JP4715215B2 - 広波長域小型分光器 - Google Patents
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Description
前記回折格子の回転角に応じて前記集束位置に集束する回折光の波長が定まるので、前記集束位置に、スリットと集束光の光量を検出する光量検出器とを配置した状態で、前記回折格子を回転させながら前記光量検出器により受光量を検出することにより、回折光の波長に応じた光量分布(測定光の波長スペクトル)を検出することができる。
なお、前記集束位置に配置する光量検出器として、受光面積が非常に小さいものを使用する場合には、前記集束位置の前記スリットは省略することが可能である。
前記回折光の集束位置に配置する光量検出器は、入射した光の波長に対する感度に高低があるため、あるいは、感度を有しないものがあるため、ある波長の光に対する感度の良い光量検出器を使用した場合、その光量検出器では、前記ある波長から大きく離れた波長の光を感度良く検出することができない。
前記測定光の波長スペクトルを広い波長範囲に渡って感度良く検出するためには前記波長が離れている複数の回折光の各集束位置に、異なる波長の光に対して高感度に光量を検出することが可能な波長感度特性の異なる複数の光量検出器を配置する必要がある。
しかしながら、前記回折格子で回折された回折光の集束位置を複数とするためには、回折格子から出射する複数の異なる波長の回折光の通路にそれぞれレンズまたはミラー等の回折光集束部材を配置して、前記複数の波長の回折光をそれぞれ複数の集束位置に集束させる必要がある。前記複数の集束位置にそれぞれ、フィルタおよび光量検出器を配置することにより、前記測定光の波長スペクトルを広い波長範囲に渡って感度良く検出することが可能になるが、その場合には、複数の回折光集束部材が必要となり、装置が大型化したり、コスト高となる。
この波長スペクトルの測定方法では、3個の格子定数の異なる回折格子を順次測定位置(コリメートされた測定光の入射位置)に回転させて測定を行う必要があり、また、測定する波長域に応じて前記集束位置に配置するフィルタまたは光量検出器を交換しなければならないので、測定光の波長スペクトルの測定に要する時間が長くなる。
(1)測定光がコリメートされたコリメート光の通路に垂直な回転軸回りに回転可能に支持した格子定数dが異なる複数の回折格子を前記回転軸の軸方向に並べて前記コリメート光の光路中に配置し、且つそれぞれの回折格子に応じて回折光集束部材を配置することにより、前記複数の各回折格子で回折された複数の各回折光を複数の集束位置に集束させることができる。
(2)前記複数の集束位置にそれぞれ透過波長領域の異なるフィルタおよび波長感度特性の異なる光量検出器を配置することにより、回折光集束部材の個数の増加を防止しながら、前記測定光の波長スペクトルを広い波長範囲に渡って感度良く検出することが可能になる。
本発明は前述の研究結果に鑑み、下記(O01)の記載内容を課題とする。
(O01)測定光の広い領域の波長スペクトルの測定に要する時間が短く、構成の簡素な広波長域小型分光器を提供すること。
また、本発明を後述の実施例の符号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易にするためであり、本発明の範囲を実施例に限定するためではない。
第1発明の広波長域小型分光器は、
入射スリット(41)を通過した測定光をコリメート光(L0)にするコリメータ(43)と、
前記入射スリット(41)に平行な回転軸回りに回転可能に支持され且つ前記コリメート光(L0)の光路中に配置された回折格子(44aまたは45a)と、
前記回折格子(44aまたは45a)で回折して1個の回折光集束部材(45aまたは45b)の異なる複数の位置にそれぞれ設けられた反射面を有し、各反射面に入射する複数の回折光(L1,L2またはL3,L4)をそれぞれ異なる複数の集束位置に集束させる前記1個の回折光集束部材(45aまたは45b)と、
前記複数の各回折光(L1,L2またはL3,L4)の集束位置にそれぞれ配置された透過波長領域の異なる複数のフィルタ(F1,F2またはF3,F4)および前記複数の各フィルタ(F1,F2またはF3,F4)を透過した光量をそれぞれ検出する光量検出器(D1,D2またはD3,D4)と、
前記1個の回折光集束部材(45a)により回折光(L1,L2)が集束する前記複数の各集束位置の中の1つの集束位置に配置された1次回折光(L1)を透過させる1次回折光透過フィルタ(F1)および、他の1つの集束位置に配置された2次回折光(L2)を透過させる2次回折光透過フィルタ(F2)を含む前記複数のフィルタ(F1,F2)と、
前記入射スリット(41)に平行な回転軸回りに回転可能に支持され且つ前記回転軸の軸方向に並んで前記コリメート光(L0)の光路中に配置された格子定数dが異なる複数の前記回折格子(44a,44b)と、
前記複数の各回折格子(44a,44b)で回折された前記コリメート光(L0)の複数の各回折光(L1〜L4)をそれぞれ集束させる前記回折光集束部材(45a,45b)であって、前記複数の各回折格子(44a,44b)に対応してそれぞれ設けられた前記回折光集束部材(45a,45b)と、
を備え、
前記光量検出器(D1〜D4)が、
複数の前記回折格子(44a,44b)の中の第1の回折格子(44a)で回折され且つ透過波長域が550nm以上の1次回折光透過フィルタ(F1)を通過した波長領域が600nm〜1100nmの1次回折光を検出可能なシリコン製の光量検出部を有する第1の光量検出器(D1)と、
前記第1の回折格子(44a)で回折され且つ透過波長域が250nm〜600nmの前記2次回折光透過フィルタ(F2)を通過した波長領域が250nm〜600nmの2次回折光を検出可能なシリコン製の光量検出部を有する第2の光量検出器(D2)と、
複数の前記回折格子(44a,44b)の中の第2の回折格子(44b)で回折され且つ透過波長域が1400nm以上の1次回折光透過フィルタ(F3)を通過した波長領域が1400nm〜2600nmの1次回折光を検出可能なインジウム・ガリウム・ヒ素製の光量検出部を有する第3の光量検出器(D3)と、
前記第2の回折格子(44b)で回折され且つ透過波長域が900nm以上の1次回折光透過フィルタ(F4)を通過した波長領域が1000nm〜1700nmの1次回折光を検出可能なインジウム・ガリウム・ヒ素製の光量検出部を有する第4の光量検出器(D4)と、
を有し、
前記第3の光量検出器が冷却されながら使用される
ことを特徴とする。
なお、前記集束位置に、スリットを配置することが可能である。特に、光量検出器として、受光面積の大きなものを使用する場合には、スリットを設ける必要がある。
前記構成要件を備えた第1発明の広波長域小型分光器では、コリメータ(43)は、スリット(41)を通過した測定光をコリメート光(L0)にする。前記スリット(41)に平行な回転軸回りに回転可能に支持された回折格子(44aまたは44b)は、前記コリメート光(L0)の光路中に配置される。
前記1個の回折光集束部材(45aまたは45b)は、前記回折格子(44a,44b)で回折して前記1個の回折光集束部材(45aまたは45b)の異なる複数の位置に入射する回折光(L1,L2またはL3,L4)をそれぞれ異なる複数の集束位置に集束させる。
前記1個の回折光集束部材(45aまたは45b)により回折光(L1,L2またはL3,L4)が集束させられる前記複数の各集束位置の中の1つの集束位置に配置されたフィルタ(F1,F3)と他の1つの集束位置に配置されたフィルタ(F2,F4)とは、透過波長領域が異なるので、前記各フィルタを透過した回折光(L1,L2またはL3,L4)の波長スペクトルの波長領域はそれぞれ異なっている。したがって、前記各フィルタ(F1,F2またはF3,F4)を透過した回折光(L1,L2またはL3,L4)の波長スペクトルを測定することにより、一度に広い波長領域の波長スペクトルを測定することができる。
したがって、測定光の波長スペクトルの測定に要する時間が短く、構成の簡素な広波長域小型分光器(4)を提供することが可能となる。
したがって、前記回折格子(44a)で回折して前記1個の回折光集束部材(45a)の異なる複数の位置に入射する回折光(L1,L2)がそれぞれ集束する異なる複数の集束位置の1つの位置では、1次回折光(L1)の波長スペクトルを測定することができ、他の1つの位置では、2次回折光(L2)の波長スペクトルを測定することができる。、したがって、回折格子(44a)の1回のスキャンにより測定光(L)の広い波長領域の波長スペクトルを測定することが可能となる。
したがって、測定光(L)の波長スペクトルの測定に要する時間が短く、構成の簡素な広波長域小型分光器(4)を提供することが可能となる。
前記格子定数dが異なる複数の各回折格子(44a,44b)に対応してそれぞれ設けられた回折光集束部材(45a,45b)は、前記格子定数dが異なる複数の各回折格子(44a,44b)で回折された前記コリメート光(L0)の複数の各回折光(L1〜L4)をそれぞれ集束させる。
前記格子定数dが異なる複数の各回折格子(44a,44b)に対応してそれぞれ設けられた複数の回折光集束部材(45a,45b)により複数の各回折光(L1〜L4)が集束する位置に波長領域特性の異なる光量検出器(D1〜D4)を配置することにより、前記回折格子(44a,44b)の1回のスキャンにより、複数の波長領域の回折光(L1〜L4)の光量を検出することができる。
したがって、回折格子(44a,44b)の1回のスキャンにより測定光(L)の広い波長領域の波長スペクトルを測定することが可能となる。
したがって、測定光(L)の波長スペクトルの測定に要する時間が短く、構成の簡素な広波長域小型分光器(4)を提供することが可能となる。
したがって、4つの光量検出器(D1〜D4)により、波長領域が250nm〜2600nmの範囲の波長スペクトルを1台の分光器(A)により検出できる。
(E01)測定光の波長スペクトルの測定に要する時間が短く、構成の簡素な広波長域小型分光器を提供することができる。
図1において、分光器Aは、分光器本体1を有しており、分光器本体1は、ケース2と、ケース2内部に収容した光源部3、広波長域小型分光器4、A/Dコンバータ5、および制御部6を有している。また、分光器本体1は、ケース2の外側面に装着したシャッタスイッチ11、光量調整ダイヤル12、SCSI(スカジー)接続端子13、検査光出力端子14、および測定光入力端子15を有している。また、分光器本体1は、前記ケース2内部の部品に電力を供給する電源コード17を有している。
分光器Aの使用時には、前記SCSI端子13にはコンピュータ19が着脱可能に接続され、前記電源コード17は電源コンセント(図示せず)に接続される。
前記プローブユニット21の検査光入力端子24および測定光出力端子27を前記検査光出力端子14および測定光入力端子15に接続することにより、前記プローブユニット21は分光器本体1に接続される。
なお、リファレンス測定ホルダ30は、前記プローブ22に着脱可能に構成されており、内部には白色の光散乱反射板が収容されている。リファレンス測定ホルダ30をプローブ22に装着した状態では、プローブ22の先端から所定距離離れた位置に前記白色の光散乱反射板が配置されるように構成されている。リファレンス測定ホルダ30にプローブ22を装着した状態で、光源部3から出射した光を光ファイバ23を介してプローブ22の先端から出射すると、前記リファレンス測定ホルダ30の前記白色の光散乱反射板で反射された反射光がプローブ22から光ファイバ26、測定光出力端子27、測定光入力端子15を介して前記広波長域小型分光器4に入射する。この入射光の検出強度を測定して測定光の基準強度とする。
そして、実際の測定対称物の反射光または透過光の回折光の測定時には、検出強度を、前記基準強度で割った値を測定値として使用する。
図2A、図3において、スリット41から入射した測定光Lはミラー42で反射してコリメータ(コリメート用反射鏡)43に入射する。コリメータ43でコリメート(平行化)された測定光(コリメート光)L0は回折格子部44に入射する。回折格子部44は前記スリット41の長手方向に平行な図示しない回転軸回りに回転可能に支持されている。したがって、前記回折格子部44は前記図示しない回転軸回り回転可能である。
前記回折格子部44で回折された回折光L1〜L4はそれぞれ凹面鏡により構成された回折光集束部45で集束されて測定光検出部46で検出される。
図3において、前記回折格子部44は前記回転軸に沿って格子定数d(d=1/N、但しNは1mm当たりの溝本数)の異なる上側の回折格子44aおよび下側の回折格子44b(図3参照)を有しており、前記回折格子44aおよび44bは前記スリット41の長手方向に平行な回転軸に並んで配置されている。
前記回折光集束部45は、前記スリット41の長手方向に沿って配置された上側の回折光集束部材45aと下側の回折光集束部材45bとを有している。前記上側および下側の回折光集束部材45aおよび45bは凹面鏡により構成されている。
前記測定光検出部46は、透過波長領域の異なる4個のフィルタF1〜F4と、波長感度特性の異なる4個の光量検出器D1〜D4を有している。
この実施例1では光量検出器D1〜D4は直径1mm程度の小さいものを使用しているので、各検出器D1〜D4の直前にはスリットまたは絞り孔等が設けられていないが、前記スリットまたは絞り孔等を設けることも可能である。
図3、図4において、フィルタF1を透過して光量検出器D1により検出される回折光L1は、上側の回折格子44aで回折され、且つ上側の回折光集束部材45aで集束される(図3参照)。
図4において、前記回折格子44aは、溝数1200本/mmで、ブレーズ波長(回折格子44aの回折効率の最大値における波長)は750nmである。
前記フィルタF1の透過波長域は550nm以上であり、光量検出器D1の光量検出部にはSiが使用されている。
前記光量検出器D1により回折次数が1で検出波長領域が約600〜1100nmの波長スペクトルを検出可能である。
図4において、前記フィルタF2の透過波長域は250〜600nm、好ましくは300〜600nmであり、光量検出器D2の光量検出部にはSiが使用されている。
前記光量検出器D2により回折次数が2で検出波長領域が250〜600nm、好ましくは300〜600nmの波長スペクトルを検出可能である。
図4において、前記回折格子44bは、溝数650本/mmで、ブレーズ波長(回折格子44bの回折効率の最大値における波長)は1250nmである。前記フィルタF3の透過波長域は1400nm以上であり、光量検出器D3の光量検出器D3にはInGaAsが使用されており、一段電子冷却装置で冷却しながら使用される。この場合の有効な検出波長領域の上限値は2600nmである。
前記光量検出器D3により回折次数が1で検出波長領域が約1400〜2600nmの波長スペクトルを検出可能である。
前記フィルタF4の透過波長域は900nm以上であり、光量検出器D4の光量検出部にはInGaAsが使用されている。この場合の有効な検出波長領域の上限値は1700nmである。
前記光量検出器D4により回折次数が1で検出波長領域が約1000〜1700nmの波長スペクトルを検出可能である。
前記光量検出器D1〜D4により、検出波長領域が250〜2600nmの範囲の波長のスペクトルを1台の分光器Aにより検出可能である。
前記構成を備えた実施例1の広波長域小型分光器4では、コリメータ43は、スリット41を通過した測定光Lをコリメート光L0にする。
前記スリット41に平行な回転軸回りに回転可能に支持された格子定数dが異なる複数の回折格子44a,44bは、前記回転軸の軸方向に並んで前記コリメート光L0の光路中に配置される。
前記上側の回折光集束部材45aは、前記上側の回折格子44aで回折して前記上側の回折光集束部材45aの異なる複数の位置に入射する回折光L1,L2をそれぞれ異なる複数の集束位置に集束させる。
また、前記下側の回折光集束部材45bは、前記下側の回折格子44bで回折して前記下側の回折光集束部材45bの異なる複数の位置に入射する回折光L3,L4をそれぞれ異なる複数の集束位置に集束させる。
前記複数の各回折格子44a,44bに対応してそれぞれ設けられた複数の回折光集束部材45a,45bにより複数の各回折光L1〜L4が集束する位置に波長領域特性の異なる光量検出器D1〜D4が配置されているので、前記回折格子44a,44bの1回のスキャンにより、複数の波長領域の回折光L1〜L4の光量を検出することができる。
したがって、回折格子部44の1回のスキャンにより測定光の広い波長領域の波長スペクトルを測定することができる。したがって、測定光Lの波長スペクトルの測定に要する時間が短くなる。また、本実施例1では回折格子44a,44bまたは回折光集束部材45a,45bの個数が、前記フィルタF1〜F4または光量検出器D1〜D4個数よりも少なく、且つ、前記フィルタF1〜F4または光量検出器D1〜D4を順次集束位置に移動させる構成を必要としないので、構成の簡素な広波長域小型分光器4を提供することができる。
したがって、前記回折格子部44の上側回折格子44aで回折して前記上側回折光集束部材45aの異なる複数の位置に入射する回折光L1,L2はそれぞれ異なる集束位置に集束する。前記回折光L1が集束する位置では、1次回折光の波長スペクトルを測定することができ、前記回折光L2が集束する位置では、2次回折光の波長スペクトルを測定することができる。したがって、回折格子の1回のスキャンにより測定光の広い波長領域の波長スペクトルを測定することができる。
図2は前記図1に示す広波長域小型分光器の説明図で、図2Aは実施例1の広波長域小型分光器の概略平面図、図2Bは前記図2Aに示す実施例1の広波長域小型分光器の変更例を示す図である。
図2Bに示す実施例1の広波長域小型分光器の変更例は、下記の点で前記実施例1と相違しているが、その他の点では前記実施例1と同一である。
図2Bにおいて、回折格子部44で回折され、回折光集束部45で集束された回折光L1〜L4は、ミラー47およびスリット48を通って測定光検出部46に入射している。すなわち、図2Bに示す実施例1の変更例の回折格子部44、回折光集束部45および測定光検出部46等の構成は前記図2Aに示す実施例1と同一である。すなわち、回折格子部44は複数の各回折格子44a,44bを有しており、回折光集束部45は回折光集束部材45a,45bを有しており、測定光検出部46は4個のフィルタF1〜F4および光量検出器D1〜D4を有している。
但し、図2Bに示す実施例1の変更例の広波長域小型分光器4は、回折光集束部45と測定光検出部46との間にミラー47およびスリット48が設けられている。なお、スリット48は4個のスリットにより構成されており、前記4個の各スリットは測定光検出部46の各フィルタF1〜F4および光量検出器D1〜D4に対応して配置されている。
したがって、回折格子部44の1回のスキャンにより測定光Lの広い波長領域の波長スペクトルを測定することができる。したがって、測定光Lの波長スペクトルの測定に要する時間が短くなる。また、図2に示す本実施例1の変更例では回折格子44a,44bまたは回折光集束部材45a,45bの個数が、前記フィルタF1〜F4または光量検出器D1〜D4個数よりも少なく、且つ、前記フィルタF1〜F4または光量検出器D1〜D4を順次集束位置に移動させる構成を必要としないので、構成の簡素な広波長域小型分光器4を提供することができる。
(H01)本発明の広波長域小型分光器では、ブレーズド回折格子およびホログラフィ回折格子のいずれも使用可能である。
(H02)回転軸に沿って配置する回折格子の数は3以上とすることが可能である。
(H03)1つの回折格子44a(または44b)で回折して1つの回折光集束部材45a(または45b)の異なる複数の位置に入射する2つの回折光L1,L2(またはL3,L4)をそれぞれ異なる集束位置に集束させる代わりに、1つの回折格子44a(または44b)で回折して1つの回折光集束部材45a(または45b)の異なる3以上の複数の位置に入射する3以上の複数の回折光をそれぞれ異なる集束位置に集束させるように構成することが可能である。
L0…コリメート光、
L1,L2,L3,L4…回折光
L1…1次回折光
L2…2次回折光
41…スリット、
43…コリメータ、
44a,44b…回折格子、
45a,45b…回折光集束部材、
F1,F2,F3,F4…フィルタ、
D1,D2,D3,D4…光量検出器。
Claims (1)
- 入射スリットを通過した測定光をコリメート光にするコリメータと、
前記入射スリットに平行な回転軸回りに回転可能に支持され且つ前記コリメート光の光路中に配置された回折格子と、
前記回折格子で回折して1個の回折光集束部材の異なる複数の位置にそれぞれ設けられた反射面を有し、各反射面に入射する複数の回折光をそれぞれ異なる複数の集束位置に集束させる前記1個の回折光集束部材と、
前記複数の各回折光の集束位置にそれぞれ配置された透過波長領域の異なる複数のフィルタおよび前記複数の各フィルタを透過した光量をそれぞれ検出する光量検出器と、
前記1個の回折光集束部材により回折光が集束する前記複数の各集束位置の中の1つの集束位置に配置された1次回折光を透過させる1次回折光透過フィルタおよび、他の1つの集束位置に配置された2次回折光を透過させる2次回折光透過フィルタを含む前記複数のフィルタと、
前記入射スリットに平行な回転軸回りに回転可能に支持され且つ前記回転軸の軸方向に並んで前記コリメート光の光路中に配置された格子定数dが異なる複数の前記回折格子と、
前記複数の各回折格子で回折された前記コリメート光の複数の各回折光をそれぞれ集束させる前記回折光集束部材であって、前記複数の各回折格子に対応してそれぞれ設けられた前記回折光集束部材と、
を備え、
前記光量検出器が、
複数の前記回折格子の中の第1の回折格子で回折され且つ透過波長域が550nm以上の1次回折光透過フィルタを通過した波長領域が600nm〜1100nmの1次回折光を検出可能なシリコン製の光量検出部を有する第1の光量検出器と、
前記第1の回折格子で回折され且つ透過波長域が250nm〜600nmの前記2次回折光透過フィルタを通過した波長領域が250nm〜600nmの2次回折光を検出可能なシリコン製の光量検出部を有する第2の光量検出器と、
複数の前記回折格子の中の第2の回折格子で回折され且つ透過波長域が1400nm以上の1次回折光透過フィルタを通過した波長領域が1400nm〜2600nmの1次回折光を検出可能なインジウム・ガリウム・ヒ素製の光量検出部を有する第3の光量検出器と、
前記第2の回折格子で回折され且つ透過波長域が900nm以上の1次回折光透過フィルタを通過した波長領域が1000nm〜1700nmの1次回折光を検出可能なインジウム・ガリウム・ヒ素製の光量検出部を有する第4の光量検出器と、
を有し、
前記第3の光量検出器が冷却されながら使用される
ことを特徴とする広波長域小型分光器。
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JPH0285729A (ja) * | 1988-09-21 | 1990-03-27 | Shimadzu Corp | 光スペクトラムアナライザ |
JPH0493915A (ja) * | 1990-08-06 | 1992-03-26 | Nikon Corp | 分光結像光学系 |
JPH09145477A (ja) * | 1995-11-20 | 1997-06-06 | Tokyo Instr:Kk | 分光器 |
JP2002062189A (ja) * | 2000-08-24 | 2002-02-28 | Shimadzu Corp | 分光測定用検出器及びこれを用いた積分球測定器および分光光度計 |
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