JP2001108614A

JP2001108614A - ラジカル計測用光学系

Info

Publication number: JP2001108614A
Application number: JP28708199A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mihashi; 秀男三橋; Katsuhisa Okawa; 勝久大川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP3356134B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高精度なラジカル計測用光学系を提供する。【解決手段】光源１と、第１のレンズ２を通り測定対
象３を通過した光を集光する第２のレンズ４と、第２の
レンズの焦点位置に入射端５ａが配置され、各光ファイ
バが入射端側で円形に、出射端５ｂ側で一列に配列され
た光ファイバ束５と、光ファイバ束の出射端から出射さ
れ入射側スリット６を通過した光を平行光とし所定の角
度で反射する入射側軸外放物面鏡７と、反射された光を
受けて分光する回折格子８と、回折格子で分光された光
を出射側スリット９上に集光・結像する出射側軸外放物
面鏡１０と、出射側スリットを通過した光の光量を測定
する受光素子１１とを含んで構成され、所定の波長分解
能が得られるように回折格子の溝本数及び入射側軸外放
物面鏡及び出射側軸外放物面鏡の焦点距離を選定した上
で、光源から受光素子までの総合的な光束の利用効率が
最大になるように、各光学要素１，２，４〜１１の仕様
を選定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特定の原子・分子
が特定波長の光を吸収することを利用して、測定対象中
に存在する特定原子・分子の密度等を求める技術であ
る、吸光測定法に用いられるラジカル計測用光学系に関
する。

【０００２】

【従来の技術】吸光測定法によるラジカル計測は、特定
の原子・分子が特定波長の光を吸収することを利用し
て、測定対象中に存在する特定原子・分子の密度等を求
める技術であり、ガス成分分析やプラズマ中の特定原子
の絶対密度の測定等に用いられている。

【０００３】このような従来の技術には、例えば、特開
平１０−３１１７９１号公報に示されるラジカル計測用
光学系がある。

【０００４】図４は従来例のラジカル計測用光学系の概
略構成図である。

【０００５】図４に示す従来のラジカル計測用光学系
は、光源１から投射された光束を所定径の平行光とする
ための第１のレンズとしての第１の凸レンズ１５および
第１の凹レンズ１６と、測定対象を通過した光束を集光
するための第２のレンズとしての第２の凹レンズ１７お
よび第１の凸レンズ１８と、集光された光束を分光して
目的とする波長の光量を測定する分光器１９とからな
る。

【０００６】光源１から投射された光束は、第１の凸レ
ンズ１５で集光された後、第１の凹レンズ１６で平行光
とされ、測定対象を通過する。測定対象を通過した平行
光は、第２の凹レンズ１７と第２の凸レンズ１８で再び
集光され、分光器１９に入射する。分光器１９に入射し
た光は、分光されて目的とする波長のみの光量が測定さ
れ、この測定光量から得られる吸収量から、特定の原子
や分子の密度や濃度を求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このラジカル計測用光
学系において測定精度を高めるには、高い波長分解能と
光束の利用効率の向上を両立させることが必要であっ
た。

【０００８】しかし、波長分解能の向上と光束の利用効
率の向上はトレードオフの関係にあるため、特に光源の
発光強度の分布や発散角度等の条件、および測定対象の
波長に応じて、各構成要素を選定する必要があった。

【０００９】しかしながら、図４に示すラジカル計測用
光学系では、光源１の発光強度の分布や発散角度等の条
件、および分光器１９のＮＡ（Numerical Aperture：開
口数）は何も考慮されていなかった。

【００１０】図４において、光源１からの光は、第２の
凹レンズ１７と第２の凸レンズ１８で分光器１９に集光
入射されるが、光源１の発光領域は有限の大きさを有す
るために結像光学系となり、分光器１９の入射部での集
光径（結像径）は、第１のレンズとしての第１の凸レン
ズ１５と第１の凹レンズ１６の合成焦点距離と、第２の
レンズとしての第２の凹レンズ１７と第２の凸レンズ１
８の合成焦点距離の比で決まる像倍率で決定される。一
方、分光器１９の入射部には所定の幅を有する図示しな
いスリットが配置されている。

【００１１】よって、第１のレンズとしての第１の凸レ
ンズ１５と第１の凹レンズ１６の合成焦点距離を短くす
ると、ＮＡが大きくなって光源１からの光束の利用効率
は向上するが、像倍率が大きくなり分光器１９のスリッ
トでのケラレが大きくなる。逆に、第２のレンズとして
の第２の凹レンズ１７と第２の凸レンズ１８の合成焦点
距離は、短い方が像倍率が小さくなって分光器１９のス
リットでのケラレを小さくできるが、分光器１９のＮＡ
との不適合によるケラレが大きくなってしまう、という
問題があった。

【００１２】また、各光学部品の透過率や反射率に関し
ても考慮されていない。光学系中の各透過型光学素子
は、材質に石英等の空気よりも屈折率の高い材質を使用
するため、空気との界面で反射によりロスが発生する。
このロスは、材質が石英の場合一面で約４％であり、面
数が増加するほどロスは増大する。計測光学系中の各反
射型光学素子も、材質によって決まる分光反射特性を有
しているため、波長によっては反射率が低くなる。

【００１３】従って、図４に示した従来のラジカル計測
用光学系では、これらの透過率や反射率のロスにより光
束の利用効率が劣化する問題があった。

【００１４】また、分光器１９についても考慮がなされ
ていない。分光器１９の内部は一般的に黒く塗られて迷
光の防止がなされているが、黒色は可視波長に対しての
反射率が低い特性を示すだけであり、紫外波長および赤
外波長に対しての迷光防止になるとはいえない。分光器
１９に使用される図示しない受光素子も、一般的に分光
感度特性を有しているため、測定対象波長によってはＳ
／Ｎが劣化する問題があった。

【００１５】更に、分光器１９の内部には、一定範囲の
波長域を走査するための波長走査機構として、図示しな
い回折格子と、この回折格子を回転させるための波数カ
ム等の図示しない駆動機構が内蔵された構成が一般的で
あったが、当該構成では、駆動機構の回転に伴う振動が
回折格子に伝わることにより、回折格子が振動して測定
精度が低下する問題があった。

【００１６】ここにおいて本発明は、以上の問題を解決
する高精度なラジカル計測用光学系を提供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は次の新規な特徴的手段を採用する。

【００１８】本発明のラジカル計測用光学系の特徴は、
光源（図１の１）から照射された光をとらえる第１のレ
ンズ（２）と、第１のレンズ（２）を通り測定対象
（３）を通過した光を集光する第２のレンズ（４）と、
第２のレンズ（４）の焦点位置に入射端（５ａ）が配置
され、入射端（５ａ）側で各光ファイバが円形に配列さ
れ出射端８５ｂ）側で各光ファイバが一列に配列された
光ファイバ束（５）と、光ファイバ束（５）の出射端
（５ｂ）から出射され入射側スリット（６）を通過した
光を平行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面
鏡（７）と、入射側軸外放物面鏡（７）で反射された光
を受けて分光する分散素子であり格子の溝方向を入射側
スリット（６）の長手方向と平行にして配置した回折格
子（８）と、回折格子（８）で分光された光を出射側ス
リット（９）上に集光・結像する出射側軸外放物面鏡
（１０）と、出射側スリット（９）を通過した光の光量
を測定する受光素子（１１）とを含んで構成され、測定
対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高くす
なわち小さい値となる回折格子（８）の溝本数と入射側
軸外放物面鏡（７）及び出射側軸外放物面鏡（１０）の
焦点距離と入射側スリット（６）及び出射側スリット
（９）の幅を、回折格子（８）の溝本数と回折角度との
関係式（測定対象波長λ，回折格子（８）への光の入射
角α，回折角β，回折格子（８）の１ｍｍ当たり溝本数
Ｎ，回折次数ｍとしたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×
ｍ×λで示される関係式）、および、回折角度と入射側
軸外放物面鏡（７）及び出射側軸外放物面鏡（１０）の
焦点距離と逆線分散との関係式（回折角β，回折格子
（８）の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ，入射側軸
外放物面鏡（７）及び出射側軸外放物面鏡（１０）の焦
点距離ｆ，逆線分散ＤとしたときにＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ
×ｍ×ｆ）で示される関係式）、および、逆線分散と入
射側スリット（６）及び出射側スリット（９）の幅と波
長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，スリット幅ｗ，波長
分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗで示される関係
式）に基づいて決定した上で、回折格子（８）の大きさ
あるいは入射側軸外放物面鏡（７）及び出射側軸外放物
面鏡（１０）の大きさと、入射側軸外放物面鏡（７）及
び出射側軸外放物面鏡（１０）の焦点距離とで決まる分
光光学系のＮＡ（Numerical Aperture：開口数）が光束
の使用効率を最も制限する場合には、第１のレンズ
（２）の大きさと焦点距離、第２のレンズ（４）の大き
さと焦点距離、光ファイバ束（５）に使用する光ファイ
バ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、入射側
スリット（６）および出射側スリット（９）の長さ、受
光素子（１１）の受光部の大きさ、の各値を光源（１）
から受光素子（１１）までの総合的な光束の利用効率が
最大になる値に選定することにある。

【００１９】このとき、測定しようとしている原子の吸
収波長の幅は通常の分光光学系で得られる波長分解能に
対しても非常に小さいので、必要となる波長分解能が得
られるようにしようとすると分光器１９のＮＡはそれほ
ど大きくできないため、通常は、光束の利用効率の基準
は分光器１９のＮＡとなる。

【００２０】例えば、発光面の一部領域のみの発光強度
が強く発光面上の各点それぞれが比較的広い角度に光を
照射する光源１の場合には、第１のレンズ２の焦点距離
と第２のレンズ４の焦点距離の組み合わせは、光源１の
発光面のうち発光強度の強い一部領域が光ファイバ束５
の入射端に結像される組み合わせとし、広い角度に照射
される光をとらえるため発光角度分布のほとんどが第１
のレンズ２に入るようにする。発光強度が小さい領域の
光は光ファイバ束５の入射端に入射しなくても全体の総
光量からみたときはその割合は小さいため、第１のレン
ズ２の焦点距離を短くしてＮＡを大きくすることで光源
１からの比較的広い角度に照射される光束の利用効率を
高めることができる。

【００２１】また、有限の大きさで急峻な発光角度分布
を有し最大強度の光の発光角度が全て同一方向を向く光
源１の場合には、第１のレンズ２の焦点距離を長くして
ＮＡを小さくしても、光源１からの光束自体の発光角度
が小さいために光束の利用効率の劣化は少ないため、こ
の場合には、第１のレンズ２の焦点距離を、第２のレン
ズ４の焦点距離と組み合わせて、光源１の発光面全体が
光ファイバ束５の入射端５ａに結像される像倍率になる
ような焦点距離とすることで、光束の利用効率を高くす
る。

【００２２】さらに、第２のレンズ４のＮＡの値が、回
折格子８の有効径と入射側軸外放物面鏡７および出射側
軸外放物面鏡１０の有効径と焦点距離で決まるＮＡの値
と同一又はこのＮＡの値以上でかつこのＮＡの値にでき
るだけ近い値となるように各光学要素の焦点距離を選
び、光ファイバ束５のＮＡの値を第２のレンズ４のＮＡ
の値以上とすることで、第１のレンズ２でとらえた光源
１からの光をロスすることなく分光光学系で使用する。

【００２３】測定対象波長域を固定とした場合には、第
１のレンズ２、チャンバ３の入射窓３ａ及び出射窓３
ｂ、第２のレンズ４、光ファイバ束５の入射端５ａ及び
出射端５ｂの計測光学系中の各透過型光学素子に目標と
する波長域での透過率が高い反射防止膜１２を施し、軸
外放物面鏡７と軸外放物面鏡１０に目標とする波長域で
の反射率が高い反射コーティング１３を施し、回折格子
８を目標とする波長域と同一のブレーズ波長を有するブ
レーズ型回折格子とすることで、目標波長域において光
源１からの光の利用効率が高くなるようにし、また、受
光素子であるＰＭＴ１１を目標とする波長域での感度が
高いものとすることでＳ／Ｎを向上し、また、ラジカル
計測用光学系内部の光を発光、透過、反射、回折、受光
する部分以外の露出面を目標とする波長域での反射率が
低い反射防止シート１４で覆うことで分光器１９内部の
迷光を少なくし、さらに、波長走査機構を省いて振動に
よる測定波長ずれ等が発生しないようにする。

【００２４】このような手段を採用したことにより、本
発明のラジカル計測用光学系は、光束の利用効率を最大
にできるようになる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例のラジ
カル計測用光学系の概略構成図である。

【００２６】図１に示すラジカル計測用光学系は、有限
の大きさを有し発光面の一部領域のみの発光強度が強い
光源１からの光をとらえる第１のレンズ２と、第１のレ
ンズ２を通り、測定対象のチャンバ３を通過した光を集
光する第２のレンズ４と、第２のレンズ４の焦点位置に
入射端５ａが配置され、入射端５ａ側を円形とし、出射
端５ｂ側を直線状に再配列した光ファイバ束５と、光フ
ァイバ束５の出射端５ｂから出射され、入射側スリット
６を通過した光を平行光とし、所定の角度で反射する入
射側軸外放物面鏡７と、入射側軸外放物面鏡７で反射さ
れた光を受けて分光する分散素子であり、格子の溝方向
を入射側スリット６の長手方向と平行にして配置した回
折格子８と、回折格子８で分光された光を出射側スリッ
ト９上に集光・結像する出射側軸外放物面鏡１０と、出
射側スリット９を通過した光の光量を測定する受光素子
としての光電子増倍管１１とを含んで構成され、第２の
レンズ４のＮＡの値が入射側軸外放物面鏡７および出射
側軸外放物面鏡１０のＮＡの値と同一又はこのＮＡの値
以上でかつこのＮＡの値にできるだけ近い値で、光ファ
イバ束５のＮＡの値が第２のレンズ４のＮＡの値以上で
あり、第１のレンズ２の焦点距離と第２のレンズ４の焦
点距離との組み合わせを、光源１の発光面のうち発光強
度の強い一部領域から広い角度に照射される光束を使用
する組み合わせ、すなわち、光源１の発光面のうち発光
強度の強い一部領域の大きさが光ファイバ束５の入射端
の大きさに結像される組み合わせとすることを特徴とす
る。

【００２７】光源１から出た光は第１のレンズ２に入射
し、チャンバ３を通った後、第２のレンズ４にて光ファ
イバ束５の入射端５ａ上に集光される。光ファイバ束５
で伝送された光は、入射側スリット６を通り、入射側軸
外放物面鏡７で平行光にされ、回折格子８で回折され
て、出射側軸外放物面鏡１０で出射側スリット９上に結
像される。このとき、入射した光の波長により回折格子
８で回折される角度が異なるため、出射側スリット９上
には所定波長の光の入射側スリット６の像が結像され、
目標とする波長の光がＰＭＴ１１にて受光される。な
お、入射側スリット６から出射側スリット９までの分光
光学系は、一般的にはツェルニターナ型といわれる分光
光学系を基本としている。

【００２８】このラジカル計測用光学系において測定精
度を高めるには、高い波長分解能と光束の利用効率の向
上を両立させることが必要であるが、波長分解能の向上
と光束の利用効率の向上はトレードオフの関係にある。

【００２９】波長分解能と光束の利用効率を決める光学
要素としては、第１のレンズ２と第２のレンズ４の大き
さと焦点距離、光ファイバ束５に使用する光ファイバ素
線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、入射スリッ
ト６および出射スリット９の幅と長さ、入射側軸外放物
面鏡７および出射側軸外放物面鏡１０の大きさと焦点距
離、回折格子８の溝本数と大きさ、ＰＭＴ１１の受光部
の大きさが挙げられる。

【００３０】具体的には、これらの間には、以下の関係
式がある。

【００３１】回折格子８の溝本数と回折角度との間に
は、測定対象波長λ，回折格子８への光の入射角α，回
折角β，回折格子８の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数
ｍとしたとき、ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示さ
れる関係式が成立する。

【００３２】また、回折角度と入射側軸外放物面鏡７及
び出射側軸外放物面鏡１０の焦点距離と逆線分散との間
には、回折角β，回折格子８の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，
回折次数ｍ，入射側軸外放物面鏡７及び出射側軸外放物
面鏡１０の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき、Ｄ＝ｃ
ｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式が成立する。

【００３３】さらに、逆線分散と入射側スリット６及び
出射側スリット９の幅と波長分解能との間には、逆線分
散Ｄ，スリット幅ｗ，波長分解能Δλとしたとき、Δλ
＝Ｄ×ｗで示される関係式が成立する。

【００３４】以上の各関係式から、次のことがわかる。

【００３５】まず、波長分解能は、回折格子８の溝本数
と入射側軸外放物面鏡７および出射側軸外放物面鏡１０
の焦点距離に影響を受け、回折格子８の溝本数が多いほ
ど、また各軸外放物面鏡７，１０の焦点距離が長いほど
波長分解能は高くなる。しかし、光束の利用効率は、各
軸外放物面鏡７，１０および回折格子８の大きさを同じ
とすると、各軸外放物面鏡７，１０の焦点距離が長いほ
どＮＡが小さくなり劣化する。波長分解能を高くしたま
ま光束の利用効率を上げるには、各軸外放物面鏡７，１
０および回折格子８の大きさを大きくすれば良いことに
なるが、これには物理的コスト的に制限がある。

【００３６】測定しようとしている原子の吸収波長の幅
は通常の分光光学系で得られる波長分解能に対しても非
常に小さいので、分光光学系の波長分解能はできるだけ
高くしておかないと原子の有無による光量変化自体が検
出できなくなってしまう。

【００３７】そこで、各軸外放物面鏡７，１０と回折格
子８は、波長分解能を高くするために逆線分散を大きく
した上で明るさをかせぎ光量分解能を向上させるためＮ
Ａを大きく、すなわち焦点距離を長く面積を大きくし、
測定する吸収波長幅に対して波長分解能が高く、すなわ
ち十分小さい値となるように、例えば、あまり小さすぎ
ると波長分解能は上がるが暗くなり感度が落ちるため１
桁程度小さくなるように、コスト的に許される範囲で大
きなものを選択する。

【００３８】波長分解能は、入射側スリット６および出
射側スリット９の幅にも影響を受け、スリット幅が小さ
い方が波長分解能が高くなる。しかし、光束の利用効率
は、スリット幅を小さくするほど入射光のケラレが大き
くなるため劣化する。この入射側スリット６および出射
側スリット９の長さは、受光するＰＭＴの受光面の大き
さより大きくても受光されないために意味がない。

【００３９】スリット幅による入射光のケラレ量は、光
ファイバ束５の出射端と入射側スリット６を密着させて
配置したとして、光ファイバ束５の出射端の幅と入射側
スリット６の幅との比で決まる。

【００４０】一般的に、分光光学系のスリット幅は、回
折による光のロスが大きくなるため５μｍ程度未満には
設定せず、高い波長分解能を得ようとする場合小さくと
も１０μｍ程度とする。一方、光ファイバ束５に使用す
る光ファイバ素線のコア径は、通常、数１０μｍ以上で
ありスリット幅より大きい。コア径が数μｍ程度の光フ
ァイバ素線もあるが、一般的に、光が通らないクラッド
部分の径は１００μｍ程度以上はあるため、光ファイバ
束５の入射端５ａ側でのロスが大きくなってしまうため
意味がない。従って、出射端５ｂ側は、複数本の光ファ
イバ素線を一列に並べてスリット状に配置する。

【００４１】このとき、光ファイバ素線を一列に並べた
長手方向の長さもＰＭＴ１１の受光面の大きさで制限さ
れることになり、光ファイバ束５に使用する光ファイバ
素線の本数は、入射端５ａの径を決めるため、入射端５
ａの径は、ＰＭＴ１１の受光面の大きさで決まることに
なる。

【００４２】また、光源１からの光は、第２のレンズ４
で入射端５ａに集光されるが、光源１の発光領域が有限
の大きさを有するために結像光学系となり、入射端５ａ
での結像径は、第１のレンズ２の焦点距離と第２のレン
ズ４の焦点距離の比で決まる像倍率で決定される。従っ
て、入射端５ａの径よりも結像径の方が大きいと、ケラ
レが発生して光束の利用効率は劣化する。

【００４３】そこで、入射端５ａでの結像径が大きくな
るのに応じて入射端５ａの径を大きくしようとするに
は、ＰＭＴ１１の受光面の大きさを大きくするしかない
が、当然のことながら、ＰＭＴ１１の受光面を大きくす
るには物理的、コスト的に制限がある。

【００４４】第２のレンズ４のＮＡの値は、分光光学系
のＮＡの値以上にしてもＮＡの不整合によるケラレが発
生して光束の利用効率が劣化するため、分光光学系のＮ
Ａがその制限となる。

【００４５】一方、第１のレンズ２の焦点距離は、大き
さが第２のレンズ４と同じとして、ＮＡを大きくしよう
として焦点距離を短くすると、像倍率が大きくなるた
め、光ファイバ束５の入射端５ａでの結像径が大きくな
り入射端５ａでのケラレが大きくなる。このケラレをな
くすために像倍率を小さくしようとすると、焦点距離を
長くする必要があり、ＮＡが小さくなるため、光源１が
広い角度に光を照射する場合には光源１からの光の利用
効率が劣化する。

【００４６】従って、第１のレンズ２の焦点距離と第２
のレンズ４の焦点距離の組み合わせは、光源１の発光特
性によって決まり、一部領域から広い角度に照射される
光束を用いる組み合わせの場合の総光量と、比較的広い
領域から狭い角度に照射される光束を用いる組み合わせ
の場合の総光量とを比較して、総光量が大きくなる焦点
距離とする。

【００４７】以上のように、波長分解能の向上と光束の
利用効率の向上はトレードオフの関係にあるため、高精
度なラジカル計測光学系を得ようとする場合、所定の波
長分解能が得られるようにした上で、光源１からＰＭＴ
１１までの総合的な光束の利用効率が最大になるように
する必要がある。

【００４８】本発明は、１）光源１から照射された光を
とらえる第１のレンズ２と、第１のレンズ２を通り測定
対象３を通過した光を集光する第２のレンズ４と、第２
のレンズ４の焦点位置に入射端５ａが配置され、入射端
５ａ側で各光ファイバが円形に配列され出射端８５ｂ側
で各光ファイバが一列に配列された光ファイバ束５と、
光ファイバ束５の出射端５ｂから出射され入射側スリッ
ト６を通過した光を平行光とし所定の角度で反射する入
射側軸外放物面鏡７と、入射側軸外放物面鏡７で反射さ
れた光を受けて分光する分散素子であり格子の溝方向を
入射側スリット６の長手方向と平行にして配置した回折
格子８と、回折格子８で分光された光を出射側スリット
９上に集光・結像する出射側軸外放物面鏡１０と、出射
側スリット９を通過した光の光量を測定する受光素子１
１とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して
波長分解能が１桁程度高くすなわち小さい値となる回折
格子８の溝本数と入射側軸外放物面鏡７及び出射側軸外
放物面鏡１０の焦点距離と入射側スリット６及び出射側
スリット９の幅を、回折格子８の溝本数と回折角度との
関係式（測定対象波長λ，回折格子８への光の入射角
α，回折角β，回折格子８の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回
折次数ｍとしたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λ
で示される関係式）、および、回折角度と入射側軸外放
物面鏡７及び出射側軸外放物面鏡１０の焦点距離と逆線
分散との関係式（回折角β，回折格子８の１ｍｍ当たり
溝本数Ｎ，回折次数ｍ，入射側軸外放物面鏡７及び出射
側軸外放物面鏡１０の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたと
きにＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係
式）、および、逆線分散と入射側スリット６及び出射側
スリット９の幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，
スリット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×
ｗで示される関係式）に基づいて決定する。

【００４９】その上で、１）回折格子８の大きさあるい
は入射側軸外放物面鏡７及び出射側軸外放物面鏡１０の
大きさと、入射側軸外放物面鏡７及び出射側軸外放物面
鏡１０の焦点距離とで決まる分光光学系のＮＡ（Numeri
cal Aperture：開口数）が光束の使用効率を最も制限す
る場合には、第１のレンズ２の大きさと焦点距離、第２
のレンズ４の大きさと焦点距離、光ファイバ束５に使用
する光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面
積比、入射側スリット６および出射側スリット９の長
さ、受光素子１１の受光部の大きさ、の各値を光源１か
ら受光素子１１までの総合的な光束の利用効率が最大に
なる値に選定することを特徴とする。

【００５０】または、２）前記第１のレンズの大きさと
焦点距離とで決まるＮＡが光束の使用効率を最も制限す
る場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放
物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距
離、前記第２のレンズの大きさと焦点距離、前記光ファ
イバ束に使用する光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・
クラッドの面積比、前記入射側スリットおよび前記出射
側スリットの長さ、前記受光素子の受光部の大きさ、の
各値を前記光源から前記受光素子までの総合的な光束の
利用効率が最大になる値に選定することを特徴とする。

【００５１】または、３）前記第２のレンズの大きさと
焦点距離とで決まるＮＡが光束の使用効率を最も制限す
る場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放
物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距
離、前記第１のレンズの大きさと焦点距離、前記光ファ
イバ束に使用する光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・
クラッドの面積比、前記入射側スリットおよび前記出射
側スリットの長さ、前記受光素子の受光部の大きさ、の
各値を前記光源から前記受光素子までの総合的な光束の
利用効率が最大になる値に選定することを特徴とする。

【００５２】または、４）前記光ファイバ束に使用する
光ファイバ素線のＮＡが光束の使用効率を最も制限する
場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物
面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、
前記第１のレンズの大きさと焦点距離、前記第２のレン
ズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光
ファイバ素線の本数とコア・クラッドの面積比、前記入
射側スリットおよび前記出射側スリットの長さ、前記受
光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受
光素子までの総合的な光束の利用効率が最大になる値に
選定することを特徴とする。

【００５３】または、５）前記光ファイバ束に使用する
光ファイバ素線の本数が光束の使用効率を最も制限する
場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物
面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、
前記第１のレンズの大きさと焦点距離、前記第２のレン
ズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光
ファイバ素線のＮＡとコア・クラッドの面積比、前記入
射側スリットおよび前記出射側スリットの長さ、前記受
光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受
光素子までの総合的な光束の利用効率が最大になる値に
選定することを特徴とする。

【００５４】または、６）前記光ファイバ束に使用する
光ファイバ素線のコア・クラッドの面積比が光束の使用
効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、
前記入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の
大きさと焦点距離、前記第１のレンズの大きさと焦点距
離、前記第２のレンズの大きさと焦点距離、前記光ファ
イバ束に使用する光ファイバ素線のＮＡと本数、前記入
射側スリットおよび前記出射側スリットの長さ、前記受
光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受
光素子までの総合的な光束の利用効率が最大になる値に
選定することを特徴とする。

【００５５】または、７）前記入射側スリットおよび前
記出射側スリットの長さが光束の使用効率を最も制限す
る場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放
物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距
離、前記第１のレンズの大きさと焦点距離、前記第２の
レンズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用す
る光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積
比、前記受光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源
から前記受光素子までの総合的な光束の利用効率が最大
になる値に選定することを特徴とする。

【００５６】または、８）前記受光素子の受光部の大き
さが光束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折
格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前記出射側
軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１のレンズの
大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさと焦点距
離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素線のＮＡ
と本数とコア・クラッドの面積比、前記入射側スリット
および前記出射側スリットの長さ、の各値を前記光源か
ら前記受光素子までの総合的な光束の利用効率が最大に
なる値に選定することを特徴とする。

【００５７】このとき、上述したように、測定しようと
している原子の吸収波長の幅は通常の分光光学系で得ら
れる波長分解能に対しても非常に小さいので、必要とな
る波長分解能が得られるようにしようとすると分光器１
９のＮＡ、すなわち分光光学系のＮＡはそれほど大きく
できないため、通常は、光束の利用効率の基準は分光器
１９のＮＡとなる。

【００５８】本実施例は、図１の構成のラジカル計測用
光学系において、光源１が有限の大きさを有し発光面の
一部領域のみの発光強度が強く発光面上の各点それぞれ
が比較的広い角度に光を照射する場合に、高精度に測定
し得る計測用光学系を提供するもので、第２のレンズ４
のＮＡの値と入射側軸外放物面鏡７および出射側軸外放
物面鏡１０のＮＡの値が同一又は同一以上でかつできる
だけ近い値で、光ファイバ束５のＮＡの値が第２のレン
ズ４と入射側軸外放物面鏡７および出射側軸外放物面鏡
１０のＮＡの値以上であることを特徴とする。

【００５９】さらに、第１のレンズ２の焦点距離と第２
のレンズ４の焦点距離を、光源１の発光面のうち発光強
度の強い一部領域から比較的広い角度に照射される光束
を使用する組み合わせ、すなわち、光源１の発光面のう
ち発光強度の強い一部領域の大きさが光ファイバ束５の
入射端５ａの大きさに結像される組み合わせとすること
を特徴とする。

【００６０】まず、第２のレンズ４の焦点距離は、各軸
外放物面鏡７，１０と回折格子８で決まる分光光学系の
ＮＡとの不整合によるケラレが発生しないように、か
つ、光束を最大限に利用するように、第２のレンズ４の
ＮＡの値は分光光学系のＮＡの値と同一又は同一以上で
かつできるだけ近い値とする。また、光ファイバ束５で
ＮＡの不整合により光がケラレないように、光ファイバ
束５のＮＡの値は、これらのＮＡの値以上になるように
する。これにより、第２のレンズ４に入射した光束の利
用効率は最大になる。

【００６１】また、上述したように、光ファイバ束５の
入射端５ａでの径は、光源１の発光領域が有限の大きさ
を有するために結像光学系となるため、第１のレンズ２
の焦点距離と第２のレンズ４の焦点距離の比で決まる像
倍率で決定される。よって、第１のレンズ２の焦点距離
を短くすると、ＮＡが大きくなって光源１からの光束の
利用効率は向上するが、像倍率が大きくなり入射端５ａ
でのケラレが大きくなる。逆に、第２のレンズ４の焦点
距離は、短い方が像倍率が小さくなって入射端５ａでの
ケラレを小さくできるが、光ファイバ束５のＮＡおよび
分光光学系を構成する各軸外放物面鏡７，１０および回
折格子８のＮＡとの不整合によるケラレが大きくなって
しまう。

【００６２】そこで、第１のレンズ２の焦点距離は、第
１のレンズ２の焦点距離と第２のレンズ４の焦点距離の
組み合わせが、一部領域から広い角度に照射される光束
を用いる組み合わせの場合の総光量と、比較的広い領域
から狭い角度に照射される光束を用いる組み合わせの場
合の総光量とを比較して、総光量が大きくなる焦点距離
とする。

【００６３】本実施例においては、光源１の発光面のう
ち発光強度が大きいのは一部領域であるため、発光強度
が小さい領域の光は入射端５ａに入射しなくても全体の
発光量からみたときはその割合は小さく、第１のレンズ
２の焦点距離を短くしてＮＡを大きくすることで光源１
からの光束の利用効率を高めた方が、全体としての光束
の利用効率は高くなる。そこで、第１のレンズ２の焦点
距離は、第２のレンズ４の焦点距離と組み合わせて、光
源１の発光面のうち発光強度の強い一部領域から比較的
広い角度に照射される光束を使用するような焦点距離と
し、広い角度に照射される光をとらえるため発光角度分
布のほとんどが入るようにする。

【００６４】また、光ファイバ束５に使用する光ファイ
バ素線は、入射側スリット６でのケラレが小さくなるよ
うにコア径を小さいものとし、かつ、光が透過しないク
ラッド部でのケラレを小さくするために、クラッド径に
対するコア径の比が大きいものとする。

【００６５】このような光ファイバ素線の一例として、
フルウチ化学株式会社からコア径φ１１２μｍ、クラッ
ド径φ１２５μｍのものが市販されており、この場合、
クラッド径に対するコア径の比は０．８９６となる。

【００６６】さらに、ＰＭＴ１１の受光面の大きさは、
入射側スリット６及び出射側スリット９の長さを長くし
て入射光量を増やすために大きなものとする。

【００６７】このようなＰＭＴ１１の一例としては、浜
松ホトニクス株式会社製のＲ４２２０Ｐ（製品名）が挙
げられる。Ｒ４２２０Ｐの受光面サイズは、８ｍｍ×２
４ｍｍである。

【００６８】図２は本発明の第２実施例のラジカル計測
用光学系の概略構成図である。

【００６９】図２に示すラジカル計測用光学系は、図１
に示す構成において、第１のレンズ２と第２のレンズ４
の焦点距離を光源１の発光面のうち発光強度の強い一部
領域の光束を使用する組み合わせとする代わりに、第１
のレンズ２と第２のレンズ４の焦点距離を光源１の発光
面中の広い領域から発する光束を使用する組み合わせと
することを特徴とする。

【００７０】図１に示す構成が、光源１が有限の大きさ
を有し発光面上で急峻な発光強度分布を有する場合に高
精度に測定し得る測定光学系を提供するものであるのに
対し、本実施例は、光源１が有限の大きさで急峻な発光
角度分布を有し最大強度の光の発光角度は全て同一方向
を向く場合に、高精度に測定し得る光学系を提供するも
のであり、第１のレンズ２の焦点距離が異なる以外は、
第１実施例と構成、動作とも同一である。

【００７１】従って、以下に本実施例における第１のレ
ンズ２の焦点距離に関してのみ説明する。

【００７２】第１実施例で示したように、光源１からの
光は、第２のレンズ４で光ファイバ束５の入射端５ａに
集光されるが、光源１が有限の大きさを有するために結
像光学系となり、入射端５ａでの結像径は、第１のレン
ズ２の焦点距離と第２のレンズ４の焦点距離の比で決ま
る像倍率で決定される。よって、第１のレンズ２の焦点
距離を短くすると、ＮＡが大きくなって光源１からの光
束の利用効率は向上するが、像倍率が大きくなり入射端
５ａでのケラレが大きくなる。

【００７３】このとき、本実施例のように、光源１が有
限の大きさで急峻な発光角度分布を有し最大強度の光の
発光角度は全て同一方向を向く場合には、第１のレンズ
２の焦点距離を長くしてＮＡを小さくしても、光源１か
らの光束自体の発光角度が小さいために光束の利用効率
の劣化は少なく、逆に第１の実施例のように第１のレン
ズ２の焦点距離が短いと入射端５ａでの結像径が大きく
なってしまい、光束の利用効率が劣化する。

【００７４】そこで、本実施例においては、第１のレン
ズ２の焦点距離を、第２のレンズ４の焦点距離と組み合
わせて、光源１の発光面全体が入射端５ａに結像される
像倍率になるような焦点距離とする。

【００７５】図３は本発明の第３実施例のラジカル計測
用光学系の概略構成図である。

【００７６】図３に示すラジカル計測用光学系は、図１
及び図２の構成において、測定対象波長域を固定とし、
第１のレンズ２、第２のレンズ４、光ファイバ束５の計
測光学系中の各透過型光学素子に目標とする波長域での
透過率が高い反射防止膜１２を施し、入射側軸外放物面
鏡７と出射側軸外放物面鏡１０の計測光学系中の各反射
型光学素子に目標とする波長域での反射率が高い反射コ
ーティング１３を施し、回折格子を目標とする波長域と
同一のブレーズ波長を有するブレーズ型回折格子８ａと
し、回折格子８の波長走査機構をなくし、受光素子であ
るＰＭＴ１１を目標とする波長域での感度が高いものと
し、分光器１９内部の露出面を目標とする波長域での反
射率が低い反射防止シート１４で覆うことを特徴とす
る。

【００７７】本実施例は、測定対象波長域を特定の波長
域に固定した際に適用するものであり、目標波長域にお
いて光源１からの光の利用効率が高くなるようにし、ま
た、信号のＳ／Ｎを向上させ、さらに、分光器１９内部
の迷光を少なくさせたものである。

【００７８】まず、第１のレンズ２、チャンバ３の入射
窓３ａ及び出射窓３ｂ、第２のレンズ４、光ファイバ束
５の入射端５ａ及び出射端５ｂの計測光学系中の各透過
型光学素子に、目標とする波長域での透過率が高い反射
防止膜１２を施す。上記の各透過型の光学素子は、材質
に石英等の空気よりも屈折率の高い材質を使用している
ため、空気との界面で反射によりロスが発生する。この
ロスは材質が石英の場合一面で約４％である。そこで、
これらの透過型光学素子には目標波長域での反射率が低
くなる反射防止膜１２を施し、反射によるロスを最小に
する。

【００７９】反射防止膜１２の一例としては、シグマ光
機株式会社製の狭帯域多層反射防止膜が挙げられ、所定
波長付近での反射面一面当たりの反射によるロスを０．
５％にできる。

【００８０】次に、入射側軸外放物面鏡７、ブレーズ型
回折格子８ａ、出射側軸外放物面鏡１０の計測光学系中
の各反射型光学素子には、目標とする波長域での反射率
が高い反射コーティング１３を施す。これらも使用する
材質によって決まる分光反射特性を有しているため、波
長域によっては反射率が低くなる。そこで、これらの反
射型光学素子には、目標波長域での反射率が高い反射コ
ーティング１３を施す。

【００８１】反射コーティング１３には、可視域ではア
ルミニュウムコーティング等が、赤外域では金コーティ
ング等が使用でき、反射率を９０％〜１００％近くまで
高くできる。

【００８２】さらには、例えばシグマ光機株式会社等か
ら市販されている誘電体多層膜コーティングも使用で
き、所定波長付近で１００％近い反射率が得られる。

【００８３】また、回折格子は、目標波長域と同一のブ
レーズ波長を有するブレーズ型回折格子８ａとし、目標
波長域での回折効率が最大になるようにする。

【００８４】これらにより、光束の利用効率を高くでき
る。

【００８５】受光素子であるＰＭＴ１１は分光感度特性
を有しているため、目標とする波長域での感度が高く、
ノイズが低いものとすることでＳ／Ｎを向上させる。

【００８６】このようなＰＭＴ１１の一例として、浜松
ホトニクス株式会社製のＲ４２２０Ｐ（製品名）が挙げ
られ、測定目標波長を３００ｎｍとしたときに、同社の
一般的なＰＭＴであるＲ９２８（製品名）に対して、感
度を同等に保ったままノイズを１／１０に低減できる。

【００８７】また、分光器１９内部の露出面を目標とす
る波長域での反射率が低い反射防止シート１４で覆う。
分光器１９に入射する光には測定目標とする波長域以外
の光も含まれており、これが迷光となってＰＭＴ１１に
入射すると測定精度が劣化する。そこで、分光器１９内
部を目標波長域での反射率が低い反射防止シート１４で
覆うことにより、ＰＭＴ１１に入射する迷光を低減す
る。

【００８８】反射防止シート１４の一例としては、テッ
クワールド製の吸光遮光シート“スーパーブラックＩ
Ｒ”（製品名）が挙げられ、波長２５０ｎｍ〜２５００
ｎｍまでの全範囲で反射率を１．６％以下にできる。

【００８９】さらに、通常の分光光学系では、回折格子
８を回転させて波長走査を行っているが、本実施例では
測定波長域を固定とすることにより、この波長走査のた
めの回折格子８の回転機構を省き、回転機構の回転動作
に伴って発生する回折格子８の振動等による測定波長ず
れ等をなくしている。

【００９０】尚、前記各実施例では、第１のレンズ２及
び第２のレンズ４を凸レンズで構成したが、例えば凹面
鏡等の他の光学要素を用いても良い。

【００９１】

【発明の効果】以上のような手段を採用したことによ
り、本発明のラジカル計測用光学系は、次のような効果
を発揮する。

【００９２】本発明のラジカル計測用光学系は、測定対
象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高くすな
わち小さい値となる回折格子の溝本数と入射側軸外放物
面鏡及び出射側軸外放物面鏡の焦点距離と入射側スリッ
ト及び出射側スリットの幅を、回折格子の溝本数と回折
角度との関係式、および、回折角度と入射側軸外放物面
鏡及び出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散との関
係式、および、逆線分散と入射側スリット及び出射側ス
リットの幅と波長分解能との関係式に基づいて決定した
上で、回折格子の大きさあるいは入射側軸外放物面鏡及
び出射側軸外放物面鏡の大きさと、入射側軸外放物面鏡
及び出射側軸外放物面鏡の焦点距離とで決まる分光光学
系のＮＡが光束の使用効率を最も制限する場合には、第
１のレンズの大きさと焦点距離、第２のレンズの大きさ
と焦点距離、光ファイバ束に使用する光ファイバ素線の
ＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、入射側スリット
および出射側スリットの長さ、受光素子の受光部の大き
さ、の各値を光源から受光素子までの総合的な光束の利
用効率が最大になる値に選定しているので、測定精度を
高くできる効果がある。

【００９３】また、測定対象波長域を固定とした場合
に、計測用光学系中の各透過型光学素子に目標とする波
長域での透過率が高い反射防止膜を施し、計測用光学系
中の各反射型光学素子に目標とする波長域での反射率が
高い反射コーティングを施し、回折格子を目標とする波
長域と同一のブレーズ波長を有するブレーズ型回折格子
とすることで、目標波長域において光束の利用効率を高
くしており、また、受光素子を目標とする波長域での感
度が高くノイズが低いものとすることでＳ／Ｎを向上さ
せており、また、分光光学系内部の露出面を目標とする
波長域での反射率が低い反射防止シートで覆うことによ
り迷光を低減させ、さらに波長走査機構を省いて振動に
よる測定波長ずれ等が発生しないようにしているので、
測定精度を高くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のラジカル光学系の概略構
成図である。

【図２】本発明の第２実施例のラジカル光学系の概略構
成図である。

【図３】本発明の第３実施例のラジカル光学系の概略構
成図である。

【図４】従来例のラジカル光学系の概略構成図である。

【符号の説明】

１光源２第１のレンズ３チャンバ４第２のレンズ５光ファイバ束６入射側スリット７入射側軸外放物面鏡８回折格子８ａブレーズ型回折格子９出射側スリット１０出射側軸外放物面鏡１１光電子増倍管（ＰＭＴ）１２反射防止膜１３反射コーティング１４反射防止シート１５第１の凸レンズ１６第１の凹レンズ１７第２の凸レンズ１８第２の凹レンズ１９分光器２０測定対象

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され出射端側で前記各光ファイバが一列に
配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前記出
射端から出射され入射側スリットを通過した光を平行光
とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、前記
入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光する分
散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの長手
方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格子で
分光された光を出射側スリット上に集光・結像する出射
側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した光の
光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記回折格子の大きさあるいは前記入射側軸外放物面鏡
及び前記出射側軸外放物面鏡の大きさと、前記入射側軸
外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離とで
決まる分光光学系のＮＡ（Numerical Aperture：開口
数）が光束の使用効率を最も制限する場合には、前記第１のレンズの大きさと焦点距離、前記第２のレン
ズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光
ファイバ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、
前記入射側スリットおよび前記出射側スリットの長さ、
前記受光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源から
前記受光素子までの総合的な光束の利用効率が最大にな
る値に選定することを特徴とするラジカル計測用光学
系。
【請求項２】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され出射端側で前記各光ファイバが一列に
配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前記出
射端から出射され入射側スリットを通過した光を平行光
とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、前記
入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光する分
散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの長手
方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格子で
分光された光を出射側スリット上に集光・結像する出射
側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した光の
光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記第１のレンズの大きさと焦点距離とで決まるＮＡが
光束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第２の
レンズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用す
る光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積
比、前記入射側スリットおよび前記出射側スリットの長
さ、前記受光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源
から前記受光素子までの総合的な光束の利用効率が最大
になる値に選定することを特徴とするラジカル計測用光
学系。
【請求項３】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記第２のレンズの大きさと焦点距離とで決まるＮＡが
光束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記光ファイバ束に使用す
る光ファイバ素線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積
比、前記入射側スリットおよび前記出射側スリットの長
さ、前記受光素子の受光部の大きさ、の各値を前記光源
から前記受光素子までの総合的な光束の利用効率が最大
になる値に選定することを特徴とするラジカル計測用光
学系。
【請求項４】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素線のＮＡが光
束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさ
と焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素
線の本数とコア・クラッドの面積比、前記入射側スリッ
トおよび前記出射側スリットの長さ、前記受光素子の受
光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受光素子まで
の総合的な光束の利用効率が最大になる値に選定するこ
とを特徴とするラジカル計測用光学系。
【請求項５】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素線の本数が光
束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさ
と焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素
線のＮＡとコア・クラッドの面積比、前記入射側スリッ
トおよび前記出射側スリットの長さ、前記受光素子の受
光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受光素子まで
の総合的な光束の利用効率が最大になる値に選定するこ
とを特徴とするラジカル計測用光学系。
【請求項６】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素線のコア・ク
ラッドの面積比が光束の使用効率を最も制限する場合に
は、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさ
と焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素
線のＮＡと本数、前記入射側スリットおよび前記出射側
スリットの長さ、前記受光素子の受光部の大きさ、の各
値を前記光源から前記受光素子までの総合的な光束の利
用効率が最大になる値に選定することを特徴とするラジ
カル計測用光学系。
【請求項７】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記入射側スリットおよび前記出射側スリットの長さが
光束の使用効率を最も制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさ
と焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素
線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、前記受光素
子の受光部の大きさ、の各値を前記光源から前記受光素
子までの総合的な光束の利用効率が最大になる値に選定
することを特徴とするラジカル計測用光学系。
【請求項８】光源から照射された光をとらえる第１の
レンズと、前記第１のレンズを通り測定対象を通過した
光を集光する第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点
位置に入射端が配置され、前記入射端側で各光ファイバ
が円形に配列され前記出射端側で前記各光ファイバが一
列に配列された光ファイバ束と、前記光ファイバ束の前
記出射端から出射され入射側スリットを通過した光を平
行光とし所定の角度で反射する入射側軸外放物面鏡と、
前記入射側軸外放物面鏡で反射された光を受けて分光す
る分散素子であり格子の溝方向を前記入射側スリットの
長手方向と平行にして配置した回折格子と、前記回折格
子で分光された光を出射側スリット上に集光・結像する
出射側軸外放物面鏡と、前記出射側スリットを通過した
光の光量を測定する受光素子とを含んで構成され、測定対象の吸収波長幅に対して波長分解能が１桁程度高
くすなわち小さい値となる前記回折格子の溝本数と前記
入射側軸外放物面鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点
距離と前記入射側スリット及び前記出射側スリットの幅
を、前記回折格子の溝本数と回折角度との関係式（測定
対象波長λ，前記回折格子への光の入射角α，回折角
β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本数Ｎ，回折次数ｍ
としたときにｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝Ｎ×ｍ×λで示され
る関係式）、および、回折角度と前記入射側軸外放物面
鏡及び前記出射側軸外放物面鏡の焦点距離と逆線分散と
の関係式（回折角β，前記回折格子の１ｍｍ当たり溝本
数Ｎ，回折次数ｍ，前記入射側軸外放物面鏡及び前記出
射側軸外放物面鏡の焦点距離ｆ，逆線分散Ｄとしたとき
にＤ＝ｃｏｓβ／（Ｎ×ｍ×ｆ）で示される関係式）、
および、逆線分散と前記入射側スリット及び前記出射側
スリットの幅と波長分解能との関係式（逆線分散Ｄ，ス
リット幅ｗ，波長分解能ΔλとしたときにΔλ＝Ｄ×ｗ
で示される関係式）に基づいて決定した上で、前記受光素子の受光部の大きさが光束の使用効率を最も
制限する場合には、前記回折格子の大きさ、前記入射側軸外放物面鏡及び前
記出射側軸外放物面鏡の大きさと焦点距離、前記第１の
レンズの大きさと焦点距離、前記第２のレンズの大きさ
と焦点距離、前記光ファイバ束に使用する光ファイバ素
線のＮＡと本数とコア・クラッドの面積比、前記入射側
スリットおよび前記出射側スリットの長さ、の各値を前
記光源から前記受光素子までの総合的な光束の利用効率
が最大になる値に選定することを特徴とするラジカル計
測用光学系。
【請求項９】前記光源が、有限の大きさを有し発光面
の一部領域のみの発光強度が前記発光面の他の領域に比
べて強く比較的広い角度に照射される場合には、前記第１のレンズと前記第２のレンズの焦点距離を、前
記光源の発光面のうち発光強度の強い一部領域から比較
的広い角度に照射される光束を使用する組み合わせとす
ることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のラジ
カル計測用光学系。
【請求項１０】前記光源が、有限の大きさで急峻な発
光角度分布を有し最大強度の光の発光角度は全て同一方
向を向く場合には、前記第１のレンズと前記第２のレンズの焦点距離を、前
記光源の発光面中の広い領域から発する光束を使用する
組み合わせとすることを特徴とする請求項１〜８の何れ
かに記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１１】前記第２のレンズのＮＡの値は、前記
分光光学系のＮＡの値と同一又は前記分光光学系のＮＡ
の値以上でかつ前記分光光学系のＮＡの値にできる限り
近い値であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか
に記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１２】前記光ファイバ束のＮＡの値は、前記
第２のレンズのＮＡの値以上であり、コア径を小さく
し、かつ、クラッド径に対するコア径の比を大きくした
光ファイバ素線を使用することを特徴とする請求項１〜
１１の何れかに記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１３】測定対象波長域を固定とし、計測光学
系の透過型光学素子である、前記第１のレンズ、前記第
２のレンズ、前記測定対象のチャンバに設けられた入射
窓及び出射窓、前記光ファイバ束の前記入射端及び前記
出射端に、目標とする波長域での透過率を高めた反射防
止膜を施すことを特徴とする請求項１〜１２の何れかに
記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１４】測定対象波長域を固定とし、計測光学
系の反射型光学素子である、前記入射側軸外放物面鏡、
前記回折格子、前記出射側軸外放物面鏡に、目標とする
波長域での反射率を高めたコーティングを施すことを特
徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のラジカル計測
用光学系。
【請求項１５】測定対象波長域を固定とし、前記回折
格子を、目標とする波長域と同一のブレーズ波長を有す
るブレーズ型回折格子とすることを特徴とする請求項１
〜１４の何れかに記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１６】測定対象波長域を固定とし、ラジカル
計測用光学系内部の光を発光、透過、反射、回折、受光
する部分以外の露出面を、目標とする波長域での反射率
を低下させた反射防止シートで覆うことを特徴とする請
求項１〜１５の何れかに記載のラジカル計測用光学系。
【請求項１７】前記受光素子は、受光面の面積を大き
くし、測定目標とする波長域での感度を高めたものとす
ることを特徴とする請求項１〜１６の何れかに記載のラ
ジカル計測用光学系。
【請求項１８】測定対象波長域を固定とすることによ
り、前記回折格子を機械的に回転させる波長走査機構を
なくしたことを特徴とする請求項１〜１７の何れかにラ
ジカル計測用光学系。