JPH08292098A - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、レンズの波長に対する屈折率の変
化率が変わる分だけ光学系を移動制御させる。即ち、ス
リット上で目的波長成分が常に最良の結像状態となる所
望の光学位置関係にレンズを移動して合わせるように制
御することで、広い波長範囲でもレンズを用いて安定し
た高確度のスペクトラム分解能で測定可能とする。 【構成】 測定波長λm毎に、被測定入射光の発光点７
１位置がレンズの焦点位置となる光学移動を与え、回折
格子１４で分光した並行光線がスリット１７上で焦点位
置となる光学移動を与える光学焦点移動手段を設け、測
定波長λm成分に対応して、回折格子１４の回動と連動
して前記レンズを光学移動させるレンズの連動制御手段
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レンズを使用して回
折格子による光の波長スペクトルを測定する分光装置に
おいて、並行光線あるいは集光するレンズが波長依存性
を無くして測定分解能の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に従来のレンズを使用した光スペク
トラムアナライザの構成例を示す。レンズを使用して並
行光線や集光する構成では、凹面鏡を使用して並行光線
や集光する構成場合より光路が短く暗箱をコンパクトに
出来るメリットがある。しかし、逆にレンズの波長によ
る収差等が測定光学系に影響する面がある。

【０００３】本装置構成は、光コネクタ９２と、レンズ
２２と、回折格子１４と、回折格子回転機構１５と、回
折格子回転制御部４０と、スリット１７と、光検出器１
８とで成る。

【０００４】光コネクタ９２から出射した被測定光はビ
ーム角数度のガウシアンビーム形状の広がりを持つ拡散
光線３１である。これをレンズ２２により並行光線であ
るコリメート光線３２に変換した後、回折格子１４に入
射させる。ここでは、レンズ２２は並行光線に変換する
作用を持たせている。

【０００５】回折格子１４は、反射光の角度が波長によ
り分光される回折格子である。これを順次回転していく
ことで各波長成分に分光された光線の中で、目的の波長
成分のみをスリット１７の隙を通過させるように反射す
る。回折格子回転機構１５は、波長軸の掃引を行うもの
であって、回折格子１４と接合され、モータ等の駆動手
段により、入射光軸と直交する軸を中心に回動角度を精
密駆動する。回折格子回転制御部４０は、所望の波長範
囲に対応する回転角度領域を回動制御する信号を回折格
子回転機構１５に供給している。

【０００６】レンズ２２は、回折格子１４で分光された
目的波長λmのコリメート光線３３を集光した集束光線
３４にしてスリット１７面上で焦点を結ぶような光学配
置としている。ここでは、レンズ２２を集光用として使
用している。この様に、１つのレンズで、入射光を並行
光線に変換し、反射光を集光に変換する２つの働きを持
たせている。

【０００７】スリット１７は、両スリット先端部は数十
ｕｍ厚み程度に薄くしてあって、通過光の妨げにならに
ないようにしている。この両スリットの幅で決まる波長
成分のみが通過して、光検出器１８で光の強さに応じた
電流信号に変換された後、光パワーの表示に供される。
ところで、このスリット１７のスリット幅を変えること
でスペクトル分解能が決められるので、スリット幅の可
動機構を設けて波長分解能を可変にしたスリット構造と
するものもある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記光学構成で光スペ
クトラムを測定すると、スリット上で目的波長λm成分
に対してスリット上で常に正しく結像しない為、測定波
長によって焦点ぼけを生じる。即ち、図６（ａ）に示す
光学図のようにある波長λ0で発光点７１と受光点７２
位置で焦点ｆ（λ0）を結ぶ光学配置としても、別の波
長λ1では、図６（ｂ）に示す光学図のように受光点７
２での焦点位置がずれてくる。また、発光点７１も焦点
位置からずれてくる為に非並行光線として回折格子１４
に入射し分光する。これら焦点位置のずれの影響の為、
スリット１７上での結像がぼけてくる。この結果、測定
分解能が悪化する不具合を生じる。

【０００９】一般にどのような光学ガラス材を使用して
も、波長に対する屈折率の変化率が変わる分散特性を有
している。この為、レンズを形成しても波長に対する屈
折率の変化が生じ、いわゆる色収差として現れる。レン
ズの色収差を低減するには分散の異なる複数のレンズを
組み合わせる方法があるが、広い波長範囲を測定する光
スペクトラムアナライザでは、完全に無くすることが出
来ず、スペクトラム分解能が悪化する難点があった。

【００１０】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、レンズの波長に対する屈折率の変化率が変わる分だ
け光学系を移動制御させる。即ち、スリット上で目的波
長成分が常に最良の結像状態となる所望の光学位置関係
にレンズを移動して合わせるように制御することで、広
い波長範囲でもレンズを用いて安定した高確度のスペク
トラム分解能で測定可能とすることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成では、測定波長λm毎に、被測定入射
光の発光点７１位置がレンズの焦点位置となる光学移動
を与え、回折格子１４で分光した並行光線がスリット１
７上で焦点位置となる光学移動を与える光学焦点移動手
段を設け、測定波長λm成分に対応して、回折格子１４
の回動と連動して前記レンズを光学移動させるレンズの
連動制御手段を設ける構成手段にする。これにより、レ
ンズと回折格子１４と回折格子回転機構１５とスリット
１７と、光検出器１８を有して、入射光を受けてレンズ
により並行光線にして回折格子１４に与え、回折格子１
４で分光した並行光線をレンズでスリット１７上に結像
するように集光して、広い波長範囲でもレンズを用いて
安定した高確度のスペクトラム分解能で測定可能なスペ
クトラム測定装置を実現する。

【００１２】上記のレンズとしては、単一のレンズ２２
で構成し、あるいは複数のレンズ群構成で単一レンズ機
能を構成し、あるいは、発光点７１からの入射光を並行
光線にする入射レンズ２２ａと並行光線をスリット１７
上の受光点７２へ集光する出射レンズ２２ｂの２つの独
立したレンズ構成がある。

【００１３】上記の光学焦点移動手段としては、第１手
段として、レンズ２２を光軸方向に移動させる光学焦点
移動手段としたレンズ移動手段２６、あるいは、第２手
段として、複数のレンズ群の一部分のレンズ２２ｃを光
軸方向に移動させレンズ間距離を変えて光学焦点移動手
段とした一部分レンズ移動手段２６ｂ、あるいは、第３
手段として、発光点７１である入射光源を光軸方向に移
動制御する光コネクタ移動手段２８と、受光点７２であ
るスリット１７を光軸方向に移動制御する光検出器移動
手段２７の光学焦点移動手段がある。

【００１４】上記のレンズ連動制御手段としては、検出
すべき波長λm成分に対応して、第１手段として可動す
るレンズ２２を回折格子１４の回動と連動してレンズの
有する屈折率の波長依存性を補正解消する位置にレンズ
の光学位置を移動制御するレンズ移動制御部４５、ある
いは、第２手段として、複数のレンズ群の一部分のレン
ズ２２ｃの光学位置を移動制御してレンズ群の有する屈
折率の波長依存性を補正解消する光学位置に移動制御す
る一部分レンズ移動制御部４６、あるいは、第３手段と
して、発光点７１である被測定入射光源自体の移動制御
手段と受光点７２であるスリット１７を移動制御する光
検出器移動手段２７による光学焦点移動手段４７を設け
て実現する。

【００１５】代表的な具体的構成としては、レンズ２２
を光軸方向に移動して、発光点７１である被測定入射光
の焦点位置を移動させ、回折格子１４で分光した並行光
線を受光点７２であるスリット１７上に焦点位置を移動
させるレンズ移動手段２６を設け、測定波長λmに対し
て、回折格子回転機構１５の回動制御と連動して、検出
すべき波長λm成分が、レンズ移動手段２６を制御し
て、発光点７１が入射光に合わせ、受光点７２をスリッ
ト１７上に合わせる光学焦点位置の制御をするレンズ移
動制御部４５を設け、測定波長λm成分に対応して、回
折格子１４の回動と連動してレンズ２２を光学移動させ
て前記光学焦点位置への移動を制御するレンズ移動制御
部４５を設ける構成手段がある。

【００１６】

【作用】レンズ移動手段２６は、レンズ２２を光軸方向
に移動させて、焦点位置を移動させる作用があり、これ
により拡散光線３１の被測定光源の焦点位置を調整可能
にでき、また、回折格子１４からの並行光線の集光位置
を調整可能にする作用を持つ。レンズ移動制御部４５
は、回折格子１４の回動角度位置、即ち測定波長λmと
連動して動くように制御していて、測定目的の波長λm
に対して収差を補正する方向にレンズ２２を移動制御す
る働きがある。これにより、発光点７１の焦点位置が光
コネクタ９２の出射端と一致してコリメート光線３２は
常に正しい並行光線として回折格子１４に入射でき、ま
たスリット１７面上が常に焦点位置と一致するように制
御されて、焦点ぼけの殆どない安定した結像を与える光
学系に制御する役割がある。これらによって、レンズが
有する屈折率の波長依存性を解消して、広い波長範囲に
おいてもレンズが有する屈折率の波長依存性を解消して
安定した高確度のスペクトラム分解能の測定機能を実現
できる。

【００１７】また、図３に示す２つのレンズを使用した
構成例の場合でも２つの入射レンズ２２ａ、出射レンズ
２２ｂの固定台を移動することで、同様にレンズが有す
る屈折率の波長依存性を解消して安定した高確度のスペ
クトラム分解能の測定機能を実現できる。また、図４に
示すように、被測定光源側を光軸方向に移動制御する光
コネクタ移動手段２８と、スリット１７と光検出器１８
側を光軸方向に移動制御する光検出器移動手段２７の光
学構成を設け、この両者の移動制御部を設ける場合で
も、同様にレンズが有する屈折率の波長依存性を解消し
て安定した高確度のスペクトラム分解能の測定機能を実
現できる。また、図５に示す複数個のレンズ２２ｃ、２
２ｄの一部のレンズ２２ｃを移動手段２９で光軸方向に
移動させてレンズ間距離を変えて焦点位置を可変にする
手段としても良く、同様にレンズが有する屈折率の波長
依存性を解消して安定した高確度のスペクトラム分解能
の測定機能を実現できる。

【００１８】

【実施例】図１に本発明による１つのレンズを使用した
リトロー型の光スペクトラムアナライザの構成例を示
す。本発明では、測定波長に連動してレンズ２２を光軸
方向に移動制御することでレンズが有する屈折率の波長
依存性を補正するようにしている。

【００１９】本装置構成は、光コネクタ９２と、レンズ
２２と、レンズ移動手段２６と、回折格子１４と、回折
格子回転機構１５と、レンズ移動制御部４５と、スリッ
ト１７と、光検出器１８とで成る。ここで、光コネクタ
９２とレンズ２２と回折格子１４と回折格子回転機構１
５とスリット１７と光検出器１８は従来と同様である。

【００２０】レンズ移動手段２６は、レンズ台２４上に
固定されたレンズ２２をレンズ台２４と共に光軸方向に
並行微動可能な直進移動手段であって、例えば積層圧電
アクチエータを用いてレンズ移動制御部４５からのレン
ズ移動量信号２６ａを受けて、マイクロメートルレベル
で精密に移動可能なレンズ移動機構である。また、圧電
モータ等の回転運動を直進運動にする変換機構による組
み合わせで実現する例もある。

【００２１】レンズ移動制御部４５は、従来の回折格子
回転機構１５の回動制御機能に加えて、この回動と連動
するレンズ移動手段２６の移動制御を有している。レン
ズの移動は、回折格子１４の回動角度位置、即ち測定波
長λmと連動して動くように制御していて、測定目的の
波長λmに対して収差を補正する方向にレンズ２２を移
動する。この移動により、発光点７１の焦点位置が光コ
ネクタ９２の出射端と一致してコリメート光線３２は正
しい並行光線として回折格子１４に入射される。また回
折格子１４から分光された並行光線はレンズ２２を通過
後受光点７２の焦点位置がスリット１７面上に一致させ
る。両条件を極力実現させる為に、レンズ２２と発光点
７１間距離を接近させ、またレンズ２２と受光点７２間
距離の両光学距離は一致させやすい位置関係に光学配置
する。この結果、スリット１７面上では広い波長範囲を
掃引しても焦点ぼけの殆どない安定した結像が得られる
こととなる。

【００２２】このように測定波長λmの掃引に連動して
レンズの焦点位置の移動制御を同期回動制御部４３が行
っている。この結果、波長による屈折率による収差の影
響を無くすることとなり、図２の単一波長の波長軸掃引
に対する検出レベル特性図に示すように、固定レンズの
場合ではぼけたスペクトラム分解能特性１０１曲線であ
ったのが、本発明ではシヤープなスペクトラム分解能特
性１０２曲線が得られ、検出レベル１１２の向上、バン
ド幅１１０の大幅なる特性改善が得られる。

【００２３】ところで、レンズ移動手段２６のレンズ移
動量信号２６ａの値は、当初に校正して求めておく。即
ち、各波長に対するレンズ移動量パラメータ値をパラメ
ータメモリ４４に予め格納しておき、測定時に同期回動
制御部４３がこれを読みだして波長連動するレンズ移動
量信号２６ａを算出してレンズ移動量手段２６に供給す
る。

【００２４】上記説明のように、回折格子１４とレンズ
２２を測定波長に連動して掃引動作させることで、測定
すべき目的波長λm成分は、常にスリット上で正しく結
像されるように光学系を制御することが可能となる。こ
の結果、広い波長範囲においてもレンズの収差の影響を
なくした高確度の測定分解能の光スペクトラムアナライ
ザを実現できる。つまり上記説明から、検出すべき目的
波長λm成分に対応して、回折格子１４の回動と連動し
てレンズ２２の焦点位置を発光点７１と受光点７２とな
るようにレンズ２２を移動制御することにより、レンズ
２２自身が有する屈折率の波長依存性を解消できること
を意味している。

【００２５】上記実施例の説明では、レンズ２２が単一
レンズの場合での説明であったが、このレンズを複数個
のレンズによるレンズ群に置き換えたレンズ構成として
も良い。

【００２６】また実施例の説明では、１つのレンズを使
用したリトロー型の光スペクトラムアナライザの構成例
の場合で説明していたが、図３に示す２つのレンズを使
用したツェルニターナー型の光スペクトラムアナライザ
の構成例がある。この場合でも２つの入射レンズ２２
ａ、出射レンズ２２ｂを設けてレンズ台２４上に固定
し、レンズ移動手段２６で測定波長λm対応して同様の
移動制御手段を実施することで、同様にして実施でき
る。また、前記入射レンズ２２ａと出射レンズ２２ｂを
個別の移動台として各々を独立した移動手段の構成とし
ても良い。

【００２７】また実施例の説明では、レンズ移動手段２
６でレンズ台２４を移動させる構成例で説明していた
が、図４に示すように、レンズ２２の移動では無く、逆
に発光点７１である被測定光源を光軸方向に移動制御す
る光コネクタ移動手段２８と、受光点であるスリット１
７と光検出器１８を光軸方向に移動制御する光検出器移
動手段２７の光学構成を設け、この両者の移動制御によ
り、スリット上で最良の結像となるような光学構成とし
ても良く、同様に実施可能である。

【００２８】また実施例の説明では、レンズ２２が単一
レンズの例として説明していたが、図５に示すように、
複数個のレンズ２２ｃ、２２ｄで構成し、その一部分の
レンズ２２ｃを移動手段２９で光軸方向に移動させてレ
ンズ間距離を変えて等価的に焦点位置を可変にするよう
に光学構成としても良く、同様に実施可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記に記載されるような効果を奏する。レ
ンズ移動手段２６は、レンズ２２を光軸方向に移動させ
て、焦点位置を移動させる効果が得られ、これにより拡
散光線３１の被測定光源の焦点位置を調整可能にでき、
また、回折格子１４からの並行光線の集光位置を調整可
能にできる。

【００３０】レンズ移動制御部４５は、回折格子１４の
回動角度位置、即ち測定波長λmと連動して動くように
制御していて、測定目的の波長λmに対して収差を補正
する方向にレンズ２２を移動する。これにより、発光点
７１の焦点位置が光コネクタ９２の出射端と一致してコ
リメート光線３２は常に正しい並行光線として回折格子
１４に入射でき、またスリット１７面上が常に焦点位置
と一致するように制御する。これにより焦点ぼけの殆ど
ない安定した結像が得られる効果がある。これらによっ
て、レンズが有する屈折率の波長依存性を解消して、広
い波長範囲においてもレンズの屈折率の収差の影響をな
くして安定した高確度のスペクトラム分解能で測定可能
な光スペクトラムアナライザを実現できる。

【００３１】また、図３に示す２つのレンズを使用した
構成例の場合でも２つの入射レンズ２２ａ、出射レンズ
２２ｂの固定台を移動することで、同様の効果が得られ
る。

【００３２】また、図４に示すように、被測定光源側を
光軸方向に移動制御する光コネクタ移動手段２８と、ス
リット１７と光検出器１８側を光軸方向に移動制御する
光検出器移動手段２７の光学構成を設け、この両者の移
動制御部を設ける場合でも、同様にレンズが有する屈折
率の波長依存性を解消できる効果が得られる。

【００３３】また、図５に示す複数個のレンズ２２ｃ、
２２ｄの一部のレンズ２２ｃを移動手段２９で光軸方向
に移動させてレンズ間距離を変えて焦点位置を可変にす
るように構成しても良く、同様にレンズ群が有する屈折
率の波長依存性を解消できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、レンズを使用した光スペクトラムア
ナライザの構成例である。

【図２】本発明の、単一波長の波長軸掃引に対する検出
レベル特性図である。

【図３】本発明の、２つのレンズを使用したツェルニタ
ーナー型の光スペクトラムアナライザの構成例である。

【図４】本発明の、被測定光源を光軸方向に移動制御す
る移動手段と、スリット１７と光検出器１８を光軸方向
に移動制御する移動手段の光学構成とした光スペクトラ
ムアナライザの構成例である。

【図５】本発明の、複数個構成のレンズの一部のレンズ
２２ｃを移動させる手段とした光スペクトラムアナライ
ザの構成例である。

【図６】（ａ）波長λ0のときに発光点７１と受光点７
２位置でレンズ２２により焦点を結ぶ光学配置としたと
きの光学図と。（ｂ）波長λ1のときの受光点７２での
焦点位置のずれを説明する光学図である。

【図７】従来の、レンズを使用した光スペクトラムアナ
ライザの構成例である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズと回折格子（１４）とスリット
   （１７）と、光検出器（１８）を有して、被測定入射光
   をレンズにより並行光線にして回折格子（１４）に与
   え、回折格子（１４）で分光した並行光線をレンズでス
   リット（１７）上に結像集光して被測定入射光を分光測
   定する光学装置において、 測定波長λm毎に、被測定入射光の発光点（７１）位置
   がレンズの焦点位置となる光学移動を与え、回折格子
   （１４）で分光した並行光線がスリット（１７）上で焦
   点位置となる光学移動を与える光学焦点移動手段を設
   け、 測定波長λm成分に対応して、回折格子（１４）の回動
   と連動して前記レンズを光学移動させるレンズの連動制
   御手段を設け、 以上を具備していることを特徴とした光スペクトラムア
   ナライザ。
2. 【請求項２】 レンズは、 単一のレンズ（２２）で構成し、あるいは複数のレンズ
   群構成で単一レンズ機能を構成し、あるいは、発光点
   （７１）からの被測定入射光を並行光線にする入射レン
   ズ（２２ａ）と並行光線をスリット（１７）上の受光点
   （７２）へ集光する出射レンズ（２２ｂ）の２つの独立
   したレンズで構成する手段を設け、 以上を具備していることを特徴とした請求項１記載の光
   スペクトラムアナライザ。
3. 【請求項３】 光学焦点移動手段は、 第１手段として、レンズ（２２）を光軸方向に移動させ
   る光学焦点移動手段としたレンズ移動手段（２６）、あ
   るいは、第２手段として、複数のレンズ群の一部分のレ
   ンズを光軸方向に移動させレンズ間距離を変えて光学焦
   点移動手段とした一部分レンズ移動手段（２６ｂ）、あ
   るいは、第３手段として、発光点（７１）である被測定
   入射光源を光軸方向に移動制御する光コネクタ移動手段
   （２８）と、受光点（７２）であるスリット（１７）を
   光軸方向に移動制御する光検出器移動手段（２７）の光
   学焦点移動手段を設け、 以上を具備していることを特徴とした請求項１記載の光
   スペクトラムアナライザ。
4. 【請求項４】 連動制御手段は、 検出すべき波長λm成分に対応して、第１手段として可
   動するレンズ（２２）を回折格子（１４）の回動と連動
   してレンズの有する屈折率の波長依存性を補正解消する
   位置にレンズの光学位置を移動制御するレンズ移動制御
   部（４５）、あるいは、第２手段として、複数のレンズ
   群の一部分のレンズ（２２ｃ）の光学位置を移動制御し
   てレンズ群の有する屈折率の波長依存性を補正解消する
   光学位置に移動制御する一部分レンズ移動制御部（４
   ６）、あるいは、第３手段として、発光点（７１）であ
   る被測定入射光源自体の移動制御手段と受光点（７２）
   であるスリット（１７）を移動制御する光検出器移動手
   段（２７）による光学焦点移動手段（４７）を設け、 以上を具備していることを特徴とした請求項１記載の光
   スペクトラムアナライザ。
5. 【請求項５】 レンズと回折格子（１４）とスリット
   （１７）と、光検出器（１８）を有して、被測定入射光
   をレンズにより並行光線にして回折格子（１４）に与
   え、回折格子（１４）で分光した並行光線をレンズでス
   リット（１７）上に結像集光する入射光を分光測定する
   光学装置において、 レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動手段（２６）
   を設け、 測定波長λmに対して、回折格子回転機構（１５）の回
   動制御と連動して、検出すべき波長λm成分が、レンズ
   移動手段（２６）を制御して、光学焦点位置である発光
   点（７１）を被測定入射点位置に焦点合わせをし、受光
   点（７２）をスリット（１７）上に焦点合わせする光学
   焦点位置制御を行うレンズ移動制御部（４５）を設け、 以上を具備していることを特徴とした光スペクトラムア
   ナライザ。