JPH083445B2 - 光スペクトル検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、２つの回折格子を用いて光を変向，分散
し、その分散した光の波長成分を、高速で検出すること
を可能とした光スペクトル検出装置に関する。

〔従来の技術〕

光の波長成分をスペクトルとして検出する方法には、
分散分光法と干渉分光法とがある。

本発明は、このうち分散分光法に係るもので、その従
来例としては、回折格子を回転させて光スペクトルを検
出する方法が数多く見られる。

この分散分光法は、高密度な刻線を持った回折格子の
開発により良好な波長分解能を得ることが可能であり，
また，機構的にも容易に実現可能であるため、現在の光
スペクトル検出装置の主流をなしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この分散分光法による回折格子を回転
させて光スペクトルを検出する方法では、回折格子の形
状や重量，また，回転機構の構成要素により回折格子の
回転速度に限界を生じ、１回のスペクトル検出に要する
回転動作の時間が数10ms〜数msに制限されてしまう欠点
がある。

このため、時間と共に高速（数ms〜数μｓ）に変動す
る光スペクトルを検出するには適さないという問題点が
あった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明は、かかる問題点を解決するためにな
されたもので、従来の回折格子を使用した光スペクトル
検出装置の測定光路の途中に，新たに第２の回折格子を
配置し，この第２の回折格子には，例えば，同一出願人
・同一発明者による発明「表面弾性波（SAW:Ｓurface
Ａcoustic Ｗave）を利用した光の回折装置（特願昭60
−234812号）」など（以下，音響光学的光変調素子とい
う。）を用いて回折格子間隔の可変制御が可能であるよ
うな機能を持たせた。この機能により、第２の回折格子
は従来より有る第１の回折格子に入射する被測定光の向
きを変える変向素子として働き、その結果、相対的に第
１の回折格子が回転した状態と類似の状態を作り出すこ
とができる。

また、前記音響光学的光変調素子は電気信号で高速に
回折格子間隔を可変制御することが可能であるため、一
時的に前記第１の回折格子を高速回転させたと同じ状態
となるので、光スペクトルを高速に短時間で検出するこ
とが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明について図示した実施例に基づき詳細に
説明する。

第１図は本発明に係る光スペクトル検出装置の一実施
例についての構成を示した図、第２図は本発明の構成要
素である回折格子間隔が可変制御可能な回折格子の１つ
である音響光学的光変調素子の構成を示した図、第３図
は第２図の音響光学的光変調素子によって被測定光が変
向した状態を示した図、第４図は本発明の一実施例にお
ける測定光学系を透過形に置き換えた光学系を示した
図、第５図は本発明の構成要素である第１及び第２の回
折格子の格子方向の傾き角と出力される光スペクトルの
発生位置の関連を示した図、第６図は従来の装置に係る
もので,1枚の回折格子を使用した光スペクトル検出装置
の光学系の構成例を示した図である。

以下、第６図で従来技術について説明する。

図において、被測定光１はレンズ２に入射して収束さ
れ、該レンズ２の焦点位置に配置された入力側スリット
３の開口部分を通過する。

入力側スリット３を通過した光は扇形に拡がりながら
第１の凹面反射鏡４に入射し、平行光束となって反射さ
れ，回折格子５に導かれる。この回折格子５には、1mm
の間に数百から数千の等間隔な刻線を有し，一辺の長さ
が約２〜4cm程度の方形をした光学回折格子が多く用い
られている。これら高密度な刻線によって回折格子に入
射した被測定光１は、その波長に応じた分散を受けなが
ら反射し，第２の凹面反射鏡６に向かって進行してい
く。そして、前記第２の凹面反射鏡６により出力側スリ
ット７に向かって反射された分散した被測定光１は、前
記出力側スリット７の面上で各々の光波長に応じた位置
に収束し、スリットの開口部を通過して光検出器８によ
ってその光強度が測定される。この測定では、測定され
た光強度を被測定光に含まれている波長の順、すなわち
光スペクトルに応じて並べる必要があるため、前記出力
側スリット７の位置を固定し，前記回折格子５を回転さ
せ，連続的に分散光の強度分布を光検出器８で測定す
る。また、狭い範囲の分散光を測定する場合には、回折
格子を固定して前記出力側スリット７及び光検出器８を
移動させる場合もある。

どちらの場合でも、前記回折格子５が回転中あるいは
前記出力側スリット７及び光検出器８が移動中の間は、
被測定光のスペクトルが一定でなくては正確な光スペク
トルを検出することはできない。しかしながら、実際の
光において，大半のスペクトルは時間的変化を常に生じ
ており，その間隔も短い。よって、回折格子を高速回転
するなどして、測定時間の短縮が計られてきた。

本発明は、回折格子を高速回転させる代わりに、該回
折格子に入射する被測定光の光路を音響光学的光変調素
子で変向させ、該回折格子が回転したのと同じ効果を生
じさせようとしたものである。

ここに、回折格子は本発明では，第１の回折格子とな
る。

前記音響光学的光変調素子は電気的に高速に光を変向
できるものであるため、光スペクトルの検出時間が大幅
に短縮され，変動しているスペクトルの測定に適した光
スペクトル検出装置としての構成が可能である。

第１図に示すように、基本的には，本発明における光
学系は従来装置と同様に見えるが、入力側スリット３の
後段に新たに音響光学的光変調素子で構成される第２の
回折格子９を設けて被測定光を回折，変向し、その変向
した光を第１の回折格子５で従来例と同様に分散する。
そして、分散した光は第２の凹面反射鏡６により反射，
収束され出力側スリット７の面上に光スペクトルを生ず
る。

この光スペクトルは、前記第２の回折格子によって変
向された被測定光の各変向光，すなわち、前記第２の回
折格子９がSAWなどを使用した正弦波状位相格子の場
合、回折によって生じた±１次光及び回折を受けない０
次光の３本の光束に変向・分離されるのであるが、この
各々の変向された光束について光スペクトルが生ずるた
め、前記出力側スリット面上には３つの光スペクトルが
同時発生する。これらの光スペクトルは、光量的に異な
るがスペクトルの分布形状は実質的に同一であることが
知られている。本発明では、これら３つの光スペクトル
を空間的に分離して独立に測定する必要があるため、前
記出力側スリット７には前記３つの光スペクトルの発生
場所に合わせて開口が設けられており、各々の開口を通
過した光を測定するための複数の光検出器８が備えられ
た構成となっている。

次に、第２の回折格子による被測定光の変向と複数の
光スペクトルの発生について第２図で説明する。第２図
は，格子間隔の可変制御可能な回折格子として使用でき
るSAWチューナブルグレイティングの構成例を示したも
ので、同図に示すグレィティングは基板11、電気絶縁性
台座12、圧電性基板13の三層構造である。前記基板11及
び電気絶縁性台座12にはその中央部にそれぞれ光透過窓
が整合するように設けられ、この窓を光が通過する。通
過した光は前記圧電性基板13のほぼ中央を透過し、その
際に該基板11上に伝搬しているSAWにより位相変化を受
ける。圧電性基板13の表面にはSAWを発生させるための
二つの櫛の歯が互に入り組んだ構造をもつ第１の交差指
形電極14aと、この電極14aより発生し、前記圧電性基板
13上を伝搬して来たSAWをモニタするための第２の交差
指形電極14bとが一対となって設けられている。

第３図は、SAWを位相格子として使用した場合におけ
る光の変向が行われる様子を示しているもので、周波数
f₀の正弦波の電気信号によって圧電性基板13の表面に発
生したSAWは、格子定数にあたる空間周期ｄを有し、速
度ｖで矢印の方向に進行する。前記圧電性基板13は光に
対し透過性を有し、同図左の方向から入射した光がこの
圧電性基板13を透過すると、該入射光はSAWによる圧電
性基板13の表面の正弦波状の凹凸と圧電性基板13の表面
直下の密度の変化、すなわち、屈折率の変化によって位
相変調を受ける。

この位相変調は、空間周期ｄの繰返しによる周期的な
ものであるから、これらの光は通常の位相格子を透過し
たものと同じく、レンズ15でレンズの焦点面16に結像さ
せると回折像を生じる。ここで入射光が波長λの単色光
であれば、回折像には、格子定数ｄによって定まる±１
次の回折輝点が生ずる。この回折輝点の発生位置は、焦
点面16の光軸より距離αだけ離れた位置となり、その方
向はSAWの伝搬方向に等しい。

距離αの値は前記レンズ15の焦点距離をＦとすれば、 で表される。ここで、正弦波電気信号の周波数がf₀を中
心に±Δf/2変化するものとすれば、焦点面16上におけ
る±１次の回折輝点の変位量Δαは、 となる。（２）式で明らかなように、SAWの伝搬速度が
遅く、前記レンズ15の焦点距離が長く、光の波長λが長
いほど、変位量Δαは大きな値を取ることとなる。

このようなSAWチューナブルグレイティングを光スペ
クトル検出器の測定光路の途中に配置すると、前述の±
１次の回折輝点及び回折を受けない０次光の３つの輝点
を中心とした３つの光スペクトルが同時に発生すること
となるが、第４図は前記第１図の本発明による光学系を
透過形に、すなわち、第１図における第１、第２の凹面
反射鏡４、６の代わりに凸レンズ17、18を考え、また、
反射形の第１の回折格子５を透過形回折格子19に置き換
えた光学系により前記SAWチューナブルグレイティング
によって変向された回折光が角度を変えて第１の回折格
子５に入射し、再び３つの輝点を結ぶことを示してい
る。第４図に示した点線がSAWにより変向された光束の
光軸を示しており、第１図において、第１の回折格子を
光が透過する時、第４図の実線で示した０次回折実際に
は、第１の回折格子は反射形であるから、入射光線の入
射角が変化すればそのことは、回折格子自身が回転した
のと同様の効果を生ずる。前述のSAWチューナブルグレ
イティングによって変向された回折光は、SAWの周波数
を変えることで変向の方向、すなわち回折格子への入射
角が変化するので、±１次回折光と−１次回折光とでは
回折格子の回転方向は互いに逆向きとはなるものの、両
回折光からみれば回折格子自身が回転したのと同じこと
になる。

さて、前記した３つの同時に発生したスペクトルは、
第１、第２の回折格子５、９の格子方向が同一である
と、ほぼ一直線上に並び、各スペクトルの分離が困難で
ある。また、格子方向が直角を成す場合には、各スペク
トルは上下関係に並び分離は容易であるが、SAW周波数
を掃引し、第２の回折格子の格子間隔を変化させて±１
次回折光を中心とする光スペクトルを空間的に走査して
も、光スペクトルの並び方向には移動しないので、効果
はない。よって、第１及び第２の回折格子の格子方向は
斜めにする必要がある。

第５図はこの様子を示しており、第１の回折格子の格
子方向をｙ軸方向、また、格子方向に垂直な方向をｘ方
向として、第２の回折格子（SAWチューナブルグレイテ
ィング）の配置状態を同図（ａ）に、第１の回折格子及
びその入射光束の状態を同図（ｂ）に、また、これらの
配置による光スペクトルの出力分布状態を同図（ｃ）に
示してある。角度θは第２の回折格子の傾き角である
が、本発明では、第２の回折格子を形成するSAWの周波
数を掃引して、出力側スリット７面上の±１次回折光に
よる光スペクトルをスペクトルの並び方向に移動させ、
前記スリットの固定された開口によって高速走査測光を
行うものであるため、SAWの周波数変化に対してより効
果的な光スペクトルの移動を必要とし、このため、前記
角度θは前記スリット上で３つの光スペクトルが空間的
に分離可能な範囲で最少にする必要がある。前記第５図
（ｃ）の点線で囲んだ部分が±１次回折光による高速走
査測光可能な光スペクトル20、及び第１の回折格子を回
転して測定する通常測光用の光スペクトル21を示してい
る。本発明では、この点線内の適当な部分に開口を持つ
出力側スリット７を使用し、必要に応じて、光検出器８
を複数個用いて光スペクトルの検出を行う。また、光ス
ペクトルの表示に関しては、従来よりの、第１の回折格
子の回転角により波長軸を表示する方法に加え、第２の
回折格子に加えたSAW発生用電気信号周波数によって波
長軸を表示する方法を併用する。併用の方法は被測定光
の種類あるいは性質によって種々考えられるが、最も一
般的で簡便な方法は、広帯域走査を低速の第１の回折格
子の回転で行い、特定部分の狭帯域高速走査を第２の回
折格子で適時行う方法であろうと思われる。

また、当然に第１の回折格子，第２の回折格子の順序
は，入れ換えても原理的には同じ動作ができる。

〔効果〕

以上述べたように、本発明によれば、格子間隔が可変
制御可能な回折格子を用いて光を高速変向し、従来装置
に使用されていたと同様の分散用に用いられる回折格子
への被測定光の入射角度を変化させ、その結果、相対的
に分散用の回折格子を急速回転したと同様の効果を得、
光スペクトル検出に要する測定時間を大幅に短縮するこ
とが可能となった。これにより、変動周期の短い光のス
ペクトルも検出可能となり、光スペクトルの変化してい
く状態の観察も可能であるといった効果が生まれた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第２の回折格子を使用した光スペク
トル検出装置の一実施例における測定光学系の構成を示
す。 第２図は、本発明の構成要素である格子間隔が可変制御
可能な回折格子の一つである音響光学的光変調素子（SA
Wチューナブルグレイティング）の構成を示す。 第３図は、前記第２図のSAWチューナブルグレイティン
グによる光の変向状態を示す。 第４図は、本発明の一実施例における測定光学系を透過
形に書き換えた光学系図を示す。 第５図は、本発明の構成要素である第１及び第２の回折
格子の格子方向の傾きθと出力される光スペクトルの発
生位置の関連を示す。 第６図は、従来装置における光スペクトル検出装置の測
定光学系の一実施例を示す。 図において、１は被測定光,2はレンズ,3は入力側スリッ
ト,4は第１の凹面反射鏡,5は第１の回折格子,6は第２の
凹面反射鏡,7は出力側スリット,8は光検出器、９は第２
の回折格子,11は基板,12は電気絶縁性台座,13は圧電性
基板,14aは第１の交差指形電極,14bは第２の交差指形電
極,15はレンズ,16は焦点面,17と18は凸レンズ,19は透過
形回折格子,20は高速走査測光可能な光スペクトル,21は
通常測光用の光スペクトルをそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光を、第１の回折格子及び第２の回折
   格子を経由させて分散し、その光スペクトルを検出する
   光スペクトル検出装置であって、 前記第１の回折格子及び第２の回折格子のうち、いずれ
   か一方の回折格子は、入射された光を分散して光スペク
   トルを得るための、回折格子間隔が固定の回折格子であ
   り、他方の回折格子は、入射された光の光路を空間的に
   変向させるための、回折格子間隔が制御可能に可変な回
   折格子であり、 前記回折格子間隔が制御可能に可変な回折格子によって
   変向されかつ前記回折格子間隔が固定の回折格子によっ
   て分散された光スペクトルの一部を通過させるための空
   間フィルタを備えていることを特徴とする光スペクトル
   検出装置。