JP4905193B2 - 凹面回折ミラー及びこれを用いた分光装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態に係る凹面回折ミラーが適用される分光装置1の一構成例を示す概略断面図である。分光装置1は、スリット2、凹面回折ミラー3及び受光素子アレイ4を備えている。一般的に、小型の分光装置(分光器)を達成するために、分光エンジン部分は、入射スリット、凹面回折ミラー及び受光素子アレイの3つで構成される(例えば上記特許文献1)。本実施形態ではこの分光エンジン部分を分光装置1として説明する。実際には、スリット2へ向けて光を入射させるための光学系、すなわち光源(照明)やレンズ、光源からの光をレンズに導くための反射ミラーや光ファイバーなどの光学系、並びに、受光素子アレイ4からの情報に基づいて所定の分光分析処理等を行う演算処理(制御)装置を備えているが、これらは公知の技術によって構成されるので、ここではこれらの説明は省略する。なお、図1は、スリット2から凹面回折ミラー3への入射光による入射面(plane of incidence:後述の反射面に垂直で且つ入射光線と反射光線とを含む面;入射平面)での光路図を示すものでもある。また、図1中の紙面に垂直な方向をX軸方向(X方向;以降のY、Zも同様)、紙面内の縦方向をY方向、横方向をZ方向とする。
本発明は、凹面回折ミラー3における上記回折格子を有する反射面の形状が、球面のような対称形ではなく、非対称な形状すなわち自由曲面となっていることを主な特徴点とするが、ここで先ず、この自由曲面の形状を決定するに際しての考え方(原理)について、従来の技術を引用しながら説明し、その後、具体的な実際の形状について説明する。
ただし、光学素子の製造や評価を鑑みた場合、対称性が多いほど評価項目が低減できるというメリットがある。このため、回折ミラー901は、X方向には対称形であることが好ましい。このように、上下方向には非対称形であり且つX方向には対称形であるような自由曲面(自由曲線)形状とすることで、良好な分光特性を有する回折ミラー901を実現することができるが、さらに言えば、上部Uは周辺(周縁、端部)に向かうほどより凹面パワーが弱くなり、下部Dは周辺に向かうほど凹面パワーが強くなるような非対称形であることが好ましい。
先ず、図1に戻って、分光装置1の構成における設定数値を示す。分光装置1のスリット2、凹面回折ミラー3及び受光素子アレイ4は、以下の表1(表1内の単位のX、Y、Z位置の単位はmm)に示す位置に配置される。すなわち、図1でのXYZ座標系を上記図22と同様に設定し、スリット2の射出点201の位置を原点(0、0、0)、符号301で示す点(反射点301)をセンターC(図22と同様)、符号401で示す点を受光素子アレイ4の位置決めの所定の基点(基点401)とすると、センターCの座標位置が(0、0、22.3)、基点401の座標位置が(0、19.2193、3.7401)である。また、凹面回折ミラー3の傾斜角が23°、つまりセンターC(反射点301)における凹面回折ミラー3の反射面302に対する接平面303(接平面303のYZ断面での直線)とY方向とのなす角(或いは接平面303の法線とスリット2からの入射光線とのなす角)が23°であり、受光素子アレイ4の傾斜角が46°、つまり受光素子アレイ4の受光面402とY方向とのなす角が46°である。なお、ここでの反射面302は実際の回折格子による凹凸を考慮しない謂わば仮想の面として考えている。また、図1では、スリット2からの入射光が反射点301及び両周辺付近の反射点304、305の各点で反射した光はそれぞれ、波長に応じて(ここでは7種類の波長を例に示す)異なる受光点403、404・・・に集光されることを示している。
但し、C=1/Rである(記号「/」は除算を示す)。
反射面302上の回折格子のピッチ:2.26μm(詳細は後述する)
スリット2の開口寸法(スリット幅):Y方向90μm、X方向0.90mm
受光素子アレイ4の各CCD(受光素子)の寸法:Y方向50μm、X方向1.00mm(CCD画素数:上記105画素;360nm〜780nm)。ただし、受光素子アレイ4のY方向とは受光面402における紙面方向を示す。
スリット側NA:上記0.25
凹面回折ミラー3の実際の製作について説明する。凹面回折ミラー3は凹面回折ミラー基材に直接加工を施して製作するのではなく、先ず金型基材に対する加工(金型加工;コア加工)を行い金型510を製作する。この金型加工は機械加工で行った。すなわち図12に示すように、1つが上記約220nmの長さの各回折格子をバイト501を用いて加工した(因みに、従来はホログラフィック露光して横からイオンエッチングする)。ただし、金型510の表面には、上記図5で説明した自由曲面312上の回折格子列(回折格子320)の形状に対応する(逆形状の)回折格子(金型回折格子という)が凸面状に形成される。この加工に際しては、例えば10nmの先端径(半径)を有して軸回転するバイト501を用いて、図13(a)に示すように金型部材表面に対して例えば10nmピッチの加工周期で加工(切削加工)することで各金型回折格子を形成する(図13(b)は当該バイト501で加工した後の実際の金型回折格子表面の形状を示している)。このとき、金型510に対してバイト501先端を例えば図14に示すようにX方向に沿って上記10nmピッチで位置をずらしながら直線的に往復させて加工を行う。このような加工によって、金型510上に、X方向に直線の(上記接平面303上に投影して直線である)金型回折格子が形成される。
図17は、第2の実施形態に係る凹面回折ミラーが適用される分光装置1aの一構成例を示す概略断面図である。分光装置1aも分光装置1と同様にスリット2、凹面回折ミラー3及び受光素子アレイ4を備えている。ただし、凹面回折ミラー3の構成と(ここでの凹面回折ミラーを凹面回折ミラー3aとする)、これら各部の配置とが分光装置1とは異なる。
反射面302a上の回折格子のピッチ:2.45μm
スリット2の開口寸法(スリット幅):Y方向90μm、X方向0.90mm
受光素子アレイ4の各CCD(受光素子)の寸法:Y方向50μm、X方向1.00mm(CCD画素数:上記105画素;360nm〜780nm)。
スリット側NA:上記0.20
2 スリット
201 射出点
3、3a 凹面回折ミラー
301、304、305 反射点
302、302a 反射面
303、303a 接平面
311 基準球面
312、312’ 自由曲面
320、320a 回折格子
4 受光素子アレイ
401 基点
402 受光面
403、404 受光点
510 金型
710、720、730、740、750、760 横収差図
810、820、830 スポットダイヤグラム
C センター(中心点)
D 下部
U 上部
Claims (7)
- 凹面で且つ非球面であるとともに表面に回折格子が形成された反射面、を備える凹面回折ミラーであって、
前記回折格子は、前記反射面の中心点を通る面であるとともに該回折格子の分散方向の面である仮想的な基準面に対して面対称な形状であり、且つ、前記中心点を通る仮想的な基準球面の該中心点での仮想的な接平面に対して該接平面法線方向に投影してなる形状が前記基準面と直交する方向に直線となる形状であり、
前記反射面の前記基準面方向における断面形状は、前記中心点を挟んだ一方側の断面形状の曲率が該中心点からの離間距離が大きくなるほど前記基準球面の曲率よりも小さくなり、他方側の断面形状の曲率が該中心点からの離間距離が大きくなるほど前記基準球面の曲率よりも大きくなる形状であることを特徴とする凹面回折ミラー。 - 前記回折格子は、前記反射面上に並列配置された複数本の回折格子であり、前記接平面上に該複数本の回折格子が投影されてなる回折格子同士の間隔が等間隔となることを特徴とする請求項1に記載の凹面回折ミラー。
- 凹面で且つ非球面であるとともに表面に回折格子が形成された反射面、を備える凹面回折ミラーであって、
前記回折格子が、前記反射面の中心点を通る面であるとともに該回折格子の分散方向の面である仮想的な基準面に対して面対称な形状であり、且つ、前記中心点を通る仮想的な基準球面の該中心点での仮想的な接平面に対して該接平面法線方向に投影してなる形状が前記基準面と直交する方向に直線となる形状であり、
前記反射面の前記基準面方向における断面形状が、前記中心点を挟んだ一方側の断面形状の曲率が該中心点からの離間距離が大きくなるほど前記基準球面の曲率よりも小さくなり、他方側の断面形状の曲率が該中心点からの離間距離が大きくなるほど前記基準球面の曲率よりも大きくなる形状である凹面回折ミラーと、
前記凹面回折ミラーの反射面に対して光を入射するスリットであって、
前記基準面の位置で、且つ、前記反射面に対する前記中心点を通る接平面法線よりも前記他方側の位置に配置されたスリットと、
前記スリットからの入射光が前記反射面により反射されてなる分散光を波長毎に受光する受光素子アレイとを備えることを特徴とする分光装置。 - 前記受光素子アレイは、前記スリットからの入射光の前記反射面による1次回折光を前記分散光として受光し、
前記凹面回折ミラーは、ゼロ次回折光を前記受光素子アレイを挟んで前記スリットの反対側に位置させることが可能な前記反射面を備えていることを特徴とする請求項3に記載の分光装置。 - 前記受光素子アレイは、前記スリットからの入射光の前記反射面による1次回折光を前記分散光として受光し、
前記凹面回折ミラーは、ゼロ次回折光を前記受光素子アレイと前記スリットとの間に位置させることが可能な前記反射面を備えていることを特徴とする請求項3に記載の分光装置。 - 前記受光素子アレイは、該受光素子アレイの各受光素子が前記基準面と直交する方向に長い矩形であることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の分光装置。
- 前記スリットは、該スリットの各スリット開口が前記基準面と直交する方向に長い矩形であることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の分光装置。
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