(57)【要約】【課題】波長分解能の向上を図る。【解決手段】入射部２からの入射光を平行光に変換するコリメータ３と、入射光を分散分光する一方が回動可能な第１の回折格子４及び第２の回折格子５と、第２の回折格子５からの光を反射する第１のコーナーミラー６と、第１のコーナーミラー６で折り返された光を再び第２の回折格子５と第１の回折格子４に入射し、その回折光を集光する集光器７と、集光位置に設けられた第１のスリット８と、集光された光の光路を変更する第２のコーナーミラー９と、第１のスリット８を通過した光を再び第１の回折格子４と第２の回折格子５と第１のコーナーミラー６と第２の回折格子５と第１の回折格子４とコリメータ３を順次介して再び分散分光されて集光される位置に配置された第２のスリット１０とを備えてモノクロメータ１を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入力する光入射部（２）と、
前記光入射部から入射された入射光を平行光に変換して出射するコリメータ（３）と、
前記平行光を入射して第１の回折光を出射する第１の回折格子（４）と、
前記第１の回折格子と同方向の刻線方向をもち、前記第１の回折光を入射して第２の回折光を出射する第２の回折格子（５）と、
前記第２の回折光を入射して前記第２の回折格子の刻線方向に反射した後に前記第２の回折格子の方向に反射する第１のコーナーミラー（６）と、
前記第２の回折格子に入射された前記第２の回折光が前記第２の回折格子によって第３の回折光として前記第１の回折格子に入射され、前記第１の回折格子によって回折されて第４の回折光として集光器（７）に入射された後、前記集光器で集光される前記第４の回折光の光路を変更する第２のコーナーミラー（９）と、
前記集光器で集光された前記第４の回折光の集光位置に設けられた第１のスリット（８）と、
前記第２のコーナーミラーからの前記第４の回折光が前記集光器に再び入射した光が前記第１の回折格子、前記第２の回折格子、前記第１のコーナーミラー、前記第２の回折格子、前記第１の回折格子及び前記コリメータを順次介して再び分散分光されて集光される位置に配置された第２のスリット（１０）とを備え、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のいずれか一方が前記第１の回折格子の刻線と平行な軸で回動白在であることを特徴とするモノクロメータ。
【請求項２】
前記第２のコーナーミラー（９）で前記第１の回折格子（４）及び前記第２の回折格子（５）の刻線方向に垂直な平面で折り返し、前記光入射部（２）と前記第２のスリット（１０）に向かう回折光の集光位置を前記コリメータ（３）の中心光軸に対して対称となるように配置し、前記コリメータの中心と前記集光器（７）の中心と前記第２のコーナーミラーの稜線が同一平面上にあるように配置したことを特徴とする請求項１のモノクロメータ。
【請求項３】
前記第２のコーナーミラー（９）で前記第１の回折格子（４）及び前記第２の回折格子（５）の刻線方向に折り返し、前記光入射部（２）と前記第２のスリット（１０）に向かう回折光の集光位置を前記コリメータ（３）の中心光軸に対して対称となるように配置し、前記コリメータの中心と前記集光器（７）の中心と前記第１のスリットが同一平面上にあるように配置したことを特徴とする請求項１のモノクロメータ。
【請求項４】
前記コリメータ（３）と前記第１の回折格子（４）間及び該第１の回折格子と前記集光器（７）間を跨がった光路上に光ビーム幅拡張手段（１１）を配置したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のモノクロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広範囲の波長の光を空間的に分散させ、それをスリットなどで狭い範囲の波長のみを取り出して波長特性を測定する回折格子を備えたモノクロメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モノクロメータは、広範囲の波長の光を空間的に分散させ、それをスリットなどで狭い範囲の波長のみを取り出す分光器であり、この種の従来のモノクロメータとしては、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１に示された従来のモノクロメータは、光入射部と、コリメータと、回折格子と、第１の平面鏡と、第１のスリットと、第２の平面鏡と、第２のスリットとを備え、光入射部から第１のスリットまでの第１パスと、第１のスリットから第２のスリットまでの第２パスとのそれぞれについて、回折格子に入射する光の入射位置及び回折格子から出射される光の集光位置をコリメータの光軸に対して空間的に特定する構成となっている。この構成により、従来のモノクロメータは、第１パスにおける第１のスリットの出射光の波長と、第２パスにおける第２のスリットの出射光の波長とを一致させ、波長同調を実現することができるので、第２のスリットを移動する構成であった従前のものよりも、小型化及び簡素化を図ることができるものである。
【特許文献１】特許３２７４０３５号公報（段落〔００２１〕〜〔００２４〕及び〔００３０〕、第１０図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述のように構成された従来のモノクロメータは、小型化及び簡素化を図った構造で高分解能の波長同調を実現することができるものではあるが、近年ではさらなる波長分解能の向上が求められていた。
【０００４】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、従来のものよりも波長分解能の向上を図ることができるモノクロメータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載されたモノクロメータは、光を入力する光入射部２と、
前記光入射部から入射された入射光を平行光に変換して出射するコリメータ３と、
前記平行光を入射して第１の回折光を出射する第１の回折格子４と、
前記第１の回折格子と同方向の刻線方向をもち、前記第１の回折光を入射して第２の回折光を出射する第２の回折格子５と、
前記第２の回折光を入射して前記第２の回折格子の刻線方向に反射した後に前記第２の回折格子の方向に反射する第１のコーナーミラー６と、
前記第２の回折格子に入射された前記第２の回折光が前記第２の回折格子によって第３の回折光として前記第１の回折格子に入射され、前記第１の回折格子によって回折されて第４の回折光として集光器７に入射された後、前記集光器で集光される前記第４の回折光の光路を変更する第２のコーナーミラー９と、
前記集光器で集光された前記第４の回折光の集光位置に設けられた第１のスリット８と、
前記第２のコーナーミラーからの前記第４の回折光が前記集光器に再び入射した光が前記第１の回折格子、前記第２の回折格子、前記第１のコーナーミラー、前記第２の回折格子、前記第１の回折格子及び前記コリメータを順次介して再び分散分光されて集光される位置に配置された第２のスリット１０とを備え、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のいずれか一方が前記第１の回折格子の刻線と平行な軸で回動白在であることを特徴とする。
【０００６】
この構成においては、前記第１の回折光と第２の回折光と第３の回折光と第４の回折光は、回折光の分散が増加する加分散配列となっている。そのため、本発明のモノクロメータは、第１及び第２の回折格子を用いて加分散配列で回折回数を増やすことにより、従来のものよりも小型でありながら波長分解能の向上を図ることができる。
【０００７】
また、請求項２に記載されたモノクロメータは、請求項１記載のモノクロメータにおいて、
前記第２のコーナーミラー９で前記第１の回折格子４及び前記第２の回折格子５の刻線方向に垂直な平面で折り返し、前記光入射部２と前記第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置を前記コリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、前記コリメータの中心と前記集光器７の中心と前記第２のコーナーミラーの稜線が同一平面上にあるように配置して加分散配列モノクロメータを構成したことを特徴とする。
【０００８】
さらに、請求項３に記載されたモノクロメータは、請求項１記載のモノクロメータにおいて、
前記第２のコーナーミラー９で前記第１の回折格子４及び前記第２の回折格子５の刻線方向に折り返し、前記光入射部２と前記第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置を前記コリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、前記コリメータの中心と前記集光器７の中心と前記第１のスリットが同一平面上にあるように配置して差分散（零分散）配列モノクロメータを構成したことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載されたモノクロメータは、請求項１〜３の何れかに記載のモノクロメータにおいて、
前記コリメータ３と前記第１の回折格子４間及び該第１の回折格子と前記集光器７間を跨がった光路上に光ビーム幅拡張手段１１を配置したことを特徴とする。
【００１０】
そして、回折回数を増やすために、第１の回折から第４の回折までの第１パスで分光した光を、再び分光器に入射して第２パスにて回折回数をさらに増やすことも可能である。第１パスと第２パスを加分散配列にすれば、回折光の角分散はさらに大きくなり、より高分解能が実現でき、差分散配列にすれば、ファイバ等への結合が容易な分光器が実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のモノクロメータによれば、従来のものよりも波長分解能の向上を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るモノクロメータの第１実施形態を示す図であって、加分散配列のモノクロメータの概略斜視図、図２は本発明に係るモノクロメータの第２実施形態を示す図であって、差分散配列のモノクロメータの概略斜視図、図３は本発明に係るモノクロメータの第３実施形態を示す概略斜視図、図４は本発明に係るモノクロメータの第４実施形態を示す概略斜視図、図５は第１実施形態の加分散配列のモノクロメータの光の進行を示す上面図、図６は図５の側面図、図７は第２実施形態の差分散配列のモノクロメータの光の進行を示す上面図、図８は図７の側面図、図９は回折格子への入射光の入射角と回折角の説明図、図１０は光学配置の一例を示す説明図である。
【００１３】
（第１実施形態）
まず、本発明に係るモノクロメータの第１実施形態における構成について図１を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に示すように、第１実施形態におけるモノクロメータ１（１Ａ）は、被測定光を入射する光入射部２と、入射光を平行光に変換するコリメータ３と、入射光を分散分光する第１の回折格子４及び第２の回折格子５と、第２の回折格子５からの光を反射する第１のコーナーミラー６と、第１のコーナーミラー６で折り返された光を再び第２の回折格子５と第１の回折格子４に入射し、その回折光を集光する集光器７と、集光位置に設けられた第１のスリット８と、集光された光の光路を変更する第２のコーナーミラー９と、第１のスリット８を通過した光を再び第１の回折格子４と第２の回折格子５と第１のコーナーミラー６と第２の回折格子５と第１の回折格子４とコリメータ３を順次介して再び分散分光されて集光される位置に配置された第２のスリット１０を備え、第１の回折格子４を回動する構成となっている。
【００１５】
光入射部２は、例えば光ファイバで構成され、被測定光である入射光をコリメータ３に出射するようになっている。
【００１６】
第１の回折格子４及び第２の回折格子５には、それぞれ、刻線数が８００本／ｍｍ程度の格子が形成されており、入射された光を分散分光するようになっている。ここで、第１の回折格子４は、例えば回転モータの回転軸に連結されており、図１の刻線方向を軸に図５に示すように回動自在となっている。また、第１の回折格子４及び第２の回折格子５は、第１の回折格子４の回折光が第２の回折格子５で更に回折され、その回折光の角分散が第１の回折格子４の回折光に比べ、増加する加分散配列を構成している。
【００１７】
加分散配列とは、波長が増加したとき、第１の回折格子４の回折角が増して第２の回折格子５の入射角が減るように配置されたものを指す。
【００１８】
コリメータ３から平行光を入射して第１の回折格子４で分散分光した第１の回折光は、その回折光を第２の回折格子５に出射する。第１の回折格子４からの回折光を入射して第２の回折格子５で分散分光した第２の回折光は、その回折光を第１のコーナーミラー６に入射する。
【００１９】
第１のコーナーミラー６で折り返された光は再び第２の回折格子５に入射し、その回折光を第１の回折格子４に出射し、その回折光が集光器７で集光されて第２のコーナーミラー９に入射される。集光器７の集光位置には第１のスリット８が配置されている。
【００２０】
第１のスリット８を通過した光は再び第１の回折格子４と第２の回折格子５と第１のコーナーミラー６と第２の回折格子５と第１の回折格子４を介してコリメータ３で集光される。コリメータ３の集光位置には第２のスリット１０が配置されている。なお、第２のスリット１０に替えて、例えば出射用の光ファイバを設ける構成としてもよい。
【００２１】
上記で説明した光入射部２から第１のスリット８までの光路を以下「第１パス」、第１のスリット８以降から第２のスリット１０までの光路を以下「第２パス」と呼ぶ。
【００２２】
第２の回折格子５は固定されており、第１の回折格子４を回動させながら第２のスリット１０を通過した光の光強度を検出することにより、光スペクトルを測定することが可能となる。
【００２３】
この第１実施形態においては、集光器７で集光された光を第２のコーナーミラー９で第１の回折格子４及び第２の回折格子５の刻線方向に垂直な平面に折り返すようになっている。
【００２４】
また、光入射部２と第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置をコリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、コリメータ３の中心と集光器７の中心と第２のコーナーミラー９の稜線が同一平面内に存在するように配置されている。
【００２５】
この構成の場合、第１のパスと第２のパスは加分散配列をなし、また波長分散方向に対する第１のパスと第２のパスでの各回折格子４，５の入射角と回折角は同じ角度となり、異なる波長を入射したときに回折格子４（又は５）を回転させても第１のパスと第２のパスは等価となり、波長同調のとれた測定が可能となる。
【００２６】
尚、第２のコーナーミラー９の折り返す方向を分光器の基盤と平行な平面から僅かに高い方向に傾けることにより、光入射部２より僅かに高い位置で集光することができる。従って、光入射部２と第２のスリット１０を分光器の基盤と平行な同一平面内に配置したくない場合には、第２のコーナーミラー９の折り返す方向を分光器の基盤と平行な平面から僅かに傾ければ良い。
【００２７】
（第２実施形態）
図２に示すように、第２実施形態のモノクロメータ１（１Ｂ）においては、第２のコーナーミラー９で第１の回折格子４及び第２の回折格子５の刻線方向に折り返すようになっている。なお、構成要素については上述した図１に示す第１実施形態のモノクロメータ１Ａと同様であるので、同一番号を付している。
【００２８】
また、光入射部２と第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置とがコリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、光入射部２とコリメータ３の中心と集光器７の中心と第１のスリット８とが同一平面上に存在するように配置している。
【００２９】
この構成の場合には、第１のパスと第２のパスは差分散配列をなし、また波長分散方向に対する第１のパスと第２のパスでの各回折格子４，５の入射角と回折角は同じ角度となり、波長同調のとれた測定が可能となる。
【００３０】
また、本構成の場合には、波長分解能は第１のスリット８での線分散によって決まり、第２のスリット１０では線分散はゼロ分散の光となって第１のスリット８を通過した波長成分の光が１点に集光される。
【００３１】
例えば、コリメータ３の中心を含む分光器の基盤と平行な平面から、僅かに低い位置から光を入射すれば、第２のスリット１０での光の集光位置はコリメータ３の中心を含む分光器の基盤と平行な平面から同じだけ僅かに高い位置で光は集光する。これは、光入射部２と第２のスリット１０を分光器の基盤と平行な同一平面内に配置したくない場合に有効な手段となる。
【００３２】
（第３および第４実施形態）
図３に示す第３実施形態のモノクロメータ１（１Ｃ）、図４に示す第４実施形態のモノクロメータ１（１Ｄ）において、コリメータ３と第１の回折格子４間及び第１の回折格子４と集光器７間を跨がった光路上には光ビーム幅拡張手段１１が設けられている。この光ビーム幅拡張手段１１は、断面が直角三角形の三角柱に形成された２つのプリズム１１Ａ，１１Ｂで構成される。さらに説明すると、２つのプリズム１１Ａ，１１Ｂは、断面の斜辺を形成する面１１ａ，１１ｂに入射された光のビーム幅のうち、直角三角形の断面に沿った方向のビーム幅を広げて直交２辺の一方を形成する面１１ｃ，１１ｄと直交する方向にその平行度を保ったまま出射している。そして、プリズム１１Ａ，１１Ｂによる光ビーム幅拡張手段１１を用いれば、小型でありながら回折格子４に入射する光ビーム幅を大きくすることができ、より小型かつ高分解能なモノクロメータを実現することも可能となる。
【００３３】
尚、図３及び図４において、他の構成要素については上述した図１や図２に示すモノクロメータ１Ａ，１Ｂと同様であるので、同一番号を付して説明を省略している。また、図２と図４では、光の入出力の位置を隣接した位置に配置しているが、光の入出力位置を同一の位置として光ファイバで取り出し、サーキュレータを用いて光の入出力を行う構成とすることも可能である。
【００３４】
次に、上述した第１実施形態の構成による加分散配列のモノクロメータの実施例について図５及び図６を参照しながら説明する。尚、図５及び図６中に記載されている（）付き番号は光の進行する順番を示す。
【００３５】
図５及び図６では、第２の回折格子５で回折され集光器７で集光された光を第２のコーナーミラー９で同一刻線方向の第１の回折格子４及び第２の回折格子５の刻線方向に垂直な平面で折り返し、光入射部２と第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置とがコリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、コリメータ３の中心と集光器７の中心と第２のコーナーミラー９の稜線が同一平面となるように配置した。
【００３６】
また、第１の回折から第４の回折については、第１の回折格子４を回動可能とし、第２の回折格子５を固定として、常に第２の回折光が第１のコーナーミラー６で逆方向に反射されて第２の回折格子５に再入射するようにした。
【００３７】
この場合、第２の回折光は第１のコーナーミラー６に波長分散方向において直角に入射して、第２の回折光の回祈角と第３の回折光の入射角とを等しくすることが必要となる。
【００３８】
従って、第１のコーナーミラー６の配置角度に応じて、第２の回折光の入射角は下式を満足することが必要となる。第２回折光の入射角をｉ２、回折角をβ２とすると、ｍλ＝ｄ（ｓｉｎｉ２＋ｓｉｎβ２）より、
ｓｉｎｉ２＝ｍλ／ｄ−ｓｉｎβ２…（１）
【００３９】
ここで、第２の回折格子５は固定であるため、ｓｉｎβ２は第１のコーナーミラー６の配置角度と第２の回折格子５によって決定される定数となる。
【００４０】
第１の回折格子４は、第１の回折格子４の回折光が第２の回折格子５の入射角がｓｉｎｉ２〔（１）式より〕となるように回動させる。
尚、第１の回折格子４を固定とし、第２の回折格子５を回動しても実現可能である。
【００４１】
本実施例においては、使用波長帯の中心波長における第１の回折光の回折角（β１）と第２の回折光の入射角（ｉ２）をほぼ等しく（ｉ２≒β１）し、第２の回折光の回折角（β２）と第３の回折光の入射角（ｉ３）をほぼ等しく（ｉ３≒β２）して、第３回折光の回折角（β３）と第の４回折光の入射角（ｉ４）と第１の回折光の回折角（β１）とがぼぼ等しく（ｉ４≒β１≒β３）なるようにした。
【００４２】
さらに、第２の回折格子５で回折され集光器７で集光された光を第２のコーナーミラー９で第１の回折格子４及び第２の回折格子５の刻線方向に垂直な平面で折り返すことで、第１のパス（第１の回折から第４の回折）と第２のパス（第５の回折から第８の回折）を加分散配列とし、第１パスと第２パスの波長の分散方向に対する各回折格子４，５の入射角と回折角が等しくなるようにして、異なる波長を入射したときに回折格子４（又は５）を回転させても第１のパスと第２のパスの波長同調がとれるようにした。
【００４３】
次に、上述した第２実施形態の構成による差分散配列のモノクロメータの実施例について図７及び図８を参照しながら説明する。尚、図７及び図８中に記載されている（）付き番号は光の進行する順番を示す。
【００４４】
図７及び図８では、第２の回折格子５で回折され集光器７で集光された光を第２のコーナーミラー９で同一刻線方向の第１の回折格子４及び第２の回折格子５の刻線方向に折り返し、光入射部２と第２のスリット１０に向かう回折光の集光位置をコリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置し、コリメータ３の中心と集光器７の中心と第１のスリット８が同一平面となるように配置した。
【００４５】
この構成では、第１のパスと第２のパスは零分散配列をなし、第１パスと第２パスの波長の分散方向に対する各回折格子４，５の入射角と回折角が等しくなるようにして、異なる波長を入射したときも波長同調がとれるようにしている。
【００４６】
本構成で、第１のスリット８を通過した各波長成分の光が第２のスリット１０では零分散の光となり、１点に集光されること以外は、図５及び図６と同様なため、その他の説明は省略する。
【００４７】
ここで、図９を参照しながら上述した図５〜図８の配置における回折格子への入射光の入射角と回折角の関係について説明を加える。
【００４８】
図９において、回折格子４（５）への入射光の入射角と回折角の関係式は、回折次数（ｍ）、波長（λ）、格子定数（ｄ）、回折格子の入射角（ｉ）、回折角（β）を用いて下式で表される。
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎｉ＋ｓｉｎβ）…（ａ）
【００４９】
（ａ）は、三角関数の和積の公式を用いれば、下式に書き換えられる。
ｍλ＝２ｄ・ｃｏｓ｛（ｉ−β）／２｝・ｓｉｎ｛（ｉ＋β）／２｝…（ｂ）
式（ｂ）において（ｉ−β）／２＝γとおけば、下式でも表される。
ｍλ＝２ｄ・ｃｏｓγ・ｓｉｎ（ｉ−γ）…（ｃ）
【００５０】
例えば、刻線数：８００本／ｍｍの回折格子４（５）に入射角６５ｄｅｇで入射すると、
波長１５５０ｎｍの回折角（β）は１９．５ｄｅｇ、２γ＝４５．５
波長１５００ｎｍの回折角（β）は１７．１ｄｅｇ、２γ＝４７．９
波長１６００ｎｍの回折角（β）は２１．９ｄｅｇ、２γ＝４３．１  となる。
【００５１】
使用波長帯１５００ｎｍから１６００ｎｍでは、回折角が１７．１〜２１．９ｄｅｇと、約５ｄｅｇ程度の角度差をもつため、使用する光学部品はこれらの角度差を許容するだけ大き目の光学部品を使用すれば良い。
【００５２】
次に、光学配置の例について図１０を参照しながら説明する。
第１の回折格子４と第２の回折格子５の刻線方向は紙面に垂直な方向で、刻線数は同じものを用いている。
【００５３】
例えば、測定波長範囲のセンタ波長における第１の回折格子４の入射角をｉ１、回折角をβ１、入射角と回折角のなす角を２・γ１とし、第２の回折格子５の入射角ｉ２、回折角をβ２、入射角と回折角のなす角を２・γ２とする。
【００５４】
ここで同図のように底角が２つの角が（９０−β１）である二等辺三角形ＥＢＦを考え、その中線ＥＡについて第１の回折格子４の対称位置に架空の第２の回折格子を配置する。また、第１の回折格子４の入射光をＡＢとし、回折光をＢＦとする。
【００５５】
この場合、第１の回折格子４と架空の第２の回折格子の入射角と回折角を比較すると、第１の回折光の回折角と第２の回折光の入射角は等しく（β１＝ｉ２）、第２の回折光の回折角と第３の回折光の入射角は等しく（β２＝ｉ３）、第３の回折光の回折角と第４の回折光の入射角は等しく（β３＝ｉ４）なる。
【００５６】
ここで、この架空の第２の回折格子を光学配置可能な第２の回折格子５の位置まで平行移動する。
【００５７】
第２の回折格子５が固定で第１の回折格子４が回動可能な場合には、波長（λ）を変化させるために第１の回折格子４を回折格子の刻線に平行な軸で回転させる。
【００５８】
固定された第２の回折格子５の回折光が第１のコーナーミラー６で１８０度反射、すなわち第２の回折光の回折角と第３の回折光の入射角が等しいので、第２の回折光入射角は前述した（１）式、すなわちｓｉｎｉ２＝ｍλ／ｄ−ｓｉｎβ２を満たす必要がある。なお、ｓｉｎβ２は第１のコーナーミラー６の配置角度と第２の回折格子５によって決定される定数である。
【００５９】
上記の第１の回折から第４の回折、すなわち第１のパスは加分散配列となり、第４の回折光の角分散は第１の回折光の角分散の４倍のｄβ４／ｄλ＝４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）となる。
【００６０】
同様に光入射部２と第２のスリット１０に向う回折光の集光位置をコリメータ３の中心光軸に対して対称となるように配置しており、波長同調がとれる。
【００６１】
ここで、回折光の角分散について補足する。
第１の回折格子４の回折次数をｍ１、格子定数をｄ１とし、回折格子への入射角をｉ１、回折角をβ１とすると、波長λを入射した場合には、下式が成り立つ。
ｍλ＝ｄ１（ｓｉｎｉ１＋ｓｉｎβ１）…（２）
【００６２】
また、第２の回折格子５の回折次数をｍ、格子定数をｄ２とし、回折格子への入射角度をｉ２、回折角をβ２とすると、波長λを入射した場合には、下式が成り立つ。
ｍλ＝ｄ２（ｓｉｎｉ２＋ｓｉｎβ２）…（３）
【００６３】
図５及び図６の実施例のように、第１の回折格子４と第２の回折格子５が加分散配列（すなわち、波長が増加したときに第１の回折格子４の回折角が増加して第２の回折格子５の入射角が減少するように配置されたもの）の場合には、波長（λ＋△λ）の光を入射した時の各回折格子の回折角変化量は、下式で表される。
【００６４】
第１の回折格子４の（２）式を波長で微分すると、
ｍ＝ｄ１・ｃｏｓβ１・ｄβ１／ｄλ…（４）
【００６５】
第２の回折格子５の（３）式を波長で微分すると、
ｍ＝ｄ２（ｃｏｓｉ２・ｄｉ２／ｄλ＋ｃｏｓβ２・ｄβ２／ｄλ）…（５）
【００６６】
第１の回折格子４の回折光の角分散（波長に対する回折角変化量）は、（４）式より、下式で表される。
ｄβ１／ｄλ＝ｍ／ｄ１・ｃｏｓβ１…（６）
【００６７】
次に、加分散配列における第２の回折格子５の回折光の角分散を求める。
第２の回折格子５の入射角と第１の回折格子４の回折角の波長に対する変化率は等しく成るため、次式が成り立つ。
ｄｉ２／ｄλ＝−ｄβ１／ｄλ…（７）
これを、（５）式に代入すると、以下のようになる。
ｍ＝ｄ２（ｃｏｓｉ２・ｄｉ２／ｄλ＋ｃｏｓβ２・ｄβ２／ｄλ）（←（５）式）
⇒ｍ＝ｄ２（−ｃｏｓｉ２・ｄβ１／ｄλ＋ｃｏｓβ２・ｄβ２／ｄλ）（←（７）式を代入）
⇒ｍ／ｄ２＋ｃｏｓｉ２・ｄβ１／ｄλ＝ｃｏｓβ２・ｄβ２／ｄλ
⇒ｄβ２／ｄλ＝ｍ／（ｄ２・ｃｏｓβ２）＋（ｃｏｓｉ２／ｃｏｓβ２）・ｄβ１／ｄλ…（８）
【００６８】
さらに（８）式に、第１の回折格子４の角分散である（６）式（ｄβ１／ｄλ＝ｍ／ｄ１・ｃｏｓβ１）を代入すると、第２の回折格子５の回折光の角分散（波長に対する回折角変化量）は、下式となる。
ｄβ２／ｄλ＝ｍ／（ｄ２・ｃｏｓβ２）
＋ｃｏｓｉ２・ｍ／（ｄ１・ｃｏｓβ１・ｃｏｓβ２）
＝（ｍ／ｄ２）（１／ｃｏｓβ２）
＋（ｍ／ｄ１）｛ｃｏｓｉ２／（ｃｏｓβ１・ｃｏｓβ２）｝
＝｛（ｍ／ｄ２）・ｃｏｓβ１
＋（ｍ／ｄ１）×ｃｏｓｉ２｝／（ｃｏｓβ１・ｃｏｓβ２）…（９）
となる。
【００６９】
ここで、第１の回折格子４と第２の回折格子５の刻線数が等しい回折格子を用いた場合にはｄ１＝ｄ２となり、（９）式より、第２の回折光の角分散は下式で表される。
ｄβ２／ｄλ＝（ｍ／ｄ）
×（ｃｏｓβ１＋ｃｏｓｉ２）／（ｃｏｓβ１・ｃｏｓβ２）
＝｛ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ１）｝・｛（ｃｃｓβ１＋ｃｏｓｉ２）／ｃｏｓβ２｝…（１０）
【００７０】
第１の回折格子４と第２の回折格子５とで刻線数が等しい（ｄ＝ｄ１＝ｄ２）回折格子を用い、第１の回折格子４による第１の回折、第２の回折格子５による第２の回折後、第１のコーナーミラー６で折り返し、ぼぼ同一の逆光路で戻して第２の回折格子５による第３の回折、第１の回折格子４による第４の回折をさせる図５及び図６の例の場合について説明する。
【００７１】
第２の回折光の角分散は（１０）式で表された。そして、第１の回折格子４の回折角と第２の回折格子の入射角がほぼ等しい（ｉ２＝β１）場合には、第２回折格子５の回折光の角分散は、（１０）式より下式となる。
ｄβ２／ｄλ＝｛ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ１）｝・｛（ｃｏｓβ１＋ｃｏｓβ１）／ｃｏｓβ２｝＝２ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ２）…（１１）
【００７２】
第１のコーナーミラー６で折り返した光が第２の回折格子５に入射する第３の回折光の入射角をｉ３、回折角をβ３とすると、下式の関係が成り立つ。
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎｉ３＋ｓｉｎβ３）…（１２）
【００７３】
（１２）式を波長で微分すると、
ｍ＝ｄ（ｃｏｓｉ３・ｄｉ３／ｄλ＋ｃｏｓβ３・ｄβ３／ｄλ）…（１３）
【００７４】
図５及び図６の例のように、第２の回折光を第１のコーナーミラー６で反射させて、再び第２の回折格子５で回折させる第３の回折光は加分散配列となり、第２の回折光の回折角と第３の回折光の入射角は下記の関係にある。
ｄｉ３／ｄλ＝−ｄβ２／ｄλ…（１４）
【００７５】
（１３）式は、（１４）式を用いて、次のように展開でき、第３の回折光の角分散は下式で表される。
ｍ＝ｄ（ｃｏｓｉ３・ｄｉ３／ｄλ＋ｃｏｓβ３・ｄβ３／ｄλ）（←（１３）式）
ｍ＝ｄ（−ｃｏｓｉ３・ｄβ２／ｄλ＋ｃｏｓβ３・ｄβ３／ｄλ）（←（１４）式を代入）
（ｍ／ｄ）＋ｃｏｓｉ３・ｄβ２／ｄλ＝ｃｏｓβ３・ｄβ３／ｄλ
ｄβ３／ｄλ＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）＋（ｃｏｓｉ３／ｃｏｓβ３）・ｄβ２／ｄλ…（１５）
【００７６】
第２の回折格子５の回折角と第３の回折格子の入射角がほぼ等しい（ｉ３＝β２）場合には、第３の回折光の角分散は下式で表される。第２の回折の角分散はｄβ２／ｄλ＝２ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ２）［（１１）式］であるから、（１５）式は次のよう展開できる。
ｄβ３／ｄλ＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）＋（ｃｏｓβ２／ｃｏｓβ３）・ｄβ２／ｄλ＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）＋（ｃｏｓβ２／ｃｏｓβ３）・２ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ２）  （←（１０）式を代入）
＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）＋（２ｍ／ｄｃｏｓβ３）
＝３ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）…（１６）
【００７７】
第３の回折光が第１の回折格子４に入射して回折する第４の回折光の入射角をｉ４、回折角をβ４とすると、下式の関係が成り立つ。
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎｉ４＋ｓｉｎβ４）…（１７）
（１７）式を波長で微分すると、
ｍ＝ｄ（ｃｏｓｉ４・ｄｉ４／ｄλ＋ｃｏｓβ４・ｄβ４／ｄλ）…（１８）
第３の回折光と第４の回折光は第１の回折光と第２の回折光の関係と同様に加分散配列であり、下式が成り立つ。
ｄｉ４／ｄλ＝−ｄβ３／ｄλ…（１９）
（１８）式は、（１９）式を用いて、次のように展開でき、第４の回折光の角分散は下式で表される。
ｍ＝ｄ（ｃｏｓｉ４・ｄｉ４／ｄλ＋ｃｏｓβ４・ｄβ４／ｄλ）（←（１８）式）
ｍ＝ｄ（−ｃｏｓｉ４・ｄβ３／ｄλ＋ｃｏｓβ４・ｄβ４／ｄλ）（←（１９）式を代入）
（ｍ／ｄ）＋ｃｏｓｉ４・ｄβ３／ｄλ＝ｃｏｓβ４・ｄβ４／ｄλ
ｄβ４／ｄλ＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ４）＋（ｃｏｓｉ４／ｃｏｓβ４）・ｄβ３／ｄλ…（２０）
第３の回折光の回折角と第４の回折光の入射角がほぼ等しい（ｉ４＝β３＝β１）場合には、第４の回祈光の角分散は下式で表される。第３の回折の角分散はｄβ３／ｄλ＝３ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）［（１６）式］であるから、（２０）式は次のよう展開できる。
ｄβ４／ｄλ＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ４）＋（ｃｏｓβ３／ｃｏｓβ４）・ｄβ３／ｄλ
＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ４）＋（ｃｏｓβ３／ｃｏｓβ４）・３ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ３）（←（１６）式を代入）
＝ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ４）＋（３ｍ／ｄ・ｃｏｓβ４）
＝４ｍ／（ｄ・ｃｏｓβ４）
＝４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）…（２１）
【００７８】
（６）式および（２１）式の比較から、第４回折光は第１回折光の４倍の角分散となることがわかる。そして、第１の回折格子４への入射角をできるだけ大きくなるように配置することで、より大きな角分散を得ることができ、高分解能の分光器を実現することができる。
【００７９】
ここまで、第１の回折から第４の回折までの第１のパスについて説明したが、図５及び図６の例のように第４の回折光を回折格子の刻線方向と直交する方向に第２のコーナーミラー９で曲げて折り返し、再び第２のパスの回折を行なう場合には、第１のパスと第２のパスは加分散配列となる。また、図５及び図６の例では、第１のパスと第２のパスが等価な配置であるため、計８回の回折により第２スリットでの回折光の角分散は下式のように、第１パスの角分散と第２パスの角分散の和となる角分散が得られる。
【００８０】
すなわち、図５及び図６の例の場合には、下記式のようになる。
ｄβ８／ｄλ＝４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）＋４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）
＝８ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）
【００８１】
また、図７及び図８の例のように第４の回折光を回折格子の刻線方向に第２のコーナーミラー９で曲げて折り返し、再び第２のパスの回折を行なう場合には、第１のパスと第２のパスは零分散の配置となるため、計８回の回折により第２スリツトでの回折光の角分散は下式のように、第１パスの角分散と第２パスの角分散の差となる角分散となり、図７及び図８の例では零分散となる。この場合、分光器としての分解能は第１のスリット８での線分散によって決まる。
【００８２】
すなわち、図７及び図８の例の場舎には、下記式のようになる。
ｄβ８／ｄλ＝４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）−４ｍ／（ｄ・ｃｏｓｉ１）
＝０
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上のように、本発明に係るモノクロメータは、従来のものよりも波長分解能の向上を図ることができるという効果を有し、回折格子を備えたモノクロメータ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係るモノクロメータの第１実施形態を示す図であって、加分散配列のモノクロメータの概略斜視図である。
【図２】本発明に係るモノクロメータの第２実施形態を示す図であって、差分散配列のモノクロメータの概略斜視図である。
【図３】本発明に係るモノクロメータの第３実施形態を示す概略斜視図である。
【図４】本発明に係るモノクロメータの第４実施形態を示す概略斜視図である。
【図５】第１実施形態の加分散配列のモノクロメータの光の進行を示す上面図である。
【図６】図５の側面図である。
【図７】第２実施形態の差分散配列のモノクロメータの光の進行を示す上面図である。
【図８】図７の側面図である。
【図９】回折格子への入射光の入射角と回折角の説明図である。
【図１０】光学配置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８５】
１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ）  モノクロメータ
２  光入射部
３  コリメータ
４  第１の回折格子
５  第２の回折格子
６  第１のコーナーミラー
７  集光器
８  第１のスリット
９  第２のコーナーミラー
１０  第２のスリット
１１  光ビーム幅拡張手段
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  プリズム
【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】
2009264895.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009264895.tif 000011
【図１０】
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