JPS61212733A - ビーム方向付け方法および反射ビーム分光装置 - Google Patents

ビーム方向付け方法および反射ビーム分光装置

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JPS61212733A
JPS61212733A JP61043913A JP4391386A JPS61212733A JP S61212733 A JPS61212733 A JP S61212733A JP 61043913 A JP61043913 A JP 61043913A JP 4391386 A JP4391386 A JP 4391386A JP S61212733 A JPS61212733 A JP S61212733A
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mirror
reflective surface
energy
reflected
directing
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JP61043913A
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ドナルド・ダブリユ・ステイング
ロバート・ジー・メツサーシユミツト
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Spectra Tech Inc
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Spectra Tech Inc
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    • G02B21/04—Objectives involving mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
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    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0605—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors
    • G02B17/061—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors on-axis systems with at least one of the mirrors having a central aperture
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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） この発明は、光学システムの光軸に対しである角度を成
して、あるいは、他の方向から光軸に沿ってシステムに
入射したエネルギビームを方向付けるビーム方向付は方
法および反射ビーム分光装置に関する。
（発明の従来技術およびその問題点） 通常、エネルギビームは集束対物レンズシステムの光軸
に対して角度をないして入力されることが望ましい。ま
た、サンプルから反射されたビームは、一般に、集束さ
れる必要がある。反射はスネルの法則に従って起こるた
め、反射エネルギはサンプルに対して入射角と同一の角
度で集光されなければならない。視覚撮像システムにお
いて、歪みを生じることなくサンプル平面の細部を正確
に観察するためには、観察システムはサンプルに対して
直角に、かつサンプルの近傍に配置されていなければな
らない。これらの条件を満たすために、入射ビームおよ
び反射ビームは互いに同軸、あるいは、略同軸的になる
ように同一の場所に存在している必要がある。また、こ
れらのビームを分割するために、ビームスプリッタが使
用されている。
最も簡単なビームスプリッタとして、部分反射ミラーを
用いた回折ビームスプリッタが挙げられる。このスプリ
ッタはビームを集束システムに垂直に向け、続いてサン
プルに垂直に向ける。そして、サンプルは反射ビームの
一部を透過し集束システムおよびビームスプリッタを介
して検出器に入射させる。入力ビームの半分は最初の反
ＤＩで消失され、残ったビームの半分はビームスプリッ
タを透過する際に消失されるため、この種のビームスプ
リッタの効率は理論上２５％に制限される。
また、この種のビームスプリッタは反射ビームに色収差
を誘発する。しかしながら、屈折ビームスプリッタは構
成が非常に簡単であるという利点を備えている。
入力エネルギビームを分割する他の手段として、オフア
キシス放物面ミラー、楕円体面ミラーあるいは球面ミラ
ーを用いたものが知られている。これらのオファキシス
ジステムはビームを集束ミラーに向ける手段を有し、こ
のミラーはビームをサンプルｔに集束する。サンプルで
反射され１こエネルギは第２のミラーで集束され他の光
学部材を介して検出器に向けられる。しかしながら、こ
れらのシステムは視覚像に歪みが生じるという欠点があ
る。この歪みは像を拡大した時に特に問題となる。また
、検出器に送られる像の一部を；弘蔽することが望まれ
る場合、オファキシスジステムは適さない。
′　また、サンプルを照射するとともに、検出器で使用
される歪みのないサンプルの像を再生する複合ミラーＭ
４造が提供されている。これらの複合ミラー構造は、望
ましい光路を得られる反面、機械的に複雑であるととも
に製造コストが高い。また、複合ミラーシステムは、光
学要素の配列が複雑になるという問題を有している。更
に、これらのシステムは一般に大型となり、じゃまで！
ｊｉ雑であるとともに光学系内に配置ツーることが難し
い。
現在のビームスプリッタは経済性の点で劣るとともに、
赤外機ａｍ像システムの光軸に対して像ビームを正確に
角度付けることが難しい。このことは、非常に小さなサ
ンプルの赤外スペクトルを得るためには検出器により受
光された像を遮蔽する必要があり、この場合、上述した
問題が大きく影響する。
（発明の目的） この発明は以上の点に鑑み成されたもので、その目的は
、効率が高く、入力エネルギを正確に方向付けられるビ
ーム方向付は方法および反射ビーム分光装置を提供する
こ上にある。
（発明の概要） この発明の方法および反射ビーム分光装置によれば、カ
セグレン（Ｃａｓｓｅｇｒａ　ｉ　ｎ）対物レンズある
いは類似の対物レンズの光軸を分けるようにエネルギビ
ーム遮断ミラーが配置されている。ＴＸＴＩｆＩミラー
は、第２のミラーから第１のミラーに向けられたエネル
ギビームをぼかさないように第２のミラーから充分に離
間して配置されているとともに、第１のミラーの後方に
集束された像を不均一に減少させないように第２のミラ
ーに充分接近して設けられている。また、この発明のビ
ーム方向付は方法は入力エネルギビームをシステムの光
軸に対して直角に方向付ける工程を備え、ここで、ビー
ムはエネルギを第２のミラー領域の一部へ向ける遮断ミ
ラーによりシステムの光軸上に向けられ、続いて、エネ
ルギをサンプルに向ける第１のミラー上に向けられる。
サンプルで反射されたエネルギはシステムにより第１の
ミラーの後方に集束される。また、この発明の方法は、
エネルギビームを所定の部位からシステムの光軸上に入
力する工程と、生じた像を遮断ミラーを用いてカセグレ
ン光学系がシステムの光軸上に集束する第１の成分と光
軸に対して角度を成して集束する第２の成分上に分ける
工程とを備えている。
全ての実施例において、この発明は各像平面に配置され
たサンプル上の全ての点を集束し、それにより、サンプ
ルの視覚検査が測定可能となり、１つあるいは複数の検
出器により領域エネルギが受光される。そして、この発
明は赤外顕微鏡検査の分野において特に有効であること
が立証されている。
（発明の実施例） 以下図面を参照しながらこの発明の実施例について詳細
に説明する。
第１図に示１ように、この発明の好ましい実施例に従っ
て構成された光学系は、反射面１０ａを有する遮断ミラ
ー１０を備え、この反射面１０ａは反射面１３を有する
第２のミラー１２の上方に配置されているａ第２のミラ
ー１２の第１の部分１２ａの上方に配置された遮断ミラ
ー１０は第１　′の端縁１４を有し、この端縁は、例え
ば第２因に示された距離１５だけ第２のミラー１２の端
縁を越えて延出している。また、遮断ミラー１０の第２
の端縁１６は、第２図に示すように、第２のミラー１２
上をこのミラーの直径と一致するように直線的に伸びて
いる。遮断ミラー１０は、反射面２２ａを有する第１の
ミラー２２と第２のミラー１２との間に設けられている
。遮断ミラー１０の下縁１８は、距離２０だけ第２のミ
ラー１２の最上面から離間している。鏡面、つまり反射
面１３および２２ａは収差のための僅かな調整を除いて
実質的に同各円状に形成されている。
遮断ミラー１０の位置は以下の考察により決定される。
遮断ミラー１０が焦点面３６に接近している場合、遮断
ミラーは像の一部を弱める。したがって、焦点面３６上
に均一な照射像を維持するためには、遮断ミラーは焦点
面からできる限り離間していなければならない。第１図
に示された光学系において、遮断ミラー１０は上記の条
件を考慮して、物理的に可能な限り第２のミラー１２に
接近して設けらる。しかしながら、遮断ミラー１Ｏを第
２のミラー１２に近ずけすぎると、遮断ミラーの第１の
端縁１４が第２のミラー１２の第１の部分１２ａと第１
のミラー２２との間で反射されるエネルギの一部の通路
内に位置し、エネルギビームをぼかしてしまう。そのた
め、遮断ミラー１０と第２のミラー１２との間の距離２
０は、光ｍ１０５が遮断ミラーの第１の端縁１４に遮断
されることなく第２のミラーの最上部から第１のミラー
２２の孔の周縁２４に到達するように設定されなくては
ならない。したがって、遮断ミラー１０は、焦点面３６
上における像を不均一に減少させないように、かつ、光
線１０５をぼかさないように配置されていなければなら
ない。遮断ミラー１０の最も好ましい配設位置は、第１
の端縁１４ガ光線１０５をぼかさないために必要な最少
距離２０だけ遮断ミラーの下縁１８が第２のミラー１２
から離間した位置となる。
第３図に示すように、遮断ミラーを用いることなく、第
１および第２のミラーをカセグレン構造に配置した光学
系において、均整のとれた入力ビーム２００はシステム
の光軸２５０に沿って第２のミラー１２に向けられる。
本発明と同様に、入力ビームはカセグレン光学系により
サンプル３０上に集束される。そして、第１および第２
のミラーは焦点面３６上の光源にサンプル３０の像を結
像する。しかしながら、像の半分はビーム２００のエン
ミッタ２０１に入射させなければならない。
したがって、遮断ミラーを用いることなくカセグレンミ
ラー構造を使用した場合、像頒域の半分を消失する必要
がある。これに対して、この発明によれば、入力ビーム
がシステムの光軸２１に対して略直角となるように、遮
断ミラー１０を用いて入力ビームの光源を回動させてい
る。第１図に示すように、遮断ミラー１０は入力ビーム
を第２のミラー１２に向け、このビームは第２のミラー
から第１のミラー２２に反射される。更に、ビームは第
１のミラー２２によりサンプル±３０に集束され、サン
プルの像は焦点３４を越えて焦点面３６上に結像される
。この発明の光学系によれば、光源２０１はサンプル平
面上に位置していないため、焦点面３６においるサンプ
ルの像の半分が光源によって遮蔽されることがない。し
たがって、サンプルの全ての点が焦点面３６上に結像さ
れる。
この発明によれば、第４図に示された典型的な従来の屈
折ビームスプリッタの効率を越え１００％の効率を得る
ことのできる能力を備えている。
第４図において、均一な入力ビーム１２０は屈折ビーム
スプリッタ１２２に入射する。符号１２１で示されたビ
ームの一部はビームスプリッタ１２２を透過してシステ
ムから消失する。ビームの残りの部分は屈折対物レンズ
１３１を介してサンプル平面１３０上に入射される。そ
して、サンプルで反射されたエネルギビームは対物レン
ズ１３１を介して再びビームスプリッタ１２２に入射し
、ビームスプリッタはサンプルからの反射ビームの半分
を入力源へ反射する。したがって、屈折ビームスプリッ
タ１２２が正確に入射エネルギの半分を透過および反射
した場合、入力ビームの４分の１のみが焦点３４に到達
するこ上になる。屈折ビームスプリッタ１２２が入射エ
ネルギの半分以上を反射あるいは透過する場合、システ
ムの効率は低下する。実際、従来の屈折ビームスプリッ
タは約２０％あるいはそれ以下の効率しか得られないこ
とが判明している。このことは、赤外エネルギビームと
ともに用いられるビームスプリッタにおいて顕著に現れ
る。そして、この程度の効率のレベルではほとんどのシ
ステムに適合することができない。
この発明のビームスプリッタは人力ビーム１００に含ま
れたエネルギの２分の１のみしか損失しない。第２のミ
ラー１２は均一なビームの半分のみを反射し、ビームの
残りの半分は消失される。
その１こめ、エネルギの２分の１が損失される。従来の
ビームスプリッタと同様に、このシステムの効率はサン
プル３０の反射率に左右される。サンプル３０が完全反
射する物質、つまり鏡の場合、システムの効率は略５０
％となる。つまり、対物レンズに入射し遮断ミラー１０
により反射された全てのエネルギが焦点３４に到達する
。しかしながら、サンプルが拡散反１＝１する場合、つ
まり、入射エンルギを半球状のパターンで反ｒＪＪする
場合、集束された反射エネルギの半分は入力路に沿って
反射され焦点３４に到達しない。ＲＲの場合、この発明
の反射ビーム分光装置の効率は集束可能なエネルギの２
５％、つまり、第４図に示された従来の屈折ビームスプ
リッタで得られる最高の効率と等しくなる。
この発明の反射ビーム分光装置はシステムの光軸の沿っ
てサンプル３０上に集束される入力ビーム１１０を描え
ていてもよい。サンプル平面３０を通過するエネルギは
第１のミラー２２に充満する。第１のミラー２２からの
エネルギの略半分は第２のミラー１２から遮断ミラー１
０に反ＩＩされた後システムの光軸２１の外方に集束さ
れる。第１のミラー２２で集束されたエネルギの略半分
はシステムの光軸２１上の焦点３４に到達する。したが
で、透過モードで作動されると、この発明の光学系は入
力ビーム１１０を２つの成分に分割し、それぞれの成分
を集束する。そしｔ、遮断ミラー１０が焦点面３６に接
近しておらず、かつ、第１の端縁１４が光線１０５をぼ
かさない限り、ビームスプリッタの各結像はサンプル３
０全体の情報を含んでいる。遮断ミラー１０が焦点面３
６に近づくに従って、遮断ミラーの光軸の側方における
像の不均一な減少が遮断ミラーにより増大される。
第１の端縁が光線１０５をぼかす場合、焦点面３６に到
達したサンプル平面の像の一部は弱められる。したがっ
て、遮断ミラー１０の配置に関して上述した条件が適用
される。
図示された実施例とは逆に、入力エネルギビームを焦点
面３６から出射し、サンプルで反射された像を領域２３
６に向けるようにしてもよい。
また、この発明の光学系は遮断ミラーを第１のミラーと
第２のミラーとの間に配置して反射ビーム分光装置をユ
ニツ１〜化するように構成されている。そして、この光
学系は安定窓して整列された光学構造を得る上で特に有
効であることが証明されている。遮断ミラーが第２のミ
ラーに対して最少距離離間している場合、高い効率を得
る上で、光学要素を正確に整列することが特に重要であ
ることガ分っている。遮断ミラーおよび第２のミラーは
アルミニウムで液留された金属、例えば、ステンレスで
形成されているのが望ましく、また、第１のミラーはガ
ラスで形成される。ステンレスを用いた場合、ミラーの
ベースに孔を形成し光路および構成要素に対してミラー
表面を位置合せするための基準点とすることができる。
この機械的構成は、初期段階における光学的配列を容易
にするとともに、光学的配列を良好に維持するように作
用する。更に、遮断ミラーを第１のミラーと第２のミラ
ーとの間に配置するこ上により、遮断ミラーを伯の場所
、例えば、第１のミラーの後方に配置する場合に比べ、
反射ビーム分光装置を小型にすることができる。光線１
０５の口径食は、遮断ミラーの第１の端縁１４をできる
限り鋭角に形成してこの端縁が光線１０５の光路内に突
出しないようにするこ上によって減少される。
上記システムにおいてミラーをカセグレン構造とするこ
上により最適な反射対物レンズを生出すことができる。
しかしながら、他のレンズ補選を用いてもよい。上述し
たような理論的なミラー構造は赤外顕微鏡測定に置いて
特に有効となる。また、マクストフ（Ｍａｋｓｕｔｏｖ
）光学系のような他の光学構造を使用することもできる
。
上記のようにこの発明の原理、好ましい実施例および動
作を説明したが、この発明は上記説明に限定されること
なく、この発明の範囲内って種々変形可能であることは
言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの一実施例に係る反射ビーム分光装置を示す
一部破断側面図、　　′ 第２図は上記装置における遮断ミラーおよび第２のミラ
ーの平面図、 第３図は第１図に示された装置から遮断ミラーを取除い
た状態を示す図、 第４図は従来の屈折ビームスプリッタを概略的に示す図
である。 １０・・・遮断ミラー、１２・・・第２のミラー、１０
ａ、１３．２２ａ・・・反射面、２１・・・光軸、２２
・・・第１のミラー、３０・・・サンプル、３６・・・
焦点面。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第１および第２のミラーと第２のミラーに隣接し
    た光軸とを有する反射対物レンズ装置の第１のミラーと
    第２のミラーとの間に配設された遮断ミラーにエネルギ
    ビームを向けサンプル上に上記エネルギビームを集束す
    るビーム方向付け方法において、 （ａ）上記エネルギビームを上記遮断ミラーに向ける工
    程と； （ｂ）上記遮断ミラーからのビームを第２のミラーの第
    １の部分に向ける工程と； （ｃ）第２のミラーからのビームを第１のミラーの第１
    の部分に向ける工程と； （ｄ）上記第１のミラーの第１の部分からのビームを上
    記光軸と交差して配置されたサンプルに向ける工程と； （ｅ）上記サンプルから反射されたビームの一部を第１
    のミラーの第２の部分上に集める工程と； （ｆ）上記第１のミラーの第２の部分からの反射ビーム
    を上記第２のミラーの第２の部分に向ける工程と； （ｇ）上記第２のミラーの第２の部分からの反射ビーム
    を撮像面に集束する工程と；を備えていることを特徴と
    するビーム方向付け方法。
  2. （２）サンプルを透過したエネルギビームを分割し集束
    するビーム方向付け方法において、 （ａ）入力エネルギビームをサンプルを通して第１のミ
    ラー上の第１および第２の部分に向ける工程と； （ｂ）サンプルを透過したエネルギを第１のミラーの第
    １および第２の部分に集める工程と； （ｃ）第１のミラーの第１の部分からのエネルギを反射
    して第２のミラーの第１の部分に向ける工程と； （ｄ）第２のミラーの第１の部分からのエネルギを反射
    して遮断ミラーに向ける工程と； （ｅ）遮断ミラーからのエネルギを焦点に向ける工程と
    ； （ｆ）第１のミラーの第２の部分で反射されたエネルギ
    を第２のミラーの第２の部分に向ける工程と； （ｇ）第２のミラーの第２の部分で反射され集束された
    エネルギを焦点に向ける工程と；を備えていることを特
    徴とするビーム方向付け方法。
  3. （３）上記工程は、上記第２のミラーの第１の部分で反
    射されたエネルギが上記遮断ミラーの存在によりぼけな
    いように上記遮断ミラーが上記第２のミラーから充分離
    間した状態で、かつ、上記第２のミラーの第２の部分で
    反射したエネルギにより形成された像が均一に照明され
    るように上記遮断ミラーが第２のミラーに充分接近した
    状態で実施されることを特徴とする特許請求の範囲第２
    項に記載のビーム方向付け方法。
  4. （４）光軸と； 上記光軸と交差して設けられ、第１の部分を有している
    とともに略凹面状の反射面を備えた第１のミラーと； 上記光軸と交差して設けられ、第１の部分を有している
    とともに上記第１のミラーの反射面に向ってあるいは上
    記第１のミラーの反射面から反射されたエネルギビーム
    を反射して方向を変えるように配置された反射面を備え
    た第２のミラーと； 上記第２のミラーの第１の部分に向ってあるいは上記第
    ２のミラーの第１の部分から反射されたエネルギの方向
    を変えるように上記光軸から外れて配置された遮断ミラ
    ーと； を備えていることを特徴とする反射ビーム分光装置。
  5. （５）上記遮断ミラーの反射面は上記第１のミラーと第
    ２のミラーとの間に位置していることを特徴とする特許
    請求の範囲第４項に記載の反射ビーム分光装置。
  6. （６）上記遮断ミラーの反射面は、上記光軸に沿って上
    記第２のミラーの反射面の中心から上記第１のミラーの
    反射面の中心近傍の位置へ反射されたエネルギビームを
    ぼかすことなく上記第２のミラーの反射面にできるだけ
    接近して配置されていることを特徴とする特許請求の範
    囲第５項に記載の反射ビーム分光装置。
  7. （７）上記第２のミラーの反射面の後方から略上記光軸
    に沿って送られた入力エネルギビームを受ける手段と、 上記ビームを上記第１のミラーの反射面全体に向ける手
    段と、が設けられ、 上記第１のミラーの反射面の第１の部分は上記ビームを
    反射して上記第２のミラーの反射面の第１の部分に方向
    付けるように配置され、 上記第２のミラーの反射面の第１の部分は上記ビームを
    上記遮断ミラーの反射面に反射するように配置され、 上記第１のミラーの反射面は第２の部分を有し、上記第
    １および第２のミラーの反射面は上記第１のミラーの反
    射面の第１の部分および上記第２のミラーの反射面の第
    ２の部分から送られたビームを上記光軸に沿って上記第
    １のミラーの反射面の後方に集束するように配置されて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の反
    射ビーム分光装置。
  8. （８）上記入力エネルギビームは上記光軸と略直角に交
    差し、 上記遮断ミラーの反射面に照射された上記エネルギビー
    ムを受け、このビームを上記遮断ミラーの反射面から上
    記第２のミラーの反射面の第１の部分に向ける手段と、 上記第２のミラーの反射面の第１の部分からのビームを
    上記第１のミラーの反射面の第１の部分に向ける手段と
    、 上記第１のミラーの反射面の第１の部分からのビームを
    上記エネルギビームにより照射されるサンプル平面に向
    ける手段と、 上記サンプル平面からのエネルギビームを集め上記第１
    のミラーの反射面の第２の部分に向ける手段と、 上記第１のミラーの反射面の第２の部分からのエネルギ
    を上記第２のミラの反射面の第２の部分に向ける手段と
    、 上記集められたエネルギを上記第１のミラーの反射面の
    後方に集束するように上記第１および第２のミラーの反
    射面を位置決めする手段と、が設けられていることを特
    徴とする特許請求の範囲第６項に記載の反射ビーム分光
    装置。
  9. （９）上記遮断ミラーは、上記光軸と交差することなく
    光軸から斜めに伸びる線に沿って終結した遮断ミラーの
    反射面に沿って伸びる上端縁を有し、上記上端縁は上記
    第１および第２のミラー間を上記上端縁に沿って進むビ
    ームの回折および口径食を防止するように鋭角に形成さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
    の反射ビーム分光装置。
  10. （１０）上記遮断ミラーは高い精度で加工可能な金属で
    形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第６項
    に記載の反射ビーム分光装置。
  11. （１１）上記第１のミラーは高い精度で加工可能な金属
    で形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第６
    項に記載の反射ビーム分光装置。
  12. （１２）上記第１および第２のミラーの反射面はカセグ
    レンミラー構造を形成していることを特徴とする特許請
    求の範囲第５項に記載の反射ビーム分光装置。
  13. （１３）上記第１のミラーは反射面の第１の部分の前方
    に第１の部分から離間して位置した焦点を有し、上記遮
    断ミラーは上記光軸に対して１度以上の角度を成してエ
    ネルギを上記第２のミラーの反射面の第１の部分に向け
    ることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の反射
    ビーム分光装置。
JP61043913A 1985-03-01 1986-02-28 ビーム方向付け方法および反射ビーム分光装置 Pending JPS61212733A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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