JPH11230828A - エシェル分光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い波長範囲で高い波長分解能を有し、かつ
安定性の高いエシェル分光器を提供する。 【解決手段】 エシェル回折格子４a，４b、単一のイメ
ージ検出器１０、次数分離用素子７a，７b、および結像
手段９を備え、各エシェル回折格子４a，４bは、カバー
すべき波長範囲に応じて素子定数が決められており、さ
らに、各波長範囲を選択するためのシャッタ５が設けら
れ、このシャッタ５で選択されるいずれの波長範囲のス
ペクトル光も同じイメージ検出器１０に結像するよう
に、各エシェル回折格子４a，４b、次数分離用素子７
a，７b、および結像手段９が光学的に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光分光分析、光
吸収分析等の各種の分光分析装置に使用される分光器、
特に、エシェル回折格子を用いたエシェル分光器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、エシェル分光器の光分散素子とし
て使用されるエシェル回折格子は、通常のエシェレット
回折格子に比べてブレーズ角θが大きく設定され、フリ
ースペクトルレンジが短波長側で短く、長波長側で長く
なっており、高分散、高分解能という特性を有してい
る。

【０００３】一方、回折格子で分光されたスペクトル光
を検出する光検出器として、ＣＣＤやフォトダイオード
アレー等で構成されるイメージ検出器を用いる場合は、
画素単位で各波長のスペクトル光を検出するので、従来
のフォトマルチプライヤのような光検出器を用いたもの
に比べて、光検出器の構成を簡単、小型化することがで
きる利点がある。

【０００４】このような特性をもつエシェル回折格子と
イメージ検出器とを組み合わせた従来のエシェル分光器
には、たとえば、図６に示すような構成のものがある。

【０００５】このエシェル分光器は、本例では、ツェル
ニターナ型配置のもので、図中の符号１は光源、２は入
口スリット、３はコリメート用ミラー、４はエシェル回
折格子、７は次数分離用素子、９は結像用ミラー、１０
はイメージ検出器である。なお、上記の次数分離用素子
としては、通常のエシェレット回折格子やプリズムが使
用される。

【０００６】図６に示す構成において、光源１からの光
は入口スリット２を通り、コリメート用ミラーで平行光
に調整された後、エシェル回折格子４に入射される。エ
シェル回折格子４で分散された光は、異なった次数のス
ペクトル光の重なりがあるので、次数分離用素子７によ
ってエシェル回折格子４の分散方向と直角方向に分散さ
れて、それぞれ異なる次数のスペクトル光に分離され
る。そして、そのスペクトル光が結像用ミラー９で反射
されてイメージ検出器１０上に結像される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６に示し
た構成において、上記のイメージ検出器１０は、半導体
素子としての製造上の制約から、素子を大きくして受光
面を長くするのが難しく、このため、広い波長範囲を測
定したい場合には、高い波長分解能が得られないという
問題がある。あえて受光面の長い素子を製作しようとす
ると、素子が極めて高価となり、また収差も大きくなる
ため実用に適さない。

【０００８】そこで、広い波長範囲の測定を可能とし、
かつ、高分解能を得るたの対策として、従来、次のよう
な技術が提案されている。

【０００９】 複数のイメージ検出器を並設すること
により、広い波長範囲をカバーする(たとえば、米国特
許４８２００４８参照)。

【００１０】 イメージ検出器をスペクトル光の波長
方向に沿って複数段にシフトする機構を設け、広い波長
範囲をカバーする。

【００１１】しかしながら、上記，の場合でもそれ
ぞれ次の問題がある。

【００１２】前者のの構成では、イメージ検出器が複
数必要となるため、依然として装置全体が高価になる。

【００１３】また、後者のの構成では、スペクトル像
の位置再現性を確保するためには、イメージ検出器をシ
フトするための機構として、水平、垂直方向のそれぞれ
に数μm以下の高い精度が必要で、高価になるととも
に、機械的にシフトする必要があるために安定性に欠け
る。

【００１４】たとえば、イメージ検出器の位置精度が不
足している場合、たとえば、図７(a)〜(c)に示すよう
に、イメージ検出器を波長方向に沿って前後にシフトし
た後、同じ波長位置λiに戻ってスペクトル像をそれぞ
れ測定したつもりでも、実際には、バックラッシュ等に
起因して最初の測定波長λiとの間で僅かの誤差Δλ，
Δλ'が生じる。また、イメージ検出器のピクセルごと
の感度差もあるため、結果として、最初の測定強度Ｉi
との間で差ΔＩ，ΔＩ'が生じて、測定結果の安定性が
悪くなる。

【００１５】本発明は、上記のような現状に鑑みてなさ
れたものであって、広い波長範囲で高い波長分解能を実
現することができ、しかも、測定結果の再現性が良くて
安定性の高いエシェル分光器を得ることを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
達成するために、概念的には、次のようにしたものであ
る。

【００１７】いま、エシェル回折格子から次数分離用素
子を経てイメージ検出器に至るまでの光路を波長範囲に
応じて複数に分離し、各々の光路のスペクトル光が全て
単一の同じイメージ検出器に結像するようにエシェル回
折格子等の各光学素子の配置関係を設定する。

【００１８】この場合、そのままだと光路ごとに分離さ
れた各波長範囲ごとのスペクトル光がイメージ検出器の
全面に広がって重複した結像となるので、光路の途中に
シャッタを設け、検出すべき波長範囲に応じて必要な光
路のみを開き、他の光路を遮断して、選択された特定の
波長範囲のスペクトル光のみがイメージ検出器に結像す
るようにする。

【００１９】このようにすれば、単にシャッタを移動さ
せて光路を切り換えるだけで、広い波長範囲のスペクト
ル光が常に単一のイメージ検出器の上に切り換わって結
像することになる。そこで、予めシャッタを切り換えた
場合の選択波長範囲とイメージ検出器の検出出力を対応
付けておけば、小型のイメージ検出器であっても広い波
長範囲の分光測定が可能となる。

【００２０】また、波長範囲の選択は、単にシャッタを
移動させるだけであって、イメージ検出器やエシェル回
折格子の光学的な配置関係は何ら変更しないので、スペ
クトル像の位置再現性は、従来よりも優れたものとな
る。

【００２１】本発明は、上記の観点から、エシェル回折
格子および単一のイメージ検出器を含むとともに、前記
エシェル回折格子で分散されたスペクトル光を異なる次
数のスペクトル光に分離する次数分離用素子と、この次
数分離用素子で分離されたスペクトル光を前記イメージ
検出器に結像させる結像手段とを備えたエシェル分光器
において、具体的に次のように構成している。

【００２２】すなわち、請求項１記載の発明では、前記
エシェル回折格子は、カバーすべき波長範囲に応じた複
数個で構成されるとともに、各波長範囲を選択するため
のシャッタを備え、このシャッタで選択されるいずれの
波長範囲のスペクトル光も前記イメージ検出器に結像す
るように、前記エシェル回折格子、次数分離用素子、お
よび結像手段が光学的に配置されている。

【００２３】また、請求項２記載の発明では、前記エシ
ェル回折格子と次数分離用素子とは共に単一設けられる
とともに、前記結像手段は 波長範囲に応じて互いに焦
点距離が異なるように設定された複数個で構成され、か
つ、各波長範囲を選択するためのシャッタを備え、この
シャッタで選択されるいずれの波長範囲のスペクトル光
も前記イメージ検出器に結像するように、前記エシェル
回折格子、次数分離用素子、および各々の結像手段が光
学的に配置されている。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施形態１ 図１は、本発明の実施形態１に係るエシェル分光器の概
略構成図であり、図６に示した従来技術の構成に対応す
る部分には同一の符号を付す。

【００２５】図１において、１は光源、２は入口スリッ
ト、３はコリメート用ミラー、９は結像手段としての単
一の結像用ミラー、１０は単一のイメージ検出器であ
る。

【００２６】この実施形態１の特徴は、エシェル回折格
子４a，４bおよび次数分離用素子７a，７bがカバーすべ
き波長範囲に応じてそれぞれ複数個(ここでは２個ずつ)
設けられるとともに、各波長範囲を選択するためのシャ
ッタ５を備えている。

【００２７】ここで、上記の２つのエシェル回折格子４
a，４bの内、一方のエシェル回折格子４aは、図２の分
光特性を示すエシェログラムにおいて、符号Ｌa(一点鎖
線の領域)で示す短波長側の波長範囲において、また、
他方のエシェル回折格子４bは、符号Ｌl(一点鎖線の領
域)で示す長波長側の波長範囲において、それぞれ所定
の線分散と分解能とが得られるように刻線数Ｎやブレー
ズ角θが設定されている。

【００２８】すなわち、特に発光分光分析では、紫外域
４００nm以下の短波長側で高い分解能が要求されるが、
長波長側ではそれほどの分解能は必要でないので、短波
長側で長波長側よりも大きな線分散と高い分解能とが得
られるように、各エシェル回折格子４a，４bおよび次数
分離用素子７a，７bの素子定数が決められる。

【００２９】具体的には、たとえば上記の各エシェル回
折格子４a，４bおよび次数分離用素子７a，７bの刻線数
Ｎやブレーズ角θは、表１に示すような値になる。な
お、その場合のイメージ検出器１０は、１／２インチ角
の大きさに設定される。

【００３０】

【表１】

【００３１】そして、一方のエシェル回折格子４aから
これに対応する次数分離用素子７aを通り結像用ミラー
９で反射される短波長側の波長範囲Ｌsのスペクトル光
と、他方のエシェル回折格子４bからこれに対応する次
数分離用素子７bを通り結像用ミラー９で反射される長
波長側の波長範囲Ｌlのスペクトル光のいずれも単一の
イメージ検出器１０に共に結像するように、各エシェル
回折格子４a，４b、次数分離用素子７a，７b、および結
像用ミラー９の傾きや距離などの光学的な配置関係が設
定されている。

【００３２】また、上述のシャッタ５は、これを設けな
い場合には、長短の各波長範囲ごとのスペクトル光がイ
メージ検出器１０の全面に広がって重複した結像となる
ので、本例では、エシェル回折格子４a，４bと次数分離
用素子７a，７bとの間の光路上に配置されており、短波
長の測定時には一方のエシェル回折格子４aで分散され
たスペクトル光のみが、また、長波長の測定時には他方
のエシェル回折格子４bで分散されたスペクトル光のみ
が、それぞれ光透過用の窓５aを通過するように、つま
り、図２のＬs，Ｌlの各波長範囲を選択できるように、
モータやギヤ等を組み合わせてなる駆動源６によって移
動されるようになっている。

【００３３】上記構成において、光源１からの光は入口
スリット２を通り、コリメート用ミラーで平行光に調整
された後、各エシェル回折格子４a，４bに入射される。

【００３４】エシェル回折格子４a，４bで分散された光
は、各次数分離用素子７a，７bに向かう。

【００３５】その場合、短波長側の波長範囲Ｌsのスペ
クトル光を測定する場合には、駆動源６によってシャッ
タ５を移動させて、短波長側のスペクトル光のみが窓５
aを通過させるようにする。また、長波長側の波長範囲
Ｌlのスペクトル光を測定する場合には、駆動源６によ
ってシャッタ５を移動させて、長波長側のスペクトル光
のみが窓５aを通過させるようにする。

【００３６】いま、短波長側の波長範囲Ｌsのスペクト
ル光がシャッタ５の窓５aを通過したとすれば、このス
ペクトル光は、その次数分離用素子７aによってエシェ
ル回折格子４aの分散方向と直角方向に分散されて、そ
れぞれ異なる次数のスペクトル光に分離される。そし
て、そのスペクトル光が結像用ミラー９で反射されてイ
メージ検出器１０上に結像される。

【００３７】また、長波長側の波長範囲Ｌlのスペクト
ル光がシャッタ５の窓５aを通過したとすれば、このス
ペクトル光は、その次数分離用素子７bによってエシェ
ル回折格子４bの分散方向と直角方向に分散されて、そ
れぞれ異なる次数のスペクトル光に分離される。そし
て、そのスペクトル光が結像用ミラー９で反射されて同
じくイメージ検出器１０上に結像される。

【００３８】このように、イメージ検出器９で受光する
スペクトル光の波長範囲Ｌs，Ｌlをシャッタ５で選択す
るようにしているため、イメージ検出器９で一度に所望
の波長範囲のスペクトル光を検出できないが、シャッタ
５の切り換えに応じてイメージ検出器９の検出出力が短
波長側の範囲Ｌsものか、長波長側の範囲Ｌlのものかを
識別することが可能であるから、これにより、単一のイ
メージ検出器１０を用いても、全ての波長範囲Ｌs，Ｌl
をカバーした測定結果を得ることができる。

【００３９】その場合、イメージ検出器１０は固定され
ていて単にシャッタ５を移動させて光路を切り換えるだ
けであるから、分光器を構成する各素子の光学的な配置
関係が変動する要因が少なく安定しているため、再現性
の良い測定結果が得られる。たとえば、図３に示すよう
に、シャッタ５を移動させても、イメージ検出器１０は
固定されているため、同じ波長位置λiで同じ測定強度
Ｉiの結果が得られる。

【００４０】また、短波長側で長波長側よりも大きな線
分散と高い分解能とが得られるように、各エシェル回折
格子４aと次数分離用素子７aの素子定数が決められてい
るので、図４に示すように、たとえばＣdとＡsの波長で
のピークＰ₁，Ｐ₂を分離して測定することができる。

【００４１】なお、この実施形態１において、シャッタ
５はエシェル回折格子４a，４bと次数分離用素子７a，
７bとの間に配置しているが、コリメート用ミラーとエ
シェル回折格子４a，４bとの間に配置してもよい。

【００４２】また、次数分離用素子７a，７bは、エシェ
ル回折格子４a，４bに個別に対応させて設けたが、次数
分離用素子を単一のものとし、各エシェル回折格子４
a，４bの傾きを変えて、シャッタ５で選択される長短い
ずれの波長範囲Ｌl，Ｌsのスペクトル光も、同じイメー
ジ検出器１０に結像されるように光学関係を調整するよ
うにすることも可能である。

【００４３】さらに、この実施形態１では、エシェル回
折格子４a，４bと次数分離用素子７a，７bとは、それぞ
れ２個ずつ設けているが、これに限定されるものではな
く、さらに３個以上設けてさらに分解能を高めるように
することもできる。

【００４４】実施形態２ 図５は、本発明の実施形態２に係るエシェル分光器の概
略構成図であり、図１に示した実施形態１の構成に対応
する部分には同一の符号を付す。

【００４５】この実施形態２の特徴は、エシェル回折格
子４と次数分離用素子７とは共に単一設けられている
が、結像手段としての結像用ミラー９a，９bは 波長範
囲に応じて互いに焦点距離fa，fbが異なるように設定さ
れた複数個(本例では２個)で構成されている。

【００４６】すなわち、２つの結像用ミラー９a，９bの
内、一方の結像用ミラー９aは、図２の分光特性を示す
エシェログラムにおいて、符号Ｌa(一点鎖線の領域)で
示す短波長側の波長範囲において、また、他方の結像用
ミラー９bは、符号Ｌl(一点鎖線の領域)で示す長波長側
の波長範囲においてそれぞれ所定の線分散が得られるよ
うに各焦点距離fa，fbが設定されている。

【００４７】また、シャッタ５は、本例では、次数分離
用素子７と各結像用ミラー９a，９bとの間の光路上に配
置されており、短波長の測定時には次数分離用素子７で
分離させた短波長側のスペクトル光のみが、また、長波
長の測定時には同じ次数分離用素子７で分散された長波
長側のスペクトル光のみがそれぞれ光透過用の窓５aを
通過するようになっている。

【００４８】さらに、シャッタ５で選択される長短のい
ずれの波長範囲のスペクトル光も、各々の結像用ミラー
９a，９bで反射されたときには、共に単一のイメージ検
出器１０に共に結像するように、各エシェル回折格子
４、次数分離用素子７、および結像用ミラー９a，９bの
傾きや距離などの光学的な配置関係が設定されている。

【００４９】その他の構成は、実施形態１の場合と同様
であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

【００５０】図５の構成において、光源１からの光は入
口スリット２を通り、コリメート用ミラーで平行光に調
整された後、各エシェル回折格子４に入射される。

【００５１】エシェル回折格子４で分散された光は、さ
らに次数分離用素子７でエシェル回折格子４aの分散方
向と直角方向に分散されて、それぞれ異なる次数のスペ
クトル光に分離される。

【００５２】そして、シャッタ５で、短波長側の範囲Ｌ
sのスペクトル光が選択された場合には、そのスペクト
ル光は、結像用ミラー９aで反射されてイメージ検出器
１０上に結像される。

【００５３】また、シャッタ５で長波長側の波長範囲Ｌ
lのスペクトル光が選択された場合には、このスペクト
ル光は、結像用ミラー９bで反射されて単一の同じイメ
ージ検出器１０上に結像される。

【００５４】なお、この実施形態２において、結像用ミ
ラー９a，９bを２個設けているが、これに限定されるも
のではなく、さらに３個以上設けてさらに分解能を高め
るようにすることもできる。

【００５５】

【発明の効果】本発明のエシェル分光器は、次の効果を
奏する。

【００５６】(１) エシェル回折格子を用いて分散され
たスペクトル光を波長範囲に応じてシャッタで選択する
が、選択された各波長範囲のスペクトル光は、いずれも
単一のイメージ検出器の上に結像するため、小さいイメ
ージ検出器であっても広い波長範囲をカバーすることが
でき、波長分解能が向上し、高精度の分析が可能にな
る。

【００５７】(２) また、従来のようにイメージ検出器
を段階的に移動させるといった必要がなく、単にシャッ
タを切り換えることで広い波長範囲をカバーできるた
め、測定結果の再現性が良く、安定した光学系を得るこ
とができる。

【００５８】(３) さらに、従来のように、広い波長範
囲をカバーするためにイメージ検出器を複数設けたり、
長尺の光検出素子を製作する必要がないため、装置全体
のコストアップを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るエシェル分光器の概略
構成図

【図２】通常のエシェル分光器の分光特性を示すエシェ
ログラム

【図３】図１の装置で得られる分光スペクトルの測定結
果の再現性を示すための説明図

【図４】図１の装置で得られる分光スペクトルの測定結
果の分解能を示すための説明図

【図５】本発明の他の実施形態に係るエシェル分光器の
概略構成図

【図６】従来のエシェル分光器の概略構成図

【図７】図６の従来装置で得られる分光スペクトルの測
定結果の再現性を示すための説明図

【符号の説明】

１…光源、２…入口スリット、３…コリメート用ミラ
ー、４，４a，４b…エシェル回折格子、５…シャッタ、
６…駆動源、７，７a，７b…次数分離用素子、９，９
a，９b…結像用ミラー、１０…イメージ検出器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エシェル回折格子および単一のイメージ
   検出器を含むとともに、前記エシェル回折格子で分散さ
   れたスペクトル光を異なる次数のスペクトル光に分離す
   る次数分離用素子と、この次数分離用素子で分離された
   スペクトル光を前記イメージ検出器に結像させる結像手
   段とを備えたエシェル分光器において、 前記エシェル回折格子は、カバーすべき波長範囲に応じ
   た複数個で構成されるとともに、各波長範囲を選択する
   ためのシャッタを備え、このシャッタで選択されるいず
   れの波長範囲のスペクトル光も前記イメージ検出器に結
   像するように、前記エシェル回折格子、次数分離用素
   子、および結像手段が光学的に配置されていることを特
   徴とするエシェル分光器。
2. 【請求項２】 エシェル回折格子および単一のイメージ
   検出器を含むとともに、前記エシェル回折格子で分散さ
   れたスペクトル光を異なる次数のスペクトル光に分離す
   る次数分離用素子と、この次数分離用素子で分離された
   スペクトル光を前記イメージ検出器に結像させる結像手
   段とを備えたエシェル分光器において、 前記エシェル回折格子と次数分離用素子とは共に単一設
   けられるとともに、前記結像手段は波長範囲に応じて互
   いに焦点距離が異なるように設定された複数個で構成さ
   れ、かつ、各波長範囲を選択するためのシャッタを備
   え、このシャッタで選択されるいずれの波長範囲のスペ
   クトル光も前記イメージ検出器に結像するように、前記
   エシェル回折格子、次数分離用素子、および各々の結像
   手段が光学的に配置されていることを特徴とするエシェ
   ル分光器。