JPH01213530A

JPH01213530A - 分光計

Info

Publication number: JPH01213530A
Application number: JP63335703A
Authority: JP
Inventors: James J Sullivan; ジェイムス・ジェイ・サリバン
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1989-08-28
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: US4815849A; DE3888813D1; EP0322654A3; DE3888813T2; JP2760825B2; EP0322654B1; HK90694A; EP0322654A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は凹面ホログラフ回折格子を使用して光を波長に
ついて分離する分光計に関する。特に、本発明は広範囲
の波長にわたり良好な焦点合せを行い、より良い視感度
（ｌｕｍｉｎｏｓｉｔｙ）で非点収差（ａｓｔｉｇｍａ
ｔｉｓｍ）がより小さい凹面回折格子を使用する分光計
に関する。

（従来技術とその問題点）凹面格子分光計は光を波長について分離し、一つまたは
それ以上の波長の測定あるいは記録を可能にする。その
最も簡単な構成では、光検出器、凹面格子、および光ビ
ームを格子に導く人口スリットからなる。格子は、一般
に平行で且つ−様な間隔をおいて配置される溝の精細な
パターンで覆われた球形反射表面から構成されている。

曲面を成す格子表面は波長を分離すると共に光のフォー
カシングを行う働きをする。

の検出器上にフォーカスする球面ミラーのような補助的
フォーカシング装置を必要としないという点では良好で
ある。このため廉価で、装置構成が簡単になり且つ、真
空紫外線（ＵＶＵ）波長領域で、補助的装置に伴う光の
損失機構が無くなる。

しかしながら、凹面格子は設計が簡単であることからい
ろいろな光学的誤差（ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｉｆｆｉｃｕ
ｌｔｉ−ｅｓ）を補正するため調節すること夢できるパ
ラメータが非常に少いことである。

柔軟な金属表面（ｓｏｆｔ　ｍｅｔａｌ　５ｕｒｆａｃ
ｅ）に溝の線引きすること（ｓｃｒｉｂｉｎｇ）すなわ
ちルーリング（ｒｕｌｉｎｇ）により機械的に作られる
、従来の凹面格子では、−船釣な制限事項は非点収差で
ある。

これは各種波長の像が最も狭い水平焦点面（ｈｏ口ｚ−
ｏｎｔａｌ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ）と呼ばれる焦点
曲線が、同じ像の高さが最小となる垂直焦点面と呼ばれ
る曲線と実質工具なる状態である。非点収差によって光
の損失が生じ、他の幾つかの収差における厳正が増す。

この問題は二つの焦点曲線の位置が互いにかなり離れる
場合において悪化する。

機械的にルーリングした凹面格子を改善したものがホロ
グラフ格子である。ここでは、溝はコヒーレント・レー
ザで形成した干渉パターンを用いて作られる。レーザ・
ビームは二つの点にフォーカスする二つの部分に分割さ
れる。二つの焦点から発散する光は感光面でコーティン
グされた球表面を照らす。露光後、表面を化学的にエツ
チングさせ、反射材料でコーティングする。二つのレー
ザ焦点の位置を定義する四つのパラメータを備えるこの
プロセスは、溝間隔という一つのパラメータで特徴づけ
られる機械的ルーリングを行なった表面より一般的であ
る。

ホログラフ格子の利点は、レーザの焦点の位置を調節す
ることにより、二つの焦点曲線の形状と大きさとを修正
することができるということである。水平焦点曲線は、
垂直焦点曲線の平坦に近い形状により良く対応するよう
に一層平坦に作ることができるということ及び二つの曲
線は成る程度接近し１回以上公差するようにも作ること
ができるということは非常に早くから認められていた。

これら交差点（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ　ｐｏｉｎｔｓ）の
長所は非点収差がそこに形成された像に対してＯである
ことである。

１９６９年（ロンドン、０ｒｉｅｌ　Ｐｒｅｓｓ）発行
の「光学装置と技術（口ＰＴＩ（：ＡＬ　ＩＮｓＴＲＩ
ＩＭＥＮＴｓ　ＡＮＤ　ＴＢＣ）ＩＮＩＱＩＩ−ＢＳ）
　Ｊと題する本の第１１７頁から第１２４頁記載の、［
：ｏｒｄｅｌｌ等による「ホログラフ的に作った収差補
正凹面格子（Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　−Ｃｏｒｒ−ｅｃ
ｔｅｄ　Ｃｏｎｃａｖｅ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ　Ｍａｄｅ
　Ｂｉｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ）　Ｊという論文には
、二つの焦点曲線が３点において交差している格子配列
が説明されている。しかしなから、この設計には幾つか
の重大な制約がある。

三つの交点の一つを入口にスリットとして使用するので
、像位置として利用することができない。

また、レーザ焦点に対して可能な位置は三つしか無く、
実現可能な設計は極めて制限される。

少くとも１９７４年のＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　
０ｐｔｉｃａｌ　５ｏｃ−ｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉ
ｃａのｖｏｌ、６４．第１０３７頁から第１０４２頁に
記載され、Ｈ，Ｎｏｄａ等によって凹面ホログラフ格子
分光計に関する正確な光線追跡（ｒａｙ　−ｔｒ−ａｃ
ｉｎｇ）の手順を開発した、「ホログラフ格子を通して
の光線追跡（Ｒａｙ　Ｔｒａｃｉｎｇ　Ｔｈｒｏｕｇｈ
　Ｈｏｌｏｇｒａｐ−ｈｉｃ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ）　Ｊ
の発表以来、原理的には、コンピュータ・プログラムを
使用して最良の光学的設計に対するすべての可能性を探
索することができることが知られている。このアプロー
チは、部分的には最適であるが設計全体では最良ではな
い設計を表わす点で上述の探索が早期終了してしまう等
の幾つかの周知の困難により制限されていた。

、：（７）方法（７）−例Ｌｔ１９８７年８月号（Ｄ　
ＡＰＰＬＩＥＤ　０ＰＴＩＣ３゜Ｖｏｌ、２６．第３１
０８頁に記載されたＷａｙｎｅ　Ｒ，Ｍｃｋｉｎ−ｎｅ
ｙ等による論文に示されている。彼等の目的は所定の波
長範囲に対し、特定の長さの平坦な焦平面を用いて、適
度な分解能を備える分光計を設計することにあった。彼
等は各種光学パラメータをコンピュータを用いて最適化
することにより最良設計を見出そうとした。しかしなが
ら、これは彼等の目的に対して最も優れた設計を与える
ものではなかった。

米国特許第４，２７９．５１１号に示される凹面格子分
光計では、検出器を直線上に沿って動かすことより、異
なる波長を検出器により交差させることができるという
有利な点を備えている。−般に、凹面格子は、ホログラ
フ格子でさえ、この目的には水平焦点曲線が直線でなく
、焦点はずれ誤差を引起すことより、適切ではない。加
えて、はぼ直線の垂直焦点曲線は、一般に水平焦点曲線
に沿って配置されていないので非点収差誤差を引起こす
ことになる。それ故、平坦な焦点フィールドで、角度範
囲（ａｎｇｕｌａｒ　ｒａｎｇｅ）が広く、非点収差が
小さく、高分解能で光学的スルーブツトが大きい分光計
を提供することが望まれる。

（発明の目的）本発明の目的は上述の問題点を解消し、非点収差を最小
化し、広範囲な波長領域において測定可能な分光計を得
ることにある。

（発明の概要）本発明は光源、光源からの光を受けるホログラフ凹面格
子、および格子からの回折光を受ける検出手段を備える
形式の分光計に関する。本発明では格子の曲率中心を通
って延長し格子の垂直焦点曲線と３点で交差する格子の
水平焦点曲線の一部である経路に実質上沿って検出手段
を位置決めすることが含まれている。この３点のうち２
点はホログラフ格子を形成するために用いるレーザ・ビ
（発明の実施例）第１図に本発明の一実施例である分光計ｌＯを示す。分
光計１０は光源１２を備え、これは被測定試料を含むプ
ラズマを形成させるマイクロ波空洞を用いることができ
る。光源１２からの光線（ｌｉｇｈｔ　５ａ−ｙｓ）　
１４はレンズ１６等の光学装置を通してスリット部材１
８に送られる。スリット部材１８は矢印２０で示したよ
うに光路に沿って移動することが可能である。スリット
部材１８からの光線２２はホログラフ凹面格子２４へ指
向される。凹面格子２４の凹表面２５より反射した回折
光線（ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ　ｌｉｇｈｔ　５ａｙｓ）
２６は光検出器２８へ送られる。図示するように、光検
出器２８はフォトダイオード等の光検出素子から成るア
レイである。光検出器２８は矢印３２で示したように平
面３０に沿って動くように取付けられる。

ホログラフ凹面格子２４は当業者には周知の基本的ホロ
グラフ技術によって作られる。この技術には格子基板の
凹表面をフォトレジストの層でコーティングすることが
含まれている。次に、フォトレジスト層を間隔をおいた
二つのレーザから放射される二つのレーザ・ビームの交
点に位置させる。

これによりフォトレジスト層内に干渉パターンが生成さ
れる。フォトレジスト層を現像した後、干渉パターンを
基板の表面にエツチングさせる。次に表面をアルミニウ
ム等の反射（ｒｅｆｌｅｃｔ＋ｅｅ　ｍａｔ−ｅｒｉａ
ｌ）でコーティングさせる。

本願発明により、先に述べた所定の特性を持つ改良され
た分光計を次の条件が満たされれば可能である。

１、格子の水平焦点曲線は格子の凹表面の曲率中心（ｃ
ｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を通過する。

この焦点曲線を［第１の水平焦点曲線（ρｒｉｍａｒ−
ｙ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｆｏｃａｌ　ｃｕｒｖｅ）
　Ｊと呼ぶ。

２、レーザの焦点が同じ水平焦点曲線上にある。

３、第１の垂直焦点曲線が両方のレーザ焦点曲線と交差
すると共に、第３の点で水平焦点曲線とも交差する。三
つの交点はすべて格子法線ｆｇｒａｔｉｎｇ　ｎｏｒｍ
ａｌ）の同じ側に存在する。

４、第２の垂直焦点曲線は第１垂直焦点曲線上のすべて
の点の垂直にフォーカスされた像のすべてから構成され
る。

５、点光源の位置は第２垂直焦点曲線と水平焦点曲線と
の交点で決定される。格子法線の反対側に位置する点光
源はレーザの焦点を形成する。

６、像焦点曲線はレーザ点である格子法線と同じ側に、
水平焦点曲線に沿って存在する。

凹面ホログラフ分光計について説明するには、極座標（
Ｒ，ＳＸ）を使用するのが便利である。

第２図には凹面ホログラフ回折格子２４の凹表面２５上
に中心を置く座標系の中心３４を示す。中心３４からの
半径方向の距離は中心３４から凹表面２５の曲率中心３
６までの距離により正規化され、ｒＲＪで始まる複数文
字の記号で定義する。角度は大文字のアルファベットで
記してあり、格子法線３８から測定されている。格子法
線３８は中心３４から曲率中心３６を通る線である。座
標系の平面は中心３４を含み、格子の中心にある溝の方
向と同一直線上にあるベクトルＺに垂直である。

凹面ホログラフ格子は極座標（ＲＡ、Ａ）にある点光源
４０と成る波長りにおける（ＲＩ　ＳＢ）の像点４２と
の関係より説明される。格子の性質は格子面を形成する
ために使用される二つのレーザ焦点４４および４６の位
置に従っても決定される。第１のレーザ焦点４４は（Ｒ
ＣＳＣ）にあり、第２のレーザ焦点４６は（ＲＤ　、Ｄ
）に位置する。角度Ｂ。

ＣＳおよびＤは正であるが角度Ａは負である。

分光計は以下の式（１）から（４）で記述することがで
きる。

（１）　　　５ｉｎＤ　−５ｉｎＣ＝　Ｌ　ｏ　／　ｄ
（２）　　　ｓ＋ｎＡ　＋　５ｉｎＢ　＝　Ｌ　／　ｄ
（１）は溝間隔ｄが二つのレーザ角度ＣとＤＸ及びレー
ザ波り。によりどのように決定されるかを示している。

（２）は点光源と像に対する角度ＡとＢ１溝間隔ｄ１お
よび波長りの関係を示している。（３）では曲率中心と
任意の点（ＲＸＳＸ）を通る水平焦点曲線をパラメータ
Ｈで定義している。本発明によれば、点光源と一つの像
点と二つのレーザ点の座標すなわち（Ａ、ＲＡ）、（Ｂ
、Ｒ８）、（Ｃ１Ｒｏ）、右よび（Ｄ、Ｒ：）はすべて
パラメータＨの共通の値で式（３）を満足する。（４）
より任意の点（Ｒ，、Ｘ）を通る垂直焦点曲線を二つの
パラメータにとＶで定義される。本発明では、一つの像
点と二つのレーザ点との座標がそれぞれＫとＶとは逆で
ある時、式（４）が成立する。（４）は、Ｋの符号を変
化させるとＫが元の符号で曲線に対し垂直にフォーカス
された像である垂直焦点曲線を表わす。

第３図は格子２４を含む、座標系の平面を示す。

はすべて格子２４から始まり曲率中心３６を交差する。

曲線４８．５０．５２、および５４はそれぞれ−０，３
、−〇、５、−〇。７、および−０，９のＨの値に対応
する。第３図からＨの大きさが大きくなるとより平坦な
焦点曲線を得るが、その傾斜も大きくなる。

垂直焦点曲線はほとんど直線である。事実曲率中心を交
差する曲線は正確に直線である。パラメータＶとＫとを
変化させることにより、垂直焦点曲線を傾け、曲率中心
からオフセットすることができる。

本発明の目的の一つに平坦な焦点面の分光計を設計する
ことであることより、焦点曲線の屈曲点の位置を知るこ
とが有用である。というのはそこで焦点曲線が最も平坦
になるからである。この点を次の式で定義する。

（５）　　ＲＢ＝３／２（ＣＯ８Ｂ）、ｔａｎＢ　＝　
−１／（３Ｈ）以下に本発明に寄る分光計の設計プロセ
スを説明する。点光源と検出器との既知の幾何学的状態
と所望の波長分解能とに基き、格子の曲率半径を選定す
る。所望の波長範囲に基き、像平面を走査する角度範囲
に関する近似値を選定する。本発明の実施例では３０°
の大きさの角度範囲が実用的であることがわかった。こ
の段階で、格子法線から０°の点光源の角度の近似値を
使用する。選定した角度範囲から、溝間隔ｄを式（１）
から計算することができる。パラメータＨの値を選定す
る。一定の倍率と分散を有する−０．３等の低いＨの値
とより平坦な焦点曲線を有する−０．９等高いＨの値の
場合とでは交換が生ずる。

一旦Ｈを選定すれば、像水平焦点曲線が求めら第３のＷ
収差点と同様に、水平焦点曲線の作動部分、すなわち、
被測定波長の像を含む曲線の部分に重なるように選定す
る。水平焦点曲線の作動部分の中心を（５）で与えられ
る屈曲点にすることが望ましい。

この点で、分光計のパラメータがすべて決まり、点光源
の位置を計算することができる。分度は近似値の代わり
に点光源の角度の計算値を使用して、このプロセスを繰
り返す。

実施例具体例として、曲率半径が３００ｍｍの分光計の設して
最初に２５°を選定する。入口スリットがＯ。

であると最初に仮定して、溝間隔をほぼ１９００ｎｍと
計算する。傾斜を有する像フィールドにおける平坦度の
仮定に基いて、Ｈの値として−０，７を選択する。

二つのレーザ点を屈曲点で角度が挟まれるように（ｂｌ
ａｃｋｅｔ）選定するが、これは式（５）により２５．
４第２のレーザ角度１３．１８°を与える。式（３）は
レーザ点の半径方向に正規化された寸法を第１の点につ
いて１．４２９、第２の点について１．１６５を与える
。

二つの点に対して式（４）を連立して解きＶを対して、
−０，２３３６、Ｋに対して、−０，０６４を得る。こ
の式から点光源の位置として０．９２２８　＜　−＝、
　２８８°）も得ら、乳れる。ここで、辱；収差点が２２５ｍｍと　７１３ｍｍ
との波長で像平面に存在することがわかる。中間の点、
１に第３の！収差点が存在する。

この設計は光線追跡で評価することができる。

直径７５ｎｍの格子の場合、２００から８００ｍｍまで
の波長に対し、点光源の像のスペクトル幅は０．０６２
から０．０７１ｍまでにわたる標準偏差として測定され
た。

直径５０ｎｍの格子の場合、収差はもっと小さく、像の
標準偏差は平均０．０２８ｍｍである。

本出願人は上述の条件から成るわずかなずれがあっても
やはり有用な分光計の設計が得られることを見出した。

たとえば、水平焦点曲線は格子から曲率中心までの距離
の５％より曲率中心に近づかないように修正することが
できる。他の例では、水平焦点曲線上の二つのレーザ点
を交差する垂直焦点曲線が、パラメータＶの値を同じと
して、点光源と垂直にフォーカスされた直線焦点曲線か
らパラメータにの差の０．０３倍まで変化させることが
できる。これらのずれは本発明に関しては重大ではない
。

本発明に係る分光計に用いる格子２４を作るには、二つ
のレーザを、第１の水平焦点曲線である格子２４の凹面
の曲率中心を実質上通過する水平焦点曲線に沿って設置
する。第４図では、格子２４の凹面２５の曲率中心は点
３６である。第１の水平焦点曲線は曲線５６である。加
えて二つのレーザを垂直焦点曲線５８が第１の水平焦点
曲線を線３８で示すように凹表面２５の中心での法線ベ
クトルの同じ側にある少くとも三つの点で交差する第１
の水平焦点曲線の部分に沿って設置する。三つの点は水
平焦点曲線が格子から最も離れる法線ベクトル３８と同
じ側にあるべきである。第４図の波線で囲んだ部分５の
拡大図である第５図に示すように、垂直焦点曲線３８が
第１の水平焦点曲線３６と交差する３点は６０．６２、
および６４で示しである。格子２４を作るにあたり、二
つのレーザを交差点のうちの二つ、好ましくは外側の二
つの点６０と６４とに設置する。

分光計ｌＯにホログラフ凹面格子２４を使用するときは
、光検出器２８を取付ける平面３０を第１水平焦点曲線
５６と垂直焦点曲線５８との三つの交点６０．６２、お
よび６４を交差するように配置する。平面３０のこの位
置では、光検出器２８は格子２４から反射された光２６
に対して水平にフォーカスされる。また、第４図および
第５図かられかるように、第１の水平焦点曲線５６のこ
の領域では、垂直焦点曲線５８は水平焦点曲線５６に非
常に近いので、非点収差は非常に小さい。ただし、分光
計ｌＯでは、スリット部材１８を矢印２０の方向に格子
に近づけたり離したりして動かすことにより非点収差を
小さくすることができる。このスリット部材１８の運動
により垂直焦点曲線５８が第１の水平焦点曲線５６に近
づいたり離れたりする。従って、垂直焦点曲線５８を焦
点曲線５６と５８との間の°非点収差をほとんどまたは
全く除去するように第１水平焦点曲線５８に極めて近づ
けることができる。これにより光検出器２８が光源１２
から発生するスペクトルと実質上正確にフォーカスされ
る。

垂直焦点曲線５８は三つの交点６０．６２、および６４
の領域で第１水平焦点曲５６に非常に接近するので、フ
ォーカシングにはスリット部材をごくわずか勤すだけで
よい。光検出器２８の素子上の光の強度を測定して、フ
ォーカシングの確認を行う各種の方法が知られている。

好適な一つの技法は本出願人によって同日に出願された
米国特許出願番号第１３９．８８４号に記されており、
ここで簡単に説明する。光検出器２８の三つの素子の出
力の２階差分をスリット部材１８の各位置で求め、２階
差分の値が最高である位置が焦点位置とする。このよう
に、光検出器２８のフォーカシングは比較的容易である
。

光検出器２８は交点６０．６２、および６４の領域で平
面３０に沿って動かして格子２４により回耕された異な
る波長を検出することができ、各波長においてフォーカ
スされることになる。焦点曲線に沿って動き得る一つの
光検出器２８を使用する代りに、−連の光検出器を交点
６０．６２、および６４の領域で第１の水平焦点曲線５
６に沿って取付けることができる。ただし、実際上は光
検出器を正確に第１の水平焦点曲線に沿って設置し、す
べての光検出器から信号を得る手段を設けるこ、とは困
難である。従って、平面３０に沿って移動可能なアレイ
構成の光検出器２８を使用するのがよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の一実施例では光検出器２
８を光源１２からの光と容易にフォーカシングすること
ができるホログラフ凹面格子２４を備えた分光計ｌＯが
提出される。また、分光器ｌＯは広範囲の波長にわたり
高レベルの光と高分解能を得ることができる。分光計ｌ
Ｏは凹面格子２４を使用しており且つフォーカシングは
スリット部材１８をわずかな距離にわたり動かすだけで
行われるから、分光計の小型化が容易となる。なあ、ホ
ログラフ凹面格子でない回折格子でも本発明を容易に実
施できることは明らかである。また平面に沿って移動可
能な多素子光検出器の使用を可能にすることにより、検
出素子を焦点合せした状態を維持すると同時に広範囲の
波長において測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図本発明の一実施例である分光計の概略図。第２図は第１図の凹面格子の座標系を示した図。第３図は第１図の凹面格子の水平焦点曲線を示した図。第４図は第１の凹面格子の垂直焦点曲線と第１水平焦点
曲線を示した図。第５図は第４図の部分拡大図。ｌＯ二二元光計　１２：光源、１６：レンズ、　１８ニスリット部材、２４：凹面格子
、２８：光検出器、３８二法線。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と前記光源からの光を受ける格子と前記格子
で回折された光を受光する検出手段より成る分光計にお
いて、前記検出手段は前記格子の曲率中心を通って延長
する前記格子の一部分で前記格子の垂直焦点曲線と三つ
の点において交差する線上に沿って位置し、前記点の二
つは回折像を形成する二つのレーザー線に位置し、前記
三つの点は格子の中心に対して法線と同じ側に位置する
ことを特徴とする分光計。