JPS5913922A - 格子スペクトロメ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は （、）　　入射光束をスペクトル分散するだめの格子装
置、 （１））格子スペクトロメータの光路へ逐次移動しうる
既知透過特性のフィルタを有するフィルタ交換装置、 （ｃ）　　スペクトル分散した光線が入射する検出装置 からなる多数の回折次数で使用する格子を有する格子ス
ペクトロメータに関する。

格子スペクトロメータは回折格子を有する格子装置から
なり、この格子は密に隣接する多数の格子溝を有し、こ
の格子へ入射スリットを介して入射して平行にされた入
射光束が適当な光学系によって導かれる。回折格子から
戻る光線はスペクトルに分散する。一定波長の光線は格
子溝で回折した光線の波長差が波長の整数倍になる角度
で分散する。したがって各波長の光線は１．　、２　、
３　、・波長の波長差に相当する種々の角度で分散する
。それゆえ白色平行入射光束は種々の色すなわち種々の
波長に相当する種々の角度で戻る平行光束に分散する。

ｉ、２．３・波長の光路差に相当するこのような多数の
光束が各波長に対応して発生する。１つの波長のこれら
異なる回折光束は回折次数と称される。

１つの波長の光束が１次で回折する方向に他の波長は２
，３．・・次で回折することができるので、種々の次数
の光束が重畳する。

回折光束は光学系によって集束され、出口スリットの平
面に種々の色の光束によって発生した入口スリットの実
像からなるスペクトルが発生する。出口スリットは特定
方向に回折した、光学系によって出口スリットの位置に
集束された光線の通過を可能にする。出口スリットから
射出する光線は検出器に向けられる。回折格子の回転に
よってこのスペクトルを走査することができ、すなわち
種々の方向に回折した光束を逐次出口スリットに向ける
ことができる。

回折光束を光学系によってダイオード配列に集束するス
ペクトロメータも公知である。これはホトダイオードを
密に隣接配置した装置である。このようなダイオード配
列を使用する場合、スペクトルを走査せずに種々の波長
が同時に検出され、それぞれの検出器信号は並列にアウ
トプットされる。

もちろん１つの波長の光線のみを測定し、すなわち１つ
の回折次数のみを検出することが望まれる。通常１次の
回折のみが使用される。不所望の回折次数は遮断しなけ
ればならない。これは遮断フィルタまたは前置プリズム
モノクロメータによって達成される。ＵＶ帯域では空気
も遮断フィルタとして有効である。

１次回折では１つのフィルタをほぼ１オクタ一ブ全体に
わたって使用し、妨害的に発生する高次回折およびフィ
ルタ交換を避けることができる。しかし１つの回折格子
は２オクターブ以（５） 」二たとえば１９０〜９００　ｎｍのスペクトル帯域を
掃引することができる。この大きいスペクトル帯域はし
たがって順次光路へ回転しなければならない多数のフィ
ルタを必要とする。各フィルタ交換により光学的条件が
変化するので、１００係ラインにフィルタによる段差ま
たはフィルタスノ々イクが容易に発生する。このような
フィルタによる段差を波長送りおよびペンの停止により
、かつフィルタ交換を記録中断時に行うことによってほ
とんど避けられることは公知である。しかしこの記録中
断を自動的にするためにかなりの費用を必要とする。波
長帯域内の１つの波長を検出するために必要な記録時間
も不所望に長くなる。最後に迷光が各フィルタ交換ごと
に段階的に変化する。試料の吸光率が高い場合、１００
％ラインが段差を有しなくても記録には容易に段差が現
れる。

大きい波長帯域にわたる１次回折を使用する回折格子の
もう１つの欠点は帯域端部近くの回折格子の効率が低い
ことである。この効率低下（６） はしばしばスペクトルランプ強度またはスペクトル検出
器感度の減少と重なる。

回折格子を比較的長波長部分帯域で１次回折により使用
し、比較的短波長部分帯域で２次回折により使用するこ
とも公知である。しかしこれはさらに頻繁なフィルタ交
換および帯域フィルタの使用を必要とする。

ダイオード配列を検出器として使用する場合、高次回折
を遮断フィルタで遮断しなければならないとすれば、ダ
イオード配列によって最高でも１オクターブしか検出で
きない。遮断フィルタの吸収曲線のスロープは直角に立
上らないので、ダイオード配列によって検出しうる帯域
はむしろ１オクターブより小さい。このようなダイオー
ド配列によってもつと大きいスペクトル組成を測定する
ため、スペクトルをセクションに分けて記録し、その間
に回折格子を回転することが必要である。

本発明の目的は前記概念の格子スペクトロメータを （１）　　全試験スペクトル帯域をフィルタ交換によっ
て段差が発生しないようにフィルタを使用して測定し、 （２）安価なフィルタを使用することができ、（３）　
　大きいスペクトル帯域を検出しうるように形成するこ
とである。

この目的は本発明により （ｄ）　　種々のフィルタの透過特性を記憶するメモリ
ー装置、 （ｅｌ　　種々の重畳した回折次数によって得た信号ス
ペクトルをそれぞれのフィルタで測定する装置、 （「）　　このように得た信号スペクトルを記憶するだ
めのメモリー装置、 （ｇ）　　（ｇｌ）記憶した透過特性および記憶した信
号スペクトルが送入され、 （ｇ２）入射光束のスペクトル組成に応じて信号スペク
トルを計算した波長の函数として送出するコンピュータ
装置 全備えることによって達成される。

それによって透過特性が十分異なる限りほぼすべての種
類のフィルタを使用することができる。フィルタの１つ
は１００チーフイルタであってよく、これは物理的フィ
ルタなしで作業することを表わす。回折次数を互いに分
離するのがフィルタの目的ではない。スペクトルの各測
定に１つだけのフィルタが使用される。それゆえ種々の
回折次数が重なる。最終的に本来のスペクトルは検出器
配置の信号からコンピュータ装置により波長の函数とし
て形成され、その際この信号は種々のフィルタによる多
数の走査または測定およびあらかじめ測定して記憶した
フィルタの既知透過特性から得られる。それによって２
次、３次等の回折次数から得られる信号成分も１次回折
で格子および検出器配置により測定するより全体として
大きい波長帯域が検出されるように処理される。

本発明の他の改善は特許請求の範囲第２〜４項に記載さ
れる。

次に本発明を図面により詳細に説明する。

（９） 第１図には格子スペクトロメータが略示される。光源１
０は球面ミラー１２によって入口スリット１４に結像す
る。凹面格子１６は入口スリット１１１を波長の函数と
してダイオード配列１８に結像する。フィルタホイール
２０が球面ミラー１２と入口スリット１４の間に配置さ
れる。フィルタホイール２０はその回転により順次光路
へ入る４種のフィルタを支持する。

格子スペクトロメータはダイオード配列１８上にたとえ
ば４５０〜９００　ｎｍ　の１次回折スペクトルを発生
する。同時に２２５〜４５０　ｎｍの２次回折スペクト
ルおよび１５０〜３０００ｍの３次回折スペクトルがダ
イオード配列に入射する。しかし１５０〜１９０　ｎｍ
の帯域は雰囲気によって吸収される。最後に雰囲気吸収
を考慮して１９０〜２２５　ｎｍの４次回折スペクトル
がダイオード配列に入射する。最大波長が１８０１ｍで
ある５次回折光は雰囲気によって完全に吸収される。

第２図には４つの回折次数の光線がダイオ−（１０） １δ配列１８にいかに入射するかが示される。ダイオ−
１−Ｓ配列１８の左側部分範囲では２つの回折次数すな
わち１次および２次回折光が同時に各検出器素子に入射
する。ダイオード配列１８の中間部分範囲では３つの回
折次数すなわち最初の３つの次数の回折光が同時に各検
出器素子に入射する。最後に右側部分範囲では４つの回
折次数すなわち最初の４つの次数の回折光が同時に検出
される。

このように４つの回折次数のすべての回折光が同時にダ
イオード配列１８に入射する。１つの検出器素子に２つ
以上の波長の光線すなわちλおよびλ／２ならびに場合
によりλ／３およびλ／４の光線が入射する。４つの成
分を分離し々ければならない。これはフィルタホイール
２００４つのフィルタによって行われる。しかしこのフ
ィルタは常用格子スペクトロメータのように４つの回折
次数を個々に分離する必要はない。

シャープな遮断フィルタまたは帯域フィルタは要求され
ない。フィルタのスペクトル透過特性はほぼ任意に選択
することができる。

１１つのフィルタの透過は波長の函数としてＴ１（λ）
、’ｌ”２（λ）　、　　Ｔ３（λ）およびＴ４（λ）
で示される。

フィルタなしの１次回折の光線によって発生し、光束お
よび検出器感度に比例する検出器信号はＳ、（λ）であ
る。波長λは４５０〜９００　ｎｍの帯域にわたる。フ
ィルタなしの２次回折光によって発生した検出器信号は
８２（λ）であり、その波長λの帯域は２２５〜４５０
　ｎ　ｍにわたる。フィルタなしの３次回折光によって
発生した検出器信号はＳ３（λ）であり、波長λは１．
５５０−３００ｎの帯域である。フィルタなしの１１次
回折光によって発生した検出器信号はＳ４（λ）であり
、波長λの帯域は１１２５〜２２５ｎｍにわたる、函数
Ｓ３（λ）およびＳ４（λ）は雰囲気吸収のため波長λ
−約１９０　ｎｍ才でＯの値を有する。

ダイオ−１３配列１８の検出器素子は以下第２図に示す
ようにそれぞれの検出器素子に入射する１次回折光の波
長λによって表わされる。光路に挿入したフィルタホイ
ール２０のフィルタにより次の検出器信号が１１つのフ
ィルタに対し得られる： Ｓ、（ＡＩ−Ｔ１（λ）ｓｌ（ｊ）＋’？”１（４）　
５２（４）十Ｔ１ｆ−Ｑ）　５３ｆ４）＋　Ｔ１（か。

（４）ｓ埋λ）−Ｔハλ）　ｓｌ（λＮ−’ｒ２（４）
　５２（４）−１’ｒ２（４）　５３（４）十Ｔ２（４
１５４（４）Ｓλ（λ）−丁３（λ）Ｓｌ（λ）」−Ｔ
３（４）Ｓ２（過＋Ｔ３（４＋Ｓ覧１＋Ｔ３（−ｊ）曙
）Ｓｉ（λ）−Ｔ４（λ）Ｓｌ（λ）」−Ｔ４（−多）
Ｓ２（４）」叩。（力５３（−４１＋　’ｒ４（−ｊ）
　５４（４＋ここに函数Ｔ１．Ｔ２．Ｔ３およびＴ４　
　は既知である。Ｓｌ、Ｓ′２．弓お主びＳｉは測定さ
れる。そこで各λすなわちダイオード配列１８の各検出
器素子について未知数、す々わちλによって表わされる
検出器素子の検出信号中の４つの回折次数）信号成分８
１（λｌ　＋　８２（４１，８３（＋）　ｈ　ヨｉｌ、
）’　８４（＋ｌＫ関する７１つの連立方程式が得られ
る。これからこれらの信号成分は公知法たとえば行列式
によって解を得ることができる。

連立方程式の解は１６のＴ値からなる行列式がＯでない
場合にのみ可能である。そこでフィルタの透過特性はこ
れが保証されるように選択（１３） しなければならない。しかしこの要求は充足容易である
。

さらに行列式が小さ過ぎないように注意しなければなら
ない。透過曲線の形または透過曲線の直線的組合せにお
ける差が小さくなり過ぎてはならない。

一般にこの条件は安価なガラスフィルタによって容易に
充足される。

４つのフィルタはフィルタホイールによって順次光路へ
回転される。各フィルタを使用して得られる信号ス被り
トルＳ：（λ）はダイオード配列１８によって検出され
る。この信号スベク）　／ｌ／はメモリー２２に記憶さ
れる。函数Ｔ１（λ）、Ｔ２（λ）。

Ｔ３（λ）およびＴ４（λ）もメモリー２２に記憶され
る。

信号スペクトルＳ；（λ）および函数ＴＩ（λ）はコン
ピュータ２４にインプットされる。コンピュータ２４は
前記連立方程式を解く。前記例では４つの信号部分スペ
クトルが得られる： Ｓｌ（λ）　　λ−４５０〜９００ｎｍに対しＳ、２（
λ）　　λ−２２５〜４５０ｎｍ　　。

（１４） Ｓ３（λ）　　λ＝　１．５０−３００　ｎｍ　に対し
Ｓ（λ）　　λ−”　１．１２．５〜２２５　ｎｍ　に
対しここに最後の２つの部分ス被りｌ・ルはλ−約１、
９０　ｎｍ　　まで０の（直を有する。λ−１９０〜９
００　ｎｍ　　の連続的信号スペクトルが望捷れる。

最初の２つの信号部分スペクトルは互いに継目なく続く
。たとえば第１信号部分スペクトルの波長帯域はλ””
　４５１．　ｎｍ　　で始めることができる。しかし他
の信号部分スペクトルに対する接続は以下に記載の方法
で行うこともできる。

第２お」：び第３信号部分スペクトルＳ２（λ）と８３
（λ）は２２５〜３００　ｎｍ　　の帯域で重なる。と
の重畳は異なる方法で処理することができる。

たとえば信号部分スペクトルＳ２（λ）は完全に評価し
、信号部分スペクトルＳ３（λ）けλ−２２５ｎｍの波
長寸でのみを評価することができる。第３信号部分スペ
クトルＳ３（λ）中の２２５〜３００ｎｍの帯域は考慮
に入れない。もちろん他の方法により信号部分スペクト
ルＳ３（λ）を完全に使用し、信号部分スペクトルＳ２
（λ）中の波長帯域を除り１することもできる。移行点
を重畳帯域中の任意の点に置くこともできる。２つの信
号部分スペクトルの平均値を重畳帯域中で形成し、両方
の情報を使用することもできる。得られる信号スペクト
ル中の段差を避けるため、平均値を形成する際１つの信
号部分スペクトルＳ２（λ）は重畳帯域中で波長λとと
もに増大するウエートを与え、他の信号部分スペクトル
Ｓ３（λ）は波長λとともに減少するウエートを与える
ことができる。

このような連続的移行は迷光の影響が重なる部分帯域中
で異なり、かつ高い試料吸光による段差を避けなければ
ならない場合とくに有利である。

同じ方法を２つの信号部分帯域Ｓ３（λ）およびＳ４（
λ）の重畳帯域で使用することができる。この場合信号
部分スペクトルＳ４（λ）はなしで済ますことができる
特殊性が生ずる。というのは信号部分スペクトルＳ５（
λ）の波長帯域はすでにλ−１、９０ｎｍの短波長限界
せで拡がるからである３それにもかかわらず信号部分ス
ペクトルＳ４（λ社連立方程式に必要なので測定しなけ
ればならない。４次回折光は実際にダイオード配列１８
に入射する。

試別２６（第１図）の透過スペクトルは公知法で試別２
６なしで１回（Ｓｏ（λ））として、試料２６によって
１回前記のように信号スペクトルＳ（λ）を得ることに
よって決定することができる。このように得た２つの信
号スペクトルＳ（λ）とＳ。（λ）から比を形成する。

試別の透過スペクトルＴ（λ）−夕２４によって実施さ
れる。透過スペクトルＴ（λ）は表示装置２８に表示さ
れる。

前記例の場合５次以上の高次回折光はすべて雰囲気によ
って吸収されるので存在しない。雰囲気は遮断フィルタ
として作用する。このような遮断フィルタまたはこのよ
うに作用する限界たとえばランプの放出スペクトル限界
もしくは短波長帯域における検出器のスペクトル感度限
界がなければ、無限に多数の回折次数が有効になる。個
々の回折次数を計算によって分離する（１７） ために無限に多数のフィルタで検出した無限に多数のス
ペクトルが必要である。検出器に入射するすべての次数
の回折光は信号を発生し、この入射光が所望スペクトル
に関係の々いスペクトル帯域内にある場合も計算によっ
て分離しなければならない。これに反し所望スペクトル
帯域のすべての波長は入射光線に含まれなければならな
い。計算は考慮に入れる回折次数の数が多いほど複雑に
なるので、所望スペクトル帯域外の光線を検出器から十
分遠ざけるのが実用的である。それゆえしばしば発生す
る回折次数の数を制限する付加的フィルタを光路に備え
ることが必要である。

有効スペクトル帯域はいずれにせよ短波長帯域に対して
制限しなければならないけれど、一般に長波長帯域に対
する制限は必要がない。このような制限はたとえば高い
回折次数の高い分解能を利用するため、低い回折次数の
回折光を除去しなければならない場合必要になる。この
場合帯域フィルタ効果が必要である。次に信号（１８） スペクトルＪ（λ）およびＳ４（λゆ測定がたとえば透
過曲線′ｒ１（λ）およびＴ２（λ）を有する２つのフ
ィルタで実施され、その信号スペクトルから信号スペク
トル５１（４）および８２（４）が連立方程式：％式％
（４ （） により決定される。

ダイオード配列を有する前記検出器配置による代りに本
発明によれば１つの検出器を有する常用格子スペクトロ
メータを使用し、回折格子の回転によってスペクトルを
走査することもできる。とくに本発明は非常に高速の周
期的スベク］・ル走査を行う格子スペクトロメータに適
する。

ノイズレベルを低下するため、多数の信号スペクトルを
フィルタホイールの数回転の間に検出して平均する。記
憶したフィルタの透過特性Ｔ１（λ）は装置メーカが常
用スペクトロメータで１度測定し、メモリー２２に記憶
することができる。格子スペクトロメータ自体も透過特
性測定に使用することができる。この目的でフィルタホ
イール２０は１つの位置に空孔を有する。

個々のフィルタで測定した信号スペクトルは次に空孔で
得た信号スペクトルによって割算され、それによってフ
ィルタの透過特性が得られる。

大きいスペクトル帯域は格子スペク］・ロメータで種々
の回折次数を評価することによって検出される。この回
折格子は各回折次数で回折格子の効率がほとんど低下し
ない小さいスペクトル帯域内でのみ動作する。構造精度
に関する機械的要求は小さい。ただ１つの可動部分は回
転するフィルタホイールである。フィルタホイールは安
価な着色ガラスフィルタのみからなる。

スペクトルの検出はきわめて高速に実施することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は格子スペクトロメータのブロック図、第２図は
種々の回折次数の回折光がダイオ−ＩＳ配列へ入射する
状態を説明する図である。 １０・・・光源　１２・・球面ミラー　１４・・・人口
スリット　１６・・・格子　１８・・・ダイオード配列
２０・・・フィルタホイール　２２・・メモリー２４・
・・コンピュータ　２６・・・試料　２８・・・表示装
置 （２１）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（ａ）入射光束をスペクトル分散する格子装置、（１
   〕）　　ＩＩＦｆ　次格子ス被りトロメータの光路へ移
   動しうる既知透過特性の多数の異なるフィルタを有する
   フィルタ交換装置（２０）、（ｃ）　　スペクトル分散
   した光線が入射する検出装置（１８）を有する多数の回
   折次数を使用する格子スペクトロメータにおいて、 （ｄ）　　透過特性（Ｔｉ（λ））を記憶するメモリー
   装置（２２）、 （ｅｌ　　各フィルタを使用して種々の重畳回折次数に
   よって得た信号スペクトル（Ｓｉ′）を測定する装置、 （ｒ）　　このように得た信号スペクトル（Ｓｉ’）を
   記憶するメモリー装置（２２）、 （ｇ）　　（ｇ　１　）記憶した透過特性（Ｔ１）およ
   び記憶した信号スペクトル（Ｓｉ’）が送入され、（ｇ
   ２）入射光束のスペクトル分散に応じて波長（λ）の函
   数として信号スペクトル（Ｓ（λ））を送出するコンピ
   ュータ装置（２ｌｉ　）を有することを特徴とする格子
   スペクトロメータ。 ２　発生する回折次数の数を制限する付加的フィルタが
   光路に配置されている特許請求の範囲第１項記載の格子
   スペクトロメータ。 ３　検出装置がダイオード配列（１８）である特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の格子スペクトロメータ
   。 ４　コンピュータが連立方程式。 〔ここに異々るλのＳＫに対しｉ　＝　１・・・ｎであ
   り、ｎは使用フィルタの数であると同時に発生する回折
   次数の数であり、１は各フィルタの部数、λは１次回折
   で検出器に検出される波長、Ｓ；（λ）はフィルターで
   得られる信号スλ ベクトル、Ｔ１はフィルターの透過特性、５Ｋ（ｋ）は
   に次回折で検出器に入射する信号部分スバクトルである
   。〕を解くために適する特許請求の範囲第１項〜第３項
   の１つに記載の格子スペクトロメータ。