JPH0695036A - Optical element - Google Patents

Optical element

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JPH0695036A
JPH0695036A JP18274093A JP18274093A JPH0695036A JP H0695036 A JPH0695036 A JP H0695036A JP 18274093 A JP18274093 A JP 18274093A JP 18274093 A JP18274093 A JP 18274093A JP H0695036 A JPH0695036 A JP H0695036A
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JP
Japan
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light
plane
incident
fourier transform
light transmitting
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Application number
JP18274093A
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Japanese (ja)
Inventor
Tsuneyuki Hagiwara
恒幸 萩原
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication of JPH0695036A publication Critical patent/JPH0695036A/en
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Abstract

PURPOSE:To enable the observation of Fourier spectra possessed by fine objects in a wide frequency region by bundling plural light transmitting elements which are aligned with light incident ends on a spherical surface and aligned with the exit ends thereof to a grid form, thereby constituting the optical element. CONSTITUTION:This optical element is constituted by bundling the plural light transmitting elements 11-i, 11-j which are aligned with the respective light incident ends of the spherical surface S in different positions and are aligned with the light exit ends thereof to the two-dimensional grid form. The alignment obtd. by orthogonal projection of the light incident end faces to the plane running the center 0 of the spherical surface S are resembled to the alignment of the light exit ends of the plural light transmitting elements. Then, the light emitted at a prescribed angle from an object to be observed, etc., is made incident on the incident end of the corresponding light transmitting element on the spherical surface S when this object is disposed near the center 0 of the spherical surface S and is illuminated. If the exit ends of these light transmitting elements are aligned according to the conversion rule of, for example, Fourier transform lenses, ftheta lenses, etc., according to the angle of the incident light, the same optical conversion as the optical conversion of these Fourier transform lenses and ftheta lenses is executed by these optical elements.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光学的フーリエ
変換を応用した各種検査装置又は各種測定装置に適用し
て好適な光学素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical element suitable for application to various inspection devices or various measurement devices to which optical Fourier transform is applied.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば半導体素子等をフォトリソグラフ
ィー技術を用いて製造する際に、回路パターンが描画さ
れたフォトマスクが使用される。斯かるフォトマスクの
欠陥検出装置においては、そのフォトマスク上のパター
ンからの光をフーリエ変換して得られる空間周波数空間
のパターンよりそのパターンの欠陥の有無の判別又は欠
陥の分類を行う場合がある。このように対象物からの光
を光学的にフーリエ変換する場合に、フーリエ変換光学
素子が使用される。
2. Description of the Related Art For example, when manufacturing a semiconductor device or the like using a photolithography technique, a photomask on which a circuit pattern is drawn is used. In such a photomask defect detection apparatus, there is a case where the presence or absence of a defect in the pattern is classified or the defect is classified based on the pattern of the spatial frequency space obtained by Fourier-transforming the light from the pattern on the photomask. . When the light from the object is thus optically Fourier-transformed, the Fourier-transform optical element is used.

【0003】一般に、2次元の開口に平面波を入射した
ときの回折光をその開口から無限遠の観測点で測定した
場合に、フラウンホーファー回折の回折パターンが得ら
れるが、この回折パターンがその開口を光学的にフーリ
エ変換したものである。これを数学的に表現するため
に、その2次元の開口の存在する平面を開口面と呼び、
x,y直交軸をとる。その開口面における入射平面波の
振幅分布をF(x,y)とする。また、その開口から無
限遠の観測点を空間周波数u,vで表わし、この観測点
における回折パターンの振幅分布をf(u,v)とする
と、振幅分布F(x,y)と振幅分布f(u,v)との
間には、次の(1)式に示すフーリエ変換の関係があ
る。 f(u,v)=C∬F(x,y)exp[-2πi(ux+vy)]dxdy (1)
Generally, when diffracted light when a plane wave is incident on a two-dimensional aperture is measured at an observation point at infinity from the aperture, a Fraunhofer diffraction pattern is obtained, and this diffraction pattern is the aperture. Is an optical Fourier transform of. In order to express this mathematically, the plane where the two-dimensional aperture exists is called the aperture plane,
The x and y orthogonal axes are taken. The amplitude distribution of the incident plane wave on the aperture plane is F (x, y). If an observation point at infinity from the aperture is represented by spatial frequencies u and v, and the amplitude distribution of the diffraction pattern at this observation point is f (u, v), the amplitude distribution F (x, y) and the amplitude distribution f Between (u, v), there is a Fourier transform relationship shown in the following equation (1). f (u, v) = C∬F (x, y) exp [-2πi (ux + vy)] dxdy (1)

【0004】この(1)式において、Cは定数であり、
積分記号∬は変数x及びyに関する−∞から+∞までの
積分を表す。また、開口面の位置の座標x,yと無限遠
の観測点の空間周波数空間の座標u,vとの間には
(2)式の関係がある。 (l−l0 )/λ=u,(m−m0 )/λ=v (2) ここに、λは入射平面波の波長、l0 及びm0 はそれぞ
れ入射平面波が開口面に入射する際のx軸及びy軸の方
向余弦、l及びmはそれぞれ開口面から無限遠の座標
(u,v)の観測点に向かう光のx軸及びy軸の方向余
弦である。
In this equation (1), C is a constant,
The integral symbol ∬ represents the integral from −∞ to + ∞ for the variables x and y. Further, there is a relation of the formula (2) between the coordinates x and y of the position of the aperture plane and the coordinates u and v of the spatial frequency space of the observation point at infinity. (1−l 0 ) / λ = u, (m−m 0 ) / λ = v (2) where λ is the wavelength of the incident plane wave, and l 0 and m 0 are respectively when the incident plane wave is incident on the aperture plane. The x-axis and y-axis direction cosine, and l and m are the x-axis and y-axis direction cosine of the light traveling from the aperture plane to the observation point at coordinates (u, v) at infinity.

【0005】従来はその種のフーリエ変換光学素子とし
てはレンズ(フーリエ変換レンズ)が使用されていた。
1次元の場合を例にとって、フーリエ変換レンズの条件
を説明する。図6は1次元のフーリエ変換を行う場合の
光学系を示し、この図6において、開口面P1の法線を
z軸に一致させた直交座標系において、開口面P1の上
にx,y直交軸をとり、開口面P1上に座標系の原点を
含むようにx方向の幅がξの開口1が形成されている。
この開口1が左方向から入射する平面波Iで照明されて
いる。また、2は光軸がz軸と一致する、焦点距離がf
のフーリエ変換レンズを示し、開口面P1をレンズ2の
物体焦点面内に配置し、レンズ2の像焦点面内に、光軸
に垂直な、観測面P2が形成される。その観測面P2上
にx,y軸に平行にU,V軸をとる。フーリエ変換レン
ズ2の条件は以下の2個である。
Conventionally, a lens (Fourier transform lens) has been used as such a Fourier transform optical element.
The condition of the Fourier transform lens will be described by taking a one-dimensional case as an example. FIG. 6 shows an optical system in the case of performing one-dimensional Fourier transform. In FIG. 6, in an orthogonal coordinate system in which the normal line of the aperture plane P1 coincides with the z axis, x, y orthogonality is present on the aperture plane P1. An opening 1 having a width ξ in the x direction is formed on the opening plane P1 so as to include the origin of the coordinate system on the axis P1.
This aperture 1 is illuminated with a plane wave I incident from the left direction. Also, 2 has a focal length of f whose optical axis coincides with the z-axis and f
Of the Fourier transform lens, the aperture plane P1 is arranged in the object focal plane of the lens 2, and an observation plane P2 perpendicular to the optical axis is formed in the image focal plane of the lens 2. On the observation plane P2, U and V axes are taken in parallel with the x and y axes. The Fourier transform lens 2 has the following two conditions.

【0006】条件 無限遠点での観測結果と等価の観
測結果を得るため、同じ方向余弦の回折光(例えば回折
角θの回折光i1 及びi2 )を1点に集束しなければな
らない。そのためにはフーリエ変換レンズ2の前側焦点
面に開口面P1を、後側焦点面に観測面P2を一致させ
なくてはならない。この条件が満足されないと、空間周
波数と方向余弦とが一対一に対応しない。
Condition In order to obtain an observation result equivalent to the observation result at the point at infinity, it is necessary to focus diffracted light having the same direction cosine (for example, diffracted lights i 1 and i 2 having a diffraction angle θ) at one point. For that purpose, the aperture plane P1 must be aligned with the front focal plane of the Fourier transform lens 2 and the observation plane P2 must be aligned with the rear focal plane. If this condition is not satisfied, the spatial frequency and the direction cosine do not have a one-to-one correspondence.

【0007】条件 フーリエ変換レンズ2の後側焦点
面の光軸を原点とする直交座標であるU軸及びV軸によ
るUV平面でフーリエ変換パターンを観察するために、
フーリエ変換レンズ2は次の(3)式、(4)式の特性
を持つ。 U=fsinθx =fl (3),V=fsinθy =fm (4) 但し、fはレンズ2の焦点距離、θx は視野角のx成
分、θy は視野角のy成分である。ところで、フーリエ
変換情報は通常空間周波数u,vの直交座標上に示さ
れ、フーリエ変換の定義により次の関係が成立する。 u=(l−l0)/λ (5),v=(m−m0)/λ (6) 但し、各変数の意味は以下の通りである。 l :回折光の方向余弦(x軸に平行な成分), l0 :0次回折光の方向余弦(x軸に平行な成分), m :回折光の方向余弦(y軸に平行な成分), m0 :0次回折光の方向余弦(y軸に平行な成分)
Condition In order to observe the Fourier transform pattern on the UV plane by the U and V axes which are orthogonal coordinates having the optical axis of the rear focal plane of the Fourier transform lens 2 as the origin,
The Fourier transform lens 2 has the characteristics of the following expressions (3) and (4). U = fsin θ x = fl (3), V = f sin θ y = fm (4) where f is the focal length of the lens 2, θ x is the x component of the viewing angle, and θ y is the y component of the viewing angle. By the way, the Fourier transform information is usually shown on the orthogonal coordinates of the spatial frequencies u and v, and the following relationship is established by the definition of the Fourier transform. u = (l−l 0 ) / λ (5), v = (m−m 0 ) / λ (6) However, the meaning of each variable is as follows. l: direction cosine of diffracted light (component parallel to x axis), l 0 : direction cosine of 0th order diffracted light (component parallel to x axis), m: direction cosine of diffracted light (component parallel to y axis), m 0 : Direction cosine of 0th-order diffracted light (component parallel to y-axis)

【0008】次に、方向余弦l0 及びm0 を用いて、次
のような座標U0 及びV0 を導入する。 U0 =fl0 (7),V0 =fm0 (8) これは、UV平面上での0次回折光の位置は、(7)式
及び(8)式の(U0,V0)で表されることを意味する。
(3)式〜(8)式より、次の関係が成立する。 u={1/(λf)}(U−U0) (9),v={1/(λf)}(V−V0) (10) (9)式、(10)式は、UV平面上に点(U0,V0)を
原点として、空間周波数u,vの直交座標をλfの係数
で相似変換したスペクトル分布が観察されることを示し
ている。以下では、スペクトルの観察面であるUV平面
をフーリエ変換面と呼ぶことにする。
Next, using the direction cosines l 0 and m 0 , the following coordinates U 0 and V 0 are introduced. U 0 = fl 0 (7), V 0 = fm 0 (8) This is because the position of the 0th-order diffracted light on the UV plane is (U 0 , V 0 ) in the equations (7) and (8). Means to be represented.
From the expressions (3) to (8), the following relationships are established. u = {1 / (λf)} (U−U 0 ) (9), v = {1 / (λf)} (V−V 0 ) (10) Equations (9) and (10) are UV planes. It is shown that the spectrum distribution obtained by performing the similarity transformation on the Cartesian coordinates of the spatial frequencies u and v with the coefficient of λf is observed with the point (U 0 , V 0 ) as the origin. Hereinafter, the UV plane that is the observation surface of the spectrum will be referred to as the Fourier transform surface.

【0009】以上の条件より、フーリエ変換レンズ2の
後側焦点面の観測面P2に、振幅分布3の回折像が形成
される。観測面P2の空間周波数空間の直交座標は
(u,v)であり、(1)式に対応させると、開口面P
1の開口1における入射平面波Iの振幅分布がF(x,
y)、観測面P2における回折像の振幅分布がf(u,
v)で表される。また、その回折像の強度は|f(u,
v)|2 であるが、この強度分布は分布4のようにな
る。
Under the above conditions, a diffraction image of the amplitude distribution 3 is formed on the observation plane P2, which is the rear focal plane of the Fourier transform lens 2. The orthogonal coordinates in the spatial frequency space of the observation plane P2 are (u, v), and corresponding to the equation (1), the aperture plane P
The amplitude distribution of the incident plane wave I at the aperture 1 of No. 1 is F (x,
y), the amplitude distribution of the diffraction image on the observation plane P2 is f (u,
v). The intensity of the diffraction image is | f (u,
v) | 2 , but this intensity distribution becomes distribution 4.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6の
如き従来のフーリエ変換レンズ2を用いる光学系では、
広帯域の空間周波数におけるフーリエ変換を行うために
はレンズの直径が大きくなる。またレンズの光軸方向の
厚みも考慮すると、例えば回折角θが90゜付近の回折
光に対するフーリエ変換をそのフーリエ変換レンズ2で
行うのは実用上非常に困難である。これに関して、その
ように回折角θが大きくなるのは入射平面波で照明され
る物体の構造が微細である場合である。
However, in the optical system using the conventional Fourier transform lens 2 as shown in FIG.
In order to perform the Fourier transform in a wide range of spatial frequencies, the lens diameter becomes large. Further, in consideration of the thickness of the lens in the optical axis direction, it is very difficult in practice to perform Fourier transform on the diffracted light having a diffraction angle θ of about 90 ° by the Fourier transform lens 2. In this regard, such a large diffraction angle θ is when the structure of the object illuminated by the incident plane wave is fine.

【0011】また、例えばfθレンズは、角度θで射出
される光束をその角度θに比例する位置に集束するレン
ズであるが、このような場合にも、その角度θが大きく
なると、そのレンズの直径をかなり大きくしなければな
らないが、それには限界がある。
Further, for example, the fθ lens is a lens that focuses a light beam emitted at an angle θ to a position proportional to the angle θ. In such a case, when the angle θ becomes large, The diameter must be quite large, but there are limits.

【0012】本発明は斯かる点に鑑み、所定の領域から
射出される光を所定の変換規則に従って平面上に集束す
る際に、その射出角が例えば90°に近い程大きい場合
でもその変換規則に従ってその光をその平面上に集束で
きる光学素子を提供することを目的とする。また、本発
明は、特に微細な物体のもつフーリエスペクトルを従来
よりも広い周波数領域において観察できる光学素子を提
供することを目的とする。
In view of the above point, the present invention, when converging light emitted from a predetermined area on a plane according to a predetermined conversion rule, even if the emission angle is large as it approaches 90 °, the conversion rule is large. According to the present invention, an optical element capable of focusing the light on the plane is provided. Another object of the present invention is to provide an optical element capable of observing the Fourier spectrum of a fine object in a wider frequency range than ever before.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明による第1の光学
素子は、例えば図1に示す如く、それぞれ光の入射端が
球面S上の異なる位置に配列されると共に、それぞれの
光の射出端が2次元の格子状に配列された複数の光伝達
素子(11−i,11−j)を束ねて構成したものであ
る。また、第2の光学素子はその第1の光学素子におい
て、それら複数の光伝達素子(11−i,11−j)の
光の入射端をその球面Sの中心Oを通る平面に正射影し
て得られる配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端
の配列とが相似であるものである。
In the first optical element according to the present invention, for example, as shown in FIG. 1, the respective light incident ends are arranged at different positions on the spherical surface S, and the respective light emitting ends are arranged. Is a bundle of a plurality of light transmitting elements (11-i, 11-j) arranged in a two-dimensional lattice. Further, the second optical element is the same as the first optical element, except that the incident ends of the light of the plurality of light transmitting elements (11-i, 11-j) are orthographically projected onto a plane passing through the center O of the spherical surface S. The obtained array is similar to the array of light emitting ends of the plurality of light transmitting elements.

【0014】この場合、それら複数の光伝達素子(11
−i,11−j)はそれぞれライトガイドであることが
望ましい。また、それら複数の光伝達素子の光の入射端
が、例えば図4の入射端(14−1a,14−2a)で
示すように、それぞれその球面Sに略垂直であることが
望ましい。また、その第2の光学素子において、それら
複数の光伝達素子(11−i,11−j)の光の入射端
をその球面Sの中心Oを通る平面へ正射影して得られる
配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端の配列とが
それぞれ直交座標上の配列であることが望ましい。
In this case, the plurality of light transmitting elements (11
It is desirable that each of -i and 11-j) is a light guide. Further, it is desirable that the light incident ends of the plurality of light transmitting elements are substantially perpendicular to the spherical surface S, as shown by the incident ends (14-1a, 14-2a) in FIG. 4, for example. Further, in the second optical element, an array obtained by orthographically projecting the light incident ends of the plurality of light transmitting elements (11-i, 11-j) onto a plane passing through the center O of the spherical surface S and those It is desirable that the arrangement of the light emitting ends of the plurality of light transmitting elements is an arrangement on orthogonal coordinates.

【0015】[0015]

【作用】斯かる本発明の第1の光学素子によれば、複数
の光伝達素子の光の入射端が球面S上に配置されてい
る。従って、その球面Sの中心O付近に観察対象物等を
配置して例えば平面波で照明すると、その観察対象物か
ら所定の角度で射出された光が球面S上で対応する光伝
達素子の入射端に入射する。従って、この光伝達素子の
射出端をその入射する光の角度に応じて例えばフーリエ
変換レンズ、fθレンズ又は通常のレンズ等の変換規則
に従って配列しておくことにより、その光学素子でそれ
らフーリエ変換レンズ、fθレンズ又は通常のレンズ等
と同等の光学的変換を実行できる。
According to the first optical element of the present invention, the light incident ends of the plurality of light transmitting elements are arranged on the spherical surface S. Therefore, when an observation object or the like is placed near the center O of the spherical surface S and is illuminated with, for example, a plane wave, the light emitted from the observation object at a predetermined angle is incident on the spherical surface S of the corresponding light transmitting element. Incident on. Therefore, by arranging the exit end of the light transmitting element according to the conversion rule of, for example, a Fourier transform lens, an fθ lens or a normal lens according to the angle of the incident light, the Fourier transform lens can be used in the optical element. , Fθ lens or an ordinary lens can be used for optical conversion.

【0016】また、本発明の第2の光学素子は光学的な
フーリエ変換を行う素子であるが、この第2の光学素子
は以下の2点に着目して提案されたものである。先ず、
第1に光学的なフーリエ変換は微細な欠陥を検査する検
査装置等で適用されるが、例えば欠陥検査装置において
は、十分な光量で欠陥を照明して欠陥による散乱光の光
量を光電変換可能なレベルにする必要がある。このため
多くの欠陥検査装置では、照明光を光学系により集光
し、検査対象物の微小領域のみを照明することにより、
欠陥部への照明光量を確保している。
The second optical element of the present invention is an element for performing an optical Fourier transform. The second optical element is proposed by paying attention to the following two points. First,
First, the optical Fourier transform is applied to an inspection device or the like that inspects fine defects. For example, in the defect inspection device, the defect can be illuminated with a sufficient amount of light to photoelectrically convert the amount of light scattered by the defect. It is necessary to have a good level. Therefore, in many defect inspection apparatuses, the illumination light is condensed by the optical system, and only a minute area of the inspection object is illuminated,
The amount of illumination light to the defective part is secured.

【0017】第2に、フーリエ変換面の情報を実時間で
処理する場合、一般にフーリエ変換像の強度分布の情報
が用いられる。そのため、ほとんどの場合フーリエ変換
面には1次元又は2次元のイメージセンサが設置され、
このイメージセンサにより光の強度分布が電気信号に変
換される。
Secondly, when the information on the Fourier transform plane is processed in real time, generally the information on the intensity distribution of the Fourier transform image is used. Therefore, in most cases, a one-dimensional or two-dimensional image sensor is installed on the Fourier transform plane,
The image sensor converts the intensity distribution of light into an electric signal.

【0018】以上の第1の観点及び第2の観点について
補足説明する。第1の観点について、図6の従来例に示
すように、フーリエ変換レンズ2の前側焦点面である開
口面P1上のフーリエ変換されるべき対象の存在範囲
(幅ξの開口1)が十分に小さい場合、レンズによる集
束作用を用いなくてもフラウン・ホーファー回折の条件
である無限遠の観測点における光量分布と等価の光量分
布を得ることができる。
The above first and second aspects will be supplementarily described. Regarding the first aspect, as shown in the conventional example of FIG. 6, the existence range (aperture 1 of width ξ) of the object to be Fourier-transformed on the aperture plane P1 which is the front focal plane of the Fourier transform lens 2 is sufficient. When it is small, it is possible to obtain a light amount distribution equivalent to the light amount distribution at the observation point at infinity, which is the condition of Fraun-Hofer diffraction, without using the focusing effect by the lens.

【0019】具体的に、フーリエ変換されるべき対象が
x方向に±xe、y方向(図6の紙面に垂直な方向)に
±yeの内側に限定されるとき、次の(11)式を満足
することで、図6の回折光i1 及びi2 はもはや分離で
きず、フーリエ変換レンズ2の後側焦点面の観測面P2
で光束を集束する特性はそのフーリエ変換レンズ2には
必要ない。 f≫{2(xe2 +ye2 )}/λ (11) 例えば、λ=633[nm]、xe=ye=0.1[m
m]とすれば、f≫60[mm]となる。つまり、変換
対象の存在範囲xe及びyeと焦点距離fとの兼ね合い
により、前述したフーリエ変換用の光学素子の第1条件
である「集束の条件」は不要となる。
Specifically, when the object to be Fourier-transformed is limited to ± xe in the x direction and ± ye in the y direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 6), the following equation (11) is used. When satisfied, the diffracted lights i 1 and i 2 in FIG. 6 can no longer be separated, and the observation plane P2 of the rear focal plane of the Fourier transform lens 2 is observed.
The Fourier transform lens 2 is not required to have the characteristic of converging the light flux. f >> {2 (xe 2 + ye 2 )} / λ (11) For example, λ = 633 [nm], xe = ye = 0.1 [m
m], f >> 60 [mm]. In other words, due to the balance between the existence ranges xe and ye of the conversion target and the focal length f, the above-mentioned "focusing condition" which is the first condition of the optical element for Fourier transform is unnecessary.

【0020】また、上記第2の観点について、図6に示
すフーリエ変換レンズ2では、フーリエ変換面である観
測面P2に位相情報を含むフーリエ変換像の振幅分布3
が得られるが、フーリエ変換像の強度分布のみに着目す
るのであれば、位相情報は必要ない。また、近時は光の
強度分布を観測するのに1次元又は2次元のイメージセ
ンサが使用されるが、それら1次元又は2次元のイメー
ジセンサの画素は有限の大きさを持っているので、連続
的なフーリエスペクトルは得られない。しかしながら、
実際には連続的なフーリエスペクトルは必要はなく、イ
メージセンサのの画素に対応した離散的なスペクトルが
得られれば十分である。本発明は以上述べたように、フ
ーリエ変換されるべき対象の存在範囲が比較的小さく、
また、フーリエ変換面に1次元又は2次元のイメージセ
ンサ(光電変換素子のアレイ)を配置した場合に、フー
リエ変換面の像の強度分布を観測するのに最適なフーリ
エ変換光学素子に関するものである。
Regarding the second aspect, in the Fourier transform lens 2 shown in FIG. 6, the amplitude distribution 3 of the Fourier transform image including the phase information on the observation plane P2 which is the Fourier transform plane.
However, phase information is not necessary if only the intensity distribution of the Fourier transform image is focused. In addition, recently, one-dimensional or two-dimensional image sensors are used to observe the intensity distribution of light, but since the pixels of these one-dimensional or two-dimensional image sensors have a finite size, No continuous Fourier spectrum is obtained. However,
Actually, a continuous Fourier spectrum is not necessary, and it is sufficient to obtain a discrete spectrum corresponding to the pixels of the image sensor. As described above, the present invention has a relatively small existence range of an object to be Fourier transformed,
The present invention also relates to a Fourier transform optical element that is optimal for observing the intensity distribution of an image on the Fourier transform plane when a one-dimensional or two-dimensional image sensor (an array of photoelectric conversion elements) is arranged on the Fourier transform plane. .

【0021】次に、図7を参照して、本発明の第2の光
学素子の基本原理を説明する。この図7において図6に
対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略
する。図7において、開口面P1上のx方向の幅ξの開
口1を中心に半径fの円周5を想定する。その半径fを
(11)式の焦点距離fに代入して、ye=0、2xe
>ξとした場合、その(11)式の条件が満足されるよ
うにその半径fを決定する。
Next, the basic principle of the second optical element of the present invention will be described with reference to FIG. 7, parts corresponding to those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In FIG. 7, it is assumed that a circle 5 having a radius f is centered on the opening 1 having a width ξ in the x direction on the opening surface P1. Substituting the radius f into the focal length f of the equation (11), ye = 0, 2xe
When> ξ, the radius f is determined so that the condition of the equation (11) is satisfied.

【0022】次に前述したフーリエ変換用の光学素子の
第2条件である「像高の条件」を満たすように、光伝達
素子6の入射端面6aを円周5上に配置し、その光伝達
素子7の射出端面6bを座標系(U,V)のフーリエ変
換面P3上に配置する。即ち、開口1に左方向から入射
した平面波Iの内で、その開口1からその入射端面6a
に向かう光と開口面P1の法線とがなす角度をθとする
と、「像高の条件」を満足するためには光伝達素子6は
像高H1 がf・sinθとなるように光を伝達すればよ
い。そのため、光伝達素子6の射出端面6bから射出す
る光がフーリエ変換面P3でその像高H1 の点像となる
ように、フーリエ変換面P3上にその射出端面6bを配
置すればよい。
Next, the incident end face 6a of the light transmitting element 6 is arranged on the circumference 5 so that the second condition "image height condition" of the optical element for Fourier transform described above is satisfied, and its light transmission is performed. The exit end face 6b of the element 7 is arranged on the Fourier transform plane P3 of the coordinate system (U, V). That is, in the plane wave I that has entered the opening 1 from the left direction, the incident end surface 6a from the opening 1
Letting θ be the angle formed by the light traveling toward the lens and the normal to the aperture plane P1, the light transmitting element 6 changes the light so that the image height H 1 becomes f · sin θ in order to satisfy the “condition of image height”. Just send it. Therefore, the exit end surface 6b may be arranged on the Fourier transform surface P3 so that the light exiting from the exit end surface 6b of the light transmitting element 6 becomes a point image of the image height H 1 on the Fourier transform surface P3.

【0023】図7の例では光伝達素子6は開口面P1の
法線方向に平行な形状であり、入射端面6aは円周5の
円弧に一致し、射出端面6bは開口面P1と平行な端面
であるので、フーリエ変換面P3は開口面P1と平行に
形成される。フーリエスペクトルの分解能は、光伝達素
子6の入射端面6aの大きさに依存する。即ち、入射端
面6aに入射する開口1からの光は図7においては角度
θの光で示されているが、実際には入射端面6aは点で
はなく、開口1から見た場合の角度幅δの幅を持ってい
る。従って、そのフーリエスペクトルの分解能はその角
度幅δに相当する程度になる。
In the example of FIG. 7, the light transmitting element 6 has a shape parallel to the normal line direction of the opening surface P1, the incident end surface 6a coincides with the circular arc of the circumference 5, and the exit end surface 6b is parallel to the opening surface P1. Since it is an end face, the Fourier transform plane P3 is formed parallel to the aperture plane P1. The resolution of the Fourier spectrum depends on the size of the incident end surface 6a of the light transmission element 6. That is, the light from the opening 1 incident on the incident end face 6a is shown as light having an angle θ in FIG. 7, but the incident end face 6a is actually not a point but an angular width δ when viewed from the opening 1. Have a width of. Therefore, the resolution of the Fourier spectrum is on the order of the angular width δ.

【0024】また、フーリエスペクトルで必要な部分に
対応して、円周5上に角度θ1 ,θ 2 ,θ3 の方向に入
射端面6−1a,6−2a,6−3aを有し、フーリエ
変換面P3上に射出端面6−1b,6−2b,6−3b
を有する光伝達素子6−1,6−2,6−3を増設する
には、それぞれの像高ha,hb,hcがha=f・s
inθ1 ,hb=f・sinθ2 ,hc=f・sinθ
3 となるように各光伝達素子の入射端面の円周5上の角
度を設定すればよい。
In addition, in the necessary part of the Fourier spectrum
Correspondingly, the angle θ on the circumference 51 , Θ 2 , Θ3 Enter in the direction of
The shooting end surfaces 6-1a, 6-2a, 6-3a,
Emission end surfaces 6-1b, 6-2b, 6-3b on the conversion surface P3
Optical transmission elements 6-1, 6-2, 6-3 having
, The image heights ha, hb, and hc are ha = f · s
in θ1 , Hb = f · sin θ2 , Hc = f · sin θ
3 The angle on the circumference 5 of the incident end face of each light transmitting element
Just set the degree.

【0025】このようにしてフーリエ変換面P3には、
フーリエスペクトルの強度分布が形成される。各々の光
伝達素子の入射端面を小さくして分解能を高めること
で、図7の分布7で示すようなほぼ連続的なフーリエス
ペクトルの強度分布が得られる。フーリエ変換面P3の
強度分布を光電変換する場合には、例えばu方向に所定
ピッチで幅d2 の受光素子よりなる画素g1 ,g2 ,‥
‥,gn が形成されたイメージセンサ8をそのフーリエ
変換面P3に配置すればよい。
In this way, the Fourier transform plane P3 is
An intensity distribution of the Fourier spectrum is formed. By increasing the resolution by reducing the incident end face of each light transmitting element, a substantially continuous intensity distribution of the Fourier spectrum as shown by distribution 7 in FIG. 7 can be obtained. When photoelectrically converting the intensity distribution of the Fourier transform plane P3, for example, the pixels g 1 , g 2 , ... Of light receiving elements having a width d 2 at a predetermined pitch in the u direction.
.., g n are formed on the Fourier transform plane P3.

【0026】ところで、市販されているイメージセンサ
を使用することを考えると画素の大きさ及び画素数の自
由度はあまりないので、イメージセンサに合わせて、フ
ーリエ変換面の大きさを縮小又は拡大する必要がある。
この場合の簡単な例を図8に示す。図8において、開口
面P1上の開口1を中心とする円周5上にそれぞれ入射
端面を有する一連の光伝達素子9−1〜9−nが束ねら
れている。また、開口面P1に平行なフーリエ変換面P
3上で任意の光伝達素子9−i(i=1〜n)が通過す
る座標をU、その変換面P3から右方の変換面P4上で
その光伝達素子9−iが通過する座標をU′とすると、
各光伝達素子9−1〜9−nの射出部の径を縮小させる
ことで、U′=kU(kは1より小さい定数)の関係が
成立するようにしている。
When considering the use of a commercially available image sensor, the degree of freedom of the pixel size and the number of pixels is not so large, so the size of the Fourier transform plane is reduced or expanded according to the image sensor. There is a need.
A simple example in this case is shown in FIG. In FIG. 8, a series of light transmitting elements 9-1 to 9-n each having an incident end face are bundled on a circumference 5 centered on the opening 1 on the opening face P1. In addition, the Fourier transform plane P parallel to the opening plane P1
U is the coordinate that any light-transmitting element 9-i (i = 1 to n) passes on 3 and the coordinate that the light-transmitting element 9-i passes on the conversion surface P3 to the right of the conversion surface P3. U '
By reducing the diameter of the emitting portion of each of the light transmitting elements 9-1 to 9-n, the relationship of U '= kU (k is a constant smaller than 1) is established.

【0027】図7及び図8の光伝達素子においては、そ
れら複数の光伝達素子(6−1,9−1等)の光の入射
端面をその円周5の中心Oを通る平面に正射影して得ら
れる配列とそれら複数の光伝達素子の光の射出端面のフ
ーリエ変換面P3又はP4における配列とが相似であ
る。
In the light transmitting elements of FIGS. 7 and 8, the light incident end faces of the plurality of light transmitting elements (6-1, 9-1, etc.) are orthographically projected onto a plane passing through the center O of the circumference 5. The obtained array is similar to the array on the Fourier transform plane P3 or P4 of the light emitting end faces of the plurality of light transmitting elements.

【0028】次に図9を用いて落射照明の場合について
説明する。図9において、開口面P1上には、フーリエ
変換されるべき対象としてx方向の幅がξの反射型パタ
ーン10が配置されている。波長λの入射平面波Iは、
開口面P1の法線に対する正反射方向の反射角がθ0
なるようにその開口面P1を照明している。この場合、
開口面P1への斜入射の影響により、入射平面波Iは開
口面P1においてx軸に沿って正弦的に変化する位相分
布を持ち、フーリエスペクトルの強度分布は横ずれを起
こす。
Next, the case of epi-illumination will be described with reference to FIG. In FIG. 9, a reflection type pattern 10 having a width of ξ in the x direction is arranged as an object to be Fourier transformed on the opening surface P1. The incident plane wave I of wavelength λ is
The opening surface P1 is illuminated so that the reflection angle in the regular reflection direction with respect to the normal line of the opening surface P1 is θ 0 . in this case,
Due to the effect of oblique incidence on the aperture plane P1, the incident plane wave I has a phase distribution that changes sinusoidally along the x-axis on the aperture plane P1, and the intensity distribution of the Fourier spectrum is laterally offset.

【0029】その反射角θ0 の反射光が円周5と交差す
る際の像高をH0 とすると、フーリエ変換面P3におけ
るフーリエスペクトルの強度分布は、図7の場合に比べ
てU軸に沿って(7)式のU0 だけシフトする。しかし
ながら、光伝達素子6を入射端面がその円周5に接する
ように配置することにより、図7の場合と同様にフーリ
エ変換面P3上にフーリエスペクトルの横ずれした強度
分布が得られる。
Assuming that the image height when the reflected light of the reflection angle θ 0 intersects the circumference 5 is H 0 , the intensity distribution of the Fourier spectrum on the Fourier transform plane P3 is on the U axis as compared with the case of FIG. The shift is made by U 0 in equation (7) along. However, by arranging the light transmission element 6 so that the incident end face is in contact with the circumference 5, the intensity distribution in which the Fourier spectrum is shifted laterally is obtained on the Fourier transform plane P3 as in the case of FIG.

【0030】また、それら光伝達素子(6−1,9−1
等)をそれぞれ光ファイバ又は内面が鏡面加工された円
柱状のミラー等のライトガイドから構成することによ
り、効率良く光が入射面から射出面に導かれる。更に、
複数の光伝達素子の光の入射端が例えば図4に示すよう
に球面Sに略垂直である場合には、球面Sの中心近傍か
らの光が効率的に各光伝達素子に取り込まれる。
Further, the light transmitting elements (6-1, 9-1)
Etc.) is configured by an optical fiber or a light guide such as a cylindrical mirror whose inner surface is mirror-finished, so that light is efficiently guided from the incident surface to the exit surface. Furthermore,
When the light incident ends of the plurality of light transmitting elements are substantially perpendicular to the spherical surface S as shown in FIG. 4, the light from the vicinity of the center of the spherical surface S is efficiently taken into each light transmitting element.

【0031】また、第2の光学素子において、複数の光
伝達素子の光の入射端をその球面Sの中心を通る平面へ
正射影して得られる配列とそれら複数の光伝達素子の光
の射出端の配列とがそれぞれ直交座標上の配列である場
合には、フーリエ変換面における光の強度分布が直交座
標上で得られ以後の処理が容易になる。
In the second optical element, an array obtained by orthographically projecting the light incident ends of the plurality of light transmitting elements onto a plane passing through the center of the spherical surface S and the light emission of the plurality of light transmitting elements. When the array of the ends is an array on the orthogonal coordinates, the intensity distribution of light on the Fourier transform plane is obtained on the orthogonal coordinates, and the subsequent processing is facilitated.

【0032】[0032]

【実施例】以下、本発明による光学素子の第1実施例に
つき図1及び図2を参照して説明する。本例の光学素子
は光学的にフーリエ変換を行うものである。図1は第1
実施例の光学素子の透過斜視図であり、この図1におい
て、x軸とy軸とよりなる直交座標系上の原点Oを中心
として所定半径の半球の面Sを想定する。また、x軸及
びy軸よりなる平面(xy平面)から距離Lだけ離れた
位置にU軸とV軸とよりなる直交座標系を想定し、x軸
とU軸とを平行とし、且つy軸とV軸とを平行にする。
また、xy平面の原点OとU軸及びV軸よりなる平面
(UV平面)の原点とを貫く直線はそれぞれxy平面及
びUV平面に垂直である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the optical element according to the present invention will be described below with reference to FIGS. The optical element of this example optically performs a Fourier transform. Figure 1 is the first
2 is a transparent perspective view of the optical element of the example, and in FIG. 1, a hemispherical surface S having a predetermined radius with an origin O on an orthogonal coordinate system composed of an x axis and ay axis as a center is assumed. Further, assuming an orthogonal coordinate system composed of the U axis and the V axis at a position separated by a distance L from a plane composed of the x axis and the y axis (xy plane), the x axis and the U axis are parallel to each other, and the y axis is parallel to the y axis. And make the V axis parallel.
Further, straight lines passing through the origin O of the xy plane and the origin of the plane (UV plane) composed of the U axis and the V axis are perpendicular to the xy plane and the UV plane, respectively.

【0033】そして、それぞれU方向の幅がDuでV方
向の幅がDvの底面を有する多数の四角柱状光ファイバ
を密に束ねる。それら四角柱状光ファイバの内の代表的
な2個を11−i及び11−jで表し、他の四角柱状光
ファイバの本体を省略する。この場合、UV平面上では
それら多数の四角柱状光ファイバの一方の端面(例えば
斜線を施した端面11−ib及び11−jb)がそれぞ
れ方眼状の各マス目に位置している。一方、それら多数
の四角柱状光ファイバの他方の端面(例えば斜線を施し
た端面11−ia及び11−ja)はそれぞれ半球の面
Sの一部を成している。また、他方の端面が半球の面S
上にない四角柱状光ファイバは削除してある。
Then, a large number of square columnar optical fibers each having a bottom whose width in the U direction is Du and whose width in the V direction is Dv are densely bundled. Two representative ones of the quadrangular prism-shaped optical fibers are represented by 11-i and 11-j, and the main bodies of the other quadrangular prism-shaped optical fibers are omitted. In this case, on the UV plane, one end face (for example, the shaded end faces 11-ib and 11-jb) of each of the large number of rectangular column-shaped optical fibers is located in each grid-shaped square. On the other hand, the other end faces (for example, the shaded end faces 11-ia and 11-ja) of the large number of the square pole-shaped optical fibers each form a part of the hemispherical surface S. Also, the other end surface is a hemispherical surface S
The square column optical fiber not on the top is deleted.

【0034】図2は図1の半球の面Sの中心を通る面に
沿う概略断面図であり、この図2において、半球の面S
の端部から四角柱状光ファイバ11−1,11−2,1
1−3,‥‥が密に配列されている。また、各四角柱状
光ファイバはそれぞれコア11−1c,11−2c,1
1−3c,‥‥及びクラッド11−1d,11−2d,
11−3d,‥‥より構成されている。この場合、例え
ば四角柱状光ファイバ11−6の他方の端面11−6a
のコア部分には、半球の面Sの中心からの光の内で射出
角がθ1 〜θ2 の光が入射し、一方の端面11−6bか
らその光が射出する。同様に、四角柱状光ファイバ11
−2の他方の端面11−2aのコア部には射出角がθ3
の近傍の光が入射し、一方の端面11−2bからその光
が射出する。
FIG. 2 is a schematic sectional view taken along a plane passing through the center of the hemispherical surface S of FIG. 1. In FIG. 2, the hemispherical surface S is shown.
From the end of the rectangular prism optical fiber 11-1, 11-2, 1
1-3, ... Are closely arranged. In addition, each of the quadrangular prism-shaped optical fibers has a core 11-1c, 11-2c, 1
1-3c, ... and clads 11-1d, 11-2d,
11-3d, ... In this case, for example, the other end surface 11-6a of the square pole optical fiber 11-6 is used.
Of the light from the center of the surface S of the hemisphere, the light having an emission angle of θ 1 to θ 2 is incident on the core portion of, and the light is emitted from one end face 11-6b. Similarly, a square pole optical fiber 11
The exit angle is θ 3 at the core portion of the other end surface 11-2a of −2.
The light near the point of incidence enters and the light exits from the one end face 11-2b.

【0035】そして、その半球の面Sの半径をfとする
と、例えば四角柱状光ファイバ11−2に関しては、そ
の他方の(入射側の)端面11−2aに入射する光の射
出角θ3 と一方の(射出側の)端面11−2bのU軸上
の座標u3 との間には、図2より明かなように次の関係
がある。 u3 =f・sinθ3 他の四角柱状光ファイバ11−k(k=1,3,4,‥
‥)についても同様の関係が成立している。これにより
それら四角柱状光ファイバを束ねて構成される光学素子
がフーリエ変換用の光学素子として作用することが分か
る。
When the radius of the surface S of the hemisphere is f, for example, with respect to the square pole optical fiber 11-2, the exit angle θ 3 of the light incident on the other (incident side) end face 11-2a is As shown in FIG. 2, the following relationship exists between the coordinate (u 3 ) on the U axis of the one (exit side) end face 11-2b. u 3 = f · sin θ 3 Other square column optical fibers 11-k (k = 1, 3, 4, ...
...) has the same relationship. From this, it can be seen that the optical element configured by bundling the rectangular column-shaped optical fibers acts as an optical element for Fourier transform.

【0036】この例では、半球の面Sの中心付近から光
軸に対して90°程度の角度で射出される光は、例えば
四角柱状光ファイバ11−1により効率的にUV平面に
伝播するので、広い周波数帯域のフーリエスペクトルを
良好なSN比で観察できる。なお、四角柱状光ファイバ
11−iの代わりに通常の円柱状の光ファイバを使用し
てもよい。円柱状の光ファイバの場合は集光効率が多少
劣るが、製造が容易である。
In this example, the light emitted from the vicinity of the center of the surface S of the hemisphere at an angle of about 90 ° with respect to the optical axis is efficiently propagated to the UV plane by, for example, the rectangular column optical fiber 11-1. The Fourier spectrum in a wide frequency band can be observed with a good SN ratio. An ordinary column-shaped optical fiber may be used instead of the rectangular column-shaped optical fiber 11-i. A cylindrical optical fiber is slightly inferior in light collection efficiency, but is easy to manufacture.

【0037】次に、本発明の第2実施例につき図3を参
照して説明する。図3(a)は第2実施例の光学素子の
概略断面図であり、この図3(a)においては、図2の
四角柱状光ファイバ11−i(i=1,2,‥‥)がそ
れぞれ中空の四角柱状パイプ12−iによって置き換え
られている。他の構成は第1実施例と同様である。図3
(b)はその四角柱状パイプ12−iを代表する四角柱
状パイプ12を示し、この四角柱状パイプ12は隔壁1
3によって囲まれ、4個の内面が鏡面12dで構成さ
れ、中空部12cを光が通過する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the optical element of the second embodiment. In FIG. 3A, the square pole optical fiber 11-i (i = 1, 2, ...) Of FIG. Each is replaced by a hollow quadrangular prismatic pipe 12-i. The other structure is similar to that of the first embodiment. Figure 3
(B) shows a quadrangular prismatic pipe 12 representative of the quadrangular prismatic pipe 12-i.
It is surrounded by 3, and four inner surfaces are configured by mirror surfaces 12d, and light passes through the hollow portion 12c.

【0038】従って、図3(a)において、半球の面S
の内部から射出された光は四角柱状パイプ12−iの各
鏡面12−1c,12−2c,12−3c,‥‥で反射
されて、各中空部12−1d,12−2d,12−3
d,‥‥を通過してフーリエ変換面であるUV平面に達
する。この実施例においても、四角柱状パイプ12−i
のそれぞれの一方の端面12−1b,12−2b,12
−3b,‥‥はUV平面内で配列され、それぞれの他方
の端面12−1a,12−2a,12−3a,‥‥は半
球の面Sに接するように配列されている。
Therefore, in FIG. 3A, the hemispherical surface S
The light emitted from the inside is reflected by each of the mirror surfaces 12-1c, 12-2c, 12-3c, ... Of the rectangular column pipe 12-i, and each of the hollow portions 12-1d, 12-2d, 12-3.
It passes through d, ... And reaches the UV plane which is the Fourier transform plane. Also in this embodiment, the rectangular column pipe 12-i is used.
One end face 12-1b, 12-2b, 12
-3b, ... Are arranged in the UV plane, and the other end faces 12-1a, 12-2a, 12-3a, ... Are arranged so as to contact the surface S of the hemisphere.

【0039】次に、本発明の第3実施例につき図4を参
照して説明する。この第3実施例においては、図2の第
1実施例と同様に各光伝達素子が光ファイバより構成さ
れ、各光ファイバの入射側の端面の中心と射出側の端面
の中心との位置関係も第1実施例と同様である。しかし
ながら、本実施例では第1実施例に比べて光の伝播効率
が高められている。即ち、光ファイバには固有の開口角
があるため、図2の例において、射出角θ1 〜θ2 で入
射する四角柱状光ファイバ11−6の内部よりも、平均
的な射出角θ3 で入射する四角柱状光ファイバ11−2
の内部での光の伝播効率が一般に小さい。これは、光フ
ァイバの入射側の端面での光束の入射角を垂直に近づけ
ることにより解消することができる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, as in the first embodiment of FIG. 2, each light transmission element is composed of an optical fiber, and the positional relationship between the center of the end face on the incident side and the center of the end face on the exit side of each optical fiber. Is the same as in the first embodiment. However, in this embodiment, the light propagation efficiency is higher than that in the first embodiment. That is, since the optical fiber has a unique opening angle, in the example of FIG. 2, the average exit angle θ 3 is larger than that inside the rectangular column-shaped optical fiber 11-6 that enters at the exit angles θ 1 to θ 2. Incident square pole optical fiber 11-2
The efficiency of light propagation inside is generally low. This can be eliminated by making the incident angle of the light beam on the incident side end surface of the optical fiber close to vertical.

【0040】図4は本例の光学素子の概略断面図であ
り、この図4において、原点Oを中心とする半球の面S
の端部から順に光ファイバ14−1,14−2,14−
3,‥‥が配列されている。また、各光ファイバはそれ
ぞれコア14−1c,14−2c,14−3c,‥‥及
びクラッド14−1d,14−2d,14−3d,‥‥
より構成されている。更に、それら光ファイバの内で、
半球の面Sの端部に近いものほど、入射側の端部の形状
を変形させて各入射側の端部がそれぞれ半球の面Sにほ
ぼ垂直に接するようにする。例えば光ファイバの入射側
の端面14−1a,14−2a,14−3a,‥‥の近
傍の光ファイバ自体の光軸はそれぞれ半球の面Sに垂直
である。また、光ファイバの射出側の端面14−1b,
14−2b,14−3b,‥‥はそれぞれUV平面に配
列されている。
FIG. 4 is a schematic sectional view of the optical element of this example. In FIG. 4, a hemispherical surface S centered on the origin O is shown.
From the end of the optical fiber 14-1, 14-2, 14-
3, ... are arranged. Further, each optical fiber has cores 14-1c, 14-2c, 14-3c, ... And clads 14-1d, 14-2d, 14-3d ,.
It is composed of Furthermore, within those optical fibers,
The closer to the end of the surface S of the hemisphere, the shape of the end on the incident side is deformed so that each end on the incident side is in contact with the surface S of the hemisphere substantially perpendicularly. For example, the optical axes of the optical fibers themselves in the vicinity of the end faces 14-1a, 14-2a, 14-3a, ... On the incident side of the optical fibers are each perpendicular to the surface S of the hemisphere. In addition, the end face 14-1b on the exit side of the optical fiber,
14-2b, 14-3b, ... Are arranged in the UV plane.

【0041】これにより、例えば射出角θ3 で光ファイ
バの端面14−3aに入射する光も、コア14−3cを
効率的に伝播して端面14−3bに達する。このように
この実施例によれば、半球の面Sの内部から射出された
光が効率的にフーリエ変換面であるUV平面に供給され
る。なお、上述の第1実施例〜第3実施例は原理説明の
(3)式、(4)式に沿った例であるが、原理説明で示
した図8に示すように、フーリエ変換面の縮小又は拡大
を行ってもよい。
Thus, for example, light incident on the end face 14-3a of the optical fiber at the exit angle θ 3 also propagates efficiently through the core 14-3c and reaches the end face 14-3b. Thus, according to this embodiment, the light emitted from the inside of the surface S of the hemisphere is efficiently supplied to the UV plane which is the Fourier transform surface. The above-described first to third embodiments are examples along the formulas (3) and (4) for explaining the principle. However, as shown in FIG. It may be reduced or enlarged.

【0042】次に本発明の第4実施例につき図5を参照
して説明する。本実施例は反射型の光学系の例である。
図5は第4実施例の概略断面図を示し、この図5におい
て、開口面P1上の原点を中心として半径f1 の半球の
面15を想定する。また、開口面P1上にはフーリエス
ペクトルの測定対象としてのx方向の幅がそれぞれξ1
及びξ2 の反射型パターン10Aと反射型パターン10
Bとが配置されている。いま、入射平面波Iが半球の面
15の一部を通過して斜めに開口面P1に入射するもの
として、図5の角度θ1 から角度θ2 の観測方向に対応
するフーリエスペクトルを観測することを考える。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is an example of a reflection type optical system.
FIG. 5 shows a schematic sectional view of the fourth embodiment. In FIG. 5, a hemispherical surface 15 having a radius f 1 centering on the origin on the opening surface P1 is assumed. Further, on the opening surface P1, the width in the x direction as the measurement target of the Fourier spectrum is ξ 1
And ξ 2 reflective pattern 10A and reflective pattern 10
B and are arranged. Now, assuming that the incident plane wave I passes through a part of the hemispherical surface 15 and obliquely enters the opening surface P1, observe the Fourier spectrum corresponding to the observation direction from the angle θ 1 to the angle θ 2 in FIG. think of.

【0043】斜め方向からの平面波Iの照明領域中に反
射型パターン10Aのみが存在する場合は、原理説明で
言及した図9の面P3上のフーリエスペクトルと同じ分
布のフーリエスペクトルが得られる筈である。このフー
リエスペクトルを図5の面P3上の分布16でも示す。
図5の場合は、平面波Iの中に反射型パターン10Bも
存在するために、フーリエスペクトルとしては反射型パ
ターン10Aと10Bとの各々のフーリエスペクトルを
復合したものが観測される。本実施例では入射する平面
波Iの中から任意の領域のフーリエスペクトルを得るた
めに、更にレンズ17とスリット板18とを追加する。
When only the reflection type pattern 10A exists in the illumination area of the plane wave I from the oblique direction, a Fourier spectrum having the same distribution as the Fourier spectrum on the plane P3 of FIG. 9 mentioned in the explanation of the principle should be obtained. is there. This Fourier spectrum is also shown by the distribution 16 on the plane P3 in FIG.
In the case of FIG. 5, since the reflection type pattern 10B is also present in the plane wave I, a Fourier spectrum obtained by combining the Fourier spectra of the reflection type patterns 10A and 10B is observed. In this embodiment, a lens 17 and a slit plate 18 are further added in order to obtain a Fourier spectrum in an arbitrary region from the incident plane wave I.

【0044】即ち、開口面P1の反射型パターン10A
から反射される光をレンズ17で面P5のスリット板1
8の中央のスリット内に集束し、その反射型パターン1
0Aの周囲の物体からの反射光をそのスリット板18で
遮る。例えば図5の光学系を実際に欠陥検査装置に組み
込んで使用する際には、検査対象物以外から発生する不
要な迷光等がそのスリット板18によりカットされる利
点がある。
That is, the reflective pattern 10A on the opening surface P1
The light reflected from the lens 17 is applied to the slit plate 1 on the surface P5.
Focusing in the slit in the center of 8, the reflective pattern 1
The slit plate 18 blocks the reflected light from the object around 0A. For example, when the optical system of FIG. 5 is actually used by incorporating it into a defect inspection apparatus, there is an advantage that unnecessary stray light or the like generated from other than the inspection object is cut by the slit plate 18.

【0045】図5において、開口面P1の像がレンズ1
7により面P5上に結像され、そのスリット板18のス
リット内には反射型パターン10Aの像10AIが結像
される。即ち、像10AIの周囲の光をスリット板18
により遮光し、像10AIを形成している光線のスペク
トルのみを抽出する。そして、そのスリット板18のス
リットを中心として半径f2 の半球の面19を想定し、
その半球の面19に入射側の端面が接するように光伝達
素子20−1,20−2,20−3,‥‥を配列し、こ
れら光伝達素子の射出側の端面を面P5と平行なフーリ
エ変換面P6上に配置する。その面P5の座標系をx′
軸及びy′軸で表し、そのフーリエ変換面P6の座標系
をU′軸及びV′軸で表す。
In FIG. 5, the image on the aperture plane P1 is the lens 1
An image is formed on the surface P5 by 7, and an image 10AI of the reflective pattern 10A is formed in the slit of the slit plate 18. That is, the light around the image 10AI is transmitted to the slit plate 18
The light is shielded by, and only the spectrum of the light rays forming the image 10AI is extracted. Then, assuming a hemispherical surface 19 having a radius f 2 with the slit of the slit plate 18 as the center,
The light transmitting elements 20-1, 20-2, 20-3, ... Are arranged so that the end surface on the incident side is in contact with the surface 19 of the hemisphere, and the end surfaces on the emitting side of these light transmitting elements are parallel to the surface P5. It is arranged on the Fourier transform plane P6. The coordinate system of the plane P5 is x '
Axis and y'-axis, and the coordinate system of the Fourier transform plane P6 is represented by U'-axis and V'-axis.

【0046】この場合、前述の(11)式を満足するよ
うに半径f2 を決定し、面P5の反射型パターンの像1
0AIからの光をそれぞれ光伝達素子20−1,20−
2,‥‥によりフーリエ変換面P6上に導く。フーリエ
変換面P6上には、分布21で示すように光伝達素子の
分解能に応じたフーリエスペクトルの強度分布が得られ
る。
In this case, the radius f 2 is determined so as to satisfy the above equation (11), and the image 1 of the reflection type pattern on the surface P5 is determined.
Light from 0AI is transmitted to the light transmitting elements 20-1, 20-, respectively.
2, and so on, are guided onto the Fourier transform plane P6. On the Fourier transform plane P6, an intensity distribution of the Fourier spectrum corresponding to the resolution of the light transmission element is obtained as indicated by the distribution 21.

【0047】なお、本実施例では、反射型パターン10
Aが微小な場合について説明したが、開口面P1上のフ
ーリエ変換されるべき対象が反射性であれ、又は透過性
であれ、種々の大きさの測定対象物についてフーリエス
ペクトルを得ようとすると、常に(11)式を満足する
ことは難しい。任意の大きさの測定対象物のフーリエス
ペクトルを得るには次の2つの方法がある。
In this embodiment, the reflective pattern 10 is used.
Although the case where A is minute has been described, whether an object to be Fourier-transformed on the aperture plane P1 is reflective or transmissive and an attempt is made to obtain a Fourier spectrum for measuring objects of various sizes, It is difficult to always satisfy equation (11). There are the following two methods for obtaining the Fourier spectrum of a measurement target of arbitrary size.

【0048】第1の方法は、図5に示す第4実施例にお
けるスリット板18のスリットの空隙を(11)式を満
足するように微小にすることである。また、第2の方法
は、図5に示す第4実施例又は原理説明に用いた図7、
図9に示す構成において、入射平面波Iの開口面P1上
での照明領域を(11)式を満足するように微小にする
ことである。この第2の方法は、前述したように、微細
な欠陥を検査する検査装置において一般的に用いられる
照明光学系により容易に実現できる。即ち、このような
欠陥検査装置では通常、細く絞り込まれたレーザービー
ムが検査対象物に照射されるからである。
The first method is to make the gap of the slit of the slit plate 18 in the fourth embodiment shown in FIG. 5 minute so as to satisfy the equation (11). Further, the second method is the same as the fourth embodiment shown in FIG.
In the configuration shown in FIG. 9, the illumination area of the incident plane wave I on the aperture plane P1 is made minute so as to satisfy the expression (11). As described above, the second method can be easily realized by the illumination optical system generally used in the inspection device for inspecting fine defects. That is, in such a defect inspection apparatus, a laser beam that is narrowed down is normally applied to the inspection object.

【0049】また、その第1の方法を用いたとき得られ
るフーリエスペクトルは、スリット板18のスリットの
空隙のフーリエスペクトルが畳み込み積分(コンボリュ
ージョン)されたものとして測定され、その第2の方法
を用いたとき得られるフーリエスペクトルは、照明領域
のフーリエスペクトルが畳み込み積分(コンボリュージ
ョン)されたものとして測定される。実空間の関数f
(x,y)のフーリエ変換をF[f(x,y)]で表
し、空間周波数空間の2個の関数f1 (u,v)及びf
2 (u,v)の畳み込み積分をf1 (u,v)*f2
(u,v)で表すと、その第1の方法で得られるフーリ
エスペクトル及びその第2の方法で得られるフーリエス
ペクトルはそれぞれ次の(12)式及び(13)式で表
すことができる。
Further, the Fourier spectrum obtained by using the first method is measured as the Fourier spectrum of the void of the slit of the slit plate 18 which is convolution integrated (convolution), and the second method thereof. The Fourier spectrum obtained when is used is measured as a convolution of the Fourier spectrum of the illumination region. Function f in real space
The Fourier transform of (x, y) is represented by F [f (x, y)], and two functions f 1 (u, v) and f in the spatial frequency space are represented.
The convolution integral of 2 (u, v) is f 1 (u, v) * f 2
Expressed by (u, v), the Fourier spectrum obtained by the first method and the Fourier spectrum obtained by the second method can be expressed by the following equations (12) and (13), respectively.

【0050】ここで、(12)式及び(13)式で使用
される関数の定義を以下に示す。 A(x,y):測定対象の開口面での振幅反射率(又は
透過率)分布、 a(u,v):A(x,y)のフーリエスペクトル、 B1 (x,y):スリットの空隙を示す振幅透過率分
布、 B2 (x,y):入射ビームの照明領域での振幅分布、 b1 (u,v):B1 (x,y)のフーリエスペクト
ル、 b2 (u,v):B2 (x,y)のフーリエスペクト
ル。
Here, the definitions of the functions used in the equations (12) and (13) are shown below. A (x, y): Amplitude reflectance (or transmittance) distribution on the aperture surface of the measurement target, a (u, v): Fourier spectrum of A (x, y), B 1 (x, y): Slit B 2 (x, y): amplitude distribution in the illumination region of the incident beam, b 1 (u, v): Fourier spectrum of B 1 (x, y), b 2 (u , V): Fourier spectrum of B 2 (x, y).

【0051】 F[A(x,y)・B1 (x,y)]=a(u,v)*b1 (u,v) (12) F[A(x,y)・B2 (x,y)]=a(u,v)*b2 (u,v) (13) この場合、測定対象物のフーリエスペクトルのみを抽出
するには、(12)式の左辺又は(13)式の左辺にお
いてそれぞれ関数(b1 (u,v))-1又は関数(b2
(u,v))-1を畳み込み積分すればよい。
F [A (x, y) · B 1 (x, y)] = a (u, v) * b 1 (u, v) (12) F [A (x, y) · B 2 ( x, y)] = a (u, v) * b 2 (u, v) (13) In this case, in order to extract only the Fourier spectrum of the measurement object, the left side of expression (12) or expression (13) On the left side of the function (b 1 (u, v)) −1 or the function (b 2
(U, v)) -1 may be convolved and integrated.

【0052】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
例えばfθレンズや通常のレンズに適用するなど、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ること
は勿論である。
The present invention is not limited to the above embodiment,
Needless to say, various configurations can be adopted without departing from the scope of the present invention, for example, application to an fθ lens or a normal lens.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明の第1の光学素子によれば、大き
く傾いて射出される光をも光伝達素子で射出端側に導く
ことができるので、その射出角が例えば90°に近い程
大きい場合でも所定の変換規則に従ってその光を所定の
平面上に集束できる利点がある。また、第2の光学素子
によれば、射出角が大きい光に対しても正確にフーリエ
変換が行われるので、特に微細な物体のもつフーリエス
ペクトルを従来よりも広い周波数領域において観察でき
る利点がある。この第2の光学素子は特に、例えばフー
リエ変換面の強度分布情報を用いる基板の欠陥検査装置
のような装置、又はリアルタイムでフーリエ変換面の強
度分布を解折する原理に基づく装置等への応用に適して
いる。
According to the first optical element of the present invention, even light emitted with a large inclination can be guided to the exit end side by the light transmitting element. Therefore, the closer the exit angle is to 90 °, the closer. Even if it is large, there is an advantage that the light can be focused on a predetermined plane according to a predetermined conversion rule. Further, according to the second optical element, since the Fourier transform is accurately performed even for the light having a large emission angle, there is an advantage that the Fourier spectrum of a particularly fine object can be observed in a wider frequency range than before. . This second optical element is particularly applied to an apparatus such as a defect inspection apparatus for a substrate using intensity distribution information of a Fourier transform surface, or an apparatus based on the principle of breaking the intensity distribution of a Fourier transform surface in real time. Suitable for

【0054】また、光伝達素子をライトガイドで構成し
た場合又は光伝達素子の入射端を球面に略垂直にした場
合には、光の伝播効率が更に向上する。更に、複数の光
伝達素子の光の入射端を球面の中心を通る平面へ正射影
して得られる配列と複数の光伝達素子の光の射出端の配
列とがそれぞれ直交座標上の配列である場合には、以後
の画像処理等が容易である。
Further, when the light transmitting element is constituted by a light guide or the incident end of the light transmitting element is made substantially perpendicular to the spherical surface, the light propagation efficiency is further improved. Further, the array obtained by orthographically projecting the light incident ends of the plurality of light transmitting elements onto a plane passing through the center of the spherical surface and the array of the light emitting ends of the plurality of light transmitting elements are arrays on orthogonal coordinates. In this case, subsequent image processing and the like are easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による光学素子の第1実施例を示す一部
を省略した斜視図である。
FIG. 1 is a partially omitted perspective view showing a first embodiment of an optical element according to the present invention.

【図2】第1実施例の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the first embodiment.

【図3】本発明の第2実施例の概略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3実施例の概略断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view of a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4実施例の構成を示す一部断面図を
含む光路図である。
FIG. 5 is an optical path diagram including a partial cross-sectional view showing the configuration of a fourth embodiment of the present invention.

【図6】従来のフーリエ変換レンズの原理説明図であ
る。
FIG. 6 is a diagram illustrating the principle of a conventional Fourier transform lens.

【図7】本発明の光学素子の透過照明における原理説明
図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of transmitted illumination of the optical element of the present invention.

【図8】図7を変形した場合の原理説明図である。FIG. 8 is an explanatory view of the principle when FIG. 7 is modified.

【図9】本発明の光学素子の反射照明における原理説明
図である。
FIG. 9 is an explanatory view of the principle of reflected illumination of the optical element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 開口 10 反射型パターン S 半球の面 11−1,11−2,11−3,‥‥ 四角柱状光ファ
イバ 11−1c,11−2c,11−3c,‥‥ コア 11−1d,11−2d,11−3d,‥‥ クラッド 12−1,12−2,12−3,‥‥ 四角柱状パイプ 13 隔壁 14−1,14−2,14−3,‥‥ 光ファイバ 18 スリット板 15,19 半球の面
1 Aperture 10 Reflective Pattern S Hemispherical Surface 11-1, 11-2, 11-3, ... Square Column Optical Fiber 11-1c, 11-2c, 11-3c, ... Core 11-1d, 11-2d , 11-3d, clad 12-1, 12-2, 12-3, ... square columnar pipe 13 partition walls 14-1, 14-2, 14-3, ... optical fiber 18 slit plate 15, 19 hemisphere Face of

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 それぞれ光の入射端が球面上の異なる位
置に配列されると共に、それぞれの光の射出端が2次元
の格子状に配列された複数の光伝達素子を束ねて構成し
た事を特徴とする光学素子。
1. The light incident ends are arranged at different positions on a spherical surface, and the light emitting ends are formed by bundling a plurality of light transmitting elements arranged in a two-dimensional lattice shape. Characteristic optical element.
【請求項2】 前記複数の光伝達素子の光の入射端を前
記球面の中心を通る平面に正射影して得られる配列と前
記複数の光伝達素子の光の射出端の配列とが相似である
事を特徴とする請求項1記載の光学素子。
2. The arrangement obtained by orthographically projecting the light incident ends of the plurality of light transmitting elements onto a plane passing through the center of the spherical surface and the arrangement of light emitting ends of the plurality of light transmitting elements are similar to each other. The optical element according to claim 1, wherein the optical element is present.
【請求項3】 前記複数の光伝達素子はそれぞれライト
ガイドである事を特徴とする請求項1又は2記載の光学
素子。
3. The optical element according to claim 1, wherein each of the plurality of light transmitting elements is a light guide.
【請求項4】 前記複数の光伝達素子の光の入射端がそ
れぞれ前記球面に略垂直であることを特徴とする請求項
1、2又は3記載の光学素子。
4. The optical element according to claim 1, wherein the light incident ends of the plurality of light transmission elements are substantially perpendicular to the spherical surface.
【請求項5】 前記複数の光伝達素子の光の入射端を前
記球面の中心を通る平面へ正射影して得られる配列と前
記複数の光伝達素子の光の射出端の配列とがそれぞれ直
交座標上の配列である事を特徴とする請求項2記載の光
学素子。
5. An array obtained by orthographically projecting the light incident ends of the plurality of light transmitting elements onto a plane passing through the center of the spherical surface and an array of light emitting ends of the plurality of light transmitting elements are orthogonal to each other. The optical element according to claim 2, wherein the optical element is a coordinate array.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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