JPS63139222A - 面分光装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分光装置に係り、特に測定対象を通常の分光
装置の如く点としてではなく面として即ち画像として、
連続的に任意波長について、任意のａｔ１１定波長幅に
ついて分光測定するに好適な、面分光装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、任意の測定対象について、ある波長域のみの画像
を取り出して情報とする最も面側な方法は、その波長域
の光のみを透過させ、他の波長域の光については吸収あ
るいは反射させてしまうような光学フィルタを用いてい
た。例えば１通常のカメラで撮影を行う場合等に、紫外
線が強い所で普通のフィルムを使用すると色むらが生じ
たりするので、紫外線カットのフィルタを用いる。そし
て、可視光のみを撮影できるようにしている。

また、放電や燃焼現象の解明のために、放電プラズマ中
や火炎中にあるラジカルや活性分子等といった不安定な
分子や原子等の化学種の固有の特定波長についてその発
光強度の空間分析のｗ４察が必要となる。その場合、そ
の固有の特定波長の発光のみを測定することになり、特
定波長のみの光を通過させる光学フィルタが通常用いら
れている。

例えば、火炎中の不安定化学種の測定についてはアプラ
イド　フィジイクスビー、２９　（１９８２年）第９３
頁から第９７頁（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ
２９．９３−９７（１９８２））で触れられており、特
に図１（Ｆｉｇｌ）には、ＯＨラジカルの発光を対象と
したフィルタと０３ラジカルの発光を対象としたフィル
タの２枚を使用しているものが示されている。しかし、
フィルタを用いて特定波長域について画像として取り出
す方法は、フィルタ交換作業により波長を選択する必要
があるため、測定波長を連続的に変えられないという欠
点を有していた。更にフィルタは一般的に光の減衰が非
常に大きいという欠点も有し、それらの点については配
慮されていなかった。

そこで、任意の波長域について、連続的に画像として検
出する光学装置の開発が切望されていた。

その開発の１つとして、分光器を応用し連続的に画像と
して検出する光学装置が、日本分光学会春季講演会講演
要旨集（昭和６０年５月）の第２０頁に示されているも
のがある。分光器を用いることで該分光器の回折格子の
入射光に対する角度を変えて、連続的に波長を変えるこ
とは可能となり、更に、分光器内では光の反射のみを繰
り返し行うので、フィルタのような光の減衰も少なく押
えられる。しかし、この装置では、ｒ連続スペクトルの
バックグラウンドがあるので、バンドスペクトル自身の
影響の無い側でバンドヘッドに近接した部分を用いてソ
フトにより補正できるようにした。

」との記載がある様に、測定対象が連続スペクトルを持
つような場合には、測定に制限が加えられるという問題
があった。更にはソフトによる補正を行う等の処理が必
要であるため、光学装置として複雑化する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の如く、測定対象の必要な波長域のみを両像として
取り出す場合、フィルタを用いる方法では、フィルタ交
換作業により連続的に波長が変えられないという問題、
更には、フィルタ自身による光の吸収のため、任意波長
の必要な光について、強度は減衰してしまうという問題
を有していた。

また、分光ｌを応用する方法では、連続的に波長は変え
られるが、入射光（採取光）が、ある幅を持った連続ス
ペクトルで構成される光の場合には、測定に制限が加え
られたり、あるいは結像しない等光学的問題を有してい
た。

本発明の目的は、測定対象の必要な波長域のみを画像と
して取り出す場合に、連続的に波長が変えられ、しかも
入射光（採取光）がある幅を持った連続スペクトルで構
成される光であっても、測定に制限を加えず、充分に結
像する面分光装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る面分光装置は、第１分光器と、中間スリッ
トを介して前記第１分光器と連設された第２分光器とか
らなり、第１分光器は光分散用回折格子に集光させる集
光光学系と、光分散用回折格子及び該回折格子による分
散光を中間スリットに導く第１光学系とからなる光分散
光学系とから形成され、第２分光器は中間スリットから
入射する光を光混合用回折格子に集光させる第２光学系
及び前記光混合用回折格子とからなる光混合光学系と、
該光混合光学系による混合光を結像させる結像光学系と
から形成され、前記光分散光学系と光混合光学系とを中
間スリットを対称中心として光学的にシンメトリックに
駆動させる駆動手段を備えたものである。

〔作用〕

測定対象の光は、第１分光器の集光光学系及び光分散光
学系を経て分散光となって中間スリットに至る。すなわ
ち、第１分光器は、光分散素子として機能する。中間ス
リットである波長幅に絞られて第２分光器の光混合光学
系及び結像光学系を経て画像が得られる。すなわち、第
２分光器は光混合素子として機能する。駆動手段によっ
て第１分光器の光分散光学系と第２分光器の光混合光学
系とが中間スリットを対称中心として光学的にシンメト
リックに駆動することにより波長を連続的に変えられる
。

〔実施例〕

以下１本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

第４図に、本発明を適用した面分光装置の全体構成を示
す。即ち、測定対象の光を集光する集光レンズ１を有す
る第１分光器２）中間スリット３及び第２分光器４とか
らなる。６はリレーレンズ群、７は結像レンズ群を示し
、これら６．７は第２分光器４の結像光学系を形成して
いる。８はカメラを示す。すなわち、最終的に任意の波
長のみについて、画像としてカメラ８の撮像面に結像さ
れる。リレーレンズ群６や結像レンズ群７は、非点収差
補正や色収差補正を行いつつ、採光した光を画像として
結像させるために用いられる。

先ず、原理を説明する。ｉ！１１定対象である任意の発
光体から、必要な波長域のみを画像として取り出すこと
が出来る面分光装置について、ピンホールカメラとの対
比で、第５図及び第６図にて説明する。ピンホールカメ
ラとは、第５図に概略原理を示すごとくレンズ系の無い
カメラであり、ピンホール９の所で画像が点光源となり
、そこで左右上下入れ換り、フィルム１０上に結像する
ものである。即ち、フィルム面には全波長域１丁を含む
入射光が結像することになる０面分光装置は、このフィ
ルム１０の代りに波長によって反射角度が異る分光素子
′である回折格子１１を配置したものであり、よって第
６図に示す如く、波長毎（λｉ、λｊ、λｋ）に結像す
るスクリーン１２．１３．１４を持つことになる。なお
、前記ピンホール９ニ対応スる機能は、第６図ではスリ
ット１５で行なわれる。スリット１５で、点光源となり
左右上下入れ換った光は、スリット１５を通過後は、同
図の如く広がっていくので、凹面ｆｉｌｅにて平行光と
して、広がりを防止し、回折格子１１上へ反射され、そ
こで分光され波長毎に違う角度へと反射する。

第７図にて、本発明の装置で用いているエシュレット型
平面回折格子について説明する。この型の回折格子１１
は、溝が２つの面に削られた鋸歯状の断面を持っており
、溝平面１７と格子平面１８とのなす角θはフレーズ角
と呼ばれ、溝の間隔をｄ（格子定数）、格子平面１８に
対する法ａＯＮと入射光ＡＯ及び出射光ＯＢとのなす角
をそれぞれ入射角α及び出射角βとすれば、隣り溝で回
折を起こす光の光路差が、波長λの整数倍に等しいとき
回折光は強め合うので次の（１）式の関係が得られる。

ｍλ＝　ｄ　（ｓｉｎ　ａ　＋ｓｉｎβ）ｍ；０．±１
．±２　・・・・・・・・・（１）ｍはスペクトルの次
数と呼ばれる。（１）式の意味するところは１例えばｍ
＝１すなわち１次回折光について考える時、回折格子平
面１８に入射する光ＡＯの入射角αを決めれば、ｄは回
折格子１１による定数であるので、波長λの光は溝平面
に対して出射角βの方向に回折される（出射光ＯＢ）と
いうことである。

従って、第８図に示した如く、波長と散乱方向（反射方
向）の関係は入射光λ〒がλ〒＝λ、＋λ２（λ□〉λ
、）である時、（１）式を解くならば、λ。

は格子平面１８に対する法線から出射角Ｘの方向に、λ
２は出射角ｙの方向に回折されることになる（ｘ＞ｙ）
。

以上述べたことは、入射光が何本かの輝線スペクトルで
構成されている場合にも成立する。即ち、スペクトル線
幅が狭い場合、あるいは、輝線スペクトルと次の輝線ス
ペクトルとの間が分光器２の分解能以上に離れている場
合に成立する。従って、その場合は、第６Ｉ！Ｉに示す
如く入射光がλｉ＋λｊ＋λにの場合にはスクリーン１
２．１３．１４が３枚あれば、各波長毎の画像が得られ
ることになる。スクリーンが１枚しかない場合は（通常
はスクリーン（撮像面）は１枚しか設けない）回折格子
１１を回転させ、順次、波長毎の画像を投影させること
になる１通常第１０図に示した如く、分光器等では１個
の出射スリット１９から出射される光を検出する検出器
１１がスクリーンに対応し、出射スリット１９に直角に
入る光のみが分光器２から分光された光として出射し検
出される。即ち、光１丁が第９図に示す如く、λｉ、λ
ｊ１λにの輝線スペクトルから構成される光であるとし
た場合、λ〒は回折格子１１で３本に分光され、凹面鏡
１６にて出射スリット１９上へ集光される。第１０図で
はλｊが出射スリット１９に対して直角に入射している
のでλｊのみの画像が検出器２０で検出されることにな
り、そのスペクトルは第１１図の如くなる。出射スリッ
ト１９は１個であるので、λｉを検出する時は１回折格
子１１をＡの方向に回転させて、出射スリット１９に対
してλｉが直角に入射するようにする。同様にλｋを検
出する時は、Ｂの方向に回折格子１１を回転させる。

上記原理において、１丁が第１２図に示すようなバンド
スペクトルの場合については第１３図に示す如く、検出
器２０はある波長幅を持って検出する事になる。即ち、
そのスペクトルは第１４図に示す如くなる。この事は、
第６図と対比させて考えるならば、検出器２０に相当す
るスクリーン（１２，１３，１４）上には結像出来ず、
縦方向に長くにじんだ帯状の像となる（横の長さはスリ
ットの長さで定まり横方向にはにじまない）ことを意味
する。すなわち、分光器が１台では、入射光が第１２図
に示すようなバンドスペクトルの時には画像とはならな
い事になる。

そこで、第１２図のようなバンドスペクトルを持った入
射光に対し分光し、ある波長幅となって出射スリット１
９から出射した場合でも、にじまない像とする方法とし
ての本発明である光学系を第１図に示す、すなわち、第
１分光器２の機能は第１０図や第１３図の分光器と同様
であり、従ってここで用いる光分散用回折格子１１ａは
光分散素子として機能する。この光分散用回折格子１１
ａは入射光を、その光の構成波長毎に回折方向を変えて
分光する素子であり、この素子を逆に使用すれば光混合
素子としても機能させることができる。即ち、第８図に
て、λ、とλ３を格子平面１８に対する法線からの角度
をそれぞれｘ、ｙとして同点に、同図とは逆向きに入射
させるならば、その点から角度２方向に１丁として出射
し、従って光混合素子としても機能する事になる。第１
図にて示す第２分光器４は、光混合の機能のために配置
した分光器であり、第１分光器２の各構成要素と中間ス
リット３を対称中心として光学的にほぼシンメトリック
な光学配置としである。第１分光器２の光分散光学系を
なしている光分散用回折格子１１ａ及び該回折格子１１
ａによる分散光を中間スリット３に導く第１光学系（凹
面鏡１６とミラー２１とからなる）と、第２分光器４の
光混合光学系をなしている光混合用回折格子１１ｂ及び
この回折格子１１ｂに分散光を集光させる第２光学系（
凹面鏡１６とミラー２２とからなる）とを中間スリット
３を対称中心として各々互いに光学的にシンメトリック
に駆動する駆動手段（図示せず）が設けられている。出
射スリット１９から出て来る光は、分散しない光となっ
ているのでスクリーンを配置するならば、にじみなく結
像させることができる。集光レンズ１とスリット１５寄
りの凹面１［１６により集光光学系が形成されている。

出射スリット１９寄りの凹面鏡とリレーレンズ群６及び
結像レンズ群７により結像光学系が形成されている。な
お、入射光のどの部分を、どの程度に分割した光として
（第１４図の如くにどの程度の幅を持つ光として）出射
させるかは、前者は各回折格子１１　ａ、１　ｌ　ｂの
角度により、後者は中間スリット３の幅により選択でき
る。中間スリット３のスリット幅を可変構造にしておく
のが望ましい。

以下、本発明の面分光装置の波長分解能、空間分解能（
画像の解像度）について測定した一実施例を示す。即ち
、第２図に示すように、黒色板２３を四角型、丸環、三
角型に切り抜き、各々に３９０ｎｍ以上透過カット色フ
ィルタ２４．４６Ｏｎｍ以上透過カット色フィルタ２５
、そして６２０ｎｍ以上透過カット色フィルタ２６を配
置し、後方から白色光（太陽光）２７を当て黒色板２３
の面を測定対象とし、画像を集光レンズ１によって面分
光装置にて結像させ、各分光器２及び４内の各回折格子
１１ａ、ｌｌｂの角度を光学的にシンメントリツクに変
えて、カメラ８の撮像面に得られる像を観察するもので
あり、結果を第３図（ａ）〜（ｅ）に示す＊　３００ｎ
ｍに各回折格子１１ａ、１１ｂの角度を設定した場合は
、いずれのフィルタも光を透過しないので像は得られな
い（第３図（ａ））、４００ｎｍに設定して初めて３９
０ｎｍ以上透過のフィルタから光が透過して来て四角の
像が得られた（同（ｂ））、同様に５００ｎｍ設定では
４６０ｎｍ以上透過のフィルタからの光として丸環像が
得られた（同（ｃ））、６００ｎｍ設定では、同図（ｃ
）と同様の結果である（同（ｄ））。

すなわち、黒色板を三角型に切り抜いた所には、６２０
ｎｍ以上透過のカット色フィルタ２６が配置されている
ので、６００ｎｍに各回折格子１１ａ、ｌｌｂを設定し
た時には光は透過しないので、得られる画像は同図（ｃ
）と同様になる訳である。

各回折格子１１ａ、ｌｌｂを７００ｎｍ設定にすると、
全てのフィルタから光が透過して来るので四角、丸、三
角全ての画像が得られることになる（同図（ｅ））、本
実施例によれば１面分光装置は波長分解能及び伝達画像
の空間分解能について良好な結果を得ていることが分る
。

なお、本実施例で用いた測定対象としての黒色板２３の
大きさは１５０Ｘ１００ミリメートルであるが、測定対
象の大きさは集光レンズ１により選べる。測定波長域は
、本実施例では３００ナノメートルから７００ナノメー
トル迄行ったが、実際には回折格子１１ａ、ｌｌｂの特
性にて決まり本装置では紫外領域から可視、近赤外領域
迄可能である。また、測定波長幅は、中間スリット３の
スリット幅を選択することで最大７０Ａ’程度迄選べる
事を確１１　している。

次に、本発明の他実施例を説明する。出射スリット１９
からの出射出力光は分光されているため、強度が低く明
瞭な画像とならない場合がある。ここでは、その対策と
して第１５図の如く微弱光増幅を画像として行なうため
の二次元増幅素子すなわち光増幅素子２８をリレーレン
ズ群６と結像レンズ群７の間に配置した。

光増幅素子２８の動作原理を第１６図に示す。

光子２９はそれ自身としては増幅することが不可能であ
るので、光子を一度電子に変換し、電子を増幅しその電
子を再び光子に変えるというものである。光子２９は一
度フオドカソード面３０で１次電子に変換される。１次
電子は２次電子増倍管３１にて約１０３倍以上の２次電
子に増幅される。

ここでは、１次電子が金属壁面に当ると、そこから２次
電子が生じることを繰り返し行なっているため電子が増
幅される。２次電子増倍管３１の長さは約３００μｍで
１００ＯＶ程度印加し電子をプラス方向に加速している
。２次電子増倍管３１から飛び出した２次電子群３２は
５５００Ｖの印加にてフォスファー面３３にて衝突し、
再び光子３４となり、従って極微弱光が１０３倍以上の
強度を持つ光子となって観察されることになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ｍ定対象について、集光した光を分光
器にて分光し、更にある波長幅について該分光器と光学
的にシンメトリックに配置した分光器で光混合を行い、
混合された眩光について。

非点収差補正や色収差補正を行い、最終的にカメラへと
結像させることができるので、連続スペクトルで構成さ
れる光を発するような測定対象について測定対象の任意
の波長域について連続的に波長域を変えられ、面として
即ち画像として検出時に何らの制限も加えず検出できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光路説明図、第２図は本発
明の波長分解能、空間分解能を測定するのに用いた測定
対象概略図、第３図（ａ）〜（ｅ）は本発明の波長分解
能、空間分解能の測定の結果図、第４図は本発明の一実
施例の構成概略図、第５図はピンホールカメラの光学的
原理図、第６図は本発明の光学的原理図、第７図は本発
明の一実施例で用いているエシュレット型平面回折格子
の断面説明図、第８図は本発明の一実施例で用いている
エシュレット型平面回折格子における光の反射説明図、
第９図は入射光スペクトルの一例、第１０図は分光器内
の光路説明図、第１１図は出射光スペクトルの一例、第
１２１１は入射光スペクトルの一例、第１３図は分光器
内の光路説明図、第１４図は出射光スペクトルの一例、
第１５図は本発明他実施例の要部斜視図、第１６図は第
１５図の光増幅素子の動作原理図である。 １・・・・・・集光レンズ、 ２・・・・・・第１分光器、 ３・・・・・・中間スリット、 ４・・・・・・第２分光器、 ６・・・・・・リレーレンズ群、 ７・・・・・・結像レンズ群。 １１ａ・・・・・・光分散用回折格子、１１ｂ・・・・
・・光混合用回折格子。 １６・・・・・・凹面鏡、 （１，１６）・・・・・・集光光学系。 ２１．２２・・・・・・ミラー、 （１６，２１）・・・・・・第１光学系、（ｌｌａ、１
６．２１）・・・・・・光分散光学系、（２２，１６）
・・・・・・第２光学系、（２２，１６，１ｌｂ）・・
・・・・光混合光学系、（１６，６，７）・・・・・・
結像光学系、２８・・・・・・光増幅素子、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１分光器と、中間スリットを介して前記第１分
   光器と連設された第２分光器とからなり、第１分光器は
   光分散用回折格子に測定対象の光を集光させる集光光学
   系と、光分散用回折格子及び該回折格子による分散光を
   中間スリットに導く第１光学系とからなる光分散光学系
   とから形成され、第２分光器は中間スリットから入射す
   る光を光混合用回折格子に集光させる第２光学系及び前
   記光混合用回折格子とからなる光混合光学系と、該光混
   合光学系による混合光を結像させる結像光学系とから形
   成され、前記光分散光学系と光混合光学系とを中間スリ
   ットを対称中心として光学的にシンメトリックに駆動さ
   せる駆動手段を備えたことを特徴とする面分光装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、第１分光器及び
   第２分光器の各構成要素を中間スリットを対称中心とし
   て光学的にシンメトリックに配置した面分光装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項又は第２項において、結像
   光学系中に光増幅素子を介設した面分光装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項におい
   て、中間スリットのスリット幅を可変構造にした面分光
   装置。