JPS6040926A - 線状物体結像光学系 - 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】 本発明は２個の凹面鏡を具え、一方の凹面鏡に対しオフ
アクシス位置にある物体を他方の凹面鏡に対しオフアク
シス位置に線状物体として結像する線状物体結像光学系
に関するものである。斯る光学系は種々の光学装置、例
えばモノクロメータ又は分光写真器に有利に使用するこ
とができ、特にフォトカソードアレー検出器を用いる回
折格子分光写真器に有利に使用することができる。斯る
光学系の一つの利点は鏡を用いるので透過形の光学素子
を用いる場合よりも広い波長範囲に亘って使用すること
ができる点にある。

１つの球面凹面鏡を用いて物体を結像する場合には特に
主光線が有限の入射角で凹面鏡に入射する場合に物体の
収差像が発生することが公知である。この光学系の収差
については“工ｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ”ｔ　Ｊ、Ｅ、Ｓｔｅｗａｒｔ著、　Ｍａｒｃｅｌ　
Ｄｅｋｋｅｒ発行（Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　、　１９７０年
）に記載されている。

その主な収差は球面収差、コマ収差及び非点収差である
。

また、２個の球面凹面鏡を組合わせて用い、特に同一の
凹面鏡を用い、両凹面鏡を第１図に示すように非対称に
配置することによりコマ収差の影響を相殺することがで
きることも公知である。この光学系は上述の分献の第７
０頁に記載されている。

点状物体が一方の四面鏡の接線焦点にあって物体からの
光線が平行光束にケる場合、他方の凹面鏡の接線焦点の
像は非点収門子午線像になると共に球面収差のために若
干太くなる。−次コマ収差は鏡の非対称配置により相殺
される。この光学系を用いて一方の鏡の接線焦点に子午
平面に垂直に置かれた線状物体を結像すると、物体の各
点は他方の鏡の子午像面に（若干の球面収差を持った）
非点収差線像として結像される。

この光学系は鏡面を形成する球面に対し対称な対称軸を
有する。この対称軸は両球面の曲率中心を結ぶ線に沿っ
て延在する。この対称軸を第２図にａｌａ、として示し
である。物体スリット上の各点は、第８図に示すように
対称軸に沿って見ると１物点とその像を結ぶ直線に直角
な非点収差線像として結像される。これらの非点収差線
像は像線に対し角度をもつため、これらの非点収差線像
は湾曲し、対称軸に沿って見た物体スリットの像を幅広
にする。これがため、第２凹面鏡即ち収束凹面鏡の極点
から線像の中心を通る主光線に直角な像平面において像
は湾曲した幅の広いものとなる。

本発明の目的は像の湾曲及び拡がりを従来のものより低
減した２個の四面鏡を具える光学系を提供せんとするに
ある。

本発明は、２個の凹面鏡を具え、第１の四面鏡に対しオ
フアクシス位置にある線状物体を第２の凹面鏡に対しオ
アアクシス位置に線像として結像する光学系において。

オフアクシス角と２個の凹面鏡の間隔とを、線状物体の
中心点から第１凹面鏡に至る主光線と第２凹面鏡から線
像の中心点に至る主光線が２個の凹面鏡の曲率中心を通
る当該光学系の対称軸に対し略々直角となるように選択
したことを特徴とする。平面鏡を用いて当該光学系の光
路を折り返してもよい。この場合にも主光線が対称軸に
直交する上記の条件は非折返し光学系と同様に維持され
る。

このオアアクシス光学系においては線状物体を第１凹面
鏡の接線焦点面に置き、線像を第２凹面鏡の接線焦点面
で観察するのが好適である。この場合、線状物体と線像
はそれぞれ第１及び第２凹面鏡の子午平面に垂直とし、
且つこれら子午平面を共平面にすることができる。

本発明光学系においては、各凹面鏡はその極点において
曲率半径Ｒを有するものとし、２個の凹面鏡の極点間の
間隔Ｓを次式： ここでφは物体及び像の主光線の共通のオフアクシス角 で与えられる値とすることができる。

更に、本発明光学系においては凹面鏡は球面集とするこ
とができる。

本発明光学系はツエルニ−・ターナ−型のモノクロメー
タ内に組込むことができる。

本発明光学系はスペクトル線検出器を具える分光写真器
に組込むこともできる。

斯る分光写真器においては、検出器は互に平行に配列さ
れた線状検出器の平面アレーとし、これら線状検出器は
入射スリットの像に平行に配置し、且つ前記間隔Ｓは一
つの波長に対して入射スリットをアレーの１つの検出器
上に結像する値とする。

以下、本発明を図面を参照して実施例につき説明する。

第１図は、等しい曲率半径の２個の球面凹面鏡を具え、
オフアクシス角φの位置にある点状物体０を両凹面鏡間
の光束に対し物体Ｏとは反対側で同一のオフアクシス角
φの位置に像工として結像する既知の光学系を示す。両
凹面鏡間で光束は平行になる。斯る光学系では鏡１によ
り発生されるコマ収差が鏡２のコマ収差により相殺され
ることが、公知である。この光学系はＪ、Ｅ、５ｔ８Ｗ
ａｒｔ著、”　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ″、　Ｍａｒｃｅｌ　Ｄｅｋｋｅｒ発行（１Ｊｅ
Ｗ　ＹＯｒｋ　、　１９７０　）　、ｐ、７０に開示さ
れている。

第１図において、オアアクシス物体Ｏのメリジオナル平
面又は子午平面は鏡１の光軸とオフアクシス物点０を含
む平面であり、第１図の紙面である。

同様に、像工の子午平面も図紙面であって、物体０の子
午平面と一致する。第２図において、Ｐ□は鏡１の極点
、０□は曲率中心及び面ｏ　ｐｌｃ、は物体の子午平面
である。同様に、面Ｉ　Ｐ２Ｏ，は像の子午平面である
。

点状物体Ｏが鏡１の接線焦点に置かれ、物体からの光線
が平行光束になる場合、鏡２の接線焦点の像は子午平面
に垂直な非点収差子午線像になり且つ球面収差のために
像の幅が若干大きくなる。

コマ収差は鏡の非対称配置により相殺されてなくなる。

この光学系を用いて一方の鏡の接線焦点に１子午平面に
垂直（即ち図紙面に垂直）に置かれた線状物体を結像す
る場合には、線状物体の各点が他方の鏡の子午像面に（
若干の球面収差をもった）非点収差線像として結像され
る。第８図にこれら線像を線８で示す。この光学系は２
個の鏡面を形成する球面に対し対称な対称軸を有する。

この対称軸は２個の球面の曲率中心を結ぶ線に沿って位
置する。この対称軸を第２図にｏ１ｏ２として示しであ
る。動線の各点は、第２及び第８図に示すように当該光
学系の対称軸の方向に見ると、物体と像を結ぶ半径ｒに
直角な非点収差線像として結像される。これら非点収差
線像は像線に対し角度をもつため、これら非点収差線像
は対称軸に沿って児だ全体の像の幅を大きくする。この
線像をその主反射光線の方向に沿って見ると、線像の幅
は係数ＣＯＳθ（ここでθは第２図に示すように対称軸
と像の主反射光線とのなす角）で減少する。従ってθ−
９０の場合には非点収差線による像の幅の拡がりは零に
減少し、線像の幅は主として球面収差により決まる。

第４図は本発明に従ってθ−９０’に構成した光学系を
示す０２個の鏡の中心間隔を特徴とする特許第４図の幾
何構成から、θ−９０°の場合、ここで、Ｒ−両鏡の曲
率半径、 φ−鏡に入射する主ツＣ線の入射角、 が成立する０ この光学系の元学状圃を第５図の斜視図に示しである。

線状物体Ｏは共通の子牛平面ＣＩＰＩＰ、Ｃ２に垂直で
あって鏡の接線焦点にある物体面４内に示しである。物
体Ｏは像面５と交差する湾曲した幅広の線工として結像
される。第６図はこの光学系を対称軸ＣｌＣ２に沿って
矢印６の方向に見た図であって線像の全湾曲を示すもの
である。第７図は矢印６に直角で像面５に垂直な矢印・
７）の方向に見た図であり、像面５上に投射された線像
は略々直線に見える。従って、直線物体は多くの光学機
器に所望の如く直線像として発生する。この光学系の有
効性はコンピュータによる光線追跡により証明すること
ができる。第８図は対称軸が主光線に対し直角（θ−９
０°）の光学系の像面におけるコンピュータ光線追跡の
交点を示す。これには、次のパラメータを使用した。

鏡の曲率半径Ｒ＝−１００問 入射角φ−２０゜ 物体線長−２・５馴 物体上の８つの点、即ち中心と両端について光線追跡を
行なった。２個の鏡の中間に５ｍ角の孔を有する開口絞
りを対称に配置した。第８図の縦軸の目盛間隔は１．０
問、横軸の目盛間隔は０．０１間である。上式（１）か
ら２個の鏡の間隔２Ｌは２４５闘にする必要がある。

第８図は２Ｌ　−２４５ａｍにすると非点収差線像の湾
曲が減少し、直線の像が得られることを示し、像の幅は
球面収差により決まるものと考えられる。

本発明によるこの光学系はモノクロメータ及び分光写真
器に有用である。

第９図は光束を２個の凹面鏡間に介挿した平面鏡７で反
射するようにした点を外いて第４図に示す光学系と同一
の構成の光学系を示す。平面鏡７は光学系の光路を折り
返して光学系全体のサイズを縮小する。主光線が対称軸
に対し直角をなすという条件はこの折返し光学系も満た
しており、この光学系の鏡２と像工の虚像を平面鏡７の
中に示せば上記の条件を満足する非折返し光学系になる
。

同様に、任意の個数の平面鏡により上記の条件を失うこ
となく物体と像との間の光路を折返すことができ、この
ような光学系も直線物体を直線像として結像する。

平面鏡を回折格子と置き替え）スリットを像位置と物体
位置に置くと、当該光学系はツエルニ−・ターナ−形の
モノクロメータになる（前記文献の第２０８頁参照）。

回折格子の入射角と回折角が等しく、零次の波長にセッ
トされているとき、回折格子は鏡として作用し、直線幅
狭入射スリットが射出スリット上に直線幅狭像として結
像される。

回折格子をモノクロメータが所定の波長を透過するよう
に回転させると、格子のアナモルフィック作用により入
射光束と反射光束とに幅の差を生ずるために若干のコマ
叔差が導入される。更に、若干のスペクトル線の湾曲も
導入されるＯしかし−これらの影響は比較的小さく、ス
リット像は略々直線に維持させる。

このタイプのモノクロメータの使用上の利点は、殆んど
の通常のモノクロメータは射出スリットと一致する入射
スリット像を得るのに湾曲した入射スリット及び／又は
射出スリットを必要とするが、このモノクロメータは簡
単に製造及び整列し得る直線の入射スリット及び射出ス
リットを使用することができる点にある。更に、分光写
真器に対してはスペクトルを簡単に測定及び分析し得る
直線のスペクトル線として記録することができる利点が
得られる。

本発明光学系をモノクロメータや分光写真器に使用する
際の一つの欠点は光路長が通常のものより長くなる点に
ある。しかし、上述したように折返し平面鏡を用いてそ
の装置に所望のサイズとすることができる。　− 直線スリットを使用し得るという利点がサイズの増大と
いう欠点にまさる一つの応用例はフォトダイオードアレ
ー検出器を具える分光写真器である。これらダイオード
アレーは例えば２５　、ｕｎの、間隔で一列に配列され
た２、５朋の長さのシリコンフォトダイオードのアレー
とすることができる。

このアレーは分光写真器の焦点面に配置され、各ダイオ
ードは２５μｍ幅の直線スリットとして形成されて小帯
域の波長を受光する。各ダイオードは直線の射出スリッ
トとして作用するので、分光写真器は直線入射スリット
の直線の像を発生するものとするが有利である。フォト
ダイオードアレーは極めて小寸法であるため、多くの装
置に必要とされる波長範囲を発生させるのに極めて小さ
い分光写真器が必要とされ、従ってたとえ分光写真器の
寸法が鏡の焦点距離の数倍であっても装置全体は比較的
小寸法になる。

フォトダイオードアレーを含む焦点面の平坦度及び焦点
面に沿う波長分散の直線性は、回折格子とアレー上に光
束を収束する鏡２との間の光路長を主光線が対称軸に対
し直角をなすという本発明の条件を維持したまま変える
ことによって最適にすることができる。

第１０図は本発明に従って設計したモノクロメ、−夕に
ついてのコンピュータ光線追跡結果を示す〇こｐモノク
ロメータのパラメータは次の通りである。

鏡の曲率半径Ｒ−８５０朋 主光線入射角φ−１０゜ コリメータ鏡−格子間隔Ｌ−８６６，８間格子−収束鏡
間隔Ｌ＝８６６．８ｍｍ 格子の入射光束と回折光束との角度−２０’入射スリッ
ト長−６關 第１０図において、縦軸の目盛間隔は１．０ｍｍ、横軸
の目盛間隔は０−０２＋＋＋ｍである。開口絞りは格子
位１道にあり、２０龍角である。光線追跡はスリット上
の８つの等間隔点について行なった。第１０図はｏ　ｎ
ｍのとき、即ち格子が平面鏡として作用するとき、良好
な直線の収束が得られることを示す。波長が増大するに
つれて収差が増大すると共に格子がスリット像を僅かに
湾曲させるが、光線追跡の目盛を考慮に入れると８００
　ｎｍでも像はいくつかの装置に対しては依然として十
分に直線であるものとみなせる。モノクロメータの波Ｊ
・・、長分散は０．０２＋＋ｍの目盛間隔に対して約０
−１ｎｎの波長であるため、８００　ｎｍにおいてはス
リット像の全幅は０．４雛ｍに対応する０、０８ｍ５で
ある。

像が均等に照明されたパッチである場合、モノクロメー
タの限界帯域幅は像の幅の約１に等価であ鳴 り、ｓ　ｏ　ｏ　ｎｍにおいては約０．１雛ｍである。

同一の焦点距離及び口径の凹面鏡及び湾曲スリットを用
いるエバート形モノクロメータは約０．０５　ｎｍの限
界帯域幅を有する。

第１１図は検出器としてフォトダイオードアレーを用い
、本発明に従って設計した分光写真器についてのコンピ
ュータ光線追跡結果を示す。この分光写真器のパラメー
タは次の通りである。

鏡の曲率半径Ｒ−１４０ａｍ コリメータ鏡の主光線入射角φ−２２２・４２゜コリメ
ータ鏡−格子間隔２Ｌ−Ｘ−２９２，５調格子の主光線
入射角−１７，０゜ 格子−収束鏡間隔Ｘ（λ−１９０ｎｍ　）−７２，６ａ
ｍ収束鏡の主光線入射角φ（λ−１９０ｎｍ　）−２２
，４２゜入射スリット長−２，５闘 第１１図において縦軸の目盛間隔は１−０鵡、横軸の目
盛間隔は０．０１ｍである。この装置は１９０ｎｍの波
長において最適となるように本発明に従って設計されて
おり、８００ライン／間の格子を用いている。この分光
写真器の逆分散率は約５０ｎｍ　／　ａｍである。図示
の全ての波長においてスリット像は本質的に直線である
ことが示されている。

ｓ　ｏ　ｏ　ｎｍではパッチ幅は１．５１ｍに対応する
約０．０３５ｃｍであり、限界帯域幅は約０．４　ｎｍ
である。

アレー素子の幅は約１．２　ｎｍに対応する０、０２５
雛である。従って分光写真器の実効帯域幅は約１．２　
ｎｍ　＋　０．４　ｎｍ　−１，６ｎｍテアル。

光学収差の理論、特にザイデルの理論は高次の項を無視
した近似理論である。これがため、殆んどの光学系の正
確な分析はコンピュータ光線追跡によらなければ行なう
ことは極めて困難である。前記の計算式（１）で与えら
れる寸法に構成された上述の光学系は直線像に良好に近
似する像を形成する０上記の計算式で与えられる値から
僅かに異なる寸法りに構成された光学系もいくつかの用
途に好適な性能を示す。２個の鏡の間隔を式（１）で与
えられる値より大きく又は小さくすることにより線像を
故意に一方向又は反対方向に湾曲させることができる。

特に、本発明をモノクロメータや分光写真器に使用する
ときは、ときには式（１）で与えられる値と僅かに相違
する寸法りを有する光学系を用いて特定の波長における
回折格子の収差又は格子により導入されるスペクトル線
の湾曲を補償するようにするのが有利である。

本発明による分光写真器はダイオードアレー以外にも例
えば写真乾板、ビデイコン管、解像管のような他の検出
器を用いることもできる。

本発明原理を用いる等価な光学系を例えば非球面鏡、円
筒面鏡、放物面鏡又は楕円面鏡を用いて構成することも
できる。

第９図は球面鏡１及び２間に平面鏡を挿入した例を示し
である。先に述べたようにこの平面鏡はモノクロメータ
又は分光写真器の平面反射格子とすることができる。こ
の追加の反射面は収束鏡２の凹面に回折格子を設けるこ
とにより除去することができる。斯る格子はホログラフ
ィック型としＣ知られている罫Ｈ（ｒｕｌｅｄ　）型又
は干渉型のものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一方の球面鏡により発生するコマ収差を他方の
球面鏡のコマ収差により相殺するようにした既知の光学
系を示す図、 第２図は第１図の光学系の主光線と対称軸を示す図、 第８図は第２図の光学系を対称軸に沿って見た図、 第４図は本発明光学系を示す図、 第５図は第４図の光学系の斜視図、 第６図は第４図の光学系を対称軸に沿って見た図、 第７図は像の中心に向う主光線に沿って見た第４図の像
面の図、 第８図は第４図の光学系について鏡間隔の関数としてコ
ンピュータ計算して得られた線像の形を示す図、 第９図は平面回折格子を用いるモノクロメータ又は分光
写真器を示す図、 第１０図は本発明光学系を用いるモノクロメータについ
て波長の関数としてコンピュータ計算して得られた線像
の形を示す図、 第１１図は本発明光学系を用いる分光写真器について波
長の関数としてコンピュータ計算して得られた線像の形
を示す図である。 １．２・・・凹面鏡　０・・・物体 重・・・像　Ｐ、、ｐＨ・・・極点 φ・・・オフアクシス角　Ｒ・・・曲率半径ｃ、、ｃ、
・・・曲率中心 ０・・・主光線と対称軸のなす角 ８・・・非点収差線像　４・・・物体面５・・・像面　
７・・・平面鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １２個の凹面鏡を具え、第１の凹面鏡に対しオフアクシ
   ス位置にある線状物体を第２の凹面鏡に対しオフアクシ
   ス位置に線像として結像する光学系において、オフアク
   シス角と２個の凹面鏡間の間隔とを、物体の中心から第
   １の凹面鏡に至る主光線と第２の凹面鏡から線像の中心
   に至る主光線が２個の凹面鏡の曲率中心を通る当該光学
   系の対称軸に対し略々直角になるように選択したことを
   特徴とする線状物体結像光学系。 λ　特許請求の範囲１記載の光学系において、前記線状
   物体は前記第１凹面鏡の接線焦点面に位置し、前記線像
   は前記第２凹面鏡の接線焦点面に位置することを特徴と
   する線状物体結像光学系。 ＆　特＃′Ｆ請求の範囲２記載の光学系において、前記
   線状物体と前記線像は前記第１及び第２凹面鏡の子牛平
   面に垂直に位置することを特徴とする線状物体結像光学
   系。 弧　特許請求の範囲１，２又は８において、前記各凹面
   鏡はその極点における曲率半径がＲであり、前記２個の
   凹面鏡の極点間の間隔Ｓは次式： ここで、φは物体及び像の主光線の共通のオフアクシス
   角 で与えられることを特徴とする線状物体結像光学系。 五　特許請求の範囲１〜４の何れかに記載の光学系にお
   いて、前記凹面鏡は球面鏡であることを特徴とする線状
   物体結像光学系。 ＆　特許請求の範囲１〜４の何れかに記載の光学系にお
   いて、前記凹面鏡は非球面鏡であることを特徴とする線
   状物体結像光学系。 ？、　入射スリットと、コリメータ凹面鏡と、収束凹面
   鏡と、コリメータ凹面鏡と収束凹面鏡との間の平行光束
   中に位置する波長分散素子と、射出スリットとを具える
   モノクロメータであって、前記２個の凹面鏡は特許請求
   の範囲１〜６の何れかに記載の光学系を構成することを
   特徴とするモノクロメータ〇 ＆　特許請求の範囲７記載のモノクロメータにおいて、
   前記凹面鏡の極点間の光路長を、非零次回折光の一つの
   波長において直線の像を発生するに十分な量だけ前記間
   隔値Ｓがら相違させであることを特徴とするモノクロメ
   ータ。 ９・　特許請求の範囲７又は８記載のモノクロメータに
   おいて、前記波長分散素子は前記収束凹面鏡の反射面上
   の回折格子であることを特徴とするモノクロメータ。 ｌα　モノクロメータとスペクトル線検出器を具える分
   光写真器において、前記モノクロメータは特許請求の範
   囲７，８又は９に記載されたものであることを特徴とす
   る分光写真器。 ＩＬ　特許請求の範囲１０記載の分光写真器において、
   前記検出器は互いに平行配列された線状検出器の平面ア
   レーであり１これら線状検出器は入射スリットの像に平
   行に配置され、前記間隔Ｓは一波長に対して入射スリッ
   トを前記アレーの１つの検出器上に結像する値であるこ
   とを特徴とする分光写真器。