JP5016855B2

JP5016855B2 - 分光器及び分光方法

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Publication number: JP5016855B2
Application number: JP2006166150A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎飯田; 紀彦宇都宮
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: US20070291266A1; JP2007333581A; US7688445B2

Description

本発明は、試料の分光特性の測定等に用いられる分光器及び分光方法に関する。

従来の分光器は回折格子が用いられたものが多く、主に図７に示されるような構成がとられている。

光源１０１からの光は入射スリット１０２によって制限され、回転可能な回折格子１０３へ入射される。回折格子１０３へ入射された光は、波長毎に異なる角度へ回折され、特定の波長の光のみが出射スリット１０４を通過し、集光レンズ１０５で集光されて検出器１０６に入る。このような構成の分光器では、回折格子１０３を回転させることによって出射スリット１０４を通過する波長が変化するので、分光測定が可能となる。

また、図８に示される構成をとることにより、回折格子を回転させなくても分光測定が可能となる。図８の構成では、検出器２０４にダイオードアレイを用いており、各ダイオードで各波長に対応した測定データを取得することにより、分光測定を可能としている。

図７に示した構成のように回折格子を回転させる場合、回転角の角度制御の精度が分光測定の精度に大きく影響する。そこで特許文献１には、測定波長精度を高めるため、光源と回折格子との位置関係を固定した分光器本体と、分光器本体の外部に設けられた検出部と、分光器本体と検出部とを相対的に回転移動させる回転移動機構とを有する分光器が提案されている。特許文献１の分光器によれば、回折格子自体を回転させることなく分光を行うことが可能である。

また、凹面回折格子にはローランド円と呼ばれるものが存在する。ローランド円とは、凹面に作った回折格子の中心で接し、その凹面回折格子の曲率半径を直径とする円である。ローランド円上の任意の点にスリットを置いて光を入射し、凹面回折格子で回折を起こすと、収差のないスペクトルがローランド円上に結像する。
特開平７−１９８４８７号公報

特許文献１の分光器のように回折格子と光源との位置関係を固定した分光器本体と検出器とを相対的に回転移動させた場合も、あるいはローランド円上の出射スリットを回転移動させた場合も、測定する波長の精度を高めることは可能である。しかし、出射スリットのみが相対的に動作するため、回折効率が最大となる出射スリットの位置は特定の波長のみでしか実現されない。つまり、出射スリットを通過する光の強度に波長分散があるため、波長によっては光強度におけるノイズ成分が大きくなってしまい、分光精度が低下するという問題が生じる。

そこで本発明は、高精度な分光を行うことが可能な分光器及び分光方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の分光器は、入射された光を波長ごとに分光する凹面回折格子と、該凹面回折格子に光を入射させる入射光導入手段と、前記凹面回折格子によって波長ごとに分光された出射光を受光する出射光受光手段と、を有する分光器において、前記入射光導入手段によって発せられた光の前記凹面回折格子への入射角度を制限する入射開口と、前記凹面回折格子によって波長ごとに分光された出射光の前記出射光受光手段への出射角度を制限する出射開口と、をさらに有し、前記凹面回折格子の溝が鋸歯状であり、分光対象の波長に関して、前記入射開口と前記出射開口が前記凹面回折格子の最大回折効率の位置に配置されるように、前記凹面回折格子と前記入射開口と前記出射開口とのうちの少なくとも２つを前記凹面回折格子が成すローランド円に沿って相対的に回転移動できるように構成し、かつ下記の式を満たすように構成することを特徴とする。

（ただし、Ｂは凹面回折格子のブレーズ角であり、αは凹面回折格子の法線と入射光がなす角度であり、βは凹面回折格子の法線と回折光がなす角度であり、Ｎは単位長さあたりの凹面回折格子の溝の数であり、ｍは回折光の次数であり、λ _B はブレーズ波長である。）

上記本発明によれば、高精度な分光を行うことができる。

図１を参照して、本発明の一実施形態に係る分光器について説明する。

本実施形態の分光器は、光を発する入射光導入手段３０１と、入射光導入手段３０１から発せられた光の凹面回折格子３０３への入射角度を制限する入射開口３０２と、入射開口３０２を通過した光を波長ごとに分光する凹面回折格子３０３とを有している。この分光器はさらに、凹面回折格子３０３で分光波長が選択された光の出射光受光手段３０５への出射角度を制限する出射開口３０４と、出射開口３０４を通過した光を受光する出射光受光手段３０５とを有している。入射開口３０２と出射開口３０４は、それぞれ凹面回折格子３０３のローランド円３０９上に配置されている。分光器は、入射光導入手段３０１及び入射開口３０２をローランド円３０９に沿って回転移動させる入射光学系回転機構３０６と、出射光受光手段３０５及び出射開口３０４をローランド円３０９に沿って回転移動させる検出光学系回転機構３０７とを有している。分光器はまた、凹面回折格子３０３をローランド円３０９に沿って回転移動させる回折格子回転機構３０８を有している。

上記のように構成された本実施形態の分光器によれば、入射光導入手段３０１より発された光は、入射開口３０２を通じて凹面回折格子３０３への入射角が制限されて、凹面回折格子３０３に入射する。凹面回折格子３０３へ入射された光は、凹面回折格子３０３によって回折されて出射開口３０４へ向かう。出射開口３０４からは、凹面回折格子３０３と入射開口３０２と出射開口３０４との配置関係に応じた特定の波長範囲の光が取り出される。このとき、凹面回折格子３０３の回折面の中心と、入射開口３０２と、出射開口３０４とは、凹面回折格子３０３のローランド円３０９上に配置されている。さらに、入射開口３０２および出射開口３０４は、常に回折格子３０３の最大回折効率の位置となる位置に配置されている。これにより、出射開口３０４を通過する波長分光の光強度が高められている。出射開口３０４を通過した光を、分光器の内部もしくは外部に設置された出射光受光手段３０５で受光することにより、特定の波長範囲の光特性を測定することができる。

ここで、「最大回折効率の位置」について説明する。

一般的に回折格子には、形状によらず、回折効率が最大となる位置が存在する。溝形状の一例として、溝の断面形状が鋸歯状である回折格子４０１について、図２を用いて説明する。図２において、溝の斜面４０２に対して、入射光４０３と回折光４０４とが鏡面反射の関係（Ｘ＝Ｙ）にあるとき、回折光４０４にエネルギーの大部分が集中する。本発明では入射光４０３と回折光４０４がこの位置関係あるときを「最大回折効率の位置」ということとする。因みに溝の傾きの角度をブレーズ角（Ｂ）という。

最大回折効率の位置は入射光の波長により変化する。そのため、出射開口３０４が常に最大回折効率の位置にあるように、入射開口３０２、出射開口３０４、凹面回折格子３０３をそれぞれ、入射光学系回転機構３０６、検出光学系回転機構３０７、回折格子回転機構３０８を用いて相対的に回転移動させる必要がある。これにより、高精度な分光測定を行うことが可能となる。なお、入射開口３０２、出射開口３０４、凹面回折格子３０３はローランド円３０９に沿って相対的に回転移動させれば良いので、このうちの１つを固定して、それ以外の２つを回転移動させても分光測定は可能である。

ここで、鋸歯状溝の回折格子に関して「最大回折効率の位置」における、入射光、回折光の位置関係について図３および下記の数式を用いて説明する。

鋸歯状溝の回折格子の法線と入射光がなす角をα、法線と回折光がなす角をβとすると、グレーティング方程式より、

が成り立つ。Ｎは単位長さあたりの溝の数であり、ｍは回折光の次数である。また、ブレーズ角をＢとすると、

が成り立つ。前述のように回折光の進行方向に波長λのエネルギーが集中する。このときの波長がブレーズ波長であり、「λＢ」とする。

式（２）を式（１）に代入することで、

が得られる。分光測定の際、式（３）を満たすように各波長でα、βを調節することで、常に「最大回折効率の位置」の関係が維持される。

以下に、本実施形態の分光器を構成する入射光導入手段３０１、回折格子３０３、入射開口３０２および出射開口３０４、出射光受光手段３０５について説明する。

（入射光導入手段）
入射光導入手段３０１としては、基本的にはハロゲンランプ、タングステンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ、レーザー等の光源を用いることができるが、分光測定を行う試料自体が発光する蛍光や化学発光を用いてもよい。波長領域の広い分光測定を行う場合は、目的の波長帯にもよるが、ハロゲンランプやタングステンランプ、キセノンランプのような広帯域で発光できる光源を用いることが好ましい。

（回折格子）
回折格子は、大きく分けて平面回折格子と凹面回折格子との２つのタイプに分けられるが、本発明では凹面回折格子のタイプが用いられる。また、回折格子の溝形状は、図４に示したような（ａ）鋸歯状溝、（ｂ）正弦波状溝、（ｃ）矩形状溝等に細かく分けられるが、本実施形態の回折格子３０３としては、入射光を分光できるものであれば、上記の如何なる形状のものであっても良いが、好ましくは鋸歯状の凹面回折格子が良い。

（入射開口および出射開口）
入射開口３０２および出射開口３０４はピンホールやスリット等からなり、測定波長の精度を上げるために開口の大きさは小さいことが好ましい。なお、入射開口３０２と入射光導入手段３０１、出射開口３０４と出射光受光手段３０５は、それぞれ一体となって移動するように構成されていてもよい。

（出射光受光手段）
出射光受光手段３０５は、出射開口３０４を通過した光を受光する素子を含んでいれば如何なるものでも良いが、測定波長範囲において受光感度特性が一定である素子が好ましい。可視領域であればシリコンダイオード、近赤外領域であればＩｎＧａＡｓのような化合物半導体からなる受光素子を有するものが好ましい。

出射光受光手段３０５は分光器の内部または外部のいずれに設置されていてもよい。分光器の外部に出射光受光手段３０５が設置される場合は、出射光を出射光受光手段３０５に導くための導波手段が分光器の内部に備えられていることが好ましい。導波手段としては、出射光の強度を効率よく出射光受光手段３０５に導くものであれば如何なるものでも良いが、コア層とクラッド層とで構成される導波路を有するものが好ましい。導波手段として光ファイバーを用いることがさらに好ましい。

以下に本発明の実施例について説明する。しかしながら、これらは本発明の範囲をなんら限定するものではない。

（第１の実施例）
本実施例では、試料台と検出器を移動させずに試料の分光測定を行う場合について説明する。

＜構成＞
図５は、本発明の第１の実施例に係る分光器の構成を示す概略図である。

本実施例の分光器は、入射スリット５０２を備えた光源としてのハロゲンランプ５０１と、入射光を分光する反射型凹面回折格子（以下、単に「凹面回折格子」と記載する）５０３と、凹面回折格子５０３で分光された回折光の特定の波長の光を取り出す出射スリット５０４とを有している。この分光器は、分光測定を行う試料が載置される試料台５０５と、出射スリット５０４を通過した光の集光を行う集光レンズ５０６と、集光レンズ５０６で集光された光を検出する検出器５０７とをさらに有している。分光器はまた、ハロゲンランプ５０１を凹面回折格子５０３のローランド円５０８に沿って回転移動させるハロゲンランプ回転ユニット５０９と、凹面回折格子５０３をローランド円５０８に沿って回転移動させる回折格子回転ユニット５１０とを有している。分光器にはこれらの回転ユニット５０９，５１０を制御するコントロールユニット５１２が備えられている。分光器は、ハロゲンランプ５０１および凹面回折格子５０３をローランド円５０８に沿って回転移動させるための回転移動用レール５１１を備えている。

＜分光測定方法＞
ハロゲンランプ５０１から発せられた光は、ハロゲンランプ５０１に付属した入射スリット５０２によって凹面回折格子５０３への入射角が限定されて、凹面回折格子５０３に入射する。凹面回折格子５０３で回折された光は出射スリット５０４へ向かうが、凹面回折格子５０３と出射スリット５０４との位置関係によって、出射スリット５０４を通過する光の波長が限定される。出射スリット５０４を通過した光のみが試料台５０５を照射し、集光レンズ５０６で集光され、検出器５０７で受光される。なお、検出器にはフォトダイオードを用いている。

試料台５０５上の試料の分光測定を行う際には、ハロゲンランプ５０１、凹面回折格子５０３を、それぞれハロゲンランプ回転ユニット５０９、回折格子回転ユニット５１０を用いてローランド円５０８に沿って回転移動させる。これにより、出射スリット５０４を通過させる波長を変化させることができる。なお、ハロゲンランプ５０１、凹面回折格子５０３は、回転移動用レール５１１上を移動することにより、常にローランド円５０８に沿って移動できるようになっている。なお、回転移動用レール５１１を用いずに、ローランド円５０８の中心を回転軸としてハロゲンランプ５０１、凹面回折格子５０３をアームで回転させるような機構を使用することによっても、同様な分光測定を行うことが可能である。分光測定におけるハロゲンランプ５０１、凹面回折格子５０３の回転制御は、コントロールユニット５１２によって行われる。

（第２の実施例）
本実施例では、回折格子と入射光源を移動させずに試料の分光測定を行う場合について説明する。
＜構成＞
図６は、本発明の第２の実施例に係る分光器の構成を示す概略図である。

本実施例の分光器は、光源としての白色ＬＥＤアレイ６０１と、白色ＬＥＤアレイ６０１からの光の入射角を限定する入射スリット６０２と、入射スリット６０２を通過した光を分光する反射型凹面回折格子（以下、単に「凹面回折格子」と記載する）６０３とを有している。尚、この凹面回折格子６０３は１ｍｍあたり２４００本の溝が形成されてあり、ブレーズ角は３０°である。この分光器はさらに、凹面回折格子６０３で分光された回折光を取り出す出射スリット６０４と、分光測定を行う試料が載置される試料台６０５と、出射スリット６０４を通過した光の集光を行う集光レンズ６０６とを有している。分光器は、さらに、集光レンズ６０６で集光された光を検出する検出器６０７を有している。

分光器は、入射スリット６０２を凹面回折格子６０３のローランド円６０８に沿って回転移動させる入射スリット回転ユニット６０９を有している。分光器はまた、出射スリット６０４、試料台６０５、集光レンズ６０６および検出器６０７を含む受光光学系をローランド円６０８に沿って回転移動させる受光光学系回転ユニット６１０を有している。分光器にはこれらの回転ユニット６０９，６１０を制御するコントロールユニット６１２が備えられている。分光器は、入射スリット６０２および受光光学系６０４〜６０７をローランド円６０８に沿って回転移動させるための回転移動用レール６１１を備えている。

＜分光測定方法＞
白色ＬＥＤアレイ６０１の１つのＬＥＤから発せられた光は、入射スリット６０２によって凹面回折格子６０３への入射角が限定されて、凹面回折格子６０３に入射する。凹面回折格子６０３で回折された光は出射スリット６０４へ向かうが、第１の実施例と同様に、凹面回折格子６０３と出射スリット６０４との位置関係によって、出射スリット６０４を通過する光の波長が限定される。例えば、入射スリット６０４と凹面回折格子６０３の法線がなす角αを３２．４８０７°、出射スリット６０４と凹面回折格子６０３の法線がなす角βを２７．５２９３°とすることで、波長６５０ｎｍの光を最も効率よく測定できる。また、αを３２．５８７１°、βを２７．５１９３°と変えることにより、波長７００ｎｍの光を最も効率よく測定ができる。このようにα、βを変えることで、常に最大回折効率の位置を維持し、分光測定を行うことができる。出射スリット６０４を通過した光のみが試料台６０５を照射し、集光レンズ６０６で集光され、検出器６０７で受光される。なお本実施例では、光源に光強度が比較的小さいＬＥＤを用いているため、検出器６０７には受光感度が高い光電子増倍管を用いている。

試料台６０５上の試料の分光測定を行う際には、入射スリット６０２、受光光学系６０４〜６０７出射スリット６０４を、それぞれ入射スリット回転ユニット６０９、受光光学回転ユニット６１０を用いてローランド円６０８に沿って回転移動させる。これにより、出射スリット６０４を通過させる波長を変化させることができる。入射スリット６０２、受光光学系６０４〜６０７は、回転移動用レール６１１上を移動することにより、常にローランド円６０８上を移動できるようになっている。なお、第１の実施例と同様に、回転移動用レール６１１を用いずに、ローランド円６０８を中心を回転軸として入射スリット６０２、受光光学系６０４〜６０７をアームで回転させるような機構を使用することによっても、同様な分光測定を行うことが可能である。分光測定における入射スリット６０２、受光光学系６０４〜６０７の回転制御は、コントロールユニット６１２によって行われる。

本発明の一実施形態に係る分光器を示す概略構成図である。最大回折効率の位置について説明するための図である。ブレーズ波長の位置について説明するための図である。回折格子の種類を説明するための図である。本発明の第１の実施例に係る分光器の構成を示す概略図である。本発明の第２の実施例に係る分光器の構成を示す概略図である。従来の分光器の構成を示す図である。従来の他の分光器の構成を示す図である。

符号の説明

３０１入射光導入手段
３０２入射開口
３０３凹面回折格子
３０４出射開口
３０５出射光受光手段
３０９，５０８，６０８ローランド円
５０１ハロゲンランプ
５０２，６０２入射スリット
５０３，６０３凹面回折格子
５０４，６０４出射スリット
５０７，６０７検出器
６０１白色ＬＥＤアレイ

Claims

入射された光を波長ごとに分光する凹面回折格子と、該凹面回折格子に光を入射させる入射光導入手段と、前記凹面回折格子によって波長ごとに分光された出射光を受光する出射光受光手段と、を有する分光器において、
前記入射光導入手段によって発せられた光の前記凹面回折格子への入射角度を制限する入射開口と、前記凹面回折格子によって波長ごとに分光された出射光の前記出射光受光手段への出射角度を制限する出射開口と、をさらに有し、
前記凹面回折格子の溝が鋸歯状であり、
分光対象の波長に関して、前記入射開口と前記出射開口が前記凹面回折格子の最大回折効率の位置に配置されるように、前記凹面回折格子と前記入射開口と前記出射開口とのうちの少なくとも２つを前記凹面回折格子が成すローランド円に沿って相対的に回転移動できるように構成し、かつ下記の式を満たすように構成することを特徴とする分光器。

（ただし、Ｂは凹面回折格子のブレーズ角であり、αは凹面回折格子の法線と入射光がなす角度であり、βは凹面回折格子の法線と回折光がなす角度であり、Ｎは単位長さあたりの凹面回折格子の溝の数であり、ｍは回折光の次数であり、λ _B はブレーズ波長である。）
入射された光を波長ごとに分光する凹面回折格子と、該凹面回折格子に光を入射させる入射光導入手段と、前記凹面回折格子によって波長ごとに分光された出射光を受光する出射光受光手段と、を有する分光器を用いた分光方法において、
前記凹面回折格子の溝が鋸歯状であり、
前記凹面回折格子と、前記入射光導入手段によって発せられた光の前記凹面回折格子への入射角度を制限する入射開口と、前記回折格子によって波長ごとに分光された出射光の前記出射光受光手段への出射角度を制限する出射開口と、のうちの少なくとも２つを前記凹面回折格子が成すローランド円に沿って相対的に回転移動させ、分光対象の波長に関して、下記の式を用いて、前記入射開口と前記出射開口を前記凹面回折格子の最大回折効率の位置に配置することを特徴とする分光方法。

（ただし、Ｂは凹面回折格子のブレーズ角であり、αは凹面回折格子の法線と入射光がなす角度であり、βは凹面回折格子の法線と回折光がなす角度であり、Ｎは単位長さあたりの凹面回折格子の溝の数であり、ｍは回折光の次数であり、λ _B はブレーズ波長である。）