JPH01126519A - 高速走査分光器 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、回折格子（グレーティング）を用いた分光器
に関し、特に短時間中に起る発光、吸光またはスペクト
ルの変化等の過渡現象を時間的に分解して測光する高速
分光測光に好適な高速走査分光器に関する。

（従来の技術） 分光器には、従来から分散素子として分光プリズムや回
折格子（グレーティング）が用いられているが、分光プ
リズムに比して回折格子は、赤外域での角分散度が大き
く、また短い波長域でも分光プリズムのように光吸収に
より使用不能となるようなことが無いから、近年、製作
技術の向上に伴って広く用いられるようになった。この
回折格子を用いた分光器としては、第６図に示す如き、
収差の少いツエルニ−ターナ（Ｃｚｅｒｎｙ　Ｔｕｒｎ
ｅｒ）型のものが多く使用されており、入射スリットＳ
２０から入射した被測定光を凹面鏡Ｍ２０で平行光束と
し、回折格子Ｇ２０にて分光された波長毎の平行光束を
凹面鏡Ｍ２１で射出スリ７）Ｓ２１上に単色像として結
像させ、その際、回折格子Ｇ２０を回転調整して、分光
された各波長の光を射出スリット３２１を通して取り出
すように構成されている。

一方、分散素子として回折格子を用い、高速にて変化す
る現象を時間的に分解して測光する高速走査分光器とし
ては、従来、例えば特開昭５６−７９９２３号公報に開
示されているように、射出スリットの位置に受光素子ア
レーの如きイメージ検出器を設けて電気的に波長走査を
行い、さらに入射スリットに入射する光束を高速に回転
する回転スリットまたは回転ポリゴンミラーにて高速走
査するように構成したものや、特開昭５７−３７２２２
号公報に開示されているように、射出スリットの前の光
路上に高速に回転する平行平面ガラスを設け、その平行
平面ガラスを透過した光を射出スリットにより高速に波
長走査し、一定波長中の光を射出スリットから取り出す
如く構成されているもの等が公知である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の射出スリットの位置に受光素子ア
レーを設けて電気的に波長走査を行なう高速走査分光器
に′おいては、時間分解能を高めることはできるが、受
光素子数によってスペクトル分解能が定まる為、高いス
ペクトル分解能の分光は不可能である。また前記の平行
平面ガラスを高速回転させて波長走査を行うものにおい
ては、固体レーザ光のように限られた狭い波長中の光に
しか用いることができない欠点が有る。また、ツエルニ
−ターナ型分光器の回折格子をカルバノミラーのように
高速に振巾運動させる方法も考えられるが、振動中が大
きいため、強大な駆動装置を必要とするという問題点が
有る。

本発明は、上記従来装置の問題点を解決し、時間分解能
とスペクトル分解能とが共に高く、しかも比較的に構成
が簡単な高速走査分光器を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決する為の手段） 本発明は、上記の目的゛を達成するために、駆動軸を中
心として高速回転可能な複数のミラー面よりなる回転ポ
リゴンミラーの各ミラー面に反射回折格子を設けてポリ
ゴン反射回折格子となし、高速回転する前記のポリゴン
反射回折格子の各回折格子にて分光された光をもって開
ロスリフトを波長走査するように構成することを前記の
問題点を解決する為の手段とするものである。

（作　用） 各ミラー面に、分散素子としての反射回折格子がそれぞ
れ設けられたポリゴン反射回折格子（ＰＧ）の高速回転
に伴って、各反射回折格子毎に開ロスリッ）　（Ｓ２　
、Ｓ＋□、Ｓ　＋１）面で波長走査が行なわれる。従っ
て、同一の回折格子を持つ１面のポリゴン反射回折格子
ＰＣでは、一回転でｎ回分光測光が可能となる。また、
短波長から長波長まで、溝本数が多く且うそれぞれ分担
する波長帯毎に最適なブレーズ角を持った回折格子を各
ミラー面に配することにより、一回転での分光回数は減
少するが、広い波長領域に亘り高いスペクトル分解能を
もって分光させることも可能となる。

さらに、同一の回折格子を有するポリゴン反射回折格子
ＰＧの１個の反射回折格子で分光された光を中間スリッ
ト上に結像させた後、さらに他のミラー面で再び分光さ
せる二重分光器に構成することもでき、はぼ２倍のスペ
クトル分解能で、高時間分解能のものとすることができ
、しかも迷光が少く微弱な被測定光でも高速分光が可能
となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳しく説
明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図で、入
射スリットＳ、に入射した被測定光束は、第１凹面鏡Ｍ
１で平行光束となる０回転軸Ｃのまわりに高速回転可能
なポリゴン反射回折格子ＰＣは、８個のミラー面を有し
、各ミラー面には、回転軸Ｃの軸方向（紙面に垂直方向
）に格子線が平行に施された反射回折格子Ｇ、〜Ｇ、が
設けられている。ポリゴン反射回折格子ＰＧの各ミラー
面に入射した平行光束は、反射回折格子ＣＩ””’　Ｇ
　ｓにてその都度分光され、その分光されたそれぞれの
光束は、第２凹面鏡Ｍ２によって射出スリットＳ２上に
集束され、入射スリットの単色像として結像され、分光
された各波長光は、その射出スリットＳ８から取り出さ
れる。

反射回折格子Ｇ、〜Ｇ６を第２図に示すような鋸歯状の
エシェレット格子（Ｅｃｈｅｌｅｔｔｅ　ｇｒａｔｉｎ
ｇ）とすると、その性能は、格子溝のピッチ間隔ｄとブ
レーズ角βとで定まる。いま、回折格子面の初期設定と
しての回折格子回転角θが零（ゼロ）の、１点鎖線Ｎ゛
で示す法線に対して、入射角αで平行光束Ｉｎが回折格
子Ｇに入射し、反射角αで平行光束Ｏｕｔとして射出す
るものとすると、回折格子Ｇが角θだけ回転した場合に
は、入射平行光束Ｉｎに対する射出光束Ｏｕｔの波長λ
は、次の式（１）にて表わされる。

λ ５ｉｎ（ｃｒ＋θ）　　５ｉｎ（α−θ）　−ｍ　−−
（１）ここで、ｍは回折次数、ｄは格子のピッチ間隔で
ある。すなわち、白色の光は回折格子Ｇにて分光され、
その分光された所望の波長λの光を射出光束○ｕｔの方
向射出スリットＳｔを設けることにより、所望の波長光
が得られる。

また、所望の光の波長をλ、分光される波長間隔をΔλ
とし、ある次数ｍについての回折格子の理論スペクトル
分解能λ／ΔλをＲ１とすると、Ｒ，＝λ／Δλ−ｍ−
ｎ　・・・・・・・・・　（２）（但しλ：被測定波長
、Δλ： にて与えられ、その分解能Ｒ９は、回折次数ｍと回折格
子Ｇの光束が有効に当る溝本数ｎとに比例する。

さらに、回折効率は、ブレーズ角βに依存し、溝面に対
して正反射に近い程効率が良く、通常、回折格子回転角
θは、巾で４０°程度が有効角となる。

上記の関係から、回折格子を分散素子として用いる分光
器において、スペクトル分解能Ｒ９を上げるためには、
溝本数ｎを増す必要が有り、その溝本数ｎを増し多くす
る為に格子溝のピッチ間隔ｄを小さくすると、回折格子
Ｇの回転角θを大きい範囲で回転させなければならない
、しかし、回折格子Ｇの回転角θは、回折効率の関係か
ら制限され、あまり大きくすることはできない、従って
、波長領域が大きくとれず、スペクトル分解能Ｒ。

と波長領域とを１個の回折格子で両立させることは極め
て困難である。

第３１図は、ピッチ間隔ｄが６００本／１ｍの回折格子
の回折効率を示す線図である。いま、ポリゴン反射回折
格子ＰＣの各ミラー面に５００ｒｖブレーズの回折格子
を配した場合、第３図において、曲線すに示されている
ように、回折効率が５０％以上の領域で、３５０ｎ■〜
７５０ｎ＋ｗの可視光をポリゴン反射回折格子ＰＧ１回
転で、ミラー面数（８面）に等しい回数（８回）の波長
走査が可能である。従って、ポリゴン反射回折格子ＰＣ
を例えば２４０ＯＲＰＭで回転した場合、１回の波長走
査が３　ｍ５ｅｃで行われることになるので、極めて早
い分光測光が可能となり、高い時間分解能が得られる。

又、第３図の曲線ａ、ｂ、ｃにて示すような互いに異な
るブレーズ波長（３００ｎｍブレーズ、５００ｎ＋ｗブ
レーズ、７５０ｎｍブレーズ）の回折格子をポリゴン反
射回折格子ＰＧのミラー面に順次配して構成すれば、紫
外域から赤外域に及ぶ広い波長範囲を良い回折効率で高
速に分光測定することが可能となる。さらにまた、式（
１）に従って、回折格子の溝ピッチｄを細かくし、ある
いは射出スリットの位置を変えて、１次回折光では無く
ｍ＝２などの高次回折光を使うと、同じ回転角θに対し
て、波長走査領域が小さくなるがスペクトル分解能を回
折次数または溝本数に比例して良くる。

しかし、第１図の実施例では、ポリゴン反射回折格子Ｐ
Ｃのミラー面の面数が多いので、各ミラー面の溝本数を
異ならせることにより、高速走査でしかもスペクトル分
解能の高い分光が可能となる。

第４図は、本発明の第２実施例を示す光学系構成図であ
る。入射スリット３１１に入射した被測定光束は、第１
平面鏡Ｒ，で反射し、第１凹面鏡Ｍ目にて平行光束とな
る。この第１凹面鏡Ｍ、にて反射された平行光束は、回
転軸Ｃを中心として回転するポリゴン反射回折格子ＰＧ
のミラー面に入射する。このポリゴン反射回折格子ＰＧ
の各ミラー面には、それぞれ回折格子０１〜Ｇ、が施さ
れている。第４図において回折格子Ｇ、に入射した平行
光束は、その回折格子Ｇ１にて分光され、分光されたそ
れぞれの波長の光は、第２凹面鏡Ｍ１！により中間スリ
ットＳａｔ上に入射スリットの単色像として結像される
。この中間スリットＳｌ！を通過する際に迷光（フレア
ー）の除去された所定波長巾の光は、第３凹面鏡Ｍ　１
３で再び平行光束となり、先に入射した回折格子Ｇ１と
反対側の他の回折格子Ｇ、にて再び分光され、第４凹面
鏡Ｍ＋４、第２平面鏡Ｒ，を介して射出スリット５ｌｆ
ｆ上にさらに狭い所定波長巾に集束され、この射出スリ
ットＳｋｉを通して各波長の光が取り出される。

中間スリットＳ＋Ｚの近傍の光路上には、次数カットフ
ィルターＦが設けられている。この次数カットフィルタ
ーＦは、ポリゴン反射回折格子ＰＧのミラー面上の各回
折格子Ｇ　ｌ””　Ｇｈに対応する扇形の次数カットフ
ィルター片をターレット状に組み込んだもので、回転軸
Ｆｃを中心として回転し、ポリゴン反射回折格子ＰＧの
回転に同期して、適正な次数カットフィルターが光路上
に挿入される。

上記の第２実施例においては、１個のポリゴン反射回折
格子ＰＣ中に設けられた、回転軸Ｃに対称な位置に設け
られた２個１対の回折格子Ｇ０、Ｏｓ　、Ｇｔ　、Ｇｈ
　、Ｇｓ　、Ｇｙ及びＧ４、Ｇ＠にて、被測定光をそれ
ぞれ２回回折させることにより、ダブルモノクロメータ
−の如き二重（ダブル）分光器を構成している。この二
重分光器の構成によれば、波長分解能は、およそ第１図
の第１実施例の２倍になり、さらに開口スリットＳｌｆ
により迷光の除去がなされる為、極めて良好なコントラ
ストで高い分解能を持った分光が可能となる。

加えて、上記の第２実施例では、第１実施例と同様に、
非常に早い分光及び波長範囲の広い分光も可能となる。

いま、ポリゴン反射回折格子ＰＧの互いに対称的な位置
に在る回折格子Ｇ、とＧｓ、ＧｈとＧｈ、Ｇ、とＧ、及
びＧ４とＧ、がそれぞれ同じ溝本数ｎで構成され、４個
の等しい凹面鏡Ｍ１１、Ｍｌ！、Ｍ　、　２、Ｍ　１４
がポリゴン反射回折格子ＰＣの回転軸に対して対称に配
置されていると、第４図において回折格子面の法線Ｎｌ
に対し、入射角α、射出角αの位置からポリゴン反射回
折格子ＰＣが破線で示すように角θだけ回転したとする
。この場合の二重分光器としての理論波長分解能Ｒ，は
・・・・・・（３） となる、ただし、ｍは回折次数、ｎは有効溝本数である
。

ここで、回転角θがあまり大きくないと仮定すると、 ｃｏｓ　（α＋θ） となるため、理論波長分解能Ｒ１は、第１実施例のよう
な１回回折の場合のほぼ２倍となる。すなわち、第１実
施例と同じポリゴン反射回折格子ＰＧを使用して分解能
は２倍となり、また第１実施例と同じ分解能でよい場合
には、各回折格子０１〜Ｇ、を小さくすることができる
ので、ポリゴン反射回折格子ＰＣのサイズを半分にする
ことが可能である。

なお、第４図の第２実施例においては、ポリゴン反射回
折格子ＰＧと同期して回転する次数カットフィルターＦ
を中間スリットＳ１１の近傍に設けたが、第５図に示す
ように、次数カットフィルターＦ１〜Ｆ１をポリゴン反
射回折格子ＰＧの回折格子（ａｔ〜Ｇ、）の前面に設け
、これをポリゴン反射回折格子ＰＣ，と一体に回転させ
るようにしてもよい。また、第１図の第１実施例におい
ては、次数カットフィルターが設けられていないが、射
出スリットＳ２から取り出される、分光された光束中に
他の次数の光が混入してノイズとなる場合には、そのノ
イズとなる波長光を遮断する次数カットフィルターを、
射出スリットＳ２の近傍の光路上に設け、これを第２図
の実施例と同様にポリゴン反射回折格子ＰＧと同期して
回転させるか、あるいは第５図に示すようにポリゴン反
射回折格子ＰＣの回折格子０１〜Ｇ、の前面に設けて、
これをポリゴン反射回折格子ＰＣと一体に回転させるよ
うにすればよい。

なお、第１図及び第２図の実施例にはツエルニ−ターナ
型の光学配置のものを用いたが、リトロ−型やエバート
型のものでも差支えない、また、本発明の分光器は、モ
ノクロメータや分光光度計は勿論、光スペクトルアナラ
イザーのような電気的処理機能を有する分光分析装置に
対しても有効である。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、高速回転可能なポリゴンミ
ラーの各ミラー面に反射回折格子を設け、その反射回折
格子によって分光された光で波長走査するように構成し
たから、ポリゴン反射回折格子１回転当り、ミラー面の
面数に応じた波長走査が可能となり、高い時間分解能が
得られる。また、ブレーズ波長の異なる反射回折格子を
ミラー面にそれぞれ設けることにより、高速走査波長領
域を拡げることができ、また、格子溝本数を多くするこ
とにより波長分解能を上げることができる。さらに、第
２実施例の如く、異なるミラー面を同時に使用するよう
に構成すれば、二重分光も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図で、第
２図は第１図の実施例に用いられる反射回折格子の説明
図、第３図は３種の反射回折格子の回折光効率線図、第
４図は本発明の第２実施例を示す光学系構成図、第５図
は、第１図および第５図の実施例に用いられるポリゴン
反射回折格子の各ミラー面に次数カントフィルターを付
加した状態を示す平面図、第６図は、従来のツエルニ−
ターナ型分光器の光学系構成図である。 （主要部分の符号の説明） ＰＧ・・・・・・ポリゴン反射回折格子０１〜Ｇ、・・
・・・・反射回折格子 Ｍ＋　、Ｍｚ　、Ｍｌｌ−Ｍ＋４・・・凹面鏡Ｓ１、Ｓ
＋＋・・・・・・入射スリット出願人　　日本光学工業
株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動軸を中心として高速回転可能な複数のミラー
   面より成る回転ポリゴンミラーの各ミラー面に反射回折
   格子を設けてポリゴン反射回折格子となし、高速回転す
   る前記ポリゴン反射回折格子の各回折格子にて分光され
   た光をもって開口スリットを波長走査するように構成し
   たことを特徴とする高速走査分光器。
2. （２）前記ポリゴン反射回折格子（ＰＧ）の各ミラー面
   に設けられる反射回折格子は、被測定光を同一のブレー
   ズ波長の光に分光するようにそれぞれ同じ回折格子にて
   形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の高速走査分光器。
3. （３）前記ポリゴン反射回折格子（ＰＧ）は、互いにブ
   レーズ波長の異なる反射回折格子を有する複数のミラー
   面にて構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の高速走査分光器。
4. （４）前記ポリゴン反射回折格子は、互いに同じブレー
   ズ波長の光に被測定光を分光する反射回折格子を有する
   複数対のミラー面から成り、互いに対をなす複数のミラ
   ー面で被測定光を繰り返して分光するように構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高速
   走査分光器。