JPS6128925B2

JPS6128925B2 -

Info

Publication number: JPS6128925B2
Application number: JP52088911A
Authority: JP
Inventors: Yakoboitsutsu Rorensu; Esu Majisen Ainaa; Deii Soopu Rorensu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-07-26
Publication date: 1986-07-03
Also published as: FR2364436A1; US4060327A; GB1582160A; JPS5336285A; FR2364436B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明はスペクトロメトリの分野に関し、更に
具体的には、光ビームを異つた波長の波へ分散さ
せる格子を有する分光計に関する。

当業者に知られる如く、スペクトロメトリはス
ペクトル光線の波長を測定することに関する。ス
ペクトルとは、広帯域の輻射エネルギーのビーム
が分散されて焦点を合せられ、成分光線（即ち成
分輻射エネルギー）がその波長の順序に配列され
る時に形成される、一連の像である。従来の分光
計は、分析又は測定されるべきビームが通過する
スリツトと、分散素子と検出器と、或る型態のレ
ンズ又はスリツトの分散像を検出器上に結像する
手段とを具備している。

分散素子の２つの通常は型態は、プリズム及び
格子（ホログラフイツク型又は回折型）である。
プリズムよりも格子が有利である点は、格子が正
規スペクトル、即ち分散が比較的一定しているた
め等しい距離が等しい波長間隔に対応しているス
ペクトルを発生することである。本発明は、分散
素子として格子を使用する分光計の改良に関す
る。

格子の特性は周知である。１つの特性は、前述
したように格子が正規スペクトルを発生すること
である。他の特性とには、格子が反射又は透過に
よりスペクトルを発生することができる点であ
る。更に、格子がいくつかの分散次数（第１次、
第２次など）を生じる点も特性の１つである。更
に、格子の分散特性が「けい線」群又は線群（格
子線群）の密度に依存し、かつ各次数で発生され
たスペクトルがそのようなスペクトルにわたつて
可変効率を有することも特性の１つである。換言
すれば、各々の格子は所与の波長に於て最適効率
（即ち、最大効率）を生じるように設計され、こ
の効率は波長が設計波長から離されればそれだけ
降下する。換言すれば、通常、格子は所定の領域
にわたつて或る程度の効率性と共に動作するよう
に作られる。

この領域上の制限があることは認識されており
それを克服するように設計された各種の分光計が
考案されている。その例は、米国特許第3306158
号、第3390604号、第3472595号に開示されてい
る。これら特許は、それぞれが異つた第１次分散
を有する２個又はそれ以上の格子を使用してい
る。しかし本発明と比較して、これら特許に開示
された発明の欠点は、分析されるビームの通路へ
格子を入れたりそこから格子を出したりする移動
部品、又は１つの場所に置かれた１つの格子から
ビームを反射させたり、他の場所に置かれた他の
格子上にビームを入射したりするため鏡を移動さ
せる移動部品等を使用している点である。これに
反し、本発明は移動部品を使用せず、従つて摩耗
及び劣化を受けやすい部品を必要とせずに高速動
作をすることができる。更に、本発明は２個の格
子によつて分散されたビームを同時に読み出すこ
とができるが、前記の特許発明においては、所与
の時点で唯１個だけの格子が使用されるに過ぎな
い。

米国特許第3523734号は、中央部分が波長の第
１領域を分散させるようにけい線を引かれ、２つ
の側面部分が波長の第２領域を分散させるように
設計された回折格子を有する分光計を開示してい
る。分光計及び回折格子は、周辺部に一連のスリ
ツトを有する通常のローランド円を含むように配
列され、周辺部の背後には光電増倍管が置かれて
いる。回折格子上の異つたけい線から生じた像
は、ローランド円の表面で重ねられ、従つてこれ
は分離することを要する。分離作用はマスク及び
フイルタを使用して達成される。そのような分光
計は拡散された領域を有するが、領域にわたつて
連続的であるようには動作しない。この事は、所
与の出口スリツトにおいて、１時点に異つた輻射
エネルギーを有する２つのビームが存在する場合
に、唯１つのビームだけが検出可能であり、従つ
て２つの分散ビームの全領域にわたつて連続的に
読出すことができないことを意味する。更に、ロ
ーランド円は75cm程度であり、やや大型の器械と
なる。これに反し、本発明の装置は、後に詳細に
説明するように、異つた波長領域を有する２つの
格子を使用することによつて、分光計の全体の光
波帯域にわたり、効率の高い読出しを連続的に行
うことができる。

本発明の他の特徴は、異つた波長の出力信号を
発生するために高速で動作することのできる、ホ
トダイオードのリニア・アレイを使用しているこ
とである。この点に関して云えば、米国特許第
3973849号は、２列のホトダイオードを有するリ
ニア・アレイを使用する分光光度計を開示してい
る。上記の２列のホトダイオードは、分散ビーム
の異つた領域により別個に付勢される。唯１個の
格子が使用されるが、これは２つの異つた場所の
間で移動可能である。１つの場所にある時には、
ホトダイオードの１つの列が能動化され、他の場
所にある時には、ホトダイオードの他の列が能動
化されて、異つた帯域の各々の波長を読出すよう
にされる。本発明の装置は、後に詳細に説明する
ように、以下の点でこの特許と相違している。即
ち、第１に、本発明の装置は可動部品を使用せ
ず、格子は静止しており、格子を移動させたりマ
スクしたり偏向させたりする装置を必要としな
い。第２に、本発明の装置は、最初に１つの波長
領域で読出しを行い次に他の領域で読出しを行う
のではなく、全体の領域にわたつて連続的な読出
し又は同時的な読出しを行う。第３に、本発明
は、信号対雑音比の良好な、効率の高い分光計を
実現することができる。上記の特許は、唯１個の
格子を使用し、それが広い領域にわたつて動作さ
れるので、格子の特性によりそのような領域の末
端部において必然的に効率が悪くなる。

本発明の目的は、可動部品を使用しないで広い
領域の波長にわたつて動作し、しかも高速で動作
することのできる分光計を提供することである。

本発明の他の目的は、効率の高い広帯域応答を
与える２つの静止した分散格子を使用する分光計
を提供することである。

本発明の他の目的は、分析されるべきビームを
２つの分散ビームへ同時に分散させる少なくとも
２つの格子を有し、かつ２つの分散ビームのエネ
ルギー内容を示す出力信号を与える検出手段を含
む分光計を提供することである。

本発明の他の目的は、格子によつて分散された
光線の各々の波長で出力信号を与える分散格子及
びリニア・ホトダイオード・アレイを使用した高
速分光計を提供することである。

要約すれば、本発明の上記の目的は、分光計に
２つの格子を設け、各々の格子が異つた第１次分
散を有するようにし、各格子がその分散に関連し
た各波長領域にわたつて比較的に効率の高い出力
を与えるように構成することによつて達成され
る。２つのリニア・ホトダイオード・アレイは検
出器として使用される。１つのスリツトが分析さ
れるべき光ビームを分光計へ入らせ、このビーム
は格子によつて別個のスペクトル（即ち分散ビー
ム）へ分散させられる。分散ビームにおけるスリ
ツトの像をアレイ上に焦結する手段が設けられ、
各アレイの連続したホトダイオードの各々の出力
は、波長の測定領域にわたる連続した波長の光の
強度を表わす。

第１図は、試料を透過した光ビームのスペクト
ル特性を分析することによつて、テスト・セル内
の試料１１を分析する分光光度計の略図である。
分光光度計は、試料１１を通して広帯域の輻射エ
ネルギーを導く照明部分１０と、試料を透過した
光の波長特性を測定する分光計部分１２とを含
む。照明部分１０は、広帯域の輻射エネルギーを
与えるため別個になつた２つの光源１４及び１６
を含む。これらの光源は選択的に付勢されてよ
く、所与の１時点でその１つのみ又は２つが２つ
がオンになつていてよい。光源１４は紫外線領域
に強い通常のデユーテリム・ランプであり、光源
１６は通常のタングステン・ランプであつてもよ
い。２つのランプは、光スペクトルの紫外線、可
視光線、赤外線の各部分を通じてエネルギーを輻
射する。ビーム・スプリツタ１８は光源１６から
の光を通過させるが、光源１４からの光を反射さ
せ、それらの光をレンズ２０へ導く。レンズから
の光は鏡２２によつて反射されて試料１１を含む
テスト・セルへ導かれる。レンズ２０は、光源１
４及び１６のフイラメント像もテスト・セルの中
央部分に焦結するように働く。中性密度フイルタ
２４は、後述するように光を減衰させてホトダイ
オードの飽和を防止するために使用されてよい。
中性密度フイルタ２４は、円状体の端部に取付け
られた一連の異つたフイルタの１つであつて、異
つた減衰特性を与えるために回転によつて位置づ
けられてよい。絞り２５は、照明部分１０を通る
光のＦナンバーを制御するために使用される。

分光計部分には、細長い調節可能の長方形入口
スリツト３０を含む。このスリツトの長さ方向は
第１図に対して垂直になつている。試料１１は入
口スリツト３０の近辺に配置されるので、試料か
らの光は入口スリツトを通り、分光計部分１２に
よつて分析される光エネルギー・ビームを形成す
る。分光計部分１２は２つの格子３２及び３４
（ホログラフイツク型又は回折型のいずれでもよ
い。）を含み、そのけい線はスリツト３０に対し
て並列となつている。スリツト３０は、２つの格
子を同時に照明するために、充分に低いＦナンバ
ーの光の中心を通すように設定されている。格子
３２及び３４はスリツト３０を通過するビームの
通路に配置されているが、ビームの異つた部分に
置かれており、それぞれ鏡３６及び３８に導かれ
る２つの異つた分散ビームを形成するように働
く。鏡の各々は、格子３２及び３４によつて分散
されたスリツト３０の像を円柱レンズ４０及び４
２の第１表面に焦結させる。これらのレンズは、
スリツト像を長手方向へ圧縮してアレイ４４及び
４６に含まれるホトダイオードの列へと焦結させ
るように働く。格子３２及び３４は可撓性調節板
４８上に取付けられ、ネジ５０及び５１で調節さ
れてよい。遮光板４７が格子３２及び３４の間に
配置されて、格子の周囲に生じる迷光の影響を除
去する。

格子３２及び３４は通常型の構成であり、所望
の分析される波長に従つて選択されてよい。選択
のやり方は、第２図を参照すれば理解される。こ
こで、グラフａは格子３２（回折型とする。）の
特性を示し、グラフｂは格子３４（回折型とす
る。）の特性を示す。格子の効率が50％を越える
スペクトル領域は、ブレーズ波長の約３分の２か
らその２倍のところまでであることが知られてい
る。格子３２が400ナノメータ（nm）の公称波長
でブレーズされるものと仮定すると、その格子が
50％を越える効率で動作する波長の範囲は、267
から800nmである。同様に、格子３４について
は、もしそれが公称波長600nmのところでプレー
ズされれば、50％を越える効率を有する波長の範
囲は400から1200nmである。もし所望の装置応答
が少なくとも50％の効率を利用するものとすれ
ば、各々の格子が400及び600nmでブレーズされ
て、器械の範囲は267から1200nmにわたることに
なる。このような広い範囲では、範囲の半分の波
長をアレイ４４に導き、他の半分の波長をアレイ
４６に導くように格子を調節することができる。
この例では、アレイ４４は267〜734nmの波長を
カバーし、アレイ４６は734〜1200nmの波長をカ
バーするように動作する。所望に応じ、又異つた
応用例で必要とあれば、狭い範囲における更に高
い効率で動作させることもできよう。

アレイ４４及び４６は、レチコン・コーポレー
シヨン（Reticon Corp.，Mountainview，
California）から市販されているソリツド・ステ
ート・ライン・スキヤナ型を使用するのが望まし
い。この型のものは、逐次的読出しのために集積
走査回路を有するシリコン・ホトダイオードより
成るリニア・アレイを含んでいる。このようなア
レイは、１列のホトダイオードが2.54×10^-3cm
（１ミル）の中心部に43.18×10^-3cm（17ミル）の
幅で配列されたものとなつており、128個から
1024個のホトダイオードを利用することができ
る。アレイは、個々のダイオードによつて受取ら
れた光の相対的強度に比例した出力信号を与え
る。分散ビームが第１図に示すようにダイオード
上に落ちるよう配置することによつて、連続した
ダイオードの各々が異つた公称波長を連続的に与
えることになる。これらの波長は、格子が正規ス
ペクトルを発生するから、実質的にリニアであ
る。

リニア・アレイは自己走査的であり、10KHz
から10MHzまでの範囲の周波数で動作し、よつ
て高速動作が可能である。アレイは適当な増幅器
及びデジタル処理装置へ接続されるのが望まし
く、よつてその出力は現代のデータ処理システム
にふさわしい高速度で分析することができる。し
かし、分光計をこのようなシステムに接続するこ
と、及びシステム動作は通常の方式に従うもので
あり、本発明の１部を構成するものではない。

器械の一般的な動作においては較正
（calibration）が必要となろう。この較正は、通
常のやり方で、ビーム中に置かれた一連の干渉フ
イルターを使用し、それらに対しどのホトダイオ
ードが最大応答を示すかを決定することによつて
行うことができる。分光計は用途が広く、全体の
スペクトルが必要となる場合、即ち受取つた輻射
エネルギーの帯域の各波長にわたる全ての強度を
示す出力信号が必要である場合にも使用可能であ
り、又所与の波長や特定の限定された数の波長に
ついてのみ選択的に動作させることもできる。例
えば、或る試料について所与の波長における吸収
性又は透過性がデータとして必要である場合に、
分光計出力はその目的に従つて分析され、特定の
波長群についてのみ限定することができるのであ
る。

本発明については多くの変更例が考えられよ
う。容易に分る１つの変更例は、ホログラフイツ
ク型格子を使用して、その分散作用と共に分散ビ
ームの結像作用をも利用することである。このよ
うな装置においては、格子手段及び結像手段は結
合され、従つてそれは直接にアレイ上にスリツト
像を形成することができる。他の形式の照明手段
も用いてよく、変動しない照明装置の代りにパル
ス式又はスパーク式等の照明を用いることによつ
て、高速動作を行う分光計から所望のプリントア
ウトを容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う分光光度計の略図、第２
図は本発明の装置で使用される典型的格子の特性
を示す例示的グラフであつて、格子の効率と波長
との関係を示す図である。１０…照明部分、１１…試料（テスト・セ
ル）、１２…分光計部分、１４，１６…光源、１
８…ビーム・スプリツタ、２０…レンズ、２２…
鏡、２４…中性密度フイルタ、２５…絞り、３０
…スリツト、３２，３４…格子、３６，３８…
鏡、４０，４２…円柱レンズ、４４，４６…アレ
イ、４７…遮光板、４８…可撓性調節板、５０，
５１…ネジ。

Claims

【特許請求の範囲】１下記の構成要素イ乃至ニを具備する分光計。 (イ) 光ビームを導入する長方形状の１つの入口ス
リツト。 (ロ) 前記スリツトによつて導入された光ビームの
通路に静止的に配置され且つ該ビームを２つの
別個の分散ビームへ分散させる第１及び第２の
格子。上記各格子は上記入口スリツトと平行な格子
線群を有し、上記各格子の格子線群は異なつた
第１次分散を与えるように相互に異なつてい
る。 (ハ) 線状に配列されたホトダイオード群を有する
第１及び第２アレイ。上記各アレイ中のホトダイオードは、各アレ
イに照射された分散ビームの強度に比例した出
力信号をそれぞれ発生する。 (ニ) 上記２つの分散ビームの各々を上記第１及び
第２のアレイへ対応付けて焦結させることによ
り各アレイ上に上記入口スリツトの像を結像さ
せる手段。