特許 5948558 分光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5948558

(24)【登録日】2016年6月17日

(45)【発行日】2016年7月6日

(54)【発明の名称】分光装置

(51)【国際特許分類】

   G21K 1/06 20060101AFI20160623BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20160623BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20160623BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20160623BHJP

【ＦＩ】

   G21K1/06 N

   G21K1/06 B

   G01J3/18

   G02B5/18

   G02B5/32

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-87536(P2012-87536)

(22)【出願日】2012年4月6日

(65)【公開番号】特開2013-217730(P2013-217730A)

(43)【公開日】2013年10月24日

【審査請求日】2015年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】今園 孝志

(72)【発明者】

【氏名】小池 雅人

(72)【発明者】

【氏名】寺内 正己

(72)【発明者】

【氏名】高橋 秀之

(72)【発明者】

【氏名】笹井 浩行

【審査官】 後藤 孝平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２７３４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３２９４７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ １／０６

Ｇ０１Ｊ ３／１８

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対応波長範囲が異なる複数の不等間隔溝回折格子を具備し、所望出力光の波長に対応して前記複数の不等間隔溝回折格子のうちから一つの不等間隔溝回折格子が選択され、当該一つの不等間隔溝回折格子に光源から発した入射光が入射し、回折された回折光が出力光として全ての前記不等間隔溝回折格子に共通とされた結像面に照射される設定とされ、前記一つの不等間隔溝回折格子を選択し前記入射光を入射させる位置に設置させる切換手段を具備する分光装置であって、
前記切換手段は、前記複数の不等間隔溝回折格子の中から前記一つの不等間隔溝回折格子を選択するに際して、各不等間隔溝回折格子の格子面の中心を通る法線を共通とし、前記光源が前記格子面の上側にある場合に、対応波長範囲の短い順に前記格子面が高い位置に設定されるように、前記一つの不等間隔溝回折格子を選択し設置させることを特徴とする分光装置。

【請求項2】

前記光源は、０．５〜２５ｎｍの波長の光を発することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。

【請求項3】

前記不等間隔溝回折格子における格子面は凹面形状とされたことを特徴とする請求項１又は２に記載の分光装置。

【請求項4】

前記不等間隔溝回折格子における格子面に多層膜が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の分光装置。

【請求項5】

前記切換手段は、
前記不等間隔溝回折格子の格子面の中心を通る法線が共通となる位置に前記複数の不等間隔溝回折格子を並進移動又は回転移動させることによって前記一つの不等間隔溝回折格子を選択することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の分光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、不等間隔溝回折格子が用いられる分光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

単色でない入射光から所望の波長をもつ単色の光を出力する分光装置は、各種の物理実験や計測において広く用いられている。軟Ｘ線領域の光を出力する分光装置としては、回折格子（例えば矩形溝のラミナー型回折格子）を用いたものが知られている。この場合、この回折格子を用いた分光装置においては、回折格子の格子面に対する入射角や出射角（回折角）を選択することによって、所望の波長の単色光を取り出すことができる。ここで、凹面回折格子を用いれば、分光だけでなく、同時に結像も行わせることもできる。

【0003】

こうした軟Ｘ線領域における回折格子においては、入射角等を制御することによって単色光の波長を制御することができるものの、一つの回折格子を用いて得られる波長範囲（エネルギー範囲）には限度があり、この限度を超えた範囲では回折効率が大きく低下する、あるいは分解能が大きく低下する。このため、この範囲を広くするための構造が提案されている。例えば、特許文献１には、格子面において格子間隔を均一とせずに分布をもたせることによって、この範囲を広くした不等間隔溝回折格子が記載されている。また、回折格子の回折面上を複数の領域に区分し、各領域において対応波長範囲を最適化した構成が特許文献２に記載されている。

【0004】

軟Ｘ線領域の光に対応した不等間隔溝凹面回折格子を用いた分光装置の場合、実用的な回折効率と分解能を維持できるエネルギー範囲としては、例えば、格子定数の中心値を１／１２００ｍｍ、入射角度（格子面の法線と入射光のなす角度）を８７°に設定した場合、６０〜２５０ｅＶ（波長２０〜５ｎｍ）程度である。不等間隔溝回折格子で回折された回折光の結像面は平面とすることができるため、検出器としてＣＣＤのような二次元検出器を用いた場合、当該エネルギー領域の光を同時に検出することができる。これは不等間隔溝凹面回折格子を用いた分光装置の特徴である。また、格子定数を１／２４００ｍｍ、入射角度を８８．７°と設定した場合、２５０〜１２４０ｅＶ（波長５〜１ｎｍ）程度となる。この場合も、結像面は平面となるため、当該領域の光を同時検出可能である。しかしながら、例えば、６０〜１２４０ｅＶにおいて一様に高い回折効率、分解能が得られる単一の不等間隔溝凹面回折格子を得ることは現実には困難である。

【0005】

このため、例えば特許文献３には、複数の不等間隔溝回折格子を切り替えて使用する技術が記載されている。この技術においては、複数の不等間隔溝回折格子が、平行移動や回転によって切り替えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−１３３２８０号公報

【特許文献2】特開２００９−３００３０３号公報

【特許文献3】特開２００７−２７３４７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

不等間隔溝回折格子においては、格子定数、溝パターン（溝関数）、溝形状、格子面表面の物質等のパラメータが、所望のエネルギー範囲と回折格子の光学的位置関係（光源の位置、入射角度、焦点距離等）を考慮した上で、高い回折効率と分解能が得られるように定められる。この際、対応波長範囲が異なれば、最適な光学的位置関係は異なる。これは、回折効率と入射角の関係には波長依存性があるためである。例えば、軟Ｘ線領域における比較的高いエネルギー（短い波長）の光の回折効率を高くするには、低いエネルギー（長い波長）の場合と比べ、より９０°に近い入射角にする必要がある。ここで、入射角は回折格子の法線から計るものとする。

【0008】

このため、特許文献３に記載のように、複数の不等間隔溝回折格子を切り替えて使用する場合には、不等間隔溝回折格子毎に入射角度や像面の位置を調整することが必要となる。この場合、この調整作業は非常に煩雑となる。特に、エネルギー範囲が広く、多くの不等間隔溝回折格子を使用する場合には、この作業は非常に煩雑となり、高い精度を得ることも困難であった。

【0009】

すなわち、広い波長帯域をカバーできる分光装置を複数の不等間隔溝回折格子を用いて得ることは困難であった。

【0010】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】

【0011】

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の分光装置は、対応波長範囲が異なる複数の不等間隔溝回折格子を具備し、所望出力光の波長に対応して前記複数の不等間隔溝回折格子のうちから一つの不等間隔溝回折格子が選択され、当該一つの不等間隔溝回折格子に光源から発した入射光が入射し、回折された回折光が出力光として全ての前記不等間隔溝回折格子に共通とされた結像面に照射される設定とされ、前記一つの不等間隔溝回折格子を選択し前記入射光を入射させる位置に設置させる切換手段を具備する分光装置であって、前記切換手段は、前記複数の不等間隔溝回折格子の中から前記一つの不等間隔溝回折格子を選択するに際して、各不等間隔溝回折格子の格子面の中心を通る法線を共通とし、前記光源が前記格子面の上側にある場合に、対応波長範囲の短い順に前記格子面が高い位置に設定されるように、前記一つの不等間隔溝回折格子を選択し設置させることを特徴とする。
本発明の分光装置において、前記光源は、０．５〜２５ｎｍの波長の光を発することを特徴とする。
本発明の分光装置において、前記不等間隔溝回折格子における格子面は凹面形状とされたことを特徴とする。
本発明の分光装置は、前記不等間隔溝回折格子における格子面に多層膜が形成されたことを特徴とする。
本発明の分光装置において、前記切換手段は、前記不等間隔溝回折格子の格子面の中心を通る法線が共通となる位置に前記複数の不等間隔溝回折格子を並進移動又は回転移動させることによって前記一つの不等間隔溝回折格子を選択することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明は以上のように構成されているので、複数の不等間隔溝回折格子を用いて広い波長帯域をカバーできる分光装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】不等間隔溝凹面回折格子が使用される際の形態を示した図である。

【図2】入射角をパラメータとして、軟Ｘ線領域における分光装置のスループットのエネルギー依存性を計算した結果である。

【図3】３種類の不等間隔溝凹面回折格子における光源、入射光、回折光、像面の位置関係を示す図である。

【図4】３種類の不等間隔溝凹面回折格子における光源、入射光、回折光、像面の位置関係を回折格子の中心位置のｘ軸方向へのオフセットΔを考慮して重ね合わせた図である。

【図5】本発明の実施の形態に係る分光装置における焦点の分布を示す図である。

【図6】非球面ホログラフィック露光法によって不等間隔溝パターンを形成する際の構成（第１の例）を示す図である。

【図7】非球面ホログラフィック露光法によって不等間隔溝パターンを形成する際の構成（第２の例）を示す図である。

【図8】本発明の実施の形態に係る分光装置において用いられる不等間隔溝凹面回折格子の結像特性の一例である。

【図9】本発明の実施の形態に係る分光装置の第１の例の構成である。

【図10】本発明の実施の形態に係る分光装置の第１の例の変形例の構成である。

【図11】本発明の実施の形態に係る分光装置の構成の第２の例である。

【図12】本発明の実施の形態に係る分光装置の第３の例の構成である。

【図13】本発明の実施の形態に係る分光装置の第３の例の変形例の構成である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態に係る分光装置について説明する。この分光装置においては、３種類の不等間隔溝凹面回折格子が切り替えられて使用されるものとする。図１は、単一の不等間隔溝凹面回折格子１０が分光装置中において使用される際の形態を示す図である。ここでは光源２０、入射光１００、回折光２００を含む、格子面１１に垂直な断面が示されている。この不等間隔溝凹面回折格子１０は、光源（点光源）２０が発した単色でない光（軟Ｘ線）を回折・分光して像面３０においてエネルギー（波長）毎に結像するものとする。すなわち、像面３０において所望波長をもつ単色の出力光が得られる。（ｘ、ｙ、ｚ）軸の座標原点をＯとするが、ここでは、Ｏは格子面１１の中心（回折格子中心）に等しいものとする。ｘ軸は原点Ｏから図１中の格子面１１に垂直に上側に向かう方向とし、この方向は回折格子中心における格子面１１の法線方向となる。ｙ軸はｘ軸と入射光１００、回折光２００を含む平面（図１における紙面）内で原点Ｏからｘ軸と垂直に光源２０の存在する側に向かうものとする。図示されていないが、ｚ軸は、原点Ｏを通り紙面と垂直に紙面の向こう側から手前に向かうものとする（右手系）。すなわち、ｚ軸の方向は格子面１１に向かう入射光１００とその回折光２００を含む平面と垂直な方向となる。

【0015】

ｒは原点Ｏから光源２０までの距離（入射光１００の光路長）、ｒ’は不等間隔溝凹面回折格子１０の焦点距離であり、回折光２００の光路長と等しいものとする。入射角αは入射光１００とｘ軸のなす角度、回折角（出射角）βは、回折光２００とｘ軸のなす角度として定義し、α、βともに反時計回りを正にとる。また、光源２０からｘ軸に平行に延びた直線（ｙ軸への垂線）とｙ軸との交点をＰ、像面３０からｘ軸に平行に延びる直線（ｙ軸への垂線）とｙ軸との交点をＱとする。

【0016】

不等間隔溝凹面回折格子１０の設計において用いられるパラメータについて説明する。入射角α、回折角β、光源２０までの距離ｒ、焦点距離ｒ’は光源２０、像面３０とこの不等間隔溝凹面回折格子１０との位置関係によって定まる。凹面の曲率半径（曲率中心は図１中の上側にあるものとする）をＲ、回折光の波長をλ、回折次数をｍ、有効格子定数をσ（回折格子中心における格子定数）とし、特許文献１に記載のように、ｎ番目の格子溝のｙ軸上への射影座標をｗとした場合、展開係数ｎ_２０、ｎ_３０、ｎ_４０を用いて溝関数ｎ（ｗ）とσの積を（１）式のように記載すると、（２）〜（４）式が成立する。

【0017】

【数1】

【0018】

【数2】

【0019】

【数3】

【0020】

【数4】

【0021】

（３）式、（４）式より、ｒとｒ’は、波長λの関数となる。従って、光学的位置関係を規定するパラメータであるα、β、ｒ、ｒ’を一定として対応する全てのλで上記の関係が成立させるようにＲとｎ_２０を設定することは現実には不可能であることは明らかである。このため、実際には、対象とする波長範囲内において、これらのパラメータがいずれも狭い範囲内に収まるようにσ、ｎ（ｗ）、Ｒ等を設定することになる。なお、上記の位置関係は、（１）式の係数のうちのｎ_２０によって定まる。ｎ_３０、ｎ_４０等は焦点（上記の位置関係）には大きな影響を与えず、コマ収差に大きく影響を与えるが、この点については後述し、ここではｎ_３０、ｎ_４０については無視する。

【0022】

ここで、対応する波長範囲が広いほど上記の設定が困難になることは明らかである。このため、ここでは複数の不等間隔溝凹面回折格子（Ｇ_１〜Ｇ_ｎ）を用い、各々が異なる対応波長範囲（Ｇ_１：波長λ_１２〜λ_１１、Ｇ_２：λ_２２〜λ_２１、・・・ Ｇ_ｎ：λ_ｎ２〜λ_ｎ１、λ_１１＞λ_１２、λ_２１＞λ_２２、・・・、λ_ｎ１＞λ_ｎ２であり、各々の中心波長においては、（λ_１１＋λ_１２）／２＞（λ_２１＋λ_２２）／２＞・・・＞（λ_ｎ１＋λ_ｎ２）／２とする）をもつものとする。すなわち、Ｇ_ｋにおいては、ｋが大きい順に高いエネルギー（短い波長）に対応している。この場合には、Ｒとｎ_２０の設定は、Ｇ_１〜Ｇ_ｎで独立に行うこともできる。この場合には、単一の不等間隔溝凹面回折格子を用いる場合よりもその設計が容易となることは明らかである。各不等間隔溝凹面回折格子においては、各々の対応する波長範囲においてのみ上記の関係が成立するように設計されればよい。

【0023】

Ｇ_１〜Ｇ_ｎを切り替えて使用する場合には、その光学的位置関係（α、β、ｒ、ｒ’）を共通とすることにより、切換作業が特に容易、かつ信頼性が高くなる。このため、α、β、ｒ、ｒ’はＧ_１〜Ｇ_ｎの全てにおいて共通とすることが望ましい。しかしながら、実際にはこれも困難である。これは、特に軟Ｘ線領域での反射率は入射角が９０°に近い狭い範囲でのみ高く、かつ波長が短い（エネルギーが高い）場合においては反射率の低下が著しいためである。不等間隔溝凹面回折格子の回折効率は、その格子面を構成する材料の反射率に大きく依存する。すなわち、回折効率もこの反射率と同様の傾向を示す。

【0024】

また、分光装置から得られる出力（出力光の強度）は、実際には単なる回折効率（反射率）の大小だけで決まらない。上記の例では、光源２０を点光源とし、単純化のために回折格子中心における回折のみについて記載したが、実際には光源２０から発した光は回折格子の格子面のほぼ全面に照射され、回折される。特に不等間隔溝凹面回折格子の場合には、この光が像面３０で集光するように設定される。このため、像面３０上で得られる光の強度は、光源２０からこの不等間隔溝凹面回折格子を見た見込角が大きい場合に高くなる。図１の構成において、見込角は、α＝０°で最大、α＝９０°で零となり、ｃｏｓαに比例する。以上より、高強度の出力光を得るための指数としては、反射率と見込角の積を採用することができる。

【0025】

図２は、不等間隔溝凹面回折格子の表面を構成する材料として使用される金の反射率と見込角の積（スループットと定義）のエネルギー依存性を、３種類の反射角度（図１中のαに対応：８６．００°、８７．０７°、８８．６５°）について計算した結果である。この結果より、αが小さい（９０°から離れた）場合には、低エネルギー（長波長）で高いスループットが得られるものの、高エネルギー（短波長）側でのスループットの低下が著しい。一方、αが９０°に近い場合には、スループットのエネルギー依存性は小さくなるものの、全体的にスループットは低い。ただし、高エネルギー側だけに限れば、αが小さい場合よりもスループットは大きく向上する。

【0026】

この結果より、複数の不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_１〜Ｇ_ｎを切り替えて使用する場合には、低エネルギー用の不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_１においてαを小さく、高エネルギー用の不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_ｎにおいてαを９０°に近くすることが、スループットを高くするためには有効である。すなわち、Ｇ_１〜Ｇ_ｎに対応するαをα_１〜α_ｎとすると、αを一定とするよりも、α_１≦α_２≦・・・≦α_ｎ＜９０°となるようにαを変えた構成が好ましい。

【0027】

このように、不等間隔溝凹面回折格子毎にαが異なるため、図１における光源２０、像面３０を固定した場合には、不等間隔溝凹面回折格子毎に設置位置を変えることが必要となる。前記のα_１〜α_ｎの大小関係より、Ｇ_１において回折格子中心をｘ＝０の位置（原点Ｏ）に設定した場合には、Ｇ_２以降で回折格子中心を順次ｘ＞０の方向に移動させることが有効である。すなわち、Ｇ_ｋに対応する入射角α_ｋとなる回折格子中心のｘ座標をΔ_ｋとすると、α_１≦α_２≦・・・≦α_ｋ≦・・・≦α_ｎであることからΔ_１≦Δ_２≦・・・≦Δ_ｋ≦・・・≦Δ_ｎとなり、光源２０、像面３０が固定であっても、最適な入射角に設定されたＧ_１〜Ｇ_ｎによって広い波長範囲に渡り高出力、高分解能で単色光を取り出すことのできる分光装置を得ることができる。

【0028】

以下に、本発明の実施の形態となる分光装置の具体的構成について説明する。ここでは３種類（ｎ＝３）の不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_１〜Ｇ_３が使用され、Ｇ_１の対応エネルギー範囲は５０〜２００ｅＶ（波長λ_１１＝２４．７ｎｍ、λ_１２＝６．２ｎｍ）、Ｇ_２の対応エネルギー範囲は１５５〜３５０ｅＶ（λ_２１＝８．０ｎｍ、λ_２２＝３．５４ｎｍ）、Ｇ_３のエネルギー範囲は３００〜２２００ｅＶ（λ_３１＝４．１３３ｎｍ、λ_３２＝０．５６４ｎｍ）とする。Ｇ_１〜Ｇ_３について各々の波長範囲で上記の回折条件が満たされるように設計された仕様を表１に示す。ここで、前記の通り、Ｇ_１〜Ｇ_３をそれぞれの波長域で高出力、高分解能とするために、回折格子の法線方向から計ったＧ_１〜Ｇ_３の入射角α_１〜α_３は、α_１＜α_２＜α_３としている。また、ＰＯ＝２３９．６９ｍｍ、ＯＱ＝２３３．５０ｍｍとしている。α_１〜α_３に対応して、Δについては、Δ_１＜Δ_２＜Δ_３とされ、例えば表１に示されたように設定される。

【0029】

【表1】

【0030】

Ｇ_１〜Ｇ_３における光源２０、入射光１００、回折光２００、像面３０の状況を図３に示す。図４は、図３における光源２０の位置が一致するようにΔ_１〜Δ_３を考慮して重ね合わせた構成を示す図である。この時、Ｇ_１の回折光子中心が最も低い位置に設定され、Ｇ_３の回折格子中心が最も高い位置に設定される（Δ_１＜Δ_２＜Δ_３）。こうすることで、比較的簡便にＧ_１〜Ｇ_３から１つの回折格子を適宜選択でき、広い波長帯域をカバーする分光装置を構成できるようになる。すなわち、本発明の実施の形態に係る分光装置において、Ｇ_１〜Ｇ_３を切り替える際にΔ_１〜Δ_３によってＧ_１〜Ｇ_３に対応する入射角を切り替えることができるように配置される。

【0031】

前記の通り、図４の構成を用いた場合においても、回折光２００の焦点が完全に１点に収束することは実際にはない。図５は、図４と同一の方向から見たこの焦点の分布を算出した結果である。ｙ＝−２３３．５ｍｍが像面である。しかしながら、この結果より、Ｇ_１〜Ｇ_３を用いた図４の構成により、５０〜２２００ｅＶのエネルギー（波長２４．７ｎｍ〜０．５６４ｎｍ）の広い範囲において、焦点は結像特性に係わるｙ軸方向（分散方向）で５ｍｍ程度に収まっていることが確認できる。ｘ軸方向は市販の二次元検出器の受光面の長さ程度（約２５ｍｍ）である。したがって、広いエネルギー帯域をカバーするために複数の不等間隔溝凹面回折格子を用いたとしても、高い結像特性を持つ分光装置を得ることができる。

【0032】

上記の例では、（１）式における係数ｎ_２０のみが考慮され、焦点の位置の分布について示された。（１）式における係数のうち、ｎ_２０は焦点位置に関連するパラメータであり、上記の構成によって焦点位置を略一定に保つことができることが示された。これに対して、ｎ_３０、ｎ_４０は、収差に関連するパラメータである。一方、上記の不等間隔溝凹面回折格子における不等間隔溝を形成するに際しては、例えば非球面ホログラフィック露光法が用いられる。この場合には、光の干渉を利用して格子溝が形成されるため、ｎ_２０、ｎ_３０、ｎ_４０を独立に設定することは不可能である。このため、実際にはｎ_２０が所定の値となるように設定され、この条件下において可能な限りｎ_３０、ｎ_４０が適切となるように設定される。従って、実際には収差の影響も含めた評価が重要となる。

【0033】

以降では、実際に非球面ホログラフィック露光法を用いて上記のＧ_１〜Ｇ_３を製造した場合の結果について説明する。非球面ホログラフィック露光法は、例えば特公平６−６４２０７号公報に記載されている。この製造方法においては、２つの点光源から発せられる単色の球面波が球面鏡で反射されて基板上に塗布されたフォトレジスト上で干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞のパターンが所望の格子定数、溝パターン（不等間隔溝）となるように、光源や球面鏡の構成、配置を調整する。露光後、フォトレジストを現像してパターニングし、基板をエッチングすることによって、基板表面に所望の溝形状を形成する。エッチング加工後の基板自体に溝が刻線された回折格子はマスタ回折格子と呼ばれ、これと同じ溝間隔、溝形状を持つレプリカ回折格子が製造される。

【0034】

図６、７は、非球面ホログラフィック露光法を行なう際の２種類の構成を示す図であり、Ｃ、Ｄは点光源、Ｍ_１、Ｍ_２は球面鏡（曲率半径がそれぞれＲ_１、Ｒ_２）、Ｇはここで干渉縞がパターニングされる対象（フォトレジストが表面に塗布された、不等間隔溝凹面回折格子となる基板）である。

【0035】

光源Ｃ、Ｄの発する単色光の波長を４４１．６ｎｍとし、図６、７におけるパラメータを表２の通りとして、Ｇ_１〜Ｇ_３を製造した。Ｇ_１を製造するに際しては、図６の構成、Ｇ_２、Ｇ_３を製造するに際しては、図７の構成を用いた。

【0036】

【表2】

【0037】

図８は、Ｇ_２の結像特性を５種類の中心波長（３．５０ｎｍ、４．６３ｎｍ、５．７５ｎｍ、６．８８ｎｍ、８．００ｎｍ）について調べた結果を示す。回折格子面の大きさはｙ軸方向に５０ｍｍ、ｚ軸方向に３０ｍｍとした。図８において、上側は上記の各中心波長λに対応して、λ_±＝λ±λ／１００（分解能λ／Δλ＝１００に対応）の範囲内の波長の回折光のスポットダイアグラムであり、下側は強度分布である。この結果より、収差によって各波長のスペクトル像はｚ軸方向に６０ｍｍ程度広がる。ただし、市販されているＣＣＤのような二次元検出器で実用的に受光、検出できるのは１０ｍｍ程度である。この点を踏まえ、検出範囲を±５ｍｍ（高さ１０ｍｍ）に制限したとすると、得られる分解能λ／Δλは、２８５（λ＝３．５０ｎｍ）、１４６３（λ＝４．６３ｎｍ）、１１８２（５．７５ｎｍ）、９８２（λ＝６．８８ｎｍ）、１１３２（λ＝８．００ｎｍ）となる。

【0038】

なお、λ＝３．５０ｎｍにおける分解能（λ／Δλ＝２８５）は充分に高く、実用的であるが、他の波長に比して悪いのは、図５においてＧ_２（λ_２２：３．５４ｎｍ）の結像位置が結像面（ｙ＝−２３３．５ｍｍ）からわずかに外れていることに起因する。一方、当該波長域ではＧ_２と対応波長が一部重複するＧ_３を使用することもできる。その場合、Ｇ_３を使用する方がＧ_２より高分解能となる。しかしながら、図２に示したように、Ｇ_３のスループットはＧ_２より小さくなる。したがって、スループットが必要な場合にはＧ_２を、分解能が必要な場合にはＧ_３を、それぞれ用途に応じて適宜切り替えて使い分ければよい。このように、Ｇ_１〜Ｇ_ｎの対応波長範囲を部分的に重複させることにより、目的に応じて不等間隔溝凹面回折格子を選択する構成とすることもできる。

【0039】

以上の結果より、実際に製造される不等間隔溝凹面回折格子において残留する収差を考慮した場合においても、上記の分光装置によって、広い波長範囲にわたり高出力、高分解能で単色光を取り出すことが可能となることがわかる。

【0040】

次に、実際にＧ_１〜Ｇ_３を切り替えて使用する分光装置の構成について説明する。この分光装置においては、複数の不等間隔溝凹面回折格子の中から一つの不等間隔溝回折格子を選択し、入射光が照射され、回折光（出射光）が取り出される位置に設置する切換手段が用いられる。この際、各不等間隔溝回折格子の格子面の中心を通る法線（図１におけるｘ軸）は共通とされる。ただし、各不等間隔溝回折格子の格子面の中心のｘ軸方向の高さは異なる。この高さは、長波長に対応する不等間隔溝凹面回折格子ほど低く、短波長に対応する不等間隔溝凹面回折格子ほど高く設定される。

【0041】

図９は、第１の例として、Ｇ_１〜Ｇ_３をｙ軸方向に並進移動させることによって切換を行う分光装置５００の構成を示す図である。図９における上側はＧ_１が選択された場合の構成を示し、下側はＧ_２が選択された場合の構成を示す。光源２０は図中の左側の図示されない箇所、像面３０は図中の右側の図示されない箇所に存在するものとする。また、座標軸（ｘ、ｙ、ｚ）は右手系とする。

【0042】

この分光装置５００においては、不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_１〜Ｇ_３が、移動台（切換手段）５１０上に水平方向（図１におけるｙ軸方向）に配列して設置される。入射光１００は光源２０から回折格子へ向かい、回折光２００は回折格子から像面３０へ向かう。移動台５１０が水平方向（図１におけるｙ軸方向）に移動することによって、Ｇ_１〜Ｇ_３が切り替えられる。この設定においては、最も右側の位置が、使用される不等間隔溝凹面回折格子の位置とされる。使用する不等間隔溝凹面回折格子がこの位置に移動される際、Ｇ_１〜Ｇ_３の回折格子中心における格子面の法線が共通となるように設定される。ただし、回折格子中心のこの法線方向（ｘ軸方向）における位置はＧ_１〜Ｇ_３で異なり、Ｇ_１でΔ_１（＝０）、Ｇ_２でΔ_２（Δ_２＞Δ_１）、Ｇ_３でΔ_３（Δ_３＞Δ_２）とされる。上述したように、Ｇ_１〜Ｇ_３の切り替えに伴ってΔ_１〜Δ_３が変化し、結果的に入射角が切り替わる。

【0043】

図９の構成においては、Ｇ_１〜Ｇ_３を図１におけるｙ軸方向に配列、移動したが、図１０に示されるように、これと直角な方向（ｚ軸方向）にＧ_１〜Ｇ_３を並進移動させることもできる（第１の例の変形例）。ここでは、図１における出射側（右側）から入射側（左側）を見た構成が示されており、入射光、回折光は示されていないが、これらの光は紙面の向こう側から手前側に向かう。図１０においては、上側にＧ_１が選択された場合、下側にＧ_２が選択された場合の構成を示している。

【0044】

この構成の場合には、Ｇ_１〜Ｇ_３のうち選択されたもの以外は光路周辺に存在しないため、Ｇ_１〜Ｇ_３の並進移動に必要となる治具の影響や、隣接する不等間隔溝凹面回折格子からの迷光を抑制することがより容易となる。そのため、移動台５１０の移動機構も小型で単純にすることができる。

【0045】

図１１は、第２の例として、Ｇ_１〜Ｇ_３を鉛直方向（ｘ軸方向）に移動させることによって切換を行う分光装置６００の構成を示す図である。この分光装置６００においては、不等間隔溝凹面回折格子Ｇ_１〜Ｇ_３が、これらの側面において移動台（切換手段）６１０に鉛直方向に配列して設置される。図１１における左側はＧ_１が選択された場合の構成を示し、右側はＧ_２が選択された場合の構成を示す。入射光１００は光源２０から回折格子へ向かい、回折光２００は回折格子から像面３０へ向かう。移動台６１０がｘ軸方向に移動することによって、Ｇ_１〜Ｇ_３が切り替えられる。この際、Ｇ_１〜Ｇ_３の回折格子中心における格子面の法線が共通となるように設定され、回折格子中心の法線方向における位置は、Ｇ_１でΔ_１（＝０）、Ｇ_２でΔ_２（Δ_２＞Δ_１）、Ｇ_３でΔ_３（Δ_３＞Δ_２）とされる。上述したように、Ｇ_１〜Ｇ_３の切り替えに伴ってΔ_１〜Δ_３が変化し、結果的に入射角が切り替わる。

【0046】

入射光１００及び回折光２００が、選択された不等間隔溝凹面回折格子（図１１中左側ではＧ_１、右側ではＧ_２）の直上に存在する不等間隔溝凹面回折格子によって遮られる可能性を低減する構成とするためには、入射角αが最も小さな（９０°から離れている）Ｇ_１を最上段に、入射角αが最も大きな（９０°に近い）Ｇ_３を最下段とすることが好ましい。この場合、Ｇ_３の上面とＧ_２の下面との間隔Ｄ_２３は、Ｇ_２の上面とＧ_１の下面との間隔Ｄ_１２よりも小さくすることができ、結果的に移動台６１０を小型化できる。

【0047】

また、図１１の構成において、ｘ軸方向の並進移動の誤差は入射光１００の入射角の誤差に直結するため、Ｇ_１〜Ｇ_３を切り替える際には、選択されたＧ_１〜Ｇ_３をストッパで正確に所定の位置に固定する必要がある。その例として、図１１においてはＧ_１〜Ｇ_３の右端部に段差が設けられており、この段差における低い部分をストッパで係止させることによって、Ｇ_１〜Ｇ_３の各々をΔが考慮された所定の位置に固定できるようにしている。

【0048】

使用する不等間隔溝凹面回折格子の数が上記よりも多い場合に同様の構成を用いる場合には、各回折格子の格子面の中心を通る法線が共通となり、全ての回折面は一様に上方向を向くように移動台６１０を用いて積層して固定する。この際、移動台６１０はこの法線方向に移動するように設定する。また、この積層構造において、対応波長範囲は上方向に向かって長くなるように設定し、かつ隣接する２つの回折格子間の上下方向に沿った間隔が、上方向に向かって長くなるようにすれば、より多くの回折格子を積層したとしても移動台６１０を小型化できる。

【0049】

図１２は、第３の例として、Ｇ_１〜Ｇ_３を回転中心Ｒを中心に回転させて切換を行う分光装置７００の構成を示す図である。この分光装置７００においては、Ｇ_１〜Ｇ_３が、回転中心Ｒを通り図１におけるｚ軸に平行な回転軸を中心にした回転をする回転台（切換手段）７１０の円周上の異なる位置に配列して設置される。図１２における上側はＧ_１が選択された場合の構成を示し、下側はＧ_２が選択された場合の構成を示す。入射光１００は光源２０から回折格子へ向かい、回折光２００は回折格子から像面３０へ向かう。回転台７１０が回転することによって、Ｇ_１〜Ｇ_３が切り替えられる。この際、Ｇ_１〜Ｇ_３の回折格子中心における格子面の法線が共通となるように設定され、回折格子中心のこの法線方向における位置は、Ｇ_１でΔ_１（＝０）、Ｇ_２でΔ_２（Δ_２＞Δ_１）、Ｇ_３でΔ_３（Δ_３＞Δ_２）とされ、Ｇ_１〜Ｇ_３の切り替えに付随して対応する入射角に切り替わる。

【0050】

図１２の構成に対して、図１３の構成は、回転軸を図１におけるｙ軸に平行な構成とし、その周囲にＧ_１〜Ｇ_３を配列した構成である（第３の例の変形例）。この場合、Ｇ_１〜Ｇ_３は図１３において回転中心Ｒの回りにｙ軸方向を回転軸として回転移動する。図１２の構成の場合においては、回転の角度の設定に誤差が存在する場合、その誤差が入射光１００の入射角の誤差に直結するのに対し、図１３の構成の場合には、その誤差が入射角に対して与える影響は極めて小さくなる。また、円周上に配列された不等間隔溝凹面回折格子の数が多い場合には、図１２の構成においては、光路（入射光や回折光）が、選択された回折格子と隣接する回折格子の影響を受ける場合もあるが、図１３の構成においては、図１０の構成と同様にこの影響も低減される。

【0051】

第１の例の変形例（図１０）、第３の例の変形例（図１３）においては、切換手段は、入射光１００と回折光２００を含む平面内と垂直な方向にＧ_１〜Ｇ_３を移動させることによってそのうちの一つが選択される。この際、第１の例の変形例においてはこの移動は並進移動であり、第３の例の変形例においてはこの移動は回転移動となる。これらの構成においては、前記の通り、選択された不等間隔溝凹面回折格子と隣接する不等間隔溝凹面回折格子の光路に与える影響を低減することができる。

【0052】

一方、入射光１００と回折光２００を含む平面内でＧ_１〜Ｇ_３を移動させる第１の例（図９）、第３の例（図１２）においては、光路に垂直な方向における分光装置のサイズを小さくすることができる。

【0053】

上記の例では、３種類の不等間隔溝凹面回折格子を用いた場合につき説明したが、この数は任意である。また、上記においては不等間隔溝凹面回折格子が用いられたが、平面形状の不等間隔溝回折格子を用いた場合（表１におけるＲ＝∞の場合）についても、同様の効果を奏することは明らかである。

【0054】

また、切換手段として、水平方向（ｙ軸方向またはｚ軸方向）の移動機構、鉛直方向（ｘ軸方向）の移動機構、ｙ軸またはｚ軸に平行な回転中心Ｒを回転軸とする回転機構を用いたものについて説明したが、これらを適宜組み合わせる、あるいはこれらと異なる機構を用いた場合であっても、上記と同様の位置関係を各々の不等間隔溝回折格子において実現できる限りにおいて、切換手段の構成は任意である。

【0055】

図２に示したように、上記の分光装置は、不等間隔回折格子が用いられる限りにおいて、波長によらず有効である。しかしながら、入射角αが９０°に近い領域で用いられる軟Ｘ線領域（０．５〜２５ｎｍの波長）用の分光装置として特に有効である。

【0056】

また、軟Ｘ線領域で使用する不等間隔溝回折格子の格子面（回折格子表面）を構成する材料は目的に応じて任意である。例えば、高い反射率を示す金、プラチナ、ニッケル等の単層の蒸着膜が有効である。また、特定の波長範囲において特に高い反射率をもつ多層膜構造を用いることもできる。その場合、０．５６ｎｍより短波長側（２２００ｅＶより高エネルギー側）をカバーできる分光装置も得ることができる。

【符号の説明】

【0057】

１０ 不等間隔溝凹面回折格子
１１ 格子面
２０ 光源
３０ 像面
１００ 入射光
２００ 回折光
５００、６００、７００ 分光装置
５１０、６１０ 移動台（切換手段）
７１０ 回転台（切換手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】