(57)【要約】本発明は，ハウジング（１１）のアパーチャ（１）の反対側に配置され，アパーチャ（１）の法線に対して４５°未満の角度に向けられた平面の光学格子（２）が配置されたハウジング（１１）と，対物レンズ系（６）と，センサ素子（７）とを備える分光計に関する。アパーチャ（１）は電磁放射線がアパーチャ（１）の法線と平行に入射する場合，光学格子（２）の表面は完全に照射されるように寸法決めされる。センサ素子（７）に電磁放射線を集中させるため，対物レンズ系（６）は，光学格子（２）によって回折された電磁放射線の１次またはそれ以上の回折次数のみが，対物レンズ系（６）及びセンサ素子（７）に向かうように，光学格子（２）とセンサ素子（７）の間に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１１）のアパーチャ（１）の反対側に配置され，アパーチャ（１）の法線に対して４５°未満の角度に向けられた平面の光学格子（２）が配置されたハウジング（１１）と，対物レンズ系（６）と，センサ素子（７）とを備え，
アパーチャ（１）は電磁放射線がアパーチャ（１）の法線と平行に入射する場合，光学格子（２）の表面は完全に照射されるように寸法決めされ，
センサ素子（７）に電磁放射線を集束せるため，対物レンズ系（６）は，光学格子（２）によって回折された電磁放射線の１次またはそれ以上の回折次数のみが，対物レンズ系（６）及びセンサ素子（７）に向かうように，光学格子（２）とセンサ素子（７）の間に配置される，分光計。
【請求項２】
前記アパーチャ（１）からの入射電磁放射線が前記光学格子（２）に直接通過することを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記アパーチャ（１）が，少なくとも０．５ｍｍから２．５ｍｍの間，好ましくは１ｍｍの直径または幅を有することを特徴とする，請求項１または請求項２に記載の分光計。
【請求項４】
前記光学格子（２）が法線に対して位置合わせされる角度が５°から１５°の間，好ましくは７°から１０°の間，特に好ましくは７．５°であることを特徴とする，先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項５】
前記アパーチャ（１）と前記光学格子（２）との間の距離が１ｍｍから４０ｍｍ，好ましくは１０ｍｍから３０ｍｍ，特に好ましくは２０ｍｍに維持されることを特徴とする，先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項６】
前記光学格子（２）は，入射電磁放射線の少なくとも９０％を反射するコーティングが施されていることを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項７】
前記対物レンズ系（６）が少なくとも２つの集束レンズを有することを特徴とする，先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項８】
前記対物レンズ系（６）は，１〜４ｍｍ，好ましくは２ｍｍの焦点距離を有することを特徴とする，先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項９】
前記センサ素子（７）は，フォトダイオードラインアレイまたはイメージセンサであることを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１０】
先行する請求項のいずれか１項に記載の分光計を有する携帯電話（１３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
全体の構成の小型化が達成される様々な分光計は，従来技術から知られている。例えば，特許文献１は，わずかな光学要素しか持たない小型分光計を開示している。しかしながら，この構成には，高価な湾曲した光学格子，小さなアパーチャ，および電気光学変調器が必要である。ミラーやレンズなど，光学格子の上流(upstream)で多数の光学素子を使用する場合，散乱光が大きな問題になる。したがって，特許文献２では，入射アパーチャの下流（downstream）の第２のアパーチャを使用して，入射ビームの範囲を定めている。しかしながら，これは分光計の感度を同様に制限する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６８７０６１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／０１８８５４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって，本発明は，前述の欠点を回避する，すなわち，可能な限り少ない光学素子で高感度の小型化された構造を達成できる分光計を提案する目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
分光計は，ハウジングのアパーチャの反対側に配置された平面の光学格子と，対物レンズ系（objective arrangement）と，センサ素子が配置されたハウジングとを有する。光学格子は，アパーチャの法線（normal）に対して４５°未満の角度で配置される。アパーチャは，アパーチャの法線に平行に入射する電磁放射線の場合に，光学格子の表面が完全に照射されるような寸法になっている。入射電磁放射線をセンサ素子に集束させるため，光学格子によって回折される電磁放射線の１次回折または高次回折のみが対物レンズ系とセンサ素子に向けられるように，対物レンズ系は，光学格子とセンサ素子の間に配置される。
【０００６】
平面，つまり平面状の光学格子を使用することにより，構造部品を簡単に設計および設置できる。点線源（point source）が得られないように寸法が正確に選択されている比較的大きなアパーチャにより，多くの電磁放射線が光学格子に入射するため，分光計全体の感度が非常に高くなる。これはさらに鋭角でサポートされており，分光計全体のコンパクトな構成も容易になる。ここで，光学格子を完全に照射するとは，特に，アパーチャに面する光学格子の表面全体が入射電磁放射線によって照射されることを意味すると理解されるべきである。この場合，角度は，平面の光学格子の表面からアパーチャの法線に向けられ，第２の角度レグ（a second angle leg）として，アパーチャの法線から平面の光学格子の表面に向けられると理解することができる。
【０００７】
入射電磁放射線は，通常，アパーチャから光学格子に直接通過する。ミラーや追加のアパーチャなどの光学要素を追加する必要がないため，構造全体がシンプルでコンパクトになり，散乱光はほとんど発生しません。
【０００８】
アパーチャは，少なくとも０．５ｍｍから２．５ｍｍの間の直径または幅を有してもよい。直径または幅は１ｍｍが好ましい。アパーチャ自体は，ハウジングの長方形，特に正方形，または円形の開口として形成されてもよい。これにより，比較的大きなアパーチャで可能な限り多くの電磁放射線を捕捉できる。
【０００９】
光学格子が法線に対して位置合わせされる角度は，平坦な構造を可能にし，必要なスペースを小さくするために，５°〜１５°，好ましくは７°〜１０°，特に好ましくは７．５°としてもよい。
【００１０】
アパーチャと光学格子との間の距離は，典型的には１ｍｍ〜４０ｍｍ，好ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍ，特に好ましくは２０ｍｍであり，これに対応して分光計はコンパクトなサイズを有する。
【００１１】
センサ素子で十分に高い強度を達成するために，光学格子には，入射電磁放射線の少なくとも９０％，好ましくは少なくとも９５％，特に好ましくは少なくとも９９％を反射するコーティングを設けてもよい。コーティングは，好ましくはアルミニウムを含むか，アルミニウムで形成される。
【００１２】
対物レンズ系は，信頼性の高い焦点調整を確保するために，少なくとも２つの集束レンズを備えてもよい。
【００１３】
対物レンズ系の焦点距離は，通常１ｍｍ〜４ｍｍ，好ましくは２ｍｍである。
【００１４】
センサ素子は，フォトダイオードラインアレイまたはＣＣＤラインアレイ（電荷結合素子）またはイメージセンサ，例えばＣＭＯＳセンサ（相補型金属酸化物半導体）またはＣＣＤセンサであってもよい。
【００１５】
センサ素子は通常，３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視波長範囲の電磁放射線に感度がある。代替的にまたは追加として，センサ素子は，赤外線波長範囲，特に７８０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長，または紫外線波長範囲，特に２００ｎｍ〜３８０ｎｍの波長の電磁放射線に対しても感度があってもよい。しかしながら，少なくとも光学格子の格子周期及び傾斜角の１つは，典型的には，検出される波長に応じて調整される。
【００１６】
携帯電話は上述の分光計を備えていることが好ましい。この場合，携帯電話は，携帯電話のハウジングに組み込まれた分光計と，携帯電話に取り付けられた分光計のいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば，この目的は，請求項１に記載の分光計によって達成される。有利な改良および開発は，従属請求項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
分光計の例示的な実施形態が図面に示されており，図１および図２を参照して以下に説明される。
【図１】分光計の概略側面図を示している。
【図２】分光計を備えた携帯電話の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に，分光計の概略側面図を示す。可視波長範囲の電磁放射線のビーム５は，アパーチャ１を通って分光計のハウジング１１，プラスチックまたは金属からなるこのハウジング１１の内部空間３に入る。
【００２０】
図示された例示的な実施形態のアパーチャ１は円形であり，１ｍｍの直径を有し，その結果，分光計の入口においてアパーチャ１によって点光源は生成されない。アパーチャ１のサイズにより，アパーチャ１の面積のサイズと入射する放射強度または光強度との間に二次の関係があるため，分光計は非常に感度が高い。
【００２１】
電磁放射線は，アパーチャ１から，２００ｎｍから１２００ｎｍ，好ましくは４００ｎｍから７００ｎｍの格子定数を有する光学格子２に入射し，この格子は，ホルダーでハウジング１１に取り付けられている。電磁放射線のビーム経路には他の光学要素が配置されていないため，散乱光の形成は最小限に抑えられ，さらなるアパーチャは必要ない。図示された実施形態では，光学格子２は，アパーチャ１の法線に平行に向けられた電磁放射線の伝搬方向に対して７．５°の浅い角度４で傾斜している。アパーチャ１と光学格子２との間の距離は２０ｍｍである。
【００２２】
アパーチャ１の法線に平行に入射する電磁放射線の場合，アパーチャ１は，アパーチャ１に面する光学格子２の表面が完全に照射されるように寸法決めされる。したがって，光学格子２は，少なくともアパーチャ１を通過する入射ビーム５の直径のサイズを有してもよいが，光学格子２の面積は放射ビーム５より小さくしてもよい。
【００２３】
光学格子２は，反射回折格子として，入射強度の少なくとも９０％を反射する高反射アルミニウムコーティングを備えている。光学格子２の傾斜角４はブラッグ（Bragg）の条件により決定され，光学格子２の格子周期と入射電磁放射線の波長範囲に依存する。この入射電磁放射線は，光学格子２とは異なる角度範囲で反射されるため，１次回折９は２つの平凸レンズから構成される対物レンズ系６に入射する。
【００２４】
この対物レンズ系６は，電磁放射線の伝搬方向に対して９０°の角度で配置されている。０次回折次数８は，対物レンズ系６ではなく，内部空間３のハウジング１１の内壁に照射される。対物レンズ系６の焦点１０は，光学格子２の表面上の対物レンズ系６の一方側にあり，イメージセンサ７の反対側にある。対物レンズ系６には，散乱光がイメージセンサ７に到達するのを防ぐために第２のアパーチャ１２が設けられている。第２のアパーチャは，１ｍｍから１０ｍｍの間の直径または幅を有する。対物レンズ系６の焦点距離は，図示の実施形態では２ｍｍである。これは画像の歪みにつながる可能性があるが，これはイメージセンサ７が電気的に接続されている評価ユニットによって補正することができる。しかしながら，焦点距離は，０次回折８が対物レンズ系６に当たらないように選択する必要がある。
【００２５】
対物レンズ系６は，イメージセンサ７のサイズに調整されているので，分析されるスペクトル全体がイメージセンサ７の全範囲にわたって画像化できる。イメージセンサ７が小さければ小さいほど，２つの記録フォーマット（recording formats）の対角線間のアスペクト比を示すいわゆるクロップファクターまたはフォーマットファクターが大きくなり，対物レンズ系６は小さくできる。イメージセンサ７のピクセルサイズは通常１．５μｍである（しかし，他の実施形態では最大６μｍでもよい）が，イメージセンサ７の代わりにフォトダイオードラインアレイを使用する場合，ピクセルサイズは５．５μｍであってもよい。ナイキスト条件を満たすために，これに対応する多数のピクセルが存在する必要がある。
【００２６】
上記で説明し，図１に示した構成では，１ｍｍのアパーチャ径にもかかわらず，スペクトル分解能を１ｎｍにすることができる。
【００２７】
図２は，上述の分光計を有する携帯電話１３，より具体的にはスマートフォンの概略側面図を示している。この図で繰り返される特徴は，前の図と同じ参照符号が付けられている。対物レンズ系６およびイメージセンサ７は，ここでは，携帯電話１３に既に設置されているカメラによって実施することができる。評価ユニットは典型的には携帯電話１３に配置され，携帯電話のディスプレイは分光計の出力ユニットとして機能し，その上で評価ユニットによって決定されたデータが再生（reproduced）される。図２に示す例示的な実施形態では，ハウジング１２を備えた分光計は携帯電話１３上に配置されるが，携帯電話１３のハウジングも分光計を囲むように携帯電話１３に分光計を組み込むようにしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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