JP6600312B2 - ビーム伝播カメラ及び光ビーム解析の方法 - Google Patents

Description

本願は、２０１４年１月３１日付けで出願された独国特許出願第１０ ２０１４ ２０１ ７７９．３号の優先権を主張する。当該独国出願の内容を、参照により本願の本文に援用する。

本発明は、ビーム伝播カメラ及び光ビーム解析の方法に関する。特に、本発明は、光ビーム（特にレーザビーム）をその集束特性に関して解析するために、また幾何学的ビームパラメータ及びビーム品質の両方に関する情報を得るために、レーザ放射用のビーム伝播測定システムとして使用可能である。

特に、本発明は、（例えばマイクロリソグラフィ投影露光装置のＥＵＶ源の場合に）例えばレーザプラズマ源で用いられるような電磁放射線の解析に適しているが、それに限定されない。さらに他の用途では、本発明によるビーム伝播カメラは、ごく一般的には、任意の所望の目的で（特に測定目的で）用いられる電磁放射線の解析にも適している。

例として、レーザプラズマ源はリソグラフィの用途に用いられる。したがって、例えば、ＥＵＶ領域（例えば、約１３ｎｍ又は約７ｎｍの波長）用に設計された投影露光装置の動作中に、必要なＥＵＶ光をプラズマ励起に基づくＥＵＶ光源によって発生させ、これに関して図６が例示的な従来の設備を示している。

最初に、このＥＵＶ光源は、例えば赤外線７０６を発生させる高エネルギーレーザ（図示せず）（例えば、λ≒１０．６μｍの波長を有するＣＯ_２レーザ）を有し、上記赤外線は、集束光学ユニットによって集束され、楕円面として具現されたコレクタミラー７１０に開いた開口７１１を通り、ターゲット源７３５によって発生されプラズマ点火位置７３０に供給されるターゲット材料７３２（例えば、スズドロップレット）へ誘導される。赤外線７０６は、プラズマ点火位置７３０に位置するターゲット材料７３２がプラズマ状態に遷移してＥＵＶ放射線を発するように上記ターゲット材料を加熱する。このＥＵＶ放射線は、コレクタミラー７１０によって中間焦点ＩＦに集束され、当該中間焦点を通って下流の照明デバイスへ入るが、照明デバイスは、その境界７４０が示されているだけであり、入光用の自由開口７４１を有する。

ＥＵＶ光源又はレーザプラズマ源で達成可能なＥＵＶ放射特性の線量安定性及び時間安定性にとって、また実現可能なＥＵＶ光収率にとって主に重要なのは、光要求量の増加と共に（with increasing light requirements）レーザプラズマ源に非常に高速で（例えば、およそ１００ｋＨｚの噴射速度で、又は例えば１０μｓの時間間隔で）「飛び込む」スズドロップレットに、ドロップレットを霧化するレーザビームが個別に非常に正確に（例えば、１μｍを超える精度で）再現可能に衝突することである。上記設備では、これはさらに、ドロップレット位置の高精度の設定と、例えばＣＯ_２レーザが発生させた赤外線７０６の高精度の更新（updating：追跡）とを要する。

ドロップレット位置及びそれに従って更新されるレーザビームの焦点位置の両方を、いわゆるビーム伝播カメラを用いて求めることができ、「順方向」のレーザビーム（すなわち、各ターゲットドロップレットへの入射前の赤外線７０６）及び「逆方向」のレーザビーム（すなわち、各ターゲットドロップレットによって反射された赤外線７０６）の両方が検出され、レーザビーム誘導及びドロップレット誘導に必要な測定データが得られる。

ここで実際に生じる問題は、特に、ターゲットドロップレットから反射された赤外線７０６の強度が比較的弱く、これがドロップレット位置の正確な計測検出を、またひいてはＣＯ_２レーザが発生させた赤外線７０６の高精度の更新も困難にすることである。

従来技術に関して、特許文献１及び特許文献２を例として参照する。

米国特許第８，２３７，９２２号明細書 米国特許第５，３２９，３５０号明細書

本発明の目的は、比較的弱い強度での条件下でもできる限り正確な解析を可能にする、ビーム伝播カメラ及び光ビーム検出の方法を提供することである。

この目的は、独立特許請求項１の特徴に従ったビーム伝播カメラと、同等の特許請求項２０の特徴に従った方法とによって達成される。

本発明によるビーム伝播カメラは、
動作時に入射したビームを複数のサブビームにビーム分割するビーム分割光学装置と、
上記サブビームを検出するセンサ装置と
を有し、ビーム分割光学装置は回折構造を有し、
上記回折構造は、サブビームの少なくとも２つがセンサ装置において相互に空間的に分離され、且つ光軸に関して長手方向の焦点オフセットを有するように構成される。

本願の範囲内で、ビーム伝播カメラは、幾何学的ビームパラメータ及びビーム品質の両方に関する情報を得るために、光ビーム（特にレーザビーム）のファーフィールド特性又は集束特性及び焦点位置を測定する役割を果たす、光ビーム解析用の測定機構を意味すると理解される。ここで、焦点のサイズはビーム品質の尺度となり、センサ装置上の焦点の位置はビームの幾何学的特性を決める。

本願の範囲内で、サブビームへのビームの分割は、複数のサブビームへの分割の結果としてこれらのサブビームの強度のみが元のビームの強度に関して対応して低下するが、サブビームがそれぞれ元のビームと同じ幾何学的パラメータを有する限り、サブビームは元の分割ビームのコピーを構成することを意味すると理解すべきである。

光軸は、特に、システム又はビーム伝播カメラの対称軸であり得る。

本願の意味の範囲内で、サブビームの少なくとも２つがセンサ装置上で相互に空間的に分離している基準は、好ましくは、センサ装置で発生したサブビームの関連のスポットの（強度重み付き）重心間の距離が、２次（統計的）モーメントの意味の範囲内でのスポット寸法の少なくとも５倍、特に少なくとも１０倍であることを意味すると理解すべきである。明確なカットオフを有する（with a hard cutoff）ビーム（例えばトップハットビーム）の場合、以下でより詳細に説明するように、適当なアポダイゼーションによってモーメントの定義を確保すべきである。

本発明は、最初に、解析対象の電磁放射線の光ビーム（例えば分離されたサンプルビーム）のビーム分割を達成する手法から始まり、これはさらに、こうして発生したサブビームが長手方向焦点オフセットを有し且つ（センサ装置の場所での同時記録を可能にするために）横方向にオフセットすることにより、サブビームの検出及びビーム特性を解析するためのその評価を可能にする。この手法から始めて、本発明はさらに、回折構造を用いて、かかる回折構造が発生させ且つ回折構造の種々の回折次数に対応する複数の焦点位置を得ることにより、長手方向焦点オフセットを実現するという概念に基づく。換言すれば、本発明は、種々の回折次数に従って相互に異なる焦点位置を発生させる回折レンズ素子の通常は望ましくない特性を狙い通りに利用することにより、ビーム解析に必要な長手方向焦点オフセットを実現する。

同時に、本発明が利用するさらなる状況として、センサ装置の場所での同時記録を可能にするために上記長手方向焦点オフセット以上に必要とされるサブビームの横方向オフセットが、例えば回折構造の単純な偏心（decentration）によって（光軸に対して垂直な平面内の変位によって、又は回折構造を適切に設計しておくことによって）得ることができる「対称性の破れ（break in symmetry）」により比較的単純に達成可能である。

ここで、本発明によれば、ビーム分割光学装置の構成の設計の複雑化が容認され、こうした設計の複雑化は、原則として回折構造の重要な集束挙動と、（光ビーム経路内のフーリエ面と視野平面との結合が０次の回折でのみ与えられる限り）個々の回折次数に対応するサブビームが相互に異なる倍率及び異なる「アフォーカリティミスマッチ（afocality mismatch）」を有するという状況とによって引き起こされる。

以下でより詳細に説明するように、この設計の複雑化を容認することにより、その代わりに大きな利点が得られ、特に、本発明による概念では、ビーム伝播カメラの設計における大きな自由度又は融通性があること、比較的弱い光での用途でも実現できること、及びビーム分割光学装置の光学機械的複雑性が低いこと（ホルダ、調整機構等に特に要件を課さない）が挙げられる。

結果として、本発明によるビーム伝播カメラにおいて、例えば解析対象の電磁放射線から分離された光ビームが適当な方法で回折構造を用いて複数のサブビーム又は有効ビームに複製され、伝播方向で隣接する有効ビームは、サブビームの振幅に目立った重畳がないように伝播方向に対して長手方向に焦点オフセットを有すると共に光軸（又はビーム分割装置に入射する放射線の光伝播方向）に対して横方向に分離されるので、センサ装置を用いて複数のビーム断面又は測定スポットを適当な大きさで同時に記録することができる。

一実施形態によれば、回折構造は、光軸に関して偏心した配置を有する。

一実施形態によれば、ビーム分割光学装置は、屈折光学素子をさらに有する。

一実施形態によれば、回折構造は焦点距離ｆ_１を有し、屈折光学素子は焦点距離ｆ_０を有し、比ｆ_１／ｆ_０は少なくとも２、特に少なくとも４、より詳細には少なくとも１０である。

一実施形態によれば、屈折光学素子及び回折構造はモノリシック構成を有する。

一実施形態によれば、屈折レンズ素子は平凸レンズ素子である。

一実施形態によれば、屈折光学素子は、屈折光学素子の焦点面が光ビーム経路内の瞳平面に対応するように配置される。

一実施形態によれば、回折構造は位相ＤＯＥとして構成される。

一実施形態によれば、回折構造は透過型ＤＯＥとして構成することもできる。このように、強い光での用途の場合に、狙い通りの強度減衰をもたらすこともできる。

一実施形態によれば、回折構造は、フレネルレンズ素子又はフレネルゾーンプレートとして構成される。

一実施形態によれば、回折構造は、回折次数の増加に伴い回折効率が向上する。

一実施形態によれば、回折次数の増加に伴い向上するこの回折効率の結果として、センサ装置における（元の）ビームのビーム分割によって発生したサブビームのデフォーカスの増大に伴う強度低下が少なくとも部分的に補償される。

一実施形態によれば、回折構造は透過型で動作する。

一実施形態によれば、回折構造は反射型で動作する。

一実施形態によれば、ビーム伝播カメラは、物体での反射前のビーム解析用の第１解析ユニットと、物体での反射後のビーム解析用の第２解析ユニットとを有する。

一実施形態によれば、物体は飛翔体、特にレーザプラズマ源の金属ターゲットドロップレットである。

一実施形態によれば、ビーム伝播カメラはアポダイゼーションフィルタをさらに備える。

一実施形態によれば、上記アポダイゼーションフィルタはセンサ装置で実現される。

一実施形態によれば、上記アポダイゼーションフィルタは、光ビーム経路内の瞳平面に配置されたグレーフィルタとして実現される。

本発明はさらに、光ビーム解析の方法にも関し、本方法は、
光軸に沿って伝播するビームを複数のサブビームにビーム分割するステップと、
上記サブビームによってセンサ装置にそれぞれ発生したスポットサイズを測定するステップと、
発散（θ）、焦点位置（ｚ_０）、及びウェストサイズ（ｗ_０）のビームパラメータの少なくとも１つを測定スポットサイズから計算するステップと
を含み、サブビームの少なくとも２つがセンサ装置において相互に空間的に分離され、且つ光軸に関して長手方向の焦点オフセットを有するように、回折構造を用いてビーム分割を実行する。

本発明による方法は、特に、上述した特徴を有するビーム伝播カメラを用いて実行することができる。

本発明のさらに他の構成は、説明及び従属請求項から得ることができる。

添付図面に示す例示的な実施形態に基づき、本発明を以下でより詳細に説明する。

レーザプラズマ源における、ドロップレット位置判定の実現及びそれに従って更新されるレーザビームの焦点位置の判定の両方が可能な基本設計を説明する概略図を示す。 本発明の範囲内で用いられるビーム分割光学装置の設計及び動作モードを説明する概略図を示す。 本発明の範囲内で用いられるビーム分割光学装置の設計及び動作モードを説明する概略図を示す。 本発明の範囲内で用いられるビーム分割光学装置の設計及び動作モードを説明する概略図を示す。 本発明に従って行われるビームファニングの原理を説明する概略図を示す。 本発明によるビーム伝播カメラの例示的な（測定）ビーム経路を説明する概略図を示す。 本発明によるビーム伝播カメラの例示的な（測定）ビーム経路を説明する概略図を示す。 本発明によるビーム伝播カメラにおける回折構造の例示的な構成を説明する図を示す。 従来技術によるＥＵＶ光源の設計の概略図を示す。

図１は、レーザプラズマ源（例えば図６に示すもの等）における、ドロップレット位置の判定及びそれに従って更新されるレーザビームの焦点位置の判定の両方が可能な基本設計の概略図を示し、「順方向」のレーザビーム（各ターゲットドロップレットへの入射前）及び「逆方向」のレーザビーム（すなわち、各ターゲットドロップレットから反射した放射線）の両方が評価される。

図１によれば、ガウシアンプロファイルを有する入射レーザビームの一部が、第１部分透過ミラー１０５で分離されて第１解析ユニット１１０によって解析される。入射レーザビームのうち部分透過ミラー１０５及びさらに別の部分透過ミラー１２５を通る部分は、集束光学ユニット１２８によって金属ターゲットドロップレット１３０（例えば、スズドロップレット）に達し、レーザビームの一部は、上記ターゲットドロップレットで反射し、集束光学ユニット１２８によってコリメートされて部分透過ミラー１２５へ戻る。部分透過ミラー１２５において、レーザビームの一部が第２解析ユニット１２０へさらに分離される。さらに、部分透過ミラー１０５又は１２５に入射した放射線の各非使用部分を捕捉するビームトラップ（図１には図示せず）を設けることができる。

「逆方向」のレーザビームを解析するための概略的なビーム経路を図４ａに示し、それぞれ視野平面を「Ｆ」で示し、瞳平面を「Ｐ」で示す。「１３０」は図４ａでは金属ターゲットドロップレットを示し、「４０５」はアフォーカル望遠鏡群であり、「２５０」はセンサ装置を示す。ターゲットドロップレット１３０の位置のシフトの結果として、センサ装置２５０で得られる像が変化する。

したがって、「順方向」（各ターゲットドロップレット１３０への入射前であり、以下では「順方向ビーム」と称する）及び「逆方向」（各ターゲットドロップレット１３０での反射後であり、以下では「逆方向ビーム」と称する）の両方のレーザビームを解析することで、レーザビーム及びターゲットドロップレット１３０の相互に対する相対設定に関して言及することができ、図１を再度参照すると、レーザビームの設定又は焦点位置は、第１解析ユニット１１０で得られた結果から推定することができ、ドロップレット位置は、第２解析ユニット１２０で得られた結果から推定することができる。

原理上、場合によっては、ビーム寸法尺度及び発散尺度に関して種々の規約（conventions）が可能であり慣例的である。例えばレーザ技術の分野では、モーメント
は、
と共に、多くの場合は
又は
に従ってビーム寸法定義の基礎としての役割を果たす。ここで、Ｉ（ｘ，ｙ；ｚ）は、選択された断面に関する光強度を示す。

ガウシアンビームが直径５＊σ（式中、σは、従来の用語によれば正規分布の標準偏差又は幅を示し、２次モーメントから生じる）に基づく場合、センサ装置上の関連スポットの距離は、少なくとも５＊σの値を有することが好ましい。

図１の基本設備で順方向ビーム及び逆方向ビームを解析する際、順方向ビームのみを理想的には「ガウシアンビーム」とみなすべきであり、これに関して、像側焦点の領域では、伝播座標ｚの関数としてのビーム寸法ｗに関して次式がほぼ当てはまる。
式中、ｗ_０はウェストサイズを示し、θは発散を示し、ｚ_０はウェスト位置（焦点位置）を示す。

以下において、例えば第２解析ユニット１２０での逆方向ビームの解析の場合に、検査対象のビームが理想的なガウシアンビームではなく比較的鋭くカットオフされたビーム（以下では「トップハット」ビーム）とも称する）であることから生じる問題について、最初に論じる。このように鋭くカットオフされたビームの場合、焦点（ファーフィールド）では、又は無収差の理想的な場合には、エアリーの光分布が生じる。
式中Ｌ_ｃ＝λ／ＮＡは特性長を示し、Ｐはシステムを透過する全パワーを示し、Ｊ_１（ｘ）は１次のベッセル関数を示す。しかしながら、この光分布における漸近的減少
に起因して、式（５）に従ったモーメントは定義されない。ここから生じる、「明確なカットオフ」を有する逆方向ビームも評価するという問題は、適当な「人工的」アポダイゼーションによって克服することができる。第１実施形態では、適当なマスクをセンサ装置の平面で「電子的に」実現することによってこれを実行することができ、上記マスクは、適当に選択されたアポダイゼーション関数によって、
という置換に従って強度曲線をアポダイズする（このアポダイゼーションは、アポダイゼーション曲線の高次導関数でのみ不連続が生じる場合に限り、「ソフト（soft）」と称することができる）。例として、５Ｌ_ｃ＜Ｒ＜１０Ｌ_ｃの範囲のカットオフ半径Ｒを用いた、２次導関数からのみ不連続である関数
が、この目的に適している。

第２実施形態では、アポダイゼーション（上記の意味の範囲内で「ソフト」である）
を、対応するプロファイルを有する構造化グレーフィルタをニアフィールド又は瞳平面に導入することによって実現することができる。ここで、ｕ（ｘ，ｙ；ｚ）はビーム振幅（Ｉ（ｘ，ｙ；ｚ）＝|ｕ（ｘ，ｙ；ｚ）|^２によって強度を求める）を示し、Ｒ_ＮＡは開口半径（開口又は開口数ＮＡを定義する）を示す。

図３は、本発明に従って行われるビームファニングの原理を説明する概略図を示す。

ここで、光ビーム（例えば、解析対象の電磁放射線から分離されたサンプルビーム）が種々のサブビーム又は有効ビームに分割又は複製され、第１に伝播方向の長手方向焦点オフセット、第２に（センサ装置での同時評価を可能にするための）横方向分割が、これらの有効ビームに関して得られる。図３に描かれたアイソフォーカルライン（isofocal line）（ＩＦＣで示す）から分かるように、焦点は、個々のサブビーム毎に異なる。ビーム経路に配置されたセンサ装置２５０は、異なるスポット像をもたらし、そのサイズは、中央又は完全焦点で最小であり、縁部へ向かって増大する。したがって、スポット像のサイズが指数（例えば、−３〜３）の関数として確定される、センサ装置によって記録された像の解析は、焦点位置の判定を可能にする。

以下でより詳細に説明するビーム分割光学装置２４０は、サブビームの長手方向焦点オフセット及び横方向分割の両方を実現する役割を果たす。

図２ａに概略的に示すように、例示的な実施形態では、ビーム分割光学装置２４０は、回折構造２４１及び屈折光学素子（屈折レンズ素子）２４２を有し、これらはここではモノリシックな実施形態を有し、併せて多焦点光学素子を形成する。

特定の例示的な実施形態では、屈折光学素子２４２は、平凸レンズ素子とすることができ、回折構造２４１は、この平凸レンズ素子の平面上に形成することができる。さらに別の実施形態では、屈折率整合ラッカーによって屈折光学素子２４２（例えば、平凸レンズ素子）を別個の回折光学素子（ＤＯＥ）に取り付けることもできる。これらの改良形態によって、いずれの場合も（ホルダ、調整機構等に関して）光学機械的複雑性が低い素子が実現され、これによって本発明によるビーム分割を得ることができる。

しかしながら、本発明は、回折構造及び屈折光学素子の統合にも、特に上記モノリシック改良形態にも限定されない。したがって、回折構造及び屈折光学素子又はレンズ素子は、さらに他の実施形態では別個の構成及び（好ましくは小さな）相互間距離を有することもできる。

センサ装置２５０は、光ビーム経路の瞳平面（フーリエ面）に位置し、屈折光学素子２４２の焦点面も同様に、ビーム経路の瞳平面（フーリエ面）に位置する。

原理上、生じる回折次数に従って、回折レンズ素子は、

に従って正又は負の焦点距離を有する。ここで、ｆ_ｌは正の１次回折の焦点距離を示し、ｋはビーム指数又は回折次数を示す。ここで、各焦点の強度は、基礎となる（ほぼ放物線状の）位相プロファイルの実施形態及び近似形態に直接依存する。焦点距離ｆ_０を有する屈折レンズ素子と組み合わせて、複数の有効焦点距離ｆ_ｋ，ｋ＝０，±１，…，ｋ_ｍａｘを有する多焦点光学系が得られ、回折構造と屈折レンズ素子との間の距離を無視すれば、以下がほぼ当てはまる。
この関係は、図２ｂにおいてｆ_１＞＞ｆ_０に関して説明されている。

図４ｂに示すように、狙い通りに導入された対称性の破れの結果として、又はビーム分割光学装置２４０の偏心の結果として、横方向分割が生じる。この偏心は、図２ｃに概略的に示されており、例示的な実施形態では、屈折光学素子２４２を光軸ＯＡに関して対称に配置し、回折レンズ素子２４１を光軸ＯＡに対して垂直に経路ｄ_ｘだけ偏心させるか又は変位させることによってこれが達成される。

以下において、求められているビームパラメータ（発散θ、焦点位置ｚ_０、及びウェストサイズｗ_０）を確定するための測定ビームサイズの評価について説明する。本発明による回折構造によって得られる長手方向焦点オフセット及び対称性の破れによって生じるサブビームの横方向オフセットの両方をここでは考慮に入れるべきだが、単に理解を助けるために以下ではこれらを最初に無視し、すなわち、本発明による長手方向焦点オフセットもサブビームの横方向オフセットもない従来のビーム解析の場合の評価を最初に説明する。

本発明による長手方向焦点オフセットもサブビームの横方向オフセットもない従来のビーム解析を評価する際、測定ビーム寸法ｗ（ｚ）を最初に２乗することができ、それから式
ｗ^２（ｚ）＝Ａ＋Ｂｚ＋Ｃｚ^２ （１２）
（すなわち、放物線を記述する２次多項式）に基づいてフィットを用いて、パラメータ又は「フィッティング係数」Ａ、Ｂ、及びＣを式（１２）に従って求めることにより、焦点におけるビームデータを確定することができる。式（５）によれば、フィッティング係数とビームパラメータとの間には以下の関係がある。
したがって、求められているビームパラメータ（発散θ、焦点位置ｚ_０、及びウェストサイズｗ_０）は、
に従ってフィッティング係数から単純に得られる。

フーリエ表現の規則によれば、ウェストサイズｗ_０及び発散θは、以下の関係によって結合される。
ｗ_０θ＝ｃ （１５）
式中、ｃは、ビーム特性とビーム寸法及び発散の尺度に関して選択された規約とに応じて変わる定数を示す。理想的なガウシアン基本モード及びモーメントベースのビーム尺度には次式が当てはまる。
ｃ＝λ／π （１６）
式中、λは光波長を示す。これに対して、収差ガウシアンビームには変更形態
が当てはまり、伝播不変（propagation-invariant）ビームパラメータ積Ｍ^２≧１を基本品質尺度とする。したがって、式（１５）からの変数ｗ_０θを式（１６）からの変数λ／πと比較することにより、解析されたビームが理想のガウシアンビームにどの程度対応するか、又は例えば比較的高収差のビームか否かを求めることが可能である。

導入の目的で、また理解しやすいように提供したにすぎない従来のビーム解析の場合の評価に関する上記説明によれば、本発明によるビーム解析のために、すなわち特に長手方向焦点オフセット及び対称性の破れによって得られるサブビームの横方向オフセットを考慮に入れて行うことができるこの評価の方法を、次に説明する。

対称性の破れの効果は、ビームを記述する際に、
に従って同次座標変換を行うことにより、近軸ビーム伝達行列形式（paraxial beam transfer matrix formalism）で記述することができ、アポストロフィが付いた変数（ｘ’、ｕ’）は物体空間を表し、アポストロフィなしの変数（ｘ、ｕ）は像空間を表す。付加的な第３次元（「入力１」）は、同様に伝達行列の形態の並進及び傾きを拡張形式で表すことを可能にする。

屈折レンズ素子の物体側焦点面からのフーリエ表現は、拡張形式の伝達行列
（１９）
によって与えられる。偏心ｄ_ｘの結果として、以下の所望の横方向ビーム分割を行列要素から単純に読み取ることができる。
これら２つの式は、図３（長手方向焦点分割も識別できる）で説明されているように、偏心に比例するコリメートビームのビームファニングを記述する。

図４ｂに概略的に示すように、内部偏心を有する回折多焦点レンズ素子を用いた完全アフォーカル測定ビーム経路の詳細な定量的結像特性は、システム全体（物体側コヒーレント点光源からセンサ装置２５０まで）の伝達行列によって明らかとなる。図４ｂのように、物体側フーリエ光学ユニットの焦点距離をｆ’で示し、屈折光学素子２４２の焦点距離をｆ_０で示し、且つ回折構造２４１の焦点距離をｆ_１で示す場合、以下の合成が得られる。
（２２）

乗算後、関連する伝達行列要素は、

条件
から、像側長手方向焦点位置が
として得られる。ここで、
は像側主光線の焦点位置を示し、
はそのファーフィールド結像スケールを示す。式（２４）を式（２３ａ）〜（２３ｆ）に挿入することによって、システムのビーム固有結像特性が各焦点において
として得られる。サイズ結像スケールＭａｇ_ｋ（ｚ_０）＝−Ｍ_１１（ｋ；ｚ_ｋ（ｚ_０））は、Ｍ_２２（ｋ；ｚ_ｋ（ｚ_０））Ｍ_１１（ｋ；ｚ_ｋ（ｚ_０））＝１に従った角結像スケールの逆数（reciprocal angle imaging scale）と同一であり、この場合、
に従って反射指数及びデフォーカスｚ_０の両方に依存する。項Ｍ_２１（ｋ；ｚ_ｋ（ｚ_０））の非消失特性は、システム全体の非消失屈折力（焦点距離Ｆ_ｋの逆数）に相当し、高次の回折に関するビーム依存テレセントリック性を意味する。

関係（２５ａ）〜（２５ｄ）を焦点曲線を記述する式（５）に挿入し、且つセンサ装置２５０の位置に関して値ｚ＝０を選択した場合、式（２６）に従って結像スケールを考慮すると次式が得られる。
ここで、
及び
は、主光線に関する有効ビームのウェストサイズ及び発散角を示し、置換ｗ_０＝ｗ_０，０が適用される。式（２６）を解き、転置し、且つ用いることによって、像側ファーフィールドパラメータθ_０、ｗ_０、及びｚ_０に関する条件式として次式が得られる。

ここから、ビームパラメータは、式（１２）〜（１４）の場合のように単純な放物線フィッティングによって求めることが不可能となる。ファーフィールドパラメータを求めるのに可能な方式は、
の定義の下で式（１２）〜（１４）の形式で式（３０）を
の形態に書き換えることによって得られる。

パターンｍ_１（ｋ，ｚ_０）、ｍ_２（ｋ）、ｍ_３（ｋ）、及びｍ_４（ｋ）を測定スポットサイズに線形フィッティングすることによって、パラメータＡ_１〜Ａ_４が得られ、そこからファーフィールドパラメータが、
によって式（１４）と大部分が類似して求められる。

以下において、本発明によるビーム分割光学装置２４０における回折構造２４１の可能な設計について論じる。

原理上、ビーム分割光学装置２４０は、２つのステップで設計することができ、ベースパラメータ（屈折光学素子２４２の焦点距離ｆ_０、回折構造２４１の焦点距離ｆ_１、及び偏心ｄ_ｘ）が第１ステップで設定され、個々のサブビーム又は回折次数に関する回折効率を最適化しながら、回折構造２４１の特定ステッププロファイルが第２ステップで事前決定される。

指数ｋ＝±ｋ_ｍａｘを有する周辺光線と主光線との間の長手方向焦点オフセットに関して、式（２３）から以下が得られる。
式中、ファーフィールドの被写界深度範囲ＤｏＦは、部分ｋ_１（通常値κ_１＝１）までカバーされるべきである。周辺光線と主光線との間の横方向分割は、
であり、部分κ_２（通常値κ_２＝３／４）までの所与のセンサ長Ｌ_{ｓｅｎｓｏｒ}の半分を含むべきである。被写界深度範囲は、明確なカットオフを有するビーム（例えばトップハットビーム）に関してはλ／ＮＡ^２として定義され、ガウシアンビームに関してはＭ^２・λ／π・θ^２として定義される。

関係（３４）及び（３５）から直接得られる設計規則は、回折構造２４１の焦点距離ｆ_１に関しては
であり、その偏心ｄ_ｘに関しては、
である。２つのパラメータｆ_１及びｄ_ｘを設定することによって、１次の回折で回折構造２４１によって実現すべきである位相関数Φ（ｘ，ｙ）は以下の通りである。
この関数は、場所（ｄ_ｘ，０，ｆ_１）から生じる球面波と、位置ｚ＝０で考慮されるｚ軸と平行な伝播ベクトルを有する平面波との位相差から得られ、波長をλで示す。

この位相関数の適当な近似は、以下の２つの演算によって実行することができる。

最初に、
に従ってモジュロ演算によって、位相を一意性範囲［０，２π］にする。その後、こうして補正された位相を、
に従って定義範囲０≦ｗ≦１を有するマップＵ（ｗ）によってこの基本範囲内で適当に変換する。関数Ｕ（ｗ）は、規則的な周期格子の長さ１に正規化した単位セルにわたる複素透過関数を記述している。指数ｋ＝０、±１、±２、…を特徴とするかかる格子の回折次数に関する回折効率η_ｋ＝|ｃ_ｋ|^２は、フーリエ係数
によって求められる。

さらなる設計対象は、複素透過関数Ｕ（ｗ）の適当な選択による測定用途への回折効率の適合からなる。光損失を回避するために、以下では一般性を失わずにＵ（ｗ）＝ｅｘｐ（ｉφ（ｗ））を有する純粋な位相子を考慮し、この位相子は、製造技術の観点から、厚さプロファイルｔ（ｘ，ｙ）を例えばエッチング等によってガラス体の表面に導入することにより実現することができる。ここで、厚さ関数と位相との間の（between thickness function phase）対応は、
であり、式中、ｎ_ｇは基板材料の屈折率を示す。

本発明によるビーム分割光学装置２４０における回折構造２４１は、例えば（２進）位相ＤＯＥとして実現することができる。最も製造しやすい種類の２値位相ＤＯＥ（２つの異なる位相値を有する）には、基本セル（elemental cell）当たり１ステップしかない。位相シフトΔφ及びステップ位置（デューティファクタｄｃ＝ｗ_ｓｔｅｐで与えられる）のみが、設計自由度として利用可能である。単位セル当たり２つのレベルと、位相シフトΔφ、レベル幅ｂ_１及びｂ_２、並びに２つのレベル間の距離ｄ_１２という４つの設計自由度とを有する、次に高位の種類の２値ＤＯＥでは、３次以下の回折次数の最適化プロファイルを設定することが可能である。位相ＤＯＥで回折した電磁放射線の位相は、エッチングされたステップのステップ高さに対応する。

図５ａ〜ｄは、２つの異なる最適化対象に関する位相曲線及び対応の回折効率を示す。

図５ａ、ｂでは、有効回折次数−３≦ｋ_ｍａｘ≦＋３の（できる限り均一な）バランスが最適化されており、図５ａは、格子の基本セルを示す。図５ｂに示すように、図示の位相ＤＯＥでは、有効回折次数のそれぞれで０．１１〜０．１２の範囲の回折効率が得られるが、残りの（不使用の）回折次数にはエネルギーがほとんど含まれない。特定の例示的な実施形態では、この改良形態の結果として、合計７個のサブビーム又は有効回折次数（−３次〜＋３次の回折を含む）を利用する場合、入射したエネルギーの約８０％がこれらの有効回折次数内にあり、これを測定に用いることができる。したがって、特に、本発明によるビーム分割光学装置２４０は、比較的単純なＤＯＡ基本設計（すなわち、２次又は２段位相ＤＯＥ）を用いて有効回折次数で非常に効率的且つほぼ均一なエネルギーの分布を可能にする回折効率をもたらすことを可能にするので、この改良形態は、特に弱い光条件の場合に有利である。

さらに他の実施形態では、図５ｃ、ｄに示すように、上述した有効回折次数でのエネルギーの均一な分布から狙い通りに外れることも可能であり、例えば図５ｄによれば、回折効率の実質的にＶ字形の曲線を（図５ｃに示す対応の格子設計によって）実現することができ、より高次の回折により多くのエネルギーが供給される。この結果として、センサ装置２５０上に発生したスポットが、外側に向かって又は理想焦点位置からの距離の増加に伴って広くなる、すなわち対応の領域が暗くなることを考慮することが可能である。図５ｄに示すような回折効率の曲線によって、解析対象の電磁放射線を分割することにより発生したセンサ装置でのサブビームのデフォーカスの増大に伴う強度低下の効果を、少なくとも部分的に補償することが可能であり、その結果としてセンサ装置の有効領域を拡大することができる。したがって、図５ｃ、ｄにおいて、焦点からのビームの広がりに起因した強度低下を少なくとも部分的に補償するために、回折次数の大きさに伴うできる限り線形の回折効率の向上に関して最適化が実行されている。

さらに他の実施形態では、位相ＤＯＥの代わりに、透過型ＤＯＥ又は（吸収）グレースケールＤＯＡによって、又は任意の他のＤＯＥシステム、例えば多段型ＤＯＥ等によって、本発明による回折構造を実現することもできる。

最後に、多焦点ビーム分割光学装置又はビーム伝播カメラを実現するために回折構造を用いるという本発明による概念は、ＤＯＥ製造時の最小限に達成可能なストリップ距離の制限により与えられる。ここでは限界寸法ｃｄとして示す最小限のストリップ距離は、同じ高さを有する２つのレベルで具現されたＤＯＥ設計に関しては以下のようになる。
ここで、
は、焦点距離ｆ_１を有するゾーンプレートの最大有効半径でのゾーンプレートの最小リング間隔を示す。最大有効半径は、ｒ_ｍａｘ＝ｄ_ｘ＋Ｄ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}で与えられ、式中、Ｄ_{ａｐｅｒｔｕｒｅ}は開口の寸法を示し、ｄ_ｘは所望の偏心を示す。

本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、多くの変形形態及び代替的な実施形態が、例えば個々の実施形態の特徴の組合せ及び／又は交換により当業者には明らかである。したがって、当業者には言うまでもなく、このような変形形態及び代替的な実施形態は本発明に付随して包含され、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の意味の範囲内でのみ制限される。

Claims (21)

1. ビーム伝播カメラであって、
   動作時に該ビーム伝播カメラの光軸（ＯＡ）に沿って入射したビームを複数のサブビームにビーム分割するビーム分割光学装置（２４０）と、
   前記サブビームを検出するセンサ装置（２５０）と
   を備え、前記ビーム分割光学装置（２４０）は回折構造（２４１）を有し、
   前記回折構造（２４１）は、前記サブビームの少なくとも２つが前記センサ装置（２５０）において相互に空間的に分離され、且つ前記光軸（ＯＡ）に関して長手方向の焦点オフセットを有し、且つ、
   前記回折構造（２４１）は、回折次数の増加に伴い回折効率が向上するように構成されるビーム伝播カメラ。
2. 請求項１に記載のビーム伝播カメラにおいて、回折次数の増加に伴い向上する前記回折効率の結果として、前記センサ装置（２５０）におけるビーム分割によって発生した前記サブビームのデフォーカスの増大に伴う強度低下が少なくとも部分的に補償されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
3. ビーム伝播カメラであって、
   動作時に該ビーム伝播カメラの光軸（ＯＡ）に沿って入射したビームを複数のサブビームにビーム分割するビーム分割光学装置（２４０）と、
   前記サブビームを検出するセンサ装置（２５０）と
   を備え、前記ビーム分割光学装置（２４０）は回折構造（２４１）を有し、
   前記回折構造（２４１）は、前記サブビームの少なくとも２つが前記センサ装置（２５０）において相互に空間的に分離され、且つ前記光軸（ＯＡ）に関して長手方向の焦点オフセットを有し、且つ、
   物体での反射前のビーム解析用の第１解析ユニット（１１０）と、物体での反射後のビーム解析用の第２解析ユニット（１２０）とを有すことを特徴とするビーム伝播カメラ。
4. 請求項３に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記物体は飛翔体であることを特徴とするビーム伝播カメラ。
5. 請求項３に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記物体はレーザプラズマ源の金属ターゲットドロップレット（１３０）であることを特徴とするビーム伝播カメラ。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は、前記光軸（Ａ）に関して偏心した配置を有することを特徴とするビーム伝播カメラ。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記ビーム分割光学装置（２４０）は、屈折光学素子（２４２）をさらに有することを特徴とするビーム伝播カメラ。
8. 請求項７に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は焦点距離ｆ_１を有し、前記屈折光学素子（２４２）は焦点距離ｆ_０を有し、比ｆ_１／ｆ_０は少なくとも２であることを特徴とするビーム伝播カメラ。
9. 請求項７又は８に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記屈折光学素子（２４２）及び前記回折構造（２４１）はモノリシック構成を有することを特徴とするビーム伝播カメラ。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記屈折光学素子は平凸レンズ素子であることを特徴とするビーム伝播カメラ。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記屈折光学素子（２４２）は、該屈折光学素子（２４２）の焦点面が光ビーム経路内の瞳平面に対応するように配置されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は位相ＤＯＥとして構成されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は透過型ＤＯＥとして構成されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は、フレネルレンズ素子又はフレネルゾーンプレートとして構成されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は透過型で動作することを特徴とするビーム伝播カメラ。
16. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記回折構造（２４１）は反射型で動作することを特徴とするビーム伝播カメラ。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラにおいて、該ビーム伝播カメラはアポダイゼーションフィルタをさらに備えることを特徴とするビーム伝播カメラ。
18. 請求項１７に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記アポダイゼーションフィルタは前記センサ装置（２５０）で実現されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
19. 請求項１７に記載のビーム伝播カメラにおいて、前記アポダイゼーションフィルタは、光ビーム経路内の瞳平面に配置されたグレーフィルタとして実現されることを特徴とするビーム伝播カメラ。
20. 光ビーム解析の方法であって
    光軸（ＯＡ）に沿って伝播するビームを複数のサブビームにビーム分割するステップと、
    前記サブビームによってセンサ装置（２５０）にそれぞれ発生したスポットサイズを測定するステップと、
    発散（θ）、焦点位置（ｚ_０）、及びウェストサイズ（ｗ_０）のビームパラメータの少なくとも１つを測定スポットサイズから計算するステップと
    を含み、前記ビーム分割するステップは、前記サブビームの少なくとも２つが前記センサ装置（２５０）において相互に空間的に分離され、且つ前記光軸（ＯＡ）に関して長手方向の焦点オフセットを有するように、回折次数の増加に伴い回折効率が向上する回折構造（２４１）を用いて実行される方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、該方法を請求項１〜１９のいずれか１項に記載のビーム伝播カメラを用いて実行することを特徴とする方法。