JP2024044673A - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上述の課題の少なくともひとつを解決可能な光測定装置を提供する。【解決手段】光源装置２００は、波長掃引光Ｌ１を発生する。照射光学系３１０は、波長掃引光Ｌ１を対象物に照射する。パルス光源２１０は、連続スペクトルを含むパルス光を生成する。分割器２２２は、パルス光を、波長に応じて空間的に複数ｎ個（ｎ≧２）のビームに分割する。複数ｎ本のファイバＦＢは、ｎ個のビームに異なる遅延を与える。カプラ２２６は、ｎ本のファイバＦＢから出力されるｎ個のビームを合波するバンドルファイバＦＢまたはマルチコアファイバである。ロッドインテグレータ２２８は、その入射端がカプラ２２６の出射端と結合される。クリティカル照明系３１２は、ロッドインテグレータ２２８の出射端の光源像を対象物２に投影する。【選択図】図５

Description

本開示は、光測定装置に関する。

対象物の成分分析や検査に分光解析が広く用いられる。分光解析では、照射光を対象物に照射し、照射の結果得られる物体光のスペクトルが測定される。そして、物体光のスペクトルと照射光のスペクトルの関係にもとづいて、反射特性（波長依存性）あるいは透過特性などの光学的特性を得ることができる。

光学特性の測定手法のひとつとして、波長掃引型の分光法が知られている。波長掃引型の分光器は、波長が経時的に変化する波長掃引光を生成し、検査対象に照射する。波長掃引光は、時間と波長が１対１の関係にあるパルスあるいはパルス列である。そして波長掃引光を検査対象に照射して得られる光の時間波形を受光器によって検出する。受光器の出力波形は、時間軸が波長に対応するスペクトルを表す。

図１は、波長掃引型の分光装置１０を示す図である。分光装置１０は、光源装置２０、分光ヘッド３０、演算処理装置４０を備える。

光源装置２０は、波長掃引光Ｌ１を生成する。波長掃引光Ｌ１は、分光ヘッド３０に導かれる。分光ヘッド３０の照射光学系３１は、波長掃引光Ｌ１を試料２に照射する。第１受光器３２は、波長掃引光Ｌ１を試料２に照射した結果得られる光（物体光）Ｌ２を検出する。物体光Ｌ２は、試料２の反射光または透過光でありうる。

照射光学系３１において、波長掃引光Ｌ１の一部が参照光Ｌ３として分岐される。第２受光器３３は、参照光Ｌ３を測定する。

第１受光器３２が生成する第１検出信号Ｓ１と、第２受光器３３が生成する第２検出信号Ｓ２は、演算処理装置４０に供給される。物体光Ｌ２および参照光Ｌ３は、波長掃引光Ｌ１の時間－波長の１対１の対応関係を引き継いでいる。したがって、第１検出信号Ｓ１の時間波形は、時間軸を波長に換算することにより、物体光Ｌ２のスペクトルに変換できる。同様に、第２検出信号Ｓ２の時間波形は、時間軸を波長に換算することにより、参照光Ｌ３のスペクトルに変換できる。演算処理装置４０は、参照光Ｌ３に対する物体光Ｌ２の対応する波長ごとの割合を計算し、試料２の分光特性（反射率や透過率）を測定する。

図２は、波長掃引光を生成する光源装置２０を示す図である。光源装置２０は、パルス光源２１、波長選択フィルタ２２、分割器２３、ディレイライン２４、カプラ２５を備える。

パルス光源２１は、連続スペクトルを有するパルス光を発生する。波長選択フィルタ２２は、パルス光に含まれるスペクトル成分のうち、分光に使用する波長帯域を選択する。分割器２３は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）であり、パルス光を、波長に応じて複数ｎ個の経路に分割する。ディレイライン２４は、複数の経路の光（分割光）に、異なる遅延を与える。たとえばディレイライン２４は、長さが異なる複数のファイバＦＢ１～ＦＢｎを含む。カプラ２５は、マルチコアファイバやバンドルファイバであり、複数のファイバＦＢ１～ＦＢｎから出力される光を空間的に再結合する。再結合された光は、波長掃引光Ｌ１として出射される。

特許文献２には、マルチコアファイバやバンドルファイバであるカプラ２５の出射光を、対象物に照射する光学系が開示されている。マルチコアファイバやバンドルファイバから出射する個々のビームはガウシアンの強度分布を有しており、特許文献２の照射光学系は、ビームを、ガウシアンの強度分布を保ったまま、対象物に照射する。

特開２０２０－１５９９７３号公報 特開２０２２－４２４４４号公報 米国特許出願公開第２０１７／０１２２８０６号明細書

本発明者らは、図２の波長掃引光の光源装置２０について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

（課題１）
図３は、波長掃引型の分光装置の課題のひとつ（課題１という）を説明する図である。波長掃引光Ｌ１のビームは、パルスであり、所定位置に繰り返し照射され、対象物（試料）ＯＢＪは、搬送手段によって、波長掃引光Ｌ１の照射位置を横切るようにして搬送される。図３には、対象物ＯＢＪと波長掃引光Ｌ１のビームの相対的な位置関係が示される。

波長掃引光Ｌ１が、ガウシアン形状の照度分布を有する場合、ガウシアン分布の裾の部分（たとえば１／ｅ^２幅よりも外側）では、強度が不足するため、分光測定に使用できない。したがって、対象物ＯＢＪを、端部を含めた全体にわたり検査する場合、図３の上段に示すように、波長掃引光Ｌ１の強度分布の１／ｅ^２より低い部分（ハッチングを付す）が、対象物ＯＢＪよりも外側にはみ出す。はみ出した光が、迷光となって受光器に入射すると測定精度が低下する。また迷光は、対象物ＯＢＪを透過しておらず減衰していないため、高強度であり、受光器に入射すると、受光器の信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。

図３の下段に示すように、対象物ＯＢＪの両端に照射されるビームの相対位置を、ビームの裾が対象物ＯＢＪに包含されるように、内側にオフセットすることにより、迷光を低減できる。しかしながらこの場合、対象物ＯＢＪの両端を検査することができないため、測定可能範囲が狭くなる。また、照射回数Ｎのスペクトルを積算することにより、Ｓ／Ｎ比は、√Ｎ倍に改善されるところ、図３の下段の状態では、上段の状態に比べて、１個の対象物ＯＢＪに対する波長掃引光Ｌ１のパルスの照射回数が減ることとなり、Ｓ／Ｎ比が低下する。

（課題２）
図４は、波長掃引型の分光装置の課題の別のひとつ（課題２という）を説明する図である。図４には、波長が異なる複数のビームの、対象物ＯＢＪの表面（試料面）における強度分布が示される。対象物ＯＢＪの厚さｄが、照射位置によって異なる場合がある。図４に示すように、波長λ_１とλ_２のビームが異なる位置に照射されると、波長ごとに感じる厚みｄ_１，ｄ_２が異なることとなる。入射光の強度Ｉ_０と透過光の強度Ｉとの間には、一般に下式のランベルト・ベールの法則が成り立っている。
－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ_０）＝ε・ｃ・ｄ
ここで－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ_０）は吸光度、εは吸光係数、ｄは光路長である。光路長すなわち対象物の厚みが一定であれば吸光度は濃度に比例するため、吸光度を測定することで、目的とする物質の濃度を求めることができる。ところが、図４に示すように、対象物ＯＢＪの厚みが均一で無く、ビームが波長によって異なる位置に照射される場合、各波長における対象物の厚みが異なるため、吸光度が、対象物ＯＢＪに含まれる物質の吸光係数εのみでなく、光路長ｄの影響を受けることとなり、ただしく吸光度スペクトルを測定できないという問題が生ずる。

この問題を解決するために、波長が異なる複数のビームを、同じ位置に照射する照射光学系を開示する必要があり、特許文献２に開示されるような特別な光学系が必要となる。

なお、これらの問題を当業者の一般的な認識として捉えてはならず、本発明者らが独自に認識したものである。

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、上述の課題の少なくともひとつを解決可能な光測定装置の提供にある。

本開示のある態様は、光測定装置に関する。光測定装置は、波長掃引光を発生する光源装置と、波長掃引光を対象物に照射する光学系と、を備える。光源装置は、連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に複数ｎ個（ｎ≧２）のビームに分割する分割器と、ｎ個のビームに異なる遅延を与える複数ｎ本のファイバと、ｎ本のファイバから出力されるｎ個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、その入射端がカプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、を含む。光学系は、ロッドインテグレータの出射端の光源像を対象物に投影するクリティカル照明系を含む。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

本開示のある態様によれば、上述の課題の少なくともひとつを解決できる。

波長掃引型の分光装置を示す図である。 波長掃引光を生成する光源装置を示す図である。 波長掃引型の分光装置の課題のひとつを説明する図である。 波長掃引型の分光装置の課題の別のひとつを説明する図である。 実施形態に係る光測定装置を示す図である。 カプラおよびロッドインテグレータを示す斜視図である。 カプラおよびロッドインテグレータの断面図である。 ロッドインテグレータによるプロファイル変換を説明する図である。 波長掃引光を示す図である。 図５の光測定装置による分光を説明する図である。 試料の表面に照射される波長掃引光の強度分布を説明する図である。 光測定装置による第１の効果を説明する図である。 光測定装置による第２の効果を説明する図である。 トップハット型のビームプロファイルを説明する図である。 実施形態に係る光測定装置により生成される照射光のビームプロファイルの測定結果を示す図である。 ビームプロファイルのスムージング処理を説明する図である。 波長の異なる複数のビームのプロファイルを示す図である。 断面が六角形のロッドインテグレータにより得られるビームプロファイルを示す図である。 ロッドインテグレータの断面図である。 断面が円のロッドインテグレータによって得られるビームプロファイルを示す図である。 断面が三角形のロッドインテグレータによって得られるビームプロファイルを示す図である。 断面が四角形のロッドインテグレータによって得られるビームプロファイルを示す図である。 断面が五角形のロッドインテグレータによって得られるビームプロファイルを示す図である。

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

一実施形態に係る光測定装置は、波長掃引光を発生する光源装置と、波長掃引光を対象物に照射する光学系と、を備える。光源装置は、連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に複数ｎ個（ｎ≧２）のビームに分割する分割器と、ｎ個のビームに異なる遅延を与える複数ｎ本のファイバと、ｎ本のファイバから出力されるｎ個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、その入射端がカプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、を含む。光学系は、ロッドインテグレータの出射端の光源像を対象物に投影するクリティカル照明系を含む。

カプラからは、ガウシアンの強度分布を持った複数のビームが出射する。この複数のビームがロッドインテグレータを通過することにより、ロッドインテグレータの出射端において、各ビームは、ガウシアン分布に比べて平坦な、トップハット型のビームプロファイルを有することとなる。したがって、ロッドインテグレータの出射端には、波長が異なる複数のビームが均一な強度分布で重ね合わされた光源像が発生する。この光源像を、クリティカル照明系によってそのまま対象物の表面（試料面）に照射することで、複数の波長が同一箇所、同一範囲に、均一な照度分布で照射される。トップハット型のビームは、ガウシアンビームに比べて、裾の部分のエネルギーが小さいため、ビームの照射位置を対象物の端に寄せたとしても、迷光を抑制できる。

なお、本明細書において、「トップハット型のビームプロファイル」とは、完全なトップハット型であることを意味するのではなく、トップハット型に準ずるプロファイルを含みうる。トップハット型のビームプロファイルは、裾（エッジ）の急峻性と、ピークの平坦性という２つの特徴を具備しており、課題１に関連して、裾の急峻性が重要であり、課題２に関連して、ピークの平坦性が重要となる。

たとえば対象物が平坦である場合、課題１だけを主眼に置くことができ、その場合、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくとも裾の急峻性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。

あるいは、迷光対策が十分になされた装置の場合には、課題２のみを主眼に置くことができ、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくともピークの平坦性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。

一実施形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性が０．２以下であり、平坦性が２５％以下のものを指してもよい。

急峻性は、強度分布のピークを１００％で正規化したときの、強度４０％に対応するビーム幅（４０％幅）と、強度１０％に対応するビーム幅（１０％幅）を用いて以下のように定義するものとする。
急峻性＝（１０％幅－４０％幅）／１０％幅

また平坦性は、強度が４０％以上の範囲（４０％幅内）におけるＣＶ値（変動係数：Coefficient of Variation）で定義する。

一実施形態において、ロッドインテグレータの断面は、多角形であってもよい。ロッドインテグレータは、円形に近いほど、トップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長が長くなる。反対に、三角形や四角形の断面では、同じトップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長は短くできるが、カプラとのアライメントに高い精度が要求される。それらのバランスを考慮すると、五角形～八角形の断面が好適である。

一実施形態において、ロッドインテグレータは、六角形の断面を有してもよい。この場合、要求されるカプラとのアライメント精度を緩和しつつ、トップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長を短縮できる。

一実施形態において、ロッドインテグレータの長さは１００ｍｍより長くてもよい。これにより、十分に平坦なビームプロファイルを得ることができる。

一実施形態において、ロッドインテグレータの長さは５００ｍｍより短くてもよい。たとえば円形のロッドインテグレータを用いて、トップハット側のビームプロファイルを実現しようとすると、５００ｍｍを超えるロッド長が必要となるが、このように長いロッドインテグレータは、自重による曲がり損失が問題となり、また長いロッドインテグレータを高精度に位置決めして支持することは容易ではない。ロッドインテグレータの長さを５００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ以下とすれば、自重による曲がりを抑制でき、また高精度に位置決めして支持することが容易となる。

（実施形態）
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

図５は、実施形態に係る光測定装置１００を示す図である。光測定装置１００は、光源装置２００、照射光学系３１０、受光装置３２０、演算処理装置４００を備える。

光源装置２００は、波長が経時的に変化する波長掃引光Ｌ１を発生する。波長掃引光Ｌ１は、時間と波長が一対一の関係で対応付けられる。これを波長掃引光Ｌ１は「波長の一意性を有する」という。

光源装置２００は、パルス光源２１０およびパルスストレッチャ２２０を備える。

パルス光源２１０は、広帯域な連続スペクトルを有する広帯域パルス光Ｌ１ａを出射する。広帯域パルス光Ｌ１ａのスペクトルは、たとえば９００ｎｍ～１３００ｎｍの範囲において、少なくとも１０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍの波長域にわたって連続している。広帯域パルス光Ｌ１ａの波長域の幅は、分光に必要な波長域をカバーしていればよい。

たとえばパルス光源２１０は、超短パルスレーザと、非線形素子を含みうる。超短パルスレーザとしては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等が例示される。

非線形素子は、非線形現象によって、超短パルスレーザが生成する超短パルスのスペクトル幅をさらに広げる。非線形素子としてはファイバが好適であり、たとえば、フォトニッククリスタルファイバやその他の非線形ファイバを用いることができる。ファイバのモードとしてはシングルモードの場合が好適であるが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、使用することができる。

パルス光源２１０として、ＳＬＤ（Superluminescent Diode）光源のような他の広帯域パルス光源を使用してもよい。

非線形素子から出力される広帯域パルス光Ｌ１ａは、フェムト秒～ナノ秒オーダーのパルス幅を有する。

パルスストレッチャ２２０は、広帯域パルス光Ｌ１ａのパルス幅を伸長し、波長掃引光Ｌ１を出力する。パルスストレッチャ２２０は、分割器２２２、ディレイライン２２４、カプラ２２６、ロッドインテグレータ２２８を備える。

分割器２２２は、広帯域パルス光Ｌ１ａを、波長に応じて複数ｎ個（ｎ≧２）のビームに分割する。分割器２２２の構成は特に限定されないが、たとえばアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）で構成することができる。

ディレイライン２２４は、複数ｎ本のファイバＦＢ１～ＦＢｎを含む。ファイバＦＢ１～ＦＢｎは、異なる長さを有し、分割器２２２によって分割された複数のビームに対して、異なる遅延を与える。

分割前の広帯域パルス光Ｌ１ａが、時間とともに周波数が上昇する（波長が短くなる）正のチャープパルス（アップチャープパルス）であるとする。この場合、パルスの前縁部に最長波長λ_１の成分が含まれ、パルスの後縁部に最短波長λ_ｎの成分が含まれている。

複数のファイバＦＢ１～ＦＢｎは、異なる長さｌ_１～ｌ_ｎを有している。λ_１が最長波長、λ_ｎが最短波長であるとすると、波長掃引光Ｌ１を、広帯域パルス光Ｌ１ａと同じ正のチャープパルスとするためには、１_１＜ｌ_２＜…＜ｌ_ｎの関係を満たしていればよい。一例として、ｎ＝２０の場合、２０本のファイバＦＢの長さｌ_１～ｌ_２０は、１ｍ～２０ｍまで、１ｍ刻みで増加してもよい。

ファイバＦＢ１～ＦＢｎは、波長毎に異なる群遅延特性を有する必要はなく、同一のファイバ（同一のコア／クラッド材料のファイバ）を使用することができる。この意味で、ファイバＦＢは、マルチモードファイバを使用することが可能であり、この場合、意図しない非線形光学効果を防止することができる点において有利である。

カプラ２２６は、ディレイライン２２４によって異なる遅延が付与された複数のビームを再結合する。たとえばカプラ２２６は、ｎ個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバである。

ロッドインテグレータ２２８は、その入射端がカプラ２２６の出射端と光学的に結合され、ビームプロファイルを平滑化するホモジナイザとして機能する。

図６は、カプラ２２６およびロッドインテグレータ２２８を示す斜視図である。カプラ２２６は、複数のファイバ２２７を含み、各ファイバ２２７には、異なる波長λ_１，λ_２，…λ_ｎのビームが伝搬する。各ファイバ２２７内を、ビームは単一横モード（シングルモード）で伝搬し、ファイバ２２７の出射端において、各ビームのプロファイルは、ガウシアン分布を有する。各波長のビームは、ロッドインテグレータ２２８の入射端の異なる位置に入射する。

図７は、カプラ２２６およびロッドインテグレータ２２８の断面図である。この例では、カプラ２２６は、６０本のファイバ２２７を含んでおり、それらがロッドインテグレータ２２８の断面にわたり分布している。

図８は、ロッドインテグレータ２２８によるプロファイル変換を説明する図である。図８には、ｉ番目の波長λｉと、ｊ番目の波長λｊのビームＢＭｉ，ＢＭｊのみが示される。ファイバ２２７から出射したガウシアンビームは、ロッドインテグレータ２２８内を伝搬する。ロッドインテグレータ２２８を伝搬する際に、ビームはマルチモード化し、ビームのサイズは、ロッドインテグレータ２２８の出射端２２９において、ロッドインテグレータ２２８の断面の大きさまで大きくなる。各ビームＢＭｉ，ＢＭｊの出射端におけるプロファイルは、トップハット型に近づく。

以上が光源装置２００の構成である。

図９は、波長掃引光Ｌ１を示す図である。図９の上段は、波長掃引光Ｌ１の強度（時間波形）Ｉ_ＷＳ（ｔ）を、下段は波長掃引光Ｌ１の波長λの時間変化を示す。この例において、波長掃引光Ｌ１は１個のパルス光であり、その前縁部において主波長がλ_１、後縁部において主波長がλ_ｎであり、１パルス内で波長がλ_１からλ_ｎの間で経時的に変化する。この例では、波長掃引光Ｌ１は、時間とともに振動数が増加する、言い換えると時間とともに波長が短くなる正のチャープパルス（λ_１＞λ_ｎ）である。なお、波長掃引光Ｌ１は、時間とともに波長が長くなる負のチャープパルスであってもよい（λ_１＜λ_ｎ）。後述するように、波長掃引光Ｌ１は、波長ごとに、時間的に孤立したパルス（波束）からなるパルス列であってもよい。

図５に戻る。照射光学系３１０は、クリティカル照明系３１２、ビームスプリッタ３１４、ミラー３１６を備える。

クリティカル照明系３１２は、ロッドインテグレータ２２８の出射端２２９の光源像を試料２の表面（試料面）に投影する。

ビームスプリッタ３１４は、波長掃引光Ｌ１の一部を、試料２に向ける。またビームスプリッタ３１４は、波長掃引光Ｌ１の一部を参照光Ｌ３として取り出す。ミラー３１６は、参照光Ｌ３を受光装置３２０に向ける。

受光装置３２０は、第１受光器３２２、第２受光器３２４、Ａ／Ｄコンバータ３２６，３２８を含む。第１受光器３２２は、波長掃引光Ｌ１を試料２に照射して得られる物体光Ｌ２を検出する。物体光Ｌ２は、反射光であってもよいし、透過光であってもよい。

Ａ／Ｄコンバータ３２６は、第１受光器３２２の出力信号Ｓ１をデジタル信号Ｄ１に変換する。第２受光器３２４は、参照光Ｌ３を検出する。Ａ／Ｄコンバータ３２８は、第２受光器３２４の出力信号Ｓ２をデジタル信号Ｄ２に変換する。デジタル信号Ｄ１が示す物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）およびデジタル信号Ｄ２が示す参照光Ｌ３の時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）は、演算処理装置４００に取り込まれる。

波長掃引型の分光法では、波長掃引光Ｌ１における時刻と波長は１対１の対応関係を有する。この対応関係は、当然ながら参照光Ｌ３も有しており、また物体光Ｌ２にも引き継がれる。この時間と波長の対応関係を利用して、演算処理装置４００は、物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を、周波数ドメインのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）に変換する。また演算処理装置４００は、参照光Ｌ３の時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を、スペクトルに変換し、適切にスケーリングすることで、参照スペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）を計算する。

演算処理装置４００の処理は特に限定されないが、一例として演算処理装置４００は、参照スペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）と物体光Ｌ２のスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）にもとづいて、対象物ＯＢＪの透過率Ｔ（λ）もしくは反射率Ｒ（λ）を計算することができる。
Ｔ（λ）＝Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）
Ｒ（λ）＝Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）

図１０は、図５の光測定装置１００による分光を説明する図である。上述のように、波長掃引光Ｌ１は、時間ｔと波長λが１対１で対応しているから、その時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）は、周波数ドメインのスペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）に変換することができる。

物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）も、時間ｔと波長λが１対１で対応したものとなる。したがって演算処理装置４００は、受光装置３２０の出力が示す物体光Ｌ２の波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を、物体光Ｌ２のスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）に変換することができる。

演算処理装置４００は、２つのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）とＩ_ＲＥＦ（λ）の比Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）にもとづいて、対象物ＯＢＪの透過スペクトルＴ（λ）を計算することができる。

波長掃引光Ｌ１における時間ｔの波長λの関係が、λ＝ｆ（ｔ）なる関数で表されるとする。最も簡易には、波長λは、時間ｔに対して、一次関数にしたがってリニアに変化する。物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）が、ある時刻ｔ_ｘにおいて低下するとき、透過スペクトルＴ（λ）は、波長λ_ｘ＝ｆ（ｔ_ｘ）に吸収スペクトルを有することを意味する。

なお、演算処理装置４００における処理はこれに限定されない。時間の２つの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）とＩ_ＲＥＦ（ｔ）の比Ｔ（ｔ）＝Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）／Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を演算した後に、この時間波形Ｔ（ｔ）の変数ｔをλに変換することで、透過スペクトルＴ（λ）を算出してもよい。

続いて光測定装置１００の利点を説明する。

図１１は、試料２の表面に照射される波長掃引光Ｌ１の強度分布を説明する図である。上述のように、ロッドインテグレータ２２８の出射端２２９において、波長λ１～λｎそれぞれのビームＢＭ１～ＢＭｎは、トップハット形状のプロファイルを有しており、出射端２２９の光源像となる。クリティカル照明系３１２は、この光源像を、強度分布を維持したまま、試料２の表面に投影する。なおクリティカル照明系３１２は、出射端２２９のサイズと、試料２のサイズに応じた倍率を有してよく、したがって拡大投影あるいは縮小投影してもよい。試料２の表面には、波長掃引光Ｌ１として、トップハット型の照度分布を有する波長の異なる複数のビームが順次照射される。

図１２は、光測定装置１００による第１の効果を説明する図である。第１の効果は、課題１に対応している。図１２には、対象物ＯＢＪと波長掃引光Ｌ１のビームの相対的な位置関係が示される。上述のように波長掃引光Ｌ１は、対象物ＯＢＪを動かしながら、複数回にわたり照射される。対象物ＯＢＪの表面に照射されるビームは、トップハット形状の強度分布を有しているため、ビームを対象物ＯＢＪの端部に寄せて照射しても、迷光のエネルギーは小さい。したがって、迷光に起因する上述の課題１を解決することができる。

図１３は、光測定装置１００による第２の効果を説明する図である。第２の効果は、課題２に対応している。本実施形態では、クリティカル照明系３１２を利用して、ロッドインテグレータ２２８の出射端２２９の照明像がそのまま、対象物ＯＢＪの表面に投影される。したがって、複数の波長のビームは、実質的に同一箇所に、トップハット形状の強度分布で照射される。これにより、波長の異なるビームは、同じ厚さを感じることとなり、上述の課題２を解決することができる。

続いて、ロッドインテグレータ２２８の設計について説明する。上述のように、ロッドインテグレータ２２８は、複数の波長のビームが、出射端２２９においてトップハット型のビームプロファイルをもつように設計される。そこでトップハット型のビームプロファイルについて説明する。

図１４は、トップハット型のビームプロファイルを説明する図である。本実施形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性と、トップの平坦性の２つの観点から定義することができる。

「トップハット型のビームプロファイル」は、完全なトップハット型であることを意味するのではなく、図１４に示すようなトップハット型に準ずるプロファイルを含みうる。トップハット型のビームプロファイルは、裾（エッジ）の急峻性と、ピークの平坦性という２つの特徴から把握することができる。課題１に関連して、裾の急峻性が重要であり、課題２に関連して、ピークの平坦性が重要となる。

たとえば対象物が平坦である場合、課題１だけを主眼に置くことができ、その場合、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくとも裾の急峻性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。

あるいは、迷光対策が十分になされた装置の場合には、課題２のみを主眼に置くことができ、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくともピークの平坦性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。

急峻性は、強度分布のピークを１００％で正規化したときの、強度４０％に対応するビーム幅（４０％幅）と、強度１０％に対応するビーム幅（１０％幅）を用いて以下のように定義するものとする。
急峻性＝（１０％幅－４０％幅）／１０％幅

課題１を解決するためには、エッジの急峻性が０．２以下であることが好ましい。言い換えると、本実施の形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性が０．２以下であるものをいう。

平坦性は、強度が４０％以上の範囲（４０％幅内）におけるＣＶ値（変動係数：Coefficient of Variation）で定義するものとする。

課題２を解決するためには、ピークの平坦性が２５％以下であることが好ましい。言い換えると、本実施の形態において、トップハット型のビームプロファイルは、平坦性が２５％以下であるものをいう。

続いて、ビームプロファイルの評価の具体例を説明する。図１５は、実施形態に係る光測定装置１００により生成される照射光のビームプロファイルの測定結果を示す図である。ロッドインテグレータ２２８は、０．６９ｍｍの円に外接する正六角形の断面を有し、長さは１００ｍｍである。クリティカル照明系３１２は、焦点距離７５０ｍｍの２枚のレンズで構成され、ロッドインテグレータ２２８の出射端２２９の照明像を、イメージセンサの撮像面に等倍で投影している。

上述したように、ロッドインテグレータ２２８内を光がマルチモード伝搬するため、出射端２２９における照明像には、スペックルが生じる。したがって、それを結像した撮像面（すなわち試料面）のプロファイルもまだら模様が生ずる。したがって、ビームが、トップハット型のプロファイルをもつかどうかを評価する際には、このスペックルの影響をスムージング処理により取り除く必要がある。

スムージング処理の手法は特に限定されないが、以下、その一例を説明する。

図１６は、ビームプロファイルのスムージング処理を説明する図である。処理Ｓ１００において、処理前の元データのスペックルの大きさ（全幅）Δを取得する。この例では、処理Ｓ１００の右図に示すように、１つのスペックルはおおよそ５ピクセルにわたり広がりをもつ。

処理Ｓ１０２において、元データと、元データを＋方向にΔピクセル分、シフトしたデータと、元データを－方向にΔピクセル分、シフトしたデータと、を平均する。この際、重み付け平均をとってもよい。

処理Ｓ１０４において２Δの幅をもつウィンドウを用いて、移動平均をとる。この例でΔ＝５ピクセルであるから、１０ピクセルの移動平均処理が行われることとなる。そして処理Ｓ１０６において、ピークが１（１００％）となるように規格化する。

以上がビームプロファイルの平滑化処理の一例である。当業者によれば、平滑化の手法がこれに限定されないことが理解される。たとえば処理Ｓ１０２とＳ１０４は入れ替えてもよい。また最終的に規格化するため、処理Ｓ１０２は、単純加算であってもよい。

別の平滑化の手法としては、画像データを周波数領域の情報に変換してフィルタリングしてもよい。あるいは、スペックルの幅よりも大きな画素ピッチを有するイメージセンサを用いてビームプロファイルを評価してもよい。

続いて、断面形状や長さが異なるロッドインテグレータ２２８について検討した結果を説明する。

図１７は、波長の異なる複数のビームのプロファイルを示す図である。測定は、図１５で説明したものと同じ条件で行っている。チャンネル番号は、図７のファイバの位置の番号と対応しており、均一化されにくい外周部のチャネルについて示している。各チャンネルの左の図は、平滑化処理前のプロファイルを、右の図は、平滑化処理後のプロファイルを示している。

平滑化処理後のプロファイルについて、エッジの急峻性と、ピークの平坦性を評価した結果は以下の通りである。

・ＣＨ０１
Ｘ方向急峻性 ０．０８
Ｙ方向急峻性 ０．０７
Ｘ方向平坦性 １５．５％
Ｙ方向平坦性 １６．０％

・ＣＨ０２
Ｘ方向急峻性 ０．１０８
Ｙ方向急峻性 ０．０６７
Ｘ方向平坦性 １５．３％
Ｙ方向平坦性 １６．９％

・ＣＨ０３
Ｘ方向急峻性 ０．０９０
Ｙ方向急峻性 ０．１０５
Ｘ方向平坦性 １５．８％
Ｙ方向平坦性 １６．０％

・ＣＨ０４
Ｘ方向急峻性 ０．０９０
Ｙ方向急峻性 ０．０８０
Ｘ方向平坦性 ２０．６％
Ｙ方向平坦性 ２０．６％

続いて、ロッドインテグレータ２２８によるプロファイル変換の長さの依存性について説明する。

図１８は、断面が六角形のロッドインテグレータ２２８により得られるビームプロファイルを示す図である。ロッドインテグレータ２２８の長さを、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍと変化させて、出射端２２９におけるビームプロファイルをシミュレーションした。シミュレーションではマルチモードを考慮できないため実測のような複数ピークを有するまだら状の強度分布とはならないが、傾向は実測とよく一致する。

断面が六角形のロッドインテグレータでは、長さが５０ｍｍでは、ピーク部分において非対称性が見られるが、実用上は十分に平坦であると言える。

続いて、さまざまな断面形状のロッドインテグレータ２２８について検討した結果を説明する。円、三角形、四角形、五角形について検討した。

図１９は、ロッドインテグレータ２２８の断面図である。図中、入射端において、チャンネルＣＨ０３とＣＨ０５の位置に結合するビームについて、出射端におけるビームプロファイルをシミュレーションにより計算した。ロッドインテグレータ２２８の長さは、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍとした。

図２０は、断面が円のロッドインテグレータ２２８によって得られるビームプロファイルを示す図である。円形のロッドインテグレータ２２８は、均一化に必要な長さが、六角形や他の形状に比べて長くなる。また、１５０ｍｍまで長くしても、中央部分の強度が弱いドーナツ状となっており、同じ長さの他の形状と比べて、平坦性で劣っている。

図２１は、断面が三角形のロッドインテグレータ２２８によって得られるビームプロファイルを示す図である。三角形の場合は、短い長さで平坦化が可能である。しかし、カプラ２２６とロッドインテグレータ２２８の位置ズレ（カプラ２２６とロッドインテグレータ２２８の中心位置のズレ）や方向ズレ（回転ズレ）に対してシビアであるため、ズレに対して、厳しい制限が必要となる。また円形のバンドルファイバを内包するには、１辺が、バンドル直径×√３の長さの三角形が必要となり、大きい光学系が必要になる。

図２２は、断面が四角形のロッドインテグレータ２２８によって得られるビームプロファイルを示す図である。四角形も、三角形と同様に、短い長さで平坦化できる。しかしながら、三角形と同様に、四角形も、位置ズレ、方向ズレの影響が大きい。

図２３は、断面が五角形のロッドインテグレータ２２８によって得られるビームプロファイルを示す図である。五角形の場合、均一化に必要な長さは、三角形や四角形よりも長いが、円形よりは短くて済む。三角形や四角形に比べ、位置ズレや方向ズレがビームプロファイルに与える影響は小さいといえる。

以上をまとめると、断面が円形に近いほど、平坦なプロファイルを得るために必要なロッドインテグレータ２２８の長さは長くなり、三角形に近いほど、必要なロッドインテグレータ２２８は短くて済む。

位置ズレや方向ズレについては、円形がもっとも影響を受けにくく、三角形に近いほど、位置ズレや方向ズレに対してシビアとなる。これは、三角形は点対称でなく、四角形も対角線の長さと、中点を結ぶ線分の長さの違いが大きいからである。

そのため、三角形や四角形のロッドインテグレータ２２８を採用すると、試料２の搬送ズレ、具体的には位置ズレ（搬送方向に対し垂直方向のズレ）や角度ズレ（搬送方向のズレ）により、各ビームの試料２内の通過距離が異なることとなり、測定再現性に影響が生じる可能性がある。特に、試料２の形状や凹凸に対して比較的大きい照射径で照射する場合、影響が顕著になる。

この観点において、ロッドインテグレータ２２８の断面は円形に近い方が、上記のような搬送ズレによる影響が少ないが、円形は均一化に必要な長さが長く、１００ｍｍ程度では均一化が不十分である。

一方、五角形や六角形では、１００ｍｍでもある程度均一化できている。特に六角形は線対象であり点対称で円形に近いため、ロッドインテグレータ２２８の断面として好適である。

特に、φ１ｍｍ以下の細い、また数百ｍｍ以上の長いロッドを保持することは実用上、容易ではない。このようなロッドは自重による曲がりが損失をもたらす。曲がりを低減するためには、支持部の個数を増やす必要があるが、ガラスより屈折率が高い接着剤等で保持することになるため保持部で光が漏れて損失が増えるという問題がある。この観点から実用上は、ロッドインテグレータ２２８は、長くても５００ｍｍ以下、好ましくは２００ｍｍ以下とする。六角形のロッドインテグレータ２２８では、５０ｍｍ～１００ｍｍで、実用に耐えうるビームプロファイルが得られるため、ロッドインテグレータ２２８を追加したことによる損失を抑制できる。

本開示に係る実施形態について、具体的な用語を用いて説明したが、この説明は、理解を助けるための例示に過ぎず、本開示あるいは請求の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって規定されるものであり、したがって、ここでは説明しない実施形態、実施例、変形例も、本発明の範囲に含まれる。

Ｌ１ 波長掃引光
Ｌ１ａ 広帯域パルス光
Ｌ２ 物体光
２ 試料
Ｌ３ 参照光
１００ 光測定装置
２００ 光源装置
２１０ パルス光源
２２０ パルスストレッチャ
２２２ 分割器
ＦＢ ファイバ
２２４ ディレイライン
２２６ カプラ
２２８ ロッドインテグレータ
２２９ 出射端
３１０ 照射光学系
３１２ クリティカル照明系
３１４ ビームスプリッタ
３１６ ミラー
３２０ 受光装置
３２２ 第１受光器
３２４ 第２受光器
３２６，３２８ Ａ／Ｄコンバータ
４００ 演算処理装置

Claims (5)

1. 波長掃引光を発生する光源装置と、
   前記波長掃引光を対象物に照射する光学系と、
   を備え、
   前記光源装置は、
   連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、
   前記パルス光を、波長に応じて空間的に複数ｎ個（ｎ≧２）のビームに分割する分割器と、
   前記ｎ個のビームに異なる遅延を与える複数ｎ本のファイバと、
   前記ｎ本のファイバから出力される前記ｎ個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、
   その入射端が前記カプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、
   を含み、
   前記光学系は、前記ロッドインテグレータの出射端の光源像を前記対象物に投影するクリティカル照明系を含むことを特徴とする光測定装置。
2. 前記ロッドインテグレータは、多角形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
3. 前記ロッドインテグレータは、六角形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
4. 前記ロッドインテグレータの長さは１００ｍｍより長いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光測定装置。
5. 前記ロッドインテグレータの長さは５００ｍｍより短いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光測定装置。

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