JP2023500458A - 分光分析装置用の光学系 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)
式中、φは、分散面からの偏向角である。検出器ユニット(それぞれが、ここでは垂直集束シリンドリカルミラー素子、割り当てられた検出器、および取り付けプレートまたはベースプレートから構成される)の組み立て中にミラーエッジの損傷を防止するために、隣接するミラー間にギャップが必要である。ハウジングがそれらの光感受性領域または受光領域よりも遠くに延在する検出器自体のための光学系内に必要な空間を形成するために、φ=±90°の分散面からの標準化された偏向角がシリンドリカルミラーのために選択され、その結果、検出器は、分散面に平行且つ等距離(距離=d)の2つの平面上に配置されるようになる。これにより、それらの取り付け面の一方は、分散面の上方に配置され、他方は、分散面の下方に配置される。シリンドリカルミラーの長さは、使用される割り当てられた検出器の受光領域の長さに適合される。一般に、ミラーの長さは、配置公差を維持するために、割り当てられた検出器の受光領域の長さを僅かに下回る。視野角が増大するため、ミラー形状は、入射スペクトル線がミラー面上に(または隣接するミラー間のギャップ内に)完全に落ちることを確実にするために、回折角が増大するにつれてますます台形にならなければならない。また、ミラー中心点および検出器中心点は、回折角が増大するにつれて、ポリゴングラフのそれらの断面に沿って互いに対してよりオフセットされるようになる。スペクトル線は、まだ焦点曲線から離れた位置に集束されていないため、シリンドリカルミラー面に入射するスペクトル線は、検出器の照射領域上の予想されるFWHMよりもはるかに広い領域にわたって水平に延在する。ミラー面上のこの領域の幅は、シリンドリカルミラーの長手方向軸と、式(1)にしたがって計算された焦点曲線に対する対応する局所接線との間の距離dに依存する。ミラーのエッジでは、スペクトル線の光は、そのミラーに部分的にのみ当たるため、その一部のみが割り当てられた検出器に到達する。したがって、その強度は、空間ドリフトが発生した場合に変化する。したがって、そのような線は、信頼性がないと見なされなければならず、試料のスペクトル評価に使用されるべきではない。したがって、このシステムでは、ミラー間のギャップに部分的または完全に入るスペクトル線が失われる。
(2)t=2d tanξ
ここで、(3)sinξ=W/2RG
(4)h1,2=ρcyl-1,2(1-cos (arcsin(b/2ρcyl-1,2)))
(5)A’1,2=b/2 cos (φ1,2/2)
(6)B’1,2=b/2 sin (φ1,2/2)
(7)Δ=d1-d2
(8)A1,2=A’1,2-h1,2 sin(φ1,2/2)
(9)B1,2=B’1,2+h1,2 cos(φ1,2/2)
(10)B’1(A2)=(A2/cos (φ1/2)) sin (φ1/2)=A2 tan (φ1/2)
(11)S=Δ+B’1(A2)-dm/cos (φ1/2)-B2
ここで、dmは、ミラー素子の中心厚さを示し、bは、ミラー素子の高さを示す。さらなる検討を実行するために、合理的な最大ミラー高さbを推定することができる。スパークOESでは、電極先端と試料(=対電極)との間の距離は、一般に2mmから5mmである。結合レンズまたは結像結合ミラーまたはミラー設定は、発生されたプラズマからの光を入射開口上に結像し、最大5mmのその全高を照射する。分光分析装置光学系では、回折格子3の結像誤差は、線を(とりわけ)入射スリットの高さよりも長くなるようにさせる。Rowland円格子の経験則として、平均7mmの長さが仮定されることができる。本発明の後列ミラー素子4、4aにおいて実現されるように、φ=90°の偏向角でシリンドリカルミラーを使用してスペクトル線の全長から検出器5のセンサ上に光を集束させるために、シリンドリカルミラーの高さは、b=10mmの高さ(=7mm/cos(45°))である必要がある。
(12)WT=2 t(β)
光学系1s:ρcyl-1=75mm、ρcyl-2=27.5mm φ1=φ2=90°
光学系1:ρcyl-1=35mm、ρcyl-2=27.5mm φ1=60°、φ2=90°
光学系1s:d1=26.517mmおよびd2=9.723mm WT=2.6517mm
光学系1:d1=15.155mmおよびd2=9.723mm WT=1.5155mm
(13)lp=d/cos ω
シリンドリカルミラーの軸および画素帯域の中心点は、以下のオフセットOだけ互いにオフセットされる:
(14)O=d tan ω
(15)t(β)=2d tan ξ/cos2 ω
ここで、ωは、βに固有であり、焦点曲線FCの経過に依存する。Rowland円光学系の場合、ω=βが適用される。
式:
(16)n G λ=sin α+sin β
およびバックフォーカス式:
(17)
G 格子定数(格子中心における1mm当たりの溝の数)
λ 回折波長
α 入射角
β 回折角
LA 入射開口と格子中心との間の距離
LB 回折λの焦点と格子中心との間の距離
R 格子基材の曲率半径
λ0 格子製造時の露光波長
Cf フラットフィールド定数;
が使用される;Cf=0の場合、光学系を構成する全ての要素は、Rowland円上に位置する。
1s 最新技術に係る光学系
2 入射開口
3 格子
4,4a,4b 垂直集束ミラー素子(本発明)
5,5a,5b 検出器(本発明)
5c 直接結像検出器
6,6a,6b ポリゴングラフ、セグメントは、ミラー素子の背後の焦点曲線に対する局所接線に平行である
7a,7b 垂直集束素子の隣接する端部
8 曲面
9 ベースプレート
10s 垂直集束ミラー素子(本発明)
11s 最新技術に係る検出器
100 分光分析装置
α 入射角
β 回折角
φ 偏向角
φ1 前列垂直集束ミラー素子4bの偏向角
φ2 後列垂直集束ミラー素子4aの偏向角
ξ sin ξ=W/2 RGによって与えられる角度
ω 垂直に対する垂直集束ミラー素子への中間ビームの入射角
A 長手方向軸
A’1,2 A’1,2=b/2cos(φ1,2/2)によって与えられる距離
A1,2 A1,2=A’1,2-h1,2sin(φ1,2/2)によって与えられる距離
B’1,2 B’1,2=b/2sin(φ1,2/2)によって与えられる距離
B1,2 B1,2=B’1,2+h1,2cos(φ1,2/2)によって与えられる距離
B’1(A2)B’1(A2)=(A2/cos(φ1/2))sin(φ1/2)=A2tan(φ1/2)によって与えられる距離
b 図3に示す軸Aに垂直な垂直集束ミラー素子4の長さ(高さ)
d 式(1)に係る焦点曲線からの距離
d1 焦点曲線と垂直集束前列ミラーの偏向面の軸との間の距離
d2 焦点曲線と垂直集束後列ミラーの偏向面の軸との間の距離
Δ d1とd2との差であり、前記差は、2つのポリゴングラフ6a、6bの間の距離に対応する
Δs 最新技術に係る光学系の偏向面内の後列垂直集束素子と前列垂直集束素子との間の距離
DA 入射開口と格子中心との間の距離
DB 回折波長λ(β)の焦点と格子中心との距離
DP 分散面
dm 垂直集束ミラー素子の中心厚さ
FC 焦点曲線
h1,2 h1,2=ρcyl-1,2(1-cos(arcsin(b/2ρcyl-1,2)))によって与えられる垂直集束ミラー素子の曲率の高さ
Ip 検出器の画素帯域
L 試料からの光
LD 偏向光
N β=0の場合の法線点、法線波長の焦点
O シリンドリカルミラーの軸の中心点と検出器の画素帯域との間のオフセット
ρcyl 曲面8の曲率半径
ρCyl-1 前列垂直集束ミラー素子4bの曲面8の曲率半径
ρCyl-2 後列垂直集束ミラー素子4aの曲面8の曲率半径
RG 格子3の曲率半径
S s=Δ+B’1(A2)-dm/cos(φ1/2)-B2によって与えられる安全距離
t 焦点曲線からの距離dにおける線幅
W 格子3の照射幅
X 水平軸
Y X軸およびZ軸に垂直な軸
Z 垂直軸
Claims (12)
- 光学系(1)であって、
-分析されるべき光(L)を入射させるための少なくとも1つの入射開口(2)と、
-前記光(L)のスペクトル分散のための少なくとも1つの回折格子(3)と、
-前記光(L)の前記スペクトルを測定するための少なくとも2つの検出器(5、5a、5b)であって、前記検出器は、前記光学系の分散面の同じ側に配置される、少なくとも2つの検出器と、
-垂直集束ミラー素子に割り当てられた前記検出器(5、5a、5b)上に前記光(L)を集束させるための少なくとも2つの垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)と、を備え、
前記垂直集束ミラー素子(4)は、互いにおよび焦点曲線にオフセットされた2つのポリゴングラフ(6a、6b)に沿って前列ミラー素子(4b)および後列ミラー素子(4a)として配置され、前記ポリゴングラフ(6a、6b)の各部分は、前記格子(3)の前記焦点曲線に対するその専用の局所接線に平行であり、それにより、
-前記前列ミラー素子(4b)の偏向角(φ、φ1)は、<90°であり、前記前列ミラー素子(4b)の前記焦点曲線に対するオフセット(d1)を最小化することを可能にし、
-前記前列ミラー素子(4b)と前記前列ミラー素子(4b)に割り当てられた対応する検出器(5b)との間の距離(d1)は、前記対応する検出器(5b)およびそれらのマウントと後列検出器(5a)およびそれらのマウントとの間の衝突を依然として回避しながら最小化され、
-前記前列ミラー素子(4b)の少なくとも1つの端部(7a)は、前記格子(3)から見て、前記隣接する後列ミラー素子(4a)または隣接する直接光検出器(5、5a、5b)の受光領域と重なり合っている、
ことを特徴とする、光学系(1)。 - 前記垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)のうちの少なくとも1つの反射面の形状は、円錐のセグメントである、
ことを特徴とする、
請求項1に記載の光学系(1)。 - 前記垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)の少なくとも1つの反射面の形状は、円筒である、
ことを特徴とする、
請求項1または2に記載の光学系(1)。 - 前記垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)のうちの少なくとも1つは、平面ミラー素子(4b)に割り当てられた前記検出器(5、5b)のうちの1つに前記光を偏向させる前記平面ミラー素子(4b)である、
ことを特徴とする、
請求項1から3のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 少なくとも2つの垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)の偏向角の絶対値(φ、φ1、φ2)は異なる、
ことを特徴とする、
請求項1から4のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 少なくとも2つの垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)の平均または一定の曲率半径(ρcyl)は異なる、
ことを特徴とする、
請求項1から5のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 前記偏向角(φ、φ1、φ2)の異なる絶対値を有する少なくとも2つの垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)は、同じ平均または一定の曲率半径(ρcyl)を有する、
ことを特徴とする、
請求項1から6のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 少なくとも1つの検出器(5、5a、5b)は、それに割り当てられた垂直集束ミラー素子(4、4a、4b)を有さず、したがって、前記検出器(5、5a、5b)は、前記スペクトルの一部が前記検出器(5、5a、5b)上に直接結像されるように、前記格子(3)の元の焦点曲線のセグメントに沿って配置される、
ことを特徴とする、
請求項1から7のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 少なくとも1つの検出器(5、5a、5b)は、垂直集束のためのレンズを備えている、
ことを特徴とする、
請求項1から8のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 前記光学系(1)の構築原理は、Paschen-Runge設定またはフラットフィールド設定またはCzerny-Turner設定またはEbert-Fastie設定である、
ことを特徴とする、
請求項1から9のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 前記検出器(5、5a、5b)は、ライン検出器、好ましくはCCDまたはCMOS検出器である、
ことを特徴とする、
請求項1から10のいずれか一項に記載の光学系(1)。 - 前記検出器(5、5a、5b)を動作させ、前記光(L)の前記測定されたスペクトルを分析するために、少なくとも前記検出器(5、5a、5b)に接続された動作ユニットをさらに備える、請求項1から11のいずれか一項に記載の少なくとも1つの光学系(1)を備える分光分析装置(100)。
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