JP3600806B2 - 波長検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体露光装置用の光源として使用される狭帯域エキシマレーザの波長検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、狭帯域エキシマレーザの波長線幅及び波長を検出するために、モニタエタロンが用いられている。モニタエタロンは部分反射ミラーを所定の間隔を開けて対向配置したエアギャップエタロンを用いて構成されるもので、このエアギャップエタロンの透過波長λは次のように表される。
【０００３】
ｍλ＝２ｎｄ・ｃｏｓθ …（１）
ｍ：整数
ｄ：エタロンと部分反射ミラーの間隔
ｎ：部分反射ミラーの屈折率
θ：エタロンの法線と入射光の成す角
この式により、ｎ，ｄ，ｍが一定とすれば、波長λが変化すると、θが変化することが判る。モニタエタロンでは、この性質を利用して被検出光の波長を検出している。
【０００４】
ところで、上述したモニタエタロンにおいて、エアギャップ内の圧力及び周囲温度が変化してしまうと、波長が一定でも上述した角θは変化してしまう。このため、角θに基づいて波長λを正確に検出できない場合がある。そこで、従来モニタエタロンを用いる場合、エアギャップ内の圧力及び周囲温度等を一定に制御して波長検出を行うようにしていた。
【０００５】
しかし、エアギャップ内の圧力及び周囲温度を高精度に制御する事は困難であり、このため満足する精度で絶対波長を検出する事はできなかった。
【０００６】
そこで、被検出光（出力レーザ光）と共に、予め波長の判明している基準光（例えば水銀ランプの発光線）をモニタエタロンに入射し、この基準光に対する被検出光の相対波長を検出することにより被検出光の絶対波長を精度良く検出するようにした装置が提案されている（例えば、特開平１−１０１６８３号公報、特開平４−３５６９８７号公報）。
【０００７】
かかる装置においては、モニタエタロンの透過光を直接ＣＣＤイメージセンサ等の光検出器上に入射して、該光検出器の検出面上に干渉縞を形成し、干渉縞の位置に基づき上記絶対波長を検出するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの従来技術においても、基準光源のスペクトル波形が歪んでいたり、時間や基準光源の温度の変化によりスペクトル波形が変化した場合は（水銀ランプの２５３．７ｎｍ線は自己吸収がおこり、スペクトル波形が著しく変化する）、モニタエタロンにより発生した干渉縞の光強度分布も歪んでしまう。したがって、このような場合は基準光の波長が変化して高精度に被検出光の絶対波長を特定できなかった。
【０００９】
このため、波長変化が安定な基準光を得るための手法や基準光の絶対波長を高精度に測定するための手法が求められていた。
【００１０】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、安定な基準光が得られると共に、基準光及び被検出光の絶対波長を高精度に測定することができるエキシマレーザの波長検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明では、基準光源として低圧水銀ランプを用い、この基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体の光干渉縞の波形をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記記憶された各水銀同位体の光干渉縞の波形を各水銀同位体の混合比に従って合成することにより前記低圧水銀ランプから出射される基準光の光干渉縞の波形を求める波形合成手段と、この基準光の光干渉縞の波形のうち特定の一つの光干渉縞の波形の特定の強度に対応する２点の位置に基づいて前記基準光の絶対波長を求め、該求めた基準光の絶対波長に基づき被検出光の絶対波長を演算する波長演算手段とを具えるようにしている。
【００１２】
係る発明によれば、低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体の光干渉縞の波形およびその混合比に従って低圧水銀ランプから出射される基準光の光干渉縞の波形を求め、この基準光の光干渉縞の波形のうち特定の一つの光干渉縞の波形の特定の強度に対応する２点の位置に基づいて基準光の絶対波長を求める。
【００１３】
【実施例】
以下、この発明を添付図面に示す実施例に従って詳細に説明する。
【００１４】
図１は、エキシマレーザの波長制御装置の一例を示したものである。
【００１５】
狭帯域発振エキシマレーザ１の狭帯域化されたレーザ光Ｌａ はその一部がビームスプリッタ２によって反射されてサンプリング光としてシャッタ３に入射され、シャッタ３が開状態の時、スリガラス４を介して波長検出器５のビームスプリッタ６に入射される。
【００１６】
一方、基準光Ｌｂを発生するための低圧水銀ランプ７は集光レンズ８の焦点位置と略一致する位置に配置され、これにより基準光による干渉縞の光量を大きくしている。低圧水銀ランプ７で発生した基準光Ｌｂは、シャッタ９が開状態の時にバンドパスフィルタ１０に入力され、このフィルタ１０により波長２５３．７ｎｍ線のみが選択される。該選択された基準光は集光レンズ８を透過してビームスプリッタ６に入射される。
【００１７】
波長検出器５は、ビームスプリッタ６、モニタエタロン１１、集光レンズ１２、及び光位置検出器１３で構成されている。
【００１８】
モニタエタロン１１は、内側の面が部分反射ミラーの２枚の透明板１１ａ、１１ｂから構成され、エタロンに対する入射光の角度に対応して透過波長を異ならせるよう作用する。
【００１９】
エタロン１１を透過した光は集光レンズ１２に入射される。この集光レンズ１２は、例えば被検出光と基準光の両方の波長に対して色収差補正が施された色消しレンズであり、これら両方の干渉縞はこの色消しレンジの焦点の位置に一致して発生する。なお、この集光レンズ１２として凹面ミラーを用いるようにしてもよい。
【００２０】
光位置検出器１３は、集光レンズ１２の焦点面上に配設された例えば１次元または２次元のイメージセンサであり、集光レンズ１２を経た光は光位置検出器１３に結像され、この光位置検出器１３の検出面上に被検出光Ｌａの波長に対応した第１の干渉縞１３ａおよび基準光Ｌｂの波長に対応した第２の干渉縞１３ｂを形成する。光位置検出器１３からは上記第１及び第２の干渉縞の位置に対応する信号が波長検出コントローラ２０に対して出力される。
【００２１】
波長検出コントローラ２０では、これら干渉縞の位置と光強度の信号から基準光Ｌｂに対する被検出光Ｌａの相対波長を演算する。そして、この相対波長と基準光の絶対波長に基づいて被検出光の絶対波長を演算する。さらに、波長検出コントローラ２０では、設定された波長と前記検出した絶対波長との偏差を計算し、この偏差分だけ波長選択素子の選択波長を変化させるべく狭帯域化素子ドライバ２５を制御する。
【００２２】
また、この場合、前記低圧水銀ランプ７に温度センサ１４および冷却ファン１５を取付け、温度コントローラ３０の制御によって低圧水銀ランプ７の温度が所定の温度を維持するように制御するようにしている。
【００２３】
かかる構成において、まず基準光源として用いられている低圧水銀ランプ７の同位体純度について考察する。この低圧水銀ランプ７においては、基準光として２５３．７ｎｍ線を用いるようにしている。
【００２４】
図２に、水銀の同位体に対応する２５３．７ｎｍ線の絶対波長とその相対的な光強度を示している。天然水銀Ｈｇｎａｔの各同位体の存在比は、１０％（２０１Ｈｇ）、１３％（２０１Ｈｇ）、３０％（２０２Ｈｇ）、７％（２０４Ｈｇ）である。したがって、天然水銀Ｈｇｎａｔの２５３．７ｎｍ線は５本の発光線が重なり合うことになる。なお、２０１Ｈｇとは、質量数が２０１の水銀を示している。
【００２５】
図３に、低圧水銀ランプ７に２０２Ｈｇのみを封入した場合（ａ）と、天然水銀Ｈｇｎａｔを封入した場合（ｂ）の干渉縞を示す。なお、この場合フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）＝２０ｐｍのモニタエタロン１１を用いるようにしている。
【００２６】
これら干渉縞を比較すると、図３（ｂ）の天然水銀Ｈｇｎａｔの場合は干渉縞の幅が広く６ｐｍ程度であるので、基準光の絶対波長の特定は困難である。一方、２０２Ｈｇの同位体の場合は、干渉縞の形状は非常に綺麗であり、測定された線幅は非常に狭く１．５ｐｍ程度となり、基準光の絶対波長は図２から２５３．６５２７７ｎｍ（２５３．５６０６３＋０．００２１４）に特定できる。
【００２７】
図４に、低圧水銀ランプ７に２０２Ｈｇのみを封入した場合（ａ）と、天然水銀Ｈｇｎａｔを封入した場合（ｂ）の干渉縞を示す。なお、この場合フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）＝５ｐｍのモニタエタロン１１を用いるようにしている。
【００２８】
これらの干渉縞を比較すると、図４（ｂ）の天然水銀の場合は干渉縞のコントラストが非常に小さいので、基準光の絶対波長の特定は困難である。これに対し、図４（ａ）に示す２０２Ｈｇの同位体のみの場合は干渉縞の形状は非常に綺麗であり、測定された線幅は非常に狭く１．０ｐｍ程度となり、基準光２０２Ｈｇの絶対波長は図１から２５３．６５２７７ｎｍに特定することができる。
【００２９】
ここで、エタロンの分解能Ｒは、次式によって表される。
【００３０】
Ｒ＝ＦＳＲ／Ｆ …（２）
Ｆ：エタロンのフィネス
ＦＳＲ：フリースペクトルレンジ
Ｆはエタロンの面精度、反射率、平行度で決定されるものであり、通常波長２４８ｎｍ付近では、最高で３０程度である。
【００３１】
したがって、モニタエタロンの分解能を向上させるためには、ＦＳＲを小さくする必要があるが、このときには、図４に示すように、低圧水銀ランプ７に対しー種類の同位体を封入した方がよい。
【００３２】
図５（ａ）〜（ｄ）に、低圧水銀ランプ７の同位体水銀２０２Ｈｇの純度９９％、７０％、６１％、３０％に対する各干渉縞をそれぞれ示す。純度Ｐが高くなるにつれて干渉縞のコントラストが向上している。Ｐ＝６１％では、かなりコントラストが低下しているが、２０２Ｈｇによる鋭いピークが検出できるため、基準光の絶対波長を特定することができる。
【００３３】
図６に、同位体の純度Ｐと検出される基準光（２５３．７ｎｍ線）の絶対波長λＨｇ´と理想的な絶対波長λＨｇの差の関係を示す。この図６によれば、Ｐ＝４９％以上では、前記差は殆ど０となっている。またＰ≧４９％では先の図５に示したように同位体による鋭いピークを検出することができる。よって、低圧水銀ランプ７において、特定の同位体の純度Ｐを４９％以上にすれば、基準光の検出波長が理論値からずれることなく理論的な値をそのまま使用することができるようになる。
【００３４】
このように、特定（ー種類）の水銀の同位体を特定の純度以上でランプに封入する事により、スペクトル波形が綺麗で、しかも線幅の狭い基準光が得られるため、ＦＳＲが小さな高分解能のモニタエタロンに対しても基準光として使用することができる。このため、非常に高精度に被検出光の絶対波長を検出することができようになる。
【００３５】
次に、低圧水銀ランプの温度について考察する。
【００３６】
図７に、２０２Ｈｇの場合で、低圧水銀ランプ７のガラス表面の温度Ｔが２０゜Ｃと６０゜Ｃ（点灯して時間が経過）の場合の干渉縞を示す。温度Ｔ＝２５゜Ｃのときは非常に綺麗な波形をしているが、Ｔ＝６０゜Ｃの場合は自己吸収が起こり、干渉縞の中央部が凹んだ状態になる。このような干渉縞の波形は温度Ｔに再現性良く依存し、各温度Ｔに応じた形状となる。別言すれば、温度が一定であれ干渉縞の形状は一定となる。
【００３７】
図８に、低圧水銀ランプ７の表面温度Ｔと検出される基準光（２５３．７ｎｍ線）の絶対波長λＨｇ´と理想的な絶対波長λＨｇの差ΔλＨｇの関係を示す。この図によれば、自己吸収が発生しない状態、すなわち低圧水銀ランプの温度が４０゜Ｃ以下のときには、前記差ΔλＨｇは殆ど０となっている。低圧水銀ランプ７において、表面温度が４０゜Ｃ以下になるように制御すれば、基準光の検出波長が理論値からずれることなく、理論的な値をそのまま使用することができるようになり、これにより基準光波長の各種補正演算を省略することができる。
【００３８】
次に、低圧水銀ランプの型式について考察する。
【００３９】
図９に低圧水銀ランプ７の構造を示す。
【００４０】
図９（ａ）は熱陰極タイプの場合であり、基準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコールガラス、石英ガラスなど）管３１内には、アルゴンのようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い同位体水銀が封入されている。また、このガラス管３１内には、熱電子を放射させるために電子放射性酸化物（Ｂａ０又はＳｒＯ等）をコーティングしたフィラメント３２が内設され、このフィラメント３２に電流が流れると、フィラメント３２が加熱されて熱電子が放出され、同位体水銀が励起されて発光する。安定器３３はフィラメント３２に流れる電流を一定にする為のものである。
【００４１】
この熱陰極タイプの同位体ランプには、以下のような利点を有している。
【００４２】
１．小さな電圧（３０Ｖ程度）で発光し、特別な電源は入らない
２．電流を流せば点灯は瞬時に行われ、また発光は瞬時に安定する
３．発光温度が低いためスプクトル波形が綺麗で、線幅（１ｐｍ以下）が狭い
４．安価である
、５．点灯／消灯による劣化はない。
【００４３】
図９（ｂ）は無電極放電管の場合であり、基準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコールガラス、石英ガラスなど）管３４内には、前記同様アルゴンのようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い同位体水銀が封入されている。このランプの励起は高周波コイル３５および高周波電源３６によって行われる。このランプの場合は、点灯するために最初大きなエネルギーを投入して、点灯させた後、投入エネルギーを絞る事によってスペクトル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基準光を得るようにしている。なお、この無電極同位体ランプでは、点灯して放電状態を安定させるまでに時間がかかる、励起するために大きな電源電圧を必要とする欠点がある。
【００４４】
図９（ｃ）は冷陰極タイプの場合であり、基準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコールガラス、石英ガラスなど）管３７内には、前記同様アルゴンのようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い同位体水銀が封入されている。このガラス管３７内には、２つの電極が封入されており、交流電源３９、昇圧トランス３８により高電圧化（数ＫＶ）して両電極間に高電圧をかけて放電させる。この場合も無電極放電間の場合と同様に、点灯して安定化するためにある程度の時間を要する。また、この冷陰極タイプの場合も点灯した後入力エネルギーを絞ることにより、ある程度スペクトル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基準光を得ることができる。
【００４５】
図１０は、上記図９（ｂ）（ｃ）に示した無電極放電または冷陰極タイプの低圧水銀ランプ７に好適な点灯制御の一例を示すもので、まず、低圧水銀ランプ７の電源をオンにし（ステップ１０１）、次に所定の投入エネルギーＡで電源（図９（ｂ）の場合は電源３６、図９（ｃ）の場合は電源３９）を作動させる（ステップ１０２）。次のステップ１０３ではランプ７が発光したか否かを確認し、確認後、電源の投入エネルギーをＢ（＜Ａ）まで降下させる（ステップ１０４）。最後に、基準光が安定したか否かを確認して（ステップ１０５）、次の手順に移行する。なお、ステップ１０５では、所定時間が経過するのを待つようにしてもよい。なお、この制御を熱陰極タイプのものに適用してもよい。
【００４６】
すなわち、この図１０に示す基準光点灯制御によれば、点灯するために最初大きなエネルギーを投入して、点灯させた後、投入エネルギーを絞る事によってスペクトル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基準光を得るようにしている。
【００４７】
ところで、基準ランプとして低圧水銀の同位体ランプで熱陰極タイプのものを使用した場合、前述したように、電流を流せば点灯は瞬時に行われ、瞬時に発光は安定する。また、先の図８に示したように、ランプの温度は４０゜Ｃ以下であれば、基準光の絶対波長は一定である。したがって、水銀ランプを冷却するか、または点灯した直後に基準光を検出することにより、基準光ランプの温度を検出しなくても高精度に基準光の絶対波長を得ることができる。
【００４８】
したがって、図１に示す構成において、温度センサ１４、冷却ファン１５、温度コントローラ３０を省略し、一定周期で基準光を点灯し、直ちに（０．１〜２秒程度）基準光の干渉縞を検出して基準光を消灯するようにしてもよい。なお、この際にはランプの温度は検出する必要はない。
【００４９】
また、冷却ファン１５のみを取付け、温度センサ１４、温度コントローラ３０を省略し、一定周期でファンのオン、基準光の点灯、基準光の干渉縞の検出処理を実行させるようにしてもよい。また、この制御において、ファン１５のみは常時オンしても良い。
【００５０】
さらに、冷却ファン１５および基準光７を常に点灯し、定期的に基準光の干渉縞の検出を行うようにしても良い。
【００５１】
次に、基準光の絶対波長及び被検出光の絶対波長を求める手法について考察する。
【００５２】
図１１は、ファブリペロ干渉計（モニタエタロン１１）の原理を示したもので、同図（ａ）に示すように、光Ｌがミラー間隔ｄのエタロン１１に入射角度θをもって入射し、エタロン１１、集光レンズ１２を透過すると、集光レンズ１２から焦点距離ｆだけ離れた光検出器１３の検出面上に光Ｌの干渉縞１３ｃが形成される。
【００５３】
ここで、エタロンの基本式は前述したように、
ｍλ＝２ｎｄ・ｃｏｓθ …（１）
ｍ：整数
ｄ：エタロンと部分反射ミラーの間隔
ｎ：部分反射ミラーの屈折率
θ：エタロンの法線と入射光の成す角
であり、上式で角度θ＝０のときのｍをｍ０、波長をλ０とすると、
２ｎｄ＝ｍ０・λ０ …（３）
となる。上記（３）式から（１）式を減算し、これに半角公式（ｃｏｓθ＝１−２ｓｉｎ＾２））を適用すると、
２ｓｉｎ＾２（θ／２）＝（λ／２ｎｄ）（ｍ０−ｍ） …（４）
が得られる。なお、＾２は２乗を示す。
【００５４】
角度θが比較的小さな角度の場合は、ｓｉｎ（θ／２）＝θ／２と近似でき、これを上記（４）式に代入して整理すると、
θ＾２＝（λ／ｎｄ）（ｍ０−ｍ） …（５）
となる。
【００５５】
ここで、同図（ｂ）に示すように、干渉縞１３ｃの中心からの距離をｒとすれば、集光レンズ１２の焦点距離はｆであるから、
ｒ＝ｆθ＝ｆ（λ／ｎｄ）＾１／２（ｍ０−ｍ）＾１／２ …（６）
となる。なお、＾１／２は１／２乗、即ちルートを示す。
【００５６】
ここで、ｃ＝ｆ＾２・（λ／ｎｄ）として（６）式の両辺を２乗すると、
ｒ＾２＝ｃ（ｍ０−ｍ） …（７）
となる（図１１（ｂ）参照）。
【００５７】
ここで、ｐ番目とｐ＋１番目のピークを考えると、（７）式より
ｃ＝ｃ（ｍｐ＋１−ｍｐ）＝ｒｐ＾２−ｒｐ＋１＾２
となる。また、（３）式において、整数ｍを波長λで微分すると、
−Δλ＝（λ＾２／２ｎｄ）・Δｍ
＝ＦＳＲ・Δｍ …（９）
となる。
【００５８】
ここで、（９）式に（７）式を代入すると、
−Δλ＝ＦＳＲ・ｒ＾２／ｃ …（１０）
となる。ここで、ｍ＝ｍ０のときの波長をλ０とすると、求める波長λは（１０）式から
λ＝λ０−ＦＳＲ・ｒ＾２・ｃ …（１１）
として得られる。
【００５９】
ここで、（１１）式は、波長λが干渉縞１３ｃの半径ｒの２乗に比例していることを示している。したがって、干渉縞の半径の２乗を正しく求めることができれば、被検出光の波長を正確に求めることができる。
【００６０】
すなわち、上記エタロンの基本式（１）において、
ｍＨｇを基準光に対応する次数、ｍｅｘを被検出光に対応する次数、λＨｇを基準光の波長、λｅｘを被検出光の波長、ｎＨｇを基準光のエタロン１１のエアギャップ内の屈折率、ｎｅｘを被検出光のエタロン１１のエアギャップ内の屈折率とすると、
ｍＨｇ・λＨｇ＝２ｎＨｇ・ｄ・ｃｏｓθ …（１２）
ｍｅｘ・λｅｘ＝２ｎｅｘ・ｄ・ｃｏｓθ …（１３）
となる。
【００６１】
ここで、基準光の干渉縞と被検出光の干渉縞の直径が一致する場合の波長λｅは、上記（１２）（１３）式からｄ・ｃｏｓθを消去して整理すると、
λｅ＝（ｎｅｘ／ｎＨｇ）・（ｍＨｇ／ｍｅｘ）・λＨｇ …（１４）
となる。したがって、被検出光の干渉縞の半径をｒｅｘ、基準光の干渉縞の半径をｒＨｇとすると、上記（１０）式から被検出光の波長λｅｘは、
λｅｘ−λｅ＝ＦＳＲ・（ｒＨｇ＾２−ｒｅｘ＾２）／ｃ …（１５）
という関係から求めることができる。ここで、基準光と被検出光とは同一のエタロンを透過したものであるから、エタロンの温度などが変化したとしても、この変化による誤差が相殺されて、絶対波長を精度良く検出する事ができる。
【００６２】
ここで、干渉縞の半径の自乗ｒｍ＾２の計算は、図１２に示すようにして実行する。
【００６３】
すなわち、図１２（ａ）の場合は、光強度の最大値Ｉｍａｘを検出し、この半値Ｉｍａｘ／２を計算し、該半値Ｉｍａｘ／２に対応する２位置Ａ，Ｂからそれぞれ内側の円の直径２ｒ１と外側の円の直径２ｒ２を求める。そして、これら各直径から両半径の自乗ｒ１＾２、ｒ２＾２を求め、それらの平均値を下式（１６）のようにして求めることによって干渉縞の半径の自乗ｒｍ＾２を求める。
【００６４】
ｒｍ＾２＝（ｒ１＾２＋ｒ２＾２）／２ …（１６）
また、図１２（ｂ）の場合は、最大値Ｉｍａｘの１／ａに対応する半径ｒ１、ｒ２を求め、これらの半径から干渉縞の半径の自乗ｒｍ＾２を求めるようにしている。
【００６５】
また、図１２（ｃ）の場合は、光強度の最大値Ｉｍａｘと最小値Ｉｍｉｎを検出し、これらの平均値Ｉａｖ（＝（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）／２）を求め、その値に対応する半径ｒ１、ｒ２から干渉縞の半径の自乗ｒｍ＾２を求めるようにしている。
【００６６】
なお、上記（ｂ）（ｃ）の手法は、同位体水銀の純度Ｐが低い２５３．７ｎｍ線の場合に有効である。
【００６７】
図１３に、上記干渉縞を光検出器１３としての１次元又は２次元のフォトダイオードアレイセンサ（ＣＣＤなど）で検出した場合の近似計算方法を模式的に示す。
【００６８】
フォトダイオードアレイセンサの場合は、各チャネルの位置で各光量が計算される。また、その位置分解能は高分解能のもので１３ミクロン程度である。また、１チャネル当たりの分散は０．１ｐｍ／ｃｈであるので、０・０１ｐｍの変化を検出するためには近似計算を行う必要がある。
【００６９】
図１３（ａ）（ｂ）は、フォトダイオードアレイセンサで検出した各チャネルの信号波形に近似曲線を重ねて示したもので、近似曲線は各チャネル間の出力を直線で結んだり、最小自乗法や多次方程式を用いて作成する。
【００７０】
そして、この近似曲線と例えば半値Ｉｍａｘ／２との交点を求めることにより、干渉縞の内側及び外側の半径を求めて前記同様にして干渉縞の半径の自乗を計算する。このような近似計算を行うことにより０．０１ｐｍの分解能で被検出光の絶対波長を検出することができる。
【００７１】
図１４は上記近似計算による干渉縞半径の自乗の計算法の一例を示すもので、この場合には、まず各チャネルの光量値間を直線で結んで近似直線を得る。次に、各チャネルの光強度の中から最大光強度Ｉｍａｘを求め、半値Ｉｍａｘ／２を計算する。次に、上記近似直線と半値Ｉｍａｘ／２との交点を求め、該求められた交点から干渉縞の外側の半径ｒ２と内側の半径ｒ１を計算する。そして、これらの値の平均値を求めることにより干渉縞の半径の自乗をｒｍ＾２を先の（１６）式に従って計算する。
【００７２】
図１５は、上記計算法の他の手法を示すもので、この場合には、直線近似ではなく最小自乗法や多次方程式を用いて近似曲線を得るようにしている。近似曲線を求めた後の手順は先の図１４に示した手法と同じである。
【００７３】
図１６は、各チャネル間を直線近似した後、光強度の最大値Ｉｍａｘと最小値Ｉｍｉｎを検出し、これらの平均値Ｉａｖ（＝（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）／２）を求め、該平均値Ｉａｖと前記近似直線の交点を求め、該求められた交点から干渉縞の外側の半径ｒ２と内側の半径ｒ１を計算し、さらにこれらの値の平均値を求めることにより干渉縞の半径の自乗をｒｍ＾２を先の（１６）式に従って計算する。
【００７４】
図１７は、図１６の手法を直線近似ではなく最小自乗法や多次方程式を用いた近似曲線を用いて行うようにしている。
【００７５】
なお、上記各手法では、各チャネルの光強度値から近似曲線を計算し、該近似曲線と半値等の所定値との交点を求めるようにしているが、例えばチャネル数と光強度の関係が単調増加する領域では、所定値より大きくなったところのチャネルとその１つ前のチャネルの双方の光強度から直線補間をして上記交点を求めるようにして、計算時間を短縮するようにしてもよい。
【００７６】
次に、図１８のフローチャートを用いて水銀の同位体の混合比から基準光の絶対波長を求める手法について考察する。
【００７７】
最初に、各同位体のみの場合のスペクトル波形をデータ又は関数（１９８Ｈｇ（λ，Ｔ）、１９９Ｈｇ（λ，Ｔ）、２００Ｈｇ（λ，Ｔ）、２０１Ｈｇ（λ，Ｔ）、２０２Ｈｇ（λ，Ｔ）、２０４Ｈｇ（λ，Ｔ））として記憶しておく（ステップ２００）。次に、各同位体の混合比（１９８Ｋ、１９９Ｋ、２００Ｋ、２０１Ｋ、２０２Ｋ、２０４Ｋ）とランプの温度Ｔを入力する（ステップ２１０）。
【００７８】
そして、これらスペクトル波形データ及び混合比を用いて合成スペクトルＨｇ（λ，Ｔ）を下式に従って演算する（ステップ２２０）。
【００７９】
Ｈｇ（λ，Ｔ）＝１９８Ｋ・１９８Ｈｇ（λ，Ｔ）＋１９９Ｋ・１９９Ｈｇ（λ，Ｔ）＋２００Ｋ・２００Ｈｇ（λ，Ｔ）＋２０１Ｋ・２０１Ｈｇ（λ，Ｔ）＋２０２Ｋ・２０２Ｈｇ（λ，Ｔ）＋２０４Ｋ・２０４Ｈｇ（λ，Ｔ）…（１７）
図１９は各種同位体混合比の水銀ランプのスペクトル波形を示すもので、（ａ）は２０２Ｈｇの純度９９％、（ｂ）は１９８Ｈｇの純度９９％、（ｃ）は２０２Ｈｇ５１％と１９８Ｈｇ４９％と混合Ｈｇである。
【００８０】
これらのスペクトル波形において、（ａ）（ｂ）のスペクトル波形を重ね合わせた場合、該重ね合わせた波形は（ｃ）の混合Ｈｇの波形にほぼ一致した。このことは、先の（１７）式の演算を行うことにより混合Ｈｇの合成スペクトル波形が得られることを示している。
【００８１】
つぎに、このようにして求めた合成スペクトル波形から、この低圧水銀ランプの絶対波長λＨｇ´を計算する（ステップ２３０）。
【００８２】
この計算方法としては、前記図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した各種手法がある。
【００８３】
図１２（ａ）に示した手法の場合は、合成スペクトルの半値における２点の絶対波長λＨｇ１，λＨｇ２を計算し、その平均値を絶対波長λＨｇ´とする（λＨｇ´＝（λＨｇ１＋λＨｇ２）／２）。
【００８４】
図１２（ｂ）の場合は、ａ分の１（１／ａ）値の２点の波長の平均値を絶対波長λＨｇ´とする。
【００８５】
図１２(c)の場合は、合成スペクトルＨｇ（λ，Ｔ）をモニタエタロン１１によって発生させた場合の干渉縞を理論的に計算し、その干渉縞の最大値Ｉmaxおよび最小値Ｉminを求め、これらの値から前記Ｉavを求める。さらに、このＩavと干渉縞の波形との交点である２点の波長を求め、これらの平均値を絶対波長λHg′とする。
【００８６】
これら求めた絶対波長λＨｇ´と前記（１４）式及び（１５）式を用いて被検出光の絶対波長を求めるようにする（ステップ２４０）。
【００８７】
次に、先の図８に示した基準光の検出絶対波長λＨｇ´および基準光の理論的絶対波長λＨｇの差ΔλＨｇと温度Ｔとの関係から基準光の検出絶対波長λＨｇ´を計算する手法について図２０を用いて考察する。
【００８８】
すなわち、図８に示した関係において、理論的絶対波長λＨｇは既知（２５３．６５２７７ｎｍ）であるので、図８のグラフはランプ温度Ｔと基準光の検出絶対波長λＨｇ´（＝λＨｇ＋ΔλＨｇ）の関係として得ることができる。したがって、ランプ温度Ｔと基準光の検出絶対波長λＨｇ´との関係を予め所定のメモリに例えばテーブル形式で記憶しておく。
【００８９】
そして、基準光の波長を検出する際には、まず低圧水銀ランプ７のガラス表面温度Ｔを温度センサ１４によって検出する（ステップ３００）。
【００９０】
次に、先の対応テーブルから検出温度Ｔに対応するλＨｇ´を読み出し、これを基準光の絶対波長とする。（ステップ３１０）。
【００９１】
次に、この基準光の絶対波長λＨｇ´と光検出器１３で測定された基準光及び被検出光の干渉縞の各半径とを先の（１４）式、（１５）式に代入することにより、被検出光の絶対波長λｅｘを求める（ステップ３２０）。
【００９２】
このように、基準光の温度から基準光の正確な絶対波長を得ることができるので、基準光源の温度制御を行なうことは必要なくなり、ランプ７の温度さえ検出しておけば良くなる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、基準光源として低圧水銀ランプを用い、この低圧水銀ランプに特定の同位体水銀を４９％以上封入した２５３．７ｎｍ線を使用するようにたので、スペクトル波形が綺麗でしかも線幅の狭い基準光が得られる。
【００９４】
またこの発明では、低圧水銀ランプの表面温度を所定の温度（例えば４０゜Ｃ）以下に制御するようにしたので、綺麗で測定のし易いスペクトル波形が得られるとともに、基準光の絶対波長を常に理論値に一致させる事ができ、これにより基準光波長の補正演算を省略することができる。
【００９５】
またこの発明では、低圧水銀ランプを熱陰極型にするようにしているので、以下のような利点がある。
【００９６】
１．小さな電圧（３０Ｖ程度）で発光し、特別な電源は入らない
２．電流を流せば点灯は瞬時に行われ、また発光は瞬時に安定する
３．発光温度が低いためスプクトル波形が綺麗で、線幅（１ｐｍ以下）が狭い
４．安価である
、５．点灯／消灯による劣化はない。
【００９７】
またこの発明によれば、予め記憶した基準光の絶対波長と基準光源の温度との関係から基準光の絶対波長を得るようにしたので、基準光の温度一定制御を行わなくても正確な基準光の絶対波長が得られるようになる。
【００９８】
またこの発明では、低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体のスペクトル波形およびその混合比に従って低圧水銀ランプから出射される基準光のスペクトル波形を求め、この合成スペクトル波形から基準光の絶対波長を求めるようにしているので、基準光の絶対波長の測定のための構成が不要になる。
【００９９】
またこの発明では、低圧水銀ランプとして無電極放電型または冷陰極型を用いると共に、前記低圧水銀ランプに対し、初めは高エネルギーで電源を作動させて前記低圧水銀ランプを点灯し、この点灯を確認すると前記電源の投入エネルギーを降下させるようにしたので、スペクトル線幅の狭い基準光が得られるようになる。
【０１００】
更にこの発明では、光検出素子アレイの各光検出素子の検出出力に所定の近似処理を加えることにより前記基準光及びレーザ発振光のスペクトル波形の近似波形を演算するスペクトル波形近似演算手段を具え、この近似スペクトル波形から前記基準光及びレーザ発振光の干渉縞の半径を演算し、該求めた各干渉縞の半径からレーザ発振光の絶対波長を演算するようにしたので、高分解能のスペクトル波形が得られると共に、その際の演算を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示すブロック図。
【図２】各種Ｈｇ同位体の２５３．７ｎｍ線の波長分布図。
【図３】２０２Ｈｇと天然水銀のスペクトル波形を示す図。
【図４】２０２Ｈｇと天然水銀のスペクトル波形を示す図。
【図５】２０２Ｈｇの各種混合比に応じたスペクトル波形を示す図。
【図６】基準光の波長と特定水銀の純度との関係を示す図。
【図７】温度に応じた２０２Ｈｇのスペクトル波形を示す図。
【図８】基準光の波長と基準光源の温度との関係を示す図。
【図９】低圧水銀ランプの各種タイプを示す図。
【図１０】低圧水銀ランプの点灯制御例を示すフローチャート。
【図１１】モニタエタロンの原理を示す図。
【図１２】干渉縞の半径の自乗を求めるための各種手法を示す図。
【図１３】干渉縞の半径の自乗を求める際の近似計算を示す図。
【図１４】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示すフローチャート。
【図１５】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示すフローチャート。
【図１６】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示すフローチャート。
【図１７】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示すフローチャート。
【図１８】水銀同位体混合比からλｅを求める手順を示すフローチャート。
【図１９】各種混合比の水銀のスペクトル波形を示す図。
【図２０】基準光の温度から被検出光の絶対波長を求める手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…狭帯域発振エキシマレーザ
２…ビームスプリッタ
３…シャッタ
４…スリガラス
５…波長検出器
６…ビームスプリッタ
７…低圧水銀ランプ
８…集光レンズ
９…シャッタ
１０…バンドパスフィルタ
１１…モニタエタロン
１２…集光レンズ
１３…光位置検出器
１４…温度センサ
１５…冷却ファン
２０…波長検出コントローラ
２５…狭帯域化素子ドライバ
３０…温度コントローラ

Claims (1)

1. 基準光源として低圧水銀ランプを用い、この基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出光の絶対波長を検出する波長検出装置において、
   前記低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体の光干渉縞の波形をそれぞれ記憶する記憶手段と、
   前記記憶された各水銀同位体の光干渉縞の波形を各水銀同位体の混合比に従って合成することにより前記低圧水銀ランプから出射される基準光の光干渉縞の波形を求める波形合成手段と、
   この基準光の光干渉縞の波形のうち特定の一つの光干渉縞の波形の特定の強度に対応する２点の位置に基づいて前記基準光の絶対波長を求め、該求めた基準光の絶対波長に基づき被検出光の絶対波長を演算する波長演算手段と
   を具えるようにしたことを特徴とする波長検出装置。

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