WO2024062790A1 - Optical measurement device - Google Patents
Optical measurement device Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024062790A1 WO2024062790A1 PCT/JP2023/029016 JP2023029016W WO2024062790A1 WO 2024062790 A1 WO2024062790 A1 WO 2024062790A1 JP 2023029016 W JP2023029016 W JP 2023029016W WO 2024062790 A1 WO2024062790 A1 WO 2024062790A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- light
- wavelength
- rod integrator
- beams
- light source
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
- G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
Definitions
- the present disclosure relates to an optical measurement device.
- Spectroscopic analysis is widely used for component analysis and inspection of objects.
- an object is irradiated with irradiation light, and the spectrum of the object light obtained as a result of the irradiation is measured.
- optical properties such as reflection properties (wavelength dependence) or transmission properties can be obtained.
- Wavelength sweep spectroscopy is known as one of the methods for measuring optical properties.
- a wavelength-sweeping spectrometer generates wavelength-swept light whose wavelength changes over time, and irradiates the object to be inspected.
- the wavelength swept light is a pulse or pulse train in which time and wavelength have a one-to-one relationship. Then, the wavelength-swept light is irradiated onto the inspection target, and the temporal waveform of the light obtained is detected by the light receiver.
- the output waveform of the optical receiver represents a spectrum whose time axis corresponds to wavelength.
- FIG. 1 is a diagram showing a wavelength sweeping type spectrometer 10.
- the spectroscopic device 10 includes a light source device 20, a spectroscopic head 30, and an arithmetic processing device 40.
- the light source device 20 generates wavelength swept light L1.
- the wavelength swept light L1 is guided to the spectroscopic head 30.
- the irradiation optical system 31 of the spectroscopic head 30 irradiates the sample 2 with the wavelength swept light L1.
- the first light receiver 32 detects light (object light) L2 obtained as a result of irradiating the sample 2 with the wavelength swept light L1.
- the object light L2 may be reflected light or transmitted light of the sample 2.
- a portion of the wavelength swept light L1 is branched off as reference light L3.
- the second photodetector 33 measures the reference light L3.
- the first detection signal S1 generated by the first light receiver 32 and the second detection signal S2 generated by the second light receiver 33 are supplied to the arithmetic processing device 40.
- the object light L2 and the reference light L3 inherit the one-to-one time-wavelength correspondence of the wavelength swept light L1. Therefore, the time waveform of the first detection signal S1 can be converted into the spectrum of the object light L2 by converting the time axis into a wavelength.
- the time waveform of the second detection signal S2 can be converted into the spectrum of the reference light L3 by converting the time axis into a wavelength.
- the processing unit 40 calculates the ratio of each corresponding wavelength of the object light L2 to the reference light L3, and measures the spectral characteristics (reflectance and transmittance) of the sample 2.
- FIG. 2 is a diagram showing a light source device 20 that generates wavelength swept light.
- the light source device 20 includes a pulse light source 21, a wavelength selection filter 22, a divider 23, a delay line 24, and a coupler 25.
- the pulsed light source 21 generates pulsed light having a continuous spectrum.
- the wavelength selection filter 22 selects a wavelength band to be used for spectroscopy from among the spectral components included in the pulsed light.
- the splitter 23 is an arrayed waveguide grating (AWG), and splits the pulsed light into a plurality of n paths according to the wavelength.
- the delay line 24 gives different delays to the light (divided light) on a plurality of paths.
- the delay line 24 includes a plurality of fibers FB1 to FBn having different lengths.
- the coupler 25 is a multi-core fiber or a bundle fiber, and spatially recombines the lights output from the plurality of fibers FB1 to FBn. The recombined light is emitted as wavelength swept light L1.
- Patent Document 2 discloses an optical system that irradiates an object with light emitted from a coupler 25, which is a multi-core fiber or a bundle fiber. Each beam emitted from a multi-core fiber or a bundle fiber has a Gaussian intensity distribution, and the irradiation optical system of Patent Document 2 irradiates the target object with the beam while maintaining the Gaussian intensity distribution.
- FIG. 3 is a diagram illustrating one of the problems (referred to as problem 1) of the wavelength sweeping type spectrometer.
- the beam of the wavelength swept light L1 is a pulse, and is repeatedly irradiated to a predetermined position, and the object (sample) OBJ is transported by a transport means so as to cross the irradiation position of the wavelength swept light L1.
- FIG. 3 shows the relative positional relationship between the object OBJ and the beam of the wavelength swept light L1.
- the tail portion of the Gaussian distribution (for example, outside the 1/e 2 width) has insufficient intensity and cannot be used for spectroscopic measurements. Therefore, when inspecting the entire object OBJ including the edges, as shown in the upper part of FIG . It protrudes outside of the object OBJ. If the protruding light becomes stray light and enters the light receiver, measurement accuracy will decrease. Furthermore, since the stray light does not pass through the object OBJ and is not attenuated, it has high intensity, and if it enters the light receiver, it may adversely affect the reliability of the light receiver.
- stray light can be reduced by offsetting the relative positions of the beams irradiated to both ends of the object OBJ inward so that the tails of the beams are included in the object OBJ.
- the measurable range becomes narrow.
- the S/N ratio is improved by a factor of ⁇ N.
- the number of pulses of the wavelength swept light L1 is reduced, and the S/N ratio is reduced.
- FIG. 4 is a diagram illustrating another problem (referred to as problem 2) of the wavelength sweeping type spectrometer.
- FIG. 4 shows the intensity distribution of a plurality of beams having different wavelengths on the surface (sample surface) of the object OBJ.
- the thickness d of the object OBJ may vary depending on the irradiation position. As shown in FIG. 4, when beams of wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are irradiated to different positions, the perceived thicknesses d 1 and d 2 will be different for each wavelength.
- the Beer-Lambert law shown below holds between the intensity I0 of the incident light and the intensity I of the transmitted light.
- -log(I/I 0 ) ⁇ c ⁇ d
- -log(I/I 0 ) absorbance
- ⁇ extinction coefficient
- d optical path length. If the optical path length, that is, the thickness of the object is constant, the absorbance is proportional to the concentration, so by measuring the absorbance, the concentration of the target substance can be determined.
- the absorbance is not included in the object OBJ because the thickness of the object at each wavelength is different. This is affected not only by the absorption coefficient ⁇ of the substance being used, but also by the optical path length d, which causes the problem that the absorbance spectrum cannot be measured correctly.
- the present disclosure has been made in such a situation, and one exemplary objective of a certain aspect thereof is to provide an optical measurement device that can solve at least one of the above-mentioned problems.
- the optical measurement device includes a light source device that generates wavelength swept light and an optical system that irradiates a target object with the wavelength swept light.
- the light source device includes a pulsed light source that generates pulsed light including a continuous spectrum, a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n ⁇ 2) according to the wavelength, and a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n ⁇ 2) according to the wavelength.
- a plurality of n fibers that provide different delays, a coupler that is a bundle fiber or multi-core fiber that combines n beams output from the n fibers, and a rod whose input end is coupled to the output end of the coupler.
- Including an integrator The optical system includes a critical illumination system that projects a light source image at the output end of the rod integrator onto the object.
- FIG. 1 is a diagram showing a wavelength sweep type spectrometer.
- FIG. 2 is a diagram showing a light source device that generates wavelength swept light.
- FIG. 2 is a diagram illustrating one of the problems of a wavelength sweeping type spectrometer.
- FIG. 3 is a diagram illustrating another problem with the wavelength sweep type spectrometer.
- FIG. 1 is a diagram showing an optical measurement device according to an embodiment. It is a perspective view showing a coupler and a rod integrator.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the coupler and rod integrator. It is a figure explaining profile conversion by a rod integrator.
- FIG. 3 is a diagram showing wavelength swept light.
- FIG. 6 is a diagram illustrating spectroscopy by the optical measurement device of FIG.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the intensity distribution of wavelength swept light irradiated onto the surface of a sample. It is a figure explaining the 1st effect by an optical measuring device. It is a figure explaining the 2nd effect by a light measuring device.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a top-hat type beam profile. It is a figure showing the measurement result of the beam profile of irradiation light generated by the light measurement device concerning an embodiment.
- FIG. 3 is a diagram illustrating beam profile smoothing processing.
- FIG. 3 is a diagram showing profiles of a plurality of beams having different wavelengths.
- FIG. 3 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator with a hexagonal cross section.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the rod integrator.
- FIG. 3 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator with a circular cross section.
- FIG. 3 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator with a triangular cross section.
- FIG. 3 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator with a square cross section.
- FIG. 3 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator with a pentagonal cross section.
- An optical measuring device includes a light source device that generates wavelength swept light and an optical system that irradiates a target object with the wavelength swept light.
- the light source device includes a pulsed light source that generates pulsed light including a continuous spectrum, a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n ⁇ 2) according to the wavelength, and a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n ⁇ 2) according to the wavelength.
- a plurality of n fibers that provide different delays, a coupler that is a bundle fiber or multi-core fiber that combines n beams output from the n fibers, and a rod whose input end is coupled to the output end of the coupler.
- Including an integrator The optical system includes a critical illumination system that projects a light source image at the output end of the rod integrator onto the object.
- each beam has a top-hat beam profile that is flatter than the Gaussian distribution at the output end of the rod integrator. Therefore, a light source image in which a plurality of beams having different wavelengths are superimposed with a uniform intensity distribution is generated at the output end of the rod integrator.
- a plurality of wavelengths are irradiated to the same location and the same range with a uniform illuminance distribution.
- a top-hat beam has less energy at the bottom than a Gaussian beam, so even if the beam irradiation position is moved to the edge of the object, stray light can be suppressed.
- top-hat beam profile does not mean a complete top-hat shape, but may include a profile similar to a top-hat shape.
- a top-hat beam profile has two characteristics: a steep edge and a flat peak.Related to issue 1, the steepness of the edge is important, and issue 2 Relatedly, peak flatness is important.
- the intensity distribution at the output end of the rod integrator only needs to have at least a steep tail. is also included in the beam profile similar to the top hat type.
- a beam profile similar to a top hat type also includes a beam profile similar to that of a top hat type.
- a top-hat beam profile may refer to an edge steepness of 0.2 or less and a flatness of 25% or less.
- flatness is defined by the CV value (Coefficient of Variation) in a range where the intensity is 40% or more (within a 40% width).
- the cross section of the rod integrator may be polygonal.
- a triangular or rectangular cross section can shorten the rod length required to obtain the same top-hat beam profile, but requires high accuracy in alignment with the coupler. Considering these balances, a pentagonal to octagonal cross section is preferable.
- the rod integrator may have a hexagonal cross section. In this case, it is possible to reduce the required rod length to obtain a top-hat beam profile while easing the required alignment accuracy with the coupler.
- the length of the rod integrator may be greater than 100 mm. This makes it possible to obtain a sufficiently flat beam profile.
- the length of the rod integrator may be less than 500 mm.
- the length of the rod integrator is 500 mm, preferably 200 mm or less, bending due to its own weight can be suppressed, and it becomes easy to position and support with high precision.
- each member described in the drawings may be scaled up or down as appropriate for ease of understanding. Furthermore, the dimensions of multiple members do not necessarily represent their size relationship, and even if a member A is drawn thicker than another member B on a drawing, member A may be drawn thicker than member B. It may be thinner than that.
- FIG. 5 is a diagram showing the optical measurement device 100 according to the embodiment.
- the optical measurement device 100 includes a light source device 200, an irradiation optical system 310, a light receiving device 320, and an arithmetic processing device 400.
- the light source device 200 generates wavelength swept light L1 whose wavelength changes over time.
- time and wavelength are associated in a one-to-one relationship. This means that the wavelength swept light L1 "has wavelength uniqueness.”
- the light source device 200 includes a pulse light source 210 and a pulse stretcher 220.
- the pulsed light source 210 emits broadband pulsed light L1a having a broadband continuous spectrum.
- the spectrum of the broadband pulsed light L1a is continuous over a wavelength range of at least 10 nm, preferably 50 nm, and more preferably 100 nm, for example in the range of 900 nm to 1300 nm.
- the width of the wavelength range of the broadband pulsed light L1a should just cover the wavelength range necessary for spectroscopy.
- the pulsed light source 210 may include an ultrashort pulse laser and a nonlinear element.
- ultrashort pulse lasers include gain switch lasers, microchip lasers, fiber lasers, and the like.
- the nonlinear element further widens the spectral width of the ultrashort pulses generated by the ultrashort pulse laser through nonlinear phenomena.
- a fiber is suitable as the nonlinear element, and for example, a photonic crystal fiber or other nonlinear fiber can be used. Although it is preferable to use a single mode as the fiber mode, a multimode fiber can also be used as long as it exhibits sufficient nonlinearity.
- SLD superluminescent diode
- the broadband pulsed light L1a output from the nonlinear element has a pulse width on the order of femtoseconds to nanoseconds.
- the pulse stretcher 220 stretches the pulse width of the broadband pulsed light L1a and outputs the wavelength swept light L1.
- Pulse stretcher 220 includes a divider 222, a delay line 224, a coupler 226, and a rod integrator 228.
- the splitter 222 splits the broadband pulsed light L1a into a plurality of n beams (n ⁇ 2) according to the wavelength.
- the configuration of the divider 222 is not particularly limited, it may be configured with an arrayed waveguide grating (AWG), for example.
- the delay line 224 includes a plurality of n fibers FB1 to FBn. Fibers FB1-FBn have different lengths and provide different delays to the beams split by splitter 222.
- the broadband pulsed light L1a before division is a positive chirp pulse (up-chirp pulse) whose frequency increases (wavelength decreases) with time.
- the leading edge of the pulse contains a component with the longest wavelength ⁇ 1 and the trailing edge of the pulse contains a component with the shortest wavelength ⁇ n .
- the plurality of fibers FB1 to FBn have different lengths l 1 to l n .
- ⁇ 1 is the longest wavelength and ⁇ n is the shortest wavelength
- Fibers FB1 to FBn do not need to have different group delay characteristics for each wavelength, and the same fiber (fiber with the same core/clad material) can be used. In this sense, fiber FB can be a multimode fiber, which is advantageous in that unintended nonlinear optical effects can be prevented.
- the coupler 226 recombines the plurality of beams given different delays by the delay line 224.
- coupler 226 is a bundle fiber or multi-core fiber that combines n beams.
- the rod integrator 228 has its input end optically coupled to the output end of the coupler 226, and functions as a homogenizer to smooth the beam profile.
- FIG. 6 is a perspective view of coupler 226 and rod integrator 228.
- the coupler 226 includes a plurality of fibers 227, each of which carries beams of different wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n .
- the beam propagates in a single transverse mode, and at the exit end of the fiber 227, the profile of each beam has a Gaussian distribution.
- the beams of each wavelength are incident on the input end of rod integrator 228 at different positions.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the coupler 226 and rod integrator 228.
- coupler 226 includes sixty fibers 227 that are distributed across the cross section of rod integrator 228.
- FIG. 8 is a diagram illustrating profile conversion by the rod integrator 228.
- the Gaussian beam emitted from the fiber 227 propagates within the rod integrator 228.
- the beam becomes multimode, and the size of the beam increases to the size of the cross section of the rod integrator 228 at the output end 229 of the rod integrator 228.
- the profile at the exit end of each beam BMi, BMj approaches a top hat shape.
- the above is the configuration of the light source device 200.
- FIG. 9 is a diagram showing the wavelength swept light L1.
- the upper part of FIG. 9 shows the intensity (temporal waveform) I WS (t) of the wavelength swept light L1, and the lower part shows the temporal change in the wavelength ⁇ of the wavelength swept light L1.
- the wavelength swept light L1 is one pulsed light, and the dominant wavelength is ⁇ 1 at the leading edge, and the dominant wavelength is ⁇ n at the trailing edge, and the wavelength changes from ⁇ 1 to ⁇ within one pulse. n changes over time.
- the wavelength swept light L1 is a positive chirped pulse ( ⁇ 1 > ⁇ n ) whose frequency increases with time, in other words, whose wavelength decreases with time.
- the wavelength swept light L1 may be a negative chirped pulse whose wavelength becomes longer with time ( ⁇ 1 ⁇ n ). As described later, the wavelength swept light L1 may be a pulse train consisting of temporally isolated pulses (wave packets) for each wavelength.
- the irradiation optical system 310 includes a critical illumination system 312, a beam splitter 314, and a mirror 316.
- the critical illumination system 312 projects the light source image of the output end 229 of the rod integrator 228 onto the surface of the sample 2 (sample surface).
- the beam splitter 314 directs a part of the wavelength swept light L1 toward the sample 2.
- the beam splitter 314 also extracts a part of the wavelength swept light L1 as a reference light L3.
- Mirror 316 directs reference light L3 toward light receiving device 320.
- the light receiving device 320 includes a first light receiver 322, a second light receiver 324, and A/D converters 326 and 328.
- the first light receiver 322 detects object light L2 obtained by irradiating the sample 2 with the wavelength swept light L1.
- the object light L2 may be reflected light or transmitted light.
- the A/D converter 326 converts the output signal S1 of the first light receiver 322 into a digital signal D1.
- the second light receiver 324 detects the reference light L3.
- the A/D converter 328 converts the output signal S2 of the second light receiver 324 into a digital signal D2.
- the time waveform I OBJ (t) of the object light L2 indicated by the digital signal D1 and the time waveform I REF (t) of the reference light L3 indicated by the digital signal D2 are taken into the arithmetic processing device 400.
- the processing unit 400 converts the time waveform I OBJ (t) of the object light L2 into a frequency domain spectrum I OBJ ( ⁇ ).
- the arithmetic processing unit 400 also calculates the reference spectrum I REF ( ⁇ ) by converting the temporal waveform I REF (t) of the reference light L3 into a spectrum and appropriately scaling the spectrum.
- the processing of the arithmetic processing device 400 is not particularly limited, as an example , the arithmetic processing device 400 calculates the transmittance T( ⁇ ) or the reflectance R( ⁇ ) can be calculated.
- T( ⁇ ) I OBJ ( ⁇ )/I REF ( ⁇ )
- R( ⁇ ) I OBJ ( ⁇ )/I REF ( ⁇ )
- FIG. 10 is a diagram illustrating spectroscopy by the optical measuring device 100 of FIG. 5.
- the time t and the wavelength ⁇ correspond one to one, so the time waveform I REF (t) can be converted into the frequency domain spectrum I REF ( ⁇ ). Can be done.
- the time waveform I OBJ (t) of the object light L2 also has a one-to-one correspondence between the time t and the wavelength ⁇ . Therefore, the processing unit 400 can convert the waveform I OBJ (t) of the object light L2 indicated by the output of the light receiving device 320 into the spectrum I OBJ ( ⁇ ) of the object light L2.
- the arithmetic processing unit 400 calculates the transmission spectrum T( ⁇ ) of the object OBJ based on the ratio I OBJ ( ⁇ )/I REF ( ⁇ ) of the two spectra I OBJ ( ⁇ ) and I REF ( ⁇ ). be able to.
- the wavelength ⁇ varies linearly with time t according to a linear function.
- the processing in the arithmetic processing device 400 is not limited to this.
- the variable t of this time waveform T(t) The transmission spectrum T( ⁇ ) may be calculated by converting ⁇ to ⁇ .
- FIG. 11 is a diagram illustrating the intensity distribution of the wavelength swept light L1 irradiated onto the surface of the sample 2.
- the beams BM1 to BMn of wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n each have a top hat-shaped profile, and form a light source image at the output end 229.
- the critical illumination system 312 projects this light source image onto the surface of the sample 2 while maintaining the intensity distribution.
- the critical illumination system 312 may have a magnification depending on the size of the output end 229 and the size of the sample 2, and therefore may perform enlarged projection or reduced projection.
- the surface of the sample 2 is sequentially irradiated with a plurality of beams having different wavelengths and having a top-hat illuminance distribution as the wavelength swept light L1.
- FIG. 12 is a diagram illustrating the first effect of the optical measurement device 100.
- the first effect corresponds to issue 1.
- FIG. 12 shows the relative positional relationship between the object OBJ and the beam of the wavelength swept light L1.
- the wavelength swept light L1 is irradiated multiple times while moving the object OBJ. Since the beam irradiated onto the surface of the object OBJ has a top hat-shaped intensity distribution, the energy of stray light is small even if the beam is irradiated close to the end of the object OBJ. Therefore, the above problem 1 caused by stray light can be solved.
- FIG. 13 is a diagram illustrating the second effect of the optical measurement device 100.
- the second effect corresponds to issue 2.
- the illumination image of the output end 229 of the rod integrator 228 is directly projected onto the surface of the object OBJ using the critical illumination system 312. Therefore, beams of a plurality of wavelengths are irradiated onto substantially the same location with a top hat-shaped intensity distribution. Thereby, beams with different wavelengths will feel the same thickness, and the above-mentioned problem 2 can be solved.
- the rod integrator 228 is designed so that beams of multiple wavelengths have a top-hat beam profile at the output end 229.
- the top-hat beam profile will now be explained.
- FIG. 14 is a diagram illustrating a top-hat type beam profile.
- the top-hat beam profile can be defined from two viewpoints: edge steepness and top flatness.
- top hat beam profile does not mean a complete top hat shape, but may include a profile similar to a top hat shape as shown in FIG. 14.
- a top-hat beam profile can be understood from two characteristics: the steepness of the skirt (edge) and the flatness of the peak. Regarding issue 1, the steepness of the tail is important, and regarding issue 2, the flatness of the peak is important.
- the intensity distribution at the output end of the rod integrator only needs to have at least a steep tail. is also included in the beam profile similar to the top hat type.
- a beam profile similar to a top hat type also includes a beam profile similar to that of a top hat type.
- the steepness of the edge is 0.2 or less.
- a top-hat beam profile has an edge steepness of 0.2 or less.
- Flatness shall be defined by the CV value (Coefficient of Variation) in a range where the intensity is 40% or more (within a 40% width).
- the flatness of the peak is 25% or less.
- a top hat beam profile has a flatness of 25% or less.
- FIG. 15 is a diagram showing measurement results of the beam profile of irradiation light generated by the optical measurement device 100 according to the embodiment.
- the rod integrator 228 has a regular hexagonal cross section that circumscribes a 0.69 mm circle, and has a length of 100 mm.
- the critical illumination system 312 is composed of two lenses with a focal length of 750 mm, and projects the illumination image of the output end 229 of the rod integrator 228 onto the imaging surface of the image sensor at the same magnification.
- the profile of the imaging surface (that is, the sample surface) on which the image is formed also has a mottled pattern. Therefore, when evaluating whether a beam has a top-hat profile, it is necessary to remove the influence of this speckle by smoothing processing.
- FIG. 16 is a diagram illustrating beam profile smoothing processing.
- process S100 the speckle size (full width) ⁇ of the original data before processing is obtained.
- one speckle spreads over approximately 5 pixels, as shown in the right diagram of process S100.
- the original data, the data obtained by shifting the original data by ⁇ pixels in the + direction, and the data obtained by shifting the original data by ⁇ pixels in the ⁇ direction are averaged. At this time, a weighted average may be taken.
- a moving average is taken using a window with a width of 2 ⁇ .
- ⁇ 5 pixels
- moving average processing of 10 pixels will be performed.
- the peak is normalized to 1 (100%).
- image data may be converted to frequency domain information and filtered.
- the beam profile may be evaluated using an image sensor having a pixel pitch larger than the speckle width.
- FIG. 17 is a diagram showing the profiles of multiple beams with different wavelengths. The measurements were performed under the same conditions as described in FIG. 15.
- the channel numbers correspond to the fiber position numbers in FIG. 7, and indicate channels on the outer periphery where uniformity is difficult to achieve.
- the figure on the left of each channel shows the profile before the smoothing process, and the figure on the right shows the profile after the smoothing process.
- FIG. 18 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator 228 having a hexagonal cross section.
- the beam profile at the output end 229 was simulated by changing the length of the rod integrator 228 to 50 mm, 100 mm, and 150 mm. Since the simulation cannot take multimode into account, the intensity distribution does not have a mottled shape with multiple peaks as in the actual measurement, but the trend matches well with the actual measurement.
- FIG. 19 is a cross-sectional view of the rod integrator 228.
- the beam profile at the output end was calculated by simulation for the beams coupled to the positions of channels CH03 and CH05 at the input end.
- the lengths of the rod integrator 228 were 50 mm, 100 mm, and 150 mm.
- FIG. 20 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator 228 with a circular cross section.
- a circular rod integrator 228 requires a longer length for uniformity than a hexagonal or other rod integrator. Furthermore, even if the length is up to 150 mm, the center portion is weak in strength and has a donut shape, which is inferior in flatness compared to other shapes of the same length.
- FIG. 21 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator 228 having a triangular cross section.
- a triangle flattening is possible with a short length.
- the positional misalignment between the coupler 226 and the rod integrator 228 misalignment between the center positions of the coupler 226 and the rod integrator 2228
- direction misalignment rotational misalignment
- strict restrictions must be placed on misalignment.
- a triangle with one side having a length of bundle diameter x ⁇ 3 is required, and a large optical system is required.
- Figure 22 shows the beam profile obtained by a rod integrator 228 with a rectangular cross section. Like a triangle, a rectangle can also be flattened in a short length. However, like a triangle, a rectangle is also greatly affected by positional and directional misalignment.
- FIG. 23 is a diagram showing a beam profile obtained by a rod integrator 228 with a pentagonal cross section.
- the length required for uniformity is longer than that of a triangle or square, but shorter than that of a circle. It can be said that positional and directional deviations have less influence on the beam profile than triangles and squares.
- Circles are least susceptible to misalignment and directional misalignment, and the closer they are to triangles, the more severe the effects of misalignment and directional misalignment. This is because triangles are not point-symmetric, and in the case of quadrilaterals, there is a large difference between the length of the diagonals and the length of the line segment connecting the midpoints.
- the sample 2 of each beam may be transported due to misalignment of the sample 2, specifically positional misalignment (displacement perpendicular to the conveyance direction) or angular misalignment (displacement in the conveyance direction).
- the passing distance within the two regions will be different, which may affect measurement reproducibility.
- the shape and irregularities of the sample 2 are irradiated with a relatively large irradiation diameter, the influence becomes significant.
- the circular shape requires a long length for uniformity, and a length of about 100 mm is insufficient for uniformity. .
- a hexagonal shape is line symmetrical, point symmetrical, and close to a circle, so it is suitable as the cross section of the rod integrator 228.
- the rod integrator 228 should be at most 500 mm or less, preferably 200 mm or less. With the hexagonal rod integrator 228, a beam profile that can withstand practical use can be obtained with a length of 50 mm to 100 mm, so the loss caused by adding the rod integrator 228 can be suppressed.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
本開示は、光測定装置に関する。 The present disclosure relates to an optical measurement device.
対象物の成分分析や検査に分光解析が広く用いられる。分光解析では、照射光を対象物に照射し、照射の結果得られる物体光のスペクトルが測定される。そして、物体光のスペクトルと照射光のスペクトルの関係にもとづいて、反射特性(波長依存性)あるいは透過特性などの光学的特性を得ることができる。 Spectroscopic analysis is widely used for component analysis and inspection of objects. In spectroscopic analysis, an object is irradiated with irradiation light, and the spectrum of the object light obtained as a result of the irradiation is measured. Based on the relationship between the spectrum of the object light and the spectrum of the irradiation light, optical properties such as reflection properties (wavelength dependence) or transmission properties can be obtained.
光学特性の測定手法のひとつとして、波長掃引型の分光法が知られている。波長掃引型の分光器は、波長が経時的に変化する波長掃引光を生成し、検査対象に照射する。波長掃引光は、時間と波長が1対1の関係にあるパルスあるいはパルス列である。そして波長掃引光を検査対象に照射して得られる光の時間波形を受光器によって検出する。受光器の出力波形は、時間軸が波長に対応するスペクトルを表す。 Wavelength sweep spectroscopy is known as one of the methods for measuring optical properties. A wavelength-sweeping spectrometer generates wavelength-swept light whose wavelength changes over time, and irradiates the object to be inspected. The wavelength swept light is a pulse or pulse train in which time and wavelength have a one-to-one relationship. Then, the wavelength-swept light is irradiated onto the inspection target, and the temporal waveform of the light obtained is detected by the light receiver. The output waveform of the optical receiver represents a spectrum whose time axis corresponds to wavelength.
図1は、波長掃引型の分光装置10を示す図である。分光装置10は、光源装置20、分光ヘッド30、演算処理装置40を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a wavelength sweeping
光源装置20は、波長掃引光L1を生成する。波長掃引光L1は、分光ヘッド30に導かれる。分光ヘッド30の照射光学系31は、波長掃引光L1を試料2に照射する。第1受光器32は、波長掃引光L1を試料2に照射した結果得られる光(物体光)L2を検出する。物体光L2は、試料2の反射光または透過光でありうる。
The
照射光学系31において、波長掃引光L1の一部が参照光L3として分岐される。第2受光器33は、参照光L3を測定する。
In the irradiation
第1受光器32が生成する第1検出信号S1と、第2受光器33が生成する第2検出信号S2は、演算処理装置40に供給される。物体光L2および参照光L3は、波長掃引光L1の時間-波長の1対1の対応関係を引き継いでいる。したがって、第1検出信号S1の時間波形は、時間軸を波長に換算することにより、物体光L2のスペクトルに変換できる。同様に、第2検出信号S2の時間波形は、時間軸を波長に換算することにより、参照光L3のスペクトルに変換できる。演算処理装置40は、参照光L3に対する物体光L2の対応する波長ごとの割合を計算し、試料2の分光特性(反射率や透過率)を測定する。
The first detection signal S1 generated by the
図2は、波長掃引光を生成する光源装置20を示す図である。光源装置20は、パルス光源21、波長選択フィルタ22、分割器23、ディレイライン24、カプラ25を備える。
FIG. 2 is a diagram showing a
パルス光源21は、連続スペクトルを有するパルス光を発生する。波長選択フィルタ22は、パルス光に含まれるスペクトル成分のうち、分光に使用する波長帯域を選択する。
分割器23は、アレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)であり、パルス光を、波長に応じて複数n個の経路に分割する。ディレイライン24は、複数の経路の光(分割光)に、異なる遅延を与える。たとえばディレイライン24は、長さが異なる複数のファイバFB1~FBnを含む。カプラ25は、マルチコアファイバやバンドルファイバであり、複数のファイバFB1~FBnから出力される光を空間的に再結合する。再結合された光は、波長掃引光L1として出射される。
The
The
特許文献2には、マルチコアファイバやバンドルファイバであるカプラ25の出射光を、対象物に照射する光学系が開示されている。マルチコアファイバやバンドルファイバから出射する個々のビームはガウシアンの強度分布を有しており、特許文献2の照射光学系は、ビームを、ガウシアンの強度分布を保ったまま、対象物に照射する。
本発明者らは、図2の波長掃引光の光源装置20について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
As a result of studying the wavelength swept light
(課題1)
図3は、波長掃引型の分光装置の課題のひとつ(課題1という)を説明する図である。
波長掃引光L1のビームは、パルスであり、所定位置に繰り返し照射され、対象物(試料)OBJは、搬送手段によって、波長掃引光L1の照射位置を横切るようにして搬送される。図3には、対象物OBJと波長掃引光L1のビームの相対的な位置関係が示される。
(Assignment 1)
FIG. 3 is a diagram illustrating one of the problems (referred to as problem 1) of the wavelength sweeping type spectrometer.
The beam of the wavelength swept light L1 is a pulse, and is repeatedly irradiated to a predetermined position, and the object (sample) OBJ is transported by a transport means so as to cross the irradiation position of the wavelength swept light L1. FIG. 3 shows the relative positional relationship between the object OBJ and the beam of the wavelength swept light L1.
波長掃引光L1が、ガウシアン形状の照度分布を有する場合、ガウシアン分布の裾の部分(たとえば1/e2幅よりも外側)では、強度が不足するため、分光測定に使用できない。したがって、対象物OBJを、端部を含めた全体にわたり検査する場合、図3の上段に示すように、波長掃引光L1の強度分布の1/e2より低い部分(ハッチングを付す)が、対象物OBJよりも外側にはみ出す。はみ出した光が、迷光となって受光器に入射すると測定精度が低下する。また迷光は、対象物OBJを透過しておらず減衰していないため、高強度であり、受光器に入射すると、受光器の信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。 When the wavelength swept light L1 has a Gaussian-shaped illuminance distribution, the tail portion of the Gaussian distribution (for example, outside the 1/e 2 width) has insufficient intensity and cannot be used for spectroscopic measurements. Therefore, when inspecting the entire object OBJ including the edges, as shown in the upper part of FIG . It protrudes outside of the object OBJ. If the protruding light becomes stray light and enters the light receiver, measurement accuracy will decrease. Furthermore, since the stray light does not pass through the object OBJ and is not attenuated, it has high intensity, and if it enters the light receiver, it may adversely affect the reliability of the light receiver.
図3の下段に示すように、対象物OBJの両端に照射されるビームの相対位置を、ビームの裾が対象物OBJに包含されるように、内側にオフセットすることにより、迷光を低減できる。しかしながらこの場合、対象物OBJの両端を検査することができないため、測定可能範囲が狭くなる。また、照射回数Nのスペクトルを積算することにより、S/N比は、√N倍に改善されるところ、図3の下段の状態では、上段の状態に比べて、1個の対象物OBJに対する波長掃引光L1のパルスの照射回数が減ることとなり、S/N比が低下する。 As shown in the lower part of FIG. 3, stray light can be reduced by offsetting the relative positions of the beams irradiated to both ends of the object OBJ inward so that the tails of the beams are included in the object OBJ. However, in this case, since both ends of the object OBJ cannot be inspected, the measurable range becomes narrow. Furthermore, by integrating the spectra for the number of irradiations N, the S/N ratio is improved by a factor of √N. The number of pulses of the wavelength swept light L1 is reduced, and the S/N ratio is reduced.
(課題2)
図4は、波長掃引型の分光装置の課題の別のひとつ(課題2という)を説明する図である。図4には、波長が異なる複数のビームの、対象物OBJの表面(試料面)における強度分布が示される。対象物OBJの厚さdが、照射位置によって異なる場合がある。図4に示すように、波長λ1とλ2のビームが異なる位置に照射されると、波長ごとに感じる厚みd1,d2が異なることとなる。入射光の強度I0と透過光の強度Iとの間には、一般に下式のランベルト・ベールの法則が成り立っている。
-log(I/I0)=ε・c・d
ここで-log(I/I0)は吸光度、εは吸光係数、dは光路長である。光路長すなわち対象物の厚みが一定であれば吸光度は濃度に比例するため、吸光度を測定することで、目的とする物質の濃度を求めることができる。ところが、図4に示すように、対象物OBJの厚みが均一で無く、ビームが波長によって異なる位置に照射される場合、各波長における対象物の厚みが異なるため、吸光度が、対象物OBJに含まれる物質の吸光係数εのみでなく、光路長dの影響を受けることとなり、ただしく吸光度スペクトルを測定できないという問題が生ずる。
(Assignment 2)
FIG. 4 is a diagram illustrating another problem (referred to as problem 2) of the wavelength sweeping type spectrometer. FIG. 4 shows the intensity distribution of a plurality of beams having different wavelengths on the surface (sample surface) of the object OBJ. The thickness d of the object OBJ may vary depending on the irradiation position. As shown in FIG. 4, when beams of wavelengths λ 1 and λ 2 are irradiated to different positions, the perceived thicknesses d 1 and d 2 will be different for each wavelength. Generally, the Beer-Lambert law shown below holds between the intensity I0 of the incident light and the intensity I of the transmitted light.
-log(I/I 0 )=ε・c・d
Here, -log(I/I 0 ) is absorbance, ε is extinction coefficient, and d is optical path length. If the optical path length, that is, the thickness of the object is constant, the absorbance is proportional to the concentration, so by measuring the absorbance, the concentration of the target substance can be determined. However, as shown in FIG. 4, when the thickness of the object OBJ is not uniform and the beam is irradiated to different positions depending on the wavelength, the absorbance is not included in the object OBJ because the thickness of the object at each wavelength is different. This is affected not only by the absorption coefficient ε of the substance being used, but also by the optical path length d, which causes the problem that the absorbance spectrum cannot be measured correctly.
この問題を解決するために、波長が異なる複数のビームを、同じ位置に照射する照射光学系を開示する必要があり、特許文献2に開示されるような特別な光学系が必要となる。
In order to solve this problem, it is necessary to disclose an irradiation optical system that irradiates multiple beams with different wavelengths to the same position, and a special optical system as disclosed in
なお、これらの問題を当業者の一般的な認識として捉えてはならず、本発明者らが独自に認識したものである。 Note that these problems should not be taken as common knowledge among those skilled in the art, but were independently recognized by the present inventors.
本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、上述の課題の少なくともひとつを解決可能な光測定装置の提供にある。 The present disclosure has been made in such a situation, and one exemplary objective of a certain aspect thereof is to provide an optical measurement device that can solve at least one of the above-mentioned problems.
本開示のある態様は、光測定装置に関する。光測定装置は、波長掃引光を発生する光源装置と、波長掃引光を対象物に照射する光学系と、を備える。光源装置は、連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に複数n個(n≧2)のビームに分割する分割器と、n個のビームに異なる遅延を与える複数n本のファイバと、n本のファイバから出力されるn個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、その入射端がカプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、を含む。光学系は、ロッドインテグレータの出射端の光源像を対象物に投影するクリティカル照明系を含む。 A certain aspect of the present disclosure relates to an optical measurement device. The optical measurement device includes a light source device that generates wavelength swept light and an optical system that irradiates a target object with the wavelength swept light. The light source device includes a pulsed light source that generates pulsed light including a continuous spectrum, a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n≧2) according to the wavelength, and a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n≧2) according to the wavelength. A plurality of n fibers that provide different delays, a coupler that is a bundle fiber or multi-core fiber that combines n beams output from the n fibers, and a rod whose input end is coupled to the output end of the coupler. Including an integrator. The optical system includes a critical illumination system that projects a light source image at the output end of the rod integrator onto the object.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。 Note that arbitrary combinations of the above components, and mutual substitution of components and expressions among methods, devices, systems, etc., are also effective as aspects of the present invention or the present disclosure. Furthermore, the description in this section (Means for Solving the Problems) does not describe all essential features of the present invention, and therefore, subcombinations of the described features may also constitute the present invention. .
本開示のある態様によれば、上述の課題の少なくともひとつを解決できる。 According to a certain aspect of the present disclosure, at least one of the above-mentioned problems can be solved.
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
(Summary of embodiment)
1 provides an overview of some example embodiments of the present disclosure. This Summary is intended to provide a simplified description of some concepts of one or more embodiments in order to provide a basic understanding of the embodiments and as a prelude to the more detailed description that is presented later. It does not limit the size. Moreover, this summary is not an exhaustive overview of all possible embodiments, and is not limited to essential components of the embodiments. For convenience, "one embodiment" may be used to refer to one embodiment (example or modification) or multiple embodiments (examples or modifications) disclosed in this specification.
一実施形態に係る光測定装置は、波長掃引光を発生する光源装置と、波長掃引光を対象物に照射する光学系と、を備える。光源装置は、連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に複数n個(n≧2)のビームに分割する分割器と、n個のビームに異なる遅延を与える複数n本のファイバと、n本のファイバから出力されるn個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、その入射端がカプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、を含む。光学系は、ロッドインテグレータの出射端の光源像を対象物に投影するクリティカル照明系を含む。 An optical measuring device according to one embodiment includes a light source device that generates wavelength swept light and an optical system that irradiates a target object with the wavelength swept light. The light source device includes a pulsed light source that generates pulsed light including a continuous spectrum, a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n≧2) according to the wavelength, and a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n≧2) according to the wavelength. A plurality of n fibers that provide different delays, a coupler that is a bundle fiber or multi-core fiber that combines n beams output from the n fibers, and a rod whose input end is coupled to the output end of the coupler. Including an integrator. The optical system includes a critical illumination system that projects a light source image at the output end of the rod integrator onto the object.
カプラからは、ガウシアンの強度分布を持った複数のビームが出射する。この複数のビームがロッドインテグレータを通過することにより、ロッドインテグレータの出射端において、各ビームは、ガウシアン分布に比べて平坦な、トップハット型のビームプロファイルを有することとなる。したがって、ロッドインテグレータの出射端には、波長が異なる複数のビームが均一な強度分布で重ね合わされた光源像が発生する。この光源像を、クリティカル照明系によってそのまま対象物の表面(試料面)に照射することで、複数の波長が同一箇所、同一範囲に、均一な照度分布で照射される。トップハット型のビームは、ガウシアンビームに比べて、裾の部分のエネルギーが小さいため、ビームの照射位置を対象物の端に寄せたとしても、迷光を抑制できる。 Multiple beams with Gaussian intensity distribution are emitted from the coupler. As the plurality of beams pass through the rod integrator, each beam has a top-hat beam profile that is flatter than the Gaussian distribution at the output end of the rod integrator. Therefore, a light source image in which a plurality of beams having different wavelengths are superimposed with a uniform intensity distribution is generated at the output end of the rod integrator. By directly irradiating this light source image onto the surface of the object (sample surface) using the critical illumination system, a plurality of wavelengths are irradiated to the same location and the same range with a uniform illuminance distribution. A top-hat beam has less energy at the bottom than a Gaussian beam, so even if the beam irradiation position is moved to the edge of the object, stray light can be suppressed.
なお、本明細書において、「トップハット型のビームプロファイル」とは、完全なトップハット型であることを意味するのではなく、トップハット型に準ずるプロファイルを含みうる。トップハット型のビームプロファイルは、裾(エッジ)の急峻性と、ピークの平坦性という2つの特徴を具備しており、課題1に関連して、裾の急峻性が重要であり、課題2に関連して、ピークの平坦性が重要となる。
Note that in this specification, a "top-hat beam profile" does not mean a complete top-hat shape, but may include a profile similar to a top-hat shape. A top-hat beam profile has two characteristics: a steep edge and a flat peak.Related to
たとえば対象物が平坦である場合、課題1だけを主眼に置くことができ、その場合、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくとも裾の急峻性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。
For example, if the object is flat,
あるいは、迷光対策が十分になされた装置の場合には、課題2のみを主眼に置くことができ、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくともピークの平坦性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。
Alternatively, in the case of a device with sufficient measures against stray light, only
一実施形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性が0.2以下であり、平坦性が25%以下のものを指してもよい。 In one embodiment, a top-hat beam profile may refer to an edge steepness of 0.2 or less and a flatness of 25% or less.
急峻性は、強度分布のピークを100%で正規化したときの、強度40%に対応するビーム幅(40%幅)と、強度10%に対応するビーム幅(10%幅)を用いて以下のように定義するものとする。
急峻性=(10%幅-40%幅)/10%幅
The steepness is calculated as follows using the beam width corresponding to 40% intensity (40% width) and the beam width corresponding to 10% intensity (10% width) when the peak of the intensity distribution is normalized to 100%. It shall be defined as follows.
Steepness = (10% width - 40% width) / 10% width
また平坦性は、強度が40%以上の範囲(40%幅内)におけるCV値(変動係数:Coefficient of Variation)で定義する。 Further, flatness is defined by the CV value (Coefficient of Variation) in a range where the intensity is 40% or more (within a 40% width).
一実施形態において、ロッドインテグレータの断面は、多角形であってもよい。ロッドインテグレータは、円形に近いほど、トップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長が長くなる。反対に、三角形や四角形の断面では、同じトップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長は短くできるが、カプラとのアライメントに高い精度が要求される。それらのバランスを考慮すると、五角形~八角形の断面が好適である。 In one embodiment, the cross section of the rod integrator may be polygonal. The closer the rod integrator is to a circle, the longer the rod length required to obtain a top-hat beam profile. Conversely, a triangular or rectangular cross section can shorten the rod length required to obtain the same top-hat beam profile, but requires high accuracy in alignment with the coupler. Considering these balances, a pentagonal to octagonal cross section is preferable.
一実施形態において、ロッドインテグレータは、六角形の断面を有してもよい。この場合、要求されるカプラとのアライメント精度を緩和しつつ、トップハット型のビームプロファイルを得るために必要なロッド長を短縮できる。 In one embodiment, the rod integrator may have a hexagonal cross section. In this case, it is possible to reduce the required rod length to obtain a top-hat beam profile while easing the required alignment accuracy with the coupler.
一実施形態において、ロッドインテグレータの長さは100mmより長くてもよい。これにより、十分に平坦なビームプロファイルを得ることができる。 In one embodiment, the length of the rod integrator may be greater than 100 mm. This makes it possible to obtain a sufficiently flat beam profile.
一実施形態において、ロッドインテグレータの長さは500mmより短くてもよい。たとえば円形のロッドインテグレータを用いて、トップハット側のビームプロファイルを実現しようとすると、500mmを超えるロッド長が必要となるが、このように長いロッドインテグレータは、自重による曲がり損失が問題となり、また長いロッドインテグレータを高精度に位置決めして支持することは容易ではない。ロッドインテグレータの長さを500mm、好ましくは200mm以下とすれば、自重による曲がりを抑制でき、また高精度に位置決めして支持することが容易となる。 In one embodiment, the length of the rod integrator may be less than 500 mm. For example, if you try to achieve a top hat beam profile using a circular rod integrator, you will need a rod length of over 500mm, but such a long rod integrator poses a problem of bending loss due to its own weight, and the length of the rod is also long. It is not easy to position and support rod integrators with high precision. If the length of the rod integrator is 500 mm, preferably 200 mm or less, bending due to its own weight can be suppressed, and it becomes easy to position and support with high precision.
(実施形態)
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
Hereinafter, the present disclosure will be described based on preferred embodiments with reference to the drawings. Identical or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are designated by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate. Further, the embodiments are illustrative rather than limiting the disclosure, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the disclosure.
図面に記載される各部材の寸法(厚み、長さ、幅など)は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Aが、別の部材Bよりも厚く描かれていても、部材Aが部材Bよりも薄いこともあり得る。 The dimensions (thickness, length, width, etc.) of each member described in the drawings may be scaled up or down as appropriate for ease of understanding. Furthermore, the dimensions of multiple members do not necessarily represent their size relationship, and even if a member A is drawn thicker than another member B on a drawing, member A may be drawn thicker than member B. It may be thinner than that.
図5は、実施形態に係る光測定装置100を示す図である。光測定装置100は、光源装置200、照射光学系310、受光装置320、演算処理装置400を備える。
FIG. 5 is a diagram showing the
光源装置200は、波長が経時的に変化する波長掃引光L1を発生する。波長掃引光L1は、時間と波長が一対一の関係で対応付けられる。これを波長掃引光L1は「波長の一意性を有する」という。
The
光源装置200は、パルス光源210およびパルスストレッチャ220を備える。
The
パルス光源210は、広帯域な連続スペクトルを有する広帯域パルス光L1aを出射する。広帯域パルス光L1aのスペクトルは、たとえば900nm~1300nmの範囲において、少なくとも10nm、好ましくは50nm、より好ましくは100nmの波長域にわたって連続している。広帯域パルス光L1aの波長域の幅は、分光に必要な波長域をカバーしていればよい。
The pulsed
たとえばパルス光源210は、超短パルスレーザと、非線形素子を含みうる。超短パルスレーザとしては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等が例示される。
For example, the pulsed
非線形素子は、非線形現象によって、超短パルスレーザが生成する超短パルスのスペクトル幅をさらに広げる。非線形素子としてはファイバが好適であり、たとえば、フォトニッククリスタルファイバやその他の非線形ファイバを用いることができる。ファイバのモードとしてはシングルモードの場合が好適であるが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、使用することができる。 The nonlinear element further widens the spectral width of the ultrashort pulses generated by the ultrashort pulse laser through nonlinear phenomena. A fiber is suitable as the nonlinear element, and for example, a photonic crystal fiber or other nonlinear fiber can be used. Although it is preferable to use a single mode as the fiber mode, a multimode fiber can also be used as long as it exhibits sufficient nonlinearity.
パルス光源210として、SLD(Superluminescent Diode)光源のような他の広帯域パルス光源を使用してもよい。
Other broadband pulsed light sources, such as a superluminescent diode (SLD) light source, may also be used as the pulsed
非線形素子から出力される広帯域パルス光L1aは、フェムト秒~ナノ秒オーダーのパルス幅を有する。 The broadband pulsed light L1a output from the nonlinear element has a pulse width on the order of femtoseconds to nanoseconds.
パルスストレッチャ220は、広帯域パルス光L1aのパルス幅を伸長し、波長掃引光L1を出力する。パルスストレッチャ220は、分割器222、ディレイライン224、カプラ226、ロッドインテグレータ228を備える。
The
分割器222は、広帯域パルス光L1aを、波長に応じて複数n個(n≧2)のビームに分割する。分割器222の構成は特に限定されないが、たとえばアレイ導波路回折格子(AWG)で構成することができる。
The
ディレイライン224は、複数n本のファイバFB1~FBnを含む。ファイバFB1~FBnは、異なる長さを有し、分割器222によって分割された複数のビームに対して、異なる遅延を与える。
The
分割前の広帯域パルス光L1aが、時間とともに周波数が上昇する(波長が短くなる)正のチャープパルス(アップチャープパルス)であるとする。この場合、パルスの前縁部に最長波長λ1の成分が含まれ、パルスの後縁部に最短波長λnの成分が含まれている。 It is assumed that the broadband pulsed light L1a before division is a positive chirp pulse (up-chirp pulse) whose frequency increases (wavelength decreases) with time. In this case, the leading edge of the pulse contains a component with the longest wavelength λ 1 and the trailing edge of the pulse contains a component with the shortest wavelength λ n .
複数のファイバFB1~FBnは、異なる長さl1~lnを有している。λ1が最長波長、λnが最短波長であるとすると、波長掃引光L1を、広帯域パルス光L1aと同じ正のチャープパルスとするためには、11<l2<…<lnの関係を満たしていればよい。
一例として、n=20の場合、20本のファイバFBの長さl1~l20は、1m~20mまで、1m刻みで増加してもよい。
The plurality of fibers FB1 to FBn have different lengths l 1 to l n . Assuming that λ 1 is the longest wavelength and λ n is the shortest wavelength, in order to make the wavelength swept light L1 the same positive chirped pulse as the broadband pulsed light L1a, the
As an example, if n=20, the lengths l 1 to l 20 of the 20 fibers FB may increase in 1 m increments from 1 m to 20 m.
ファイバFB1~FBnは、波長毎に異なる群遅延特性を有する必要はなく、同一のファイバ(同一のコア/クラッド材料のファイバ)を使用することができる。この意味で、ファイバFBは、マルチモードファイバを使用することが可能であり、この場合、意図しない非線形光学効果を防止することができる点において有利である。 Fibers FB1 to FBn do not need to have different group delay characteristics for each wavelength, and the same fiber (fiber with the same core/clad material) can be used. In this sense, fiber FB can be a multimode fiber, which is advantageous in that unintended nonlinear optical effects can be prevented.
カプラ226は、ディレイライン224によって異なる遅延が付与された複数のビームを再結合する。たとえばカプラ226は、n個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバである。
The
ロッドインテグレータ228は、その入射端がカプラ226の出射端と光学的に結合され、ビームプロファイルを平滑化するホモジナイザとして機能する。
The
図6は、カプラ226およびロッドインテグレータ228を示す斜視図である。カプラ226は、複数のファイバ227を含み、各ファイバ227には、異なる波長λ1,λ2,…λnのビームが伝搬する。各ファイバ227内を、ビームは単一横モード(シングルモード)で伝搬し、ファイバ227の出射端において、各ビームのプロファイルは、ガウシアン分布を有する。各波長のビームは、ロッドインテグレータ228の入射端の異なる位置に入射する。
FIG. 6 is a perspective view of
図7は、カプラ226およびロッドインテグレータ228の断面図である。この例では、カプラ226は、60本のファイバ227を含んでおり、それらがロッドインテグレータ228の断面にわたり分布している。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
図8は、ロッドインテグレータ228によるプロファイル変換を説明する図である。図8には、i番目の波長λiと、j番目の波長λjのビームBMi,BMjのみが示される。ファイバ227から出射したガウシアンビームは、ロッドインテグレータ228内を伝搬する。ロッドインテグレータ228を伝搬する際に、ビームはマルチモード化し、ビームのサイズは、ロッドインテグレータ228の出射端229において、ロッドインテグレータ228の断面の大きさまで大きくなる。各ビームBMi,BMjの出射端におけるプロファイルは、トップハット型に近づく。
FIG. 8 is a diagram illustrating profile conversion by the
以上が光源装置200の構成である。
The above is the configuration of the
図9は、波長掃引光L1を示す図である。図9の上段は、波長掃引光L1の強度(時間波形)IWS(t)を、下段は波長掃引光L1の波長λの時間変化を示す。この例において、波長掃引光L1は1個のパルス光であり、その前縁部において主波長がλ1、後縁部において主波長がλnであり、1パルス内で波長がλ1からλnの間で経時的に変化する。この例では、波長掃引光L1は、時間とともに振動数が増加する、言い換えると時間とともに波長が短くなる正のチャープパルス(λ1>λn)である。なお、波長掃引光L1は、時間とともに波長が長くなる負のチャープパルスであってもよい(λ1<λn)。後述するように、波長掃引光L1は、波長ごとに、時間的に孤立したパルス(波束)からなるパルス列であってもよい。 FIG. 9 is a diagram showing the wavelength swept light L1. The upper part of FIG. 9 shows the intensity (temporal waveform) I WS (t) of the wavelength swept light L1, and the lower part shows the temporal change in the wavelength λ of the wavelength swept light L1. In this example, the wavelength swept light L1 is one pulsed light, and the dominant wavelength is λ 1 at the leading edge, and the dominant wavelength is λ n at the trailing edge, and the wavelength changes from λ 1 to λ within one pulse. n changes over time. In this example, the wavelength swept light L1 is a positive chirped pulse (λ 1 >λ n ) whose frequency increases with time, in other words, whose wavelength decreases with time. Note that the wavelength swept light L1 may be a negative chirped pulse whose wavelength becomes longer with time (λ 1 <λ n ). As described later, the wavelength swept light L1 may be a pulse train consisting of temporally isolated pulses (wave packets) for each wavelength.
図5に戻る。照射光学系310は、クリティカル照明系312、ビームスプリッタ314、ミラー316を備える。
Return to Figure 5. The irradiation
クリティカル照明系312は、ロッドインテグレータ228の出射端229の光源像を試料2の表面(試料面)に投影する。
The
ビームスプリッタ314は、波長掃引光L1の一部を、試料2に向ける。またビームスプリッタ314は、波長掃引光L1の一部を参照光L3として取り出す。ミラー316は、参照光L3を受光装置320に向ける。
The
受光装置320は、第1受光器322、第2受光器324、A/Dコンバータ326,328を含む。第1受光器322は、波長掃引光L1を試料2に照射して得られる物体光L2を検出する。物体光L2は、反射光であってもよいし、透過光であってもよい。
The
A/Dコンバータ326は、第1受光器322の出力信号S1をデジタル信号D1に変換する。第2受光器324は、参照光L3を検出する。A/Dコンバータ328は、第2受光器324の出力信号S2をデジタル信号D2に変換する。デジタル信号D1が示す物体光L2の時間波形IOBJ(t)およびデジタル信号D2が示す参照光L3の時間波形IREF(t)は、演算処理装置400に取り込まれる。
The A/
波長掃引型の分光法では、波長掃引光L1における時刻と波長は1対1の対応関係を有する。この対応関係は、当然ながら参照光L3も有しており、また物体光L2にも引き継がれる。この時間と波長の対応関係を利用して、演算処理装置400は、物体光L2の時間波形IOBJ(t)を、周波数ドメインのスペクトルIOBJ(λ)に変換する。また演算処理装置400は、参照光L3の時間波形IREF(t)を、スペクトルに変換し、適切にスケーリングすることで、参照スペクトルIREF(λ)を計算する。
In the wavelength-swept spectroscopy, there is a one-to-one correspondence between time and wavelength in the wavelength-swept light L1. Naturally, this correspondence relationship also applies to the reference light L3 and also to the object light L2. Using this correspondence between time and wavelength, the
演算処理装置400の処理は特に限定されないが、一例として演算処理装置400は、参照スペクトルIREF(λ)と物体光L2のスペクトルIOBJ(λ)にもとづいて、対象物OBJの透過率T(λ)もしくは反射率R(λ)を計算することができる。
T(λ)=IOBJ(λ)/IREF(λ)
R(λ)=IOBJ(λ)/IREF(λ)
Although the processing of the
T(λ)=I OBJ (λ)/I REF (λ)
R(λ)=I OBJ (λ)/I REF (λ)
図10は、図5の光測定装置100による分光を説明する図である。上述のように、波長掃引光L1は、時間tと波長λが1対1で対応しているから、その時間波形IREF(t)は、周波数ドメインのスペクトルIREF(λ)に変換することができる。
FIG. 10 is a diagram illustrating spectroscopy by the
物体光L2の時間波形IOBJ(t)も、時間tと波長λが1対1で対応したものとなる。したがって演算処理装置400は、受光装置320の出力が示す物体光L2の波形IOBJ(t)を、物体光L2のスペクトルIOBJ(λ)に変換することができる。
The time waveform I OBJ (t) of the object light L2 also has a one-to-one correspondence between the time t and the wavelength λ. Therefore, the
演算処理装置400は、2つのスペクトルIOBJ(λ)とIREF(λ)の比IOBJ(λ)/IREF(λ)にもとづいて、対象物OBJの透過スペクトルT(λ)を計算することができる。
The
波長掃引光L1における時間tの波長λの関係が、λ=f(t)なる関数で表されるとする。最も簡易には、波長λは、時間tに対して、一次関数にしたがってリニアに変化する。物体光L2の時間波形IOBJ(t)が、ある時刻txにおいて低下するとき、透過スペクトルT(λ)は、波長λx=f(tx)に吸収スペクトルを有することを意味する。 It is assumed that the relationship between the wavelength λ and the time t in the wavelength swept light L1 is expressed by a function λ=f(t). Most simply, the wavelength λ varies linearly with time t according to a linear function. When the time waveform I OBJ (t) of the object light L2 decreases at a certain time t x , the transmission spectrum T (λ) means that it has an absorption spectrum at the wavelength λ x = f (t x ).
なお、演算処理装置400における処理はこれに限定されない。時間の2つの時間波形IOBJ(t)とIREF(t)の比T(t)=IOBJ(t)/IREF(t)を演算した後に、この時間波形T(t)の変数tをλに変換することで、透過スペクトルT(λ)を算出してもよい。
Note that the processing in the
続いて光測定装置100の利点を説明する。
Next, the advantages of the
図11は、試料2の表面に照射される波長掃引光L1の強度分布を説明する図である。
上述のように、ロッドインテグレータ228の出射端229において、波長λ1~λnそれぞれのビームBM1~BMnは、トップハット形状のプロファイルを有しており、出射端229の光源像となる。クリティカル照明系312は、この光源像を、強度分布を維持したまま、試料2の表面に投影する。なおクリティカル照明系312は、出射端229のサイズと、試料2のサイズに応じた倍率を有してよく、したがって拡大投影あるいは縮小投影してもよい。試料2の表面には、波長掃引光L1として、トップハット型の照度分布を有する波長の異なる複数のビームが順次照射される。
FIG. 11 is a diagram illustrating the intensity distribution of the wavelength swept light L1 irradiated onto the surface of the
As described above, at the
図12は、光測定装置100による第1の効果を説明する図である。第1の効果は、課題1に対応している。図12には、対象物OBJと波長掃引光L1のビームの相対的な位置関係が示される。上述のように波長掃引光L1は、対象物OBJを動かしながら、複数回にわたり照射される。対象物OBJの表面に照射されるビームは、トップハット形状の強度分布を有しているため、ビームを対象物OBJの端部に寄せて照射しても、迷光のエネルギーは小さい。したがって、迷光に起因する上述の課題1を解決することができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating the first effect of the
図13は、光測定装置100による第2の効果を説明する図である。第2の効果は、課題2に対応している。本実施形態では、クリティカル照明系312を利用して、ロッドインテグレータ228の出射端229の照明像がそのまま、対象物OBJの表面に投影される。したがって、複数の波長のビームは、実質的に同一箇所に、トップハット形状の強度分布で照射される。これにより、波長の異なるビームは、同じ厚さを感じることとなり、上述の課題2を解決することができる。
FIG. 13 is a diagram illustrating the second effect of the
続いて、ロッドインテグレータ228の設計について説明する。上述のように、ロッドインテグレータ228は、複数の波長のビームが、出射端229においてトップハット型のビームプロファイルをもつように設計される。そこでトップハット型のビームプロファイルについて説明する。
Next, the design of the
図14は、トップハット型のビームプロファイルを説明する図である。本実施形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性と、トップの平坦性の2つの観点から定義することができる。 FIG. 14 is a diagram illustrating a top-hat type beam profile. In this embodiment, the top-hat beam profile can be defined from two viewpoints: edge steepness and top flatness.
「トップハット型のビームプロファイル」は、完全なトップハット型であることを意味するのではなく、図14に示すようなトップハット型に準ずるプロファイルを含みうる。
トップハット型のビームプロファイルは、裾(エッジ)の急峻性と、ピークの平坦性という2つの特徴から把握することができる。課題1に関連して、裾の急峻性が重要であり、課題2に関連して、ピークの平坦性が重要となる。
A "top hat beam profile" does not mean a complete top hat shape, but may include a profile similar to a top hat shape as shown in FIG. 14.
A top-hat beam profile can be understood from two characteristics: the steepness of the skirt (edge) and the flatness of the peak. Regarding
たとえば対象物が平坦である場合、課題1だけを主眼に置くことができ、その場合、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくとも裾の急峻性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。
For example, if the object is flat,
あるいは、迷光対策が十分になされた装置の場合には、課題2のみを主眼に置くことができ、ロッドインテグレータの出射端の強度分布は、少なくともピークの平坦性を具備していればよく、そのようなものもトップハット型に準ずるビームプロファイルに含まれる。
Alternatively, in the case of a device with sufficient measures against stray light, only
急峻性は、強度分布のピークを100%で正規化したときの、強度40%に対応するビーム幅(40%幅)と、強度10%に対応するビーム幅(10%幅)を用いて以下のように定義するものとする。
急峻性=(10%幅-40%幅)/10%幅
The steepness is calculated as follows using the beam width corresponding to 40% intensity (40% width) and the beam width corresponding to 10% intensity (10% width) when the peak of the intensity distribution is normalized to 100%. It shall be defined as follows.
Steepness = (10% width - 40% width) / 10% width
課題1を解決するためには、エッジの急峻性が0.2以下であることが好ましい。言い換えると、本実施の形態において、トップハット型のビームプロファイルは、エッジの急峻性が0.2以下であるものをいう。
In order to solve
平坦性は、強度が40%以上の範囲(40%幅内)におけるCV値(変動係数:Coefficient of Variation)で定義するものとする。 Flatness shall be defined by the CV value (Coefficient of Variation) in a range where the intensity is 40% or more (within a 40% width).
課題2を解決するためには、ピークの平坦性が25%以下であることが好ましい。言い換えると、本実施の形態において、トップハット型のビームプロファイルは、平坦性が25%以下であるものをいう。
In order to solve
続いて、ビームプロファイルの評価の具体例を説明する。図15は、実施形態に係る光測定装置100により生成される照射光のビームプロファイルの測定結果を示す図である。ロッドインテグレータ228は、0.69mmの円に外接する正六角形の断面を有し、長さは100mmである。クリティカル照明系312は、焦点距離750mmの2枚のレンズで構成され、ロッドインテグレータ228の出射端229の照明像を、イメージセンサの撮像面に等倍で投影している。
Next, a specific example of beam profile evaluation will be explained. FIG. 15 is a diagram showing measurement results of the beam profile of irradiation light generated by the
上述したように、ロッドインテグレータ228内を光がマルチモード伝搬するため、出射端229における照明像には、スペックルが生じる。したがって、それを結像した撮像面(すなわち試料面)のプロファイルもまだら模様が生ずる。したがって、ビームが、トップハット型のプロファイルをもつかどうかを評価する際には、このスペックルの影響をスムージング処理により取り除く必要がある。
As described above, since light propagates in multiple modes within the
スムージング処理の手法は特に限定されないが、以下、その一例を説明する。 Although the method of smoothing processing is not particularly limited, an example thereof will be described below.
図16は、ビームプロファイルのスムージング処理を説明する図である。処理S100において、処理前の元データのスペックルの大きさ(全幅)Δを取得する。この例では、処理S100の右図に示すように、1つのスペックルはおおよそ5ピクセルにわたり広がりをもつ。 FIG. 16 is a diagram illustrating beam profile smoothing processing. In process S100, the speckle size (full width) Δ of the original data before processing is obtained. In this example, one speckle spreads over approximately 5 pixels, as shown in the right diagram of process S100.
処理S102において、元データと、元データを+方向にΔピクセル分、シフトしたデータと、元データを-方向にΔピクセル分、シフトしたデータと、を平均する。この際、重み付け平均をとってもよい。 In process S102, the original data, the data obtained by shifting the original data by Δ pixels in the + direction, and the data obtained by shifting the original data by Δ pixels in the − direction are averaged. At this time, a weighted average may be taken.
処理S104において2Δの幅をもつウィンドウを用いて、移動平均をとる。この例でΔ=5ピクセルであるから、10ピクセルの移動平均処理が行われることとなる。そして処理S106において、ピークが1(100%)となるように規格化する。 In process S104, a moving average is taken using a window with a width of 2Δ. In this example, since Δ=5 pixels, moving average processing of 10 pixels will be performed. Then, in step S106, the peak is normalized to 1 (100%).
以上がビームプロファイルの平滑化処理の一例である。当業者によれば、平滑化の手法がこれに限定されないことが理解される。たとえば処理S102とS104は入れ替えてもよい。また最終的に規格化するため、処理S102は、単純加算であってもよい。 The above is an example of beam profile smoothing processing. Those skilled in the art will understand that the smoothing technique is not limited to this. For example, processes S102 and S104 may be interchanged. Furthermore, for final standardization, the process S102 may be simple addition.
別の平滑化の手法としては、画像データを周波数領域の情報に変換してフィルタリングしてもよい。あるいは、スペックルの幅よりも大きな画素ピッチを有するイメージセンサを用いてビームプロファイルを評価してもよい。 As another smoothing method, image data may be converted to frequency domain information and filtered. Alternatively, the beam profile may be evaluated using an image sensor having a pixel pitch larger than the speckle width.
続いて、断面形状や長さが異なるロッドインテグレータ228について検討した結果を説明する。
Next, the results of studies on
図17は、波長の異なる複数のビームのプロファイルを示す図である。測定は、図15で説明したものと同じ条件で行っている。チャンネル番号は、図7のファイバの位置の番号と対応しており、均一化されにくい外周部のチャネルについて示している。各チャンネルの左の図は、平滑化処理前のプロファイルを、右の図は、平滑化処理後のプロファイルを示している。 FIG. 17 is a diagram showing the profiles of multiple beams with different wavelengths. The measurements were performed under the same conditions as described in FIG. 15. The channel numbers correspond to the fiber position numbers in FIG. 7, and indicate channels on the outer periphery where uniformity is difficult to achieve. The figure on the left of each channel shows the profile before the smoothing process, and the figure on the right shows the profile after the smoothing process.
平滑化処理後のプロファイルについて、エッジの急峻性と、ピークの平坦性を評価した結果は以下の通りである。 The results of evaluating the steepness of edges and flatness of peaks for the profile after smoothing processing are as follows.
・CH01
X方向急峻性 0.08
Y方向急峻性 0.07
X方向平坦性 15.5%
Y方向平坦性 16.0%
・CH01
X direction steepness 0.08
Y direction steepness 0.07
X direction flatness 15.5%
Y direction flatness 16.0%
・CH02
X方向急峻性 0.108
Y方向急峻性 0.067
X方向平坦性 15.3%
Y方向平坦性 16.9%
・CH02
X direction steepness 0.108
Y direction steepness 0.067
X direction flatness 15.3%
Y direction flatness 16.9%
・CH03
X方向急峻性 0.090
Y方向急峻性 0.105
X方向平坦性 15.8%
Y方向平坦性 16.0%
・CH03
X direction steepness 0.090
Y direction steepness 0.105
X direction flatness 15.8%
Y direction flatness 16.0%
・CH04
X方向急峻性 0.090
Y方向急峻性 0.080
X方向平坦性 20.6%
Y方向平坦性 20.6%
・CH04
X direction steepness 0.090
Y direction steepness 0.080
X direction flatness 20.6%
Y direction flatness 20.6%
続いて、ロッドインテグレータ228によるプロファイル変換の長さの依存性について説明する。
Next, the length dependence of profile conversion by the
図18は、断面が六角形のロッドインテグレータ228により得られるビームプロファイルを示す図である。ロッドインテグレータ228の長さを、50mm、100mm、150mmと変化させて、出射端229におけるビームプロファイルをシミュレーションした。シミュレーションではマルチモードを考慮できないため実測のような複数ピークを有するまだら状の強度分布とはならないが、傾向は実測とよく一致する。
FIG. 18 is a diagram showing a beam profile obtained by a
断面が六角形のロッドインテグレータでは、長さが50mmでは、ピーク部分において非対称性が見られるが、実用上は十分に平坦であると言える。 In a rod integrator with a hexagonal cross section, when the length is 50 mm, asymmetry is seen at the peak portion, but it can be said to be sufficiently flat for practical use.
続いて、さまざまな断面形状のロッドインテグレータ228について検討した結果を説明する。円、三角形、四角形、五角形について検討した。
Next, the results of studies on
図19は、ロッドインテグレータ228の断面図である。図中、入射端において、チャンネルCH03とCH05の位置に結合するビームについて、出射端におけるビームプロファイルをシミュレーションにより計算した。ロッドインテグレータ228の長さは、50mm、100mm、150mmとした。
FIG. 19 is a cross-sectional view of the
図20は、断面が円のロッドインテグレータ228によって得られるビームプロファイルを示す図である。円形のロッドインテグレータ228は、均一化に必要な長さが、六角形や他の形状に比べて長くなる。また、150mmまで長くしても、中央部分の強度が弱いドーナツ状となっており、同じ長さの他の形状と比べて、平坦性で劣っている。
FIG. 20 is a diagram showing a beam profile obtained by a
図21は、断面が三角形のロッドインテグレータ228によって得られるビームプロファイルを示す図である。三角形の場合は、短い長さで平坦化が可能である。しかし、カプラ226とロッドインテグレータ228の位置ズレ(カプラ226とロッドインテグレータ228の中心位置のズレ)や方向ズレ(回転ズレ)に対してシビアであるため、ズレに対して、厳しい制限が必要となる。また円形のバンドルファイバを内包するには、1辺が、バンドル直径×√3の長さの三角形が必要となり、大きい光学系が必要になる。
FIG. 21 is a diagram showing a beam profile obtained by a
図22は、断面が四角形のロッドインテグレータ228によって得られるビームプロファイルを示す図である。四角形も、三角形と同様に、短い長さで平坦化できる。しかしながら、三角形と同様に、四角形も、位置ズレ、方向ズレの影響が大きい。
Figure 22 shows the beam profile obtained by a
図23は、断面が五角形のロッドインテグレータ228によって得られるビームプロファイルを示す図である。五角形の場合、均一化に必要な長さは、三角形や四角形よりも長いが、円形よりは短くて済む。三角形や四角形に比べ、位置ズレや方向ズレがビームプロファイルに与える影響は小さいといえる。
FIG. 23 is a diagram showing a beam profile obtained by a
以上をまとめると、断面が円形に近いほど、平坦なプロファイルを得るために必要なロッドインテグレータ228の長さは長くなり、三角形に近いほど、必要なロッドインテグレータ228は短くて済む。
To summarize the above, the closer the cross section is circular, the longer the length of the
位置ズレや方向ズレについては、円形がもっとも影響を受けにくく、三角形に近いほど、位置ズレや方向ズレに対してシビアとなる。これは、三角形は点対称でなく、四角形も対角線の長さと、中点を結ぶ線分の長さの違いが大きいからである。 Circles are least susceptible to misalignment and directional misalignment, and the closer they are to triangles, the more severe the effects of misalignment and directional misalignment. This is because triangles are not point-symmetric, and in the case of quadrilaterals, there is a large difference between the length of the diagonals and the length of the line segment connecting the midpoints.
そのため、三角形や四角形のロッドインテグレータ228を採用すると、試料2の搬送ズレ、具体的には位置ズレ(搬送方向に対し垂直方向のズレ)や角度ズレ(搬送方向のズレ)により、各ビームの試料2内の通過距離が異なることとなり、測定再現性に影響が生じる可能性がある。特に、試料2の形状や凹凸に対して比較的大きい照射径で照射する場合、影響が顕著になる。
Therefore, if a triangular or
この観点において、ロッドインテグレータ228の断面は円形に近い方が、上記のような搬送ズレによる影響が少ないが、円形は均一化に必要な長さが長く、100mm程度では均一化が不十分である。
From this point of view, the closer the cross section of the
一方、五角形や六角形では、100mmでもある程度均一化できている。特に六角形は線対象であり点対称で円形に近いため、ロッドインテグレータ228の断面として好適である。
On the other hand, in the case of pentagons and hexagons, even 100 mm can be made uniform to some extent. In particular, a hexagonal shape is line symmetrical, point symmetrical, and close to a circle, so it is suitable as the cross section of the
特に、φ1mm以下の細い、また数百mm以上の長いロッドを保持することは実用上、容易ではない。このようなロッドは自重による曲がりが損失をもたらす。曲がりを低減するためには、支持部の個数を増やす必要があるが、ガラスより屈折率が高い接着剤等で保持することになるため保持部で光が漏れて損失が増えるという問題がある。この観点から実用上は、ロッドインテグレータ228は、長くても500mm以下、好ましくは200mm以下とする。六角形のロッドインテグレータ228では、50mm~100mmで、実用に耐えうるビームプロファイルが得られるため、ロッドインテグレータ228を追加したことによる損失を抑制できる。
In particular, it is practically not easy to hold a thin rod with a diameter of 1 mm or less or a long rod with a diameter of several hundred mm or more. Such rods cause losses due to bending due to their own weight. In order to reduce bending, it is necessary to increase the number of supporting parts, but since it is held with an adhesive or the like having a higher refractive index than glass, there is a problem that light leaks from the holding parts and increases loss. From this point of view, in practical terms, the
本開示に係る実施形態について、具体的な用語を用いて説明したが、この説明は、理解を助けるための例示に過ぎず、本開示あるいは請求の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって規定されるものであり、したがって、ここでは説明しない実施形態、実施例、変形例も、本発明の範囲に含まれる。 Although the embodiments of the present disclosure have been described using specific terms, this description is merely an example to aid understanding, and does not limit the scope of the present disclosure or claims. The scope of the present invention is defined by the claims, and therefore embodiments, examples, and modifications not described here are also included within the scope of the present invention.
L1 波長掃引光
L1a 広帯域パルス光
L2 物体光
2 試料
L3 参照光
100 光測定装置
200 光源装置
210 パルス光源
220 パルスストレッチャ
222 分割器
FB ファイバ
224 ディレイライン
226 カプラ
228 ロッドインテグレータ
229 出射端
310 照射光学系
312 クリティカル照明系
314 ビームスプリッタ
316 ミラー
320 受光装置
322 第1受光器
324 第2受光器
326,328 A/Dコンバータ
400 演算処理装置
L1 Wavelength swept light L1a Broadband pulsed light
Claims (5)
前記波長掃引光を対象物に照射する光学系と、
を備え、
前記光源装置は、
連続スペクトルを含むパルス光を生成するパルス光源と、
前記パルス光を、波長に応じて空間的に複数n個(n≧2)のビームに分割する分割器と、
前記n個のビームに異なる遅延を与える複数n本のファイバと、
前記n本のファイバから出力される前記n個のビームを合波するバンドルファイバまたはマルチコアファイバであるカプラと、
その入射端が前記カプラの出射端と結合されたロッドインテグレータと、
を含み、
前記光学系は、前記ロッドインテグレータの出射端の光源像を前記対象物に投影するクリティカル照明系を含むことを特徴とする光測定装置。 a light source device that generates wavelength swept light;
an optical system that irradiates the target object with the wavelength swept light;
Equipped with
The light source device includes:
a pulsed light source that generates pulsed light including a continuous spectrum;
a splitter that spatially splits the pulsed light into a plurality of n beams (n≧2) according to wavelength;
a plurality of n fibers giving different delays to the n beams;
a coupler that is a bundle fiber or a multi-core fiber that combines the n beams output from the n fibers;
a rod integrator whose input end is coupled to the output end of the coupler;
including;
The optical measurement device is characterized in that the optical system includes a critical illumination system that projects a light source image at the output end of the rod integrator onto the object.
4. The optical measuring device according to claim 1, wherein the length of the rod integrator is shorter than 500 mm.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022-150349 | 2022-09-21 | ||
JP2022150349A JP2024044673A (en) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | Optical measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024062790A1 true WO2024062790A1 (en) | 2024-03-28 |
Family
ID=90454249
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2023/029016 WO2024062790A1 (en) | 2022-09-21 | 2023-08-09 | Optical measurement device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024044673A (en) |
WO (1) | WO2024062790A1 (en) |
Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001083472A (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-30 | Nikon Corp | Optical modulating device, light source device and exposure source |
JP2002350914A (en) * | 2001-05-30 | 2002-12-04 | Nikon Corp | Light source device and irradiation device |
JP2003051438A (en) * | 2001-08-06 | 2003-02-21 | Nikon Corp | Reflecting member, method of adjusting the same, aligner method of manufacturing the same, and method of manufacturing microdevice |
JP2003059799A (en) * | 2001-08-10 | 2003-02-28 | Nikon Corp | Illumination optical system, exposure system, and method of manufacturing microdevice |
JP2003163393A (en) * | 2001-11-26 | 2003-06-06 | Nikon Corp | Light source unit and irradiation unit |
JP2007041239A (en) * | 2005-08-02 | 2007-02-15 | Fujifilm Corp | Color filter manufacturing method, color filter, and liquid crystal display device |
JP2008122785A (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Nikon Corp | Laser device, excimer laser device, light irradiation device, exposure device, light generation method, light irradiation method, exposure method, and method for manufacturing device |
JP2008124318A (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Nikon Corp | Laser apparatus, light irradiation apparatus and exposure apparatus, photoproduction method, exposing method and production method of device |
WO2009044517A1 (en) * | 2007-10-01 | 2009-04-09 | Panasonic Corporation | Wavelength conversion laser device and image display device using the same |
US20140204134A1 (en) * | 2013-01-18 | 2014-07-24 | Lawrence Goerzen | Projection system with additional series connected light valve for enhanced contrast |
JP2016027540A (en) * | 2014-06-30 | 2016-02-18 | ウシオ電機株式会社 | Light source device and projector |
JP2017505555A (en) * | 2013-10-20 | 2017-02-16 | エムティティ イノベーション インコーポレイテッドMtt Innovation Incorporated | Light field projector and method |
JP2017527111A (en) * | 2014-08-14 | 2017-09-14 | エムティティ イノベーション インコーポレイテッドMtt Innovation Incorporated | Multiple laser light sources |
JP2020170089A (en) * | 2019-04-03 | 2020-10-15 | 株式会社ディスコ | Ultra high-speed imaging device |
-
2022
- 2022-09-21 JP JP2022150349A patent/JP2024044673A/en active Pending
-
2023
- 2023-08-09 WO PCT/JP2023/029016 patent/WO2024062790A1/en unknown
Patent Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001083472A (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-30 | Nikon Corp | Optical modulating device, light source device and exposure source |
JP2002350914A (en) * | 2001-05-30 | 2002-12-04 | Nikon Corp | Light source device and irradiation device |
JP2003051438A (en) * | 2001-08-06 | 2003-02-21 | Nikon Corp | Reflecting member, method of adjusting the same, aligner method of manufacturing the same, and method of manufacturing microdevice |
JP2003059799A (en) * | 2001-08-10 | 2003-02-28 | Nikon Corp | Illumination optical system, exposure system, and method of manufacturing microdevice |
JP2003163393A (en) * | 2001-11-26 | 2003-06-06 | Nikon Corp | Light source unit and irradiation unit |
JP2007041239A (en) * | 2005-08-02 | 2007-02-15 | Fujifilm Corp | Color filter manufacturing method, color filter, and liquid crystal display device |
JP2008122785A (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Nikon Corp | Laser device, excimer laser device, light irradiation device, exposure device, light generation method, light irradiation method, exposure method, and method for manufacturing device |
JP2008124318A (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Nikon Corp | Laser apparatus, light irradiation apparatus and exposure apparatus, photoproduction method, exposing method and production method of device |
WO2009044517A1 (en) * | 2007-10-01 | 2009-04-09 | Panasonic Corporation | Wavelength conversion laser device and image display device using the same |
US20140204134A1 (en) * | 2013-01-18 | 2014-07-24 | Lawrence Goerzen | Projection system with additional series connected light valve for enhanced contrast |
JP2017505555A (en) * | 2013-10-20 | 2017-02-16 | エムティティ イノベーション インコーポレイテッドMtt Innovation Incorporated | Light field projector and method |
JP2016027540A (en) * | 2014-06-30 | 2016-02-18 | ウシオ電機株式会社 | Light source device and projector |
JP2017527111A (en) * | 2014-08-14 | 2017-09-14 | エムティティ イノベーション インコーポレイテッドMtt Innovation Incorporated | Multiple laser light sources |
JP2020170089A (en) * | 2019-04-03 | 2020-10-15 | 株式会社ディスコ | Ultra high-speed imaging device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2024044673A (en) | 2024-04-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7646489B2 (en) | Apparatus and method for measuring film thickness | |
US8339617B2 (en) | Film thickness measuring device and film thickness measuring method | |
JP2022069677A (en) | Light source device for light measurement, spectroscopic measurement device and spectroscopic measurement method | |
CN103471992B (en) | The light intensity smooth processing unit of xenon source and method in a kind of spectroscopic ellipsometers | |
CA2272033A1 (en) | Arrangement for determining the temperature and strain of an optical fiber | |
KR102229048B1 (en) | Thickness measuring apparatus and thickness measuring method | |
CN102155997A (en) | Optical fiber type laser wavelength meter | |
JP2002098591A (en) | Spectral oval polarimeter provided with refractive lighting optical system | |
CN115356281B (en) | A Multi-parameter Measurement Method of Mixed Gas Based on Infrared Broadband Light Source | |
CN110793942B (en) | Two-dimensional material morphology rapid characterization system and method based on color camera | |
JP3941432B2 (en) | Film thickness measurement method | |
WO2024062790A1 (en) | Optical measurement device | |
Pisani et al. | Fourier transform based hyperspectral imaging | |
JPH1047926A (en) | Device for measuring film thickness and method therefor | |
WO2022064875A1 (en) | Arrayed waveguide grating, broadband light source device, and spectrometer | |
CN114674745B (en) | Spectrum reconstruction method and spectrometer | |
WO2019202761A1 (en) | Spectrometer, imaging device, scanning device, and position measuring device | |
WO2022049986A1 (en) | Pulse spectroscopy device and multi-fiber radiation unit | |
US10240981B2 (en) | Optical spectrometer configuration including spatially variable filter (SVF) | |
JP3937748B2 (en) | Colored film thickness measuring apparatus and colored film thickness measuring method | |
CN210070874U (en) | Super spectral line scanning 3D measuring device | |
JP7486178B2 (en) | Spectroscopic equipment | |
JP2002328103A (en) | Instrument and method for measuring reflectivity for determining reflectivity in selected measuring portion of spectrum-dependent reflective measuring object | |
JP4622219B2 (en) | Color resist film thickness measuring device | |
WO2025028033A1 (en) | Light source device and light measurement device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23867916 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |