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    公开号:WO1985002254A1
    申请号:PCT/JP1984/000545
    申请日:1984-11-14
    公开日:1985-05-23
    发明作者:Tatsuo Harada；Masaaki Itoo；Toshiaki Kita
    申请人:Hitachi, Ltd.；
    IPC主号:G01J3-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 害
    [0002] 発明の名称 モノ ク ロメータ
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] 本発明は、 一光源から発した多波長光を分光し任意の一波長成 分のみを取り出すモノ ク ロメータに係リ、 特に軟 X線から真空紫 外線領域の放射光用途に適した平面回折格子モノ ク ロメータ に S する。
    [0005] 背 景 技 術
    [0006] 従来、 軟 X線から真空紫外領域で約 5 Aから 2000 Aの波長の放 射光を分光し、 任意の単一波長成分を取り出すためのモノ ク ロメ ータ と しては、 一般に凹面回折格子モノ ク ロメータ が使用されて きた。 その理由は、 この波長領域では金属表面での光の反射率が 低く、 かつ適当なレンズ材料が存在しないため， 一般にコ リ メ一 卜用、 集光用等の補助光学系を必要とする平面回折格子の使用力'、 困難であ り、 平面回折格子の分光機能と凹面翁の集光機能を合せ 持った凹面回折格子がこの波 g領域の分光に有効であったためで ある。
    [0007] しかしながら、 1880年代以降今日まで一般に使用されてきた従 来型凹面回折格子は凹型球面上に等間隔直線状の平行溝を刻んだ ものであり、 この袼子溝配列上の制約から、 分光器で得られるス ぺク トル像に多く の収差を伴う ことが本質的にさけられず、 その ため、 凹面回折格子モノク ロメータ には得られる単一波長の波長 純度が低く、 また分光効率が低いなどの問 Sがあった。
    [0008] この問 S点を解決する手段と して、 近年、 凹面回折格子の格子 溝配列を不等闉隔曲線状にする方式が提案され、 分光 *の使用波' 長域あるいは光学系 K置に合わせて格子溝間隔変化量や溝曲率を 選択し、 従来の凹面回折格子でさけられなかった収差を除去ある いは大幅に低滅することを可能にした （參廉 ： M . C . Hutley ,
    [0009] Diffraction Grat ings , Achadeaic Press 1982年 p · 2 3 2 ;特公 昭 57 - 33562号） .
    [0010] このような、 いわゆる収差補正凹面回折格子は機械刻線によつ ても、 あるいはレーザ光の干渉 «を写真的に ¾理する、 いわゆる ホログラフイツクな手法によっても «作可能でぁリ、 きわめて ¾ 精度の格子溝配列が可能である。 しかしながら、 その *合、 回折 格子基板と しての凹型球面に形状誤差があると、 これは格子溝配 列誤差と同等なスぺク トル像の収差を生ぜしめる。
    [0011] 一般に、 凹面回折格子基板と しての球面は、 平面と比鲛して製 作が困難でぁリ、 特に任專の曲率を持った球面の要求に対しては.
    [0012] 曲率半径誤差と球面度誤差が発生する。 それ故、 凹面回折格子は 平面回折格子と同様な格子溝 K列手段を用いても、 スペク トル結 像機能において平面回折格子ほど高性能のものが得難い欠点があ る。
    [0013] 発 明 の 関 示
    [0014] 本発明は、 かかる点に着目 してなされたものでぁリ、 箇易な構 成で、 高分光機能を有するモノク ロメータ を提供することを目的 と したものである，
    [0015] 上記目的を達成するために、 本発明では、 不等間痛格子溝配列 によリ光分散機能と集光機能を合せ持つことを可能にした平面回
    [0016] ？ NATlO^ 折格子を使用 してモノ ク ロメータ を形成するものであり、 格子溝 に垂直な一平面内において、 任意の一点から発した単一波長光を 回折格子によ リ反射回折させ、 他の任意の—点に収束させるよう 格子溝間痛を格子溝位置に応じて速続的に変化させた不等間隔格 子溝平面回折格子と、 該回折格子をその一格子溝を含む回転軸ま わり に任意角度回転させる機構と、 前記回折格子の回転軸に垂直 な平面内で前記回折格子の回転 «から入射スリッ トおよび出射ス リッ トを見込む分光器の傭角を任意に変化させる機構を有してな リ、 かつ前記回折格子回転軸と前記入射スリツ 卜闉および前記回 折格子回耘軸と前記出射スリツ ト間の各距 Stをそれぞれ一定に保 つたまま、 前記分光器傷角と前記回折格子回転角を連動変化せし めて、 前記入射スリツ 卜を通過し前記平面回折格子で反射回折し た光束中の任意単波長成分を前記出射スリツ 卜から取出す如く構 成したものである。
    [0017] 図面の簡単な説明
    [0018] 第 1 図は本発明になるモノク ロ メ ータ基本光学系を説明する配 置図、 第 2図は本発明における平面回折格子の格子溝間隔変化を 示す特性線図， 第 3図は回折格子への入射光の変化を示す特性線 図、 第 4図は分光器偏角の変化を示す特性線図、 第 5図（ a )〜 ( d )はスペク トル像の拡がり を示す特性図、 第 6図は本発明の一 実施例における波長走査機構および光学系を説明する構成図であ る。
    [0019] 発明を実施するための最良の形態 まず、 本発明の基本原理を説明する。 第 1図は、 本発明の平面回折格子モノクロメータにおける基本 光学系 K置図でぁ リ、 平面回折格子の格子溝に垂直な 1断面を示 している。 この断面内で、 回折格子中心 0を原点と し、 回折格子 面法線 n を基準とする極座標系を設定し、 回折格子中心 0から入 射スリ ッ ト Aまでの鉅離を 、 同じ く 0から出射スリッ ト B ま での距離を r 2 と し、 回折格子中心 0への入射角を （X、 波長 の m次回折光の回折角を /9 とする。 このとき回折格子中心 Oにおけ る回折格子の格子溝間隔を び。 とすると、 入射角 α と回折角 <5の には次の閟係が成り立つ。
    [0020] m λ = σ a (sin α + sin β ) ··· (1) このとき、 回折格子中心 Oから格子面上任意の鉅 ¾t wの点 Pに おける格子溝間隔ひ》 が
    [0021] B λ Γχ sin a — w r2 sin β — w
    [0022] = sin (tan — ) + sin (tan" 1 ) ··· (2) σ w τχ cos r2 cos β
    [0023] なる関係を満たすよう、 格子溝間隔を中心からの距離 wの関数と して連続的に変化させて格子溝を配列すると、 この平面回折格子 は. 先に示した平面内で， 点 A ( r x ， α ) を発した波長 λの m 次回折光を無収差で点 B ( r 2 ， β ) に収束させることができる 回折格子モノ ク ロメータでは、 回折格子、 スリ ッ ト等の光学部 品の回耘あるいは移動によって連耪的波長走査を行うが、 この場 合、 波長走査機 *はできる限り筒易であることが望ましい。 ここ では回折格子と各スリ ッ ト間鉅離、 すなわち Γ ι および r z をそ れぞれ一定とする。
    [0024] いま、 λ と異なる波長； I ' の m次回折光に闋し、 入射スリ ッ ト 位置を A ' ( Γ ι ， a ' ) とする と出射スリ ッ ト位置 B ' ( r2 /3 ' ) に対応する回折角 は、
    [0025] m λ ' = σ o (sin α ' + sin β - ) ·■· (3) によ り求め られる。
    [0026] この と き、 回折格子中心から wの距離の点 Ρ における格子溝間 隔 <r w ' が 一 一
    [0027] Β λ ' Γχ sin α ' - w r2 sin β -v
    [0028] = sin (tan" 1 ) + sin (tan" 1 ) ··· (4) σ w ' rx cos a ' r2 cos β ' なる関係を満足する と、 点 Α ' ( Γ ι ， a ' ) から発した波長 λ ' 'の m次回折光が点 Β ' ( Γ 2 , β ' ) に無収差で収束する。
    [0029] こ こで （7 W ' と上式（ 2 )で得た波長 λ の m次回折光を無収差で 収束する回折格子の格子溝間隔 σ w がすべての wについて等しけ れば、 入射角 αで波長； の m次回折光を完全収束する平面回折格 子を用いて， 異なる入射角 ct ' で異なる波長； ' の m次回折光を 完全収束する こ とができる。
    [0030] 実際には， いかなる入射角 a ' を選択 しても、 完全に び ， ' と σ w が一致する ことはないが、 使用格子椿 ( w ) の範囲内で， σ w ' と ひ ， の差が最も小さ く なる、 すなわち | σ - σ w I ... が最小となる入射角の選択によ り、 波長； Iで完全収束条件を満足 する不等間隔格子溝平面回折格子を用いて、 波長； ' においても 回折光の近似的収束が行なおれる。
    [0031] この場合、 入射角の変化と同時に入射角と回折角の差 a ' 一 · β ' ) 、 すなわち分光器の僞角も変化するため、 回折格子中心を 回転軸と して入射ス リ ッ トが出射スリ ッ ト、 またはその両方を回 c而 転させて所定の入射角 および儒角 一 β ' を設定すること が必要である。
    [0032] このよう に， 波長 λの回折光が完全収束する、 上式（2 )の関 を満足する袼子溝間隔び， を持った不等間隔溝平面回折格子を使 用 し、 使用波長範囲内のすべての波長： ' に対し、 上式（4 )で得 られる完全収束格子溝間隔 び， ' が 7 W に最も近い、 すなわち I σ w ' 一 σ， I が最小になる入射角 α ' を選択し， 上式（ 3 )に よ り得られる回折角 |9 ' から分光器の蔼角 な ' 一 β ' を設定する こ と によ り 、 入射ス リ ッ ト と回折格子、 出射スリ ッ トと回折格子 の距離をそれぞれ一定に保ったまま波長走査が行なえるモノ ク ロ メータ が得られる。
    [0033] 次に本発明をシンク ロ ト ロ ン放射光用途の一実施例によ り更に 詳細に説明する。
    [0034] • シンク ロ ト ロン放射光は、 X線から可視域に及ぶ連続波長光で あ り、 これを各種の計測， 加工等の用途に利用する場合、 連耪波 長光の中から単一波長成分を取り出すモノ ク ロメータ が必要であ る。
    [0035] シンク ロ ト ロ ン放射光は、 一般に水平方向に長く 、 かつ幅のせ まい長方形状の光源から、 数 m rad ない し数十 m rad 程度のきお めて小さい発散角で放射しており、 シンク ロ 卜ロン放射光用モ ノ ク 口メータ と しては光源自身を水平配置の入射スリツ 卜と して取 扱う こ と が可能である。
    [0036] 本実施例においては、 光源を入射スリッ ト と して扱い、 入射ス リ ッ ト中心と回折格子中心までの距離 を例えば 3 0 m、 回折 格子中心から出射スリツ 卜までの ffi難、 すなわち焦点钜雕 r2 を 例えば l mとする。 回折格子中心での格子溝簡隔 。 を 1 /2400 醒と し、 入射角 8 9 ° で波長 5 Aの 1次回折光を出射スリッ トへ 収束する平面回折格子の格子溝間隔ひ， を上式（ 1 )， （2 )ょ リ算 出すると第 2図のよう になる。
    [0037] この回折格子を使用し、 5 Aから 1 0 O Aまでの波長光に対し . 上式（4 )で得られる回折光完全収束格子溝間隔 ' が σ， に最 も近くなる、 すなわち | ひ 一 σ， I »·，が最小となる入射角 α ' を求めると， 第 3図のよう になり、 このとき分光港の傷角 fit ' — /5 ' は第 4図のよう になる。
    [0038] 第 5図（ a )〜（d )は， シンク ロ ト ロ ン放射光の光源の大きさ を 水平方向 3 BB、 鉛直方向 0 · 3 ηπ と し、 入射角 8 9 ° のと き幅
    [0039] 2 0 0 m, 溝長さ 5 0画の回折格子を全面照射する発散角 （水平 方向 1.6 mrad、 鉛直方向 0.1 2 m rad ) の放射光に対し、 本発 明になるモノク ロメータ によ り出射スリッ ト面上で得られる 5 A (第 5図（a )) , 1 0 A (第 5図（ b )) ， 5 0 A (第 5図（ c )) ， 1 0 0 A (第 5図（d )) 各単色光の拡がり を光線追铱法によ りも とめた結果であ り、 図中 Y軸， Z軸はそれぞれ出射スリ ッ トの幅 方向 （波長分散方向） 、 長さ方向を示している。 こ こで得られた スペク トル結像性能は、 従来の収差補正用補助光学系を持った凹 面回折格子分光器 （例えば、 T.Namiokafife ： Nucl, Instr.and Meth, 2 0 8 (1983) p .2 1 5 ) と比較しても同等以上であり、 従来よ リも筒易な光学系構成にもかかわらず、 各波長ともきわめて高い 収束性を示している。 このよ うに、 波長 5 Aの 1次回折光が完全収束する、 第 2図に 示した不等間 BS格子溝平面回折格子を使用し、 第 3図に示した入 射光に対する回折格子の回おと、 第 4図に示した分光器傷角を满 足する出射スリッ トの回転により、 5 Aから 1 0 O Aの波長範囲 できわめて波長 «度の高い単色光取出しが可能なモノクロメータ が得られる。
    [0040] シンク ロ トロン放射光用モノク ロメータは、 真空容港の中に分 光器を構成する必要があり、 出射単色光を各種装置へ導くため、 便宜上、 出射スリッ ト位置と出射光の方向を波長によらず一定に 保つことが望ま しい。
    [0041] 第 6図は、 この要求を同時に满足する具体的な構成の一例を示 すものである。 こ こでは入射光 3の方向、 平面回折格子 1の回転 中心、 出射スリッ ト 2、 出射光 4の方向はそれぞれ固定されてい る。 平面回折格子 1は第 2図に示した不等閎隔格子溝が配列され ており、 回折格子回転機構 5によ り任意角回転が可能である。 平 面鏡 6は所定の分光器傷角を得るために使用され、 入射光 3 と平 行に移動しながら平面鏡回転案内 7に従って回転し、 入射光 ttが 常に回折格子中心を向く よう平面漦 6の回転と直進が速動する · 平面鏟 6は真空容器 8外からベローズ 9 を介し平面鎵移動機構 1 0によ リ駆動される。 回折格子回転角および平面 II位置は制御 西路 1 1 によ り， 各波長に対して第 3図， 第 4図に示した入射角 および分光器傷角を得るよう速動制御される。
    [0042] なお、 前述の実施例では， シンク ロ トロン放射光の軟 X線波長 領域を対象と し、 放射光源を入射スリッ トと して扱ったが、 本発 明は、 汎用の可視、 紫外、 真空紫外光源を対象と し * 入射スリツ トを設けたモ ノ ク ロメータ と しても有効であることは言う までも ない。
    [0043] 以上、 詳述したよう に、 本発明によれば、 従来軟 X線から真空 紫外波長領域用のモ ノ ク ロ メ ータ に必要不可欠であった凹面回折 格子を使用せず、 高精度で親作が容易な平面回折格子を用い、 か つ入射スリッ トと回折格子および出射スリツ 卜と回折格子の鉅離 がそれぞれ一定という きわめて簡易な波長走査機構によ り、 波長 純度のきわめて高い単一波長 の取出し可能なモノク ロメータの 実現が可能になる。
    [0044] 産業上の利用可能性
    [0045] 本発明のモノク ロメータは、 各種計測等に用いて有効であ り、 特に軟 X線から真空紫外領域の放射光、 例えばシンク ロ ト ロ ン放 射光用途に適する。
    权利要求:
    Claims

    諌 求 の 範 囲
    . 格子溝に垂直な一平面内において、 任意の一点から発した単 一波長光を回折格子によ り反射回折させ、 他の任意の一点に収 束させるよう格子溝間痛を格子溝位置に応じて連耪的に変化さ せた不等間隔格子溝平面回折格子と、 該回折格子をその一格子 溝を含む回転 «まわりに任意角度回転させる機構と、 前記回折 格子の回転 ttに垂直な平面内で前記回折格子の回耘 から入射 スリツ 卜および出射スリッ トを見込む分光器の偏角を任意に変 化させる機構を有してなり、 かつ前記回折格子回耘 ttと前記入 射スリ ッ ト闉および前記回折格子回転 «と前記出射スリッ ト間 の各鉅離をそれぞれ一定に保ったまま、 前記分光器傷角と前記 回折格子回転角を邃動変化せしめて、 前記入射スリ ッ トを禪過 し前記平面回折格子で反射回折した光束中の任意単波長成分を 前記出射スリッ トから取出す如く構成したモノク ロメータ。
    类似技术:
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US5047650A|1991-09-10|
    EP0163743B1|1991-05-08|
    JPS60111125A|1985-06-17|
    DE3484567D1|1991-06-13|
    EP0163743A1|1985-12-11|
    EP0163743A4|1987-10-05|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1985-05-23| AK| Designated states|Designated state(s): US |
    1985-05-23| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): DE FR GB |
    1985-07-19| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1984904168 Country of ref document: EP |
    1985-12-11| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1984904168 Country of ref document: EP |
    1991-05-08| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1984904168 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP58/217726||1983-11-21||
    JP21772683A|JPS60111125A|1983-11-21|1983-11-21|Monochrometer|DE19843484567| DE3484567D1|1983-11-21|1984-11-14|Monochromator.|
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