受光部のスペックル軽減機能を有する分光器
【課題】 分光器における受光部のスペックルを軽減し、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うこと。
【解決手段】 計測光（レーザ光）をレンズで集光し、光ファイバ１２を通して取り込む。光ファイバ１２の出射側には、ファイバ揺動／移動機構１３が設けられており、計測の間、常時、揺動もしくは移動させる。光ファイバ１２から出射される光は、シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズ１４により集光され、エタロン１５に入射する。エタロン１５から出た光は、集光レンズ１６で集光され、ＣＣＤセンサなどのセンサ１７上にフリンジ像が結像する。センサ１７により取得したデータは積算処理され、波長スケール変換された後、デコンボリューション処理され、Ｅ９５が計測される。
【解決手段】 計測光（レーザ光）をレンズで集光し、光ファイバ１２を通して取り込む。光ファイバ１２の出射側には、ファイバ揺動／移動機構１３が設けられており、計測の間、常時、揺動もしくは移動させる。光ファイバ１２から出射される光は、シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズ１４により集光され、エタロン１５に入射する。エタロン１５から出た光は、集光レンズ１６で集光され、ＣＣＤセンサなどのセンサ１７上にフリンジ像が結像する。センサ１７により取得したデータは積算処理され、波長スケール変換された後、デコンボリューション処理され、Ｅ９５が計測される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことが可能な受光部のスペックルを軽減する機能を有する分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長分布等を計測する分光器は様々な分野で使用されている。以下の説明は、半導体リソグラフィー用光源である狭帯域エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置の出力レーザ光のスペクトル計測を例に説明する。
スペクトル計測も種々あるが、ここではＥ９５を例に挙げて説明する。Ｅ９５とは、狭帯域エキシマレーザ等の発振波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅であって、半導体露光分野では重要なパラメータである。
従来のスペクトルＥ９５を計測するための高精度なグレーティング方式の分光器では、効率が低く長時間、検出器を露光する必要があり、また計算時間が長いため、計測に非常に長い時間を必要とした。
毎パルス計測できるような分光器では精度が不足しており、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことができなかった。そこで、高分解能のエタロン分光器を使用し、計測毎にデコンボリューション処理を行い正確なスペクトルＥ９５を計算することが行われている。
【０００３】
図１２（ａ）に従来の分光器の光学系の概要図を示す。
計測光をレンズ５０で集光し、光ファイバ５１を通して取り込む。光ファイバ５１から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ５２により適当な角度に集光され、エタロン５３に入射する。エタロン５３から出た光は、集光レンズ５４により集光され、ＣＣＤセンサなどのセンサ５５上にフリンジ像（干渉縞）像を結像させる。
図１２（ｂ−１）に結像面に結像するフリンジ像を示す。同図に示すように、エタロン５３により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分（同図におけるセンサ面イメージの部分）がセンサ５５に取り込まれる。
図１２（ｂ−２) にセンサ５５に取り込まれるフリンジ波形を示す。
【０００４】
センサ５５に取り込まれたデータは、図１２（ｃ）に示すように積算処理部６０に送られ、ＳＮ比を上げるために複数パルスの積算が行われる。積算方式は、センサの露光時間を増やすことと、取得後のデータをＣＣＤセンサ５５の各チャンネルについて積算するの、２つの方法を併用する。
望ましい形態は露光時間による積算を行わず、毎パルスデータを取得し、各チャンネルのデータの移動平均を取った後にＥ９５計算を行う方式である。しかし、部品の寿命、計算速度等を鑑みて適当な時間、露光時間による積算を行っても良い。
積算処理部６０で積算処理された後、デコンボリューション処理部６１で計測毎にデコンボリューション処理が行われ、Ｅ９５計算部６２でＥ９５が計測される。
【０００５】
ここで、スペクトルＥ９５を正確に計測するには、分光器の装置関数を安定化させることが重要である。
密封容器壁面やエタロン自身からの水分、アウトガスの発生、吸収はエタロン分光器の装置関数を変化させる。その影響を取り除くために組立て後に高温窒素を密封容器に流してベーキングを行い、さらに密封容器内にモレキュラーシーブスを設置して発生した水分やアウトガスを即、吸収できるようにする。また、密封容器内およびレンズの温調を行うことにより装置関数の変動を安定化させる。
また、センサ自身が発生する電気的なノイズに加え、照明の不均一性に起因する光学的なノイズを減少させることも重要である。
従来のエタロン分光器ではエタロンに入射させる光を拡散させる手段としてフロスト拡散板や回折光学素子が使用されるのが普通だった。
これらの素子を用いる欠点として、拡散光が干渉しあうことによって生じるスペックルノイズにより不均一な照明となり、図４（ａ）に示すように、計測信号にノイズがのるという現象が生じた。また、計測器に直接光を入射させると空間的に一部の光しか取り出せないため、空間的に波長分布を持ったエキシマレーザのような光源の場合、ビーム全体のスペクトルが正確に計測されない。
【０００６】
スペックルの影響を低減させ、ビーム全体のスペクトルを計測する方法として図１２に示したように光ファイバ５１を光拡散手段として用いる。そして、ビーム全体の平均的なスペクトルを計測するためにビームの空間的な分布をスクランブルするように光ファイバを介して分光器に光を入射させる。
光ファイバ５１を通して光を出射させると光ファイバ径が小さいため、光源のサイズが小さくなり、スペックルの空間周波数が大きくなりスペクトル計測に大きな影響を及ぼさなくなる。
ここで、レンズにより結像させた場合、スペックルの平均粒度は以下の式で示される。
スペックルの平均粒度＝１．２２λ・Ｆｎｏ．（レンズ結像）
ここで、Ｆｎｏ．はレンズの口径と焦点距離の比、λは波長
ここで、Ｄは光源の大きさ、Ｌは、エタロンとセンサの距離である。
【０００７】
一方、レーザ光の干渉のために光ファイバの出射端ではファイバ内部での光の干渉に起因するスペックルが発生し、均一な照明を行うことが出来ない。
このような問題を解決するため、従来から以下の方法が提案されている。
例えば、特許文献１に記載されるものでは、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねたものへレーザ光を導入するようにしている。各光ファイバの長さの差がレーザ光の可干渉距離を越えているため各光ファイバ出射後の光同士は干渉性が低下し、スペックル発生も抑制される。
また、特許文献２に記載されるものでは、レーザ装置と露光装置との間に反射ミラーで構成した遅延光路を設け、レーザ光の一部は遅延光路を通過して露光装置へ向かいレーザ光の残りは遅延光路をＮ周（Ｎ＝１，２，３、・・・）して、以下の計算式の時間だけ遅延時して順番に露光装置へ向かうように構成している。
遅延時間＝（Ｎ×遅延光路１週分の長さ）／光速
この遅延光路１周分の長さをレーザ光の可干渉距離以上にすれば特許文献１と同様のスペックル軽減効果を得ることができる。さらに、特許文献３、４にも特許文献１と同様の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６０−２４７６４３号公報
【特許文献２】特開昭６３−７３２２１号公報
【特許文献３】特開平６−１６７６４０号公報
【特許文献４】特開平１１−２２３７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
狭帯域発振エキシマレーザやフッ素分子レーザの発振スペクトル特性、特に前記したＥ９５の計測を行う際にはスペックルの影響を更に軽減する必要がある。
スペックルの影響軽減の効果を得るためにはスペックルのコヒーレンス時間等のパラメータも考慮する必要があるが、従来はそこまで考慮したものは見当たらない。
また、前記したように、Ｅ９５とはある波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅であるから、これを計測するにはスペクトル分布の裾野の範囲まで光エネルギー分布を正確に知る必要がある。
ところが、スペクトル分布の裾野では光エネルギーレベルが低いのでＳ／Ｎ比も低く、その光エネルギー計測値に占めるノイズ誤差の割合が多いためＥ９５の正確な計測は困難である。これは、半値全幅のように、ピークパワー値の半分のパワーレベルにおける波長幅の計測との大きな違いである。ピークパワー値の半分のレベルがあればＳ／Ｎ比も十分に高いため計測誤差は少ない。
従って、特にＥ９５計測ではノイズを軽減することが重要であり、大きなノイズ源であるスペックルの影響を減らすことは必須と言える。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、受光部のスペックルを軽減し、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことが可能な分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）計測光を分光手段に伝送する伝送手段と、伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する受光センサと、前記伝送手段と前記受光センサとの間に設けた２枚のシリンドリカルレンズを有する分光器において、前記２枚のシリンドリカルレンズを、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置する。
（２）上記（１）において、前記２枚のシリンドリカルレンズを、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、前記伝送手段側に設けられたシリンドリカルレンズを曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、前記分光手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記分光手段側に配置する。
（３）上記（１）において、前記２枚のシリンドリカルレンズは、一方は、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、他方は、前記分光手段と前記受光センサの間に設け、曲面を持つ面を前記分光手段側に配置する。
（４）上記（１）〜（３）において、前記伝送手段を振動させる振動手段を設ける。
（５）上記（１）〜（４）において、前記伝送手段は光ファイバとする。
上記のように、光を伝送する手段を振動させ積算することで、光が均一化され、不均一な照明によるノイズを除去することができ、スペックルの影響を低減化することができる。
また、上記光を伝送させる手段を、スペックルのコヒーレンス時間が充分に小さくなるように振動させることにより、スペックルのパルス間の相関が低下し、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
また、前記２枚のシリンドリカルレンズは、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置することにより、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、エタロンなどの光を分光する手段に入射する光を伝送する手段、もしくは、上記分光する手段に入射する光を拡散する手段を、振動させるようにしたので、スペックルの影響を除去し、高い精度でＥ９５計測を行うことができる。
また、本発明の分光器を用いてレーザ装置の出力光のＥ９５を計測し、フィードバック制御することにより、レーザ光のＥ９５を精度よく一定値に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の前提となる分光器の光学系の構成を示す図である。
【図２】センサにより計測されたデータの処理の概要を示す図である。
【図３】ファイバ揺動／移動機構の構成例を示す図である。
【図４】光ファイバを揺動／移動させることによるスペックルノイズの除去を説明する図である。
【図５】コリメータレンズを設けない場合の構成例を示す図である。
【図６】シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズを用いた場合の本発明の実施例の光学系の構成を示す図である。
【図７】コリメータレンズと集光レンズに曲率の異なるシリンドリカルレンズを用いた場合の本発明の他の構成例を示す図である。
【図８】並列に束ねた長さの相違する複数本の光ファイバを用いた分光器に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。
【図９】光ファイバの揺動／移動速度の計算例を説明するための図である。
【図１０】本発明の分光器を用いてレーザ装置のＥ９５をフィードバック制御する場合の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の分光器を用いて２ステージレーザ装置のＥ９５をフィードバック制御する場合の構成例を示す図である。
【図１２】従来の分光器の光学系の概要と、データの処理の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１（ａ）は本発明の前提となる分光器の光学系の構成の概要を示す図である。
狭帯域エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置から出力される計測光（レーザ光）をレンズ１１で集光し、光ファイバ１２を通して取り込む。光ファイバ１２の出射側には、後述するファイバ揺動／移動機構１３が設けられており、計測の間、常時、振動（以下では揺動ともいう）もしくは移動させる。
光ファイバ１２から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ１４により適当な角度に集光され、エタロン１５に入射する。エタロン１５はＦＳＲ３ｐｍ、フィネス２０以上のものを用いる。また、エタロン１５は周囲環境による影響を受けないように例えば窒素雰囲気を充填した空間に収納され、この空間は密封される。密封用のウインドウとして、前述のコリメータレンズ１４や後述の集光レンズ１６を使用しても良い。
【００１４】
エタロン１５から出た光は、例えば焦点距離６５０ｍｍの集光レンズ１６で集光され、例えばチャンネル数５１２のＣＣＤセンサ等のセンサ１７上にフリンジ（干渉縞）像が結像する。
なお、高繰り返し、高分解能での計測のため、従来使用したＮＭＯＳリニアセンサではなく、ＣＣＤセンサを用いるのが望ましい。
図１（ｂ−１）にセンサ１７上に結像するフリンジ像を示す。前記従来例と同様、エタロン１５により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分（センサ面イメージの部分）がセンサ１７に取り込まれる。センサ１７には図１（ｂ−２) に示すようなフリンジ波形が取り込まれる。
【００１５】
図２に上記センサ１７に取り込まれたデータの処理の概要を示す。
センサ１７に取り込まれたセンサデータは、図２（ａ）に示すように積算処理部２１に送られ、ＳＮ比を上げるため前記したように積算処理が行われる。
積算処理部２１で積算処理された後、波長スケール変換部２２で、図１（ｂ−２）に示したフリンジ波形の横軸の波長をリニアスケールに変換し、分解能の最もよい中央部の波形を切り出す。
デコンボリューション処理部２３では、上記切り出したデコンボリューション対象波形と、予めわかっている装置関数のコンボリューション波形との偏差が小さくなるように、計測毎にデコンボリューション処理を行う。そして、デコンボリューション結果に基づき、前記したようにＥ９５計算部２４でＥ９５が計算される。
【００１６】
ここで、通常、繰り返し法を用いるデコンボリューション処理では繰り返し計算が充分収束したことを確認するために、計算結果と装置関数のコンボリューション波形とデコンボリューション対象波形との偏差を計算し、偏差または前回の計算結果の偏差との差が、充分小さくなったことを繰り返しの終了条件として用いる。
この方法では収束条件の判断のためにコンボリューション処理を行うことで計算時間が２倍かかるという問題がある。また、収束にかかる時間が計測によって、まちまちとなるため、計測にかかる時間を見積もることができないという問題がある。
これらの問題を解決するために、いろいろな波形について、最終的な計算結果に対して精度が充分保つために必要な繰り返し回数をあらかじめ求めておき、最大の繰り返し回数を固定値として繰り返しの終了条件とするのが望ましい。
【００１７】
この例では、計測され積算処理されたフリンジ波形の処理を、図２（ａ）に示すように、波長スケール変換、デコンボリューション処理、Ｅ９５計算の３つの部分に分け、それぞれ別のプロセッサを用いて、並列処理を行うことで短時間に計測値を更新している。 また、図２（ｂ）に示すように、デコンボリューション処理自体を複数のプロセッサを使って並列処理をしても良い。デコンボリューション処理中、最も多くの時間を消費するコンボリューション処理を複数のプロセッサを用いて並列処理をすることにより、短時間で処理を行うことができる。コンボリューション処理はチャンネルごとに独立な処理であるため、複数のプロセッサに処理するチャンネルを割り当て並列に処理させる。
【００１８】
図３に図１に示したファイバ揺動／移動機構１３の構成例を示す。
図３（ａ）に示すように、光ファイバ１２の出射端の近傍にアクチュエータ３１を設け、アクチュエータ３１により、光ファイバ１２の出射端を揺動（振動）させ、得られるフリンジを時間的に積算する。従来においては、前記図４（ａ）に示したように、不均一な照明により計測信号にノイズがのるという現象が生じたが、上記のように揺動させ積算することで、図４（ｂ）に示すように光が均一化され、不均一な照明によるノイズを除去することができる。このため、スペックルの影響を低減化することができる。
光ファイバ１２の揺動の対象は角度でも位置でもよいが、できるだけ均一な照明とするためにファイバ揺動の周期は信号積算時間と同じか、それより長いことが望ましい。
なお、揺動／移動機構１３により光ファイバ１２を非常に高速に動かし、レーザ発光時間内に均一に照明することができれば、前記したように複数パルスの信号を積算する必要はなくなる。このように、多パルスの積算を行うことで、高いＳＮ比で信号を計測できると同時に、入射系を振動させてスペックルの影響を除去することができる。
また、レーザの発振周波数に対してスペックルのコヒーレンス時間が充分に小さくなるように光ファイバ１２を揺動させることで、スペックルのパルス間の相関が低下し、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
【００１９】
図３（ａ）では光ファイバ１２そのものを揺動させたが、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ１２の出射光を、アクチュエータ３２により駆動されるミラー３３を介して、コリメータレンズ１４に入射させるようにしてもよい。
アクチュエータ３２は、図３（ｃ）に示すようにミラー３３を前後方向に移動させたり、図３（ｄ）に示すようにミラー３３の傾きを変動させたり、あるいは、図３（ｅ）に示すように傾けたミラー３３を回転させる。これにより、光ファイバ１２の出射端を揺動させたのと同様の効果を得ることができる。
さらに、図３（ｆ）に示すように、光ファイバ１２から出射される光を拡散させる円形拡散板３４を設け、円形拡散板３４を回転させるように構成しても、図３（ａ）（ｂ）と同様の効果を得ることができる。なお、以下では、図３（ｂ）（ｆ）に示したものも含めて、ファイバ揺動／移動機構という。
【００２０】
ところで、光ファイバ１２から射出される光は、光ファイバのＮＡで規定される角度だけ広がりをもって射出される。そのままではセンサ１７まで到達しない光が多く非効率であるため、図１に示したように光ファイバと１２エタロン１５の間にコリメータレンズ１４を設置したが、このコリメータレンズは必須ではなく、図５に示すように、コリメータレンズを省略することもできる。
また、コリメータレンズ１４として、単レンズを用いると、図１に示したようにセンサ面に光が円形に照射される。ラインセンサ受光素子として用いる場合、センサ受光面が長方形形状のため、センサで受光しない無駄な光が多くなる。そこで、コリメータレンズとして曲率の異なるシリンドリカルレンズを２枚組み合わせることによって、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【００２１】
図６に上記のように上記シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズを用いた本発明の実施例の分光器の光学系の概略構成を示す。
同図（ａ）は光学系を上から見た図、（ｂ）はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、（ｃ）は結像面に結像するフリンジ像を示す。
同図において、１４はコリメータレンズであり、コリメータレンズ１４は、レンズ面の曲率が異なる２枚のシリンドリカルレンズ１４ａ，１４ｂから構成される。シリンドリカルレンズは、一方向に対しては曲率を持ち、この方向に直交する方向に対しては曲率を持たないレンズであり、本実施例では、図６に示すように曲率を持たない面を対向させた２枚のシリンドリカルレンズ１４ａ，１４ｂをコリメータレンズ１４として用いている。その他の構成は、前記図１に示したものと同様である。
コリメータレンズとして、上記構成のレンズを用いることにより、結像面に結像するフリンジ像を図６（ｃ）に示すように、センサ形状に合わせた形状とすることができ、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【００２２】
また、通常は前記図１２に示したように、エタロン１５とセンサ１７の間に球面の集光レンズ１６を設け、この組み合わせでフリンジを検出している。
このとき得られるフリンジ像は前記図１（ｂ−１）に示したように同心円状であり、同心円状の光を直線状のセンサを用いて切り取るような形となる。
そこで、エタロン１５への入射光学系にシリンドリカルレンズや回折光学素子等を用いて２次元の１方向にだけ角度の分散をつけ、集光レンズ１６にも１方向だけ集光するレンズを用いることで、より効率的にセンサ受光面に光を照射することができる。
図７に上記のように、コリメータレンズ１４と集光レンズ１６に曲率の異なるシリンドリカルレンズを用いた場合の本発明の実施例を示す。同図（ａ）は光学系を上から見た図、（ｂ）はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、（ｃ）は結像面に結像するフリンジ像を示す。その他の構成は前記図１と同様である。
同図に示すように、コリメータレンズ１４と集光レンズ１６にシリンドリカルレンズを用い、それぞれのシリンドリカルレンズの曲率を持つ方向を直交させることにより、図６（ｃ）に示すように、縞状のフリンジパターンを得ることができる。このフリンジ信号をセンサ１７で受光し、各ラインをビニングし積算することで、ＳＮ比の高いフリンジ信号を得ることができる。
【００２３】
図８は、前記特許文献１等に記載される、並列に束ねた長さの相違する複数本の光ファイバを用いた分光器に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。
同図に示すように、計測光をレンズ１１を介して、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねた光ファイバ群１２’に入射させ、光ファイバ群１２’の出射端を前記したファイバ揺動／移動機構１３により揺動させる。なお、光ファイバの揺動／移動機構としては、前記図３に示し各種機構を用いることができる。
上記構成とすることで、前記したようにファイバ内部での光の干渉に起因するスペックルを除去することができるとともに、光ファイバの揺動により、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
【００２４】
次に、図９（ａ）（ｂ）の光学系により光ファイバの出射側に設けたファイバ揺動／移動機構による揺動／移動速度の計算例について説明する。
図９（ａ）の光学系は、前記図３に示した揺動／移動機構を備えた光ファイバ１２の端面から出た光を、エタロン１５に入射させ、出てきた光を集光レンズ１６でセンサ面に集光させる場合の光学系を示し、図９（ｂ）は、揺動／移動機構を備えた光ファイバ１２の端面から出た光を、コリメータレンズ１４を介してエタロン１５に入射させ、エタロンから出た光をレンズでセンサ面に集光させる場合の光学系を示している。
【００２５】
（１）図９（ａ）に示す光学系における揺動／移動速度。
図９（ａ）に示すように、光ファイバ端面と集光レンズ１６の距離をＬ１、集光レンズ１６とセンサ１７の距離をＬ２とし、エタロン１５の有効径をｑとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
１／τｃ＝｜ｖ｜√（Ｂ2 ／Ｒｓ2 ＋１／ｑ2 ）
ここでＢ＝（Ｌ２／Ｆ）−１、Ｒｓ＝２Ｆ／（ｋ０・ｑ）であり、Ｆは集光レンズ１６の焦点距離、ｑはエタロンの有効径、ｋ０は波数（２π／λ）である。
焦点位置に受光面があるためＬ２＝Ｆなので、Ｂ＝０となる。したがって１／τｃ＝｜ｖ｜／ｑとなる。
【００２６】
実際の設計値を代入し、Ｆ＝６５０ｍｍ、λ＝１９３ｎｍ、ｑ＝１０ｍｍとし、レーザ装置が４ｋＨｚ発振であるとすると、前記図３に示したファイバ揺動／移動機構１３による移動速度は以下の式のｖとなる。
｜ｖ｜＝（１／τｃ）・ｑ＝４００００［ｍｍ／ｓ］
この速度を実現させるためには、前記図３に示した円形拡散板３４を１９１００ｒｐｍ以上の速度で回転させ、回転軸より２０ｍｍの位置に入射した光をエタロン１５に入射させる。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
なお、可能であれば、光ファイバ１２の端部、ミラー３３を線速度４００００ｍｍ／ｓ以上で揺動させるようにしてもよい。
【００２７】
（２）図９（ｂ）に示す光学系における揺動／移動速度。
図９（ｂ）に示すように、光ファイバ端面とコリメータレンズ１４の距離をＬ１、コリメータレンズ１４とエタロン１５の距離をＬ２、エタロン１５と集光レンズ１６の距離をＬ３、集光レンズ１６とセンサ１７の距離をＬ４とし、エタロンの有効径をｑとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
１／τｃ＝｜ｖ｜√（Ｂ2 ／Ｒｓ2 ＋ν2 ／ｑ2 ）
ここで、Ｒｓ＝２・Ｆ２／（ｋ０・ｑ）、Ｂ＝Ａ２・Ｌ３・Ｌ４［１／（Ａ１・Ｌ１・Ｌ２）−（１−Ｌ２／Ｆ１）（１／Ｌ２−１／（Ａ１・Ｌ２2 ）＋１／Ｌ３−１／（Ａ２・Ｌ３2 ））］、Ａ１＝１／Ｌ１＋１／Ｌ２−１／Ｆ１、Ａ２＝１／Ｌ３＋１／Ｌ４−１／Ｆ２、ν＝Ｌ２／Ｆ１−１である。また、Ｆ１はコリメータレンズ１４の焦点距離、Ｆ２は集光レンズ１６の焦点距離であり、センサ１７へは集光レンズ１６で集光して入射させるため、Ｆ２＝Ｌ４となる。
【００２８】
上記式に、実際の設計値であるＬ１＝５０、Ｌ２＝５０、Ｌ３＝５０、Ｌ４＝６５０、Ｆ１＝１００、Ｆ２＝６５０、ν＝０．５、Ａ１＝０．０３、Ａ２＝０．０２、Ｂ＝６．５の設計値を代入すると、Ｒｓは以下の値となり、前記図３に示したファイバ揺動／移動機構１３による移動速度は以下の式のｖとなる。
Ｒｓ＝（２×６５０×１９３×１０-6／２π）／１０＝０．００４
１／τｃ＝｜ｖ｜√（６．５2 ／０．００４2 ＋０．５2 ／１０2 ）＝１６２５｜ｖ｜ ｜ｖ｜＝４０００／１６２５＝２．４６ｍｍ／ｓ
この速度を実現させるためには、前記図３に示した光ファイバ１２の端部、ミラー３３を線速度２．５ｍｍ／ｓ以上で振動させるか、あるいは円形拡散板３４を回転させ、光ファイバ１２に対向する周速度を２．５ｍｍ／ｓ以上になるようにする。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
【００２９】
上記実施例で示した分光器をレーザ装置の出力側に設けてＥ９５を計測し、この計測結果をターゲットとなる設定値と比較して、レーザ装置にフィードバックすることにより、レーザ装置出力のＥ９５の一定値制御を行うことができる。
図１０は、上記フィードバック制御の構成例を示す図であり、図１０（ａ）は上記実施例で示した分光器の出力により狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）の波面調整を行うことにより、Ｅ９５を制御する場合の構成例を示し、図１０（ｂ）は、上記実施例で示した分光器の出力によりレーザチェンバに供給するガス分圧を調整することにより、Ｅ９５を制御する場合の構成例を示している。
【００３０】
図１０（ａ）（ｂ）において、１０１はレーザチェンバであり、レーザチェンバ１０１には一対の電極Ｅ（同図では一方の電極のみが示されている）が設けられ、また、レーザチェンバ１０１内に充填されたレーザガスを循環させるためのファン１０２が設けられている。
レーザ共振器は、狭帯域化モジュール１０３に搭載されたグレーティング（回折格子) と出力ミラー１０４とにより構成され、レーザ光は上記グレーティングと出力ミラー１０４の間を往復し、出力ミラー１０４からレーザ光として出射される。
出力ミラー１０４から出射されるレーザ光の一部はビームスプリッタ１０５により波長モニタ（分光器）１０６へ導入され、Ｅ９５が計測される。
コントローラ１０７は、上記計測結果に基づき、狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）の波面調整を行ったり（図１０（ａ））、レーザチェンバ１０１に供給するガス分圧を調整する（図１０（ｂ））ことにより、Ｅ９５を制御する。
【００３１】
図１１は、２台のレーザを用いた２ステージレーザ装置に適用した場合の構成例を示す図である。
２ステージレーザ装置は、発振段レーザ１００と増幅段レーザ２００から構成され、１台目の発振段レーザ１００は低パルスエネルギーながら狭帯域化スペクトルをもち、２台目の増幅段レーザ２００は、発振段レーザ１００の狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。
図１１において、増幅段レーザ２００が出力するレーザ光はの一部はビームスプリッタ１０５により波長モニタ（分光器）１０６へ導入され、Ｅ９５が計測される。
波長モニタ１０６による計測結果は、同期コントローラ１０８に送られ、同期コントローラ１０８は、発振段レーザ１００と増幅段レーザ２００の同期タイミングを調整することにより、Ｅ９５を制御する。
【符号の説明】
【００３２】
１１ レンズ
１２ 光ファイバ
１３ ファイバ揺動／移動機構
１４ コリメータレンズ
１５ エタロン
１６ 集光レンズ
１７ センサ
２１ 積算処理部
２２ 波長スケール変換部
２３ デコンボリューション処理部
２４ Ｅ９５計測部
３１ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
３３ ミラー
３４ 円形拡散板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことが可能な受光部のスペックルを軽減する機能を有する分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長分布等を計測する分光器は様々な分野で使用されている。以下の説明は、半導体リソグラフィー用光源である狭帯域エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置の出力レーザ光のスペクトル計測を例に説明する。
スペクトル計測も種々あるが、ここではＥ９５を例に挙げて説明する。Ｅ９５とは、狭帯域エキシマレーザ等の発振波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅であって、半導体露光分野では重要なパラメータである。
従来のスペクトルＥ９５を計測するための高精度なグレーティング方式の分光器では、効率が低く長時間、検出器を露光する必要があり、また計算時間が長いため、計測に非常に長い時間を必要とした。
毎パルス計測できるような分光器では精度が不足しており、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことができなかった。そこで、高分解能のエタロン分光器を使用し、計測毎にデコンボリューション処理を行い正確なスペクトルＥ９５を計算することが行われている。
【０００３】
図１２（ａ）に従来の分光器の光学系の概要図を示す。
計測光をレンズ５０で集光し、光ファイバ５１を通して取り込む。光ファイバ５１から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ５２により適当な角度に集光され、エタロン５３に入射する。エタロン５３から出た光は、集光レンズ５４により集光され、ＣＣＤセンサなどのセンサ５５上にフリンジ像（干渉縞）像を結像させる。
図１２（ｂ−１）に結像面に結像するフリンジ像を示す。同図に示すように、エタロン５３により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分（同図におけるセンサ面イメージの部分）がセンサ５５に取り込まれる。
図１２（ｂ−２) にセンサ５５に取り込まれるフリンジ波形を示す。
【０００４】
センサ５５に取り込まれたデータは、図１２（ｃ）に示すように積算処理部６０に送られ、ＳＮ比を上げるために複数パルスの積算が行われる。積算方式は、センサの露光時間を増やすことと、取得後のデータをＣＣＤセンサ５５の各チャンネルについて積算するの、２つの方法を併用する。
望ましい形態は露光時間による積算を行わず、毎パルスデータを取得し、各チャンネルのデータの移動平均を取った後にＥ９５計算を行う方式である。しかし、部品の寿命、計算速度等を鑑みて適当な時間、露光時間による積算を行っても良い。
積算処理部６０で積算処理された後、デコンボリューション処理部６１で計測毎にデコンボリューション処理が行われ、Ｅ９５計算部６２でＥ９５が計測される。
【０００５】
ここで、スペクトルＥ９５を正確に計測するには、分光器の装置関数を安定化させることが重要である。
密封容器壁面やエタロン自身からの水分、アウトガスの発生、吸収はエタロン分光器の装置関数を変化させる。その影響を取り除くために組立て後に高温窒素を密封容器に流してベーキングを行い、さらに密封容器内にモレキュラーシーブスを設置して発生した水分やアウトガスを即、吸収できるようにする。また、密封容器内およびレンズの温調を行うことにより装置関数の変動を安定化させる。
また、センサ自身が発生する電気的なノイズに加え、照明の不均一性に起因する光学的なノイズを減少させることも重要である。
従来のエタロン分光器ではエタロンに入射させる光を拡散させる手段としてフロスト拡散板や回折光学素子が使用されるのが普通だった。
これらの素子を用いる欠点として、拡散光が干渉しあうことによって生じるスペックルノイズにより不均一な照明となり、図４（ａ）に示すように、計測信号にノイズがのるという現象が生じた。また、計測器に直接光を入射させると空間的に一部の光しか取り出せないため、空間的に波長分布を持ったエキシマレーザのような光源の場合、ビーム全体のスペクトルが正確に計測されない。
【０００６】
スペックルの影響を低減させ、ビーム全体のスペクトルを計測する方法として図１２に示したように光ファイバ５１を光拡散手段として用いる。そして、ビーム全体の平均的なスペクトルを計測するためにビームの空間的な分布をスクランブルするように光ファイバを介して分光器に光を入射させる。
光ファイバ５１を通して光を出射させると光ファイバ径が小さいため、光源のサイズが小さくなり、スペックルの空間周波数が大きくなりスペクトル計測に大きな影響を及ぼさなくなる。
ここで、レンズにより結像させた場合、スペックルの平均粒度は以下の式で示される。
スペックルの平均粒度＝１．２２λ・Ｆｎｏ．（レンズ結像）
ここで、Ｆｎｏ．はレンズの口径と焦点距離の比、λは波長
ここで、Ｄは光源の大きさ、Ｌは、エタロンとセンサの距離である。
【０００７】
一方、レーザ光の干渉のために光ファイバの出射端ではファイバ内部での光の干渉に起因するスペックルが発生し、均一な照明を行うことが出来ない。
このような問題を解決するため、従来から以下の方法が提案されている。
例えば、特許文献１に記載されるものでは、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねたものへレーザ光を導入するようにしている。各光ファイバの長さの差がレーザ光の可干渉距離を越えているため各光ファイバ出射後の光同士は干渉性が低下し、スペックル発生も抑制される。
また、特許文献２に記載されるものでは、レーザ装置と露光装置との間に反射ミラーで構成した遅延光路を設け、レーザ光の一部は遅延光路を通過して露光装置へ向かいレーザ光の残りは遅延光路をＮ周（Ｎ＝１，２，３、・・・）して、以下の計算式の時間だけ遅延時して順番に露光装置へ向かうように構成している。
遅延時間＝（Ｎ×遅延光路１週分の長さ）／光速
この遅延光路１周分の長さをレーザ光の可干渉距離以上にすれば特許文献１と同様のスペックル軽減効果を得ることができる。さらに、特許文献３、４にも特許文献１と同様の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６０−２４７６４３号公報
【特許文献２】特開昭６３−７３２２１号公報
【特許文献３】特開平６−１６７６４０号公報
【特許文献４】特開平１１−２２３７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
狭帯域発振エキシマレーザやフッ素分子レーザの発振スペクトル特性、特に前記したＥ９５の計測を行う際にはスペックルの影響を更に軽減する必要がある。
スペックルの影響軽減の効果を得るためにはスペックルのコヒーレンス時間等のパラメータも考慮する必要があるが、従来はそこまで考慮したものは見当たらない。
また、前記したように、Ｅ９５とはある波長を中心にして発振スペクトルが含む光エネルギーの９５％が存在する波長幅であるから、これを計測するにはスペクトル分布の裾野の範囲まで光エネルギー分布を正確に知る必要がある。
ところが、スペクトル分布の裾野では光エネルギーレベルが低いのでＳ／Ｎ比も低く、その光エネルギー計測値に占めるノイズ誤差の割合が多いためＥ９５の正確な計測は困難である。これは、半値全幅のように、ピークパワー値の半分のパワーレベルにおける波長幅の計測との大きな違いである。ピークパワー値の半分のレベルがあればＳ／Ｎ比も十分に高いため計測誤差は少ない。
従って、特にＥ９５計測ではノイズを軽減することが重要であり、大きなノイズ源であるスペックルの影響を減らすことは必須と言える。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、受光部のスペックルを軽減し、スペクトルＥ９５の高精度な計測を行うことが可能な分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）計測光を分光手段に伝送する伝送手段と、伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する受光センサと、前記伝送手段と前記受光センサとの間に設けた２枚のシリンドリカルレンズを有する分光器において、前記２枚のシリンドリカルレンズを、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置する。
（２）上記（１）において、前記２枚のシリンドリカルレンズを、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、前記伝送手段側に設けられたシリンドリカルレンズを曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、前記分光手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記分光手段側に配置する。
（３）上記（１）において、前記２枚のシリンドリカルレンズは、一方は、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、他方は、前記分光手段と前記受光センサの間に設け、曲面を持つ面を前記分光手段側に配置する。
（４）上記（１）〜（３）において、前記伝送手段を振動させる振動手段を設ける。
（５）上記（１）〜（４）において、前記伝送手段は光ファイバとする。
上記のように、光を伝送する手段を振動させ積算することで、光が均一化され、不均一な照明によるノイズを除去することができ、スペックルの影響を低減化することができる。
また、上記光を伝送させる手段を、スペックルのコヒーレンス時間が充分に小さくなるように振動させることにより、スペックルのパルス間の相関が低下し、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
また、前記２枚のシリンドリカルレンズは、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置することにより、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、エタロンなどの光を分光する手段に入射する光を伝送する手段、もしくは、上記分光する手段に入射する光を拡散する手段を、振動させるようにしたので、スペックルの影響を除去し、高い精度でＥ９５計測を行うことができる。
また、本発明の分光器を用いてレーザ装置の出力光のＥ９５を計測し、フィードバック制御することにより、レーザ光のＥ９５を精度よく一定値に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の前提となる分光器の光学系の構成を示す図である。
【図２】センサにより計測されたデータの処理の概要を示す図である。
【図３】ファイバ揺動／移動機構の構成例を示す図である。
【図４】光ファイバを揺動／移動させることによるスペックルノイズの除去を説明する図である。
【図５】コリメータレンズを設けない場合の構成例を示す図である。
【図６】シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズを用いた場合の本発明の実施例の光学系の構成を示す図である。
【図７】コリメータレンズと集光レンズに曲率の異なるシリンドリカルレンズを用いた場合の本発明の他の構成例を示す図である。
【図８】並列に束ねた長さの相違する複数本の光ファイバを用いた分光器に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。
【図９】光ファイバの揺動／移動速度の計算例を説明するための図である。
【図１０】本発明の分光器を用いてレーザ装置のＥ９５をフィードバック制御する場合の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の分光器を用いて２ステージレーザ装置のＥ９５をフィードバック制御する場合の構成例を示す図である。
【図１２】従来の分光器の光学系の概要と、データの処理の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１（ａ）は本発明の前提となる分光器の光学系の構成の概要を示す図である。
狭帯域エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置から出力される計測光（レーザ光）をレンズ１１で集光し、光ファイバ１２を通して取り込む。光ファイバ１２の出射側には、後述するファイバ揺動／移動機構１３が設けられており、計測の間、常時、振動（以下では揺動ともいう）もしくは移動させる。
光ファイバ１２から出射される光は、必要に応じてコリメータレンズ１４により適当な角度に集光され、エタロン１５に入射する。エタロン１５はＦＳＲ３ｐｍ、フィネス２０以上のものを用いる。また、エタロン１５は周囲環境による影響を受けないように例えば窒素雰囲気を充填した空間に収納され、この空間は密封される。密封用のウインドウとして、前述のコリメータレンズ１４や後述の集光レンズ１６を使用しても良い。
【００１４】
エタロン１５から出た光は、例えば焦点距離６５０ｍｍの集光レンズ１６で集光され、例えばチャンネル数５１２のＣＣＤセンサ等のセンサ１７上にフリンジ（干渉縞）像が結像する。
なお、高繰り返し、高分解能での計測のため、従来使用したＮＭＯＳリニアセンサではなく、ＣＣＤセンサを用いるのが望ましい。
図１（ｂ−１）にセンサ１７上に結像するフリンジ像を示す。前記従来例と同様、エタロン１５により計測光の中心波長に対応した半径のフリンジが形成され、その中央部分（センサ面イメージの部分）がセンサ１７に取り込まれる。センサ１７には図１（ｂ−２) に示すようなフリンジ波形が取り込まれる。
【００１５】
図２に上記センサ１７に取り込まれたデータの処理の概要を示す。
センサ１７に取り込まれたセンサデータは、図２（ａ）に示すように積算処理部２１に送られ、ＳＮ比を上げるため前記したように積算処理が行われる。
積算処理部２１で積算処理された後、波長スケール変換部２２で、図１（ｂ−２）に示したフリンジ波形の横軸の波長をリニアスケールに変換し、分解能の最もよい中央部の波形を切り出す。
デコンボリューション処理部２３では、上記切り出したデコンボリューション対象波形と、予めわかっている装置関数のコンボリューション波形との偏差が小さくなるように、計測毎にデコンボリューション処理を行う。そして、デコンボリューション結果に基づき、前記したようにＥ９５計算部２４でＥ９５が計算される。
【００１６】
ここで、通常、繰り返し法を用いるデコンボリューション処理では繰り返し計算が充分収束したことを確認するために、計算結果と装置関数のコンボリューション波形とデコンボリューション対象波形との偏差を計算し、偏差または前回の計算結果の偏差との差が、充分小さくなったことを繰り返しの終了条件として用いる。
この方法では収束条件の判断のためにコンボリューション処理を行うことで計算時間が２倍かかるという問題がある。また、収束にかかる時間が計測によって、まちまちとなるため、計測にかかる時間を見積もることができないという問題がある。
これらの問題を解決するために、いろいろな波形について、最終的な計算結果に対して精度が充分保つために必要な繰り返し回数をあらかじめ求めておき、最大の繰り返し回数を固定値として繰り返しの終了条件とするのが望ましい。
【００１７】
この例では、計測され積算処理されたフリンジ波形の処理を、図２（ａ）に示すように、波長スケール変換、デコンボリューション処理、Ｅ９５計算の３つの部分に分け、それぞれ別のプロセッサを用いて、並列処理を行うことで短時間に計測値を更新している。 また、図２（ｂ）に示すように、デコンボリューション処理自体を複数のプロセッサを使って並列処理をしても良い。デコンボリューション処理中、最も多くの時間を消費するコンボリューション処理を複数のプロセッサを用いて並列処理をすることにより、短時間で処理を行うことができる。コンボリューション処理はチャンネルごとに独立な処理であるため、複数のプロセッサに処理するチャンネルを割り当て並列に処理させる。
【００１８】
図３に図１に示したファイバ揺動／移動機構１３の構成例を示す。
図３（ａ）に示すように、光ファイバ１２の出射端の近傍にアクチュエータ３１を設け、アクチュエータ３１により、光ファイバ１２の出射端を揺動（振動）させ、得られるフリンジを時間的に積算する。従来においては、前記図４（ａ）に示したように、不均一な照明により計測信号にノイズがのるという現象が生じたが、上記のように揺動させ積算することで、図４（ｂ）に示すように光が均一化され、不均一な照明によるノイズを除去することができる。このため、スペックルの影響を低減化することができる。
光ファイバ１２の揺動の対象は角度でも位置でもよいが、できるだけ均一な照明とするためにファイバ揺動の周期は信号積算時間と同じか、それより長いことが望ましい。
なお、揺動／移動機構１３により光ファイバ１２を非常に高速に動かし、レーザ発光時間内に均一に照明することができれば、前記したように複数パルスの信号を積算する必要はなくなる。このように、多パルスの積算を行うことで、高いＳＮ比で信号を計測できると同時に、入射系を振動させてスペックルの影響を除去することができる。
また、レーザの発振周波数に対してスペックルのコヒーレンス時間が充分に小さくなるように光ファイバ１２を揺動させることで、スペックルのパルス間の相関が低下し、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
【００１９】
図３（ａ）では光ファイバ１２そのものを揺動させたが、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ１２の出射光を、アクチュエータ３２により駆動されるミラー３３を介して、コリメータレンズ１４に入射させるようにしてもよい。
アクチュエータ３２は、図３（ｃ）に示すようにミラー３３を前後方向に移動させたり、図３（ｄ）に示すようにミラー３３の傾きを変動させたり、あるいは、図３（ｅ）に示すように傾けたミラー３３を回転させる。これにより、光ファイバ１２の出射端を揺動させたのと同様の効果を得ることができる。
さらに、図３（ｆ）に示すように、光ファイバ１２から出射される光を拡散させる円形拡散板３４を設け、円形拡散板３４を回転させるように構成しても、図３（ａ）（ｂ）と同様の効果を得ることができる。なお、以下では、図３（ｂ）（ｆ）に示したものも含めて、ファイバ揺動／移動機構という。
【００２０】
ところで、光ファイバ１２から射出される光は、光ファイバのＮＡで規定される角度だけ広がりをもって射出される。そのままではセンサ１７まで到達しない光が多く非効率であるため、図１に示したように光ファイバと１２エタロン１５の間にコリメータレンズ１４を設置したが、このコリメータレンズは必須ではなく、図５に示すように、コリメータレンズを省略することもできる。
また、コリメータレンズ１４として、単レンズを用いると、図１に示したようにセンサ面に光が円形に照射される。ラインセンサ受光素子として用いる場合、センサ受光面が長方形形状のため、センサで受光しない無駄な光が多くなる。そこで、コリメータレンズとして曲率の異なるシリンドリカルレンズを２枚組み合わせることによって、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【００２１】
図６に上記のように上記シリンドリカルレンズから構成されるコリメータレンズを用いた本発明の実施例の分光器の光学系の概略構成を示す。
同図（ａ）は光学系を上から見た図、（ｂ）はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、（ｃ）は結像面に結像するフリンジ像を示す。
同図において、１４はコリメータレンズであり、コリメータレンズ１４は、レンズ面の曲率が異なる２枚のシリンドリカルレンズ１４ａ，１４ｂから構成される。シリンドリカルレンズは、一方向に対しては曲率を持ち、この方向に直交する方向に対しては曲率を持たないレンズであり、本実施例では、図６に示すように曲率を持たない面を対向させた２枚のシリンドリカルレンズ１４ａ，１４ｂをコリメータレンズ１４として用いている。その他の構成は、前記図１に示したものと同様である。
コリメータレンズとして、上記構成のレンズを用いることにより、結像面に結像するフリンジ像を図６（ｃ）に示すように、センサ形状に合わせた形状とすることができ、センサ受光面に、より効率的に光を照射することができる。
【００２２】
また、通常は前記図１２に示したように、エタロン１５とセンサ１７の間に球面の集光レンズ１６を設け、この組み合わせでフリンジを検出している。
このとき得られるフリンジ像は前記図１（ｂ−１）に示したように同心円状であり、同心円状の光を直線状のセンサを用いて切り取るような形となる。
そこで、エタロン１５への入射光学系にシリンドリカルレンズや回折光学素子等を用いて２次元の１方向にだけ角度の分散をつけ、集光レンズ１６にも１方向だけ集光するレンズを用いることで、より効率的にセンサ受光面に光を照射することができる。
図７に上記のように、コリメータレンズ１４と集光レンズ１６に曲率の異なるシリンドリカルレンズを用いた場合の本発明の実施例を示す。同図（ａ）は光学系を上から見た図、（ｂ）はこの光学系のコリメータレンズの部分を側方から見た図、（ｃ）は結像面に結像するフリンジ像を示す。その他の構成は前記図１と同様である。
同図に示すように、コリメータレンズ１４と集光レンズ１６にシリンドリカルレンズを用い、それぞれのシリンドリカルレンズの曲率を持つ方向を直交させることにより、図６（ｃ）に示すように、縞状のフリンジパターンを得ることができる。このフリンジ信号をセンサ１７で受光し、各ラインをビニングし積算することで、ＳＮ比の高いフリンジ信号を得ることができる。
【００２３】
図８は、前記特許文献１等に記載される、並列に束ねた長さの相違する複数本の光ファイバを用いた分光器に本発明を適用した場合の構成例を示す図である。
同図に示すように、計測光をレンズ１１を介して、長さの相違する複数本の光ファイバを並列に束ねた光ファイバ群１２’に入射させ、光ファイバ群１２’の出射端を前記したファイバ揺動／移動機構１３により揺動させる。なお、光ファイバの揺動／移動機構としては、前記図３に示し各種機構を用いることができる。
上記構成とすることで、前記したようにファイバ内部での光の干渉に起因するスペックルを除去することができるとともに、光ファイバの揺動により、より効果的にスペックルの影響を除去することが出来る。
【００２４】
次に、図９（ａ）（ｂ）の光学系により光ファイバの出射側に設けたファイバ揺動／移動機構による揺動／移動速度の計算例について説明する。
図９（ａ）の光学系は、前記図３に示した揺動／移動機構を備えた光ファイバ１２の端面から出た光を、エタロン１５に入射させ、出てきた光を集光レンズ１６でセンサ面に集光させる場合の光学系を示し、図９（ｂ）は、揺動／移動機構を備えた光ファイバ１２の端面から出た光を、コリメータレンズ１４を介してエタロン１５に入射させ、エタロンから出た光をレンズでセンサ面に集光させる場合の光学系を示している。
【００２５】
（１）図９（ａ）に示す光学系における揺動／移動速度。
図９（ａ）に示すように、光ファイバ端面と集光レンズ１６の距離をＬ１、集光レンズ１６とセンサ１７の距離をＬ２とし、エタロン１５の有効径をｑとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
１／τｃ＝｜ｖ｜√（Ｂ2 ／Ｒｓ2 ＋１／ｑ2 ）
ここでＢ＝（Ｌ２／Ｆ）−１、Ｒｓ＝２Ｆ／（ｋ０・ｑ）であり、Ｆは集光レンズ１６の焦点距離、ｑはエタロンの有効径、ｋ０は波数（２π／λ）である。
焦点位置に受光面があるためＬ２＝Ｆなので、Ｂ＝０となる。したがって１／τｃ＝｜ｖ｜／ｑとなる。
【００２６】
実際の設計値を代入し、Ｆ＝６５０ｍｍ、λ＝１９３ｎｍ、ｑ＝１０ｍｍとし、レーザ装置が４ｋＨｚ発振であるとすると、前記図３に示したファイバ揺動／移動機構１３による移動速度は以下の式のｖとなる。
｜ｖ｜＝（１／τｃ）・ｑ＝４００００［ｍｍ／ｓ］
この速度を実現させるためには、前記図３に示した円形拡散板３４を１９１００ｒｐｍ以上の速度で回転させ、回転軸より２０ｍｍの位置に入射した光をエタロン１５に入射させる。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
なお、可能であれば、光ファイバ１２の端部、ミラー３３を線速度４００００ｍｍ／ｓ以上で揺動させるようにしてもよい。
【００２７】
（２）図９（ｂ）に示す光学系における揺動／移動速度。
図９（ｂ）に示すように、光ファイバ端面とコリメータレンズ１４の距離をＬ１、コリメータレンズ１４とエタロン１５の距離をＬ２、エタロン１５と集光レンズ１６の距離をＬ３、集光レンズ１６とセンサ１７の距離をＬ４とし、エタロンの有効径をｑとすると、同図に示す光学系のコヒーレンス時間は次式で与えられる。
１／τｃ＝｜ｖ｜√（Ｂ2 ／Ｒｓ2 ＋ν2 ／ｑ2 ）
ここで、Ｒｓ＝２・Ｆ２／（ｋ０・ｑ）、Ｂ＝Ａ２・Ｌ３・Ｌ４［１／（Ａ１・Ｌ１・Ｌ２）−（１−Ｌ２／Ｆ１）（１／Ｌ２−１／（Ａ１・Ｌ２2 ）＋１／Ｌ３−１／（Ａ２・Ｌ３2 ））］、Ａ１＝１／Ｌ１＋１／Ｌ２−１／Ｆ１、Ａ２＝１／Ｌ３＋１／Ｌ４−１／Ｆ２、ν＝Ｌ２／Ｆ１−１である。また、Ｆ１はコリメータレンズ１４の焦点距離、Ｆ２は集光レンズ１６の焦点距離であり、センサ１７へは集光レンズ１６で集光して入射させるため、Ｆ２＝Ｌ４となる。
【００２８】
上記式に、実際の設計値であるＬ１＝５０、Ｌ２＝５０、Ｌ３＝５０、Ｌ４＝６５０、Ｆ１＝１００、Ｆ２＝６５０、ν＝０．５、Ａ１＝０．０３、Ａ２＝０．０２、Ｂ＝６．５の設計値を代入すると、Ｒｓは以下の値となり、前記図３に示したファイバ揺動／移動機構１３による移動速度は以下の式のｖとなる。
Ｒｓ＝（２×６５０×１９３×１０-6／２π）／１０＝０．００４
１／τｃ＝｜ｖ｜√（６．５2 ／０．００４2 ＋０．５2 ／１０2 ）＝１６２５｜ｖ｜ ｜ｖ｜＝４０００／１６２５＝２．４６ｍｍ／ｓ
この速度を実現させるためには、前記図３に示した光ファイバ１２の端部、ミラー３３を線速度２．５ｍｍ／ｓ以上で振動させるか、あるいは円形拡散板３４を回転させ、光ファイバ１２に対向する周速度を２．５ｍｍ／ｓ以上になるようにする。これにより、コヒーレンス時間より短い周期でスペックルを変化させることができる。
【００２９】
上記実施例で示した分光器をレーザ装置の出力側に設けてＥ９５を計測し、この計測結果をターゲットとなる設定値と比較して、レーザ装置にフィードバックすることにより、レーザ装置出力のＥ９５の一定値制御を行うことができる。
図１０は、上記フィードバック制御の構成例を示す図であり、図１０（ａ）は上記実施例で示した分光器の出力により狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）の波面調整を行うことにより、Ｅ９５を制御する場合の構成例を示し、図１０（ｂ）は、上記実施例で示した分光器の出力によりレーザチェンバに供給するガス分圧を調整することにより、Ｅ９５を制御する場合の構成例を示している。
【００３０】
図１０（ａ）（ｂ）において、１０１はレーザチェンバであり、レーザチェンバ１０１には一対の電極Ｅ（同図では一方の電極のみが示されている）が設けられ、また、レーザチェンバ１０１内に充填されたレーザガスを循環させるためのファン１０２が設けられている。
レーザ共振器は、狭帯域化モジュール１０３に搭載されたグレーティング（回折格子) と出力ミラー１０４とにより構成され、レーザ光は上記グレーティングと出力ミラー１０４の間を往復し、出力ミラー１０４からレーザ光として出射される。
出力ミラー１０４から出射されるレーザ光の一部はビームスプリッタ１０５により波長モニタ（分光器）１０６へ導入され、Ｅ９５が計測される。
コントローラ１０７は、上記計測結果に基づき、狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）の波面調整を行ったり（図１０（ａ））、レーザチェンバ１０１に供給するガス分圧を調整する（図１０（ｂ））ことにより、Ｅ９５を制御する。
【００３１】
図１１は、２台のレーザを用いた２ステージレーザ装置に適用した場合の構成例を示す図である。
２ステージレーザ装置は、発振段レーザ１００と増幅段レーザ２００から構成され、１台目の発振段レーザ１００は低パルスエネルギーながら狭帯域化スペクトルをもち、２台目の増幅段レーザ２００は、発振段レーザ１００の狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。
図１１において、増幅段レーザ２００が出力するレーザ光はの一部はビームスプリッタ１０５により波長モニタ（分光器）１０６へ導入され、Ｅ９５が計測される。
波長モニタ１０６による計測結果は、同期コントローラ１０８に送られ、同期コントローラ１０８は、発振段レーザ１００と増幅段レーザ２００の同期タイミングを調整することにより、Ｅ９５を制御する。
【符号の説明】
【００３２】
１１ レンズ
１２ 光ファイバ
１３ ファイバ揺動／移動機構
１４ コリメータレンズ
１５ エタロン
１６ 集光レンズ
１７ センサ
２１ 積算処理部
２２ 波長スケール変換部
２３ デコンボリューション処理部
２４ Ｅ９５計測部
３１ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
３３ ミラー
３４ 円形拡散板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測光を分光手段に伝送する伝送手段と、伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する受光センサと、前記伝送手段と前記受光センサとの間に設けた２枚のシリンドリカルレンズを有する分光器であって、
前記２枚のシリンドリカルレンズは、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置された
ことを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記２枚のシリンドリカルレンズは、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、
前記伝送手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、
前記分光手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記分光手段側に配置したことを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記２枚のシリンドリカルレンズは、
一方は、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、
他方は、前記分光手段と前記受光センサの間に設け、曲面を持つ面を前記分光手段側に配置した
ことを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項４】
前記伝送手段を振動させる振動手段を有する、請求項１から請求項３の何れか１項記載の分光器。
【請求項５】
前記伝送手段は光ファイバである
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項記載の分光器。
【請求項１】
計測光を分光手段に伝送する伝送手段と、伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する受光センサと、前記伝送手段と前記受光センサとの間に設けた２枚のシリンドリカルレンズを有する分光器であって、
前記２枚のシリンドリカルレンズは、それぞれ曲率を持つ面の曲率が異なり、互いに曲率を持つ方向を直交させて配置された
ことを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記２枚のシリンドリカルレンズは、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、
前記伝送手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、
前記分光手段側に設けられたシリンドリカルレンズは曲面を持つ面を前記分光手段側に配置したことを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項３】
前記２枚のシリンドリカルレンズは、
一方は、前記伝送手段と前記分光手段との間に設け、曲面を持つ面を前記伝送手段側に配置し、
他方は、前記分光手段と前記受光センサの間に設け、曲面を持つ面を前記分光手段側に配置した
ことを特徴とする請求項１記載の分光器。
【請求項４】
前記伝送手段を振動させる振動手段を有する、請求項１から請求項３の何れか１項記載の分光器。
【請求項５】
前記伝送手段は光ファイバである
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項記載の分光器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３７１５（Ｐ２０１２−１３７１５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７８５９（Ｐ２０１１−２２７８５９）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【分割の表示】特願２００４−３７６３１７（Ｐ２００４−３７６３１７）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【分割の表示】特願２００４−３７６３１７（Ｐ２００４−３７６３１７）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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