(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エシェルスペクトロメータであって、
(a)複数の刻線(110)を有するエシェル格子(105)と、
(b)検出器アレイ(120)と、
(c)スリット(125)を通過してエシェル格子(105)及び検出器アレイ(120)上へ投影される放射のイメージ(150)を検出器アレイに関して所望の方向に位置合わせするように成形されかつ方向付けられたスリット(125)であって、検出器アレイ(120)の軸線はエシェル格子(105)の刻線と平行であり、スリット(125)は長方形の少なくともひとつの長辺(210)を伸長させながら、長方形スリットのひとつの短辺(205)を、該短辺と平行な方向に移動することによって画成された非長方形形状を有するところのスリットと、
から成り、
放射(135)はエシェル格子の刻線(110)に垂直な面に対して角度θで、かつ刻線に平行な面に関して角度αでエシェル格子(105)上に入射し、
長方形のひとつの短辺(205)はarctan(2tanαtanθ)の角度だけひとつの長辺(210)を回転させるのに十分な量だけ平行移動される、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項２】
請求項１に記載のエシェルスペクトロメータであって、エシェル格子(105)はエシェル格子を通過する放射を分散パターンに分散させるべく適応され、検出器(120)は、画素の線形アレイであって複数の平行な線形アレイを含み、分散パターンの特定のオーダーが、画素の線形アレイに沿って入射するように方向付けられる、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエシェルスペクトロメータであって、エシェル格子(105)によって放射が分散される方向に対して直交方向に放射をさらに分散させる交差分散エレメント(145)がエシェル格子(105)と検出器アレイ(120)との間に配置される、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のエシェルスペクトロメータであって、反射器(118)が放射をエシェル格子(105)上へ反射させるのに使用される、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のエシェルスペクトロメータであって、反射器(132)がエシェル格子の分散パターンを検出器アレイ(120)上へ反射させるのに使用される、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のエシェルスペクトロメータであって、検出器アレイ(120)を不所望な放射から遮断するためのマスク(130)がエシェル格子(105)と検出器アレイ(120)との間に配置されている、ところのエシェルスペクトロメータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のエシェルスペクトロメータであって、格子上の刻線は９５〜１００本／mmとなるように離隔されている、ところのエシェルスペクトロメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子分光学に関し，特に改良されたエシェルスペクトロメータに関する。特定的に，本発明は，入口スリットの影像が検出器の分解能エレメントの方向及び形状と一致するように，格子形状によって生じる光学的歪みを補正する成形されかつ方向付けされた入口スリットを使用することによって，高い検出器分解能を与えるよう修正されたエシェルスペクトロメータを説明する。
【０００２】
【従来の技術】
原子吸収，原子放出及び原子蛍光を含む原子分光学において，特定のエレメントの波長特性の電磁放射は，定量的に決定されまたサンプル中の当該特定エレメントの濃度測定として使用される。特性波長の放射の強度はサンプル中の当該エレメントの濃度に比例する。
【０００３】
これらいくつかの原子分光学技術の感度は，特定波長範囲の放射を選択する能力，選択された波長範囲をスペクトル線のパターンに分解する能力，及びスペクトル線に付随した放射強度を検出する能力に部分的に依存している。典型的に波長の選択及び分解はスペクトロメータにより実行される。波長の範囲の放射はコリメータミラー（第１ミラー）の焦点に配置された入口スリットを通過する。その後平行光線は格子上に反射されかつスペクトル線のパターン（すなわち，分散パターン）へ分散され，各波長は特定の角度（すなわち，分散角）で格子から分散される。
【０００４】
従来の高い刻み目密度の格子を使用するスペクトロメータにおいて，典型的に放射の測定はより低い回折オーダーで，最も好適には１次のオーダーで実行される。格子から同じ角度で放出された異なるオーダーの波長の潜在的なオーバーラップのために，及び放射の非常に大部分がこれらの従来の格子の第１オーダーを使って得られることのために，これが為される。しかし，格子の分散（すなわち，角度分散）及び分解能力はより高次で使用されたときに改善される。
【０００５】
高次で得られるより良い分解能及び角度分散を利用するために，ブレーズラインを有するエシェル格子が採用される。典型的にエシェル格子は1000本/mm以上の刻み目線を有する従来の格子と比べ少な目の95〜100本/mmを有するよりサイズの小さいものとして特徴づけられる。線は格子表面に対しある角度またはブレーズで切り込まれている。ブレーズは，あらゆる波長範囲に対してより高い比率の放射を所望の回折角度でより高次へ流すことが可能となるように，格子の回折状態を変化させる。概して，さまざまな回折オーダーは互いのトップにある。クロス分散エレメント（例えば，プリズム）はオーバーラップしたオーダーを直交方向にさらに分解するために使用される。
【０００６】
ひとたびエシェルまたは従来のいずれかの格子が放射を異なる回折角度に分解すると，その後カメラミラー（第２ミラー）がミラーの焦点面上に分散パターンを形成するべく使用される。このパターンは分散される各波長に対する入口スリットの影像から成る。
【０００７】
入口スリットの影像の方向及び大きさはスペクトロメータの幾何形状に依存する。エシェル格子刻み目またはエシェル格子法線に対し，入射放射の方向は２つの可能性が存在する。第１の方向において，格子刻み目は入射光線のメリジオナル平面に垂直である。この構成において，スリット及びその影像はミラーの水平焦点内にあり，格子は装置の垂直収差に影響を与えない。その後入口スリットの得られた影像は入口スリット自身の形状と同一であり，格子刻み目へ平行に向けられる。
【０００８】
第２方向において，格子刻み目はメリジオナル平面に平行で，また入射及び回折光線は格子法線を通じて平面と小さい角度θを形成する。スリット及びその影像はミラーの垂直焦点内にあり，その後格子は垂直収差を引き起こす。その後得られた影像は格子刻み目及び入口スリットの方向に関して角度X=arctan(2tanαtanθ)だけ傾く。ここでαは格子ブレーズ角である。ここで格子は格子法線を有する入射及び回折光線の角度が格子ブレーズ角と同一であるところのリットロウ(Littrow)ポジションで使用されることが仮定されている。傾き影像を有するがこの第２タイプの方向は概してより高い格子効果及びよりよい光学的クオリティのためにエシェルスペクトロメータにおいて好適である。
【０００９】
さまざまなタイプの検出器がスペクトロメータの焦点面においてスペクトル影像を検出するために使用されてきた。フォトダイオードの線形及びエリアアレイ，電荷結合デバイス(CCD)，電荷インジェクションデバイス(CID)及びプラズマ結合デバイスが，エシェル格子スペクトロメータ及び従来の格子スペクトロメータからの光学信号を検索するのに使用されてきた。
【００１０】
エシェルスペクトロメータ内で使用されるCCDは1,000行及び1,000列の画素でトータル1,000,000画素から成る画素のx-yグリッドを含む。このタイプの検出器は背景ノイズを含むスペクトロメータ内のすべての信号を検出することができるという利点を有する。検出器のx-yグリッド画素は格子刻み目と一列を為す。もし画素が異なるサイズのx及びyディメンジョンを有していれば，より広いディメンジョンを有するグリッドがしばしば格子刻み目と平行に一列を為す。最高の分解能を達成するために，入口スリットの影像は検出器画素の方向及び形状に非常に一致しなければならない。実際の一般的規則では，スリットの幅は分解能エレメントとして使用され，CCD画素の幅の２倍に一致する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
スリット影像を検出器画素の方向及び形状に一致させることの要求は，格子刻み目が入射光線のメリジオナル面に対し垂直であるところの第１タイプの格子スペクトロメータに対しなんら問題を生じさせない。しかし，第２タイプの格子スペクトロメータの傾き影像は，x-yグリッドタイプのCCD検出器を使用するときに問題である。傾き影像及び検出器画素の形状の結果的不一致はスペクトル情報の損失を生じさせる。情報の損失は分解能の低下及びスペクトロメータの性能の減少を意味する。x-yグリッドタイプのCCD検出器の使用はまた検出器と回折パターンの間の形状の不一致も生じさせる。検出器の未充填または過充填の間にはトレードオフが存在する。さらに，各画素はx-yグリッドタイプのCCD検出器で読み込まれるため，たとえ多くの画素が有用な情報を有しなくとも読み出し時間は長い。
【００１２】
傾きスリット影像に関して，スペクトルを回復しかつ再構成するべくコンピュータアルゴリズムを使うことによりスペクトル線形状の再生を改善することは可能である。しかし，スリットの高さ方向の信号は２つ以上の画素の上に落ちうるため，これは全信号を回復するべく付加画素を有するx-yグリッドタイプのCCD検出器の使用を要求する。さらに，そのような場合において，多重読み出しは，信号／ノイズ比を減少させそれによってスペクトロメータの性能を減少させるあらゆる単一スペクトル線に対して実行されなければならない。
【００１３】
もうひとつのタイプの固体検出器は，エシェル格子スペクトロメータの焦点面上の分散パターンの配置に正確に沿って配置された感知エレメントのアレイを有する。このタイプの検出器は非常に速い読み出し時間を有する連続スペクトルカバレッジを与える。このタイプの検出器内の高い分解能を達成するために，入口スリットの影像は検出器アレイ内の画素の方向及び形状に非常に一致しなければならない。
【００１４】
したがって，本発明の目的は，スペクトロメータの焦点面上の生成影像が高い分解能を達成するために検出器画素の方向及び形状と一致するような空間的形状の入口スリットを与えることである。
【００１５】
本発明の他の目的は，分散パターンに関してある角度で検出器を方向付けることによってエシェル装置のスペクトルカバレッジを増加させることである。その後スペクトル分解能は入口スリットの傾斜の正確な調節によって最大化される。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のエシェルスペクトロメータはスリット，エシェル格子及び検出器から成る。該スリットは，通常の長方形スリットの短辺を長方形のもう一つの短辺に平行な方向に平行移動させ，それによって長方形の２つの長辺を伸張することによって形成される。
【００１７】
スリットを通過しかつ格子上へ投影された放射は回折される。回折された放射は，検出器で投影される分散パターン（すなわちスペクトル線）を形成する。
【００１８】
上記エシェルスペクトロメータは，正確な予め定義された場所で検出器と接触する既知形状の分散パターンの生成をもたらす。スペクトル線の形状が検出器上に落ちるところの方法は，スリットの形状及び方向を調節することによって制御される。スリットの正確な調節は，エシェル格子の分散方向に関する検出器の方向に依存する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は，本発明のスリットが使用されるところのエシェルスペクトロメータの主な要素を示す。概して，スペクトロメータは，複数の刻み目線を有するエシェル格子105，クロス分散エレメント145（例えばプリズム）及び検出器アレイ120を含む。ミラー118及び132のような付加的光学エレメントは入射放射，回折放射及び最後に分散放射を反射しまた集束するために使用される。
【００２０】
典型的にソース137から放射された解析されるべき電磁放射は入口スリットを均一に放射しなければならない。周知のように，“スリット”の語は放射のスペクトロメータ内への入射を許すプレートまたは他の光遮断構造127内の開口125を意味する。その後，放射は第１ミラー118によって平行にされ，エシェル格子105上へ入射する。同一入射角で格子に入射する波長範囲の放射は，波長ごとに異なる角度で回折される。回折ビーム128は比較的高次のオーバーラップを含む。プリズム145はさまざまなオーダーを分散させるために使用され，２次元回折パターンが形成される。反射器132がスペクトロメータ内の所定の焦点面内で入口スリットの影像を形成するべく使用され得る。検出器120は影像面においてスペクトルを遮るよう配置される。検出器120で得られた信号は読み出し電子装置117で処理される。
【００２１】
エシェル格子105は，x-z平面内で測定される入射光線135及び回折光線128が格子法線138に関して角度α137を形成するところの図４で示されるような疑似リットロウモードで使用されるのが好適である。この角度は格子のブレーズ角度と同一の大きさ（例えば，４５度）を有する。格子105にはメリジオナル（水平）面に平行な刻み目溝110が設けられている。格子は１ミリメートルあたりほぼ95本の溝を有する。入射光線135と回折光線128は格子法線を通る平面に関して角度θ140を為す。
【００２２】
図５(A)は，エシェルスペクトロメータの影像面内で作成された２次元回折パターンを示す。好適検出器のデザインにおいて，各アレイの角度が該アレイによって検出されるべき特定の回折オーダーの角度及びカーブをなぞるように複数の斜め線形アレイを形成するべく感知エレメントが配置されている。図５(B)は斜め角度で方向付けされた２次元の回折パターンを示す。
【００２３】
図６(A)に示されるように，特定のスペクトロメータデザインによっては，各個別アレイ152はさまざまなサイズの画素と呼ばれる複数の光学感知エレメント151を含むこともできる。概して分解能エレメントは分散方向に沿って画素の幅の２倍に一致するように選択される。
画素アレイの長さは自由スペクトル範囲の変更によって変化し得るため，該オーダーの画素数は異なる。画素の典型的サイズは20ミクロン×50ミクロンである。
【００２４】
図２に示されるような従来の長方形スリット120に対して，図６(B)に示されるように焦点面上のスリット150の影像は斜め線形アレイ152の方向に関してある角度だけ傾いている。長方形の入口スリットの影像は分解能エレメントには一致せず，２つの画素151を超えて伸張している。
【００２５】
図３は本発明のスリットのひとつの実施例の幾何学形状を示したものである。当該スリットは，長方形スリットの短辺205を該短辺と平行に移動し，同時に前記長方形スリットの２つの長辺210を角度２θだけ回転させるよう伸張させることによって画成された形状を有する。長方形スリットの短辺の移動量及び長辺の伸張量の計算は基本的な三角法の問題である。エシェルスペクトロメータの焦点面上における本発明の入口スリットの影像150は，図６(C)に示されるように斜め線形アレイ162と直角に整合する。入口スリットの影像は２つの画素161の分解能エレメントの形状及び方向と一致する。
【００２６】
上記エシェルスペクトロメータの主な利点は，検出器アレイからの生の情報の複雑な信号処理を行うことなく，比較的低コストで高い検出器分解能を達成することである。またそれは水平方向ではなくてエシェル格子の分散パターンに一致するよう検出器アレイを方向付けることによって拡張したスペクトルカバレッジの達成を容易にし，検出器アレイは検出器表面の２つの対向コーナーの間に伸張する斜めラインまたは対角ラインに沿って方向付けられる。図５(A)及び(B)を参照。
【００２７】
上記実施例は，その性質から２次元検出器装置であるため，特にエシェルスペクトロメータに対して有用である。しかし，発明はまたスリットの影像が検出器アレイと整合しかつ一致すべきであるあらゆるスペクトロメータに対し応用可能である。
【００２８】
上記実施例が発明の思想及び態様から離れることなくさまざまな変形が可能であることは，この開示の利益を有する当業者の知るところである。したがって，特許されるべき排他的権利は特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に従うエシェルスペクトロメータの主な要素を示したものである。
【図２】図２は光遮断板内の直線エッジ（すなわち水平）の従来技術のスリットを示す。
【図３】図３は本発明の実施例である平行移動されかつ伸張されたスリットを示す。
【図４】図４は本発明において説明されるエシェル格子を示す。
【図５】図５(A)はエシェルスペクトロメータ内で作成されかつ水平に方向付けられた２次元の回折パターンを示したものである。図５(B)は斜めの角度で方向付けられたエシェルスペクトロメータの２次元回折パターンを示す。
【図６】図６(A)は線形検出器アレイにおける複数の画素を示す。図６(B)は従来の検出器アレイ上の直線エッジの長方形スリットの影像であって，斜めの線形アレイの方向に関する角度だけ傾いた影像を示す。図６(C)は検出器アレイ上の成形され方向づけられたスリットの影像であって，斜めの線形アレイに方形に整列した影像を示す。
【符号の説明】
105            エシェル格子
110            刻み目
117            読み出し電子装置
118            ミラー
120            検出器アレイ
125            開口
127            光遮断構造物
128            回折光線
132            ミラー
135            入射光線
137            ソース
145            クロス分散エレメント
【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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