(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相安定化光学装置であって、
光源と、
該光源からの光の一部を波長変換する第一の波長変換光学素子と、
該光源からの光と波長変換された光の位相差を制御する位相制御用光学素子と、
該位相制御用光学素子により位相制御された、該光源からの光と波長変換された光の、光路長を制御する光路長制御用光学素子と、
該光路長制御用光学素子により光路長制御された該光源からの光を、該波長変換された光の波長に、波長変換する第二の波長変換光学素子とを備えており、
該光源からの光と波長変換された光は、同軸２光束により同一光学系を経由して透過又は反射することを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記光源は、パルスレーザーであることを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記波長変換光学素子は、第二高調波への波長変換素子であることを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項４】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記波長変換光学素子は、非線形光学素子であることを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項５】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記光路長制御用光学素子は、平行平板型固体媒質であることを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項６】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記光路長制御用光学素子は、平行空隙に液晶を導入し、その屈折率を電気的に制御することを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項７】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記位相制御用光学素子は、平行平板型固体媒質への入射角度を変化させて光路長を変化させることを特徴とする位相安定化光学装置。
【請求項８】
請求項１に記載の位相安定化光学装置において、上記位相制御用光学素子は、平行空隙に液晶を導入し、その屈折率を電気的に制御することを特徴とする位相安定化光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、光干渉計測装置等の光位相を操作する光学装置において、簡便な構成により作製及び調整等が容易でありながら、機械的振動、温度変動、空気ゆらぎ等の外乱による影響を受けずに光干渉が計測できる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉現象を利用することによって、物体の大きさ、微小変位量、微小変形量、密度、表面形状を光の波長の1/10程度で高精度に測定することができ、それを利用した代表的な装置として光干渉計がある。以下、光干渉計を具体例として従来技術の説明を行う。
【０００３】
図４のMichelson干渉計又は Macher-Zehder干渉計に見られるように、光干渉計は、光をビームスプリッタで２つに分割し、一方の光を測定光路上にある物体の変動と共に移動する移動鏡で反射させ、他方の光を参照光路上の固定鏡で反射させて、両反射光を干渉させて受光器にて受光することにより物体の変位や屈折率を高精度で測定するものである。光の分離の方法として、同じ周波数の光波を２つに分割し干渉を信号として計測するホモダイン法や、周波数のわずかに異なる光を２つに分割しそのビート信号を信号として計測するヘテロダイン法がある。
【０００４】
光干渉計による測定の主な問題点は2つある。一つは干渉計の安定性、もう一つは操作性である。
【０００５】
光干渉計による安定性の低下は、測定中に外乱によって２つに分けた光がそれぞれの光路で異なる位相ゆらぎを受けることに起因している。干渉縞が変動することによって縞のコントラスト（ビジビリティ）が低下し、測定精度が低下する。特に外乱が大きく、干渉縞の明暗が反転するような場合は、測定不能になる。
【０００６】
外乱は、次の三つに分類される。
（1）空気のゆらぎ（温度、圧力のゆらぎ）
（2）構成部品の温度ゆらぎ
（3）振動によるゆらぎ
【０００７】
光路における気体などの媒質のゆらぎ（温度ゆらぎ、圧力ゆらぎ）は、屈折率に変動を与え、位相ゆらぎの原因となる。温度ゆらぎや振動は、光学素子、光学素子固定ホルダー、光学定盤に微妙な歪みを与え、2つに分けた光の光路長が変化し、位相ゆらぎの原因となる。干渉計を真空環境下に構築し、干渉計を含む装置機械の温度を一定に管理し、防振機能を導入して機械振動を完全に遮断することにより、原理的には安定な光干渉計を構築することができる。
【０００８】
しかしながら、このような装置は大型で複雑かつ高価となってしまい、操作も困難である。また機械工作などで激しい振動が発生するような環境下においては、防振装置を適応しても安定な干渉計を構築することは非常に困難である。
【０００９】
また、外乱のある測定環境においても測定が可能な光干渉計には、代表的なものとして、揺らぎよりも十分短い時間に高速度で干渉画像を測定するもの、外乱を別途測定しそれを補償する装置を有するものがある。参照光の光路長にフィードバックをかけることで外乱による干渉縞の乱れを生じさせないようになっている。しかしながら、干渉計に複雑な装置や解析方法を組み込まなくてはならなくなる。
【００１０】
したがって、2つの光ビームが同軸かつ同一光学系（共通経路）を経由（透過および反射）すれば、２つのビームが同じゆらぎを受けるために外乱が相殺し自己的に補償される安定な光干渉計を構築することができる。
【００１１】
図５に示すように、外乱が自己的に補正される光干渉計としては、サニャック型干渉計と振動数の異なる光を用いる２色法がある。サニャック型干渉計は、リング型干渉計とも呼ばれ、2つの光ビームが同じリング型光路をそれぞれ右回りと左回りすることにより、特別な補正および安定化機構を必要とせず非常に安定な光干渉を得ることが可能である。しかしながら光路が共通であるがゆえに２つの光路長は完全に一致するため、位相掃引ができないことが大きな欠点である。
【００１２】
2色法は、光を空間的に2つに分割する代わりに一部を振動数の異なる光に変換して、それぞれの振動数の光に異なる位相操作を行うことができる。振動数の異なる光を用いる２色法では、光源の一部を空間的に分離することなくその一部を波長変換することによって同軸２光束の系を実現し、波長の異なる２光束に対してほぼ同一の光学系を経由させて、２つのビームがうける位相ゆらぎを自己的に補償する（「特許文献1」および「特許文献2」参照）。その結果、外乱を除去する装置およぼす外乱を補正する機能の必要のない構造が単純で、操作の簡便な、安価な光干渉計が提供される。
【００１３】
他方、光干渉計の操作に関する問題は、2光束干渉計において2つ分けた二つの光をふたたび重ね合わせるときの微調整が困難であることである。光が干渉する条件は、二つに分けた光ビームの（1）光ビームの中心が一致すること、（2）光ビームの光軸（進行方向）が一致すること、（3）光ビームの偏光が一致すること、（4）可干渉距離内（可干渉時間内）で重ねあわされていることである。これらのすべてを満たすために、作製時において多数個からなる複雑な光学素子の微調整を要し、高度な熟練技術と多大な調整時間が必要となる。また振動や経年変化等によってその微調整が変化することがしばしばおこる。
【特許文献１】特許公開平6-229922
【特許文献２】特許公開平9-79811
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
２色法は、波長のことなる同軸２光束が同一光学系を経由（透過および反射）するため外乱が自己的に補正されるすぐれた手法で、さらに光が干渉する条件（1）（2）（3）を自動的に同時に満たす。これは2つの光ビームを空間的に重ね合わせる微調整が不要であることを示している。（4）は可干渉距離の長いレーザー光源では重要な問題ではないが、短パルスレーザーやランプなどの可干渉距離の短い光源では、２つに分けたビームの可干渉距離をマイクロメートルの精度で微調整することが必要となる。
【００１５】
可干渉距離の短い光源の導入は、装置の小型化、コスト削減の観点から重要であり、また分解能向上にもつながる。しかしながら、従来の２つのビームの過干渉距離を微調整させる光学系を導入すると同一光学系を経由させることが困難となり、２色法の最大の特徴である外乱の自己補正機能と微調整不要性が失われるという問題があった。
【００１６】
本願発明課題は、２色法の原理を利用して（1）異なる波長の同軸２光束が同一光学系を経由（透過および反射）する外乱の自己補償光学系を有するため外乱のある環境下でも安定で、（2）可干渉距離の調整機能も備わっているため可干渉距離の短い光源に対しても適応でき、（3）構造が単純で大幅な小型化が実現でき、調整が不要（または簡便）、さらに安価な光干渉計を構築するため利用することのできる光学装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本願発明の装置は、光源、光源からの光の一部を波長変換する光学素子または光学系、光源からの光と波長変換された光の位相差を制御できる位相制御用光学素子または光学系、光源から光と波長変換された光の光路長を制御する光路長制御用光学素子または光学系を備えており、光源からの光と波長変換された光は同軸２光束で同一光学系を経由（透過および反射）することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明である位相安定化光学装置は、（1）異なる波長の同軸２光束が同一光学系を経由（透過および反射）する外乱の自己補償光学系を有するため外乱のある環境下でも安定である。防振装置などの外乱の除去装置およびフィードバック装置などの外乱補正機構を省略することができるため、装置は、小型で単純になり、コスト削減ができる。特に機械工作などで激しい振動が発生するような環境下において、防振装置を適応が困難な場合でも安定した光干渉計を構築することができる。（2）可干渉距離の調整機能も備わっているため可干渉距離の短い光源に対しても適応でき、高分解能化が可能である。また可干渉距離の短い光源は小型であることが多いため装置全体の小型化とコスト削減が可能である。（3）波長の異なる2つ光の同軸性は自動的に保たれるため、通常の２光束光干渉計で問題となる2つ分けた二つの光を再び重ね合わせる操作が存在せず微調整が一切不要でることである。波長の異なる2つの光の同軸性は自動的に保たれるため、経年変化による狂いも生じない。高度な熟練技術と多大な調整時間の省略が可能である。また図1に示されるようにわずか5個の光学素子から構成されているため、その製作、構造、調整等といった面で簡略化、コスト削減が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［実施例１］
図1は、本願発明である位相安定化光学装置の全体の概略図である。光源1は、可干渉距離の短いフェムト秒パルスレーザー（波長800nm、パルス時間幅100フェムト秒：1フェムト秒＝10-15秒）を使用した。パルス時間幅から換算した可干渉距離は30マイクロメートルである。光源からの光の一部を第一の非線形光学結晶2（実施例はBBO結晶、厚さ：1mm）で第二高調波（波長400nm）に変換する。厳密には第一の非線形光学結晶での波長変換の際に、変換された光は光軸が横方向シフトを受けるがシフト量は微小であるため無視でき同軸とみなしうる。
【００２０】
光源から光とその第二高調波は、同軸2光束となって空気中を伝搬し、まず位相制御用光学素子3を通過する（図においては、表現上、２光束は、別々の光路を通過しているように描かれているが、実際は、同一光路を通過している。）。位相制御用光学素子は、入射角度を変化させることのできる平行平板型光学媒質（実施例は合成石英板、厚さ：10mm）を使用した。この際、屈折率の波長依存性のため波長800nmの光と波長400nmの光は、それぞれ光路長が異なる。
【００２１】
図2は、位相制御用光学素子3の詳細図である。図2で定義される波長800nmの光と波長400nmの光の光路長をそれぞれL1、L2とすると、光路長差ΔL1＝L2−L1は次式で表わされる。
【数１】
0005273517.tif 000002
ただし、d1は位相制御用光学素子の厚さ、n1は波長800nmにおける屈折率、n2は波長400nmにおける屈折率である。θは入射角である。厳密にはいわゆる色収差が生じ、図2に示されるように波長800nmの光と波長400nmの光は、ビームの軸の平行性は保たれるが同軸ではない。しかし、θを小さくしてほぼ垂直入射にすれば、波長800nmの光と波長400nmの光は同軸とみなしうる。光路長は入射角θを０度付近で変化させることにより波長800nmと波長400nmの光を空間的に分離することなくほぼ同軸性を保ったまま相対位相差を変化させることができる。
【００２２】
実施例である合成石英板は、n2＞n1のいわゆる正分散媒質であり、波長800nmより波長400nmの光の光学遅延が大きく、光路長差ΔL1は正である。
θ＝0の場合、式（1）は次式で近似できる。
【数２】
0005273517.tif 000003
となる。実施例である厚さ10mmの合成石英板ではn1＝1.452, n2＝1.471であるので実施例の場合、ΔL1＝0.19mmとなる。
【００２３】
可干渉距離がΔL1より十分長い光源においては問題にならないが、可干渉距離の短い光源（実施例では30マイクロメートル）においてはこのままでは干渉しない。そのため、次にこの光学遅延を補正するための光路長制御用光学素子4に入射する。
【００２４】
図3は、光路長制御用光学素子の詳細図である。平行平板型光学媒質（実施例は合成石英板、厚さ：0.5mm）表面に波長400nmの光をほぼ100％（実施例では99％）反射し波長800nmの光をほぼ100％（実施例では98％）透過する誘電体多層膜、裏面に波長800nmの光をほぼ100％（実施例では99％）反射して400nmの光をほぼ100％（実施例では98％）透過する誘電体多層膜が蒸着されている。
【００２５】
光は、光路長制御用光学素子4に垂直入射し反射される。その際、長い波長の光（実施例では波長800nmの光）が短い波長の光（実施例では波長400nmの光）に比べて光学素子の厚さの2倍の長さ距離だけ長い距離を伝搬するいわゆる負分散特性を示す。光路長制御用光学素子4での波長800nmの光と波長400nmの光の光路長差ΔL2は
【数３】
0005273517.tif 000004
【００２６】
ここでn3は、光路長制御用光学素子の波長800nmにおける屈折率、d2は厚さである。実施例である厚さ0.5mmの合成石英板の場合、ΔL2＝−1.47mmとなる。この光路長制御用光学素子で反射することによって、波長800nmと波長400nmの光を空間的に分離することなく同軸性を保ったまま位相制御用光学素子で発生した光路長を補償することができる。
【００２７】
その結果、可干渉距離の短い光源に対しても適応することができる。ΔL1とΔL2は実施例では一致させていない。その理由は、該位相安定化光学装置を他の装置に組み合わせた場合、波長の異なる2光束は、正分散の光学媒質を通る場合が多く、その分も保障するためΔL2を大きく設計してある。光路長の微調整は、位相制御用光学素子の厚さと入射角度を変えることによって行うことができる。
【００２８】
厳密には、波長800nmの光は、光路長制御用光学素子の中を往復する分だけ、波長400nmの光と別の空間を伝搬しており、共通経路を通過していない。しかし機械的振動によって光路長制御用光学素子の厚さが変化することは、原理的に起こりえず、空気によるゆらぎが発生することもない。また温度ゆらぎも小さな固体媒質がゆえに容易に制御できるため、光路長制御用光学素子で外乱が発生することはない。その結果、2つの光ビームが同軸かつ同一光学系（共通経路）を経由（透過および反射）するとみなすことができる。
【００２９】
その後ミラー5で光が取り出され、波長800nmの光の一部は、第二の非線形光学結晶6（実施例はBBO結晶、厚さ：1mm）で再び第二高調波に変換されて、第一の非線形光学結晶で発生した波長400nmの光と干渉する。干渉パターンは光検出器7で検出される。
【００３０】
なお、測定対象物は、ミラー5と第二の非線形光学結晶6の間に光を透過させるように配置する。ただし、光干渉計そのもの、または一部として組み込むことも想定しているので、測定対象物がない場合もあるので、図１には、測定対象物の位置は記入していない。
【００３１】
以上本願発明を実施例に基づいて説明したが、本願発明は、上記実施例に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りどのようにでも実施できる。例えば、実施例においてはパルスレーザーと第二高調波への波長変換を使用しているが別の光源と同軸性を保つことのできる波長変換機構を用いることも可能である。また実施例では、光路長制御用光学素子は平行平板型固体媒質をもとに構成したが、平行空隙に液晶を導入し、その屈折率を電気的に制御することによっても可能である。また実施例では位相制御用光学素子は平行平板型固体媒質への入射角度を変化させて光路長を変化させることにより実現しているが、式（1）で示されるように、媒質の屈折率を制御することによって位相掃引することも可能である。例えば、固体媒質、液体媒質、気体媒質の温度変化によって屈折率を制御する方法、気体の圧力変化によって屈折率を制御する方法、液晶の屈折率を電気的に制御する方法を利用することも可能である。
【００３２】
本願発明は、光干渉計そのものとして動作させることが可能であり、また、従来の光干渉計の光学系の一部、またはより大きな光学装置の一部として組み込むことも効果的である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
従来の光干渉に要求される環境よりも悪条件化で、物体の長さ、変位、屈折率、表面形状を光の位相変化から高精度測定する光干渉計やその光学系の一部、光通信分野において光位相が精密に制御された光パルスの発生方法に利用できる。
【００３４】
本願発明は、電子工業、機械工業などの微細加工などの分野、集積回路のリソグラフィー製造において使用される光干渉計またはその光学系の一部、ガラス基板、高分子フィルム、光学素子、液晶素子などの物体の大きさ、厚さ、屈折率、表面形状を高精度に測定する光干渉計またはその光学系の一部、物体の変位、変形を高精度に測定する光干渉計またはその一部の光学系で利用可能である。特に、工作機械等で切削加工を行う際、防振装置を使用できず従来の干渉計が使用できない環境下でのインプロセス計測が可能になる。また情報通信分野において、光パルス間の位相を精密に制御したパルス対やパルス列の発生に使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本願発明に係る位相安定化光学装置の全体の概略図
【図２】本願発明に係る位相制御用光学素子の詳細図
【図３】本願発明に係る光路長制御用光学素子の詳細図
【図４】従来の干渉計１
【図５】従来の干渉計２
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  第一の非線形光学結晶
３  位相制御用光学素子
４  光路長制御用光学素子
５  ミラー
６  第二の非線形光学結晶
７  光検出器
【図１】
0005273517.tif 000005
【図２】
0005273517.tif 000006
【図３】
0005273517.tif 000007
【図４】
0005273517.tif 000008
【図５】
0005273517.tif 000009