JP2004233474A

JP2004233474A - Optical system, usage of optical device using the optical system

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Publication number: JP2004233474A
Application number: JP2003019688A
Authority: JP
Inventors: Tomotsugu Sakai; 智嗣坂井; Noriko Yamazaki; 紀子山崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP4052457B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance stability over time of optical output intensity on the operation of an ultraviolet ray utilization device and to realize a long life of the device by suppressing optical degradation due to vacuum ultraviolet ray irradiation in the ultraviolet ray utilization device such as a lamp and a laser oscillator provided with an optical system composed of a fluoride arranged in the environment irradiated with vacuum ultraviolet rays or plasma having photon energy higher than the absorption edge wavelength of optical preform. <P>SOLUTION: A metal oxide protective film composed of SiO<SB>2</SB>or one of Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, MgO, TiO<SB>2</SB>and ZrO<SB>2</SB>of several nm to several tens nm which suppresses the liberation of fluoride atom and the oxidation on the surface layer of the optical system due to photo irradiation, is formed at least on the incident side of the optical system. Thereby, the lowering of transmissivity of the optical system on the operation is suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ光や真空紫外光のようにフォトンエネルギーの高い光源の光路上に配置される光の透過、屈折、反射、分光、干渉作用を組み合わせて種々の効果を生じせしめる各種光学系利用装置における光学系とその装置の使用方法に係り、具体的にはフォトンエネルギーの高い光源の光路上に配置されるレンズ、窓、エタロン、プリズム、レチクル、反射鏡等で適用される光学系とこれらの光学系を備えたランプがあり、分光光度計、蛍光光度計、干渉計、屈折計等の測光機器のみならず、真空紫外用の標準光源、光化学反応の励起源、製版、写真用光源、各種実験用の光源を組み込んだ光学装置に適用される発明に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が適用される従来の装置の例としてマイクロ波励起水素紫外光ランプの構成およびその動作について図７を用いて説明する。
マイクロ波共振器４は円筒形状の導体の両端を同じ材質の導体で封じた構造を有する。円筒の内径と長さはマイクロ波の周波数、マイクロ波共振器内部に励起したい電磁界分布によって決める。
【０００３】
マイクロ波共振器内部のマイクロ波電磁界分布を調整するためのマイクロ波共振器の構成要素の一つであるマイクロ波共振器チューナ１８は円筒形状であり、放電管１を内包できる内径を有する。更に、マイクロ波共振器４の端面から中心軸を一致させて軸方向に挿入されていて、マイクロ波共振器４と電気的導通を保ちながら軸方向に摺動可能な構造となっている。チューナ１８の材質はマイクロ波共振器４と同じで銅若しくは真鍮によって形成されている。該チューナ１８の有するマイクロ波電磁界分布を調整する機能は、プラズマ７を生成させながら挿入深さを調整して、マイクロ波集中部６を目的の位置に生成させるということにある。
【０００４】
そして前記マイクロ波共振器４の両端面を貫通するように、放電管１が設置されている。一般的には、電界が最も大きくなるマイクロ波共振器４の中心軸上に放電管１の中心軸を一致させるが、これに限ることはない。放電管１の断面形状は丸形、角形等特に問わない。
放電管１の機能は真空境界であること、放電ガスの流路であること、放電プラズマを生成する空間であることであり、図７の例では、放電プラズマを生成させる空間を限定するために、放電管１に沿ってマイクロ波共振器端面からマイクロ波共振器内部に向けて導体の内筒を伸ばしている。従って、マイクロ波共振器チューナ１８の端と内筒端に挟まれた空間で放電プラズマ７が生成される。
【０００５】
マイクロ波共振器４にはマイクロ波を供給するマイクロ波供給コネクタ５が接続されている。コネクタ形状は同軸型、導波管型何れでも構わない。同軸型コネクタへの供給伝送路は同軸ケーブル、同軸管どちらを用いても構わない。
【０００６】
マイクロ波共振器チューナ１８側の放電管１の一端には、当該ランプを利用する箇所に固定するためのフランジ２６がＯリング１３ｃを介して取り付けられている。前記Ｏリング１３ｃは円筒開口状のキャップ２１により圧着されている。前記フランジ２６の中心には、放電管１の内径相当の開口が設けられており、放電プラズマ７からの発光を放電管１軸方向に取り出すことができるようになっている。１１は外側表面である。
前記フランジ２６の開口部には光透過窓８が設けられていて、２つの機能を有する。一つ目は放電管１内と大気の真空境界であり、二つ目は放電プラズマ７からの発光を真空外へ取出すことである（例えば非特許文献１または同２参照。）。
【０００７】
さて、近年、紫外線の短波長光における光透過性を確保するために、前記光透過窓にＳｉＯ_２を用いたものが開発されている。
又水銀ランプにおける石英ガラスの失透も従来より問題にされている。水銀ランプにおける石英ガラスは、ランプ内部と外部の真空境界という機能と、水銀の発光による紫外線を透過させる機能を併せ持つが、失透現象により、光透過率の減少が生じ、ランプの寿命を決める一因になっている。
【０００８】
このような失透に対する対策としては、例えば、特許文献１において、金属蒸気放電発光管として、ガラスバルブ内面の表面粗さが１ミクロンより小さい発光管を用い、これによって、長時間発光管を点灯させても発光管は結晶化（失透）しにくくなり、光束の低下が起こりにくく（照度維持率）、明るい画面、高い表示品質を長時間維持した投射型ディスプレーが可能となる。
しかしながらかかる技術は、石英ガラスあるいは高珪酸ガラスを用いた発光管に適用する技術であり、２５０〜３６０ｎｍの普通紫外光では適用が可能であるが、石英ガラス自体波長が１９０ｎｍの真空紫外光では透過率が大幅に低減し、利用できない。
【０００９】
又、特許文献３に、２５４ｎｍの紫外線出力を利用する定圧水銀灯において、合成石英ガラスの内面に１００μｍ以下、実施例では２０μｍの平均粒径の金属酸化物を溶液濃度が１〜３％範囲で塗布した技術が開示されている。
更に特許文献４において、石英管の両端に電極を封着し内部に水銀を封入してなる発光管の内表面にＡｌ_２Ｏ_３等の薄膜を被着してなる放電灯において、発光管中央部に形成する薄膜は、その他の部分より厚く形成するように構成し、具体的には前記発光管の内表面の厚膜部が発光管両端の電極間距離である有効発光長に対して１／３から１／２の長さで、前記厚膜部の膜厚が０．２μｍ〜０．３μｍであり、その他の部分の膜厚が０．１μｍ〜０．１５μｍである技術が開示されている。
【００１０】
しかしながらこれらの従来技術は対象が石英ガラス、特に低圧水銀放電灯において、発光管中に封入された水銀が発光管内壁に固定された際に石英ガラスの透過率が低下し、黒化した放電灯の放射効率は低下することに起因するもので、水銀原子の存在のために保護膜の厚みの適正化を図る技術である。
しかもＳｉＯ_２の光透過率の確保は２００ｎｍ程度が下限であり、それ以上の短波長紫外線である真空紫外域の２００ｎｍ以下では急激に低下し、更に短波長化し１５０ｎｍ前後の真空紫外線である高エネルギフッ素レーザを使用した場合前記光透過率の低下のみならず失透が生じ実用に耐えない。
ここで真空紫外域とは０．２〜２００ｎｍ、普通紫外域とは２００〜３８０ｎｍの波長範囲をいう（「物理学辞典」培風館、「理科年表」国立天文台）。
【００１１】
そして合成シリカガラスは、ランプ出射光が透過する窓材の紫外域における透過率の減少が大きい事に鑑み特許文献２において、合成シリカガラスにフッ素をドープする技術が開示され、耐久性向上が計られているものもある。
しかしながらフッ化物をドープしたとしても母材として合成シリカガラスを用いている以上、その透過率５０％程度が確保できるのはせいぜい１６０〜１９０ｎｍ程度であり、それ以下の真空紫外波長域ではやはり使用に耐えない。
【００１２】
したがって、真空紫外域の紫外線を透光させるための光透過窓の材料としては、ＣａＦ_２、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２などのアルカリハライド材料が一般的に利用されている。
特に従来例として前述したマイクロ波励起水素紫外光ランプの場合、利用する紫外線は水素の発光線である波長１２２ｎｍの真空紫外光であり、この波長帯域で光透過窓として実際に使用できる材料はＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２しか知られていないが、このうち、ＬｉＦとＣａＦ_２はカラーセンターによる透過率低下が顕著であるので、ＭｇＦ_２が多用されているが、ＭｇＦ_２の失透対策として開示された報告例はない。このような放電ランプにおいては、次のような問題点がある。
【００１３】
即ちフッ化マグネシウムを窓材とした場合、窓材の耐久性が他の窓材に比べ悪く、そのため、ランプ自体の寿命が他の窓材を用いたランプと比較して半分以下である。
これは光透過窓８に用いた材料の吸収端波長よりも高いフォトンエネルギーを持つ光、特に真空紫外域の光が放電プラズマから光透過窓８に照射されると該窓８に欠陥、いわゆるカラーセンターが生成し、光透過率の低下が起こるためで、このような現象は、ＣａＦ_２、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２などのアルカリハライド材料で一般的に発生する現象で、フッ素原子の位置が正しい格子位置から僅かにずれていることが原因である。
【００１４】
そして前記した従来技術ではいずれも合成石英に関する問題、特に普通紫外波長を光源とする合成石英の光学系に関する課題を提起しており、マイクロ波励起水素紫外光ランプで利用する波長１２２ｎｍの真空紫外光の光透過窓として実際に使用できるＭｇＦ_２に対して、光透過率低下を有効に防止する実用的な技術は皆無である。
【００１５】
このため、現状としては、透過率が低下したら、光透過窓を交換するという対応をせざるを得ない。従来は、このような光透過窓８の劣化がランプの寿命を決めていた。寿命が来たランプの光透過窓８は、新しい光透過窓に交換してランプの発光強度を回復させる必要があった。光透過窓８の交換にはランプの真空を破る必要があり、これには数時間の手作業が必要で、その間ランプが使用できないという問題があった。また、寿命が来たら交換というサイクルは、光源の出力強度が常に変動することを意味し、透過窓の交換毎に発光強度の校正作業等が必要となり、このようなランプを環境計測のような長期間モニタリングが要求される用途に適用することは困難であった。
【００１６】
【非特許文献１】
ジェームス・エー・アール・サムソン（ＪａｍｅｓＡ．Ｒ．Ｓａｍｓｏｎ）著、テクニクスオブバキュームウルトラバイオレットスペクトロスコピー（ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＶＡＣＵＵＭＵＬＴＲＡＶＩＯＬＥＴＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ）、パイドパブリケーションズ（ＰｉｅｄＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ），リンカーン（Ｌｉｎｃｏｌｎ），ネブラスカ（Ｎｅｂｒａｓｋａ），１９６７年、ｐ．１５９、図５．５６
【非特許文献２】
イー・エル・ギンクトン（Ｅ．Ｌ．Ｇｉｎｚｔｏｎ）著マイクロウエーブメジャーメンツ（ＭｉｃｒｏｗａｖｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ），マグロ−ヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ），ニューヨーク（ＮｅｗＹｏｒｋ），１９５７年
【特許文献１】
特開平５−３２５８９３号公開公報
【特許文献２】
特開平８−３１５７７１号公開公報
【特許文献３】
特開平３−７７２５８号公開公報
【特許文献４】
特開平８−２１２９７６号公開公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、プラズマ光や真空紫外光のようにフォトンエネルギーの高い光源の光路上に配置される光の透過、屈折、反射、分光、干渉作用を組み合わせて種々の効果を生じせしめる各種光学系利用装置ににおいて、前記レンズ、窓、エタロン、プリズム、レチクル、反射鏡等で適用される光学系の劣化を抑制することにより、光出力強度の経時安定性が高く、長寿命である各種光学系利用装置における光学系とその装置の使用方法の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、発明者らはフッ化物からなる光透過窓８の劣化について詳細な分析を行なった。実験に用いた装置は、図７に示した装置において、光透過窓８をＯリングを介して、フランジ２６のプラズマに曝される面に取り付けたものである。
光透過窓８としては、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）単結晶を用いている。
その結果、真空紫外光照射後、透過率劣化が生じた光透過窓８の真空紫外線が照射された領域では、ＭｇＦ_２結晶の表層（数十ｎｍ）が酸化されていた。更に結晶の表層、数十ｎｍ深さの領域において、フッ素の存在量が減少していることが確認された。
また、分光透過率スペクトル計測により、光透過窓８のカラーセンター発生状況と透過率劣化との相関を調べた結果、光透過窓８の劣化の主因は、カラーセンターによる吸収ではなく、結晶の表層に生成するフッ素の欠損と酸素の存在が原因であることが判明した。
【００１９】
そこで、本発明はかかる着目点に基づき、下記のごとき技術手段を提案する。
本発明の第１の提案は、フッ化物からなる光学系において、前記光学系の少なくとも光入射側に光照射による前記光学系表層のフッ素原子の脱離を抑制する２ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚を有する保護膜を形成したことを特徴とする光学系にある。
【００２０】
本発明と特許文献４の違いを説明する。
特許文献４は、水銀放電灯において、発光管中に封入された水銀が発光管内壁に固定されるのを防ぐために、膜厚が０．１μｍ〜０．１５μｍのアルミナ等の保護膜を被着させるものである。
一方、本発明は真空紫外域において、光学特性のある程度の初期劣化を甘受しつつ真空紫外域照射によるフッ素原子の脱離を抑制する２ｎｍ〜２０ｎｍという極めて薄膜の保護膜を形成したものである。
ここで保護膜の膜厚を２０ｎｍ以下に限定したのは、それ以上の膜厚では真空紫外光の吸収により、光学系としての機能を維持できないからである。
【００２１】
また膜厚の下限値は結晶表面を保護膜で均一に被覆するために必要な２ｎｍ以上とした。それ以下では前記保護膜がＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２の分子粒径の大きさは約１ｎｍ程度存在し、これが均一な膜厚とするには分子粒が２層程度ないと母材の露出面が必ず存在して結晶表面を保護膜で均一に被覆するという本発明の機能を達成できないことによる。
【００２２】
又、膜厚が十分厚い場合、光学系表面保護の実効は図れるが、ＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の金属酸化物からなる保護膜は元々真空紫外波長を通さない材料であり、このような保護膜の存在は、その保護膜内で真空紫外光の吸収が行われ、母材側に通過する紫外光が低下することは、図６に示すとおりであり、２０ｎｍの段階でその初期透過率は１０％しかない。１０％以下では、母材側の光学系特性の大幅な劣化を生じ光学系として機能しないのみならず、紫外光の吸収による保護膜自身の劣化、発熱による光学系表面からの保護膜の剥離等の不具合が発生する恐れがある。よって、母材側の光学系特性を３０〜４０％に維持するならば、１２ｎｍ以下好ましくは１０ｎｍ以下、又どんなに悪くても１０％以上の光学特性を確保する必要があるから、２０ｎｍ以上の膜厚では真空紫外光の吸収により、期待される光学系としての機能を維持できなくなる。
又フッ素の脱離は一方ではＭｇの酸化に起因するものであり、このため前記光学系の少なくとも光入射側に光照射による前記光学系表層の酸化を抑制する２ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは２〜１２ｎｍ、更に好ましくは２〜１０ｎｍの保護膜を形成するようにしてもよい。
かかる提案により、前記光学系表層のフッ素原子脱離および酸化を抑制することができ、光学系の透過率減少を抑制できる。
このような薄膜の保護膜生成は、蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の気相成長方法があるが、特にイオンビームスパッタ成膜法やプラズマＣＶＤにより膜着することにより光学系表面に存在する研磨加工に起因した凹凸に沿って、数ｎｍの極めて薄膜の膜厚で均一な被着が可能となる。
【００２３】
本発明の第２の提案は、プラズマが存在する内部空間を有する光学装置にプラズマに曝される位置に対面配置したフッ化物からなる光学系において、プラズマに曝される面に前記フッ化物よりプラズマ耐性が高い材料からなる２ｎｍ〜２０ｎｍの保護膜を形成したことを特徴とする。
かかる提案により、光学系表面をプラズマ環境に曝露することによる発生する、前記光学系表層のフッ素原子脱離および酸化を抑制することができ、光学系の透過率減少を抑制できる。
【００２４】
この場合に、前記保護膜がＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２の何れかの一からなる金属酸化物からなり、前記フッ化物からなる光学系が、結晶軸（ｃ軸）が光入射線方向に沿った単結晶フッ化物であって結晶軸と垂直な面に前記保護膜を形成することにより、前記フッ化物光学系の初期劣化後の真空紫外光照射による母材側の径時劣化を防ぐ事が出来る。
【００２５】
又ＳｉＯ_２や前記金属酸化物はフッ化物に比べプラズマ耐性が高く金属原子の脱離や酸化を防ぐことが出来、またそれ自体すでに酸化されているために、結果として、フッ化物光学系の保護膜として機能して初期劣化後の真空紫外光照射による母材側の径時劣化を防ぐ事が出来る。
【００２６】
本発明の第３の提案は、前記光学系を利用した光利用装置に関する発明で、母材の真空紫外光照射又はプラズマ曝露による母材表面からの母材構成元素の脱離若しくは母材表面の酸化による経時劣化を抑制する２ｎｍ〜２０ｎｍのＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２の何れかの一からなる金属酸化物保護膜を前もって光学系に被着させた後、光学系母材の吸収端波長よりも高いフォトンエネルギーを持つ真空紫外線光源若しくはプラズマ光源が存在する目的装置に前記光学系を組込んで使用することを特徴とする光学装置の使用方法にある。
【００２７】
かかる発明によれば前記酸化物保護膜により初期特性は劣化してもその後の母材の真空紫外光照射又はプラズマ曝露による母材表面からの母材構成元素の脱離若しくは母材表面の酸化による経時劣化を抑制することが出来るために、運転当初より母材の、光出力を下げることなく、例えば前記光出力装置の透過窓若しくは反射窓の寿命を延長することができるので、透過窓若しくは反射窓の交換作業の間隔も広くなり、光出力装置の稼働率向上、ランニングコスト低減を図ることができる。
【００２８】
この場合、前記光源が、前記保護膜による光学系全体の透過率初期劣化を補填するだけの光出力を有する光源であれば、該光源の光路上に前記初期劣化した光学系であっても装置全体として（透過率、反射率）の低下生じさせずに、装置寿命のみを延長させることができる。
【００２９】
即ち、母材の真空紫外光照射又はプラズマ曝露による母材表面からの母材構成元素の脱離若しくは母材表面の酸化による経時劣化を抑制する保護膜を前もって光学系に被着させた光学系を前記保護膜による光学系全体の透過率初期劣化を補填するだけの光出力を有し、例えば計測用光源として用いられる光出力装置の少なくとも一側に位置する透過窓若しくは反射窓に前記光学系を適用すれば、長期出力安定性を有する光出力装置を計測に適用しても運転中における光透過率の変動や劣化が生じることなく安定して制御することが可能となり、例えば制御動作の煩雑化や計測制御の感度の安定化を図ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施形態として、光透過窓の劣化を防止あるいは抑制することを目的として、保護膜をコーティングした実施例について図面に基づいて説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、放電若しくは加熱等により生じる発光を光として取り出すランプ、またはレーザー装置であれば本発明の要件の範囲において有効に適用できる。
【００３１】
図１は、この発明の実施の形態１〜３にかかるマイクロ波励起水素紫外光ランプの構成を示す説明図である。
光透過窓８の窓取り付け部材１７は、円盤形状であり、その中心は放電管１の中心軸と一致し、その径が放電管内径以上である開口を有する。窓取り付け部材１７には前記開口を光透過窓８で封止するためのＯリング溝１３ｂと、窓取り付け部材１７を真空を保ちながら放電管１に接続するための中空蓋状の冶具２０を固定するボルト穴及びＯリング溝１３ａが設けられている。
【００３２】
冶具２０の内面構造は同心中空円２段構造になっており、光透過窓８を収納する空間と、放電管１を内包する空間から成っている。放電管１を内包する側の端面は、Ｏリング１３ｃを収めるようにＯリング１３ｃを押圧するリング径相当の面取りが斜めカット状に施されている。更に、この端部の外周面には不図示のネジが切ってあり、円筒開口状のキャップ２１を締め込むことによってＯリング１３ｃを圧着し、放電管１に繋がる真空境界を形成している。窓取り付け部材１７、冶具２０、キャップ２１の材質は金属であり、一般的には汚染要因の少ないステンレス、アルミニウムを用いるが、これに限らない。
【００３３】
以上のように構成されたマイクロ波励起水素紫外光ランプの発光動作について説明する。まず、放電管１に放電ガス供給口２から、ヘリウムで１／１００に希釈した水素の放電ガスを２０ＳＣＣＭ供給する。放電ガスは放電ガス排出口３から、真空ポンプ（不図示）で排気する。放電ガス排出口３と真空ポンプの間にあるバルブ（不図示）の開度調整によって排気コンダクタンスを調整し、放電管１内を５ｔｏｒｒ（６６５Ｐａ）程度に保つ。光透過窓８側から放電管１側へ放電ガスを流す理由は、放電プラズマ７によって放電管１内で生成した物質を該窓８とは反対側へ排気して、該窓８の汚染要因を極力減らす。
【００３４】
マイクロ波共振器内部のマイクロ波電磁界分布を調整するためのマイクロ波共振器の構成要素の一つであるマイクロ波共振器チューナ１８は円筒形状であり、放電管１を内包できる内径を有する。更に、マイクロ波共振器４の端面から中心軸を一致させて軸方向に挿入されていて、マイクロ波共振器４と電気的導通を保ちながら軸方向に摺動可能な構造となっている。チューナ１８の材質はマイクロ波共振器４と同じで銅若しくは真鍮によって形成されている。該チューナ１８の有するマイクロ波電磁界分布を調整する機能は、プラズマ７を生成させながら挿入深さを調整して、マイクロ波集中部６を目的の位置に生成させるということにある。
【００３５】
次に、マイクロ波共振器４にマイクロ波供給コネクタ５から２．４５ＧＨｚ、５０Ｗのマイクロ波を供給する。マイクロ波の供給は連続的でも間欠的でも構わない。マイクロ波電源とマイクロ波共振器４を接続する電力伝送路の途中に組み込む整合器（図示せず）を調整することにより、電源と負荷（放電プラズマ）間のマイクロ波電力整合を取りながら、放電管１内に放電プラズマ７を生じさせる。放電プラズマ７によって励起された水素原子からは真空紫外域の波長１０３ｎｍと１２２ｎｍとの輝線が放射され、光透過窓８を通して、ランプ出射光９のように外部に取り出される。
【００３６】
光透過窓８としては、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）単結晶を用い、結晶軸（ｃ軸）が透過窓の面に垂直な方向とした。
【００３７】
光透過窓８の表面１０にあらかじめ保護膜１４としてＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の薄膜をコーティングした後、図１に示す所定の位置に設置した。
コーティングは、イオンビームスパッタ成膜方法により実施した。
【００３８】
イオンビーム成膜法について説明する。成膜ガスとして、Ａｒ雰囲気で圧力０．１Ｐａに保ち、３インチΦのＡｌ_２Ｏ_３焼結体ターゲット（純度４Ｎ）にＡｒイオンを加速電圧２０ｋＶで衝突させ、ターゲットからスパッタされるＡｌ_２Ｏ_３を光透過窓８の表面１０に成膜した。膜厚制御は、水晶振動子で行い、あらかじめ水晶振動子の振動数変化量と膜厚の関係を条件出しして、検量線を作成しておき、所望の膜厚に対応する振動数変化時間だけ成膜を実施する。
保護膜１４のコーティング方法は上記イオンビームスパッタ製膜方法に限られるものではなく、所望の組成の保護膜が成膜可能な方法、装置を適宜選択すれば良い。他の成膜方法として蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ等の気相成長方法がある。
【００３９】
保護膜１４の適正な膜厚領域は光学系表面の被覆状態及び波長１２２ｎｍの真空紫外光に対する透過率から決定される。
図６はＡｌ_２Ｏ_３を保護膜１４として透過窓コーティングした場合の保護膜の膜厚と保護膜の無い初期状態と保護膜コーティング後の透過率の変化を示したものである。図６に示すように光学系の初期状態に対する透過率減少は保護膜厚の関数であり、初期劣化を抑えるためには、極力薄い方が望ましい。一方、保護膜としての実効を得るためには、光学系表面全体を被覆することが求められる。一般に薄膜の成膜の初期段階では均一な膜構造ではなく、光学系表面に島構造上で存在することになるため、部分的に光学系表面が露出している状態となり、保護膜としての実効を得ることはできなくなる。
保護膜成膜後の表面形状をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した結果、ほぼ基材を被覆した平滑な薄膜を形成するためには２ｎｍ以上の膜厚が必要であることを確認した。
【００４０】
又、膜厚が２０ｎｍ以上と十分厚い場合、光学系表面保護の実効は図れるが、ＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２の保護膜において真空紫外光の吸収の増加により、光学系特性の大幅な劣化を生じ、更には吸収による保護膜自身の劣化、発熱による光学系表面からの保護膜の剥離等の不具合が発生する恐れがある。よって、２０ｎｍ以上、好ましくは１２ｎｍ、更に好ましくは１０ｎｍ以上の膜厚では真空紫外光の吸収により、期待される光学系としての機能を維持できなくなる。
【００４１】
本実施例においては保護膜の膜厚を６ｎｍとした。この保護膜の波長１２２ｎｍにおける透過率は、初期状態として保護膜がない場合を１００％の基準として表すと、透過率５０％であった。
【００４２】
又、該ランプの出力光量をモニターするためにランプ出射光９を受光するようにフォトダイオード１２を設置した。
【００４３】
次に、このように構成したマイクロ波励起水素紫外光ランプの出力光量の経時変化をフォトダイオード１２を用いて計測した。
まず、放電プラズマ７によって水素原子を励起し、真空紫外域の波長光を９０時間（約４日間）発光させた。次にブランクとして、保護膜がコーティングされていない光透過窓８に交換して同様の試験を実施し、結果を比較した。
評価は次の方法によった。
まず、ブランクの使用前の透過率をＴ_０とし、すべての基準に設定した。
光透過窓の使用前の透過率をＴ_１（ブランクの場合、Ｔ_０＝Ｔ_１）とし、使用後のすなわち９０時間後に、透過率Ｔ_２に低下したとして、透過率の変化量ΔＴ［％］を、
ΔＴ＝（Ｔ_１−Ｔ_２）／９０式（１）
から求め、さらに、変化の割合を表す量として劣化率Ｋ［％／Ｈｒ］を次式に定義した。
Ｋ＝１００・ ΔＴ／Ｔ_０式（２）
この劣化率Ｋの大小を比較することで、光透過窓８の劣化の早さを定量的に評価することができる。当然ながら、Ｋが小さいほど、劣化が緩やかであり、寿命が長く、光透過窓の交換の頻度を少なくできることを表している。
【００４４】
この結果、保護膜（Ａｌ_２Ｏ_３）をコーティングした光透過窓８を用いた場合、劣化率Ｋは０．０４％／Ｈｒであった。一方、ブランクの劣化率Ｋは、０．４６％／Ｈｒであった。この劣化率Ｋの比は約１１倍であり、この評価量に基づくと、保護膜１４をコーティングした光透過窓８は、コーティングのない光透過窓に比較して約１桁の寿命向上が実現していることが判る。
【００４５】
保護膜１４の効果を明瞭に開示するために、保護膜１４としてＡｌ_２Ｏ_３をコーティングした光透過窓８のランプ使用の前後、及び、ブランクとして保護膜のない光透過窓のランプ使用の前後のＸＰＳ表面分析の結果を以下に説明する。
【００４６】
使用前のブランクの分析結果を図２に示す。横軸はアルゴン時間であり、スパッタ深さに比例した量である。スパッタ時間ゼロｍｉｎがスパッタ前の初期状態を示し、結晶表面の分析に相当する。一般に、ＸＰＳ分析の場合、この初期状態で得られる情報は物品の自然汚れ状態を反映して、カーボンや酸素などの吸着成分が検出されるが、本質的ではないので、分析データからは除外した。縦軸は、ＸＰＳ分析で得られた各元素の存在比を表している。
【００４７】
図２より、使用前のブランクにおいては、フッ素の欠損が生じていないことが分る。酸素については、表層に微量の痕跡が認められるが、これは、結晶内部に実際に存在していたのではなく、表面に自然吸着している汚染物質の酸素がアルゴンスパッタによって、結晶内部に打ち込まれている状況を反映している。したがって、結晶内部における酸素の有無については、図２で認められる酸素の量を基に他の分析結果を校正し解釈すればよい。
【００４８】
次に、使用後のブランクの分析結果を図３に示す。図３より、使用後のブランクは表層において、フッ素が欠乏していることが明瞭に読み取れる。さらに、フッ素の欠乏層の深さと同期して酸素が有意に結晶内部に存在している。このことから使用後のブランクは、表層においてＦ欠損、および酸化の状態であることが分る。この表面状態が波長１２２ｎｍの真空紫外光に対する透過率を低下させる主因である。
【００４９】
次に、保護膜１４としてＡｌ_２Ｏ_３を約５ｎｍの厚みでコーティングした光透過窓８の使用前の分析結果を図４に示す。グラフの軸の説明、解釈は図２と同じであるので、省略する。元素としては、保護膜の成分であるＡｌ（アルミニウム）のプロットが新たに加えられている。図４より、フッ素とマグネシウムの表層から内部へ到るプロファイルが同期していること、酸素とアルミニウムの表層から内部へ到るプロファイルが同期していることが分る。保護膜がコーティングされているにも係わらず、表層からフッ素とマグネシウムの信号が検出される理由は、ＸＰＳ分析における深さ方向の分解能が数ｎｍとされており、理想的な境界の分布を計測しても、元素の存在プロファイルはステップ状にはならず、分解能の幅だけブロードな形状になることが不可避であるという事情が反映されている。更に、保護膜の厚さ５ｎｍに対して、スパッタ時間として２０ｍｉｎ程度スパッタリングしないと、基材のＭｇＦ_２結晶が露出しないが、これはＡｌ_２Ｏ_３とＭｇＦ_２のスパッタリング効率が異なるためである。したがって、ここでの着目点は、ＦとＭｇ、およびＯとＡｌのプロファイルが同期しているという部分である。
【００５０】
最後に、保護膜１４としてＡｌ_２Ｏ_３を約６ｎｍの厚みでコーティングした光透過窓８の使用後の分析結果を図５に示す。グラフの軸の説明、解釈は図２と同じであるので、省略する。図５より、酸素とアルミニウムの表層から内部へ到るプロファイルが同期していることが分る。さらに結晶内部における酸素の存在も認められない。これは、保護膜によって結晶内部への酸素の侵入を阻止できていることを明瞭に示している。
【００５１】
一方、フッ素とマグネシウムの表層から内部へ到るプロファイルは同期していない。フッ素は、保護膜１４であるＡｌ_２Ｏ_３膜の内部に侵入している様子が明瞭である。しかし、保護膜１４が存在しているために、フッ素は保護膜内部で留まっているが、もしブランクのように保護膜がない場合は、フッ素は系外に放出されて、フッ素欠乏層が生成し、代わりに酸素が侵入してくるメカニズムを容易に想定できる。事実、図３で説明したフッ素欠乏層と酸化層の生成は、図５における保護膜がない場合を考えれば、容易に説明できる。
【００５２】
以上、説明したように、光透過窓８に保護膜１４をコーティングすることにより、フッ素の欠乏層の生成を防止あるいは抑制し、結晶内部における酸素の存在（酸化層）を防止あるいは抑制できたために、ブランクに比較して、保護膜をコーティングした光透過膜は、約１桁低い劣化率Ｋを達成することができた。
【００５３】
又、保護膜１４としてＳｉＯ_２（膜厚６ｎｍ）をコーティングした光透過窓８を用いた場合、劣化率Ｋは０．０６％／Ｈｒであった。一方、ブランクの劣化率Ｋは、０．４６％／Ｈｒであった。この劣化率Ｋの比は約８倍であり、保護膜としてＳｉＯ_２を用いた場合にも同等の保護効果を確認できている。
【００５４】
更にＡｌ_２Ｏ_３と同様に、フッ化物に比べ、紫外光照射による着色性が低い、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、の金属酸化物も保護膜として適用可能である。
【００５５】
上述のように本発明に係る保護膜を形成した光学系は、保護膜がない場合に比べ、それ自身の光学的性能（例えば透過窓であればその透過率）は保護膜が無い初期状態に比べ劣化している。しかしながら、上記光学系の性能評価は単体のみを対象に行なうのは妥当ではなく、それが組込まれた光出力装置全体若しくは光出力装置が組み込まれたシステム全体を対象に行うことが重要である。即ち、光出力装置が光学系の初期劣化を補い、且つシステムの要求仕様に合致する光出力を有することにより、出力を維持した状態で光出力装置の装置寿命を延長することができ、光透過窓８等のメインテナンス作業頻度や作業コストの低減を図った光出力装置の提供という目的を達成できる。
【００５６】
また、本発明が計測用の光源として用いられる場合、特に有用となる。例えば、環境汚染物質発生状況の長期モニタリング等があげられる。このような計測の場合、一般に計測信号レベル、感度は光出力に比例または光出力の平方に比例することになる。前述のように、従来の光源では計測感度を向上させるために、出力向上を行なえば、光学系の劣化が生じ、光学系の劣化を抑制するには光出力を減少させることが必要であり、計測感度の低下を引き起こしていた。本発明の光学系を適用した光出力装置は装置寿命が長く、出力特性の長期間安定性を確保することができるため、このような課題を解決することができ、長期環境モニタリングのような計測装置に適した光出力装置を提供することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では光透過窓を例に取り上げたが、光反射鏡（窓）を用いた装置に対しても本実施形態を同じく適用できる。光反射鏡の例は、レーザ発振器に用いる反射鏡、ランプの集光鏡である。以下の実施形態においても、光反射鏡に対して各実施形態を同じく適用できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上記載したごとく本発明によれば、光学系の劣化を防止あるいは抑制できるので、光学系の交換に要するメンテナンスの周期を長くすることができるため、装置稼働率の向上とメンテナンスコスト削減に寄与する。
又、本発明の光学系を組み込んだ光利用装置は装置寿命が長く、出力特性の長期間安定性を確保することができるため、長期環境モニタリングのような計測装置に適した光出力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるマイクロ波励起水素紫外光ランプの構成を示す説明図である。
【図２】保護膜がない場合の光透過窓の使用前のＸＰＳ深さ分布計測結果のグラフ図である
【図３】保護膜がない場合の光透過窓の使用後のＸＰＳ深さ分布計測結果のグラフ図である。
【図４】保護膜がコーティングされた光透過窓の使用前のＸＰＳ深さ分布計測結果のグラフ図である。
【図５】保護膜がコーティングされた光透過窓の使用後のＸＰＳ深さ分布計測結果のグラフ図である。
【図６】保護膜膜厚と光学系の初期状態に対する透過率の関係を示すグラフ図である。
【図７】マイクロ波励起水素紫外光ランプの従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１放電管
８光透過窓
１０内側表面
１１外側表面
１３Ｏリング
１４保護膜
１７窓取り付け部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention utilizes various optical systems that generate various effects by combining transmission, refraction, reflection, spectrum, and interference of light arranged on the optical path of a light source having high photon energy such as plasma light or vacuum ultraviolet light. The present invention relates to an optical system in an apparatus and a method of using the apparatus, and specifically, an optical system applied to a lens, a window, an etalon, a prism, a reticle, a reflecting mirror, and the like disposed on an optical path of a light source having a high photon energy, and There is a lamp with an optical system of not only spectrophotometer, fluorometer, interferometer, refractometer, etc., but also a standard light source for vacuum ultraviolet, excitation source of photochemical reaction, plate making, light source for photography, The present invention relates to an invention applied to an optical device incorporating a light source for various experiments.
[0002]
[Prior art]
The configuration and operation of a microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp as an example of a conventional apparatus to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
The microwave resonator 4 has a structure in which both ends of a cylindrical conductor are sealed with conductors of the same material. The inner diameter and length of the cylinder are determined by the microwave frequency and the electromagnetic field distribution to be excited inside the microwave resonator.
[0003]
The microwave resonator tuner 18 which is one of the components of the microwave resonator for adjusting the microwave electromagnetic field distribution inside the microwave resonator has a cylindrical shape, and has an inner diameter capable of containing the discharge tube 1. Furthermore, the microwave resonator 4 is inserted in the axial direction from the end face so that the central axes thereof are aligned with each other, and has a structure capable of sliding in the axial direction while maintaining electrical conduction with the microwave resonator 4. The material of the tuner 18 is the same as that of the microwave resonator 4 and is formed of copper or brass. The function of the tuner 18 to adjust the microwave electromagnetic field distribution is to adjust the insertion depth while generating the plasma 7 so that the microwave concentrating portion 6 is generated at a target position.
[0004]
The discharge tube 1 is provided so as to penetrate both end faces of the microwave resonator 4. Generally, the central axis of the discharge tube 1 is made to coincide with the central axis of the microwave resonator 4 where the electric field is largest, but the invention is not limited to this. The sectional shape of the discharge tube 1 is not particularly limited, such as a round shape and a square shape.
The function of the discharge tube 1 is to be a vacuum boundary, to be a flow path of a discharge gas, and to be a space for generating discharge plasma. In the example of FIG. The inner tube of the conductor extends from the end face of the microwave resonator to the inside of the microwave resonator along the discharge tube 1. Therefore, the discharge plasma 7 is generated in the space between the end of the microwave resonator tuner 18 and the end of the inner cylinder.
[0005]
A microwave supply connector 5 that supplies microwaves is connected to the microwave resonator 4. The connector shape may be either coaxial type or waveguide type. Either a coaxial cable or a coaxial tube may be used as a supply transmission line to the coaxial connector.
[0006]
At one end of the discharge tube 1 on the side of the microwave resonator tuner 18, a flange 26 for fixing the lamp to a location where the lamp is used is attached via an O-ring 13 c. The O-ring 13c is pressed by a cap 21 having a cylindrical opening. An opening corresponding to the inner diameter of the discharge tube 1 is provided at the center of the flange 26 so that light emitted from the discharge plasma 7 can be extracted in the axial direction of the discharge tube 1. 11 is an outer surface.
The light transmitting window 8 is provided in the opening of the flange 26 and has two functions. The first is a vacuum boundary between the inside of the discharge tube 1 and the atmosphere, and the second is extraction of light emitted from the discharge plasma 7 out of the vacuum (for example, see Non-Patent Document 1 or 2).
[0007]
Now, in recent years, in order to secure the light transmittance of short-wavelength light of ultraviolet light, SiO 2 is formed in the light transmission window. ₂ Those using are being developed.
Also, devitrification of quartz glass in mercury lamps has been a problem. Quartz glass in mercury lamps has both the function of a vacuum boundary between the inside and the outside of the lamp and the function of transmitting ultraviolet rays emitted by mercury.However, the devitrification phenomenon causes a decrease in light transmittance, which determines the life of the lamp. Cause.
[0008]
As a countermeasure against such devitrification, for example, in Patent Literature 1, an arc tube having a surface roughness of less than 1 micron on the inner surface of a glass bulb is used as a metal vapor discharge arc tube. Even if this is done, the arc tube is less likely to be crystallized (devitrified), the luminous flux is less likely to be reduced (illuminance maintenance ratio), and a projection type display that maintains a bright screen and high display quality for a long time is possible.
However, such a technique is a technique applied to an arc tube using quartz glass or high silicate glass, and is applicable to ordinary ultraviolet light of 250 to 360 nm, but is transmitted by vacuum ultraviolet light having a wavelength of 190 nm itself. The rate is greatly reduced and unavailable.
[0009]
Further, in Patent Document 3, in a constant-pressure mercury lamp using an ultraviolet output of 254 nm, a metal oxide having an average particle diameter of 100 μm or less, in the example, 20 μm is applied to the inner surface of a synthetic quartz glass in a solution concentration of 1 to 3%. The disclosed technique is disclosed.
Further, in Patent Document 4, an electrode is sealed at both ends of a quartz tube, and mercury is sealed therein. ₂ O ₃ In a discharge lamp in which a thin film such as that described above is applied, the thin film formed at the center of the arc tube is formed so as to be thicker than other portions, and specifically, the thick film portion on the inner surface of the arc tube is The thickness of the thick film portion is 0.2 μm to 0.3 μm with respect to the effective emission length, which is the distance between the electrodes at both ends of the arc tube, and the thickness of the other portions is A technology having a thickness of 0.1 μm to 0.15 μm is disclosed.
[0010]
However, these prior arts are intended for quartz glass, particularly low-pressure mercury discharge lamps, in which when the mercury sealed in the arc tube is fixed to the inner wall of the arc tube, the transmittance of the quartz glass decreases, resulting in a blackened discharge lamp. This is due to the reduction in the radiation efficiency of this technology, and is a technique for optimizing the thickness of the protective film due to the presence of mercury atoms.
Moreover, SiO ₂ The lower limit of the light transmittance is about 200 nm, and it rapidly drops below 200 nm in the vacuum ultraviolet region, which is a short-wavelength ultraviolet ray longer than that, further shortens the wavelength, and uses a high-energy fluorine laser that is a vacuum ultraviolet ray of about 150 nm. When used, not only the light transmittance is reduced but also devitrification occurs, which is not practical.
Here, the vacuum ultraviolet region refers to a wavelength range of 0.2 to 200 nm, and the ordinary ultraviolet region refers to a wavelength range of 200 to 380 nm (“Physics Dictionary” Baifukan, “Science Chronology” National Astronomical Observatory).
[0011]
Patent Document 2 discloses a technique of doping synthetic silica glass with fluorine in view of the fact that the transmittance of the window material through which the light emitted from the lamp is transmitted greatly decreases in the ultraviolet region. Some are being done.
However, even if it is doped with fluoride, since synthetic silica glass is used as a base material, its transmittance of about 50% can be secured at most about 160 to 190 nm. I can't stand it.
[0012]
Therefore, the material of the light transmission window for transmitting the ultraviolet light in the vacuum ultraviolet region is CaF ₂ , LiF, MgF ₂ Alkali halide materials such as are generally used.
In particular, in the case of the microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp described above as a conventional example, the ultraviolet light to be used is vacuum ultraviolet light having a wavelength of 122 nm, which is an emission line of hydrogen, and a material that can be actually used as a light transmission window in this wavelength band is LiF. , CaF ₂ , MgF ₂ But only LiF and CaF ₂ Is remarkable in transmittance due to the color center. ₂ Is often used, but MgF ₂ There are no reports disclosed as measures against devitrification. Such a discharge lamp has the following problems.
[0013]
That is, when magnesium fluoride is used as the window material, the durability of the window material is lower than that of other window materials, and therefore, the life of the lamp itself is less than half that of a lamp using another window material.
This is because when light having a photon energy higher than the absorption edge wavelength of the material used for the light transmission window 8, particularly light in the vacuum ultraviolet region, is irradiated from the discharge plasma to the light transmission window 8, the window 8 has defects, so-called color. This is because the center is formed and the light transmittance is reduced. ₂ , LiF, MgF ₂ This is a phenomenon that generally occurs in alkali halide materials such as those described above, and is caused by the fact that the position of the fluorine atom is slightly shifted from the correct lattice position.
[0014]
Each of the above-mentioned prior arts raises a problem relating to synthetic quartz, particularly a problem relating to an optical system of synthetic quartz using a normal ultraviolet wavelength as a light source, and a vacuum ultraviolet light having a wavelength of 122 nm used in a microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp. MgF which can be actually used as a light transmission window ₂ On the other hand, there is no practical technique for effectively preventing a decrease in light transmittance.
[0015]
For this reason, at present, it is necessary to replace the light transmission window when the transmittance is reduced. Conventionally, such deterioration of the light transmission window 8 has determined the life of the lamp. The light transmission window 8 of the lamp whose life has expired has to be replaced with a new light transmission window to restore the light emission intensity of the lamp. Replacing the light transmission window 8 requires breaking the lamp vacuum, which requires several hours of manual work, during which time the lamp cannot be used. In addition, the cycle of replacement after the end of the life means that the output intensity of the light source constantly fluctuates, and calibration work of emission intensity is required every time the transmission window is replaced. It has been difficult to apply to applications that require long-term monitoring.
[0016]
[Non-patent document 1]
James A. R. Samson, Technics of VACUUM ULTRAVIOLET SPECTROSCOPY, Scandinabe, Canada 1967, p. 159, FIG. 5.56
[Non-patent document 2]
By EL Ginzton, Microwave Measurements, McGraw-Hill, New York, 1957
[Patent Document 1]
JP-A-5-325893
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open Publication No. 8-315771
[Patent Document 3]
JP-A-3-77258
[Patent Document 4]
JP-A-8-229776
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the problems of the related art, the present invention combines various types of transmission, refraction, reflection, spectroscopy, and interference of light arranged on the optical path of a light source having a high photon energy such as plasma light or vacuum ultraviolet light. In various optical system utilizing devices that produce effects, the lens, window, etalon, prism, reticle, by suppressing the deterioration of the optical system applied in the reflector, etc., the temporal stability of the light output intensity is high, It is an object of the present invention to provide an optical system in a variety of optical system utilizing devices having a long life and a method of using the optical system.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have performed a detailed analysis on the deterioration of the light transmission window 8 made of fluoride. The apparatus used for the experiment is the apparatus shown in FIG. 7 in which the light transmission window 8 is attached to the surface of the flange 26 exposed to the plasma via an O-ring.
The light transmission window 8 is made of MgF ₂ (Magnesium fluoride) single crystal is used.
As a result, after irradiation with vacuum ultraviolet light, MgF ₂ The surface layer (several tens nm) of the crystal was oxidized. Further, it was confirmed that the abundance of fluorine was reduced in the surface layer of the crystal and at a depth of several tens nm.
In addition, as a result of examining the correlation between the color center generation state of the light transmission window 8 and the transmittance deterioration by spectral transmittance spectrum measurement, the main cause of the deterioration of the light transmission window 8 is not the absorption by the color center but the surface layer of the crystal. It was found that this was caused by the lack of fluorine and the presence of oxygen.
[0019]
Therefore, the present invention proposes the following technical means based on such a point of interest.
A first proposal of the present invention is that an optical system made of a fluoride has a film thickness of 2 nm to 20 nm that suppresses desorption of fluorine atoms in a surface layer of the optical system due to light irradiation on at least a light incident side of the optical system. An optical system characterized in that a protective film is formed.
[0020]
The difference between the present invention and Patent Document 4 will be described.
Patent Document 4 discloses that in a mercury discharge lamp, a protective film such as alumina having a film thickness of 0.1 μm to 0.15 μm is applied to prevent mercury sealed in the arc tube from being fixed to the inner wall of the arc tube. It is to let.
On the other hand, in the present invention, an extremely thin protective film of 2 nm to 20 nm is formed in the vacuum ultraviolet region that suppresses the desorption of fluorine atoms due to irradiation in the vacuum ultraviolet region while accepting some initial deterioration of optical characteristics.
The reason why the thickness of the protective film is limited to 20 nm or less is that if the thickness is more than 20 nm, the function as an optical system cannot be maintained due to absorption of vacuum ultraviolet light.
[0021]
The lower limit of the film thickness was set to 2 nm or more necessary for uniformly covering the crystal surface with the protective film. Below that, the protective film is made of SiO ₂ Or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , ZrO ₂ The molecular particle size of about 1 nm exists about 1 nm, and in order to obtain a uniform film thickness, if there are not about 2 molecular particles, there is always an exposed surface of the base material and the crystal surface is uniformly covered with a protective film. The function of the present invention cannot be achieved.
[0022]
When the film thickness is sufficiently large, the protection of the optical system surface can be effectively performed. ₂ Or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , ZrO ₂ The protective film made of a metal oxide such as is originally a material that does not transmit the vacuum ultraviolet wavelength, and the presence of such a protective film causes absorption of the vacuum ultraviolet light in the protective film and passes to the base material side. The decrease in ultraviolet light is as shown in FIG. 6, and the initial transmittance is only 10% at the stage of 20 nm. If it is less than 10%, the optical system characteristics on the base material side will be significantly deteriorated and not only function as an optical system, but also the protective film itself will be deteriorated due to absorption of ultraviolet light, and the protective film will be peeled off from the surface of the optical system due to heat generation. There is a possibility that the failure of the. Therefore, if the optical system characteristics on the base material side are to be maintained at 30 to 40%, it is necessary to secure the optical characteristics of 12 nm or less, preferably 10 nm or less. If the thickness is too large, the expected function as an optical system cannot be maintained due to absorption of vacuum ultraviolet light.
On the other hand, the desorption of fluorine is attributable to the oxidation of Mg, and for this reason, at least the light incident side of the optical system suppresses the oxidation of the surface layer of the optical system by light irradiation at 2 nm to 20 nm, preferably 2 to 12 nm. And more preferably, a protective film of 2 to 10 nm may be formed.
With such a proposal, desorption and oxidation of fluorine atoms in the surface layer of the optical system can be suppressed, and a decrease in transmittance of the optical system can be suppressed.
There are vapor phase growth methods such as vapor deposition, ion plating, and CVD for forming such a thin protective film. In particular, polishing that exists on the surface of an optical system by depositing a film by ion beam sputtering or plasma CVD. Along the unevenness caused by the processing, it is possible to perform uniform deposition with a very thin film thickness of several nm.
[0023]
According to a second proposal of the present invention, in an optical system made of a fluoride disposed facing a position exposed to a plasma in an optical device having an internal space in which a plasma exists, a plasma is applied to the surface exposed to the plasma from the fluoride. A protection film of 2 nm to 20 nm made of a material having high durability is formed.
According to this proposal, desorption and oxidation of fluorine atoms in the surface layer of the optical system, which are caused by exposing the surface of the optical system to the plasma environment, can be suppressed, and a decrease in transmittance of the optical system can be suppressed.
[0024]
In this case, the protective film is made of SiO. ₂ Or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , ZrO ₂ The optical system made of a metal oxide consisting of any one of the above, and the above-mentioned optical system made of a fluoride is a single-crystal fluoride whose crystal axis (c-axis) is along the direction of the light incident line and is on a plane perpendicular to the crystal axis. By forming the protective film, it is possible to prevent radial deterioration of the base material side due to irradiation with vacuum ultraviolet light after initial deterioration of the fluoride optical system.
[0025]
Also SiO ₂ And the metal oxide has higher plasma resistance than fluoride and can prevent desorption and oxidation of metal atoms, and since it has already been oxidized itself, as a result, it functions as a protective film of a fluoride optical system. As a result, time-dependent deterioration of the base material side due to vacuum ultraviolet light irradiation after the initial deterioration can be prevented.
[0026]
A third proposal of the present invention is an invention relating to a light utilization device utilizing the optical system, wherein desorption of constituent elements of the base material from the base material surface or irradiation of the base material surface by vacuum ultraviolet light irradiation or plasma exposure of the base material. 2 nm to 20 nm SiO that suppresses deterioration over time due to oxidation ₂ Or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , ZrO ₂ After a metal oxide protective film made of any one of the above is applied to the optical system in advance, the target device in which a vacuum ultraviolet light source or a plasma light source having a photon energy higher than the absorption edge wavelength of the optical system base material exists. There is provided a method for using an optical device, wherein the optical system is incorporated and used.
[0027]
According to such an invention, even if the initial properties are deteriorated by the oxide protective film, the base material is desorbed from the base material surface by vacuum ultraviolet light irradiation or plasma exposure or is oxidized on the base material surface. Since the deterioration with time can be suppressed, the life of the transmission window or the reflection window of the light output device can be extended without lowering the light output of the base material from the beginning of the operation. The interval of the window replacement work is also widened, so that the operation rate of the light output device can be improved and the running cost can be reduced.
[0028]
In this case, if the light source is a light source having a light output sufficient to compensate for the initial deterioration of the transmittance of the entire optical system due to the protective film, even if the optical system is the initially deteriorated optical system on the optical path of the light source, As a whole, it is possible to extend only the life of the device without causing a decrease in (transmittance, reflectance).
[0029]
That is, an optical system in which a protective film that suppresses desorption of constituent elements of the base material from the base material surface due to vacuum ultraviolet light irradiation or plasma exposure or deterioration with time due to oxidation of the base material surface is previously applied to the optical system. Has an optical output sufficient to compensate for the initial deterioration of the transmittance of the entire optical system due to the protective film, and for example, the optical system is provided at a transmission window or a reflection window located on at least one side of a light output device used as a measurement light source. Is applied, even if an optical output device having long-term output stability is applied to measurement, stable control can be performed without fluctuation or deterioration of light transmittance during operation. And the sensitivity of measurement control can be stabilized.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, an example in which a protective film is coated for the purpose of preventing or suppressing deterioration of a light transmitting window will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment, and can be effectively applied to a lamp or a laser device that extracts light emitted by discharge or heating as light, or a laser device.
[0031]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp according to the first to third embodiments of the present invention.
The window mounting member 17 of the light transmission window 8 has a disk shape, the center of which coincides with the central axis of the discharge tube 1 and has an opening whose diameter is equal to or larger than the inner diameter of the discharge tube. An O-ring groove 13b for sealing the opening with the light transmitting window 8 and a jig 20 having a hollow lid shape for connecting the window mounting member 17 to the discharge tube 1 while maintaining a vacuum are fixed to the window mounting member 17. A bolt hole and an O-ring groove 13a are provided.
[0032]
The inner surface structure of the jig 20 has a two-stage concentric hollow circle structure, and includes a space for accommodating the light transmission window 8 and a space for containing the discharge tube 1. The end surface on the side enclosing the discharge tube 1 is chamfered in an oblique cut shape corresponding to a ring diameter for pressing the O-ring 13c so as to accommodate the O-ring 13c. Further, a screw (not shown) is cut on the outer peripheral surface of this end portion, and the O-ring 13 c is crimped by tightening the cap 21 having a cylindrical opening shape to form a vacuum boundary connected to the discharge tube 1. The material of the window attachment member 17, the jig 20, and the cap 21 is a metal, and generally stainless steel or aluminum with little pollution factor is used, but is not limited thereto.
[0033]
The light emission operation of the microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp configured as described above will be described. First, 20 SCCM of hydrogen discharge gas diluted to 1/100 with helium is supplied to the discharge tube 1 from the discharge gas supply port 2. The discharge gas is exhausted from the discharge gas outlet 3 by a vacuum pump (not shown). The exhaust conductance is adjusted by adjusting the opening degree of a valve (not shown) between the discharge gas outlet 3 and the vacuum pump, and the inside of the discharge tube 1 is maintained at about 5 torr (665 Pa). The reason why the discharge gas is caused to flow from the light transmitting window 8 side to the discharge tube 1 side is that a substance generated in the discharge tube 1 by the discharge plasma 7 is exhausted to the opposite side to the window 8 to reduce the contamination factor of the window 8. Reduce as much as possible.
[0034]
The microwave resonator tuner 18 which is one of the components of the microwave resonator for adjusting the microwave electromagnetic field distribution inside the microwave resonator has a cylindrical shape, and has an inner diameter capable of containing the discharge tube 1. Furthermore, the microwave resonator 4 is inserted in the axial direction from the end face so that the central axes thereof are aligned with each other, and has a structure capable of sliding in the axial direction while maintaining electrical conduction with the microwave resonator 4. The material of the tuner 18 is the same as that of the microwave resonator 4 and is formed of copper or brass. The function of the tuner 18 to adjust the microwave electromagnetic field distribution is to adjust the insertion depth while generating the plasma 7 so that the microwave concentrating portion 6 is generated at a target position.
[0035]
Next, a microwave of 2.45 GHz and 50 W is supplied to the microwave resonator 4 from the microwave supply connector 5. Microwave supply may be continuous or intermittent. By adjusting a matching device (not shown) incorporated in the middle of the power transmission line connecting the microwave power supply and the microwave resonator 4, the discharge while maintaining the microwave power matching between the power supply and the load (discharge plasma) is achieved. A discharge plasma 7 is generated in the tube 1. Emission lines having wavelengths of 103 nm and 122 nm in the vacuum ultraviolet region are emitted from the hydrogen atoms excited by the discharge plasma 7, and are extracted to the outside through the light transmission window 8 like the lamp emission light 9.
[0036]
The light transmission window 8 is made of MgF ₂ A (magnesium fluoride) single crystal was used, and the crystal axis (c axis) was set to a direction perpendicular to the plane of the transmission window.
[0037]
Al is formed on the surface 10 of the light transmitting window 8 as a protective film 14 in advance. ₂ O ₃ After coating with a thin film of (alumina), it was set at a predetermined position shown in FIG.
The coating was performed by an ion beam sputtering film forming method.
[0038]
The ion beam film forming method will be described. As a film forming gas, a pressure of 0.1 Pa is maintained in an Ar atmosphere, and a 3 inch ₂ O ₃ Ar ions collide with a sintered target (purity 4N) at an acceleration voltage of 20 kV, and Al sputtered from the target is irradiated. ₂ O ₃ Was formed on the surface 10 of the light transmission window 8. The film thickness control is performed by the crystal oscillator, the relationship between the frequency change of the crystal oscillator and the film thickness is determined in advance, a calibration curve is created, and the frequency change time corresponding to the desired film thickness is obtained. Only the film is formed.
The method of coating the protective film 14 is not limited to the above-described ion beam sputtering film forming method, and a method and an apparatus capable of forming a protective film having a desired composition may be appropriately selected. Other film formation methods include vapor phase growth methods such as vapor deposition, ion plating, and CVD.
[0039]
The appropriate thickness region of the protective film 14 is determined based on the covering state of the optical system surface and the transmittance with respect to vacuum ultraviolet light having a wavelength of 122 nm.
FIG. 6 shows Al ₂ O ₃ 3 shows the thickness of the protective film, the initial state without the protective film, and the change in the transmittance after the protective film coating when the protective film 14 is coated with a transmission window. As shown in FIG. 6, the decrease in the transmittance of the optical system with respect to the initial state is a function of the thickness of the protective film. On the other hand, in order to obtain the effect as a protective film, it is required to cover the entire optical system surface. In general, in the initial stage of thin film formation, the film does not have a uniform film structure but exists on the surface of the optical system in an island structure. You will not be able to get.
As a result of observing the surface shape after forming the protective film with an AFM (atomic force microscope), it was confirmed that a film thickness of 2 nm or more was necessary to form a smooth thin film almost covering the base material.
[0040]
When the film thickness is sufficiently thick as 20 nm or more, the surface protection of the optical system can be effectively performed. ₂ Or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , ZrO ₂ Increases the absorption of vacuum ultraviolet light in the protective film, causing significant deterioration of the optical system characteristics, and further causes the deterioration of the protective film itself due to absorption, and peeling of the protective film from the optical system surface due to heat generation. There is fear. Therefore, when the thickness is 20 nm or more, preferably 12 nm, more preferably 10 nm or more, the expected function as an optical system cannot be maintained due to absorption of vacuum ultraviolet light.
[0041]
In this embodiment, the thickness of the protective film is 6 nm. The transmittance of this protective film at a wavelength of 122 nm was 50% when the case where the protective film was not provided as an initial state was defined on the basis of 100%.
[0042]
Further, a photodiode 12 is provided so as to receive the light 9 emitted from the lamp in order to monitor the output light amount of the lamp.
[0043]
Next, the change with time of the output light amount of the microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp configured as above was measured using the photodiode 12.
First, hydrogen atoms were excited by the discharge plasma 7 to emit light having a wavelength in the vacuum ultraviolet region for 90 hours (about 4 days). Next, the same test was performed by replacing the blank with the light transmission window 8 not coated with the protective film, and the results were compared.
The evaluation was based on the following method.
First, the transmittance of the blank before use is T ₀ And set all criteria.
The transmittance before use of the light transmission window is T ₁ (If blank, T ₀ = T ₁ ) And after 90 hours of use, the transmittance T ₂ , The transmittance change ΔT [%]
ΔT = (T ₁ -T ₂ ) / 90 Equation (1)
, And a deterioration rate K [% / Hr] was defined as the following equation as an amount indicating the rate of change.
K = 100 · ΔT / T ₀ Equation (2)
By comparing the magnitude of the degradation rate K, the speed of degradation of the light transmission window 8 can be quantitatively evaluated. Obviously, the smaller K is, the slower the deterioration is, the longer the life is, and the less frequently the light transmission window needs to be replaced.
[0044]
As a result, the protective film (Al ₂ O ₃ When the light transmitting window 8 coated with ()) was used, the deterioration rate K was 0.04% / Hr. On the other hand, the deterioration rate K of the blank was 0.46% / Hr. The ratio of the deterioration rate K is about 11 times, and based on this evaluation value, the life of the light transmitting window 8 coated with the protective film 14 is improved by about one digit compared to the light transmitting window 8 without the coating. You can see that it is.
[0045]
In order to clearly disclose the effect of the protective film 14, Al is used as the protective film 14. ₂ O ₃ The results of the XPS surface analysis before and after the use of the lamp of the light transmission window 8 coated with, and before and after the use of the lamp of the light transmission window without a protective film as a blank will be described below.
[0046]
FIG. 2 shows the analysis results of the blank before use. The horizontal axis represents the argon time, which is an amount proportional to the sputtering depth. A sputtering time of 0 min indicates an initial state before sputtering, and corresponds to analysis of the crystal surface. In general, in the case of XPS analysis, information obtained in this initial state reflects the natural contamination state of the article, and adsorbed components such as carbon and oxygen are detected. However, since the information is not essential, it is excluded from the analysis data. . The vertical axis represents the abundance ratio of each element obtained by XPS analysis.
[0047]
From FIG. 2, it can be seen that the blank before use has no fluorine deficiency. Regarding oxygen, traces of traces were observed on the surface layer, but this did not actually exist inside the crystal, but oxygen of contaminants naturally adsorbed on the surface was implanted into the crystal by argon sputtering. Reflects the situation. Therefore, regarding the presence or absence of oxygen inside the crystal, other analysis results may be calibrated and interpreted based on the amount of oxygen observed in FIG.
[0048]
Next, the analysis result of the blank after use is shown in FIG. From FIG. 3, it can be clearly seen that the blank after use is deficient in fluorine in the surface layer. Further, oxygen is significantly present inside the crystal in synchronization with the depth of the fluorine-deficient layer. This indicates that the blank after use has F deficiency and oxidized state in the surface layer. This surface condition is the main cause of lowering the transmittance for vacuum ultraviolet light having a wavelength of 122 nm.
[0049]
Next, as the protective film 14, Al ₂ O ₃ FIG. 4 shows an analysis result before using the light transmission window 8 coated with a thickness of about 5 nm. The description and interpretation of the axes of the graph are the same as in FIG. As the element, a plot of Al (aluminum), which is a component of the protective film, is newly added. FIG. 4 shows that the profiles of fluorine and magnesium from the surface layer to the inside are synchronized, and the profiles of oxygen and aluminum from the surface layer to the inside are synchronized. The reason that the signals of fluorine and magnesium are detected from the surface layer even though the protective film is coated is that the resolution in the depth direction in XPS analysis is several nm, and the ideal boundary distribution is measured. However, this reflects the fact that the existence profile of the element does not have a step-like shape, and it is unavoidable that the element has a broad shape with the width of the resolution. Furthermore, if the sputtering time is not about 20 minutes for the protective film thickness of 5 nm, the MgF ₂ The crystals are not exposed, ₂ O ₃ And MgF ₂ Are different in sputtering efficiency. Therefore, the point of interest here is that the profiles of F and Mg and O and Al are synchronized.
[0050]
Finally, as the protective film 14, Al ₂ O ₃ FIG. 5 shows an analysis result after using the light transmission window 8 coated with a thickness of about 6 nm. The description and interpretation of the axes of the graph are the same as in FIG. FIG. 5 shows that the profiles of oxygen and aluminum from the surface layer to the inside are synchronized. Furthermore, the presence of oxygen inside the crystal is not recognized. This clearly shows that the protective film can prevent oxygen from entering the inside of the crystal.
[0051]
On the other hand, the profiles from the surface layer of fluorine and magnesium to the inside are not synchronized. Fluorine is used as the protective film 14 Al ₂ O ₃ The appearance of invading the inside of the film is clear. However, since the protective film 14 is present, fluorine remains inside the protective film. However, if there is no protective film such as a blank, fluorine is released out of the system and a fluorine-deficient layer is formed. Instead, a mechanism by which oxygen enters can be easily assumed. In fact, the formation of the fluorine-deficient layer and the oxide layer described with reference to FIG. 3 can be easily explained by considering the case where the protective film is not provided in FIG.
[0052]
As described above, by coating the light transmission window 8 with the protective film 14, the formation of a fluorine-deficient layer was prevented or suppressed, and the presence of oxygen (oxide layer) inside the crystal was prevented or suppressed. As compared with the blank, the light transmitting film coated with the protective film was able to achieve a deterioration rate K about one digit lower.
[0053]
Also, as the protective film 14, SiO ₂ When the light transmitting window 8 coated with (thickness: 6 nm) was used, the deterioration rate K was 0.06% / Hr. On the other hand, the deterioration rate K of the blank was 0.46% / Hr. The ratio of the deterioration rate K is about 8 times, and SiO 2 is used as a protective film. ₂ The same protective effect has been confirmed when using.
[0054]
Further Al ₂ O ₃ MgO, TiO, which have a lower coloring property by ultraviolet light irradiation than fluoride, ₂ , ZrO ₂ And metal oxides are also applicable as a protective film.
[0055]
As described above, the optical system in which the protective film according to the present invention is formed has its own optical performance (for example, the transmittance of a transmission window) in an initial state without the protective film, as compared with the case without the protective film. It has deteriorated in comparison. However, it is not appropriate to evaluate the performance of the optical system only for a single unit, and it is important to evaluate the entire optical output device incorporating the optical system or the entire system incorporating the optical output device. That is, since the light output device compensates for the initial deterioration of the optical system and has a light output that meets the required specifications of the system, the life of the light output device can be extended while maintaining the output, and the light transmission It is possible to achieve the object of providing a light output device in which maintenance work frequency and work cost of the windows 8 and the like are reduced.
[0056]
Further, it is particularly useful when the present invention is used as a light source for measurement. For example, long-term monitoring of the status of the generation of environmental pollutants can be mentioned. In the case of such a measurement, the measurement signal level and the sensitivity are generally proportional to the optical output or the square of the optical output. As described above, in the conventional light source, if the output is improved in order to improve the measurement sensitivity, the optical system deteriorates, and it is necessary to reduce the optical output to suppress the deterioration of the optical system. This caused a decrease in measurement sensitivity. The optical output device to which the optical system of the present invention is applied has a long device life and can secure long-term stability of output characteristics. A light output device suitable for the device can be provided.
[0057]
Although the light transmission window is taken as an example in the present embodiment, the present embodiment can be similarly applied to an apparatus using a light reflecting mirror (window). Examples of the light reflecting mirror are a reflecting mirror used for a laser oscillator and a condenser mirror of a lamp. Also in the following embodiments, each embodiment can be applied to the light reflecting mirror.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the deterioration of the optical system can be prevented or suppressed, so that the maintenance cycle required for the replacement of the optical system can be lengthened, which contributes to the improvement of the apparatus operation rate and the reduction of the maintenance cost. .
In addition, since the light utilization device incorporating the optical system of the present invention has a long device life and can ensure long-term stability of output characteristics, it provides a light output device suitable for a measurement device such as long-term environmental monitoring. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a microwave-excited hydrogen ultraviolet lamp according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing XPS depth distribution measurement results before using a light transmission window without a protective film.
FIG. 3 is a graph showing XPS depth distribution measurement results after using a light transmitting window without a protective film.
FIG. 4 is a graph showing XPS depth distribution measurement results before using a light transmission window coated with a protective film.
FIG. 5 is a graph showing XPS depth distribution measurement results after using a light transmission window coated with a protective film.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thickness of the protective film and the transmittance of the optical system with respect to the initial state.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a conventional technique of a microwave-excited hydrogen ultraviolet light lamp.
[Explanation of symbols]
1 discharge tube
8 Light transmission window
10 Inside surface
11 Outside surface
13 O-ring
14 Protective film
17 Window mounting members

Claims

In an optical system made of fluoride placed in an environment where vacuum ultraviolet light or plasma having a photon energy higher than the absorption edge wavelength of the optical system base material is irradiated,
An optical system, wherein a SiO ₂ or metal oxide protective film of ₂ nm to ₂₀ nm for suppressing desorption of fluorine atoms in the surface layer of the optical system due to light irradiation is formed on at least the light incident side of the optical system.

In an optical system made of fluoride placed in an environment where vacuum ultraviolet light or plasma having a photon energy higher than the absorption edge wavelength of the optical system base material is irradiated,
An optical system, wherein a SiO ₂ or metal oxide protective film of ₂ nm to ₂₀ nm for suppressing oxidation of a surface layer of the optical system due to light irradiation is formed on at least a light incident side of the optical system.

In an optical system made of a fluoride disposed facing a position exposed to the plasma in an optical device having an internal space in which the plasma exists,
An optical system, wherein a protective film of 2 nm to 20 nm made of a material having higher plasma resistance than the fluoride is formed on a surface exposed to plasma.

The optical system made of the fluoride is a single crystal fluoride whose crystal axis (c-axis) is along the direction of the light incident line, and the SiO ₂ or metal oxide protective film is formed on a plane perpendicular to the crystal axis. The optical system according to claim 1, wherein the optical system is an optical system.

The optical system according to claim 1, wherein the metal oxide protective film is made of Al ₂ O ₃ or one of MgO, TiO ₂ , and ZrO ₂ .

6. The optical system according to claim 1, wherein the protective film is formed by an ion beam sputtering method or a plasma CVD method.

₂ nm to 20 nm SiO ₂ or Al ₂ O ₃ , MgO, TiO that suppresses desorption of constituent elements of the base material from the base material surface due to vacuum ultraviolet light irradiation or plasma exposure or deterioration with time due to oxidation of the base material surface _2. A vacuum ultraviolet light source or a plasma light source having a photon energy higher than the absorption edge wavelength of the optical system base material after a metal oxide protective film made of any one of ZrO ₂ and ZrO ₂ is previously applied to the optical system. A method of using an optical device, wherein the optical system is incorporated into a target device for use.

The light source is a light source having a light output sufficient to compensate for the initial deterioration of transmittance of the optical system due to the protective film, and the optical system is arranged on the optical path of the light source, and the optical characteristics after the initial deterioration are deteriorated. The method of using an optical device according to claim 7, wherein the optical device is suppressed.