DE19731964A1

DE19731964A1 - Spektrometer

Info

Publication number: DE19731964A1
Application number: DE19731964A
Authority: DE
Inventors: Kiyota Mashima; Eiji Ishiguro
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1998-01-29
Also published as: JPH1090507A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer und insbesondere ein Spektrometer für kurzwellige Strah lung.

Ein herkömmliches Spektrometer besteht aus einer Licht quelle, einem spektroskopischen Element, das die aus der Lichtquelle stammende Strahlung in monochroitische Strahlung umwandelt, und einem reflektierenden Spiegel, der die Strahlung von der Lichtquelle auf einen vorbestimmten Punkt lenkt. In einem derartigen Spektro meter dient ein asphärischer im Wege eines Schleifver fahrens hergestellter Spiegel als reflektierender Spie gel.

In jünster Zeit wurde ein Spektrometer für kurzwellige Strahlung entwickelt. Bei kurzwelliger Strahlung sind der Winkel, unter dem die Strahlung auf das spektrosko pische Element auftrifft, und der Winkel, unter dem die Strahlung auf den reflektierenden Spiegel auftrifft, sehr groß. Mit zunehmend größerem Einfallswinkel der Strahlung erhöht sich auch die erforderliche Größe des reflektierenden Spiegels. Wenn der reflektierende Spie gel sehr groß sein soll, kann ein asphärischer im Schleifverfahren hergestellter und in einem herkömm lichen Spektrometer verwendeter Spiegel aufgrund der durch die Schleiftechnik bestehenden Einschränkungen nicht mit großer Genauigkeit hergestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spektro meter mit einem großflächigen asphärischen Spiegel hoher Genauigkeit zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Spektrometer eine Lichtquelle, ein spektroskopisches Element und einen reflektierenden Spiegel besonderer Bauart auf. Der reflektierende Spiegel ist ein asphä rischer Spiegel, der durch Aufbringen einer äußeren Kraft auf eine vorgegebene Platte in seine asphärische Form gebracht wird. Ein solcher reflektierender Spiegel wird nachstehend als umgeformter Spiegel bezeichnet.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformgen im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines umgeformten Spiegels.

Ein umgeformter Spiegel wird zunächst anhand der Fig. 4 beschrieben.

Vier Druckorgane 2a bis 2d beaufschlagen eine ebene Platte oder einen dünnen Planspiegel 1. Das Druckorgan 2a ist mit einem Druckorgan 2b und das Druckorgan 2c mit dem Druckorgan 2d jeweils als Paar gegenüberliegend angeordnet. Die Druckorgane 2a und 2c sind auf der Spiegelseite des dünnen Planspiegels 1 angeordnet, während die Druckorgane 2b und 2d auf der Rückseite dieses Spiegels 1 vorgesehen sind. Der aus einer dünnen Platte bestehende Planspiegel 1 kann umgeformt werden, indem das auf die Druckorgane 2a bis 2d aufgebrachte Moment geändert wird, so daß die gewünschte asphärische Form entsteht. Die gewünschte asphärische Form erhält man durch Optimierung der relevanten Parameter wie Grö ße des aufgebrachten Moments, Dicke der dünnen Platte des Spiegels, Ort der Kraftaufbringung und Auswahl des Materials der dünnen Platte des Spiegels. Wird auf die jeweils paarweise angeordneten Druckorgane 2a und 2b bzw. 2c und 2d jeweils ein gleiches Moment aufgebracht, wird der dünne Planspiegel 1 entsprechend in eine sphä risch gekrümmte Form gebracht.

Den umgeformten Spiegel erhält man, wenn ein Moment mit vorgegebener Größe auf die dünne Platte des Spiegels mit gleichzeitig entsprechender Feineinstellung wirkt. Eine asphärische Fläche mit größerer Genauigkeit als bei den herkömmlichen im Schleifverfahren hergestellten asphärischen Spiegeln ist somit möglich. Im Wege der Simulation wurde festgestellt, daß der Neigungsfehler (rms Fehler bei Neigung einer Fläche) auf 1/10 des Fehlers bei herkömmlichen im Schleifverfahren herge stellten asphärischen Spiegeln reduziert werden kann.

Nach der vorliegenden Erfindung muß darüberhinaus der umgeformte Spiegel eine asphärische Form haben, weil bei einem umgeformten Spiegel mit sphärischer Fläche sphärische Abbildungsfehler auftreten, sobald das ein fallende oder austretende Licht gerichtetes Licht ist. Das austretende Licht wird also nicht auf einen einzi gen Punkt fokussiert. Wenn überdies Licht aus einem Punkt in endlicher Entfernung auf einen Punkt in end licher Entfernung fokussiert wird, weist der umgeformte Spiegel mit der sphärischen Oberfläche sphärische Abbildungsfehler auf. Das ausgehende Licht kann nun nicht mehr auf einen Punkt fokussiert werden.

Bei einem Spektrometer ist es generell wichtig, daß das Licht auf einen Punkt fokussiert wird oder von einem Punkt ausgestrahlt wird. Unerwünscht ist, daß der fokussierte Punkt oder der Ausstrahlungspunkt eine bestimmte Breite haben.

Demgegenüber kann mit einem umgeformten asphärischen Spiegel das Licht auf einen Punkt fokussiert werden, so daß man ein effizient einsetzbares Spektrometer erhält.

Das spektroskopische Element bildet vorzugsweise ein Beugungsgitter mit konstanten Schrittweiten. Sind die Abstände des Beugungsgitters nicht gleich, dann ändern sich die Werte des Beugungswinkels für die jeweiligen Wellenlängen in unterschiedlichem Verhältnis. Bei einer Anordnung mit gleichen Abständen ist dagegen das Ver hältnis zwischen den Werten des Beugungswinkels für die jeweiligen Wellenlängen konstant. Auf diese Weise kön nen chromatische Abbildungsfehler am Beugungsgitter unterdrückt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 strahlt Licht mit sehr kleinem Divergenzwinkel auf einen Planspiegel 4 aus einer in großer Entfernung liegenden Lichtquelle 3 mit wellenförmiger Strahlung. Die vom Planspiegel 4 re flektierte Strahlung wird über ein Plangitter 5 gebeugt und an einen umgeformten Spiegel 6 in Form eines Zylin derparaboloids reflektiert (als Zylinderparaboloid spiegel bezeichnet). Die Strahlung gelangt dann zu einem Austrittsspalt 7.

Die Lichtquelle 3 mit wellenförmiger Strahlung kann elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 5 bis 1000 Angström aussenden. Ein Plangitter 5 mit konstanter Schrittweite weist 1200 Beugungslinien/mm auf. Das aus dem Plangitter 5 austretende Licht ist gerichtet. Der Zylinderparaboloidspiegel 6 ist so angeordnet, daß das aus dem Plangitter 5 austretende gerichtete Licht auf den Austrittsspalt 7 fokussiert wird. Der Austrittsspalt 7 ist in seiner Breite verän derlich mit einer Minimalbreite von 5 µm. Um eine ge wünschte Wellenlänge zu erhalten, wird das Plangitter 5 gedreht und der Planspiegel 4 folgt der Bewegung des Plangitters 5.

In der Tabelle 1 sind die Werte der Wellenlänge von 5 Angström der erfindungsgemäßen Ausführung angegeben.

Tabelle 1

OM1: 57,4 m
MIG: 0,5 m
GM2: 1,4 m
M2S: 3,0 m
kM1: 178°
kG: 176°
kM2: 178°
r: 1 mm
a: 3710 mm
θ: 4°

OM1 ist die Entfernung von einer Lichtquelle 3 zum Mit telpunkt des Planspiegels 4, MIG die Entfernung vom Mittelpunkt des Planspiegels 4 zum Mittelpunkt des Plangitters 5, GM2 die Entfernung vom Mittelpunkt des Plangitters 5 zum Mittelpunkt des Zylinderparaboloid-Spie gels 6 und M2S die Entfernung vom Mittelpunkt des Zylinderparaboloidspiegels 6 zum Austrittsspalt 7. kM1 ist der Winkel zwischen dem im Mittelpunkt des Plan spiegels 4 auftreffenden Licht und dem davon abge strahlten Licht, kG ist der Winkel zwischen dem im Mittelpunkt des Plangitters 5 auftreffenden und davon ausgehenden Licht und kM2 ist der Winkel zwischen dem im Mittelpunkt des Zylinderparaboloidspiegels 6 auf treffenden und davon ausgehenden Licht. Darüberhinaus bezeichnet r die Form des Zylinderparaboloidspiegels 6 durch x = y²/2r, a bezeichnet den Abstand des Null punkts des Paraboloids, aus dem der Zylinderparaboloid spiegel 6 entsteht, und θ ist der Winkel bis zum Mit telpunkt des Zylinderparaboloidspiegels 6 zwischen einer vom Nullpunkt des Paraboloids ausgehenden Linie und einer Linie y = 0.

Einzelheiten über den dünnen Planspiegel 1 und die Me thode, mit der die äußere Kraft auf ihn aufgebracht wird, um die Umformung zum Zylinderparaboloidspiegel 6 zu erreichen, wird an Hand der Fig. 4 und der Tabelle 2 beschrieben.

Tabelle 2

Material des flachen Planspiegels 1: Silikon
Dicke des flachen Planspiegels 1: 25 mm
Breite des flachen Planspiegels 1: 30 mm
Länge des flachen Planspiegels 1: 600 mm
Sac: 490 mm
Sab: 50 mm
Scd: 50 mm
Sc: 60,05 µm
Sa: 59,53 µm
Pc: 54,6558 kg
Pa: 44,9654 kg

Hierin sind: Sac der Abstand zwischen dem Auflagepunkt des Druckorgans 2a und dem des Druckorgans 2c, Sab der Abstand zwischen dem Auflagepunkt des Druckorgans 2a und dem des Druckorgans 2b und Scd der Abstand zwischen dem Auflagepunkt des Druckorgans 2c und dem vom Druckorgan 2d.

Im vorliegenden Beispiel sind die Druckorgane 2b und 2d unbelastet. Die äußeren Kräfte wirken auf die Druckor gane 2a und 2c. In Tabelle 2 sind die auf die Druckor gane 2a und 2c aufgebrachten Kräfte mit Pa bzw. Pc bezeichnet. Die Durchbiegung ergibt sich, wenn diese Kräfte auf die Druckorgane 2a und 2c wirken. Sie wird jeweils mit Sa bzw. Sc bezeichnet.

Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein Zy linderparaboloidspiegel 6, obgleich er sehr groß ist, nämlich 600 mm längs eines Rohlings, mit hoher Genauig keit hergestellt werden.

Eine andere Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird nachstehend beschrieben. In diesem Beispiel trifft abgestrahltes Licht mit einem sehr kleinen Di vergenzwinkel von einer Lichtquelle 3 mit wellenförmi ger Strahlung auf einen Zylinderparaboloidspiegel 6 auf. Dann treffen die Lichtstrahlen als gerichteter Strahl auf ein Plangitter 5. Das aus dem Plangitter 5 austretende Licht ist gerichtet, weil der Brennpunkt des Zylinderparaboloidspiegels 6 mit der Lichtquelle 3 zusammenfällt. Obwohl in diesem Beispiel der Zylinder paraboloidspiegel 6 noch größer ist, weist er eine hohe Genauigkeit auf.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird nachstehend beschrieben. Diese Ausführung verwendet einen asphärischen Spiegel mit einer zylindrischen Ellipsoidfläche.

Lichtstrahlen mit einem winzigen Divergenzwinkel tref fen von einer Lichtquelle 3 auf einen umgeformten Spie gel 8 (als Zylinderellipsoidspiegel bezeichnet) auf und werden dann von diesem auf ein Plangitter 5 reflek tiert. Das vom Plangitter 5 reflektierte Licht wird von diesem in Spektren zerlegt und über einen Planspiegel 4 an einen Austrittsspalt 7 reflektiert. Da die Licht quelle 3 mit wellenförmiger Strahlung und der Aus trittsspalt 7 in den Brennpunkten des Zylinderellip soidspiegels 8 liegen, wird das vom Emissionspunkt ausgesendete Licht der Lichtquelle 3 auf den Austritts spalt 7 ohne Abbildungsfehler (aberrationsfrei) fokus siert. Um eine gewünschte Wellenlänge durch Beugung und Zerlegung des Lichts in Spektren zu erzielen, wird das Plangitter 5 um einen bestimmten Betrag gedreht und der Planspiegel 4 folgt dieser Drehung des Plangitters 5. Obwohl bei dieser Ausführung der Zylinderellipsoidspie gel groß ist, kann er mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.

Wie zuvor beschrieben, kann erfindungsgemäß ein Spek trometer mit einem großflächigen asphärischen Spiegel mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Man erhält somit ein sehr effizient einsetzbares Spektrometer.

Wird im Spektrometer ein Beugungsgitter mit konstanter Schrittweite verwendet, kann die im Beugungsgitter entstehende chromatische Aberration unterdrückt werden.

Claims

1. Spektrometer mit einer Lichtquelle, einem spek troskopischen Element und einem reflektierenden Spiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der re flektierende Spiegel ein asphärischer Spiegel ist, der durch Aufbringen einer äußeren Kraft auf eine vorgebene Platte in seine asphärische Form gebracht ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der asphärische Spiegel ein Zy linderparaboloidspiegel ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der asphärische Spiegel ein Zy linderellipsoidspiegel ist.

4. Spektrometer nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht quelle die Ausstrahlung einer elektromagne tischen Welle mit einer Wellenlänge im ultra violetten Bereich bis zu langwelligen Röntgen strahlen ermöglicht.

5. Spektrometer nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das spek troskopische Element ein Beugungsgitter mit konstanter Schrittweite ist.

6. Spektrometer nach einem der vorangehenden An sprüche, gekennzeichnet durch Druckorgane, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des reflektierenden Spiegels angeordnet sind und die äußere Kraft aufbringen.

7. Spektrometer nach einem der vorangehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen zwischen der Lichtquelle und dem spektroskopischen Ele ment angeordneten Planspiegel, der das von der Lichtquelle auftreffende Licht an das spektro skopische Element leitet.

8. Spektrometer nach einem der vorangehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtstrah len aufnehmenden Austrittsspalt und durch einen zwischen dem spektroskopischen Element und dem Austrittsspalt angeordneten Planspiegel, der das vom spektroskopischen Element auftreffende Licht an den Austrittsspalt reflektiert.

9. Verfahren zum Formen eines Spektrometers mit den Verfahrensschritten:
Umformen einer vorgegebenen Platte durch Aufbringen einer äußeren Kraft zwecks Bildung eines reflektierenden asphärisch gekrümmten Spiegels, und
Verbinden des reflektierenden Spiegels mit einer Lichtquelle und einem spektroskopischen Element zur Bildung des Spektrometers.