Ｘ線集光装置
【課題】放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光させるためＸ線集光装置であって、大きな開口数（ＮＡ）を有するＫ−Ｂミラーのアライメントを高精度且つ迅速に行うことが可能なミラーマニピュレータを備え、集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能を達成することが可能なＸ線集光装置を提供する。
【解決手段】光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラー１と第２ミラー２を互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節する。
【解決手段】光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラー１と第２ミラー２を互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線集光装置に係わり、更に詳しくはＸ線集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第三世代放射光施設において軟Ｘ線から硬Ｘ線までの様々な波長領域において、高輝度、低エミッタンス、高コヒーレンスという特徴を持つＸ線を利用することができるようになった。このことは蛍光Ｘ線分析や光電子分光、Ｘ線回折等の様々な分析の感度や空間分解能を飛躍的に向上させた。このような放射光を利用したＸ線解析やＸ線顕微法は高感度、高分解能であるだけでなく非破壊で観察が可能であるため、現在、医学、生物、材料学等の分野で利用されつつある。
【０００３】
Ｘ線解析やＸ線顕微法の主要技術であるＸ線集光光学素子にはＦＺＰ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅｐｌａｔｅ）、Ｋ−Ｂ（Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ ａｎｄ Ｂａｅｚ）ミラーが一般的に使用されている（特許文献１参照）。ＦＺＰは、アライメントが簡単で、半導体露光技術を応用することで比較的簡単に製作することが可能であるが（特許文献２参照）、回折現象を利用しているため集光効率が悪く、色収差がある。Ｋ−Ｂミラーは、全反射現象を利用しているため集光効率が高く、色収差が殆どないが、ミラーの形状加工、アライメントの点で難しいと言われている。
【０００４】
Ｋ−Ｂミラー配置は、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーで構成されている。図１に示すように、それぞれのミラーが、垂直、水平方向集光を担っている。ミラー形状には、全ミラー領域に渡ってナノメーターレベルの形状精度が要求される。また、一般的なＫ−Ｂミラーのアライメント方法は、アライメントと集光テストを繰り返し、もっともＸ線を集光できた角度、位置にミラーを配置するものであるが、調整すべき軸が多数あるため放射光実験のように限られたビームタイム内で２枚のミラーの理想的な配置を実現することは難しい。
【特許文献１】 特開平０８−２７１６９７号公報
【特許文献２】 特許３６４３８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光させるためのＸ線集光装置であって、大きな開口数（ＮＡ）を有するＫ−Ｂミラーのアライメントを高精度且つ迅速に行うことが可能なミラーマニピュレータを備え、集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能を達成することが可能なＸ線集光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述の課題解決のために、放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能で集光させるためのＸ線集光装置であって、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラーと第２ミラーを互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した前記第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した前記第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節することを特徴とするＸ線集光装置を構成した（請求項１）。
【０００７】
ここで、アライメント用のレーザービームを発生する２つのオートコリメータを、互いの相対角度を調節可能な傾斜ステージ上に設け、その２本のレーザービームを予め平行に調節し、前記第１ミラーを水平に配し、前記第２ミラーを垂直に配するとともに、該第２ミラーの法線方向の近傍に光路を９０°方向変換可能なペンタプリズムを配し、一方のレーザービームを前記第１ミラーに垂直に入射し、他方のレーザービームを前記ペンタプリズムを通して前記第２ミラーに垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節可能とすべく、前記第１ミラーと第２ミラーの何れか一方の保持部にＸ線の入射角調節機能に加え光軸周りにミラーを回転させる機能を有するとともに、２本のレーザービームを平行に維持した状態で前記２つのオートコリメータを全方向に傾斜可能な機能を有することが好ましい（請求項２）。
【０００８】
また、下基準板の上面に入射角調節機構を介して前記第１ミラーを保持するとともに、別の入射角調節機構を介して前記第２ミラーを保持し、前記下基準板の上方に複数の支柱で支持された上基準板を設け、該上基準板の上に設けた傾斜ステージに、第１のオートコリメータを装着するとともに、第２の傾斜ステージを設け、該第２の傾斜ステージ上に第２のオートコリメータを装着してなることがより好ましい（請求項３）。
【０００９】
また、前記上基準板の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラーを該上基準板に下設した支持部材で着脱可能に配し、前記２つのオートコリメータから発生した２本のレーザービームを前記平面ミラーで同時に反射させて、その反射ビームが入射ビームと重なるように前記傾斜ステージを調節する（請求項４）。
【００１０】
更に、前記入射角調節機構は、弾性ヒンジによって第１ミラー及び第２ミラーの入射角を、角度ステップが０．５μｒａｄ以下の精度で調節可能とすることが好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
以上にしてなる本発明のＸ線集光装置は、集光対象のＸ線を使用しないので、マシンタイムに影響されずに事前に行うことができる。また、オートコリメータの光軸を平行に合わしさえすれば、ペンタプリズムやオートコリメータの配置誤差に影響されることなく、簡単且つ素早くミラー間垂直度を調整することが可能である。それにより、大きな開口数（ＮＡ）を有するＫ−Ｂミラーのアライメントを高精度且つ迅速に行うことができ、集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能を達成することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のＸ線集光装置において適用する光学系は、回折限界集光で５０ｎｍ以下のビームサイズを達成することができ、Ｘ線顕微鏡システムの実用的な使用を考慮し、比較的長い１００ｍｍの作動距離を持つものである。Ｘ線光学系は、２枚の楕円ミラーからなるＫ−Ｂミラー配置をとる。楕円ミラーは、長さが１００ｍｍのＳｉ単結晶のブロックをナノメーターレベルの形状精度で加工し、楕円反射面にＰｔを５０ｎｍの厚さでコーティングすることで、１５ｋｅＶのＸ線を４ｍｒａｄという大きな入射角で集光できる光学特性のものである。
【００１３】
図１に示すように、ＳＰｒｉｎｇ−８や自由電子レーザー等の放射光発生装置Ｒで作り出されたＸ線Ｌは、スリットＳを通した後、楕円ミラーである水平に配した垂直方向集光ミラー１（第１ミラー）と、垂直に配した水平方向集光ミラー２（第２ミラー）とで集光される。本実施形態では、第１ミラー１と第２ミラー２の中心間隔を１０２ｍｍとし、第１ミラー１の焦点距離を２５３ｍｍ、第２ミラー２の焦点距離を１５０ｍｍとし、第２ミラー端がら焦点までの距離を約１００ｍｍとしている。
【００１４】
本発明に係るＸ線集光装置のミラーアライメントにおいて、考慮する軸のうち入射角とはミラー中心での入射Ｘ線に対するミラー表面の角度であり、面内回転とはミラー中心の法線ベクトル周りの回転である。また、ミラー間垂直度は２枚のミラー中心にそれぞれ法線ベクトルを定義し、その二軸がなす角度から９０°を引いた値を指すことにする。
【００１５】
設計されたミラーを用いて回折限界集光を実現するために、初めに光線追跡シミュレータを用いて入射角、ミラー間垂直度、面内回転における許容角度誤差を見積もった。光線追跡シミュレータによる許容角度誤差の算出は以下のように行った。先ず、回折限界における第一極小点間距離で定義されたビームサイズを以下の式により算出した。
【００１６】
ｄ＝２．０λｆ／Ｄ
ここで、ｄは矩形開口に基づく回折波の第一極小点間距離、λはＸ線の波長、ｆは焦点距離、Ｄはミラー開口を示している。
【００１７】
次に、光線追跡シミュレータを用いて角度誤差と最大幅で定義されるスポットサイズの関係を計算した。この時、光線追跡シミュレータで得られたスポットサイズが上式で得られたｄ以下となる範囲を許容される角度誤差と定義した。この結果、入射角のアライメントに要求される精度は垂直方向集光ミラー（第１ミラー）で±０．７μｒａｄ、水平方向集光ミラー（第２ミラー）で±０．３μｒａｄであることが分かった。ミラー間垂直度での許容角度範囲は±４０μｒａｄであった。また、面内回転での許容角度範囲は垂直方向集光ミラーで±１３ｍｒａｄ、水平方向集光ミラーで±１６ｍｒａｄであり、面内回転は殆ど考慮しなくても良いことが分かった。
【００１８】
光線追跡シミュレータによって得られる許容角度誤差は回折限界近傍においては実際より厳しく見積もられると予想される。このため、非常に厳しいアライメント精度が要求されている入射角においては、波動光学シミュレーションによって厳密に計算する。光線追跡シミュレータは、波長を無限小と近似しているため、回折限界近傍での集光ビームをこの方法で厳密に議論することはできない。それに対して、波動光学シミュレーションは、フレネル・キルヒホッフの回折積分を計算することによって反射ビームの強度分布プロファイルを計算することができる新しいシミュレータである。この波動光学シミュレーションの結果、入射角誤差とＦＷＨＭで表された集光径の関係が得られ、許容入射角度誤差を理想的な条件（理想的なミラー、理想的なミラーアライメント）で得られた最小スポットサイズが１２０％まで広がる角度範囲と定義すると、許容入射角度誤差は垂直方向集光ミラーで±１．５μｒａｄ、水平方向集光ミラーで±０．９μｒａｄであることが分かった。
【００１９】
従って、本発明に係るＸ線集光装置において、最も高精度な調節が必要なのはミラーの入射角、その次がミラー間垂直度であり、それぞれ高精度なアライメントが可能な入射角調節機構Ａと、垂直度調節機構Ｂによって行っている。
【００２０】
本発明のＸ線集光装置の概要を図１〜図３に基づいて説明する。本発明のＸ線集光装置は、楕円ミラーからなる入射側の第１ミラー１と同じく楕円ミラーからなる出射側の第２ミラー２を所定の位置関係に保持するとともに、高精度なアライメントを可能としたものであり、基台部３の上に２枚の前記ミラー１，２を保持するミラー保持部４を載置し、前記基台部３を調節してミラー保持部４の姿勢を調節できるようにしている。本発明において、集光対象であるＸ線（放射光）の水平投影面におけるビーム方向をＸ方向とし、それに直角な方向をＹ方向とし、垂直方向をＺ方向としている。
【００２１】
つまり、前記基台部３は、設置面に載置するベース板５の上にＸＹステージ６を設け、その上にＺステージ７，７を設けて、前記ミラー保持部４の底面を構成する剛性の高い下基準板８を３点支持する。前記ＸＹステージ６には、調節後の状態を維持するストッパー機能を備えている。ここで、前記ＸＹステージ６及びＺステージ７は、市販の高精度のものを用いることができる。
【００２２】
前記入射角調節機構Ａは、前記ミラー保持部４の内部に設け、弾性ヒンジを用いて前記第１ミラー１及び第２ミラー２の入射角を、それぞれ少なくとも０．５μｒａｄ以上の角度ステップにわたって、バックラッシュのない調節が行えるものである。前記垂直度調節機構Ｂは、前記ミラー保持部４の上部に設け、高い精度で平行に調節した２本のレーザービームを基準とし、一方のレーザービームを水平な前記第１ミラー１の中心で反射させ、他方のレーザービームを９０°方向を変えて前記第２ミラー２の中心で反射させ、互いの反射光が基準のレーザービームとそれぞれ重なるようにミラー姿勢を調節することによって、前記第１ミラー１と第２ミラー２の間の垂直度を４０μｒａｄ以上の分解能で調節することができるものである。
【００２３】
更に詳しくは、前記ミラー保持部４は、四角形の前記下基準板８の上面であってＸ線入射側にＸステージ９を取付け、該Ｘステージ９の上に入射角調節機構Ａ１を設けて前記第１ミラー１を水平に保持し、前記下基準板８の出射側にＹステージ１０を取付け、該Ｙステージ１０の上に入射角調節機構Ａ２を設けて前記第２ミラー２を垂直に保持している。ここで、前記入射角調節機構Ａ１と入射角調節機構Ａ２とは、弾性ヒンジを用いた高精度な入射角の調節機構としての基本機能は同じであるので、区別する必要がない場合には入射角調節機構Ａとして総称する。
【００２４】
前記垂直度調節機構Ｂは、前記下基準板８の四隅に支柱１１，…を立設し、その上端に基準面となる上基準板１２を前記下基準板８に対して平行に固定し、前記下基準板８と上基準板１２とが４本の支柱１１，…で連結された剛性の高い構造体に設けられている。前記垂直度調節機構Ｂは、レーザービームを発生し、反射ビームを受光する機能を備えた２台のオートコリメータ１３，１４を、それぞれ傾斜ステージ１５，１６を介して前記上基準板１２の上に設置し、各オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを正確に平行になるように調節可能となっている。ここで、前記傾斜ステージ１５は、前記上基準板１２の上で図示しない鋼球と二つのマイクロメータ１７，１７とで３点支持し、該傾斜ステージ１５の上に前記オートコリメータ１３が固定されているとともに、前記傾斜ステージ１６が載置されている。前記傾斜ステージ１６は、傾斜ステージ１５の上で図示しない鋼球と二つのマイクロメータ１８，１８とで３点支持し、該傾斜ステージ１６の上に前記オートコリメータ１４が固定されている。
【００２５】
前記傾斜ステージ１５は、平面視四角形の金属板の一つの角部に開けた円孔若しくは円形凹部と、前記上基準板１２に開けた円孔若しくは円形凹部にその直径よりも大きな直径の鋼球を嵌合し、ユニバーサルジョイントを構成し、前記上基準板１２と傾斜ステージ１５の一側部との間に設けた引張りコイルばねで、該上基準板１２に突設したピンに傾斜ステージ１５の一側縁を当止し、前記マイクロメータ１７，１７で傾斜ステージ１５の姿勢を全方向に自由に変更可能とし、どのような状態になっても傾斜ステージ１５がガタつくことがないように構成している。同様に、前記傾斜ステージ１６は、平面視四角形の金属板の一つの角部に開けた円孔若しくは円形凹部と、前記傾斜ステージ１５に開けた円孔若しくは円形凹部にその直径よりも大きな直径の鋼球を嵌合し、ユニバーサルジョイントを構成し、前記傾斜ステージ１５と傾斜ステージ１６の一側部との間に設けた引張りコイルばねで、該傾斜ステージ１５に突設したピンに傾斜ステージ１６の一側縁を当止し、前記マイクロメータ１８，１８で傾斜ステージ１６の姿勢を全方向に自由に変更可能とし、どのような状態になっても傾斜ステージ１６がガタつくことがないように構成している
【００２６】
そして、前記オートコリメータ１３から下方へ垂直に射出されたレーザービームは、前記傾斜ステージ１５と上基準板１２に設けた図示しない開口を通して下方へ進行し、また前記オートコリメータ１４から下方へ垂直に射出されたレーザービームは、前記傾斜ステージ１６，１５と上基準板１２に設けた図示しない開口を通して下方へ進行するようになっている。一方、前記上基準板１２の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラー１９を、該上基準板１２に下設した一対の断面略Ｌ字形の支持部材２０，２０によって載支している。前記平面ミラー１９は、前記オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを直角に反射させて、反射ビームが同一の光路を通るようにモニターを見ながら調節し、２本のレーザービームを平行に調節するために用いる。そして、後述のように、平行度が高い２本のレーザービームを用いて、前記第１ミラー１と第２ミラー２の垂直度を調節する際には、前記平面ミラー１９は取外すか又は前記支持部材２０，２０上で邪魔にならない位置に移動させる。
【００２７】
図４は、前記ミラー保持部４の詳細を示し、前記下基準板８の上面に前記入射角調節機構Ａ１と入射角調節機構Ａ２を設置するとともに、前記オートコリメータ１４から射出されたレーザービームを９０°方向を変えて前記第２ミラー２に垂直に照射するための光路変更機構２１を、前記Ｙステージ１０の上に設置している。この光路変更機構２１は、前記オートコリメータ１３，１４等とともに垂直度調節機構Ｂを構成する。
【００２８】
前記入射角調節機構Ａ１は、図４〜図７に示すように、Ｘステージ９の両側に四角柱の固定柱２２，２２を立設し、各固定柱２２のＸ方向の側面に沿って所定間隔を置いて可動柱２３を配置し、前記固定柱２２と可動柱２３の上端間を中央にＹ方向に延びた薄肉のヒンジ部２４Ａを有する弾性ヒンジ２４で連結し、該可動柱２３，２３の下端間に支持板２５を固定し、更に前記両可動柱２３，２３の中間で該支持板２５の下面に押圧板２６を下設し、前記Ｘステージ９の上にＸ方向に向けて固定したリニアアクチュエータ２７の駆動部で前記押圧板２６を押して前記支持板２５を微小角度傾斜させ、該支持板２５で支持した前記第１ミラー１の入射角を調節することができる構造である。ここで、リニアアクチュエータ２７の駆動部と押圧板２６とは常時略一定の押圧力で接触するようにしている。リニアアクチュエータ２７の駆動部を前進させると前記ヒンジ部２４Ａを中心として前記支持板２５が一方向へ傾き、リニアアクチュエータ２７の駆動部を後退させると前記ヒンジ部２４Ａが弾性的に復帰して前記支持板２５が他方向に傾くのである。ここで、最小の調節可能な角度ステップは、前記弾性ヒンジ２４のヒンジ部２４Ａからリニアアクチュエータ２７の駆動部で押圧する押圧板２６の押圧点までの距離に反比例するので、入射角の調節精度を高めるためにはできるだけこの距離を長くすれば良いが、装置の大きさに対する制約でその最大値は決まる。
【００２９】
このように、前記支持板２５に前記第１ミラー１を保持すれば、その入射角を調節できるが、該第１ミラー１を光軸周りにも微小角度傾斜できるように、該支持板２５の上に設けた傾動板２８の上面に第１ミラー１を静置する構造となっている。つまり、図７に示すように、前記第１ミラー１の垂直線上に薄肉のヒンジ部２９Ａが位置するように断面略Ｈ字形の弾性ヒンジ２９を設け、該弾性ヒンジ２９で前記支持板２５と傾動板２８を連結し、一方の固定柱２２を超えて側方へ延びた前記支持板２５と傾動板２８の側端部にマイクロメータ３０を設け、該マイクロメータ３０を回転駆動して支持板２５と傾動板２８の側端部間の間隔を調節して前記ヒンジ部２９Ａを中心に左右に第１ミラー１を傾斜させることが可能な構造となっている。尚、前記弾性ヒンジ２９とマイクロメータ３０の中間位置に前記支持板２５と傾動板２８が接近する方向に弾性付勢するボルトとコイルからなる弾性付勢具３１を設けている。
【００３０】
ここで、前記マイクロメータ３０を設けた側の支持板２５には、前記固定柱２２を遊挿する開口３２を設け、前記傾動板２８には、前記固定柱２２と可動柱２３を遊挿する開口３３を設け、互いの動作が干渉しないようにしている。また、前記弾性ヒンジ２４のヒンジ部２４Ａの中心が前記第１ミラー１の表面と面一になるように高さ設定している。前記第１ミラー１は、前記傾動板２８の上面に平面視Ｌ字形に配した位置決め部３４に沿って配置し、鋼球によって３点支持された状態で静置する。また、前記位置決め部３４のＸ方向端部に水平に設けた小型のマイクロメータ３５で第１ミラー１の端部を押して、該第１ミラー１の位置を修正できるようにしている。
【００３１】
前記入射角調節機構Ａ２は、図４、図８〜図１０に示すように、Ｙステージ１０の外側寄りに面をＹ方向に平行に固定板３６を立設し、該固定板３６の上下部に四角柱の固定柱３７，３７を側設し、各固定柱３７のＹ方向の側面に沿って所定間隔を置いて可動柱３８を配置し、前記固定柱３７と可動柱３８の側端間を中央にＺ方向に延びた薄肉のヒンジ部３９Ａを有する弾性ヒンジ３９で連結し、該可動柱３８，３８の他端間に支持板４０を固定し、更に前記両可動柱３８，３８の上下中間で該支持板４０の外側の側面に押圧板４１を側設し、前記Ｙステージ１０の上にＸ方向に向けて固定したリニアアクチュエータ４２の駆動部で前記押圧板４１を押して前記支持板４０を微小角度傾斜させ、該支持板４０で支持した前記第２ミラー２の入射角を調節することができる構造である。
【００３２】
更に、前記第２ミラー２を垂直に保持する保持板４３は、前記支持板４０の内側の側面に微小なＺステージ４４を介して連結され、そして該保持板４３の下縁に受け部材４５とＹ方向端部（出射側）に垂直な当止部材４６を側面視略Ｌ字形に設け、更に受け部材４５には前記第２ミラー２の反射面側を弾性的に押圧する押圧板４７を設けている。前記押圧板４７は側面視略Ｕ字形であり、その両側部の上下部に貫通した孔から前記第２ミラー２の反射面に向けて突出し、その方向へ弾性付勢した押圧具４８，４８を備えている。
【００３３】
また、前記保持板４３は、前記Ｚステージ４４に対してボル止めされており、上下方向（Ｚ方向）に移動可能となっており、前記支持板４０の上下部にブロックを突設し、下方のブロックに上方へ向けて弾性付勢する付勢ピン４９を取付け、上方のブロックに下方へ向けて小型のマイクロメータ５０を取付け、付勢ピン４９で保持板４３を上方へ付勢しつつ、上方からマイクロメータ５０で押圧して上下の位置決めをし、前記保持板４３の上下位置を調節できるようになっている。
【００３４】
また、前記弾性ヒンジ３９のヒンジ部３９Ａの中心が前記第２ミラー２の表面と面一になるように横方向の位置を設定している。尚、前記第１ミラー１を反射したＸ線は、前記第２ミラー２と押圧板４７の間の隙間を通って該第２ミラー２の中央部で反射する。ここで、前記押圧板４７の中央部は開放しているので、この部分を利用して前記オートコリメータ１４からのレーザービームを用いてアライメントする。
【００３５】
そして、前記光路変更機構２１は、一面に入射した光を内部で反射させて直交した他の面から出射するペンタプリズム５１を保持したものである。前記ペンタプリズム５１は、偏角精度が３６．４μｒａｄ以下のものを用いた。前記光路変更機構２１は、図４、図１０及び図１１に示すように、前記Ｙステージ１０の内側部に設けられ、該Ｙステージ１０の上面に固定した回転ステージ５２の上にＺ方向に駆動する昇降具５３を設け、該昇降具５３の駆動部に前記ペンタプリズム５１を２枚の保持板５４，５４で挟み込んで固定している。
【００３６】
最後に、前記垂直度調節機構Ｂと第１ミラー１と第２ミラー２との位置関係は、図１１及び図１２に示されており、該垂直度調節機構Ｂを用いて第１ミラー１と第２ミラー２をアライメントする方法を図１３〜図１６に基づいて説明する。先ず、図１３に示すように、前記平面ミラー１９を前記オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを横切る位置にセットし、入射ビームに平面ミラー１９から反射した反射ビームが正確に重なるようにように前記傾斜ステージ１５，１６の傾きを調節する。この調節によって、前記平面ミラー１９に対してオートコリメータ１３，１４から射出された２本のレーザービームが垂直になり、平面ミラー１９の保証された平面精度で両ビームの平行度が保証される。それから、前記平面ミラー１９を２本のレーザービームの光路から外し（図１４参照）、図１５に示すように、オートコリメータ１３から出射したレーザービームを、第１ミラー１の中心部で反射させて、その反射ビームが入射ビームに正確に重なるように前記入射角調節機構Ａ１を調節する。また、図１６に示すように、オートコリメータ１４から出射したレーザービームは、前記ペンタプリズム５１で９０°方向を変換して第２ミラー２の中央部に入射し、その反射ビームはペンタプリズム５１で９０°方向を変換してオートコリメータ１４に帰り、反射ビームと入射ビームが正確に重なるように前記入射角調節機構Ａ２を調節する。このように、前記垂直度調節機構Ｂを用いて第１ミラー１と第２ミラー２を垂直になるように調節することができる。
【００３７】
ここまでの垂直度調節機構Ｂを用いたアライメントでは、集光対象のＸ線を使用しないので、マシンタイムに影響されずに事前に行うことができる。また、この垂直度調節機構Ｂを用いたアライメントの特徴は、オートコリメータの光軸を平行に合わしさえすれば、ペンタプリズムやオートコリメータの配置誤差に影響されることなく、簡単且つ素早くミラー間垂直度を調整することが可能である点である。
【００３８】
それから、第１ミラー１と第２ミラー２の入射角、両ミラーの焦点位置は、実際にＸ線を用いて、集光部に配置されたＸ線のビームプロファイルを計測しながら微調整を行うのである。ここで、前記リニアアクチュエータ２７，４２は勿論、ＸＹステージ６、Ｚステージ７、Ｘステージ９、Ｙステージ１０は、全てパルスモータで駆動され、パルス数や移動距離がモニターされて正確に遠隔操作できるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＸ線集光装置の概念図である。
【図２】本発明のＸ線集光装置の全体斜視図である。
【図３】同じくＹ方向から見た側面図である。
【図４】ミラー保持部の斜視図である。
【図５】入射角調節機構Ａ１の斜視図である。
【図６】同じく傾動板と第１ミラーを除いた状態の入射角調節機構Ａ１の斜視図である。
【図７】同じくＸ方向から見た入射角調節機構Ａ１の側面図である。
【図８】入射角調節機構Ａ２の斜視図である。
【図９】同じく押圧板と第２ミラーを除いた状態の入射角調節機構Ａ２の斜視図である
【図１０】同じく入射角調節機構Ａ２の平面図である。
【図１１】垂直度調節機構を示すため入射角調節機構を省略したＹ方向から見た側面図である。
【図１２】垂直度調節機構を示すため入射角調節機構を省略したＸ方向から見た側面図である。
【図１３】二つのオートコリメータのレーザービームを、平面ミラーを用いて平行に調節する工程を示す説明図である。
【図１４】図１３の状態で平面ミラーを除いた状態の説明図である。
【図１５】一方のオートコリメータのレーザービームを用いて、第１ミラーの姿勢を調節する状態を示す説明図である。
【図１６】他方のオートコリメータのレーザービームを用いて、第２ミラーの姿勢を調節する状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｒ 放射光発生装置
Ｓ スリット
Ｌ Ｘ線
Ａ、Ａ１、Ａ２ 入射角調節機構
Ｂ 垂直度調節機構
１ 第１ミラー（垂直方向集光ミラー）
２ 第２ミラー（水平方向集光ミラー）
３ 基台部
４ ミラー保持部
５ ベース板
６ ＸＹステージ
７ Ｚステージ
８ 下基準板
９ Ｘステージ
１０ Ｙステージ
１１ 支柱
１２ 上基準板
１３ オートコリメータ
１４ オートコリメータ
１５ 傾斜ステージ
１６ 傾斜ステージ
１７ マイクロメータ
１８ マイクロメータ
１９ 平面ミラー
２０ 支持部材
２１ 光路変更機構
２２ 固定柱
２３ 可動柱
２４ 弾性ヒンジ
２５ 支持板
２６ 押圧板
２７ リニアアクチュエータ
２８ 傾動板
２９ 弾性ヒンジ
３０ マイクロメータ
３１ 弾性付勢具
３２ 開口
３３ 開口
３４ 位置決め部
３５ マイクロメータ
３６ 固定板
３７ 固定柱
３８ 可動柱
３９ 弾性ヒンジ
４０ 支持板
４１ 押圧板
４２ リニアアクチュエータ
４３ 保持板
４４ Ｚステージ
４５ 受け部材
４６ 当止部材
４７ 押圧板
４８ 押圧具
４９ 付勢ピン
５０ マイクロメータ
５１ ペンタプリズム
５２ 回転ステージ
５３ 昇降具
５４ 保持板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線集光装置に係わり、更に詳しくはＸ線集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第三世代放射光施設において軟Ｘ線から硬Ｘ線までの様々な波長領域において、高輝度、低エミッタンス、高コヒーレンスという特徴を持つＸ線を利用することができるようになった。このことは蛍光Ｘ線分析や光電子分光、Ｘ線回折等の様々な分析の感度や空間分解能を飛躍的に向上させた。このような放射光を利用したＸ線解析やＸ線顕微法は高感度、高分解能であるだけでなく非破壊で観察が可能であるため、現在、医学、生物、材料学等の分野で利用されつつある。
【０００３】
Ｘ線解析やＸ線顕微法の主要技術であるＸ線集光光学素子にはＦＺＰ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅｐｌａｔｅ）、Ｋ−Ｂ（Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ ａｎｄ Ｂａｅｚ）ミラーが一般的に使用されている（特許文献１参照）。ＦＺＰは、アライメントが簡単で、半導体露光技術を応用することで比較的簡単に製作することが可能であるが（特許文献２参照）、回折現象を利用しているため集光効率が悪く、色収差がある。Ｋ−Ｂミラーは、全反射現象を利用しているため集光効率が高く、色収差が殆どないが、ミラーの形状加工、アライメントの点で難しいと言われている。
【０００４】
Ｋ−Ｂミラー配置は、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーで構成されている。図１に示すように、それぞれのミラーが、垂直、水平方向集光を担っている。ミラー形状には、全ミラー領域に渡ってナノメーターレベルの形状精度が要求される。また、一般的なＫ−Ｂミラーのアライメント方法は、アライメントと集光テストを繰り返し、もっともＸ線を集光できた角度、位置にミラーを配置するものであるが、調整すべき軸が多数あるため放射光実験のように限られたビームタイム内で２枚のミラーの理想的な配置を実現することは難しい。
【特許文献１】 特開平０８−２７１６９７号公報
【特許文献２】 特許３６４３８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光させるためのＸ線集光装置であって、大きな開口数（ＮＡ）を有するＫ−Ｂミラーのアライメントを高精度且つ迅速に行うことが可能なミラーマニピュレータを備え、集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能を達成することが可能なＸ線集光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述の課題解決のために、放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能で集光させるためのＸ線集光装置であって、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラーと第２ミラーを互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した前記第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した前記第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節することを特徴とするＸ線集光装置を構成した（請求項１）。
【０００７】
ここで、アライメント用のレーザービームを発生する２つのオートコリメータを、互いの相対角度を調節可能な傾斜ステージ上に設け、その２本のレーザービームを予め平行に調節し、前記第１ミラーを水平に配し、前記第２ミラーを垂直に配するとともに、該第２ミラーの法線方向の近傍に光路を９０°方向変換可能なペンタプリズムを配し、一方のレーザービームを前記第１ミラーに垂直に入射し、他方のレーザービームを前記ペンタプリズムを通して前記第２ミラーに垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節可能とすべく、前記第１ミラーと第２ミラーの何れか一方の保持部にＸ線の入射角調節機能に加え光軸周りにミラーを回転させる機能を有するとともに、２本のレーザービームを平行に維持した状態で前記２つのオートコリメータを全方向に傾斜可能な機能を有することが好ましい（請求項２）。
【０００８】
また、下基準板の上面に入射角調節機構を介して前記第１ミラーを保持するとともに、別の入射角調節機構を介して前記第２ミラーを保持し、前記下基準板の上方に複数の支柱で支持された上基準板を設け、該上基準板の上に設けた傾斜ステージに、第１のオートコリメータを装着するとともに、第２の傾斜ステージを設け、該第２の傾斜ステージ上に第２のオートコリメータを装着してなることがより好ましい（請求項３）。
【０００９】
また、前記上基準板の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラーを該上基準板に下設した支持部材で着脱可能に配し、前記２つのオートコリメータから発生した２本のレーザービームを前記平面ミラーで同時に反射させて、その反射ビームが入射ビームと重なるように前記傾斜ステージを調節する（請求項４）。
【００１０】
更に、前記入射角調節機構は、弾性ヒンジによって第１ミラー及び第２ミラーの入射角を、角度ステップが０．５μｒａｄ以下の精度で調節可能とすることが好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
以上にしてなる本発明のＸ線集光装置は、集光対象のＸ線を使用しないので、マシンタイムに影響されずに事前に行うことができる。また、オートコリメータの光軸を平行に合わしさえすれば、ペンタプリズムやオートコリメータの配置誤差に影響されることなく、簡単且つ素早くミラー間垂直度を調整することが可能である。それにより、大きな開口数（ＮＡ）を有するＫ−Ｂミラーのアライメントを高精度且つ迅速に行うことができ、集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能を達成することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のＸ線集光装置において適用する光学系は、回折限界集光で５０ｎｍ以下のビームサイズを達成することができ、Ｘ線顕微鏡システムの実用的な使用を考慮し、比較的長い１００ｍｍの作動距離を持つものである。Ｘ線光学系は、２枚の楕円ミラーからなるＫ−Ｂミラー配置をとる。楕円ミラーは、長さが１００ｍｍのＳｉ単結晶のブロックをナノメーターレベルの形状精度で加工し、楕円反射面にＰｔを５０ｎｍの厚さでコーティングすることで、１５ｋｅＶのＸ線を４ｍｒａｄという大きな入射角で集光できる光学特性のものである。
【００１３】
図１に示すように、ＳＰｒｉｎｇ−８や自由電子レーザー等の放射光発生装置Ｒで作り出されたＸ線Ｌは、スリットＳを通した後、楕円ミラーである水平に配した垂直方向集光ミラー１（第１ミラー）と、垂直に配した水平方向集光ミラー２（第２ミラー）とで集光される。本実施形態では、第１ミラー１と第２ミラー２の中心間隔を１０２ｍｍとし、第１ミラー１の焦点距離を２５３ｍｍ、第２ミラー２の焦点距離を１５０ｍｍとし、第２ミラー端がら焦点までの距離を約１００ｍｍとしている。
【００１４】
本発明に係るＸ線集光装置のミラーアライメントにおいて、考慮する軸のうち入射角とはミラー中心での入射Ｘ線に対するミラー表面の角度であり、面内回転とはミラー中心の法線ベクトル周りの回転である。また、ミラー間垂直度は２枚のミラー中心にそれぞれ法線ベクトルを定義し、その二軸がなす角度から９０°を引いた値を指すことにする。
【００１５】
設計されたミラーを用いて回折限界集光を実現するために、初めに光線追跡シミュレータを用いて入射角、ミラー間垂直度、面内回転における許容角度誤差を見積もった。光線追跡シミュレータによる許容角度誤差の算出は以下のように行った。先ず、回折限界における第一極小点間距離で定義されたビームサイズを以下の式により算出した。
【００１６】
ｄ＝２．０λｆ／Ｄ
ここで、ｄは矩形開口に基づく回折波の第一極小点間距離、λはＸ線の波長、ｆは焦点距離、Ｄはミラー開口を示している。
【００１７】
次に、光線追跡シミュレータを用いて角度誤差と最大幅で定義されるスポットサイズの関係を計算した。この時、光線追跡シミュレータで得られたスポットサイズが上式で得られたｄ以下となる範囲を許容される角度誤差と定義した。この結果、入射角のアライメントに要求される精度は垂直方向集光ミラー（第１ミラー）で±０．７μｒａｄ、水平方向集光ミラー（第２ミラー）で±０．３μｒａｄであることが分かった。ミラー間垂直度での許容角度範囲は±４０μｒａｄであった。また、面内回転での許容角度範囲は垂直方向集光ミラーで±１３ｍｒａｄ、水平方向集光ミラーで±１６ｍｒａｄであり、面内回転は殆ど考慮しなくても良いことが分かった。
【００１８】
光線追跡シミュレータによって得られる許容角度誤差は回折限界近傍においては実際より厳しく見積もられると予想される。このため、非常に厳しいアライメント精度が要求されている入射角においては、波動光学シミュレーションによって厳密に計算する。光線追跡シミュレータは、波長を無限小と近似しているため、回折限界近傍での集光ビームをこの方法で厳密に議論することはできない。それに対して、波動光学シミュレーションは、フレネル・キルヒホッフの回折積分を計算することによって反射ビームの強度分布プロファイルを計算することができる新しいシミュレータである。この波動光学シミュレーションの結果、入射角誤差とＦＷＨＭで表された集光径の関係が得られ、許容入射角度誤差を理想的な条件（理想的なミラー、理想的なミラーアライメント）で得られた最小スポットサイズが１２０％まで広がる角度範囲と定義すると、許容入射角度誤差は垂直方向集光ミラーで±１．５μｒａｄ、水平方向集光ミラーで±０．９μｒａｄであることが分かった。
【００１９】
従って、本発明に係るＸ線集光装置において、最も高精度な調節が必要なのはミラーの入射角、その次がミラー間垂直度であり、それぞれ高精度なアライメントが可能な入射角調節機構Ａと、垂直度調節機構Ｂによって行っている。
【００２０】
本発明のＸ線集光装置の概要を図１〜図３に基づいて説明する。本発明のＸ線集光装置は、楕円ミラーからなる入射側の第１ミラー１と同じく楕円ミラーからなる出射側の第２ミラー２を所定の位置関係に保持するとともに、高精度なアライメントを可能としたものであり、基台部３の上に２枚の前記ミラー１，２を保持するミラー保持部４を載置し、前記基台部３を調節してミラー保持部４の姿勢を調節できるようにしている。本発明において、集光対象であるＸ線（放射光）の水平投影面におけるビーム方向をＸ方向とし、それに直角な方向をＹ方向とし、垂直方向をＺ方向としている。
【００２１】
つまり、前記基台部３は、設置面に載置するベース板５の上にＸＹステージ６を設け、その上にＺステージ７，７を設けて、前記ミラー保持部４の底面を構成する剛性の高い下基準板８を３点支持する。前記ＸＹステージ６には、調節後の状態を維持するストッパー機能を備えている。ここで、前記ＸＹステージ６及びＺステージ７は、市販の高精度のものを用いることができる。
【００２２】
前記入射角調節機構Ａは、前記ミラー保持部４の内部に設け、弾性ヒンジを用いて前記第１ミラー１及び第２ミラー２の入射角を、それぞれ少なくとも０．５μｒａｄ以上の角度ステップにわたって、バックラッシュのない調節が行えるものである。前記垂直度調節機構Ｂは、前記ミラー保持部４の上部に設け、高い精度で平行に調節した２本のレーザービームを基準とし、一方のレーザービームを水平な前記第１ミラー１の中心で反射させ、他方のレーザービームを９０°方向を変えて前記第２ミラー２の中心で反射させ、互いの反射光が基準のレーザービームとそれぞれ重なるようにミラー姿勢を調節することによって、前記第１ミラー１と第２ミラー２の間の垂直度を４０μｒａｄ以上の分解能で調節することができるものである。
【００２３】
更に詳しくは、前記ミラー保持部４は、四角形の前記下基準板８の上面であってＸ線入射側にＸステージ９を取付け、該Ｘステージ９の上に入射角調節機構Ａ１を設けて前記第１ミラー１を水平に保持し、前記下基準板８の出射側にＹステージ１０を取付け、該Ｙステージ１０の上に入射角調節機構Ａ２を設けて前記第２ミラー２を垂直に保持している。ここで、前記入射角調節機構Ａ１と入射角調節機構Ａ２とは、弾性ヒンジを用いた高精度な入射角の調節機構としての基本機能は同じであるので、区別する必要がない場合には入射角調節機構Ａとして総称する。
【００２４】
前記垂直度調節機構Ｂは、前記下基準板８の四隅に支柱１１，…を立設し、その上端に基準面となる上基準板１２を前記下基準板８に対して平行に固定し、前記下基準板８と上基準板１２とが４本の支柱１１，…で連結された剛性の高い構造体に設けられている。前記垂直度調節機構Ｂは、レーザービームを発生し、反射ビームを受光する機能を備えた２台のオートコリメータ１３，１４を、それぞれ傾斜ステージ１５，１６を介して前記上基準板１２の上に設置し、各オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを正確に平行になるように調節可能となっている。ここで、前記傾斜ステージ１５は、前記上基準板１２の上で図示しない鋼球と二つのマイクロメータ１７，１７とで３点支持し、該傾斜ステージ１５の上に前記オートコリメータ１３が固定されているとともに、前記傾斜ステージ１６が載置されている。前記傾斜ステージ１６は、傾斜ステージ１５の上で図示しない鋼球と二つのマイクロメータ１８，１８とで３点支持し、該傾斜ステージ１６の上に前記オートコリメータ１４が固定されている。
【００２５】
前記傾斜ステージ１５は、平面視四角形の金属板の一つの角部に開けた円孔若しくは円形凹部と、前記上基準板１２に開けた円孔若しくは円形凹部にその直径よりも大きな直径の鋼球を嵌合し、ユニバーサルジョイントを構成し、前記上基準板１２と傾斜ステージ１５の一側部との間に設けた引張りコイルばねで、該上基準板１２に突設したピンに傾斜ステージ１５の一側縁を当止し、前記マイクロメータ１７，１７で傾斜ステージ１５の姿勢を全方向に自由に変更可能とし、どのような状態になっても傾斜ステージ１５がガタつくことがないように構成している。同様に、前記傾斜ステージ１６は、平面視四角形の金属板の一つの角部に開けた円孔若しくは円形凹部と、前記傾斜ステージ１５に開けた円孔若しくは円形凹部にその直径よりも大きな直径の鋼球を嵌合し、ユニバーサルジョイントを構成し、前記傾斜ステージ１５と傾斜ステージ１６の一側部との間に設けた引張りコイルばねで、該傾斜ステージ１５に突設したピンに傾斜ステージ１６の一側縁を当止し、前記マイクロメータ１８，１８で傾斜ステージ１６の姿勢を全方向に自由に変更可能とし、どのような状態になっても傾斜ステージ１６がガタつくことがないように構成している
【００２６】
そして、前記オートコリメータ１３から下方へ垂直に射出されたレーザービームは、前記傾斜ステージ１５と上基準板１２に設けた図示しない開口を通して下方へ進行し、また前記オートコリメータ１４から下方へ垂直に射出されたレーザービームは、前記傾斜ステージ１６，１５と上基準板１２に設けた図示しない開口を通して下方へ進行するようになっている。一方、前記上基準板１２の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラー１９を、該上基準板１２に下設した一対の断面略Ｌ字形の支持部材２０，２０によって載支している。前記平面ミラー１９は、前記オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを直角に反射させて、反射ビームが同一の光路を通るようにモニターを見ながら調節し、２本のレーザービームを平行に調節するために用いる。そして、後述のように、平行度が高い２本のレーザービームを用いて、前記第１ミラー１と第２ミラー２の垂直度を調節する際には、前記平面ミラー１９は取外すか又は前記支持部材２０，２０上で邪魔にならない位置に移動させる。
【００２７】
図４は、前記ミラー保持部４の詳細を示し、前記下基準板８の上面に前記入射角調節機構Ａ１と入射角調節機構Ａ２を設置するとともに、前記オートコリメータ１４から射出されたレーザービームを９０°方向を変えて前記第２ミラー２に垂直に照射するための光路変更機構２１を、前記Ｙステージ１０の上に設置している。この光路変更機構２１は、前記オートコリメータ１３，１４等とともに垂直度調節機構Ｂを構成する。
【００２８】
前記入射角調節機構Ａ１は、図４〜図７に示すように、Ｘステージ９の両側に四角柱の固定柱２２，２２を立設し、各固定柱２２のＸ方向の側面に沿って所定間隔を置いて可動柱２３を配置し、前記固定柱２２と可動柱２３の上端間を中央にＹ方向に延びた薄肉のヒンジ部２４Ａを有する弾性ヒンジ２４で連結し、該可動柱２３，２３の下端間に支持板２５を固定し、更に前記両可動柱２３，２３の中間で該支持板２５の下面に押圧板２６を下設し、前記Ｘステージ９の上にＸ方向に向けて固定したリニアアクチュエータ２７の駆動部で前記押圧板２６を押して前記支持板２５を微小角度傾斜させ、該支持板２５で支持した前記第１ミラー１の入射角を調節することができる構造である。ここで、リニアアクチュエータ２７の駆動部と押圧板２６とは常時略一定の押圧力で接触するようにしている。リニアアクチュエータ２７の駆動部を前進させると前記ヒンジ部２４Ａを中心として前記支持板２５が一方向へ傾き、リニアアクチュエータ２７の駆動部を後退させると前記ヒンジ部２４Ａが弾性的に復帰して前記支持板２５が他方向に傾くのである。ここで、最小の調節可能な角度ステップは、前記弾性ヒンジ２４のヒンジ部２４Ａからリニアアクチュエータ２７の駆動部で押圧する押圧板２６の押圧点までの距離に反比例するので、入射角の調節精度を高めるためにはできるだけこの距離を長くすれば良いが、装置の大きさに対する制約でその最大値は決まる。
【００２９】
このように、前記支持板２５に前記第１ミラー１を保持すれば、その入射角を調節できるが、該第１ミラー１を光軸周りにも微小角度傾斜できるように、該支持板２５の上に設けた傾動板２８の上面に第１ミラー１を静置する構造となっている。つまり、図７に示すように、前記第１ミラー１の垂直線上に薄肉のヒンジ部２９Ａが位置するように断面略Ｈ字形の弾性ヒンジ２９を設け、該弾性ヒンジ２９で前記支持板２５と傾動板２８を連結し、一方の固定柱２２を超えて側方へ延びた前記支持板２５と傾動板２８の側端部にマイクロメータ３０を設け、該マイクロメータ３０を回転駆動して支持板２５と傾動板２８の側端部間の間隔を調節して前記ヒンジ部２９Ａを中心に左右に第１ミラー１を傾斜させることが可能な構造となっている。尚、前記弾性ヒンジ２９とマイクロメータ３０の中間位置に前記支持板２５と傾動板２８が接近する方向に弾性付勢するボルトとコイルからなる弾性付勢具３１を設けている。
【００３０】
ここで、前記マイクロメータ３０を設けた側の支持板２５には、前記固定柱２２を遊挿する開口３２を設け、前記傾動板２８には、前記固定柱２２と可動柱２３を遊挿する開口３３を設け、互いの動作が干渉しないようにしている。また、前記弾性ヒンジ２４のヒンジ部２４Ａの中心が前記第１ミラー１の表面と面一になるように高さ設定している。前記第１ミラー１は、前記傾動板２８の上面に平面視Ｌ字形に配した位置決め部３４に沿って配置し、鋼球によって３点支持された状態で静置する。また、前記位置決め部３４のＸ方向端部に水平に設けた小型のマイクロメータ３５で第１ミラー１の端部を押して、該第１ミラー１の位置を修正できるようにしている。
【００３１】
前記入射角調節機構Ａ２は、図４、図８〜図１０に示すように、Ｙステージ１０の外側寄りに面をＹ方向に平行に固定板３６を立設し、該固定板３６の上下部に四角柱の固定柱３７，３７を側設し、各固定柱３７のＹ方向の側面に沿って所定間隔を置いて可動柱３８を配置し、前記固定柱３７と可動柱３８の側端間を中央にＺ方向に延びた薄肉のヒンジ部３９Ａを有する弾性ヒンジ３９で連結し、該可動柱３８，３８の他端間に支持板４０を固定し、更に前記両可動柱３８，３８の上下中間で該支持板４０の外側の側面に押圧板４１を側設し、前記Ｙステージ１０の上にＸ方向に向けて固定したリニアアクチュエータ４２の駆動部で前記押圧板４１を押して前記支持板４０を微小角度傾斜させ、該支持板４０で支持した前記第２ミラー２の入射角を調節することができる構造である。
【００３２】
更に、前記第２ミラー２を垂直に保持する保持板４３は、前記支持板４０の内側の側面に微小なＺステージ４４を介して連結され、そして該保持板４３の下縁に受け部材４５とＹ方向端部（出射側）に垂直な当止部材４６を側面視略Ｌ字形に設け、更に受け部材４５には前記第２ミラー２の反射面側を弾性的に押圧する押圧板４７を設けている。前記押圧板４７は側面視略Ｕ字形であり、その両側部の上下部に貫通した孔から前記第２ミラー２の反射面に向けて突出し、その方向へ弾性付勢した押圧具４８，４８を備えている。
【００３３】
また、前記保持板４３は、前記Ｚステージ４４に対してボル止めされており、上下方向（Ｚ方向）に移動可能となっており、前記支持板４０の上下部にブロックを突設し、下方のブロックに上方へ向けて弾性付勢する付勢ピン４９を取付け、上方のブロックに下方へ向けて小型のマイクロメータ５０を取付け、付勢ピン４９で保持板４３を上方へ付勢しつつ、上方からマイクロメータ５０で押圧して上下の位置決めをし、前記保持板４３の上下位置を調節できるようになっている。
【００３４】
また、前記弾性ヒンジ３９のヒンジ部３９Ａの中心が前記第２ミラー２の表面と面一になるように横方向の位置を設定している。尚、前記第１ミラー１を反射したＸ線は、前記第２ミラー２と押圧板４７の間の隙間を通って該第２ミラー２の中央部で反射する。ここで、前記押圧板４７の中央部は開放しているので、この部分を利用して前記オートコリメータ１４からのレーザービームを用いてアライメントする。
【００３５】
そして、前記光路変更機構２１は、一面に入射した光を内部で反射させて直交した他の面から出射するペンタプリズム５１を保持したものである。前記ペンタプリズム５１は、偏角精度が３６．４μｒａｄ以下のものを用いた。前記光路変更機構２１は、図４、図１０及び図１１に示すように、前記Ｙステージ１０の内側部に設けられ、該Ｙステージ１０の上面に固定した回転ステージ５２の上にＺ方向に駆動する昇降具５３を設け、該昇降具５３の駆動部に前記ペンタプリズム５１を２枚の保持板５４，５４で挟み込んで固定している。
【００３６】
最後に、前記垂直度調節機構Ｂと第１ミラー１と第２ミラー２との位置関係は、図１１及び図１２に示されており、該垂直度調節機構Ｂを用いて第１ミラー１と第２ミラー２をアライメントする方法を図１３〜図１６に基づいて説明する。先ず、図１３に示すように、前記平面ミラー１９を前記オートコリメータ１３，１４から射出されたレーザービームを横切る位置にセットし、入射ビームに平面ミラー１９から反射した反射ビームが正確に重なるようにように前記傾斜ステージ１５，１６の傾きを調節する。この調節によって、前記平面ミラー１９に対してオートコリメータ１３，１４から射出された２本のレーザービームが垂直になり、平面ミラー１９の保証された平面精度で両ビームの平行度が保証される。それから、前記平面ミラー１９を２本のレーザービームの光路から外し（図１４参照）、図１５に示すように、オートコリメータ１３から出射したレーザービームを、第１ミラー１の中心部で反射させて、その反射ビームが入射ビームに正確に重なるように前記入射角調節機構Ａ１を調節する。また、図１６に示すように、オートコリメータ１４から出射したレーザービームは、前記ペンタプリズム５１で９０°方向を変換して第２ミラー２の中央部に入射し、その反射ビームはペンタプリズム５１で９０°方向を変換してオートコリメータ１４に帰り、反射ビームと入射ビームが正確に重なるように前記入射角調節機構Ａ２を調節する。このように、前記垂直度調節機構Ｂを用いて第１ミラー１と第２ミラー２を垂直になるように調節することができる。
【００３７】
ここまでの垂直度調節機構Ｂを用いたアライメントでは、集光対象のＸ線を使用しないので、マシンタイムに影響されずに事前に行うことができる。また、この垂直度調節機構Ｂを用いたアライメントの特徴は、オートコリメータの光軸を平行に合わしさえすれば、ペンタプリズムやオートコリメータの配置誤差に影響されることなく、簡単且つ素早くミラー間垂直度を調整することが可能である点である。
【００３８】
それから、第１ミラー１と第２ミラー２の入射角、両ミラーの焦点位置は、実際にＸ線を用いて、集光部に配置されたＸ線のビームプロファイルを計測しながら微調整を行うのである。ここで、前記リニアアクチュエータ２７，４２は勿論、ＸＹステージ６、Ｚステージ７、Ｘステージ９、Ｙステージ１０は、全てパルスモータで駆動され、パルス数や移動距離がモニターされて正確に遠隔操作できるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＸ線集光装置の概念図である。
【図２】本発明のＸ線集光装置の全体斜視図である。
【図３】同じくＹ方向から見た側面図である。
【図４】ミラー保持部の斜視図である。
【図５】入射角調節機構Ａ１の斜視図である。
【図６】同じく傾動板と第１ミラーを除いた状態の入射角調節機構Ａ１の斜視図である。
【図７】同じくＸ方向から見た入射角調節機構Ａ１の側面図である。
【図８】入射角調節機構Ａ２の斜視図である。
【図９】同じく押圧板と第２ミラーを除いた状態の入射角調節機構Ａ２の斜視図である
【図１０】同じく入射角調節機構Ａ２の平面図である。
【図１１】垂直度調節機構を示すため入射角調節機構を省略したＹ方向から見た側面図である。
【図１２】垂直度調節機構を示すため入射角調節機構を省略したＸ方向から見た側面図である。
【図１３】二つのオートコリメータのレーザービームを、平面ミラーを用いて平行に調節する工程を示す説明図である。
【図１４】図１３の状態で平面ミラーを除いた状態の説明図である。
【図１５】一方のオートコリメータのレーザービームを用いて、第１ミラーの姿勢を調節する状態を示す説明図である。
【図１６】他方のオートコリメータのレーザービームを用いて、第２ミラーの姿勢を調節する状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｒ 放射光発生装置
Ｓ スリット
Ｌ Ｘ線
Ａ、Ａ１、Ａ２ 入射角調節機構
Ｂ 垂直度調節機構
１ 第１ミラー（垂直方向集光ミラー）
２ 第２ミラー（水平方向集光ミラー）
３ 基台部
４ ミラー保持部
５ ベース板
６ ＸＹステージ
７ Ｚステージ
８ 下基準板
９ Ｘステージ
１０ Ｙステージ
１１ 支柱
１２ 上基準板
１３ オートコリメータ
１４ オートコリメータ
１５ 傾斜ステージ
１６ 傾斜ステージ
１７ マイクロメータ
１８ マイクロメータ
１９ 平面ミラー
２０ 支持部材
２１ 光路変更機構
２２ 固定柱
２３ 可動柱
２４ 弾性ヒンジ
２５ 支持板
２６ 押圧板
２７ リニアアクチュエータ
２８ 傾動板
２９ 弾性ヒンジ
３０ マイクロメータ
３１ 弾性付勢具
３２ 開口
３３ 開口
３４ 位置決め部
３５ マイクロメータ
３６ 固定板
３７ 固定柱
３８ 可動柱
３９ 弾性ヒンジ
４０ 支持板
４１ 押圧板
４２ リニアアクチュエータ
４３ 保持板
４４ Ｚステージ
４５ 受け部材
４６ 当止部材
４７ 押圧板
４８ 押圧具
４９ 付勢ピン
５０ マイクロメータ
５１ ペンタプリズム
５２ 回転ステージ
５３ 昇降具
５４ 保持板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能で集光させるためのＸ線集光装置であって、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラーと第２ミラーを互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した前記第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した前記第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節することを特徴とするＸ線集光装置。
【請求項２】
アライメント用のレーザービームを発生する２つのオートコリメータを、互いの相対角度を調節可能な傾斜ステージ上に設け、その２本のレーザービームを予め平行に調節し、前記第１ミラーを水平に配し、前記第２ミラーを垂直に配するとともに、該第２ミラーの法線方向の近傍に光路を９０°方向変換可能なペンタプリズムを配し、一方のレーザービームを前記第１ミラーに垂直に入射し、他方のレーザービームを前記ペンタプリズムを通して前記第２ミラーに垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節可能とすべく、前記第１ミラーと第２ミラーの何れか一方の保持部にＸ線の入射角調節機能に加え光軸周りにミラーを回転させる機能を有するとともに、２本のレーザービームを平行に維持した状態で前記２つのオートコリメータを全方向に傾斜可能な機能を有する請求項１記載のＸ線集光装置。
【請求項３】
下基準板の上面に入射角調節機構を介して前記第１ミラーを保持するとともに、別の入射角調節機構を介して前記第２ミラーを保持し、前記下基準板の上方に複数の支柱で支持された上基準板を設け、該上基準板の上に設けた傾斜ステージに、第１のオートコリメータを装着するとともに、第２の傾斜ステージを設け、該第２の傾斜ステージ上に第２のオートコリメータを装着してなる請求項２記載のＸ線集光装置。
【請求項４】
前記上基準板の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラーを該上基準板に下設した支持部材で着脱可能に配し、前記２つのオートコリメータから発生した２本のレーザービームを前記平面ミラーで同時に反射させて、その反射ビームが入射ビームと重なるように前記傾斜ステージを調節する請求項３記載のＸ線集光装置。
【請求項５】
前記入射角調節機構は、弾性ヒンジによって第１ミラー及び第２ミラーの入射角を、角度ステップが０．５μｒａｄ以下の精度で調節可能とした請求項３記載のＸ線集光装置。
【請求項１】
放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光スポットが１００ｎｍ以下の高い空間分解能で集光させるためのＸ線集光装置であって、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた２枚の全反射ミラーからなる第１ミラーと第２ミラーを互に垂直に配置したＫ−Ｂミラー配置とし、２本の平行なレーザービームの一方を、水平に配した前記第１ミラーに垂直に入射し、他方を垂直に配した前記第２ミラーに９０°方向を変換して垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節することを特徴とするＸ線集光装置。
【請求項２】
アライメント用のレーザービームを発生する２つのオートコリメータを、互いの相対角度を調節可能な傾斜ステージ上に設け、その２本のレーザービームを予め平行に調節し、前記第１ミラーを水平に配し、前記第２ミラーを垂直に配するとともに、該第２ミラーの法線方向の近傍に光路を９０°方向変換可能なペンタプリズムを配し、一方のレーザービームを前記第１ミラーに垂直に入射し、他方のレーザービームを前記ペンタプリズムを通して前記第２ミラーに垂直に入射し、両ミラーからの反射ビームが入射ビームと重なるように調節可能とすべく、前記第１ミラーと第２ミラーの何れか一方の保持部にＸ線の入射角調節機能に加え光軸周りにミラーを回転させる機能を有するとともに、２本のレーザービームを平行に維持した状態で前記２つのオートコリメータを全方向に傾斜可能な機能を有する請求項１記載のＸ線集光装置。
【請求項３】
下基準板の上面に入射角調節機構を介して前記第１ミラーを保持するとともに、別の入射角調節機構を介して前記第２ミラーを保持し、前記下基準板の上方に複数の支柱で支持された上基準板を設け、該上基準板の上に設けた傾斜ステージに、第１のオートコリメータを装着するとともに、第２の傾斜ステージを設け、該第２の傾斜ステージ上に第２のオートコリメータを装着してなる請求項２記載のＸ線集光装置。
【請求項４】
前記上基準板の下面側には、十分な面精度を有する平面ミラーを該上基準板に下設した支持部材で着脱可能に配し、前記２つのオートコリメータから発生した２本のレーザービームを前記平面ミラーで同時に反射させて、その反射ビームが入射ビームと重なるように前記傾斜ステージを調節する請求項３記載のＸ線集光装置。
【請求項５】
前記入射角調節機構は、弾性ヒンジによって第１ミラー及び第２ミラーの入射角を、角度ステップが０．５μｒａｄ以下の精度で調節可能とした請求項３記載のＸ線集光装置。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２７１５９５（Ｐ２００７−２７１５９５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２４３７８（Ｐ２００６−１２４３７８）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（３９６００７１８８）株式会社ジェイテック (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（３９６００７１８８）株式会社ジェイテック (15)
【Ｆターム（参考）】
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