JP5421256B2 - 光学的測定装置のための光線出力装置、光線出力方法、及び光散乱式測定器 - Google Patents

Description

本発明は、光学的測定装置に使用される光線出力装置であって、光線発生装置と、光学的測定に際して、光線発生装置にて発生した光線形状を決定する手段と、光線に含まれる特定の空間周波数要素を除去（遮断）するための開口及び手段とを備えた装置に関する。

また、本発明は、光学的測定装置において光線を出力する方法であって、光線を発生させる工程と、光線形状を決定するために光線を通路に通過させる工程と、光線に含まれる特定の空間周波数要素を除去するための工程とを含む方法に関する。

また、本発明は、試料粒子を照らすための光線を照射する装置を備えていて光の散乱によって粒子径を測定するための光散乱式測定器に関する。

この種の装置、方法及び器機は公知である。米国特許第５，６１０，７１２号（特許文献１）には、従来のピンホールを基本とする空間フィルタが記載されている。この空間フィルタは通常、光発生レーザダイオード（発生した光線は、周囲の光線を除去するとともに光線を円形状にする第１円形光線絞りを通過する）と、合焦レンズと、ピンホール部材と、ピンホールのエッジに当たる光線の一部によって生じる回折リングを除去するための第２光線絞りと、を備えている。レーザ光線は最終的に、レンズにより平行光となって試料室内を通過する。

セットアップ時における課題として、レーザダイオードから出射されるビームとピンホール部材との不整列に対して影響を受け易いこと、すなわち、得られる光線が空間的コヒーレンスの悪化を有するという点で影響を受け易いことは既に知られている。

米国特許第５，６１０，７１２号

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、最初の段落で言及したタイプの装置、方法、及び器機において、不整列や光線形状を決定する手段（以下、光線成形手段という）の構成要素の公差が大きい場合でも平行光が生じるようにすることにある。

この目的は、光線成形手段より出力される光線にフィルタ処理を施す空間ローパスフィルタを有する本発明の装置よって達成することができ、この空間ローパスフィルタは、フーリエ変換レンズとして機能するリレーレンズ装置と、リレーレンズ装置の焦点面に配置される開口プレートとを含んでいることを特徴とする。

第２の空間フィルタを付加して光学要素の数、特に開口数を増やすことによって、装置が不整列及び公差の影響をより一層受け難くなる点は、反直感的に理解することができる。光線成形手段がピンホール及び絞りの組合せを含んでいる場合には、光線及び／又は絞りに対するピンホールの不整列は決定的に重要な意味を持つ訳ではない。更に、ピンホールは、空間的周波数成分の分離を達成する上で極端に小さくする必要はない。これにより、装置の製造が容易になるとともに光の処理量を増加させることができる。

ＵＳ５,６１０,７１２には、試料中に含まれる複数の粒子のそれぞれのサイズ及びサイズ分布を決定する方法が開示されている。この方法では、ファイバの一端に高いコヒーレンス性を持つ点光源を生じさせるためにレーザビームをモノモードの光ファイバーに通過させる工程を含んでいる。ファイバは、ファイバのコーティング内を進行する外部光が、空間フィルタ処理されたクリーンな光線出力に対し有害でない程度に減衰されるよう十分に長くする必要がある。実施例では、６メートルの光ファイバ・ケーブルは、比較的小さくてコンパクトな装置を提供するために、円筒チューブ回りにコイル状に巻き付けられており、そのために、該ケーブルは伸縮可能な包装カバーにより覆われている。光線成形手段によって出力される光線にフィルタ処理を施すために配置される空間ローパスフィルタの開示はない。

本発明に係る装置は、比較的良好な光線品質を提供する。その理由は次の点にある。ベッセル関数に一致する強度分布を有する光線、及び低強度のサイドローブスは、モノモードの光ファイバー開口から現われる。（例えば、Ｎｅｕｍａｎｎ,Ｅ.-Ｇ.,"Ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ",Ｓｐｒｉｎｇｅｒ,１９８８,ｐｐ.２０２-２０３ 参照）。本発明によれば、光の伝播方向の下流側に配置された空間ローパスフィルタが、該フィルタのカットオフポイントと光ファイバのそれとが同じであっても効果を奏する。光線成形手段がモノ・モードの光ファイバを含んでいる場合に得られる効果は、ファイバ端部の劣化が補償されるということである。光ファイバ端は、十分な光線品質を達成するために超精密研磨により仕上げなければならない。しかしながら、光ファイバの端面は環境悪化の影響を受け易い。これは、測定結果の再現性に悪影響を与える。

空間ローパスフィルタは、フーリエ変換レンズとして機能するリレーレンズ装置と、一般的にリレーレンズ装置の焦点面に配設される開口プレートとを含んでいる。

その効果は、装置を比較的コンパクトに製造できること、及び、比較的高い光出力を提供できることである。リレーレンズ装置は光線の開口数を改善（増加）させる。これにより、光線成形手段を構成する開口を小径化する必要性が低減される。光線成形手段の開口をより小さくすることは回避しなければならない。なぜなら、開口の真円度がより一層重要な意味を持つことになるし光処理量も減少するからである。リレーレンズ装置は、光線が通過する開口数を増加させるので、結果として光学長さが短縮化される。

変形例では、リレーレンズ装置は、互いに接合された複数の単一レンズの組合せを含み、このうち、少なくとも２枚のレンズは、異なる屈曲率及び屈曲分散を示す媒体を含んでいる。

従来のリレーレンズ装置、例えば、球面レンズやドラムレンズを有する装置と比較すると、この変形例では、微小な収差又は低角度の散乱（散乱はフィルタ除去することができない）という効果を得ることができる。

この変形例において、リレーレンズ装置は１.５〜３.５ｍｍの範囲内の直径を有する。

光線成形手段は、該成形手段から出て行く全ての光がリレーレンズにより捕らえることができるようにサイズが決定される。比較的小さいサイズは、この構成のリレーレンズ装置においては珍しいが装置全体の小型化に寄与する。

実施例において、光線成形手段は、一般的に円形のピンホールを含んでいる。このピンホールは、開口を提供する。この開口は、平面内にＡｉｒｙパターンを形成するために光を発生させる装置及び絞りから出力される光線に関連してサイズが決定される。絞りは、Ａｉｒｙパターンの２次の極大値をブロックするために平面内に配置される。

この効果は、光線成形手段をコンパクト化することができるとともにその温度安定性を比較的良好なものとすることができる点にある。温度変化は、絞りによって２次の極大値を捕らえ難くする。このセットアップは、長い光ファイバを必要としないので、光ファイバの変形例に比べて温度及び／又は振動に起因する形状変化の影響を受け難い。更に効果としては、この構成が偏向安定性を提供するということである。モノモードの光ファイバーのみからなる光線成形手段では、偏向面は温度及び応力によって変化する。偏向が、光学測定システム手段に含まれるビームスプリッタ（例えば光線パワーをモニタリングするためのスプリッタ）及び／又はミラーに依存することは、偏向の安定化が測定の再現性を改善することを意味する。モノモードの光ファイバによって偏向安定性を確保するためには、光線の真円度及び光線の強度分布におけるサイドローブの強度分布に関して逆効果となる複屈折性に頼らなくてはならない。

上記ピンホールは、透明な基板上に配置され且つ該基板よりも厚みが大きい略不透明な材料からなる層に形成されている。

結果として、ピンホール形状は精度良く定義され、精度良く製造され、測定中においても安定した形状となるので、低い製造コストで収差をほとんど無くすことができる。基板に支持される層は偏光面における入射光の直径に対して非常に薄い。このスケールでは、ピンホールは略円筒状をなす。この結果、”円筒”内においてより反射は少なくなり、該円筒は仮想的な光源として作用し、Ａｉｒｙパターンの収束を招く。

実施例において、ピンホールは、リソグラフィ処理法によって形成することができる。

この効果は、真円度の高いピンホールを一定の品質で形成することができることにある。この品質は、原理的に、フォトリソグラフィ法においてはフォトリソグラフィマスクの品質、電子ビームリソグラフィ法においては電子ビームの波長、そして、次工程のエッチング処理によって決まる。

実施例において、不透明層及び基板の反対側の表層を構成し且つ基板とは反対側の表面を構成する基板の少なくとも一方の面は、測定時において、基板を通過する光線の伝播方向に対して所定の角度を持って配置される。

この効果は、基板との境界面で反射した光線が、光線発生装置に入るのを防止できる点にある。

実施例では、上記装置は、測定時に光の焦点をピンホールに合わせるためのレンズ装置を備えている。

この効果は効率を上昇させる点にある。

実施例では、上記レンズ装置は、互いに接合された複数の単レンズの組合せを含んでおり、上記単レンズのうち少なくとも２枚の単レンズは、互いに異なる屈折率及び屈折分散を示す媒体を含んでいる。

この結果、微小な収差及び低角度の散乱という効果を得ることができる。

実施例では、上記装置は、測定時に、ピンホール径に対する、該ピンホールにおける光線の１/ｅ２直径の比率が３〜８の範囲内になるように構成されている。

１/ｅ２直径は、光強度がその伝播軸上における強度の１/ｅ２倍となる半径距離を２倍した直径値である。上記の範囲内の値は、上記装置が光発生装置のための十分な光出力をもたらすが不整列に対しては影響を比較的受け難いという良好な結果をもたらす。その空間的コヒーレンスの観点から見た透過ビームの品質が回折限界である。

他の態様では、光学測定器に光線を出力する方法を対象とし、本発明では、光線形状を決定しながら光を通過させるとともに、空間ローパスフィルタを介して空間周波数成分を除去することを特徴とする。

実施例では、この方法は、本発明に係る装置の使用に含まれている。

他の態様では、本発明の光散乱式測定器は、本発明に係る試料粒子を照らすための光線出力装置を含む。

光線出力装置によって得られる効果は、光の散乱を利用して粒子サイズを決定する光散乱式測定器よりも上位に位置づけられるものである。光線出力装置は比較的小さい空間エンベロープを備えている。そして、サンプル・キャリア及びセンサのための空間を残す。装置は、光線に高い空間コヒーレンスをもたらす。これは、散乱光を非散乱光から切り離すために重要である。装置は、１つの狭い波長バンドのために設計されるモノ・モードの光ファイバ・フィルタと違って、異なる波長を許容する。更に、多くの実施例に係る光線出力装置は偏向安定性に優れている。なぜなら、散乱は、Ｍｉｅ理論が適用される粒子サイズ及び波長領域において偏向依存性があるからであり、光線強度を測定するために光線経路に設けられるビームスプリッタ又はハーフミラーが使用されるからである。

本発明は、添付の図面を参照してより詳細に説明される。

光散乱式測定器の構成を示す概略図である（正確な縮尺ではない）。 光散乱式測定器に用いられる検出器の概略正面図である。 光成形手段を使用した光線出力装置の実施例を示す概略図である。 光線形状を決定するために光ファイバーを使用した光線出力装置の実施例を示す概略図である。 図１の光散乱式測定器において、追加の空間フィルタを設けない場合にレーザの横方向のずれ量に対する感度を示した図である。 図１の光散乱式測定器において、追加の空間フィルタを設けた場合にレーザの横方向のずれ量に対する感度を示した図である。 図１の光散乱式測定器において、追加の空間フィルタを設けない場合に第一空間フィルタの絞りの横方向のずれ量に対する感度を示した図である。 図１の光散乱式測定器において、追加の空間フィルタを設けた場合に第一空間フィルタの絞りの横方向のずれ量に対する感度を示した図である。 図１の光散乱式測定器において、追加の空間フィルタを設けない場合にレーザの横方向のずれ量に対する感度を、光線形状を決定するために設けられたピンホールのサイズに応じて示した図である。

レーザ回折測定器として公知の光散乱式測定器（ＬＳ(ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ))１は、空間的にコヒーレントな光線を出力するための装置（光線出力装置）２と、レンジレンズ３と、測定領域４と、センサ群５と、を備えている。センサ群５は通常、レンジレンズ３の焦点面に配設される。測定時には、浮遊中の試料粒子が測定領域４に導かれる。粒子は、その直径に依存した強度分布に応じた光線を前方及び後方に散乱させる。前方に散乱した光は、センサ群５におけるセンサセグメント６ａ，６ｋ（図２）によって検出される。センサセグメント６ａ，６ｋは、コリメート光に一致する光軸に対して、半径方向の距離が増加する側に向かって配設されている。散乱しなかった光は、中央の開口７を通過して非散乱光の伝達を検知するためのフォトセンサ８へと向かう。

目標被写体を光で照らことにより被写体にて散乱した後の光を、該被写体にて散乱せずに通過する光から区別することは、多くの光学測定における必要条件である。このことによって、器機は、反射角の小さい散乱と、被写体の吸収特性とを区別することが可能となるが、さもなくば区別できない。

低角度の散乱光を非散乱光から区別することができる限界は、焦点に収束した光線のスポットサイズの下限値を形成する回折制限によって決まる。「スポットサイズが回折制限によって制限されること」は、測定中に、照射される光線を空間的にコヒーレントな光源から完全には区別できないことを意味している。

実際に達成することができる最も高い空間的コヒーレンスは、この理論的な回折制限を実際の焦点スポットの中で再現している。これには、光線にガウシアン横強度分布を付与するＴＥＭ００光線の伝播を使用する必要がある。この光線は、焦点位置にて１/ｅ２の光線径となる点に特徴を有している。開口は、この回折限界された１/ｅ２直径の３〜４倍を超えるため、焦点面にて受け取られるパワーは、空間的に完全にフィルタされた光線に比べて無視することができ、これにより、原理上はこれらの領域を散乱光を検知するための領域として使用することができる。

しかしながら、実際の光学システムでは、レンズの製造欠陥及び形状誤差に起因して、光線のスポット・サイズに対する回折制限をほとんど達成することはできない。これらは、焦点にて重なる収差を引き起こし、そして、メインガウシアンスポットにおける光パワーの漏出を招く。これは、通常の軌道からずれた角度で被写体から散乱する光の測定を不能とする光を発生させる。

メイン光線から逸れた光のパワーは、原理的には、レーザが収束する焦点面のどこにでも行くことができる。しかし、略全てに共通して発生する光路差が、最低角度の散乱に対してパワーの漏出を招く。結果として、それは、光線の最も近くにおいて空間的にフィルタされた光線からの重大なパワー漏出を記録する検出器となる。

それ故、この測定器機では、高い空間コヒーレンスを有する光源は、より低角度の散乱光を正確に非散乱光から分離することができてその性能が向上することは明白である。

例えば、角度を持った光散乱に基づく粒径サイズ解析では、いかなる固定光学系においても測定可能な最大粒径は、確実に測定可能な最低散乱角度に基づいて直接的に決定される。回折限界により決まるスポットサイズは、測定可能な最大サイズに制限を課することとなる一方、光線伝播における光の収差は低い側の限界に制限を課す。したがって、光線の空間的コヒーレンスを向上させることは、これらの光学的測定システムに対して現実的な利益をもたらす。

ＬＳ測定器１の動作原理は、このように公知である。変形例として、後方散乱光を検出するための光検出器を有するものであってもよいし、波長が異なる付加的な光源を有するものであってもよい。このことは、例えばＥＰ ０ ９９２ ７８５に記載されている。本実施例は、前方散乱光の測定に関連しているが、このような理由で、図面ではこの特徴部分を省略している。

粒子による低角度の前方散乱は、フランホーファ理論を採用することにより一次近似としてモデル化することができる。強度分布は、

として表される。

θは散乱角（光の伝播軸に対して計測される角度）、λは光の波長、そして、ｄは粒子径である。Ｊは、一次のベッセル関数を意味する。試料粒子の存在下におけるアンサンブル強度分布は、信号処理ユニット（図示省略）により実行されるアルゴリズムにより具現化されたモデルを使用して計算される粒径分布に関連している。実際のＬＳ測定器１において、アルゴリズムは、フランホーファ理論よりもむしろミー理論に基づいている。しかし、仮に粒子が照射光の波長よりも十分に大きい場合には、低角度での前方散乱に起因して前者の理論よりも後者の理論が採用される。

前述の方程式によれば、大粒子は大角度よりも小さい角度で散乱すること、低波長の光はより大きい角度で散乱することは明らかである。したがって、粒子の検出範囲の上端領域に含まれる粒子によって低角度で散乱する光と、全く散乱しない光とを区別するためには、測定領域４に入射する光はできる限り空間的にコヒーレントでなくてはならない。このことは、光線の基本モードが優位でなくてはならないこと、及び、光線は点光源によって発せられるもの、すなわち球状波面（漸近的に制限される平面波）を有する必要があることを意味している。本願明細書に記載されている全ての実施例において、光線発生装置、及び、該装置にて発生した光線の形状を決定するための手段は、実質的にＴＥＭ００プロフィールを有する光線を発生させるように配置される。空間的コヒーレンスの更なる改良は、光線成形手段から光を受け取る空間フィルタを更に追加することによって実現される。

散乱理論によれば、低波長の光はより大きな角度で散乱することとなる。このことは、低波長を使用することでＬＳ測定器１をより一層コンパクト化できるという点で効果がある。センサアレイ５は、散乱光が大きい角度範囲を占める場合には、測定領域４のより近くに配設しなければならない。

ミー理論及びフランホーファ理論は共に、入射光が空間的にコヒーレントであると仮定している。装置２はまた、ＬＳ測定器内における逆フーリエ・セットアップを使用したアプリケーションを有している。図示の例は、測定領域４に平行光線を適用する。この目的のために、ＬＳ測定器１はコリメーションレンズ装置９を有している。コリメートレンズ装置９は、一般的ガウシアン強度分布を有する空間的にコヒーレントな円形光線が適用される場合にはコリメート光線のみを発生させる。

装置２によって出力される空間的にコヒーレントな光線の適切な測定値は、センサアレイ５の最奥部にある２つのセンサ領域６ａ,６ｂの強度の合計値とされる。本願明細書において、この測定値は、装置２の各種要素及び変形例の効果を示すために用いられるが、装置２内における異なるレベルの反射損失及び消散的損失を考慮して、該測定値は、フォトセンサ８からの信号を使用して３ｍＷの電力出力に対応するために拡大・縮小される。

図１に例示される装置２は、単色光を発生させるためのフィルタ装置１０と、装置１０にて発生した光線を、点光源発生装置１２のピンホールに集中させるためのレンズ１１と、第一開口プレート（ここではエアクリッパ１３として言及される）と、リレーレンズ１４と、第２開口プレート１５と、第２フォトセンサ１６と、を備えている。

一般的にモノクロの光線を発生させる装置１０としては、発光ダイオード、固体レーザ、又はガスレーザを採用することができる。第２フォトセンサ１６は、装置１０から出射される光線のパワーを制御するための制御装置に対して信号を供給するように配置されている。装置１０は、その定格出力、センサアレイ５にて観測可能な強度分布を得るために必要な出力を上回るように設計される。装置２の寿命時間を超えることにより、構成要素は品質が低下及び／又は不整列を生じるようになり、これにより、コリメーションレンズ装置９に達する光線の減少を招く。内側制御ループ及び装置１０のサイズを大きめに設定することによって、この光線の減少を確実に防止することができる。それは、以下の説明でより詳細に説明する装置２の全ての変形例の特徴である。

図３は、レーザダイオード光源１７を有する実施例を示す。実施例では、レーザダイオード光源１７は、可視範囲おいて、５００ｎｍ未満好ましくは４０５ｎｍ付近に波長強度のピークを有する光を発するように構成されている。この種の青色レーザダイオードは、一般消費者向けの電子装置用に広く利用されており、このため、それらをますます入手し易くなっている。比較的短い波長によって、比較的小さい粒子がＬＳ測定器１の測定範囲中に存在することを確かめることができる。それらの装置では、レーザダイオードは、空間的コヒーレンスに乏しい光を発する。しかし、この効果は装置２の他の構成要素によって緩和される。

合焦レンズ装置１８は複レンズ、すなわち、屈折性及び分光性が異なるタイプのガラスからなる２つの単レンズの組合せからなる。この効果は、低い空間的周波数における光の収差及びノイズを、ほとんどの場合に回避することができるということである。これは望ましいことである。さもなくば装置２は、ローパス空間フィルタ及び光線成形器のみで構成されることとなって、測定領域４を照らすための光線には収差及びノイズが残ったままになるからである。合焦レンズ装置１８を形成している複レンズは所望の特性を奏するように研磨される。

図３にて図示したように、点光源発生器１２は、基板１９及びコーティング２０から成り、コーディング２０には、ピンホール２１が設けられている。ピンホール２１は、円形孔を形成していて、そこから現れる光の形状を決定する。すなわち、その直径は通常、合焦レンズ装置１８がレーザダイオード光源１７からの光線を集中させる点より小さいと言うことである。ピンホール２１の直径に対する、該ピンホール２１における光線の１/ｅ２直径の比率が３〜８の範囲の値を有する場合には、良好な結果が得られる。

このサイズにおいて、ピンホール２１は点光源として作用する。ピンホールのサイズは、Ａｉｒｙクリッパー１３が配置される平面にてＡｉｒｙパターンが発生するように光を生成する光線発生装置１０の出力光線に関連して決定される。すなわち、強度分布は通常、Ａｉｒｙ関数によって決まるということである。

ここで、Ｊ１は一次のベッセル関数を意味する。ａは、ピンホール２１の径を表し、ｋは波数を表し、θはレーザビームの伝播方向と一致する光軸に対する角度を表す。

Ａｉｒｙクリッパー１３は、他の透明プレートに形成された光伝送開口を含み、この伝送開口は、Ａｉｒｙパターンの一次の極小値に一致する大きさに形成されており、それ故、Ａｉｒｙパターンに含まれる２次及び全ての高次元の極大値を遮断する。このような方法では、Ａｉｒｙクリッパー１３は、光線中における特定の範囲よりも大きい空間的周波数を除去（遮断）するように作動する。

Ａｉｒｙパターンの最大値の中心つまりＡｉｒｙディスクは、良好な近似によりガウシアン分布と等価である。このため、Ａｉｒｙクリッパー１３から現れる光線は実質的にＴＥＭ００プロフィールを有することとなる。略完璧に近いＡｉｒｙパターンを提供するために、ピンホール２１を横切る強度は、略一定でなくてはならない。これは、ピンホール２１を非常に小さくすることによって達成することができる。しかしながら、これは、製作誤差の点、及び、ピンホール２１は良い真円度を有するべきものである点、及び、光処理量の点で問題がある。リレーレンズ１４及び第２開口プレート１５を含む空間フィルタの存在は、ピンホール２１の直径への要求のために幾分か緩和される。

いくつかの実施例において、金属箔中のピンホールを、ここで詳細を示した点光源発生器１２の代わりに使用することも考えられる。しかしながら、薄いコーティング２０は、ピンホール２１を、レーザビームの伝播方向の小さい範囲に形成することを容易にする。これは更に、Ａｉｒｙクリッパー１３の平面内において明確なＡｉｒｙパターンを形成するのに貢献する。

実施例において、コーティング２０はニッケルからなる。例えば、ニッケル箔は、基板１９に結合することもできる。他の実施例において、コーティング２０は、クロム（例えば、蒸着によって例えば３５０ｎｍの厚さに形成されたクロム）からなる。クロム層２０は、銅又はニッケル箔よりも製造費が安価である。基板１９は、例えば溶融シリカからなるものであってもよい。点光源発生器１２のプロトタイプは、６μｍ〜１８μｍの範囲内のピンホール直径によって形成されている。ピンホール２１が装置２の光線形状を決定するので、良好な真円度及び正確なサイジングを行うことが望ましい。これは、例えば、フォトリソグラフィ又は直接的な電子ビームリソグラフィを用いた方法によってピンホール２１を形成することによって達成される。高品質のマスクは、このような方法で製造される一連の点光源発生器１２のピンホール２１を一貫して確実に円形化することができる。実施例において、点光源発生器１２は、個々の点光源発生器１２のために切り取られるコーティング基板から製造される。

点光源発生器１２は、表面２２（コーティング２０を支持している側とは反対側の面２２）の法線が光軸に対して１°〜１０°の範囲内、好ましくは光軸に対して略１．５°の角度で傾斜するように配設されている。効果は、コーティング２０で反射されたいかなる光もレーザダイオード光源１７に戻らないという点である。

図１に一旦戻って、Ａｉｒｙクリッパー１３は、光学的に高密度の材料（例えば銅又はニッケル）からなるプレートの開口を含んでいる。開口は通常、直径１〜２ｍｍの範囲内にある。それはリソグラフィ技術を使用して製造することもできるし、電鋳法を使用して製造することもできる。電鋳処理は、収縮又は歪曲なしで形を再生して基板を必要としない。仮に使用する心棒がプロセス中において高品質仕上げを施したものである場合には、Ａｉｒｙクリッパー１３の開口は、高い真円度及び比較的小さい公差範囲内の直径を有することとなる。

Ａｉｒｙクリッパー１３の後には、リレーレンズ装置１４及び第２開口プレート１５かなる空間フィルタが続いて配設されている。リレーレンズ装置１４は、フーリエ変換レンズとして機能するものであって焦点面内に形成されている。焦点面内には、第２開口プレート１５が配設されている。光線成形手段から受信される光線のフーリエ変換は、点光源発生器１２及びＡｉｒｙクリッパー１３を含んでいる。光線に含まれる高い空間的周波数成分は、第２開口プレート１５によって除去される。

図示の実施例では、リレーレンズ装置１４は、特注研磨の複レンズ（図３の合焦レンズ配列１８のような）からなるとともに、図３に示すような合焦レンズ配列１８を有している。しかしながら、リレーレンズ装置１４は１.５〜３.５ｍｍの範囲内の直径を有する。特注研磨の復レンズの代わりに、球面レンズ又はドラム・レンズを用いることもできる。しかしながら、型で鋳た球面は低強度の低周波数ノイズをもたらすこととなる。ドラム・レンズは、光の収差を簡単に生じさせてしまう。

第２開口プレート１５は、略１０μｍ〜５０μｍの範囲内の直径、好ましくは３０μｍ〜４５μｍの直径開口を有する銅箔である。第２開口プレート１５は、開口の直径に比して薄く、例えば希釈剤の８倍程度である。

図４は、ＬＳ測定器１用に装置２の代わりに使用される光線出力装置２３の他の実施例を示す。他の実施例に係る装置２３は、光線形状を決定するための光ファイバ２４、及び、空間フィルタ処理されたレーザ光線が現れる開口２５を含んでいる。光ファイバ２４は、光線中に含まれる特定の範囲よりも上側の空間周波数成分を除去するための手段を形成する。しかしながら、開口２５から現れる光はベッセル関数にしたがった強度分布を有する。このため、リレーレンズ２６を有する空間フィルタ、及び開口プレート２７が設けられている。光ファイバ２４は、モノクロ光を発生させる装置２８（例えばレーザダイオード・ソース１７のようなレーザダイオード）に連結して示されている。リレーレンズ２６及び開口プレート２７は、リレーレンズ装置１及び第２開口プレート１５（図１及び図３参照）としてである。

図式的に示されているように、光ファイバ２４は、他のコンパクト器機に比べて十分な長さを確保することができるように巻き線状に形成されている。クラッドモードの拒絶は、光ファイバ２４の長さによって改善される。しかしながら、勾配型屈折率繊維でさえも、サイドローブと共にベッセル関数にしたがった強度分布を生じる開口２５が存在しており、それによってフィルタ処理光に収差が生じる。図４の実施例は、光ファイバ２４の長さを増加させることによって更に改良が得られないという認識に基づいている。なぜなら開口２５は、基本的な制限を課すからである。その代わりに、特別の余分な大きさの空間ローパスフィルタを開口２５の後に配設することで、光線品質は改善されることとなる。

ある特定の範囲より上の空間的周波数成分を除去するために配設される光線成形手段及び空間フィルタの双方を使用することの効果は、不整列に対する感度が減少するということである。これは図５〜図９に示されており、これらは、図１から図３に示すＬＳ器機１のプロトタイプを用いて得られたものである。

コリメートレンズ装置９からの光線の品質に応じて、それはより少なく又はより多くの発散を生じ、そして、粒子が存在しないときは、より多くの又は少ない低角度回折を示す。したがって、第１及び第２のセンサセグメント６ａ，６ｂにおける入射パワーの合計値は、上述したように、比較的良好な測定基準を示す。

図５は、リレーレンズ装置１４及び第２開口プレート１５からなる空間フィルタを設けない装置における合計パワーを示す。

図６は、リレーレンズ装置１４及び第２開口プレート１５を有する装置における合計パワーを示す。合計パワーは、リレーレンズ装置１４における減衰を考慮して、また、実験を通じた光線パワーのバラツキを考慮して拡大又は縮小される。合計パワーは、センサアレイ５から得られる光電流信号を離散化するために用いるＡ／Ｄ変換器（図示省略）の出力を単位としてプロットされている。

図５及び図６の線図は、光線発生装置１０と、点光源発生器１２、Ａｉｒｙクリッパー１３及び中央貫通孔７の、光軸との距離を変化させることで得られた測定値に基づいている。この不整列は、Ｘ-Ｙステージを使用して意図的に導入される。第１及び第２センサ部分６ａ，６ｂの双方によって測定される合計パワーがプロットされる。なぜなら、それらは互いに中心光軸の反対側に配置されるからである。一つの入射パワーさえ観察されれば、不整列は観測された光線品質の明らかな改善を導く。

ハッチングされた領域２９,３０は、Ｈｅ-Ｎｅガスレーザ及び一つの光学空間フィルタからなる実験室用の最高水準のＬＳ器機を使用したのと同じ実験を行うことで得られる合計パワーレベルの範囲を差し示す。対照的に、ＬＳ測定器１のプロトタイプはレーザダイオードを使用している。最先端のレーザ器機は不整列ではない。すなわち、ハッチが施された領域２９,３０のｘ座標値は意味を有さない。円３１ａ〜３１ｅ、３２ａ〜３２ｅは、レンジレンズ３からの全体の光線力を表すが、ｙ軸基準では描かれていない。第一の円３１ａ、３２ａは３ｍＷの光線力に対応している。全体の光線力が不整列の増加と共に減少することは明らかである。更にまた、図６の結果を得た構成の方が、内側の区画６ａ、６ｂにおける全入射パワーは更に小さい。

明白であることは、グラフ３３,３４の勾配によって表される不整列に対する感度は、空間フィルタを備えている場合の方がより小さいことである。更に、光線品質は、ハッチング領域２９、３０によって表された参照器機の品質と同程度である。

図５及び図６の結果は、８.８μｍの直径を有するピンホール２１を有する点光源発生器１２を使用して得られたものであり、コーティング２０はクロムで構成されている。基板１９は、フォトリソグラフィックマスクを生産するために通常使用される基板であって、所定サイズにカットされるとともに２°傾けて配設されている。Ａｉｒｙクリッパー１３は、直径１ｍｍの開口を有している。第２開口プレート１５の開口は直径４０μｍである。レーザダイオード光源１７は、３５ｍＷの赤色レーザダイオードであって、略６５８ｎｍの波長の光を発するように構成されている。

図７及び図８はＡｉｒｙクリッパー１３の不整列の効果を示す。同様に、グラフ３５,３６は、内側２つのセンサセグメント６ａ、６ｂで測定される強度の拡大・縮小された合計を示す。円３７,３８は、レーザパワーの絶対値を表す。ハッチング領域３９,４０は、実験器機のための合計パワーを比較用（不整列なしのものとの比較用）に示したものである。リレーレンズ装置１４及び第２開口プレート１５からなる空間フィルタの効果は、不整列に対するＬＳ測定器１の感度を減少させることが、グラフ３５，３６の傾斜から明らかである。

図９では、空間フィルタは、光線品質を大きく低下させることなくより大きな直径のピンホール２１を使用可能にする点が示されている。この線図は、第１、第２、第３のグラフ４１，４２，４３を得るために点光源発生器１２が使用される点が異なる以外は、図６及び図８の線図を得るために使用されたのと同じ構成を使用して得られたものである。レーザダイオード光源１７は、ｘ軸上に示される量だけ光軸に対して横方向にずれ（不整列）が生じている。グラフ４１,４２,４３は、合計強度を３ｍＷの光強度に拡大・縮小したものを示している。第１、第２、第３の円４４,４５,４６は、絶対出力レベルを表し、そして、ハッチング領域４７は、図５〜８の線図に示すハッチング領域２９,３０,３９,４０と同じ基準を表す。第１のグラフ４１及び第１の円４４は、銅箔に形成された直径１７μｍのピンホール２１を使用して得られたものである。第２のグラフ４２及び第２の円４５は、銅箔に形成された直径１４μｍのピンホール２１によって得られた測定結果を表す。第３のグラフ４３及び第３の円４６は、図５〜８を得るために使用される点光源発生装置１２を使用して得られた測定結果を表す。

直径８.８μｍのピンホール２１に代えて直径１４μｍのピンホール２１を使用しても、最先端の実験器機におけるレベルと比較して遜色のない光線品質が得られることがわかる。円４５によって示される出力レベルは、より大きな直径を有するピンホール２１のためにより高くなっている。そして、この直径は、適切なパワーを伴うレーザダイオード光源１７の能力、及び、解析されるサンプル試料のタイプに依存して決定することが好ましい。

第２及び第３のグラフ４２,４３は共に、本願明細書において述べた実施例の特徴である”不整列に対する感度の低さ”を例示している。ＬＳ測定器１のプロトタイプは比較的コンパクトであり、光軸に沿った長さが通常、１６０ｍｍよりも小さい。

本発明は、上記の実施例に限定されず、添付の請求の範囲内で様々な変形が可能である。例えば、可視光の範囲に対応する波長領域に強度スペクトルのピークを有する光線を発生させるために使用されるダイオードポンプ型の固体レーザを使用するようにしてもよい。全ての実施例において、光線を発生させるための装置１０は、ガスレーザ（例えばヘリウムネオンレーザ）により実現することもできる。この種のレーザは、ミラー及びハーフミラーにより形成される光学的空洞を備えている。光線成形手段及び本願明細書に記載されている空間フィルタを使用しない場合には、一般的に使用される視覚的にフラットなミラーに起因して発生する光線の変動により測定時の不整列問題が引き起こされる。特に、光線変動の効果は、点光源発生器１２が使用される場合には否定される。なぜなら、ピンホール２１の容量を超えるからである。

この説明は、回折測定器のために使用される光線出力装置に焦点を当てたものであるが、これは、空間的コヒーレンスが重要な他のタイプの光学器機にも同様に適用することができる。例えば、上記装置は分光法の分野においても適用することができる。

Claims (13)

1. 光線を発生させるための光発生装置（１０；１７；２８）と、該光発生装置（１０；１７；２８）によって発生した光線の形状を決定するための光線成形手段(１２，２１；２４）と、開口部(２１；２５)と、光線中に含まれる所定周波数域を超える空間周波数成分を除去する手段(１３；２４)とを備え、光散乱式測定器(１)に使用される回折制限された略単色の光線を出力する光線出力装置（１７；２３）であって、
   上記光線成形手段より出力される光線にフィルタ処理を施す空間ローパスフィルタ(１４,１５；２６,２７）を更に備え、
   上記空間ローパスフィルタは、
   フーリエ変換レンズとして機能するリレーレンズ装置(１４；２６)と、
   上記リレーレンズ装置(１４；２６)の焦点面に配設される開口プレート(１５；２７)と、
   を有していることを特徴とする光線出力装置。
2. 請求項１記載の光線出力装置において、
   上記リレーレンズ装置(１４)は、互いに接合された複数の単レンズの組合せを含み、
   上記単レンズのうち少なくとも２枚の単レンズは、互いに異なる屈折率及び屈折分散を示す媒体を含んでいることを特徴とする光線出力装置。
3. 請求項１又は２記載の光線出力装置において、
   上記リレーレンズ装置(１４；２６)の直径は１.５ｍｍ〜３.５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする光線出力装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光線出力装置において、
   上記光学成形手段は、
   開口部を有し且つ平面にＡｉｒｙパターンを形成するように光を発生させる光発生装置（１０；１７；２８）からの出力光線に関連してサイズが設定された略円形のピンホール(２１)と、
   上記Ａｉｒｙパターンの２次の極大値を遮断するべく上記平面に形成された絞り(１３)と、
   を有していることを特徴とする光線出力装置。
5. 請求項４記載の光線出力装置において、
   上記ピンホール（２１）は、透明な基板上に配置され且つ該基板よりも厚みが大きい略不透明な材料からなる層(２０)に形成されていることを特徴とする光線出力装置。
6. 請求項４又は５記載の光線出力装置において、
   上記ピンホール（２１)は、リソグラフィック処理法により形成されることを特徴とする光線出力装置。
7. 請求項４乃至６のいずれか一項に記載の光線出力装置において、
   不透明層(２０)及び基板(１９)の反対側の表面（２１）を構成する基板(１９)の少なくとも一の面は、測定時において、基板(１９)を通過する光線の伝播方向に対して所定の角度を持つように位置していることを特徴とする光線出力装置。
8. 請求項４乃至７のいずれか一項に記載の光線出力装置において、
   測定時に光の焦点をピンホール(２１)に合わせるためのレンズ装置(１１,１８)を備えていることを特徴とする光線出力装置。
9. 請求項８記載の光線出力装置において、
   上記レンズ装置(１１；１８)は、互いに接合された複数の単レンズの組合せを含み、
   上記単レンズのうち少なくとも２枚の単レンズは、互いに異なる屈折率及び屈折分散を示す媒体を含んでいることを特徴とする光線出力装置。
10. 請求項８又は９記載の光線出力装置において、
    測定時に、ピンホール(２１)径に対する、該ピンホール(２１)における光線の１/ｅ２直径の比率が３〜８の範囲内になることを特徴とする光線出力装置。
11. 光散乱式測定器(１)に対して回折制限された略単色の光線を出力する方法であって、
    光線を発生させる工程と、光線形状を決定するとともに該光線中に含まれる所定周波数域を超える空間周波数成分を除去するための通路（２１，２４）に光線を通過させる工程とを含み、
    光線形状が決定され且つ空間周波数成分が除去された後の光線を、空間ローパスフィルタ（１４,１５；２６,２７）に通す工程をさらに含み、
    上記空間ローパスフィルタは、
    フーリエ変換レンズとして機能するリレーレンズ装置(１４；２６)と、
    上記リレーレンズ装置(１４；２６)の焦点面に配設される開口プレート(１５；２７)と、
    を有していることを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法において、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置(２；２３)を使用することを特徴とする方法。
13. 光散乱を利用して粒子サイズを決定する光散乱式測定器であって、
    試料粒子に光線を照射するための光線を出力する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置(２；２３)を備えたことを特徴とする光散乱式測定器。

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