(57)【要約】【課題】ゼロ次の回折格子をスペクトル検出のために利用するイメージング分光器を提供する。【解決手段】本発明は、ゼロ次の回折格子２を利用し、入射開口０を含み、その後方にコリメート光学系１が放射の方向に配置され、その後方に一次集束光学系３に関連する一次回折格子２が配置され、その後方に一次放射検出器４が配置されるイメージング分光器に関する。二次回折格子５は、ゼロ次の一次回折格子２を通過した、および／またはゼロ次の一次回折格子２から反射され、一次集束光学系３の外側に向けられた放射の方向に配置され、それによって二次回折格子５は、二次集束光学系６に関連し、その後方に二次放射検出器（７）が配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼロ次の回折格子を使用し、入射開口（０）を含み、その後方にコリメート光学系（１）が放射の方向に配置され、その後方に一次集束光学系（３）に関連する一次回折格子（２）が配置され、その後方に一次放射検出器（４）が配置されるイメージング分光器であって、二次回折格子（５）は、ゼロ次の前記一次回折格子（２）を通過した、および／またはゼロ次の前記一次回折格子（２）から反射され、前記一次集束光学系（３）の外側に向けられた前記放射の方向に配置され、それによって前記二次回折格子（５）は、二次集束光学系（６）に関連し、その後方に二次放射検出器（７）が配置されることを特徴とする、イメージング分光器。
【請求項２】
少なくとも１つの追加の回折格子が、ゼロ次の前記二次回折格子（５）を通過した、および／またはゼロ次の前記二次回折格子（５）から反射され、前記二次集束光学系（６）の外側に向けられた前記放射の方向に配置され、それによって前記追加の回折格子が、集束光学系に関連し、その後方に別の放射検出器が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のイメージング分光器。
【請求項３】
偏光光学系（８）が、前記二次回折格子（５）および各追加の回折格子の前に配置され、前記後続の二次回折格子（５）の効率を最大にするために放射の偏光状態を調整するように適合されることを特徴とする、請求項１または２に記載のイメージング分光器。
【請求項４】
光学系（９）が、前記二次回折格子（５）および各追加の回折格子の前に配置され、次の回折格子の空間内の平面上に先行する回折格子の空間内の平面を結像するように、または集束対物レンズ（６）の入射瞳にコリメート対物レンズ（１）の出射瞳を表示するように適合されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージング分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼロ次の回折格子を使用し、入射開口を含み、放射の方向に、その後方にコリメート光学系が配置され、その後方に一次集束光学系に関連する一次回折格子が配置され、その後方に一次放射検出器が配置されるイメージング分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のところ、波長によって区別される入射電磁放射を検出するために使用される分光器は、以下の光学要素を含む：入射する多色の、通常は発散放射ビーム用の開口、例えばスリット；入射開口から来る発散光学ビームをコリメートされたビームに変換するコリメート要素；分散要素、一般に、波長に従って多色ビームを単色ビームに屈折または回折角分散させる要素；多数の波長の放射を同時に記録するために、出射開口の焦点面に、通常は平坦なマルチチャンネル放射検出器上に入射開口、通常はスリットの像を生成する集束要素。分散要素は、ほとんどの場合、回折格子または分散プリズムである。
【０００３】
分光器の光学系設計の主な目的は、検出器に入射する放射束の可能な限り高い値、ならびにスペクトル分解能および記録されたスペクトル範囲などの他の系パラメータとの適合性を達成することである。放射束は、分光器の光学系のエタンデュに比例し、これは例えば、コリメート要素Ｓに入射するビームの法線面と入射開口、例えばスリットがこの法線面から見られる空間角度Ωとの積（良好に設計された光学系の個々の要素に対するエタンデュは、保存される）、分光器の光学系の透過率τ、および検査された放射源のスペクトル放射輝度Ｂλとして決定される。したがって、効率（検出器に入射する放射束）を増大させる際に２つの方法で進めることが可能である。例えば、より高い光度（開口数）を有する光学アセンブリを使用することによって分光器のエタンデュを増大させること、または例えばより高い透過率を有する光学材料、より効率的な反射もしくは反射防止面、より高い効率を有する回折格子などを使用することによって、光学系の透過率を増大させることが可能である。現在入手可能な最も高いエタンデュを有する分光器は、主に光学欠陥のより良好な補正、したがってミラー系よりも高いレンズ速度のために光学ビームをコリメートして集束させる非常に効率的な透過回折格子および対物レンズを使用する。可視および近赤外スペクトル範囲において、これらの系は、ｆ／１．８〜ｆ／１．４のｆナンバー（入射瞳の直径に対する系の焦点距離の比）を達成する。しかしながら、実際には、このエタンデュが放射源によって効果的に整合されない限り、エタンデュを増大させてもそれ自体では検出器に入射する放射束は自動的に増加しない。光学系の透過率の観点から、放射の一部のみが所望の回折される次数に回折されるので、制限要素であるのは回折格子の効率であることが多い。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１３０１６９９５９号明細書は、検出器と、プロセッサとを含む分光計における集光を増加させるための系を開示している。検出器は、分光計の回折要素からのゼロ次光を検出し、このゼロ次からの光強度を測定する。プロセッサは、検出器が最大強度の測定値を受け取るまで、検出器からの放射強度測定値の結果を連続的に受け取り、分光計パラメータを自動的に調整する。自動的に調整された分光計パラメータは、分光計入口と試料との間の光学経路、分光計露光時間、または分光計の光源強度を含み得る。分光計開口と試料との間の光学経路は、試料に対して分光計対物レンズを移動させることによって、または分光計に対して試料を移動させることによって調整することができる。
【０００５】
中国特許出願公開第１０２８１２３４０号明細書は、光学信号を受け取るための入力区画、回折格子および光学センサを含む、ゼロ次スペクトル成分および一次スペクトル成分を受け取ることが可能なマイクロ分光計を記載している。回折格子は、湾曲した集束面と、その上に形成された回折パターンとを有する。回折格子は、光学信号を受け取り、それらをゼロ次スペクトル成分および一次スペクトル成分を含む複数のスペクトル成分に分離する。光学センサは、第１の検知部と、第２の検知部とを有し、回折格子によって集束された孤立スペクトル成分を受け取る。第１の検知部は、ゼロ次スペクトル成分を受け取り、第２の検知部分は、一次スペクトル成分を受け取る。
【０００６】
米国特許第４３５１６１１号明細書は、回折格子が使用され、それによってゼロ次放射が検出ゾーンのイメージングに使用される粒子を検出するための光学系を開示している。
【０００７】
これらの発明のいずれにおいても、ゼロ次の回折格子からの放射はさらなるスペクトル分析のために利用されるが、これは全強度の検出のため、または入射開口（ゾーン）の光学イメージングのためだけである。
【０００８】
本発明の目的は、光学系の入力エタンデュを維持し、かつスペクトル分解能を維持しながら放射スペクトルの検出の効率を改善すること、またはスペクトル範囲を拡大することである。本発明は、マルチチャンネル検出器に対してさえも分光器の使用を可能にし、単に回折格子を回転させることによって、および検出器の位置および配向のわずかな変更（検出器を集束させる）によって分光器が波長範囲を変えることを可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３０１６９９５９号明細書
【特許文献２】中国特許出願公開第１０２８１２３４０号明細書
【特許文献３】米国特許第４３５１６１１号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本発明の目的は、ゼロ次の回折格子をスペクトル検出のために利用するイメージング分光器によって達成され、その原理は、二次回折格子は、ゼロ次の一次回折格子を通過した、および／またはゼロ次の一次回折格子から反射され、一次集束光学系の外側に向けられた放射の方向に配置され、二次回折格子は、二次集束光学系に関連し、その後方に二次放射検出器が配置されるという事実にある。
【００１１】
本発明による分光器は、検出感度を増大させることによって、または記録されたスペクトル範囲を拡大することによって光学系の入力エタンデュを維持しながら放射スペクトルの検出のより高い効率を達成する。分光器は、マルチチャンネル検出器に使用することができ、単に回折格子を回転させることによって、および検出器の位置および配向のわずかな変更、すなわち、検出器の集束によって波長範囲を変えることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明は、図面に示されている。
【図１】本発明による分光器の初期状態である、分光器の現在使用されている構成を示す図である。
【図２】本発明による分光器の第１の例示的な実施形態を示す図である。
【図２ａ】一次ブロックと二次ブロックとの間に偏光光学素子を追加した図２の解決策を示す図である。
【図３】本発明による分光器の第２の例示的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、回折格子２および放射検出器４を有する、ゼロおよび第１の回折次数への放射回折を使用する、高分解能イメージング分光器の例示的な実施形態を参照して説明される。
【００１４】
分光器は、入力一次ブロックＡを含み、これは二次ブロックＢに隣接している。一次ブロックＡは、放射源（図示せず）の入力に開口０（スリット）を含み、その後方にコリメート光学系１および一次回折格子２が放射の方向に位置する。分析された放射は、角度α１で一次回折格子２に入射する。回折格子２の後方には、一次回折格子２による一次放射回折の方向β１において、一次集束光学系３が配置されており、これは一次回折放射を一次放射検出器４に集束させる。図１に示す一次ブロックＡの配置は、背景技術から知られている分光器を表す。
【００１５】
図２、図２ａおよび図３に示すように、本発明による分光器には、一次ブロックＡでの検出には利用されずに一次回折格子２を通過した、および／または一次回折格子２から反射された放射の方向で一次ブロックＡに隣接する二次ブロックＢがさらに設けられる。この部分の放射、すなわち通過する放射および／または反射された放射は、分析されている放射源からの入力放射の未使用部分を実質的に構成する。
【００１６】
二次ブロックＢは、二次回折格子５を含み、その上に分析された放射が角度α２で入射する。二次回折格子５の後方には、二次回折格子５によって行われる二次放射回折の方向β２において、二次回折放射を二次放射検出器７に集束させる二次集束光学系６が位置する。
【００１７】
二次ブロックＢは、一次ブロックＡによって記録された放射スペクトルと同一または異なる放射スペクトルを記録する。二次ブロックＢが一次ブロックＡと同じスペクトル領域を記録する場合、分光器全体の検出効率は増加する。二次ブロックＢが一次ブロックＡとは異なるスペクトル領域を記録する場合、分光器のスペクトル範囲は、スペクトル分解能を損なうことなく増加する。したがって、本発明による分光器は、ゼロ（または他の）回折次数に回折され、一次回折格子２を通過した後および／または一次回折格子２から反射された後に利用されない分析された放射をより効果的に使用し、それによってこの二次放射は、少なくとも１つの追加のブロック内の追加の回折格子（二次回折格子５、三次など）によってさらに回折され、したがってさらなる回折放射は、追加の光学系（二次６、三次など）によって追加の検出器（二次７、三次など）に集束される。
【００１８】
図２ａの実施形態では、二次回折格子５上での回折効率を最大にするように放射の偏光状態を調整するように適合された偏光光学系８は、一次ブロックＡから二次ブロックＢへの放射経路に位置する。基本的に、偏光光学系８は、図２の実施形態との比較から分かるように、図２ａの実施形態の任意選択の構成要素である。
【００１９】
図３の実施形態では、一次ブロックＡから二次ブロックＢへの放射の経路に配置された光学系９は、二次回折格子５の空間内に一次回折格子２内の平面を結像するように、または集束対物レンズ６の入射瞳にコリメート対物レンズ１の出射瞳を表示するように適合され、それにより軸外放射ビームの口径食を最小にすることができる。そのような光学系９の一実施形態は、共通の焦点面で無限遠に焦点を合わせられた一対の写真対物レンズを含む４ｆ光学系である。図３の例示的な実施形態では、偏光光学系８は、光学系９の前に配置され、偏光光学系８は、二次回折格子５上での回折効率を最大にするために放射の偏光状態を調整するように適合される。基本的に、偏光光学系８は、図３の実施形態の任意選択の構成要素である。
【００２０】
例示的な実施形態（図示せず）では、二次ブロックＢの後方には、別の回折格子を含む少なくとも１つの追加ブロックが配置され、その上で分析された放射が所定の角度で入射し、その後方にさらなる集束対物レンズが追加の回折格子によって行われる放射の決定された二次回折の方向に位置し、それによってこの追加の集束対物レンズは、図３の点１０で示されるように、追加の回折放射を別の放射検出器に集束させる。したがって、分光器は、追加の回折格子、追加の集束光学系および追加の検出器を含む少なくとも１つの追加のブロックまたはいくつかの追加ブロックが追加され得、これは先行する回折格子、集束光学系および検出器を有する先行するブロックによって使用されていない分析された放射を使用する。
【００２１】
本発明によれば、透過型回折格子および対物レンズの形態の光学系に加えて、対物ミラーおよび／または反射型回折格子を分光器構成に使用することができることは明らかである。
【００２２】
本発明を使用することができる特定の装置は、例えば、第１の回折要素としてエシェル回折格子を使用する（主に高回折次数で使用される）光学系であり、ここで放射のかなりの部分がゼロ回折次数に回折（反射）され、続いて本発明による後続のブロックによって使用される。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、ラマン分光法、天文学、宇宙研究、原子物理学および他の分野のための高分解能イメージング分光器に適用することができる。本発明を適用した分光器は、工業的規模で製造することができる。
【符号の説明】
【００２４】
０  入射開口
１  コリメート光学系／コリメート対物レンズ
２  一次回折格子
３  一次集束光学系
４  一次放射検出器
５  二次回折格子
６  二次集束光学系
７  二次放射検出器
８  偏光光学系
９  光学系
１０  点
Ａ  一次ブロック
Ｂ  二次ブロック
α１  角度
α２  角度
β１  一次放射回折の方向
β２  二次放射回折の方向
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【外国語明細書】
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