JPH11264762A - エシェル型分光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光路変換用の平面鏡による遮光の影響のな
い、全体に均一な明るさの分光スペクトル像を得る。 【解決手段】 反射型のシュミットプレート５を用い、
該反射面の曲面を成す回転軸ｙ1と、球面鏡６の反射面
の曲面を成す回転軸ｙ2とを同一とし、該回転軸を球面
鏡６の入射光軸からずらすように各光学素子の配置を定
める。これにより、エシェル回折格子３及び回折格子４
により波長分散された二次元スペクトルを含む光束がシ
ュミットプレート５に導入されると、球面鏡６を介して
光検出器７の検出面上にスペクトル像が結像される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ発光分析
装置等の分光分析装置に利用されるエシェル型分光器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】回折格子の一種であるエシェル回折格子
では、大きなブレーズ角を有する溝が型成されており、
入射光に対して高次（例えば数十〜百次以上）の回折光
を出射光として得ることができるようになっている。或
る出射角をもって得られる光には多数の高次の回折光が
重なっているため、通常、このエシェル回折格子は次数
方向に光を分散する次数分離用光学素子と組み合わせて
使用されることが多い。

【０００３】図２は、従来の一般的なエシェル型分光器
の光路の一例を示す概略構成図である。この構成はいわ
ゆるツェルニターナマウンテング配置によるものであっ
て、回折格子４、透過型シュミットプレート８、平面鏡
１０及び球面鏡９がほぼ一直線上に配置されている。発
光分析装置の場合にはプラズマトーチ、アーク等の発光
源からの輝線スペクトルを含む光が、吸光分析装置の場
合にはグラファイトチューブやフレームを通過した吸光
線スペクトルを含む光が、入口スリット１を通過して当
該分光器に導入される。

【０００４】入口スリット１を通過した光は放物面鏡２
にてコリメートされ、エシェル回折格子３により入口ス
リット１の長手方向と垂直な方向に（以下、これを「水
平方向」とする）に波長分散される。次に、該分散光は
次数分離用の回折格子４により該水平方向と垂直な方向
（以下、これを「垂直方向」とする）、つまり次数分離
方向に分散され、透過型のシュミットプレート８を通過
して球面鏡９に当たる。球面鏡９からの反射光は平面鏡
１０により反射され、球面鏡９への入射光束の外側に配
置された光検出器（例えばＣＣＤ撮像器）７の検出面上
に結像される。

【０００５】シュミットプレート８は主として球面鏡９
で生じる球面収差、コマ収差、非点収差を補正するため
の光学素子であって、極力少ない損失でもって紫外光線
を透過させるために石英ガラス等の材料から形成され、
その素子面は球面鏡９の歪等に応じた曲面となるように
研磨等による加工が行なわれる。これにより、回折格子
４によって一旦垂直方向に分離された異なる次数の回折
光が収差により結像時に重なってしまうことを防止し、
高い分解能を保証している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のエシェル型分光器の光路構成では、シュミットプレ
ート８と球面鏡９との間の光路上に平面鏡１０が配置さ
れているため、シュミットプレート８を通過した光束の
一部は平面鏡１０によって遮光される（つまり、平面鏡
１０の影が球面鏡９に投影される）。このため、球面鏡
９からの反射光には上記遮光された光束に対応する情報
が含まれておらず、その結果、光検出器７において一部
の波長領域のスペクトル情報が得られないことになる。

【０００７】この遮光の影響を軽減するためには、放物
面鏡２、エシェル回折格子３、回折格子４、球面鏡９等
の各光学素子を大型化し、回折格子４から球面鏡９に送
出する光束の面積を広げて、遮光の影響を相対的に小さ
くするとよい。しかしこのような方法によっても遮光が
回避される訳ではないから、遮光される一部の波長領域
では他の波長領域よりもスペクトル像が暗くなり、分光
測定の感度や精度を劣化させることになる。また、各光
学素子を大きくすると素子のコストが高くなり、また分
光器全体の小型化が困難になるという問題もある。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その第１の目的とするところは、
分析対象の全ての波長領域において均一な明るさのスペ
クトル像を得ることができるエシェル型分光器を提供す
ることにある。また、第２の目的とするところは、収差
の少ないスペクトル像を得ることができるエシェル型分
光器を提供することにある。更に、第３の目的とすると
ころは、安価で製作が容易なエシェル型分光器を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、入射光を一方向に分散するエシェ
ル回折格子と、該方向と略垂直な方向にエシェル回折格
子からの光を分散する次数分離用分散素子とを具備する
エシェル型分光器において、 a)前記次数分離用分散素子の素子面で反射した光が入射
され、該入射光軸と出射光軸とが相違するように配置さ
れた反射型の収差補正光学素子と、 b)該収差補正光学素子からの反射光束の外側に配設され
た光検出器と、 c)前記収差補正光学素子からの反射光が入射され、前記
光検出器の検出面上に光を集光する球面鏡と、 を備えることを特徴としている。

【００１０】上述のような光学的構成を実現するには、
収差補正光学素子の反射面の曲面を或る平面内の多数次
関数による曲線を該平面に含まれる或る軸を中心に回転
して得られる曲線面とするとともに、球面鏡の反射面の
曲面を或る平面内の二次関数による曲線を該平面に含ま
れる或る軸を中心に回転して得られる曲線面とし、両者
の回転軸を同一方向に揃えるとともに、該回転軸を収差
補正光学素子から球面鏡へ送られる光の光軸からずらす
ようにする。

【００１１】

【発明の実施の形態】この光学的構成では、反射型の収
差補正光学素子として反射型シュミットプレートや反射
型メニスカスを用いることができる。例えば、反射型シ
ュミットプレートは、或る回転軸を中心として所定の関
数により得られる曲面を反射面として有している。

【００１２】次数分離用分散素子から二次元方向に広が
りを有する光束が収差補正光学素子に送られると、該収
差補正光学素子は該入射光束の光軸と相違する方向に光
を反射する。該反射光は球面鏡に当たり、球面鏡への入
射光束の外側に位置する光検出器の検出面上にスペクト
ル像を結像させる。すなわち、この構成によれば、波長
分散素子から光検出器まで至る光路中に、従来の反射鏡
のような遮光を生じる素子を挿入する必要がない。な
お、収差補正光学素子の反射面の曲率は、光束が当たる
領域において光検出器の焦点面上での収差が最良になる
ように定めるようにしておけば、検出器の検出面上に収
差の少ないスペクトル像を結像させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係るエシェル型分光器の一実
施例を図１を参照して説明する。図１は、本実施例のエ
シェル型分光器による光路を示す概略構成図である。本
実施例の分光器では、入口スリット１から回折格子４ま
での光路構成は図２に示した従来のものと同一であっ
て、回折格子４以降の光路の構成が相違している。

【００１４】すなわち、図１において、入口スリット１
から導入された光は放物面鏡２により収差の無い平行光
束とされ、エシェル回折格子３に照射される。エシェル
回折格子３では水平方向に光を分散させ、回折格子４で
は該分散光を更に垂直方向に分散させて二次元方向の広
がりを有するスペクトル光とする。この分散光は反射型
シュミットプレート５に送られ、該シュミットプレート
５にて反射した光は入射光の光軸とは異なる方向に位置
にする球面鏡６に送られる。球面鏡６にて反射した光
は、その入射光束の外側に位置する光検出器７の検出面
上に集光される。

【００１５】このような光路構成は、以下のような条件
を満たすことによって達成される。反射型のシュミット
プレート５は、所定の曲面形状に加工されたガラスや合
成樹脂等から成る基体の表面にアルミニウム等を蒸着し
て鏡面を形成したものである。その曲面は、互いに直交
するｘ1、ｙ1、ｚ1軸から成る三次元座標系Ｑ1におい
て、ｘ1軸及びｙ1軸を含む平面内の所定関数の曲線をｙ
1軸を中心に回転した形状となっている。一方、球面鏡
６の反射面は、互いに直交するｘ2、ｙ2、ｚ2軸から成
る三次元座標系Ｑ2において、該ｙ2軸を回転軸としてい
る。

【００１６】それぞれの回転軸であるｙ2軸とｙ1軸とは
同一方向に揃えられており、該軸方向は、球面鏡６から
の反射光による焦点面が入射光束の外側になるように、
該入射光束の光軸の方向からずらされている。また、シ
ュミットプレート５の反射面上での中心光の照射点Ｃ1
と座標系Ｑ1原点との間の距離と、球面鏡６の反射面上
での中心光の照射点Ｃ2と座標系Ｑ2原点との間の距離と
が、ほぼ等しくなるようにシュミットプレート５及び球
面鏡６の配置が定められている。

【００１７】また、シュミットプレート５反射面の曲率
は、光束が該シュミットプレート５の反射面に当たる範
囲において、光検出器７の検出面上での収差が最良とな
るように次式の係数Ａ、Ｂが定められる。 ｙ1＝Ａ・ｘ1⁴＋Ｂ・ｘ1⁶ なお、このような曲率の定めかたは、従来から知られて
いる種々の手法によることができる。

【００１８】このような各光学素子の形状及び配置によ
って、回折格子４から光検出器７まで至る光路中に障害
物を置くことなく、光検出器７の検出面上に収差の小さ
な二次元スペクトル像を結像させることができる。

【００１９】また、収差補正光学素子としてはシュミッ
トプレートの代わりに反射型のメニスカスを使用しても
同様の光路構成とすることができる。更に、エシェル回
折格子及び回折格子の分散方向は互いに直交した方向で
あればよく、エシェル回折格子で垂直方向に分散した
後、回折格子で水平方向に分散するようにしてもよい。

【００２０】また、上記実施例は一例であって、本発明
の趣旨の範囲で適宜修正や変形を行なえることは明らか
である。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明に係るエシェル型分
光器によれば、光軸外しの光路により光検出器に光を導
くようにしているので、従来の光路構成と異なり光束が
遮光されることがない。このため、光検出器の検出面上
で均一の明るさの二次元スペクトル像を得ることがで
き、このエシェル型分光器を分光分析装置に用いれば、
分析精度や感度を向上させることができる。

【００２２】また本発明に係るエシェル型分光器によれ
ば、光路変換のための反射鏡等の光学素子が不要になる
とともに、エシェル回折格子等の光学素子に小型のもの
を使用することができる。このため、分光器全体の小型
化が可能になる。

【００２３】更に、従来のエシェル型分光器では、透過
型の収差補正光学素子を用いる必要があったが、透過型
では波長の短い紫外光を減衰なく通過させるために材料
の制限があり（例えば石英ガラス等、紫外域で高透過率
の材料を用いる必要がある）、いわゆるレプリカ法によ
る量産が行なえなかった。それに対し、本発明では、反
射型の収差補正光学素子を用いているので、合成樹脂等
の材料を用いてレプリカ法による収差補正光学素子の製
造が可能である。従って、コストが大幅に削減できると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のエシェル型分光器の一実施例による
光路を示す概略構成図。

【図２】 従来のエシェル型分光器による光路を示す概
略構成図。

【符号の説明】

１…入口スリット ２…放物面鏡 ３…エシェル回折格子 ４…回折格子 ５…反射型シュミットプレート ６…球面鏡 ７…光検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を一方向に分散するエシェル回折
   格子と、該方向と略垂直な方向にエシェル回折格子から
   の光を分散する次数分離用分散素子とを具備するエシェ
   ル型分光器において、 a)前記次数分離用分散素子の素子面で反射した光が入射
   され、該入射光軸と出射光軸とが相違するように配置さ
   れた反射型の収差補正光学素子と、 b)該収差補正光学素子からの反射光束の外側に配設され
   た光検出器と、 c)前記収差補正光学素子からの反射光が入射され、前記
   光検出器の検出面上に光を集光する球面鏡と、 を備えたことを特徴とするエシェル型分光器。