JP2006522371A - 反射屈折光学レンズ・システムを構築する方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】干渉型共焦点顕微鏡検査法などの用途に対する反射屈折光学レンズ・システムを作成する方法を提供する。
【解決手段】底部表面と、共通の対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、nを整数として、上記反射屈折光学レンズ素子を2n個のパイ形状セグメントへと切断する段階と、上記2n個のパイ形状セグメントを再組立てし、上記2n個のパイ形状セグメントの内のn個は共通平面の上方に配置され且つ上記2n個のパイ形状要素の残りは上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムを形成する段階とを備えて成る、反射屈折光学レンズ・システムの作製方法。

Description

本発明は、干渉型共焦点顕微鏡検査法などの用途に対する反射屈折光学レンズ・システムを作成する方法に関する。

本出願は、2003年4月1日出願の米国仮出願第60/459,493号の利益を主張する。

“反射光学および反射屈折光学結像システム”と称されると共に2001年12月20日に出願された特許文献１[ZI-38]および2003年2月3日に出願された特許文献２ [ZI-43]；両件ともに“横軸微分干渉型共焦点顕微鏡検査法”と称されると共に2003年2月13日に出願された特許文献３および2004年2月13日に出願された特許文献４ [ZI-40]；両件ともに“表面プロファイリングのための長軸微分干渉型共焦点顕微鏡検査法”と称されると共に2003年2月19日に出願された特許文献５および2004年2月19日に出願された特許文献６[ZI-41]；両件ともに“暗視野の干渉型共焦点顕微鏡検査法”と称されると共に2004年2月19日に出願された特許文献７および特許文献８ [ZI-42]；両件ともに“ピンホールアレイ・ビームスプリッタを取入れた干渉型共焦点顕微鏡検査法”と称されると共に2003年1月28日に出願された特許文献９および2004年1月27日に出願された特許文献１０ [ZI-45]；両件ともに“干渉計測において対象物により散乱／反射された直交偏光ビームの視野の共時測定”と称されると共に2003年4月1日に出願された特許文献１１および2004年4月1日に出願された特許文献１２ [ZI-50]などにおいては、遠視野および近視野における干渉型共焦点顕微鏡検査法に対する反射屈折光学結像システムの多数の異なる用途が記述されている。上記の特許出願および仮特許出願は全てヘンリー・エー・ヒル(Henry A. Hill)に依るものであり、それら全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される。
米国特許出願第10/028,508号 米国特許出願第10/366,651号 米国仮特許出願第60/447,254号 米国特許出願第10/778,371号 米国仮特許出願第60/448,360号 米国特許出願第10/782,057号 米国仮特許出願第60/448,250号 米国特許出願第10/782,058号 米国仮特許出願第60/442,982号 米国特許出願第10/765,229号 米国仮出願第60/459,425号 米国特許出願第＿＿＿＿号

引用された米国特許出願および米国仮特許出願の各々に対する反射屈折光学結像システムに用途の夫々においては、光学素子の製造に対して厳しい許容差が設定される。回折制限結像システムを設計する上で通常的に遭遇する許容差に加え、干渉型共焦点顕微鏡検査法の用途により設定される許容差が在る。この付加的な許容差は、一定の他のレンズ素子の曲率半径に関する一定のレンズ素子の曲率半径と、レンズ素子の曲率中心の相対箇所とに対するものである。

上記の付加的な許容差は、たとえば所望の画像の平均強度を約２倍以上に増大すると共に擬似ビームの強度の大きさを１桁以上減少するなどの様に反射屈折光学結像システムの優れた性能に繋がることに加え、背景場の干渉低減が実現され得る。背景場の干渉が低減されると、統計的誤差が減少される。而して、所望画像の強度が高められると共に統計的誤差が減少されると、上記反射屈折光学結像システムを用いる計測ツールの信号／ノイズ比は大きくなり、付随的にスループットが増大する。背景場の干渉低減は更に、系統誤差の減少に繋がる。系統誤差が減少する結果として、多数の干渉信号値を対象物の多次元画像へと変換するために必要とされるコンピュータの負担が軽減される。

概略的にひとつの見地において本発明は、反射屈折光学レンズ・システムを作製する方法を特徴とする。該方法は、底部表面と、共通の対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、nを整数として、上記反射屈折光学レンズ素子を2n個のパイ形状セグメントへと切断する段階と、上記2n個のパイ形状セグメントを再組立てし、上記2n個のパイ形状セグメントの内のn個は共通平面の上方に配置され且つ上記2n個のパイ形状要素の残りは上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムを形成する段階とを備えて成る。

他の実施例は、以下の特徴のひとつ以上を含む。上記反射屈折光学レンズ素子を切断して上記2n個のパイ形状セグメントを形成する上記段階は、上記共通軸心を各々が含む一群の平面に沿い切断することで達成される。上記2n個のパイ形状セグメントは同一的に形状化される。上記パラメータn=1または2である。上記４個のパイ形状セグメントの各々は上記単一個の反射屈折光学レンズ素子の90°セグメントである。上記再組立て段階は、上記共通平面の上方であるn個のパイ形状セグメントを、上記共通平面の下方であるn個のパイ形状セグメントの内の対応する個々のパイ形状セグメントに対向して整列させるべく配置する段階を含む。上記凸状部分は上記反射屈折光学レンズ素子の反射部分であり且つ上記凹状部分は上記反射屈折光学レンズ素子の屈折部分である。上記４個のパイ形状セグメントを共通平面に対して再組立てする上記段階は、上記４個のセグメントの内の２個のセグメントの底部表面を上記共通平面に対して実質的に平行に臨ませて該２個のセグメントを上記平面の上方に載置する段階と、上記４個のセグメントの他の２個のセグメントの底部表面を上記共通平面に対して実質的に平行に臨ませて該２個のセグメントを上記共通平面の下方に載置する段階とを含む。上記再組立て段階は、上記共通平面の上方の上記２個のセグメントの各々が、上記共通平面の下方である上記２個のセグメントの内の対応セグメントに対して整列して隣接される様に上記４個のセグメントを配向する段階も含む。上記再組立て段階は、上記共通平面の上方の上記２個のセグメントを、それらが対称軸心を共有すると共に該共有された対称軸心に対して径方向において相互に対向する様に配向する段階を更に含む。

概略的に、別の見地において本発明は反射屈折光学レンズ・システムを作製する別の方法を特徴とする。該方法は、底部表面と、共通の対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、上記反射屈折光学レンズ素子を２個の同一的なパイ形状セグメントへと切断する段階と、上記２個のパイ形状セグメントを再組立てし、上記２個のパイ形状セグメントの一方は共通平面の上方に配置され且つ上記２個のパイ形状要素の他方は上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムの少なくとも一部を形成する段階であって、上記２個のパイ形状要素の夫々の底部表面は相互に対して臨むと共に上記共通平面に対して実質的に平行であり、且つ、該２個のパイ形状セグメントは相互に対して整列されるという段階とを備えて成る。

概略的に、更に別の見地において本発明は反射屈折光学レンズ・システムを作製する別の方法を特徴とする。該方法は、底部表面と、共通の回転対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、上記反射屈折光学レンズ素子を４個の実質的に同一的なセグメントへと切断する段階であって、上記共通軸心を含む少なくともひとつの平面に沿い上記反射屈折光学素子を切断する段階を含む段階と、上記４個のセグメントを再組立てし、該４個のセグメントの内の２個は共通平面の上方に配置され且つ上記４個の素子の内の他の２個は上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムを形成する段階であって、再組立てされた上記４個のセグメントは上記共通平面に対して実質的に平行な底部表面を夫々有し、且つ、上記平面の上方である上記２個のセグメントの各々は上記共通平面の下方である上記２個のセグメントの内の対応する個々のセグメントに対して整列して隣接されるという段階とを備えて成る。

ひとつ以上の実施例の利点は、干渉型共焦点顕微鏡検査法における反射屈折光学結像システムに対するレンズ素子の製造のコストが削減されることである。

ひとつ以上の実施例の他の利点は、干渉型共焦点顕微鏡検査法における反射屈折光学結像システムの性能が改善されることである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、所望の画像の平均強度が約２倍以上に増大されることである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、擬似ビームの強度の大きさが１桁以上減少されることである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、背景場の干渉低減が実現され得ることである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、反射屈折光学結像システムを用いる計測ツールの信号／ノイズ比が大きくなり、付随的にスループットが増大することである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、背景場の干渉低減の結果として系統誤差が減少することである。

ひとつ以上の実施例の別の利点は、反射屈折光学結像システムを用いる干渉型共焦点顕微鏡検査システムにより得られた多数の干渉信号値を対象物の多次元画像へと変換するために必要とされるコンピュータの負担が軽減されることである。

本発明のひとつ以上の実施例の詳細は、添付図面および以下の説明中に示される。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面ならびに各請求項から明らかである。

図１を参照すると反射光学結像システム100は、物点160、像点162、ビームスプリッタ150、湾曲反射表面132、および、透光素子130および140を含む。物点160から発散する光は透光素子130を通過し、ビームスプリッタ150に入射する。ビームスプリッタ150は、入射光ビームの一部を反射し且つ一部を透過する。此処で記述される実施例においては、最初に透過される光の部分は無視されて図１から省略される。反射された部分は図１に示されると共に、反射表面132に入射する。表面132は、物点160から発散した各光線であってビームスプリッタ150から反射されて該表面132に入射する各光線がビームスプリッタ150により透過された後で像点162へと反射される如く構成される。換言すると、物点160から発散する光は以下の経路により像点162上へと焦点合わせされる：i)光は物点160から発散され；ii)ビームスプリッタ150により反射され；iii)反射表面132により反射され；iv)ビームスプリッタ150により透過され；且つ、v)像点162上へと収束する。

上記像点への光線の焦点合わせは媒体130および140による屈折ではなく反射表面132が行うことから、(媒体130および140の屈折率がそれほど異ならないとすれば)結像面は画像形成に使用されるスペクトル領域に依存しない。換言すると、長手方向の色収差は無い。故に、画像形成に対しては広いスペクトル範囲が使用され得る。

媒体130の屈折率は、上記システムの開口数に影響する。特に、システム100の開口数は媒体130の屈折率に線形的に比例する。限定的なものとしてで無く、本論の残部は素子130および140(および他の実施例においてはそれらの類似物)に対する屈折率が実質的に等しいことを仮定している。

一実施例において、システム100の特徴は以下の設計態様により達成される。物点160および像点162が与えられたならビームスプリッタ150は、これらの点により定義される平面であって該物点および像点から等距離にある平面内に存在すべく位置決めされる。更に、反射表面132は像点162と同心的であるべく設計される。この構成の結果として、角度φにて上記物点から発散する光線はφの入射角により上記ビームスプリッタ上の一定の点Pに入射する。設計態様により光は表面132に直角の入射角で入射することから、斯かる光線は180°反射される。更に、表面132からの反射の後で光は同一の点Pにφの入射角で入射すると共に、ビームスプリッタ150による透過の後、上記光線はφの入射角にて上記像点に入射する。

上述された如く、上記像点に入射する光は上記ビームスプリッタの表面により反射も透過もされる。故に、RおよびTを夫々、ビームスプリッタ150の反射係数および透過係数とすると、像点162に到達する光はR(φ)T(φ)に比例する。これらの係数は両者ともに、典型的には入射角に依存する。業界公知の技術を用いるとビームスプリッタ150は、一定の角度φ'に対して該ビームスプリッタ150が理想的である如く設計される。すなわち、一定の角度φ'に対し、

である。入射角がφ'から異なるにつれ、上記各係数は多くの場合に非理想のビームスプリッタ挙動を呈する。詳細には上記挙動は、δ(0)＝0として、一定のδ(φ)だけ理想から逸脱し且つR(φ)＝0.5＋δ(φ−φ')およびT(φ)＝1−R(φ)＝0.5−δ(φ−φ')である。図１に示された如く像点162に入射する光線は反射も透過もされることから、T(φ)R(φ)＝0.25−δ(φ−φ')²である。故に、上記ビームスプリッタが一定の偏差δ(φ)だけ理想的なビームスプリッタから逸脱し得るとしても、この非理想的な挙動が光強度に影響するのはδ(φ)の二次までである。

更に、この実施例は回折制限された物点画像を有する。物体平面内における他の点は回折制限されないかも知れないが、上記物点を中心とする平坦な円形平面であって、当該ビームスプリッタ150自体の画像もまた同一半径の平坦な円形平面であるというビームスプリッタ150に対して平行である平坦な円形平面が存在する。換言すると、上記結像面は平坦であり且つ倍率は１である。

素子130および表面132は、多数の手法で作成され得る。透過素子130および反射表面132は、(たとえば溶融シリカなどの)固体透光媒体から作成され得る。この場合に固体透光媒体は、ビームスプリッタ150の形状に合致すべき一側と、反射表面132に対する所望形状に合致する形状の他側とを有すべく形状化され得る。反射表面132は、湾曲表面上へと反射薄膜を適切に析出させることにより形成される。これは、反射薄膜を形成する業界公知の任意の技術を用いて達成され得る。上記反射薄膜は、物点160の一定の近傍内には適用されない(不図示)。代わりに、上記物点の近傍の表面は光線が当該結像システムに進入するのを許容すべく構成される。たとえば、物点160の近傍にて表面132に対しては反射防止膜が適用される。斯かる開口によれば光線は、上記物点から上記結像システム内に進入し得る。

別実施例において透光素子130は、真空の中空領域であり得るか、または、光を透過する気体もしくは流体により充填され得る。斯かる実施例において反射表面132は(不図示の)一定の機械的な支持基材上に形成され得ると共に、その外側表面は(たとえば研磨された金属表面などのように)本来的に反射的であるか、或いは、反射薄膜の適用により反射的とされる。更に、光が上記結像システムに進入し得る如く物点160の近傍には、開口が形成される(不図示)。

他の実施例において反射表面132は、非円滑および／または不連続な表面とされ得る。たとえば上記反射表面は、図１における表面132と同一の光学的機能を提供すべく実質的に像点162と同心的に位置決めされた一群の平坦な反射表面により形成され得る。更に、反射表面132は同心的形状から逸脱し得る(たとえば楕円形状もしくは放物線形状)。斯かる逸脱は、高次の収差を補正する上で有用であり得る。

システム100の一定の実施例において素子130は高屈折率材料であり、且つ、素子130およびビームスプリッタ150は、素子130が物点160に接触することで上記結像システムの開口数を最大化する如く位置決めされる。但しこれは非限定的な場合であり、他の実施例において上記物点は素子130に接触する必要はない。同様に、素子140は像点160に接触する必要はない。更に、引き続いて記述される実施例において上記物点および／または上記像点は上記結像システムの素子に接触する必要はなく、このことは実施例次第では開口数を最大化するために好適であり得る。

限定することは意図されないが理論的な関心として、結像システム100は、各々が逆の屈折率を有する(すなわち一方の素子は正の屈折率+nを有し、且つ、他方の素子は負の屈折率-nを有する)という一対の平坦な素子と等価的に機能することを指摘することには意味がある。特に、斯かる２個の素子の界面における屈折によれば、対象物から発せられた光線は屈曲されて上記像点へと焦点合わせされる。このことは、スネルの屈折の法則の自明な応用から理解され得る。斯かる屈曲および焦点合わせは、ビームスプリッタ150からの最初の反射、および、引き続く反射表面132による反射によりシステム100において効率的に達成される。引き続いて記述される実施例においても、同様の効果が存在する。

結像システム100の設計態様からは、上記ビームスプリッタにより最初に透過された光は無視され且つ反射された成分のみが使用されることが明らかである。他の結像システムは、最初に透過された成分が利用され且つ反射された成分は廃棄される如く設計され得る。図２を参照すると、反射光学結像システム200は、物点260、像点262、ビームスプリッタ250、湾曲反射表面242、および、透光媒体230および240を含む。図２の実施例は、該図２の実施例において反射表面242はビームスプリッタ表面により透過された光を受けるべく位置決めされるが図１における反射表面はビームスプリッタ表面により反射された光を受けるべく位置決めされることを除き、図１の実施例と同様である。システム200の実施例において、反射表面242は物点160と同心的である。図１における実施例の場合と同様に、像点262へと結像する入射光の強度は、T(φ)R(φ)＝0.25−δ(φ−φ')²に比例する。故に像点の光強度は、非理想的なビームスプリッタの挙動に依る１次の偏差を有さない。更に、図１に関して記述された如く表面242における透明なウィンドウもしくは開口によれば、物点132から発散する光は像点262に到達し得る。

図１および図２の実施例において、物点は回折制限されているが、上記物点の近傍における点はそうでないこともある。斯かる点は、一定の光学収差の影響を受けることもある。斯かる収差は、屈折表面を導入することで上記物体平面の大部分に対して補正され得る。

図３を参照すると反射屈折光学結像システム300は、物点360、像点362、ビームスプリッタ350、湾曲反射表面332、平凹凸素子330、平凹素子340、および、平凸素子320および380を含む。素子320の表面322の共通の曲率中心は物点360である。表面344と、素子330の表面332と、素子380の表面382とに対する共通の曲率中心は像点362である。素子320および素子330は、素子320の表面322の曲率半径が素子330の表面334の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。素子340および素子380は、素子340の表面344の曲率半径が素子380の表面382の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。表面322および344は好適には、反射防止膜により被覆される。

システム300における各屈折表面は、画像フィールドにおける光学収差を減少すべく使用され得る付加的な自由度を提供する。特に、斯かる収差を減少するために、素子320、380、340の屈折率および表面素子334、344、332の曲率半径の内の任意のものが変更され得る。たとえば、斯かる変数の関数として種々の収差の大きさを計算するために光学的な光線追跡方法が使用され得ると共に、この様にして、収差を最小化する各パラメータの特定の値が見出され得る。斯かる最適化は、倍率、画像フィールドの平坦性、開口数、光吸収および他の材料制限などの、他の設計基準も考慮し得る。特に、たとえばシステム300の開口数は素子320の屈折率に比例する。故に、高屈折率材料を用いることで、開口数は改善され得る。更に、素子320、330、340および380に対しては特定材料が使用されるべきであるという単純な理由から、最適化とはこれらの素子に対する屈折率を固定することであり得る。

一定の実施例において、素子380または素子320は排除され得る。素子380もしくは320は、気体、液体もしくは真空により充填されるべき空隙により置換され得る。一定の実施例においては、唯一個の屈折表面が使用され得る。斯かる場合には、界面322/334または344/382がもはや屈折表面でない様に、素子380もしくは320の屈折率は素子330および340の屈折率に合致する。空隙を用いると、上記像点または物点に対するアクセスが提供される。斯かるアクセスは、たとえば、上記像点の近傍に検出器を位置する上で有用であり得る。

上述された如く、結像システム100、200および300に対する像点における光強度はT(φ)R(φ)＝0.25−δ²に比例する。δ＝0であるという理想的な場合においてさえも、利用可能な光の25％のみが上記像点に到達する。

図４を参照すると、反射光学結像システム400は、物点460、像点462、ビームスプリッタ450、湾曲反射表面432、湾曲反射表面442、および、平凸素子430および440を含む。反射表面442は、物点460から発散する光線が以下の経路を追随することにより像点462に対して焦点合わせされる如く構成される：i)光は上記物点から発散し；ii)ビームスプリッタ450により透過され；iii)表面432により反射され；iv)ビームスプリッタ450により反射され；v)像点462に入射する。これは、湾曲表面442を物点460と同心的に設計することで達成され得る。同様に反射表面432は上記物点から発散する光線が以下の経路を追随することにより像点462に対して焦点合わせされる如く構成される：i)光は上記物点から発散し；ii)ビームスプリッタ450により反射され；iii)表面432により反射され；iv)ビームスプリッタ450により透過され；且つ、v)像点462に入射する。これは、湾曲表面432を像点462と同心的に設計することで達成され得る。

図４に対する実施例においては、上記ビームスプリッタから最初に反射されたビームおよび最初に透過されたビームの両方が使用される。ビームはビームスプリッタ450により２つの部分に分割され、それらは次に表面432および442により夫々、上記ビームスプリッタ上の同一点に対して戻し反射される。概略的に、上記の２つの部分は干渉的に再結合し、２つの新たなビームを生成する。一方のビームは像点462に導向されると共に、他方は物点460に導向される。夫々のビームの強度は、表面432および442から反射されたビーム部分に対する光路長の差に依存する。図４は、上記各部分に対する２つの光路に対してOPL1およびOPL2と参照符号を付している。各光線に対応する部分に対する夫々の光路長は、２つのビームが構造的に干渉することで全ての光エネルギを上記像点へと導向する如く適合される。故に、同心的な湾曲表面442および432は、一波長より短い長さ以内で一致すべく位置決め且つ形状化される。但し、上記各光路長が全ての光線に対して厳密には適合されない場合でも、上記像点に対する透過は、透過が25％に制限されるという先の各実施例に対して増進され得る。

適合される同心的な湾曲表面442および432は、精密表面を作製する公知技術を用いて構成され得る。たとえば反射表面432および442のマスタ・セットは、球状表面を研削する高精度技術を高精度測定技術と組み合わせて用いることで構成される。上記マスタ・セットからは、複製技術が採用されて上記各表面の複製物が大量生産される。斯かる方法は、回折格子を作製すべく一般的に用いられる。更に、結果的な構造に一定の不確実性があるなら、透過を増進する複製物のみを保持すべく試験が行われ得る。斯かる試験としては、透光特性および表面プロフィル測定などが挙げられる。

結像システム300に関する説明と同様に結像システム400の物点は回折制限されるが、上記物点の近傍の点は収差により歪曲され得る。これらの収差は、上記物点から変位された物体平面における各点に対し、屈折表面を使用することで実質的にゼロとされ得る。図５を参照すると、反射屈折光学結像システム500は、物点560、像点562、ビームスプリッタ550、湾曲反射表面532および542、平凹凸透光素子530および540、および、平凸素子520および580を含む。素子520および素子530は、素子520の表面522の曲率半径が素子530の表面534の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。素子540および素子580は、素子540の表面544の曲率半径が素子580の表面582の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。記述実施例において、素子520の表面522、素子530の表面534、および、素子540の表面542に対する共通の曲率中心は物点560である。更に、記述実施例において、素子540の表面544、素子530の表面532、および、素子580の表面582に対する共通の曲率中心は像点562である。表面522および544は好適には、反射防止膜により被覆される。更に図４の結像システム400と同様に表面542および532は、ビームスプリッタ550により分割された光線が該ビームスプリッタ550上の共通点にて再結合すると共に構造的に干渉して像点562に対する透光を増進する如く構成される。

一定の実施例において素子580は空気から構成される。これにより、上記像点の近傍にCCDなどの光学的検出デバイスが容易に位置され得る。夫々の屈折表面522、534および544の曲率半径r₅₂₂、r₅₃₄およびr₅₄₄は、一定の光学収差を最小化すべく選択される。曲率半径の非限定的な例は、r₅₃₂およびr₅₄₂を夫々表面532および542の曲率半径としてr₅₃₂＝r₅₄₂＝50mmとした屈折材料の幾つかの異なる組み合わせに対する表１に示される。素子580は空気であると仮定される。表１に列挙された屈折材料の組み合わせを採用したシステムによる幾何学的な光線追跡の結果、n₅₂₀、n₅₃₀およびn₅₄₀を夫々素子520、530および540の屈折率であるとして、上記第１実施例により形成された画像は、素子520の屈折率の0.77倍に等しい物体空間開口数を備えた0.5mmの物体フィールドに対して回折制限されることが示される。

付加的実施例においては、たとえば図４もしくは図５のいずれかの実施例における反射表面は、空間的に離間された２つの像点に対して物点を結像する結像システムを作製すべく再構成され得る。上記の２つの像点は、光軸に沿い、光軸に直交する平面内において、または、両方の組み合わせで、相互に対して変位され得る。斯かる実施例はまた、空間的に離間された２つの物点を共通の像点に対して結像すべく“逆”にも使用され得る。上記各反射表面の再構成としては例えば、それらの相対位置の調節および／またはそれらの曲率半径の変更が挙げられる。

図６を参照すると、図５のシステム400と同様の反射屈折光学結像システム1000が示される。システム1000は、物点1060、空間的に離間された像点1062および1064、ビームスプリッタ1050、湾曲表面1032および1042、平凹凸透光素子1030および1040、および、平凸素子1020および1080を含む。素子1020および素子1030は、素子1020の表面1022の曲率半径が素子1030の表面1034の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。ビームスプリッタ1050は、物点1060を像点1062に接続する光軸1002に対して直交して配向される。図５の実施例におけるのと同様に、反射表面1042の曲率中心は物点1060と一致する。故に、ビームスプリッタ1050により透過された物点1060からの光線に対応する第1群の光線1092は、湾曲表面1042から反射してからビームスプリッタ1050から反射し、像点1062上に焦点が合う。

^aGaP：リン化ガリウム
^bBSO：酸化ビスマス・ケイ素、Bi₁₂SiO₂₀
^cYSZ：イッテルビウム安定化ジルコニア、ZrO₂：12％Y₂O₃
^dYAG：イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Y₃Al₅O₁₂

但し、図５の実施例と対照的に反射表面1032の曲率中心1063は光軸1002に直交する方向に沿い像点1062から量δy₁だけ変位されており、これは、反射表面1032が光軸1002に直交する方向に沿い量δy₁だけ変位されたことに対応する。結果として、物点1060からの光線であってビームスプリッタ1050により反射された光線に対応する第2群の光線1094は湾曲表面1032から反射してからビームスプリッタ1050を透過して、光軸1002に直交する方向に沿い量δy₂＝δy₁だけ曲率中心1063から変位された像点1064上に焦点が合う。故にシステム1000において像点1062および1064は、光軸1002に直交する方向に沿い量2δy₁だけ相互から変位される。

付加的な素子1020および1080は、上述された如く収差を最小化すべく選択された屈折表面を提供する。簡素化のために、図６において光線1092および1094の経路に関して斯かる屈折の効果は何ら示されない。

図７に示された別の同様の実施例において、各反射表面の内の一方の反射表面の曲率中心は光軸に沿い変位される。

図７を参照すると、反射屈折光学結像システム1100は、物点1160、空間的に離間された像点1162および1164、ビームスプリッタ1150、湾曲反射表面1132および1142、平凸凹透光素子1130および1140、および、平凸素子1120および1180を含む。素子1120および1130は、素子1120の表面1122の曲率半径が素子1130の表面1134の曲率半径と実質的に同一である如く形成される。ビームスプリッタ1150は、物点1160を像点1162に接続する光軸1102に対し直交して配向される。図４の実施例におけるのと同様に、反射表面1142の曲率中心は物点1160と一致する。故に、物点1160からの光線であってビームスプリッタ1150により透過された光線に対応する第1群の光線1192は、湾曲表面1142から反射してからビームスプリッタ1150から反射し、像点1162に焦点が合う。

但し、図５の実施例と対照的に反射表面1132の曲率中心1163は光軸1102に沿い量δz₁だけ像点1162から変位されており、これは、反射表面1132が光軸1102に沿い量δz₁だけ変位されたことに対応する。結果として、物点1160からの光線であってビームスプリッタ1150により反射された光線に対応する第2群の光線1194は湾曲表面1132から反射してからビームスプリッタ1150を透過して、光軸1102に沿い量δz₂だけ曲率中心1163から変位された像点1164上に焦点が合う。量δz₁およびδz₂は球面レンズ式1/s₁＋1/s₂＝2/Rにより相互に関連付けられ、式中、Rは反射表面1132の曲率半径であり、s₁＝R−δz₁、且つ、s₂＝R＋δz₂である。故に、システム1100において像点1162および1164は、光軸1102に沿い量δz₁＋δz₂だけ相互から変位される。

付加的な素子1120および1180は、上述された如く収差を最小化すべく選択された屈折表面を提供する。簡素化のために、図７において光線1192および1194の経路に関して斯かる屈折の効果は何ら示されない。

更なる実施例において上記反射表面は、上記光軸に直交する方向に沿っては量δy₁だけ、および、光軸1102に沿っては量δz₁だけ変位され得る。斯かる実施例において上記第2像点の長手変位は同一であるが、横手変位は倍率係数M＝s₂/s₁を更に含み、その場合にδy₂＝Mδy₁である。

更なる実施例において、上記各反射表面の内の他方の反射表面は変位され得るか、または、両方の表面が変位され得る。更に、上記各反射表面の内の一方もしくは両方の反射表面の曲率半径は改変可能であり、これは、図７に関して記述された長手変位と同様の効果を有する。

本明細書中に記述された反射光学システムの付加的実施例において、上述の各実施例の内の任意の実施例における各反射表面の一方もしくは両方はフレネル・ミラーとされ得る。上記に定義された如くフレネル・ミラーは、各々が共通の曲率中心を有する複数の湾曲柱面により形成された反射表面である。

たとえば図８を参照すると、反射屈折光学結像システム1200は、物点1260、像点1262、ビームスプリッタ1250、湾曲反射表面1232および1242、および、平凸凹透光素子1230および1240を含む。システム1200は、両方の反射表面がフレネル・ミラーであることを除き、図４のシステムと類似している。特に反射表面1232は、各々が像点1262に共通の曲率中心を有する湾曲柱面1232a、1232bおよび1232cを含む。柱面1232bおよび1232cはたとえば、柱面1232aと同一の曲率半径を備えた表面を有するレンズの外側環状区画として作製され得る。同様に反射表面1242は、各々が物点1260に共通の曲率中心を有する湾曲柱面1242a、1242bおよび1242cを含む。更に、柱面1242bおよび1242cはたとえば、柱面1242aと同一の曲率半径を備えた表面を有するレンズの外側環状区画として作製され得る。

依然として図８を参照し、上記フレネル・ミラーを実装すると、光線1263などの傾斜が少ない光線に加え、光線1261などの物点1260から出射する傾斜光線が像点1262に対して結像され得る。対照的に、(柱面1232aおよび1242aを延長した点線により表される如く)もし上記システムが中央の柱面1232aおよび1242aのみを含んだとすれば、傾斜光線1261は該システムにより上記像点に結像はされない。故に、上記各フレネル・ミラーを実装すると、上記システムの開口数および作用距離は増大される。

上記実施例の各々において、平凸素子の曲率半径、厚み、平凹凸素子の厚み、および、各素子の横方向の“ずれ”に対する許容差に関して適合された各素子に対する要件は典型的に、反射屈折光学結像システム600に対して図９の斜視図に示された如く開口として複数のパイ区画(pie section)を有する一対の素子もしくは一群の４個の素子に関して関係付けられる。システム600は素子630、632、640および642を備えると共に、該４個の素子の各々は45°のパイ区画を表す。素子630、632、640および642は、図５に示された素子530などの単一素子を４個の区画へと切断することで構成される。概略的にその出発素子は、平坦な底部表面と、凸状の反射部分および凹状の屈折部分を有する上側表面とを含む反射屈折光学レンズ素子であって、凸状部分および凹状部分(典型的に、それらは球状のもしくは実質的に球状の表面である)の両方が共通の対称軸心を共有するという反射屈折光学レンズ素子である。素子630、632、640および642が作製される手法の結果として、それらは、図５に示された表面532が製造され得る例えばλ/10などと同一精度にて、上記平凸凸寸法と同一の曲率半径および厚みを有する。

図１０は、上記特徴を更に明確に示すために上記各素子を分離した図９の反射屈折光学システムを示している。

整合された複数のパイ区画の使用は、“干渉計測において対象物により散乱／反射された直交偏光ビームの視野の共時測定”と称された上述の米国仮出願に記述された如き反射屈折光学結像システムの偏光解析干渉計測用途において特に有用である。上記各パイ区画は、45°未満の角度を備えた区画から成り得る。

素子630、632、640および642の相対曲率半径は、夫々の凹状もしくは凸状表面上への薄層の析出により僅かにλまたは略々λだけ改変され得る。同様に、平凸凹寸法の素子630、632、640および642の厚みは、夫々の平表面上への薄層の析出により僅かにλまたは略々λだけ改変され得る。薄層を付加することは、たとえば測定ビームにπ/2もしくはπの位相シフトを導入する目的に対して有用である。

図６に示された如くパイ区画を備える反射屈折光学結像システムにおいては、本明細書中に記述された構築方法により、最終用途における所望に応じて素子630、632、640および642に対する横方向の“ずれ”の導入が容易に対処される。

複数の整合パイ区画を反射屈折光学結像システムに使用すると、異なる２個以上の整合パイ区画が、たとえば開口数、測定ビームにおける異なるπ/2もしくはπ位相シフト、および／または、異なる動作波長などの異なる特性を有することが許容されるという付加的な利点も得られる。

他の実施例は、各請求項の範囲内である。

ひとつの反射表面およびひとつのビームスプリッタを含む反射光学結像システムの概略図である。 ひとつの反射表面およびひとつのビームスプリッタを含む別の反射光学結像システムの概略図である。 ひとつの反射表面、ひとつのビームスプリッタおよび２つの屈折表面を含む反射屈折光学結像システムの概略図である。 干渉効果が像点における光強度の増大に繋がる如く構築かつ位置決めされた２つの反射表面を含む反射光学結像システムの概略図である。 図４における結像システムと類似すると共に、光学収差を減少する屈折表面を含む反射屈折光学結像システムの概略図である。 図５における結像システムに類似すると共に、光軸に対する横手方向において空間的に離間された２つの像点を生成する別の反射屈折光学結像システムの概略図である。 図５における結像システムに類似すると共に、光軸に対する長手方向において空間的に離間された２つの像点を生成する別の反射屈折光学結像システムの概略図である。 図４における結像システムに類似するが、フレネル・ミラーである屈折表面を含む反射屈折光学結像システムの概略図である。 反射屈折光学結像システムの斜視図である。 例示目的で各素子が分離された反射屈折光学結像システムの斜視図である。

Claims (14)

1. 底部表面と、共通の対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、
   nを整数として、上記反射屈折光学レンズ素子を2n個のパイ形状セグメントへと切断する段階と、
   上記2n個のパイ形状セグメントを再組立てし、上記2n個のパイ形状セグメントの内のn個は共通平面の上方に配置され且つ上記2n個のパイ形状要素の残りは上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムを形成する段階とを備えて成る、
   反射屈折光学レンズ・システムの作製方法。
2. 前記反射屈折光学レンズ素子を切断して前記2n個のパイ形状セグメントを形成する前記段階は、前記共通軸心を各々が含む一群の平面に沿い切断することで達成される、請求項１記載の方法。
3. 前記2n個のパイ形状セグメントは同一的に形状化される、請求項１記載の方法。
4. n=1である、請求項１記載の方法。
5. n=2である、請求項１記載の方法。
6. 前記４個のパイ形状セグメントの各々は前記単一個の反射屈折光学レンズ素子の90°セグメントである、請求項５記載の方法。
7. 前記再組立て段階は、前記共通平面の上方であるn個のパイ形状セグメントを、上記共通平面の下方であるn個のパイ形状セグメントの内の対応する個々のパイ形状セグメントに対向して整列させるべく配置する段階を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記凸状部分は前記反射屈折光学レンズ素子の反射部分であり且つ前記凹状部分は上記反射屈折光学レンズ素子の屈折部分である、請求項１記載の方法。
9. 前記４個のパイ形状セグメントを共通平面に対して再組立てする前記段階は、上記４個のセグメントの内の２個のセグメントの底部表面を上記共通平面に対して実質的に平行に臨ませて該２個のセグメントを上記平面の上方に載置する段階と、上記４個のセグメントの他の２個のセグメントの底部表面を上記共通平面に対して実質的に平行に臨ませて該２個のセグメントを上記共通平面の下方に載置する段階とを含む、請求項１記載の方法。
10. 前記再組立て段階は、前記共通平面の上方の前記２個のセグメントの各々が、上記共通平面の下方である前記２個のセグメントの内の対応セグメントに対して整列して隣接される様に前記４個のセグメントを配向する段階も含む、請求項９記載の方法。
11. 前記再組立て段階は、前記共通平面の上方の前記２個のセグメントを、それらが対称軸心を共有すると共に該共有された対称軸心に対して径方向において相互に対向する様に配向する段階を更に含む、請求項１０記載の方法。
12. 底部表面と、共通の対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、
    上記反射屈折光学レンズ素子を２個の同一的なパイ形状セグメントへと切断する段階と、
    上記２個のパイ形状セグメントを再組立てし、上記２個のパイ形状セグメントの一方は共通平面の上方に配置され且つ上記２個のパイ形状要素の他方は上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムの少なくとも一部を形成する段階であって、上記２個のパイ形状要素の夫々の底部表面は相互に対して臨むと共に上記共通平面に対して実質的に平行であり、且つ、該２個のパイ形状セグメントは相互に対して整列されるという段階とを備えて成る、
    反射屈折光学レンズ・システムの作製方法。
13. 前記反射屈折光学レンズ素子を切断して前記２個のパイ形状セグメントを形成する前記段階は、前記共通軸心を含む平面に沿い切断することで達成される、請求項１記載の方法。
14. 底部表面と、共通の回転対称軸心を共有する凸状部分および凹状部分を有する上側表面とを有する単一個の反射屈折光学レンズ素子を作製する段階と、
    上記反射屈折光学レンズ素子を４個の実質的に同一的なセグメントへと切断する段階であって、上記共通軸心を含む少なくともひとつの平面に沿い上記反射屈折光学素子を切断する段階を含む段階と、
    上記４個のセグメントを再組立てし、該４個のセグメントの内の２個は共通平面の上方に配置され且つ上記４個の素子の内の他の２個は上記共通平面の下方とされた反射屈折光学レンズ・システムを形成する段階であって、再組立てされた上記４個のセグメントは上記共通平面に対して実質的に平行な底部表面を夫々有し、且つ、上記平面の上方である上記２個のセグメントの各々は上記共通平面の下方である上記２個のセグメントの内の対応する個々のセグメントに対して整列して隣接されるという段階とを備えて成る、
    反射屈折光学レンズ・システムの作製方法。

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