JP5261862B2

JP5261862B2 - 回折格子の迷光測定方法および装置

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Publication number: JP5261862B2
Application number: JP2005164759A
Authority: JP
Inventors: 正博井原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: JP2006337284A

Description

本発明は、回折格子の迷光測定方法に関する。

回折格子は分光器や分波器等に使用される、光を狭帯域の波長要素に分離／選択するための光学素子であり、最も一般的には図５に示すように光学材料の表面に極めて微細で均一の間隔を持つ多数の平行な溝を彫琢し、その表面に反射金属膜を蒸着したものである。溝の本数は、回折格子の使用される波長領域に応じて１mm当たり数十本〜数千本の範囲から選択される。溝の断面の形状としては、図５の円内に拡大表示した鋸歯状波形がその高い回折効率のために広く使用される。このような鋸歯状の断面をホログラフィック露光法によって表面に形成させた回折格子はブレーズドホログラフィック回折格子と呼ばれるが、これ以外にも目的によって矩形波あるいは正弦波の断面形状の溝を持つ回折格子が用いられることもしばしばある。一般的な分光器における回折格子の使用例を図６に示す。

図６の（ａ）はリトロー型と呼ばれる構成の分光器で、１個の軸外放物面鏡３２にコリメータ・ミラーとコンデンサ・ミラーの双方の役割を持たせたものであり、一方（ｂ）はツェルニー・ターナー型と呼ばれる構成の分光器で、コリメータ・ミラーとコンデンサ・ミラーとしてそれぞれ独立した軸外放物面鏡３２、３３を使用するものである。回折格子１は溝の方向が図６の紙面に垂直となる向きで保持されている。入口スリット３０および出口スリット３１は共に幅の狭い矩形状の開孔で、その矩形の長辺が紙面に垂直となるべく設置されている。入口スリット３０からの入射光は軸外放物面鏡３２で平行光束に変えられて回折格子１に導かれた後、（ａ）の構成では、回折格子１からの回折光は軸外放物面鏡３２によって出口スリット３１に集光される。一方（ｂ）の構成では、回折格子１からの回折光は第２の軸外放物面鏡３３によって出口スリット３１上に集光される。回折格子１は、これを保持している図６には明示されていない回転テーブルによって、回折格子１の面上にあって溝と平行な一つの軸を中心として回転でき、この回転によって回折角を選択して、出口スリット３１に集光される光の波長を選択することが可能となる。

図６に示したような分光器において出口スリット３１から外部に射出する光は、回折格子１の回転角度によって定まる波長を中心とする単色光であることが理想であるが、実際の分光器では、回折格子１の溝の不規則性や表面粗さ等の影響によって、回折角以外の方向に反射・散乱される光や、使用されるミラーやレンズによって散乱や多重反射される光が、設定波長の光に混入して出口スリット３１から射出することがしばしばある。このように不必要に混入する設定波長以外の光を一般に迷光と称する。迷光の量を最低限に抑える種々の工夫が分光器の設計に施されている。（例えば、特許文献１、２、３参照）

実際の分光器について迷光量を測定することは、その分光器の性能を評価するために重要である。その内部に使用されるレンズ、ミラー、回折格子等の光学素子および分光器筐体内壁などの影響を全て含んだ迷光量を溶液フィルタを用いて測定する方法が日本工業規格に規定されている。（非特許文献１参照）また、より取り扱いの容易な固体フィルタを用いて迷光量を測定する方法も広く使用されている。

さらに、回折格子表面に単色光を照射し、回折角以外の角度に反射（散乱）される光の量を測定して回折格子のみによって生ずる迷光量を評価する方法として、図８に示す構成の装置も発表されている。この中で、光源ＨｅＮｅレーザ１８の632.8nmの光は空間フィルタ１９で成形された後、折り返しミラー２０、集光ミラー２１、開孔２２を経て試験片２５（測定対象の回折格子）を照射する。試験片２５で回折された光は回折角方向に置かれた検出器２７に焦点を結ぶ。検出器２７は回転ステージ２３と連動する回転アーム２６に搭載されており、試験片２５を搭載する摺動ステージ２４とは独立に試験片２５を中心とした円周上を回転移動可能である。検出器２７の出力は電流増幅器２８を介してＡ／Ｄカード付きＰＣ２９に送られ、光量値が測定・記録される。試験片２５を固定した状態で、検出器２７を回転させて回折角の前後の多点の角度における光量測定を行うことにより、回折格子表面から回折角以外の角度方向に反射・散乱される光量を求めることが可能である。（非特許文献２参照）
特開平５−２６７２８号公報特開平７−５５５６２号公報特開平９−８９６６５号公報日本工業規格（ＪＩＳ）Ｋ０１１５（２００４）吸光光度分析通則「Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社ＤｉｆｒａｃｔｉｏｎＧｒａｔｉｎｇＨａｎｄｂｏｏｋ（５ｔｈＥｄｉｔｉｏｎ）」Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社２００２年

回折格子の溝形状の不規則性、あるいはその表面粗さが分光器の迷光を増大させることはよく知られている。例えば、図５に示す回折格子１の表面の平面部２あるいは稜部３における微細な凹凸が迷光量に影響する。分子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した平面部２の表面粗さと、分光器の迷光量の関係を図７に示す。測定に使用した分光器は市販の液体クロマトグラフの検出器に使われているものであり、迷光の測定方法は固体フィルタを用いる方法に拠った。図７から表面粗さと迷光量の間には明らかに正の相関があることがわかる。よって、回折格子によって生ずる迷光量を把握することは、回折格子自体の設計・製作、および分光器の設計・製作にとって非常に有用である。しかしながら、固体フィルタを用いる迷光測定方法、あるいは先に述べた日本工業規格に規定されている迷光測定方法は、回折格子を含む全ての光学素子および分光器筐体内壁の影響を包含した全迷光量を求めるものであって、分光器の個々の構成要素に起因する迷光を個別に把握することは困難である。

図８に示した上記の非特許文献２の方法は、回折格子のみによる迷光量を把握することを目的としたものであるが、回折格子（試験片２５）を入射光に対して固定し、検出器２７を移動させて回折角以外の角度方向に反射・散乱される光量を測定している。しかし実際の分光器では、図６で示したように、回折格子１を回転して単色光を得ている。よって、非特許文献２の方法は必ずしも実際の分光器における回折格子による迷光の特性を把握するものとはならない。

本発明は、上記課題を解決するために実際の分光器における状況に極めて近い状況下で回折格子による迷光を測定する方法を提供することを目的とする。この目的を達成するために本発明が提供する第１の方法は、レーザ光源からの光を光束成形光学系によって所定の径の光束に成形し、前記光束を回折格子に導き、前記回折格子からの反射光の中で、前記回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角以外の角度への反射光強度を光検出器によって、定偏角で測定し、この測定値を用いて迷光量を算出するものである。さらに本発明が第２に提供する方法は、迷光量の算出を、レーザ光源から回折格子への入射光強度と、前記回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角以外の角度への反射光強度との比を測定することによって行うものである。本発明の提供する第３の方法は、迷光量の算出を、回折格子の特性とレーザ光の波長とによって定まる回折角への反射光強度（回折光強度）と前記回折角以外の角度への反射光強度との比を測定することによって行うものである。本発明の提供する第４の方法は、レーザ光源の位置と光検出器の位置をそれぞれ固定し、回折格子をその回折面上にあって該回折格子の溝に平行な１個の直線を回転軸として回転させることによって、上記光検出器に入射する上記レーザ光源からの上記回折格子による反射光の反射角を選択することを特徴とする。本発明の提供する第５の方法は、回折格子のｎ次回折光およびn+1次回折光の回折角をそれぞれθnおよびθn+1とすると、光検出器を用いて測定する回折角以外の角度への反射光の反射角を(θn+θn+1)/2に設定することを特徴とする。さらに本発明の提供する第６の方法は、光検出器を用い測定する回折角以外の角度への反射光の反射角を、回折角の近傍に設定するものである。

また、本発明が第７に提供する迷光測定装置は、少なくとも１種のレーザ光源と、迷光を測定すべき回折格子を搭載して、前記回折格子の回折面内にあって前記回折格子の溝に平行な１個の直線を回転軸として前記回折格子を回転させる回転ステージと、前記回折格子からの反射光強度を検出する光検出器と、前記レーザ光源からの光を所定の径の光束に成形し、該光束を前記回折格子の表面に導く光束成形光学系と、前記回折格子の反射光を前記光検出器に集光する集光光学系とを備え、前記回折格子を回転させて自由な反射角における反射光強度の測定が可能であることを特徴とする。

本発明にかかる回折格子の迷光測定方法および迷光測定装置によって、回折格子自体に起因する迷光量が把握できる。これによって分光器の全迷光を、回折格子に起因するものと、その他の光学素子に起因するものとに分離して評価することが可能となり、低迷光の分光器の設計・製作をより適確に効率よく行うことを可能にする。また、回折格子製作の迷光検査工程で、回折格子を実際の分光器に搭載する必要がなくなるため、工程の大幅な短縮が可能となる。

本発明が提供する回折格子の迷光測定方法は、実際の分光器に搭載された状況に極めて近い状況下で回折格子の迷光を測定できることを第１の特徴とする。また、回折角以外の方向への反射・散乱光を複数の角度で測定できることを第２の特徴とする。この両者を実現するため、本発明は、検出器を固定し、回折格子を回転することによって反射・散乱角を選択する方法を一つの主要な構成要素としている。

以下実施例に従って説明する。図１は本発明にかかる回折格子の迷光測定のための装置である。本装置は、レーザ光源４と、これを一定出力で駆動するレーザ駆動電源７と、回折格子１を搭載し、これを回転させる回転ステージ８と、これを駆動するステージ駆動部１３と、回転ステージ８の回転角１４を制御する制御部１２と、回折格子１によって回折あるいは反射・散乱された光を検出する光検出器５と、光検出器５の出力から光検出器５が受光した光量を測定・表示する光量測定器１１を具備する。レーザ光源４の出力光束の径は、光束成形光学系６によって拡大され、回転ステージ８の上に保持された回折格子１を照射する。光束の径を目的によって変化させるため、光束成形光学系６には広い範囲の径の可変範囲を持たせてある。また、必要に応じて光束成形光学系６を取り除き、ピンホールを光側中に挿入できる。光検出器５は集光レンズ９とフォトダイオード１０で構成されており、集光された光の強度を検出する。回折格子１によって回折あるいは反射・散乱される光を自由な角度において測定するため、回転ステージ８は、制御部１２に入力した角度に設定されるようにステージ駆動部１３によって駆動される。また、光検出器５は、自由にその位置を調節・固定することができる構造となっている。本実施例ではフォトダイオード１０に暗電流の小さいシリコンフォトダイオードを使用した。

上述の装置を用いて回折格子の迷光を測定する方法を以下に説明する。
予めレーザ光の出力光強度Pinを光検出器５を用いて測定、記録した後、以下の手順に従って回折格子１の迷光を測定する。
（１）測定する回折格子１を回転ステージ８上に設置する。
（２）光束の径が回折格子１の表面の広い部分を照射するよう光束成形光学系６を調節する。
（３）回転角１４を０゜近傍を中心に微調節して、回折格子１によるレーザ光の正反射光（０次回折光）が光路を逆進してレーザ光源４の出射孔に合致する位置を求め、このときの回転角１４を０゜とするように制御部１２を初期化する。
（４）回転ステージ８を回転させて回転角１４を定偏角分回転させる。
（５）光検出器５を、レーザ光の０次回折光が正確にフォトダイオード１０の受光面に入射する位置に設置し、光検出器５をこの位置で固定する。
（６）回転ステージ８を駆動して、回折格子１による１次回折光が光検出器５に正確に入射するように回転角１４を調節する。このときの回転角１４の値θ₁を記録する。
（７）さらに回転ステージ８を駆動して、回折格子１による２次回折光が光検出器５に正確に入射するように回転角１４を調節する。このときの回転角１４の値θ₂を記録する。
（８）回転ステージ８を駆動して、回転角１４の値が(θ₁+θ₂)/2となるように調節する。
（９）この位置での光検出器５の出力から光強度Pslを測定する。
（１０）PinとPslより迷光値としてPsl/Pinを算出する。
上記測定法を複数の回折格子に適用して得られた迷光値と、これらの回折格子を実際の分光器に搭載して固体フィルタを用いて測定した全迷光値の比較を行った。その結果を図２に示す。測定に用いた回折格子は、溝本数1600本/mm、ブレーズ波長250nmのものである。また、使用したレーザ光源は波長473nmの固体レーザである。図２の（ａ）と（ｂ）は、同一形式の分光器を２台用いて測定した結果である。いずれの結果も本発明にかかる迷光測定方法の結果と実際の分光器による迷光測定の結果が非常に良い相関を示していることがわかる。これによって、本発明にかかる迷光測定方法は回折格子に起因する迷光を把握する上で極めて有効であり、従来のように実際の分光器に搭載する方法を必要とせず、検査工程を大幅に短縮できる。また、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示された点Ｐおよび点Ｑは、本発明の方法による迷光値つまり回折格子のみに起因する迷光値がゼロのときに、従来法によって示される迷光値を表している。つまり、本発明による法と、従来方法を併用すれば、回折格子以外の光学系の起因する迷光量を分離して把握することが可能となる。

本発明のもう一つの実施例は、実施例１とは異なり、回折格子によるレーザ光の回折角の近傍に現れる迷光を測定することである。回折格子の溝の形状の不完全性や面の粗さによって、回折光のピークの裾に迷光が現れることが知られている。しかし、回折角近傍の迷光を正確に測定するためには、光束の径を小さく絞って測定する必要がある。これを可能にする装置の例を図３に示す。この例は、図１に示した構成から光束成形光学系６を取り除き、その代わりに光束を小さく絞るためにピンホール１６を置き、また集光レンズ９を取り除いたものである。測定方法の一つの例は以下の手順で行われる。予めピンホール１６の後のレーザ光の強度Pin測定した後、
（１）回折格子１を回転ステージ８上に設置する。
（２）回転角１４を０゜近傍で微調節し、レーザ光が回折格子１に正反射して光路を逆進し、正確にピンホール１６に一致する位置を求め、このときの角度を０゜とするよう、制御部１２を初期化する。
（３）回転ステージ８を回転させて回転角１４を定偏角分回転させる。
（４）フォトダイオード１０を、レーザ光の０次回折光が正確に受光面に入射する位置に設置し、フォトダイオード１０をこの位置で固定する。
（５）回転ステージ８を駆動して、回折格子１による１次回折光がフォトダイオード１０に正確に入射するように回転角１４を調節する。このときの回転角１４の値θ₁を記録する。
（６）θ₁を中心にその近傍の回転角における光強度Pslを測定する。
（７）迷光量Psl/Pinを算出する。
図３の円内に拡大表示したように、フォトダイオード１０の受光面上でレーザ光照射スポット１７は回転ステージ８の回転に従って矢印方向に移動する。レーザ光照射スポット１７の直径をＡ、フォトダイオード１０の受光面の直径をＢとし、回折格子１からフォトダイオード１０までの距離をＬ、偏角１５の大きさを２Ｋとすると、レーザ光照射スポット１７がフォトダイオード１０の受光面を通過するまでの角度ｄθは、

ｄθ＝tan^-1[(A+B)/L] ………（１）

そして、定偏角で回折格子を使用したときのｄθ出の波長幅ｄλは、

ｄλ＝2・sin(dθ)・cos(K)/N・m ………（２）

となる。但し、Ｎは１mmあたりの回折格子の溝本数、ｍは回折の次数である。
溝数Ｎ＝1600/mm、次数ｍ＝２、Ｋ＝13.5゜、波長λ＝473nm、Ｂ＝１mmとして、この（１）、（２）式より分解能を計算した結果を図４に示す。但し光束の径はピンホール後一定と仮定する。これよりレーザ光照射スポット１７の径Ａ＝0.5mmを使用し、Ｌ＝200mmで、約１nmの分解能で回折光近傍を測定することが可能となる。しかし、回折格子の分解能(λ/dλ)は、レーリーの基準によれば、

λ/dλ＝m・N×W ………（３）

と表すことができる。但し、Ｗは、回折格子の幅を示す。これにＮ＝1600/mm、
Ｗ＝0.5mmをあてはめると、ｄλ＝0.3［nm］となり、（３）式にて十分4.6nmでの分解は可能となる。
また、逆線分散の値は次式（４）で示される。

Ｄ＝cos(β)/N・m・f ………（４）
（Ｄ：逆線分散、β：回折角、ｆ：焦点距離）

したがって、フォトダイオード１０の受光面Ｂでの波長分解能（Ｄ×Ｂ）は、Ｎ＝1600/mm、Ｗ＝0.5mm、ｍ＝１という条件を当てはめると約1.24nmとなり、十分分解可能である。

以上に述べた方法は、レーザ光源４と光検出器５あるいはフォトダイオード１０を固定し、回折格子１を回転させながら迷光を測定する、定偏角測定を行うものである。これは一般の分光器における回折格子の動作と同じであるため、より実際の状況に近い測定を行うことが可能となり、同時に、回折格子以外の構成要素は変化しないため、これらの影響を受けない測定が可能となる。また、迷光量の算出にレーザ光の入力強度との比を使用する例を説明した。この方法は、レーザ光強度の変化の影響を受けない利点がある。

上述の手順を１部変更し、迷光量の算出に回折光強度との比を使うことも可能である。これにより、回折光強度との相対強度がわかり、信号対ノイズ評価が可能となる。
本発明における特徴は、上述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形例を含む。光検出器５の構成は、実施例ではフォトダイオード１０と集光レンズ９の組合せであるが、フォトダイオード１０の代りに光電子増倍管、集光レンズ９の代わりに凹面集光鏡を組み合わせることも可能である。

本発明は、回折格子の迷光測定に関する。

本発明にかかる回折格子の迷光測定方法とその装置の概念図である。本発明の迷光測定法による測定結果と実際の分光器に搭載して迷光を測定した結果の比較のグラフである。本発明の別の実施例を示す図である。レーザ光の光束の径をパラメータとした分解能と焦点距離の関係を示す図である。反射型ホログラフィック回折格子の外観と部分拡大図である。回折格子を用いる一般的な分光器の構成を示す図である。原子間力顕微鏡による回折格子の面粗さの測定値と、実際の分光器による迷光測定値の相関図である。非特許文献２記載の回折格子の散乱光強度測定装置の模式図である。

符号の説明

１回折格子
２平面部
３稜部
４レーザ光源
５光検出器
６光束成形光学系
７レーザ駆動電源
８回転ステージ
９集光レンズ
１０フォトダイオード
１１光量測定器
１２制御部
１３ステージ駆動部
１４回転角
１５偏角
１６ピンホール
１７レーザ光照射スポット
１８ＨｅＮｅレーザ
１９空間フィルタ
２０折り返しミラー
２１集光ミラー
２２開孔
２３回転ステージ
２４摺動ステージ
２５試験片
２６回転アーム
２７検出器
２８電流増幅器
２９Ａ／Ｄカード付きＰＣ
３０入口スリット
３１出口スリット
３２、３３軸外放物面鏡

Claims

レーザ光源からの光を光束成形光学系によって所定の径の光束に成形し、
前記光束を回折格子に導き、
前記回折格子からの反射光の中で、前記回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角以外の角度への反射光強度の光検出器による測定値を用いて回折格子自体に起因する迷光量を算出することを特徴とする回折格子の迷光測定方法であって、さらに、前記迷光測定は、前記レーザ光源の位置と前記光検出器の位置をそれぞれ固定し、前記回折格子を該回折格子の回折面上にあって該回折格子の溝に平行な１個の直線を回転軸として回転させることによって、前記光検出器に入射する前記レーザ光源からの前記回折格子による反射光の反射角を選択して行うことを特徴とする、定偏角測定による回折格子の迷光測定方法。
前記回折格子自体に起因する迷光量の算出を、レーザ光源から回折格子への入射光強度と、前記回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角以外の角度への反射光強度との比を測定することによって行うことを特徴とする請求項１記載の回折格子の迷光測定方法。
前記回折格子自体に起因する迷光量の算出を、回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角への反射光強度と前記回折角以外の角度への反射光強度との比を測定することによって行うことを特徴とする請求項１記載の回折格子の迷光測定方法。
回折格子のｎ次回折光およびn+1次回折光の回折角をそれぞれθnおよびθn+1 とすると、光検出器を用いて測定する回折角以外の角度への反射光の反射角を(θn+θn+1)/2に設定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の回折格子の迷光測定方法。
少なくとも１種のレーザ光源と、
迷光を測定すべき回折格子を搭載して、前記回折格子の回折面内にあって前記回折格子の溝に平行な１個の直線を回転軸として前記回折格子を回転させる回転ステージと、
前記回折格子からの反射光強度を検出する光検出器と、前記レーザ光源からのレーザ光を所定の径の光束に成形し、該光束を前記回折格子の表面に導く光束成形光学系と、前記回折格子の反射光を前記光検出器に集光する集光光学系とを備え、
前記レーザ光源、前記光束成形光学系、前記集光光学系および、前記光検出器を固定した状態で、前記回折格子を回転させることにより自由な反射角における反射光強度の測定が可能であって、
前記回折格子からの反射光の中で、前記回折格子の特性と前記レーザ光の波長とによって定まる回折角以外の角度への反射光強度の前記光検出器による測定値を用いて回折格子自体に起因する迷光量を算出する手段を有することを特徴とする定偏角による回折格子の迷光測定装置。