説明

分光装置

【課題】 均一な角度分布を有する分光された光を取り出すことが可能な分光装置を提供する。
【解決手段】 光源1からの光は、楕円鏡3に入射する。楕円鏡3の第1焦点は光源1の位置に位置している。楕円鏡3で反射された光は、楕円鏡4で再び反射される。楕円鏡3の第2焦点位置は、楕円鏡4の第1焦点位置に一致している。そして、楕円鏡4の第2焦点位置は、分光装置の入側スリット5の位置に一致するようにされている。よって、光源1からの光は、入側スリット5上に集光される。この光学系においては、楕円鏡3と楕円鏡4が、いわゆる「軸外し」となっており、楕円鏡3と楕円鏡4で反射された光は、光源1で遮られることなく入側スリット5上に集光される。又、このように、軸外し楕円鏡を2つ使用することにより、入側スリット5に入射する光の強さの角度分布を均一にすることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源からの光を波長毎に分光して出力する分光装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
広いスペクトル分布を有する光源からの光を回折格子やプリズム等の分光光学素子に入射させて波長毎に異なる方向に出射させることにより分光を行う分光装置においては、光源からの光をスリット(入側スリット)上に集光し、入側スリットを2次光源として、入側スリットから放出される線状光源(分光方向については点光源とみなされるもの)を、凹面鏡等の光学素子を介して平行光束とし、分光光学素子に入射させる方法が採用されている。
【0003】
特に、分光光学素子で分光された光を、再びスリット(出側スリット)を通して、出側スリットを透過した特定波長の光(分光光学素子の回転により、特定波長を変化させることができる)を取り出す場合には、2次光源を構成するスリットから放出される光の、放出角に対する強度分布が、分光されて出側スリットから放出される光の、放出角に対する強度分布に反映されることになる。
【0004】
光源からの光を入側スリットに集光する光学系として、最も簡単な光学系は、図3に示すようなものである。すなわち、光源ランプ21の背面に楕円鏡22を設けて、その第1焦点位置に光源ランプ21を位置させ、その第2焦点位置に分光装置の入側スリット23を配置する方法である。
【0005】
しかし、この方法では、光源ランプ21に自身による、楕円鏡22からの反射光の遮蔽が問題となる。すなわち、楕円鏡22からの反射光のうち、遮蔽部24の部分が光源ランプにより遮られる。この部分には、光源ランプ21からの光しか届かず、この光は集光性がないので弱いものとなる。従って、入側スリット23から放出される光は、その中心部分で強度の弱いものとなる。
【0006】
このような問題点を解決するために、従来の分光装置においては、図4に示すような光学系が使用されていた。光源21からの光は、背面に設けられた球面ミラー25により反射され、光源21が発する光と共に楕円鏡26に入射する。楕円鏡26の第1焦点は光源21の位置に位置し、第2焦点は、分光装置の入側スリット23の位置に位置するようにされている。
【0007】
よって、光源21からの光は、入側スリット23上に集光されるが、この光学系においては、楕円鏡26が、いわゆる「軸外し」となっており、楕円鏡26で反射された光は、光源21で遮られることなく入側スリット23上に集光するように、楕円鏡26の反射面が形成されている。よって、図3に示したような、光源21による遮蔽の問題が起こらない。
【0008】
入側スリット23から放出された光は、平面鏡27で反射された後、凹面鏡28で平行光線に変えられ、回折格子29に入射する。回折格子29で分光された光のうち、特定方向に出射するものは、凹面鏡30、平面鏡31を通って集光光束に変えられ、出側スリット32に集光されて、出側スリット32から放出される。回折格子29を回転させることにより、出側スリット32から放出される光の波長を変えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、図4によるような、軸外し楕円鏡26を使用した場合でも、入側スリット23に入射する光の強度が入射角に応じて分布(以下、入射角、出射角に応じた強度分布を「角度分布」ということがある)を有することが避けられない。すなわち、図4において、A点、B点、C点で反射される光の強度を比較すると、A点で反射される光の強度が最も強く、C点で反射される光の強度が最も弱い。
【0010】
このことを図5を用いて説明する。図5において、光源21から放出される光を示す線の内、実線は、楕円鏡26の開口数(NA)で決まる有効範囲の境界を通る光線であり、破線で示される光線は、それから所定角度内側の光線である。光源21から放出される光のうち、A点で反射される光とC点で反射される光を比較すると、同じ角度範囲内(実線と破線の間)の光でも、A点で反射される光は、狭い角度範囲内に収まって入側スリット23に入射するのに対して、C点で反射される光は、広い角度範囲で入側スリット23に入射している。よって、入側スリット23に入射する光は、A点で反射された光の方が、C点で反射された光よりも強い強度を有することになる。
【0011】
このような入側スリット23への入射光の角度分布は、図4において凹面鏡28によって平行光線に変えられ回折格子29を照明する光の、回折格子29上での強度ムラとなって現れ、さらに、出側スリット32から放出される光の角度分布となって現れるので、分光された光を使用する光学系にとって好ましくない影響を与える。
【0012】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、均一な角度分布を有する分光された光を取り出すことが可能な分光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記課題を解決するための第1の手段は、光源と、当該光源位置又はそれと共役な位置に第1の焦点を有し、前記光源からの光を反射して第2の焦点位置に集光する第1の楕円鏡と、第1の楕円鏡の第2の焦点位置又はそれと共役な位置に第1の焦点を有し、第1の楕円鏡からの光を反射して第2の焦点位置に集光する第2の楕円鏡と、第2の楕円鏡の第2の焦点位置、又はそれと共役な位置に設けられたスリットと、前記スリットを透過した光を分光する分光光学素子を有し、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡で反射されて前記スリットに到達する光が前記光源で遮られないように、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡の反射面が構成されていることを特徴とする分光装置である。
【0014】
本手段においては、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡で反射されて前記スリットに到達する光が前記光源で遮られないように、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡の反射面が構成されているので、スリットに集光される光の一部が光源により遮られてスリットに入射する光の角度分布が不均一になることを防止できる。又、光源からの光が2つの楕円鏡で反射されてスリットに集光されるようになっているので、2つの楕円鏡の角度特性が相殺し合い、楕円鏡により発生する光の角度分布の不均一が軽減される。よって、分光光学素子に均一な強度分布の光を照射することができ、その結果、均一な角度分布を有する分光された光を取り出すことが可能となる。
【0015】
前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、前記光源がキセノンランプであることを特徴とするもの(請求項2)である。
【0016】
キセノンランプは、約300〜1200nmの波長においてパワーのある光を発する。特に約300〜700nmの範囲においてはフラットなパワースペクトルを有する光を発するので、可視光用の分光装置の光源として有効である。さらに、放電で発光し、発光部は電極先端位置にあり、ほとんど点光源に近いと考えることができるので、光学系において取り扱いが容易である。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、均一な角度分布を有する分光された光を取り出すことが可能な分光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の1例である分光装置の光学系の概要を示す図である。光源1からの光は、背面に設けられた球面ミラー2により反射され、光源1が発する光と共に楕円鏡3に入射する。楕円鏡3の第1焦点は光源1の位置に位置している。楕円鏡3で反射された光は、楕円鏡4で再び反射される。楕円鏡3の第2焦点位置は、楕円鏡4の第1焦点位置に一致している。そして、楕円鏡4の第2焦点位置は、分光装置の入側スリット5の位置に一致するようにされている。
【0019】
よって、光源1からの光は、入側スリット5上に集光されるが、この光学系においては、楕円鏡3と楕円鏡4が、いわゆる「軸外し」となっており、楕円鏡3と楕円鏡4で反射された光は、光源1で遮られることなく入側スリット5上に集光するように、楕円鏡3と楕円鏡4の反射面が形成されている。よって、図3に示したような、光源21による遮蔽の問題が起こらない。
【0020】
入側スリット5から放出された光は、平面鏡6で反射された後、凹面鏡7で平行光線に変えられ、回折格子8に入射する。回折格子8で分光された光のうち、特定方向に出射するものは、凹面鏡9、平面鏡10を通って集光光束に変えられ、出側スリット11に集光されて、出側スリット11から放出される。回折格子8を回転させることにより、出側スリット11から放出される光の波長を変えることができる。
【0021】
このように、軸外し楕円鏡を2つ使用することにより、入側スリット5に入射する光の強さの角度分布を均一にすることができる。その理由を図2を用いて説明する。図2において、光源1から放出される光を示す線の内、実線は、楕円鏡3と楕円鏡4の開口数(NA)で決まる有効範囲の境界を通る光線であり、破線で示される光線は、それから所定角度内側の光線である。
【0022】
光源1から放出される光のうち、A点で反射される光とC点で反射される光を比較すると、同じ角度範囲内(実線と破線の間)の光でも、A点で反射される光は、狭い角度範囲内に収まって楕円鏡4のA’点に入射するのに対して、C点で反射される光は、広い角度範囲で楕円鏡4に入射している。よって、楕円鏡4に入射する光は、A点で反射された光の方が、C点で反射された光よりも強い強度を有することになる。これは、光源1から点Aまでの距離が、光源1から点Cまでの距離より短いからである。
【0023】
しかし、楕円鏡4で反射された結果、図に示すように、入側スリット5に入射する段階では、A点で反射された光とC点で反射された光について、実線と破線のなす角はほぼ同じとなっている。これは、楕円鏡4で反射されることにより、入側スリット5に入射する段階では、光の角度分布が均一化されていることを示す。このような、光の角度分布の均一化は、図2に示すような場合、A’点と楕円鏡4の第1焦点0との距離を、B’点と楕円鏡4の第1焦点Oとの距離よりも大きくしておくことにより実現できる。すなわち、楕円鏡4の反射面において、A’点とC’点における実線と破線の間隔が等しくなるように楕円鏡4の反射面を選べばよい。
【0024】
なお、本実施の形態においては、光源1としてキセノンランプを使用している。前述のようにキセノンランプの発光源は非常に小さいので、実質的に点光源として扱って、光学系を設計することができる。
【0025】
勿論、本発明は、キセノンランプ以外の光源を使用する場合にも適用可能であり、分光光学素子としてプリズム等を使用する場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の実施の形態の1例である分光装置の光学系の概要を示す図である。
【図2】軸外し楕円鏡を2つ使用することにより、入側スリットに入射する光の強さの角度分布を均一にすることができる理由を説明するための図である。
【図3】光源からの光を入側スリットに集光する光学系の例を示す図である。
【図4】従来の分光装置に使用されている光学系の例を示す図である。
【図5】従来の光学系において入射光の強度の角度分布が均一でなくなる理由を説明するための図である。
【符号の説明】
【0027】
1…光源、2…球面ミラー、3…楕円鏡、4…楕円鏡、5…入側スリット、6…平面鏡、7…凹面鏡、8…回折格子、9…凹面鏡、10…平面鏡、11…出側スリット

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源と、当該光源位置又はそれと共役な位置に第1の焦点を有し、前記光源からの光を反射して第2の焦点位置に集光する第1の楕円鏡と、第1の楕円鏡の第2の焦点位置又はそれと共役な位置に第1の焦点を有し、第1の楕円鏡からの光を反射して第2の焦点位置に集光する第2の楕円鏡と、第2の楕円鏡の第2の焦点位置、又はそれと共役な位置に設けられたスリットと、前記スリットを透過した光を分光する分光光学素子を有し、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡で反射されて前記スリットに到達する光が前記光源で遮られないように、第1の楕円鏡と第2の楕円鏡の反射面が構成されていることを特徴とする分光装置。
【請求項2】
前記光源がキセノンランプであることを特徴とする請求項1に記載の分光装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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