JP2014085194A - 形状可変ｘ線ミラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
取り扱いが容易で、反射面の変形再現性にも優れた形状可変Ｘ線ミラーシステムを提供する。
【解決手段】
四角形板状の基板３表面の中央部に沿って反射面４を形成し、反射面の両側に沿った表裏両面に帯状の圧電素子５が貼り付けられ、各圧電素子の上には表面電極が一定間隔毎に多数設けられている形状可変Ｘ線ミラー１を、ミラー支持ユニット２に間隔を置いて平行に固定された表側支持板１１と裏側支持板１２との間に、複数のピン６，７とスペーサ８によって自重による変形が最小になるように点支持するとともに、表側支持板と裏側支持板から突設した複数の弾性接点９を圧電素子の各表面電極１０に接触させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、形状可変Ｘ線ミラーシステムに係わり、更に詳しくは軟Ｘ線から硬Ｘ線領域のＸ線ビームを反射させて理想波面に変更するための形状可変Ｘ線ミラーシステムに関する。

SPring-8に代表される第３世代放射光施設や既に多数が建設・稼動中の第３．５世代の放射光施設、また現在運用が開始されたＸ線自由電子レーザー施設において、Ｘ線を用いた様々な分析技術に高い空間分解能を付加するためには、高度に集光されたＸ線ナノビームが必要となる。既に、本発明者らのグループは、SPring-8の１ｋｍビームラインにおいて、ＫＢ（Kirkpatrick
and Baez）ミラーからなる集光光学系により、波長が０．６Åの硬Ｘ線を集光径が３０ｎｍ以下になるように集光することに成功している。これは、独自に開発したミラーの高精度加工技術と高精度形状測定技術によるとことが大きい。この加工技術とは、数値制御ＥＥＭ（Elastic
emission machining）であり、加工面に沿って微粒子を混合した超純水の高剪断流を形成し、一種の化学反応によって微粒子が表面原子と結合し、微粒子の移動とともに表面原子が除去される加工原理である。また、形状測定技術とは、ＭＳＩ(Microstitching
Interferometry)とＲＡＤＳＩ(Relative Angle Determinable Stitching Interferometry)であり、小面積を高精度に形状測定可能な干渉計の部分形状データをつなぎ合わせて全体形状を得るという測定原理で、Ｘ線ミラーの形状をＰＶ値が１ｎｍ以下の測定再現性をもって高精度に計測することが可能である。

レントゲンによってＸ線が発見されて以来、Ｘ線分析技術は、医学・生物学・材料科学など、あらゆる分野の最先端研究の進展に不可欠な存在となっている。特に最近ではＸ線分析の高分解能化の流れは目覚ましく、既に１００ｎｍ分解能のＸ線顕微鏡が日常的に用いられている。それを可能にしたのは、前述のＸ線ミラーの高精度加工技術と高精度形状測定技術に加え、複数のミラーを高精度にアライメントするミラーマニピュレータである。ＫＢミラーは、超精密な反射面を有する垂直方向楕円集光ミラーと水平方向楕円集光ミラーを互に直角に光軸方向に配置した光学系であり、各ミラーの姿勢を高精度に調節できるようにしたミラーマニピュレータが既に提供されている（特許文献１）。また、２枚の楕円ミラーと２枚の双曲ミラーを、ＫＢミラーのように互いに垂直に配向させて構成されるAdvanced Kirkpatrick-Baez（ＡＫＢ）ミラーを扱うためのミラーマニピュレータも既に提案し、特許出願している。

しかし、Ｘ線の光学系には、電子顕微鏡の電磁レンズが持つ柔軟性(倍率可変・多様な顕微手法)はなく、一つの実験を固定された倍率で行えるだけである。そこで、光学パラメータを自由に変更できる新しいＸ線顕微システムの開発が求められている。一方で、Ｓｕｂ−１０ｎｍ硬Ｘ線ナノビームを実現するために検討した結果、少なくとも表面形状精度ＰＶ：１ｎｍ以下が必要であることがわかり、これまでの光学干渉計により測定されたミラー表面の形状誤差分を修正加工する方法では精度的に限界を超えてしまうことが分かった。また更にＳｕｂ−１０ｎｍ硬Ｘ線ナノビームを実現するためには、集光ミラーの高ＮＡ化に伴いミラー入射角度が大きくなるため、多層膜コーティングが必要になるが、その厚みムラに起因する反射位相誤差も形状誤差に換算して１ｎｍを下回る必要があり、現状のコーティング技術水準からすると無視できないレベルにあることがわかった。そこで、Ｘ線顕微鏡に用いる集光光学系において、形状可変ミラーを用いて反射面の形状誤差を補正して回折限界を達成する試みもあり、日進月歩の進歩が見られる。本発明者らは、集光面におけるＸ線強度プロファイル情報のみから位相回復計算によってミラー面位相誤差を算出するAt-wavelength形状計測法を提案し、それに基づいて形状可変ミラーの反射面の形状を制御して集光光学系の位相誤差を補正し、焦点面での波面の乱れを修正するＸ線集光方法を提案している（特許文献２）。また、この位相回復法によってＸ線ミラーの位相誤差を正確に算出するには、正確なＸ線集光強度プロファイルの取得が不可欠であり、本発明者らはナイフエッジを用いた暗視野法による新しいＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法も提案している（特許文献３）。

また、特許文献４には、軟Ｘ線から硬Ｘ線領域のＸ線ビームを反射させて理想波面に変更するための反射面形状制御ミラー装置であって、基板の表面中央部に帯状のＸ線反射面を形成し、該Ｘ線反射面の両側に沿って基準平面を形成するとともに、基板の両側部で少なくとも表裏一面に複数の圧電素子を前記Ｘ線反射面の長手方向に並べて基板に接合した反射面形状制御ミラーと、前記各圧電素子に電圧を印加する多チャンネルのコントロールシステムとからなる反射面形状制御ミラー装置が開示されている。ここで、前記反射面形状制御ミラーが、前記基板の両側部で、前記Ｘ線反射面を中心として左右対称に前記圧電素子を列設し、更に前記基板の表裏両面に同じ配置パターンで前記圧電素子を列設した点も開示されている。これらの技術によって硬Ｘ線のＳｕｂ−１０ｎｍ集光ビームを実現している。

確かに、特許文献４に記載された反射面形状制御ミラーは、ミラー製造時の温度差に起因する歪による表面形状の加工誤差を解消するとともに、ナノ集光作業時の設置環境条件に起因する歪による表面形状の誤差を解消し、ｎｍオーダーの形状精度を実現することが可能であり、また反射面の形状を修正して反射させたＸ線ビームを理想波面に変更すること、あるいは焦点距離を変更することが可能となった。ところが、形状可変ミラーを搬送し、あるいはミラーマニピュレータにセットする毎に、変形形状が大きく変わるという問題が新たに生じた。形状可変ミラーの開発は、各国でなされているが、その取り扱いは難しく再現性や精度が要求を満たさなかった。

特許第４６８２０８２号公報 特許第４８１４７８２号公報 特開２００９−０５３０５５号公報 特開２０１１−１３７７１０号公報

従来の形状可変ミラーは、基板表裏に貼り付けられた圧電素子とその上に形成された電極で構成され、電極に電圧を印可することで圧電素子が変形し、自由曲面を創り出せる。これまで開発されてきたこのようなタイプの形状可変ミラーでは、数十の電極にリード線を配線しているため、取り扱いが煩雑で、配線の状況が形状変形に影響を与えていた。このため変形に再現性がなく、一度配線を解除しもう一度配線した場合、同じ電圧を印可しても同じ形状には変形できなかった。

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、取り扱いが容易であり、反射面の変形再現性にも優れ、軟Ｘ線から硬Ｘ線領域のＸ線ビームを反射させて理想波面に変更するための形状可変Ｘ線ミラーシステムを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、所定厚さの四角形板状の基板表面の中央部に沿って反射面を形成し、該反射面の両側に沿った表裏両面に帯状の圧電素子が貼り付けられ、各圧電素子の上には表面電極が一定間隔毎に多数設けられている形状可変Ｘ線ミラーを、ミラー支持ユニットに間隔を置いて平行に固定された表側支持板と裏側支持板との間に、複数のピンとスペーサによって自重による変形が最小になるように点支持するとともに、前記表側支持板と裏側支持板から突設した複数の弾性接点を前記圧電素子の各表面電極に接触させたことを特徴とする形状可変Ｘ線ミラーシステムを構成した（請求項１）。

ここで、前記ミラー支持ユニットは、内部に空間を有し且つ一面が開放したボックス体の内部に、絶縁材料からなる前記裏側支持板を固定するとともに、前記ボックス体の開放面に前記形状可変Ｘ線ミラーの反射面に対応する開口溝を設けて絶縁材料からなる第１表側支持板と第２表側支持板を着脱可能に取付け、前記裏側支持板には前記形状可変Ｘ線ミラーの裏面を支持する３つの固定ピンを突設するとともに、前記形状可変Ｘ線ミラーの長辺２点と短辺１点を当止する３つのスペーサを突設し、前記第１表側支持板と第２表側支持板には前記固定ピンの対応する位置に、接触点が前記形状可変Ｘ線ミラーの表面に接触する方向に弾性付勢された弾性ピンを突設したことが好ましい（請求項２）。

そして、前記形状可変Ｘ線ミラーは、表裏に設けた前記圧電素子とその表面電極が表裏対称な構造であり、前記裏側支持板と表側支持板に突設した全ての弾性接点が表裏で対となり、各対の弾性接点が前記形状可変Ｘ線ミラーに及ぼす押圧力が同一直線上で逆向きであることがより好ましい（請求項３）。

また、前記裏側支持板と表側支持板に設けた各弾性接点に導通した接続端子を、前記裏側支持板の裏側と前記表側支持板の表側に固定し、各接続端子に配線されたリード線が前記ミラー支持ユニットのボックス体に設けた共通のコネクタに配線されていることも好ましい（請求項４）。

更に、前記ミラー支持ユニットのボックス体には、片側の側面の両端部に前記形状可変Ｘ線ミラーの長辺の両端部を露出させるための開口部を設け、該形状可変Ｘ線ミラーの露出部を押圧して辺縁を前記スペーサに当接して位置決めするようにした（請求項５）。

更に、前記ミラー支持ユニットのボックス体の短辺側の両側面に、前記形状可変Ｘ線ミラーの反射面にＸ線が斜入射できるように入出射口を形成している（請求項６）。

以上にしてなる本発明の形状可変Ｘ線ミラーシステムは、所定厚さの四角形板状の基板表面の中央部に沿って反射面を形成し、該反射面の両側に沿った表裏両面に帯状の圧電素子が貼り付けられ、各圧電素子の上には表面電極が一定間隔毎に多数設けられている形状可変Ｘ線ミラーを、ミラー支持ユニットに間隔を置いて平行に固定された表側支持板と裏側支持板との間に、複数のピンとスペーサによって自重による変形が最小になるように点支持するとともに、前記表側支持板と裏側支持板から突設した複数の弾性接点を前記圧電素子の各表面電極に接触させたので、形状可変Ｘ線ミラーをミラー支持ユニットの内部に接触のみによって自重による変形が最小になるように点支持することができるとともに、圧電素子の表面電極にも弾性接点を接触させるだけであり、常に同じ状態で形状可変Ｘ線ミラーを使用することができ、そして形状可変Ｘ線ミラーをミラー支持ユニットの内部にセットしたまま搬送したり、ミラーマニピュレータにセットすることができ、取り扱いが容易であり、反射面の変形再現性にも優れている。

特に、前記形状可変Ｘ線ミラーの裏面を裏側支持板に突設した３つの固定ピンによりベッセル点で３点支持するとともに、同じ位置で表側支持板を構成する第１表側支持板と第２表側支持板に突設した３つの弾性ピンで表面を押圧して保持し、また３つのスペーサに辺縁を当接して正確な位置決めをするので、形状可変Ｘ線ミラーをミラー支持ユニットの内部に再現性良くセットすることができる。

また、前記形状可変Ｘ線ミラーは、表裏に設けた前記圧電素子とその表面電極が表裏対称な構造であり、前記裏側支持板と表側支持板に突設した全ての弾性接点が表裏で対となり、各対の弾性接点が前記形状可変Ｘ線ミラーに及ぼす押圧力が同一直線上で逆向きであると、弾性接点による弾性力が相殺されて該形状可変Ｘ線ミラーに局部的にも形状を変形させるようなモーメントが生じないので、反射面に予期しない変形が生じない。

また、前記裏側支持板と表側支持板に設けた各弾性接点に導通した接続端子を、前記裏側支持板の裏側と前記表側支持板の表側に固定し、各接続端子に配線されたリード線が前記ミラー支持ユニットのボックス体に設けた共通のコネクタに配線されているので、多数のリード線が収まり良く配線できるとともに、リード線からの予期しない外力が形状可変Ｘ線ミラーに作用しないので、再現性の良い反射面の変形が期待できる。

また、前記ミラー支持ユニットのボックス体には、片側の側面の両端部に前記形状可変Ｘ線ミラーの長辺の両端部を露出させるための開口部を設け、該形状可変Ｘ線ミラーの露出部を押圧して辺縁を前記スペーサに当接して位置決めするようにしたので、ミラー支持ユニットの内部に形状可変Ｘ線ミラーを保持した状態でも、形状可変Ｘ線ミラーのミラー支持ユニットに対する姿勢を常に一定にすることができる。

本発明における形状可変Ｘ線ミラーシステムの全体説明図である。 形状可変Ｘ線ミラーの支持構造を示す説明用斜視図である。 ミラー支持ユニットに形状可変Ｘ線ミラーを支持した状態の簡略断面図である。 形状可変Ｘ線ミラーの支持構造と電極接続構造を示す部分横断面図である。 形状可変Ｘ線ミラーの電極接続構造を示す部分縦断面図である。 形状可変Ｘ線ミラーの具体例を示す全体斜視図である。 同じく形状可変Ｘ線ミラーの構造を示す部分斜視図である。 ミラー支持ユニットに形状可変Ｘ線ミラーをセットし直した場合の変形再現性の結果を示すグラフである。 ミラー支持ユニットに形状可変Ｘ線ミラーをセットしたまま搬送した場合の変形再現性の結果を示すグラフである。 深さ５μｍの楕円ミラーの理想反射面形状を示すグラフである。 楕円ミラーにおける形状修正前後のスロープエラーをペンシルビーム法で測定した結果を示すグラフである。 図１１の結果から計算で得られた形状修正前後の形状誤差を示すグラフである。 At-wavelength形状計測法による形状修正を行って１次元集光した結果を示すグラフであり、挿入図は実線が理想プロファイル、白抜き丸が測定値である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明の形状可変Ｘ線ミラーシステムを示し、図２〜図７はその詳細を示し、図中符号１は形状可変Ｘ線ミラー、２はミラー支持ユニット、３は基板、４は反射面、５は圧電素子、６は固定ピン、７は弾性ピン、８はスペーサ、９は弾性接点をそれぞれ示している。

本発明の形状可変Ｘ線ミラーシステムは、所定厚さの四角形板状の基板３表面の中央部に沿って反射面４を形成し、該反射面４の両側に沿った表裏両面に帯状の圧電素子５が貼り付けられ、各圧電素子５の上には表面電極１０が一定間隔毎に多数設けられている形状可変Ｘ線ミラー１を、ミラー支持ユニット２に間隔を置いて平行に固定された表側支持板１１と裏側支持板１２との間に、複数のピン６，７とスペーサ８によって自重による変形が最小になるように点支持するとともに、前記表側支持板１１と裏側支持板１２から突設した複数の弾性接点９，…を前記圧電素子５の各表面電極１０，…に接触させた構成である。本実施形態では、前記表面電極１０は、反射面４に沿った方向に１８個形成している。

更に詳しくは、図１〜図５に示すように、前記ミラー支持ユニット２は、内部に空間を有し且つ一面が開放したボックス体１３の内部に、絶縁材料からなる前記裏側支持板１２を固定するとともに、前記ボックス体１３の開放面に前記形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４に対応する開口溝１４を設けて絶縁材料からなる第１表側支持板１１Ａと第２表側支持板１１Ｂを着脱可能に取付け、前記裏側支持板１２には前記形状可変Ｘ線ミラー１の裏面を支持する３つの固定ピン６，…を突設するとともに、前記形状可変Ｘ線ミラー１の長辺２点と短辺１点を当止する３つのスペーサ８，…を突設し、前記第１表側支持板１１Ａと第２表側支持板１１Ｂには前記固定ピン６，…の対応する位置に、接触点が前記形状可変Ｘ線ミラー１の表面に接触する方向に弾性付勢された弾性ピン７，…を突設した構造である。

前記ボックス体１３は、本実施形態ではアルミニウム合金で作製した長辺側の一対の側面部材１５，１５と、短辺側の１対の側面部材１６，１６と底面板１７を強固にボルト締めして固定した構造である。前記側面部材１５，１５は、肉厚が厚く剛性の高い部材であり、図３に示すように、内面の中段に段部１８を形成し、該段部１８に底面板１７を外した状態で前記裏側支持板１２の長辺側の側縁をボルト締めして固定する。前記第１表側支持板１１Ａと第２表側支持板１１Ｂは、それぞれ前記ボックス体１３の一方の側面部材１５と両側面部材１６，１６の端部に着脱可能にボルト締めする。尚、前記ボックス体１３のうち、側面部材１５，１５と側面部材１６，１６はブロックから削り出して作製することが精度の面で有利である。また、前記第１表側支持板１１Ａと第２表側支持板１１Ｂの間には、前記形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４の上方を開放するために開口溝１４を設け、該開口溝１４に連続する前記側面部材１６，１６の端部を切り欠いて反射面４にＸ線が斜入射できるように入出射口１９，１９を形成している。更に、前記ミラー支持ユニット２のボックス体１３には、片側の側面部材１５の両端部に前記形状可変Ｘ線ミラー１の長辺の両端部を露出させるための開口部２０，２０を設け、該形状可変Ｘ線ミラー１の露出部を押圧して辺縁を前記スペーサ８，…に当接して位置決めできるようにしている。

前記形状可変Ｘ線ミラー１は、平均変形量は最小となるように基板３を前記固定ピン６，…で３点支持する。２点は基板３の長辺方向のベッセル点で且つ短辺方向の一方のベッセル点に設定し、もう１点は長辺方向中央で短辺方向における他方のベッセル点に設定する。ここで、ベッセル点とは、均等荷重の梁を２点で支持したときに、梁の中立軸上の両端間距離に与えるたわみの影響が最小になる支持位置であり、梁の長さをＬとすれば、その両端から０．２２×Ｌの位置である。

ＫＢミラー光学系を構成する場合に、前記形状可変Ｘ線ミラー１が水平面を向くように前記ミラー支持ユニット２を図１の状態でミラーマニピュレータにセットすると、前記固定ピン６，…で形状可変Ｘ線ミラー１の荷重を３点支持する。その場合、前記形状可変Ｘ線ミラー１の水平面内での位置は、前記スペーサ８，…に基板３の辺縁を接触させて３点で位置決めする。また、前記形状可変Ｘ線ミラー１が垂直面を向くように前記ミラー支持ユニット２を９０度回転させた状態でミラーマニピュレータにセットすると、前記形状可変Ｘ線ミラー１が垂直に立って状態で長辺が二つのスペーサ８，８で荷重を受けることになるので、この二つのスペーサ８，８もベッセル点に位置させる。残りの１つのスペーサ８は、一方の短辺に接触させてＸ線の光軸方向に沿った方向の位置決めをする。この基板３の短辺に接触する一つのスペーサ８もベッセル点に位置させておけば無難である。

そして、前記形状可変Ｘ線ミラー１は、図６に示すように、表裏に設けた前記圧電素子５とその表面電極１０，…が表裏対称な構造であり、前記裏側支持板１２と表側支持板１１に突設した全ての弾性接点９，…が表裏で対となり、各対の弾性接点９，９が前記形状可変Ｘ線ミラー１に及ぼす押圧力が同一直線上で逆向きになるように設定している。

ここで、前記表側支持板１１と裏側支持板１２は、前記弾性接点９を多数設け、それぞれに独立して電圧を印加できるようにするため絶縁材料で作製する。本実施形態では、絶縁材料として剛性の高い合成樹脂を用いて作製したが、低熱膨張率で強度も高いZERODUR(SCHOTT AG社の登録商標)などのガラスセラミックスを用いることが好ましい。また、前記裏側支持板１２と表側支持板１１に設けた各弾性接点９に導通した接続端子２１を、前記裏側支持板１２の裏側と前記表側支持板１１の表側に固定し、各接続端子２１に配線されたリード線（図示せず）が前記ミラー支持ユニット２のボックス体１３に設けた共通のコネクタ（図示せず）に配線されている。更に具体的には、前記表側支持板１１に電極ピン２２を貫通し、該電極ピン２２の下部にスプリングからなる前記弾性接点９を取付けるとともに、該電極ピン２２の上部に前記接続端子２１を取付けている。前記裏側支持板１２も同様である。ここで、前記接続端子２１は、リード線に接続した圧着端子のようなものでも良い。

前記第１表側支持板１１Ａと第２表側支持板１１Ｂの中央部には、貫通穴２３，２３が形成されており、該貫通穴２３に連続するように、前記側面部材１５の内側には縦溝が形成され、前記裏側支持板１２の下方の空間まで連通している。前記各弾性接点９に導通する接続端子２１に接続された各リード線は、前記貫通穴２３を通して裏側支持板１２の下方に配線され、前記側面部材１５の下部に内外貫通するコネクタ装着穴２４に取付けられたD-subコネクタ等に接続する。前記側面部材１５の下部にはコネクタ装着穴２４が二つ形成され、それぞれにコネクタが取付けられ、一方は前記表側支持板１１に設けた弾性接点９からのリード線を接続し、他方は前記裏側支持板１２に設けた弾性接点９からのリード線を接続する。

本発明の形状可変Ｘ線ミラーシステムは、それ自体がミラー基板と同等の単位として取り扱うことができ、ミラーマニピュレータ等への設置もこのまま行うことができる。これによって、弾性接点９と形状可変Ｘ線ミラー１の圧電素子５の表面電極１０との接触圧に変動がなくなり、常に同じ状態で形状可変Ｘ線ミラー１を取り扱えるようになる。形状可変Ｘ線ミラーシステムと電源との配線は，通常用いられるD-subコネクタ等で接続することができるので、数十の配線であってもコネクタを接続するだけで容易に配線できる。

尚、本発明の形状可変Ｘ線ミラーシステムを持ち運ぶ際には、ミラー支持ユニット２の内部の配置されたロック機構（図示せず）で形状可変Ｘ線ミラー１自体をホルダーに固定されられるため容易かつ設置状態を乱すことなく持ち運びができる。ロック機構は、実験開始前に解除するため、形状変形に影響はない。ロック機構の一例としては、前記３つのスペーサ８とともに形状可変Ｘ線ミラー１の移動を制限するための新たな弾性スペーサを、前記開口部２０から側面部材１５，１６と形状可変Ｘ線ミラー１の辺縁との間に挿入する機構などが挙げられる。形状可変Ｘ線ミラー１の上下の移動については、元々前記固定ピン６，…と弾性ピン７，…で上下から挟み込んでいるので制限されているが、大きな振動に対しても移動規制するためには、別途弾性部材を形状可変Ｘ線ミラー１と表側支持板１１の間に挿入することが望ましい。

図６及び図７は、本実施形態で使用した形状可変Ｘ線ミラー１を示している。この形状可変Ｘ線ミラー１は、合成石英基板２の表裏に貼り付けられた圧電素子５，５とその上に形成された表面電極１０，…で構成されている。更に詳しくは、１００ｍｍ×５０ｍｍで所定厚さの四角形板状の前記基板３の表面で、長手方向に沿った中央部に、Ｘ線の反射面４が高精度な平坦度で形成され、その両側に沿って帯状の圧電素子５，３が貼り付けられ、各圧電素子５の上には表面電極１０が一定間隔毎に多数設けられている。前記基板３の裏面にも両側に沿って帯状の圧電素子５，５が貼り付けられ、同様に各圧電素子５の上には表面電極１０が一定間隔毎に多数設けられ、表裏で対称な構造となっている。尚、前記圧電素子５の下には全面に渡り裏面電極２５が設けられている。そして、前記裏面電極２５と各表面電極１０，…間に独立して電源２６から電圧を印加できるようになっている。尚、前記裏面電極２５は、共通電極となっており、基板３の端部において前記圧電素子５から一部露出させ、その露出部に前記弾性接点９と同様な弾性接点を接触させるようにする。

そして、各表面電極１０，…に所定の電圧を印可することで圧電素子５が変形し、もって反射面４の形状が変形し、自由曲面を創り出せるのである。尚、初期の反射面４の形状は、平面で良いので加工が容易である。勿論、予め反射面４の形状を球面状や任意の円弧状に加工しておけば、圧電素子５による変形量を少なくすることができる。前記基板３の裏面には、中央部に沿って第２の反射面を形成しても良く、その場合には表面の反射面４とは異なる初期形状とし、Ｘ線光学系に応じて使い分けることができる。

前記形状可変Ｘ線ミラーシステムをミラーマニピュレータにセットして実際にＸ線ビームを形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４に斜入射し、その焦点においてＸ線の強度プロファイルを計測し、該強度プロファイルに乱れがある場合には、At-wavelength形状計測法による反射面４の形状補正手法等を利用して各圧電素子５に印加する電圧を微調整して形状を補正することができる。あるいは、O.Hignetteらが提案（SPIE
Proc. 3152,188-199(1997)）したペンシルビーム法によるミラーの反射面の形状修正も可能である。このペンシルビーム法は、Ｘ線のビームをミラーに入射直前でスリットによって細く絞り、スリットをビームに直交する方向に変位させて細いＸ線ビームでミラーの反射面を走査し、反射面に微小凹凸があると、Ｘ線の反射角度が大きくずれるので、そのスロープエラーをＸ線検出器で測定する方法である。このスロープエラーから曲率エラーを算出し、それに基づいて形状可変ミラーの圧電素子への投入電圧を計算するのである。この方法は、大きな形状誤差を持っていても計測可能である。

図８は、ミラー支持ユニット２に形状可変Ｘ線ミラー１をセットし直した場合の変形再現性の結果を示すグラフである。前記形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４をフィゾー型干渉計（ＧＰＩ）で計測しながら同じ電圧を各圧電素子５の表面電極１０，…に印加した場合を示し、理想曲面からの誤差でそれぞれ示している。つまり、形状可変Ｘ線ミラー１を置き直す前の形状誤差（Figure Error 1）と置き直した後の形状誤差（Figure Error 2）である。従来タイプでは最大１μｍの形状誤差が生じていたが、それぞれの形状誤差は１０ｎｍ程度に収まっている。

図９は、本実施形態で使用した形状可変Ｘ線ミラー１の変形再現性を試験した結果を示している。先ず、大阪大学において、形状可変Ｘ線ミラー１を専用ホルダーにセットした状態で、前記圧電素子５の各表面電極１０，…に所定の電圧を印加し、反射面４の形状をフィゾー型干渉計（ＧＰＩ）で測定し、所定曲面からのずれを形状誤差（Figure Error 1）として取得した。次に、形状可変Ｘ線ミラー１を前記ミラー支持ユニット２にセットしたまま、SPring-8がある播磨学研都市に搬送した後、前記圧電素子５の各表面電極１０，…に同じ電圧を印加し、反射面４の形状をフィゾー型干渉計（ＧＰＩ）で測定し、所定曲面からのずれを形状誤差（Figure
Error 2）として取得した。図９から、両者の形状誤差は数ｎｍの範囲で非常に良く一致していることが分かる。つまり、形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４の変形再現性は非常に優れていることが確認できた。従って、形状可変線ミラー１の反射面４の形状を、Ｘ線集光光学系に組み込んだ状態で測定しなくても、ほぼ正確に修正可能である。

図１０は、前記形状可変Ｘ線ミラー１で１次元集光テストを行うための反射面４の目標形状を入射角とともに示している。反射面４の中央部の深さは約５μｍである。図１１は、ペンシルビーム法によるミラーの反射面４のスロープ誤差を測定した結果を示し、反射面４の形状を修正前と修正後で比較すると、スロープ誤差は約７μｒａｄから約１μｒａｄに改善した。前記スロープ誤差から曲率誤差を算出し、圧電素子５の各表面電極１０，…への投入電圧を計算し、それを実行することにより、図１２に示すように、形状誤差が約５０ｎｍから約１０ｎｍに改善できることが計算で得られた。

図１３は、At-wavelength形状計測法による形状修正を行って１次元集光した結果を示すグラフであり、挿入図は実線が理想プロファイル、白抜き丸が測定値である。形状可変Ｘ線ミラー１の反射面４の形状を、At-wavelength形状計測法で得られた形状誤差に関する情報に基づいて修正することによって、集光ピークが大幅に増加するとともに、ビーム幅を１２０ｎｍ程度に絞ることができ、またサテライトピークも減少し、ほぼ回折限界の集光を達成できることが分かった。

自由かつ高精度に変形できる形状可変ミラーによって、光学パラメータが可変な様々な光学系が構築可能となる。本発明によって形状可変ミラーの取り扱いが容易になるので、形状可変Ｘ線ミラーの応用が進み，様々なＸ線分析・Ｘ線顕微鏡等の分野で利用されると思われる。アダプティブＫＢミラー光学系によって、焦点距離や入射角といった光学パラメータが可変な集光光学系の構築が可能である。本システムによって２００ｎｍレベルの集光が可能となった。

１ 形状可変Ｘ線ミラー
２ ミラー支持ユニット
３ 基板
４ 反射面
５ 圧電素子
６ 固定ピン
７ 弾性ピン
８ スペーサ
９ 弾性接点
１０ 表面電極
１１ 表側支持板
１１Ａ 第１表側支持板
１１Ｂ 第２表側支持板
１２ 裏側支持板
１３ ボックス体
１４ 開口溝
１５ 側面部材
１６ 側面部材
１７ 底面板
１８ 段部
１９ 入出射口
２０ 開口部
２１ 接続端子
２２ 電極ピン
２３ 貫通穴
２４ コネクタ装着穴
２５ 裏面電極
２６ 電源

Claims (6)

1. 所定厚さの四角形板状の基板表面の中央部に沿って反射面を形成し、該反射面の両側に沿った表裏両面に帯状の圧電素子が貼り付けられ、各圧電素子の上には表面電極が一定間隔毎に多数設けられている形状可変Ｘ線ミラーを、ミラー支持ユニットに間隔を置いて平行に固定された表側支持板と裏側支持板との間に、複数のピンとスペーサによって自重による変形が最小になるように点支持するとともに、前記表側支持板と裏側支持板から突設した複数の弾性接点を前記圧電素子の各表面電極に接触させたことを特徴とする形状可変Ｘ線ミラーシステム。
2. 前記ミラー支持ユニットは、内部に空間を有し且つ一面が開放したボックス体の内部に、絶縁材料からなる前記裏側支持板を固定するとともに、前記ボックス体の開放面に前記形状可変Ｘ線ミラーの反射面に対応する開口溝を設けて絶縁材料からなる第１表側支持板と第２表側支持板を着脱可能に取付け、前記裏側支持板には前記形状可変Ｘ線ミラーの裏面を支持する３つの固定ピンを突設するとともに、前記形状可変Ｘ線ミラーの長辺２点と短辺１点を当止する３つのスペーサを突設し、前記第１表側支持板と第２表側支持板には前記固定ピンの対応する位置に、接触点が前記形状可変Ｘ線ミラーの表面に接触する方向に弾性付勢された弾性ピンを突設した請求項１記載の形状可変Ｘ線ミラーシステム。
3. 前記形状可変Ｘ線ミラーは、表裏に設けた前記圧電素子とその表面電極が表裏対称な構造であり、前記裏側支持板と表側支持板に突設した全ての弾性接点が表裏で対となり、各対の弾性接点が前記形状可変Ｘ線ミラーに及ぼす押圧力が同一直線上で逆向きである請求項１又は２記載の形状可変Ｘ線ミラーシステム。
4. 前記裏側支持板と表側支持板に設けた各弾性接点に導通した接続端子を、前記裏側支持板の裏側と前記表側支持板の表側に固定し、各接続端子に配線されたリード線が前記ミラー支持ユニットのボックス体に設けた共通のコネクタに配線されている請求項１〜３何れか１項に記載の形状可変Ｘ線ミラーシステム。
5. 前記ミラー支持ユニットのボックス体には、片側の側面の両端部に前記形状可変Ｘ線ミラーの長辺の両端部を露出させるための開口部を設け、該形状可変Ｘ線ミラーの露出部を押圧して辺縁を前記スペーサに当接して位置決めする請求項１〜４何れか１項に記載の形状可変Ｘ線ミラーシステム。
6. 前記ミラー支持ユニットのボックス体の短辺側の両側面に、前記形状可変Ｘ線ミラーの反射面にＸ線が斜入射できるように入出射口を形成している請求項１〜５何れか１項に記載の形状可変Ｘ線ミラーシステム。