特許 6853569 モノクロメータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6853569

(24)【登録日】2021年3月16日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】モノクロメータ

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/06 20060101AFI20210322BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/06

   G01J3/18

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-19846(P2017-19846)

(22)【出願日】2017年2月6日

(65)【公開番号】特開2018-128282(P2018-128282A)

(43)【公開日】2018年8月16日

【審査請求日】2019年12月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】591072411

【氏名又は名称】西進商事株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(74)【代理人】

【識別番号】100159581

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 勝誠

(74)【代理人】

【識別番号】100159499

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 義典

(74)【代理人】

【識別番号】100158540

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 博生

(74)【代理人】

【識別番号】100106264

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 耕治

(74)【代理人】

【識別番号】100187768

【弁理士】

【氏名又は名称】藤中 賢一

(72)【発明者】

【氏名】矢田貝 昌和

【審査官】 ▲高▼場 正光

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４３０８５８６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２８８３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１９８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭６０−００１３９０（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】 特開昭５８−１３１５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０２７７４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ ３／００ − Ｇ０１Ｊ ３／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回折格子と、この回折格子の角度を調整する角度調整部とを具備するモノクロメータであって、
上記角度調整部が、
回折格子が相対的に固定されるパンタグラフ機構と、
このパンタグラフ機構に連結され、パンタグラフ機構を伸縮する往復直線機構と
を有し、
上記往復直線機構の往復動によって上記回折格子が回動し、
上記パンタグラフ機構が、
固定軸に回動可能に軸支される揺動リンクと、
この揺動リンクの自由端に一端が枢支されると共に、他端が自由軸に回動自在に軸支される主動リンクと
を備え、
上記揺動リンクの上記固定軸側に上記回折格子が相対的に固定され、
上記自由軸に上記往復直線機構が連結され、
上記往復直線機構による上記自由軸の移動距離ｄ［ｍｍ］と、上記回析格子の回転角θ［°］と、上記揺動リンク及び主動リンクそれぞれの長さの和Ｌ_２［ｍｍ］との関係が下記式２を満たすことを特徴とするモノクロメータ。
ｄ／２＝Ｌ_２・ｓｉｎθ ・・・・（２）

【請求項2】

上記揺動リンク及び主動リンクそれぞれが一対で構成され、
上記一対の揺動リンクの一方に上記回折格子が相対的に固定されている請求項１に記載のモノクロメータ。

【請求項3】

請求項２に記載のモノクロメータに、さらに第二回折格子を具備するダブルモノクロメータであって、
固定軸に回動可能に軸支される第二揺動リンクと、
上記第二揺動リンクの自由端に一端が枢支されると共に、他端が上記揺動リンクの自由端に枢支される副動リンクと
を備え、
上記第二揺動リンクの一方に上記第二回折格子が相対的に固定されるダブルモノクロメータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モノクロメータに関する。

【背景技術】

【0002】

モノクロメータは、その主要素である入射スリット、コリメータ鏡、回折格子、カメラ鏡、出射スリットの配置方法により様々なタイプがあるが、ツェルニ・ターナー型（Ｃｚｅｒｎｙ−Ｔｕｒｎｅｒ型）がよく知られている。そして、白色光から所望する波長を取り出すため、入射光に対し回折格子の角度を変更する方法として、サインバー方式、カム方式の波長走査方法が広く使われている。

【0003】

サインバー方式は、回折格子を搭載する回転台から伸びるバーの端を、送りネジに螺合させたナットで押動することで、回折格子が回転する。送りねじの回転量（ナットの移動量）と回折格子の回転角とがリニアな関係にあることから、容易に所望する波長を取り出すことができるという利点がある。

【0004】

カム方式は、回折格子を保持する回転軸から伸びるバーの端を、異形カムに接触させ、回転する異形カムにより、回折格子が回転する。高速走査、反復走査性に優れるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１−８３１２２号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】社団法人日本分光学会 日本光学工業精機事業部 嶋村輝郎「分光学のための基礎技術 第１講 モノクロメータ」［ｏｎｌｉｎｅ］平成２９年２月６日検索 インターネット＜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｂｕｎｋｏｕ１９５１／２６／１／２６＿１＿２９／＿ａｒｔｉｃｌｅ／−ｃｈａｒ／ｊａ／＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１のサインバー方式は、精度を上げるためには、高精度な送りねじを用いる等の必要があり、装置が高コストになるおそれがある。また、ばねで付勢した球体をねじに噛合させるため、高速でねじを正反転できないおそれがあり、又は反復走査させるためにサインバーを戻す機構が必要となる等、構造を簡易にできないおそれがある。カム方式は反復走査に優れるが、カムの回転量と回折格子の回転量をリニアな関係にするためには、特殊な形状のカムを高精度に製作し、このカムに正確に追従する機構が必要になる等、やはり装置が高額、複雑なものにならざるを得ない。

【0008】

上記不都合に鑑みて、本願発明は、簡易な構造で、高精度かつ反復走査に優れた回折格子の角度調整機構を有するモノクロメータを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決する本願発明は、回折格子と、この回折格子の角度を調整する角度調整部とを具備するモノクロメータであって、上記角度調整部が、回折格子が相対的に固定されるパンタグラフ機構と、このパンタグラフ機構に連結され、パンタグラフ機構を伸縮する往復直線機構とを有し、上記往復直線機構の往復動によって回折格子が回動することを特徴とするモノクロメータである。

【0010】

本発明に係るモノクロメータは、直線往復運動機構の往復動により伸縮するパンタグラフ機構を具備しており、当該パンタグラフ機構に回折格子が相対的に固定されている。従って、パンタグラフの伸縮により、相対的に固定された回折格子が回動し、この回折格子の反射面に照射される光から、所望する特定波長の光を得ることができる。また、往復直線機構による往復動によって回折格子を回動するため、回折格子を一方向に回動させるための機構と、反対に戻す方向に回動させるための機構とを備える必要がなく、簡易に波長の反復走査を行うことができる。

【0011】

上記パンタグラフ機構が、一の固定軸に回動可能に軸支される一対の揺動リンクと、この一対の揺動リンクの自由端に一端がそれぞれ枢支されると共に、他端が一の自由軸に回動自在に軸支される一対の主動リンクとを備え、上記一対の揺動リンクの一方に上記回折格子が相対的に固定され、上記自由軸に上記往復直線機構が連結されているとよい。このようにすることで、簡易な構成で、回折格子を反復回動させることが可能な波長走査装置が得られる。

【0012】

当該モノクロメータは、さらに固定軸に回動可能に軸支される第二揺動リンクと、上記第二揺動リンクの自由端に一端が枢支されると共に、他端が上記揺動リンクの自由端に枢支される副動リンクとを備え、上記第二揺動リンクの一方に第二回折格子が相対的に固定されることで、ダブルモノクロメータとすることができる。このようにすることで、上記往復直線機構の往復動によって回折格子及び第二回折格子が同期して同一角度に回動することができ、簡易な構成のダブルモノクロメータを得ることができる。

【発明の効果】

【0013】

以上のように、本発明のモノクロメータは、簡易な構成で精度の高い波長走査を可能とし、反復走査も容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態であるモノクロメータの模式的平面図である。

【図2】図１のモノクロメータの波長走査装置の模式的平面図である。

【図3】図２の波長走査装置で波長走査をした際の模式的概略図である。

【図4】本発明の他の実施形態であるモノクロメータの模式的平面図である。

【図5】図４のモノクロメータの波長走査装置の模式的平面図である。

【図6】図５のとは異なるモノクロメータの波長走査装置の模式的平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

【0016】

［第一実施形態］
＜モノクロメータ＞
本発明の一実施形態であるモノクロメータ１は、図１に示すように、波長走査装置２、入射スリット３、コリメータ鏡４、フォーカス鏡５及び出射スリット６を有する。なお、二点鎖線は光の経路を表し、矢印の方向に進行する。白色光として入射スリット３から入射した光はコリメータ鏡４により平行光となり、波長走査装置２に備えられる回折格子１３に導かれる。回折格子１３で回折された光は、フォーカス鏡５により出射スリット６に向かい、出射スリット６から特定の波長の単色光が出射される。

【0017】

（波長走査装置）
波長走査装置２は、図２に示すように、走査台７、往復直線機構８、パンタグラフ機構１０、回折格子１３を備える。本実施例の往復直線機構８は、ボールねじを用い、ねじ軸８ａと、ナットを含む移動台８ｂと、回転モーター９とを備える。

【0018】

走査台７は、ねじ軸８ａを支持するための第一支持台７ａ、及び第二支持台７ｂを有する。第一支持台７ａ及び第二支持台７ｂは共に、走査台７と平行に、かつ一直線上に孔が設けられ、当該孔が公知のボールベアリング等を含み、ねじ軸８ａを回転自在に支持する。第二支持台７ｂの天部には、後述するパンタグラフ機構１０の揺動リンク１１を軸支する固定軸１４を受けるための軸受穴が配される。

【0019】

ねじ軸８ａは、走査台７と平行に、第二支持台７ｂを貫通し、一端が第一支持台７ａに支持され、他端が、後述する回転モーター９と連結される。回転モーター９との連結手段は、特に限定されないが、公知のカップリング等により連結される。また、ねじ軸８ａは、第一支持台７ａ及び第二支持台７ｂの間に、移動台８ｂを有する。

【0020】

移動台８ｂは、ねじ軸８ａに螺合し、ねじ軸８ａの回転により、ねじ軸８ａの中心軸と平行に直線往復移動が可能である。移動台８ｂは、その天部に、後述するパンタグラフ機構１０の主動リンク１２を軸支する自由軸１５を受けるための軸受穴が配される。

【0021】

回転モーター９は、走査台７に固定され、回転モーター９の回転軸中心とねじ軸８ａの中心軸とが一直線になるように、ねじ軸８ａに連結される。回転モーター９は、図示されない通電機構により通電され、正転・逆転を行う。回転モーター９の正逆転に伴い、ねじ軸８ａが正逆回転し、移動台８ｂが前後進（図２の左右）の直線往復移動を行う。回転モーター９の種類は、特に限定されないが、ステッピングモーターを用いることが好ましい。ステッピングモーターは、非通電時に停止位置を保持する特性を有し、ステップ数で回転角が制御できるため、ねじ軸８ａの正確な回転角、すなわち移動台８ｂの正確な送り量及び精度の高い反復走査等が可能で、制御手段を簡易にすることができる。

【0022】

パンタグラフ機構１０は、本実施例では４本のアームで菱形を構成するものを用いて説明する。

【0023】

パンタグラフ機構１０は、揺動リンク１１及び主動リンク１２を有する。揺動リンク１１の一端は、第二支持台７ｂが有する固定軸１４に回動自在に軸支され、他端がそれぞれ主動リンク１２の一端と接合する。主動リンク１２のそれぞれの他端は、移動台８ｂが有する自由軸１５に回動自在に軸支される。具体的には、揺動リンク１１は、第１揺動アーム１１ａ及び第２揺動アーム１１ｂを、主動リンク１２は、第１主動アーム１２ａ及び第２主動アーム１２ｂを含み、第１揺動アーム１１ａの一端は固定軸１４に軸支され、第１主動アーム１２ａの一端は自由軸１５に軸支され、それぞれの他端が第一枢軸１６で回動自在に枢支されている。同様に、第２揺動アーム１１ｂの一端は固定軸１４に軸支され、第２主動アーム１２ｂの一端は自由軸１５に軸支され、それぞれの他端が第二枢軸１７で回動自在に枢支されている。第１揺動アーム１１ａ及び第１主動アーム１２ａと、第２揺動アーム１１ｂ及び第２主動アーム１２ｂとは、平面視で、ねじ軸８ａの回転軸を中心として、線対称に構成され、菱形（パンタグラフ形状）を形成する。なお、平面視とは、波長走査装置２（モノクロメータ１）を上から見た状態をいう。

【0024】

回折格子１３は、第１揺動アーム１１ａ上に配置される。具体的には、平面視で、第一第一枢軸１６及び固定軸１４の中心を結ぶ線と回折格子１３の反射面１３ａとが同一線上に、かつ固定軸１４の中心と回折格子１３の反射面１３ａの中心とが重なるように配置されるのが好ましい。このような配置とすることで、取り出される単色光の波長と回折格子１３の回転角との関係式を、簡易なものとすることができる。

【0025】

（波長走査）
図３は、図２の状態から移動台８ｂが、距離ｄ［ｍｍ］移動した状態を示している。距離ｄ［ｍｍ］は、図示しない制御装置が回転モーター９の回転角度を制御することにより管理される。移動台８ｂが距離ｄ［ｍｍ］移動することで、回折格子１３の反射面が回転角θ［°］で回転する。

【0026】

［利点］
一般のサインバー方式の走査装置は、回折格子が固定される回転台と一体のサインバーを、ねじ軸に螺合させた送りナットが押動するため、ねじ軸と送りナットの遊び（ガタつき）が、回折格子の回転角の精度に直接影響する。本実施例に係る波長走査装置では、移動台８ｂと回折格子１３との間に、パンタグラフ機構１０が備えられるため、当該パンタグラフが、ねじ軸８ａと移動台８ｂとの間に生じる遊び（ガタつき）を吸収し、当該遊びの影響を極めて小さくすることができる。また、一般のサインバー方式の走査装置では、ねじ軸の回転数、すなわちナットの移動距離ｄ［ｍｍ］と回折格子の回転角θ［°］とが下記式１の比例関係となるが、本件実施例に掛かる走査装置ではパンタグラフ機構１０により、移動台８ｂの移動距離ｄ［ｍｍ］の半分の値（ｄ／２［ｍｍ］）と回折格子１３の回転角θ［°］とが下記式２の比例関係となるため、回折格子１３の回転角を微細に調整することができる。式２より、本件実施例に掛かる走査装置では、移動台８ｂの移動距離ｄ、すなわちねじ軸８ａの回転数と、回折格子１３の回転角θとが、サインバー方式の波長走査と同じく、リニアな関係にあることがわかる。さらに、移動台８ｂを送った方向と逆向きの方向へ移動させるための機構を必要とせず、回転モーター９を正転及び逆転させるのみで、移動台８ｂが往復直線運動を行うため、反復波長走査を容易に行うことができる。
［式１］ｄ＝Ｌ_１・ｓｉｎθ・・・・・・・・・・・・・・（１）
［式２］ｄ／２＝Ｌ_２・ｓｉｎθ・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、ｄは送りナット（移動台８ｂ）の移動距離［ｍｍ］、θは回折格子（回折格子１３）の回転角［°］、Ｌ_１はサインバーの長さ［ｍｍ］、Ｌ_２はパンタグラフ機構１０の４本のアーム（揺動リンク１１の第１揺動アーム１１ａ、第２揺動アーム１１ｂ、主動リンク１２の第１主動アーム１２ａ及び第２主動アーム１２ｂ）の長さ［ｍｍ］である。

【0027】

［第二実施形態］
本発明の他の実施形態であるモノクロメータは、ダブルモノクロメータ１８である。ダブルモノクロメータ１８は、図４に示すように、波長走査装置１９、入射スリット３、コリメータ鏡４、フォーカス鏡５及び出射スリット６を有する点で上述したモノクロメータ１と同一である。ダブルモノクロメータ１８は、さらに第二回折格子２６、ハーフミラー２０、スリット２１、ミラー２２、第二コリメータ鏡２３、第二フォーカス鏡２４及び第二出射スリット２５を有する。以下は、第一実施形態と異なる点についてのみ説明する。

【0028】

（波長走査装置）
波長走査装置１９は、図５に示すように、走査台２７、往復直線機構８、パンタグラフ機構１０、回折格子１３を備え、さらに第二回折格子２６と、第二揺動リンク２８、及び副動リンク３０を備える。本実施例の往復直線機構８は、実施形態１と同様に、ボールねじを用い、ねじ軸８ａ、ねじ軸８ａに螺合する移動台８ｂ、及び回転モーター９を備える。走査台２７は、ねじ軸８ａを支持するための第一支持台２７ａ、第二支持台２７ｂ、及び第二揺動リンク２８を軸支する第二固定軸２９を保持する第三支持台２７ｃを有する。

【0029】

第二揺動リンク２８の一端は、第三支持台２７ｃが有する第二固定軸２９に回動自在に軸支され、他端が副動リンク３０の一端と接合する。副動リンク３０の他端は、揺動リンク１１の一端と接合し、揺動リンク１１の回動に同期して副動リンク３０が回動する。具体的には、副動リンク３０の一端は、第二揺動リンク２８の他端と第三枢軸３１で回動自在に枢支され、他端は第一揺動アーム１１ａ及び第一主動アーム１２ａと共に、第一枢軸１６に回動自在に枢支される。

【0030】

第二回折格子２６は、第二揺動リンク２８に配置される。具体的には、平面視で、第二揺動リンク２８を軸支する第二固定軸２９及び第三枢軸３１の中心を結ぶ線と第二回折格子２６の反射面２６ａとが同一線上に、かつ第二揺動リンク２８を軸支する第二固定軸２９の中心軸と第二回折格子２６の反射面２６ａの中心とが重なるように配置され、回折格子１３の反射面１３ａと第二回折格子２６の反射面２６ａとが平行になることが好ましい。このような配置にすることで、反射面１３ａと反射面２６ａとが、平行を保ったまま同期して回動することが可能となる。

【0031】

＜利点＞
本実施形態によるダブルモノクロメータでは、第二回折格子を回動するための駆動等を必要とせず、回折格子を回動するためのパンタグラフ機構と連結することで、第二回折格子を回動させることができる。また、回折格子と第二回折格子とを同期させるための制御手段等も要せず、回折格子と第二回折格子とを平行に配置することで、同期して同一角度で回動させることができる。

【0032】

［第三実施形態］
上述のダブルモノクロメータ１８は、加分算式のダブルモノクロメータについて説明したが、副動リンク３０の配置を変更することで、容易に差分算式ダブルモノクロメータとすることができる。差分算式ダブルモノクロメータの波長走査装置３２は、図６に示すように、副動リンク３０が、第二揺動リンク２８と第二揺動アーム１１ｂとを連結する。以下は、第二実施形態と異なる点についてのみ説明する。

【0033】

（波長走査装置）
波長走査装置３２は、加分算式のダブルモノクロメータ１８の波長走査装置１９と同様に、走査台２７、往復直線機構８、パンタグラフ機構１０、回折格子１３、第二回折格子２６、第二揺動リンク２８及び副動リンク３０を備える。

【0034】

副動リンク３０の一端は第二揺動リンク２８の他端と第三枢軸３１で回動自在に枢支され、他端は第二揺動アーム１１ｂ及び第二主動アーム１２ｂと共に、第二枢軸１７に回動自在に枢支される。

【0035】

第二回折格子２６は、第二揺動リンク２８に配置される。具体的には、第二揺動リンク２８を軸支する第二固定軸２９及び第三枢軸３１の中心を結ぶ線と第二回折格子２６の反射面２６ａとが同一線上に、かつ第二揺動リンク２８を軸支する第二固定軸２９の中心軸と第二回折格子２６の反射面２６ａの中心とが重なるように配置される。このような配置にすることで、反射面１３ａと反射面２６ａとが、同期して逆方向に回動することが可能となる。例えば図６で、回折格子１３が一定角度に反時計回りに回動すると、回折格子２６が同一角度に時計回りに回動する。

【0036】

＜利点＞
本実施形態によるダブルモノクロメータでは、第二回折格子を回動するための駆動等を必要とせず、回折格子を回動するためのパンタグラフ機構と連結することで、回折格子が一定角度で回動すると、同期して同一角度で逆方向に第二回折格子を回動させることができる。

【0037】

＜その他の実施形態＞
上記開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【0038】

上記実施形態のおいては、モノクロメータの波長走査のパンタグラフ機構を４本のアームで構成されるものを用いて説明したが、より簡易な２本のアームで構成されるパンタグラフ機構とすることも可能である。上述の実施例で例示すると、揺動リンク１１が第二揺動アーム１１ｂを、主動リンク１２が第二主動アーム１２ｂをそれぞれ含まず、揺動リンク１１の第一揺動アーム１１ａ及び主動リンク１２の第一主動アーム１２ａの２本のアームでパンタグラフ機構１０が構成される等である。

【0039】

また、回折格子の反射面が、パンタグラフ機構のアームと平行に取り付けたもので説明したが、所定の角度をつけて取り付けることも、本発明の意図する範囲である。

【0040】

ダブルモノクロメータで、副動リンクで揺動リンク及び第二揺動リンクを同期して回動させる構成で説明したが、歯車による駆動伝達機構等により揺動リンク及び第二揺動リンクを同期して回動させることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明のモノクロメータは、波長走査が反復操作性に優れ、かつ高精度に行うことができるので、試料の光学特性の調査、研究に好適に使用される。

【符号の説明】

【0042】

１ モノクロメータ
２，１９，３２ 波長走査装置
３ 入射スリット
４ コリメータ鏡
５ フォーカス鏡
６ 出射スリット
７ 走査台
７ａ 第一支持台
７ｂ 第二支持台
８ 往復直線機構
８ａ ねじ軸
８ｂ 移動台
９ 回転モーター
１０ パンタグラフ機構
１１ 揺動リンク
１１ａ 第一揺動アーム
１１ｂ 第二揺動アーム
１２ 主動リンク
１２ａ 第一主動アーム
１２ｂ 第二主動アーム
１３ 回折格子
１３ａ 反射面
１４ 固定軸
１５ 自由軸
１６ 第一枢軸
１７ 第二枢軸
１８ ダブルモノクロメータ
２０ ハーフミラー
２１ スリット
２２ ミラー
２３ 第二コリメータ鏡
２４ 第二フォーカス鏡
２５ 第二出射スリット
２６ 第二回折格子
２６ａ 反射面
２７ 走査台
２７ａ 第一支持台
２７ｂ 第二支持台
２７ｃ 第三支持台
２８ 第二揺動リンク
２９ 第二固定軸
３０ 副動リンク
３１ 第三枢軸
ｄ 直線移動距離
θ 回折格子回転角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】