(57)【要約】【課題】ＶＰＨを用いた、広波長帯域で且つ高検出効率を有する分光装置を提供する。【解決手段】分光装置１は、少なくとも第１のＶＰＨ回折格子（透過型ＶＰＨ回折格子２ａ）と第２のＶＰＨ回折格子（透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ）とを含む。第１のＶＰＨ回折格子（透過型ＶＰＨ回折格子２ａ）で生じる０次回折光Ｌ０を、第２のＶＰＨ回折格子（透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ）に入射させる。第１のＶＰＨ回折格子に入射する入射光の入射角と、第２のＶＰＨ回折格子に入射する０次回折光の入射角は、異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１のＶＰＨ回折格子と第２のＶＰＨ回折格子とを含み、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を、前記第２のＶＰＨ回折格子に入射させ、
前記第１のＶＰＨ回折格子に入射する入射光の入射角と、前記第２のＶＰＨ回折格子に入射する０次回折光の入射角は、異なる
ことを特徴とする分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、一致する
ことを特徴とする分光装置。
【請求項３】
請求項１に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、平行である
ことを特徴とする分光装置。
【請求項４】
請求項１に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子の波長分散面と、前記第２のＶＰＨ回折格子の波長分散面は、平行であり、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、前記波長分散面上で、平行である
ことを特徴とする分光装置。
【請求項５】
請求項１に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子の波長分散面と、前記第２のＶＰＨ回折格子の波長分散面は、平行であり、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を前記波長分散面に投影した光の射出方向と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を前記波長分散面に投影した光の射出方向は、平行である
ことを特徴とする分光装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角は、波長毎に略等しい
ことを特徴とする分光装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角と、前記第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角は、特定の波長で等しい
ことを特徴とする分光装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の分光装置において、さらに、
少なくとも前記第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と前記第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズで集光された前記１次回折光を検出する一つの検出器と、を含む
ことを特徴とする分光装置。
【請求項９】
請求項８に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、前記第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、前記波長分散面上で、波長毎に略平行に前記集光レンズに入射する
ことを特徴とする分光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の分光装置において、
前記検出器は、複数の受光素子を含み、
前記第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、前記第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、波長毎に同一の前記受光素子に入射する
ことを特徴とする分光装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分光装置において、
前記第１のＶＰＨ回折格子の格子定数と、前記第２のＶＰＨ回折格子の格子定数は、異なり、
前記第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、前記第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、一つの前記集光レンズに入射する
ことを特徴とする分光装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の分光装置において、
前記集光レンズは、前記第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光が入射する第１の集光レンズと、前記第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光が入射する第２の集光レンズと、を含み、
前記第１の集光レンズの光軸は、前記第１のＶＰＨ回折格子の入射面の法線と平行であり、
前記第２の集光レンズの光軸は、前記第２のＶＰＨ回折格子の入射面の法線と平行である
ことを特徴とする分光装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の分光装置において、さらに、
前記１次回折光の光路を切り換える光路切換え手段を含み、
前記光路切換え手段による光路の切換えにより、前記検出器上での前記１次回折光の波長分散量が変化する
ことを特徴とする分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光装置に関し、特に、体積ホログラム（ＶＰＨ）回折格子を有する分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、分光装置に用いられるスペクトル分割手段として、回折格子が広く用いられている。回折格子は、通常、１次回折光を利用して、入射光を波長毎に分散する。このため、波長毎に分散される１次回折光の回折効率（以降、１次回折効率と記す。）が高くなるように回折格子を設計することにより、光の利用効率の高い分光装置を実現することができる。
【０００３】
また、回折格子の単体性能の向上とは別の観点から、光の利用効率の高い分光装置を実現する技術として、回折格子で生じる０次回折光を再利用する技術が知られている。このような技術は、例えば、特許文献１で開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されるスペクトル解析ユニットは、回折格子で生じた０次回折光束を、ミラーを用いて、再度、回折格子に入射させる構成を有している。つまり、スペクトル解析ユニットは、０次回折光束を循環させる構成を有している。
【０００５】
特許文献１に開示される技術によれば、回折で生じた０次回折光束は、再び回折格子に入射し、その一部が１次回折光束として回折されて、列検出器で検出される。このため、装置全体としての光の利用効率を向上させることができる。
【０００６】
また、特許文献１に開示される技術では、０次回折光束が再び回折格子に入射する際には、最初に回折格子に入射する光束と平行に回折格子に入射する。つまり、回折格子に入射する光の入射角は、常に一定である。これにより、回折格子で生じる０次回折光束及び１次回折光束の方向を常に一定に維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８６０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、主要な回折格子としては、表面のレリーフ構造を利用して回折光を得る表面レリーフ回折格子や、内部の屈折率の周期的な変化を利用して回折光を得る体積ホログラム（ＶＰＨ）回折格子が知られているが、特許文献１に開示される技術は、表面レリーフ回折格子を用いる分光装置に対して、好適である。
【０００９】
表面レリーフ回折格子は、ＶＰＨ回折格子に比べて１次回折効率の波長依存性が緩やかであり、比較的広い波長域で比較的良好な回折効率が得られる。このため、表面レリーフ回折格子を用いる分光装置は、特許文献１に開示される技術を適用することで、０次回折光を過剰に循環させることなく、比較的広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。
【００１０】
これに対して、ＶＰＨ回折格子は、表面リレーフ回折格子に比べて、最大の１次回折効率は高いが、１次回折効率の波長依存性は急峻である。つまり、ブラッグ条件を満たして最大の１次回折効率を示す波長（以降、ブラッグ波長と記す。）からずれた波長では、表面リレーフ回折格子に比べて、０次回折光の割合が高く、回折効率が低下する。このため、ＶＰＨ回折格子を用いる分光装置は、特許文献１に開示される技術を、表面レリーフ回折格子を用いる分光装置と同じように適用しただけでは、広い波長域で高い光の利用効率を得ることができない。
以上のような実情を踏まえ、本発明では、広い波長域で高い光の利用効率を実現する、ＶＰＨ回折格子を用いた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】
【００１１】
本発明の第１の態様は、少なくとも第１のＶＰＨ回折格子と第２のＶＰＨ回折格子とを含み、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を、第２のＶＰＨ回折格子に入射させ、第１のＶＰＨ回折格子に入射する入射光の入射角と、第２のＶＰＨ回折格子に入射する０次回折光の入射角は、異なる分光装置を提供する。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、一致する分光装置を提供する。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、平行である分光装置を提供する。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子の波長分散面と、第２のＶＰＨ回折格子の波長分散面は、平行であり、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光の射出方向は、波長分散面上で、平行である分光装置を提供する。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子の波長分散面と、第２のＶＰＨ回折格子の波長分散面は、平行であり、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を波長分散面に投影した光の射出方向と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光を波長分散面に投影した光の射出方向は、平行である分光装置を提供する。
【００１６】
本発明の第６の態様は、第２の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角は、波長毎に略等しい分光装置を提供する。
【００１７】
本発明の第７の態様は、第２の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角と、第２のＶＰＨ回折格子で生じる０次回折光と１次回折光とのなす角は、特定の波長で等しい分光装置を提供する。
【００１８】
本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、さらに、少なくとも第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光された１次回折光を検出する一つの検出器と、を含む分光装置を提供する。
【００１９】
本発明の第９の態様は、第８の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、波長分散面上で、波長毎に略平行に集光レンズに入射する分光装置を提供する。
【００２０】
本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の分光装置において、検出器は、複数の受光素子を含み、第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、波長毎に同一の受光素子に入射する分光装置を提供する。
【００２１】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様に記載の分光装置において、第１のＶＰＨ回折格子の格子定数と、第２のＶＰＨ回折格子の格子定数は、異なり、第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光と、第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光は、一つの集光レンズに入射する分光装置を提供する。
【００２２】
本発明の第１２の態様は、第１０の態様に記載の分光装置において、集光レンズは、第１のＶＰＨ回折格子からの１次回折光が入射する第１の集光レンズと、第２のＶＰＨ回折格子からの１次回折光が入射する第２の集光レンズと、を含み、第１の集光レンズの光軸は、第１のＶＰＨ回折格子の入射面の法線と平行であり、第２の集光レンズの光軸は、第２のＶＰＨ回折格子の入射面の法線と平行である分光装置を提供する。
【００２３】
本発明の第１３の態様は、第８の態様乃至第１２の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、さらに、１次回折光の光路を切り換える光路切換え手段を含み、光路切換え手段による光路の切換えにより、検出器上での１次回折光の波長分散量が変化する分光装置を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、広い波長域で高い光の利用効率を実現する、ＶＰＨ回折格子を用いた分光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１に係る分光装置の構成を例示した概略図である。
【図２】図１に例示される分光装置に含まれるＶＰＨ回折格子の波長透過率特性を例示した図である。
【図３】図１に例示される分光装置に含まれるＶＰＨ回折格子における入射角と１次回折光の射出角の関係を説明するための図である。
【図４Ａ】図１に例示される分光装置に含まれるＶＰＨ回折格子の格子定数が小さい場合の、ＶＰＨ回折格子の傾きと１次回折光の射出角の関係を例示した図である。
【図４Ｂ】図１に例示される分光装置に含まれるＶＰＨ回折格子の格子定数が大きい場合の、ＶＰＨ回折格子の傾きと１次回折光の射出角の関係を例示した図である。
【図５】実施例１に係る分光装置の変形例の構成を例示した概略図である。
【図６】図５に例示される分光装置で検出される１次回折光のラインセンサ上での波長分散量を説明するための図である。
【図７Ａ】実施例２に係る分光装置の構成を例示した上面概略図である。
【図７Ｂ】実施例２に係る分光装置の構成を例示した側面概略図である。
【図８Ａ】図７Ａに例示される分光装置に含まれる反射型ＶＰＨ回折格子の構成を例示した概略図である。
【図８Ｂ】図７Ａに例示される分光装置の含まれる反射型ＶＰＨ回折格子の変形例の構成を例示した概略図である。
【図９】図７Ａ及び図７Ｂに例示される分光装置に含まれるＶＰＨ回折格子の傾きの決定方向について説明するための図である。
【図１０Ａ】実施例３に係る分光装置の構成を例示した側面概略図である。
【図１０Ｂ】実施例３に係る分光装置の構成を例示した上面概略図である。
【図１１】実施例３に係る分光装置の変形例の構成を例示した概略図である。
【図１２】実施例４に係るレーザ走査型顕微鏡の構成を例示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２６】
図１は、本実施例に係る分光装置の構成を例示した概略図である。図２は、図１に例示される分光装置１に含まれる透過型ＶＰＨ回折格子の波長透過率特性を例示した図である。図２は、横軸が１次回折光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸が１次回折光の透過率（％）を示している。なお、図１のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。
【００２７】
本実施例では、青色（例えば、４５０ｎｍ）から赤色（例えば、６５０ｎｍ）までの波長域を検出対象とする場合について説明する。
【００２８】
図１に例示される分光装置１は、格子定数の等しい複数の透過型ＶＰＨ回折格子２（透過型ＶＰＨ回折格子２ａ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃ）と、透過型ＶＰＨ回折格子２で生じる１次回折光Ｌ１を集光する集光レンズ３と、集光レンズ３で集光された１次回折光Ｌ１を検出する検出器であるラインセンサ４と、を含んでいる。
【００２９】
ラインセンサ４は、複数の受光素子を含むマルチチャネル検出器であり、集光レンズ３の焦点位置近傍に配置されている。なお、受光素子が直線状に並べられたラインセンサ４の代わりに、受光素子が平面状に並べられたイメージセンサを用いてもよい。
【００３０】
複数の透過型ＶＰＨ回折格子２は、入射光ＩＬ（Ｘ方向）に沿って並べられていて、それぞれ異なる傾きで配置されている。なお、本明細書では、ＶＰＨ回折格子の傾きは、基準線とＶＰＨ回折格子の入射面の法線とのなす角度で定義され、本実施例では、入射光ＩＬを基準線としている。このため、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃの傾きは、それぞれ、入射光ＩＬと透過型ＶＰＨ回折格子２の法線Ｎのなす角度である入射角θａ、入射角θｂ、入射角θｃである。
【００３１】
各透過型ＶＰＨ回折格子２はＸＹ平面上で波長分散を生じさせる特性を有している。なお、本明細書では、波長分散が生じる方向で定義される平面を波長分散面と記す。従って、本実施例に係る分光装置１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の波長分散面は、いずれもＸＹ平面であり、互いに平行である。
【００３２】
図１に例示されるように、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２を入射光ＩＬに沿って並べることで、分光装置１では、入射光ＩＬが１次回折光Ｌ１に変換される割合を高めることができる。
【００３３】
より具体的には、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ（第１のＶＰＨ回折格子）で１次回折光Ｌ１として射出されず、透過型ＶＰＨ回折格子２ａを透過し直進した０次回折光Ｌ０は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ（第２のＶＰＨ回折格子）に入射する。透過型ＶＰＨ回折格子２ｂに入射した０次回折光Ｌ０の一部は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂで１次回折光Ｌ１に変換される。透過型ＶＰＨ回折格子２ｂで１次回折光Ｌ１として射出されず、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂを透過し直進した０次回折光Ｌ０は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃに入射する。透過型ＶＰＨ回折格子２ｃに入射した０次回折光Ｌ０の一部は透過型ＶＰＨ回折格子２ｃで１次回折光Ｌ１に変換される。
【００３４】
このように、透過型ＶＰＨ回折格子２（例えば、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ）で生じた０次回折光を異なる透過型ＶＰＨ回折格子２（例えば、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ）に入射させて回折させることで、入射光ＩＬが１次回折光Ｌ１に変換される割合が高くなる。それによって、分光装置１の光の利用効率を向上させることができる。
【００３５】
また、図１に例示されるように、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２を入射光ＩＬに対して異なる傾きで配置することで、より広い波長域で光の利用効率を向上させることができる。
【００３６】
透過型ＶＰＨ回折格子２などのＶＰＨ回折格子は、ブレーズ回折格子などの表面リレーフ回折格子と異なり、入射角により異なる１次回折効率の波長特性を有する。このため、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の傾きを検出波長域に応じて異ならせて、それによって入射角を異ならせることで、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される波長分布の異なる１次回折光を検出することができる。その結果、より広い波長域で光の利用効率を向上させることができる。
【００３７】
また、透過型ＶＰＨ回折格子２などのＶＰＨ回折格子の波長特性は、波長分散面（ＸＹ平面）上への投影において回折格子の法線に対して入射角と等しい角度で射出される光の波長で最大の１次回折効率を示す。複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の傾きは、このような波長特性を考慮して、検出波長域に応じて設定される。
【００３８】
より具体的には、図１及び図２に例示されるように、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ、及び、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃは、それぞれ、青色の波長（例えば、４５０ｎｍ）、緑色の波長（例えば、５５０ｎｍ）、赤色の波長（例えば、６５０ｎｍ）で最大の１次回折効率を示す傾きに配置される。
【００３９】
つまり、透過型ＶＰＨ回折格子２ａは、青色の波長がブラッグ波長となるような入射角θａに配置され、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂは、緑色の波長がブラッグ波長となるような入射角θｂに配置され、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃは、赤色の波長がブラッグ波長となるような入射角θｃに配置される。
【００４０】
従って、ラインセンサ４では、青色の１次回折効率が最も高い透過型ＶＰＨ回折格子２ａからの１次回折光Ｌ１と、緑色の１次回折効率が最も高い透過型ＶＰＨ回折格子２ｂからの１次回折光Ｌ１と、赤色の１次回折効率が最も高い透過型ＶＰＨ回折格子２ｃからの１次回折光Ｌ１とが検出されることになる。このため、分光装置１は、検出対象である青色から赤色までの広い波長域で、高い光の利用効率を実現することができる。
【００４１】
また、分光装置１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２のブラッグ波長は、検出波長域内で１００ｎｍ毎に均等に分布している。このような構成は、広い波長域で光の利用効率を高効率に平準化することができる点で望ましい。
【００４２】
次に、図１及び図２を参照しながら、入射光ＩＬの入射からラインセンサ４での回折光の検出までの分光装置１の作用について具体的に説明する。なお、図１では、説明を簡略化するため、１次回折光のうち、赤色、緑色、青色の１次回折光（以降、それぞれ、１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂと記す。）のみが、それぞれ破線、一点鎖線、二点鎖線で図示されている。また、最大の効率で射出された回折光は、太線で図示されている。
【００４３】
まず、入射光ＩＬは、透過型ＶＰＨ回折格子２ａに入射角θａで入射して回折される。透過型ＶＰＨ回折格子２ａから射出される１次回折光Ｌ１は、波長毎に波長分散面（ＸＹ平面）上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。透過型ＶＰＨ回折格子２ａでは、青色の波長がブラッグ波長であるため、青色の１次回折光Ｂが最も高い回折効率で射出される。
【００４４】
その後、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから射出された各１次回折光（１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂ）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置１は、ラインセンサ４の各受光素子を異なるチャネルとして設定することで、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから射出された１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、及び１次回折光Ｂを、波長毎に検出することができる。
【００４５】
透過型ＶＰＨ回折格子２ａから射出される０次回折光Ｌ０は、透過型ＶＰＨ回折格子２ａを透過して直進する。つまり、０次回折光Ｌ０の射出方向は、入射光ＩＬの方向と一致していて、平行である。より厳密には、波長分散面上で一致または平行である。そして、０次回折光Ｌ０は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂに入射角θｂで入射して回折される。透過型ＶＰＨ回折格子２ｂから射出される１次回折光Ｌ１も、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから射出された１次回折光Ｌ１と同様に、波長毎に波長分散面（ＸＹ平面）上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。透過型ＶＰＨ回折格子２ｂでは、緑色の波長がブラッグ波長であるため、緑色の１次回折光Ｇが最も高い回折効率で射出される。
【００４６】
その後、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂから射出された各１次回折光（１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂ）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置１は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂで生じた１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、及び１次回折光Ｂを、波長毎に検出することができる。
【００４７】
透過型ＶＰＨ回折格子２ｂから射出される０次回折光Ｌ０は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂを透過して直進する。つまり、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂで生じる０次回折光Ｌ０の射出方向は、透過型ＶＰＨ回折格子２ａで生じる０次回折光の方向と一致していて、平行である。より厳密には、波長分散面上で一致または平行である。そして、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃに入射角θｃで入射して回折される。透過型ＶＰＨ回折格子２ｃから射出される１次回折光Ｌ１も、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ及び透過型ＶＰＨ回折格子２ｂから射出された１次回折光Ｌ１と同様に、波長毎に波長分散面（ＸＹ平面）上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。透過型ＶＰＨ回折格子２ｃでは、赤色の波長がブラッグ波長であるため、赤色の１次回折光Ｒが最も高い回折効率で射出される。
【００４８】
その後、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃから射出された各１次回折光（１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂ）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置１は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃで生じた１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、及び１次回折光Ｂを、波長毎に検出することができる。
【００４９】
なお、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２で生じる１次回折光の射出角は、０次回折光と１次回折光のなす角で定義されるが、入射角にほとんど依存せずに波長毎の略一定であり、特定の波長では等しい。また、分光装置１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される０次回折光の方向は、いずれもＸ方向であり、一致している。このため、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ、及び、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃから射出される１次回折光Ｌ１の射出方向は、波長毎に略平行である。
【００５０】
従って、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される青色の１次回折光Ｂは、略平行に集光レンズ３に入射し、集光レンズ３によりラインセンサ４上の略同じ位置（つまり、同じ受光素子）に集光される。その結果、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される青色の１次回折光Ｂを、同一のチャネルで検出することができる。また、緑色の１次回折光Ｇ及び赤色の１次回折光Ｒも同様に、それぞれ略同じ位置（つまり、同じ受光素子）に集光される。その結果、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される緑色の１次回折光Ｇ及び赤色の１次回折光Ｒを、それぞれ同一のチャネルで検出することができる。
【００５１】
以上、本実施例に係る分光装置１によれば、傾きの異なる複数の透過型ＶＰＨ回折格子２を入射光ＩＬに沿って並べて配置することで、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。
【００５２】
また、分光装置１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される１次回折光の射出方向は波長毎に略平行であるので、１つの集光レンズ３で１次回折光を波長毎に略同じ位置に集光させることができる。
【００５３】
また、図１では、透過型ＶＰＨ回折格子２を３つ用いる例を示したが特にこれに限られない。透過型ＶＰＨ回折格子２は、複数用いられればよい。また、図１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２を、それぞれ、青色、緑色、赤色の波長がブラッグ波長となる傾きに配置したが、特にこれに限られない。
【００５４】
また、分光装置１では、ラインセンサ４に含まれる受光素子がそれぞれ異なるチャネルに設定される例を示したが、特にこれに限られない。必要とされる波長分解能に応じて、隣接する複数個の受光素子を同一のチャネルに設定しても良い。
【００５５】
また、分光装置１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数が同一である例を示したが、特にこれに限られない。複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される１次回折光の集光位置を、波長毎にさらに精度よく一致させるために、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数が異なってもよい。
【００５６】
図３は、図１に例示される分光装置に含まれる透過型ＶＰＨ回折格子における、入射光の入射角と１次回折光の射出角の関係を説明するための図である。図４Ａ及び図４Ｂは、図１に例示される分光装置に含まれる透過型ＶＰＨ回折格子の傾きと１次回折光の射出角の関係を例示した図である。図４Ａは、透過型ＶＰＨ回折格子の格子定数が小さい場合、具体的には、格子定数が６×１０５／ｍの場合の関係を例示している。また、図４Ｂは、透過型ＶＰＨ回折格子の格子定数が大きい場合、具体的には、格子定数が１．８×１０６／ｍの場合の関係を例示している。図４Ａ及び図４Ｂの横軸は１次回折光の波長を示し、縦軸は１次回折光の射出角を示している。図４Ａ及び図４Ｂに例示される、線Ｃｂ、線Ｃｇ、及び線Ｃｒは、それぞれ、青色の波長（４５０ｎｍ）、緑色の波長（５５０ｎｍ）、及び赤色の波長（６５０ｎｍ）、に対してブラッグ条件を満すように配置された透過型ＶＰＨ回折格子２における関係を例示している。
【００５７】
格子定数をＮ、入射光ＩＬに含まれる任意の波長をλ、ブラッグ条件を満たす波長（ブラッグ波長）をλ０、透過型ＶＰＨ回折格子２の傾き（入射光ＩＬの入射角）をθ、１次回折光の回折角をβとすると、透過型ＶＰＨ回折格子２は、以下の式を満たす。
【数１】
2014115295.tif 000003
【００５８】
式（１）は、一般的な回折の式である。また、式（２）は、ブラッグ条件を示す式である。１次回折光の射出角は、θ＋βで表される。式（１）及び式（２）をθ＋βについて解くと、以下の式が導出される。
【数２】
2014115295.tif 000004
入射角θ及び１次回折光の回折角βが小さい場合には、式（３）は、式（４）のように近似することができる。
【数３】
2014115295.tif 000005
【００５９】
このため、入射角θ及び１次回折光の回折角βが小さい場合には、１次回折光の射出角（θ＋β）は、格子定数が等しい複数の透過型ＶＰＨ回折格子２では、波長λにのみ依存するとみなすことができる。
【００６０】
図４Ａは、格子定数が小さな場合（つまり、回折角が小さい場合）の、透過型ＶＰＨ回折格子の傾きと１次回折光の射出角の関係を例示した図であるが、式（４）と同様の傾向を示している。図４Ａでは、線Ｃｂ、線Ｃｇ、及び線Ｃｒがほぼ一致している。つまり、図４Ａは、ブラッグ波長（つまり、透過型ＶＰＨ回折格子２の傾き）によらず波長毎の射出角は等しいとみなすことができることを示している。
従って、入射角θ及び１次回折光の回折角βが小さい場合には、１次回折光の射出方向は波長毎に略平行とみなすことができる。
【００６１】
一方、入射角θ及び１次回折光の回折角βが大きい場合には、式（３）は、式（４）のように近似することはできない。このため、１次回折光の射出角（θ＋β）は、格子定数が等しい複数の透過型ＶＰＨ回折格子２では、波長λとブラッグ波長λ０に依存する。
【００６２】
図４Ｂは、格子定数が大きい場合（つまり、回折角が大きい場合）の、透過型ＶＰＨ回折格子の傾きと１次回折光の射出角の関係を例示した図であるが、式（３）と同様の傾向を示している。図４Ｂでは、線Ｃｂ、線Ｃｇ、及び線Ｃｒは、短波長側と長波長側で互いにずれている。つまり、図４Ｂは、波長毎の射出角は、ブラッグ波長（つまり、透過型ＶＰＨ回折格子２の傾き）に依存することを示している。
【００６３】
従って、入射角θ及び１次回折光の回折角βが大きい場合には、１次回折光の射出方向は波長毎に略平行とみなすことができず、異なる傾きの透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される同一波長の１次回折光の集光位置が精度良く一致しない。このような場合には、同一波長の１次回折光の集光位置が精度よく一致するように、各透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数を異ならせてもよい。
【００６４】
図５は、本実施例に係る分光装置の変形例の構成を例示した概略図である。図５に例示される分光装置１１は、透過型ＶＰＨ回折格子２毎に設けられた焦点距離の等しい複数の集光レンズ３（集光レンズ３ａ、集光レンズ３ｂ、集光レンズ３ｃ）を含む点が、図１に例示される分光装置１と異なっている。その他の構成は、分光装置１と同様である。
【００６５】
分光装置１１に含まれる集光レンズ３ａ（第１の集光レンズ）は、透過型ＶＰＨ回折格子２ａ（第１のＶＰＨ回折格子）からの１次回折光が入射する集光レンズであり、集光レンズ３ａの光軸と透過型ＶＰＨ回折格子２ａの法線が平行になるように配置されている。同様に、集光レンズ３ｂ（第２の集光レンズ）は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｂ（第２のＶＰＨ回折格子）からの１次回折光が入射する集光レンズであり、集光レンズ３ｂの光軸と透過型ＶＰＨ回折格子２ｂの法線が平行になるように配置され、集光レンズ３ｃ（第３の集光レンズ）は、透過型ＶＰＨ回折格子２ｃ（第３のＶＰＨ回折格子）からの１次回折光が入射する集光レンズであり、集光レンズ３ｃの光軸と透過型ＶＰＨ回折格子２ｃの法線が平行になるように配置されている。
【００６６】
図５に例示される分光装置１１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から生じる１次回折光のラインセンサ４上での波長分散量は等しい。このため、分光装置１１は、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数が等しい場合であっても、図１に例示される分光装置１に比べて、同一波長の１次回折光の集光位置を精度よく一致させることができる。
【００６７】
図６は、図５で例示される分光装置１１で生じる１次回折光のラインセンサ４上での波長分散量を説明するための図である。図６を参照しながら、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２からの１次回折光の波長分散量がラインセンサ４上で等しくなることについて説明する。
【００６８】
格子定数をＮ、入射光ＩＬに含まれる任意の波長をλ、透過型ＶＰＨ回折格子２の傾き（入射光ＩＬの入射角）をθ、１次回折光の回折角をβ、集光レンズ３の偏心量をｄ、１次回折光のラインセンサ４（図示しない）上での像高をｈ、集光レンズ３の焦点距離をｆとすると、分光装置１１は、以下の式を満たす。
【数４】
2014115295.tif 000006
また、上述した式（１）を変形すると、以下の式が導出される。
【数５】
2014115295.tif 000007
さらに、式（５）及び式（６）から、以下の式が導出される。
【数６】
2014115295.tif 000008
【００６９】
式（７）は、ラインセンサ４上での像高ｈの波長依存成分（第１項）、すなわち、波長分散量が、透過型ＶＰＨ回折格子２の傾きや集光レンズ３の偏心量に依存しないことを示している。また、式（７）は、波長分散量が、集光レンズ３の焦点距離ｆと透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数Ｎにのみ依存することを示している。
【００７０】
本変形例に係る分光装置１１では、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数Ｎは等しく、複数の集光レンズ３の焦点距離ｆも等しいため、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２からの１次回折光のラインセンサ４上での波長分散量は等しくなる。
【００７１】
従って、分光装置１１は、１次回折光全体の集光位置を透過型ＶＰＨ回折格子２毎に調整することで、複数の透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される１次回折光の集光位置を波長毎に精度よく一致させることができる。
【００７２】
以上、本変形例に係る分光装置１１によれば、実施例１に係る分光装置１と同様に、傾きの異なる複数の透過型ＶＰＨ回折格子２を入射光ＩＬに沿って並べて配置することで、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。さらに、透過型ＶＰＨ回折格子２毎に集光レンズ３を設けることで、透過型ＶＰＨ回折格子２から射出される同一波長の１次回折光の集光位置を、実施例１に係る分光装置１よりも高精度に一致させることができる。
【００７３】
なお、透過型ＶＰＨ回折格子２毎の集光位置の調整は、集光レンズ３の偏心量を変更することにより行われてもよい。また、集光レンズ３とラインセンサ４の間に集光位置を調整するためのミラー等を設けることによって行われてもよい。
【００７４】
また、分光装置１１では、格子定数の等しい複数の透過型ＶＰＨ回折格子２と、焦点距離の等しい複数の集光レンズ３を用いたが特にこれに限られない。透過型ＶＰＨ回折格子２の格子定数と対応する集光レンズ３の焦点距離の積が一定であれば、格子定数や焦点距離が異なってもよい。
【実施例２】
【００７５】
図７Ａは、本実施例に係る分光装置の構成を例示した上面概略図である。図７Ｂは、本実施例に係る分光装置の構成を例示した側面概略図である。なお、図７Ａ、図７ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。また、本実施例の検出対象とする波長域は、実施例１の波長域と同様である。
【００７６】
図７Ａ及び図７Ｂに例示される分光装置２１は、格子定数の等しい複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２（反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃ）と、反射型ＶＰＨ回折格子２２で生じる１次回折光を集光する集光レンズ３と、集光レンズ３で集光された１次回折光を検出する検出器であるラインセンサ４と、反射型ＶＰＨ回折格子２２で生じる０次回折光Ｌ０を反射して異なる反射型ＶＰＨ回折格子２２に入射させる複数の反射部材（ミラー２３ａ、ミラー２３ｂ、ミラー２４ａ、ミラー２４ｂ）を含んでいる。なお、集光レンズ３及びラインセンサ４は、図１に例示される分光装置１に含まれる集光レンズ３及びラインセンサ４と同様である。
【００７７】
ミラー２３ａは、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ（第１のＶＰＨ回折格子）から射出される０次回折光は入射するが１次回折光は入射しない位置に配置されている。ミラー２３ｂは、ミラー２３ａを反射した０次回折光が入射する位置に配置されている。
【００７８】
ミラー２４ａは、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂ（第２のＶＰＨ回折格子）から射出される０次回折光は入射するが１次回折光は入射しない位置に配置されている。ミラー２４ｂは、ミラー２４ａを反射した０次回折光が入射する位置に配置されている。
【００７９】
各反射型ＶＰＨ回折格子２２はＸＺ平面上で波長分散を生じさせる特性を有している。従って、本実施例に係る分光装置２１では、ＸＺ平面が波長分散面である。
【００８０】
また、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２は、図７Ａ及び図７Ｂに例示されるように、Ｙ方向に沿って並べられている。反射型ＶＰＨ回折格子２２で生じる０次回折光Ｌ０は、反射部材を介して異なる反射型ＶＰＨ回折格子２２に入射する。このため、分光装置２１では、分光装置１と同様に、入射光ＩＬが１次回折光に変換される割合を高めることができる。それによって、分光装置２１の光の利用効率を向上させることができる。
【００８１】
また、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃは、それぞれ青色の波長、緑色の波長、赤色の波長がブラッグ波長となるような、異なる傾きで配置されている。このため、分光装置２１は、分光装置１と同様に、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。なお、本実施例では、Ｘ軸を基準線としているため、反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きは、Ｘ軸と反射型ＶＰＨ回折格子２２の法線のなす角により定義される。
【００８２】
また、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２は、１次回折光が波長毎に略平行に集光レンズ３に入射するように配置されている。このため、１次回折光は、集光レンズ３により波長毎にラインセンサ４上の略同じ位置（つまり、同じ受光素子）に集光する。従って、分光装置２１は、分光装置１と同様に、各受光素子を異なるチャネルとして設定することで、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２からの１次回折光を波長毎に検出することができる。
【００８３】
なお、図７Ｂでは、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２からの０次回折光及び１次回折光が、波長分散面（ＸＺ平面）上で波長毎に一致している例が図示されている。
【００８４】
図８Ａは、図７Ａに例示される分光装置に含まれる反射型ＶＰＨ回折格子の構成を例示した概略図である。図８Ａを参照しながら、反射型ＶＰＨ回折格子２２の構成について更に詳細について説明する。
【００８５】
反射型ＶＰＨ回折格子２２は、図８Ａに例示されるように、入射光ＩＬを回折させる透過型の体積ホログラム層２５と、体積ホログラム層２５からの回折光を反射する反射部材であるミラー２６と、体積ホログラム層２５を保護する保護部材である保護ガラス２７と、を含んでいる。体積ホログラム層２５は、透過型ＶＰＨ回折格子２の体積ホログラム層と同様のものであり、その厚さは、透過型ＶＰＨ回折格子２の体積ホログラム層の厚さの半分程度である。 
【００８６】
反射型ＶＰＨ回折格子２２は、体積ホログラム層２５で回折された光をミラー２６で反射して射出する。このため、反射型ＶＰＨ回折格子２２は、体積ホログラム層２５の波長分散特性によって定まる回折光の射出方向とは反射面を基準として対称な方向に、回折光を射出する。
【００８７】
なお、反射型ＶＰＨ回折格子２２では、ブラッグ波長は、入射光及び回折光を波長分散面（ＸＺ平面）上に投影したときに入射光ＩＬと方向が同じで反対向きに射出される１次回折光の波長である。このため、図８Ａに例示される反射型ＶＰＨ回折格子２２の場合には、緑色の１次回折光Ｇ、赤色の１次回折光Ｒ、青色の１次回折光Ｂの順に１次回折効率が高い。
【００８８】
図８Ｂは、図７Ａに例示される分光装置の含まれる反射型ＶＰＨ回折格子の変形例の構成を例示した概略図である。分光装置２１は、反射型ＶＰＨ回折格子２２の代わりに、図８Ｂに例示される反射型ＶＰＨ回折格子２８を含んで構成されてもよい。反射型ＶＰＨ回折格子２８は、反射部材としてミラー２６の代わりに全反射プリズム２９を含んでいる点、及び、保護ガラス２７を含まない点が、図８Ａに例示される反射型ＶＰＨ回折格子２２と異なっている。
【００８９】
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら、入射光ＩＬの入射からラインセンサ４での回折光の検出までの分光装置２１の作用について具体的に説明する。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、説明を簡略化するため、１次回折光のうち、赤色、緑色、青色の１次回折光（以降、それぞれ、１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂと記す。）のみが、それぞれ破線、一点鎖線、二点鎖線で図示されている。また、最大の効率で射出された回折光は、太線で図示されている。
まず、入射光ＩＬは、波長分散面（ＸＺ平面）上に投影したときに青色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子２２ａに入射して回折される。
【００９０】
反射型ＶＰＨ回折格子２２ａから射出される１次回折光は、波長毎に波長分散面（ＸＺ平面）上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。その後、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａから射出された各１次回折光（１次回折光Ｒ、１次回折光Ｇ、１次回折光Ｂ）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置２１は、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａから射出された各１次回折光を、ラインセンサ４で波長毎に検出することができる。
【００９１】
反射型ＶＰＨ回折格子２２ａから射出される０次回折光Ｌ０は、ミラー２３ａに向けて射出される。ミラー２３ａに入射した０次回折光Ｌ０は、ミラー２３ａで反射されて、ミラー２３ｂに入射する。ミラー２３ｂで反射された０次回折光は、波長分散面（ＸＺ平面）上に投影したときに緑色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂに入射して回折される。
【００９２】
反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂから射出される１次回折光も、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａから射出された１次回折光と同様に、波長毎に波長分散面上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。その後、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂから射出された各１次回折光（１次回折光Ｇ及び１次回折光Ｒのみ図示している）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置２１は、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂで生じた各１次回折光を、波長毎にラインセンサ４で検出することができる。
【００９３】
反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂから射出される０次回折光Ｌ０は、ミラー２４ａに向けて射出される。ミラー２４ａに入射した０次回折光Ｌ０は、ミラー２４ａで反射されて、ミラー２４ｂに入射する。ミラー２４ｂで反射された０次回折光は、波長分散面（ＸＺ平面）上に投影したときに赤色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃに入射して回折される。
【００９４】
反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃから射出される１次回折光も、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ及び反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂから射出された１次回折光と同様に、波長毎に波長分散面上で分散されて、それぞれ異なる方向に射出される。その後、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃから射出された各１次回折光（１次回折光Ｒのみ図示している）は、集光レンズ３に入射する。集光レンズ３は、各１次回折光をラインセンサ４に含まれる異なる受光素子に入射させる。これにより、分光装置２１は、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃで生じた各１次回折光を、波長毎にラインセンサ４で検出することができる。
【００９５】
なお、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂ、及び、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃから射出される０次回折光の射出方向は、図７Ｂに例示されるように、波長分散面に投影すると平行である。また、すでに上述したように、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される０次回折光と１次回折光のなす角は、波長毎に略等しく、特定の波長では等しい。従って、各反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される１次回折光の射出方向は、図７Ａ及び図７Ｂに例示されるように、波長毎に略平行である。
【００９６】
このため、反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される１次回折光は、波長毎に略平行に集光レンズ３に入射し、集光レンズ３によりラインセンサ４上のおよそ同じ位置（つまり、同じ受光素子）に集光される。その結果、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される１次回折光を、波長毎に同一のチャネルで検出することができる。
【００９７】
次に、図９を参照しながら、各反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きの決定方向について、具体的に説明する。図９は、図７Ａ及び図７Ｂに例示される分光装置に含まれる反射型ＶＰＨ回折格子の傾きの決定方向について説明するための図である。なお、図９のＸＹＺ座標系は、図７Ａ及び図７ＢのＸＹＺ座標系と一致している。
【００９８】
格子定数をＮ、入射光ＩＬに含まれる任意の波長をλ、ブラッグ波長をλ０、反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きをθ、入射光ＩＬの入射角をα、１次回折光の回折角をβ、１次回折光の基準面ＢＰからの角度をγとすると、反射型ＶＰＨ回折格子２２は、以下の式を満たす。なお、入射角α、１次回折光の回折角β、１次回折光の基準面ＢＰからの角度γは、厳密には、それぞれ入射光ＩＬ及び１次回折光を波長分散面（ＸＺ平面）上に投影したときの角度である。
【数７】
2014115295.tif 000009
式（８）及び式（９）を用いると、１次回折光の基準面ＢＰからの角度γは、以下の式で表される。
【数８】
2014115295.tif 000010
【００９９】
ところで、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される１次回折光を波長毎に略平行に集光レンズ３に入射させるためには、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２からの同一波長の１次回折光の方向を波長分散面上でほぼ一致させる必要がある。なお、０次回折光と１次回折光とのなす角である１次回折光の射出角度（α＋β）は、反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きにほとんど依存しないため、０次回折光の方向がほぼ一致すれば、１次回折光の方向もほぼ一致する。
【０１００】
そこで、基準面ＢＰの方向に射出される１次回折光の波長（以降、基準波長λｂｐと記す。）が、反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きによらず、常に一定であるとすると、基準波長λｂｐの１次回折光の基準面ＢＰからの角度γは０であるから、式（１０）から式（１１）が導かれる。
【数９】
2014115295.tif 000011
【０１０１】
格子定数Ｎと基準波長λｂｐが予め決定されているとすると、式（１１）を用いて、反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きθをブラッグ波長λ０により一意に決定することができる。従って、式（１１）のブラッグ波長λ０に青色の波長、緑色の波長、赤色の波長を代入することで、反射型ＶＰＨ回折格子２２ａ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｂ、反射型ＶＰＨ回折格子２２ｃの傾きを求めることができる。
【０１０２】
入射光の方向も反射型ＶＰＨ回折格子２２毎に定める必要がある。入射光の基準面ＢＰからの角度は、基準波長λｂｐとブラッグ波長λ０に基づいて、式（１２）で表される。
【数１０】
2014115295.tif 000012
反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きθや入射光ＩＬの入射角をαが小さい場合には、式（１２）は、式（１３）のように近似することができる。
【数１１】
2014115295.tif 000013
また、０次回折光の基準面ＢＰからの角度も、基準波長λｂｐとブラッグ波長λ０に基づいて、式（１４）で表される。
【数１２】
2014115295.tif 000014
反射型ＶＰＨ回折格子２２の傾きθや入射光ＩＬの入射角をαが小さい場合には、式（１４）は、式（１５）のように近似することができる。
【数１３】
2014115295.tif 000015
式（１５）から０次回折光の射出方向が略一定となっていることが確認できる。
【０１０３】
以上、本実施例に係る分光装置２１によれば、傾きの異なる複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２を用いることで、実施例１に係る分光装置１と同様に、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。
【０１０４】
また、分光装置２１でも、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２から射出される１次回折光の射出方向は波長毎に略平行であるので、１つの集光レンズ３で１次回折光を波長毎に略同じ位置に集光させることができる。
【０１０５】
また、実施例１に係る分光装置１と同様に、１次回折光の集光位置を波長毎にさらに精度よく一致させるために、複数の反射型ＶＰＨ回折格子２２の格子定数を異ならせてもよい。また、実施例１の変形例に係る分光装置１１と同様に、１次回折光の集光位置を波長毎にさらに精度よく一致させるために、反射型ＶＰＨ回折格子２２毎に集光レンズ３を設けてもよい。
【実施例３】
【０１０６】
図１０Ａは、本実施例に係る分光装置の構成を例示した側面概略図である。図１０Ｂは、本実施例に係る分光装置の構成を例示した上面概略図である。なお、図１０Ａ、図１０ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。また、本実施例の検出対象とする波長域は、実施例１の波長域と同様である。
【０１０７】
図１０Ａ及び図１０Ｂに例示される分光装置３１は、入射光ＩＬを回折する１つの透過型ＶＰＨ回折格子３２と、反射面がＹ軸と平行に配置された複数の反射部材（ミラー３３ａ、ミラー３３ｂ、ミラー３４ａ、ミラー３４ｄ、ミラー３５）と、透過型ＶＰＨ回折格子３２で生じる１次回折光を集光する集光レンズ３と、集光レンズ３で集光された１次回折光を検出する検出器であるラインセンサ４と、三角プリズム３６と、を含んでいる。なお、透過型ＶＰＨ回折格子３２はＸＺ平面上で波長分散を生じさせる特性を有している。従って、本実施例に係る分光装置３１では、透過型ＶＰＨ回折格子３２の波長分散面は、ＸＺ平面である。
【０１０８】
集光レンズ３は、透過型ＶＰＨ回折格子３２と実質的に平行に配置されている点を除き、図１に例示される分光装置１に含まれる集光レンズ３と同様である。また、ラインセンサ４も、図１に例示される分光装置１に含まれるラインセンサ４と同様である。
【０１０９】
ミラー３３ａ、ミラー３３ｂ、ミラー３４ａ、及び、ミラー３４ｂは、透過型ＶＰＨ回折格子３２で生じる０次回折光Ｌ０を反射して透過型ＶＰＨ回折格子３２の異なる位置に入射させる反射部材である。
また、透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する入射光ＩＬ及び０次回折光Ｌ０は、ミラー３３ａ、ミラー３３ｂ、ミラー３４ａ、及び、ミラー３４ｂにより、図１０Ｂに例示されるように、波長分散面と直交する平面（ＸＹ平面）上で平行に透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する。このため、透過型ＶＰＨ回折格子３２から射出される１次回折光の方向も、ＸＹ平面上では入射光ＩＬ及び０次回折光Ｌ０と平行となる。
【０１１０】
なお、ミラー３３ａ及びミラー３３ｂは、ミラー３３ｂを反射した０次回折光の緑色の波長がブラッグ波長となるように配置されている。同様に、ミラー３４ａ及びミラー３４ｂは、ミラー３４ｂを反射した０次回折光の赤色の波長がブラッグ波長となるように配置されている。なお、入射光ＩＬは、入射光ＩＬの青色の波長がブラッグ波長となるような入射角で、透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する。
【０１１１】
すなわち、ミラー３３ｂを反射して透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する０次回折光の入射角と、ミラー３４ｂを反射して透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する０次回折光の入射角は、それぞれ、透過型ＶＰＨ回折格子３２に入射する入射光ＩＬの入射角と異なっている。このため、波長分散面（ＸＺ平面）上で、各０次回折光の入射により生じる１次回折光は波長ごと平行ではない。従って、ミラー３５や三角プリズム３６を用いて、各波長の１次回折光の集光位置を調整する。
【０１１２】
ミラー３５は、集光レンズ３から逸れた１次回折光を集光レンズ３に入射させるための反射部材である。図１０Ａ及び図１０Ｂでは、ミラー３５が緑色の波長の１次回折光Ｇを反射する例が示されている。三角プリズム３６は、１次回折光の集光位置を補正する部材である。図１０Ａ及び図１０Ｂでは、三角プリズム３６が赤色の波長の１次回折光Ｒの集光位置を補正する例が示されている。
【０１１３】
以上、本実施例に係る分光装置３１によれば、単一の透過型ＶＰＨ回折格子３２を用いて、実施例１に係る分光装置１と同様に、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。
【０１１４】
図１１は、本実施例に係る分光装置の変形例の構成を例示した概略図である。また、本変形例の検出対象とする波長域は、実施例１の波長域と同様である。
【０１１５】
図１１に例示される分光装置４１は、入射光ＩＬを回折する１つの反射型ＶＰＨ回折格子４２と、反射部材であるミラー４３と、反射型ＶＰＨ回折格子４２で生じる１次回折光を集光する複数の集光レンズ（集光レンズ４４ａ、集光レンズ４４ｂ、集光レンズ４４ｃ）と、集光レンズで集光された１次回折光を検出する検出器であるラインセンサ４と、を含んでいる。
【０１１６】
集光レンズ４４ａ、集光レンズ４４ｂ、集光レンズ４４ｃは、それぞれの光軸が平行になるように配置されている。また、複数の集光レンズの光軸は、反射型ＶＰＨ回折格子４２の入射面の法線とも平行である。
【０１１７】
ミラー４３は、反射型ＶＰＨ回折格子４２から射出される０次回折光Ｌ０を反射型ＶＰＨ回折格子４２の異なる位置に入射させる反射部材であり、反射型ＶＰＨ回折格子４２に対して傾いて配置されている。
【０１１８】
入射光ＩＬは、青色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子４２に入射し、回折される。入射光ＩＬの入射により生じる１次回折光は、波長毎に異なる角度で集光レンズ４４ａに入射し、ラインセンサ４の異なる位置に集光する。入射光ＩＬの入射により生じる０次回折光Ｌ０は、ミラー４３を反射し、緑色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子４２に入射し、回折される。このとき生じる１次回折光は、波長毎に異なる角度で集光レンズ４４ｂに入射し、ラインセンサ４の異なる位置に集光する。一方、０次回折光Ｌ０は、再びミラー４３を反射し、赤色の波長がブラッグ波長となる角度で反射型ＶＰＨ回折格子４２に入射し、回折される。このとき生じる１次回折光は、波長毎に異なる角度で集光レンズ４４ｃに入射し、ラインセンサ４の異なる位置に集光する。
【０１１９】
図１１で例示されるように、各１次回折光は、ラインセンサ４の異なる位置に入射し、それぞれ異なる受光素子で検出される。ラインセンサ４では、同一波長の１次回折光が入射する異なる受光素子は、同一のチャネルとして設定されている。このため、分光装置４１は、同一のチャネルに設定された複数の受光素子からの信号を加算することで、波長毎の信号を検出することができる。
【０１２０】
以上、本実施例に係る分光装置４１によれば、単一の反射型ＶＰＨ回折格子４２を用いて、実施例１に係る分光装置１と同様に、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。
【０１２１】
なお、図１１では、同一波長の１次回折光を異なる受光素子に入射させる例を示したが、特にこれに限られない。分光装置４１では、各集光レンズの位置を調整することで、１次回折光を波長毎に同一の受光素子に入射させてもよい。
【実施例４】
【０１２２】
図１２は、本実施例に係るレーザ走査型顕微鏡の構成を例示した概略図である。
【０１２３】
図１２に例示されるレーザ走査型顕微鏡５０は、複数の透過型ＶＰＨ回折格子を含む分光装置５１と、レーザ６１と、ダイクロイックミラー６２と、瞳レンズ６３と、ガルバノスキャナ６４と、結像レンズ６５と、ミラー６６と、対物レンズ６７と、共焦点ピンホールを有する共焦点絞り６８と、コリメートレンズ６９と、を含んでいる。
【０１２４】
レーザ６１から射出されたレーザ光は、蛍光を透過しレーザ光を反射するダイクロイックミラー６２に入射して反射される。ダイクロイックミラー６２を反射したレーザ光は、瞳レンズ６３、及び、対物レンズ６７の瞳位置と共役な位置近傍に配置されたガルバノスキャナ６４、結像レンズ６５、ミラー６６を介して、対物レンズ６７に入射して、標本面ＳＰ上の１点に集光して照射される。標本面ＳＰから生じた蛍光は、レーザ光と同じ光路を反対向きに進行し、ダイクロイックミラー６２に入射する。さらに、蛍光は、ダイクロイックミラー６２を透過して共焦点絞り６８に入射する。共焦点絞り６８に設けられた共焦点ピンホールは、対物レンズ６７の焦点位置と共役な位置に配置されているため、焦点位置からの蛍光のみが共焦点絞り６８を通過する。共焦点絞り６８を通過した蛍光は、コリメートレンズ６９により平行光に変換されて分光装置５１へ入射する。ガルバノスキャナ６４により標本面ＳＰ上に集光されるレーザ光の位置を２次元に走査して、標本面ＳＰの位置毎における分光データを取得する。
【０１２５】
分光装置５１は、図１に例示される分光装置１に、複数の反射部材（ミラー５２ａ、ミラー５２ｂ、ミラー５２ｃ、ミラー５２ｄ）と、高分解能検出用の集光レンズ５３と、遮蔽板５４と、を追加したものである。分光装置１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。ただし、透過型ＶＰＨ回折格子２ａは、傾きを任意に変更することができる点が、分光装置１の透過型ＶＰＨ回折格子２ａと異なっている。
【０１２６】
ミラー５２ａ及びミラー５２ｂは、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから生じる１次回折光の光路に対して挿脱可能に配置されていて、１次回折光の光路を切換える光路切換え手段として機能する。ミラー５２ｃは、その傾きを任意に変更することができる。集光レンズ５３は、集光レンズ３に比べて焦点距離が長く開口数の小さな集光レンズである。遮蔽板５４は、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから生じる０次回折光の光路に対して挿脱可能に配置されている。
【０１２７】
分光装置５１は、ミラー５２ａ、ミラー５２ｂ、及び、遮蔽板５４が光路から取り除かれている場合には、図１に例示される分光装置１と同様に作用する。このため、ミラー５２ａ、ミラー５２ｂ、及び、遮蔽板５４を光路から取り除くことで、分光装置５１は、分光装置１と同様に、ラインセンサ４で、広い波長域（例えば、青色から赤色）の１次回折光を高い光の利用効率で検出することができる。
【０１２８】
一方、分光装置５１は、ミラー５２ａ、ミラー５２ｂ、及び、遮蔽板５４を光路に挿入することで、分光装置１に比べて高い分解能で１次回折光を検出することができる。
【０１２９】
ミラー５２ａ、ミラー５２ｂ、及び、遮蔽板５４を光路に挿入されている場合、透過型ＶＰＨ回折格子２ａで生じた１次回折光は、ミラー５２ａで反射されて、高分解能検出用の集光レンズ５３へ入射する。そして、集光レンズ５３で集光された１次回折光は、ミラー５２ｃ、ミラー５２ｄ、ミラー５２ｂを介して、ラインセンサ４に波長毎に集光する。このとき、集光レンズ５３の焦点距離が集光レンズ３の焦点距離よりも長いため、集光レンズ５３を介してラインセンサ４に入射する１次回折光の波長分散量は、集光レンズ３を介してラインセンサ４に入射する１次回折光の波長分散量に比べて大きい。このため、より高い波長分解能で１次回折光を検出することができる。なお、遮蔽板５４は、透過型ＶＰＨ回折格子２ａから生じた０次回折光によりラインセンサ４上でフレアが生じることを防止するために用いられる。
【０１３０】
また、ミラー５２ｃの傾きを変更することで、ラインセンサ４上での中心波長が変化する。このため、ラインセンサ４で検出される検出波長域は、ミラー５２ｃの傾きを変更することにより、任意に変更することができる。検出波長域を変更する場合には、透過型ＶＰＨ回折格子２ａの傾きも変更することが望ましい。これにより、検出波長域に対して回折効率を最適化することができるため、高い光の利用効率を実現することができる。
また、集光レンズ５３は、波長分散量の線形性を向上させるために、透過型ＶＰＨ回折格子２ａに対して光学的に平行に配置されることが望ましい。
【０１３１】
以上、本実施例に係るレーザ走査型顕微鏡５０によれば、広い波長域で高い光の利用効率を実現することができる。また、光路切換え手段であるミラー５２ａ及びミラー５２ｂにより１次回折光の光路を切り換えることによって、ラインセンサ４上での波長分散量を変化させることができる。これにより、レーザ走査型顕微鏡５０では、広い波長域の１次回折光の検出と、高い分解能での１次回折光の検出とを、必要に応じて容易に切り換えることもできる。
【符号の説明】
【０１３２】
１、１１、２１、３１、４１、５１・・・分光装置、２、２ａ、２ｂ、２ｃ、３２・・・透過型ＶＰＨ回折格子、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、５３・・・集光レンズ、４・・・ラインセンサ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２８、４２・・・反射型ＶＰＨ回折格子、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５、４３、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、６６・・・ミラー、２５・・・体積ホログラム層、２７・・・保護ガラス、２９・・・全反射プリズム、３６・・・三角プリズム、５０・・・レーザ走査型顕微鏡、５４・・・遮蔽板、６１・・・レーザ、６２・・・ダイクロイックミラー、６３・・・瞳レンズ、６４・・・ガルバノスキャナ、６５・・・結像レンズ、６７・・・対物レンズ、６８・・・共焦点絞り、６９・・・コリメートレンズ、ＳＰ・・・標本面、ＩＬ・・・入射光、Ｎ・・・法線、Ｌ０・・・０次回折光、Ｌ１・・・１次回折光、Ｃｒ、Ｃｇ、Ｃｂ・・・線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2014115295.tif 000028
【図１１】
2014115295.tif 000029
【図７Ａ】
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【図１２】
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