JPH07120326A

JPH07120326A - 波長検出装置

Info

Publication number: JPH07120326A
Application number: JP5265053A
Authority: JP
Inventors: Osamu Wakabayashi; 理若林; Yukio Kobayashi; 諭樹夫小林
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1995-05-12
Also published as: US5748316A; KR100330671B1; WO1995011432A1; KR960705196A

Abstract

(57)【要約】【目的】安定な基準光が得られると共に、基準光及び被
検出光の絶対波長を高精度に測定することができるエキ
シマレーザの波長検出装置を提供することを目的とす
る。【構成】この発明では、基準光源として低圧水銀ランプ
を用い、この低圧水銀ランプに特定の同位体水銀を純度
４９％以上封入した２５３．７ｎｍ線を使用するように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体露光装置用の
光源として使用される狭帯域エキシマレーザ等の波長検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、狭帯域エキシマレーザの波長
線幅及び波長を検出するために、モニタエタロンが用い
られている。モニタエタロンは部分反射ミラーを所定の
間隔を開けて対向配置したエアギャップエタロンを用い
て構成されるもので、このエアギャップエタロンの透過
波長λは次のように表される。

【０００３】ｍλ＝２ｎｄ・cosθ …（１）ｍ：整数ｄ：エタロンの部分反射ミラー間の間隔ｎ：部分反射ミラー間の屈折率 θ：エタロンの法線と入射光の成す角この式により、ｎ，ｄ，ｍが一定とすれば、波長λが変
化すると、θが変化することが判る。モニタエタロンで
は、この性質を利用して被検出光の波長を検出してい
る。

【０００４】ところで、上述したモニタエタロンにおい
て、エアギャップ内の圧力及び周囲温度が変化してしま
うと、波長が一定でも上述した角θは変化してしまう。
このため、角θに基づいて波長λを正確に検出できない
場合がある。そこで、従来モニタエタロンを用いる場
合、エアギャップ内の圧力及び周囲温度等を一定に制御
して波長検出を行うようにしていた。

【０００５】しかし、エアギャップ内の圧力及び周囲温
度を高精度に制御する事は困難であり、このため満足す
る精度で絶対波長を検出する事はできなかった。

【０００６】そこで、被検出光（出力レーザ光）と共
に、予め波長の判明している基準光（例えば水銀ランプ
の発光線）をモニタエタロンに入射し、この基準光に対
する被検出光の相対波長を検出することにより被検出光
の絶対波長を精度良く検出するようにした装置が提案さ
れている（例えば、特開平１−１０１６８３号公報、特
開平４−３５６９８７号公報）。

【０００７】かかる装置においては、モニタエタロンの
透過光を直接ＣＣＤイメージセンサ等の光検出器上に入
射して、該光検出器の検出面上に干渉縞を形成し、干渉
縞の位置に基づき上記絶対波長を検出するようにしてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの従
来技術においても、基準光源のスペクトル波形が歪んで
いたり、点灯の時間や基準光源の温度の変化によりスペ
クトル波形が変化した場合は（水銀ランプの２５３．７
ｎｍ線は自己吸収がおこり、スペクトル波形が著しく変
化する）、モニタエタロンにより発生した干渉縞の光強
度分布も歪んでしまう。したがって、このような場合は
基準光の波長が変化して高精度に被検出光の絶対波長を
特定できなかった。

【０００９】このため、波長及びスペクトル波形が安定
な基準光を得るための手法や基準光の絶対波長を高精度
に測定するための手法が求められていた。

【００１０】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、安定な基準光が得られると共に、基準光及び
被検出光の絶対波長を高精度に測定することができる波
長検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】第１発明では、
基準光源として低圧水銀ランプを用い、この低圧水銀ラ
ンプに特定の同位体水銀を純度４９％以上封入した２５
３．７ｎｍ線を使用するようにし、これによりスペクト
ル波形が綺麗でしかも線幅の狭い基準光が得られるよう
にする。

【００１２】第２発明では、基準光源として低圧水銀ラ
ンプを用い、この低圧水銀ランプの表面温度を所定の温
度（例えば４０゜Ｃ）以下に制御することにより、綺麗
なスペクトル波形を得るようにする。

【００１３】第３発明では、基準光源として低圧水銀ラ
ンプを用い、この低圧水銀ランプを熱陰極型にするよう
にしている。、第４発明では、基準光源から発生される
基準光と被検出光とを波長検出器に入射しこの波長検出
器の検出出力に基づき発振光の絶対波長を検出する波長
検出装置において、前記基準光源の表面温度を検出する
温度検出手段と、基準光の絶対波長と前記基準光源の表
面温度との関係が予め設定される記憶手段と、前記温度
検出手段で検出した温度に対応する基準光の絶対波長を
前記記憶手段から読み出し、該読み出した基準光の絶対
波長と前記波長検出器の出力に基づいて被検出光の絶対
波長を求める被検出光波長演算手段とを具えるようにす
る。

【００１４】係る発明によれば、予め基準光の絶対波長
と前記基準光源の表面温度との関係を求めてこれを記憶
しておき、この記憶データから現在の基準光源表面温度
に対応する基準光の絶対波長を得る。そして、この基準
光の絶対波長と前記波長検出器の出力から被検出光の絶
対波長を求める。

【００１５】第５発明では、基準光源として低圧水銀ラ
ンプを用い、この基準光源から発生される基準光と被検
出光とを波長検出器に入射しこの波長検出器の検出出力
に基づき発振光の絶対波長を検出する波長検出装置にお
いて、前記低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体の
スペクトル波形をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記記
憶された各水銀同位体のスペクトル波形を各水銀同位体
の混合比に従って合成することにより前記低圧水銀ラン
プから出射される基準光のスペクトル波形を求める波形
合成手段と、この基準光のスペクトル波形から前記基準
光の絶対波長を求め、該求めた基準光の絶対波長に基づ
き被検出光の絶対波長を演算する波長演算手段と具える
ようにしている。

【００１６】係る発明によれば、低圧水銀ランプに封入
される各水銀同位体のスペクトル波形およびその混合比
に従って低圧水銀ランプから出射される基準光のスペク
トル波形を求め、この合成スペクトル波形から基準光の
絶対波長を求める。

【００１７】第６発明では、基準光源として低圧水銀ラ
ンプを用い、この基準光源から発生される基準光と被検
出光とを波長検出器に入射しこの波長検出器の検出出力
に基づき被検出光の絶対波長を検出する波長検出装置に
おいて、前記低圧水銀ランプとして無電極放電型または
冷陰極型を用いると共に、前記低圧水銀ランプに対し、
初めは高エネルギーで電源を作動させて前記低圧水銀ラ
ンプを点灯し、この点灯を確認すると前記電源の投入エ
ネルギーを降下させる電源制御手段を具えるようにし
て、スペクトル線幅の狭い基準光を得る。

【００１８】第７発明では、基準光源として低圧水銀ラ
ンプを用い、この基準光源から発生される基準光と被検
出光とを波長選択素子を介して複数個の光検出素子が配
列された光検出素子アレイに入射し、この光検出素子ア
レイの各光検出素子の検出出力に基づき被検出光の絶対
波長を検出する波長検出装置において、前記光検出素子
アレイの各光検出素子の検出出力に所定の近似処理を加
えることにより前記基準光及び被検出光のスペクトル波
形の近似波形を演算するスペクトル波形近似演算手段
と、この近似スペクトル波形から前記基準光及び被検出
光の干渉縞の半径を演算し、該求めた各干渉縞の半径か
ら被検出光の絶対波長を演算する波長演算手段と具える
ようにしている。

【００１９】

【実施例】以下、この発明を添付図面に示す実施例に従
って詳細に説明する。

【００２０】図１は、エキシマレーザの波長制御装置の
一例を示したものである。

【００２１】狭帯域発振エキシマレーザ１の狭帯域化さ
れたレーザ光Ｌa はその一部がビームスプリッタ２によ
って反射されてサンプリング光としてシャッタ３に入射
され、シャッタ３が開状態の時、スリガラス４を介して
波長検出器５のビームスプリッタ６に入射される。

【００２２】一方、基準光Ｌbを発生するための低圧水
銀ランプ７は集光レンズ８の焦点位置と略一致する位置
に配置され、これにより基準光による干渉縞の光量を大
きくしている。低圧水銀ランプ７で発生した基準光Ｌb
は、シャッタ９が開状態の時にバンドパスフィルタ１０
に入力され、このフィルタ１０により波長２５３．７ｎ
ｍ線のみが選択される。該選択された基準光はコリメー
タレンズ８を透過してビームスプリッタ６に入射され
る。

【００２３】波長検出器５は、ビームスプリッタ６、モ
ニタエタロン１１、集光レンズ１２、及び光位置検出器
１３で構成されている。

【００２４】モニタエタロン１１は、内側の面が部分反
射ミラーの２枚の透明板１１ａ、１１ｂから構成され、
エタロンに対する入射光の角度に対応して透過波長を異
ならせるよう作用する。

【００２５】エタロン１１を透過した光は集光レンズ１
２に入射される。この集光レンズ１２は、例えば被検出
光と基準光の両方の波長に対して色収差補正が施された
色消しレンズであり、これら両方の干渉縞はこの色消し
レンズの焦点の位置に一致して発生する。なお、この集
光レンズ１２として凹面ミラーを用いるようにしてもよ
い。

【００２６】光位置検出器１３は、集光レンズ１２の焦
点面上に配設された例えば１次元または２次元のイメー
ジセンサであり、集光レンズ１２を経た光は光位置検出
器１３に結像され、この光位置検出器１３の検出面上に
被検出光Ｌaの波長に対応した第１の干渉縞１３ａおよ
び基準光Ｌbの波長に対応した第２の干渉縞１３ｂを形
成する。光位置検出器１３からは上記第１及び第２の干
渉縞の位置に対応する信号が波長検出コントローラ２０
に対して出力される。

【００２７】波長検出コントローラ２０では、これら干
渉縞の位置と光強度の信号から基準光Ｌbに対する被検
出光Ｌaの相対波長を演算する。そして、この相対波長
と基準光の絶対波長に基づいて被検出光の絶対波長を演
算する。さらに、波長検出コントローラ２０では、設定
された波長と前記検出した絶対波長との偏差を計算し、
この偏差分だけ波長選択素子の選択波長を変化させるべ
く狭帯域化素子ドライバ２５を制御する。

【００２８】また、この場合、前記低圧水銀ランプ７に
温度センサ１４および冷却ファン１５を取付け、温度コ
ントローラ３０の制御によって低圧水銀ランプ７の温度
が所定の温度を維持するように制御するようにしてい
る。

【００２９】かかる構成において、まず基準光源として
用いられている低圧水銀ランプ７の同位体純度について
考察する。この低圧水銀ランプ７においては、基準光と
して２５３．７ｎｍ線を用いるようにしている。

【００３０】図２に、水銀の同位体に対応する２５３．
７ｎｍ線の絶対波長とその相対的な光強度を示してい
る。天然水銀Ｈｇnatの各同位体の存在比は、１０％（2
01Ｈｇ）、１３％（201Ｈｇ）、３０％（202Ｈｇ）、７
％（204Ｈｇ）である。したがって、天然水銀Ｈｇnatの
２５３．７ｎｍ線は５本の発光線が重なり合うことにな
る。なお、201Ｈｇとは、質量数が２０１の水銀を示し
ている。

【００３１】図３に、低圧水銀ランプ７に202Ｈｇのみ
を封入した場合(a)と、天然水銀Ｈｇnatを封入した場合
(b)の干渉縞を示す。なお、この場合フリースペクトル
レンジ（ＦＳＲ）＝２０ｐｍのモニタエタロン１１を用
いるようにしている。

【００３２】これら干渉縞を比較すると、図３(b)の天
然水銀Ｈｇnatの場合は干渉縞の幅が広く６ｐｍ程度で
あるので、基準光の絶対波長の特定は困難である。一
方、202Ｈｇの同位体の場合は、干渉縞の形状は非常に
綺麗であり、測定された線幅は非常に狭く１．５ｐｍ程
度となり、基準光の絶対波長は図２から２５３．６５２
７７ｎｍ（２５３．５６０６３＋０．００２１４）に特
定できる。

【００３３】図４に、低圧水銀ランプ７に202Ｈｇのみ
を封入した場合(a)と、天然水銀Ｈｇnatを封入した場合
(b)の干渉縞を示す。なお、この場合フリースペクトル
レンジ（ＦＳＲ）＝５ｐｍのモニタエタロン１１を用い
るようにしている。

【００３４】これらの干渉縞を比較すると、図４(b)の
天然水銀の場合は干渉縞のコントラストが非常に小さい
ので、基準光の絶対波長の特定は困難である。これに対
し、図４(a)に示す202Ｈｇの同位体のみの場合は干渉縞
の形状は非常に綺麗であり、測定された線幅は非常に狭
く１．０ｐｍ程度となり、基準光202Ｈｇの絶対波長は
図１から２５３．６５２７７ｎｍに特定することができ
る。

【００３５】ここで、エタロンの分解能Ｒは、次式によ
って表される。

【００３６】Ｒ＝ＦＳＲ／Ｆ …（２）Ｆ：エタロンのフィネスＦＳＲ：フリースペクトルレンジＦはエタロンの面精度、反射率、平行度で決定されるも
のであり、通常波長２４８ｎｍ付近では、最高で３０程
度である。

【００３７】したがって、モニタエタロンの分解能を向
上させるためには、ＦＳＲを小さくする必要があるが、
このときには、図４に示すように、低圧水銀ランプ７に
対しー種類の同位体を封入した方がよい。

【００３８】図５(a)〜(d)に、低圧水銀ランプ７の同位
体水銀202Ｈｇの純度９９％、７０％、６１％、３０％
に対する各干渉縞をそれぞれ示す。純度Ｐが高くなるに
つれて干渉縞のコントラストが向上している。Ｐ＝６１
％では、かなりコントラストが低下しているが、202Ｈ
ｇによる鋭いピークが検出できるため、基準光の絶対波
長を特定することができる。

【００３９】図６に、同位体の純度Ｐと検出される基準
光（２５３．７ｎｍ線）の絶対波長λHg´と理想的な絶
対波長λHgの差の関係を示す。この図６によれば、Ｐ＝
４９％以上では、前記差は殆ど０となっている。またＰ
≧４９％では先の図５に示したように同位体による鋭い
ピークを検出することができる。よって、低圧水銀ラン
プ７において、特定の同位体の純度Ｐを４９％以上にす
れば、基準光の検出波長が理論値からずれることなく理
論的な値をそのまま使用することができるようになる。

【００４０】このように、特定（ー種類）の水銀の同位
体を特定の純度以上でランプに封入する事により、スペ
クトル波形が綺麗で、しかも線幅の狭い基準光が得られ
るため、ＦＳＲが小さな高分解能のモニタエタロンに対
しても基準光として使用することができる。このため、
非常に高精度に被検出光の絶対波長を検出することがで
きようになる。

【００４１】次に、低圧水銀ランプの温度について考察
する。

【００４２】図７に、202Ｈｇの場合で、低圧水銀ラン
プ７のガラス表面の温度Ｔが２５゜Ｃと６０゜Ｃ（点灯
して時間が経過）の場合の干渉縞を示す。温度Ｔ＝２５
゜Ｃのときは非常に綺麗な波形をしているが、Ｔ＝６０
゜Ｃの場合は自己吸収が起こり、干渉縞の中央部が凹ん
だ状態になる。このような干渉縞の波形は温度Ｔに再現
性良く依存し、各温度Ｔに応じた形状となる。別言すれ
ば、温度が一定であれ干渉縞の形状は一定となる。

【００４３】図８に、低圧水銀ランプ７の表面温度Ｔと
検出される基準光（２５３．７ｎｍ線）の絶対波長λHg
´と理想的な絶対波長λHgの差ΔλHgの関係を示す。こ
の図によれば、自己吸収が発生しない状態、すなわち低
圧水銀ランプの温度が４０゜Ｃ以下のときには、前記差
ΔλHgは殆ど０となっている。低圧水銀ランプ７におい
て、表面温度が４０゜Ｃ以下になるように制御すれば、
基準光の検出波長が理論値からずれることなく、理論的
な値をそのまま使用することができるようになり、これ
により基準光波長の各種補正演算を省略することができ
る。

【００４４】次に、低圧水銀ランプの型式について考察
する。

【００４５】図９に低圧水銀ランプ７の構造を示す。

【００４６】図９(a)は熱陰極タイプの場合であり、基
準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコ
ールガラス、石英ガラスなど）管３１内には、アルゴン
のようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い同位体水
銀が封入されている。また、このガラス管３１内には、
熱電子を放射させるために電子放射性酸化物（Ｂａ０又
はＳｒＯ等）をコーティングしたフィラメント３２が内
設され、このフィラメント３２に電流が流れると、フィ
ラメント３２が加熱されて熱電子が放出され、同位体水
銀が励起されて発光する。安定器３３はフィラメント３
２に流れる電流を一定にする為のものである。

【００４７】この熱陰極タイプの同位体ランプには、以
下のような利点を有している。

【００４８】1.小さな電圧（30V程度）で発光し、特別
な電源は入らない 2.電流を流せば点灯は瞬時に行われ、また発光及びスペ
クトル波形は瞬時に安定する 3.発光温度が低いためスペクトル波形が綺麗で、線幅
（１pm以下）が狭い 4.安価である、5.点灯／消灯による劣化はない。

【００４９】図９(b)は無電極放電管の場合であり、基
準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコ
ールガラス、石英ガラスなど）管３４内には、前記同様
アルゴンのようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い
同位体水銀が封入されている。このランプの励起は高周
波コイル３５および高周波電源３６によって行われる。
このランプの場合は、点灯するために最初大きなエネル
ギーを投入して、点灯させた後、投入エネルギーを絞る
事によってスペクトル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基
準光を得るようにしている。なお、この無電極同位体ラ
ンプでは、点灯して放電状態を安定させるまでに時間が
かかる、励起するために大きな電源電圧を必要とする欠
点がある。なお、この例では高周波により放電を行って
いるが、マイクロ波励起により行ってもよい。マイクロ
波励起強度の制御は上記と同様にして行なう。

【００５０】図９(c)は冷陰極タイプの場合であり、基
準光である２５３．７ｎｍ線を透過するガラス（バイコ
ールガラス、石英ガラスなど）管３７内には、前記同様
アルゴンのようなキャリアガスと、ー種類の純度の高い
同位体水銀が封入されている。このガラス管３７内に
は、２つの電極が封入されており、交流電源３９、昇圧
トランス３８により高電圧化（数ＫＶ）して両電極間に
高電圧をかけて放電させる。この場合も無電極放電間の
場合と同様に、点灯して安定化するためにある程度の時
間を要する。また、この冷陰極タイプの場合も点灯した
後入力エネルギーを絞ることにより、ある程度スペクト
ル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基準光を得ることがで
きる。

【００５１】図１０は、上記図９(b)(c)に示した無電極
放電または冷陰極タイプの低圧水銀ランプ７に好適な点
灯制御の一例を示すもので、まず、低圧水銀ランプ７の
電源をオンにし（ステップ１０１）、次に所定の投入エ
ネルギーＡで電源（図９(b)の場合は電源３６、図９(c)
の場合は電源３９）を作動させる（ステップ１０２）。
次のステップ１０３ではランプ７が発光したか否かを確
認し、確認後、電源の投入エネルギーをＢ（＜Ａ）まで
降下させる（ステップ１０４）。最後に、基準光が安定
したか否かを確認して（ステップ１０５）、次の手順に
移行する。なお、ステップ１０５では、所定時間が経過
するのを待つようにしてもよい。なお、この制御を熱陰
極タイプのものに適用してもよい。

【００５２】すなわち、この図１０に示す基準光点灯制
御によれば、点灯するために最初大きなエネルギーを投
入して、点灯させた後、投入エネルギーを絞る事によっ
てスペクトル線幅の狭い２５３．７ｎｍ線の基準光を得
るようにしている。

【００５３】ところで、基準ランプとして低圧水銀の同
位体ランプで熱陰極タイプのものを使用した場合、前述
したように、電流を流せば点灯は瞬時に行われ、瞬時に
発光は安定する。また、先の図８に示したように、ラン
プの温度は４０゜Ｃ以下であれば、基準光の絶対波長は
一定である。したがって、水銀ランプを冷却するか、ま
たは点灯した直後に基準光を検出することにより、基準
光ランプの温度を検出しなくても高精度に基準光の絶対
波長を得ることができる。

【００５４】したがって、図１に示す構成において、温
度センサ１４、冷却ファン１５、温度コントローラ３０
を省略し、一定周期で基準光を点灯し、直ちに（０．１
〜２秒程度）基準光の干渉縞を検出して基準光を消灯す
るようにしてもよい。なお、この際にはランプの温度は
検出する必要はない。

【００５５】また、冷却ファン１５のみを取付け、温度
センサ１４、温度コントローラ３０を省略し、一定周期
でファンのオン、基準光の点灯、基準光の干渉縞の検出
処理を実行させるようにしてもよい。また、この制御に
おいて、ファン１５のみは常時オンしても良い。

【００５６】さらに、冷却ファン１５および基準光７を
常にオンし、定期的に基準光の干渉縞の検出を行うよう
にしても良い。

【００５７】次に、基準光の絶対波長及び被検出光の絶
対波長を求める手法について考察する。

【００５８】図１１は、ファブリペロ干渉計（モニタエ
タロン１１）の原理を示したもので、同図（ａ）に示す
ように、光Ｌがミラー間隔ｄのエタロン１１に入射角度
θをもって入射し、エタロン１１、集光レンズ１２を透
過すると、集光レンズ１２から焦点距離ｆだけ離れた光
検出器１３の検出面上に光Ｌの干渉縞１３ｃが形成され
る。

【００５９】ここで、エタロンの基本式は前述したよう
に、ｍλ＝２ｎｄ・cosθ …（１）ｍ：整数ｄ：エタロンと部分反射ミラーの間隔ｎ：部分反射ミラーの屈折率 θ：エタロンの法線と入射光の成す角であり、上式で角度θ＝０のときのｍをｍ0、波長をλ0
とすると、２ｎｄ＝ｍ0・λ0 …（３）となる。上記（３）式から（１）式を減算し、これに半
角公式（cosθ=1-2sin^2)）を適用すると、２sin^2（θ／２）＝（λ／２ｎｄ）（ｍ0−ｍ） …（４）が得られる。なお、^2は２乗を示す。

【００６０】角度θが比較的小さな角度の場合は、sin
(θ/2)=θ/2と近似でき、これを上記（４）式に代入し
て整理すると、 θ^2＝（λ／ｎｄ）（ｍ0−ｍ） …（５）となる。

【００６１】ここで、同図（ｂ）に示すように、干渉縞
１３ｃの中心からの距離をｒとすれば、集光レンズ１２
の焦点距離はｆであるから、ｒ＝ｆθ＝ｆ（λ／ｎｄ）^1/2（ｍ0−ｍ）^1/2 …（６）となる。なお、^1/2は１／２乗、即ちルートを示す。

【００６２】ここで、ｃ＝ｆ^2・（λ／ｎｄ）として
（６）式の両辺を２乗すると、ｒ^2＝ｃ（ｍ0−ｍ） …（７）となる（図１１(b)参照）。

【００６３】ここで、ｐ番目とｐ＋１番目のピークを考
えると、（７）式よりｃ＝ｃ（ｍp+1−ｍp）＝ｒp^2−ｒp+1^2 となる。また、（３）式において、整数ｍを波長λで微
分すると、 −Δλ＝（λ^2／２ｎｄ）・Δｍ＝ＦＳＲ・Δｍ …（９）となる。

【００６４】ここで、（９）式に（７）式を代入する
と、 −Δλ＝ＦＳＲ・ｒ^2／ｃ …（１０）となる。ここで、ｍ＝ｍ0のときの波長をλ0とすると、
求める波長λは（１０）式から λ＝λ0−ＦＳＲ・ｒ^2・ｃ …（１１）として得られる。

【００６５】ここで、（１１）式は、波長λが干渉縞１
３ｃの半径ｒの２乗に比例していることを示している。
したがって、干渉縞の半径の２乗を正しく求めることが
できれば、被検出光の波長を正確に求めることができ
る。

【００６６】すなわち、上記エタロンの基本式（１）に
おいて、ｍHgを基準光に対応する次数、ｍexを被検出光
に対応する次数、λHgを基準光の波長、λexを被検出光
の波長、ｎHgを基準光のエタロン１１のエアギャップ内
の屈折率、ｎexを被検出光のエタロン１１のエアギャッ
プ内の屈折率とすると、ｍHg・λHg＝２ｎHg・ｄ・cosθ …（１２）ｍex・λex＝２ｎex・ｄ・cosθ …（１３）となる。

【００６７】ここで、基準光の干渉縞と被検出光の干渉
縞の直径が一致する場合の波長λeは、上記（１２）
（１３）式からｄ・cosθを消去して整理すると、 λe＝（ｎex／ｎHg）・（ｍHg／ｍex）・λHg …（１４）となる。したがって、被検出光の干渉縞の半径をｒex、
基準光の干渉縞の半径をｒHgとすると、上記（１０）式
から被検出光の波長λexは、 λex−λe＝ＦＳＲ・（ｒHg^2−ｒex^2）／ｃ …（１５）という関係から求めることができる。ここで、基準光と
被検出光とは同一のエタロンを透過したものであるか
ら、エタロンの温度などが変化したとしても、この変化
による誤差が相殺されて、絶対波長を精度良く検出する
事ができる。

【００６８】ここで、干渉縞の半径の自乗ｒm^2の計算
は、図１２に示すようにして実行する。

【００６９】すなわち、図１２(a)の場合は、光強度の
最大値Ｉmaxを検出し、この半値Ｉmax／２を計算し、該
半値Ｉmax／２に対応する２位置Ａ，Ｂからそれぞれ内
側の円の直径２ｒ1と外側の円の直径２ｒ2を求める。そ
して、これら各直径から両半径の自乗ｒ1^2、ｒ2^2を求
め、それらの平均値を下式（１６）のようにして求める
ことによって干渉縞の半径の自乗ｒm^2を求める。

【００７０】ｒm^2＝（ｒ1^2＋ｒ2^2）／２ …（１６）また、図１２(b)の場合は、最大値Ｉmaxの１／ａに対応
する半径ｒ1、ｒ2を求め、これらの半径から干渉縞の半
径の自乗ｒm^2を求めるようにしている。

【００７１】また、図１２(c)の場合は、光強度の最大
値Ｉmaxと最小値Ｉminを検出し、これらの平均値Ｉav
（＝(Ｉmax＋Ｉmin)／２）を求め、その値に対応する半
径ｒ1、ｒ2から干渉縞の半径の自乗ｒm^2を求めるよう
にしている。

【００７２】なお、上記(b)(c)の手法は、同位体水銀の
純度Ｐが低い２５３．７ｎｍ線の場合に有効である。

【００７３】図１３に、上記干渉縞を光検出器１３とし
ての１次元又は２次元のフォトダイオードアレイセンサ
（ＣＣＤなど）で検出した場合の近似計算方法を模式的
に示す。

【００７４】フォトダイオードアレイセンサの場合は、
各チャネルの位置で各光量が計算される。また、その位
置分解能は高分解能のもので１３ミクロン程度である。
また、１チャネル当たりの分散は０．１pm/chであるの
で、０・０１pmの変化を検出するためには近似計算を行
う必要がある。

【００７５】図１３(a)(b)は、フォトダイオードアレイ
センサで検出した各チャネルの信号波形に近似曲線を重
ねて示したもので、近似曲線は各チャネル間の出力を直
線で結んだり、最小自乗法や多次方程式を用いて作成す
る。

【００７６】そして、この近似曲線と例えば半値Ｉmax
／２との交点を求めることにより、干渉縞の内側及び外
側の半径を求めて前記同様にして干渉縞の半径の自乗を
計算する。このような近似計算を行うことにより０．０
１pmの分解能で被検出光の絶対波長を検出することがで
きる。

【００７７】図１４は上記近似計算による干渉縞半径の
自乗の計算法の一例を示すもので、この場合には、まず
各チャネルの光量値間を直線で結んで近似直線を得る。
次に、各チャネルの光強度の中から最大光強度Ｉmaxを
求め、半値Ｉmax／２を計算する。次に、上記近似直線
と半値Ｉmax／２との交点を求め、該求められた交点か
ら干渉縞の外側の半径ｒ2と内側の半径ｒ1を計算する。
そして、これらの値の平均値を求めることにより干渉縞
の半径の自乗をｒm^2を先の（１６）式に従って計算す
る。

【００７８】図１５は、上記計算法の他の手法を示すも
ので、この場合には、直線近似ではなく最小自乗法や多
次方程式を用いて近似曲線を得るようにしている。近似
曲線を求めた後の手順は先の図１４に示した手法と同じ
である。

【００７９】図１６は、各チャネル間を直線近似した
後、光強度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminを検出し、これ
らの平均値Ｉav（＝(Ｉmax＋Ｉmin)／２）を求め、該平
均値Ｉavと前記近似直線の交点を求め、該求められた交
点から干渉縞の外側の半径ｒ2と内側の半径ｒ1を計算
し、さらにこれらの値の平均値を求めることにより干渉
縞の半径の自乗をｒm^2を先の（１６）式に従って計算
する。

【００８０】図１７は、図１６の手法を直線近似ではな
く最小自乗法や多次方程式を用いた近似曲線を用いて行
うようにしている。

【００８１】なお、上記各手法では、各チャネルの光強
度値から近似曲線を計算し、該近似曲線と半値等の所定
値との交点を求めるようにしているが、例えばチャネル
数と光強度の関係が単調増加する領域では、所定値より
大きくなったところのチャネルとその１つ前のチャネル
の双方の光強度から直線補間をして上記交点を求めるよ
うにして、計算時間を短縮するようにしてもよい。

【００８２】次に、図１８のフローチャートを用いて水
銀の同位体の混合比から基準光の絶対波長を求める手法
について考察する。

【００８３】最初に、各同位体のみの場合のスペクトル
波形をデータ又は関数（198Ｈｇ（λ，Ｔ）、199Ｈｇ
（λ，Ｔ）、200Ｈｇ（λ，Ｔ）、201Ｈｇ（λ，Ｔ）、
202Ｈｇ（λ，Ｔ）、204Ｈｇ（λ，Ｔ））として記憶し
ておく（ステップ２００）。次に、各同位体の混合比
（198Ｋ、199Ｋ、200Ｋ、201Ｋ、202Ｋ、204Ｋ）とラン
プの温度Ｔを入力する（ステップ２１０）。

【００８４】そして、これらスペクトル波形データ及び
混合比を用いて合成スペクトルＨｇ（λ，Ｔ）を下式に
従って演算する（ステップ２２０）。

【００８５】Ｈｇ（λ，Ｔ）＝198Ｋ・198Ｈｇ（λ，Ｔ）＋199Ｋ・199Ｈｇ（λ，Ｔ）＋200Ｋ・200Ｈｇ（λ，Ｔ）＋201Ｋ・201Ｈｇ（λ，Ｔ）＋202Ｋ・202Ｈｇ（λ，Ｔ）＋204Ｋ・204Ｈｇ（λ，Ｔ） …（１７）図１９は各種同位体混合比の水銀ランプのスペクトル波
形を示すもので、(a)は202Ｈｇの純度９９％、(b)は198
Ｈｇの純度９９％、(c)は202Ｈｇ５１％と198Ｈｇ４９
％と混合Ｈｇである。

【００８６】これらのスペクトル波形において、(a)(b)
のスペクトル波形を重ね合わせた場合、該重ね合わせた
波形は(c)の混合Ｈｇの波形にほぼ一致した。このこと
は、先の（１７）式の演算を行うことにより混合Ｈｇの
合成スペクトル波形が得られることを示している。

【００８７】つぎに、このようにして求めた合成スペク
トル波形から、この低圧水銀ランプの絶対波長λHg´を
計算する（ステップ２３０）。

【００８８】この計算方法としては、前記図１２(a)(b)
(c)に示した各種手法がある。

【００８９】図１２(a)に示した手法の場合は、合成ス
ペクトルの半値における２点の絶対波長λHg1，λHg2を
計算し、その平均値を絶対波長λHg´とする（λHg´＝
(λHg1＋λHg2)／２）。

【００９０】図１２(b)の場合は、ａ分の１（１／ａ）
値の２点の波長の平均値を絶対波長λHg´とする。

【００９１】図１２(c)の場合は、合成スペクトルＨｇ
（λ，Ｔ）をモニタエタロン１１によって発生させた場
合の干渉縞を理論的に計算し、その干渉縞の最大値Ｉma
xおよび最小値Ｉminを求め、これらの値から前記Ｉavを
求める。さらに、このＩavと合成スペクトル波形Ｈｇ
（λ，Ｔ）との交点である２点の波長を求め、これらの
平均値を絶対波長λHg´とする。

【００９２】これら求めた絶対波長λHg´と前記（１
４）式及び（１５）式を用いて被検出光の絶対波長を求
めるようにする（ステップ２４０）。

【００９３】次に、先の図８に示した基準光の検出絶対
波長λHg´および基準光の理論的絶対波長λHgの差Δλ
Hgと温度Ｔとの関係から基準光の検出絶対波長λHg´を
計算する手法について図２０を用いて考察する。

【００９４】すなわち、図８に示した関係において、理
論的絶対波長λHgは既知（253.65277nm）であるので、
図８のグラフはランプ温度Ｔと基準光の検出絶対波長λ
Hg´（＝λHg＋ΔλHg）の関係として得ることができ
る。したがって、ランプ温度Ｔと基準光の検出絶対波長
λHg´との関係を予め所定のメモリに例えばテーブル形
式で記憶しておく。

【００９５】そして、基準光の波長を検出する際には、
まず低圧水銀ランプ７のガラス表面温度Ｔを温度センサ
１４によって検出する（ステップ３００）。

【００９６】次に、先の対応テーブルから検出温度Ｔに
対応するλHg´を読み出し、これを基準光の絶対波長と
する。（ステップ３１０）。

【００９７】次に、この基準光の絶対波長λHg´と光検
出器１３で測定された基準光及び被検出光の干渉縞の各
半径とを先の（１４）式、（１５）式に代入することに
より、被検出光の絶対波長λexを求める（ステップ３２
０）。

【００９８】このように、基準光の温度から基準光の正
確な絶対波長を得ることができるので、基準光源の温度
制御を行なうことは必要なくなり、ランプ７の温度さえ
検出しておけば良くなる。

【００９９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
基準光源として低圧水銀ランプを用い、この低圧水銀ラ
ンプに特定の同位体水銀を純度４９％以上封入した２５
３．７ｎｍ線を使用するようにたので、スペクトル波形
が綺麗でしかも線幅の狭い基準光が得られる。

【０１００】またこの発明では、低圧水銀ランプの表面
温度を所定の温度（例えば４０゜Ｃ）以下に制御するよ
うにしたので、綺麗で測定のし易いスペクトル波形が得
られるとともに、基準光の絶対波長を常に理論値に一致
させる事ができ、これにより基準光波長の補正演算を省
略することができる。

【０１０１】またこの発明では、低圧水銀ランプを熱陰
極型にするようにしているので、以下のような利点があ
る。

【０１０２】1.小さな電圧（30V程度）で発光し、特別
な電源は入らない 2.電流を流せば点灯は瞬時に行われ、また発光及びスペ
クトル波形は瞬時に安定する 3.発光温度が低いためスプクトル波形が綺麗で、線幅
（１pm以下）が狭い 4.安価である 5.点灯／消灯による劣化はない。

【０１０３】またこの発明によれば、予め記憶した基準
光の絶対波長と基準光源の温度との関係から基準光の絶
対波長を得るようにしたので、基準光の温度一定制御を
行わなくても正確な基準光の絶対波長が得られるように
なる。

【０１０４】またこの発明では、低圧水銀ランプに封入
される各水銀同位体のスペクトル波形およびその混合比
に従って低圧水銀ランプから出射される基準光のスペク
トル波形を求め、この合成スペクトル波形から基準光の
絶対波長を求めるようにしているので、基準光の絶対波
長の測定のための構成が不要になる。

【０１０５】またこの発明では、低圧水銀ランプとして
無電極放電型または冷陰極型を用いると共に、前記低圧
水銀ランプに対し、初めは高エネルギーで電源を作動さ
せて前記低圧水銀ランプを点灯し、この点灯を確認する
と前記電源の投入エネルギーを降下させるようにしたの
で、スペクトル線幅の狭い基準光が得られるようにな
る。

【０１０６】更にこの発明では、光検出素子アレイの各
光検出素子の検出出力に所定の近似処理を加えることに
より前記基準光及びレーザ発振光のスペクトル波形の近
似波形を演算するスペクトル波形近似演算手段を具え、
この近似スペクトル波形から前記基準光及びレーザ発振
光の干渉縞の半径を演算し、該求めた各干渉縞の半径か
らレーザ発振光の絶対波長を演算するようにしたので、
高分解能のスペクトル波形が得られると共に、その際の
演算を高速化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】各種Ｈｇ同位体の253.7nm線の波長分布図。

【図３】202Ｈｇと天然水銀のスペクトル波形を示す
図。

【図４】202Ｈｇと天然水銀のスペクトル波形を示す
図。

【図５】202Ｈｇの各種混合比に応じたスペクトル波形
を示す図。

【図６】基準光の波長と特定水銀の純度との関係を示す
図。

【図７】温度に応じた202Ｈｇのスペクトル波形を示す
図。

【図８】基準光の波長と基準光源の温度との関係を示す
図。

【図９】低圧水銀ランプの各種タイプを示す図。

【図１０】低圧水銀ランプの点灯制御例を示すフローチ
ャート。

【図１１】モニタエタロンの原理を示す図。

【図１２】干渉縞の半径の自乗を求めるための各種手法
を示す図。

【図１３】干渉縞の半径の自乗を求める際の近似計算を
示す図。

【図１４】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示
すフローチャート。

【図１５】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示
すフローチャート。

【図１６】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示
すフローチャート。

【図１７】干渉縞の半径の自乗を求める手順の一例を示
すフローチャート。

【図１８】水銀同位体混合比からλeを求める手順を示
すフローチャート。

【図１９】各種混合比の水銀のスペクトル波形を示す
図。

【図２０】基準光の温度から被検出光の絶対波長を求め
る手順を示すフローチャート。

【符号の説明】

１…狭帯域発振エキシマレーザ２…ビームスプリッタ３…シャッタ４…スリガラス５…波長検出器６…ビームスプリッタ７…低圧水銀ランプ８…コリメータレンズ９…シャッタ１０…バンドパスフィルタ１１…モニタエタロン１２…集光レンズ１３…光位置検出器１４…温度センサ１５…冷却ファン２０…波長検出コントローラ２５…狭帯域化素子ドライバ３０…温度コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準光源として低圧水銀ランプを用い、こ
の基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検
出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出
光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記基準光として、前記低圧水銀ランプに特定の同位体
水銀を純度４９％以上封入した２５３．７ｎｍ線を使用
するようにした波長検出装置。
【請求項２】基準光源として低圧水銀ランプを用い、こ
の基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検
出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基ずき被検出
光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記低圧水銀ランプの表面温度を所定の温度以下に制御
する温度制御手段を備えるようにした波長検出装置。
【請求項３】前記所定の温度は４０゜Ｃである事を特徴
とする請求項２記載の波長検出装置。
【請求項４】基準光源として低圧水銀ランプを用い、こ
の基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検
出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出
光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記低圧水銀ランプを熱陰極型にしたことを特徴とする
波長検出装置。
【請求項５】基準光源から発生される基準光と被検出光
とを波長検出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基
づき被検出光の絶対波長を検出する波長検出装置におい
て、前記基準光源の表面温度を検出する温度検出手段と、基準光の絶対波長と前記基準光源の表面温度との関係が
予め設定される記憶手段と、前記温度検出手段で検出した温度に対応する基準光の絶
対波長を前記記憶手段から読み出し、該読み出した基準
光の絶対波長と前記波長検出器の出力に基づいて被検出
光の絶対波長を求める被検出光波長演算手段と、を具える波長検出装置。
【請求項６】基準光源として低圧水銀ランプを用い、こ
の基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検
出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出
光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記低圧水銀ランプに封入される各水銀同位体のスペク
トル波形をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記記憶された各水銀同位体のスペクトル波形を各水銀
同位体の混合比に従って合成することにより前記低圧水
銀ランプから出射される基準光のスペクトル波形を求め
る波形合成手段と、この基準光のスペクトル波形から前記基準光の絶対波長
を求め、該求めた基準光の絶対波長に基づき被検出光の
絶対波長を演算する波長演算手段と、具えるようにしたことを特徴とする波長検出装置。
【請求項７】基準光源として低圧水銀ランプを用い、こ
の基準光源から発生される基準光と被検出光とを波長検
出器に入射しこの波長検出器の検出出力に基づき被検出
光の絶対波長を検出する波長検出装置において、前記低圧水銀ランプとして無電極放電型または冷陰極型
を用いると共に、前記低圧水銀ランプに対し、初めは高エネルギーで電源
を作動させて前記低圧水銀ランプを点灯し、この点灯を
確認すると前記電源の投入エネルギーを降下させる電源
制御手段を具えるようにしたことを特徴とする波長検出
装置。
【請求項８】基準光源から発生される基準光と被検出光
とを波長選択素子を介して複数個の光検出素子が配列さ
れた光検出素子アレイに入射し、この光検出素子アレイ
の各光検出素子の検出出力に基ずき被検出光の絶対波長
を検出する波長検出装置において、前記光検出素子アレイの各光検出素子の検出出力に所定
の近似処理を加えることにより前記基準光及び被検出光
のスペクトル波形の近似波形を演算するスペクトル波形
近似演算手段と、この近似スペクトル波形から前記基準光及び被検出光の
干渉縞の半径を演算し、該求めた各干渉縞の半径から被
検出光の絶対波長を演算する波長演算手段と、具えるようにしたことを特徴とする波長検出装置。