JP2001059773A - 円錐回折斜入射分光器及び該分光器用回折格子 - Google Patents

円錐回折斜入射分光器及び該分光器用回折格子

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JP2001059773A JP11235848A JP23584899A JP2001059773A JP 2001059773 A JP2001059773 A JP 2001059773A JP 11235848 A JP11235848 A JP 11235848A JP 23584899 A JP23584899 A JP 23584899A JP 2001059773 A JP2001059773 A JP 2001059773A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 格子面に垂直な軸の周りに回折格子を回動さ
せることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器に
おいて、収差が小さく、しかも波長によらず高い回折効
率が得られるような分光器及びそのための回折格子を提
供する。 【解決手段】 回折格子３を回動させる回転中心３２を
格子面３０に入射光が入射する点（入射点）３１から離
れたところに定める。また、回折格子３が回転角度φに
あるときに入射光により照明される領域Ｒ２における格
子溝の断面形状は、その回転角度φに対応する波長λの
光の回折効率が最大となるように決定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、円錐回折斜入射分
光器及びそれに適した平面回折格子（以下、単に回折格
子とする）の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】分光器
に用いられる回折格子の設計においては、回折効率が最
大化されるように溝の形状を最適化する必要がある。例
えば、溝の断面形状が鋸歯波状であるブレーズド型格子
ではブレーズ角を最適化し、溝の断面が矩形波状である
ラミナー型格子では溝深さを最適化する。
【０００３】上記のように作成された回折格子を、例え
ば、回折格子の溝方向と平行な軸周りに回折格子を回動
させることにより波長走査を行う定偏角分光器に用いた
場合、特定の一波長の光の回折効率は最大化されるもの
の、その他の波長の光の回折効率は最大化されない。こ
のような問題を解決する方法として、例えば、（１）補
助鏡を用いて偏角を波長毎に変えるという方法（例え
ば、23.M.Koike, "Highresolution EUV monochromator/
Spectrometer," U.S. Pat. No. 5,528,364）、あるい
は、（２）図５に示したように、格子溝の深さを溝方向
（Ｂ方向）で変化させた回折格子を軸Ａの周りに回動さ
せることにより波長走査を行う際に、その回動に同期さ
せて該回折格子を溝方向にスライドさせる方法が考案さ
れている。しかし、いずれの方法も、波長走査のために
回折格子を回動させる機構の他に、該回折格子の回動に
応じて補助鏡の角度を変更する機構又は上記のように回
折格子をスライドさせるための機構が別途必要であり、
更に、それらの機構の動作を高精度で同期させる制御手
段も必要となる。このように装置の構成及び制御が複雑
になるため、定偏角分光器に上記のような方法を実際に
応用することは困難である。
【０００４】一方、回折格子の格子面上における入射光
の入射点を通り該格子面に垂直な軸の周りに回折格子を
回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分
光器が知られている（例えば、M.C. Hettrick, "Gratin
g monochromators and spectrometers based on surfac
e normal rotation, Monochromator with concave grat
ing", U.S. Pat. No. 5,274,435）。この分光器におい
ても、特定の一波長の光の回折効率は最大化されるもの
の、その他の波長の光の回折効率は最大化されないとい
う問題はやはり存在し、この問題を解決するような有効
な手段はこれまで考案されていなかった。このような事
情に鑑み、本発明は、格子面に垂直な軸の周りに回折格
子を回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入
射分光器において、収差が小さく、しかも波長によらず
高い回折効率が得られるような分光器を提供する。ま
た、本発明は、前記目的が達成されるように設計された
回折格子を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、光源からの発散光を収束光に変換
する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点
へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記
平面回折格子をその格子面の法線に平行に定められた回
転軸の周りに回動させることにより波長走査を行う円錐
回折斜入射分光器において、前記平面回折格子は、前記
収束光の主光線が前記回転軸と前記格子面との交点とは
異なる点で該格子面に入射するように配置され、前記収
束光により照明される前記格子面の各領域における溝形
状は、前記回転軸を中心とした該領域の回転位置に応じ
て決定されていること、を特徴とする円錐回折斜入射分
光器を提供する。
【０００６】また、上記平面回折格子に反射率を高める
ための反射膜を形成する場合は、該反射膜の構成（単位
膜厚）を、上記回転軸を中心とした該領域の回転位置に
応じて決定するようにする。
【０００７】また、本発明は、上記のように構成された
円錐回折斜入射分光器に好適に利用される各種回折格子
を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態及び発明の効果】図１は本発明の一
形態である円錐回折斜入射分光器を構成する主な光学素
子の配置を示す斜視図である。この分光器において、入
口スリット１からの光は凹面鏡２で反射されて収束光に
変換され、回折格子３に入射し、そこで回折され、出口
スリット４に結像する。回折格子３への入射光の入射角
はα、回折格子３からの回折光の回折角はβで示されて
いる。図に示したｘｙｚ座標系は、回折格子３の格子面
３０上における前記収束光の主光線の入射点３１を原点
とする直交座標系であって、そのｘ軸は格子面３０に直
交し、ｙ軸は格子溝に直交し、ｚ軸は格子溝に平行であ
る。また、入射点３１とは別に回転中心３２が定められ
ており、この点３２を通って格子面３０に直交する軸を
中心として回折格子３を回動させることにより、波長走
査が行われる。回折格子３への入射光の光路及び回折格
子３から出る回折光の光路を含む平面である子午面の法
線とｚ軸とが成す角度φは回折格子３の回転位置を表
す。回転位置の基準（φ＝０）は、格子溝が入射光と直
交するような回転位置（入射光の光路及び回折光の光路
を含む平面である子午面に格子溝が直交するような回転
位置）である。
【０００９】図２は、回折格子３の格子面３０を示す平
面図である。格子面上の線状領域Ｒ１は回折格子３の回
転角度が０のときの入射光による被照明領域を示し、線
状領域Ｒ２は回転角度がφのときの被照明領域を示す。
【００１０】（例１）回折格子３としてブレーズド型格
子を用いる場合の格子の設計例について図２及び図３を
参照しながら説明する。図３（Ａ）は領域Ｒ１における
格子溝の断面形状を示す図である。この図は、領域Ｒ１
における格子溝のブレーズ角がθ０、溝間隔がｄである
ことを示している。いま、領域Ｒ１に入射した光から生
成される回折光の波長をλ０とするとき、この波長λ０
の光の回折効率を最大化するには、ブレーズ角θ０を次
式
【数１５】 により求まる角度とすればよいことが一般に知られてい
る。
【００１１】ところで、従来の方法で設計されたブレー
ズド型格子では、格子面３０の全面でブレーズ角が一定
であるが、このように設計された格子を上記分光器に用
いると、λ０以外の波長の光の回折効率（すなわち、φ
≠０での回折効率）を最大化することができない。これ
は次のように説明される。すなわち、回折格子３の回転
位置がφであるとき、入射光は格子面３０の領域Ｒ２を
照明するが、このとき、領域Ｒ２の長さ方向に沿った格
子溝の断面図は図３（Ｂ１）に示したようになる。そし
て、この領域Ｒ２に入射した光から生成される回折光は
【数１６】 で求められる波長λを有する。図３（Ｂ１）からわかる
ように、回折格子３の回転角度がφのとき、格子面３０
の領域Ｒ２に含まれる部分は、
【数１７】 で表される溝間隔ｄφを有し、
【数１８】 で表されるブレーズ角θ０φを有するブレーズド型格子
として作用する。式（４）から明らかなように、θ０φ
はθ０よりも小さいが、その一方で、入射角α及び回折
角βは回転角度φに関わらず一定である。従って、角θ
０φは式（１）で表される最適化条件を満たさない。こ
のように、上記のように設計されたブレーズド型格子を
用いた場合、波長λの光の回折効率は最大化されないこ
とになる。
【００１２】そこで、本願発明者等は、上記領域Ｒ２に
おけるブレーズ角θφを予めθ０よりも適宜大きくする
ことにより、上記波長λの光の回折効率を最大化する方
法を発明した。すなわち、本願発明者等による詳しい解
析の結果、波長λに対応する回転角度φに対応する線状
領域における最適ブレーズ角θφは次式
【数１９】 により表されることがわかった。これにより、回転角度
φのときの波長λの入射光に照明される部分の実効ブレ
ーズ角はθ０となり（図３（Ｂ２）参照）、全ての波長
λで光の回折効率が最大化される。
【００１３】また、従来の分光器では、入射点３１と回
転中心３２とが一致するように回折格子３を配置してい
たが、このような配置では、格子面３０の入射点３１の
近傍領域は回折格子３の回転角度φに関わらず常に収束
光により照明される。従って、前記近傍領域においては
上記のように回転角度φに応じてブレーズ角を最適化す
ることはできない。この問題を解決するため、上記分光
器では、回転中心３２を被照明領域Ｒ１、Ｒ２からずら
して設けている。このようにすれば、回折格子３の回転
角度φに関わらず常に収束光に照明されるような領域は
存在しないため、各領域毎にブレーズ角を最適化するこ
とができる。
【００１４】（例２）次に、例１のように作成されたブ
レーズド型の回折格子３の溝の表面に多層膜を蒸着して
回折効率を向上させる方法について説明する。まず、回
折格子３の回転角度φ＝０（波長λ０）に対応する線状
領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂ０としたとき、
波長λ０の光の回折効率を向上させるには、Braggの条
件を表す次式
【数２０】 を満たすようにｄｂ０を定めればよい。ここで、Ｒα０
は、波長λ０の光に対する多層膜の平均屈折率をｎと
し、δ＝１−ｎとしたときに、
【数２１】 で表される量である。次に、回転角度φ（波長λ）に対
応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂφと
したとき、ｄｂφの値は次のようにして求められる。す
なわち、回折格子３の回転角度がφであるとき、入射光
線と溝の表面の法線とが成す角と、回折光線と溝の表面
の法線とが成す角は、式（１）から、
【数２２】 に等しいから、Braggの条件を表す式は、
【数２３】 と表される。ここで、Ｒαφは、波長λの光に対する多
層膜の平均屈折率をｎφとし、δφ＝１−ｎφとしたと
きに
【数２４】 で表される量である。以上のように回転角度φに対応し
て定められた単位膜厚ｄ ｂφを有する多層膜を格子面３
０に形成すれば、全ての波長λで光の回折効率を向上さ
せることができる。
【００１５】（例３）次に、上記分光器に含まれる回折
格子３としてラミナー型格子を用いる場合の格子設計に
ついて説明する。この場合、回転角度φ＝０（波長
λ０）に対応する線状領域における格子溝の溝深さｈ０
を次式
【数２５】 により決定することにより、波長λ０の光の一次光の回
折効率が最大化されるとともに偶数次の回折光が非常に
弱められることは、例えば、K.H.Hellwegeの論文Z.Phy
s. Vol. 106, pp.588-596(1937)から一般に知られてい
る。また、回折格子３の回転角度φに対応する波長λは
【数２６】 で表される。従って、最適な溝深さｈφは次式
【数２７】 により求められる。これにより、全ての走査波長λの光
の回折効率が最大化される。
【００１６】（例４）例３のように作成されたラミナー
型の回折格子３の溝の表面に多層膜を蒸着して回折効率
を向上させる方法について説明する。この場合、入射角
と回折角が異なるから、W.R.Warburton（Nucl. Instru.
Meth., A291, 278-285(1990)）により一般化されたBra
ggの条件を満たすように多層膜を形成する必要がある。
すなわち、回転角度φ＝０（波長λ０）に対応する線状
領域に蒸着する多層膜の単位膜厚ｄｂ０とするとき、ｄ
ｂ０の最適値は
【数２８】 で表される。ここで、Ｒα０及びＲβ０は、波長λ０の
光に対する多層膜の平均屈折率をｎとし、δ＝１−ｎと
おいたときに、
【数２９】 で表される量である。同様に、回転角度φ（波長λ）に
対応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂφ
とするとき、ｄｂφの最適値は
【数３０】 で表される。ここで、Ｒαφ及びＲβφは、波長λの光
に対する多層膜の平均屈折率をｎφとし、δφ＝１−ｎ
φとおいたときに、
【数３１】 で表される量である。以上のように回転角度φに対応し
て定められた単位膜厚ｄ ｂφを有する多層膜を格子面３
０に形成すれば、全ての波長λで光の回折効率を向上さ
せることができる。
【００１７】次に、本発明に係る回折格子をイオンビー
ムエッチングにより作成する方法の一例について図４を
参照しながら説明する。まず、格子基板３３のエッチン
グ面（格子溝を形成する面）に、格子溝パターンに合わ
せてフォトレジスト層を形成する。次に、図４に示した
ように、回折格子の回転中心となる点３４を格子基板３
３のエッチング面上で定め、該エッチング面を細長い扇
状の開口４１を有するマスク４０で覆う。このとき、マ
スク４０の開口４１の頂点を格子基板３３の回転中心３
４と一致させる。このようにしたとき、開口４１の中心
線と、格子基板３３のエッチング面上で定められたｙ軸
（格子溝と直交する軸）とが成す角度（格子基板の回転
角度）は、回折格子３の回転角度φに対応する。このよ
うに格子基板３３をマスクした状態で、格子基板３３の
回転角度φを開口４１の頂角分ずつ段階的に変化させる
ことによりエッチング面上の線状領域を順次選択し、各
領域に対してイオンビームエッチングを行う。このと
き、格子基板３３の回転角度φに応じてエッチング条件
を適宜変えることにより、各線状領域において形成され
る溝のブレーズ角又は溝深さを、上記各式により理論的
に求められた角度又は深さとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一形態である円錐回折斜入射分光器
を構成する主な光学素子の配置を示す斜視図。
【図２】 回折格子の格子面を示す平面図。
【図３】 （Ａ）領域Ｒ１における格子溝の断面形状、
（Ｂ１）領域Ｒ２における格子溝の断面形状（従来
例）、（Ｂ２）領域Ｒ２における格子溝の断面形状（本
発明）。
【図４】 本発明に係る回折格子をイオンビームエッチ
ングにより作成する方法の一例について説明するための
図。
【図５】 従来の回折格子の駆動方法の一例を説明する
ための図。
【符号の説明】
１…入口スリット ２…凹面鏡 ３…回折格子 ４…出口スリット ３０…格子面 ３１…入射点 ３２…回転中心
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐野 一雄 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 原田 善寿 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 2G020 CB04 CC04 CC07 CC11 CC55 CC62 2H049 AA07 AA53 AA58 AA63 AA64 AA69

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの発散光を収束光に変換する収
    束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る
    光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記平面回
    折格子をその格子面の法線に平行に定められた回転軸の
    周りに回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜
    入射分光器において、 前記平面回折格子は、前記収束光の主光線が前記回転軸
    と前記格子面との交点とは異なる点で該格子面に入射す
    るように配置され、 前記収束光により照明される前記格子面の各領域におけ
    る溝形状は、前記回転軸を中心とした該領域の回転位置
    に応じて決定されていること、を特徴とする円錐回折斜
    入射分光器。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の分光器に用いられる平
    面回折格子において、格子溝の形状がブレーズド型であ
    り、該平面回折格子の格子面内で前記格子溝に平行に定
    められた軸をｚ軸とし、該平面回折格子への入射光の光
    路及び該平面回折格子から出る回折光の光路を含む平面
    である子午面の法線と前記ｚ軸とが成す角度をφとし、
    該平面回折格子への入射光の入射角をαとし、該平面回
    折格子からの前記回折光の回折角をβとし、φ＝０のと
    きに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ
    ０とし、前記角度がφのときに該平面回折格子により生
    成される回折光の波長をλ 【数１】 としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照
    明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子
    午面におけるブレーズ角θ０は 【数２】 を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により
    照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記
    子午面におけるブレーズ角θφは 【数３】 を満たすことを特徴とする平面回折格子。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の平面回折格子におい
    て、前記格子溝の表面に反射率を高めるための多層膜が
    蒸着されており、波長λ０の光に対する前記多層膜の平
    均屈折率をｎとし、波長λの光に対する前記多層膜の平
    均屈折率をｎφとし、δ＝１−ｎとおき、δφ＝１−ｎ
    φとおき、Ｒα０を 【数４】 とし、Ｒαφを 【数５】 としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照
    明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単
    位膜厚ｄｂ０は 【数６】 を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により
    照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の
    単位膜厚ｄｂφは 【数７】 を満たすことを特徴とする請求項２に記載の平面回折格
    子。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の分光器に用いられる平
    面回折格子において、格子溝の形状がラミナー型であ
    り、該平面回折格子の格子面内で前記格子溝に平行に定
    められた軸をｚ軸とし、該平面回折格子への入射光の光
    路及び該平面回折格子から出る回折光の光路を含む平面
    である子午面の法線と前記ｚ軸とが成す角度をφとし、
    該平面回折格子への入射光の入射角をαとし、該平面回
    折格子からの前記回折光の回折角をβとし、φ＝０のと
    きに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ
    ０とし、前記角度がφのときに該平面回折格子により生
    成される回折光の波長をλ 【数８】 としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照
    明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子
    午面における溝深さｈ０は 【数９】 を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により
    照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記
    子午面における溝深さｈφは 【数１０】 を満たすことを特徴とする平面回折格子。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の平面回折格子におい
    て、前記格子溝の表面に反射率を高めるための多層膜が
    蒸着されており、波長λ０の光に対する前記多層膜の平
    均屈折率をｎとし、波長λの光に対する前記多層膜の平
    均屈折率をｎφとし、δ＝１−ｎとおき、δφ＝１−ｎ
    φとおき、Ｒα０及びＲβ０を 【数１１】 とし、Ｒαφ及びＲβφを 【数１２】 としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照
    明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単
    位膜厚ｄｂ０は 【数１３】 を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により
    照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の
    単位膜厚ｄｂφは 【数１４】 を満たすことを特徴とする請求項４に記載の平面回折格
    子。
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