力光ビーム１２は、縦軸に対して
ある角度で光ファイバ１０から放出され、光ファイバ１
０は、レンズの軸に対してある角度で取り付けられる。
光ファイバ１０は、支持のため、ガラス製毛細管８４に
取り付けられる。

【００５４】回折格子１６は、軸５０のまわりを回転す
るように、駆動シャフト８８にしっかり固定される。駆
動モータ９０は、ギヤ・トレーンを介在させずに、駆動
シャフト８８に直接接続される。モータ９０は、ハウジ
ング部分６５に取り付けられている。ハウジング部分６
５には、高分解能のインクリメンタル光シャフト角度エ
ンコーダ９２が取り付けられており、駆動シャフト８８
には、エンコーダ・ディスクが直接取り付けられてい
る。エンコーダ９２は、シャフト８８の回転位置を検知
する。回折格子１６の駆動シャフト８８にエンコーダ９
２を直接取り付けることによって、ギヤ・トレーンの遊
び、潤滑材の厚さ、及び、摩耗に関連した位置エラー
が、解消される。シャフト８８にモータ９０を直接取り
付けることによって、ギヤ・トレーンの遊び及び摩耗に
起因する制御問題が緩和され、動作速度が改善される。
回折格子１６の高速走査及び確度の高い位置決めを可能
にするモータ９０及びエンコーダ９２の働きについて
は、後述する。

【００５５】レンズ１４は、動作波長範囲について、モ
ノクロメータにおける光ビームの焦点合わせ及び平行化
を行う。望ましい実施例の場合、モノクロメータは、１
２５０〜１６００ナノメートルの範囲にわたって動作
し、６００〜１７００ナノメートルの範囲では、低下し
た性能パラメータで動作する。望ましいレンズ１４は、
３つの異なるガラス・タイプを用いた色消しトリプレッ
トであり、広い波長範囲にわたって所望の性能が得られ
るように、軸外れ動作について補償が施される。レンズ
１４は、回折が制限されており、望ましい実施例の場
合、焦点距離が１５０ミリメートルで、露出アパーチャ
は３６．１ミリメートルである。

【００５６】レンズ１４の焦点距離は、温度の関数とし
て変化する。これは、主として、温度によってレンズの
ガラスの屈折率が変化するためである。この効果を補償
し、レンズの焦点を所望の焦点面に保持するには、温度
変化時に、焦点面に対して物理的にレンズを移動させる
ことが必要になる。望ましいレンズの場合、約１５マイ
クロメートル／゜Ｃの割合で、焦点距離が温度によって
増すことになる。焦点面からレンズまでの距離における
アルミニウム・フレームの熱膨張は、この効果を補償す
るのに不十分である。従って、レンズは、焦点面から適
切に距離を延ばした位置において、フレームに取り付け
られた、アンバーで作られた管に取り付けられる。

【００５７】ミラー２２、２６、及び、４０は、動作波
長範囲にわたって反射率がほぼ一定した、高品質の表面
を備える必要がある。望ましいコーティングは、金であ
る。半波長板３２は、動作波長範囲にわたって、偏光成
分をほぼ一定して９０゜回転させるか、あるいは、１８
０゜遅延させるのに必要である。望ましい半波長板は、
動作波長範囲にわたって所望の１８０゜だけ遅延させる
ため、互いにサンドイッチ構造をなす石英とＭｇＦ₂ か
ら構成された、厚さ２．１ミリメートルの化合物による
ゼロ次遅延器（retarder) である。さらに、半波長板３
２には、反射を最小限に抑え、波長応答の共振を阻止す
るため、波長範囲にわたる反射防止コーティングが施さ
れている。

【００５８】図７Ａには、回折格子掃引及び位置検知シ
ステムのブロック図が、示されている。上述のように、
駆動モータ９０及びエンコーダ９２は、ギア・トレーン
に関連した機械的エラーを減少させるため、回折格子１
６の駆動シャフト８８に直接結合されている。直接駆動
構造は、高速始動及び停止、及び、高速走査のため、高
トルク・モータを必要とする。望ましい実施例の場合、
駆動モータ９０は、永久磁石回転子と巻線形固定子から
成る、フレーム無しのブラシレス直流トルク・モータか
ら構成される。永久磁石の回転子はサマリウム・コバル
ト磁石を利用し、回折格子１６を保持するシャフト８８
に直接取り付けられる。モータは、直径が６０．３ミリ
メートル、厚さが約１７ミリメートルで、２０ニュート
ン・センチメートルの連続トルクを発生することが可能
である。モータは、米国Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ社から入手可能なＬＭ６２８型移動制
御集積回路を利用して、２２ＫＨｚのパルス幅変調で駆
動される。

【００５９】直接駆動構成の場合、回折格子１６の角位
置を検知するための高分解能装置も必要とする。望まし
い実施例の場合、補間器１０２と共に、回転ディスクに
９０００のラインを備えた、正弦波出力インクリメンタ
ル光シャフト角エンコーダを利用することによって、高
分解能が得られるようになっている。代替案として、リ
ゾルバまたは他の高分解能角度フィードバック装置を用
いることも可能である。エンコーダ９２は、シャフトの
１回転につき２３０万４千カウントを発生する、エンコ
ーダ出力のゼロ・クロス間の補間を用いている。補間器
１０２及びエンコーダ９２は、回折格子の位置をデジタ
ル表示する。回折格子の位置情報は、検出器の電気出力
と共に、デジタル信号プロセッサによって、光のスペク
トルを表示するために利用される。回折格子の位置は、
駆動モータ９０を制御するため、サーボ・ループでも利
用される。デジタル掃引のプロフィルが、移動プロフィ
ル発生器１０３によって発生する。移動プロフィル発生
器１０３の出力及び検知された回折格子の位置は、総和
装置１０４に入力され、所望の回折格子位置と実際の回
折格子位置とのエラーを表したエラー信号が発生する。
エラー信号は、増幅器１０６及びループ補償フィルタ１
０７を介してモータに送られる。移動プロフィル発生器
１０３、総和装置１０４、増幅器１０６、及び、ループ
補償フィルタ１０７は、全て、ＬＭ６２８移動制御集積
回路においてデジタル方式で実現される。

【００６０】図７Ｂには、エンコーダ９２及び補間器１
０２のブロック図が示されている。発光ダイオード１０
８は、駆動シャフト８８に取り付けられたディスク１１
０のスリットに光ビームを送り込む。ディスク１１０
は、回折格子の位置をコード化するため、９０００の半
径方向スリットを備えていることが望ましい。ディスク
１１０のスリットを通る光は、それぞれ、光検出器から
成る、Ａチャネル検出器１１２及びＢチャネル検出器１
１４によって検出される。検出器１１２及び１１４の出
力は、９０゜位相のずれた正弦波である。各エンコーダ
・チャネル出力毎に、シャフトの１回転について９００
０サイクルの正弦波が生じる。Ａ検出器１１２の出力
は、増幅器１１６を介してアナログ・デジタル変換器１
１８に送られる。Ｂ検出器１１４の出力は、増幅器１２
０を介してアナログ・デジタル変換器１２２に送られ
る。

【００６１】Ａチャネル及びＢチャネルの各ゼロ・クロ
ス毎に、位置カウンタ１２４が（Ａチャネル及びＢチャ
ネルの相対位相に従って）インクリメントまたはデクリ
メントし、大まかな位置情報が得られる。アナログ・デ
ジタル変換器１１８及び１２２のＭＳＢ出力は、Ａ及び
Ｂ信号のゼロ・クロス時にカウンタ１２４をインクリメ
ントまたはデクリメントさせるため、タイミング及び制
御装置１２８に入力される。補間によって、正弦波信号
のゼロ・クロス間における追加位置情報が得られる。各
ゼロクロス間において、角度は、Ａｒｃ−ｔａｎ（Ａ／
Ｂ）の関数である。Ａ検出器１１２及びＢ検出器１１４
の正弦波出力は、それぞれ、アナログ・デジタル変換器
１１８及び１２２によってデジタル化される。アナログ
・デジタル変換器１１８及び１２２の出力は、ＲＯＭ１
２６に入力される。ＲＯＭ１２６の出力は、Ａｒｃ−ｔ
ａｎ（Ａ／Ｂ）の値である。ラッチ１４０に記憶される
ＲＯＭ１２６の出力は、位置カウンタ１２４によって組
み合わせられて、回折格子の位置に関する補間情報が生
じる。ＲＯＭの出力には、ＬＭ６２８制御ＩＣが必要と
する入力フォーマットに整合するように、フォーマット
変換（並列から２つの位相直列に）も施される。

【００６２】補間には、Ａ検出器１１２及びＢ検出器１
１４からの信号が一定の振幅を保つことを保証する、エ
ンコーダ９２のための振幅レベリング・ループが含まれ
ている。レベリング・モードにおいて、関数（Ａ² ＋Ｂ
² ）^1/2 を記憶するセクションにアドレス指定するた
め、タイミング及び制御装置１２８からの制御信号が、
ＲＯＭ１２６に加えられる。レベリング・モードにおい
て、入力信号の振幅を表すＲＯＭ出力が、デジタル・ア
ナログ変換器１３０を介して、増幅器１３２に供給され
る。増幅器１３２は、発光ダイオード１０８に駆動電流
を供給するトランジスタ１３４に制御を加える。ＬＥＤ
１０８の駆動電流は、検出器１１２及び１１４の出力が
小さくなると、電流が増すように、あるいは、その逆に
なるように、サーボ・ループで制御される。結果とし
て、ＬＥＤの効率が、時間、温度、及び、経時によって
変化したとしても、エンコーダ９２の正弦及び余弦ピー
ク振幅は、一定に維持される。

【００６３】上述のように、エンコーダ９２のディスク
１１０には、位置コード化のために複数のスリットが設
けられている。さらに、ディスク１１０には、基準位置
を設定するための単一指標スリットが含まれている。絶
対位置を決めるため、エンコーダは、基準位置と同期し
なければならない。ディスク１１０の指標スリットを通
る光は、指標検出器１４２によって検出される。指標検
出器１４２の出力は、増幅器１４４及びコンパレータ１
４６に通され、タイミング及び制御装置１２８に対する
指標パルスを発生する。

【００６４】回折格子１６は、散乱及び反射を最小限に
抑え、出力方向におけるアノマリーを最小限に抑えるよ
うに選択される。平面回折格子の場合、望ましい回折格
子１６は、溝が回転軸５０に対して平行になる、平行溝
構造を備えている。各種溝構造を利用することが可能で
あるが、６００〜１７００ナノメートルの波長範囲にお
ける動作の場合、９００／ミリメートルの溝を備えた回
折格子が望ましい。この波長範囲に関する標準的な溝プ
ロフィルを利用することが可能であるが、さらに効率を
高める場合、望ましいプロフィルは、非対称性である。
回折格子は、一般に、動作波長範囲において反射性のコ
ーティングを施した、光的にフラットなブランクとして
製作される。望ましいコーティングは、金である。

【００６５】出力光ビーム３６に対して出力光ファイバ
４２の位置決めを行う微細位置決めアセンブリ８０は、
単一平面内における移動のための二軸微細位置決め段で
ある。上述のように、微細位置決めアセンブリ８０は、
回折格子１６の走査時における光ファイバ４２との効率
の良い結合を確保するため、焦点を合わせた出力光ビー
ム３６のトラッキングを行う。この用途の場合、微細位
置決め段８０は、下記の要件を満たす必要がある。出力
光ファイバ４２は、数十マイクロメートル内にある出力
光ビーム３６の焦点面に保持しなければならない。この
意味するところは、光ファイバの軸に垂直なＸ及びＹ方
向における並進時に、光ファイバの軸に沿ったＺ方向の
移動は、ほとんどないか、あるいは、全くないようにし
なければならないということである。微細位置決めアセ
ンブリは、サブミクロンの分解能をもたらし、円滑に動
作しなければならない。転動体のざらつき、スライド部
材の摩擦、ネジまたはギヤの遊びがないようにしなけれ
ばならない。さらに、アセンブリは、配向の変化に対し
て耐性を有し、振動及び環境による外乱に対して比較的
反応を示さないものでなければならない。微細位置決め
アセンブリ８０は、Ｘ及びＹ方向における動程が、約±
２００マイクロメートルで、応答時間が速くなければな
らない。

【００６６】図８Ａ及び図８Ｂには、望ましい微細位置
決めアセンブリ８０が示されている。微細位置決めアセ
ンブリの主要コンポーネントは、二軸たわみ板１５０で
ある。たわみ板１５０は、通常、アルミニウムのような
金属から機械加工され、固定セクション１５２、中間セ
クション１５４、及び、可動カラー１５６を備えてい
る。

【００６７】たわみ板１５０は、Ｚ軸の移動を制限する
ため、８ミリメートル以上の厚さを備えていることが望
ましい。固定セクション１５２は、モノクロメータ（図
２及び３参照）のハウジング６０に取り付けられてお
り、動作時には、固定されたままである。カラー１５６
は、光ファイバ・アダプタ８２に対する取り付けに合わ
せた寸法になっており、光ビーム４２が通る開口部１５
８を備えている。カラー１５６は、後述のようにＸ及び
Ｙ方向に移動可能である。中間セクション１５４は、た
わみ材１６０、１６２、１６３、及び、１６４によって
固定セクション１５２に取り付けられている。たわみ材
１６０は、ビーム１６６によってたわみ材１６２に相互
接続されている。たわみ材１６３は、ビーム１６８によ
ってたわみ材１６４に相互接続されている。たわみ材１
６０及び１６３は、直円たわみ材であり、たわみ材１６
２及び１６４は、ビームたわみ材である。固定セクショ
ン１５２と中間セクション１５４との間におけるたわみ
構成によって、固定セクション１５２に対する中間セク
ション１５４のＸ方向における移動が可能になる。

【００６８】可動カラー１５６が、たわみ材１７０、１
７１、１７２、及び、１７３によって中間セクション１
５４に取り付けられている。たわみ材１７０及び１７１
は、ビーム１７４によって相互接続され、たわみ材１７
２及び１７３は、ビーム１７６によって相互接続され
る。たわみ材１７０及び１７２は、直円たわみ材であ
り、たわみ材１７１及び１７３は、ビームたわみ材であ
る。たわみ材１７０、１７１、１７２、及び、１７３に
よって、中間セクション１５４に対するカラー１５６の
Ｙ方向における移動が可能になる。

【００６９】線形アクチュエータ１８０またはボイス・
コイル・モータは、固定セクション１５２と中間セクシ
ョン１５４の間に取り付けられる。線形アクチュエータ
１８０によって、固定セクション１５２に対する中間セ
クション１５４のＸ方向における移動が生じる。線形ア
クチュエータ１８２は、中間セクション１５４とカラー
１５６の間に取り付けられる。線形アクチュエータ１８
２によって、中間セクション１５４に対するカラー１５
６のＹ方向における移動が生じる。線形アクチュエータ
１８０及び１８２は、ラウドスピーカに用いられるボイ
ス・コイルと同様のものである。望ましい線形アクチュ
エータは、電流を加えると、半径方向の固定磁界内で移
動するワイヤのコイルから構成される。固定磁界は、ア
クチュエータ・ハウジングのネオジウム・鉄・ホウ素に
よる磁石によって発生する。アクチュエータは、１．６
７ニュートンの連続した力を発生することができる。

【００７０】カラー１５６の位置を正確に制御するた
め、カラー１５６の位置が検知され、検知した位置は、
サーボ制御ループに伝えられる。微細位置決めアセンブ
リ８０の場合、Ｘ方向の位置は、ビームたわみ材１６２
の両側に固定されたひずみゲージ１９０ａ及び１９０ｂ
によって検知される。カラー１５６のＹ方向は、ビーム
たわみ材１７１の両側に固定されたひずみゲージ１９２
ａ及び１９２ｂによって検知される。ひずみゲージは、
それぞれのビームたわみ材にしっかり結合されており、
たわみ材の曲げに応答して、抵抗が変化する。各ひずみ
ゲージの抵抗の変化は、カラー１５６の位置を表してい
る。

【００７１】図９には、微細位置決めアセンブリ８０の
１つの軸に関する制御ループのブロック図が示されてい
る。同様の制御ループは、各移動方向毎に用いられ、位
置検知装置２０２からループ補償フィルタ２１０に至る
帰還手段を備えている。位置検知装置２０２は、位置出
力を総和装置２０４に与える。位置検知装置には、１つ
の移動方向に関するひずみゲージが含まれており、詳細
に後述することにする。所望の位置は、デジタル信号プ
ロセッサからデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）２０
６にデジタル形式で入力される。ＤＡＣ２０６のアナロ
グ出力は、総和装置２０４に入力される。総和装置２０
４の出力は、１つの方向におけるカラー１５６の所望の
位置と実際の位置の間の差を表したエラー信号である。
エラー信号は、エラー増幅器２０８を介してループ補償
フィルタ２１０に送られる。二軸たわみ板１５０は、い
くつかのＱの高い共振を生じる。ループ補償フィルタ２
１０には、ツインＴ形ノッチ・フィルタ及び楕円形低域
フィルタが含まれている。楕円形フィルタ応答及びツイ
ンＴ形フィルタ応答におけるゼロは、それぞれ、たわみ
材応答における９００Ｈｚ及び２．２ＫＨｚのピークを
減衰させるように、位置決めされる。ループ補償フィル
タ２１０の出力は、線形アクチュエータ１８０に作動信
号を加えるパルス幅変調駆動装置２１２に入力される。
線形アクチュエータ１８０は、さらに、中間セクション
１５４を固定セクションに対して移動させ、エラー信号
を減少させる。同じ構成の制御ループを利用して、線形
アクチュエータ１８２の制御が行われる。線形アクチュ
エータ１８２の制御信号は、ひずみゲージ１９２ａ及び
１９２ｂから導き出される。

【００７２】図１０には、位置検知装置２０２が示され
ている。ひずみゲージ１９０ａ及び１９０ｂは、ブリッ
ジ回路をなすように接続されている。たわみ材の移動に
よって、ブリッジに不均衡が生じる。ひずみゲージ１９
０ａは、正の電圧源と負の電圧源の間の電流源２２０に
直列に接続されている。ひずみゲージ１９０ｂは、正の
電圧源と負の電圧源の間の電流源２２２に直列に接続さ
れている。電流源２２０及び２２２は、精密に整合が施
され、温度の変動に応じて、精密にトラッキングを行
う。ひずみゲージ１９０ａ及び１９０ｂは、ひずみゲー
ジ増幅器２２４の反転入力及び非反転入力に接続されて
いる。電圧供給ループ２２６は、ひずみゲージ増幅器２
２４のコモン・モード電圧をゼロに維持し、これによっ
て、ひずみゲージ増幅器２２４におけるコモン・モード
利得によるエラーが除去されることになる。中間セクシ
ョン１５４の移動によって、たわみ材１６２が曲がる結
果になると、一方のひずみゲージの抵抗が増し、もう一
方のひずみゲージの抵抗は減少するので、ブリッジ回路
に不均衡が生じ、ひずみゲージ増幅器２２４から出力が
生じることになる。

【００７３】出力光ビーム３６のトラッキングは、下記
のように実施される。計器の初期校正時に、出力光ビー
ム３６の位置は、モノクロメータに対する同調可能な波
長入力を利用して、波長の関数として測定される。各入
力波長は、軸５０のまわりにおける回折格子１６の異な
る回転位置に対応する。光ファイバ４２と出力光ビーム
３６の間において正確なアライメントが得られるように
するための、微細位置決めアセンブリ８０のＸ及びＹ方
向における並進は、回折格子１６の各回転位置毎に、Ｒ
ＯＭに記憶される。計器の動作中における回折格子の位
置は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、また、上述のよ
うに発生する。回折格子１６による走査時には、位置情
報を利用して、必要なＸ及びＹ並進を記憶するＲＯＭに
アドレス指定する。この情報は、適当な時点において、
Ｘ及びＹ目標位置のＤＡＣにロードされる。従って、走
査時、光ファイバ４２は、自動的に出力光ビーム３６の
トラッキングを行う。

【００７４】微細位置決めアセンブリ８０を有効に利用
して、光チョッピングを行うことによって、長い掃引時
におけるダイナミック・レンジが増し、感度が安定す
る。電気的ノイズ及び迷光が存在する場合、直流光電流
の検出には、光検出器４６が必要になる。電気ノイズ
は、光検出器４６及び増幅器４８において発生する。迷
光は、モノクロメータ内における望ましくない反射及び
散乱によって生じる。例えば、入射光ビーム１２の一部
は、レンズを通過せずに、反射される可能性がある。

【００７５】一般にノイズと呼ばれる、望ましくないエ
ネルギは、検出システムに固有のものである。光検出シ
ステムの場合、ノイズは、電気的の場合と、光的な場合
の両方があり得る。光検出器の出力のサンプリングを行
うと、信号＋ノイズが生じる。これは、信号パワー及び
ノイズ・パワーが同等の大きさである場合、重大な問題
になる可能性がある。通常、電気的ノイズ成分は、ラン
ダムであり、平均値はゼロである。周知のように、信号
＋ノイズの平均化は、ノイズ成分が有効にゼロに平均化
されるように行われる。しかし、通常、直流ドリフトと
呼ばれる極めて低い周波数の電気的ノイズは、極めて長
い平均化時間を必要とする。信号が周期的にインターラ
プトまたはブロックされ、ノイズまたはドリフトの測定
が行われる、チョッピングまたは同期検出を利用して、
低周波数の電気的ノイズが除去されてきた。ノイズは、
信号に極めて近い時間に測定されるので、ドリフトは、
有効に除去される。先行技術による分光分析器は、通
常、独立した機械的コンポーネントを利用して、光ビー
ムのチョッピングまたは周期的インターラプトを行う。
このため、システムのコスト及び複雑さが増すことにな
る。さらに、チョッピングは、ノイズの電気的部分だけ
しか除去しない。上述の迷光は、検出器がブロックされ
る従来のチョッピングでは除去されない。

【００７６】本発明の特徴によれば、微細位置決めアセ
ンブリ８０を利用して、光ファイバ４２が出力光ビーム
から外される。これは、微細位置決めアセンブリ８０を
付勢し、光ファイバ４２を一方またはもう一方に移動さ
せて、もはや出力光ビーム３６をインターセプトしなく
なるようにすることによって、行われる。光ファイバ４
２は、モノクロメータの分散軸に垂直な方向に移動する
のが望ましい。モノクロメータの迷光が、光ファイバ４
２のわずかな偏向に対してほぼ均一であると仮定する
と、光検出器４６の出力は、迷光Ｌ＋電気的ノイズＮを
表すことになる。光ファイバ４２及び出力光ビーム３６
のアライメントがとれると、光検出器４６は、信号Ｓ＋
迷光Ｌ＋電気的ノイズＮを表す出力を発生する。光ファ
イバが出力光ビームから変位する時に測定される迷光と
電気的ノイズ成分が、光ファイバと光ビームのアライメ
ントをとって、迷光Ｌと電気的ノイズＮの両方が有効に
除去され、信号Ｓの正確な測定が行われた時の測定値か
ら引かれる。チョッピング時に、光検出器がブロックさ
れるので、従来のチョッピング技法では、測定値から迷
光成分は除去されない。結果として、上述の技法によっ
て、信号Ｓのより正確な測定値が得られることになる。
本発明で使用する光チョッピング技法は、４０秒を超え
る掃引のように、比較的掃引時間を長くして利用される
のが普通である。

【００７７】本発明で使用する光チョッピング技法は、
微細位置決めアセンブリ８０を付勢して、光ファイバ４
２を移動させ、出力光ビーム３６とのアライメントがと
れなくなるようにして、実施されるのが望ましい。しか
し、光チョッピング技法は、モノクロメータの任意の光
素子を変位させて、出力光ビーム３６と光ファイバ４２
とのアライメントがとれなくなるようにして、実施する
ことも可能であるのは明らかである。

【００７８】二重通過型走査モノクロメータによって得
られる分光分析器の構成が、図１１、図１１Ａ、図１１
Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄに示されている。図１１Ａに示
すスペクトル２４０は、典型的な光スペクトル表示であ
る。スペクトル２４０は、水平軸における波長の関数と
しての、垂直軸における振幅のプロットである。この振
幅は、増幅器４８の出力である。波長情報は、図７Ａ及
び図７Ｂに示す回折格子制御ループの位置出力から得ら
れる。回折格子の位置情報を利用することによって、ス
ペクトル２４０は、走査の開始に関するタイミングに依
存した分光分析器の場合よりも正確になる。波長情報
は、回折格子１６の走査時における速度の変動とは無関
係である。

【００７９】本発明の二重通過型走査モノクロメータ
は、先行技術によるモノクロメータ構成との比較におい
て、いくつかの利点を提供するものである。開示のモノ
クロメータの場合、出力光ファイバは、分解能の帯域幅
を制限しない。光出力は、入力光ビームの偏りに対し
て、比較的反応を示さない。分散光ビームを再結合する
ので、回折格子によって生じる時間分散が解消される。
ユーザは、出力光ビームとのアライメントを維持するた
めに出力光ファイバの調整を行う必要がない。光出力
は、内部的に利用可能な、同じ波長スパン及び範囲をも
たらす。低ノイズの小形光検出器が、利用される。二重
通過型走査モノクロメータは、単段モノクロメータの感
度と、２段縦続モノクロメータの隣接ダイナミック・レ
ンジとを与える。同期の問題が、解消され、２段モノク
ロメータに関連して追加される光装置が、排除される。
モノクロメータの設計が、先行技術のモノクロメータに
比べて、丈夫で、コンパクトになる。単一光検出器及び
関連電子装置が、利用される。

【００８０】以上、本発明の望ましい実施例とみなされ
るものについて例示し、解説してきたが、当該技術の熟
練者には明らかなように、さまざまな変更及び修正を加
えることが可能である。

【００８１】

【発明の効果】本発明の効果は、前記「発明の目的」の
項に記載の各目的が達成されたことから明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロメ
ータの絵画的ブロック図である。

【図２】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロメ
ータのカバー除去後の平面図である。

【図３】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロメ
ータの入力端の拡大平面図である。

【図４】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロメ
ータの入力端における光ビームと光学部品の拡大平面図
である。

【図５】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロメ
ータの入力端におけるレンズ軸に対する各種光ビームの
位置を示す図である。

【図６】従来技術による単段モノクロメータと本発明の
一実施例の二重通過型走査モノクロメータのそれぞれの
出力振幅を波長に対してプロットしたグラフである。

【図７Ａ】回折格子の位置検知および位置制御を説明す
るためのブロック図である。

【図７Ｂ】回折格子の位置検知および位置制御を説明す
るためのブロック図である。

【図８Ａ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロ
メータの出力光ファイバの位置決めのための微細位置決
めアセンブリの正面図である。

【図８Ｂ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロ
メータの出力光ファイバの位置決めのための微細位置決
めアセンブリの斜視図である。

【図９】図８Ａと図８Ｂの微細位置決めアセンブリの一
つの軸に対するサーボループのブロック図である。

【図１０】前記微細位置決めアセンブリに使用するひず
みゲージ増幅器の概略ブロック図である。

【図１１】本発明の一実施例の二重通過型走査モノクロ
メータを用いた分光分析装置の制御パネルと表示スクリ
ーンの配置を示す図である。

【図１１Ａ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノク
ロメータを用いた分光分析装置の表示スクリーンを示す
図である。

【図１１Ｂ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノク
ロメータを用いた分光分析装置の制御パネルを示す図で
ある。

【図１１Ｃ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノク
ロメータを用いた分光分析装置の制御パネルを示す図で
ある。

【図１１Ｄ】本発明の一実施例の二重通過型走査モノク
ロメータを用いた分光分析装置の制御パネルを示す図で
ある。

【図１２】偏光回転装置と出力光ファイバを備えた２段
モノクロメータのブロック図である。

【符号の説明】

１０：入力光ファイバ； １２：入力光ビーム； １
４：レンズ；１６：回折格子； ２２、２６、４０：ミ
ラー； ２３：窓板； ２４：スリット； ３２：半波
長板； ４２：出力光ファイバ； ４６：光検出器；
４８：増幅器； ６２：入力コネクタ； ６８：デイス
ク（スリット２４を備える） ８０：微細位置決めアセンブリ； ８４：ガラス製毛細
管； ８８：駆動シャフト； ９０：駆動モータ； ９
２：角度エンコーダ

フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ダグラス・ナイト アメリカ合衆国 カリフォルニア州サン タ・ローザ， カチー・リー・ウエイ 4694 (72)発明者 ジョゼフ・エヌ・ウエスト アメリカ合衆国 カリフォルニア州ペタラ マ， スタドラ・レイン 510 (72)発明者 バリー・ジー・ブルーム アメリカ合衆国 カリフォルニア州グレン ドラ， ピー・オー・ボックス 864

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後記（イ）〜（ホ）を含む走査モノクロメ
   ータ： （イ）入力光ビームを導入する手段，（ロ）前記入力光
   ビームを分散するための第１の回折格子と該第１の回折
   格子を回転する手段とを備え、第１段出力光ビームを与
   えるための第１段モノクロメータ，（ハ）前記第１段出
   力光ビームを分散するための第２の回折格子と該第２の
   回折格子を回転する手段とを備え、該第２の回折格子に
   より前記第１段出力光ビームを再結合して第２段出力光
   ビーム与えるための第２段モノクロメータ，および
   （ニ）前記第１段出力光ビームの偏光成分を回転して前
   記第２の回折格子に入力せしめ、前記第２段出力光ビー
   ムを前記入力光ビームの偏光に依存しないようにするた
   めの偏光回転手段（ホ）前記第２段出力光ビームを入力
   して，該第２段出力光ビームの所定の部分を濾波して通
   過せしめ、選択度を高めて該走査モノクロメータの隣接
   ダイナミック・レンジを広げるための出力アパーチャ。
2. 【請求項２】前記出力アパーチャが出力光ファイバを含
   むものである請求項１に記載の走査モノクロメータ。
3. 【請求項３】前記偏光回転手段が前記第１段出力光ビー
   ムの偏光成分を９０°回転するものであることを特徴と
   する請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の走査
   モノクロメータ。
4. 【請求項４】前記偏光回転手段が半波長板を備えること
   を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の走
   査モノクロメータ。