(57)【要約】【課題】フッ化物プリズムを使用するビームスプリッタで強固なオプティカルコンタクトを得る。【解決手段】ビームスプリッタを構成するプリズムのうち、フッ化物で構成されるプリズムのオプティカルコンタクトに供される面を、酸化物薄膜により被覆する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプリズムがオプティカルコンタクトにより接合されてなるビームスプリッタであって、前記複数のプリズムのうち少なくとも１のプリズムがフッ化物で構成され、かつ前記フッ化物で構成されるプリズムの、オプティカルコンタクトに供される面が、酸化物薄膜により被覆されていることを特徴とするビームスプリッタ。
【請求項２】
前記複数のプリズムのうち、フッ化物で構成されるプリズムを除く他のプリズムが、酸化物で構成されることを特徴とする請求項１記載のビームスプリッタ。
【請求項３】
前記プリズムを構成するフッ化物が、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウムのいずれかである、請求項１または請求項２記載のビームスプリッタ。
【請求項４】
前記プリズムを構成する酸化物が、酸化珪素または酸化アルミニウムのいずれかである、請求項２または請求項３記載のビームスプリッタ。
【請求項５】
前記フッ化物で構成されるプリズムのうち、少なくとも１のプリズムのオプティカルコンタクトに供する面が光学薄膜を備え、かつ該光学薄膜の最表面に、前記酸化物薄膜による被覆が施されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４記載のビームスプリッタ。
【請求項６】
材質が互いに相違する複数のプリズムがオプティカルコンタクトにより接合されてなるビームスプリッタであって、前記複数のプリズムの頂角が、該ビームスプリッタの入射光軸と出射光軸が平行となる角度を備えることを特徴とするビームスプリッタ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６記載のビームスプリッタを搭載した光学測定機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプティカルコンタクトにより複数のプリズムを接合して構成された、特に紫外光領域で使用されるビームスプリッタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オプティカルコンタクト（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ）とは、ガラスもしくは光学結晶等からなる光学部材の面同士を、接着剤等の媒体を介さず直接に圧着して接合する方法である。その接合原理は未だに明らかでない部分が多いが、強固な接合強度を得るためには、オプティカルコンタクトに供される面は精密に研磨され、極めて平滑に仕上げられている必要がある。特許文献１には、オプティカルコンタクトに供される面が備えるべき表面粗さについて記載されている。
【０００３】
オプティカルコンタクトにより製造される光学素子の代表は、プリズムを接合したビームスプリッタ（以下プリズムビームスプリッタ）である。通常、可視光領域で使用されるプリズムビームスプリッタは、偏光分離膜など必要な光学薄膜をガラスプリズム斜面に形成した後、他のガラスプリズム斜面と接着剤を用いて接合することにより製作されている。一方、紫外光領域では、接着剤の主成分である有機高分子材料による光吸収が著しいため、接着剤により接合された上記の構造を有するプリズムビームスプリッタは使用できない。そこで、紫外光領域で使用されるプリズムビームスプリッタは、接着剤によらずオプティカルコンタクトにより接合されたものが用いられる。特許文献２には、オプティカルコンタクトにより製造されるプリズムビームスプリッタの例と、その製造方法が記載されている。紫外光領域におけるプリズム材料としては、光吸収が少なく複屈折を持たないことなどから、フッ化物結晶、特にフッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウムが用いられる。また波長１９０ｎｍ程度までは酸化珪素および酸化アルミニウムも使用可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２２１３４２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平９−５５１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
紫外光領域においては、例外的に光吸収が小さい酸化珪素および酸化アルミニウムを除き、大多数の酸化物は大きな光吸収係数を有するため光学材料に不適当である。特に光学薄膜は原理上、屈折率の異なる複数の材料を用いて構成されるものであるが、上記２種の酸化物薄膜のみでは光学設計の自由度が極めて低くなるため、フッ化物薄膜の使用が前提となる。ところがフッ化物同士またはフッ化物と酸化物とのオプティカルコンタクトは接合力が極めて弱いことが知られている。このためフッ化物で構成されるプリズム、又はプリズムの斜面にフッ化物からなる光学薄膜を設けたものを、他のプリズムとオプティカルコンタクトで接合してビームスプリッタを製造することは、ほとんどの場合不可能であった。また仮に一旦は接合できたとしても、接合力が極めて低いため、実用的な耐久性が得られないという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、紫外光領域で良好な性能と耐久性を有するプリズムビームスプリッタの開発を進めた結果、フッ化物を使用し、かつ実用的な耐久性を有するプリズムビームスプリッタの構成を発明するに至った。
【０００８】
オプティカルコンタクトの接合強度に影響する因子としては、特許文献１に示されているように接合面の面粗さが知られている。本発明者は、フッ化物のオプティカルコンタクトに際して、面粗さの他に化学的因子が影響することを見出した。従来行われている酸化物のオプティカルコンタクトでは、接合に供される表面の双方に水酸基（−ＯＨ）が高密度で存在するため、これらを密着させることで水素結合もしくは脱水縮合による共有結合が生じ、強固な接合が得られるものと考えられる。一方、フッ化物表面は酸化物表面と比較して水酸基密度が低いため、密着させても強固な接合が得られないのである。そこで本発明では、フッ化物表面を酸化物により被覆することで、接合面に水酸基を導入し、強固なオプティカルコンタクトを有するプリズムビームスプリッタを実現した。
【０００９】
すなわち本発明は第一に、「複数のプリズムがオプティカルコンタクトにより接合されてなるビームスプリッタであって、前記複数のプリズムのうち少なくとも１のプリズムがフッ化物で構成され、かつ前記フッ化物で構成されるプリズムの、オプティカルコンタクトに供される面が、酸化物薄膜により被覆されていることを特徴とするビームスプリッタ（請求項１）」を提供する。また本発明は第二に、「前記複数のプリズムのうち、フッ化物で構成されるプリズムを除く他のプリズムが、酸化物で構成されることを特徴とする請求項１記載のビームスプリッタ（請求項２）」を提供する。
【００１０】
また本発明は第三に、「前記プリズムを構成するフッ化物が、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウムのいずれかである、請求項１または請求項２記載のビームスプリッタ（請求項３）」を提供する。また本発明は第四に、「前記プリズムを構成する酸化物が、酸化珪素または酸化アルミニウムのいずれかである、請求項２または請求項３記載のビームスプリッタ（請求項４）」を提供する。
【００１１】
通常、前記ビームスプリッタにおいては、そのオプティカルコンタクト面に、光線分割機能を有する光学薄膜が設けられる。この光学薄膜は前述のとおりフッ化物薄膜が多く用いられる。フッ化物薄膜を作製する一般的な方法は真空蒸着である。成膜する際に基板を加熱することで良好な光学性能を得ることが出来る。加熱温度は２００℃〜３００℃といった温度が一般的である。しかしながら、多くのフッ化物の熱膨張係数が１０−５／℃程度であるのに対し、紫外光領域で使用可能な酸化物の代表である石英ガラスは、その熱膨張係数が１０−６／℃と一桁小さい。このため、石英ガラス製のプリズム上にフッ化物からなる光学薄膜を真空蒸着で成膜する場合には、基板加熱の際に両者の熱膨張係数の差によって薄膜にクラックを生じるという問題がある。またクラックを生じないまでも、大きな内部応力が残留するためオプティカルコンタクトに供する面が変形し、強固な接合が得られないという新たな問題を生じる。
【００１２】
この問題を解決する手段として、本発明は「前記フッ化物で構成されるプリズムのうち、少なくとも１のプリズムのオプティカルコンタクトに供する面が、光学薄膜を備え、かつ前記酸化物薄膜による被覆が該光学薄膜の最表面に施されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４記載のビームスプリッタ（請求項５）」を提供する。上記構成によれば、光学薄膜がフッ化物プリズム上に成膜されるため、成膜中に加熱しても熱膨張係数の差によるクラックや面変形を生じず、良好な光学性能とオプティカルコンタクト性を両立することができる。
【００１３】
さらに本発明は、周辺光学系の設計を容易にするものとして、「材質が互いに相違する複数のプリズムがオプティカルコンタクトにより接合されてなるビームスプリッタであって、前記複数のプリズムの頂角が、該ビームスプリッタの入射光軸と出射光軸が平行となる角度を備えることを特徴とするビームスプリッタ（請求項６）」を提供する。また本発明は上記のビームスプリッタを搭載した、紫外光領域で良好な性能を有する測定機として、「請求項１ないし請求項６記載のビームスプリッタを搭載した光学測定機（請求項７）」
を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、実施例にもとづき本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
図１は実施例１によるビームスプリッタの横断面を示す概略図である。フッ化カルシウム（ＣａＦ２）で構成されるプリズム１の斜面には光学薄膜３が真空蒸着により成膜され、更にその最表面は酸化珪素（ＳｉＯ２）薄膜４で被覆されている。プリズム２は合成石英ガラスである。酸化珪素薄膜４とプリズム２の間がオプティカルコンタクトにより接合されるが、両面とも酸化物であるため強固な接合が実現できる。またプリズム１と光学薄膜３はどちらもフッ化物であるため、成膜中に加熱しても熱膨張率の差による応力が発生せず、クラックや形状変化を防止することができる。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
光学薄膜３は、表１に示す構成を有する、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびフッ化ランタン（ＬａＦ３）の全４１層の交互層からなる偏光分離膜である。本実施例では使用波長λ＝１９３ｎｍとし、各材料の屈折率をＭｇＦ２＝１．４２、ＬａＦ３＝１．６９、ａＦ２＝１．５０、ＳｉＯ２＝１．５５として各プリズムおよび光学薄膜を設計した。酸化珪素薄膜の膜厚は、吸収による光量損失が無視でき、かつ十分な接合強度が得られる膜厚である１０ｎｍとした。
【００１８】
紙面左方からの入射光線８は、出射光線６および７に分離される。右方へはｐ偏光成分のみ、上方へはｓ偏光成分のみが出射される。図２は本実施例における偏光分離特性を示したものである。実線はｓ偏光成分に対する反射率、破線はｐ偏光成分に対する反射率を表す。入射角４５°のとき、ｓ偏光成分はほぼ１００％上方へ反射され、ｐ偏光成分はほぼ１００％右方へ透過し、ビームスプリッタとして有効に機能する。
（実施例２）
図３は実施例２によるビームスプリッタの横断面を示す概略図である。プリズム２１およびプリズム２２はいずれもフッ化カルシウム（ＣａＦ２）で構成される。プリズム２１の斜面には光学薄膜２３が真空蒸着により成膜され、更にその最表面は酸化珪素（ＳｉＯ２）薄膜２４で被覆されている。プリズム２の斜面には光学薄膜は成膜されず、酸化珪素薄膜２４による被覆のみが施されている。両プリズムは、酸化珪素薄膜の間でオプティカルコンタクトにより接合されるため、強固な接合が実現できる。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
光学薄膜２３は、表２に示す構成を有する、フッ化マグネシウムおよびフッ化ランタンの全４１層の交互層からなる偏光分離膜である。本実施例では使用波長λ＝１９３ｎｍとし、各材料の屈折率をＭｇＦ２＝１．４２、ＬａＦ３＝１．６９、ＣａＦ２＝１．５０、ＳｉＯ２＝１．５５として各プリズムおよび光学薄膜を設計した。酸化珪素薄膜の膜厚は、吸収による光量損失が無視でき、かつ十分な接合強度が得られる膜厚である５ｎｍとした。
【００２１】
紙面左方から入射した光線は、右方へはｐ偏光成分のみ、上方へはｓ偏光成分のみに分離される。図４は本実施例における偏光分離特性を示したものである。実線はｓ偏光成分に対する反射率、破線はｐ偏光成分に対する反射率を表す。入射角４５°のとき、ｓ偏光成分はほぼ１００％上方へ反射され、ｐ偏光成分はほぼ１００％右方へ透過し、ビームスプリッタとして機能することがわかる。
【００２２】
本実施例のビームスプリッタは、二つのプリズムが同一のフッ化物材料で構成されていることが特徴である。両プリズムの屈折率が同一であるため、入射光軸と透過側の出射光軸が平行になるという利点を有する。
（実施例３）
実施例１において、ビームスプリッタを構成するプリズム１およびプリズム２は、いずれもその頂角が４５°であった。この場合、両プリズムは屈折率が異なる材質で構成されるため接合面で屈折が生じ、入射光線８の光軸と出射光線６の光軸は平行ではない。一方周辺光学系の設計上からは、ビームスプリッタ通過前後の光軸は平行であることが好ましい。実施例３は、材質の異なるプリズムをオプティカルコンタクトで接合し、かつ出射光軸を入射光軸に平行にしたビームスプリッタの例である。
【００２３】
図５は、実施例３によるビームスプリッタの横断面を示す概略図である。フッ化カルシウム（ＣａＦ２）で構成されるプリズム３１の斜面には光学薄膜３が真空蒸着により成膜され、更にその最表面は酸化珪素（ＳｉＯ２）薄膜４で被覆されている。プリズム３２は合成石英ガラスである。酸化珪素薄膜４とプリズム３２の間がオプティカルコンタクトにより接合される。光学薄膜３および酸化珪素薄膜４は実施例１におけるものとそれぞれ同一である。
【００２４】
本実施例では、ｓ偏光側の出射光線７の光軸を入射光線８の光軸に直角とするため、プリズム１の頂角を４５°とした。また出射光線３７の光軸を入射光線８の光軸と平行にするため、プリズム３２の頂角θは、式１から求めた値とした。
【００２５】
【式１】
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【００２６】
式１において、ｎ１およびｎ２はそれぞれ入射側および出射側プリズムの屈折率である。本実施例においてはｎ１＝１．５０、ｎ２＝１．５５であるから、θ＝３９．９°となる。
本実施例にかかるビームスプリッタの入射面および各出射面にはそれぞれ反射防止膜３５が設けられ、透過率向上および多重反射によるゴースト低減が図られている。反射防止膜の構成については特に例示しないが、一般に知られている任意の多層反射防止膜を適用することが可能である。
【００２７】
以上、偏光分離膜を備える偏光ビームスプリッタを例に本発明の実施の形態を説明したが、プリズム上に設ける光学薄膜には任意の特性を付与でき、非偏光ビームスプリッタとして構成することも可能である。
【００２８】
ビームスプリッタに用いるプリズム材料としては、実施例で示したフッ化カルシウムの他、フッ化マグネシウムまたはフッ化バリウムも使用することができる。
【００２９】
オプティカルコンタクト面の被覆として用いられる酸化物薄膜には、酸化珪素の他、酸化アルミニウムも用いることができ、さらに使用波長および使用膜厚において光吸収が問題とならない範囲において、他の酸化物も同様に使用可能である。酸化物薄膜の膜厚は、光学薄膜の特性に影響を与えず、かつ十分な接合強度を与える範囲で、その組成に応じて任意に設定することができる。
（実施例４）
図６は、本発明に係る光学測定機の一種である波面収差測定機の要部を示す図である。
【００３０】
紫外レーザ光源１０１から発した光は、本発明に係るビームスプリッタＢＳにより２分割される。一方の光束は折り曲げミラー及び集光レンズを介して第一のピンホール１０２へ導かれる。第一のピンホールで発生した第一の理想球面波は、被検光学系１０３を通過して、被検光学系に関して第一のピンホールと共役な位置に置かれたピンホールミラー１０４へ導かれる。ピンホールミラーは微小な開口部を備えた反射面である。ビームスプリッタＢＳで分割された他方の光束は、折り曲げミラーおよび集光レンズを介してピンホールミラー１０４の裏面に入射するが、ピンホールミラー上の開口部を通過するときに第二の理想球面波を生じる。また被検光学系を通過した光束がピンホールミラーの反射面で反射されると、この反射光は被検光学系の波面収差に応じた形状の波面を有する。ピンホールミラー上の開口部からの第二の理想球面波と、ピンホールミラーの反射面からの反射光とは、レンズを介してＣＣＤ１０５に達し、ＣＣＤの撮像面上で干渉縞を形成する。ＣＣＤ上の干渉縞は、被検光学系を通過した波面の、理想的球面波からのずれに応じた形状となり、この干渉縞を解析することにより被検光学系の波面収差を求めることができる。
【００３１】
本発明に係るビームスプリッタは、実施例に示した波面収差測定機のほか、各種形式の干渉計など、ビームスプリッタによる光線分割を利用した光学測定機に搭載することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、フッ化物プリズムをオプティカルコンタクトにより強固に接合できるため、耐久性の高いビームスプリッタを実現することができる。紫外光領域においても光吸収が極めて小さく、光量ロスの少ない光学系を構築することができる。さらに光吸収による発熱も小さいため、発熱にもとづくプリズム形状の変化やオプティカルコンタクト面の剥離等を防止でき、光学系全体の高精度化および信頼性の向上に有効である。また材質の異なるプリズムをオプティカルコンタクトで接合した場合にあっても、出射光軸を入射光軸に平行にすることができるため、周辺光学系の設計が容易になるという効果を有する。本発明によるビームスプリッタを搭載した光学測定機は、光量ロスが少なく、発熱によるドリフトも小さいため、高精度かつ安定に光学測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１にかかるビームスプリッタの概略横断面図である。
【図２】実施例１にかかる光学薄膜の偏光分離特性を表す図である。
【図３】実施例２にかかるビームスプリッタの概略横断面図である。
【図４】実施例２にかかる光学薄膜の偏光分離特性を表す図である。
【図５】実施例３にかかるビームスプリッタの概略横断面図である。
【図６】実施例４にかかる波面収差測定機の要部を示す概略図である。
【符号の説明】
１：ＣａＦ２プリズム、２：ＳｉＯ２プリズム、３：光学薄膜、４：ＳｉＯ２薄膜、６：出射光線（ｐ偏光）、７：出射光線（ｓ偏光）、２１〜２２：ＣａＦ２プリズム、３２：ＳｉＯ２プリズム、３５：反射防止膜、１０１：紫外レーザ、１０３：被検光学系、ＢＳ：ビームスプリッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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