JP2008298434A - 偏光分離素子を含む光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光分離素子の偏光分離多層膜の膜特性にある程度のバラツキがあっても、膜特性のバラツキが装置性能に及ぼす影響を良好に抑える。
【解決手段】 偏光分離素子（３）を含む光学装置は、偏光分離面（３ａ）を経てから再び入射するまでの光路中に配置された第１群の光学部材（４，５，６）と、偏光分離面に再び入射してこれを経た光を受光する受光素子（８）と、受光素子と偏光分離素子との間の光路中に配置された第２群の光学部材（７）と、光源（１）と偏光分離素子との間の光路中に配置された第３群の光学部材（２）と、第１群の光学部材を保持して回転移動が可能な第１ステージ（１２）と、受光素子および第２群の光学部材を保持して回転移動が可能な第２ステージ（１３）と、光源および第３群の光学部材を保持して回転移動が可能な第３ステージ（１１）とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏光分離素子を含む光学装置に関し、例えば光路中に偏光ビームスプリッターが配置された検査装置に関するものである。

光路中に偏光ビームスプリッター（一般には偏光分離素子）が配置された光学装置では、偏光ビームスプリッターの偏光分離面を形成する多層膜の膜特性（一般には光学コーティング特性）を高めることが要求される。

特に、検査装置などにおいて高い装置性能が要求される場合や、０度以外の入射角（３０度、４５度など）および広い波長域に対して所要の膜特性が要求される場合、多層膜の光学薄膜設計および製造許容誤差（公差）について厳しい制約が強いられる。厳しい制約のもとに偏光分離素子を製造しても、実際に製造された偏光分離多層膜の膜特性についてある程度のバラツキが発生することは不可避である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、偏光分離素子の偏光分離多層膜の膜特性にある程度のバラツキがあっても、膜特性のバラツキが装置性能に及ぼす影響を良好に抑えることのできる光学装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、偏光分離素子を含む光学装置において、
前記偏光分離素子の偏光分離面を経てから該偏光分離面に再び入射するまでの光路中に配置された第１群の光学部材と、
前記偏光分離面に再び入射して該偏光分離面を経た光を受光するための受光素子と、
前記受光素子と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第２群の光学部材と、
光を供給するための光源と、
前記光源と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第３群の光学部材と、
前記第１群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第１軸線廻りに回転移動が可能な第１ステージと、
前記受光素子および前記第２群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第２軸線廻りに回転移動が可能な第２ステージと、
前記光源および前記第３群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第３軸線廻りに回転移動が可能な第３ステージとを備えていることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の第２形態では、偏光分離素子を含む光学装置において、
前記偏光分離素子の偏光分離面を経てから該偏光分離面に再び入射するまでの光路中に配置された第１群の光学部材と、
前記偏光分離面に再び入射して該偏光分離面を経た光を受光するための受光素子と、
前記受光素子と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第２群の光学部材と、
前記第１群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第１軸線廻りに回転移動が可能な第１ステージと、
前記受光素子および前記第２群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第２軸線廻りに回転移動が可能な第２ステージとを備え、
前記偏光分離素子は、前記第１ステージまたは前記第２ステージにより保持されていることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の第３形態では、偏光分離素子を含む光学装置において、
光を供給するための光源と、
前記光源と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された光学部材と、
前記光源および前記光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の軸線廻りに回転移動が可能なステージとを備えていることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の光学装置では、偏光分離素子が所要の偏光分離機能を発揮するように他の光学部材などに対して偏光分離面を相対的に位置決め調整することが可能に構成されている。その結果、本発明の光学装置では、実際に製造された偏光分離素子の偏光分離多層膜の膜特性にある程度バラツキがあっても、膜特性のバラツキが装置性能に及ぼす影響を良好に抑えることができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる光学装置の構成を概略的に示す上面図である。図２は、本実施形態の光学装置を図１の矢印Ｆ１に沿って見た側面図である。本実施形態では、被検物体の光学特性を検査するための検査装置に本発明を適用している。

図１および図２を参照すると、本実施形態の検査装置は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源や偏光子などを内蔵して単波長で直線偏光状態の光を供給するための光源１を備えている。光源１から射出された光は、コリメータレンズ２を介して、例えばプリズム型の偏光ビームスプリッター３に入射する。なお、光源１から射出される直線偏光の光は、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａに対してＳ偏光状態に設定されている。

したがって、偏光ビームスプリッター３に入射した光は、多層膜からなる偏光分離面３ａで反射される。偏光ビームスプリッター３で反射された光は、１／４波長板４を介してＳ偏光状態から円偏光状態に変換された後、第１レンズ群（１つまたは複数のレンズ）５を介して、例えば被検光学系のような被検物体２０に入射する。被検物体２０を透過した光は、例えば平面反射鏡のような反射部材６により反射された後、被検物体２０および第１レンズ群５を介して、１／４波長板４に入射する。

１／４波長板４を介して円偏光状態からＰ偏光状態に変換された光は、偏光ビームスプリッター３に再び入射し、その偏光分離面３ａを透過する。偏光ビームスプリッター３を透過した光は、第２レンズ群（１つまたは複数のレンズ）７を介して、例えばＣＣＤカメラのような受光素子８に達する。受光素子８の出力は信号処理系９に供給され、信号処理系９は受光素子８からの信号に基づいて被検物体２０の光学特性（例えば被検光学系の波面収差など）を計測する。

本実施形態の検査装置では、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａを形成する多層膜の膜特性、特にその消光比が装置の性能に大きな影響を与える。ある特定の入射角（例えば４５度）において十分な消光比を得ることができるように偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜が薄膜設計されていても、偏光分離多層膜へ入射したＰ偏光の反射率（縦軸）とその入射角（横軸）とにより規定される膜特性はＶ字型であることが多い。

このことは、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の製造誤差や、他の光学部材などに対する偏光分離多層膜の相対的な位置決め誤差が装置性能に対して敏感であることを意味している。実際に、高精度に製造された偏光ビームスプリッター３であっても、その相対的な位置決めに誤差がある場合、ひいては偏光ビームスプリッター３への入射角に誤差がある場合、所要の偏光分離機能（消光比など）を発揮することができず、装置性能は低下してしまう。

別の見方をすると、所要の精度で製造されていない偏光ビームスプリッター３であっても、他の光学部材などに対して相対的に位置決め調整することができれば、偏光ビームスプリッター３への入射角（ひいては偏光分離多層膜への入射角）が設計値とは微小量だけ異なることにはなるが、偏光ビームスプリッター３が所要の偏光分離機能を発揮することができ、ひいては所望の装置性能を確保することが可能になる。

本実施形態では、光源１、および光源１と偏光ビームスプリッター３との間の光路中に配置されたコリメータレンズ２を、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａを通る回転軸線ＲＡ廻りに回転移動が可能な光源側ステージ１１上に載置することにより保持している。なお、図２では、図面の明瞭化のために、光源１およびコリメータレンズ２の図示を省略している。

また、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａを経てから偏光分離面３ａに再び入射するまでの光路中に配置された１／４波長板４、第１レンズ群５、被検物体２０および反射部材６を、同じく回転軸線ＲＡ廻りに回転移動が可能な被検側ステージ１２上に載置することにより保持している。さらに、受光素子８、および受光素子８と偏光ビームスプリッター３との間の光路中に配置された第２レンズ群７を、同じく回転軸線ＲＡ廻りに回転移動が可能な受光側ステージ１３上に載置することにより保持している。

すなわち、光源１およびコリメータレンズ２を保持する光源側ステージ１１と、１／４波長板４、第１レンズ群５、被検物体２０および反射部材６を保持する被検側ステージ１２と、受光素子８および第２レンズ群７を保持する受光側ステージ１３とは、例えば共通のベース１４上において、共通の回転軸線ＲＡ廻りに回転移動が可能に構成されている。なお、偏光ビームスプリッター３は、例えば共通のベース１４上において、固定的に位置決めされている。

本実施形態では、光源側ステージ１１の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動（微動）を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへ入射する光の入射角を最適化することができる。また、被検側ステージ１２の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動（微動）を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、偏光分離面３ａから被検物体２０へ入射する光の入射角を最適化することができる。また、受光側ステージ１３の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動（微動）を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、偏光分離面３ａから受光素子８へ入射する光の入射角を最適化することができる。

こうして、本実施形態では、検査装置を構成する各光学部材の相対的な光学位置関係（光学的な共役関係など）を崩すことなく、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角、偏光分離面３ａから被検物体２０への光の入射角、および偏光分離面３ａから受光素子８への光の入射角を最適化し、ひいては偏光ビームスプリッター３の偏光分離機能を良好に発揮させることができる。

すなわち、本実施形態の検査装置では、偏光ビームスプリッター３が所要の偏光分離機能を発揮するように、他の光学部材などに対して偏光分離面３ａを相対的に位置決め調整することが可能に構成されている。その結果、実際に製造された偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の膜特性にある程度バラツキがあっても、膜特性のバラツキが装置性能に及ぼす影響を良好に抑えることができる。

本実施形態の検査装置では、何らかの事情により偏光ビームスプリッター３を新たな偏光ビームスプリッターと交換する必要が生じる。この場合も、新たに組み入れられた偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角、偏光分離面３ａから被検物体２０への光の入射角、および偏光分離面３ａから受光素子８への光の入射角を最適化し、ひいては偏光ビームスプリッター３の偏光分離機能を良好に発揮させることができる。

なお、上述の実施形態では、光源側ステージ１１と被検側ステージ１２と受光側ステージ１３とが、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａを通る共通の回転軸線ＲＡ廻りに回転移動可能に構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、各ステージ１１〜１３を、偏光ビームスプリッター３の偏光分離面３ａに平行な別々の軸線廻りに回転移動できるように構成することもできる。

また、上述の実施形態では、偏光ビームスプリッター３が固定的に位置決めされているが、これに限定されることなく、被検側ステージ１２または受光側ステージ１３により偏光ビームスプリッター３を保持することもできる。被検側ステージ１２により偏光ビームスプリッター３を保持する場合、光源側ステージ１１と被検側ステージ１２との間の回転軸線ＲＡ廻りの相対回転移動を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角を最適化することが可能である。受光側ステージ１３により偏光ビームスプリッター３を保持する場合、光源側ステージ１１と受光側ステージ１３との間の回転軸線ＲＡ廻りの相対回転移動を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角を最適化することが可能である。

なお、図１の実施形態において、被検側ステージ１２および受光側ステージ１３の設置を省略し、固定的に位置決めされた偏光ビームスプリッター３に対して光源側ステージ１１の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動を調整する構成も可能である。この場合も、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角を最適化することが可能である。

また、上述の実施形態では、光源側ステージ１１が回転軸線ＲＡ廻りに回転移動可能に設けられているが、これに限定されることなく、光源側ステージ１１の設置を省略することもできる。被検側ステージ１２または受光側ステージ１３により偏光ビームスプリッター３を保持する場合、被検側ステージ１２または受光側ステージ１３の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角を最適化することは可能である。

また、上述の実施形態では、被検側ステージ１２と受光側ステージ１３とが別々の部材として構成されているが、これに限定されることなく、被検側ステージ１２と受光側ステージ１３とを一体的に形成することもできる。この場合も、一体的に形成されたステージの回転軸線ＲＡ廻りの回転移動を調整することにより、偏光ビームスプリッター３の偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３ａへの光の入射角、偏光分離面３ａから被検物体２０への光の入射角、または偏光分離面３ａから受光素子８への光の入射角を最適化することは可能である。

以下、図３を参照して、図１の実施形態から光源側ステージ１１の設置を省略し且つ被検側ステージ１２と受光側ステージ１３とを一体的に形成した変形例を説明する。図３の変形例にかかる検査装置は、波長を切り換えて光を供給する点光源１ａを備えている。点光源１ａは、例えば複数の入射端と１つの射出端とを有するライトガイドの射出端として構成される。この場合、ライトガイドの複数の入射端には、互いに波長の異なる光を供給する複数の光源が接続される。

点光源１ａから射出された光は、図示を省略した偏光子によりＳ偏光状態になり、コリメータレンズ２を介して、例えばプレート型の偏光ビームスプリッター３Ａに入射する。偏光ビームスプリッター３Ａに入射した光は、偏光分離面３Ａａで反射され、１／４波長板４を介して円偏光状態に変換された後、第１レンズ群５を介して被検物体２０に入射する。被検物体２０を透過した光は、反射部材６により反射され、被検物体２０および第１レンズ群５を介して、１／４波長板４に入射する。

１／４波長板４を介してＰ偏光状態に変換された光は、偏光ビームスプリッター３Ａを透過し、第２レンズ群７を介して受光素子８に達する。受光素子８の出力は信号処理系９（図３では不図示）に供給され、信号処理系９は被検物体２０の光学特性を計測する。図３の変形例にかかる検査装置のように、複数の波長に対してＶ字型の良好な膜特性（消光比）が偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離多層膜に要求される場合がある。

図３の変形例では、反射部材６から受光素子８までの光学部材が、偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離面３Ａａを通る回転軸線ＲＡ廻りに回転移動可能なステージ１５により保持されている。したがって、ステージ１５の回転軸線ＲＡ廻りの回転移動を調整することにより、点光源１ａから射出される検査光の波長および偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離多層膜の実際の膜特性に応じて、光源１から偏光分離面３Ａａへ入射する光の入射角を最適化することができる。その結果、図３の変形例においても、実際に製造された偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離多層膜の膜特性にある程度バラツキがあっても、膜特性のバラツキが装置性能に及ぼす影響を良好に抑えることができる。

なお、図３の変形例では、プレート型の偏光ビームスプリッター３Ａを透過する際に発生する収差を考慮する必要がある場合もある。この場合、偏光ビームスプリッター３Ａがウェッジ基板タイプであれば、偏光ビームスプリッター３Ａの受光素子側にウェッジ基板を配置してその配置角度を調整することにより、偏光ビームスプリッター３Ａの透過光の収差を補償することができる。一方、偏光ビームスプリッター３Ａが平行平面板タイプであれば、偏光ビームスプリッター３Ａの受光素子側に平行平面板を配置してその配置角度を調整することにより、偏光ビームスプリッター３Ａの透過光の収差を補償することができる。

また、図３の変形例では、ステージ１５が、偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離面３Ａａを通る回転軸線ＲＡ廻りに回転移動可能に構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、ステージ１５が、偏光ビームスプリッター３Ａの偏光分離面３Ａａに平行な別の軸線廻りに回転移動できるように構成することもできる。

なお、上述の実施形態および変形例では、例えば被検光学系のような被検物体２０の波面収差などの光学特性を計測する検査装置に本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば光学ブロック部材のような被検物体の内部欠陥（均一性の欠如など）などを計測する検査装置や、反射鏡のような被検物体の面形状などを計測する検査装置に対して本発明を適用することができる。また、例えば偏光分離素子と被検物体との間の光路中にフィゾー部材が配置されたフィゾー干渉計のような光学装置に対して本発明を適用することもできる。一般に、偏光分離素子を含む光学装置に対して本発明を適用することができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる光学装置の構成を概略的に示す上面図である。 本実施形態の光学装置を図１の矢印Ｆ１に沿って見た側面図である。 本実施形態の変形例にかかる光学装置の構成を概略的に示す上面図である。

符号の説明

１，１ａ 光源
２ コリメータレンズ
３，３Ａ 偏光ビームスプリッター（偏光分離素子）
３ａ，３Ａａ 偏光分離面（偏光分離多層膜）
４ １／４波長板
６ 反射部材
８ 受光素子
１１〜１３，１５ ステージ
２０ 被検物体
ＲＡ 回転軸線

Claims (10)

1. 偏光分離素子を含む光学装置において、
   前記偏光分離素子の偏光分離面を経てから該偏光分離面に再び入射するまでの光路中に配置された第１群の光学部材と、
   前記偏光分離面に再び入射して該偏光分離面を経た光を受光するための受光素子と、
   前記受光素子と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第２群の光学部材と、
   光を供給するための光源と、
   前記光源と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第３群の光学部材と、
   前記第１群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第１軸線廻りに回転移動が可能な第１ステージと、
   前記受光素子および前記第２群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第２軸線廻りに回転移動が可能な第２ステージと、
   前記光源および前記第３群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第３軸線廻りに回転移動が可能な第３ステージとを備えていることを特徴とする光学装置。
2. 前記第１ステージと前記第２ステージとは一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１軸線と前記第２軸線と前記第３軸線とは、前記偏光分離面を通る互いに同じ軸線であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 偏光分離素子を含む光学装置において、
   前記偏光分離素子の偏光分離面を経てから該偏光分離面に再び入射するまでの光路中に配置された第１群の光学部材と、
   前記偏光分離面に再び入射して該偏光分離面を経た光を受光するための受光素子と、
   前記受光素子と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第２群の光学部材と、
   前記第１群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第１軸線廻りに回転移動が可能な第１ステージと、
   前記受光素子および前記第２群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第２軸線廻りに回転移動が可能な第２ステージとを備え、
   前記偏光分離素子は、前記第１ステージまたは前記第２ステージにより保持されていることを特徴とする光学装置。
5. 前記偏光分離素子は、前記第２ステージにより保持されていることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
6. 前記第１ステージと前記第２ステージとは一体的に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
7. 前記第１軸線と前記第２軸線とは、前記偏光分離面を通る互いに同じ軸線であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 光を供給するための光源と、
   前記光源と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された第３群の光学部材と、
   前記光源および前記第３群の光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の第３軸線廻りに回転移動が可能な第３ステージとをさらに備えていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記第１軸線と前記第２軸線と前記第３軸線とは、前記偏光分離面を通る互いに同じ軸線であることを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
10. 偏光分離素子を含む光学装置において、
    光を供給するための光源と、
    前記光源と前記偏光分離素子との間の光路中に配置された光学部材と、
    前記光源および前記光学部材を保持して、前記偏光分離面に平行な所定の軸線廻りに回転移動が可能なステージとを備えていることを特徴とする光学装置。

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