JPH0810160B2 - 結像分光器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、一つの対物鏡、一つのスリット、一つコ
リメータ、一つの回折格子および一つの結像鏡を備えた
結像分光器に関し、その場合、結像鏡は通常の視野レン
ズの役目をする。

〔従来の技術〕

この種の分光器は、例えばドイツ特許第33 04 110号
明細書により知られている。この分光器を用いて分析す
べき光ビームを対物レンズでスリット上に集束し、コリ
メータで再び平行にして、回折格子の方に向け、そこで
回折させて、最後に結像鏡により像面にスペクトルとし
て集束させる。上記明細書に開示されている例は、レン
ズと鏡を組み合わせた系であり、ビーム通路が鏡を一回
しか通過しない。

出版物:Breugel著，“Einfuehrung in die Ultrarots
pektroskopi"3版、Dr.Dietrich Steikopff Verlag,Darm
stadt 1962年によりモノクロメータ中でレンズの代わり
に、楕円または双曲線状の中空鏡の形状の鏡を使用し、
これ等の鏡を、例えばドイツ特許第29 40 325号明細書
から分かるように、二回利用することが提案されてい
る。

ドイツ特許第27 58 141号明細書により、場所を節約
するため、出射スリットと入射スリットが同一平面内に
配置されていることが知られている。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、特に人工衛星や飛行物体中で使用
するため、その種の分光器が小型で、軽量で、しかも頑
丈に形成され、その外、可視光以外の他のスペクトルに
も適合する結像分光器を提供することにある。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた種類の
結像分光器にあって、 前記対物鏡Ｏおよび前記コリメータ・結像鏡K/Iが非
球面鏡から成るただ一つの装置で形成され、ビーム通路
がこの装置を二回通過し、 前記対物鏡Ｏが第一凸面鏡S1と第二凹面鏡S2から成
り、分光すべき光ビームが光軸OA1に対して斜めに或る
角度ｗで前記第二凹面鏡S2の傍を通って前記第一凸面鏡
S1に進み、この第一凸面鏡S1から前記第二凹面鏡S2に進
み、この第二凹面鏡S2から前記第一凸面鏡S1の傍を通っ
て進み、湾曲した画像帯の形で像面Ｂ内のスリットＳに
集束し、 前記コリメータＫが他の凹面鏡S3と他の凸面鏡S4で構
成され、これ等の鏡S3,S4が前記スリットＳから出た光
が前記回折格子Ｇに平行に向き、 前記回折格子から反射された回折光が結像鏡として働く
同じ二つの鏡S3,S4を介して像面にスリットＳの回折像
Ｂ′として集束し、スリットＳとその像Ｂ′が同一面内
にある、 ことによって解決されている。

この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の
従属請求項に記載されている。

〔作用と効果〕

その場合、コリメータと結像鏡を同じ鏡装置で形成
し、光ビームをそれぞれ２回反射すると有利である。

有利な構成によれば、対物鏡は第一凸面鏡と第二凹面
鏡で形成されている。分析すべき光ビームは光軸に対し
て斜めに或る角度で第二凹面鏡の傍を通って第一凸面鏡
に達し、そこから第二凹面鏡に進み、この第二凹面鏡か
ら第一凸面鏡の傍を通って像面でスリットに湾曲した帯
状の像となって集束する。コリメータは他の凹面鏡と他
の凸面鏡で構成され、これ等の鏡はスリットから出た光
を平行にして回折格子に指向させる。この回折格子で反
射して回折した光は、以後結像鏡として使用される同じ
鏡を経由してスリット面でスリットの回折像として再集
束する。

対物鏡の光軸とコリメータ・結像鏡の光軸を互いに平
行にずらしておくと効果的である。

スリットの回折像の曲がりを補償するため、対物鏡と
コリメータは約1:1〜1:10の焦点距離の比を有する。

こうして、機械的な可動部品や高価な部品を使用しな
くても、場所や重量を相当節約できる。

〔実施例〕

以下に、図面に基づきこの発明をより詳しく説明す
る。

第１図は古くから使用されている結像分光器の原理を
示す。分析すべき光ビームＬを対物レンズＯでスリット
Ｓ上で集束し、コリメータＫで再び平行にして回折格子
Ｇに指向させ、そこで回折させて、最後に結像レンズＩ
で再びスペクトルにして像面Ｂに集束させる。

個々の光学部材、つまり対物レンズ、コリメータおよ
び結像レンズは、この発明によれば、４つの鏡で実現さ
れ、これ等の鏡は全て非球面形状で、例えば回転楕円の
形状を有する。完全に結像する分光器は平行にずれた二
つの光軸を有する。次の部分では、個別光学部材の構成
を説明する。

対物鏡は第2a図と第2b図の２面鏡装置で構成されてい
る。物点（無限遠にある）の光Ｌはこの鏡系の光軸OA1
に対して斜めに入射する。帯状物体の線状の像Ｂは第2a
図で紙面に垂直になっている。この場合、真っ直ぐな物
体は像面上に湾曲した状態で結像される。

コリメータ・結像鏡の光学的な構成を第2c図に示す。
入射スリットＢは紙面に垂直である。光は先ず鏡S3とS4
で二回反射するコリメータを通過し、平坦な反射回折格
子Ｇ上に平行に入射する。反射回折された光は、今度は
逆向きに鏡S4とS3で再び反射される。スリットＢの回折
像はＢ′となり、そこで適当な検出器により分析され
る。

コリメータ・結像鏡の系は、このようにただ一つの光
学装置（鏡S3とS4を備えた２面鏡系）で実現される。光
はこの光学系を２回通過する。コリメータと結像鏡の系
はテレセントリックである。鏡S3とS4は回転楕円体であ
って、系の実際のスリットはBLである。

図示する装置では、回折格子がスリットの位置にな
く、これが最適なテレセントリック結像に対して望まし
い。

直線状の入射スリットＢは像面Ｂ′で湾曲した線とな
って結像する。コリメータと結像鏡の系での上記の作用
の原因ないしは影響量は、 ａ）回折格子がスリットの位置にない、 ｂ）光が系を（光軸に対して）斜めに通過する、 ｃ）直線が回折格子により曲がる、 ことにある。ａ）とｂ）による影響は波長に無関係であ
るが、ｃ）は波長に依存する。同じことは湾曲したスリ
ットＢが像面Ｂ′で直線となって結像することにも当て
はまる。

全系を第３図に示す。説明したように、対物鏡の系Ｏ
およびコリメータと結像鏡の系K/Iは湾曲した帯状像を
発生する。両方の系を適当に組み合わせると、これ等の
湾曲を相殺できる。第３図に示す系では、焦点距離の比
を にするとバランスがとれる。

回折格子の屈折を考慮しなければ、つまり、回折格子
が平面鏡のように働くと仮定すると（地表上の）の直線
状の帯状物体が再び直線状の帯状像Ｂ′に結像する。

ただ、スリット面Ｂでの中間像のみが湾曲している。
しかし、回折格子Ｇによるスリット像の曲がりの効果は
そのまま残っている。

回折格子によるスリット像の湾曲は波長に依存し、波
長の増加と共に大きくなる。湾曲の相殺が対物鏡とコリ
メータ・結像鏡との間で完全に行われないと、回折格子
によるスリットの湾曲KGは或る波長で補償できる。他の
波長で残っている湾曲は少ない。

第４図は第３図の全系に対して像面Ｂ′での種々の湾
曲効果と生じた残留湾曲を示す。この場合、回折格子に
よる像面中の直線状スリットの湾曲に記号KGを付ける。
その場合、波長依存性も明らかである。KOは全系、つま
り対物鏡・コリメータ・結像鏡の像面でのスリットの湾
曲を示す。ＲはKGとKOから生じるスリットの湾曲であ
る。Ｆ′Kollはコリメータ・結像鏡の系の焦点距離で、
特別な場合、90mmである。

第５図には、回折格子に関する幾何学的な条件が示し
てある。この場合、 sini′＝sini₀′・（cosφ−１）＋cosφ・sini₀′
（２） であって、ここに ｍ＝回折次数 λ＝波長 ａ＝ライン間隔 である。

等式（１）と（２）により、回折格子のスリットによ
る湾曲は次のパラメータに依存する。即ち、 ａ）湾曲度ｍ ｂ）格子定数1/a＝Ｎ ｃ）波長λ に依存する。

選択したスペクトル分解能に応じて、スリットによる
異なった湾曲を与える種々の格子定数Ｎが必要である。
相殺は対物鏡の焦点距離とコリメータ・結像鏡の焦点を
調節して行われる。

応用例に応じて、この焦点距離の比は以下の範囲で可
変できる。つまり、 具体例： 以下に、例として、第3a図の系のデータを説明する。
この等の値は可変でき、大体格子定数Ｎで定まる。それ
等の値は、必要とされる焦点距離の比の範囲に合わせる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、結像分光器の原理図、 第2a図と第2b図、２面鏡対物鏡の模式的なY/ZとX/Z断面
図、 第2c図、コリメータ・結像鏡の系の光学構成の模式図、 第３図、全光学系、 第４図、全光学系または回折格子による直線状の物体の
和極を示す図面、 第５図は、平坦な回折格子に対する幾何学的な条件の詳
細図。 図中参照符号： Ｏ……対物鏡 Ｓ……スリット Ｋ……コリメータ Ｇ……回折格子 Ｉ……結像鏡 Ｂ……像面 Ｌ……光 S1,S4……凸面鏡 S2,S3……凹面鏡 OA1……対物レンズの光軸 OA2……コリメータ・結像鏡の光軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つの対物鏡（Ｏ），一つのスリット
   （Ｓ），一つのコリメータ（Ｋ），一つの回折格子
   （Ｇ）および一つの結像鏡（Ｉ）を備えた結像分光器に
   おいて、 前記対物鏡（Ｏ）および前記コリメータ・結像鏡（K/
   I）が非球面鏡から成るだた一つの装置で形成され、ビ
   ーム通路がこの装置を二回通過し、 前記対物鏡（Ｏ）が第一凸面鏡（S1）と第二凹面鏡（S
   2）から成り、分光すべきビームが光軸（OA1）に対して
   斜め或る角度（ｗ）で前記第二凹面鏡（S2）の傍を通っ
   て前記第一凸面鏡（S1）に進み、この第一凸面鏡（S1）
   から前記第二凹面鏡（S2）に進み、この第二凹面鏡（S
   2）から前記第一凸面鏡（S1）の傍を通って進み、湾曲
   した画像帯の形で像面（Ｂ）内のスリット（Ｓ）に集束
   し、 前記コリメータ（Ｋ）が他の凹面鏡（S3）と他の凸面鏡
   （S4）で構成され、これ等の鏡（S3,S4）が前記スリッ
   ト（Ｓ）から出た光が前記回折格子（Ｇ）に平行に向
   き、 前記回折格子から反射された回折光が結像鏡として働く
   同じ二つの鏡（S3,S4）を介して像画にスリット（Ｓ）
   の回折像（Ｂ′）として集束し、スリット（Ｓ）とその
   像（Ｂ′）が同一面内にある、 ことを特徴とする結像分光器。
2. 【請求項２】前記対物鏡（Ｏ）の光軸（OA1）と前記コ
   リメータ・結像鏡（K/I）の光軸（OA2）が互いに平行に
   移動できるように配置されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の分光器。
3. 【請求項３】対物鏡（Ｏ）とコリメータ（Ｋ）は約1:1
   〜1:10の焦点距離の比を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の分光器。