(57)【要約】【課題】  身近な素材を使用し、安価で且つ簡単に製造することができる高性能な分光器を提供することにある。【解決手段】  ＤＶＤ分光器は直方体の箱からなり、光を入射するためのスリットと、回折光を観察するための観察窓と、ＤＶＤを挿入するためのＤＶＤ差込口と、を有する。ＤＶＤ差込口からＤＶＤを差し込んで配置し、スリットから光を入射させたとき、観察窓から、ＤＶＤからの回折光を観察することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な第１及び第２の主面と該第１及び第２の主面の間の互いに平行な第１及び第２の側面と上記第１及び第２の主面の間の互いに平行な第３及び第４の側面とを有する直方体の箱と、上記第１の主面に形成された観察窓と、上記第１の側面に形成された光を入射するためのスリットと、上記箱に形成されたＤＶＤ差込口に挿入されたＤＶＤと、を有し、上記スリットから光を入射させたとき、上記観察窓から、上記ＤＶＤからの回折光を観察することができるように構成されていることを特徴とするＤＶＤ分光器。
【請求項２】
請求項１記載のＤＶＤ分光器において、上記ＤＶＤ差込口から差し込まれたＤＶＤの端部は、上記第１の主面と上記第２の側面が交差する角部に当接することを特徴とするＤＶＤ分光器。
【請求項３】
請求項１記載のＤＶＤ分光器において、上記ＤＶＤ差込口から差し込まれたＤＶＤと上記第２の側面との間の角度は４５°〜７５°に設定されていることを特徴とするＤＶＤ分光器。
【請求項４】
請求項１記載のＤＶＤ分光器において、上記ＤＶＤ差込口は上記第２の主面又は上記第１の側面に形成されていることを特徴とするＤＶＤ分光器。
【請求項５】
互いに平行な第１及び第２の主面と、該第１及び第２の主面の間の互いに平行な第１及び第２の側面と、上記第１及び第２の主面の間の互いに平行な第３及び第４の側面と、を有する直方体の箱を有し、該箱は、上記第１の主面に形成された観察窓と、上記第１の側面に形成された光を入射するためのスリットと、ＤＶＤを挿入するためのＤＶＤ差込口と、を有し、該ＤＶＤ差込口からＤＶＤを差し込んで配置し、上記スリットから光を入射させたとき、上記観察窓から、上記ＤＶＤからの回折光を観察することができるように構成されていることを特徴とするＤＶＤ支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を分光して分光スペクトルを得るための分光器に関し、特に、教育用に使用して好適な分光器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
教育用の分光器として、レプリカ・グレーティングを利用した簡易分光器、プリズムを利用した直視分光器等が知られている。しかしながら、これらの分光器を作るには、レプリカ・グレーティング、プリズム等の部品を専門の業者から購入する必要がある。プリズムを利用したものでは、価格が高い、組み立て作業が簡単ではない、等の欠点がある。
【０００３】
一方、身近な素材であるコンパクト・ディスク（以下ＣＤという。）を反射型回折格子の代わりに使用して、分光を行うことができることが知られている。ＣＤの表面に光を入射させると、その反射光が干渉光となり、虹色の分光スペクトルを観察することができる。ＣＤを利用した分光器の例としては、非特許文献１、２、３等に記載されたものがある。
【０００４】
【非特許文献１】若林文高、現代化学1990年４月号、pp23-25(1990)
【非特許文献２】若林文高・濱田浄人、化学と教育、vol.44(10),676(1996)
【非特許文献３】F.Wakabayashi，K.Hamada，K.Sone,Journal of Chemical Education, Vol.75(12),1569-1570(1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＣＤに刻まれた溝のピッチは１．６μｍであり、分解能が低く、例えば、水銀による黄色の輝線（波長５７７ｎｍと５７９ｎｍ）を２本に分離するのは困難である。
【０００６】
本発明の目的は、身近な素材を使用し、安価で且つ簡単に製造することができる高性能な分光器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、ＤＶＤ分光器は直方体の箱からなり、光を入射するためのスリットと、回折光を観察するための観察窓と、ＤＶＤを挿入するためのＤＶＤ差込口と、を有する。ＤＶＤ差込口からＤＶＤを差し込んで配置し、スリットから光を入射させたとき、観察窓から、ＤＶＤからの回折光を観察することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、身近な素材を使用し、安価で且つ簡単に製造することができる高性能な分光器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照して本発明の分光器の例を説明する。本例の分光器は、直方体の箱１０と箱に挿入されたＤＶＤ（Digital Versatile Disk ）２０を有する。箱は、厚紙、ダンボール、プラスチック板、金属板等によって形成されてよい。ここで、ＤＶＤ２０には、DVD-ROM、DVD-Video、DVD-Audio、DVD-R、DVD-RW、DVD+R、DVD+RW、DVD-RAM等を含むものとする。但し、DVD-Videoについては、片面１層又は両面１層のものとし、２層式のものを除く。
【００１０】
箱１０は、最も面積が大きい互いに平行な第１の主面１０１及び第２の主面１０２、第１の主面と第２の主面の間の上面１０３、上面１０３と反対側の底面１０４、残りの２つの側面１０５、１０６からなる。第１の主面１０１には、観察窓１１が形成され、第２の主面１０２には、ＤＶＤを挿入するためのＤＶＤ差込口１２が形成されている。上面１０３には、光を入射するためのスリット１３が設けられている。箱１０は、観察窓１１、ＤＶＤ差込口１２、及び、スリット１３を除いて密閉されており、従って、観察窓１１、ＤＶＤ差込口１２、及び、スリット１３以外から光が箱の中に入ることはない。尚、ＤＶＤ差込口１２は、第２の主面１０２に設ける代わりに、上面１０３に設けてもよい。
【００１１】
発明者が製造したＤＶＤ分光器の例では、箱１０の高さはＨ＝９０ｍｍ、厚さはＤ＝４０ｍｍ、観察窓１１の幅は１５ｍｍ、長さは２０ｍｍ、ＤＶＤ差込口１２の幅は１〜２ｍｍ、長さは１１８〜１２０ｍｍ、スリット１３の幅は０．５〜１．０ｍｍ、長さは１０ｍｍである。
【００１２】
図２及び図３を参照して説明する。図２は、図１に示した分光器を線２−２の方向から見た断面図である。図３は、図２の一部詳細を示す図である。スリット１３の中点をＡ、観察窓１１の中点をＣとする。ここで、点Ｃを通り底面１０４に平行な直線を基準線Ｌと呼ぶこととする。基準線ＬがＤＶＤ２０と交差する点をＢとする。点Ａから、基準線Ｌに下ろした垂線の足をＥとする。箱の上面１０３の辺の長さをＤとし、スリット１３の中点Ａから第１の主面１０１までの距離をｒとする。観察窓１１の中点Ｃから底面１０４までの距離をｈ、上面１０３と底面１０４の間の距離をＨとする。
【００１３】
光は上面１０３のスリット１３から箱の中に入り、ＤＶＤ２０の下側部分の点Ｂを照射する。光は、ＤＶＤ２０に刻まれた溝を反射し、回折光を生成する。回折光は、ＤＶＤ２０の表面から観察窓１１を通って外部に導かれる。観察窓１１から箱の内部を観察すると、分光された光のスペクトルを見ることができる。
【００１４】
回折光には１次、２次等があるが、分光スペクトルを明確に観察することができるのは１次の回折光である。以下に、回折光として１次の回折光について説明する。
【００１５】
ＤＶＤ２０に入射する光がＤＶＤの表面となす角をθ１、ＤＶＤからの回折光がＤＶＤの表面となす角をθ、ＤＶＤが底面１０４となす角をθ２とする。
【００１６】
三角形ＡＢＥについて次の式が成り立つ。
ｔａｎ（θ１＋θ２）＝ＡＥ／ＢＥ＝（Ｈ−ｈ）／（ｒ−ｈ／ｔａｎθ２）      式１
ｒ＞ＢＣのとき、入射光がＤＶＤとなす角θ１は次の式によって求められる。
θ１＝ｔａｎ−１［（Ｈ−ｈ）ｔａｎθ２／（ｒｔａｎθ２−ｈ）］−θ２
ｒ＜ＢＣのとき、入射光がＤＶＤとなす角θ１は次の式によって求められる。
θ１＝ｔａｎ−１［（Ｈ−ｈ）ｔａｎθ２／（ｒｔａｎθ２−ｈ）］−θ２＋１８０°
式２
【００１７】
本願の発明者は、θ１を１０°から３０°の範囲に設定すると水銀の黄色の輝線を２本に分離して観測できることを見出した。
【００１８】
図３に示すように、基準線ＬとＤＶＤからの回折光の間の角度をαとする。角度αは次の式によって求められる。
α＝θ２−θ＝θ２−ｃｏｓ−１（ｃｏｓθ１−ｎλ／ｄ）                    式３
【００１９】
α＝０のとき、回折光を観察するためには、基準線Ｌに沿った視線から見ればよい。α＞０のとき、回折光を観察するためには、ＤＶＤを下から見上げることになり、α＜０のとき、回折光を観察するためには、ＤＶＤを上から見下ろすことになる。
【００２０】
図４を参照して説明する。波長λの光が、回折格子に入射し、反射光が回折するためには、以下の条件が必要である。
ｄ（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ）＝ｎλ                                        式４
【００２１】
ここに、ｄは格子間隔、θ１は入射光が格子面となす角、θは反射光が格子面となす角である。本例では、回折格子はＤＶＤに刻まれた溝、格子間隔ｄはＤＶＤに刻まれた溝間隔である。ｎは整数であり、回折の次数を表す。上述のように、本例では、１次の回折光に関して解析するため、ｎ＝１とする。これから、θを求めると、次のようになる。
θ＝ｃｏｓ−１（ｃｏｓθ１−λ／ｄ）                                      式５
【００２２】
発明者は、箱の高さＨ＝９０ｍｍ、基準線の高さｈ＝１７．５ｍｍ、箱の厚さＤ＝４０ｍｍ、とし、スリット１３の位置をｒ＝１０、２０、３０、３５ｍｍに変化させて、波長４００ｎｍ（紫）と７００ｎｍ（赤）の２つの光について、ＤＶＤが底面１０４となす角θ２、入射光がＤＶＤとなす角θ１、中心波長λ０、回折光がＤＶＤとなす角θ（４００）、θ（７００）、回折光が観察できる方向α（４００）、α（７００）を計算した。尚、ＤＶＤに刻まれた溝幅を格子間隔ｄとし、ｄ＝０．７４μｍを用いた。基準線方向から観察することができる光の波長を、ここでは、「中心波長λ０」と呼ぶことにする。
【００２３】
（１）スリット１３の位置がｒ＝１０ｍｍの場合、６１°≦θ２≦７５°とすると、水銀による黄色の輝線を２本（波長差２ｎｍ）に分離して観測することができる。代表例として、θ２＝６５°と７０°の場合の計算値は以下のような結果となった。
θ２＝６５°、θ１＝２３．５°、λ０＝３６５．６ｎｍ、θ（４００）＝６７．９°
θ（７００）＝９１．７°、α（４００）＝−２．９°、α（７００）＝−２６．７°、θ２＝７０°、θ１＝１７．１°、λ０＝４５４．１ｎｍ、θ（４００）＝６５．５°
θ（７００）＝８９．４°、α（４００）＝４．５°、α（７００）＝−１９．４°
【００２４】
（２）スリット１３の位置がｒ＝２０ｍｍの場合、５５°≦θ２≦６９°とすると、水銀による黄色の輝線を２本（波長差２ｎｍ）に分離して観測することができる。代表例として、θ２＝６０°と６５°の場合の計算値は以下のような結果となった。
θ２＝６０°、θ１＝２２．２°、λ０＝３１５．０ｎｍ、θ（４００）＝６７．３°
θ（７００）＝９１．２°、α（４００）＝−７．３°、α（７００）＝−３１．２°
θ２＝６５°、θ１＝１５．７°、λ０＝３９９．６ｎｍ、θ（４００）＝６５．０°
θ（７００）＝８９．０°、α（４００）＝０．０°、α（７００）＝−２４．０°
【００２５】
（３）スリット１３の位置がｒ＝３０ｍｍの場合、４９°≦θ２≦６３°とすると、水銀による黄色の輝線を２本（波長差２ｎｍ）に分離して観測することができる。代表例として、θ２＝５０°と６０°の場合の計算値は以下のような結果となった。
θ２＝５０°、θ１＝２８．１°、λ０＝１７７．３ｎｍ、θ（４００）＝７０．０°
θ（７００）＝９３．６°、α（４００）＝−２０．０°、α（７００）＝−４３．６°
θ２＝６０°、θ１＝１４．７°、λ０＝３４５．９ｎｍ、θ（４００）＝６４．７°
θ（７００）＝８８．８°、α（４００）＝−４．７°、α（７００）＝−２８．８°
【００２６】
（４）スリット１３の位置がｒ＝３５ｍｍの場合、４６°≦θ２≦６０°とすると、水銀による黄色の輝線を２本（波長差２ｎｍ）に分離して観測することができる。代表例として、θ２＝５０°と６０°の場合の計算値は以下のような結果となった。
θ２＝５０°、θ１＝２４．３°、λ０＝１９８．５ｎｍ、θ（４００）＝６８．３°
θ（７００）＝９２．０°、α（４００）＝−１８．３°、α（７００）＝−４２．０°
θ２＝６０°、θ１＝１１．０°、λ０＝３５６．３ｎｍ、θ（４００）＝６３．８°
θ（７００）＝８８．０°、α（４００）＝−３．８°、α（７００）＝−２８．０°
【００２７】
以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のＤＶＤ分光器を外観を示す斜視図である。
【図２】本発明のＤＶＤ分光器の断面構成を示す図である。
【図３】ＤＶＤを光が回折する状態を説明するための説明図である。
【図４】本発明のＤＶＤ分光器の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…箱、１１…観察窓、１２…ＤＶＤ差込口、１３…スリット、１０１、１０２…主面、１０３…上面、１０４…底面、１０５、１０６…側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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