特表 2024-502468 エシェル分光器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-19

(54)【発明の名称】エシェル分光器

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/18 20060101AFI20240112BHJP

   G01J 3/02 20060101ALI20240112BHJP

   G01J 3/14 20060101ALI20240112BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20240112BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20240112BHJP

【ＦＩ】

G01J3/18

G01J3/02 C

G01J3/14

G02B13/18

G02B17/08

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023541509

(86)(22)【出願日】2022-01-10

(85)【翻訳文提出日】2023-07-26

(86)【国際出願番号】 US2022011793

(87)【国際公開番号】W WO2022150691

(87)【国際公開日】2022-07-14

(31)【優先権主張番号】63/135,418

(32)【優先日】2021-01-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】509329888

【氏名又は名称】パーキンエルマー ヘルス サイエンス インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＰＥＲＫＩＮＥＬＭＥＲ ＨＥＡＬＴＨ ＳＣＩＥＮＣＥＳ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】エイキンス、デイビッド エム．

【テーマコード（参考）】

2G020

2H087

【Ｆターム（参考）】

2G020CB34

2G020CC02

2G020CC05

2G020CC13

2G020CC42

2G020CD03

2H087KA12

2H087LA25

2H087LA29

2H087NA03

2H087NA04

2H087RA06

2H087RA41

2H087RA45

2H087RA46

2H087TA02

2H087TA06

(57)【要約】

分光器は、光源から光を受け取り、光を光路に沿ってマルチエレメント検出器に向けるように配置された複数の光学素子を備える光学アセンブリであって、互いに異なる波長の光をマルチエレメント検出器上の互いに異なる空間位置に分散させる光学アセンブリを備える。光学アセンブリは、（ｉ）光源からの光を受け取るように光路に配置されたコリメータであって、自由曲面を有するミラーを備えるコリメータと、（２）エシェル格子を備える分散サブアセンブリであって、コリメータからの光を受け取るように光路に配置される分散サブアセンブリと、（３）分散サブアセンブリから光を受け取り、光を視野に集束させるように光路に配置されたシュミットテレスコープであって、マルチエレメント検出器が視野に配置されているシュミットテレスコープと、を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から光を受け取ることと、前記光を光路に沿ってマルチエレメント検出器に向けることとを行うように配置された複数の光学素子を備える光学アセンブリであって、互いに異なる波長の光を前記マルチエレメント検出器上の互いに異なる空間位置に分散させる前記光学アセンブリを備える、分光器であって、
前記光学アセンブリは、
前記光源からの前記光を受け取るように前記光路に配置されたコリメータであって、自由曲面を有するミラーを備える前記コリメータと、
エシェル格子を備える分散サブアセンブリであって、前記コリメータからの光を受け取るように前記光路に配置される前記分散サブアセンブリと、
前記分散サブアセンブリから光を受け取り、前記光を視野に集束させるように前記光路に配置されたシュミットテレスコープであって、前記マルチエレメント検出器が前記視野に配置されている前記シュミットテレスコープと、を備える、
分光器。

【請求項2】

前記自由曲面は、前記シュミットテレスコープに関連する光学収差を低減するように形成されている、
請求項１に記載の分光器。

【請求項3】

前記光学収差は、球面収差、視野定数コマ収差、および／または視野定数非点収差を含む、
請求項２に記載の分光器。

【請求項4】

前記自由曲面は、直交多項式関数（例えば、ゼルニケ多項式、チェビシェフ多項式）の１つまたは複数の非ゼロ係数によって修正された放物面に従って形成されている、
請求項１に記載の分光器。

【請求項5】

前記エシェル格子は、前記光を第１の平面において複数の波長成分へと分散させるように配置されているとともに、前記コリメータは、前記第１の平面に直交する第２の平面に沿って、前記光を複数の波長成分に分散させるように配置された第２の分散光学素子を備える、
請求項１に記載の分光器。

【請求項6】

前記第２の分散光学素子は回折格子である、
請求項５に記載の分光器。

【請求項7】

前記第２の分散光学素子はプリズムである、
請求項５に記載の分光器。

【請求項8】

前記第２の分散光学素子はグリズムである、
請求項５に記載の分光器。

【請求項9】

前記プリズムは、前記光路に配置された２つの平坦な非平行面を含む、
請求項７に記載の分光器。

【請求項10】

前記第２の分散素子は、前記光が前記第２の分散素子を２回通過するように、前記光路に配置されている、
請求項５に記載の分光器。

【請求項11】

前記第２の分散素子は、前記光が前記エシェル格子に入射する前に前記第２の分散素子を通る第１の通過を行い、かつ、前記光が前記エシェル格子に入射した後に前記第２の分散素子を通る第２の通過を行うように、前記光路に配置されている、
請求項１０に記載の分光器。

【請求項12】

前記第２の分散素子は、前記光が前記エシェル格子に入射した後においても前記第２の分散素子を通過するように、前記光路に配置されている、
請求項１０に記載の分光器。

【請求項13】

前記シュミットテレスコープは、軸外しシュミットテレスコープである、
請求項１に記載の分光器。

【請求項14】

前記シュミットテレスコープは、凹面ミラーとフィールドレンズとを備える、
請求項１に記載の分光器。

【請求項15】

前記ミラーは、球面ミラーである、
請求項１４に記載の分光器。

【請求項16】

前記フィールドレンズは、前記シュミットテレスコープの像視野の曲率を低減するように構成されている、
請求項１４に記載の分光器。

【請求項17】

前記フィールドレンズは、非球面レンズである、
請求項１６に記載の分光器。

【請求項18】

前記フィールドレンズは、前記シュミットテレスコープの光軸に対して傾斜している、
請求項１４に記載の分光器。

【請求項19】

前記シュミットテレスコープは、前記分散サブアセンブリと前記シュミットテレスコープの前記ミラーとの間において前記光路に配置されたシュミット補正器を備える、
請求項１４に記載の分光器。

【請求項20】

前記シュミット補正器はミラーである、
請求項１９に記載の分光器。

【請求項21】

前記シュミット補正器は、非球面光学面を備える、
請求項１９に記載の分光器。

【請求項22】

前記シュミット補正器は、自由曲面を備える、
請求項２１に記載の分光器。

【請求項23】

前記光源と前記光学アセンブリとの間において前記光路に配置されたアパーチャをさらに備える、
請求項１に記載の分光器。

【請求項24】

前記光学アセンブリは、前記分散サブアセンブリに対して下流において前記光路に配置されたシュミット補正器をさらに備える、
請求項１に記載の分光器。

【請求項25】

前記光は可視光を含む、
請求項１に記載の分光器。

【請求項26】

前記光は紫外光を含む、
請求項１に記載の分光器。

【請求項27】

前記光は赤外光を含む、
請求項１に記載の分光器。

【請求項28】

前記光源は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムである、
請求項１に記載の分光器。

【請求項29】

前記光学アセンブリは、約１６０ナノメートル～約９００ナノメートルの範囲内の波長帯域にわたって動作するように構成されている、
請求項１に記載の分光器。

【請求項30】

前記分光器は、１０ピコメートル以下の分解能を有する、
請求項１に記載の分光器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はエシェル分光器に関する。

【背景技術】

【0002】

分光器は、光源のスペクトルを測定するために使用される機器である。分光器では、従来、光源からの光をその互いに異なる波長成分に空間的に分離または分散するために光学素子の組合せが使用される。光学素子は、各検出器素子の位置が光スペクトルの成分に対応するように、分散された光を検出器アレイに向ける。したがって、光源のスペクトルに関する情報は、検出器アレイにおける照明パターンから確認することができる。

【0003】

一般に、分光器のスペクトル範囲（分析され得る波長）および分解能（区別され得る２つの波長間の差）は、両方とも、分光器における分散の量の関数である。典型的には、より多くの分散は、スペクトル範囲を犠牲にしてより良好な分解能を提供し、逆もまた同様である。分散のために平面格子を使用する分光器では、適度な入射角（例えば、約１０度）で第１の回折次数（Ｍ＝１）を使用することが一般的である。そのような格子は、典型的には、必要な分散を提供するために、１ミリメートル当たり１，０００以上の線を有する。

【0004】

ある分光器では、エシェル格子が、クロスディスパーザと併せて、一次分散素子として使用される。エシェル格子は、典型的には、非常に大きい入射角（例えば、４５度以上）および非常に大きい次数（例えば、Ｍ＝２０以上）での再帰反射（例えば、リトロー配置（Ｌｉｔｔｒｏｗ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ））において使用されるように設計された低密度格子（例えば、紫外線、可視、および近赤外線波長に対して１ミリメートル当たり１００未満の線）である。平面格子と比較して、この種の格子は、一般に、複数の次数で同時にはるかに高い分散を提供し、分光器で使用されるときにより良好な分解能が得られる。

【0005】

波長情報を抽出するために、クロスディスパーザと呼ばれるはるかに低い分散を有する追加の分散素子が、エシェル分光器において次数を分離するために一般に使用される。この技法は、大きなスペクトル範囲を有するが、従来の分光器（例えば、エシェル格子の代わりに平面格子を使用する分光器）で達成することができるよりもはるかに高いスペクトル分解能を有する、エシェル分光器を提供することができる。例えば、典型的なツェルニーターナー（Ｃｚｅｒｎｙ－Ｔｕｒｎｅｒ）型分光器は、１ナノメートルのスペクトル分解能を有する６００ナノメートルのスペクトル範囲を有し得る一方、典型的なエシェル分光計は、０．０１ナノメートルのスペクトル分解能を有する同じスペクトル範囲を有し得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示はエシェル分光器に関する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

シュミットテレスコープ型イメージングシステムを特徴とするエシェル分光器が説明される。分光器は、シュミットテレスコープにおけるシュミット補正器の必要性を低減する（例えば、排除する）ために使用され得る自由曲面（例えば、自由曲面ミラー）を有する光コリメータを含む。一部の実施形態では、自由曲面を有するシュミット補正器も使用することができる。

【0008】

一般に、第１の態様では、本開示は、光源から光を受け取り、光を光路に沿ってマルチエレメント検出器に向けるように配置された複数の光学素子を備える光学アセンブリであって、互いに異なる波長の光をマルチエレメント検出器上の互いに異なる空間位置に分散させる光学アセンブリを備える分光器であって、光学アセンブリは、（ｉ）光源からの光を受け取るように光路に配置されたコリメータであって、自由曲面を有するミラーを備えるコリメータと、（２）エシェル格子を備える分散サブアセンブリであって、コリメータからの光を受け取るように光路に配置される分散サブアセンブリと、（３）分散サブアセンブリから光を受け取り、光を視野に集束させるように光路に配置されたシュミットテレスコープであって、マルチエレメント検出器が視野に配置されているシュミットテレスコープと、を含む、分光器を特徴とする。

【0009】

分光器の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。例えば、自由曲面は、シュミットテレスコープに関連する光学収差を低減するように形成されていてもよい。光学収差は、球面収差、視野定数コマ収差（ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｏｍａ）、および／または視野定数非点収差（ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を含み得る。

【0010】

自由曲面は、直交多項式関数（例えば、ゼルニケ多項式、チェビシェフ多項式）の１つまたは複数の非ゼロ係数によって修正された放物面に従って形成されていてもよい。

【0011】

エシェル格子は、光を第１の平面において複数の波長成分へと分散させるように配置されていてもよく、コリメータは、第１の平面に直交する第２の平面に沿って、光を複数の波長成分に分散させるように配置された第２の分散光学素子を備える。第２の分散光学素子は回折格子であってよい。一部の実施形態では、第２の分散光学素子はプリズムである。プリズムは、光路に配置された２つの平坦な非平行面を含み得る。第２の分散素子は、光が第２の分散素子を２回通過するように、光路に配置されていてもよい。第２の分散素子は、光がエシェル格子に入射する前に第２の分散素子を通る第１の通過を行い、かつ、光がエシェル格子に入射した後に第２の分散素子を通る第２の通過を行うように、光路に配置されていてもよい。第２の分散素子は、光がエシェル格子に入射した後においても第２の分散素子を通過するように、光路に配置されていてもよい。

【0012】

シュミットテレスコープは、軸外しシュミットテレスコープであり得る。
シュミットテレスコープは、凹面ミラーとフィールドレンズとを備えていてもよい。ミラーは球面ミラーであってもよい。フィールドレンズは、シュミットテレスコープの像視野の曲率を低減するように構成されていてもよい。フィールドレンズは、非球面レンズであり得る。フィールドレンズは、シュミットテレスコープの光軸に対して傾斜していてもよい。シュミットテレスコープは、分散サブアセンブリとシュミットテレスコープのミラーとの間において光路に配置されたシュミット補正器を備え得る。シュミット補正器はミラーであってもよい。シュミット補正器は、非球面光学面を備えていてもよい。シュミット補正器は、自由曲面を備え得る。

【0013】

分光器は、光源と光学アセンブリとの間において光路に配置されたアパーチャを含み得る。
光学アセンブリは、分散サブアセンブリに対して下流において光路に配置されたシュミット補正器をさらに含んでいてもよい、
光は、可視光、紫外光、および／または赤外光を含む場合がある。

【0014】

光源は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムであってもよい。
光学アセンブリは、約１６０ナノメートル～約９００ナノメートルの範囲内の波長帯域にわたって動作するように構成されていてもよい。

【0015】

分光器は、１０ピコメートル以下の分解能を有する場合がある。
他の利点の中でも、開示されるエシェル分光器は、比較的少数の光学素子を有した小型設計を特徴とし得る。光学素子は、本明細書に開示される革新を含まない比較例の分光器で使用される素子と比較して、複雑でなく、および／または製造が容易であり得る。したがって、本設計は、比較例の分光器よりも少ない費用で同等の性能を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、例示的なエシェル分光器の概略図である。

【図2】図２は、例示的なエシェル図（ｅｃｈｅｌｌｏｇｒａｍ）である。

【図3】図３は、エシェル分光器に関する例示的光学アセンブリの光学レイアウトである（この図面は一定の縮尺で描かれている）。

【図4】図４は、図３に示される光学アセンブリについての互いに異なる波長および視野点についてのスポットダイアグラムを示すプロットである。

【図5】図５は、エシェル分光器に関する別の例示的光学アセンブリの光学レイアウトである（この図面は一定の縮尺で描かれている）。

【発明を実施するための形態】

【0017】

同様の参照符号は同様の要素を指す。
瞳において適用される補正はすべての像視野点に同様に影響を及ぼすので、光学イメージングシステムを設計するときに、光学イメージングシステムの明確に規定された瞳において非球面光学素子を含めることによって特定の収差を補正することがますます一般的になっている。例えば、エシェル分光器は、一般に、分光器内の全ての波長に対して明確に規定された集束を実現する分散の後に、光学イメージングシステムすなわちテレスコープを含む。このようなイメージングシステムはシュミットテレスコープであり、従来のシュミットテレスコープにおける瞳の位置に対応する集束ミラーから約１半径離れた位置に補正板を含むのが通例である。本発明者は、この制限が必要条件ではないことと、代わりに、他の位置で収差補正を行う（全ての像視野点が実質的に同じ補正を受けることとなる）ことができることとを認識するとともに理解した。例えば、本明細書で説明される一部の実施形態では、全ての像視野点は、入力光が当たる（ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ）第１の光学素子（例えば、放物面ミラー）の表面において、同じ収差補正を受ける。

【0018】

図１を参照して、例示的なエシェル分光器１００は、光源１１０から光を受け取ることと、その光をマルチエレメント検出器１２０に向けることとを行うように配置されているとともに、検出器１２０へと、その光を波長成分に空間的に分離する光学アセンブリ１０１を含む。光源１１０および検出器１２０と通信するコンピュータ制御装置１３０は、光源および検出器の両方の動作を制御および調整することにより、互いに異なる発光サンプルについて検出器における光強度パターンに関するデータを収集する。

【0019】

光学アセンブリ１０１は、コリメータ１０２（例えば、放物面ミラー）と、分散サブアセンブリ１０９と、シュミットテレスコープ１０６（例えば、軸外しシュミットテレスコープ）とを含む。分散サブアセンブリ１０９は、エシェル格子１０４およびクロスディスパーザ１０３（例えば、プリズムまたは格子）を含む。シュミットテレスコープ１０６は、（任意選択的に）シュミット補正器１０５、凹面ミラー１０７（例えば、球面ミラー）、およびフィールドレンズ１０８（例えば、非球面レンズ）を含む。アパーチャ１１２（例えば、スリットアパーチャ）は、光源１１０と光学アセンブリ１０１との間に配置される。

【0020】

動作中、光源１１０からの複数の波長成分からなる光１９９は、アパーチャ１１２を通って光学アセンブリ１０１に入る。具体的には、光学アセンブリ１０１を通る光路は以下の通りである。光源１１０からの光は、アパーチャ１１２を通って発散し、コリメータ１０２に入射する。このコリメータは、発散光をコリメートするとともに、それを分散サブアセンブリ１０９に向ける。反射コリメータの場合、放物面ミラーで十分である。しかしながら、一部の実施形態では、コリメータ１０２として自由曲面ミラー面を使用することは、コリメータが、従来のシュミットテレスコープイメージング装置においてシュミット補正器が典型的に行う収差補正機能の一部または全部を行うことを可能にし得る。したがって、コリメータ１０２は、光源１１０からの光をコリメートすることと、イメージングシステムにおける球面収差、視野定数コマ収差、および／または視野定数非点収差等を低減することと、を行うように形成された自由曲面を有するミラーとすることができる。

【0021】

一般に、コリメータ１０２の自由曲面は、多項式などの数学的関数によって記述することができる。例えば、以下に提供される実施形態では、使用される数学的関数は、ゼルニケ多項式と呼ばれる単位円盤について直交する一連の多項式項である。ゼルニケ多項式級数には、様々な次数の偶数項と奇数項がある。偶数項は次のように定義される。

【0022】

【数1】

【0023】

（方位角φについて偶関数）
奇数項は次のように定義される。

【0024】

【数2】

【0025】

ここで、ｍおよびｎは負でない整数（偶数変数についてのみｍ＝０）であり、ρは単位円上の半径方向距離であり、φは方位角である。

【0026】

【数3】

【0027】

実施形態は、ゼルニケ多項式級数に基づく自由曲面に限定されない。他の多項式数学的記述を、適宜変更を加えて使用することができる（例えば、チェビシェフ多項式）。ＩＳＯ１０１１０－１９は、例えば、ｘおよびｙによる単純な非直交多項式、またはＮＵＲＢＳ（ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ｒａｄｉａｌ ｂａｓｉｓ ｓｐｌｉｎｅ）関数を含む、自由曲面または「一般的」表面に注釈を付けるためのいくつかの数学的形式を説明している。この規格は、上述のゼルニケ多項式の基準を提供するが、いわゆる「フォーブス（Ｆｏｒｂｅｓ）」多項式の基準も提供する。さらに、ＩＳＯ１４９９９－２は、自由曲面を記述するために使用することができるｘ、ｙ座標および極座標系の両方について、ゼルニケ面およびルジャンドル多項式の便利な記述を提供している。

【0028】

ゼルニケ多項式項は、多くの方法で順序付けることができ、直交項の数は無制限である。一般的な光学設計プログラムでは、例えば、ゼマックス（Ｚｅｍａｘ）では、「アリゾナ大学フリンジ係数（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｉｚｏｎａ Ｆｒｉｎｇｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）」が使用される。この順序付け規則のゼルニケ多項式の最初の２５項を以下に示し、式の説明を提供する。

【0029】

（テーブルＩ：ゼルニケフリンジ多項式）

【0030】

【表1】

【0031】

自由曲面という用語は、上記の慣例のいずれかを使用して説明することができるが、自由曲面という用語が本出願で使用される場合、対称軸を有さない表面を指すために使用される。したがって、自由曲面は、平面、球面、放物面、または非球面（一般に、回転対称軸を含む）よりも複雑である。例えば、一部の実施形態では、自由曲面を有するミラーを含むコリメータ１０２が使用される。これらの実施形態では、コリメータ１０２は、単純な放物線を使用して説明することができない曲率を有する（例えば、コリメータ１０２は、単なる放物面ミラーではない）。

【0032】

図１を戻って参照すると、コリメートされた光は、エシェル格子１０４に入射する前に、まずクロスディスパーザ１０３を通過する。クロスディスパーザ１０３は、光路に配置された２つの平坦な非平行面を含むプリズムとすることができる。光は、２回目にクロスディスパーザ１０３を通過する前にエシェル格子１０４から反射する。換言すれば、光はクロスディスパーザ１０３を２回通過する。分散サブアセンブリ１０９は、光を２次元の複数の波長成分に分散させる役割を果たす。ここで、エシェル格子１０４は、光を第１の平面において互いに異なる次数へと回折させる。これに対し、クロスディスパーザ１０３は、光を分散または回折させ、それを第２の平面（例えば、第１の平面に直交する）において複数の波長成分へと分離する。

【0033】

エシェル格子１０４は、典型的には、光の波長程度の空間周波数を有する複数の平行な格子線から構成される。一部の実施形態では、エシェル格子は、反射光がいくつかの高回折次数へと分散されるように配置された反射ブレーズド格子である。特定の場合において、エシェル格子１０４は、リトローに、またはリトローに近接して配置され得る。互いに異なる波長での回折次数は重なり合う場合がある。格子の平面は、そのような配置においてコリメートされた光方向に対して視射角で配置されてもよい。典型的なエシェル格子から得られる光出力は、互いに異なるが重複する波長範囲からなる光の帯域を含むことができる。

【0034】

分散された光は、次に、シュミット補正器１０５によって反射され、シュミットテレスコープ１０６の凹面ミラー１０７（例えば、球面ミラー）に向けられる。シュミット補正器１０５は、凹面ミラー１０７によって引き起こされる球面収差を低減するように形成された非球面ミラーとすることができる。一部の実施形態では、シュミット補正器１０５は、像の球面収差を低減するとともにコマ収差、非点収差および／または他の収差を低減するように形成された自由曲面ミラーである。しかしながら、特定の実施形態では、イメージングシステムにおける収差は、シュミット補正器を全く用いずに適切に補正することができる。換言すれば、追加の収差補正が光学アセンブリ１０１における任意の他の光学素子によって実行されることなく、収差補正（例えば、球面収差、コマ収差、および／または非点収差）の全てがコリメータ１０２によって実行されてもよい。最後に、凹面ミラー１０７によって反射され、集束された光は、フィールドレンズ１０８を通過し、検出器１２０上においてイメージングされる。フィールドレンズ１０８は、像面湾曲を低減するための視野フラットナーレンズ（ｆｉｅｌｄ－ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ ｌｅｎｓ）とすることができ、検出器１２０における他の視野依存収差を低減するための非球面性を含むことができる。特定の実施形態において、フィールドレンズ１０８は、シュミットテレスコープ１０６の光軸に対して傾斜している。

【0035】

一部の実施形態では、シュミットテレスコープ１０６は、例えば、ｆ／６またはこれよりも速いｆ数、ｆ／５またはこれよりも速いｆ数、ｆ／４またはこれよりも速いｆ数、ｆ／３のｆ数を有する、比較的速いイメージングシステムである。

【0036】

一般に、光源１１０は、分光器による分析に適した強度および放射パターンを有する光を生成することができる任意の光源とすることができる。一部の実装形態では、光源１１０は、スペクトル分析のためのサンプルがサンプル導入装置を介してプラズマ中に注入される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源であり得る。サンプル導入装置は、トーチに流体結合されてもよい。コンピュータ制御装置１３０によって制御される誘導装置は、無線周波数エネルギーをトーチ内に供給して、トーチ内に誘導結合プラズマを維持することができる。検体種からの発光は、アパーチャ１１２を通して光学アセンブリ１０１に結合され、光学アセンブリによって検出器１２０上に分散される。

【0037】

検出器１２０は、分光器１００の動作可能な波長の範囲内の入射光を検出し、空間的に分けることができる任意の検出器とすることができる。一部の実装形態では、検出器１２０は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラまたは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器である。一般に、分光器１００の動作可能な波長範囲は、紫外線、可視光線、および／または赤外線波長を含む広いスペクトルにわたる波長を含むことができる。一部の実施形態では、分光器１００の動作可能な波長範囲は、約１６０ナノメートル～約９００ナノメートルである。分光器は、５０ピコメートル（ｐｍ）以下（例えば、２０ｐｍ以下、１０ｐｍ以下、５ｐｍ以下）の分解能を有することができる。

【0038】

コンピュータ制御装置１３０は、検出器１２０から収集されたデータを使用することにより、エシェル図を生成することができる。エシェル図は、検出器における強度パターンに対応する２次元プロットを指し、プロットにおける各点は、特定の波長および特定の回折次数によって生成される。図２は、例示的なエシェル図２０１を示している。ここで、エシェル図２０１は、分光器１００における検出器１２０などの検出器上の１６７ナノメートル～８５０ナノメートル超のスペクトル範囲にわたる放射強度を示す。エシェル図は、多くの場合、発光分光分析（ＯＥＳ）に使用され、そのために分光器１００を使用することができる。そのような例では、サンプル中に存在する１つまたは複数の元素を識別するために、エシェル図を使用することができる。

【0039】

図３を参照すると、分光器１００のための例示的光学アセンブリ３０１は、自由曲面ミラーからなるコリメータ３０２と、プリズム３０３と、エシェル格子３０４と、自由曲面ミラーから成るシュミット補正器３０５と、球面ミラー３０７と、フィールドレンズ３０８とを含む。光学アセンブリ３００は、点３１２においてアパーチャから光を受け取り、その光を光路に沿って像面３１０における像視野に向ける。光学アセンブリ３０１の詳細を提供する処方テーブルを含むファイルが、以下のテーブルＩＩ～ＩＩＩに提供される。

【0040】

この例では、コリメータ３０２は、ゼルニケ係数Ｚ５～Ｚ１６で再最適化された放物面ミラーである。シュミット補正器３０５は、ゼルニケ自由曲面を有するミラーであり、Ｚ４からＺ２５の係数は、設計最適化中に修正してよい。

【0041】

このアーキテクチャの利点は、シュミットテレスコープが回折素子から独立していることである。これは、テレスコープおよび分散サブアセンブリの１つ以上の要素が組み合わせられる設計と比較して、分光器への統合の前のイメージング装置のより容易な事前アラインメントおよび試験を可能にすることができる。このアーキテクチャの別の利点は、クロスディスパーザプリズム３０３およびエシェル格子３０４が互いに接近しており、したがって、視野角のｘ分布およびｙ分布が球面一次ミラーからほぼ同じ距離にある（すなわち、瞳孔非点収差が少ない）ことである。これは、コマ収差および非点収差制御のために２つの軸の間の対称性を改善することができる。さらに、エシェル格子３０４は、ほぼリトローで動作することができ、効率を改善する。

【0042】

（テーブルＩＩ：表面データの概要）

【0043】

【表2】

【0044】

（テーブルＩＩＩ：表面データの詳細）

【0045】

【表3-1】

【表3-2】

【表3-3】

【表3-4】

【表3-5】

【表3-6】

【表3-7】

【0046】

光学アセンブリ３０１は、高レベルの光学性能を提供することができる。光学アセンブリ３０１の光学性能は、図４に示されるスポットダイアグラムによって示される。図４は、スリット上に分布する９つの互いに異なる視野点（垂直軸）における、Ｍ＝２６からＭ＝１２１までのエシェル次数にわたって分布する１９の互いに異なる波長（水平軸）についてのスポットダイアグラムを示す。示された波長は、深真空紫外線（カラム６、１６６．３ナノメートル）から赤外線（カラム１９、７８９．０ナノメートル）までの範囲である。これらの波長に対する視野における最悪点は、５マイクロメートル未満のスポット半径を有する。ほとんどの点は、半径３～４マイクロメートルである。この幾何学的スポット半径は、関心のあるスペクトル範囲にわたってピコメートルレベルの分解能を提供するのに十分であり、イメージング性能よりもスリット幅およびピクセルサイズによって制限される。

【0047】

光学アセンブリ３０１の変形例が可能である。例えば、一部の実施形態では、反射型シュミット補正板３０５の代わりに透過型補正板を使用することができる。この幾何形状は、対称軸を保持するとともに製造がより容易であり得る補正板を使用して、よりコンパクトな設計で同様の性能を提供することができる。

【0048】

代替的または追加的に、複光路プリズム（ｄｏｕｂｌｅ－ｐａｓｓ ｐｒｉｓｍ）は、クロスディスパーザのための複光路格子、または組合せ格子プリズム（例えば、グリズム）と置き換えることができる。

【0049】

一部の実施形態では、別個のシュミット補正器（例えば、シュミット補正器３０５）は必要とされず、アセンブリにおける他の光学素子によって収差を低減することができる。例えば、コリメータの自由曲面は、球面収差、コマ収差、および非点収差を許容可能なレベルまで低減するように、他の構成要素と併せて設計することができる。例えば、図５を参照すると、分光器１０１のための別の光学アセンブリ５０１は、自由曲面を伴うコリメータミラー５０２と、プリズム５０３と、エシェル格子５０４と、球面ミラー５０７と、フィールドレンズ５０８とを含む。この例では、シュミットテレスコープは、球面ミラー５０７およびフィールドレンズ５０８のみから構成されると考えられ、別個のシュミット補正器が省略されている。従来のシュミットテレスコープにおいてシュミット補正器によって実行される機能は、少なくとも部分的にコリメータ５０２によって実行される。光学アセンブリ５０１は、点５１２においてアパーチャから光を受け取り、その光を光路に沿って像面５１０における像視野に向ける。光学アセンブリ５００の詳細を提供する処方テーブルを含むファイルが、以下のテーブルＩＶ～Ｖに提供される。

【0050】

（テーブルＩＶ：表面データの概要）

【0051】

【表4】

【0052】

（テーブルＶ：表面データの詳細）

【0053】

【表5-1】

【表5-2】

【表5-3】

【表5-4】

【表5-5】

【表5-6】

【0054】

コリメータ５０２は、放物線にゼルニケ係数を加え、設計を再最適化することによって設計されたミラー面を有する。一部の実施形態では、ゼルニケ多項式の最初の１６項のみが使用されるが、より多くの項を追加して、性能に対する影響を増加させることができる。エシェル格子５０４は、球面ミラー５０７から約１曲率半径（例えば、０．８Ｒ～１．２Ｒ、ここでＲは球面ミラーの曲率半径である）に配置される。

【0055】

他の光学アセンブリも可能である。例えば、一部の実施形態では、光学アセンブリは、屈折力を有する、または屈折力を有しない光学素子を含む、追加的光学素子を含むことができる。一部の実施形態では、光学アセンブリは、光学リレーサブアセンブリ（例えば、光屈折リレー、反射光学リレー、または反射屈折リレー）を含むことができる。代替的または追加的に、特定の実施形態は、光の光路を折り返すための１つ以上の折り返しミラー（ｆｏｌｄ ｍｉｒｒｏｒ）を含むことができる。

【0056】

前述の実施形態は、エシェル分光器に適した光学アセンブリを特徴とするが、開示される光学設計原理は、他の光学システムにも適用することができる。例えば、投影照明システムは、多くの場合、一対の走査ミラーを使用して、視覚「視野」を生成する。ここで、視野全体は、所望の角度範囲にわたって分布するようになる前に、同じ入射角でソースモジュールを通過する。上記で定義された手法を使用して、自由曲面補正器をこのソースモジュールに追加して、下流の球面反射器の球面収差を補正することができる。これは、レーザ加工、拡張現実、およびヘッドアップディスプレイ等の用途において有用であり得る。

【0057】

いくつかの実施形態を説明してきた。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】