(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源または入口スリットからの発散光を収束光に変換する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記平面回折格子をその平面回折格子面の格子溝方向に平行に定められた軸の回りに回動させることにより波長走査を行なう分光器において、
前記平面回折格子の回転軸，入射主光線、回折主光線のすべてが同一面内にあること、並びに、
前記平面回折格子が、可干渉性の二個の発散光束の干渉により形成されたホログラフィック回折格子であり、前記可干渉性の二個の発散光束の光源点が、双方とも前記平面回折格子の中心において該平面回折格子の回転軸と垂直な面内にはなく、且つ、該垂直な面で区分される領域において同一の領域に存在することを特徴とする円錐回折斜入射型の分光器。
【請求項２】
前記光源または前記入口スリットからの発散光を収束光に変換する前記収束光生成手段として凹面鏡を用いたことを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記平面回折格子の溝間隔が、不等間隔、あるいは曲線溝、あるいは不等間隔溝かつ曲線溝であることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項４】
前記平面回折格子面の格子溝が、前記平面回折格子の中心において前記平面回折格子面内で格子溝方向と垂直な軸方向に対して、非対称な格子溝であることを特徴とする請求項３に記載の分光器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円錐回折斜入射分光器及びそれに適した不等間隔溝回折格子の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子を格子溝と同方向の軸回りに回転させ、この軸が入射、回折主光線が作る面に垂直である従来方式の波長走査を行う分光系では、回転角が大きくなるにつれ、照明される格子溝の陰の面積比が大きくなり、長波長になるにつれて回折効率が著しく低下する。この欠点を補うため、波長走査を、回折格子面に垂直な軸の回りに回折格子を回転させ行なう方式が考案された（例えば、Ｍ．Ｃ．Ｈｅｔｔｒｉｃｋ，”Ｇｒａｔｉｎｇ  ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｎｏｒｍａｌｒｏｔａｔｉｏｎ，Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｃｏｎｃａｖｅ  ｇｒａｔｉｎｇ”，ＵＳ  ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．５，２７４，４３５）。この方法により、回折効率は幾分改善されるが、実用波長走査領域が狭く、長波長になるにつれて分解能が低下する。
【０００３】
また、従来の回折格子一枚、入口スリット、出口スリット等から構成される分光系において、入口スリット、出口スリット及び回折格子の各中心が作る平面が回折格子の格子溝方向と垂直でない、いわゆるオフプレイン配置の分光系では等間隔平行溝の回折格子を用いる限り大きな収差が生じていた。そこで、不等間隔でかつ平行でない溝を持ったホログラフィック凹面回折格子を用いる改良が提案された（Ｍ．Ｋｏｉｋｅ，”Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｃｏｎｃａｖｅ  ｇｒａｔｉｎｇ”，ＵＳ  ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．４，４５５，０８８）。しかしながら、この方法でも斜入射分光器で要求される極端なオフプレイン配置では収差補正が極めて困難となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、斜入射分光器で一般には避けられない格子溝による影による回折効率の低下を円錐回折型にすることにより防止し、かつ円錐回折に起因する収差を極めて少なくするように設計された回折格子、及びそのような回折格子を備える円錐回折斜入射分光器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、光源または入口スリットからの発散光を収束光に変換する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、該平面回折格子をその平面回折格子面の格子溝方向に平行に定められた軸の回りに回動させることにより波長走査を行なう分光器において、平面回折格子の回転軸（ｙ軸）、入射主光線、回折主光線のすべてが同一面内にあり、かつ平面回折格子が、可干渉性の二個の発散光束の干渉により形成されたホログラフィック回折格子であり、可干渉性の二個の発散光束の光源点が、双方とも平面回折格子の中心において該平面回折格子の回転軸と垂直な面内にはなく、且つ、該垂直な面で区分される領域において同一の領域に存在することを特徴とする。平面回折格子を含む分光系の焦点を表す光路関数の展開係数の値が波長走査を行なう波長範囲内の少なくとも１つの波長でほぼ０となるように、該平面回折格子の溝パターンを示す級数展開式である溝関数の展開係数が決定されている。上記平面回折格子の回転軸（ｙ軸）、入射主光線、回折主光線のすべてが同一面内にあるとは、図１に示されるように、入口スリット１の中心ＯＮ、出口スリット４の中心Ｏｘ、凹面境２の中心ＯＭ、及び回折格子３の中心Ｏが一平面内にあることである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者は、回折格子をその格子面の格子溝方向と平行に定められた軸の回りに回動させることにより波長走査を行なう円錐回折斜入射分光系において回折格子を含む分光系の焦点を表す光路関数の展開係数の値が波長走査を行なう波長範囲内の少なくとも１つの波長でほぼ０となるように、該回折格子の溝パターンを示す級数展開式である溝関数の展開係数を決定することによって、前記分光器の収差を削減し分解能の向上を図ることができることを見出した。
【０００７】
上記の光路関数の展開係数を用いて収差の削減する方法について図を参照しながら、以下により具体的に説明する。
【０００８】
図１は円錐回折斜入射分光系における光学素子のマウンティング（配置）を示す斜視図である。この分光系において、入口スリット１からの光は凹面鏡２で反射され収束光に変換され、平面回折格子（以下、単に回折格子とする）３に入射し、そこで回折され、出口スリット４に結像する。回折格子の格子面内でｙ軸は該回折格子の格子溝に平行となるように、またｘ軸は格子溝とｙ＝０で直交するように、ｚ軸は格子面と垂直で、ｘ＝ｙ＝０と交わるようにそれぞれ定め、該回折格子への入射主光線及び該回折格子から出る回折主光線を含む平面内で、入射主ならびに回折主光線が、（ｘ，ｙ，ｚ）軸に張る角度をそれぞれ（ξ，η，ζ）、（ξ０’，η０’，ζ０’）とする。また、凹面鏡で反射され収束光の結像点から回折格子中心に至る主光線の距離を−ｒ０，回折格子中心から像点までの主回折光線の距離をｒ０’とする。
【０００９】
回折格子は有効格子定数σを持つ不等間隔曲線溝し、不等間隔溝回折格子の溝関数の展開係数ｎｉｊを回折格子のｘ−ｙ平面上の点座標（ｗ、ｌ）の関数として
【数１】
0005170488.tif 000002
と表す。ｎは、回折格子の溝のそれぞれに付られた番号で、ｘ＝０、ｙ＝０の回折格子中心で０番とし、ｘ軸の正負と同じ符号を有する。
【００１０】
光路関数Ｆも同様に回折格子のｘ−ｙ座標上の点（ｗ、ｌ）の関数として展開形で
【数２】
0005170488.tif 000003
と表す。ここで、Ｍｉｊは、光路関数の展開項の係数で、Ｍ００は主光線の光路長、Ｍ１０、Ｍ０１は分散（回折）方向と関係し、Ｍ２０Ｍ０２はそれぞれｘ軸、ｙ軸方向の結像条件と関係し、Ｍｉ，ｊｉ＋ｊ＞２は収差と関係する。
【００１１】
この場合、Ｍｉｊは
【数３】
0005170488.tif 000004
【数４】
0005170488.tif 000005
【数５】
0005170488.tif 000006
【数６】
0005170488.tif 000007
【数７】
0005170488.tif 000008
【数８】
0005170488.tif 000009
【数９】
0005170488.tif 000010
【数１０】
0005170488.tif 000011
【数１１】
0005170488.tif 000012
【数１２】
0005170488.tif 000013
と表される。
【００１２】
図２は回折格子溝のホログラフィック記録系における光学素子のマウンティング（配置）を示す斜視図である。レーザー光線のような可干渉性の二個のＣ光源点５、Ｄ光源点６からの発散光束回折格子基板上７に出来た干渉縞を記録し格子溝とする。
この場合の溝関数の展開項ｎｉｊはＣ、Ｄ光源点から回折格子中心に至る波長λ０の主光線の距離をそれぞれｒＣ，ｒＤとし、それぞれの主光線が、（ｘ，ｙ，ｚ）軸に張る角度をそれぞれ（ξＣ，ηＣ，ζＣ）、（ξＤ，ηＤ，ζＤ）とすると
【数１３】
0005170488.tif 000014
【数１４】
0005170488.tif 000015
【数１５】
0005170488.tif 000016
【数１６】
0005170488.tif 000017
【数１７】
0005170488.tif 000018
【数１８】
0005170488.tif 000019
【数１９】
0005170488.tif 000020
【数２０】
0005170488.tif 000021
【数２１】
0005170488.tif 000022
と表される。
【００１３】
光路関数の展開係数を用いて収差の削減ためには、例えば以下のような方法により決定すればよい。まづ、Ｍ００の項は光路長を表す項で出口スリットを固定位置に設置する場合、波長に依存しなければ任意の値を取ることができるが、回折格子に結像能力がなく、結像は凹面鏡のみによって行われると仮定した場合ｒ０‘＝ｒとなる。Ｆ１０、Ｆ０１は所謂回折格子の式であり、この式を満たすように凹面鏡、回折格子、出口スリットを配置しなければならない。簡単のためηＣ＝ηＤとした場合、Ｆ０１＝０よりη０‘＝１８０°−ηとなる。また、回折格子の回転軸，入射主光線、回折主光線のすべてが同一面内にあるとすると、ξ０‘＝ξ  でなければならないが、この条件とＦ１０＝０よりζの値が一義的に決まる。次にＦ２０，Ｆ０２  はそれぞれ子午的、球欠的像点を決定する式であるが、Ｆ０２＝０より、ｒＣ＝ｒＤでなければならない。また、これらをＦ２０＝０に代入することにより、ξＣ、＝１８０°−ξＤとなる。したがって、残るのはｒＣ（＝ｒＤ）とηＣ（＝ηＤ）の２変数であるがこれはＦ１１＝０の条件より決定すればよい。
【００１４】
【実施例】
ここでは具体的な一実施例を示す。凹面鏡による収束光束の焦点から回折格子の中心に至る距離−ｒ０を５０００ｍｍ、格子定数σを１／２４００ｍ、回折次数をｍ＝−１、回折格子に入射する主光線がｘ−ｚ平面に張る角ψを８８．６°、走査波長範囲を０．２５−５ｎｍとする。また、レーザー波長λ０を４４１．６ｎｍ とすると、収差を最小にするホログラフィック露光系はｒＣ＝ｒＤ＝２４０７．１１９ｍｍ、ξＣ、＝１８０°ξＤ＝１２２．０００°、ηＣ＝ηＤ＝１１８．７６９゜となる。このようにηＣ＝ηＤ≠９０°の露光条件で作成された回折格子の特徴として、回折格子中心において回折格子面内で回折格子溝方向と垂直な軸方向に対して、非対称な格子溝となる。表１に上記の設計方法、さらにこれに基づいて設計された設計例が、収差を表す光路関数の展開項を極小にしているかを示すため、波長０．２５，１．０，５．０ｎｍにおけるＭｉｊ、Ｈｉｊ，Ｆｉｊの値を示す。
【表１】
0005170488.tif 000023
【００１５】
次に本発明に係わる分光系及び回折格子を評価するため光線追跡法でスポットダイアグラムとスペクトル線プロファイルを計算する方法について示す。
ｒ０＝５０００ｍｍの収束光を生成するため図１において、入口スリット１上に直径２μｍで、スリットの幅方向に０．２ｍｒａｄ、高さ方向に５ｍｒａｄに広がりをもつ光源があり、入口スリットからｒ＝５５００ｍｍの距離にあるトロイダル面鏡２（主曲率（ＸＭ軸方向）：２２４０８５ｍｍ、副曲率（ＹＭ軸方向）：１１４ｍｍ））に入射角ｑ＝８８．６°で入射し、反射され収束光に変換され、トロイダル面鏡から距離Ｄ＝４５０ｍｍにある平面回折格子３に入射し、そこで回折されるものとする。  ただし、回折格子の面積は１００ｍｍ（ｘ軸方向）×１００ｍｍ（ｙ軸方向）とし、これを外れる光線は無視するものとする。
【００１６】
図３に光線追跡法で得られたスポットダイアグラムとスペクトル線プロファイルを示す。  左から主波長はそれぞれ０．２５，０．５，１．０，２．５．５．０ｎｍで３本のスペクト
0005170488.tif 000024
に記してある。  なお、上記条件のうち、光源の大きさを無限小とした場合、分
0005170488.tif 000025
０ｎｍ）となる。
【００１７】
以上、本発明に係る回折格子の実施例について具体的に説明したが、本発明の実施例は上記に限られるものではない。例えば、図１の分光系では入口スリット１から出口スリット４での光路全体が同一平面に含まれているが、これは必須ではない。例えば、図４に示したように、凹面鏡２への入射光が子午面の外部に出るように入口スリット１を配置することは、本発明の実施をなんら妨げるものではない。更に、図１又は図４の分光系では、入口スリット１からの光を凹面鏡２で収束光に変換し、該収束光を回折格子３で受け、そこから出る回折光を出口スリット４へ送るように各光学素子が配置されているが、例えば図５のように、入口スリット１からの光をまず回折格子３で受け、そこから出る回折光を凹面鏡２で収束光に変換して出口スリット４へ送るように各光学素子を配置した分光系にも、本発明は適用可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る回折格子は、収差を極めて少なくするような溝間隔を解析的方法により求め、その溝間隔で格子溝を設けたため、これを用いて円錐回折斜入射分光系を構成すれば、従来品よりも遥かに高い精度の分光分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例の円錐回折斜入射分光系における光学素子の配置を示す斜視図である。
【図２】  回折格子溝のホログラフィック記録系における光学素子のマウンティング（配置）を示す斜視図である。
【図３】  本発明による分光系、及び回折格子の具体数値例を用いて光線追跡法により得られたスポットダイアグラムとスペクトル線プロファイルである。
【図４】  本発明を適用可能な別の円錐回折斜入射分光系を示す斜視図である。
【図５】  本発明を適用可能な更に別の円錐回折斜入射分光系を示す側面図である。
【符号の説明】
１…入口スリット
２…凹面鏡
３…平面回折格子
４…出口スリット
５…レーザー光原点Ｃ
６…レーザー光原点Ｄ
７…平面回折格子基板
８  収束光の焦点
９  格子溝
【図１】
0005170488.tif 000026
【図２】
0005170488.tif 000027
【図３】
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【図４】
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【図５】
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