(57)【要約】【課題】  理想的な結像特性と理想的な効率特性を兼ね備えた、基板の面形状に依存しない回折光学素子を提供する。【解決手段】  楕円面群からなる近似面形状において、原理上は基板の面形状という概念は存在しないが、製造上は近似した面形状を持った基板に加工を施す。入射点Ｓ１から入射した光束は各楕円面を経由し、出射点Ｓ２に至る。各回転楕円面の任意の場所におけるインクリネーションファクタが同一であると、入射点Ｓ１から各楕円面に張る各光束の立体角が同一であれば、各光束の出射点Ｓ２における振幅は同一となる。８個の回転楕円面１〜８を経由した光束の出射点Ｓ２における振幅を複素表記すると、位相が合っている場合には振幅が強めあい、波長が異なって位相がずれる場合には振幅が弱めあう。強度は振幅の２乗であるため、位相が合う波長では強度は極めて高く、位相のずれる波長では強度は小さくなり、分散素子としての機能が高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束の入射点と出射点を焦点とする回転楕円面の一部からなる一連の面群で、各面上の任意の点を経由して入射点から出射点に至る距離の各面間における差が波長の一定な整数倍であることを特徴とする回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析装置、計測装置、通信機器等に用いられる回折格子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子は、光を単一の波長にするための分散素子として分光器には欠かせない存在であり、該回折格子は、平面基板上にサブミクロンの微細な格子をルーリングエンジンと呼ばれる刻線装置やレーザ干渉によるホログラフィック法などにより形成している。
【０００３】
回折格子用の基板には、一般的には光学ガラスや合成石英が使われており、基板には規定の精度が要求される。基板表面の形状精度がλ／１０までは機械的に仕上げることができるが、λ／２０〜λ／１００の高精度になると手研磨の手法がとられている。また、形状精度の他に表面の平滑性が真空紫外域では要求される。通常の光学研磨面は２nmRMS程度の平滑性であるが、真空紫外用には０．１〜０．５nmRMSが必要となるため、ボールフィード法やフロートポリシング法等特殊な研磨法が用いられる。また、光源の高出力化に伴い、回折格子用基板として熱伝導性の良いシリコンや炭化ケイ素が要求されている。
【０００４】
ここで、回折格子の性能を規定する大きな要素は、結像特性と回折効率特性であり、従来は、平面、球面、楕円面、トロイダル面などの特定面形状の基板上に結像特性が良好になるように溝形状を最適化設計し、次に、回折効率特性が良好になるように個別の溝の断面形状を最適化設計する。
【０００５】
実際の回折格子の製造工程も上記の設計手法と同様である。機械刻線タイプのグレーティングでは、設計に従った面形状の基板を作成し、溝断面形状に応じた刻線子で基板上に溝を形成する。ホログラフィック刻線タイプのグレーティングでは、設計に従った面形状の基板を作成し、基板上にホトレジストを塗布した後に干渉縞を投影して現像することで溝を形成する。そのあとホトレジストのパターンをマスクとしてイオンビームエッチングすることで断面の形状を設計値に近づける。
【特許文献１】特開平１０−３００９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記製造方法は、歴史的には実績があるが、その反面、基板面上の溝形状を最適化した上で溝断面形状を最適化するため、その溝断面形状は製造方法からの制約に囚われており、真に最適な形状とはいえない。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、基板の面形状に依存しない、真に理想的な回折光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明の回折光学素子は、光束の入射点と出射点を焦点とする回転楕円面の一部からなる一連の面群で、各面上の任意の点を経由して入射点から出射点に至る距離の各面間における差が波長の一定な整数倍であり、各面を経由して入射点から出射点に至る光束の振幅が等しいものを考え、かかる不連続な面群を表面として入射光束を波長に応じて分散することを特徴としている。
【０００９】
入射点と出射点を焦点とする回転楕円面上の任意の点を経由して入射点から出射点に至る光路長は一定である。よって回転楕円面群の各楕円面において、回転楕円面を介して入射点から出射点に至る各光線の出射点における位相は同一であり、各光線の振幅は強めあう。
【００１０】
一方上記の波長と異なる波長では、各光束の出射点における位相は同一にならず各光束の振幅は弱めあう。各光束の振幅が同一であれば、上記の波長と異なるいずれの波長においても効果的に弱めあう。使用波長で振幅が強めあい、他の波長では振幅が弱めあうことが分散の原理であるため、本発明の光学素子は、理想的な結像特性と理想的な効率特性を兼ね備える。また、その溝形状は基板面形状の制約を受けない。
【００１１】
理論式によると、本発明における出射光の振幅は、面群の数をｍ、ｌ番目の面における入射点から望む立体角が一定である微小な面Ｓ（ｌ）を考え、Ｓ（ｌ）から入射点までの距離をｒ、Ｓ（ｌ）から出射点までの距離をｓ、Ｓ（ｌ）における入射光と反射光の位相変化をｔ、Ｓ（ｌ）におけるインクリネーションファクタをＫ、Ｓ（ｌ）を見込む立体角に入射する各光速の振幅をＡとし、波長をλとすると、
【数１】
2006259041.tif 000003
で表される。
面群が楕円面群の場合、ｒ＋ｓは一定であり、二重積分以降の値をほぼ最大とする解がある。
また、各楕円面群のｒ＋ｓが波長の整数倍異なっていれば、当該波長においては二重積分以降の値を複素平面上に表示した場合の偏角がすべて一致して上式の値が最大となり、当該波長と異なる波長においては二重積分以降の値が打ち消しあって小さな値となる。楕円面群の数が増えれば増えるほど、当該波長のいずれの波長でも効果的に打ち消しあい、一般的な回折理論で知られているとおり、出射点における単色度が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、分散の原理に基づき、理想的な結像特性と理想的な効率特性を兼ね備えた、基板の面形状に依存しない、真に理想的な回折光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。図１は符号３〜１０にて示す８個の回転楕円面１〜８からなる本発明の近似面形状である。本発明においては、原理上は基板の面形状という概念は存在しないが、製造上は近似した面形状を持った基板に加工を施すことになる。各楕円面の形成方法としては数値制御の高精度工作機械によるほか、バイナリグレーティングを用いたり、ホログラフィック露光によるパターン作成とイオンビームエッチングの条件を最適化して所期の形状に近づけることも可能である。
【００１４】
回折格子１用の基板には、光学ガラスあるいは合成石英を用いる。基板には規定の精度が要求される。基板表面の形状精度がλ／１０までは機械的に仕上げることができるが、λ／２０〜λ／１００の高精度になると手研磨の手法を用いて作製する。また、形状精度の他に表面の平滑性が真空紫外域では要求される。通常の光学研磨面は２nmRMS程度の平滑性であるが、真空紫外用には０．１〜０．５nmRMSが必要となるため、ボールフィード法やフロートポリシング法等特殊な研磨法を用いることにより作製する。また、光源の高出力化に伴い、回折格子１用基板として熱伝導性の良いシリコンや炭化ケイ素を用いることもできる。
【００１５】
ここで、回折格子１の性能を規定する大きな要素は、結像特性と回折効率特性であり、従来は、平面、球面、楕円面、トロイダル面などの特定面形状の基板上に結像特性が良好になるように溝形状を最適化設計し、次に、回折効率特性が良好になるように個別の溝の断面形状を最適化設計する。
【００１６】
実際の回折格子１の製造工程も上記の設計手法と同様である。機械刻線タイプのグレーティングでは、設計に従った面形状の基板を作成し、溝断面形状に応じた刻線子で基板上に溝を形成する。ホログラフィック刻線タイプのグレーティングでは、設計に従った面形状の基板を作成し、基板上にホトレジストを塗布した後に干渉縞を投影して現像することで溝を形成する。そのあとホトレジストのパターンをマスクとしてイオンビームエッチングすることで断面の形状を設計値に近づける。
【００１７】
図２に本発明による回折格子１の断面図を示す。入射点Ｓ１から入射した光束は符号３〜１０にて示す８個の回転楕円面１〜８を経由し、出射点Ｓ２に至る。簡便のために、符号３〜１０にて示す８個の回転楕円面１〜８の任意の場所におけるインクリネーションファクタが同一であるとすると、入射点Ｓ１から符号３〜１０にて示す８個の回転楕円面１〜８に至る各光束の立体角が同一であれば、各光束の出射点Ｓ２における振幅は同一となる。
【００１８】
図３には８個の回転楕円面を経由した光束の出射点Ｓ２における振幅を複素表記し、位相が合っている場合には振幅が強めあい、波長が異なって位相がずれる場合には振幅が弱めあう様子を示している。強度は振幅の２乗であるため、位相が合う波長では強度は極めて高く、位相のずれる波長では強度は小さくなり、分散素子としての機能が高いことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
回折格子を用いる、分析装置、計測装置、通信機器等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の回転楕円面群からなる回折格子の図である。
【図２】本発明の回折格子の断面図である。
【図３】本実施例の８個の回転楕円面を経由した光束の出射点における振幅の複素表記図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  回折格子
３  回転楕円面１
４  回転楕円面２
５  回転楕円面３
６  回転楕円面４
７  回転楕円面５
８  回転楕円面６
９  回転楕円面７
１０  回転楕円面８
Ｓ１  入射点
Ｓ２  出射点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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