分光器
【課題】応答速度が速く、小型の分光器を提供する。
【解決手段】 本発明に係る分光器は、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備える。
【解決手段】 本発明に係る分光器は、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器に関し、より詳細には、任意の波長の光信号を選択するための分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、物質の吸収スペクトル、蛍光スペクトルなどの分光特性を測定する装置に用いられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、従来のプリズムを用いた分光器を示す。分光器１００は、分光手段としてのプリズム１０１と、波長選択手段としてのスリット板１０２と、光検出器１０３とを備えている。
【０００４】
図２に、従来の回折格子を用いた分光器を示す。分光器２００は、分光手段としての回折格子２０１と、波長選択手段としてのスリット板２０２と、光検出器２０３とを備えている。
【０００５】
図１，２において、分光手段として、プリズム１０１、回折格子２０１といった波長分散素子を用いて、入射光を波長ごとに異なる方向に、空間的に分散させる。分散された光の一部分のみを、波長選択手段により取り出すことによって、特定の波長の光を得ることができる。このとき、プリズム１０１および回折格子２０１を、機械的に回転させることにより、取り出す波長を任意に選択することができる。
【０００６】
一方、光通信の分野における信号処理のうち、波長選択に分光器が用いられている。図３に、従来のアレイ導波路格子を用いた分光器を示す。アレイ導波路格子３０１は、入力導波路３０２に接続された入力スラブ導波路３０３と、出力導波路３０７に接続された出力スラブ導波路３０６と、入力スラブ導波路３０３と出力スラブ導波路３０６との間を接続するアレイ導波路３０４とを備えている。アレイ導波路３０４は、隣合う導波路間で一定の光路長差が設定され、個々の導波路ごとに、ヒータ３０５ａ、３０５ｂが設けられている。
【０００７】
入力導波路３０２に入力された光信号は、入力スラブ導波路３０３を経由してアレイ導波路３０４に分配される。出力スラブ導波路３０６への入射面では、光信号に、その波長に応じた異なる位相がそれぞれ付与される。出力スラブ導波路３０６は、集光レンズとして動作し、出力スラブ導波路３０６と出力導波路３０７との境界において、光信号は、波長ごとに異なる位置に集光する。従って、出力スラブ導波路３０６と出力導波路３０７との境界に集光した特定の波長の光信号のみが、出力導波路３０７から出力される。
【０００８】
ここで、アレイ導波路３０４上に配置されたヒータ３０５ａまたは３０５ｂに電流を流すことにより、熱光学効果を利用して、アレイ導波路３０４の等価屈折率を変化させることができる。等価屈折率の変化により、アレイ導波路３０４を通過する光信号の位相が変化する。従って、この位相の変化量を制御することにより、任意の波長の光信号のみを、出力導波路３０７から出力させることができる。
【０００９】
【非特許文献１】櫛田孝司著、「光物理学」、共立出版株式会社、1993年4月15日初版第8刷発行、p.128-135
【発明の開示】
【００１０】
しかしながら、図１および２に示した従来の分光器では、分光手段としてのプリズムや回折格子を機械的に回転させるためのモータ、およびモータを駆動するための駆動回路など機械的な制御機構を備える必要があり、分光器の構成が大型になるという問題があった。また、機械的な動作のために、波長を可変する際の時間応答は低速であり、数ｍｓを要するという問題もあった。
【００１１】
図３に示した従来の分光器では、熱光学効果を発生させるために、ヒータに通電するための消費電力が大きい。このため、電力の供給と、発熱に対する対策のために熱制御機構を必要とするので、装置の小型化が図れないという問題があった。また、熱光学効果を用いるため、波長を可変する際の時間応答は２〜６０ｍｓと遅いという欠点を有していた。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、応答速度が速く、小型の分光器を提供することにある。
【００１３】
本発明の第１の実施態様は、分光器であって、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
上記第１の実施態様によれば、電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器と、分光手段と、波長選択手段とを備えたので、応答速度が速く、小型化を図ることが可能となる。
【００１５】
また、第２の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、分光器の高感度化を実現することを目的として、ビーム偏向器の開口を大きくする。すなわち、第２の実施態様は、第１の実施態様において、上記ビーム偏向器の幅は、該ビーム偏向器の厚さよりも大きいことを特徴とする。また、第２の実施態様に係る分光器は、上記ビーム偏向器に、断面が楕円形状の光を入射するための手段をさらに備えても良い。このとき、断面が楕円形状の光は、該楕円の長軸方向と前記幅の方向とが一致するように前記ビーム偏向器に入射される。
【００１６】
また、第３の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、高分解能測定および広帯域測定を一回の測定で同時に実現することを目的としており、分光手段として、低屈折率分散を有するプリズムと、高屈折率分散を有するプリズムとを用いている。すなわち、第３の実施態様は、第１の実施態様において、上記分光手段は、第１のプリズムと、該第１のプリズムよりも屈折率分散が大きい第２のプリズムであり、第３の実施態様に係る分光器は、入力された光を２つの異なる方向に出力する出力手段をさらに備えており、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入射されることを特徴とする。
【００１７】
第３の実施態様では、上記出力手段は、前記ビーム偏向器と前記第１および第２のプリズムとの間に配置されていても良く、また上記出力手段は、上記ビーム偏向器から出射された光を上記２つの異なる方向に出力するようにしても良い。
【００１８】
また、第３の実施態様では、上記出力手段は、前記ビーム偏向器の前段に配置されていても良く、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、上記ビーム偏向器の異なる領域に入射して、上記第１および第２のプリズムに入射するようにしても良い。
【００１９】
また、第３の実施態様では、上記ビーム偏向器は、第１のビーム偏向器と第２のビーム偏向器を含んでも良く、上記出力手段は、上記第１および第２のビーム偏向器の前段に配置され、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、上記第１のビーム偏向器および第２のビーム偏向器に入射して、上記第１および第２のプリズムに入射するようにしても良い。
【００２０】
さらに、第３の実施態様では、上記波長選択手段は、上記第１のプリズムの後段に配置された第１の波長選択手段と、上記第２のプリズムの後段に配置された第２の波長選択手段とを含んでも良く、上記第２の波長選択手段は移動可能であっても良い。
【００２１】
また、第４の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、簡便で高分解能な分光器を実現することを目的としており、分光手段に含まれる電気光学結晶の入射端および出射端の少なくとも一方をウェッジ加工している。すなわち、第４の実施態様は、分光器であって、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含む分光手段であって、入射端および出射端の少なくとも一方は、上記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、上記電極対の第２の電極が配置され、上記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面である分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
また、第５の実施態様は、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減を可能にすることを目的としている。該目的を達成するために、ビーム偏向器と、プリズムや回折格子といった分光手段との間の光路長差を大きくしている。
【００２３】
すなわち、第５の実施態様は、第１の実施態様において、上記電極対に第１の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記分光手段に入射する位置を第１の入射位置とし、上記電極対に第２の電圧を印加する際の、上記前記ビーム偏向器からの出射光が上記分光手段に入射する位置を第２の入射位置とし、上記電極対に第１の電圧を印加する際の、上記分光手段から光が出射する位置を第１の出射位置とし、上記電極対に第２の電圧を印加する際の、上記分光手段から光が出射する位置を第２の出射位置とし、上記電極対に印加する電圧を第１の電圧から第２の電圧に変化した際の、上記第１の入射位置から第２の入射位置への入射シフト量より、上記第１の出射位置から第２の出射位置への出射シフト量が大きいことを特徴とする。
【００２４】
また、第５の実施態様では、上記電極対に第３の電圧を印加することにより、上記ビーム偏向器からの出射光に含まれる、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための第１の電界を印加する場合に上記分光手段の出射面から出射される、上記検出したい波長帯域の最も短波長の光の光軸方向と、上記出射面とのなす角度を第１の角度とし、上記電極対に第４の電圧を印加することにより、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための第２の電界を印加する場合に上記分光手段の出射面から出射される、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光の光軸方向と、上記出射面とのなす角度を第２の角度とし、上記第２の角度が上記第１の角度よりも大きくなるように上記第１の電圧および上記第２の電圧が設定されるようにしても良い。
【００２５】
また、第５の実施態様において、分光手段は、プリズムであっても良い。このとき、上記電極対に、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための第３の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記プリズムに入射する位置を第３の入射位置とし、上記電極対に、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための第４の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記プリズムに入射する位置を第４の入射位置とし、上記電極対に第３の電圧を印加する際の、上記プリズムから光が出射する位置を第３の出射位置とし、上記電極対に第４の電圧を印加する際の、上記プリズムから光が出射する位置を第４の出射位置とし、上記第３の電圧を印加した際の、上記ビーム偏向器からの出射光の光軸と、上記プリズムの入射面とのなす角をθとし、上記第４の電圧を印加した際の上記ビーム偏向器からの出射光の偏向角をφとし、上記プリズムの屈折率をｎとし、上記プリズムの頂角をβとし、上記頂角から上記第３の入射位置までの距離をＰ１とし、上記頂角から上記第４の入射位置までの距離をＰ２とし、上記頂角から上記第３の出射位置までの距離をＦ１とし、上記頂角から上記第４の出射位置までの距離をＦ２とし、上記ビーム偏向器と上記プリズムとの間の光路長差をＬとすると、Ｐ２＝Ｐ１＋Ｌ（Ｓｉｎθ−Ｃｏｓθ・Ｔａｎ（θ−φ））であり、Ｆ１＝Ｐ１Ｃｏｓβ＋Ｐ１Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎθ））Ｓｉｎβであり、Ｆ２＝Ｐ２Ｃｏｓβ＋Ｐ２Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎ（θ−φ）））Ｓｉｎβであり、Ｆ２とＦ１との差（Ｆ２−Ｆ１）が所定の値となるように上記ビーム偏向器と上記プリズムとの間の光路長差Ｌが設定されていても良い。
【００２６】
さらに、第１の実施態様に係る分光器は、上記電界に平行な偏光軸方向の成分のみの入射光を、上記ビーム偏向器に入射するための偏光板をさらに備えていても良い。
【００２７】
また、第１の実施態様において、上記分光手段は、プリズムであっても良い。
【００２８】
また、第１の実施態様において、ビーム偏向器の入射端および出射端の少なくとも一方は、上記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、上記電極対の第２の電極が配置され、上記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であっても良い。
【００２９】
また、第１の実施態様において、上記分光手段は、回折格子であっても良い。
【００３０】
また、第１の実施態様において、上記波長選択手段は、スリット板であっても良い。
【００３１】
また、第１の実施態様において、上記電気光学結晶は、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯのいずれか１つであっても良い。
【００３２】
本発明によれば、電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器と、分光手段と、波長選択手段とを備えたので、応答速度が速く、小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、従来のプリズムを用いた分光器を示す図である。
【図２】図２は、従来の回折格子を用いた分光器を示す図である。
【図３】図３は、従来のアレイ導波路格子を用いた分光器を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にかかるビーム偏向器の原理を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態にかかる電気光学結晶への印加電圧と偏向角との関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態にかかるプリズムによる分光の原理を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態にかかる分光の原理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態にかかる分光の原理を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例にかかる、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間のプリズムからの出射位置のシフト量と、ビーム偏向器からプリズムまでの距離との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施例にかかる、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間のプリズムからの出射位置のシフト量と、ビーム偏向器の偏向角およびビーム偏向器への印加電圧との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係るビーム偏向器の斜視図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に係る、出射端をくさびにした際の効果を説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る、出射端をくさびにした際の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３５】
（第１の実施形態）
本発明では、従来に比べて応答速度が速く、さらに小型化を図ることが可能な分光器を実現することを目的としている。このような目的を達成するために、本発明の一実施形態では、電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた、入射された光を偏向して出射可能なビーム偏向器を、分光手段としてのプリズムや回折格子の、分光の際の光の進行方向の上流側に配置している。図４は、このような形態を有する分光器の構成を示す図である。
【００３６】
図４において、分光器１０は、入射光の偏光を制御する偏光板１１と、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器１２と、分光手段としてのプリズム１３と、波長選択手段としてのスリット板１４と、光検出器１５とを備えている。
【００３７】
電気光学定数の大きな結晶として、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、以下、ＫＴＮという）、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯの電気光学結晶が挙げられる。
【００３８】
図５を参照して、本発明の一実施形態にかかるビーム偏向器における偏向の原理を説明する。
【００３９】
例えば、ビーム偏向器１２は、組成ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（ｘ＝約０．４０）からなるＫＴＮ結晶２１を備え、上面と下面とにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの電極２２、２３が蒸着されている。本明細書においてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕは、最下層のＴｉ上にＰｔ、Ａｕがこの順で積層されていることを表す。ＫＴＮ結晶２１のサイズは、長さ（ｚ軸方向）６ｍｍ、幅（ｙ軸方向）４ｍｍ、厚さ（ｘ軸方向）０．５ｍｍである。上面と下面とに蒸着した電極２２、２３のｚ軸方向の長さは５ｍｍである。ここでは、上面に正の電極２２、下面に負の電極２３を設けているが、この逆であってもよいし、正負を切替えることのできる電源を接続してもよい。
【００４０】
例えば、入射光は、偏光板１１により、電界に平行な偏光軸方向（ｘ軸方向）の成分のみとなってＫＴＮ結晶２１に入射される。なお、図４では偏光板１１の透過容易軸を電極２２、２３によって形成される電界に平行な方向（ｘ軸方向）としているが、この方向に限定されない。例えば、偏光板１１の透過容易軸を、上記電界に平行な方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に設定しても良いし、上記電界に平行な方向と任意の角度の方向に設定しても良い。あるいは、偏光板１１を設けなくても良い。すなわち、本発明の一実施形態で重要なことは、後述するように、ビーム偏向器１２からの出射光をＫＴＮ結晶２１への電圧印加状態に応じて偏向させることである。ＫＴＮ結晶２１に入射された光の偏波状態により偏向の程度に差は出るが、後述するように、ＫＴＮ結晶２１に入射された光は、電圧印加により電界傾斜が生じて偏向することになる。従って、ＫＴＮ結晶２１への偏波状態はいずれであっても良いのである。
【００４１】
ただし、ＫＴＮ結晶２１への入射光が、上記電界に平行な方向に振動している場合は、得られる偏向角は最も大きくなる。よって、図４のように偏光板１１を配置して、入射光の、電界に平行な偏光軸方向（ｘ軸方向）の成分のみをＫＴＮ結晶２１に入射する形態が好ましい形態である。
【００４２】
ここで、特に、ＫＴＮ等の電気光学効果を有する電気光学結晶を用い、かつ電極をオーミック接触させる場合、電圧が印加されると電気光学結晶内に電界傾斜が発生する。よって、電極２２，２３に電源２４を接続し、電極間に直流電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶２１の内部に電荷が生じ、ＫＴＮ結晶２１に印加する電圧の印加方向に電界の傾斜を生じる。
【００４３】
この電気光学結晶の内部に生じた電界の傾斜により、入射光のビームの光軸に対して垂直な断面における電気光学効果による屈折率の変化量に傾斜を生じさせる。すなわち、電界の傾斜に応じた屈折率の傾斜が生じることになる。よって、該屈折率の傾斜により、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせることになる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられて偏向角を累積することになる。
【００４４】
すなわち、電極２２、２３によりＫＴＮ結晶２１に電圧を印加することによって、入射光はＫＴＮ結晶２１内で偏向し、偏向角θの出射光が出力される。
【００４５】
図６に、電気光学結晶への印加電圧と偏向角との関係を示す。図５に示したように、ビーム偏向器１２からの出射光の偏向角θは、＋２５０Ｖの印加電圧に対して最大１２５ｍｒａｄ、−２５０Ｖの印加電圧に対して最大−１２５ｍｒａｄの偏向角が得られる。すなわち、合わせて２５０ｍｒａｄに近い偏向角を実現することができる。
【００４６】
このような構成により、大きな偏向角を簡便な構成で得ることができるので、ビーム偏向器１２により、分光手段としてのプリズム１３への入射角を変えることにより、応答速度の速い分光器を実現することができる。また、分光器として機械的な制御機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。ＫＴＮ結晶２１には電界を印加するだけなので、消費電流が少なく、熱制御機構も必要としない。さらに、ビーム偏向器１２の応答速度は、マイクロ秒オーダーであり、従来の分光器と比較して、３桁程度高速化することができる。
【００４７】
図７を参照して、プリズムの一例に基づいて、分光の原理を説明する。例えば、プリズム１３は、ＢＫ７ガラスからなり、光の透過する一辺の長さ１５ｍｍであり、頂角ａは６０度である。ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さは、２０ｍｍである。なお、プリズム１３として、より小型のプリズムを使用すれば、さらに光路の長さを短くすることができる。図７において、符号３１は、入射光の中から選択されたスリット板１４を透過する波長の光である。また、符号３２ａは、印加電圧が−５５Ｖのときの波長４００ｎｍの光信号であり、符号３３ａは、印加電圧が−５５Ｖのときの波長７００ｎｍの光信号である。さらに、符号３２ｂは、印加電圧が＋５５Ｖのときの波長４００ｎｍの光信号であり、符号３３ｂは、印加電圧が＋５５Ｖのときの波長７００ｎｍの光信号である。
【００４８】
図７において、入射光の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。ビーム偏向器１２への印加電圧＋５５Ｖのとき、プリズム１３への入射光の入射角４０度とし、波長７００ｎｍの光信号３３ｂがスリット板１４を通過して光検出器１５で検出されるように配置する。ビーム偏向器１２からの出射光は、プリズム１３により波長に応じて光信号３２から光信号３３まで分光される。従って、ビーム偏向器１２の印加電圧を調整することにより、入射光の中からスリット板１４を通過する光の波長を選択することができる。
【００４９】
ビーム偏向器１２の印加電圧を＋５５Ｖから−５５Ｖまで変化させることにより、プリズム１３への入射光の入射角は、４０度から４２度に変化する。スリット板１４では、波長７００ｎｍの光信号３３ｂから波長４００ｎｍの光信号３２ｂまで通過し、光検出器１５により検出することができる。このとき、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するのに要する時間は、マイクロ秒オーダーである。
【００５０】
スリット板１４のスリット幅は、２００μｍである。波長分解能は、ビームの広がり角、プリズム材料の屈折率の波長分散、プリズム１３への入射角、およびプリズム１３からスリット板１４までの距離に依存する。第１の実施形態では、ビーム偏向器１２のビーム直径が４００μｍ、プリズム材料がＢＫ７、プリズム１３への入射角が４０度、およびプリズム１３からスリット板１４までの距離が１３０ｍｍである。このとき、波長分解能は、波長４００ｎｍ付近で約４ｎｍ、波長７００ｎｍ付近で約３５ｎｍとなる。
【００５１】
（プリズム）
ここで、プリズムの材料について、上述したＢＫ７ガラスと、Ｆ２ガラスと、ＳＦ１０ガラスとを比較しながら説明する。入射光の中心波長５５０ｎｍのときの最小偏角条件と、波長７００ｎｍと波長４００ｎｍの間の屈折角の差を求めると表１のようになる。このように、屈折角に差が生じるのは、プリズムの材料により屈折率の波長依存性が異なるからである。波長７００ｎｍと波長４００ｎｍの間の屈折率の差も合わせて表１に示す。
【００５２】
なお、偏角とはプリズムによって光が偏向される角度のことである。つまり、プリズムへの入射光とプリズムからの出射光が成す角を指す。最小偏角条件とは、この偏角が最小になる条件のことであり、プリズムへの入射角と出射角とが等しい際に実現される。最小偏角条件が満たされるときに、分解能が最大、光の反射損が最小になる。
【００５３】
【表１】
【００５４】
分光器としての波長分解能は、屈折角の差が大きいほど高くなるので、プリズム材料としてＳＦ１０ガラスを選択すれば、波長分解能が最も高くなる。一方、プリズムの入射角の変化と出射角の変化の関係は、入射角の変化が１０度以下と小さい場合には、ほぼ比例関係にあるといえる。波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するための入射角の変化を表２に示す。このとき、この入射角の変化に必要なビーム偏向器１２の印加電圧の変化量も表２に示す。ビーム偏向器１２の印加電圧は、図６から求めることができる。
【００５５】
【表２】
【００５６】
このように、波長分解能と印加電圧とはトレードオフの関係にある。本実施形態では、低電圧の動作を優先するためにＢＫ７ガラスを使用した。また、波長７００ｎｍ付近での波長分解能を４０ｎｍ以下とするために、プリズム１３への入射角を、最小偏角条件（４９．４度）より小さい４０度とした。これにより、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍにおける屈折角の差が２度（＝３５ｍｒａｄ）となり、最小偏角条件の場合と比較して大きくなっている。なお、このときのビーム偏向器１２の印加電圧の変化は、＋５５〜−５５Ｖである。
【００５７】
（第２の実施形態）
図８に、本発明の、応答速度を速くし、小型化を実現するための第２の実施形態にかかる分光器を示す。分光器４０は、入射光の偏向を制御する偏向板４１と、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器４２と、分光手段としての回折格子４３と、波長選択手段としてのスリット板４４と、光検出器４５とを備えている。分光手段として、上述の第１の実施形態のプリズムに代えて、回折格子を利用した形態である。
【００５８】
回折格子４３は、一辺の長さ２０ｍｍの正方形の形状を有し、格子本数が１５０本／ｍｍである。ビーム偏向器４２から回折格子４３までの光路の長さは、２０ｍｍである。なお、回折格子４３として、より小型の回折格子を使用すれば、さらに光路の長さを短くすることができる。
【００５９】
入射光の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。ビーム偏向器４２の印加電圧−８５Ｖのとき、回折格子４３への入射光の入射角４３．５度とし、回折された光のうち波長７００ｎｍの光がスリット板４４を通過して光検出器４５で検出されるように配置する。ビーム偏向器４２からの出射光は、回折格子４３により波長に応じて分光される。従って、ビーム偏向器４２の印加電圧を調整することにより、入射光の中からスリット板４４を通過する光の波長を選択することができる。
【００６０】
ビーム偏向器４２の印加電圧を−８５Ｖから＋８５Ｖまで変化させることにより、回折格子４３への入射光の入射角は、４３．５度から４７．８度に変化する。スリット板４４では、波長７００ｎｍの光から波長４００ｎｍの光まで通過し、光検出器４５により検出することができる。このとき、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するのに要する時間は、マイクロ秒オーダーである。
【００６１】
スリット板４４のスリット幅は、２００μｍである。波長分解能は、ビームの広がり角、回折格子４３の格子本数、回折格子４３への入射角、および回折格子４３からスリット板４４までの距離に依存する。本実施形態では、ビーム偏向器４２のビーム直径が４００μｍ、回折格子４３の格子本数が１５０本／ｍｍ、回折格子４３への入射角が４３．５度、および回折格子４３からスリット板４４までの距離が１２０ｍｍである。このとき、波長分解能は、波長４００ｎｍ付近で約４．５ｎｍ、波長７００ｎｍ付近で約９ｎｍとなる。
【００６２】
分光手段として回折格子を用いる場合も、プリズムの場合と同様に、波長分解能と印加電圧とはトレードオフの関係にある。回折格子４３の格子本数が多いほど波長分解能は高くなるが、要求される波長範囲を掃引するのに必要な印加電圧の変化量が大きくなる。従って、これらの関係を考慮して、回折格子４３の格子本数、回折格子４３への入射角を決定する必要がある。
【００６３】
以上述べたように、従来の分光器では、分光手段であるプリズムまたは回折格子を回転させて、入射光の入射角を変化させるのに対して、第１および第２の実施形態によれば、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器により、分光手段への入射光の入射角を変化させるので、応答速度を速くすることができる。また、分光器として機械的な制御機構が不要となり、消費電流が少なく、熱制御機構を必要としないので、小型の分光器を実現することができる。
【００６４】
このように、第１および第２の実施形態は、上述の効果を有しており、非常に優れた分光器を実現することができるので非常に有用な構成である。このような有用な構成において、ビーム偏向器１２、４２の偏向角を大きくすることなく高分解能を得たり、所定の分解能を得るためのビーム偏向器１２、４２への印加電圧の低減が実現できれば、さらに有効な構成となる。
【００６５】
（第３の実施形態）
本実施形態では、分光手段（分光媒質）としてプリズムを用いた場合に、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減が実現可能な分光器について説明する。
【００６６】
図９は、第１の実施形態における分光の原理を説明するための図である。
【００６７】
図９において、符号１３１は、プリズム１３の頂角であり、符号１３２は、プリズム１３の、ビーム偏向器１２から出射された光が出射する出射面である。符号１３４ａは、ビーム偏向器１２に対して第１の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１３４ａとも呼ぶ）である。また、符号１３４ｂは、ビーム偏向器１２に対して上記第１の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１３４ｂとも呼ぶ）である。また、符号１３５ａは、ビーム偏向器１２に対して第１の電圧印加状態とは異なる第２の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１３５ａとも呼ぶ）である。さらに、符号１３５ｂは、ビーム偏向器１２に対して上記第２の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１３５ｂとも呼ぶ）である。
【００６８】
第１の実施形態では分光機能を実現するために、ビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じて、スリット板１４を通過する光の波長を変えることが重要である。この要件を実現するために、第１の実施形態では、スリット板１４を通して光検出器１５にて検出したい波長の光に応じて、ビーム偏向器１２への各電圧印加状態を制御してビーム偏向器１２から出射される光の偏向角を制御し、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射角を変えている。そして、波長分散により出射面１３２からは波長が短い光ほど屈折するので、検出したい波長帯域の長波長側を検出するために、該長波長側を検出する際の出射面１３２からの光の屈折が、短波長側を検出する際の出射面１３２からの光の屈折よりも大きくする必要がある。第１の実施形態では、上記入射角の制御を、ビーム偏向器１２から出射される光の偏向によって制御するものであり、短波長側を検出する際に、出射面１３２からの出射光の屈折が長波長側を検出する場合に比べて大きくなるようにビーム偏向器１２への電圧印加状態を制御している。すなわち、出射面１３２から出射される、検出したい波長帯域の最も長波長の光の光軸と、最も短波長の光の光軸とのなす角度である出射角の変化量θoutを変化させるような、入射光１３６のプリズム１３への入射角の偏向が実現されるように、電圧印加状態とを設定するのである。
【００６９】
なお、ビーム偏向器１２への電圧印加状態とは、ＫＴＮ結晶２１に対して電極２２、２３により電圧を印加する際の印加される電圧の大きさ（形成される電界の強さ）を指し、電圧が印加されない状態も含まれる。特に、第１の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板１４のスリットを通過するための電圧印加状態である。また、第２の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板１４のスリットを通過するための電圧印加状態である。なお、検出したい波長帯域の、最も短波長と最も長波長との間の波長の光を検出する際には、それに相当する電圧印加状態にすれば良いことは言うまでも無い。
【００７０】
また、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射光は、ビーム偏向器１２に印加される電圧状態によって偏向方向が変わるが、図９では図面の簡便化を図るために、ビーム偏向器１２への電圧状態によらず、一定の方向の光（入射光１３６）として記載している。
【００７１】
さて、上述の第１の実施形態では、一例としてビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さが２０ｍｍの形態について説明した。この場合、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射光１３６の、プリズム１３の入射面での入射位置は、第１の電圧印加状態（検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出する場合に対応）と第２の電圧印加状態（検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出する場合に対応）とにおいてほとんど変わらない。従って、第１の電圧印加状態および第２の電圧印加状態の双方においては、プリズム１３に入射し、プリズム１３中を伝搬した光は、ほとんど同じ位置１３３から出射されることになる。
【００７２】
この場合、分解能を高めるためには、プリズム１３を分散の大きなプリズムにし、ビーム偏向器１２の偏向角を大きくする必要がある。このように偏向角を大きくするためには、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要がある。
【００７３】
つまり図９において、短波長側の検出および長波長側の検出の双方においてプリズム１３からの出射位置はほとんど変化ないので、長波長側を検出する際には、出射面１３２からの出射光の屈折を大きくする必要がある。すなわち、第１の電圧印加状態において検出したい波長帯域の最も短波長の光１３４ｂがスリット板１４のスリットを通過し、第２の電圧印加状態において検出したい波長帯域の最も長波長の光１３５ａがスリット板１４のスリットを通過するように、ビーム偏向器１２から出射される入射光１３６の偏向角を大きくする必要がある。よって、第２の電圧印加状態において、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要があるのである。
【００７４】
すなわち、高分解能であるということは、プリズムなどの分光手段から出射した光において検出したい波長帯域が広角度に分散されていることに対応する。つまり、図９の出射光１３４ａの光軸方向と出射光１３４ｂの光軸方向とのなす角度を大きくすることによって高分解能化が実現される。このとき、検出したい波長帯域（出射光１３４ａと出射光１３４ｂとの間の波長帯域）の全てを検出するためには、ビーム偏向器１２の偏向角の変化を大きくし、検出したい波長帯域の全てがスリット板１４のスリットに入射するような出射角の変化を得る必要がある。よって、上述のようにビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要があるのである。
【００７５】
そこで、本実施形態では、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくしなくても高分解能を実現するために、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを相対的に離すことにより、すなわち、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さを大きくすることにより、長波長側を検出する際の出射面１３２における出射位置を、短波長側を検する際の出射面１３２における出射位置からシフトさせている。
【００７６】
図１０は、本実施形態における分光の原理を説明するための図である。
【００７７】
図１０において、符号１４０は、ビーム偏向器１２への電圧印加状態が第１の電圧印加状態の場合の、出射面１３２からの光の出射位置であり、符号１４１は、ビーム偏向器１２への電圧印加状態が第２の電圧印加状態の場合の、出射面１３２からの光の出射位置である。符号１４２は、図９の構成（ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路が２０ｍｍの場合）において、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路を長くした構成（ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長が５００ｍｍの場合）におけるプリズム１３の入射面である。符号１４３は、第１の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４２での入射位置であり、符号１４４は、第２の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４２での入射位置である。
【００７８】
符号１４５は、仮想面であって、図１０のように配置されたビーム偏向器１２から２０ｍｍ離れた位置にプリズム１３が配置された（すなわち、図９の構成）と仮定した場合の、ビーム偏向器１２から出射された光のプリズム１３の入射面である。符号１４６は、上記仮定における、第１の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４５での入射位置であり、符号１４７は、上記仮定における、第２の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４５での入射位置である。
【００７９】
図９に示したような第１の実施形態においては、ビーム偏向器１２とプリズム１３の入射面１４５とは２０ｍｍと近いので、第１の電圧印加状態における入射位置１４６と第２の電圧印加状態における入射位置１４７とはあまり離れていない。従って、プリズム１３からの出射位置は、図９に示すように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間でほとんど動かない。
【００８０】
これに対して、図１０のように、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを離すことによって、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路が長くなり、その結果、第１の電圧印加状態における入射位置１４３と第２の電圧印加状態における入射位置１４４とは離れることになる。すなわち、第２の電圧印加状態における入射面１４２での入射位置１４４は、第１の電圧印加状態における入射面１４２での入射位置１４３からシフトすることになる。
【００８１】
よって、図１０に示すように、第１の電圧印加状態のビーム偏向器１２から出射された光は入射面１４２において入射位置１４３からプリズム１３に入射し、プリズム１３中を伝搬して出射面１３２の出射位置１４０から出射される。一方、第２の電圧印加状態のビーム偏向器１２から出射された光は入射面１４２において、入射位置１４３からシフトされた位置である入射位置１４４からプリズム１３に入射する。そして、該入射された光は、プリズム１３中を伝搬して出射面１３２において、出射位置１４０からシフトした位置である出射位置１４１から出射される。このとき、出射位置１４０と出射位置１４１との間の距離は６ｍｍとなり、出射位置が十分にシフトしている。
【００８２】
このように本実施形態では、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を離す等してビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路を大きくすることによって、ビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じてプリズム１３への入射光の入射位置をシフトすることができ、その結果、プリズム１３からの出射位置をシフトすることができる。
【００８３】
本実施形態では、このように出射位置をシフトすることによって、ビーム偏向器への印加電圧を低電圧にしても高分解能が実現することができる。以下でその理由を説明する。
【００８４】
第１の実施形態では図９に示すように、プリズム１３からの出射角のみでスリット板１４への入射波長を制御していたのに対して、本実施形態では、プリズム１３からの出射角および出射位置の双方でスリット１４への入射波長を制御できる。本実施形態では、図１０に示すように、出射位置が位置１４０から位置１４１にシフトすることは出射角の変化による検出波長の変化を助長する。従って、分散媒質であるプリズムの材料が同じ場合には、図９の構成に比べて図１０の構成の方がビーム偏向器１２の偏向角は小さくて良い、つまり低電圧で良いことになる。また、図９に示すような、出射位置がほとんどシフトしない構成では、上述したように、高分解能を得たい場合には分散の大きなプリズムを使用し、出射角の変化、およびそれを決める偏向角の変化を大きくする必要がある。これに対して、図１０に示す本実施形態の構成では、出射位置のシフトがスリット板１４への入射波長の変化を増大させるので、より小さな出射角の変化、より小さな偏向角の変化で良いことになる。すなわち、より低電圧で高分解能が得られることになる。
【００８５】
すなわち、ＫＴＮ等の電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器１２と、分光手段としてのプリズム１３とを、所定の光路長以上離すようにしているので、第１の電圧印加状態から第２の電圧印加状態にした際に、プリズム１３からの出射光の出射位置のシフト量（出射位置１４０と出射位置１４１との間の距離；出射シフト量）を、プリズム１３への入射光の入射位置のシフト量（入射位置１４３と入射位置１４４との間の距離；入射シフト量）よりも大きくすることができる。従って、上記出射シフト量の増大により得られるスリット板１４への入射波長の変化の増大効果により、ビーム偏向器１２での偏向角を大きくしなくても高分解能化を実現することができる。よって、低駆動電圧による高分解能化を図ることができるのである。
【００８６】
このように、本実施形態では、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を、出射シフト量が大きくなるような長さ以上に設定することが重要となる。出射シフト量がほとんど無い場合は、上述のように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とで出射位置がほとんど変化していない。従って、分光の際には、プリズム１３の出射面においてほぼ同じ出射位置で角度を振ることによって、検出したい波長帯域の長波長と短波長とを検出することになる。よって、高分解能化を図るためには、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要がある。
【００８７】
これに対して、本実施形態では、検出したい波長帯域の短波長を検出する際の出射位置（図１０の出射位置１４０）と、検出したい波長帯域の長波長を検出する際の出射位置（図１０の出射位置１４１）とを異なるようにすること、すなわち、出射位置をシフトさせることが本質である。出射シフト量が入射シフト量よりも顕著に大きくなるようにすることにより、出射位置は大きくシフトすることになる。すなわち、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくすればするほど、プリズム１３からの出射位置は大きくシフトすることになる。このとき、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長をある一定の長さ以上にすると、上記検出したい波長帯域の短波長を検出する際の出射位置と、上記検出したい波長帯域の長波長を検出する際の出射位置とを十分に離すことができる。このような長さが上記所定の光路長である。
【００８８】
さて、上述したように、本実施形態においては、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを所定の光路長以上離すようにすることを本質としている。これに加えて、本発明は分光器に関する発明であるので、検出したい波長帯域（所望の波長帯域）内の全ての波長の光を検出できることが好ましい。そのためには、ビーム偏向器１２からの光の偏向を制御して、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光と、最も短波長の光とを検出可能にすることが重要となる。すなわち、第１の電圧印加状態においては、出射位置１４０から出射した、検出したい波長帯域の最も短波長の光である出射光１３４ｂをスリット板１４のスリットに入射可能とし、かつ第２の電圧印加状態においては、出射位置１４１から出射した、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１３５ａをスリット板１４のスリットに入射可能とすることが重要となる。
【００８９】
図１１は、本施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【００９０】
図１１において、θ１は、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための電圧がビーム偏向器１２に印加される場合（第１の電圧印加状態）において、プリズム１３の出射面１３２から出射される出射光１３４ｂの光軸方向と、出射面１３２とのなす角度（出射角θ１とも呼ぶ）である。また、θ２は、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための電圧がビーム偏向器１２に印加される場合（第２の電圧印加状態）において、プリズム１３の出射面１３２から出射される出射光１３５ａの光軸方向と、出射面１３２とのなす角度（出射角θ２とも呼ぶ）である。
【００９１】
本実施形態では、ビーム偏向器１２から出射される光の偏向角に応じて、プリズム１３の出射面１３２における出射位置が異なる（シフトされる）。よって、出射光１３５ａの出射位置１４１は、出射光１３４ｂの出射位置１４０からシフトしているので、出射角θ１と出射角θ２とが等しい場合、すなわち、出射光１３４ｂと出射光１３５ａとが平行になる場合は、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１３５ａをスリット板１４のスリットに入射することができない。よって、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出することができず、検出したい波長帯域の光を検出できなくなる。
【００９２】
そこで本実施形態では、検出したい波長帯域全域の波長の光を検出可能にすべく、検出したい波長帯域の、最も短波長の光と、最も長波長の光とを検出可能にするために、
θ１＜θ２
の条件を満たすように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との出射位置のシフトを制御する。なお、このとき、θ２は、θ１＜θ２を満たしながら極力大きいことが望ましい。
【００９３】
上記θ１およびθ２は、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長およびプリズム中の光路長の少なくとも一方と、ＫＴＮ結晶２１（ビーム偏向器１２）への印加電圧によって決まる。よって、本実施形態では、
θ１＜θ２
の条件を満たすように、ビーム偏向器１２からの出射位置から、プリズム１３の出射位置までの光路長に応じて、第１の電圧印加状態および第２の電圧印加状態を設定する。
【００９４】
なお、本実施形態では、プリズム１３からの出射位置をビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じてシフトさせることが重要であり、そのために、ビーム偏向器１２をプリズム１３から離すことによって、プリズム１３への入射位置を上記電圧印加状態に応じてシフトするようにしている。ここで、高分解能化の実現の観点からすると、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を大きくすることが本質ではなく、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路の長さを大きくすることが本質である。すなわち、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を物理的に離す形態に限らない。
【００９５】
例えば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間に少なくとも１つのミラーを配置し、該ミラーを介してビーム偏向器１２から出射された光をプリズム１３に入射するようにしても良い。また、レンズを用いた光学系を用いても良い。このような構成によれば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との物理的な距離が近くても、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長は大きくできるので、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長を長くしながら装置の小型化を実現できる。
【００９６】
また、本実施形態では、ビーム偏向器１２からの出射位置からプリズム１３の出射位置までの光路長を長くすることができれば、上述したプリズム１３の出射位置をシフトさせることができる。従って、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくする代わりに、プリズムを大きくしても、ビーム偏向器１２からの出射位置からプリズム１３の出射位置までの光路長を長くすることができる。
【００９７】
本実施形態では、θ１＜θ２という条件を満たせば、高分解能化を図るためにビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きく設定しても、検出したい波長帯域の、最も長波長の光、および最も短波長の光を検出することができ、検出したい波長帯域の全域の波長の光を検出することができる。
【００９８】
本実施形態では、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とにおいて、プリズム１３における出射位置の十分なシフトを得るために、ビーム偏向器１２からプリズムまでの光路長を長くするおよび／またはプリズム１３の大きさを大きくすることが重要であるが、ただ光路長をかせぐだけでは、ビーム偏向器１２を所定の位置に固定した場合において、検出したい波長帯域全域の光を検出器１５にて検出できない場合がある。
【００９９】
よって、本実施形態では、検出したい波長帯域の長波長側を検出する際と短波長側を検出する際とでプリズム１３における出射位置を大きく変えることが目的の１つであるが、分光器として機能させるために、検出したい波長帯域の、最も長波長の光と最も短波長の光とをスリット板１４のスリットに通すことが重要となる。すなわち、本実施形態では、分解能を大きくするために、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくしたり、プリズムを大きくしてプリズム中を通過する光の光路を大きくする場合であっても、検出したい波長帯域の最も長波長の光と最も短波長の光とを良好に検出できることが重要なのである。そのために、本実施形態では、θ１＜θ２という条件を満たすように、配置された装置構成に応じて、ビーム偏向器１２に印加する電圧を設定するのである。
【０１００】
逆に言うと、θ１＜θ２の条件を満たすように設計しさえすれば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長やプリズムの大きさによらず、検出したい波長帯域の、最も長波長の光と最も短波長の光とを良好に検出することができることになり、高分解能化を実現するために、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくしたり、プリズム１３を大きくすることができる。
【０１０１】
このように、本実施形態によれば、ビーム偏向器１２から出射された光の偏向角を大きくしなくても高分解能を実現できるので、ビーム偏向器１２に対して印加する電圧を大きくすることなく、高分解能を得ることができる。すなわち、本実施形態のビーム偏向器１２と第１の実施形態のビーム偏向器１２とに同じ電圧を印加する場合、本実施形態の方が第１の実施形態に比べて得られる分解能を高くすることができる。
【０１０２】
また、波長分解能を劣化させることなく、ビーム偏向器１２の偏向角を小さくすることができるので、本実施形態と第１の実施形態とで同じ分解能を実現する場合、本実施形態の方が第１の実施形態よりも、ビーム偏向器１２への印加電圧を小さくすることができる。
【０１０３】
よって、ビーム偏向器１２を構成する電気光学結晶（ＫＴＮ結晶２１）への印加電圧の低減が図れるので、消費電力の低下に繋がる。
【０１０４】
（実施例）
本実施例では、プリズム１３としてＢＫ７ガラスを用い、プリズムの頂角６０°とした。また、ビーム偏向器１２に用いるＫＴＮ結晶２１の長さを５ｍｍ、厚さを０．５ｍｍ、屈折率を２．２、ｓ11を１．０×１０-14ｍ2／Ｖ2とした。また、入射位置１４３から頂角１３１までの距離を１０ｍｍ、出射位置１４０からスリット板１４までの距離を１３０ｍｍとした。本実施例において、検出したい波長帯域を４００ｎｍ〜７００ｎｍとした。
【０１０５】
プリズム１３への入射位置（入射位置１４３、１４４）、およびプリズム１３からの出射位置（出射位置１４０、１４１）は、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離（光路長差）Ｌと、ビーム偏向器１２による偏向角によって決まる。
【０１０６】
図１０において、頂角１３１と入射位置１４３までの距離をＰ１とし、入射位置１４３から入射位置１４４へ入射位置をシフトさせるのに必要な偏向角をφ（第２の電圧印加状態のときの偏向角）とすると、頂角１３１から入射位置１４４までの距離Ｐ２は、
Ｐ２＝Ｐ１＋Ｌ（Ｓｉｎθ3−Ｃｏｓθ3・Ｔａｎ（θ3−φ））
式（１）
で表される。ここで、θ3は、ビーム偏向器１２から出射された光の、入射位置１４３でのプリズム１３への入射角（プリズム１３への入射光の光軸方向と入射面１４２とのなす角）である。
【０１０７】
頂角１３１から出射位置１４０までの距離をＦ１とし、βを頂角１３１とし、プリズム１３の屈折率をｎとすると、
Ｆ１＝Ｐ１Ｃｏｓβ＋Ｐ１Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎθ3））Ｓｉｎβ
式（２）
であり、同様に、頂角１３１から出射位置１４１までの距離をＦ２とすると、
Ｆ２＝Ｐ２Ｃｏｓβ＋Ｐ２Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎ（θ3−φ）））Ｓｉｎβ
式（３）
で表せる。
【０１０８】
図１２は、検出したい波長帯域を全て検出できるようにビーム偏向器で偏向させた場合に、式（１）〜（３）に示される条件において、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とのプリズム１３からの出射位置のシフト量（Ｆ２−Ｆ１）と、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離Ｌとの関係を示す図である。
【０１０９】
図１２から分かるように、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を長くすることによって、第１の電圧印加状態における出射位置１４０から第２の電圧印加状態における出射位置１４１への出射位置のシフト量は大きくなる。
【０１１０】
本実施例では、上記偏向角φはビーム偏向器１２を第２の電圧印加状態にした際の偏向角、すなわち、検出したい波長帯域の最も長波長の光を分光する場合の偏向角である。よって、低駆動電圧で動作させるために第２の電圧印加状態を低く設定する場合（例えば、Ｖα）であっても、十分な分解能を得るように出射位置のシフト量を所定の値に設定することにより、式（１）〜（３）によって、適切な距離（光路長差）Ｌを求めることができる。逆に言えば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長差を、所定の出射位置のシフト量＝Ｆ１−Ｆ２を満たすような上記適切な距離（光路長差）Ｌに設定し、第２の電圧印加状態をＶαに設定することにより、第２の電圧印加状態時のプリズム１３からの出射位置は十分にシフトすることになり、低駆動電圧での高分解能化を実現することができる。
【０１１１】
このように、「Ｆ１−Ｆ２＝所定の出射位置のシフト量」の関係を用いることによって、図１２に示すように、例えば、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離（光路長差）Ｌが０〜５００ｍｍの範囲においては、上記距離Ｌを大きくするほど、出射位置のシフト量を大きくすることができ、低駆動電圧での高分解能出力を行うことができる。また、小型化を考慮すると距離Ｌを小さくすることが好ましいが、上記関係に従って設計することにより、０〜５００ｍｍの範囲では、距離Ｌを少し大きくするだけで、出射位置のシフト量を大きくすることができる。
【０１１２】
さらに、「Ｆ１−Ｆ２＝所定の出射位置のシフト量」という関係を用いることにより、所望の分解能を実現するように求められた出射位置のシフト量を実現するための距離Ｌを求めることができる。よって、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の距離（光路長差）Ｌを上記所望の分解能を得るのに最適な距離に設定することができる。
【０１１３】
なお、図１２に示すように、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を５００ｍｍ以上では、出射位置のシフト量は約６ｍｍと大きな値となり、またほぼ一定の値となる。よって、本実施例においては、低駆動電圧による高分解能化を図るために出射位置のシフト量を大きくする観点からすると、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を５００ｍｍ以上にすることは好ましい。
【０１１４】
出射位置のシフト量はビーム偏向器からプリズムまでの光路長とビーム偏向器の偏向角によって決まる。図１３に出射位置でのシフト量に対応したビーム偏向器の偏向角を示す。この偏向角は波長４００ｎｍから波長７００ｎｍまでを検出するのに必要なビーム偏向器の偏向角である。各々の出射位置のシフト量において、ビーム偏向器とプリズムとの距離は、図１２に示す通りである。印加電圧の幅は、波長４００ｎｍを検出する際の電圧と波長７００ｎｍを検出する際の印加電圧との差である。
【０１１５】
表２で示したように、出射位置がシフトしない場合には、ビーム偏向器の偏向角は２８ｍｒａｄ、印加電圧の変化量は＋５５Ｖから−５５Ｖであり、図１３では波長４００ｎｍを検出する際の電圧と波長７００ｎｍを検出する際の印加電圧との差が１１０Ｖとなっている。一方、本実施例によれば、ビーム偏向器とプリズムとの距離（光路長）を５００ｍｍとした場合得られる出射位置のシフト量は６ｍｍであり、この際に必要なビーム偏向器の偏向角は１０ｍｒａｄである。この偏向角を得るための印加電圧の差は６４Ｖであり、印加電圧の変化は＋３２Ｖから−３２Ｖまでで良い。つまり、出射位置のシフトがほとんど無い場合（第１の基本構成）に比べて、約５８％の印加電圧で良いことになる。出射位置のシフトをさらに大きくすれば、印加電圧低減の効果はさらに顕著になる。
【０１１６】
さらに、ビーム偏向器１２への印加電圧を、動作中心点を決める直流電圧（バイアス電圧）と、スリット板１４に形成されたスリットへの入射波長を制御する交流電圧との２つに分割することにより、本実施形態の効果がより顕著になる。
【０１１７】
ＫＴＮやＫＬＴＮ等の電気光学結晶を有するビーム偏向器の偏向角は印加電圧の２乗に比例するので、印加電圧の変化量が同じ場合には高電圧の方が偏向角の変化は大きくなる。例えば、動作中心点を決める直流電圧（バイアス電圧）を２４０Ｖとした場合には、波長４００ｎｍから７００ｎｍを検出するのに必要な電圧の変化量は表３のようになる。
【０１１８】
【表３】
【０１１９】
表３から分かるように、バイアス電圧を用いた場合には、スリットへの入射波長を制御する交流電圧の振幅は第１の基本構成に比べて３８％となり、バイアス電圧を用いない場合に比べて本発明の効果がより顕著になる。
【０１２０】
（第４の実施形態）
本実施形態では、分光手段（分光媒質）として回折格子を用いた場合に、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減が実現可能な分光器について説明する。
【０１２１】
本実施形態においても、ビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることができ、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧を低減することができるようにするために、回折格子４３からの出射光の出射位置をシフトさせることが重要となり、そのために、ビーム偏向器４２と回折格子４３との間の光路長を大きくしている。このとき、検出したい波長帯域全域の波長の光を検出可能とするために、検出したい波長帯域の、最も長波長の光、および最も短波長の光を検出することが重要となる。
【０１２２】
なお、本実施形態では、分光手段として回折格子４３を用いているので、ある波長の光に対して、回折格子４３への入射位置と出射位置とは同じとなる。
【０１２３】
図１４は、本施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【０１２４】
図１４において、符号１５０は、ビーム偏向器４２への電圧印加状態が第３の電圧印加状態の場合の、回折格子４３の出射面１５４からの光の出射位置であり、符号１５１は、ビーム偏向器４２への電圧印加状態が第４の電圧印加状態の場合の、出射面１５４からの光の出射位置である。
【０１２５】
なお、本実施形態において、第３の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板４４のスリットを通過するための電圧印加状態である。また、第４の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板４４のスリットを通過するための電圧印加状態である。
【０１２６】
また、符号１５２ａは、回折格子４３に対して第３の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１５２ａとも呼ぶ）である。また、符号１５２ｂは、回折格子４３に対して上記第３の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１５２ｂとも呼ぶ）である。また、符号１５３ａは、回折格子４３に対して第４の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１５３ａとも呼ぶ）である。さらに、符号１５３ｂは、回折格子４３に対して上記第４の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１５３ｂとも呼ぶ）である。
【０１２７】
さらに、θ１’は、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための電圧が回折格子４３に印加される場合（第３の電圧印加状態）において、回折格子４３の出射面１５４から出射される出射光１５２ｂの光軸方向と、出射面１５４とのなす角度（出射角θ１’とも呼ぶ）である。また、θ２’は、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための電圧が回折格子４３に印加される場合（第４の電圧印加状態）において、回折格子４３の出射面１５４から出射される出射光１５３ａの光軸方向と、出射面１５４とのなす角度（出射角θ２’とも呼ぶ）である。
【０１２８】
本実施形態では、図１４からも分かるように、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出する際はビーム偏向器４２を第３の電圧印加状態とし、ビーム偏向器４３から出射された光を出射位置１５０に入射する。すると、該入射された光は出射位置１５０にて分光され、出射位置１５０から各周波数の光がそれぞれの波長に応じて回折し、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１５２ｂがスリット板４４のスリットに入射して光検出器４５にて検出される。
【０１２９】
一方、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するためにビーム偏向器４３を第４の電圧印加状態とすると、ビーム偏向器４２から出射された光は、回折格子４３において、出射位置１５０からシフトされた位置である出射位置１５１に入射する。よって、第４の電圧印加状態においては、第３の電圧印加状態とは異なる出射位置である１５１から分光された光が出射されることになる。このとき、検出したい波長帯域の最も短波長の光である出射光１５３ａがスリット板４４のスリットに入射して光検出器４５にて検出される。
【０１３０】
このように、回折格子４３からの出射位置をシフトさせることによって、第３の実施形態と同様に、ビーム偏向器４２から出射される光の偏向角を大きくしなくても、高分解能化を実現することができる。
【０１３１】
ただし、本実施形態においても第３の実施形態と同様に、第３の電圧印加状態における出射光１５２ｂと、第４の電圧印加状態における出射光１５３ａとが平行となると、該出射光１５３ａをスリット板４４のスリットに入射させることができない。よって、本実施形態においても、
θ１’＜θ２’
の条件を満たすように、ビーム偏向器４２からの出射位置から、回折格子４３の出射位置までの光路長に応じて、第３の電圧印加状態および第４の電圧印加状態を設定する。なお、このとき、θ２’は、θ１’＜θ２’を満たしながら極力大きいことが望ましい。
【０１３２】
このように設定することによって、高分解能化を実現するためにビーム偏向器４２から回折格子４３までの光路長を大きくする場合であっても、検出したい波長帯域の全域の波長の光を検出することができる。
【０１３３】
なお、第３の実施形態や第４の実施形態では、ビーム偏向器への電圧印加を、第１の電圧印加状態から第２の電圧印加状態へと変化させる形態、あるいは第３の電圧印加状態から第４の電圧印加状態に変化させる形態について説明したが、これに限定されない。例えば、ビーム偏向器への電圧印加を、第２の電圧印加状態から第１の電圧印加状態へと変化させても良いし、第４の電圧印加状態から第３の電圧印加状態に変化させても良い。
【０１３４】
（第５の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、高分解能測定および広帯域測定を一回の測定で同時に実現することを目的としている。
【０１３５】
分光器において高分解能化を実現する際には、プリズムといった分散媒質からより広角な波長の分散を得る必要がある。しかしながら、高分解能の観点から分散媒質でより広角に波長の分散を得るようにすると、その分、ビーム偏向器に要求される偏向角も大きくなる。また、ビーム偏向器で実現される偏向角の変化量が一定の場合に、広帯域測定を行なう場合には、上記分散媒質の屈折率分散を小さくしなければならず、分解能が低下することになる。
【０１３６】
そこで、本実施形態では、同一分光器において一回の測定で高分解能測定および広帯域測定を同時に行うために、ＫＴＮといった電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出力された光を２つの異なる方向に分波する。そして、該分波された一方の光を所望の測定帯域の全部を分光するのに用い（広帯域測定に用い）、他方の光を測定帯域の一部を高分解能で分光するのに用いる（高分解能測定に用いる）。
【０１３７】
図１５は、本実施形態に係る、高分解能測定と広帯域測定とを一回の測定にて実現可能な分光器を示す図である。
【０１３８】
図１５において、ＫＴＮ結晶２１を有するビーム偏向器１２の後段側には、入力された光を２つの異なる方向に出力する手段としての偏波ビームスプリッタ１５１が配置されている。
【０１３９】
上記ビーム偏向器１２において、電極２２、２３に電圧を印加するとＫＴＮ結晶２１中に電界傾斜が生じる。そして、電界傾斜が生じているＫＴＮ結晶２１に無偏光である入射光１５６が入射すると、該入射光１５６の垂直偏光成分と平行偏光成分とがそれぞれＫＴＮ結晶２１において偏向する。ここで、電気光学効果には偏光依存性があるため、垂直偏光成分に対する屈折率変化の傾斜と、平行偏光成分に対する屈折率変化の傾斜とは異なる。よって、ＫＴＮ結晶２１によって偏向された垂直偏光成分と平行偏光成分とでは実現される偏向角が異なる。
【０１４０】
なお、本明細書において、「平行偏光」とは、偏光方向が、光軸に垂直方向であって、電気光学結晶に配置された電極間に生じる電界の方向と一致する方向の偏光である。図１５で言うと、偏光方向が紙面内、かつ光軸に垂直である偏光である。
【０１４１】
また、本明細書において、「垂直偏光」とは、偏光方向が、光軸に垂直方向であって、電気光学結晶に配置された電極間に生じる電界の方向と直交する方向の偏光である。図１５で言うと、偏光方向が紙面垂直方向である偏光である。
【０１４２】
なお、上述のように、電圧を印加するとビーム偏向器１２からは平行偏光成分と垂直偏光成分とが出力されるが、図１５では図面の簡便化を図るために、上記平行偏光成分と垂直偏光成分とを含めて光１５７として記載している。
【０１４３】
偏波ビームスプリッタ１５１は、ビーム偏向器１２から出射された光１５７が入射されると、上記平行偏光成分と垂直偏光成分とを分離して、それぞれを異なる方向に出力する。すなわち、偏波ビームスプリッタ１５１は、入射された光１５７のうち平行偏光成分を透過させて平行偏光である光１５８ａとして出力する。一方、偏波ビームスプリッタ１５１は、入射された光１５７のうち垂直偏光成分を反射させて垂直偏光である光１５８ｂとして出力する。偏波ビームスプリッタ１５１の、光１５８ａの出力側には低屈折率分散（波長による屈折率の小さい）のプリズム１５２が配置されている。また、偏波ビームスプリッタ１５１の、光１５８ｂの出力側には、プリズム１５２の屈折率分散よりも大きい高屈折率分散（波長による屈折率の大きい）のプリズム１５３が配置されている。
【０１４４】
さらに、プリズム１５２、１５３のそれぞれの後段には、波長選択手段としての、スリット板１５４、１５５が配置されている。
【０１４５】
このような構成において測定を行う場合は、ビーム偏向器１２に、平行偏光および垂直偏光以外の任意の偏光成分を有する入射光１５６を入射する。このときビーム偏向器１２に電圧が印加されていると、ビーム偏向器１２からは所定の角度で偏向された、平行偏光成分および垂直偏光成分が出力される。該平行偏光成分および垂直偏光成分を含む光１５７が偏波ビームスプリッタ１５１に入射すると、該偏波ビームスプリッタ１５１は入射された光１５７を偏波成分毎に分離して２つの異なる方向に分波する。すなわち、平行偏光成分は偏波ビームスプリッタ１５１を透過して光１５８ａとしてプリズム１５２に入射し、垂直偏光成分は偏波ビームスプリッタ１５１にて反射して光１５８ｂとしてプリズム１５３に入射する。
【０１４６】
光１５８ａはプリズム１５２にて分光され、スリット板１５４の後段に配置された光検出器（不図示）によって検出したい波長帯域（所望の波長帯域）の全域を測定する。
【０１４７】
ここで、例えば、検出した波長帯域を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。そして、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板１５４を通過するための、ビーム偏向器１２への電圧状態を第５の電圧印加状態とする。また、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板１５５を通過するための、ビーム偏向器１２への電圧状態を第６の電圧印加状態とする。
【０１４８】
測定の際には、所望に応じて第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させることによって、検出したい波長帯域の全域の測定を行うことができる。
【０１４９】
なお、検出したい波長帯域に応じて、ビーム偏向器１２、偏波ビームスプリッタ１５１、プリズム１５２、およびスリット板１５４の位置、プリズム１５２の材質、第５および第６の電圧印加状態等を設定すれば良い。
【０１５０】
一方、光１５８ｂはプリズム１５３にて分光され、スリット板１５５の後段に配置された光検出器（不図示）によって検出したい波長帯域（所望の波長帯域）の一部のみを高分解能で測定する。
【０１５１】
ここで、例えば、高分解能で検出したい波長帯域を６００ｎｍ〜６５０ｎｍとする。
【０１５２】
本実施形態では、プリズム１５３の屈折率分散は、検出したい波長帯域の全域を検出するためのプリズム１５２の屈折率分散よりも大きい。従って、プリズム１５３の方がプリズム１５２よりも大きく光を屈折させる。よって、例えば、５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長帯域に着目すると、ある電圧状態時において、プリズム１５３から出射される、波長５００ｎｍの光の光軸方向と波長７５０ｎｍの光の光軸方向とのなす角度は、プリズム１５２から出射される、波長５００ｎｍの光の光軸方向と波長７５０ｎｍの光の光軸方向とのなす角度よりも大きくなる。よって、ビーム偏向器１２への電圧状態を第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変えた場合の、プリズム１５３からの出射光におけるスリット板１５５を通過する光の波長の変化量は、プリズム１５２からの出射光におけるスリット板１５４を通過する光の変化量よりも小さくなる。
【０１５３】
従って、ビーム偏向器１２での偏向角の変化量が一定の場合（印加電圧の変化量が一定の場合）でも、プリズム１５３では、プリズム１５２よりも高分解能で測定を行うことができる。すなわち、本実施形態では、プリズム１５３側では、第５の電圧印加状態において波長６００ｎｍの光の検出を行うことができ、第６の電圧印加状態において波長６５０ｎｍの光の検出を行うことができる。
【０１５４】
なお、高分解能で検出したい波長帯域に応じて、ビーム偏向器１２、偏波ビームスプリッタ１５１、プリズム１５３、およびスリット板１５５の位置、プリズム１５３の材質、第５および第６の電圧印加状態等を設定すれば良い。
【０１５５】
また、本実施形態は、検出したい波長帯域の全域の測定、および該検出したい波長帯域の一部の測定を同一の装置で一回の測定で行うことが可能な構成である。すなわち、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させたときに、プリズム１５２側において検出したい波長帯域の全域の測定を行い、プリズム１５３側においてその一部の測定を行うものである。
【０１５６】
上記高分解能測定を行うためのプリズム１５３においては、高分解能に検出する波長帯域を可変とすることが有効である。よって、本実施形態では、高分解能に検出する波長帯域を可変とするために、スリット板１５５に可動部を設け、所望に応じてスリット板１５５を可動させることが好ましい。
【０１５７】
すなわち、スリット板１５５を固定する場合は、高分解能に検出する波長帯域（例えば、６００ｎｍ〜６５０ｎｍ）を固定にすることができる。
【０１５８】
一方、スリット板１５５を移動させることで、高分解能に検出する波長帯域を可変にすることができる。このようにスリット板１５５を所望に応じて駆動させたい場合は、例えば、スリット板１５５をレール等の上に配置し、手動により移動させるようにすれば良い。また、スリット板１５５を、例えばアクチュエータ等の動力制御部に設けることによりスリット板１５５の移動を自動に行うことができる。
【０１５９】
本実施形態では、スリット板１５５をある位置に固定した場合、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させた時に、スリット板１５５に入射される光の波長範囲が、高分解能で検出したい波長帯域となる。よって、スリット板１５５の位置に応じて、上記光の波長範囲が変化する。従って、本実施形態では、スリット板１５５を可動とすることにより、スリット板１５５に入射する光の波長範囲を可変とすることができる。すなわち、高分解能で検出したい波長帯域に応じて、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させた際に、上記高分解能で検出したい波長帯域の光がスリット板１５５に入射するようにスリット板１５５の位置を決定することにより、高分解能で検出する波長帯域を可変とすることができる。
【０１６０】
このように、本実施形態では、検出したい波長帯域の全域を検出するために相対的に低い屈折率分散を有するプリズム１５２を用い、検出したい波長帯域の一部を検出するために相対的に高い屈折率分散を有するプリズム１５３を用いている。そして、測定光である光１５６をビーム偏向器１２により偏向して２つに分波し、該分波されたそれぞれの光を低屈折率分散のプリズム１５２および高屈折率分散のプリズム１５３に入射して分光を行う。従って、プリズム１５２側において検出したい波長帯域の全域の測定を行うことができ、これと同時にプリズム１５３側において高分解能測定を行うことができる。
【０１６１】
また、上述のように、ビーム偏向器１２によって偏向された光を、検出したい波長帯域の全域の測定用の光、および高分解能測定用の光に分波しているので、ビーム偏向器１２に対する電圧制御のみにより、検出したい波長帯域の全域の測定、および高分解能測定の双方の制御を行うことができる。
【０１６２】
なお、本実施形態において、検出したい波長帯域の全域測定用の偏光成分および高分解能測定用の偏光成分は、平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれを用いても良いが、平行偏光成分の方が、同じ測定帯域なら高分解能測定が可能になり、同じ分解能なら広帯域測定が可能となる。
【０１６３】
本実施形態では、上述のように、ビーム偏向器１２から偏向された光をプリズム１５２およびプリズム１５３に入射するために、２つに分波することが重要となり、偏波ビームスプリッタ１５１を用いることは本質ではない。本実施形態では、偏波ビームスプリッタ１５１に代わりに、例えば、ハーフミラー等の、入射光を２つの異なる方向に分波して出力可能な手段であればいずれの手段を用いても良い。
【０１６４】
ハーフミラーを用いる場合は、良好な測定を行うために、プリズム１５２および１５３には平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方（好ましくは、平行偏光成分）を入射するのが好ましい。
【０１６５】
例えば、ＫＴＮ結晶２１の２次の電気光学定数ｓ１１とｓ１２とが逆符号である場合、垂直偏光成分と平行偏光成分とは反対方向に偏向する。従って、各プリズムにおいて、平行偏光成分を用いて測定を行う場合には、垂直偏光成分の光もプリズムに入射することになり、ビーム偏向器１２への電圧の極性が変わると、垂直偏光成分の光が測定に影響する場合がある。従って、ハーフミラーを用いる場合は、平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方を用いることが望ましいのである。
【０１６６】
よって、分波手段としてハーフミラーを用いる場合は、ビーム偏向器１２の前段に偏光子を設け、該偏光子によりビーム偏向器１２に平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方を入射するようにすれば良い。
【０１６７】
また、本実施形態では、上述のように、同一の装置内で一回の測定により、検出したい波長帯域の全部、および検出したい波長帯域の一部（高分解能測定）を行うことが重要である。すなわち、測定光としての入射光１５６を分波し、分波された一方の光をプリズム１５２に入射して検出したい波長帯域の全部の測定を行い、他方の光をプリズム１５３に入射して高分解能測定を行うことが本質である。
【０１６８】
よって、本実施形態では、図１６に示すように、ビーム偏向器１２の前段において、入射光１５６を２つに分波するようにしても良い。図１６において、符号１６１はλ／２波長板であり、符号１６２はミラーである。
【０１６９】
本実施形態では、平行偏光成分を用いることが好ましいので、偏波ビームスプリッタ１５１から分波された垂直偏光成分をλ／２波長板にて偏光方向を変えることが好ましい。すなわち、偏波ビームスプリッタ１５１の後段の垂直偏光成分が出力される側にλ／２波長板１６１を設けることにより、プリズム１５２、１５３の双方に平行偏光成分を入射することができる。
【０１７０】
なお、λ／２波長板１６１は設けなくても良いことは言うまでもない。
【０１７１】
図１６では、ビーム偏向器の偏向制御を１箇所で行うために、１つのビーム偏向器１２の異なる領域に、プリズム１５２に入射するための光とプリズム１５３に入射するための光とを入射する必要がある。従って、λ／２波長板１６１の後段にミラー１６２を設け、λ／２波長板１６１から出射された光の方向を変えている。
【０１７２】
また、本実施形態では、図１７に示すように、偏波ビームスプリッタ１５１から分波された光の光路のそれぞれにビーム偏向器１２を設けるようにしても良い。
【０１７３】
（第６の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、分光器の高感度化を実現することを目的としている。
【０１７４】
高感度な分光器を実現するためには、ＫＴＮといった電気光学結晶を備えるビーム偏向器に入射される光量をなるべく大きくすることが望ましく、ビーム偏向器の入射面の開口を大きくする必要がある。このように開口を大きくすることは、特に小さい径への集光、コリメートが困難なインコヒーレント光の分光では重要となる。
【０１７５】
開口を大きくする場合、ＫＴＮといった２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を利用し、電極間に屈折率の傾斜を発生させ光ビームを偏向させるビーム偏向器では、電極間の距離（結晶の厚さ）がａ倍になると、同じ偏向角を得るのにａ√ａ倍の電圧が必要になる。
【０１７６】
そこで、本実施形態では、ある偏向角を得るのに必要な電圧の増大を招かないようにしながら、ビーム偏向器の入射面の開口を大きくするために、ＫＴＮ等の電気光学結晶の厚さ（電極間の距離）を、上記ある偏向角を実現するのに必要な厚さから変化させず、電気光学結晶の幅が電気光学結晶の厚さよりも大きい電気光学結晶を利用する。さらに、断面が楕円形状の入射光をビーム偏向器に入射するようにする。
【０１７７】
なお、本明細書において、「（電気光学結晶の）厚さ」とは、電極が形成される、対向する２つの面の一方から他方に向った電気光学結晶の長さを指す。また、本明細書において、「（電気光学結晶の）幅」とは、電気光学結晶の厚さ方向および電気光学結晶中を進行する光の方向と垂直な方向に沿った電気光学結晶の長さである。
【０１７８】
図１８は、本実施形態に係るビーム偏向器の斜視図である。
【０１７９】
図１８において、ＫＴＮ結晶２１の厚さよりも幅が広くなっている。従って、電極２２と２３との間の距離を変えずに、ビーム偏向器１２の入射面１８１における開口を大きくすることができる。よって、開口を大きくしても、必要とされる電圧の増大を防ぐことができる。
【０１８０】
また、本実施形態では、入射面１８１に対して、断面が楕円形状の入射光１８２を入射している。従って、入射光１８２の断面形状である楕円の短軸と同じ長さの半径を有する円形状が断面の光を入射する場合に比べて、入射光１８２の断面形状である楕円の長軸の増大分に応じて入射光量を大きくすることができる。従って、必要な電圧の増大を招くことなく、分光器の高感度化を実現することができる。
【０１８１】
なお、本実施形態では、シリンドリカルレンズやスリット等に測定光を入射することにより、断面が楕円形状の入射光１８２を得ることができる。このような、入射面１８２に断面が楕円形状の光を入射するための手段としては、シリンドリカルレンズ、スリットに限らず、入射された光を断面が楕円形状となる光として出力可能なものであればいずれを用いても良い。
【０１８２】
開口を大きくする際に、従来のように、厚さ方向を大きくするという着眼点に立つと、ＫＴＮ結晶２１の厚さの増大により開口は大きくなるが、電極２２と２３との間の距離が大きくなることになるので、上述のように同じ偏向角を得るのに必要な電圧も大きくなってしまう。
【０１８３】
そこで、本実施形態では、必要な電圧の増大を起こさないようにして開口を大きくするために、電圧に影響がでる厚さを制御するのではなく、必要な電圧に影響しない幅方向を制御するようにしている。すなわち、ある偏向角を実現するのに必要な電圧を確保したまま、すなわち、上記必要な電圧に対応する厚さを確保したまま、ＫＴＮ結晶２１の幅を厚さよりも大きくすることにより、開口の増大を図っている。
【０１８４】
そして、ＫＴＮ結晶２１の幅を厚さよりも大きくした分、開口が大きくなるので、入射光１８２がインコヒーレント光であっても、ビーム偏向器１２に良好に入射することができる。しかしながら、従来のように、断面が円形状の入射光では、開口が大きくなり入射光とビーム偏向器１２とが良好にマッチングしても、入射光量の観点からすると入射光の断面の円形の半径が律速になる。よって、ＫＴＮ結晶２１の幅を広くして開口を大きくしても、ＫＴＮ結晶２１の厚さが大きくなるわけではなく、結局、入射光量の増大は見込めない。
【０１８５】
しかしながら、本実施形態では、入射光１８２の断面を楕円形状にしているので、ＫＴＮ結晶２１の幅を広くした分、入射光１８２の断面である楕円の長軸を大きくすることができる。従って、ビーム偏向器１２への入射光量を大きくすることができ、その分高感度化を図ることができる。
【０１８６】
このように、本実施形態では、インコヒーレント光であってもビーム偏向器に良好に結合するように、ビーム偏向器の入射面での開口を大きくすることが重要となる。このとき、電気光学結晶の厚さをａ倍して開口の増大を行うと、同じ偏向角を得るのに必要な電圧がａ√ａ倍となってしまい、電圧増を招いてしまう。そこで、本実施形態では、必要な電圧の増大を防ぎつつ、開口を大きくするために、用いる電気光学結晶の幅を厚さよりも大きくしている。
【０１８７】
また、電気光学結晶の幅を厚さよりも広くすることにより実現された、必要な電圧の増大を招かない、大きな開口が実現されたビーム偏向器の入射面において、入射光の断面を楕円形状とし、該楕円の長軸が電気光学結晶の幅と平行となるように上記入射光を入射することにより、ビーム偏向器への入射光量を大きくすることができ、高感度な分光器を実現することができる。
【０１８８】
（第７の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、簡便で高分解能な分光器を実現することを目的としている。
【０１８９】
本実施形態では、簡便な構成で応答速度が速い分光器を実現するために、ビーム偏向器１２の入射端および出射端の少なくとも一方をウェッジ加工し、該少なくとも一方をくさび型の面にしている。この加工により、第１〜第６の実施形態における、ビーム偏向器とプリズムといった分光手段とを１つの装置で実現することができる。
【０１９０】
図１９は、本実施形態に係る分光器を示す図である。
【０１９１】
図１９において、分光器１９０は、ＫＴＮ結晶１９１を備えている。該ＫＴＮ結晶１９１の第１の面には、電極１９２が形成されており、該第１の面に対向する第２の面には、電極１９３が形成されている。符号１９４は分光器１９０の入射端であり、符号１９５は分光器１９０の出射端である。
【０１９２】
分光器１９０（ＫＴＮ結晶１９１）の出射端１９５において、電圧印加により光ビームの偏向する面内に角度をなすようにくさび型に加工することにより、くさび型の出射端１９６が形成されている。すなわち、出射端１９５において、電極１９３が形成された第２の面から電極１９２が形成された第１の面に向って斜面が形成されるように徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の出射端１９６を形成する。
【０１９３】
上記ウェッジ加工は、図５に示すようなビーム偏向器１２を作製し、出射端を切断、または研磨することによって行うことができる。
【０１９４】
このようにくさび型の出射端１９６を形成することにより、電極１９２、１９３への印加電圧状態に応じて、くさび型の出射端１９６からの出射光を振ることができる。
【０１９５】
本実施形態では、出射端１９５において、光ビームの偏向する面と垂直な方向に角度をなすようなくさび型の出射端（図１９では、紙面手前（紙面奥）から紙面奥（紙面手前）に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の出射端）を形成しても、ビーム偏向の方向と、くさび型の斜面による分散の方向とが一致していない。従って、分光器として機能しない。これに対して、図１９のように、ＫＴＮ結晶１９１の厚さが変化する方向と電界の印加方向とが一致するようにすることで、くさび型の出射端１９６における分散の方向と、ビーム偏向の方向とが一致するので、分光器として良好に機能させることができる。
【０１９６】
さて、ＫＴＮといった電気光学結晶の出射端がくさび型になっていると、電気光学結晶内を伝搬した光の該出射端（くさび型の出射端）における界面への入射が斜入射になる。ＫＴＮといった電気光学結晶は、屈折率の波長分散（通常、短波長ほど屈折率が高い）を有するので、上記斜入射にあると、各波長毎の出射角が変化する。これによって、ビーム偏向器のみで分光まで行うことができるのである。
【０１９７】
このように、本実施形態では、出射端をくさび型の出射端１９６にすることにより、出射端１９６からは、各波長毎に分散された光を出射することができる。そして、徐々に厚さが薄くなる方向が、電極１９２と１９３との間に形成される電界の方向になるように、くさび型の出射端１９６を形成するので、分散された光が広がる方向（分散の方向）と、ビーム偏向の方向とを一致させることができ、分光器の機能を実現することができる。
【０１９８】
なお、ＫＴＮ結晶１９１の出射端での分光のみでは分解能が不十分のときは、分光器１９０の後段にプリズムや回折格子等の分散媒質を配置しても良い。
【０１９９】
また、本実施形態では、くさび型の加工を施すのは、出射端に限らず、入射端（図２０Ａ）、入射端および出射端の双方（図２０Ｂ、２０Ｃ）であっても良い。
【０２００】
図２１、２２にて、本実施形態のように、分光器１９０の出射端をくさび型に加工した効果を説明する。
【０２０１】
図２１および２２は、ＫＴＮ結晶１９１中を通過する光の出射端１９５への入射角と、結晶外部への出射角の変化量である分散角の関係を表している。KTN結晶１９１の波長７００ｎｍの屈折率を２．２５とし、波長４００ｎｍの屈折率が０．１もしくは０．２高いとして、波長７００ｎｍと４００ｎｍの出射角の差を分散角として示している。ＫＴＮ結晶１９１内部での偏向角は波長に関係なく、−５０ｍｒａｄから５０ｍｒａｄまでである。
【０２０２】
図２１は出射端１９５がくさび型に加工されていない場合である。この場合、図２１に示すように、ＫＴＮ結晶１９５内部での偏向角が大きくなるにつれて、出射端１９５への斜入射となり結晶外部での分散角も大きくなるが、せいぜい１ｍｒａｄ程度である。
【０２０３】
一方、図２２はＫＴＮ結晶１９１内部で偏向しない場合に２０度(３４９ｍｒａｄ)の入射角を有するように出射端１９５をくさび型に加工した場合の、ＫＴＮ結晶１９１のくさび型の出射端１９６への入射角と分散角の関係を表している。屈折率差が０．１の場合、分散角は最大で８ｍｒａｄとなり、屈折率差が０．２の場合、分散角は最大で１９ｍｒａｄ得られることになる。このように、ＫＴＮ結晶１９１の出射端への入射角が大きいほど分散角は大きくなり、くさび型形状の効果が顕著に得られる。
【０２０４】
また、ＫＴＮ結晶１９１の出射端１９５がくさび型に加工されていない場合、図２１に示すように、分散角が０になる場合がある。これに対して、本実施形態のようにＫＴＮ結晶１９１の出射端１９５をくさび型の出射端１９６のようにすると、図２２に示すように、常に分散が生じる状態となる。
【０２０５】
よって、本実施形態のように、ＫＴＮ結晶の入射端および出射端の少なくとも一方をくさび型に加工することにより、分光器として機能させることができるので、簡便な構成の分光器を実現することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器に関し、より詳細には、任意の波長の光信号を選択するための分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器は、物質の吸収スペクトル、蛍光スペクトルなどの分光特性を測定する装置に用いられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、従来のプリズムを用いた分光器を示す。分光器１００は、分光手段としてのプリズム１０１と、波長選択手段としてのスリット板１０２と、光検出器１０３とを備えている。
【０００４】
図２に、従来の回折格子を用いた分光器を示す。分光器２００は、分光手段としての回折格子２０１と、波長選択手段としてのスリット板２０２と、光検出器２０３とを備えている。
【０００５】
図１，２において、分光手段として、プリズム１０１、回折格子２０１といった波長分散素子を用いて、入射光を波長ごとに異なる方向に、空間的に分散させる。分散された光の一部分のみを、波長選択手段により取り出すことによって、特定の波長の光を得ることができる。このとき、プリズム１０１および回折格子２０１を、機械的に回転させることにより、取り出す波長を任意に選択することができる。
【０００６】
一方、光通信の分野における信号処理のうち、波長選択に分光器が用いられている。図３に、従来のアレイ導波路格子を用いた分光器を示す。アレイ導波路格子３０１は、入力導波路３０２に接続された入力スラブ導波路３０３と、出力導波路３０７に接続された出力スラブ導波路３０６と、入力スラブ導波路３０３と出力スラブ導波路３０６との間を接続するアレイ導波路３０４とを備えている。アレイ導波路３０４は、隣合う導波路間で一定の光路長差が設定され、個々の導波路ごとに、ヒータ３０５ａ、３０５ｂが設けられている。
【０００７】
入力導波路３０２に入力された光信号は、入力スラブ導波路３０３を経由してアレイ導波路３０４に分配される。出力スラブ導波路３０６への入射面では、光信号に、その波長に応じた異なる位相がそれぞれ付与される。出力スラブ導波路３０６は、集光レンズとして動作し、出力スラブ導波路３０６と出力導波路３０７との境界において、光信号は、波長ごとに異なる位置に集光する。従って、出力スラブ導波路３０６と出力導波路３０７との境界に集光した特定の波長の光信号のみが、出力導波路３０７から出力される。
【０００８】
ここで、アレイ導波路３０４上に配置されたヒータ３０５ａまたは３０５ｂに電流を流すことにより、熱光学効果を利用して、アレイ導波路３０４の等価屈折率を変化させることができる。等価屈折率の変化により、アレイ導波路３０４を通過する光信号の位相が変化する。従って、この位相の変化量を制御することにより、任意の波長の光信号のみを、出力導波路３０７から出力させることができる。
【０００９】
【非特許文献１】櫛田孝司著、「光物理学」、共立出版株式会社、1993年4月15日初版第8刷発行、p.128-135
【発明の開示】
【００１０】
しかしながら、図１および２に示した従来の分光器では、分光手段としてのプリズムや回折格子を機械的に回転させるためのモータ、およびモータを駆動するための駆動回路など機械的な制御機構を備える必要があり、分光器の構成が大型になるという問題があった。また、機械的な動作のために、波長を可変する際の時間応答は低速であり、数ｍｓを要するという問題もあった。
【００１１】
図３に示した従来の分光器では、熱光学効果を発生させるために、ヒータに通電するための消費電力が大きい。このため、電力の供給と、発熱に対する対策のために熱制御機構を必要とするので、装置の小型化が図れないという問題があった。また、熱光学効果を用いるため、波長を可変する際の時間応答は２〜６０ｍｓと遅いという欠点を有していた。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、応答速度が速く、小型の分光器を提供することにある。
【００１３】
本発明の第１の実施態様は、分光器であって、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
上記第１の実施態様によれば、電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器と、分光手段と、波長選択手段とを備えたので、応答速度が速く、小型化を図ることが可能となる。
【００１５】
また、第２の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、分光器の高感度化を実現することを目的として、ビーム偏向器の開口を大きくする。すなわち、第２の実施態様は、第１の実施態様において、上記ビーム偏向器の幅は、該ビーム偏向器の厚さよりも大きいことを特徴とする。また、第２の実施態様に係る分光器は、上記ビーム偏向器に、断面が楕円形状の光を入射するための手段をさらに備えても良い。このとき、断面が楕円形状の光は、該楕円の長軸方向と前記幅の方向とが一致するように前記ビーム偏向器に入射される。
【００１６】
また、第３の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、高分解能測定および広帯域測定を一回の測定で同時に実現することを目的としており、分光手段として、低屈折率分散を有するプリズムと、高屈折率分散を有するプリズムとを用いている。すなわち、第３の実施態様は、第１の実施態様において、上記分光手段は、第１のプリズムと、該第１のプリズムよりも屈折率分散が大きい第２のプリズムであり、第３の実施態様に係る分光器は、入力された光を２つの異なる方向に出力する出力手段をさらに備えており、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入射されることを特徴とする。
【００１７】
第３の実施態様では、上記出力手段は、前記ビーム偏向器と前記第１および第２のプリズムとの間に配置されていても良く、また上記出力手段は、上記ビーム偏向器から出射された光を上記２つの異なる方向に出力するようにしても良い。
【００１８】
また、第３の実施態様では、上記出力手段は、前記ビーム偏向器の前段に配置されていても良く、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、上記ビーム偏向器の異なる領域に入射して、上記第１および第２のプリズムに入射するようにしても良い。
【００１９】
また、第３の実施態様では、上記ビーム偏向器は、第１のビーム偏向器と第２のビーム偏向器を含んでも良く、上記出力手段は、上記第１および第２のビーム偏向器の前段に配置され、上記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、上記第１のビーム偏向器および第２のビーム偏向器に入射して、上記第１および第２のプリズムに入射するようにしても良い。
【００２０】
さらに、第３の実施態様では、上記波長選択手段は、上記第１のプリズムの後段に配置された第１の波長選択手段と、上記第２のプリズムの後段に配置された第２の波長選択手段とを含んでも良く、上記第２の波長選択手段は移動可能であっても良い。
【００２１】
また、第４の実施態様は、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、簡便で高分解能な分光器を実現することを目的としており、分光手段に含まれる電気光学結晶の入射端および出射端の少なくとも一方をウェッジ加工している。すなわち、第４の実施態様は、分光器であって、電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含む分光手段であって、入射端および出射端の少なくとも一方は、上記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、上記電極対の第２の電極が配置され、上記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面である分光手段と、該分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
また、第５の実施態様は、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減を可能にすることを目的としている。該目的を達成するために、ビーム偏向器と、プリズムや回折格子といった分光手段との間の光路長差を大きくしている。
【００２３】
すなわち、第５の実施態様は、第１の実施態様において、上記電極対に第１の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記分光手段に入射する位置を第１の入射位置とし、上記電極対に第２の電圧を印加する際の、上記前記ビーム偏向器からの出射光が上記分光手段に入射する位置を第２の入射位置とし、上記電極対に第１の電圧を印加する際の、上記分光手段から光が出射する位置を第１の出射位置とし、上記電極対に第２の電圧を印加する際の、上記分光手段から光が出射する位置を第２の出射位置とし、上記電極対に印加する電圧を第１の電圧から第２の電圧に変化した際の、上記第１の入射位置から第２の入射位置への入射シフト量より、上記第１の出射位置から第２の出射位置への出射シフト量が大きいことを特徴とする。
【００２４】
また、第５の実施態様では、上記電極対に第３の電圧を印加することにより、上記ビーム偏向器からの出射光に含まれる、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための第１の電界を印加する場合に上記分光手段の出射面から出射される、上記検出したい波長帯域の最も短波長の光の光軸方向と、上記出射面とのなす角度を第１の角度とし、上記電極対に第４の電圧を印加することにより、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための第２の電界を印加する場合に上記分光手段の出射面から出射される、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光の光軸方向と、上記出射面とのなす角度を第２の角度とし、上記第２の角度が上記第１の角度よりも大きくなるように上記第１の電圧および上記第２の電圧が設定されるようにしても良い。
【００２５】
また、第５の実施態様において、分光手段は、プリズムであっても良い。このとき、上記電極対に、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための第３の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記プリズムに入射する位置を第３の入射位置とし、上記電極対に、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための第４の電圧を印加する際の、上記ビーム偏向器からの出射光が上記プリズムに入射する位置を第４の入射位置とし、上記電極対に第３の電圧を印加する際の、上記プリズムから光が出射する位置を第３の出射位置とし、上記電極対に第４の電圧を印加する際の、上記プリズムから光が出射する位置を第４の出射位置とし、上記第３の電圧を印加した際の、上記ビーム偏向器からの出射光の光軸と、上記プリズムの入射面とのなす角をθとし、上記第４の電圧を印加した際の上記ビーム偏向器からの出射光の偏向角をφとし、上記プリズムの屈折率をｎとし、上記プリズムの頂角をβとし、上記頂角から上記第３の入射位置までの距離をＰ１とし、上記頂角から上記第４の入射位置までの距離をＰ２とし、上記頂角から上記第３の出射位置までの距離をＦ１とし、上記頂角から上記第４の出射位置までの距離をＦ２とし、上記ビーム偏向器と上記プリズムとの間の光路長差をＬとすると、Ｐ２＝Ｐ１＋Ｌ（Ｓｉｎθ−Ｃｏｓθ・Ｔａｎ（θ−φ））であり、Ｆ１＝Ｐ１Ｃｏｓβ＋Ｐ１Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎθ））Ｓｉｎβであり、Ｆ２＝Ｐ２Ｃｏｓβ＋Ｐ２Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎ（θ−φ）））Ｓｉｎβであり、Ｆ２とＦ１との差（Ｆ２−Ｆ１）が所定の値となるように上記ビーム偏向器と上記プリズムとの間の光路長差Ｌが設定されていても良い。
【００２６】
さらに、第１の実施態様に係る分光器は、上記電界に平行な偏光軸方向の成分のみの入射光を、上記ビーム偏向器に入射するための偏光板をさらに備えていても良い。
【００２７】
また、第１の実施態様において、上記分光手段は、プリズムであっても良い。
【００２８】
また、第１の実施態様において、ビーム偏向器の入射端および出射端の少なくとも一方は、上記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、上記電極対の第２の電極が配置され、上記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であっても良い。
【００２９】
また、第１の実施態様において、上記分光手段は、回折格子であっても良い。
【００３０】
また、第１の実施態様において、上記波長選択手段は、スリット板であっても良い。
【００３１】
また、第１の実施態様において、上記電気光学結晶は、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯのいずれか１つであっても良い。
【００３２】
本発明によれば、電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器と、分光手段と、波長選択手段とを備えたので、応答速度が速く、小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、従来のプリズムを用いた分光器を示す図である。
【図２】図２は、従来の回折格子を用いた分光器を示す図である。
【図３】図３は、従来のアレイ導波路格子を用いた分光器を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にかかるビーム偏向器の原理を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態にかかる電気光学結晶への印加電圧と偏向角との関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態にかかるプリズムによる分光の原理を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態にかかる分光の原理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態にかかる分光の原理を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例にかかる、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間のプリズムからの出射位置のシフト量と、ビーム偏向器からプリズムまでの距離との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施例にかかる、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間のプリズムからの出射位置のシフト量と、ビーム偏向器の偏向角およびビーム偏向器への印加電圧との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態にかかる分光器を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係るビーム偏向器の斜視図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、本発明の一実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に係る、出射端をくさびにした際の効果を説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る、出射端をくさびにした際の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３５】
（第１の実施形態）
本発明では、従来に比べて応答速度が速く、さらに小型化を図ることが可能な分光器を実現することを目的としている。このような目的を達成するために、本発明の一実施形態では、電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた、入射された光を偏向して出射可能なビーム偏向器を、分光手段としてのプリズムや回折格子の、分光の際の光の進行方向の上流側に配置している。図４は、このような形態を有する分光器の構成を示す図である。
【００３６】
図４において、分光器１０は、入射光の偏光を制御する偏光板１１と、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器１２と、分光手段としてのプリズム１３と、波長選択手段としてのスリット板１４と、光検出器１５とを備えている。
【００３７】
電気光学定数の大きな結晶として、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、以下、ＫＴＮという）、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯの電気光学結晶が挙げられる。
【００３８】
図５を参照して、本発明の一実施形態にかかるビーム偏向器における偏向の原理を説明する。
【００３９】
例えば、ビーム偏向器１２は、組成ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（ｘ＝約０．４０）からなるＫＴＮ結晶２１を備え、上面と下面とにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの電極２２、２３が蒸着されている。本明細書においてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕは、最下層のＴｉ上にＰｔ、Ａｕがこの順で積層されていることを表す。ＫＴＮ結晶２１のサイズは、長さ（ｚ軸方向）６ｍｍ、幅（ｙ軸方向）４ｍｍ、厚さ（ｘ軸方向）０．５ｍｍである。上面と下面とに蒸着した電極２２、２３のｚ軸方向の長さは５ｍｍである。ここでは、上面に正の電極２２、下面に負の電極２３を設けているが、この逆であってもよいし、正負を切替えることのできる電源を接続してもよい。
【００４０】
例えば、入射光は、偏光板１１により、電界に平行な偏光軸方向（ｘ軸方向）の成分のみとなってＫＴＮ結晶２１に入射される。なお、図４では偏光板１１の透過容易軸を電極２２、２３によって形成される電界に平行な方向（ｘ軸方向）としているが、この方向に限定されない。例えば、偏光板１１の透過容易軸を、上記電界に平行な方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に設定しても良いし、上記電界に平行な方向と任意の角度の方向に設定しても良い。あるいは、偏光板１１を設けなくても良い。すなわち、本発明の一実施形態で重要なことは、後述するように、ビーム偏向器１２からの出射光をＫＴＮ結晶２１への電圧印加状態に応じて偏向させることである。ＫＴＮ結晶２１に入射された光の偏波状態により偏向の程度に差は出るが、後述するように、ＫＴＮ結晶２１に入射された光は、電圧印加により電界傾斜が生じて偏向することになる。従って、ＫＴＮ結晶２１への偏波状態はいずれであっても良いのである。
【００４１】
ただし、ＫＴＮ結晶２１への入射光が、上記電界に平行な方向に振動している場合は、得られる偏向角は最も大きくなる。よって、図４のように偏光板１１を配置して、入射光の、電界に平行な偏光軸方向（ｘ軸方向）の成分のみをＫＴＮ結晶２１に入射する形態が好ましい形態である。
【００４２】
ここで、特に、ＫＴＮ等の電気光学効果を有する電気光学結晶を用い、かつ電極をオーミック接触させる場合、電圧が印加されると電気光学結晶内に電界傾斜が発生する。よって、電極２２，２３に電源２４を接続し、電極間に直流電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶２１の内部に電荷が生じ、ＫＴＮ結晶２１に印加する電圧の印加方向に電界の傾斜を生じる。
【００４３】
この電気光学結晶の内部に生じた電界の傾斜により、入射光のビームの光軸に対して垂直な断面における電気光学効果による屈折率の変化量に傾斜を生じさせる。すなわち、電界の傾斜に応じた屈折率の傾斜が生じることになる。よって、該屈折率の傾斜により、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせることになる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられて偏向角を累積することになる。
【００４４】
すなわち、電極２２、２３によりＫＴＮ結晶２１に電圧を印加することによって、入射光はＫＴＮ結晶２１内で偏向し、偏向角θの出射光が出力される。
【００４５】
図６に、電気光学結晶への印加電圧と偏向角との関係を示す。図５に示したように、ビーム偏向器１２からの出射光の偏向角θは、＋２５０Ｖの印加電圧に対して最大１２５ｍｒａｄ、−２５０Ｖの印加電圧に対して最大−１２５ｍｒａｄの偏向角が得られる。すなわち、合わせて２５０ｍｒａｄに近い偏向角を実現することができる。
【００４６】
このような構成により、大きな偏向角を簡便な構成で得ることができるので、ビーム偏向器１２により、分光手段としてのプリズム１３への入射角を変えることにより、応答速度の速い分光器を実現することができる。また、分光器として機械的な制御機構が不要となり、装置の小型化を図ることができる。ＫＴＮ結晶２１には電界を印加するだけなので、消費電流が少なく、熱制御機構も必要としない。さらに、ビーム偏向器１２の応答速度は、マイクロ秒オーダーであり、従来の分光器と比較して、３桁程度高速化することができる。
【００４７】
図７を参照して、プリズムの一例に基づいて、分光の原理を説明する。例えば、プリズム１３は、ＢＫ７ガラスからなり、光の透過する一辺の長さ１５ｍｍであり、頂角ａは６０度である。ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さは、２０ｍｍである。なお、プリズム１３として、より小型のプリズムを使用すれば、さらに光路の長さを短くすることができる。図７において、符号３１は、入射光の中から選択されたスリット板１４を透過する波長の光である。また、符号３２ａは、印加電圧が−５５Ｖのときの波長４００ｎｍの光信号であり、符号３３ａは、印加電圧が−５５Ｖのときの波長７００ｎｍの光信号である。さらに、符号３２ｂは、印加電圧が＋５５Ｖのときの波長４００ｎｍの光信号であり、符号３３ｂは、印加電圧が＋５５Ｖのときの波長７００ｎｍの光信号である。
【００４８】
図７において、入射光の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。ビーム偏向器１２への印加電圧＋５５Ｖのとき、プリズム１３への入射光の入射角４０度とし、波長７００ｎｍの光信号３３ｂがスリット板１４を通過して光検出器１５で検出されるように配置する。ビーム偏向器１２からの出射光は、プリズム１３により波長に応じて光信号３２から光信号３３まで分光される。従って、ビーム偏向器１２の印加電圧を調整することにより、入射光の中からスリット板１４を通過する光の波長を選択することができる。
【００４９】
ビーム偏向器１２の印加電圧を＋５５Ｖから−５５Ｖまで変化させることにより、プリズム１３への入射光の入射角は、４０度から４２度に変化する。スリット板１４では、波長７００ｎｍの光信号３３ｂから波長４００ｎｍの光信号３２ｂまで通過し、光検出器１５により検出することができる。このとき、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するのに要する時間は、マイクロ秒オーダーである。
【００５０】
スリット板１４のスリット幅は、２００μｍである。波長分解能は、ビームの広がり角、プリズム材料の屈折率の波長分散、プリズム１３への入射角、およびプリズム１３からスリット板１４までの距離に依存する。第１の実施形態では、ビーム偏向器１２のビーム直径が４００μｍ、プリズム材料がＢＫ７、プリズム１３への入射角が４０度、およびプリズム１３からスリット板１４までの距離が１３０ｍｍである。このとき、波長分解能は、波長４００ｎｍ付近で約４ｎｍ、波長７００ｎｍ付近で約３５ｎｍとなる。
【００５１】
（プリズム）
ここで、プリズムの材料について、上述したＢＫ７ガラスと、Ｆ２ガラスと、ＳＦ１０ガラスとを比較しながら説明する。入射光の中心波長５５０ｎｍのときの最小偏角条件と、波長７００ｎｍと波長４００ｎｍの間の屈折角の差を求めると表１のようになる。このように、屈折角に差が生じるのは、プリズムの材料により屈折率の波長依存性が異なるからである。波長７００ｎｍと波長４００ｎｍの間の屈折率の差も合わせて表１に示す。
【００５２】
なお、偏角とはプリズムによって光が偏向される角度のことである。つまり、プリズムへの入射光とプリズムからの出射光が成す角を指す。最小偏角条件とは、この偏角が最小になる条件のことであり、プリズムへの入射角と出射角とが等しい際に実現される。最小偏角条件が満たされるときに、分解能が最大、光の反射損が最小になる。
【００５３】
【表１】
【００５４】
分光器としての波長分解能は、屈折角の差が大きいほど高くなるので、プリズム材料としてＳＦ１０ガラスを選択すれば、波長分解能が最も高くなる。一方、プリズムの入射角の変化と出射角の変化の関係は、入射角の変化が１０度以下と小さい場合には、ほぼ比例関係にあるといえる。波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するための入射角の変化を表２に示す。このとき、この入射角の変化に必要なビーム偏向器１２の印加電圧の変化量も表２に示す。ビーム偏向器１２の印加電圧は、図６から求めることができる。
【００５５】
【表２】
【００５６】
このように、波長分解能と印加電圧とはトレードオフの関係にある。本実施形態では、低電圧の動作を優先するためにＢＫ７ガラスを使用した。また、波長７００ｎｍ付近での波長分解能を４０ｎｍ以下とするために、プリズム１３への入射角を、最小偏角条件（４９．４度）より小さい４０度とした。これにより、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍにおける屈折角の差が２度（＝３５ｍｒａｄ）となり、最小偏角条件の場合と比較して大きくなっている。なお、このときのビーム偏向器１２の印加電圧の変化は、＋５５〜−５５Ｖである。
【００５７】
（第２の実施形態）
図８に、本発明の、応答速度を速くし、小型化を実現するための第２の実施形態にかかる分光器を示す。分光器４０は、入射光の偏向を制御する偏向板４１と、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器４２と、分光手段としての回折格子４３と、波長選択手段としてのスリット板４４と、光検出器４５とを備えている。分光手段として、上述の第１の実施形態のプリズムに代えて、回折格子を利用した形態である。
【００５８】
回折格子４３は、一辺の長さ２０ｍｍの正方形の形状を有し、格子本数が１５０本／ｍｍである。ビーム偏向器４２から回折格子４３までの光路の長さは、２０ｍｍである。なお、回折格子４３として、より小型の回折格子を使用すれば、さらに光路の長さを短くすることができる。
【００５９】
入射光の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。ビーム偏向器４２の印加電圧−８５Ｖのとき、回折格子４３への入射光の入射角４３．５度とし、回折された光のうち波長７００ｎｍの光がスリット板４４を通過して光検出器４５で検出されるように配置する。ビーム偏向器４２からの出射光は、回折格子４３により波長に応じて分光される。従って、ビーム偏向器４２の印加電圧を調整することにより、入射光の中からスリット板４４を通過する光の波長を選択することができる。
【００６０】
ビーム偏向器４２の印加電圧を−８５Ｖから＋８５Ｖまで変化させることにより、回折格子４３への入射光の入射角は、４３．５度から４７．８度に変化する。スリット板４４では、波長７００ｎｍの光から波長４００ｎｍの光まで通過し、光検出器４５により検出することができる。このとき、波長範囲７００ｎｍ〜４００ｎｍを掃引するのに要する時間は、マイクロ秒オーダーである。
【００６１】
スリット板４４のスリット幅は、２００μｍである。波長分解能は、ビームの広がり角、回折格子４３の格子本数、回折格子４３への入射角、および回折格子４３からスリット板４４までの距離に依存する。本実施形態では、ビーム偏向器４２のビーム直径が４００μｍ、回折格子４３の格子本数が１５０本／ｍｍ、回折格子４３への入射角が４３．５度、および回折格子４３からスリット板４４までの距離が１２０ｍｍである。このとき、波長分解能は、波長４００ｎｍ付近で約４．５ｎｍ、波長７００ｎｍ付近で約９ｎｍとなる。
【００６２】
分光手段として回折格子を用いる場合も、プリズムの場合と同様に、波長分解能と印加電圧とはトレードオフの関係にある。回折格子４３の格子本数が多いほど波長分解能は高くなるが、要求される波長範囲を掃引するのに必要な印加電圧の変化量が大きくなる。従って、これらの関係を考慮して、回折格子４３の格子本数、回折格子４３への入射角を決定する必要がある。
【００６３】
以上述べたように、従来の分光器では、分光手段であるプリズムまたは回折格子を回転させて、入射光の入射角を変化させるのに対して、第１および第２の実施形態によれば、電気光学効果を有する結晶からなるビーム偏向器により、分光手段への入射光の入射角を変化させるので、応答速度を速くすることができる。また、分光器として機械的な制御機構が不要となり、消費電流が少なく、熱制御機構を必要としないので、小型の分光器を実現することができる。
【００６４】
このように、第１および第２の実施形態は、上述の効果を有しており、非常に優れた分光器を実現することができるので非常に有用な構成である。このような有用な構成において、ビーム偏向器１２、４２の偏向角を大きくすることなく高分解能を得たり、所定の分解能を得るためのビーム偏向器１２、４２への印加電圧の低減が実現できれば、さらに有効な構成となる。
【００６５】
（第３の実施形態）
本実施形態では、分光手段（分光媒質）としてプリズムを用いた場合に、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減が実現可能な分光器について説明する。
【００６６】
図９は、第１の実施形態における分光の原理を説明するための図である。
【００６７】
図９において、符号１３１は、プリズム１３の頂角であり、符号１３２は、プリズム１３の、ビーム偏向器１２から出射された光が出射する出射面である。符号１３４ａは、ビーム偏向器１２に対して第１の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１３４ａとも呼ぶ）である。また、符号１３４ｂは、ビーム偏向器１２に対して上記第１の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１３４ｂとも呼ぶ）である。また、符号１３５ａは、ビーム偏向器１２に対して第１の電圧印加状態とは異なる第２の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１３５ａとも呼ぶ）である。さらに、符号１３５ｂは、ビーム偏向器１２に対して上記第２の電圧印加状態におけるプリズム１３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１３５ｂとも呼ぶ）である。
【００６８】
第１の実施形態では分光機能を実現するために、ビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じて、スリット板１４を通過する光の波長を変えることが重要である。この要件を実現するために、第１の実施形態では、スリット板１４を通して光検出器１５にて検出したい波長の光に応じて、ビーム偏向器１２への各電圧印加状態を制御してビーム偏向器１２から出射される光の偏向角を制御し、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射角を変えている。そして、波長分散により出射面１３２からは波長が短い光ほど屈折するので、検出したい波長帯域の長波長側を検出するために、該長波長側を検出する際の出射面１３２からの光の屈折が、短波長側を検出する際の出射面１３２からの光の屈折よりも大きくする必要がある。第１の実施形態では、上記入射角の制御を、ビーム偏向器１２から出射される光の偏向によって制御するものであり、短波長側を検出する際に、出射面１３２からの出射光の屈折が長波長側を検出する場合に比べて大きくなるようにビーム偏向器１２への電圧印加状態を制御している。すなわち、出射面１３２から出射される、検出したい波長帯域の最も長波長の光の光軸と、最も短波長の光の光軸とのなす角度である出射角の変化量θoutを変化させるような、入射光１３６のプリズム１３への入射角の偏向が実現されるように、電圧印加状態とを設定するのである。
【００６９】
なお、ビーム偏向器１２への電圧印加状態とは、ＫＴＮ結晶２１に対して電極２２、２３により電圧を印加する際の印加される電圧の大きさ（形成される電界の強さ）を指し、電圧が印加されない状態も含まれる。特に、第１の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板１４のスリットを通過するための電圧印加状態である。また、第２の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板１４のスリットを通過するための電圧印加状態である。なお、検出したい波長帯域の、最も短波長と最も長波長との間の波長の光を検出する際には、それに相当する電圧印加状態にすれば良いことは言うまでも無い。
【００７０】
また、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射光は、ビーム偏向器１２に印加される電圧状態によって偏向方向が変わるが、図９では図面の簡便化を図るために、ビーム偏向器１２への電圧状態によらず、一定の方向の光（入射光１３６）として記載している。
【００７１】
さて、上述の第１の実施形態では、一例としてビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さが２０ｍｍの形態について説明した。この場合、ビーム偏向器１２からプリズム１３への入射光１３６の、プリズム１３の入射面での入射位置は、第１の電圧印加状態（検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出する場合に対応）と第２の電圧印加状態（検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出する場合に対応）とにおいてほとんど変わらない。従って、第１の電圧印加状態および第２の電圧印加状態の双方においては、プリズム１３に入射し、プリズム１３中を伝搬した光は、ほとんど同じ位置１３３から出射されることになる。
【００７２】
この場合、分解能を高めるためには、プリズム１３を分散の大きなプリズムにし、ビーム偏向器１２の偏向角を大きくする必要がある。このように偏向角を大きくするためには、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要がある。
【００７３】
つまり図９において、短波長側の検出および長波長側の検出の双方においてプリズム１３からの出射位置はほとんど変化ないので、長波長側を検出する際には、出射面１３２からの出射光の屈折を大きくする必要がある。すなわち、第１の電圧印加状態において検出したい波長帯域の最も短波長の光１３４ｂがスリット板１４のスリットを通過し、第２の電圧印加状態において検出したい波長帯域の最も長波長の光１３５ａがスリット板１４のスリットを通過するように、ビーム偏向器１２から出射される入射光１３６の偏向角を大きくする必要がある。よって、第２の電圧印加状態において、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要があるのである。
【００７４】
すなわち、高分解能であるということは、プリズムなどの分光手段から出射した光において検出したい波長帯域が広角度に分散されていることに対応する。つまり、図９の出射光１３４ａの光軸方向と出射光１３４ｂの光軸方向とのなす角度を大きくすることによって高分解能化が実現される。このとき、検出したい波長帯域（出射光１３４ａと出射光１３４ｂとの間の波長帯域）の全てを検出するためには、ビーム偏向器１２の偏向角の変化を大きくし、検出したい波長帯域の全てがスリット板１４のスリットに入射するような出射角の変化を得る必要がある。よって、上述のようにビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要があるのである。
【００７５】
そこで、本実施形態では、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくしなくても高分解能を実現するために、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを相対的に離すことにより、すなわち、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路の長さを大きくすることにより、長波長側を検出する際の出射面１３２における出射位置を、短波長側を検する際の出射面１３２における出射位置からシフトさせている。
【００７６】
図１０は、本実施形態における分光の原理を説明するための図である。
【００７７】
図１０において、符号１４０は、ビーム偏向器１２への電圧印加状態が第１の電圧印加状態の場合の、出射面１３２からの光の出射位置であり、符号１４１は、ビーム偏向器１２への電圧印加状態が第２の電圧印加状態の場合の、出射面１３２からの光の出射位置である。符号１４２は、図９の構成（ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路が２０ｍｍの場合）において、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路を長くした構成（ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長が５００ｍｍの場合）におけるプリズム１３の入射面である。符号１４３は、第１の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４２での入射位置であり、符号１４４は、第２の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４２での入射位置である。
【００７８】
符号１４５は、仮想面であって、図１０のように配置されたビーム偏向器１２から２０ｍｍ離れた位置にプリズム１３が配置された（すなわち、図９の構成）と仮定した場合の、ビーム偏向器１２から出射された光のプリズム１３の入射面である。符号１４６は、上記仮定における、第１の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４５での入射位置であり、符号１４７は、上記仮定における、第２の電圧印加状態においてビーム偏向器１２から出射された光の入射面１４５での入射位置である。
【００７９】
図９に示したような第１の実施形態においては、ビーム偏向器１２とプリズム１３の入射面１４５とは２０ｍｍと近いので、第１の電圧印加状態における入射位置１４６と第２の電圧印加状態における入射位置１４７とはあまり離れていない。従って、プリズム１３からの出射位置は、図９に示すように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との間でほとんど動かない。
【００８０】
これに対して、図１０のように、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを離すことによって、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路が長くなり、その結果、第１の電圧印加状態における入射位置１４３と第２の電圧印加状態における入射位置１４４とは離れることになる。すなわち、第２の電圧印加状態における入射面１４２での入射位置１４４は、第１の電圧印加状態における入射面１４２での入射位置１４３からシフトすることになる。
【００８１】
よって、図１０に示すように、第１の電圧印加状態のビーム偏向器１２から出射された光は入射面１４２において入射位置１４３からプリズム１３に入射し、プリズム１３中を伝搬して出射面１３２の出射位置１４０から出射される。一方、第２の電圧印加状態のビーム偏向器１２から出射された光は入射面１４２において、入射位置１４３からシフトされた位置である入射位置１４４からプリズム１３に入射する。そして、該入射された光は、プリズム１３中を伝搬して出射面１３２において、出射位置１４０からシフトした位置である出射位置１４１から出射される。このとき、出射位置１４０と出射位置１４１との間の距離は６ｍｍとなり、出射位置が十分にシフトしている。
【００８２】
このように本実施形態では、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を離す等してビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路を大きくすることによって、ビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じてプリズム１３への入射光の入射位置をシフトすることができ、その結果、プリズム１３からの出射位置をシフトすることができる。
【００８３】
本実施形態では、このように出射位置をシフトすることによって、ビーム偏向器への印加電圧を低電圧にしても高分解能が実現することができる。以下でその理由を説明する。
【００８４】
第１の実施形態では図９に示すように、プリズム１３からの出射角のみでスリット板１４への入射波長を制御していたのに対して、本実施形態では、プリズム１３からの出射角および出射位置の双方でスリット１４への入射波長を制御できる。本実施形態では、図１０に示すように、出射位置が位置１４０から位置１４１にシフトすることは出射角の変化による検出波長の変化を助長する。従って、分散媒質であるプリズムの材料が同じ場合には、図９の構成に比べて図１０の構成の方がビーム偏向器１２の偏向角は小さくて良い、つまり低電圧で良いことになる。また、図９に示すような、出射位置がほとんどシフトしない構成では、上述したように、高分解能を得たい場合には分散の大きなプリズムを使用し、出射角の変化、およびそれを決める偏向角の変化を大きくする必要がある。これに対して、図１０に示す本実施形態の構成では、出射位置のシフトがスリット板１４への入射波長の変化を増大させるので、より小さな出射角の変化、より小さな偏向角の変化で良いことになる。すなわち、より低電圧で高分解能が得られることになる。
【００８５】
すなわち、ＫＴＮ等の電気光学効果を有する電気光学結晶からなるビーム偏向器１２と、分光手段としてのプリズム１３とを、所定の光路長以上離すようにしているので、第１の電圧印加状態から第２の電圧印加状態にした際に、プリズム１３からの出射光の出射位置のシフト量（出射位置１４０と出射位置１４１との間の距離；出射シフト量）を、プリズム１３への入射光の入射位置のシフト量（入射位置１４３と入射位置１４４との間の距離；入射シフト量）よりも大きくすることができる。従って、上記出射シフト量の増大により得られるスリット板１４への入射波長の変化の増大効果により、ビーム偏向器１２での偏向角を大きくしなくても高分解能化を実現することができる。よって、低駆動電圧による高分解能化を図ることができるのである。
【００８６】
このように、本実施形態では、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を、出射シフト量が大きくなるような長さ以上に設定することが重要となる。出射シフト量がほとんど無い場合は、上述のように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とで出射位置がほとんど変化していない。従って、分光の際には、プリズム１３の出射面においてほぼ同じ出射位置で角度を振ることによって、検出したい波長帯域の長波長と短波長とを検出することになる。よって、高分解能化を図るためには、ビーム偏向器１２への印加電圧を大きくする必要がある。
【００８７】
これに対して、本実施形態では、検出したい波長帯域の短波長を検出する際の出射位置（図１０の出射位置１４０）と、検出したい波長帯域の長波長を検出する際の出射位置（図１０の出射位置１４１）とを異なるようにすること、すなわち、出射位置をシフトさせることが本質である。出射シフト量が入射シフト量よりも顕著に大きくなるようにすることにより、出射位置は大きくシフトすることになる。すなわち、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくすればするほど、プリズム１３からの出射位置は大きくシフトすることになる。このとき、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長をある一定の長さ以上にすると、上記検出したい波長帯域の短波長を検出する際の出射位置と、上記検出したい波長帯域の長波長を検出する際の出射位置とを十分に離すことができる。このような長さが上記所定の光路長である。
【００８８】
さて、上述したように、本実施形態においては、ビーム偏向器１２とプリズム１３とを所定の光路長以上離すようにすることを本質としている。これに加えて、本発明は分光器に関する発明であるので、検出したい波長帯域（所望の波長帯域）内の全ての波長の光を検出できることが好ましい。そのためには、ビーム偏向器１２からの光の偏向を制御して、上記検出したい波長帯域の最も長波長の光と、最も短波長の光とを検出可能にすることが重要となる。すなわち、第１の電圧印加状態においては、出射位置１４０から出射した、検出したい波長帯域の最も短波長の光である出射光１３４ｂをスリット板１４のスリットに入射可能とし、かつ第２の電圧印加状態においては、出射位置１４１から出射した、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１３５ａをスリット板１４のスリットに入射可能とすることが重要となる。
【００８９】
図１１は、本施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【００９０】
図１１において、θ１は、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための電圧がビーム偏向器１２に印加される場合（第１の電圧印加状態）において、プリズム１３の出射面１３２から出射される出射光１３４ｂの光軸方向と、出射面１３２とのなす角度（出射角θ１とも呼ぶ）である。また、θ２は、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための電圧がビーム偏向器１２に印加される場合（第２の電圧印加状態）において、プリズム１３の出射面１３２から出射される出射光１３５ａの光軸方向と、出射面１３２とのなす角度（出射角θ２とも呼ぶ）である。
【００９１】
本実施形態では、ビーム偏向器１２から出射される光の偏向角に応じて、プリズム１３の出射面１３２における出射位置が異なる（シフトされる）。よって、出射光１３５ａの出射位置１４１は、出射光１３４ｂの出射位置１４０からシフトしているので、出射角θ１と出射角θ２とが等しい場合、すなわち、出射光１３４ｂと出射光１３５ａとが平行になる場合は、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１３５ａをスリット板１４のスリットに入射することができない。よって、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出することができず、検出したい波長帯域の光を検出できなくなる。
【００９２】
そこで本実施形態では、検出したい波長帯域全域の波長の光を検出可能にすべく、検出したい波長帯域の、最も短波長の光と、最も長波長の光とを検出可能にするために、
θ１＜θ２
の条件を満たすように、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態との出射位置のシフトを制御する。なお、このとき、θ２は、θ１＜θ２を満たしながら極力大きいことが望ましい。
【００９３】
上記θ１およびθ２は、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長およびプリズム中の光路長の少なくとも一方と、ＫＴＮ結晶２１（ビーム偏向器１２）への印加電圧によって決まる。よって、本実施形態では、
θ１＜θ２
の条件を満たすように、ビーム偏向器１２からの出射位置から、プリズム１３の出射位置までの光路長に応じて、第１の電圧印加状態および第２の電圧印加状態を設定する。
【００９４】
なお、本実施形態では、プリズム１３からの出射位置をビーム偏向器１２への電圧印加状態に応じてシフトさせることが重要であり、そのために、ビーム偏向器１２をプリズム１３から離すことによって、プリズム１３への入射位置を上記電圧印加状態に応じてシフトするようにしている。ここで、高分解能化の実現の観点からすると、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を大きくすることが本質ではなく、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路の長さを大きくすることが本質である。すなわち、ビーム偏向器１２とプリズム１３との距離を物理的に離す形態に限らない。
【００９５】
例えば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間に少なくとも１つのミラーを配置し、該ミラーを介してビーム偏向器１２から出射された光をプリズム１３に入射するようにしても良い。また、レンズを用いた光学系を用いても良い。このような構成によれば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との物理的な距離が近くても、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長は大きくできるので、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの光路長を長くしながら装置の小型化を実現できる。
【００９６】
また、本実施形態では、ビーム偏向器１２からの出射位置からプリズム１３の出射位置までの光路長を長くすることができれば、上述したプリズム１３の出射位置をシフトさせることができる。従って、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくする代わりに、プリズムを大きくしても、ビーム偏向器１２からの出射位置からプリズム１３の出射位置までの光路長を長くすることができる。
【００９７】
本実施形態では、θ１＜θ２という条件を満たせば、高分解能化を図るためにビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きく設定しても、検出したい波長帯域の、最も長波長の光、および最も短波長の光を検出することができ、検出したい波長帯域の全域の波長の光を検出することができる。
【００９８】
本実施形態では、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とにおいて、プリズム１３における出射位置の十分なシフトを得るために、ビーム偏向器１２からプリズムまでの光路長を長くするおよび／またはプリズム１３の大きさを大きくすることが重要であるが、ただ光路長をかせぐだけでは、ビーム偏向器１２を所定の位置に固定した場合において、検出したい波長帯域全域の光を検出器１５にて検出できない場合がある。
【００９９】
よって、本実施形態では、検出したい波長帯域の長波長側を検出する際と短波長側を検出する際とでプリズム１３における出射位置を大きく変えることが目的の１つであるが、分光器として機能させるために、検出したい波長帯域の、最も長波長の光と最も短波長の光とをスリット板１４のスリットに通すことが重要となる。すなわち、本実施形態では、分解能を大きくするために、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくしたり、プリズムを大きくしてプリズム中を通過する光の光路を大きくする場合であっても、検出したい波長帯域の最も長波長の光と最も短波長の光とを良好に検出できることが重要なのである。そのために、本実施形態では、θ１＜θ２という条件を満たすように、配置された装置構成に応じて、ビーム偏向器１２に印加する電圧を設定するのである。
【０１００】
逆に言うと、θ１＜θ２の条件を満たすように設計しさえすれば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長やプリズムの大きさによらず、検出したい波長帯域の、最も長波長の光と最も短波長の光とを良好に検出することができることになり、高分解能化を実現するために、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を大きくしたり、プリズム１３を大きくすることができる。
【０１０１】
このように、本実施形態によれば、ビーム偏向器１２から出射された光の偏向角を大きくしなくても高分解能を実現できるので、ビーム偏向器１２に対して印加する電圧を大きくすることなく、高分解能を得ることができる。すなわち、本実施形態のビーム偏向器１２と第１の実施形態のビーム偏向器１２とに同じ電圧を印加する場合、本実施形態の方が第１の実施形態に比べて得られる分解能を高くすることができる。
【０１０２】
また、波長分解能を劣化させることなく、ビーム偏向器１２の偏向角を小さくすることができるので、本実施形態と第１の実施形態とで同じ分解能を実現する場合、本実施形態の方が第１の実施形態よりも、ビーム偏向器１２への印加電圧を小さくすることができる。
【０１０３】
よって、ビーム偏向器１２を構成する電気光学結晶（ＫＴＮ結晶２１）への印加電圧の低減が図れるので、消費電力の低下に繋がる。
【０１０４】
（実施例）
本実施例では、プリズム１３としてＢＫ７ガラスを用い、プリズムの頂角６０°とした。また、ビーム偏向器１２に用いるＫＴＮ結晶２１の長さを５ｍｍ、厚さを０．５ｍｍ、屈折率を２．２、ｓ11を１．０×１０-14ｍ2／Ｖ2とした。また、入射位置１４３から頂角１３１までの距離を１０ｍｍ、出射位置１４０からスリット板１４までの距離を１３０ｍｍとした。本実施例において、検出したい波長帯域を４００ｎｍ〜７００ｎｍとした。
【０１０５】
プリズム１３への入射位置（入射位置１４３、１４４）、およびプリズム１３からの出射位置（出射位置１４０、１４１）は、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離（光路長差）Ｌと、ビーム偏向器１２による偏向角によって決まる。
【０１０６】
図１０において、頂角１３１と入射位置１４３までの距離をＰ１とし、入射位置１４３から入射位置１４４へ入射位置をシフトさせるのに必要な偏向角をφ（第２の電圧印加状態のときの偏向角）とすると、頂角１３１から入射位置１４４までの距離Ｐ２は、
Ｐ２＝Ｐ１＋Ｌ（Ｓｉｎθ3−Ｃｏｓθ3・Ｔａｎ（θ3−φ））
式（１）
で表される。ここで、θ3は、ビーム偏向器１２から出射された光の、入射位置１４３でのプリズム１３への入射角（プリズム１３への入射光の光軸方向と入射面１４２とのなす角）である。
【０１０７】
頂角１３１から出射位置１４０までの距離をＦ１とし、βを頂角１３１とし、プリズム１３の屈折率をｎとすると、
Ｆ１＝Ｐ１Ｃｏｓβ＋Ｐ１Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎθ3））Ｓｉｎβ
式（２）
であり、同様に、頂角１３１から出射位置１４１までの距離をＦ２とすると、
Ｆ２＝Ｐ２Ｃｏｓβ＋Ｐ２Ｔａｎ（β−Ｓｉｎ-1（１／ｎ・Ｓｉｎ（θ3−φ）））Ｓｉｎβ
式（３）
で表せる。
【０１０８】
図１２は、検出したい波長帯域を全て検出できるようにビーム偏向器で偏向させた場合に、式（１）〜（３）に示される条件において、第１の電圧印加状態と第２の電圧印加状態とのプリズム１３からの出射位置のシフト量（Ｆ２−Ｆ１）と、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離Ｌとの関係を示す図である。
【０１０９】
図１２から分かるように、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を長くすることによって、第１の電圧印加状態における出射位置１４０から第２の電圧印加状態における出射位置１４１への出射位置のシフト量は大きくなる。
【０１１０】
本実施例では、上記偏向角φはビーム偏向器１２を第２の電圧印加状態にした際の偏向角、すなわち、検出したい波長帯域の最も長波長の光を分光する場合の偏向角である。よって、低駆動電圧で動作させるために第２の電圧印加状態を低く設定する場合（例えば、Ｖα）であっても、十分な分解能を得るように出射位置のシフト量を所定の値に設定することにより、式（１）〜（３）によって、適切な距離（光路長差）Ｌを求めることができる。逆に言えば、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長差を、所定の出射位置のシフト量＝Ｆ１−Ｆ２を満たすような上記適切な距離（光路長差）Ｌに設定し、第２の電圧印加状態をＶαに設定することにより、第２の電圧印加状態時のプリズム１３からの出射位置は十分にシフトすることになり、低駆動電圧での高分解能化を実現することができる。
【０１１１】
このように、「Ｆ１−Ｆ２＝所定の出射位置のシフト量」の関係を用いることによって、図１２に示すように、例えば、ビーム偏向器１２からプリズム１３までの距離（光路長差）Ｌが０〜５００ｍｍの範囲においては、上記距離Ｌを大きくするほど、出射位置のシフト量を大きくすることができ、低駆動電圧での高分解能出力を行うことができる。また、小型化を考慮すると距離Ｌを小さくすることが好ましいが、上記関係に従って設計することにより、０〜５００ｍｍの範囲では、距離Ｌを少し大きくするだけで、出射位置のシフト量を大きくすることができる。
【０１１２】
さらに、「Ｆ１−Ｆ２＝所定の出射位置のシフト量」という関係を用いることにより、所望の分解能を実現するように求められた出射位置のシフト量を実現するための距離Ｌを求めることができる。よって、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の距離（光路長差）Ｌを上記所望の分解能を得るのに最適な距離に設定することができる。
【０１１３】
なお、図１２に示すように、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を５００ｍｍ以上では、出射位置のシフト量は約６ｍｍと大きな値となり、またほぼ一定の値となる。よって、本実施例においては、低駆動電圧による高分解能化を図るために出射位置のシフト量を大きくする観点からすると、ビーム偏向器１２とプリズム１３との間の光路長を５００ｍｍ以上にすることは好ましい。
【０１１４】
出射位置のシフト量はビーム偏向器からプリズムまでの光路長とビーム偏向器の偏向角によって決まる。図１３に出射位置でのシフト量に対応したビーム偏向器の偏向角を示す。この偏向角は波長４００ｎｍから波長７００ｎｍまでを検出するのに必要なビーム偏向器の偏向角である。各々の出射位置のシフト量において、ビーム偏向器とプリズムとの距離は、図１２に示す通りである。印加電圧の幅は、波長４００ｎｍを検出する際の電圧と波長７００ｎｍを検出する際の印加電圧との差である。
【０１１５】
表２で示したように、出射位置がシフトしない場合には、ビーム偏向器の偏向角は２８ｍｒａｄ、印加電圧の変化量は＋５５Ｖから−５５Ｖであり、図１３では波長４００ｎｍを検出する際の電圧と波長７００ｎｍを検出する際の印加電圧との差が１１０Ｖとなっている。一方、本実施例によれば、ビーム偏向器とプリズムとの距離（光路長）を５００ｍｍとした場合得られる出射位置のシフト量は６ｍｍであり、この際に必要なビーム偏向器の偏向角は１０ｍｒａｄである。この偏向角を得るための印加電圧の差は６４Ｖであり、印加電圧の変化は＋３２Ｖから−３２Ｖまでで良い。つまり、出射位置のシフトがほとんど無い場合（第１の基本構成）に比べて、約５８％の印加電圧で良いことになる。出射位置のシフトをさらに大きくすれば、印加電圧低減の効果はさらに顕著になる。
【０１１６】
さらに、ビーム偏向器１２への印加電圧を、動作中心点を決める直流電圧（バイアス電圧）と、スリット板１４に形成されたスリットへの入射波長を制御する交流電圧との２つに分割することにより、本実施形態の効果がより顕著になる。
【０１１７】
ＫＴＮやＫＬＴＮ等の電気光学結晶を有するビーム偏向器の偏向角は印加電圧の２乗に比例するので、印加電圧の変化量が同じ場合には高電圧の方が偏向角の変化は大きくなる。例えば、動作中心点を決める直流電圧（バイアス電圧）を２４０Ｖとした場合には、波長４００ｎｍから７００ｎｍを検出するのに必要な電圧の変化量は表３のようになる。
【０１１８】
【表３】
【０１１９】
表３から分かるように、バイアス電圧を用いた場合には、スリットへの入射波長を制御する交流電圧の振幅は第１の基本構成に比べて３８％となり、バイアス電圧を用いない場合に比べて本発明の効果がより顕著になる。
【０１２０】
（第４の実施形態）
本実施形態では、分光手段（分光媒質）として回折格子を用いた場合に、電気光学効果を有する電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることが可能であり、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧の低減が実現可能な分光器について説明する。
【０１２１】
本実施形態においても、ビーム偏向器から出射される光の偏向角を大きくすることなく高分解能を得ることができ、かつ所定の分解能を得るための上記ビーム偏向器への印加電圧を低減することができるようにするために、回折格子４３からの出射光の出射位置をシフトさせることが重要となり、そのために、ビーム偏向器４２と回折格子４３との間の光路長を大きくしている。このとき、検出したい波長帯域全域の波長の光を検出可能とするために、検出したい波長帯域の、最も長波長の光、および最も短波長の光を検出することが重要となる。
【０１２２】
なお、本実施形態では、分光手段として回折格子４３を用いているので、ある波長の光に対して、回折格子４３への入射位置と出射位置とは同じとなる。
【０１２３】
図１４は、本施形態にかかる検出したい波長帯域内の波長の光を検出可能にするための条件を説明するための図である。
【０１２４】
図１４において、符号１５０は、ビーム偏向器４２への電圧印加状態が第３の電圧印加状態の場合の、回折格子４３の出射面１５４からの光の出射位置であり、符号１５１は、ビーム偏向器４２への電圧印加状態が第４の電圧印加状態の場合の、出射面１５４からの光の出射位置である。
【０１２５】
なお、本実施形態において、第３の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板４４のスリットを通過するための電圧印加状態である。また、第４の電圧印加状態は、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板４４のスリットを通過するための電圧印加状態である。
【０１２６】
また、符号１５２ａは、回折格子４３に対して第３の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１５２ａとも呼ぶ）である。また、符号１５２ｂは、回折格子４３に対して上記第３の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１５２ｂとも呼ぶ）である。また、符号１５３ａは、回折格子４３に対して第４の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も短波長の光（出射光１５３ａとも呼ぶ）である。さらに、符号１５３ｂは、回折格子４３に対して上記第４の電圧印加状態における回折格子４３からの出射光のうち、検出したい波長帯域の最も長波長の光（出射光１５３ｂとも呼ぶ）である。
【０１２７】
さらに、θ１’は、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出するための電圧が回折格子４３に印加される場合（第３の電圧印加状態）において、回折格子４３の出射面１５４から出射される出射光１５２ｂの光軸方向と、出射面１５４とのなす角度（出射角θ１’とも呼ぶ）である。また、θ２’は、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するための電圧が回折格子４３に印加される場合（第４の電圧印加状態）において、回折格子４３の出射面１５４から出射される出射光１５３ａの光軸方向と、出射面１５４とのなす角度（出射角θ２’とも呼ぶ）である。
【０１２８】
本実施形態では、図１４からも分かるように、検出したい波長帯域の最も長波長の光を検出する際はビーム偏向器４２を第３の電圧印加状態とし、ビーム偏向器４３から出射された光を出射位置１５０に入射する。すると、該入射された光は出射位置１５０にて分光され、出射位置１５０から各周波数の光がそれぞれの波長に応じて回折し、検出したい波長帯域の最も長波長の光である出射光１５２ｂがスリット板４４のスリットに入射して光検出器４５にて検出される。
【０１２９】
一方、検出したい波長帯域の最も短波長の光を検出するためにビーム偏向器４３を第４の電圧印加状態とすると、ビーム偏向器４２から出射された光は、回折格子４３において、出射位置１５０からシフトされた位置である出射位置１５１に入射する。よって、第４の電圧印加状態においては、第３の電圧印加状態とは異なる出射位置である１５１から分光された光が出射されることになる。このとき、検出したい波長帯域の最も短波長の光である出射光１５３ａがスリット板４４のスリットに入射して光検出器４５にて検出される。
【０１３０】
このように、回折格子４３からの出射位置をシフトさせることによって、第３の実施形態と同様に、ビーム偏向器４２から出射される光の偏向角を大きくしなくても、高分解能化を実現することができる。
【０１３１】
ただし、本実施形態においても第３の実施形態と同様に、第３の電圧印加状態における出射光１５２ｂと、第４の電圧印加状態における出射光１５３ａとが平行となると、該出射光１５３ａをスリット板４４のスリットに入射させることができない。よって、本実施形態においても、
θ１’＜θ２’
の条件を満たすように、ビーム偏向器４２からの出射位置から、回折格子４３の出射位置までの光路長に応じて、第３の電圧印加状態および第４の電圧印加状態を設定する。なお、このとき、θ２’は、θ１’＜θ２’を満たしながら極力大きいことが望ましい。
【０１３２】
このように設定することによって、高分解能化を実現するためにビーム偏向器４２から回折格子４３までの光路長を大きくする場合であっても、検出したい波長帯域の全域の波長の光を検出することができる。
【０１３３】
なお、第３の実施形態や第４の実施形態では、ビーム偏向器への電圧印加を、第１の電圧印加状態から第２の電圧印加状態へと変化させる形態、あるいは第３の電圧印加状態から第４の電圧印加状態に変化させる形態について説明したが、これに限定されない。例えば、ビーム偏向器への電圧印加を、第２の電圧印加状態から第１の電圧印加状態へと変化させても良いし、第４の電圧印加状態から第３の電圧印加状態に変化させても良い。
【０１３４】
（第５の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、高分解能測定および広帯域測定を一回の測定で同時に実現することを目的としている。
【０１３５】
分光器において高分解能化を実現する際には、プリズムといった分散媒質からより広角な波長の分散を得る必要がある。しかしながら、高分解能の観点から分散媒質でより広角に波長の分散を得るようにすると、その分、ビーム偏向器に要求される偏向角も大きくなる。また、ビーム偏向器で実現される偏向角の変化量が一定の場合に、広帯域測定を行なう場合には、上記分散媒質の屈折率分散を小さくしなければならず、分解能が低下することになる。
【０１３６】
そこで、本実施形態では、同一分光器において一回の測定で高分解能測定および広帯域測定を同時に行うために、ＫＴＮといった電気光学結晶を備えるビーム偏向器から出力された光を２つの異なる方向に分波する。そして、該分波された一方の光を所望の測定帯域の全部を分光するのに用い（広帯域測定に用い）、他方の光を測定帯域の一部を高分解能で分光するのに用いる（高分解能測定に用いる）。
【０１３７】
図１５は、本実施形態に係る、高分解能測定と広帯域測定とを一回の測定にて実現可能な分光器を示す図である。
【０１３８】
図１５において、ＫＴＮ結晶２１を有するビーム偏向器１２の後段側には、入力された光を２つの異なる方向に出力する手段としての偏波ビームスプリッタ１５１が配置されている。
【０１３９】
上記ビーム偏向器１２において、電極２２、２３に電圧を印加するとＫＴＮ結晶２１中に電界傾斜が生じる。そして、電界傾斜が生じているＫＴＮ結晶２１に無偏光である入射光１５６が入射すると、該入射光１５６の垂直偏光成分と平行偏光成分とがそれぞれＫＴＮ結晶２１において偏向する。ここで、電気光学効果には偏光依存性があるため、垂直偏光成分に対する屈折率変化の傾斜と、平行偏光成分に対する屈折率変化の傾斜とは異なる。よって、ＫＴＮ結晶２１によって偏向された垂直偏光成分と平行偏光成分とでは実現される偏向角が異なる。
【０１４０】
なお、本明細書において、「平行偏光」とは、偏光方向が、光軸に垂直方向であって、電気光学結晶に配置された電極間に生じる電界の方向と一致する方向の偏光である。図１５で言うと、偏光方向が紙面内、かつ光軸に垂直である偏光である。
【０１４１】
また、本明細書において、「垂直偏光」とは、偏光方向が、光軸に垂直方向であって、電気光学結晶に配置された電極間に生じる電界の方向と直交する方向の偏光である。図１５で言うと、偏光方向が紙面垂直方向である偏光である。
【０１４２】
なお、上述のように、電圧を印加するとビーム偏向器１２からは平行偏光成分と垂直偏光成分とが出力されるが、図１５では図面の簡便化を図るために、上記平行偏光成分と垂直偏光成分とを含めて光１５７として記載している。
【０１４３】
偏波ビームスプリッタ１５１は、ビーム偏向器１２から出射された光１５７が入射されると、上記平行偏光成分と垂直偏光成分とを分離して、それぞれを異なる方向に出力する。すなわち、偏波ビームスプリッタ１５１は、入射された光１５７のうち平行偏光成分を透過させて平行偏光である光１５８ａとして出力する。一方、偏波ビームスプリッタ１５１は、入射された光１５７のうち垂直偏光成分を反射させて垂直偏光である光１５８ｂとして出力する。偏波ビームスプリッタ１５１の、光１５８ａの出力側には低屈折率分散（波長による屈折率の小さい）のプリズム１５２が配置されている。また、偏波ビームスプリッタ１５１の、光１５８ｂの出力側には、プリズム１５２の屈折率分散よりも大きい高屈折率分散（波長による屈折率の大きい）のプリズム１５３が配置されている。
【０１４４】
さらに、プリズム１５２、１５３のそれぞれの後段には、波長選択手段としての、スリット板１５４、１５５が配置されている。
【０１４５】
このような構成において測定を行う場合は、ビーム偏向器１２に、平行偏光および垂直偏光以外の任意の偏光成分を有する入射光１５６を入射する。このときビーム偏向器１２に電圧が印加されていると、ビーム偏向器１２からは所定の角度で偏向された、平行偏光成分および垂直偏光成分が出力される。該平行偏光成分および垂直偏光成分を含む光１５７が偏波ビームスプリッタ１５１に入射すると、該偏波ビームスプリッタ１５１は入射された光１５７を偏波成分毎に分離して２つの異なる方向に分波する。すなわち、平行偏光成分は偏波ビームスプリッタ１５１を透過して光１５８ａとしてプリズム１５２に入射し、垂直偏光成分は偏波ビームスプリッタ１５１にて反射して光１５８ｂとしてプリズム１５３に入射する。
【０１４６】
光１５８ａはプリズム１５２にて分光され、スリット板１５４の後段に配置された光検出器（不図示）によって検出したい波長帯域（所望の波長帯域）の全域を測定する。
【０１４７】
ここで、例えば、検出した波長帯域を４００ｎｍ〜７００ｎｍとする。そして、検出したい波長帯域の最も長波長の光がスリット板１５４を通過するための、ビーム偏向器１２への電圧状態を第５の電圧印加状態とする。また、検出したい波長帯域の最も短波長の光がスリット板１５５を通過するための、ビーム偏向器１２への電圧状態を第６の電圧印加状態とする。
【０１４８】
測定の際には、所望に応じて第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させることによって、検出したい波長帯域の全域の測定を行うことができる。
【０１４９】
なお、検出したい波長帯域に応じて、ビーム偏向器１２、偏波ビームスプリッタ１５１、プリズム１５２、およびスリット板１５４の位置、プリズム１５２の材質、第５および第６の電圧印加状態等を設定すれば良い。
【０１５０】
一方、光１５８ｂはプリズム１５３にて分光され、スリット板１５５の後段に配置された光検出器（不図示）によって検出したい波長帯域（所望の波長帯域）の一部のみを高分解能で測定する。
【０１５１】
ここで、例えば、高分解能で検出したい波長帯域を６００ｎｍ〜６５０ｎｍとする。
【０１５２】
本実施形態では、プリズム１５３の屈折率分散は、検出したい波長帯域の全域を検出するためのプリズム１５２の屈折率分散よりも大きい。従って、プリズム１５３の方がプリズム１５２よりも大きく光を屈折させる。よって、例えば、５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長帯域に着目すると、ある電圧状態時において、プリズム１５３から出射される、波長５００ｎｍの光の光軸方向と波長７５０ｎｍの光の光軸方向とのなす角度は、プリズム１５２から出射される、波長５００ｎｍの光の光軸方向と波長７５０ｎｍの光の光軸方向とのなす角度よりも大きくなる。よって、ビーム偏向器１２への電圧状態を第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変えた場合の、プリズム１５３からの出射光におけるスリット板１５５を通過する光の波長の変化量は、プリズム１５２からの出射光におけるスリット板１５４を通過する光の変化量よりも小さくなる。
【０１５３】
従って、ビーム偏向器１２での偏向角の変化量が一定の場合（印加電圧の変化量が一定の場合）でも、プリズム１５３では、プリズム１５２よりも高分解能で測定を行うことができる。すなわち、本実施形態では、プリズム１５３側では、第５の電圧印加状態において波長６００ｎｍの光の検出を行うことができ、第６の電圧印加状態において波長６５０ｎｍの光の検出を行うことができる。
【０１５４】
なお、高分解能で検出したい波長帯域に応じて、ビーム偏向器１２、偏波ビームスプリッタ１５１、プリズム１５３、およびスリット板１５５の位置、プリズム１５３の材質、第５および第６の電圧印加状態等を設定すれば良い。
【０１５５】
また、本実施形態は、検出したい波長帯域の全域の測定、および該検出したい波長帯域の一部の測定を同一の装置で一回の測定で行うことが可能な構成である。すなわち、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させたときに、プリズム１５２側において検出したい波長帯域の全域の測定を行い、プリズム１５３側においてその一部の測定を行うものである。
【０１５６】
上記高分解能測定を行うためのプリズム１５３においては、高分解能に検出する波長帯域を可変とすることが有効である。よって、本実施形態では、高分解能に検出する波長帯域を可変とするために、スリット板１５５に可動部を設け、所望に応じてスリット板１５５を可動させることが好ましい。
【０１５７】
すなわち、スリット板１５５を固定する場合は、高分解能に検出する波長帯域（例えば、６００ｎｍ〜６５０ｎｍ）を固定にすることができる。
【０１５８】
一方、スリット板１５５を移動させることで、高分解能に検出する波長帯域を可変にすることができる。このようにスリット板１５５を所望に応じて駆動させたい場合は、例えば、スリット板１５５をレール等の上に配置し、手動により移動させるようにすれば良い。また、スリット板１５５を、例えばアクチュエータ等の動力制御部に設けることによりスリット板１５５の移動を自動に行うことができる。
【０１５９】
本実施形態では、スリット板１５５をある位置に固定した場合、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させた時に、スリット板１５５に入射される光の波長範囲が、高分解能で検出したい波長帯域となる。よって、スリット板１５５の位置に応じて、上記光の波長範囲が変化する。従って、本実施形態では、スリット板１５５を可動とすることにより、スリット板１５５に入射する光の波長範囲を可変とすることができる。すなわち、高分解能で検出したい波長帯域に応じて、第５の電圧印加状態から第６の電圧印加状態に変化させた際に、上記高分解能で検出したい波長帯域の光がスリット板１５５に入射するようにスリット板１５５の位置を決定することにより、高分解能で検出する波長帯域を可変とすることができる。
【０１６０】
このように、本実施形態では、検出したい波長帯域の全域を検出するために相対的に低い屈折率分散を有するプリズム１５２を用い、検出したい波長帯域の一部を検出するために相対的に高い屈折率分散を有するプリズム１５３を用いている。そして、測定光である光１５６をビーム偏向器１２により偏向して２つに分波し、該分波されたそれぞれの光を低屈折率分散のプリズム１５２および高屈折率分散のプリズム１５３に入射して分光を行う。従って、プリズム１５２側において検出したい波長帯域の全域の測定を行うことができ、これと同時にプリズム１５３側において高分解能測定を行うことができる。
【０１６１】
また、上述のように、ビーム偏向器１２によって偏向された光を、検出したい波長帯域の全域の測定用の光、および高分解能測定用の光に分波しているので、ビーム偏向器１２に対する電圧制御のみにより、検出したい波長帯域の全域の測定、および高分解能測定の双方の制御を行うことができる。
【０１６２】
なお、本実施形態において、検出したい波長帯域の全域測定用の偏光成分および高分解能測定用の偏光成分は、平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれを用いても良いが、平行偏光成分の方が、同じ測定帯域なら高分解能測定が可能になり、同じ分解能なら広帯域測定が可能となる。
【０１６３】
本実施形態では、上述のように、ビーム偏向器１２から偏向された光をプリズム１５２およびプリズム１５３に入射するために、２つに分波することが重要となり、偏波ビームスプリッタ１５１を用いることは本質ではない。本実施形態では、偏波ビームスプリッタ１５１に代わりに、例えば、ハーフミラー等の、入射光を２つの異なる方向に分波して出力可能な手段であればいずれの手段を用いても良い。
【０１６４】
ハーフミラーを用いる場合は、良好な測定を行うために、プリズム１５２および１５３には平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方（好ましくは、平行偏光成分）を入射するのが好ましい。
【０１６５】
例えば、ＫＴＮ結晶２１の２次の電気光学定数ｓ１１とｓ１２とが逆符号である場合、垂直偏光成分と平行偏光成分とは反対方向に偏向する。従って、各プリズムにおいて、平行偏光成分を用いて測定を行う場合には、垂直偏光成分の光もプリズムに入射することになり、ビーム偏向器１２への電圧の極性が変わると、垂直偏光成分の光が測定に影響する場合がある。従って、ハーフミラーを用いる場合は、平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方を用いることが望ましいのである。
【０１６６】
よって、分波手段としてハーフミラーを用いる場合は、ビーム偏向器１２の前段に偏光子を設け、該偏光子によりビーム偏向器１２に平行偏光成分および垂直偏光成分のいずれか一方を入射するようにすれば良い。
【０１６７】
また、本実施形態では、上述のように、同一の装置内で一回の測定により、検出したい波長帯域の全部、および検出したい波長帯域の一部（高分解能測定）を行うことが重要である。すなわち、測定光としての入射光１５６を分波し、分波された一方の光をプリズム１５２に入射して検出したい波長帯域の全部の測定を行い、他方の光をプリズム１５３に入射して高分解能測定を行うことが本質である。
【０１６８】
よって、本実施形態では、図１６に示すように、ビーム偏向器１２の前段において、入射光１５６を２つに分波するようにしても良い。図１６において、符号１６１はλ／２波長板であり、符号１６２はミラーである。
【０１６９】
本実施形態では、平行偏光成分を用いることが好ましいので、偏波ビームスプリッタ１５１から分波された垂直偏光成分をλ／２波長板にて偏光方向を変えることが好ましい。すなわち、偏波ビームスプリッタ１５１の後段の垂直偏光成分が出力される側にλ／２波長板１６１を設けることにより、プリズム１５２、１５３の双方に平行偏光成分を入射することができる。
【０１７０】
なお、λ／２波長板１６１は設けなくても良いことは言うまでもない。
【０１７１】
図１６では、ビーム偏向器の偏向制御を１箇所で行うために、１つのビーム偏向器１２の異なる領域に、プリズム１５２に入射するための光とプリズム１５３に入射するための光とを入射する必要がある。従って、λ／２波長板１６１の後段にミラー１６２を設け、λ／２波長板１６１から出射された光の方向を変えている。
【０１７２】
また、本実施形態では、図１７に示すように、偏波ビームスプリッタ１５１から分波された光の光路のそれぞれにビーム偏向器１２を設けるようにしても良い。
【０１７３】
（第６の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、分光器の高感度化を実現することを目的としている。
【０１７４】
高感度な分光器を実現するためには、ＫＴＮといった電気光学結晶を備えるビーム偏向器に入射される光量をなるべく大きくすることが望ましく、ビーム偏向器の入射面の開口を大きくする必要がある。このように開口を大きくすることは、特に小さい径への集光、コリメートが困難なインコヒーレント光の分光では重要となる。
【０１７５】
開口を大きくする場合、ＫＴＮといった２次の電気光学効果を有する電気光学結晶を利用し、電極間に屈折率の傾斜を発生させ光ビームを偏向させるビーム偏向器では、電極間の距離（結晶の厚さ）がａ倍になると、同じ偏向角を得るのにａ√ａ倍の電圧が必要になる。
【０１７６】
そこで、本実施形態では、ある偏向角を得るのに必要な電圧の増大を招かないようにしながら、ビーム偏向器の入射面の開口を大きくするために、ＫＴＮ等の電気光学結晶の厚さ（電極間の距離）を、上記ある偏向角を実現するのに必要な厚さから変化させず、電気光学結晶の幅が電気光学結晶の厚さよりも大きい電気光学結晶を利用する。さらに、断面が楕円形状の入射光をビーム偏向器に入射するようにする。
【０１７７】
なお、本明細書において、「（電気光学結晶の）厚さ」とは、電極が形成される、対向する２つの面の一方から他方に向った電気光学結晶の長さを指す。また、本明細書において、「（電気光学結晶の）幅」とは、電気光学結晶の厚さ方向および電気光学結晶中を進行する光の方向と垂直な方向に沿った電気光学結晶の長さである。
【０１７８】
図１８は、本実施形態に係るビーム偏向器の斜視図である。
【０１７９】
図１８において、ＫＴＮ結晶２１の厚さよりも幅が広くなっている。従って、電極２２と２３との間の距離を変えずに、ビーム偏向器１２の入射面１８１における開口を大きくすることができる。よって、開口を大きくしても、必要とされる電圧の増大を防ぐことができる。
【０１８０】
また、本実施形態では、入射面１８１に対して、断面が楕円形状の入射光１８２を入射している。従って、入射光１８２の断面形状である楕円の短軸と同じ長さの半径を有する円形状が断面の光を入射する場合に比べて、入射光１８２の断面形状である楕円の長軸の増大分に応じて入射光量を大きくすることができる。従って、必要な電圧の増大を招くことなく、分光器の高感度化を実現することができる。
【０１８１】
なお、本実施形態では、シリンドリカルレンズやスリット等に測定光を入射することにより、断面が楕円形状の入射光１８２を得ることができる。このような、入射面１８２に断面が楕円形状の光を入射するための手段としては、シリンドリカルレンズ、スリットに限らず、入射された光を断面が楕円形状となる光として出力可能なものであればいずれを用いても良い。
【０１８２】
開口を大きくする際に、従来のように、厚さ方向を大きくするという着眼点に立つと、ＫＴＮ結晶２１の厚さの増大により開口は大きくなるが、電極２２と２３との間の距離が大きくなることになるので、上述のように同じ偏向角を得るのに必要な電圧も大きくなってしまう。
【０１８３】
そこで、本実施形態では、必要な電圧の増大を起こさないようにして開口を大きくするために、電圧に影響がでる厚さを制御するのではなく、必要な電圧に影響しない幅方向を制御するようにしている。すなわち、ある偏向角を実現するのに必要な電圧を確保したまま、すなわち、上記必要な電圧に対応する厚さを確保したまま、ＫＴＮ結晶２１の幅を厚さよりも大きくすることにより、開口の増大を図っている。
【０１８４】
そして、ＫＴＮ結晶２１の幅を厚さよりも大きくした分、開口が大きくなるので、入射光１８２がインコヒーレント光であっても、ビーム偏向器１２に良好に入射することができる。しかしながら、従来のように、断面が円形状の入射光では、開口が大きくなり入射光とビーム偏向器１２とが良好にマッチングしても、入射光量の観点からすると入射光の断面の円形の半径が律速になる。よって、ＫＴＮ結晶２１の幅を広くして開口を大きくしても、ＫＴＮ結晶２１の厚さが大きくなるわけではなく、結局、入射光量の増大は見込めない。
【０１８５】
しかしながら、本実施形態では、入射光１８２の断面を楕円形状にしているので、ＫＴＮ結晶２１の幅を広くした分、入射光１８２の断面である楕円の長軸を大きくすることができる。従って、ビーム偏向器１２への入射光量を大きくすることができ、その分高感度化を図ることができる。
【０１８６】
このように、本実施形態では、インコヒーレント光であってもビーム偏向器に良好に結合するように、ビーム偏向器の入射面での開口を大きくすることが重要となる。このとき、電気光学結晶の厚さをａ倍して開口の増大を行うと、同じ偏向角を得るのに必要な電圧がａ√ａ倍となってしまい、電圧増を招いてしまう。そこで、本実施形態では、必要な電圧の増大を防ぎつつ、開口を大きくするために、用いる電気光学結晶の幅を厚さよりも大きくしている。
【０１８７】
また、電気光学結晶の幅を厚さよりも広くすることにより実現された、必要な電圧の増大を招かない、大きな開口が実現されたビーム偏向器の入射面において、入射光の断面を楕円形状とし、該楕円の長軸が電気光学結晶の幅と平行となるように上記入射光を入射することにより、ビーム偏向器への入射光量を大きくすることができ、高感度な分光器を実現することができる。
【０１８８】
（第７の実施形態）
本実施形態では、応答速度の高速化、および小型化の実現に加えて、簡便で高分解能な分光器を実現することを目的としている。
【０１８９】
本実施形態では、簡便な構成で応答速度が速い分光器を実現するために、ビーム偏向器１２の入射端および出射端の少なくとも一方をウェッジ加工し、該少なくとも一方をくさび型の面にしている。この加工により、第１〜第６の実施形態における、ビーム偏向器とプリズムといった分光手段とを１つの装置で実現することができる。
【０１９０】
図１９は、本実施形態に係る分光器を示す図である。
【０１９１】
図１９において、分光器１９０は、ＫＴＮ結晶１９１を備えている。該ＫＴＮ結晶１９１の第１の面には、電極１９２が形成されており、該第１の面に対向する第２の面には、電極１９３が形成されている。符号１９４は分光器１９０の入射端であり、符号１９５は分光器１９０の出射端である。
【０１９２】
分光器１９０（ＫＴＮ結晶１９１）の出射端１９５において、電圧印加により光ビームの偏向する面内に角度をなすようにくさび型に加工することにより、くさび型の出射端１９６が形成されている。すなわち、出射端１９５において、電極１９３が形成された第２の面から電極１９２が形成された第１の面に向って斜面が形成されるように徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の出射端１９６を形成する。
【０１９３】
上記ウェッジ加工は、図５に示すようなビーム偏向器１２を作製し、出射端を切断、または研磨することによって行うことができる。
【０１９４】
このようにくさび型の出射端１９６を形成することにより、電極１９２、１９３への印加電圧状態に応じて、くさび型の出射端１９６からの出射光を振ることができる。
【０１９５】
本実施形態では、出射端１９５において、光ビームの偏向する面と垂直な方向に角度をなすようなくさび型の出射端（図１９では、紙面手前（紙面奥）から紙面奥（紙面手前）に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の出射端）を形成しても、ビーム偏向の方向と、くさび型の斜面による分散の方向とが一致していない。従って、分光器として機能しない。これに対して、図１９のように、ＫＴＮ結晶１９１の厚さが変化する方向と電界の印加方向とが一致するようにすることで、くさび型の出射端１９６における分散の方向と、ビーム偏向の方向とが一致するので、分光器として良好に機能させることができる。
【０１９６】
さて、ＫＴＮといった電気光学結晶の出射端がくさび型になっていると、電気光学結晶内を伝搬した光の該出射端（くさび型の出射端）における界面への入射が斜入射になる。ＫＴＮといった電気光学結晶は、屈折率の波長分散（通常、短波長ほど屈折率が高い）を有するので、上記斜入射にあると、各波長毎の出射角が変化する。これによって、ビーム偏向器のみで分光まで行うことができるのである。
【０１９７】
このように、本実施形態では、出射端をくさび型の出射端１９６にすることにより、出射端１９６からは、各波長毎に分散された光を出射することができる。そして、徐々に厚さが薄くなる方向が、電極１９２と１９３との間に形成される電界の方向になるように、くさび型の出射端１９６を形成するので、分散された光が広がる方向（分散の方向）と、ビーム偏向の方向とを一致させることができ、分光器の機能を実現することができる。
【０１９８】
なお、ＫＴＮ結晶１９１の出射端での分光のみでは分解能が不十分のときは、分光器１９０の後段にプリズムや回折格子等の分散媒質を配置しても良い。
【０１９９】
また、本実施形態では、くさび型の加工を施すのは、出射端に限らず、入射端（図２０Ａ）、入射端および出射端の双方（図２０Ｂ、２０Ｃ）であっても良い。
【０２００】
図２１、２２にて、本実施形態のように、分光器１９０の出射端をくさび型に加工した効果を説明する。
【０２０１】
図２１および２２は、ＫＴＮ結晶１９１中を通過する光の出射端１９５への入射角と、結晶外部への出射角の変化量である分散角の関係を表している。KTN結晶１９１の波長７００ｎｍの屈折率を２．２５とし、波長４００ｎｍの屈折率が０．１もしくは０．２高いとして、波長７００ｎｍと４００ｎｍの出射角の差を分散角として示している。ＫＴＮ結晶１９１内部での偏向角は波長に関係なく、−５０ｍｒａｄから５０ｍｒａｄまでである。
【０２０２】
図２１は出射端１９５がくさび型に加工されていない場合である。この場合、図２１に示すように、ＫＴＮ結晶１９５内部での偏向角が大きくなるにつれて、出射端１９５への斜入射となり結晶外部での分散角も大きくなるが、せいぜい１ｍｒａｄ程度である。
【０２０３】
一方、図２２はＫＴＮ結晶１９１内部で偏向しない場合に２０度(３４９ｍｒａｄ)の入射角を有するように出射端１９５をくさび型に加工した場合の、ＫＴＮ結晶１９１のくさび型の出射端１９６への入射角と分散角の関係を表している。屈折率差が０．１の場合、分散角は最大で８ｍｒａｄとなり、屈折率差が０．２の場合、分散角は最大で１９ｍｒａｄ得られることになる。このように、ＫＴＮ結晶１９１の出射端への入射角が大きいほど分散角は大きくなり、くさび型形状の効果が顕著に得られる。
【０２０４】
また、ＫＴＮ結晶１９１の出射端１９５がくさび型に加工されていない場合、図２１に示すように、分散角が０になる場合がある。これに対して、本実施形態のようにＫＴＮ結晶１９１の出射端１９５をくさび型の出射端１９６のようにすると、図２２に示すように、常に分散が生じる状態となる。
【０２０５】
よって、本実施形態のように、ＫＴＮ結晶の入射端および出射端の少なくとも一方をくさび型に加工することにより、分光器として機能させることができるので、簡便な構成の分光器を実現することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対、および断面が楕円形状の光を入射するための手段を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え、
前記断面が楕円形状の光は、該楕円の長軸方向と前記電気光学結晶の幅の方向とが一致するように前記電気光学結晶に入射されることを特徴とする分光器。
【請求項２】
電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
入力された光を２つの異なる方向に出力する出力手段と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する、第１のプリズムと、該第１のプリズムよりも屈折率分散が大きい第２のプリズムとからなる分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備える分光器であって、
前記出力手段によって２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入射されることを特徴とする分光器。
【請求項３】
前記出力手段は、前記ビーム偏向器と前記第１および第２のプリズムとの間に配置されており、
前記出力手段は、前記ビーム偏向器から出射された光を前記２つの異なる方向に出力することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記出力手段は、前記ビーム偏向器の前段に配置され、
前記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、前記ビーム偏向器の異なる領域に入射して、前記第１および第２のプリズムに入射することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項５】
前記ビーム偏向器は、第１のビーム偏向器と第２のビーム偏向器を含み、
前記出力手段は、前記第１および第２のビーム偏向器の前段に配置され、
前記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、前記第１のビーム偏向器および第２のビーム偏向器に入射して、前記第１および第２のプリズムに入射することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項６】
前記波長選択手段は、前記第１のプリズムの後段に配置された第１の波長選択手段と、前記第２のプリズムの後段に配置された第２の波長選択手段とを含み、
前記第２の波長選択手段は移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項７】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え
前記ビーム偏向器の入射端および出射端の少なくとも一方は、前記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、前記電極対の第２の電極が配置され、前記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であることを特徴とする分光器。
【請求項８】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え、
前記ビーム偏向器と前記分光手段とは同一の電気光学結晶からなり、
前記電気光学結晶の入射端および出射端の少なくとも一方は、前記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、前記電極対の第２の電極が配置され、前記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であることを特徴とする分光器。
【請求項９】
前記波長選択手段は、スリット板であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の分光器。
【請求項１０】
前記電気光学結晶は、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の分光器。
【請求項１】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対、および断面が楕円形状の光を入射するための手段を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え、
前記断面が楕円形状の光は、該楕円の長軸方向と前記電気光学結晶の幅の方向とが一致するように前記電気光学結晶に入射されることを特徴とする分光器。
【請求項２】
電気光学効果を有する電気光学結晶、および該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
入力された光を２つの異なる方向に出力する出力手段と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する、第１のプリズムと、該第１のプリズムよりも屈折率分散が大きい第２のプリズムとからなる分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備える分光器であって、
前記出力手段によって２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入射されることを特徴とする分光器。
【請求項３】
前記出力手段は、前記ビーム偏向器と前記第１および第２のプリズムとの間に配置されており、
前記出力手段は、前記ビーム偏向器から出射された光を前記２つの異なる方向に出力することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記出力手段は、前記ビーム偏向器の前段に配置され、
前記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、前記ビーム偏向器の異なる領域に入射して、前記第１および第２のプリズムに入射することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項５】
前記ビーム偏向器は、第１のビーム偏向器と第２のビーム偏向器を含み、
前記出力手段は、前記第１および第２のビーム偏向器の前段に配置され、
前記２つの異なる方向に出力された光はそれぞれ、前記第１のビーム偏向器および第２のビーム偏向器に入射して、前記第１および第２のプリズムに入射することを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項６】
前記波長選択手段は、前記第１のプリズムの後段に配置された第１の波長選択手段と、前記第２のプリズムの後段に配置された第２の波長選択手段とを含み、
前記第２の波長選択手段は移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の分光器。
【請求項７】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え
前記ビーム偏向器の入射端および出射端の少なくとも一方は、前記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、前記電極対の第２の電極が配置され、前記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であることを特徴とする分光器。
【請求項８】
電気光学効果を有する電気光学結晶、該電気光学結晶の内部に電界を印加するための電極対を含むビーム偏向器と、
前記ビーム偏向器からの出射光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光された出射光の中から、任意の波長の光を選択する波長選択手段と
を備え、
前記ビーム偏向器と前記分光手段とは同一の電気光学結晶からなり、
前記電気光学結晶の入射端および出射端の少なくとも一方は、前記電極対の第１の電極が配置された第１の面から、前記電極対の第２の電極が配置され、前記第１の面と対向する第２の面に向って徐々に厚さが薄くなるようなくさび型の端面であることを特徴とする分光器。
【請求項９】
前記波長選択手段は、スリット板であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の分光器。
【請求項１０】
前記電気光学結晶は、ＫＴａＯ3、ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3-ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＯのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の分光器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−２１５５９５（Ｐ２０１２−２１５５９５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７９８５０（Ｐ２０１２−１７９８５０）
【出願日】平成２４年８月１４日（２０１２．８．１４）
【分割の表示】特願２００９−５２５４２５（Ｐ２００９−５２５４２５）の分割
【原出願日】平成２０年７月３０日（２００８．７．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月１４日（２０１２．８．１４）
【分割の表示】特願２００９−５２５４２５（Ｐ２００９−５２５４２５）の分割
【原出願日】平成２０年７月３０日（２００８．７．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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