JPH05281041A

JPH05281041A - 分光器

Info

Publication number: JPH05281041A
Application number: JP10861892A
Authority: JP
Inventors: Shiro Ogata; 司郎緒方
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】分解能が高く、Ｓ／Ｎ比も良好で、コンパク
トな分光器を提供する。【構成】フレネルゾーンプレート２に反射鏡３を平行
に対向させ、反射鏡３を移動機構４によって光軸方向に
移動させる。このフレネルゾーンプレート２にコリメー
ト光を導入すると、特定波長の光だけがフレネルゾーン
プレート２を透過し、反射鏡３で反射した後、再びフレ
ネルゾーンプレート２を透過して戻る。この戻ってきた
光の強度はパワーメータ等の検出素子によって計測す
る。また、移動機構４によって反射鏡３を移動させなが
ら強度を測定することにより、入射光のスペクトルが得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分光器に関する。具体的
に言うと、例えば、Ｘ線や紫外線から赤外線を含む電磁
波（以下、可視領域外も含めて単に光という。）の分
光、検出、計測等を行なうための分光器に関する。

【０００２】

【従来の技術】分光器は、古くから物質の状態を計測す
る目的で幅広く用いられている。例えば、大気中に含ま
れている窒素酸化物等のガスの成分分析などに用いられ
る。

【０００３】これまでは直線状もしくは曲線状の格子溝
を刻設された回折格子を利用した分光器が主流となって
いる。これらは、回折光の回折角が波長によって異なる
ことを利用しているため、つぎのような欠点があった。
すなわち、検出分解能を大きくするためには、回折格子と検出
素子との距離（光路長）を長くしなければならないの
で、光学系が大きくて重くなり、そのため持ち運びが困
難であった。ガラスなどの光学部品を多数使用しており、高価で
あった。このため、用途が、主として研究用などに限られて
いた。

【０００４】一方、フレネルゾーンプレートに分光特性
があることを利用した分光器も提案されている（例え
ば、特開昭５７−１３８６１３号公報、特開昭６３−２
１０６３１号公報など）。例えば、特開昭５７−１３８
６１３号公報に開示されている分光器５１は、図１８に
示すように、透孔５２内に試料５３を配置された遮蔽板
５４と、フレネルゾーンプレート５５と、スクリーン５
６のピンホール５７の背後に設けられた受光素子５８を
光軸に沿って配設し、スクリーン５６及び受光素子５８
を移動機構５９によって光軸方向に移動させるようにし
ている。しかして、移動機構５９によって受光素子５８
とスクリーン５６を移動させながら、試料５３から出射
された光をフレネルゾーンプレート５５に透過させ、フ
レネルゾーンプレート５５によってピンホール５７の位
置に集光された光を受光素子５８で検出する。

【０００５】しかしながら、このような分光器は、光の
波長によってフレネルゾーンプレートによる集光位置が
異なることを利用して分光するものであるので、分解能
が低いという欠点があった。また、フレネルゾーンプレ
ートの遮光部（輪帯）で光が遮断されるため、光の利用
効率も悪かった。さらに、ミクロンレベルのピンホール
を用いているので、ピンホールが光軸から外れないよう
ミクロン以下の精度で制御しながらピンホールを光軸に
合わせて移動させる必要があり、分光器の製作が困難で
あった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、分解能が高く、光（電磁波）の利用効率が高
く、光学系をコンパクトにまとめることができ、さら
に、スペクトルを得るための移動機構の要求精度の緩や
かな分光器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の分光器は、同心
円状パターンからなる回折格子と、当該回折格子に対向
する光反射手段と、当該光反射手段と反対側から前記回
折格子へコリメート光を導くための手段と、前記回折格
子と前記光反射手段を光軸方向に沿って相対的に移動さ
せる手段とを備えたことを特徴としている。

【０００８】また、本発明の別な分光器は、同心円状パ
ターンからなる回折格子と、当該回折格子に対向する光
反射手段と、当該光反射手段と反対側から前記回折格子
へ発散光ビームを出射する光出射手段と、前記回折格子
と前記光反射手段を光軸方向に沿って相対的に移動させ
る手段とを備えたことを特徴としている。

【０００９】上記光出射手段は、光ファイバによって構
成してもよい。

【００１０】また、光出射手段は、半導体発光素子によ
って構成してもよい。この場合には、半導体発光素子の
発光波長を変調させる波長調整手段を備えてもよい。

【００１１】上記回折格子は、フレネルレンズでもよ
い。

【００１２】上記光反射手段の光反射領域の面積は、回
折格子の有効面積に比べて十分に小さくすることが好ま
しい。

【００１３】上記移動手段は、駆動源に圧電素子を用い
ていたものでもよい。

【００１４】さらに、上記回折格子へ導かれる光ビーム
を透過させ、上記光反射手段によって反射され回折格子
を透過した戻り光を反射させる光分岐手段と、上記光分
岐手段によって分離された光を受光する検出手段とを備
えていてもよい。

【００１５】また、この検出手段は、複数個の受光素子
から構成してもよい。

【００１６】

【作用】本発明の分光器にあっては、入射光ビーム（コ
リメート光、発散光）を同心円状パターンからなる回折
格子に入射させると、回折格子を透過した光ビームは光
反射手段で反射され、反射した光ビーム（戻り光）は再
び回折格子を透過し、元の方向へ戻る。このとき、回折
格子の分光作用により波長によって戻り光の出射方向
（あるいは、収束位置）が異なる。したがって、特定出
射方向（あるいは、特定収束位置）の戻り光を検出する
ことにより特定波長の光の強度を検出することができ
る。しかも、回折格子と光反射手段とから構成された折
返し光学系を使用し、１つの回折格子に光ビームを往復
させて２度分光作用を及ぼしているので、光ビームの分
解能を向上させることができる。しかも、折返し光学系
を使用しているので、分光器をコンパクト化することが
できる。

【００１７】さらに、光反射手段もしくは回折格子は移
動手段によって平行を保つように移動させればよいの
で、移動手段の要求精度を緩やかにできる。しかも、光
学系等の大部分をコンパクトに一体化することも可能に
なる。

【００１８】また、光出射手段を光ファイバによって構
成すれば、光源を小さくでき、回折格子への入射光が低
収差となり、Ｓ／Ｎ比が向上して測定分解能がより良好
となる。

【００１９】あるいは、光出射手段を半導体発光素子に
よって構成すれば、遠赤外から可視光までの幅広い発光
波長を有する小型の光源を用いることができ、分光器を
よりコンパクトにできる。

【００２０】また、回折格子としてフレネルレンズを用
いれば、光の透過光量が増加するので光の利用効率が向
上し、Ｓ／Ｎ比をより良好にできる。

【００２１】また、上記光反射手段の光反射領域の面積
を回折格子の有効面積に比べて十分に小さくすれば、不
要な光を光反射手段によって反射させないようにできる
ので、分光器の分解能を高め、よりＳ／Ｎ比を向上させ
ることができる。

【００２２】また、移動手段に圧電素子を用いれば、光
反射手段等の面倒れを防ぐことができ、変位制御も正確
に行なえるので、分光器の分解能をより向上させること
ができる。

【００２３】さらに、回折格子へ導かれる光ビームを透
過させ、反射手段によって反射され回折格子を透過した
戻り光を反射させる光分岐手段を用いれば、戻り光を入
射光ビームから分離できるので、検出手段の設置が容易
になり、戻り光を検出し易くなる。

【００２４】さらに、検出手段を複数個の検出素子によ
って構成すれば、波長別に光を個別の検出素子に収束さ
せることができ、さらに分解能を上げることができる。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による分光器１
を示す概略構成図である。２は使用光に対して極めて大
なる吸収係数を有する遮光部（輪帯）と、使用光に対し
て極めて小なる吸収係数を有する透光部（輪帯）とを不
等間隔の輪帯となるように同心円状に、かつ、交互に配
置して構成されたフレネルゾーンプレートである。フレ
ネルゾーンプレート２には、反射鏡３が平行に対向させ
られており、反射鏡３は移動機構４によってフレネルゾ
ーンプレート２と平行を保ったままで光軸に沿って移動
できる。反射鏡３の移動機構４としては、詳細は図示し
ないが、例えばねじ機構と直流サーボモータ等によって
構成された機械的な精密送り機構等を用いることができ
る。このフレネルゾーンプレート２には、反射鏡３と反
対側からコリメート光が導入される。コリメート光を導
入する手段としては、半導体発光素子等の発散光を出射
する発散光光源と当該発散光をコリメートするコリメー
トレンズ（図１３参照）から構成されていてもよく、あ
るいは、太陽光を用いる場合には、分光器１のハウジン
グに開口した１又は２以上のスリットないし受光窓から
太陽光を導入することによりコリメート光を得るように
したもの（図示せず）でもよい。

【００２６】フレネルゾーンプレート２は、Ｘ線や紫外
線から赤外線までの電磁波に対して分光特性を有してお
り、光の入射波長λによって焦点距離ｆが異なり、焦点
距離ｆが入射波長λと反比例している。このため、フレ
ネルゾーンプレート２から特定波長に対応する焦点距離
ｆと等しい距離Ｌに反射鏡３を置けば、フレネルゾーン
プレート２に入射したコリメート光のうち、当該波長の
光だけが反射鏡３で反射され、さらにフレネルゾーンプ
レート２を透過して戻った後、コリメート光となる。一
方、当該特定波長以外の光ビームは、反射鏡３で反射
し、さらにフレネルゾーンプレート２を透過して戻った
後は、発散光となる（あるいは、一旦収束してから発散
光となる）。

【００２７】具体的にいうと、例えば波長λ２の光に対
するフレネルゾーンプレート２の焦点位置に反射鏡３が
位置しているとき、図１に示すように波長λ１，λ２，
λ３（λ１＞λ２＞λ３）の光を含むコリメート光がフ
レネルゾーンプレート２に入射したとすると、波長λ２
の光はフレネルゾーンプレート２を透過して反射鏡３に
焦点を結び、反射鏡３で反射されて再びフレネルゾーン
プレート２を透過した後、コリメート光となる。これに
対し、波長λ１の光は、フレネルゾーンプレート２を透
過して焦点を結んだ後、さらに発散した状態で反射鏡３
により反射され、再びフレネルゾーンプレート２を透過
して発散光となる。また、波長λ３の光は、フレネルゾ
ーンプレート２を透過して焦点を結ぶ前に反射鏡３で反
射され、再びフレネルゾーンプレート２を透過した後で
収束し、さらに発散する。

【００２８】このように、特定波長（上記の例ではλ
２）の光だけがコリメート光として一定の強度Ｉを持っ
て元の方向へ戻り、他の波長の光は最終的には発散して
強度Ｉが弱くなるので、フレネルゾーンプレート２から
十分に離れた位置では、当該特定波長の光だけを分離す
ることができる。したがって、このコリメート光のみを
パワーメータ等の検出素子（図示せず）へ導くことによ
り、フレネルゾーンプレート２と反射鏡３との距離によ
って決まる特定波長の光の強度Ｉを測定することができ
る。

【００２９】さらに、移動機構４によって反射鏡３を光
軸に沿って移動させると、反射鏡３とフレネルゾーンプ
レート２との距離が連続的に変化し、これによってコリ
メート光として出力される光の波長が連続的に変化する
ので、入射光ビームのスペクトルを計測することができ
る。例えば、図１のように波長λ１，λ２，λ３の光を
含む光ビームが入射している場合には、移動機構４によ
って反射鏡３を移動させながら、戻り光の強度Ｉを検出
素子で測定すると、図２に示すように、フレネルゾーン
プレート２と反射鏡３との距離Ｌが各波長λ１，λ２，
λ３に対応するフレネルゾーンプレート２の焦点距離ｆ
１，ｆ２，ｆ３に等しくなったところにスペクトル（明
線）が得られる。また、例えば、大気中のガス等によっ
て波長λ１１，λ１２，…の波長の光が吸収されている
場合には、当該分光器１でスペクトル分析すると、図３
に示すような吸収スペクトル（暗線）が観測される。

【００３０】図４に示すものは本発明の第２の実施例に
よる分光器５を示す概略構成図である。この分光器５に
あっては、不等間隔回折格子としてマイクロフレネルレ
ンズ６を用い、マイクロフレネルレンズ６に反射鏡３を
対向させると共に移動機構４によって反射鏡３を光軸方
向に沿って移動させるようにしている。

【００３１】図１の分光器１に用いられているフレネル
ゾーンプレート２は、径方向に向かって透光部と遮光部
のパターンが交互に繰り返す構造となっているので、フ
レネルゾーンプレート２への入射光量のおよそ半分しか
フレネルゾーンプレート２を透過しない。したがって、
分光器１では、微小エネルギーの分光を行なう場合に
は、Ｓ／Ｎ比が悪くなる可能性がある。

【００３２】これに対し、光の回折現象と屈折現象を利
用したマイクロフレネルレンズ６は、フレネルゾーンプ
レート２に比べて光の利用効率が良好である。加えて、
マイクロフレネルレンズ６は、フレネルゾーンプレート
２と同様な分光特性を有しているから、回折格子として
マイクロフレネルレンズ６を用いた分光器５にあって
は、フレネルゾーンプレート２を用いた分光器１と同様
な原理により特定波長の光だけを取り出してパワーメー
タのような検出素子で計測することができ、しかも、マ
イクロフレネルレンズ６を用いることでＳ／Ｎ比を向上
させることができる。

【００３３】図５に示すものは本発明の第３の実施例に
よる分光器７を示す概略構成図である。この分光器７に
あっては、マイクロフレネルレンズ６に対向させて反射
鏡３を配置し、移動機構４によって反射鏡３を光軸に沿
って移動させるようにしている。しかも、反射鏡３の径
ｄはマイクロフレネルレンズ６の有効径（パターン領域
の外径）Ｄに比べて非常に小さくなっており、反射鏡３
をマイクロフレネルレンズ６の光軸に一致させて移動機
構４の縦板部８に固定している。

【００３４】フレネルゾーンプレート２やマイクロフレ
ネルレンズ６などの回折格子では、一般に、１次回折光
を分光に利用しているが、同時に０次回折光や２次以上
の高次回折光も発生することが知られており、これらの
高次回折光等によりＳ／Ｎ比が悪くなる恐れがある。こ
れに対し、本実施例の分光器７においては、反射鏡３の
面積をマイクロフレネルレンズ６の有効領域の面積に比
べて十分小さくすることにより、高次回折光を反射鏡３
によって元の方向へ反射しないようにしており、Ｓ／Ｎ
比を向上させることができる。また、反射鏡３の面積を
１次回折光の回折限界値レベルまで小さくすると、反射
鏡３の位置に焦点を結ばない波長の光（特定波長以外の
光）を反射鏡３によって反射しなくなるので、波長の分
解能が向上する。但し、この場合には、反射鏡３の中心
を常にマイクロフレネルレンズ６の光軸に厳密に一致さ
せておく必要がある。このような微小面積の反射鏡３
は、基板の表面にマスクを用いて金属膜等を蒸着させる
ことによって作製することができ、あるいは、反射鏡３
の表面にピンホールをあけた遮蔽板を密着させてピンホ
ール位置でのみ反射鏡３を露出させてもよい。

【００３５】図６に示すものは本発明の第４の実施例に
よる分光器９を示す概略構成図である。この分光器９
は、マイクロフレネルレンズ６にその有効径よりも小さ
な反射鏡３を対向させ、マイクロフレネルレンズ６の反
射鏡３と反対側（光ビーム入射側）の光軸上にハーフミ
ラー１０を配置したものである。このハーフミラー１０
は、入射光ビームをマイクロフレネルレンズ６側へ透過
させ、マイクロフレネルレンズ６側からの戻り光を反射
させるように用いられる。

【００３６】しかして、分光計測の対象となる光ビーム
をハーフミラー１０に導くと、光ビームはハーフミラー
１０及びマイクロフレネルレンズ６を透過して反射鏡３
で反射される。反射光は再びマイクロフレネルレンズ６
を元の方向へ透過し、特定波長の光だけがコリメート光
となって戻り、ハーフミラ１０で反射される。この結
果、特定波長の光だけが元の光ビームと異なる方向へ取
り出される。この特定波長の光が出射される方向に検出
素子を設置することにより、分光された光の強度を容易
に測定できる。

【００３７】反射鏡３で反射され、マイクロフレネルレ
ンズ６を透過して戻ってくる光ビームは、入射光ビーム
と同じ光軸上を通るが、この実施例のようにハーフミラ
ー１０を用いれば、入射光ビームと戻り光を分離するこ
とができ、戻り光のみを容易に検出することができる。

【００３８】なお、入射光ビームと戻り光との光分岐手
段としては、光の一部を透過させ、一部を屈折させる貼
り合わせプリズム等を用いてもよい。

【００３９】図７に示すものは本発明の第５の実施例に
よる分光器１１を示す概略構成図である。この分光器１
１では、入射光ビームと戻ってくる光ビームとを効果的
に分離させるための光分岐手段として、偏光子１２、偏
光ビームスプリッタ１３及び１／４波長（λ／４）板か
らなる光学系を用いており、偏光子１２の後ろに偏光ビ
ームスプリッタ１３を置き、その後ろに１／４波長板１
４を配置し、その後ろにマイクロフレネルレンズ６及び
反射鏡３を配置している。ここで、偏光ビームスプリッ
タ１３は、偏光面が直交する２つの直線偏光を２方向に
分離することができ、例えばＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光
を反射させる。

【００４０】しかして、偏光子１２に無偏光の光ビーム
が入射すると、偏光子１２によって直線偏光（Ｐ偏光と
する）に変換された後、偏光ビームスプリッタ１３に入
射する。Ｐ偏光は偏光ビームスプリッタ１３を透過し、
さらに１／４波長板１４を透過することによって円偏光
に変換される。この円偏光はマイクロフレネルレンズ６
を透過し、反射鏡３で反射された後、再びマイクロフレ
ネルレンズ６を透過し、特定波長の円偏光のみがコリメ
ート光となる。コリメート光となった特定波長の円偏光
は、１／４波長板１４を透過することによって直線偏光
（Ｓ偏光）に変換され、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッタ
１３で反射される。したがって、このＳ偏光の強度を検
出素子によって計測する。

【００４１】光分岐素子としてプリズムを用いる場合に
は、プリズム内部での反射波がＳ／Ｎ比を低下させる原
因となることがあるが、この分光器１１のような偏光ビ
ームスプリッタ１３等からなる光分岐手段を用いること
によりＳ／Ｎ比の低下を防ぐことができる。なお、偏光
ビームスプリッタ１３に代えて偏光プリズムを用いても
よい。

【００４２】図８に示すものは本発明の第６の実施例に
よる分光器１５であって、図７の分光器１１における偏
光子１２、偏光ビームスプリッタ１３、１／４波長板１
４及びマイクロフレネルレンズ６を一体化している。こ
のような一体化構造を用いることにより、分光器１５の
振動や温度変化に対する特性を向上させ、分光器１５を
小型化することができる。

【００４３】図９は本発明の第７の実施例による分光器
１６を示す概略構成図である。この分光器１６において
は、入射光の一部を透過させ一部を屈折させる貼り合わ
せプリズム等のプリズム１７をマイクロフレネルレンズ
６の前方に配置し、プリズム１７の側方にフレネルレン
ズや屈折レンズ等の集光レンズ１８と検出素子（受光素
子）１９を配置してある。

【００４４】しかして、プリズム１７を透過した入射光
ビームはマイクロフレネルレンズ６を透過し、反射鏡３
で反射する。また、反射鏡３で反射し、マイクロフレネ
ルレンズ６を透過した後にコリメート光となっている特
定波長の光は、プリズム１７で屈折し、集光レンズ１８
で集光されて検出素子１９に入射し、検出素子１９によ
って強度を計測される。

【００４５】なお、集光レンズ１８としてフレネルレン
ズを用いる場合には、光の収束位置が波長によって異な
ることを利用し、図１０に示す分光器２０（第８の実施
例）のように複数の検出素子１９ａ，１９ｂ，…を配列
すれば、波長別に光を個別の検出素子１９ａ，１９ｂ，
…に収束させることができ、さらに分解能を向上させる
ことができる。

【００４６】図１１は本発明の第９の実施例による分光
器２１を示す概略構成図である。この分光器２１にあっ
ては、マイクロフレネルレンズ６の前方にプリズム１７
を配置し、プリズム１７の前方に光ファイバ２２の端面
を対向させている。プリズム１７の側方には受光面積の
小さな検出素子１９が固定されている。また、マイクロ
フレネルレンズ６の後ろの反射鏡３も非常に小さなもの
が用いられている。

【００４７】しかして、光ファイバ２２の端面からプリ
ズム１７に向けて発散光を出射させると、この光ビーム
はプリズム１７を透過し、特定波長の光のみがマイクロ
フレネルレンズ６によって反射鏡３の上に収束させら
れ、反射鏡３で反射される。検出素子１９は、反射鏡３
で反射され、マイクロフレネルレンズ６を透過した特定
波長の光のみが、プリズム１７で反射された後検出素子
１９の上に収束するように配置されている。したがっ
て、検出素子１９には特定波長の光だけが集光されるの
で、このような構成により特定波長の光だけを分光する
ことができる。さらに、移動機構４によって反射鏡３を
移動させると、検出素子１９で計測した強度から入射光
のスペクトルを得ることができる。

【００４８】このように光ファイバ２２を用いて光源を
小さくすると、マイクロフレネルレンズ６への入射光が
低収差となり、Ｓ／Ｎ比が向上して測定分解能が良好と
なる。

【００４９】図１２に示すものは本発明の第１０の実施
例による分光器２３である。この実施例にあっては、光
ファイバ２２とプリズム１７との間にコリメートレンズ
２４を挿入し、光ファイバ２２の端面から出射された発
散光をコリメートレンズ２４によってコリメート光に変
換した後、プリズム１７へ入射させるようにしてある。
また、分離された特定波長のコリメート光は、集光レン
ズ１８によって検出素子１９に集光されている。このよ
うに、光ファイバ２２から出射された光ビームをコリメ
ート光に変換してからプリズム１７へ入射させれば、プ
リズム１７等による収差をさらに小さくすることができ
る。

【００５０】図１３は本発明の第１１の実施例による分
光器２５を示す概略構成図である。この分光器２６にあ
っては、コリメートレンズ２４、プリズム１７、マイク
ロフレネルレンズ６及び集光レンズ１８を一体化してあ
り、振動や温度変化に対して特性を安定させると共に分
光器をよりコンパクト化できる。

【００５１】図１４は本発明の第１２の実施例による分
光器２６を示す概略構成図である。この分光器２６にあ
っては、光源としてＬＥＤや半導体レーザ等の半導体発
光素子２７を用い、発光素子２７から出射された発散光
をコリメートレンズ２４によってコリメート光に変換
し、このコリメート光をプリズム１７に透過させた後、
マイクロフレネルレンズ６及び小さな反射鏡３によって
特定波長の光をコリメート光として取り出し、プリズム
１７で反射させた後、集光レンズ１８によって検出素子
１９に集光させている。

【００５２】この分光器２６では半導体発光素子２７を
光源としているが、発光素子２７は微小な発光点を有
し、形状も小型であるから、分光器２６の小型化に有用
である。さらに、発光素子２７は、遠赤外から可視光ま
での幅広い発光波長を有しているので、分光器用の光源
に適している。

【００５３】また、この分光器２６は、半導体発光素子
２７の駆動電流を変調させることができる発光素子変調
駆動回路２８を備えており、駆動電流値を変調させるこ
とによって発光波長を走査できるようになっている。

【００５４】図１５は本発明の第１３の実施例による分
光器２９を示す概略構成図である。この分光器２９にあ
っては、半導体発光素子２７を発光素子駆動回路３０に
よって発光させ、発光素子２７を納めているケース３１
の温度をヒータ加熱等によって変化させるためのケース
温度制御装置３２を備えており、ケース３１の温度を変
化させることによって発光素子２７の発光波長を走査で
きるようにしている。

【００５５】図１６は、マイクロフレネルレンズやフレ
ネルゾーンプレート等の回折格子３３と反射鏡３との相
対距離を変化させるための移動機構４の具体的構造を説
明するための実施例であって、積層型圧電素子３４を用
いた移動機構４を示している。固定ベース３５には１個
又は２個以上の積層型圧電素子３４が互いに平行に固定
されており、各積層型圧電素子３４の自由端に反射鏡３
の裏面が固定されている。

【００５６】しかして、積層型圧電素子３４に駆動電圧
を印加して伸縮させると、積層型圧電素子３４に支持さ
れている反射鏡３が変位し、固定されている回折格子３
３と反射鏡３との距離が変化する。積層型圧電素子３４
は、入力電圧に比例して形状が変化する小型で精密なア
クチュエータであり、モータ駆動による方法等と比較し
てバックラッシュや面倒れが少なく、可動部も少ないの
で、振動にも強いという特徴がある。したがって、移動
機構４として積層型圧電素子３４を用いることにより、
反射鏡３の面倒れを防ぐことができ、変位制御も正確に
行なえるので、分光器の分解能を向上させることができ
る。

【００５７】図１７に示すものは、回折格子３３と反射
鏡３との相対距離を変化させるための移動機構４の具体
的構造の別な実施例である。この実施例にあっては、積
層型圧電素子３４の両端に変位拡大機構３６を設け、変
位拡大機構３６を両端に備えた積層型圧電素子３４を複
数個縦列に接続したものを用いている。この変位拡大機
構３６は、ブリッジ形状もしくはドーム形状に形成され
ており、積層型圧電素子３４の横方向歪を縦方向歪に変
換及び増幅し、これを積層型圧電素子３４の縦方向歪に
重畳させ、積層型圧電素子３４から大きな変位量を出力
させるものである。しかして、このような移動機構４を
用いることにより、図１６の実施例に比べて反射鏡３を
大きく変位ないし移動させることができる。

【００５８】なお、上記実施例においては、移動機構に
よって反射鏡を移動させるようにしているが、反射鏡を
固定して回折格子を移動機構によって移動させるように
してもよい。あるいは、反射鏡と回折格子を移動機構に
よって同時に移動させて相対距離を変化させるようにし
てもよい。また、上記実施例では、例えば、空気中のガ
ス成分（窒素酸化物等）の分析の場合を念頭において説
明したが、光入射側（例えば、図１１の実施例の光ファ
イバの端面近傍など）に透明試料をおけば、当該試料の
分析に用いることができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、戻り光のうち特定の出
射方向（もしくは、特定の収束位置）の光を検出するこ
とにより特定波長の光の強度を検出することができ、し
かも、回折格子と光反射手段とから構成された折返し光
学系を使用し、１つの回折格子に光ビームを往復させて
２度分光作用を及ぼしているので、光ビームの分解能を
向上させることができる。しかも、折返し光学系を使用
しているので、分光器をコンパクト化でき、可搬型の分
光器の製作が可能になり、用途も拡大する。

【００６０】さらに、光反射手段もしくは回折格子は移
動手段によって平行を保つように移動させればよいの
で、移動手段の要求精度を緩やかにできる。しかも、光
学系等の大部分をコンパクトに一体化することも可能に
なり、振動や温度変化に対する特性の良好な分光器を製
作することもできる。

【００６１】また、光出射手段に光ファイバや半導体発
光素子を用いて分光器のＳ／Ｎ比を向上させたり、より
コンパクト化を図ったりできる。

【００６２】また、上記光反射手段の光反射領域の面積
を回折格子の有効面積に比べて十分に小さくすれば、不
要な光を光反射手段によって反射させないようにできる
ので、分光器の分解能を高め、よりＳ／Ｎ比を向上させ
ることができる。

【００６３】さらに、移動手段には小型、高精度の圧電
素子を用いることもでき、分光器の分解能をより向上さ
せることができる。

【００６４】さらに、回折格子へ導かれる光ビームを透
過させ、反射手段によって反射され回折格子を透過した
戻り光を反射させる光分岐手段を用いれば、戻り光を入
射光ビームから分離できるので、検出手段の設置が容易
になり、戻り光を検出し易くなる。

【００６５】さらに、検出手段を複数個の検出素子によ
って構成すれば、波長別に光を個別の検出素子に収束さ
せることができ、さらに分解能を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図２】同上の分光器によって得られたスペクトルの一
例を示す図である。

【図３】別な光ビームの吸収スペクトルを示す図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施例による分光器を示す概略
構成図である

【図５】本発明の第３の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図６】本発明の第４の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図７】本発明の第５の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図８】本発明の第６の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図９】本発明の第７の実施例による分光器を示す概略
構成図である。

【図１０】本発明の第８の実施例による分光器を示す概
略構成図である。

【図１１】本発明の第９の実施例による分光器を示す概
略構成図である。

【図１２】本発明の第１０の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１３】本発明の第１１の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１４】本発明の第１２の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１５】本発明の第１３の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１６】本発明の第１４の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１７】本発明の第１５の実施例による分光器を示す
概略構成図である。

【図１８】従来例の分光器を示す概略構成図である。

【符号の説明】

２フレネルゾーンプレート３反射鏡４移動機構６マイクロフレネルレンズ１０ハーフミラー１３偏光ビームスプリッタ１７プリズム１９検出素子２２光ファイバ２７発光素子３４積層型圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同心円状パターンからなる回折格子と、当該回折格子に対向する光反射手段と、当該光反射手段と反対側から前記回折格子へコリメート
光を導くための手段と、前記回折格子と前記光反射手
段を光軸方向に沿って相対的に移動させる手段とを備え
た分光器。
【請求項２】同心円状パターンからなる回折格子と、当該回折格子に対向する光反射手段と、当該光反射手段と反対側から前記回折格子へ発散光ビー
ムを出射する光出射手段と、前記回折格子と前記光反射手段を光軸方向に沿って相対
的に移動させる手段とを備えた分光器。
【請求項３】前記光出射手段が光ファイバによって構
成されていることを特徴とする請求項２に記載の分光
器。
【請求項４】前記光出射手段が半導体発光素子によっ
て構成されていることを特徴とする請求項２に記載の分
光器。
【請求項５】前記光出射手段が、前記半導体発光素子
の発光波長を変調させる波長調整手段を備えていること
を特徴とする請求光４に記載の分光器。
【請求項６】前記回折格子がフレネルレンズであるこ
とを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の分
光器。
【請求項７】前記光反射手段の光反射領域の面積が、
前記回折格子の有効面積に比べて十分に小さいことを特
徴とする請求項１，２，３，４，５又は６に記載の分光
器。
【請求項８】前記移動手段が、駆動源に圧電素子を用
いていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，
６又は７に記載の分光器。
【請求項９】さらに、前記回折格子へ導かれる光ビー
ムを透過させ、前記光反射手段によって反射され回折格
子を透過した戻り光を反射させる光分岐手段と、前記光分岐手段によって分離された光を受光する検出手
段とを備えた請求項１，２，３，４，５，６，７又は８
に記載の分光器。
【請求項１０】前記検出手段が複数個の検出素子から
なることを特徴とする請求項９に記載の分光器。