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JP7735889B2 - Spectroscopic and analytical equipment - Google Patents
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JP7735889B2 - Spectroscopic and analytical equipment - Google Patents

Spectroscopic and analytical equipment

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JP7735889B2
JP7735889B2 JP2022020693A JP2022020693A JP7735889B2 JP 7735889 B2 JP7735889 B2 JP 7735889B2 JP 2022020693 A JP2022020693 A JP 2022020693A JP 2022020693 A JP2022020693 A JP 2022020693A JP 7735889 B2 JP7735889 B2 JP 7735889B2
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才明 鴇田
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Description

本発明は、分光器および分析装置に関する。 The present invention relates to a spectrometer and an analytical device.

従来、測定光を波長ごとに分光することにより、波長ごとの分光スペクトルが得られるようにしたいわゆる分光器が知られている。 Conventionally, so-called spectroscopes have been known that separate measurement light into wavelengths to obtain an optical spectrum for each wavelength.

分光器には、反射面の傾きが可変である反射手段により反射された光を共焦点光学系により集光し、集光された光を回折格子により波長ごとに異なる方向へ波長分散し、スリット付きミラーにより、波長分散された光のうち一部の波長の光のみを出射させる構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 The spectrometer is configured to collect light reflected by a reflecting means with a variable tilt of the reflecting surface using a confocal optical system, disperse the collected light into different directions for each wavelength using a diffraction grating, and emit only light of a certain wavelength from the dispersed light using a slit mirror (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1の構成では、波長分散光に含まれる異なる波長の光のうちスリット付きミラー等の光出射手段に入射する光の入射角に応じて、光利用効率や、光出射手段から出射される迷光の強度が変化する場合がある。光利用効率や迷光の強度が変化すると、分光器による分光精度が低下する。 However, with the configuration of Patent Document 1, the light utilization efficiency and the intensity of stray light emitted from the light emitting means, such as a slitted mirror, can change depending on the angle of incidence of light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light that enters the light emitting means. Changes in the light utilization efficiency and the intensity of stray light reduce the spectroscopic accuracy of the spectroscope.

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、分光器による分光精度を向上させることを目的とする。 The present invention aims to improve the spectroscopic accuracy of a spectrometer in order to solve the problems of the conventional technology described above.

上述した課題を解決するために、本発明の分光器は、外部からの光を、第1光通過部を通して入射させる光入射手段と、前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる回折格子と、前記回折格子による波長分散光を反射する反射面を有し、前記反射面の傾きが可変である反射手段と、前記反射手段によって反射された前記波長分散光に含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第2光通過部を通して外部に出射させる光出射手段と、を有し、以下の(1)式および(2)式の条件を満足する。
|θr|<|θm| ・・・(1)
|θr|<|θM| ・・・(2)
(λmは、前記波長分散光における波長の最小値を表し、λMは、前記波長分散光における波長の最大値を表し、λrは、前記波長分散光における異なる波長のうちλmとλMとの範囲内から選択される波長を表し、θmは、波長λmの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表し、θMは、波長λMの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表し、θrは、波長λrの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表す。)
In order to solve the above-mentioned problems, the spectrometer of the present invention comprises a light incident means that incidents light from outside through a first light passing portion, a diffraction grating that wavelength-disperses the light incident by the light incident means, a reflecting means that has a reflecting surface that reflects the wavelength-dispersed light by the diffraction grating and the inclination of the reflecting surface is variable, and a light emitting means that emits a portion of light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light reflected by the reflecting means to the outside through a second light passing portion, and satisfies the conditions of the following equations (1) and (2).
|θr|<|θm| ...(1)
|θr|<|θM| ...(2)
(λm represents the minimum wavelength in the wavelength-dispersed light, λM represents the maximum wavelength in the wavelength-dispersed light, λr represents a wavelength selected from the range between λm and λM among the different wavelengths in the wavelength-dispersed light, θm represents the angle of incidence at which light of wavelength λm is incident on the second light passing portion, θM represents the angle of incidence at which light of wavelength λM is incident on the second light passing portion, and θr represents the angle of incidence at which light of wavelength λr is incident on the second light passing portion.)

本発明によれば、分光器による分光精度を向上させることができる。 This invention can improve the spectroscopic accuracy of a spectrometer.

第1実施形態に係る分光器の全体構成を例示する斜視図である。1 is a perspective view illustrating an example of the overall configuration of a spectrometer according to a first embodiment. 図1におけるII-II切断線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 第1実施形態に係る光出射部と光検出部の配置を例示する図である。3A and 3B are diagrams illustrating the arrangement of a light emitting unit and a light detecting unit according to the first embodiment; 光出射部への入射角を例示する第1図であり、図4(a)は入射角θMの図、図4(b)は入射角θrの図、図4(c)は入射角θmの図である。4A is a diagram of the incident angle θM, FIG. 4B is a diagram of the incident angle θr, and FIG. 4C is a diagram of the incident angle θm. 光出射部への入射角を例示する第2図であり、図5(a)は入射角θMの図、図5(b)は入射角θrの図、図5(c)は入射角θmの図である。5A is a diagram of the incident angle θM; FIG. 5B is a diagram of the incident angle θr; and FIG. 5C is a diagram of the incident angle θm. 光出射部への入射角を例示する第3図であり、図6(a)は入射角θMの図、図6(b)は入射角θrの図、図6(c)は入射角θmの図である。6A is a diagram of the incident angle θM; FIG. 6B is a diagram of the incident angle θr; and FIG. 6C is a diagram of the incident angle θm. 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第1図である。FIG. 1 is a first diagram showing an example of change in light utilization efficiency depending on the incident angle. 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第2図である。FIG. 2 is a second diagram showing an example of change in light utilization efficiency depending on the incident angle. 入射角に応じた光利用効率の変化例を示す第3図である。FIG. 3 is a third diagram showing an example of change in light utilization efficiency depending on the incident angle. 第2実施形態に係る光入射部の投影像を説明する図である。10A and 10B are diagrams illustrating a projected image of a light incident portion according to a second embodiment. 第2実施形態に係る光出射部の投影像を説明する図である。10A and 10B are diagrams illustrating a projected image of a light exit portion according to a second embodiment. 第3実施形態に係る光入射部および光出射部の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a light incident portion and a light emitting portion according to a third embodiment. 第1変形例に係る光入射部および光出射部の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a light incident portion and a light emitting portion according to a first modified example. 第2変形例に係る光入射部および光出射部の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a light incident portion and a light emitting portion according to a second modified example. 第3実施形態に係る非光通過部での反射光強度を説明する図である。10A and 10B are diagrams illustrating the intensity of reflected light at a non-light passing portion according to the third embodiment. 第3実施形態に係る光通過部内壁での反射を説明する図である。10A and 10B are diagrams illustrating reflection on an inner wall of a light transmitting portion according to the third embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について詳細に説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。 The following describes in detail the embodiments of the invention with reference to the drawings. In each drawing, identical components are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted where appropriate.

以下に示す実施形態は、本開示の技術思想を具体化するための分光器および分析装置を例示するものであって、本開示を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本開示の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。 The embodiments described below are examples of spectrometers and analytical devices that embody the technical concepts of the present disclosure, and are not intended to limit the present disclosure to the embodiments described below. Unless otherwise specified, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described below are intended for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure. Furthermore, the sizes and relative positions of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity.

[実施形態]
<分光器10の全体構成例>
図1は、実施形態に係る分光器10の全体構成を例示する斜視図である。分光器10は、光入射部1と、凹面回折格子2と、可動光反射部3と、光出射部4と、基板5と、光検出部6と、を有する。
[Embodiment]
<Example of overall configuration of spectroscope 10>
1 is a perspective view illustrating the overall configuration of a spectrometer 10 according to an embodiment. The spectrometer 10 includes a light input unit 1, a concave diffraction grating 2, a movable light reflector 3, a light output unit 4, a substrate 5, and a light detector 6.

光入射部1は、外部からの光Liを、第1光通過部11を通して入射させる光入射手段の一例である。光入射部1における第1光通過部11以外の領域は、光Liを通過させない第1非光通過部12を構成している。 The light incident section 1 is an example of a light incident means that allows external light Li to enter through the first light passing section 11. The area of the light incident section 1 other than the first light passing section 11 constitutes a first non-light passing section 12 that does not allow light Li to pass through.

第1光通過部11は、例えばピンホール形状、スリット形状等を有し、光の入射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりするために設けられている。 The first light passing section 11 has, for example, a pinhole or slit shape, and is provided to determine the incident position of light and improve wavelength resolution.

凹面回折格子2は、光入射部1によって入射された光Liを波長分散させる回折格子の一例である。凹面回折格子2は、基板5上に形成されている。凹面回折格子2は、光Liを回折させることにより波長分散させつつ、波長分散光Ldを可動光反射部3に向けて反射する。波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光は、それぞれ集束しながら伝搬して、反射面32上の反射ライン33上の異なる位置に入射し、反射面32により反射される。 The concave diffraction grating 2 is an example of a diffraction grating that wavelength-disperses the light Li incident through the light incident portion 1. The concave diffraction grating 2 is formed on a substrate 5. The concave diffraction grating 2 diffracts the light Li to wavelength-disperse it, and reflects the wavelength-dispersed light Ld toward the movable light reflector 3. The light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld propagates while converging, impinging on different positions on the reflection line 33 on the reflection surface 32 and being reflected by the reflection surface 32.

基板5の材料には、例えば半導体、ガラス、金属、樹脂等を適用できるが、これらに限定されるものではない。なお、凹面回折格子2は、基板5上に直接形成されてもよく、基板5上に形成された薄膜層、例えば樹脂層等の上に形成されてもよい。 The substrate 5 may be made of, but is not limited to, a semiconductor, glass, metal, or resin. The concave diffraction grating 2 may be formed directly on the substrate 5, or may be formed on a thin film layer, such as a resin layer, formed on the substrate 5.

可動光反射部3は、凹面回折格子2による波長分散光Ldを反射する反射面32を有し、反射面の傾きが可変である反射手段の一例である。可動光反射部3は、凹面回折格子2による波長分散光Ldを、反射面32により光出射部4に向けて反射する。 The movable light reflector 3 has a reflecting surface 32 that reflects the wavelength-dispersed light Ld generated by the concave diffraction grating 2, and is an example of a reflecting means in which the inclination of the reflecting surface is variable. The movable light reflector 3 reflects the wavelength-dispersed light Ld generated by the concave diffraction grating 2 toward the light output unit 4 using the reflecting surface 32.

可動光反射部3は揺動軸31を有している。可動光反射部3は、揺動軸31周りに揺動することにより、波長分散光Ldを反射する反射面32の傾きを変化させることができる。 The movable light reflecting unit 3 has a swing axis 31. By swinging around the swing axis 31, the movable light reflecting unit 3 can change the inclination of the reflecting surface 32 that reflects the wavelength-dispersed light Ld.

可動光反射部3は、例えば、半導体基板に半導体プロセス、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセス等によって薄型且つ小型に形成可能である。また、半導体基板に可動光反射部3を形成することにより、圧電駆動、静電駆動、電磁駆動等の駆動素子部を半導体基板上にモノリシックに形成できる。これにより、分光器10は、モータ等の外部駆動装置を用いなくても可動光反射部3を駆動させることができるため、さらなる小型化が可能となる。但し、可動光反射部3が形成される基板は半導体に限定されるものではなく、ガラス、金属、樹脂等であってもよい。 The movable light reflector 3 can be formed thin and small on a semiconductor substrate using, for example, a semiconductor process or a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) process. Furthermore, by forming the movable light reflector 3 on a semiconductor substrate, it is possible to monolithically form a driving element unit, such as a piezoelectric, electrostatic, or electromagnetic drive, on the semiconductor substrate. This allows the spectrometer 10 to drive the movable light reflector 3 without using an external driving device such as a motor, thereby enabling further miniaturization. However, the substrate on which the movable light reflector 3 is formed is not limited to semiconductor, and may be glass, metal, resin, etc.

光出射部4は、可動光反射部3によって反射された波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第2光通過部41を通して外部に出射させる光出射手段の一例である。波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光うち一部の光は、その略焦点位置において第2光通過部41を通って外部に出射する。光出射部4における第2光通過部41以外の領域は、波長分散光Ldを通過させない第2非光通過部42を構成している。 The light output unit 4 is an example of a light output means that outputs a portion of the light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld reflected by the movable light reflector 3 to the outside through the second light passing unit 41. The portion of the light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld is output to the outside through the second light passing unit 41 at its approximate focal position. The area of the light output unit 4 other than the second light passing unit 41 constitutes a second light non-passing unit 42 that does not allow the wavelength-dispersed light Ld to pass through.

第2光通過部41は、例えばピンホール形状、スリット形状等を有し、波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち一部の光の出射位置を決定したり、波長分解能を向上させたりするために設けられている。 The second light passing section 41 has, for example, a pinhole or slit shape, and is provided to determine the emission position of some of the light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld and to improve wavelength resolution.

波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光は、それぞれ反射面32上の反射ライン33上の異なる位置において反射され、光出射部4上の出射ライン43上の異なる位置に入射する。 Light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld is reflected at different positions on the reflection line 33 on the reflecting surface 32 and enters different positions on the emission line 43 on the light emitting section 4.

可動光反射部3の反射面32が揺動軸31周りに傾きを変化させることにより、波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光それぞれの出射ライン43上における入射位置が変化する。 By changing the tilt of the reflecting surface 32 of the movable light reflecting unit 3 around the oscillation axis 31, the incident position on the emission line 43 of each light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld changes.

波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち、第2光通過部41の位置に入射する光は、第2光通過部41を通って出射する。光出射部4は、波長分散光Ldに含まれる波長であって、可動光反射部3の揺動角により決定される波長の光を、第2光通過部41を通して出射させることができる。 Of the light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld, light that is incident on the position of the second light passing section 41 is emitted through the second light passing section 41. The light emitting section 4 can emit light of a wavelength contained in the wavelength-dispersed light Ld, the wavelength of which is determined by the oscillation angle of the movable light reflecting section 3, through the second light passing section 41.

なお、光入射部1および光出射部4についても、基板上に形成されたものであってもよい。この場合、基板の材料には、例えば、半導体、ガラス、金属、樹脂等を適用できるが、これらに限定されるものではない。但し、基板の材料として半導体を用いると、半導体プロセス、MEMSプロセス等を用いて高精度且つ廉価に光入射部1および光出射部4を形成できるため好ましい。 The light incident portion 1 and light exit portion 4 may also be formed on a substrate. In this case, the substrate may be made of, for example, semiconductor, glass, metal, resin, etc., but is not limited to these. However, using a semiconductor as the substrate material is preferable, as it allows the light incident portion 1 and light exit portion 4 to be formed with high precision and low cost using semiconductor processes, MEMS processes, etc.

光検出部6は、光出射部4からの出射光を検出する光検出手段の一例である。光検出部6には、例えばフォトダイオードを使用できる。近赤外領域の光Liを分光する場合には、InGaAsフォトダイオードが好ましい。 The light detection unit 6 is an example of a light detection means that detects the light emitted from the light emission unit 4. The light detection unit 6 can be, for example, a photodiode. When dispersing light Li in the near-infrared region, an InGaAs photodiode is preferred.

分光器10において、上記各構成部は、図1に示すように所定の位置に配置され、さらに所定の姿勢を維持できるように、筐体や治具等に対して固定されている。 In the spectrometer 10, each of the above components is arranged in a predetermined position as shown in Figure 1, and is fixed to a housing, jig, etc. so that it can maintain a predetermined posture.

<凹面回折格子2の構成例>
図2は、凹面回折格子2の構成を例示する図であり、図1におけるII-II切断線に沿った断面図である。
<Configuration example of concave diffraction grating 2>
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the concave diffraction grating 2, and is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.

図2に示すように、凹面回折格子2は、反射部材15を有する。具体的には、基板5の上面に凹曲面が形成されており、この凹曲面に回折格子が形成されている。さらに、回折格子の表面に、反射率を向上させるためのAl、Ag、Au、Pt等の金属材料を用いた反射部材15が形成されている。例えば、基板5の凹曲面に対してレジストを塗布し、干渉露光法等を用いてレジストに格子パターンを形成し、ドライエッチング等を行うことにより、基板5の凹曲面に回折格子を形成できる。 As shown in Figure 2, the concave diffraction grating 2 has a reflective member 15. Specifically, a concave curved surface is formed on the upper surface of the substrate 5, and a diffraction grating is formed on this concave curved surface. Furthermore, a reflective member 15 made of a metal material such as Al, Ag, Au, or Pt is formed on the surface of the diffraction grating to improve reflectivity. For example, a diffraction grating can be formed on the concave curved surface of the substrate 5 by applying resist to the concave curved surface of the substrate 5, forming a grating pattern in the resist using interference exposure or the like, and then performing dry etching or the like.

凹面回折格子2には、例えば、回折格子の溝部の断面形状として、矩形形状、正弦波形状、ノコギリ波形状等を有するものを適用できる。 The concave diffraction grating 2 can have, for example, a rectangular, sinusoidal, or sawtooth wave cross-sectional shape for the grooves of the diffraction grating.

凹面回折格子2は、反射部材15を有さない構成であってもよい。また、凹面回折格子2の構成は、同様の波長分散機能を有するものであれば、図2に例示したものに限定されない。光入射部1から平行光が入射する場合には、凹面回折格子2の代わりに平面回折格子を用いることによっても、同様の波長分散機能が得られる。この場合には、平面回折格子の傾きを変える構成を採用した場合に必要となる複雑な装置構成(例えば、平面回折格子の前後で光を平行光にするためのコリメート光学系等)は不要である。 The concave diffraction grating 2 may be configured without the reflective member 15. Furthermore, the configuration of the concave diffraction grating 2 is not limited to that illustrated in Figure 2, as long as it has a similar wavelength dispersion function. When parallel light is incident from the light incident section 1, a similar wavelength dispersion function can be obtained by using a planar diffraction grating instead of the concave diffraction grating 2. In this case, there is no need for the complex device configuration (for example, a collimating optical system for collimating light before and after the planar diffraction grating) that would be required if a configuration that changes the inclination of the planar diffraction grating is adopted.

凹面回折格子2では、基板5の上面に形成された凹曲面に薄膜状の樹脂層が形成され、この樹脂層に回折格子が形成されていてもよい。この場合には、反射率を向上させるために、樹脂層に形成された回折格子の表面に、Al、Ag、Au、Pt等の金属材料を用いた反射部材が形成されることが好ましい。 In the concave diffraction grating 2, a thin-film resin layer may be formed on the concave curved surface formed on the upper surface of the substrate 5, and the diffraction grating may be formed on this resin layer. In this case, to improve reflectivity, it is preferable to form a reflective member made of a metal material such as Al, Ag, Au, or Pt on the surface of the diffraction grating formed on the resin layer.

<光出射部4と光検出部6の配置例>
図3は、光出射部4と光検出部6の配置を例示する図であり、光出射部4および光検出部6の側面図である。
<Example of arrangement of light emitting unit 4 and light detecting unit 6>
FIG. 3 is a diagram illustrating the arrangement of the light emitting unit 4 and the light detecting unit 6, and is a side view of the light emitting unit 4 and the light detecting unit 6. As shown in FIG.

図3に示すように、光出射部4は、光検出部6に接触するように設けられている。光検出部6は、接着部材または粘着部材等により光出射部4を接着することによって、光出射部4を支持している。 As shown in Figure 3, the light emitting unit 4 is arranged so as to be in contact with the light detecting unit 6. The light detecting unit 6 supports the light emitting unit 4 by adhering the light emitting unit 4 with an adhesive or pressure-sensitive adhesive material, etc.

光出射部4と光検出部6とを接着する接着部材または粘着部材には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム又はエラストマー、シリコーン系、編成シリコーン系を含むもの等を使用できる。光検出部6は、電力消費により温度上昇する場合があるため、該接着部材は、光出射部4の熱変形を抑制する応力緩和特性に優れた接着部材あるいは粘着部材であることが望ましい。なお、光検出部6は、光出射部4に接触せずに、接着部材以外の部材を介して、光出射部4に近接した状態において光出射部4を接着支持してもよい。 The adhesive or pressure-sensitive adhesive used to bond the light emitting unit 4 and the light detecting unit 6 can be made of thermoplastic resin, thermosetting resin, rubber or elastomer, silicone, or knitted silicone. Because the temperature of the light detecting unit 6 may rise due to power consumption, it is desirable that the adhesive or pressure-sensitive adhesive have excellent stress relaxation properties to suppress thermal deformation of the light emitting unit 4. The light detecting unit 6 may also be adhesively supported by the light emitting unit 4 in close proximity to it via a member other than the adhesive, without coming into contact with the light emitting unit 4.

光検出部6は、受光窓61を含んでいる。光出射部4の第2光通過部41を通過した出射光は、受光窓61を通して光検出部6により検出される。 The light detection unit 6 includes a light receiving window 61. The emitted light that passes through the second light passing portion 41 of the light emission unit 4 is detected by the light detection unit 6 through the light receiving window 61.

入射角θrは、波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち、所定波長としての波長λrの光Lrが光出射部4に入射する入射角を表す。より詳しくは、入射角θrは、受光窓61の略中心を通り、受光窓61の略法線方向に延伸する受光中心軸60と、光Lrの中心軸である光軸Lr1と、がなす角度である。光軸Lr1は光Lrの主光線ということもできる。 The incident angle θr represents the angle at which light Lr of a predetermined wavelength λr, among the different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld, enters the light output unit 4. More specifically, the incident angle θr is the angle between the light-receiving central axis 60, which passes through approximately the center of the light-receiving window 61 and extends in an approximately normal direction to the light-receiving window 61, and the optical axis Lr1, which is the central axis of light Lr. The optical axis Lr1 can also be considered the principal ray of light Lr.

ここで、受光中心軸60に沿って光出射部と光検出部が離隔していると、入射角θrが大きい場合には、第2光通過部を通過した光Lrの光検出部への入射位置と受光中心軸60との間の距離が長くなるため、光Lrが光検出部の受光窓に入射せず、光検出部によって検出されない場合がある。 Here, if the light emitting section and the light detecting section are spaced apart along the light receiving central axis 60, and the incident angle θr is large, the distance between the incident position of light Lr that has passed through the second light passing section into the light detecting section and the light receiving central axis 60 becomes long, so light Lr may not enter the light receiving window of the light detecting section and may not be detected by the light detecting section.

本実施形態では、光検出部6を光出射部4に接触または近接するように設けているため、入射角θrが大きい場合にも、光Lrの光検出部6への入射位置を受光中心軸60に近づけることができる。これにより、入射角θrが大きい場合にも光Lrが受光窓61に入射するため、光検出部6は光Lrを検出可能になる。 In this embodiment, the light detection unit 6 is arranged so that it is in contact with or close to the light emission unit 4, so that the incident position of light Lr on the light detection unit 6 can be brought closer to the light-receiving central axis 60, even when the incident angle θr is large. As a result, even when the incident angle θr is large, light Lr is incident on the light-receiving window 61, allowing the light detection unit 6 to detect light Lr.

また、受光中心軸60に沿って光出射部と光検出部が離隔し、光出射部および光検出部がそれぞれ別部材により支持されていると、光出射部と光検出部との間の相対的な位置が変動しやすくなる。本実施形態では、光検出部6が光出射部4を支持するため、光出射部4と光検出部6との間の相対的な位置変動を抑制可能である。 Furthermore, if the light emitting unit and the light detecting unit are spaced apart along the light-receiving central axis 60 and are supported by separate members, the relative position between the light emitting unit and the light detecting unit is likely to fluctuate. In this embodiment, the light detecting unit 6 supports the light emitting unit 4, making it possible to suppress fluctuations in the relative position between the light emitting unit 4 and the light detecting unit 6.

<光出射部4への入射角と光利用効率および迷光との関係>
図4から図6は、光出射部4への入射角を例示する図である。図4は第1図であり、図4(a)は入射角θMの図、図4(b)は入射角θrの図、図4(c)は入射角θmの図である。図5は第2図であり、図5(a)は入射角θMの図、図5(b)は入射角θrの図、図5(c)は入射角θmの図である。図6は第3図であり、図6(a)は入射角θMの図、図6(b)は入射角θrの図、図6(c)は入射角θmの図である。
<Relationship between the angle of incidence on the light emitting portion 4, the light utilization efficiency, and stray light>
4 to 6 are diagrams illustrating the angle of incidence on the light emitting portion 4. Fig. 4 is Fig. 1, in which Fig. 4(a) is a diagram of the angle of incidence θM, Fig. 4(b) is a diagram of the angle of incidence θr, and Fig. 4(c) is a diagram of the angle of incidence θm. Fig. 5 is Fig. 2, in which Fig. 5(a) is a diagram of the angle of incidence θM, Fig. 5(b) is a diagram of the angle of incidence θr, and Fig. 5(c) is a diagram of the angle of incidence θm. Fig. 6 is Fig. 3, in which Fig. 6(a) is a diagram of the angle of incidence θM, Fig. 6(b) is a diagram of the angle of incidence θr, and Fig. 6(c) is a diagram of the angle of incidence θm.

本実施形態では、入射角θM、θrおよびθmの関係は、以下の(1)式および(2)式により表される。
|θr|<|θm| ・・・(1)
|θr|<|θM| ・・・(2)
In this embodiment, the relationship between the angles of incidence θM, θr, and θm is expressed by the following equations (1) and (2).
|θr|<|θm| ...(1)
|θr|<|θM| ...(2)

ここでλmは、波長分散光Ldにおける波長の最小値を表す。λMは、波長分散光Ldにおける波長の最大値を表す。λrは、波長分散光Ldにおける異なる波長のうちλmとλMとの範囲内から選択される波長を表す。またθmは、波長λmの光Lmが第2光通過部41に入射する入射角を表す。θMは、波長λMの光LMが第2光通過部41に入射する入射角を表す。θrは、波長λrの光Lrが第2光通過部41に入射する入射角を表す。 Here, λm represents the minimum wavelength in the wavelength-dispersed light Ld. λM represents the maximum wavelength in the wavelength-dispersed light Ld. λr represents a wavelength selected from the range between λm and λM among the different wavelengths in the wavelength-dispersed light Ld. Furthermore, θm represents the angle of incidence at which light Lm of wavelength λm enters the second light passing section 41. θM represents the angle of incidence at which light LM of wavelength λM enters the second light passing section 41. θr represents the angle of incidence at which light Lr of wavelength λr enters the second light passing section 41.

より詳しくは、入射角θmは、上述した受光中心軸60と、光Lmの中心軸である光軸Lm1と、がなす角度である。入射角θMは、受光中心軸60と、光LMの中心軸である光軸LM1と、がなす角度である。入射角θrは、受光中心軸60と、光Lrの中心軸である光軸Lr1と、がなす角度である。光軸Lm1は光Lmの主光線、光軸LM1は光LMの主光線、光軸Lr1は光Lrの主光線と、それぞれいうこともできる。 More specifically, the incident angle θm is the angle between the light-receiving central axis 60 and the optical axis Lm1, which is the central axis of light Lm. The incident angle θM is the angle between the light-receiving central axis 60 and the optical axis LM1, which is the central axis of light LM. The incident angle θr is the angle between the light-receiving central axis 60 and the optical axis Lr1, which is the central axis of light Lr. The optical axis Lm1 can also be referred to as the chief ray of light Lm, the optical axis LM1 as the chief ray of light LM, and the optical axis Lr1 as the chief ray of light Lr.

なお、図4から図6では、可動光反射部3における反射面32の揺動軸31周りの傾き角度が小さい場合に光LMが第2光通過部41を通過し、反射面32の揺動軸31周りの傾き角度が大きい場合に光Lmが第2光通過部41を通過する配置になっている。 In Figures 4 to 6, the arrangement is such that when the tilt angle of the reflecting surface 32 of the movable light reflecting unit 3 around the oscillation axis 31 is small, light LM passes through the second light passing portion 41, and when the tilt angle of the reflecting surface 32 around the oscillation axis 31 is large, light Lm passes through the second light passing portion 41.

図4に示すように、可動光反射部3における反射面32の傾き変化に応じて、波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のそれぞれは、光出射部4への入射位置が変化するとともに、第2光通過部41への入射角が変化する。 As shown in Figure 4, in response to changes in the inclination of the reflecting surface 32 of the movable light reflecting unit 3, the incident position of each of the different wavelengths of light contained in the wavelength-dispersed light Ld on the light emitting unit 4 changes, and the incident angle on the second light passing unit 41 also changes.

第2光通過部41を通過する光の光量は、入射角に応じて変化する。入射角が大きくなると、第2光通過部41を通過できない光が増加するため、分光器10における光利用効率が低下する。 The amount of light passing through the second light passing section 41 varies depending on the angle of incidence. As the angle of incidence increases, more light cannot pass through the second light passing section 41, reducing the light utilization efficiency of the spectroscope 10.

上記(1)式および(2)式の条件を満足することにより、入射角θm、θMおよびθrの相互の差が小さくなるため、光Lm、LMおよびLrの光利用効率を向上させることができる。 By satisfying the conditions of equations (1) and (2) above, the differences between the incident angles θm, θM, and θr become smaller, thereby improving the light utilization efficiency of light Lm, LM, and Lr.

図5および図6は、図4に対して、光出射部4の傾きを変化させた場合の入射角θm、θMおよびθrの関係を示している。図5の例では、入射角θMがほぼ0度になるように配置することにより、|θM|<|θr|<|θm|の関係になっている。図6の例では、入射角θmがほぼ0度になるように配置することにより、|θm|<|θr|<|θM|の関係になっている。 Figures 5 and 6 show the relationship between the incident angles θm, θM, and θr when the inclination of the light output portion 4 is changed compared to Figure 4. In the example of Figure 5, by arranging the incident angle θM to be approximately 0 degrees, the relationship |θM|<|θr|<|θm| is achieved. In the example of Figure 6, by arranging the incident angle θm to be approximately 0 degrees, the relationship |θm|<|θr|<|θM| is achieved.

ここで、光出射部4に入射した波長分散光Ldのうち、第2光通過部41を通過できない光は、光出射部4の第2非光通過部42により反射された後、迷光になる場合がある。なお、迷光とは、分光器10による分光に寄与しない光をいう。 Here, of the wavelength-dispersed light Ld incident on the light output unit 4, light that cannot pass through the second light-passing section 41 may become stray light after being reflected by the second non-light-passing section 42 of the light output unit 4. Note that stray light refers to light that does not contribute to the splitting by the spectroscope 10.

図4に示す配置では、第2非光通過部42により反射された光の大部分は、往きにきた光路を逆行し、可動光反射部3、凹面回折格子2および光入射部1の順に導光され、光入射部1における第1非光通過部12によってその一部の光が反射される。 In the arrangement shown in Figure 4, most of the light reflected by the second non-light-passing portion 42 travels back along the same optical path as the light it came from, and is guided in this order through the movable light reflecting portion 3, the concave diffraction grating 2, and the light incident portion 1, with some of that light being reflected by the first non-light-passing portion 12 in the light incident portion 1.

第1非光通過部12により反射された光は、再び凹面回折格子2、可動光反射部3および第2非光通過部42の順に導光され、第2非光通過部42によってその一部の光が反射される。 The light reflected by the first non-light-passing portion 12 is guided again through the concave diffraction grating 2, the movable light reflecting portion 3, and the second non-light-passing portion 42, in that order, and some of the light is reflected by the second non-light-passing portion 42.

以上のように、第2非光通過部42により反射された光は、光出射部4と光入射部1との間において多重反射される。例えば第1非光通過部12および第2非光通過部42それぞれの反射率を低くすると、多重反射における反射回数が増えるにつれて多重反射光は消衰するため、この多重反射光に基づく迷光が抑制される。 As described above, light reflected by the second non-light-transmitting portion 42 is multiple-reflected between the light-emitting portion 4 and the light-incident portion 1. For example, if the reflectivity of each of the first non-light-transmitting portion 12 and the second non-light-transmitting portion 42 is reduced, the multiple-reflected light will be extinguished as the number of reflections increases, thereby suppressing stray light caused by this multiple-reflected light.

一方、図5に示す配置では、入射角θm、θMおよびθrが|θM|<|θr|<|θm|の関係にあるため、第2非光通過部42により反射された光Lmが往きにきた光路を逆行せず、光入射部1、凹面回折格子2、可動光反射部3および光出射部4それぞれを支持する支持部材等によって反射されることによって迷光となりやすい。 On the other hand, in the arrangement shown in Figure 5, the incident angles θm, θM, and θr have the relationship |θM| < |θr| < |θm|, so the light Lm reflected by the second non-light-passing portion 42 does not travel back along the optical path it came from, but is reflected by the support members that support the light incident portion 1, concave diffraction grating 2, movable light reflecting portion 3, and light emitting portion 4, and is therefore likely to become stray light.

同様に、図6に示す配置の場合には、入射角θm、θMおよびθrが|θm|<|θr|<|θM|の関係にあるため、第2非光通過部42により反射された光LMが往きにきた光路を逆行せず、光入射部1、凹面回折格子2、可動光反射部3および光出射部4それぞれを支持する支持部材等によって反射されることによって迷光となりやすい。 Similarly, in the case of the arrangement shown in Figure 6, the incident angles θm, θM, and θr have the relationship |θm| < |θr| < |θM|, so the light LM reflected by the second non-light-passing portion 42 does not travel back along the optical path it came from, but is reflected by the support members that support the light incident portion 1, concave diffraction grating 2, movable light reflecting portion 3, and light emitting portion 4, and is therefore likely to become stray light.

以上のことから、図4に示す配置において、上記(1)式および(2)式の条件を満足すると、迷光発生を抑制する効果が高くなる。 From the above, in the arrangement shown in Figure 4, if the conditions of equations (1) and (2) above are satisfied, the effect of suppressing the generation of stray light is enhanced.

<光利用効率のシミュレーション結果>
図7から図9は、第2光通過部41への入射角に応じた光利用効率の変化例を示す図であり、図7は第1図、図8は第2図、図9は第3図である。図7から図9は、いずれも照明解析ソフトウェアを用いたシミュレーションにより、入射角に応じた光利用効率を算出した結果を示している。各図において、横軸は第2光通過部41への入射角を表し、縦軸は規格化された光利用効率を表している。
<Simulation results of light utilization efficiency>
7 to 9 are diagrams showing examples of changes in light use efficiency according to the angle of incidence on the second light passing portion 41, with Fig. 7 being Fig. 1, Fig. 8 being Fig. 2, and Fig. 9 being Fig. 3. All of Fig. 7 to Fig. 9 show the results of calculating the light use efficiency according to the angle of incidence through a simulation using illumination analysis software. In each diagram, the horizontal axis represents the angle of incidence on the second light passing portion 41, and the vertical axis represents the normalized light use efficiency.

各図に示すシミュレーション結果は、可動光反射部3における反射面32の揺動軸31周りの傾き角度が小さい場合に光LMが第2光通過部41を通過し、反射面32の揺動軸31周りの傾き角度が大きい場合に光Lmが第2光通過部41を通過する配置におけるものである。 The simulation results shown in each figure are for an arrangement in which light LM passes through the second light passing portion 41 when the tilt angle of the reflecting surface 32 of the movable light reflecting portion 3 around the oscillation axis 31 is small, and light Lm passes through the second light passing portion 41 when the tilt angle of the reflecting surface 32 around the oscillation axis 31 is large.

図7は(1)式および(2)式を満足する場合、図8は|θM|<|θr|<|θm|の関係にある場合、図9は|θm|<|θr|<|θM|の関係にある場合をそれぞれ示している。 Figure 7 shows the case where equations (1) and (2) are satisfied, Figure 8 shows the case where the relationship |θM|<|θr|<|θm| holds, and Figure 9 shows the case where the relationship |θm|<|θr|<|θM| holds.

光利用効率の最大値に対する最小値の比率は、図7では約89%であるのに対し、図8では約81%、図9では約74%であった。このことから、上記(1)式および(2)式の条件を満足することにより、優れた光利用効率が得られることが分かった。 The ratio of the minimum to the maximum light utilization efficiency was approximately 89% in Figure 7, approximately 81% in Figure 8, and approximately 74% in Figure 9. This demonstrates that excellent light utilization efficiency can be achieved by satisfying the conditions of equations (1) and (2) above.

<分光器10の作用効果>
以上説明したように、分光器10は、外部からの光Liを、第1光通過部11を通して入射させる光入射部1(光入射手段)と、光入射部1によって入射された光Liを波長分散させる凹面回折格子2(回折格子)と、を有する。また分光器10は、凹面回折格子2による波長分散光Ldを反射する反射面32を有し、反射面32の傾きが可変である可動光反射部3(反射手段)と、可動光反射部3によって反射された波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第2光通過部41を通して外部に出射させる光出射部4(光出射手段)と、を有する。分光器10は、上記(1)式および(2)式の条件を満足する。
<Functions and Effects of Spectrometer 10>
As described above, the spectrometer 10 includes a light incident section 1 (light incident means) that allows external light Li to enter through the first light passing section 11, and a concave diffraction grating 2 (diffraction grating) that wavelength-disperses the light Li incident by the light incident section 1. The spectrometer 10 also includes a movable light reflector 3 (reflection means) that has a reflecting surface 32 that reflects wavelength-dispersed light Ld by the concave diffraction grating 2 and whose inclination is variable, and a light exit section 4 (light exit means) that exits a portion of light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld reflected by the movable light reflector 3 to the outside through the second light passing section 41. The spectrometer 10 satisfies the conditions of the above formulas (1) and (2).

上記(1)式および(2)式の条件を満足することにより、入射角θm、θMおよびθrの相互の差が小さくなるため、分光器10では、光出射部4から出射される光Lm、LMおよびLrの光利用効率が向上する。光利用効率が向上することにより光検出部6における信号雑音比が高くなるため、本実施形態では、分光器10による分光精度を向上させることができる。 By satisfying the conditions of equations (1) and (2) above, the differences between the incident angles θm, θM, and θr become smaller, and therefore the light utilization efficiency of the light Lm, LM, and Lr emitted from the light emitting unit 4 in the spectrometer 10 is improved. Since the signal-to-noise ratio in the light detecting unit 6 increases due to the improved light utilization efficiency, the spectroscopic accuracy of the spectrometer 10 can be improved in this embodiment.

また、上記(1)式および(2)式の条件を満足することにより、第2非光通過部42により反射された光は、光出射部4と光入射部1との間において多重反射される。このため、例えば第1非光通過部12および第2非光通過部42それぞれの反射率を低くすると、多重反射における反射回数が増えるにつれて多重反射光は消衰する。従って、分光器10では、光入射部1、凹面回折格子2、可動光反射部3および光出射部4それぞれを支持する支持部材等によって反射される光に基づく迷光を抑制し、光検出部6における信号雑音比を高くすることができる。 Furthermore, by satisfying the conditions of equations (1) and (2) above, the light reflected by the second non-light-passing portion 42 is multiple-reflected between the light exit portion 4 and the light entrance portion 1. For this reason, for example, if the reflectivity of each of the first non-light-passing portion 12 and the second non-light-passing portion 42 is reduced, the multiple-reflected light will extinguish as the number of reflections in the multiple reflections increases. Therefore, in the spectrometer 10, stray light due to light reflected by the support members that support the light entrance portion 1, concave diffraction grating 2, movable light reflecting portion 3, and light exit portion 4 can be suppressed, and the signal-to-noise ratio in the light detection portion 6 can be increased.

また、本実施形態では、分光器10は、光出射部4からの出射光を検出する光検出部6(光検出手段)を有し、光検出部6は、光出射部4に接触または近接するように設けられている。これにより、入射角θrが大きい場合にも、受光窓61に入射しないことで光検出部6によって検出されない光を抑制できるため、光利用効率を向上させ、分光器10による分光精度を向上させることができる。 In addition, in this embodiment, the spectrometer 10 has a light detection unit 6 (light detection means) that detects light emitted from the light emission unit 4, and the light detection unit 6 is arranged so as to be in contact with or in close proximity to the light emission unit 4. This makes it possible to suppress light that does not enter the light receiving window 61 and is therefore not detected by the light detection unit 6, even when the incident angle θr is large, thereby improving light utilization efficiency and improving the spectroscopic accuracy of the spectrometer 10.

また、本実施形態では、光検出部6は光出射部4を支持するため、光出射部4と光検出部6との間の相対的な位置変動を抑制でき、分光器10による分光精度を向上させることができる。 In addition, in this embodiment, the light detection unit 6 supports the light emission unit 4, which can suppress relative positional fluctuations between the light emission unit 4 and the light detection unit 6, thereby improving the spectroscopic accuracy of the spectrometer 10.

[第2実施形態]
次に、分光器10の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一構成部には、同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。この点は、以降に示す実施形態においても同様である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the spectrometer 10 will be described. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate. This also applies to the following embodiments.

<第1光通過部11の形状と第2光通過部41の形状の関係例>
図10は、本実施形態に係る光入射部1の投影像1sを説明する図である。図11は、本実施形態に係る光出射部4の投影像4sを説明する図である。
<Example of relationship between shape of first light passing portion 11 and shape of second light passing portion 41>
Fig. 10 is a diagram illustrating a projected image 1s of the light entrance portion 1 according to this embodiment. Fig. 11 is a diagram illustrating a projected image 4s of the light exit portion 4 according to this embodiment.

図10は、光Liが光入射部1の第1光通過部11を通過する様子を示している。投影像1sは、第1光通過部11を通過する光Liの主光線Li0に直交する面Piに投影される第1光通過部11の投影像である。 Figure 10 shows how light Li passes through the first light passing section 11 of the light incident section 1. The projected image 1s is a projected image of the first light passing section 11 projected onto a plane Pi perpendicular to the principal ray Li0 of light Li passing through the first light passing section 11.

図11は、波長分散光Ldに含まれる異なる波長の光のうち波長λrである光Lrが光出射部4の第2光通過部41を通過する様子を示している。投影像4sは、第2光通過部41を通過する光Lrの主光線Lr0に直交する面Prに投影される第2光通過部41の投影像である。 Figure 11 shows how light Lr with wavelength λr, among the light of different wavelengths contained in the wavelength-dispersed light Ld, passes through the second light passing section 41 of the light output section 4. The projected image 4s is a projected image of the second light passing section 41 projected onto a plane Pr perpendicular to the chief ray Lr0 of the light Lr passing through the second light passing section 41.

本実施形態では、分光器10は、投影像1sの形状が投影像4sの形状に等しくなるように構成されている。この構成により、光入射部1から入射される光Liの光量低下を抑制するとともに、第2光通過部41を高効率に通過した光Lrを光検出部6によって検出することができる。この結果、本実施形態では、分光器10の光利用効率を向上させ、分光器10による分光精度を向上させることができる。 In this embodiment, the spectrometer 10 is configured so that the shape of the projected image 1s is equal to the shape of the projected image 4s. This configuration suppresses a decrease in the amount of light Li incident from the light incident section 1, and allows the light detection section 6 to detect light Lr that passes through the second light passing section 41 with high efficiency. As a result, in this embodiment, the light utilization efficiency of the spectrometer 10 can be improved, and the spectroscopic accuracy of the spectrometer 10 can be improved.

また、本実施形態では、波長λmと波長λMとの範囲内における所定波長の光に対し、第1光通過部11と第2光通過部41は共役関係である。可動光反射部3における反射面32の傾き変化に伴い、光出射部4に到達する光はその波長に応じて焦点位置が変化し、波長分解能が低下する場合がある。本実施形態では、所定波長の光に対し、第1光通過部11と第2光通過部41を共役関係にすることによって、所定波長の光に対し、焦点位置の変化量を抑制でき、波長分解能の低下を抑制できる。 In addition, in this embodiment, the first light passing portion 11 and the second light passing portion 41 are in a conjugate relationship for light of a predetermined wavelength within the range of wavelengths λm and λM. As the tilt of the reflecting surface 32 of the movable light reflecting portion 3 changes, the focal position of light reaching the light emitting portion 4 changes depending on its wavelength, which may result in a decrease in wavelength resolution. In this embodiment, by making the first light passing portion 11 and the second light passing portion 41 conjugate with each other for light of a predetermined wavelength, the amount of change in focal position for light of the predetermined wavelength can be suppressed, and a decrease in wavelength resolution can be suppressed.

第1光通過部11および第2光通過部41がスリット状に形成されている場合には、スリットの長手方向に中央から離れるにつれ、収差により焦点位置が、第1光通過部11および第2光通過部41の法線方向に変化しやすくなる。このため、凹面回折格子2の形状を非球面形状にすることにより、上記の第1光通過部11と第2光通過部41との共役関係を成立させることが好ましい。 When the first light passing section 11 and the second light passing section 41 are formed in a slit shape, the focal position tends to change in the normal direction of the first light passing section 11 and the second light passing section 41 due to aberration as the distance from the center in the longitudinal direction of the slit increases. For this reason, it is preferable to make the shape of the concave diffraction grating 2 aspherical, thereby establishing a conjugate relationship between the first light passing section 11 and the second light passing section 41.

[第3実施形態]
次に、分光器10の第3実施形態について説明する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the spectroscope 10 will be described.

図12は、本実施形態に係る光入射部1および光出射部4の構成を例示する断面図である。なお、光入射部1および光出射部4は、同様の構成を有するため、図12では符号を併記している。この点は、以降の図13および図14においても同様とする。 Figure 12 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the light incident section 1 and light exit section 4 according to this embodiment. Note that since the light incident section 1 and light exit section 4 have the same configuration, the same reference numerals are used in Figure 12. This also applies to Figures 13 and 14 below.

図12に示すように、光入射部1は、ニッケル(Ni)基板111と、黒色クロム(Cr)膜112と、第1光通過部11と、を含む。 As shown in FIG. 12, the light incident portion 1 includes a nickel (Ni) substrate 111, a black chromium (Cr) film 112, and a first light passing portion 11.

黒色クロム膜112は、分光器10の内側に対応するニッケル基板111の面上に積層形成されており、第1非光通過部12を構成している。第1光通過部11は、ニッケル基板111および黒色クロム膜112を貫通するように形成されている。 The black chrome film 112 is laminated on the surface of the nickel substrate 111 corresponding to the inside of the spectrometer 10, and constitutes the first non-light-transmitting section 12. The first light-transmitting section 11 is formed to penetrate the nickel substrate 111 and the black chrome film 112.

光出射部4は、ニッケル基板411と、黒色クロム膜412と、第2光通過部41と、を含む。 The light emitting section 4 includes a nickel substrate 411, a black chrome film 412, and a second light passing section 41.

黒色クロム膜412は、分光器10の内側に対応するニッケル基板411の面上に積層形成されており、第2非光通過部42を構成している。第2光通過部41は、ニッケル基板411および黒色クロム膜412を貫通するように形成されている。 The black chrome film 412 is laminated on the surface of the nickel substrate 411 that corresponds to the inside of the spectrometer 10, and forms the second non-light-transmitting portion 42. The second light-transmitting portion 41 is formed to penetrate the nickel substrate 411 and the black chrome film 412.

光入射部1および光出射部4は、それぞれエレクトロフォーミング加工法により形成される。エレクトロフォーミング加工法とは、金属イオンを母材に電着させて形状を形成する加工法をいう。光入射部1および光出射部4は、母材としてのニッケル基板に金属イオンであるクロムが電着されることによって形成される。 The light input section 1 and the light output section 4 are each formed using the electroforming process. Electroforming is a processing method in which metal ions are electrodeposited onto a base material to form a shape. The light input section 1 and the light output section 4 are formed by electrodepositing chromium metal ions onto a nickel substrate, which serves as the base material.

光入射部1および光出射部4をエレクトロフォーミング加工法により形成することにより、光入射部1および光出射部4を薄く形成できる。これにより本実施形態では、第1光通過部11および第2光通過部41の内壁での光反射を低減し、迷光を抑制できる。 By forming the light incident section 1 and light exit section 4 using an electroforming process, the light incident section 1 and light exit section 4 can be made thin. As a result, in this embodiment, light reflection on the inner walls of the first light passing section 11 and second light passing section 41 can be reduced, and stray light can be suppressed.

ニッケル材料は、エレクトロフォーミング加工が容易である点において、光入射部1および光出射部4の基板の材料として好適である。 Nickel is an ideal material for the substrates of the light input section 1 and light output section 4 because it is easy to process using electroforming.

スズ-ニッケル合金、ニッケル-亜鉛合金、スズ-ニッケル-銅合金等の黒ニッケル材料を含んで光入射部1および光出射部4の基板を構成すると、光入射部1および光出射部4の反射率を低減し、例えば第1光通過部11および第2光通過部41それぞれの内壁での反射を低減できる。これにより分光器10における迷光を抑制できる。 Constructing the substrates of the light entrance section 1 and light exit section 4 using black nickel materials such as tin-nickel alloy, nickel-zinc alloy, or tin-nickel-copper alloy reduces the reflectance of the light entrance section 1 and light exit section 4, and reduces reflections on the inner walls of the first light passing section 11 and second light passing section 41, for example. This suppresses stray light in the spectrometer 10.

光入射部1が黒色クロム膜112を含み、光出射部4が黒色クロム膜412を含むことにより、光入射部1と光出射部4との間において多重反射が生じた際に、多重反射の回数が増えるにつれ、多重反射光が消衰する。これにより多重反射光に基づく迷光を抑制できる。 Since the light incident portion 1 includes the black chrome film 112 and the light exit portion 4 includes the black chrome film 412, when multiple reflections occur between the light incident portion 1 and the light exit portion 4, the multiple reflected light is extinguished as the number of multiple reflections increases. This makes it possible to suppress stray light caused by multiple reflected light.

図13は、第1変形例に係る光入射部1aおよび光出射部4aの構成を例示する断面図である。 Figure 13 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the light incident section 1a and light exit section 4a according to the first modified example.

図13に示すように、光入射部1aは、シリコン(Si)基板111aと、真空蒸着遮光膜112aと、第1光通過部11と、を含む。 As shown in FIG. 13, the light incident portion 1a includes a silicon (Si) substrate 111a, a vacuum-deposited light-shielding film 112a, and a first light passing portion 11.

真空蒸着遮光膜112aは、分光器10の内側に対応するシリコン基板111aの面上に積層形成されており、第1非光通過部12を構成している。第1光通過部11は、シリコン基板111aおよび真空蒸着遮光膜112aを貫通するように形成されている。 The vacuum-deposited light-shielding film 112a is laminated on the surface of the silicon substrate 111a corresponding to the inside of the spectrometer 10, and forms the first non-light-transmitting section 12. The first light-transmitting section 11 is formed to penetrate the silicon substrate 111a and the vacuum-deposited light-shielding film 112a.

光出射部4aは、シリコン基板411aと、真空蒸着遮光膜412aと、第2光通過部41と、を含む。 The light emitting section 4a includes a silicon substrate 411a, a vacuum-deposited light-shielding film 412a, and a second light passing section 41.

真空蒸着遮光膜412aは、分光器10の内側に対応するシリコン基板411aの面上に積層形成されており、第2非光通過部42を構成している。第2光通過部41は、シリコン基板411aおよび真空蒸着遮光膜412aを貫通するように形成されている。 The vacuum-deposited light-shielding film 412a is laminated on the surface of the silicon substrate 411a corresponding to the inside of the spectrometer 10, and constitutes the second non-light-transmitting section 42. The second light-transmitting section 41 is formed to penetrate the silicon substrate 411a and the vacuum-deposited light-shielding film 412a.

真空蒸着遮光膜112aおよび412aは、それぞれ第1反射膜の一例であり、反射率が低い低反射膜である。低反射膜には、真空蒸着またはメッキにより形成可能な粒状金属膜等を使用できる。 The vacuum-deposited light-shielding films 112a and 412a are each an example of a first reflective film, and are low-reflection films with low reflectivity. The low-reflection film can be a granular metal film or the like that can be formed by vacuum deposition or plating.

シリコン基板411aを含んで光入射部1aおよび光出射部4aを構成することにより、半導体プロセス、MEMSプロセス等を用いて光入射部1aおよび光出射部4aを高精度且つ廉価に製作可能となる。これ以外の効果は、光入射部1および光出射部4と同様である。 By including the silicon substrate 411a in the light input section 1a and the light output section 4a, the light input section 1a and the light output section 4a can be manufactured with high precision and low cost using semiconductor processes, MEMS processes, etc. Other effects are the same as those of the light input section 1 and the light output section 4.

図14は、第2変形例に係る光入射部1bおよび光出射部4bの構成を例示する断面図である。 Figure 14 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the light input section 1b and the light output section 4b according to the second modified example.

図14に示すように、光入射部1bは、ガラス基板111bと、クロム/酸化クロム膜112bと、第1光通過部11と、を含む。 As shown in FIG. 14, the light incident portion 1b includes a glass substrate 111b, a chromium/chromium oxide film 112b, and a first light passing portion 11.

クロム/酸化クロム膜112bは、分光器10の内側に対応するガラス基板111bの面上に積層形成されており、第1非光通過部12を構成している。第1光通過部11は、クロム/酸化クロム膜112bを貫通するように形成されている。 The chromium/chromium oxide film 112b is laminated on the surface of the glass substrate 111b corresponding to the inside of the spectrometer 10, and constitutes the first non-light-transmitting portion 12. The first light-transmitting portion 11 is formed to penetrate the chromium/chromium oxide film 112b.

光出射部4bは、ガラス基板411bと、クロム/酸化クロム膜412bと、第2光通過部41と、を含む。 The light emitting portion 4b includes a glass substrate 411b, a chromium/chromium oxide film 412b, and a second light passing portion 41.

クロム/酸化クロム膜412bは、分光器10の内側に対応するガラス基板411bの面上に積層形成されており、第2非光通過部42を構成している。第2光通過部41は、クロム/酸化クロム膜412bを貫通するように形成されている。 The chromium/chromium oxide film 412b is laminated on the surface of the glass substrate 411b corresponding to the inside of the spectrometer 10, and forms the second non-light-transmitting portion 42. The second light-transmitting portion 41 is formed to penetrate the chromium/chromium oxide film 412b.

クロム/酸化クロム膜112bおよび412bは、第2反射膜の一例であり、反射率が低い低反射膜である。低反射膜には、真空蒸着またはメッキにより形成可能な粒状金属膜等を使用できる。また、低反射膜は、クロム膜と酸化ケイ素膜またはクロム膜と酸化クロム膜等の交互積層膜で形成することも可能である。 The chromium/chromium oxide films 112b and 412b are examples of second reflective films, and are low-reflection films with low reflectivity. The low-reflection film can be a granular metal film that can be formed by vacuum deposition or plating. The low-reflection film can also be formed from an alternating laminate film of chromium film and silicon oxide film, or chromium film and chromium oxide film, etc.

ガラス基板を用いることにより、光入射部1bおよび光出射部4bを廉価に製作できる。また第1非光通過部12および第2非光通過部42を誘電体薄膜の多層積層により形成することによって、光入射部1bおよび光出射部4bの光透過特性を調整でき、迷光を低減できる。これ以外の効果は、光入射部1および光出射部4と同様である。 By using glass substrates, the light entrance portion 1b and light exit portion 4b can be manufactured inexpensively. Furthermore, by forming the first non-light-transmitting portion 12 and the second non-light-transmitting portion 42 using a multi-layer laminate of dielectric thin films, the light transmission characteristics of the light entrance portion 1b and light exit portion 4b can be adjusted, reducing stray light. Other effects are similar to those of the light entrance portion 1 and light exit portion 4.

本実施形態では、光入射部として光入射部1、1aおよび1bのいずれを使用してもよいし、光出射部として光出射部4、4aおよび4bのいずれを使用してもよい。光入射部1、1aおよび1bと、光出射部4、4aおよび4bを適宜組み合わせて用いてもよい。 In this embodiment, any of light incident sections 1, 1a, and 1b may be used as the light incident section, and any of light output sections 4, 4a, and 4b may be used as the light output section. Light incident sections 1, 1a, and 1b may be used in combination with light output sections 4, 4a, and 4b as appropriate.

以下の説明では、光入射部1および光出射部4を一例とするが、光入射部1aまたは1b、あるいは光出射部4aまたは4bに置き換えることもできる。 In the following explanation, light entrance section 1 and light exit section 4 are used as examples, but they can also be replaced with light entrance section 1a or 1b, or light exit section 4a or 4b.

ここで、図15は、第1非光通過部12および第2非光通過部42での反射光強度を説明する図である。図15の横軸は、反射面32の規格化された傾きを表し、縦軸は光検出部6での規格化された受光量を表している。 Here, Figure 15 is a diagram explaining the reflected light intensity at the first non-light-passing portion 12 and the second non-light-passing portion 42. The horizontal axis of Figure 15 represents the normalized tilt of the reflecting surface 32, and the vertical axis represents the normalized amount of light received at the light detection unit 6.

図15において、実線のグラフ151は、メイン光の光検出部6による受光強度を表している。破線のグラフ152は、第1非光通過部12の反射率が90%である光入射部1と、第2非光通過部42の反射率が90%である光出射部4と、の間を多重反射により1回往復した光(1回往復光という)の光検出部6による受光強度を表している。 In Figure 15, solid line graph 151 represents the light intensity received by the light detection unit 6 of the main light. Dashed line graph 152 represents the light intensity received by the light detection unit 6 of light that has made one round trip by multiple reflection between the light entrance unit 1, where the reflectance of the first non-light-passing portion 12 is 90%, and the light exit unit 4, where the reflectance of the second non-light-passing portion 42 is 90% (referred to as single-round trip light).

一点鎖線のグラフ153は、第1非光通過部12の反射率が50%である光入射部1と、第2非光通過部42の反射率が50%である光出射部4と、の間を多重反射により1回往復した光の光検出部6による受光強度を表している。 The dashed-dotted line graph 153 represents the light intensity received by the light detection unit 6 after light has traveled back and forth once due to multiple reflections between the light entrance unit 1, where the reflectance of the first non-light-transmitting portion 12 is 50%, and the light exit unit 4, where the reflectance of the second non-light-transmitting portion 42 is 50%.

二点鎖線のグラフ153は、第1非光通過部12の反射率が30%である光入射部1と、第2非光通過部42の反射率が30%である光出射部4と、の間を多重反射により1回往復した光の光検出部6による受光強度を表している。 The dashed-dotted line graph 153 represents the intensity of light received by the light detection unit 6 after multiple reflections that make a round trip between the light entrance unit 1, where the reflectance of the first non-light-transmitting portion 12 is 30%, and the light exit unit 4, where the reflectance of the second non-light-transmitting portion 42 is 30%.

メイン光および1回往復光は、波長λmと波長λMとの範囲内における所定波長の光である。 The main light and the one-time round trip light are light of a predetermined wavelength within the range between wavelengths λm and λM.

1回往復光は、適正な角度とは異なる角度の反射面32により反射された後、光検出部6により検出される光であるため、迷光となる光である。1回往復光のメイン光に対する相対強度は、グラフ151では0.35、グラフ152では0.11、グラフ153では0.04である。 The one-time round trip light is stray light because it is detected by the light detection unit 6 after being reflected by the reflecting surface 32 at an angle different from the appropriate angle. The relative intensity of the one-time round trip light to the main light is 0.35 in graph 151, 0.11 in graph 152, and 0.04 in graph 153.

例えば、分光器10による分光反射率から物質の材料を判定する用途では、メイン光に対する迷光が5%程度以下であれば判定が可能となる。このため、図15に基づくと、波長λmと波長λMとの範囲内における所定波長の光に対し、第1非光通過部12および第2非光通過部42の反射率は、いずれも30%以下にすることが好ましい。このようにすることで、光検出部6により検出される1回往復光の光強度を5%以下に低減でき、分光器10による分光精度を高く確保できる。 For example, in applications where the material of a substance is determined from its spectral reflectance using the spectroscope 10, determination is possible if the stray light relative to the main light is approximately 5% or less. Therefore, based on Figure 15, it is preferable that the reflectance of both the first non-light-passing portion 12 and the second non-light-passing portion 42 be 30% or less for light of a specified wavelength within the range of wavelengths λm and λM. By doing so, the light intensity of the light that makes a single round trip detected by the light detection unit 6 can be reduced to 5% or less, ensuring high spectroscopic accuracy using the spectroscope 10.

図16は、第1光通過部11および第2光通過部41それぞれの内壁での反射を説明する図である。図16は、光入射部1における第1光通過部11および光出射部4における第2光通過部41を拡大して示している。 Figure 16 is a diagram explaining reflections on the inner walls of the first light passing section 11 and the second light passing section 41. Figure 16 shows an enlarged view of the first light passing section 11 in the light incident section 1 and the second light passing section 41 in the light exit section 4.

図16において、内壁13は第1光通過部11の内壁を表し、内壁44は第2光通過部41の内壁を表している。厚みtは、第1光通過部11および第2光通過部41それぞれの厚みを表している。 In Figure 16, inner wall 13 represents the inner wall of the first light passing section 11, and inner wall 44 represents the inner wall of the second light passing section 41. Thickness t represents the thickness of each of the first light passing section 11 and the second light passing section 41.

内壁13および44により反射される光は、凹面回折格子2の有効領域以外の領域で反射されるため、迷光となる。第1光通過部11および第2光通過部41それぞれの厚みtを0.1mm以下とすると、内壁13および44により反射される光の光強度は、分光のために用いられる光の光強度に対して十分小さくなるため、分光器10による分光精度を高く確保できる。 Light reflected by the inner walls 13 and 44 becomes stray light because it is reflected in areas other than the effective area of the concave diffraction grating 2. If the thickness t of each of the first light passing section 11 and the second light passing section 41 is 0.1 mm or less, the intensity of the light reflected by the inner walls 13 and 44 will be sufficiently small compared to the intensity of the light used for spectroscopic analysis, ensuring high spectroscopic accuracy by the spectrometer 10.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as set forth in the claims.

また、実施形態に係る分光器は、分析装置に用いることができる。このような分析装置は、例えば分光器により得られるスペクトルを分光分析することにより、対象物の樹脂種等を同定し、対象物をリサイクル材料として樹脂種ごとに選別回収するために用いられる。 The spectrometer according to the embodiment can also be used in an analytical device. Such an analytical device can identify the resin type of an object by spectroscopically analyzing the spectrum obtained by the spectrometer, and can then sort and recover the object by resin type as a recyclable material.

1 光入射部(光入射手段の一例)
1s 投影像
11 第1光通過部
12 第1非光通過部
13 内壁
2 凹面回折格子(回折格子の一例)
3 可動光反射部(反射手段の一例)
31 揺動軸
32 反射面
33 反射ライン
4 光出射部(光出射手段の一例)
4s 投影像
41 第2光通過部
42 第2非光通過部
43 出射ライン
44 内壁
5 基板
6 光検出部(光検出手段の一例)
60 受光中心軸
61 受光窓
10 分光器
15 反射部材
112a、412a 真空蒸着遮光膜(第1反射膜の一例)
112b、412b クロム/酸化クロム膜(第2反射膜の一例)
151、152、153 グラフ
411 ニッケル基板
411a シリコン基板
411b ガラス基板
Li、Lr、Lm、LM 光
Li0、Lr0 主光線
Lr1、Lm1、LM1 光軸
Ld 波長分散光
θr、θm、θM 入射角
λr、λm、λM 波長
Pi、Pr 面
t 厚み
1. Light incident section (an example of light incident means)
1s Projected image 11 First light passing portion 12 First non-light passing portion 13 Inner wall 2 Concave diffraction grating (an example of a diffraction grating)
3. Movable light reflecting portion (an example of reflecting means)
31: Oscillating shaft 32: Reflecting surface 33: Reflecting line 4: Light emitting portion (an example of a light emitting means)
4s Projected image 41 Second light-passing portion 42 Second non-light-passing portion 43 Emission line 44 Inner wall 5 Substrate 6 Light detection portion (an example of a light detection means)
60 Light receiving central axis 61 Light receiving window 10 Spectrometer 15 Reflecting member 112a, 412a Vacuum deposition light blocking film (an example of a first reflecting film)
112b, 412b: Chromium/chromium oxide film (an example of a second reflective film)
151, 152, 153 Graph 411 Nickel substrate 411a Silicon substrate 411b Glass substrate Li, Lr, Lm, LM Light Li0, Lr0 Chief ray Lr1, Lm1, LM1 Optical axis Ld Wavelength dispersed light θr, θm, θM Incident angle λr, λm, λM Wavelength Pi, Pr Surface t Thickness

特許5558927号公報Patent No. 5558927

Claims (11)

外部からの光を、第1光通過部を通して入射させる光入射手段と、
前記光入射手段によって入射された前記光を波長分散させる回折格子と、
前記回折格子による波長分散光を反射する反射面を有し、前記反射面の傾きが可変である反射手段と、
前記反射手段によって反射された前記波長分散光に含まれる異なる波長の光のうち一部の光を、第2光通過部を通して外部に出射させる光出射手段と、を有し、
以下の(1)式および(2)式の条件を満足する、分光器。
|θr|<|θm| ・・・(1)
|θr|<|θM| ・・・(2)
(λmは、前記波長分散光における波長の最小値を表し、λMは、前記波長分散光における波長の最大値を表し、λrは、前記波長分散光における異なる波長のうちλmとλMとの範囲内から選択される波長を表し、θmは、波長λmの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表し、θMは、波長λMの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表し、θrは、波長λrの光が前記第2光通過部に入射する入射角を表す。)
a light incidence means for allowing external light to be incident through the first light passing portion;
a diffraction grating that wavelength-disperses the light incident by the light incident means;
a reflecting means having a reflecting surface that reflects wavelength-dispersed light caused by the diffraction grating, the inclination of the reflecting surface being variable;
a light output unit that outputs a part of the light of different wavelengths included in the wavelength-dispersed light reflected by the reflecting unit to the outside through a second light passing portion,
A spectrometer that satisfies the conditions of the following expressions (1) and (2):
|θr|<|θm| ...(1)
|θr|<|θM| ...(2)
(λm represents the minimum wavelength in the wavelength-dispersed light, λM represents the maximum wavelength in the wavelength-dispersed light, λr represents a wavelength selected from the range between λm and λM among the different wavelengths in the wavelength-dispersed light, θm represents the angle of incidence at which light of wavelength λm is incident on the second light passing portion, θM represents the angle of incidence at which light of wavelength λM is incident on the second light passing portion, and θr represents the angle of incidence at which light of wavelength λr is incident on the second light passing portion.)
前記光出射手段からの出射光を検出する光検出手段をさらに有し、
前記光検出手段は、前記光出射手段に接触または近接するように設けられている、
請求項1に記載の分光器。
further comprising a light detection means for detecting light emitted from the light emitting means,
the light detection means is provided so as to be in contact with or in close proximity to the light emitting means;
10. The spectrometer of claim 1.
前記光検出手段は前記光出射手段を支持する、請求項2に記載の分光器。 The spectrometer of claim 2, wherein the light detection means supports the light emission means. 前記第1光通過部を通過する前記光の主光線に直交する面に投影される前記第1光通過部の投影像の形状は、前記光出射手段からの出射光の主光線に直交する面に投影される前記第2光通過部の投影像の形状に等しい、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the shape of the projected image of the first light passing portion projected onto a plane perpendicular to the chief ray of the light passing through the first light passing portion is equal to the shape of the projected image of the second light passing portion projected onto a plane perpendicular to the chief ray of the light emitted from the light emitting means. 波長λmと波長λMとの範囲内における所定波長の光に対し、前記第1光通過部と前記第2光通過部は共役関係である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the first light passing section and the second light passing section are in a conjugate relationship with respect to light of a predetermined wavelength within the range between wavelengths λm and λM. 前記光入射手段における第1非光通過部の反射率と、前記光出射手段における第2非光通過部の反射率は、波長λmと波長λMとの範囲内における所定波長の光に対し、いずれも30%以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer as described in any one of claims 1 to 5, wherein the reflectance of the first non-light-passing portion of the light input means and the reflectance of the second non-light-passing portion of the light output means are both 30% or less for light of a predetermined wavelength within the range of wavelengths λm and λM. 前記第1光通過部および前記第2光通過部それぞれの厚みは0.1mm以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の分光器。 A spectroscope according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of each of the first light passing section and the second light passing section is 0.1 mm or less. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、エレクトロフォーミング加工法により形成されている、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer according to any one of claims 1 to 7, wherein the light input means and the light output means are each formed by an electroforming process. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された第1反射膜と、を含む、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer according to any one of claims 1 to 7, wherein the light input means and the light output means each include a silicon substrate and a first reflective film formed on the silicon substrate. 前記光入射手段および前記光出射手段のそれぞれは、ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成された第2反射膜と、を含む、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の分光器。 A spectrometer according to any one of claims 1 to 7, wherein the light input means and the light output means each include a glass substrate and a second reflective film formed on the glass substrate. 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の分光器を有する、分析装置。 An analytical device having a spectrometer according to any one of claims 1 to 10.
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