KR20130100686A - 분광 광학계 및 분광기 - Google Patents

분광 광학계 및 분광기 Download PDF

Info

Publication number
KR20130100686A
KR20130100686A KR1020130012857A KR20130012857A KR20130100686A KR 20130100686 A KR20130100686 A KR 20130100686A KR 1020130012857 A KR1020130012857 A KR 1020130012857A KR 20130012857 A KR20130012857 A KR 20130012857A KR 20130100686 A KR20130100686 A KR 20130100686A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical system
diffraction grating
light
input
mirror
Prior art date
Application number
KR1020130012857A
Other languages
English (en)
Inventor
히로카즈 타츠타
에이이치 타나카
스구루 도와키
Original Assignee
소니 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 소니 주식회사 filed Critical 소니 주식회사
Publication of KR20130100686A publication Critical patent/KR20130100686A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0213—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using attenuators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/14—Generating the spectrum; Monochromators using refracting elements, e.g. prisms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0905—Dividing and/or superposing multiple light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0933—Systems for active beam shaping by rapid movement of an element
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명의 분광 광학계는 제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는 반사부재와, 에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상으로 배치된 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사하는 회절격자와, 상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된 입력소자를 구비한다.

Description

분광 광학계 및 분광기{SPECTROMETRIC OPTICAL SYSTEM AND SPECTROMETER}
본 기술은 레이저광을 이용한 분광 광학계 및 이것을 이용한 분광기에 관한 것이다.
이미징 성능이 높은 분광기로서, 오프너형(offner type)의 분광기가 알려져 있다. 오프너형의 분광기는 특허 문헌 1(예를 들면, 일본국 특개2010-181413호 공보의 명세서 단락 [0009] 참조)에 개시되어 있다.
일반적으로, 오프너형의 광학계란, 동심원형상의 2장의 거울(주경(primary mirror) 및 부경(secondary mirror))을 가지며, 확대률이 1배인 릴레이 광학계이다. 이와 같은 릴레이 광학계는, 광학 수차(aberration) 및 디스토션(distortion)이 매우 적다는 특성을 갖고 있다.
오프너형의 분광기란, 일반적으로, 상기 릴레이 광학계를 구비하고, 그 부경의 볼록면상에 마련된 볼록면 형상의 회절격자를 구비하는 분광기이다.
상기 일본국 특개2010-181413호 공보에 기재된 오프너형의 분광기는, 레이저광의 빔을 통과시키는 슬릿(20)과, 슬릿으로부터의 빔을 반사하는 요면경(concave mirror)(35)과, 이 요면경과 동심원형상으로 배치된, 그 요면경의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경을 갖는 볼록면상에 마련된 회절격자(60)를 구비한다. 센서(50)는 오프너형 분광기에서 얻어진 광을 검출한다. 슬릿과 센서는 결상 관계에 있어서, 센서의 검출면의 일방향의 축은 공간 내에서의 임의의 1축에 대응하고, 그 1축에 수직한 축은, 파장축(분산된 파장, 즉 스펙트럼 영역)에 대응한다. 이와 같은 광학계를 갖는 분광기는, 이미징 분광기라고 불리고, 슬릿상(slit image)의 디스토션을 억제할 수 있다.
이와 같이 구성된 오프너형의 분광기는, 광학 수차가 적고, 슬릿상의 디스토션이 억제되는 매우 우수한 이미징 성능을 발휘한다.
오프너형의 분광기는 일본국 특개2008-510964호 공보에도 또한 개시되어 있다.
오프너형의 분광 광학계에서, 특정한 파장 영역을 갖는 광을 검출하고자 하는 노력이 요구된다.
본 기술의 목적은, 특정한 파장 영역을 갖는 광을 검출하는데 적합한 분광 광학계 및 이것을 이용한 분광기를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 기술에 관한 분광 광학계는, 반사부재와, 회절격자와, 입력소자를 구비한다.
상기 반사부재는, 중심을 갖는 제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는다.
상기 회절격자는, 에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상의 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사한다.
상기 입력소자는, 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된다. 상기 회절광은, 상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이다.
본 기술에 의하면, 입력광과 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하는, 오목면에서 반사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는 회절광을 검출할 수 있다.
상기 회절격자는, 상기 제1의 원 및 상기 제2의 원에 동축인 중심축에 대해 직교하는 제1의 축과 교차하는 주점(principal point)을 가져도 좋다. 즉, 오목면에서 반사된 광(입력광의 반사광)의 광축이, 회절격자의 주점에서 교차한다.
상기 회절격자는, 상기 오목면에서 반사된 상기 광의 상기 회절격자에의 입사각보다 작은 출사각으로 회절광을 출사하여도 좋다.
상기 제2의 원의 반경이 R, 제1의 원의 반경이 (R/2)±5%가 되도록, 상기 반사부재의 상기 오목면, 및, 상기 회절격자의 상기 볼록형상의 각 곡률이 각각 설정되어도 좋다. 즉, 이 분광 광학계는 오프너형의 분광 광학계를 이용하고 있다.
상기 제1의 축과, 상기 제1의 축에 평행하고 상기 오목면에 입사하는 상기 입력광의 광축에 일치하는 제2의 축과의 사이의 거리가 R/5 내지 R/4라도 좋다.
상기 입력소자는, 상기 입력광을 통과시키는 슬릿을 갖는 슬릿 소자를 가져도 좋다.
상기 입력소자는, 상기 슬릿 소자로부터 출사된 상기 입력광을 반사하여 상기 오목면에 유도하는 제1의 미러, 및, 상기 오목면에서 반사된 상기 회절광을 반사하여 센서에 유도하는 제2의 미러 중 적어도 한쪽을 또한 가져도 좋다. 이에 의해, 입력소자 및 센서의 배치의 메커니컬한 간섭을 회피할 수 있다.
상기 입력소자는, 상기 제1의 미러 및 상기 제2의 미러를 포함하는 프리즘 미러를 가져도 좋다. 이에 의해, 슬릿 소자와 센서와의 사이에 프리즘 미러가 배치되고, 슬릿 소자 및 센서가 직선적으로 배치되어, 슬릿 소자, 프리즘 및 센서의 배치 스페이스를 작게 할 수 있다. 따라서 센서의 설치의 자유도를 높일 수 있다. 예를 들면, 이하와 같이 프리즘이 배치된다.
상기 제1의 미러에의 상기 입력광의 입사각이 45°가 되고, 상기 제2의 미러에의 상기 회절광의 입사각이 45°가 되도록, 상기 슬릿 소자 및 상기 프리즘이 배치되어도 좋다.
상기 슬릿 소자는, 0.03 이상 0.1 이하의 NA(Numerical Aperture)를 가져도 좋다.
상기 분광 광학계는, 상기 입력소자의 전단에 마련되고, 600㎚ 내지 1100㎚의 상기 파장 영역을 갖는 입력광을 통과시키는 밴드 패스 필터를 또한 구비하여도 좋다. 이에 의해, 미광(stray light)의 발생 등을 방지할 수 있다.
본 기술에 관한 분광기는 레이저광원과, 인터그레이터 소자와, 요동 소자와, 집광 소자와, 상기 분광 광학계와, 광학계를 구비한다.
상기 요동 소자는, 상기 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 상기 인터그레이터 소자에 유도하는 것이 가능하고, 상기 인터그레이터 소자에의 상기 레이저광의 입사각을 변화시키도록 요동한다.
상기 집광 소자는, 상기 요동 소자로부터 출사된 상기 레이저광을 집광한다.
상기 광학계는, 상기 집광 소자로부터 출사된 상기 레이저광이 모이는 면과, 상기 입력소자에 입사되는 상기 레이저광의 입력면을 광학적으로 공역으로 유지한다.
이상, 본 기술에 의하면, 특정한 파장 영역을 갖는 광을 검출하는 것에 적합한 분광 광학계 및 분광기를 제공할 수 있다.
도 1A 및 도 1B는 참고례에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면.
도 2는 본 기술의 제1의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면으로 레이저 다이오드의 단축 방향을 지면 수직 방향으로 하여 본 도면.
도 3은 요동 소자에 의한 레이저 빔이 흔들림각의 범위를 도시한 도면.
도 4는 본 기술의 제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면.
도 5A 내지 도 5C는 본 기술의 제3의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하고, 각각 90°다른 각도로 본 도면.
도 6은 본 기술의 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면.
도 7A 내지 도 7C는 그 이미지 센서로 촬영된, 스크린상에서 형성된 빔 라인의 강도 분포를 도시하는 도면.
도 8은 도 7B 및 도 7C에 각각 대응하는 조명 광학계에 의해 생성된 레이저 빔의, 장축 방향을 횡축 스케일으로 하여, 종축에 그 빔의 강도를 플롯한 그래프.
도 9A는 상기 제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계에 의해 얻어지는 조명광의 에지의 흐림을 도시하는 도면. 도 9B는 상기 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계에 있어서, 인터그레이터 렌즈의 초점 거리를 집광 렌즈의 초점 거리에 접근한 경우의, 조명광의 에지의 흐림을 도시하는 도면.
도 10A는 오프너형의 등배 광학계(릴레이 광학계)의 원리를 도시하는 도면. 도 10B는 상기 오프너형 광학계를 응용한 오프너형 분광기의 원리를 도시하는 도면.
도 11은 본 기술의 제1의 실시 형태에 관한 분광 광학계를 도시하는 도면.
도 12B 내지 도 12D는 도 12A에 도시한 회절격자의 입사면의 파선 4각 부분을 확대하여 각각 도시한 예.
도 13은 본 기술의 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계를 도시하는 도면.
도 14는 상기 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계의 실시례를 도시하는 도면.
도 15는 상기 실시례에 관한 분광 광학계에 있어서, Ar 램프의 조명을 관찰한 때의 데이터를 도시하는 도면.
도 16은 상기 실시례에 관한 분광 광학계를 현미경 광학계에 접속하여, 10㎛의 피치의 라인 앤드 스페이스를 관찰한 예를 도시하는 도면.
도 17은 상기 실시례에 관한 분광 광학계를 이용하여 측정한 Ar 램프의 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 18은 도 17에서의 파장 800㎚ 부근의 확대도.
도 19는 도 12C에서 도시한 회절격자의 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)법에 의한 회절 효율의 계산의 예를 도시하는 도면.
도 20은 한 실시 형태에 관한 라만 이미징 장치(라만 분광 측정 장치)의 광학계의 구성을 도시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 설명될 것이다.
[조명 광학계]
(참고례)
도 1A 및 도 1B는, 참고례에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면이다. 예를 들면, 도 1A 및 도 1B에서는, 이 조명 광학계(50)를 보는 방향이 각각 90°다르다.
이 참고례에 관한 조명 광학계(50)는, 레이저 다이오드(11), 콜리메이터 렌즈(13), 인터그레이터 렌즈(15), 집광 렌즈(17)를 구비한다.
간섭성을 무시한 많은 레이저 다이오드(11)의 경우, 발광점(이미터)의 형상은 개략 사각형이다. 도 1A 및 도 1B에 도시하는 예에서는, 사각형의 단축(fast axis) 및 이에 직교하는 장축(slow axis)의 레이저 빔에 있어서, 각각 다른 광학계가 이용된다. 이것은, 소망하는 애스펙트의 조사광을 스크린(19)(또는 샘플면)상에 형성하고 싶은 경우, 예를 들면, 한쪽의 광학계, 여기서는 장축 방향에 대응하는 제2의 광학계에서, 스크린(19)에 균일한 라인형상의 광을 조사시키고 싶다는 요구가 있는 경우에, 그 제2의 광학계를 쾰러 조명 광학계로 하기 위해서다.
이하에서는, 설명의 편리를 위해, 도 1A에 가리키는 광학계를 제1의 광학계라고 하고, 도 1B에 도시하는 광학계를 제2의 광학계라고 한다.
레이저 다이오드(11)로부터 출사된 레이저 빔은, 콜리메이터 렌즈(13)에서 평행광이 된다. 콜리메이터 렌즈(13)로부터 출사된 레이저 빔의 강도 프로파일은, 단축 방향에서는 가우스 분포(TEM00)를 갖는다. 한편, 장축 방향의 레이저 빔의 강도 프로파일은, 불균일한 분포(TEM05)를 갖는다.
제1 및 제2의 광학계에서 다른 점은, 인터그레이터 렌즈(15)의 형상이다. 인터그레이터 렌즈(15)로서, 복수의 실린드리컬 렌즈(15a)(렌즈 어레이)가, 레이저 빔의 장축 방향으로 배열되어 구성되는, 렌티큘러형상의 렌즈가 사용된다. 즉, 인터그레이터 렌즈(15)는, 레이저 빔에 대해 장축 방향에서 파워를 가지며, 단축 방향에서는 파워를 갖지 않는다.
도 1B에 도시하는 바와 같이, 평행광이 된 레이저 빔이 인터그레이터 렌즈(15)에 의해 분할되고, 집광 렌즈(17)에 의해 중합시켜진다. 이에 의해, 장축 방향에서는, 스크린(19)에 조사된 광의 강도가 균일화된다.
인터그레이터 렌즈(15)는, 레이저 다이오드(11)의 단축 방향에서는 파워를 갖지 않고, 가우스 분포의 강도 프로파일의 빔이 그대로 샘플면에 조사된다. 이 제1의 광학계는, 크리티컬 조명 광학계가 된다.
스크린(19)에서의 조명 폭(빔의 조사 범위)(W)은, 다음 식으로 정하여진다.
[수식 1]
Figure pat00001
p : 인터그레이터가 갖는 각 실린드리컬 렌즈(15a)의 피치
fcond : 집광 렌즈(17)의 초점 거리
finteg : 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리
수식 1은, 인터그레이터 렌즈(15)에 의한 집광 포인트의 위치와, 집광 렌즈(17)의 초점 거리(fcond)에서의 위치가 일치하도록 배치되어 있는 것을 의미한다.
이와 같이 제2의 광학계에 쾰러 조명 광학계를 채용하여도, 인터그레이터 렌즈(15)에 기인하는 간섭 줄무늬가 생기거나, 파면(wave surface)의 근소한 흔들림에 의한 스페클이 생기거나 할 가능성이 있다.
(제1의 실시 형태에 관한 조명 광학계)
도 2는, 본 기술의 제1의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하고, 레이저 다이오드(11)의 단축 방향을 지면(paper surface)에 수직한 방향으로 하여 본 도면이다.
이 조명 광학계(100)는, 레이저광원으로서 레이저 다이오드(11), 콜리메이터 렌즈(13), 요동 소자(10), 인터그레이터 소자로서의 인터그레이터 렌즈(15), 집광 소자로서의 집광 렌즈(17)를 구비한다.
인터그레이터 렌즈(15)는, 상기한 도 1A 및 도 1B에 도시한 것과 마찬가지로, 레이저 다이오드(11)의 장축 방향에서 파워를 가지며, 단축 방향에서는 파워를 갖지 않는, 렌티큘러형상의 렌즈이다. 이 때문에, 본 실시 형태에 관한 단축측의 레이저 빔의 스크린(19)(또는 샘플면)에서의 형상은, 도 1A에 도시한 것과 실질적으로 같은 형상을 가지며, 또한, 그 단축측의 광학계의 도면을 생략하고 있다.
인터그레이터 렌즈(15)의 입사면 및 출사면의 양쪽이 볼록형상으로 형성되어 있다.
또한, 상기 참고례와 마찬가지로, 인터그레이터 렌즈(15)의 파워를 갖지 않는 단축측의 광학계는, 크리티컬 조명 광학계가 된다. 이 때문에, 스크린(19)상에서의 단축 방향의 조명광의 폭은, 콜리메이터 렌즈(13) 및 집광 렌즈(17)의 각 초점 거리의 비를, 이미터의 단축 방향의 길이에 곱한 길이가 된다.
요동 소자(10)는, 콜리메이터 렌즈(13)측부터의 레이저 빔을 반사하여 인터그레이터 렌즈(15)에 유도하는 것이 가능하고, 인터그레이터 렌즈(15)에의 레이저 빔의 입사각을 변화시키도록 요동하는 소자이다.
요동 소자(10)로서, 전형적으로는 공진 미러가 사용된다. 공진 미러는, 단축 방향의 회전축(10a)을 중심으로 소정의 각도 회전하고, 및, 그 역방향으로 상기 소정의 각도 회전하는, 즉 진동하도록 구성되어 있다. 공진 미러는, 전형적으로는, 미러, 영구자석 및 코일 배선을 가지며, 전자 구동에 의해 진동한다. 예를 들면, 영구자석에 의해 형성된 자장중에서, 미러면의 주위에 마련된 코일에 교류 전류가 흐름에 의해, 미러가 공진(oscillating)된다.
요동 소자(10)의 진동수는, 이 조명 광학계(100)가 적용되는 장치에 의해 적절히 설정될 수 있디. 예를 들면, 사람이 육안으로 이 조명 광학계(100)에 조명된 대상물을 보는(또는 관찰하는) 경우, 그 진동수는, 적어도 사람이 그 진동을 지각할 수 없을 정도의 진동수이다. 또는, 이 조명 광학계(100)에 조명된 대상물을, 이미지 센서가 검출하는 경우, 그 진동수는, 그 이미지 센서의 노광 시간보다도 충분히 짧은 주기로의 진동수이다.
공진 미러가 이용되는 경우, 그 진동은 사인 커브를 형성한다. 따라서 공진 미러는 흔들림 중심에서 최고 속도로 동작하고, 최대의 편향각에서 속도가 0이 된다. 인터그레이터 렌즈(15)가 마련되지 않은 경우에, 이 공진 미러가 사용되면, 그 레이저 빔의 양단에서의 파워 밀도가 커지고, 중심이 어두워져서, 강도 얼룩이 발생하는 경향에 있다. 그러나, 인터그레이터 렌즈(15)를 이용함에 의해, 그 진동에 의한 강도 얼룩의 발생이 억제되고, 강도가 균일화된다.
다음에, 요동 소자(10)에 의해, 인터그레이터 렌즈(15)에 입사하는 레이저 빔의 입사각(θ)에 관해 설명한다.
인터그레이터 렌즈(15)에 입사하는 빔의 입사각(θ)의 범위는, 전형적으로는, 이하의 식에 의해 설정된다.
[수식 2]
Figure pat00002
n : 굴절률
r : 인터그레이터 렌즈의 곡률 반경
λ : 레이저 빔의 파장
이와 같이, 빔 각(angle)이 변조됨에 의해 스크린(19)에서 생기는 간섭 줄무늬의 위치도 변화한다. 따라서 스크린(19)에 조사된 조명은, 시간 평균하면 균일한 조명으로 간주할 수 있다.
여기서, 식 2 중에서, 입사각(θ)의 상한(uppre limit)(하기한 식 3)에 관해 설명한다.
[수식 3]
Figure pat00003
식 3으로 표시된 입사각(θ)의 범위의 의미는, 빔(여기서는 빔의 에지라고 생각하는 쪽이 이해하기 쉽다)이, 인터그레이터 렌즈(15)의 어느 단일한 실린드리컬 렌즈(15a)에 입사하고, 그 같은 단일한 실린드리컬 렌즈(15a)로부터 출사하는 조건을 나타내고 있다. 즉, 요동 소자(10)는, 인터그레이터 렌즈(15)에 입사한 레이저 빔의 진동폭이, 그 단일한 실린드리컬 렌즈(15a)의 폭 이하가 되도록 진동한다.
도 3은, 요동 소자(10)에 의한 레이저 빔이 흔들림각(여기서는 입사각(θ))의 범위를 도시한 도면이다. 도 3중, 파선으로 도시된 빔은, 제1의 실린드리컬 렌즈(15a1)에 입사하고, 그 옆의 제2의 실린드리컬 렌즈(15a2)로부터 출사하고 있다. 이 파선의 빔은, 상기한 식 1(W=pfcond/finteg)로부터 일탈한 빔이 되고, 적합한 애스펙트를 얻을 수가 없다.
식 3의 조건에 의하면, 평행광에 대해 조명광의 장축 방향에서의 에지의 상승이 가장 좋아지고, 스크린(19)상의 조명 범위가 선명해진다. 이에 대해, 빔의 입사각(θ)이 지나치게 커지면, 조명광의 장축 방향에서의 에지가 흐려진다. 또한, 집광 렌즈(17)의 초점 거리(fcond) 및 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리(finteg)의비(fcond/finteg)가 작을수록, 레이저 빔의 입사각(θ)에 대한, 그 에지의 상승 정밀도가 심각해지는 경향이 있다.
다음에, 식 2 중에서, 입사각의 하한(하기한 식 4)에 관해 설명한다.
[수식 4]
Figure pat00004
스크린(19)상에서 생기는, 인터그레이터 렌즈(15)에 기인한 간섭 줄무늬의 피치 이상의 폭으로 레이저 빔이 진동하기 때문에, 식 4를 충족시키는 것이 바람직하다. 인터그레이터 렌즈(15) 및 집광 렌즈(17)는, 각각의 초점 거리(finteg 및 fcond)에 대응하는 위치에 각각 배치된다. 이것으로부터, 스크린(19)상에서의 빔의 이동량은, 결국 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리(finteg)로 정하여지고, 이동량(a)은, a=fintegtanθ가 된다. 간섭 줄무늬의 피치는 λ·fcond/p이다. 즉, fintegtanθ>λ·fcond/p가 되는 것이 바람직하기 때문에, 상기 식 4를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 조명 광학계(100)에서는, 요동 소자(10)가, 인터그레이터 렌즈(15)에의 레이저광의 입사각을 변화시키도록 요동하기 때문에, 집광 렌즈(17)로부터 시간 평균으로 균일한 광을 출사시킬 수 있다. 즉, 인터그레이터 렌즈(15)에 의한 간섭 줄무늬나 스페클의 발생을 억제할 수 있고, 소망하는 호모지나이즈 효과를 얻을 수 있다.
또한, 요동 소자(10)의 흔들림각(입사각(θ))이 상기한 바와 같이 설정됨에 의해, 확실하게 간섭 줄무늬나 스페클의 발생을 방지할 수 있다.
여기서, 일본국 특개평8-111368호 공보에 기재된 장치는, 플라이 아이 렌즈라는 비교적 질량이 큰 소자를 메커니컬하게 진동시킨다. 그 때문에, 신뢰성이 뒤떨어지고, 또한, 장치의 장기의 사용에 견디기 어렵다는 문제가 있다. 그러나, 본 기술에 의하면 이와 같은 문제를 해소할 수 있다.
(제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계)
도 4는, 본 기술의 제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면이다. 이 이후, 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계의 설명까지는, 도 2 등에 도시한 실시 형태에 관한 조명 광학계(100)가 포함하는 부재나 기능 등에 관해 같은 것은 설명을 간략화 또는 생략하고, 다른 점을 중심으로 설명한다.
이 조명 광학계(200)는, 복수의 인터그레이터 렌즈(15)를 포함하는 인터그레이터 소자(150)를 구비한다. 제1의 인터그레이터 렌즈(151)(제1의 인터그레이터 요소)는, 요동 소자(10)에서 반사된 레이저 빔이 입사된다. 제2의 인터그레이터 렌즈(152)(제2의 인터그레이터 요소)에는, 제1의 인터그레이터 렌즈(151)로부터 분할된 레이저 빔이 입사한다.
제1의 인터그레이터 렌즈(151)는, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 레이저 빔의 장축 방향으로 파워를 각각 갖는 복수의 실린드리컬 렌즈를 갖는다. 제2의 인터그레이터 렌즈(152)도, 이 제1의 인터그레이터 렌즈(151)와 같은 구성을 가지며, 광축 방향에서 제1의 인터그레이터 렌즈(151)의 각 실린드리컬 렌즈에 대응하도록 각각 배치된 동일 수의 실린드리컬 렌즈를 갖는다. 즉, 양쪽의 인터그레이터 렌즈(151 및 152)의 각 실린드리컬 렌즈의 렌즈 피치가 실질적으로 같게 되어 있다. 이에 의해, 제1의 인터그레이터 렌즈(151)의 각 실린드리컬 렌즈에서 분할된 레이저광이, 그들 실린드리컬 렌즈에 광축 방향에서 각각 대응하는, 제2의 인터그레이터 렌즈(152)의 실린드리컬 렌즈에 각각 입사한다.
또한, 제1의 인터그레이터 렌즈(151)의 출사면 및 제2의 인터그레이터 렌즈(152)의 입사면은, 각각 평면으로 형성되어 있다.
2개의 인터그레이터 렌즈(151 및 152)의 각 실린드리컬 렌즈의 곡률, 즉 파워도 실질적으로 같게 되는 것이 바람직하다. 또한, 제1의 인터그레이터 렌즈(151)의 초점 위치가, 제2의 인터그레이터 렌즈(152)의 주(主)평면(152a)에 위치하도록, 양자가 배치되는 것이 바람직하다. 주평면(152a)은, 제2의 인터그레이터 렌즈(152)의 각 볼록면의 정점을 통과하는 평면이다.
이상과 같이 구성된 제2의 인터그레이터 렌즈(152)는, 필드 렌즈로서의 기능을 다한다.
예를 들면, 상기 제1의 실시 형태와 같이 하나의 인터그레이터 렌즈(15)가 사용되는 경우, 조건(인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리가, 집광 렌즈(17)의 거리에 근접하는 경우)에 의해서는, 스크린(19)상에서의 조사광의 에지의 선예도가 손상되는 경우가 있다. 이에 대해 본 실시 형태에서는, 제1의 인터그레이터 렌즈(151)에 의해 외측으로 쓰러진 광을, 제2의 인터그레이터 렌즈(152)가 내향으로 되돌리도록 작용한다. 이에 의해, 집광 렌즈(17)에서의 중합이 향상하여, 조명광의 에지를 선예화할 수 있다.
또한, 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리가, 집광 렌즈(17)의 초점 거리에 비교적 가까운 경우를 상정하여도, 집광 렌즈(17)의 초점 거리의 쪽이, 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리와 비교하고, 10 내지 20배 정도 크다.
(제3의 실시 형태에 관한 조명 광학계)
도 5A 내지 도 5C는, 본 기술의 제3의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하고, 각각 90°다른 각도에서 본 도면이다.
본 실시 형태에 관한 조명 광학계(300)는, 2개의 요동 소자로서, 제1의 요동 소자(31)와, 제2의 요동 소자(32)를 구비하고 있다. 이러한 요동 소자(31 및 32)로서, 상기 제1 및 제2의 실시 형태와 마찬가지로, 공진 미러가 사용된다. 제1의 요동 소자(31)는, 레이저 빔의 단축(Z축)을 회전축으로 하여 진동한다. 제2의 요동 소자(10)는, 레이저 빔의 장축(Y축)을 회전축으로 하여 진동한다.
콜리메이터 렌즈(13)로부터 Y축방향에 따라 출사한 레이저 빔은, 제1의 요동 소자(31)에 의해 장축 방향으로 진동하도록 반사되고, 이에 의해 X축방향으로 진행한다. 제1의 요동 소자(31)에서 반사된 레이저 빔은, 제2의 요동 소자(32)에 의해 단축 방향에 진동하도록 반사되고, 이에 의해 Z축방향으로 진행한다.
인터그레이터 렌즈(인터그레이터 소자)로서는, 도 5B 및 C에 도시하는 바와 같이, 그들 단축 및 장축의 양방향의 파워를 갖는 플라이 아이 렌즈(35)가 사용된다. 즉, 플라이 아이 렌즈(35)는, 볼록 렌즈가 매트릭스형상으로 배열된 렌즈 어레이를 갖는다.
본 실시 형태에서도, 상기 식 1이, 단축 및 장축의 양쪽에서 각각 성립하고, 또한, 상기 식 2도, 단축 및 장축의 양쪽에서 각각 성립한다.
본 실시 형태에 의하면, 장축 및 단축의 양방향으로 간섭 줄무늬 및 스페클의 발생을 억제하고, 그들 양방향에서의 스크린(19)상의 조사광을 균일하게 할 수 있다.
(제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계)
도 6은, 본 기술의 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계를 도시하는 도면이다.
조명 광학계(400)는, 제1의 실시 형태에 관한 조명 광학계(100)를 주로 라만 분광 측정 장치(라만 이미징 장치)의 조명 광학계로서 적용한 일례이다. 라만 산란광이란, 샘플에 레이저광을 맞힌 경우에, 샘플을 구성하는 분자의 분자 진동분만큼 파장이 시프트하여 발생한 산란광이다. 라만 이미징이란, 그 산란광의 스펙트럼을 2차원으로 검출하는 장치이다.
라만 이미징 장치는, 이 조명 광학계(400)를 이용하여, 균일한 라인상(上)의 조명을 만들고, 샘플을 조명한다. 스톡스 라만 산란 검출의 경우, 나중에도 기술하는 바와같이, 그 조명에 의해 여기된 라만 산란광의 특정 파장 영역을 하이패스 필터로 제한하고, 분광 장치(분광 광학계)에 입사시킨다.
조명 광학계(400)는, 레이저 다이오드(11), 콜리메이터 렌즈군(130), 아이솔레이터(12), ND 필터(14), 볼록면 실린드리컬 렌즈(161), 오목면 실린드리컬 렌즈(162), 요동 소자(10), 인터그레이터 렌즈(15), 집광 렌즈(17), 및, 레이저 라인 필터(21)을 구비한다.
라만 산란 여기용의 레이저의 선폭은 산란광의 선폭에 영향을 준다. 따라서 레이저의 단색성으로서 반값폭 0.1㎚ 정도가 요구되고, 그 레이저는 코히렌시도 높다. 전형적으로는, 레이저광원으로서, 파장 785㎚의 레이저 다이오드가 사용된다.
레이저의 이미터의 형상은 단축 1㎛×장축 100㎛이고, 멀티 모드 레이저 다이오드가 사용된다. 또한, 단색성 및 온도 특성을 개선하기 위해, 콜리메이터 렌즈군(130)에 의한 콜리메이트 후에, 파장 선택 외부 공진기로서 회절격자가 마련된 경우도 있다. 이 레이저광원의 FFP(Far Field Pattern)는, TEM05상으로 불균일한 빔 프로파일을 갖고 있다.
이 레이저 다이오드(11)의 광원은, 14000㎛×80㎛의 균일한 고(高)애스펙트의 광원이 되도록 성형되어 있다. 애스펙트는 이 경우 라만 분광기로 검출하는 영역과 슬릿 폭과 같은 정도가 되도록 결정된다.
콜리메이터 렌즈군(130)은, 예를 들면 단축용 콜리메이터 렌즈(131) 및 장축용 콜리메이터 렌즈(132)를 갖는다.
아이솔레이터(12)는, 편광빔 스플리터(121) 및 λ/4판(122)을 갖는다. 아이솔레이터(12)는, 콜리메이터 렌즈군(130)으로부터의 레이저 빔을 투과하고, λ/4판(122)보다 후단의 각 소자로부터 반사한 레이저 빔이 레이저광원에 디돌아오지 않도록 편광빔 스플리터(121)에 의해 반사한다.
ND 필터(14)는, 레이저 빔의 농도(광량)를 조정하는 필터이다.
볼록면 실린드리컬 렌즈(161) 및 오목면 실린드리컬 렌즈(162)는, 평행광인 채로 그 빔 지름을 4.8배로 확대한다.
요동 소자(10)로서는, 상기 제1 및 제2의 실시 형태와 마찬가지로, 공진 미러가 사용된다. 공진 미러의 회전축은, 단축 방향에 따라 마련되어 있다.
인터그레이터 렌즈(15)는, 상기 제1 및 2의 실시 형태에서 도시한 바와 같이, 장축 방향으로 배열된 복수의 실린드리컬 렌즈의 렌즈 어레이를 갖는다. 이 조명 광학계(400)는, 단축측은 크리티컬 조명이기 때문에 호모지나이즈가 불필요하고, 인터그레이터 렌즈(15)는 단축 방향에서는 단순한 반사면으로서 기능한다.
또한, 도 6에서는, 이 인터그레이터 렌즈(15)를 통과하는, 진동하는 레이저 빔을 확대하여 도시하고 있다.
집광 렌즈(17)의 초점 거리와 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리의 비(fcond/finteg)는 56이다. 그 때문에, 공진 미러에 의한 레이저 빔이 흔들림각에 대해, 스크린(19)상(샘플면)에서의 조사광의 이동량은 작게 억제된다. 인터그레이터 렌즈(15)에 의해 발생하는 레이저 빔의 간섭 줄무늬의 피치는 약 300㎛이고, 샘플면에서의 조명광의 진동량이 2배의 약 600㎛가 되도록, 공진 미러의 흔들림각은 1.5° 정도가 된다. 또한, 그 흔들림각은, 상기 식 2를 충족시킨다.
공진 미러의 진동수는, 후술하는 분광 장치의 이미지 센서의 노광 시간보다도 충분히 짧은 주기의 진동수이고, 예를 들면, 그 이미지 센서에 의한 노광 시간의 1/10 정도의 주기면 좋다. 전형적으로는, 그 진동수는, 약 560Hz의 공진 주파수이다.
레이저 라인 필터(21)는, 레이저의 기슭을 컷트하고, 또한, 렌즈 안에서 생긴 형광이나 라만 산란광을 컷트한다.
도 7A 내지 도 7C는, 그 이미지 센서로 촬영된, 스크린(19)상에서 형성된 빔 라인의 강도 분포를 나타내고 있다. 횡방향이 장축 방향을 나타낸다.
도 7A는, 인터그레이터 렌즈(15)가 없고, 또한, 공진 미러의 진동을 없앤(단순한 미러로서 사용한) 경우를 도시한다. 이 예에서는, 빔의 강도 분포는 TEM05상의 마디를 갖고 있고, 레이저 다이오드(11)의 이미터 형상을 그대로 관찰하고 있는 상태, 즉 크리티컬 조명으로 되어 있다.
도 7B는, 인터그레이터 렌즈(15)가 마련되고, 공진 미러의 진동을 없앤 경우를 도시한다. 이 예는, 쾰러 조명 광학계를 실현하고 있지만, 인터그레이터 렌즈(15)에 기인한 간섭 줄무늬가 관찰된다.
도 7C는, 본 기술에 관한 제4의 실시 형태의 경우를 도시한다. 도 7A로 보여지는마디 및 도 7B로 보여지는 간섭 줄무늬를 캔슬할 수 있게 되어 있다.
도 8은, 도 7B 및 도 7C에 각각 대응한 조명 광학계에 의해 생성된 레이저 빔의, 장축 방향을 횡축 스케일로 하여, 종축에 그 빔의 강도를 플롯한 그래프이다. 종축의 강도는, 디지털 값으로 나타나고 있다. 실선으로 표시된 제4의 실시 형태에 관한 조명광의 강도 분포의 균일성이, 도 7C의 경우와 비교하고 대폭적으로 향상하고 있음을 확인할 수 있다.
다음에 스크린(19)에 조사되는 조사광의 에지의 흐림에 관해 설명한다.
도 9A는, 상기 제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계(200)에 의해 얻어지는 조명광의 에지의 흐림을 도시한다. 도 9A의 위가, 강도 분포를 나타내고, 도 9A의 아래가 강도 분포의 프로파일을 나타낸다. 이 실험은, 상기 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계(400)에서의 하나의 인터그레이터 렌즈(15)를, 제2의 실시 형태에 관한 조명 광학계(200)와 같이, 2개 1조(組)의 인터그레이터 소자(150)로 치한한 장치로 행하여졌다.
한편, 도 9B는, 상기 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계(400)에서, 위에서 설명한 바와 같이 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리를 집광 렌즈(17)의 초점 거리에 접근한 경우의, 조명광의 에지의 흐림을 도시한다. 공진 미러에서 반사된 레이저 빔이 인터그레이터 렌즈(15)에 사(斜)입사하는 경우(레이저 빔이 진동하기 때문에)에 이와 같은 현상이 보여진다. 그러나, 상기 제2의 실시 형태와 같이 2개 1조의 인터그레이터 소자(150)가 사용됨에 의해, 도 9A에 도시하는 바와 같이, 에지의 흐림의 발생을 억제할 수 있다.
물론, 인터그레이터 렌즈(15)의 초점 거리 및 집광 렌즈(17)의 초점 거리가 비교적 떨어진 값이라면, 조명 광학계(400)를 이용하여도 이와 같은 에지의 흐림의 발생은 일어나지 않는다.
또한, 도 9A 및 도 9B의 각 위의 도면은, 그레이 스케일이여서 알기 어렵지만, 이들의 오리지널의 도면은 컬러도로 도시된다.
이상과 같이, 상기 각 실시 형태에 관한 조명 광학계가 분광 측정용 광조사 장치에 적용됨에 의해, 균일한 조명광을 얻을 수 있고, 휘도 균일성이 높은 화상의 취득을 실현할 수 있다. 분광기치로 전형적으로는 라만 이미징 장치를 들 수 있지만, 다른 분광기라도 좋다.
이상 설명한 각 실시 형태에 관한 조명 광학계는, 분광기 외에, 프로젝터 등에도 적용 가능하다. 또는, 상기 각 실시 형태에 관한 상기 조명 광학계는, 노광 장치나 어닐 장치 등, 프로세스 장치에도 적용 가능하다. 조명 광학계가 프로세스 장치에 적용된 경우, 제조된 디바이스의 성능의 면 균일성을 향상시킬 수 있다.
[분광 광학계]
이하, 분광 광학계에 관해 설명한다.
우선, 오프너형 광학계 및 이것을 이용한 오프너형 분광기를 설명한다.
(참고례에 관한 오프너형 광학계)
도 10A는, 오프너형의 등배(same magnification) 광학계(릴레이 광학계)의 원리를 도시하는 도면이다. 이 오프너형 광학계(40)는, 제1의 원(circle)(의 일부)에 따라 마련된 주경(41)과, 제2의 원(의 일부)에 따라 마련된 부경(42)을 갖는다. 주경(41)은 요면경이고, 부경(42)은 철면경(convex mirror)이다.
이 오프너형 광학계(40)에 입력되고 주경(41)에 입사한 광(46)은, 주경(41)에서 반사되고, 부경(42)에서 반사되고, 재차 주경(41)에서 반사되여, 이 오프너형 광학계(40)로부터 출력된다. 이와 같은 오프너형의 릴레이 광학계는, 광학 수차 및 디스토션이 매우 적다는 특성을 갖고 있다.
(참고례에 관한 오프너형 분광기)
도 10B는, 상기 오프너형 광학계(40)를 응용한 오프너형 분광기(45)의 원리를 도시하는 도면이다.
오프너형 분광기(45)는, 도 10A에 도시한 광학계의 부경(42)의 대용으로서, 회절격자(47)가 사용된다. 즉 이 회절격자(47)의 광의 입사면의 전체 형상은, 그 제2의 원에 따른 볼록형상으로 형성되어 있다. 슬릿(43)을 통하여 입력된 광이, 주경(41)에서 반사되고, 회절격자(47)에 입사한다. 회절격자(47)로부터 출사된 특정 파장 영역의 회절광(48)은, 재차 주경(41)에서 반사되고, 소정 위치에 배치된 이미지 센서(44)에 입사한다. 이미지 센서(44)는 이 회절광(48)을 검출한다.
상기한 바와 같이, 이와 같은 오프너형의 광학계를 갖는 분광기(45)는, 이미징 분광기라고 불리고, 슬릿 상(slit image)의 디스토션을 억제할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 오프너형 분광기에 관한 기술은, 예를 들면 상기 일본국 특개2008-510964호 공보)에 개시되어 있다.
(제1의 실시 형태에 관한 분광 광학계)
도 11은, 본 기술의 제1의 실시 형태에 관한 분광 광학계를 도시하는 도면이다.
이 분광 광학계(500)는, 상술한 오프너형의 광학계를 이용한다. 분광 광학계(500)는, 슬릿 소자(53)와, 반사부재(51)(상기 주경에 상당)와, 회절격자(52)를 구비한다.
슬릿 소자(53)는, 슬릿을 가지며, 입력소자의 전부 또는 일부로서 기능한다. 슬릿 소자(53)는, 외로부터 이 분광 광학계(500)에 입력된 입력광(여기서는 레이저 빔)의 지름을 슬릿에 의해 조이고, 그 입력 빔(56)을 반사부재(51)의 오목면에 유도한다. 도시하지 않지만, 광축 방향에서 본 슬릿의 형상은, 전형적으로는 원형이다. 슬릿 형상은, 그 밖에, 다각형, 타원, 라인형상 등 등이라도 좋다.
슬릿 소자(53)는, 입력 빔(56)의 퍼지는 갇을 나타내는 NA(Numerical Aperture)로서 0.1 정도, 또는 그 이하의 NA의 빔을 형성하는 슬릿을 갖는다.
반사부재(51)는, 가상의(virtual) 제1의 원(C1)에 따라 마련된 오목면을 가지며, 이 오목면에서 슬릿 소자(53)로부터의 입력 빔을, 회절격자(52)를 향하여 반사한다.
회절격자(52)는, 가상상의 제2의 원(C2)에 따라 볼록형상으로 마련되어 있다. 즉, 회절격자(52)의 입사면의 전체 형상이 볼록형상으로 형성되어 있다.
제1의 원(C1) 및 제2의 원(C2)은, 동심원 관계에 있다. 제1의 원(C1)의 곡률 반경을 R로 하면, 제2의 원(C2)의 곡률 반경은, 실질적으로 R/2이 되도록, 반사부재(51)의 오목면 및 회절격자(52)의 입사면의 각 곡률이 설정되어 있다. R/2이라는 숫자는, 오프너형의 분광 광학계(500)를 실현하는 것이 목적이 된 값이고, 그것을 실현할 수 있다면, 오차의 범위((R/2)±5%)를 포함하여도 좋다. 즉, R/2±(R/2×0.05)이다.
회절격자(52)는, 다음과 같은 배치로 설정되어 있다. 제1의 원(C1) 및 제2의 원(C2)에 동축인 중심축(C0)(도 중, Z축에 따른 축)에 직교하는(Y축에 따른) 축(제1의 축)(D1)과, 이 회절격자(52)가 교차하는 점이, 이 회절격자(52)의 주점이 되도록 회절격자(52)가 배치되어 있다. 반사부재(51)의 오목면에서 반사된 입력 빔(56)은, 이 주점에 교차하도록 입사각(α)으로 회절격자(52)에 입사한다. 이하에서는, 상기 제1의 축(D1)을, 설명의 편의상, 중심 직교축(D1)이라고 한다.
슬릿 소자(53)를 출사한 입력 빔(56)의 광축은, 중심 직교축(D1)에 평행하게 되어 있다. 중심 직교축(D1)과, 이 반사부재(51)에 입사한 입력 빔(56)의 광축에 일치한 축(제2의 축)(D2)와의 거리(L)는 R/5<L<R/4로서 설정된다.
도 12B 내지 도 12D는, 도 12A에 도시한 회절격자(52)의 입사면(521)의 파선 4각 부분을 확대하여 각각 도시한 예이다.
도 12B에 도시하는 회절격자(52B)는, 블레이즈형의 회절격자(52)이다. 블레이즈각(β)은, 19 내지 23°정도이다. 블레이즈 정각(γ)은 90°이다. 이 경우, 이 회절격자(52B)의 입사면(521)의 긴 변(521a)이, 입력 빔에 수직하게 되도록, 즉, 입사각이 0°가 되도록, 입력 빔 및 회절격자(52)의 배치가 설정된다. 이에 의해, 회절 효율이 최대화된다.
도 12C에 도시하는 회절격자(52C)는, 상기와 마찬가지로 블레이즈형의 회절격자이다. 이 회절격자(52C)와, 도 12B의 회절격자(52B)와 다른 점은, 블레이즈 정각(γ')이 90°보다 크게 형성되어 있다. 이 예에서는, 입력 빔의 입사각이 α(=180-β-γ')로 되어 있다. 즉, 입사각은 상기한 바와 가은 0°가 아니라도 좋다.
도 12D에 도시하는 회절격자(52D)는, 홀로그래픽이라고 불리는 사인파 형상의 입사면을 갖는 회절격자(52)이다. 회절 효율은, 도 12B 및 도 12C에 도시하는 예에 비하여 뒤떨어진다.
도 12B 내지 도 12D에 도시한 회절격자(52B 내지 D)의 피치는, 전형적으로는 1250㎚가 되지만, 이것으로 한정되지 않는다. 이 피치는, 검출 대상이 되는, 회절광의 파장 영역에 따라 다르다.
이들 회절격자(52)의 홈의 깊이는, 검출 대상이 되는 상기 파장 영역의 중심 파장(λ3)으로 하면, 그 반분(λ3/2)이 된다.
이들 회절격자(52)의 1㎜당의 홈의 수는, 300 내지 1000, 400 내지 900, 또는, 500 내지 800이다.
상기한 바와 같이 구성된 회절격자(52)로부터 출사된 λ1 이상 λ2 이하(도 11 참조)의 파장 영역을 갖는, 반사부재(51)의 오목면에서 반사된 회절광(58)이, 슬릿 소자(53)로부터 출사된 입력 빔(56)과 회절격자(52)의 에지부(52a)와의 사이를 통과한다. 즉, 상기 파장 영역을 갖는 회절광은, 중심 직교축(D1)에 대해 입사 빔 측에 출사하고, 그 회절격자(52)로부터의 출사각은 상기 입사각(α) 보다 작다. 상기한 바와 같이 NA가 0.1 정도, 또는 그 이하이기 때문에, Y축방향에 따르는, 입력 빔(56)과 회절광(58)이 혼합되는 일은 없다. λ1의 단파장을 갖는 회절광(58)은, 중심 직교축(D1) 가까이의 영역을 나아가고, λ2의 장파장을 갖는 회절광(58)은, 입력 빔(56)의 광축 가까이의 영역을 진행한다.
이것은, 도 11에서의 X-Y평면에서 성립하는 사실이다. 즉, 오목면에 입사되는 입력 빔(56)의 광축, λ1의 회절광의 광축, λ2의 회절광의 광축, 및, 중심 직교축(D1)은, 실질적으로 동일한 X-Y평면 내에 있는 축이다.
NA는 0.03 이상인 것이 바람직하다.
또한, 중심 직교축(D1)과, 파장(λ2) 회절광의 광축과의 거리는, R/5보다 작게 설정되어 잇다.
예를 들면, λ1은 600㎚, λ2은 1100㎚가 된다. 또는, λ1은 700㎚, λ2은 1000㎚가 된다.
이와 같이 하여, 입력 빔(56)과 회절격자(52)의 에지부(52a)와의 사이를 통과하여, 분광 광학계(500)를 출력한 회절광(58)은, 소정 위치에 배치된 이미지 센서(54)에 의해 검출된다. 이미지 센서(54)는, 예를 들면 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등이 사용된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 이 오프너형의 분광 광학계(500)는, 입력 빔(56)과 회절격자(52)의 에지부(52a)와의 사이의 영역을 회절광이 통과하는 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는 회절광(58)을 검출할 수 있다.
또한, 이 분광 광학계(500)는 오프너형이기 때문에, 광학 수차가 적고, 슬릿 소자(53)로부터 입력된 입력 빔 상의 디스토션을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 의하면, 이미지 에어리어가 광대한 이미징 분광기 및 라만 이미징 장치를 제공할 수 있다.
또한, 이 제1의 실시 형태에 관한 분광 광학계(500)에서는, NA가 주로 0.1 이하로 되었다. 이 NA의 제한은, 이 분광 광학계(500)가 후술하는 현미경 광학계에 접속되는 것을 전제로 하고 있다. 현미경 광학계의 대물 렌즈의 입구의 NA는, 많은 경우, 해상도를 높이기 위해 매우 큰 값으로 설정된다. 예를 들면 확대율 60배의 대물 렌즈이라면 NA는 0.7 등이 보통이다.
역으로, 분광 광학계(500)의 출구측인 이미지 센서(54)(카메라)가 장착되는 측의 NA는 매우 작고 0.012 정도가 된다(0.7/60=0.012). 따라서 분광 광학계(500)의 밝기의 지표로서 NA의 크기를 비교하는 경우가 있지만, 현미경 광학계의 카메라의 부착 포트의 이미지면에 슬릿 소자(53)가 직접 설치되는 경우는, 큰 NA는 불필요하다. NA가 0.1 정도까지 대응하고 있으면 충분하고, 분광 광학계(500)의 전체의 밝기는, 주로 현미경 광학계의 대물 렌즈의 NA에 의해 정해진다.
(제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계)
도 13은, 본 기술의 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계(600)를 도시하는 도면이다. 이 이후, 도 11에 도시한 실시 형태에 관한 분광 광학계(500)가 포함하는 부재나 기능 등에 관해 같은 것은 설명을 간략화 또는 생략하고, 다른 점을 중심으로 설명한다.
분광 광학계(600)는, 입력소자로서, 슬릿 소자(53) 및 프리즘 미러(55)를 구비한다. 프리즘 미러(55)는, 제1의 미러면(551)과, 이에 직각의 면인 제2의 미러면(552)을 갖는다. 즉, 이것은 직각 프리즘 미러이다. 이들, 제1의 미러면(551) 및 제2의 미러면(552)은, X축방향에 대해 45°기울어지도록 배치되어 있다.
이미지 센서(54)는, 예를 들면 제1 및 제2의 원(C1 및 C2)의 중심의 가까이에 배치되고, 제2의 미러면(552)으로부터 출사된 회절광을 검출한다.
제1의 미러면(551)에 45°의 입사각으로 입사하고, 즉 X축방향에 따라 입사한 입력 빔은, 그 제1의 미러면(551)에서 45°의 반사각으로 반사된다. 그리고 입력 빔은, Y축방향에 따라 반사부재(51)의 오목면에 유도된다. 또한, 회절격자(52)에서 회절되어, 오목면에서 반사된 회절광은, Y축방향에 따라 제2의 미러면(552)에 45°의 입사각으로 입사한다. 그리고, 제2의 미러면(552)에서 45°의 반사각으로 반사되어, X축방향에 따라 이미지 센서(54)에 유도된다.
제1의 미러면(551) 및 제2의 미러면(552)이 교차하는 부분인 정부(553)와, 중심 직교축(D1)과의 거리(M)는, 전형적으로는, 다음과 같이 설정된다. 검출하여야 할 가장 긴 파장인 λ2의 Y축방향의 광축과, 입력 빔의 Y축방향의 광축이, 정부(553)를 통과한 Y축방향에 따른 선에 대해 대칭이 되도록, 상기 거리(M)가 설정된다.
본 실시 형태에서는, 프리즘 미러(55)가 마련됨에 의해, 입력 빔을 중심 직교축(D1)에 직교하는 방향(X축방향)에 따라 입사시킬 수 있고, 또한, 회절광을 X축방향에 따라 출사시킬 수 있다. 이에 의해, 슬릿 소자(53) 및 이미지 센서(54)가 프리즘 미러(55)를 끼우고 직선적으로 배치되어, 슬릿 소자(53), 프리즘 미러(55) 및 이미지 센서(54)의 배치 스페이스를 작게 할 수 있다. 따라서 이미지 센서(54)의 설치의 자유도를 높일 수 있다. 또한, 이와 같은 스페이스 절약화를 도모함에 의해, 분광 광학계(600)의 소형화를 실현할 수 있다.
여기서, 상기 제1의 실시 형태에 관한 분광 광학계(600)에서는, 입력광과, 출력 광인 회절광과의 거리가 가까워진다. 따라서 슬릿 소자(53) 및 이미지 센서(54)(카메라)의 물리적 크기에 의해서는, 그것들을 X축방향에 따르고 배치시킬 수가 없는 경우도 있고, 이러한 레이아웃을 심플하게 구성할 수 없는 경우가 있다. 그러나, 이 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계(600)에 의하면, 슬릿 소자(53) 및 이미지 센서(54)가 직선적으로 배치되고, 기계적 레이아웃이 심플하게 된다.
분광 광학계(600)는, 슬릿 소자(53)의 전단에, 600㎚ 내지 1100㎚의 파장 영역을 갖는 입력광을 통과시키는 밴드 패스 필터를 구비하고 있어도 좋다. 이 밴드 패스 필터에 의해, 검출 대상이 되는 파장 영역 외의 파장을 갖는 광이 프리즘 미러(55)에 의해 슬릿 소자(53)측으로 되돌아온다는 사태의 발생을 피할 수 있다. 또한, 분광 광학계(600) 내에서 미광의 발생을 방지할 수 있다.
그렇지만, 600㎚ 내지 1100㎚의 파장 영역 이외의 파장을 갖는 광이, 설계상, 분광 광학계(600) 내에 들어가지 않는 것을 알고 있으면, 이 밴드 패스 필터는 불필요하다.
(분광 광학계의 실시례)
도 14는, 상기 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계(600)의 실시례를 도시하는 도면이다. 이 설계 사양은, 하기하는 바와 같다.
검출 대상의 파장 영역 : 785 내지 940㎚
이미지 범위 : 14㎜ (반사부재(51)의 오목면의 곡률 반경을 R로 하면, 이미지 범위는 0.07R)
NA : 0.08
파장 분해능 : 0.6㎚(이미지 센서(54)의 샘플링은 0.15㎚)
오목면의 곡률 반경(R) : 200㎜
회절격자(52)의 입사면의 곡률 반경((R/2)±5%) : 103㎜
회절격자(52)의 각선수(number of ruling line) : 800개/㎜
입사광선 시프트(L) : R/5 내지 R/4 (L=46㎜)
회절격자(52)에의 입사각(α) : 26.6 °
상기한 사양의 파라미터는, 이 분광 광학계(600)를 실현하는 일례이다. 오목면 및 회절격자(52)의 입사면 사이의 거리 및 그들의 곡률을 최적화함에 의해, NA=0.08에서의 회절 한계의 해상도를 실현할 수 있다. 또한, 이와 같은 설계에 의하면, 광학 왜곡인 디스토션도 매우 작아진다.
도 15는, 상기 실시례에 관한 분광 광학계에서, Ar 램프의 조명을 관찰한 때의 데이터를 도시한다. 여기서 공간축 방향이란, 본 실시례에서는 상기 장축 방향이다. 파장 분해능이 사양을 충족시키고, 디스토션이 매우 적음을 알 수 있다.
도 16은, 상기 실시례에 관한 분광 광학계를 현미경 광학계에 접속하여, 10㎛의 피치의 라인 앤드 스페이스를 관찰한 예를 도시한다. 이 도면부터, 중심뿐만 아니라 외측도 높은 해상도가 있음을 확인할 수 있다.
도 17은, 상기 실시례에 관한 분광 광학계를 이용하여 측정한 Ar 램프의 스펙트럼을 도시한다. 이 그래프(특히, 도 18에서 도시하는 파장 800㎚ 부근의 확대도를 참조)로부터, 파장 분해 성능 0.6㎚ 이하인 것을 확인할 수 있다.
도 19는, 도 12C에서 도시한 회절격자(52)의 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)법에 의한 회절 효율의 계산의 예를 도시한다. 이 경우의 회절격자(52)의 입사면에는 Al이 증착되어 있다. TE파는, 회절격자(52)의 각선(ruling line)에 평행한 방향의 편광 파면을 가진 광선이다. TM파는, 회절격자(52)의 각선에 수직한 방향의 편광 파면을 갖는 광선이다.
[분광기]
다음에, 상술한 조명 광학계 및 분광 광학계(600)를 구비한 한 실시 형태에 관한 분광기치로서, 라만 이미징 장치의 한 실시 형태를 나타낸다. 도 20은, 그 라만 이미징 장치의 광학계의 구성을 도시하는 도면이다.
이 라만 이미징 장치는, 주로, 조명 광학계(450)와, 현미경 광학계(700)와, 도 13에 도시한 분광 광학계(600)를 구비한다.
조명 광학계(450)에서는, 도 6에 도시한 조명 광학계(400)의 인터그레이터 렌즈(15)가, 상술한 2개 1조의 인터그레이터 소자(150)로 치환된 광학계이다.
레이저 다이오드(11)(도 6 참조)를 포함하는 LD 패키지(115)는, 레이저의 파장을 안정화시키고, 폭을 좁히는 파장 로크 소자를 내장한다. 이 라만 이미징 장치는, 검출 범위인 장축이 14㎜이고, 장축 방향에서 14㎜의 영역이 균일하게 조사광으로서 조사된다. 인터그레이터 소자(150) 및 요동 소자(공진 미러)(10)가, 14㎜×0.085㎜의 조명광을 만든다.
조명 광학계(450)에 마련된 ND 필터(14)는, 예를 들면 스테핑 모터(24)에 의해 회전 가능하게 된 원판현상의 ND 필터이다. 요동 소자(10)에는 이것을 구동한 드라이버(110)가 접속되어 있다.
조명 광학계(450)로부터 출력한 레이저 빔은, 다이크로익 빔 스플리터(101)를 통하여, 현미경 광학계(700)에 입력된다. 다이크로익 빔 스플리터(101)는, 특정한 파장 영역을 갖는 레이저 빔을 반사하고, 현미경 광학계(700)로부터 출력된, 라만 시프트한 예를 들면 795㎚ 이상의 파장의 레이저 빔을 투과시킨다.
현미경 광학계(700)는, 현미경용 집광 렌즈(71) 및 대물 렌즈(72)를 포함한다. 대물 렌즈(72)에는 샘플(S)이 대향하여 배치된다.
상기에서는 스크린(19)으로서 설명한 상면(190)과, 분광 광학계(600)의 슬릿 소자(53)(의 입력 면)는, 다이크로익 빔 스플리터(101)를 통하여 광학적으로 공역인 면에 설치된다. 이 공역면은, 현미경용 집광 렌즈(71) 및 대물 렌즈(72)에 의해 같은 배율로 축소되고 겹쳐지도록 결상된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 다이크로익 빔 스플리터(101) 및 현미경 광학계(700)에 의해, 상기한 공역 관계를 유지하는 광학계가 형성되어 있다.
다이크로익 빔 스플리터(101)를 투과한 레이저 빔은, 라만용 여기광 컷트 필터(102)를 통하여 분광 광학계(600)에 입력된다. 라만용 여기광 컷트 필터(102)는, 라만 산란광의 파장 영역중, 특정한 파장 영역의 광이 분광 광학계(600)에 입사하지 않도록 하기 위해 마련된 하이 패스 필터이다.
본 실시 형태에 의한 라만 이미징 장치에서는, 상기한 바와 같이, 광학 수차, 디스토션, 또한, 간섭 줄무늬나 스페클의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 이미지 센서를 갖는 카메라의 배치의 자유도가 향상하고, 라만 이미징 장치의 소형화를 실현할 수 있다.
[그 밖의 실시 형태]
본 기술은, 이상 설명한 실시 형태로 한정되지 않고, 다른 여러가지의 실시 형태를 실현할 수 있다.
상기 요동 소자(10)로서, 전자 작용에 의해 구동되는 공진 미러가 사용되었지만, 그 구동 수단은, 정전 작용, 압전 작용 등이 이용되어도 좋다. 그들의 경우, 그 요동 소자(10)의 구동부가 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)에 의해 제조되어도 좋다.
요동 소자(10)는, 반드시 공진이나 진동, 즉 진폭 제로에서 최고속으로 움직이는 소자가 아니라도 좋고, 예를 들면 실질적으로 등속도로 움직이는 소자라도 좋다.
또는, 요동 소자(10)로서는, 진동하는 미러가 아니라, 음향광학 소자가 사용되어도 좋다. 음향광학 소자는, 음향광학 결정과, 이 음향광학 결정에 마련된 구동 전극 등을 갖는다. 음향광학 소자는, 구동 전극을 통하여 음향광학 결정에 전압이 가하여짐에 의해, 결정의 격자 정수를 가변으로 제어하여, 그 결정을 통과하는 광의 굴절률을 제어할 수 있다. 이에 의해, 음향광학 소자로부터 출사되는 광을 요동시킬 수 있다.
상기한 조명 광학계(100)는, 장축 방향으로만 파워를 갖는, 또는, 장축 및 단축의 양방향으로 파워를 갖는 인터그레이터 렌즈(15)를 구비하고 있다. 그러나, 조명 광학계(100)는, 예를 들면 단축 방향으로만 파워를 갖는 인터그레이터 렌즈(15)가 마련되어 있어도 좋다. 최종적으로 얻고 싶은 애스펙트를 갖는 조명광을 얻을 수 있도록, 임의의 축방향 및 초점 거리가 선택될 수 있디.
상기 제4의 실시 형태에 관한 조명 광학계(100)에서, 아이솔레이터(12)는 없어도 좋다.
예를 들면 도 2 등에 도시하는 바와 같이, 집광 소자로서 단일한 집광 렌즈(17)가 사용되었다. 그러나, 집광 소자는, 복수의 집광 렌즈(17)를 갖고 있어도 좋다.
도 13에 도시한 분광 광학계(600)는, 프리즘 미러(55)를 구비하고, 프리즘 미러(55)가 제1의 미러면(551) 및 제2의 미러면(552)을 갖고 있다. 그러나, 프리즘이 마련되지 않고, 적어도 2개의 미러(제1의 미러 및 제2의 미러)가 마련되어 있어도 좋다. 그들 2개의 미러는, X축방향에 따라 배열되는 경우로 한정되지 않고, 그들 2개의 미러의 위치가 Y축방향의 상호에 어긋나 있어도 좋다.
또는, 제1의 미러 및 제2의 미러 중, 어느 한쪽인가 한쪽만을 마련하고 있어도 좋다. 이 경우, 슬릿 소자(53)로부터 출력된 광과, 센서에 입력되는 광이 90°꺾어진 상태가 된다. 이와 같은 구성이라도 광학적 특성은 제1 및 제2의 실시 형태에 관한 분광 광학계(500 및 600)와 다르지 않다.
상기 한 실시 형태에 관한 라만 이미징 장치에 있어서, 상면(190)과 슬릿 소자(53)의 입력면과의 공역 관계를 유지하는 광학계로서, 현미경 광학계(700) 및 다이크로익 빔 스플리터(101)가 사용되었다. 그러나, 현미경 광학계(700) 등이 사용된 형태로 한정되지 않고, 등배의 릴레이 광학계에 의해, 그들의 공역 관계를 유지한 광학계가 실현되어도 좋다.
상기 각 실시 형태에 관한 분광 광학계 및 이것을 구비한 분광 측정 장치에 사용된 센서로서 이미지 센서를 예로 들었지만, 센서는, 포토 다이오드라도 좋다.
이상 설명한 각 형태의 특징 부분중, 적어도 2개의 특징 부분을 조합시키는 것도 가능하다.
본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
[1] 중심을 갖는 제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는 반사부재와,
에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상의 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사하는 회절격자와,
상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된 입력소자를 구비하는 분광 광학계.
[2] [1]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 회절격자는, 상기 제1의 원 및 상기 제2의 원에 동축인 중심축에 대해 직교하는 제1의 축과 교차하는 주점을 갖는 분광 광학계.
[3] [2]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 회절격자는, 상기 오목면에서 반사된 상기 광의 상기 회절격자에의 입사각보다 작은 출사각으로 회절광을 출사하는 분광 광학계.
[4] [2]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 제2의 원의 반경이 R, 제1의 원의 반경이 (R/2)±5%가 되도록, 상기 반사부재의 상기 오목면, 및, 상기 회절격자의 상기 볼록형상의 각 곡률이 각각 설정되어 있는 분광 광학계.
[5] [4]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 제1의 축과, 상기 제1의 축에 평행하고 상기 오목면에 입사하는 상기 입력광의 광축에 일치하는 제2의 축과의 사이의 거리가 R/5 내지 R/4인 분광 광학계.
[6] [2]부터 [5] 중 어느 하나에 기재된 분광 광학계로서,
상기 입력소자는, 상기 입력광을 통과시키는 슬릿을 갖는 슬릿 소자를 갖는
분광 광학계.
[7] [6]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 입력소자는, 상기 슬릿 소자로부터 출사된 상기 입력광을 반사하여 상기 오목면에 유도하는 제1의 미러, 및, 상기 오목면에서 반사된 상기 회절광을 반사하여 센서에 유도하는 제2의 미러 중 적어도 한쪽을 또한 갖는 분광 광학계.
[8] [7]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 입력소자는, 상기 제1의 미러 및 상기 제2의 미러를 포함하는 프리즘 미러를 갖는 분광 광학계.
[9] [7] 또는 [8]에 기재된 분광 광학계로서,
상기 제1의 미러에의 상기 입력광의 입사각이 45°가 되고, 상기 제2의 미러에의 상기 회절광의 입사각이 45°가 되도록, 상기 슬릿 소자 및 상기 프리즘이 배치되어 있는 분광 광학계.
[10] [6]부터 [9] 중 어느 하나에 기재된 분광 광학계로서,
상기 슬릿 소자는 0.1 이하의 NA(NumericalAperture)를 갖는 분광 광학계.
[11] [1]부터 [10] 중 어느 하나에 기재된 분광 광학계로서,
상기 입력소자의 전단에 마련되고, 600㎚ 내지 1100㎚의 상기 파장 영역을 갖는 입력광을 통과시키는 밴드 패스 필터를 또한 구비하는 분광 광학계.
[12] 분광기로서,
레이저광원과,
인터그레이터 소자와,
상기 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 상기 인터그레이터 소자에 유도하는 것이 가능하고, 상기 인터그레이터 소자에의 상기 레이저광의 입사각을 변화시키도록 요동하는 요동 소자와,
상기 요동 소자로부터 출사된 상기 레이저광을 집광하는 집광 소자를 포함하는 조명 광학계와,
중심을 갖는 제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는 반사부재와,
에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상의 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사하는 회절격자와,
상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된 입력소자를 포함하는 분광 광학계와,
상기 집광 소자로부터 출사된 상기 레이저광이 모이는 면과, 상기 입력소자에 입사된 상기 레이저광의 입력면을 광학적으로 공역으로 유지하는 광학계를 구비하는 분광기.

Claims (12)

  1. 분광 광학계에 있어서,
    제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는 반사부재와,
    에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상으로 배치된 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사하는 회절격자와,
    상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된 입력소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절격자는, 상기 제1의 원 및 상기 제2의 원에 동축인 중심축에 대해 직교하는 제1의 축과 교차하는 주점점(principal point)을 갖는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회절격자는, 상기 오목면에서 반사된 상기 광의 상기 회절격자에의 입사각보다 작은 출사각으로 회절광을 출사하는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2의 원의 반경이 R, 제1의 원의 반경이 (R/2)±5%가 되도록, 상기 반사부재의 상기 오목면, 및, 상기 회절격자의 상기 볼록형상의 각 곡률이 각각 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1의 축과, 상기 제1의 축에 평행하고 상기 오목면에 입사하는 상기 입력광의 광축에 일치하는 제2의 축과의 사이의 거리가 R/5 내지 R/4인 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 입력소자는, 상기 입력광을 통과시키는 슬릿을 갖는 슬릿 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입력소자는, 상기 슬릿 소자로부터 출사된 상기 입력광을 반사하여 상기 오목면에 유도하는 제1의 미러, 및, 상기 오목면에서 반사된 상기 회절광을 반사하여 센서에 유도하는 제2의 미러 중 적어도 한쪽을 더 갖는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력소자는, 상기 제1의 미러 및 상기 제2의 미러를 포함하는 프리즘 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1의 미러에의 상기 입력광의 입사각이 45°가 되고, 상기 제2의 미러에의 상기 회절광의 입사각이 45°가 되도록, 상기 슬릿 소자 및 상기 프리즘이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 슬릿 소자는, 0.1 이하의 NA(Numerical Aperture)를 갖는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 입력소자의 전단에 마련되고, 600㎚ 내지 1100㎚의 상기 파장 영역을 갖는 입력광을 통과시키는 밴드 패스 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 광학계.
  12. 레이저광원과,
    인터그레이터 소자와,
    상기 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 상기 인터그레이터 소자에 유도하는 것이 가능하고, 상기 인터그레이터 소자에의 상기 레이저광의 입사각을 변화시키도록 요동하는 요동 소자와,
    상기 요동 소자로부터 출사된 상기 레이저광을 집광하는 집광 소자를 포함하는 조명 광학계와,
    중심을 갖는 제1의 원에 따라 마련된 오목면을 갖는 반사부재와,
    에지부를 가지며, 상기 제1의 원과 동심형상의 제2의 원에 따라 볼록형상으로 마련되고, 상기 반사부재의 상기 오목면에서 반사된 광이 입사하는 회절격자와,
    상기 회절격자로부터 출사된 600㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 영역을 갖는, 상기 오목면에서 반사된 회절광이, 상기 분광 광학계에 입력된 입력광과 상기 회절격자의 에지부와의 사이를 통과하도록, 상기 반사부재 및 상기 회절격자에 대한 소정의 위치에 배치된 입력소자를 포함하는 분광 광학계와,
    상기 집광 소자로부터 출사된 상기 레이저광이 모이는 면과, 상기 입력소자에 입사되는 상기 레이저광의 입력면을 광학적으로 공역으로 유지하는 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광기.
KR1020130012857A 2012-03-02 2013-02-05 분광 광학계 및 분광기 KR20130100686A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2012-047370 2012-03-02
JP2012047370A JP2013181926A (ja) 2012-03-02 2012-03-02 分光光学系及び分光測定装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130100686A true KR20130100686A (ko) 2013-09-11

Family

ID=49042687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130012857A KR20130100686A (ko) 2012-03-02 2013-02-05 분광 광학계 및 분광기

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20130229653A1 (ko)
JP (1) JP2013181926A (ko)
KR (1) KR20130100686A (ko)
CN (1) CN103292901A (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013183108A (ja) * 2012-03-02 2013-09-12 Sony Corp 照明光学系、分光測定用光照射装置及び分光測定装置
JP6344933B2 (ja) * 2014-03-03 2018-06-20 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ
KR102294945B1 (ko) * 2014-06-11 2021-08-30 삼성전자주식회사 기능 제어 방법 및 그 전자 장치
CN107290052A (zh) * 2016-04-13 2017-10-24 福州高意光学有限公司 一种投影光谱仪系统
CN109469884A (zh) * 2017-09-08 2019-03-15 法雷奥照明公司 用于发光装置的配光元件以及发光装置
JP6756326B2 (ja) * 2017-11-09 2020-09-16 株式会社デンソー 状態検出装置
CN111158158B (zh) 2018-11-08 2023-04-25 三星电子株式会社 分光计光学系统以及半导体检查装置
DE102020108648A1 (de) * 2020-03-30 2021-09-30 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung und Lasersystem

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3446726A1 (de) * 1984-12-21 1986-06-26 Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim Optische anordnung mit einem konkavspiegel oder konkavgitter
US6266140B1 (en) * 1998-04-29 2001-07-24 American Holographic, Inc. Corrected concentric spectrometer
US7518722B2 (en) * 2004-08-19 2009-04-14 Headwall Photonics, Inc. Multi-channel, multi-spectrum imaging spectrometer
CN100545697C (zh) * 2007-12-29 2009-09-30 苏州大学 微型超光谱成像系统
JP4553012B2 (ja) * 2008-01-11 2010-09-29 セイコーエプソン株式会社 プロジェクタ
CN102331299A (zh) * 2011-06-02 2012-01-25 苏州大学 平像场成像光谱仪的分光成像系统
JP2013183108A (ja) * 2012-03-02 2013-09-12 Sony Corp 照明光学系、分光測定用光照射装置及び分光測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20130229653A1 (en) 2013-09-05
CN103292901A (zh) 2013-09-11
JP2013181926A (ja) 2013-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20130100693A (ko) 조명 광학계, 분광 측정용 광조사 장치 및 분광 측정 장치
KR20130100686A (ko) 분광 광학계 및 분광기
JP6124385B2 (ja) イメージプロジェクタおよび光アセンブリ
US9507135B2 (en) Super-resolution microscope and modulation optical element
WO2013183253A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP2013231940A5 (ko)
EP2093601A1 (en) Microscope device and image processing method
WO2012070314A1 (ja) 顕微鏡用分光分析装置、光軸ズレ補正装置、分光装置とそれを用いた顕微鏡
US20130120563A1 (en) Image generation device
JP2010540999A (ja) 照明された試料を光学的に捕捉するための方法および装置
EP3748295A1 (en) Systems and methods for an integrated optical atomic sensor
JP2013210315A (ja) 光学式距離測定装置
US8107088B2 (en) Displacement sensor
JP4434882B2 (ja) レーザ走査型蛍光観察装置
JP4842852B2 (ja) 光干渉式ガス濃度測定装置
US11409199B2 (en) Pattern drawing device
JP7056306B2 (ja) 照射光学装置
CN110168423B (zh) 照明装置和用于在显微镜中照明的方法和显微镜
EP3855586B1 (en) Laser device
JP2008299146A (ja) 共焦点顕微分光装置
JP6187761B2 (ja) 顕微分光システム
WO2020179039A1 (ja) 顕微鏡および観察方法
KR102019673B1 (ko) 구조 조명 현미경 및 촬영 방법
CN104729995B (zh) 基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪
WO2019176805A1 (ja) 偏芯測定装置及び方法

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid