JP6876188B1 - フレネルロム及び該フレネルロムを備えた計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このとき、前記低屈折率材料がMgF2であり、前記高屈折率材料がGdF3、LaF3及びNdF3からなる群から選択される少なくとも一種であるとよい。
このとき、前記等方性材料が石英又はCaF2であるとよい。
このとき、前記多層膜が2層膜であるとよい。
このとき、前記多層膜が2層膜であるとよい。
本明細書において、「コンタクト」とは、一対の隣接するプリズムが相互に接触して配置されていることをいい、直接接合されているオプティカル・コンタクトのほか、接着による接合も含まれる。
また、本明細書において、プリズム素子(菱面体)が「対向」するとは、直接接合されているオプティカル・コンタクトの場合と、接着剤など、何かを介在させて接合されている接着の場合、空気層を介在させている場合とを含む。
本実施形態のフレネルロムQWP(λ/4フレネルロム、λ/4波長板)は、平行四辺形状のプリズム素子を2つ組み合わせた構造(ダブル型のフレネルロム)であり、具体的には、図1Aに示すように、断面(図1Aの面と平行な断面、つまり、後述する各入射端面、出射端面、全反射面と直交する断面)が平行四辺形の平行四辺形状の第一菱面体10及び第二菱面体20を備えている。第一菱面体10及び第二菱面体20は、同一形状であり、等方性材料で形成されている。
第一菱面体10は、第一入射端面11と、第一入射端面11と平行に配置された第一出射端面12と、第一入射端面11及び第一出射端面12と交わる第一全反射面13と、第一全反射面13と平行に配置された第二全反射面14と、を有している。
第二菱面体20は、第二入射端面21と、第二入射端面21と平行に配置された第二出射端面22と、第二入射端面21及び第二出射端面22と交わる第三全反射面23と、第三全反射面23と平行に配置された第四全反射面24と、を有している。
第一出射端面12と第二入射端面21は、オプティカル・コンタクトによる直接接合とすることが好適であるが、紫外線透過接着剤を用いた接着固定とすることや、接合を行わずに隙間を空けて配置することも可能である。
第一菱面体10及び第二菱面体20は、等方性材料から形成されており、上述した図1Aは、等方性材料として石英を使用した場合を示している(楔角α=45.1°)。等方性材料としては、真空紫外から近赤外の波長領域を透過する材料であれば良く、入手性の観点から石英(溶融石英:屈折率n=1.46@550nm)やフッ化カルシウム(CaF2:屈折率n=1.44@546nm)を用いると好適である。なお、用いる等方性材料については、位相差を劣化させてしまうような素材の欠陥や歪などがないことも重要であり、CaF2よりも石英を用いることが好ましい。
第一全反射面13、第二全反射面14、第三全反射面23及び第四全反射面24の少なくとも2つ以上の面は、その面上に、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料とは異なる屈折率の多層膜Mがコーティングされている(図1B)。
本実施形態のフレネルロムQWPについて、素子の幅W(素子の厚み)、素子の開口K、素子の高さH、素子の長さLを、図1Aに示すように定義する。第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料が石英であるとき、楔角α=45.1°であり、素子の幅W:素子の開口K:素子の高さH:素子の長さL=10mm:10mm:20mm:20.1mmとなる。また、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料がCaF2であるとき、楔角α=45.85°であり、素子の幅W:素子の開口K:素子の高さH:素子の長さL=10mm:10mm:20.3mm:21.2mmとなる。
図2Aは、石英における各全反射面への入射角と位相差の関係を波長毎に示したものである。図2Bは、フレネルロムにおける入射角θと楔角αの説明図である。フレネルロムに光線を垂直入射した場合、楔角α=入射角θとなる。各全反射面に多層膜が無い状態での計算値である。フレネルロムは、光線が全反射する際にp偏光とs偏光に位相差が生じる事を利用した位相子であり、生じる位相差は、素材の屈折率と全反射角に依存する。屈折率には、波長依存性がある為、生じる位相差にも、波長依存性が出てしまう。
本実施形態のフレネルロムQWPの応用例について、以下に示す。本実施形態のフレネルロムQWPは、計測装置に応用可能である。ここで、「計測装置」とは、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含むものとする。
石英製のλ/4フレネルロムの4つ全ての全反射面に、GdF3/MgF2、LaF3/MgF2、NdF3/MgF2の2層膜を成膜した場合における位相差の波長特性を実施例1−1.〜1−3.に示す。図8は、石英製のλ/4フレネルロムの概要図で、2層膜の種類(構成)によらず同一の形状である。なお、2つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。
図9に4つの全反射面にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表1に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にGdF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で81.6〜99.0°の位相差にする事が可能になる。
図10に4つの全反射面にLaF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表2に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にLaF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で84.2〜99.4°の位相差にする事が可能になる。
図11に4つの全反射面にNdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表3に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にNdF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で83.5〜98.0°の位相差にする事が可能になる。
CaF2製のλ/4フレネルロムの4つ全ての全反射面に、GdF3/MgF2、LaF3/MgF2、NdF3/MgF2の2層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例2−1〜2−3に示す。図12は、CaF2製のλ/4フレネルロムの概要図で、2層膜の種類によらず同一の形状である。なお、2つの菱面体をオプティカル・コンタクトした場合と、互いに離して平行に並べた場合の位相差に違いはない。
図13に4つの全反射面にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表4に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にGdF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で86.3〜96.8°の位相差にする事が可能になる。
図14に4つの全反射面にLaF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表5に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にLaF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で87.3〜97.4°の位相差にする事が可能になる。
図15に4つの全反射面にNdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表6に多層膜の膜厚などを示す。全反射面にNdF3/MgF2の2層膜を成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で85.8〜96.3°の位相差にする事が可能になる。
本実施形態の多層膜付きλ/4フレネルロムと従来のフレネルロムとの比較を以下に示す。本実施形態の多層膜付きλ/4フレネルロムは、波長λ=190〜2000nmと真空紫外から近赤外の波長領域において、位相差を90±10°にする事が可能な位相子である。第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する素材は、上記の波長帯域を透過する等方性材料で安定的な入手が可能な石英又はCaF2となる。図16に示すように、位相差特性は、石英製の方が若干劣っている為、以下に示す比較は、等方性材料として石英を用いた場合で行う。
図18Aに石英製の膜無しλ/4フレネルロムと、全反射面にMgF2単層膜を形成した従来のフレネルロム(MgF2単層膜フレネルロム)の概要図を示し、図18Bに位相差の波長特性の比較を示す。なお、MgF2単層膜フレネルロムは、特許文献1を参考にλ/4フレネルロムとして検討し直したものである。ここで示した2つの従来品と本実施形態のフレネルロムQWPは、基本形状は同一であり、違いは全反射面の膜構成のみとなっている。このような屋根型(ダブル型)と言われる構造の場合、入射光線と出射光線の光軸にズレなどが起こらない為、光学系を組み立てる際や、素子を回転させて使用する際に非常に便利である。また、開口と長さの比が10:20程度と偏光用素子としては、一般的な大きさである。位相差特性は、波長λ=190〜2000nmにおいて、本実施形態のフレネルロムQWP以外は、90°±10°を超えてしまう。
図19Aに石英製λ/4フレネルロムロング型(従来品)の概要図を示し、図19Bに位相差の波長特性の比較を示す。ロング型は、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、開口K=10mmに対して長さL=135mmと、素子が長過ぎるため使用上現実的なものではない。
図20Aに石英製λ/4フレネルロム1個型(従来品)の概要図を示し、図20Bに位相差の波長特性の比較を示す。この1個型は、特許文献2の記述を基に楔角や膜構成を検討したものであり、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、1個型は、構造上、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生するという特徴がある。この場合、光学系を組む際に、入射光線と出射光線の光軸のズレに合わせて、後続の部品もずらして配置しなければならなくなったり、1個型フレネルロムを回転させながら使用すると、出射光線の位置も回転してしまい、使用し難いという問題がある。
図21Aに石英λ/4フレネルロムキング型(従来品)の概要図を示し、図21Bに位相差の波長特性の比較を示す。このキング型は、特許文献2の記述を基に楔角や膜構成を検討したものであり、位相差の平坦性に優れているという特徴があるが、構造上、図21Aに図示した一か所の位置以外では、入射光線と出射光線の光軸にズレが発生し光線の上下が逆転する。この為、光線の上下を修正する部品を追加する必要があり、使用し難いという問題がある。
石英製又はCaF2製λ/4フレネルロムに多層膜を成膜した際の位相差の波長特性を以下に示す。具体的には、石英製又はCaF2製のフレネルロムの2つ又は3つの全反射面に、膜材料GdF3とMgF2の、2層膜又は4層膜を成膜した場合にも、波長190〜2000nmにおける位相差範囲が85°〜110°の範囲となることを示す例である。
石英製のλ/4フレネルロムの3つの全反射面に、GdF3/MgF2による2層膜又は4層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例3−1−1、3−1−2に示す。具体的には、図8に示す石英製のλ/4フレネルロムにおいて、4つの全反射面の任意の3つの面に2層膜又は4層膜を成膜した例を示す。
図22にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表7に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の2層膜を3つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で84.2〜109.5°の位相差にする事が可能になる。
図23にGdF3/MgF2による4層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表8に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の4層膜を3つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で83.3〜104.6°の位相差にする事が可能になる。
CaF2製のλ/4フレネルロムの2つ又は3つの全反射面に、GdF3/MgF2による2層膜又は4層膜を成膜した場合の位相差波長特性を実施例3−2−1〜3−2−4に示す。具体的には、図12に示すCaF2製のλ/4フレネルロムにおいて、4つの全反射面の任意の2つ又は3つの面に2層膜又は4層膜を成膜した例を示す。
図24にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表9に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の2層膜を2つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で85.7〜110.0°の位相差にする事が可能になる。
図25にGdF3/MgF2による4層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表10に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の4層膜を2つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で85.0〜109.4°の位相差にする事が可能になる。
図26にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表11に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の2層膜を3つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で85.9〜103.5°の位相差にする事が可能になる。
図27にGdF3/MgF2による2層膜を成膜した場合の位相差の波長特性について示す。また、表12に膜厚などを示す。GdF3/MgF2の4層膜を3つの全反射面に成膜する事で、波長λ=190〜2000nmの範囲で86.6〜102.3°の位相差にする事が可能になる。
10 第一菱面体
11 第一入射端面
12 第一出射端面
13 第一全反射面
14 第二全反射面
20 第二菱面体
21 第二入射端面
22 第二出射端面
23 第三全反射面
24 第四全反射面
M 多層膜
MH 高屈折率膜
ML 低屈折率膜
θ 入射角
α 楔角
W 素子の幅(素子の厚み)
H 素子の高さ
L 素子の長さ
K 素子の開口
I 入射光線
R 反射光線
E 出射光線
X 光軸
Claims (9)
- 等方性材料で形成された平行四辺形状の第一菱面体及び第二菱面体を備えるフレネルロムであって、
前記第一菱面体は、第一入射端面と、前記第一入射端面と平行に配置された第一出射端面と、前記第一入射端面及び前記第一出射端面と交わる第一全反射面と、前記第一全反射面と平行に配置された第二全反射面と、を有し、
前記第二菱面体は、第二入射端面と、前記第二入射端面と平行に配置された第二出射端面と、前記第二入射端面及び前記第二出射端面と交わる第三全反射面と、前記第三全反射面と平行に配置された第四全反射面と、を有し、
前記第一入射端面に入射した入射光線は、前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面で全反射して、前記第二出射端面から出射光線として出射し、
前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の少なくとも2つ以上の面には、多層膜が形成されており、
前記多層膜は、前記等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成された高屈折率膜と、前記等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成された低屈折率膜と、が交互に積層されており、
前記入射光線と前記出射光線の光軸が同軸であり、
190nm以上2000nm以下の波長領域において前記入射光線に対して90°±10°の位相差を与えることを特徴とするフレネルロム。 - 前記第一全反射面、前記第二全反射面、前記第三全反射面及び前記第四全反射面の全てに前記多層膜が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のフレネルロム。
- 前記低屈折率材料がMgF2であり、
前記高屈折率材料がGdF3、LaF3及びNdF3からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1又は2に記載のフレネルロム。 - 前記等方性材料が石英又はCaF2であることを特徴とする請求項3に記載のフレネルロム。
- 前記等方性材料が石英であり、
前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が45.1°であることを特徴とする請求項3に記載のフレネルロム。 - 前記多層膜が2層膜であることを特徴とする請求項5に記載のフレネルロム。
- 前記等方性材料がCaF2であり、
前記第一菱面体及び前記第二菱面体の楔角が45.85°であることを特徴とする請求項3に記載のフレネルロム。 - 前記多層膜が2層膜であることを特徴とする請求項7に記載のフレネルロム。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載のフレネルロムを備えることを特徴とする計測装置。
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