(57)【要約】  第１の凹面分光回折格子を備えたスペクトログラフが、入力光源から光を受光するように位置している。第１の凹面分光回折格子は、回折格子の平面に対して第１の角度方向を伴う第１の分散方向に、入力光源の成分を分散させる回折光出力を供給するように構成されている。分散は、入力光を中間スペクトルへと形成する。中間スペクトルは、一度回折された光によって焦点面に形成される。スリットが、焦点面にほぼ位置している。第２の凹面回折格子が、一度回折された光をスリットから受光するように位置し、二度回折された光出力を供給するように構成されており、第２の凹面回折格子は、格子平面に対して第２の角度方向を伴う第２の分散方向に、入力光源の成分を分散させる。第２の分散角度方向は、第１の分散角度方向とは異なる。第２の分散は、入力光を出力スペクトルへと形成する。
2007534965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光をその成分に分離するための装置であって、光をその成分に分離するための前記装置への励起光入力から、選択されたスペクトルバンドにおける光出力を供給する装置において、
（ａ）１つまたは複数の波長成分を有する入力光源と、
（ｂ）第１の凹面分光回折格子であって、前記第１の凹面格子が、第１の光学溝を画定し、かつ前記入力光源から光を受光するように位置し、前記第１の溝が第１の方向に向けられ、前記第１の溝が、一度回折された光を供給するように構成され、かつ前記入力光源の前記成分を第１の分散方向に分散させ、前記分散が、前記入力光を中間スペクトルへと形成し、前記中間スペクトルが、前記一度回折された光によって焦点面に形成される第１の凹面分光回折格子と、
（ｃ）前記焦点面にまたはほぼ前記焦点面に実質的に位置するスリットであって、前記スリットが通過させる光の最短波長に自身の位置が対応する第１のエッジ、および前記スリットが通過させる光の最長波長に自身の位置が対応する第２のエッジを有するスリットと、
（ｄ）第２の凹面回折格子であって、前記第２の凹面回折格子が、一度回折された光を前記スリットから受光するように位置し、前記第２の溝が第２の方向に向けられ、前記第２の溝が、二度回折された光を供給するように構成され、前記第２の凹面回折格子が、前記一度回折された光の成分を第２の分散方向に分散させ、前記第２の分散方向が、前記第１の分散方向を横切って延び、前記分散が、前記入力光を出力スペクトルへと形成し、前記出力スペクトルが、前記二度回折された光によって焦点面に形成される第２の凹面回折格子と、
を含む装置。
【請求項２】
前記入力光源の中心、前記格子、および前記スリットが、平面をおおまかに画定するが、前記平面に位置してもしなくてもよく、前記第１の分散方向が、前記平面の一側から前記平面の反対側に延びる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記入力光源の中心、前記格子、および前記スリットが、平面をおおまかに画定するが、前記平面に位置してもしなくてもよく、前記第１の分散方向が前記平面を横切って延びる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の分散方向が、前記平面にほぼ直角である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の凹面回折格子の前記焦点面にほぼ沿って位置している記録部材をさらに含む、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項６】
前記第２の凹面回折格子の前記焦点面にほぼ沿って位置している測定装置をさらに含む、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項７】
前記測定装置が固体検出器アレイである、請求項５に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項８】
前記第１の凹面回折格子を回転自在に支持するための回転取り付け台をさらに含む、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項９】
ｅ）回転のために前記第１の凹面回折格子を支持する角度往復取り付け台と、ある範囲の入力光源波長を走査するために、第１の角度位置と第２の角度位置との間で前記第１の格子を往復移動させる駆動機構とをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記入力光源が、開口部に配置された光ファイバ束を含む、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項１１】
１８０ｎｍ〜１０μｍの範囲における波長で動作可能な、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項１２】
迷光除去率が約１０−５〜１０−６のオーダである、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項１３】
前記第１および第２の格子が、１ミリメートル当たり８０溝かそれより高い溝密度を有する、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項１４】
前記中間スリットの高さがスペクトルセグメントの範囲を決定する、請求項１に記載の、光をその成分に分離するための装置。
【請求項１５】
光をその成分に分離するための装置であって、光をその成分に分離するための前記装置への励起光入力から、選択されたスペクトルバンドにおける光出力を供給する装置において、
（ａ）入力光源と、
（ｂ）前記入力光源から光を受光するように位置し、第１の角度方向を画定する角度のある溝方向を有し、かつ前記入力光源の成分をＹ方向に分散させる回折光出力を供給するように構成された第１の凹面分光回折格子であって、前記分散が、前記入力光を中間スペクトルへと形成し、前記中間スペクトルが、前記一度回折された光によって焦点面に形成される第１の凹面分光回折格子と、
（ｃ）前記焦点面にまたはほぼ前記焦点面に実質的に位置するサンプルであって、透過光として前記回折光出力を透過させ、蛍光を生成するために蛍光発光するサンプルと、
（ｄ）透過光を受光するように位置している第２の凹面回折格子であって、前記第２の凹面回折格子が、第２の方向を画定する第２の角度のある溝方向を有し、かつ第１の二度回折された光出力を供給するように構成され、前記第２の凹面回折格子が、前記透過された光源の成分を、前記第１の回折格子を角度をなして横切るＸ方向に分散させ、前記Ｘ方向が、前記第１の方向と異なり、前記分散が、前記入力光を第１の出力スペクトルへと形成し、前記第１の出力スペクトルが、前記第１の二度回折された光によって焦点面に形成される第２の凹面回折格子と、
（ｅ）蛍光を受光するように位置している第３の凹面回折格子であって、前記第３の凹面回折格子が、第３の方向を画定する第３の角度のある溝方向を有し、かつ第２の二度回折された光出力を供給するように構成され、前記第３の凹面回折格子が、前記蛍光源の成分を、前記第１の格子を実質的に角度をなして横切るＸ方向に分散させ、前記Ｘ方向が、前記Ｙ方向と異なり、前記分散が、前記蛍光を第２の出力スペクトルへと形成し、前記第２の出力スペクトルが、前記第２の二度回折された光出力によって焦点面に形成される第３の凹面回折格子と、
を含む装置。
【請求項１６】
前記第１の凹面回折格子が、前記格子および前記光源によっておおまかに画定される機器面を横切る第１の平面に対して第１の角度方向に向けられた光学溝を画定し、前記第２および第３の凹面回折格子が、前記第１の角度方向を角度をなして横切る溝を画定する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第１の凹面鏡が、前記サンプルからの透過光を前記第２格子へ集光し、第２の凹面鏡が、前記サンプルからの蛍光を前記第３格子へ集光する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
光をその成分に分離するための装置であって、前記装置への励起光入力から、スペクトルバンドにおける光出力を供給する装置において、
（ａ）入力光源と、
（ｂ）前記入力光源から光を受光するように位置し、かつ前記入力光源の成分を分散させる一度回折された回折光出力を供給するように構成された第１の凹面分光回折格子であって、前記分散が、前記入力光を中間スペクトルへと形成し、前記中間スペクトルが、前記一度回折された光によって焦点体積に形成される第１の凹面分光回折格子と、
（ｃ）ほぼ前記焦点体積に実質的に位置するスリットであって、前記スリットが通過させる光の最短波長に自身の位置が対応する第１のエッジ、および前記スリットが通過させる光の最長波長に自身の位置が対応する第２のエッジを有するスリットと、
（ｄ）前記一度回折された光を前記スリットから受光するように位置し、かつ二度回折された光出力の形態で画像を提供するように構成された第２の凹面回折格子であって、前記第１の凹面分光回折格子が、焦点面における第１の方向に前記成分を波長に応じて分散させるように向けられ、前記分散された、一度回折された光の方向が、平面をほぼ画定し、前記第２の凹面回折格子が、前記一度回折された光の成分を二度回折された光として分散させ、かつ前記二度回折された光を前記平面に平行ではない経路に沿って移動させるように向けられている第２の凹面回折格子と、
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子スペクトログラフおよび特に三次元二重回折格子スペクトログラフに関する。
【背景技術】
【０００２】
単一の特定された光学機能を実行するために、所望の構成に組み立てられる様々な光学モジュールを用いることが、当該技術分野において周知である。かかる構成は、科学機器の形態を取るか、または商業的な分光用途で用いられるようにしてもよい。各モジュールをできる限りコンパクトにすることが、通常は有利である。
【０００３】
入力光からスペクトルを生成する機器である分光器は、かかる光学機器の１つの特に有用な例である。用語「スペクトル」は、波長の全範囲より少ない範囲、たとえば励起下のサンプルが放射したか、または入力光エネルギをフィルタリングするサンプルが通過させた波長の集まりを含むように意味されている。別の例はスペクトログラフであるが、スペクトログラフは、記録装置もしくは他の光捕捉手段か、または生成されたスペクトルを受光しかつ記録するかさもなければ処理する同種のものを設けられた分光器である。本発明は、スペクトログラフに特に有用な光学構成に関し、スペクトログラフという用語は、以下で用いられる。しかしながら、本明細書で説明する新規の光学装置が、分光器または分光計、および一般に記録、定量化または同様の能力が必要な全ての用途で使用できること、および本発明が、本発明に係る光学装置を用いるかかる新規な分光器用途および分光計用途にも及ぶことが理解されるであろう。単一のスペクトルバンドを出力するかまたは一連の個別スペクトルバンドを含む走査された出力を供給するために、本発明が適用可能だという範囲で、用語「分光計」はまた、モノクロメータを含むように理解されるべきである。
【０００４】
回折格子スペクトログラフは、１つまたは複数の回折格子を用いて、特定波長のスペクトルまたはスペクトルバンドに入力光を回折させる。典型的な構成において、スペクトログラフは、検査または記録のために、入力光から単一波長または狭いスペクトルバンドを選択するように設計されている。
【０００５】
平面回折格子を用いる分光計の周知の一実施形態において、分光組成を分析されることになる点光源によって、凹面鏡が照射される。点光源からの光は、凹面鏡によって視準されて平行な光束を形成し、これらの光線が、平面回折格子の表面に当たるようにされる。この凹面鏡は、典型的な分光計器においてコリメータとして知られている。平面回折格子は、その表面に多数の溝がエッチングされているので、回折格子の表面に当たる光は回折される。すなわち、光の波長に応じた角度で反射される。入力光源が多数の波長を含む場合には、結果として、異なる波長の光が、波長に応じた角度で回折または反射される。
【０００６】
次に、回折光を第２の凹面鏡によって受光してもよく、この凹面鏡が、回折光を集光して、分析下の点光源の画像を形成する。しかしながら、異なる波長の光は異なる角度で回折されたので、点光源は、集光鏡としても知られている第２の凹面鏡によって、異なる波長に対して異なる箇所でイメージングされる。したがって、個別波長、またはより正確には本質的に単一波長からなる狭い領域のスペクトルもしくはスペクトルバンドを選択して、その強度を測定し、この情報を、たとえば、放射源材料の元素分析のために利用することが可能である。
【０００７】
サンプルの分光元素分析には、多くの産業的用途がある。たとえば、製鋼炉において溶解金属で満たされた湯だまりから得られるような工業スラグの分析の場合には、スラグをプラズマに励起して、発光スペクトルを分光計で分析および測定してもよい。プラズマ発光スペクトルに現われる波長によって、スラグにおける不純物の性質および量が示され、工場の操作係は、製造パラメータを調整して所望の製品を実現できるようになる。
【０００８】
上記の考察が鏡を用いる分光計装置を中心になされ、かかる装置が、鏡を用いるイメージングの質ゆえに通常好まれる一方で、凸レンズ、および全体的な凸面光学特性を有する複合的な多要素レンズなどの集光レンズを用いて装置を組み立てることが可能である。原則として、機器においてレンズおよび鏡を組み合わせることがまた可能である。
【０００９】
分光計における回折格子が、１８００年代の初めに出願人の譲受人によって発明され作製されたタイプの、慣用的で機械的に制御された回折格子か、または１９６０年代以来、出願人の譲受人によって開発されたタイプのホログラフィック回折格子であってもよいことがまた注目される。
【００１０】
分光計は、フラマン（Ｆｌａｍａｎｄ）の米国特許第３，６２８，８４９号明細書に示されているように、１９６０年代末期に、出願人の会社で働いていたフラマン（Ｆｌａｍａｎｄ）によって発明されたタイプの凹面ホログラフィック回折格子などの凹面回折格子を用いて組み立ててもよいことがまた周知である。
【００１１】
リトローマウンティングシステムは、大きな平面反射格子を利用する比較的一般的な方法であり、視準および集光機能の両方を実行する単一の鏡の使用から生まれる単純性および良好な光学品質を提供する。さらに、この構成では、視準および集光機能は両方とも、同じ幾何学的な空間で実行され、結果としてその空間の効率的な利用をもたらす。典型的なリトロー配置では、鏡が、入力点光源から格子へ平行入射光を送出して、格子から受光した回折光を、入力点光源に隣接していることが多い出力点に集光する。かかる装置では、単一の鏡が、同時にコリメータおよび集光素子の両方の役割を果たして、必要な光学素子の数を最小限にする。
【００１２】
リトロー構成を用いることは、その単純性に加えて、その高品質出力のために特に望ましい。入力および出力光ビームが同じ光学経路を反対方向に渡るので、視準および集光構成要素における光学収差は、自動補正されるか、または自己補償して、画質が回折限界であるように、すなわち、画質が、光学装置の欠陥によってではなく、光学系の物理的特性によって制限されるようにする。
【００１３】
かかる従来のリトローマウンティング回折構成の特別な欠点は、回折格子に中央の光開口部を設けることの難しさおよび費用である。別の欠点は、過度の迷光が鏡によって開口部に返される可能性があることである。これらの欠点を持たないような分光計または同等の光学系を設けることが望ましいであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
サンプル光入力からの選択されたスペクトルバンドにおける光出力を供給するスペクトログラフには、入力光源が含まれる。第１の凹面分光回折格子は、入力光源から光を受光するように位置し、かつ第１の方向に入力光源の成分を分散させる回折光出力を供給するように構成されている。分散は、入力光を中間スペクトルへと形成する。中間スペクトルは、一度回折された光によって焦点面に形成される。スリットが、機械的部材を収容する焦点面にまたはほぼ焦点面に実質的に位置するが、この機械的部材は、焦点面におけるスリットの位置を変えるように移動可能に取り付けてもよい。
【００１５】
スペクトルは、垂直軸に沿い、スリットに沿って縦方向に形成される。スリットの底縁は、スリットが通過させる光の最短波長に対応する。上縁は、スリットが通過させる光の最長波長に対応する位置を有する。スペクトル解像度は、凹面回折格子のイメージング特性と合わせて入力幅によって決定される。高さによって、装置のスペクトル範囲が決定される。
【００１６】
第２の凹面回折格子は、一度回折された光をスリットから受光するように位置し、二度回折された光出力を供給するように構成されており、第２の凹面回折格子は、入力光源の成分を第２の分散方向に分散させる。好ましい実施形態において、第２の方向は、第１の方向と直角である。第２の分散は、入力光を出力スペクトルへと形成する。出力スペクトルは、二度回折された光によって焦点面に形成される。測定装置は、第２の凹面回折格子によって形成される焦点面にほぼ沿って位置している。出力スペクトルは、対角線状に分散され、各波長は、焦点面に異なる高さで分散される。
【００１７】
測定装置は、固体検出器アレイ、線形ダイオードアレイ等であってもよい。
【００１８】
代替実施形態において、第１の回折格子は、回転によって光出力波長またはスペクトルバンドの選択ができるように、取り付けることができ、第２の回折格子は、回転によって光出力幅の選択ができるように、取り付けることができる。この代替実施形態において、入力スペクトルはまた、中間スリット位置で、入力スリットと平行でないように回転してもよい。別の実施形態において、第１および／もしくは第２の回折格子、ならびに／または回転自在に取り付けられた中間スリット（回転自在に取り付けられた中間スリットが設けられている場合）を回転させるための電動コンピュータ制御取り付け台を利用することができる。
【００１９】
本発明の利点ならびにシステムおよび装置は、図面と共に次の説明から理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１〜５を参照すれば、本発明に係る二重格子三次元スペクトログラフシステム１０の動作が、理解されるであろう。一般に、システム１０には、光ファイバ入力部１２などの光源、任意の入射スリット１４、第１の凹面格子１６、中央スリット１８、第２の凹面格子２０、および測定または記録システムの３２が含まれる。図２を参照されたい。システム３２は、図３により詳細に示されている出力スペクトルを受光する。
【００２１】
便宜上、本明細書において方向の基準が、図に示すように、スペクトログラフ１０の向きに関連して設定されているが、この場合に、光源１２は右側にあり、第１の格子１６は左側にあり、第２の格子２０は右側にあって、中央スリット１８は、格子１６と格子２０との間に配置されている。実際にはスペクトログラフ１０が任意の所望の向きを有してもよいことが分かる。
【００２２】
図４および５ではっきり見て取ることができるように、光ファイバ入力部１２、入射スリット１４、第１の凹面格子１６、中央スリット１８、第２の凹面格子２０、および測定または記録システム３２は、同じ平面に全て位置する中心部を有する。光ファイバ１２、入射スリット１４、第１の凹面格子１６、中央スリット１８、第２の凹面格子２０、および測定または記録システム３２は、全て、それらが位置する平面に対して直角に向けられている。格子１６は、格子２０に平行か、または用いられる格子１６によって決定されかつそれに特有の角度に向けられ、格子１６の光軸は、格子２０の光軸に平行かまたはある角度をなしている。中央スリット１８は、その面外エッジ４１および４３が、格子１６により生成されるスペクトルの短波長および長波長範囲にそれぞれ関連するスペクトル上の点を画定するような向きにされている。好ましい実施形態によると、中央スリット１８は、格子１６によって生成されるスペクトルの焦点に平行に向けられ、かつ焦点に位置し、軌道に沿った移動によってかまたは他の機械的な工夫によって、スペクトル上の様々な位置に対してスリットの位置および高さを容易に調整できるようにする。
【００２３】
測定または記録システム３２は、格子２０の焦点面と一致するように向けられている。それは、ほぼ平面であるか、または格子２０によってイメージングされる焦点面の形状に一致するように構成を変更してもよい。記録システムの代替の向きは図４において想像線で示されているが、この場合に、記録システム３６は、格子２０の平面にほぼ直角である。同様に、記録システム３８は、ほぼ平面とほぼ垂直との間のどこかの向きにすることができる。記録システム３２の向きは、格子に依存している。
【００２４】
スペクトログラフ１０は、光ファイバ１２などの任意の光源から、分析される入力光を受光する。光１５（図１）は、第１の格子１６に向けられている。格子１６の中心とスリット１４の中心との間の距離は、凹面格子１６の焦点距離によって決定される。格子１６は入射光１５を回折させて、回折光１７を生成する。かかる回析は、第１の方向に分散されている光によって達成される。かかる分散の方向は、格子１６における格子溝の向きの関数である。この向きは、図５に概略的に示されている。好ましい実施形態によれば、格子１６の溝は、図４において本発明に係るシステムを示す用紙の平面とおおむね平行である。光１７は、中央スリット１８を通過する。中央スリット１８は、スペクトルセグメントを選択して、この光を光１９として出力する。
【００２５】
中央スリット１８を出た後で、光１９は、第２の格子２０に当たるようにされる。第２の格子２０は、本発明の好ましい実施形態に従った向きにされ、その溝は、図４で最もはっきりと見えるように、第１の格子１６の溝とおおよそ直角である。これによって、二度回折された光２１への光１９の分散が結果としてもたらされる。第１および第２の回折格子の互いに対する向きゆえに、第２の格子２０における光の分散は、結果として第１の格子１６による光の分散とほぼ直角になる。かかる向きは、直角である必要はない。なぜなら、変化させても、主として出力スペクトルの向きを変えるだけだからである。
【００２６】
第１の格子１６および第２の格子２０は、それらの曲率中心および光軸がほぼ同じ平面にあるように配置されている。次に、二度回折された光２１は、測定または記録システム３２に当たるようにされる。
【００２７】
測定または記録システム３２は、多数の形態のうちの任意の一形態を取ってもよい。たとえば、それは、単に、１枚の印画紙、写真のネガ、または従来の受像管もしくは画像増倍管などの感光装置であってもよい。それはまた、検出器の線形マトリックスなどの固体装置、または用いられるような固体検出器の二次元アレイ、たとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。
【００２８】
光源１２は、任意の適切なタイプであってもよく、たとえば発光源、蛍光源、ラマン光源、吸収スペクトル等、またはさらに分光法で用いるためかもしくは光源の特性を決定すべき場合における任意の他の用途のための光源などもある。光学開口部１４は、分光法および類似の用途で用いられるような、スリットなどの任意の適切な形態を取ってもよい。さらに、開口部１４には、直接組み込んだ光ファイバ束、レンズ、鏡、または他の適切な集光手段もしくは他の光透過手段によって、当該技術分野において周知の数多くの方式の任意の１つで放射線を供給してもよい。
【００２９】
システムに入力される光１５は、たとえば、プラズマ、高温体放射（ｈｏｔ  ｂｏｄｙ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）、またはガスおよびプラズマの粒子によって生成されるような、通常、異なる波長の光の混合物であるが、場合によっては、実質的な単色光をキャリブレートするか、検出するかまたは測定するために、本発明を用いてもよいと考えられる。典型的なサンプル源は、特徴的な元素スペクトルを放射するのに十分な温度に上昇された、製鋼スラグサンプルなどの工業材料と、体液または他の流体を通過して吸収スペクトルを生成する光と、分光法が用いられる用途に特有な多種多様な科学的用途とである。
【００３０】
システムの利点は、システムの２つの格子が異なる方向に光を分散させ、かかる分散が互いに直角であるときに特に良好な結果が達成されるという事実から生じる。本発明は、多種多様なシステムに適用可能である。たとえば、溝密度は、光の所望の動作波長に依存して変更してもよい。よりコンパクトなシステムを作製することを望む場合に、格子は、それらの分散が直角より小さい角度になるように配置してもよい。
【００３１】
単純な二重格子スペクトログラフが、分散の増加をもたらす一方で、機器の迷光除去率を改善しないであろうことが注目される。本発明に係るシステムの好ましい実施形態において、２つの異なる分散方向を同時に用いることによって、回析による多くの回折次数がシステム検出器にオーバーラップするのが阻止される。出力から多くの次数を除去することによって、スペクトルの質が改善される。
【００３２】
別の代替によれば、中間入力スリットに対して入力スペクトルを回転させることによって、単純な二重格子スペクトログラフ設計では達成できない迷光低減特性が可能になる。回折格子１６は、中間スリットに対して、矢印１６ａで示すように反対方向に交互に、反復的にわずかに回転され、スペクトルのわずかな部分だけが、中間スリットを一度に通過できるようにする。回転軸１６ｂは、格子の平面にあり、中間スリットと平行である。振動アセンブリを用いることによって、この動作が最もよく達成されるが、この動作は、ある波長範囲を通して装置を走査する効果がある。
【００３３】
さらに別の実施形態では、サンプルが、中間スリットに取って代わる。本実施形態では、蛍光および吸光度スペクトルを、今日のスペクトログラフ形態では利用できない、迷光を改善した利点を用いて測定することができる。サンプルと第２のスペクトログラフの入力スリットとの間のリレー光学装置によって、スペクトルの回転または第２の入力スリットへの開口部の追加が可能になる。
【００３４】
回折格子１６の溝が、中間開口部２７に対して直角からわずかに回転されるならば、任意の適切な取り付け台および駆動モータを用いて、格子１６に往復角運動を与えてもよい。結果として、システムに入力される光の波長が、光源１２の出力から選択されたある範囲の入力波長を選択するように走査される。それに対応して、分析される部分の光だけが、システムに一度に入力される。したがって、別の状況では、システムに入力されるであろう他の波長に関連する迷光などの迷光が回避される。振動格子が、毎秒１００回、スリットを越えてスペクトルを移動させ、かつ１秒の積分時間が用いられる場合には、結果として得られるスペクトルは、全スペクトルが第２のスペクトログラフに入ることを許される類似の構成と比較して、著しく高い迷光除去率を有する。
【００３５】
使用の際に、分析される光１５は、光ファイバ入力部１２を通してシステムに導入される。次に、放射光は、光学開口部またはスリット１４を通過することができる。スリット１４は、６ｍｍの幅および１００μｍ未満の調整可能な高さを有する。あるいは、スリット１４を取り除き、光ファイバ部材、すなわち単一ファイバまたはファイバ束の単純な出力を直接用いてもよい。
【００３６】
格子１６は、ジョバンイボン（Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ）によって、カタログ番号ＣＰ−２０のもとで販売されているタイプのものである。それは、曲率半径が２０ｍｍ、直径が８ｍｍ、溝密度が５５０の凹面構成を有し、通常は、３００〜８００ｎｍの実用スペクトル範囲で用いられる。以下で詳細に説明するように、本発明に係る構成を用いるこの格子の拡張された有用なスペクトル範囲が注目される。
【００３７】
格子１６は、波長スペクトルを含む出力２３を生成するが、この波長スペクトルには、参照番号２５で空間的に画定される選択波長範囲を含むある範囲の波長が含まれる。スペクトル出力２３において、短波長が図１において下側にあり、長波長が図１において上側にある。次に、結果として得られたスペクトル２３における選択セグメント２５を、中央スリット１８の開口部２７が通過させる。開口部２７は２つのエッジ４１および４３を有するが、これらのエッジは、通過するスペクトルのエッジに対応する波長を有する光の位置と一致するように配置されている。「スペクトルのエッジ」とは、開口部２７が通過させる最短波長および開口部２７が通過させる最長波長を意味する。開口部２７が、最短および最長波長の両方、ならびにこれらの２つの波長間の全ての波長を通過させることが理解されるであろう。開口部２７は、格子１６による光の分散方向と平行に向けられている。開口部２７の中心と格子１６の中心との間の距離は、約２５ｍｍである。中央スリット１８の開口部２７の中心とスリット１４の中心との間の距離は、約２０ｍｍである。
【００３８】
好ましい実施形態において、中央スリット１８の開口部２７は、長さが６ｍｍ未満である。中央スリット１８の幅は、０．０５ｍｍである。さらに開口部２７は高さが６ｍｍを超えてもよいが、システムによって出力される画像と同様に、第２の格子２０に投射される光１９の質は損なわれるであろう。開口部２７の高さによって、測定または記録装置３２にイメージングされる波長範囲が決定される。この状況は、図２に示すように、光が、方向２９に沿って格子２０により分散され、ウィンドウ２７が、その長さを方向２９と直角に向けているために起こる。スペクトル２２において短波長は、図１において左側にあり、長波長は、図１において右側にある。
【００３９】
好ましい実施形態によると、格子２０の中心と開口部２７の中心との間の距離は、１３７ｍｍである。好ましい実施形態によると、格子２０の中心と格子１６の中心との間の距離は、１６０ｍｍである。格子２０の中心と測定または記録装置３２の中心との間の距離は、１３５ｍｍである。特に、開口部２７は、格子２０に関連する開口部の位置に対してメーカによって推奨される点に位置している。
【００４０】
光源の入力高さによって、測定または記録装置３２に放射される出力スペクトルの最終的な解像度が決定される。次に、スペクトルセグメントは、第２の格子２０に投射される。
【００４１】
格子２０は、カタログ番号ＣＰ−１４０のもとでジョバンイボン（Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ）によって販売されているタイプのものである。それは、直径が７０ｍｍ、曲率半径が１４０ｍｍ、溝密度が１ｍｍ当たり２３０溝の凹面構成、および３８０〜７８０ナノメートルの通常の実用スペクトル範囲を有する。溝密度は、光の所望の動作波長に依存して変更してもよく、より密集した溝が、光の短波長用に用いられる。格子２０の直径は、そこに投射可能な光の様々な波長に対する均一な効率のために、中央スリット１８の高さよりもずっと大きくなければならない。
【００４２】
好ましい実施形態によると、格子１６および／または格子２０は、米国特許第３，６２８，８４９号明細書および第３，９３０，７２８号明細書で扱われているような収差補正タイプのものである。
【００４３】
あるいは、格子１６および２０は、平面格子または収差補正平面格子とすることができる。かかる平面格子は、ツェルニー−ターナー・モノクロメータで用いられている。
【００４４】
好ましい実施形態によると、格子２０は、それが第１の格子１６と直角に光を分散させるように、配置される。格子１６および格子２０は、円形構成を有するように示した。当業者には明らかなように、本発明の実施において、他の適切な形状を利用してもよい。次に、結果として得られたスペクトル放射は、測定または記録装置３２に投射される。
【００４５】
図２を参照すると、測定または記録装置３２は、測定または記録装置３２の中心が、格子２０の中心から約１３５ｍｍになるように、位置している。この位置は、格子２０の焦点面の位置と一致し、測定または記録装置３２は、焦点面とほぼ一致する向きにされている。あるいは、測定または記録装置３２は、形状が実質的に平面ではない焦点面の形状に一致するような形状にしてもよい。測定または記録装置３２は、印画紙などの任意の適切な材料で作製するか、またはスペクトル分析器のための入力装置などの任意の適切な装置の形態を取ってもよい。
【００４６】
システム１０は、１０−６〜１０−５オーダの迷光除去率を有するように設計されている。二次およびより高次のスペクトルは、結果として得られたスペクトル２２の外側にある。しかしながら、この種の検出に専用の装置および材料を利用して、紫外線または赤外線範囲に入るスペクトル情報を収集することができる。結果として得られたスペクトル２２（図３）は、分析される光源１２のスペクトル成分の所産である。
【００４７】
光源１２のスペクトル成分は、最初に、矢印３５によって示される方向に光をスペクトル２３へと分散させる第１の格子１６により分類される。スペクトル２３は、回折光１７によって形成される。選択される波長範囲は、中央スリット１８の開口部２７によって決定される。
【００４８】
開口部２７によって出力された、選択された光１９は、格子２０により二度目に分散された後で、矢印２９の方向に測定または記録装置３２へと分散され、ここで装置３２が、出力スペクトル３０を形成する。
【００４９】
スペクトル３０の成分は、図３から理解可能である。スペクトル３０には、選択されたスペクトル範囲内の波長範囲λ１〜λｎが含まれる。
【００５０】
光の分散の結果としての方向は、矢印２６によって示されている。図２を再び参照すると、角度αの正接は、次の式、  
ｔａｎα＝Ｄ１／Ｄ２   
によって決定され、式中、Ｄ１は格子１６の分散であり、Ｄ２は格子２０の分散である。
【００５１】
本発明の分光システム１０は、約１８０ｎｍの波長まで小さくなる紫外線波長から、１０ｎｍオーダの波長までの赤外線範囲に入る光を分析する機能を果たすように設計されている。本発明に係るスペクトログラフ１０は、収容された光学素子からほぼ全ての迷光を排除する防光ハウジングに入れることができる。ハウジングは、使用中に光学装置を保護するために頑丈で耐久性があり、かつ素子間の適切な幾何学的関係を維持するために十分に剛性であるべきである。ハウジングは、回転のために格子１６および２０を支持するように内側を構成し、かつかかる回転に対応する形状にすることができる。ハウジングの内部は、艶なしの黒色塗料を塗られるが、これは、たいてい、比較的粗い表面を有する。さらに、ハウジングは、光源１２のための１つまたは複数の適切な開口部、および測定または記録装置３２への接続部を有することができ、ハウジングには、他のモジュールまたは設備に装着するために、ネジ式延長部、突起部、凹部または開口フランジなどの取り付け構造を外部に設けてもよい。
【００５２】
必要に応じて、格子１６を回転させるために電動および任意のコンピュータ制御の取り付け台を設けて、一度にスペクトルのわずかな部分だけが中間スリットを通って回折格子２０に到達可能なようにすることができる。全ての入力光が第２の格子へと通過する場合には、格子は、この入力光で照射される。格子は光を散乱させ、これによって、迷光は検出器により検出されるようになる。本発明に係る二重モノクロメータは、迷光除去率の改善を示す。なぜなら、一度に、光の一波長だけが、機器の後半部に入るからである。いくつかの波長だけがスペクトログラフの後半部に入ることができるように入力ビームを移動することによって、さらなる迷光除去が達成される。
【００５３】
さらに、Ｙ軸においてスリット１８を移動させるために電動および任意のコンピュータ制御の取り付け台を設けて、観察下のサンプルの吸収情報を提供するために用いられる利用可能な波長の走査を自動化することができる。かかる自動移動は、検出器３２によって検出される波長範囲を変更するために実行される。
【００５４】
さらに、電動および任意のコンピュータ制御の取り付け台は、スリット１８の幅を調整して出力スペクトルの高さを変更するために設けることができる。
【００５５】
図６を参照すると、本発明の代替実施形態が示されている。この実施形態および後の実施形態において、図１〜５の実施形態に対応する部分は、それらが対応する以前の実施形態の部分より１００の倍数だけ高い番号を付けられている。
【００５６】
図６のスペクトログラフ１１０では、光は束１１２を通して入力され、回折格子１１６に当たる。格子１１６は、サンプル１１８に光１１７を集光して回折させ、検出器１３２におけるイメージングのために、凹面回折格子１２０への吸光度スペクトル１１９の透過を結果としてもたらす。
【００５７】
蛍光スペクトル１３３が、サンプル１１８によって放射され、凹面格子１２０ａによって第２の検出器１３２ａに集光される。結果として、蛍光および吸光度情報の両方が同時に得られる。これは、時間が経つとともに不安定性を示す可能性がある複合材料系または他の材料において特に価値があり得る。
【００５８】
使用の際に、サンプル１１８が、中間スリットの位置に配置される。サンプル照射は、サンプルの高さに沿って分散される波長を用いた入力としての役割をする。水平面において、照射経路に対して約９０度の、サンプルからの放射によって、画像検出器にイメージングされる蛍光スペクトルが供給される。サンプルをまっすぐに通って透過され、かつ第２の格子によって収集された光の検出によって、別の画像検出器にイメージングされる吸光度スペクトルが供給される。
【００５９】
図７に示すように、追加的な凹面集光鏡２２１ａを利用して、サンプル２１８から出力されかつ第２のスペクトログラフの入力スリットに再イメージングされる光を収集（蛍光のための９０度での収集または吸光度のための直線状の収集）する。これは、分析用の照射サンプルにおける部分だけを選択することによって、分析される光の選択可能性の改善をもたらす。
【００６０】
特に、図７を参照すると、束２１２を通してシステム２１０に入力された光は、格子２１６に当たる。格子２１６は、光をサンプル２１８に集光し、サンプル２１８は、吸光度スペクトルを凹面鏡２２１ａへ通過させる。鏡２２１ａは、スリット２２２ａを通して光を通過させ、格子２２０ａを照射する。格子２２０ａは、検出器２３２ａに出力して、検出されたスペクトルの測定を可能にする。
【００６１】
同様の方式で、蛍光情報は凹面鏡２２１ｂの方へ放射され、凹面鏡２２１ｂは、回折格子２２０ｂに光を集光し、回折格子２２０ｂは、検出器２３２ｂを照射して信号出力を供給する。
【００６２】
本発明の例示的な実施形態を説明したが、当然ながら、本開示の利点と共に本発明の様々な変更が、当業者には明らかであろうことを理解されたい。かかる変更は、添付の特許請求の範囲によって限定され規定される本発明の趣旨および範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態の概略斜視図であり、その実施形態における部分の向きおよび関係を示す。
【図２】結果として得られたスペクトル透過を示す透過表示媒体の図である。
【図３】スペクトル透過の実例である。
【図４】本発明の実施形態の上面図の実例である。
【図５】図４の線５−５に沿って見た本発明の側面図の実例である。
【図６】サンプルの吸光度および蛍光特性を測定するための本発明の代替実施形態を示す。
【図７】本発明のさらに別の代替実施形態を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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