JPH0399238A - 高分解能分光器 - Google Patents
高分解能分光器Info
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- JPH0399238A JPH0399238A JP23576589A JP23576589A JPH0399238A JP H0399238 A JPH0399238 A JP H0399238A JP 23576589 A JP23576589 A JP 23576589A JP 23576589 A JP23576589 A JP 23576589A JP H0399238 A JPH0399238 A JP H0399238A
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- diffraction grating
- light
- grating
- light beam
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
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。
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、複数の回折格子を利用した高分解能分光器に
関するものである。
関するものである。
(従来の技術)
光通信や光倫号処理技術の開発に伴ない、光波を高分解
能で周波数分析できる分光装置の開発が強く要請されて
いる。
能で周波数分析できる分光装置の開発が強く要請されて
いる。
第8図は従来の回折格子を利用した分光器の基本構成を
示す線図である。分光すぺき光波をスリットS1を経て
入射させる。この光波は回折され広がっているため、凹
面鏡恥で平行光束とし、平行光束を回折格子G,に入射
させる。この回折格子は格子溝が紙面と直交する方向に
延在し、紙面内で回動可能に装着されている。入射した
光波は回折格子G,によって波長に応じた回折角方向に
回折され、凹面鏡hで集束されスリットszを経て出射
する。回折されるべき光波は、その波長により回折角も
異なるため、波長に応じて集束位置が格子溝と直交する
紙面の上下方向に偏位して形成される。
示す線図である。分光すぺき光波をスリットS1を経て
入射させる。この光波は回折され広がっているため、凹
面鏡恥で平行光束とし、平行光束を回折格子G,に入射
させる。この回折格子は格子溝が紙面と直交する方向に
延在し、紙面内で回動可能に装着されている。入射した
光波は回折格子G,によって波長に応じた回折角方向に
回折され、凹面鏡hで集束されスリットszを経て出射
する。回折されるべき光波は、その波長により回折角も
異なるため、波長に応じて集束位置が格子溝と直交する
紙面の上下方向に偏位して形成される。
この結果特定の波長或分光だけがスリットS2から出射
する。従って、回折格子G,を回動させ回折格子への入
射角を変えることにより特定の波長光だけを選択的に出
射させることができ、この回転角からスリットStを出
射する光波の波長が算出され分光計測を行なうことがで
きる。
する。従って、回折格子G,を回動させ回折格子への入
射角を変えることにより特定の波長光だけを選択的に出
射させることができ、この回転角からスリットStを出
射する光波の波長が算出され分光計測を行なうことがで
きる。
次に、上述した従来の回折格子分光器の分解能を第9図
に基づいて説明する。回折格子G1のピッチをd、入射
角をθ1とすると波長λの光波の回折角θ2は次式で与
えられる。
に基づいて説明する。回折格子G1のピッチをd、入射
角をθ1とすると波長λの光波の回折角θ2は次式で与
えられる。
θt =sin−’(nλ/d−sinθ,)
・(1)ここで、nは回折の次数±1.±2,±3一
一一(通常はn=±1をとる)。
・(1)ここで、nは回折の次数±1.±2,±3一
一一(通常はn=±1をとる)。
簡単にするため、最良の波長分解が得られる回折格子の
全幅Dに亘ってビームが照射させているとすると、集束
用の凹面鏡M2がビーム径に対して十分に大きい場合ビ
ーム径はほぼDcosθ2となる。
全幅Dに亘ってビームが照射させているとすると、集束
用の凹面鏡M2がビーム径に対して十分に大きい場合ビ
ーム径はほぼDcosθ2となる。
凹面鏡M2の焦点距離をf2とすると、ビームは焦点位
置で最も細径になり、回折限界においてビーム径は次式
で与えられる。
置で最も細径になり、回折限界においてビーム径は次式
で与えられる。
,d X,...−ft ・λ/ (Dcosθt)・
(2)また、波長がλからAλだけ異なることにより回
折角θ2もAθアだけずれるものとすると、Aθ2は次
式で与えられる。
(2)また、波長がλからAλだけ異なることにより回
折角θ2もAθアだけずれるものとすると、Aθ2は次
式で与えられる。
Zθz ’i n X lλバdcosθz)・(3)
この結果、集束位置も偏位し、この偏位1aXは次式で
与えられる。
この結果、集束位置も偏位し、この偏位1aXは次式で
与えられる。
?x=rz・Jθ.=nXf2・,jλ/ (dcos
θ2)・・・(4) 偏位量Axが(2)式で規定される値より小さい場合に
は分解できないため、(2)式で規定される値に等しい
波長差が理論的に可能な波長分解能に相当する。従って
、(2)式及び(4)式より分光可能な最高分解能Aλ
.l (理論限界)が求まり、この最高分解能は次式で
与えられる。
θ2)・・・(4) 偏位量Axが(2)式で規定される値より小さい場合に
は分解できないため、(2)式で規定される値に等しい
波長差が理論的に可能な波長分解能に相当する。従って
、(2)式及び(4)式より分光可能な最高分解能Aλ
.l (理論限界)が求まり、この最高分解能は次式で
与えられる。
Aλraw = l X r*s/ ( n X ft
/ (d Cosθ2))=λ(d/n)/D
・・・(5)通常の分光器では、集束部にスリッ}
Szを置き、特定の波長光だけを選択的に検出する。こ
の場合、スリッl−szの幅Wが(2)弐以下の場合(
5)式の理論限界式に近い分解能が得られる。一方、一
般的には、広い幅(例えば10DII1以上)のスリッ
トが用いられるので、分解能Aλ′■3はスリット幅W
で規定され、次式で与えられる。
/ (d Cosθ2))=λ(d/n)/D
・・・(5)通常の分光器では、集束部にスリッ}
Szを置き、特定の波長光だけを選択的に検出する。こ
の場合、スリッl−szの幅Wが(2)弐以下の場合(
5)式の理論限界式に近い分解能が得られる。一方、一
般的には、広い幅(例えば10DII1以上)のスリッ
トが用いられるので、分解能Aλ′■3はスリット幅W
で規定され、次式で与えられる。
Aλ” rat = W/ ( n X f !/ (
a cosθ2))=(dcosθz/n)W/fz ≧λ,.. (6) (6)式より、集束用凹面鏡hの焦点距離f2を大きく
すると分解能が一層高くなることが理解できる。
a cosθ2))=(dcosθz/n)W/fz ≧λ,.. (6) (6)式より、集束用凹面鏡hの焦点距離f2を大きく
すると分解能が一層高くなることが理解できる。
しかしながら、実際にはf2を大きくしても最終的には
(5)弐で与えられる理論限界より大きくなることはな
い。又、(5)式より、分光器の相対分解能Aλr1.
/λは回折格子の格子数(D/d)及び回折次数nだけ
で定まる。さらに、格子ピッチdはn×λ/2より大き
くなければ回折格子として作用しないから、次式が戒立
する。
(5)弐で与えられる理論限界より大きくなることはな
い。又、(5)式より、分光器の相対分解能Aλr1.
/λは回折格子の格子数(D/d)及び回折次数nだけ
で定まる。さらに、格子ピッチdはn×λ/2より大き
くなければ回折格子として作用しないから、次式が戒立
する。
Aνras l ”: lν(Aλ,.3/λ)=vl
d/nl/D≧νλ/ (2D)= C/ (2D) ・・・(7) ここで、等号はd=nλ/2のとき戒立し、Cは光速で
ある。
d/nl/D≧νλ/ (2D)= C/ (2D) ・・・(7) ここで、等号はd=nλ/2のとき戒立し、Cは光速で
ある。
従って、d,nを最適に選択した場合の最良の周波数分
解能は回折格子の全幅を光が1往復する時間の逆数程度
となる。この結果、従来の分光器の可能な分解能は、回
折格子の大きさによって最終的に規定されてしまう。
解能は回折格子の全幅を光が1往復する時間の逆数程度
となる。この結果、従来の分光器の可能な分解能は、回
折格子の大きさによって最終的に規定されてしまう。
(発明が解決しようとする課題)
上述した検討より、従来の分光器の分解能を決定するも
のは回折格子の格子数と回折次数であり、さらに格子ピ
ッチ及び回折の次数を最適に選択すれば回折格子の口径
(回折格子の全幅D)であると結論できる。
のは回折格子の格子数と回折次数であり、さらに格子ピ
ッチ及び回折の次数を最適に選択すれば回折格子の口径
(回折格子の全幅D)であると結論できる。
従って、高分解能を得るためには大口径の回折格子が必
要であるが、大口径の回折格子を製造するのは困難であ
り、しかも20〜30cu+のものとなれば極めて高価
になってしまう。このような欠点を解消するものとして
分光器を直列に2段、3段に配列したダブルモノクロメ
ータ、トリップルモノクロメータと称せられている分光
器が提案されている。しかしながら、これらの分光器は
波長フィルタを直列接続したものにすぎず、総合分解能
は増大するが、装置全体が大型化するばかりでなく操作
性にも難点がある。また、分解能の向上の度合も、ダブ
ル、トリップル構造にしてもそれぞれ五倍、 F倍にな
るにすぎず、実用化されている最高級の3mのダブルモ
ノクロメータでも高々0.LA ( 5 〜10GHz
)にすぎない。
要であるが、大口径の回折格子を製造するのは困難であ
り、しかも20〜30cu+のものとなれば極めて高価
になってしまう。このような欠点を解消するものとして
分光器を直列に2段、3段に配列したダブルモノクロメ
ータ、トリップルモノクロメータと称せられている分光
器が提案されている。しかしながら、これらの分光器は
波長フィルタを直列接続したものにすぎず、総合分解能
は増大するが、装置全体が大型化するばかりでなく操作
性にも難点がある。また、分解能の向上の度合も、ダブ
ル、トリップル構造にしてもそれぞれ五倍、 F倍にな
るにすぎず、実用化されている最高級の3mのダブルモ
ノクロメータでも高々0.LA ( 5 〜10GHz
)にすぎない。
その他の高分解能分光分析装置として掃引形ファブリ・
ペロー干渉計、フーリエ変換分光光度計があげられる。
ペロー干渉計、フーリエ変換分光光度計があげられる。
この掃引形ファブリ・ペロー干渉形は, MHz程度の
高分解能を有し、定常スペクトル観測に適しているが、
1個の波長が無数に近い多数の透過領域を有するため被
測定光源に数波長が混在すると測定不能になるばかりで
なく、絶対波長を測定することができない。従って、狭
いフリースペクトルレンジの測定に限定されてしまう.
しかも、掃引に1ミリ秒以上もかかるため高速実時間計
測できない欠点もある。また、フーリエ変換分光光度計
は、研究段階では1 kHzに近い分解能が得られてい
る。しかし、干渉計のアーム長をゆっくり掃引する必要
があるため測定に長時間かかってしまう。従って、長時
間の時間平均スペクトル測定には適するが、信号の実時
間スペクトル計測には適用できない欠点がある。また、
光源が長時間波長安定性を有していない場合信号スペク
トルの広がりか或いは光源の長期間ふらつきかを区別で
きない欠点もある。
高分解能を有し、定常スペクトル観測に適しているが、
1個の波長が無数に近い多数の透過領域を有するため被
測定光源に数波長が混在すると測定不能になるばかりで
なく、絶対波長を測定することができない。従って、狭
いフリースペクトルレンジの測定に限定されてしまう.
しかも、掃引に1ミリ秒以上もかかるため高速実時間計
測できない欠点もある。また、フーリエ変換分光光度計
は、研究段階では1 kHzに近い分解能が得られてい
る。しかし、干渉計のアーム長をゆっくり掃引する必要
があるため測定に長時間かかってしまう。従って、長時
間の時間平均スペクトル測定には適するが、信号の実時
間スペクトル計測には適用できない欠点がある。また、
光源が長時間波長安定性を有していない場合信号スペク
トルの広がりか或いは光源の長期間ふらつきかを区別で
きない欠点もある。
従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、高価な
大口径の回折格子やダブルモノクロメータを用いること
なく、小型で簡単な構造で高分解能を達戒できる分光器
を提供するものである。
大口径の回折格子やダブルモノクロメータを用いること
なく、小型で簡単な構造で高分解能を達戒できる分光器
を提供するものである。
(課題を解決するための手段)
本発明による高分解能分光器は、分光すべき光ビームを
平行光束とする第1の光学素子と、多重回折された光束
を集束させる第2の光学素子と、これら光学素子間の光
路中に、格子溝が互いに平行になるように配置されてい
る複数の回折格子とを具え、入射側に位置する回折格子
からの回折光を、この回折格子の近視野内に配置した出
射側に位置する次段の回折格子に順次人射させて多重回
折を行なうように構成したことを特徴とする。
平行光束とする第1の光学素子と、多重回折された光束
を集束させる第2の光学素子と、これら光学素子間の光
路中に、格子溝が互いに平行になるように配置されてい
る複数の回折格子とを具え、入射側に位置する回折格子
からの回折光を、この回折格子の近視野内に配置した出
射側に位置する次段の回折格子に順次人射させて多重回
折を行なうように構成したことを特徴とする。
さらに、本発明による高分解能分光器は、分光すべき光
ビームを平行光束とする光学素子と、この平行光束を回
折する第1の回折格子と、第lの回折格子の近視野像を
形成する結像光学系と、前記近視野像の結像位置又はそ
の近傍に配置され、格子溝が第1の回折格子の格子溝と
平行に延在する第2の回折格子と、第2の回折格子から
の回折光を集束させる光学素子とを具え、前記第1及び
第2の回折格子により多重回折させるように構成したこ
とを特徴とする。
ビームを平行光束とする光学素子と、この平行光束を回
折する第1の回折格子と、第lの回折格子の近視野像を
形成する結像光学系と、前記近視野像の結像位置又はそ
の近傍に配置され、格子溝が第1の回折格子の格子溝と
平行に延在する第2の回折格子と、第2の回折格子から
の回折光を集束させる光学素子とを具え、前記第1及び
第2の回折格子により多重回折させるように構成したこ
とを特徴とする。
(作 用)
第1図は本発明による高分解能分光器の原理を説明する
ための模式図である。分光すぺき入射ビームbは波長λ
とλ+Aλの光波から威るものとし、このビームbを回
折溝が紙面と直交する方向に延在する第1の回折格子G
1に入射角θ.で入射させ回折させる。波長λの光波と
波長λ+Aλの光波との回折角の差2θ2lは次式で与
えられる.Aθz+=n+Jλ/ (a cosθZ
+ > ・(S)これら回折光を、近視野領
域内に配置され回折溝が紙面に垂直に延在する第2の回
折格子Gtで回折させると、第2の回折格子Gtへの入
射角がそれぞれ異なるため、第2の回折格子による回折
角の差Aθ.は波長差2λに直接依存する量と第1の回
折格子の回折角差Aθffi+に起因する第2の回折格
?G2への入射角の差異2θ1■によるものとの和とな
り、次式で与えられる。
ための模式図である。分光すぺき入射ビームbは波長λ
とλ+Aλの光波から威るものとし、このビームbを回
折溝が紙面と直交する方向に延在する第1の回折格子G
1に入射角θ.で入射させ回折させる。波長λの光波と
波長λ+Aλの光波との回折角の差2θ2lは次式で与
えられる.Aθz+=n+Jλ/ (a cosθZ
+ > ・(S)これら回折光を、近視野領
域内に配置され回折溝が紙面に垂直に延在する第2の回
折格子Gtで回折させると、第2の回折格子Gtへの入
射角がそれぞれ異なるため、第2の回折格子による回折
角の差Aθ.は波長差2λに直接依存する量と第1の回
折格子の回折角差Aθffi+に起因する第2の回折格
?G2への入射角の差異2θ1■によるものとの和とな
り、次式で与えられる。
1 11 z*=l J:}e zd3A +l fl
I−fl zz/aθ12=ntXJλ/ (aco
sθ.t) − Jθ, gcOsθ+ t/cosθ
zt””nt/nIAθ.. (cosθ2+/COS
θ0−Cn.lθz+/nzJθ+z)cosθ+ z
/cosθ2z}ここでAθ,2と2θ.は絶対値が等
しく、また、2度の回折は正負の符号は別に同じ次数に
とればnl+ ngの絶対値も等しい。しかもこの符号
は回折格子の設定等で選択できるので(n,aθ+z/
nzJθ21)を−1に設定できる。この場合 Aθ..l=1,6θt+ l (cosθg,+CO
Sθ+ z) /cosθ2■・・・(9) θ,2,θ2.の絶対値 ?なる。したがって、θ2■ を大体同じ程度に選べば Aθzzl〜2xl,dθ.l ・”00)が
得られ、2重路構成での回折角の差は1回の回折の場合
に比べ、ほぼ2倍になることが分かる。
I−fl zz/aθ12=ntXJλ/ (aco
sθ.t) − Jθ, gcOsθ+ t/cosθ
zt””nt/nIAθ.. (cosθ2+/COS
θ0−Cn.lθz+/nzJθ+z)cosθ+ z
/cosθ2z}ここでAθ,2と2θ.は絶対値が等
しく、また、2度の回折は正負の符号は別に同じ次数に
とればnl+ ngの絶対値も等しい。しかもこの符号
は回折格子の設定等で選択できるので(n,aθ+z/
nzJθ21)を−1に設定できる。この場合 Aθ..l=1,6θt+ l (cosθg,+CO
Sθ+ z) /cosθ2■・・・(9) θ,2,θ2.の絶対値 ?なる。したがって、θ2■ を大体同じ程度に選べば Aθzzl〜2xl,dθ.l ・”00)が
得られ、2重路構成での回折角の差は1回の回折の場合
に比べ、ほぼ2倍になることが分かる。
従って、2回回折のあと、通常の分光器と同様に凹面鏡
で集束すれば、2λだけ波長の異なる先は1回の回折の
場合に比べ空間的に2倍離れて集束される(式(4)で
2θ2が2倍になったと考えれば容易に理解できる)。
で集束すれば、2λだけ波長の異なる先は1回の回折の
場合に比べ空間的に2倍離れて集束される(式(4)で
2θ2が2倍になったと考えれば容易に理解できる)。
一方、回折格子の口径が同程度ならビームの幅は殆ど変
わらないので集束幅も1回回折の場合と同程度に留まっ
ている。つまり分解可能な波長差は1/2になり、分解
能は2倍に向上することになる。同様にして、3回回折
になれば分解能は3倍向上する。これは時間の滞留時間
を考えれば当然である。他の構成のものも基本的には同
様で、回折の回数に応じて2倍、3倍、4倍−−−と分
解能が向上する。
わらないので集束幅も1回回折の場合と同程度に留まっ
ている。つまり分解可能な波長差は1/2になり、分解
能は2倍に向上することになる。同様にして、3回回折
になれば分解能は3倍向上する。これは時間の滞留時間
を考えれば当然である。他の構成のものも基本的には同
様で、回折の回数に応じて2倍、3倍、4倍−−−と分
解能が向上する。
以下設計数値例について述べる。
方式:口径12cm回折格子(2400本/InII1
)で41i路使用(第4図b及び第7図に示す4回回折
) 使用波長器=400〜800nII1 分解能:2λ/λ〜Aν/ν〜0.87×1016波長
500nm (周波数6007Hz )で周波数分解
能〜521M}lz、波長分解能〜0.OO043nm 波長800nm (周波数375THz)で周波数分
解能〜326MHz,波長分解能〜0.OO069nn
+ 尚波長800nmにおいての方が、波長分解能が大きく
なっているが、実際的な分解能、周波数分解能は高いこ
とに注意されたい。
)で41i路使用(第4図b及び第7図に示す4回回折
) 使用波長器=400〜800nII1 分解能:2λ/λ〜Aν/ν〜0.87×1016波長
500nm (周波数6007Hz )で周波数分解
能〜521M}lz、波長分解能〜0.OO043nm 波長800nm (周波数375THz)で周波数分
解能〜326MHz,波長分解能〜0.OO069nn
+ 尚波長800nmにおいての方が、波長分解能が大きく
なっているが、実際的な分解能、周波数分解能は高いこ
とに注意されたい。
絶対波長精度: 0.001nm (校正光あり)を
用いた。
用いた。
出力: CRTモニタ上で光強度の周波数分布表示を用
いた。
いた。
(実施例)
第2図は本発明による高分解能分光器の基本構成を示す
線図である。本例では2個の反射型回折格子G1及びG
2を用いて分光する例について説明する.入射側のスリ
ットSIから分光すべき光波bを入射させ、第1の凹面
鏡M1により平行光束とする。
線図である。本例では2個の反射型回折格子G1及びG
2を用いて分光する例について説明する.入射側のスリ
ットSIから分光すべき光波bを入射させ、第1の凹面
鏡M1により平行光束とする。
この平行光束を、格子溝が紙面と直交する方向に延在す
る第1の回折格子G1により回折する。光波b中に含ま
れる種々の波長光は、その波長に応じた回折角で回折さ
れ、近視野領域に配置した第2の回折格子G8に入射す
る。これら回折格子G,及びG.の格子溝は互いに平行
に延在する。各波長光は第2の回折格子G2で再度波長
に応じた回折角で回折される。この回折光を第2の凹面
鏡hで集束光束に変換し、出射側のスリットS2の位置
で集束させ外部に出射させる。そして、第1又は第2の
回折格子G,又はG2を微小角回勤させることにより、
広い波長域の光から所望の波長光だけを選択的に外部に
向けて出射させることができる。この場合、回折格子の
回転角から出射光の波長を算出することができ、分光計
測を行なうこともできる。なお、集束部には回折方向に
沿って波長差に応じて偏位したスポットが形戒されるか
ら、集束用凹面鏡H,の集束位置にスリットS2の代り
にTVカメラ、CCDアレイ、フォトダイオードアレイ
のような空間分解イメージセンサを配置して空間的光強
度分布を測定することにより分光計測を行うことも可能
である。スリットStO代りに空間分解イメージセンサ
を用いることにより比較的狭い波長域の光について高速
実時間スペクトル計測を行なうことができる。従って、
出射スリット及びイメージセンサの両方を設けることに
より、広い波長域についての計測及び狭い波長域につい
ての実時間計測の両方を行なうことができる。
る第1の回折格子G1により回折する。光波b中に含ま
れる種々の波長光は、その波長に応じた回折角で回折さ
れ、近視野領域に配置した第2の回折格子G8に入射す
る。これら回折格子G,及びG.の格子溝は互いに平行
に延在する。各波長光は第2の回折格子G2で再度波長
に応じた回折角で回折される。この回折光を第2の凹面
鏡hで集束光束に変換し、出射側のスリットS2の位置
で集束させ外部に出射させる。そして、第1又は第2の
回折格子G,又はG2を微小角回勤させることにより、
広い波長域の光から所望の波長光だけを選択的に外部に
向けて出射させることができる。この場合、回折格子の
回転角から出射光の波長を算出することができ、分光計
測を行なうこともできる。なお、集束部には回折方向に
沿って波長差に応じて偏位したスポットが形戒されるか
ら、集束用凹面鏡H,の集束位置にスリットS2の代り
にTVカメラ、CCDアレイ、フォトダイオードアレイ
のような空間分解イメージセンサを配置して空間的光強
度分布を測定することにより分光計測を行うことも可能
である。スリットStO代りに空間分解イメージセンサ
を用いることにより比較的狭い波長域の光について高速
実時間スペクトル計測を行なうことができる。従って、
出射スリット及びイメージセンサの両方を設けることに
より、広い波長域についての計測及び狭い波長域につい
ての実時間計測の両方を行なうことができる。
第3図は本発明による高分解能分光器の回折部分の変形
例の構成を示す線図である。本例では、互いに近視野領
域内に配置した3個の回折格子G.Gt, Gxを用い
て3回に亘って回折させて多重回折させる例を示す。こ
のように多数回回折させることにより一層分解能を向上
させることができる。
例の構成を示す線図である。本例では、互いに近視野領
域内に配置した3個の回折格子G.Gt, Gxを用い
て3回に亘って回折させて多重回折させる例を示す。こ
のように多数回回折させることにより一層分解能を向上
させることができる。
第4図a及びbは別の変形例の構成を示す線図である.
本例では、分光すべきビームを格子溝の延在方向と直交
する方向に広がった偏平ビームとし、回折格子G,に対
して斜めに入射させて多重回折させる。この偏平なビー
ムはシリンドリカルレンズ、シリンドリカルよラー等を
用いることにより簡単に形戒できる。第4図aに示す実
施例では、偏平の入射ビームbを回折格子G1に入射さ
せ、その反射回折光を対向配置した平面ミラー肝に入射
させ、その反射光を再度回折格子G,に入射させて再度
回折させて多重回折させる。第4図bに示す実施例では
、平面ミラー12の代りに第2の回折格子G2を用いて
4回回折させる。このように構成すれば、2個の回折格
子を用いるだけで多重回折できる大きな利点が達戒でき
、分光器の構造を一層コンパクトな構造とすることがで
きる。さらに、回折格子と回折格子又は平面ξラーとの
間で交互に反射を繰り返すことにより2回又は4回だけ
でなく、多数回多重回折させることができる。
本例では、分光すべきビームを格子溝の延在方向と直交
する方向に広がった偏平ビームとし、回折格子G,に対
して斜めに入射させて多重回折させる。この偏平なビー
ムはシリンドリカルレンズ、シリンドリカルよラー等を
用いることにより簡単に形戒できる。第4図aに示す実
施例では、偏平の入射ビームbを回折格子G1に入射さ
せ、その反射回折光を対向配置した平面ミラー肝に入射
させ、その反射光を再度回折格子G,に入射させて再度
回折させて多重回折させる。第4図bに示す実施例では
、平面ミラー12の代りに第2の回折格子G2を用いて
4回回折させる。このように構成すれば、2個の回折格
子を用いるだけで多重回折できる大きな利点が達戒でき
、分光器の構造を一層コンパクトな構造とすることがで
きる。さらに、回折格子と回折格子又は平面ξラーとの
間で交互に反射を繰り返すことにより2回又は4回だけ
でなく、多数回多重回折させることができる。
第5図a − cはレンズや凹面鏡の組み合せから或る
結像光学系を用いてほぼ完全な近視野領域を形威して多
重回折させる構成を示す。第8図に示すように、回折格
子Gから距離fIだけ離間させて焦点距離f,の凸レン
ズL1を配置し、さらに凸レンズL+から距離f,+f
!だけ離間させて焦点距離f2の第2の凸レンズL2を
配置する。この場合、第2の凸レンズL2から距離ft
だけ離れた位置に回折格子G.の倒立実像が形威され、
しかも回折格子G1近傍での平行な光線はこの倒立実像
の形成位置において上下関係が反転して平行光線となる
。つまり、倒立実線が形戒される位置及びその近傍は回
折格子G,の上下関係が反転したほぼ完全な近視野領域
となる。従って、レンズL+及びし!は結像光学系を構
成し、第2の回折格子をこの倒立実像の結像位置に配置
すれば、ずれがほとんど生じないほぼ完全な多重回折を
実現できる。この場合、第1及び第2の凸レンズし,及
びL2の焦点距離をf,=f,に設定すれば、倍率が1
となり構成が容易になる。第5図bには、f.=f2=
fとした例を示す。第5図Cには凸レンズの代りに凹
面鏡から或る結像光学系を用いて完全な近視野領域を形
成する例を示す。
結像光学系を用いてほぼ完全な近視野領域を形威して多
重回折させる構成を示す。第8図に示すように、回折格
子Gから距離fIだけ離間させて焦点距離f,の凸レン
ズL1を配置し、さらに凸レンズL+から距離f,+f
!だけ離間させて焦点距離f2の第2の凸レンズL2を
配置する。この場合、第2の凸レンズL2から距離ft
だけ離れた位置に回折格子G.の倒立実像が形威され、
しかも回折格子G1近傍での平行な光線はこの倒立実像
の形成位置において上下関係が反転して平行光線となる
。つまり、倒立実線が形戒される位置及びその近傍は回
折格子G,の上下関係が反転したほぼ完全な近視野領域
となる。従って、レンズL+及びし!は結像光学系を構
成し、第2の回折格子をこの倒立実像の結像位置に配置
すれば、ずれがほとんど生じないほぼ完全な多重回折を
実現できる。この場合、第1及び第2の凸レンズし,及
びL2の焦点距離をf,=f,に設定すれば、倍率が1
となり構成が容易になる。第5図bには、f.=f2=
fとした例を示す。第5図Cには凸レンズの代りに凹
面鏡から或る結像光学系を用いて完全な近視野領域を形
成する例を示す。
尚、一般にレンズ媒質は波長分散効果を有し分光器の性
能に影響を及ぼすため、広い波長域の光波を分光する場
合凸レンズよりも凹面鏡を用いる方が望ましい。分光す
ぺき平行ビームを第1の回折格子G,に入射させ、その
回折方向に配置した焦点距離fの第1の凹面鏡MCIに
入射させる。この第1の凹面鏡の反射方向に距離2fだ
け離間させて焦点距離fの第2の凹面鏡MCzを配置し
、第lの凹面鏡からの反射光を入射させる。そして、第
2の凹面鏡の反射方向に距離fだけ離間して第2の回折
格子G2を配置する。第2の凹面鏡MCzからの反射光
は平行光束となって第2の回折格子Gtに入射し、再び
回折される。このように構成すれば、簡単な構成でほぼ
完全な近視野に配置した回折格子により多重回折させる
ことができ、従ってずれのないほぼ完全な多重回折を行
なうことができる。
能に影響を及ぼすため、広い波長域の光波を分光する場
合凸レンズよりも凹面鏡を用いる方が望ましい。分光す
ぺき平行ビームを第1の回折格子G,に入射させ、その
回折方向に配置した焦点距離fの第1の凹面鏡MCIに
入射させる。この第1の凹面鏡の反射方向に距離2fだ
け離間させて焦点距離fの第2の凹面鏡MCzを配置し
、第lの凹面鏡からの反射光を入射させる。そして、第
2の凹面鏡の反射方向に距離fだけ離間して第2の回折
格子G2を配置する。第2の凹面鏡MCzからの反射光
は平行光束となって第2の回折格子Gtに入射し、再び
回折される。このように構成すれば、簡単な構成でほぼ
完全な近視野に配置した回折格子により多重回折させる
ことができ、従ってずれのないほぼ完全な多重回折を行
なうことができる。
尚、2個の回折格子と結像光学系とから或る光学系を複
数組直列に配置することにより一層分解能の高い分光器
を実現することができる。
数組直列に配置することにより一層分解能の高い分光器
を実現することができる。
第6図は第5図Cに示す実施例の変形例を示すものであ
り、第lの凹面鏡から距離fだけ離間させて平面;IM
Fを配置した例を示す。このように構成すれば、光路空
間を一層小さ《することができる。
り、第lの凹面鏡から距離fだけ離間させて平面;IM
Fを配置した例を示す。このように構成すれば、光路空
間を一層小さ《することができる。
さらに、第7図は完全な近視野位置関係に配置した1組
の光学系を用い往復光路を形戒して多重回折させる分光
器の全体構成を示す線図である。
の光学系を用い往復光路を形戒して多重回折させる分光
器の全体構成を示す線図である。
スリットS,を経て分光すべき光ビームを入射させ、第
1の平面鏡MF+で反射し、シリンドリカルレンズL3
及び第1の凹面鏡M1を経て断面が偏平な平行光束とす
る。この偏平な平行光束を第1の回折格子G,で回折し
、その回折光を距離fだけ離間して配置した第2の凹面
鏡(焦点距離f ) MC.に入射させる。第2の凹面
鏡から距離2fだけ離間して第3の凹面鏡(焦点距離f
) Mczを配置する。この第2の凹面鏡からの反射
光を距離fだけ離間して配置した第2の回折格子G2に
入射させ、その回折光を再度第3の凹面鏡MC.に入射
させる。その反射光を再び第2の凹面鏡MC+に入射さ
せ、その反射光を第1の回折格子G,に入射させ、さら
に凹面鏡MCI及びMC.を経て第2の回折格子Ctに
再び入射させる。さらに、その回折光を第4の凹面鏡M
2で集束し平面鏡MP.を経てスリットStを通過させ
る。この場合、往復光路は互いにオーバラツプしないよ
うに光路を互いにずらしてジグザグ状の光路を設定する
必要がある。このように往復光路を利用することにより
4回回折させて分光することができる。尚、本例は一例
であり、さらにジグザグ状の往復光路を多数組形戒する
ことにより6,8回と多数回折させることも可能である
。尚、回折格子G., G,又は他の光学素子を微小角
回動させることにより特定の波長光を順次選択的に取り
出すことができる。
1の平面鏡MF+で反射し、シリンドリカルレンズL3
及び第1の凹面鏡M1を経て断面が偏平な平行光束とす
る。この偏平な平行光束を第1の回折格子G,で回折し
、その回折光を距離fだけ離間して配置した第2の凹面
鏡(焦点距離f ) MC.に入射させる。第2の凹面
鏡から距離2fだけ離間して第3の凹面鏡(焦点距離f
) Mczを配置する。この第2の凹面鏡からの反射
光を距離fだけ離間して配置した第2の回折格子G2に
入射させ、その回折光を再度第3の凹面鏡MC.に入射
させる。その反射光を再び第2の凹面鏡MC+に入射さ
せ、その反射光を第1の回折格子G,に入射させ、さら
に凹面鏡MCI及びMC.を経て第2の回折格子Ctに
再び入射させる。さらに、その回折光を第4の凹面鏡M
2で集束し平面鏡MP.を経てスリットStを通過させ
る。この場合、往復光路は互いにオーバラツプしないよ
うに光路を互いにずらしてジグザグ状の光路を設定する
必要がある。このように往復光路を利用することにより
4回回折させて分光することができる。尚、本例は一例
であり、さらにジグザグ状の往復光路を多数組形戒する
ことにより6,8回と多数回折させることも可能である
。尚、回折格子G., G,又は他の光学素子を微小角
回動させることにより特定の波長光を順次選択的に取り
出すことができる。
尚、回折には種々の次数光が発生し、回折の次数により
回折角がそれぞれ異なる。本発明のように多重回折によ
る波数差に暴く回折角の差を加算して分光する場合、異
なる次数の回折光が出射側に漏洩しないように(迷光と
ならないように)光路設定や光遮蔽部を設けることが望
ましい。
回折角がそれぞれ異なる。本発明のように多重回折によ
る波数差に暴く回折角の差を加算して分光する場合、異
なる次数の回折光が出射側に漏洩しないように(迷光と
ならないように)光路設定や光遮蔽部を設けることが望
ましい。
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変更や
変形が可能である。例えば上述した実施例では反射型回
折格子を用いたが、勿論透過型回折格子を用いることも
可能であり、さらに反射型回折格子と透過型回折格子と
を組み合せて多重回折させることもできる。この場合、
光路がループを形戒するように光路設定することが望ま
しい。
変形が可能である。例えば上述した実施例では反射型回
折格子を用いたが、勿論透過型回折格子を用いることも
可能であり、さらに反射型回折格子と透過型回折格子と
を組み合せて多重回折させることもできる。この場合、
光路がループを形戒するように光路設定することが望ま
しい。
(発明の効果)
以上説明したように本発明によれば、複数個の回折格子
を近視野領域に配置して多重回折させる構成としている
から、大口径の回折格子を用いることなく小型で簡単な
構造で高分解能の分光器を実現することができる。
を近視野領域に配置して多重回折させる構成としている
から、大口径の回折格子を用いることなく小型で簡単な
構造で高分解能の分光器を実現することができる。
また、スペクトル計測する場合、回折格子又はミラー等
の光学素子を回動させることにより広い波長域に亘って
計測することができ、一方、狭い波長域について計測す
る場合出射スリットの代りに空間イメージセンサを配置
することにより高分解能な高速実時間スペクトル計測を
行なうことができる。
の光学素子を回動させることにより広い波長域に亘って
計測することができ、一方、狭い波長域について計測す
る場合出射スリットの代りに空間イメージセンサを配置
することにより高分解能な高速実時間スペクトル計測を
行なうことができる。
さらに、第1の回折格子の結像位置に第2の回折格子を
配置して多重回折させれば、ほとんどずれのない高精度
な多重回折を実現することができる。
配置して多重回折させれば、ほとんどずれのない高精度
な多重回折を実現することができる。
第1図は本発明による高分解能分光器の原理を説明する
ための模式図、 第2図は本発明による分光器の一例の構成を示す線図、 第3図及び第4図は本発明による分光器の変形例を示す
線図、 第5図〜第7図は本発明による分光器の別の実施例の構
成を示す線図、 第8図は従来の分光器の基本構成を示す線図、第9図は
分光器の分解能を説明するための模式図である。 GI+ GZI G!・・・回折格子 M+, Mz,MC.MC1・・凹面鏡S,, St・
・・スリット 第2図 第l図 第4図 a
ための模式図、 第2図は本発明による分光器の一例の構成を示す線図、 第3図及び第4図は本発明による分光器の変形例を示す
線図、 第5図〜第7図は本発明による分光器の別の実施例の構
成を示す線図、 第8図は従来の分光器の基本構成を示す線図、第9図は
分光器の分解能を説明するための模式図である。 GI+ GZI G!・・・回折格子 M+, Mz,MC.MC1・・凹面鏡S,, St・
・・スリット 第2図 第l図 第4図 a
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、分光すべき光ビームを平行光束とする第1の光学素
子と、多重回折された光束を集束させる第2の光学素子
と、これら光学素子間の光路中に、格子溝が互いに平行
になるように配置されている複数の回折格子とを具え、
入射側に位置する回折格子からの回折光を、この回折格
子の近視野内に配置した出射側に位置する次段の回折格
子に順次入射させて多重回折を行なうように構成したこ
とを特徴とする高分解能分光器。 2、前記分光すべき光ビームを、長手軸線が格子溝と直
交する方向に延在する偏平な平行光ビームとし、前記回
折格子間で交互に複数回反射させて多重回折を行なうよ
うに構成したことを特徴とする請求項1に記載の高分解
能分光器。 3、分光すべき光ビームを断面が偏平な平行光束とする
光学素子と、この平行光束を回折する回折格子と、この
回折方向に近視野限界の半分の距離より小さい距離だけ
離間して配置されている平面鏡と、多重回折した光束を
集束させる光学素子とを具え、前記回折格子と平面鏡と
の間で交互に複数回反射させて多重回折を行なうように
構成したことを特徴とする高分解能分光器。 4、分光すべき光ビームを平行光束とする光学素子と、
この平行光束を回折する第1の回折格子と、第1の回折
格子の近視野像を形成する結像光学系と、前記近視野像
の結像位置又はその近傍に配置され、格子溝が第1の回
折格子の格子溝と平行に延在する第2の回折格子と、第
2の回折格子からの回折光を集束させる光学素子とを具
え、前記第1及び第2の回折格子により多重回折させる
ように構成したことを特徴とする高分解能分光器。 5、前記第1及び第2の回折格子と結像光学系とから成
る光学系を複数組有し、これら複数組の光学系により多
重回折させるように構成したことを特徴とする請求項4
に記載の高分解能分光器。 6、前記分光すべき光ビームを、長手軸線が格子溝と直
交する方向に延在する偏平な平行光ビームとし、前記第
1の回折格子と第2の回折格子との間で結像光学系を介
して交互に複数回反射させて多重回折させるように構成
したことを特徴とする請求項4に記載の高分解能分光器
。 7、前記光学系が、対向配置した2個の凹面鏡で構成さ
れていることを特徴とする請求項4、5又は6に記載の
高分解能分光器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1235765A JPH076840B2 (ja) | 1989-09-13 | 1989-09-13 | 高分解能分光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1235765A JPH076840B2 (ja) | 1989-09-13 | 1989-09-13 | 高分解能分光器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0399238A true JPH0399238A (ja) | 1991-04-24 |
| JPH076840B2 JPH076840B2 (ja) | 1995-01-30 |
Family
ID=16990905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1235765A Expired - Lifetime JPH076840B2 (ja) | 1989-09-13 | 1989-09-13 | 高分解能分光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH076840B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6717731B2 (en) | 1999-12-14 | 2004-04-06 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US6786611B2 (en) | 2000-05-23 | 2004-09-07 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| JP2012163534A (ja) * | 2011-02-09 | 2012-08-30 | Anritsu Corp | 光スペクトラムアナライザ |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5414254A (en) * | 1977-07-02 | 1979-02-02 | Nippon Bunko Kogyo Kk | Wide range spectrometer |
| JPS566126A (en) * | 1979-06-26 | 1981-01-22 | Ritsuo Hasumi | Multiple diffraction type spectroscope |
-
1989
- 1989-09-13 JP JP1235765A patent/JPH076840B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5414254A (en) * | 1977-07-02 | 1979-02-02 | Nippon Bunko Kogyo Kk | Wide range spectrometer |
| JPS566126A (en) * | 1979-06-26 | 1981-01-22 | Ritsuo Hasumi | Multiple diffraction type spectroscope |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6717731B2 (en) | 1999-12-14 | 2004-04-06 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US6947216B2 (en) | 1999-12-14 | 2005-09-20 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US7075723B2 (en) | 1999-12-14 | 2006-07-11 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US7158304B2 (en) | 1999-12-14 | 2007-01-02 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US6786611B2 (en) | 2000-05-23 | 2004-09-07 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| US7193778B2 (en) | 2000-05-23 | 2007-03-20 | Fujitsu Limited | Optical apparatus which uses a virtually imaged phased array to produce chromatic dispersion |
| JP2012163534A (ja) * | 2011-02-09 | 2012-08-30 | Anritsu Corp | 光スペクトラムアナライザ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH076840B2 (ja) | 1995-01-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |