JP5775687B2 - 分光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光検出装置に関し、特に、広い波長範囲の光を同時に検出する分光検出装置に関する。

分光検出装置の基本構成は、光を分光する分光素子と、分光された光を波長毎に集光させる集光光学系と、分光された光を検出する光検出器からなる。このような分光検出装置では、分光された光が光検出器に入射する座標、より厳密には、分光された光が波長算出面に入射する座標、から光検出器で検出された光の波長が特定される。

一般に、波長算出面は、集光光学系の結像面に設けられる。光検出器としてシングルチャンネル検出器が使用される場合には、光検出器に入射する光を制限するスリットが配置される面が波長算出面となる。また、光検出器として複数のセルからなるアレイ検出器が使用される場合には、セルの受光面が波長算出面となる。

通常、波長算出面上でスリットが移動し得る１ステップのサイズや波長算出面上の各セルのサイズは一定である。このため、波長算出面に光が入射する座標は波長に対して線形に変化することが望ましく、現に多くの光検出装置では、波長算出面に入射する座標と波長が線形関係にあると仮定して波長が算出されている。

しかしながら、実際には、波長算出面に入射する座標と波長の間に線形関係は成立しない。
分光素子である回折格子の干渉条件は、一般に、以下の式（１）で表される。ここで、αは回折格子への入射角、βは回折格子からの出射角、λは入射波長、Ｎは回折格子の格子周波数、ｍは回折次数である。
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎｍλ ・・・（１）

入射角αを一定として式（１）の両辺を出射角βで微分すると、以下の式（２）が導かれる。ここで、ｄβ／ｄλは出射角の分散を示している。
ｄβ／ｄλ＝Ｎｍ／ｃｏｓβ ・・・（２）

出射角の分散がｃｏｓβに依存していることから、出射角は波長に対して非線形に変化する。即ち、回折格子により分光された光は、波長に対して非線形な出射角で射出される。

集光光学系として、通常、色収差が良好に補正されたレンズ、または、色収差が発生しない集光ミラーが用いられることを考慮すると、波長に対する出射角の非線形性は、集光光学系により波長に対する集光位置（座標）の非線形性に変換されることになる。

さらに、出射角の分散がｃｏｓβに反比例していることから、回折格子は出射角βが０から離れるほど出射角βの波長λに対する非線形性が強くなるといった特性を有する。一方で、回折格子で高い回折効率を得やすい配置、特に、ブレーズド回折格子でのリトロー配置や、ＶＰＨ（Volume Phase Holographic）グレーティングでのブラッグ条件を満たす配置では、出射角β＝０にすることができない。このため、一般的な回折格子の使用環境では、非線形性が顕著に表れてしまい、その影響は無視できない。

以上のように、従来の分光検出装置では、分光素子である回折格子の波長に対する出射角の非線形性に由来して、波長算出面に光が入射する座標と波長の間には線形関係が成立しない。このため、座標と波長が線形関係にあるとの仮定の下で算出された波長（以降、算出波長と記す。）と光検出器で実際に検出された光が有する波長（以降、入射波長と記す。）との間にずれ（以降、検出波長ずれと記す。）が生じることから、正確な波長検出は困難である。

図９は、従来技術に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。以下、図９を参照しながら、分光検出装置で生じ得る具体的な検出波長ずれの量について例示する。
図９に例示される分光検出装置１００ａは、入射光ＩＬを分光する回折格子１と、分光された光を検出する光検出器２と、回折格子１と光検出器２の間に配置されて、回折格子１で分光された光を光検出器２に集光させる集光光学系３ａを含んでいる。

分光検出装置１００ａは、光が波長算出面２ａに入射するｙ座標と波長とが線形関係にあるとの仮定の下で、同時に取り込み得る光の最大波長範囲の中心値λＣが６００ｎｍ、最大波長範囲の幅Δλが２００ｎｍ、最大波長範囲λＣ−Δλ／２からλＣ＋Δλ／２が５００ｎｍから７００ｎｍ、となるように設計されている。なお、最大波長範囲は、回折格子１の分散、集光光学系３ａの焦点距離、光検出器２の大きさによって定まる。

回折格子１は、格子周波数が８００本／ｍｍのブレーズド回折格子であり、リトロー配置で設置されている。また、集光光学系３ａは、色収差が良好に補正されたレンズであり、その光軸が中心波長λＣの光Ｇと略平行になるように配置されている。

以上のように構成された分光検出装置１００ａでは、回折格子１からの出射角は波長に対して非線形であり、波長が大きくなるにつれて出射角βが大きくなる。その結果、上述した式（２）で示されるように、波長が大きくなるにつれて角度分散も大きくなる。また、集光光学系３ａは色収差が良好に補正されているため、波長に対する出射角の非線形性は、そのまま光が光検出器２に入射する座標にも反映される。

従って、６００ｎｍの光Ｇの分散を基準に、分散特性の線形性を仮定して各波長の光の入射座標を算出すると、５００ｎｍの光Ｂは算出される座標より内側に、７００ｎｍの光Ｒはより外側に入射する。つまり、光Ｂ、光Ｇともに入射波長より大きな波長として算出されることになる。具体的には、光Ｂは５０１ｎｍ、光Ｒは７０１ｎｍと約１ｎｍ誤って算出される。

結果として、分光検出装置１００ａでは、５００ｎｍから７００ｎｍの光を検出するつもりが、実際には約１ｎｍずれて、４９９ｎｍから６９９ｎｍの光を検出してしまう。即ち、入射波長と算出波長の間にずれが生じてしまう。

なお、光Ｇが光検出器２（波長算出面２ａ）に入射するｙ座標を０（原点）として、ｙＢをｙ座標の原点から光Ｂが光検出器２に入射する座標までの変位、ｙＲをｙ座標の原点から光Ｒが光検出器２に入射する座標までの変位、θＢを光Ｇと光Ｂのなす角、θＲを光Ｇと光Ｒのなす角とすると、分光検出装置１００ａでは、図９に例示されるように、ｙＢ＜ｙＲ、θＢ＜θＲの関係が成り立つことになる。

このような分光検出装置で検出波長ずれが生じるという技術的な課題に対して有効な技術が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特許文献１では、回折格子等の波長分散素子と集光光学系の間に非線形分散補償手段を配置することにより、波長分散素子の出射角の非線形性を補償する技術が開示されている。具体的には、回折格子と集光光学系の間にプリズムを挿入することにより出射角の非線形性を補償して、波長分散特性を平坦化する技術が開示されている。また、回折格子とプリズムを一体化した構成により、回折格子とプリズムの相対位置の調整を不要にする例も開示されている。

特許文献２では、集光光学系にｆ・ｓｉｎθレンズを用いて、回折格子の法線と集光光学系の光軸を平行に配置することにより、波長に対する像高（入射座標）の非線形性を解消する技術が開示されている。

特許文献１及び特許文献２に開示される技術によれば、回折格子等からの出射角の非線形性由来の検出波長ずれを補償することができる。

特開２０００−３０４６１４号公報 特開平９−８９６６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、回折格子と光検出器の間に、集光光学系以外の光学素子が必要となる。このため、装置の構成が複雑化してしまう。また、追加された光学素子と他の構成要素との間で厳密な角度調整が必要となるため、調整作業の負担が増加する。回折格子とプリズムを一体化した構成でも、光検出器への光の入射位置とプリズムからの射出角とをプリズムと一体化された回折格子の姿勢により厳密に調整する必要があるため、調整作業の負担は大きい。

また、特許文献２に開示される技術では、その構成上、回折光の集光光学系への入射角度が大きくなる。入射角度の大きな光に対しても正弦条件を満たすｆ・ｓｉｎθレンズとして集光光学系を構成しようとすると、一般的に、集光光学系は１群では足りず、複数群構成にする必要がある。このため、レンズ構成が複雑になり、それに伴ってその調整も複雑になる。

以上のような実情を踏まえ、本発明では、簡単な構成で、分光素子からの出射角の非線形性に由来する、入射波長と算出波長の間のずれを補償する技術を提供することを課題とする。

第１の態様は、光を分光するための分光素子と、前記分光素子で分光された光を検出するための光検出器と、前記分光された光を光検出器に集光させ、前記分光素子で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを倍率色収差により補償する集光光学系と、を含み、前記検出波長ずれは、前記光検出器に光が入射する座標と波長との間に線形関係が成り立つと仮定の下で算出される波長と、前記分光素子で分光された光が色収差が良好に補正された光学系を介して前記光検出器で検出されたと仮定の下で算出される波長と、の間のずれである分光検出装置を提供する。

第２の態様は、第１の態様に記載の分光検出装置において、λ１を光検出器で取り込まれる波長の最小値とし、λ２を光検出器で取り込まれる波長の最大値とし、δ１を波長λ１の光に対する集光光学系の最軸外における倍率色収差とし、δ２を波長λ２の光に対する集光光学系の最軸外における倍率色収差とするとき、以下の条件式を満たす分光検出装置を提供する。
δ１＞δ２

第３の態様は、第２の態様に記載の分光検出装置において、集光光学系が1枚の正レンズと1枚の負レンズからなり、正レンズのアッベ数をνｐ、負レンズのアッベ数をνｎとするとき、以下の条件式を満たす分光検出装置を提供する。
２＜νｐ／νｎ＜５

第４の態様は、第１の態様に記載の分光検出装置において、さらに、分光検出装置に光を入射させる開口スリットと、開口スリットと分光素子の間に置かれたコリメート光学系と、を含み、集光光学系で発生する軸上色収差がコリメート光学系により補正される分光検出装置を提供する。

本発明によれば、簡単な構成で、分光素子からの出射角の非線形性に由来する、入射波長と算出波長の間のずれを補償する技術を提供することができる。

本発明の各実施例に係る分光検出装置の基本構成を例示した概略図である。 実施例１に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。 実施例１に係る分光検出装置に含まれる集光レンズの倍率色収差と通常設計の集光レンズの倍率色収差を比較した図である。 実施例１に係る分光検出装置に含まれる光検出器に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれと、通常設計の集光レンズを用いた場合に光検出器に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれを比較した図である。 実施例２に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。 実施例２に係る分光検出装置に含まれる集光レンズの倍率色収差と通常設計の集光レンズの倍率色収差を比較した図である。 実施例２に係る分光検出装置に含まれるコリメートレンズの球面収差と収差が良好に補正されたコリメートレンズの球面収差とを比較した図である。 実施例２に係る分光検出装置に含まれる光検出器に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれと、通常設計の集光レンズを用いた場合に光検出器に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれを比較した図である。 従来技術に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。

図１は、本発明の各実施例に係る分光検出装置の基本構成を例示した概略図である。まず、図１を参照しながら、本発明の各実施例に係る分光検出装置の基本構成について説明する。

図１に例示される分光検出装置１００は、光ＩＬを分光する分光素子である回折格子１と、回折格子１で分光された光を検出する光検出器２と、回折格子１と光検出器２の間に置かれて、回折格子１で分光された光を波長毎に光検出器２に集光させる集光光学系３を含んでいる。

なお、分光検出装置１００は、集光光学系３ａの代わりに集光光学系３を含む点が、図９に例示される従来技術に係る分光検出装置１００ａと異なっている。集光光学系３は、回折格子１で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを倍率色収差により補償する集光光学系である。図１では、分光検出装置１００と分光検出装置１００ａとの作用の違いを明確に示すために、集光光学系３を介して光検出器２に入射する光線（実線）に加えて、集光光学系３の代わりに集光光学系３ａを介して光検出器２に入射する光線（破線）を併せて示している。

分光検出装置１００は、波長算出面２ａに光が入射するｙ座標と波長とが線形関係にあるとの仮定の下で、同時に取り込み得る光の最大波長範囲の中心値が波長λＣ、最大波長範囲の幅が幅Δλ、最大波長範囲が波長λＣ−Δλ／２から波長λＣ＋Δλ／２となるように設計されている。また、図１では、光Ｇは波長λＣの光を、光Ｂは波長λＣ−Δλ／２の光を、光Ｒは波長λＣ＋Δλ／２の光を、θＢは光Ｇと光Ｂのなす角を、θＲは光Ｇと光Ｒのなす角を示している。

集光光学系３は、その光軸と光Ｇが略平行となるように配置されている。また、集光光学系３は、短波長側の倍率色収差（例えば、光Ｂの倍率色収差）が長波長側の倍率色収差（例えば、光Ｒの倍率色収差）よりも大きくなる、即ち、長波長側の倍率色収差に対してプラス方向に生じるように設計されている。換言すると、集光光学系３は、以下の式（３）を満たすように構成されている。ただし、λ１、λ２は、それぞれ、光検出器２で取り込まれる波長の最小値、最大値であり、δ１、δ２は、それぞれ波長λ１、λ２の光に対する集光光学系３の最軸外における倍率色収差である。
δ１＞δ２ ・・・（３）

集光光学系３の短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差よりも大きいという特性は、従来の集光光学系の特性とは大きく異なっている。
集光光学系に用いられる通常のガラスは、波長が短いほど屈折率が高くなるため、単レンズで構成された集光光学系では、波長が短いほど集光光学系の近くに集光する。このため、短波長側の倍率色収差は長波長側の倍率色収差よりも小さく、即ち、長波長側の倍率色収差に対してマイナス方向に生じる。従って、図１に例示される集光光学系３は、単レンズで構成された集光光学系とは逆の倍率色収差特性を有している。

また、図９に例示されるような従来技術に係る分光検出装置では、集光光学系３ａのように、集光光学系として色収差が良好に補正されたレンズ、もしくは原理上色収差が発生しない集光ミラーが用いられるのが通常である。つまり、短波長側の倍率色収差と長波長側の倍率色収差は、いずれもほぼ０になるように構成されている。従って、図１に例示される集光光学系３は、図９に例示される集光光学系３ａとも明らかに異なる倍率色収差特性を有している。

さらに、集光光学系３は、１枚の正レンズと１枚の負レンズからなり、以下の式（４）を満たすように構成されることが望ましい。ただし、ｖｐ、ｖｎは、それぞれ、正レンズのアッベ数、負レンズのアッベ数である。
２＜ｖｐ／ｖｎ＜５ ・・・（４）

式（４）を満たすことで、集光光学系３で色収差を補正過剰な状態にすることが可能となり、その結果、短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差よりも大きいという特性を容易に実現することができる。

分光検出装置１００では、集光光学系３の短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差よりも大きいという特性により、光Ｇよりも波長の短い光Ｂでは倍率色収差がプラス方向に生じ、光Ｇよりも波長の長い光Ｒでは倍率色収差がマイナス方向に生じる。このため、図１に例示されるように、集光光学系３を用いる分光検出装置１００では、色収差が良好に補正された集光光学系３ａを用いる場合に比べて、光Ｂは光検出器２のより外側に、光Ｒは光検出器２のより内側に入射する。

このように、集光光学系３の倍率色収差による集光位置の変位は、短波長側への変位であり、上述した算出波長が入射波長に対して長波長側にずれる、回折格子１からの出射角の非線形性に由来する検出波長ずれの方向とは反対方向の変位である。このため、分光検出装置１００では、集光光学系３の倍率色収差により、回折格子１からの出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを補償することができる。

また、分光検出装置１００では、集光光学系３の倍率色収差により検出波長ずれが補償されるため、回折格子１と光検出器２の間に集光光学系３以外の光学素子を追加する必要がなく、装置の構成が複雑化することがない。調整も集光光学系３をその光軸と中心波長の光（図１では、光Ｇ）が略平行となるように配置するだけであり、非常に容易に行うことができる。

また、集光光学系３は、その光軸と中心波長の光とが略平行であるため、集光光学系３への光線入射角度が比較的小さな光学系として構成することが可能である。このため、集光光学系３は、構成を複雑にすることなく、十分な結像性能を確保することができる。さらに、短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差よりも大きいという光学特性についても、後述する実施例に示されるように、簡単な構成の光学系で実現することができる。

従って、分光検出装置１００によれば、簡単な構成で、分光素子である回折格子１からの出射角の非線形性に由来する、入射波長と算出波長の間のずれを補償することができる。

また、分光検出装置１００では、その簡単な構成により光検出器２に入射するまでに光が通過する光学素子の数も少なるため、検出感度の向上や迷光の低減といった効果も得ることができる。

以下、各実施例について具体的に説明する。

図２は、本実施例に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。図２に例示される分光検出装置１１０は、光ＩＬを分光するための分光素子であるＶＰＨグレーティング１１と、ＶＰＨグレーティング１１で分光された光を検出するための光検出器であるアレイ検出器１２と、ＶＰＨグレーティング１１とアレイ検出器１２の間に配置されて、分光された光を波長毎にアレイ検出器１２に集光させる集光光学系である集光レンズ１３と、を含んでいる。なお、分光検出装置１１０では、アレイ検出器１２の前面が波長算出面である。

ＶＰＨグレーティング１１の格子周波数は、６００本／ｍｍである。アレイ検出器１２は、３２個の検出セルを有し、各セルのｙ方向のサイズは、１ｍｍである。
集光レンズ１３は、ＶＰＨグレーティング１１側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズ（負レンズＬ１）と、正のパワーを有する両凸レンズ（正レンズＬ２）とからなる接合レンズであり、ＶＰＨグレーティング１１で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを倍率色収差により補償するように構成されている。

略平行な光ＩＬは、ＶＰＨグレーティング１１で分光されて、集光レンズ１３に入射する。集光レンズ１３に入射した分光された光は、集光レンズ１３により、アレイ検出器１２上に波長毎に集光する。分光された光がアレイ検出器１２に入射するｙ座標は、波長毎に異なるため、その入射座標から波長が算出される。

分光検出装置１１０は、図２に例示されるように、アレイ検出器１２で同時に取り込み得る最大波長範囲の幅を３２０ｎｍ、最大波長範囲を４４０ｎｍから７６０ｎｍに設定されている。このため、ｙ軸に沿って最もマイナス側の検出セルから順に番号を振り、最もマイナス側のセルを第１セル、最もプラス側の検出セルを第３２セルとすると、第１セルで検出された光は４４０ｎｍから４５０ｎｍの光として算出され、第３２セルで検出された光は７５０ｎｍから７６０ｎｍの光として算出される。従って、分光検出装置１１０では、例えば、５２０ｎｍから６２０ｎｍの光を取り込む場合には、第９セルから第１８セルによる検出結果を使用すればよい。

集光レンズ１３のレンズデータは、以下のとおりである。
集光レンズ１３
s r d nd vd
0(分光素子) ∞ 160
1 133.35 6 1.79838 29.84
2 65.411 8 1.49662 81.54
3 -103.0911

ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎｄはｄ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ０は、ＶＰＨグレーティング１１の射出面を示している。従って、面番号ｓ１が、集光レンズ１３の最もＶＰＨグレーティング１１側の面を示している。また、面間隔ｄ０は、ＶＰＨグレーティング１１と集光レンズ１３の間隔を示している。

また、波長４４０ｎｍの光に対する集光レンズ１３の最軸外における倍率色収差δ１と、波長７６０ｎｍの光に対する集光レンズ１３の最軸外における倍率色収差δ２と、集光レンズ１３の負レンズＬ１のアッベ数ｖｎと、集光レンズ１３の正レンズＬ２のアッベ数ｖｐは、それぞれ以下のとおりである。
δ１＝０．２１７、δ２＝−０．０５６、ｖｎ＝２９．８４、ｖｐ＝８１．５４

従って、集光レンズ１３は、上述した式（３）及び式（４）を満たしている。
また、集光レンズ１３との比較のため、倍率色収差が良好に補正された図示しない通常設計の集光レンズについても開示する。なお、通常設計の集光レンズは、集光レンズ１３と同様に負レンズと正レンズの接合レンズとして構成されている。

通常設計の集光レンズのレンズデータは、以下のとおりである。
通常設計の集光レンズ
s r d nd vd
0(分光素子) ∞ 160
1 126.0481 6 1.70049 41.24
2 60.3517 8 1.49662 81.54
3 -123.6468

また、波長４４０ｎｍの光に対する通常設計の集光レンズの最軸外における倍率色収差δ１と、波長７６０ｎｍの光に対する通常設計の集光レンズの最軸外における倍率色収差δ２と、通常設計の集光レンズの負レンズのアッベ数ｖｎと、通常設計の集光レンズの正レンズのアッベ数ｖｐは、それぞれ以下のとおりである。
δ１＝０．０１３２、δ２＝０．０１３３、ｖｎ＝４１．２４、ｖｐ＝８１．５４

従って、通常設計の集光レンズは、集光レンズ１３と異なり、上述した式（３）及び式（４）のどちらも満していない。
図３は、本実施例に係る分光検出装置１１０に含まれる集光レンズ１３の倍率色収差と通常設計の集光レンズの倍率色収差を比較した図である。図３（ａ）は、集光レンズ１３の倍率色収差図であり、本実施例に係る分光検出装置１１０の取り込み中心波長（６００ｎｍ）を基準とした、最大波長（７６０ｎｍ）での倍率色収差と最小波長（４４０ｎｍ）での倍率色収差が示されている。図３（ｂ）は、通常設計の集光レンズの倍率色収差図であり、分光検出装置１１０の取り込み中心波長（６００ｎｍ）を基準とした、最大波長（７６０ｎｍ）での倍率色収差と最小波長（４４０ｎｍ）での倍率色収差が示されている。なお、収差図中の“ＦＩＹ”は像高を示している。

図３に例示されるように、集光レンズ１３は、通常設計の集光レンズと比較して倍率色収差が大きく発生している。また、集光レンズ１３では、４４０ｎｍの倍率色収差が７６０ｎｍと比較して大きい。つまり、短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差に対してプラス方向に生じている。

図４は、本実施例に係る分光検出装置１１０に含まれるアレイ検出器１２に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれと、集光レンズ１３の代わりに通常設計の集光レンズを用いた場合にアレイ検出器１２に入射する光の波長とその入射位置から算出される波長とのずれを比較した図である。なお、横軸はアレイ検出器１２に入射する光の波長（入射波長）を、縦軸は入射波長と算出波長のずれ（検出波長ずれ）を、黒い棒グラフは集光レンズ１３でのずれを、白い棒グラフは通常設計の集光レンズでのずれを示している。図４で示されるように、集光レンズ１３を用いた場合、通常設計の集光レンズを用いる場合と比較して、全体的に検出波長ずれを軽減することができる。

以上のように、分光検出装置１１０によれば、負レンズＬ１と正レンズＬ２からなる接合レンズという簡単な構成の集光レンズ１３により、分光素子であるＶＰＨグレーティング１１からの出射角の非線形性に由来する、入射波長と算出波長の間のずれを補償することができる。

図５は、本実施例に係る分光検出装置の構成を例示した概略図である。図５に例示される分光検出装置１２０は、光ＩＬを分光するための分光素子であるブレーズド反射型回折格子２１と、ブレーズド反射型回折格子２１で分光された光を検出するための光検出器である光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）２２と、ブレーズド反射型回折格子２１とＰＭＴ２２の間に配置されて、分光された光をＰＭＴ２２に集光させる集光光学系である集光レンズ２３と、ＰＭＴ２２の前に置かれて、ＰＭＴ２２に入射する光を制限する移動可能な開口スリット２４と、を含んでいる。なお、分光検出装置１２０では、開口スリット２４の位置する面が波長算出面である。

分光検出装置１２０は、さらに、分光検出装置１２０に光を入射させる開口スリット２５と、開口スリット２５とブレーズド反射型回折格子２１の間に置かれて、開口スリット２５からの光を略平行な光に変換するコリメート光学系であるコリメートレンズ２６と、を含んでいる。

ブレーズド反射型回折格子２１の格子周波数は、８００本／ｍｍである。開口スリット２４の開口の最大幅は、１０ｍｍである。
集光レンズ２３は、ブレーズド反射型回折格子２１側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズ（負レンズＬ１）と、正のパワーを有する両凸レンズ（正レンズＬ２）とからなる接合レンズであり、ブレーズド反射型回折格子２１で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを倍率色収差により補償するように構成されている。

コリメートレンズ２６は、ブレーズド反射型回折格子２１側に凸面を向けた正のパワーを有する平凸レンズ（正レンズＬ３）と、ブレーズド反射型回折格子２１側に凸面を向けた負のパワーを有するメニスカスレンズ（負レンズＬ４）とからなる接合レンズであり、集光レンズ２３で発生する軸上色収差を補正するように構成されている。

集光レンズ２３では、検出波長ずれを補償するための倍率色収差の発生に伴って軸上色収差が発生する。このため、分光検出装置１２０では、集光レンズ２３で生じる軸上色収差により結像性能が劣化して分光の分解能が損なわれてしまうおそれがある。コリメートレンズ２６は、これを抑制するために、集光レンズ２３で生じる軸上色収差を補償するような軸上色収差が生じるように構成されている。従って、分光検出装置１２０は、集光レンズ２３とコリメートレンズ２６を組み合わせることで、波長算出面での軸上色収差を補正することができる。つまり、コリメートレンズ２６は、分光検出装置１２０の分解能維持光学系として機能している。

開口スリット２５を通過して分光検出装置１２０へ入射した光は、コリメートレンズ２６により略平行な光ＩＬに変換されて、ブレーズド反射型回折格子２１へ入射する。略平行な光ＩＬは、ブレーズド反射型回折格子２１で分光されて、集光レンズ２３に入射する。集光レンズ２３に入射した分光された光は、集光レンズ２３により、開口スリット２４上に集光してＰＭＴ２２に入射する。分光された光が開口スリット２４に入射するｙ座標は波長毎に異なるため、開口スリット２４をｙ方向へ移動させることにより、ＰＭＴ２２に入射する光の波長範囲を制限することができる。

分光検出装置１２０は、開口スリット２４が最大幅１０ｍｍのときにＰＭＴ２２で同時に取り込み得る最大波長範囲の幅を２００ｎｍ、最大波長範囲を５００ｎｍから７００ｎｍに、設定されている。つまり、開口スリット２４の開口幅１ｍｍにつき２０ｎｍの波長範囲を取り込むように設定されている。従って、取り込むべき波長範囲が５０ｎｍである場合には、開口スリット２４の開口幅は、５０／２０＝２．５ｍｍと算出される。また、中心波長６００ｎｍの光の入射座標をｙ＝０とすると、取り込むべき波長範囲を５２０ｎｍから６２０ｎｍと設定する場合には、開口スリット２４の開口端の座標は、（５２０−６００）／２０＝−４ｍｍと、（６２０−６００）／２０＝１ｍｍと算出される。

集光レンズ２３のレンズデータは、以下のとおりである。
集光レンズ２３
s r d nd vd
0(分光素子) ∞ 60
1 36.3245 1.6 1.8081 22.76
2 21.4143 7 1.43875 94.93
3 -37.3293

ここで、ｓは面番号を、ｒは曲率半径（ｍｍ）を、ｄは面間隔（ｍｍ）を、ｎｄはｄ線に対する屈折率を、ｖｄはアッベ数を示す。なお、面番号ｓ０は、ブレーズド反射型回折格子２１の射出面を示している。従って、面番号ｓ１が、集光レンズ２３の最もブレーズド反射型回折格子２１側の面を示している。また、面間隔ｄ０は、ブレーズド反射型回折格子２１と集光レンズ２３の間隔を示している。

また、波長５００ｎｍの光に対する集光レンズ２３の最軸外における倍率色収差δ１と、波長７００ｎｍの光に対する集光レンズ２３の最軸外における倍率色収差δ２と、集光レンズ２３の負レンズＬ１のアッベ数ｖｎと、集光レンズ２３の正レンズＬ２のアッベ数ｖｐは、それぞれ以下のとおりである。
δ１＝０．０６、δ２＝−０．０３８、ｖｎ＝２２．７６、ｖｐ＝９４．９３

従って、集光レンズ２３は、上述した式（３）及び式（４）を満たしている。
また、集光レンズ２３と比較するために、倍率色収差が良好に補正された図示しない通常設計の集光レンズについても開示する。なお、通常設計の集光レンズは、集光レンズ２３と同様に負レンズと正レンズの接合レンズとして構成されている。

通常設計の集光レンズのレンズデータは、以下のとおりである。
通常設計の集光レンズ
s r d nd vd
0(分光素子) ∞ 60
1 40.68 2 1.66672 48.32
2 20.4963 4 1.43875 94.93
3 -38.2733

また、波長５００ｎｍの光に対する通常設計の集光レンズの最軸外における倍率色収差δ１と、波長７００ｎｍの光に対する通常設計の集光レンズの最軸外における倍率色収差δ２と、通常設計の集光レンズの負レンズのアッベ数ｖｎと、通常設計の集光レンズの正レンズのアッベ数ｖｐは、それぞれ以下のとおりである。
δ１＝−０．００１５、δ２＝０．００２９、ｖｎ＝４８．３２、ｖｐ＝９４．９３

従って、通常設計の集光レンズは、上述した式（３）及び式（４）のどちらも満していない。
図６は、本実施例に係る分光検出装置１２０に含まれる集光レンズ２３の倍率色収差と通常設計の集光レンズの倍率色収差を比較した図である。図６（ａ）は、集光レンズ２３の倍率色収差図であり、本実施例に係る分光検出装置１２０の取り込み中心波長（６００ｎｍ）を基準とした、最大波長（７００ｎｍ）での倍率色収差と最小波長（５００ｎｍ）での倍率色収差が示されている。図６（ｂ）は、通常設計の集光レンズの倍率色収差図であり、分光検出装置１２０の取り込み中心波長（６００ｎｍ）を基準とした、最大波長（７００ｎｍ）での倍率色収差と最小波長（５００ｎｍ）での倍率色収差が示されている。なお、収差図中の“ＦＩＹ”は像高を示している。

図６に例示されるように、集光レンズ２３は、通常設計の集光レンズと比較して倍率色収差が大きく発生している。また、集光レンズ２３では、５００ｎｍの倍率色収差が７００ｎｍと比較して大きい。つまり、短波長側の倍率色収差が長波長側の倍率色収差に対してプラス方向に生じている。

また、コリメートレンズ２６のレンズデータは、以下のとおりである。
コリメートレンズ２６
s r d nd vd
0(開口スリット) ∞ 28.223
1 ∞ 1.5 1.48749 70.23
2 -5.0973 1 1.51633 64.14
3 -13.2916 50

なお、面番号ｓ０は、開口スリット２５の位置する面を示している。従って、面番号ｓ１が、コリメートレンズ２６の最も開口スリット２５側の面を示している。また、面間隔ｄ０は、開口スリット２５とコリメートレンズ２６の間隔を示している。

図７は、本実施例に係る分光検出装置に含まれるコリメートレンズ２６の軸上色収差と収差が良好に補正されたコリメートレンズの軸上色収差とを比較した図である。本実施例に係る分光検出装置１２０の取り込み中心波長（６００ｎｍ）を基準とした、最大波長（７００ｎｍ）での軸上色収差と最小波長（５００ｎｍ）での軸上色収差が示されている。図７（ａ）は、コリメートレンズ２６と集光レンズ２３を合わせた光学系の球面収差図である。図７（ｂ）は、収差が良好に補正されたコリメートレンズと集光レンズ２３を合わせた光学系の球面収差図である。なお、収差図中の“ＮＡ”は開口数を示している。

分光検出装置１２０は、上述した特性を有する集光レンズ２３とコリメートレンズ２６を組み合わせて使用することで、ブレーズド反射型回折格子２１で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを集光レンズ２３の倍率色収差により補償し、且つ、集光レンズ２３で発生した軸上色収差をコリメートレンズ２６の球面収差により補償することができる。

図８は、本実施例に係る分光検出装置１２０に含まれるＰＭＴ２２に入射する光の波長と開口スリット２４の位置から算出される波長とのずれと、集光レンズ２３の代わりに通常設計の集光レンズを用いた場合にＰＭＴ２２に入射する光の波長と開口スリット２４の位置から算出される波長とのずれを比較した図である。なお、横軸はＰＭＴ２２に入射する光の波長（入射波長）を、縦軸は入射波長と算出波長のずれ（検出波長ずれ）を、黒い棒グラフは集光レンズ２３でのずれを、白い棒グラフは通常設計の集光レンズでのずれを示している。図８で示されるように、集光レンズ２３を用いた場合、通常設計の集光レンズを用いた場合と比較して、全体的に検出波長ずれを軽減することができる。

以上のように、分光検出装置１２０によれば、実施例１と同様に、負レンズＬ１と正レンズＬ２からなる接合レンズという簡単な構成の集光レンズ２３により、分光素子であるブレーズド反射型回折格子２１からの出射角の非線形性に由来する、入射波長と算出波長の間のずれを補償することができる。また、コリメートレンズ２６を用いて集光レンズ２３で発生する軸上色収差を補正することにより、分光検出装置１２０は、分光の分解能を維持することができる。

なお、上述した実施例１及び実施例２では、集光光学系として接合レンズ（集光レンズ１３、集光レンズ２３）を使用する例を示したが、集光光学系の構成は接合レンズに限られない。例えば、レンズＬ１とレンズＬ２の間にわずかに隙間を設けて集光光学系を構成してもよい。また、集光光学系は、波長算出面での倍率色収差を調整することができる光学素子であればよく、例えば、分散を通常の光学系とは反対方向に生じさせることができる、いわゆるＤＯＥ（Diffractive Optical Element）などの回折光学素子であってもよい。

また、分光素子として、実施例１では、ＶＰＨグレーティングを、実施例２では、ブレーズド反射型回折格子を使用する例を示したが、分光素子は特にこれらに限られない。また、実施例１及び実施例２では、分光素子に略平行光を入射させている例を示したが、特にこれに限られず、発散光や収斂光を入射させてもよい。

１・・・回折格子、２・・・光検出器、３・・・集光光学系、３ａ・・・集光光学系、１１・・・ＶＰＨグレーティング、１２・・・アレイ検出器、１３、２３・・・集光レンズ、２１・・・ブレーズド反射型回折格子、２２・・・ＰＭＴ、２４、２５・・・開口スリット、２６・・・コリメートレンズ、ＩＬ、Ｒ、Ｇ、Ｂ・・・光、１００ａ、１００、１１０、１２０・・・分光検出装置、Ｌ１・・・負レンズ、Ｌ２、Ｌ３・・・正レンズ、Ｌ４・・・負レンズ

Claims (4)

1. 光を分光するための分光素子と、
   前記分光素子で分光された光を検出するための光検出器と、
   前記分光された光を前記光検出器に集光させ、前記分光素子で発生した出射角の非線形性に由来する検出波長ずれを倍率色収差により補償する集光光学系と、を含み、
   前記検出波長ずれは、
   前記光検出器に光が入射する座標と波長との間に線形関係が成り立つと仮定の下で算出される波長と、
   前記分光素子で分光された光が色収差が良好に補正された光学系を介して前記光検出器で検出されたと仮定の下で算出される波長と、の間のずれである
   ことを特徴とする分光検出装置。
2. 請求項１に記載の分光検出装置において、
   λ１を前記光検出器で取り込まれる波長の最小値とし、λ２を前記光検出器で取り込まれる波長の最大値とし、δ１を波長λ１の光に対する前記集光光学系の最軸外における倍率色収差とし、δ２を波長λ２の光に対する前記集光光学系の最軸外における倍率色収差とするとき、以下の条件式
   δ１＞δ２
   を満たすことを特徴とする分光検出装置。
3. 請求項２に記載の分光検出装置において、
   前記集光光学系が1枚の正レンズと1枚の負レンズからなり、
   前記正レンズのアッベ数をνｐ、前記負レンズのアッベ数をνｎとするとき、以下の条件式
   ２＜νｐ／νｎ＜５
   を満たすことを特徴とする分光検出装置。
4. 請求項１に記載の分光検出装置において、さらに、
   前記分光検出装置に光を入射させる開口スリットと、
   前記開口スリットと前記分光素子の間に置かれたコリメート光学系と、を含み、
   前記集光光学系で発生する軸上色収差が前記コリメート光学系により補正されることを特徴とする分光検出装置。