分光光学装置とそれを備えた分光分析装置
【課題】簡単な構成でありながら分光特性の自由度が高い小型の分光光学装置と、それを備えた分光分析装置を提供する。
【解決手段】分光光学装置１０は、回折光学素子５と可動受光部６を有する。回折光学素子５は、光を収束させる正パワーの回折格子構造Ｄ１を光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の少なくとも一部にのみ有する。可動受光部６は、回折光学素子５から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口７ｈを有する光束規制部材７と、開口７ｈを通過した光を検出する光センサー８とを有し、回折光学素子５に対する相対位置が光軸ＡＸ方向に可変であって、回折光学素子５から射出した光を軸外側から光束規制して受光する。
【解決手段】分光光学装置１０は、回折光学素子５と可動受光部６を有する。回折光学素子５は、光を収束させる正パワーの回折格子構造Ｄ１を光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の少なくとも一部にのみ有する。可動受光部６は、回折光学素子５から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口７ｈを有する光束規制部材７と、開口７ｈを通過した光を検出する光センサー８とを有し、回折光学素子５に対する相対位置が光軸ＡＸ方向に可変であって、回折光学素子５から射出した光を軸外側から光束規制して受光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光光学装置とそれを備えた分光分析装置に関するものであり、例えば、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光光学装置と、それを用いて分光分析を行う分光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より様々なタイプの分光分析装置が知られている。なかでも、特許文献１，２等で提案されている分光分析装置は、分光に屈折レンズの軸上色収差を利用することにより、簡単な構成で分光機能の実現を可能としている。つまり、測定対象となる光を高分散の屈折レンズで収束させることにより軸上色収差を大きく発生させ、収束点付近に配置した光束規制用の開口を光軸に沿って移動させることにより分光を行う構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７１５２８号公報
【特許文献２】特開２００９−１９２２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１，２で提案されている分光方法では、屈折レンズの軸上色収差で分光が行われるため、屈折レンズの硝材やレンズ面の曲率で分光特性がほとんど決まってしまう。つまり、軸上色収差は屈折作用のパワーと硝材の分散とに依存するため、それが制限となって分光特性の自由度が低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
また、分光に軸上色収差を利用する場合、軸上付近（つまり光軸を含む軸上領域）の光線が光センサーに入射してノイズにならないようにする必要がある。特許文献１記載の分光分析装置では屈折レンズの後側にマスク部材を設けることにより、また、特許文献２記載の分光分析装置では屈折レンズの前側にマスク部材を設けることにより、それぞれ軸上付近の光線を遮光してノイズの発生を防止している。このため、遮光用の別部材が必要となり、構成の複雑化を招くことになる。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡単な構成でありながら分光特性の自由度が高い小型の分光光学装置と、それを備えた分光分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１の発明の分光光学装置は、光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する回折光学素子と、前記回折光学素子に対する相対位置が光軸方向に可変であって、前記回折光学素子から射出した光を軸外側から光束規制して受光する可動受光部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明の分光光学装置は、上記第１の発明において、前記回折光学素子が、光を発散させる負パワーの回折格子構造を、光軸を含む軸上領域に有することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の分光光学装置は、上記第２の発明において、前記回折光学素子が、前記正パワーの回折格子構造と前記負パワーの回折格子構造を共に光射出側面に有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明の分光光学装置は、上記第１の発明において、前記回折光学素子が、光軸を含む軸上領域に遮光構造を有することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明の分光光学装置は、上記第４の発明において、前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面に前記遮光構造を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明の分光光学装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記正パワーの回折格子構造が、光軸から遠いほど強い正パワーを有することを特徴とする。
【００１３】
第７の発明の分光光学装置は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記可動受光部が、前記回折光学素子から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする。
【００１４】
第８の発明の分光光学装置は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面にコリメータレンズ面を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１５】
第９の発明の分光分析装置は、前記可動受光部を光軸方向に移動させる駆動部を更に有する上記第１〜第８のいずれか１つの発明に係る分光光学装置と、前記駆動部を制御して、前記可動受光部の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する構成になっているため、分光光学装置の小型化を達成しながら、簡単な構成で高い自由度の分光特性を得ることができる。そして、本発明に係る分光光学装置を用いることにより、高精度の分光機能を有する小型の分光分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】分光分析装置の実施の形態を示す模式図。
【図２】分光光学装置の実施の形態を模式的に示す要部断面図。
【図３】回折光学素子の具体例を模式的に示す平面図。
【図４】回折格子構造の具体例を模式的に示す断面図。
【図５】回折光学素子の第１変形例を模式的に示す平面図。
【図６】回折光学素子の第２変形例を模式的に示す平面図。
【図７】回折光学素子の第３変形例を模式的に示す断面図。
【図８】分光光学装置の実施例に用いられている回折格子構造を示すグラフ。
【図９】分光光学装置の実施例の軸上色収差図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る分光光学装置及び分光分析装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、具体例，変形例等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１９】
図１に分光分析装置の一実施の形態を示し、図２に分光光学装置の一実施の形態の要部構成を示す。分光分析装置３０は、図１に示すように、光源１，分光光学装置１０，コンピュータ２０等を備えた分光分析システムである。また分光光学装置１０は、図１及び図２に示すように、測定対象部３，コリメータレンズ４，透過型の回折光学素子５，可動受光部６，駆動部９等を備え、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光ユニットである。
【００２０】
光源１の波長分光を行う場合、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通ってそのまま測定対象部３から出射される。試料の波長分光を行う場合（例えば、近赤外領域の吸収量で試料の水分量，成分量等を計測する場合）、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通って試料に照射され、そこで発生した光（反射光又は透過光）が測定対象部３から出射される。測定対象部３から出射された発散光は、コリメータレンズ４で平行光となり、回折光学素子５に入射する（ＡＸ：光軸）。
【００２１】
回折光学素子５は、図２に示すように、平行平板の光射出側面Ｓ２に表面レリーフ型の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２が形成された構成になっており、平面から成る光入射側面Ｓ１に対して平行光が垂直に入射するように配置されている。図３に、光軸ＡＸに沿って見た光射出側面Ｓ２を示す。回折格子構造Ｄ１は、光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の一部に形成されており、光を収束させる正パワー（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）を有している。回折格子構造Ｄ２は、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に形成されており、光を発散させる負パワーを有している。つまり、回折光学素子５の光射出側面Ｓ２では、軸外領域Ａ１に入射した平行光が回折格子構造Ｄ１の正パワーの回折作用により収束し、軸上領域Ａ２に入射した平行光が回折格子構造Ｄ２の負パワーの回折作用により発散することになる。
【００２２】
回折格子構造Ｄ１に正パワーを持たせるため、その格子ピッチは光軸ＡＸから遠いほど細かくなっており、回折格子構造Ｄ２に負パワーを持たせるため、その格子ピッチは光軸ＡＸから遠いほど粗くなっている。実際の回折格子構造としては、例えば、図４（Ａ）の断面図に示すように、ピッチの変化した同心円のゾーンプレートタイプの構成を採用してもよく、図４（Ｂ）の断面図に示すように、回折効率の高いバイナリー型回折格子を採用してもよい。なお、赤外領域の分光を行う場合の硝材としては、例えば合成石英が挙げられ、回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の形成技術としては、エッチング技術，ナノインプリント技術（紫外線硬化樹脂をコートして回折格子成型する方法等）が挙げられる。
【００２３】
回折格子構造Ｄ１で収束した光は、可動受光部６に向けて集光される。可動受光部６は、回折光学素子５から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口７ｈを有する光束規制部材７と、開口７ｈを通過した光を検出する光センサー８と、を有している。したがって、軸外領域Ａ１において回折格子構造Ｄ１が設けられていない部分を通過した平行光は、開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られる。また、軸上領域Ａ２において回折格子構造Ｄ２に入射した平行光は、負パワーの回折作用により発散され、その発散光の大部分が開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られる。
【００２４】
また可動受光部６は、駆動部９により光軸ＡＸ方向に移動して（図１，図２中の矢印ＭＸ）、回折光学素子５に対する相対位置が光軸ＡＸ方向に可変となっており、回折光学素子５から射出した光を光束規制部材７で軸外側から光束規制して受光する。なお、回折光学素子５と可動受光部６との相対位置が光軸ＡＸ方向に可変であればよいので、回折光学素子５を駆動部９により光軸ＡＸ方向に移動する構成にしてもよい。
【００２５】
回折格子構造Ｄ１により軸上色収差が発生するため、回折格子構造Ｄ１から射出した光は波長ごとに異なった位置で結像することになる。回折格子構造Ｄ１のピッチをｄ、回折格子構造Ｄ１への入射光の角度をθ１（媒質：ｎ１）、回折次数をＭ、回折角をθ２（媒質：ｎ２）、波長をλとすると、回折の式：ｎ２×ｓｉｎθ２−ｎ１×ｓｉｎθ１＝Ｍ×λ／ｄが成立するため、空気中（ｎ１＝ｎ２＝１）では、ｓｉｎθ２＝Ｍ×λ／ｄとなる。つまり、波長λが長くなると回折角θ２が大きくなるため、図２に示すように、波長λの短い光（λ３＞λ２＞λ１）ほど回折光学素子５から遠い位置で結像することになる。
【００２６】
したがって、可動受光部６を矢印ＭＸ（図１，図２）方向に移動させて、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離を短くしていくと、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、短波長λ１側から長波長λ３側へと変化する。可動受光部６を矢印ＭＸとは逆方向に移動させて、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離を長くしていくと、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、長波長λ３側から短波長λ１側へと変化する。
【００２７】
上記のように、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離（つまり回折光学素子５に対する可動受光部６の相対位置）は波長λと対応しているため、可動受光部６を光軸ＡＸ方向に移動走査すると、可動受光部６の位置と光センサー８で検出した光強度から、各波長の光強度（分光強度）を電気的な信号として出力することができる。光センサー８からの出力は、図１に示すように、ＵＳＢケーブル２Ｂを介してコンピュータ２０（本体２０ａ，モニター２０ｂ等から成る。）に送られる。コンピュータ２０では、本体２０ａが駆動部９を制御して、可動受光部６の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出し、得られた波長分布をモニター２０ｂで表示する。なお、光センサー８としては、例えばフォトダイオードが挙げられ、赤外領域の分光を行う場合にはＩｎＧａＡｓセンサーが挙げられる。
【００２８】
ところで、屈折レンズの軸上色収差で分光を行うと、屈折レンズの硝材やレンズ面の曲率で分光特性がほとんど決まってしまう。つまり、軸上色収差は屈折作用のパワーと硝材の分散とに依存するため、それが制限となって分光特性の自由度が低くなってしまう。それに対し、回折格子構造Ｄ１の軸上色収差で分光を行うと、曲率を強くしたり屈折率や分散の高い硝材を選択したりする制限が無くなるため、軸上色収差の制御が容易になって、変化の大きい回折作用により自由度の高い分光が可能となる。
【００２９】
したがって、この分光光学装置１０によれば、光を収束させる正パワーの回折格子構造Ｄ１を光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の少なくとも一部にのみ有する構成になっているため、分光光学装置１０の小型化を達成しながら、簡単な構成で高い自由度の分光特性を得ることができる。そして、この分光光学装置１０を用いることにより、高精度の分光機能を有する小型の分光分析装置３０を実現することができる。
【００３０】
また、回折光学素子５が、光を発散させる負パワーの回折格子構造Ｄ２を、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に有することにより、高精度の分光が可能となる。分光に軸上色収差を利用する場合、軸上付近（つまり光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２）の光線が光センサー８に入射してノイズにならないようにする必要がある。回折光学素子５では、軸上領域Ａ２に入射した平行光が回折格子構造Ｄ２の負パワーの回折作用により発散するため、その発散光の大部分は開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られることになる。したがって、光センサー８に対する入射光量が抑えられるため、遮光用の別部材を設ける必要が無くなり、構成の複雑化無しにノイズの発生を効果的に防止することができる。
【００３１】
また、回折光学素子５の同一光学面に２種類の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の両方を一体的に形成することができるので、回折光学素子５の小型化，高性能化及び低コスト化が可能になるとともに、その製造も容易になる。したがって、図２〜図４に示すように、回折光学素子５が、正パワーの回折格子構造Ｄ１と負パワーの回折格子構造Ｄ２を共に光射出側面Ｓ２に有する透過型の回折光学素子５であることが好ましい。
【００３２】
軸上色収差を大きく発生させれば分光の高精度化が可能になるので、軸上色収差を大きくするような非球面に相当する回折格子構造Ｄ１を用いることが好ましい。つまり、光軸ＡＸから遠いほど正パワーが強くなるように格子ピッチを細かくして、光軸ＡＸから遠いほど曲率が強くなる非球面の屈折作用と同様の正パワーの回折作用を、回折格子構造Ｄ１に持たせればよい。したがって、回折格子構造Ｄ１は光軸ＡＸから遠いほど強い正パワーを有することが好ましい。
【００３３】
図２等に示す分光光学装置１０では、光学的に回転対称な回折光学素子５を用いて点状に集光し、光センサー８で受光する構成になっているが、図５に示すように、光学的に非回転対称な回折光学素子５Ａ（第１変形例）を用いて線状に集光し、光センサー８としてラインセンサーを用いて受光する構成にしてもよい。図５に示す回折光学素子５Ａは、シリンドリカルレンズ面の屈折作用と同様のパワーの回折作用を持った１次元（直線状）の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２を有しているほかは、前記回折光学素子５と同様に作用する。
【００３４】
図６（Ｂ）に示すように、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に遮光構造Ｔ０を有する回折光学素子５Ｂ（第２変形例）を用いてもよい。図２等に示す分光光学装置１０では、回折光学素子５の光射出側面Ｓ２に回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の両方が一体的に形成された構成になっているが、図６（Ａ）に示すように光射出側面Ｓ２に回折格子構造Ｄ１を（図３と同様に）形成し、図６（Ｂ）に示すように光入射側面Ｓ１に遮光構造Ｔ０を前記回折格子構造Ｄ２の代わりに形成してもよい（Ｔ１は透過領域である。）。この遮光構造Ｔ０としては、例えばクロムコートから成るものを用いることができる。
【００３５】
光入射側面Ｓ１では透過領域Ｔ１のみを光が透過する。遮光構造Ｔ０は光入射側面Ｓ１の最外周にも形成されているので、透過領域Ｔ１を通過した光は、ほとんどすべて光射出側面Ｓ２の回折格子構造Ｄ１に入射し、その正パワーで可動受光部６に向けて集光される。遮光構造Ｔ０で少なくとも軸上領域Ａ２の光を遮ることにより、光入射側面Ｓ１を透過した光の大部分を回折格子構造Ｄ１に入射させることができる。したがって、光射出側面Ｓ２に正パワーの回折格子構造Ｄ１を有し、かつ、光入射側面Ｓ１に遮光構造Ｔ０を有する透過型の回折光学素子５Ｂを用いることにより、ノイズの発生を効果的に防止して高精度の分光を行うことが可能となる。
【００３６】
図７に示すように、光射出側面Ｓ２に正パワーの回折格子構造Ｄ１等を有し、かつ、光入射側面Ｓ１にコリメータレンズ面Ｒ１を有する透過型の回折光学素子５Ｃ（第３変形例）を用いてもよい。このコリメータレンズ面Ｒ１は、前記コリメータレンズ４（図１）に相当するものである。したがって、光学系として回折光学素子５Ｃのみ用いればよく、測定対象部３から出射した発散光をコリメータレンズ面Ｒ１で平行光にして、光射出側面Ｓ２の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２に入射させることができる。
【００３７】
回折光学素子５Ｃを用いれば、別部材としてコリメータレンズ４を用いる必要がないので、分光光学装置１０（図１）の小型化が可能となる。また、コリメータレンズ面Ｒ１を光入射側面Ｓ１に配置することにより、その屈折作用が回折格子構造Ｄ１の回折作用と相殺されないようにすることができる。なお、コリメータレンズ面Ｒ１の屈折作用と同様の正パワーの回折作用を有する回折格子構造を、光入射側面Ｓ１に設けたり、回折格子構造Ｄ１，Ｄ２に重ねて光射出側面Ｓ２に設けてもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施した分光光学装置１０に用いられる回折光学素子５の光学構成等を更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した回折光学素子５が有する回折格子構造Ｄ１（図２〜図４等）の数値実施例である。
【００３９】
回折光学素子５の回折格子構造Ｄ１は、以下の式（ＤＳ）で定義される。
φ＝Ｍ・Σ（Ａi・ρ2i） …（ＤＳ）
ただし、
φ：位相関数、
Ｍ：回折次数、
ρ：正規化アパチャー座標、
Ａi：ρの２ｉ乗項の係数、
である。
【００４０】
図８に、回折格子構造Ｄ１の直径をΦ２０ｍｍとした場合の直径Φ１０ｍｍ以上の軸外領域Ａ１における位相関数：φ＝−３０２０．００ρ2＋３７．２７ρ4−０．８０ρ6を示す。また、回折格子構造Ｄ１の作製時の数値データとして、半径５ｍｍ以上の領域の掘り始めの周期(Cycles)ｍと半径(radius)の値を以下に示す。２×ｍ×ｐｉに相当する半径の位置から２×（ｍ＋１／２）×ｐｉまでの区間を掘るものとし（ｐｉ：格子ピッチ）、作製する回折格子構造Ｄ１の最大半径を１０ｍｍとし、半径５ｍｍ以上の領域で収束（集光）し、半径５ｍｍ以下の領域で発散するものとする。
【００４１】
実施例
Cycles (m) radius
-120.000000 5.004322
-121.000000 5.025195
-122.000000 5.045982
-123.000000 5.066685
-124.000000 5.087305
-125.000000 5.107842
-126.000000 5.128299
-127.000000 5.148675
-128.000000 5.168972
-129.000000 5.189190
-130.000000 5.209331
-131.000000 5.229396
-132.000000 5.249385
-133.000000 5.269299
-134.000000 5.289139
-135.000000 5.308906
-136.000000 5.328601
-137.000000 5.348224
-138.000000 5.367776
-139.000000 5.387258
-140.000000 5.406672
-141.000000 5.426016
-142.000000 5.445293
-143.000000 5.464503
-144.000000 5.483647
-145.000000 5.502725
-146.000000 5.521738
-147.000000 5.540687
-148.000000 5.559572
-149.000000 5.578394
-150.000000 5.597154
-151.000000 5.615852
-152.000000 5.634489
-153.000000 5.653066
-154.000000 5.671583
-155.000000 5.690040
-156.000000 5.708438
-157.000000 5.726779
-158.000000 5.745062
-159.000000 5.763287
-160.000000 5.781457
-161.000000 5.799570
-162.000000 5.817628
-163.000000 5.835630
-164.000000 5.853579
-165.000000 5.871473
-166.000000 5.889314
-167.000000 5.907102
-168.000000 5.924837
-169.000000 5.942521
-170.000000 5.960153
-171.000000 5.977733
-172.000000 5.995264
-173.000000 6.012743
-174.000000 6.030173
-175.000000 6.047554
-176.000000 6.064886
-177.000000 6.082169
-178.000000 6.099404
-179.000000 6.116592
-180.000000 6.133732
-181.000000 6.150825
-182.000000 6.167872
-183.000000 6.184873
-184.000000 6.201828
-185.000000 6.218738
-186.000000 6.235602
-187.000000 6.252422
-188.000000 6.269198
-189.000000 6.285930
-190.000000 6.302618
-191.000000 6.319263
-192.000000 6.335865
-193.000000 6.352425
-194.000000 6.368942
-195.000000 6.385417
-196.000000 6.401851
-197.000000 6.418244
-198.000000 6.434596
-199.000000 6.450907
-200.000000 6.467178
-201.000000 6.483409
-202.000000 6.499600
-203.000000 6.515751
-204.000000 6.531864
-205.000000 6.547938
-206.000000 6.563973
-207.000000 6.579970
-208.000000 6.595929
-209.000000 6.611850
-210.000000 6.627734
-211.000000 6.643580
-212.000000 6.659390
-213.000000 6.675163
-214.000000 6.690900
-215.000000 6.706601
-216.000000 6.722265
-217.000000 6.737894
-218.000000 6.753488
-219.000000 6.769047
-220.000000 6.784570
-221.000000 6.800059
-222.000000 6.815514
-223.000000 6.830934
-224.000000 6.846321
-225.000000 6.861674
-226.000000 6.876993
-227.000000 6.892279
-228.000000 6.907532
-229.000000 6.922752
-230.000000 6.937940
-231.000000 6.953095
-232.000000 6.968218
-233.000000 6.983309
-234.000000 6.998368
-235.000000 7.013395
-236.000000 7.028392
-237.000000 7.043357
-238.000000 7.058291
-239.000000 7.073194
-240.000000 7.088067
-241.000000 7.102909
-242.000000 7.117721
-243.000000 7.132504
-244.000000 7.147256
-245.000000 7.161979
-246.000000 7.176672
-247.000000 7.191336
-248.000000 7.205971
-249.000000 7.220577
-250.000000 7.235154
-251.000000 7.249702
-252.000000 7.264223
-253.000000 7.278715
-254.000000 7.293179
-255.000000 7.307615
-256.000000 7.322023
-257.000000 7.336404
-258.000000 7.350757
-259.000000 7.365083
-260.000000 7.379382
-261.000000 7.393654
-262.000000 7.407900
-263.000000 7.422118
-264.000000 7.436311
-265.000000 7.450476
-266.000000 7.464616
-267.000000 7.478730
-268.000000 7.492818
-269.000000 7.506880
-270.000000 7.520917
-271.000000 7.534928
-272.000000 7.548914
-273.000000 7.562874
-274.000000 7.576810
-275.000000 7.590721
-276.000000 7.604607
-277.000000 7.618468
-278.000000 7.632305
-279.000000 7.646118
-280.000000 7.659906
-281.000000 7.673671
-282.000000 7.687411
-283.000000 7.701127
-284.000000 7.714820
-285.000000 7.728490
-286.000000 7.742136
-287.000000 7.755758
-288.000000 7.769358
-289.000000 7.782934
-290.000000 7.796487
-291.000000 7.810018
-292.000000 7.823525
-293.000000 7.837011
-294.000000 7.850473
-295.000000 7.863914
-296.000000 7.877332
-297.000000 7.890728
-298.000000 7.904102
-299.000000 7.917454
-300.000000 7.930784
-301.000000 7.944093
-302.000000 7.957380
-303.000000 7.970645
-304.000000 7.983889
-305.000000 7.997112
-306.000000 8.010314
-307.000000 8.023494
-308.000000 8.036654
-309.000000 8.049793
-310.000000 8.062911
-311.000000 8.076008
-312.000000 8.089085
-313.000000 8.102142
-314.000000 8.115178
-315.000000 8.128194
-316.000000 8.141190
-317.000000 8.154165
-318.000000 8.167121
-319.000000 8.180057
-320.000000 8.192973
-321.000000 8.205869
-322.000000 8.218746
-323.000000 8.231603
-324.000000 8.244441
-325.000000 8.257260
-326.000000 8.270059
-327.000000 8.282840
-328.000000 8.295601
-329.000000 8.308343
-330.000000 8.321067
-331.000000 8.333771
-332.000000 8.346457
-333.000000 8.359125
-334.000000 8.371773
-335.000000 8.384404
-336.000000 8.397016
-337.000000 8.409609
-338.000000 8.422185
-339.000000 8.434742
-340.000000 8.447282
-341.000000 8.459803
-342.000000 8.472307
-343.000000 8.484793
-344.000000 8.497261
-345.000000 8.509711
-346.000000 8.522144
-347.000000 8.534559
-348.000000 8.546957
-349.000000 8.559338
-350.000000 8.571701
-351.000000 8.584047
-352.000000 8.596377
-353.000000 8.608689
-354.000000 8.620984
-355.000000 8.633262
-356.000000 8.645523
-357.000000 8.657768
-358.000000 8.669996
-359.000000 8.682207
-360.000000 8.694402
-361.000000 8.706581
-362.000000 8.718743
-363.000000 8.730888
-364.000000 8.743018
-365.000000 8.755131
-366.000000 8.767228
-367.000000 8.779309
-368.000000 8.791374
-369.000000 8.803423
-370.000000 8.815456
-371.000000 8.827474
-372.000000 8.839476
-373.000000 8.851462
-374.000000 8.863432
-375.000000 8.875387
-376.000000 8.887326
-377.000000 8.899250
-378.000000 8.911159
-379.000000 8.923053
-380.000000 8.934931
-381.000000 8.946794
-382.000000 8.958642
-383.000000 8.970474
-384.000000 8.982292
-385.000000 8.994095
-386.000000 9.005883
-387.000000 9.017656
-388.000000 9.029415
-389.000000 9.041159
-390.000000 9.052888
-391.000000 9.064602
-392.000000 9.076302
-393.000000 9.087988
-394.000000 9.099659
-395.000000 9.111316
-396.000000 9.122958
-397.000000 9.134586
-398.000000 9.146200
-399.000000 9.157800
-400.000000 9.169386
-401.000000 9.180958
-402.000000 9.192516
-403.000000 9.204059
-404.000000 9.215589
-405.000000 9.227106
-406.000000 9.238608
-407.000000 9.250096
-408.000000 9.261571
-409.000000 9.273033
-410.000000 9.284481
-411.000000 9.295915
-412.000000 9.307336
-413.000000 9.318743
-414.000000 9.330137
-415.000000 9.341518
-416.000000 9.352885
-417.000000 9.364239
-418.000000 9.375580
-419.000000 9.386908
-420.000000 9.398223
-421.000000 9.409525
-422.000000 9.420813
-423.000000 9.432089
-424.000000 9.443352
-425.000000 9.454602
-426.000000 9.465840
-427.000000 9.477064
-428.000000 9.488276
-429.000000 9.499475
-430.000000 9.510662
-431.000000 9.521835
-432.000000 9.532997
-433.000000 9.544146
-434.000000 9.555282
-435.000000 9.566406
-436.000000 9.577518
-437.000000 9.588617
-438.000000 9.599705
-439.000000 9.610779
-440.000000 9.621842
-441.000000 9.632893
-442.000000 9.643931
-443.000000 9.654957
-444.000000 9.665972
-445.000000 9.676974
-446.000000 9.687965
-447.000000 9.698943
-448.000000 9.709910
-449.000000 9.720865
-450.000000 9.731808
-451.000000 9.742739
-452.000000 9.753659
-453.000000 9.764567
-454.000000 9.775463
-455.000000 9.786348
-456.000000 9.797221
-457.000000 9.808083
-458.000000 9.818933
-459.000000 9.829772
-460.000000 9.840599
-461.000000 9.851416
-462.000000 9.862220
-463.000000 9.873014
-464.000000 9.883796
-465.000000 9.894567
-466.000000 9.905327
-467.000000 9.916076
-468.000000 9.926813
-469.000000 9.937540
-470.000000 9.948255
-471.000000 9.958960
-472.000000 9.969654
-473.000000 9.980336
-474.000000 9.991008
【００４２】
図９に、波長ごとの結像位置（縦収差図）を示す。測定波長幅：ΔＷ（ｎｍ）、測定波長分解能：ΔＰ（ｎｍ）、軸上色収差量：ΔＡ（μｍ）、走査分解能：ΔＬ（μｍ）とすると、軸上色収差量の好ましい範囲は、ΔＡ／ΔＬ≧ΔＷ／ΔＰである。分光光学装置１０の波長分解能を０．１ｎｍとすると、９００ｎｍ〜２６００ｎｍの範囲（１７００ｎｍ）を分光走査する場合、ステッピングモーター等の駆動方法を用いれば、走査分解能は１μｍ程度であるため、ΔＡ≧１（μｍ）×１７００（ｎｍ）／０．１（ｎｍ）＝１７（ｍｍ）となり、１７ｍｍ以上の収差量が最低必要となる。したがって、軸上色収差量は１７ｍｍ以上であることが好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
Ｄ１ 正パワーの回折格子構造
Ｄ２ 負パワーの回折格子構造
Ａ１ 軸外領域
Ａ２ 軸上領域
Ｔ０ 遮光構造
Ｔ１ 透過領域
１ 光源
２Ａ 光ファイバー
２Ｂ ＵＳＢケーブル
３ 測定対象部
４ コリメータレンズ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 回折光学素子
６ 可動受光部
７ 光束規制板
７ｈ 開口
８ 光センサー
９ 駆動部
１０ 分光光学装置
２０ コンピュータ
３０ 分光分析装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光光学装置とそれを備えた分光分析装置に関するものであり、例えば、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光光学装置と、それを用いて分光分析を行う分光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より様々なタイプの分光分析装置が知られている。なかでも、特許文献１，２等で提案されている分光分析装置は、分光に屈折レンズの軸上色収差を利用することにより、簡単な構成で分光機能の実現を可能としている。つまり、測定対象となる光を高分散の屈折レンズで収束させることにより軸上色収差を大きく発生させ、収束点付近に配置した光束規制用の開口を光軸に沿って移動させることにより分光を行う構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７１５２８号公報
【特許文献２】特開２００９−１９２２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１，２で提案されている分光方法では、屈折レンズの軸上色収差で分光が行われるため、屈折レンズの硝材やレンズ面の曲率で分光特性がほとんど決まってしまう。つまり、軸上色収差は屈折作用のパワーと硝材の分散とに依存するため、それが制限となって分光特性の自由度が低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
また、分光に軸上色収差を利用する場合、軸上付近（つまり光軸を含む軸上領域）の光線が光センサーに入射してノイズにならないようにする必要がある。特許文献１記載の分光分析装置では屈折レンズの後側にマスク部材を設けることにより、また、特許文献２記載の分光分析装置では屈折レンズの前側にマスク部材を設けることにより、それぞれ軸上付近の光線を遮光してノイズの発生を防止している。このため、遮光用の別部材が必要となり、構成の複雑化を招くことになる。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡単な構成でありながら分光特性の自由度が高い小型の分光光学装置と、それを備えた分光分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１の発明の分光光学装置は、光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する回折光学素子と、前記回折光学素子に対する相対位置が光軸方向に可変であって、前記回折光学素子から射出した光を軸外側から光束規制して受光する可動受光部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明の分光光学装置は、上記第１の発明において、前記回折光学素子が、光を発散させる負パワーの回折格子構造を、光軸を含む軸上領域に有することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の分光光学装置は、上記第２の発明において、前記回折光学素子が、前記正パワーの回折格子構造と前記負パワーの回折格子構造を共に光射出側面に有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明の分光光学装置は、上記第１の発明において、前記回折光学素子が、光軸を含む軸上領域に遮光構造を有することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明の分光光学装置は、上記第４の発明において、前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面に前記遮光構造を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明の分光光学装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記正パワーの回折格子構造が、光軸から遠いほど強い正パワーを有することを特徴とする。
【００１３】
第７の発明の分光光学装置は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記可動受光部が、前記回折光学素子から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする。
【００１４】
第８の発明の分光光学装置は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面にコリメータレンズ面を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする。
【００１５】
第９の発明の分光分析装置は、前記可動受光部を光軸方向に移動させる駆動部を更に有する上記第１〜第８のいずれか１つの発明に係る分光光学装置と、前記駆動部を制御して、前記可動受光部の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する構成になっているため、分光光学装置の小型化を達成しながら、簡単な構成で高い自由度の分光特性を得ることができる。そして、本発明に係る分光光学装置を用いることにより、高精度の分光機能を有する小型の分光分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】分光分析装置の実施の形態を示す模式図。
【図２】分光光学装置の実施の形態を模式的に示す要部断面図。
【図３】回折光学素子の具体例を模式的に示す平面図。
【図４】回折格子構造の具体例を模式的に示す断面図。
【図５】回折光学素子の第１変形例を模式的に示す平面図。
【図６】回折光学素子の第２変形例を模式的に示す平面図。
【図７】回折光学素子の第３変形例を模式的に示す断面図。
【図８】分光光学装置の実施例に用いられている回折格子構造を示すグラフ。
【図９】分光光学装置の実施例の軸上色収差図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る分光光学装置及び分光分析装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、具体例，変形例等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１９】
図１に分光分析装置の一実施の形態を示し、図２に分光光学装置の一実施の形態の要部構成を示す。分光分析装置３０は、図１に示すように、光源１，分光光学装置１０，コンピュータ２０等を備えた分光分析システムである。また分光光学装置１０は、図１及び図２に示すように、測定対象部３，コリメータレンズ４，透過型の回折光学素子５，可動受光部６，駆動部９等を備え、赤外領域又は可視領域の波長に基づく分光を行って各波長の光強度を電気的な信号として出力する分光ユニットである。
【００２０】
光源１の波長分光を行う場合、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通ってそのまま測定対象部３から出射される。試料の波長分光を行う場合（例えば、近赤外領域の吸収量で試料の水分量，成分量等を計測する場合）、光源１からの光が光ファイバー２Ａを通って試料に照射され、そこで発生した光（反射光又は透過光）が測定対象部３から出射される。測定対象部３から出射された発散光は、コリメータレンズ４で平行光となり、回折光学素子５に入射する（ＡＸ：光軸）。
【００２１】
回折光学素子５は、図２に示すように、平行平板の光射出側面Ｓ２に表面レリーフ型の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２が形成された構成になっており、平面から成る光入射側面Ｓ１に対して平行光が垂直に入射するように配置されている。図３に、光軸ＡＸに沿って見た光射出側面Ｓ２を示す。回折格子構造Ｄ１は、光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の一部に形成されており、光を収束させる正パワー（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）を有している。回折格子構造Ｄ２は、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に形成されており、光を発散させる負パワーを有している。つまり、回折光学素子５の光射出側面Ｓ２では、軸外領域Ａ１に入射した平行光が回折格子構造Ｄ１の正パワーの回折作用により収束し、軸上領域Ａ２に入射した平行光が回折格子構造Ｄ２の負パワーの回折作用により発散することになる。
【００２２】
回折格子構造Ｄ１に正パワーを持たせるため、その格子ピッチは光軸ＡＸから遠いほど細かくなっており、回折格子構造Ｄ２に負パワーを持たせるため、その格子ピッチは光軸ＡＸから遠いほど粗くなっている。実際の回折格子構造としては、例えば、図４（Ａ）の断面図に示すように、ピッチの変化した同心円のゾーンプレートタイプの構成を採用してもよく、図４（Ｂ）の断面図に示すように、回折効率の高いバイナリー型回折格子を採用してもよい。なお、赤外領域の分光を行う場合の硝材としては、例えば合成石英が挙げられ、回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の形成技術としては、エッチング技術，ナノインプリント技術（紫外線硬化樹脂をコートして回折格子成型する方法等）が挙げられる。
【００２３】
回折格子構造Ｄ１で収束した光は、可動受光部６に向けて集光される。可動受光部６は、回折光学素子５から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口７ｈを有する光束規制部材７と、開口７ｈを通過した光を検出する光センサー８と、を有している。したがって、軸外領域Ａ１において回折格子構造Ｄ１が設けられていない部分を通過した平行光は、開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られる。また、軸上領域Ａ２において回折格子構造Ｄ２に入射した平行光は、負パワーの回折作用により発散され、その発散光の大部分が開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られる。
【００２４】
また可動受光部６は、駆動部９により光軸ＡＸ方向に移動して（図１，図２中の矢印ＭＸ）、回折光学素子５に対する相対位置が光軸ＡＸ方向に可変となっており、回折光学素子５から射出した光を光束規制部材７で軸外側から光束規制して受光する。なお、回折光学素子５と可動受光部６との相対位置が光軸ＡＸ方向に可変であればよいので、回折光学素子５を駆動部９により光軸ＡＸ方向に移動する構成にしてもよい。
【００２５】
回折格子構造Ｄ１により軸上色収差が発生するため、回折格子構造Ｄ１から射出した光は波長ごとに異なった位置で結像することになる。回折格子構造Ｄ１のピッチをｄ、回折格子構造Ｄ１への入射光の角度をθ１（媒質：ｎ１）、回折次数をＭ、回折角をθ２（媒質：ｎ２）、波長をλとすると、回折の式：ｎ２×ｓｉｎθ２−ｎ１×ｓｉｎθ１＝Ｍ×λ／ｄが成立するため、空気中（ｎ１＝ｎ２＝１）では、ｓｉｎθ２＝Ｍ×λ／ｄとなる。つまり、波長λが長くなると回折角θ２が大きくなるため、図２に示すように、波長λの短い光（λ３＞λ２＞λ１）ほど回折光学素子５から遠い位置で結像することになる。
【００２６】
したがって、可動受光部６を矢印ＭＸ（図１，図２）方向に移動させて、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離を短くしていくと、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、短波長λ１側から長波長λ３側へと変化する。可動受光部６を矢印ＭＸとは逆方向に移動させて、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離を長くしていくと、開口７ｈを通過して光センサー８に入射する光は、長波長λ３側から短波長λ１側へと変化する。
【００２７】
上記のように、回折格子構造Ｄ１から開口７ｈまでの距離（つまり回折光学素子５に対する可動受光部６の相対位置）は波長λと対応しているため、可動受光部６を光軸ＡＸ方向に移動走査すると、可動受光部６の位置と光センサー８で検出した光強度から、各波長の光強度（分光強度）を電気的な信号として出力することができる。光センサー８からの出力は、図１に示すように、ＵＳＢケーブル２Ｂを介してコンピュータ２０（本体２０ａ，モニター２０ｂ等から成る。）に送られる。コンピュータ２０では、本体２０ａが駆動部９を制御して、可動受光部６の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出し、得られた波長分布をモニター２０ｂで表示する。なお、光センサー８としては、例えばフォトダイオードが挙げられ、赤外領域の分光を行う場合にはＩｎＧａＡｓセンサーが挙げられる。
【００２８】
ところで、屈折レンズの軸上色収差で分光を行うと、屈折レンズの硝材やレンズ面の曲率で分光特性がほとんど決まってしまう。つまり、軸上色収差は屈折作用のパワーと硝材の分散とに依存するため、それが制限となって分光特性の自由度が低くなってしまう。それに対し、回折格子構造Ｄ１の軸上色収差で分光を行うと、曲率を強くしたり屈折率や分散の高い硝材を選択したりする制限が無くなるため、軸上色収差の制御が容易になって、変化の大きい回折作用により自由度の高い分光が可能となる。
【００２９】
したがって、この分光光学装置１０によれば、光を収束させる正パワーの回折格子構造Ｄ１を光軸ＡＸから離れた軸外領域Ａ１の少なくとも一部にのみ有する構成になっているため、分光光学装置１０の小型化を達成しながら、簡単な構成で高い自由度の分光特性を得ることができる。そして、この分光光学装置１０を用いることにより、高精度の分光機能を有する小型の分光分析装置３０を実現することができる。
【００３０】
また、回折光学素子５が、光を発散させる負パワーの回折格子構造Ｄ２を、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に有することにより、高精度の分光が可能となる。分光に軸上色収差を利用する場合、軸上付近（つまり光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２）の光線が光センサー８に入射してノイズにならないようにする必要がある。回折光学素子５では、軸上領域Ａ２に入射した平行光が回折格子構造Ｄ２の負パワーの回折作用により発散するため、その発散光の大部分は開口７ｈを通過せずに光束規制部材７で遮られることになる。したがって、光センサー８に対する入射光量が抑えられるため、遮光用の別部材を設ける必要が無くなり、構成の複雑化無しにノイズの発生を効果的に防止することができる。
【００３１】
また、回折光学素子５の同一光学面に２種類の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の両方を一体的に形成することができるので、回折光学素子５の小型化，高性能化及び低コスト化が可能になるとともに、その製造も容易になる。したがって、図２〜図４に示すように、回折光学素子５が、正パワーの回折格子構造Ｄ１と負パワーの回折格子構造Ｄ２を共に光射出側面Ｓ２に有する透過型の回折光学素子５であることが好ましい。
【００３２】
軸上色収差を大きく発生させれば分光の高精度化が可能になるので、軸上色収差を大きくするような非球面に相当する回折格子構造Ｄ１を用いることが好ましい。つまり、光軸ＡＸから遠いほど正パワーが強くなるように格子ピッチを細かくして、光軸ＡＸから遠いほど曲率が強くなる非球面の屈折作用と同様の正パワーの回折作用を、回折格子構造Ｄ１に持たせればよい。したがって、回折格子構造Ｄ１は光軸ＡＸから遠いほど強い正パワーを有することが好ましい。
【００３３】
図２等に示す分光光学装置１０では、光学的に回転対称な回折光学素子５を用いて点状に集光し、光センサー８で受光する構成になっているが、図５に示すように、光学的に非回転対称な回折光学素子５Ａ（第１変形例）を用いて線状に集光し、光センサー８としてラインセンサーを用いて受光する構成にしてもよい。図５に示す回折光学素子５Ａは、シリンドリカルレンズ面の屈折作用と同様のパワーの回折作用を持った１次元（直線状）の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２を有しているほかは、前記回折光学素子５と同様に作用する。
【００３４】
図６（Ｂ）に示すように、光軸ＡＸを含む軸上領域Ａ２に遮光構造Ｔ０を有する回折光学素子５Ｂ（第２変形例）を用いてもよい。図２等に示す分光光学装置１０では、回折光学素子５の光射出側面Ｓ２に回折格子構造Ｄ１，Ｄ２の両方が一体的に形成された構成になっているが、図６（Ａ）に示すように光射出側面Ｓ２に回折格子構造Ｄ１を（図３と同様に）形成し、図６（Ｂ）に示すように光入射側面Ｓ１に遮光構造Ｔ０を前記回折格子構造Ｄ２の代わりに形成してもよい（Ｔ１は透過領域である。）。この遮光構造Ｔ０としては、例えばクロムコートから成るものを用いることができる。
【００３５】
光入射側面Ｓ１では透過領域Ｔ１のみを光が透過する。遮光構造Ｔ０は光入射側面Ｓ１の最外周にも形成されているので、透過領域Ｔ１を通過した光は、ほとんどすべて光射出側面Ｓ２の回折格子構造Ｄ１に入射し、その正パワーで可動受光部６に向けて集光される。遮光構造Ｔ０で少なくとも軸上領域Ａ２の光を遮ることにより、光入射側面Ｓ１を透過した光の大部分を回折格子構造Ｄ１に入射させることができる。したがって、光射出側面Ｓ２に正パワーの回折格子構造Ｄ１を有し、かつ、光入射側面Ｓ１に遮光構造Ｔ０を有する透過型の回折光学素子５Ｂを用いることにより、ノイズの発生を効果的に防止して高精度の分光を行うことが可能となる。
【００３６】
図７に示すように、光射出側面Ｓ２に正パワーの回折格子構造Ｄ１等を有し、かつ、光入射側面Ｓ１にコリメータレンズ面Ｒ１を有する透過型の回折光学素子５Ｃ（第３変形例）を用いてもよい。このコリメータレンズ面Ｒ１は、前記コリメータレンズ４（図１）に相当するものである。したがって、光学系として回折光学素子５Ｃのみ用いればよく、測定対象部３から出射した発散光をコリメータレンズ面Ｒ１で平行光にして、光射出側面Ｓ２の回折格子構造Ｄ１，Ｄ２に入射させることができる。
【００３７】
回折光学素子５Ｃを用いれば、別部材としてコリメータレンズ４を用いる必要がないので、分光光学装置１０（図１）の小型化が可能となる。また、コリメータレンズ面Ｒ１を光入射側面Ｓ１に配置することにより、その屈折作用が回折格子構造Ｄ１の回折作用と相殺されないようにすることができる。なお、コリメータレンズ面Ｒ１の屈折作用と同様の正パワーの回折作用を有する回折格子構造を、光入射側面Ｓ１に設けたり、回折格子構造Ｄ１，Ｄ２に重ねて光射出側面Ｓ２に設けてもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施した分光光学装置１０に用いられる回折光学素子５の光学構成等を更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した回折光学素子５が有する回折格子構造Ｄ１（図２〜図４等）の数値実施例である。
【００３９】
回折光学素子５の回折格子構造Ｄ１は、以下の式（ＤＳ）で定義される。
φ＝Ｍ・Σ（Ａi・ρ2i） …（ＤＳ）
ただし、
φ：位相関数、
Ｍ：回折次数、
ρ：正規化アパチャー座標、
Ａi：ρの２ｉ乗項の係数、
である。
【００４０】
図８に、回折格子構造Ｄ１の直径をΦ２０ｍｍとした場合の直径Φ１０ｍｍ以上の軸外領域Ａ１における位相関数：φ＝−３０２０．００ρ2＋３７．２７ρ4−０．８０ρ6を示す。また、回折格子構造Ｄ１の作製時の数値データとして、半径５ｍｍ以上の領域の掘り始めの周期(Cycles)ｍと半径(radius)の値を以下に示す。２×ｍ×ｐｉに相当する半径の位置から２×（ｍ＋１／２）×ｐｉまでの区間を掘るものとし（ｐｉ：格子ピッチ）、作製する回折格子構造Ｄ１の最大半径を１０ｍｍとし、半径５ｍｍ以上の領域で収束（集光）し、半径５ｍｍ以下の領域で発散するものとする。
【００４１】
実施例
Cycles (m) radius
-120.000000 5.004322
-121.000000 5.025195
-122.000000 5.045982
-123.000000 5.066685
-124.000000 5.087305
-125.000000 5.107842
-126.000000 5.128299
-127.000000 5.148675
-128.000000 5.168972
-129.000000 5.189190
-130.000000 5.209331
-131.000000 5.229396
-132.000000 5.249385
-133.000000 5.269299
-134.000000 5.289139
-135.000000 5.308906
-136.000000 5.328601
-137.000000 5.348224
-138.000000 5.367776
-139.000000 5.387258
-140.000000 5.406672
-141.000000 5.426016
-142.000000 5.445293
-143.000000 5.464503
-144.000000 5.483647
-145.000000 5.502725
-146.000000 5.521738
-147.000000 5.540687
-148.000000 5.559572
-149.000000 5.578394
-150.000000 5.597154
-151.000000 5.615852
-152.000000 5.634489
-153.000000 5.653066
-154.000000 5.671583
-155.000000 5.690040
-156.000000 5.708438
-157.000000 5.726779
-158.000000 5.745062
-159.000000 5.763287
-160.000000 5.781457
-161.000000 5.799570
-162.000000 5.817628
-163.000000 5.835630
-164.000000 5.853579
-165.000000 5.871473
-166.000000 5.889314
-167.000000 5.907102
-168.000000 5.924837
-169.000000 5.942521
-170.000000 5.960153
-171.000000 5.977733
-172.000000 5.995264
-173.000000 6.012743
-174.000000 6.030173
-175.000000 6.047554
-176.000000 6.064886
-177.000000 6.082169
-178.000000 6.099404
-179.000000 6.116592
-180.000000 6.133732
-181.000000 6.150825
-182.000000 6.167872
-183.000000 6.184873
-184.000000 6.201828
-185.000000 6.218738
-186.000000 6.235602
-187.000000 6.252422
-188.000000 6.269198
-189.000000 6.285930
-190.000000 6.302618
-191.000000 6.319263
-192.000000 6.335865
-193.000000 6.352425
-194.000000 6.368942
-195.000000 6.385417
-196.000000 6.401851
-197.000000 6.418244
-198.000000 6.434596
-199.000000 6.450907
-200.000000 6.467178
-201.000000 6.483409
-202.000000 6.499600
-203.000000 6.515751
-204.000000 6.531864
-205.000000 6.547938
-206.000000 6.563973
-207.000000 6.579970
-208.000000 6.595929
-209.000000 6.611850
-210.000000 6.627734
-211.000000 6.643580
-212.000000 6.659390
-213.000000 6.675163
-214.000000 6.690900
-215.000000 6.706601
-216.000000 6.722265
-217.000000 6.737894
-218.000000 6.753488
-219.000000 6.769047
-220.000000 6.784570
-221.000000 6.800059
-222.000000 6.815514
-223.000000 6.830934
-224.000000 6.846321
-225.000000 6.861674
-226.000000 6.876993
-227.000000 6.892279
-228.000000 6.907532
-229.000000 6.922752
-230.000000 6.937940
-231.000000 6.953095
-232.000000 6.968218
-233.000000 6.983309
-234.000000 6.998368
-235.000000 7.013395
-236.000000 7.028392
-237.000000 7.043357
-238.000000 7.058291
-239.000000 7.073194
-240.000000 7.088067
-241.000000 7.102909
-242.000000 7.117721
-243.000000 7.132504
-244.000000 7.147256
-245.000000 7.161979
-246.000000 7.176672
-247.000000 7.191336
-248.000000 7.205971
-249.000000 7.220577
-250.000000 7.235154
-251.000000 7.249702
-252.000000 7.264223
-253.000000 7.278715
-254.000000 7.293179
-255.000000 7.307615
-256.000000 7.322023
-257.000000 7.336404
-258.000000 7.350757
-259.000000 7.365083
-260.000000 7.379382
-261.000000 7.393654
-262.000000 7.407900
-263.000000 7.422118
-264.000000 7.436311
-265.000000 7.450476
-266.000000 7.464616
-267.000000 7.478730
-268.000000 7.492818
-269.000000 7.506880
-270.000000 7.520917
-271.000000 7.534928
-272.000000 7.548914
-273.000000 7.562874
-274.000000 7.576810
-275.000000 7.590721
-276.000000 7.604607
-277.000000 7.618468
-278.000000 7.632305
-279.000000 7.646118
-280.000000 7.659906
-281.000000 7.673671
-282.000000 7.687411
-283.000000 7.701127
-284.000000 7.714820
-285.000000 7.728490
-286.000000 7.742136
-287.000000 7.755758
-288.000000 7.769358
-289.000000 7.782934
-290.000000 7.796487
-291.000000 7.810018
-292.000000 7.823525
-293.000000 7.837011
-294.000000 7.850473
-295.000000 7.863914
-296.000000 7.877332
-297.000000 7.890728
-298.000000 7.904102
-299.000000 7.917454
-300.000000 7.930784
-301.000000 7.944093
-302.000000 7.957380
-303.000000 7.970645
-304.000000 7.983889
-305.000000 7.997112
-306.000000 8.010314
-307.000000 8.023494
-308.000000 8.036654
-309.000000 8.049793
-310.000000 8.062911
-311.000000 8.076008
-312.000000 8.089085
-313.000000 8.102142
-314.000000 8.115178
-315.000000 8.128194
-316.000000 8.141190
-317.000000 8.154165
-318.000000 8.167121
-319.000000 8.180057
-320.000000 8.192973
-321.000000 8.205869
-322.000000 8.218746
-323.000000 8.231603
-324.000000 8.244441
-325.000000 8.257260
-326.000000 8.270059
-327.000000 8.282840
-328.000000 8.295601
-329.000000 8.308343
-330.000000 8.321067
-331.000000 8.333771
-332.000000 8.346457
-333.000000 8.359125
-334.000000 8.371773
-335.000000 8.384404
-336.000000 8.397016
-337.000000 8.409609
-338.000000 8.422185
-339.000000 8.434742
-340.000000 8.447282
-341.000000 8.459803
-342.000000 8.472307
-343.000000 8.484793
-344.000000 8.497261
-345.000000 8.509711
-346.000000 8.522144
-347.000000 8.534559
-348.000000 8.546957
-349.000000 8.559338
-350.000000 8.571701
-351.000000 8.584047
-352.000000 8.596377
-353.000000 8.608689
-354.000000 8.620984
-355.000000 8.633262
-356.000000 8.645523
-357.000000 8.657768
-358.000000 8.669996
-359.000000 8.682207
-360.000000 8.694402
-361.000000 8.706581
-362.000000 8.718743
-363.000000 8.730888
-364.000000 8.743018
-365.000000 8.755131
-366.000000 8.767228
-367.000000 8.779309
-368.000000 8.791374
-369.000000 8.803423
-370.000000 8.815456
-371.000000 8.827474
-372.000000 8.839476
-373.000000 8.851462
-374.000000 8.863432
-375.000000 8.875387
-376.000000 8.887326
-377.000000 8.899250
-378.000000 8.911159
-379.000000 8.923053
-380.000000 8.934931
-381.000000 8.946794
-382.000000 8.958642
-383.000000 8.970474
-384.000000 8.982292
-385.000000 8.994095
-386.000000 9.005883
-387.000000 9.017656
-388.000000 9.029415
-389.000000 9.041159
-390.000000 9.052888
-391.000000 9.064602
-392.000000 9.076302
-393.000000 9.087988
-394.000000 9.099659
-395.000000 9.111316
-396.000000 9.122958
-397.000000 9.134586
-398.000000 9.146200
-399.000000 9.157800
-400.000000 9.169386
-401.000000 9.180958
-402.000000 9.192516
-403.000000 9.204059
-404.000000 9.215589
-405.000000 9.227106
-406.000000 9.238608
-407.000000 9.250096
-408.000000 9.261571
-409.000000 9.273033
-410.000000 9.284481
-411.000000 9.295915
-412.000000 9.307336
-413.000000 9.318743
-414.000000 9.330137
-415.000000 9.341518
-416.000000 9.352885
-417.000000 9.364239
-418.000000 9.375580
-419.000000 9.386908
-420.000000 9.398223
-421.000000 9.409525
-422.000000 9.420813
-423.000000 9.432089
-424.000000 9.443352
-425.000000 9.454602
-426.000000 9.465840
-427.000000 9.477064
-428.000000 9.488276
-429.000000 9.499475
-430.000000 9.510662
-431.000000 9.521835
-432.000000 9.532997
-433.000000 9.544146
-434.000000 9.555282
-435.000000 9.566406
-436.000000 9.577518
-437.000000 9.588617
-438.000000 9.599705
-439.000000 9.610779
-440.000000 9.621842
-441.000000 9.632893
-442.000000 9.643931
-443.000000 9.654957
-444.000000 9.665972
-445.000000 9.676974
-446.000000 9.687965
-447.000000 9.698943
-448.000000 9.709910
-449.000000 9.720865
-450.000000 9.731808
-451.000000 9.742739
-452.000000 9.753659
-453.000000 9.764567
-454.000000 9.775463
-455.000000 9.786348
-456.000000 9.797221
-457.000000 9.808083
-458.000000 9.818933
-459.000000 9.829772
-460.000000 9.840599
-461.000000 9.851416
-462.000000 9.862220
-463.000000 9.873014
-464.000000 9.883796
-465.000000 9.894567
-466.000000 9.905327
-467.000000 9.916076
-468.000000 9.926813
-469.000000 9.937540
-470.000000 9.948255
-471.000000 9.958960
-472.000000 9.969654
-473.000000 9.980336
-474.000000 9.991008
【００４２】
図９に、波長ごとの結像位置（縦収差図）を示す。測定波長幅：ΔＷ（ｎｍ）、測定波長分解能：ΔＰ（ｎｍ）、軸上色収差量：ΔＡ（μｍ）、走査分解能：ΔＬ（μｍ）とすると、軸上色収差量の好ましい範囲は、ΔＡ／ΔＬ≧ΔＷ／ΔＰである。分光光学装置１０の波長分解能を０．１ｎｍとすると、９００ｎｍ〜２６００ｎｍの範囲（１７００ｎｍ）を分光走査する場合、ステッピングモーター等の駆動方法を用いれば、走査分解能は１μｍ程度であるため、ΔＡ≧１（μｍ）×１７００（ｎｍ）／０．１（ｎｍ）＝１７（ｍｍ）となり、１７ｍｍ以上の収差量が最低必要となる。したがって、軸上色収差量は１７ｍｍ以上であることが好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
Ｄ１ 正パワーの回折格子構造
Ｄ２ 負パワーの回折格子構造
Ａ１ 軸外領域
Ａ２ 軸上領域
Ｔ０ 遮光構造
Ｔ１ 透過領域
１ 光源
２Ａ 光ファイバー
２Ｂ ＵＳＢケーブル
３ 測定対象部
４ コリメータレンズ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 回折光学素子
６ 可動受光部
７ 光束規制板
７ｈ 開口
８ 光センサー
９ 駆動部
１０ 分光光学装置
２０ コンピュータ
３０ 分光分析装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する回折光学素子と、前記回折光学素子に対する相対位置が光軸方向に可変であって、前記回折光学素子から射出した光を軸外側から光束規制して受光する可動受光部と、を有することを特徴とする分光光学装置。
【請求項２】
前記回折光学素子が、光を発散させる負パワーの回折格子構造を、光軸を含む軸上領域に有することを特徴とする請求項１記載の分光光学装置。
【請求項３】
前記回折光学素子が、前記正パワーの回折格子構造と前記負パワーの回折格子構造を共に光射出側面に有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項２記載の分光光学装置。
【請求項４】
前記回折光学素子が、光軸を含む軸上領域に遮光構造を有することを特徴とする請求項１記載の分光光学装置。
【請求項５】
前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面に前記遮光構造を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項４記載の分光光学装置。
【請求項６】
前記正パワーの回折格子構造が、光軸から遠いほど強い正パワーを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項７】
前記可動受光部が、前記回折光学素子から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項８】
前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面にコリメータレンズ面を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項９】
前記可動受光部を光軸方向に移動させる駆動部を更に有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の分光光学装置と、前記駆動部を制御して、前記可動受光部の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする分光分析装置。
【請求項１】
光を収束させる正パワーの回折格子構造を、光軸から離れた軸外領域の少なくとも一部にのみ有する回折光学素子と、前記回折光学素子に対する相対位置が光軸方向に可変であって、前記回折光学素子から射出した光を軸外側から光束規制して受光する可動受光部と、を有することを特徴とする分光光学装置。
【請求項２】
前記回折光学素子が、光を発散させる負パワーの回折格子構造を、光軸を含む軸上領域に有することを特徴とする請求項１記載の分光光学装置。
【請求項３】
前記回折光学素子が、前記正パワーの回折格子構造と前記負パワーの回折格子構造を共に光射出側面に有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項２記載の分光光学装置。
【請求項４】
前記回折光学素子が、光軸を含む軸上領域に遮光構造を有することを特徴とする請求項１記載の分光光学装置。
【請求項５】
前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面に前記遮光構造を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項４記載の分光光学装置。
【請求項６】
前記正パワーの回折格子構造が、光軸から遠いほど強い正パワーを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項７】
前記可動受光部が、前記回折光学素子から射出した光をその収束点近傍で通過させる開口を有する光束規制部材と、前記開口を通過した光を検出する光センサーと、を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項８】
前記回折光学素子が、光射出側面に前記正パワーの回折格子構造を有し、かつ、光入射側面にコリメータレンズ面を有する透過型の回折光学素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分光光学装置。
【請求項９】
前記可動受光部を光軸方向に移動させる駆動部を更に有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の分光光学装置と、前記駆動部を制御して、前記可動受光部の位置とそこで受光した光の強度との関係から波長分布を算出するコンピュータと、を備えることを特徴とする分光分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４７５８３（Ｐ２０１１−２４７５８３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７５１４（Ｐ２０１０−１１７５１４）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]