反射鏡用の回転装置、光学測定システムおよび回転装置による反射鏡の回転角調整方法
【課題】光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置を提供する。
【解決手段】反射鏡用の回転装置２０は、光の進行方向の変更に用いる反射鏡１４に固定された第１回転軸２１と、第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配された第２回転軸２４と、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０と、を備える。
【解決手段】反射鏡用の回転装置２０は、光の進行方向の変更に用いる反射鏡１４に固定された第１回転軸２１と、第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配された第２回転軸２４と、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射鏡用の回転装置、光学測定システムおよび回転装置による反射鏡の回転角調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高真空状態の真空容器内において、電子線や励起光などのエネルギービームを試料に入射させて試料の励起を起こし、この励起発光に基づいて試料から出射された出射光の検出により、試料の電子状態などを分析する手法が知られている。
【０００３】
ところで、このような出射光を効率良く外部に取り出す目的で、真空容器内に反射鏡を設けることがある。この場合、試料の測定点は、上述の励起ビームが入射した点光源に相当するので、点光源に対して立体角を稼ぐ趣旨から、可能な限り試料の近傍に反射鏡を配することが効果的である。また、この測定点を試料面内で任意に移動したい場合に、反射鏡を自在に動かせると便利である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ミラー位置制御用のＸＹＺステージを真空容器外に配置したカソードルミネッセンス検出装置が記載されている。これにより、真空容器内のミラーをＸＹＺステージにより操作することができる。その結果、真空容器の真空を破ることなく、ミラー焦点位置が適切に調整され、カソードルミネッセンス（電子線照射蛍光）の最大集光効率が得られるとされている。
【特許文献１】特開２００７−７１６４６号公報（段落〔０００８〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の反射鏡の制御技術では、反射鏡の回転を行えないので、試料面内で任意の位置を分析する際に、出射光を外部に効率的に反射できないなどの不都合を生じる場合がある。なお、本件発明者の知る限り、真空容器内の反射鏡を高精度に回転できるコンパクトな回転装置は未だ見当たらない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置を提供することを目的とする。また、上述の回転装置を備える光学測定システムを提供することも目的とする。また、上述の回転装置による反射鏡の回転角調整方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、光の進行方向の変更に用いる反射鏡に固定された第１回転軸と、前記第１回転軸から所定の間隔を離れて配された第２回転軸と、前記第１および第２回転軸との間を連結して構成され、前記第２回転軸のトルクを前記第１回転軸に伝達しているリンク機構と、を備える、反射鏡用の回転装置を提供する。
【０００８】
このように、本発明の回転装置は、第１および第２回転軸とリンク機構とを用いてコンパクトに構成できる。これにより、例えば、この反射鏡を真空容器内の試料から出射される光の進行方向の変更に用いる場合には、反射鏡と一体化された回転装置を真空容器内に配しても、真空容器の内部のスペースを適切かつ充分に確保できる。また、本発明では、第２回転軸のトルクをリンク機構により適切に第１回転軸に伝達できるので、反射鏡の回転精度を向上できる。
【０００９】
ここで、前記リンク機構は、前記第１回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第１回転軸に固定されたロッド状の第１リンクレバーと、前記第２回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第２回転軸に固定されたロッド状の第２リンクレバーと、を備えてもよく、前記第１リンクレバーおよび前記第２リンクレバーを可動支点において連結してもよい。そして、前記第２回転軸の回転に基づいて前記可動支点の位置を制御して、前記可動支点の位置に基づいて前記反射鏡の回転を制御してもよい。
【００１０】
より詳しくは、前記第１回転軸の中心と前記第２回転軸の中心とを通る仮想直線に対する前記第１リンクレバーのなす角が、前記反射鏡の回転に応じて変化する回転角に相当してもよい。また、前記回転角は、前記第１回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第１リンクレバーの長さ、前記第２回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第２リンクレバーの長さ、および、前記仮想直線に対する前記第２リンクレバーのなす角、に基づいて導かれてもよい。
【００１１】
以上の構成により、反射鏡の第１回転軸周りの回転分解能（回転精度）を「第２回転軸の中心と可動支点との間の第２リンクレバーの長さ／第１回転軸の中心と可動支点との間の第１リンクレバーの長さ」という比率を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本発明では、反射鏡の回転精度を向上できる。
【００１２】
なお、ここで、前記リンク機構の動作と逆方向の力を、前記リンク機構に与える制動手段を備えてもよい。
【００１３】
この制動手段の力の作用により、リンク機構のバックラッシュを適切に無くすことができる。
【００１４】
また、前記反射鏡は焦点を有しており、前記反射鏡の焦点位置を調整する手段を備えてもよい。
【００１５】
また、本発明は、上記記載の回転装置と前記回転装置により回転される反射鏡とが内部に組み込まれた真空容器と、前記第２回転軸への回転力を、前記真空容器外において付与している駆動機構と、前記真空容器内の試料の励起を起こすビームを生成しているビーム源と、前記試料の励起発光による出射光を、前記真空容器外において受光している受光装置と、を備えており、前記出射光の進行方向は、前記真空容器内において、前記回転装置による前記反射鏡の回転に基づいて変更されている、光学測定システムを提供する。
【００１６】
このようにして、本発明では、出射光の進行方向が、真空容器内において、回転装置による反射鏡の回転に基づいて変更できるので、出射光の取り出し効率において、本発明の光学測定システムには、上述の特許文献１記載の装置と比較した有利な特徴がある。
【００１７】
また、本発明は、受光窓側から前記反射鏡の反射面に平行光を向けた場合において、試料の表面に前記平行光の焦点が合うように、前記反射鏡の回転角が調整される、前記回転装置による前記反射鏡の回転角調整方法を提供する。
【００１８】
この方法により、受光窓から反射面に入る平行光の焦点が上述の試料の表面に合っているので、この表面から放射状に出射された出射光が、反射鏡の反射面により反射されると、この出射光は、平行光として受光窓から効率的に取り出せる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置が得られる。また、上述の回転装置を備える光学測定システムも得られる。また、上述の回転装置による反射鏡の回転角調整方法も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態による光学測定システムの一例を模式的に示した図である。図１では、円筒形の真空容器１０（後述）の中心軸の方向から平面視した真空容器１０の内部１０Ａの様子が描かれている。
【００２２】
以下の説明の便宜上、図１に示すように、光学測定システム１００のパラボリックミラー１４（後述）は、Ｚ方向周りに回転できるものとする。また、真空容器１０の中心軸の方向を「Ｙ方向」とし、これらのＹ方向およびＺ方向に直交する方向を「Ｘ方向」とする。
【００２３】
光学測定システム１００は、図１に示すように、ステンレス製の真空容器１０を備える。なお、真空容器１０の内部１０Ａは、光学測定システム１００の使用時には、イオンポンプとチタンサブリメションポンプとを組合せた真空排気系（図示せず）により、超高真空（例えば、到達真空度：１０-8Ｐａ）にまで減圧される。これにより、試料１１の表面への水分や酸素などの不純物付着を防止でき、試料１１の表面において分子レベル（ナノレベル）の分析を行うことができる。
【００２４】
また、真空容器１０の内部１０Ａには、図１に示すように、測定対象である試料（発光体）１１を保持する試料ホルダ１２と、試料１１の表面の至近距離まで近づくように配された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）用の金属探針１３と、試料１１の近傍に配されたパラボリックミラー１４（放物面ミラー）と、がある。
【００２５】
図１に示すように、試料１１の測定点１１Ａの励起を起こす励起光２００が適宜の励起光２００の光源（図示せず）から試料１１の測定点１１Ａに入射され、これにより、試料１１の測定点１１Ａにおいて励起発光がなされている。その結果、試料１１の測定点１１Ａでの励起発光による光２０１が放射状に出射されている（以下、このような光２０１のことを「出射光２０１」と略す）。
【００２６】
なお、ここでは、試料１１の励起を起こすエネルギービームとして励起光２００を例示しているが、後述（変形例１）のとおり、電子線により試料１１を励起してもよい。
【００２７】
走査型トンネル顕微鏡（図示せず）は、金属探針１３と試料１１の間のバイアス電圧により両者間に流れるトンネル電流を検出するタイプの公知の顕微鏡であり、試料１１の表面形状を原子分解能レベルで観察できる。
【００２８】
パラボリックミラー１４は、放物線状に窪んだ反射面１４Ａを有しており、これにより、パラボリックミラー１４に入る平行光を集光できる集光ミラーとしての機能を備える。
【００２９】
但し、本実施形態のパラボリックミラー１４の使用形態では、図１に示すように、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａが、測定点１１Ａに対する立体角を稼ぐ趣旨から測定点１１Ａに近接されて配され、これにより、上述の放射状の出射光２０１が、パラボリックミラー１４において平行光となるように反射されている。つまり、パラボリックミラー１４に入る放射状の出射光２０１は、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより、出射光２０１の進行方向が適切な向き（後述する受光窓１５の方向）になるように変更（反射）され、これにより、平行光としての出射光２０１を効率的に真空容器１０の外部に取り出せる。
【００３０】
なお、このパラボリックミラー１４は、ガラス製の円柱体１４Ｂに所定の加工を施して作製できる。具体的には、上述の円柱体１４Ｂの中心軸に対し、当該円柱体１４Ｂを斜め方向にカットしたカット面を形成する。すると、カット面は楕円平面状になる。そして、このカット面の周囲から放物線状に描くよう、カット面に凹状の窪みをつけた後、このカット面に金属製（例えば銀）の反射膜を蒸着すると、上述のパラボリックミラー１４の反射面１４Ａが得られる。
【００３１】
また、真空容器１０の内部１０Ａには、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転を高精度に制御できる回転装置２０が配置されている。なお、この回転装置２０の詳細は後述する。更に、パラボリックミラー１４は、公知のＸ方向およびＹ方向の駆動系および公知のＺ方向の駆動系（何れも図示せず；以下、これらの駆動系をまとめて「３次元駆動系」と略す）によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３次元方向に高精度に移動できる。なお、この３次元駆動系は、真空容器１０外の適所に配置されている。
【００３２】
また、図１に示すように、受光窓１５が、真空容器１０の側壁１０Ｂに取り付けられ、この受光窓１５の近傍に集光レンズ１６が配置されている。そして、平行光としての出射光２０１が集光レンズ１６に入ると、受光装置１８の検出部に相当する光ファイバー１７に集光できるようになっている。なお、本実施形態では、受光窓１５は、パラボリックミラー１４に対向する側壁１０Ｂの位置に取り付けられている。
【００３３】
以上の構成により、本実施形態の光学測定システム１００では、試料１１の測定点１１Ａがどの位置にあっても、測定点１１Ａの移動の度に、パラボリックミラー１４の回転および３次元位置を高精度に制御でき、上述の出射光２０１を受光窓１５に適切に導くことができる。
【００３４】
次に、本発明の光学測定システム１００の特徴部であるパラボリックミラー１４用の回転装置２０について図面を参照しながら詳しく説明する。
【００３５】
図２は、本発明の実施形態によるパラボリックミラー用の回転装置の構成例および回転装置の駆動機構の一例を模式的に示した図である。なお、図２の斜線を引いた部分は、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの中心を通り、後述する第１リンクレバー３１軸に沿った部分の回転装置２０の断面に相当する。但し、パラボリックミラー１４と回転装置２０との間の固定部、回転装置２０内の各部材間の固定部、および、回転装置２０と真空容器１０との間の固定部は、何れも慣用の固定手段（ネジなど）により固定されており、本明細書では、当該固定手段の図示および説明は省略する。
【００３６】
また、図３は、図２における回転装置の動作例を示した模式図である。図３（ａ）には、パラボリックミラー１４と第１回転軸２１の一部とをＹ方向から平面視した模式図が描かれている。図３（ｂ）には、回転装置２０の要部をＺ方向から平面視した模式図が描かれている。図３（ｃ）には、パルスモータ４０とパルスモータ４０の駆動軸４０Ａの一部と第２回転軸２４の一部とをＹ方向から平面視した模式図が描かれている。
【００３７】
まず、光学測定システム１００の回転装置２０の構成について説明する。
【００３８】
回転装置２０は、図２に示すように、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの端面中心部に固定された第１回転軸２１を備える。これらの円柱体１４Ｂおよび第１回転軸２１は、互いのＺ方向の中心軸を一致させるようにして、両者の端面を接合させた形態となっている。
【００３９】
また、第１回転軸２１は、Ｚ方向に延びる円筒状のケーシング部材２２の内部に配されている。これらの第１回転軸２１およびケーシング部材２２は、第１回転軸２１とケーシング部材２２との間に円筒状の隙間を形成させるよう、同軸状に配されている。
【００４０】
ここで、ケーシング部材２２のＺ方向の端面は、円盤状のフランジ２３に固定されている。また、フランジ２３は、真空容器１０の側壁１０Ｂの適所に固定されている。
【００４１】
更に、第１回転軸２１とケーシング部材２２との間の隙間には、図２に示すように、回転軸受２５（例えば、ボールベアリング）が配されている。この回転軸受２５を用いて、第１回転軸２１は、ケーシング部材２２に対してＺ方向周り（第１回転軸２１の軸周り）に回転可能に構成されており、ひいては、第１回転軸２１の回転により、パラボリックミラー１４は、Ｚ方向周りに回転できる。
【００４２】
また、回転装置２０は、図２および図３（ｂ）に示すように、上述の第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配され、Ｚ方向に延びる第２回転軸２４を備える。この第２回転軸２４の一端は、リンク機構３０の第２リンクレバー３４（後述）に接続されている。また、第２回転軸２４は、真空容器１０の内部１０Ａを気密に保つようにして、真空容器１０の外部にまで延びている。第２回転軸２４の他端は、真空容器１０外において、パルスモータ４０（駆動機構）の駆動軸４０Ａに連結されている。
【００４３】
このように、第２回転軸２４は、パルスモータ４０により回転力が付与され、これにより、Ｚ方向周りに回転可能になっている。なお、第２回転軸２４の回転機構は、回転軸受などを用いて様々な態様で構成できるので、本明細書では、当該回転機構の詳細な図示および説明は省略する。また、パルスモータ４０の駆動軸４０Ａと第２回転軸２４との間には、精密駆動部が配されているが、このような駆動部は、回転歯車などを用いて様々な態様で構成できるので、本明細書では、当該駆動部の詳細な図示および説明も省略する。
【００４４】
ここで、回転装置２０は、図２および図３（ｂ）に示すように、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０を備える。
【００４５】
このリンク機構３０の第１リンクレバー３１は、第１回転軸２１の回転に対してＸＹ平面内でスイング運動できるように、第１回転軸２１の側面に固定されている。この第１リンクレバー３１は、図２に示すように、ケーシング部材２２の貫通孔２２Ａを通って、第１回転軸２１の中心軸に対して鉛直方向（ＸＹ平面に平行な方向）に延びている。なお、第１回転軸２１の回転に連動する第１リンクレバー３１によるＸＹ平面内のスイング運動を妨げないよう、ケーシング部材２２の貫通孔２２Ａは、周方向にスリット状に形成されている。
【００４６】
また、上述のリンク機構３０の第２リンクレバー３４は、第２回転軸の回転に対してＸＹ平面内でスイング運動できるように、第２回転軸２４に固定されている。この第２リンクレバー３４は、図２に示すように、第２回転軸２４の中心軸に対して鉛直方向（ＸＹ平面に平行な方向）に延びている。
【００４７】
更に、図２および図３（ｂ）に示すように、第１リンクレバー３１および第２リンクレバー３４は、Ｚ方向に所定距離分ずれて配されており、これにより、両者の端部同士を互いに重ねることができる。そして、この重なり合った部分が、可動支点３５においてＺ方向周りに回動できるように、第１リンクレバー３１の端部と第２リンクレバー３４の端部とを連結させる連結部に相当することになる。本実施形態では、上述の可動支点３５は、第１リンクレバー３１の連結部および第２リンクレバー３４の連結部をＺ方向に貫通して、これらを軸支しているリンク棒３６から構成されている。
【００４８】
また、リンク棒３６の端部は、ピン３８に引っ掛けた制動バネ３７（制動手段）により引っ張られている。このピン３８は、上述のフランジ２３に固定されている。この制動バネ３７により、図３（ｂ）に示すように、リンク機構３０が反時計周りの方向に移動する場合、リンク機構３０の動作と逆方向の張力がリンク機構３０に与えられる。
【００４９】
次に、以上の回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転制御について説明する。
【００５０】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図３（ｂ）に示すように、第１回転軸２１の中心と第２回転軸２４の中心とを通る仮想直線３００を引いた際の、仮想直線３００に対する第１リンクレバー３１のなす角を「α」とし、この仮想直線３００に対する第２リンクレバー３４のなす角を「β」としている。また、第１回転軸２１の中心から可動支点３５（正確にはリンク棒３６の中心）までの距離を「Ｌ１」とし、第２回転軸２４の中心から可動支点３５までの距離を「Ｌ２」としている。
【００５１】
まず、図３（ｃ）に示すように、パルスモータ４０の回転力が第２回転軸２４に付与されることにより、第２回転軸２４は、Ｚ方向周りに回転できる。この場合、図３（ｂ）に示すように、第２回転軸２４と第２リンクレバー３４とが互いに固定されているので、第２回転軸２４の回転により角度「β」が変化する。また、第２リンクレバー３４と第１リンクレバー３１とが互いに可動支点３５において連結され、かつ、第１回転軸２１と第１リンクレバー３１とが互いに固定されているので、第２回転軸２４の回転により、可動支点３５の移動と連動して角度「α」が変化する。すると、図３（ａ）に示すように、Ｚ方向に延びる第１回転軸２１が、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの中心部に固定されているので、角度「α」が、パラボリックミラー１４の回転に応じて変化するパラボリックミラー１４のＺ方向回りの回転角に相当する（以下、必要に応じて、回転角「α」という）。このようにして、本実施形態では、第２回転軸２４の回転に基づいて可動支点３５の位置が制御され、可動支点３５の位置に基づいてパラボリックミラー１４の回転が制御されている。
【００５２】
ところで、第１リンクレバー３１と第２リンクレバー３４との間の幾何学的関係から以下の式（１）が得られる。
【００５３】
Ｌ１×ｓｉｎα＝Ｌ２×ｓｉｎβ・・・・・（１）
この式（１）は、角度「α」、および、角度「β」が充分に小さい場合には、ｓｉｎα＝α、ｓｉｎβ＝βと近似できるので、この場合には、以下の式（２）のように変換できる。
【００５４】
α＝Ｌ２／Ｌ１×β・・・・・（２）
この式（２）によれば、パラボリックミラー１４の回転角「α」は、第２回転軸２４の中心と可動支点３５との間の第２リンクレバー３４の長さ「Ｌ２」を第１回転軸２１の中心と可動支点３５との間の第１リンクレバー３１の長さ「Ｌ１」で除した比率「Ｌ２／Ｌ１」に、仮想直線３００に対する第２リンクレバー３４のなす角「β」を乗ずることにより得られることが分かる。
【００５５】
よって、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転分解能（回転精度）を、式（２）から容易に理解できるとおり、比率「Ｌ２／Ｌ１」を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転精度を適切に向上できる。例えば、比率「Ｌ２／Ｌ１」を１／２とし、パルスモータの１パルス当たりの送り精度を高精度化することにより、パラボリックミラー１４の回転の高分解能化（例えば、回転分解能：２×１０-6 °）を図ることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、パルスモータ４０のパルス数に基づいて、パラボリックミラー１４の回転範囲を調整でき、これにより、回転範囲の広域化（例えば、±２０°）を図ることもできる。
【００５７】
また、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、回転支点３５を反時計回り方向に動かすと、第１および第２リンクレバー３１、３４は、制動バネ３７により引っ張られるので、この制動バネ３７の張力の作用により、これらの第１および第２リンクレバー３１、３４のバックラッシュを適切に無くすことができる。
【００５８】
次に、本実施形態による光学測定システム１００の動作の一例について説明する。
【００５９】
まず、所定の標準試料を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の初期調整がなされる。この標準試料は、測定対象である試料１１と略同形であり、レファレンス光を用いて標準試料を励起発光させた場合の、出射光のスペクトル分布を予め把握できている。
【００６０】
標準試料が、真空容器１０の内部１０Ａの試料ホルダ１２にセットされた後、真空容器１０の内部１０Ａが、真空排気系により超高真空（１０-8Ｐａ程度）にまで減圧される。そして、以下の３通りの方法により、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の初期調整が実行される。
【００６１】
第１に、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにおいて金属探針１３の反射像を観測するという簡易な調整方法がある。具体的には、ピエゾモータにより、標準試料の表面の測定点の至近距離まで金属探針１３を移動させる。そして、反射面１４Ａに映る金属探針１３の反射像を、作業者が受光窓１５から目視できるように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整する。
【００６２】
これにより、受光窓１５から反射面１４Ａに入る平行光の焦点は上述の測定点（標準試料の表面）近傍に合っていると推定できる。このため、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
【００６３】
なお、上述のとおり、パラボリックミラー１４は、光軸に平行な入射光が集中する焦点を有しており、この第１の方法では、パラボリックミラー１４の焦点位置を調整する手段が、ピエゾモータにより３次元移動する金属探針１３、および、パラボリックミラー１４用の回転装置２０（パルスモータ４０）、並びに、パラボリックミラー１４用の３次元駆動系により構成されている。
【００６４】
第２に、受光窓１５からパラボリックミラー１４の反射面１４Ａにレーザ光（平行光）を入射させるという、上述の第１の方法と比較してより高精度な調整方法がある。具体的には、レーザ光を反射面１４Ａに向けた際に、レーザ光の焦点が、上述の測定点（標準試料の表面）に合うように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整する。なお、レーザ光の焦点の観察は、作業者の目視で行えばよい。
【００６５】
これにより、受光窓１５から反射面１４Ａに入るレーザ光の焦点が上述の測定点に合っているので、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
【００６６】
なお、上述のとおり、パラボリックミラー１４は、光軸に平行な入射光が集中する焦点を有しており、この第２の方法では、パラボリックミラー１４の焦点位置を調整する手段が、レーザ光（平行光）を発する光源、および、パラボリックミラー１４用の回転装置２０（パルスモータ４０）、並びに、パラボリックミラー１４用の３次元駆動系により構成されている。
【００６７】
第３に、標準試料におけるレファレンス光の励起発光を利用する調整方法がある。具体的には、受光窓１５に分光器をセットして、レファレンス光による標準試料の励起発光を起こさせ、この励起発光による出射光を分光器にかける。すると、分光器によりこの出射光のスペクトル分布を得ることができる。得られたスペクトル分布が、予め把握できている分布と合致すれば、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の調整が適切であると判断できる。そうでなければ、両者が合致するよう、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整すればよい。
【００６８】
このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の初期調整を適切に行うことができる。
【００６９】
なお、これらの３通りの方法は、光学測定システム１００の使用状態に応じて、適宜取捨選択できる。例えば、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の大まかな調整が完了している場合には、上述の第１の調整方法（簡易調整）を省略してもよい。
【００７０】
次に、標準試料を真空容器１０内の試料ホルダ１２から取り出し、測定対象である試料１１を、真空容器１０内の試料ホルダ１２にセットする。そして、真空容器１０の内部１０Ａが、再び真空排気系により超高真空（１０-8Ｐａ程度）にまで減圧される。
【００７１】
この状態で、光源から励起光２００を試料１１の測定点１１Ａに入射すると、測定点１１Ａでの励起発光による出射光２０１が測定点１１Ａから放射状に出射される。上述の３通りの調整方法により、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置がすでに調整されているので、出射光２０１は、パラボリックミラー１４により反射され、平行光として受光窓１５を透って、真空容器１０の外部に効率的に取り出される。この出射光２０１は、集光レンズ１６および光ファイバー１７を経て、受光装置１８に入り、ここで、試料１１の分子レベルの様々な分析がなされる。例えば、出射光２０１のスペクトルを得たい場合には、受光装置１８として、分光器が用いられ、フォトン（光子）の個数を検出したい場合には、受光装置１８として、フォトンカウンターが用いられる。
【００７２】
その後、試料１１の測定点１１Ａの位置が変更される度に、パラボリックミラー１４の回転角が、回転装置２０（パルスモータ４０）により適切に調整され、パラボリックミラー１４の３次元位置が、３次元駆動系により適切に調整される。
【００７３】
以上に述べたとおり、本実施形態の回転装置２０は、光の進行方向の変更に用いるパラボリックミラー１４に固定された第１回転軸２１と、この第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配された第２回転軸２４と、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０と、を備える。つまり、パラボリックミラー１４は、第１回転軸２１周り（Ｚ方向周り）に回転できるよう構成され、この回転は、第２回転軸２４の回転に応じたリンク機構３０の動作に制御されている。このように、本実施形態の回転装置２０は、第１および第２回転軸２１、２４とリンク機構３０とを用いてコンパクトに構成できる。これにより、パラボリックミラー１４と一体化された回転装置２０を真空容器１０内に配しても、真空容器１０の内部１０Ａのスペースを適切かつ充分に確保できる。また、本実施形態では、第２回転軸２４のトルクをリンク機構３０により適切に第１回転軸２１に伝達できるので、パラボリックミラー１４の回転精度を向上できる。
【００７４】
また、本実施形態の光学測定システム１００は、上述の回転装置２０と回転装置２０により回転されるパラボリックミラー１４とが内部に組み込まれた真空容器１０と、第２回転軸２４への回転力を、真空容器１０外において付与しているパルスモータ４０と、真空容器１０内の試料１１の励起を起こす励起光２００を生成している光源と、試料１１の励起発光による出射光２０１を、真空容器１０外において受光している受光装置１８と、を備えており、出射光２０１の進行方向は、真空容器１０内において、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転に基づいて変更されている。このようにして、本実施形態では、出射光２０１の進行方向が、真空容器１０内において、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転に基づいて変更できるので、出射光２０１の取り出し効率において、本実施形態の光学測定システム１００には、上述の特許文献１記載の装置と比較した有利な特徴がある。
【００７５】
ここで、本実施形態では、リンク機構３０は、第１回転軸２１の回転に対してスイング運動できるように第１回転軸２１の側面に固定されたロッド状の第１リンクレバー３１と、第２回転軸２４の回転に対してスイング運動できるように第２回転軸２４に固定されたロッド状の第２リンクレバー３４と、を備えており、第１リンクレバー３１および第２リンクレバー３４が可動支点３５において連結されている。よって、第２回転軸２４の回転に基づいて可動支点３５の位置が制御され、可動支点３５の位置に基づいてパラボリックミラー１４の回転が制御されている。
【００７６】
具体的には、仮想直線３００に対する第１リンクレバー３１のなす角「α」は、パラボリックミラー１４の回転に応じて変化するパラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転角「α」に相当している。そして、回転角「α」は、第１回転軸２１の中心と可動支点３５との間の第１リンクレバーの長さ「Ｌ１」、第２回転軸２４の中心と可動支点３５との間の第２リンクレバーの長さ「Ｌ２」、および、仮想直線３００に対する第２リンクレバーのなす角「β」を用いて、上述の関係式「α＝Ｌ２／Ｌ１×β」から導ける（但し、角度「α」、および、角度「β」が充分に小さい場合）。
【００７７】
以上の構成により、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転分解能（回転精度）を比率「Ｌ２／Ｌ１」を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転精度を向上できる。
【００７８】
また、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の調整方法の一例として、受光装置１８の受光窓１５側からパラボリックミラー１４にレーザ光（平行光）を向けた場合において、このレーザ光の焦点が試料の測定点（試料の表面）で焦点に合うように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置を調整するという方法がある。この方法により、受光窓１５から反射面１４Ａに入るレーザ光の焦点が上述の測定点に合っているので、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
（変形例１）
本実施形態では、試料１１に対し励起発光を起こすエネルギービームとして、励起光２００を用いたが、これは飽くまで一例に過ぎない。励起光２００に代えて、走査型トンネル顕微鏡の金属探針１３からのトンネル電流（電子線）を用いて、試料１１の表面（測定点１１Ａ）を励起発光させてもよい。これにより、試料１１の分子１個レベルの励起を起こし易くなる。
（変形例２）
本実施形態では、第２回転軸２４への回転力を付与する駆動機構として、パルスモータ４０を例示したが、これに限らない。例えば、パルスモータ４０に代えて、手動による駆動機構を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、上述のとおり、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置を提供する。よって、本発明は、例えば、試料の励起発光の光を検出することにより、試料表面の分子の電子状態などを分析する光学測定システムにおいて、当該光を反射する反射鏡用の回転装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施形態による光学測定システムの一例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態によるパラボリックミラー用の回転装置の構成例および回転装置の駆動系の一例を模式的に示した図である。
【図３】図２における回転装置の動作例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 真空容器
１１ 試料
１２ 試料ホルダ
１３ 金属探針
１４ パラボリックミラー
１４Ａ パラボリックミラーの反射面
１５ 受光窓
１６ 集光レンズ
１７ 光ファイバー
１８ 受光装置
２０ 回転装置
２１ 第１回転軸
２２ ケーシング部材
２３ フランジ
２４ 第２回転軸
２５ 回転軸受
３０ リンク機構
３１ 第１リンクレバー
３４ 第２リンクレバー
３５ 可動支点
３６ リンク棒
３７ 制動バネ
４０ パルスモータ
１００ 光学測定システム
２００ 励起光
２０１ 出射光
３００ 仮想直線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射鏡用の回転装置、光学測定システムおよび回転装置による反射鏡の回転角調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高真空状態の真空容器内において、電子線や励起光などのエネルギービームを試料に入射させて試料の励起を起こし、この励起発光に基づいて試料から出射された出射光の検出により、試料の電子状態などを分析する手法が知られている。
【０００３】
ところで、このような出射光を効率良く外部に取り出す目的で、真空容器内に反射鏡を設けることがある。この場合、試料の測定点は、上述の励起ビームが入射した点光源に相当するので、点光源に対して立体角を稼ぐ趣旨から、可能な限り試料の近傍に反射鏡を配することが効果的である。また、この測定点を試料面内で任意に移動したい場合に、反射鏡を自在に動かせると便利である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ミラー位置制御用のＸＹＺステージを真空容器外に配置したカソードルミネッセンス検出装置が記載されている。これにより、真空容器内のミラーをＸＹＺステージにより操作することができる。その結果、真空容器の真空を破ることなく、ミラー焦点位置が適切に調整され、カソードルミネッセンス（電子線照射蛍光）の最大集光効率が得られるとされている。
【特許文献１】特開２００７−７１６４６号公報（段落〔０００８〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の反射鏡の制御技術では、反射鏡の回転を行えないので、試料面内で任意の位置を分析する際に、出射光を外部に効率的に反射できないなどの不都合を生じる場合がある。なお、本件発明者の知る限り、真空容器内の反射鏡を高精度に回転できるコンパクトな回転装置は未だ見当たらない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置を提供することを目的とする。また、上述の回転装置を備える光学測定システムを提供することも目的とする。また、上述の回転装置による反射鏡の回転角調整方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、光の進行方向の変更に用いる反射鏡に固定された第１回転軸と、前記第１回転軸から所定の間隔を離れて配された第２回転軸と、前記第１および第２回転軸との間を連結して構成され、前記第２回転軸のトルクを前記第１回転軸に伝達しているリンク機構と、を備える、反射鏡用の回転装置を提供する。
【０００８】
このように、本発明の回転装置は、第１および第２回転軸とリンク機構とを用いてコンパクトに構成できる。これにより、例えば、この反射鏡を真空容器内の試料から出射される光の進行方向の変更に用いる場合には、反射鏡と一体化された回転装置を真空容器内に配しても、真空容器の内部のスペースを適切かつ充分に確保できる。また、本発明では、第２回転軸のトルクをリンク機構により適切に第１回転軸に伝達できるので、反射鏡の回転精度を向上できる。
【０００９】
ここで、前記リンク機構は、前記第１回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第１回転軸に固定されたロッド状の第１リンクレバーと、前記第２回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第２回転軸に固定されたロッド状の第２リンクレバーと、を備えてもよく、前記第１リンクレバーおよび前記第２リンクレバーを可動支点において連結してもよい。そして、前記第２回転軸の回転に基づいて前記可動支点の位置を制御して、前記可動支点の位置に基づいて前記反射鏡の回転を制御してもよい。
【００１０】
より詳しくは、前記第１回転軸の中心と前記第２回転軸の中心とを通る仮想直線に対する前記第１リンクレバーのなす角が、前記反射鏡の回転に応じて変化する回転角に相当してもよい。また、前記回転角は、前記第１回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第１リンクレバーの長さ、前記第２回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第２リンクレバーの長さ、および、前記仮想直線に対する前記第２リンクレバーのなす角、に基づいて導かれてもよい。
【００１１】
以上の構成により、反射鏡の第１回転軸周りの回転分解能（回転精度）を「第２回転軸の中心と可動支点との間の第２リンクレバーの長さ／第１回転軸の中心と可動支点との間の第１リンクレバーの長さ」という比率を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本発明では、反射鏡の回転精度を向上できる。
【００１２】
なお、ここで、前記リンク機構の動作と逆方向の力を、前記リンク機構に与える制動手段を備えてもよい。
【００１３】
この制動手段の力の作用により、リンク機構のバックラッシュを適切に無くすことができる。
【００１４】
また、前記反射鏡は焦点を有しており、前記反射鏡の焦点位置を調整する手段を備えてもよい。
【００１５】
また、本発明は、上記記載の回転装置と前記回転装置により回転される反射鏡とが内部に組み込まれた真空容器と、前記第２回転軸への回転力を、前記真空容器外において付与している駆動機構と、前記真空容器内の試料の励起を起こすビームを生成しているビーム源と、前記試料の励起発光による出射光を、前記真空容器外において受光している受光装置と、を備えており、前記出射光の進行方向は、前記真空容器内において、前記回転装置による前記反射鏡の回転に基づいて変更されている、光学測定システムを提供する。
【００１６】
このようにして、本発明では、出射光の進行方向が、真空容器内において、回転装置による反射鏡の回転に基づいて変更できるので、出射光の取り出し効率において、本発明の光学測定システムには、上述の特許文献１記載の装置と比較した有利な特徴がある。
【００１７】
また、本発明は、受光窓側から前記反射鏡の反射面に平行光を向けた場合において、試料の表面に前記平行光の焦点が合うように、前記反射鏡の回転角が調整される、前記回転装置による前記反射鏡の回転角調整方法を提供する。
【００１８】
この方法により、受光窓から反射面に入る平行光の焦点が上述の試料の表面に合っているので、この表面から放射状に出射された出射光が、反射鏡の反射面により反射されると、この出射光は、平行光として受光窓から効率的に取り出せる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置が得られる。また、上述の回転装置を備える光学測定システムも得られる。また、上述の回転装置による反射鏡の回転角調整方法も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態による光学測定システムの一例を模式的に示した図である。図１では、円筒形の真空容器１０（後述）の中心軸の方向から平面視した真空容器１０の内部１０Ａの様子が描かれている。
【００２２】
以下の説明の便宜上、図１に示すように、光学測定システム１００のパラボリックミラー１４（後述）は、Ｚ方向周りに回転できるものとする。また、真空容器１０の中心軸の方向を「Ｙ方向」とし、これらのＹ方向およびＺ方向に直交する方向を「Ｘ方向」とする。
【００２３】
光学測定システム１００は、図１に示すように、ステンレス製の真空容器１０を備える。なお、真空容器１０の内部１０Ａは、光学測定システム１００の使用時には、イオンポンプとチタンサブリメションポンプとを組合せた真空排気系（図示せず）により、超高真空（例えば、到達真空度：１０-8Ｐａ）にまで減圧される。これにより、試料１１の表面への水分や酸素などの不純物付着を防止でき、試料１１の表面において分子レベル（ナノレベル）の分析を行うことができる。
【００２４】
また、真空容器１０の内部１０Ａには、図１に示すように、測定対象である試料（発光体）１１を保持する試料ホルダ１２と、試料１１の表面の至近距離まで近づくように配された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）用の金属探針１３と、試料１１の近傍に配されたパラボリックミラー１４（放物面ミラー）と、がある。
【００２５】
図１に示すように、試料１１の測定点１１Ａの励起を起こす励起光２００が適宜の励起光２００の光源（図示せず）から試料１１の測定点１１Ａに入射され、これにより、試料１１の測定点１１Ａにおいて励起発光がなされている。その結果、試料１１の測定点１１Ａでの励起発光による光２０１が放射状に出射されている（以下、このような光２０１のことを「出射光２０１」と略す）。
【００２６】
なお、ここでは、試料１１の励起を起こすエネルギービームとして励起光２００を例示しているが、後述（変形例１）のとおり、電子線により試料１１を励起してもよい。
【００２７】
走査型トンネル顕微鏡（図示せず）は、金属探針１３と試料１１の間のバイアス電圧により両者間に流れるトンネル電流を検出するタイプの公知の顕微鏡であり、試料１１の表面形状を原子分解能レベルで観察できる。
【００２８】
パラボリックミラー１４は、放物線状に窪んだ反射面１４Ａを有しており、これにより、パラボリックミラー１４に入る平行光を集光できる集光ミラーとしての機能を備える。
【００２９】
但し、本実施形態のパラボリックミラー１４の使用形態では、図１に示すように、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａが、測定点１１Ａに対する立体角を稼ぐ趣旨から測定点１１Ａに近接されて配され、これにより、上述の放射状の出射光２０１が、パラボリックミラー１４において平行光となるように反射されている。つまり、パラボリックミラー１４に入る放射状の出射光２０１は、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより、出射光２０１の進行方向が適切な向き（後述する受光窓１５の方向）になるように変更（反射）され、これにより、平行光としての出射光２０１を効率的に真空容器１０の外部に取り出せる。
【００３０】
なお、このパラボリックミラー１４は、ガラス製の円柱体１４Ｂに所定の加工を施して作製できる。具体的には、上述の円柱体１４Ｂの中心軸に対し、当該円柱体１４Ｂを斜め方向にカットしたカット面を形成する。すると、カット面は楕円平面状になる。そして、このカット面の周囲から放物線状に描くよう、カット面に凹状の窪みをつけた後、このカット面に金属製（例えば銀）の反射膜を蒸着すると、上述のパラボリックミラー１４の反射面１４Ａが得られる。
【００３１】
また、真空容器１０の内部１０Ａには、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転を高精度に制御できる回転装置２０が配置されている。なお、この回転装置２０の詳細は後述する。更に、パラボリックミラー１４は、公知のＸ方向およびＹ方向の駆動系および公知のＺ方向の駆動系（何れも図示せず；以下、これらの駆動系をまとめて「３次元駆動系」と略す）によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３次元方向に高精度に移動できる。なお、この３次元駆動系は、真空容器１０外の適所に配置されている。
【００３２】
また、図１に示すように、受光窓１５が、真空容器１０の側壁１０Ｂに取り付けられ、この受光窓１５の近傍に集光レンズ１６が配置されている。そして、平行光としての出射光２０１が集光レンズ１６に入ると、受光装置１８の検出部に相当する光ファイバー１７に集光できるようになっている。なお、本実施形態では、受光窓１５は、パラボリックミラー１４に対向する側壁１０Ｂの位置に取り付けられている。
【００３３】
以上の構成により、本実施形態の光学測定システム１００では、試料１１の測定点１１Ａがどの位置にあっても、測定点１１Ａの移動の度に、パラボリックミラー１４の回転および３次元位置を高精度に制御でき、上述の出射光２０１を受光窓１５に適切に導くことができる。
【００３４】
次に、本発明の光学測定システム１００の特徴部であるパラボリックミラー１４用の回転装置２０について図面を参照しながら詳しく説明する。
【００３５】
図２は、本発明の実施形態によるパラボリックミラー用の回転装置の構成例および回転装置の駆動機構の一例を模式的に示した図である。なお、図２の斜線を引いた部分は、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの中心を通り、後述する第１リンクレバー３１軸に沿った部分の回転装置２０の断面に相当する。但し、パラボリックミラー１４と回転装置２０との間の固定部、回転装置２０内の各部材間の固定部、および、回転装置２０と真空容器１０との間の固定部は、何れも慣用の固定手段（ネジなど）により固定されており、本明細書では、当該固定手段の図示および説明は省略する。
【００３６】
また、図３は、図２における回転装置の動作例を示した模式図である。図３（ａ）には、パラボリックミラー１４と第１回転軸２１の一部とをＹ方向から平面視した模式図が描かれている。図３（ｂ）には、回転装置２０の要部をＺ方向から平面視した模式図が描かれている。図３（ｃ）には、パルスモータ４０とパルスモータ４０の駆動軸４０Ａの一部と第２回転軸２４の一部とをＹ方向から平面視した模式図が描かれている。
【００３７】
まず、光学測定システム１００の回転装置２０の構成について説明する。
【００３８】
回転装置２０は、図２に示すように、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの端面中心部に固定された第１回転軸２１を備える。これらの円柱体１４Ｂおよび第１回転軸２１は、互いのＺ方向の中心軸を一致させるようにして、両者の端面を接合させた形態となっている。
【００３９】
また、第１回転軸２１は、Ｚ方向に延びる円筒状のケーシング部材２２の内部に配されている。これらの第１回転軸２１およびケーシング部材２２は、第１回転軸２１とケーシング部材２２との間に円筒状の隙間を形成させるよう、同軸状に配されている。
【００４０】
ここで、ケーシング部材２２のＺ方向の端面は、円盤状のフランジ２３に固定されている。また、フランジ２３は、真空容器１０の側壁１０Ｂの適所に固定されている。
【００４１】
更に、第１回転軸２１とケーシング部材２２との間の隙間には、図２に示すように、回転軸受２５（例えば、ボールベアリング）が配されている。この回転軸受２５を用いて、第１回転軸２１は、ケーシング部材２２に対してＺ方向周り（第１回転軸２１の軸周り）に回転可能に構成されており、ひいては、第１回転軸２１の回転により、パラボリックミラー１４は、Ｚ方向周りに回転できる。
【００４２】
また、回転装置２０は、図２および図３（ｂ）に示すように、上述の第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配され、Ｚ方向に延びる第２回転軸２４を備える。この第２回転軸２４の一端は、リンク機構３０の第２リンクレバー３４（後述）に接続されている。また、第２回転軸２４は、真空容器１０の内部１０Ａを気密に保つようにして、真空容器１０の外部にまで延びている。第２回転軸２４の他端は、真空容器１０外において、パルスモータ４０（駆動機構）の駆動軸４０Ａに連結されている。
【００４３】
このように、第２回転軸２４は、パルスモータ４０により回転力が付与され、これにより、Ｚ方向周りに回転可能になっている。なお、第２回転軸２４の回転機構は、回転軸受などを用いて様々な態様で構成できるので、本明細書では、当該回転機構の詳細な図示および説明は省略する。また、パルスモータ４０の駆動軸４０Ａと第２回転軸２４との間には、精密駆動部が配されているが、このような駆動部は、回転歯車などを用いて様々な態様で構成できるので、本明細書では、当該駆動部の詳細な図示および説明も省略する。
【００４４】
ここで、回転装置２０は、図２および図３（ｂ）に示すように、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０を備える。
【００４５】
このリンク機構３０の第１リンクレバー３１は、第１回転軸２１の回転に対してＸＹ平面内でスイング運動できるように、第１回転軸２１の側面に固定されている。この第１リンクレバー３１は、図２に示すように、ケーシング部材２２の貫通孔２２Ａを通って、第１回転軸２１の中心軸に対して鉛直方向（ＸＹ平面に平行な方向）に延びている。なお、第１回転軸２１の回転に連動する第１リンクレバー３１によるＸＹ平面内のスイング運動を妨げないよう、ケーシング部材２２の貫通孔２２Ａは、周方向にスリット状に形成されている。
【００４６】
また、上述のリンク機構３０の第２リンクレバー３４は、第２回転軸の回転に対してＸＹ平面内でスイング運動できるように、第２回転軸２４に固定されている。この第２リンクレバー３４は、図２に示すように、第２回転軸２４の中心軸に対して鉛直方向（ＸＹ平面に平行な方向）に延びている。
【００４７】
更に、図２および図３（ｂ）に示すように、第１リンクレバー３１および第２リンクレバー３４は、Ｚ方向に所定距離分ずれて配されており、これにより、両者の端部同士を互いに重ねることができる。そして、この重なり合った部分が、可動支点３５においてＺ方向周りに回動できるように、第１リンクレバー３１の端部と第２リンクレバー３４の端部とを連結させる連結部に相当することになる。本実施形態では、上述の可動支点３５は、第１リンクレバー３１の連結部および第２リンクレバー３４の連結部をＺ方向に貫通して、これらを軸支しているリンク棒３６から構成されている。
【００４８】
また、リンク棒３６の端部は、ピン３８に引っ掛けた制動バネ３７（制動手段）により引っ張られている。このピン３８は、上述のフランジ２３に固定されている。この制動バネ３７により、図３（ｂ）に示すように、リンク機構３０が反時計周りの方向に移動する場合、リンク機構３０の動作と逆方向の張力がリンク機構３０に与えられる。
【００４９】
次に、以上の回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転制御について説明する。
【００５０】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図３（ｂ）に示すように、第１回転軸２１の中心と第２回転軸２４の中心とを通る仮想直線３００を引いた際の、仮想直線３００に対する第１リンクレバー３１のなす角を「α」とし、この仮想直線３００に対する第２リンクレバー３４のなす角を「β」としている。また、第１回転軸２１の中心から可動支点３５（正確にはリンク棒３６の中心）までの距離を「Ｌ１」とし、第２回転軸２４の中心から可動支点３５までの距離を「Ｌ２」としている。
【００５１】
まず、図３（ｃ）に示すように、パルスモータ４０の回転力が第２回転軸２４に付与されることにより、第２回転軸２４は、Ｚ方向周りに回転できる。この場合、図３（ｂ）に示すように、第２回転軸２４と第２リンクレバー３４とが互いに固定されているので、第２回転軸２４の回転により角度「β」が変化する。また、第２リンクレバー３４と第１リンクレバー３１とが互いに可動支点３５において連結され、かつ、第１回転軸２１と第１リンクレバー３１とが互いに固定されているので、第２回転軸２４の回転により、可動支点３５の移動と連動して角度「α」が変化する。すると、図３（ａ）に示すように、Ｚ方向に延びる第１回転軸２１が、パラボリックミラー１４の円柱体１４Ｂの中心部に固定されているので、角度「α」が、パラボリックミラー１４の回転に応じて変化するパラボリックミラー１４のＺ方向回りの回転角に相当する（以下、必要に応じて、回転角「α」という）。このようにして、本実施形態では、第２回転軸２４の回転に基づいて可動支点３５の位置が制御され、可動支点３５の位置に基づいてパラボリックミラー１４の回転が制御されている。
【００５２】
ところで、第１リンクレバー３１と第２リンクレバー３４との間の幾何学的関係から以下の式（１）が得られる。
【００５３】
Ｌ１×ｓｉｎα＝Ｌ２×ｓｉｎβ・・・・・（１）
この式（１）は、角度「α」、および、角度「β」が充分に小さい場合には、ｓｉｎα＝α、ｓｉｎβ＝βと近似できるので、この場合には、以下の式（２）のように変換できる。
【００５４】
α＝Ｌ２／Ｌ１×β・・・・・（２）
この式（２）によれば、パラボリックミラー１４の回転角「α」は、第２回転軸２４の中心と可動支点３５との間の第２リンクレバー３４の長さ「Ｌ２」を第１回転軸２１の中心と可動支点３５との間の第１リンクレバー３１の長さ「Ｌ１」で除した比率「Ｌ２／Ｌ１」に、仮想直線３００に対する第２リンクレバー３４のなす角「β」を乗ずることにより得られることが分かる。
【００５５】
よって、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転分解能（回転精度）を、式（２）から容易に理解できるとおり、比率「Ｌ２／Ｌ１」を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転精度を適切に向上できる。例えば、比率「Ｌ２／Ｌ１」を１／２とし、パルスモータの１パルス当たりの送り精度を高精度化することにより、パラボリックミラー１４の回転の高分解能化（例えば、回転分解能：２×１０-6 °）を図ることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、パルスモータ４０のパルス数に基づいて、パラボリックミラー１４の回転範囲を調整でき、これにより、回転範囲の広域化（例えば、±２０°）を図ることもできる。
【００５７】
また、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、回転支点３５を反時計回り方向に動かすと、第１および第２リンクレバー３１、３４は、制動バネ３７により引っ張られるので、この制動バネ３７の張力の作用により、これらの第１および第２リンクレバー３１、３４のバックラッシュを適切に無くすことができる。
【００５８】
次に、本実施形態による光学測定システム１００の動作の一例について説明する。
【００５９】
まず、所定の標準試料を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の初期調整がなされる。この標準試料は、測定対象である試料１１と略同形であり、レファレンス光を用いて標準試料を励起発光させた場合の、出射光のスペクトル分布を予め把握できている。
【００６０】
標準試料が、真空容器１０の内部１０Ａの試料ホルダ１２にセットされた後、真空容器１０の内部１０Ａが、真空排気系により超高真空（１０-8Ｐａ程度）にまで減圧される。そして、以下の３通りの方法により、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の初期調整が実行される。
【００６１】
第１に、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにおいて金属探針１３の反射像を観測するという簡易な調整方法がある。具体的には、ピエゾモータにより、標準試料の表面の測定点の至近距離まで金属探針１３を移動させる。そして、反射面１４Ａに映る金属探針１３の反射像を、作業者が受光窓１５から目視できるように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整する。
【００６２】
これにより、受光窓１５から反射面１４Ａに入る平行光の焦点は上述の測定点（標準試料の表面）近傍に合っていると推定できる。このため、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
【００６３】
なお、上述のとおり、パラボリックミラー１４は、光軸に平行な入射光が集中する焦点を有しており、この第１の方法では、パラボリックミラー１４の焦点位置を調整する手段が、ピエゾモータにより３次元移動する金属探針１３、および、パラボリックミラー１４用の回転装置２０（パルスモータ４０）、並びに、パラボリックミラー１４用の３次元駆動系により構成されている。
【００６４】
第２に、受光窓１５からパラボリックミラー１４の反射面１４Ａにレーザ光（平行光）を入射させるという、上述の第１の方法と比較してより高精度な調整方法がある。具体的には、レーザ光を反射面１４Ａに向けた際に、レーザ光の焦点が、上述の測定点（標準試料の表面）に合うように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整する。なお、レーザ光の焦点の観察は、作業者の目視で行えばよい。
【００６５】
これにより、受光窓１５から反射面１４Ａに入るレーザ光の焦点が上述の測定点に合っているので、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
【００６６】
なお、上述のとおり、パラボリックミラー１４は、光軸に平行な入射光が集中する焦点を有しており、この第２の方法では、パラボリックミラー１４の焦点位置を調整する手段が、レーザ光（平行光）を発する光源、および、パラボリックミラー１４用の回転装置２０（パルスモータ４０）、並びに、パラボリックミラー１４用の３次元駆動系により構成されている。
【００６７】
第３に、標準試料におけるレファレンス光の励起発光を利用する調整方法がある。具体的には、受光窓１５に分光器をセットして、レファレンス光による標準試料の励起発光を起こさせ、この励起発光による出射光を分光器にかける。すると、分光器によりこの出射光のスペクトル分布を得ることができる。得られたスペクトル分布が、予め把握できている分布と合致すれば、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置の調整が適切であると判断できる。そうでなければ、両者が合致するよう、パラボリックミラー１４の回転角および３次元位置を初期調整すればよい。
【００６８】
このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の初期調整を適切に行うことができる。
【００６９】
なお、これらの３通りの方法は、光学測定システム１００の使用状態に応じて、適宜取捨選択できる。例えば、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の大まかな調整が完了している場合には、上述の第１の調整方法（簡易調整）を省略してもよい。
【００７０】
次に、標準試料を真空容器１０内の試料ホルダ１２から取り出し、測定対象である試料１１を、真空容器１０内の試料ホルダ１２にセットする。そして、真空容器１０の内部１０Ａが、再び真空排気系により超高真空（１０-8Ｐａ程度）にまで減圧される。
【００７１】
この状態で、光源から励起光２００を試料１１の測定点１１Ａに入射すると、測定点１１Ａでの励起発光による出射光２０１が測定点１１Ａから放射状に出射される。上述の３通りの調整方法により、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置がすでに調整されているので、出射光２０１は、パラボリックミラー１４により反射され、平行光として受光窓１５を透って、真空容器１０の外部に効率的に取り出される。この出射光２０１は、集光レンズ１６および光ファイバー１７を経て、受光装置１８に入り、ここで、試料１１の分子レベルの様々な分析がなされる。例えば、出射光２０１のスペクトルを得たい場合には、受光装置１８として、分光器が用いられ、フォトン（光子）の個数を検出したい場合には、受光装置１８として、フォトンカウンターが用いられる。
【００７２】
その後、試料１１の測定点１１Ａの位置が変更される度に、パラボリックミラー１４の回転角が、回転装置２０（パルスモータ４０）により適切に調整され、パラボリックミラー１４の３次元位置が、３次元駆動系により適切に調整される。
【００７３】
以上に述べたとおり、本実施形態の回転装置２０は、光の進行方向の変更に用いるパラボリックミラー１４に固定された第１回転軸２１と、この第１回転軸２１から所定の間隔を離れて配された第２回転軸２４と、第１および第２回転軸２１、２４との間を連結して構成され、第２回転軸２４のトルクを第１回転軸２１に伝達しているリンク機構３０と、を備える。つまり、パラボリックミラー１４は、第１回転軸２１周り（Ｚ方向周り）に回転できるよう構成され、この回転は、第２回転軸２４の回転に応じたリンク機構３０の動作に制御されている。このように、本実施形態の回転装置２０は、第１および第２回転軸２１、２４とリンク機構３０とを用いてコンパクトに構成できる。これにより、パラボリックミラー１４と一体化された回転装置２０を真空容器１０内に配しても、真空容器１０の内部１０Ａのスペースを適切かつ充分に確保できる。また、本実施形態では、第２回転軸２４のトルクをリンク機構３０により適切に第１回転軸２１に伝達できるので、パラボリックミラー１４の回転精度を向上できる。
【００７４】
また、本実施形態の光学測定システム１００は、上述の回転装置２０と回転装置２０により回転されるパラボリックミラー１４とが内部に組み込まれた真空容器１０と、第２回転軸２４への回転力を、真空容器１０外において付与しているパルスモータ４０と、真空容器１０内の試料１１の励起を起こす励起光２００を生成している光源と、試料１１の励起発光による出射光２０１を、真空容器１０外において受光している受光装置１８と、を備えており、出射光２０１の進行方向は、真空容器１０内において、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転に基づいて変更されている。このようにして、本実施形態では、出射光２０１の進行方向が、真空容器１０内において、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転に基づいて変更できるので、出射光２０１の取り出し効率において、本実施形態の光学測定システム１００には、上述の特許文献１記載の装置と比較した有利な特徴がある。
【００７５】
ここで、本実施形態では、リンク機構３０は、第１回転軸２１の回転に対してスイング運動できるように第１回転軸２１の側面に固定されたロッド状の第１リンクレバー３１と、第２回転軸２４の回転に対してスイング運動できるように第２回転軸２４に固定されたロッド状の第２リンクレバー３４と、を備えており、第１リンクレバー３１および第２リンクレバー３４が可動支点３５において連結されている。よって、第２回転軸２４の回転に基づいて可動支点３５の位置が制御され、可動支点３５の位置に基づいてパラボリックミラー１４の回転が制御されている。
【００７６】
具体的には、仮想直線３００に対する第１リンクレバー３１のなす角「α」は、パラボリックミラー１４の回転に応じて変化するパラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転角「α」に相当している。そして、回転角「α」は、第１回転軸２１の中心と可動支点３５との間の第１リンクレバーの長さ「Ｌ１」、第２回転軸２４の中心と可動支点３５との間の第２リンクレバーの長さ「Ｌ２」、および、仮想直線３００に対する第２リンクレバーのなす角「β」を用いて、上述の関係式「α＝Ｌ２／Ｌ１×β」から導ける（但し、角度「α」、および、角度「β」が充分に小さい場合）。
【００７７】
以上の構成により、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転分解能（回転精度）を比率「Ｌ２／Ｌ１」を小さくすることにより、高分解能化できる。このようにして、本実施形態では、パラボリックミラー１４のＺ方向周りの回転精度を向上できる。
【００７８】
また、回転装置２０によるパラボリックミラー１４の回転角や３次元位置の調整方法の一例として、受光装置１８の受光窓１５側からパラボリックミラー１４にレーザ光（平行光）を向けた場合において、このレーザ光の焦点が試料の測定点（試料の表面）で焦点に合うように、回転装置２０（パルスモータ４０）や３次元駆動系を用いて、パラボリックミラー１４の回転角や３次元位置を調整するという方法がある。この方法により、受光窓１５から反射面１４Ａに入るレーザ光の焦点が上述の測定点に合っているので、上述の測定点から放射状に出射された出射光が、パラボリックミラー１４の反射面１４Ａにより反射された場合には、この出射光は、平行光として受光窓１５から効率的に取り出せると期待される。
（変形例１）
本実施形態では、試料１１に対し励起発光を起こすエネルギービームとして、励起光２００を用いたが、これは飽くまで一例に過ぎない。励起光２００に代えて、走査型トンネル顕微鏡の金属探針１３からのトンネル電流（電子線）を用いて、試料１１の表面（測定点１１Ａ）を励起発光させてもよい。これにより、試料１１の分子１個レベルの励起を起こし易くなる。
（変形例２）
本実施形態では、第２回転軸２４への回転力を付与する駆動機構として、パルスモータ４０を例示したが、これに限らない。例えば、パルスモータ４０に代えて、手動による駆動機構を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、上述のとおり、光の進行方向の変更に用いる反射鏡を高精度に回転制御できるコンパクトな回転装置を提供する。よって、本発明は、例えば、試料の励起発光の光を検出することにより、試料表面の分子の電子状態などを分析する光学測定システムにおいて、当該光を反射する反射鏡用の回転装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施形態による光学測定システムの一例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態によるパラボリックミラー用の回転装置の構成例および回転装置の駆動系の一例を模式的に示した図である。
【図３】図２における回転装置の動作例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 真空容器
１１ 試料
１２ 試料ホルダ
１３ 金属探針
１４ パラボリックミラー
１４Ａ パラボリックミラーの反射面
１５ 受光窓
１６ 集光レンズ
１７ 光ファイバー
１８ 受光装置
２０ 回転装置
２１ 第１回転軸
２２ ケーシング部材
２３ フランジ
２４ 第２回転軸
２５ 回転軸受
３０ リンク機構
３１ 第１リンクレバー
３４ 第２リンクレバー
３５ 可動支点
３６ リンク棒
３７ 制動バネ
４０ パルスモータ
１００ 光学測定システム
２００ 励起光
２０１ 出射光
３００ 仮想直線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の進行方向の変更に用いる反射鏡に固定された第１回転軸と、
前記第１回転軸から所定の間隔を離れて配された第２回転軸と、
前記第１および第２回転軸との間を連結して構成され、前記第２回転軸のトルクを前記第１回転軸に伝達しているリンク機構と、を備える反射鏡用の回転装置。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記第１回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第１回転軸に固定されたロッド状の第１リンクレバーと、前記第２回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第２回転軸に固定されたロッド状の第２リンクレバーと、を備え、
前記第１リンクレバーおよび前記第２リンクレバーが可動支点において連結されている、請求項１記載の回転装置。
【請求項３】
前記第２回転軸の回転に基づいて前記可動支点の位置が制御され、前記可動支点の位置に基づいて前記反射鏡の回転が制御されている、請求項２記載の回転装置。
【請求項４】
前記第１回転軸の中心と前記第２回転軸の中心とを通る仮想直線に対する前記第１リンクレバーのなす角が、前記反射鏡の回転に応じて変化する回転角に相当している、請求項３記載の回転装置。
【請求項５】
前記回転角は、前記第１回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第１リンクレバーの長さ、前記第２回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第２リンクレバーの長さ、および、前記仮想直線に対する前記第２リンクレバーのなす角、に基づいて導かれている、請求項４記載の回転装置。
【請求項６】
前記リンク機構の動作と逆方向の力を、前記リンク機構に与える制動手段を備えた請求項１乃至５の何れかに記載の回転装置。
【請求項７】
前記反射鏡は焦点を有しており、前記反射鏡の焦点位置を調整する手段を備える請求項１乃至６の何れかに記載の回転装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の回転装置と前記回転装置により回転される反射鏡とが内部に組み込まれた真空容器と、
前記第２回転軸への回転力を、前記真空容器外において付与している駆動機構と、
前記真空容器内の試料の励起を起こすビームを生成しているビーム源と、
前記試料の励起発光による出射光を、前記真空容器外において受光している受光装置と、を備え、
前記出射光の進行方向は、前記真空容器内において、前記回転装置による前記反射鏡の回転に基づいて変更されている、光学測定システム。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れかに記載の回転装置による前記反射鏡の回転角調整方法であって、
受光窓側から前記反射鏡の反射面に平行光を向けた場合において、試料の表面に前記平行光の焦点が合うように、前記反射鏡の回転角が調整される、回転角調整方法。
【請求項１】
光の進行方向の変更に用いる反射鏡に固定された第１回転軸と、
前記第１回転軸から所定の間隔を離れて配された第２回転軸と、
前記第１および第２回転軸との間を連結して構成され、前記第２回転軸のトルクを前記第１回転軸に伝達しているリンク機構と、を備える反射鏡用の回転装置。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記第１回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第１回転軸に固定されたロッド状の第１リンクレバーと、前記第２回転軸の回転に対してスイング運動できるように、前記第２回転軸に固定されたロッド状の第２リンクレバーと、を備え、
前記第１リンクレバーおよび前記第２リンクレバーが可動支点において連結されている、請求項１記載の回転装置。
【請求項３】
前記第２回転軸の回転に基づいて前記可動支点の位置が制御され、前記可動支点の位置に基づいて前記反射鏡の回転が制御されている、請求項２記載の回転装置。
【請求項４】
前記第１回転軸の中心と前記第２回転軸の中心とを通る仮想直線に対する前記第１リンクレバーのなす角が、前記反射鏡の回転に応じて変化する回転角に相当している、請求項３記載の回転装置。
【請求項５】
前記回転角は、前記第１回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第１リンクレバーの長さ、前記第２回転軸の中心と前記可動支点との間の前記第２リンクレバーの長さ、および、前記仮想直線に対する前記第２リンクレバーのなす角、に基づいて導かれている、請求項４記載の回転装置。
【請求項６】
前記リンク機構の動作と逆方向の力を、前記リンク機構に与える制動手段を備えた請求項１乃至５の何れかに記載の回転装置。
【請求項７】
前記反射鏡は焦点を有しており、前記反射鏡の焦点位置を調整する手段を備える請求項１乃至６の何れかに記載の回転装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の回転装置と前記回転装置により回転される反射鏡とが内部に組み込まれた真空容器と、
前記第２回転軸への回転力を、前記真空容器外において付与している駆動機構と、
前記真空容器内の試料の励起を起こすビームを生成しているビーム源と、
前記試料の励起発光による出射光を、前記真空容器外において受光している受光装置と、を備え、
前記出射光の進行方向は、前記真空容器内において、前記回転装置による前記反射鏡の回転に基づいて変更されている、光学測定システム。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れかに記載の回転装置による前記反射鏡の回転角調整方法であって、
受光窓側から前記反射鏡の反射面に平行光を向けた場合において、試料の表面に前記平行光の焦点が合うように、前記反射鏡の回転角が調整される、回転角調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−６８８６７（Ｐ２００９−６８８６７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３４８７４（Ｐ２００７−２３４８７４）
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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