JPH02108929A

JPH02108929A - 二重分光写真装置

Info

Publication number: JPH02108929A
Application number: JP1224334A
Authority: JP
Inventors: Alain Thevenon; アラン、テヘノン; Clercq Michel Le; ミッシェル、ル、クレルク
Original assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Current assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1990-04-20
Also published as: US5002393A; EP0358830A1; CA1326773C

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、減法零分散構成で配置された一対の格子を備
える光学的帯域通過装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来は、スペクトルの分析は、光源にスリットを通じて
光を放射できるようにすることにより行われる。そのス
リットの光出力はまず平行にされ、通常は平らな回折格
子上に入射させられ、それから映像スリットを通じて見
るために集束させられる。典型的には、高分解能の用途
においては、スペクトル中の種々の位置における光の強
さを７１１１１定するために映像スリットの位置が変え
られる。その位置は分析される特定の放出スペクトル中
の光の種々の波長に対応する。典型的には、そのような
分析は、特定の波長の光が存在することを指示するばか
りでなく、その波長における光の強さも指示するフォト
セルを使用することにより行うことができる。

スペクトル放出の分析のための高品質低収差装置の開発
における大きな進歩は、本願の出願人により１９６０年
代の後期に行われた。とくに、フラマンド（Ｐｒａｍｍ
ａｎｄ）は彼の米国特許において、回折格子の製作のた
めにホログラフ記録技術を使用することを述べている。

すなわち、ホログラムが凹んだ表面に記録され、収差を
補正した高品質の集束格子を製作できる可能性を示した
。

より興味のある可能性が本願出願人の後の米国特許にお
いて論じられている。その米国特許には、球面状にくぼ
んだ１つの格子表面によりほぼ平坦なスペクトラムが発
生され。しかもコマ、非点収差等のような各種の収差を
任意の可能な程度に減らす。この米国特許の教示に従っ
てわかるように、格子における各種の収差の計算を記録
パラメータと使用パラメータに依存して行うことができ
る。

前記フラマンド特許の要旨は収差を補償された格子を得
るという問題を解決するために直観的なやり方を認識す
ることであったが、後で行われた定量的な技術は、上記
の直観的なやり方のモデルに結びつけられると、優れた
特性の解決技術の全てを得るという可能性が得られた。

過去１５年間における、しだいに高速となり、かつ強力
になってきたコンピュータの導入により、格子の設計は
、類似の特性を有するが、特定の用途または潜在的な用
途に合わせるために多少調整される格子を開発するため
に、記録技術の構成の仮定と、その記録技術の使用特性
の測定と、特性が既知である格子の変化の評価とを含め
た、腕ツノにまかせたやり方を基にしていた。その作業
はモデルを基にしたコンピュータモデル化技術により行
われる。したがって、コマが低く、非点収差が低く、ま
たは球面収差が小さいというような広い特性範囲を持つ
格子をホログラフィ−を用いて製作する可能性が今日存
在する。

しかし、実際的には、単一素子集束および分散装置は、
性能が非常に高いが、限界がある。とくに、多少強い放
出中に含まれる極めて弱い放出を弁別する場合には、ラ
ンダムに散乱させられる漂遊放射がとくに面倒になる。

たとえば、カルシウムを含んでいる物質中の鉛の存在を
検出したいと望んだとすると、カルシウム線の極めて高
い強さのために鉛のスペクトル放出の検出においてノイ
ズが生ずる傾向がある。強いカルシウム放出が存在する
場合に砒素の存在を検出することを望んだとすると類似
の状況が生ずる。

非常に強い光出力を有するレーザビームにより試料が励
起される場合に、レーザにより放出の場合には、原因は
同じではないがほぼ同じ問題に遭遇する。それらの技術
はたとえばラマン分光および螢光測定において用いられ
る。この問題に対する１つの可能な解はいわゆる二重モ
ノクロメータを使用することである。そのような装置の
背景を成す原理が、たとえば、アプライド・オプティッ
クス（Ａｐｐｌｆｅｃｌ　０ｐｔｉｃｓ）１１巻１号、
１９７２年７月、所載のエム・ブイ・アール・ケー・マ
ーティ（Ｍ−ｖ−Ｒ−に−Ｍｕｒｔｙ）の論文において
論じられている。

一般に、二重モノクロメータは、特定の波長の光を含む
光源として作用する第１のスリットを有する。その特定
の波長の光は、ノイズを潜在的に構成するものと考える
ことができる他の数多くの波長の放出に加えて、取出す
ことを望む信号である。そのスリットは、検出すべき「
信号」を含む光をコリメータ鏡に入射させる。そのコリ
メータ鏡は光を平らな回折格子へ反射する。その回折格
子は光を第２の集束反射部材へ回折させる。その集束反
射部材の出力は別のスリットを通される。

そのスリットは空間フィルタまたはマスクとして作用す
る。その空間フィルタまたはマスクは希望の波長と、希
望の波長範囲の外側の波長のノイズをある量だけ選択し
て除去する。次にその光は第２のコリメータ反射器へ送
られる。そのコリメータ反射器は光を第２の平らな回折
格子に入射させる。次にその光は第２の集束鏡へ反射さ
れる。その集束鏡は光を出力スリットへ送る。したがっ
て、原理的には、二重モノクロメータ出力は、二重モノ
クロメータの入力と比較して、信号と背景光の比がはる
かに高い。しかし、二重モノクロメータはかなり安価な
部品を全く少数含んでいる。

（発明の概要）本発明は従来の装置を改良するものである。本発明は、
複数の波長におけるスペクトル＆に出のための光の強さ
のｎ１定を、格子を回転させずに同時に行うことができ
る装置をどのようにして得るがという問題を解決するも
のである。更に、その問題の解決は、１つの分散装置を
用いて、複数の放出に対して同時に達成できる。また、
その問題の解決は、補償されたコマ零分散二重スペクト
ロメータ装置を用いて達成される。更に詳しくいえば、
本発明は、平らなスペクトル集束面に対して対象とする
スペクトル範囲全体にわたって非点収差を最も完全に修
正するために、および１つの焦点面にできるだけ完全に
アナスチグマートな像を結ばせるという主な設計考察を
与えられるならば、焦点外れ、コマ、球面収差のような
収差を達成可能な最低値まで減少するために計算された
一対のくぼみ格子を使用しようとするものである。中心
波長において、およびｒｔＴ心波長波長い波長において
は、二重格子装置が選択されて、その装置の差し引く性
質のために２つの格子のコマが互いに打消す結果となる
という事実によって、焦点外れ収差および球面収差より
もコマは多少重要ではない。

本発明に従って、二重分光写真装置は、分析すべき光を
受けて、その光を通す入口スリットを有する。第１の集
束回折格子がその光を受ける。第２の集束回折格子が、
第１の集束回折格子により反射された光を受ける。第１
の集束回折格子と第２の集束回折格子は、平らでほぼア
ナスチグマートなスペクトルを形成するという特性を有
する。

装着手段が第１の格子と第２の格子を、仮想平面を中心
として対称的な位置に保持する。それらの格子のそれぞ
れの焦点が互いに、および仮想平面に一致する。第１の
格子から第２の格子へ向って反射され、第２の格子から
出口スリットへ向って反射された光を出口スリットが受
ける。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

まず、本発明に従って製作された二重分光写真装置１０
の構造が示されている第１図を参照する。

この装置１０は第１の凹面状回折格子１２と、第２の凹
面状回折格子１４とを含む。分析するための光は入口ス
リット１６を通じて装置へ供給される。この装置の出力
は出口スリット１８から取出される。装置１０の内部に
おける帯域通過選択が一対のあご２０と２２により行わ
れる。それらのあごは−緒になって、格子１２により形
成されたスペクトルの部分だけを通する。

あごの動作は、装置の線図的斜視図から一層容易にわか
る。更に詳しくいえば、第２図かられかるように、あご
２０と２２はＵ形の金属板部材を一般的に有する。それ
らの金属板部材は黒く塗られ、従来の構造のようにして
、高さ２４と可変幅２６を有する帯域通過フィルタを構
成する。あご２０と２２を矢印２８の向きに動かすこと
により幅２６を変えることができる。高さ２４を変えた
い場合には、第５図に示すように４つのあご２０゜２１
．２２．２３を使用できる。同様に、入口スリット１６
と出口スリット１８は従来の構造であって、おのおのス
リットウィンドウ３０．３２をそれぞれ有する。本発明
に従７て、ウィンドウ３０．３２の高さと、あご２０と
２２の間に形成された帯域通過ウィンドウの高さとは極
めて低いが、図示のために寸法を跨設して描いである。

実際の寸法は使用する波長と特定の格子とに依存する。

第１図に示されている格子の実際の使用におては、高さ
２４の値は後で示す第１表に与えられている値をとる。

本発明に従って、格子１２は四面３４を有し、ホログラ
フ的に製作される凹面回折格子である。その四面３４に
複数の溝が配置される。

本発明に従って、仮想平面３６に沿って形成する平らな
スペクトル中の非点収差を完全に補正するために格子１
２が選択される。とくに、非点収差の補正は、この装置
を動作させようと望む有用な全スペクトル範囲にわたっ
てできるだけ完全に行うべきである。焦点外れ、コマお
よび球面収差を含めたその他の収差は、格子の選択され
た有用なスペクトル範囲にわたって可能な最小値まで減
少させられる。

好適な実施例に従って、仮想線３８を線３６に対して垂
直に通すものとすると、その線は格子の頂部と、この装
置が設計されているスペクトル範囲の中間とにほぼ一致
する。もちろん、その条件は必要ではないが、好適な動
作モードを表す。格子の頂部への垂線は線４ｏにより表
される。同様に、好適なモードに従って、格子１２と１
４および入口スリット１６と出口スリット１８は使用中
は固定された位置にあって、変えられない。これとは対
照的に、あご２０と２２は調節可能な位置と、希望のス
ペクトルの特定の部分の調節可能な空間選択とのために
装置される。

第１図から最も明確にわかるように、線１６に関して格
子１２と対照的な鏡像位置に位置させられる。第１図に
示されている特定の構成の結果として、および上記のよ
うに鏡像位置に設けることにより、格子１２におけるコ
マが格子１４におけるコマから差引かれる。

一般に同一の２つの格子を使用する多重格子構造におい
ては、集束格子の輔外れ装置が角度の大きさが等しい場
合であることを考えると、縦続して設けられている２つ
の格子がそれぞれのコマを打消すかどうかを判定するこ
とが可能である。したがって、２つの格子の共通の理論
的な焦点においては、どのスリットが入口スリットで、
どのスリットが出口スリットであるかに応じて、各格子
により像が結ばれると考えることができる。たとえば、
スリット１６が入口スリットであるとすると、線３６に
より定められた焦点面に生ずるコマはある向きを有する
。同様に、スリット１８を入口スリットと考えると、線
３６により定められる平面内の仮想焦点像にそのスリッ
トが生ずるコマは同じ向きを有する。したがって、第１
図に示されている装置ではコマはいぜんとして互いに打
消し合う。

第１図に示されている装置の分散を決定する場合には類
似の解析を見ることができる。ここでは格子１２と１４
は同一であり、同じ大きさで、同じ向きの分散を示す。

したがって、第１図に示されている装置の正味の分散は
零であることがわかる。

本発明に従って、線３６を含む共通の平面内に平らなス
ペクトルを形成する特性（その特性は、先に述べたよう
に、非点収差がほぼ完全に補正され、その他の収差は最
小値である）を持つ同一の格子を使用すると、格子の使
用可能なスペクトル範囲内のスペクトルの与えられた波
長範囲を選択することができる可能性が生ずる結果とな
り、しかも、選択されたスペクトルをより高い信号対雑
音比を有する信号に再び組合わせる。とくに、入口スリ
ット１６を点光源と考えると、スリット１６を通る光入
力は格子１２によりそれの成分に分散される。スペクト
ルの選択された部分があご２０と２２の間を通され、そ
の部分は再び組合わされて、格子１４から出口スリット
１８を通される出力にされる。

原理的には、対象とする範囲の外に非常に強い信号対雑
音比が存在するものとすると、ある散乱された漂遊光成
分かあご２０と２２の間を通る。

しかし、出口スリット１８の出力中に含まれているそれ
らの散乱させられた漂遊光成分およびその他の望ましく
ない光成分の正味の量は入口スリット１６に入る光成分
よりはるかに少い。したがって、出口スリット１８の出
力の信号対背景比は人力信号よりも大幅に改善されるこ
とがわかる。更に、本発明に従って、高解像力で低収差
の装置においては、装置の上限波長と下限波長の間の任
意の帯域範囲を分析のために選択することが可能である
。

更に、第３６に結ばれる像は収差がほぼ補正されている
から、非常に狭いスリットの高さ２４を採用でき、その
結果として従来の装置より信号対雑音比が高くなる。

装置の収差を持つ特性により光ファイバの入力と出力を
使用でき、第２図に仮想線で示されているように複数の
人力を互いに重ね合わせることができることがわかる時
に、更に別の利点が達成される。したがって、付加スリ
ット３０と３２により同じ装置を完全に独立して使用で
きることになる。この条件においては、第３図に示すよ
うに、帯域通過あご２０と２２の多数の層の対を考える
ことが可能であることに注目されたい。それらの帯域通
過あごは互いに独立であるように選択される。もっとも
それらのあごは、格子１２と１４の使用可能なスペクト
ル範囲内の波長の選択に必ず制限せねばらない。

例　　１第１図に示されている構造の装置は第４図に示されてい
る特性を持つ格好を用いて製作される。

とくに、第４図に示されている格子の素材の直径７０　
ｍｍであり、実効有用面積６６平方順を有することを意
図するものである。素材の曲率半径は３５０闘で、格子
の溝の密度は１　ｍｍ当り溝２０００本である。格子面
に対して垂直で、格子の頂部４４を通る法線４０につい
て考えると、格子の動作特性を指定できる。

とくに、その法線４０に対する−２９．６９度の角度α
において、格子の頂部４４から３５１゜２９７關の距離
の所に入口スリット１６を置くことができる。一般的な
用語にしたがって、その距離３５１，２９７ｍｍをＬａ
と呼ぶことができる。

格子１１２の特性は、中間範囲の波長が仮想線４６に沿
って進むようなものである。この場合に、線４６は−１
０，７１７度に等しい角度β１１を法線４０に対して成
す。法線４０に関して、希望のアナスチグマチズムを有
し、球面収差が最小である平らなスペクトルが、線４６
に垂直な線３６により定められる平面内に形成される。

第４図に示されている格子４４の使用可能なスペクトル
範囲は３０００〜３３５０オングストロームである。

とくに、波長が３３５０オングストロームの光は法線４
０に対して−１２，７５８度に等しい角度β３３５０に
おいて偏向され、波長が３０００オングストロームの光
は−８，６７６度に等しい角度β３０００において偏向
される。最後に、格子４４の特性が与えられると、線３
６に沿って形成された平らなスペクトルが３５０．０３
７ｍｍに等しい距離Ｌｈに位置させられる。その距離は
、あご２０と２２の間を延長し、がっ線３６に沿うスペ
クトルの中心点と、他端における格子の中心点４４の間
の距離を表す。

その装置において３０００〜３３５０オングストローム
の間で発生されるスペクトルの幅は２４．９５關であり
、希望のスペクトルの任意の部分、たとえば第５図に示
すように３１００〜３１５０オングストロームの間の範
囲、を選択するためにあご２０と２２を選択することが
可能である。像の高さは波長の関数として変化し、第１
表に与えられている値を持つことが判明している。

第　　１　　表波　長（＾）　　　像の全高（＋ｕ）３　０　０　０　　　　　　　０゜３１００　　　　　　　０゜３２００　　　　　　　０゜３３００　　　　　　　　０゜３４５０　　　　　　　０゜第４図に示されている格子は、第６図に示されているよ
うに位置させられる光源を用いて製作できる。とくに、
直径が７０　ｍｉで、曲率半径が３５０　ｍｍである感
光性凹状ホログラフ素材１］２に格子を記録することに
ついて考えることにする。

素材１１２の頂部への法線が仮想線１１４により示され
ている。波長が５１４５オングストロームである点光源
が第６図の点ＣとＤに位置させられる。点Ｃは法線１１
４に対して＋２．９６度の角度を成して、素材１１２の
頂部から３５１６３４９１１ＩＩＩの距離の所で、法線
１１４と第１の光源により定められた平面内に配置され
る。点りにおける第２の点光源は法線１１４に対して−
７７゜８３２の角度を成し、素材１１２の頂部から８６
８．４７５＋＋＋＋ｓの距離の所に配置される。点Ｃと
Ｄの所に配置され、素材１１２の感光面を漏出する、５
１４５オングストロームの出力を生ずる点光源を動作さ
せると、第４図に示されている特性を持つ格子が記録さ
れる結果となる。

先に述べたように、第６図に示されＣいる記録図に従っ
て製作され、第４図に示されている特性を持つ格子は、
第１図に示されている装置の内部に置かれると、０００
〜３３５オングストロームの全範囲内の任意の波長範囲
に対して帯域フィルタとして機能することができる装置
が得られる。

更に、その選択、は格子、入口スリットまたは出口スリ
ットを動かすことなしに行われる。むしろ、希望の帯域
通過範囲を得るためにあご２０と２２だけを動かす必要
がある。

例　　２第４図に示されている格子と同一である一対の格子２１
２と２１４を用いる別の例が第７図に示されている。一
般に、それらの図の間で対応する部品には１００だけ大
きい参照番号をつけて示す。

格子の構造は同一であって、それの仮想中間範囲の光線
の経路２３８は第１図に示されている仮想線３８に対応
し、使用可能なスペクトル範囲の中心２５０と、１本の
線に沿う格子２４４の中心の間を延びる。唯一の相違は
入口スリットからの入力経路と出口スリットからの出力
経路が鏡２５２と２５４によりそれぞれ折り曲げられて
いることである。しかし、経路の長さは同じであり、装
置が一層便利に動作するようにするためにのみ構成され
る。

第７図に示されている二重分光写真装置の動作を以下に
説明する。光が入口スリット２１６から放出され、平面
鏡２５２により反射されて格子２１２の表面へ入射する
。そうするとその光は格子２１２によりスペクトルに分
解され、あご２２０と２２２の間で反射される。その分
解された光は格子２１４により再び組合わされて、入口
スリット２１６に入射した光より信号対雑音比がはるか
に高い−様な光にされる。その−様な光は平面鏡２５４
により反射されて出口スリット２１８に入射する。

例　　３更に別の例が第８図に示されている。この例でも全ての
格子は第４図に示されている格子と同じ特性を有する。

この例における人力装置は第７図に示されている入力装
置と同じであり、装置の残りの部分の構成は第１図に示
されている装置のそれと同じである。しかし、この例で
は、出口スリット３１８の出力を受けるために付加格子
３６０が設けられる。その付加格子は、格子３６０と、
あご３６２と３６４の間の分光写真出力とを有する分光
写真段のための入口スリットとして機能する。

あご３６２と３６４の出力は３３５０オングストローム
の範囲で使用可能であり、たとえば入力格子３１２の出
力により表される単一分光写真段の出力と比較して、信
号対雑音比が大幅に高いことを表す。

次に第８図に示されている装置の動作を説明する。入口
スリット３１６に入った光は平面鏡３５２により反射さ
れ、格子３１２の凹面に入射する。その格子の凹面はそ
の入射光をスペクトルに分解してあご３２０と３２２の
間を通させる。

それらのあごは選択したスペクトルだけを格子３１４へ
入射させる。その格子３１４はそのスペクトル光を出口
スリット３１８へ向って反射させる。その出口スリット
３１８の出力は格子３６０に入射する。その格子３１６
はあご３６２と３６４の間に平らなスペクトルを供給す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の二重分光写真装置の線図、第２図は第
１図に示されている装置の斜視図、第３図は本発明の装
置に用いられる別のスペクトルフィルタの略図、第４図
は本発明において有、用な格子の特性を示す略図、第５
図は本発明に用いられる空間フィルタのあごの詳細図、
第６図は第４図に示されている格子を製作する様子を示
す略図、第７図は本発明の別の実施例を示す線図、第８
図は本発明の更に別の実施例の線図である。１０・・・分光写真装置、１２，１４，１１２゜１１４
．２１２，２１．４，３１２，３１．４゜３６０・・・
回折格子、１．６，２１６，３１６・・・入口スリット
、１８，２１８，３１８・・・出口スリット、２０．２
］、、２２，２３，２２０，２２２゜３２０．３２２，
３６２，３６４・・・あご、３０゜３２・・・スリット
のウィンドウ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（ａ）、分析すべき光を受け、その光を通す入力
手段と、（ｂ）、この入口スリットにより通された分析すべき前
記光を受ける第１の集束回折格子と、（ｃ）、この第１
の集束回折格子により反射された光を受けるための第２
の集束回折格子と、（ｄ）、前記第１の格子と前記第２
の格子を仮想平面を中心として対称的な位置に位置させ
る取付け手段と、（ｅ）、前記第１の格子により前記第２の格子へ反射さ
れ、前記第２の格子から反射された前記光を受ける出口
手段とを備え、前記第１の集束回折格子と前記第２の集束回折
格子は平らで、ほぼアナスチグマチックのスペクトルを
形成する特性を有し、前記第１の集束回折格子と焦点と前記第２の集束回折格
子の焦点面は互いに、前記仮想平面とほぼ一致すること
を特徴とする二重分光写真装置。
（２）前記平らなスペクトルは予め定められた使用可能
な波長範囲内でほぼアナスチグマチズムを有し、前記波
長範囲は平らでほぼ直線的な軌跡に沿って与えられ、他
の収差は達成可能な最小値であることを特徴とする請求
項（１）記載の二重分光写真装置。
（３）前記他の収差は焦点外れ、収差、および球面収差
であることを特徴とする請求項（２）記載の二重分光写
真装置。
（４）前記格子は収差を補償するために配置されること
を特徴とする請求項（３）記載の二重分光写真装置。
（５）前記格子は同一であることを特徴とする請求項（
４）記載の二重分光写真装置。
（６）与えられた波長範囲を選択するために前記仮想平
面に沿って可動マスキング手段が設けられることを特徴
とする請求項（１）記載の二重分光写真装置。
（７）前記可動手段は幅と高さおよび位置が調節可能な
ウィンドウであり、前記平面内に集束されたスペクトル
の一部を通すために前記ウィンドウを前記平面内に位置
させることができることを特徴とする請求項（６）記載
の二重分光写真装置。
（８）前記出口スリット手段の出力を受ける分光写真を
備えることを特徴とする請求項（１）記載の二重分光写
真装置。
（９）前記入口および前記出口スリット手段は光ファイ
バ部材であることを特徴とする請求項（８）記載の二重
分光写真装置。
（１０）入口および出口スリット手段の第２のセットと
第２のマスキング手段セットを更に備え、この第２のセ
ットは前記第１のセットから垂直方向に、前記スリット
手段と前記第１の格子および前記第２の格子により定め
られる平面から離れる向きに変位された位置に配置され
ることを特徴とする請求項（６）記載の二重分光写真装
置。