平面回折格子と凹面回折格子の違い｜形状による特性と使い分け

回折格子の形状による分類

回折格子は、基板の表面形状によって大きく3種類に分類されます。平面回折格子、凹面回折格子、そして特殊回折格子です。

平面回折格子は、平面の基板上に等間隔で直線状の溝を刻んだものです。最も基本的な形態であり、分光光学系を構築する際には、コリメータミラーや集光ミラーなどの光学素子と組み合わせて使用します。

凹面回折格子は、球面状の凹面基板上に溝を刻んだものです。凹面形状が持つ集光機能と回折格子の分光機能を一体化しているため、光学系の構成をシンプルにできるという特徴があります。球面以外にも、トロイダル面（縦横で曲率が異なる面）や楕円面など、収差補正を目的とした非球面形状の凹面回折格子も存在します。

いずれの形状も、反射型と透過型の両方が製作されていますが、分光器用途では反射型が広く使用されています。どの形状を選択するかは、光学系の設計条件や求められる性能、装置のサイズ制約などによって決まります。

平面回折格子の特徴と用途

平面回折格子は、その名の通り平面の基板上に格子溝を形成した回折格子です。基板が平面であるため、製造が比較的容易で、高い溝精度を実現しやすいという特徴があります。

平面回折格子のメリット

平面回折格子の第一のメリットは、光学系設計の自由度が高いことです。コリメータミラー、集光ミラー、スリットなどの光学素子を自由に配置できるため、用途に応じた最適な光学系を設計できます。また、収差補正を各光学素子で分担できるため、高い波長分解能を追求する光学系の構築に適しています。

第二に、大型サイズの製作が可能な点が挙げられます。天文分光や大型スペクトログラフなど、大きな開口を必要とする用途では、平面回折格子が選択されることが多くなっています。

第三に、ブレーズ角の設計自由度が高いことです。ルーリングエンジンによる機械刻線法で製作する場合、ダイヤモンドバイトの形状を変えることで、任意のブレーズ角を持つ格子溝を形成できます。

平面回折格子のデメリット

平面回折格子を使用する場合、分光と集光を別々の光学素子で行う必要があるため、光学系が複雑になりがちです。コリメータミラーや集光ミラーなどの複数の光学素子を精密にアライメントする必要があり、組み立て・調整の工数が増加します。また、光学素子の数が増えることで、反射損失の累積や迷光発生の要因が増える可能性もあります。

主な用途

平面回折格子は、ツェルニ・ターナー型やエバート型などの古典的なモノクロメータ配置に広く使用されています。また、高分解能を要求される研究用分光器や、大型天文望遠鏡のスペクトログラフにも採用されています。レーザーの波長選択用途（外部共振器など）にも平面回折格子が使用されることがあります。

凹面回折格子の特徴と用途

凹面回折格子は、球面などの凹面基板上に格子溝を刻んだ回折格子です。回折格子自体が集光機能を持つため、分光器の光学系をシンプルに構成できるという大きな特徴があります。

凹面回折格子のメリット

凹面回折格子の最大のメリットは、光学系の簡素化です。入射スリット、凹面回折格子、検出器という最小限の構成で分光器を実現できます。これにより、装置の小型化、低コスト化、アライメント工数の削減が可能になります。

また、光学素子の数が減ることで、反射損失を抑えられるというメリットもあります。特に真空紫外域や軟X線領域では、物質の反射率が低いため、光学素子数の削減は光量確保の観点から非常に重要です。

凹面回折格子を用いた代表的な光学配置として、ローランド円マウントがあります。これは、凹面回折格子の曲率半径を直径とする円（ローランド円）上に入射スリットと検出器を配置するもので、デフォーカスと一次のコマ収差を実質的に無視できるという特性があります。

凹面回折格子のデメリット

球面形状の凹面回折格子では、非点収差が顕著に発生するという課題があります。非点収差は、縦方向と横方向で焦点位置が異なる現象で、スペクトル像が伸びて結像品質が低下します。この影響により、ローランド円マウントの分光器は波長分解能は高いものの、集光効率が低くなる傾向があります。

また、球面基板上に等間隔の格子溝を刻む場合、基板の曲率に起因する溝間隔の変動が発生するため、高い溝精度を得ることが難しくなります。さらに、凹面形状の基板加工と格子溝の刻線の両方で高精度が要求されるため、製造難度は平面回折格子より高くなります。

主な用途

凹面回折格子は、ポリクロメータ（多波長同時測光器）やフラットフィールドスペクトログラフに広く使用されています。フォトダイオードアレイやCCDなどのアレイ検出器と組み合わせることで、コンパクトな多チャンネル分光器を実現できます。また、真空紫外域から軟X線領域の分光器では、光学素子数を減らせる凹面回折格子が重宝されています。

トロイダル回折格子による収差補正

球面形状の凹面回折格子では非点収差が避けられませんが、基板形状をトロイダル面（縦方向と横方向で曲率半径が異なる面）にすることで、非点収差を補正することが可能です。これがトロイダル回折格子です。

球面基板では、横方向焦点距離と縦方向焦点距離が異なるため非点収差が生じます。一方、トロイダル基板では、2つの曲率半径を適切に設計することで、横方向と縦方向の焦点距離をほぼ一致させることができます。これにより、スペクトル像の伸びが抑えられ、集光効率が大幅に向上します。

トロイダル回折格子は、凹面回折格子のメリット（光学系の簡素化）を維持しながら、デメリット（非点収差による集光効率の低下）を改善した形態といえます。微弱光の検出が必要なポリクロメータ用途や、高感度分光分析用途に適しています。

このほかにも、溝間隔を場所によって変化させた不等間隔溝の凹面回折格子や、楕円面基板を用いた凹面回折格子など、収差補正を目的としたさまざまな設計手法が開発されています。用途や波長域に応じて、最適な収差補正手法が選択されます。

形状選定のポイント

回折格子の形状を選定する際には、以下の観点から検討することが重要です。

光学系の複雑さと装置サイズ

装置の小型化やシンプルな構成を優先する場合は、凹面回折格子が適しています。一方、光学系設計の自由度を確保したい場合や、既存の光学系に回折格子を組み込む場合は、平面回折格子が適しています。

波長分解能と集光効率のバランス

高い波長分解能を追求する場合は、収差補正を各素子で分担できる平面回折格子と複数の光学素子を組み合わせた構成が有利です。一方、集光効率を重視しつつコンパクトな構成を求める場合は、トロイダル回折格子や収差補正型の凹面回折格子が候補になります。

波長域と光量

真空紫外域や軟X線領域など、物質の反射率が低い波長域では、光学素子数を最小化できる凹面回折格子が有利です。可視域や近赤外域で十分な光量がある用途では、平面回折格子と複数ミラーを組み合わせた高分解能構成も選択肢に入ります。

コストと納期

標準的な仕様であれば、平面回折格子は比較的短納期で入手しやすい傾向があります。特殊な収差補正を施した凹面回折格子やトロイダル回折格子は、設計・製作に時間がかかる場合があります。