JP5030173B2 - Dispersive prism - Google Patents
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Description
本発明は、分散プリズムに関し、さらに詳細には、広帯域の分光計測などに用いて好適な分散光学素子たる分散プリズムに関するものである。 The present invention relates to a dispersion prism, and more particularly to a dispersion prism which is a dispersion optical element suitable for use in broadband spectral measurement and the like.
なお、後述するように、本明細書においては、本発明による分散プリズムを「線形角度分散プリズム」と適宜に称することとする。 As will be described later, in the present specification, the dispersion prism according to the present invention is appropriately referred to as a “linear angle dispersion prism”.
従来より、広帯域の分光計測は、数多くの分野において計測手段として用いられており、近年改めて、その重要性が認識されるようになった。 Conventionally, broadband spectroscopic measurement has been used as a measuring means in many fields, and its importance has been recognized again in recent years.
例えば、生体の蛍光観察においては、同時に多数の色素を使用することが一般的になりつつあり、波長の範囲が４００〜２０００ｎｍに及ぶ分光計測を行うことが必要である。 For example, in fluorescent observation of a living body, it is becoming common to use a large number of dyes at the same time, and it is necessary to perform spectroscopic measurement with a wavelength range of 400 to 2000 nm.
そして、複数の蛍光物質を分離するには、バンドパスフィルタを組み合わせた手法では不十分であり、スペクトルの形からケモメトリクス等による分離法が求められている。 In order to separate a plurality of fluorescent substances, a method combining a band-pass filter is not sufficient, and a separation method using chemometrics or the like is required from the shape of the spectrum.
また、こうした生体の蛍光観察では、主蛍光の波長のみならず蛍光強度が弱い波長の取得も必要であり、紫外から赤外域まで同時に計測することが望ましく、広い波長帯域を高い効率で分光する分散光学素子の開発が強く望まれている。 In addition, it is necessary to acquire not only the wavelength of the main fluorescence but also the wavelength with a weak fluorescence intensity, and it is desirable to measure from the ultraviolet to the infrared region at the same time. Development of optical elements is strongly desired.
一方、宇宙望遠鏡や補償光学を搭載した地上望遠鏡のように回折限界が達成できる次世代の大型望遠鏡においても、大口径で広い波長帯域を高い効率で分光する分散光学素子の開発が強く望まれている。 On the other hand, for the next generation large telescopes that can achieve the diffraction limit, such as space telescopes and terrestrial telescopes equipped with adaptive optics, it is strongly desired to develop a dispersion optical element that splits a wide aperture with a large aperture and high efficiency. Yes.
より詳細には、一般に、分光計測においては、回折格子やフーリエ分光法あるいはプリズム分光器が利用されている。
In more detail, in general, a diffraction grating, Fourier spectroscopy, or a prism spectrometer is used in spectroscopic measurement.
回折格子は、波長に対してほぼ線形のスペクトルが得られるが、ブレーズ波長以外は効率が低下し、また、整数倍の波長のスペクトルが同じ位置に重なるという性質がある。 The diffraction grating can obtain a substantially linear spectrum with respect to the wavelength, but has a property that the efficiency is reduced except for the blaze wavelength, and the spectrum of the integral multiple wavelength overlaps at the same position.
このため、広帯域の分光計測では、フーリエ分光法やプリズム分光器が有利と考えられているが、プリズムは分散が波長や波数に対して非線形であり、一方、フーリエ分光法は分散が波数に対して線形であり、いずれも分散が波長に対して線形でないために用途によっては計測の効率が悪い場合があった。 For this reason, Fourier spectroscopy and prism spectrographs are considered advantageous for broadband spectroscopic measurement, but in the case of prisms, dispersion is nonlinear with respect to wavelength and wavenumber, whereas in Fourier spectroscopy, dispersion is proportional to wavenumber. Since the dispersion is not linear with respect to the wavelength, the measurement efficiency may be poor depending on the application.
また、フーリエ分光器は回折格子やプリズム等の分散型に対して面積が広い光源や試料の計測には有利であるが、点光源に対してはその優位性が消滅することになり、また、アレイ検出器を用いたマルチチャンネル分光器の場合には、画素数が増えるほどＳ／Ｎ比の点でフーリエ分光器より分散型の方が有利になるものであった。 In addition, Fourier spectrometers are advantageous for measuring light sources and samples with a large area compared to dispersion types such as diffraction gratings and prisms, but their superiority over point light sources will disappear, In the case of a multichannel spectrometer using an array detector, the dispersion type is more advantageous than the Fourier spectrometer in terms of the S / N ratio as the number of pixels increases.
ところで、天体等の低分散分光観測においては、屈折率の波長分散特性（屈折率分散）が異なる複数個のプリズムを組み合わせた直視分散プリズム（図１に示すアミチ（Ａｍｉｃｉ）分光器のプリズム等）やグリズム（直視回折格子）等の分散光学素子が用いられてきた。
By the way, in low-dispersion spectroscopic observation of celestial bodies and the like, a direct-view dispersive prism (such as a prism of an Amici spectrometer shown in FIG. 1) in which a plurality of prisms having different refractive index wavelength dispersion characteristics (refractive index dispersion) is combined. Dispersive optical elements such as a grism (direct-view diffraction grating) have been used.
なお、アミチ分光器のプリズム１００は、図１に示すように、屈折率の波長分散特性がそれぞれ異なる２種類のプリズムである第１プリズム１０２（屈折率：ｎａ（λ））と第２プリズム１０４（屈折率：ｎｂ（λ））とを組み合わせて構成されている（ｎａ（λ）≠ｎｂ（λ））。 As shown in FIG. 1, the prism 100 of the AMITHI spectroscope includes a first prism 102 (refractive index: na (λ)) and a second prism 104 which are two types of prisms having different refractive index wavelength dispersion characteristics. (Refractive index: nb (λ)) (na (λ) ≠ nb (λ)).
プリズムの多くは、光学ガラスや透明な結晶および樹脂等の媒質の屈折率分散が可視光線において短波長の方が大きく、得られるスペクトルが波長や波数に対して線形ではないために計測の効率が悪いということが指摘されていた。 For many prisms, the refractive index dispersion of optical glass, transparent crystals, and media such as resin is larger at short wavelengths in the visible light, and the resulting spectrum is not linear with respect to wavelength and wavenumber, so measurement efficiency is high. It was pointed out that it was bad.
また、グリズム等の回折格子は波長に対してほぼ線形のスペクトルが得られるが、広い波長領域を同時に計測する場合には最大効率波長（ブレーズ波長）をピークとして効率が低下し、また、整数倍の波長のスペクトルが同じ位置に重なってしまうという欠点が指摘されていた。 In addition, diffraction gratings such as grism can obtain a nearly linear spectrum with respect to the wavelength, but when measuring a wide wavelength region simultaneously, the efficiency decreases with the peak of the maximum efficiency wavelength (blazed wavelength), and is an integral multiple. It has been pointed out that the spectrum of the wavelength of 2 overlaps at the same position.
こうした回折格子の欠点を改善するために、特許文献１として提示する特開平９−１２７３２１号公報、特許文献２として提示する特開平９−１２７３２２公報、特許文献３として提示する特開２００２−０６２４１８号公報に開示されているように、異なる材質の回折格子を組み合せることにより比較的広い波長範囲において高い効率が得られるようにした分散光学素子が提案されている。 In order to improve the disadvantages of the diffraction grating, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-127321 presented as Patent Document 1, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-127322 presented as Patent Document 2, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-062418 presented as Patent Document 3. As disclosed in the publication, a dispersion optical element has been proposed in which high efficiency can be obtained in a relatively wide wavelength range by combining diffraction gratings of different materials.
しかしながら、特許文献１と２と３の回折格子は高い加工精度と多くの工数を必要とするために、極めて高価な分散光学素子であるという問題点があった。 However, since the diffraction gratings of Patent Documents 1, 2 and 3 require high processing accuracy and a large number of man-hours, there is a problem that they are extremely expensive dispersion optical elements.
特に、回折限界の光学系で使用する場合には、波長の１／２０程度以下の波面精度で加工する必要があり、大口径の回折格子を製作することが困難であるという問題点もあった。 In particular, when used in a diffraction-limited optical system, it is necessary to process with a wavefront accuracy of about 1/20 or less of the wavelength, and it is difficult to manufacture a large-diameter diffraction grating. .
さらに、複数の回折格子を整列して使用する場合には、波面の位相に加えて格子を整合するように配置しなければならないために、実現が極めて困難であることも指摘されていた。 Furthermore, when a plurality of diffraction gratings are used in an aligned manner, it has been pointed out that realization is extremely difficult because the gratings must be arranged so as to be matched in addition to the phase of the wavefront.
なお、本願発明者等が提案した特願２００７−１７６６５５に開示された分散光学システムは、レンズによって分散特性を変えるために専用の光学系が必要であり、撮像光学系と切り替えることは困難であった。 Note that the dispersion optical system disclosed in Japanese Patent Application No. 2007-176655 proposed by the inventors of the present application requires a dedicated optical system in order to change the dispersion characteristics depending on the lens, and it is difficult to switch to the imaging optical system. It was.
こうした背景から、角度分散は小さくても良いが、１／２０波長以下の波面精度の達成が容易な回折限界用の分散光学素子たる分散プリズムの開発が望まれていた。
From such a background, although the angular dispersion may be small, it has been desired to develop a dispersion prism as a diffraction-limited dispersion optical element that can easily achieve wavefront accuracy of 1/20 wavelength or less.
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点や要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の回折格子よりも高い効率を得ることができ、しかも、回折格子と比べて製造が容易であり、かつ、コストを低減することができるようにした分散プリズムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the various problems and demands of the conventional technology as described above. The object of the present invention is to obtain higher efficiency than the conventional diffraction grating, and An object of the present invention is to provide a dispersion prism that is easier to manufacture than a diffraction grating and can reduce costs.
また、本発明の目的とするところは、波長の１／２０程度の波面精度を比較的容易に達成することができるようにした分散プリズムを提供しようとするものである。 Another object of the present invention is to provide a dispersion prism that can achieve a wavefront accuracy of about 1/20 of the wavelength relatively easily.
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、屈折率分散が異なる少なくとも３種類以上のプリズムを組み合せたものであり、上記３種類以上のプリズムのなかの１種類以上のプリズムは、誘電体の屈折率を求める波長のベキ乗の分散式
ｎ（λ）＝Ａ０＋Ａ２λ−２＋Ａ３λ−４
によって任意の波長範囲においてフィッティングした場合にＡ３／Ａ２の絶対値が最小のプリズムより２倍以上大きくなるようにしたものである。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention is a combination of at least three or more types of prisms having different refractive index dispersions, and one of the three or more types of prisms. The above prism has a power-of-wavelength dispersion formula for obtaining the refractive index of the dielectric n (λ) = A 0 + A 2 λ −2 + A 3 λ −4
Thus, when fitting in an arbitrary wavelength range, the absolute value of A 3 / A 2 is made twice or more larger than the smallest prism.
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記１種類以上のプリズムは、樹脂よりなるようにしたものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the one or more types of prisms are made of resin.
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記樹脂は、少なくとも１種類がポリカーボネートまたはフッ素系樹脂であるようにしたものである。 The invention described in claim 3 of the present invention is the invention described in claim 2 of the present invention, wherein at least one of the resins is a polycarbonate or a fluororesin.
従って、本発明による分散プリズムによれば、従来の回折格子よりも高い効率を得ることができ、しかも、回折格子と比べて製造が容易であり、かつ、コストを低減することができる。
Therefore, according to the dispersion prism of the present invention, it is possible to obtain higher efficiency than the conventional diffraction grating, and it is easier to manufacture and can reduce the cost as compared with the diffraction grating.
また、回折限界の光学系に使用する光学素子は波長の１／２０程度の波面精度が必要であるが、本発明による分散プリズムによれば、波長の１／２０程度の波面精度を比較的容易に達成することができる。 An optical element used in a diffraction-limited optical system needs a wavefront accuracy of about 1/20 of the wavelength. However, according to the dispersion prism of the present invention, the wavefront accuracy of about 1/20 of the wavelength is relatively easy. Can be achieved.
なお、回折限界の光学系において複数の分散プリズムを整列させて使用する場合には、その配置に高い精度が要求されないため分散プリズム同士の透過波面を揃えれば、大口径であっても対応することができる。 In addition, when using a plurality of dispersion prisms aligned in a diffraction-limited optical system, high accuracy is not required for the arrangement, so if the transmission wavefronts of the dispersion prisms are aligned, even a large aperture can be used. Can do.
本発明は、以上説明したように構成されているので、従来の回折格子よりも高い効率を得ることができ、しかも、回折格子と比べて製造が容易であり、かつ、コストを低減することができるようになるという優れた効果を奏する。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to obtain higher efficiency than the conventional diffraction grating, and it is easy to manufacture and can reduce the cost as compared with the diffraction grating. There is an excellent effect of being able to do it.
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、波長の１／２０程度の波面精度を比較的容易に達成することができるようなるという優れた効果を奏する。 Moreover, since the present invention is configured as described above, it has an excellent effect that a wavefront accuracy of about 1/20 of the wavelength can be achieved relatively easily.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による分散プリズム（以下、「線形角度分散プリズム」と適宜に称する。）の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。 Hereinafter, an example of an embodiment of a dispersion prism according to the present invention (hereinafter appropriately referred to as a “linear angle dispersion prism”) will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
この本発明による線形角度分散プリズムは、屈折率分散が異なる３種類以上のプリズムを組み合せることによって任意の波長範囲において、出射角の角度分散が波長に対してほぼ線形で、高い効率が得られる分散光学素子を安価に提供できるものである。 The linear angle dispersion prism according to the present invention can achieve high efficiency by combining the three or more types of prisms having different refractive index dispersions so that the output angle angular dispersion is almost linear with respect to the wavelength in an arbitrary wavelength range. A dispersion optical element can be provided at low cost.
なお、以下に説明する実施の形態においては、屈折率分散が異なる３種類のプリズムを組み合わせて本発明による線形角度分散プリズムを構成する場合について説明する。 In the embodiment described below, a case where a linear angle dispersion prism according to the present invention is configured by combining three types of prisms having different refractive index dispersions will be described.
即ち、図２には、本発明による線形角度分散プリズムの実施の形態の一例の概念構成説明図が示されている。
That is, FIG. 2 shows a conceptual configuration explanatory diagram of an example of an embodiment of a linear angle dispersion prism according to the present invention.
この線形角度分散プリズム１０は、屈折率の波長分散特性がそれぞれ異なる第１プリズム１２（屈折率：ｎ１（λ））と第２プリズム１４（屈折率：ｎ２（λ））と第３プリズム１６（屈折率：ｎ３（λ））とを組み合わせて構成されている（ｎ１（λ）≠ｎ２（λ）≠ｎ３（λ））。 The linear angle dispersion prism 10 includes a first prism 12 (refractive index: n1 (λ)), a second prism 14 (refractive index: n2 (λ)), and a third prism 16 (different in wavelength dispersion characteristic of refractive index. (Refractive index: n3 (λ)) (n1 (λ) ≠ n2 (λ) ≠ n3 (λ)).
ここで、第１プリズム１２は、例えば、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）などの樹脂により構成することができ、第２プリズム１４ならびに第３プリズム１６は、例えば、ガラスにより構成することができる。 Here, the 1st prism 12 can be comprised by resin, such as a polycarbonate (Polycarbonate), for example, and the 2nd prism 14 and the 3rd prism 16 can be constituted by glass, for example.
なお、この実施の形態においては、第１プリズム１２としてポリカーボネートを用い、第２プリズム１４として株式会社オハラ製の光学ガラスであるＳ−ＴＩＭ３９（商標）を用い、第３プリズム１６として株式会社オハラ製の光学ガラスであるＳ−ＦＳＬ５（商標）を用いた場合について説明する。 In this embodiment, polycarbonate is used as the first prism 12, S-TIM39 (trademark), which is optical glass manufactured by OHARA INC., Is used as the second prism 14, and OHARA INC. Is manufactured as the third prism 16. The case where S-FSL5 (trademark) which is optical glass of this is used is demonstrated.
こうした線形角度分散プリズム１０は、低分解能の分光計測にはそのまま分散光学素子として用いると好適であり、また、線形角度分散プリズム１０は、高次回折光を利用して広い波長範囲を同時に高分解能観測するエシェル（Ｅｃｈｅｌｌｅ）分光器の次数分離用垂直分散光学素子としても有効である。
Such a linear angle dispersion prism 10 is preferably used as a dispersion optical element as it is for low-resolution spectroscopic measurement, and the linear angle dispersion prism 10 uses a high-order diffracted light to simultaneously observe a wide wavelength range with high resolution. It is also effective as a vertical dispersion optical element for order separation of an Echel spectrometer.
さらに、高分解能の分光計測にはフーリエ分光器用干渉光学系の波長帯域を分割してＳ／Ｎを向上させるための分散光学素子として用いると好適である。 Further, for high-resolution spectroscopic measurement, it is preferable to use as a dispersion optical element for improving the S / N by dividing the wavelength band of the interference optical system for Fourier spectrometer.
特に線形角度分散プリズム１０は、宇宙望遠鏡や補償光学を搭載した地上望遠鏡のように回折限界が達成できる次世代大型望遠鏡の分光観測装置用の大口径分散光学素子として有効である。 In particular, the linear angle dispersion prism 10 is effective as a large-aperture dispersion optical element for a spectroscopic observation apparatus of a next-generation large telescope that can achieve a diffraction limit, such as a space telescope or a ground telescope equipped with adaptive optics.
例えば、口径１０ｍの望遠鏡は波長５００ｎｍにおいて回折限界が０．０１２６”（秒角）であり、シーイング（大気揺らぎによる像の広がり）が１．０”である場合には像サイズが回折限界の約８０倍に広がってしまう。 For example, a telescope with a diameter of 10 m has a diffraction limit of 0.0126 ″ (second angle) at a wavelength of 500 nm, and when the seeing (image spread due to atmospheric fluctuations) is 1.0 ″, the image size is about the diffraction limit. It spreads 80 times.
従って、回折限界の場合には分光器のスリット幅をシーイング限界の１／８０にすることが出来るので、同じ分散素子であっても８０倍の分解能が得られるようになる。 Therefore, in the case of the diffraction limit, the slit width of the spectroscope can be reduced to 1/80 of the seeding limit, so that even with the same dispersion element, 80 times the resolution can be obtained.
即ち、宇宙望遠鏡や補償光学を搭載した地上望遠鏡あるいは横モードが単一なレーザーのように回折限界の光学系で使用する場合には、線形角度分散プリズム１０は、回折格子および従来の分散プリズムの欠点を克服した理想的な分散光学素子となる。 That is, when used in a diffraction-limited optical system such as a space telescope, a ground telescope equipped with adaptive optics, or a laser having a single transverse mode, the linear angle dispersive prism 10 includes a diffraction grating and a conventional dispersive prism. It becomes an ideal dispersion optical element that overcomes the drawbacks.
次に、上記した第１プリズム１２の屈折率ｎ１と第２プリズム１４の屈折率：ｎ２と第３プリズム１６の屈折率：ｎ３とについて、以下に詳細に説明することとする。
Next, the refractive index n1 of the first prism 12, the refractive index n2 of the second prism 14, and the refractive index n3 of the third prism 16 will be described in detail below.
まず、屈折率の分散についてであるが、誘電体の屈折率は、波長のベキ乗の分散式
ｎ（λ）＝Ａ０＋Ａ１λ２＋Ａ２λ−２＋Ａ３λ−４＋Ａ４λ−６＋Ａ５λ−８ ・・・ （１）
によってフィッティングすることができる。
First, regarding the dispersion of the refractive index, the refractive index of the dielectric is determined by the power-of-wavelength dispersion formula: n (λ) = A 0 + A 1 λ 2 + A 2 λ −2 + A 3 λ −4 + A 4 λ − 6 + A 5 λ −8 (1)
Can be fitted.
ここで、上記式（１）において、λは光の波長［μｍ］であり、ｎ（λ）は屈折率であり、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４およびＡ５は定数である。 Here, in the above formula (1), λ is the wavelength of light [μm], n (λ) is the refractive index, and A 0 , A 1 , A 2 , A 3 , A 4 and A 5 are constants. It is.
多くのガラスや結晶、樹脂等の屈折率分散は、透明な領域においてλ−２の項Ａ２が支配的であり、λ−４の項Ａ３を加えることにより実用的な屈折率の波長特性値が得られる。 The refractive index dispersion of many glasses, crystals, resins, etc. is that the λ −2 term A 2 is dominant in the transparent region, and the wavelength characteristic of a practical refractive index is obtained by adding the λ −4 term A 3. A value is obtained.
即ち、上記式（１）は、
ｎ（λ）＝Ａ０＋Ａ２λ−２＋Ａ３λ−４ ・・・ （２）
によってフィッティングすることができる（図３を参照する。）。
That is, the above formula (1) is
n (λ) = A 0 + A 2 λ −2 + A 3 λ −4 (2)
(See FIG. 3).
図３には、光学ガラスおよび樹脂の波長５００ｎｍにおいて規格化された屈折率が示されており、実線は定数、波長の−２および−４乗のベキでフィッティングしたものであり、マーカーについては、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）が実測値であり、株式会社オハラ製の光学ガラスであるＳ−ＴＩＭ３９（商標）およびＳ−ＦＳＬ５（商標）がカタログ値である（セルマイヤーの分散式）。 In FIG. 3, the refractive index normalized at a wavelength of 500 nm of the optical glass and the resin is shown, and the solid line is a constant, fitted with a power of −2 and −4 to the wavelength. Polycarbonate is a measured value, and S-TIM39 (trademark) and S-FSL5 (trademark), which are optical glasses manufactured by OHARA INC., Are catalog values (Sermeier dispersion formula).
ここで、Ａ２とＡ３との項の比率が異なる材質のプリズムを組み合せて頂角を調節することにより、出射角を波長の１次関数、即ち、波長や波数に対して線形に近い角度分散にすることができる。
Here, by adjusting the apex angle by combining prisms made of materials having different ratios of the terms A 2 and A 3 , the output angle is changed to a linear function of the wavelength, that is, an angle close to linear with respect to the wavelength or wave number. Can be distributed.
具体的には、Ａ３／Ａ２の絶対値が最も小さいプリズムより２倍以上大きい材質のプリズムを１種類以上用いるものであり、それ以外のプリズムはＡ３／Ａ２の絶対値が最大と最小のプリズムの中間である材質を用いればよい。 Specifically, one or more types of prisms made of a material that is at least twice as large as the prism with the smallest absolute value of A 3 / A 2 are used, and the other prisms have the largest absolute value of A 3 / A 2. A material that is in the middle of the smallest prism may be used.
多くの光学ガラスや結晶に対して屈折分散が大きく異なるポリカーボネート等の樹脂を組み合せた本発明による線形角度分散プリズムは、光学ガラスや結晶をのみを組み合せた従来の分散プリズムより素子の厚さを薄くすることができる。
The linear angle dispersive prism according to the present invention, in which a resin such as polycarbonate having a refractive index greatly different from that of many optical glasses and crystals is combined, is thinner than a conventional dispersive prism in which only optical glass and crystals are combined. can do.
上記した線形角度分散プリズム１０においては、第１プリズム１２としてポリカーボネートを用い、第２プリズム１４および第３プリズム１６として光学ガラスを用いた場合について説明したが、こうした組み合わせに限られるものではない。 In the linear angle dispersion prism 10 described above, the case where polycarbonate is used as the first prism 12 and optical glass is used as the second prism 14 and the third prism 16 has been described. However, the present invention is not limited to such a combination.
例えば、ポリカーボネートに代えて旭硝子株式会社製のアモルフォスフッ素樹脂であるサイトップ（Ｃｙｔｏｐ）（商標）などのフッ素系樹脂等を用いてもよく、また、光学ガラスに代えて石英やフッ化カルシウム、ＰＭＭＡ（アクリル樹脂）などを用いてもよい。 For example, fluorine resin such as Cytop (trademark), which is an amorphous fluororesin manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. may be used instead of polycarbonate, and quartz or calcium fluoride may be used instead of optical glass. PMMA (acrylic resin) or the like may be used.
このように、線形角度分散プリズム１０において、第１プリズム１２としてフッ素系樹脂等を用いるとともに、第２プリズム１４および第３プリズム１６として石英やフッ化カルシウム、ＰＭＭＡを用いた場合には、その組み合わせにより紫外線用の線形角度分散プリズムを実現することができる。 As described above, in the linear angle dispersion prism 10, when fluorine resin or the like is used as the first prism 12 and quartz, calcium fluoride, or PMMA is used as the second prism 14 and the third prism 16, a combination thereof. Thus, a linear angle dispersion prism for ultraviolet rays can be realized.
また、ＺｎＳやＺｎＳｅ、ＧａＡｓ、シリコン等の結晶同士やガラスあるいは樹脂との組み合わせにより、赤外線用の線形角度分散プリズムを実現することも可能である。 Further, a linear angle dispersion prism for infrared rays can be realized by a combination of crystals such as ZnS, ZnSe, GaAs, and silicon, or glass or resin.
さらに第一のプリズム１２、第２プリズム１４および第３プリズム１６は材質と頂角を保ったまま、適宜順序を変えても概ね同等の特性を得ることが出来る。 Furthermore, the first prism 12, the second prism 14, and the third prism 16 can obtain substantially the same characteristics even if the order is changed appropriately while maintaining the material and the apex angle.
また、各プリズムの境界は光学接着や光学的密着（Ｏｐｔｉｃａl ｃｏｎｔｏｃｔ）であっても、反射防止膜等の表面処置を施して適宜間隔を保っても、概ね同等の効率と特性を得ることができる。 Moreover, even if the boundary between the prisms is optical adhesion or optical contact, or even if a surface treatment such as an antireflection film is applied to maintain an appropriate interval, substantially the same efficiency and characteristics can be obtained. .
ここで、線形角度分散プリズム１０を分散光学素子として使用する場合には、複数の幅が広い線形角度分散プリズム１０を格子状に配列することにより、厚さを薄くすることが可能になり、大口径の分光装置にも対応することができる。 Here, when the linear angle dispersion prism 10 is used as a dispersion optical element, it is possible to reduce the thickness by arranging a plurality of wide linear angle dispersion prisms 10 in a lattice shape. It can be applied to a spectroscopic device having a diameter.
また、線形角度分散プリズム１０は効率が高いため、線形角度分散プリズム１０を複数のプリズムを積層して、より大きな分散を得ることも可能となる。 Further, since the linear angle dispersion prism 10 is high in efficiency, it is possible to obtain a larger dispersion by stacking a plurality of prisms.
上記した本発明の線形角度分散プリズム１０は、任意の波長範囲において従来の分散プリズムより波長に対してほぼ線形の角度分散が得られる。
The linear angle dispersion prism 10 of the present invention described above can obtain substantially linear angle dispersion with respect to the wavelength in the arbitrary wavelength range as compared with the conventional dispersion prism.
即ち、ポリカーボネート、光学ガラスのＳ−ＴＩＭ３９（商標）およびＳ−ＦＳＬ５（商標）の波長４００〜１０００ｎｍの屈折率を波長５００ｎｍの値で規格化して、上記（２）式でフィッティングした場合の分散式は、それぞれ以下に示す通りである。 That is, dispersion formula when polycarbonate, optical glass S-TIM39 (trademark) and S-FSL5 (trademark) have a refractive index of wavelength 400 to 1000 nm normalized with a value of wavelength 500 nm and fitting with the above formula (2) Are as shown below.
ポリカーボネートの屈折率＝０．９８１＋０．００２９３λ−２＋０．０００４８８λ−４ ・・・ （３）
Ｓ−ＴＩＭ３９（商標）の屈折率＝０．９７６＋０．００５４９λ−２＋０．０００１４５λ−４ ・・・ （４）
Ｓ−ＦＳＬ５（商標）の屈折率＝０．９８９＋０．００３０５λ−２−０．００００７６８λ−４ ・・・ （５）
また、Ａ３／Ａ２の値は、ポリカーボネートが「Ａ３／Ａ２＝０．１６５」であり、Ｓ−ＴＩＭ３９（商標）が「Ａ３／Ａ２＝０．０２６４」であり、Ｓ−ＦＳＬ５（商標）が「Ａ３／Ａ２＝−０．０２５２」である。
Refractive index of polycarbonate = 0.981 + 0.00293λ −2 + 0.000488λ −4 (3)
Refractive index of S-TIM39 (trademark) = 0.976 + 0.00549λ −2 + 0.000145λ −4 (4)
Refractive index of S-FSL5 (trademark) = 0.989 + 0.00305λ −2 −0.0000768λ −4 (5)
The value of A 3 / A 2 is a polycarbonate "A 3 / A 2 = 0.165", an S-TIM39 (trademark) "A 3 / A 2 = 0.0264", S- FSL5 (trademark) is “A 3 / A 2 = −0.0252”.
図３に示すように、ポリカーボネートの屈折率分散はＳ−ＴＩＭ３９（商標）と似ているものの、長波長では屈折率の変化がより小さく、短波長ではより大きくなるような硝材とは異なる屈折率分散を持つ。 As shown in FIG. 3, although the refractive index dispersion of polycarbonate is similar to that of S-TIM39 (trademark), the refractive index is different from a glass material in which the change in refractive index is smaller at a long wavelength and larger at a short wavelength. With dispersion.
また、Ｓ−ＦＳＬ５（商標）はＡ３が負の値である。 Further, S-FSL5 (R) A 3 is a negative value.
ポリカーボネートとＳ−ＴＩＭ３９（商標）とＳ−ＦＳＬ５（商標）を使用した場合には、プリズムの吸収がほとんど無い波長領域（４００〜２０００ｎｍ）において最短波長の約２倍の波長までの範囲、例えば、波長４００〜８００ｎｍあるいは波長５００〜１０００ｎｍの範囲において、ほぼ線形な角度分散を実現することができる。 When polycarbonate, S-TIM39 (trademark), and S-FSL5 (trademark) are used, a range up to about twice the shortest wavelength in the wavelength region (400 to 2000 nm) where there is almost no absorption of the prism, for example, In the wavelength range of 400 to 800 nm or wavelength range of 500 to 1000 nm, almost linear angular dispersion can be realized.
次に、図４には、波長４００ｎｍと波長８００ｎｍにおいて出射角の差が０．３°になるように構成した場合における、線形角度分散プリズム１０を含む各種プリズムおよび回折格子などの分散光学素子の角度分散特性のグラフが示されている。
Next, FIG. 4 shows various prisms including the linear angle dispersive prism 10 and dispersive optical elements such as a diffraction grating in the case where the difference between the emission angles is 0.3 ° at wavelengths of 400 nm and 800 nm. A graph of angular dispersion characteristics is shown.
図４に示すグラフにおける実線は、屈折率分散が異なる３種類のプリズムを組み合わせた本発明による線形角度分散プリズム１０の角度分散特性を示している。 The solid line in the graph shown in FIG. 4 shows the angular dispersion characteristic of the linear angular dispersion prism 10 according to the present invention in which three types of prisms having different refractive index dispersions are combined.
なお、第１プリズム１２として頂角が２２．７１°のポリカーボネートを用い、第２プリズム１４として頂角が−２７．２８°のＳ−ＴＩＭ３９（商標）を用い、第３プリズム１６として頂角が７．７５°のＳ−ＦＳＬ５（商標）を用いた。 The first prism 12 is polycarbonate having an apex angle of 22.71 °, the second prism 14 is S-TIM39 (trademark) having an apex angle of −27.28 °, and the third prism 16 has an apex angle. 7.75 ° S-FSL5 ™ was used.
次に、図４に示すグラフにおける一点鎖線は、従来の分散プリズム１００の角度分散特性を示している。 Next, the alternate long and short dash line in the graph shown in FIG. 4 indicates the angular dispersion characteristic of the conventional dispersion prism 100.
なお、第１プリズム１０２として頂角が−１０．６８８°のＳ−ＴＩＭ３９（商標）を用い、第２プリズム１０４として頂角が１２°のＳ−ＦＳＬ５（商標）を用いた。 In addition, S-TIM39 (trademark) having an apex angle of −10.688 ° was used as the first prism 102, and S-FSL5 (trademark) having an apex angle of 12 ° was used as the second prism 104.
また、図４に示すグラフにおける破線は、格子間隔８０μｍ（１２．５本／ｍｍ）の透過型回折格子の角度分散特性を示している。 Also, the broken lines in the graph shown in FIG. 4 indicate the angular dispersion characteristics of the transmission diffraction grating having a grating interval of 80 μm (12.5 lines / mm).
図４に示すように本発明による線形角度分散プリズム１０は上記した範囲の前後においても従来の分散プリズム１００より概ね線形に近い角度分散を実現することができる。 As shown in FIG. 4, the linear angular dispersion prism 10 according to the present invention can realize angular dispersion that is substantially linear compared to the conventional dispersion prism 100 even before and after the above range.
波長４００ｎｍの近傍において透明で現在入手可能な光学ガラスは、Ａ３／Ａ２の値がポリカーボネートより小さいために、例えば、株式会社オハラ製のＳ−ＴＩＨ６（商標）、Ｓ−ＦＴＭ１６（商標）、Ｓ−ＦＰＬ５３（商標）の組み合わせの場合には、図４において実線で示す線形角度分散プリズム１００と同等の特性を得ることが可能であるが、厚さが約２倍になってしまう。 The optical glass that is transparent and is currently available in the vicinity of a wavelength of 400 nm has a value of A 3 / A 2 smaller than that of polycarbonate. For example, S-TIH6 (trademark), S-FTM16 (trademark) manufactured by OHARA INC. In the case of the combination of S-FPL53 (trademark), it is possible to obtain the same characteristics as the linear angle dispersive prism 100 shown by the solid line in FIG. 4, but the thickness is approximately doubled.
一方、Ａ３／Ａ２の値が大きい素材を用いることによって、より薄い線形角度分散プリズム１００を実現することも可能である。 On the other hand, by using a material having a large value of A 3 / A 2 , a thinner linear angle dispersion prism 100 can be realized.
次に、図５には、波長２００ｎｍと波長６００ｎｍにおいて出射角の差が０．３°になるように構成した場合における、線形角度分散プリズム１０を含む分散光学素子の角度分散特性のグラフが示されている。
Next, FIG. 5 shows a graph of the angular dispersion characteristics of the dispersion optical element including the linear angle dispersion prism 10 when the difference between the emission angles at the wavelength of 200 nm and the wavelength of 600 nm is 0.3 °. Has been.
図５に示すグラフにおける実線は、屈折率分散が異なる３種類のプリズムを組み合わせた本発明による線形角度分散プリズム１０の角度分散特性を示している。 The solid line in the graph shown in FIG. 5 shows the angular dispersion characteristic of the linear angular dispersion prism 10 according to the present invention in which three types of prisms having different refractive index dispersions are combined.
なお、第１プリズム１２として頂角が１０．８８°のサイトップ（商標）を用い、第２プリズム１４として頂角が−２４．９７°のフッ化カルシウムを用い、第３プリズム１６として頂角が１５．４４°の合成石英（ＳｉＯ２）を用いた。 Note that Cytop (trademark) having an apex angle of 10.88 ° is used as the first prism 12, calcium fluoride having an apex angle of −24.97 ° is used as the second prism 14, and apex angle is used as the third prism 16. Used was synthetic quartz (SiO 2 ) with an angle of 15.44 °.
次に、図５に示すグラフにおける一点鎖線は、従来の分散プリズム１００の角度分散特性を示している。 Next, the alternate long and short dash line in the graph shown in FIG. 5 indicates the angular dispersion characteristic of the conventional dispersion prism 100.
なお、第１プリズム１０２として頂角が６．５°の合成石英を用い、第２プリズム１０４として頂角が７°のフッ化カルシウムを用いた。 The first prism 102 was made of synthetic quartz having an apex angle of 6.5 °, and the second prism 104 was made of calcium fluoride having an apex angle of 7 °.
また、図５に示すグラフにおける破線は、格子間隔９０μｍ（１１．１本／ｍｍ）の透過型回折格子である。 Further, the broken line in the graph shown in FIG. 5 is a transmission type diffraction grating having a grating interval of 90 μm (11.1 lines / mm).
なお、上記において説明したように、ポリカーボネート、Ｓ−ＴＩＭ３９（商標）ならびにＳ−ＦＳＬ５（商標）の波長５００ｎｍにおいて規格化された屈折率は、上記した式（３）〜（５）で与えられるが、ポリカーボネートの代わりに上記した式（２）において、Ａ０＝０．９８４、Ａ２＝０．０００、Ａ３＝０．００１（Ａ３／Ａ２＝∞）の材質（Ａ２：０，Ａ３：０．００１）について検討した。
As described above, the refractive index normalized at a wavelength of 500 nm of polycarbonate, S-TIM39 (trademark) and S-FSL5 (trademark) is given by the above formulas (3) to (5). In the above formula (2) instead of polycarbonate, a material of A 0 = 0.984, A 2 = 0.000, A 3 = 0.001 (A 3 / A 2 = ∞) (A 2 : 0, A 3 : 0.001) was examined.
図６に示すグラフにおける破線が、材質（Ａ２：０，Ａ３：０．００１）の屈折率を表している。 The broken line in the graph shown in FIG. 6 represents the refractive index of the material (A 2 : 0, A 3 : 0.001).
その結果、第１プリズム１２として頂角が１２．３°の材質（Ａ２：０，Ａ３：０．００１）を用い、第２プリズム１４として頂角が−２３°のＳ−ＴＩＭ３９（商標）を用い、第３プリズム１６として頂角が１２°のＳ−ＦＳＬ５（商標）を用いた組み合わせによる線形角度分散プリズム１０では、図７のグラフに示すように、第１プリズム１２として頂角が１０°のポリカーボネートを用い、第２プリズム１４として頂角が−４０°のＳ−ＴＩＭ３９（商標）を用い、第３プリズム１６として頂角が２５°のＳ−ＦＳＬ５（商標）を用いた組み合わせによる線形角度分散プリズム１０の約２／３の厚さで、同等以上の特性が得られることが分かった。 As a result, the first prism 12 is made of a material having an apex angle of 12.3 ° (A 2 : 0, A 3 : 0.001), and the second prism 14 is an S-TIM 39 (trademark) having an apex angle of −23 °. ), And the linear angle dispersive prism 10 using S-FSL5 (trademark) having an apex angle of 12 ° as the third prism 16 has an apex angle as the first prism 12 as shown in the graph of FIG. By using a 10 ° polycarbonate, S-TIM39 (trademark) having an apex angle of −40 ° as the second prism 14, and S-FSL5 (trademark) having an apex angle of 25 ° as the third prism 16. It has been found that the same or better characteristics can be obtained with the thickness of about 2/3 of the linear angular dispersion prism 10.
なお、図７のグラフにおいて、材質（Ａ２：０，Ａ３：０．００１）の値は、図６に示す値を１．５９４８（ポリカーボネートの波長５００ｎｍにおける屈折率）倍して計算に用いられている。 In the graph of FIG. 7, the values of the materials (A 2 : 0, A 3 : 0.001) are used for calculation by multiplying the values shown in FIG. 6 by 1.5948 (the refractive index of polycarbonate at a wavelength of 500 nm). It has been.
また、通常の光学のガラス（ｎｄ＜１．６，νｄ＞２５）については、波長４００〜１０００ｎｍの屈折率から試算した範囲では、Ａ３／Ａ２の値が−０．０２５から０．０２７であった。
In the case of ordinary optical glass (nd <1.6, νd> 25), the value of A 3 / A 2 is −0.025 to 0.027 in the range calculated from the refractive index of wavelength 400 to 1000 nm. Met.
一方、樹脂のＡ３／Ａ２の値については、調査した材質の中ではポリカーボネートが０．１６７と最大であって、ポリスチレンが０．０４９と比較的大きく、ＰＭＭＡが０．００８９であり、通常の光学ガラスと同等であった。 On the other hand, regarding the value of A 3 / A 2 of the resin, among the investigated materials, polycarbonate is the largest, 0.167, polystyrene is relatively large, 0.049, and PMMA is 0.0089. It was equivalent to the optical glass.
従って、可視光用については、実際の応用を考慮すると、通常の光学ガラスと組み合せる樹脂は波長４００〜１０００ｎｍの屈折率から求めた（２）式の分散式のＡ３／Ａ２の絶対値が０．０４以上であることが好ましい。 Therefore, for visible light, considering the actual application, the resin to be combined with ordinary optical glass is the absolute value of A 3 / A 2 in the dispersion formula (2) obtained from the refractive index at a wavelength of 400 to 1000 nm. Is preferably 0.04 or more.
一方、紫外線用については、波長２００〜１０００ｎｍの屈折率から求めた（２）式の分散式のＡ３／Ａ２の値はサイトップが−０．０２０、フッ化カルシウムが０．００８０、石英が０．００８９であった。 On the other hand, for ultraviolet rays, the value of A 3 / A 2 in the dispersion formula (2) obtained from the refractive index at a wavelength of 200 to 1000 nm is −0.020 for Cytop, 0.0080 for calcium fluoride, quartz Was 0.0089.
なお、石英やフッ化カルシウム等と組み合わせる樹脂は使用する波長範囲においてＡ３／Ａ２の絶対値がサイトップのそれと同程度の値であればよい。 It should be noted that the resin combined with quartz, calcium fluoride, or the like may have an absolute value of A 3 / A 2 similar to that of Cytop in the wavelength range to be used.
本発明は、分光分析、光学計測あるいはレーザー機器などに用いることができるものである。 The present invention can be used for spectroscopic analysis, optical measurement, laser equipment, and the like.
より具体的には、例えば、同時に多数の色素を使用する生体の蛍光観察、植物の生育状況調査のためのカロチノイド等の成分分析、大気中のメタン等の濃度測定あるいは粉体や乳液等の粒度分布計測等に必要な広帯域かつ低分解能の分光装置用の分散光学素子、エシェル分光器（高次回折格子の分光器）の次数分離用の垂直分散光学素子やフーリエ分光装置のＳ／Ｎを向上させるための帯域幅分割用の分散光学素子、フェムト秒レーザーのパルス圧縮光学系の位相整合ユニット用の分散光学素子あるいは波長可変レーザーの波長選択光学ユニット用の分散光学素子などとして利用することができる。 More specifically, for example, fluorescence observation of a living body using many pigments simultaneously, component analysis such as carotenoid for investigation of plant growth status, concentration measurement of methane in the atmosphere or particle size such as powder or emulsion Dispersion optics for broadband and low-resolution spectrometers required for distribution measurement, etc., vertical dispersion optics for order separation of echelle spectrometers (high-order diffraction grating spectrometers), and S / N of Fourier spectrometers Can be used as a dispersion optical element for dividing the bandwidth, a dispersion optical element for a phase matching unit of a pulse compression optical system of a femtosecond laser, or a dispersion optical element for a wavelength selection optical unit of a tunable laser. .
１０ 線形角度分散プリズム
１２ 第１プリズム
１４ 第２プリズム
１６ 第３プリズム
１００ アミチ分光器のプリズム
１０２ 第１プリズム
１０４ 第２プリズム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Linear angle dispersion prism 12 1st prism 14 2nd prism 16 3rd prism 100 Aichi spectrometer prism 102 1st prism 104 2nd prism
Claims (3)
前記３種類以上のプリズムのなかの１種類以上のプリズムは、誘電体の屈折率を求める波長のベキ乗の分散式
ｎ（λ）＝Ａ０＋Ａ２λ−２＋Ａ３λ−４
によって任意の波長範囲においてフィッティングした場合にＡ３／Ａ２の絶対値が最小のプリズムより２倍以上大きい
ことを特徴とする分散プリズム。 It is a combination of at least three types of prisms having different refractive index dispersions.
One or more of the three or more types of prisms is a dispersion formula n (λ) = A 0 + A 2 λ −2 + A 3 λ −4 for obtaining the refractive index of the dielectric.
A dispersion prism characterized in that the absolute value of A 3 / A 2 is more than twice as large as that of the smallest prism when fitting in an arbitrary wavelength range.
前記１種類以上のプリズムは、樹脂よりなる
ことを特徴とする分散プリズム。 The dispersion prism according to claim 1, wherein
The one or more types of prisms are made of resin.
前記樹脂は、少なくとも１種類がポリカーボネートまたはフッ素系樹脂である
ことを特徴とする分散プリズム。 The dispersion prism according to claim 2, wherein
At least one of the resins is a polycarbonate or a fluorine resin.
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