JPS6031252B2 - 凹面回折格子単色計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （１｝ 発明の利用分野 本発明は、分光装置に使用される単色計、とくに真空紫
外分光用途に適した凹面回折格子単色計に関するもので
ある。

■ 従来技術 紫外線、とくに２０瓜ｍより短い波長領域の光は、固体
表面での反射率および透過率がきわめて低いため、この
領域での分光測定にはしンズや凹面鏡を必用としない凹
面回析格子分光器が一般に使用されている。

単色計（モノクロメータ）は、光源に含まれる波長の中
から任意波長を取り出す装置であり、凹面回折格子単色
計は、通常入射スリット、出射スリット、凹面回析格子
および波長走査機構によって構成されている。

従来の単色計に用いられていた凹面回析格子は、凹型球
面上に等間隔の直線溝（凹面回折格子の溝間隔および形
状は、格子溝を回析格子中心で凹面に接する平面上に格
子溝を投影して定義する）を刻んだものである。

第１図は、従来型凹面回析格子を使用した単色計として
一般に良く知られている瀬谷波岡型単色計の光学系配置
を示すものであり、凹面回析格子１の中心から入射スリ
ット２および出射スリット３を見込む角度が約７０ｏに
なるよう両スリットが固定され、回折格子の回転のみで
波長走査を行なうものである。

本単色計は構成がきわめて簡易である反面、得られるス
ペクトル上にきわめて大きな収差を伴うため、高分解能
の分光測定に適さない欠点がある。第２図は、イーグル
型単色計として知られる凹面回祈格子単色計の光学系配
置を示すものであり、入射角と回析角がほぼ等しく、か
つその値が小さいため比較的収差が少ないため高分解能
の分光測定に適している。

しかしながらこの配置の場合、波長走査時に凹面回析格
子１の回転と同時に回析格子と出射スリット３の移動が
必要なため、波長走査機構が複雑であり、また通常ねじ
の回転で与えられる波長走査入力と単色計で得られる波
長の間に直線性が得にくいなどの欠点がある。糊 発明
の目的本発明は、従来型凹面回析格子にかえ、格子溝が
不等間隔で、格子溝形状が一般に楕円状の凹面回折格子
を使用することにより、波長走査機構が簡単でかつ波長
走査入力と得られる波長の間に直線性があり、かつ従来
のイーグル型単色計よりさらに収差の少ない高性能凹面
回析格子単色計を提供することを目的とするものである
。

｛４｝ 発明の総括説明 第３図に示すように、凹面回析格子の中心○を原点とし
、０における凹面の法線を基準軸とした極座標系におい
て、凹面の曲率中心○（Ｒ，０）を光源位置とするとき
、任意波長入ｏのｍ次回析光を任意の点Ｃ（ｒｃ，ｙ）
に無収差で収束させる凹面回析格子は、特願昭４８−４
６１７号明細書・「回析格子の製作法」の方法によって
製作が可能である。

この回折格子を単色計に使用する場合、光の分散方向に
最も鮮鎖なスペクトルを得るための入射スリット位置Ａ
（ｒ，Ｑ）と出射スリット位置Ｂ（ｒ′，８）の関係は
次式のようになる。さＯＳ２Ｑ＋さ。Ｓ２８−（ＣＯＳ
Ｑ十ＣＯＳ８）十Ｋ（Ｓｉｎば十Ｓｉｎ８）ニ。
……（１｝ここでＫは格子溝変化量を定めるパ
ラメータであり、凹面回析格子の中心における格子溝間
隔をＳ。とすると格子溝・本ごとにＫ峯子ずつ溝間隔が
１次関数的に変化する、回折格子溝刻線条件を与える。
このＫと第３図の熱収差結像点Ｃ（ｒｃ，ッ）との関係
は次式のようになる。Ｋ＝Ｓよ（Ｃｏｓｙ‐暑。

Ｓ２ｙ） ．・・．・剛ここでイーグル型配置の近似と
してｒ＝ｒ′，Ｑ＝８とするとｒとＱの関係は次式のよ
うになる。ｒ Ｃ○Ｓ２ＱＲ−ｃｏｓＱ−Ｋ
ｓｉｎＱ ．・・・・・｛３’
第４図は、式賊における入射角Ｑと回析格子中心とスリ
ットの距離ｒの関係をＫをパラメータとして示したもの
であり、ここでＫ＝０の場合が従来と同じ等間隔溝凹面
回析格子に相当する。

一方第３図の点Ｃに回祈光を無収差で収束する凹面回析
格子を使用し、スリット高さ方向に最も鮮鉄なスペクト
ルを得る入射スリット位置ＡＨ（ｒＨ，Ｑ）と像位置Ｂ
Ｈ（ｒ′日，８）の関係は次式で与えられる。母十号−
くＣＯＳＱ＋ＣＯＳ３）−ｔａｎａ（ＳｉｎＱ十ｓｉｎ
８）＝０ ……【４）ここ
でのま楕円状格子溝の曲率に関係するパラ０メータであ
り、第３図の無収差結像点Ｃ（ｒｃ，ッ）との関係は次
式のようになる。

ねｎ８ニＲ一ｒｃｅＯＳｙ
，．．，．．【５｝ｒジｌｎｙ前述と同様に、ｒＨ＝ｒ
′日 Ｑ＝８とするとｒＨとＱの関係は次式のようにな
る。

ｒＨ− １ ．
．．・・・■Ｒ一ｃｏｓＱ＋ｔａｎＧＳｉｎＱ第４図の
点線は式｛６’におけるＱとｒＨの関係をａをパラメー
タとして求めたものであり、図において８＝０が従来型
凹面回析格子と同じ直線溝凹面回折格子の場合に相当す
る。

通常の単色計では、波長分散方向（スリット幅方向）に
最も鮮鉄なスペクトルをとり出すよう入射スリットと出
射スリットの配置を行なう。

従来型凹面回祈格子を用いたイーグル型単色計では、波
長走査のための回析格子回転（入射角の増加）とともに
スリットと回析格子の距離が大幅に変化し、しかもその
変化が回析格子回転角に対し直線的でない。そのため入
射スリットと出射スリットを波長分散方向に若干離して
配置する実用のイーグル型単色計では、波長走査機構と
して回析格子の回転に伴うその中心の移動と同時に出射
スリットの移動機構も必要である。またスリット高さ方
向の最適スペクトル結像位置と、実際のスリット位置が
へだたるため、出射スリット上で得られるスペクトル像
にはそのへだたり量に対応した非点収差を生じる。本発
明は、単色計が使用される波長範囲内で回析格子とスリ
ットの距離の変化量が最小になるよう回析格子の溝間隔
変化量（パラメータＫ）を設定し、かつ使用波長範囲内
で非点収差が最小になるよう楕円状格子溝の曲率（パラ
メータのを定め、Ｋおよび０の値から凹面回折格子の仕
様を定める値ｒｃ，ｙを決定し、この凹面回析格子を用
いてきわめて簡易な構成で高性能の単色計を得るもので
ある。

すなわち回析格子とスリット距離の変化量がきわめてわ
ずかになったため（具体的には回析格子回転角５０に対
して凹面曲率の１／１０００程度、ｌｏｏ に対し曲率
半径の４／Ｉ００の華度）、回析格子の移動機構が簡単
になるほか、入射スリット出射スリットを離したスリッ
ト配置においても、回析格子の回転と移動のみで入射出
射スリットはいずれも固定できる利点がある。また波長
走査に従来の瀬谷波岡型単色計のようなサインバー機構
などを使用する場合、波長走査中に入射スリットから回
析格子を見込む角度が変化すると、波長走査入力と得ら
れる波長の間の直線性が失なわれるが、回折格子移動量
が曲率半径と比較して十分小さい場合、走査入力として
の波長目盛と実際に得られる波長の差は実用上無視でき
る。具体的には回折格子移動量が曲率半径の１′１００
栃室度であれば、入射出射スリット間隔と曲率半径の比
が１／５の場合でも、得られる波長の直線性からの誤差
はその波長の１／１００００の華度である。具体例とし
て、凹面回析格子の中心溝本数を１２００本／ｍｍとし
、使用波長範囲を３仇ｍから２００ｎｍまでとすると、
波長０を基準にした回析格子回転角の範囲は約１．００
から６．９０ までとなり、Ｋの値を０．６８５とする
と、スリットと回析格子中心までの距離は波長走査範囲
のほぼ中央で極大値を持ち、走査波長範囲内でその変化
量は凹面曲率半径の約１５／１００００となる。一方格
子溝の曲率を定めるパラメータ８を２０とすると、回析
格子回転角約６０で非点収差が０となり、走査波長範囲
内で非点収差がほぼ最小になる。第５図は上記凹面回析
格子を用いた単色計の回析格子回転角心と回祈格子中心
からスリットまでの距離ｒ／Ｒの関係、および回析格子
の回転角心と回析格子中心からスリット高さ方向に最も
鮮鉄になるスペクトル像位置までの距離ｒＨ／Ｒの関係
を示したものであり、ｒノＲと少の関係はほぼ次式で近
似できる。長＝。

‐９９２にＯＳ（心・３‐９６０）十。‐〇１０３１‐
…”（７｝【５）実施例以下、本発明を実施例を参照し
て詳細に説明する。

第６図は本発明実施例の凹面回折格子単色計購成を示す
ものであり、不等間隔の楕円状溝が刻まれた凹面回析格
子１０は直線案内１１で拘束された移動台１２上で回転
が自由であり、回析格子回転軸には、凹面回折格子中心
の法線と平行な腕１３と、腕１３に対し単色器設計条件
より定まる固有の角度Ｊｏの角度をもつ連結榛１８が固
定され、腕１３と連結棒１８は互に角度Ｊｏを保ちなが
ら凹面回折格子１０とともに回転する。

腕１３の先端はねじ１４で送られるナット１５上に固定
された平面案内１６に引張ばね１７によって拘束される
。ここで腕１３の長さをｐとすると、腕１３がねじ１４
と直交する位置を回転の基準にした腕１３すなわち回折
格子１０の回転角心とナット１５の送り量×の関係は肌
にき ……【８） 一方連結棒１８は、回転角０における腕１３の延長線上
に回転中心を持ち、長さが連結棒１８と等しい連結榛１
９と互に回転自由に連結され、これら連結棒１８と１９
により回析格子の回転に伴う移動が拘束される。

入射スリット２と出射スリット３は、回転角０における
凹面回折格子１０の法線に対し対称な位置に固定され、
連結榛１８および１の長さを１，／２、回祈格子の回転
心。すなわち連結榛１８と１９が平行になった場合の入
射出射スリット中点と凹面回析格子中○の距離を１，十
１２よって、１２は入射出射スリット中点と連結榛１９
の回転中心間の距離とすると、回析格子の回転心こ対応
する入出射スリット中点と凹面回析格子中心の距離１は
次式のようになる。１＝１．ＣＯＳ（小一心。

）十１２ ……（９１ただし、暑く１．＜Ｒ
，１２＜蔓が良い。また回析格子の回転角が心ｏの場合
、入射出射両スリットが回折格子中心を見込む角を６、
凹面回折格子中心での格子定数をｄとすると、単色計波
長走査入力としてのナット１６の送り量×と単色器で行
なわれる波長入の関係は次式のようになる。

入＝竺茎三三豊Ｘ ‐‐‐‐‐‐｛１の
Ｐ本発明では回折格子の移動量はきわめて徴量であるた
め、回析格子の移動機構は平行ばね案内による微動機構
などでも実用的に十分であり、また回析格子移動機構と
して回析格子の回転と連動するカム機構などが使用でき
ることは言うまでもない。

■まとめ 以上説明したように本発明によれば、従来の凹面回析格
子単色計の問題点であった低分解能、波長走査機構の複
雑さ、波長走査の非直線性等もきわめて簡易な構成によ
り解決することができる。

本発明は凹面回析格子単色計の主用途である真空紫外分
光分野においてきわめて大きな効果を持つが、一般の可
視紫外分光分野においても凹面鏡やレンズを必要としな
い高性能単色計として応用可能でであることは云うまで
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の瀬谷波岡型凹面回析格子単色計光学系説
説明図、第２図は従来のイーグル型凹面回析格子単色計
光学系説明図、第３図は回析光の無収差結像を行なう凹
面回析格子における入射スリット出射スリット位置の説
明図、第４図は本発明のおける回折格子の回転角と最も
鮮鎖なスペクトル像を得る位置関係を示した綾図、第５
図は本発明の具体例により光学系配置を求めた、回折格
子の回転角と回析格子スリット間距離の関係を示す線図
、第６図は本発明実施例における光学系および波長走査
機構の構成図、各図において１は従来型凹面回折格子、
１０は回析光の無収差結像が可能な凹面回析格子、２は
入射スリット、３は出射スリットである。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 凹面の曲率中心に光源を配置したとき、凹面を見込
   む任意の１点に、任意に選択した１波長の回析光を無収
   差で収束する格子溝配列を持つた凹面回析格子と、該凹
   面回析格子の中心において格子溝に接する直線を回転軸
   として回転せしめ、これと同時に該回転軸を該回転軸に
   対して垂直な方向に直線移動せしめ得る波長走査機構と
   、光源からの光を取りこむ、固定された入射スリツトと
   、該入射スリツトを通過し前記凹面回析格子に入射して
   反射回析した光束中の任意波長成分を取り出す、固定さ
   れた出射スリツトとを具備することを特徴とする凹面回
   析格子単色計。