分光器
【課題】光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つ分光器を実現することにある。
【解決手段】波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器に改良を加えたものである。本分光器は複数枚のレンズからなり、被測定光を平行光にして波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、複数枚のレンズからなり、波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、波長分散素子、第１の組合せレンズ、第２の組合せレンズを固定する基盤とを有する。そして、第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とするものである。
【解決手段】波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器に改良を加えたものである。本分光器は複数枚のレンズからなり、被測定光を平行光にして波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、複数枚のレンズからなり、波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、波長分散素子、第１の組合せレンズ、第２の組合せレンズを固定する基盤とを有する。そして、第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器に関し、詳しくは、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つ分光器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、波長分散素子（例えば、回折格子）で被測定光を波長分散させ、受光素子によって波長ごとの光パワーの測定を行なう。また、分光器に入射した被測定光を、コリメート手段（例えば、凹面鏡）によって平行光にして回折格子に出射し、回折格子からの回折光を集光手段（例えば、凹面鏡）によって集光させて出射スリットで波長帯域制限して受光素子に受光させる。
【０００３】
この際、周囲温度が変化すると凹面鏡自体が膨張・縮小することにより焦点距離が変動し、分光器の波長分解能の性能が悪くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、凹面鏡の材料の線膨張率と基盤の材料の線膨張率とをほぼ等しくすることにより上記の問題を解決していた（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
図４は、従来の分光器（ツェルニ・ターナ形分散分光器）の構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図４において、入射スリット１は、分光器に入射する被測定光の幅を制限する。凹面鏡２は、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にする。波長分散素子である回折格子３は、凹面鏡２で平行光となった被測定光を波長分散させ、波長ごとに異なる角度で出射する。凹面鏡４は、回折格子３で波長分散された被測定光を集光させる。出射スリット５は、凹面鏡４により被測定光が集光される位置に設けられ、所定の波長の被測定光のみを通過させ、波長帯域制限を行なう。受光素子６は、出射スリット５を通過した被測定光のみを受光し、受光した光の光パワーに応じた電気信号を出力する。そして、回折格子３を回転させて被測定光を波長掃引することにより、横軸を波長とし縦軸を光パワーとすることにより被測定光のスペクトル測定が行なえる。
【０００６】
また、各種光学部品（出射スリット１、凹面鏡２、４、回折格子３、出射スリット５）は、基盤７上に固定される。
【０００７】
ここで、図４において、凹面鏡２、４の焦点距離を２８０［ｍｍ］とし、材料をソーダガラスとした場合、焦点距離に対する単位長さ［ｍ］当たりの線膨張率は、凹面鏡２、４の材料であるソーダガラスの線膨張率と等しくなり９×１０-6［／℃］である。一方、基盤７をアルミニウムにセラミックを配合した特殊な素材の場合、単位長さ当たりの線膨張率は１５×１０-6［／℃］であり、凹面鏡２、４の材料の線膨張率と、基盤７の材料の線膨張率とがほぼ等しくなる。
【０００８】
また、図４において、例えば、入射スリット１と凹面鏡２の間の距離Ｌ１と凹面鏡４と出射スリット５の間の距離Ｌ２とが共に２８０［ｍｍ］とする。この場合、距離Ｌ１，Ｌ２の温度係数は４．２［μｍ／℃］（＝１５×１０-6［／℃］×２８０［ｍｍ］）になる。一方、凹面鏡２、４の焦点距離の温度係数は２．５［μｍ／℃］（＝９×１０-6［／℃］×２８０［ｍｍ］）になる。従って、両者の温度係数の差は１．７［μｍ／℃］（＝４．２［μｍ／℃］−２．５［μｍ／℃］）である。
【０００９】
分光器の周囲温度が、分光器の組立時の温度より１０［℃］上昇した場合、上記の両者の温度係数の差より、凹面鏡４により集光された被測定光は、出射スリット５の面上より約３４［μｍ］（＝｜（４．２［μｍ／℃］−２．５［μｍ／℃］）×２×１０［℃］｜）手前に焦点を結んでしまう。ここで、出射スリット５上に結像される被測定光の幅は、凹面鏡２、４の開口数が０．１の場合、６．８［μｍ］（＝３４［μｍ］×２×０．１）に広がるが、出射スリット５の最小幅を１５［μｍ］とした場合、この最小幅と比較すると被測定光の広がり幅は十分に小さいので波長分解能は劣化しない。
【００１０】
一方、出射スリット５上に結像された被測定光の幅が１５［μｍ］となる分光器の組立時の温度に対する周囲温度の変化量は±２２．０［℃］であり、図４に示す分光器の使用可能な温度範囲は、組立時の基準温度±２２．０［℃］の幅を持ち、通常の作業環境化では十分な波長分解能を発揮することができる。
【００１１】
出射スリット５上に結像される光の幅は、出射スリット５のスリット幅以下である必要があり、基盤７の線膨張率Ｋ１、凹面鏡２、４の焦点距離の線膨張率（すなわち、材料の線膨張率）Ｋ２，凹面鏡２、４の開口数ａ、出射スリット５のスリット幅ｄ、分光器の組立時の凹面鏡２、４の焦点距離Ｌ、分光器の組立時の温度に対する周囲温度の変化温度ΔＴの関係は下記の式で示される。
【００１２】
｜Ｋ１−Ｋ２｜≦｜ｄ／（４ａＬΔＴ）｜
【００１３】
実用的には、線膨張率Ｋ１，Ｋ２の差を１０×１０-6［／℃］以下とすることにより、周囲温度が変化しても波長分解能を良好に保つことができる。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−３３７９６２号公報
【特許文献２】特開平０２−２３１５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、凹面鏡２、４の材料の線膨張率と、基盤７の材料の線膨張率との差を１０×１０-6［／℃］以下にし波長分解能の性能を維持していいる。
【００１６】
しかしながら、凹面鏡２、４の材料にソーダガラスを用いた場合、基盤７の材料をアルミニウムにセラミックを配合した特殊な材料を使って線膨張率を合わせなければならないという問題があった。
【００１７】
そこで本発明の目的は、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つ分光器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明は、
波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器において、
複数枚のレンズからなり、入射された前記被測定光を平行光にして前記波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、
複数枚のレンズからなり、前記波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、前記受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、
前記波長分散素子、前記第１の組合せレンズ、前記第２の組合せレンズを固定する基盤と
を有し、前記第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
第１の組合せレンズおよび第２の組合せレンズは、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、線膨張率の少なくともいずれか一つにより、組合せたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
第１の組合せレンズと第２の組合せレンズは共通であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
前記第２の組合せレンズの焦点位置に設けられ、前記回折格子からの回折光の波長帯域制限を行なう波長帯域制限手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
受光素子は、第２の組合わせレンズの焦点位置に受光面が設けられ、波長分散方向に並べられたフォトダイオードを複数個有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば以下の効果がある。
複数枚のレンズを組合せることにより、組合わせたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することができ、基盤の材料の線膨張率とほぼ等しくすることができる。これにより、レンズに使用する材料および基盤に使用する材料の選択性が向上し、基盤に特殊な材料を用いる必要もなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１、本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図４と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。
【００２１】
図１において、凹面鏡２の代わりに、入射スリット１と回折格子３との間にコリメート手段である第１の組合せレンズ８が設けられる。第１の組合せレンズ８は、２枚のレンズＡ１，Ａ２から構成され、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。レンズＡ１は入射スリット１側、レンズＡ２は回折格子３側に設けられる。
【００２２】
また、凹面鏡４の代わりに、回折格子３と出射スリット５との間に集光手段である第２の組合せレンズ９が設けられる。第２の組合せレンズ９は、２枚のレンズＡ’１、Ａ’２から構成され、回折格子３で波長ごとに回折された被測定光を出射スリット５の面上に集光させる。レンズＡ’１は出射スリット５側、レンズＡ’２は回折格子３側に設けられる。
【００２３】
なお、図１では、受光素子６を基盤７上に設ける構成を図示しているが、図４と同様に基盤７とは異なる部材に固定してもよい。
【００２４】
このような装置の動作を説明する。
第１の組合せレンズ８が、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。そして、回折格子３が、被測定光を波長ごとに異なる角度に空間的に分離させて出射する。
【００２５】
さらに、第２の組合せレンズ９が、回折された被測定光を出射スリット５の面上に集光する。そして、出射スリット５が、所定の波長の被測定光のみを通過させ、波長帯域制限を行なう。さらに、受光素子６が、出射スリット５を通過した被測定光のみを受光し、受光した光の光パワーに応じた電気信号を出力する。そして、回折格子３を回転させて被測定光を波長掃引することにより、横軸を波長とし縦軸を光パワーとすることにより被測定光のスペクトル測定が行なえる。
【００２６】
次に組合せレンズ８、９について詳細に説明する。ここで、図２は、図１に示す装置の第１の組合せレンズ８を示した図である。
【００２７】
第１の組合せレンズ８は、上述のようにレンズＡ１、Ａ２で構成される。そして、レンズＡ１は２個の球面を有し、入射側（入射スリット１側）の曲率半径をｒ1aとし、出射側（レンズＡ２側）の曲率半径をｒ1bとする。
【００２８】
同様に、レンズＡ２は２個の球面を有し、入射側（レンズＡ１側）の曲率半径をｒ2aとし、出射側（回折格子３側）の曲率半径をｒ2bとする。
【００２９】
また、レンズＡ１の材料（硝材（ガラス材））の屈折率をｎ1とし、レンズＡ２の材料（硝材）の屈折率をｎ2とする。
【００３０】
このようなレンズＡ１の焦点距離ｆ1、レンズＡ２の焦点距離ｆ2は、下記の式（１）の関係が成立する。なお、式中にｉを用いるが、これはレンズＡ１、Ａ２に対応し、（ｉ＝１，２）である。
【００３１】
【数１】
【００３２】
各レンズＡ１，Ａ２の温度変化に対する焦点距離ｆ1、ｆ2の変化は、式（１）の両辺を温度Ｔで微分することにより、下記の式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
従って、レンズＡ１の材料の線膨張率をα1、レンズＡ２の材料の線膨張率をα2とすると、
【００３５】
【数３】
【００３６】
式（３）の関係で示すことができる。これら式（２）、式（３）より、レンズＡ１の焦点距離ｆ1とレンズＡ２のｆ2の温度特性は、式（４）で示される。
【００３７】
【数４】
…式（４）
【００３８】
一方、組合せレンズ８の焦点距離ｆは、レンズＡ１とレンズＡ２の合成焦点距離なので、下記の式（５）の関係式が成立する。
【００３９】
【数５】
【００４０】
そして、式（４）、式（５）から組合せレンズ８の焦点距離ｆの温度特性は式（６）となる。なお、焦点距離ｆｓは、分光器の組立時の基準温度における組合せレンズ８の合成焦点距離である。
【００４１】
【数６】
【００４２】
一方、入射スリット１と第１の組合せレンズ８との間隔ＬＡは、分光器の組み立て時は合成焦点距離ｆとなるように調整される。従って、入射スリット１と第１の組合せレンズ８との間隔ＬＡの温度変化に対する変化量ｄＬＡ／ｄＴは、下記の式（７）になる。
【００４３】
【数７】
【００４４】
ここで、αBaseは、基盤７の線膨張率であり、焦点距離ｆｓは、分光器の組立時の基準温度における組合せレンズ８の合成焦点距離である。
【００４５】
以上より、式（６）の合成焦点距離ｆの温度変化に対する変化量ｄｆ／ｄＴと、式（７）の間隔ＬＡ（入射スリット１と組合せレンズ８間距離）の温度変化に対する変化量ｄＬＡ／ｄＴとが等しければ、組合わせレンズ８が、周囲温度の変化に完全に影響されずに、入射スリット１からの被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。
【００４６】
第２の組合せレンズ９も、同様に式（１）〜式（７）の関係が成り立つ。従って、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の温度変化に対する変化量と、間隔ＬＡ’（第２の組合せレンズ９と出射スリット５との間隔）の温度変化に対する変化量とが等しければ、組合わせレンズ２が、周囲温度の変化に完全に影響されずに、回折格子３からの回折光を出射スリット５の面上に焦点を結ぶ。
【００４７】
つまり、第１の組合せレンズ８の合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の線膨張率、光学部品（入射スリット１、回折格子３、出射スリット５、第１、第２の組合せレンズ８、９）が固定される基盤７を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせてほぼ等しくする。これにより、組立て時の基準温度に対して、使用時の周囲温度がどのような温度に変化したとしても、第１の組合せレンズ８が平行光を回折格子３に出射し、第２の組合せレンズ９が、出射スリット５上に集光させる。従って、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つことができる。
【００４８】
具体的に説明する。ここで、図３は、第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９の一例を示した図である。なお、以下の具体例では、第１の組合せレンズ８を主に説明する。
【００４９】
基盤７の材料を安価だが熱膨張率が硝材と大きく異なるアルミを用いるとする。そして、組合せレンズ８のレンズＡ１，Ａ２として用いる硝材を決定すれば、これら硝材の屈折率ｎ1，ｎ2、線膨張率α1，α2、屈折率の温度変化依存性ｄｎ1／ｄＴ，ｄｎ2／ｄＴは、既知の値である。
【００５０】
従って、式（６）、式（７）を満たすレンズＡ１，Ａ２の材料、曲率半径の組合せを、分光器の組立性、レンズＡ１、Ａ２の加工性、コスト等を考慮し、適宜選択、決定すればよい。
【００５１】
数値を用いて具体的な一実施例を説明する。
上述のように、ベース基盤７の材料をアルミとすれば、光学部品のベースとなるアルミの熱膨張率αBase＝２３．１×１０-6［／℃］である。
【００５２】
一方、第１の組合せレンズ８と第２の組合せレンズ９とを同一の構成とする。そして、第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９を以下とする。
【００５３】
レンズＡ１（Ａ１’）
曲率半径：ｒ1a＝−２４７［ｍｍ］，ｒ1b＝＋５２［ｍｍ］
硝材 ：ＳＦ４
（屈折率：ｎ1＝１．７６２，
線膨張率：α1＝８．０×１０-6［／℃］
屈折率の温度変化依存性：ｄｎ1／ｄＴ＝７．７）
【００５４】
レンズＡ２（Ａ２’）
曲率半径：ｒ2a＝＋５０［ｍｍ］，ｒ2b＝−５０［ｍｍ］
硝材 ：ＳＫ１１
（屈折率：ｎ2＝１．５６６，
線膨張率：α2＝６．５×１０-6［／℃］
屈折率の温度変化依存性：ｄｎ2／ｄＴ＝１．８）
【００５５】
この条件を式（６）に代入した場合、組合せレンズ８の基準温度の合成焦点距離ｆｓ＝２０４［ｍｍ］であり、合成焦点距離ｆの温度変化に対する焦点距離の変化量ｄｆ／ｄＴ＝０．００４７×１０-3［ｍｍ／℃］になる。
【００５６】
また、式（７）より、入射スリット１と組合せレンズ８の間隔ＬＡの温度依存性（アルミの熱膨張率αBase＝２３．１×１０-6［／℃］，基準温度の合成焦点距離ｆｓ＝２０４［ｍｍ］）は、ｄＬＡ／ｄＴ＝０．００４７×１０-3［ｍｍ／℃］になる。
【００５７】
このように、複数枚のレンズＡ１，Ａ２を組合わせて、組合わせたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整する。具体的には、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、レンズ材料の線膨張率の少なくともいずれか一つを適宜調整・選択する。そして、第１の組合せレンズ８の合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の線膨張率、基盤７を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせるので、光学部品を固定する筐体（ベース基盤）７が、安価な材料（アルミ）であっても、周囲温度の変化に対して分光器の波長分解能を良好に保つことができる。
【００５８】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）第１の組合せレンズ８および第２の組合せレンズ９のそれぞれは、２枚のレンズＡ１、Ａ２（Ａ１’，Ａ’２）を組み合わせる構成を示したが、３枚以上のレンズを組み合わせて構成してもよい。このように３枚以上のレンズを組み合わせることにより、材料の選択の自由度が増し、設計の自由度も高まる。なお、式（６）の代わりに下記の式（８）を用いて構成するとよい。
【００５９】
【数８】
ｉ＝１，２，３…，ｋ（ｋ：構成するレンズの枚数）
【００６０】
そして、式（７）と式（８）の温度に対するそれぞれの変化量を等しくさせることにより、周囲温度が変化しても波長分解能を良好に保つ分光器を実現できる。
【００６１】
（２）第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９のレンズＡ１、Ａ２、Ａ１’、Ａ２’を球面レンズとする構成を示したが、非球面レンズを用いてもよい。
【００６２】
（３）ベース基盤７の材料にアルミを用いる構成を示したが、どのような材料を用いても良い。また、組合せレンズ８、９もどのような材料を用いてもよい。さらに、レンズＡ１，Ａ２の材料を異なるものとする構成を示したが、同じ材料としてもよい。
【００６３】
（４）組合せレンズ８、９を同一の構成とする構成を示したが、組合せレンズ８，９で異なる構成（異なる曲率半径、材料）としてもよい。
【００６４】
（５）モノクロメータに適用する構成を示したがダブルモノクロメータ等複数の回折格子を組み合わせたものに適用してもよい。
【００６５】
（６）シングルパスの分光器に用いる構成を示したが、ダブルパス以上のマルチパスの分光器などの種々の変形分光器に適用してもよい。
【００６６】
（７）第１の組合せレンズと第２の組合せレンズとを共通にしたリトロー型の分光器に適用してもよい。
【００６７】
（８）入射スリット１および出射スリット（波長帯域制限手段）５それぞれの代わりに光ファイバを用いてもよい。
【００６８】
（９）フォトダイオードが単一のモノクロメータの分光器に用いる構成を示したが、ポリクロメータ型の分光器に適用してもよい。この場合、受光素子には、複数のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイを用いる、そして、フォトダイオードは、点状または短冊状のフォトダイオードが、波長分散方向に配列され、フォトダイオードの幅（波長分散方向）そのものが、出射スリット５の機能（波長帯域制限）をもつことによる。
【００６９】
（１０）組合せレンズ８、９の焦点距離ｆの線膨張率とベース基盤７の線膨張率とを等しくする構成を示したが、ほぼ等しければよい。すなわち、使用する環境下の温度範囲、出射スリット５の幅等を考慮した場合、完全に一致させなくとも実用上問題が生じない場合もある。例えば、組合せレンズ８、９の焦点距離ｆの線膨張率とベース基盤７の線膨張率の差が、１０×１０-6［／℃］以下であればよい。
【００７０】
（１１）図１に示す分光器は、例えば、光スペクトラムアナライザ、波長モニタ等の波長分別部に用いるとよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置の組合せレンズ８の構成を示した図である。
【図３】図１に示す装置の組合せレンズ８、９の具体的な構成を示した図である。
【図４】従来の分光器の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 入射スリット
３ 回折格子
５ 出射スリット
６ 受光素子
７ 基盤
８ 第１の組合せレンズ
９ 第２の組合せレンズ
Ａ１，Ａ２，Ａ’１，Ａ’２ レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器に関し、詳しくは、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つ分光器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、波長分散素子（例えば、回折格子）で被測定光を波長分散させ、受光素子によって波長ごとの光パワーの測定を行なう。また、分光器に入射した被測定光を、コリメート手段（例えば、凹面鏡）によって平行光にして回折格子に出射し、回折格子からの回折光を集光手段（例えば、凹面鏡）によって集光させて出射スリットで波長帯域制限して受光素子に受光させる。
【０００３】
この際、周囲温度が変化すると凹面鏡自体が膨張・縮小することにより焦点距離が変動し、分光器の波長分解能の性能が悪くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、凹面鏡の材料の線膨張率と基盤の材料の線膨張率とをほぼ等しくすることにより上記の問題を解決していた（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
図４は、従来の分光器（ツェルニ・ターナ形分散分光器）の構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図４において、入射スリット１は、分光器に入射する被測定光の幅を制限する。凹面鏡２は、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にする。波長分散素子である回折格子３は、凹面鏡２で平行光となった被測定光を波長分散させ、波長ごとに異なる角度で出射する。凹面鏡４は、回折格子３で波長分散された被測定光を集光させる。出射スリット５は、凹面鏡４により被測定光が集光される位置に設けられ、所定の波長の被測定光のみを通過させ、波長帯域制限を行なう。受光素子６は、出射スリット５を通過した被測定光のみを受光し、受光した光の光パワーに応じた電気信号を出力する。そして、回折格子３を回転させて被測定光を波長掃引することにより、横軸を波長とし縦軸を光パワーとすることにより被測定光のスペクトル測定が行なえる。
【０００６】
また、各種光学部品（出射スリット１、凹面鏡２、４、回折格子３、出射スリット５）は、基盤７上に固定される。
【０００７】
ここで、図４において、凹面鏡２、４の焦点距離を２８０［ｍｍ］とし、材料をソーダガラスとした場合、焦点距離に対する単位長さ［ｍ］当たりの線膨張率は、凹面鏡２、４の材料であるソーダガラスの線膨張率と等しくなり９×１０-6［／℃］である。一方、基盤７をアルミニウムにセラミックを配合した特殊な素材の場合、単位長さ当たりの線膨張率は１５×１０-6［／℃］であり、凹面鏡２、４の材料の線膨張率と、基盤７の材料の線膨張率とがほぼ等しくなる。
【０００８】
また、図４において、例えば、入射スリット１と凹面鏡２の間の距離Ｌ１と凹面鏡４と出射スリット５の間の距離Ｌ２とが共に２８０［ｍｍ］とする。この場合、距離Ｌ１，Ｌ２の温度係数は４．２［μｍ／℃］（＝１５×１０-6［／℃］×２８０［ｍｍ］）になる。一方、凹面鏡２、４の焦点距離の温度係数は２．５［μｍ／℃］（＝９×１０-6［／℃］×２８０［ｍｍ］）になる。従って、両者の温度係数の差は１．７［μｍ／℃］（＝４．２［μｍ／℃］−２．５［μｍ／℃］）である。
【０００９】
分光器の周囲温度が、分光器の組立時の温度より１０［℃］上昇した場合、上記の両者の温度係数の差より、凹面鏡４により集光された被測定光は、出射スリット５の面上より約３４［μｍ］（＝｜（４．２［μｍ／℃］−２．５［μｍ／℃］）×２×１０［℃］｜）手前に焦点を結んでしまう。ここで、出射スリット５上に結像される被測定光の幅は、凹面鏡２、４の開口数が０．１の場合、６．８［μｍ］（＝３４［μｍ］×２×０．１）に広がるが、出射スリット５の最小幅を１５［μｍ］とした場合、この最小幅と比較すると被測定光の広がり幅は十分に小さいので波長分解能は劣化しない。
【００１０】
一方、出射スリット５上に結像された被測定光の幅が１５［μｍ］となる分光器の組立時の温度に対する周囲温度の変化量は±２２．０［℃］であり、図４に示す分光器の使用可能な温度範囲は、組立時の基準温度±２２．０［℃］の幅を持ち、通常の作業環境化では十分な波長分解能を発揮することができる。
【００１１】
出射スリット５上に結像される光の幅は、出射スリット５のスリット幅以下である必要があり、基盤７の線膨張率Ｋ１、凹面鏡２、４の焦点距離の線膨張率（すなわち、材料の線膨張率）Ｋ２，凹面鏡２、４の開口数ａ、出射スリット５のスリット幅ｄ、分光器の組立時の凹面鏡２、４の焦点距離Ｌ、分光器の組立時の温度に対する周囲温度の変化温度ΔＴの関係は下記の式で示される。
【００１２】
｜Ｋ１−Ｋ２｜≦｜ｄ／（４ａＬΔＴ）｜
【００１３】
実用的には、線膨張率Ｋ１，Ｋ２の差を１０×１０-6［／℃］以下とすることにより、周囲温度が変化しても波長分解能を良好に保つことができる。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−３３７９６２号公報
【特許文献２】特開平０２−２３１５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、凹面鏡２、４の材料の線膨張率と、基盤７の材料の線膨張率との差を１０×１０-6［／℃］以下にし波長分解能の性能を維持していいる。
【００１６】
しかしながら、凹面鏡２、４の材料にソーダガラスを用いた場合、基盤７の材料をアルミニウムにセラミックを配合した特殊な材料を使って線膨張率を合わせなければならないという問題があった。
【００１７】
そこで本発明の目的は、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つ分光器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明は、
波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器において、
複数枚のレンズからなり、入射された前記被測定光を平行光にして前記波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、
複数枚のレンズからなり、前記波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、前記受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、
前記波長分散素子、前記第１の組合せレンズ、前記第２の組合せレンズを固定する基盤と
を有し、前記第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
第１の組合せレンズおよび第２の組合せレンズは、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、線膨張率の少なくともいずれか一つにより、組合せたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
第１の組合せレンズと第２の組合せレンズは共通であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
前記第２の組合せレンズの焦点位置に設けられ、前記回折格子からの回折光の波長帯域制限を行なう波長帯域制限手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
受光素子は、第２の組合わせレンズの焦点位置に受光面が設けられ、波長分散方向に並べられたフォトダイオードを複数個有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば以下の効果がある。
複数枚のレンズを組合せることにより、組合わせたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することができ、基盤の材料の線膨張率とほぼ等しくすることができる。これにより、レンズに使用する材料および基盤に使用する材料の選択性が向上し、基盤に特殊な材料を用いる必要もなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１、本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図４と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。
【００２１】
図１において、凹面鏡２の代わりに、入射スリット１と回折格子３との間にコリメート手段である第１の組合せレンズ８が設けられる。第１の組合せレンズ８は、２枚のレンズＡ１，Ａ２から構成され、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。レンズＡ１は入射スリット１側、レンズＡ２は回折格子３側に設けられる。
【００２２】
また、凹面鏡４の代わりに、回折格子３と出射スリット５との間に集光手段である第２の組合せレンズ９が設けられる。第２の組合せレンズ９は、２枚のレンズＡ’１、Ａ’２から構成され、回折格子３で波長ごとに回折された被測定光を出射スリット５の面上に集光させる。レンズＡ’１は出射スリット５側、レンズＡ’２は回折格子３側に設けられる。
【００２３】
なお、図１では、受光素子６を基盤７上に設ける構成を図示しているが、図４と同様に基盤７とは異なる部材に固定してもよい。
【００２４】
このような装置の動作を説明する。
第１の組合せレンズ８が、入射スリット１を通過した被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。そして、回折格子３が、被測定光を波長ごとに異なる角度に空間的に分離させて出射する。
【００２５】
さらに、第２の組合せレンズ９が、回折された被測定光を出射スリット５の面上に集光する。そして、出射スリット５が、所定の波長の被測定光のみを通過させ、波長帯域制限を行なう。さらに、受光素子６が、出射スリット５を通過した被測定光のみを受光し、受光した光の光パワーに応じた電気信号を出力する。そして、回折格子３を回転させて被測定光を波長掃引することにより、横軸を波長とし縦軸を光パワーとすることにより被測定光のスペクトル測定が行なえる。
【００２６】
次に組合せレンズ８、９について詳細に説明する。ここで、図２は、図１に示す装置の第１の組合せレンズ８を示した図である。
【００２７】
第１の組合せレンズ８は、上述のようにレンズＡ１、Ａ２で構成される。そして、レンズＡ１は２個の球面を有し、入射側（入射スリット１側）の曲率半径をｒ1aとし、出射側（レンズＡ２側）の曲率半径をｒ1bとする。
【００２８】
同様に、レンズＡ２は２個の球面を有し、入射側（レンズＡ１側）の曲率半径をｒ2aとし、出射側（回折格子３側）の曲率半径をｒ2bとする。
【００２９】
また、レンズＡ１の材料（硝材（ガラス材））の屈折率をｎ1とし、レンズＡ２の材料（硝材）の屈折率をｎ2とする。
【００３０】
このようなレンズＡ１の焦点距離ｆ1、レンズＡ２の焦点距離ｆ2は、下記の式（１）の関係が成立する。なお、式中にｉを用いるが、これはレンズＡ１、Ａ２に対応し、（ｉ＝１，２）である。
【００３１】
【数１】
【００３２】
各レンズＡ１，Ａ２の温度変化に対する焦点距離ｆ1、ｆ2の変化は、式（１）の両辺を温度Ｔで微分することにより、下記の式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
従って、レンズＡ１の材料の線膨張率をα1、レンズＡ２の材料の線膨張率をα2とすると、
【００３５】
【数３】
【００３６】
式（３）の関係で示すことができる。これら式（２）、式（３）より、レンズＡ１の焦点距離ｆ1とレンズＡ２のｆ2の温度特性は、式（４）で示される。
【００３７】
【数４】
…式（４）
【００３８】
一方、組合せレンズ８の焦点距離ｆは、レンズＡ１とレンズＡ２の合成焦点距離なので、下記の式（５）の関係式が成立する。
【００３９】
【数５】
【００４０】
そして、式（４）、式（５）から組合せレンズ８の焦点距離ｆの温度特性は式（６）となる。なお、焦点距離ｆｓは、分光器の組立時の基準温度における組合せレンズ８の合成焦点距離である。
【００４１】
【数６】
【００４２】
一方、入射スリット１と第１の組合せレンズ８との間隔ＬＡは、分光器の組み立て時は合成焦点距離ｆとなるように調整される。従って、入射スリット１と第１の組合せレンズ８との間隔ＬＡの温度変化に対する変化量ｄＬＡ／ｄＴは、下記の式（７）になる。
【００４３】
【数７】
【００４４】
ここで、αBaseは、基盤７の線膨張率であり、焦点距離ｆｓは、分光器の組立時の基準温度における組合せレンズ８の合成焦点距離である。
【００４５】
以上より、式（６）の合成焦点距離ｆの温度変化に対する変化量ｄｆ／ｄＴと、式（７）の間隔ＬＡ（入射スリット１と組合せレンズ８間距離）の温度変化に対する変化量ｄＬＡ／ｄＴとが等しければ、組合わせレンズ８が、周囲温度の変化に完全に影響されずに、入射スリット１からの被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。
【００４６】
第２の組合せレンズ９も、同様に式（１）〜式（７）の関係が成り立つ。従って、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の温度変化に対する変化量と、間隔ＬＡ’（第２の組合せレンズ９と出射スリット５との間隔）の温度変化に対する変化量とが等しければ、組合わせレンズ２が、周囲温度の変化に完全に影響されずに、回折格子３からの回折光を出射スリット５の面上に焦点を結ぶ。
【００４７】
つまり、第１の組合せレンズ８の合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の線膨張率、光学部品（入射スリット１、回折格子３、出射スリット５、第１、第２の組合せレンズ８、９）が固定される基盤７を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせてほぼ等しくする。これにより、組立て時の基準温度に対して、使用時の周囲温度がどのような温度に変化したとしても、第１の組合せレンズ８が平行光を回折格子３に出射し、第２の組合せレンズ９が、出射スリット５上に集光させる。従って、光学部品を固定する基盤に特殊な材料を用いることなく周囲温度の変化に対して波長分解能を良好に保つことができる。
【００４８】
具体的に説明する。ここで、図３は、第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９の一例を示した図である。なお、以下の具体例では、第１の組合せレンズ８を主に説明する。
【００４９】
基盤７の材料を安価だが熱膨張率が硝材と大きく異なるアルミを用いるとする。そして、組合せレンズ８のレンズＡ１，Ａ２として用いる硝材を決定すれば、これら硝材の屈折率ｎ1，ｎ2、線膨張率α1，α2、屈折率の温度変化依存性ｄｎ1／ｄＴ，ｄｎ2／ｄＴは、既知の値である。
【００５０】
従って、式（６）、式（７）を満たすレンズＡ１，Ａ２の材料、曲率半径の組合せを、分光器の組立性、レンズＡ１、Ａ２の加工性、コスト等を考慮し、適宜選択、決定すればよい。
【００５１】
数値を用いて具体的な一実施例を説明する。
上述のように、ベース基盤７の材料をアルミとすれば、光学部品のベースとなるアルミの熱膨張率αBase＝２３．１×１０-6［／℃］である。
【００５２】
一方、第１の組合せレンズ８と第２の組合せレンズ９とを同一の構成とする。そして、第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９を以下とする。
【００５３】
レンズＡ１（Ａ１’）
曲率半径：ｒ1a＝−２４７［ｍｍ］，ｒ1b＝＋５２［ｍｍ］
硝材 ：ＳＦ４
（屈折率：ｎ1＝１．７６２，
線膨張率：α1＝８．０×１０-6［／℃］
屈折率の温度変化依存性：ｄｎ1／ｄＴ＝７．７）
【００５４】
レンズＡ２（Ａ２’）
曲率半径：ｒ2a＝＋５０［ｍｍ］，ｒ2b＝−５０［ｍｍ］
硝材 ：ＳＫ１１
（屈折率：ｎ2＝１．５６６，
線膨張率：α2＝６．５×１０-6［／℃］
屈折率の温度変化依存性：ｄｎ2／ｄＴ＝１．８）
【００５５】
この条件を式（６）に代入した場合、組合せレンズ８の基準温度の合成焦点距離ｆｓ＝２０４［ｍｍ］であり、合成焦点距離ｆの温度変化に対する焦点距離の変化量ｄｆ／ｄＴ＝０．００４７×１０-3［ｍｍ／℃］になる。
【００５６】
また、式（７）より、入射スリット１と組合せレンズ８の間隔ＬＡの温度依存性（アルミの熱膨張率αBase＝２３．１×１０-6［／℃］，基準温度の合成焦点距離ｆｓ＝２０４［ｍｍ］）は、ｄＬＡ／ｄＴ＝０．００４７×１０-3［ｍｍ／℃］になる。
【００５７】
このように、複数枚のレンズＡ１，Ａ２を組合わせて、組合わせたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整する。具体的には、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、レンズ材料の線膨張率の少なくともいずれか一つを適宜調整・選択する。そして、第１の組合せレンズ８の合成焦点距離の線膨張率、第２の組合せレンズ９の合成焦点距離の線膨張率、基盤７を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせるので、光学部品を固定する筐体（ベース基盤）７が、安価な材料（アルミ）であっても、周囲温度の変化に対して分光器の波長分解能を良好に保つことができる。
【００５８】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）第１の組合せレンズ８および第２の組合せレンズ９のそれぞれは、２枚のレンズＡ１、Ａ２（Ａ１’，Ａ’２）を組み合わせる構成を示したが、３枚以上のレンズを組み合わせて構成してもよい。このように３枚以上のレンズを組み合わせることにより、材料の選択の自由度が増し、設計の自由度も高まる。なお、式（６）の代わりに下記の式（８）を用いて構成するとよい。
【００５９】
【数８】
ｉ＝１，２，３…，ｋ（ｋ：構成するレンズの枚数）
【００６０】
そして、式（７）と式（８）の温度に対するそれぞれの変化量を等しくさせることにより、周囲温度が変化しても波長分解能を良好に保つ分光器を実現できる。
【００６１】
（２）第１の組合せレンズ８、第２の組合せレンズ９のレンズＡ１、Ａ２、Ａ１’、Ａ２’を球面レンズとする構成を示したが、非球面レンズを用いてもよい。
【００６２】
（３）ベース基盤７の材料にアルミを用いる構成を示したが、どのような材料を用いても良い。また、組合せレンズ８、９もどのような材料を用いてもよい。さらに、レンズＡ１，Ａ２の材料を異なるものとする構成を示したが、同じ材料としてもよい。
【００６３】
（４）組合せレンズ８、９を同一の構成とする構成を示したが、組合せレンズ８，９で異なる構成（異なる曲率半径、材料）としてもよい。
【００６４】
（５）モノクロメータに適用する構成を示したがダブルモノクロメータ等複数の回折格子を組み合わせたものに適用してもよい。
【００６５】
（６）シングルパスの分光器に用いる構成を示したが、ダブルパス以上のマルチパスの分光器などの種々の変形分光器に適用してもよい。
【００６６】
（７）第１の組合せレンズと第２の組合せレンズとを共通にしたリトロー型の分光器に適用してもよい。
【００６７】
（８）入射スリット１および出射スリット（波長帯域制限手段）５それぞれの代わりに光ファイバを用いてもよい。
【００６８】
（９）フォトダイオードが単一のモノクロメータの分光器に用いる構成を示したが、ポリクロメータ型の分光器に適用してもよい。この場合、受光素子には、複数のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイを用いる、そして、フォトダイオードは、点状または短冊状のフォトダイオードが、波長分散方向に配列され、フォトダイオードの幅（波長分散方向）そのものが、出射スリット５の機能（波長帯域制限）をもつことによる。
【００６９】
（１０）組合せレンズ８、９の焦点距離ｆの線膨張率とベース基盤７の線膨張率とを等しくする構成を示したが、ほぼ等しければよい。すなわち、使用する環境下の温度範囲、出射スリット５の幅等を考慮した場合、完全に一致させなくとも実用上問題が生じない場合もある。例えば、組合せレンズ８、９の焦点距離ｆの線膨張率とベース基盤７の線膨張率の差が、１０×１０-6［／℃］以下であればよい。
【００７０】
（１１）図１に示す分光器は、例えば、光スペクトラムアナライザ、波長モニタ等の波長分別部に用いるとよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置の組合せレンズ８の構成を示した図である。
【図３】図１に示す装置の組合せレンズ８、９の具体的な構成を示した図である。
【図４】従来の分光器の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 入射スリット
３ 回折格子
５ 出射スリット
６ 受光素子
７ 基盤
８ 第１の組合せレンズ
９ 第２の組合せレンズ
Ａ１，Ａ２，Ａ’１，Ａ’２ レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器において、
複数枚のレンズからなり、入射された前記被測定光を平行光にして前記波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、
複数枚のレンズからなり、前記波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、前記受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、
前記波長分散素子、前記第１の組合せレンズ、前記第２の組合せレンズを固定する基盤と
を有し、前記第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とする分光器。
【請求項２】
第１の組合せレンズおよび第２の組合せレンズは、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、線膨張率の少なくともいずれか一つにより、組合せたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
第１の組合せレンズと第２の組合せレンズは共通であることを特徴とする請求項１または２記載の分光器。
【請求項４】
前記第２の組合せレンズの焦点位置に設けられ、前記回折格子からの回折光の波長帯域制限を行なう波長帯域制限手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。
【請求項５】
受光素子は、第２の組合わせレンズの焦点位置に受光面が設けられ、波長分散方向に並べられたフォトダイオードを複数個有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。
【請求項１】
波長分散素子で被測定光を波長分散して受光素子で受光する分光器において、
複数枚のレンズからなり、入射された前記被測定光を平行光にして前記波長分散素子に出射する第１の組合せレンズと、
複数枚のレンズからなり、前記波長分散素子で波長分散された被測定光を集光し、前記受光素子に受光させる第２の組合せレンズと、
前記波長分散素子、前記第１の組合せレンズ、前記第２の組合せレンズを固定する基盤と
を有し、前記第１の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記第２の組合せレンズの合成焦点距離の線膨張率、前記基盤を形成する材料の線膨張率それぞれを合わせたことを特徴とする分光器。
【請求項２】
第１の組合せレンズおよび第２の組合せレンズは、レンズそれぞれの曲率半径、レンズ材料の屈折率、この屈折率の温度変化率、線膨張率の少なくともいずれか一つにより、組合せたレンズの合成焦点距離の線膨張率を調整することを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
第１の組合せレンズと第２の組合せレンズは共通であることを特徴とする請求項１または２記載の分光器。
【請求項４】
前記第２の組合せレンズの焦点位置に設けられ、前記回折格子からの回折光の波長帯域制限を行なう波長帯域制限手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。
【請求項５】
受光素子は、第２の組合わせレンズの焦点位置に受光面が設けられ、波長分散方向に並べられたフォトダイオードを複数個有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２５７９９８（Ｐ２００９−２５７９９８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０９０４４（Ｐ２００８−１０９０４４）
【出願日】平成２０年４月１８日（２００８．４．１８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１８日（２００８．４．１８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]