JP5359397B2 - 光学部材及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、光を通過する小孔であるピンホールを有する光学部材及び光学部材を備えた光学機器に関する。

従来、シャック・ハルトマン法などの波面計測法において、参照球面波の生成や迷光の除去などを目的としてピンホールが使用されている。

渋谷眞人・大木裕史, 回折と結像の光学, 朝倉書店(2005), p105

波面計測では、しばしば偏光依存性が調べられる。すなわち、互いに向きの異なる２つ以上の偏光をもつ光を測定対象に入射させ、測定対象を通過した後の波面を偏光ごとに計測して、偏光に依存した位相の変化を計測する。ピンホールは測定対象でないから、偏光に依存した位相変化を光に与えないことが望ましい。しかしながら、一般に光がピンホールを通過する際には、異なる偏光の間で位相の差が生じてしまう。

本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、光がピンホールを通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差を低減することができるピンホールを有する光学部材及び光学機器を提供することを目的とする。

本発明の光学部材は、遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が拡径される形状からなり、前記ピンホールは、入射する光が通過する際に異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする。
本発明の光学部材は、遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が階段状に拡径される形状からなり、前記ピンホールは、入射する光が通過する際に異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする。
本発明の光学部材は、遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が縮径される第１の孔と、前記光の入射面側から光の出射面側に向けて開口径が拡径される第２の孔とを、前記第１の孔の光軸と第２の孔の光軸とが同軸となるように組み合わせた形状からなり、前記ピンホールは、入射する光が通過する際に、異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする。

また、本発明の光学機器は、上述したいずれかの光学部材を備えたことを特徴とする。

本発明では、光がピンホールを通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差を低減することができる。

本発明のピンホールの第１の実施形態を示す説明図である。 図１のピンホールを拡大して示す説明図である。 ピンホールの側面形状がイメージセンサ上での光強度分布に与える影響をＦＤＴＤ法によって数値シミュレーションした結果を示す説明図である。 本発明のピンホールの第２の実施形態を示す説明図である。 本発明のピンホールの第３の実施形態を示す説明図である。 本発明の光学機器の第１の実施形態を示す説明図である。 本発明の光学機器の第２の実施形態を示す説明図である。

(第１の実施形態)
図１は、本発明の第１の実施形態におけるピンホール部材を示している。

ピンホール部材１１は、厚みの薄い板状をしている。ピンホール部材１１は、金属、シリコン等の遮光性を有する材料により形成されている。ピンホール部材１１には、図２に拡大して示すように小孔からなるピンホールＰＨ１が貫通形成されている。ピンホールＰＨ１は、円形状をしており、側面１１ａの形状をテーパ状とされている。側面１１ａの形状は、入射光Ｌが通過する際に、異なる偏光間に生じる位相の差が小さくなるような形状とされている。より具体的には、側面１１ａの形状は、光の入射側から出射側に向けて拡径するテーパ状とされている。そして、テーパ角度αを、例えば６７．５度とされている。テーパ角度αは、光軸Ｋに垂直な面と側面１１ａとのなす角度である。

このようにテーパ角度αを、例えば６７．５度にすることにより、ピンホールＰＨ１を通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差を効果的に低減することができる。

すなわち、本発明者は、ピンホールＰＨ１の形状を変化させることで、ピンホールＰＨ１を通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差を効果的に低減したいと考え、ピンホールＰＨ１の側面１１ａの形状がイメージセンサ上での光強度分布に与える影響をＦＤＴＤ(Finite Difference Time Domain)法によって数値シミュレーションした。

シミュレーションした系は、図１のようなピンホールＰＨ１である。図２に示すテーパ角度αが４５度、６７．５度、９０度のいずれかの側面１１ａの形状をもつピンホールＰＨ１に対し、図１に示すように様々な入射角θで光を入射させた。簡単のため、入射角θの変化の方向は１次元方向（紙面に平行な方向）のみとし、ピンホールＰＨ１への入射前における各入射開口数の光の強度は等しいとした。ただし入射開口数はＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθで表され、ｎはピンホールＰＨ１の上側の媒質ｍの屈折率、θは入射角である。

それぞれの入射角θの場合にピンホールＰＨ１を通過後の振幅と位相をシミュレーションし、位相の傾きに強度(例えば振幅の二乗)を重みとして掛け合わせたものを、イメージセンサ上での各入射角θにおける光の寄与とした。入射角θを−６５度から６５度まで変化させたときの寄与の総和Ａを、ピンホールＰＨ１を通過した光量の総和Ｂで割った値Ａ／Ｂを計算した。Ａ／Ｂは、各入射角θにおける寄与の平均としての波面の傾きであり、実際の測定においてイメージセンサ上の平均位置から算出される波面の傾きである。

図１において入射光Ｌの偏光方向が紙面に垂直な場合（ｓ偏光）と紙面に平行な場合（ｐ偏光）とでそれぞれ波面の傾きを計算し、その差（偏光差）をとった。ただし、ｓ偏光の位相がｐ偏光のそれよりも遅れている場合を正とした。この偏光差がピンホールＰＨ１を通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差である。

シミュレーションは、入射光Ｌの波長を１９３ｎｍ、ピンホールＰＨ１の直径（最小部）を３８６ｎｍ、ピンホールＰＨ１の厚さ(ピンホール部材１１の肉厚)を２００ｎｍとし、ピンホールＰＨ１の複素屈折率を２．２＋１．２ｉ、ピンホールＰＨ１の上側の媒質ｍの屈折率ｎを１．４４、ピンホールＰＨ１の下側の媒質ｍ’の屈折率ｎ’を１．５６として行った。

図３はシミュレーション結果を示している。縦軸は偏光差、横軸は回折角θ’である。縦軸には任意単位がとられている。曲線ａ、ｂ，ｃはテーパ角度αが９０度、６７．５度、４５度の場合の偏光差を示している。テーパ角度αが６７．５度の場合には、テーパ角度αが９０度、４５度の場合に比較して偏光差が大きく低減しているのがわかる。

ピンホールＰＨ１を通過する光の偏光差がピンホールＰＨ１の形状に依存するのは、偏光差がピンホールＰＨ１による光の回折現象に由来しているためである。ピンホールＰＨ１の形状を変化させることで光の回折の仕方が変化し、ピンホールＰＨ１との相互作用を通して光が受ける、偏光に依存した位相差が変化する。従って、ピンホールＰＨ１の形状を適切に設定することで、ピンホールＰＨ１を通過する光の偏光に依存した位相差を低減することができる。この実施形態のピンホールＰＨ１では、テーパ角度αを、例えば６７．５度に設定することにより、光がピンホールＰＨ１を通過する際に異なる偏光間に生じる位相の差を効果的に低減することができる。

(第２の実施形態)
図４は、本発明の第２の実施形態におけるピンホール部材の要部を示している。

ピンホール部材１１Ａには、小孔からなるピンホールＰＨ２が貫通形成されている。ピンホールＰＨ２は、円形状をしており、側面１１ｂの形状が階段テーパ状とされている。側面１１ｂの形状は、入射光Ｌが通過する際に、その光の偏光に依存して光に生じる位相変化が小さくなるような形状とされている。側面１１ｂの形状は、光の入射側から出射側に向けて階段状に拡径するテーパ状とされている。階段の一段の大きさ(高さＡおよび幅Ｂ)は、測定に用いる光の波長の十分の一程度以下の大きさとされている。このような大きさの場合には、第１の実施形態のピンホールＰＨ１と略同様の特性をもつことになる。なお、階段の数は、図４では説明のために４段としているが、ピンホール部材１１Ａの厚さを変えずに階段の数を増やすことで、第１の実施形態のピンホールＰＨ１により近い特性を得ることができる。

この実施形態では、ピンホールＰＨ２を階段状にしたので、例えばシリコンからなるピンホール部材１１ＡにエッチングによりピンホールＰＨ２を形成する場合には、エッチングを段階的に行ってピンホールＰＨ２を形成することが可能になり製造を容易なものにすることができる。すなわち、階段状の構造の方が、滑らかなテーパ状の構造よりも作製が容易な場合には、階段状の構造を用いると良い。

(第２の実施形態)
図５は、本発明の第３の実施形態におけるピンホール部材の要部を示している。

ピンホール部材１１Ｂには、小孔からなるピンホールＰＨ３が貫通形成されている。ピンホールＰＨ３は、光の入射側に形成される第１の側面１１ｃと、出射側に形成される第２の側面１１ｄとを有している。第１の側面１１ｃと第２の側面１ｄとは円形状をしており同一の軸線上に形成されている。第１の側面１１ｃとの下端と第２の側面１１ｄの上端とは、同一の大きさを有している。第２の側面１１ｄは第１の実施形態のピンホールＰＨ１の側面１１ａと同様の形状をしており、例えばテーパ角度αを６７．５度とされている。第１の側面１１ｃは、光の入射側から出射側に向けて縮径するテーパ状とされている。

この実施形態では、ピンホール部材１１Ｂの入射側に第１の側面１１ｃを形成したので、ピンホール部材１１Ｂの厚みが大きい場合にも、第２の側面１１ｄの形状を容易，確実に形成することができる。また、ピンホール部材１１Ｂの入射側に形成される第１の側面１１ｃと、出射側に形成される第２の側面１１ｄによりピンホールＰＨ３を形成したので、偏光差を低減するための設計の自由度を増大することができる。

(第４の実施形態)
図６は、本発明の光学機器の第１の実施形態である波面計測器を示している。この波面計測器は、シャック・ハルトマン法によって波面計測を行う。

波面計測器は、インコヒーレント光源１３、レンズ１５、第１のピンホール部材１７、レンズ１９、位相物体２１、レンズ２３、第２のピンホール部材２５、コリメータ２７、レンズアレイ２９、イメージセンサ３１を有している。第１のピンホール部材１７および第２のピンホール部材２５には、第１の実施形態で述べた例えばテーパ角度αが３７．５度のピンホールＰＨ１が形成されている。

この波面計測器では、インコヒーレント光源１３から出た光がレンズ１５を経て第１のピンホール部材１７を照明し、第１のピンホール部材１７を通過した光が計測用の参照球面波となる。この参照球面波はレンズ１９によってコリメートされて位相物体２１に入射する。位相物体２１は光の位相を変化させる。位相物体２１を通過した光は、レンズ２３によって集光されて第２のピンホール部材２５を通過し、コリメータ２７とレンズアレイ２９とを経てイメージセンサ３１上に光強度分布をつくる。

図６で、第１のピンホール部材１７、第２のピンホール部材２５とが共役の関係にあり、位相物体２１とレンズアレイ２９とが共役の関係にある。位相物体２１を通過後の波面は、レンズアレイ２９において倒立像として再生され、その波面の傾きがレンズアレイ２９によってイメージセンサ３１上での位置に変換される。

この波面計測器において、第１のピンホール部材１７と第２のピンホール部材２５はともに通過する光に対して異なる偏光間での位相の差を生じさせる。しかしながら、第１のピンホール部材１７と第２のピンホール部材２５には、第１の実施形態で述べた例えばテーパ角度αが３７．５度のピンホールＰＨ１が形成されているため、ピンホールＰＨ１を通過する異なる偏光間に生じる位相の差が非常に小さなものになる。従って、位相物体２１を通過する異なる偏光間に生じる位相の差を精度良く求めることができる。

すなわち、シャック・ハルトマン法などの波面計測法では、波面の傾きをイメージセンサ３１上での位置に変換する光学系を用い、イメージセンサ３１上での光強度分布を計測する。そして、この光強度分布の平均(重心)位置から波面の傾きの量を算出する。光はピンホールＰＨ１を通過する際にその偏光に依存した位相の変化を受けるため、イメージセンサ３１上での光強度分布はピンホールＰＨ１による偏光依存性をもつ。特に、ピンホールＰＨ１に入射する光がインコヒーレントである場合には、様々な入射角θによる寄与がイメージセンサ３１上でインコヒーレントに加算されて計測される。この状況のもとで波面の異なる偏光間での位相の差（偏光差）を計測する場合には、測定対象による偏光差とピンホールによる偏光差とが足し合わさったものが計測されるため、測定対象による偏光差を精度良く計測できない。しかしながら、本発明の波面計測器では、ピンホールＰＨ１を通過する光に生じる偏光差を小さなものにすることが可能であり、これにより波面の偏光差の計測を精度良く行うことが可能になる。

(第５の実施形態)
図７は、本発明の光学機器の第２の実施形態である波面計測器を示している。この波面計測器は、シャック・ハルトマン法によって波面計測を行う。なお、この実施形態において第４の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態では、第４の実施形態のレンズ１９、位相物体２１、レンズ２３に代えて、被検査物となるレンズ３５が配置される。この波面計測器では、被検査物であるレンズ３５のもつ波面収差が計測される。なお、レンズ３５は組み合わせレンズでも良い。

この実施形態では、第１のピンホール部材１７および第２のピンホール部材２５のピンホールＰＨ１を通過する異なる偏光間に生じる位相の差が非常に小さなものになる。従って、被検査物であるレンズ３５を通過することで異なる偏光間に生じる位相の差を精度良く求めることができる。

(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような形態でも良い。

(１)上述した実施形態では、波面計測器からなる光学機器に本発明を適用した例について説明したが、例えば顕微鏡等の光学機器にも広く適用することができる。

(２)上述した実施形態では、独立した部材であるピンホール部材１１，１１Ａ，１１Ｂに本発明のピンホールＰＨ１、ＰＨ２，ＰＨ３を形成した例について説明したが、光学機器を構成する構造部材等に形成されるピンホールにも広く適用することができる。

(３)上述した第４および第５の実施形態では、第１のピンホール部材１７および第２のピンホール部材２５のピンホールに本発明のピンホールを適用した例について説明したが、いずれか一方のピンホール部材にのみ本発明のピンホールを適用するようにしても良い。

１１，１１Ａ，１１Ｂ…ピンホール部材、１１ａ，１１ｂ…側面、１１ｃ…第１の側面、１１ｄ…第２の側面、ＰＨ１，ＰＨ２，ＰＨ３…ピンホール。

Claims (5)

1. 遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、
   前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が拡径される形状からなり、
   前記ピンホールは、入射する光が通過する際に異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする光学部材。
2. 遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、
   前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が階段状に拡径される形状からなり、
   前記ピンホールは、入射する光が通過する際に異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする光学部材。
3. 遮光性を有する材料から形成され、光を通過させるピンホールを有する光学部材において、
   前記ピンホールは、前記光の入射側から前記光の出射側に向けて開口径が縮径される第１の孔と、前記光の入射面側から光の出射面側に向けて開口径が拡径される第２の孔とを、前記第１の孔の光軸と第２の孔の光軸とが同軸となるように組み合わせた形状からなり、
   前記ピンホールは、入射する光が通過する際に、異なる偏光間に生じる位相差を小さくすることを特徴とする光学部材。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学部材において、
   前記ピンホールに入射する光は、偏光したインコヒーレント光であることを特徴とする光学部材。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。

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