(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリメーターと平面回折格子とベースとを備え、入射光が前記平面回折格子で複数回回折する多段式として構成されている分光測定装置において、
前記コリメーターは軸外放物面鏡からなり、
前記平面回折格子は、光が該平面回折格子に最初に入射し回折されるときの回折角が、光が該平面回折格子に最初に入射し回折されるときの入射角よりも大きくなるように配置され、光が該平面回折格子に最後に入射し回折されるときの回折角が、光が該平面回折格子に最後に入射し回折されるときの入射角よりも小さくなるように配置されている、
ことを特徴とする分光測定装置。
【請求項２】
前記軸外放物面鏡の熱膨張係数が７×１０-6以上９×１０-6以下であることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
【請求項３】
前記軸外放物面鏡の主成分がガラスであることを特徴とする請求項２に記載の分光測定装置。
【請求項４】
前記軸外放物面鏡の主成分がソーダガラスであることを特徴とする請求項３に記載の分光測定装置。
【請求項５】
前記平面回折格子の熱膨張係数が３×１０-6以上６×１０-6以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の分光測定装置。
【請求項６】
前記平面回折格子の主成分がガラスであることを特徴とする請求項５に記載の分光測定装置。
【請求項７】
前記平面回折格子の主成分がホウケイ酸ガラスまたはランタンクラウンガラスのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の分光測定装置。
【請求項８】
前記ベースの熱膨張係数が２２×１０-6以上２６×１０-6以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分光測定装置。
【請求項９】
前記ベースの主成分が金属であることを特徴とする請求項８に記載の分光測定装置。
【請求項１０】
前記ベースの主成分がアルミニウムであることを特徴とする請求項９に記載の分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光測定装置に関し、詳しくは、たとえば光スペクトラムアナライザに搭載される波長走査型分光測定装置（モノクロメーター）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、平面回折格子（以下、回折格子という）を用いた従来の波長走査型の分光測定装置の一例を示す構成説明図である。図４において、光源１から入射スリット２を通過した光は第１のコリメーター３で平行光に変換され、回折格子４に入射される。
【０００３】
回折格子４に入射した後回折された光は第２のコリメーター５で収束光に変換され、出射スリット６上で集光される。これにより、受光器７は特定波長の光のみを受光できる。なお、分光測定装置を構成する光源１、入射スリット２、第１のコリメーター３、回折格子４、第２のコリメーター５、出射スリット６および受光器７は、ベース８上に配置されている。
【０００４】
図５は、従来の２段式分光測定装置の構成例を示す構成説明図である。図５において、光源１と受光器７は、同心位置になるように配置されている。光源１からスリット２を通過した光は第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３で平行光に変換され、回折格子４に入射される。
【０００５】
回折格子４に入射した後回折された光は第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５で収束光に変換され、複数の反射鏡で構成された反射ブロック９に入射される。反射ブロック９に入射されて反射した光は、その光軸の位置を入射時の光の光軸の位置からシフトさせるような状態において再び第二のコリメーター（軸外放物面鏡）５に向かって反射され、光源１からの入射時における経路を逆行するような経路をたどって回折格子４に再び入射される。
【０００６】
回折格子４に再び入射された光は再び回折され、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３に向かって出射される。そして、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３に入射した光は受光器７に向かって反射され、再びスリット２を通過して受光器７で受光される。
【０００７】
一般に、光の波長と入射光、回折光の角度との関係式は、（１）式で表される。
ｍλ＝ｄcosθ（sinα＋sinβ）    （１）
ｍ：回折次数
ｄ：格子定数
λ：光の波長  
θ：回折格子の溝の傾き
α：入射光と回折格子法線とのなす角（入射角）
β：回折光と回折格子法線とのなす角（回折角）
【０００８】
（１）式によれば、回折格子４の角度に基づき、受光している特定の光の波長を知ることができる。回折格子４のスリット幅が狭ければ波長分離能力が高く、より高性能な分光測定装置といえることから、集光位置における収差の影響は小さくする必要がある。
【０００９】
また、一般に、回折格子の波長分解能（ＲＢ）は、（２）式で表される。
ＲＢ＝（ｄ・Ｓ・cosβ）/（ｍ・ｆ）    （２）
ｍ：回折次数
ｄ：格子定数
Ｓ： 出射スリットサイズ
ｆ：分光測定装置（モノクロメーター）の焦点距離
β：回折光と回折格子法線のなす角（回折角）
【００１０】
（２）式を踏まえると、図５に記載されているような２段式の分光測定装置における波長分解能（ＲＢ）は、（３）式で表されることとなる。
ＲＢ＝２（ｄ・Ｓ・cosβ）/（ｍ・ｆ）    （３）
ｍ：回折次数
ｄ：格子定数
Ｓ：出射スリットサイズ
ｆ：分光測定装置（モノクロメーター）の焦点距離
β：回折光と回折格子法線のなす角（回折角）
【００１１】
（３）式において、波長分解能を決定する２回目、すなわち、光が最後に回折格子に入射し、回折された場合における回折角βが入射角αより大きくなるように配置することで、高い波長分解能を得ることが一般的に行われている。
【００１２】
これらの分光測定装置のコリメーターには、一般的にレンズや凹面鏡などが使用されるが、レンズを用いて広い波長範囲で収差の無い平行光や集光状態を得るためには複数枚のレンズを組み合わせる必要があることから、凹面鏡が簡素で優位であるといわれている。
【００１３】
また、収差の少ない凹面鏡の一つに放物面鏡があるが、余分な収差を発生させることなく利用するという観点から、軸外放物面鏡が使用されることがある。
【００１４】
図６は、コリメーター（軸外放物面鏡）とスリットの位置関係説明図である。図６に示すように、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３は、放物面鏡から軸外し角θ’とよばれる特定角度の近辺部分を取り出したものであり、平行光部と焦点の位置が重ならないことから収差を発生しないように部品を容易に配置できる。スリット２は、焦点位置Ｆと重なる位置に配置されて使用される。
【００１５】
特許文献１には、十分な波長分解能が得られ、２段式分光測定装置の実質長さを短縮でき、スリット系の調整を簡易化して良好な近傍ダイナミックレンジが得られる２段式分光測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−８８６４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
一般的な使用環境において、正確な測定結果を得るためには、周囲温度が変化しても分光測定装置としての性能が変化しないことが求められる。前述のようにコリメーターとして軸外放物面鏡を用いた分光測定装置における収差は少ないが、構成部品の材料によっては温度変化による平行光の角度変化や集光位置のズレが発生してしまい、結果として、分光測定装置の分光特性が悪化してしまうという問題がある。
【００１８】
また、一般に、コリメーターとして用いる軸外放物面鏡は製作精度などの理由でガラス材料で形成される場合が多い。そして、分光測定装置を構成する各部品が所定の位置に配置されるベース８は、取扱いの容易さや価格の制約などから金属材料で構成される場合が多い。しかし、ガラス材料と金属材料とでは熱膨張係数が異なるため、分光測定装置の周囲温度が変化することによって相対的な位置関係にズレが生じることとなり、結果として分光特性が悪化してしまうという問題がある。
【００１９】
図７は、温度変化に起因するコリメーター（軸外放物面鏡）とスリットの位置関係の変化説明図である。第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３とスリット２とを固定するベース８の熱膨張係数が、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の熱膨張係数より大きい場合において、温度が上昇した場合のスリット２と第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の位置関係の変化を示している。
【００２０】
図７に示すように、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３が、温度の上昇に伴って熱膨張することによって、焦点Ｆの位置が移動する。また、スリット２の位置は、ベース８が温度の上昇に伴って熱膨張することにより、温度上昇前のスリット２の位置とは異なってしまう結果、焦点Ｆの位置の移動量より大きく移動する。そのため、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の焦点Ｆとスリット２の相対的な位置関係にもズレが生じ、光源１からの出射された光は、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３に対して軸外し方向にｘ、焦点方向にｙだけズレた位置より入射されることとなる。
【００２１】
たとえば、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の焦点距離ｆが２７５ｍｍ、軸外し角度θ’が７°の場合、軸外焦点距離ｆ’は２７９．１ｍｍとなる。そして、第１のコリメーター３を構成する軸外放物面鏡の材料としてソーダガラス（熱膨張係数９．０×１０-6）を用い、ベース８の材料としてアルミニウム（熱膨張係数２３．８×１０-6）を用いた場合、＋１℃の温度変化が生じると、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の焦点位置と、スリット２と、出射スリット６（出射スリット６もまたベース８に配置されているため、温度変化に伴いスリット２と同様に、その位置が変化する）の位置関係は、結果として、焦点距離方向に約０．００４ｍｍ、軸外し方向に約０．００１ｍｍのズレを生じることとなる。
【００２２】
このとき、焦点方向の位置のズレに関しては、スリット位置でのビーム径が最小となる集光位置よりズレることでビーム径が大きくなるので、狭いスリットを使うことができないという課題が生じ、広いスリット幅を使用すればこの影響を無視することもできるが、波長分離性能が悪化するという課題が新たに生じることとなる。
【００２３】
また、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の焦点位置から軸外し方向へのズレに関しては、ずれた位置から光が入射されるため、平行光の角度が変わる。その結果、回折格子４への光の入射角が変わるため、回折光の回折角も変わることとなる。
【００２４】
また、出射スリットがコリメーター（軸外放物面鏡）の焦点位置から軸外し方向に位置ズレが生じてしまうと、位置ズレに応じて光の切り出し位置が変わるため、選択波長にズレが生じうる。
【００２５】
したがって、分光測定装置として用いた場合には、温度変化に応じて生じる入射スリットの位置ズレと出射スリットの位置ズレのいずれもが測定環境に影響を及ぼし、その結果が例えば波長誤差として現れてしまうことになる。
【００２６】
加えて、回折格子４は、製作精度の理由などからその材料としてガラスが採用されることがあるが、比較的入手が容易で安価なガラスは熱膨張係数が大きくなる傾向がある。
【００２７】
例えば、回折格子の格子定数ｄは、一般に（４）式で表される。
ｄ＝（１＋Δｔ・Ｋ）/Ｎ    （４）
ｄ：格子定数
Δｔ：温度変化
Ｋ：回折格子の熱膨張係数
Ｎ：回折格子の１ｍｍあたりの溝本数
【００２８】
（４）式に基づけば、温度の変化に応じて格子定数ｄの値も変化する。このため、温度が変化した場合、回折格子４による回折光の回折角βにも変化が生じるという問題がある。
【００２９】
ここで、ホウケイ酸ガラスで作製した回折格子を例に挙げて検討する。ホウケイ酸ガラスには、例えば、テンパックス  フロート（登録商標）などが挙げられる。ホウケイ酸ガラスの熱膨張係数は約３×１０-6である。
【００３０】
この回折格子の溝本数が６５０本/ｍｍ、回折格子の溝の傾き（θ）が１６°である条件において、図４に示すようなモノクロメータを構成したとき、１５５０ｎｍの光が入射される場合には、入射角α≒２２．５７７３°、回折角β≒３８．５７７３°となるような回折格子４の角度条件で受光器７は入射された光を受光することとなる。
【００３１】
ここで、たとえば１℃の温度上昇が生じたときに、他の条件は変わらず、回折格子４のみが影響を及ぼす場合を検討すると、回折光の回折角はβ≒３８．５７７１°となり、狭いスリットを使用したときは、回折光はスリットを通過できず受光器７は入射光を受光しないこととなってしまう。
【００３２】
この条件下では、回折格子４の角度を少し変えて、入射角度α≒２２．５７７２°、出射角度β≒３８．５７７２°とすることによって受光器７が入射光を受光できるようになるが、回折格子４の角度から算出する波長は１５４９．９９４９ｎｍとなり、真の波長に対して波長誤差が生じる。
【００３３】
このため、分光測定装置に用いた場合には、温度変化に応じて生じる回折格子の変化もまた測定環境に影響を及ぼし、その結果が例えば波長誤差として現れてしまうことになる。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、これらのような課題を解決するものであって、その目的は、温度変化による光の波長変化を低く抑えることができ、波長精度の安定した分光測定装置を実現することにある。
【００３５】
すなわち、本発明のうち請求項１記載の発明は、
コリメーターと平面回折格子とベースとを備え、入射光が前記平面回折格子で複数回回折する多段式として構成されている分光測定装置において、
前記コリメーターは軸外放物面鏡からなり、
前記平面回折格子は、光が該平面回折格子に最初に入射し回折されるときの回折角が、光が該平面回折格子に最初に入射し回折されるときの入射角よりも大きくなるように配置され、光が該平面回折格子に最後に入射し回折されるときの回折角が、光が該平面回折格子に最後に入射し回折されるときの入射角よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする。
【００３８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の分光測定装置において、
前記軸外放物面鏡の熱膨張係数が７×１０-6以上９×１０-6以下であることを特徴とする。
【００３９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の分光測定装置において、
前記軸外放物面鏡の主成分がガラスであることを特徴とする。
【００４０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の分光測定装置において、
前記軸外放物面鏡の主成分がソーダガラスであることを特徴とする。
【００４１】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の分光測定装置において、
前記平面回折格子の熱膨張係数が３×１０-6以上６×１０-6以下であることを特徴とする。
【００４２】
請求項６の発明は、請求項５に記載の分光測定装置において、
前記平面回折格子の主成分がガラスであることを特徴とする。
【００４３】
請求項７の発明は、請求項６に記載の分光測定装置において、
前記平面回折格子の主成分がホウケイ酸ガラスまたはソーダガラスのいずれかであることを特徴とする。
【００４４】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の分光測定装置において、
前記ベースの熱膨張係数が２２×１０-6以上２６×１０-6以下であることを特徴とする。
【００４５】
請求項９の発明は、請求項８に記載の分光測定装置において、
前記ベースの主成分が金属であることを特徴とする。
【００４６】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の分光測定装置において、
前記ベースの主成分がアルミニウムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４７】
これらにより、温度変化による波長変化を低く抑えることができ、波長精度の安定した分光測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図４】従来の分光測定装置の一例を示す構成説明図である。
【図５】従来の多段式分光測定装置の構成の一例を示す構成説明図である。
【図６】図４の軸外放物面鏡とスリットの位置関係説明図である。
【図７】温度変化に起因する軸外放物面鏡とスリットの位置関係の変化説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００５０】
図１において、分光測定装置は図４と同じ部品で構成されているが、回折格子４は光の入射角αより回折角βが小さくなる（α＞β）ように配置されている。
【００５１】
図１の分光測定装置においても、回折格子４の温度変化による波長ズレと、温度変化に起因するスリット２と出射スリット６と第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３との位置関係の変化による光軸ズレがそれぞれ発生するが、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３により生じる光軸の温度変化は回折次数を反転させるように配置した回折格子４における回折角の温度変化によって相殺されることになり、温度変化に起因する分光測定装置としての波長変化を低く抑えることができる。
【００５２】
分光測定装置を構成する部品は、それぞれを構成する材料の主成分等の違いから、異なる熱膨張係数を有している場合がある。
【００５３】
本発明の場合、コリメーターを構成する軸外放物面鏡は従来より分光測定装置に用いられるものを使用してよいが、その熱膨張係数が７×１０-6以上９×１０-6以下であることが好ましい。また、本発明の効果をより適切に発揮させるという観点からは、その材料の主成分がガラスであることがより好ましく、ソーダガラスであることがさらに好ましい。
【００５４】
回折格子もまた、従来より分光測定装置に用いられるものを使用してよいが、その熱膨張係数が３×１０-6以上６×１０-6以下であることが好ましい。そして、本発明の効果をより適切に発揮させるという観点からは、その材料の主成分がガラスであることがより好ましく、ホウケイ酸ガラスまたはランタンクラウンガラスであることがさらに好ましい。
【００５５】
ベースもまた、従来より分光測定装置に用いられるものを使用してよいが、その熱膨張係数が２２×１０-6以上２６×１０-6以下であることが好ましい。そして、本発明の効果をより適切に発揮させるという観点からは、その材料の主成分が金属であることがより好ましく、アルミニウムであることがさらに好ましい。
【００５６】
たとえば、図４と同様に、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３として軸外し角度θが７°で焦点距離ｆが２７５ｍｍ、主成分がソーダガラス（熱膨張係数９．０×１０-6）であるものを使用し、スリット２と出射スリット６が配置されるベース８としてアルミニウム（熱膨張係数２３．８×１０-6）を主成分としたものを使用し、回折格子４はホウケイ酸ガラス（熱膨張係数３．３×１０-6）を主成分としたものを使用する。
【００５７】
このように構成された分光測定装置の場合、＋１℃の温度変化が生じると、入射光の入射角（α）はα≒３８．５７７５°となり、回折格子４での回折光の回折角（β）は、熱膨張の影響により、β≒２２．５７７０°となる。回折光は第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５により集光されるが、集光位置は温度変化した第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３の焦点位置より約０．００１ｍｍシフトした位置となり、このシフトに合わせるように、出射スリット６もベース８の熱膨張による変化によって位置が変化し、結果として温度変化による影響を解消するような配置となる。
【００５８】
このとき、回折格子４の角度は１５５０ｎｍの光を通過させる角度のままで真の波長１５５０ｎｍの光を取り出すことができ、結果として波長誤差はほとんど生じないことになる。
【００５９】
図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図５と同様の２段式分光測定装置である。なお、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００６０】
図２において、分光測定装置は図５と同じ部品で構成されているが、回折格子４は２回目、すなわち、最後に回折格子に入射する光の入射角αよりも、最後に回折格子から回折される光の回折角βが小さくなる（α＞β）ように配置されている。
【００６１】
図２の分光測定装置においても、回折格子４の温度変化による波長ズレと、温度変化に起因するスリット２と第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３との位置関係の変化による光軸ズレがそれぞれ発生するが、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３により生じる光軸の温度変化は、最後に回折格子に入射する光の入射角αよりも、最後に回折格子から回折される光の回折角βが小さくなる（α＞β）ように配置した回折格子４における回折角の温度変化によって相殺されることになり、温度変化に起因する分光測定装置としての波長変化を低く抑えることができる。
【００６２】
図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図３の回折格子４も光の入射角αより回折角βが小さくなる（α＞β）ように配置されている。
【００６３】
図３において、光源１からスリット２を通過した光は第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３で平行光に変換され、回折格子４に入射される。
【００６４】
回折格子４に入射し、ここで回折された光は、第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５で収束光に変換され、この収束光は平面反射鏡Ｍ１〜Ｍ５で構成される反射ブロック９で反射されて第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５に再び入射される。
【００６５】
第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５に再び入射し反射された光は、回折格子４に再び入射し、回折され、回折格子４から第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３に向かうように出射される。
【００６６】
第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３からの出射光は出射スリット６上で集光され、受光器７で特定波長の光のみが受光される。分光測定装置を構成する光源１、スリット２、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３、回折格子４、第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５、受光器７および反射ブロック９は、ベース８上に配置されている。
【００６７】
図３に示すような２段式の分光測定装置の場合、コリメーター（軸外放物面鏡）で光が反射される回数が合計で４回となるため、温度変化によるズレの影響も累積的に大きくなる。ところが、例えば、第１のコリメーター（軸外放物面鏡）３および第２のコリメーター（軸外放物面鏡）５としてソーダガラス（熱膨張係数９．０×１０-6）を主成分とし、焦点距離が２７５ｍｍ、軸外し角度が７°である軸外放物面鏡を用い、ベース８がアルミニウム（熱膨張係数２３．８×１０-6）を主成分としている場合、ランタンクラウンガラス（熱膨張係数５．５×１０-6）を主成分とした回折格子を、入射角αより回折角βが小さくなる位置に配置することにより、波長誤差がほとんど生じない分光測定装置を構成することができる。
【００６８】
以上説明したように、本発明によれば、温度変化による波長変化を低く抑えることができ、波長精度の安定した分光測定装置を実現できる。
【符号の説明】
【００６９】
１  光源
２  出射スリット
３  第１のコリメーター（軸外放物面鏡）
４  回折格子
５  第２のコリメーター（軸外放物面鏡）
６  出射スリット
７  受光器
８  ベース
９  反射ブロック
【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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