(57)【要約】【課題】透光性平行平面板の厚さを高精度で測定する。【解決手段】レーザ媒質４と部分透過ミラー５とで構成されるレーザ共振器内部の光路中に、光軸Ａｘと直交する面Ｖに対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板Ｐを挿入し（ｎは透光性平行平面板Ｐの屈折率）、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を波長計測装置８で計測し、その波長から厚さ算出装置９で透光性平行平面板Ｐの厚さを算出する。【効果】０．２ｍｍ厚の透光性平行平面板を精度±０．０１μｍ程度で厚さ測定可能となる。【選択図】  図１
2004150913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器内部の光路中に、光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板を挿入し（ｎは透光性平行平面板の屈折率）、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測し、その波長から透光性平行平面板の厚さを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法。
【請求項２】
レーザ共振器内部の光路中に、光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板を挿入し（ｎは透光性平行平面板の屈折率）、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測し、その波長から透光性平行平面板の厚さを求めることを、光路に対して透光性平行平面板を相対移動しながら繰り返し、透光性平行平面板の厚さ分布を求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の透光性平行平面板厚さ測定方法において、干渉次数をｍとし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｍ・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の透光性平行平面板厚さ測定方法において、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板の厚さをｄ’とし、αに最も近い整数を得る関数をｉｎｔ｛α｝とするとき、
ｍ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝
により、干渉次数ｍを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法。
【請求項５】
レーザ共振器と、レーザ共振器内部の光路中に光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板（その屈折率をｎとする）を挿入するための透光性平行平面板挿入手段と、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測する波長計測手段と、計測した波長から透光性平行平面板の厚さを求める波長−厚さ変換手段とを具備したことを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記透光性平行平面板挿入手段は、透光性平行平面板を保持すると共に角度θを維持しながら光軸に対して透光性平行平面板を１軸方向または２軸方向に移動させる移動ステージであることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記波長−厚さ変換手段は、干渉次数をｍとし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｍ・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置。
【請求項８】
請求項５または請求項６に記載の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記波長−厚さ変換手段は、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板の厚さをｄ’とし、αに最も近い整数を得る関数をｉｎｔ｛α｝とし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性平行平面板厚さ測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、透光性平行平面板の厚さを高精度で測定することが出来る透光性平行平面板厚さ測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の透光性平行平面板の厚さ測定は、マイクロメータ等を用いた接触式の厚さ測定方法がある。
また、光線を透光性平行平面板に照射し、透光性平行平面板の透過率や反射率を計測し、その透過率や反射率から厚さを算出する光学式の厚さ測定方法がある。
【０００３】
関連する従来技術は、例えば「センサ活用技術；工業調査会編集部編、株式会社工業調査会発行、１９８４年７月２５日初版発行、第４０８頁」に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の透光性平行平面板の厚さ測定方法における測定精度は、０．２ｍｍ厚の透光性平行平面板の場合で±０．０３μｍ程度である。
しかし、例えばエタロンとして使用する透光性平行平面板の厚さ測定では、従来の厚さ測定方法による精度では不十分であり、規定の厚さの透光性平行平面板をエタロンとして使用した場合でも、測定精度以下の厚さのバラツキに起因して、所望の特性が得られない問題点があった。
そこで、本発明の目的は、透光性平行平面板の厚さを高精度で測定することが出来る透光性平行平面板厚さ測定方法および装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、レーザ共振器内部の光路中に、光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板を挿入し（ｎは透光性平行平面板の屈折率）、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測し、その波長から透光性平行平面板の厚さを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法を提供する。
レーザ共振器内部の光路中に、光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板を挿入すると、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長が透光性平行平面板の厚さに依存して変化する。
そこで、上記第１の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法では、レーザ共振器内部の光路中に角度θで透光性平行平面板を挿入した状態で、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測し、その波長から逆に透光性平行平面板の厚さを求めるようにした。この原理によれば、０．２ｍｍ厚の透光性平行平面板を精度±０．０１μｍ程度で厚さ測定可能となる。
このように測定精度を向上できる結果、規定の厚さの透光性平行平面板をエタロンとして使用した場合に測定精度以下の厚さのバラツキに起因して所望の特性が得られないといった問題点を回避できるようになる。
なお、ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝は、ブリュースター角である。
【０００６】
第２の観点では、本発明は、レーザ共振器内部の光路中に、光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板を挿入し（ｎは透光性平行平面板の屈折率）、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測し、その波長から透光性平行平面板の厚さを求めることを、光路に対して透光性平行平面板を相対移動しながら繰り返し、透光性平行平面板の厚さ分布を求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法を提供する。
上記第２の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法では、前記第１の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法を基本として透光性平行平面板の厚さを測定するが、この測定を光路に対して透光性平行平面板を相対移動しながら繰り返すため、透光性平行平面板の厚さ分布を高精度に求めることが出来る。
なお、ここでいう平行平面板とは、μｍレベルでは厚さが一様であるため「平行平面板」と言えるが、それよりミクロなレベルでは厚さが一様とは言えないものを指している。
【０００７】
第３の観点では、本発明は、上記構成の透光性平行平面板厚さ測定方法において、干渉次数をｍとし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｍ・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法を提供する。
平行平面板に入射角θで入射した光の屈折角θ’は、
θ’＝ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝                              …（１）
である。そして、共振の基本式は、
２・ｎ・ｄ・ｃｏｓ｛θ’｝＝ｍ・λ                          …（２）
である。
（１）（２）式をまとめて、ｄについて解けば、
ｄ＝ｍ・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
となり、透光性平行平面板の厚さｄを求めることが出来る。
【０００８】
第４の観点では、本発明は、上記構成の透光性平行平面板厚さ測定方法において、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板の厚さをｄ’とし、αに最も近い整数を得る関数をｉｎｔ｛α｝とするとき、
ｍ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝
により、干渉次数ｍを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定方法を提供する。
例えばマイクロメータを用いて測定した透光性平行平面板の厚さｄ’についても、
ｄ’＝ｍ’・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
が成立するはずであるが、実際には厚さｄ’の精度が低いため、上式を成立させるｍ’は整数にならない。しかし、このｍ’は、整数のｍに最も近いはずである。
そこで、上記第４の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法では、
ｍ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝
とする。これにより、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板の厚さｄ’から、次数ｍを正しく求めることが出来る。
【０００９】
第５の観点では、本発明は、レーザ共振器と、レーザ共振器内部の光路中に光軸と直交する面に対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板（その屈折率をｎとする）を挿入するための透光性平行平面板挿入手段と、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を計測する波長計測手段と、計測した波長から透光性平行平面板の厚さを求める波長−厚さ変換手段とを具備したことを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置を提供する。
上記第５の観点による透光性平行平面板厚さ測定装置では、前記第１の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法を好適に実施できる。
【００１０】
第６の観点では、本発明は、上記構成の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記透光性平行平面板挿入手段は、透光性平行平面板を保持すると共に角度θを維持しながら光軸に対して透光性平行平面板を１軸方向または２軸方向に移動させる移動ステージであることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置を提供する。
上記第６の観点による透光性平行平面板厚さ測定装置では、前記第２の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法を好適に実施できる。
【００１１】
第７の観点では、本発明は、上記構成の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記波長−厚さ変換手段は、干渉次数をｍとし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｍ・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置を提供する。
上記第７の観点による透光性平行平面板厚さ測定装置では、前記第３の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法を好適に実施できる。
【００１２】
第８の観点では、本発明は、上記構成の透光性平行平面板厚さ測定装置において、前記波長−厚さ変換手段は、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板の厚さをｄ’とし、αに最も近い整数を得る関数をｉｎｔ｛α｝とし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板の厚さｄを求めることを特徴とする透光性平行平面板厚さ測定装置を提供する。
上記第８の観点による透光性平行平面板厚さ測定装置では、前記第４の観点による透光性平行平面板厚さ測定方法を好適に実施できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明にかかる透光性平行平面板厚さ測定装置を示す構成図である。
この透光性平行平面板厚さ測定装置１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１より出射されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ２と、平行光を集光する集光レンズ３と、集光されたレーザ光を入射されレーザ光を増幅・出射するレーザ媒質４と、レーザ媒質４と共にレーザ共振器を構成する部分透過ミラー５と、レーザ共振器内部の光路中に光軸Ａｘと直交する直交面Ｖに対して０＜θ＜ａｒｃｔａｎ｛ｎ｝の角度θで透光性平行平面板Ｐを挿入するべく直交面Ｖに平行に移動可能に透光性平行平面板Ｐを保持する平行平面板保持ＸＹステージ６と、平行平面板保持ＸＹステージ６を介して透光性平行平面板Ｐの温度と位置とを制御する温度・位置制御装置７と、レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長λを測定する波長計測装置８と、波長λから厚さｄを算出する厚さ算出装置９とを具備している。
【００１５】
厚さ算出装置９は、精度の低い厚さ測定方法により測定した透光性平行平面板Ｐの厚さをｄ’とし、αに最も近い整数を得る関数をｉｎｔ｛α｝とし、透光性平行平面板の屈折率をｎとし、計測した波長をλとし、透光性平行平面板の厚さをｄとするとき、
ｄ＝ｉｎｔ｛２・ｎ・ｄ’・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝／λ｝・λ／｛２・ｎ・ｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ｛θ｝／ｎ｝｝｝
により、透光性平行平面板Ｐの厚さｄを算出する。
なお、ｄ’，θ，ｎ，λをパラメータとして予めｄを算出してルックアップテーブルを作成しておき、このルックアップテーブルを参照するようにしてもよい。
【００１６】
−第１の測定例−
波長８１０ｎｍの半導体レーザ１と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のレーザ媒質４とを用い、角度θ＝１゜、温度２５℃とし、マイクロメータで測定した厚さｄ’＝１２０μｍの合成石英（ｎ＝１．４４９６３）の第１の透光性平行平面板Ｐ１についてレーザ共振器の出力を分光計測した。
図２に、レーザ共振器の出力の分光結果を示す。この結果から、波長λ＝１０６４．３００ｎｍが得られる。
そこで、ｄ’＝１２０μｍ，θ＝１゜，ｎ＝１．４４９６３，λ＝１０６４．３００ｎｍからｄを算出すれば、第１の透光性平行平面板Ｐ１の厚さｄ＝１２０．０１４μｍを求めることが出来た。
【００１７】
−第２の測定例−
波長８１０ｎｍの半導体レーザ１と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のレーザ媒質４とを用い、角度θ＝１゜、温度２５℃とし、マイクロメータで測定した厚さｄ’＝１２０μｍの合成石英（ｎ＝１．４４９６３）の第２の透光性平行平面板Ｐ２についてレーザ共振器の出力を分光計測した。
図３に、レーザ共振器の出力の分光結果を示す。この結果から、波長λ＝１０６４．９９５ｎｍが得られる。
そこで、ｄ’＝１２０μｍ，θ＝１゜，ｎ＝１．４４９６３，λ＝１０６４．９９５ｎｍからｄを算出すれば、厚さｄ＝１２０．０４８μｍを求めることが出来た。
【００１８】
−第３の測定例−
第２の透光性平行平面板Ｐ２を光軸Ａｘに垂直な１軸方向に移動しながら厚さｄの測定を繰り返した結果、図４に示すような厚さ分布が得られた。
図４より、第２の透光性平行平面板Ｐ２は、厚さｄが移動方向に直線的に変化していることが判る。
なお、透光性平行平面板Ｐを光軸Ａｘに垂直な直交２軸方向に移動しながら厚さｄの測定を繰り返せば、厚さｄの面的な分布を測定することが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の透光性平行平面板厚さ測定方法および装置によれば、透光性平行平面板の厚さを高精度で測定することが出来る。この結果、規定の厚さの透光性平行平面板をエタロンとして使用した場合に測定精度以下の厚さのバラツキに起因して所望の特性が得られないといった問題点を回避できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる透光性平行平面板厚さ測定装置を示す構成図である。
【図２】第１の測定例にかかる分光結果を示す説明図である。
【図３】第２の測定例にかかる分光結果を示す説明図である。
【図４】第３の測定例にかかる厚さ分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１          半導体レーザ
４          レーザ媒質
５          部分透過ミラー
６          平行平面板保持ＸＹステージ
７          温度・位置制御装置
８          波長計測装置
９          厚さ算出装置
１００      透光性平行平面板厚さ測定装置
Ｐ          透光性平行平面板
【図１】
2004150913.tif 000003
【図２】
2004150913.tif 000004
【図３】
2004150913.tif 000005
【図４】
2004150913.tif 000006