DE69014781T2

DE69014781T2 - Instrument zur Messung eines Spektrums.

Info

Publication number: DE69014781T2
Application number: DE69014781T
Authority: DE
Inventors: Hirochika Nakajima; Masataka Shirasaki; Yukimitsu Watanabe; Rinichiro Yamamoto
Original assignee: Advantest Corp; Fujitsu Ltd
Current assignee: Advantest Corp; Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-09-11
Also published as: DE69014781D1; EP0417709A2; EP0417709A3; EP0417709B1; US5080486A; CA2025204C; CA2025204A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektralmeßanordnung, die beispielsweise bei einem Spektralanalysator verwendet werden kann.
Der Spektralanalysator oder ein ähnliches Spektralmeßgerät verwendet ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein ähnliches Streuungselement, um zu messendes Licht in seine Spektralkomponenten (Wellenlängenkomponenten) der jeweiligen Wellenlängen zu zerlegen.
Fig. 1 zeigt im Schnitt den Aufbau eines Beugungsgitters 14, das etwa 10 bis 100 gleich beabstandete feine Nuten U pro Millimeter aufweist, die in die Oberfläche einer Glasplatte geschnitten sind. Wenn zu messendes Licht Q, dessen optische Achse in einer Ebene senkrecht zu den Nuten U liegt (d.h. in der Papierebene der Zeichnung) auf das Beugungsgitter 14 auftrifft, werden beispielsweise Wellenlängenkomponenten der Wellenlängen λ&sub1; and λ&sub2;, die in dem Licht Q enthalten sind, gestreut und in Richtung der Anordnung der Nuten U in der oben erwähnten Ebene reflektiert. Die Streuungswinkel &sub1; und &sub2; der Lichtwellen hängen von ihren Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; ab. In der folgenden Beschreibung wird die Änderungsrichtung D im Streuungswinkel mit der Wellenlänge als Zerlegungsrichtung des Lichts bezeichnet werden, und jeder Winkel in der Richtung D als ein Trennwinkel des Lichts, d.h. als ein Beugungswinkel. Folglich liegt die Zerlegungsrichtung D des Lichts in der Papierebene der Zeichnung von Fig. 1.
Die Mengen des Lichts der Wellenlänge λ&sub1; und λ&sub2;, die auf diese Weise gestreut oder getrennt wurden, werden mittels eines Abtastphotodetektors 16 in der Lichtzerlegungsrichtung D relativ zum Beugungsgitter 14 gemessen. Die Wellenlängenverteilung des Lichts erhält man durch Messen der Pegel der empfangenen Lichtsignale, die sich an den Stellen der jeweiligen Lichttrennwinkel ergeben, wenn der Photodetektor 16 in der Lichtzerlegungsrichtung D abtastend geführt wird. Die Abtastung des Photodetektors 16 relativ zum Beugungsgitter 14 in der Lichtzerlegungsrichtung D kann durch Drehen des Beugungsgitters 14 oder durch Bewegen des Photodetektors 16 in der Richtung D erfolgen. Im Stand der Technik ist üblich, das Beugungsgitter 14 in der Lichtzerlegungsrichtung D um eine gerade Linie OL parallel zu den Nuten U zu drehen.
Nebenbei bemerkt weist das Streuungselement, wie etwa ein Beugungsgitter, einen Nachteil insofern auf, als, wenn das auftreffende, zu messende Licht Q polarisiertes Licht ist, der Beugungswirkungsgrad mit dem Winkel seiner Polarisationsebene variiert, was eine Änderung der zu streuenden oder trennenden Lichtmengen der Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; hervorruft. Diese Erscheinung wird allgemein als Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements bezeichnet.
Fig. 2 zeigt die Polarisationsabhängigkeitscharakteristik des Beugungsgitters. Die Kurve g(λ) stellt den Beugungswirkungsgrad für die Lichtwelle der einzelnen Wellenlängen für den Fall dar, daß die Polarisationsebene des einfallenden Lichts parallel zur Lichtzerlegungsrichtung D ist, d.h. die Polarisationsrichtung ist senkrecht zu den Nuten U des Beugungsgitters 14. Die Kurve f(λ) stellt den Beugungswirkungsgrad für die Lichtwelle der einzelnen Wellenlängen für den Fall dar, daß die Polarisationsebene des einfallenden Lichts senkrecht zur Lichtzerlegungsrichtung D ist, d.h. die Polarisationsebene ist parallel zu den Nuten U des Beugungsgitters 14. Die beiden Kurven g(λ) und f(λ) bedeuten, daß, wenn die Polarisationsebene des auf das Beugungsgitter auftreffenden Lichts sich von der Richtung parallel zur Lichtzerlegungsrichtung D zur dazu senkrechten Richtung gedreht hat, sich der Beugungswirkungsgrad von der Kurve g(λ) zu f(λ) ändert, d.h. daß sich der Pegel des gebeugten Lichts bei den einzelnen Wellenlängen entsprechend ändert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Beugungsgitter nur bei einer Wellenlänge λ&sub0; keine Polarisationsabhängigkeit auf, hat aber eine solche Polarisationsabhängigkeitscharakteristik bei anderen Wellenlängen. Wenn das zu messende Licht von einem Lichtwellenleiter emittiert wird, ist der Einfluß der Schwankungen des Beugungswirkungsgrads des Streuungselements besonders groß, da die Polarisationsebene des emittierten Lichts abhängig vom Zustand des Lichtwellenleiters wesentlichen Änderungen unterworfen wurde.
In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 28623/87 ist eine Spektralmeßanordnung vorgeschlagen worden, die dieses Problem gelöst hat. Die in jener Veröffentlichung offenbarte Spektralmeßanordnung hat eine Ausbildung, bei der das zu messende Licht von einem Streuungselement gestreut oder getrennt wird. Das gestreute Licht wird von einem Polarisationselement in Polarisationslichtkomponenten P und S aufgeteilt, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind. Die Polarisationskomponenten werden an zwei verschiedene Photodetektoren zum Erhalt elektrischer Signale entsprechend den Mengen des Lichts der Polarisationskomponenten P und S angelegt, und, basierend auf den elektrischen Signalen, werden die Beugungswirkungsgrade Ap und Bs der Polarisationskomponenten P und S in dem Streuungselement, das Verlustverhältnis Cp und Ds der Polarisationskomponenten P und S in dem Polarisationselement und die photoelektrischen Wandlerwirkungsgrade L1 und L2 der Photodetektoren, die für jede Wellenlänge in einem Speicher gespeichert sind, zum Erhalt der absoluten Leistung des Lichts Q durch Berechnung ausgelesen. Bei dieser herkömmlichen Spektralmeßanordnung ist es möglich, den Einfluß der Änderung des Beugungswirkungsgrades aufgrund der Winkeldifferenz zwischen den Polarisationsebenen in dem Streuungselement zu vermeiden. Dazu ist es jedoch nötig, vorab in dem Speicher Korrekturdaten wie etwa die Beugungswirkungsgrade Ap und Bs des Streuungselements für die Polarisationskomponenten P und S, die Verlustwirkungsgrade Cp und Bs für die Polarisationskomponenten P und S in dem Polarisationselement und die photoelektrischen Wandlerwirkungsgrade L1 und L2 der Photodetektoren zu speichern. Da die Korrekturdaten für jede Wellenlänge benötigt werden, muß für eine Messung mit hoher Auflösung eine beträchtliche Datenmenge vorbereitet werden. Da sich darüber hinaus die Daten abhängig von Produkten im Wert unterscheiden, ist die Vorbereitung solcher Daten zeitaufwendig und bedeutet damit eine Komplexität bei der Herstellung der Anordnung. Da es darüber hinaus Fälle gibt, wo die Spektralmessung dem Einfluß von Änderungen des Beugungswirkungsgrads entsprechend den Werten der in dem Speicher gespeicherten Korrekturdaten unterliegen kann, kann die Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements nicht immer ausgeschaltet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spektralmeßanordnung zu schaffen, die es erlaubt, die Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements auszuschalten, ohne daß die vorherige Speicherung verschiedener Arten von Korrekturdaten in einem Speicher erforderlich wäre.
Die Spektralmeßanordnung der vorliegenden Erfindung setzt sich aus einem Doppelbildpolarisationselement zum Aufteilen des zu messenden Lichts in zwei Polarisationslichtkomponenten, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind und die verschiedene optische Achsen aufweisen, einem Streuungselement, das mit den beiden Polarisationslichtkomponenten bestrahlt wird, wobei ihre Polarisationsebenen die Lichtzerlegungsrichtung unter einem jeweiligen Winkel von ±45º schneiden, und wodurch jede der beiden Polarisationslichtkomponenten in einzelne Wellenlängenkomponenten zerlegt wird, wobei Komponenten derselben Wellenlänge in den beiden Polarisationslichtkomponenten denselben Trennungswinkel aufweisen, sowie einer Lichtmengenmeßeinrichtung zur Messung der Summe der Lichtmengen von den beiden Polarisationslichtkomponenten gleicher Wellenlänge, die von dem Streuungselement zerlegt wurden.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung das zu messende Licht an das Streuungselement angelegt wird, nachdem es in zwei Polarisationslichtkomponenten so aufgeteilt wurde, daß deren Polarisationsebenen die Lichtzerlegungsrichtung des Streuungselements bei ±45º schneiden, sind die Beugungswirkungsgrade für die beiden Polarisationslichtkomponenten gleich. Selbst wenn also die Polarisationsebene des zu messenden Lichts sich ändert, ändern sich die Leistungen der beiden Polarisationslichtkomponenten in komplementärer Weise, so daß ihre Summe immer konstant bleibt. Als Folge davon kann die Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements dadurch entfernt werden, daß man die Summe der optischen Leistungen der Spektralkomponenten derselben Wellenlänge in den beiden Polarisationslichtkomponenten erhält. Damit erlaubt es die vorliegende Erfindung, die Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements zu eliminieren, und zwar ohne Notwendigkeit der Verwendung der zuvor erwähnten Korrekturdaten, und bietet eine einfach aufgebaute, leicht herzustellende Spektralmeßanordnung. Da ferner keine Korrekturdaten benötigt werden, ergeben sich keine Beschränkungen hinsichtlich der Auflösung für die Wellenlängenrichtung, was sehr genaue Spektralmessungen erlaubt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Aufbaus eines Streuungselements zur Erläuterung von dessen Wirkungsweise,
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements,
Fig. 3 ist ein optisches Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 4 ist eine Seitenansicht zur Erläuterung der Funktionsweise eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Doppelbildpolarisators,
Fig. 5A, 5B, 5C und 5D sind Vorderansichten des Doppelbildpolarisators zur Erläuterung von dessen Wirkungsweise,
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Erläuterung von Strahlen und deren optischer Achsen von einer Lichtquelle 11 zu einem Streuungselement 14,
Fig. 7 ist eine Vorderansicht zur Erläuterung, wie das bei dieser Ausführungsform verwendete Streuungselement mit den beiden polarisierten Lichtwellen bestrahlt wird,
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 ist ein optisches Diagramm, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 10A ist eine Seitenansicht eines Doppel-Wollaston-Prismas,
Fig. 10B ist dessen Draufsicht, und
Fig. 11A und 11B sind seine Vorderansichten zur Erläuterung seiner Wirkungsweise.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Bezugszahl 11 bezeichnet eine Lichtquelle, die zu messendes Licht emittiert. Bei dieser Ausführungsform wird das Licht gemäß Darstellung über einen Lichtwellenleiter 10 übertragen.
Die Bezugszahl 12 bezeichnet ein Doppelbildpolarisationselement, auf das das von der Lichtquelle 11 emittierte Licht auftrifft und in dem es in zwei polarisierte Lichtkomponenten aufgeteilt wird, deren Polarisationsebenen einander senkrecht kreuzen. Das Doppelbildpolarisationselement 12 hat die Aufgabe, das einfallende Licht in zwei Strahlen unterschiedlicher optischer Achsen aufzuteilen, sowie die Funktion, das Licht in die beiden oben erwähnten Polarisationswellenkomponenten aufzuspalten. Solch ein Doppelbildpolarisationselement ist derzeit handelsüblich erhältlich. Ein Beispiel des Doppelbildpolarisationselements ist eine Savart-Platte. Die Savart-Platte hat einen Aufbau, bei dem zwei planparallele Platten 12a und 12b exakt gleicher Dicke, je durch Spalten von Kristall, Calcit oder einem ähnlichen uniaxialen Kristall, senkrecht zu dessen Kristallachse hergestellt, zusammengeklebt werden, wobei ihre Hauptschnitte 90º auseinandergedreht sind, wie in Fig. 4 gezeigt.
Ein ordentlicher Strahl 22 in der ersten Platte 12a der Savart-Platte wird zu einem außerordentlichen Strahl 24 in der zweiten Platte 12b, wohingegen ein außerordentlicher Strahl 23 in der ersten Platte 12a zu einem ordentlichen Strahl 25 in der zweiten Platte 12b wird. Durch den Durchlauf der beiden Polarisationskomponenten durch die erste und die zweite Platte 12a und 12b werden deshalb ihre optischen Achsen einmal seitlich rechtwinklig zueinander parallel verschoben, d.h. das einfallende Licht 21 wird in zwei Strahlen 24 und 25 aufgeteilt, die senkrecht zueinander polarisiert sind.
Die Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zeigen, wie es dazu kommt. Fig. 5A zeigt beliebig polarisiertes Licht 21, das auf die erste Platte 12a auftrifft. Fig. 5B zeigt den Zusammenhang zwischen dem ordentlichen Strahl 22, der von der ersten Platte 12a auf die zweite Platte 12b auftrifft, sowie den seitlich versetzten außerordentlichen Strahl 23 an der Grenze zwischen der ersten und der zweiten Platte 12a und 12b. Fig. 5C zeigt den Zusammenhang zwischen dem ordentlichen Strahl 25 des polarisierten Lichts 23, der auf die zweite Platte 12b auftrifft, sowie den seitlich versetzten außerordentlichen Strahl 24 des polarisierten Lichts 22, der auf die zweite Platte 12b auftrifft, wobei die Pfeile die Polarisationsrichtungen anzeigen. Dreht man Fig. 5C um 45º, beispielsweise im Uhrzeigersinn in der Papierebene, dann werden die polarisierten Strahlen in der Vertikalrichtung versetzt, wie in Fig. 5D gezeigt, und als Folge dessen erhält man zwei Strahlen 24 und 25, die parallele optische Achsen aufweisen und deren jeweilige Polarisationsrichtung ±45º gegenüber der vertikalen Achse Z geneigt ist.
In der Darstellung von Fig. 3 ist das Doppelbildpolarisationselement 12 so angeordnet, daß seine in Fig. 5D gezeigte Z-Achse parallel zur Rotationsmittenachse OL des Streuungselements 14 liegt. In den Fig. 5A bis 5D sind die Strahlen 22 und 23 und die Strahlen 24 und 25 voneinander beabstandet dargestellt. In der Praxis ist ihre seitliche Versetzung im Vergleich zu ihren Durchmessern jedoch gering, so daß sich die Strahlen 24 und 25 im wesentlichen überlappen.
Die beiden polarisierten Strahlen 24 und 25, die von dem Doppelbildpolarisationselement 12 aufgeteilt wurden, werden von einem Kollimatorspiegel 13 zu parallelen Strahlen für den Einfall auf das Streuungselement 14 reflektiert.
Zur Erleichterung eines besseren Verständnisses der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zeigt Fig. 6 ein optisches System, bei dem die Lichtquelle 11, das Doppelbildpolarisationselement 12, eine Kollimatorlinse 13 als Ersatz des Kollimatorspiegels 13 in Fig. 3 und das Streuungselement 14 in dieser Reihenfolge auf einer geraden Linie angeordnet sind, wobei das optische System in seinem Schnitt längs seiner optischen Achse Ox und parallel zur Rotationsmittenachse OL des Streuungselements 14 dargestellt ist. Der von der Lichtquelle 11, die am Brennpunkt der Kollimatorlinse 13' angeordnet ist, emittierte Strahl 21 trifft auf das Doppelbildpolarisationselement 12 auf, von dem zwei polarisierte Strahlen 24 und 25, deren Polarisationsebenen um ±45º gegenüber der Z-Achse geneigt sind, wie oben unter Bezug auf Fig. 5D beschrieben, emittiert werden, wobei sie in der Richtung der Z-Achse gegeneinander versetzt sind. Die Strahlen 24 und 25 sind durch die gestrichelte Linie bzw. die ausgezogene Linie dargestellt, so daß sie leicht voneinander unterscheidbar sind. Die Mittenachsen 24a und 24b dieser polarisierten Strahlen 24 und 25 verlaufen parallel zur optischen Achse Ox. Die polarisierten Strahlen 24 und 25 werden von der Kollimatorlinse 13' zu zueinander parallelen Strahlen kollimiert und treffen dann auf das Streuungselement 14. Wie in Fig. 6 gezeigt, liegen dabei jedoch die Mittenachsen 24a und 25a der parallelen Strahlen 24 und 25 in der die Z- Achse und die optische Achse Ox enthaltenden Ebene und kreuzen einander auf der Brennebene der Kollimatorlinse 13'. Das heißt, wenn sich das Streuungselement 14 nicht in der Brennebene der Kollimatorlinse 13' befindet, wenn es z.B. weit von deren Brennebene enffernt liegt, werden die polarisierten Strahlen 24 und 25, die beispielsweise auf die Gitterfläche eines Beugungsgitters, das als Streuungselement 14 verwendet wird, auftreffen, voneinander in Richtung der Z-Achse verschoben, d.h. in der Richtung der Erstreckung der Nuten 5, wie in Fig. 7 gezeigt.
Durch Aufspalten des Lichts von derselben Lichtquelle 11 mittels des Doppelbildpolarisationselements 12 in die beiden polarisierten Strahlen 24 und 25 mit verschiedenen optischen Achsen können die beiden Strahlen 24 und 25 im wesentlichen als von zwei verschiedenen Lichtquellen 11a und 11b emittierten Lichtstrahlen behandelt werden, wie in Fig. 6 gezeigt. Selbst wenn sich demgemäß die beiden Strahlen 24 und 25 im selben Raum ausbreiten, oder selbst wenn sie einander auf demselben Oberflächenbereich des Kollimatorspiegels 13, des Streuungselements 14 oder eines Konvergenzspiegels 15 überlappen und von dort reflektiert werden, bleiben ihre Polarisationseigenschaften erhalten. Folglich werden die beiden polarisierten Strahlen 24 und 25 einzeln von dem Streuungselement 14 in ihre Spektralkomponenten (Wellenlängenkomponenten) zerlegt, und die zerlegten Strahlen werden mittels des Konvergenzspiegels 15 gebündelt, um danach durch einen Schlitz 17 an den Photodetektor 16, etwa eine Photodiode, angelegt zu werden.
Die Breite des Schlitzes 17 ist abhängig von der für die Spektralmeßanordnung erforderlichen Wellenlängenauflösung gewählt. Auf der anderen Seite soll die Höhe des Schlitzes 17 (die Länge in Richtung der Z-Achse) vom Standpunkt der Abschirmung des Photodetektors 1 6 von Streulicht möglichst klein sein. In der Praxis ist es jedoch schwierig, den Schlitz 17 so auszubilden, daß er in Richtung der Z-Achse die beiden polarisierten Strahlen 24 und 25, die voneinander in Richtung der Z-Achse verschoben sind, herausschneidet, ohne je das Verhältnis ihrer Lichtmengen zu ändern. Es ist daher nötig, die Höhe des Schlitzes 17 so zu wählen, daß die von dem in Fig. 3 gezeigten Konvergenzspiegel 15 zur Konvergenz gebrachten polarisierten Strahlen 24 und 25 den Schlitz 17 passieren, ohne in der Richtung der Z-Achse senkrecht zur Lichtzerlegungsrichtung ausgeschnitten zu werden.
Bezeichnet man in Fig. 3 die Brennweite des Kollimatorspiegels 13, die Brennweite des Konvergenzspiegels 15 und die Höhe eines Objekts in Richtung der Z-Achse, das in der Brennebene des Kollimatorspiegels 13 angeordnet ist (auf der das Lichtemissionsende der Lichtquelle 11 in Fig. 3 angeordnet ist), mit f&sub1;, f&sub2; bzw. dann ist die Höhe Y&sub1; in Richtung der Z-Achse eines Bildes des Objekts, das auf der Brennebene des Konvergenzspiegels 15 (auf der der Schlitz 17 in Fig. 3 angeordnet ist) gebildet wird, gegeben durch Y&sub1; = YM f&sub2;/f&sub1;. Bezeichnet man andererseits den Abstand zwischen den Mittenachsen 24a und 24b der beiden polarisierten Strahlen 24 und 25, die mittels der Savart-Platte 12, wie zuvor im Hinblick auf Fig. 6 beschrieben, verschoben wurden, und den Durchmesser der Lichtemissionsstirnfläche der Lichtquelle 11 mit d bzw. R, dann werden die Durchmesser der beiden scheinbaren Lichtquellen 11a und 11b ebenfalls R, und der Mittenabstand zwischen ihnen ist ebenfalls d. Demzufolge ist die Länge eines Segments quer zu den beiden Lichtquellen 11a und 11b in Richtung der Z-Achse (d.h. der Abstand vom unteren Ende der Lichtquelle 11a zum oberen Ende der Lichtquelle 11b) d + R. Zur Vermeidung einer Überlappung der beiden Lichtquellen 11a und 11b werden übrigens der Abstand d zwischen den beiden optischen Achsen, der von der Dicke der Savart-Platte 12 hervorgerufen wird, und der Durchmesser der Lichtemissionsstirnfläche der Lichtquelle 11 so gewählt, das d > R. Ersetzt man die Höhe YM des oben erwähnten Objekts in Richtung der Z- Achse durch d + R, dann wird der Abstand zwischen den äußersten Kanten des Paares von Bildern der Lichtquellen 11a und 11b, die auf der Brennebene des Konvergenzspiegels 15 gebildet werden, durch (d + R)f&sub2;/f&sub1; ausgedrückt. Die Höhe des Schlitzes 17 kann auf der Brennebene des Konvergenzspiegels 15 minimal gemacht werden, muß aber etwas größer als (d + R)f&sub2;/f&sub1; gewählt werden.
Der Photodetektor 16 empfängt die beiden polarisierten Strahlen gleicher Wellenlänge als die der von den Wellenkomponenten, die von den beiden polarisierten Strahlen 24 und 25 abgeteilt wurden, und erzeugt für jede Wellenlänge ein elektrisches Signal, das der Summe der Leistungen der beiden polarisierten Strahlen entspricht. Das elektrische Signal von dem Photodetektor 16, das der Summe der Leistungen der beiden polarisierten Wellen für jede Wellenlänge entspricht, wird sich selbst bei einer Drehung der Polarisationsebene des zu messenden Lichts nicht ändern, und folglich behält das elektrische Signal für die Drehung der Polarisationsebene einen konstanten Wert bei, ohne von der Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements 14 beeinflußt zu werden.
Der Grund hierfür wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mathematischer Ausdrücke in Verbindung mit dem Fall beschrieben, wo ein Beugungsgitter als das Streuungselement 14 verwendet wird.
Licht, das auf ein Beugungsgitter auftrifft und von ihm emittiert wird, ist durch die nachfolgenden Ausdrücke (1) und (2) gegeben, wenn keine Maßnahmen gegen seine Polarisationsabhängigkeit ergriffen werden:
Pin(λ) = Pin(λ, p) + Pin(λ, s) ...(1)
Pot(λ) = f(λ) Pin(λ, p) + g(λ) Pin(λ, s) ...(2)
Dabei ist Pin(λ) die Menge (d.h. die Leistung) des einfallenden Lichts der Wellenlänge λ; Pin(λ, p) ist die Menge des Lichts der Polarisationskomponente p in der Richtung der Nuten des Beugungsgitters, die in dem einfallenden Licht Rin(λ) enthalten ist; Pin(λ, s) ist die Lichtmenge der Polarisationskomponente s senkrecht zur Richtung der Nuten des Beugungsgitters, die in dem einfallenden Licht Pin(λ) enthalten ist; Pot(λ) ist die Menge des emittierten Lichts der Beugungskomponente der Wellenlänge λ; f(λ) ist der Beugungswirkungsgrad für eine polarisierte Welle parallel (Komponente p) zu den Nuten U (siehe Fig. 8); und g(λ) ist der Beugungswirkungsgrad für eine polarisierte Welle senkrecht (Komponente s) zu den Nuten U (siehe Fig. 8). Der Ausdruck (2) zeigt, daß selbst wenn die Leistung des einfallenden Lichts konstant ist, eine Änderung im Zustand der Polarisation die Leistung Pot(λ) der gebeugten Wellenkomponente ändert, d.h. den Gesamtbeugungswirkungsgrad ändert.
Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung das einfallende Licht Pin(λ) mittels des Doppelbildpolarisationselements in zwei Strahlen aufgeteilt, deren Polarisationsebenen ±45º zu den Nuten des Beugungsgitters liegen. Demgemäß ist das einfallende Licht zu dem Beugungsgitter gegeben wie folgt:
Pin(λ) = Pin+(λ) + Pin-(λ) ...(3)
wobei Pin+(λ) die Menge des einfallenden Lichts der polarisierten Komponente mit einer Neigung von +45º zu den Nuten des Beugungsgitters ist und Pin(λ) die Menge des einfallenden Lichts der polarisierten Komponente mit einer Neigung von -45º zu den Nuten des Beugungsgitters ist. Wenn die polarisierten Komponenten Pin+(λ) und Pin-(λ) auf das Beugungsgitter auftreffen, werden sie in die Richtung längs den Nuten des Beugungsgitters und die Richtung senkrecht dazu zerlegt, wie durch die folgenden Ausdrücke angegeben:
Pin+(λ) = Pin+ (λ, p) + Pin+ (λ, s) ...(4)
Pin-(λ) = Pin-(λ, P) + Pin-λ, s) ...(5)
Daher ergeben sich die Mengen des für die jeweiligen polarisierten Komponenten emittierten Lichts wie folgt
Pot+(λ) = f(λ)Pin+(λ, p) + g(λ)Pin+(λ, s) ...(6)
Pot-(λ) = f(λ)Pin-(λ, p) + g(λ)Pin-(λ, s) ...(7)
Wenn die Polarisationsebene des einfallenden Lichts um ±45º gegenüber den Nuten des Beugungsgitters geneigt ist, sind die Mengen der Lichtkomponente (der Polarisationskomponente p) längs den Nuten des Beugungsgitters und der Lichtkomponente (der Polarisationskomponente s) senkrecht dazu einander gleich und 1/2 der Menge des einfallenden Lichts. Das heißt, die folgenden Gleichungen gelten:
Pin+(λ, p) = Pin+(λ, s) = Pin+(λ)/2 ...(8)
Pin-(λ, p) = Pin-(λ, s) = Pin-(λ)/2 ...(9)
Aufgrund der Ausdrücke (6), (8) und der Ausdrücke (7), (9) gelten die folgenden Ausdrücke:
Pot+(λ) = Pin+(λ){f(λ) + g(λ)}/2 ...(10)
Pot-(λ) = Pin-(λ){f(λ) + g(λ)}/2 ...(11)
Folglich ist die Gesamtlichtmenge Pot(λ), die von dem Beugungsgitter emittiert wird, durch folgenden Ausdruck gegeben:
Pot(λ) = Pot+(λ) + Pot-(λ)
= {f(λ) + g(λ)}{Pin+(λ) + Pin-(λ)}/2
= {f(λ) + g(λ)}Pin(λ)/2 ...(12)
Wie aus dem Ausdruck (12) ersichtlich, nimmt der Beugungswirkungsgrad immer den Mittelwert von f(λ) und g(λ) an und bleibt für das einfallende Licht konstant und hängt nicht vom Zustand der Polarisation des einfallenden Lichts ab. Diese Verifikation gilt gleichermaßen für andere Steuerungselemente als das Beugungsgitter.
Fig. 9 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die als das Doppelbildpolarisationselement 12 ein Doppel-Wollaston-Prisma verwendet, das zwischen dem Kollimatorspiegel 13 und dem Beugungsgitter 14 angeordnet ist. Das Doppel-Wollaston-Prisma 12 hat einen Aufbau, bei dem zwei Wollaston-Prismen 12a und 12b auf der gemeinsamen optischen Achse Ox angeordnet, aber um 90º gegeneinander verdreht sind, wie in den Fig. 10A und 10B gezeigt, bei denen es sich um seine Seitenansicht bzw. seine Draufsicht handelt. Wie in Fig. 11A gezeigt, wird bei diesem Aufbau der Strahl 21, der auf das erste Wollaston-Prisma 12a auftrifft, in Richtung der Z-Achse in zwei Strahlen 22 und 23 aufgeteilt, die senkrecht zueinander polarisiert sind, und diese Strahlen 22 und 23 werden von dem zweiten Wollaston- Prisma 1 2b gegeneinander in Richtung der Y-Achse senkrecht zur optischen Achse Ox und zur Z-Achse verschoben, während ihre Polarisationsrichtungen beibehalten werden. Sie werden als die Strahlen 24 und 25 emittiert. Durch Drehen des Doppel-Wollaston-Prismas 12 um 45º um die optische Achse Ox erhält man Strahlen 24 und 25, deren Polarisationsebenen um ±45º zur Richtung der Z-Achse geneigt sind und die in Richtung der Z-Achse beabstandet sind, wie dies bei dem vorher unter Bezug auf die Fig. 5C und 5D beschriebenen Fall galt. Durch Aufbringen solcher Strahlen 24 und 25 auf das Beugungsgitter 14 derart, daß die Richtung der Z-Achse parallel zur Mittendrehachse Or des Beugungsgitters 14 ist, können die Leistungen der zerlegten Wellenlängenkomponenten der beiden polarisierten Lichtkomponenten, die nicht von der Polarisationsrichtung abhängen, mittels des Photodetektors gemessen werden, wie dies bei der oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform der Fall war.
Wie oben beschrieben, bietet die vorliegende Erfindung eine Spektralmeßanordnung, die frei von der Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements 14 ist und eine genaue Messung des Absolutwerts der optischen Leistung sicherstellt. Darüber hinaus erfordert die vorliegende Erfindung nicht die Vorbereitung von Korrekturdaten in einem Speicher zum Eliminieren der Polarisationsabhängigkeit des Streuungselements und ist daher nicht mit der Last der Korrekturdaten behaftet. Folglich ist die Spektralmeßanordnung der vorliegenden Erfindung leicht herzustellen.
Da es außerdem möglich ist, die Wellenlänge kontinuierlich zu variieren und die Lichtmenge bei einer gewünschten Wellenlänge ohne Einsatz der Korrekturdaten zu messen, bestehen keine Beschränkungen hinsichtlich der Auflösung für die Richtung der Wellenlänge. Damit kann die Genauigkeit der Messung durch Vergrößerung der Genauigkeit des optischen Systems verbessert werden.
Während oben der Photodetektor 16 als die Summe der optischen Leistungen der beiden polarisierten Wellenkomponenten erhaltend beschrieben wurde, ist es auch möglich, eine Anordnung einzusetzen, bei der die Leistungen der beiden polarisierten Wellenkomponenten mittels zweier Photodetektoren einzeln gemessen werden und die Meßwerte addiert werden. Der Photodetektor 16 ist nicht speziell auf die Photodiode beschränkt, sondern kann auch so aufgebaut sein, daß zwei polarisierte Wellenkomponenten beispielsweise auf eine Glasfaser auftreffen und über diese übertragen werden und dann einer photoelektrischen Wandlung unterzogen werden oder als Licht in eine andere Meßanlage eingegeben werden.
Das Streuungselement 14 braucht nicht immer ein Beugungsgitter zu sein, vielmehr kann es sich auch um ein Prisma o.ä. handeln. Durch Verwendung eines konkaven Beugungsgitters als Streuungselement 14 kann der Kollimatorspiegel 13 entfallen.
Darüber hinaus ist das Doppelbildpolarisationselement nicht speziell auf die Savart-Platte und das Doppel-Wollaston-Prisma beschränkt, vielmehr können auch andere Doppelbildpolarisationselemente eingesetzt werden.

Claims

1. Spektralmeßanordnung, umfassend:

ein Doppelbildpolarisationselement (12) zum Aufteilen von zu messendem Licht in zwei polarisierte Lichtkomponenten, deren Polarisationsebenen orthogonal zueinander sind und die verschiedene optische Achsen aufweisen,

ein Streuungselement (14), das mit den beiden polarisierten Lichtkomponenten von dem Doppelbildpolarisationselement (12) bestrahlt wird derart, daß die Polarisationsebenen der beiden polarisierten Lichtkomponenten die Richtung der Lichttrennung unter einem jeweiligen Winkel von ±45º kreuzen, und wodurch jede der beiden polarisierten Lichtkomponenten in einzelne Wellenlängenkomponenten zerlegt wird und die Komponenten derselben Wellenlänge in den beiden polarisierten Lichtkomponenten denselben Trennungswinkel aufweisen, und

eine Lichtmengenmeßeinrichtung (16) zur Messung der Summe der Lichtmengen der beiden polarisierten Lichtkomponenten derselben Wellenlänge, die von dem Streuungselement (14) zerlegt wurden.

2. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 1, bei dem das Streuungselement (14) ein Beugungsgitter ist.

3. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Kollimatoreinrichtung (13) zum Kollimieren jeder der beiden polarisierten Lichtkomponenten, die von dem Doppelbildpolarisationselement (12) emittiert werden und zu deren nachfolgendem Anlegen an das Streuungselement (14).

4. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Doppelbildpolarisationselement (12) eine Savart-Platte ist.

5. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Kollimatoreinrichtung (13), auf die das zu messende Licht auftrifft, zum Kollimieren des zu messenden Lichts und zu seinem nachfolgenden Anlegen an das Doppelbildpolarisationselement (12).

6. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 5, bei dem das Doppelbildpolarisationselement (12) ein Doppel-Wollaston-Prisma ist.

7. Spektralmeßanordnung nach Anspruch 6, bei dem das Doppel-Wollaston-Prisma aus zwei Wollaston-Prismen zusammengesetzt ist, die auf derselben optischen Achse angeordnet sind, wobei ihre Richtungen der Trennung von polarisiertem Licht rechtwinklig zueinander gehalten werden.

8. Spektralmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Konvergenzeinrichtung (15), auf die die beiden polarisierten Lichtkomponenten, die von dem Streuungselement (14) aufgetrennt wurden, auftreffen, um sie zu der Lichtmengenmeßeinrichtung (16) zu konvergieren.

9. Spektralmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Lichtmengenmeßeinrichtung (16) ein einzelner Photodetektor ist, der mit den beiden polarisierten Lichtkomponenten bestrahlt wird und ein elektrisches Signal entsprechend der Summe ihrer optischen Leistungen abgibt.

10. Spektralmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Lichtmengenmeßeinrichtung (16) einen Schlitz (17) enthält, wodurch aufgetrennte Wellenlängenkomponenten der beiden polarisierten Lichtkomponenten von dem Streuungselement (14) selektiv extrahiert werden, wobei die Breite des Schlitzes (17) abhängig von der Wellenlängenauflösung gewählt ist und die Länge des Schlitzes (17) derart gewählt ist, daß jede der polarisierten Lichtkomponenten hindurchgeht, ohne in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Lichttrennung abgeschnitten zu werden.

11. Spektralmeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Doppelbildpolarisationselement (12) so angeordnet ist, daß die beiden polarisierten Lichtkomponenten gegeneinander in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Lichttrennung verschoben werden.