JPH1062248A - 凹面回折分光器 - Google Patents

凹面回折分光器

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JPH1062248A
JPH1062248A JP22140796A JP22140796A JPH1062248A JP H1062248 A JPH1062248 A JP H1062248A JP 22140796 A JP22140796 A JP 22140796A JP 22140796 A JP22140796 A JP 22140796A JP H1062248 A JPH1062248 A JP H1062248A
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JP
Japan
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concave diffraction
diffraction grating
wavelength
image
light beam
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JP22140796A
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English (en)
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Katsunobu Hama
勝信 浜
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は簡単な構成をもって凹面回折格
子への光束の入射角を増大させることなしにフラットフ
ィ−ルド結像を得ると共に軸外収差の低減化を図ること
ができる凹面回折分光器を提供することである。 【解決手段】光源1から発した光は集光光学系2により
試料3に照射され、その透過光はスリット4に入り、線
状に限定された光束が得られる。この光束は凹面回折格
子6に斜めに入射し、波長分散され、分散された光束は
凹面回折格子6によりそれぞれ結像される。結像される
像は波長分散作用をもつガラス平行平板5aによって一
次元のフォトダイオ−ドセンサアレイの平面7上に近似
的に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は凹面回折分光器、特
に一次元フォトセンサアレイ受光器と共に用いられるの
に適した凹面回折分光器に関する。
【0002】
【従来の技術】凹面回折格子は光の波長分散機能のみな
らず、分散された光の結像機能をももっていることか
ら、凹面回折格子を含む凹面回折分光器はその性能向上
と相俟って、生物、化学の微量分析に広く利用されるよ
うになっている。
【0003】凹面回折分光器は一次元フォトセンサアレ
イと共に用いられることが多く、この場合は凹面回折格
子によって波長分散された光を一次元フォトセンサアレ
イの平面と同一又はほぼ同一の平面上の異なる位置にそ
れぞれ結像させること、すなわちフラットフィ−ルド結
像が重要である。フラットフィ−ルド結像が達成される
ならば、フォトセンサアレイ平面と結像平面(焦平面)
が一致又はほぼ一致するため、結像された像のボケが減
少し、したがって高分解能での測定が可能となるからで
ある。光学系の明るさを増大させるために凹面回折格子
を大口径化し、さらに入射スリットの幅を狭くして高分
解能を図ろうとする場合には、分解能は結像された像の
ボケにより支配されるので、フラットフィ−ルド結像を
達成し、かつ、その結像面をフォトセンサアレイ平面と
一致させることはとりわけ重要である。
【0004】凹面回折格子のフラットフィールド結像に
関する技術は特開昭56−137233号公報及び特開
昭58−225321号公報に記載されている。これら
の技術はいずれも一次元フォトセンサアレイを受光器と
し、高分解能での測定を行うことを目的としている。特
開昭56−137233号公報に記載された技術は、ホ
ログラフィック回折格子、スリット、センサの特定の配
置により水平焦線を直線に近づける方法であり、特開昭
58−225321号公報に記載された技術は機械刻線
回折格子、スリット、センサの特定の配置によりセンサ
平面を垂直焦線と一致させ、さらに水平焦線と垂直焦線
の偏差を最小にすることにより水平焦線を直線に近づけ
るのみならず、非点収差を極めて小さくしたものであ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】凹面回折格子分光器の
場合、結像される像の軸外収差(軸外波面収差)は一般
に次式で与えられる。
【0006】 F11=(sinα・z/r0+sinβ・z’/rh)・w・l (1) α :入射角(光軸基準) β :出射角(光軸基準) z :スリット高さ(長さ) z’:像高 w :凹面回折格子の接平面上の座標(水平方向=分散方
向) l :凹面回折格子の接平面上の座標(垂直方向) r0 :スリットと凹面回折格子との距離 rh :像と凹面回折格子中心との距離 特開昭56−137233号公報に記載された技術は凹
面回折格子に斜めに入射する光の入射角を大きくして所
期の目的を達成しようとするものでる。しかし、αとβ
及び z と z’は互いに反対符号であるため、(1)式
から、αの絶対値及びβの絶対値が大きくなれば像の収
差すなわち拡がりが大きくなる(βの絶対値はαの絶対
値が大きくなれば大きくなる)。したがって、特開昭5
6−137233号公報に記載された技術の場合は、大
きな入射角の故に生じる像の拡がりは避け難い。一方、
特開昭56−137233号公報に記載された技術はフ
ラットフイ−ルド結像に関して必ずしも充分であるとは
いい難く、また、軸外収差の低減に関しても特に注意が
払われていない。
【0007】本発明の目的は簡単な構成をもって凹面回
折格子への光束の入射角を増大させることなしにフラッ
トフィ−ルド結像を得ると共に軸外収差の低減化を図る
ことができる凹面回折分光器を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明にもとづく凹面回
折格子は、線状に限定された光束を生成する手段と、該
光束生成手段によって生成され光束を波長分散させると
共に、該波長分散された光束をそれぞれ結像させる凹面
回折格子と、前記光源と前記凹面回折格子の間に配置さ
れ、かつ、前記凹面回折格子により結像される、前記波
長分散された光束を同一又はほぼ同一の平面上の異なる
位置にそれぞれ結像させる手段とを備えていることを特
徴とする。
【0009】光源と凹面回折格子の間に配置され、か
つ、凹面回折格子により結像される、波長分散された光
束を同一又はほぼ同一の平面上の異なる位置にそれぞれ
結像させる手段が備えられている故に、凹面回折格子単
独でフラットフイ−ルド結像を得ようとする場合に比べ
て入射角を増大することなしに大きなフラットフイ−ル
ド結像効果が得られる。また、入射角を小さくすること
ができるので、像の軸外収差の低減化が図られる。した
がって、線状光束断面の長手方向の寸法を大きくしてS
/N比を改善しようとする場合に大きな効果が得られる
と言える。さらに、光源と凹面回折格子の間に配置さ
れ、かつ、凹面回折格子により結像される、波長分散さ
れた光束を同一又はほぼ同一の平面上の異なる位置にそ
れぞれ結像させる手段はたとえば平行平板のような単純
なものであってよいため、全体としての構成が非常に簡
単である。換言すれば、本発明によれば、簡単な構成を
もって凹面回折格子への光束の入射角を増大させること
なしにフラットフィ−ルド結像を得ると共に軸外収差の
低減化を図ることができる凹面回折分光器が提供され
る。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明にもとづく一位置実
施例を示す。光源1から発した光は集光光学系2により
試料3に照射される。その透過光はスリット4に入り、
ここで線状に限定された光束が得られる。スリット4を
光源とする、線上に限定された光束は凹面回折格子6に
斜めに入射し、波長分散される。光束断面と分散の方向
との関係については、光束断面の長手方向と直角な方向
が分散の方向と一致する。分散された光束は凹面回折格
子6によりそれぞれ結像される。すなわち、スリット4
の像が波長毎に異なる位置に形成される。結像された光
束は光電流として取り出され、信号処理系8により電流
/電圧変換され、さらにアナログ/デイジタル変換され
て、吸光度として計測される。
【0011】形成される像は凹面回折格子6だけでは厳
密には一次元フォトダイオ−ドセンサアレイの平面7に
は形成されず、図3に点線で示されている焦線(水平焦
線)上に形成される。理想的には像はフォトダイオ−ド
センサアレイ平面7上に形成されるべきであるが、現実
的にはその理想状態を得ることは難しい。しかし、像を
近似的にはフォトダイオ−ドセンサ平面7に形成するこ
とができる。これは波長分散を有する素子として透明な
平行平板、すなわちガラス平行平板5aをスリット4と
凹面回折格子6の間に配置することによって達成され得
る。
【0012】この点について説明するに、図2に示され
るように、光束がスリット4からS点でガラス平行平板
5aに入射した場合、波長に対する屈折率の違いにより
波長λ1、λ2 の光束は互いに間隔を保って出射する。
したがって、波長λ1、λ2 の光束の結像に関しては、
1、O2の位置がスリット位置(等価スリット位置)で
あるということができる。この結像には球面収差が伴
う。しかし、それはわずかなため無視できる。
【0013】凹面回折格子の水平焦線の結像式は次式で
与えられる。
【0014】 rhi=Rcos2βi/{cosα+cosβi-(R/ro)cos2α-(2λio)b2} (2) R :凹面回折格子の曲率半径 σo:凹面回折格子中心位置の格子溝幅 b2 :凹面回折格子の不等間隔パラメ−タ (2)式から次式が得られる。
【0015】 d(rh)/d(ro)=-(rh・cosα/ro/cosβ)2 (3) したがって、波長λi の光束を△rh だけずらしたいと
きには、等価スリット位置を △ro=-△rh・(rh・cosα/ro/cosβ)2 (4) だけずらせばよい。
【0016】理想的にはすべての測定波長の結像点がセ
ンサ平面7に一致されるべきであるが、このような理想
状態を得るのは現実的にはむずかしい。そこで、センサ
平面7を、図3のように、すべての測定波長の結像点に
対し、平均的な位置、すなわち偏差の最大値が最小とな
る位置に配置すれば理想に近い状態が得られる。
【0017】表1は、ガラス平行平板5aを用いずに、
α=3°、σ=1/400mm、b2=0.245、R=1
20mm、ro=115mm という条件下で求めた、各波長
毎の結像点のセンサ平面7からの偏差(従来例による偏
差)を示す。表2は厚さ38.5 mm のガラス平行平板
5aをスリット4の直後に配置し、波長λ=800 nm
における ro を115 mm として、各波長に対して ro
を(4)式にしたがって変化させて求めた、各波長毎の
結像点のセンサ平面7からの偏差(本発明例による偏
差)を示す。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】これらの表からわかるように、本発明例に
よれば、最大偏差が従来例のほぼ1/5であり、各波長
光束の結像点がセンサ平面に近似的に一致する。したが
って、像のボケ量も従来例のほぼ1/5となる。
【0021】図4は表1に示される偏差を有する従来例
による各波長のスペクトルを示し、図5は表2に示され
るように偏差の少ない本発明例による各波長のスペクト
ルを示す。明らかなように、本発明例にもとづく波長分
解能も従来例にもとづくそれのほぼ1/5である。
【0022】以上の実施例によれば、凹面回折格子への
光束の入射角を増大させることなしにフラットフィ−ル
ド結像が得られると共に軸外収差の低減化が図られる。
また、その実現のために単純なガラス平行平板5aが追
加されるだけである。したがって、構成が極めて簡単で
ある。
【0023】図6は本発明にもとづくもう一つの実施例
を示し、図7は波長λ1、λ2 の光束の進行の様子を示
す。図1と同じものには同じ符号が付けられている。図
1と異なる点はガラス平行平板5aに代えてアプラナチ
ックレンズ5bをスリット4と凹面回折格子6の間に配
置したことである。アプラナチックレンズの場合、次の
式が成立する。
【0024】 ro=(1+n)・RR+C 又は ro=(1+1/n)・RR+C (5) ro:(1)式の ro と同じ RR:アプラナチックレンズの曲率半径 n :アプラナチックレンズの屈折率 C :定数 n はλにより2次関数的に変化する。このため、アプラ
ナチックレンズ5aも波長分散をもっていることにな
る。よって、アプラナチックレンズ5bを用いても各波
長光束の結像位置をセンサ平面と近似的に一致させるこ
とができる。アプラナチックレンズ5bとしてUBK7
を用いた場合、その厚さを5 mm、A面の曲率半径を3
8.5 mm、B面の曲率半径を26.5 mm とすること
で、フラットフイ−ルド結像に関して図1の実施例と同
等の効果を得ることができる。
【0025】明らかなように、アプラナチックレンズも
また構成的には単純なものであるにすぎない。また、ア
プラナチックレンズ5bはガラス平行平板5aに比べて
格段と薄い。これは紫外線に対する吸収を少なくし得る
こと、言い替えれば、紫外線の透過率が高められ得るこ
とを意味する。さらに、アプラナチックレンズ5bの故
に、波長λ1、λ2 の光束についての等価スリット(光
源)位置O1、O2(図7参照)の、レンズ収差による拡
がりを防止することができる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成をもって凹
面回折格子への光束の入射角を増大させることなしにフ
ラットフィ−ルド結像を得ると共に軸外収差の低減化を
図ることができる凹面回折分光器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にもとづく一実施例の凹面回折格子分光
器を含む分光光度計の光学系を示す図である。
【図2】図1のガラス平行平板による波長λ1、λ2
光束の進行の様子を示す図である。
【図3】図1の実施例における各波長光束の結像位置
(焦線)とフォトダイオ−ドセンサ平面との関係を示す
図である。
【図4】従来例による各波長のスペクトル図である。
【図5】図1の実施例による各波長のスペクトル図であ
る。
【図6】本発明にもとづくもう一つの実施例の凹面回折
格子分光器を含む分光光度計の光学系を示す図である。
【図7】図6のアプラナチックレンズによる波長λ1
λ2 の光束の進行の様子を示す図である。
【符号の説明】
1:光源、2:集光光学系、3:試料、4:スリット、
5a:ガラス平行平板、5b:アプラナチックレンズ、
6:凹面回折格子、7:センサ平面(一次元フォトダイ
オ−ドセンサアレイの平面):8信号処理系。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】線状に限定された光束を生成する手段と、
    該光束生成手段によって生成され光束を波長分散させる
    と共に、該波長分散された光束をそれぞれ結像させる凹
    面回折格子と、前記光源と前記凹面回折格子の間に配置
    され、かつ、前記凹面回折格子により結像される、前記
    波長分散された光束を同一又はほぼ同一の平面上の異な
    る位置にそれぞれ結像させる手段とを備えていることを
    特徴とする凹面回折格子分光器。
  2. 【請求項2】請求項1に記載された凹面回折分光器にお
    いて、前記結像手段は透明平行平板からなることを特徴
    とする凹面回折分光器。
  3. 【請求項3】請求項1に記載された凹面回折分光器にお
    いて、前記結像手段はアプラナチックレンズからなるこ
    とを特徴とする凹面回折分光器。
JP22140796A 1996-08-22 1996-08-22 凹面回折分光器 Pending JPH1062248A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22140796A JPH1062248A (ja) 1996-08-22 1996-08-22 凹面回折分光器
DE1997136474 DE19736474A1 (de) 1996-08-22 1997-08-21 Konkavbeugungsspektroskop und konkavbeugungsspektroskopisches Analyseverfahren

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JP22140796A JPH1062248A (ja) 1996-08-22 1996-08-22 凹面回折分光器

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JPH1062248A true JPH1062248A (ja) 1998-03-06

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DE19736474A1 (de) 1998-02-26

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