JP2011257140A - 分光器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高分解能な分光器を提供する。
【解決手段】分光器は、入射光を波長ごとに異なる方向へ分光する分光光学系を有する。分光光学系は、第１焦平面２００に配置され、この第１焦平面２００に入射した光の出射方向を変化させることが可能な偏向素子であるミラー１３と、ミラー１３から出射した光を第２焦平面２０１に集光する共焦点光学系１０と、第２焦平面２０１に配置され、共焦点光学系１０を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子である透過型回折格子１６と、透過型回折格子１６によって分光された光のうち一部の波長の光のみを通過させるスリット１８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の波長の光を測定することが可能な分光器に関するものである。

入射光を波長ごとに異なる方向に分波させる分光光学系は、分光器として用いられる。従来の一般的な分光器の構成を図１０に示す。レンズ２は、光ファイバ１から出射した光をコリメート光に変換する。回折格子３等からなる分散素子は、レンズ２を通過した光を波長ごとに分光する。レンズ４は、分散素子によって分光された光を集光する。スリット５は、レンズ４によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ（フォトダイオード）６は、スリット５を通過した光を受光して電気信号に変換する。この分光器においては、分散素子を回動させることで、ＰＤ６で受光する光の波長を変更することができる（例えば特許文献１参照）。このような分光器で、分解能を示す式は以下のようになる。

ここで、Δλは分解能、λは光の波長、ωはビーム半径、つまり分散素子の最小半径、ｄθ／ｄλは分散素子の分散能力、ｋは定数である。分光器の高分解能を実現する（すなわちΔλを小さくする）ためには、分散素子のサイズを拡大する（すなわちωを大きくする）か、もしくは分散素子の分散能力ｄθ／ｄλを高める必要がある。しかしながら、大型の分散素子を使用すると、分散素子の重量、面積が大きくなるので、分散素子を回動させるために駆動速度が遅く、出力の大きな大型の駆動系を用いる必要がある。あるいは、高分散能を有する分散素子として、回折格子にプリズムを貼り合わせたイマージョングレーティング（Immersion grating、例えば非特許文献１参照）を用いる場合、イマージョングレーティングは回折格子に比べて、大型になるため、やはり、駆動系に同様の問題が生じる。

このように、従来の分光器の構成では、高分解能化しようとすると、分散素子を使う波長掃引のために必要な駆動系が大型になるため、分光器が大型化してしまうという問題点があった。
そこで、分散素子の前に、回動可能な反射ミラーを配置した分光器も提案されている。このような分光器の構成を図１１に示す。レンズ３２２は、光ファイバ３２１から出射した光をコリメート光に変換する。回動可能なミラー３２３は、レンズ３２２を通過した光を反射する。分散素子３２４は、ミラー３２３からの反射光を波長ごとに分光する。レンズ３２５は、分散素子３２４によって分光された光を集光する。スリット３２６は、レンズ３２５によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ３２７は、スリット３２６を通過した光を受光して電気信号に変換する。

図１１に示した分光器の構成の場合、分散素子３２４は固定の素子なので、重くても問題ないが、ミラー３２３で光を偏向し、波長掃引すると、分散素子３２４の面上で、光入射位置が変化するため、分散素子３２４の有効サイズを大きくしなければならない。分散素子３２４のサイズが大きくなると、分散素子３２４の面内均一性を担保するのが難しくなり、また反りなどの影響がでてくるため、分光器の分解能が劣化してしまうという問題がある。

特開平１１−１８３２４９号公報

Gunter Wiedemann and Donald E.Jennings，"Immersion grating for infrared astronomy"，Applied Optics，vol.32，no.7，1993

以上のように、図１０に示した分光器の構成では、高分解能化しようとすると、分光器が大型化してしまうという問題点があった。
また、図１１に示した分光器の構成では、分解能が劣化してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型で高分解能な分光器を提供することを目的とする。

本発明の分光器は、入射光を波長ごとに異なる方向へ分光する分光光学系を有し、前記分光光学系は、第１焦平面に配置され、この第１焦平面に入射した光の出射方向を変化させることが可能な偏向素子と、この偏向素子から出射した光を第２焦平面に集光する共焦点光学系と、前記第２焦平面に配置され、前記共焦点光学系を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子と、この分散素子によって分光された光のうち一部の波長の光のみを通過させるスリットとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の分光器（第１、第２の実施の形態）の１構成例において、前記分光光学系は、さらに、前記分散素子と前記スリットとの間に、前側焦点が前記分散素子の分散面と一致し、後側焦点が前記スリットの中心と一致するように配置された第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーを備え、前記共焦点光学系は、少なくとも第２、第３の２つのレンズもしくは第２、第３の２つの曲面ミラーで構成されることを特徴とするものである。

また、本発明の分光器（第５の実施の形態）の１構成例において、前記分散素子は、反射型回折格子であり、前記共焦点光学系は、少なくとも第１、第２の２つのレンズもしくは第１、第２の２つの曲面ミラーで構成され、前記スリットは、前記第１、第２のレンズの間もしくは第１、第２の曲面ミラーの間にある、これら２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーの焦点面上に配置され、前記偏向素子から前記第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーに入射する光と、前記第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから前記分散素子に入射する光の各々は、前記共焦点光学系の光軸に対して位置または角度がオフセットされていることを特徴とするものである。
また、本発明の分光器（第６の実施の形態）の１構成例において、前記スリットは、ミラーの中の一部の領域に設けられ、前記偏向素子からの光は、前記ミラーによって反射されて前記分散素子に入射し、前記分散素子によって分光された光のうち一部の波長の光のみが前記スリットを通過することを特徴とするものである。

また、本発明の分光器（第７の実施の形態）の１構成例において、前記分光光学系は、さらに、前記分散素子と前記スリットとの間に、前側焦点が前記分散素子の分散面と一致し、後側焦点が前記スリットの中心と一致するように配置された第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーを備え、前記共焦点光学系は、少なくとも第２、第３の２つのレンズもしくは第２、第３の２つの曲面ミラーで構成され、前記偏向素子に入射する光は、前記第２、第３のレンズもしくは第２、第３の曲面ミラーの間にある、これら２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーの焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射し、前記第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから前記偏向素子に入射する光は、前記共焦点光学系の光軸に対して位置または角度がオフセットされていることを特徴とするものである。
また、本発明の分光器（第８、第９の実施の形態）の１構成例において、前記共焦点光学系は、１つのレンズもしくは曲面ミラーと、前記偏向素子によって反射され前記レンズもしくは曲面ミラーを通過した光を、前記レンズもしくは曲面ミラーの方向に反射して前記分散素子に入射させるミラーとから構成され、前記分散素子は、反射型回折格子であり、前記偏向素子と前記分散素子とは、前記レンズもしくは曲面ミラーの一方の焦点面上に配置され、前記ミラーと前記スリットとは、前記レンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に配置され、前記レンズもしくは曲面ミラーを通過して前記偏向素子に入射する光は、前記レンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射することを特徴とするものである。

また、本発明の分光器（第３の実施の形態）の１構成例において、前記共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、前記偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも前記分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離は長く、前記偏向素子は、ＭＥＭＳミラーであることを特徴とするものである。
また、本発明の分光器（第４の実施の形態）の１構成例において、前記共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、前記偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも前記分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離は短く、前記偏向素子は、液晶またはＬＣＯＳであることを特徴とするものである。

本発明によれば、分光光学系を、第１焦平面に配置され、第１焦平面に入射した光の出射方向を変化させることが可能な偏向素子と、偏向素子から出射した光を第２焦平面に集光する共焦点光学系と、第２焦平面に配置され、共焦点光学系を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子とから構成することにより、分散素子に入射する光の照射位置変化を小さくすることができ、分散素子を大きくすることなく、分光器の分解能を高めることができる。また、本発明では、偏向素子によって分散素子への光の入射角度を変えて、分散波長を変化させることで、大型の分散素子を回す必要がなくなる。その結果、本発明では、分散素子の有効径の大型化を抑えつつ、分散素子の駆動装置が不要な分光光学系を実現することができ、小型で高分解能、かつ低コストな分光器を実現することができる。

また、本発明では、分散素子を反射型回折格子とし、共焦点光学系を少なくとも第１、第２の２つのレンズもしくは第１、第２の２つの曲面ミラーで構成し、スリットを第１、第２のレンズもしくは第１、第２の曲面ミラーの焦点面上に配置し、偏向素子から第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーに入射する光と第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから分散素子に入射する光の各々を、共焦点光学系の光軸に対して位置または角度をずらすことにより、分光器を更に小型化することができる。

また、本発明では、スリットをミラーの中の一部の領域に設け、偏向素子からの光を、ミラーによって反射して分散素子に入射させ、分散素子によって分光された光のうち一部の波長の光のみをスリットを通過させることにより、分光器を更に小型化することができる。

また、本発明では、共焦点光学系を少なくとも第２、第３の２つのレンズもしくは第２、第３の２つの曲面ミラーで構成し、偏向素子に入射する光を、第２、第３のレンズもしくは第２、第３の曲面ミラーの焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射させ、第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから偏向素子に入射する光を、共焦点光学系の光軸に対して位置または角度をずらすことにより、分光器を更に小型化することができる。

また、本発明では、共焦点光学系を、１つのレンズもしくは曲面ミラーと、偏向素子によって反射されレンズもしくは曲面ミラーを通過した光をレンズもしくは曲面ミラーの方向に反射して分散素子に入射させるミラーとから構成し、分散素子を反射型回折格子とし、偏向素子と分散素子とをレンズもしくは曲面ミラーの一方の焦点面上に配置し、ミラーとスリットとをレンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に配置し、レンズもしくは曲面ミラーを通過して偏向素子に入射する光を、レンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射させることにより、分光器を更に小型化することができる。

また、本発明では、共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離を長くすることにより、分散素子面のビーム径を維持したまま、偏向素子上のビーム径を小さくすることができるので、偏向素子として面積が小さいＭＥＭＳミラーを利用することができる。

また、本発明では、共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離を短くすることにより、分散素子面の偏向角の幅を維持したまま、偏向素子の偏向角の幅を小さくすることができるので、偏向素子として液晶やＬＣＯＳを利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第８の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 本発明の第９の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。 従来の分光器の構成を示すブロック図である。 従来の他の分光器の構成を示すブロック図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ１１と、第１レンズ１２と、偏向素子となる回動可能なミラー１３と、第２レンズ１４と、第３レンズ１５と、分散素子となる透過型回折格子１６と、第４レンズ１７と、スリット１８と、受光素子となるＰＤ（フォトダイオード）１９とから構成されている。

第１レンズ１２は、前側焦点がファイバ１１の光出射端ｆ１１と一致し、後側焦点がミラー１３の反射面ｆ１２と一致するように配置されている。第２レンズ１４は、前側焦点がミラー１３の反射面ｆ１２と一致し、後側焦点がレンズ１４と１５の中間点ｆ１３と一致するように配置されている。第３レンズ１５は、前側焦点がレンズ１４と１５の中間点ｆ１３と一致し、後側焦点が透過型回折格子１６の回折面ｆ１４と一致するように配置されている。第４レンズ１７は、前側焦点が透過型回折格子１６の回折面ｆ１４と一致し、後側焦点がスリット１８の中心点ｆ１５と一致するように配置されている。

第１レンズ１２は、光出射端となるファイバ１１からの光をコリメート光に変換する。ファイバ１１からミラー１３に向かう方向に対して垂直かつ後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図１の紙面に垂直な軸）を回動軸２０として回動可能なミラー１３は、第１レンズ１２を通過した光を反射する。第２、第３レンズ１４，１５は、ミラー１３からの反射光を集光する。

透過型回折格子１６は、第２、第３レンズ１４，１５によって集光された光を波長ごとに異なる方向へ分光する。第４レンズ１７は、透過型回折格子１６によって分光された光を集光する。スリット１８は、第４レンズ１７によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ１９は、スリット１８を通過した光を受光して電気信号に変換する。

以上のような構成において、第２レンズ１４と第３レンズ１５とは、第１焦平面２００（ミラー１３の反射面ｆ１２）を通過した光を第２焦平面２０１（透過型回折格子１６の回折面ｆ１４）に集光する共焦点光学系１０を構成している。本実施の形態の分光器は、入射光を、分散素子である透過型回折格子１６で分散させた光のうち、スリット１８を通過する波長の光のみをＰＤ１９で受光するモノクロメータである。

本実施の形態では、透過型回折格子１６を第４レンズ１７の前側焦平面に配置し、スリット１８を第４レンズ１７の後側焦平面に配置した。第１焦平面２００に配置した偏向素子であるミラー１３を図示しない駆動機構によって回動させることで、第１焦平面２００を通過する光の光軸方向を変化させることができ、第２焦平面２０１に配置した分散素子である透過型回折格子１６へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット１８を通過する光の波長を変化させることができる。

本実施の形態では、透過型回折格子１６を共焦点光学系１０の焦点位置に配置することにより、ミラー１３の回動によって透過型回折格子１６の回折面への光の入射角が変化しても、透過型回折格子１６の回折面上での光の入射位置は変化しないため、透過型回折格子１６を大きくすることなく、分光器の分解能を高めることができる。

なお、本実施の形態では、分散素子として透過型回折格子１６を用いているが、反射型回折格子を用いてもよい。また、ファイバ１１の代わりにファイバコリメータを用いれば、第１レンズ１２は不要である。また、本実施の形態では、共焦点光学系１０を２枚のレンズ１４，１５で構成したが、２枚のレンズに限定されず、２枚の曲面ミラー、複数枚のレンズ、複数枚の曲面ミラーで構成してもよい。また、レンズ１７の代わりに曲面ミラーを用いてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は第１の実施の形態の変形例を示すものである。図２は本実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ１２１と、第１曲面ミラー１２２と、偏向素子となる回動可能なミラー１２３と、第２曲面ミラー１２４と、第３曲面ミラー１２５と、回折格子とプリズムとが一体化された高分散素子であるイマージョングレーティング（Immersion grating）１２６と、第４曲面ミラー１２７と、スリット１２８と、ＰＤ１２９とから構成されている。なお、イマージョングレーティングは反射型回折格子の一種である。

第１曲面ミラー１２２は、前側焦点がファイバ１２１の光出射端ｆ１２１と一致し、後側焦点がミラー１２３の反射面ｆ１２２と一致するように配置されている。第２曲面ミラー１２４は、前側焦点がミラー１２３の反射面ｆ１２２と一致し、後側焦点が曲面ミラー１２４と１２５の中間点ｆ１２３と一致するように配置されている。第３曲面ミラー１２５は、前側焦点が曲面ミラー１２４と１２５の中間点ｆ１２３と一致し、後側焦点がイマージョングレーティング１２６の回折面ｆ１２４と一致するように配置されている。第４曲面ミラー１２７は、前側焦点がイマージョングレーティング１２６の回折面ｆ１２４と一致し、後側焦点がスリット１２８の中間点ｆ１２５と一致するように配置されている。

第１曲面ミラー１２２は、光出射端となるファイバ１２１からの光を反射する。ファイバ１２１から第１曲面ミラー１２２に向かう方向に対して垂直かつ後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図２の紙面に垂直な軸）を回動軸１３０として回動可能なミラー１２３は、第１曲面ミラー１２２からの反射光を反射する。第２曲面ミラー１２４は、ミラー１２３からの反射光を反射し、第３曲面ミラー１２５は、第２曲面ミラー１２４からの反射光を反射する。

イマージョングレーティング１２６は、第３曲面ミラー１２５からの反射光を波長ごとに異なる方向へ分光する。第４曲面ミラー１２７は、イマージョングレーティング１２６によって分光された光を反射する。スリット１２８は、第４曲面ミラー１２７からの反射光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ１２９は、スリット１２８を通過した光を受光して電気信号に変換する。

以上のような構成において、第２曲面ミラー１２４と第３曲面ミラー１２５とは、第１焦平面（ミラー１２３の反射面ｆ１２２）を通過した光を第２焦平面（イマージョングレーティング１２６の回折面ｆ１２４）に集光する共焦点光学系を構成している。本実施の形態の分光器は、入射光を、分散素子であるイマージョングレーティング１２６で分散させた光のうち、スリット１２８を通過する波長の光のみをＰＤ１２９で受光するモノクロメータである。

本実施の形態では、第１焦平面に配置した偏向素子であるミラー１２３を図示しない駆動機構によって回動させることで、第１焦平面を通過する光の光軸方向を変化させることができ、第２焦平面に配置した分散素子であるイマージョングレーティング１２６へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット１２８を通過する光の波長を変化させることができる。このため、本実施の形態では、イマージョングレーティング１２６を大きくすることなく、分光器の分解能を高めることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分光器は、ファイバ１１と、第１レンズ１２と、偏向素子となる回動可能なミラー１３と、第２レンズ１４ａと、第３レンズ１５ａと、分散素子となる透過型回折格子１６と、第４レンズ１７と、スリット１８と、ＰＤ１９とから構成されている。

本実施の形態の分光器の構成は第１の実施の形態と同様であるが、共焦点光学系１０を構成する第２レンズ１４ａおよび第３レンズ１５ａの焦点距離が第１の実施の形態と異なる。第１の実施の形態では、第２レンズ１４と第３レンズ１５の焦点距離は同一である。これに対して、本実施の形態では、第２レンズ１４ａは、前側焦点がミラー１３の反射面ｆ１２と一致し、後側焦点がｆ１３よりも前側の点ｆ１３０と一致するように配置され、第３レンズ１５ａは、前側焦点が点ｆ１３０と一致し、後側焦点が透過型回折格子１６の回折面ｆ１４と一致するように配置されている。

すなわち、第２レンズ１４ａの焦点距離をｆ１３４とし、第３レンズ１５ａの焦点距離をｆ１３５とすると、ｆ１３４＜ｆ１３５となり、焦点距離の比（ｆ１３４／ｆ１３５）は１より小さい値となっている。このとき、ミラー１３上でのビーム径をω１３３とし、透過型回折格子１６上でのビーム径をω１３６とすると、ビーム径ω１３３とω１３６との関係は、次式のようになる。

式（２）から明らかなように、本実施の形態では、焦点距離の比（ｆ１３４／ｆ１３５）を１より小さい値とすることにより、分解能で決まる分散素子面のビーム径を維持したまま、ミラー１３上のビーム径を小さくすることができるため、偏向素子として、偏向角は大きいが面積が小さなミラー（例えばＭＥＭＳ（Microelectro-Mechanical Systems）ミラー）を利用することができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分光器は、ファイバ１１と、第１レンズ１２と、偏向素子となる回動可能なミラー１３と、第２レンズ１４ｂと、第３レンズ１５ｂと、分散素子となる透過型回折格子１６と、第４レンズ１７と、スリット１８と、ＰＤ１９とから構成されている。

本実施の形態の分光器の構成は第１の実施の形態と同様であるが、共焦点光学系１０を構成する第２レンズ１４ｂおよび第３レンズ１５ｂの焦点距離が第１の実施の形態と異なる。第２レンズ１４ｂは、前側焦点がミラー１３の反射面ｆ１２と一致し、後側焦点がｆ１３よりも後側の点ｆ１４０と一致するように配置され、第３レンズ１５ｂは、前側焦点が点ｆ１４０と一致し、後側焦点が透過型回折格子１６の回折面ｆ１４と一致するように配置されている。

すなわち、第２レンズ１４ｂの焦点距離をｆ１４４とし、第３レンズ１５ｂの焦点距離をｆ１４５とすると、ｆ１４４＞ｆ１４５となり、焦点距離の比（ｆ１４４／ｆ１４５）は１より大きい値となっている。このとき、ミラー１３上でのビーム径をω１４３、ビームの偏向角をΔθ１４３とし、透過型回折格子１６上でのビーム径をω１４６、ビームの偏向角をΔθ１４６とすると、ビーム径ω１４３とω１４６、ビームの偏向角Δθ１４３とΔθ１４６との関係は、それぞれ次式のようになる。

本実施の形態では、焦点距離の比（ｆ１４５／ｆ１４４）を１より小さい値とすることにより、波長掃引幅で決まる分散素子面の偏向角の幅を維持したまま、ミラー１３の偏向角の幅を小さくすることができるため、偏向素子として、偏向角の小さなミラー（例えば液晶やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）など）を利用することができる。本実施の形態では、式（３）から分かるとおり、第１の実施の形態に比べてミラー１３上でのビーム径ω１４３が大きくなるが、ＬＣＯＳは小さな駆動素子が大面積にアレイ化されている薄いデバイスであるため、ビーム径ω１４３が大きくなっても、問題ない。

本実施の形態から明らかなように、ミラー１３上でのビーム径と偏向角の幅にはトレードオフの関係があり、ＬＣＯＳ等の駆動素子により焦点距離の比（ｆ１４５／ｆ１４４）、つまり共焦点光学系の倍率を最適な値とする必要がある。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は本発明の第５の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図５（Ａ）は分光器を上から見た図、図５（Ｂ）は分光器を横から見た図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ２１と、第１レンズ２２と、偏向素子となる回動可能なミラー２３と、第２レンズ２４と、第３レンズ２５と、反射型回折格子などの分散素子２６と、スリット２７と、ＰＤ２８とから構成されている。

第１レンズ２２は、前側焦点がファイバ２１の光出射端ｆ２１と一致し、後側焦点がミラー２３の反射面ｆ２２と一致するように配置されている。第２レンズ２４は、前側焦点がミラー２３の反射面ｆ２２と一致し、後側焦点がスリット２７の中心点ｆ２３と一致するように配置されている。第３レンズ２５は、前側焦点がスリット２７の中心点ｆ２３と一致し、後側焦点が分散素子２６の分散面ｆ２４と一致するように配置されている。

第１レンズ２２は、光出射端となるファイバ２１からの光をコリメート光に変換する。ファイバ２１からミラー２３に向かう方向に対して垂直かつ後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図５（Ａ）の紙面に垂直な軸）を回動軸３０として回動可能なミラー２３は、第１レンズ２２を通過した光を反射する。第２、第３レンズ２４，２５は、ミラー２３からの反射光を集光する。

分散素子２６は、第２、第３レンズ２４，２５によって集光された光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ここでは、分散素子２６として例えば反射型回折格子を用いているので、分散素子２６は、入射光を波長ごとに異なる方向へ反射する。第３レンズ２５は、分散素子２６によって分光された光を集光する。スリット２７は、第３レンズ２５によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ２８は、スリット２７を通過した光を受光して電気信号に変換する。

本実施の形態では、第２レンズ２４と第３レンズ２５とは、第１焦平面（ミラー２３の反射面ｆ２２）を通過した光を第２焦平面（分散素子２６の分散面ｆ２４）に集光する共焦点光学系を構成している。そして、図５（Ｂ）から分かるとおり、第２レンズ２４と第３レンズ２５との間で、第３レンズ２５に入射する光と出射する光とが重ならないように、平行にオフセットされており、第３レンズ２５に入射する光と出射する光とは、共焦点光学系の光軸２９に対して非平行になっている。

このオフセットは、ミラー２３から第２レンズ２４に入射する光と、第３レンズ２５から分散素子２６に入射する光のそれぞれを共焦点光学系の光軸２９に対して非平行にすることで実現することができる。ミラー２３の中心および分散素子２６の中心が共焦点光学系の光軸２９からずれていても、第２レンズ２４と第３レンズ２５との間で、第３レンズ２５に入射する光と出射する光とが軸２９に対して非平行になるだけで、構成上問題ない。スリット２７とＰＤ２８とは、第２レンズ２４と第３レンズ２５の焦点面上に配置される。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１焦平面に配置した偏向素子であるミラー２３を図示しない駆動機構によって回動させることで、第１焦平面を通過する光の光軸方向を変化させることができ、第２焦平面に配置した分散素子２６へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット２７を通過する光の波長を変化させることができる。

本実施の形態の特徴は、第１の実施の形態と比べて、レンズ数を減らすことができ、各素子を密集して配置できる点にある。その結果、本実施の形態では、分光器を更に小型化することができる。本実施の形態では、共焦点光学系を２枚のレンズ２４，２５で構成したが、２枚のレンズに限定されず、２枚の曲面ミラー、複数枚のレンズ、複数枚の曲面ミラーで構成してもよい。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は本発明の第６の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図６（Ａ）は分光器を上から見た図、図６（Ｂ）は分光器を横から見た図である。本実施の形態の分光器は、ファイバコリメータ２２１と、偏向素子となる回動可能なミラー２２２と、第１レンズ２２３と、スリット付きミラー２２４と、第２レンズ２２５と、反射型回折格子などの分散素子２２６と、ＰＤ２２７とから構成されている。

第１レンズ２２３は、前側焦点がミラー２２２の反射面ｆ２２１と一致し、後側焦点がスリット付きミラー２２４の反射面ｆ２２２と一致するように配置されている。第２レンズ２２５は、前側焦点がスリット付きミラー２２４の反射面ｆ２２２と一致し、後側焦点が分散素子２２６の分散面ｆ２２３と一致するように配置されている。

ファイバコリメータ２２１からミラー２２２に向かう方向に対して垂直かつ後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図６（Ａ）の紙面に垂直な軸）を回動軸２３０として回動可能なミラー２２２は、ファイバコリメータ２２１から出射したコリメート光を反射する。第１レンズ２２３は、ミラー２２２からの反射光を集光する。スリット付きミラー２２４は、第１レンズ２２３によって集光された光を反射する。第２レンズ２２５は、スリット付きミラー２２４からの反射光を集光する。

分散素子２２６は、第２レンズ２２５によって集光された光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ここでは、分散素子２２６として例えば反射型回折格子を用いているので、分散素子２２６は、入射光を波長ごとに異なる方向へ反射する。第２レンズ２２５は、分散素子２２６によって分光された光を集光する。スリット付きミラー２２４は、第２レンズ２２５によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ２２７は、スリット付きミラー２２４を通過した光を受光して電気信号に変換する。

本実施の形態では、第１レンズ２２３と第２レンズ２２５とは、第１焦平面（ミラー２２２の反射面ｆ２２１）を通過した光を第２焦平面（分散素子２２６の分散面ｆ２２３）に集光する共焦点光学系を構成している。そして、第２レンズ２２５とスリット付きミラー２２４との間で、第２レンズ２２５に入射する光と出射する光とが重ならないように、平行にオフセットされている。このオフセットは、ミラー２２２から第１レンズ２２３に入射する光と、第２レンズ２２５から分散素子２２６に入射する光のそれぞれを共焦点光学系の光軸２２８に対して非平行にすることで実現できる。

本実施の形態の光学系の特徴は、スリット付きミラー２２４を用いていることであり、分散素子２２６に入射する前はミラー２２２からの光がスリット付きミラー２２４の反射面に入射し、分散素子２２６に入射した後は分散素子２２６からの光のうち特定波長の光がスリット付きミラー２２４のスリットを通過するように構成されている。スリット付きミラー２２４とＰＤ２２７とは、第２レンズ２２５の焦点面上に配置される。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１焦平面に配置した偏向素子であるミラー２２２を図示しない駆動機構によって回動させることで、第１焦平面を通過する光の光軸方向を変化させることができ、第２焦平面に配置した分散素子２２６へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット２２７を通過する光の波長を変化させることができる。

本実施の形態の特徴は、第１の実施の形態と比べて、レンズ数を減らし、折り曲げミラーであるスリット付きミラー２２４を用いて光学素子を配置している点にある。その結果、本実施の形態では、分光器を更に小型化することができる。なお、ファイバコリメータ２２１の代わりに、ファイバとコリメートレンズを用いてもよい。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図７（Ａ）、図７（Ｂ）は本発明の第７の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図７（Ａ）は分光器を上から見た図、図７（Ｂ）は分光器を横から見た図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ３１と、第１レンズ３２と、偏向素子となる回動可能なミラー３３と、第２レンズ３４と、透過型回折格子などの分散素子３５と、第３レンズ３６と、スリット３７と、ＰＤ３８とから構成されている。

第１レンズ３２は、一方の焦点がレンズ３２と３４の中間点ｆ３１と一致し、他方の焦点がミラー３３の反射面ｆ３２と一致するように配置されている。第２レンズ３４は、前側焦点がレンズ３２と３４の中間点ｆ３１と一致し、後側焦点が分散素子３５の分散面ｆ３３と一致するように配置されている。第３レンズ３６は、前側焦点が分散素子３５の分散面ｆ３３と一致し、後側焦点がスリット３７の中心点ｆ３４と一致するように配置されている。

ファイバ３１から出射して第１レンズ３２を通過した光は、ミラー３３に入射する。回動可能なミラー３３は、第１レンズ３２を通過した光を反射する。なお、本実施の形態のミラー３３の回動軸４０は共焦点光学系の光軸に対して傾いている。第２レンズ３４は、ミラー３３によって反射され第１レンズ３２を通過した光を集光する。この第２レンズ３４は、コリメートレンズを兼ねている。

分散素子３５は、第２レンズ３４によって集光された光を波長ごとに異なる方向へ分光する。第３レンズ３６は、分散素子３５によって分光された光を集光する。スリット３７は、第３レンズ３６によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ３８は、スリット３７を通過した光を受光して電気信号に変換する。

本実施の形態では、第１レンズ３２と第２レンズ３４とは、第１焦平面（ミラー３３の反射面ｆ３２）を通過した光を第２焦平面（分散素子３５の分散面ｆ３３）に集光する共焦点光学系を構成している。そして、図７（Ｂ）から分かるとおり、ファイバ３１は、第１レンズ３２と第２レンズ３４の焦点面上に配置され、ミラー３３と分散素子３５とを結ぶ直線からずれた位置に配置される。第１レンズ３２と第２レンズ３４との間で、第１レンズ３２に入射する光と出射する光とが重ならないように、平行にオフセットされている。このオフセットは、第１レンズ３２からミラー３３に入射する光を共焦点光学系の光軸３９に対して非平行にすることで実現できる。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１焦平面に配置した偏向素子であるミラー３３を図示しない駆動機構によって回動させることで、第１焦平面を通過する光の光軸方向を変化させることができ、第２焦平面に配置した分散素子３５へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット３７を通過する光の波長を変化させることができる。本実施の形態の特徴は、第１の実施の形態と比べて、レンズ数を減らしている点にある。その結果、本実施の形態では、分光器を更に小型化することができる。本実施の形態では、共焦点光学系を２枚のレンズ３２，３４で構成したが、２枚のレンズに限定されず、２枚の曲面ミラー、複数枚のレンズ、複数枚の曲面ミラーで構成してもよい。また、レンズ３６の代わりに曲面ミラーを用いてもよい。

［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。図８（Ａ）、図８（Ｂ）は本発明の第８の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図８（Ａ）は分光器を上から見た図、図８（Ｂ）は分光器を横から見た図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ４１と、第１レンズ４２と、偏向素子となる回動可能なミラー４３と、ミラー４４と、反射型回折格子などの分散素子４５と、スリット４６と、ＰＤ４７とから構成されている。

第１レンズ４２は、一方の焦点がファイバ４１の光出射端ｆ４１と一致し、他方の焦点がミラー４３の反射面ｆ４２と一致するように配置されている。
ファイバ４１から出射して第１レンズ４２を通過した光は、ミラー４３に入射する。後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図８（Ａ）の紙面に垂直な軸）を回動軸５０として回動可能なミラー４３は、第１レンズ４２を通過した光を反射する。ミラー４４は、ミラー４３によって反射され第１レンズ４２を通過した光を反射する。

分散素子４５は、ミラー４４によって反射され第１レンズ４２を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ここでは、分散素子４５として例えば反射型回折格子を用いているので、分散素子４５は、入射光を波長ごとに異なる方向へ反射する。スリット４６は、分散素子４５によって反射され第１レンズ４２を通過した光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ４７は、スリット４６を通過した光を受光して電気信号に変換する。

本実施の形態では、第１レンズ４２とミラー４４とは、第１焦平面（ミラー４３の反射面ｆ４２）を通過した光を第２焦平面（分散素子４５の分散面）に集光する共焦点光学系を構成している。そして、ミラー４３に入射する光と出射する光とを共焦点光学系の光軸４８に対して角度オフセットすることで、ファイバ４１から第１レンズ４２に向かう光と第１レンズ４２からミラー４４に向かう光とを平行にオフセットさせている。また、分散素子４５に入射する光と出射する光とを共焦点光学系の光軸４８に対して角度オフセットすることで、ミラー４４から第１レンズ４２に向かう光と第１レンズ４２からスリット４６に向かう光とを平行にオフセットさせている。これら２つの角度オフセットは、方向が直交していてもよい。

ファイバ４１とミラー４４とスリット４６とＰＤ４７とは、第１レンズ４２の一方の焦点面上に配置され、分散素子４５とミラー４３とは、第１レンズ４２のもう一方の焦点面上に配置される。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、偏向素子であるミラー４３を図示しない駆動機構によって回動させることで、光の光軸方向を変化させることができ、分散素子４５へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット４６を通過する光の波長を変化させることができる。本実施の形態の特徴は、第１の実施の形態と比べて、レンズ数を減らしている点にある。その結果、本実施の形態では、分光器を更に小型化することができる。本実施の形態では、共焦点光学系をレンズ４２とミラー４４で構成したが、レンズ４２の代わりに曲面ミラーを用いてもよい。

［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。図９（Ａ）、図９（Ｂ）は本発明の第９の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図であり、図９（Ａ）は分光器を上から見た図、図９（Ｂ）は分光器を横から見た図である。本実施の形態の分光器は、ファイバ５１と、第１レンズ５２と、偏向素子となる回動可能なミラー５３と、ミラー５４と、反射型回折格子などの分散素子５５と、スリット５６と、ＰＤ５７とから構成されている。本実施の形態では、第８の実施の形態に対してミラー５３と分散素子５５の位置が入れ替わっている。

本実施の形態では、第１レンズ５２とミラー５４とは、第１焦平面（ミラー５３の反射面）を通過した光を第２焦平面（分散素子５５の分散面）に集光する共焦点光学系を構成している。
第１レンズ５２は、一方の焦点が、ミラー５４の反射面と共焦点光学系の光軸５８との交点ｆ５１と一致し、他方の焦点が、第１、第２焦平面を含む平面と共焦点光学系の光軸５８との交点ｆ５２と一致するように配置されている。

ファイバ５１から出射して第１レンズ５２を通過した光は、ミラー５３に入射する。後述する共焦点光学系の光軸に対して垂直な軸（図９（Ａ）の紙面に垂直な軸）を回動軸６０として回動可能なミラー５３は、第１レンズ５２を通過した光を反射する。ミラー５４は、ミラー５３によって反射され第１レンズ５２を通過した光を反射する。

分散素子５５は、ミラー５４によって反射され第１レンズ５２を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する。ここでは、分散素子５５として例えば反射型回折格子を用いているので、分散素子５５は、入射光を波長ごとに異なる方向へ反射する。スリット５６は、分散素子５５によって反射され第１レンズ５２を通過した光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ５７は、スリット５６を通過した光を受光して電気信号に変換する。

本実施の形態では、ミラー５３に入射する光と出射する光とを角度オフセットさせることで、ファイバ５１から第１レンズ５２に向かう光と第１レンズ５２からミラー５４に向かう光とを平行にオフセットさせている。ミラー５３の中心が共焦点光学系の光軸５８からずれていても、ファイバ５１から第１レンズ５２に向かう光と第１レンズ５２からミラー５４に向かう光とが、光軸５８に対して非平行になるだけである。また、分散素子５５に入射する光と出射する光とを角度オフセットすることで、ミラー５４から第１レンズ５２に向かう光と第１レンズ５２からスリット５６に向かう光とを平行にオフセットさせている。分散素子５５の中心が共焦点光学系の光軸５８からずれていても、ミラー５４から第１レンズ５２に向かう光と、第１レンズ５２からスリット５６に向かう光とが、光軸５８に対して非平行になるだけである。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、偏向素子であるミラー５３を図示しない駆動機構によって回動させることで、光の光軸方向を変化させることができ、分散素子５５へ入射する光の角度を変化させることができるので、スリット５６を通過する光の波長を変化させることができる。本実施の形態によれば、第８の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、共焦点光学系をレンズ５２とミラー５４で構成したが、レンズ５２の代わりに曲面ミラーを用いてもよい。

本発明は、光を分光する技術に適用することができる。

１１，２１，３１，４１，５１，１２１…ファイバ、１２，１４，１４ａ，１４ｂ，１５，１５ａ，１５ｂ，１７，２２，２４，２５，３２，３４，３６，４２，５２，２２３，２２５…レンズ、１３，２３，３３，４３，４４，５３，５４，１２３，２２２…ミラー、１６…透過型回折格子、１８，２７，３７，４６，５６，１２８…スリット、１９，２８，３８，４７，５７，１２９，２２７…フォトダイオード、２６，３５，４５，５５，２２６…分散素子、１２２，１２４，１２５，１２７…曲面ミラー、１２６…イマージョングレーティング、２２１…ファイバコリメータ、２２４…スリット付きミラー。

Claims (8)

1. 入射光を波長ごとに異なる方向へ分光する分光光学系を有し、
   前記分光光学系は、
   第１焦平面に配置され、この第１焦平面に入射した光の出射方向を変化させることが可能な偏向素子と、
   この偏向素子から出射した光を第２焦平面に集光する共焦点光学系と、
   前記第２焦平面に配置され、前記共焦点光学系を通過した光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子と、
   この分散素子によって分光された光のうち一部の波長の光のみを通過させるスリットとを備えることを特徴とする分光器。
2. 請求項１記載の分光器において、
   前記分光光学系は、さらに、前記分散素子と前記スリットとの間に、前側焦点が前記分散素子の分散面と一致し、後側焦点が前記スリットの中心と一致するように配置された第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーを備え、
   前記共焦点光学系は、少なくとも第２、第３の２つのレンズもしくは第２、第３の２つの曲面ミラーで構成されることを特徴とする分光器。
3. 請求項１記載の分光器において、
   前記分散素子は、反射型回折格子であり、
   前記共焦点光学系は、少なくとも第１、第２の２つのレンズもしくは第１、第２の２つの曲面ミラーで構成され、
   前記スリットは、前記第１、第２のレンズの間もしくは第１、第２の曲面ミラーの間にある、これら２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーの焦点面上に配置され、
   前記偏向素子から前記第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーに入射する光と、前記第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから前記分散素子に入射する光の各々は、前記共焦点光学系の光軸に対して位置または角度がオフセットされていることを特徴とする分光器。
4. 請求項３記載の分光器において、
   前記スリットは、ミラーの中の一部の領域に設けられ、
   前記偏向素子からの光は、前記ミラーによって反射されて前記分散素子に入射し、
   前記分散素子によって分光された光のうち一部の波長の光のみが前記スリットを通過することを特徴とする分光器。
5. 請求項１記載の分光器において、
   前記分光光学系は、さらに、前記分散素子と前記スリットとの間に、前側焦点が前記分散素子の分散面と一致し、後側焦点が前記スリットの中心と一致するように配置された第１のレンズもしくは第１の曲面ミラーを備え、
   前記共焦点光学系は、少なくとも第２、第３の２つのレンズもしくは第２、第３の２つの曲面ミラーで構成され、
   前記偏向素子に入射する光は、前記第２、第３のレンズもしくは第２、第３の曲面ミラーの間にある、これら２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーの焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射し、
   前記第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーから前記偏向素子に入射する光は、前記共焦点光学系の光軸に対して位置または角度がオフセットされていることを特徴とする分光器。
6. 請求項１記載の分光器において、
   前記共焦点光学系は、１つのレンズもしくは曲面ミラーと、前記偏向素子によって反射され前記レンズもしくは曲面ミラーを通過した光を、前記レンズもしくは曲面ミラーの方向に反射して前記分散素子に入射させるミラーとから構成され、
   前記分散素子は、反射型回折格子であり、
   前記偏向素子と前記分散素子とは、前記レンズもしくは曲面ミラーの一方の焦点面上に配置され、
   前記ミラーと前記スリットとは、前記レンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に配置され、
   前記レンズもしくは曲面ミラーを通過して前記偏向素子に入射する光は、前記レンズもしくは曲面ミラーの他方の焦点面上に光出射端が配置されたファイバから出射することを特徴とする分光器。
7. 請求項２記載の分光器において、
   前記共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、前記偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも前記分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離は長く、
   前記偏向素子は、ＭＥＭＳミラーであることを特徴とする分光器。
8. 請求項２記載の分光器において、
   前記共焦点光学系を構成する２つのレンズもしくは２つの曲面ミラーのうち、前記偏向素子に近い側の第２のレンズもしくは第２の曲面ミラーの焦点距離よりも前記分散素子に近い側の第３のレンズもしくは第３の曲面ミラーの焦点距離は短く、
   前記偏向素子は、液晶またはＬＣＯＳであることを特徴とする分光器。

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