JPH01161309A - 多重反射鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 曲率の異なる凹と凸の曲面鏡で構成された多重反射鏡に
関し、 光ビームの反射回数を飛躍的に高め、光ビームを密集さ
せる方法を提供することを目的とし、曲率が互いに異な
る球面鏡、又は円筒面鏡を一対対向させ、曲率半径の大
きい方を凹面鏡、小さい方を凸面鏡とし、双方の鏡面間
で光を多重反射させて構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、曲率の異なる凹と凸の曲面鏡で構成された多
重反射鏡に関する。

多重反射鏡は、例えば、光ビームを投射して微粒子等を
検出する系において、反射鏡により一本の光ビームを同
一の空間で多数回通過させて、光の密度を高め微粒子の
検出感度と検出の確率を高めることができる。

例えば、半導体等の製造に用いられるクリーンルーム、
又は真空成膜装置内等においては、極く微細なゴミ等を
嫌うため、高感度に微粒子を検出するため、光ビームを
密集させその強度を高める方法が必要とされる。

〔従来の技術〕

面鏡１を対向して構成し、その間に１本の光ビーム２を
導入し、平面鏡１内で多数回反射させ、光ビームの密度
を高める方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記一対の平面鏡を対向させた方式では、反射回数が少
なく、光ビームの密度としてはまだまだ低く不十分であ
る。そのため、例えば、クリーンルームや真空装置内の
ゴミ等の微粒子を高感度、かつ高値、率に検出すること
ができない問題があった。

そこで、本発明では、光ビームの反射回数を飛躍的に高
め、光ビームを密集させる方法を提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点は、第１図に示されるように、曲率が互いに
異なる球面鏡３．４、又は円筒面鏡を一対対向させ、曲
率半径の大きい方を凹面鏡３、小さい方を凸面鏡４とし
、双方の鏡面間で光ビーム２を多重反射させる本発明の
多重反射鏡によって解決される。

〔作用〕

即ち、曲率の異なる凹面鏡３と凸面鏡４とで構成した鏡
面間に、光軸５に平行に入射した光ビームＡＢが、２度
の反射の後、初めと平行になる状態を繰り返す時、光は
光軸５に近ずくものの永久に光軸５に達しないことにな
る。この時、光は両鏡面間で極めて密集した状態になる
。

第１図の関係が成立する条件を考える。第２図において
、凹面鏡３の曲率半径とその中心位置をＲｅ　、Ｏ＋　
とじ、凸面鏡４のそれらをＲ２，０２とする。Ｂ点、０
点での法線はそれぞれ０１）０２の方向にある。Ｋ１と
σ石の平行が成立するためには、両法線が平行でなけれ
ばならない。

この時、ｌＥＯ＋　０２　＝　ｌＥ　’　ＢＣであるか
らΔＥＯＩ　０２と△ＩＦ、’ＢＣは合同であり、ＢＣ
＝Ｏ＋　０２　＝ａとなる。

ところで、０１を原点におくと、ＢＳＣの座標はＡＢＯ
＋　＝θとすると、次のようになる。

Ｂ　：　　（Ｒｅ　ｃｏｓ　θ、Ｒｅ５ｉｎ　θ）Ｃ：
　（ａ　＋Ｒ２ｃｏｓθ、Ｒ２５ｉｎθ）し°（１）す
ると、（１）によりＢＣ間の距離は次のように表される
。

（ＢＣ）２＝　（Ｒｅ　ｃｏｓθ−（ａ＋Ｒ２ｃｏｓθ
））２十（Ｒｅ　ｓｉｎθ−Ｒ２５ｉｎθ）２＝　　（
（Ｒｅ　　−Ｒ２）　ｃｏｓ　　θ−ａ）２　＋（Ｒｅ
　　−Ｒ２）　２ｓｉｎ　２　　θ＝　　（Ｒｅ　　−
Ｒ２）　２−２ａ　　（Ｒｅ　　−Ｒ２）　ｃｏｓ　　
θ＋ａ２ ところで、（ＢＣ）　２＝ａ２であるから、（Ｒｅ　−
Ｒ２）　２−２　ａ　（Ｒｅ　−Ｒ２）　ｅｏｓ　θ＝
０、　よってａ　＝　（Ｒｅ　−Ｒ２）　／　２ｃｏｓ
θ・−・−（２）ところで、凹面鏡３と凸面鏡４間の隙
間をＳとすると、 ５＝Ｒｒ　　−Ｒ２−ａ＝　（Ｒｅ　−Ｒ２）　　（１
−１／２ｃｏｓ　θ）　・−・−（３） すると、　　ａ／ｓ＝１／　（２ｃｏｓ　θ−１＞　・
（４）式（４）が后とＣ）が平行となる多重反射の条件
である。これは、θ＃Ｏの時近似的にａ　／　ｓ　＝　
１となり、ａ　＝　ｓ　＝　（Ｒｅ　−Ｒ２）　／　２
　−（５）として、簡単に条件を与えるとことができる
。ところで、（５）と（４）の間の差はθが小さい時、
極めて小さいものになる。

例えば、θ＝２″の時でａ　／　ｓ　＝１．００１２で
あり、ａ　＝ｓの場合と比べて０．１２％の誤差がある
に過ぎない。

このように、θが小さい場合は、Ｒ１＞Ｒ２として、凹
面鏡３を半径Ｒ＋、凸面鏡４を半径Ｒ２とし、凹面鏡３
と凸面鏡４間の距離をＲ＋　−Ｒ２／２とおき、光軸５
に水平に光線を入射することで、多重反射鏡を構成でき
ることが示された。

〔実施例〕

ここでは実施例として、反射光路を計算機でシミュレー
ションした結果を示す。

第３図に、多重反射の条件に合致させた場合について示
した。

３Ａは半径１０００ｍｍ、９００ｍｍの鏡（凹面、凸面
）を用い、光軸から５０ｍｍの位置に光ビーム２を水平
に入射した場合であり、入射した光ビームが光軸５を超
えて、外に出るまで１４０回の多くの反射が得られる。

３Ｂ、３Ｃには、鏡の曲率半径Ｒを大きくして、入射角
θを小さくした場合であるが、これらの場合、反射回数
がより多く、さらに光が密集することが判る。

以上は前述の（４）式に従って設定した場合であるが、
この条件から外れた場合を第４図、第５図に示す。第４
図は、Ｓ＝５０ｍｍとするところを３０ｍｍとした場合
であるが、図４Ａの入射光が水平の時、光は光軸側にあ
まり入らない。

しかし、図４Ｂ、４Ｃ，４Ｄに示すように入射光を右上
がりに傾けて行くと、光は光軸５側に入り、多重反射が
得られるようになる。一方第５図にｓ＝７０ｍｍとした
場合を示すが、この場合も入射光が水平の図５Ａから図
５Ｂ〜５Ｅと順次右下がりに入射光を傾けることで、多
重反射が得られることが判る。

以上の実施例より、上述の（４）式に従った場合、理想
的な多重反射が得られるが、（４）式から外れた場合に
も多重性は劣るものの、入射角度を傾けることで、いず
れにしても本発明の曲率の異なる２鏡面により、多重反
射が得られることが示された。

なお、多数回の反射により、光ビーム強度の低下が心配
となるが、極めて高い反射率を有する誘導体多層膜（反
射率９９．５％以上）を用いて、この低下を小さく抑え
ることが可能である。

上記の曲面鏡構成により、光ビームの多重反射が得られ
、光ビームを高密度化できるので、微粒子の検出に用い
た場合、微粒子による散乱光が極めて強いものとなり、
従来より小さい粒子の検出も可能となる。また、光ビー
ムの密集により光の強度が平滑化され、散乱光の強度が
一様化される効果があり、散乱光の強度が粒子の通過す
る場所によって異なるという従来の単独、或いは離散し
た光ビームの場合の欠点を克服できる。

なお、本発明の適用範囲を微粒子検出の場合について説
明したが、その他、光ＣＶＤ法（材料気体の分解を光励
起で促進させ、分解物からの反応物質を基板上に形成す
るもの）があり、基板近くに高密度の光を集中させて成
膜速度を上げることが可能である。生成物質の例として
、アモルファスＳ１％ダイヤモンド状ＣＳＺ　ｎ　Ｏ膜
等がある。

また、上記対向する凹凸面鏡を組合せた多重反射鏡にお
いて、良好な多重反射を行わせるためには、両鏡面光軸
の角度や、光線の入射角度についての微調整が必要であ
る。

角度調整系は、従来メカ的に複雑で高価格であり、かつ
取付角を縦横の方向でそれぞれ調整するのは煩雑であっ
た。

そこで、角度の微調整でなく、別のより容易な方法で光
軸合せができる方法を以下に述べる。

球面からなる両鏡面の間の光線の反射については、第６
図に示すように光ビーム２０入射位置と向きを示すに１
と、凹面鏡３、凸面鏡４の曲率の中心位置０１０２と、
それらの曲率半径ＲＩＲ２をパラメータとして示すこと
で全てを把握できる。

両鏡面３．４と光ビーム２間の配置の狂いは、ＫＢとＯ
Ｉ　、０２の間の位置の狂いにあたるため、これらの位
置調整で全ての修正が可能であり、凹面ｖＡ３、凸面鏡
４および光ビーム２の角度調整は不要となる。

ところで、ＯＩ又は０２の移動は、凹面鏡３、凸面鏡４
を傾けずに、その量だけ鏡をその向きに平行移動させて
できる。このため、Ｋ１を固定した場合には、ｘ、ｙ軸
を肩に直角方向として、ＯＩ、０２のｘ、ｙ軸方向への
微調で全ての修正ができることになる。

ここで、第７図において、０１とに１を固定して考える
。まず、０２をＯＩとに１で決まる平面内に移動して０
２　′とする。この移動は両鏡面間の反射光をに１と０
１で決まる平面内に揃えることであり、この調節作業は
容易である。

次に０２　　”から０２″に移動させる。これは、光軸
５部分付近に光ビーム２をより密集させる最終の作業で
ある。

第８図は以上の鏡移動に伴う反射光の挙動の概略を示す
。８Ａは調整前の状態であり、８Ｂは、０２→０２　′
と移動して反射光が１つの平面内に揃った場合、８Ｃは
、０２　′＝ＯＯ２“として光ビームが密集した場合を
示す。

実施例として、曲率半径１０００ｍｍと９００ｍ＋＋＋
の球面鏡について、水平方向から傾いて入射した場合の
鏡移動による補正効果を第９図に示す。図９Ｅは凹面鏡
３のＲ１０００と凸面鏡４のＲ９００の間を５０ｍｍと
し、光軸５から５Ｏｎ＋＋ｎの位置に±０．００６　°
傾けて入射した状態図であり、その状態で凹面鏡ｆの移
動量を変えた時を、図９Ａ−１から９０−１、図９Ａ−
２から９Ｄ−２に示す。

図より光ビームの入射角が±０．００６度傾いた場合、
外側の凹面鏡３を±５０μｍ移動させることで、良好な
多重反射が得られるようになることが判る。

以上の結果より、１０μｍ単位の比較的粗い調整により
、入射角度の微小な狂いを補正できるといえる。

以上のように凹面鏡３の移動により入射角度の微小な狂
いが調整できるので、従来のような鏡や光ビームの設定
角度の微調整が不要となり、光学系の位置合わせが極め
て容易となり、かつ低価格化が可能となる。

又、第１０図に本発明の凸面鏡４と凹面鏡３の間に光ビ
ーム２を導入して、その間で多重反射して光のカーテン
を作る場合を説明する。両鏡の中心線ＯＸ付近での光の
強度を−様にするのが難しい。

それは、中心線ＡＯＢ付近では、反射光の反射密度が大
きくなるため、どうしてもＡＯＢ付近での光強度が強く
なってしまう為である。

光強度が−様でない光のカーテンを用いてダストの計測
を行った場合、粒径によって散乱光の強度が違う事を利
用して、粒径の大きさを計測する。

事が不可能となり、どうしても光強度の−様なカーテン
が必要とされる。

を平面鏡１３として構成する。

凹面鏡３′に入射した光は、そこで反射され反対側に置
かれた凸面鏡４゛に当たり反射され、これを繰り返すこ
とによって、平面鏡１３部分に黒人される。平面鏡１３
部分に導入された光は、一定の間隔で反射を繰り返し、
ｘｏｘ’中心軸付近でほぼ−様な強度となり、光の二次
元的なカーテンを作る事ができる。

どの様な強度及び−様性のカーテンを作るかは、光ビー
ム２の径及び凹面鏡３′及び凸面鏡４′の曲率半径及び
両面鏡開の距離、及び鏡の反射率によって決定される。

本発明のような構成だと平面鏡１３間の反射により広い
範囲にわたって、−様なカーテンを作る事ができ、この
面にダストの粒子が大うた場合には、光が周囲に散乱さ
れる。この散乱光の強度は、入射ダスト粒子の粒径に依
存するため、ダストの大きさ及び個数の測定が可能とな
る。

第１２図は、本発明の多重反射鏡が用いられる微粒子検
出器の概略斜視図を示す。この微粒子器は、誘電体多層
膜を反射膜として用いた半径９００ｍｍの５鏡ｌＯと半
径１０００ｍｍの凹面鏡２０とを対面させた光学系を備
え、この上方には、７８０ｎｍの波長のビームを発射す
る半導体レーザー３０が設置され、この光学系にビーム
Ｌを供給している。該ビームＬは両鏡１０．２０間で多
数回反射されて両者間にビームのカーテンＣを形成する
。カーテンＣの側方には集光器４０が設置され、光ファ
イバ東５０等を介して微粒子による散乱光を高真空雰囲
気に保持された光学系から外に取り出す。第１３図に示
すように、光フアイバ５０束は、屈曲自在な気密性の金
属性チューブ１）で密閉されており、光学系を収容して
いる真空槽の外壁１２に気密性を保ちながら固定され、
その終端は測定装置６０（第１４図）に接続されている
。

被検出微粒子ＰがカーテンＣの領域内に存在している場
合には、ビームＬは該微粒子Ｐによって散乱せしめられ
、その特定方向を指向する一部は前記集光器４０によっ
て集められ、前記測定装置６０において光電子増幅管７
０によって信号処理されて、制御装置（図示しない）に
微粒子サイズ及び数示す指標として集計される。前記光
電子増幅管７０に導入される直前に、散乱光は、例えば
誘電帯条層膜を有する多数のガラス板で構成された±１
０人程鹿の通過域を有するフィルタ８０によって、元の
レーザービームＬの狭い波長帯域の成分のみ限定される
ことが望ましい。なぜならば、集光器４０には、微粒子
によって散乱された基本となるレーザービーム以外の波
長成分、例えばこの微粒子検出器の近傍で行われている
薄膜形成のために発生する光等の外乱が混入されている
可能性があり、このために得られた信号のＳ／Ｎ比が低
下することのリスクを防止する必要があるからである。

このようにすれば、Ｓ／Ｎ比は１００倍以上に改善され
、真空中の清浄度を充分に管理することが可能となる。

又、スパッタリング等の薄膜形成工程がら発生する原子
等がレーザービームを反射させるための凸面鏡ｌＯや凹
面鏡２０、並びに半導体レーザー３０の放射口等を汚染
すると、微粒子検出の精度が低下するので、これを防止
するために、本発明においては主要な光学系を被覆する
為に、第１５図に示すようなハウジング９０を設け、装
置本体を該ハウジング９０内に収納し、更に該ハウジン
グ９０内に不活性ガスを導管１００から常時導入してい
る。即ち、スパッタされた原子の挙動を考えると、まず
雰囲気中の気体原子と衝突してその進路を変更するが、
その際に付近に壁面があると、これに衝突してこれに付
着する傾向がある。従って、鏡の近傍の気体圧力を高め
、且つハウジングの壁面を設けておくことによって、ス
パッタ原子を積極的に壁面に付着させて鏡面の汚染を防
ぐことが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、曲率の異なる凹と
凸の曲面鏡で構成することにより、光ビームの多重反射
が得られ、光ビームを高密度でき、さらに、曲面鏡を光
軸に対し直角方向移動により光学系の位置合わせが容易
にできる。また、光導入部のみを多重反射鏡とし、残り
大部分を平面鏡とし、強度が強く、かつ−様な領域の広
い多重反射が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は第１図の関係が
成立する条件を単用する図、第３図は水平入射光に対す
る多重反射状態図、第４図は多重反射の条件より外れた
場合の反射状態図、第５図は多重反射の条件より外れた
場合の反射状態図、第６図は両鏡面の間の光線の反射を
説明する図、第７図は本発明の光軸合せを説明する図、
第８図は本発明の鏡移動に伴う反射光の挙動を示す図、
第９図は本発明の鏡の移動による補正図、第１０図は多
重反射鏡の光の強度を説明する図、第１）図は本発明の
光の強度が−様な多重反射鏡の構成図、第１２図は本発
明が適用される微粒子検出器の概略斜視図、第１３図は
光りファイバ束を取り出すための構成を示す断面図、第
１４図は測定装置の断面図、第１５図はハウジング内に
収容された検出装置の概略斜視図、第１６図は従来の多
重反射鏡を説明する図である。 図においで、 ２は光ビーム、３．３′は凹面鏡、４．４′は不登明−
ａ、理膚仄図 第　１　凹 第１図の開イ糸ボへ立す６条イ牛を言楚明すうｐ４％２
　　　図 第８　閃 多重１寸４免４リヒク５飢座を８免口列する図第１０図 第１）　図 ０〔東を多重々射鏡２答す月する図 第１６図 本発明ボ直田ケわう敢舷子の顎出器の概略斜視口笛１２
１！１ 光ファイバ束を取り出すための構成を示す断面図Ｃカー
テン １）１）定芙置の断面図　　　　Ｐ　　微粒子第１４１
）１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）曲率が互いに異なる球面鏡（３、４）、又は円筒
   面鏡を一対対向させ、曲率半径の大きい方を凹面鏡（３
   ）、小さい方を凸面鏡（４）とし、双方の鏡面間で光ビ
   ーム（２）を多重反射させ、光強度の高い部分を発生さ
   せることを特徴とする多重反射鏡。
2. （２）上記対向させた凹凸面鏡（３、４）は、動作方向
   が光軸（５）に対して直角方向となる位置合わせのため
   の平行微動機構を含んで成ることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の多重反射鏡。
3. （３）上記対向した凹凸面鏡（３、４）は、光ビーム（
   ２）の導入部付近を凹凸面鏡（３′、４′）とし、他の
   部分は平行な平面鏡（１３）で構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の多重反射鏡。
4. （４）上記凹面鏡（３′）は上記凸面鏡（４′）より長
   くし、この部分に入射光を導入することを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の多重反射鏡。
5. （５）上記凹球面鏡（３′）の半径は、上記凸球面鏡（
   ４′）の半径より大きいことを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の多重反射鏡。