(57)【要約】【課題】  少ない可動部で高性能化を図るマルチパスモノクロメータおよびこのマルチパスモノクロメータを用いた光スペクトラムアナライザを実現することを目的にする。【解決手段】  本発明は、被測定光を同一の回折格子によって少なくとも４度回折し、偶数度目の回折光で波長選択を行うマルチパスモノクロメータに改良を加えたものである。本装置は、回折格子からの１度目の回折光を回折格子に反射する第一の反射手段と、回折格子からの３度目の回折光を回折格子に反射する第二の反射手段とを設け、第一の反射手段が回折光を反射する反射角と第二の反射手段が回折光を反射する反射角とが異なることを特徴とするものである。【選択図】                    図１
2005069971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光を同一の回折格子によって少なくとも４度回折し、偶数度目の回折光で波長選択を行うマルチパスモノクロメータにおいて、
前記回折格子からの１度目の回折光を前記回折格子に反射する第一の反射手段と、
前記回折格子からの３度目の回折光を前記回折格子に反射する第二の反射手段と
を設け、前記第一の反射手段が回折光を反射する反射角と前記第二の反射手段が回折光を反射する反射角とが異なることを特徴とするマルチパスモノクロメータ。
【請求項２】
前記回折格子からの２度目の回折光の波長選択を行う第一の波長選択手段と、
前記回折格子からの４度目の回折光の波長選択を行う第二の波長選択手段と、
入射する前記被測定光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの２度目の回折光を前記第一の波長選択手段に結像させ、前記第一の波長選択手段を通過した光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの４度目の回折光を前記第二の波長選択手段に結像させるコリメータ手段と
を設けたことを特徴とする請求項１記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項３】
コリメータ手段は、
入射する前記被測定光を平行光にする第一のコリメータと、
前記回折格子からの２度目の回折光を前記第一の波長選択手段に結像させ、前記第一の波長選択手段を通過した光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの４度目の回折光を前記第二の波長選択手段に結像させる第二のコリメータと
を有し、
前記第一のコリメータの焦点距離よりも第二のコリメータの焦点距離のほうが長いことを特徴とする請求項２記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項４】
前記第一のコリメータは、被測定光の光軸上に配置され、
前記第二のコリメータは、前記回折格子からの２度目の回折光の光軸上に配置されることを特徴とする請求項３記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項５】
前記第一のコリメータからの平行光を前記回折格子に折り返す入射角調整用反射手段を設けたことを特徴とする請求項３または４記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項６】
コリメータ手段は、レンズまたは放物面鏡の少なくとも一方であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のマルチバスモノクロメータ。
【請求項７】
前記コリメータ手段からの被測定光を前記コリメータ手段に折り返し、前記回折格子の１度目と２度目との回折で生ずる分散を打ち消す差分散型折り返し手段を設けことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項８】
差分散型折り返し手段は、
前記第一の出射スリットを挟んだ位置に設けられ、前記コリメータ手段からの出射光を反射して前記第一の出射スリットに結像させ、前記第一の出射スリットを通過した光を前記コリメータ手段に反射する一対の反射手段であることを特徴とする請求項７記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項９】
前記コリメータ手段からの出射光の光の分散方向を反転させて出射する加分散型折り返し手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項１０】
加分散型折り返し手段は、
平行光を反射する平面鏡と、
前記第一の出射スリットを通過した光を前記平行光に変換して前記平面鏡に出射し、前記平面鏡で反射された平行光を集光し前記コリメータ手段に出力するレンズと
を有することを特徴とする請求項９記載のマルチパスモノクロメータ。
【請求項１１】
被測定光のスペクトラム測定を行う光スペクトラムアナライザにおいて、
請求項１〜１０のいずれかに記載のマルチパスモノクロメータと、
このマルチパスモノクロメータの回折格子を、この回折格子に形成された溝と平行な軸を回転軸として回転させる回転手段と、
前記マルチパスモノクロメータの最終の波長選択手段を通過した光を受光する受光手段と、
前記被測定光のスペクトラムを表示する表示手段と、
前記回転手段を駆動し、前記受光手段の受光結果より前記被測定光の特性を測定し、前記表示手段の画面にスペクトラムや被測定光の特性を表示させる制御手段と
を有することを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定光を同一の回折格子によって少なくとも４度回折するマルチパスモノクロメータおよびこのマルチパスモノクロメータを用いた光スペクトラムアナライザに関し、詳しくは、少ない可動部で高性能化を図るマルチパスモノクロメータおよびこのマルチパスモノクロメータを用いた光スペクトラムアナライザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１個の回折格子を用いたモノクロメータにおいて、分解能を高くしたり、ダイナミックレンジを広くして高性能化を図るために被測定光の回折を複数回数行わせる構成がある（例えば、特許文献１、２参照）。そして、回折を２度行わせるものはダブルパスモノクロメータと呼ばれ、２回よりも多く回折を行わせるものはマルチパスモノクロメータと、一般的に呼ばれている。
【０００３】
図８は、１個の回折格子によって、被測定光の回折を４度行う従来のマルチパスモノクロメータの構成図である。図８において、光ファイバ１は、外部からの被測定光をマルチパスモノクロメータに入射させる入射口である。放物面鏡２は、コリメータ手段であり、光ファイバ１からの被測定光が入射される。また、放物面鏡２は、拡散される光を平行光にしたり、逆に平行光を集光（収束）する。
【０００４】
回折格子３は、表面に多数の溝が形成され、この溝が形成される格子面で入射された平行光を回折し、回折光を出射する。すなわち、平行光を波長ごとに異なる角度に出射する。回転軸４は、回折格子３に形成された溝と平行な軸であり、回折格子３が回転する回転軸である。なお、この回転軸４をＹ軸とし、溝の配列方向を回折格子３のＸ軸とする。また、放物面鏡２のＹ軸は、回転軸４と平行な軸である。
【０００５】
平面鏡５は、反射手段であり、回折格子３により回折された回折光をほぼ同一経路に折り返す。なお、平面鏡５のＹ軸は、回転軸４と平行な軸である。また、平面鏡５のＸ軸は平面鏡５の反射面上においてＹ軸と直交する軸である。
【０００６】
平面鏡６は、放物面鏡２が２度目の回折光を反射した反射光をＹ軸方向に折り返す。第一の出射スリット７は、第一の波長選択手段であり、２度目の回折光の波長選択を行い、平面鏡６からの反射光のうち、所望の波長の光のみを通過する。平面鏡８は、第一の出射スリット７を通過した光を放物面鏡２に反射する。なお、平面鏡６と平面鏡８は、一対の反射手段であり、第一の出射スリット７を挟んだ位置に設けられる差分散型折り返し手段である。
【０００７】
第二の出射スリット９は、第二の波長選択手段であり、放物面鏡２が４度目の回折光を反射した反射光の波長選択を行い、所望の波長の光のみを通過する。移動手段１０は、第二の出射スリット９を反射光の光軸対して垂直方向に移動させる。
【０００８】
このような装置の動作を説明する。
放物面鏡２が、光ファイバ１から入射される被測定光を平行光に変換し、回折格子３に反射する。そして、回折格子３が放物面鏡からの平行光を波長ごとに異なる角度に分散し、１度目の回折を行う。この１度目の回折光を平面鏡５が、ほぼ同一経路に折り返し回折格子３に反射する。
【０００９】
そして、回折格子３が２度目の回折を行う。この２度目の回折光が放物面鏡２によって集光され、放物面鏡２の焦点位置より手前に配置された平面鏡６で、Ｙ軸に沿った方向に反射され、第一の出射スリット６で結像する。さらに、所望の波長のみが第一の出射スリットを通過し、通過した光が平面鏡７で放物面鏡２に反射される。
【００１０】
そして、放物面鏡２が、平面鏡８からの反射光を平行光に変換して、回折格子３に反射する。そして、回折格子３が３度目の回折を行う。この３度目の回折光も平面鏡５が、ほぼ同一経路に折り返し回折格子３に反射する。
【００１１】
そして、回折格子３が４度目の回折を行う。この４度目の回折光が、放物面鏡４によって集光され、放物面鏡２の焦点位置に配置された第二の出射スリット８で結像する。そして、所望の波長のみが第二の出射スリットを通過する。
【００１２】
なお、出射スリット７，９によって所望の波長のみを通過するが、通過する波長は回折格子３を回転軸４で回転させることにより、変更できる。
【００１３】
このように図８に示すマルチパスモノクロメータは、１個の回折格子３によって４度の回折が生じる４パス型のモノクロメータである。また、平面鏡５によって、回折格子３からの回折光を直接折り返すことができ、容易に回折格子３に対する入射回数を増やすことができるので、高分解能を得る事ができる。さらに、第一および第二の出射スリット７、９によって波長選択を行うので、ダイナミックレンジを広くすることができる。このようにしてモノクロメータの性能を高めている。
【００１４】
なお、図８に示すマルチパスモノクロメータにおいて、回折格子３からの出射角によって決まるそれぞれの波長の光について、第一の出射スリット７および第二の出射スリット９を同時に通過させる必要がある。そのため、第二の出射スリット９を移動手段１０によって、選択する波長に応じた位置に移動させている。すなわち、回折格子３の回転角に同期して、第二の出射スリット９も移動させる必要がある。
【００１５】
以下、詳細について説明する。
まず、第一の出射スリット７を通過する波長λの光について図９を用いて説明する。図９は、回折格子３における１度目と２度目の光路を示した図である。
光ファイバ１から入射した波長λの被測定光が放物面鏡２を経てＸ軸方向に溝間隔がｄである回折格子３に入射する。この時、回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす入射角α1で入射し、出射角β１で平面鏡５の方向へ回折される。また、入射光が回折格子３に形成される溝の長さ方向に垂直な面とのなす角（つまり、Ｙ−ｎ面におけるＹ軸となす角）をξ1と置くと１度目の回折は、以下の式で示される。
【００１６】
【数１】
2005069971.tif 000003
【００１７】
そして、式（１）で出射した出射角β１、−ξ１の１度目の回折光は平面鏡５によって反射され、入射角α２、ξ２を持って再び回折格子３へ入射する。なお、α２は回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす角で、ξ２は入射光が回折格子３に形成される溝の長さ方向に垂直な面とのなす角である。さらに、出射角β２、−ξ２で回折格子３から出射した２度目の回折光は、放物面鏡２で集光され、放物面鏡２の焦点距離に配置された第一の出射スリット７を通過する。通過する波長は式（２）により与えられることになる。
【００１８】
【数２】
2005069971.tif 000004
【００１９】
なお、モノクロメータでは光ファイバ１からの入射光と第一の出射スリット７を通過する出射光は分離する必要があるため、光ファイバ１からの入射光を放物面鏡２の光軸に入射し、平面鏡５を平面鏡５のＸ軸に対して回転させることでこの分離を実現している。すなわち、回折格子３への１度目の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ1と、回折格子３への２度目の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ２はそれぞれ異なる値となる。つまり、例えば、ξ１＝ξ２＝０°にしてしまうと、平面鏡５で反射された光は、完全な同一経路を経て光ファイバ１の入射口に戻るので、第一の出射スリット７で波長選択をすることができない。
ここで、α１およびβ１の差をはさみ角θ１、α２およびβ２の差をはさみ角θ２とすると式（３）、式（４）を得る。
【００２０】
【数３】
2005069971.tif 000005
【００２１】
【数４】
2005069971.tif 000006
【００２２】
これらを用いて式（２）を変形すると、式（５）で表される。
【００２３】
【数５】
2005069971.tif 000007
【００２４】
また、このはさみ角θ２は波長によらず固定値となるはずである。このはさみ角θ２は、次式で表される。
【００２５】
【数６】
2005069971.tif 000008
【００２６】
ここで、Δθ１は、式（７）で表される。
【００２７】
【数７】
2005069971.tif 000009
【００２８】
この式（６）、式（７）からも明らかなとおり、はさみ角θ２は、波長λの関数ではない。これを用いて、第一の出射７スリットを通過する波長は次式のように書き換えられる。
【００２９】
【数８】
2005069971.tif 000010
【００３０】
ここで、回折格子３からの一度目の回折は、はさみ角θ1で生じるのに対し、回折格子３からの二度目の回折は、はさみ角θ２で生じる。このはさみ角の違いは、平面鏡５を平面鏡５のＹ軸方向に（Δθ１）／２だけ回転させることで設定が可能である。
【００３１】
次に図１０を用いて第二の出射スリット９を通過する光について説明する。図１０は、回折格子３における３度目と４度目の回折の光路を示した図である。第一の出射スリット７を通過した光は平面鏡８で反射され、放物面鏡２で再び平行光に変換され、三たび回折格子３に入射する。回折格子３への三度目の入射角をα３、ξ３、出射角をβ３、−ξ３とすると、以下の式を得る。なお、α３、β３は回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす角で、ξ３は入射光が回折格子３に形成される溝の長さ方向に垂直な面とのなす角である。
【００３２】
【数９】
2005069971.tif 000011
【００３３】
ここで、回折格子３への三度目の入射角α３は、回折格子３からの２度目の出射角β２と等しいとすれば、入射角α３、出射角β３はそれぞれ式（１０）、式（１１）で表せる。
【００３４】
【数１０】
2005069971.tif 000012
【００３５】
【数１１】
2005069971.tif 000013
【００３６】
よって、α３およびβ３の差であるはさみ角θ３は次式で表される。
【００３７】
【数１２】
2005069971.tif 000014
【００３８】
先述したように、α２およびβ２の差であるはさみ角θ２は、波長によらず一定値であるのに対し、はさみ角θ３は、式（１２）内のξ２およびξ３の角度が異なるため、波長λに依存するに関数となる。
【００３９】
同様に、出射角β３、−ξ３で出射した光は平面鏡５によって反射され、再び回折格子３へ入射角α４、ξ４で入射する。また、四度目の回折による出射角をβ４、−ξ４として以下の式を得る。なお、α４、β４は回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす角で、ξ４は入射光が回折格子３に形成される溝の長さ方向に垂直な面とのなす角である。
【００４０】
【数１３】
2005069971.tif 000015
【００４１】
出射角−ξ４、β４で回折格子から出射した光は、放物面鏡２で集光され、放物面鏡２の焦点距離に配置された第二の出射スリット９を通過する。通過する波長は式（１３）により与えられることになる。ここで、入射角α４は、出射角β３に対して式（７）にて求めたΔθ１だけ傾いて入射するため、それぞれ式（１４）、式（１５）で表される。
【００４２】
【数１４】
2005069971.tif 000016
【００４３】
【数１５】
2005069971.tif 000017
【００４４】
よって、α４およびβ４の差であるはさみ角θ４は次式で表される。
【００４５】
【数１６】
2005069971.tif 000018
【００４６】
この式から明らかなとおり、はさみ角θ４は、波長λに依存する関数となる。すなわち、第二の出射スリット９を通過する光の位置は、波長λによって異なることとなるので、第二の出射スリット９を、入射光の波長λに応じた位置に移動させ、所望の波長を通過させる。
【００４７】
ここで具体的な数値を代入する事により、第二の出射スリット９が配置されるべき結像点の位置を波長ごとに求めてみる。
【００４８】
具体的な数値として、λの範囲を６００［ｎｍ］から１７００［ｎｍ］、回折次数を１、溝間隔ｄを１［ｍｍ］／１０５０本、挟み角θ１を１６［°］、第一の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ１を０［°］、第二の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ２を２．７２［°］、第三の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ３を３．６［°］、第三の入射光が回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす角α3が第二の出射光が回折格子３の格子面法線ｎ軸とのなす角β2と等しいとして計算を行う。また、角ξ１と角ξ２の関係から、第四の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ４は−０．８８［°］となる。放物面鏡２の焦点距離ｆ＝２８０［ｍｍ］として第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１は式（１７）で与えられる。ここで、φ１は入射波長１５５０［ｎｍ］におけるβ４−α１であり、入射波長１５５０［ｎｍ］における第二の出射スリット９上の結像位置ΔX1を基準としたことを意味する。
【００４９】
【数１７】
2005069971.tif 000019
【００５０】
図１１は、波長λと第二の出射スリット９における結像位置を示した図である。図１１において、横軸は入射波長λであり、縦軸は第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１であり、波長λと結像位置ΔＸ１の関係をプロットしている。入射波長λによる第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１における最大−最小値差は、１．４［ｍｍ］程度となり、第一の出射スリット７及び第二の出射スリット９を同時に通過させるには、波長λに応じた位置に第二の出射スリット９を、移動手段１０によって移動させる必要がある。
【００５１】
一方、移動手段１０を設けずに第二の出射スリット９を移動させない場合には、スリット幅が１．４［ｍｍ］以上あるような第二の出射スリット９を用いる必要がある。
【００５２】
【特許文献１】特開２００３−２２２５５６号公報（段落番号００４２−００６０、第３−４図）
【特許文献２】特開平７−２３４１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５３】
しかしながら、第二の出射スリット９を移動させる移動手段１０を設けると、部品数が増え、構成が複雑になり、さらには可動部分が増え信頼性も劣るという問題が生ずる。一方、スリット幅を１．４［ｍｍ］以上に広げてしまうと、余分な迷光成分も第二の出射スリット９を同時に通過してしまうため、被測定光を高Ｓ／Ｎで測定することができず、性能が低下するという問題が生ずる。
【００５４】
そこで本発明の目的は、少ない可動部で高性能化を図るマルチパスモノクロメータおよびこのマルチパスモノクロメータを用いた光スペクトラムアナライザを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５５】
請求項１記載の発明は、
被測定光を同一の回折格子によって少なくとも４度回折し、偶数度目の回折光で波長選択を行うマルチパスモノクロメータにおいて、
前記回折格子からの１度目の回折光を前記回折格子に反射する第一の反射手段と、
前記回折格子からの３度目の回折光を前記回折格子に反射する第二の反射手段と
を設け、前記第一の反射手段が回折光を反射する反射角と前記第二の反射手段が回折光を反射する反射角とが異なることを特徴とするものである。
【００５６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記回折格子からの２度目の回折光の波長選択を行う第一の波長選択手段と、
前記回折格子からの４度目の回折光の波長選択を行う第二の波長選択手段と、
入射する前記被測定光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの２度目の回折光を前記第一の波長選択手段に結像させ、前記第一の波長選択手段を通過した光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの４度目の回折光を前記第二の波長選択手段に結像させるコリメータ手段と
を設けたことを特徴とするものである。
【００５７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
コリメータ手段は、
入射する前記被測定光を平行光にする第一のコリメータと、
前記回折格子からの２度目の回折光を前記第一の波長選択手段に結像させ、前記第一の波長選択手段を通過した光を平行光にして前記回折格子に出射し、前記回折格子からの４度目の回折光を前記第二の波長選択手段に結像させる第二のコリメータと
を有し、
前記第一のコリメータの焦点距離よりも第二のコリメータの焦点距離のほうが長いことを特徴とするものである。
【００５８】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記第一のコリメータは、被測定光の光軸上に配置され、
前記第二のコリメータは、前記回折格子からの２度目の回折光の光軸上に配置されることを特徴とするものである。
【００５９】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明において、
前記第一のコリメータからの平行光を前記回折格子に折り返す入射角調整用反射手段を設けたことを特徴とするものである。
【００６０】
請求項６記載の発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の発明において、
コリメータ手段は、レンズまたは放物面鏡の少なくとも一方であることを特徴とするものである。
【００６１】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、
前記コリメータ手段からの被測定光を前記コリメータ手段に折り返し、前記回折格子の１度目と２度目との回折で生ずる分散を打ち消す差分散型折り返し手段を設けことを特徴とするものである。
【００６２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、
差分散型折り返し手段は、
前記第一の出射スリットを挟んだ位置に設けられ、前記コリメータ手段からの出射光を反射して前記第一の出射スリットに結像させ、前記第一の出射スリットを通過した光を前記コリメータ手段に反射する一対の反射手段であることを特徴とするものである。
【００６３】
請求項９記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、
前記コリメータ手段からの出射光の光の分散方向を反転させて出射する加分散型折り返し手段を有することを特徴とするものである。
【００６４】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、
加分散型折り返し手段は、
平行光を反射する平面鏡と、
前記第一の出射スリットを通過した光を前記平行光に変換して前記平面鏡に出射し、前記平面鏡で反射された平行光を集光し前記コリメータ手段に出力するレンズと
を有することを特徴とするものである。
【００６５】
請求項１１記載の発明は、
被測定光のスペクトラム測定を行う光スペクトラムアナライザにおいて、
請求項１〜１０のいずれかに記載のマルチパスモノクロメータと、
このマルチパスモノクロメータの回折格子を、この回折格子に形成された溝と平行な軸を回転軸として回転させる回転手段と、
前記マルチパスモノクロメータの最終の波長選択手段を通過した光を受光する受光手段と、
前記被測定光のスペクトラムを表示する表示手段と、
前記回転手段を駆動し、前記受光手段の受光結果より前記被測定光の特性を測定し、前記表示手段の画面にスペクトラムや被測定光の特性を表示させる制御手段と
を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００６６】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１〜１０によれば、第一の反射手段と第二の反射手段とが、回折格子からの回折光をそれぞれ異なる角度で反射するので、波長にかかわらず、回折格子が出射する回折光の出射角度を一定とすることができる。これにより、波長選択を行う手段を回折格子の回転に合わせて移動させる必要がなく、所望の分解能で波長選択を行うことができる。従って、少ない可動部で高性能化を図ることができる。さらに、可動部が少ないので、信頼性を高くすることができる。
【００６７】
請求項２よれば、第一の反射手段と第二の反射手段とが、回折格子からの回折光をそれぞれ異なる角度で反射するので、波長にかかわらず、回折格子が出射する回折光の出射角度を一定とすることができる。これにより、第二の波長選択手段を回折格子の回転に合わせて移動させる必要がなく、所望の分解能で波長選択を行うことができる。従って、少ない可動部で高性能化を図ることができる。さらに、可動部が少ないので、信頼性を高くすることができる。
【００６８】
請求項３によれば、第一のコリメータが、入射される被測定光を第二のコリメータよりも短い距離で平行光に変換するので、平行光の直径が小さくなり、第一のコリメータ以降の部品を小型化することができる。これにより、装置全体の小型化およびコストを低減することができる。
【００６９】
請求項４によれば、光軸上に配置された第一のコリメータが光ファイバからの被測定光を平行光にし、２度目の回折光の光軸上に配置された第二のコリメータが回折格子からの２度目の回折光を集光し第一の波長選択手段に結像させるので、軸外収差が低減される。これにより、第一の波長選択手段で収差無く結像され、スポットサイズが小さくなる。従って、分解能を向上させることができる。
【００７０】
請求項５によれば、入射角調整用反射手段が、第一のコリメータからの出射光を回折格子に所望の入射角で入射するので、一般的に調整の難しい光ファイバの調整を粗くしても、入射角調整用反射手段で調整を容易行うことができる。
【００７１】
請求項７、８によれば、差分散型折り返し手段が、回折格子の回折で生ずる分散を打ち消すように被測定光を折り返すのでダイナミックレンジを広くすることができる。
【００７２】
請求項９、１０によれば、加分散型折り返し手段が、回折格子の回折で生ずる分散をより分散させるように被測定光を折り返すので分解能を高くでき、ダイナミックレンジも広くすることができる。
【００７３】
請求項１１によれば、
本発明のマルチパスモノクロメータを用いるので、上記の効果が得られる光スペクトラムアナライザを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７４】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。ここで、図８と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、平面鏡５の代わりに平面鏡１１、１２が設けられる。平面鏡１１は、第一の反射手段であり、回折格子３からの１度目の回折光を回折格子３に反射する。また、平面鏡１２は、第二の反射手段であり、回折格子３からの３度目の回折光を回折格子３に反射する。なお、平面鏡１１のＹ軸は回転軸４と平行な軸であり、平面鏡１１のＸ軸は平面鏡１１の反射面上においてＹ軸と直交する軸である。同様に平面鏡１２のＹ軸は回転軸４と平行な軸であり、平面鏡１２のＸ軸は平面鏡１１の反射面上においてＹ軸と直交する軸である。そして、平面鏡１１、平面鏡１２は、それぞれのＹ軸に対して異なる回転量だけ回転して配置される。そのため、平面鏡１１の反射角（平面鏡１１に入射する光が平面鏡１１のＸ軸とのなす角と、出射する光がＸ軸とのなす角との差の角度）と、平面鏡１２の反射角（平面鏡１２に入射する光が平面鏡１１のＸ軸とのなす角と、出射する光がＸ軸とのなす角との差の角度）とが異なる。また、移動手段１１が、第二の出射スリット９から取り外され、第二の出射スリット９の位置は固定される。
【００７５】
このような装置の動作を説明する。
光ファイバ１から特定の広がり角を有する被測定光が入射され、この入射された被測定光を放物面鏡２が、平行光に変換し、回折格子３に反射する。そして、回折格子３が放物面鏡２からの平行光を波長ごとに異なる角度に分散し、１度目の回折を行う。この１度目の回折光を平面鏡１１が、ほぼ同一経路に折り返し回折格子３に反射する。なお、光ファイバ１からの入射光と第一の出射スリット７を通過する出射光を分離するため、平面鏡１１は、平面鏡１１のＸ軸に対して回転させ、分離させるとよい。
【００７６】
そして、回折格子３が２度目の回折を行う。この２度目の回折光が放物面鏡２によって集光され、放物面鏡２の焦点位置より手前に配置された平面鏡６で、Ｙ軸に沿った方向に反射され、第一の出射スリット６で結像する。さらに、式（８）で示されるように回折格子３の回転角度によって決定される所望の波長のみが第一の出射スリット７を通過する。そして、第一の出射スリット７で一旦焦点を結んだ光は、第一の出射スリット７を通過後に平面鏡８で放物面鏡２の方向に反射される。もちろん、平面鏡６、８によってＹ軸方向に微小位置ずれて放物面鏡２に入射される。
【００７７】
そして、放物面鏡２が、平面鏡８からの反射光を平行光に変換して、回折格子３に反射する。そして、回折格子３が３度目の回折を行う。この３度目の回折光を平面鏡１２が、ほぼ同一経路に折り返し回折格子３に反射する。なお、光ファイバ１から入射される被測定光と第二の出射スリット９を通過する光を分離するため、平面鏡１２は、平面鏡１２のＸ軸に対して回転させ、分離させるとよい。なお、平面鏡１１を平面鏡１１のＸ軸に対して回転させる回転量と、平面鏡１２を平面鏡１２のＸ軸に対して回転させる回転量は、同じでも異なっていてもよい。要は、光ファイバ１、第一の出射スリット７、第二の出射スリット９の光学部品の配置が容易となるように回転量を設定する。
【００７８】
そして、回折格子３が４度目の回折を行う。この４度目の回折光が、放物面鏡２によって集光され、放物面鏡２の焦点位置に配置された第二の出射スリット９で結像する。そして、所望の波長のみが第二の出射スリット９を通過する。
【００７９】
なお、出射スリット７，９によって所望の波長のみが通過するが、通過する波長は回折格子３を回転軸４で回転させることにより、変更できる。また、回折格子３によって、４回の回折を行う内、最初の２回の回折で分散角が広がり、分解能が決まる。そして、第一の出射スリット７を挟んだ位置に設けられる差分散型折り返し手段（平面鏡６と平面鏡８）によって折り返された光は、次の２回（つまり、３度目と４度目）の回折では、最初の２回の回折で生じた分散を打ち消すことなり、第二の出射スリット９では、分散成分を持たない光が通過される。すなわち光ファイバ１から出力される光と同一の光が得られることになる。このような構成は、一般的に差分散型マルチパスモノクロメータと呼ばれ、ダイナミックレンジを広くできる。
【００８０】
以下、詳細について説明する。また、図２は、回折格子３における３度目と４度目の回折の光路を示した図である。
第一の出射スリット７を通過する光までについては、図８に示す装置と同様なので、説明を省略する。第二の出射スリット９を通過する光は、回折格子３への三度目の入射角をα３、ξ３、出射角をβ３、−ξ３とすると、図８に示す装置の式（９）で表され、同様に回折格子３への四度目の入射角をα４、ξ４、出射角をβ４、−ξ４とすると式（１３）で表される。ここで、回折格子３からの四度目の出射角β４が、波長λによらず固定値となるには、入射角α４と出射角β３および出射角β４と入射角α３が式（１８）、式（１９）の条件を満たす必要がある。
【００８１】
【数１８】
2005069971.tif 000020
【００８２】
【数１９】
2005069971.tif 000021
【００８３】
ここで、この式（１８）、式（１９）内に示したΔθ２は、波長λによらず固定値である必要がある。つまり、このΔθ２の解を、平面鏡１２をＹ軸方向に対して回転させる回転量として設定する事で、出射角β４を波長λによらす固定値にすることができる。すなわち、第二の出射スリット９は固定位置に設置することが可能である。ここで重要な点は、得られたΔθ２は、図８に示す装置にて説明した、第一の出射スリット７を通過する波長λの式（８）で与えられたΔθ１とは値が異なることである。すなわち回折格子３からの１度目の回折光を、ほぼ同一光路に折り返すため平面鏡１１、回折格子３からの３度目の回折光をほぼ同一光路に折り返すための平面鏡１２が、異なる回転量でそれぞれ独立して配置される。
【００８４】
次に、Δθ２の解を示す。まず条件式より、式（２０）が得られる。
【００８５】
【数２０】
2005069971.tif 000022
【００８６】
この式（２０）を変形して、Δθ２について解くと、下記の式（２１）で表される。
【００８７】
【数２１】
2005069971.tif 000023
【００８８】
ここで、入射角α３および出射角β３は、それぞれ次式の式（２２）、式（２３）で表される。
【００８９】
【数２２】
2005069971.tif 000024
【００９０】
【数２３】
2005069971.tif 000025
【００９１】
Δθ２は、波長λに対して固定値になるとすれば、式（２１）に任意の波長λを与えることにより、Δθ２が決定される。
【００９２】
続いて、具体的な数値を用いて、出射角β４を波長λによらずほぼ固定値となることを示す。すなわち、第二の出射スリット９を固定位置に設置し、波長選択を行う例を示す。
図３は、式（２２）に具体的な数値を代入し、波長λと第二の出射スリット９における結像位置を示した図である。図３において、横軸は被測定光の波長λであり、縦軸は第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１であり、波長λと結像位置Δ１の関係をプロットしている。
【００９３】
但し、波長λの範囲を６００［ｎｍ］から１７００［ｎｍ］、回折次数を１、溝間隔ｄを１［ｍｍ］／１０５０本、挟み角θ１を１６［°］、第一の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ１を０［°］、第二の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ２を２．７２［°］、第三の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ３を３．６［°］、第三の入射角α3と第二の出射角β２とを等しく、第四の入射光が回折格子３の溝の長さ方向に垂直な面とのなす角ξ４を０［°］、式（２１）〜式（２３）における波長λを１７００［ｎｍ］とした。放物面鏡２の焦点距離ｆ＝２８０［ｍｍ］として第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１は式（１７）で与えられる。
【００９４】
ここで、φ１は入射波長１５５０［ｎｍ］におけるβ４−α１であり、入射波長１５５０［ｎｍ］における第二の出射スリット９上の結像位置ΔＸ１を基準としたことを意味する。入射波長による第二の出射スリット９上の光線位置ΔＸ１における最大−最小値差は、６．１［μｍ］程度となり波長λに依存せずほぼ一点に集光している。
【００９５】
このように、平面鏡１１と平面鏡１２とが、回折格子３からの回折光をそれぞれ異なる角度で反射するので、波長λにかかわらず、回折格子が出射する４度目の回折光の出射角度β４を一定とすることができる。これにより、第二の出射スリット９は、回折格子３の回転に合わせて移動させる必要がなく、所望のスリット幅で波長選択を行うことができる。従って、少ない可動部で高性能化を図ることができる。さらに、可動部が少ないので、信頼性を高くすることができる。
【００９６】
［第２の実施例］
図１に示す装置において、コリメータ手段として放物面鏡２を用いた反射光学系の実施例を説明したが、コリメータ手段にレンズを用いた透過光学系の実施例を以下に説明する。図４は本発明の第２の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、光の進行方向を示す矢印の図示も省略する。図４において、放物面鏡２の代わりに、レンズ１４が設けられる。レンズ１４は、コリメータ手段であり、光ファイバ１から入射する被測定光を平行光にして回折格子３に出射し、回折格子３からの２度目の回折光を第一の出射スリット７に結像させ、第一の出射スリット７で通過した光を平行光にして回折格子３に出射し、回折格子３からの４度目の回折光を第二の出射スリットに結像させる。
また、平面鏡１３が、レンズ１４と第二の出射スリット９の間に設けられ、レンズ１４からの出射光を折り返し、第二の出射スリット９に反射する。
【００９７】
続いて、このような装置の動作を説明する、図４に示す装置は、図１に示す装置とほぼ同様の動作であり、異なる動作は、レンズ１４が、光ファイバ１からの入射光を平行光に変換して回折格子３に出射する。そして、レンズ１４が、回折格子３からの２度目の回折光を集光し、平面鏡６で反射させて第一の出射スリット７に結像させる。さらに、レンズ１４が、第一の出射スリット７で一旦焦点を結び、第一の出射スリット７を通過し平面鏡８で折り返された光を平行光にして、回折格子３に出射する。そして、レンズ１４が、回折格子３からの４度目の回折光を回折光を集光し、平面鏡１３で反射させて結像位置に設けられた第二の出射スリット９に結像させる。
【００９８】
このように、コリメータ手段を法物面鏡２からレンズ１４に代えても、平面鏡１１と平面鏡１２とが、回折格子３からの回折光をそれぞれ異なる角度で反射するので、波長λにかかわらず、回折格子が出射する４度目の回折光の出射角度β４を一定とすることができる。これにより、第二の出射スリット９は、回折格子３の回転に合わせて移動させる必要がなく、所望の出射スリット幅で波長選択を行うことができる。従って、少ない可動部で高性能化を図ることができる。さらに、可動部が少ないので、信頼性を高くすることができる。
【００９９】
また、レンズ１４は、一般的に放物面鏡２より安価に製作することができるので、コストを抑えることができる。
【０１００】
さらに、平面鏡１３が、４度目の回折光を所望の方向に折り返すので、第二の出射スリット９を所望の位置に設けることができる。例えば、回折格子３からの４度目の回折光をレンズ１４が集光するが、回折光の結像位置が光ファイバ１に近接すると第二の出射スリットを設けるのが困難となる。しかし、平面鏡１３によって折り返すことにより、第二の出射スリットの設置が容易となる。
【０１０１】
［第３の実施例］
図５は本発明の第３の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、光の進行方向を示す矢印の図示も省略する。図３において、放物面鏡２の代わりに、レンズ１５、平面鏡１６、放物面鏡１７が設けられる。レンズ１５は、第一のコリメータであり、光ファイバ１から入射される被測定光の光軸上に配置され、被測定光を平行光にして出射する。平面鏡１６は、入射角調整用反射手段であり、レンズ１５からの出射される平行光を回折格子３に反射する。放物面鏡１７は、第二のコリメータであり、回折格子３からの２度目の回折光の光軸上に配置され、回折光を第一の出射スリット７に集光し、第一の出射スリット７を通過した光を平行光にして回折格子３に出射し、回折格子３からの４度目の回折光を第二の出射スリット９に集光する。また、放物面鏡１７のＹ軸は、回折格子３の回転軸４と平行な軸である。なお、レンズ１５と放物面鏡１７で、コリメータ手段を構成し、レンズ１５の焦点距離よりも放物面鏡１７の焦点距離のほうが長い。すなわち、光ファイバ１とレンズ１５間の距離よりも、放物面鏡１７と第二の出射スリット９間の距離のほうが長い。
【０１０２】
続いて、このような装置の動作を説明する。図５に示す装置は、図１に示す装置とほぼ同様の動作であり、異なる動作は、レンズ１５が、光ファイバ１からの入射光を平行光に変換して、平面鏡１６で反射させて回折格子３に出射する。そして、放物面鏡１７が、回折格子３からの２度目の回折光を集光し、平面鏡６で反射させて第一の出射スリット７に結像させる。さらに、放物面鏡１７が、第一の出射スリット７で一旦焦点を結び、第一の出射スリット７を通過し平面鏡８で折り返された光を平行光にして、回折格子３に出射する。そして、放物面鏡１７が、回折格子３からの４度目の回折光を集光し結像位置に設けられた第二の出射スリット９に結像させる。
【０１０３】
このように、レンズ１５が、光ファイバ１から入射される被測定光を放物面鏡１７よりも短い距離で平行光に変換するので、平行光の直径が小さくなり、レンズ１５以降の部品を小型化することができる。これにより、装置全体の小型化およびコストを低減することができる。
【０１０４】
また、光軸上に配置されたレンズ１５が光ファイバ１からの被測定光を平行光にし、２度目の回折光の光軸上に配置された放物面鏡１７が回折格子３からの２度目の回折光を集光し第一の出射スリット７に結像させるので、軸外収差が低減される。これにより、第一の出射スリット７で収差無く結像され、スポットサイズが小さくなる。従って、分解能を向上させることができる。
【０１０５】
また、平面鏡１６が、レンズ１５からの出射光を回折格子３に所望の入射角α１、ξ１で入射するので、一般的に調整の難しい光ファイバ１の調整を粗くしても、平面鏡１６で入射角α１、ξ１の調整を容易行うことができる。
【０１０６】
［第４の実施例］
図１、図４、図５に示す装置において、差分散型マルチパスモノクロメータの構成例を示したが、加分散型マルチパスモノクロメータの実施例を以下に説明する。図６は本発明の第４の実施例を示す構成図である。ここで、図５と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、光の進行方向を示す矢印の図示も省略する。図６において、平面鏡６、８の代わりに、レンズ１８、平面鏡１９が設けられる。レンズ１８は、放物面鏡１７によって第一の出射スリット７で結像し、さらに第一の出射スリットを通過した光を平行光に変換し、平面鏡１９に出射する。また、平面鏡１９からの反射された平行光を集光して一旦焦点を結ばせ、徐々に広がりつつ放物面鏡１７に出射する。平面鏡１９は、レンズ１８からの平行光を反射して再度レンズ１８に出射する。ここで、レンズ１８と平面鏡１９で加分散型折り返し手段を構成する。なお、第一の出射スリット７は、図５に示す装置と配置が９０［°］異なり、スリットの方向がＹ軸に沿った方向になる。
【０１０７】
このような装置の動作を説明する。図６に示す装置は、図５に示す装置とほぼ同様の動作であり、異なる動作は、放物面鏡１７からの反射光が第一の出射スリット７で一旦焦点を結び、第一の出射スリット７を通過する。そして、レンズ１８が通過した光を平行光に変換して、平面鏡１９に出射する。そして、平面鏡１９がレンズ１８からの平行光を反射し、再度レンズ１８に出射する。この反射光をレンズ１８が集光する。そして、レンズ１８によって集光された光は、一旦焦点を結んだ後、徐々に広がりながら放物面鏡１７に、Ｙ軸方向に微小位置ずれて入射する。なお、第一の出射スリット７を通過してレンズ１８に入射される前の光の分散方向と、平面鏡１９で反射されてレンズ１８を出射した光の分散方向は、逆転している。すなわち、第一の出射スリット７を通過後の回折格子３による２回（つまり、３度目と４度目）の回折で、分散がさらに広がっている。
【０１０８】
このように、第一の出射スリット７を通過した光をレンズ１８が平行光にする。そして、平行光を平面鏡１９が反射し、再度レンズ１８に入射し、放物面鏡１７に出射するので、回折格子３における１度目と２度目の回折で生じた分散を、３度目と４度目の回折でより分散させることができる。これにより、分解能を向上することができる。
【０１０９】
また、第一の出射スリット７、第二の出射スリット９と通過させるので、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【０１１０】
［第５の実施例］
続いて、図１に示す装置のマルチパスモノクロメータを用いた光スペクトラムアナライザの実施例を説明する。図７は、本発明の第５の実施例を示す構成図である。図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図７において、回転手段２１は、回折格子３をこの回折格子３に形成された溝と平行な回転軸４で回転させる。また、受光手段２２は、最終の波長選択手段である第二の出射スリット９を通過した光を受光し、受光した光強度に対応する信号を出力する。また、表示手段２３は、光ファイバ１からマルチパスモノクロメータに入射される被測定光のスペクトラムや特性を表示する。制御手段２４は、回転手段２１を駆動し、受光手段２２からの信号に基づいて被測定光の特性を測定し、表示手段２３に被測定光のスペクトラムや、被測定光の波長、光強度等の特性を表示させる。
【０１１１】
このような装置の動作を説明する。
マルチパスモノクロメータの動作は図１に示す装置と同様なので説明を省略する。制御手段２４が、回転手段２１を駆動し、回折格子３を回転する。そして、光ファイバ１から入射された被測定光のうち、回折格子３の角度によって決まる特定の波長のみが、第二の出射スリット９を通過し、受光手段２２で受光される。そして、受光手段２２が、受光した光強度に対応する信号を制御手段２４に出力する。そして、再度制御手段２４が、回転手段２１を駆動して回折格子３を回転させ、受光手段２２で受光させる。このような動作を所望の波長領域で行い、被測定光の測定を行う。また、制御手段が２３が、受光手段２２から信号に基づいて、被測定光の特性である波長や光強度等を求め、表示手段２３に被測定光の波長、光強度、スペクトラム等の表示を行わせる。
【０１１２】
このように、平面鏡１１と平面鏡１２とが、回折格子３からの回折光をそれぞれ異なる角度で反射するマルチパスモノクロメータを用いるので、少ない可動部で高性能化を図ることができ、精度良く測定を行うことができる。また、可動部が少ないので、信頼性を高くすることができる。
【０１１３】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図１、図４、図５に示す装置において、差分散型折り返し手段に平面鏡６、８を用いて差分散型マルチパスモノクロメータを構成する例を示したが、差分散型折り返し手段は、この構成に限られるものではない。同様に、図６に示す装置において、加分散型折り返し手段にレンズ１８、平面鏡１９を用いて加分散型マルチパスモノクロメータを構成する例を示したが、加分散型折り返し手段は、この構成に限られるものではない。例えば、特開２０００−８８６４７号公報（段落番号００３６−００３７、第５図）に示されるように、放物面鏡１７からの反射光を２回平面鏡で反射させた後、第一の出射スリット７に入射させ、さらに第一の出射スリット７を通過した光を２回平面鏡で反射させた後、放物面鏡１７に出射するように構成してもよい。
【０１１４】
図１、図４、図５、図６に示す装置において、例えば、放物面鏡２やレンズ１４は、４度被測定光が入射され、図５、図６の放物面鏡１７は、３度被測定光が入射される構成を示したが、入射されるごとにレンズまたは放物面鏡を設ける構成としてもよい。例えば、図１において、放物面鏡を４こ設け、一つ目の放物面鏡が、入射する被測定光を平行光にして回折格子３に出射する。そして、二つ目の法物面鏡が、回折格子３からの２度目の回折光を第一の出射スリット７に結像させる。さらに、三つ目の放物面鏡が、第一の出射スリット７を通過した光を平行光にして回折格子３に出射する。そして、４つ目の放物面鏡が、回折格子３からの４度目の回折光を第二の出射スリット９に結像させる。
【０１１５】
図１、図４、図５、図６に示す装置において、回折格子３で４回回折を行う構成を示したが、平面鏡１１、平面鏡１２での折り返し回数を増やし、回折格子３で回折を行う回数を増やしてもよい。
【０１１６】
図４に示す装置において、平面鏡１３を用いて、レンズ１４からの出射光を第二の出射スリット９に出射する構成を示したが、図１、図５、図６と同様に平面鏡１３を設けずに、レンズ１４からの出射光を第二の出射スリットに直接出射してもよい。逆に、図１、図５、図６、図７に示す装置において、平面鏡１３を用いる構成としてもよい。
【０１１７】
図５、図６に示す装置において、レンズ１５からの出射光を平面鏡１６で反射する構成を示したが、平面鏡１６を設けずに、レンズ１５からの出射光を回折格子３に直接出射してもよい。また、放物面鏡１７をレンズとし、レンズ１５を放物面鏡としてもよい。
【０１１８】
図５に示す装置において、レンズ１５を被測定光の光軸上に配置し、放物面鏡１７を回折格子３からの２度目の回折光の光軸上に配置する構成を示したが、それぞれを光軸上からずらした位置に配置してもよい。
【０１１９】
図７に示す装置において、図１に示す装置を用いる構成を示したが、図４、図５、図６に示す装置、または平面鏡１１、１２で構成されるマルチパスモノクロメータを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第１の実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置の回折格子３における３度目と４度目の回折の光路を示した図である。
【図３】図１に示す装置の波長λと第二の出射スリット９における結像位置を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示した構成図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示した構成図である。
【図６】本発明の第４の実施例を示した構成図である。
【図７】本発明の第５の実施例を示した構成図である。
【図８】従来のマルチパスモノクロメータの構成図である。
【図９】図８に示す装置の回折格子３における１度目と２度目の回折の光路を示した図である。
【図１０】図８に示す装置の回折格子３における３度目と４度目の回折の光路を示した図である。
【図１１】図８に示す装置の波長λと第二の出射スリット９における結像位置を示した図である。
【符号の説明】
【０１２１】
２、１７  放物面鏡
３  回折格子
４  回転軸
６、８、１１、１２、１３、１６、１９  平面鏡
７  第一の出射スリット
９  第二の出射スリット
１４、１５、１８  レンズ
２１  回転手段
２２  受光手段
２３  表示手段
２４  制御手段
【図１】
2005069971.tif 000026
【図２】
2005069971.tif 000027
【図３】
2005069971.tif 000028
【図４】
2005069971.tif 000029
【図５】
2005069971.tif 000030
【図６】
2005069971.tif 000031
【図７】
2005069971.tif 000032
【図８】
2005069971.tif 000033
【図９】
2005069971.tif 000034
【図１０】
2005069971.tif 000035
【図１１】
2005069971.tif 000036