JPS6311822A - 回折格子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分光光度計において光源から放射された光を
波長別に分散する回折格子に関するものである。

〔従来の技術〕

白色光を波長別に分散させる回折格子 （ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ）　　は古
くから知られており、その原理、性質及び製作に関して
は次の文献に詳しく説明されている。

ｒＭａｘ　Ｂｏｒｎ　ａｎｄ　Ｅｍｉｌ　Ｗｏｌｆ、　
Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　０ｐｔｉｃｓ＊ｐ４　００
〜ｊｌ　　３　　（１９５９）　　　：Ｐｓｒｇａｍａ
ｎ　　ｐｒｅｓｓ、Ｊ一方、格子定数ｄは一種類である
が、その溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）　　の形状を変えたもの
を、２種類以上備えたことを特徴とする回折格子として
、次の公知例がある。

ｒＵｎｉｔｅｄ　５ｔａｔｅｓ　ｐａｔｅｎｔ　３，０
４５，５３２　Ｊｕｌｙ　２４　。

１９６２“Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ　
ｈａｖｉｎｇ　ａｐｌｕｒａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂｌａｚ
ｅ　ａｎｇｌｅｓ”、」また格子定数ｄ　（Ｘ）を、回
折格子の面上で位ｔ２ｔ（ｘ）と共に連続的に変化させ
たことを特徴とする回折格子として次の文献 ｒＭｉｅｈａｅｌ　Ｃｊｌｅｔｔｒｉｃｋ　ａｔ　ａｌ
、“ＥｘｔｒｅｍｓＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　Ｅｘｐｌ
ｏｒｅｒ　ｓｐｏｃｔｒｏｍｅｔａｒ”、　Ａｐｐｌｉ
ｅｄＯｐｔｉｃｓ、　１５．　Ｊｕｎａ　（１９８５）
　Ｊに示されたものがある。

第４図は、従来におけるエシエレット形回折格子の刻線
溝に垂直な断面を示す図であり、回折格子１の表面には
一定間隔ｄ（ｏｎ）で三角形状の溝２が多数形成されて
いる。溝２の間隔ｄは格子定数とも呼ばれている。

第４図に於て、回折格子１の表面３に垂直に立てられた
法［４（ｇｒａｔｉｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ）に対して入射
光線５が角度０で入射し、回折光線６が角度φで回折し
た場合、角度θ、φと回折光６の波長λ（胴）との関係
はよく知られているように次式で表わされる。

Ｎ−λ＝ｄ・（ｓｉｎθ−５ｉｎφ）　　　・（１）但
し、λ：回折光線の波長 ｄ：格子定数 θ：入射光線と法線のなす角度 φ：回折光線と法線のなす角度 Ｎ：回折光の次数（整数） である。実用化されているエシエレット（［Ｅｃｈｅｌ
ａｔｔｅ）形回折格子は、溝２の形を三角形にすること
により、次数Ｎが、Ｎ＝１および、Ｎ＝２、に回折光線
のエネルギーの約９０％が集中するように製作されてい
るので１式（１）に於て、次数Ｎは Ｎ＝１および２　　　　　　　・・・　（２）の値をと
ると考えてさしつかえない。

第５図は第４図に示したエシエレット形回折格子を用い
た分光光度計の構成を示すブロック図であり、光源１１
から放射された白色光線は、レンズ１２を通り試料室１
３を透過し１分光光度計の入射スリット１４に入る。そ
の後、スリット１４を通過した光はコリメーティングミ
ラー１５により平行光線１Ｇとされて、回折格子１７に
入射する６回折格子１７の表面から一定角度で回折され
た平行光線はカメラミラー１９に入り、出口スリット２
ｏ上に集光される。この出口スリット２０に集光された
光線の波長は前述の第（１）式で定められた単色光とな
る。そして、この単色光は光電子倍増管２１に入射され
て電気信号に変換された後、信号処理器２２において演
算処理され１表示器２３に表示される。

このような分光光度計において、出口スリット２ｏに集
光される単色光の波長を目的とする波長に調節するには
、回折格子１７へ光が入射する表面の中央部分で、かつ
溝と平行な直線を回転軸２４として一定角度Ｕだけ回折
格子１を波長駆動部１８によって回転することによって
行うことができる。

今、コリメーティングレンズミラー１５．カメラミラー
１９が固定されているとすると、回折格子１７の入射角
θと回折角φの和は一定になる。

すなわち、 θ十φ＝　２　Ｋｏ　　　　　　　　　・・・・・・　
（３）と表わすことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記第（３）式を用いて第（１）式を書直す
と。

Ｎ−λ＝　２　ｄ−ｓｉｎ（θ−Ｋｏ）・ｃｏｓＫｏ　
　−（４）となる。

ここで。

ｓｉｎ　（θ−Ｋｏ）　・ｃｏｓＫｏ≦１　　　　　　
・（５）であるから、波長λの選択には制限がある。

即ち。

２　・　ｄ λ≦□　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・　　
（６）となる。回折光強度が最も大きな１次光（Ｎ＝１
）を利用するとすれば、 λ≦２ｄ　　　　　　　　　　　・・・・・・　（７）
となる。

即ち、第５図に示される従来装置に於ては、回折格子の
格子定数をｄとする時、分光器の選択出来る波域は２ｄ
（ｎｎ＋）以下に制限されてしまうという重大な欠点が
ある。

一方、第５図に示される従来の分光光度計の分散能（単
位スリット幅に対するスペクトル幅）は、次式で表わさ
れる。

但し、ΔＳニスリット幅（但し入射スリットと出射スリ
ットの幅は等しいとする ）。

Δλニスリット幅ΔＳから出射するスペクトル幅 ｆ　：カメラミラーの焦点距離 Ｎ　：回折格子の次数 である。

（６）　、　（８）式に於て、Ｎ＝１とすれば次の事柄
がわかる。

（１）　　分光光度計の選択出来る波長範囲を広げるた
めには、回折格子の格子定数ｄを大きくする必要がある
。

（ＩＩ）　　分光光度計の分散能を高くするためには、
回折格子の格子定数を小さくする必要がある。

すなわち、従来の回折格子を用いた分光光度計では、波
長範囲と分散能とが相反する性質があり、波長域を拡げ
るためには分散能を低下させなければならず、逆に分散
能を向上させるためには波長域を狭くしなければならな
いという問題がある。

本発明の目的は、分散能を低下させることなく波長域を
拡げることができる回折格子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、２Ｍ類の格子定数を一定周期で交互に配列し
たものである。

〔作用〕

格子定数を２種類とした場合、２つの波源の光が回折さ
れる。この時、２つの格子定数を１：２の関係にすると
、２つの回折光の位相差は１：２となり、相互干渉によ
って４倍の波長域を有する回折光が得られる。

〔実施例〕

第」１図は本発明による回折格子の一実施例を示す断面
図であり、回折格子１の表面３には格子定数ｄ１（ｍｕ
）の溝２ａと格子定数ｄｚ　　（ｎｏ）の溝２ｂが一定
周期で交互に配列されている。

第２図は格子表面の拡大図であり、格子定数ｄｌの溝２
ａｚと２ａ２に入射する光線３０゜３１の法８３２に対
する角度をθ、回折光３３゜３４の法線３２に対する角
度をφとし、入射法線３０．３１および回折光３３．３
４を平行な平面波とすると、入射光ｆｉ３０．３１と回
折法線３３゜３４どの位相差ＤＩは。

Ｄ１＝ｄｌ・（ｓｉｎθ−５ｉｎφ）／λｓ　　−（９
）となる。

従って、格子定数ｄｌの溝に入射した平行光線とこれ等
から回折した平行光線の間に成立する関係式は Ｎ１・λｉ　＝　ｄ　ｓ　（ｓｉｎ　０−ｓｉｎφ）　
　　−（１０）Ｎ１”１，２，３．・・・・・・ となる。

次に、格子定数ｄ２の溝２ｂに入射する光線３５とその
回折光３６の法［３２に対する角度を同じくθ、φとす
る。

入射法線３５．３０と回折光線３６．３３の間の波の位
相差Ｄ２は Ｄｚ　＝　ｄ　ｚ　（ｓｉｎ　０−ｓｉｎφ）／λｘ　
　・＝（１１）となる。

従って、これ等の光線の間に成立する関係式はＮｉ・λ
ｚ　＝　ｄ　ｘ　（ｓｉｎ　０−ｓｉｎφ）　　　・（
１２）となる。

即ち、この回折格子に於ては、回折角φの方向に異なる
２つの波長λ１．λ２が回折されることになる。説明を
簡単にする為に１次数Ｎ５＝Ｎｘ＝１としまた、 ｄｚ＝２ｃｌｌ＝２ｄ　　　　　　　　・・・・・・（
１３）とすれば、位相差Ｄ１１Ｄ２は ２Ｄｔ＝Ｉ）ｚ　　　　　　　　　　・・・・・・（１
４）となり、波長が等しい場合、入射光線３７，３５゜
３０．３１とこれ等の回折光！３８．３６，３３゜３４
の位相差はＤｌおよびその２倍の２Ｄ１となるため、こ
れ等の光線は相互に干渉し合う。従って、１個の回折格
子の面積を半分ずつに分け、一方の格子定数をｄｌ、他
方を２ｄｚとした、いわゆる２種類の回折格子を左右並
べて一体とした回折格子とは本質的に異なる。

次に本発明の回折格子においては、回折光の波長λが大
きくなり、λ≧２ｄｓ　を越えると、前述の第（１２）
式に従う回折光が得られる。そして、λ＝４ｄ１ まで、波長域が拡大されることになる。

第３図は、横軸を波長、縦軸を回折光の効率（入射光強
度／回折光強度×１ｏＯ％）とした回折効率曲線図であ
り、曲線Ａは従来の回折効率曲線、曲線Ｂは本発明の回
折効率曲線を示しており、曲線Ａは格子定数ｄ＝１／３
６００画、曲線Ｂは格子定数ｄｌ＝１／１８００ｍｍ、
ｄ２＝１／３６００ｍとしたときのものである。

図から明らかなように、曲線Ａは波長が４６０ｎｍ近辺
で効率が零となることを示しており、また曲線Ｂは８６
０ｎｍ近辺で効率が零になることを示している。すなわ
ち１本発明による回折格子によれば波長域が２倍弱拡大
されていることがわかる。

一方、本発明による回折格子によれば、波長４６０ｎｍ
以下で従来の回折格子と同じ格子定数ｄ　＝　１　／　
３６００　ｍを有しているので１分散能は従来の回折格
子と等しい。すなわち、分散能を低下させずに波長域を
拡大することができる。

なお、上述した実施例においては、反射型の平面回折格
子について説明したが、透過型および凹面回折型の回折
格子についても適用することができる。また、格子定数
は２種類としたが、３種類以上の場合も適用できる。

〔発明の効果〕 以上説明したことから明らかなように本発明によれば、
分散能を低下させることなく波長域を拡げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は格子
表面の拡大図、第３図は回折効率曲線を示す図、第４図
は従来の回折格子の断面図、第５図は従来の回折格子を
利用した分光光度計のブロック図である。 １・・・回折格子、２，２ａ、２ｂ・・・溝、３・・・
回折格子の表面、３０，３１，３５．３７・・・入射光
線、３３．３４，３６．３８・・・回折光線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分光光度計の光分散素子として用いる分光光度計に
   おいて、 少なくとも２種類の格子定数を一定周期で交互に配列し
   たことを特徴とする回折格子。 ２、各格子定数の比が自然数になるように各格子定数を
   設定したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   回折格子。