JP2964838B2 - 波面整形装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は干渉計等の光源の波面及
び干渉計の参照光の波面を整形するための波面整形装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、干渉計などに用いる光源波面の整
形及び参照波面の整形には波面整形装置が使用されてい
る。

【０００３】図７は従来例を示すもので、入射ビームは
一般に波面１０のように乱れた平面波となっている。乱
れた波面１０は集光レンズ７によりピンホール７０１上
に集光される。ピンホール７０１上の強度分布は図８に
示すように曲線２１８のようなガウス型の広がりを持
つ。これは波面１０が乱れていて単純な平面波となって
いないため、ピンホール７０１面上でスポットが分布を
持つためである。

【０００４】波面整形の役目を持っているのはピンホー
ル７０１で、ピンホール７０１の径はコリメータレンズ
９の後での波面が完全な平面波となるように、コリメー
タコリメータレンズ９のＮＡで決まる回折限界と同程度
になるように設定される。この様子を図８に示す。一般
にはピンホール径８０１はピンホール面上での強度分布
２１８の広がりよりも小さくなり、ピンホール７０１は
光線を遮断する。

【０００５】この結果、ピンホール７０１はコリメータ
レンズ９に対して点光源として働き、コリメータレンズ
９を射出した光は完全な平面波１１になる。集光レンズ
７、ピンホール７０１、コリメータレンズ９で構成され
た系は波面整形装置と呼ばれる。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、前
記従来例では光学系の調整に問題があった。一般的な配
置ではピンホール７０１の径８０１は１μｍ程度とな
り、そこに集光されるビーム径は数μｍとなる場合が多
い。従って、ピンホール７０１の中心とビームの中心の
アライメントが難しい。

【０００７】もう一つの問題はエネルギ−の集中であ
る。レーザーとしてエキシマレーザー等の単位時間あた
りのエネルギ−が高いレーザーの波面を整形する場合に
は、光束の集光点付近に置かれたピンホール面でのエネ
ルギ−が高すぎて、短時間でピンホールが破損してしま
う。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば集光レン
ズ、ピンホール及びコリメータレンズから構成される波
面整形装置に、更に集光レンズの前に少なくとも１ケ以
上のエタロンを設け、且つ該エタロンの内部で多重干渉
により強め合う条件のうち、唯一つの次数のみが透過す
るような径に空間フィルターであるピンホールの径を設
定する。

【０００９】これによりエタロンの干渉条件の中で同一
方向に伝播する唯一の次数のみがコリメータレンズによ
り平行光にされるため、従来例と同様に完全な平面波を
得ることができる。

【００１０】この方法は従来のようにピンホールにより
無駄な光線をカットしているのではなく、エタロンによ
り望ましい次数以外の無駄な光線の大半をカットしてい
る。このため光束が集光する以前にエネルギー密度を低
くすることができて、直接ピンホール面に当たるエネル
ギーが低くなり、ピンホールの破損を防止できる。また
ピンホールの径は少なくとも透過させたい次数の隣の次
数がカットされる条件に設定すればよいので、従来より
もピンホール径を大きくすることができ、アライメント
に対する条件が大幅に緩和される。

【００１１】

【実施例】図１に本発明の実施例１を示す。図７の従来
例との違いは集光レンズ７の前に２個のエタロン１，２
が配置され、かつピンホールの径が異なっていることで
ある。

【００１２】入射波面１０は従来例と同じく完全な平面
波ではなく、乱れた波面となっている。特にエキシマレ
ーザーの場合には、横モードが多モードであるため、波
面の乱れが著しい。波面１０は高反射膜の施された２枚
の平行平板３，４からなるエタロン１（ギャップ厚
ｄ₁）にまず入射する。エタロンへの入射角をθとすれ
ば、 ２ｎｄ₁ ｃｏｓθ＝ｍ₁ λ ・・・・・・（１） を満たす方向θにのみ、光線が透過する。ここでｎは平
行平板間の屈折率、λは波長、ｍ₁ は干渉の次数を示
す。

【００１３】図２は横軸に入射角θ、縦軸に透過光強度
を取ったものであるが、図に示されているように強度分
布２０１〜２０９という離散的な方向にのみ光線が透過
する。

【００１４】光線は次に高反射膜の施された２枚の平行
平板５，６からなるエタロン２（ギャップ厚ｄ₂ ）に入
射し、今度は ２ｎｄ₂ ｃｏｓθ＝ｍ₂ λ ・・・・・・（２） を満たす方向の光線、つまり図２の強度分布２１０〜２
１６という離散的な方向にのみ光線が透過する。但し
（２）でｍ₂ は干渉の次数を示す。

【００１５】ギャップ厚ｄ₁ とｄ₂ の選び方によるが、
本実施例では強度分布２０２と２１１、強度分布２０５
と２１３、強度分布２０８と２１５の方向が共通となっ
ている。

【００１６】従ってエタロン１と２を透過する光は両者
の共通部、即ち図２の強度分布２０２，２０５，２０８
のみとなって集光レンズ７へ入射する。このうちの一部
の光線を示したのが図１で、集光レンズ７に入射した光
は透過光線１２，１３に示されているようにピンホール
面８上に集光される。ピンホール面８上での集光位置x
は、集光レンズ７の焦点距離を fとして ｘ＝ｆｔａｎθ ・・・・・・（３） で表される。

【００１７】従って、エタロン１，２を透過した光線は
図３のようにピンホール８上の位置３０１，３０２，３
０３にのみ集光する。図３における位置（光束）３０
１，３０２は、図２の強度分布２０２，２０５、図１に
おける光束１２，１３に対応する。

【００１８】ここで強度分布２０５と２１３はθ＝０、
つまり集光レンズ７の光軸と一致する方向に伝播する光
束３０２に相当している。

【００１９】従って、図３に示すように、光束３０１，
３０３を遮断する径３０４を持つピンホールを配置すれ
ば、光束３０２に集光する軸上光線のみをコリメータ−
レンズ９へと導光することができる。

【００２０】ここでエタロンの透過特性をもとに、光束
３０２の角度分布を考えると、θ＝０ｄｅｇの透過光の
位相としての半値幅Δδは

【００２１】

【数１】 と表される。

【００２２】ここでＦはフィネスと呼ばれる量で、エタ
ロンの高反射膜の強度反射率をｒ²としたとき次の式
（５）で定義される量である。

【００２３】Ｆ＝４ｒ² ／（１−ｒ² ） ・・・・・・（５） 図２におけるピ−クでの位相をδ₀、この時の透過角をθ
₀、半値での位相をδ₁、この時の透過角をθ₁ とおけば δ₀ ＝（２π／λ）２ｎｄ ｃｏｓθ₀ ・・・・・・（６） δ₁ ＝（２π／λ) ２ｎｄ ｃｏｓθ₁ ・・・・・・（７） と表すことができる。半値幅の関係から δ₀ −δ₁ ＝Δδ／２ ・・・・・・（８） であるところより、式（４），（６），（７）を（８）
に代入すると、θ₁ は

【００２４】

【数２】 従って図３でのピンホール面上での半値幅Δｘは
（３），（９）から Δｘ＝２ｆ ｔａｎθ₁ ・・・・・・（１０） で表される。

【００２５】例えばｄ₁ ＝9999.980μｍ，ｄ₂ ＝6840.0
88μｍ，ｒ＝99％とすると、（１），（２）式において
θ＝０となるのは、波長λ＝0.248 μｍの場合 ｍ₁ ＝ 80645 ， ｍ₂ ＝ 55162 である。

【００２６】このとき、ｍ₁ ，ｍ₂ に隣接する次数、つ
まりｍ₁ −１，ｍ₂ −２・・・・・・及びｍ₁ −１，ｍ₂ −２
・・・・・・を満足する集光位置ｘは、 焦点距離ｆを１０ｍｍ
とすると、以下のような表で示すことができる。

【００２７】

【表１】 従って、この表に表された次数では共通部分である θ＝ 0 deg ,ｘ＝ 0 mm θ＝ 0.494 deg ,ｘ＝ 0.0862mm とθ＝ 0.494 deg ,
ｘ＝ 0.0862mm の重なった部分 のみがエタロン１，２を透過する光線となる。

【００２８】半値幅Δｘは（１０）より次の表のように
なる。

【００２９】

【表２】 例えば NA ＝0.1 の時の回折限界の径は 0.61 λ/NA ＝
1.5μm で、ｒ＝0.99の時のエタロン１の半値幅 1.9μ
ｍより小さい。しかしながら実際には透過光の半値幅は
エタロン１と２の分布のかけ算となるのでｒ≧99％とし
ておけば十分である。

【００３０】従って、集光レンズ７の焦点距離ｆをｆ＝
１０ｍｍとした時、ピンホール８上での集光位置ｘは、
軸上を０とすればｘ＝ｆ ｔａｎθで示されるため、 θ＝ 0 deg の時 ｘ＝ 0 mm θ＝ 0.494 deg の時ｘ＝ 0.0862mm θ＝− 0.494 deg の時ｘ＝− 0.0862mm となる。半値幅による広がりを考えても、φ＝ 0.08mm
のピンホールを配置すれば、θ＝ 0 deg、ｘ＝ 0 mm の
光線のみをコリメータ−レンズ９へ導光することができ
る。

【００３１】以上の数値例を取れば図１の構成において
ピンホール径φ＝ 80 μｍに対し、ピンホール上でのビ
ーム径約φ1.5 μｍという系が実現される。従来 1μｍ
前後の径のピンホールが使用されていたことに比べる
と、本発明で飛躍的にアライメントが容易となったこと
が分かる。またθ＝ 0 degの透過光はピンホール板に当
たることがなく、且つθ＝±0.494 deg の透過光は図３
に示したように、ビーム周辺の強度の弱い部分に相当す
る。従ってピンホール板を破損することもなくなる。

【００３２】従来例でピンホールに集光していた光は２
つのエタロンにより反射され、ピンホールには到達しな
い。その結果、ピンホール板のアライメントに苦労する
ことなく、且つ、ピンホール板を破損することもなく、
完全な平面波１１を得ることができる。

【００３３】このような構成のエタロンを用いた波面整
形装置は、特にエキシマレーザー等の単位時間辺りのエ
ネルギーの高い光源により構成されている干渉計におい
て有効である。この場合、該波面整形装置は光源の波面
を平面波に整形するという目的で干渉計の中の光源部に
配置したり、参照波面を整形するという目的で参照光路
内に配置されたりする。但し、本発明に係るエタロンの
効果はエキシマレーザー等の共振器内に設けられるエタ
ロンの波長選択効果とは基本的に異なる。

【００３４】本発明はエタロンと空間フィルターによ
り、レーザーの横モードを選択しているのに対し、レー
ザー共振器内のエタロンは波長狭帯化のために縦モード
を選択しているからである。

【００３５】従って本発明で用いられるエタロンは共振
器に用いられるエタロンとは設定ギャップ厚も全く異な
る。実際、レーザー内の縦モード選択のためのエタロン
だけでは横モードを純粋に選択することはできない。

【００３６】図４は本発明の実施例２を示すもので、実
施例１のエタロン１，２に傾き調整機構４０１，４０２
を設けたものである。図１の実施例でエタロン１，２の
透過光を所望の角度にするためにはギャップ間隔ｄ₁ ，
ｄ₂ を所定の値に精度よく作成する必要がある。これは
２つのエタロンの伝播方向をそろえるために必須の条件
であるが、ギャップの設定に高い精度を必要とするた
め、組み立て上問題がある。

【００３７】しかし、図４に示すようにエタロン１，２
に傾き調整機構４０１，４０２を付加することにより、
その問題点は解決される。式（１），（２）から分かる
ように、ギャップ厚ｄ₁ ，ｄ₂ の調整と同じく、入射角
θの調整も位相に対し同様の効果を持つ。

【００３８】従ってθの調整によりギャップ厚ｄ₁ ，ｄ
₂ の誤差を除き、所望の角度に光線を透過させることが
できる。これによりギャップ厚ｄ₁ ，ｄ₂ の調整を行わ
ず、エタロン１，２の傾き調整という、より簡単な方法
で所望の角度に透過光線を得ることができる。

【００３９】図５は本発明の実施例３である。本実施例
ではピンホール５０１を集光レンズ７の焦点位置からデ
フォ−カスさせた位置に配置し、かつピンホール径を図
６に示すように、隣り合う次数の光が混入しないような
径６０４となるピンホール５０１としたものである。

【００４０】図６に示したようにエタロン１，２の透過
光６０１，６０２，６０３はデフォ−カスの効果で、ピ
ンホール５０１面上でのエネルギー密度が低下し、ピン
ホール５０１の破損が防止されて、耐久性の向上を達成
することができる。但し、本実施例では図６からも分か
るように図２に示した実施例１と比べると、透過光６０
２のビーム径が広がり、ピンホール径６０４が小さくな
る。このためピンホール５０１のアライメントは若干難
しくなるが、従来例に対しての改善効果は明らかであ
る。

【００４１】従って、本実施例はアライメントの難易度
に余裕のある系の場合、特に有効である。またこれまで
の実施例では２つのエタロンを用いて次数選択の効果を
強調したが、１つのエタロンを用いるだけでも次数の分
離を行うことは可能で、本発明の効果は十分達成でき
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では従来の
波面整形装置にエタロンを加えて配置することによりピ
ンホールの径を大きくすることができるため、アライメ
ントが容易になり、更に不要な光をエタロンで反射して
除去できるため、ビームによるピンホール板の破損を防
ぐことが可能となった。この結果、従来より調整が容易
で、かつ耐久性に優れた波面整形装置を構成することが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１を示す図

【図２】 ２組のエタロンの各々の透過角度特性を示す
図

【図３】 ２組のエタロンの合成された透過特性を示す
図

【図４】 本発明の実施例２を示す図

【図５】 本発明の実施例３を示す図

【図６】 実施例３のピンホール面上での強度分布を示
す図

【図７】 従来例を示す図

【図８】 従来例のピンホール付近の集光ビームの強度
分布を示す図

【符号の説明】

１，２ エタロン ３，４，５，６ 高反射膜の施された平行平板 ７ 集光レンズ ８ ピンホール ９ コリメータレンズ １０ 乱れた入射波面 １１ 平面波 １２ エタロン１及び２を透過する入射角０ deg以外の
光線 １３ エタロン１及び２を透過する入射角０ degの光線 ２０１〜２０９ エタロン１を透過する成分 ２１０〜２１６ エタロン２を透過する成分 ２１７ ０ deg透過光の半値角 ２１８ エタロン透過光のピ−クを示す包絡線 ３０１〜３０３ エタロン１とエタロン２の両方を透過
する成分 ３０４ ピンホール径 ３０５ ０ deg透過光の半値角 ４０１，４０２ エタロンの傾き調整機構 ５０１ ピンホール ６０１〜６０３ ピンホール面上のビームの強度分布 ６０４ ピンホール径 ７０１ ピンホール ８０１ ピンホール径

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１個以上のエタロン、集光レ
   ンズ、該集光レンズの焦点位置近傍に配置された空間フ
   ィルター及び該空間フィルターを通過した光をコリメ−
   トするレンズより構成されていることを特徴とする波面
   整形装置。
2. 【請求項２】 該エタロンが干渉条件の次数によって定
   まる少なくとも１個以上の複数方向の光線を通過させる
   とともに、前記空間フィルターが該複数方向の光線のう
   ち、ただ一つの次数に対応する方向の光線を透過させ、
   該次数以外の光を透過させないことを特徴とする請求項
   １の波面整形装置。
3. 【請求項３】 該エタロンに傾き調整機構がついている
   ことを特徴とする請求項２の波面整形装置。